JP5168661B2

JP5168661B2 - ダイアフラム式コンプレッサ

Info

Publication number: JP5168661B2
Application number: JP2009007879A
Authority: JP
Inventors: 泰介宮本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: JP2010164002A

Description

本発明は、ガスを圧縮するダイアフラム式コンプレッサに関する。

可燃性、毒性、腐食性、放射性などを有するガスを圧縮するコンプレッサとして、ダイアフラム式コンプレッサが用いられている。
このダイアフラム式コンプレッサに用いられるダイアフラムの耐用期間を向上させるために、その素材である耐食性金属材料の疲労強度を改善するとともに、材料に含まれる不純物の粒界濃度を低下させて耐腐食性を改善する技術がある（例えば、特許文献１参照）。
また、ダイアフラムの曲げ応力が大きく疲労し易い外周部に対してショットピーニング処理を施し、曲げ疲労強度を増大させる技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−９５６３９号公報実開平５−６３４４号公報

ところで、ダイアフラムには、繰り返しの曲げ応力が作用し、特に、外周部分での固定箇所では、固定側との間で微小摺動が生じてフレッティング疲労が生じると考えられている。
このようなダイアフラムにおいては、耐腐食性を改善して耐用期間を向上させても、十分な耐久性が得られず、また、ショットピーニング処理では、表面近傍だけにしか残留応力が付与できず、疲労強度の増大に限度があった。
また、ショットピーニング処理によって表面が粗くなると、固定側との間でのＯリングなどによるシール性が低下するおそれもある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、良好なシール性を得つつ、十分に疲労強度が高められたダイアフラム式コンプレッサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のダイアフラム式コンプレッサは、周縁が挟持されて固定されたダイアフラムを有するダイアフラム式コンプレッサであって、前記ダイアフラムは、チタン合金から形成され、少なくとも固定箇所近傍の内周側が、周方向へわたってローラを押圧して圧縮残留応力を付与した応力付与部とされている。

この構成によれば、十分な引っ張り強度を有しかつ弾性係数が比較的低く、従って発生応力の低いチタン合金からダイアフラムが形成され、さらに、繰り返しの曲げ応力が作用するダイアフラムの固定箇所近傍の内周側が、ローラによって押圧されることにより圧縮残留応力が付与された応力付与部とされて十分に疲労強度が向上されているので、繰り返しの曲げ応力の作用による疲労が原因となる亀裂の発生を抑制することができ、長寿命化を図ることができる。

本発明のダイアフラム式コンプレッサによれば、固定箇所における良好なシール性を得つつ、ダイアフラムの疲労強度を十分に高めることができる。

本実施形態に係るダイアフラム式コンプレッサの断面図である。（ａ）及び（ｂ）はそれぞれダイアフラムの第１及び第２実施形態に係る平面図である。ダイアフラムへの応力付与部の付与の仕方を示す説明図である。（ａ）及び（ｂ）はダイアフラムの変形を示すそれぞれダイアフラムの断面図である。ダイアフラムの厚さ方向における応力分布を示す図である。

以下、本発明に係るダイアフラム式コンプレッサの実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、ダイアフラム式コンプレッサの断面図である。図１に示すように、このダイアフラム式コンプレッサ１１は、ガスプレート１２とオリフィスプレート１３との間に、ダイアフラム１４が配設されている。

ガスプレート１２及びオリフィスプレート１３には、対向する面に、球面状の凹部１５，１６が形成されている。
ダイアフラム１４は、図２に示すように、円形状に形成されたもので、その外周部分が、ガスプレート１２及びオリフィスプレート１３のそれぞれの凹部１５，１６よりも外周側の部分にて挟持されて固定されている。なお、このダイアフラム１４の外周部分を固定する環状の固定箇所１７には、ダイアフラム１４の表裏に、Ｏリング１８が配置され、固定箇所１７におけるシール性が確保されている。

上記ダイアフラム式コンプレッサ１１では、ガスプレート１２の凹部１５とダイアフラム１４との間に形成された空間部が圧縮室２１とされ、オリフィスプレート１３の凹部１６とダイアフラム１４との間に形成された空間部が作動室２２とされている。

ガスプレート１２には、吸入弁２５を有する吸入口２６及び吐出弁２７を有する吐出口２８が設けられており、吸入口２６及び吐出口２８が圧縮室２１に連通されている。また、作動室２２には、複数の流路２９を介してオリフィスプレート１３に形成された油圧室３０が連通されており、これら作動室２２、流路２９及び油圧室３０には、作動油Ｏが充填されている。なお、吸入弁２５及び吐出弁２７は、逆止弁からなり、したがって、吸入口２６では、ガスは圧縮室２１へ流入する方向へ向かってのみ流れ、吐出口２８では、ガスは圧縮室２１から流出する方向へ向かってのみ流れる。

ダイアフラム１４は、チタン合金（Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ）から形成されている。これにより、このダイアフラム１４は、その縦弾性係数が約１１３ＧＰａとされ、引っ張り強度が約１４００ＭＰａとされている。

また、このダイアフラム１４は、外縁から固定箇所１７及び固定箇所１７の近傍部分にわたる範囲（図２（ａ）中ハッチングの範囲）もしくは固定箇所１７の内縁近傍部分（図２（ｂ）中ハッチングの範囲）が、圧縮残留応力が付与された応力付与部１４ａとされている。

ここで、ダイアフラム１４に圧縮残留応力を付与して応力付与部１４ａを設けるには、図３に示すように、ターンテーブル３１にダイアフラム１４を配置させた状態にて、ターンテーブル３１を回転させながら、応力付与部１４ａとする部位に、押圧ローラ３２を押し付ける。

上記のダイアフラム式コンプレッサ１１において、油圧室３０の油圧が下がり、作動室２２が負圧となると、図４（ａ）に示すように、ダイアフラム１４が作動室２２側へ変形して凹部１６に密着する。すると、圧縮室２１の体積が増加し、これにより、吸入弁２５を介して吸入口２６から圧縮室２１内にガスＧが流入する。この状態から油圧室３０の油圧が上がり作動室２２に作動油Ｏが入り込むと、図４（ｂ）に示すように、ダイアフラム１４が圧縮室２１側へ変形して凹部１５に密着するまで押し出される。すると、圧縮室２１内のガスＧが吐出弁２７を介して吐出口２８から送り出される。

そして、このように、油圧室３０の油圧を変動させてダイアフラム１４を作動室２２側及び圧縮室２１側へ交互に変形させることにより、ガスＧが圧縮される。

上記のように、ダイアフラム式コンプレッサ１１によってガスＧを圧縮させると、繰り返し変形するダイアフラム１４には、特に、固定箇所１７の内周側近傍部分（図４（ａ）におけるＡの部分）にて、繰り返しの曲げ応力が作用する。

しかし、上記のダイアフラム式コンプレッサ１１は、十分な引っ張り強度を有しかつ弾性係数が比較的低く、従って発生応力の低いチタン合金からダイアフラム１４が形成され、さらに、繰り返しの曲げ応力が作用するダイアフラム１４の固定箇所１７近傍の内周側が、押圧ローラ３２によって押圧することで圧縮残留応力が付与された応力付与部１４ａとされて十分に疲労強度が向上されているので、繰り返しの曲げ応力の作用による疲労が原因となる亀裂の発生を抑制することができ、長寿命化を図ることができる。

また、固定箇所１７の内縁近傍部（固定箇所１７から凹部１５，１６へ至る境界部）では、繰り返しの変形により、ダイアフラム１４は曲げ変形すると同時に径方向（図４（ａ）における矢印Ｂ方向）へも微小摺動し、フレッティング疲労が生じ易くなると考えられるが、本実施形態のダイアフラム式コンプレッサ１１によれば、押圧ローラ３２によって押圧することでダイアフラム１４に圧縮残留応力が付与された応力付与部１４ａが設けられて十分に疲労強度が向上されているので、耐フレッティング性も向上させることができる。

図５に示すものは、ダイアフラムの厚さ方向における応力分布を示している。
図５に示すように、ガスの圧縮動作時にダイアフラム１４に発生する曲げ応力分布（図５中符号イにて示す）は、ダイアフラム１４の表面で最大となり、肉厚の中心でゼロとなる直線で表される。

ここで、ダイアフラム１４にショットピーニング処理を施した場合、その残留応力分布（図５中符号ロにて示す）は、表面付近だけに留まり、また、残留応力の引張り応力がピークとなる深さにて、外力との合成応力（図５中符号ニにて示す）が材料の疲労強度を上回り、亀裂などの破壊が発生し易くなる。

これに対して、繰り返しの曲げ応力が作用する固定箇所１７の近傍部分を含む範囲を、押圧ローラ３２によって押圧することで圧縮残留応力が付与された応力付与部１４ａとした本実施形態では、その応力分布（図５中符号ハにて示す）がダイアフラム１４の肉厚の略中心近くの深さまで達することとなり、残留応力の引張り応力がピークとなる深さにて、外力との合成応力（図５中符号ホにて示す）が材料の疲労強度を下回ることとなり、亀裂などの破壊が発生し難くなる。

したがって、繰り返しの曲げ応力が作用する固定箇所１７の近傍部分に、押圧ローラ３２によって押圧することで圧縮残留応力が付与された応力付与部１４ａを設けたダイアフラム１４を備えたダイアフラム式コンプレッサ１１によれば、ダイアフラムにショットピーニング処理を施した場合と比較して、疲労強度をより向上させることができる。

また、ダイアフラム１４の表面が粗くなるショットピーニング処理は、Ｏリング１８でのシール性が低下するため、外縁近傍部分に処理できず、したがって、この外縁近傍部分をマスキングする必要がある。

このように、ショットピーニング処理を施す場合、処理箇所以外をマスキングしなければならないのに対して、本実施形態では、押圧ローラ３２を押し付けてターンテーブル３１を回転させることにより、応力付与部１４ａを設けるので、煩雑なマスキング作業を不要とすることができ、簡単な装置にて品質の向上も図ることができる。

しかも、本実施形態では、押圧ローラ３２を押し付けるので、ダイアフラム１４をより平滑にすることができ、よって、Ｏリング１８でのシール性の低下を考慮することなく、外縁近傍部分を含めて押圧ローラ３２を押し付けて圧縮残留応力を付与することができる。

なお、押圧ローラ３２を押し付けて圧縮残留応力を付与する範囲（図２中ハッチングの範囲）が、ダイアフラム１４の外縁から固定箇所１７の近傍部分とされているので、押圧ローラ３２の押し付けによる塑性加工で生じる歪を極力抑えることができる。

ここで、一般的に、ダイアフラムとしては、ＳＵＳ３０１などのオーステナイト材料が用いられる。このオーステナイト材料は、オーステナイト構造（結晶構造、面心立方）が不安定なため、冷間圧延などの加工がなされるとマルテンサイト変態（体心立方構造）を生じて硬くなり、加工硬化と変態により強度が高くなる。また、ダイアフラムとしては、ＳＵＳ６３１などの析出硬化型のステンレス鋼も用いられる。また、これらステンレス材料は、入手し易く耐食性が良好であることからもダイアフラムとして用いられる。

しかし、ダイアフラムは、荷重を負担する部品でないので、その機能を考えた場合、ＳＵＳ３０１やＳＵＳ６３１などのステンレス材料を用いるのは適正とはいえず、むしろ、弾性係数の低い材料を用いて過大な応力を発生させないことが好ましい。

本実施形態のダイアフラム１４として用いたチタン合金は、その縦弾性係数が、ステンレス材料（ＳＵＳ３０１）の縦弾性係数２０４ＧＰａに対して約半分の約１１３ＧＰａである。

このように、チタン合金は、縦弾性係数が低いので、同じ歪に対する応力が下がる。なお、ダイアフラムでは、変形範囲が固定されているので、歪は一定となる。

また、疲労比（疲労強度／引っ張り強度）は、ステンレス材料では、０．２〜０．３であるのに対して、チタン合金では、０．５〜０．６と高く、長寿命化が可能である。

しかも、チタン合金は、耐食性も良く、長期間の使用でも良好な耐腐食性を持続させることができる。

また、燃料電池車両用の水素ステーションに用いた場合、水素ガスによって脆化し易いステンレス材料に対して、チタン合金は水素脆化に対しても問題なくダイアフラム１４の材料として用いることができる。

また、ステンレス材料（ＳＵＳ３０１）の引っ張り強度１６００ＭＰａに対して、チタン合金の引っ張り強度は、少し低いが十分な約１４００ＭＰａであり、メンテナンスフリーとしても余裕がある。

ここで、疲労強度を推定すると、引っ張り強度１５００ＭＰａのステンレス材料では、疲労比を０．３とすると、１５００ＭＰａ×０．３＝４５０ＭＰａとなる。これに対して、引っ張り強度５００ＭＰａのチタン合金では、疲労比を０．５とすると、５００ＭＰａ×０．５＝２５０ＭＰａとなる。

しかし、チタン合金は、縦弾性係数が低いため、ダイアフラムに発生する応力を約１／２とすることができる。これにより、推定される疲労強度は、２５０ＭＰａ×２＝５００ＭＰａとなり、ステンレス材料に相当する。

１１…ダイアフラム式コンプレッサ、１４…ダイアフラム、１４ａ…応力付与部、１７…固定箇所、３２…押圧ローラ（ローラ）。

Claims

周縁が挟持されて固定されたダイアフラムを有するダイアフラム式コンプレッサであって、
前記ダイアフラムは、チタン合金から形成され、少なくとも固定箇所近傍の内周側が、周方向へわたってローラを押圧して圧縮残留応力を付与した応力付与部とされているダイアフラム式コンプレッサ。