JP5589178B2 - 加圧流体流れシステムにおける応力解放 - Google Patents

Description

本発明は、加圧流体流れシステム、特に流体が構成要素のボアを通って高圧で流れるシステムにおける応力解放に関する。本発明は、特に、第１ボア(primary bore)を持つ構成要素又はエレメントが第１ボアとの交差部を持つ第２ボア(secondary bore)を必要とする場合に適用できる。

高圧流体流れシステムは、作動により発生する大きな応力に抵抗するように設計されている必要がある。このような流体流れシステムの一例は、内燃エンジンの燃焼空間への燃料の送出に使用される燃料インジェクタである。トラック用ディーゼルエンジンの燃料噴射等の高負荷用途について、燃料インジェクタは、少量の燃料を非常に高い圧力（３００ＭＰａ程度）で送出できなければならない。

このようなシステムにおける破壊の重大な原因は、引張応力である。亀裂は、圧縮応力でなく引張応力によって広がる。二つの流体ボア間の交差部では、こうしたシステムにおける交差部と関連した破壊の危険が大きい。これは、交差部が、一般的には、引張応力集中要因として作用するためである。製造費を低減するため、材料の等級を下げるのが望ましい。これは、通常は、材料強度の低下につながり、これによりこのような交差部での破壊の危険が増大する。

このような交差部は、燃料インジェクタの設計で必要とされることが多い。図１は、このような燃料インジェクタ設計で使用されるこのような構成要素スタックの一例である。本明細書中、このような交差部がこのような設計で必要とされる場合を例示するため、欧州特許出願第０９１６８７４６．７号に論じられたこの燃料インジェクタをここで論じる。

図１は、内燃エンジンの燃焼空間への燃料の送出に使用される燃料インジェクタの一部を示す概略図である。燃料インジェクタは、バルブニードル２０（一部を示す）及び三方ニードル制御バルブ（ＮＣＶ）１０を含む。インジェクタは、ガイド本体１２を含む。ＮＣＶ１０は、バルブハウジング１４及びシムプレート１６内に収容されている。シムプレート１６は、ガイド本体１２とバルブハウジング１４とを離間する。

バルブニードル２０は、ノズル出口開口部を通した関連した燃焼空間（図示せず）内への燃料の流れを制御するため、ＮＣＶ１０によって作動される。バルブニードルの下部分（図示せず）は、出口開口部を通した燃焼空間内への燃料の送出を制御するように、バルブニードル弁座と係合できるバルブ先端で終端する。バルブニードル２０の上端は、インジェクタ本体内に形成された制御チャンバ１８内に配置されている。この上端は、ガイド本体１２のガイドボア２２内で摺動し、ピストンとして作用する。制御チャンバ１８は二つの開口部を有する。一方の開口部は制御チャンバ１８の頂部にあり、シムプレート１６の軸線方向第１ドリル穴４２まで延びる。他方の開口部は制御チャンバ１８の側部にあり、ガイド本体１２の流れ通路５２内に開放している。流れ通路５２は、シムプレート１６の軸線方向第２ドリル穴４４まで延びる。これらの軸線方向ドリル穴４２、４４は、両方とも、横方向スロット４６を通して、ＮＣＶ１０について使用するためのシムプレートチャンバ３６に連結されている。

ＮＣＶ１０は、制御チャンバ１８内の燃料の圧力を制御する。ＮＣＶ１０は、上ガイド部分３２ａ及び下バルブヘッド部分３２ｂを持つバルブピンを含む。ガイド部分３２ａはＮＣＶハウジング１４内に形成されたガイドボア３４内で摺動する。バルブヘッド３２ｂは、チャンバ３６内で二つの弁座４８、５０間で摺動する。ガイド本体１２及びシムプレート１６を通って延びる供給通路３０を通って高圧燃料がＮＣＶ１０に達する。供給通路３０は、ガイドボア３４に側方から入る通路を通ってＮＣＶと連通する。燃料は、上文中に説明したように、横方向スロット４６を通ってＮＣＶを離れることができ、又は低圧ドレン４０と連通するドレン通路３８を通る。

上述のように、ＮＣＶ１０は、制御チャンバ１８内の圧力を制御し、及び従ってバルブニードル２０の移動を制御する。ＮＣＶ１０の一つの位置では、燃料はＮＣＶ１０を通過し、横方向スロット４６を通って制御チャンバ１８に流入し、これを加圧する。他の位置では、燃料は制御チャンバ１８に流入できないが、その代わり、燃料を横方向スロット４６に通し、及び従ってドレン４０に通す。この構成の詳細は、欧州特許出願第０９１６８７４６．７号に更に詳細に説明されている。

本願の教示に対する図１の構成の意味は、高圧インジェクタ設計における横方向ドリル穴の使用を例示するということである。二つの別の例を示す。流れ通路５２は、ガイド本体１２に形成した、制御チャンバ１８に至る横方向ドリル穴であり、燃料供給通路３０は、バルブハウジング１４の横方向ドリル穴を通ってガイドボア３４に流入する。これらの横方向ドリル穴の両方に低圧と非常に高い圧力との間のサイクルが加わり、かくして非常に高い引張応力に露呈される。これにより、亀裂が広がることによる構成要素の早期破壊の危険が生じる。

従って、高い引張応力に露呈された構成要素をこれらの応力から保護し、及び従って構成要素の寿命が疲労により制限されることから保護するのが望ましい。交差部の形状は、このような応力を減少するように設計されていてもよいが、これを確実に行うのは困難であり、生産コストが（機械加工及びプロセス開発の両方で）上昇する。正味引張応力を減少するため、圧縮応力が残留するように製造することによって使用できる従来の方法もある。このようなプロセスには、ショットピーニング（塑性変形を生じるのに十分な力で、表面にショットのボンバーを行う）及びオートフレッテージ（処理されるべきチャンバに別格に高い圧力を加える）が含まれるが、これらのプロセスは非常に費用がかかり、生産プロセスに悪影響を及ぼし、堅牢性についての問題を生じる。

欧州特許出願第０９１６８７４６．７号

従って、第１ボアへの横方向ドリル穴等の引張応力が非常に高い領域で、上文中に論じた従来技術の問題点を生じることなく、疲労による破壊が生じないようにするのが望ましい。

本発明によれば、穿孔エレメント(drilled element) 内の第１ボアと第２ボアとの交差部における引張応力を低減する方法であって、第１荷重エレメントによって穿孔エレメントに荷重を加える工程であって、第１荷重エレメントは穿孔エレメントの第１面に荷重を加える、工程と、穿孔エレメントの第１面に第１荷重エレメントによって荷重が加えられた場所に圧縮フープ応力を発生させる工程と、を含み、交差部は、圧縮フープ応力が、穿孔エレメントの交差部における引張応力に対して反作用を及ぼすように、穿孔エレメントの第１面に対して十分に近い、方法が提供される。

この方法は、予備加工工程（ショットピーニング及びオートフレッテージ等）を必要とせずに破壊点のところでの引張応力を減少する。こうした予備加工工程は、費用がかかり、堅牢性についての問題がある。この方法は、単に荷重力を使用し、交差部を、破壊を生じ易い引張応力レジームから、良好に許容された圧縮応力レジームに向かって移動することを教示する。

好ましくは、荷重力は、応力解放層にポアソン効果による応力を提供し、これにより、更に、穿孔エレメントの交差部に圧縮応力を提供する。
有利には、第１ボアは穿孔エレメントの第１面と第２面との間を延びており、方法は、更に、穿孔エレメントの第２面に第２荷重エレメントによって荷重を加える工程であって、荷重力により穿孔エレメントに曲げモーメントを加え、これにより穿孔エレメントの交差部に圧縮応力を加える工程を含む。

別の特徴では、本発明は、加圧流体流用のシステム内の穿孔エレメントを提供する。穿孔エレメントは第１ボア及び第２ボアを含み、第１ボア及び第２ボアの間に交差部が形成されており、第１ボアは穿孔エレメントの第１面から延びており、穿孔エレメント内の引張応力が、上文中に説明した方法によって低減される。

穿孔エレメントは実質的に円筒形であってもよい。穿孔エレメントの外径の第１ボアの直径に対する比は５よりも大きく、好ましくは８よりも大きい。
別の特徴では、本発明は、上述の穿孔エレメント及び第１荷重エレメントを含む、加圧流体流用システムであって、穿孔エレメントの第１面と、第１荷重エレメントにおける、第１面に対応する面との間に応力解放層が形成され、第１荷重エレメントから応力解放層を通して穿孔エレメントに荷重力が加えられ、応力解放層は、少なくとも、第１ボアと第２ボアとの間の交差部の下を延びているが、穿孔エレメントの第１面の少なくとも一部分に亘って延びていない、システムを提供する。

本発明の実施例では、応力解放層は、第１ボアの周囲に第１ボアと隣接して配置されている。特定の構成では、応力解放層は、穿孔エレメントの第１面に一体に形成されている。

応力解放層は実質的に環状であってもよい。応力解放層の外径の第１ボアの直径に対する比は２乃至７であってもよく、好ましくは、２．５乃至５であってもよく、最も好ましくは３乃至４であってもよい。

第２ボアの中心から第１荷重エレメントに隣接した応力解放層の面までの距離の第１ボアの直径に対する比は、２よりも小さく、好ましくは１よりも小さい。
特定の構成では、応力解放層は、交差部の下を、第１面のもう一つの部分よりも更に延びている。この場合、一つ又はそれ以上の荷重バランス領域が、穿孔エレメントの第１面と、第１荷重エレメントにおける、第１面に対応する面との間に設けられていてもよい。

別の態様では、本発明は、加圧流体流用システムであって、上文中に説明した穿孔エレメントと、第１荷重エレメントと、第２荷重エレメントとを含み、穿孔エレメントの第１面と、第１荷重エレメントにおける、第１面に対応する面との間に第１応力解放層が形成され、穿孔エレメントの第２面と、第２荷重エレメントにおける、第２面に対応する面との間に第２応力解放層が形成され、第１ボアは穿孔エレメントの第１面と第２面との間を延びており、第１荷重力が第１荷重エレメントから第１応力解放層を通して穿孔エレメントに加えられ、第２荷重力が第２荷重エレメントから第２応力解放層を通して穿孔エレメントに加えられ、第１応力解放層は第１ボアと第２ボアとの間の交差部の下を延びるが、穿孔エレメントの第１面の少なくとも一部分に亘って延びていない、システムを提供する。

好ましくは、第２応力解放層は、全体として、第１ボアから第１応力解放層よりも遠くに配置されている。荷重力のこの組み合わせ、即ちこれらの荷重力の適用及び位置により、穿孔エレメントに曲げモーメントを加え、これにより穿孔エレメントの交差部に圧縮応力を提供する。このような構成における穿孔エレメントの幅の穿孔エレメントの高さに対する比は少なくとも２であってもよく、好ましくは少なくとも４であってもよい。第１応力解放層及び第２応力解放層の両方が実質的に環状の特定の構成では、第２応力解放層の内径は第１応力解放層の外径よりも大きくてもよい。

本明細書中、「応力解放層」という用語は、上文中に説明した機構によって穿孔エレメントの一部から応力を解放するのに役立つ層を説明する上で使用される。これらの層は、二つの面、即ち穿孔エレメントの面及び荷重エレメントの面の間に存在し、これらの関連した面の一部のみをカバーする。このことは、荷重力が応力解放層を通って伝達されるということを意味する。勿論、これらの層は、或る意味で応力集中要因(stress concentrator) である（これらの層は、局所的圧縮応力を直接的に発生する）と考えることができるが、「応力解放層」という用語は、本明細書中、これらの層の機能的役割に鑑みて使用されるということは当業者には理解されよう。

幾つかの実施例では、第２ボアは第１ボアに対して実質的に直交する。他の実施例では、第２ボアは、交差部と応力解放層との間で第１ボアに関して鋭角をなす。
特定の実施例では、第１ボアは、第１及び第２の荷重エレメント間で穿孔エレメントに荷重を加えたとき、荷重力により第１ボアの壁を実質的に平行にするようにテーパしている。第１ボアの少なくとも一部のテーパは、少なくとも０．１％であってもよい。

これらの全ての構成において、加圧流体流用のシステムは、内燃エンジンで使用するための燃料インジェクタであってもよい。
次に、添付図面を参照して本発明を単なる例として説明する。

図１は、本発明の実施例を使用するのに適した従来技術の燃料インジェクタを示す図である。 図２は、本発明の実施例で使用される構成要素エレメントを示す基本的概略図である。 図３Ａ乃至図３Ｄは、図２に示す構成の一部における垂直方向荷重の効果を示す一連の概略図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、ボア及び穿孔部の交差部に高圧が繰り返し加わるサイクルについての応力レジームを、図３に示す効果が加わった場合及び加わってない場合で示す本発明の概略図である。 図５は、図２に示す構成における面レリーフの大きさと圧縮応力分布との間の関係を質的に示す図である。 図６は、図２に示す構成における面レリーフの大きさと横方向穿孔部高さとの間の関係を質的に示す図である。 図７は、図２に示す構成で外径をボア内径に対して変化することによる効果を示す図である。 図８は、図２に示す構成で横方向穿孔部高さを変化することによる効果を示す図である。 図９は、図２に示す構成で面レリーフの大きさを変化することによる効果を示す図である。 図１０Ａ乃至図１０Ｃは、本発明の実施例の別の特徴を示す、図２に示す構成要素に対する変更を示す図である。 図１１は、図２に示す構成で構成要素の高さを幅に対して変化することによる効果を示す図である。 図１２は、半径方向で非対称な面レリーフが設けられた構成要素の実施例を示す図である。 図１３は、図２の構成と同様であるが、横方向穿孔部が第１ボアに対して直交していない構成を示す図である。 図１４Ａ及び図１４Ｂは、図２の構成と同様であるが、テーパした第１ボアを持つ構成を示す図であり、図１４Ａには荷重が加わっていない状態が示してあり、図１４Ｂには荷重が加わった状態が示してある。

図２は、本発明の実施例で使用されるエレメントを示す。図２は、高圧流体流で使用するための構成要素１００の一般化した表示を提供する。この構成要素１００は、ここでは、第１ボア１１０を中心として半径方向で対称であるように示してあるが、以下に更に詳細に説明するように、このような半径方向対称性は、全ての実施例に備えられている必要はない。構成要素１００は、使用時に構成要素スタックの他の部品間で圧縮される。これらの他の部品は、第１ボア１１０内への及びここから外への流路を形成する。圧縮により、構成要素１００と、構成要素１００に対して加荷重エレメントとして作用するこれらの他の部品との間の境界での漏れを阻止する。

構成要素１００は、交差部１３０で第１ボア１１０と交差する第２ボア１２０を有する。高圧流体流レジーム（regime）、特に高圧と低圧との間で高速で繰り返しサイクルを行うレジームでは、このような交差部１３０には、一般的には、応力を緩和するための何らかの方策がとられていない限り、大きな引張応力が加わる。これは、従来は、ショットピーニング又はオートフレッテージによって行われたが、本明細書中に説明した別のアプローチでは、本明細書中において「面レリーフ(face relief)」と呼ぶ応力解放層１４０を使用し、第２ボア１２０との交差部１３０のところでの引張応力に対して反作用を及ぼす。この面レリーフ１４０は、構成要素１００の一方の面（ここでは下面１５０）の第１ボア１１０の周囲に配置されており、少なくとも一部が交差部１３０の下に配置されている。下面１５０の大部分には面レリーフ領域が設けられていない。これは、第１ボア１１０の領域の下面の面積の小さな割合しか占めないためである。

この一般的な種類の面レリーフ領域を、燃料インジェクタの構成要素スタック等で使用するための構成要素に設けることは珍しくない。このような面レリーフの従来の目的は、流体漏れを阻止するため、加荷重エレメントによって加えられた荷重をボアの周囲の小さな面積に集中することである。これは、シール接触圧力として周知である。従来行われてこなかったのは、面レリーフを使用してボア間の交差部での引張応力を制御する構成要素設計である。本明細書中、以下に図３Ａ乃至図３Ｄを参照して論じるように、このような構成を提供する。

図３Ａは、或る程度の弾性変形が可能な中実の構成要素に荷重を加えることによる効果を示す。構成要素の上部分は示してない（この部分には、力のバランスをとるように荷重が加えられているものと仮定できる）。図示のように、下からの接触圧力により垂直方向に圧縮が生じ、従って、ポアソン効果に従って横方向の膨張が生じる。膨張（即ち歪）の程度は、材料のポアソン比の関数であり、構成要素の形状の影響を受ける。ポアソン比は、周知の方法に従って決定されることができる（燃料インジェクタ構成要素で使用される代表的な鋼のポアソン比は、約０．３である）。

図３Ｂは、中実構成要素でなく、中央ボアを持つ構成要素にこのような荷重を加えた状態を示す。図３Ａに示すように、垂直方向圧縮による水平方向変形により、荷重が加えられた構成要素の外径が膨張するが、更に、中央ボアの内径が収縮する。

図３Ｃは、外径が遥かに大きいが同様の中央ボアを持つ遥かに大きい構成要素によって、荷重が加えられた構成要素の外径の半径方向変位を上方から制限することによる効果を示す。図３Ｃに示す荷重が加えられた構成要素は、図２の面レリーフ１４０と等価であると考えられてもよく、上記遥かに大きい構成要素（図３Ｃには示さず）は、構成要素１００のバルク部分(bulk part) と等しい。遥かに大きい構成要素の効果は、荷重が加えられた構成要素の外径を所定位置に固定することである。このことは、材料のポアソン比による半径方向変位が、荷重が加えられた構成要素の中央ボア（遥かに大きい構成要素にも中央ボアが設けられているため、遥かに大きい構成要素によってピン支持されていない）にしか作用しないということを意味する。これにより、かなり大きな圧縮フープ応力(compressive hoop stress) が加わる。結果的に発生したフープ応力は、遥かに大きな構成要素にも存在するが、その値は、荷重が加えられた構成要素からの距離が増大するに従って低下する。

図３Ｄは、第２ボアとの交差部についてのこの構成の意味を示す。上文中に論じたように、交差部は、通常は、特に加圧流が存在する場合、引張応力増大領域である。しかしながら、交差点には、ポアソン効果による圧縮フープ応力も存在する。実際には、このポアソン効果が強く作用する領域に配置された場合、コントロール穿孔(control drilling) は、この圧縮応力に対し、応力上昇要因(stress raiser) として作用する（従来、加圧流体流レジームにおける引張応力上昇要因として作用するのと同様に作用する）。

図４Ａは、交差点における時間に対する応力を、従来の構成（線４０１）及び図３Ｄのポアソン効果レジームが適用された場合（線４０２）で示す。ポアソン効果（又は任意の他の機構−一つの追加の機構を以下に更に詳細に論じる）が提供する圧縮応力がない場合には、高圧と低圧との間のサイクルにより交差部に非常に高い正味引張応力が繰り返し加わる（線４０１によって示す）。ポアソン効果による圧縮応力が上文中に説明したように提供された場合には、これは、高圧レジームと低圧レジームとの間の応力の変化の振幅を全く変化しないが、ベースラインを圧縮レジーム内に強く移動し、及び従って、ピーク圧力での応力を弱い引張レジーム内に移動する（ここでは線４０２によって示す−設計を適当に選択することにより、交差部を全ての作動圧力で圧縮レジーム内に保持できる）。構成要素は、代表的には、引張応力よりも遥かに高い圧縮応力を許容する。これは、引張応力が亀裂を開くのに対し、圧縮応力は亀裂を閉鎖状態に保持するためである。これを、降伏応力がσｙであり且つ疲労限度がσｆの所与の材料についての図４Ｂの修正されたヘイ図(Haigh diagram) に更に詳細に示す。応力の補償が行われていない状態での作動（点４０３）は、強度基準包絡線(strength criteria envelope)の外側（図４Ｂの上右領域）にあるのに対し、応力の補償が行われた状態での作動（点４０４）は、強度基準包絡線内にある。グラフに示すように、圧縮フープ応力は、平均応力を減少するが、同じ応力振幅を保持する（点４０３から点４０４まで垂直方向に移動する）。

図３Ｄでは、交差部は、面レリーフ内部にあるように示してある。これは、圧縮フープ応力を作用させるには必要ではない。なぜなら、この応力は、主構成要素内に上方に伝達されるからである。もっとも、第２ボア及び従って交差部が面レリーフから離れるに従って効果は大幅に減少する。面レリーフの大きさもまた、圧縮フープ応力を決定する上での重要な要因である。これは、第１ボアの直径のところで、及び従って交差部のところでわかる。これらの要因を図５及び図６で質的に探求する。

図５は、荷重力Ｆ及び横方向穿孔部高さｈが所与の一定の値である場合の交差部（図２に示す）での圧縮応力の変化を、面レリーフの環幅ｘに対して質的に示す。位置５１０は、結果的に得られた圧縮フープ応力が低いということを示す。わかるように、面レリーフが小さいため、主構成要素で高い圧縮フープ応力の小さな領域５１１が発生するが、この領域５１１が非常に小さいため、ボア間の交差部が領域の外になり、交差部での圧縮フープ応力は最小である。位置５２０は、この形状について、交差部のところでの最適の圧縮フープ応力を示す。応力が加わった領域５２１での圧縮フープ応力は、領域５１１での圧縮フープ応力よりも小さいが、この領域はかなり大きく、そのため交差部が優にその中に入る。位置５３０は、正味圧縮フープ応力が更に低いことを示す。この場合、面レリーフが非常に大きいので、応力が加わった領域５３１が大きい一方、この領域内の圧縮フープ応力は最小である。

この分析は、交差部を、単に、できるだけ面レリーフに近づけて配置し、面レリーフをできるだけ小さくするのが望ましいということを示唆する。これは実際的ではない。これは、他の潜在的破壊機構を考慮する必要があるためである。図６は、力Ｆが所与の一定の値である場合の圧縮応力曲線を質的に示す。異なる環幅ｘに関し、異なる曲線が、異なる交差部高さｈについて示してある。ピーク圧縮応力は、ほぼ最適の交差部高さ／面レリーフ比ｈ／Ｘを辿る。即ち、曲線６０１は、異なる高さについての別々の応力曲線６１０、６２０、及び６３０の最小値を通ってこの比を示す。面レリーフが小さい場合には、曲線６１０の位置６１１に示すように、非常に高い圧縮フープ応力が提供されるが、面レリーフの大きさが極めて小さく、横方向穿孔部が構成要素の面に極めて近いため、この設計では、他の高い応力及び従って他の主要な疲労リスクが生じる。面レリーフが比較的大きい場合には、曲線６２０の位置６２１に示すように、面レリーフを通って発生する圧縮応力は十分に効果的であり、新たな疲労リスクは発生しない。面レリーフが非常に大きい場合には、曲線６３０の位置６３１に示すように、単に、面レリーフが発生する圧縮応力は、有用であるには不十分である。

図７乃至図９は、システムの有限要素分析によって決定された、図２に示す変数のうち幾つかの変化の、交差部のところでの応力に及ぼされる効果を示す。
図７は、面レリーフの大きさが第１ボアの直径ｄに対して一定である場合の構成要素の外径Ｄ’の変化による効果を示す。比Ｄ’／ｄが小さい場合には、有用な圧縮応力効果はなく、効果が有用になる前にこの比が少なくとも５である必要がある。これは、比Ｄ’／ｄが小さい場合には、部品が、図３Ｂに示す外径の変形を阻止するのに十分なバルクを持たないに過ぎないためである。この変形は、圧縮応力を発生しない。比が８に達すると、横方向穿孔部の頂部及び底部の両方に（及び従って交差部に）有用な圧縮応力が加わる。

図８は、面レリーフの大きさ及び構成要素の直径が一定である場合の、穿孔部の高さｈの変化による効果を示す。この場合、面レリーフ外径Ｄの第１ボア直径に対する比は、３であるように選択される。圧縮応力の効果は、ｈ／ｄの値が２まで減少したとき、明らかになり始め、この比が更に減少すると更に顕著になる。ｈ／ｄが１又はそれよりも低い場合、大きな圧縮応力効果が存在する。

図９は、面レリーフの外径Ｄを変化することによる効果を示す。他の構成要素直径及び穿孔部高さｈは固定されている。上述のように、面レリーフが小さ過ぎると、大きな圧縮応力集中が提供されるが、構成要素における応力集中箇所が低過ぎ、穿孔部に影響を及ぼすことができない。これに対し面レリーフが大き過ぎると、引張応力を交差部のところで効果的に解放するには圧縮応力が不十分である。この構成では、Ｄ／ｄが２乃至７の範囲内にある場合に有用な効果がみられ、Ｄ／ｄが２．５乃至５の範囲内にある場合に比較的強い効果がみられ、Ｄ／ｄが３乃至４の範囲内にある場合に非常に強い効果がみられる。

図１０Ａ乃至図１０Ｃは、本発明の実施例の別の態様を例示する、図２に示す構成に対する変形例を示す。この構成では、構成要素１００ａは、図２に示す構成要素と同様の構成要素であるが、図１０Ａから明らかなように、構成要素の上面１６０に別の面レリーフ１７０を有する。上面レリーフ１７０は、内径及び外径が下面レリーフ１４０よりも遥かに大きい。比較的薄い構成要素１００ａについて、これにより、交差部１３０に圧縮応力を提供するための別の機構が形成される。

図１０Ｂは、構成要素１００ａに上下から荷重を加えることによる効果を示す。二つの面レリーフ１４０、１７０で荷重を加えることにより、構成要素１００ａに曲げモーメントが発生する。図１０Ｂからわかるように、この曲げモーメントにより、比較的小さい下面レリーフ１４０のところのボア領域に圧縮フープ応力が発生し、構成要素１００ａの上面１６０のボア領域に引張フープ応力が発生する。構成要素１００ａがその外径に関して比較的厚い場合にはこの効果は小さいが、薄い場合には顕著になる。交差部１３０の領域における応力を示す図１０Ｃに示すように、交差部は、この場合も応力集中要因として作用し、従って、この曲げモーメントにより発生した圧縮フープ応力に対する集中要因として作用する。

この効果は、図１０Ａに示す比較的大径の面レリーフ１７０がなくても、薄い構成要素については存在する。図１１は、ボア直径ｄ及び交差部高さｈが所与の一定の値である場合の、構成要素高さＨと構成要素直径Ｄ’との間の比と交差部での応力の変化を示す。Ｄ’／Ｈが２又はそれよりも大きく（Ｈ／Ｄ’が０．５又はそれよりも小さく）なるまでは、顕著な圧縮フープ応力はほとんど存在しないが、この効果は、Ｄ’／Ｈが４又はそれよりも大きい（Ｈ／Ｄ’が０．２５又はそれよりも小さい）場合には遥かに顕著になるということがわかる。

図２の構成の交差部１３０に圧縮応力を発生するため、図３Ａ乃至図３Ｄに示すポアソン効果圧縮応力及び図１０Ａ乃至図１０Ｃに示す曲げモーメント圧縮応力を一緒に使用できる。いずれの効果も、交差部のところに圧縮効果を提供するために独立して使用してもよい。本明細書中に示した実施例では、曲げモーメントの効果は、主に、ポアソン効果圧縮応力を強化するために使用されているが、曲げモーメントの効果それ自体で価値がある構成も提供される。

図１２は、交差部のところに圧縮フープ応力を提供するために面レリーフを使用する構成要素設計の別の実施例を示す。この構成要素１００ｂは、下方から見た図であり、第１ボア１１０の周囲に設けられた面レリーフ１４０ａは軸線方向で対称ではないということがわかる。面レリーフ１４０ａには、交差部１３０の下に面レリーフ１４０ａの他の部分よりも大きなランド１４１が設けられている。第１ボア１１０の周囲で半径方向に対称にではなく、交差部１３０の領域に圧縮フープ応力を更に集中させるため、この半径方向非対称が選択された（この半径方向対称は、交差部１３０の存在による応力集中効果によって既に破られている）。しかしながら、非対称な面レリーフ１４０ａにするために何らかの補償を行う必要がある。これは、補償を行わないと、荷重力により構成要素に正味回転モーメントが加わるためである。これは、破壊又は漏洩のリスクにつながる。従って、面レリーフ１４０ａの非対称性の効果のバランスをとるため、補償ランド１４２及び１４３が設けられる。

図２の構成に対する別の変更が図１３に示してある。この構成では、第２ボア１２０ｂは、第１ボア１１０に対して直角ではなく、第１ボア１１０に対して所定の角度をなしている。これは、交差部で応力のバランスをとるのに使用することができる。なぜなら、この構成では、通常、交差部１３０の下部分により大きな応力が加わるが、下部分が面レリーフにより近いために、より大きな圧縮フープ応力も加わり、これにより補償がなされるからである。

流体流れに対するシール力を提供することが面レリーフに要求されない場合には、設計上の大きな自由が得られる。例えば、図１０Ａ乃至図１０Ｃの構成では、別の面レリーフ１７０は、シール力を提供する上では必要ではなく、図１０Ａに示すように環状である必要はない。例えば、別の態様では、この面レリーフ１７０は、第１ボア１１０の周囲に対称に配置された複数のパッドとして提供されてもよい。

図１４Ａ及び図１４Ｂは、上述の応力解放方法を使用する構成要素の実施例の第１ボア１１０ａに対する別の変更を示す。このような構成要素の多くは、おそらくは第１ボア１１０ａ内への第２ボア１２０からの流れをシールするように第１ボア１１０ａ内で往復するニードル状ピストン１７０とともに、作動する。圧縮フープ応力を発生するために面レリーフ１４０を使用することにより、ボアの形状が或る程度変化してもよい。例えば、交差部１３０での応力は、第２ボア１２０を交差部１３０のところで垂直方向に長い「ラグビーボール」形状に変形する傾向がある。第１ボア１１０ａでは、圧縮フープ応力を使用することにより、構成要素の下面１５０の領域の第１ボア１１０ａの直径を、構成要素の上面１６０の領域の第１ボア１１０ａの直径に対して減少してもよい。しかしながら、ニードル状ピストン１７０をボアに比較的ぴったりと嵌着し、漏れのない効率的なシールを確保するのが望ましい。これは、荷重が加わっていない状態で第１ボア１１０ａにテーパを付けることによって行うことができる（図１４Ａ参照）。これにより、交差部１３０の領域での荷重及び圧縮フープ応力が第１ボア１１０ａを変形し（図１４Ｂ参照）、ピストンの作動範囲内の実質的に一定の直径のものにする（即ち真のボア又は平行ボア）。別の方法は、ボアでなくピストンにテーパを付ける方法である。約３００ＭＰａの圧力下で作動する大型燃料インジェクタ内の力条件について、必要とされる直径におけるおおよそのテーパは、３ｍｍ乃至５ｍｍの長さに亘り、約１０μｍである。

当業者は、これらの実施例に対するこの他の変更及び特許請求の範囲の範疇のこの他の構成を、本明細書中の教示に従って提供できる。

１００ 構成要素
１１０ 第１ボア
１２０ 第２ボア
１３０ 交差部
１４０ 面レリーフ（応力解放層）
１５０ 下面

Claims (20)

1. 加圧流体が流れる間、穿孔エレメント内の第１ボアと第２ボアとの交差部における引張応力を低減する方法であって、
   第１荷重エレメントによって前記穿孔エレメントの第１面に荷重を加えることにより、前記穿孔エレメントの前記第１面における、前記第１荷重エレメントによって荷重が加えられた場所に圧縮フープ応力を発生させる工程を含み、
   前記工程において、
   前記穿孔エレメントの前記第１面には、前記交差部における引張応力に対抗する圧縮応力を発生させる応力解放層が、前記第１荷重エレメントにおける前記第１面に対応する面に面するように形成されており、
   前記第１荷重エレメントから前記応力解放層を通して前記穿孔エレメントに荷重力が加えられ、
   前記応力解放層は、少なくとも、前記第１ボアと前記第２ボアとの間の前記交差部
   に面するように前記第１面に沿って延びているが、前記穿孔エレメントの前記第１面の少なくとも一部分に亘って延びておらず、
   前記交差部は、前記圧縮フープ応力が、前記穿孔エレメントの前記交差部における引張応力に対抗するように、前記穿孔エレメントの前記第１面に対して位置決めされている、方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記荷重力が応力解放層にポアソン効果による応力を提供し、これにより、更に、前記穿孔エレメントの前記交差部に圧縮応力を提供する、方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、
   前記第１ボアは前記穿孔エレメントの前記第１面と第２面との間を延びており、
   前記方法は、更に、前記穿孔エレメントの前記第２面に第２荷重エレメントによって荷重を加える工程であって、荷重力により前記穿孔エレメントに曲げモーメントを加え、これにより前記穿孔エレメントの前記交差部に圧縮応力を加える工程を含む、方法。
4. 加圧流体流用のシステム内の穿孔エレメントであって、
   前記穿孔エレメントは第１ボア及び第２ボアを含み、前記第１ボア及び前記第２ボアの間に交差部が形成されており、
   前記第１ボアは前記穿孔エレメントの第１面から延びており、
   前記穿孔エレメント内の引張応力が、請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の方法によって低減される、穿孔エレメント。
5. 請求項４に記載の穿孔エレメントにおいて、
   前記穿孔エレメントは実質的に円筒形である、穿孔エレメント。
6. 請求項５に記載の穿孔エレメントにおいて、
   前記穿孔エレメントの外径の前記第１ボアの直径に対する比は５よりも大きい、穿孔エレメント。
7. 請求項４乃至６のうちのいずれか一項に記載の穿孔エレメント及び第１荷重エレメントを含む、加圧流体流用システム。
8. 請求項７に記載のシステムにおいて、
   前記応力解放層は、前記第１ボアの周囲に前記第１ボアと隣接して配置されている、システム。
9. 請求項７又は８に記載のシステムにおいて、
   前記応力解放層は、前記穿孔エレメントの前記第１面に一体に形成されている、システム。
10. 請求項７、８、又は９に記載のシステムにおいて、
    前記応力解放層は実質的に環状である、システム。
11. 請求項１０に記載のシステムにおいて、
    前記応力解放層の外径の前記第１ボアの直径に対する比は２乃至７である、システム。
12. 請求項７乃至１１のうちのいずれか一項に記載のシステムにおいて、
    前記第２ボアの中心から前記第１荷重エレメントに隣接した前記応力解放層の面までの距離の前記第１ボアの直径に対する比は、２よりも小さい、システム。
13. 請求項７乃至１２のうちのいずれか一項に記載のシステムにおいて、
    前記応力解放層は、前記交差部に面するように前記第１面に沿って、前記第１面の前記第１ボアに対して半径方向に非対称に延びている、システム。
14. 請求項１３に記載のシステムにおいて、
    前記応力解放層を通して前記穿孔エレメントに加わる荷重力のバランスをとるように、一つ又はそれ以上の荷重バランス領域が、前記穿孔エレメントの前記第１面と、前記第１荷重エレメントにおける前記第１面に対応する面との間に設けられている、システム。
15. 加圧流体流用システムであって、
    請求項４乃至６のうちのいずれか一項に記載の穿孔エレメントと、
    第１荷重エレメントと、
    第２荷重エレメントと、を含み、
    前記穿孔エレメントの前記第１面と、前記第１荷重エレメントにおける前記第１面に対応する面との間に第１応力解放層が形成され、
    前記穿孔エレメントの第２面と、前記第２荷重エレメントにおける前記第２面に対応する面との間に第２応力解放層が形成され、
    前記第１ボアは前記穿孔エレメントの前記第１面と前記第２面との間を延びており、
    第１荷重力が前記第１荷重エレメントから前記第１応力解放層を通して前記穿孔エレメントに加えられ、
    第２荷重力が前記第２荷重エレメントから前記第２応力解放層を通して前記穿孔エレメントに加えられ、
    前記第１応力解放層は、少なくとも、前記第１ボアと前記第２ボアとの間の前記交差部に面するように前記第１面に沿って延びているが、前記穿孔エレメントの前記第１面の少なくとも一部分に亘って延びていない、システム。
16. 請求項１５に記載のシステムにおいて、
    前記第２応力解放層は、全体として、前記第１ボアから前記第１応力解放層よりも遠くに配置されている、システム。
17. 請求項１５又は１６に記載のシステムにおいて、
    前記穿孔エレメントの幅の前記穿孔エレメントの高さに対する比は少なくとも２である、システム。
18. 請求項１５、１６、又は１７に記載のシステムにおいて、
    前記第１応力解放層及び前記第２応力解放層は、両方とも、実質的に環状であり、前記第２応力解放層の内径は前記第１応力解放層の外径よりも大きい、システム。
19. 請求項１５乃至１８のうちのいずれか一項に記載のシステムにおいて、
    前記第１ボアは、第１及び第２の荷重エレメント間で前記穿孔エレメントに荷重が加えられたとき、荷重力により第１ボアを実質的に一定の直径にするようにテーパしている、システム。
20. 請求項７乃至１９のうちのいずれか一項に記載のシステムを含む、内燃エンジンで使用するための燃料インジェクタ。

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