JP7309475B2

JP7309475B2 - 逆止弁および圧縮機

Info

Publication number: JP7309475B2
Application number: JP2019117676A
Authority: JP
Inventors: 紘太郎千葉; 正彦高野; 茂幸頼金; 謙次森田
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2039-06-25
Also published as: JP2021004626A

Description

本発明は、逆止弁に関し、特に容積形圧縮機の吸込流路に接続される逆止弁に関する。

容積形圧縮機には、負荷の増減に応じて吸気量を調整するための容量制御機能や、運転停止時において圧縮された流体の一部が逆流し大気中に放出することを防ぐため逆止機能が必要である。そのため圧縮機の上流側には吸込逆止弁を設けることが一般的である。

この吸込逆止弁の一般的な構造としては、例えば特許文献１があげられる。特許文献１には、「バルブ部材スプリング１５と、閉塞用円板１３に向かって流れがちな室２内の流体力とは結合して、バルブ部材７をピストン６から伸ばし、入口４を閉塞する。こうしていかなる逆流も防止される。」と記載されている。

特表２００６－５１３４７５号公報

容積形圧縮機は、作動気体の吸込工程が不連続に行われるため、逆止弁を通過する流量が絶えず変動する。従って、特許文献１に記載のバルブ部材スプリングに支持された閉塞用円板近傍の流速が、変動することにより、動圧も変動するため、閉塞用円板に働く流体力も変動する。これにより、閉塞用円板が振動し、圧縮機全体の振動や騒音を増長する懸念がある。

この現象は、閉塞用円板（弁板）を支持するバルブ部材スプリングの変位量が変わらないように閉塞用円板を一方に押し付ける流体力が十分でなかったり、逆止弁を通過する流量の変動が大きかったりする場合に顕著になる。そして、最悪の場合には閉塞用円板がバルブ部材スプリングの支持部などに衝突し騒音を発生させたり、逆止弁の構成部品を損傷させる懸念がある。
本発明の目的は、逆止弁における弁板が脈動により揺れるのを防ぐことにある。

本発明の好ましい一例は、気体の流入口から流出口までの流路を内部に有するハウジングと、前記ハウジングの内部を摺動するように配置されたシャフトと、前記シャフトを挿通し、前記シャフトと摺動可能に配置された弁板と、前記弁板と前記シャフトとの間に配置された弾性体と、前記弁板の前記流出口に対向する面に、前記気体が溜まるよどみ領域を有する逆止弁である。

本発明によれば、脈動により弁板が揺動しにくい逆止弁を実現することが可能となる。

実施例１における吸込逆止弁の断面図である。実施例１におけるＡ－Ａ断面図である。実施例１におけるＢ部詳細図である。実施例２における吸込逆止弁の断面図である。実施例２におけるＡ－Ａ断面図である。実施例２におけるＢ部詳細図である。実施例３における吸込逆止弁の断面図である。実施例３におけるＡ－Ａ断面図である。実施例３におけるＢ部詳細図である。実施例を適用する容積形圧縮機を示す図である。実施例の前提となる吸込逆止弁の断面図である。

実施例を説明する前に、本実施例を適用する容積形圧縮機を図１０で説明する。また、実施例の特徴は後述するが、吸込逆止弁について、実施例の前提となる機能について図１１を用いて説明する。

図１０において、圧縮機本体１の上流側に吸込逆止弁２が接続されている。圧縮機本体１の下流側には、圧縮気体に混入した油を分離するための気液分離器３と、圧縮気体を冷却する熱交換器４が配管を介して接続されている。

気液分離器３の下流側で熱交換器４の上流側には吐出調圧弁５が接続されている。気液分離器３に接続された操作空気取出口６から電磁弁７と吸込調圧弁８とが分岐して接続されている。図１０では省略しているが、気液分離器３の油を圧縮機本体１に戻す配管が備え付けられている。

電磁弁７と吸込調圧弁８の逆止弁側の配管は、合流して吸込逆止弁２の操作圧力室９に接続されている。熱交換器４を通過した圧縮空気は各圧縮空気を消費する機器へと分配される。

ところで、圧縮機本体１は、負荷の増減に応じて吸気量を調整するための容量制御機能や、運転停止時において圧縮された流体の一部が逆流し大気中に放出することを防ぐため逆止機能が必要である。

この逆流には、圧縮空気とともに配管系に溜まっていた油までが逆流してしまう場合がある。その場合、圧縮機本体１の上流側にある吸込フィルタ（図示は省略）が油で使用不能になってしまう可能性がある。

そのため、この種の圧縮空気サイクルの配管系では圧縮機本体１の上流側に吸込逆止弁２が取り付けられ、弁板１０で流出口１１を閉めて油の戻りを止めるようになっている。

図１１に示すように、この吸込逆止弁２は、気体の流入口３１から流出口１１までの流路を内部に有するハウジング１２と、ハウジング１２によって形成された流路中に取り付けられたピストン１３と、ピストン１３と一体で移動しハウジング１２の内部にて摺動するように配置されたピストンシャフト１４と、ピストンシャフト１４を挿通する挿通部を有しピストンシャフト１４との間で摺動可能にする摺動部を介しその先端に弾性体であるバネ１５を取り付けられた弁板１０とにより構成される。バネ１５は、弁板１０とピストンシャフト１４との間に配置される。

吸込フィルタを通過した空気は、流入口３１から吸込逆止弁２に導入され、流出口１１から圧縮機本体１へ送られる。

圧縮機本体１の運転中には、電磁弁７を介して、圧縮機本体１が作り出す圧縮空気の一部が操作圧力室９に導入されることで、操作圧力室９の圧力が高まる。また、弁板１０に働く流体力によりバネ１５が圧縮されることで流出口１１が開いた状態になる。

圧縮機本体１の停止時には、原則、吸込調圧弁８が開放することで操作圧力室９内の圧縮空気を外部に開放し、操作圧力室９内の圧力を低下させる。そして、バネ１５が伸張され、ピストン１３およびピストンシャフト１４が移動することで弁板１０をハウジング１２の方向に移動させ流出口１１を閉じた状態にする。

ただし、一般的に操作圧力室９内の圧力を低下させるためには時間がかかる場合が多いため、その間に上記の通り油が逆流して吸込逆止弁２を通過してしまう懸念がある。

そのため、バネ１５の復元力と弁板１０に働く作動気体の逆流の流体力により瞬時に流出口１１が閉じるようになっている。図１１についての前述の説明は、実施例と共通しているので、以下の実施例の説明には、その共通部分の説明は省略する。

以下、実施例１を図１、図２、および図３を用いて説明する。なお、本実施例は作動気体として空気を圧縮し、その運転中の圧縮機内に外部から油を供給する給油式空気圧縮機の上流側に設置される吸込逆止弁に関するものである。また、図１０および図１１と同一番号は同一物であるので、その説明は省略する。

図１は、実施例１における吸込逆止弁の断面図である。図１では、操作圧力室９内に圧縮空気が導入され、弾性体であるバネ１５の復元力と吸込空気の流体力が、略等しい（等しい場合を含む）状態にあるため、流出口１１が開いた状態になる。本実施例は、この状態における吸込気体の脈動による問題を解決する。

図２は、図１のＡ－Ａ断面図を示し、図３は、図１のＢ部の詳細図を示す。一般的に容積形圧縮機は吸込行程が断続的になされるため、圧縮機構及び運転速度に起因して吸込空気に脈動が生じる。

それ故、弁板１０の特に流出口１１に対向する面の近傍における空気の流速が絶えず変化する。流速が変化すると、その領域の動圧が変化するため、それに伴い静圧も変化する。

弁板１０近傍の静圧が変動することは、すなわち弁板１０に働く流体力の変動につながるため、バネ１５が流体力の変動に合わせて伸縮し、弁板１０はピストンシャフト１４の軸方向に揺動する。

弁板１０の揺動は、圧縮機本体１の騒音および振動を増大させるばかりか、弁板１０とピストンシャフト１４との間で摺動可能とする摺動部の損傷を引き起こす。また、揺動が大きくなりすぎると、弁板１０とピストンシャフト１４のバネ支持部１６が衝突し、両者の破損を引き起こす懸念がある。

そこで、本実施例においては、弁板１０の流出口１１と対向する面に、ピストンシャフト１４を囲むように環状に形成された凸部１７を備えている。弁板１０における環状の凸部の内壁１８と、ピストンシャフト１４側の内壁１９との間には、吸込空気が溜まるよどみ領域２０が形成される。

実施例１によれば、凸部に囲まれた領域は、吸込空気の出入りが少ないため流速が小さく、すなわち、よどみ領域になるため、動圧が著しく小さくなり、よどみ領域２０の表面に働く流体力の変化は小さくなる。

そのため、弁板を支持するバネの変位量が固定されていなく上下に揺れる場合や、吸込空気に脈動が生じた場合においても、弁板１０近傍の動圧の変動に伴う流体力の変動を小さくすることができる。その結果、弁板１０の揺動を防ぐことが可能となり、吸込逆止弁２の騒音および振動の抑制に繋がる。また、同様の理由により、弁板１０とピストンシャフト１４の摺動部の損傷を防ぐことも可能となる。

以下、実施例２を図４、図５、および図６を用いて説明する。図４は、実施例２における吸込逆止弁の断面図を示す。図５は、図４のＡ－Ａ断面図を示し、図３は、図４のＢ部の詳細図を示す。

なお、本実施例は、実施例１と同様に給油式空気圧縮機に関するものであり、実施例１と同じ箇所については、同じ記号を付して説明する。

本実施例において、実施例１と異なる点は、凸部１７の代わりに弁板１０の表面に複数（図５では、５つ）の凹部２１が設けられていることにある。

凹部２１は、そのものがよどみ領域２０を形成することから、実施例１に記載の効果と同様に、実施例２によれば、弁板１０にはたらく流体力の変動を抑える効果が得られ、弁板１０の揺動の抑制に繋がる。

なお、本実施例においては凹部２１を複数個所設けたが、単一の凹部２１でも効果自体は小さくなるものの同様の効果が得られる。

以下、実施例３を図７、図８、および図９を用いて説明する。図７は、実施例３における吸込逆止弁の断面図を示す。図８は、図７のＡ－Ａ断面図を示し、図９は、図７のＢ部の詳細図を示す。なお、本実施例は、実施例１と同様に給油式空気圧縮機に関するものであり、実施例１と同じ箇所については、同じ記号を付して説明する。

本実施例において、実施例１と異なる点は２つあり、１点目は凸部１７の代わりに弁板１０の表面に２つの凹部２２が設けられていることにある。２点目の相違は、凹部２２の内壁１８の高さＨに対する、凹部２２の内壁の法線方向の距離Ｌの比が４．８であることにある。

凹部２２は、その内壁の高さＨが低すぎたり、法線方向の距離Ｌが大きすぎたりすると、凹部２２がよどみ領域にならず空気の出入りが生じる。空気の出入りが顕著になると、脈動に伴い凹部２２内の動圧が変動するため、実施例１に記載した弁板１０の揺動を抑制する効果は無くなってしまう。

凹部２２において吸込空気の出入りを抑制するために必要な幾何学的条件は、周囲の流速や流体の状態量によって異なる。一般的な空気圧縮機の吸込空気温度が０度から５０度程度であり、また流速が３０ｍ／ｓ以下であることを考慮すると、以下のような幾何学的条件となる。つまり、図９に示したように、凹部２２の内壁１８の高さＨに対する、凹部２２の内壁間にあり内壁１８の法線方向の距離Ｌの比を５より小さくすることで、凹部２２の吸込空気の出入りを抑制することが可能となる。

以上により、凹部２２がよどみ領域２０として機能することで、実施例１に記載の効果と同様に、実施例３によれば、弁板１０の揺動をより確実に防ぐことが可能となる。

前述の実施例３では、実施例２の凹部について説明したが、変形例として、図３（実施例１）の凸部１７の内壁の高さＨと、よどみ領域２０における凸部１７の法線方向における距離Ｌとの関係についても同様に適用できる。つまり、凸部１７の内壁の高さＨに対し、凸部１７の内壁とシャフト側の内壁間における距離Ｌの比を５より小さくすることで、実施例１におけるよどみ領域の吸込空気の出入りを抑制することが可能となる。

前記した実施例では、スクリュー圧縮機などの容積形圧縮機を例として説明したが、遠心形の圧縮機であっても適用できる。また、前記した実施例では図１０の給油式空気圧縮機を例に説明したが、オイルフリー形であっても適用できる。その場合は、圧縮機本体に混入した油を分離する気液分離器３は、不要となる。

１…圧縮機本体、２…吸込逆止弁、３…気液分離器、４…熱交換器、５…吐出調圧弁、６…操作空気取出口、７…電磁弁、８…吸込調圧弁、９…操作圧力室、１０…弁板、１１…流出口、１２…ハウジング、１３…ピストン、１４…ピストンシャフト、１５…バネ、１６…バネ支持部、１７…凸部、１８…内壁、１９…弁板におけるシャフト側の内壁、２０…よどみ領域、２１、２２…凹部、３１…流入口

Claims

気体の流入口から流出口までの流路を内部に有するハウジングと、
前記ハウジングの内部を摺動するように配置されたシャフトと、
前記シャフトを挿通し、前記シャフトと摺動可能に配置された弁板と、
前記弁板と前記シャフトとの間に配置された弾性体と、
前記弁板の前記流出口と対向する面に、前記気体が溜まるよどみ領域を有することを特徴とする逆止弁。
請求項１に記載の逆止弁において、
前記よどみ領域は、
環状の凸部と前記シャフト側の内壁との間の前記弁板に形成されたことを特徴とする逆止弁。
請求項１に記載の逆止弁において、
前記よどみ領域は、
前記弁板に形成された、凹部であることを特徴とする逆止弁。
請求項１に記載の逆止弁において、
操作圧力室と、前記シャフトとともに移動可能なピストンとを有し、
圧縮機本体が運転中では、
前記操作圧力室の圧力を高くし、前記弾性体を圧縮させ、前記流出口を開くように前記ピストンと前記シャフトを移動させ、
前記圧縮機本体が停止している際には、
前記操作圧力室の圧力を低下させ、前記弾性体を伸張させ、前記流出口を閉じるように前記ピストンと前記シャフトを移動させることを特徴とする逆止弁。
請求項１に記載の逆止弁において、
操作圧力室と、ピストンを有し、
圧縮機本体が運転中であり、前記操作圧力室の圧力が高くなり、
前記弾性体の復元力と前記気体の流体力とがほぼ等しい状態であることを特徴とする逆止弁。
請求項２に記載の逆止弁において、
前記凸部は、前記弁板における前記シャフトが挿通される挿通部を囲むように配置されることを特徴とする逆止弁。
請求項３に記載の逆止弁において、
前記凹部は、前記シャフトを囲むように、前記弁板の複数箇所に形成されたことを特徴とする逆止弁。
請求項２に記載の逆止弁において、
前記凸部の内壁の高さに対し、前記凸部の内壁と前記シャフト側の内壁との間の距離の比が、５以下となることを特徴とする逆止弁。
請求項３に記載の逆止弁において、
前記凹部の内壁の高さに対し、前記凹部の内壁間の距離の比が、５以下となることを特徴とする逆止弁。
圧縮機本体と、
前記圧縮機本体の上流側に配置され、圧縮気体の逆流を防ぐ逆止弁とを有する圧縮機であって、
前記逆止弁は、
気体の流入口から流出口までの流路を内部に有するハウジングと、
前記ハウジングの内部を摺動するように配置されたシャフトと、
前記シャフトを挿通し、前記シャフトと摺動可能に配置された弁板と、
前記弁板と前記シャフトとの間に配置された弾性体と、
前記弁板の前記流出口に対向する面に、前記気体が溜まるよどみ領域を有することを特徴とする圧縮機。
請求項１０に記載の圧縮機において、
前記逆止弁は、操作圧力室と、
前記操作圧力室に圧縮空気を導入する弁と、
前記圧縮機本体の下流に、圧縮気体を冷却する熱交換器とを有することを特徴とする圧縮機。
請求項１０に記載の圧縮機において、
前記逆止弁の上流に配置された吸込みフィルタと、
前記逆止弁の下流に配置された気体分離器と、
前記気体分離器で分離した油を前記圧縮機本体に戻す配管とを有することを特徴とする圧縮機。