JP4437864B2 - 往復動圧縮機の吸入・吐出弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復圧縮機の吸入・吐出弁に係わり、更に詳しくは、ＬＮＧ気化ガス等の往復動圧縮機の吸入・吐出弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
往復圧縮機（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）の本体は、回転運動を往復運動に変換するクランク機構と、クランク機構に連結されガスを圧縮するピストン機構から構成される。クランク機構は、クランク室、クランク軸、連接棒、主軸受、クランクピン軸受、ピストン軸受等からなり、ピストン機構は、シリンダ、シリンダカバー、吸込弁、吐出し弁、ピストン等からなる。
【０００３】
図６に示す対向釣合い形往復圧縮機の場合、内燃機関、電動機等の駆動機１によりクランク軸２を回転駆動し、連接棒３（コネクティングロッド）及びピストンロッド４を介してピストン５を往復駆動し、Ｉ段シリンダ６の両側で圧縮されたガスを更にII段シリンダ６の両側に供給して圧縮し外部に吐出するようになっている。
【０００４】
図６の各シリンダ６は、ピストン５の両側でガスを吸入および吐出するようになっており、吸入口には吸入弁、吐出口には吐出弁が設けられている。図７（Ａ）は、吐出弁の原理図である。この図に示すように、吐出弁は、弁受け７ａ、弁板７ｂ、弁座７ｃ、弁ばね７ｄ等からなる。弁受け７ａは図示しないシリンダ６の吐出口（図で下側）に該弁受け外周面をシールし固定され、複数の貫通孔８ａを有する。弁座７ｃは、弁受け７ａの流路部上面に一定の間隙を保持して該弁受け７ａとを一体的に固定され、前記間隙の間に弁板７ｂを挟持し、弁座７ｃ部に弁ばね７ｄを設け弁受け７ａ方向に付勢している。
【０００５】
この構成により、吐出弁が取付けられたシリンダ内の圧力が低いとき（例えば吸入時）には、弁板７ｂが弁受け７ａ上面に弁ばね７ｄにより押付けられ、弁受け７ａの貫通孔８ａが閉塞され吐出弁７が閉じた状態となる。逆にピストン内の圧力が高いとき（例えば吐出時）には、弁ばね７ｄの付勢力に抗して弁板７ｂをわずかに浮上させ、その隙間から弁座、弁板及び弁受けに設けられた貫通孔８ａを通して加圧ガスを外部に吐出する。従って、吐出弁は一種の逆止弁（又はチェック弁）として機能する。
【０００６】
同様に吸入弁も、図７（Ｂ）に示すように、弁受け７ａ、弁板７ｂ、弁座７ｃ、弁ばね７ｄ等からなる。吸入弁の場合には、弁ばね７ｄが弁受け７ａに組み込まれ、弁板７ｂを弁座７ｃに向けて付勢し、貫通孔８ａが閉塞されガスシールする。また、ガスの流れが吐出弁と逆方向であり、シリンダ内の圧力が高いときに閉じ、低いときに開いて外部から低圧のガスを吸引するようになっている。以下、特に断らない限り、吐出弁と吸入弁を合わせて「吸入・吐出弁」と呼ぶ。
【０００７】
更に、吸引抵抗および（または）吐出抵抗を低減し圧縮機の駆動機の負荷を低減するために、主として吸入口（又は吐出口）を必要に応じて開放状態に保持するアンローダ付き吸入弁が提案されている。このアンローダ付き吸入弁は、図８に示すように、弁座７ｃの貫通孔８ｃを貫通するヨーク棒９を備え、図示しない開閉駆動機構により該ヨーク棒９を必要に応じて下方に移動して弁板７ｂを弁ばね７ｄに抗して下方に移動し、弁板７ｂと弁座７ｃの間に隙間を形成し、この隙間を介してシリンダを開放状態に保持する。なお、同様の機構によるアンローダ付き吐出弁を必要により構成することもできる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の吸入・吐出弁において、弁板７ｂは、シリンダ内部と外部との圧力差、ガスの流れによって生じる力、弁ばねの付勢力、弁板自体の慣性などにより激しく弁受け及び弁座に衝突して開閉する。そのため、弁板は繰返し衝撃荷重を受けるため、強靱且つ疲労強度の高い特殊鋼（ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、ステンレス鋼）等が用いられてきた。
一方、常温から１５０℃域では衝撃荷重を低減させる対策として、弁板の慣性重量を低減するために合成樹脂材（ナイロン、ポリアミド）等が用いられた。
【０００９】
しかし、かかる吸入・吐出弁をＬＮＧ気化ガス等の低温ガスに適用した場合、以下の問題点があった。
（１）ＬＮＧ気化ガス等の低温ガスは、例えば約−１５０℃前後の低温であり、潤滑油は全く使用できない。そのため、ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼等の特殊鋼は、無潤滑下では摩耗が多く寿命が給油式に比べ低下する。また、低温による低温脆性が著しく低下し、運転中の弁板と弁シートの衝突による衝撃荷重により疲労破壊しやすい。更に、金属同士の衝突による騒音が激しい。
（２）ステンレス鋼は無潤滑で使用できるが、疲労破壊と騒音は回避できない。
（３）弁板を樹脂に替えることで、衝撃荷重が低減することにより疲労破壊を回避し騒音を低減することはできるが、その反面、耐圧強度が低いため、弁ばね７ｄやヨーク棒９の当たり面が面圧で摩耗やすく、長時間の連続運転（例えば年間８０００時間以上）には耐えられない。
（４）また、樹脂は特殊鋼に比べて曲げ剛性が低くたわみやすい。そのため、弁ばね７ｄやヨーク棒９の間で隙間が生じ、ガスリークが発生しやすい。
【００１０】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、低温による疲労破壊を抑制し、弁板の衝突による騒音を低減し、弁ばねやヨーク棒の当たりによる摩耗を低減して、長時間の連続運転を可能にしかつガスリークを低減することができる往復動圧縮機の吸入・吐出弁を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、シリンダの吸入口又は吐出口に外周面をシールして取付けられた弁受け（１２）と、該弁受けの面上から一定の間隙を保持する弁座（１４）と、弁受けと弁座の間に軸心に沿って移動可能であり−１５０℃前後の低温ガス雰囲気下で使用可能な耐冷樹脂製の弁板（１６）と、弁受け又は弁座に設けられた複数の凹孔部内に位置し弁板を反ばね方向に付勢する弁ばね装置（１８）とを備え、弁ばね装置（１８）は、弁板をほぼ均等に付勢するように放射状に４５度間隔で配設され、かつ弁板との面圧を低減するように円形状の当接部材（１８ａ）とこれを付勢する弁ばね（１８ｂ）とからなり、前記弁受け（１２）と弁板（１６）は、同一位置に複数の円弧状貫通孔（１２ａ，１６ａ）を有し、該円弧状貫通孔は前記複数の弁ばね装置（１８）の当接面を回避した部分に位置し、かつ円周方向に延び半径方向に互いに間隔を隔てて配置されており、前記弁座（１４）は、隣接して位置する前記円弧状貫通孔（１２ａ，１６ａ）間の平面部に、円周方向に延び半径方向に互いに間隔を隔てた円弧状貫通孔（１４ａ）が配列されており、さらに、弁座の円弧状貫通孔（１４ａ）を貫通して弁板（１６）に当接可能なヨーク棒（２０）を備え、該ヨーク棒の当接端面が、円弧状貫通孔（１４ａ）を貫通して延びるとともに円弧状貫通孔（１４ａ）に沿って延び両端が丸い長円柱形状に形成されアンロード機能を有している、ことを特徴とする往復動圧縮機の吸入・吐出弁が提供される。前記弁板（１６）は、ガラス入りポリエーテルエーテルケトンがよい。
【００１２】
上記本発明の構成によれば、弁ばね装置（１８）が、弁板（１６）をほぼ均等に付勢するように放射状に複数輪等配に配設されているので、弁ばね装置間の間隔をほぼ均一に押圧することができ、弁板のたわみを低減することかできる。従って、樹脂製の弁板を用いる場合、弁板の厚みを大きくするだけで、弁ばね装置間のたわみを最小限に抑え且つ均一に押圧出来るのでガスリークを防止することができる。
また、樹脂製の弁板を用いることにより、弁板の軽量化による衝突荷重が軽減でき、金属性弁板に比較して弁開閉時の衝撃力が半減し騒音を激減することができる。
更に、弁ばね装置（１８）を大径の円形状の当接面を有した当接部材（１８ａ）とこれを付勢する弁ばね（１８ｂ）とで構成するので、当接部材（１８ａ）と弁板との接触面積を大きくして面圧を下げ、樹脂製の弁板の弁ばねによる摩耗を無くし、長寿命化することができる。
【００１４】
また、弁座（１４）の円弧状貫通孔（１４ａ）が、弁板（１６）の円弧状貫通孔（１６ａ）と異なる部分に位置するので、弁板が弁座に押付けられたときに、その間の貫通孔が閉じ、弁を全閉することができる。また、弁受け（１２）と弁板（１６）は、同一位置に円弧状貫通孔（１２ａ，１６ａ）を有するので、弁板が弁座から離れたときには、弁受けと弁板の貫通孔と弁座の貫通孔（１４ａ）を通してシリンダを開放することができる。従って、この構成によりこの吸入・吐出弁を吸入弁として機能させることができる。更に、弁座の円弧状貫通孔（１４ａ）を貫通して弁板（１６）に当接可能なヨーク棒（２０）を備えているので、このヨーク棒（２０）により弁板（１６）を下方に移動させて、この吸入・吐出弁を常時開放状態（アンロード状態）にすることができる。また、このヨーク棒の当接端面が、円弧状貫通孔（１４ａ）に沿って延び両端が丸い長円柱形状に形成されているので、弁板が弁座に押付けられたときの貫通孔の間のシール幅を保持したままで、従来の円形に比べて数倍の面積を持たせることができ、ヨーク棒の当たり部の面圧を低減してその摩耗をなくし、長時間の連続運転を可能にできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明の往復動圧縮機の吸入・吐出弁の吸入弁全体断面図である。この図において本発明の吸入・吐出弁１０は、吸入弁であり、弁受け１２、弁座１４、弁板１６、及び弁ばね装置１８、ヨーク棒２０等からなる。
【００１６】
弁受け１２は、図示しないシリンダの吸入口に周囲をシールして組み込まれている。弁座１４は、弁受け１２の外面（図で上面）から間隙ｈを保持し、図示しない弁押さえ具を介して弁受け１２と一括してシリンダに固定される。弁板１６は、この例では、樹脂製であり、弁受け１２と弁座１４の該間隙に軸心方向のみに移動可能に組み込まれている。弁板１６は−２００℃前後の低温ガス雰囲気下で経時変化の少ないガラス入りポリエーテルエーテルケトンがよい。また、弁板１６のたわみと面圧による摩耗・破断を低減するように、より１５０℃前後のガス雰囲気での弁板に比較して厚いことが望ましく、例えば従来の金属製の２ｍｍ前後に対して、本発明の装置により検証結果樹脂製の場合に６ｍｍ程度にするのがよい。
【００１７】
また、図１に示すように、弁ばね装置１８は、弁板１６との面圧を低減するように相対的に大径の円形当接部材１８ａとこれを付勢する弁ばね１８ｂとからなる。この弁ばね装置１８は、この例では弁受け１２に設けられた凹孔部内に位置し、弁板１６を弁座方向（上方）に付勢する。
【００１８】
上述した構成により、シリンダ内の圧力が高いときに弁ばね装置１８により弁板１６を弁座１４に向けて付勢し、その間をガスシールすることができる。また、逆にシリンダ内の圧力が低いときには、その負圧により弁板１６が下がり流路が開いて外部から低圧のガスを吸引することができる。
【００１９】
更に、図１に示すように、本発明の吸入・吐出弁１０は、弁座１４の円弧状貫通孔１４ａを貫通して弁板１６に当接可能なヨーク棒２０を備えている。このヨーク棒２０の上端は、ヨークプレート２１に固定され、このヨークプレート２１は、ヨークロッド２２を介してダイヤフラム抑え２３に連結されている。また、２組のばね２４ａ，２４ｂによりヨークプレート２１及びこれに固定された複数のヨーク棒２０が上方に付勢されている。
【００２０】
この構成により、空気圧によりダイヤフラム抑え２３を下方に移動することにより、ヨーク棒２０の先端（図で下端）で弁板１６を内方（図で下方）に移動させて、この吸入弁を常時開放状態（アンロード状態）にすることができる。
【００２１】
図２は、図１の弁受け１２の平面図である。この図に示すように、弁ばね装置１８は、弁板１６（この図に二点鎖線で示す）をほぼ均等に付勢するように放射状に複数配設されている。すなわち、一例として、弁板外径３００ｍｍ程度において総計２０組の弁ばね装置１８のうち１２個が直交方向にそれぞれ３個づつ配置され、更に４５°づれた４方向に２個づつ計８個が配置されている。この構成により、隣接する弁ばね装置１８の間の間隔を従来の約１２０〜１３０ｍｍから約７５ｍｍに縮めた配置とした。
また、弁受け１２は、複数の円弧状貫通孔１２ａを有する。この円弧状貫通孔１２ａは前記複数の弁ばね装置１８以外の部分に位置し、かつ円周方向に延び半径方向に互いに間隔を隔てて配置されている。この半径方向の間隔は、この例では、１５ｍｍ位である。
【００２２】
図３は弁板１６の平面図である。この図に示すように、弁板１６は、弁受け１２と同一位置に複数の円弧状貫通孔１６ａを有している。この円弧状貫通孔１６ａは複数の弁ばね装置１８以外の部分に位置し、かつ円周方向に延び半径方向に互いに間隔を隔てて配置されてている。すなわち、複数の弁ばね装置１８に当接する部分は、孔のない平面になっている。
更に、図２及び図３に示すように、弁受け１２と弁板１６は、その中心孔の周辺の同一位置に円形の貫通孔１２ｂ，１６ｂを有し、この貫通孔を通るガイドピンにより軸線を中心とする回転を防止して常に円弧状貫通孔１２ａ，１６ａが同一位置に位置するようになっている。
【００２３】
弁座１４は、弁受け１２と弁板１６の円弧状貫通孔１２ａ，１６ａと異なる部分に、円周方向に延び半径方向に互いに間隔を隔てた円弧状貫通孔１４ａ（図５参照）を有している。また、前記ヨーク棒２０は、弁板１６をほぼ均等に付勢するように放射状に複数が配設されている。更に、ヨーク棒２０の先端形状（当接端面）が従来の円形ではなく、円弧状貫通孔１４ａに沿って延び両端が丸い長円柱形状に形成されている。
【００２４】
図５は、弁受け、弁板、及び弁座の位置関係を示す断面図であり、（Ａ）は通常の使用時、（Ｂ）はアンロード時を示している。
通常の使用時（Ａ）には、上述した構成により、弁座１４の円弧状貫通孔１４ａが、弁板１６の円弧状貫通孔１６ａと異なる部分に位置するので、弁板１６に差圧が作用していないとき、或いはシリンダ内が高圧のときには、弁板１６が弁ばね装置により弁座１４に押付けられ、その間の貫通孔が閉じ、弁を全閉する。また、弁受け１２と弁板１６は、同一位置に円弧状貫通孔１２ａ，１６ａを有するので、弁板１６に差圧（負圧）が作用し弁板１６が弁座１４から離れたときには、弁受け１２と弁板１６の貫通孔と弁座１４の貫通孔を通してシリンダを開放することができる。
【００２５】
また、図５（Ｂ）に示すように、ヨーク棒２０により弁板１６を内方に移動させて、この吸入・吐出弁を常時開放状態（アンロード状態）にすることができる。
【００２６】
図５（Ａ）（Ｂ）において、ヨーク棒の当接端面が、円弧状貫通孔１４ａに沿って延び両端が丸い長円柱形状に形成されているので、弁板１６が弁座１４に押付けられたときの貫通孔の間のシール幅（この例では約１．５ｍｍ）を保持したままで、従来の円形（直径４ｍｍ）に比べて約３〜４倍の面積を持たせることができ、ヨーク棒の当たり部の面圧を低減してその摩耗をなくし、長時間の連続運転を可能にできる。
【００２７】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。例えば、上述の例では、吸入弁について詳述したが、吐出弁にも同様に適用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
上述したように、本発明の往復動圧縮機の吸入・吐出弁は、衝撃力を激減することにより低温による疲労破壊をも回避し、弁板の衝突による騒音を低減し、弁ばねやヨーク棒の当たりによる摩耗を低減して、長時間の連続運転を可能にしかつ弁シール面がメタルタッチに比較して柔軟性がありガスリークを低減することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の往復動圧縮機の吸入・吐出弁の吸入弁全体断面図である。
【図２】図１の弁受けの平面図である。
【図３】図１の弁板の平面図である。
【図４】図１の弁座の平面図である。
【図５】弁座、弁板、及び弁受けの位置関係を示す断面図である。
【図６】対向釣合い形往復圧縮機の模式図である。
【図７】吐出弁と吸入弁の原理図である。
【図８】アンローダ付き吸入弁の原理図である。
【符号の説明】
１ 駆動機、２ クランク軸、３ 連接棒（コネクティングロッド）、
４ ピストンロッド、５ ピストン、６ シリンダ、
７ａ 弁受け、７ｂ 弁板、７ｃ 弁座、７ｄ 弁ばね、
８ａ，８ｃ 貫通孔、９ ヨーク棒、
１０ 吸入・吐出弁、１２ 弁受け、１２ａ 円弧状貫通孔、
１４ 弁座、１６ 弁板、１６ａ 円弧状貫通孔、
１８ 弁ばね装置、１８ａ 当接部材、１８ｂ 弁ばね、
２０ ヨーク棒、２０ａ 当接端面、
２１ ヨークプレート、２２ ヨークロッド、
２３ ダイヤフラム抑え、２４ａ，２４ｂ ばね

Claims (2)

1. シリンダの吸入口又は吐出口に外周面をシールして取付けられた弁受け（１２）と、該弁受けの面上から一定の間隙を保持する弁座（１４）と、弁受けと弁座の間に軸心に沿って移動可能であり−１５０℃前後の低温ガス雰囲気下で使用可能な耐冷樹脂製の弁板（１６）と、弁受け又は弁座に設けられた複数の凹孔部内に位置し弁板を反ばね方向に付勢する弁ばね装置（１８）とを備え、弁ばね装置（１８）は、弁板をほぼ均等に付勢するように放射状に４５度間隔で配設され、かつ弁板との面圧を低減するように円形状の当接部材（１８ａ）とこれを付勢する弁ばね（１８ｂ）とからなり、
   前記弁受け（１２）と弁板（１６）は、同一位置に複数の円弧状貫通孔（１２ａ，１６ａ）を有し、該円弧状貫通孔は前記複数の弁ばね装置（１８）の当接面を回避した部分に位置し、かつ円周方向に延び半径方向に互いに間隔を隔てて配置されており、前記弁座（１４）は、隣接して位置する前記円弧状貫通孔（１２ａ，１６ａ）間の平面部に、円周方向に延び半径方向に互いに間隔を隔てた円弧状貫通孔（１４ａ）が配列されており、
   さらに、弁座の円弧状貫通孔（１４ａ）を貫通して弁板（１６）に当接可能なヨーク棒（２０）を備え、該ヨーク棒の当接端面が、円弧状貫通孔（１４ａ）を貫通して延びるとともに円弧状貫通孔（１４ａ）に沿って延び両端が丸い長円柱形状に形成されアンロード機能を有している、ことを特徴とする往復動圧縮機の吸入・吐出弁。
2. 前記弁板（１６）は、ガラス入りポリエーテルエーテルケトンからなる、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の往復動圧縮機の吸入・吐出弁。

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