(57)【要約】      （修正有）【課題】サージ現象が抑制される、あるいは少なくとも軽減される、改良された往復圧縮機の弁を提供する【解決手段】差圧弁が開示されており、この差圧弁は、少なくとも１つの流れ入り口１１８と少なくとも１つの流れ出口１２０を有する弁本体１１１と、弁の両端の差圧を受けて開放位置と閉鎖位置の間で可動である少なくとも１つのシャッタ１１２と、流れ入り口１１８から流れ出口１２０までの流路１２６と、前記シャッタ１１２を閉鎖位置に向けて付勢して、流れ入り口１１８を通る流路を塞ぐように構成された少なくとも１つの付勢部材１１４Ａ、１１４Ｂを備える。付勢部材１１４Ａ、１１４Ｂは、平行に配置され、ばねの一方が、他方のばねの少なくとも１つの共振周波数と異なる少なくとも１つの共振周波数を有する。【選択図】図４
2013060943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
差圧弁であって、
少なくとも１つの流れ入り口（１１８；２０９）と少なくとも１つの流れ出口（１２０；２０５）を有する弁本体（１１１；２０３、２０７）と、
前記弁の両端の差圧を受けて開放位置と閉鎖位置の間で可動である少なくとも１つのシャッタ（１１２；２１２）と、
前記流れ入り口（１１８）から前記流れ出口（１２０）への流路（１２６）と、
前記シャッタ（１１２；２１２）を閉鎖位置に向けて付勢して、前記流れ入り口（１１８）を通る前記流路を塞ぐように構成された少なくとも１つの付勢部材（１１４；２１４）とを備え、
前記付勢部材（１１４；２１４）が、平行に配置された少なくとも２つのばね（１１４Ａ、１１４Ｂ；２１４Ａ、２１４Ｂ）を備え、前記ばねの一方が、前記２つのばねの他方の少なくとも１つの共振周波数と異なる少なくとも１つの共振周波数を有する差圧弁。
【請求項２】
前記２つのばねが、つる巻きばね（１１４Ａ、１１４Ｂ）である、請求項１記載の弁。
【請求項３】
前記２つのばねの一方の最初の共振周波数が、前記２つのばねの他方の最初の共振周波数と異なる、請求項１または２記載の弁。
【請求項４】
前記２つのばねに関して少なくとも最初の３つの共振周波数が異なる、請求項１、２または３記載の弁。
【請求項５】
前記２つのばねの少なくとも一方が非線形ばねである、請求項１乃至４の１つまたは複数の請求項記載の弁。
【請求項６】
前記２つのばね（１１４Ａ、１１４Ｂ）が両方とも非線形ばねである、請求項１乃至５の１つまたは複数の請求項記載の弁。
【請求項７】
各々の非線形ばねが累進式ばねである、請求項５または６記載の弁。
【請求項８】
前記２つのばねが同軸に配置される、請求項１乃至７の１つまたは複数の請求項記載の弁。
【請求項９】
前記少なくとも１つのシャッタ（１１２）がポペットシャッタであり、
前記弁が、
前記弁本体（１１１）の中に固定式に配置され、前記ポペットシャッタを摺動式に誘導する少なくとも１つのシャッタガイド（１１６）と、
前記流れ入り口（１１８）から前記流れ出口（１２０）への少なくとも１つの流路（１２６）であり、前記弁本体（１１１）の内側の面と、前記シャッタガイド（１１６）の外側の面との間、ならびに前記弁本体（１１１）の内側の面と、前記ポペットシャッタ（１１２）の外側の面との間に形成される少なくとも１つの流路（１２６）を備え、
前記付勢部材（１１４）の少なくとも一部が、前記シャッタガイド（１１６）の中に収容される、請求項１乃至８の１つまたは複数の請求項記載の弁。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのシャッタ（２１２）が密閉式のリングを備えており、前記密閉式のリングが複数の付勢部材（２１４）によって付勢され、各々の付勢部材が、平行に配置された少なくとも２つのばね（２１４Ａ、２１４Ｂ）を備える、請求項１乃至８の１つまたは複数の請求項記載の弁。
【請求項１１】
各々の付勢部材が、同軸に配置された少なくとも２つのつる巻きばね（２１４Ａ；２１４Ｂ）を含む、請求項１０記載の弁。
【請求項１２】
少なくとも１つの流れ入り口（１１８）と少なくとも１つの流れ出口（１２０）を有する弁本体（１１１）と、
前記弁本体（１１１）の中に配置された少なくとも１つのシャッタガイド（１１６）と、
前記シャッタガイド（１１６）によって摺動式に誘導される少なくとも１つのポペットシャッタ（１１２）と、
前記流れ入り口（１１８）から前記流れ出口（１２０）への少なくとも１つの流路（１２６）であり、前記弁本体（１１１）の内側の面と、前記シャッタガイド（１１６）の外側の面との間、ならびに前記弁本体（１１１）の内側の面と前記ポペットシャッタ（１１２）の外側の面との間に形成される少なくとも１つの流路（１２６）と、
前記ポペットシャッタ（１１２）を閉鎖位置に向けて付勢して、前記流れ入り口（１１８）を通る前記流路を塞ぐように構成された少なくとも１つの付勢部材（１１４）を備えたポペット弁であって、
前記付勢部材（１１４）が、平行に配置された少なくとも２つのばね（１１４Ａ、１１４Ｂ）を備え、前記ばねの一方が、前記２つのばねの他方の少なくとも１つの共振周波数と異なる少なくとも１つの共振周波数を有するポペット弁。
【請求項１３】
シリンダ（１０４）と、前記シリンダ（１０４）内に摺動式に配置されその中を往復運動するように移動するピストン（１０５）と、前記シリンダ（１０４）と流体連通する吸気ダクト（１０６）および排気ダクト（１０７）と、前記吸気ダクト（１０６）にある少なくとも１つの吸気弁（１１０Ｓ）と、前記排気ダクト（１０７）にある少なくとも１つの排気弁（１１０Ｄ）であって、前記吸気弁と前記排気弁の開閉が、弁の両端の差圧によって自動的に制御される少なくとも１つの吸気弁（１１０Ｓ）と排気弁（１１０Ｄ）を備え、前記吸気弁（１１０Ｓ）と前記排気弁（１１０Ｄ）が、請求項１乃至１１の１つまたは複数の請求項に記載されている、往復圧縮機。
【請求項１４】
毎分回転数１５０から３００で作動する、請求項１３記載の圧縮機。
【請求項１５】
８００から４０００バールで、好ましくは１５００から３５００バールの吐出圧で作動する、請求項１３または１４記載の圧縮機。
【請求項１６】
少なくとも１つの流れ入り口（１１８）と少なくとも１つの流れ出口（１２０）を有する弁本体（１１１）と、
前記弁の両端の差圧を受けて開放位置と閉鎖位置の間で可動である少なくとも１つのシャッタ（１１２）と、
前記流れ入り口（１１８）から前記流れ出口（１２０）への少なくとも１つの流路（１２６）と、
前記シャッタ（１１２）を閉鎖位置に向けて付勢して、前記流れ入り口（１１８）を通る前記流路を塞ぐように構成された少なくとも１つの付勢部材（１１４）を備える差圧弁におけるばねサージを軽減あるいは抑制するための方法であって、
前記付勢部材の中に少なくとも２つのばね（１１４Ａ、１１４Ｂ；２１４Ａ、２１４Ｂ）を平行に配置することによって、前記付勢部材の共振圧縮波の伝搬を抑制するステップであって、前記ばねの一方が、前記２つのばねの他方の少なくとも１つの共振周波数と異なる少なくとも１つの共振周波数を有するステップを含む方法。
【請求項１７】
シリンダ（１０４）と、前記シリンダ（１０４）内を摺動するピストン（１０５）と、吸気弁（１１０Ｓ）を備えた吸気ダクト（１０６）と、排気弁（１１０Ｄ）を備えた排気ダクト（１０７）を備え、各々の弁が、少なくとも１つのシャッタ（１１２；２１２）と、前記シャッタ（１１２；２１２）を閉鎖位置に向けて付勢するように構成された少なくとも１つの付勢部材（１１４；２１４）を備える、往復圧縮機を作動させるための方法であって、
各々の付勢部材ごとに少なくとも２つのばね（１１４Ａ、１１４Ｂ；２１４Ａ、２１４Ｂ）を平行に設けるステップであって、前記ばねの一方が、前記２つのばねの他方の少なくとも１つの共振周波数と異なる少なくとも１つの共振周波数を有するステップと、
前記シリンダ内で前記ピストンを往復運動するように移動させることで、ある吸込み圧で前記シリンダ内にガスを吸い込み、前記ガスをある吐出圧で前記シリンダから排出するステップと、
前記弁の両端の差圧によって前記吸気弁（１１０Ｓ）および前記排気弁（１１０Ｄ）を選択式に開閉するステップを有する方法。
【請求項１８】
前記圧縮機が毎分回転数１５０から３００で作動する、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記吐出圧が、８００から４０００バール、好ましくは１５００から３５００バールの間である、請求項１７または１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示される実施形態は一般に差圧弁に関するものであり、すなわち弁の両端の差圧によって自動的に作動する弁に関する。いくつかの例示の実施形態は特に、往復運動式の圧縮弁に関し、例えば具体的にはハイパー圧縮機のポペット弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイパー圧縮機は、３０００バールまであるいはそれを超えるガス圧レベルを生成することが可能であり、これに限定するものではないが低密度ポリエチレン、すなわちＬＤＰＥの生成を含め工業的用途で広く使用されている。このような圧縮機の有効な性能の少なくとも一部は、吸気と排気を自動的に行うポペット弁によって制御される。図１は、２つのポペット弁１０を備える従来技術のハイパー圧縮機２の一部の切り欠き図を示している。図２は、図１に示される圧縮機の従来のポペット弁の一方の、開放位置での拡大断面図を示している。この最新技術によるポペットガイドは、米国特許出願公開第２０１０／００２４８９１号に開示されている。
【０００３】
図１に示されるように、ハイパー圧縮機２は通常、シリンダ４が中に形成されるケーシング３を備える。ピストンロッド５がシリンダ４内を往復運動するように摺動することで、吸気ダクト６から流体を吸い込み、この流体をより高い圧力で排気ダクト７に排出する。前記吸気ダクト６と排気ダクト７のそれぞれにポペット弁１０が配置される。図１では参照番号１０Ｓは、吸気ダクト６にあるポペット弁を指しており、参照番号１０Ｄは、排気ダクト７にあるポペット弁を指している。各々のポペット弁１０Ｓ、１０Ｄは、図２に示されるように設計され、図２では１０で示されている。
【０００４】
図２に示されるように従来のポペット弁１０は、ハイパー圧縮機１の中およびそこから外へのガスの流路を開閉するように構成されたポペット、すなわちポペットシャッタ１２が収容される弁本体１１と、弁本体１１の内側の面の一部によって形成される閉鎖シート１３に対してポペットシャッタ１２を閉鎖位置に維持するように構成されたばね１４と、ポペットシャッタ１２およびばね１４を収容するシャッタガイド１６を含んでいる。示されるように、ポペットシャッタ１２が開けられたとき、従来のポペット弁１０の流れ入り口１８から流れ出口２０まで流路１７（図２では複数の矢印によって特定される）が形成され、この流路は、ポペットシャッタ１２と弁本体１１の間、ならびにシャッタガイド１６と弁本体１１の間に形成される空間によって画定される。従来のポペット弁１０のシャッタガイド１６は、シャッタガイド１６の軸Ａ−Ａに沿って排気用の開口２２をさらに含むことで、シャッタガイド１６の内部チャンバ２６を流れが停滞する領域において流路１７に接続し、内部チャンバ２６の逆圧は、従来のポペット弁１０の軸Ａ−Ａの周りの流路１７の領域内の静圧によって少なくともその一部が規定される。
【０００５】
ポペット弁１０、１０Ｓ、１０Ｄの開閉は、弁の両端の差圧によって自動的に制御される。したがってこのような弁は「自動弁」と呼ばれる場合もあり、弁の開閉が、外部の作動装置、例えばカムシャフトなどによって制御される、内燃エンジンで一般に使用されるものなどの制御弁とは区別される。
【０００６】
吸気用のポペット弁１０Ｓは、ピストンロッド５の吸気ストロークにおいて、ハイパー圧縮機２のシリンダ４の圧力が減少する際、開放するように構成されている。吸気ダクト６の圧力が、ばね１４の力に打ち勝つことで、弁の両端の差圧によって弁が開放し、流体が圧縮機シリンダ４に吸い込まれる。排気用の弁１０Ｄが閉鎖される。ピストンロッド５が底部の死点に到達すると、この動きは逆向きになり、シリンダ内の流体の圧縮が始まる。排気弁１０Ｄの全体の差圧が、圧縮シリンダ４と排気ダクト７の間で関連するばねの力に打ち勝ったとき、シリンダ４内の増大した圧力によって吸気弁１０Ｓを自動的に閉鎖し、排気弁１０Ｄを開放する。
【０００７】
各々の閉鎖運動では、関連するポペット弁１０、１０Ｓ、１０Ｄのポペットシャッタ１２が、弁本体１１のシート１３に激しくぶつかり、各々の開放ストロークによりポペットシャッタ１２がシャッタガイド１６にぶつかる。
【０００８】
このようなポペット弁は、ＬＤＰＥを生成する目的で工場で使用されるハイパー圧縮機の信頼性において重要な役割を担っている。このような弁の性能は、選択される材料の特性と、高い作動ガス圧に耐えるような好適な設計によって左右されるだけでなく、ポペットシャッタ１２の適切な動的な挙動にも左右される。適切な弁の開閉は、弁に対して作用する複数の動的な力に関連する多様な設計上の制約によって影響を受けるが、このような力には、とりわけポペットシャッタ１２およびシャッタガイド１６に作用することで弁を開放する抵抗力と（この抵抗力は、ガス流と記載した弁の部品が相互に作用することによって生成される）、シャッタガイド１６に作用することで従来の弁１０を閉鎖するガス圧の力と（このガス圧の力は、シャッタガイド１６の背面に作用する流れの逆圧によって生成される）、ポペットシャッタ１２の大きさに関連する慣性力と、弁を閉鎖するためにばね１４によって生成されるばね力が含まれる。
【０００９】
ハイパー圧縮機は、通常毎分回転数１５０から３００の速度範囲で作動する。各々のサイクルにおいて、全ての弁は、ポペットシャッタがシート１３およびシャッタガイド１６にぶつかる衝撃に対応して開閉動作を行う。衝撃が繰り返されることによって、衝撃摩耗および前部の損傷が生じ、これは最終的にはポペットの故障につながる。衝撃摩耗により材料が消耗し、表面にでこぼこが生じ、これによりクラックが形成されやすい場所が形成される可能性がある。こういった現象は、衝撃により生じる動的な荷重によって生成されるストレス波に起因する衝撃疲労によって広まり、ついには最終的にポペットシャッタが破損することもある。衝撃の速度が速い場合、たとえ衝撃摩耗がなかったとしても衝撃疲労がクラック自体の核となる可能性がある。
【００１０】
ばねに対する衝撃荷重が存在する場合、ばねのワイヤに沿ってストレスが広がる。加えられる荷重に接触しているばねの端部コイルが、たわみの全てを引き受け、その後そのたわみの大部分を隣接するコイルに伝達する。このような圧縮の波は、ばねに沿って無制限に進む。進む時間に応じて共振が起こる。これによって極めて大きなたわみが生じ、それに対応して極めて高いストレスが生じる。このような状況下において、正にばねが故障する可能性がある。このような現象をサージと呼ぶ。別の観点から、シャッタの開閉時にばねに加わる衝撃ストレスにより、ばねの共振周波数に対応する調波も含めたフーリエ級数に分解することができる関数に従ってばねの変形が生じる。ある状況下では、これによって、上記に言及したばねに沿って進む圧縮波が生成される場合がある。共振によってばね内に誘発される高いストレスは最終的に、ばねの故障につながる恐れがある。これが往復圧縮機の自動弁で起こった場合、シャッタは作動を続けるが、それは正常ではない作動条件の下での作動である。シャッタの衝撃速度は、極めて高い値まで上昇し、シャッタの前部の損傷（衝撃摩耗および衝撃疲労）を引き起こす。前部の損傷によりクラックが生じ、このクラックは、繰り返される衝撃によって生成される動的ストレスの下に急速に広がり、ついにはシャッタが破損した際に最終的に弁が故障することになる。
【００１１】
ばねサージは、ガスの動的な力（渦励振）によって誘発される場合もある。このような力は、弁のばねの１つまたは複数の共振周波数に対応して、典型的には１００から１２００ヘルツの範囲の周波数を持つ圧力振動を生成する。
【００１２】
自動弁は、ハイパー圧縮機だけでなく、一般には例えば１００から１０００バールのより低い圧力の範囲で使用される他の種類の往復圧縮機でも使用される。このような自動弁は、１つまたは複数の出口開口を備えた弁止め具と、１つまたは複数の入り口開口を備えた弁シートを備える。ディスク型またはリング型シャッタ、あるいは弁プレートが弁シートと弁止め具の間に配置され、対向するシートにぶつかるようにばねによって弾性的に推し進められる。開閉は、弁の両端の差圧によって制御される。このような弁は通常「リング弁」と呼ばれており、これは中で使用されるシャッタの形状を表している。この種の往復圧縮機の自動弁にも、リング形状シャッタが開閉する際のばねに対する衝撃荷重の影響により、ばねサージが生じる可能性がある。
【発明の概要】
【００１３】
したがって、ばねサージ現象が抑制される、あるいは少なくとも軽減される、改良された往復圧縮機の弁、特に自動弁、具体的にはハイパー圧縮機のポペット弁などを開発することが望ましい。
【００１４】
それぞれ異なる共振機能を有する少なくとも２つのばねを備える付勢部材を設けることによって、サージ現象が抑制される、あるいは少なくとも軽減される。十分な空間を利用することができるならば、３つ以上の平行なばねを設けることで、サージを抑制する効果を高めることができる。付勢部材に加わるストレスが、前記少なくとも２つのばねの一方の共振周波数と等しい、あるいはそれに近い周波数を含む場合、前記ばねは共振しやすくなる。しかしながら、前記少なくとも２つのばねの他方によって圧縮波の伝搬が制限される。
【００１５】
したがっていくつかの実施形態によると、例えば具体的には往復圧縮機の弁などの差圧弁が設けられ、この弁は、
少なくとも１つの流れ入り口と少なくとも１つの流れ出口を有する弁本体と、
弁の両端の差圧を受けて開放位置と閉鎖位置の間で可動である少なくとも１つのシャッタと、
流れ入り口から流れ出口への少なくとも１つの流路と、
シャッタを閉鎖位置に向けて付勢して、流れ入り口を通る流路を塞ぐように構成された少なくとも１つの付勢部材を備えており、
付勢部材が、平行に配置された少なくとも２つのばねを備え、前記ばねの一方は、前記２つのばねの他方の少なくとも１つの共振周波数と異なる少なくとも１つの共振周波数を有する。
【００１６】
大まかに言えば差圧弁は、例えば往復圧縮機のシリンダ内を往復運動するように移動するピストンによって生成される差圧などの弁の両端の差圧に基づいて、自動的に開閉する。
【００１７】
平行に配置されたばねは、荷重を受けて付勢される際に同一のたわみを受ける。
【００１８】
いくつかの実施形態では、この２つのばねは、つる巻きばねである。ばねが同軸に配置される場合、すなわち一方が他方の内部に配置される場合、とりわけコンパクトな設計が実現する。
【００１９】
２つのばねは、線形ばねであってよい。他の実施形態では、２つのばねの一方が非線形ばね、例えば累進式ばねであり、その剛性は、たわみが大きくなるのに伴って大きくなる。さらに別の実施形態では、２つのばねが両方とも非線形であり、例えば累進式ばねである場合もある。
【００２０】
本発明がハイパー圧縮機のポペット弁で具現化される場合、特定の利点が達成される。いくつかの実施形態によると、ポペット弁は、弁本体の中に固定式に配置され、弁シャッタを摺動式に誘導するシャッタガイドと、流れ入り口から流れ出口までの流路であり、弁本体の内側の面と前記シャッタガイドの外側の面の間、ならびに弁本体の内側の面とシャッタの外側の面の間に形成される流路を備える。付勢部材の少なくとも一部が、シャッタガイドの中に収容される。
【００２１】
他の実施形態よると、弁はリング弁であり、例えば往復圧縮機の自動リング弁である。各々のリングは、リングの環状の延長部に沿って分散された複数の付勢部材によって弾性式に付勢される。いくつかの実施形態において、各々の付勢部材は、平行に配置された少なくとも２つのばね、例えば２つのつる巻きばねを備える。いくつかの実施形態において、各々の付勢部材の２つのばねは同軸であってよい。
【００２２】
別の一態様によると、本明細書に開示される主題は、往復圧縮機に関し、この圧縮機は、シリンダと、前記シリンダ内に摺動式に配置されその中を往復運動するように移動するピストンと、前記シリンダと流体連通する吸気ダクトおよび排気ダクトと、前記吸気ダクトにある少なくとも１つの吸気弁と前記排気ダクトにある排気弁であって、前記吸気弁および前記排気弁の開閉が、弁の両端の差圧によって自動的に制御される少なくとも１つの吸気弁と排気弁を備え、前記吸気弁と排気弁の少なくとも一方が、上記に開示されるようにシャッタと、このシャッタに作用する付勢部材を備えており、その場合前記付勢部材が、それぞれ異なる共振周波数を有する少なくとも２つのばねを備えている。
【００２３】
いくつかの実施形態では、圧縮機はハイパー圧縮機である。いくつかの例示の実施形態では、圧縮機は、毎分回転数１５０から３００で回転する。すなわちピストンは、毎分１５０から３００のサイクルを成し遂げ、各々のサイクルには、吸気ストロークと逆向きの圧縮および排気ストロークが含まれている。その結果、圧縮機内の吸気弁および排気弁は各々、毎分１５０から３００回の開閉を行う。いくつかの実施形態によると、圧縮機は８００から４５００バールの吐出圧で、例えば１５００から３５００バールの吐出圧で作動する。
【００２４】
さらに別の態様によると、本明細書に開示される主題は、往復圧縮機の弁のばねサージを軽減あるいは抑制するための方法に関し、前記圧縮機は、流れ入り口と流れ出口を有する弁本体と、弁の両端の差圧を受けて開放位置と閉鎖位置の間で可動であるシャッタと、流れ入り口から流れ出口への流路と、シャッタを閉鎖位置に向けて付勢して、流れ入り口を通る流路を塞ぐように構成された少なくとも１つの付勢部材を備える。方法は、少なくとも２つのばねを平行に配置することによって、前記付勢部材の共振圧縮波の伝搬を抑制するステップであり、前記ばねの一方が、前記２つのばねの他方の少なくとも１つの共振周波数と異なる少なくとも１つの共振周波数を有するステップを含んでいる。
【００２５】
上記の簡単な説明は本発明の多様な実施形態の特徴を記載しており、これにより以下に続く詳細な記載がよりよく理解され、この分野への本発明の貢献度がよりよく理解されることを目的としている。当然のことながら、本発明の他の特徴もこれ以降に記載され、これらの特徴は添付の特許請求の範囲に記載される。この点に関して、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の多様な実施形態は、以下の記述に記載される、または図面に示される構成要素の構造およびその配置の詳細にその用途が限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態も可能であり、様々な方法で実践され実行することができる。また本明細書で利用される言い回しや専門用語は、説明することを目的としており、限定するものとみなすべきではないことを理解されたい。
【００２６】
したがって当業者は、本発明の複数の目的を果たすために、本開示の基本である概念を、他の構造、方法および／またはシステムを設計するための基本概念として容易に利用することができることを理解するであろう。したがってこの特許請求の範囲を、それらが本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、均等な構造を含めるものとみなすことが重要である。
【００２７】
本発明の開示される実施形態のより完全な理解、およびそれに付随する多くの利点は、以下の詳細な記載を添付の図面と関連付けて考察して参照することによって、それらがよりよく理解されたとき、容易に実現されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】最新技術による往復運動式ハイパー圧縮機の一部の断面図である。
【図２】最新技術によるハイパー圧縮機のポペット弁の長手軸に沿った断面図である。
【図３】例示の一実施形態によるハイパー圧縮機の一部の長手方向の断面図である。
【図４】例示の一実施形態による、開放位置のポペット弁の長手方向の断面図である
【図５】累進式の非線形のつる巻きばねの概略側面図である。
【図６】図６ＡのラインＶＩ−ＶＩによる、平行にばねが配置されたリング弁の概略断面図であり、図１６は、図１６ＡのラインＸＶＩ−ＸＶＩによる、別の一実施形態による非線形の弾性部材を備えたリング弁の長手方向の断面図である。
【図６Ａ】図６のラインＶＩＡ−ＶＩＡによる図である。
【図７】図６のばねの配置の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
例示の実施形態の以下の詳細な記載は、添付の図面を参照している。異なる図面の同一の参照番号は、同一または同様の要素を特定している。これに加えて図面は必ずしも縮尺通りではない。また以下の詳細な記載は、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義されている。
【００３０】
明細書を通して「一実施形態」または「ある実施形態」または「いくつかの実施形態」といった言及は、ある実施形態に関連して記載される特定の機能、構造または特徴が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味している。よって明細書を通して様々な場所に出てくる「一実施形態において」または「ある実施形態において」または「いくつかの実施形態において」という言い回しは、必ずしも同じ（１つまたは複数の）実施形態を指しているとは限らない。さらに特定の機能、構造または特徴は、１つまたは複数の実施形態において、任意の好適なやり方で組み合わせることもできる。
【００３１】
以下で本発明の様々な利点を、ハイパー圧縮機のポペット弁に関連して考察する。しかしながら本発明の機能の少なくとも一部は、例えばリングタイプ弁などの他のタイプの往復圧縮機の自動弁において具現化することもできることを理解されたい。
【００３２】
以下の本明細書に開示される一実施形態は、単一タイプのポペット弁について言及している。しかしながら本明細書に開示される特徴の少なくとも一部は、多重式のポペット弁において、すなわち２つ以上のポペットシャッタおよび関連するシャッタガイドを含む弁において具現化することも可能であることを理解されたい。例えば複数のポペットシャッタの複数のガイドを含む弁止め具を、複数の吸気開口を備えた弁シートと組み合わせて使用することも可能であり、この場合各々の開口は、各々のポペットシャッタに対応している。
【００３３】
まず図３を参照すると、一般的な構造のハイパー圧縮機が記載されるが、これは本発明を理解するのに重要な部分に限定されている。ハイパー圧縮機１０２は、シリンダ１０４が中に形成されるケーシング１０３を備えている。ピストンロッド１０５がシリンダ１０４内で往復運動するように摺動することで、少なくとも１つの吸気ダクト１０６から流体を吸い込み、この流体をより高い圧力で少なくとも１つの排気ダクト１０７に排出する。前記吸気ダクト１０６および排気ダクト１０７それぞれに、それぞれのポペット弁が配置される。参照番号１１０Ｓは、吸気ダクト１０６にあるポペット弁を指しており、参照番号１１０Ｄは、排気ダクト１０７にあるポペット弁を指している。シリンダ１０４に対する吸気ダクトおよび排気ダクトの配置は、図面に示されるものとは異なる場合もある。詳細には、シリンダの軸に対する弁の軸の位置が異なる場合があり、この位置は、ハイパー圧縮機の入り口および出口圧の設計値によって左右されてよい。
【００３４】
ピストンロッド１０５は、クランク（図示せず）によって作動する。いくつかの実施形態において、クランクの回転速度は、毎分回転数１５０から３００の範囲内であり、すなわちピストンロッド１０５は、毎分１５０から３００回の完璧な圧縮と吸気運動を行う。その結果各々の弁１１０Ｓ、１１０Ｄは、毎分１５０から３００回の開閉運動を行う。圧縮機の吐出圧は、８００から４０００バールの範囲であり、例えば１５００から３５００バールの範囲である。
【００３５】
各々のポペット弁１１０Ｓ、１１０Ｄは、図４に示される例示の実施形態で示されるように設計することができ、この場合ポペット弁は全体を１１０で表され、その開放位置において示されており、ガスが弁を通り抜けて入り口から出口に向かって流れることができる。
【００３６】
ポペット弁１１０は、弁の軸Ａ−Ａを有する弁本体１１１と、ポペットシャッタ１１２と、付勢部材１１４とシャッタガイド１１６を含んでいる。
【００３７】
いくつかの実施形態において、ポペットシャッタ１１２は内部の空洞１１３を有し、そこにスペーサ１１５が配置される。付勢部材１１４は、一部がポペットシャッタ１１２のこの内部空洞１１３の中に収容され、シャッタガイド１１６の内部チャンバ１１７の中に一部が収容される。より具体的には付勢部材１１４は、スペーサ１１５とシャッタガイド１１６の内部チャンバ１１７の底部面１１７Ｂの間に保持される。内部チャンバ１１７の面１１７Ａが、ポペットシャッタ１１２の外側の面１１２Ａと摺動式に接触することで、この外側の面１１２Ａが、ポペットシャッタ１１２が開閉するための往復動作をする際、シャッタガイド１１６によって摺動するように誘導される。異なる一実施形態によると、ポペットシャッタ１１２が少なくとも部分的にシャッタガイドを取り囲む場合もあり、ポペットシャッタの空洞の中に延在するシャッタガイドによって誘導することができる。
【００３８】
ポペット弁１１０はまた、流れ入り口１１８と流れ出口１２０を含む。作動中、付勢部材１１４がポペットシャッタ１１２をシャッタガイド１１６から離れるように閉鎖位置に付勢し、そこではポペットシャッタ１１２の表面の一部１２２が、弁本体１１１の表面部分によって形成された閉鎖シート１２４にもたれかかることにより、ガスが流れ入り口１１８から流れ出口１２０に、あるいはその逆に流れるのを阻止する。ばね１１４に適切に事前に荷重がかけられることにより、ポペットシャッタ１１２と閉鎖シート１２４の間に十分な閉鎖圧力が形成される。弁の両端の差異のあるガス圧によってポペットシャッタ１１２に及ぼされる力が、ばね１１４の付勢力より大きくなると、ポペットシャッタ１１２が、図４に示される開放位置に移動され、これによりガスが、図４の矢印１２８によって示されるように、ポペットシャッタ１１２と弁本体１１１の内側の面の間、ならびにシャッタガイド１１６と弁本体１１１の内側の面の間に形成された流路１２６を通って流れ入り口１１８から流れ出口１２０に流れることができる。
【００３９】
図４に示される例示の実施形態では、付勢部材１１４は、事前に荷重がかけられた平行な２つの圧縮つる巻きばね１１４Ａおよび１１４Ｂを備え、これらのばねは、一方の中に他方が配置されている。より具体的にはばね１１４Ａは、直径がより大きく、これより小さいばね１１４Ｂを取り囲むように配置される。示されていない異なる一実施形態によると、ばねは同軸ではなく並んで配置される。ばねが事前に荷重がかけられた状態で配置され、弁の両端に圧力差が存在しないため、ポペットシャッタ１１２は、ばね１１４Ａ、１１４Ｂによって付勢され閉鎖シート１２４と密閉式に接触する。
【００４０】
一実施形態においてばね１１４Ａおよび１１４Ｂは線形ばねであり、すなわちばねに加わる圧縮荷重によってたわみが直線状に変化するばねである。
【００４１】
各々のばね１１４Ａ、１１４Ｂは、（最初の）共振周波数とその倍数によって特徴付けられる。通常ωがばねの最初の共振周波数を指す場合、より高次の共振周波数は、２ω（２次共振周波数）、３ω（３次共振周波数）・・・Ｎω（Ｎ次共振周波数）である。
【００４２】
いくつかの実施形態において、ばね１１４Ａ、１１４Ｂは、前記ばね１１４Ａ、１１４Ｂの一方の少なくとも最初の共振周波数（第１調波）が、他方のばねの最初の共振周波数（第１調波）と異なるように設計される。またいくつかの実施形態において、少なくとも２次の、および好ましくは３次、場合によっては４次の周波数（第２、第３、第４調波）は、２つのばね１１４Ａ、１１４Ｂに関して異なっている。例えば最初のばねが、１００ヘルツの最初の共振周波数を有し、それに続く共振周波数が２００、３００、４００ヘルツである場合、２番目のばねを、第１の共振周波数でも第２の共振周波数でもなく、第３および第４の共振周波数が１００、２００、３００または４００ヘルツであるように設計することが好適である。
【００４３】
弁の作動条件が、２つのばねの最初のばねが、第１の共振周波数で共振する場合、ばねに沿った圧縮波の伝搬が、２つのばねのうち２番目のばねによって妨害され、この第２のばねの最初の共振周波数およびそれに続く共振周波数は最初のばねのものとは異なっている。このような構成の全体的な成果は、サージの回避またはサージを軽減させる効果になる。
【００４４】
種々の実施形態によると、２つのばね１１４Ａ、１１４Ｂの少なくとも一方は非線形ばね、例えば累進式ばねである。いくつかの実施形態において、ばね１１４Ａ、１１４Ｂは両方とも非線形ばね、例えば累進式ばねである。ばねの非線形の挙動によって、サージが抑制あるいは緩和される。
【００４５】
一般論として、非線形の累進式のつる巻きばねは、剛性が変化し得る連続して配置されたばねを並べることによって概略的に表すことができる。一般論として、このような配置は、種々のやり方で実現することができる。図５は、つる巻きばねの一実施形態を示しており、そこではばねを形成しているコイル間のピッチは、ばねの軸方向の延長部に沿って変化している。ピッチは、すなわちばね１１４Ａまたは１１４Ｂを形成している２つの隣接するアクティブコイルの間隔は、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・Ｐｎ−１、Ｐｎと名前が付けられている。ピッチは、ばねの一端から反対側の端部まで段階式に変わるが、これは必須ではなく、例えばピッチは、各々のばねの端部からばねの中心に向かって、あるいはその逆に向かって狭くなる場合もある。
【００４６】
非線形の累進式つる巻きばねの挙動は、以下のようにしてサージ現象を抑制または緩和させる。理論的には一般的な線形つる巻きばねでは、全体のばねのたわみは、多様なコイルの間に均一に分散される。これは、隣接するコイルの各々の組同士の距離が、同一程度になるまで縮小し、ついには最終的にコイルが互いに接触することを意味する。累進式つる巻きばねでは、最も短いピッチによって距離が置かれているコイルが、残りのコイルより先に互いに接触する。これによりコイルの剛性が変化する。圧縮性のたわみが増大し、徐々により多数のコイルが互いに接触することで、ばねの剛性を緩やかに増大させ、ついには最終的に最大の圧縮性のたわみが達成され、全てのコイルが最小限の空間で配置され、各々のコイルが隣接するコイルに接触する。
【００４７】
累進式ばねの剛性はたわみによって変化するため、その共振周波数も変化し、圧縮波の伝搬（ばねサージ）が抑制される、あるいは少なくとも強力に軽減される。
【００４８】
２つのつる巻きばね１１４Ａ、１１４Ｂを組み合わせ、その少なくとも一方が非線形であり、異なる共振周波数を有することで、付勢部材１１４のサージを抑制する効果を高める。
【００４９】
ばねの少なくとも一方の剛性が増大する場合、例えば累進式つる巻きばねなどである場合、ばねの剛性が少なくとも３つの異なる段階によって段階式に増大するように、すなわち荷重とたわみの曲線が少なくとも２つのクニック点を有するようにばねを設計することができ、その場合曲線の勾配は、それが関与するたわみの範囲内でその導関数が不連続であることにより変化する。この不連続性は、ばねの剛性の変化に対応している。さらにいくつかの実施形態では、それに続く２つの剛性の値の比率は、好ましくは１．２から２であり、すなわち
１．２＜Ｋi／Ｋi-1＜２であり、
この場合ＫiおよびＫi-1は、それに続くばねの剛性の値である。
【００５０】
図６、図６Ａおよび図７は、別の一実施形態を示している。この実施形態では、リング弁が全体として２０１で示されている。弁２０１は、環状の貫通経路２０５を備えた弁止め具２０３と、環状の貫通経路２０９を備えた弁シート２０７で構成された弁本体を備える。同心円状に配置された密閉式のリング２１２の形態のシャッタが、止め具２０３とシート２０５の間に配置される。各々のリング２１２は、リングの環状の展開部分に沿って配置された複数の付勢部材２１４によってシート２０７に対して弾性式に付勢される。各々の付勢部材２１４は、弁止め具２０３に形成された筐体２１３の中に収容される。いくつかの実施形態によると（特に図７を参照）、各々の付勢部材２１４は、少なくとも２つのばね２１４Ａ、２１４Ｂを備えている。各々のばね２１４Ａ、２１４Ｂは、つる巻きばねであってよい。図面に開示される実施形態では、ばね２１４Ａ、２１４Ｂは同軸であり、すなわち小さい方のばねが、前記ばねのうちの大きな方のばねによって形成される空いた空間の中に配置される。いくつかの実施形態において、ばね２１４Ａ、２１４Ｂは両方とも線形である。代替の実施形態では、一方または両方のばねが非線形であり、例えば累進式ばねである。
【００５１】
本明細書に記載される主題の開示される実施形態を図面に示し、複数の例示の実施形態に関連して独自にかつ詳細に上記に全てを記載してきたが、本明細書に記載される新規の教示、その原理および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に列記される主題の利点から著しく逸脱することなく、多くの修正、変更および省略が可能であることは当業者には明らかである。したがって開示される技術革新の適切な範囲は、添付の特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ特定され、全てのこのような修正、変更および省略を包含すべきである。これに加えて、任意の工程または方法ステップの順番またはシーケンスは、代替の実施形態によって変更する、あるいは組み立て直すことができる。
【符号の説明】
【００５２】
２、１０２  ハイパー圧縮機
３、１０３  ケーシング
４、１０４  シリンダ
５、１０５  ピストンロッド
６、１０６  吸気ダクト
７、１０７  排気ダクト
１０、１０Ｓ、１０Ｄ、１１０、１１０Ｓ、１１０Ｄ  ポペット弁
１１、１１１  弁本体
１２、１１２  ポペットシャッタ
１３、１２４  閉鎖シート
１４、１１４Ａ、１１４Ｂ、２１４Ａ、２１４Ｂ  ばね
１６、１１６  シャッタガイド
１７、１２６  流路
１８、１１８  流れ入り口
２０、１２０  流れ出口
２２  排気用の開口
２６  内部チャンバ
１１２Ａ  ポペットシャッタの外側の面
１１３  空洞
１１４、２１４  付勢部材
１１５  スペーサ
１１７  内部チャンバ
１１７Ａ、１１７Ｂ  内部チャンバの面
１２２  シャッタの表面の一部
１２８  矢印
２０１  リング弁
２０３  弁止め具
２０５、２０９  貫通経路
２０７  弁シート
２１２  リング
２１３  筐体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図７】
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【外国語明細書】
2013060943000001.pdf