JP2005532536A - 閉ループ型水ブレーキダイナモメータ流体体積制御システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 水ブレーキ型流体体積制御システム及び方法は水ブレーキ内の流体体積を実質上一定に保つ閉ループの循環路を備える。水ブレーキ内の流体体積は、選択的に、流体を水ブレーキに供給し、あるいは水ブレーキから流体を除去することにより制御される。

Description

本発明は、水ブレーキダイナモメータシステムに関し、特に、水ブレーキ内の流体体積を制御するシステム及び方法に関する。

ダイナモメータはパワー、力またはエネルギーを測定するのに使用される装置である。ある特定のタイプのダイナモメータは水ブレーキダイナモメータとして知られている。水ブレーキダイナモメータはエンジン、モータなどの様々な回転機械を試験するのに使用される。特に、水ブレーキダイナモメータは、例えばエンジン、モータなどにより発生する回転機械の馬力を測定するのに使用される。

典型的に、水ブレーキダイナモメータは、流体系統に結合された水ブレーキを備えている。一般に、水ブレーキはハウジング内に回転可能に取り付けられたローターを備える。ハウジングには、水などの流体を水ブレーキのハウジングから出入可能にする流体系統に結合された流入口及び流出口ポートがある。使用の際、試験される回転機械の出力シャフトは水ブレーキのローターを駆動する。水ブレーキ内の流体は負荷を水ブレーキのローターに掛け、これにより回転機械の出力シャフトに負荷を掛ける。出力シャフトから発生するトルクは測定され、回転機械の出力パワーを決定するのに使用される。

一般に知られているように、機械の出力シャフトに加わる負荷の大きさは、所与の流体温度において水ブレーキ内の流体体積に比例する。したがって、機械１２０に所定の大きさの負荷を掛け、所定の負荷の大きさを実質上一定に保つには、水ブレーキ内を、実質的に温度（または温度範囲）が一定で、実質的に容積が一定の水に保つ必要がある。水ブレーキのローターが回転するとき、エネルギーが水ブレーキハウジング内の流体に伝わり、これにより流体の温度が上昇する。したがって、試験される機械に加わる負荷を制御するには、水ブレーキ内の流体体積及び流体温度を制御する必要がある。

従来において、水ブレーキ内の流体体積及び温度は開ループの流体系を用いて制御されていた。この種のシステムにおいて、流体は、クーリングタワー貯槽などの流体源から水ブレーキに供給される。水ブレーキに供給する流体体積は、水ブレーキと流体源間の供給路に取り付けられた１以上の制御弁により制御される。水ブレーキからの熱せられた流体は、直接あるいは１以上の流量調整弁または背圧制御弁を介して温水だめに排出される。温水だめの流体はクーリングタワーに汲み戻され、そこで冷却されてから、クーリングタワー貯槽に戻して水ブレーキに再循環させる。

前記システムは良好に動作するが、各システムとも所定の問題を抱えている。例えば、水ブレーキ内の流体体積及び温度、したがって試験される機械に加わる負荷は、水ブレーキを通る流体流量により左右されるが、流体流量の調整は困難である。さらに、流体系が開放型であるので、系が汚染される可能性が高まる。汚染の可能性が高まることから、フィルタやフィルタを通る流体を吸引するためのポンプなどの追加部品を使用することが必要になって、システムの複雑さとコストが増加する。

したがって、水ブレーキ内の流体体積及び温度を制御するのに流体流量の制御を行わず、及び／または流体体積及び温度を比較的簡単に調整でき、及び／または流体系の汚染の可能性を低減し、及び／または複雑さ及びコストを軽減した、水ブレーキダイナモメータ流体体積制御システム及び方法に対するニーズがある。本発明はこれらのニーズの１以上に対処する。

本発明は、水ブレーキ内の流体体積を実質上一定に保つために閉ループ型の循環路を使用するとともに、選択的に、流体を水ブレーキに供給し、あるいは水ブレーキから流体を除去することにより水ブレーキの流体体積を制御する、流体体積制御システム及び方法を水ブレーキダイナモメータに適用したものである。

本発明の一実施形態において、また単なる例示として、水ブレーキダイナモメータ流体体積制御システムは、水ブレーキ、流体循環路、及び可逆ポンプアセンブリを備える。水ブレーキは、流入口ポートと流出口ポートを備える。流体循環路は、水ブレーキ流出口ポートを、閉ループの連続流体の連絡で、水ブレーキ流入口ポートに直接的に結合する。可逆ポンプアセンブリは、少なくとも、水ブレーキ流入口に連続流体の連絡で結合された第１のポートと、流体源に結合するように構成された第２のポートを備える。

別の例示的実施形態において、水ブレーキダイナモメータ流体体積制御システムは、水ブレーキ、流体循環路、第１及び第２の流路、並びに第１及び第２の弁を備える。水ブレーキは流入口ポートと流出口ポートを備える。流体循環路は、閉ループの連続流体連絡で水ブレーキ流出口ポートを水ブレーキ流入口ポートに結合する。第１の流路は流入口及び流出口を備え、第１の流路の流入口は流体源に結合されるように構成され、第１の流路の流出口は連続流体連絡で流体循環路に結合される。第１の弁は第１の流路に取り付けられ、選択的に流体を流体源から水ブレーキに供給するように可動である。第２の流路は流入口と流出口を備え、第２の流路の流入口は連続流体連絡で流体循環路に結合する。第２の弁は第２の流路に取り付けられ、第２の流路の流出口を介して、選択的に水ブレーキから流体を排出するように可動である。

さらに別の例示的実施形態において、水ブレーキダイナモメータ流体体積制御システムは、水ブレーキ、流体循環手段、及び流体体積制御手段を備える。水ブレーキは流入口ポートと流出口ポートを備える。流体循環手段は、水ブレーキ流出口ポートから直接的に流体を水ブレーキ流入口ポートに再循環させる。流体体積制御手段は選択的に、流体体積を水ブレーキに供給し、あるいは水ブレーキから除去するためのものである。

さらに別の例示的実施形態では、流入口ポート、流出口ポート、及び回転可能に取り付けられたローターを有する水ブレーキを備えた水ブレーキダイナモメータシステムにおいて、水ブレーキの流体体積制御方法は、水ブレーキ流入口と水ブレーキ流出口を閉ループの連続流体連絡で互いに直接的に結合することにより、水ブレーキのローターは、水ブレーキ流出口ポートから水ブレーキ流入口ポートに流体を送出するとともに、選択的に、流体体積が水ブレーキに供給され、あるいは水ブレーキから除去される。

さらに別の例示的実施形態において、少なくとも１つの回転出力シャフトを有する機械の試験方法は、回転可能に取り付けられた入力シャフト、流入口及び流出口を備えた水ブレーキを適用する。水ブレーキ流入口ポートと水ブレーキ流出口ポートは閉ループの連続流体連絡で互いに直接的に結合される。機械の出力シャフトは水ブレーキの入力シャフトに結合される。機械は出力シャフトを回転させるように動作し、水ブレーキ内の流体体積を制御するために、流体は選択的に水ブレーキに供給され、あるいは水ブレーキから除去され、これにより、機械の出力シャフトに所定のトルクが維持される。

好適な水ブレーキダイナモメータ流体体積制御システムに関する他の独立した特徴及び効果は、例示として本発明の諸原理を図示した添付図面を参照してなされる以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

水ブレーキダイナモメータ流体体積制御システム１００の好適な実施形態の配管図が図１に示される。図に示される実施形態において、システム１００は、水ブレーキ１０２、熱交換器１０４、水ブレーキ流体貯槽１０５、可逆ポンプアセンブリ１０６、冷却ポンプ１０８、及びクーリングタワー１１０を備える。水ブレーキ１０２は、水などの流体を水ブレーキ１０２内に取り込む、少なくとも１つの流入口ポート１１２と、水ブレーキ１０２内の流体を排出する、少なくとも１つの流出口ポート１１４を備える。ローター１１６は水ブレーキ内に回転可能に取り付けられていて、シャフト１１８を備える。後で詳細に説明されるように、水ブレーキ１０２を使用して例えばモータまたはエンジンなどの回転機械１２０を試験する際に、回転機械１２０の出力シャフト１２２は水ブレーキのローターシャフト１１８に結合される。また、機械１２０に加わるトルクを測定するために、トルクセンサ１２３が機械の出力シャフト１２２または水ブレーキの入力シャフト１１８に結合される。

水ブレーキ流出口ポート１１４は、閉ループの連続流体の連絡で、流体循環路１２４を経由して、直接的に流入口ポート１１２に結合される。よく知られているように、ローター１１６が回転しているとき、水ブレーキ１０２は負荷を試験される機械１２０に加えるだけでなく、ポンプとしても機能する。したがって、水ブレーキ１０２は水ブレーキ１０２内の流体を流出口ポート１１４から排出する。排出された流体は、流体循環路１２４を経由して流入口ポート１１２に還流する。

試験される機械１２０がローター１１６を回転させるので、エネルギーが、水ブレーキ１０２を経由して循環する、水ブレーキ１０２内の流体体積に伝えられて流体温度を上昇させる。熱が流体から除去されなければ、流体は気化する可能性がある。さらに、密度、粘度などの流体の物性は温度に伴って変化することから、流体温度の変動は水ブレーキ１０２から機械１２０に加わる負荷に影響を及ぼす。このため、システム１００に熱交換器１０４を設けて、水ブレーキ１１２を経由して循環する流体から熱を除去して水ブレーキ１０２の入口／出口間の（温度差）Ｔが実質上一定になるようにする。熱交換器１０４には、少なくとも２つの流路、すなわち第１の流路１２６及び第２の流路１２８が通っている。第１の流路１２６は連続流体の連絡で流体循環路１２４に結合される。第２の流路１２８は連続流体の連絡で冷却流体系に結合される。図に示される実施形態において、この冷却流体系は、クーリングタワー１１０と冷却ポンプ１０８を備える。この構成の場合、水ブレーキ流出口ポート１１４から排出された流体は流体循環路１２４に入り、熱交換器１０４を通る。この循環流体は、熱交換器１０４を通るとき、第２の流路１２８を通る流体により冷却される。その後、循環流体は 水ブレーキ流入口ポート１１２に還流する。なお、熱交換器１０４は従来から知られている様々な熱交換器設計の任意のものでよく、例えば、プレート及びフレーム型熱交換器、クロスフロー型熱交換器またはチューブ及びシェル型熱交換器であってよい。また、水ブレーキに適用される流体は従来から知られている様々な流体の任意のものであってよく、制限する意味でないが水、不凍液及びオイルが含まれる。

冷却ポンプ１０８は入口１２９と出口１３０を備え、クーリングタワー１１０と熱交換器の第２の流路１２８間に流体的に連通して結合される。詳細には、冷却ポンプ１２９の入口１２９は、クーリングタワー１１０に流体的に連通し、冷却ポンプの出口１３０は熱交換器の第２の流路１２８に流体的に連通している。したがって、冷却ポンプ１０８はクーリングタワー１１０から冷却流体を吸引し、冷却流体を熱交換器の第２の流路１２８に供給する。冷却流体は、循環路１２４を通る流体により暖められた後で、クーリングタワー１１０に還流し、そこで、暖められた冷却流体から周囲の環境に熱が放出される。なお、クーリングタワー１１０は従来から知られている様々な設計の任意のものであってよい。また、本発明は、暖められた流体を冷却するのにクーリングタワーを使用することに限定されない。事実、暖められた冷却流体を除熱するのに、クーリングタワー１１０に代え、従来から知られている様々な熱交換器または除熱装置が使用できる。

可逆ポンプアセンブリ１０６は、連続流体の連絡で流体貯槽１０５と水ブレーキ１０２間に結合される。好適には、可逆ポンプアセンブリ１０６は、逆流能力を有する、従来から知られている、様々なシングルポンプ設計の任意のものであってよい。代わりに、可逆ポンプアセンブリ１０６は、流体を両方向に送るようにシステム１００内に構成された２以上の個別ポンプであってもよい。いずれの場合も、可逆ポンプアセンブリ１０６により、流体が水ブレーキ１０２に供給されるとともに水ブレーキ１０２から除去される。このために、可逆ポンプアセンブリ１０６は少なくとも、第１の入口／出口ポート１３２と第２の入口／出口ポート１３４を備える。第１の入口／出口ポート１３２は、連続流体の連絡で水ブレーキ流入口ポート１１２に結合され、第２の入口／出口ポート１３４は、流体の連絡で流体貯槽１０５に結合される。流体が水ブレーキ１０２に供給されているとき、可逆ポンプアセンブリ１０６は流体貯槽１０５から流体を第２の入口／出口ポート１３４に取り込み、第１の入口／出口ポート１３２から水ブレーキ１０２に排出する。逆に流体が水ブレーキ１０２から除去されているとき、可逆ポンプアセンブリ１０６は水ブレーキ１０２から第１の入口／出口ポート１３２に流体を取り込み、第２の入口／出口ポート１３４から流体貯槽１０５に排出する。

上述したように、回転機械１２０は、水ブレーキダイナモメータ流体体積制御システム１００を用いて、機械の出力シャフト１２２を水ブレーキのローターシャフト１１８に結合することにより、試験可能である。機械１２０がローター１１６を回転させるとき、水ブレーキ１０２は機械に負荷を掛けるだけでなく、ポンプとしても機能する。したがって、水ブレーキ内の流体は水ブレーキ流出口１１４から排出され、循環路１２４及び熱交換器１０４を経由し、水ブレーキ流入口１１２を介して水ブレーキ１０２に還流する。同じく上述したように、水ブレーキ１０２から機械１２０に加わる負荷は水ブレーキ１０２内の流体体積に比例する。したがって、機械１２０に特定の所望の大きさの負荷を加えるのに、可逆ポンプアセンブリ１０６を介して、流体が水ブレーキ１０２に供給され、あるいは水ブレーキ１０２から除去されることにより所望の大きさの負荷が得られるようになる。その後は、流体循環路１２４が、閉ループの連続流体の連絡で水ブレーキ流出口ポート１１４を水ブレーキ流入口ポート１１２に直接的に結合するので、水ブレーキ１０２内の流体体積、ひいては機械１２０に加わる負荷は実質上一定に保たれることになる。

次に図２を参照して、水ブレーキダイナモメータ流体体積制御システムの代替形態が説明される。この代替システム２００には、独立した冷却システムは含まれない。代わりに、熱交換器が水ブレーキ１０２を循環する流体から周囲の空気に熱を移動させる。熱交換器１０４は放射熱によりこの熱移動を行い、またはファン１４４により周囲の空気で熱交換器１０４を強制空冷し、対流により除熱する。

水ブレーキダイナモメータ流体体積制御システムの代替形態が図３に示される。この代替システムにおいて、システム３００は独立した流体貯槽１０５を備えていない。代わりに、可逆ポンプアセンブリ１０６が連続流体の連絡で冷却ポンプ１０８と水ブレーキ１０２間に結合される。詳細には、第１の入口／出口ポート１３２は、連続流体の連絡で水ブレーキ流入口ポート１１２に結合され、第２の入口／出口ポート１３４は流体の連絡で冷却ポンプ出口１３０に結合される。したがって、図１に示される実施形態と同様に、流体が水ブレーキ１０２に供給されているとき、可逆ポンプアセンブリ１０６は流体を流体貯槽１０５から第２の入口／出口ポート１３４に取り込み、第１の入口／出口ポート１３２から水ブレーキ１０２に排出し、流体が水ブレーキ１０２から除去されているときは、可逆ポンプアセンブリ１０６は流体を第１の入口／出口ポート１３２に取り込み、第２の入口／出口ポート１３４から排出する。

次に図４〜６には、図１〜３に示される水ブレーキダイナモメータ流体体積制御システムの代替形態がそれぞれ示される。これらの代替システム４００、５００、６００の各々は、図１〜３のシステム１００、２００、３００にそれぞれ類似しており、図４〜６における同様な参照番号は図１〜３に示されるシステム１００、２００、３００における同様な部品を指している。代替システム４００、５００、６００は、流体を水ブレーキ１０２に供給し、水ブレーキから除去するのに使用される部品の相違を除いて、図１〜３に示されるシステム１００、２００、３００と同様である。詳細には、代替システム４００、５００、６００において、可逆ポンプアセンブリ１０６は使用されない。代わりに、図４、５にそれぞれ示されるシステム４００、５００において、流体供給路４０２が、連続流体の連絡で流体貯槽１０５と水ブレーキ流入口ポート１１２間に結合され、排出路４０４が、連続流体の連絡で水ブレーキ流出口ポート１１４と流体貯槽１０５間に結合される。供給弁４０６は流体供給路４０２に取り付けられ、排出弁４０８は流体排出路４０４に取り付けられる。同様に、図６に示されるシステム６００において、供給弁４０６が取り付けられた流体供給路４０２は、連続流体の連絡で冷却ポンプ出口１３０と水ブレーキ流入口ポート１１２間に結合され、排出弁４０８が取り付けられた流体排出路４０４は、連続流体の連絡で水ブレーキ流出口ポート１１４と冷却システム間に結合される。各代替システム４００、５００、６００において、流体を水ブレーキ１０２に供給するために、所望の流体体積が加えられるようになるまで、供給弁４０６は開いていて、その後、供給バルブ４０６は閉じられる。同様に、流体を水ブレーキ１０２から除去するために、排出弁４０８は所望の流体体積が除去されるようになるまで開いて、その後、排出弁４０８は閉じられる。なお、供給弁４０６、排出弁４０８の代わりに個別の供給ポンプ、排出ポンプを使用してよい。

以上、本発明は好適な実施形態について説明されてきたが、当業者には明らかなように、本発明の範囲を逸脱することなく、各種要素について様々な変更が可能であり、均等物で代替可能である。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示に基づいて、具体的な状況、素材に適合するように様々な変更が可能である。したがって、本発明は、発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されることはなく、本発明は特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を包含するものと解される。

本発明の好適な実施形態に基づいた水ブレーキダイナモメータの配管図である。 本発明の代替形態に基づいた水ブレーキダイナモメータの配管図である。 本発明の代替形態に基づいた水ブレーキダイナモメータの配管図である。 本発明の代替形態に基づいた水ブレーキダイナモメータの配管図である。 本発明の代替形態に基づいた水ブレーキダイナモメータの配管図である。 本発明の代替形態に基づいた水ブレーキダイナモメータの配管図である。

Claims (10)

1. 流入口ポート（１１２）及び流出口ポート（１１４）を有する水ブレーキ（１０２）と、
   閉ループの連続流体の連絡で前記水ブレーキ流出口ポート（１１４）と前記水ブレーキ流入口ポート（１１２）を直接的に結合する流体循環路（１２４）と、
   連続流体の連絡で前記水ブレーキ流入口（１２８）に結合される少なくとも第１のポート（１３２）、及び流体源に結合されるように構成される少なくとも第２のポート（１３４）を有する可逆ポンプアセンブリ（１０６）と、
   を備える水ブレーキダイナモメータ流体体積制御システム（１００）。
2. 前記流体源は流体が収められた流体貯槽タンク（１０５）である、請求項１記載のシステム。
3. 前記流体源に結合されるように構成される入口（１２９）及び連続流体の連絡で前記可逆ポンプアセンブリの第２のポート（１３４）に結合される出口（１３０）を有する流体供給ポンプ（１０８）をさらに備える、請求項１記載のシステム。
4. 連続流体の連絡で第１の循環路（１２４）に結合される、少なくとも第１の流路（１２６）を有する熱交換器（１０４）アセンブリであって、前記第１の流路（１２６）から周囲の空気に熱を移動するように動作可能な熱交換器（１０４）アセンブリをさらに備える、請求項１記載のシステム。
5. 第１の流路（１２６）及び第２の流路（１２８）を有する熱交換器（１０４）アセンブリであって、前記第１の流路（１２６）は連続流体の連絡で前記第１の循環路（１２４）に結合され、前記第２の流路（１２８）は連続流体の連絡で冷却流体系に結合され、前記第１の流路（１２６）から周囲の空気に熱を移動するように動作可能な熱交換器（１０４）アセンブリをさらに備える、請求項１記載のシステム。
6. 前記流体源に結合されるように構成される入口（１２９）、及び連続流体の連絡で前記熱交換器（１０４）の第２の流路（１２８）に結合される出口（１３０）を有する流体供給ポンプ（１０８）をさらに備える、請求項５記載のシステム。
7. 前記流体供給ポンプ（１０８）出口（１３０）はさらに、連続流体の連絡で可逆ポンプ（１０６）装置の第２のポート（１３４）に結合される、請求項６記載のシステム。
8. 前記熱交換器（１０４）の近くに配置されて、周囲の空気を前記熱交換器（１０４）の第２の流路（１２８）に流すファンを備える、請求項５記載のシステム。
9. 前記熱交換器の第２の流路（１２８）からの流体が流入するように結合され、前記流体を除熱するように動作可能なクーリングタワー（１１０）を備える、請求項５記載のシステム。
10. 前記可逆ポンプアセンブリ（１０６）は、選択的に、流体を前記水ブレーキ（１０２）に供給し、前記水ブレーキ（１０２）から除去するように動作可能である、請求項１記載のシステム。

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