JP2007321559A

JP2007321559A - 容積型流体機械

Info

Publication number: JP2007321559A
Application number: JP2006149087A
Authority: JP
Inventors: Suenori Tsujimoto; 末則辻本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】ベーン型モータのような容積型流体機械において、ベーンの背面がロータに備えるスロット内での摩擦摺動と、ロータの両側部に配置される側板との摩擦摺動により発生する機械損失を低減すると共に、トルクを発生する作動室の容積率を拡大して出力を高め、容積型流体機械の軽量化を図る。
【解決手段】上下側板２１,２２と一体に回転する外側部材２０に備え、半径内方に向けて揺動自在なベーン２４a，２４ｂ,２４ｃの先端部２６a，２６ｂ,２６ｃとの摺動速度を低減すると共に、作動室を増積するため小径の円弧状摺動部を複数備えるカム３４を中央部に配置することにより、二分割して形成される作動室Ａa，Ｂaにより駆動される前記ベーンの表裏を有効に活用して、前記作動室の容積率を拡大して出力トルクを増大させ、摩擦摺動抵抗と流体剪断抵抗を軽減して、効率向上と小型軽量化が達成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、非圧縮性流体或いは圧縮性流体を取り扱うことができる容積型の流体機械（圧縮機、ポンプ、又は原動機）に関し、ベーンを使用するものではあるが、従来のベーン型の流体機械のように各ベーンがロータ等に設けられたスロットの中で半径方向に摺動しながら進退する形式のものとは異なり、ベーンが、ドアヒンジを支点にしてドアを開閉させる場合にみられるスイング運動のように揺動するベーンによって形成される作動室に流体を給排させて仕事を行わせる回転機械、すなわち静圧流体による容積型の流体機械に関するものである。

弾性材で形成された動圧および静圧流体により作動するように構成された回転子型ベーンモータの従来例が特開平１０−１１０７０５号公報に記載されている。このベーンモータはケーシング内に偏心羽根車を回転自在に配置し、起伏する弾性翼により形成される流体圧作動室によりトルクを発生させるベーンモータが提案されている。

さらに、特開２００５−１６１２８８号公報には水圧で駆動回転される従来から広く知られるベーンモータを用いた洗浄器具が提案されている。
このような洗浄器具は作業者によって携行把持して使用されるものであるため作業者の疲労を軽減するため支持悍の先端部に装着されるブラシ駆動用のベーンモータは、回転が滑らかで低速トルクが大きく、より軽量化されたものが望ましい。

特開平１０−１１０７０５号広報特開２００５−１６１２８８号広報

特許文献１の図１および図２に見られるように、このベーンモータをポンプとして用いる場合に駆動回転される回転子により流体に作用する遠心力を有効に活用して流体を吸入排出されるため、構造が簡単で軽量化と低コスト化を実現するポンプが可能である。
しかしながら、回転子に設けられる羽根には、出力方向に向く圧力成分と相対方向に向く圧力成分がそれぞれ直角に作用する。このため回転子に備える羽根部に作用する出力トルク成分から相対トルク成分が相殺されると共に、流入口からベーンの先端部に出力トルクの方向と逆向きのトルクを発生させつつ流出口に向くリークによる短絡流体に伴う剪断抵抗が回転子に作用するため、出力軸トルクの大きさに比例して相対トルクも増加する。
さらに、羽根の左右に押圧摺動させ、且つ、回転を拘束させて配置される側板と回転する羽根とが干渉して摺動抵抗と流体剪断抵抗が作用し、効率の低下を招く。
このためベーンモータとして用いる場合には、これらの問題解決を図って、効率向上と軽量化などの克服すべき課題として残されている。

そして、特許文献２に記載の従来のベーンモータが図１に記載されている。このようなベーンモータは駆動軸に取り付けられて回転する円筒形のロータに形成された複数個のスロットにそれぞれ出没可能にベーンを嵌合し、各ベーンの先端部を円形の断面を有するシリンダの中心軸線と平行に形成される内周面に、その回転軸中心線を平行に配置されるロータに備えるベーンを摺接させることによって複数個の圧力室を形成する公知のベーンモータにおいて、作動室内に形成されるトルク発生領域すなわち給水領域と、トルクを減衰させる領域すなわち排水領域が概略４５％程度ずつであり、上死点と下死点にそれぞれ５％程度ずつ死容積領域が存在する。
このように構成される従来のベーンモータではトルクを発生させる作動室の領域は全作動室容積の５０％を上回ることは不可能である。
さらに、ベーンの先端部をカム機構（カムリング）の最大半径位置で摺動回転させるため、ベーン先端部の摺動速度が最大となり摺動抵抗が最も大きくなると共に、上述のベーンモータと同様に回転するロータに備えられるベーンの左右に押圧させ、且つ、固定させて配置される側板との間には、相対運動に伴う摺動抵抗と流体剪断抵抗が作用し、出力トルクを減衰させるという問題も存在する。
公知のベーンモータは上述のような構造的課題があり、出力トルクの増大と重量の軽減は限界に達しており、上述の洗浄器具のブラシ駆動用ベーンモータとしては改善すべき課題が残されている。

上記課題を達成しようとする本発明の容積型流体機械は、回転自在に配置される円筒状の内周部を有する外側部材と、容積型流体機械に備える作動室に流体を給排させる吸入孔と吐出孔とを備え、前記外側部材の軸方向中心軸線に対して、その中心軸線を平行に、かつ、前記内周部の半径方向内方に配置される略円形の内側部材と、前記外側部材および内側部材との前記中心軸線に対して、一方の端部に備える揺動中心軸線を平行に配置されるベーンを、前記外側部材の内周部周辺に揺動自在に設け他方の端部を、前記内周部周辺から半径内方に向けて往復揺動自在に備え、前記外側部材および内側部材との中心軸線方向側部と前記ベーンの揺動中心軸線方向側部とに直交させて配置され、これらの側部を閉塞する上部側板および下部側板と、回転不能に配置され、前記上部側板および下部側板と、前記ベーンとに接するように形成され配置されるカム機構と、前記外側部材が回転駆動されたときに、前記ベーンの揺動中心軸線と、前記カム機構に形成される前期ベーンとの摺接面とで設定される偏心量にしたがって振幅角を変化される前記ベーンとで気密を保持して拡縮するように構成される作動室を備えていることに特徴がある。

この容積型流体機械は、前記外側部材の内周部周辺に、前記ベーンの一端部を揺動自在に支持され、他方の端部を半径内方に向けて出没させるように形成される前記ベーン収容部を備えていることを特徴としている。

前記収容部と前記ベーンとの間に、前記カム機構部材に備える摺接部に向けて、前記ベーンの摺接部側を付勢する付勢部材が介装されていることを特徴とする

前記容積型流体機械において、前記外側部材と内側部材および前記上部側板と下部側板の支持部材は中空部材で形成され、流体管路として構成されていることを特徴とする。

前記作動流体として供給される水道水によって駆動回転される前記容積型流体機械に備える前記前部側板の周部或いは側部に装着される洗浄作業用ブラシを介して洗浄作業が実施されるように構成されていることを特徴とする。

前記流体管路は円形パイプで形成され、一方の端部に前記容積型流体機械を装着されると共に、中間部の適宜位置を分岐させて形成されるこれら複数の管路に分配する切換弁を設け、他方の端部周辺に把持部および作動流体流量制御弁を備えていることを特徴とする。

本発明の容積型流体機械によれば、小径の円弧状カム機構により上死点と下死点とに形成される圧力隔壁によって二分割される作動室に夫々連なる給水孔と排水孔を備える内側部材を中央部に固定配置し、内周部に揺動自在に備えるベーンの表裏を有効に活用されるように構成され回転自在に配置される外側部材とで形成される全作動室容積の７０％を超える作動室容積の領域に亘りトルク発生可能な作動室領域が形成されるため出力トルクが格段に増大する。
また、この容積型流体機械のベーン先端部の摺動位置は、カムをベーンの半径内方に配置させて摺動させるため、ベーン先端部の摩擦摺動速度が低くなり機械損失が軽減され効率も向上する。
そして、ベーンを備える外側部材（ロータ）と一体に回転する上下側板との間には、上述したような従来のベーンモータに見られる相対運動に伴う摩擦摺動抵抗と流体剪断抵抗が発生しないため容積型流体機械の効率が大幅に向上し、小型軽量化が達成される。

以下、本発明に係る介護装置の実施形態について図面を参照して説明する。図１乃至図３Ｃに示すものは、本発明の一実施形態例である。

図１は、本発明の容積型流体機械、以下（ベーンモータ）と称する１０を、洗浄器具４０により例えば、自動車、家屋の壁、タイル等の洗浄作業を行う場合に洗浄作業者に把手支持されるものであるため軽量化を図ると共に管路としての機能を有し、円形パイプにより形成される支持悍４１の先端部に備える支持軸４２に内側部材３０を回転不能に固定されている。

更にこの支持悍４１の基端部には後述する把手部４３、給水ホースを着脱自在に接続可能にするアダプター４４、給水量を制御する制御弁４５、そしてこの支持悍４１の適宜位置に通水方向をノーズル４８側とベーンモータ１０側とに分岐させる分岐管４６およびこれらの管路を開閉する開閉弁４７が付設されている。

図２に示すように、支持軸４２には後述する外側部材２０を上下から挟むように上部側板２１および下部側板２２が支持悍４１に回転自在に配置される。そして例えば図示しない床面のタイル等を洗浄する場合に、ブラシ４９は下方に押し付けられ、ベーンモータ１０を上部側板２１に備えるすべり軸受３６を介して支持軸４２に沿って上方に向けて移動させるスラスト荷重が作用するため支持軸４２に形成されるスラスト受け３７により支持され、上方への移動が阻止される。

そして、上述と逆に、支持悍４１を把持して洗浄器具４０を持ち上げて移動させる場合にベーンモータ１０が下方に向けて脱落するのを防ぐためと、内側部材３０の回動を阻止するため支持軸４２に、ナット３８により確実に固着される。

このようにベーンモータの中心位置に回転不能に配置される内側部材３０と、図示しないシール部材を介して外側部材２０および上部側板２１と下部側板２２とが一定の間隙が保たれ、且つ、これらの可動部材の回転を滑らかにするため、下部側板２２の回転中心位置に孔付きボルト３９により軸支締結される。

さらに、図２に見られるように、中空構造の支持軸４２に備える管路４９を介して供給される圧力流体（本実施例では水道水を圧力流体として用いた場合について記述するので、以下水道水と称す。）は内側部材３０に備える連通孔３１に導かれ、左右の作動室Ａa，Ｂaに通水される水道水の圧力を作動させて外側部材２０に後述するトルクが伝達され駆動回転される。

この外側部材２０の周部に、例えば着脱が簡便な煽り留め式の締結部材または装着に確実性が確保されるボルトなどにより取り付けられるブラシ４９も駆動回転される。

次に、図１〜図３Ｃを参照して洗浄器具４０の操作態様およびベーンモータ１０の作動形態について記述する。
例えば、図示しない水栓に接続されたホースをアダプター４４に接続され、洗浄器具４０に送水される。図示しない作業者により中空の支持悍４１および把手部（トリーガ）４３に連動して作動する制御弁４５を操作して支持悍４１に通水された水流を切換弁４７により分岐管４６を介してノーズル４８に導水される。例えば、自動車を洗浄する場合に、ノーズル４８に備える噴射口を公知のシャワー又はジェット噴水などに適宜選択して、ブラシ４９を回転させて水流と摩擦による洗車によってボディなどの塗装面を損傷させる恐れがある付着物が存在する場合は、必要に応じて、あらかじめ噴水流照射による洗浄がなされる。

そして、切換弁４７に備えるつまみをベーンモータ側に通水させる位置にセットした後、制御弁４５を操作して、図２に示すように、管路４９の端部および内側部材３０に鎖線で示す連通孔３１を経て、図３に記載する給水孔３２a，３２ｂから作動室Ａa，Ｂaに夫々給水される。ベーン２４a，２４ｂ，２４ｃの揺動基端部に形成される揺動軸中心位置に配置されるネジリバネ２５a，２５ｂ，２５ｃによりベーン先端部２６a，２６ｂ，２６ｃをあらかじめカム摺接面３４に圧接させるように付勢されており、図示しないシール部材を介して外側部材２０，内側部材３０，上部側板２１，下部側板２２，ベーン２４a，２４ｂ，２４ｃとで形成される作動室Ａa，Ｂaに水圧が作用し、これらの作動室Ａa，Ｂaの容積を拡大させる方向すなわち矢印Ｆで示す時計回りの方向に向けて外側部材２０にトルクが発生し駆動回転される。

一方、作動室Ａｂ，Ｂｂに満たされている作動済み非圧力水はベーン２４a，２４ｃの背面により押し退けられ、排水孔３３および連通孔３１を介して駆動回転されるブラシ４９の回転半径内方の下方に向けて放水され、ベーンモータ１０により駆動回転されるブラシ４９による洗浄潤滑水として活用される。

さらに、作動室Ａa，Ｂaに給水が継続され、図３Ａに示すように外側部材２０に揺動自在に備えるベーン２４aの受圧面に作用する水圧により、そのベーン先端部２６をカム摺接面３４に当接摺動させベーン２４aの振幅角が最も拡幅された状態にあり、作動室容積が最拡大され作動水押し退け容量が最大値にあり、作動室Ａaではこのとき最大値のトルクが発生している。

他方の作動室Ｂaに位置するベーン２４ｃは振幅角が最も縮幅されつつありトルク発生終期を迎えていることを示している。

図３Ｂに示すものは、さらに給水を継続された水圧により外側部材２０が駆動回転され、ベーン２４aの振幅角が縮幅位置にさしかかりつつある作動室Ａｂと、外側部材２０の内周面とカム３４の頂部とで形成される上死点、すなわち圧力隔壁部２７aを隔てて新たに形成された作動室Ｂaにはベーン２４ｂによってトルクを発生させる態勢にあることを示し、他方のベーン２４ｃは仕事を終え、ベーン収容部２８ｃに格納され、圧力隔壁部２７ｂを通過させつつあることを示している。

以上の説明および実施例図からも明らかなように、本発明の容積型流体機械によれば、従来のベーンによる容積型流体機械のように、ロータに備えるスロットの中と、ベーンの両側方に配置される側板および外周に配置されるカムリングとに高速度でベーンを摺動させる部分がなくなるため、機械効率が向上すると共に、ベーンを半径内方に揺動させて作動室の容積の拡大が図られており、出力トルクの増大と軽量化が達成される。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるもではなく、例えば、支持軸４２をフレームまたはハウジングの一部として形成し、吐出孔３３a，３３ｂの周辺に、気体の逆流を阻止させ、死容積率を抑制するために図示しないチェクバルブを付設してコンプレッサーとして機能させることも可能である。
また、例えば、上記のチェクバルブを廃止して給水孔３２a，３２ｂに空気を供給してエアーモータとしても利用できる。
さらには、非圧縮性流体（水、作動油など）ポンプとして用いても良好な性能と効率が得られる。

本発明の一実施形態を示す正断面図。図１の要部拡大断面図。図２のＡ−Ａ線に沿う断面図。第一の作動形態説明図。第二の作動形態説明図。

符号の説明

１０・・・ベーンモータ
２０・・・外側部材（ロータ）
２１・・・上部側板
２２・・・下部側板
２４a，２４ｂ，２４c・・・ベーン
２５a，２５ｂ，２５ｃ・・・ネジリバネ
２６・・・ベーン先端部
２７a，２７ｂ・・・圧力隔壁部
２８a，２８ｂ,２９ｃ・・・ベーン収容部
３０・・・内側部材
３１・・・連通孔
３２a，３２ｂ・・・給水孔
３３a，３３ｂ・・・排水孔
３４・・・カム
３６・・・すべり軸受
３７・・・スラスト受
４０・・・洗浄器具
４１・・・支持悍
４２・・・支持軸
４５・・・制御弁
４７・・・切換弁
４９・・・管路
Ａa・・・作動室（圧力室）
Ａｂ・・・作動室（非圧力室）
Ｂa・・・作動室（圧力室）
Ｂｂ・・・作動室（非圧力室）
Ｃ・・・中心線
Ｆ・・・回転方向

Claims

回転自在に配置される円筒状の内周部を有する外側部材と、
容積型流体機械に備える作動室に流体を給排させる吸入孔と吐出孔とを備え、前記外側部材の軸方向中心軸線に対して、その中心軸線を平行に、かつ、前記内周部の半径方向内方に配置される略円形の内側部材と、
前記外側部材および内側部材との前記中心軸線に対して、一方の端部に備える揺動中心軸線を平行に配置されるベーンを、前記外側部材の内周部周辺に揺動自在に設け、他方の端部を、前記内周部周辺から半径内方に向けて往復揺動自在に備え、
前記外側部材および内側部材との中心軸線方向側部と前記ベーンの揺動中心軸線方向側部とに直交させて配置され、これらの側部を閉塞する上部側板および下部側板と、
回転不能に配置され、前記上部側板および下部側板と、前記ベーンとに接するように形成され前記内側部材に備えるカム機構と、
前記外側部材が回転駆動されたときに、前記ベーンの揺動中心軸線と、前記カム機構に形成される前期ベーンとの摺接面とで設定される偏心量にしたがって振幅角を変化される前記ベーンとで気密を保持して拡縮するように構成される作動室を備えていることを特徴とする容積型流体機械。
請求項１において、前記外側部材の内周部周辺に、前記ベーンの一端部を揺動自在に支持され、他方の端部を半径内方に向けて出没させるように形成される前記ベーン収容部を備えていることを特徴とする容積型流体機械。
請求項１または２において、前記収容部と前記ベーンとの間に、前記カム機構部材に備える摺接部に向けて、前記ベーンの摺接部側を付勢する付勢部材が介装されていることを特徴とする容積型流体機械。
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記外側部材と内側部材および前記前部側板と後部側板の支持部材は中空部材で形成され、流体管路として構成されていることを特徴とする容積型流体機械。
請求項４において、前記作動流体として供給される水道水によって駆動回転される前記容積型流体機械に備える前記前部側板の周部或いは側部に装着される洗浄作業用ブラシを介して洗浄作業が実施されるように構成されていることを特徴とする容積型流体機械。
請求項５において、前記流体管路は円形パイプで形成され、一方の端部に前記容積型流体機械を装着されると共に、中間部の適宜位置を分岐させて形成されるこれら複数の管路に分配する切換弁を設け、他方の端部周辺に把持部および作動流体流量制御弁を備えていることを特徴とする容積型流体機械。