JP2008224296A

JP2008224296A - 負荷装置

Info

Publication number: JP2008224296A
Application number: JP2007060161A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Sawada; 信一澤田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2008-09-25

Abstract

【課題】発生音が小さく、回転負荷が任意に設定できる負荷装置を提供する。
【解決手段】回転機械２に接続される回転体３と、該回転体３を収容するハウジング４と、該ハウジング４内に満たされた流体５と、該流体５と上記回転体３との摩擦力を変化させることによって上記回転機械２に加わる回転負荷を変化させる摩擦力可変手段とを備え、該摩擦力可変手段として、上記流体５の粘性を変化させる粘性可変手段を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、発生音が小さく、回転負荷が任意に設定できる負荷装置に関する。

モータ、エンジン等の回転機械の性能を試験する際に、所望する回転負荷を加えた状態で回転機械を回転させることが必要になる。このための負荷装置として、発電機又は電動機からなるダイナモが知られている。また、電磁ブレーキやパウダーブレーキも負荷装置とすることができる。

また、回転機械に接続されて回転される被回転部材の性能を試験する際には、その被回転部材を所望した条件で回転させるための試験用回転機械が必要になる。試験用回転機械については、所望の条件が厳密に設定できるよう、試験用回転機械自体の性能試験がより厳密になされなくてはならない。

また、回転機械及び被回転部材が移動体のものである場合、移動体が移動してしまうと、試験がやりにくくなる。そこで、被回転部材を推力の発生しない負荷装置に置き換えて試験を行うことが望まれる。

Schlichting,"Boundary-Layer Theory",Sixth Edition,XXI. Turbulent boundary layers at zero pressure gradient p606-611 水力機械工学便覧、コロナ社、ｐ１３３、１９６２年出版山内弘、機械工学ポケットブック、オーム社、１９６２年出版

回転機械や被回転部材について発生音を調べる試験を行うことがある。例えば、冷蔵庫を無響室に設置して運転し、コンプレッサ用のモータからの発生音を測定する。

船舶のプロペラについて発生音を測定する場合、その発生音の測定の障害とならないよう十分に静謐な試験用モータを用意しなくてはならない。その試験用モータの発生音を調べるときには、試験用モータに負荷装置を接続することになる。

ところが、前述したダイナモやパウダーブレーキ等の従来の負荷装置は、それ自体が発生する騒音が大きく、肝心の発生音測定対象である試験用モータより大きな音を発生してしまうので、発生音測定試験がうまくできない。

なお、発生音測定試験であっても、所望する回転負荷を加えた状態で試験を行うためには、負荷装置において回転負荷が任意に設定できることが望まれる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、発生音が小さく、回転負荷が任意に設定できる負荷装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、回転機械に接続される回転体と、該回転体を収容するハウジングと、該ハウジング内に満たされた流体と、該流体と上記回転体との摩擦力を変化させることによって上記回転機械に加わる回転負荷を変化させる摩擦力可変手段とを備え、該摩擦力可変手段として、上記流体の粘性を変化させる粘性可変手段を備えたものである。

上記粘性可変手段は、粘性の異なる複数種類の流体を選択的に上記ハウジング内に導入することにより、上記ハウジング内に満たされている流体の粘性を変化させてもよい。

上記流体が温度によって粘性が異なる流体であって、上記粘性可変手段は、上記流体の温度を変化させることにより、上記流体の粘性を変化させてもよい。

上記流体が磁性流体であって、上記粘性可変手段は、磁場を変化させることにより、上記流体の粘性を変化させてもよい。

また、本発明は、回転機械に接続される回転体と、該回転体を収容するハウジングと、該ハウジング内に満たされた流体と、該流体と上記回転体との摩擦力を変化させることによって上記回転機械に加わる回転負荷を変化させる摩擦力可変手段とを備え、該摩擦力可変手段として、上記流体に接する上記回転体の表面粗度を変化させる表面粗度可変手段を備えたものである。

上記回転体が粗度の異なる複数の面を有し、上記表面粗度可変手段は、上記流体に接する上記回転体の面を選択してもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）発生音が小さくできる。

（２）回転負荷が任意に設定できる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る負荷装置１は、回転機械２に接続される回転体３と、該回転体３を収容するハウジング４と、該ハウジング４内に満たされた流体５と、該流体５と上記回転体３との摩擦力を変化させることによって上記回転機械２に加わる回転負荷を変化させる摩擦力可変手段（図示せず）とを備えたものである。

負荷装置１は、回転機械２に所望の回転負荷が加わった状態における回転機械２からの発生音測定試験のために用いられるものとする。回転機械２と回転体３との間には、回転負荷であるトルクを測定する動力計６が設けられる。また、図示しないが回転機械２の発生音を測定する発生音測定計が設けられる。

ここで、回転体３について説明しておく。本出願人は、船舶のプロペラの試験に用いる試験用モータについて試験を行おうとしていた。負荷部材としてプロペラを用いると推力が発生してしまい、試験がやりにくいので、推力が発生しない負荷部材を試験用モータに接続した。推力が発生しない負荷部材は、例えば、回転円板で実現できる。

回転円板は、水との摩擦により大きな回転負荷を生じ、その回転負荷の大きさは同径のプロペラにより生じる回転負荷と遜色がない。そして、回転円板は、推力が発生しないので、水中で使用する負荷部材として好適である。

非特許文献１によれば、回転円板が浸漬される媒質の密度をρ、回転円板が回転される角周波数をω、回転円板の半径をｒ、トルク係数をＣＭ、媒質の動粘性係数をν、回転円板に発生するトルクをＱとすると、

の関係がある。

そこで、半径の異なる複数の回転円板を作製し、水槽内で回転数を変えて回転させてみたところ、発生したトルクは、図２に示されるようになった。すなわち、水中で半径が８８ｍｍ，９８ｍｍ，１０６ｍｍの回転円板を約４００〜３６００ｒｐｍで回転させると、ほぼ０〜０．７ｋｇ・ｍの範囲で回転負荷の大きさを変化させることができる。

しかしながら、これらの回転円板からなる負荷部材をそのまま所望の回転負荷を得るための負荷装置として採用するには問題がある。まず、回転数を変えることは、試験対象である試験用モータの条件を変えてしまうことになるので、不可である。よって、回転負荷を変えるには回転円板の径を変えるしかない。

しかし、回転負荷の大きさを変えるために、その都度、水中にある回転円板を径の違うものと取り替えるのは、大変な労力であり、時間も大きく費やしてしまう。また、回転円板の径を大きくすると、外周付近では周速度が大きいため減圧によって水中溶解空気が気化し、気泡が形成される。気泡は音の原因となるので、回転円板の径はあまり大きくできない。すると、回転負荷があまり大きく設定できないことになる。

そこで、本出願人は、回転円板の径は変えず、流体と回転円板との摩擦力を変化させることに思い至った。摩擦力を変化させれば、回転円板の径を変えなくても、回転負荷の大きさを変えられるので、回転円板を取り替える作業がなくせる。回転円板の大きさに変化を与えずに摩擦力を変化させるには、摩擦の度合い（単位面積に生じる摩擦の率）を変化させればよく、そのためには流体の粘性を変えるか、回転円板の表面粗度を変えるとよい。

さらに、従来は、大規模な水槽内に試験用モータと回転円板を設置して試験を行ったが、そのような大規模水槽では流体を入れ替えたり、温度を変えたりするのに不便である。そこで、本出願人は、回転円板を小型のハウジングに収容し、ハウジング内に流体を満たすようにした。

すなわち、図１の負荷装置１は、回転体３をハウジング４に収容し、そのハウジング４内に流体５を満たし、流体５と回転体３との摩擦力を変化させるものであり、摩擦力可変手段として、流体５の粘性を変化させる粘性可変手段（図示せず）を備えたものである。

回転体３は、従来同様に円板であってもよい。また、推力が発生しない形状であれば、円板以外の形状としてもよい。回転体３の径は、従来と異なり、一定でよく、周速度が高速にならない程度の適宜な大きさとする。

図３に示されるように、回転体３の回転に伴い、回転体３の端面表面近傍においては流体５が回転体３とほぼ同一速度で移動する。一方、ハウジング４の内壁近傍においては流体５は静止しており、回転体３の端面表面からハウジング４の内壁までの間には、速度分布３１が形成される。このとき、回転数（回転速度）が一定とすると、流体５の粘性が高ければ回転体３と流体５と摩擦力が大きくなるので、回転負荷が大きいことになる。

流体の粘性を変化させる方法として、流体の種類を変える方法、温度を変える方法、流体の磁気的な性質を利用する方法がある。

流体５の種類を変える粘性可変手段は、粘性の異なる複数種類の流体（水、油などの液体）を選択的にハウジング４内に導入するものである。例えば、ハウジング４外部に複数の流体タンクを設置し、各流体タンクとハウジング４とを給排路で繋ぎ、ポンプを用いて流体５を給排して入れ替える。各流体５は、粘性の具体的数値が既知のものを用いてもよいが、粘性の具体的数値が不明であっても、粘性の差異が分かっていればよく、各流体５をハウジング４に満たしたときの回転負荷の大きさをあらかじめ測定しておくことにより、その後は、流体５を入れ替えることにより、所望した回転負荷を再現性よく得ることができる。すなわち、回転負荷を大きくしたいときは回転負荷が大きい（粘性が高い）流体５をハウジング４に満たし、回転負荷を小さくしたいときは回転負荷が小さい（粘性が低い）流体５をハウジング４に満たす。

流体５の温度を変化させる粘性可変手段は、流体５として温度によって粘性が異なる流体を用いるもので、この流体５の温度を変化させるものである。例えば、流体５に油を使用し、ハウジング４にヒータと温度センサを設置し、ハウジング４内の流体５を所望する温度に制御する。流体５の各温度における粘性の具体的数値は既知でも不明でもよく、その流体５を各温度にしたときの回転負荷の大きさをあらかじめ測定しておくことにより、その後は、温度制御をすることによって、所望した回転負荷を再現性よく得ることができる。すなわち、回転負荷を大きくしたいときは回転負荷が大きい温度（粘性が高くなる温度；油の場合、低温）に流体５の温度を制御し、回転負荷を小さくしたいときは回転負荷が小さい温度（粘性が低くなる温度；油の場合、高温）に流体５の温度を制御する。

流体５の磁気的な性質を利用する粘性可変手段は、流体５として磁性流体を用いるもので、磁場を変化させることにより、流体５の粘性を変化させる。磁性流体は公知であり、磁場を可変的に印加する部材も公知のものをハウジング近傍に設置することで実施できる。磁場の大きさをいろいろに変化させたときの回転負荷の大きさをあらかじめ測定しておくことにより、その後は、磁場の大きさを制御することによって、所望した回転負荷を再現性よく得ることができる。

以上のように、図１の負荷装置１は、各種の粘性可変手段を用いて流体５の粘性を変化させることにより、流体５と回転体３との摩擦力を変化させることができるので、従来のように回転円板を取り替える必要がなく、回転円板の径を増大させる必要もない。これにより、発生音が小さく、回転負荷が任意に設定できる負荷装置１が実現される。

次に、図４に示した負荷装置４１は、図１のものと同様に、回転機械２に接続される回転体３と、該回転体３を収容するハウジング４と、該ハウジング４内に満たされた流体５と、該流体５と上記回転体３との摩擦力を変化させることによって上記回転機械２に加わる回転負荷を変化させる摩擦力可変手段（図示せず）とを備えたものである。

負荷装置４１は、図１のものと異なり、摩擦力可変手段として、流体に接する回転体３の表面粗度を変化させる表面粗度可変手段（図示せず）を備える。

具体的には、回転体３は、粗度が大きい面４２を持つ径の大きい第１円板と、粗度が小さい面４３を持つ径の小さい第２円板とからなり、二重管軸４４，４５の伸縮により、第１円板と第２円板が接した状態と、第１円板と第２円板が離れた状態とを作ることができる。

第１円板と第２円板が接すると、粗度が大きい面４２が部分的に第２円板で覆われるため、面４２の流体５に接する面積が小さくなる。よって、流体５との摩擦が減少して回転負荷は小さくなる。第１円板と第２円板が離れると、面４２が第２円板から開放されるので、面４２の流体５に接する面積が大きくなる。よって、流体５との摩擦が増大して回転負荷は大きくなる。

円板の枚数を増やし、円板の径を異ならせ、粗度の異なる面の数や面積を増やし、円板同士の接離の組み合わせを任意に制御できるようにすれば、回転負荷を多様に変化させることができる。

以上のように、図４の負荷装置４１は、表面粗度可変手段を用いて回転体３の表面粗度を変化させることにより、流体５と回転体３との摩擦力を変化させることができるので、従来のように回転円板を取り替える必要がなく、回転円板の径を増大させる必要もない。これにより、発生音が小さく、回転負荷が任意に設定できる負荷装置１が実現される。

本発明の一実施形態を示す負荷装置の構成図である。水中で回転円板を回転させたときに得られる回転数対回転負荷特性図である。回転体の回転により生じる流体の速度分布図である。本発明の一実施形態を示す負荷装置の構成図である。

符号の説明

１，４１負荷装置
２回転機械
３回転体
４ハウジング
５流体

Claims

回転機械に接続される回転体と、該回転体を収容するハウジングと、該ハウジング内に満たされた流体と、該流体と上記回転体との摩擦力を変化させることによって上記回転機械に加わる回転負荷を変化させる摩擦力可変手段とを備え、該摩擦力可変手段として、上記流体の粘性を変化させる粘性可変手段を備えたことを特徴とする負荷装置。
上記粘性可変手段は、粘性の異なる複数種類の流体を選択的に上記ハウジング内に導入することにより、上記ハウジング内に満たされている流体の粘性を変化させることを特徴とする請求項１記載の負荷装置。
上記流体が温度によって粘性が異なる流体であって、上記粘性可変手段は、上記流体の温度を変化させることにより、上記流体の粘性を変化させることを特徴とする請求項１記載の負荷装置。
上記流体が磁性流体であって、上記粘性可変手段は、磁場を変化させることにより、上記流体の粘性を変化させることを特徴とする請求項１記載の負荷装置。
回転機械に接続される回転体と、該回転体を収容するハウジングと、該ハウジング内に満たされた流体と、該流体と上記回転体との摩擦力を変化させることによって上記回転機械に加わる回転負荷を変化させる摩擦力可変手段とを備え、該摩擦力可変手段として、上記流体に接する上記回転体の表面粗度を変化させる表面粗度可変手段を備えたことを特徴とする負荷装置。
上記回転体が粗度の異なる複数の面を有し、上記表面粗度可変手段は、上記流体に接する上記回転体の面を選択することを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の負荷装置。