JP2017110708A - 流体継手 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、作動流体から空気を分離することができる気液分離装置を有した流体継手を提供する。【解決手段】流体継手は、互いに向き合って配置されたインペラ１およびランナ２と、インペラ１とランナ２との間に形成された流体室５内にある作動流体の量を増減させるためのスクープチューブ３０と、スクープチューブ３０から流体室５まで延びる作動流体循環ライン２７と、作動流体循環ライン２７に接続され、作動流体とともにスクープチューブ３０に流入した空気を該作動流体から分離する気液分離装置２８を備える。この気液分離装置２８は、作動流体と空気の混合流体を旋回させることにより、空気を作動流体から分離するサイクロン式気液分離装置である。【選択図】図３

Description

本発明は、流体継手に関するものであり、特に流体継手の作動流体に混合された空気を該作動流体から分離する気液分離装置に関するものである。

流体継手は、入力側羽根車であるインペラと、出力側羽根車であるランナとの間に存在する作動流体を介して入力軸の回転を出力軸に伝達する装置である。作動流体には、例えば、作動油が使用される。インペラとランナとの間に存在する作動流体の量を増減することにより、入力軸に対する出力軸の回転速度を無段階に変えることができる。

インペラとランナとは互いに向き合って配置されており、インペラとランナとの間には、流体室が形成される。回転するインペラによって流体室内の作動流体が流動し、この流動した作動流体がランナを回転させる。流体室内にある作動流体の量は、スクープチューブ（すくい管）によって増減される。スクープチューブによってすくい取られた作動流体は、作動流体循環ラインを通って再び流体室に供給される。

特開平１０−１９６６８６号公報

流体室内で流動する作動流体が該流体室内の空気と攪拌されることにより、空気と作動流体の混合流体が形成される。したがって、スクープチューブは、空気と作動流体の混合流体をすくい取る。スクープチューブが混合流体をすくい取る際にも、流体室内の空気がこの混合流体とともにスクープチューブに流入する。スクープチューブに流入した空気と作動流体の混合流体は作動流体循環ラインを通って再び流体室に供給される。作動流体循環ラインから流体室に供給された混合流体内の空気は、インペラの回転をランナに伝達している作動流体の圧力を脈動させ、その結果、ランナに接続された出力軸の回転速度が変動してしまう。

本発明は、そのような従来の問題点を解決するためになされたものであり、簡易な構成で、作動流体から空気を分離することができる気液分離装置を有した流体継手を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、互いに向き合って配置されたインペラおよびランナと、前記インペラと前記ランナとの間に形成された流体室内にある作動流体の量を増減させるためのスクープチューブと、前記スクープチューブから前記流体室まで延びる作動流体循環ラインと、前記作動流体循環ラインに接続され、前記作動流体とともに前記スクープチューブに流入した空気を前記作動流体から分離する気液分離装置を備え、前記気液分離装置は、前記作動流体と前記空気の混合流体を旋回させることにより、前記空気を前記作動流体から分離するサイクロン式気液分離装置であることを特徴とする流体継手である。

本発明の好ましい態様は、前記サイクロン式気液分離装置は、前記混合流体が流入するサイクロンハウジングを備え、前記インペラの回転によって上昇した前記作動流体の圧力により、前記混合流体を前記サイクロンハウジング内で旋回させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記サイクロンハウジングには、前記作動流体から分離された空気を水平方向に排出する空気抜き管が接続されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記サイクロン式気液分離装置は、水平に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、作動流体循環ラインを流れる作動流体と空気との混合流体は、サイクロン式気液分離装置で旋回される。空気の比重は作動流体の比重よりも軽いので、空気に作用する遠心力と作動流体に作用する遠心力との差によって、空気を作動流体から分離することができる。したがって、スクープチューブから流体室まで延びる作動流体循環ラインに、サイクロン式気液分離装置を接続するだけの簡易な構成で、空気を作動流体から分離することができる。

本発明の流体継手の一実施形態を模式的に示す平面図である。 図１に示される流体継手の一部分を模式的に示す側面図である。 図２に示されるサイクロン式気液分離装置の概略断面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の流体継手の一実施形態を模式的に示す平面図である。図１に示すように、流体継手は、互いに向き合って配置されたインペラ１およびランナ２と、インペラ１が固定された駆動軸１１と、ランナ２が固定された出力軸１２とを備える。インペラ１は入力側羽根車、ランナ２は出力側羽根車とも呼ばれる。インペラ１およびランナ２は、それぞれ内側に複数の放射状翼を有する半球形状を有しており、インペラ１とランナ２との間には流体室５が形成される。

駆動軸１１と平行に、入力軸１５が配置されている。この入力軸１５は、ラジアル軸受１６，１７によって支持されている。入力軸１５には大歯車２１が固定され、駆動軸１１には、大歯車２１に噛み合う小歯車２２が固定されている。入力軸１５の端部は、図示しない原動機（電動機やガスタービンなど）に接続されている。原動機の回転は、入力軸１５から大歯車２１および小歯車２２を介して駆動軸１１に伝達される。

流体継手は、インペラ１とランナ２との間に形成される流体室５に作動流体を供給する作動流体循環システム２５と、流体室５内にある作動流体の量を増減させるためのスクープチューブ（すくい管）３０とをさらに備えている。このスクープチューブ３０の先端３０ａは、インペラケーシング７内に位置している。インペラケーシング７は、インペラ１に固定され、ランナ２を囲む形状を有している。インペラケーシング７は、インペラ１とともに回転する。

スクープチューブ３０には油圧サーボなどのアクチュエータ３１が接続されており、このアクチュエータ３１によってスクープチューブ３０はインペラ１およびランナ２の半径方向に移動可能となっている。インペラ１およびインペラケーシング７が回転しているとき、作動流体（例えば作動油）は、回転するインペラケーシング７に保持される。このインペラケーシング７内の作動流体は、回転するインペラ１によって流動し、この流動した作動流体がランナ２を回転させる。

インペラ１が回転しているとき、作動流体には遠心力が発生し、作動流体の圧力が高まる。スクープチューブ３０の先端３０ａは、インペラケーシング７内の作動流体をすくい取り、作動流体はスクープチューブ３０内を通ってインペラケーシング７から排出される。作動流体循環システム２５は、作動流体を冷却するための流体冷却装置２６と、この流体冷却装置２６を貫通して延びる作動流体循環ライン２７とを備えている。作動流体循環ライン２７の入口は、スクープチューブ３０に接続されており、作動流体循環ライン２７の出口は、インペラ１とランナ２との間の流体室５に連通している。すなわち、作動流体循環ライン２７は、スクープチューブ３０から流体室５まで延びる。さらに、作動流体循環システム２５は、作動流体循環ライン２７に接続された気液分離装置２８を有する。気液分離装置２８については、後述する。

インペラケーシング７からスクープチューブ３０を通って排出された作動流体は、作動流体循環ライン２７を流れて流体冷却装置２６に送られる。作動流体は、冷却水との熱交換によって冷却された後、さらに作動流体循環ライン２７を通って流体室５に戻される。このように、作動流体は、回転するインペラ１によって上昇された自身の圧力によって、流体室５と流体冷却装置２６との間を循環する。

インペラ１は駆動軸１１に固定されており、ランナ２は出力軸１２に固定されている。駆動軸１１の回転は、インペラ１から作動流体を介してランナ２に伝えられ、出力軸１２が回転する。ランナ２の回転速度は、インペラ１とランナ２との間に形成された流体室５内の作動流体の量によって変化する。具体的には、作動流体の量が多いほど、ランナ２の回転速度は高くなる。

流体室５内の作動流体の量は、スクープチューブ３０の位置に依存して変わる。すなわち、スクープチューブ３０の先端３０ａが半径方向外側に移動すると、作動流体の量が減り、スクープチューブ３０の先端３０ａが半径方向内側に移動すると、作動流体の量が増える。このように、アクチュエータ３１でスクープチューブ３０を操作することによって、流体室５内の作動流体の量、すなわち、出力軸１２の回転速度を変えることができる。

インペラ１の回転によって作動流体に遠心力が付与されると、作動流体の圧力が上がり、インペラ１およびランナ２にはスラスト力が作用する。したがって、駆動軸１１は、２つのラジアル軸受４０，４１および１つのスラスト軸受４２によって回転自在に支持されている。同様に、出力軸１２も、２つのラジアル軸受４５，４６および１つのスラスト軸受４７によって回転自在に支持されている。

流体継手は、ラジアル軸受１６，１７，４０，４１，４５，４６およびスラスト軸受４２，４７に潤滑油を供給する潤滑油供給システム５０を備えている。潤滑油供給システム５０は、潤滑油を冷却するための油冷却装置５４と、この油冷却装置５４を貫通して延びる潤滑油供給ライン５１と、潤滑油供給ライン５１に接続された油ポンプ５３を備えている。本実施形態では、油ポンプ５３は、入力軸１５に連結され、入力軸１５の回転に伴って運転されるギヤポンプである。一実施形態では、油ポンプ５３は、電動機によって入力軸１５とは独立して駆動されるポンプであってもよい。潤滑油は、油ポンプ５３によって潤滑油供給ライン５１を通って油冷却装置５４に移送され、ここで冷却水によって冷却される。冷却された潤滑油は、さらに潤滑油供給ライン５１を通ってラジアル軸受４０，４１，４５，４６およびスラスト軸受４２，４７に供給される。冷却された潤滑油は、入力軸１５を支持するラジアル軸受１６，１７にも供給される。

回転するインペラ１によって流体室５内の作動流体が流動し、この流動した作動流体がランナ２を回転させる。流体室５内で流動する作動流体が該流体室５内の空気と攪拌されることにより、空気と作動流体の混合流体が形成される。したがって、スクープチューブ３０は、空気と作動流体の混合流体をすくい取る。スクープチューブ３０が空気と作動流体の混合流体をすくい取る際にも、流体室５内の空気がこの混合流体とともにスクープチューブ３０に流入する。スクープチューブ３０に流入した混合流体は作動流体循環ライン２７を通って再び流体室５に供給される。作動流体循環ライン２７から流体室５に供給された混合流体内の空気は、インペラ１の回転をランナ２に伝達している作動流体の圧力を脈動させ、その結果、ランナ２に接続された出力軸１２の回転速度が変動してしまう。

そこで、本実施形態の流体継手は、空気を作動流体から分離する気液分離装置２８を備えている。気液分離装置２８は、スクープチューブ３０から流体室５まで延びる作動流体循環ライン２７に接続される。気液分離装置２８は、混合流体を空気と作動流体とに分離するための装置であり、本実施形態の気液分離装置２８は、作動流体と空気との混合流体を旋回させることにより、空気を作動流体から分離させるサイクロン式気液分離装置である。以下の説明では、気液分離装置２８をサイクロン式気液分離装置２８と称する。

図２は、図１に示される流体継手の一部分を模式的に示す側面図である。図２に示されるように、ハウジング本体３は、インペラ１およびランナ２などを収容するケーシング８と、該ケーシング８の下部に接続された油タンク９とを有している。本実施形態の作動流体には作動油が用いられ、油タンク９には、作動流体循環ライン２７に補充するための作動油が貯留されている。この油タンク９に貯留される作動油は上記した潤滑油としても用いられる。ケーシング８の下端は開放されており、油タンク９の上端も開放されている。したがって、ケーシング８の内部空間は、油タンク９の内部空間と連通している。ケーシング８には、油面計１０が固定されており、作業員は、油面計１０を通じて油タンク９およびケーシング８内に貯留されている油の量を確認することができる。

図２に示されるように、サイクロン式気液分離装置２８は、ハウジング本体３内でインペラ１およびランナ２の下方に配置される。作動流体循環ライン２７は、スクープチューブ３０から延びて、サイクロン式気液分離装置２８に接続される一次側循環ライン２７ａと、サイクロン式気液分離装置２８から流体冷却装置２６（図１参照）を経由して流体室５まで延びる二次側循環ライン２７ｂとを有する。

作動流体とともにスクープチューブ３０に流入した空気は、一次側循環ライン２７ａを通ってサイクロン式気液分離装置２８に流入し、該サイクロン式気液分離器２８によって作動流体から分離される。したがって、一次側循環ライン２７ａには、作動流体と空気との混合流体が流れ、二次側循環ライン２７ｂには、作動流体のみが流れる。

図３は、図２に示されるサイクロン式気液分離装置２８の概略断面図である。図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。図３および図４に示されるように、サイクロン式気液分離装置２８は、作動流体と空気との混合流体が流入するサイクロンハウジング３５を有する。サイクロンハウジング３５は、円筒部３５ａと、該円筒部３５ａに接続された円錐台部３５ｂとを有している。円筒部３５ａの中心軸線は、円錐台部３５ｂの中心軸線に一致する。円筒部３５ａの端部には、円板状の蓋３６が固定されている。蓋３６の中央部には、サイクロンハウジング３５の内部空間に連通する空気抜き管３８が固定される。さらに、円錐台部３５ｂの先端は、二次側循環ライン２７ｂに接続される。

円筒部３５ａには、混合流体が流入するハウジング入口３５ｃが形成されている。サイクロン式気液分離装置２８は、このハウジング入口３５ｃに接続された入口管３７を有する。入口管３７は、ハウジング入口３５ｃから円筒部３５ａの接線方向に延びる。さらに、入口管３７は、一次側循環ライン２７ａに接続される。円錐台部３５ｂの先端には、空気が分離された作動流体が流出するハウジング出口３５ｄが形成されている。

作動流体と空気との混合流体は、一次側循環ライン２７ａおよび入口管３７を通って、ハウジング入口３５ｃからサイクロンハウジング３５に流入する。図４に示されているように、作動流体と空気との混合流体は、円筒部３５ａの接線方向からサイクロンハウジング３５に流入する。作動流体は、インペラ１の回転によって上昇した圧力を有しているので、作動流体と空気との混合流体は、自身の圧力によって高速でサイクロンハウジング３５に流入し、サイクロンハウジング３５内で旋回する。したがって、本実施形態では、混合流体をサイクロンハウジング３５内で旋回させるために、作動流体の圧力を上昇させるポンプなどの付帯設備が不要である。

サイクロンハウジング３５内で旋回する混合流体には、遠心力が作用する。空気の比重は作動流体の比重よりも軽いので、空気に作用する遠心力と作動流体に作用する遠心力との差によって、空気を作動流体から分離することができる。作動流体から分離された空気は、空気抜き管３８を通って、サイクロンハウジング３５の外部に、すなわち、作動流体循環ライン２７の外部に排出される。空気が分離された作動流体は、ハウジング出口３５ｄを通って二次側循環ライン２７ｂに流れ、流体冷却装置２６（図１参照）を経由して流体室５に戻される。

このように、本実施形態によれば、サイクロン式気液分離装置２８を流体循環ライン２７に接続するだけの簡易な構成で、空気を作動流体から分離することができる。

図２に示されるように、本実施形態のサイクロン式気液分離装置２８は、水平に配置される。より具体的には、サイクロン式気液分離装置２８のサイクロンハウジング３５の円筒部３５ａと円錐台部３５ｂは、水平に配置される。サイクロン式気液分離装置２８は、スクープチューブ３０の下方に位置している。スクープチューブ３０から排出された混合流体は、実質的に鉛直方向に延びる一次側循環ライン２７ａを通ってサイクロンハウジング３５に流入する。さらに、混合流体は、サイクロンハウジング３５内で旋回しながら、円筒部３５ａから円錐台部３５ｂに向かって水平方向に流れる。空気が分離した作動流体は、そのまま水平方向に流れ、二次側循環ライン２７ｂを通って流体冷却装置２６に流入する。

このように、サイクロン式気液分離装置２８を水平に配置することにより、流体の流れ方向を変えるための曲管部を一次側循環ライン２７ａに設ける必要がなくなるので、一次側循環ライン２７ａを短くすることができる。したがって、コンパクトな流体継手を実現することができる。

図３に示されるように、作動流体から分離された空気を、サイクロンハウジング３５から排出するための空気抜き管３８は、蓋３６に固定された、サイクロンハウジング３５の内部空間に連通する連通部３８ａと、連通部３８ａから上方向に延びる主管部３８ｂと、主管部３８ｂから水平方向に延びる水平部３８ｃを有する。本実施形態では、連通部３８ａは、蓋３６の中央部から水平方向に延び、主管部３８ｂは鉛直方向に延びている。水平部３８ｂの末端には、空気放出口３８ｄが形成される。作動流体から分離された空気は、連通部３８ａ、主管部３８ａおよび水平部３８ｂを通って、空気放出口３８ｄから水平方向に排出される。

空気抜き管３８から排出される空気は、作動流体（本実施形態では、作動油）のミストを含んでいる。したがって、空気は、油タンク９に貯留された油の液面の上方で排出される。空気が油タンク９に貯留された油の液面に衝突すると、油の液面上に泡が発生することがある。その結果、この泡によって、油面計１０から油の正確な貯留量を確認できないことがある。

本実施形態によれば、作動流体から分離された空気は、空気抜き管３８の空気放出口３８ｃから水平方向に排出される。したがって、空気は、油の液面に衝撃を与えず、油の液面上に泡が発生することを防止することができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ インペラ
２ ランナ
３ ハウジング本体
５ 流体室
７ インペラケーシング
８ ケーシング
９ 油タンク
１０ 油面計
１１ 駆動軸
１２ 出力軸
１５ 入力軸
１６，１７ ラジアル軸受
２１ 大歯車
２２ 小歯車
２５ 作動流体循環システム
２６ 流体冷却装置
２７ 作動流体循環ライン
２８ サイクロン式気液分離装置
３０ スクープチューブ（すくい管）
３１ アクチュエータ
３５ サイクロンハウジング
３６ 蓋
３７ 入口管
３８ 空気抜き管
４０，４１，４５，４６ ラジアル軸受
４２，４７ スラスト軸受
５０ 潤滑油供給システム
５１ 潤滑油供給ライン
５３ 油ポンプ
５４ 油冷却装置

Claims (4)

1. 互いに向き合って配置されたインペラおよびランナと、
   前記インペラと前記ランナとの間に形成された流体室内にある作動流体の量を増減させるためのスクープチューブと、
   前記スクープチューブから前記流体室まで延びる作動流体循環ラインと、
   前記作動流体循環ラインに接続され、前記作動流体とともに前記スクープチューブに流入した空気を前記作動流体から分離する気液分離装置を備え、
   前記気液分離装置は、前記作動流体と前記空気の混合流体を旋回させることにより、前記空気を前記作動流体から分離するサイクロン式気液分離装置であることを特徴とする流体継手。
2. 前記サイクロン式気液分離装置は、前記混合流体が流入するサイクロンハウジングを備え、
   前記インペラの回転によって上昇した前記作動流体の圧力により、前記混合流体を前記サイクロンハウジング内で旋回させることを特徴とする請求項１に記載の流体継手。
3. 前記サイクロンハウジングには、前記作動流体から分離された空気を水平方向に排出する空気抜き管が接続されることを特徴とする請求項２に記載の流体継手。
4. 前記サイクロン式気液分離装置は、水平に配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流体継手。
   

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