JP2023116198A - 流体搬送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低重力且つ高真空環境下において流体を搬送することができる流体搬送装置を提供すること。【解決手段】低重力及び高真空環境下で流体を搬送する流体搬送装置であって、外周側に凹凸面を有する無端状のベルト部材と、凹凸面と噛み合ってベルト部材を回転駆動するベルト駆動歯車と、流体供給対象に流体を供給する流体供給部と、流体を貯留する流体貯留部と、を備え、ベルト部材は、流体貯留部に貯留された流体を凹凸面により捕捉して、流体供給部まで搬送する。【選択図】図１

Description

本発明は、流体搬送装置に関する。

特許文献１には、オイルポンプで汲み上げた潤滑油を複数の歯車の噛み合い部にノズルで噴射する潤滑装置が開示されている。

特表２０１０－５０７７６８号公報

月面上などの低重力且つ高真空環境下では、潤滑油などの流体を汲み上げるポンプの吸引能力が地球表面上に比べて著しく低下するため、流体を搬送することが困難となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、低重力且つ高真空環境下において流体を搬送することができる流体搬送装置を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る流体搬送装置は、低重力且つ高真空環境下で流体を搬送する流体搬送装置であって、外周側に凹凸面を有する無端状のベルト部材と、前記凹凸面と噛み合って前記ベルト部材を回転駆動するベルト駆動歯車と、流体供給対象に流体を供給する流体供給部と、前記流体を貯留する流体貯留部と、を備え、前記ベルト部材は、前記流体貯留部に貯留された前記流体を前記凹凸面により捕捉して、前記流体供給部まで搬送することを特徴とするものである。

これにより、低重力且つ高真空環境下において球状の塊となった流体を、凹凸面で捕捉して流体貯留部から流体供給部まで搬送することができる。

また、上記において、前記凹凸面と前記ベルト駆動歯車とが噛み合う位置にて、前記凹凸面から前記流体が押し出されて前記流体供給部に流入するようにしてもよい。

これにより、ベルト駆動歯車によって、ベルト部材の駆動と流体供給部への流体の供給との両方を行うことができる。

また、上記において、前記ベルト部材の回転方向で前記流体貯留部と前記流体供給部との間の少なくとも一部に、前記ベルト部材の厚み方向で前記凹凸面の凸部と所定間隔をあけて対向する壁面を設けるようにしてもよい。

これにより、ベルト部材による流体の搬送中に凹凸面の凹部から流体が脱落するのを抑制することができる。

また、上記において、前記流体は潤滑油であり、車両に設けられたギヤボックス内に設けられるようにしてもよい。

これにより、ギヤボックス内の摺動部に潤滑油を供給することができる。

本発明に係る流体搬送装置は、低重力且つ高真空環境下において流体を搬送することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る流体搬送装置を備えたギヤボックスの概略構成を示した図である。 図２は、図１に示したギヤボックスのＡ－Ａ断面図である。 図３（ａ）は、ベルトの凸部とギヤボックスケースの内壁面との間のクリアランスの一例を示した図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）中の矢視Ｂを示した図である。 図４は、実施形態に係るギヤボックスの他の構成例を示した図である。 図５は、実施形態に係るギヤボックスのさらに他の構成例を示した図である。 図６は、オイル供給部の構成の一例を示した図である。 図７は、オイル供給部の構成の他例を示した図である。 図８は、チェーンベルトの一部分を示した図である。 図９は、悪路走行時などに振動レベルが許容値を超えた場合に実施する制御の一例を示した図である。 図１０は、悪路走行時などに振動レベルが許容値を超える時間が連続した場合に実施する制御の一例を示した図である。

以下に、本発明に係る流体搬送装置の実施形態について説明する。本実施形態においては、低重力且つ高真空環境下である月面上などを走行する車両に備えられたギヤボックスに設けられる潤滑装置に、本発明に係る流体搬送装置を適用した場合を例に挙げて説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態に係る流体搬送装置１０を備えたギヤボックス１の概略構成を示した図である。図２は、図１に示したギヤボックス１のＡ－Ａ断面図である。

図１に示すように、実施形態に係るギヤボックス１は、ギヤボックスケース２内に、ベルト３、ベルト駆動歯車４、複数のベルト搬送ローラ５１，５２，５３，５４，５５、オイルパン６、オイル供給部７、第１ギヤ８１、第２ギヤ８２、及び、振動計測センサ２００などによって構成された流体搬送装置１０が設けられている。

ベルト３は、例えば、樹脂からなる無端状のベルト部材であって、内周側に配置された複数のベルト搬送ローラ５１，５２，５３，５４，５５に回転可能に張架されている。ベルト３の内周側の表面はベルト搬送ローラ５１，５２，５３，５４，５５のローラ面と接触する平面となっており、ベルト３の外周側の表面は凸部３ａと凹部３ｂとがベルト回転方向で交互に並んだ凹凸面となっている。このベルト３の凹凸面は、外歯歯車からなるベルト駆動歯車４の外歯と噛み合っており、例えば、不図示の専用の駆動モータからの駆動力によってベルト駆動歯車４が、図１中反時計まわりに回転することによって、ベルト３が低速で一方向（図１中時計回り方向）に回転する。なお、ベルト駆動歯車４の動力源としては、前記専用の駆動モータを設けることに限定されるものではなく、例えば、第１ギヤ８１の回転軸または第２ギヤ８２の回転軸からベルト駆動歯車に、ベルト伝達やギヤ伝達などによって駆動力を伝達する動力伝達機構を設けてもよい。

ギヤボックスケース２の上部には、ギヤボックス１の振動レベルを計測する振動計測センサ２００が設けられている。ギヤボックスケース２の下部には、潤滑油１００を貯留する流体貯留部であるオイルパン６が設けられている。オイルパン６に溜まっている潤滑油１００の量としては、例えば、図１に示すように、ギヤボックスケース２の下部に配置された２つのベルト搬送ローラ５４，５５間におけるベルト３の内周側の表面が、潤滑油１００の油面１００ａよりも少し下に位置するように、ベルト３が油没する程度の量としている。オイルパン６には、ベルト３の凹凸面が油没する程度の潤滑油１００があれば潤滑油１００を捕捉することが可能であるため、吸い込み式オイルポンプ（例えば、内接ギヤ式または外接ギヤ式）のような深いオイルパンは不要である。また、ギヤボックス１は、車輪の近くに配置される場合が多いため、オイルパン６の深さ寸法の低減は、車両の最低地上高の引き上げを可能とし、車両の走破性を向上させることが可能となる。

実施形態に係るギヤボックス１においては、ベルト３が回転することによって、オイルパン６に溜まった潤滑油１００がベルト３の凹凸面で捕捉される。ここで、月面上では地球上よりも低重力であるため、ベルト３の凹凸面で捕捉された潤滑油１００は、表面張力によって球状の油塊１０１になってベルト３の凹凸面における凹部３ｂに嵌り込んでいる。そして、ベルト３の回転に伴って、ベルト３の凹凸面で捕捉された潤滑油１００は、オイルパン６からギヤボックス１の上部まで搬送される。

実施形態に係るギヤボックス１においては、ベルト３の回転方向でオイルパン６とオイル供給部７との間の少なくとも一部に、ベルト３の厚み方向で凹凸面の凸部３ａと所定のクリアランス（所定間隔）をあけて対向するようにギヤボックスケース２の壁面が設けられている。具体的には、図１に示すように、ギヤボックスケース２の上部と下部とにそれぞれ配置された２つのベルト搬送ローラ５１，５５間におけるベルト３の凹凸面を、ギヤボックスケース２の内面との間に所定のクリアランスを開けて沿わせることによって、ベルト３の凹凸面における凹部３ｂから油塊１０１が脱落するのを抑制している。また、ベルト３に対する潤滑油１００（油塊１０１）の濡れ性効果を活用するために、ベルト３の少なくとも凹凸面を含む表面に撥油処理を施すことによって、ベルト３の凹凸面による潤滑油１００（油塊１０１）の搬送性を向上させることができる。

実施形態に係るギヤボックス１のように、ベルト３の凹凸面における凹部３ｂに油塊１０１が嵌り込んで搬送される場合には、図３（ａ）に示すようなギヤボックスケース２の内壁面２ａとベルト３の凹凸面における凸部３ａとの間のクリアランスＣ１や、図３（ｂ）に示すようなベルト３の幅方向でベルト３を挟むように配置された一対のサイドカバー９１，９２の壁面９１ａ，９２ａとベルト３の側面３ｃ，３ｄとの間のクリアランスＣ２，Ｃ３などからの潤滑油１００の漏れによる損失は小さい。そのため、各クリアランスＣ１，Ｃ２，Ｃ３を大きく確保することができるとともに、低重力であればあるほど各クリアランスＣ１，Ｃ２，Ｃ３を大きくとれるため、ベルト３を回転させて油塊１０１を搬送する際のフリクションを小さくすることができる。

なお、実施形態に係るギヤボックス１においては、ベルト３の凹凸面における凹部３ｂから油塊１０１が落下するのを防止するための油塊転落防止柵として、図４に示すように、ギヤボックスケース２の内壁面から張り出すように配置されたベルトトップカバー９３や、図５に示すように、ギヤボックスケース２の内壁面から所定のクリアランスをあけて当該内壁面に一部が沿うように配置されたベルトトップカバー９４を設けてもよい。そして、実施形態に係るギヤボックス１としては、ベルト３の厚み方向でベルトトップカバー９３，９４の壁面とベルト３の凹凸面の凸部３ａとが所定のクリアランスをあけて対向するように、ギヤボックスケース２内の隅にベルト３をギヤボックス１の上部と下部とにそれぞれ配置された２つのベルト搬送ローラ５１，５２によって回転可能に配置する構成を採用してもよい。

油塊１０１を凹凸面で捕捉したベルト３が、上下方向でギヤボックスケース２の内壁面に沿って移動し、ギヤボックス１の上部に搬送された油塊１０１は、ベルト３の回転に伴って、ギヤボックス１の上部と中部とにそれぞれ配置された２つのベルト搬送ローラ５２，５３間におけるベルト３の凹凸面とベルト駆動歯車４とが噛み合う位置に搬送される。そして、前記噛み合う位置にて油塊１０１が、ベルト駆動歯車４によって圧し潰されることにより、ベルト３の凹凸面における凹部３ｂから、流体供給対象に流体である潤滑油を供給する流体供給部であるオイル供給部７の貯油槽７１へ押し出される。なお、図２中に示した符号１００ｂは、貯油槽７１内における潤滑油１００の油面を示している。貯油槽７１内における油面１００ｂの位置は、ベルト３によって貯油槽７１に搬送される潤滑油１００の量によって変位するものである。

貯油槽７１内の潤滑油１００は、注油管７２へ落下し、注油管７２を通って、第１ギヤ８１の軸受部に潤滑油１００を供給するための第１供給管７３と、第２ギヤ８２の軸受部に潤滑油１００を供給するための第２供給管７４と、第１ギヤ８１と第２ギヤ８２との噛み合い部８３に潤滑油１００を供給するための第３供給管７５とに、それぞれ供給される。第１供給管７３に供給された潤滑油１００は、第１供給管７３の下部に設けられた吐出口から第１ギヤ８１の回転軸を回転可能に支持する軸受部に供給される。第２供給管７４に供給された潤滑油１００は、第２供給管７４の下部に設けられた吐出口から図２に示すように第２ギヤ８２の回転軸８２ａを回転可能に支持する軸受部８２ｂに供給される。第３供給管７５に供給された潤滑油１００は、第３供給管７５の下部に設けられた吐出口から第１ギヤ８１と第２ギヤ８２との噛み合い部８３に供給される。

貯油槽７１内に溜まった潤滑油１００は、注油管７２から供給油量を調整せずに、各供給管７３，７４，７５からそれぞれの供給先へ潤滑油１００を供給してもよい。第１ギヤ８１及び第２ギヤ８２のそれぞれの歯面や軸受部には、表面に潤滑油１００が付着している程度で十分な摺動部保護機能が働く。そのため、第１ギヤ８１の軸受部、第２ギヤ８２の軸受部、及び、第１ギヤ８１と第２ギヤ８２との噛み合い部８３への潤滑油１００の供給量は少なくても十分であり、ゆえに、ベルト３の回転速度によって貯油槽７１にオイルパン６にベルト３によって搬送される潤滑油１００の量を、ベルト３の回転速度によって調整し、その際、ベルト３は低速回転で十分である。

一方、例えば、図６に示すように、各供給管７３，７４，７５のそれぞれの途中に供給油量を調整するための油量調整手段として調整弁１１１，１１２，１１３を設けても良い。これにより、各調整弁１１１，１１２，１１３の開度をそれぞれ調節することによって、必要部位に必要な油量で潤滑油１００を供給することができる。また、図７に示すように、貯油槽７１内に溜まった潤滑油１００を、ソレノイド１２１により変位可能なピストン１２０によって押し出す機構を設けた場合には、貯油槽７１からの潤滑油１００の自然落下に比べて、正確な油量を注油管７２に供給することができる。そして、各供給管７３，７４，７５のそれぞれの途中に供給油量を調整するための油量調整手段としてオリフィス１３１，１３２，１３３を設けて、各オリフィス１３１，１３２，１３３の絞りを調整することにより、各潤滑部位への油量配分を制御するようにしてもよい。なお、図６に示した各調整弁１１１，１１２，１１３の開度や、図７に示した各オリフィス１３１，１３２，１３３の絞りなどは、例えば、予め実験などによって求めておけばよい。

ここで、一般に自動車分野で使用されるタイミングベルトは耐久性が高いため、それらを高真空環境に適合したフッ素系ゴム等で作製したものであれば、ベルト３の材質として十分使用することができる。また、ベルト３の代わりに、図８に示すような凹凸面を有するリンク３１，３２で連結された金属製のチェーンベルト３０も使用することができる。ベルト３の代わりにチェーンベルト３０を使用する場合には、例えば、リンク３１とリンク３２との連結部に微小なクリアランス（図８中のクリアランスＣ４，Ｃ５）が存在するが、低重力の月面上では潤滑油１００の表面張力が大きく効くため、前記クリアランスから油塊１０１となった潤滑油１００が漏れ出し難い。そのため、より耐久性が高く真空適合性に優れた金属製のチェーンベルト３０もベルト３と同様に使用することができる。

実施形態に係るギヤボックス１においては、ベルト駆動歯車４を駆動させる動力源として、専用の駆動モータを用いた場合、例えば、車両に設けられた制御装置３００によって、ギヤボックス１に設けられた振動計測センサ２００によりギヤボックス１の振動レベルを計測し、その計測した振動レベルに応じてベルト駆動を制御するようにしてもよい。

図９は、悪路走行時などに振動レベルが許容値を超えた場合に実施する制御の一例を示した図である。

まず、制御装置３００は、振動計測センサ２００によってギヤボックス１の振動を計測する（ステップＳ１）。次に、制御装置３００は、振動の振幅が許容値α以上であるか否かを判断する（ステップＳ２）。制御装置３００は、振動の振幅が許容値α未満であると判断した場合（ステップＳ２にてＮｏ）、一連の制御を終了する。一方、制御装置３００は、振動の振幅が許容値α以上であると判断した場合（ステップＳ２にてＹｅｓ）、ベルト駆動を停止する（ステップＳ３）。その後、制御装置３００は、一連の制御を終了する。

第１ギヤ８１及び第２ギヤ８２のそれぞれの歯面や軸受部には、表面に潤滑油１００が付着している程度で十分な摺動部保護機能が働くため、一時的に潤滑油１００の供給が停止しても、すぐに故障につながることはない。そのため、例えば、悪路走行中に激しい振動を振動計測センサ２００の計測結果に基づいて検知した場合は、ベルト駆動を一時的に停止する制御を実施することによってベルト３を保護する。これにより、ベルト３の強度を下げることが可能となるため、ベルト３の軽量化を図ることが可能となる。

また、このような悪路走行が連続して続く場合には、例えば、定期的に車両を停車させる休憩時間を設けて、その休憩時間中にベルト駆動による潤滑油１００の供給を行う制御を実施するようにしてもよい。

図１０は、悪路走行時などに振動レベルが許容値βを超える時間が連続した場合に実施する制御の一例を示した図である。

まず、制御装置３００は、振動計測センサ２００によってギヤボックス１の振動を計測する（ステップＳ１１）。次に、制御装置３００は、振動の振幅が許容値β以上であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。制御装置３００は、振動の振幅が許容値β未満であると判断した場合（ステップＳ１２にてＮｏ）、一連の制御を終了する。一方、制御装置３００は、振動の振幅が許容値β以上であると判断した場合（ステップＳ１２にてＹｅｓ）、許容値β以上の振幅となる単位時間あたりの頻度をカウント開始する（ステップＳ１３）。次に、制御装置３００は、前記頻度が許容値γ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１４）。制御装置３００は、前記頻度が許容値γ未満であると判断した場合（ステップＳ１４にてＮｏ）、一連の制御を終了する。一方、制御装置３００は、前記頻度が許容値γ以上であると判断した場合（ステップＳ１４にてＹｅｓ）、ベルト駆動を停止する（ステップＳ１５）。次に、制御装置３００は、連続走行可能な残り時間を警告する（ステップＳ１６）。次に、制御装置３００は、次の車両停止時にベルト駆動を一定時間稼働する予約モードをオンする（ステップＳ１７）。その後、制御装置３００は、一連の制御を終了する。

これにより、悪路走行が連続して続く場合に、定期的に車両を停車させる休憩時間を設けて、その休憩時間中にベルト駆動による、第１ギヤ８１の軸受部、第２ギヤ８２の軸受部、及び、第１ギヤ８１と第２ギヤ８２との噛み合い部８３への潤滑油１００の供給を行うことにより、前記摺動部保護機能をより保つことが可能となる。

実施形態に係るギヤボックス１が備える流体搬送装置１０は、潤滑油１００（オイル）のように粘度の高い流体に有効な手段であり、特に空気のような雰囲気ガスの希薄な環境で有効な手段である。また、実施形態に係るギヤボックス１が備える流体搬送装置１０は、オイルポンプの吸い込み性能が著しく低下する低重力且つ高真空環境で有効である。また、実施形態に係るギヤボックス１が備える流体搬送装置１０は、月面利用の他に、火星のような他の惑星や衛星の表面での利用や、今後の利用客の増加が見込まれる宇宙観光用の飛翔体のような空気のほとんどない高高度を飛行する空のモビリティの潤滑方式などにも利用することができる。また、実施形態に係る流体搬送装置１０は、ベルト３の凹凸面と壁面との間の各クリアランスをできるだけ小さくすることによって、低重力（微小重力）及び高真空環境下であれば流体として水を搬送することも可能である。また、実施形態に係る流体搬送装置１０は、例えば、宇宙空間や月面上などに設けられた施設での下水の搬送などにも適用可能である。

１ ギヤボックス
２ ギヤボックスケース
２ａ 内壁面
３ ベルト
３ａ 凸部
３ｂ 凹部
３ｃ，３ｄ 側面
４ ベルト駆動歯車
６ オイルパン
７ オイル供給部
１０ 流体搬送装置
３０ チェーンベルト
３１，３２ リンク
５１，５２，５３，５４，５５ ベルト搬送ローラ
７１ 貯油槽
７２ 注油管
７３ 第１供給管
７４ 第２供給管
７５ 第３供給管
８１ 第１ギヤ
８２ 第２ギヤ
８２ａ 回転軸
８２ｂ 軸受部
８３ 噛み合い部
９１，９２ サイドカバー
９１ａ，９２ａ 壁面
９３，９４ ベルトトップカバー
１００ 潤滑油
１００ａ，１００ｂ 油面
１０１ 油塊
１１１，１１２，１１３ 調整弁
１２０ ピストン
１２１ ソレノイド
１３１，１３２，１３３ オリフィス
２００ 振動計測センサ
３００ 制御装置

Claims (4)

1. 低重力及び高真空環境下で流体を搬送する流体搬送装置であって、
   外周側に凹凸面を有する無端状のベルト部材と、
   前記凹凸面と噛み合って前記ベルト部材を回転駆動するベルト駆動歯車と、
   流体供給対象に流体を供給する流体供給部と、
   前記流体を貯留する流体貯留部と、
   を備え、
   前記ベルト部材は、前記流体貯留部に貯留された前記流体を前記凹凸面により捕捉して、前記流体供給部まで搬送することを特徴とする流体搬送装置。
2. 前記凹凸面と前記ベルト駆動歯車とが噛み合う位置にて、前記凹凸面から前記流体が押し出されて前記流体供給部に流入することを特徴とする請求項１に記載の流体搬送装置。
3. 前記ベルト部材の回転方向で前記流体貯留部と前記流体供給部との間の少なくとも一部に、前記ベルト部材の厚み方向で前記凹凸面の凸部と所定間隔をあけて対向する壁面を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の流体搬送装置。
4. 前記流体は潤滑油であり、
   車両に設けられたギヤボックス内に設けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体搬送装置。

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