JP4185995B2 - 流体駆動装置 - Google Patents
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Description
本発明は、流体装置(流体の作用によって作動する装置)に関し、特に、本発明の一実施形態においては、自転車のための駆動装置に関する。
背景技術
従来の伝動装置又は変速装置は、回転動力を1つの部位から他の部位へ伝達するために多種多様の装置を利用している。例えば、在来の自動車の変速装置又は伝動装置は、ギアと流体駆動装置との複雑な組み合わせを用いている。叉、在来の自転車は、通常、回転スプロケット、チェーン及び変速装置に依存している。以下に、機械的変速装置又は伝動装置の改良を提案する試みの幾つかの例を説明する。
1974年11月26日発行の米国特許第3,850,448号には、内燃モータの援助なしで全体的に駆動することができる自動車が開示されている。
1982年2月2日発行の米国特許第4,313,714号には、いろいろな表面を洗浄するために液体の流れを高速で送給するための高圧輻流ポンプが開示されている。
1985年10月15日発行の米国特許第4,546,990号には、可変速ック同機構を有する液圧駆動装置が開示されている。
1987年8月4日発行の米国特許第4,684,143号には、無断変速機構が開示されている。
米国特許第4,688,815号には、手動の液圧駆動自転車が開示されている。
1990年12月4日発行の米国特許第4,975,025号には、作動油を吸引し送給するために順次に往復動するように回転軸の周りに放射状に配置された1組のピストンを有する液圧輻流ピストンポンプが開示されている。
1992年5月12日発行の米国特許第5,112,111号には、地層間の薄層から骨材を採掘するための装置が開示されている。
1992年5月26日発行の米国特許第5,116,070号には、細長い可撓性軸又はケーブルを用いて前輪に回転運動を伝達する複輪駆動の自転車が開示されている。
1993年7月27日発行の米国特許第5,230,519号には、液圧式伝動装置が開示されている。
1994年1月25日発行の米国特許第5,281,104号には、容積型ピストンポンプが開示されている。
1994年8月30日発行の米国特許第5,342,075号には、自転車のための可変速駆動機構が開示されている。
1994年9月13日発行の米国特許第5,346,234号には、可変容積型液圧ポンプと液圧モータから成る三輪車のための液圧機構が開示されている。
1994年10月4日発行の米国特許第5,351,575号には、ポンプ式推進装置が開示されている。
1994年10月11日発行の米国特許第5,354,082号には、自転車のための泥よけが開示されている。
1994年10月25日発行の米国特許第5,358,078号には、自転車又はそれに類する車両のための液圧式ディスクブレーキが開示されている。
1991年1月31日発行の米国特許第5,385,359号には、前輪駆動式時点dはのための安定化装置が開示されている。
1994年11月8日発行の米国特許第5,362,278号には、自転車又はそれに類する車両のためのチェーン駆動機構が開示されている。
1995年1月3日発行の米国特許第5,378,201号には、内部ギアセットから成る自転車用多段変速ギア機構が開示されている。
1995年2月7日発行の米国特許第5,387,000号には、自転車又はそれに類する車両のための液圧駆動装置が開示されている。
1995年2月21日発行の米国特許第5,390,565号には、自転車の変速機構が開示されている。
1995年2月21日発行の米国特許第5,390,946号には、複輪駆動自転車のためのシフトクラッチが開示されている。
叉、米国インディアナ州クロフォーズビルのバンジョー・コーポレーションから発行されたカタログには、「Dry Mate Polypropylene Dry Disconnect」と称される製品が広告されており、その製品の仕様が示されている。
発明の開示
本発明は、流体を収容し、出口ポート24と入口ポートを有する第1ハウジングと、前記流体を収容し、入口ポートと出口ポートを有する第2ハウジングと、前記流体を前記第1ハウジングと第2ハウジングの間で搬送するための第1導管及び第2導管と、前記第1ハウジング内に収容されており、外部トルクを流体に課せられる圧力に変換するための第1タービンであって、外部トルクを該第1タービンに伝達するための第1軸を含む第1タービンと、前記第2ハウジング内に収容されており、前記流体に課せられた圧力を回転エネルギーに変換するためのものであって、該回転エネルギーを外部トルクに伝達するための第2軸を有する第2タービンとから成る装置であって、前記第1タービンの第1軸と第2タービンの第2軸のトルクの比を変更するための比調節手段を含み、該比調節手段は、該第1軸と第2軸のどちらか一方の周りに配設されており、各々アパーチャを有する固定ディスクと回転自在ディスクから成り、該固定ディスクと回転自在ディスクとは、前記第1及び第2タービンが該比調節手段を通して軸線方向に流体を圧送するように、並置して取り付けられていることを特徴とする装置を提供する。
本発明の好ましい実施形態においては、タービンを収容するハウジングは、流体をタービンの羽根に対してエネルギーの伝達を最適にするような向きに指向するボリュート(渦形ケーシング)を有する。本発明は、叉、各タービンへの流体の流量を制御する比調節器と、各ハウジング内の動作圧力を変更する圧力調節器を備えたものとすることができる。本発明に組み入れることができるその他の特徴としては、迅速連結(クイックコネクト)機構、複流導管、複流迅速連結機構、逆転弁、及び自動シフト及びトルク調節装置等がある。
本発明の一実施形態は、自転車に使用することを企図したものである。本発明は、2本の軸が直線的に整列していなくても、あるいは、2つのタービンが同一平面内に設置されていなくても、あるいは、2つのタービンの位置が互いに移動するものであっても、動力を1つの部位から他の部位へ伝達することができるという利点を提供する。本発明は、自動車、機械類、工具類及びその他の機器を含む広範囲の機械的装置に適用することができる。
本発明の上記及びその他の目的並びに特徴、及びそれらを達成する態様は、以下に添付図を参照して述べる本発明の実施形態の説明から一層明かになろう。
【図面の簡単な説明】
図1、2及び3は、自転車に搭載された本発明を示す図であり、図1は、後輪駆動のための実施形態を示し、図2は、前輪駆動のための実施形態を示し、図3は、前輪と後輪の両輪駆動のための実施形態を示す。
図4、5及び6は、本発明の一実施形態を示す図であり、流体充填導管によって互いに連結されたハウジング内に各々設置された駆動タービンと反動タービンを示す。
図7、8、9及び10は、本発明の一実施形態を示す図であり、1つのタービンと、軸と、ボリュートと、ハウジングと、流体ポートを示す。
図11、12、13、14及び15は、タービンへの流体流を制御する調節自在のアパーチャ(絞り、開口)として機能する比調節器を示す図である。
図16及び17は、比調節器を示す追加の図である。
図18、19、20、21、22、23、24及び25は、比調節器のいろいろな例を示す図である。
図26、27及び28は、タービンが受ける動作圧を変更するために用いることができる圧力調節器の3つの図である。
図29、30及び31は、流体導管をタービンハウジングに連結又は脱連結するために用いることができる迅速連結具を示す図である。
図32は、本発明を具体化するのに用いることができるいろいろなインペラの形態を示す図である。
図33及び34は、自動シフト又は比調節を容易にするために駆動タービンに一定のトルク圧を維持するように比調節器を調節するのに用いられる自動ダイヤル組立体を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
I.本発明の好ましい実施形態
図1、2及び3は、自転車Bに搭載された本発明のそれぞれ異なる実施形態の流体駆動装置10を示す。図4、5及び6は、本発明の包括的実施形態の流体駆動装置11を示す。図4、5及び6に示された実施形態の流体駆動装置11は、それぞれ軸12及び14にそれと共に回転するように取り付けられ、インペラハウジング(以下、「タービンハウジング」又は単に「ハウジング」とも称する)20と反動ハウジング(以下、「タービンハウジング」又は単に「ハウジング」とも称する)22によって囲包された2つのディスク形インペラタービン12,14から成る。各ハウジングは、それぞれ、1つの流体ポートを有している。インペラタービン(駆動タービン)12のハウジング20の入口ポートと出口ポートは、それぞれ、符号30と24で示され、反動タービン14のハウジング22の入口ポートと出口ポートは、それぞれ、符号26と28で示されている。
これらの2つのハウジング20と22とは、閉ループを構成する1対の流体導管32,34によって連結される。駆動側の導管、即ち駆動導管32は、駆動タービンハウジング20の出口ポート24を反動タービンハウジング22の入口ポート26に接続する。戻り導管34は、反動タービンハウジング22の出口ポート28を駆動タービンハウジング20の入口ポート30に接続する。ハウジング20,22及び導管32,34は、すべて、非圧縮性流体即ち力伝達流体36で満たされる。
第1タービン12は、そのインペラタービン(駆動タービン軸)軸16に加えられる外力によって回転されるインペラタービン(駆動タービン)として機能し、第2タービン14は、インペラタービン12から駆動導管32を通して圧送されてくる流体36の運動によって回転される反動タービンである。かくして、流体36は、受動的反動タービン14に作用してそれを回転させ、それによってその反動タービン軸18を回転させる。次いで、使用済みの流体36は、インペラタービン12を収容しているハウジング20に戻る。本発明の一実施例においては、流体36は、高温に耐えることができ、かつ、非常に低い凍結温度を有する天然又は合成ゲル又は潤滑剤である。
各タービン12,14は、その中心の軸16,18から放射状に延長したほぼらせん状の羽根38を有する。各羽根38は、凸面側と凹面側を有する。ず4では、インペラタービン12は、軸16に加えられる外部トルクによって時計回り方向に回転するものとして示されている。自転車のこの特定の例では、ペダル付きクランクがこの軸16に固定される。外部トルクがインペラタービン12を回転させると、流体36は、インペラタービン12の各羽根38の凹面側に圧接して「捕捉」され、タービンハウジング20からその出口ポート24内へ押し込まれ、駆動導管32に流入する。次いで、流体36は、反動タービンハウジング22にその入口ポート26を通して流入し、反動タービン14の各羽根38の凹面側に捕捉される。かくして押し退けられた流体36は、反動タービン14を回転させてその軸18を回転させ、反動タービンハウジング22からその出口ポート28を通って流出し、戻り導管34に入る。流体36は、インペラタービンハウジング20にその入口ポート30を通って戻ることによってその1周流れを完了する。
図4、5及び6に示された実施形態は、本発明の基本的、包括的実施形態であり、本発明をより簡単な形態の1つとして開示するために例示されたものである。ここに示されたタービン12,14は、本発明の多くの実施形態の1つを代表するものにすぎない。同様に、らせん状羽根38も、本発明を具現するのに用いることができる多くのバリエーションの1つにすぎない。第1回転タービンから第2回転タービンへ媒体を圧力下で送り込むことができる手段であれば、本発明を実施するために他の任意の手段を用いることができる。
図5は、本発明の1つの重要な利点を開示する。即ち、導管32,34は可撓性とすることができるので、タービン12と14を図5に示されるようにそれぞれ異なる平面に配置することが可能である。2つの回転スプロケットを直線状に並べて同一平面内に固定して配置しなければならない在来の自転車のチェーン駆動機構とは異なり、本発明は、従来の機械的駆動システムの幾何学的制約のない動力伝達手段を提供する。本発明によれば、作動中でも回転軸及びそれに関連するハウジング及びタービンを同一でない平面へ移動させることができる。
図6は、ハウジング20と22を図4に示された形態とは異なる形態に連結した本発明の変型例を示す。図4に示された形態では、駆動タービンと反動タービンとは、互いに反対方向に回転するが、一方のタービンハウジングの位置を他方のタービンハウジングに対して図6に示されるように180°回転することによって、両タービンが同じ方向に回転するように構成することができる。
図7は、タービン14と、軸18と、ハウジング20とその入口ポート30及び出口ポート24と、ボリュート(渦形ケーシング)40を含む本発明の一実施形態の分解図を示す。この実施形態では、ボリュート40は、2つのケーシング部材らなり、タービン14をタービンハウジング20内に密閉する。ボリュート40は、流体36の流れを、タービンへの動力の受け渡しを最適にするような向きにハウジング内で指向するように賦形されたほぼディスク状の部材とすることができる。ボリュート40は、タービンの両側に配置される2つの別個の部材によって構成してもよく、あるいは、ハウジングの一部として一体に形成してもよい。ボリュート40は、叉、ハウジング20,22のうちの一方のハウジングの一体部分としてもよく、あるいは、交換自在のカートリッジの形としてもよい。ボリュート40は、その側部に形成された多数の開口41を有するものとしてもよく、あるいは、ハウジング内の流体36の流れを所定の向きに指向するように設計されたベンチューリ又は輪郭を有するものとしてもよい。
図8は、ハウジング20の側面図であり、その入口ポート30及び出口ポート24を示す。図9は、タービン14と、軸18と、ハウジング20と、ボリュート40を透視図で示す、更に別の分解図である。図11は、この同じ実施形態の更に別の分解図である。
図11、12、13、14及び15は、タービンへの、タービンからの流体の流量を制御する調節自在のアパーチャ(開口)又は絞りとして機能する比調節器42の2つのディスクがそれぞれ異なる相対角度位置関係にあるところを示す順序図である。本発明の一実施形態においては、比調節器42は、一方のタービン軸の、他方のタービン軸に対するトルク比及び、又は速度比を変更する機能を有する。この比調節器42は、互いに並置させた2つのディスク44,46によって構成することができる。第1ディスク即ち固定ディスク44と、第2ディスク即ち可動ディスク又は回転ディスク46の両方にらせん状の開口又はアパーチャ48を形成する。可動ディスク46を回転させると、両ディスク44と46のらせん状の開口48の重なり量が変化するので、力伝達流体36の流れを通すアパーチャの大きさを変化させる。従って、タービンへ流れる流体36の容量及び位置は、2つのディスク44と46の重なりによって画定される開口即ちアパーチャの大きさと形状によって決定される。
図16及び17は、比調節器42を示す追加の図である。比調節器42は、ボリュート40と、又はハウジング20と一体に形成してもよく、あるいは別個のユニットとして製造してもよい。比調節器42の2つのディスクの相対角度位置関係は、図18〜25に示されるように、レバー、ケーブル、ベルト、歯車、ローラ又はばね又は磁気アクチュエータを含むいろいろな機構によって制御することができる。
図26、27及び28は、タービンハウジング20,22内の流体圧を制御するために用いることができる圧力調節器50を示す。本発明の一実施形態においては、この圧力調節器50は、ハウジング20,22の一方又は両方の内部空間内の圧力を増減するポンプによって構成することができる。図27は、ハウジング52と、圧力計54と、放出弁56と、嚢膜58と、ポンプ機構53と、ベント(抜け口)60から成る圧力調節器50を示す。図28は、自転車のフレームに取り付けられた圧力調節器50を示す。この圧力調節器50は、叉、力伝達流体36内に溜まるガスを捕捉するのにも用いることができる。
図29、30及び31は、流体導管32及び34をタービンハウジング20,22に連結又はそれらから脱連結するために用いることができる迅速連結具62を示す図である。本発明の一実施形態においては、迅速連結具62は、ハウジング66とその内部に配置された2つの枢動ボール弁(以下、単に「ボール」とも称する)64から成る。一方のボール64は、嵌合表面ディンプル68を有し、他方のボール64は、嵌合表面リング70を有する。この迅速連結具62の使用により、流体圧系(流体を充填したタービンハウジング20,22及び導管32,34を含む系)を再加圧(流体の補給又は再充填)したり、系から流体を放出したりする必要なしに迅速活用委に導管の連結及び脱連結することができる。この特徴は、前輪又は後輪を頻繁に取り外したり、取り付けたりすることができること重要な自転車に本発明を適用した場合に特に有用である。
II.本発明の変型実施形態
図32は、本発明を具体化するのに用いることができるいろいろなインペラ形態72の幾つかを示す図である。これらの図は、本発明を実施するのに用いることができる広範囲の実施形態を例示するために示されたものであり、本発明の請求の範囲を制限することを企図したものではない。
図33及び34は、駆動タービンに一定のトルク圧を維持するように比調節器42を調節するのに用いられる自動ダイヤル組立体74を示す図である。この自動ダイヤル組立体74は、比調節器42を自動的に制御するために1つのタービンハウジングの2つの流体ポート間の流体の圧力差を利用する。自動ダイヤル組立体74は、内部ポートを通って流れる流体の圧力を増大させることによって自動的に移動される自動ダイヤル式圧力調節器76を含み、自動ダイヤル式圧力調節器76のこの動作が、比調節器42の可動ディスク46を回転させる。
本発明の流体駆動装置は、比調節器42を自動的に制御するために1つのタービンハウジングの2つの流体ポート間の流体圧力差を利用するトルク調節装置78を含むものとすることもできる。この場合、内部入口の流体圧が低下すると、流体が出口側から内部流体膨張チャンバー80内へ圧入され、トルク調節器82と膨張チャンバー80内の流体によって比調節器42の可動ディスク46の回転角度位置を変更させる。
本発明の流体駆動装置は、叉、駆動タービンハウジング20の入口ポート30と出口ポート24を1つの部材に組み込んだ駆動タービンハウジング用複流体入口/出口ポートを備えたものとすることもできる。
本発明の流体駆動装置は、叉、反動タービンハウジング22の入口ポート26と出口ポート28を1つの部材に組み込んだ反動タービンハウジング用複流体入口/出口ポートを備えたものとすることもできる。
本発明の流体駆動装置は、叉、複流導管(入口側導管と出口側導管を一体的に並置させた導管)をタービンハウジング駆動タービンハウジング用複流体入口/出口ポート又は反動タービンハウジング用複流体入口/出口ポートに迅速かつ容易に脱連結又は再連結するための迅速連結具を備えたものとすることもできる。
本発明の流体駆動装置は、叉、タービンハウジング20と22を通る流体の流れの方向を変換する逆転弁84を備えたものとすることもできる。
産業上の利用分野
本発明の一実施形態は、自転車に適用することを企図したものであるが、本発明は、自動車、機械類、工具類及びその他の機器を含む広範囲の機械的装置に適用することができる。
以上、本発明を実施形態に関連して説明したが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形態に限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、いろいろな実施形態が可能であり、いろいろな変更及び改変を加えることができることを理解されたい。以下の参照符号の説明は、本発明の構成要素を明細書及び図面において同定するのを容易にするために便宜的に列挙したものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
参照符号のリスト
10 流体駆動装置
11 本発明の包括的基本的な実施形態
12 インペラタービン
14 反動タービン
16 インペラタービン軸
18 反動タービン軸
20 インペラタービンハウジング
22 反動タービンハウジング
24 インペラハウジング出口ポート
26 反動ハウジング入口ポート
28 反動ハウジング出口ポート
30 インペラハウジング出口ポート
32 駆動導管
34 戻り導管
36 流体
38 羽根
40 ボリュート
41 ボリュート開口
42 比調節器
44 ディスク
44 固定ディスク
46 可動ディスク
48 アパーチャ
50 圧力調節器
52 ハウジング
53 ポンプ機構
54 圧力計
56 放出弁
58 嚢膜
60 ベント
62 迅速連結具
64 ボール弁
66 ハウジング
68 嵌合表面ディンプル
70 嵌合表面リング
72 インペラ形態の例
74 自動ダイヤル組立体
76 圧力調節器
78 トルク調節装置
80 膨張チャンバー
82 トルク調節器
84 逆転弁
B 自転車
Claims (22)
- 流体を収容し、出口ポート(24)と入口ポート(30)を有する第1ハウジング(20)と、
前記流体を収容し、入口ポート(26)と出口ポート(28)を有する第2ハウジング(22)と、
前記流体を前記第1ハウジング(20)と第2ハウジング(22)の間で搬送するための第1及び第2導管(32,34)と、
前記第1ハウジング(20)内に収容されており、外部トルクを流体に課せられる圧力に変換するための第1タービン(12)であって、外部トルクを該第1タービンに伝達するための第1軸(16)を含む第1タービン(12)と、
前記第2ハウジング(22)内に収容されており、前記流体に課せられた圧力を回転エネルギーに変換するためのものであって、該回転エネルギーを外部トルクに伝達するための第2軸(18)を有する第2タービン(14)と、
から成る装置であって、
前記第1タービン(12)の第1軸(16)と第2タービン(14)の第2軸(18)のトルクの比を変更するための比調節手段(42)を含み、該比調節手段(42)は、該第1軸(16)と第2軸(18)のどちらか一方の周りに配設されており、各々アパーチャ(48)を有する固定ディスク(44)と回転自在ディスク(46)から成り、該固定ディスク(44)と回転自在ディスク(46)とは、前記第1及び第2タービンが該比調節手段(42)を通して軸線方向に流体を圧送するように、並置して取り付けられていることを特徴とする装置。 - 前記アパーチャ(48)は、らせん状の開口である請求の範囲第1項に記載の装置。
- 前記比調節手段(42)を自動的に調節するための自動制御手段(74)を含む請求の範囲第1項又は第2項に記載の装置。
- 前記自動制御手段(74)は、前記流体の圧力を変更することによって移動され、それによって前記比調節手段(42)の回転自在ディスク(46)を回転させる圧力調節器(76)から成る請求の範囲第3項に記載の装置。
- 前記比調節手段(42)を自動的に制御するために前記各ハウジング(20,22)の前記ポート(24,30;26,28)間の流体の圧力差を用いるためのトルク調節装置(78)を含む請求の範囲第1〜4項のいずれか1項に記載の装置。
- 前記ハウジング(20,22)の一方又は各々の内部の圧力を制御するための圧力調節手段(50)を含む請求の範囲第1〜5項のいずれか1項に記載の装置。
- 前記圧力調節手段(50)は、ポンプである請求の範囲第6項に記載の装置。
- 前記圧力調節手段(50)は、ベント(60)を含む請求の範囲第6又は第7項に記載の装置。
- 前記圧力調節手段(50)は、前記流体(36)内に溜まるガスを捕捉するために用いられる請求の範囲第7又は第8項に記載の装置。
- 前記比調節手段(42)を自動的に調節するための自動ダイヤル手段(74)を含む請求の範囲第1〜9項のいずれか1項に記載の装置。
- 前記流体(36)の圧力を変更することによって移動され、それによって前記比調節手段(42)の回転自在ディスク(46)を回転させる圧力調節器(76)を含む請求の範囲第10項に記載の装置。
- 前記導管は、細長い可撓性部材(32,34)から成る請求の範囲第1〜11項のいずれか1項に記載の装置。
- 前記各導管(32,34)を前記各ハウジング(20,22)に連結又は該ハウジングから脱連結するための迅速連結具(62)を含む請求の範囲第1〜12項のいずれか1項に記載の装置。
- 前記迅速連結具(62)は、ハウジング(66)と、該ハウジング内に設けられ、互いに結合して前記流体のための通路を画定する1つの枢動ボール弁(64)から成る請求の範囲第13項に記載の装置。
- 前記各ハウジング(20,22)内の流体(36)の流れを、前記タービン(12,14)への、又は該タービンからの動力の伝達を最適にするような向きに指向するためのボリュート(40)を含む請求の範囲第1〜14項のいずれか1項に記載の装置。
- 前記ボリュート(40)は、前記ハウジング(20,22)のうちの一方のハウジングの一体部分である請求の範囲第15項に記載の装置。
- 前記ボリュート(40)は、交換可能なカートリッジである請求の範囲第15項に記載の装置。
- 前記ボリュート(40)は、ディスク状である請求の範囲第15〜17項のいずれか1項に記載の装置。
- 前記ボリュート(40)は、その側部に形成された開口(41)を有する請求の範囲第15〜18項のいずれか1項に記載の装置。
- 前記各タービン(12,14)は、その中心から放射状に延長したらせん状の羽根(38)を含み、該各羽根は、凸面側と凹面側を有し、前記流体は、該各羽根の凹面側に圧接して捕捉されるようになされている請求の範囲第1〜19項のいずれか1項に記載の装置。
- 前記第1ハウジング(20)又は第2ハウジング(22)を通る流体の流れの方向を変換する逆転弁(84)を含む請求の範囲第1〜20項のいずれか1項に記載の装置。
- 請求の範囲第1〜21項のいずれか1項に記載の装置を有する自転車(B)であって、該自転車のペダルが前記第1タービン(12)の前記軸(16)に、それを駆動するために連結されており、少なくとも1つの前記第2タービン(14)の軸(18)が該自転車のそれぞれの車輪に、それを駆動するために連結されていることを特徴とする自転車。
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