JP4310062B2 - 可変速型流体継手 - Google Patents

Description

本発明は、流体の運動エネルギーを利用して動力を伝導する可変速型流体継手に関する。

従来から駆動軸（入力軸）にポンプ羽根車を結合するとともに被動軸（出力軸）にタービン羽根車を結合し、ケーシング内部に満たされた流体を介して駆動軸から被動軸に動力の伝導を行う流体継手やトルクコンバータ等の動力伝導装置が知られている。
この動力伝導装置においては、動力伝導の作動流体として油を使用し、伝導装置の軸受の潤滑にも油を使用しているので、動力伝導部と伝導装置の軸受の間に軸封装置が不要である、という長所がある。しかしながら、分解点検時の油の管理が面倒であり、環境問題から廃油の処理に問題がある。

また動力伝導の作動流体として水を使用したものもあるが、この場合にも伝導装置の軸受の潤滑に油又はグリスを使用しているので、動力伝導部と伝導装置の軸受の間に軸封装置が必要であり、構造が複雑である。
動力伝導装置の一種である可変速型流体継手の場合に、速度制御にスクープチューブを使用している場合、スクープチューブの制御は電動サーボ、空気圧サーボあるいは油圧サーボで行っている。

動力伝導の作動流体に価格が低廉で保守・管理の容易な水を使用した場合には、可変速型流体継手の軸受潤滑や速度制御のサーボも水を使用して、動力伝導装置の構造を簡単にしたいという要請がある。この場合、可変速型流体継手に水で潤滑できるラジアル軸受、スラスト軸受の採用及び水圧サーボの採用が課題である。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、動力伝導の作動流体に水を使用でき、かつ軸受潤滑及び速度制御のサーボに水を使用できる可変速型流体継手を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の可変速型流体継手は、流体を動力伝導の媒体とし、原動機で流体に与えた運動エネルギーを回転動力として取り出す可変速型流体継手において、インペラおよびランナで構成される継手部に作動流体として水を供給し、前記インペラおよびランナにそれぞれ連結された入力軸および出力軸を支持するスラスト軸受ユニットとラジアル軸受とを有し、該スラスト軸受ユニットは前記入力軸および出力軸における軸方向の左右いずれの方向に推力が発生しても推力を受けることができるように２つのスラスト軸受を有し、該２つのスラスト軸受およびラジアル軸受を潤滑する潤滑流体として水を供給し、前記各スラスト軸受は回転側スラスト軸受と該回転側スラスト軸受に対向する静止側スラスト軸受とからなり、前記スラスト軸受ユニットの両側に、前記回転側スラスト軸受と静止側スラスト軸受の隙間を通って潤滑水が漏れることを抑えるフローティングリングを設け、作動流体として水を使用する水圧サーボによって前記継手部内の水量調節を行うスクープチューブを制御することを特徴とするものである。

本発明においては、動力伝導装置のラジアル軸受をスリーブ軸受にし、スラスト軸受にスパイラル動圧軸受を使用して水で潤滑できるようにする。制御機器についても水圧サーボを用いて水を使用できる構造にする。

動力伝導の媒体としての流体及び装置内の軸受の潤滑流体について、油を水としたことにより、以下に列挙する効果を奏する。

（１）可変速型流体継手の両軸端部の軸封部構造について、従来の軸封部構造を図７に、本発明の軸封部構造を図８に示す。図７及び図８に示すように、従来は入力軸および出力軸の両軸端にそれぞれ２重のラビリンス構造を採用していたが、本発明では入力軸および出力軸の両軸端にそれぞれ１つのラビリンス構造としている。

図７に示すように、従来の軸封部構造においては、入力軸７（又は出力軸１６）の各軸端に、２つのラビリンス構造Ｌ１，Ｌ２を設け、２つのラビリンス構造Ｌ１，Ｌ２の間に、遠心式漏洩水排出機構５０を設けている。この構造により、１つ目のラビリンス構造Ｌ１から漏洩した流体（油）を遠心式漏洩水排出機構５０で捕捉し、万が一、流体が該機構５０から洩れた場合でも２つ目のラビリンス構造Ｌ２で漏洩を防止している。
これに対して、本発明では、入力軸７（又は出力軸１６）の各軸端に、１つのラビリンス構造Ｌを設けるだけで流体の漏洩防止が可能であり、万が一、該ラビリンス構造Ｌから流体が漏洩したとしても、該流体は水であるため、環境への悪影響は全くない。

（２）流体が油の場合は、動力伝導装置の作動により該流体の温度が上昇し、流体が微細な粒子となって霧化し、さらに気化する。そのために、該動力伝導装置には、オイルミストセパレータを設置している。
これに対して、流体が水の場合、仮に霧化したとしても環境への影響は全くなく、オイルミストセパレータは勿論のこと、通常必要なエアブリーザも設置する必要がない。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、動力伝導の作動流体として水を使用し、スクープチューブを使用して速度制御を行う本発明の実施形態の可変速型流体継手の全体構成を示す図である。本発明の可変速型流体継手においては、水を動力伝導の作動流体、軸受潤滑流体、制御流体として使用し、スクープチューブを使用して速度制御を行う。

図１に示すように、入力軸７にはインペラ１０が結合され、出力軸１６にはランナ１１が結合されている。インペラ１０にはインペラケーシング１２が固定されている。インペラ１０が固定された入力軸７およびランナ１１が固定された出力軸１６は、いずれも２個のラジアル軸受８と１組のスラスト軸受ユニット９で支持されている。インペラ１０、ランナ１１およびインペラケーシング１２で構成される作動室（継手部）には、動力伝導作動流体として水が供給されるようになっている。

流体継手の下部が作動水の水槽３５となっており、吸込ストレーナ２を通してポンプ１で加圧した水の圧力を圧力規定弁３で規定し、動力伝導の作動水・軸受潤滑水・制御水として使用する。即ち、加圧ポンプ１は水槽３５の内部に設けたストレーナ２を通して水を吸い込んで加圧し、吐出圧はポンプの吐出側に設けた圧力規定弁３の設定圧で定める。流体継手の動力伝導作動水はオリフィス４を通して作動室に供給する。また入力軸７および出力軸１６を支持するラジアル軸受８およびスラスト軸受ユニット９は、加圧ポンプ１から供給される水によって潤滑されるようになっている。これらラジアル軸受８およびスラスト軸受ユニット９には潤滑水フィルタ５を通して供給する。さらにスクープチューブ１４を制御するための水圧サーボが設置されており、この水圧サーボは加圧ポンプ１から供給される水によって作動される。水圧サーボへは潤滑水フィルタ５を通った水を更にオリフィス６で流量を絞って供給する。

水圧サーボは、電気信号で作動するサーボアクチュエータ１７でパイロット１８を回転させることによってパイロット１８の表面の溝を追従ピストン２０の穴に連通させて追従ピストン２０に圧力水を導き、パイロット１８の回転によって生じた流路を塞ぐ位置まで追従ピストン２０が前後にストロークする。そして、追従ピストン２０に直結している、先端にノズル１３を有するスクープチューブ１４を動かしてインペラケーシング１２内の水の量を制御する。なお、符号１９は追従ピストン２０を収容するハウジングである。

次に、本発明の可変速型流体継手の構造を図２を参照して説明する。図２は可変速型流体継手の詳細構造を示す断面図である。加圧ポンプ１（図１参照）から供給された動力を伝導する水は作動水供給流路２２からインペラ１０の裏面の室に入り、インペラ１０の補給穴２３からインペラ１０の翼のある室、即ち作動室に入ってインペラ１０の回転で運動エネルギーを与えられてインペラ１０から飛び出す。そして、インペラ１０から飛び出した水はランナ１１に入って水の運動エネルギーを出力軸１６の回転動力として伝導する。動力伝導に使用する水はインペラの補給穴２３から常時補給されるので、余分の水はスクープチューブ１４で吸出され排出口１５を通り、水槽３５に戻る。

可変速型流体継手は先端にノズル１３を有するスクープチューブ１４を水圧サーボで前後にストロークさせてインペラケーシング１２内の水の量を制御する。即ち、スクープチューブ１４の差込量を大きくしてインペラケーシング１２内の水の量を少なくすれば、入力軸７を一定回転数で運転していても動力の伝導量が小さくなり出力回転数が小さくなる。スクープチューブ１４で吸い出した水はスクープチューブ排出口１５から排出され、可変速型流体継手下部の水槽３５に戻る。

ラジアル軸受８の潤滑水は、潤滑水フィルタ５（図１参照）を経て潤滑水供給流路２４から絞りの付いた潤滑水入口２５を通ってラジアル軸受８の側部に供給する。ラジアル軸受８に流入した潤滑水は、ラジアル軸受８を潤滑したのち、流出側に設けた流路から可変速型流体継手下部の水槽３５に戻る。

スラスト軸受ユニット９の潤滑水は、潤滑水フィルタ５（図１参照）を経て潤滑水供給流路２４から潤滑水入口２７を通って軸受ユニット９に供給する。軸受ユニット９に流入した潤滑水は、スラスト軸受ユニット９の外周部からスラスト軸受に流入して内周に流れ、軸に沿って流れて絞り装置の付いた潤滑水排出口２６から排出され、可変速型流体継手下部の水槽３５に戻る。

図３は軸受の詳細構造を示す断面図である。図３に示すように、ラジアル軸受８は円筒形ブッシュの形状をしたスリーブ軸受からなっている。ラジアル軸受８の潤滑水は、潤滑水入口２５から供給される。スラスト軸受ユニット９は、軸が左右いずれの方向に推力が発生しても推力を受けることのできるよう右方向用、左方向用２種類のスラスト軸受９ａ，９ｂを内蔵している。スラスト軸受９ａ，９ｂは推力を平面で受ける平面軸受からなっている。各スラスト軸受９ａ，９ｂは、回転側スラスト軸受２８と静止側スラスト軸受２９によって構成されており、各スラスト軸受９ａ，９ｂにおいては、推力によって押されて回転側スラスト軸受２８と静止側スラスト軸受２９が面圧を発生して水で潤滑されるが、その際、反推力側では回転側スラスト軸受２８と静止側スラスト軸受２９との間にわずかな隙間が生ずる。

大量の潤滑水が前記隙間を通ってラジアル軸受８の方に流れるのを防ぐため、フローティングリング２１で水の漏れを最小に抑えるようにしている。即ち、スラスト軸受ユニット９の両側にフローティングリング２１を設けて、軸に生ずるスラスト荷重が軸の左右いずれの方向に掛かってもスラスト軸受の潤滑が行われるようになっている。また荷重の掛かっていない側のスラスト軸受の隙間を通ってスラスト軸受の潤滑水が流れてしまうのを防ぐため、潤滑水排出口２６には絞り装置を設置して必ず推力側のスラスト軸受にも潤滑水が流れるようにしている。

次に、スクープチューブを制御する水圧サーボの構造を図４を参照して説明する。図４は水圧サーボの詳細構造を示す断面図である。図４に示すように、水圧サーボはスクープチューブ１４に連結されたパイロット１８と、パイロット１８を回転させるサーボアクチュエータ１７と、パイロット１８に固定された追従ピストン２０と、追従ピストン２０を収容するハウジング１９とを備えている。符号３１は制御水入口であり、ここから制御水が流入する。符号３０は制御水を排出する制御水排出口である。符号３２はエア抜き用の開口である。また符号３３はサーボアクチュエータ１７とパイロット１８とを接続する軸継手である。

図４に示す水圧サーボにおいて、電気信号で作動するサーボアクチュエータ１７がパイロット１８を回転させると、パイロット１８の表面の溝の位置が変わって追従ピストン２０の端部への水の流路が開くので、この流路が閉じる位置まで追従ピストン２０が前進あるいは後退し、追従ピストン２０と連結しているスクープチューブ１４も前進あるいは後退してインペラケーシング１２内の水の量を制御する。

図５Ａおよび図５Ｂはラジアル軸受の構造を示す図であり、図５Ａは断面図、図５Ｂは側面図である。ラジアル軸受８はハウジング３６内に収容されたスリーブ軸受からなり、軸と接する内面に溝８ａを３箇所設け、潤滑水が流れ込みやすい構造にしてある。

図６Ａおよび図６Ｂは静止側スラスト軸受を示す図であり、図６Ａは断面図、図６Ｂは側面図である。図６Ａおよび図６Ｂに示すように、静止側スラスト軸受２９のスラスト荷重の掛かる摺動面に非常に浅い数ミクロンのスパイラル溝２９ｓを形成してあり、このスパライル溝２９ｓに潤滑水が入ってクサビ効果で推力を受ける。なお、スラスト軸受２９の外周部には保護筒３７が設けられている。

図１乃至図６Ａ，Ｂに示す可変速型流体継手は、入力軸７および出力軸１６の両軸端に、図８に示す軸封部構造を備えている。即ち、図８に示すように、ラジアル軸受８の外側に、１つのラビリンス構造Ｌが設けられており、このラビリンス構造Ｌにより、作動流体としての水の漏洩を防止している。

以上説明したように、本発明によれば、原動機で流体に与えた運動エネルギーを回転動力として取り出す可変速型流体継手に油を使用しなくても良くなり、維持・管理の際の環境汚染の恐れを解消できる。また、長期間使用後の廃油処理が不要となる。

動力伝導の媒体としての流体及び装置内の軸受の潤滑流体について、油を水としたことにより、以下に列挙する効果を奏する。
（１）防爆地域での使用が可能となる。
（２）該流体が水の場合、油に比べ比熱が大きいため、冷却装置が小さくで済む。
（３）従来におけるように該流体が油の場合、該流体を冷却するために、空冷または水冷の冷却装置が必要で、特に、空冷の冷却装置は、装置自体が大きく設置面積が大きい。それに対し、水冷の冷却装置は、装置自体が小さく設置面積が小さい。したがって、通常は水冷の冷却装置を使用している。

この場合、水冷の冷却装置は、停電で動力伝導装置に電力が供給されなくなった場合等においては、高温になった油を冷却できず、油温が上昇し、発火点に至り、火災を引き起こす原因となっていた。
これに対して、本発明においては、該流体が水であるため、このような状況に陥ったとしても、該流体の温度が上昇し、火災に至るような致命的な問題は起こらない。

図１は本発明の実施形態の可変速型流体継手の全体構成を示す図である。 図２は図１に示す可変速型流体継手の詳細構造を示す断面図である。 図３は図１に示す可変速型流体継手における軸受の詳細構造を示す断面図である。 図４は図１に示す可変速型流体継手における水圧サーボの詳細構造を示す断面図である。 図５Ａおよび図５Ｂは図１に示す可変速型流体継手におけるラジアル軸受の構造を示す図であり、図５Ａは断面図、図５Ｂは側面図である。 図６Ａおよび図６Ｂは図１に示す可変速型流体継手における静止側スラスト軸受を示す図であり、図６Ａは断面図、図６Ｂは側面図である。 図７は従来の可変速型流体継手における軸封部構造を示す断面図である。 図８は本発明の可変速型流体継手における軸封部構造を示す断面図である。

Claims (4)

1. 流体を動力伝導の媒体とし、原動機で流体に与えた運動エネルギーを回転動力として取り出す可変速型流体継手において、
   インペラおよびランナで構成される継手部に作動流体として水を供給し、
   前記インペラおよびランナにそれぞれ連結された入力軸および出力軸を支持するスラスト軸受ユニットとラジアル軸受とを有し、該スラスト軸受ユニットは前記入力軸および出力軸における軸方向の左右いずれの方向に推力が発生しても推力を受けることができるように２つのスラスト軸受を有し、該２つのスラスト軸受およびラジアル軸受を潤滑する潤滑流体として水を供給し、
   前記各スラスト軸受は回転側スラスト軸受と該回転側スラスト軸受に対向する静止側スラスト軸受とからなり、前記スラスト軸受ユニットの両側に、前記回転側スラスト軸受と静止側スラスト軸受の隙間を通って潤滑水が漏れることを抑えるフローティングリングを設け、
   作動流体として水を使用する水圧サーボによって前記継手部内の水量調節を行うスクープチューブを制御することを特徴とする可変速型流体継手。
2. 前記ラジアル軸受はスリーブ軸受からなることを特徴とする請求項１記載の可変速型流体継手。
3. 前記スラスト軸受はスパイラル動圧軸受からなることを特徴とする請求項１記載の可変速型流体継手。
4. 前記スラスト軸受の外周部に保護筒を設けたことを特徴とする請求項１記載の可変速型流体継手。

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