JP6062796B2 - 圧力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力制御装置に関する。

従来、回転体の回転時における風損を低減する技術が公知である。例えば特許文献１の動圧空気軸受型偏光器では、動圧軸にヘリングボーン溝を設け、回転時に光偏向器内部の気圧を下げることにより、回転部材の風損を低減している。

特開平５−１３４２０３号公報

しかしながら、特許文献１では、回転中に熱膨張や振動等の外乱が生じると、回転体とモータケース等の固定部との同軸度や隙間が変動するため、回転時における回転体と固定部との間の隙間管理が困難である。そのため、外乱により、例えば回転体が径方向に移動した場合、適切に風損を低減できない虞がある。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、流体抵抗による回転体の回転エネルギの損失を低減可能な圧力制御装置を提供することにある。

本発明の圧力制御装置は、ハウジングと、回転体と、積層体と、を備える。
回転体は、ハウジングの内部に設けられる。積層体は、保持部材、および、複数の弾性板を有し、ハウジングと回転体の周壁との間に設けられる。保持部材は、ハウジングに固定される。弾性板は、回転体の回転方向に積層されて保持部材に保持される。
弾性板の回転体側の端部である先端部、および、弾性板の先端部と対向する回転体の周壁の少なくとも一方に形成される切欠部は、回転体が回転している状態にて、積層体の軸方向の一側から他側へ流体が流通可能な連通路を構成する。

本発明では、弾性板の先端部および弾性板の先端部と対向する回転体の周壁の少なくとも一方には、回転体が回転している状態にて積層体の軸方向の一側から他側へ流体が流通可能な連通路を構成する切欠部が形成される。回転体が回転しているとき、ポンピング機能によりハウジングと回転体との間の空間にある流体（例えば空気）が連通路を通ってハウジングの外部へ流出することにより、回転体の周りの空間が減圧される。これにより、流体抵抗が低減され、回転体の回転エネルギの損失を低減することができる。

また、積層体は、弾性板が積層されて構成されるので、回転体の回転による動圧を受けて撓む。そのため、例えば熱膨張や振動等の外乱の影響による軸ずれ等により回転体が径方向に移動したとしても、弾性板の先端部は、動圧を受けて回転体の移動に追従するため、回転体と積層体との間の隙間が周方向に亘って略均等に維持される。したがって、外乱等により回転体が径方向に移動したとしても、回転体と積層体との間の隙間が維持されて連通路のポンピング機能を適切に機能させ、回転体の周りの空間を減圧可能であるので、流体抵抗による回転体の回転エネルギの損失を低減することができる。

また、高圧雰囲気下で用いれば、内部を低圧に保持でき、低圧雰囲気下で用いれば内部を高圧に保持できる。あるいは、高温雰囲気下では内部を低温にもしくはその逆に低温雰囲気下では内部を高温に保持できる。すなわち、本発明の圧力制御装置前後の流体を遮断あるいは閉じ込めなどいわゆる流体シールとしても応用可能である。

本発明の第１実施形態の圧力制御装置を示す断面図である。 本発明の第１実施形態の積層体を示す一部切り欠き斜視図である。 本発明の第１実施形態の連通路を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態の連通路を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態の弾性板を示す平面図である。 本発明の第１実施形態の弾性板の切欠部を説明する平面図である。 本発明の第１実施形態の弾性板が回転体の回転により浮上する状態を説明する説明図である。 本発明の第２実施形態の連通路を説明する説明図である。

以下、本発明による圧力制御装置を図面に基づいて説明する。なお、以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による圧力制御装置を図１〜図７に示す。本実施形態の図面は、いずれも模式的なものであって、説明のため、適宜縮尺等を変更して記載している。第２実施形態についても同様である。
図１に示すように、本実施形態の圧力制御装置１は、ハウジング１０、回転体３０、および、積層体４０等を備える。圧力制御装置１は、例えば回転電機やフライホイール等に適用される。

ハウジング１０は、筒部１１、第１軸受保持部１５、および、第２軸受保持部１６等を有し、圧力制御装置１の外郭を構成する。
筒部１１は、回転体３０の形状に応じて形成される。本実施形態では、第１軸受保持部１５側に形成される小径筒部１２、および、第２軸受保持部１６側に形成される大径筒部１３を有する。小径筒部１２の軸方向長さおよび径方向長さは、大径筒部１３よりも小さく形成される。
小径筒部１２の第１軸受保持部１５側の壁部１２１には、空気等の流体が流出可能な流出口１２２が形成される。

第１軸受保持部１５は、第１軸受２１を保持する。第２軸受保持部１６は、第２軸受２２を保持する。本実施形態では、第１軸受２１および第２軸受２２は、いずれもボールベアリングである。

回転体３０は、第１軸部３１、第２軸部３２、小径部３４、および、大径部３５等を有し、ハウジング１０の内部に設けられる。本実施形態では、第１軸部３１、第２軸部３２、小径部３４、および、大径部３５が一体に形成されている。本実施形態では、回転体３０は、図３（ａ）中に矢印Ｙで示す方向に回転する。
第１軸部３１は、小径部３４の大径部３５と反対側に設けられる。第２軸部３２は、大径部３５の小径部３４と反対側に設けられる。第１軸部３１は第１軸受２１に回転可能に支持され、第２軸部３２は第２軸受２２に回転可能に支持される。これにより、回転体３０は、ハウジング１０に回転可能に支持される。

積層体４０は、ハウジング１０と回転体３０の周壁との間に設けられる。本実施形態では、積層体４０は、ハウジング１０の小径筒部１２と、回転体３０の小径部３４の周壁３４５との間に設けられる。
図２に示すように、積層体４０は、保持部材４１、および、弾性板５１を有する。
保持部材４１は、略環状に形成され、ハウジング１０の小径筒部１２の径方向内側に固定される。また、保持部材４１の内周面には、径方向内側に開口する凹状の弾性板収容部４２が形成される。本実施形態では、凹状に形成される弾性板収容部４２の底面である弾性板固定部４３に弾性板５１が固定される。

弾性板５１は、略矩形に形成される薄板であり、保持部材４１に保持される。本実施形態では、弾性板５１の短手方向の一端を固定端部５２、短手方向の他端を先端部５５、長手方向の端部を側端部５７、５８とする。また、弾性板５１の固定端部５２と先端部５５との間の長さを「弾性板５１の高さＨ」とし、側端部５７、５８間の長さを「弾性板５１の幅Ｗ」とする。

弾性板５１は、保持部材４１に固定された状態にて、回転体３０の回転により生じる動圧により撓み可能な程度の形状に形成される。本実施形態では、弾性板５１は金属により形成されるが、例えば樹脂等、回転体３０の動圧により撓み可能であればどのような素材、形状としてもよい。

複数の弾性板５１は、回転体３０の回転方向に積層され、固定端部５２側が弾性板収容部４２に収容されて保持部材４１に保持される。詳細には、弾性板収容部４２の弾性板固定部４３に固定端部５２が例えば溶接等により固定される。本実施形態では、弾性板５１は、固定端部５２よりも先端部５５が回転体３０の回転方向進行側となるように、回転体３０の径方向から傾斜した状態で保持部材４１に固定される。

弾性板収容部４２の深さは、弾性板５１の高さＨより浅く形成され、弾性板５１の先端部５５は、弾性板収容部４２から回転体３０側へ突出し、先端部５５は回転体３０の小径部３４の周壁３４５と対向する。

本実施形態では、弾性板５１の幅Ｗは、弾性板５１の高さＨよりも大きい。また、弾性板５１の幅Ｗは、弾性板固定部４３と回転体３０の周壁３４５との距離Ｌよりも大きい。なお、弾性板５１の幅が「弾性板の軸方向長さ」に対応する。
本実施形態では、弾性板５１の幅Ｗは、回転体３０の回転時に積層体４０の軸方向の一側と他側、すなわち弾性板５１の幅方向の一側と他側とで差圧を形成可能な程度の長さに形成される。
また、複数の弾性板５１は、回転体３０の回転時に積層体４０の軸方向の一側と他側とで差圧を形成可能な程度の微小な隙間をもって積層される。

弾性板５１の先端部５５には、切欠部５６が形成される。
切欠部５６を図３〜図６に基づいて説明する。なお、図３（ａ）は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面に対応する図であって、弾性板５１を説明するため、保持部材４１およびハウジング１０を省略して記載している。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面の矢印方向から積層体４０を見た図で、積層体４０の内周面が平面状となるように広げた状態を示している。また、図４は、図３（ｂ）の一部を拡大して模式的に示した図である。また、図５は、図４に示した弾性板５１のそれぞれの平面図であり、図６は１つの切欠部５６に対応する箇所を拡大して示した拡大図である。なお、図３（ｂ）および図４において、連通路５９をわかりやすくするため、切欠部５６により構成される連通路５９を梨地にて示している。後述の図８も同様である。

図３（ｂ）、図４および図５に示すように、本実施形態の切欠部５６は、厚み方向の一側から見たとき、積層体４０の軸方向、すなわち弾性板５１の幅方向において、隣り合う弾性板５１の切欠部５６と一部が重複し、かつ、ずれて形成される。これにより、切欠部５６は、弾性板５１が積層された状態にて、軸方向の一側と他側とを連通する連通路５９を構成する。本実施形態の連通路５９は、積層体４０の軸線に対して傾斜した状態にて軸方向の一側と他側とを連通するスパイラル溝である。

回転体３０の回転により生じる動圧により弾性板５１が撓んだ状態にて積層体４０の軸方向の一側と他側とを連通可能なように、弾性板５１の動圧による浮上量や回転体３０の軸ずれ量等を考慮し、切欠部５６の幅や深さ等が適宜設定される。また、隣り合う弾性板５１の切欠部５６との重複量についても適宜設定される。なお、隣り合う弾性板５１の切欠部５６との重複量により、連通路５９としての傾斜角度が設定されると捉えることもできる。
また、図４および図６に示すように、切欠部５６の側面５６１は、スパイラル溝である連通路５９に沿うように傾斜して形成される。

回転体３０が回転すると、ハウジング１０と回転体３０との間の空間Ｓの流体（例えば空気）が流動する。本実施形態では、回転体３０が回転している状態にて積層体４０の軸方向の一側と他側とを連通する連通路５９が形成されているので、ハウジング１０と回転体３０との間の空間Ｓの流体は、連通路５９および流出口１２２を経由し、ハウジング１０の外部へ流出する。これにより、ハウジング１０と回転体３０との間の空間Ｓが減圧されるので、流体抵抗等による回転体３０の運動エネルギの損失（以下適宜、「風損」という。）を低減することができる。

ところで、熱膨張や振動等の外乱により、ハウジング１０と回転体３０との同軸度や、ハウジング１０と回転体３０との間の隙間が変動する虞がある。ここで、剛体にて形成されるハウジング１０の内周面、或いは、回転体３０の外周面に連通路５９を形成した場合、外乱等の影響により隙間が変動すると、ハウジング１０と回転体３０との間の空間Ｓを適切に減圧できない虞がある。

そこで本実施形態では、ハウジング１０と回転体３０との間に積層体４０を設け、回転体３０の回転により生じる動圧により撓み可能な弾性板５１の先端部５５に形成された切欠部５６により連通路５９を構成している。
図７（ａ）に示すように、回転体３０の停止時において、弾性板５１の先端部５５は、回転体３０の小径部３４の周壁３４５に当接するか、ごくわずかな隙間が形成される。
また、図７（ｂ）に示すように、回転体３０の回転中において、弾性板５１は、回転体３０の回転による動圧を受けて撓んで先端部５５が浮上し、弾性板５１の先端部５５と回転体３０の周壁３４５との間には、例えば数μｍの隙間Ｄが形成される。弾性板５１の先端部５５は、回転体３０の動圧を受けて回転体３０の径方向への移動に追従するため、弾性板５１の先端部５５と回転体３０との間に形成される隙間Ｄは、全周に亘り略均等となる。

したがって、外乱等の影響により回転体３０が径方向に移動したとしても隙間Ｄが適切に維持され、連通路５９を経由してハウジング１０と回転体３０との間の空間Ｓの流体がハウジング１０の外部へ流出するので、ハウジング１０と回転体３０との間の空間Ｓを減圧可能であり、風損を低減可能である。また、外乱の影響が大きくなりやすい大型の装置にも好適に適用可能である。

以上詳述したように、（１）本実施形態の圧力制御装置１は、ハウジング１０と、回転体３０と、積層体４０と、を備える。
回転体３０は、ハウジング１０の内部に設けられる。
積層体４０は、保持部材４１および弾性板５１を有し、ハウジング１０と回転体３０の周壁３４５との間に設けられる。保持部材４１は、ハウジング１０に固定される。複数の弾性板５１は、回転体３０の回転方向に積層されて保持部材４１に保持される。

弾性板５１の回転体３０側の端部である先端部５５、および、弾性板５１の先端部５５と対向する回転体３０の周壁３４５の少なくとも一方には、切欠部５６が形成される。本実施形態では、切欠部５６は、弾性板５１の先端部５５に形成される。切欠部５６は、回転体３０が回転している状態にて、積層体４０の軸方向の一側から他側へ流体が流通可能な連通路５９を構成する。

本実施形態では、弾性板５１の先端部５５には、回転体３０が回転している状態にて積層体４０の軸方向の一側から他側へ流体が流通可能な連通路５９を構成する切欠部５６が形成される。回転体３０が回転しているとき、ポンピング機能によりハウジング１０と回転体３０と間の空間Ｓにある流体（例えば空気）が連通路５９を通ってハウジング１０の外部へ流出することにより、回転体３０の周りの空間Ｓが減圧される。これにより、流体抵抗が低減されるので、回転体３０の回転エネルギの損失を低減することができる。

また、積層体４０は、弾性板５１が積層されて構成されるので、回転体３０の回転による動圧を受けて撓む。そのため、例えば熱膨張や振動等の外乱の影響による軸ずれ等により回転体３０が径方向に移動したとしても、弾性板５１の先端部５５は、動圧を受けて回転体３０の移動に追従するため、回転体３０と積層体４０との間の隙間Ｄが周方向に亘って略均等に維持される。したがって、外乱等により回転体３０が径方向に移動したとしても、回転体３０と積層体４０との間の隙間Ｄが維持されて連通路５９のポンピング機能を適切に機能させ、回転体３０の周りの空間を減圧可能であるので、流体抵抗による回転体３０の回転エネルギの損失を低減することができる。

また、高圧雰囲気下で用いれば、内部を低圧に保持でき、低圧雰囲気下で用いれば内部を高圧に保持できる。さらにまた、高温雰囲気下では内部を低温に、若しくは、その逆に低温雰囲気下では内部を高温に保持できる。すなわち、本実施形態の圧力制御装置１の前後の流体を遮断、或いは、閉じ込めなど、所謂、流体シールとしても応用可能である。

（２）切欠部５６は、隣り合う弾性板５１の切欠部５６と積層体４０の軸方向にずれて形成され、積層体４０の軸方向の一側から他側に亘って連続する溝を連通路５９として構成する。特に本実施形態では、溝がスパイラル溝である。
連通路５９が積層体４０の軸方向の一側から他側に亘って連続する溝として構成されるので、連通路５９の長手方向における圧損が低減され、減圧機能が向上する。特に、連通路５９をスパイラル溝とすることにより、圧損がより低減され、減圧機能が向上する。
（３）切欠部５６の側面５６１は、連通路５９に沿って形成される。これにより、連通路５９の長手方向における圧損がより低減され、減圧機能がより向上する。

（４）弾性板５１の軸方向の長さＷは、保持部材４１にて弾性板５１を固定する弾性板固定部４３と回転体３０の周壁３４５との距離Ｌよりも大きい。これにより、積層された弾性板５１間の隙間を通って流体が流通しにくくなるため、積層体４０の軸方向の一側と他側とで差圧を維持可能となるので、回転体３０が回転している状態においてハウジング１０と回転体３０との間の空間Ｓの減圧状態を適切に維持することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図８に示す。図８は、第１実施形態の図４に対応する図である。本実施形態では、弾性板６１の先端部６５に形成される切欠部６６の形状が異なっているので、この点を中心に説明する。
切欠部６６は、厚み方向の一側から見たとき、積層体４０の軸方向、すなわち弾性板６１の幅方向において、隣り合う弾性板６１の切欠部６６と一部が重複し、かつ、ずれて形成される。これにより、切欠部６６は、弾性板６１が積層された状態にて、積層体４０の軸方向の一側と他側とを連通する連通路６９を構成する。このように構成しても、連通路６９は、積層体４０の軸線に対して傾斜した状態にて軸方向の一側と他側とを連通するスパイラル溝となっている。
本実施形態では、切欠部６６の側面６６１は、幅広面に対して略垂直に形成される。換言すると、本実施形態の切欠部６６の側面６６１は、スパイラル溝に沿った方向ではない。
このように構成して、上記実施形態と同様の効果を奏し、特に（１）、（２）、（４）と同様の効果を奏する。

（他の実施形態）
（ア）上記実施形態では、切欠部は、連通路が積層体の軸方向の一側から他側に亘って連続するスパイラル溝となるように、隣り合う弾性板の切欠部と積層体の軸方向にずれて形成された。他の実施形態では、回転体が回転している状態にて積層体の軸方向の一側から他側に流体が流通可能であれば、切欠部の個数や形状はどのようでもよい。

（イ）上記実施形態では、積層体を第１軸受側に設ける。他の実施形態では、積層体を第２軸受側に設けてもよいし、第１軸受側および第２軸受側の両方に設けるようにしてもよい。また、ハウジングと回転体の周壁との間であれば、積層体をどのような位置に設けてもよく、例えばハウジングの大径筒部と回転体の大径部の周壁との間に設けてもよい。
（ウ）上記実施形態では、ハウジングに流出口を設ける。他の実施形態では、例えば軸受の隙間等から流体をハウジング外部に流出可能であれば、流出口を設けなくてもよい。

（エ）上記実施形態では、弾性板の軸方向長さは、保持部材の弾性板を固定する弾性板固定部と回転体の周壁との距離よりも大きい。他の実施形態では、積層体の軸方向の一側と他側とで差圧を形成可能であれば、弾性板の軸方向長さは、保持部材の弾性板を固定する弾性板固定部と回転体の周壁との距離以下であってもよい。

（オ）また、弾性板の幅は、弾性板の高さよりも大きい。また、弾性板の幅は、弾性板固定部と回転体の周壁の距離よりも大きく構成している。他の実施形態では、例えば全ての弾性板の幅が、弾性板の高さよりも大きい、あるいは、弾性板固定部と回転体の周壁との距離よりも大きく構成していなくてもよい。すなわち、複数の弾性板は、全てが同じ形状、大きさであることに限らず、一部の弾性板の幅が弾性板の高さ以下である、あるいは、弾性板固定部と回転体の周壁との距離以下であってもよい。

（カ）上記実施形態では、弾性板を保持する保持部材は、ハウジングと別体である。他の実施形態では、保持部材はハウジングと一体としてもよい。すなわち、ハウジングが「保持部材」を構成してもよい。また、上記実施形態では、弾性体収容部が保持部材の径方向内側に開口する凹状に形成される。他の実施形態では、保持部材に弾性板を固定可能などのような形状に形成してもよく、例えば弾性体収容部が形成されなくてもよい。

（キ）上記実施形態では、回転体は一部材である。他の実施形態では、例えば回転体の軸中心に軸孔を設け、別部材にて形成された棒状の軸部材を軸孔に固定することにより回転体を構成してもよい。また、例えば圧力制御装置を回転電機としてのモータに適用する場合、ハウジングにステータを設けてもよい。また、磁極を形成するための磁石および巻線等の構成を適宜設けてもよい。また、圧力制御装置は、回転電機やフライホイール以外のどのような装置に適用してもよい。

（ク）上記実施形態では、弾性板の回転体側の端部である先端部に切欠部を形成し、連通路を構成している。他の実施形態では、例えば弾性板の回転体側の端部であるには切欠部を設けず、弾性板の先端部と対向する回転体の周壁（第１実施形態の例では回転体３０の小径部３４の周壁３４５）に切欠部を形成し、回転体に形成される切欠部により連通路を構成してもよい。また、切欠部は、弾性板の回転体側の端部である先端部、および、弾性板の先端部と対向する回転体の周壁に形成するようにしてもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１・・・圧力制御装置
１０・・・ハウジング
３０・・・回転体
４０・・・積層体
４１・・・保持部材
５１、６１・・・弾性板
５６、６６・・・切欠部
５９、６９・・・連通路
３４５・・・周壁

Claims (6)

1. ハウジング（１０）と、
   前記ハウジングの内部に設けられる回転体（３０）と、
   前記ハウジングに固定される保持部材（４１）、および、前記回転体の回転方向に積層されて前記保持部材に保持される複数の弾性板（５１、６１）を有し、前記ハウジングと前記回転体の周壁（３４５）との間に設けられる積層体（４０）と、
   を備え、
   前記弾性板の前記回転体側の端部である先端部、および、前記弾性板の前記先端部と対向する前記回転体の前記周壁の少なくとも一方に形成される切欠部は、前記回転体が回転している状態にて前記積層体の軸方向の一側から他側へ流体が流通可能な連通路（５９、６９）を構成することを特徴とする圧力制御装置。
2. 前記切欠部は、前記弾性板の前記先端部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧力制御装置。
3. 前記切欠部は、隣り合う前記弾性板の前記切欠部と前記積層体の軸方向にずれて形成され、前記積層体の軸方向の一側から他側に亘って連続する溝を前記連通路として構成することを特徴とする請求項２に記載の圧力制御装置。
4. 前記切欠部の側面（５６１）は、前記連通路に沿って形成されることを特徴とする請求項３に記載の圧力制御装置。
5. 前記弾性板の軸方向の長さは、前記保持部材にて前記弾性板を固定する弾性板固定部（４３）と前記回転体の前記周壁との距離よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧力制御装置。
6. 前記連通路は、スパイラル溝であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧力制御装置。

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