JP6973009B2

JP6973009B2 - 撹拌機構及び撹拌機構の製造方法

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Publication number: JP6973009B2
Application number: JP2017238707A
Authority: JP
Inventors: 祐高根沢; 浩之生田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-12-13
Also published as: US11229890B2; CN109908781A; CN109908781B; US20190176109A1; JP2019103981A

Description

本発明は、撹拌機構及び撹拌機構の製造方法に関し、例えば、配管の内部を流れる流体を撹拌する撹拌機構及び撹拌機構の製造方法に関する。

特許文献１には、配管の内部を流れる流体を撹拌するために、回転軸材を用いずに撹拌翼を回転させる撹拌機構が開示されている。詳細には、特許文献１の撹拌機構は、管状体の内部に羽本体が固定された回転羽を備えており、回転羽の一方の端部が供給管に軸受けを介して接続され、回転羽の他方の端部が排出管に軸受けを介して接続されている。このような回転羽は、駆動源によって回転し、管状体の内部を流れる流体を羽本体で撹拌する。

特開２００６−９７４９３号公報

特許文献１の撹拌機構は、軸受けを介して回転羽を供給管や排出管に接続している。そのため、特許文献１の撹拌機構は、回転羽を回転させるための機構が大型化する課題を有する。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、撹拌機構の小型化を実現する。

本発明の一態様に係る撹拌機構は、配管の内部を流れる流体を撹拌する撹拌機構であって、
前記配管の内周面の周方向に回転可能に、前記配管の内部に配置される回転体と、
前記回転体における前記配管の長手方向の移動を規制する規制部と、
を備え、
前記回転体は、前記配管の長手方向に貫通する中空部と、前記中空部に設けられる撹拌翼と、を有する。
このような撹拌機構は、回転体が配管の内部に回転可能に配置されているため、特許文献１の撹拌機構のような大掛かりな機構を必要としない。そのため、撹拌機構の小型化を実現できる。

上述の撹拌機構において、前記回転体は、円筒体と、前記円筒体の中空部に設けられる前記撹拌翼と、を有し、
前記円筒体の外周縁は、前記規制部として前記配管の内周面の周方向に連続するように形成された凹部に挿入されていることが好ましい。

上述の撹拌機構において、前記回転体として、前記配管の内周面の周方向に連続するように形成された内歯部に噛み合わされる遊星歯車と、前記遊星歯車に噛み合わされる太陽歯車と、を有し、
前記太陽歯車は、厚さ方向に貫通する前記中空部と、前記中空部に設けられる前記撹拌翼と、を有することが好ましい。

上述の撹拌機構において、前記内歯部の歯、前記遊星歯車の歯及び前記太陽歯車の歯は、斜歯であり、
前記内歯部と前記遊星歯車との噛み合わせ部、及び前記遊星歯車と前記太陽歯車との噛み合わせ部は、前記規制部として機能することが好ましい。

上述の撹拌機構において、前記配管の内周面には、当該内周面の周方向に連続する凹部が形成されており、
前記内歯部は、前記凹部の底面に形成され、
前記遊星歯車は、前記凹部の内部に配置されており、前記太陽歯車の歯先は、前記遊星歯車と前記太陽歯車とが噛み合わされた位置で、前記配管における凹部が形成された領域に隣接する領域の内周面よりも前記配管の外周面の側に配置され、
前記凹部の側面は、前記規制部として機能することが好ましい。

上述の撹拌機構において、前記遊星歯車は、厚さ方向に貫通する前記中空部と、前記中空部に設けられる前記撹拌翼と、を有することが好ましい。

本発明の一態様に係る撹拌機構の製造方法は、上述の撹拌機構を積層造形法によって形成する。

本発明によれば、撹拌機構の小型化を実現できる。

実施の形態１の撹拌機構が設けられた配管を模式的に示す部分断面図である。実施の形態１の撹拌機構を配管の長手方向から見た図である。図２のIII−III断面図である。実施の形態１の撹拌翼の断面図である。実施の形態２の撹拌機構の断面図である。実施の形態３の撹拌機構が設けられた配管を模式的に示す部分断面図である。実施の形態３の撹拌機構を配管の長手方向から見た図である。異なる撹拌翼を示す図である。異なる撹拌翼を示す図である。異なる撹拌翼を示す図である。異なる撹拌翼を示す図である。異なる撹拌翼を示す図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
先ず、本実施の形態の撹拌機構の構成を説明する。図１は、本実施の形態の撹拌機構が設けられた配管を模式的に示す部分断面図である。図２は、本実施の形態の撹拌機構を配管の長手方向から見た図である。図３は、図２のIII−III断面図である。なお、図１などでは、図を明確にするために、撹拌機構を簡略化して示している。

本実施の形態の撹拌機構１は、例えば、図１に示すように、ラジエータなどの熱交換器に接続される配管２に設けられ、当該配管２の内部を循環する流体を冷却するために用いられる。ここで、配管２の内周面２ａは、円周面に形成されている。なお、流体は、気体又は液体の何れでもよい。

撹拌機構１は、図２及び図３に示すように、内歯部３、遊星歯車４及び太陽歯車５を備えている。内歯部３は、配管２の内周面２ａに形成された複数の斜歯３ａを備えており、配管２の内周面２ａの周方向に連続する。つまり、複数の斜歯３ａが配管２の内周面２ａの周方向に所定のピッチで並んでいる。

遊星歯車４は、図２及び図３に示すように、配管２の内部に配置されており、配管２の長手方向と略平行な回転軸ＡＸ１を備えている。そして、遊星歯車４は、内歯部３における配管２の長手方向の長さと略等しい厚さを有する筒状を基本形態としており、回転軸ＡＸ１が延在する方向に貫通する中空部を備えている。

遊星歯車４の外周面には、内歯部３の斜歯３ａと対応する斜歯４ａが形成されており、当該斜歯４ａは、内歯部３の斜歯３ａと噛み合わされている。このような遊星歯車４は、例えば、配管２の内周面２ａの周方向に間隔を開けて３個以上配置されている。例えば、図２に示すように、遊星歯車４は、配管２の内周面２ａの周方向に略１２０°の間隔を開けて３個配置される。

太陽歯車５は、図２及び図３に示すように、配管２の内部に配置されている。そして、太陽歯車５は、遊星歯車４の回転軸ＡＸ１と平行な回転軸ＡＸ２を備えており、例えば、回転軸ＡＸ２は、大凡、配管２の内周面の中央を通る。

太陽歯車５は、遊星歯車４とで回転体６を構成し、歯車本体５ａ及び撹拌翼５ｂを備えている。歯車本体５ａは、遊星歯車４と略等しい厚さを有する筒状を基本形態としており、回転軸ＡＸ２が延在する方向に貫通する中空部を備えている。そして、歯車本体５ａの外周面には、遊星歯車４の斜歯４ａと対応する斜歯５ｃが形成されており、当該斜歯５ｃは、遊星歯車４の斜歯４ａと噛み合わされている。

撹拌翼５ｂは、歯車本体５ａの中空部に設けられており、筒状体５ｄ及び羽５ｅを備えている。ここで、図４は、本実施の形態の撹拌翼の断面図である。筒状体５ｄは、図２及び図４に示すように、歯車本体５ａの中空部の略中央に配置されており、太陽歯車５の回転軸ＡＸ２が延在する方向に貫通する中空部を備えている。

羽５ｅは、筒状体５ｄの周方向に間隔を開けて配置されている。そして、羽５ｅの一方の端部は、筒状体５ｄの外周面に固定され、羽５ｅの他方の端部は、歯車本体５ａの内周面に固定されている。詳細には、例えば、図４に示すように、羽５ｅは、略矩形状の環状体であり、筒状体５ｄの周方向に約１８０°の間隔を開けて配置される。そして、羽５ｅは、太陽歯車５の回転軸ＡＸ２と略平行に配置される。

このような撹拌機構１は、配管２の内部を流れる流体が羽５ｅに接触して撹拌翼５ｂが回転しようとすると、遊星歯車４が自転しつつ、公転することで太陽歯車５が回転する。これにより、撹拌翼５ｂが回転し、太陽歯車５の中空部を流れる流体が撹拌されると共に、内歯部３と太陽歯車５との間を流れる流体は、遊星歯車４によって撹拌される。

このように撹拌機構１は、回転体６が配管２の内部に回転可能に配置されているため、特許文献１の撹拌機構のような大掛かりな機構を必要としない。そのため、本実施の形態の撹拌機構１は、特許文献１の撹拌機構に比べて、小型化を実現できる。

ここで、例えば、図１に示すように、外気が配管２の内部を流れる流体よりも低温の場合、流体が撹拌機構１を通過する前の当該流体の流れは、層流であり、流体における配管２の径方向での温度分布は、配管２の中央では高く、配管２の内周面付近では低い。なお、図１では、一点鎖線で流体の温度分布を示しており、配管２の長手方向が流体の温度を示し、配管２の径方向が流体の位置を示している。

一方、流体が撹拌機構１を通過した後の当該流体の流れは、上述のように、撹拌機構１によって撹拌されるため、乱流とすることができる。その結果、流体における配管２の径方向での温度分布を略等しくすることができる。これにより、流体の流れが層流の場合に比べて、流体における配管２の内周面付近での温度を高くすることができ、外気との熱交換を効率的に行うことができる。そのため、本実施の形態の撹拌機構１は、流体の冷却効率を向上させることができる。

しかも、内歯部３の斜歯３ａと遊星歯車４の斜歯４ａとが噛み合わされると共に、遊星歯車４の斜歯４ａと太陽歯車５の斜歯５ｃとが噛み合わされた構成であるので、遊星歯車４及び太陽歯車５、即ち、回転体６における配管２の長手方向への移動を規制することができる。つまり、内歯部３と遊星歯車４との噛み合わせ部、及び遊星歯車４と太陽歯車５との噛み合わせ部は、回転体６における配管２の長手方向への移動を規制する規制部として機能する。

このとき、図３に示すように、斜歯３ａの歯底は、配管２における内歯部３が形成された領域Ａ１と隣接する領域Ａ２の内周面２ａに対して当該配管２の外周面の側に配置されているとよい。また、斜歯４ａの歯先も、斜歯３ａと斜歯４ａとが噛み合わされた位置で、配管２の領域Ａ２の内周面２ａに対して当該配管２の外周面の側に配置されているとよい。つまり、斜歯４ａの歯先は、少なくとも配管２の中心から最も遠い位置で、配管２の領域Ａ２の内周面２ａに対して当該配管２の外周面の側に配置されるとよい。これにより、遊星歯車４が配管２の長手方向に移動しようとすると、配管２における内歯部３の斜歯３ａの間の凹部の側面に接触する。そのため、遊星歯車４における配管２の長手方向への移動を確実に規制することができる。

次に、本実施の形態の撹拌機構１の製造方法を説明する。このような撹拌機構１は、積層造形法によって形成される。これにより、撹拌機構１を簡単に形成することができる。このとき、撹拌機構１が設けられる配管２の領域Ａ１だけでなく、領域Ａ２の一部も合わせて積層造形法によって形成するとよい。これにより、撹拌機構１を配管２の真っ直ぐな部分だけでなく、配管２の曲がった部分の直前又は直後に設けることが可能となる。

ここで、上述の撹拌機構１を配管２に溶接などの手段で設ける場合、例えば、内周面に斜歯が形成された内歯歯車を配管２に設けるために、配管２を切断して当該切断した配管２の間に、内部に遊星歯車４及び太陽歯車５が噛み合わされた内歯歯車を配置し、その後、切断した配管２と内歯歯車とを溶接する必要があるが、溶接の際に配管２と内歯歯車とに段差が生じる可能性がある。また、配管２の曲がった部分の直前又は直後に撹拌機構を設けることが難しい。

しかも、配管２と内歯歯車とを溶接した際の熱で、内歯歯車と遊星歯車４との噛み合い精度が悪化する可能性がある。

また、配管２を溶接した際の熱や力を逃がすための逃がし部を溶接部の前後に確保する必要があり、冷却機構が大型化する。

さらに、配管２を溶接した際に、ビートなどが配管２の内周面２ａから突出する可能性が有り、冷却性能が悪化するだけでなく、ビートなどの除去が困難である。

一方、本実施の形態の撹拌機構１は、上述のように積層造形法によって形成するので、溶接などで形成する場合に比べて、上述の問題点は生じない。

上記実施の形態では、遊星歯車４を配管２の内周面２ａの周方向に約１２０°の間隔を開けて３個配置しているが、遊星歯車４の配置や個数は、限定されず、回転する太陽歯車５の位置を保持できる配置や個数であればよい。

上記実施の形態の遊星歯車４は、撹拌翼を備えていないが、当該遊星歯車４の中空部に撹拌翼を備えていてもよい。これにより、配管２の内部を流れる流体をより確実に撹拌することができる。

上記実施の形態では、斜歯を用いて回転体６における配管２の長手方向への移動を規制しているが、例えば、ピッチの異なる平歯群を配管２の長手方向に並べることで回転体６における配管２の長手方向への移動を規制してもよい。

＜実施の形態２＞
実施の形態１の撹拌機構１は、斜歯を用いた構成であるが、平歯を用いて実施することもできる。図５は、本実施の形態の撹拌機構の断面を示し、図３と対応する断面図である。

撹拌機構２１は、実施の形態１の撹拌機構１と略等しい構成とされており、図５に示すように、内歯部２２、遊星歯車２３及び太陽歯車２４を備えている。ここで、配管２の内周面２ａには、当該内周面２ａの周方向に連続する凹部２ｂが形成されている。

内歯部２２は、配管２の凹部２ｂの底面に形成されており、配管２の内周面２ａの周方向に所定のピッチで配置された複数の平歯２２ａを備えている。つまり、平歯２２ａは、大凡、配管２の長手方向に向かって延在している。

遊星歯車２３は、配管２の凹部２ｂの内部に配置されている。遊星歯車２３の外周面には、内歯部２２の平歯２２ａと対応する平歯２３ａが形成されており、当該平歯２３ａは、内歯部２２の平歯２２ａと噛み合わされている。このとき、平歯２３ａの歯底は、配管２における撹拌機構２１が設けられた領域Ａ３に隣接する領域Ａ４の内周面２ａより当該配管２の外周面の側に配置されている。つまり、少なくとも最も配管２の中心の側に配置される平歯２３ａの歯底は、配管２の領域Ａ４の内周面２ａに対して当該配管２の外周面の側に窪んでいる。

太陽歯車２４は、遊星歯車２３とで回転体２５を構成し、実施の形態１の撹拌翼５ｂと等しい構成の撹拌翼２４ａを備えている。そして、太陽歯車２４の外周面には、遊星歯車２３の平歯２３ａと対応する平歯２４ｂが形成されており、当該平歯２４ｂは、遊星歯車２３の平歯２３ａと噛み合わされている。このとき、太陽歯車２４の歯先は、遊星歯車２３と太陽歯車２４とが噛み合わされた位置で、配管２の領域Ａ４の内周面２ａより当該配管２の外周面の側に配置されている。つまり、少なくとも噛み合わされた遊星歯車２３に対して最も近くに配置される平歯２４ｂの歯先は、配管２の領域Ａ４の内周面２ａに対して当該配管２の外周面の側に突出している。

このような構成により、遊星歯車２３が配管２の長手方向に移動しようとすると、遊星歯車２３が配管２の凹部２ｂの側面に接触する。また、太陽歯車２４が配管２の長手方向に移動しようとすると、太陽歯車２４の平歯２４ｂが配管２の凹部２ｂの側面に接触する。そのため、遊星歯車２３及び太陽歯車２４、即ち、回転体２５における配管２の長手方向への移動を規制することができる。つまり、凹部２ｂの側面は、回転体２５における配管２の長手方向への移動を規制する規制部として機能する。

＜実施の形態３＞
実施の形態１及び２では、回転体を遊星歯車と太陽歯車とで構成しているが、歯車機構を用いることなく、撹拌機構を構成することもできる。図６は、本実施の形態の撹拌機構が設けられた配管を模式的に示す部分断面図である。図７は、本実施の形態の撹拌機構を配管の長手方向から見た図である。

本実施の形態の回転体３１は、図６及び図７に示すように、第１の円筒体３１ａ、第２の円筒体３１ｂ及び撹拌翼３１ｃを備えており、配管２の内部に配置されている。第１の円筒体３１ａは、配管２の長手方向と略平行な回転軸ＡＸ３を備えている。そして、第１の円筒体３１ａは、回転軸ＡＸ３が延在する方向に貫通する中空部を備えている。つまり、第１の円筒体３１ａは、配管２の長手方向に延在するように配置されている。なお、第１の円筒体３１ａは、当該第１の円筒体３１ａの外周面に形成された歯を備えていてもよいが、回転体３１を円滑に回転させるために、歯を備えていないことが好ましい。

第２の円筒体３１ｂは、第１の円筒体３１ａの内径に対して小さい外径を備え、且つ、第１の円筒体３１ａの厚さ（即ち、配管２の長手方向の長さ）と略等しい厚さを備えている。このような第２の円筒体３１ｂは、第１の円筒体３１ａの内部に配置されており、第２の円筒体３１ｂの回転軸ＡＸ４が、大凡、第１の円筒体３１ａの回転軸ＡＸ３上に配置されている。そして、第２の円筒体３１ｂは、回転軸ＡＸ４が延在する方向に貫通する中空部を備えている。つまり、第２の円筒体３１ｂも、配管２の長手方向に延在するように配置されている。

撹拌翼３１ｃは、複数の羽３１ｄを備えている。複数の羽３１ｄは、第２の円筒体３１ｂの内周面と第１の円筒体３１ａの外周面とを連結しており、回転軸ＡＸ４を中心に略放射状に配置されている。

このような回転体３１は、規制部３２によって配管２の長手方向の移動が規制されている。規制部３２は、配管２の内周面２ａの周方向に連続するように形成された凹部（以下、規制部３２と等しい符号を付する。）である。凹部３２は、第１の円筒体３１ａの外径と略等しい直径を備え、且つ第１の円筒体３１ａの厚さと略等しい幅寸法を備えている。そして、凹部３２には、第１の円筒体３１ａの外周縁が挿入されている。

このような撹拌機構も、回転体３１が配管２の内部に回転可能に配置されているため、特許文献１の撹拌機構のような大掛かりな機構を必要としない。そのため、撹拌機構１の小型化を実現できる。

しかも、回転体３１が配管２の長手方向に移動しようとすると、回転体３１の側面が凹部３２の側面に接触する。そのため、回転体３１における配管２の長手方向の移動を良好に規制することができる。

本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

例えば、上記実施の形態１の撹拌翼５ｂの羽５ｅは、略矩形状の環状体であるが、図８に示すように、略矩形状の板体でもよい。また、羽５ｅは、図９に示すように傾斜していても、図１０に示すように湾曲していてもよい。また、撹拌翼５ｂは、図１１に示すように、筒状体５ｄが内部に固定された円形の板体５ｆの外周縁に羽５ｇが固定された所謂フラットタービン型でもよい。また、撹拌翼５ｂは、図１２に示すように、傘型の板体５ｈの凸面に複数の渦巻き型の羽５ｉが固定された所謂うず巻傘型でもよい。この場合、例えば、撹拌翼５ｂの板体５ｈの外周縁が歯車本体５ａの内周面に固定される。要するに、撹拌翼５ｂは、配管２の内部を流れる流体を撹拌できる形状であればよい。つまり、羽の配置や形状、個数などは限定されない。ちなみに、図９乃至図１２では、（ａ）に撹拌翼５ｂを配管２の長手方向から見た図を示し、（ｂ）に撹拌翼５ｂの平面図を示している。但し、図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）では、撹拌翼５ｂの形状を明確にするために、一部の羽を省略して示している。

例えば、規制部は、回転体における配管２の長手方向への移動を規制することができる構成であればよい。例えば、実施の形態１の遊星歯車４と太陽歯車５とで回転体を構成し、当該遊星歯車４の一部を実施の形態３の配管２の凹部３２に挿入してもよい。

１撹拌機構
２配管、２ａ内周面、２ｂ凹部
３内歯部、３ａ斜歯
４遊星歯車、４ａ斜歯
５太陽歯車、５ａ歯車本体、５ｂ撹拌翼、５ｃ斜歯、５ｄ筒状体、５ｅ羽
５ｆ板体、５ｇ羽
５ｈ板体、５ｉ羽
６回転体
２１撹拌機構
２２内歯部、２２ａ平歯
２３遊星歯車、２３ａ平歯
２４太陽歯車、２４ａ撹拌翼、２４ｂ平歯
２５回転体
３１回転体
３１ａ第１の円筒体
３１ｂ第２の円筒体
３１ｃ撹拌翼３１ｄ羽
３２規制部（凹部）
ＡＸ１、ＡＸ２、ＡＸ３、ＡＸ４回転軸

Claims

配管の内部を流れる流体を撹拌する撹拌機構であって、
前記配管の内部を流れる流体によって前記配管の内周面の周方向に回転可能に、前記配管の内部に配置される回転体と、
前記回転体における前記配管の長手方向の移動を規制する規制部と、
を備え、
前記回転体として、前記配管の内周面の周方向に連続するように形成された内歯部に噛み合わされる遊星歯車と、前記遊星歯車に噛み合わされる太陽歯車と、を有し、
前記太陽歯車は、厚さ方向に貫通する中空部と、前記太陽歯車の中空部に設けられる撹拌翼と、を有する、撹拌機構。
前記内歯部の歯、前記遊星歯車の歯及び前記太陽歯車の歯は、斜歯であり、
前記内歯部と前記遊星歯車との噛み合わせ部、及び前記遊星歯車と前記太陽歯車との噛み合わせ部は、前記規制部として機能する、請求項１に記載の撹拌機構。
前記配管の内周面には、当該内周面の周方向に連続する凹部が形成されており、
前記内歯部は、前記凹部の底面に形成され、
前記遊星歯車は、前記凹部の内部に配置されており、前記太陽歯車の歯先は、前記遊星歯車と前記太陽歯車とが噛み合わされた位置で、前記配管における凹部が形成された領域に隣接する領域の内周面よりも前記配管の外周面の側に配置され、
前記凹部の側面は、前記規制部として機能する、請求項１に記載の撹拌機構。
前記遊星歯車は、厚さ方向に貫通する中空部と、前記遊星歯車の中空部に設けられる撹拌翼と、を有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撹拌機構。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撹拌機構を積層造形法によって形成する、撹拌機構の製造方法。