JPS5932666B2 - ラジアルピストンを備えた高圧流体移送装置および該装置に用いるシリンダ− - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はラジアルピストンとシリンダーとを流体の圧
力がきわめて高い状態のもとで作動できるように構成し
た流体ポンプおよびモーター（以下流体移送装置とも言
う）に関するものである。

ラジアルピストンポンプあるいはモーターは他の流体移
送装置と比べると、それぞれ対応するシリンダーまでの
びる中空のラジアルピストンスボークを備えたローター
が設けである点で異なっている。

この場合、複数個のシリンダーはローターの軸に対して
偏心して設置した固定の円形レースに接触しているので
、ローターが回転するときには各シリンダーは対応する
ピストンに対して往復動し、ポンプまたはモーターとし
ての作用は流体の種類や機械的な連結部の構造による。

その他すべてのパラメーターが変わらない場合には、こ
の装置をモーターとして作動させるときに得られる出力
またはこの装置をポンプとして作動させるときのポンプ
の容量は、装置の大きさによって決まる。

しかし装置の大きさを大きくしても、常に出力を太き（
したり流量を太き（できるとは限らない。

またこの装置はそれを連結する他の機構の内部の狭い空
間に取りつけなげればならないことがある。

空間の制約から大形の装置を用いることができない場合
には、大形で重量のあるポンプやモーターは取り抜いが
困難で製造コストが高いので、サイズを大きくすること
は好ましくない。

出力や流量を大きくする方法には、装置を高い流体の圧
力のもとで、しかも高速度で作動するように設計するこ
とが考えられる。

たとえばこの発明を具体化した装置は、内側の流体圧力
が約５２７、３ｋｇ／ｃｆｒＬ（７，５００Ｐｓｉ ）
のごと（高い場合に最大１万２．０００ の速度
で作動するよｐｍ うに設計しである。

このようにすると装置全体をコンパクトにすることがで
きるとともに、高い作動効率が得られるが、慣用の装置
では問題にならなかった別の問題が生じてくる。

すなわち上記のように大きな流体圧力が作用すると、装
置を構成する剛性の部材のほとんどが変形してしまう。

このような変形が生じると、特にピストンに支持しであ
るシリンダーとの間のはめ合いの状態に重大な問題が生
じて（る。

流体移送装置では一般にピストンとそれに対応したシリ
ンダーとの間のはめ合いとして、過度の摩擦や摩耗を生
じさせないような形で、流体のリークを最小限度に押え
るのに適した範囲がある。

流体圧力が比較的低い慣用の装置ではシリンダーの内径
とピストンの内径は好適なはめ合いが得られるように選
定し、これらの寸法は作動中、一定に保たれるものと考
えている。

しかし流体の圧力がきわめて高い場合にはこのような考
えは通用しない。

すなわち流体圧力がきわめて高くなると、ピストンもシ
リンダーも相当膨張し、この場合ピストンとシリンダー
の膨張量は必ずしも比例しない。

シリンダーの膨張量は強度が比較的高いヘッド端で最小
で、シリンダーの開口したスカート端にいくにしたがっ
て徐々に大きくなる。

しかしながら、従来は、普通、シリンダーｑＬを円筒状
にし、その内径を一定にしていた。

このため、シリンダーが流体の圧力によって膨張し、そ
の膨張量がシリンダーのスカート端に向かうに従って大
きくなったとき、ピストンとシリンダーのはめ合いを均
一にすることができず、両者の境界面の摩擦、摩耗およ
び流体のリークが増大するという問題があった。

したがって、この発明は、前記従来の問題を解決し、シ
リンダーが流体の圧力によって膨張したとき、ピストン
とシリンダーの境界面の摩擦、摩耗および流体のリーク
が増大しないようにすることを目的としてなされたもの
である。

この発明は、少なくとも一つの半径方向にのびる管状ピ
ストンを備えた環状のローターと、前記ピストンに対し
て往復動できるようにはめ合わせたシリンダーとからな
り、前記シリンダーはヘッド端と前記ピストンがのびる
孔を設けたスカート端とを備えているラジアルピストン
流体移送装置において、シリンダーの孔の少なくとも一
部にテーパ形状をもたせ、その内径をシリンダーのヘッ
ド端からスカート端の方に向かって除々に小さくしたこ
とを特徴とするものである。

したがって、シリンダが流体の圧力によって膨張し、そ
の膨張量がスカート端に向かうに従って大きくなったと
き、ピストンとシリンダーのはめ合いが均一に保たれる
。

次に図面に基づいてこの発明の装置の実施例について説
明する。

まず第１図と第２図を参照して述べると、図解した流体
移送装置１１は実質的には従来から用いられている装置
と同じ構造にすることができるが、ここではこれを構成
する部材は重くて強度の高い構造にすることによって、
きわめて高い速度と高い圧力に適合することができるよ
うになっているとともにシリンダー１２に新規な工夫が
こらしである。

この装置１１は固定した円筒状のピストン１３を備えて
おり、このピストンにはローター室１６の一方の端壁を
構成するフランジ１４が形成しである。

フランジ１４から間隔をおいて他方の円形の端壁（端板
）１７が設けてあり、これらの二つの端壁の最外部の間
には環状のレース保持器１８が同心的にのびている。

装置１１をポンプとして動作させる場合には該装置に対
して駆動を伝達し、モーターとして用いる場合には該装
置からの駆動を伝達するために、端壁１７の中央に設け
た開口２１からピストン１３の隣接する端部に設けた孔
２２の中まで回転軸１９がのびている。

この回転軸は開口２１と孔２２にそれぞれ設けた軸受２
３と２４によって回転できるように支持しである。

ｏ−ター室ｉｓの内部にあるビントル１３の端部には環
状のローター２６が同心的に設置しである。

このローターには円周方向に等間隔をおいて半径方向に
のびる中空のスポーク２７′が設けてあり、このスポー
クの外端は装置１１のピストン２７（この実施例では４
個設けである）を形成している。

ローター２６の端部２８はビントル１３と端板１７との
間を半径方向の内側にのびているが、この端部２８には
スプライン２９が設けてあり、これを軸１９のスプライ
ン３１に係合させることにより、ローターと軸が同期的
に回転するようにしている。

スポーク２７′のそれぞれには半径方向にのびる内側通
路３２が設けである。

また各ピストン２７の最外端には、外面３４が球状のピ
ストンリング３３が同心的に設置しである。

各シリンダー１２には実質上、円筒状のスカートすなわ
ち開口端３６が設けてあり、ここには対応する一対のピ
ストン２７とピストンリング３３が収容しである。

各シリンダーにはまた実質上密閉した外端、すなわちヘ
ッド端３７が設けてあり、この端部はシリンダーを包囲
するレース３８の円筒状の内面３８に係合する状態で、
レース保持器１８の内部の端壁１４と１７の間に位置し
ている。

特に第１図から明らかなように、レース３９はローター
２６の回転軸に対して偏心させて設置しであるので、各
シリンダー１２はローターが回転すると対応するピスト
ン２７に対して往復動する。

この実施例ではレース３９はレース保持器１８内におい
て装置１１の直径に沿って移動できるような形にして、
装置がモーターとして作動するときには、偏心の方向を
変えることによりローターを逆回転させる一方、装置が
ポンプとして作動する場合には、流れの方向を逆転する
ようになっている。

このためにレース保持器１８には直径方向に対向した位
置に平坦な部分４１が設けてあり、またレース３９には
これに対応した位置に平坦な外面４２が形成しである。

したがってレース３９は、加圧流体を一方の側部のレー
スと保持器の間の部分４３に導入した後、他方の側部の
対応した部分４３′から排出することによって、保持器
１８の内部を横方向に移動して、所定の位置に保持する
ことができる。

この装置１１は逆転動作を行なわない場合にはレースを
固定した形にすることができる。

流体をシリンダー１２に導入して、そのシリンダーに対
応したピストン２７上を所定の時間に半径方向の外方に
移動させるために、ビントル１３の内部には第一群の四
つの流路４４が縦方向にのびるように形成してあり、こ
れらの各流路の端部はビントルの円筒状面に弓状のスロ
ット４６になっている。

スロツ）４６はシリンダー１２がローター２６の回転軸
の方に移動するピストン２７の内側の流路３２と連通ず
るように設けである。

ビントル１３の内部の第二群の四つの流路４７の端部も
上記のスロットに対応するスロット４８になっており、
このスロットは外側に動くピストンのシリンダーに通じ
ている。

すなわち流路４７は装置１１の流体の出口を形成し、流
路４４は流体の入口を形成している。

レース３９を上記のように移動させると、逆に流路４７
が入口になり、流路４４が出口となる。

加圧流体を入口の流路に導入すると、装置１１がモータ
ーとして動くので、軸１９に連結した駆動機構を駆動す
ることができる。

逆に軸１９を外側から駆動手段によって回転すると、装
置１１はポンプとして作動し、流体は入口流路から入り
、出口流路から排出される。

ポンプ作用の方向はレース３８の位置によって決定され
る。

第３図、第４図、第５図を参照すると、シリンダー１２
のヘッド端部にはレース３９の内面の曲率と実質上等し
い曲率の外面４９が設けである。

しかしこのシリンダーの外面の曲率はレースの内面の曲
率よりもわずかに大きくして、外面４９とレースの間に
流体を流して流体力学的な軸受作用が行なわれるように
することができる。

シリンダーの外面４９には／」’ＪＬ５２を介してシリ
ンダーの内部と連通するくぼみ５１を設けることによっ
て、静止力学的な軸受作用が得られるようにすることも
できる。

このようにするとシリンダー１２の内部の流体圧力が、
高くなり、シリンダーとレース３９の間では、内側の流
体圧力と遠心力の結合作用によってシリンダーがレース
に直接過大な圧力を及ぼさないようになる。

シリンダー１２にはヘッド端部の最も内側の面にパッド
５３が設けである。

このパッド５３はローター室１６に設けた環状の保持リ
ング５４に係合して、シリンダーが常にレースに隣接す
る位置をとるようにしている。

前述したようにこの装置１１はモーターとして作動させ
る場合にはその出力に比して、またポンプとして作動さ
せる場合にはそのポンプ作用の容量に比してきわめてコ
ンパクトに設計してあり、きわめて高い速度で、しかも
きわめて高い流体圧力のもとで作動させることができる
。

この装置１１の一つのユニットでは内径が約１５．３ｃ
ＩｒＬ（６インチ）のレース３９を設ける一方、１回転
当りの最大の行程容量を約０．０００１０２ｍ３（６，
２８立方インチ）とし、さらに内側の流体圧力が最大約
５２７．３ｋｇ／ｉ （７，５００Ｐｓｉ ）で、最
大速度１２．ｏｏＯで作動させることができる。

ｒｐｍ このような条件で作動させると、周知の多くの装置では
ほとんど得られない作用がきわめて顕著な形で表われて
くる。

たとえば各シリンダー１２の重さを約３６２．９ｇ（０
，８ポンド）、遠心力を１２、００ Ｏｒｐｍ、 レ
ースの内径を１５．３ｃＩｒＬ（６インチ）にすると、
各シリンダーにはレース３９に対して約４４５５．８ｋ
ｇ（９，８２１ポンド）の力が作用するようになる。

したがってレースとこれを支持する部分の強度をきわめ
て高くなげればならない。

装置１１にこのようにきわめて高い圧力があると特有の
問題が生じてくる。

慣用のポンプ、モーター特においては金属のように剛性
に近い材料で形成した部材は通常の操作状態では寸法が
一定であると考えるのが普通であるが、この考え方はこ
れらの部材の重量が大きい場合には相当な程度まで当っ
ていると考えられる。

装置１１が上述したような状態にある場合には、厚みと
か重量を大きくすることによって部材に剛性を与えると
いう慣用の方法は、ある種の部材、特にピストンリング
３３を含めたピストン２７およびそれに対応したシリン
ダーについては適用できない。

装置全体をコンパクトにする場合には、これらの部材は
厚みと重量を大きくして、きわめて高い流体圧力を受け
ても湾曲（変形）しないようにすることができない。

寸法的な制約によりピストンとシリンダーめ重量を大き
くせざるを得ない場合には、このようにするとコストが
高くなるとともに慣性や運動量が増し、さらに遠心力の
作用が大きくなる等の不都合があるので好ましくない。

第６図を参照すると、摩耗と流体のリークを最小限度に
押さえて効率的な動作を行なうためには、ピストンリン
グ３３とシリンダー１２の内壁（内面）５６との間には
最善に近い程度のはめ合いを行なう必要がある。

一般にシリンダーには均一な孔を設け、ピストンリング
の外径とシリンダーの内径は所定のはめ合いが得られる
ように選定する。

装置をきわめて高い流体圧の状態で動作させる場合には
、シリンダーとピストンの各動作ストロークが特定の場
合以外は実際にはこのようなはめ合い間隙は得られない
。

これは流体圧力がきわめて高い場合にはピストンとシリ
ンダーの両者がかなり膨張するが、その膨張量が異なる
からである。

さらに特にシリンダーの膨張が位置によって異なること
にもよる。

シリンダー１２のフープ強さはヘッド端３７で最大で、
開口したスカート端３６の方にいくにしたがって徐々に
減少する。

したがって高い流体圧力によって生じるシリンダーの内
面の半径方向の膨張量はピストンが上死点の位置にある
ときには最小になり、ピストンリング３３が下死点の方
に向って移動するにつれて徐々に大きくなる。

この半径方向の変位量はシリンダー内におけるピストン
の位置の函数であるので、シリンダー１２はピストンの
各行程（ストローク）中に周期的に膨張し、収縮する。

゛この作用は第８図のグラフに示したが、
このグラフは内側の流体圧力がきわめて高い場合にピス
トンの１回のストローク中における慣用のピストンとま
っすぐな孔を形成したシリンダーとの半径方向のひずみ
量を図解したものである。

第８図の左端に示した実線の垂線５７は直径が同じピス
トンとシリンダーが圧力ゼロで動作する状態を示したも
のである。

このような状態のときには、上死点と下死点との間のピ
ストンのストローク中には膨張は生じない。

この状態は実際には正確に実現することはできないけれ
ども、きわめて高い圧力を受けない慣用の装置はこれに
近い状態になっている。

このような慣用の装置が約５２７．３に９／ｉ（７，５
００Ｐｓｉ ）のように高い圧力を受けると、この圧
力に対応するピストンの半径方向のひずみは点線５８で
示すように約０．００８ｍｍ （０，０００３インチ）
になる。

このピストンの膨張量はピストンがシリンダーの影響を
受けない場合にはストローク中を通じて一定である。

点線５９はピストンの半径方向における膨張による影響
がない場合のシリンダーの半径方向の膨張量を示したも
のであるが、これは実質上シリンダー中におけるピスト
ンの位置によって変わる。

上死点の位置ではこのシリンダーの半径方向の膨張量は
わずかに約０．００２５ｍｍ（０，０００１インチ）に
過ぎないが、下死点の位置ではピストンの半径方向の膨
張量は約０．０５１ｍｍ （０，００２０インチ）にも
なっている。

点線５８．５９の交点６１の上方にはピストンとシリン
ダーとの間の干渉部を示したが、この干渉部は実際には
ピストンリングの径をシリンダーの隣接した内面よりも
大きくすることができないので存在しない。

この交点６１の上部は実際には、ピストンとシリンダー
の直径が締まりばめの部分では点線５８と５９の中間に
示した点線６２のように同一であるような状態になって
いる。

流体移送装置では第８図に示した状態は好ましくない。

上死点に近い各ストロークのわずかな部分では一応好ま
しいと考えられる締まりばめの状態になっているけれど
も、ピストンが交点６１から下死点の方に移動するたび
に相当大きな間隙が生じる。

したがって各ストローク中にはかなりの範囲にわたって
相当量の流体がリークする。

第９図は上記のような第８図に示したもので生じるリー
クの問題を解消するために、シリンダーの壁厚を実用上
の範囲内でさらに厚くした場合の第８図に対応するグラ
フを示したものである。

シリンダーの膨張量は点線５９ａで示したようにかなり
減少しており、交点６１ａの上方の好ましいはめ合いの
部分は長くなっているけれども、リークの問題を解消す
るにはまだ不十分である。

シリンダーの半径方向の膨張量は下死点の位置では約０
．００２２８７ｍｍ（０，０００９インチ）まで下って
いる。

また下死点の近くの膨張量は約０．（１１５３ｍｍ （
０，０００６インチ）になっているが、このような間隙
はまだ大き過ぎるため、流体は相当量リークする。

このようにシリンダーの壁厚を厚くするだけではリーク
の問題を解消することができない。

第６図を参照して、この発明の重要なポイントを説明す
ると、この発明ではシリンダーの壁厚を実用上の範囲内
で可能な限り厚くするとともに、シリンダーの内面５６
を、シリンダーの孔の径がヘッド端３７０近くで最大に
なり、開口したスカート端３６の方にいくにしたがって
徐々に小さくなるような形の円錐状に形成することによ
って、上述したリークの問題を解消している。

この場合、円錐形のテーパーの度合いはシリンダーの長
さ約３０．５ｃＩｆｔ（１フート）当たり約０．６００
ｍｍ（０，０２４インチ）程度の大きさにすることがで
きる。

このテーパーの形態は第７図に拡大して示しである。

シリンダーの孔とピストンリングは流体の圧力が作用し
ないときに上死点の位置における間隙が約０．０１０２
ｍｍ（０，０００４インチ）になるように設計すると最
もよい結果が得られる。

圧力が作用しないときには不死点の位置の間隙は小さく
、この実施例では約０．００２５ｍｍ （約０．０００
１インチ）の小さな締まりばめの状態になっている。

第１０図はこの状態をグラフで示したもので、グラフ中
線５７ｂと５７ｂ′はそれぞれ圧力が作用しない場合に
おけるピストンの外径とシリンダーの内径である。

圧力がかかつていない状態のときにシリンダーがピスト
ン上を往復運動する場合には、線５７ｂと５７ｂ′の下
部に示した干渉部は実際にはできないけれども、シリン
ダーとピストンの直径は線５７ｂと５７ｂ′の中間の線
５７ｃになる。

第１０に示したように締まりばめの部分６２ｂは長くの
びて、作動ストロークのほとんど全体をカバーする状態
になっている。

この実施例では不死点の付近には若干の間隙があるけれ
ども、この間隙は前述した場合のものよりも小さく許容
できるものである。

圧力が作用した場合のシリンダーの不死点における半径
方向の膨張量は第９図に示したものと同じであるが、こ
の膨張量は点線５８ｂで示したピストンの膨張量に比し
てきわめて小さい。

第１０図かられかるように、ピストンの半径方向の膨張
量〔この実施例では線５８ｂで示したように約０．０１
７８ｍｍ （約０．０００フインチ）〕は第８図と第９
図の場合よりも相当大きい。

これは比較的壁厚の厚いピストンあるいは弾力性の高い
材料をピストンに用いることによって、テーパーをつけ
たシリンダニの孔の効果を十分に発揮しようとしたため
である。

ピストンの膨張量が前述した場合と同じ約０．００７６
ｍｍ （０，０００３インチ）である場合にはこのテー
パーをつけた孔によってピストンのシリンダーはストロ
ーク全体にわたって均等に係合させることができるけれ
ども、ストロークの一部にはある程度の間隙を設けるよ
うにすることもできる。

このような間隙は圧力がかからない状態のときに直径の
大きいピストンを用いることによって、換言すれば線５
７ｂを第１０図の右の方に移動させることによって消失
あるいは減少させることができる。

しかし、このようにすると圧力がかかつていない場合は
下死点の近くでは締まりばめの程度が強くなって、摩擦
や摩耗が増大するために組みっけや分解がむすかしくな
る。

圧力が作用した状態におけるピストンの膨張量を太き（
するという、上述したこの発明の方法によればこのよう
な欠点はない。

したがってこの発明の最も好ましい形態はシリンダーに
円錐状の孔を設けるとともに、ピストンのフープ強さを
ピストンの加圧状態における膨張により、シリンダーの
孔にテーパーをつけることにより生ずる過度の間隙が減
少するように選定する。

以上説明したように、この発明は、シリンダー１２の孔
の少なくとも一部にテーパー形状をもたせ、その内径を
ヘッド端３７からスカート端３６の方へ向かって除々に
小さくしたから、シリンダー１２が流体の圧力によって
膨張し、その膨張量がスカート端３６に向かうに従って
大きくなったとき、ピストン２７とシリンダー１２のは
め合いを均一にすることができ、両者の境界面の摩擦、
摩耗および流体のリークを減少させることができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を具体化したラジアルピストン流体移
送装置の横断面図、第２図は第１図の■−ｎ線に沿う部
分断面図、第３図は第１図と第２図に示した装置のシリ
ンダーのヘッド端の正面図、第４図は第３図のＩＶ−Ｉ
Ｖ線に沿う側面図、第５図は第３図のｖ−Ｖ線に沿う側
面図、第６図は第３図ないし第５図に示したシリンダー
の軸方向の断面図で、対応したピストンもあわせて示し
である。 第７図は第３図ないし第５図に示したシリンダーを拡大
して示した図、第８図は流体圧力がきわめて高い場合の
作勤行程における従来のシリンダーとピストンの内径の
変化の状態を示すグラフ、第９図は流体圧力がきわめて
高い場合の作勤行程中における、壁厚を第８図のそれよ
りも大きくしたシリンダーとピストンの径の変化を示す
グラフ、第１０図は流体圧力がきわめて高い場合の作勤
行程におけるこの発明のシリンダーとピストンの径の変
化を示すグラフである。 １２・・・・・・シリンダー、２６・・・・・・ロータ
ー、２７・・・・・・ピストン、２７／−・・・・・ス
ポーク、３６・・・・・・スカート端、３７・・・・・
・ヘッド端、３９・・・・・・レース、５６・・・・・
・シリンダの内壁（内面）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも一つの半径方向にのびる管状ピストンを
   備えた環状のロータと、前記ピストンに対して往復動で
   きるようにはめ合わせたシリンダーとからなり、前記シ
   リンダーはヘッド端と前記ピストンがのびる孔を設けた
   スカート端とを備え、前記孔の少なくとも一部はテーパ
   ー形状をもち、その内径は前記ヘッド端からスカート端
   の方に向かって除々に小さくしてなる、高い流体圧力の
   もとで作動するアジアルビストン流体移送装置。