JPS6228317B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば液力式あるいは空気力式の圧
縮機、ポンプ、モータ、変速機などの流体機械に
おいて、ロータに対し自己圧着作用を行う制御体
を配設して流体のシール制御を行う制御装置の改
良に関するものである。

（従来技術） このような流体機械の制御装置を示す従来技術
として、本発明者の米国特許第3561328号があ
る。同号の明細書によれば、この装置は、高圧流
体が還流する流路を備えたロータに、ハウジング
の凹所に軸方向に可動に支承された制御体を対設
し、制御体の後端が位置する上記凹所内に２つの
スラスト室を設け、このスラスト室内に充填した
流体の圧力により制御体の制御面をロータの回転
制御面に押圧して、両制御面の間のシールを行う
ようにしている。制御体は、ロータの軸心に同心
状に配設される制御部とこの軸心から偏心した偏
心部とを備え、制御部前面の制御面にはロータに
流体を給排する制御孔が設けられている。そし
て、この制御装置においては、制御体に偏心部を
設けてある関係上、制御面相互の過熱を避けるた
めに対抗室が設けられており、これに圧力流体が
供給されるようになつていた。

ところが、この対抗室を設けるためには、複働
式の場合、常に１つの逆転シリンダと逆転ピスト
ンとを配設しなければならず、装置自体の大型化
を招くばかりでなく、製造コストが高くなり、ま
た、対抗室を設けても、現実には所期の目的であ
る過熱回転の防止が充分に達成されないといつた
問題点を有する。

過熱回転を防止できない原因として次の２点が
考えられる。

対抗室を設けなければならないことから制御
体自体が長くなり、これに伴つて制御体が、こ
れを収容する上記凹所内で極く僅かではあるけ
れども径方向に運動自由度を有し、その制御面
がロータの回転制御面に対して平行に密着でき
なくなるからである。

対抗室を配設したにも拘らず、制御部の制御
面の圧力中心と、制御部後端のスラスト室の圧
力中心とが平行な軸線上になく、制御部の制御
面がロータの回転制御面に若干斜めに押しつけ
られるからである。

（目的） 本発明はこのような問題点に鑑み、制御体の制
御面とロータの回転制御面との間で過熱を生じる
ことがなく、それでいて構造が簡単で安価に製造
できる流体機械の制御装置を提供することを目的
とするものである。

（構成） 本発明は上記した目的を達成するために、前面
の制御面に流体の制御孔が設けられた制御体を、
ハウジング部に回動不能でかつ軸方向に可動に支
持させると共に、高圧流体の流路が形成された回
転制御面を備えるロータに対して上記制御面と回
転制御面とが制御間隙を保つて対峙するよう配設
し、上記制御体は、ロータの軸心に同心状でかつ
上記制御面を有すると共にその円筒状を成す外周
面がシール部として構成された制御部と、制御部
の後端面から上記軸心に対して偏心するようにし
て突出し、その円筒状外周面がシール部として構
成された偏心部とを備え、制御部の制御面から制
御部の後端面と偏心部の後端面にかけては、それ
ぞれ第１及び第２の流体通路が貫通し、制御部の
後端面並びに偏心部の後端面の後方に位置するハ
ウジング部内には、上記制御部の制御面をロータ
の回転制御面に向けて押圧する流体が供給される
スラスト室が設けられ、制御部の制御面は、制御
部の上記外周面よりも径方向内方に位置して流体
圧力の影響を受けない外縁部を備えると共に、上
記第１及び第２の流体通路の一端が開口する面上
に流体の圧力中心点を含む第１及び第２の流体圧
力区域を備え、また、前記制御部の後端面と偏心
部の後端面は、上記第１及び第２の流体通路の他
端が開口する面上に上記スラスト室からの流体が
作用する圧力中心点を含む第３及び第４の圧力区
域を有し、制御部の軸心と上記第１及び第２の圧
力中心までの距離が、制御部の軸心と上記第３及
び第４の圧力中心までの距離と等しくなるよう
に、制御体各部の外周面の外径と、偏心部の偏心
値と、制御面外縁部の外径とを設定した点、及び
前面の制御面に流体の制御孔が設けられた制御体
を、ハウジング部に回動不能でかつ軸方向に可動
に支持させると共に、高圧流体の流路が形成され
た回転制御面を備えるロータに対して上記制御面
と回転制御面とが制御間隙を保つて対峙するよう
配設し、上記制御体は、ロータの軸心に同心状で
かつ上記制御面を有すると共にその円筒状を成す
外周面がシール部として構成された制御部と、制
御部の後端面から上記軸心に対して偏心するよう
にして突出し、その円筒状外周面がシール部とし
て構成された偏心部とを備え、制御部の制御面か
ら制御部の後端面と偏心部の後端面にかけては、
それぞれ第１及び第２の流体通路が貫通し、制御
部の後端面後方に位置するハウジング部内には、
上記制御部の制御面をロータの回転制御面に向け
て押圧する流体が供給されるスラスト室が設けら
れ、制御部の制御面は、制御部の上記外周面より
も径方向内方に位置して流体圧力の影響を受けな
い外縁部を備えると共に、上記第１の流体通路の
一端が開口する面上に流体の圧力中心点を含む第
１の流体圧力区域を備え、また、前記制御部の後
端面は、上記第１の流体通路の他端が開口する面
上に上記スラスト室からの流体が作用する圧力中
心点を含む第２の圧力区域を有し、制御部の軸心
と上記第１の圧力中心までの距離が、制御部の軸
心と上記第２の圧力中心までの距離と等しくなる
ように、制御体の各部の外周面の外径と、偏心部
の偏心値と、制御面外縁部の外径とを設定した点
に特徴を有するものである。

（実施例） 以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に
説明する。

図中符号１は中空の制御体で、この制御体１
は、前方に円筒状を成す制御部２を、中間に制御
体１の軸心４３から偏心した偏心部３を、また後
方に上記制御部２の軸心４３と同軸上に配設され
た突出部４を有している。突出部４の円筒形状を
成す外周面８の外径によつて後述する内方スラス
ト室１０の内径が決定される。制御部２の前端面
５は制御面５を構成し、制御部２の後端面は第５
図に示すように環状の外方スラスト室９の一部と
境を接している。中間の偏心部３の後端面２２は
内方のスラスト室１０の一部と接している。

制御面５はキドニー形状の流体制御孔３５，３
６の前端が開口する面上に２つのポートを備えて
いる。一方（図中上方）の制御孔３５は制御部２
の制御面５と後端面２１を貫通して延び、他方
（図中下側）の制御孔３６は制御部２の制御面５
と偏心部３の後端面２２を貫通して延びている。

スラスト室９，１０は、制御体１がハウジング
部１１の凹所内に適正に挿入されることによつて
形成される。

制御部２の円筒状外周面６は外方スラスト室９
をその径方向に一部封鎖するシール部として構成
され、また偏心部３の円筒状外周面７は外方スラ
スト室９を同様に封鎖するシール部として構成さ
れており、突出部４の円筒状外周面８は内方スラ
スト室１０をその径方向に一部封鎖している。

制御部２の外周面６は、制御面５の外縁部４４
よりも大きな径に形成され、外縁部４４は流体圧
力の影響を受けないようになつている。そして、
制御体１の偏心部３の外周面７は、その大部分が
制御面５の外縁部４４の延長線よりも内側に位置
し、また一部分が制御面５の外縁部４４の延長線
よりも外側に位置している。

偏心部３の中心は、制御部２と突出部４の共通
軸心４３（第１図参照）と平行な軸線４８上にあ
る。軸心４３と軸線４８との距離ｅが偏心部３の
偏心度合を示している。

制御面５の上記した２つのポートは、制御面５
の他の部分と共にそれぞれ制御面５の制御あるい
は圧力区域と呼ばれる部分を構成する。本制御装
置の作動状態において、２つの制御区域の一方の
区域には流体が高圧で作用し、他方の区域には流
体が低圧で作用する。

流体制御孔３５の前端が開口するポートを含む
第１の制御区域は圧力域中心４１（第１図参照）
を有し、流体制御孔３６のの前端が開口するポー
トを含む第２の制御区域は圧力域中心４２を有す
る。両圧力域中心４１，４２は軸心４３を挟んで
互いに対向している。

両圧力域中心４１，４２と軸心４３との距離は
各々符号GcoとGciとで表してある。第５図に見
られるように、圧力域中心４１は外方スラスト室
９の反対側に位置し、圧力域中心４２は内方スラ
スト室１０の反対側に位置している。

制御部２の後端面２１の面積は外方スラスト室
９の断面積と等しく、また偏心部３の後端面２２
の面積は内方スラスト室１０の断面積と等しい。
従つて、制御部２の後端面２１の圧力区域の中心
３１は制御面５の第１の制御区域の圧力域中心４
１と一致する。

制御部後端面２１の圧力域中心３１と軸心４３
との距離はgcoで示してある。軸心４３はロータ
１４の軸線を構成する。偏心部３の後端面２２の
圧力区域の中心３２は上記第２の制御区域の圧力
域中心４２と一致する。中心３２と軸心４３との
距離は符号gciで示してある。Gco，Gci，gco，
gciにおけるｏとｉの符号はそれぞれ外方スラス
ト室９と内方スラスト室１０に対応したものであ
る。また符号Gcは、制御面５の各制御区域にお
ける流体圧力域の中心を示し、符号gcは、制御
体１の制御部２と偏心部３の後端面２１，２２に
おける圧力域の中心を示す。

第５図は制御体１を有する本装置を流体機械に
取付けた状態を示している。

制御体１が収納されるハウジング１１の凹所１
１ａは、制御体１と軸線を共通にする制御部２と
突出部４を収納する２つの同心部と、偏心部３を
収納する偏心した中間部を備えている。上述した
ように、ハウジング１１は制御部材１の各部２，
３，４の外周面６，７，８と適合する円筒形の内
表面を有している。上記各部の外周面６，７，８
はハウジング１１内に最少限の間隙をもつて受け
入れられており、プラスチツク性のシール部材を
必要としない。制御部材１はハウジング１１内で
軸方向に移動できる。内方スラスト室１０は偏心
部３の後端面２１と偏心部３及び突出部４の円筒
状外周面７，８によつて囲まれ、外方スラスト室
９は制御部２の後端面２１と制御部２及び突出部
４の円筒状外周面６，７とによつて囲まれてい
る。

第５図に見られる通り、制御体１はスラスト室
９，１０を軸線方向にロータから遮断している。
外方スラスト室９は圧力流体の第１の流路１２と
連通され、内方スラスト室１０は圧力流体の第２
の流路１３と連通される。ハウジング部１１内に
形成されている外方スラスト室９に浸入した流体
は、制御部２の後端面２１を押圧し、制御部２の
制御面５をロータ１４の回転する端面５７あるい
はロータ１４の一部を形成する制御リング１６
（第４図参照）に押し付ける。内方スラスト室１
０内に浸入した流体は偏心部３の後端面２２を押
圧し、制御面５をロータ１４の回転する端面５７
あるいは制御リング１６に押しつける。

ロータの上記回転面５７もしくは制御リング１
６と制御部２の制御面５との間に制御間隙５８が
形成される。この間隙５８は、制御面５と回転面
５７との間の非常に狭い間隙であつて、両面５，
５７が実際に接触し合うといつてもさしつかえな
いほどの間隙である。

本発明が属する技術分野の主流の意見によれ
ば、流体は制御孔３５，３６を介して制御間隙５
８に浸入し、その圧力は制御面５の内端及び外端
に向かう方向においては零へと降下する。制御面
５のポートから制御面の内端及び外端に向かう方
向での圧力降下の状態は、ほぼ線形を成すか幾分
湾曲した曲線を成す。

ロータ１４は軸線方向に平行な複数の流路１５
を有し、これら流路１５はそれぞれ流体移動室１
７と連通し、流体は流体移動室１７を経由して流
路１５を通過する。これらの流体移動室１７は、
流体を放射線方向に移動させるための部材１８を
備え、この部材１８は各流体移動室１７の容積を
変化させる。

ロータ１４はスラストベアリング２０に軸支さ
れ、またその軸線が制御体１の制御部２及び突出
部４の軸心４３と一致するように１つもしくはそ
れ以上のラジアルベアリング１９によつて回動可
能に支持されている。流路１５は、本装置に制御
リング１６が用いられる場合にはこの制御リング
に設けられてロータ１４の流体移動室１７と連通
し、その配列状態は第４図に示す通りである。

第１図は、偏心部３の外周面７が、制御面５の
縁部４４よりも径方向外方に延び、制御部２の外
周面６よりも突出することがない状態を示してい
る。第２図は、制御面５におけるポート（その縁
部が図中符号３７と３８で示されている）の面積
が流体制御孔３５，３６の断面積よりも大きいこ
とを示している。

制御間隙５８の圧力流体区域を計算するため
に、制御面５のポートの流体圧力が、第２図に示
す仮想円７７と７８の間で同一であると仮定す
る。仮想円７８は制御面５の円形状の外縁４４よ
りも幾分小さめの半径Roの領域をとり囲み、仮
想円７７の半径Riは制御面５の円形状の内縁の
半径よりも幾分大きめである。仮想円７８の半径
Roは、軸心４３と、制御面５のポートをとり囲
む縁部３７，３８の外縁との間の距離よりも幾分
大きめである。仮想円７７の半径Riは、軸心４
３と、制御面５のポートをとり囲む縁部３７，３
８の内縁との間の距離よりも幾分小さめである。
仮想円７７，７８の正確な径は経験によつて決定
される。しかしながら、仮想円７７はポートの内
縁と制御面５の内縁のほぼ中間に位置すると信じ
られていた。ところが、このような考えは、制御
間隙５８が非常に狭くあるいは制御間隙５８の広
さが零に近いときには正確でないことが判明し
た。

仮想円７８の径に関しては、同様に以前では制
御面５の外縁４４と、制御面５のポートをとり囲
む縁部３７，３８との中間に位置すると考えられ
ていたが、このような考えも縁部３７と制御面５
の外縁４４との間、及び縁部３８と外縁４４との
間が広く、及び／もしくは制御間隙５８が非常に
狭くあるいは制御間隙５８の広さが零に近いとき
には正確でないことが判明した。この結果、制御
面５のポートを制御面の外縁４４に可能な限り近
ずけ、またこれを制御面５の内縁に可能な限り近
ずける、例えばその距離を２〜６mmあるいは1/20
〜1/5inchの範囲内とすることが望ましいと考え
られる。そうすれば、仮想円７７，７８の径が理
想値からほんの僅かずれるにすぎない、即ち、こ
れらの仮想円７７，７８が正確に位置づけられな
くても、その不確かさは制御間隙５８の流体圧力
区域のより正確な計算をするために許される最少
限の範囲内におさえられる。もし、ポートを囲む
縁部３７，３８と制御面５の縁部４４との距離が
非常に小さなもの（例えば２mm）であるなら、仮
想円７８は両者３７，３８と４４との間のほぼ中
間にあるものと仮定することができる。しかしな
がら、これが大きな間隔の場合にはそうではな
い。

制御面５の２つのポートと制御面の他の部分と
を含む流体圧力区域は、軸心４３からの距離が
GcoとGciとで表される圧力中心３１，３２を有
する。流体制御孔３５の一部を形成するポートを
含む流体圧力区域の横断面積Ａは次のようにして
計算される。

Astz＝（Ro²−Ri²）、απ／360 …(1) この式(1)において、Ro：中心から仮想円７８
までの距離、Ri：中心から仮想円７７までの距
離である。

流体制御孔３６の一部を形成するポートを含む
流体圧力区域の横断面積は式(1)と同じようにして
計算される。

制御体１を軸方向に動かし、これをロータ１４
から離そうとする力Ｆ（即ち制御部２の制御面５
と制御リング１６あるいはロータ１４の回転面５
７に作用する力）は、式(1)の結果に制御間隙５８
内の流体圧力を掛けることによつて得られる。

Fstz＝Astz×Ｐ …(2) 制御間隙５８内の圧力は、制御体１の作用の信
頼性に影響を与える要素の１つにすぎない。距離
GcoとGciとを決定することが更に必要であり、
これらの距離は次のようにして計算される。

Gc＝２／３ （Ｒｏ^３−Ｒｉ^３）／（Ｒｏ^２−Ｒｉ^２
） ×（ｓｉｎα_２−ｓｉｎα_１）／（α_２−α_１）…
(3) 但し、αの意味は角度であり、αは後述する式
(11)の（180度＋２γ）であり、α_１＝Ｏ，α_２＝
［（90度＋γ）π］／180である。

制御面５のポートの面積が本発明通りに大きく
なく形成されていれば、GcoとGci、即ちこれら
の距離が(3)式におけるGcの距離と等しくなる。

制御体１がロータ１４もしくは制御リング１６
に必要な力（過度な力でなく）でもつて押し付け
られるためには、両スラスト室９，１０の横断面
積が(1)式の横断面積Astzよりも幾分大きめに構
成される。

スラスト室９，１０の横断面積の適当な大きさ
は、 Ａ_Dfk＝Astz×fb …(4) であつて、この式における係数fbはほぼ1.04〜
1.06である。ただ、特殊な場合には係数fbは上記
範囲から外れることもある。

スラスト室９，１０の断面積が上記した範囲か
らずれると、制御面５とロータ回転面５７の間の
過熱あるいは制御間隙５８からの流体の漏れを惹
き起こす。流体の漏洩は、装置の有効性に大きな
影響を与える。

式(4)を考慮して、外方スラスト室９の径は次の
ようにして定められる。

（ｒ_p ^２−ｒ_i ^２）π＝（Ｒｏ^２−Ｒｉ^２）πα／３６
０×fb…(5) 内方スラスト室１０の径は次のようにして計算
される。

（ｒ_n ^２−ｒ_i ^２）π＝（Ｒｏ^２−Ｒｉ^２）πα／３６
０×fb…(6) （ro，riとrmは第３図に示してある。） 流体機械を安全、高効率で作動させるには、
gcoとgciの距離がGcoとGciとの距離と等しいか
それに限りなく近くなければならない。従つて、
gcoとgciの距離はかなりの程度正確に計算されな
ければならない。このためには、次の式が利用さ
れる。

ｇ_cp＝∫θπ／５４０［（ｒ_p−ｅ^２／４ｒ_ｐ＋ｅｓ
ｉｎα／ａｒｃθ −ｅｓｉｎ（α−θ）／ａｒｃθ＋ｅ^２ｓｉｎ２α
／８ｒ_ｐａｒｃθ −ｅ^２ｓｉｎ^２（α−θ）／８ｒ_ｐａｒｃθ）^３−
3r_n ³］ cos（α−θ／２）ｄα／₁ …(7) ｇ_ci＝∫θπ／５４０［（ｒ_n−ｅ^２／４ｒ_ｎ＋ｅｓ
ｉｎα／ａｒｃθ −ｅｓｉｎ（α−θ）／ａｒｃθ＋ｅ^２ｓｉｎ２α
／８ｒ_ｎａｒｃθ −ｅ^２ｓｉｎ２（α−θ）／８ｒ_ｎａｒｃθ）^３−
3r_i ³］ cos（α−θ／２）ｄα／₁ …(8) ₁＝（ｒ_p ^２−ｒ_n ^２）／２（ｎ−１） ₁＝（ｒ_n ^２−ｒ_i ^２）／２（ｎ−１）…(9) 式(7)(8)は容易に積分することができないので、
次のようにして求める。一組の角度インターバル
τに分け、積分記号以下のそれぞれの値を計算
し、その合計の値をK1、即ち、１つのインター
バルの角度限界の間の圧力区域の面積の平均値、
によつて割る。例えば、角度インタバルτを10度
とし、計算は−５度と185度との間で行われる。
従つて、(9)式を参照して、インターバルの面積の
平均値は、（ｎ−１）で割ることによつて求めら
れる。但し、ｎは計算されたインターバルの個数
である。

第６図は、偏心部３の偏心値ｅの要素としての
gcoとgciの値を示すもので、水平線Gcは制御部
２の圧力域中心４１もしくは偏心部３の圧力域中
心４２と軸心４３との距離を示す。

制御体１の構成は、そのgciとgcoの距離を計算
したときにその値が第６図にみられるように曲線
が互いに交差する点と一致するときに、最も理想
的なものとなる。この交点は偏心部３の適正な偏
心値ｅを示すものである。この理想偏心値を持つ
偏心部材３を備えた制御体１は、制御面５と回転
面５７の間で過熱、ジヤミングあるいは焼き付き
を生じさせることがなく、また制御間隙における
流体の過度な漏れをも発生させることがない。

偏心部３は制御面５の外縁４４を越えて突出す
ることがないことから、制御体１は単一のハウジ
ング内に収納される。ハウジング１１と制御体１
のこのような構成は、流体機械の製造コスト低減
化に貢献できる。このことは、 ａ 外方スラスト室９の径方向最外部を密封する
制御部２の円筒状外周面６を適正な径にするこ
と、 ｂ 外方スラスト室９と内方スラスト室１０の両
室を互いに密封する偏心部３の円筒状外周面７
を適正な径にすること、 ｃ 内方スラスト室１０の径方向最内部を密封す
る突出部４の円筒状外周面８を適正な径にする
こと、 ｄ 制御面５、そのポート及び制御面の外縁４４
を特別な構成にすること によつて達成される。

これらの構成によつて、制御面５の流体圧力域
中心４１，４２と、制御部２の後端面２１及び偏
心部３の後端面２２の流体圧力域中心３１，３２
とが、２本の共通な線４１，４２上にそれぞれ位
置することとなる。この結果、距離Gcは距離gc
と等しくなり、また偏心部３が制御面５を越えて
径方向に突出することがなくなる。

上記構成(b)によれば、制御部４の外周面７の径
を適切に選ぶと共に偏心値ｅを適切に選択するこ
とによつて、Gcとgcとを等しくさせることが可
能となる。偏心部ｅは、異つた種々の偏心値にお
ける距離gcを計算することによつて選択するこ
とができる｛第６図及び式(7)，(8)，(9)参照｝。

上記構成(c)は、距離gcが制御面５の距離Gcと
等しくなるように、制御部２の外周面６の径と、
突出部４の円筒状外周面８の径とを選択すること
を含むものである。一旦、上記制御部２及び突出
部４の外周面６，８の半径を決定したら、偏心部
３の外周面７の半径r0，r1は次の式によつて求め
られる。

ｒ_n＝√（_p ^２＋_i ^２）２ …(10) この式(10)は次のようにして導き出される。

制御部２の外周面６、偏心部３の外周面７及び
突出部４の外周面８の直径を、それぞれＤ＝
2r0，2rm及びｄ＝2r1とすれば、 Ｄ２π／４−（２ｒ_ｎ）^２π／４＝（２ｒ_ｎ）^２π／４
−d²π／４ D²π／４−４ｒ_ｎπ／４＝４ｒ_ｎ ^２π／４−d²π／４ D²π／４−ｒ_n ^２π＝ｒ_n ^２π−d²π／４ D²π／４＋d²π／４＝ｒ_n ^２π＋ｒ_n ^２π＝2r_n ² ｒ_n＝√（_p ^２＋_i ^２）２ 上記構成(d)は距離Gcと距離gcとを一致させる
ために重要な構成である。制御部５の外縁４４の
径を円筒状外周面６の径に対応させて増減するこ
とにより、制御面５の圧力域中心４１，４２と軸
心４３との間の距離Gcを増減させることができ
る。同様な結果は、ロータ１４もしくは制御リン
グ１６の流路１５の径を変更し、及び／もしくは
制御面５のポートの径を変えることによつても達
成される。

流路１５の外径を第４図に見られるように円形
からずれた形にすれば、制御面５の外径が狭めら
れ、距離Gcの増減が可能となる。制御面５の内
径もこれに伴つて減少される。

第６図によれば、距離gcoと距離gciは偏心部３
の偏心値ｅに応じて異なつている。また距離gco
は距離gciと同じ比率で変化するわけではない。
距離Gcを表す線は、距離gcoを示す曲線と距離
gciを示す曲線との正確な交点において交差する
ものではない。距離Gcを距離gcoとgciとに等し
くすることで制御体１の信頼性を向上させること
ができる。これは、制御面５の一方あるいは他方
のポートの領域を増加することによつて達成され
る。従つて、ポートを含む圧力域の中心４１の距
離Gcが距離gco，gciよりも小さければ、このポ
ートは径方向外方に広げられることとなる。反対
に、上記距離Gcが距離gco，gciよりも大きい
と、ポートは内方に広げられることとなる。この
ような径方向におけるポートの拡大によつて、距
離Gcは変化を来たす。換言すれば、距離Gcoはそ
れがgcoと等しく、また距離Gciがgciと等しい限
り、距離Gciと同一にする必要はない。制御面５
のポートの拡大は、ロータ１４あるいは制御リン
グ１６の流路１５の構成を変化させるようなもの
であつてはならない。換言すれば、制御面５のポ
ートは、流路１５に及ばない範囲でその径方向内
外の拡大がなされるべきものである。

本発明においては、制御面５の外縁４４を円筒
状外周面６に対して偏心させることも可能であ
る。このような偏心によつて、距離Gcoとgcoを
また距離Gciとgciを各々正確に等しくさせること
ができる。

第７図では、制御鏡（制御間隙）の高圧区域が
半径５２のところから半径５３のところまで延び
ていることを示している。内側の半径５２は制御
ポート３５，３６の内壁と制御面５の内縁との間
のほぼ中間に位置している。外側の半径５３は制
御ポート３５，３６の外壁と制御面５の外縁との
ほぼ中間に位置している。制御面５の内径は符号
７４で示されており、制御面５の外径は符号７３
で示されている。制御体１の円筒状外周面７は半
径７５を有し、制御面５を越えて突出している。
半径５２と半径５３との間の角度τの角度インタ
ーバルは、本明細書中の式に基づいて計算される
領域dF＝51を有する。半径５５は式の１つの半
径ｒに対応し、制御面５の圧力域中心は制御体１
と回転ロータ１４の軸心４３からの距離Gc＝５
６の位置にある。これらの距離は式(3)によつて計
算される。

第８図によれば、外方スラスト室９の圧力中心
とロータ１４の軸心４３との間の距離gco＝59
と、ロータ１４の軸心４３と内方スラスト室１０
との間の距離gci＝60が示されている。

これらの距離は、式(7)もしくは(8)によつて計算
される。関係式を理解するために、積分平均値半
径Ａ＝61が第８図中に示されている。この半径は
後述する式によつて計算される。制御体１の偏心
部３の偏心値ｅは符号５７で示されており、この
偏心値ｅは後続の式において重要な要素を成す。

第１１図は上記した発明とは別発明に係る制御
体を示すもので、この制御体は突出部４を有して
おらず、第１のシール部７１と偏心した第２のシ
ール部６９とを有しているにすぎない。

このような制御体によれば、シール部が１つ少
なくなると共にスラスト室も１つで済む。この制
御体は一見して短くしかも単純な構造であるが、
ほとんど摩擦を生じることなく制御鏡を液密にシ
ールし、制御体の信頼性と効率化を図ることがで
きる。

しかしながら、本発明によれば、圧力中心gc
は制御体の軸線からの距離が制御面の圧力中心の
距離GCと同一でなければならないから、このよ
うな制御体は、本明細書の式を用いることによつ
て、いくつかの部分に分けて加工しなければなら
ない。制御面が広くなりすぎるか、シール部６８
が制御面よりも大きくなるかしてしまうために、
制御体は分割することなしには組立てられないの
である。従つて、第１１図の制御体は２つの部分
から成つている。制御ポート３５，３６を有する
前方部７０と、シール部６８と偏心部６９とを有
する後方部７１とである。シール溝６７はＯリン
グのようなシール部材を受け入れるためのもので
あり、制御面の内方に広がつた部分は孔部あるい
は凹部７１ａによつて制限されている。

本明細書の式を利用することによつて、次のこ
とが判明した。非常に高い圧力を作用させ、ある
いは圧力中心Gcとgci及びGCとgcoの距離を高精
度で等しくするためには、制御体の後端部６２
（第９図参照）に、肩部３の偏心距離とは異なる
第２の偏心距離を与える必要がある。

第９図及び第１０図によれば、制御体はその後
端部６６に第２の偏心距離e2＝63を有し、制御体
の肩部あるいは中間部３が第１の偏心距離e2＝64
を有している。Ｏリング６５をシール溝に挿着し
ても良い。これによつてスラスト室の壁面と制御
体との間に幾分大きめの間隙が形成され、制御体
１は、ロータの回転制御面に関係して僅かだけ運
動する。

流体圧力が約5000気圧までの流体機械では、第
２の偏心距離を設けなくても良く、制御体の後端
部６６は同心的に形成すれば良い。何故なら、本
明細書の式によつて計算すれば、２の偏心距離は
究めて小さいからである。

更に式によれば、本発明のGc＝gcの条件を満
たすためには、制御体の外方のシール部６が制御
面の外周面を越えて同心的に張り出していなけれ
ばならない。そして、更に制御面は第９図に示す
ように凹部もしくは孔部９８によつて径方向内方
に向かつて制限されていなければならない。制御
体の後端部６６の径は、制御面の内径よりも大き
くなければならない。これらの条件が満足され、
本発明の基本的条件であるGc＝gcが満たされて
いれば、制御体は長期間にわたり有効に作用す
る。

制御体を望まれる精度にし、これによつて効率
と信頼性を確保するためには、gcの値をかなり
の程度正確に計算しなければならない。

流体の高圧領域は圧力中心３２の180゜の曲線
に沿つてあるのではなく、実際には180゜＋γの
描く曲線に沿つている。これによつて次の式(11)が
生じる。

Ｇ＝α／360＝（180゜＋２γ）／360 …(11) 本式において〓γ〓は高圧領域の定数として仮
定されている。しかし、このγは実際にはコンス
タントな値ではなく、流体機械の運転中、ロータ
の流路がこれと連通する制御ポート３５，３６と
どの程度重なり合つているかによつて、絶えず変
化する。従つて定数としてのγは平均値である。
制御区域の寸法及び形状に基づけば、γの値は通
常、０゜〜15゜である。

以上の点を考慮して、制御区域は計算の便宜
上、高圧域Ａ_Hpnと置換える。この高圧域は次の
ようにして求められる。

Ａ_Hpn＝（Ro²−Ri²）πＧ …(12) 制御区域の高圧域Ａ_Hpnが分かれば、制御体の
段部分の必要な流体スラスト室の横断面積を容易
に求めることができる。流体スラスト室の横断面
積Apcは高圧域Ａ_Hpnに釣合係数fbをかけること
によつて求められる。従つて次式が生じる。

Apc＝Ａ_Hpb＝Ａ_Hpn×fb …(13) この式で、釣合係数fbは、制御体を回転制御面
に対してしいかに強く押しつけるか、またシール
部材における摩擦力にいかに強く反発するかにも
よるが、通常は1.056±0.2である。制御体の各部
とハウジングの各座面との間に、Ｏリングのよう
なシール部材が設けられている。高圧装置にとつ
ては、こうした仮定は、制御区域のある域に過度
な圧力が負荷され、また制御区域の他の域は圧力
不足を招く結果となる。というのは、制御区域の
圧力中心は、riとroの間の丁度中間に位置すると
は限らないからである。

本発明によれば、高圧域の圧力中心が高圧域の
積分平均値のところに位置する。

こうして本発明によれば、積分平均半径rgcが
導入され、第７図の符号dF＝51の面積部分を考
慮することにより、積分平均値rgcは次の通りで
ある。

ｒ_gc＝∫ｒｄＦ／Ｆ＝θπ／１８０ ∫ｒｄｒ／Ｆ＝
θπ／１８０ （ｒ_ｐ ^３−ｒ_ｉ ^３）／３Ｆ＝３６０／５４０ （ｒ
_ｐ ^３−ｒ_ｉ ^３）／（ｒ_ｐ ^２−ｒ_ｉ ^２） ＝２／３ （ｒ_ｐ ^３−ｒ_ｉ ^３）／（ｒ_ｐ ^２−ｒ_ｉ ^２
）…(14) しかしながら、積分平均半径の積分平均値rgc
は、制御区域の圧力中心Gcを決定することによ
り自動的に決定されるわけではない。制御区域の
高圧域の圧力中心は制御体の軸線から距離Gc＝
53だけ離れたところに位置している。

この重要な距離Gcを求めるためには、各角度
区域についての積分平均値を計算しなければなら
ない。これは次式によつて求められる。

この式において、rgcが１であるとすると、角
度区域にわたつて１つの固定した曲線が現れ、こ
の曲線は係数fGを生じる。０度〜180度区域の係
数は0.636である。圧力中心の距離Gcの実際の計
算のため、数値fGと数値rgcがかけられる。(11)式
の角度γに対応した数値fGは、0.4と0.7の間を変
動する。

特許第630632号（特公昭46−10102号米国特許
3320897）明細書には、異つた半径ｒ、Ｒを持つ
二つの円の部分の中間積分値Ａと両方の円の中心
間の偏心度ｅとを計算する方法が開示されてい
る。しかしながら、それぞれのスラスト室の外側
及内側の直径が異つた円を形成し、両室は偏心度
ｅを持つているので、第８図中の角度τの扇形部
の外側面に関する積分平均値Ａは、本発明の各ス
ラスト室の数値Ａを計算するために使用すること
ができる。

この積分平均値は上記特許第630632号明細書に
従つて以下のように計算される。

これを積分すると次のようになる。

Ａ＝ｒ_p−ｅ^２／４ｒ_ｐ＋ｅｓｉｎα／ａｒｃθ−ｅｓ
ｉｎ（α−θ）／ａｒｃθ −ｅ^２ｓｉｎ２α／８ｒ_ｐａｒｃθ−ｅ^２ｓｉｎ２（α
−θ）／８ｒ_ｐａｒｃθ…(17) r0は、制御体部分もしくはそれぞれのスラスト室
の外側の半径である。角度τは計算された間隔の
角度である。間隔τは５度〜10度が計算による通
常の適正値である。

内方スラスト室に対する偏心度ｅは必要とされ
ている圧力中心距離gc＝59に対応し、外方スラ
スト室に対する偏心度ｅは第８図における符号60
＋57に相当する。

次の段階で特許第630632号においてK1と呼ば
れている第７図の間隔５１の断面積を計算する。
計算は以下の通りである。

K₁＝A²πθ／３６０−ｒ_ｉ ^２πθ／３６０ …(18) K₁｛ｒ_p−ｅ^２／４ｒ_ｐ＋ｅｓｉｎα／ａｒｃθ −ｅｓｉｎ（α−θ）／ａｒｃθ＋ｅ^２ｓｉｎ２α
／８ｒ_ｐａｒｃθ −ｅ^２ｓｉｎ２（α−θ）／８ｒ_ｐａｒｃθr²πθ
／３６０−ｒ_ｉ ^２πθ／３６０…(19) 積分平均値K1を使つて計算するため、複数の
K1から中間値K1が特定される。K1の平均値は全
ての計算されたK1の値を加算し、間隔の数ｚで
この合計を割ることにより定められる。計算は以
下の通りである。

₁＝ΣK₁／Ｚ …(20) 但し、ｚは間隔の数である。

それぞれのスラスト室の圧力中心を決定するた
めには、角度τの各部間隔K1のそれぞれの圧力
中心を計算することが必要である。

この点に関し、本発明ではK1の圧力中心は、
外側および内側シール面の半径方向中間点にはな
い。これはK1の外側部分はその内側部分より幅
広であるためである。従つて間隔K1の圧力中心
はその外側端部より内側にある。各間隔K1の圧
力中心の位置する半径rgを定めることが必要であ
る。半径rgは間隔K1の断面積を通る放射方向の
積分平均値であり、以下の様に計算される。

ｒ_g＝∫Ｋ_１ｄｒ／Ｋ_１＝∫（Ａ^２−ｒ^２）ｄｒ／Ｋ
_１ ＝πθ（Ａ^３−ｒ^３）／５４０Ｋ_１ …(21) 更に計算を進めると、gcの積分平均値の倍数
である間隔区域K1と等しい積Baが求められる。
この場合、Gcの積分平均値はrgno積分平均値に
（α−τ／２）をかけたものに等しい。従つて、
以下のようにK1を消去することが可能である。

Ba＝ΔK₁・＝ΔK₁×_gcos（α−θ／２） ＝πθ／５４０（A³−ｒ_i ^３）cos（α−θ／２）…
(22) 次いで、ロータの軸心からスラスト室の圧力中
心の必要な距離gc、またはスラスト室の圧力中
心の間隔gc＋ｅは、間隔K1の平均値で割られた
Baを積分することによつて以下のように定めら
れる。

gc＝∫Ba／K₁ …(23) 又は、 gc＝∫πθ／５４０［（ｒ_p−ｅ^２／４ｒ_ｐ＋ｅｓｉ
α／ａｒｃθ −ｅｓｉｎ（α−θ）／ａｒｃθ＋ｅ^２ｓｉｎ２α
／８ｒ_ｐａｒｃθ −ｅ^２ｓｉｎ２（α−θ）／８ｒ_ｐａｒｃθ）^３−
r³］ cos（α−θ／２）／₁ …(24) この式は、内外スラスト室に関する式(7)，(8)に
通じるものである。

ロータの軸心または制御体の偏心部の軸線から
それぞれのスラスト室の圧力中心への距離を求め
る極めて重要なこの式は、解析的に容易に積分す
ることができない。しかし、間隔の総数を計算す
ることにより総計を算出し、このようにして得ら
れた総計をＺの数で除することは容易である。こ
のようにして得られた値を(9)式によつて得られた
K1の平均値で割る。このようにしてスラスト室
の圧力中心の位置であるgcまたはgc＋ｅが十分
な正確さを持つて得られるものである。

gcまたはgc＋ｅを実際に計算するためには、
第１２図の計算形式が極めて適しており、この計
算形式は本発明の制御体の実際計算でしばしば使
用される。

第１３図は、本発明の制御体の縦断面図であつ
て、制御開口３５の周りの圧力区域が第１３図の
右側に矢印によつて示してある。矢印の長さは、
圧力の高さを示し、矢印のマークは制御体にかか
る圧力の方向を示す。前記制御圧力区域の半径７
３，７４との間のシール面７６，７７にかかる圧
力は、線形に圧力の降下として示される。実際、
前記圧力の降下は、ポンプやモータの相違する回
転速度のため、僅かに線形に離れて行く。第１３
図の左側は、制御部分２に対する圧力の矢印を示
す。これは、外方のスラスト室９からその後端面
２１の後端にかかる圧力を示す。

第１４図は、その右側において第１３図の制御
体の前端における制御孔３５の周りの制御区域を
示すもので、この制御区域は、その大きさを明確
にするため、短い傾斜ハツチングによつてのであ
る。

第１５図は、第１３図と同じく、制御体を示
す。しかし、第１５図においては、圧力分布の矢
印は、内方のスラスト室１０に高圧がかかつたと
きの圧力の大きさと位置とを示し、その結果、該
スラスト室１０の後端面２２にかかる圧力は、制
御体の後端にかかり、又制御体の前端にかかる圧
力は、制御孔３６の周りの圧力区域にかかる。

第１６図は、第１４図と同じ図であつて、第１
５図の線Ａ−Ａ及びＢ−Ｂで示される圧力面積を
示す。

（効果） 以上述べたように本発明によれば、スラスト室
における高圧域の積分平均値から求められる圧力
中心gcと、制御体の制御面の高圧域の積分平均
値から求められる圧力中心Gcとを、ロータの軸
心から同一版権の距離に設定してあるから、制御
体の制御面がロータの回転制御面に対して平行に
密着することができ、両制御面間における過熱を
確実に防止できるものである。

また、本発明によれば、制御体の制御面外縁部
が、制御体の外周面よりも径方向内方に位置して
流体圧力の影響を受けないようになつているか
ら、制御体の外径の範囲内で制御面の外縁部の径
を増減することができ、これによつて上記した制
御面の圧力中心Gcと上記軸心との距離を容易に
変更でき、スラスト室の圧力中心GCと軸心との
距離の一致を簡単に行うことができるものであ
る。

制御体の偏心部は、その外径が制御部の外周面
から突出することがないから、ハウジング内にカ
バー部材を付加する必要がなくなつてハウジング
への制御体の挿入を簡単に行うことができると共
に、制御体の径が小さくなつて制御装置をその
分、小型化できるものである。

また、本発明によれば、スラスト室が制御体の
後方に２つ設けられているので、流体の双方向の
流れに対応したシール制御が可能となる。

また、スラスト室を制御体の後方に１つ設ける
ようにした発明によれば、流体の一方向の流れに
対応したシール制御が可能となるばかりでなく、
制御体が短くしかも単純な構造でありながら、ほ
とんど摩擦を生じることなく制御間隙を確実にシ
ールし、制御体の信頼性と効率化を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明による実施例を示すもので、
第１図は本発明装置の制御体の一実施例の縦断面
図、第２図は第１図の−線による横断面図、
第３図は第１図の−線による正面図、第４図
は第５図−線による横断面図、第５図は第１
〜３図に示した制御体が取付けられる流体機械の
縦断面図、第６図は制御体及び該制御体を部分的
に支承している凹所の偏心的部分の偏心距離に関
連しての、ロータ及び制御体の軸線からの圧力域
中心の間隔の略示線図、第７図は数字上重要な位
置及び記号を説明するための書込みを加えた制御
体の制御面の正面図、第８図は第７図に示した制
御体の逆の端部の正面図、第９図は制御体のもう
１つの実施例の縦断面図、第１０図は第９図に示
した制御体の後端部正面図、第１１図は本発明の
もう１つの実施例の分割されている制御体の縦断
面図、第１２図は本発明の式の”gc”値を計算
するための計算形式を示す説明図、第１３図は制
御体の各段部の前部及び後部の圧力分布状態を示
す図、第１４図は第１３図の線Ａ−Ａ及びＢ−Ｂ
による図、第１５図はスラスト室に負荷があつた
ときの圧力分布本状態を示す図、第１６図は第１
５図の線Ａ−Ａ及びＢ−Ｂによる第１５図の圧力
分布状態を示す図である。 １……制御体、２……制御部、３……偏心部、
４……突出部、５……制御面、６，７，８……円
筒状外周面、９，１０……スラスト室、２１，２
２……後端面、３５，３６……制御孔、４４……
外縁部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 前面の制御面５に流体の制御孔３５，３６が
   設けられた制御体１を、ハウジング部１１に回動
   不能でかつ軸方向に可動に支持させると共に、高
   圧流体の流路が形成された回転制御面５７を備え
   るロータ１４に対して上記制御面５と回転制御面
   ５７とが制御間隙５８を保つて対峙するよう配設
   し、 上記制御体１は、ロータ１４の軸心に同心状で
   かつ上記制御面５を有すると共にその円筒状を成
   す外周面６がシール部として構成された制御部２
   と、制御部２の後端面２１から上記軸心に対して
   偏心するようにして突出し、その円筒状外周面７
   がシール部として構成された偏心部３とを備え、 制御部２はその制御面５に制御部外周面６より
   も径方向内方に位置して流体圧力の影響を受けな
   い外縁部４４を備え、 偏心部３は、円筒状外周面７の大部分が上記制
   御面５の外縁部４４の延長線よりも内側に位置
   し、残余の部分が外縁部４４の延長線よりも外側
   であつて制御部外周面６よりもは外側に出ないよ
   うにして突出形成されており、 制御部２の制御面５から制御部２の後端面２１
   と偏心部３の後端面２２にかけては、それぞれ第
   １及び第２の制御孔３５，３６が貫通し、 制御部２の後端面２１並びに偏心部３の後端面
   ２２の後方に位置するハウジング部１１内には、
   上記制御部２の制御面５をロータ１４の回転制御
   面５７に向けて押圧する流体が供給されるスラス
   ト室９，１０が設けられ、 更に制御部２の制御面５は、上記第１及び第２
   の制御孔３５，３６の一端が開口する面上に流体
   の圧力中心点を含む第１及び第２の流体圧力区域
   を備え、 また、前記制御部２の後端面２１と偏心部３の
   後端面２２は、、上記第１及び第２の制御孔３
   ５，３６の他端が開口する面上に上記スラスト室
   ９，１０からの流体が作用する圧力中心点を含む
   第３及び第４の流体圧力区域を有し、 制御部２の軸心４３と上記第１及び第２の流体
   圧力区域の圧力中心までの距離Gcが、制御部２
   の軸心４３と上記第３及び第４の流体圧力区域の
   圧力中心までのgcと等しくなるように、制御体
   １各部の外周面６の外形と、偏心部３の偏心値
   と、制御面外縁部４４の外径とを設定したことを
   特徴とする流体機械の制御装置。 ２ 前面の制御面５に流体の制御孔３５，３６が
   設けられた制御体１を、ハウジング部１１に回動
   不能でかつ軸方向に可動に支持させると共に、高
   圧流体の流路が形成された回転制御面５７を備え
   るロータ１４に対して上記制御面５と回転制御面
   ５７とが制御間隙５８を保つて対峙するよう配設
   し、 上記制御体１は、ロータ１４の軸心に同心状で
   かつ上記制御面５を有すると共にその円筒状を成
   す外周面６がシール部として構成された制御部２
   と、制御部２の後端面２１から上記軸心に対して
   偏心するようにして突出し、その円筒状外周面７
   がシール部として構成された偏心部３とを備え、 制御部２はその制御面５に制御部外周面６より
   も径方向内方に位置して流体圧力の影響を受けな
   い外縁部４４を備え、 偏心部３は、円筒状外周面７の大部分が上記制
   御面５の外縁部４４の延長線よりも内側に位置
   し、残余の部分が外縁部４４の延長線よりも外側
   であつて制御部外周面６よりもは外側に出ないよ
   うにして突出形成されており、 制御部２の制御面５から制御部２の後端面２１
   と偏心部３の後端面２２にかけては、それぞれ第
   １及び第２の制御孔３５，３６が貫通し、 制御部２の後端面２１後方に位置するハウジン
   グ部１１内には、上記制御部２の制御面５をロー
   タ１４の回転制御面５７に向けて押圧する流体が
   供給されるスラスト室９が設けられ、 更に制御部２の制御面５は、上記第１及び第２
   の制御孔３５，３６の一端が開口する面上に流体
   の圧力中心点を含む第１の流体圧力区域を備え、 また、前記制御部２の後端面２１は、上記第１
   の制御孔３５，３６の他端が開口する面上に上記
   スラスト室９からの流体が作用する圧力中心点を
   含む第２の流体圧力区域を有し、 制御部２の軸心４３と上記第１の流体圧力区域
   の圧力中心までの距離Gcが、制御部２の軸心４
   ３と上記第２の流体圧力区域の圧力中心までの
   gcと等しくなるように、制御体１各部の外周面
   ６の外形と、偏心部３の偏心値と、制御面外縁部
   ４４の外径とを設定したことを特徴とする流体機
   械の制御装置。