(57)【要約】【課題】  使用する制御弁の数を低減可能な流体機械を提供することを目的とする。【解決手段】  上記課題を解決するために、低圧マニホルド１１０及び高圧マニホルド１０９と接続されると共に、容積が変化する第１の作動室１０８ａと、低圧マニホルド１１０及び高圧マニホルド１０９と接続されると共に、第１の作動室１０８ａの容積変化とは異なるパターンで容積が変化する第２の作動室１０８ｃと、第１の作動室１０８ａと第２の作動室１０８ｃとを連通する連通部と、該連通部に備えられて、該連通部の開度を調節する制御弁１１３ａと、を備えることを特徴とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧マニホルド及び高圧マニホルドと接続されると共に、容積が変化する第１の作動室と、
前記低圧マニホルド及び前記高圧マニホルドと接続されると共に、前記第１の作動室の容積変化とは異なるパターンで容積が変化する第２の作動室と、
前記第１の作動室と前記第２の作動室とを連通する連通部と、
該連通部に備えられて、該連通部の開度を調節する制御弁と、を備えることを特徴とする流体機械。
【請求項２】
低圧マニホルド及び高圧マニホルドと接続されると共に、容積が変化する第１の作動室と、
前記低圧マニホルド及び前記高圧マニホルドと接続されると共に、前記第１の作動室の容積変化とは異なるパターンで容積が変化する第２の作動室と、
前記第１の作動室と前記第２の作動室とを連通する連通部と、
該連通部に備えられて、該連通部に流れる流体の量を調節する制御弁と、を備えることを特徴とする流体機械。
【請求項３】
請求項１または２に記載の流体機械であって、
前記第１の作動室の容積と前記第２の作動室の容積は略等しいことを特徴とする流体機械。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の流体機械であって、
前記第１の作動室の容積変化における周期と、前記第２の作動室の容積変化における周期とは略同じであることを特徴とする流体機械。
【請求項５】
請求項４に記載の流体機械であって、
前記第１の作動室の容積変化における位相と、前記第２の作動室の容積変化における位相はずれていることを特徴とする流体機械。
【請求項６】
請求項５に記載の流体機械であって、
前記第１の作動室の容積変化における位相と、前記第２の作動室の容積変化における位相は、互いに略逆位相となることを特徴とする流体機械。
【請求項７】
請求項４ないし６のいずれか１項に記載の流体機械であって、
更に、前記第１の作動室の容積変化と略同位相で変化すると共に、前記第１の作動室と連結される第３の作動室と、
前記第２の作動室の容積変化と略同位相で変化すると共に、前記第２の作動室と連結される第４の作動室と、を備えることを特徴とする流体機械。
【請求項８】
請求項７に記載の流体機械であって、
前記第１の作動室の容積、第３の作動室の容積、及び前記第１の作動室と第３の作動室の間の連結部の容積の和と、前記第２の作動室の容積、第４の作動室の容積、及び前記第２の作動室と第４の作動室の間の連結部の容積の和は略同じであることを特徴とする流体機械。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の流体機械であって、
前記制御弁を制御するコントローラを備えることを特徴とする流体機械。
【請求項１０】
請求項９に記載の流体機械であって、前記コントローラは、需要される流体量又は入力される動力源の変動に比例して前記制御弁の開度を調節することを特徴とする流体機械。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の流体機械であって、
更に複数の凸部と凹部とが滑らかに連続されたカム面と、該カム面の表面を転動するローラーと、該ローラーに取り付けられて前記凹部または前記凸部の凹凸方向に駆動するピストンと、該ピストンとの間に前記作動室を形成するシリンダとを備えたことを特徴とする流体機械。
【請求項１２】
請求項１１に記載の流体機械であって、
更に、自身の回転により、自身の周囲を前記ローラーが回転する様にする回転軸を備えることを特徴とする流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体機械の分野に関するものであり、特に、正味スループット（機械の正味吐出量、又は正味吸入量）を制御する流体機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体機械は一般的に、二つの異なる圧力の流体間で作動を行うため、高圧又は低圧の流体を供給及び／又は排出する高圧マニホルドと低圧マニホルドを要する。尚、流体機械には、ポンプ、モータ及び、異なる動作モードによりポンプ又はモータの何れかとして機能することができる機械等の、流体被駆動式及び／又は流体駆動式の機械が含まれる。流体機械がポンプとして作動する場合は、作動室に低圧マニホルドから流体を供給し、昇圧後の流体が高圧マニホルドへ流体が排出され、モータとして作動する場合は、高圧マニホルドから流体が供給され、低圧マニホルドへ流体が排出されるものが一般的に存在している。
【０００３】
このような機械の従来技術として、容積が周期的に変化する作動室を複数備え、作動室を通じた流体の排除量が電子制御弁によりサイクル毎に作動室の容積のサイクルと同相の関係で調整されることにより、機械を通じた流体の正味スループットを決定する流体機械が知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、電子制御ポペット弁を作動室の容積のサイクルと同相の関係で解放及び／又は閉鎖することで、ポンプの各作動室と低圧マニホルドとの間の流体の連通を調整することにより、複数の作動室を通じた流体の（合計の）正味吐出量を制御する方法が公開されている。その結果、各々の作動室が（あらかじめ固定された）所定体積の流体を排除するか、又は流体の正味排除量を伴わないアイドル状態を経るかを、コントローラによりサイクル毎に選択可能にし、ポンプの正味吐出量を要求される負荷に一致されることを可能とする。
【０００５】
さらに、特許文献２では、この原理を発展し、各々の作動室と高圧マニホルドとの間の流体の連通を調整する電子制御ポペットバルブを設けることで、異なる動作モードによりポンプ又はモータの何れかとして機能する流体機械の提供を容易にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許第０３６１９２７号公報
【特許文献２】欧州特許第０４９４２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術の原理を用いた流体機械は、各々の作動室と低圧マニホルド又は高圧マニホルド間にそれぞれ電子制御弁などを設ける。したがって、大容量化等を目的に、作動室の数を増大させた際には、作動室の数に対応して、電子制御弁の数も増大する。電子制御弁は、電力を消費する電子制御機構（例えばソレノイドコイルと永久磁石を組み合わせたもの等）を備えるため、電子制御弁の個数が増大するに伴い、例えば消費する電力が増大する可能性がある。これは電子制御弁の場合であるが、電子制御弁に関らず、制御弁の数を減ずることが出来れば、使用する機器数が減少する等、利点がある。
【０００８】
本発明では、使用する制御弁の数を低減可能な流体機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る流体機械は、低圧マニホルド及び高圧マニホルドと接続されると共に、容積が変化する第１の作動室と、  前記低圧マニホルド及び前記高圧マニホルドと接続されると共に、前記第１の作動室の容積変化とは異なるパターンで容積が変化する第２の作動室と、前記第１の作動室と前記第２の作動室とを連通する連通部と、該連通部に備えられて、該連通部の開度を調節する制御弁と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、使用する制御弁の数を低減可能な流体機械を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１に記載のラジアルピストン型ポンプの側面断面図。
【図２】実施例１に記載のラジアルピストン型ポンプの正面断面図。
【図３】実施例１に記載の可変容量機構を説明するための図。
【図４】実施例１に記載の制御弁による可変容量機構の説明図。
【図５】実施例２の制御弁の接続を示した分解図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施する上で好適な実施例について説明する。下記実施例では、容積変化量が等しく、かつ互いに逆位相で容積変化する作動室１と作動室２を連通し、その間に制御弁を有する場合を特に説明している。そして、制御弁を調整することにより作動室１と作動室２の間の流体のやり取りの量（以下、制御弁流量と記す）と、低圧マニホルド又は高圧マニホルドとの流体のやり取りの量を制御することができる様にしている。尚、容積変化量が等しく、かつ互いに逆位相で容積変化する作動室１と作動室２は、ある一定時間での、各作動室の互いの吐出量及び吸入量を等しくできる。
【００１３】
例えば、制御弁流量がゼロでない場合、作動室１と作動室２は容積変化量が等しく、かつ互いに逆位相で容積変化するため、互いの作動室の吐出量及び吸入量は等しく、制御弁を通過する流体は容積変化に伴う仕事を受けることなく、各作動室の容積の周期的変化に伴って、作動室１と作動室２の間で流体が往来する。そして制御弁流量分だけ、各作動室と低圧マニホルド又は高圧マニホルドとの流体のやり取りの量が減少するため、正味スループットを制御することができる。
【００１４】
即ち、複数の作動室に１つの制御弁で正味スループットを制御できるため、同じ作動室の数で、かつ最大正味スループットが同じ流体機械であれば、従来技術に比して少なくとも制御弁の数を半減することができる。
【００１５】
上記は、本発明を実施する上で特に好適となる実施態様であるが、容積変化量が等しく、かつ互いに逆位相で容積変化する複数の作動室間を連通し、その間に連通部の開度を調節し、連通部に流れる流体の量を調節する制御弁を備える場合のみならず、１の作動室の容積変化とは異なるパターン（例えば、容積変化の周期は同じだが位相が異なる場合や、周期がそもそも異なる場合などが挙げられる。）で容積が変化する別の作動室を備え、両作動室間を連通し、その間に連通部の開度を調節し、連通部に流れる流体の量を調節する制御弁を備える様にすればよい。これによっても複数の作動室につき１つの制御弁を用いることで足り、制御弁の数を減ずることが可能である。
【００１６】
さらに、互いに同位相で容積変化する作動室１同士を複数連通した作動室群１と、作動室１とは逆位相で、互いには同位相で容積変化する作動室２を連通し、作動室群１と容積変化量を同じにした作動室群２を、作動室群１と作動室群２を連通し、その間に制御弁を設けることにより、上記原理と同様に正味スループットを制御することを可能にする。異なる言い方をすると、作動室群を構成する各作動室の容積及び作動室群を構成する各作動室間の連結部の容積の和は、逆位相の作動室群を構成する各作動室の容積及び作動室群を構成する各作動室間の連結部の容積の和と略同じにしている。この場合、上述の例と同じ作動室の数で、かつ最大正味スループットが同じ流体機械であれば、更に制御弁の数を削減することができる。
【００１７】
尚、電子制御機構に用いられる永久磁石は、使用されるレアメタルにより高コストになる可能性があり、これに伴って電子制御弁の数が増加すると、装置全体のコスト増加にも繋がる。
【００１８】
電子制御弁の数を減らすことで、正味スループットを省電力で制御可能であり、かつコスト増大を抑制した流体機械を提供することも可能になる。
【実施例１】
【００１９】
第１の実施形態を図１ないし図４を用いて説明する。本実施例における流体機械は、複数のシリンダとピストンにより容積が周期的に変化する作動室を、回転軸の半径方向に構成した、ラジアルピストン型ポンプである。
【００２０】
図１はラジアルピストン型ポンプ１００の回転軸線Ａ１に沿った方向の断面図である。図２は、本実施例におけるラジアルピストン型ポンプ１００を、図１に示すＡ−Ａ’断面で、回転軸線Ａ１に垂直な平面で切断した断面図である。
【００２１】
図１、図２に示すラジアルピストン型ポンプ１００は、作動室１０８の容積を周期的に変化させるための装置として、複数の凸部と凹部とを滑らかに（傾きが不連続にならない、或いは角を備えていないとも言える。）連続されたカム面を持つカムリング１０１と、カム面に対して追従し、カム面の表面を転動して回転するローラー１０５と、各ローラーに取り付けられて凹部または凸部の凹凸方向に駆動するピストン１０６を備えている。ローラーは回転軸の回転により、回転軸の周囲を回転する。
【００２２】
カムリング１０１と、内側部材１０２は前記回転軸線Ａ１を回転軸として相対回転する。本実施例では、内側部材１０２と外側部材１０３は回転軸線Ａ１に対して回転不能に固定し、カムリング１０１と接続部材１０４は、キーやスプラインなどで互いに固定されており、接続部材１０４に動力源が接続されることにより、カムリング１０１と接続部材１０４が回転軸線Ａ１に対して回転する。接続部材１０４は、内部部材１０２に、軸受１１２を通じて回転可能に支持される。
【００２３】
内側部材１０４は、シリンダ１０７を備えており、ピストン１０６とシリンダ１０７に囲まれた空間が作動室１０８となる。なお、図１では、簡単のため接続部材１０４の一部を省略している。
【００２４】
カムリング１０１と、内側部材１０２の相対回転により、ローラー１０５が、周期的な凸部と凹部をもつカムリング１０１のカム面を転動し、ローラー１０５に取り付けられたピストン１０６が、シリンダ１０７内で往復運動を行うことにより、作動室１０８の容積が周期的に変化する。
【００２５】
なお、ローラー、ピストン、シリンダ、作動室は周方向に複数存在し、それぞれ区別が必要な場合は、例えば作動室１０８ａの様に、アルファベットを付記する（図２）。
【００２６】
作動室１０８は、外側部材１０３の全周に渡って設けられた高圧マニホルド１０９と低圧マニホルド１１０に接続されており、低圧マニホルド１０９に作動油が外部から供給され、昇圧された作動流体が高圧マニホルド１１０から外部へ排出される接続口を有している（図示していない）。ここでは、昇圧されていないものを低圧、昇圧されているものを高圧と呼んでいる。
【００２７】
作動室１０８各マニホルドへの接続を選択する整流器として、逆止弁１１１を備えており、作動室１０８から高圧マニホルド１０９へと、低圧マニホルド１１０から作動室１０８への方向に、接続を制限する。逆止弁は、入口と出口の差圧がある設定圧力になると、ある方向にだけ流体を流す弁である。なお、高圧マニホルドに接続されている逆止弁を逆止弁１１１Ｈ、低圧マニホルドに接続されている逆止弁を逆止弁１１１Ｌと記す。
【００２８】
図２に示すように、本実施例では、カムリング１０１は６個のカムローブ（カムの凸凹）を有しており、π／３ラジアン回転すると、カム面の変動が１周期する。カム面の変動１周期当たりの角度をＴ（ラジアン）とすると、１つ目の作動室に対して、Ｔ／２＋Ｎ×Ｔラジアン（Ｎは整数）の位置に２つ目の作動室を配置すると、それらの容積を変化させるピストンの往復運動は逆位相になる。本構成では、π／４ラジアンごとに８個の作動室１０８（１０８ａ〜１０８ｈ）を有しており、この場合はπ／２ラジアン角度が異なって配置された作動室同士の容積変化が逆位相となる。例えば、図２中の作動室１０８ａと１０８ｃ、作動室１０８ｂと１０８ｄ、作動室１０８ｅと１０８ｇ、作動室１０８ｆと１０８ｈがそれぞれ互いに逆位相で容積が変化する。本実施例では図２中の破線で示すように、これら逆位相の作動室を連通させる。実際は内側部材１０２の内部に連通するための流路を設けるが、図２では簡便のため破線で連通を表す。さらに、互いに逆位相で容積が変化作動室の間に、制御弁１１３（１１３ａ〜１１３ｄ）を備える。制御弁１１３は開度によって作動室間の連通部を往来する流体の流量を調節する。制御弁１１３は、最大で各作動室から吐出される最大流量を、高圧マニホルド１０９との間に設けられた逆止弁１１１Ｈの設定圧力よりも小さい圧力差で流せるものを用いる。
【００２９】
次に本実施例に関する可変容量機構について図３及び図４を用いて説明する。
図３は、本発明に関わる可変容量の動作を説明するために、容積変化量が等しく（等しいとは、厳密に等しい必要はなく、実質的に等しければ足りる。略等しいと表現した場合は、実質的に等しいことをより明確にしたものであるが、略がなくても実質的に等しいことを同様に指す。以下同様である。）かつ互いに逆位相で（こちらも厳密に逆位相である必要はなく、実質的に逆位相であれば足りる。略逆位相と表現した場合は、実質的に逆位相となることをより明確にしたものであるが、略がなくても実質的に逆位相であることを同様に指す。同位相の場合も同様である。以下同様である。）容積変化する作動室と、制御弁とに注目して示した図である。また、作動室１と作動室２の容積変化の周囲も等しい。
【００３０】
本実施例では、図３と同様の動作をする逆位相の作動室の組が４組あり、そのうち、図２における作動室１０８ａと作動室１０８ｃの関係を示している。図４は、図３に示す作動室の容積変化（ピストンの動き）と、低圧マニホルドと高圧マニホルドとの流体のやり取りの量（すなわち正味スループットの量）と、制御弁の開度の関係を示している。
【００３１】
図３では、作動室１０８ａが最大容量の状態（上死点）であり、作動室１０８ｃが最小容量の状態（下死点）である。先ず制御弁が閉じている場合は、図中矢印の方向にカム面が動くと、それに従って作動室１０８ａは容積が小さくなり、その体積減少分の流体を、逆止弁１１１Ｈを介して高圧マニホルド１０９に吐出する。一方で作動室１０８ｃは作動室が膨張するに従って、逆止弁１１１Ｌを介して低圧マニホルド１１０から流体を吸入する。この時のそれぞれの作動室におけるピストンの動きと、吐出・吸入量を図４−１と図４−３に示す。制御弁１１３ａは、閉じているので、図４−２の太線で示すように、この時の制御弁流量はゼロである。
【００３２】
次に、制御弁を全開にした場合は、図４−１〜図４−３に示すように、例えば、作動室１０８ａから吐出される流体は、すべて作動室１０８ｃに流入する。従って、各作動室と、各マニホルド間での流体のやり取りは無い。作動室１０８ａと作動室１０８ｃの容積変化が逆位相で行われるため、吐出する流体と、吸入する流体量が同じとなり、少ない損失で、作動室と各マニホルド間とのやり取りをゼロにできる。このように、制御弁１１３ａを全開にすることで、正味スループットの量をゼロにすることができ、機械のアイドル状態を実現することができる。
【００３３】
最後に、制御弁１１３ａの開度を半開に調節した場合は、図４−１、図４−２、図４−３の細かい破線で示すように、ピストン１０６ａが上死点から下死点へ変化する際に、作動室１０８ａから吐出される流体の一部が、作動室１０８ｃへ流入する。なお、図４−２の“ａ→ｃ”は、図３の制御弁１１３ａの左右に示している“ａ”から“ｃ”の方向へ流れる流量を表しており、“ｃ→ａ”は逆方向へ流れる流量を表している。この時、図４−１、図４−３に示すように、制御弁１１３ａの流量分だけ、各マニホルドとのやり取りが減少する。
【００３４】
すなわち、制御弁１０３を介して、吐出する流体と、吸入する流体量が同じとなる逆位相の作動室を接続しているために、本来、高圧マニホルド１１０に吐出され、低圧マニホルド１０９から吸入される流体量がキャンセルされ、キャンセルされた流体量だけ、高圧マニホルド１１０又は／及び低圧マニホルド１０９と流体のやり取りの量を減少することができる。したがって、制御弁１１３ａの流量を調整することにより、流体機械の正味スループットの量を可変にすることが可能となる。
【００３５】
このように、本実施例は容積変化が逆位相の作動室を連通させて組み合わせることにより、各作動室と各マニホルド間で吸入・吐出される流体量を調節しているため、各作動室にそれぞれ制御弁を設ける必要がなくなり、大容量化等を目的に、作動室の数を増大させた際にも、制御弁の数を削減することができる。したがって、制御弁を制御するために消費される電力を削減でき、制御弁のコストを削減することができる。
【００３６】
さらに本発明では、制御弁１１３ａの開度のみを調節することにより、正味スループットを制御できるため、制御性が良い。図３に示すように、負荷に応じて開度を調節するコントローラ１１４は、例えば、入力信号に比例して開度を調節するような、容易な制御を実行できるもので良い。コントローラ１１４は、求められる流体の流量（需要量）に応じて調節しても良いし、機械に入力される動力源が変動する場合は、その大きさに従って（例えば比例して）調節しても良い。またコントローラ１１４は、一つで複数の制御弁を制御しても良い。本実施例ではコントローラ１１４により、制御弁１１３ａ〜１１３ｄを全て制御する構成である。
【実施例２】
【００３７】
実施例２を図２と図５を用いて説明する。実施例２は、実施例１において、連通する作動室を更に増やしたものであり、更なる制御弁の削減を実現するものである。図５は、図２においての同位相の更に別の作動室を各々連結し、その間に制御弁を設けた模式図である。実際は、図２の状態で、接続配管１１５（１１５ａ〜１１５ｄ）を内側部材１０２の内部に設けることにより、作動室を連通する。
【００３８】
実施例１で示した、図２の様なラジアルピストン型のポンプでは、１回転当たりに複数の凸凹部を持つカム面と、複数のシリンダを組み合わせている。このようなラジアルピストン型の流体機械では、同位相で容積が変化する作動室が複数構成し得る。実際、図２では、作動室１０８ａと作動室１０８ｅは、同位相で容積が変化する。またその他の組み合わせ(作動室１０８ｂと作動室１０８ｆ、作動室１０８ｃと作動室１０８ｇ、作動室１０８ｄと作動室１０８ｈ)も同様に、同位相で容積が変化する。さらに、作動室１０８ａと作動室１０８ｅの二つの作動室と、作動室１０８ｃと作動室１０８ｇの二つの作動室は、逆位相で容積変化する。従って、図５に示すように、まず同位相の作動室を接続配管１１５で連通し、それら連通した作動室群で、さらに逆位相で容積変化する作動室群とを制御弁１１３ｅ、１１３ｆで接続することにより、可変容量制御が可能となり、さらに制御弁の数を削減することができる。
【００３９】
このように、互いに同位相で容積変化する作動室を複数連通した作動室群１と、作動室群１とは逆位相で、互いには同位相で容積変化する作動室を連通し、作動室群１と容積変化量を同じにした作動室群２を、作動室群１と作動室群２を連通し、その間に制御弁を設けることにより、上述の原理と同様に正味スループットを制御することを可能にする。尚、作動室群を構成する作動室の数は２つに限られるものでなく、３つ以上とすることも可能である。この場合、上述の例と同じ作動室の数で、かつ最大正味スループットが同じ流体機械であれば、更に制御弁の数を削減することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１００  ラジアルピストン型ポンプ
１０１  カムリング
１０２  内側部材
１０３  外側部材
１０４  接続部材
１０５  ローラー
１０６  ピストン
１０７  シリンダ
１０８  作動室
１０９  高圧マニホルド
１１０  低圧マニホルド
１１１  逆止弁
１１２  軸受
１１３  制御弁
１１４  コントローラ
１１５  接続配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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