(57)【要約】【課題】高速回転体の外周に覆回転体を備えた装置であって、遠心力による内部気体の圧力上昇を防止し、回転体の損失を低減する。【解決手段】回転体と覆回転体との間、あるいは隣り合う覆回転体間に、回転軸近傍から覆回転体内に進入する気体を阻止するシール部を設けるとともに、覆回転体の中心部から最も遠い外周面またはその近傍に、気体の流出部または開孔を形成することで、遠心力による覆回転体内の気体の圧力が大気圧を超えないようになるため、低損失でエネルギーの蓄積を可能にする。【選択図面】図１
2004028322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に支持される回転体１１と、この回転体１１と同じ回転軸芯を持ち回転自在に支持されるとともに、前記回転体１１を覆う覆回転体１２とからなり、前記回転体１１と覆回転体１２との間の気体を密封するシール部を設けるとともに、前記覆回転体１２の中心部から最も遠い外周面１２５またはその近傍に開孔１２７を形成したことを特徴とする回転体の損失低減装置。
【請求項２】
前記覆回転体１２の外側に、覆回転体１２を覆う覆回転体１３が少なくとも１つ設けられるとともに、隣り合う覆回転体１２と１３の間の気体を密封するシール部１２１および１２２を設け、前記覆回転体１３の中心部から最も遠い外周面１３５またはその近傍に開孔１３７を形成したことを特徴とする回転体の損失低減装置。
【請求項３】
隣り合う覆回転体１２および１３の開孔１２７および１３７は、それぞれの外周面またはその近傍上で、軸線方向にずれた位置に設けられていることを特徴とする請求項２記載の回転体の損失低減装置。
【請求項４】
前記回転体１１は、フライホイールであることを特徴とする請求項１乃至３記載の回転体の損失低減装置。
【請求項５】
前記シール部は液体によって密封されることを特徴とする請求項１乃至４記載の回転体の損失低減装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体中で高速回転する回転体と、この回転体を覆って回転体と同心で回転する一層または多層の覆回転体を備え、覆回転体の内側に気体の進入を阻止するためのシール部を設けるとともに最外周近傍に気体の通路を配設し、回転体の損失を低減させる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転体の流体抵抗を減少させる手段として、回転体を収納する容器を設け、容器の内部を真空にしたり、減圧したり、または水素等の気体を充填して損失を低減させることが行われている。しかし、いずれの手段を用いても、真空容器や真空保持装置を設けることが必要で、製造コストあるいは運転のためのコストが高くなる難点があった。
【０００３】
本件出願人が先に出願した特願２００１−２９８４７１においては、従来技術の難点を改善するため、回転自在に支持される回転体の外側に、同じ回転軸芯を有する一層または多層の覆回転体を設けて、回転体により生じる回転流体の連れ回り効果で覆回転体を回転させる発明を提案している。この改良装置は、覆回転体の設置により回転体のみの場合と比較して外部環境との相対速度が減少して気体による損失を減少させることが可能である。
【０００４】
前記先願発明は、回転体の周速を増加することにより蓄積可能なエネルギーを大幅に増大できる利点があるが、周速を増加すると覆回転体の周速も大きくなり、回転体同士に挟まれる気体の回転による遠心力の影響が無視できなくなる。特に覆回転体の外周部分の圧力が増大するので、圧力の上昇により覆回転体や外部容器の密封性と強度を高くする必要があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、覆回転体の回転数が上昇するのに伴い、気体の圧力も遠心力のため増大する結果、覆回転体の外周部分における気体圧力が増大する。この現象を回避する目的で回転軸近傍から流体の流入を防止するため、軸受け近傍の部分を少なくとも回転中はシールし、かつ覆回転体の外周部分に内部気体の圧力上昇を回避するための開孔を設け、圧力を低下させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、回転自在に支持される回転体と、この回転体と同じ回転軸芯を持ち回転自在に支持されるとともに、前記回転体を覆う１または複数の覆回転体とからなり、前記回転体と覆回転体との間、あるいは隣り合う覆回転体間の気体を密封するシール部を設けるとともに、前記覆回転体の中心部から最も遠い外周面またはその近傍に開孔を形成した回転体の損失低減装置を用いる。
【０００７】
隣り合う覆回転体の開孔は、それぞれの最外周面上またはその近傍上で、軸線方向にずれた位置に設けられていること、前記シール部は、少なくとも回転中は液体によって密封されるようにポケット部とリップ部を備え、液体はポケット部に収容されリップ部がこれに没入していること、前記回転体がフライホイールであること、なども手段の一部である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による回転体の損失低減装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。図１は、本発明の一実施例の回転体の損失低減装置１０の全体を示し、一部は理解を助けるため断面で示した斜視図である。１１は回転体であるが、実施例として高速回転によりエネルギーを蓄積するフライホイールへの適用例について説明する。回転体１１は軸１１２を持ち、容器１１１に取り付けた軸受け１１３および１１４により回転自在に支持されている。
【０００９】
回転体１１の外周には、僅かな間隔をおいて第１の覆回転体１２を回転自在に設ける。覆回転体は、軽量で強度が大きく気体を密封できることが必要である。また、別の実施例では、第１の覆回転体１２の外側に第２の覆回転体１３を設ける。必要に応じて、さらに覆回転体を追加して設置することができる。図１に示す実施例では、覆回転体１２、１３の下端は、容器１１１と第２の覆回転体１３との間に設けたベアリング１１７および第１、第２の覆回転体１２、１３の間に設けたベアリング１１８により回転自在に支持される。
【００１０】
回転体と覆回転体との間、および覆回転体同士の間隙の気体を各々遮断するとともに外気と遮断し、密封するために、図１の下方には、一実施例としてシール部１１６および１１５を設けている。このシール部１１６，１１５は、一例として合成樹脂あるいは合成ゴムのような材料で製作することができる。構造は簡潔であるが、シールと軸との接触があるため、十分な潤滑を施しても多少の磨耗は避けられない。摩耗を防止するシール効果を実現するための実施例としては、図１における軸１１２の上方で１２１および１２２で示す液体によるシールが用いられる。なお液体シール部の詳細については、後に説明する。
【００１１】
また、第１の覆回転体１２には、その中心部から最も遠い外周面１２５またはその近傍に開孔１２７を形成し、覆回転体が回転した際に遠心力により圧力が上昇した内部の気体を外部に放出する手段とする。空気の場合を例にとると、回転中の覆回転体の内圧は、図２の曲線Ｂに示すように、中心を外部と通気状態とし外部を気密にした場合には、周速が６００ｍ／Ｓにおいて８気圧を超える値となる。しかし、中心を密閉し、外周に開孔を設けた場合には、図２の曲線Ａに示すように、６００ｍ／Ｓにおいて１気圧を超えないようにできる。
【００１２】
本発明の先行発明では、ヘリウムのようなガスを容器内部に封入することも考慮して、覆回転体の開孔は中心部近くに設けたため、内部の高い圧力に耐える対策を必要とした。しかし、本発明においては、最外周部に開孔を設けることにより、ヘリウムのような気体定数の大きいガスを用いることなく、環境外気の下で動作可能であることを見いだした。開孔は、最外周部より若干内側に設けても、大きな圧力上昇を回避できる限り支障はない。開孔の数と大きさは、上昇した圧力を放出できれば目的を達成できるから、任意に選定して良いが、内側の覆回転体は高速回転することを考慮して、たとえ小さな開孔でもダイナミックバランスに支障がないよう設計する。
【００１３】
覆回転体は図１の実施例では２個設けているが、覆回転体の個数が増加するほど回転体と覆回転体、あるいは覆回転体同士との間で、相対的な周速差を減少させ、風損が減少するため、回転体の速度を上げることができる。しかし覆回転体の設置には当然コストがかかり、また、使用する最大周速、目標とする損失低減値などを勘案して最適な段数があるから、経済性も考慮して選定する。
【００１４】
図１のように覆回転体が複数の場合、中心部から最も遠い外周面１２５あるいは１３５に設けた開孔１２７，１３７は、回転中に一致しないように配慮し、軸方向にずらして孔を設ける。開孔を軸線方向で一致する位置に設けた場合には、回転中に中心軸から見て隣り合う覆回転体１２、１３の開孔１２７，１３７が見通せる機会が生じる。このとき、衝撃波が発生し騒音等の問題を生じる恐れがあり、これを防止するために開孔同士をずらすのである。
【００１５】
覆回転体の製作方法の一例として、覆回転体を軸方向に２分割した部材を製作し、これらの部材を嵌め合わせにより一体に組み合わせる方法がある。この場合嵌め合わせ部分は、特別に密封する加工を施さなければ、内部圧力が上昇した気体が漏洩する。従ってこの場合には、上記の覆回転体の開孔は特に設ける必要はない。また、覆回転体が複数の場合でも、それぞれの覆回転体の嵌め合わせ部分によって、開孔の見通しを防止するため、軸線方向にずらさなくても衝撃波の発生は防止できる。
【００１６】
図１の実施例においては、第２の覆回転体１３の最も外側には回転しない容器１１１を設けて、回転部を保護するほか、軸受け１１３，１１４を設けて回転軸１１２の支持を行う。この実施例では、内部を真空にしたり、ガスを封入する必要がないから、気密性を備える必要はない。なお、後述するように、容器の設置を省略することもできる。
【００１７】
図３は、上記図１の実施例について簡単に説明した液体シール部の詳細を説明する図である。軸１１２に固定したシールリング３１の外周端にポケット部材３２をボルト３３で固定している。組み立てに当たっては、先ずシールリング３１の上にリング状のリップ３４を置き、その上からポケット部材３２を重ね、ボルト３３によりシールリング３１に固定する。次に覆回転体の内端３５をリップ３４にボルト３６で固定する。このようにして１個の覆回転体に対する液体シール部が組み立てられる。
【００１８】
シールリング３１とポケット部材３２により形成されるポケット部３７の凹部には、覆回転体の内端３５に取り付けられたリップ３４が入り込んだ状態になっている。リップ３４とポケット部３７の凹部との間には、間隙が形成される。この間隙に液体を注入する。液体では漏れてしまう場合にはグリースでも良い。この状態で軸１１２が回転し、ポケット部３７が回転すると、液体は凹部の中に保持され、リップの先端は液体に沈没するから、間隙を満たす液体により気体が覆回転体の内側に入り込むことを防止する。
【００１９】
軸１１２が停止している場合には、液体は凹部とリップ３４の近傍に保持される。この状態では必ずしも気密状態を保てないが、停止中であるから気体の流通を阻止する必要はない。動作が開始され回転が始まれば、遠心力により液体は凹部とリップの間に集まり、気体の流路を遮断する。摩擦を少なくするためには、できるだけ粘性が小さく潤滑性が良い液体が望ましい。
【００２０】
覆回転体に対する液体シール部は、覆回転体が１個の場合には単独で用いられるが、図３に示す実施例では４個の覆回転体を使用する例である。最も外側の覆回転体から軸１１２に挿入し、気密用のＯリング３８で気密を保ちながら４個の組み立て体を装着した後、ナット３９を軸１１２に設けた雄ねじ部分に締め付けて固着する。
【００２１】
図４は、リップ３４を弾性体で製作した実施例を示す。基本的な構造および機能は上記図３について説明した実施例と同じであるが、リップを弾性体で製作したため、シールリング４０にリップ４１を組み付ける方法が異なる。シールリング４０は、図３と異なり上記のポケット部材３２に相当する部分を一体に製作することが可能である。リップ４１の弾性を利用して、形状を変形させてシールリング４０のポケット部の凹部に矢印方向から押し入れる。リップ４１が弾性により原形に回復した後は、上記剛体の場合の取り扱いと同一であるから、説明は省略する。またリップ４１は金属等の剛体で形成し、シールリング４０をゴム等の弾性体で形成したり、あるいはリップ４１とシールリング４０の両方を弾性体で形成しても良い。さらに、弾性体を使用する代わりに、形状記憶合金を使用しても良い。
【００２２】
図５から図９は、覆回転体が２個設けられている実施例において、シール部を設ける部位の説明をするための図である。なお、覆回転体の軸受けについては図示を省略してある。図５から図７は、軸１１２を水平に配置した例で、かつ、容器を省略している。容器を設ける場合は、回転体の軸受けを容器に固定することができるが、設けない場合は、別途ベースを設ける必要がある。本発明は、回転系を密封する必要がないから、覆回転体を保護するためであれば、網状の保護ゲージの設置でも良い。覆回転体の個数が増加した場合には、最も外側の覆回転体の外周速度は、回転体のそれよりもはるかに小さくなるから、人の立ち入りが制限され、あるいは接近を禁止される場所であれば、容器の設置は必須とはならない。
【００２３】
図５は、紙面上左右とも同じシール部の構造であって、回転体１１と第１の覆回転体１２の間、第１の覆回転体１２と第２の覆回転体１３の間にそれぞれシール１１６，１１５が設けられている。図６は、紙面上右側のシール部は図５と同じであるが、左側は第２の覆回転体１３のシール１１５が、第１の覆回転体１２のシール１１６を覆うように軸１１２との間に設けられている。図７は、紙面上左右とも第２の覆回転体１３のシール１１５が、第１の覆回転体１２のシール１１６を覆うように軸１１２との間に設けられている。
【００２４】
図８および図９は、軸１１２を垂直に配置し、かつ、容器１１１を設けた例である。容器１１１と外気との連絡通路および覆回転体の軸受けは図示を省略している。図８においては、紙面上、上下とも軸１１２と第１の覆回転体１２との間および第１と第２の覆回転体１２，１３との間にそれぞれシール１１６、１１５を設けている。図９は、紙面上、上下とも軸１１２と第１の覆回転体１２との間および軸１１２と第２の覆回転体１３との間に、それぞれシール１１６，１１５を設けている。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、回転体の外周に設けた覆回転体の軸受に近い中心部近傍をシールすることにより、外部からの流体の流入を阻止するとともに、覆回転体の最外周部またはその近傍に気体の流出を可能とする流出部または開孔を設けたから、覆回転体内の圧力を大気圧より上昇させないことが可能となり、回転体の損失を低減することができる。また、覆回転体同士の開孔の位置を軸線方向にずらしたことにより、回転中に開孔同士が一致して見通し状態とならないので、衝撃波による騒音等の問題を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転体の損失低減装置の実施例を一部断面で示す図である。
【図２】本発明の覆回転体の周速度と外周の圧力を示すグラフである。
【図３】本発明の覆回転体シール部の第１実施例を示した図である。
【図４】本発明の覆回転体シール部の第２実施例を示した図である。
【図５】本発明の覆回転体シール部の配置第１実施例を示した図である。
【図６】本発明の覆回転体シール部の配置第２実施例を示した図である。
【図７】本発明の覆回転体シール部の配置第３実施例を示した図である。
【図８】本発明の覆回転体シール部の配置第４実施例を示した図である。
【図９】本発明の覆回転体シール部の配置第５実施例を示した図である。
【符号の説明】
１１…回転体、１２…第１の覆回転体、１３…第２の覆回転体、１１１…容器、１１２…回転軸、１１３，１１４…ベアリング、１２７，１３７…開孔
【図１】
2004028322.tif 000003
【図２】
2004028322.tif 000004
【図３】
2004028322.tif 000005
【図４】
2004028322.tif 000006
【図５】
2004028322.tif 000007
【図６】
2004028322.tif 000008
【図７】
2004028322.tif 000009
【図８】
2004028322.tif 000010
【図９】
2004028322.tif 000011