(57)【要約】【課題】  できるだけ無駄を省いて、タービンシャフトに所望の回転速度を得ることができるエア駆動装置を提供する。【解決手段】  流路断面積がそれぞれＳ１及びＳ２である空気の供給口及び排出口を有し、当該供給口から排出口に至る閉鎖空間状の流路の途中にタービン室が形成されたハウジングと、軸周りに回転自在に前記ハウジングに支持され、タービン室にタービン部を有するタービンシャフトとを備えたエア駆動装置において、供給口から排出口へ空気を逃がすことに寄与するタービン室の逃げ面積をＳｔとして、Ｓ１≦Ｓｔ≦Ｓ２の関係を成り立たせる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路断面積がそれぞれＳ１及びＳ２である空気の供給口及び排出口を有し、当該供給口から排出口に至る閉鎖空間状の流路の途中にタービン室が形成されたハウジングと、
軸周りに回転自在に前記ハウジングに支持され、前記タービン室にタービン部を有するタービンシャフトと、を備えたエア駆動装置であって、
前記供給口から前記排出口へ空気を逃がすことに寄与する前記タービン室の逃げ面積をＳｔとするとき、Ｓ１≦Ｓｔ≦Ｓ２の関係が設定されていることを特徴とするエア駆動装置。
【請求項２】
前記供給口から前記タービン部までの流路方向に対して、前記タービン部から前記排出口までの流路方向が、当該タービン部の回転方向に沿った角度方向を正の値として、−３０度〜９０度の範囲に形成されている請求項１記載のエア駆動装置。
【請求項３】
前記供給口から前記排出口に至る流路は、前記タービンシャフトの軸方向から見て、前記タービン部に対して実質的に一接線方向に形成されている請求項１記載のエア駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮空気によりタービンシャフトを回転駆動するエア駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エア駆動装置として例えば従来のエアタービンでは、ハウジング内に供給された圧縮空気をタービンに導き、かつ、排出口から排気することにより、タービンシャフトを回転させる（例えば、特許文献１参照。）。タービンシャフトの回転速度は、基本的には、単位時間あたりの空気の流量に依存する。また、空気の供給口に対して、排出口の流路断面積が適切に確保されていない。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２２０３２６号公報（図１〜図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来のエア駆動装置では、供給した空気を効率よく排気することが難しい。そのため、一定の回転速度を得るために本来必要な量以上に圧縮空気を供給し、これにより、供給する圧縮空気の無駄が生じていると考えられる。また、回転速度向上に寄与しない部分に無駄な加工コストをかけていることも予想される。しかしながら、従来、このような無駄を省くための最適な設計指針が提案されていなかった。
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、できるだけ無駄を省いて、タービンシャフトに所望の回転速度を得ることができるエア駆動装置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】
【０００５】
本発明は、流路断面積がそれぞれＳ１及びＳ２である空気の供給口及び排出口を有し、当該供給口から排出口に至る閉鎖空間状の流路の途中にタービン室が形成されたハウジングと、軸周りに回転自在に前記ハウジングに支持され、前記タービン室にタービン部を有するタービンシャフトと、を備えたエア駆動装置であって、前記供給口から前記排出口へ空気を逃がすことに寄与する前記タービン室の逃げ面積をＳｔとするとき、Ｓ１≦Ｓｔ≦Ｓ２の関係が設定されていることを特徴とするものである。
上記のように構成されたエア駆動装置においては、Ｓｔ≦Ｓ２の関係により、加工コストに無駄を生じることのない回転速度の範囲を設定することができる。また、Ｓ１≦Ｓｔの関係により、流量に対する回転速度の効率を低下させることのない回転速度の範囲を設定することができる。
【０００６】
また、上記エア駆動装置において、供給口からタービン部までの流路方向に対して、タービン部から排出口までの流路方向が、タービン部の回転方向に沿った角度方向を正の値として、−３０度〜９０度の範囲に形成されていてもよい。
この場合、一定の入力条件下では、最大の回転速度に近い回転速度を得ることができる。
【０００７】
また、上記エア駆動装置において、供給口から排出口に至る流路は、タービンシャフトの軸方向から見て、タービン部に対して実質的に一接線方向に形成されていることが好ましい。
この場合、一定の入力条件下では、最大の回転速度を得ることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のエア駆動装置によれば、空気の供給口及び排出口の流路断面積をそれぞれＳ１及びＳ２とし、供給口から排出口へ空気を逃がすことに寄与する逃げ面積をＳｔとした場合において、Ｓ１≦Ｓｔ≦Ｓ２の関係を成り立たせることにより、加工コストや圧縮空気の無駄を省いて所望の回転速度を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態によるエア駆動装置の概略図であり、（ａ）はタービンシャフト３の中心軸を含むように縦に切った状態を示す断面図であり、（ｂ）におけるＡ−Ａ線断面に相当する。また、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面でエア駆動装置を見た断面図である。
【００１０】
図１において、略円筒状のハウジング１内には、転がり軸受２を介して、円柱状のタービンシャフト３が軸周りに回転自在に支持されている。ハウジング１の内面には、転がり軸受２が装着される両側の支持部１ａと、これより内径がやや大きい内洞部１ｂとが形成されており、この内洞部１ｂの内側空間がタービン室Ｃとなる。タービン室Ｃに面するタービンシャフト３の周方向には、流体圧を受けて回転トルクを生じさせるタービン部３Ａが形成されている。当該タービン部３Ａは、例えばエンドミルによって、円弧状の平面からなる底面３ｂと、タービンシャフト３の径方向若しくはそれと平行に切り立っている壁面３ｃとを形成するように孔加工を施し、これを周方向に等間隔で複数個（本例では６個）設けたものである。なお、転がり軸受２は図示しないシールを備えており、軸方向に空気が自由に流通することを防止している。
【００１１】
また、（ｂ）に示すようにハウジング１には、タービンシャフト３の軸方向から見てタービン部３Ａの一接線方向に、空気の供給口１ｃ及び排出口１ｄが形成され、これらは、タービン室Ｃと連通している。こうして、供給口１ｃからタービン室Ｃを経て排出口１ｄに至る閉鎖空間状の流路が形成されている。所定圧の圧縮空気が供給口１ｃに導入されると、その一部はタービン部３Ａの壁面３ｃに吹き付けられ、タービンシャフト３が（ｂ）における時計回り方向に回転する。吹き付けられた圧縮空気は、吹き付けには直接寄与しなかった残余の圧縮空気と共に、タービン室Ｃの上部空間から排出口１ｄへ逃げ、その開口端から排気される。
【００１２】
ここで、供給口１ｃから排出口１ｄへ空気を逃がすことに寄与する流路断面積は、内洞部１ｂとタービンシャフト３との間の、（ａ）における点線のハッチングを付した矩形部分の面積である。これを、空気の「逃げ面積」Ｓｔと定義する。言い換えれば、当該逃げ面積Ｓｔは、図２（図１の（ａ）と同じ切り口の断面図）の紙面上で見た内洞部１ｂの面積（右下がりのハッチングを付した部分）から、その面積エリア内に入っているタービンシャフト３の縦断面積（クロスハッチングを付した部分）を引いて２で割ったものである。
本発明の発明者らは、上記逃げ面積Ｓｔに着目して、これと、供給口１ｃ及び排出口１ｄのそれぞれの流路断面積Ｓ１及びＳ２との大小関係を種々設計変更し、その結果タービンシャフト３の回転速度にどのような影響が出るかを検証した。
【００１３】
図３は、供給空気圧を一定値０．５ＭＰａ、Ｓ１を１．０ｍｍ２とした場合において、Ｓｔ／Ｓ２の値を０近傍から１を超える値までの範囲で変化させて、タービンシャフト３の回転速度（毎分回転数）の変化を検証した結果をグラフ化したものである。また、加工コストの変動も併せてグラフ化した。回転速度のグラフにより明らかなように、Ｓｔ／Ｓ２の値が０から１に近づくにつれて、回転速度は滑らかなカーブを描いて上昇した。しかし、Ｓｔ／Ｓ２＝１で回転速度は上限に達し、それ以上Ｓｔ／Ｓ２の値を大きくしても回転速度は増大しない「飽和」の状態となった。一方、加工コストはＳｔ／Ｓ２の値に比例して増大した。
【００１４】
図３より、１を超えるＳｔ／Ｓ２の値を選択しても回転速度は変わらない。加工コストを考慮すると、１を超えるＳｔ／Ｓ２の値を選択すると回転速度は変わらないにも関わらず、加工コストは増大する。従って、１を超えるＳｔ／Ｓ２の値を選択することは無駄である。
以上の点から、Ｓｔ／Ｓ２は１以下とすべきである。すなわち、
Ｓｔ≦Ｓ２      ．．．（１）
である。この範囲内でＳｔ／Ｓ２の値を選択することにより、無駄を省いて所望の回転速度を得るができる。また、Ｓｔの値をＳ２に近づけるほど、高い回転速度を得ることができる。
【００１５】
次に、図４は、供給空気圧を一定値０．５ＭＰａ、Ｓｔを２．０ｍｍ２、Ｓ２を３．０ｍｍ２とした場合において、Ｓ１の値を０から３．０ｍｍ２を少し超える値までの範囲で変化させて、タービンシャフト３の回転速度（毎分回転数）及び流量（リットル／分）の変化を検証した結果をグラフ化したものである。回転速度のグラフから明らかなように、Ｓ１の値が０から１に近づくにつれて回転速度が急上昇し、１．０より少し手前からやや上昇率が鈍化するも、Ｓ１＝２．０ｍｍ２まで順調に上昇する。そして、２．０ｍｍ２を超えると回転速度が低下に転じる。一方、流量に関しては、Ｓ１の増大に伴って、滑らかに増大するが、３．０ｍｍ２付近では次第に上昇率が鈍化し、飽和の様相を呈する。
【００１６】
図４より、回転速度は、Ｓ１＝２．０ｍｍ２のとき最大となり、この２．０ｍｍ２という値は、Ｓｔの設定値と同じ値である。従って、Ｓ１＝Ｓｔのとき回転速度が最大となる。また、この２．０ｍｍ２を基準として、それ以上・それ以下のどちらの範囲が好ましいかといえば、２．０ｍｍ２以下の範囲では流量と回転速度とが共に増大している。しかし、２．０ｍｍ２以上の範囲では流量が増大して圧縮空気の消費量が増えるにも関わらず回転速度は低下するので、流量に対する回転速度の効率を考慮すると無駄が多い。
以上の点から、２．０ｍｍ２以下が好ましいことがわかる。従って、Ｓ１≦２．０ｍｍ２すなわち、
Ｓ１≦Ｓｔ      ．．．（２）
が好ましい。この範囲内でＳ１の値を選択することにより、無駄を省いて所望の回転速度を得るができる。また、Ｓ１の値をＳｔに近づけるほど、高い回転速度を得ることができる。
【００１７】
上記式（１）及び式（２）より、
Ｓ１≦Ｓｔ≦Ｓ２      ．．．（３）
の関係が維持されることにより、加工コストや圧縮空気の無駄を省いて、所望の回転速度を得ることができる。なお、この式（３）は、流路の上流から下流に向かって狭くなることのない流路断面積を確保することによって、効率よく排気が行われることを表していると解される。
【００１８】
次に、供給口１ｃに対する排出口１ｄの位置関係が回転速度に与える影響について検証した。上記実施形態（図１の（ｂ））に示すように、空気の供給口１ｃに対して排出口１ｄが同一の方向に形成されている場合を、排出口１ｄが０度の位置とする。また、供給口１ｃからタービン部３Ａまでの流路方向に対して、タービン部３Ａから排出口１ｄまでの流路方向が、タービン部３Ａの回転方向に沿った角度方向である場合を正の角度、その逆を負の角度とする。そして、図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示すように、排出口１ｄが−９０度の位置、９０度の位置、１８０度の位置の３種類のエア駆動装置を用意し、それぞれについて一定の供給空気圧の下で、タービンシャフト３の回転速度を調べた。図６は、この結果をプロットして、それらを滑らかな曲線で結んだ状態を示すグラフである。
【００１９】
図６において、回転速度は、排出口１ｄの位置が−９０度のとき最も低い値となる。これは、図５の（ａ）に示すように、排出口１ｄがタービンシャフト３の回転方向に背を向けるような接線方向に延びていることが主な原因と考えられる。一方、回転速度は、排出口１ｄの位置が０度若しくはその付近で最大となる。また、９０度ではやや下がるが、下降の程度は比較的小さい。１８０度ではさらに下がるが、−９０度の位置ほどには下がらない。これは、図５の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、排出口１ｄがタービンシャフト３の回転方向に沿った接線方向に延びているためであると考えられる。
【００２０】
以上の点から、排出口１ｄがタービンシャフト３の回転方向に背を向ける接線方向に延びることは、より高い回転速度を得るためには不適であるといえる。一方、０度、９０度、１８０度の３つの位置における回転速度から明らかなように、空気の流路がタービン部３Ａと接触する区間（角度範囲）が増大するほど回転速度は低下することがわかる。すなわち、タービン部３Ａを巻くように流路を形成するよりも、タービン部３Ａに対する一接線のごとく空気を通過させることが回転速度の増大に効果がある。従って、上記実施形態のように、供給口１ｃ及び排出口１ｄをタービンシャフト３の軸方向から見てタービン部３Ａに対する一接線方向に設けることにより、一定の入力条件下では最大の回転速度を得ることができる。
【００２１】
但し、上記「一接線方向」は、厳密に一接線方向でなくても、供給口１ｃからタービン部３Ａまでの流路方向に対して、タービン部３Ａから排出口１ｄまでの流路方向が、実質的に一接線方向とみなせる程度にわずかな角度を成すものであれば、ほぼ最大の回転速度を得ることができる。また、実用上は一接線上になくてもよく、例えば最大回転速度に近い図６における所定回転速度Ｎを得るためには、ほぼ−３０度から９０度に示す位置の範囲Ａに排出口１ｄを設ければよい。これにより、最大回転速度に近い回転速度を得ることができる。
【００２２】
なお、上記実施形態では排出口１ｄは１つであるが、タービンシャフト３の軸方向にずらして複数（例えば２）の排出口を設けてもよい。この場合も、タービンシャフト３の軸方向から見ると、複数の排出口は一直線状に並んでいることが好ましい。
また、上記実施形態における供給口１ｃ及び排出口１ｄは１組のみであるが、これは基本的な形態であり、種々の応用変形が可能である。例えば図１の（ｂ）における供給口１ｃ及び排出口１ｄと平行、かつ、逆向きに、タービン室Ｃの下方側に他の１組の供給口及び排出口を設けてもよい。さらに、図１の（ｂ）における１組の供給口１ｃ及び排出口１ｄと同じものを、タービンシャフト３の軸方向にずらしながら複数組設けることもできる。この場合、各組で角度的にずらした配置にしてもよい。
【００２３】
また、上記実施形態におけるタービン部３Ａは孔加工により形成したものであるが、逆に、タービンシャフト３の外周面から突設された羽根を設けてもよい。この場合の逃げ面積は、上記実施形態におけるＳｔから、空気が吹き付けられる羽根の面積を減じたものとなる。
また、上記実施形態では転がり軸受２を使用しているが、これは、すべり軸受や、エア軸受であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態によるエア駆動装置の概略図であり、（ａ）はタービンシャフトの中心軸を含むように縦に切った状態を示す断面図であり、（ｂ）におけるＡ−Ａ線断面に相当する。（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面でエア駆動装置を見た断面図である。
【図２】図１の（ａ）と同じ切り口の断面図に、ハウジングの内洞部の面積（右下がりのハッチングを付した部分）及び、その面積エリア内に入っているタービンシャフトの縦断面積（クロスハッチングを付した部分）を表した図である。
【図３】供給空気圧を一定値０．５ＭＰａ、Ｓ１を１．０ｍｍ２とした場合において、Ｓｔ／Ｓ２の値を０近傍から１を超える値までの範囲で変化させて、タービンシャフトの回転速度（毎分回転数）の変化を検証した結果をグラフ化したものである。また、加工コストの変動も併せてグラフ化したものである。
【図４】供給空気圧を一定値０．５ＭＰａ、Ｓｔを２．０ｍｍ２、Ｓ２を３．０ｍｍ２とした場合において、Ｓ１の値を０から３．０ｍｍ２を少し超える値までの範囲で変化させて、タービンシャフトの回転速度（毎分回転数）及び流量（リットル／分）の変化を検証した結果をグラフ化したものである。
【図５】供給口に対する排出口の位置関係が異なる３種類のエア駆動装置を示す断面図であり、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、タービン部から排出口までの流路が−９０度の位置、９０度の位置、１８０度の位置にあるエア駆動装置を示している。
【図６】図１の（ｂ）及び図５に示すように排出口の位置が異なる４種類のエア駆動装置について、一定の供給空気圧の下でタービンシャフトの回転速度を調べた結果をプロットして、それらを滑らかな曲線で結んだ状態を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２５】
１    ハウジング
１ｃ  供給口
１ｄ  排出口
３    タービンシャフト
３Ａ  タービン部
Ｃ    タービン室
【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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【図６】
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