(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を動力伝達の媒体とし、原動機で駆動する駆動軸に設けたポンプ作用羽根が流体に与えた運動エネルギーにより被動軸に設けた水車作用羽根を回転して動力を伝達する流体継手において、
駆動軸側と被動軸側の間にクラッチを設け、前記ポンプ作用羽根と水車作用羽根の部分に充油して回転動力を伝達している状態で、前記クラッチを結合して駆動軸と被動軸を同一回転速度として動力伝達を行うことを可能とし、
前記クラッチを作動させる油圧ポンプの吐出し回路にクラッチ用切替弁を設け、ミニマムフローを確保するためのバイパスオリフィスを前記クラッチ用切替弁に対して並列に付加してバイパス回路を接続し、クラッチ開放時にも作動油をクラッチ作動用シリンダ室内部に少量ずつ供給するようにしたことを特徴とする流体継手。
【請求項２】
流体を動力伝達の媒体とし、原動機で駆動する駆動軸に設けたポンプ作用羽根が流体に与えた運動エネルギーにより被動軸に設けた水車作用羽根を回転して動力を伝達する流体継手において、
駆動軸側と被動軸側の間にクラッチを設け、前記ポンプ作用羽根と水車作用羽根の部分に充油して回転動力を伝達している状態で、前記クラッチを結合して駆動軸と被動軸を同一回転速度として動力伝達を行うことを可能とし、
前記クラッチを作動させる油圧ポンプの吐出し回路に、逆止弁を設置し、クラッチ作動油配管内の油の流失を防止するようにしたことを特徴とする流体継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は駆動軸側から被動軸側に流体の運動エネルギーを利用して動力を伝達する流体継手に係り、特にクラッチ機構を設けて駆動軸と被動軸を機械的に結合し、両軸の回転速度を同一にすることによりすべり損失をなくし、原動機から被動機への動力伝達効率の向上を図ることができる流体継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から駆動軸にポンプ作用羽根を結合するとともに被動軸に水車作用羽根を結合し、ケーシング内部に満たされた流体を介して駆動軸から被動軸に動力伝達を行う流体継手が知られており、この流体継手には定速回転型流体継手と可変速型流体継手がある。
従来、可変速型流体継手においては、スクープチューブを使用して、同継手内の作動油量を増減させて、負荷側の回転速度を最高回転速度から最低回転速度まで無段階に変化させるようにしている。このとき、動力伝達媒体が液体であるため、動力伝達の損失は回転速度の低下になって現れるので、流体継手内にたとえ１００％充油しても、被動軸の最高回転速度は、駆動軸のそれには合致せず、２〜３％低下した値になる。
【０００３】
熱間圧延設備に用いられるデスケーリングポンプにおいては、同圧延設備の運用上の理由から急加速回転速度制御（約５秒以内）が不可欠であり、そのために急変速流体継手が使用される。急変速流体継手は羽根車内の油量を急速に充油、排油させ、伝達トルクを最大（充油時：最高回転速度）から最小（排油時：最低回転速度）まで変化させることにより急変速運転を行う流体継手であり、充油／排油は作動油切替弁の開閉により羽根車内の油量を充満またはほぼ空状態にすることによって行う。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、省エネルギー問題がクローズアップされており、この流体継手における駆動軸と被動軸のすべりによる動力損失も省エネルギーの対象項目として取り上げられ、高速回転時のすべりをなくすことによる省エネルギーが課題となっている。
【０００５】
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、駆動軸側と被動軸側の間にクラッチ機構を設けて原動機からの駆動軸回転速度と被動軸回転速度を同一にすることにより、そのスリップ（すべり）損失をなくし、動力伝達効率の向上を図ることができる流体継手を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため本発明の第１の態様は、流体を動力伝達の媒体とし、原動機で駆動する駆動軸に設けたポンプ作用羽根が流体に与えた運動エネルギーにより被動軸に設けた水車作用羽根を回転して動力を伝達する流体継手において、駆動軸側と被動軸側の間にクラッチを設け、前記ポンプ作用羽根と水車作用羽根の部分に充油して回転動力を伝達している状態で、前記クラッチを結合して駆動軸と被動軸を同一回転速度として動力伝達を行うことを可能とし、前記クラッチを作動させる油圧ポンプの吐出し回路にクラッチ用切替弁を設け、ミニマムフローを確保するためのバイパスオリフィスを前記クラッチ用切替弁に対して並列に付加してバイパス回路を接続し、クラッチ開放時にも作動油をクラッチ作動用シリンダ室内部に少量ずつ供給するようにしたことを特徴とするものである。
【０００７】
本発明によれば、流体継手の駆動軸側と被動軸側の間にクラッチを設け、被動軸の回転速度が最高速度に達した以降はクラッチを接続して、駆動軸と被動軸を機械的に結合して駆動軸と被動軸との間のすべりをなくすことができる。クラッチは、例えば構造が簡単で制御が容易な多板クラッチを使用し、油圧ポンプによってクラッチに作動油を供給して油圧でクラッチの着脱を行う。そして、本発明においては、クラッチを作動させる油圧ポンプの吐出し回路に、ミニマムフロー回路を設置し、クラッチ開放時に作動油をクラッチ作動用シリンダ室内部に少量づつ供給するように構成し、クラッチ作動開始時に、クラッチが速やかに動作を開始し、駆動軸側から被動軸側に全トルクを伝達できるようにしている。
【０００８】
本発明の第２の態様は、流体を動力伝達の媒体とし、原動機で駆動する駆動軸に設けたポンプ作用羽根が流体に与えた運動エネルギーにより被動軸に設けた水車作用羽根を回転して動力を伝達する流体継手において、駆動軸側と被動軸側の間にクラッチを設け、前記ポンプ作用羽根と水車作用羽根の部分に充油して回転動力を伝達している状態で、前記クラッチを結合して駆動軸と被動軸を同一回転速度として動力伝達を行うことを可能とし、前記クラッチを作動させる油圧ポンプの吐出し回路に、逆止弁を設置し、クラッチ作動油配管内の油の流失を防止するようにしたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明によれば、クラッチを作動させる油圧ポンプの吐出し回路に、逆止弁を設置し、クラッチ作動油配管内の油の流出を防止するようにし、クラッチ作動開始時に、クラッチが速やかに動作を開始し、駆動軸側から被動軸側に全トルクを伝達できるようにしている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る流体継手の一実施形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の流体継手の第１の実施形態の全体システムを示す系統図であり、図２は図１に示す流体継手の動力伝達部の詳細構造を示す断面図である。
本発明の流体継手は駆動軸側と被動軸側の間に多板クラッチを備えている。多板クラッチを流体継手に用いた場合には、別に設けた油圧ポンプにより作動油をクラッチに付属する油圧シリンダに供給して、シリンダ室で発生した遠心油圧力を利用して内蔵するピストンにより多板クラッチを押し付けてクラッチを接続する。
外部から作動油を圧送する油圧ポンプは、別に備える電動機を用いて駆動する方法もあれば、駆動機からベルトあるいは歯車伝達方式により駆動する方法もある。
【００１１】
図１に示すように、駆動軸１はラジアル軸受２およびスラスト軸受３により回転自在に支持されている。駆動軸１の先端部には、ポンプ作用羽根（インペラ）４、流体継手ハウジング２０及びクラッチ室１３が固定されている。クラッチ室１３内には、複数の駆動側摩擦板７及びクラッチ用ピストン１１等が装備されている。そして、クラッチ室１３とクラッチ用ピストン１１とによりシリンダ室１０が画成されている。
【００１２】
駆動軸１に隣接して被動軸９が配置されており、被動軸９はラジアル軸受２及びスラスト軸受３により回転自在に支持されている。被動軸９の先端部には、水車作用羽根（ランナ）５が固定されており、水車作用羽根５はポンプ作用羽根４に対向して配置されている。
被動軸９には複数の被動側摩擦板１２が装備されており、これらの被動側摩擦板１２はクラッチ室１３内で駆動側摩擦板７と交互に配列されている（図２参照）。交互に配列されたクラッチ板としての駆動側摩擦板７と被動側摩擦板１２とは多板クラッチを構成している。なお、符号２２はクラッチ室１３内で固定されている固定板である（図２参照）。
【００１３】
図１に示すように、流体継手ケース３０の下部には作動油が貯留されており、油圧ポンプ１６により作動油を加圧し、作動油を流体継手作動油最小油量設定オリフィス３２を経由して流体継手給油管１７により、流体継手のポンプ作用羽根４にほぼ無圧〜約０．２ＭＰａで供給する。このとき供給される油量は作動油排出ノズル６から排出される油量よりも少ないため、流体継手は最低回転速度で運転されている。このとき流体継手用作動油切替弁１５を開くと、作動油は流体継手用作動油切替弁１５を経由して流体継手給油管１７により流体継手のポンプ作用羽根４にほぼ無圧〜約０．２ＭＰａで供給される。
供給された作動油は、ポンプ作用羽根４によって運動エネルギーを与えられて、水車作用羽根５に入り、水車作用羽根５にエネルギーを与えて被動軸９に動力を伝達する。
【００１４】
ポンプ作用羽根４および水車作用羽根５を含む流体継手ハウジング２０内に供給された作動油は、作動油排出ノズル６から排出されて流体継手ケース３０の下部に戻る。流体継手給油管１７からの給油量は作動油排出ノズル６からの排出量よりも非常に多いため、流体継手ハウジング２０内には急速に作動油が充満し、被動軸９の回転速度も急上昇して最高回転速度になる。この最高回転速度の時には、駆動軸１と被動軸９との間には、通常２〜３％のすべり（スリップ）が生じ、被動軸９は若干遅れて回転する。
【００１５】
この状態でクラッチ用切替弁１４を開にして、油圧ポンプ１６によりクラッチ給油管１８に作動油を供給すると、クラッチ給油管１８を介してシリンダ室１０に入った作動油はクラッチ室１３の内面及びクラッチ用ピストン１１との摩擦でクラッチ室１３とほぼ同一の回転速度で回転を始める。そのため、シリンダ室１０内に作動油の回転に伴う遠心力で圧力が発生し、この圧力によりクラッチ用ピストン１１が押し出されて多板クラッチにおける駆動側摩擦板７を被動側摩擦板１２に向かって押圧する。複数の駆動側摩擦板７と被動側摩擦板１２とが交互に重なっているので被動側摩擦板１２も駆動側摩擦板７と同一の回転速度で回転し、駆動軸１と被動軸９がすべりなしの同一回転速度で回転して駆動軸１から被動軸９へ動力を伝達する。
【００１６】
クラッチ室１３の外周部にはクラッチ作動油排出ノズル８が装備されており、駆動軸１の回転によって常にクラッチ室１３内の作動油を少量ずつ排出している。したがって、クラッチ用切替弁１４を閉にすれば、シリンダ室１０内の作動油がなくなり、その結果、クラッチ用ピストン１１が駆動側摩擦板７を押圧する押圧力がなくなるため、クラッチに付属するばねによりクラッチは解除され、動力伝達はなくなる。なお、作動油排出ノズル６およびクラッチ作動油排出ノズル８は油戻り管１９に接続されている。
【００１７】
このときは、まだ、流体継手ハウジング２０内に作動油が充満しているため、流体継手羽根間による動力伝達作用も行われているので、クラッチによる動力伝達上昇が少なく滑らかに動力伝達が行われる。
これらの機構により、動力伝達損失は零になり、省エネルギー効果を発揮できる。
【００１８】
図２は多板クラッチを内蔵した図１に示す流体継手の動力伝達部の詳細構造を示す断面図である。
図２に示すように、流体継手ハウジング２０にはクラッチ室１３が固定されている。また水車作用羽根５にはクラッチハブ２１が固定されている。そして、クラッチ室１３には駆動側摩擦板７が駆動軸１の軸方向に移動可能に保持されており、クラッチハブ２１には被動側摩擦板１２が被動軸９の軸方向に移動可能に保持されている。すなわち、駆動側摩擦板７はクラッチ室１３と一体に回転するが、クラッチ室１３に対して軸方向に移動可能であり、被動側摩擦板１２はクラッチハブ２１と一体に回転するが、クラッチハブ２１に対して軸方向に移動可能である。
【００１９】
前記クラッチ室１３内には、クラッチ用ピストン１１が配置されており、クラッチ室１３内のシリンダ室１０に作動油を供給すると、前述したように、シリンダ室１０内に遠心圧力が発生し、駆動側摩擦板７を被動側摩擦板１２に押圧し、多板クラッチが結合状態となる。したがって、駆動軸１と被動軸９がすべりなしの同一の回転速度で回転する。またクラッチ室１３とクラッチハブ２１との間にはラジアル軸受３１が介装されている。なお、符号２３はクラッチ油給油口、符号２４は流体継手給油口である。
【００２０】
図１に示す流体継手において、上述したようにクラッチ用切替弁１４を開にして、クラッチを結合させて駆動軸１と被動軸９間の直結運転に入る場合、クラッチ室１３内、及びクラッチ用切替弁１４とクラッチ室１３内とを結ぶ配管内に作動油がない状態から作動油を供給しなければならない。これは、作動油の供給を停止すると遠心力によりクラッチ作動油排出ノズル８から作動油が排出されるためである。また、クラッチ室１３内の圧力が低下するので配管内に残留した作動油も吸い出されるため、クラッチ室１３内、及びクラッチ用切替弁１４とクラッチ室１３とを結ぶ配管内に作動油を充満させるための供給時間が必要になり、クラッチ用切替弁１４を開にしてから加速開始までの無駄時間が増えるため、クラッチ連結までの時間が長くなる。
急変速流体継手は、立上げ及び立下げ時間を最短にするという条件で運転され、特に立ち上がりの時間が重要視されるため、この無駄時間を最小にする必要がある。
【００２１】
そのため、本発明においては、上記の多板クラッチを備えた急変速流体継手を備えた装置において、クラッチ作動のためにクラッチ用切替弁１４を開にしたら、最短時間でクラッチが作動開始するように、クラッチが解除されている間にも、作動油供給回路に極少量の作動油を流しておくように、ミニマムフロー回路を具備したものである。即ち、図１に示すように、クラッチ室１３へ通じる油圧ポンプ１６の吐出し配管中に、ミニマムフローを確保するためのバイパスオリフィス１４−１をクラッチ用切替弁１４に対して並列に付加してバイパス回路１８−１を付加接続している。
【００２２】
クラッチ解除時には、クラッチ用切替弁１４が閉になっても、バイパスオリフィス１４−１を具備したバイパス回路１８−１から極少量の作動油をクラッチのシリンダ室１０に供給する。このバイパス回路１８−１を通じて供給される作動油量をあらかじめ極少量に限定して、排出する流量との差がピストン作動のための圧力にならないように設定しておけば、クラッチのシリンダ室１０内の圧力は上昇せず、ピストンによりクラッチ板を押圧することはない。たとえ、極少量の作動油がシリンダ室１０に入っても、クラッチ作動油排出ノズル８から常に作動油は排出されるので、作動油の遠心力に起因して発生する圧力は低いため、クラッチ板を結合して動力伝達するようなことはない。逆に、ピストンを作動させる時には、クラッチ用切替弁１４を開にして、既に内部に存在する作動油に新たに作動油を加えれば、シリンダ室１０内に全く作動油が存在しない状態で加える場合よりクラッチの作動開始までの時間が短縮される。即ち、本発明によれば、クラッチを作動させる油圧ポンプの吐出し回路に、ミニマムフロー回路を付設して、クラッチ開放時にも作動油をクラッチ内部に少量ずつ供給し、クラッチ作動開始時に、クラッチが速やかに動作を開始し、駆動軸側から被動軸側に全トルクを伝達できる。また、このバイパスオリフィスの代わりにクラッチ用切替弁の弁体に適切な径の穴をあけても同様の作用を行うことができる。
【００２３】
なお、流体継手用作動油切替弁１５に並列に流体継手作動油最小油量設定オリフィス３２を具備した回路が付加接続されている。
【００２４】
図３は本発明の流体継手の第２の実施形態を示す系統図である。第２の実施形態においては、バイパスオリフィス１４−１を具備したバイパス回路１８−１に代えて、クラッチ給油管１８におけるシリンダ室１０の近傍に逆止弁２５を設置している。クラッチ給油管１８に設けられた逆止弁２５により、クラッチ用切替弁１４を閉にした場合に、クラッチ給油管１８内の作動油の流失が防止されるようになっている。図３に示す構成を具備した流体継手は図１に示す流体継手と同様の効果が得られる。
【００２５】
次に、図１又は図３に示すように構成された流体継手の運転パターンの一例を図４を参照して説明する。図４において、横軸は時間を表し、縦軸は回転速度を表している。図４には、原動機が定格回転速度（入力回転速度）で回転していて、被動機の回転速度が流体継手およびクラッチの状態により変化することが示されている。また、図４には急速切替弁（流体継手用作動油切替弁１５）の開閉状態が示され、さらにクラッチＯＮ／ＯＦＦ弁（クラッチ用切替弁１４）の開閉状態が示されている。
原動機は定格回転速度（入力回転速度）で回転しており、急速切替弁（流体継手用作動油切替弁１５）が閉のとき、ポンプ作用羽根４、水車作用羽根５および流体継手ハウジング２０で形成される流体継手作動用室内に流体継手作動油最小油量設定オリフィス３２によって規定された作動油量が供給され、被動機の回転速度が図４に示されるように最低回転速度となる。
【００２６】
次に、急速切替弁を開き、油圧ポンプ１６により作動油を加圧し、作動油をポンプ作用羽根４にほぼ無圧〜約０．２ＭＰａで供給する。すると、流体継手が充油して被動機の回転速度は流体継手によるすべりを含んだ最高回転速度まで急速に昇速される（約５ｓｅｃ以内）。次に、クラッチＯＮ／ＯＦＦ弁（クラッチ用切替弁１４）を開き、クラッチに作動油を供給すると、多板クラッチが作動して被動機の回転速度が増速される。この場合、油圧ポンプの吐出し回路に設置されたミニマムフロー回路（バイパス回路１８−１）又は逆止弁２５により、図４に示す時間Ｔ部分における加速を開始するまでの時間（タイムラグ）を短くすることができる。そして、図４に示すように、すぐに原動機と被動機とがすべりなしの同一回転速度で回転して動力を伝達する。この状態では、流体継手とクラッチとが作動して動力伝達を行っている。
【００２７】
その後、流体継手用作動油切替弁１５を閉じ、クラッチのみにより動力伝達を行う。このクラッチのみによる動力伝達を所定時間を行った後、再び急速切替弁を開き、流体継手とクラッチによる動力伝達を所定時間行なう。その後、クラッチＯＮ／ＯＦＦ弁を閉じ、流体継手のみによる動力伝達に切り替える。この流体継手のみによる動力伝達では、被動機の回転速度は徐々に低下していき、やがて、流体継手によるすべりを含んだ最高回転速度まで減速される。次に、急速切替弁を閉じると、被動機の回転速度（出力回転速度）は減速して、最終的に最低回転速度に減速される。これにより、Ｔａ  ｓｅｃ（秒）の１サイクルが終了する。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による流体継手は従来どおり大型回転機械の始動と停止を容易に行え、かつ急加速運転及び最高回転速度（規定回転速度）と最低回転速度の２段階変速運転が行えるにもかかわらず、大型回転機械を始動して規定回転速度に達した後は、流体継手の駆動軸と被動軸を機械的に結合して回転のすべりをなくすことができ、省エネルギーを達成することができる。そして、本発明によれば、クラッチの接合開始時に、クラッチの動作開始の遅れが少なくなり、急変速流体継手の特性を損なうことなく、全速運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る流体継手の第１の実施形態の全体システムを示す系統図である。
【図２】図１に示す流体継手の動力伝達部の詳細構造を示す断面図である。
【図３】本発明の流体継手の第２の実施形態を示す系統図である。
【図４】本発明の流体継手の運転パターンの一例を示す図である。
【符号の説明】
１    駆動軸
２，３１    ラジアル軸受
３    スラスト軸受
４    ポンプ作用羽根（インペラ）
５    水車作用羽根（ランナ）
６    作動油排出ノズル
７    駆動側摩擦板
８    クラッチ作動油排出ノズル
９    被動軸
１０    シリンダ室
１１    クラッチ用ピストン
１２    被動側摩擦板
１３    クラッチ室
１４    クラッチ用切替弁
１４−１    バイパスオリフィス
１５    流体継手用作動油切替弁
１６    油圧ポンプ
１７    流体継手給油管
１８    クラッチ給油管
１８−１    バイパス回路
１９    油戻り管
２０    流体継手ハウジング
２１    クラッチハブ
２２    固定板
２３    クラッチ油給油口
２４    流体継手給油口
２５    逆止弁
３０    流体継手ケース
３２    流体継手作動油最小油量設定オリフィス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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