(57)【要約】【課題】ハウジングの上部に設けられる軸受の潤滑剤の早期枯渇を防止して、メンテナンス周期の延長を図ることができると共に、軸受の性能を長期間にわたって良好に維持することができる垂直軸風車の増速機を提供する。【解決手段】増速機１は、縦向きに配置された入力軸２を有する。入力軸２は、互いに正面組合せで配置された円すいころ軸受である上側軸受６と下側軸受とで、回転自在に支持される。上側軸受６は、軸受蓋１２で覆われる。軸受蓋１２は、内周壁２１と外周壁２２との間に円環状のグリース保持空間２４が形成されている。グリース保持空間２４は、内周壁２１の外径寸法Ｄ１が上側軸受６の外輪６ａの内径寸法Ｄ２よりも大きく、かつ内周壁２１の下端が、上側軸受６の外輪６ａの上側の幅面に対して隙間δを介して対向している。【選択図】図２
2019052598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングに互いに平行に縦向きに配置されて上端が前記ハウジングから突出する入力軸および出力軸と、これら入力軸および出力軸にそれぞれ設けられ、互いに噛み合う入力側ギヤおよび出力側ギヤと、前記ハウジングの上側壁部および下側壁部に設置されて前記入力軸と前記出力軸をそれぞれ回転自在に支持する入力軸用と出力軸用の上側軸受および下側軸受と、前記入力軸用の上側軸受および前記出力軸用の上側軸受のいずれかまたは両方の上方をそれぞれ個別に覆うように前記ハウジングの上面に取り付けられた軸受蓋とを備える垂直軸風車の増速機であって、
前記上側軸受と前記下側軸受とが互いに正面組合せの円すいころ軸受であり、
前記軸受蓋は、この軸受蓋が覆う上側軸受である対象上側軸受が支持する前記入力軸または前記出力軸の外周に位置する内周壁を有し、この内周壁と前記軸受蓋の外周壁との間に円環状のグリース保持空間が形成され、このグリース保持空間は、前記内周壁の外径寸法が前記対象上側軸受の外輪の内径寸法よりも大きく、かつ前記内周壁の下端が、前記対象上側軸受の外輪の上側の幅面に対して隙間を介して対向していることを特徴とする垂直軸風車の増速機。
【請求項２】
請求項１に記載の垂直軸風車の増速機において、前記軸受蓋は、外部から前記グリース保持空間にグリースを供給するためのグリース供給口と、このグリース供給口から離れて位置し前記グリース保持空間の内圧を調整する圧力調整弁とを有する垂直軸風車の増速機。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の垂直軸風車の増速機において、前記グリース保持空間に充填されるグリースは、グリースを熱硬化性樹脂で固形化した熱固化型グリースである垂直軸風車の増速機。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の垂直軸風車の増速機において、前記軸受蓋の前記内周壁と、前記入力軸および前記出力軸のうちの前記対象上側軸受が回転自在に支持する軸とのシール部がラビリンス構造である垂直軸風車の増速機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、風力発電装置として用いられる垂直軸風車の増速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境意識の高まりを受け、環境に優しいクリーンなエネルギーへの需要が高まっている。クリーンエネルギーを代表するものの一つに風力発電がある。風力発電は、風の力をトルクに変換し、そのトルクを使用して発電するので、環境への負荷が少ない。
【０００３】
風力発電装置は、一般に自然環境下に設置され、基本的には不規則な風エネルギーを動力として稼働するので、風力発電装置の構成要素には比較的大きく変動するトルクが作用する。このようなトルク変動は、前記構成要素の寿命短縮につながる。風力発電装置は設備の初期投資額が高額であり、また高所に設置されメンテナンスが困難であることから、風力発電装置の構成要素には長寿命であることが要求される。
風力発電装置における不規則トルクの影響を受ける構成要素としては、風車の主軸の回転を増速させる増速機（例えば特許文献１）、ナセルのヨー駆動装置やブレードのピッチ制御装置に設けられる減速機（例えば特許文献２，３）等がある。これら増速機や減速機に設けられる軸受の潤滑性能を高めることが、当該構成要素の長寿命化に繋がる。
【０００４】
特許文献１に記載の増速機は、水平軸風車の増速機であり、遊星歯車機構が使用されている。この文献には、歯車、軸受、および支持部材のうちの少なくとも２者同士を相対的に径方向に微小変位を可能とする隙間を形成し、この隙間に液体、例えば潤滑剤を封入することにより、風速や風向の急変等に起因して発生する増速機内の歯車への強い衝撃に対してダンパー効果を発揮させることが記載されている。軸受の潤滑性能に関する記載はない。
【０００５】
特許文献２に記載の減速機は、ヨー駆動装置用の減速機であり、従来のオイル潤滑に代えてグリース潤滑にしたものである。具体的には、上側に配置された高速段の減速機構と下側に配置された低速段の減速機構の両方をグリース潤滑し、グリースの給脂口を高速段の減速機構に設ける。これにより、複雑な構造のシールを排除しつつ、風力発電装置に特有の予期せぬ巨大な荷重に対してオイル漏れを防ぐことを可能としている。グリース潤滑の対象は、各減速機構に設けられているギヤ、軸受等のすべてであり、特定の軸受を潤滑の対象としているものではない。
【０００６】
特許文献３に記載の風力発電装置の減速装置は、前段と後段の各減速機構の間に、トルクリミッタ機構を有するカップリングが配置され、前段減速機構が収容されている空間とカップリングが収容されている空間とをシールするオイルシールが設けられている。このため、前段減速機構をオイルシールによりシールされた状態でカップリングから分離可能であり、メンテナンス作業が容易である。この提案は、メンテナンス作業の利便性を向上させることが目的であり、軸受の潤滑とは関係ない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５８３６０３５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１６３５５号公報
【特許文献３】特開２０１２−２２５４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
風力発電装置に用いられる風車には水平軸風車と垂直軸風車とがあるが、垂直軸風車は、風向を問わずに回転が得られて、翼の回転音が比較的静粛であることから、比較的小型の風車として開発が進められている。垂直軸風車を用いた風力発電装置の場合、垂直軸風車から下方に延びる主軸の下端に増速機の入力軸が接続される。
【０００９】
図４は、垂直軸風車の増速機の内部構造の一例を示す断面図である。入力軸２および出力軸３は、増速機１のハウジング１１に設置された入力軸用および出力軸用の各上下一対の軸受６，７，８，９によって、それぞれ回転自在に支持される。ハウジング１１の内部には、下側の軸受７，９や入力側ギヤ４および出力側ギヤ５を潤滑および冷却するための潤滑油が封入される。上側の軸受６，８については、ハウジング１１内の潤滑油による潤滑が難しいことから、グリース潤滑するのが一般的である。
【００１０】
グリース潤滑の方法としては、使用に先立って予め軸受６，８に十分な量のグリースを給脂する方法がある。また、図４の例に示されているように、上側の軸受６の上方を覆う軸受蓋３０に、軸受６にグリースを供給する給脂口３１を設ける方法がある。図４では、入力軸用の上側の軸受６のグリース潤滑のみを示しているが、出力軸用の上側の軸受８についても同様にグリース潤滑を行うことができる。
【００１１】
しかし、予め十分な量のグリースを給脂する方法は、運転により軸受６，８の転動面からグリースの基油が徐々に排出されるため、早晩に潤滑剤が枯渇し、良好な潤滑性能が得られなくなる。
また、給脂口３１を設ける方法は、ある程度の頻度で定期的に給脂を行わなければならず、メンテンス作業が容易でない。
【００１２】
この発明の目的は、ハウジングの上部に設けられる軸受の潤滑剤の早期枯渇を防止して、メンテナンス周期の延長を図ることができると共に、軸受の性能を長期間にわたって良好に維持することができる垂直軸風車の増速機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明の垂直軸風車の増速機は、ハウジングに互いに平行に縦向きに配置されて上端が前記ハウジングから突出する入力軸および出力軸と、これら入力軸および出力軸にそれぞれ設けられ、互いに噛み合う入力側ギヤおよび出力側ギヤと、前記ハウジングの上側壁部および下側壁部に設置されて前記入力軸と前記出力軸をそれぞれ回転自在に支持する入力軸用と出力軸用の上側軸受および下側軸受と、前記入力軸用の上側軸受および前記出力軸用の上側軸受のいずれかまたは両方の上方をそれぞれ個別に覆うように前記ハウジングの上面に取り付けられた軸受蓋とを備える。
この垂直軸風車の増速機において、前記上側軸受と前記下側軸受とが互いに正面組合せの円すいころ軸受であり、前記軸受蓋は、この軸受蓋が覆う上側軸受である対象上側軸受が支持する前記入力軸または前記出力軸の外周に位置する内周壁を有し、この内周壁と前記軸受蓋の外周壁との間に円環状のグリース保持空間が形成され、このグリース保持空間は、前記内周壁の外径寸法が前記対象上側軸受の外輪の内径寸法よりも大きく、かつ前記内周壁の下端が、前記対象上側軸受の外輪の上側の幅面に対して隙間を介して対向していることを特徴とする。
前記隙間の大きさは、後段の説明において、グリース保持空間のグリースから分離した基油が微量ずつ漏れ出す程度である。
【００１４】
この構成の垂直軸風車の増速機は、軸受蓋のグリース保持空間にグリースを充填して使用される。グリース保持空間は、その内周壁の下端と対象上側軸受の外輪の上側幅面との間の隙間を介して、対象上側軸受における外輪と内輪との間の軸受空間と繋がっている。グリース保持空間の大半部分は、前記隙間よりも上側に位置する。このため、グリース保持空間内のグリースから分離した基油が、重力によって前記隙間を通って少しずつ流れ出し、対象上側軸受の外輪の上側幅面を伝って対象上側軸受の転動面に供給される。
【００１５】
ところで、円すいころ軸受は、回転による遠心力で、軸受空間に存在する流体を小径側から大径側へ送る作用を奏する。この発明の構成の場合、上側軸受と下側軸受とが互いに正面組合せであるため、上側軸受については、流体は上側から下側へ送られる。上記円すいころ軸受の作用により、グリース保持空間から対象上側軸受へグリースの基油が安定して供給される。
【００１６】
このようにグリースの基油が対象上側軸受の転動面に少しずつ供給されるため、ハウジング内の潤滑油では潤滑が困難な対象上側軸受についても、潤滑剤を枯渇させることなく、長期間にわたって良好に潤滑状況を維持することができる。これにより、対象上側軸受の故障が予防され、またメンテナンス周期の延長を図ることができる。
【００１７】
この発明において、前記軸受蓋は、外部から前記グリース保持空間にグリースを供給するためのグリース供給口と、このグリース供給口から離れて位置し前記グリース保持空間の内圧を調整する圧力調整弁とを有していてもよい。
この場合、グリース供給口からグリース保持空間内にグリースを補給することができる。また、圧力調整弁によりグリース保持空間の内圧を調整することで、グリースの基油の供給量を任意に変えることができる。さらに、圧力調整弁によりグリース保持空間の負圧を抑制し、グリースの基油の供給が滞ることを防止できる。
【００１８】
この発明において、前記グリース保持空間に充填されるグリースは、グリースを熱硬化性樹脂で固形化した熱固化型グリースであってもよい。
熱固化型グリースは、一度加熱し冷却することで、多量の基油を保持したまま硬化する。このため、強い振動や大きな遠心力が作用しても基油が必要以上に分離することがなく、長期間に亘って対象上側軸受に基油を供給することができる。
【００１９】
この発明において、前記軸受蓋の前記内周壁と、前記入力軸および前記出力軸のうちの前記対象上側軸受が回転自在に支持する軸とのシール部がラビリンス構造であってもよい。
前記シール部がラビリンス構造であると、シール部の摩擦トルクが低減されるため、発電効率が向上する。
【発明の効果】
【００２０】
この発明の垂直軸風車の増速機は、ハウジングに互いに平行に縦向きに配置されて上端が前記ハウジングから突出する入力軸および出力軸と、これら入力軸および出力軸にそれぞれ設けられ、互いに噛み合う入力側ギヤおよび出力側ギヤと、前記ハウジングの上側壁部および下側壁部に設置されて前記入力軸と前記出力軸をそれぞれ回転自在に支持する入力軸用と出力軸用の上側軸受および下側軸受と、前記入力軸用の上側軸受および前記出力軸用の上側軸受のいずれかまたは両方の上方をそれぞれ個別に覆うように前記ハウジングの上面に取り付けられた軸受蓋とを備え、前記上側軸受と前記下側軸受とが互いに正面組合せの円すいころ軸受であり、前記軸受蓋は、この軸受蓋が覆う上側軸受である対象上側軸受が支持する前記入力軸または前記出力軸の外周に位置する内周壁を有し、この内周壁と前記軸受蓋の外周壁との間に円環状のグリース保持空間が形成され、このグリース保持空間は、前記内周壁の外径寸法が前記対象上側軸受の外輪の内径寸法よりも大きく、かつ前記内周壁の下端が、前記対象上側軸受の外輪の上側の幅面に対して隙間を介して対向しているため、ハウジングの上部に設けられる軸受の潤滑剤の早期枯渇を防止して、メンテナンス周期の延長を図ることができると共に、軸受の性能を長期間にわたって良好に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る垂直軸風車の増速機の縦断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】この発明の第２の実施形態に係る垂直軸風車の増速機における入力軸用上側軸受蓋とその周辺部を示す断面図である。
【図４】従来の垂直軸風車の増速機の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
この発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１の実施形態］
図１は第１の実施形態に係る垂直軸風車の増速機の縦断面図である。この垂直軸風車の増速機１は、入力軸２および出力軸３が互いに平行に縦向きに配置され、これら入力軸２および出力軸３にそれぞれ設けられた入力側ギヤ４および出力側ギヤ５が互いに噛み合っている。入力側ギヤ４および出力側ギヤ５は、例えばヘリカルギヤである。
【００２３】
前記入力軸２は、入力側ギヤ４の軸方向両側にそれぞれ位置する入力軸用の軸受６，７によってハウジング１１に回転自在に支持されている。また、前記出力軸３は、出力側ギヤ５の軸方向両側にそれぞれ位置する出力軸用の軸受８，９によってハウジング１１に回転自在に支持されている。各軸受６，７，８，９は、いずれも円すいころ軸受である。また、一対の入力軸用の軸受６，７および一対の出力軸用の軸受８，９は、いずれも正面組合せで配置されている。
なお、以下の説明では、軸受６，８を「上側軸受」と称し、軸受７，９を「下側軸受」と称する場合がある。
【００２４】
ハウジング１１は、入力軸用の上側軸受６および出力軸用の上側軸受８が設けられた水平状の上側壁部１１ａと、入力軸用の下側軸受７および出力軸用の下側軸受９が設けられた水平状の下側壁部１１ｂと、これら上側壁部１１ａおよび下側壁部１１ｂの外周縁同士を繋ぐ筒状の立壁部１１ｃとからなる。
【００２５】
入力軸２は上側壁部１１ａを突き抜けて上方へ延び、その上端の入力端に、垂直軸風車（図示せず）の主軸が直接または間接的に接続される。また、出力軸３は上側壁部１１ａを突き抜けて上方へ延び、その上端の出力端に、発電機（図示せず）の主軸が直接または間接的に接続される。入力軸２および出力軸３の下端は、下側壁部１１ｂよりも少し下方に突出している。
【００２６】
ハウジング１１の上側壁部１１ａの上面には、入力軸用上側軸受蓋１２が取り付けられている。入力軸用上側軸受蓋１２は、入力軸２とシールされた状態で入力軸用の上側軸受６の上側を覆っている。図１の例の場合、入力軸用の上側軸受６が請求項で言う「対象上側軸受」である。なお、図１には図示されていないが、出力軸用の上側軸受８を覆う出力軸用上側軸受蓋が設けられていてもよい。
【００２７】
ハウジング１１の下側壁部１１ｂの下面には、入力軸用下側軸受蓋１４および出力軸用下側軸受蓋１５が取り付けられている。入力軸用下側軸受蓋１４は、入力軸２の下端および入力軸用の下側軸受７の下端を覆っている。出力軸用下側軸受蓋１５は、出力軸３の下端および出力軸用の下側軸受９の下端を覆っている。ハウジング１１と入力軸用下側軸受蓋１４との間、およびハウジング１１と出力軸用下側軸受蓋１５との間は密封状態とされている。
【００２８】
ハウジング内の空間１６の下部および下側軸受蓋１４，１５内の空間１７，１８には、入力側ギヤ４、出力側ギヤ５、および下側軸受７，９の潤滑と冷却を兼ねる潤滑油が封入される。潤滑油としては、不純物が少なく、流動性が高い合成油が使用される。
【００２９】
図２は図１の部分拡大図であり、前記入力軸用上側軸受蓋１２を示している。入力軸用上側軸受蓋１２は、平面形状が円環状の天板部２０と、この天板部２０の内径縁から下方に延び出力軸２の外周に位置する内周壁２１と、天板部２０の外径縁から斜め外径側に向かいつつ下方に延びる外周壁２２とを有する。内周壁２１における入力軸２との接触部にはオイルシール２３が設けられている。
【００３０】
入力軸用上側軸受蓋１２の内部、すなわち天板部２０と、内周壁２１と、外周壁２２ハウジング１１の上側壁部１１ａとに囲まれた空間は、円環状のグリース保持空間２４となっている。このグリース保持空間２４は、内周壁２１の外径寸法Ｄ１が上側軸受６の外輪６ａの内径寸法Ｄ２よりも大きく、かつ内周壁２１の下端が、上側軸受の外輪６ａの上側の幅面に対して隙間δを介して対向している。隙間δの大きさは、後段の説明において、グリース保持空間２４のグリースＧから分離した基油が微量ずつ漏れ出す程度である。
なお、図の例では、上側軸受６の外輪６ａの上側幅面がハウジング１１の上側壁部１１ａの上面と同一高さとされているが、外輪６ａが幅押えによって上側壁部１１ａの上面よりも沈み込む場合は、内周壁２１の下端と上側軸受の外輪６ａとの隙間δが適正な大きさとなるように、内周壁２１の下端を外輪６ａの沈み込み分だけ突出させる。
【００３１】
上側壁部１１ａには、グリース保持空間２４にグリースＧを供給するためのグリース供給口２５が設けられている。グリース保持空間２４に供給されるグリースＧの基油は、ハウジング１１内に封入される潤滑油と同じ合成油であることが好ましい。例えば、潤滑油として、モービル社製のＳＨＣ６００シリーズを用いる場合、グリースとして、モービル社製のＳＨＣ６００シリーズを使用することができる。また、熱固化型グリース（例えばポリループ）を使用してもよい。熱固化型グリースは、グリースを熱硬化性の樹脂材料で固形化したものであり、一度加熱し冷却することで、多量の基油を保持したまま硬化する。このため、強い振動や大きな遠心力が作用しても基油が必要以上に分離することがない。
【００３２】
また、図１に示すように、上側壁部１１ａには、前記グリース供給口２５から離れた位置に、グリース保持空間２４の内圧を調整する圧力調整弁２６が設けられている。
【００３３】
この垂直軸風車の増速機１の作用・効果について説明する。
入力軸用上側軸受蓋１２のグリース保持空間２４は、その内周壁２１の下端と対象上側軸受である入力軸用の上側軸受６の外輪６ａの上側幅面との間の隙間δを介して、上側軸受６における外輪６ａと内輪６ｂとの間の軸受空間と繋がっている。グリース保持空間２４の大半部分は、前記隙間δよりも上側に位置する。このため、グリース保持空間２４内のグリースＧから分離した基油が、重力によって前記隙間δを通って少しずつ流れ出し、上側軸受６の外輪６ａの上側幅面を伝って上側軸受６の転動面に供給される。
【００３４】
ところで、円すいころ軸受は、回転による遠心力で、軸受空間に存在する流体を小径側から大径側へ送る作用を奏する。この増速機１の場合、上側軸受６と下側軸受７とが互いに正面組合せであるため、上側軸受６は、隙間δを通って流れ出した基油を上側から下側へ送る。この送り作用により、グリース保持空間２４から上側軸受６へグリースＧの基油が安定して供給される。
【００３５】
このようにグリースＧの基油が上側軸受６の転動面に少しずつ供給されるため、ハウジング１１内の潤滑油では潤滑が困難な上側軸受６についても、潤滑剤を枯渇させることなく、長期間にわたって良好に潤滑状況を維持することができる。これにより、上側軸受６の故障が予防され、またメンテナンス周期の延長を図ることができる。特に、グリースＧとして熱固化型グリースを使用する場合は、基油が漏れにくいため、長期間に亘って対象上側軸受に基油を供給することができる。
【００３６】
グリース保持空間２４内のグリースＧが減少した場合、グリース供給口２５からグリースＧを補給することができる。また、圧力調整弁２６によりグリース保持空間２４の内圧を調整することで、グリースＧの基油の供給量を任意に変えることができる。さらに、圧力調整弁２６によりグリース保持空間２４の負圧を抑制し、グリースＧの基油の供給が滞ることを防止できる。
【００３７】
上側軸受６の転動面に供給された基油のうち消費されずに残った余分の基油は、上側軸受６から落下してハウジング１１内の潤滑油に混じる。グリースＧの基油が潤滑油と同じ合成油であると、グリースＧの基油が潤滑油に混じっても問題が無い。
【００３８】
［第２の実施形態］
図３は第２の実施形態に係る垂直軸風車の増速機における入力軸用上側軸受蓋とその周辺部を示す断面図である。第１の実施形態の入力軸用上側軸受蓋１２が、オイルシール２３により入力軸２とのシールを行っているのに対し、この第２の実施形態の入力軸用上側軸受蓋１２は、ラビリンスシール２７により入力軸２とのシールを行っている。入力軸２と内周壁２１との間にあってラビリンスシール２７の通路の軸受側端に続くラビリンス前空間２８にも、グリース保持空間２４に充填されるものと同じグリースＧが充填される。
【００３９】
このように、シール部がラビリンス構造であると、シール部の摩擦トルクが低減されるため、発電効率が向上する。グリース保持空間２４から前記ラビリンス前空間２８のグリースＧに基油が逐次供給されるため、ラビリンス前空間２８のグリースＧが、基油の減少により稠度が小さくなることがなく、低トルクの状態が維持される。また、ラビリンス前空間２８にグリースＧが充填されていることにより、シール部の密封効果がより一層高い。
【００４０】
以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４１】
１…垂直軸風車の増速機
２…入力軸
３…出力軸
４…入力側ギヤ
５…出力側ギヤ
６…入力軸用の上側軸受（対象上側軸受）
６ａ…外輪
７…入力軸用の下側軸受
８…出力軸用の上側軸受
９…出力軸用の下側軸受
１１…ハウジング
１１ａ…上側壁部
１１ｂ…下側壁部
１２…入力軸用上側軸受蓋
２１…内周壁
２２…外周壁
２４…グリース保持空間
２５…グリース供給口
２６…圧力調整弁
２７…ラビリンスシール
Ｇ…グリース
δ…隙間
【図１】
2019052598.tif 000003
【図２】
2019052598.tif 000004
【図３】
2019052598.tif 000005
【図４】
2019052598.tif 000006