(57)【要約】【課題】回転軸とピストンとの間に設けられる機械要素からピストンに加わるサイドフォース及びモーメント荷重を低減しうる回転機械を提供する。【解決手段】回転機械は、回転軸と、ピストンと、シリンダと、前記ピストンの前記シリンダ軸方向に沿った往復運動と前記回転軸の回転運動との間で運動モードを変換するように構成された機械要素と、を備え、前記機械要素が、前記回転軸に連動して移動可能に前記回転機械の静止部に支持された移動部と、前記ピストンと前記移動部との間に設けられる中間部と、前記中間部と前記移動部との間に設けられるスライド部と、前記ピストンと前記中間部との間に設けられる傾動許容部と、を含む。前記傾動許容部は、前記ピストンに対する前記中間部の相対的な傾動を許容する。【選択図】  図２
2015017590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
少なくとも一つのピストンと、
前記少なくとも一つのピストンをシリンダ軸方向に往復運動可能にそれぞれ案内するための少なくとも一つのシリンダと、
前記少なくとも一つのピストンの前記シリンダ軸方向に沿った往復運動と前記回転軸の回転運動との間で運動モードを変換するように構成された機械要素と、を備える回転機械であって、
前記機械要素が、
前記回転軸の軸方向に対する直交平面内において、前記シリンダ軸方向の第１速度成分とシリンダ軸直交方向の第２速度成分とを合成した速度ベクトルで前記回転軸に連動して移動可能に前記回転機械の静止部に支持された移動部と、
前記少なくとも一つのピストンと前記移動部との間に設けられる中間部と、
前記中間部と前記移動部との間に設けられ、前記移動部に対して相対的に前記シリンダ軸直交方向に移動可能に前記中間部を前記移動部に支持するためのスライド部と、
前記少なくとも一つのピストンと前記中間部との間に設けられ、前記直交平面内における前記少なくとも一つのピストンに対する前記中間部の相対的な傾動を許容するための傾動許容部と、
を含む回転機械。
【請求項２】
前記傾動許容部が、
前記中間部に向き合う前記ピストンの第１表面又は前記ピストンに向き合う前記中間部の第２表面に設けられたポケットと、
前記ポケットに加圧流体を導入するための流体導入部と、
を含む静圧パッドである請求項１に記載の回転機械。
【請求項３】
前記流体導入部は、
各々の前記ピストンの内部に設けられ、各々の前記ピストンと各々の前記シリンダにより形成される油圧室と前記ポケットを連通させる連通路を含み、
前記加圧流体としての高圧油を前記油圧室から前記ポケットに導入可能に構成された請求項２に記載の回転機械。
【請求項４】
前記傾動許容部が、
各々の前記ピストン又は前記中間部の一方の端部に設けられた凸球面形状の球面状部と、
前記球面状部と係合可能であり、各々の前記ピストン又は前記中間部の他方の端部に設けられた凹球面形状の球面座部と、を含む請求項１乃至３の何れか一項に記載の回転機械。
【請求項５】
前記ピストンは、少なくとも部分的なクラウン形状の外周面を有する請求項１乃至４の何れか一項に記載の回転機械。
【請求項６】
前記機械要素は、前記移動部と前記静止部との間に設けられる第１スライダ及び第２スライダを含み、
前記移動部は、前記第１スライダを介して前記シリンダ軸方向に移動自在に前記静止部に支持され、且つ、前記第２スライダを介して前記シリンダ軸直交方向に移動自在に前記静止部に支持された請求項１乃至５の何れか一項に記載の回転機械。
【請求項７】
前記第２スライダは、前記中間部と前記移動部との間に位置し、前記中間部を前記シリンダ軸直交方向に相対的に移動自在に前記移動部に支持するための前記機械要素の前記スライド部として機能するように構成された請求項６に記載の回転機械。
【請求項８】
前記少なくとも一つのピストンは、前記回転軸の周方向にラジアル状に配列された複数のピストンを含む請求項１乃至７の何れか一項に記載の回転機械。
【請求項９】
前記少なくとも一つのピストンは、互いに平行に配置された複数のピストンを含む請求項１乃至７の何れか一項に記載の回転機械。
【請求項１０】
前記少なくとも一つのピストンは、第１グループに属する一以上の第１ピストンと、前記回転軸を挟んで前記第１グループとは反対側に配置された第２グループに属する一以上の第２ピストンとを含み、
前記移動部は、前記第１グループと前記第２グループとの間に位置し、前記一以上の第１ピストン及び前記一以上の第２ピストンに対して設けられた１個の共有移動部である請求項９に記載の回転機械。
【請求項１１】
前記移動部は、前記回転軸の中心軸に対して偏心した位置に設けられるディスク部材を含み、
前記スライド部は、前記第シリンダ軸直交方向に沿って延在し、前記ディスク部材の外周面に摺接するように構成されたパッド部材を含む請求項１乃至１０の何れか一項に記載の回転機械。
【請求項１２】
前記機械要素は、前記移動部を前記回転軸に連結するクランクシャフトをさらに含み、
前記クランクシャフトは、前記回転軸の中心軸に対して偏心した位置に設けられ、前記移動部が取り付けられるクランクピンを有する請求項１乃至１１の何れか一項に記載の回転機械。
【請求項１３】
前記機械要素は、前記回転軸に取り付けられるカムをさらに含み、
前記移動部が、前記カムのカム表面に摺接するように設けられた請求項１乃至１１の何れか一項に記載の回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、油圧機械やエンジン等の回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、多岐にわたる産業分野で、油圧ポンプや油圧モータ等の油圧機械や、エンジンなどの回転機械が用いられている。
典型的な回転機械は、シリンダ内におけるピストンの往復運動と、回転軸の回転運動との間で運動モードをクランク機構やカム機構によって変換することで、所期の役割を果たすように構成されている。
【０００３】
また、ピストンの往復運動と回転軸の回転運動との間の運動モードの変換効率を向上させるために、ピストンと回転軸との間にＸＹ分離クランク機構を設けることも知られている。
例えば、特許文献１には、ピストンに連結されピストンと一体的にピストン軸方向に往復移動可能な支持部材と、ピストン軸直交方向にスライド移動可能に前記支持部材に取り付けられたクランク接続部材とを備えたＸＹ分離クランク機構が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１４４２８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、回転機械のピストンには、ピストンと回転軸との間に設けられるクランク機構やカム機構等の機械要素から、シリンダ軸直交方向の力に起因した荷重（以下、サイドフォースという）がピストンに加わることがある。この場合、ピストン側面とシリンダ壁面との間の円滑な摺動が損なわれ、ピストンの摩擦、摩耗、発熱等の問題が生じうる。
また、回転機械のピストンには、ピストンと回転軸との間に設けられるクランク機構やカム機構等の機械要素からモーメント荷重が加わることがある。この場合においても、ピストン側面とシリンダ壁面との間の円滑な摺動が損なわれ、ピストンの摩擦、摩耗、発熱等の問題が生じうる。
【０００６】
この点、特許文献１に記載のＸＹ分離クランク機構では、ＸＹ分離クランク機構からピストンに伝わる力は基本的にはシリンダ軸方向に沿った成分のみであり、シリンダ軸直交方向の成分の力はピストンには伝わらないようになっている。そのため、特許文献１に記載のＸＹ分離クランク機構によれば、前述したサイドフォースに起因した問題を解消できるかもしれない。
しかしながら、特許文献１には、ＸＹ分離クランク機構からピストンに加わるモーメント荷重に起因した前述の問題への対策は開示も示唆もされていない。
【０００７】
本発明の少なくとも一実施形態の目的は、回転軸とピストンとの間に設けられる機械要素からピストンに加わるサイドフォース及びモーメント荷重を低減しうる回転機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、
回転軸と、
少なくとも一つのピストンと、
前記少なくとも一つのピストンをシリンダ軸方向に往復運動可能にそれぞれ案内するための少なくとも一つのシリンダと、
前記少なくとも一つのピストンの前記シリンダ軸方向に沿った往復運動と前記回転軸の回転運動との間で運動モードを変換するように構成された機械要素と、を備え、
前記機械要素が、
前記回転軸の軸方向に対する直交平面内において、前記シリンダ軸方向の第１速度成分とシリンダ軸直交方向の第２速度成分とを合成した速度ベクトルで前記回転軸に連動して移動可能に前記回転機械の静止部に支持された移動部と、
前記少なくとも一つのピストンと前記移動部との間に設けられる中間部と、
前記中間部と前記移動部との間に設けられ、前記移動部に対して相対的に前記シリンダ軸直交方向に移動可能に前記中間部を前記移動部に支持するためのスライド部と、
前記少なくとも一つのピストンと前記中間部との間に設けられ、前記直交平面内における前記少なくとも一つのピストンに対する前記中間部の相対的な傾動を許容するための傾動許容部と、を含む。
【０００９】
上記回転機械によれば、回転軸に連動する移動部とピストンとの間に位置する中間部が、スライド部によって、移動部に対してシリンダ軸直交方向に相対的に移動可能に移動部に支持されるため、機械要素からピストンに伝わる力は基本的にはシリンダ軸方向に沿った成分のみである。すなわち、回転軸からピストンに向かって機械要素内を伝わる力はスライド部においてシリンダ軸方向成分とシリンダ軸直交成分とに分離されるので、ピストンには、中間部を介してスライド部からシリンダ軸方向成分の力のみが伝わることになる。したがって、回転軸とピストンとの間に設けられる機械要素からピストンに作用するサイドフォースを低減できる。
また、ピストンからの力が中間部に作用する作用点と、スライド部からの力が中間部に作用する作用点とがシリンダ軸直交方向においてずれているときは、スライド部から中間部に作用するシリンダ軸方向成分と、ピストンから中間部に作用する力とが偶力となって、この偶力により中間部を回転させようとするモーメントが発生する。このような場合であっても、傾動許容部によって、ピストンに対する中間部の相対的な傾動が許容されるので、基本的には、ピストンにモーメント荷重が加わらず、ピストンの往復運動の方向がシリンダ軸方向に平行である状態を維持できる。したがって、回転軸とピストンとの間に設けられる機械要素からピストンに加わるモーメント荷重を低減できる。
上記回転機械によれば、上述のように機械要素からピストンに作用するサイドフォースやモーメント荷重を低減できるので、これらサイドフォースやモーメント荷重に起因する摩擦、摩耗、発熱の発生を抑制することができる。したがって、ピストンのシリンダ軸方向に沿った往復運動と回転軸の回転運動との間の運動モード変換の高効率化及びピストンの長寿命化が図れる。
【００１０】
幾つかの実施形態では、前記傾動許容部は、前記中間部に向き合う前記ピストンの第１表面又は前記ピストンに向き合う前記中間部の第２表面に設けられたポケットと、前記ポケットに加圧流体を導入するための流体導入部と、を含む静圧パッドである。
この場合、ピストン又は中間部に設けた静圧パッドのポケット内に加圧流体を導入することで、ポケット内の加圧流体によりピストンを中間部に、又は中間部をピストンに非接触の状態で支持することができる。この際ピストン又は中間部は加圧流体の膜を介して非接触で支持されるので、中間部のピストンに対する相対的な傾動が許容される。
【００１１】
幾つかの実施形態では、前記流体導入部は、各々の前記ピストンの内部に設けられ、各々の前記ピストンと各々の前記シリンダにより形成される油圧室と前記ポケットを連通させる連通路を含み、前記加圧流体としての高圧油を前記油圧室から前記ポケットに導入可能に構成される。
回転機械としての油圧機械の場合、油圧作動油である高圧油を油圧室から静圧パッドのポケットに導入可能であるので、ポケットに外部から高圧流体を導入しなくとも効率的に静圧パッドを形成することができる。
また、ピストンの往復運動の１サイクルにおける油圧室内の圧力が高い期間では、中間部に加わるモーメントは比較的大きくなる。一方、ピストンの往復運動の１サイクルにおける油圧室内の圧力が低い期間では、中間部に加わるモーメントはそれほど大きくない。そこで、上述のように、流体導入部として油圧室をポケットに連通させる連通路を設けることで、比較的大きなモーメント荷重がピストンに作用する可能性がある期間（すなわち、油圧室内が高圧の期間）について選択的に、ピストンに対する中間部の相対的な傾動を許容できる。
【００１２】
幾つかの実施形態では、前記傾動許容部は、各々の前記ピストン又は前記中間部の一方の端部に設けられた凸球面形状の球面状部と、前記球面状部と係合可能であり、各々の前記ピストン又は前記中間部の他方の端部に設けられた凹球面形状の球面座部と、を含む。
この場合、凸球面形状の球面状部が凹球面形状の球面座部上を滑ることで、ピストンに対する中間部の相対的な傾動が許容される。
【００１３】
幾つかの実施形態では、前記ピストンは、少なくとも部分的なクラウン形状の外周面を有する。
ピストンにクラウニング処理を施し、外周面を少なくとも部分的にクラウン形状とすることで、仮に中間部の傾動に伴ってピストンも少なからず傾動してしまう場合であっても、ピストンとシリンダ壁面との接触を防止することができる。
【００１４】
幾つかの実施形態では、前記機械要素は、前記移動部と前記静止部との間に設けられる第１スライダ及び第２スライダを含み、前記移動部は、前記第１スライダを介して前記シリンダ軸方向に移動自在に前記静止部に支持され、且つ、前記第２スライダを介して前記シリンダ軸直交方向に移動自在に前記静止部に支持される。
このような構成とすることで、移動部は、回転軸と連動してシリンダ軸方向及びシリンダ軸直交方向に移動可能であるとともに、静止部に支持される。
【００１５】
幾つかの実施形態では、前記第２スライダは、前記中間部と前記移動部との間に位置し、前記中間部を前記シリンダ軸直交方向に相対的に移動自在に前記移動部に支持するための前記機械要素の前記スライド部として機能するように構成される。
この構成によれば、シリンダ軸直交方向に相対移動自在に移動部を静止部に支持するための第２スライダを、シリンダ軸直交方向に相対移動自在に中間部を移動部に支持するためのスライダ部として兼用することで、機械要素の構成を簡素化できる。
【００１６】
幾つかの実施形態では、前記少なくとも一つのピストンは、前記回転軸の周方向にラジアル状に配列された複数のピストンを含む。
【００１７】
幾つかの実施形態では、前記少なくとも一つのピストンは、互いに平行に配置された複数のピストンを含む。
【００１８】
幾つかの実施形態では、前記少なくとも一つのピストンは、第１グループに属する一以上の第１ピストンと、前記回転軸を挟んで前記第１グループとは反対側に配置された第２グループに属する一以上の第２ピストンとを含み、前記移動部は、前記第１グループと前記第２グループとの間に位置し、前記一以上の第１ピストン及び前記一以上の第２ピストンに対して設けられた１個の共有移動部である。
回転軸を挟んで両側に配置される２つのピストングループで１つの移動部を共有するので、１つの移動部により、回転軸の回転運動と多くのピストンの往復運動との間での運動モードの変換が可能になる。このため、ピストンのグループごとに移動部を設ける場合に比べて回転機械をコンパクト化することが可能である。
【００１９】
前記の実施形態において、前記移動部は、前記回転軸の中心軸に対して偏心した位置に設けられるディスク部材を含み、前記スライド部は、前記第シリンダ軸直交方向に沿って延在し、前記ディスク部材の外周面に摺接するように構成されたパッド部材を含んでもよい。
このように移動部としてのディスク部材の外周面に摺接するパッド部材をスライド部として用いることで、機械要素の構成の簡素化を図ることができる。
また、複数のピストンに対して１個の移動部を共通的に設ける場合、前記複数のピストンが共有する１個のパッド部材（スライド部）を１個のディスク部（移動部）に摺接させれば、機械要素を介して複数のピストンに回転軸から作用する力のシリンダ軸方向成分をピストン間で平準化できる。
【００２０】
幾つかの実施形態では、前記機械要素は、前記移動部を前記回転軸に連結するクランクシャフトをさらに含み、前記クランクシャフトは、前記回転軸の中心軸に対して偏心した位置に設けられ、前記移動部が取り付けられるクランクピンを有する。
【００２１】
幾つかの実施形態では、前記機械要素は、前記回転軸に取り付けられるカムをさらに含み、前記移動部が、前記カムのカム表面に摺接するように設けられる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、回転軸とピストンとの間に設けられる機械要素からピストンに加わるサイドフォース及びモーメント荷重を低減しうる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一実施形態に係る回転機械を備えた発電装置を示す図である。
【図２】一実施形態に係る回転機械の構成の概略を示す図である。
【図３】一実施形態に係る回転機械の構成の概略を示す図である。
【図４】サイドフォースの発生原理について説明するための図である。
【図５】モーメント荷重の発生原理について説明するための図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係る傾動許容部の、回転軸の軸方向に対する直交平面に沿った拡大断面図である。
【図７】一実施形態に係る回転機械（油圧機械）の構成の概略を示す図である。
【図８】一実施形態に係る回転機械（油圧機械）の構成の概略を示す図である。
【図９】一実施形態に係る回転機械（油圧機械）の構成の概略を示す図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、図９のＡ−Ａ’矢視断面図である。
【図１１】一実施形態に係る回転機械（油圧機械）の構成の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２５】
以下の実施形態では、回転機械の一例として油圧機械を挙げ、この油圧機械を備えた装置の一例として発電装置について説明する。ただし、本発明は、油圧ポンプや油圧モータ等の油圧機械だけでなく、舶用エンジン、自動車用エンジン、発電用エンジン等の種々のエンジンを含む任意の回転機械にも適用可能である。
【００２６】
図１は、一実施形態に係る回転機械を備えた発電装置を示す図である。同図に示すように、発電装置１は、原動機２と、回転シャフト６を介して原動機２に接続される油圧トランスミッション３と、回転シャフト１１を介して油圧トランスミッション３に接続される発電機１６とを備える。
【００２７】
一実施形態では、油圧トランスミッション３は、回転シャフト６を介して原動機２に連結される油圧ポンプ８と、回転シャフト１１を介して発電機１６に連結される油圧モータ１０とを備える。油圧ポンプ８と油圧モータ１０とは、高圧油ライン１２及び低圧油ライン１４を介して互いに接続される。具体的には、油圧ポンプ８の出口が高圧油ライン１２を介して油圧モータ１０の入口に接続され、油圧ポンプ８の入口が低圧油ライン１４を介して油圧モータ１０の出口に接続される。油圧ポンプ８は、回転シャフト６によって駆動されて作動油を昇圧し、高圧の作動油（圧油）を生成する。油圧ポンプ８で生成された圧油は高圧油ライン１２を介して油圧モータ１０に供給され、この圧油によって油圧モータ１０が駆動される。油圧モータ１０で仕事をした後の低圧の作動油は、油圧モータ１０の出口と油圧ポンプ８の入口との間に設けられた低圧油ライン１４を経由して、油圧ポンプ８に再び戻される。
【００２８】
幾つかの実施形態では、油圧ポンプ８又は油圧モータ１０の少なくとも一方は、以下で説明する回転機械である。
【００２９】
図２及び図３は、一実施形態に係る回転機械の構成の概略を示す図である。
【００３０】
図２に示す油圧機械２０は、回転軸２２と、ピストン２４と、ピストン２４をシリンダ軸方向に往復運動可能に案内するためのシリンダ２６と、後述する機械要素３０とを備えた回転機械である。機械要素３０は、ピストン２４のシリンダ軸方向に沿った往復運動と回転軸２２の回転運動との間で運動モードを変換するように構成される。
【００３１】
ピストン２４は、シリンダ２６内に摺動可能に設けられる。ピストン２４は、シリンダ２６によって案内され、シリンダ軸方向に沿って、下死点と上死点との間で往復運動するようになっている。ピストン２４の往復運動の結果、ピストン２４とシリンダ２６とで囲まれた油圧室２７の容積は周期的に変化する。
【００３２】
油圧機械２０は、油圧室２７と高圧油ライン１２との間に設けられる高圧バルブ２８と、油圧室２７と低圧油ライン１４との間に設けられる低圧バルブ２９とをさらに備えていてもよい。油圧機械２０が油圧ポンプである場合、低圧バルブ２９は低圧油ライン１４から油圧室２７に低圧の作動油を供給するために用いられ、高圧バルブ２８は油圧室２７で生成された高圧の作動油を高圧ライン１２に供給するために用いられる。一方、油圧機械２０が油圧モータである場合、高圧バルブ２８は高圧油ライン１２から油圧室２７に高圧油を供給するために用いられ、低圧バルブ２９は仕事をして圧力が低下した作動油を油圧室２７から低圧油ライン１４に排出するために用いられる。
【００３３】
機械要素３０は、油圧機械２０の静止部２１に支持された移動部３２と、ピストン２４と移動部３２との間に設けられる中間部３３と、中間部３３と移動部３２との間に設けられるスライド部３４と、ピストン２４と中間部３３との間に設けられる傾動許容部３８とを含む。
【００３４】
図２に示す例示的な実施形態では、移動部３２は、クランク機構６５を介して回転軸２２に連結される。クランク機構６５は、回転軸２２に一端が連結されるクランクアーム６４と、クランクアーム６４の他端を移動部３２に連結するためのクランクピン６７とを含む。
クランク機構６５を介して回転軸２２に連結された移動部３２は、回転軸２２の軸方向に対する直交平面内において、シリンダ軸方向の第１速度成分Ｖ１とシリンダ軸直交方向の第２速度成分Ｖ２とを合成した速度ベクトルＶで回転軸２２の回転に連動して移動する。すなわち、回転軸２２の回転に伴って、クランクピン６７は、軌跡８１を描くように、回転軸２２の軸中心の周りを移動する。ここで、軌跡８１は、半径がクランクアーム６４の長さ（回転軸２２とクランクピン６７との間の距離）の回転軸２２を中心とする円である。そのため、クランクピン６７に連結された移動部３２は、クランクピン６７の移動に伴って、回転軸２２の軸方向に対する直交平面内において速度ベクトルＶで回転軸２２の回転に連動して移動することになる。
【００３５】
上述した移動部３２、中間部３３、スライド部３４を備える機械要素３０により、ピストン２４のシリンダ軸方向に沿った往復運動と回転軸２２の回転運動との間で運動モードが変換される。
例えば、油圧機械２０が油圧ポンプ８である場合、油圧機械２０の回転軸２２の回転運動が、機械要素３０によりピストン２４の往復運動に変換され、油圧室２７の周期的な容積変化が起こり、油圧室２７で高圧の作動油（圧油）が生成される。これに対し、油圧機械２０が油圧モータ１０である場合、油圧室２７への圧油の導入によってピストン２４の往復運動が起こり、この往復運動が機械要素３０により油圧機械２０の回転軸２２の回転運動に変換される。
こうして、機械要素３０の働きにより、油圧機械２０の回転軸２２の回転エネルギー（機械的エネルギー）と作動油の流体エネルギーとの間でエネルギーが変換され、油圧機械２０が油圧ポンプ８又は油圧モータ１０としての所期の役割を果たすようになっている。
【００３６】
移動部３２は、移動部３２と静止部２１との間に設けられる第１スライダ３５及び第２スライダ３６を介して静止部２１に支持される。第１スライダ３５は移動部３２のシリンダ軸方向の自在な移動を可能とし、第２スライダ３６は移動部３２のシリンダ軸直交方向の自在な移動を可能とする。
このように、第１スライダ３５と第２スライダ３６により、移動部３２は回転軸２２の軸方向に対する直交平面内でシリンダ軸方向及びシリンダ軸直交方向に移動可能である。したがって、移動部３２は、第１スライダ３５と第２スライダ３６を介して静止部２１に支持されながら、回転軸２２の回転に連動して回転軸２２の軸方向に対する直交平面内を移動することができる。
【００３７】
スライド部３４は、移動部３２に対して相対的にシリンダ軸直交方向に移動可能に、中間部３３を移動部３２に支持する。
図２に示す例示的な実施形態では、スライド部３４はローラで形成される。他の実施形態では、スライド部３４は、例えば後述するパッド部材で形成される。
【００３８】
ところで、スライド部３４は中間部３３を移動部３２に、第２スライダ３６は移動部３２を静止部２１に、それぞれシリンダ軸直交方向に移動可能に支持するものである。そこで、図２に示すように、スライド部３４と第２スライダ３６の両方の役割を、移動部３２と中間部３３の間に配置した１つのスライダ部材に担わせることもできる。また、スライド部３４と第２スライダ３６を別々に設けることもでき、図３に示す実施形態では、スライド部３４は移動部３２と中間部３３との間に配置され、第２スライダ３６は移動部３２及び第１スライダ３５と静止部２１の間に配置される。
【００３９】
静止部２１は、油圧機械２０において固定され静止している部材である。例えば、シリンダ２６を囲むシリンダブロックや、シリンダブロックに固定されるように接続された部材を静止部２１とすることができる。
【００４０】
ピストン２４と中間部３３の間には、後ほど詳述する傾動許容部３８が設けられる。傾動許容部３８において、回転軸２２の軸方向に対する直交平面内でのピストン２４に対する中間部３３の相対的な傾動が許容される。
図２に示すように、傾動許容部３８のシリンダ軸直交方向の近傍には、ピストン２４に対する中間部３３の傾動を超えたシリンダ軸直交方向のずれを規制するための規制部３９を設けてもよい。
【００４１】
上述の機械要素３０を備える油圧機械２０において、ピストン２４に加わるサイドフォース及びモーメント荷重を低減しうる原理を以下に説明する。
【００４２】
図４は、サイドフォースの発生原理について説明するための図である。
図４に示すピストンクランク機構は、ピストン２４と、回転軸６２と、クランクアーム６６と、クランクピン６７によりクランクアーム６６に連結されたコンロッド６８を備える一般的なピストンクランク機構である。クランクアーム６６は回転軸６２の回転に連動して回転軸６２を中心として回転し、クランクピン６７は前述の軌跡８１を描くように運動する。
図４に示すピストンクランク機構を備える油圧機械が油圧ポンプである場合、回転軸６２の回転運動が、クランクアーム６６及びコンロッド６８によりピストン２４の往復運動に変換される。また、図４に示すピストンクランク機構を備える油圧機械が油圧モータである場合は、ピストン２４の往復運動が、クランクアーム６６及びコンロッド６８により回転軸６２の回転運動に変換される。
コンロッド６８とシリンダ軸とがなす角度がθであるとき、ピストン２４がコンロッド６８から受ける力のシリンダ軸方向成分をＦとすると、ピストン２４がコンロッド６８から受ける力のシリンダ軸直交方向成分はＦ／ｔａｎθである。このＦ／ｔａｎθの力は、サイドフォースとしてピストン２４に作用し、ピストン２４とシリンダ壁面との摩耗等の一要因になりえる。
【００４３】
図２及び図３に示す油圧機械２０においては、回転軸２２に連動する移動部３２とピストン２４との間に位置する中間部３３が、スライド部３４によって、移動部３２に対してシリンダ軸直交方向に相対的に移動可能に移動部３２に支持される。このため、機械要素３０からピストン２６に伝わる力は基本的にはシリンダ軸方向に沿った成分のみである。すなわち、回転軸２２からピストン２６に向かって機械要素３０内を伝わる力はスライド部３４においてシリンダ軸方向成分とシリンダ軸直交成分とに分離されるので、ピストン２４には、中間部３３を介してスライド部３４からシリンダ軸方向成分の力のみが伝わることになる。したがって、回転軸２２とピストン２４との間に設けられる機械要素３０からピストン２４に作用するサイドフォースを低減できる。
【００４４】
図５は、モーメント荷重の発生原理について説明するための図である。
図５に示す油圧機械２０は、ピストン２２と中間部３３の間に傾動許容部３８が設けられていない点を除いて、図２に示した油圧機械２０と同一のものである。図５に示す油圧機械においては、ピストン２４は中間部３３に固定される。
図５に示す油圧機械２０が油圧ポンプ又は油圧モータとして作動する場合、中間部３３には、ピストン２４からのシリンダ軸方向の力（大きさＦ）と、スライド部３４からのシリンダ軸方向の力（大きさＦ）が作用する。
図５に示す油圧機械２０の場合、ピストン２４は中間部に固定されている。このため、ピストン２４からの力が中間部３３に作用する作用点と、スライド部３４からの力が中間部３３に作用する作用点とがシリンダ軸直交方向においてずれているときは、スライド部３４から中間部３３に作用するシリンダ軸方向成分と、ピストン２４から中間部３３に作用する力とが偶力となって、この偶力により回転軸２２の軸方向に対する直交平面内で中間部３３を回転させようとするモーメントＭが発生する。その結果、ピストン２４には機械要素３０からモーメント荷重が加えられる。
【００４５】
図２及び図３に示す油圧機械２０においては、ピストン２２と中間部３３の間に設けられた傾動許容部３８によって、ピストン２４に対する中間部３３の相対的な傾動が許容されるので、基本的には、ピストン２４にモーメント荷重が加わらず、ピストン２４の往復運動の方向がシリンダ軸方向に平行である状態を維持できる。したがって、回転軸２２とピストン２４との間に設けられる機械要素３０からピストン２４に加わるモーメント荷重を低減できる。
【００４６】
次に、傾動許容部について説明する。
図６（ａ）〜（ｃ）は、回転軸の軸方向に対する直交平面に沿った傾動許容部の拡大断面図である。
図６（ａ）〜（ｃ）に示す傾動許容部３８は、中間部３３に向き合うピストン２４の第１表面５８に設けられたポケット５２と、ポケット５２に加圧流体を導入するための流体導入部５４とを含む静圧パッド５０である。流体導入部５４は、ピストン２４の内部に設けられ、ピストン２４とシリンダ２６により形成される油圧室２７とポケット５２を連通させる連通路５６を含む。加圧流体としての高圧油を油圧室２７からポケット５２に導入可能に構成される。
ピストン２４の油圧室２７から静圧パッド５０のポケット５２内に加圧流体を導入することで、ポケット５２内の加圧流体によりピストン２４を中間部３３に非接触の状態で支持することができる。この際ピストン２４は加圧流体の膜を介して非接触で支持されるので、中間部３３のピストン２４に対する相対的な傾動が許容される。
図６（ａ）〜（ｃ）に示す傾動許容部３８は、油圧作動油である高圧油を油圧室２７から連通路５６を通じて静圧パッド５０のポケット５２に導入可能であるので、ポケット５２に外部から高圧流体を導入しなくとも効率的に静圧パッド５０を形成することができる。
また、ピストン２４の往復運動の１サイクルにおける油圧室２７内の圧力が高い期間では、中間部３３に加わるモーメントは比較的大きくなる。一方、ピストン２４の往復運動の１サイクルにおける油圧室２７内の圧力が低い期間では、中間部３３に加わるモーメントはそれほど大きくない。したがって、図６（ａ）〜（ｃ）に示す傾動許容部３８では流体導入部５４として油圧室２７をポケット５２に連通させる連通路５６を設けたので、比較的大きなモーメント荷重がピストン２４に作用する可能性がある期間（すなわち、油圧室２７内が高圧の期間）について選択的に、ピストン２４に対する中間部３３の相対的な傾動を許容できる。
【００４７】
図６（ａ）に示す傾動許容部３８では、ピストン２４の第１表面５８と該第１表面５８に向き合う中間部３３の第２表面５９はともに平面状である。平面状の第１表面５８にポケット５２が形成され、ポケット５２は連通路５６を介して油圧室２７に連通される。
加圧流体としての高圧油が油圧室２７から連通路５６を経由してポケット５２に導入されると、第１表面５８と第２表面５９との間に加圧流体の膜が形成される。この加圧流体の膜は流動可能であるので、中間部３３が膜を押して回転軸の軸方向に対する直交平面内で傾いても非接触支持が維持される。このため、ピストン２４に対する中間部３３の相対的な傾動が可能である。こうして、図６（ａ）に示すように、中間部３３が、シリンダ軸直交方向に平行である状態から、符号３３’で示す状態まで傾動可能である。
この場合、中間部３３がピストン２４に対して相対的に傾動する場合の中間部３３の傾動許容量は、ピストン２４と中間部３３の間に形成される加圧流体の膜の膜厚ｄに依存する。この膜厚が厚いほど中間部３３の傾動許容量が大きくなる。
【００４８】
図６（ｂ）に示す傾動許容部３８では、ピストン２４の第１表面５８は凸球面形状の球面状部４１であり、中間部３３の第２表面５９は凹球面形状の球面座部４２である。球面状部４１にポケット５２が形成され、ポケット５２は連通路５６を介して油圧室２７に連通される。
この場合、凸球面形状の球面状部４１が凹球面形状の球面座部４２上を滑ることで、ピストン２４に対する中間部３３の相対的な傾動が許容される。このため、図６（ｂ）に示す傾動許容部３８によれば、傾動許容量がピストン２４と中間部３３の間に形成される加圧流体の膜の膜厚ｄに依存する図６（ａ）の場合と比較して、より大きな傾動が許容される。こうして、図６（ｂ）に示すように、中間部３３が、シリンダ軸直交方向に平行である状態から、符号３３’で示す状態まで傾動可能である。
【００４９】
図６（ｂ）に示す球面どうしのすべりを利用した傾動許容部３８以外にも、すべりを利用した傾動許容部を構成することができる。
例えば、図６（ｃ）に示す傾動許容部３８では、ピストン２４の第１表面５８は凸状曲面であり、中間部３３の第２表面５９は前記凸状曲面に係合可能な凹状曲面である。凸状曲面を有する第１表面５８にポケット５２が形成され、ポケット５２は連通路５６を介して油圧室２７に連通される。
この場合、凸状曲面を有する第１表面５８が凹状曲面を有する第２表面上を滑ることで、回転軸２２の軸方向に対する直行平面内において、中間部３３のピストン２４に対する相対的な傾動が許容される。こうして、図６（ｃ）に示すように、中間部３３が、シリンダ軸直交方向に平行である状態から、符号３３’で示す状態まで傾動可能である。
図６(ａ)〜（ｃ）では、油圧室２７からの供給油による静圧パッドの例を示したが、グリース等の潤滑剤を塗布した場合でも同様にピストン２４に対する中間部３３の相対的な傾動を可能とすることができる。
【００５０】
図７は、一実施形態に係る回転機械（油圧機械）の構成の概略を示す図である。
【００５１】
図７に示す例示的な実施形態では、ピストン２４のうち、シリンダ２６と向き合う外周面のピストン軸方向における両端部にクラウニング処理を施すことによって、ピストン２４にクラウン形状の外周面４４が形成されている。
移動部３２を静止部３３に支持するための第１スライダ３５が内部に有する部品間の隙間の大きさ等によって定まる最大傾動量（角度φ）だけ中間部３３が傾動しうるが、この最大傾動量が傾動許容部３８による傾動許容限度を超える場合もあり得る。このような場合には、傾動許容部３８を設けたにもかかわらず、中間部３３とともにピストン２４が少なからず傾動する結果、ピストン２４とシリンダ２６の壁面とが接触してしまう。
そこで、上述のようにピストン２４の外周面をクラウン形状にすることで、傾動許容部３８による傾動許容限度を超えて中間部３３が傾動した場合であっても、ピストン２４とシリンダ２６の壁面との非接触状態を維持できる。中間部３３が最大傾動量だけ傾動すると、それ以上の傾動は第１スライダ３５が許容しないため、中間部３３に加わるモーメント荷重は専ら第1スライダ３５によって負担される。こうして、中間部３３が傾動する際のモーメント荷重がピストン２４に加わらないようにする。
【００５２】
次に、複数のピストンを含む回転機械（油圧機械）の実施形態について説明する。
図８及び図９は、それぞれ、一実施形態に係る回転機械（油圧機械）の構成の概略を示す図である。
【００５３】
図８に示す例示的な実施形態に係る油圧機械２０は、油圧機械２０の半径方向に沿った断面において、６つのピストン２４がラジアル状に配列される。そして、油圧機械２０は、各々のピストン２４に対応するシリンダ２６と、移動部３２と、中間部３３と、スライド部３４（第２スライダ３６）と、第１スライダ３５と、静止部３１を備え、ピストン２４と中間部３３との間には傾動許容部３８が設けられる。各々のピストン２４とシリンダ２６はそれぞれ油圧室２７を形成し、油圧室２７と高圧ライン１２との間には高圧バルブ２８が設けられ、油圧室２７と低圧ライン１４との間には低圧バルブ２９が設けられる。
各々の移動部３２は、回転軸２２の中心軸に対して偏心した位置に設けられる円盤状のクランク接続部３７に接続される。各々の移動部３２は、円盤状のクランク接続部３７の中心に対して対称にラジアル状に配置される。クランク接続部３７は、クランクピン６７を介してクランクアーム６４の一端に回動可能に接続され、クランクアーム６４の他端は回転軸２２に連結される。
クランク接続部３７は、回転軸２２の回転と連動して、クランクピン６７の軌跡８１に沿って移動する。この際各々の移動部３２もクランク接続部３７とともに移動する。
クランク接続部３７は回転軸２２の中心軸に対して偏心した位置に設けられているため、各々の移動部３２は異なる位相で移動する。このため、移動部３２を介して回転軸２２からの力を受ける各々のピストンも異なる位相で往復運動する。
【００５４】
図９に示す例示的な実施形態に係る油圧機械２０は、油圧機械２０の半径方向に沿った断面において、３対のピストン２４Ａとピストン２４Ｂが互いに平行に配置される。
３つのピストン２４Ａは第１ピストンとして第１グループを形成し、３つのピストン２４Ｂは第２ピストンとして第２グループを形成する。第２グループは、回転軸２２を挟んで第１グループとは反対側に配置される。油圧機械２０は、各々のピストン２４Ａ，２４Ｂに対応するシリンダ２６Ａ，２６Ｂと、静止部２１を備える。各々のピストン２４Ａ，２４Ｂとシリンダ２６Ａ，２６Ｂはそれぞれ油圧室２７Ａ，２７Ｂを形成し、各々の油圧室２７Ａ，２７Ｂと高圧ライン１２との間には高圧バルブ２８が設けられ、各々の油圧室２７Ａ，２７Ｂと低圧ライン１４との間には低圧バルブ２９が設けられる。なお、他の実施形態では、第１グループの全油圧室２７Ａのために１個の共通の高圧バルブ２８を設け、第２グループの全油圧室２７Ｂのために１個の共通の高圧バルブ２８を設けてもよい。同様に、第１グループの全油圧室２７Ａのために１個の共通の低圧バルブ２９を設け、第２グループの全油圧室２７Ｂのために１個の共通の低圧バルブ２９を設けてもよい。
油圧機械２０は、ピストン２４Ａを含む第１グループと、ピストン２４Ｂを含む第２グループのそれぞれについて、中間部３３Ａ，３３Ｂと、スライド部３４Ａ，３４Ｂ（第２スライダ３６Ａ，３６Ｂ）と、第１スライダ３５Ａ，３５Ｂを備える。それぞれのピストン２４Ａ，２４Ｂと中間部３３Ａ，３３Ｂとの間には傾動許容部３８Ａ，３８Ｂが設けられる。
ピストン２４Ａを含む第１グループとピストン２４Ｂを含む第２グループの間には、第１グループと第２グループの共有移動部として１個の移動部３２が設けられる。すなわち、図９に示す例示的な実施形態では、第１グループと第２グループとで１個の移動部３２を共有している。また、図９に示す例示的な実施形態では、移動部３２のみが第１グループと第２グループとで共有されており、中間部３３Ａ，３３Ｂ及び第１スライダ３５Ａ，３５Ｂはグループごとに別々に設けられているが、他の実施形態では、移動部３２に加えて、中間部３３と第１スライダ３５とを第１グループと第２グループとで共有する構成としてもよい。この場合、第１グループと第２グループとで共有される１個の中間部３３は、第１グループ側の第１セクション（中間部３３Ａ）と第２グループ側との第２セクション（中間部３３Ｂ）とに分割可能であってもよい。
【００５５】
上記の構成を有する油圧機械２０によれば、回転軸２２を挟んで両側に配置される２つのピストングループで１つの移動部３２を共有するので、１つの移動部３２により、回転軸２２の回転運動と多くのピストン２４Ａ，２４Ｂの往復運動との間での運動モードの変換が可能になる。このため、ピストン２４のグループごとに移動部３２を設ける場合に比べて油圧機械２０をコンパクト化することが可能である。
また、上記の構成を有する油圧機械２０によれば、中間部３３Ａと、中間部３３Ｂとが分割してそれぞれ別個に取り外し可能に構成することができるので、油圧機械の有するすべての中間部３３を取り外さなくともメンテナンス可能となる。このため、油圧機械２０のメンテナンス性が向上する。
また、図９に示す例示的な実施形態では、油圧機械２０が、ピストンのグループごとに中間部３３Ａ，３３Ｂと、スライド部３４Ａ，３４Ｂ（第２スライダ３６Ａ，３６Ｂ）と、第１スライダ３５Ａ，３５Ｂを有する。したがって、仮に片方のグループのピストン２４Ａ又は２４Ｂが故障したとしても、他方のグループのピストン２４Ａ又は２４Ｂのみで運転することが可能となる。このため、油圧機械２０の耐障害性が向上する。
【００５６】
図９に示す例示的な実施形態に係る油圧機械２０においては、移動部３２は、回転軸２２の中心軸に対して偏心した位置に設けられるディスク部材４６である。また、スライド部３４Ａ，３４Ｂは、シリンダ軸直交方向に沿って延在し、ディスク部材４６の外周面４７に摺接するように構成されたパッド部材４８Ａ，４８Ｂである。
【００５７】
図１０（ａ）及び（ｂ）は、図９のＡ−Ａ’矢視断面図であり、ディスク部材４６とパッド部材４８Ａ，４８Ｂが摺接する様子を示す図である。
一実施形態では、図１０（ａ）に示すように、パッド部材４８Ａ，４８Ｂは、ディスク部材４６が回転軸２２の軸方向に逸脱しないように案内可能である。一方、ディスク部材４６は一様な厚さを有し、外周面４７はディスク部材４６の厚さと同じ幅でパッド部材４８Ａ，４８Ｂに摺接する。
他の実施形態では、図１０（ｂ）に示すように、ディスク部材４６は、パッド部材４８Ａ，４８Ｂと摺接する部分において、断面が段差を有してもよい。
【００５８】
このように移動部３２としてのディスク部材４６の外周面４７に摺接するパッド部材４８Ａ，４８Ｂをスライド部３４Ａ，３４Ｂとして用いることで、ローラ等を複数用いてスライド部３４として用いるのに比べ、機械要素３０の構成の簡素化を図ることができる。
また、図１０に示すように複数のピストン２４Ａ，２４Ｂに対して１個の移動部３２を共通的に設ける場合、前記複数のピストン２４Ａ又は２４Ｂが共有する１個のパッド部材４８Ａ又は４８Ｂ（スライド部３４Ａ又は３４Ｂ）を１個のディスク部４６（移動部３２）に摺接させれば、中間部３３Ａ，３３Ｂを介して複数のピストン２４Ａ又は２４Ｂ全体を均一に押すことができる。このため、機械要素３０を介して複数のピストン２４Ａ，２４Ｂに回転軸２２から作用する力のシリンダ軸方向成分をピストン間で平準化できる。
【００５９】
図１１は一実施形態に係る回転機械（油圧機械）の構成の概略を示す図である。
図１１に示す例示的な実施形態では、機械要素３０は、回転軸２２の中心軸に対して偏心して回転軸２２に取り付けられるカム７２をさらに含み、移動部３２が、カム７２のカム表面７３に摺接するように設けられる。
回転軸２２が回転すると、回転軸２２の回転に連動してカム中心７４が回転軸２２の周りを移動し、軌跡８３を描く。この際、回転軸２２の中心軸に対して偏心して回転軸２２に取り付けられたカム７２は、回転軸２２の軸方向に対する直交平面内において、シリンダ軸方向の速度成分とシリンダ軸直交方向の速度成分とを合成した速度ベクトルで移動する。これに伴い、カム７２に摺接する移動部３２は、シリンダ軸方向の第１速度成分Ｖ１とシリンダ軸直交方向の第２速度成分Ｖ２とを合成した速度ベクトルＶにて、回転軸２２の軸方向に対する直交平面内で移動する。一実施形態において、移動部３２はカム７２のカム表面８３に摺接するように設けられたピストンシューであってもよい。
また、図１１に示す例示的な実施形態において、中間部３３、スライド部３４（第２スライダ３６）、第１スライダ３５、傾動許容部３８の構成については、上述の実施形態と同様であるから、ここではその説明を省略する。
【符号の説明】
【００６０】
１              発電装置
２              原動機
３              油圧トランスミッション
６              回転シャフト
８              油圧ポンプ
１０            油圧モータ
１１            回転シャフト
１２            高圧油ライン
１４            低圧油ライン
１６            発電機
２０            油圧機械
２１            静止部
２２            回転軸
２４，２４Ａ，２４Ｂ  ピストン
２６，２６Ａ，２６Ｂ  シリンダ
２７，２７Ａ，２７Ｂ  油圧室
２８            高圧バルブ
２９            低圧バルブ
３０            機械要素
３２            移動部
３３，３３’，３３Ａ，３３Ｂ  中間部
３４，３４Ａ，３４Ｂ  スライド部
３５，３５Ａ，３５Ｂ  第１スライダ
３６，３６Ａ，３６Ｂ  第２スライダ
３７            クランク接続部
３８，３８Ａ，３８Ｂ  傾動許容部
３９            規制部
４１            球面状部
４２            球面座部
４４            クラウン形状の外周面
４６            ディスク部材
４７            外周面
４８，４８Ａ，４８Ｂ  パッド部材
５０            静圧パッド
５２            ポケット
５４            流体導入部
５６            連通路
５８            第１表面
５９            第２表面
６２            回転軸
６５            クランク機構
６４            クランクアーム
６６            クランクアーム
６７            クランクピン
６８            コンロッド
７２            カム
７３            カム表面
７４            カム中心
８１            クランクピンの軌跡
８３            カム中心の軌跡
【図１】
2015017590.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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