(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転シャフトと、
前記回転シャフトと共に回転するカムと、
少なくとも一つのシリンダと、
前記カムに接触するように回転可能に配置された少なくとも一つのローラと、
前記シリンダの内壁と共に作動チャンバーを形成するチャンバー形成部と、前記チャンバー形成部と前記カムとの間に位置して前記ローラを保持し、前記シリンダの中心軸に直角をなす面において前記チャンバー形成部に対応するのと同じ円断面を有すると共に前記チャンバー形成部と同心に配置されたローラ保持部とを有する少なくとも一つのピストンと
を備え、
前記ローラ保持部が前記チャンバー形成部よりも大径となるように、前記ローラ保持部と前記チャンバー形成部との間には段差部が設けられており、
前記ローラ保持部は前記ローラの回転軸が前記カムの回転軸と平行になるように前記ローラを保持し、
前記段差部よりも前記作動チャンバー側において、前記チャンバー形成部の外周面に形成されたピストンリング溝にピストンリングが設けられており、
前記ピストンは、前記作動チャンバーに面する開口を介して前記ローラ保持部と前記ローラとの間に前記作動チャンバー内の作動流体を供給する内部流路を有することを特徴とする流体作動装置。
【請求項２】
前記チャンバー形成部は、
前記段差を介して前記ローラ保持部に接続される本体部と、
該本体部よりも前記作動チャンバー側に設けられて前記本体部と共に前記ピストンリング溝を形成する蓋部と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の流体作動装置。
【請求項３】
前記内部流路は、
前記蓋部に形成された第１の流路と、
前記第１の流路と連通するように前記本体部に形成された第２の流路と
を備え、
前記開口は前記蓋部のうち前記作動チャンバーに面する側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の流体作動装置。
【請求項４】
前記ローラ保持部は前記ローラを囲むように形成され、且つ、前記ローラの回転軸及び前記シリンダの中心軸を通る平面において前記シリンダの中心軸に沿った幅が、前記カムに近づくに従って減少するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体作動装置。
【請求項５】
前記蓋部及び前記本体部は、いずれか一方に形成された凸部が他方に形成された凹部に嵌合することで、前記蓋部の前記本体部に対する位置が規制されることを特徴とする請求項２に記載の流体作動装置。
【請求項６】
前記ローラの表面及び前記ローラ保持部の係合面の少なくとも一方は、硬化処理されていることを特徴とする請求項１に記載の流体作動装置。
【請求項７】
回転シャフトと、
前記回転シャフトと共に回転するカムと、
少なくとも一つのシリンダと、
前記カムに接触するように回転可能に配置された少なくとも一つのローラと、
前記シリンダの内壁と共に作動チャンバーを形成するチャンバー形成部と、前記チャンバー形成部と前記カムとの間に位置して前記ローラを保持し、前記シリンダの中心軸に直角をなす面において前記チャンバー形成部に対応するのと同じ円断面を有すると共に前記チャンバー形成部と同心に配置されたローラ保持部とを有する少なくとも一つのピストンと
を備え、
前記ローラ保持部が前記チャンバー形成部よりも大径となるように、前記ローラ保持部と前記チャンバー形成部との間には段差部が設けられており、
前記ローラ保持部は前記ローラの回転軸が前記カムの回転軸と平行になるように前記ローラを保持し、
前記段差部よりも前記作動チャンバー側において、前記チャンバー形成部の外周面に形成されたピストンリング溝にピストンリングが設けられており、
前記ローラ保持部の外周面は、前記作動チャンバーから遠ざかるにつれて小径になるようにクラウニング処理が施されていることを特徴とする流体作動装置。
【請求項８】
前記ピストンには前記作動チャンバーから作動流体を導入する内部流路が形成されており、
前記ローラ保持部の係合面上に前記内部流路に連通するように形成され、前記作動チャンバーから前記内部流路を介して作動流体が導入される溝を備え、
前記溝の各々は、環状溝部と、該環状溝部を横切るようにローラの回転方向に沿って設けられた連通溝部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の流体作動装置。
【請求項９】
前記連通溝部上に前記内部流路が連通されていることを特徴とする請求項７に記載の流体作動装置。
【請求項１０】
前記係合面は前記ローラの周方向に沿って囲む曲面として形成されており、
前記溝は、前記シリンダの中心軸に垂直で前記ローラの回転軸を通る平面と前記係合面との交線を含む領域に少なくとも形成されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の流体作動装置。
【請求項１１】
前記溝は前記係合面上に複数設けられており、
前記ピストンは前記複数の溝に対応する前記内部流路をそれぞれ有しており、
前記複数の溝には、前記内部流路の各々を介して前記作動チャンバーから流体が導入されることを特徴とする請求項８又は９に記載の流体作動装置。
【請求項１２】
前記溝は前記係合面上に複数設けられており、
前記複数の溝は、前記係合面のうち前記シリンダの中心軸より前記ローラの回転方向上流側に配置された第１の溝と、前記係合面のうち前記シリンダの中心軸より前記ローラの回転方向下流側に配置された第２の溝とを含むことを特徴とする請求項８又は９に記載の流体作動装置。
【請求項１３】
前記ピストンには前記作動チャンバーから作動流体が流れる内部流路が形成されており、
前記ローラ保持部の外周面には、前記内部流路を介して前記作動チャンバーから作動流体が導入される少なくとも一つの溝を備えたことを特徴とする請求項１に記載の流体作動装置。
【請求項１４】
前記溝は前記シリンダの中心軸に垂直で前記ローラの回転軸を通る平面と前記シリンダの外周面との交線を含む領域に少なくとも設けられていることを特徴とする請求項１に記載の流体作動装置。
【請求項１５】
前記溝は、前記ローラ保持部の外周面上において、該溝によって囲まれるランドと共にパッド部を形成することを特徴とする請求項１３に記載の流体作動装置。
【請求項１６】
前記溝は、前記ローラ保持部の外周面上において、前記シリンダの中心軸に垂直に延在するように形成された少なくとも一つの溝部から形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の流体作動装置。
【請求項１７】
少なくとも一つの回転翼が取り付けられたハブと、
前記ハブに連結された主軸と、
前記主軸に取り付けられる少なくとも一つの油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される少なくとも一つの油圧モータと、
前記油圧モータに連結された発電機とを備え、前記回転翼で風を受けて前記主軸を回転させることで前記発電機を駆動する風力発電装置であって、
前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの少なくとも一方が請求項１に記載の流体作動装置であることを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は油圧ポンプ、油圧モータ等の流体作動装置、及び、該流体作動装置を利用した風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の保全の観点から、風力を利用した風力発電装置等の再生エネルギー型発電装置の普及が進んでいる。風力発電装置では、風の運動エネルギーをロータの回転エネルギーに変換し、さらにロータの回転エネルギーを発電機によって電力に変換する。
このような風力発電装置において、従来はドライブトレインとしてギヤ式の増速機が多く用いられていたが、風力発電装置の大型化に伴って、重量及びコストを減少させるべく、油圧ポンプ、油圧モータ等の流体作動装置を用いた油圧トランスミッションを採用した風力発電装置が注目を浴びている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、流体作動装置として油圧モータの一例が開示されている。この油圧モータは、シリンダ内でのピストンの往復運動をカムの回転運動に変換して出力する。ピストンはローラを介してカムに接触している。特許文献１では、ローラとカムとの間の接触面に生じる摩耗を軽減するために、該接触面に溝を設けている。該溝には、ピストンに形成された内部流路を介して、作動チャンバーから作動油が供給される。溝に供給された作動油は、該溝から周囲に染み出すことによって流体膜を形成し、潤滑作用を奏する。
【０００４】
ところで、この種の流体作動装置では、ピストンはローラを介してカムから斜めに押圧力を受けると、シリンダ軸に対してピストンが傾くことがある。すると、ピストンとシリンダとの間で摩耗や焼き付きが発生する原因となる。特許文献２には、ピストンにガイド部を設けることによってシリンダ内での運動方向を規制し、ピストンの傾きを防止する流体作動装置が記載されている。
また特許文献２及び特許文献３においても、ピストンのローラとの係合面に作動チャンバーから作動油を供給し、該係合面に潤滑膜を形成することによって、摩耗を低減している。特許文献３には、ピストンのカム側に、ローラを保持するためのローラ保持部を、前記シリンダ内を往復運動する本体部に比べて大径に形成した流体作動装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許５９７９２９５号明細書
【特許文献２】国際特許出願公開第２０１２／０１０２６１号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第５２４４３７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２では、ピストンにガイド部を設けることによって、ピストンの外周面に段差が形成されている。当該段差は作動チャンバー内に存在するため、シリンダ内で往復運動するピストンにとって運動の妨げとなり、流体作動装置の運転効率に悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００７】
また、ピストンはローラを介してカムから押圧力を受けることによってシリンダ内で往復運動する。このときピストンのローラとの係合面には、カムから押圧力を受ける。そのため、ピストンはローラからの押圧力に耐えられるだけの十分な耐久性を有することが必要とされている。特許文献１及び２では、このようなピストンの耐久性については何ら対策がなされていない。
また、特許文献３ではローラ保持部を本体部より大径に形成することによって、ピストンがカムからの押圧力に耐えられるように設計されている。しかしながら、特許文献３では、シリンダ軸の垂直面において本体部は略円形状の断面を有するのに対し、ローラ保持部は略長方形状の断面を有している。このように、互いに異なる断面を有する本体部とローラ保持部とを同心に組み合わせてピストンを形成することは、技術的に難しい。
【０００８】
本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、良好な運転効率を確保しつつ、長いライフタイムが得られる流体作動装置及び風力発電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】
【０００９】
幾つかの実施形態に係る流体作動装置は、回転シャフトと、前記回転シャフトと共に回転するカムと、少なくとも一つのシリンダと、前記カムに接触するように回転可能に配置された少なくとも一つのローラと、前記シリンダの内壁と共に作動チャンバーを形成するチャンバー形成部と、前記チャンバー形成部と前記カムとの間に位置して前記ローラを保持し、前記シリンダの中心軸に直角をなす面において前記チャンバー形成部に対応するのと同じ円断面を有すると共に前記チャンバー形成部と同心に配置されたローラ保持部とを有する少なくとも一つのピストンとを備え、前記ローラ保持部が前記チャンバー形成部よりも大径となるように、前記ローラ保持部と前記チャンバー形成部との間には段差部が設けられており、前記ローラ保持部は前記ローラの回転軸が前記カムの回転軸と平行になるように前記ローラを保持し、前記段差部よりも前記作動チャンバー側において、前記チャンバー形成部の外周面に形成されたピストンリング溝にピストンリングが設けられており、
前記ピストンは、前記作動チャンバーに面する開口を介して前記ローラ保持部と前記ローラとの間に前記作動チャンバー内の作動流体を供給する内部流路を有する。
【００１０】
上記流体作動装置では、ローラ保持部を作動チャンバー形成部に比べて大径に形成することにより、カムの回転に伴い動作するローラを保持するローラ保持部の剛性を高められるため、ピストンの耐久性を向上できると共に、前記ローラとピストンと間の面圧を下げることができる。
一方、作動チャンバー形成部はローラ保持部に比べて小径に形成されるので、流体作動装置の各種部品や内部流路の配置の自由度が高まる。例えば作動チャンバーに流体を供給・排出する際に使用する弁機構を設けるためのスペースを作動チャンバー周辺に確保しやすくなる。
このようなローラ保持部と作動チャンバー形成部との間には段差部が設けられている（すなわちピストンはステップ形状を有している）。ここで、ピストンリングは、例えば作動チャンバー内の作動流体の漏れの抑制などを目的としている。そのため、段差部は作動チャンバー内に存在しておらず、作動チャンバーに満たされた作動流体に曝されない。従って、段差部がシリンダ内で往復運動するピストンにとって運動の妨げとなることがない。また、シリンダ内のピストンのうち段差部よりローラ側は、ローラの端部に対応した切り欠きによって作動油の流路を形成することにより、ピストンとシリンダの間に作動油が流れにくくなるのを防止している。その結果、流体作動装置は、良好な運転効率を達成できる。
また、ローラ保持部を、シリンダの中心軸の垂直面においてチャンバー形成部に対応する断面形状を有するように形成すると共に、チャンバー形成部と同心になるように配置することによって、シリンダ軸に対称的な形状を有するピストンを容易に製造できる。これにより、ピストンにはローラから押圧力が効率的、且つ、安定的に伝達されるので、良好な運転効率を有する流体作動装置を提供することができる。
このように、上記流体作動装置では、良好な運転効率を確保しつつ、長いライフタイムを得ることができる。
【００１１】
少なくとも一実施形態では、前記チャンバー形成部は、前記段差を介して前記ローラ保持部に接続される本体部と、該本体部よりも前記作動チャンバー側に設けられて前記本体部と共に前記ピストンリング溝を形成する蓋部とを含む。
【００１２】
上記流体作動装置では、ピストンリング溝はチャンバー形成部を構成する本体部と蓋部とによって形成されている。そのため、当該ピストンリング溝に嵌め込まれたピストンリングを交換する場合には、蓋部を本体部から取り外すことによって当該ピストンリングに容易にアクセスすることができる。
尚、蓋部を本体部に取り付けた後、これらをボルトで固定して補強してもよい。
【００１３】
少なくとも一実施形態において、前記内部流路は、前記蓋部に形成された第１の流路と、前記第１の流路と連通するように前記本体部に形成された第２の流路とを備え、前記開口は前記蓋部のうち前記作動チャンバーに面する側に設けられている。
【００１４】
上記流体作動装置では、作動チャンバー形成部及びローラ保持部にそれぞれ形成された第１及び第２の流路を介して、ピストンのローラとの係合面に作動流体が供給される。供給された作動流体は、当該係合面上にて流体膜を形成し、ピストンとローラとの間に生じる摩耗を軽減する。
【００１５】
少なくとも一実施形態では、前記ローラ保持部は前記ローラを囲むように形成され、且つ、前記ローラの回転軸及び前記シリンダの中心軸を通る平面において前記シリンダの中心軸に沿った幅が、前記カムに近づくに従って減少するように形成されている。
上記流体作動装置では、このようにローラ保持部を形成することによって、内部流路を介して係合面に供給された作動流体は、ローラ保持部とローラとの隙間から下方に向って効率的に漏れ出る。このように、作動チャンバーから内部流路を介して作動流体を係合面に供給した後、係合面で潤滑に使用された作動流体を排出する一連のサイクルを形成することにより、係合面における潤滑作用を改善することができる。
【００１６】
少なくとも一実施形態において、前記蓋部及び前記本体部は、いずれか一方に形成された凸部が他方に形成された凹部に嵌合することで、前記蓋部の前記本体部に対する位置が規制される。
【００１７】
上記流体作動装置では、蓋部及び本体部にそれぞれ形成された凸部及び凹部を嵌め合わせることによって、相対的な位置関係を規制することができるようになっている。これにより、メンテナンス時に作業員が蓋部及び本体部を分解・組立する際に、蓋部及び本体部の位置合わせ作業を容易にし、作業負荷を軽減することができる。
【００１８】
少なくとも一実施形態において、前記ローラの表面及び前記ローラ保持部の係合面の少なくとも一方は、硬化処理されている。
上記流体作動装置では、ローラの表面及びローラ保持部の係合面の少なくとも一方に、例えば浸炭処理、窒化浸炭、高周波焼入れ等のような硬化処理を施すことによって、ローラ表面はローラ保持部の係合面より高い又は等しい硬度を有し、これらの間に生じ得る摩耗を軽減できる。
【００１９】
幾つかの実施形態に係る流体作動装置は、回転シャフトと、前記回転シャフトと共に回転するカムと、少なくとも一つのシリンダと、前記カムに接触するように回転可能に配置された少なくとも一つのローラと、前記シリンダの内壁と共に作動チャンバーを形成するチャンバー形成部と、前記チャンバー形成部と前記カムとの間に位置して前記ローラを保持し、前記シリンダの中心軸に直角をなす面において前記チャンバー形成部に対応するのと同じ円断面を有すると共に前記チャンバー形成部と同心に配置されたローラ保持部とを有する少なくとも一つのピストンとを備え、前記ローラ保持部が前記チャンバー形成部よりも大径となるように、前記ローラ保持部と前記チャンバー形成部との間には段差部が設けられており、前記ローラ保持部は前記ローラの回転軸が前記カムの回転軸と平行になるように前記ローラを保持し、前記段差部よりも前記作動チャンバー側において、前記チャンバー形成部の外周面に形成されたピストンリング溝にピストンリングが設けられており、前記ローラ保持部の外周面は、前記作動チャンバーから遠ざかるにつれて小径になるようにクラウニング処理が施されている。
【００２０】
上記流体作動装置では、ローラ保持部の外周面にクラウニング処理を施すことによって、仮にピストンがカムからの押圧力によって傾いた場合であっても、ピストンの外周面がシリンダ表面に直接接触するリスクを軽減し、ピストン及びシリンダ間の摩耗を抑制できる。
【００２１】
少なくとも一実施形態において、前記ピストンには前記作動チャンバーから作動流体を導入する内部流路が形成されており、前記ローラ保持部の係合面上に前記内部流路に連通するように形成され、前記作動チャンバーから前記内部流路を介して作動流体が導入される溝を備え、前記溝の各々は、環状溝部と、該環状溝部を横切るようにローラの回転方向に沿って設けられた連通溝部とを備える。
また、前記連通溝部上に前記内部流路が連通されていてもよい。
【００２２】
上記流体作動装置では、係合面上に溝を備えており、該溝に作動チャンバーから作動流体が供給されている。作動流体は少なからず粘性を有するので、ローラの回転によって、作動流体は溝からローラ回転方向下流側の係合面上に引きずり込まれ、係合面上に流体膜を形成する。また、溝に満たされた作動流体は、作動流体自身が有する流体圧力に基づいて、該溝から周囲に向って染み出す。このように作動流体は係合面上の広い範囲に亘って流体膜を形成し、係合面を潤滑できる。
【００２３】
少なくとも一実施形態において、前記係合面は前記ローラの周方向に沿って囲む曲面として形成されており、前記溝は、前記シリンダの中心軸に垂直で前記ローラの回転軸を通る平面と前記係合面との交線を含む領域に少なくとも形成されていてもよい。
【００２４】
この種の流体作動装置では、押圧力を受ける係合面上の位置は、カムの回転に伴って周期的に変化する。係合面がローラを囲むように形成されている場合、シリンダ軸から離れるに従って、係合面に作用する押圧力に含まれるシリンダ軸に垂直な力成分は大きくなる。つまり、係合面のうちシリンダ軸から離れた領域に作用する押圧力ほど、ピストンの傾きに大きく影響を与える。上記流体作動装置では、前記溝を係合面のうちシリンダ軸から離れた領域（すなわち、シリンダの中心軸に垂直でローラの回転軸を通る平面と係合面との交線を含む領域）に形成することによって、ピストンの傾きへの影響の大きな押圧力に対する潤滑を向上できる。
【００２５】
少なくとも一実施形態において、前記溝は前記係合面上に複数設けられており、前記ピストンは前記複数の溝に対応する前記内部流路をそれぞれ有しており、前記複数の溝には、前記内部流路の各々を介して前記作動チャンバーから流体が導入されてもよい。
【００２６】
上述したように、押圧力を受ける係合面上の位置は、カムの回転位相に伴って、ローラの回転方向に沿って周期的に変化する。上記流体作動装置では、このような係合面上における押圧力の作用位置の変化に応じて、係合面上に複数の溝を設けることにより、係合面の広い範囲で良好な潤滑作用が得られる。
また、各溝にそれぞれ内部流路を設けることによって、各溝における作動流体の導入量を独立して制御できる。その結果、係合面の各位置において十分な潤滑作用を得るために必要な作動流体が確保可能なように、作動流体の導入量を個別に調整することができる。この場合、係合面が受けるローラからの押圧力の大きさ及び方向に応じて、それぞれの内部流路における作動流体の流れやすさ（Impedence）を適切に調整することができるため、互いに係合するローラとピストンの動作を安定化することができる。
【００２７】
少なくとも一実施形態において、前記溝は前記係合面上に複数設けられており、前記複数の溝は、前記係合面のうち前記シリンダの中心軸より前記ローラの回転方向上流側に配置された第１の溝と、前記係合面のうち前記シリンダの中心軸より前記ローラの回転方向下流側に配置された第２の溝とを含んでもよい。
【００２８】
押圧力を受ける係合面上の位置は、カムの回転位相に伴って、シリンダ軸を基準としてローラの回転方向上流側と下流側との間で周期的に変化する。上記流体作動装置では、このような係合面上における押圧力の作用位置の変化に応じて、係合面上のローラの回転方向上流側と下流側とに第１の溝及び第２の溝をそれぞれ配置することによって、カムの回転位相に関わらず、良好な潤滑作用を得ることができる。
【００２９】
少なくとも一実施形態において、前記ピストンには前記作動チャンバーから作動流体が流れる内部流路が形成されており、前記ローラ保持部の外周面には、前記内部流路を介して前記作動チャンバーから作動流体が導入される少なくとも一つの溝を備える。
【００３０】
上記流体作動装置では、ローラ保持部の外周面に溝を設け、該溝に作動チャンバーから作動流体を供給することにより、ピストンとシリンダとの間に流体膜を形成し、潤滑作用を得ることができる。その結果、仮にピストンがシリンダ内で傾いた場合であっても、ピストンとシリンダとの間に生じる摩耗を軽減し、より長いライフタイムを得ることができる。
【００３１】
少なくとも一実施形態において、前記溝は前記シリンダの中心軸に垂直で前記ローラの回転軸を通る平面と前記シリンダの外周面との交線を含む領域に少なくとも設けられていてもよい。
【００３２】
上記流体作動装置では、ローラ保持部の外周面のうち前記シリンダの中心軸に垂直で前記ローラの回転軸を通る領域（ピストンをシリンダに押しつける力が最も大きくなる領域）に溝を設けることによって、ピストン及びシリンダの摩耗をより効果的に軽減できる。
【００３３】
少なくとも一実施形態において、前記溝は、前記ローラ保持部の外周面上において、該溝によって囲まれるランドと共にパッド部を形成していてもよい。
【００３４】
上記流体作動装置では、溝が該溝によって囲まれたランドと共にパッド部を形成しているので、溝に供給された作動流体はランド上において流体膜を確実に形成するため、良好な潤滑作用を得ることができる。
【００３５】
少なくとも一実施形態において、前記溝は、前記ローラ保持部の外周面上において、前記シリンダの中心軸に垂直に延在するように形成された少なくとも一つの溝部から形成されていてもよい。このように溝の形状を変更することによって、該溝に作動チャンバーから導入される作動流体の量を調整してもよい。
【００３６】
幾つかの実施形態に係る風力発電装置は、少なくとも一つの回転翼が取り付けられたハブと、前記ハブに連結された主軸と、前記主軸に取り付けられる少なくとも一つの油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される少なくとも一つの油圧モータと、前記油圧モータに連結された発電機とを備えた風力発電装置であって、前記油圧ポンプ及び前記油圧モータの少なくとも一方が前記流体作動装置であることを特徴とする。
【００３７】
上記流体作動装置は、再生可能エネルギーとしての風から電力を生成する風力発電装置に適用してもよい。
【発明の効果】
【００３８】
上記流体作動装置では、ローラ保持部を作動チャンバー形成部に比べて大径に形成することにより、カムの回転に伴い動作するローラを保持するローラ保持部の剛性を高められるため、ピストンの耐久性を向上できる。
一方、作動チャンバー形成部はローラ保持部に比べて小径に形成されるので、流体作動装置の各種部品や内部流路の配置の自由度が高まる。例えば作動チャンバーに流体を供給・排出する際に使用する弁機構を設けるためのスペースを作動チャンバー周辺に確保しやすくなる。
このようなローラ保持部と作動チャンバー形成部との間には段差部が設けられている。ここで、ピストンリングは、例えば作動チャンバー内の作動流体の漏れの抑制などを目的としており、段差部よりも作動チャンバー側において、チャンバー形成部の外周面に形成されたピストンリング溝に設けられている。そのため、段差部は作動チャンバー内に存在しておらず、作動チャンバーに満たされた作動流体に曝されない。従って、段差部がシリンダ内で往復運動するピストンにとって運動の妨げとなることがなく、良好な運転効率を達成できる。
その結果、上記流体作動装置では、良好な運転効率を確保しつつ、長いライフタイムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】風力発電装置の全体構成の概略を示す図である。
【図２】油圧ポンプの内部構成を示す図である。
【図３】ピストンの外観を示す斜視図である。
【図４Ａ】図３に示すピストンをリングカムの径方向外側から示す上面図である。
【図４Ｂ】図４ＡのＡ―Ａ線断面図である。
【図４Ｃ】図３に示すピストンをリングカムの径方向内側から示す下面図である。
【図５Ａ】本体部をリングカムの径方向外側から示す上面図である。
【図５Ｂ】図５ＡのＢ−Ｂ断面図である。
【図６Ａ】蓋部をリングカムの径方向外側から示す上面図である。
【図６Ｂ】図６ＡのＣ−Ｃ断面図である。
【図７】係合面において油圧による静圧が発生するメカニズムを模式的に示すピストン及びローラの断面図である。
【図８】係合面に形成された溝の変形例を示す図である。
【図９】ピストンの側面図である。
【図１０】図９の変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
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、特定的な記載がない限り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。
【００４１】
以下の実施形態では、再生エネルギー型発電装置の一例として風力発電装置について説明する。ただし、本発明は潮流発電装置、海流発電装置、河流発電装置等の他の再生エネルギー型発電装置にも適用できる。
【００４２】
図１は風力発電装置１の全体構成の概略を示す図である。
風力発電装置１は、主として、基礎２上に設置されるタワー３と、該タワー３に支持されるナセル４と、風のエネルギーによって回転するロータ５とを備える。
尚、図１には、風力発電装置１として海面上に設置される洋上風力発電装置を例示しているが、風力発電装置１は陸上に設置されていてもよい。
【００４３】
ロータ５は、少なくとも一枚（例えば３枚）のブレード７と、該ブレード７を支持するハブ６とで構成される。ハブ６は、ナセル４内に収納された回転シャフト９に連結されている。その結果、ブレード７が風を受けてロータ５が回転すると、ハブ６に連結された回転シャフト９も回転するようになっている。
【００４４】
ナセル４内には油圧トランスミッション１０及び発電機１６が収納されている。油圧トランスミッション１０は、回転シャフト９に連結された油圧ポンプ１１と、発電機１６に連結された少なくとも一つの油圧モータ１２と、油圧ポンプ１１及び油圧モータ１２間に設けられるオイルライン１５とを有する。オイルライン１５は、油圧ポンプ１１の吐出側と油圧モータ１２の吸込側とを接続する高圧油ライン１３、及び、油圧ポンプ１１の吸込側と油圧モータ１２の吐出側とを接続する低圧油ライン１４により構成されている。
【００４５】
油圧ポンプ１１は、回転シャフト９によって駆動されて高圧の作動油を生成する。この高圧の作動油は、高圧油ライン１３を介して油圧モータ１２に供給され、該高圧の作動油によって油圧モータ１２が駆動される。このとき、油圧モータ１２に連結された発電機１６が駆動され、発電機１６において電力が生成される。油圧モータ１２から吐出された作動油は、低圧油ライン１４を介して油圧ポンプ１１に供給され、油圧ポンプ１１において再び昇圧されて油圧モータ１２に送られる。
【００４６】
図２は油圧ポンプ１１の内部構成を示す図である。尚、以下の説明では流体作動装置の一例として油圧ポンプ１１について詳細に説明するが、油圧モータ１２についても同様の構成を採用することができる。
【００４７】
油圧ポンプ１１は、ピストン１８及びシリンダ１９により形成される複数の作動チャンバー２０と、ピストン１８に回転可能に係合された複数のローラ２１と、該ローラ２１に接触し、回転シャフト９と共に回転するリングカム２２とを備えて構成されている。各作動チャンバー２０には、高圧弁２３及び低圧弁２４が設けられている。高圧弁２３は、各作動チャンバー２０と高圧油ライン１３との間の高圧連通路２５に設けられ、低圧弁２４は、各作動チャンバー２０と低圧油ライン１４との間の低圧連通路２６に設けられている。ここで、高圧弁２３には、作動チャンバー２０から高圧油流路１６に向かう作動油の流れのみを許容する逆止弁を用い、低圧弁２４には電磁弁を用いることができる。
【００４８】
油圧ポンプ１１の運転時において、回転シャフト９と共にリングカム２２が回転すると、カム曲線に合わせてピストン１８が周期的に上下動（往復運動）し、ピストン１８が下死点から上死点に向かうポンプ工程と、ピストン１８が上死点から下死点に向かう吸入工程とが繰り返される。そのため、ピストン１８とシリンダ１９の内壁面によって形成される作動チャンバー２０の容積は周期的に変化する。
油圧ポンプ１１では、高圧弁２３及び低圧弁２４の開閉制御によって、各作動チャンバー２０をアクティブ状態又はアイドル状態に切替えることができる。作動チャンバー２０がアクティブ状態である場合、吸入工程において高圧弁２３を閉じ低圧弁２４を開くことで低圧油ライン１４から作動チャンバー２０内に作動油を流入させるとともに、ポンプ工程において高圧弁２３を開き低圧弁２４を閉じることで作動チャンバー２０から高圧油ライン１３に加圧された作動油を送り出す。一方、作動チャンバー２０がアイドル状態である場合、吸入工程およびポンプ工程の両方において、高圧弁２３が閉じて低圧弁２４が開いた状態を維持して、作動チャンバー２０と低圧油ライン１４との間で作動油を往復させる（すなわち、高圧油ライン１３には作動油を送り出さない）。
【００４９】
図３はピストン１８の外観を示す斜視図であり、図４Ａは図３に示すピストン１８をリングカム２２の径方向外側から示す上面図であり、図４Ｂは図４ＡのＡ―Ａ線断面図であり、図４Ｃは図３に示すピストン１８をリングカム２２の径方向内側から示す下面図である。
【００５０】
ピストン１８は、チャンバー形成部２７とローラ保持部２８とを含んで構成されている。チャンバー形成部２７は、シリンダ１９と共に作動チャンバー２０を形成する。一方、ローラ保持部２８はローラ２１を回転可能に保持しており、ローラ２１と係合する係合面３０を有している。係合面３０はローラ２１と略等しい又はわずかに大きな曲率を有する曲面として形成されており、ローラ２１を周方向に沿って囲むように設けられている。
【００５１】
作動チャンバー形成部２７の外周面にはピストンリング溝２９が設けられており、該ピストンリング２９には不図示のピストンリングが嵌め込まれる。該ピストンリングは、例えば作動チャンバー２０内の作動油の漏れの抑制などを目的として設けられている。
【００５２】
ピストン１８はリングカム２２からの押圧力をローラ２１を介して受けて、シリンダ１９内で往復運動する。このとき、ピストン１８のうちローラ保持部２８は、回転するローラ２１と接触して押圧力を受けるため、当該押圧力に耐えられるだけの十分な耐久性が求められる。本実施例では、ローラ保持部２８をチャンバー形成部２７に比べて大径に形成することによって剛性を高めており、その結果、十分な耐久性が得られるようになっている。
【００５３】
一方、作動チャンバー形成部２７はローラ保持部２８に比べて小径に形成されている。このように作動チャンバー形成部２７の径サイズを小さく形成することにより、流体作動装置内の他の部材（例えば作動チャンバー２０に流体を供給・排出する際に使用するための弁機構など）や内部流路（作動チャンバー２０に流体を供給・排出するための流路）を設けるためのスペースを作動チャンバー２０周辺に確保しやすくなる。
【００５４】
このように、ピストン１８は互いに異なる径を有するチャンバー形成部２７とローラ保持部２８と組み合わせた構成を有しているため、その境界には段差部３１が形成されている。尚、当該段差部３１には、Ｒ状に面取り加工が施されている。
【００５５】
上述したように、ピストンリング溝２９に嵌め込まれるピストンリングは、例えば作動チャンバー内の作動油の漏れの抑制などを目的としている。本実施例では、ピストンリング溝２９は段差部３１よりも作動チャンバー２０側に設けられているため、段差部３１は作動チャンバー２０内に存在しておらず、作動チャンバー２０に満たされた作動油に曝されない。したがって、段差部３１がシリンダ１９内で往復運動するピストン１８にとって運動の妨げとなることがなく、良好な運転効率を達成できる。
【００５６】
ピストン１８のうち作動チャンバー形成部２７は、本体部３２及び蓋部３３によって構成されている。図５Ａは本体部３２をリングカム２２の径方向外側から示す上面図であり、図５Ｂは図５ＡのＢ−Ｂ断面図である。図６Ａは蓋部３３をリングカム２２の径方向外側から示す上面図であり、図６Ｂは図６ＡのＣ−Ｃ断面図である。
【００５７】
本体部３２は円筒形状を有しており、段差３１を介してローラ保持部２８に接続されている。蓋部３３は作動チャンバー２０の一部を構成しており、作動チャンバー２０側から本体部３２に取り付けられている。本体部３２のうち蓋部３３に面する側には、蓋部３３に形成された凸部３５に対応する凹部３４が設けられている。また、本体部３２及び蓋部３３には、不図示のボルトが挿入可能な複数のボルト穴３６ａ―３６ｈ及び３７ａ―３７ｈが周方向に沿ってそれぞれ設けられている。
凸部３５が凹部３４に嵌め込まれることによって、本体部３２と蓋部３３との相対的な位置関係が規制される。これにより、メンテナンス時に作業員が本体部３２及び蓋部３３を分解・組立する際に、本体部３２及び蓋部３３の位置合わせ作業を容易にし、作業負荷を軽減することができる
そして更に、ボルト穴３６ａ―３６ｈ及び３７ａ―３７ｈをボルト止めすることによって、蓋部３３は本体部３２に対して固定される。その結果、作動チャンバー形成部２７を本体部３２及び蓋部３３という別部材の組み合わせから構成した場合であっても、シリンダ１９内で互いに位置がずれることを防止できるようになっている。
尚、本体部３２及びローラ保持部２８は別部材から形成されていてもよいし、一体的に形成されていてもよい。
【００５８】
ピストンリング溝２９は、このように組み合わされた本体部３２及び蓋部３３によって形成される。本実施形態では、本体部３２の作動チャンバー２０側の周縁部に切欠き４１が形成されており、蓋部３３を組み合わせた際に、本体部３２の切欠き４１と蓋部３３の表面の一部とが一体的となってピストンリング溝２９が構成されるようになっている。このようにピストンリング溝２９を構成することによって、当該ピストンリング溝２９に嵌め込まれたピストンリングを交換する場合には、蓋部３３を本体部３２から取り外すことによって、ピストンリングに容易にアクセスすることができ、その結果、作業負担を軽減することができる。
【００５９】
尚、蓋部３３の径方向外縁のうちリングカム２２に向って径方向に沿って面する内側に切欠きを形成し、該蓋部３３の切欠きと本体部３２のリングカム２２の径方向外側の表面とを組み合わせることによって、ピストンリング溝２９を構成してもよい。これに代えて、本体部３２の外側周縁のうちリングカム２２に径方向から面する外側と、蓋部３３径方向外縁のうちリングカム２２に向って径方向に沿って面する内側とに、それぞれ切欠きを形成し、これらを組み合わせてピストンリング溝２９を構成してもよい。
【００６０】
ピストン１８には、作動チャンバー２２からの作動油が流れる内部流路５５―５８が形成されている。詳しく説明すると、作動チャンバー形成部２７のうち蓋部３３には内部流路５５ａ−５８ａが形成されており、作動チャンバー形成部２７のうち本体部３２には内部流路５５ｂ−５８ｂが形成されており、ローラ保持部２８には内部流路５５ｃ−５８ｃが形成されている。内部流路のこれらのセクションａ、ｂ及びｃは、ピストン１８内において対応する流路同士が連通することにより、内部流路５５−５８として構成されている。
尚、内部流路５５−５８には、作動チャンバー２０から供給される作動油の流量を調整するためのオリフィスをそれぞれ設けてもよい。
【００６１】
内部流路５５及び５６は、係合面３０上に形成された溝６０Ａ及び６０Ｂにそれぞれ連通している。図４Ｃに示すように、溝６０Ａ及び６０Ｂは、それぞれ環状溝部６１Ａ及び６１Ｂと、該環状溝部６１Ａ及び６１Ｂを横切るようにローラ２１の回転方向に沿って設けられた連通溝部６２Ａ及び６２Ｂとを、それぞれ備えている。内部流路５５及び５６は、連通溝部６２Ａ及び６２Ｂ上に設けられた供給口６３Ａ及び６３Ｂにそれぞれ連通している。また、内部流路５５及び５６は溝部６１Ａ及び６１Ｂにそれぞれ連通していてもよいし、合流部６４Ｂ及び６４Cにそれぞれ連通していてもよい。
【００６２】
作動油は作動チャンバー２０から内部流路５５及び５６を介して、溝６０Ａ及び６０Ｂのうち連通溝部６２Ａ及び６２Ｂに供給される。連通溝部６２Ａ及び６２Ｂは環状溝部６１Ａ及び６１Ｂを横切るように設けられており、且つ、ローラ２１の回転方向に沿って設けられているので、連通溝部６２Ａ及び６２Ｂは環状溝部６１Ａ及び６１Ｂと複数の合流部６４Ａ―６４Ｄを有している。従って、内部流路５５及び５６から供給された作動油は、連通溝部６２Ａ及び６２Ｂを介して環状溝部６１Ａ及び６１Ｂの異なる箇所にそれぞれ導かれる。
ところで、ローラ２１が回転すると、溝６０Ａ及び６０Ｂ内の作動油は係合面３０に引き込まれて油圧による静圧が発生して、この油圧による静圧によってカム２２からローラ２１に加わる大きな荷重を支えるようになっている。そして、溝６０Ａ及び６０Ｂから係合面３０に引き込まれた分だけ、作動油を溝６０Ａ及び６０Ｂに補充すれば、油圧による静圧を常に得ることができる。
そこで、上述のように、連通溝部６２Ａ及び６２Ｂを介して、内部流路５５及び５６から供給される作動油を各環状溝部６１Ａ，６１Ｂの異なる箇所に導いて、溝６０Ａ及び６０Ｂ全体に効率的に行き渡らせることで、溝６０Ａ及び６０Ｂへの作動油の補充を効果的に行うことができ、油圧による静圧を発生させることができる。
【００６３】
上述したように、係合面３０には、ローラ２１の回転によって溝６０Ａ及び６０Ｂに溜められた作動油が引きずり込まれることによって、油圧による静圧を発生させる流体膜が形成される。溝６０Ａ及び６０Ｂは環状溝部６１Ａ及び６１Ｂを有しているため、ローラ２１の回転方向に交差する方向に延在する溝を複数含んでいる（図４Ｃの符号６６ａ―６６ｄを参照）。これらの溝からは、ローラ２１の回転によって係合面３０上に作動油が導かれ、係合面３０上で油圧による静圧を発生させる。
【００６４】
図７は係合面３０において油圧による静圧が発生するメカニズムを模式的に示すピストン１８及びローラ２１の断面図である。
リングカム２２が矢印で示す方向に回転すると、ローラ２１は反対方向に回転する。ピストン１８の係合面３０には、作動油で満たされた溝６０Ａ及び６０Ｂが形成されている。図７では、該溝６０Ａ及び６０Ｂのうちローラ２１の回転方向に直交する部分６６ａ―６６ｄが示されている。６６ａ―６６ｄに溜められている作動油は粘性を有するため、ローラ２１の回転に伴って、ローラ回転方向下流側（図中矢印を参照）に向って係合面３０上に引き出される。その結果、係合面３０上には、流体膜が形成され、油圧による静圧が得られる。
【００６５】
このように本実施例では、係合面３０上に形成された溝６０Ａ及び６０Ｂ全体に作動油を効率的に導くと共に、油圧による静圧を発生させることにより、係合面３０における摩耗を軽減し、ライフタイムが改善される。
【００６６】
ここで、図８は係合面３０に形成された溝６０Ａ及び６０Ｂの変形例を示す図である。図８では、図４Ｃに示す例と同様に、係合面３０上に２つの溝８０Ａ及び８０Ｂが形成されている。溝８０Ａ及び８０Ｂは、環状溝部８１Ａ及び８１Ｂと、該環状溝部８１Ａ及び８１Ｂを横切るようにローラ２１の回転方向に沿って設けられた連通溝部８２Ａ及び８２Ｂとを、それぞれ備えている。内部流路５５及び５６は、連通溝部８２Ａ及び８２Ｂ上に設けられた供給口８３Ａ及び８３Ｂにそれぞれ連通している。また、内部流路５５及び５６はそれぞれ溝部８１Ａ及び８１Ｂに連通していてもよいし、合流部８２A及び８２Bに連通していてもよい。
【００６７】
この例では、溝８０Ａ及び８０Ｂは、シリンダ１９の中心軸に垂直でローラ２１の回転軸を通る平面と係合面３０との交線を含む領域８４を含むように、図４Ｃに示す溝６０Ａ及び６０Ｂに比べて、シリンダ軸から離れた位置に形成されている。
押圧力を受ける係合面３０上の位置は、リングカム２２の回転位相に伴って、ローラ２１の回転方向に沿って周期的に変化する。シリンダ軸から離れるに従って、係合面３０に作用する押圧力に含まれるシリンダ軸に垂直な力成分は大きくなる。つまり、係合面３０のうちシリンダ軸から離れた領域に作用する押圧力ほど、ピストン１８の傾きに大きく影響を与える。
図８の例では、溝８０Ａ及び８０Ｂを係合面３０のうちシリンダ軸から離れた領域（すなわち、シリンダ１９の中心軸に垂直でローラ２１の回転軸を通る平面と係合面３０との交線を含む領域８４）に形成することによって、ピストン１８の傾きへの影響の大きな押圧力に対する潤滑作用を向上できる。
【００６８】
図３及び図４に示すように、ピストン１８に形成された内部流路５７及び５８は、ローラ保持部２８の外周面に形成された外側溝１１０Ａ及び１１０Ｂに連通している。内部流路５７及び５８は、作動チャンバー形成部２７ではシリンダ軸に平行な方向に延在しており、ローラ保持部２８において、外側溝１１０Ａ及び１１０Ｂに連通するようにシリンダ軸に対して斜めに形成されている。
【００６９】
図９はピストン１８の側面図である。尚、図９ではピストン１８のうち外側溝１１０Ａが設けられた側のみを示しているが、外側溝１１０Ｂが設けられた側の構成も同様である。
外側溝１１０Ａはピストン１８の外周面上に形成された環状溝部１１１と、該環状溝部１１１に形成された供給口１１２とを備えてなる。供給口１１２には内部流路５７が連通しており、作動チャンバー２０から環状溝部１１１に作動油が供給されるようになっている。環状溝部１１１に供給された作動油は、ピストン１８のシリンダ１９内における往復運動に伴い、該環状溝部１１１からピストン１８及びシリンダ１９間の隙間に引きずり込まれて、油圧による静圧を発生させる。これにより、ピストン１８及びシリンダ１９間に作用する荷重に対抗することができ、ピストン１８及びシリンダ１９の摩耗を低減することができる。
尚、外側溝１１０Ａは、環状溝部１１１によって囲まれたランド１１２を有している。ランド１１２は、作動油で満たされた環状溝部１１１によって囲まれているため、ローラ２１の回転によって、その表面に環状溝部１１１から作動油が容易に引き込まれ、油圧による静圧を発生させる。このように、外側溝１１０Ａは環状溝１１１とランド１１２からなる、いわゆるパッド部として形成されているため、効果的に油圧による静圧を発生出来るようになっている。
【００７０】
外側溝１１０Ａ及び１１０Ｂは、シリンダ１９の中心軸に垂直でローラ２１の回転軸を通る平面とシリンダ１８の外周面との交線を含む領域を含むように設けられていている。当該領域はピストン１８がシリンダ１９に対して強く押圧される領域である。そのため、当該領域に外側溝１１０Ａ及び１１０Ｂを設けることによって、ピストン１８及びシリンダ１９の摩耗をより効果的に軽減できる。
【００７１】
尚、ローラ２１の表面は、ピストン１８の係合面３０に比べて硬度が高くなるように、例えば浸炭処理のような硬化処理を施すことによって、該係合面３０における摩耗を軽減できる。
本実施例では、ローラ２１とピストン１８のうちローラ２１にのみ硬化処理を施した場合を例示しているが、ローラ２１とピストン１８のうち少なくとも一方に硬化処理を施せば足りる。すなわち、ローラ２１とピストン１８のうちピストン１８にのみ硬化処理を施してもよいし、ローラ２１とピストン１８の双方に硬化処理を施してもよい。
【００７２】
また、ローラ保持部２８の外周面には、作動チャンバー２０から遠ざかるにつれて小径になるようにクラウニング処理が施されている。ピストン１８及びシリンダ１９間の隙間には、ピストン１８がシリンダ１９内を移動する際に生ずる作動油の動き及び作動チャンバー２０から漏れ出た作動油によって油圧による動圧が発生し流体膜が形成される。本実施例では、ローラ保持部２８の外周面にクラウニング処理を施すことによって、リングカム２２からの押上げ力によってピストン１８が傾いた場合であっても、ピストン１８の外周面がシリンダ表面に油圧による動圧をより効果的に発揮させることができ、直接接触することを防止し、ピストン１８及びシリンダ１９の摩耗を軽減できるようになっている。
【００７３】
図１０は図９の変形例である。図９の例では、ピストン１８の外周面上に外側溝１１０Ａ及び外側溝１１０Ｂがパッドとして設けられた場合を示したが、図１０に示すように、外側溝１１０Ａは、シリンダ軸に垂直な方向に延在する、互いに平行な３本の溝部１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Cから形成してもよい（外側溝１１０Ｂも同様）。溝部１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Cには、それぞれ内部流路５５及び５６が連通する開口１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Cが設けられており、該開口１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Cを介して作動チャンバー２０から作動油が導入される。このように外側溝１１０Ａ及び外側溝１１０Ｂの形状を変更することによって、該外側溝１１０Ａ及び外側溝１１０Ｂに導入される作動油の量を調整してもよい。
【００７４】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【符号の説明】
【００７５】
１              風力発電装置
２              基礎
３              タワー
４              ナセル
５              ロータ
６              ハブ
７              ブレード
９              回転シャフト
１０            油圧トランスミッション
１１            油圧ポンプ
１２            油圧モータ
１３            高圧油ライン
１４            低圧油ライン
１５            オイルライン
１６            発電機
１８            ピストン
１９            シリンダ
２０            作動チャンバー
２１            ローラ
２２            リングカム
２３            高圧弁
２４            低圧弁
２５            高圧連通路
２６            低圧連通路
２７            チャンバー形成部
２８            ローラ保持部
２９            ピストンリング溝
３０            係合面
３１            段差部
３２            本体部
３３            蓋部
３４            凹部
３５            凸部
３６，３７      ボルト穴
４０            開口
４１            切欠き
５５−５８      内部流路
６０            溝
６１            環状溝部
６２            連通溝部
６３            供給口
６４            合流部
１１０            外側溝
１１１            環状溝
【図１】
0005734506.tif 000002
【図２】
0005734506.tif 000003
【図３】
0005734506.tif 000004
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
0005734506.tif 000006
【図４Ｃ】
0005734506.tif 000007
【図５Ａ】
0005734506.tif 000008
【図５Ｂ】
0005734506.tif 000009
【図６Ａ】
0005734506.tif 000010
【図６Ｂ】
0005734506.tif 000011
【図７】
0005734506.tif 000012
【図８】
0005734506.tif 000013
【図９】
0005734506.tif 000014
【図１０】
0005734506.tif 000015