(57)【要約】【課題】  本発明では信頼性を高めて容量制御を行うピストンポンプまたは発電装置を提供することを目的とする。【解決手段】  一または複数の第一のピストン１ａ及び一または複数の第二のピストン１ｂと、第一のピストン1ａに接続され、外力に基づいて回転すると共に、自身の回転力を第一のピストン1ａの圧縮力に変換する第一の回転運動変換機構２７と、第二のピストン１ｂに接続され、外力に基づいて回転すると共に、自身の回転力を第二のピストン１ｂの圧縮力に変換する第二の回転運動変換機構２８と、第一のピストン1ａと第二のピストン１ｂによって圧縮された媒体が合わさる連結流路６と、連結流路６から圧縮された前記媒体を流出する流出口９と、第一のピストン１ａと第二のピストン１ｂの位相差を調整する制御装置２５と、を備えるピストンポンプ。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一または複数の第一のピストン及び一または複数の第二のピストンと、
前記第一のピストンに接続され、外力に基づいて回転すると共に、自身の回転力を前記第一のピストンの圧縮力に変換する第一の回転運動変換機構と、
前記第二のピストンに接続され、外力に基づいて回転すると共に、自身の回転力を前記第二のピストンの圧縮力に変換する第二の回転運動変換機構と、
前記第一のピストンと前記第二のピストンによって圧縮された媒体が集約して流出する流出口と、
前記第一のピストンと前記第二のピストンの位相差を調整する制御装置と、を備えるピストンポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のピストンポンプであって、
前記第一のピストンと前記第二のピストンポンプが同じ周波数で変化する様に設けられることを特徴とするピストンポンプ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のピストンポンプであって、
前記第一のピストンは複数設けられ、前記第二のピストンは複数設けられることを特徴とするピストンポンプ。
【請求項４】
請求項３に記載のピストンポンプであって、
前記第一の回転運動変換機構は第一の回転軸と、前記第一の回転軸に設けられ、複数の前記第一のピストンと支持されている第一の支持部と
前記第二の回転運動変換機構は第二の回転軸と、前記第二の回転軸に設けられ複数の前記第一のピストンと支持されている第二の支持部と、を備え、
前記第一の回転軸の回転中心と前記第一の支持部及び、
前記第二の回転軸の回転中心と前記第二の支持部が各々ずれていることを特徴とするピストンポンプ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載のピストンポンプであって、
前記第一のピストンと前記第二のピストンとを連結する連結機構と、を備え、
前記制御装置は、前記連結機構を制御することで、前記第一のピストンの位相角と前記第二のピストンの位相角の少なくとも一方を調整することを特徴とするピストンポンプ。
【請求項６】
請求項５に記載のピストンポンプであって、
前記第一のピストンまたは前記第二のピストンの前記位相角を検出する位相角検出手段と、を備え、
前記位相角検出手段の信号に基づき前記制御装置は前記第一のピストンの位相角と前記第二のピストンの位相角の少なくとも一方を調整することを特徴とするピストンポンプ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載のピストンポンプであって、
前記制御手段は、前記流出口から流出される前記媒体の前記流出量が所望の流出量になる様に、前記第一のピストンと前記第二のピストンの位相差を調整することを特徴とするピストンポンプ。
【請求項８】
請求項７に記載のピストンポンプであって、
前記第一のピストンと前記第二のピストンの位相差と流出量の関係を記録する記録手段を備え、
前記制御装置は、位相差と流出量の前記関係に基づいて、前記第一のピストンと前記第二のピストンの位相差を調整することを特徴とするピストンポンプ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか一項に記載のピストンポンプであって、
前記第一の回転運動変換機構と第二の回転運動変換機構が異なる外力に伴って駆動することを特徴とするピストンポンプ
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか一項に記載のピストンポンプと、
外力により回転するブレードと、
前記ブレードによって駆動する前記ピストンポンプによって流出されたエネルギーを回転エネルギーに変換する油圧モータと、
前記油圧モータによって回転駆動され電気エネルギーを生成する発電装置と、を備える発電装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の発電装置であって、
前記ブレードの駆動トルクが不足する際に、前記媒体の前記流出量を減少させるように、前記制御装置は、前記第一のピストンポンプと前記第二のピストンポンプの位相差を調整することを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンポンプまたは発電装置に関するものであり、特に容量制御を考慮したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストンポンプの容量制御機構に関して、特許文献１がある。特許文献１はピストンポンプの一種であるラジアルピストン型油圧ポンプである。大型風力発電装置へ油圧ポンプを用いた変速機を適用しようとした場合、エネルギー変換効率や全体重量の観点からラジアルピストン型油圧ポンプは有用である。
【０００３】
特許文献１には「流体作動機械は、コントローラと周期的に変化する容積の作動チャンバとを備える。作動チャンバは、作動チャンバに関連付けられた電子制御一次低圧バルブと二次低圧ポートとの両方を有し、それらは各々、作動チャンバを低圧マニホルドと流体連通させるように作動チャンバの容積のサイクルと同相の関係で開放可能および閉鎖可能である。少なくとも一次低圧バルブはコントローラの能動制御の下にあることで、コントローラがサイクル毎に作動チャンバによる流体の正味排除量を決定することを可能にしている。一次低圧バルブおよび二次低圧ポートは、作動チャンバの容積の少なくともいくつかのサイクルの一部の間に同時に開放可能であることで、流体が一次低圧バルブおよび二次低圧ポートの両方を通じて同時に作動チャンバに対して流入または流出することを可能にしている。一次低圧バルブは、二次低圧ポートの閉鎖から一定期間後にコントローラの能動制御の下で閉鎖させてもよい。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１１−５２４９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、特許文献１は作動チャンバに関連付けられた電子制御一次低圧バルブを有し、ピストンの出入り動作に合わせて開閉制御を実施し、作動チャンバの容積を調整している。
【０００６】
しかし、電気ノイズに対する耐性や周囲温度、湿度温度に対する耐性すなわち、油圧機器の特徴である堅牢性が低下する問題がある。
【０００７】
そこで本発明では信頼性を高めて容量制御を行うピストンポンプまたは発電装置を提供することが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係るピストンポンプでは、一または複数の第一のピストン及び一または複数の第二のピストンと、前記第一のピストンに接続され、外力に基づいて回転すると共に、自身の回転力を前記第一のピストンの圧縮力に変換する第一の回転運動変換機構と、前記第二のピストンに接続され、外力に基づいて回転すると共に、自身の回転力を前記第二のピストンの圧縮力に変換する第二の回転運動変換機構と、前記第一のピストンと前記第二のピストンによって圧縮された媒体が合わさる連結流路と、前記連結流路から圧縮された前記媒体を流出する流出口と、前記第一のピストンと前記第二のピストンの位相差を調整する制御装置を備える。
【０００９】
また、本発明に係る発電装置では、前記ピストンポンプと、外力により回転する羽根車と、前記羽根車によって駆動する前記ピストンポンプによって流出されたエネルギーを回転エネルギーに変換する油圧モータと、前記油圧モータによって回転駆動され電気エネルギーを生成する発電装置を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、信頼性を高めて容量制御を行うピストンポンプまたは発電装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１に係るポンプの部分断面図
【図２】実施例１に係るポンプの模式図
【図３】実施例１に係るポンプの動作説明図
【図４】実施例１に係るポンプの押しのけ容積制御特性図
【図５】実施例２に係るポンプを実装した風力もしくは水力発電システム
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の複数の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１３】
本実施例では、ピストンポンプの容量制御動作について説明する。図１は実施例のピストンポンプの部分断面図である。なお、本実施例におけるピストンポンプはピストンが回転軸に略垂直な径方向に動作するラジアルピストンポンプである。図中左上から右下に至る波線を境に、右側が機構の内側を示す。また、図２は図１の油圧回路の模式図である。
【００１４】
図１中のピストン１はシリンダ２に配置され、シリンダ２内で往復運動する事により、作動油をシリンダ２内に吸入、流出する。ここでは油圧式を例に説明しているが、使用する媒体は油に限定されない。主軸１３は図に描かれるピストンポンプの内外にわたって配置され、主軸１３は外力によって回転する。
【００１５】
本実施例においてピストン１ａに接続される第1の回転運動変換機構３１は、主軸１３とピストン１ａを繋ぐシャフト２７と、主軸１３に設けられてシャフト２８を支持する支持部２９から構成される。また、ピストン１ｂに接続される第２の回転運動変換機構３２は、主軸に連結される連結機構３とピストン１ｂを繋ぐシャフト２８と、連結機構３に設けられてシャフト２７を支持する支持部３０から構成される。この時、主軸１３または連結機構３の回転中心と、支持部２９及び支持部３０とは、各々ずれて配置されている。回転運動変換機構は、外力によって作動する主軸１３の回転運動を往復運動に変換し、ピストン１を駆動して駆動油を圧縮させる機構をいう。回転運動変換機構の例として、クランクシャフトが挙げられる。
【００１６】
流出側方向制御弁５は下述する第一のピストン群１１と第二のピストン群１２とを連結する連結流路６の途中に配置され、図１においては作動油の流れを左から右への一方通行に規定している。本実施例では、周方向に５組配置されたシリンダ２が軸方向に２段で構成されており、便宜上、図中左側の５個のピストン１を第一のピストン群１１、右側の５個のピストン１を第二のピストン群１２と定義する。なお、各ピストン群を、一個のピストンから構成することも可能である。但し、複数のピストンから成るピストン群を構成することによって、可変容量を増加することができる。更に主軸１３の回転中心は支持部２９とは、ずれて配置されている。また連結機構３の回転中心は支持部３０とは、ずれて配置されている。このことから主軸または連結機構３が回転することによって、ピストン群を構成する各ピストンは異なった位相で往復運動することが可能となる。総称的に第一のピストン群１１を構成するピストン１を第一のピストン１ａ、第二のピストン群１２を構成するピストン１を第二のピストン１ｂと呼んでいる。第一のピストン群１１と第二のピストン群１２は、それぞれ独立した回転運動変換機構を有する。
【００１７】
本実施例では支持部は主軸１３または連結機構３に固定され、またはその一部として設けられ、主軸１３または連結機構３と共に回転する。そして、第一のピストン群１１を支持する支持部を第一の支持部２９、第二のピストン群１２を支持する支持部を第二の支持部３０とする。連結機構３は、第一のピストン群１１の第一の回転運動変換機構３１と第二のピストン群１２の第二の回転運動変換機構３２とが一体で回転するように連結する。連結機構３は例えばクラッチ機構であり、外部からの動作指令により任意のタイミングで接続、切断動作を実行できる。本実施例での連結機構３は第一の回転運動変換機構３１と第二の回転運動変換機構３２の少なくとも一方の位相角を調整するものであればよい。また、本実施例１は主軸１３を通じて第一のピストン群１１と第二のピストン群１２は同じ外力によって駆動しているが、異なる外力に伴って駆動するものであっても良い。
【００１８】
作動油が流れる各機構について説明する。連結流路６は、第一のピストン群１１と第二のピストン群１２の一対のシリンダ同士を連結している。流入口７は流入側マニホールド８に接続され、流入口７から流入した作動油は流入側マニホールド８と流入側方向制御弁４を介して各シリンダに接続された連結流路６に分配する。ここで流入側マニホールド８は主軸１３とは直接接続されておらず、主軸１３が内部を貫通するドーナツ状になっている。流出口９は流出側マニホールド１０に接続され、流出側方向制御弁５を介して各連結流路６より流入する作動油を集約し、流出口９から流出する。つまりマニホールドは、マニホールドが接続されている各シリンダに対して、作動油の分配集約機能を果たしている。
【００１９】
位相角検出手段２４は、例えばクランクシャフトの位相角を電気信号に変換するためのエンコーダであり、第一の回転運動変換機構３１の回転軸と第二の回転運動変換機構３２の回転軸に配置されている。制御装置２５は、位相角検出手段２４の信号に基づき連結機構３を制御して第一のピストン群１１と第二のピストン群１２の位相差を調整する。位相角検出手段２４の信号に基づき制御装置２５は第一のピストン群１１の位相角と第二のピストン群１２の位相角の少なくとも一方を調整することが可能となる。本実施例では、制御装置２５は連結機構３を制御して、位相差を調整しているが、位相差を調整出来れば他の手法を用いても良い。その際に記録手段としての役割があるデータベース２６を用いて、位相差と流出量の関係を記録することをしても良い。制御装置２５はこの関係を用いて第一のピストン１ａと第二のピストン１ｂの位相差を調整する。これによって第一のピストン群１１と第二のピストン群１２の位相差を調整することが容易となる。
【００２０】
また、第一のピストン群１１と第二のピストン群１２で圧縮する媒体の量を異ならせれば、第一のピストン群１１で制御できるパターン数と第二のピストン群１２で制御できるパターン数の掛け算通りのバリエーションで、流出量の調整が可能になる。
【００２１】
図２に示すように、第一のピストン群１１と第二のピストン群１２の各ピストン同士は連結されており、方向制御弁５によりピストン１の往復運動で、左方向から右方向に作動油が移動しポンプとして動作する。
【００２２】
図３は本実施例のポンプの動作説明図で一対のピストンのみを示しており、左側は第一のピストン群１１のピストン１ａ、右側は第二のピストン群１２のピストン１ｂである。変位量１４ａはピストン１ａの変化量、変化量１４ｂはピストン１ｂの変位量を表しており、ピストン１ａ、１ｂは一定の周期と位相差で運動している。流出量１５は作動油の流出量である。ピストン一対あたりの押しのけ容積は、ピストン１ａ、ピストン１ｂの移動量の和に比例し、ハッチングで示した１山の面積に相当する。ピストン１ａと１ｂが同位相で運動する左側のグラフでは、押しのけ容積はピストン２個の和となり最大となる。図３の右側は位相差が９０度の場合であり、一方のシリンダ２が押込まれている時にもう１方のシリンダ２が押し出される状態が存在し、流出量が減少し、即ち押しのけ容積が低下する。この様に、両ピストン（群）の位相差を異ならせることで容量可変制御できる。
【００２３】
図４は、本実施例のポンプの押しのけ容積制御特性図である。なお、図４は第一のピストン群１１のピストン１ａ、第二のピストン群１２のピストン１ｂが同じ波形つまり同じ周波数で変化する場合を表している。横軸はピストン１ａ及びピストン１ｂの位相差を表し、縦軸は押しのけ容積の変化を表している。位相差がゼロの時押しのけ容積が最大となり、位相差が１８０度で押しのけ容積は最小となり、その間は単調に変化する。よって位相差を所定の角度に調整する事で任意の押しのけ容積を設定する事ができる。また、第一のピストン１ａと第二のピストン１ｂを事前に設定した任意の押しのけ容積に合わせて位相差を調整することも可能である。また、データベース２６を用い、位相差と流出量を（事前に）記録しておくことによって、両者の関係から制御装置２５を制御して第一のピストン１ａと第二のピストン１ｂの位相差を調整することも可能である。これに伴い、事前に所望の流出量を得ることが可能となる。
【００２４】
本実施例によれば、単純な機構で押しのけ容積が調整可能となり、例えば電磁弁を用いなくとも良く、その場合、堅牢性の低下等の問題を回避する事ができる。また電磁弁を用いる場合、数十ないし百個以上の電磁弁のコスト（初期コスト、電力消費に伴うランニングコスト）が増大するがこれを低減できる。なお、本実施例では連結機構としてクラッチ機構を想定しているが、電圧に比例して任意の回転角度で固定可能なロータリーアクチュエータなどを用いる事も可能である。
【実施例２】
【００２５】
本実施例は、実施例１で示した油圧ポンプを使用した発電システムの１例であり、図５はポンプの実装形態を表した斜視図である。本実施例では、風力もしくは海流、潮流、河川等の水力によって発電を行う発電システムである。油圧ポンプ１６は第一の実施例に示したラジアルピストンポンプである。ブレード１７は、風力もしくは水力の流体エネルギーから力を発生する。ハブ１８は、ブレード１７を支持し、ブレード１７に作用した力を主軸１３に伝達する。軸受１９は主軸１３を支持する。架台２０は、軸受１９やラジアルピストンポンプ１６を支持する。油圧モータ２１は、作動油の油圧エネルギーを回転エネルギーに変換する。発電機２２は、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００２６】
以上の構成により、風力または水力エネルギーは、主軸１３の回転エネルギーに変換されて油圧ポンプ１６を駆動する。油圧ポンプ１６で昇圧された作動油は、管路２３を経由して油圧モータ２１を駆動し、最終的に発電機２２を駆動して発電する。実施例１に記載のピストンポンプを油圧ポンプ１６として用いることで、任意の流出容積を得ることができ、それに伴い油圧モータの駆動を調整して所望の発電量を得ることができる。油圧ポンプ１６と油圧モータ２１は油圧配管２３により接続されており、油圧モータ２１および発電機２２は、配管の延長により自由な配置が可能である。すなわち、例えば風車の場合、ナセル内に油圧モータ２１および発電機２２を設置するケースが想定されるが、タワー基部まで配管を延長する事で、油圧モータ２１および発電機２２をタワー基部に設置する事も可能である。また、例えば定格流速以下の条件で運転する場合、ロータ１８を回転させる駆動トルクが不足してロータ１８の回転が停止する事がある。この場合、油圧ポンプ１６の押しのけ容積を縮小する事により負荷トルクを低減し、ロータの停止を防止する事が可能となる。
【符号の説明】
【００２７】
1  ピストン
2  シリンダ
3  連結機構
4  流入側方向制御弁
5  流出側方向制御弁
6  連結流路
7  流入口
8  流入側マニホールド
9  流出口
10  流出側マニホールド
11  ピストン群1
12  ピストン群2
13  主軸
14  ピストン１の変位量を表すグラフ
15  シリンダからの流出量を表すグラフ
16  油圧ポンプ
17  ブレード
18  ハブ
19  軸受
20  架台
21  油圧モータ
22  発電機
23  油圧配管
24  位相角検出手段
25  制御装置  
26  データベース
27  第一のシャフト
28  第二のシャフト 
29  第一の支持部
30  第二の支持部  
31  第一の回転運動変換機構
32  第二の回転運動変換機構
1a  第一のピストン
1b  第二のピストン
【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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