JP5734507B2 - 流体作動装置及び風力発電装置 - Google Patents

Description

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。

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、重量及びコストの観点から油圧ポンプ、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。

この種の流体作動装置では、例えば特許文献１に示すように、シリンダ内でピストンが往復運動するため、シリンダとピストンとが互いに擦動し、摩耗が発生する。また、特許文献２−５には、油圧ポンプ、油圧モータ等の流体作動装置ではないが、自動車等に用いられる内燃機関において、シリンダとピストンとの間に摩耗が生じることが記載されている。

特開昭６３−２１２７７９号明細書 特開２００４−１７６５８４号明細書 米国特許出願公開第２００９／００９０３２５号明細書 特開２００８−１４４０４号明細書 米国特許出願公開第２００８／００００４４３号明細書

ピストン及びシリンダ間に生じる摩耗を低減する手法として、様々な提案がなされている。例えば内燃機関では、シリンダ内を往復運動するピストンに対して、該ピストンの下方側に設けたオイルパンから潤滑油をピストンに向かって飛散させ、ピストン及びシリンダ間のギャップに潤滑油を引き込んで潤滑膜を形成することによって、ピストン及びシリンダ間の摩耗を低減する手法がある。しかしながら、このような潤滑手法を流体作動装置に適用すると、オイルパンなどを装置内部に設けることが必要となり、装置構成の複雑化やコストの増大をもたらしてしまう。一方で、流体作動装置のような作動流体を使用する構造では、作動流体の流動性を適切に活用しながら、効率的に摩耗を低減することが求められている。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、上述の事情に鑑みて、簡易な構成で、ピストン及びシリンダ間に生ずる摩耗を低減することにより、長いライフタイムを有す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。

本発明の一実施形態に係る流体作動装置は、回転シャフトと、少なくとも一つのシリンダと、前記シリンダの軸方向に沿って往復運動し、外周に設けられたピストンリング及び前記シリンダと共に、作動チャンバを形成する少なくとも一つのピストンと、前記回転シャフトと共に回転する少なくとも一つのカムと、前記カムが収納され、外部に対してシーリングされた少なくとも一つのカム室と、前記シリンダの軸方向に対する角度が可変になるように一端側が前記ピストンに対して係合すると共に、他端側が前記カムに接触する少なくとも一つの駆動ロッドとを備え、前記作動チャンバ内の作動流体圧力が、前記カム室内の作動流体圧力に比べて常に高く設定されることにより、作動流体が、前記シリンダ及び前記ピストン間に形成されたギャップを介して、前記作動チャンバから前記カム室に供給されることを特徴とする。

上記流体作動装置では、作動チャンバ内の作動流体圧力は、カム室内の作動流体圧力に比べて常に高く設定されている。そのため、作動チャンバ及びカム室間の作動流体圧力差を利用して、シリンダ内で傾いたピストンの外周に設けられたピストンリングとシリンダとの間のギャップ（例えばシリンダの周方向に沿って環状に存在する）を介して作動チャンバ内の作動流体がカム室に漏れる。その結果、ギャップには流体膜が形成され、ピストンがシリンダに直接的に接触することが防止される。
このように上記流体作動装置では、作動チャンバ及びカム室間の作動流体圧力差を利用してピストン及びシリンダ間のギャップに作動流体を導くことによって、当該ギャップにおける摩耗を簡易な構成で効果的に低減することができる。
尚、作動チャンバ内の作動流体圧力が、カム室内の作動流体圧力に比べて常に高く設定されているため、駆動ロッドの係合部、及び、該係合部を保持するピストンのうち、作動チャンバ側にあるピストンでのみ力を受ける構造となっている。このため、ピストン頭部（作動チャンバ側）の磨耗が生じやすい傾向がある。
作動チャンバ内に高圧作動流体が導入されることによってピストンが押し下げられた場合、作動チャンバとカム室との間の大きな差圧のために、シリンダ内におけるピストンの角度変化に応じて、作動チャンバからカム室へのギャップを介した作動流体の漏れが促進される。このようにピストンが押し下げられる場合には、シリンダがピストンから受ける力が大きく、シリンダに対するピストンの磨耗・固着が発生しやすい状態である。
作動チャンバ内に低圧作動流体が導入されることによってピストンが押し上げられた場合でも、作動チャンバとカム室との間には少なからず圧力差があるため、シリンダ内におけるピストンの角度変化に応じて、作動チャンバからカム室へのギャップを介した作動流体の漏れが持続される。ピストンが押し上げられる場合は基本的にシリンダに対するピストンの摩擦は小さいが、ピストンが上死点位置に来る寸前のタイミングでは、作動チャンバは一時的にポンプとして機能する状態となり、作動チャンバ内の作動流体圧力は高くなるため、シリンダに対するピストンの磨耗も発生しやすくなる。このとき、作動流体のギャップへの供給量に比べて、ピストンからシリンダに加えられる力が大きくなるので、特に摩耗が生じやすい。

一実施形態に係る流体作動装置は、前記作動チャンバと連通された高圧ライン及び低圧ラインと、前記低圧ラインに対し所定圧力差が生じるように連通し、大気開放されたタンクと、前記タンクに貯留された作動流体を前記低圧ラインと前記タンクとの間に前記所定圧力差が生ずるように圧送する補充ポンプを有する供給ラインと、前記カム室と前記タンクとの間における圧力差が前記所定圧力差に比べて小さくなるように接続する排出ラインとを備える。
上記流体作動装置では、低圧ラインには大気開放されたタンクから補充ポンプによって作動流体が圧送されるため、低圧ラインはタンクに比べて作動流体圧力が高くなる。低圧ラインを流れる作動流体の一部はカム室に供給される場合がある。例えば、低圧ラインからの作動流体を冷却した上で軸受やカム室を冷却する場合である。その後、作動流体はカム室から排出ラインを介してタンクに排出される。このように供給ライン及び排出ラインを設けることで、低圧ラインからの作動流体がカム室を経由してタンクに排出される作動流体の流れが形成される。このとき、カム室内の作動流体圧力は低圧ラインの作動流体圧力とタンクの作動流体圧力との間の値、どちらかと言うとタンク圧力に近い値をとることになる。
上記作動流体装置では、このようにカム室内における作動流体圧力が低圧ラインより低くなる。そのため、供給ライン及び排出ラインをカム室に接続するという簡単な構成で、作動チャンバ内における作動流体圧力をカム室内における作動流体圧力に比べて高く設定することができる。

一実施形態において、前記供給ラインは前記低圧ラインから分岐しており、前記低圧ラインから導入した作動流体を冷却した後、前記回転シャフトを支持する軸受及び前記カム室に供給する。
これにより、供給ラインを流れる作動流体によって軸受を潤滑及び冷却することができる。また、簡易な構成で軸受の潤滑及び冷却を実施することができる。

一実施形態において、前記ピストンの表面、及び、該ピストンに対向する前記シリンダの表面の少なくとも一方は、硬化処理が施されている。
上記流体作動装置では、互いに対向するピストン及びシリンダの表面の少なくとも一方に硬化処理を施すことによって、これらの間に生じ得る摩耗を軽減できる。

一実施形態において、前記ピストンの表面、及び、前記駆動ロッドの前記ピストンとの係合面の少なくとも一方は、硬化処理が施されていてもよい。
上記流体作動装置では、互いに対向するピストン及び駆動ロッドの係合面の少なくとも一方に硬化処理を施すことによって、これらの間に生じ得る摩耗を軽減できる。

一実施形態において、前記硬化処理は浸炭処理であってもよい。また、前記硬化処理の他の例としては、窒化浸炭、高周波焼入れ等であってもよい。

一実施形態において、前記ピストンの側面には周方向に沿ってピストンリングを取り付けるためのピストンリング溝が形成されており、前記ピストンの側面上における、前記ピストン溝から、又は、前記ピストンの頂面と前記ピストンリング溝との間の位置から、前記ピストン頂面まで前記ピストンの径が減少するようにクラウニング処理が施されている。ピストンは外周に設けられたピストンリング溝を支点として傾くため、ピストン頂部がシリンダに近接する部分となる。そのため、このような位置にクラウニング処理を施すことにより、特に効果的にピストン及びシリンダの摩耗を防止することができる。
特にピストンが上死点位置に来る寸前のタイミングでは、作動チャンバは一時的にとして機能することによって高圧になるため、シリンダ内においてピストンが傾きやすく、摩耗も発生しやすい。このとき、作動流体のギャップへの供給量に比べて、ピストンからシリンダに加えられる力が大きくなるので、摩耗が生じやすい。
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、このような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接触して摩耗が進行することを効果的に防止できる。
また、クラウニング処理によってピストンの径を減少させた分、ピストン及びシリンダ間のギャップを大きく確保することができる。その結果、作動チャンバから導かれた作動流体によって流体膜を厚く形成できるので、より効果的に摩耗を防止できる。
また、作動流体は粘性を有しているので、シリンダ内を往復運動するピストンの動作に伴い、作動チャンバ内の作動流体はピストン及びシリンダ間のギャップに引き込まれる。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が施されているため、ギャップは作動チャンバから離れるに従って狭くなる。その結果、シリンダ内をピストンが往復運動すると、このような形状を有するローラ保持部の外周面に作動流体が引き込まれ、油圧による静圧が生じることによってギャップにおける摩耗を低減できる。
尚、クラウニング処理はピストンのカム側では大きな力は受けないものの、シリンダとピストンの接触を防止するために、ピストンのカム側に施してもよい。

一実施形態に係る流体作動装置は、前記駆動ロッドの前記シリンダの軸方向に対する角度の変化に応じて前記ピストンが前記シリンダに対して傾いた場合に、前記ギャップの前記ピストンの頂部側を介して前記カム室に漏れることによって、前記ギャップに形成される流体膜により、前記ピストンが前記シリンダに直接的に接触することを防止する。

一実施形態において、前記ピストンの側面には周方向に沿ってピストンリングを取り付けるためのピストンリング溝が形成されており、前記ピストンの側面上において、前記ピストンリング溝から前記ピストン頂面に向かって前記ピストンの径が減少するようにクラウニング処理が施されていてもよい。

一実施形態において、前記ギャップは前記ピストンの径の０．０５％以上０．１５％以下に設定されていてもよい。
発明者らの研究によれば、偏心カムと駆動ロッドを有する流体作動装置において、シリンダ内におけるピストンの傾きを考慮することによりシリンダとピストンとの間に設定されるギャップをピストンの径の０．０５％以上０．１５％以下とした場合に、シリンダとピストンとの間における摩耗を効果的に軽減できることが実験的に見出された。この実験結果によれば、このような範囲にピストンの径を設定することにより、作動チャンバとカム室との間の流体差圧によって、作動流体が当該ギャップにスムーズに導入され、流体膜が安定して形成されるものと考えられる。

一実施形態において、前記ピストン及び前記駆動ロッドは、前記作動チャンバから前記駆動ロッド及び前記カム間の接触面に対して作動流体を供給する内部流路を有する。
上記流体作動装置では、接触面に作動チャンバから作動流体を供給する。作動流体は少なからず粘性を有するので、接触面において駆動ロッドとピストンとが摺動すると、作動流体は接触面上に引き込まれ、該接触面上に油圧による静圧を発生させる。その結果、接触面上に生じた油圧による静圧は、ピストンが駆動ロッドから受ける荷重を支えるため、接触面における摩耗を効果的に低減できる。
特に、作動チャンバ内に高圧作動流体が導入されることによりピストンが押し下げられた場合、作動チャンバとカム室との間の大きな差圧によって作動流体の接触面への供給が促進される。一方、作動チャンバ内に低圧作動流体が導入されることによりピストンが押し上げられる場合でも、作動チャンバとカム室とは少なからず圧力差があるため、作動流体の接触面への供給は持続される。

一実施形態では、前記内部流路に導入される作動流体の量を調整する流量制限部材を更に備える。
上記流体作動装置では、例えばオリフィスである流量制限部材を備えることによって、内部流路を介して接触面に供給される作動流体の導入量を調整することができる。

一実施形態において、前記内部流路は、前記ピストンに形成され、前記ピストン及び前記駆動ロッド間の係合面に対して前記作動チャンバから前記作動流体を供給する第１の内部流路と、前記駆動ロッドに形成され、前記係合面から前記接触面に対して前記作動流体を供給する第２の内部流路を備え、前記第１の内部流路は前記第２の内部流路に比べて広い断面積を有している。
上記流体作動装置では、ピストンに形成された第１の内部流路は、駆動ロッドに形成された第２の内部流路に比べて広い断面積を有する。その結果、カムの回転動作に伴って、駆動ロッドがシリンダ軸に対して傾いた場合であっても、第１の内部流路と第２の内部流路との間の連通状態を確保することができる。その結果、駆動ロッドのシリンダ軸に対する傾きの有無にかかわらず、接触面に常に作動流体を供給して、接触面における摩耗を低減することができる。

一実施形態において、前記シリンダ、前記ピストン、及び、前記駆動ロッドは夫々、前記カムの径方向に沿って放射状に複数設けられている。
上記流体作動装置では、カムからの押圧力を駆動ロッドを介してピストンに伝達するが、上述したように、ピストン及びシリンダ間のギャップに作動チャンバから作動流体を導くことにより、ピストン及びシリンダ間の摩耗を簡易な構成で効果的に低減することができる。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置は、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少なくとも一つの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上記流体作動装置であることを特徴とする。

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。

少なくとも一実施形態において、作動チャンバ内の作動流体圧力は、カム室内の作動流体圧力に比べて高く設定される。そのため、作動チャンバ及びカム室間の作動流体圧力差を利用して、作動チャンバ内の作動流体の一部を、シリンダ及びピストン間に形成されたギャップに導くことができる。その結果、ギャップには流体膜が形成され、ピストンがシリンダに直接的に接触することが防止される。
このように、作動チャンバ及びカム室間の作動流体圧力差を利用してピストン及びシリンダ間のギャップに作動流体を導くことによって、当該ギャップにおける摩耗を簡易な構成で効果的に低減することができる。

風力発電装置の全体構成の概略を示す図である。 風力発電装置における、オイルラインの構成例を示す図である。 油圧モータの内部構成を示す図である。 ピストンを偏心カムの径方向外側からを示す図である。 ピストンの偏心カムの径方向に沿った断面図である。 ピストンの偏心カムの回転軸方向から示す図である。 ピストンとシリンダとの間に形成されたギャップ近傍における作動油の流れを示す模式図である。 ピストンの側面図である。 ピストンの他の構成例の側面図である。 ピストン、シリンダ及び駆動ロッドの断面構造を概略的に示す断面図である。 偏心カムの径方向内側から作動油溜めの構成を示す図である。 偏心カムの径方向に沿った作動油溜めの断面図である。

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。

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。

図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る風力発電装置について説明する。ここで、図１は風力発電装置１の全体構成の概略を示す図であり、図２は風力発電装置１における、オイルラインの構成例を示す図である。

図１に示すように風力発電装置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ＳＬ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。

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。

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。
図２に示すように、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。

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。なお、油圧モータ１２の具体的な構成については後述する。

低圧油ライン１４には、作動油の循環量を調節するオイル補充機構が設けられていてもよい。オイル補充機構は、返送ライン５１と、低圧リリーフ弁５２と、オイルタンク５３と、補充ライン５５と、ブーストポンプ５６と、オイルフィルタ５７とを含んでいる。

補充ライン５５は、オイルタンク５３を低圧油ライン１４に接続している。
オイルタンク５３は、補充用の作動油が貯留されている。このオイルタンク５３は、大気開放されていてもよい。
ブーストポンプ５６は、補充ライン５５に設けられ、オイルタンク５３から低圧油ライン１４に作動油を補充するようになっている。すなわち、ブーストポンプ５６は低圧油ライン１４の補充ポンプとして機能する。このとき、低圧油ライン１４に供給される作動油は、補充ライン５５に設けられたオイルフィルタ５７によって不純物が除去される。
その結果、作動油の漏洩が油圧トランスミッション１０の内部で生じても、ブーストポンプ５６によってオイルタンク５３から低圧油ライン１４に作動油が補充されるので、油圧トランスミッション１０内を循環する作動油の量を維持できる。

返送ライン５１は、オイルタンク５３と低圧油ライン１４との間に配置されている。返送ライン５１には低圧リリーフ弁５２が設けられており、低圧油ライン１４内の圧力を設定圧力近傍に保持するようになっている。
その結果、ブーストポンプ５６によって作動油が低圧油ライン１４に供給されても、低圧油ライン１４内の圧力が低圧リリーフ弁５２の設定圧力に達すれば、低圧リリーフ弁５２が自動的に開いて、返送ライン５１を介してオイルタンク５３に作動油を逃すことができる。よって、油圧トランスミッション１０内を循環する作動油の量を適切に維持できる。

また、低圧油ライン１４にはバイパスライン５８を介して、冷却媒体（以下、冷媒という）と作動油とを熱交換することによって、作動油を冷却するためのオイルラインクーラ５９が接続されていてもよい。バイパスライン５８のうちオイルラインクーラ５９の下流側には供給ライン６２が設けられており、油圧モータ１２の回転シャフトを支持する軸受６１を介して、回転シャフトと共に回転する偏心カム１７（図３を参照）が収納されたカム室６３に作動油を供給している。カム室６３は作動油によって満たされており、過剰な作動油は排出ライン６４を介して、大気開放されたオイルタンク５３に排出されるようになっている。

低圧ライン１４にはオイルタンク５３からブーストポンプ５６によって作動油が圧送されるため、低圧ライン１４は大気開放されたオイルタンク５３に比べて作動油圧力が高く設定されている。その結果、バイパスライン５８、供給ライン６２及び排出ライン６４には、低圧ライン１４とオイルタンク５３との間の作動油差圧に基づいて作動油が流れる。そして、カム室６３内の作動油圧力は、低圧ライン１４の作動油圧力とオイルタンク５３の作動油圧力との間の値をとることになる。
よって、カム室６３内の作動油圧力は、後述する作動チャンバ２０内の作動油圧力に比べて低くなる。このように、供給ライン６２及び排出ライン６４をカム室６３に接続するという簡単な構成で、作動チャンバ２０内における作動油圧力をカム室６３内における作動油圧力に比べて高く設定することができる。

また供給ライン６２は、軸受６１を経由してカム室６３に連通している。その結果、供給ライン６２を流れる作動油によって軸受６１を潤滑することができる。これにより、カム室６３内の作動油圧力を調整すると共に、簡易な構成で軸受６１を潤滑できるようになっている。

図３は油圧モータ１２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モータ１２について詳細に説明するが、油圧ポンプ１１についても同様の構成を採用することができる。

油圧モータ１２は、発電機１６の回転軸と共に回転する偏心カム１７と、ピストン１８Ａ−１８Ｆと、シリンダ１９Ａ−１９Ｆと、該ピストン１８Ａ−１９Ｆの往復運動を偏心カム１７に伝達するための駆動ロッド２０Ａ−２０Ｆとを備える。ピストン１８Ａ−１８Ｆとシリンダ１９Ａ−１９Ｆは、それぞれシリンダヘッド２１Ａ−２１Ｆと共に作動チャンバ２２Ａ−２２Ｆを形成している。

偏心カム１７は潤滑油で満たされたカム室６３に収納されている。カム室６３にはオイルライン６２を介して作動油が供給されており、カム室６３内は作動油で満たされている。カム室６３で過剰となった作動油は、排出ライン６４を介して大気開放されたオイルタンク５３に排出される。

ピストン１８Ａ−Ｆ、シリンダ１９Ａ−１９Ｆ、及び、駆動ロッド２０Ａ−２０Ｆは、それぞれ偏心カム１７の周りに放射状に設けられている。ピストン１８Ａ−１８Ｆは、作動チャンバ２２Ａ−２２Ｆ内の作動油及び偏心カム１７によって、互いに異なる位相で往復運動せしめられる。すなわち、各ピストン１８Ａ−１８Ｆが上死点から下死点に向う際、高圧油ライン１３から作動チャンバ２２Ａ−２２Ｆに導入された作動油によって、各ピストン１８Ａ−１８Ｆはシリンダ軸に沿って偏心カム１７側に押し下げられる。このとき、各ピストン１８Ａ−１８Ｆに対応する駆動ロッド２０Ａ−２０Ｆによって偏心カム１７は押圧され、その結果、偏心カム１７は回転する。偏心カム１７が回転すると、下死点付近に位置するピストン１８Ａ−１８Ｆは偏心カム１７によって駆動ロッド２０Ａ−２０Ｆを介して押上げられ、作動チャンバ２２Ａ−２２Ｆ内の作動油が低圧油ライン１４に排出される。
このようなピストン１８Ａ−１８Ｆの周期的な往復運動によって、該偏心カム１７に連結された発電機１６の回転軸が回転する。

尚、以下の説明において、ピストン１８Ａ−１８Ｆについてまとめて言及する際には「ピストン１８」と称し、シリンダ１９Ａ−１９Ｆについてまとめて言及する際には「シリンダ１９」と称し、駆動ロッド２０Ａ−２０Ｆについてまとめて言及する際には「駆動ロッド２０」と称し、シリンダヘッド２１Ａ−２１Ｆについてまとめて言及する際には「シリンダヘッド２１」と称し、作動チャンバ２２Ａ−２２Ｆについてまとめて言及する際には「作動チャンバ２２」と称することとする。

図４Ａは偏心カム１７の径方向外側からピストン１８の周辺構造を示す図であり、図４Ｂは偏心カム１７の径方向に沿った断面図であり、図４Ｃは偏心カム１７の回転軸方向から示す図である。

シリンダ１９内を往復運動するピストン１８の外周面には、周方向に沿ってピストンリング溝４３が設けられており、該ピストンリング溝４３に、例えば作動チャンバ２０内の作動油の漏れの規制などを目的としたピストンリング４４が嵌め込まれている。

駆動ロッド２０は、シリンダ１９の軸方向に沿って延在する本体部２３と、該本体部２３の一端側（偏心カム１７の径方向外側）に形成された係合部２４と、該本体部２３の他端側（偏心カム１７の径方向内側）に形成された接触部２５とを備える。

本体部２３は偏心カム１７の径方向に略平行に延在しており、ピストン１８の往復運動を偏心カム１７側に伝達する。
係合部２４は、本体部２３をピストン１８に係合させる役割を有している。係合部２４は偏心カム１７の径方向内側から固定ピン５１によって、ピストン１８に保持されるようになっている。一実施形態では、係合部２４は球形状を有しており、駆動ロッド２０のシリンダ軸に対する角度が可変になるように構成されている。
接触部２５は偏心カム１７と接触することにより、ピストン１８の往復運動を偏心カム１７の回転運動に変換する。一実施形態では、接触部２５は本体部２３に比べて大径に形成することによって、駆動ロッド２０の外周面に段差部３８を設けている。

ここで油圧モータ１２は、駆動ロッド２０の本体部２３を囲むように設けられた保持部材３４Ａ−３４Ｆを有している。尚、以下の説明において、保持部材３４Ａ−３４Ｆについてまとめて言及する際には「保持部材３４」と称することとする。
保持部材３４は、駆動ロッド２０の本体部２３を囲みながらシリンダ軸方向に延在する円筒部３５と、該円筒部３５のうち偏心カム１７の径方向外側の一端に設けられた内向きフランジ部３６と、該円筒部３５のうち偏心カム１７の径方向内側の他端に設けられた外向きフランジ部３７とを備えている。

段差部３８と保持部材３４とによって囲まれて形成された環状スペース３９には、押上げ部材４０が配置されている。押上げ部材４０は例えばスプリング部材であり、保持部材３４の内向きフランジ部３６を、段差部３８から離れる方向に押上げるように付勢する。
押上げ部材４０は保持部材３４の円筒部３５によって覆われた環状スペース３９に収納されている。よって、油圧モータ１２の動作中に、周辺部材と干渉することを防止することができ、良好な信頼性が得られるようになっている。

また、外向きフランジ部３７と駆動ロッド２０（段差部３８）との間には、隙間４８が設けられている。この隙間４８は、油圧モータ１２の正常動作時には、油圧モータ１２の動作中に押上げ部材４０が最も圧縮された際にも有限値（例えば数ｍｍ）が確保できるように、予め設定されている。このように隙間４８を設けることによって、保持部材３４が駆動ロッド２０に沿って移動し、摩耗の原因となる振動を吸収したり、各部材の製造誤差を吸収できるようになっている。
一方、油圧モータ１２が何らかの原因により異常動作して押上げ部材４０が想定以上に変形した場合には、隙間４８がなくなって外向きフランジ部３７が駆動ロッド２０に接触することにより、押上げ部材４０の過度な変形が規制される。その結果、故障などの異常が発生した場合にも、押上げ部材４０の変形を想定内に制限し、保持リング４１や保持部材３４が意図しない移動をすることによってより重大な故障に発展することを防止することができる。

押上げ部材４０は駆動ロッド２０Ａ−２０Ｆに対応するように複数設けられている。保持部材３４Ａ−３４Ｆは、押上げ部材４０Ａ−４０Ｆによって、偏心カム１７の径方向外側に向って押上げられる一方で、偏心カム１７の径方向外側から保持リング４１によって保持されている。従って、駆動ロッド２０Ａ−２０Ｆは、押上げ部材４０Ａ−４０Ｆからの反作用によって、偏心カム１７に押し付けられる。その結果、偏心カム１７の回転位相に関わらず、駆動ロッド２０Ａ−２０Ｆを偏心カム１７に対して接触させ続けることができるので、駆動ロッド２０Ａ−２０Ｆと偏心カム１７との間に生じる摩耗を低減することができる。

ここで図３を参照して油圧モータ１２の動作について説明する。
油圧モータ１２では発電機１６の回転軸と共に偏心カム１７が回転運動している。例えば駆動ロッド２０Ｄに着目すると、駆動ロッド２０Ｄは、偏心カム１７の回転によって、偏心カム１７の径方向外側に向って押上げられており、当該押し上げられた駆動ロッド２０Ｄは、更に押上げ部材４０Ｄを介して保持リング４１を偏心カム１７の径方向外側に向って押上げる。その結果、保持リング４１は図３の下方側に寄る。
このとき、駆動ロッド２０Ｄと逆位相側に配置された駆動ロッド２０Ａに着目すると、駆動ロッド２０Ａは偏心カム１７から押圧力を受けない。ここで、保持リング４１は上述したように図３の下方側に移動するので、これに伴い保持部材３４Ａは、偏心カム１７の径方向内側に向かって押し下げられる。このように保持部材３４Ａに作用する押下げ力は、押上げ部材３４Ａを介して駆動ロッド２０Ａに伝達される。その結果、駆動ロッド２０Ａは偏心カム１７に対して押し付けられ、接触状態が維持される。
このように保持リング４１は油圧モータ１２の動作時において、偏心カム１７の回転運動に伴い、偏心カム１７と略同心になるように回転移動する。

保持リング４１及び外向きフランジ部３７間には、摺動部材４２が設けられている。摺動部材４２は、外向きフランジ部３７に沿って円筒部３５を囲むように設けられていてもよい。保持リング４１は保持部材３４に固定されていないため、油圧モータ１２の動作中に、偏心カム１７の回転に伴い、保持リング４１は保持部材３４に対して少なからず動く（例えば、駆動ロッド２０は偏心カム１７と接触するので、シリンダ軸に対する角度を変更しながら運動する。これに伴い、駆動ロッド２０に設けられた保持部材３４を介して保持リング４１は少なからず摩擦力を受け、保持リング４１の周方向に前後に回転する）。
摺動部材４２は例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）材料によって形成されている。このような摺動部材４２を、保持リング４１及び保持部材３４間に配置することによって、これらの間に生ずる摩耗を軽減することができる。

尚、保持部材３４及び保持リング４１は、例えば、金属によって形成される。保持部材３４はアルミニウムによって形成され、保持リング４１は鉄によって形成されていてもよい。

図５はピストン１８とシリンダ１９との間に形成されたギャップ４５近傍における作動油の流れを示す模式図である。尚、図５では、ピストン１８が駆動ロッド２０を介して偏心カム１７から斜めの押圧力を受けることにより、シリンダ軸に対して角度θ傾いた場合を図示している。このようにピストン１８が傾くと、ピストン１８がシリンダ１９に直接的に接触して摩耗が進行するリスクが高まるが、本実施例では、以下に説明する潤滑作用を得ることによって、このようなリスクを低減することができる。

カム室６３内の作動油圧力は、上述したように、作動チャンバ内の作動油圧力に比べて低く設定されている。その結果、作動チャンバ２０内の作動油の一部は、作動チャンバ２０及びカム室６３間の作動油圧力差を利用して、ピストン１８の外周面とシリンダ１９の内壁との間に形成されたギャップ４５に導かれる（図５に示す矢印を参照）。ギャップ４５に導かれた作動油は流体膜を形成し、ピストン１８がシリンダ１９に直接的に接触することを防止し、ピストン１８及びシリンダ１９間に生じる摩耗を低減する。

ここで、図６Ａはピストン１８の側面形状を示す図である。図６Ａでは説明をわかりやすくするために誇張して示しているが、ピストン１８の外周面１８ｂには、ピストン１８の頂面１８ａとピストンリング溝４３との間の位置からピストン頂面１８ａに至るまで、ピストン１８の径が減少するようにクラウニング処理が施されている（図６Ａではピストン１８の径が減少しはじめる箇所を一点鎖線で示している）。ピストン１８の外周面１８ｂのうち、このような範囲にクラウニング処理を施すことによって、仮に図５に示すようにピストン１８が偏心カム１７からの押圧力によって傾いた場合であっても、ピストン１８の外周面１８ｂがシリンダ１９の表面に接触して摩耗が進行するリスクを軽減できる。
また、クラウニング処理によってピストン１８の径を減少させた分、ピストン１８及びシリンダ１９間のギャップ４５を大きく確保することができる。その結果、作動チャンバ２０から導かれた作動油による流体膜を厚く形成できるので、より効果的に摩耗を軽減することができる。

また作動油は粘性を有しているので、シリンダ１９内を往復運動するピストン１８の動作に伴い、作動チャンバ２０内の作動油はピストン１８及びシリンダ１９間のギャップ４５に引き込まれる（図５に示す矢印を参照）。本実施例ではピストン１８の外周面１８ｂにクラウニング処理が施されているため、ギャップ４５は作動チャンバ２０から離れるに従って狭くなる。そのため、シリンダ１９内をピストン１８が往復運動すると、このような形状を有するピストン１８の外周面１８ｂに作動油が引き込まれ、その結果、油圧による静圧が生じることによってギャップ４５における摩耗を低減できる。

図６Ｂはピストン１８の側面形状の他の例を示す図である。図６Ｂでは説明をわかりやすくするために誇張して示しているが、ピストン１８の外周面１８ｂには、ピストンリング溝４３からピストン頂面１８ａに至るまで、ピストン１８の径が減少するようにクラウニング処理が施されている（図６Ｂではピストン１８の径が減少しはじめる箇所を一点鎖線で示している）。このように図６Ａに示す場合に比べて、ピストン１８の外周面１８ｂの広い範囲にクラウニング処理を施すことによって、ピストン１８の外周面１８Ｂがシリンダ１９の表面に接触して摩耗が進行するリスクを更に軽減できる。

図７はピストン１８、シリンダ１９及び駆動ロッド２０の断面構造を概略的に示す断面図である。図７では説明の複雑化を避けるために、ピストン１８、シリンダ１９及び駆動ロッド２０の詳細な構造は省略している。

ピストン１８に対向するシリンダ１９の表面（図７の符号７１を参照）、ピストンに対向する駆動ロッド２０の表面（図７の符号７２を参照）には、例えば浸炭処理のような硬化処理が施されている。一方、７１，７２に対向するピストン１８側の表面７３，７４には、このような硬化処理が施されていない。このように、ピストン１８とシリンダ１９との間、及び、ピストン１８と駆動ロッド２０との間には、それぞれ硬度差が生じるように硬化処理が施されることによって、これらの間に生じ得る摩耗を軽減している。

このように、本実施例では、ピストン１８お呼びシリンダ１９のうちピストン１８にのみ硬化処理を施しているが、ピストン１８及びシリンダ１９のうち少なくとも一方に硬化処理を施すことによって、ピストン１８及びシリンダ１９間に硬度差を設けられれば足りる。即ち、ピストン１８とシリンダ１９のうちピストン１８にのみ硬化処理を施してもよいし、ピストン１８とシリンダ１９に互いに硬度が異なるようにそれぞれ硬化処理を施してもよい。

また、本実施例では、ピストン１８及び駆動ロッド２０（係合面２９）のうち駆動ロッド２０にのみ硬化処理を施しているが、ピストン１８及び駆動ロッド２０のうち少なくとも一方に硬化処理を施すことによって、ピストン１８及び駆動ロッド２０間に硬度差を設けられれば足りる。即ち、ピストン１８と駆動ロッド２０のうちピストン１８にのみ硬化処理を施してもよいし、ピストン１８と駆動ロッド２０に互いに硬度が異なるようにそれぞれ硬化処理を施してもよい。

再び図４Ａから図４Ｃに戻って、ピストン１８及び駆動ロッド２０には、作動チャンバ２２から駆動ロッド２０の偏心カム１７との接触面２７に対して作動油を供給するための内部流路２８が形成されている。内部流路２８は、ピストン１８に形成された第１の内部流路２８Ａと、駆動ロッド２０に形成された第２の内部流路２８Ｂとを含んでなる。第１の内部流路２８Ａと第２の内部流路２８Ｂは互いに連通しており、作動チャンバ２２から導入された作動油を接触面２７に供給する。

第１の内部流路２８Ａは第２の内部流路２８Ｂに比べて広い断面積を有している。これにより、駆動ロッド２０がシリンダ軸に対して傾いた場合であっても、第１の内部流路２８Ａと第２の内部流路２８Ｂとの間の連通状態を確保することができる。その結果、偏心カム１７の回転位相に関わらず、接触面２７に常に作動油を供給して、接触面２７で生じ得る摩耗を効果的に低減できるようになっている。

ピストン１８には更に、該ピストン１８と駆動ロッド２０（係合部２４）とが摺動する係合面２９に対して、作動チャンバ２２から作動油を供給するための第３の内部流路２８Ｃが形成されている。その結果、係合面２９に流体膜を形成し、ピストン１８及び駆動ロッド２０間に生じる摩耗を低減している。

第２の内部流路２８Ｂには、作動チャンバ２２から導入される作動油の流量を調整するためのオリフィス３０が設けられている。その結果、接触面２７において良好な摩耗低減効果が得られるように、接触面２７への作動油の導入量を調整できるようになっている。
尚、図４Ａから図４Ｃの例では第２の内部流路２８Ｂにオリフィス３０を設けているが、これに代えて、又は、これに加えて、第１の内部流路２８Ａ及び第３の内部流路２８Ｃの少なくとも一方にオリフィスを設けてもよい。

駆動ロッド２０（接触部２５）の偏心カム１７に対向する表面上には、内部流路２８の開口３１を含む領域を掘り下げて作動油溜め３２が形成されている。作動油溜め３２には、内部流路２８を介して、作動チャンバ２２から作動油が供給される。作動油溜め３２に貯留された作動油は、偏心カム１７の回転に伴って、接触面２７上に引き込まれ、油圧による静圧を発生させる。その結果、接触面２７における荷重を支え、摩耗を低減できるようになっている。

図８Ａは偏心カム１７の径方向内側から作動油溜め３２の構成を示しており示す図であり、図８Ｂは偏心カム１７の径方向に沿った断面図である。作動油溜め３２は、その深さが偏心カム１７の周方向に沿って階段状に変化するように形成されている。その結果、駆動ロッド２０（接触部２５）の偏心カム１７に対向する表面を掘り下げて作動油溜め３２を形成した際に、駆動ロッド２０の接触部２５の剛性を高く確保することができる。

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。

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
１７ 偏心カム
１８Ａ−Ｆ ピストン
１９Ａ−Ｆ シリンダ
２０Ａ−Ｆ 駆動ロッド
２１Ａ−Ｆ シリンダヘッド
２２Ａ−Ｆ 作動チャンバ
２３ 本体部
２４ 係合部
２５ 接触部
２６ ボルト
２７ 接触面
２８Ａ−Ｃ 内部流路
２９ 係合面
３０ オリフィス
３１ 開口
３２ 作動油溜め
３４Ａ−Ｆ 保持部材
３５ 円筒部
３６ 内向きフランジ部
３７ 外向きフランジ部
３８ 段差部
３９ 環状スペース
４０Ａ−Ｆ 押上げ部材
４１ 保持リング
４２ 摺動部材
４３ ピストンリング溝
４４ ピストンリング
４５ ギャップ
４８ 隙間
５１ 返送ライン
５２ 低圧リリーフ弁
５３ オイルタンク
５５ 補充ライン
５６ ブーストポンプ
５７ オイルフィルタ
５８ バイパスライン
５９ オイルラインクーラ
６１ 軸受
６２ 供給ライン
６３ カム室
６４ 排出ライン

Claims (13)

1. 回転シャフトと、
   少なくとも一つのシリンダと、
   前記シリンダの軸方向に沿って往復運動し、外周に設けられたピストンリング及び前記シリンダと共に、作動チャンバを形成する少なくとも一つのピストンと、
   前記回転シャフトと共に回転する少なくとも一つのカムと、
   前記カムが収納され、外部に対してシーリングされた少なくとも一つのカム室と、
   前記シリンダの軸方向に対する角度が可変になるように一端側が前記ピストンに対して係合すると共に、他端側が前記カムに接触する少なくとも一つの駆動ロッドと
   を備え、
   前記作動チャンバ内の作動流体圧力が、前記カム室内の作動流体圧力に比べて常に高く設定されることにより、作動流体が、前記シリンダ及び前記ピストン間に形成されたギャップを介して、前記作動チャンバから前記カム室に供給されることを特徴とする流体作動装置。
2. 前記作動チャンバと連通された高圧ライン及び低圧ラインと、
   前記低圧ラインに対し所定圧力差が生じるように連通し、大気開放されたタンクと、
   前記タンクに貯留された作動流体を前記低圧ラインと前記タンクとの間に前記所定圧力差が生ずるように圧送する補充ポンプを有する供給ラインと、
   前記カム室と前記タンクとの間における圧力差が前記所定圧力差に比べて小さくなるように前記タンクに接続する排出ラインと、
   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。
3. 前記供給ラインは前記低圧ラインから分岐しており、前記低圧ラインから導入した作動流体を冷却した後、前記回転シャフトを支持する軸受及び前記カム室に供給することを特徴とする請求項２に記載の流体作動装置。
4. 前記ピストンの表面、及び、該ピストンに対向する前記シリンダの表面の少なくとも一方は、硬化処理が施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。
5. 前記ピストンの表面、及び、前記駆動ロッドの前記ピストンとの係合面の少なくとも一方は、硬化処理が施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。
6. 前記ピストンの側面には周方向に沿ってピストンリングを取り付けるためのピストンリング溝が形成されており、
   前記ピストンの側面上における、前記ピストン溝から、又は、前記ピストンの頂面と前記ピストンリング溝との間の位置から、前記ピストン頂面まで前記ピストンの径が減少す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請求項１に記載の流体作動装置。
7. 前記駆動ロッドの前記シリンダの軸方向に対する角度の変化に応じて前記ピストンが前記シリンダに対して傾いた場合に、前記ギャップの前記ピストンの頂部側を介して前記カム室に漏れることによって、前記ギャップに形成される流体膜により、前記ピストンが前記シリンダに直接的に接触することを防止することを特徴とする請求項６に記載の流体作動装置。
8. 前記ギャップは前記ピストンの径の０．０５％以上０．１５％以下に設定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。
9. 前記ピストン及び前記駆動ロッドは、前記作動チャンバから前記駆動ロッド及び前記カム間の接触面に対して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請求項１に記載の流体作動装置。
10. 前記内部流路に導入される作動流体の量を調整する流量制限部材を更に備えたことを特徴とする請求項９に記載の流体作動装置。
11. 前記内部流路は、
    前記ピストンに形成され、前記ピストン及び前記駆動ロッド間の係合面に対して前記作動チャンバから前記作動流体を供給する第１の内部流路と、
    前記駆動ロッドに形成され、前記係合面から前記接触面に対して前記作動流体を供給する第２の内部流路を備え、
    前記第１の内部流路は前記第２の内部流路に比べて広い断面積を有していることを特徴とする請求項９に記載の流体作動装置。
12. 前記シリンダ、前記ピストン、及び、前記駆動ロッドは、それぞれ前記カムの径方向に沿って放射状に複数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。
13. 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少なくとも一つの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。

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