JP5738476B2 - 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。

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。この種の油圧モータでは、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ため、ピストンのローラとの係合面では、ローラからの押圧力（荷重）によって摩耗が生じる。
特許文献１では、このような係合面の摩耗を軽減するために、係合面上に環状溝を設けている。環状溝には、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。ローラが回転すると、溝内の作動油は係合面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係合面に加わる大きな荷重を支え、摩耗を低減している。

特許文献２に記載の流体作動装置においても、ピストンのローラとの係合面に、作動油が供給される溝が形成されている。当該溝は特許文献１のように環形状を有していないものの、特許文献１と同様に、係合面に油圧による静圧を発生させて摩耗を低減している。

特許文献３には流体作動装置ではないが、ベアリングにおける潤滑構造が記載されている。このベアリングでは、回転シャフトと摺動する摺動部材の表面にループ状の溝が形成されており、当該溝に潤滑油を供給することで、部材間の摩耗を低減している。

米国特許５９７９２９５号明細書 国際特許出願公開第２０１２／０１０２６１号明細書 米国特許出願公開第２００９／００７４３３７号明細書

特許文献１では、係合面に形成した環状溝に作動油を供給することによって、油圧による静圧を発生させて、係合面の摩耗を低減している。溝に溜められた作動油は、ローラの回転によって係合面に引き込まれることによって消費されるため、当該溝には作動チャンバーから新たな作動油を補充する必要がある。しかしながら、特許文献１では、ピストンに形成された１本の細い内部流路のみを使用して環状溝に作動油を補充しているため、溝全体に十分な作動油を効率的に行き渡らせることが困難である。
このような問題を解決するために、ピストンに複数の内部流路を設け、これら複数の内部流路を環状溝に連通させることによって、溝全体に作動油を効率的に供給することも考えられる。しかしながら、ピストンに複数の内部流路を形成することは、製造工程やピストンの内部構造が複雑化するため、容易ではない。
特許文献２及び３においても、係合面に形成され流体が供給される溝が記載されているが、特許文献１と同様の理由から、溝全体に十分な作動油を効率的に行き渡らせることが困難である。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、簡易な構成で、ピストンのローラとの係合面に形成された溝に効率よく流体を供給することにより、該係合面における摩耗を効果的に低減し、長いライフタイムを実現可能な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、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、前記シリンダと共に作動チャンバーを形成し、前記作動チャンバーから作動流体を導入する少なくとも一つの内部流路を有する少なくとも一つのピストンと、前記ピストンに回転可能に係合された少なくとも一つのローラと、前記ローラに接触し、回転シャフトと共に回転する少なくとも一つのカムと、前記ピストンの前記ローラと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少なくとも一つの溝を備えた流体作動装置であって、前記少なくとも一つの溝は、少なくとも一つの環状溝部と、前記少なくとも一つの環状溝部を横切るように前記ローラの回転方向に沿って設けられる連通溝部とを含み、前記内部流路は前記連通溝部に開口していることを特徴とする。

上記流体作動装置では、作動油は作動チャンバーから内部流路を介して、係合面に形成された溝のうち連通溝部に供給される。連通溝部は環状溝部を横切るように設けられており、且つ、ローラの回転方向に沿って設けられているので、連通溝部は環状溝部と複数箇所において合流する。従って、内部流路から供給された作動流体は、連通溝部を介して環状溝部の異なる箇所にそれぞれ導かれる。このように連通溝部を介して、内部流路から供給される作動流体を各環状溝部の異なる箇所に導くことにより、作動流体は溝全体に効率的に行き渡らせられる。その結果、溝への作動流体の補充を効果的に行うことができ、油圧による静圧油膜を安定して発生することができる。
従って、上記作動流体装置では、簡易な構成で、ピストンのローラとの係合面に形成された溝に効率よく流体を供給することにより、油圧による動圧効果が十分でない該係合面における摩耗を油圧による静圧効果により効果的に低減し、長いライフタイムを実現することができる。

一実施形態において、前記溝は、前記ローラの回転方向に沿って複数設けられている。
カムからの荷重が作用す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、係合面の広い範囲に亘って油圧による静圧を発生させ、係合面の摩耗を低減できる。

一実施形態において、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作動流体が導入される。
上記流体作動装置では、係合面に形成された複数の溝にそれぞれ内部流路を設けることによって、各溝に作動流体を効率的に供給することができる。

一実施形態において、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。

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を周期的に変化する。そのため、係合面上における押圧力が作用しうる範囲をできるだけ広くカバーするような溝の配置が望ましい。この点、上述のように、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れば、押圧力が作用しうる係合面上の範囲が広くカバーされる。その結果、カムの回転位相に関わらず、係合面上の広い範囲において油圧による静圧油膜を安定して形成できる。

一実施形態において、前記第１の溝によって囲まれた領域は、前記第２の溝によって囲まれた領域に比べて広く形成されていてもよい。
上述したように、カムの回転位相に伴って、押圧力を受ける係合面上の位置はローラの回転方向に沿って周期的に変化する。ピストンが下死点から上死点に向って動く加圧工程では、ローラからの押圧力は、係合面のうち第１の溝が形成された領域（係合面のうちシリンダ軸よりローラの回転方向上流側）に作用する。一方、ピストンが上死点からから下死点に向って動く吸入工程では、ローラからの押圧力は、係合面のうち第２の溝が形成された領域（係合面のうちシリンダ軸よりローラの回転方向下流側）に作用する。また、ピストンが下死点から上死点に向って動く加圧工程では、ピストンが上死点からから下死点に向って動く吸入工程に比べて、係合面が受ける押圧力は大きくなる。
このように係合面のうちシリンダ軸よりローラの回転方向上流側は下流側に比べて大きな荷重が作用することに鑑み、上記流体作動装置では、第１の溝の内側として規定される領域全体を、第２の溝の内側として規定される領域全体に比べて広い範囲に亘って形成している。支持する領域全体を大きく形成することによって、支持する油圧力も大きくなる。上流側の大きい負荷のために大きな油圧による静圧を生じさせると共に、下流側の小さい負荷のために小さな油圧による静圧を生じさせることによって、くさび油膜がバランスよく形成され、油圧による持ち上げ（リフト）を効率的に生じさせることができる。その結果、ローラから受ける荷重が大きな領域においても、当該荷重を支えるために必要な油圧による静圧油膜を形成し、係合面の摩耗を効果的に軽減できる。

一実施形態において、前記係合面は前記ローラを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。

係合面のう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作用するカムからの押圧力は、シリンダ軸に垂直な方向の力成分を大きく含むため、当該領域では摩耗が生じやすい。上記流体作動装置では、このように摩耗が生じやすい位置に溝を設けることによって、係合面における摩耗を軽減し、長いライフタイムを得ることができる。

一実施形態において、前記少なくとも一つの溝は、前記係合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平面と前記係合面との交線を含む第１の領域から、前記係合面のうち前記シリンダの中心軸と前記係合面との交点を含む第２の領域に向って延在している。

上記流体作動装置では、シリンダ軸から離れた第１の領域から、シリンダ軸側に設けられた第２の領域に亘って溝を形成することにより、係合面の広い範囲でローラから受ける荷重を支えることができる。

一実施形態では、前記内部流路を介して導入される作動流体の導入量を調整するための流量制限手段（オリフィス）を更に備えてもよい。
上記流体作動装置では、良好な摩耗低減効果が得られるように、オリフィスによって溝への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、前記シリンダの内壁と共に前記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するローラ保持部とを有し、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が設けられており、前記段差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いてもよい。

ローラ保持部は、ローラから受ける押圧力に耐えられるだけの十分な耐久性が求められる。上記流体作動装置では、ローラ保持部を大径に形成することによって剛性を高められるので、十分な耐久性が得られる。
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。

一実施形態において、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んでもよい。

上記作動流体装置では、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。

一実施形態において、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てもよい。
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、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、且つ油圧による動圧効果を上げピストン及びシリンダ間の摩耗を抑制できる。

本発明の一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、前記少なくとも一つの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少なくとも一つの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。

上記流体作動装置では、作動油は作動チャンバーから内部流路を介して、係合面に形成された溝のうち連通溝部に供給される。連通溝部は環状溝部を横切るように設けられており、且つ、ローラの回転方向に沿って設けられているので、連通溝部は環状溝部と複数箇所において合流する。従って、内部流路から供給された作動流体は、連通溝部を介して環状溝部の異なる箇所にそれぞれ導かれる。このように連通溝部を介して、内部流路から供給される作動流体を各環状溝部の異なる箇所に導くことにより、作動流体は溝全体に効率的に行き渡らせられる。その結果、溝への作動流体の補充を効果的に行うことができ、油圧による静圧効果を安定して形成できる。
従って、上記作動流体装置では、簡易な構成で、ピストンのローラとの係合面に形成された溝に効率よく流体を供給することにより、該係合面における摩耗を効果的に低減し、長いライフタイムを実現することができる。

風力発電装置の全体構成の概略を示す図である。 油圧ポンプの内部構成を示す図である。 ピストンの外観を示す斜視図である。 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４ＡのＡ―Ａ線断面図である。 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。 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５ＡのＢ−Ｂ断面図である。 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６ＡのＣ−Ｃ断面図である。 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断面図である。 係合面に形成された溝の変形例の一つを示す図である。 係合面に形成された溝の他の変形例を示す図である。 係合面に形成された溝の他の変形例を示す図である。 係合面に形成された溝の他の変形例を示す図である。 ピストンの側面図である。

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。これにより、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。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、昇圧されてそのような回路を流れる。

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。

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から高圧油ライン１３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。

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）。

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。

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。

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。

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、十分な耐久性が得られるようになっている。

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。

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。

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。

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がシリンダ１９の軸方向の周囲を囲むように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ている。そして更に、ボルト穴３６ａ―３６ｈ及び３７ａ―３７ｈをネジ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。これにより、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。

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、作業負担を軽減することができる。
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。

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。

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。

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。

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から供給された作動油は、連通溝部６２Ａを介して環状溝部６１Ａの異なる箇所にそれぞれ導かれる。また、内部流路５６から供給された作動油は、連通溝部６２Ｂを介して環状溝部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内の作動流体は係合面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油膜によってカム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、作動流体を溝６０Ａ及び６０Ｂに作動流体を補充すれば、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流体を各環状溝部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への作動流体の補充を効果的に行うことができ、油圧による静圧油膜を安定して形成できる。

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。

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は反時計回りに回転する。ピストン１８の係合面３０には、作動流体で満たされた溝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流体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上に引きずり出される。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。

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全体に作動流体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。

ここで、図８Ａ−図８Ｄは係合面３０に形成された溝のバリエーションを示す図である。
図８Ａでは、係合面３０上に単一の溝７０が形成されている。溝７０は環状溝部７１と、該環状溝部７１をローラ２１の回転方向に沿って横切る第１の連通溝部７２と、該環状溝部７１及び第１の連通溝部７２をローラ２１の回転方向と垂直な方向に沿って横切る第２の連通溝部７３Ａ及び７３Ｂとを含んでなる。内部流路５５及び５６は、第１の連通溝部７２Ａ及び７２Ｂの両端に設けられた供給口７４Ａ及び７４Ｂにそれぞれ連通している。このように単一の溝７０に対して複数の供給口７４Ａ及び７４Ｂを設けることによって、溝７０全体に作動チャンバー２０から供給される作動油を効率的に行きわたらせることができる。

また、溝７０はローラ２１の回転方向に垂直な方向に延在する第２の連通溝部７３Ａ及び７３Ｂを含んでいるので、ローラ２１の回転によって、少なくとも一部の係合面３０上に効率的に作動油を引き込んで、油圧による静圧油膜を形成できるようになっている。

図８Ｂ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。

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。
係合面３０のうちシリンダ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に作用するリングカム２２からの押圧力は、大きなシリンダ軸に垂直な方向の力成分を含むため、当該領域８４では摩耗が生じやすい。この例では、このように摩耗が生じやすい位置に溝８０Ａ及び８０Ｂを設けることによって油圧による静圧油膜を形成し、係合面３０における摩耗を効果的に軽減できる。

図８Ｃでは、図４Ｃに示す例と同様に、係合面３０上に２つの溝９０Ａ及び９０Ｂが形成されている。溝９０Ａ及び９０Ｂは、環状溝部９１Ａ及び９１Ｂと、該環状溝部９１Ａ及び９１Ｂ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９２Ａ及び９２Ｂとをそれぞれ備えている。内部流路５５及び５６は、連通溝部９２Ａ及び９２Ｂ上に設けられた供給口９６Ａ及び９６Ｂにそれぞれ連通している。

図８Ｃでは更に、溝９０Ａ及び９０Ｂは環状溝部９１Ａ及び９１Ｂから、係合面３０上においてシリンダ軸に向って延在する延在溝部９３Ａ及び９３Ｂが設けられている。つまり、溝９０Ａ及び９０Ｂは、係合面３０のうちシリンダ１８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との交線を含む第１の領域９４から、係合面３０のうちシリンダ１９の中心軸と係合面３０との交点を含む第２の領域９５に向って延在している。
このように溝９０Ａ及び９０Ｂを形成することにより、係合面３０の広い範囲に亘って油圧による静圧油膜を形成し、リングカム２２から荷重を支えることができる。

図８Ｄでは、図４Ｃに示す例と同様に、係合面３０上に２つの溝１００Ａ及び１００Ｂが形成されている。溝１００Ａ及び１００Ｂは、それぞれ環状溝部１０１Ａ及び１０１Ｂと、該環状溝部１０１Ａ及び１０１Ｂ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１０２Ａ及び１０２Ｂとを、それぞれ備えている。内部流路５５及び５６は、連通溝部１０２Ａ及び１０２Ｂ上に設けられた供給口１０３Ａ及び１０３Ｂにそれぞれ連通している。図８Ｄでは更に、ローラ２１の回転方向上流側に設けられた溝１００Ａは、下流側に設けられた溝１００Ｂに比べて広く形成されている。

上述したように、リングカム２２の回転位相に伴って、押圧力を受ける係合面３０上の位置はローラ２１の回転方向に沿って周期的に変化すると共に、ピストン１８はシリンダ１９内で周期的に往復運動する。ピストン１８が下死点から上死点に向って動く加圧工程では、ローラ２１からの押圧力は、係合面３０のうち溝１００Ａが形成された領域（係合面３０のうちシリンダ軸よりローラ２１の回転方向上流側）に作用する。一方、ピストン１９が上死点からから下死点に向って動く吸入工程では、ローラ２１からの押圧力は、係合面３０のうち溝１００Ｂが形成された領域（係合面３０のうちシリンダ軸よりローラ２１の回転方向下流側）に作用する。また、ピストン１８が下死点から上死点に向って動く加圧工程では、ピストン１８が上死点からから下死点に向って動く吸入工程に比べて、係合面３０が受ける押圧力は大きくなる。

図８Ｄでは、ピストン１８が上死点から下死点に動く際に、係合面３０のうちシリンダ軸よりローラ２１の回転方向上流側に大きな荷重が加わることに鑑み、当該領域に形成された溝１００Ａを、溝１００Ｂに比べて広い範囲に亘って形成している。これにより、係合面３０のうちシリンダ軸よりローラ２１の回転方向上流側及び下流側のそれぞれの領域において、十分な油圧による静圧を発生させて、リングカム２２からの荷重を支えることができる。

尚、広く形成された溝１００Ａは、ローラ２１の回転方向に垂直な方向に延在する第２の連通溝部１０４を含むことによって、ローラ２１の回転によって、係合面３０上に効率的に作動油を引き込んで、油圧による静圧を発生できるようになっている。

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の外周側に形成された溝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。

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、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が施されている。このように、ローラ２１の表面と、ピストン１８の係合面３０との間に硬度差を設けることによって、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すことによって、ローラ２１とピストン１８との間に硬度差が設けられれば足りる。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、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、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事ができ、直接接触することを防止し、ピストン１８及びシリンダ１９間に生じる摩耗を軽減できるようになっている。

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
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

Claims (11)

1. 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、前記シリンダと共に作動チャンバーを形成し、前記作動チャンバーから作動流体を導入する複数の内部流路を有する少なくとも一つのピストンと、
   前記ピストンに回転可能に係合された少なくとも一つのローラと、
   前記ローラに接触し、回転シャフトと共に回転する少なくとも一つのカムと、
   前記ピストンの前記ローラと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複数の溝とを備えた流体作動装置であって、
   前記複数の溝は、第１の環状溝部と、前記第１の環状溝部よりも前記ローラの回転方向下流側に配置された第２の環状溝部と、前記第１の環状溝部及び前記第２の環状溝部をそれぞれ横切るように前記ローラの回転方向に沿ってそれぞれ設けられた複数の連通溝部とを含み、
   前記複数の内部流路は前記複数の連通溝部にそれぞれ開口していることを特徴とする流体作動装置。
2. 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作動流体が導入されることを特徴とする請求項１に記載の流体作動装置。
3. 前記第１の環状溝部は、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、
   前記第２の環状溝部は、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下流側に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の流体作動装置。
4. 前記ローラの回転方向上流側の前記係合面の方が前記ローラの回転方向下流側の前記係合面よりも前記作動流体から受ける静圧が大きくなるように、前記第１の環状溝部によって囲まれた領域は、前記第２の環状溝部によって囲まれた領域に比べて広く形成されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の流体作動装置。
5. 前記係合面は前記ローラを周方向に沿って囲む曲面として形成されており、
   前記第１の環状溝部及び前記第２の環状溝部の各々は、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１に記載の流体作動装置。
6. 前記第１の環状溝部及び前記第２の環状溝部の各々は、前記係合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平面と前記係合面との交線を含む第１の領域から、前記係合面のうち前記シリンダの中心軸と前記係合面との交点を含む第２の領域に向って延在し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. 前記内部流路を介して導入される作動流体の導入量を調整するための流量制限手段を更に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。
8. 前記ピストンは、前記シリンダの内壁と共に前記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するローラ保持部とを有し、
   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が設けられており、
   前記段差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８に記載の流体作動装置。
10. 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請求項８に記載の流体作動装置。
11. 回転翼が取り付けられたハブと、
    前記ハブに一端部が連結された主軸と、
    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。

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