JP6321700B2 - 油圧機械および風力発電装置 - Google Patents
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Description
特許文献1では、ピストンとともにシリンダを傾動可能とすることで、サイドフォースの低減を図ることができるが、シリンダブロックに球面状の軸受を形成する必要があるなど、油圧機械の構造を複雑化してしまう。
油圧機械の半径方向に沿って設けられたシリンダと、
前記シリンダの軸方向に沿った断面において湾曲した外周面を有するピストンヘッドを有し、前記シリンダ内において往復運動するように構成されたピストンと、
前記ピストンの基端部と係合し、前記ピストンの往復運動と連動して回転するように構成されたカムと、
前記シリンダの内周面に対して摺接するように前記ピストンヘッドの前記外周面に設けられたピストンリングと、を備え、
前記ピストンリングは、前記ピストンの傾動に応じて、前記ピストンリングによる前記ピストンヘッドと前記シリンダとの間のシール線が、前記シリンダの軸方向に直交する平面に対してなす角度が変化するように構成される。
前記ピストンリングの周長は、前記シリンダの前記内周面の周長よりも長い。
この点、上記(2)の構成によれば、ピストンリングの周長をシリンダ内周面の周長よりも長く設定したので、ピストン傾動時にピストンの外周面とシリンダ内周面との間をピストンリングで適切にシールすることができる。
前記ピストンリングの自然状態における周長Lは、前記シリンダの内径をRとし、前記ピストンの前記軸方向に対する最大傾動角をθmaxとし、下記式(1)で表される基準周長をL*としたとき、0.99L*≦L≦1.2L*の関係を満たす。
この点、上記(3)の構成によれば、ピストンリングの自然状態における周長Lを0.99L*以上に設定することで、ピストンの傾動に応じてシール線が傾いても、ピストンとシリンダとの間のシールを適切に行うことができる。
また、上記(3)のように、ピストンリングの自然状態における周長Lを1.2L*以下に設定することで、ピストンの非傾動状態におけるピストンリングの過度な圧縮を防止し、ピストンリングの摩耗を抑制できる。
前記ピストンリングは、前記ピストンが前記シリンダの前記軸方向に沿っている非傾動状態に比べて、前記ピストンが前記軸方向に対して傾いた傾動状態において、周長が伸びるように構成される。
前記ピストンリングは、前記シール線の形状が前記非傾動状態における円形と前記傾動状態における楕円形との間で変化するように、変形可能に構成される。
前記ピストンリングは樹脂製である。
前記ピストンリングは金属製である。
前記ピストンリングを径方向外方に押し広げるように構成された付勢部材をさらに備える。
前記ピストンリングは、該ピストンリングの周方向における一方の端部と他方の端部とが係合する合口部を有する。
前記合口部は、前記ピストンリングの径方向において前記一方の端部と前記他方の端部とが当接し、且つ、前記ピストンリングの中心軸に沿った方向において前記一方の端部と前記他方の端部とが当接するように構成される。
前記ピストンリングは、前記軸方向に沿った断面において、前記ピストンヘッドの前記外周面の湾曲形状よりも曲率半径が小さい湾曲形状の外形を有する。
前記ピストンリングは、前記軸方向に沿って延在する摺接面を有する。
前記ピストンリングの厚さtは、前記シリンダの内径をRとし、前記ピストンの前記軸方向に対する最大傾動角をθmaxとしたとき、0.5×Rsinθmax≦t≦1.5×Rsinθmaxの関係を満たす。
この点、上記(13)の構成によれば、Rsinθmaxに対して適切な範囲内にピストンリングの厚さtを設定したので、ピストンの傾動角によらず、シール性を維持しながら、ピストンの傾動に伴ってシール線を傾けてサイドフォースを低減できる。
前記ピストンリングの前記シール線は、前記ピストンの前記軸方向に対する傾動角にかかわらず、前記ピストンリングの外周面のうち、前記ピストンヘッドと前記シリンダとで形成される作動室側の端部によって形成される。
風車ロータと、
前記風車ロータによって駆動されるように構成された油圧ポンプと、
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ように構成された油圧モータと、
前記油圧モータによって駆動されるように構成された発電機と、を備え、
前記油圧ポンプ又は前記油圧モータの少なくとも一方が上記(1)乃至(14)の何れかに記載の油圧機械である。
幾つかの実施形態に係る風力発電装置1は、風車ロータ3と、風車ロータ3によって駆動されるように構成された油圧ポンプ8と、油圧ポンプ8から供給される圧油によって駆動されるように構成された油圧モータ10と、油圧モータによって駆動されるように構成された発電機16と、を備える。
メインシャフト6の少なくとも一部は、タワー19上に設置されたナセル18によって覆われている。例えば、油圧ポンプ8、油圧モータ10及び発電機16は、ナセル18の内部に設置される。
油圧ポンプ8には、高圧油ライン12及び低圧油ライン14を介して油圧モータ10が接続されている。また、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の出口に接続されている。
油圧ポンプ8は、メインシャフト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。
発電機16は、油圧モータ10によって駆動されることによって発電を行うようになっている。
なお、図示される例では、カム28は、油圧モータ10の回転軸Oに対して偏心回動するように構成された偏心カム28である。
複数のピストン22及び複数のシリンダ21は、それぞれ偏心カム28の周りに放射状に設けられている。複数のピストン22は、作動室27内の作動油及び偏心カム28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22が上死点から下死点に向う際(モータ工程)、高圧油ライン12(図1参照)から作動室27に導入された作動油によって、各ピストン22はシリンダ軸に沿って偏心カム28側に押し下げられる。このとき、各ピストン22によって偏心カム28は押圧され、その結果、偏心カム28は回転する。偏心カム28が回転すると、下死点付近に位置するピストン22は偏心カム28によって押上げられ、作動室27内の作動油が低圧油ライン14(図1参照)に排出される。
このようなピストン22の周期的な往復運動によって、偏心カム28に連結された回転シャフト29が回転する。
回転シャフト29は、例えば図1に示す発電機16に接続され、回転シャフト29の回転運動を発電機16に伝えて、発電機16を駆動するように構成される。
図3Aは、一実施形態における非傾動状態のピストン22及びピストンリング26を示す図である。図3Bは、一実施形態における傾動状態のピストン22及びピストンリング26を示す図である。
なお、シリンダ21の軸方向Dは、図2に示す油圧モータ10の半径方向と同じ方向である。
なお、ピストンリング26は、ピストンヘッド23の外周面に形成された環状の溝に嵌合するように設けられてもよい。また、ピストンリング26は、ピストン22の軸線E2(図2参照)直交する平面内に配置されてもよい。さらに、ピストンリング26は、シリンダ21の内周面との接触面圧を低減するために、外形に溝が形成されていてもよい。
図5を参照して、ピストンリング26の周長Lは、シリンダ21の内周面の周長よりも長くてもよい。
そこで、ピストンリング26の自然状態における周長Lをシリンダ21の内周面の周長よりも長く設定したので、ピストン22の傾動時にピストン22の外周面とシリンダ21の内周面との間をピストンリング26で適切にシールすることができる。
そのため、上記構成によれば、ピストンリング26の自然状態における周長Lを0.99L*以上に設定することで、ピストン22の傾動に応じてシール線Sが傾いても、ピストン22とシリンダ21との間のシールを適切に行うことができる。
また、上記したように、ピストンリング26の自然状態における周長Lを1.2L*以下に設定することで、ピストン22の非傾動状態におけるピストンリング26の過度な圧縮を防止し、ピストンリング26の摩耗を抑制できる。
これにより、ピストン22の傾動状態におけるピストンリング26の周長Lが非傾動状態に比べて伸びるので、シール性を維持しながら、ピストン22の傾動に伴ってシール線Sを傾けてサイドフォースを低減できる。
これによれば、ピストン22の傾動に伴ってシール線Sが傾くのに合わせてピストンリング26が変形可能であるため、シール性を維持しながら、ピストン22の傾動に伴ってシール線Sを傾けてサイドフォースを低減できる。
この点、上記構成によれば、Rsinθmaxに対して適切な範囲内にピストンリング26の厚さtを設定したので、ピストン22の傾動角θによらず、シール性を維持しながら、ピストン22の傾動に伴ってシール線Sを傾けてサイドフォースを低減できる。
このように、ヤング率が一般的に低い樹脂によりピストン22を構成することによって、ピストン22の傾動に伴ってシール線Sが傾くのに合わせてピストンリング26が変形しやすくなり、シール性を維持しながら、ピストン22の傾動に伴ってシール線Sを傾けてサイドフォースを低減できる。
このように、金属製のピストンリング26を採用することで、ピストンリング26の摩耗を抑制することができる。
図7に示す実施形態では、ピストンリング26を径方向外方に押し広げるように構成された付勢部材30をさらに備える。例えば、付勢部材30は、ピストンリング26の内周面とピストンヘッド23の外周面との間に設けられる。また、付勢部材30は、少なくとも、ピストン22の傾動によってシール線Sが伸縮する部位に設けられてもよい。
図8A及び図8Bに示す実施形態では、ピストンリング26は、ピストンリング26の周方向における一方の端部261と他方の端部262とが係合する合口部260を有する。
この場合、合口部260は、ピストンリング26の径方向Gにおいて一方の端部261と他方の端部262とが当接し、且つ、ピストンリング26の中心軸に沿った方向Hにおいて一方の端部261と他方の端部262とが当接するように構成されてもよい。
また、ピストンリング26の径方向および軸方向の両方向に関して、合口部260において、ピストンリング26の周方向の一方の端部261と他方の端部262を当接させることができ、合口部260におけるシール性を向上させることができる。
図9A及び図9Bに示す実施形態では、ピストンリング26は、軸方向に沿った断面において、ピストンヘッド23の外周面の湾曲形状よりも曲率半径が小さい湾曲形状の外形を有する。
これによれば、ピストン22の傾動状態において、ピストンリング26のうち曲率半径が小さい湾曲形状の外形においてシリンダ21の内周面に圧接され、この部位の圧が高くなる(図9B参照)。そのため、この部位にシール線Sを形成することができ、ピストン22の傾動に伴って、シール線Sを適切に傾かせることができる。
図10A及び図10Bに示す実施形態では、ピストンリング26は、軸方向に沿って延在する摺接面を有する。例えば、ピストンリング26は、円筒形状を有していてもよい。
これによれば、ピストン22の傾動に伴ってピストンリング26が変形し、ピストンリング26の摺接面のうち作動室27側の端部の圧が高くなり(図9B参照)、ここにシール線が形成される。このため、ピストン22の傾動角θによらず、摺接面のうち作動室27側の端部が常にシール位置となり、ピストン22の傾動に応じてシール線Sを適切に傾けることができる。これにより、サイドフォースを効果的に低減できる。
これによれば、ピストン22の傾動に伴ってシール線Sが傾いたとき、ピストン22の傾動角θによらず、摺接面のうち作動室27側の端部が常にシール位置となり、ピストン22の傾動に応じてシール線Sを適切に傾けることができる。これにより、サイドフォースを効果的に低減できる。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
3 風車ロータ
8 油圧ポンプ
10 油圧モータ(油圧機械)
16 発電機
21 シリンダ
22 ピストン
23 ピストンヘッド
24 基端部
25 ピストンロッド
26 ピストンリング
27 作動室
28 カム(偏心カム)
30 付勢部材
260 合口部
261,262 端部
263 当接面
Claims (14)
- 油圧機械の半径方向に沿って設けられたシリンダと、
前記シリンダの軸方向に沿った断面において湾曲した外周面を有するピストンヘッドを有し、前記シリンダ内において往復運動するように構成されたピストンと、
前記ピストンの基端部と係合し、前記ピストンの往復運動と連動して回転するように構成されたカムと、
前記シリンダの内周面に対して摺接するように前記ピストンヘッドの前記外周面に設けられたピストンリングと、を備え、
前記ピストンリングは、前記ピストンの傾動に応じて、前記ピストンリングによる前記ピストンヘッドと前記シリンダとの間のシール線が、前記シリンダの軸方向に直交する平面に対してなす角度が変化するように構成され、
前記ピストンリングは、前記軸方向に沿った断面において、前記ピストンヘッドの前記外周面の湾曲形状よりも曲率半径が小さい湾曲形状の外形を有する
ことを特徴とする油圧機械。 - 前記ピストンリングの周長は、前記シリンダの前記内周面の周長よりも長いことを特徴とする請求項1に記載の油圧機械。
- 前記ピストンリングは、前記ピストンが前記シリンダの前記軸方向に沿っている非傾動状態に比べて、前記ピストンが前記軸方向に対して傾いた傾動状態において、周長が伸びるように構成されたことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の油圧機械。
- 前記ピストンリングは、前記シール線の形状が前記非傾動状態における円形と前記傾動状態における楕円形との間で変化するように、変形可能に構成されたことを特徴とする請求項4に記載の油圧機械。
- 前記ピストンリングは樹脂製であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の油圧機械。
- 前記ピストンリングは金属製であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の油圧機械。
- 前記ピストンリングを径方向外方に押し広げるように構成された付勢部材をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の油圧機械。
- 前記ピストンリングは、該ピストンリングの周方向における一方の端部と他方の端部とが係合する合口部を有することを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載の油圧機械。
- 前記合口部は、前記ピストンリングの径方向において前記一方の端部と前記他方の端部とが当接し、且つ、前記ピストンリングの中心軸に沿った方向において前記一方の端部と前記他方の端部とが当接するように構成されたことを特徴とする請求項9に記載の油圧機械。
- 前記ピストンリングは、前記ピストンリングの厚さ方向における中央部における外径が、前記ピストンリングの厚さ方向における両端部における外径よりも大きい
ことを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載の油圧機械。 - 前記ピストンリングの厚さtは、前記シリンダの内径をRとし、前記ピストンの前記軸方向に対する最大傾動角をθmaxとしたとき、0.5×Rsinθmax≦t≦1.5×Rsinθmaxの関係を満たすことを特徴とする請求項1乃至11の何れか一項に記載の油圧機械。
- 前記ピストンリングの前記シール線は、前記ピストンの前記軸方向に対する傾動角にかかわらず、前記ピストンリングの外周面のうち、前記ピストンヘッドと前記シリンダとで形成される作動室側の端部によって形成されることを特徴とする請求項1乃至12の何れか一項に記載の油圧機械。
- 風車ロータと、
前記風車ロータによって駆動されるように構成された油圧ポンプと、
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ように構成された油圧モータと、
前記油圧モータによって駆動されるように構成された発電機と、を備え、
前記油圧ポンプ又は前記油圧モータの少なくとも一方が請求項1乃至13の何れか一項に記載の油圧機械であることを特徴とする風力発電装置。
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