WO2011096076A1 - 潤滑油加熱機構、歯車機構、及び風力発電装置 - Google Patents

Abstract

　潤滑油加熱機構が、潤滑油を貯めるためのタンクと、潤滑油ポンプと、タンクの内部に設けられ、潤滑油を加熱するヒーターと、ヒーターの上方を、少なくとも部分的に覆う整流板とを備えている。タンクには、タンクから潤滑油ポンプに潤滑油を吸い出す吸出口が設けられている。整流板は、加熱された潤滑油が吸出口に向けて対流するように設けられている。

Description

潤滑油加熱機構、歯車機構、及び風力発電装置

　本発明は、潤滑油加熱機構、歯車機構、及びそれを用いた風力発電装置に関し、特に、極寒環境下で機器を起動する場合に潤滑油を加熱するための加熱機構に関する。

　風力発電装置その他の機器を極寒環境において使用する場合、潤滑油を加熱する必要性が生じる。極寒環境においては潤滑油の粘度が高くなるが、潤滑油の粘度が高くなりすぎると、潤滑油の循環ポンプにかかる負荷が大きくなり、循環ポンプの故障を招き得る。そこで、潤滑油の温度が低い場合、潤滑油がヒーターによって加熱される。例えば、米国特許出願公開ＵＳ２００９／０１９１０６０Ａ１（特許文献１）は、ギアボックスからポンプに潤滑油を排出する排出管にヒーターを設ける技術を開示している。

　一つの問題は、極寒環境下で機器の運転が停止された場合に、機器タンク内の潤滑油の再加熱に時間がかかることである。極寒環境で使用される機器においては、潤滑油タンクにヒーターが設けられて潤滑油が加熱される。しかしながら、極寒環境下で機器の運転が停止されて機器タンクに蓄積されている潤滑油が冷却されると、潤滑油の粘度が高くなる。冷却されて高粘度となった潤滑油は、対流が起きにくく、ヒーター直上の潤滑油は対流し速やかに加熱されるが、ヒーターの側方や下方においては対流が発生せず、ヒーターの側方や下方にある潤滑油は加熱されにくい。

　特に、機器レイアウトの関係で、機器タンクから潤滑油ポンプに潤滑油を吸い出す吸出口がヒーターの側方にある場合にこの問題は重大である。吸出口の近傍の潤滑油が加熱されないため、潤滑油ポンプの再起動に時間がかかってしまう。

米国特許出願公開ＵＳ２００９／０１９１０６０Ａ１

　したがって、本発明の目的は、機器タンク内の潤滑油が冷却されてしまった後、潤滑油ポンプの再起動に必要な時間を短縮可能な潤滑油加熱機構及びそれを用いた風力発電装置を提供することにある。

　本発明の一の観点では、潤滑油加熱機構が、潤滑油を貯めるためのタンクと、潤滑油ポンプと、タンクの内部に設けられ、潤滑油を加熱するヒーターと、ヒーターの上方を、少なくとも部分的に覆う整流板とを備えている。タンクには、タンクから潤滑油ポンプに潤滑油を吸い出す吸出口が設けられている。整流板は、加熱された潤滑油が吸出口に向けて対流するように設けられている。

　当該潤滑油加熱機構が、歯車を更に備えている場合、整流板が、歯車の下方を覆うように設けられ、歯車の近傍に潤滑油を保持するオイルパンとして機能することが好ましい。

　整流板は、吸出口が設けられているタンクの側壁から離間されて設けられていることが好ましい。

　本発明の他の観点では、潤滑油加熱機構が、潤滑油を貯めるためのタンクと、潤滑油ポンプと、タンクの内部に設けられ、潤滑油を加熱するヒーターとを備えている。
　タンクには、タンクから潤滑油ポンプに潤滑油を吸い出す吸出口が、ヒーターの側方に設けられている。当該潤滑油加熱機構においては、吸出口の近傍に位置する潤滑油が、潤滑油の液面のヒーターの上方の部分の近傍の潤滑油よりも早く加熱される。

　本発明の更に他の観点では、歯車機構が、潤滑油を貯めるためのタンク部分と、歯車と、歯車の下方を覆うように設けられ、歯車の近傍に潤滑油を保持するオイルパンと、タンク部分の内部に設けられ、潤滑油を加熱するヒーターとを備えている。タンク部分には、タンク部分から潤滑油ポンプに潤滑油を吸い出す吸出口が設けられている。オイルパンは、ヒーターの上方を少なくとも部分的に覆っており、加熱された潤滑油が吸出口に向けて対流する整流板として機能する。

　本発明の更に他の観点では、風力発電装置が、風車ロータを支持する、回転可能に設けられた主軸と、入力軸が主軸に結合された増速機と、増速機の出力軸に結合される発電機とを具備する。増速機は、潤滑油を貯めるタンク部分を有するハウジングと、ハウジングの内部に設けられた歯車と、歯車の下方を覆うように設けられ、歯車の近傍に潤滑油を保持するオイルパンと、タンク部分に設けられたヒーターとを備えている。ハウジングには、タンク部分から潤滑油ポンプに潤滑油を吸い出す吸出口が設けられる。オイルパンは、ヒーターの上方を少なくとも部分的に覆い、潤滑油が吸出口に向けて対流させる整流板として機能する。

本発明の一実施形態の潤滑油加熱機構を備えた潤滑油循環系の構成を示す概念図である。 整流板を設けた場合における、機器タンク内部における加熱された潤滑油の挙動を示す図である。 整流板を設けない場合における、機器タンク内部における加熱された潤滑油の挙動を示す図である。 本発明の一実施形態の風力発電装置を示す側面図である。 一実施形態における風力発電装置のナセルの内部構造を示す上面図である。 一実施形態における増速機の構造を示す断面図である。 図５の増速機のタンク部分の構造を示す斜視図である。 図５の増速機のタンク部分の構造を示す断面図である。

　図１は、本発明の一実施形態の潤滑油加熱機構を備えた潤滑油循環系１０の構成を示す概念図である。本実施形態では、潤滑油循環系１０が、機器タンク１と、潤滑油ポンプ２と、補機３とを備えている。機器タンク１は、機器（例えば、ギアボックス）等に設けられて潤滑油を貯めるタンクである。潤滑油ポンプ２は、機器タンク１の潤滑油を吸出口６から吸い出して補機３に送る。補機３は、潤滑油フィルターや潤滑油冷却器等を備えており、潤滑油に対して必要な処理を行って機器に送る。機器の各部で使用された潤滑油は、機器タンク１に回収される。機器タンク１、潤滑油ポンプ２及び補機３を接続する配管における潤滑油の冷却を防ぐためには、これらの配管にヒーター（図示されない）が設けられることが好ましい。

　機器タンク１の内部には、潤滑油を加熱するためのヒーター４が設けられている。このヒーター４は、機器タンク１の内部の潤滑油の温度が低い場合に潤滑油を加熱するためのものである。極寒状態で機器の動作が停止されて潤滑油の温度が低下すると、潤滑油の粘度が高くなる。潤滑油の粘度が過剰に高いと潤滑油ポンプ２の運転ができなくなる。そこで、機器の再起動の際には、ヒーター４によって潤滑油が十分加熱された後で、潤滑油ポンプ２が起動される。

　ここで、本実施形態では、潤滑油の対流を制御するための整流板５がヒーター４の上方に設けられる。整流板５は、潤滑油を吸出口６に向けて対流させるような形状と位置とを有している。この整流板５は、起動に必要な部位の潤滑油を効率的に加熱し、潤滑油ポンプ２を速やかに再起動するために寄与する。潤滑油ポンプ２を起動する場合、潤滑油の全体を加熱する必要性はなく、実際に加熱が必要なのは吸出口６の近傍の潤滑油だけである。そこで、本実施形態では、整流板５を設けることによって吸出口６の近傍の潤滑油を速やかに加熱し、潤滑油ポンプ２の速やかな起動を可能にする。以下では、整流板５の機能について詳細に説明する。

　図２Ａ、図２Ｂは、整流板５の機能について説明する図である。図２Ａは、整流板５がある場合の潤滑油の加熱の様子を示しており、図２Ｂは、整流板５がない場合の潤滑油の加熱の様子を示している。図２Ａ、図２Ｂにおいて、濃いハッチングは加熱されて粘度が低くなった潤滑油の部分を示し、薄いハッチングは低温で粘度が高い潤滑油の部分を示している。

　図２Ｂに図示されているように、整流板５がない場合には、加熱された潤滑油がヒーター４の上方にのみ対流する。このため、ヒーター４の上方の潤滑油は速やかに加熱されるが、ヒーター４の側方の潤滑油はなかなか加熱されない。したがって、吸出口６がヒーター４の側方にあると、吸出口６の近傍の潤滑油が加熱されるまでには時間がかかり、潤滑油ポンプ２の起動が可能になるのに時間がかかる。

　一方、本実施形態では、図２Ｂに図示されているように、加熱された潤滑油の対流が整流板５によって吸出口６に向けられるため、吸出口６の近傍の潤滑油が速やかに加熱される。より具体的には、吸出口６の近傍の潤滑油は、潤滑油の液面のヒーター４の上方の部分の近傍の潤滑油よりも早く加熱される。吸出口６の近傍の潤滑油が速やかに加熱されるため、潤滑油ポンプ２を速やかに起動することが可能になる。

　整流板５の形状及び位置は、様々に変更され得る。例えば、図２Ａでは、整流板５がヒーター４の上方を完全に覆うような形状と位置を有しているが、整流板５がヒーター４の上方を完全に覆っている必要はない。ただし、吸出口６の近傍の潤滑油の加熱を促進するためには、整流板５がヒーター４の上方を完全に覆っていることが好ましい。

　また、図２Ａに図示されているように、整流板５は、機器タンク１の吸出口６が設けられている側壁から少し離れて設けられることが好ましい。これは、潤滑油ポンプ２の起動後の潤滑油の循環が妨げられる程度を抑制するためである。整流板５が機器タンク１の側壁に直接取り付けられていると、機器タンク１の上方から戻されてきた潤滑油が吸出口６に戻ることが妨げられる。図２Ａに図示されているように、整流板５を機器タンク１の側壁から少し離れて設けることにより、潤滑油の循環が妨げられる程度を抑制できる。

　上記の潤滑油加熱機構の構造は、寒冷地で使用される風力発電装置の様々な機械機構、特に、増速機に適用されることが特に好適である。以下では、本発明の潤滑油加熱機構が適用された増速機の構造について説明する。

　図３は、本発明の一実施形態における風力発電装置１１の構成を示す側面図である。風力発電装置１１は、基礎１２ａに立接されるタワー１２と、タワー１２の上端に設置されるナセル１３と、ナセル１３に対して回転可能に取り付けられたロータヘッド１４と、ロータヘッド１４に取り付けられる風車翼１５とを備えている。ロータヘッド１４と風車翼１５とにより、風車ロータが構成されている。

　図４に図示されているように、ロータヘッド１４には主軸１６の一端が結合されており、その主軸１６は、主軸受１６ａによって回転可能に支持されている。主軸１６の他端は、増速機１７の入力軸に連結されている。増速機１７の出力軸は、発電機１８のロータに結合されている。風力によってロータヘッド１４が回転すると、その回転が増速機１７によって増速されて発電機１８のロータに伝達され、発電機１８が駆動される。これにより、発電機１８から電力が得られる。

　図５は、本実施形態における増速機１７の構造を示す断面図である。増速機１７は、遊星歯車機構１７ａと、ギア増速機構１７ｂと、それらを収納するハウジング１９とを備えている。遊星歯車機構１７ａは、入力軸２１と、太陽歯車２２と、複数の遊星歯車２３（１つのみ図示）と、内歯車２４と、複数の遊星ピン２５（１つのみ図示）と、太陽軸２６とを備えている。入力軸２１は、主軸１６が挿入される挿入穴２１ａを有しており、挿入穴２１ａに主軸１６が挿入されてシュリンクフィット２１ｂが締められることにより、主軸１６が入力軸２１に連結される。シュリンクフィット２１ｂとは、外部からの駆動力によって内径が縮小可能に構成された環状の機械要素であり、例えば、シュリンクフィット２１ｂに設けられたボルト、又は、油圧によって締めることができるように構成されている。入力軸２１は、ハウジング１９に設けられた軸受２７によって回転可能に支持されている。入力軸２１は、遊星歯車機構１７ａにおいて、遊星歯車２３を支持するキャリアとしても機能する。遊星歯車２３は、太陽歯車２２と内歯車２４の間に位置しており、遊星歯車２３に挿入された遊星ピン２５によって入力軸２１に連結される。太陽軸２６は、太陽歯車２２に結合され、遊星歯車機構１７ａの出力軸として使用される。入力軸２１が回転されると、その回転が、遊星歯車２３を介して太陽歯車２２に伝えられ、太陽歯車２２に接続された太陽軸２６が増速されて回転する。

　ギア増速機構１７ｂは、太陽軸２６に接合される第１回転軸３１と、第１回転軸３１に接合される第１平歯車３２と、第２平歯車３３と、第２平歯車３３に接合される第２回転軸３４と、第２回転軸３４に接合される第３平歯車３５と、第４平歯車３６と、第４平歯車３５に接合される出力軸３７とを備えている。第１回転軸３１、第２回転軸３４、及び出力軸３７は、それぞれ、ハウジング１９に設けられた軸受３８、３９、４０によって回転可能に支持されている。更に、第１平歯車３２と第２平歯車３３とは噛合しており、第３平歯車３５と第４平歯車３６とは噛合している。このような構造のギア増速機構１７ｂでは、太陽軸２６が回転されると、その回転が、第１平歯車３２、第２平歯車３３、第３平歯車３５及び第４平歯車３６に伝えられ、第４平歯車３６に接続された出力軸３７が増速されて回転する。即ち、増速機１７全体では、入力軸２１が回転すると、その回転が遊星歯車機構１７ａとギア増速機構１７ｂによって増速されて出力軸３７から出力されることになる。

　第２平歯車３３の下方を覆うようにオイルパン４１が設けられている。このオイルパン４１は、第２平歯車３３の下側に適切な量の潤滑油を保持し、これにより、第２平歯車３３が回転したときの潤滑油の撹拌ロスを低減する役割を有している。

　ハウジング１９の内部には、オイルパン４１の下方に空間が設けられており、この空間が潤滑油を貯めるタンク部分１９ａとして機能する（図６、図７も参照）。タンク部分１９ａには、潤滑油を加熱するためのヒーター４２が設けられている。タンク部分１９ａには、更に、ヒーター４２の側方の位置に吸出口４３が設けられており、タンク部分１９ａに蓄積された潤滑油は、吸出口４３から潤滑油ポンプによって吸い出され、潤滑油ポンプと補機を通ってハウジング１９の内部に戻される。潤滑油を循環させる潤滑油循環系の構成としては、図１に図示された構成が使用される。

　図５～図７に図示されている増速機１７の構造では、オイルパン４１が、加熱された潤滑油の対流の整流板としても機能する。即ち、オイルパン４１の存在により、加熱された潤滑油の対流が吸出口４３に向けられるため、吸出口４３の近傍の潤滑油が速やかに加熱される。このため、吸出口４３に接続された潤滑油ポンプを速やかに起動することが可能になる。

　なお、上記には増速機１７の第２平歯車３３の下方に設けられたオイルパン４１を潤滑油の対流を制御する整流板と兼用する構成が図示されているが、歯車の下方に設けられたオイルパンを整流板としても使用する構成は、他の歯車機構にも適用可能である。また、潤滑油の対流を制御する整流板をオイルパン４１とは別に設けることも可能である。

Claims (6)

1. 　潤滑油を貯めるためのタンクと、
   　潤滑油ポンプと、
   　前記タンクの内部に設けられ、前記潤滑油を加熱するヒーターと、
   　前記ヒーターの上方を、少なくとも部分的に覆う整流板
   とを備え、
   　前記タンクには、前記タンクから前記潤滑油ポンプに前記潤滑油を吸い出す吸出口が設けられ、
   　前記整流板は、加熱された前記潤滑油が前記吸出口に向けて対流するように設けられた
   　潤滑油加熱機構。
2. 　請求項１に記載の潤滑油加熱機構であって、
   　更に、歯車を備え、
   　前記整流板が、前記歯車の下方を覆うように設けられ、前記歯車の近傍に前記潤滑油を保持するオイルパンとして機能する
   　潤滑油加熱機構。
3. 　請求項１又は２に記載の潤滑油加熱機構であって、
   　前記吸出口は、前記タンクの側壁に設けられ、
   　前記整流板は、前記側壁から離間されて設けられている
   　潤滑油加熱機構。
4. 　潤滑油を貯めるためのタンクと、
   　潤滑油ポンプと、
   　前記タンクの内部に設けられ、前記潤滑油を加熱するヒーター
   とを備え、
   　前記タンクには、前記タンクから前記潤滑油ポンプに前記潤滑油を吸い出す吸出口が、前記ヒーターの側方に設けられ、
   　前記吸出口の近傍に位置する潤滑油が、前記潤滑油の液面の前記ヒーターの上方の部分の近傍の潤滑油よりも早く加熱される
   　潤滑油加熱機構。
5. 　潤滑油を貯めるためのタンク部分と、
   　歯車と、
   　前記歯車の下方を覆うように設けられ、前記歯車の近傍に前記潤滑油を保持するオイルパンと、
   　前記タンク部分の内部に設けられ、前記潤滑油を加熱するヒーター
   とを備え、
   　前記タンク部分には、前記タンク部分から潤滑油ポンプに前記潤滑油を吸い出す吸出口が設けられ、
   　前記オイルパンは、前記ヒーターの上方を少なくとも部分的に覆っており、加熱された前記潤滑油が前記吸出口に向けて対流する整流板として機能する
   　歯車機構。
6. 　風車ロータを支持する、回転可能に設けられた主軸と、
   　入力軸が前記主軸に結合された増速機と、
   　前記増速機の出力軸に結合される発電機
   とを具備し、
   　前記増速機は、
   　　潤滑油を貯めるタンク部分を有するハウジングと、
   　　前記ハウジングの内部に設けられた歯車と、
   　　前記歯車の下方を覆うように設けられ、前記歯車の近傍に前記潤滑油を保持するオイルパンと、
   　　前記タンク部分に設けられたヒーター
   とを備え、
   　前記ハウジングには、前記タンク部分から潤滑油ポンプに前記潤滑油を吸い出す吸出口が設けられ、
   　　前記オイルパンは、前記ヒーターの上方を少なくとも部分的に覆い、
   前記潤滑油が前記吸出口に向けて対流させる整流板として機能する
   　風力発電装置。

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