JP2018193981A - 著しく低速・高トルク型で摩擦損失と作動油漏れの少ないピストンポンプ／モータ - Google Patents

Abstract

【課題】低速／高トルク運転が可能なピストンポンプ／モータを提供する。【解決手段】ピストンに、自己平衡特性をもつ静圧ベアリングを、シューとピストンに追加する。波力発電装置実現に向け期待される。油圧変速機用ポンプのピストンに、複数の静圧ベアリング用パッドを設置し、これらが相互に作用しあって、最適なピストン運動が自動的に実現する。カム運動によりピストンがストロークし、ポンプ作用する。カムの垂直成分でピストンの一部円筒部に隙間が発生し、隙間が高圧油の漏れ通路になることから、ピストン面には油膜による特殊な圧力分布が生まれる。それを利用し、ピストン面に発生する摩擦力を相殺するように構成する。更にシューの滑り面に複数の静圧ベアリングを設置し、相互の油膜厚さに変化が起こると、軸受力のばらつきが発生し、油膜厚さが均一に復帰する方向のモーメントがシューに働き、平衡状態に自動復帰する。【選択図】図４−１

Description

本発明は、「ピストン／斜板カム」組み合わせによる、「ピストン運動／回転運動」変換型の斜板型ピストンポンプ／モータに関する発明であり、従来のピストンポンプ／モータでは不可能だった著しく低速で高トルクの運転を可能にすることを目指す。このポンプ／モータを採用した油圧変速機により、容易に大型波力発電装置の実用化を実現することが最終目的である。

従来の波力発電装置は、図１に示す比較的小形の装置で、出力は１５０ｋｗクラスだった。地域の電力需要に合わせるには、桁違いの大容量波力発電装置をいい加減のコストで実現する必要がある。しかしながら本発明者以外で、積極的に波力発電に取り組む技術者は極めて少なかった。図１に示す波力発電装置が、なぜ効率の高い方式なのかというポイントは、波の干渉作用という物理現象の理解が必要なので、技術者には理解が進まなかったと考えられる。その対策としては、実績を着実に積み上げる必要があると考えられる。

特開２０１７−１５０６８

渡部冨治 著 実用化に向かう波力発電，パワー社，２００９年

はじめに単機１０ＭＷクラスの振り子式波力発電装置を開発する場合の、技術的課題を述べる。この発電は海洋波エネルギーを油圧エネルギーに変換し、電力生産する。海洋波は、大洋海面上を吹く風のエネルギーから生まれたものであり、大型波力発電では、海洋波も十分に成長した波（波高、波長、周期、エネルギー密度が大きい）が対象になる。

例えば図１で示した１５０ ｋＷ 振り子式波力発電装置では、振り子軸トルク＝０．７２ＭＮｍ（ポンプ直結），ポンプ平均回転速度：約３ｒｐｍ相当、発電機速度＝１，８００ｒｐｍ（増速比＝６００）である。

これを参考に単機発電出力１，０００ｋｗを検討すると、振り子軸トルク＝０．７２
ＭＮｍ×（１０００ｋｗ／１５０ｋｗ）×３ｒｐｍ／（１〜１・５）ｒｐｍ＝（９．６〜１４．４）ＭＮｍとなる。ただし、ポンプ平均回転速度＝（１〜１．５）ｒｐｍになる。

以上の結果では、１０００ｋｗ用波力発電装置は、振り子軸トルク＝（９．６〜１４．４）ＭＮｍ、ポンプ平均回転速度＝（１〜１．５）ｒｐｍという極めて低速、高トルク条件のポンプが必要であり、もはや従来技術では対処できない。本発明はこの課題の打開を図るものである。

本発明が対象にする、単機発電出力１〜１０ＭＷクラス振り子式波力発電装置に対し、この出現を妨げる問題点から説明する。図１の波力発電装置は、沖から伝搬して来る波に向けて入口を開き、水室内に波を導き入れる。波は水室奥の壁で反射・逆進して後続波と重ね合わさり、定常波に変化する。壁から１／４波長位置の定常波は、常に波高が零となる一方で、倍加した純粋な水平往復運動を行う。この位置に振り子板を吊り下げると、波の往復流動が振り子を加振し、振り子運動を生み出す。こうして油圧変速機を介した振り子運動が生み出される。これにより油圧変速機を介して、振り子運動を油圧モータ軸の定常回転運動に変換し、発電機駆動による電力を生み出す。

図２の油圧回路図は、水平往復流動する水室内波動エネルギーを、“発電の効率最大化”を目的にして設けた油圧回路図である。その為に次のような対策を施している。
（１）振り子は定常波の往復流により、「振り子と定常波が共振状態の下で加振される」ことが基本である。（共振運転）
（２）振り子軸とポンプ軸は共用である。ポンプ軸に働く負荷トルクの大きさが、振り子の造波ダンピングと一致すれば、発電効率が最高になるので、ポンプ寸法はこれにより決定しておく。（インピーダンスマッチング）
（３）時間平均のポンプ油圧は、発電機負荷に比例する。（発電機駆動トルク＝油圧モータトルクの関係から） 波高の２乗に波エネルギーが比例するので、波高変化に追従して、油圧モータトルクを入射波パワーと共に増減（モータ押しのけ容積：Ｄｍを調整）させると、発電電力量は最大限界に相当したものになる。
（４）この方法は実用化が容易である。以下の一例を示す。（発電効率の最適化方式例）
使用発電機：三相誘導発電機発電機速度は同期速度に拘束される。入力波高の２乗に比例したトルクで発電機駆動をすれば、入力波エネルギー総量に比例した発電出力になる。この場合の比例定数が適切なら、発電量が最大になる。油圧モータの押しのけ容積：Ｄｍの値をモータ回路油圧：ｐに比例して増減すれば、モータによる発電機駆動動力＝入力波パワー になる。発電電力量最大化方式の一つになる。図２はこの状態を示している。可変容量型油圧モータ２台により、１台の発電機を駆動する。（モータ回路に結合した蓄圧器［アキュムレータ］により、モータ回路油圧が回路内に蓄積した、作動油体積に比例した値になる。）

この条件下では、振り子が波高の大きさに比例してストロークするようになるので、ポンプの吐出油量（体積）は波高に比例する。結果として、モータ回路油圧は波高の大きさに比例し、（油圧ｐおよび押しのけ容積Ｄｍが共に波高に比例するように制御すれば）、モータトルクは波高の２乗に比例して変化する。従って発電出力は波高変化に応じ、その水準に一致した値を保持することになり、発電効率の最適化運転が実現する。

上記に従って振り子装置や油圧変速機を大型化しても、その通りに発電出力が大きくならぬ事情が存在する。それは振り子やポンプの可動部に対する潤滑環境が大変厳しくなり、今日の技術では対応困難だからである。例えば図１の油圧変速機（ロータリーベーンポンプ）では、過度の内圧上昇による本体変形が摩擦損失や、高圧油の漏れ損失を増加する。

本発明は、前記の課題に対して、次に述べる手段により問題を解決する。
（１）振り子による発電機駆動のため、特開２０１７−０１５０６８、風力／波力発電用 機械／油圧 複合変速機を採用し、その場合の油圧ポンプ／モータの“ピストン・シュー”に対し、本発明の改良を施す結果生まれる、変速機の低速／高トルク運転における特性改善により、大型化における課題を解決する。
（２）本発明のピストンシューを組み込んだアキシャルピストンポンプを、図３に示す。（このポンプに関する特徴は、特開２０１７−０１５０６８号に掲示されている）このポンプ構造では。軸２９の回転が極めて低速なので、これを高速化してからポンプ駆動している。これには動力分散による効果が伴う。

図３では、振り子軸２９往復動回転を、ギヤ２２、ピニオン２３を介し増速した速度で、ピストンポンプ２７が駆動される。斜板カム２４が回転し、多数のシリンダ２８内に挿入されたピストン２６が往復運動する。ピストン２６は、吸い込み管路３０より作動油を吸い込み、吐出管路３１へ高圧作動油を送り出す。ピストン２６右端のボールジョイントでシュー２５が結合されていて、その滑り面には本発明独特の静圧ベアリングがある。これにより、超低速／高トルク運転にもかかわらず斜板カム２４の滑り面上をスムーズに摺動する。

図４−１、及び図４−２により、シュー２５の細部やピストン２６の細部を、さらに詳しく説明する。図４−１、図４−２は、ピストン２６の球状ジョイント４２部で、ジョイント中心：Ｏ_１点に対し、Ｘ，Ｙ，Ｚ，３軸上の回転が、自在状態になる結合をしている状態を示している。ここでは、ピストン２６の構造と、シュー２５の構造に特徴がある。
（１）ピストン２６は、Ｏ_１点に働く力ＦｒのＹ方向（垂直）成分：Ｆｙの作用で傾き、シリンダ２８に押し付けられる。またＦｒのＸ（水平）方向成分：Ｆｘが、ピストン２６を左方向に押し、その力がポンプ圧：ｐを生み出す。ピストン右端に、極めて緩やかな曲面を有するクラウニング部４０、続いて左側にギャップ部４１がある。（ギャップ部４１の隙間範囲で、ピストン２６は傾斜しうる。）クラウニング部４０のギャップは小さく、この部分の油圧ｐが大気側に作動油が漏れるのを、極力少なくしている。
（２）ギャップ部４１の隙間は、ピストン２６が傾斜するので、図４−１では上部ギャップは大きく、下部ギャップ＝０となる。これによりギャップ部油膜にはポンプ圧力が流入し、圧力は変化し、上部圧力が低くなり、下部圧力は高くなる。従って上下圧力差により、ピストン２６には上向き力が働く。もしもこの力がＯ_１点に働く力Ｆｙを相殺できれば、ピストン２６に働く摩擦力が極めて小さくなる。
（３）ピストン２６の形状を決めれば、ほぼ力Ｆｙが決まり、その調整も可能である。ピストン２６のテーパー部であるギャップ部４１と、クラウニング部４０の境に、複数の円形ポケット４１−２を等間隔に配置してある。ピストン２６の円筒部表面には、大気側に向かう漏れ油の流れがある。表面隙間は円周上の１点が最小になり、その１８０度反対側は最大値である。その道筋にあるポケット油圧が最大になる。ポケットの大きさ、その配置により、ピストン円筒部に働く油圧力の大きさなどが変えられるから、これは大型油圧変速機の低速性能向上に利用できる。
図４−１，図４−２に、本発明のピストン及びシューが示される。

ここで更に、図４−１及び図４−２、Ａ−Ａ図、Ｂ−Ｂ図によりピストン２６、シュー２５の説明をする。（Ｂ−Ｂ図はシュー２５の滑り面を示す）
中心に位置する油圧室４３に、ピストン２６の油圧ｐが送られている。この外周には、シールランド４８で油圧室４３とくぎった、３個の圧力ポケット４４が配置され、更にポケット４４の外周をシールランド４９で大気側と区切っている。圧力ポケット４４内の圧力：ｐ_１の大きさは、油圧室４３の圧力：ｐ_０が、シールランド４８から漏れ出てポケット４４に入るのと、ポケット４４からシールランド４９を経て、大気側に流出するものとの流量差により上下する。シールランドの漏れはシューが傾斜することによる、傾斜板とシューとの間の油膜厚さ変化に大きく影響を与える。これにより３個のポケットの一つが、傾斜による“油膜現象の変化”をおこせば、その“対象側ポケットの油膜は増大の変化”になる。これによりそれぞれのポケット油圧は変化し、シュー２５に対し、傾斜＝０にする方向の復元モーメントが発生する。こうしてシュー２５の傾斜が無くなれば、復元モーメント＝０になる。

本発明の油圧ポンプ／モータは、低速／高圧運転という摺動面での適正な油膜保持が困難な状況でも、基本的な摺動部品であるピストンポンプのピストンとシューに、複数の静圧ベアリングを設けることで、それぞれが均衡した姿勢を保つことができる。その結果、それぞれの摺動面は確実な油膜保持ができ、新分野での実用化が期待できる。例えば本発明者が実用化研究を進めてきた波力発電でも、メガワットクラスの自然エネルギー開発が可能となり、二酸化炭素削減効果も期待できる。

振り子式波力発電装置の構造図 振り子式波力発電装置の油圧回路図 振り子により駆動されるポンプ構造図 ピストンおよびシューの構造図 図４−１とは傾斜板が１８０度反転したピストンおよびシューの構造図

本発明の実施の形態を図３〜図４−２に基づいて説明する。

図３で示すように、本発明のポンプ／モータの駆動源は、振り子式波力発電装置の振り子軸２９である。振り子軸は極めてゆっくりとした揺動運動しかできないため、大歯数のギア２２にピニオン２３を噛み合わせて増速回転させる以外には、有効手段がない。だがこの増速運転でも、一般的なポンプ／モータに比べると、回転速度が低くて、コスト面でも問題がある。

本発明では、低速駆動されるピストンポンプ／モータの耐久性を高めるために、ピストンを駆動するシューとピストンに、それぞれ複数の静圧ベアリングを担うポケットを設け、摺動面での確実な油膜保持が可能な構造とした。

図４−１では、Ａ−Ａ図でピストン２６断面での、静圧ベアリングを担う８個のポケット４１−２を示している。

図４−２では、Ｂ−Ｂ図により傾斜板２４と摺動するシュー２５の裏面を示している。３個の円弧状溝形式のポケット４４が、外側のシールランド４９と内側のシールランド４８に挟まれる位置に設けられ、静圧ベアリングとなっている構造を示している。

２４ 斜板カム
２５ シュー
２６ ピストン
２７ ピストンポンプ／モータ
２８ シリンダ
４０ クラウニング部
４１ テーパー部
４１−２ 円形ポケット
４２ 球ジョイント
４４ 円弧状のポケット
４８ シールランド
４９ シールランド

Claims (2)

1. 斜板カム面上を滑るシュー滑り面に０．７２ＭＮｍ（ポンプ直結），ポンプ平均回転速度：約３ｒｐｍ相当、発電機速度＝１８００ｒｐｍ、複数の静圧ベアリングを担う円弧型のポケットを等角度間隔に設置し、個々のポケットに働く押し付け荷重と、個々のポケット油圧力が平衡することにより、シューに復元モーメントが発生し、全ての静圧ベアリング滑り面油膜厚さが、ほぼ一定に揃うよう自動調整されるシューを有する油圧ピストンポンプ／モータ。
2. ピストンの形状は、ピストン駆動力を受ける球ジョイント側の端部にクラウニング部を設けると共に、ピストンの先端に向かって直径が連続的に僅かに小さくなるテーパー形状とし、ピストン摺動円筒面上の荷重作用部に、複数の円形ポケットを等角度間隔に設置し、ピストン側面に働く押し付け荷重に比例した油圧力が発生する静圧ベアリングを設けたことで、ピストン摺動面におけるピストンとシリンダとの固体接触を自動防止するピストン形状とし、低速／高トルク運転による弊害である低速／高トルク運転時の効率低下が発生しないピストンポンプ／モータ

Images