JP6887348B2 - 垂直軸風車の増速機 - Google Patents

Description

この発明は、風力発電装置として用いられる垂直軸風車の増速機に関する。

近年、環境意識の高まりを受け、環境に優しいクリーンなエネルギーへの需要が高まっている。クリーンエネルギーを代表するものの一つに風力発電がある。風力発電は、風の力をトルクに変換し、そのトルクを使用して発電するので、環境への負荷が少ない。

風力発電装置は、一般に自然環境下に設置され、基本的には不規則な風エネルギーを動力として稼働するので、風力発電装置の回転力伝達部には比較的大きく変動するトルクが作用する。このようなトルク変動は、回転力伝達部の構成部品の寿命短縮につながる。風力発電装置は設備の初期投資額が高額であり、また高所に設置されメンテナンスが困難であることから、回転力伝達部の構成部品には長寿命であることが要求される。

風力発電装置の回転力伝達部には、風車の主軸の回転を増速させる増速機が設けられている（例えば特許文献１）。特許文献１の実施形態に記載の増速機は、遊星歯車装置からなる一次増速装置と、ギヤ列からなる二次増速装置とで構成される。増速機としては、遊星歯車装置からなる増速装置単独で構成される場合や、ギヤ列からなる増速装置単独で構成される場合もある。いずれの構成であっても、前記理由により、増速機の構成部品には長寿命であることが要求される。中でも、遊星歯車を支持する軸受や、ギヤ軸を支持する軸受には高い信頼性と長寿命が求められる。

特開２００７−２６３３５７号公報

風力発電装置に用いられる風車には水平軸風車と垂直軸風車とがあるが、垂直軸風車は、風向を問わずに回転が得られて、翼の回転音が比較的静粛であることから、比較的小型の風車として開発が進められている。しかし、垂直軸風車においても、近年、発電効率は勿論のこと当該風車の特長である静音性が一層求められている。

垂直軸風車の増速機に遊星歯車装置を適用する場合、図８のように、増速機５１の入力軸５２と出力軸５３を直列に配置し、入力軸５２を垂直軸風車４０の主軸４１に連結し、出力軸５３を発電機４２の主軸４３に連結する。しかし、このように入力軸５２と出力軸５３が直列配置であると、風力発電装置全体の上下寸法が大きくなる。そこで、増速機をギヤ列からなる構成とすることで、図９のように、増速機１の入力軸２と出力軸３を並列に配置することを試みた。なお、図８、図９では、増速機１，５１、垂直軸風車４０、および発電機４２の位置関係だけを示しており、寸法は無視している。

入力軸２と出力軸３を並列に配置した増速機１の内部構造は、図１０のようになる。すなわち、入力軸２および出力軸３が互いに平行に縦向きに配置され、これら入力軸２および出力軸３にそれぞれ設けられた入力側ギヤ４および出力側ギヤ５が互いに噛み合う。入力軸２および出力軸３は、ハウジング１１に設けられた入力軸用の軸受６，７および出力軸用の軸受８，９によって、それぞれ回転自在に支持される。各軸受６，７，８，９は、例えば円すいころ軸受である。

ハウジング１１の内部には、入力側ギヤ４、出力側ギヤ５、および各軸受６，７，８，９の潤滑と冷却のために高粘度の潤滑油が封入される。図１０のように、ハウジング１１の下面には、入力軸用の下側軸受７の下端と入力軸２の下端とを覆う軸受蓋１２、および出力軸用の下側軸受９の下端と出力軸３の下端とを覆う軸受蓋１３がそれぞれ取り付けられる。これにより、ハウジング１１と軸受蓋１２，１３との間に、空間６１，６２が形成される。

ハウジング内の空間６０と軸受蓋内の空間６１，６２とは、下側軸受７，９の内輪と外輪との間のすきまを通じて連通しているが、回転中、空間６１，６２への潤滑油の出入りは殆どなく澱んだ状態となっている。このため、入力軸２および出力軸３の回転中、その撹拌抵抗の増加により空間６１，６２内の潤滑油が発熱し、それによって潤滑油の粘度が低くなり過ぎて、潤滑性能が低下する。

この発明の目的は、垂直軸風車型の風力発電装置をコンパクトに構成でき、潤滑性能が良く発電効率を向上させることができる垂直軸風車の増速機を提供することである。

この発明の垂直軸風車の増速機は、ハウジングに互いに平行に縦向きに配置されて上端が前記ハウジングから突出する入力軸および出力軸と、これら入力軸および出力軸にそれぞれ設けられ、互いに噛み合う入力側ギヤおよび出力側ギヤと、前記ハウジングの上側壁部および下側壁部に設置されて前記入力軸と前記出力軸をそれぞれ回転自在に支持する入力軸用と出力軸用の上側軸受および下側軸受と、前記各下側軸受の下端を前記入力軸および前記出力軸の下端と共に覆うように前記ハウジングの下面に取り付けられた入力軸用および出力軸用の２つの軸受蓋とを備える垂直軸風車の増速機であって、
前記上側軸受と前記下側軸受とが互いに正面組合せの円すいころ軸受であり、前記２つのいずれか一方または両方の軸受蓋内の空間を前記ハウジング内の空間に連通させる連通孔が、前記ハウジングの前記下側壁部に設けられている。

この構成によると、入力軸および出力軸が縦向き配置であり、その軸端からなる入力端および出力端がいずれもハウジングの上面から上向きに突出している。このため、増速機の上方に発電機を設置し、その発電機に出力軸の出力端を接続し、垂直軸風車の主軸の下端に入力軸の入力端を接続することができて、前記垂直軸風車型の風力発電装置の全体をコンパクトに構成することができる。

入力軸および出力軸が縦向き配置であると、前述のように入力軸および出力軸の下端を支持する下側軸受が、軸受蓋内で、ギヤの潤滑と軸受の潤滑を兼用する高粘度油中に置かれることになる。円すいころ軸受からなる下側軸受は、回転による遠心力で小径側から大径側へ潤滑油を送る作用を奏する。この発明の作業装置は、上側軸受と下側軸受とが正面組合せで配置されているため、潤滑油は下側軸受を通って下側から上側へ送られる。
この場合に、ハウジングの下側壁部に連通孔が設けられていると、下側軸受による前記潤滑油送りに伴って、ハウジング内の空間から軸受蓋内の空間へ潤滑油が流れ込み、両空間間で潤滑油の循環が起きる。これにより、軸受蓋内の空間での潤滑油の澱みが解消され、潤滑油の温度上昇や潤滑性能の低下が防止される。
このように、垂直軸風車型の風力発電装置のコンパクト化を図りながら、潤滑油の澱みの課題を解消して潤滑性能を向上させ、発電効率を向上させることができる。

この発明において、前記入力側ギヤおよび前記出力側ギヤがヘリカルギヤからなっていてもよい。
ヘリカルギヤは平歯車に比べて歯当たりが連続し、かつ歯面が滑らかであるため、良好な静音性が得られる。

この発明において、前記連通孔は、前記ハウジング内の空間側の開口部に対し前記軸受蓋内の空間側の開口部が、前記入力軸および前記出力軸のうちの前記軸受蓋によって下端が覆われている軸の回転方向の前側に位置していてもよい。
垂直軸風車の場合、風向に関係せず翼の回転方向は一方向である。よって、入力軸および出力軸の回転方向は常に同じである。このため、上記のように入力軸または出力軸の回転方向に合わせて連通孔を傾斜させて設けることにより、入力軸または出力軸の回転に逆らわずに連通孔を潤滑油が流れることとなり、ハウジング内の空間と軸受蓋内の空間との間の潤滑油の循環が促進される。

この発明において、前記連通孔における前記ハウジング内の空間側の開口部に、前記ハウジング内の空間の側に先広がりとなる漏斗状部品が設置されていてもよい。
漏斗状部品が設置されていると、ハウジング内の空間の潤滑油が連通孔に円滑に集められるため、潤滑油が軸受蓋内の空間に取り込まれ易い。

前記漏斗状部品における口径が大きい側の端部にメッシュ状のフィルタが設けられていてもよい。
このように漏斗状部品にフィルタが設けられていると、潤滑油に含まれているギヤの摩耗粉等の異物がフィルタに捕捉される。これにより、潤滑油が清浄化され、軸受の長期に亘る耐久性が得られる。フィルタが漏斗状部品における口径が大きい側の端部に設けられていると、フィルタに捕捉された異物の除去作業やフィルタの交換作業が容易である。

また、前記漏斗状部品における口径が大きい側の端部の周縁部に磁石が設けられていてもよい。
このように漏斗状部品に磁石が設けられていると、潤滑油に含まれているギヤの摩耗粉等の金属粉を磁石によって吸着して、潤滑油を清浄化することができる。これにより、軸受の長期に亘る耐久性が得られる。磁石が漏斗状部品における口径が大きい側の端部に設けられていると、磁石に吸着された金属粉の除去作業が容易である。

前記漏斗状部品における口径が大きい側の端部にメッシュ状のフィルタが設けられ、かつ前記漏斗状部品における口径が大きい側の端部の周縁部に磁石が設けられている場合、前記メッシュ状のフィルタは、その網目の大きさが中心部では細かく、外周部では粗くなっているのが好ましい。
潤滑油に含まれる異物の多くは、ギヤの摩耗粉からなる金属粉である。この金属粉がフィルタの外周部を流れる場合、金属粉は磁石によって吸着される。しかし、金属粉がフィルタの中心部を流れる場合、磁石の吸着力が強く及ばないので、金属粉が磁石に吸着されないことがある。フィルタの中心部の網目を細かくしておくことにより、磁石に吸着されなかった金属粉もフィルタで捕捉することができる。

この発明の垂直軸風車の増速機は、ハウジングに互いに平行に縦向きに配置されて上端が前記ハウジングから突出する入力軸および出力軸と、これら入力軸および出力軸にそれぞれ設けられ、互いに噛み合う入力側ギヤおよび出力側ギヤと、前記ハウジングの上側壁部および下側壁部に設置されて前記入力軸と前記出力軸をそれぞれ回転自在に支持する入力軸用と出力軸用の上側軸受および下側軸受と、前記各下側軸受の下端を前記入力軸および前記出力軸の下端と共に覆うように前記ハウジングの下面に取り付けられた入力軸用および出力軸用の２つの軸受蓋とを備え、前記上側軸受と前記下側軸受とが互いに正面組合せの円すいころ軸受であり、前記２つのいずれか一方または両方の軸受蓋内の空間を前記ハウジング内の空間に連通させる連通孔が、前記ハウジングの前記下側壁部に設けられているため、垂直軸風車型の風力発電装置をコンパクトに構成でき、潤滑性能が良く発電効率を向上させることができる。

この発明の第１の実施形態に係る垂直軸風車の増速機の縦断面図である。 同増速機における下側の入力軸用円すいころ軸受の平面図に連通孔の水平位置を示す図を加えた図である。 この発明の第２の実施形態に係る垂直軸風車の増速機の縦断面図である。 同増速機の漏斗状部品の斜視図である。 漏斗状部品の他の例を示す斜視図である。 漏斗状部品のさらに他の例を示す斜視図である。 同漏斗状部品のフィルタの斜視図である。 従来の増速機と風車と発電機との位置関係を示す図である。 試みの増速機と風車と発電機との位置関係を示す図である。 試みの増速機の縦断面図である。

この発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１の実施形態］
図１は第１の実施形態に係る垂直軸風車の増速機の縦断面図である。この垂直軸風車の増速機１は、入力軸２および出力軸３が互いに平行に縦向きに配置され、これら入力軸２および出力軸３にそれぞれ設けられた入力側ギヤ４および出力側ギヤ５が互いに噛み合っている。入力側ギヤ４および出力側ギヤ５は、例えばヘリカルギヤである。

前記入力軸２は、入力側ギヤ４の軸方向両側にそれぞれ位置する入力軸用の軸受６，７によってハウジング１１に回転自在に支持されている。また、前記出力軸３は、出力側ギヤ５の軸方向両側にそれぞれ位置する出力軸用の軸受８，９によってハウジング１１に回転自在に支持されている。各軸受６，７，８，９は、いずれも円すいころ軸受である。また、一対の入力軸用の軸受６，７および一対の出力軸用の軸受８，９は、いずれも正面組合せで配置されている。
なお、以下の説明では、軸受６，８を「上側軸受」と称し、軸受７，９を「下側軸受」と称する場合がある。

ハウジング１１は、入力軸用の上側軸受６および出力軸用の上側軸受８が設けられた水平状の下側壁部１１ａと、入力軸用の下側軸受７および出力軸用の下側軸受９が設けられた水平状の下側壁部１１ｂと、これら下側壁部１１ａおよび下側壁部１１ｂの外周縁同士を繋ぐ筒状の立壁部１１ｃとからなる。

入力軸２は下側壁部１１ａを突き抜けて上方へ延び、その上端の入力端に、垂直軸風車４０の主軸４１（図９参照）が直接または間接的に接続される。また、出力軸３は下側壁部１１ａを突き抜けて上方へ延び、その上端の出力端に、発電機４２の主軸４３（図９参照）が直接または間接的に接続される。入力軸２および出力軸３の下端は、下側壁部１１ｂよりも少し下方に突出している。

ハウジング１１の下側壁部１１ｂの下面には、入力軸用軸受蓋１２および出力軸用軸受蓋１３が取り付けられている。入力軸用軸受蓋１２は、入力軸２の下端および入力軸用の下側軸受７の下端を覆っている。出力軸用軸受蓋１３は、出力軸３の下端および出力軸用の下側軸受９の下端を覆っている。ハウジング１１と入力軸用軸受蓋１２との間、およびハウジング１１と出力軸用軸受蓋１３との間に密封状態とされている。

ハウジング内の空間１４と、ハウジング１１の下側壁部１１ｂと入力軸用軸受蓋１２との間の空間である入力軸用軸受蓋内の空間１５とは、下側壁部１１ｂに設けられた連通孔１６によって互いに連通している。図１に示すように、連通孔１６は、上へ行くに従い入力軸２から離れるように傾斜させてある。また、図２の平面図に示すように、連通孔１６は、ハウジング内の空間側の開口部１６ａに対し入力軸用軸受蓋内の空間側の開口部１６ｂが、入力軸２の回転方向の前側に位置させてある。

図１では、ハウジング内の空間１４と入力軸用軸受蓋内の空間１５とを連通する連通孔１６のみが図示されているが、ハウジング内の空間１４と、下側壁部１１ｂと出力軸用軸受蓋１３との間の空間である出力軸用軸受蓋内の空間１７との間にも連通孔（図示せず）が設けられている。

ハウジング内の空間１４および軸受蓋内の空間１５，１７には、入力側ギヤ４、出力側ギヤ５、および各軸受６，７，８，９の潤滑と冷却を兼ねる高粘度の潤滑油が封入される。入力軸用および出力軸用の下側軸受７，９は、上記高粘度油中に没した状態となっている。

この垂直軸風車の増速機１の作用・効果について説明する。
この垂直軸風車の増速機１は、入力軸２および出力軸３が縦向きの配置であり、その軸端からなる入力端および出力端がいずれもハウジング１０の上面から上向きに突出している。このため、この増速機１を図９のように風力発電装置に用いる場合、発電機４２を増速機１の上方に設置することが可能となる。そして、垂直軸風車４０の主軸４１の下端に入力軸２の入力端が接続され、増速機１の上に配置された発電機４２の主軸４３に出力軸３の出力端が接続される。これにより、垂直軸風車型の風力発電装置の上下高を低くして全体をコンパクトに構成することができる。また、入力側ギヤ４および出力側ギヤ５として、平歯車に比べて歯当たりが連続し、かつ歯面が滑らかなヘリカルギヤを用いたことにより、良好な静音性が得られる。

入力軸用の軸受６，７および出力用の軸受８，９として、円すいころ軸受が正面組合せで使用されている。円すいころ軸受は、回転による遠心力で小径側から大径側へ潤滑油を送る作用を奏する。上側軸受６，８と下側軸受７，９とが正面組合せで配置されているため、潤滑油は下側軸受７，９を通り抜けて下側から上側へと送られる。

例えば、入力軸用の下側軸受７の場合、内輪７ａと外輪７ｂとの間のすきまＳ（図２）を通って、入力軸用軸受蓋内の空間１５からハウジング内の空間１４へと潤滑油が送られる。ハウジング内の空間１４と入力軸用軸受蓋内の空間１５とを連通する連通孔１６が設けられているため、下側軸受７による前記潤滑油送りに伴って、ハウジング内の空間１４から入力軸用軸受蓋内の空間１５へ潤滑油が流れ込み、両空間１４，１５間で潤滑油の循環が起きる。これにより、入力軸用軸受蓋内の空間１５での潤滑油の澱みが解消され、潤滑油の温度上昇や潤滑性能の低下が防止される。

また、連通孔１６は、ハウジング内の空間側の開口部１６ａに対し入力軸用軸受蓋内の空間側の開口部１６ｂが、入力軸２の回転方向の前側に位置させてある。これにより、入力軸２の回転に逆らわずに連通孔１６を潤滑油が流れることとなり、潤滑油の循環が促進される。

出力側の下側軸受９についても上記と同様に、出力軸用軸受蓋内の空間１７からハウジング内の空間１４へと潤滑油が送られる。その場合、ハウジング内の空間１４と出力軸用軸受蓋内の空間１７との間に連通孔（図示せず）が設けられていると、両空間１４，１７間で潤滑油の循環が起きて、出力軸用軸受蓋内の空間１７での潤滑油の澱みが解消される。

［第２の実施形態］
図３は第２の実施形態に係る垂直軸風車の増速機の縦断面図である。この垂直軸風車の増速機１が第１の実施形態と異なる点は、連通孔１６におけるハウジング内の空間側の開口部１６ａに、漏斗状部品２０が設置されていることである。他は、第１の実施形態と同じである。

漏斗状部品２０は、図４に示すような円すい台状の筒体で、口径の小さい側の端部に続いて連通孔１６（図３）に挿入可能な管部２０ａが設けられている。口径が大きい側の端部には、メッシュ状のフィルタ２１が装着されている。漏斗状部品２０は、図３のように管部２０ａを連通孔１６に差し込むことで、ハウジング内の空間１４の側に先広がりとなるように設置される。

このように、連通孔１６におけるハウジング内の空間側の開口部１６ａに漏斗状部品２０が設置されていると、ハウジング内の空間１４の潤滑油が連通孔１６に円滑に集められため、潤滑油が入力軸用軸受蓋内の空間１５に取り込まれ易い。その際、潤滑油に含まれている入力側ギヤ４と出力側ギヤ５との摩耗粉等の異物がフィルタ２１に捕捉される。これにより、潤滑油が清浄化され、軸受６，７，８，９の長期に亘る耐久性が得られる。
フィルタ２１が漏斗状部品２０における口径が大きい側の端部に設けられていると、フィルタ２１に捕捉された異物の除去作業やフィルタ２１の交換作業が容易である。

［漏斗状部品の他の形態］
図５は漏斗状部品の他の形態を示す。この漏斗状部品２０Ａは、前記フィルタ２１に加えて、口径が大きい側の端部の周縁部に磁石２２が設けられている。
このように磁石２２が設けられていると、潤滑油に含まれている金属粉を吸着により確実に捕捉することができる。これにより、潤滑油をより一層清浄化することが可能になる。
磁石２２が漏斗状部品２０における口径が大きい側の端部に設けられていると、磁石２２に吸着された金属粉の除去作業が容易である。

図６は漏斗状部品のさらに他の形態を示す。この漏斗状部品２０Ｂは、図５の漏斗状部品２０Ａと同様に、口径が大きい側の端部にフィルタ２１と磁石２２とが設けられている。但し、漏斗状部品２０Ｂのフィルタ２１は、図７に示すように、その網目の大きさが中心部２１ａでは細かく、外周部２１ｂでは粗くなっている。

潤滑油に含まれる異物のほとんどは、入力側ギヤ４と出力側ギヤ５との摩耗粉からなる金属粉である。この金属粉がフィルタ２１の外周部２１ｂを流れる場合、金属粉は磁石２２によって吸着される。しかし、金属粉がフィルタ２１の中心部２１ａを流れる場合、磁石２２の吸着力が強く及ばないので、金属粉が磁石２２に吸着されないことがある。フィルタ２１の中心部２１ａの網目を細かくしておくことにより、磁石２２に吸着されなかった金属粉もフィルタ２１で捕捉することが可能である。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…垂直軸風車の増速機
２…入力軸
３…出力軸
４…入力側ギヤ
５…出力側ギヤ
６…入力軸用の軸受（上側軸受）
７…入力軸用の軸受（下側軸受）
８…出力軸用の軸受（上側軸受）
９…出力軸用の軸受（下側軸受）
１１…ハウジング
１１ａ…下側壁部
１１ｂ…下側壁部
１２…入力軸用軸受蓋
１３…出力軸用軸受蓋
１４…ハウジング内の空間
１５…入力軸用軸受蓋内の空間
１６…連通孔
１６ａ…ハウジング内空間側の開口部
１６ｂ…軸受蓋内の空間側の開口部
１７…出力軸用軸受蓋内の空間
２０，２０Ａ，２０Ｂ…漏斗状部品
２１…フィルタ
２１ａ…中心部
２１ｂ…外周部
２２…磁石

Claims (7)

1. ハウジングに互いに平行に縦向きに配置されて上端が前記ハウジングから突出する入力軸および出力軸と、これら入力軸および出力軸にそれぞれ設けられ、互いに噛み合う入力側ギヤおよび出力側ギヤと、前記ハウジングの上側壁部および下側壁部に設置されて前記入力軸と前記出力軸をそれぞれ回転自在に支持する入力軸用と出力軸用の上側軸受および下側軸受と、前記各下側軸受の下端を前記入力軸および前記出力軸の下端と共に覆うように前記ハウジングの下面に取り付けられた入力軸用および出力軸用の２つの軸受蓋とを備える垂直軸風車の増速機であって、
   前記上側軸受と前記下側軸受とが互いに正面組合せの円すいころ軸受であり、前記２つのいずれか一方または両方の軸受蓋内の空間を前記ハウジング内の空間に連通させる連通孔が、前記ハウジングの前記下側壁部に設けられた垂直軸風車の増速機。
2. 請求項１に記載の垂直軸風車の増速機において、前記入力側ギヤおよび前記出力側ギヤがヘリカルギヤからなる垂直軸風車の増速機。
3. 請求項１または請求項２に記載の垂直軸風車の増速機において、前記連通孔は、前記ハウジング内の空間側の開口部に対し前記軸受蓋内の空間側の開口部が、前記入力軸および前記出力軸のうちの前記軸受蓋によって下端が覆われている軸の回転方向の前側に位置する垂直軸風車の増速機。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の垂直軸風車の増速機において、前記連通孔における前記ハウジング内の空間側の開口部に、前記ハウジング内の空間の側に先広がりとなる漏斗状部品が設置されている垂直軸風車の増速機。
5. 請求項４に記載の垂直軸風車の増速機において、前記漏斗状部品における口径が大きい側の端部にメッシュ状のフィルタが設けられた垂直軸風車用の増速機。
6. 請求項４または請求項５に記載の垂直軸風車の増速機において、前記漏斗状部品における口径が大きい側の端部の周縁部に磁石が設けられた垂直軸風車の増速機。
7. 請求項４に記載の垂直軸風車の増速機において、前記漏斗状部品における口径が大きい側の端部にメッシュ状のフィルタが設けられ、かつ前記漏斗状部品における口径が大きい側の端部の周縁部に磁石が設けられ、前記メッシュ状のフィルタは、その網目の大きさが中心部では細かく、外周部では粗い垂直軸風車の増速機。

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