JPS5932662B2

JPS5932662B2 - 風力エネルギ−の変換装置

Info

Publication number: JPS5932662B2
Application number: JP54112087A
Authority: JP
Inventors: 康雄喜多
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1979-08-31
Filing date: 1979-08-31
Publication date: 1984-08-10
Also published as: JPS5634980A; US4368692A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は風力エネルギーを液圧的エネルギーに変換す
る風力エネルギーの変換装置に関するものである。

風力をエネルギー源として利用することは古くから種々
行なわれており、風車による穀物の粉砕や揚水などの小
規模な利用から、近くは大形風車による風力発電におけ
る大規模な利用など、風力は身近かに存在し、枯渇する
ことのないクリーンエネルギーとしてその利用が見直さ
れている。

風力の利用はある速さで風車を通過する空気の運動エネ
ルギーの一部を機械的エネルギー、すなわち風車の軸を
回そうとする力と、その軸の回転角速度との積として取
出す過程でエネルギー変換することによって行われる。

この第１段階のエネルギー変換に対しては大規模な、た
とえば風力発電用の風車には可変ピッチ式のプロペラ形
や竪形のグリウス形の大形風車を用い、その変換効率を
できるだけ高める試みがなされている。

しかし、中小規模の風車においては、固定ピッチのプロ
ペラ形風車が用いられるのが一般であり、この場合には
エネルギー変換効率は前記大形風車に比してかなり低下
することから、取出した機械的エネルギーをとくに、も
つとも効率よく利用することが望ましい。

この見地から、風車によって油圧ポンプを回転駆動して
油を加圧させ、加圧された圧力油を油圧回路に直列に組
込んだオリフィスや絞り弁をとおらせることによって、
圧力油に積極的に圧力損失を生ぜしめ、風力エネルギー
な液圧エネル♀−に、さらには液圧エネルギーを熱エネ
ルギーに変換し、これを熱源として暖房その他に利用す
ることは、これらのエネルギー変換過程における摩擦（
流体摩擦を含む）損失、すなわち熱エネルギー損失をか
なりの程度油温上昇の形において回収することができる
ことから、中、小規模の風車における機械的エネルギー
の利用形態としてもつともすぐれているものの一つとい
えよう。

この種の装置においては長期間の連続運転がなされるの
が一般であることから、その間に故障を生じないこと、
およびメンテナンスに手数を要しないことが要請される
。

したがって、風力エネルギーからえられた熱エネルギー
と、その消費量との間にアンバランスが生じ、余剰熱エ
ネルギーが風力発熱システム内に蓄積される状態になっ
た場合、システム温度が過度に上昇することによって油
の劣化、シール部材や軸受なとの損傷が生ずると取替修
理など手数のかかるメンテナンスを要することから、と
くに油温の一定温度、たとえば８０℃以上に上昇するこ
とを防止する手段を構しておくこと、また風力の導入手
段に使われる風車に対しては台風など強い風が長時間吹
き続ける場合、風車の過速度回転に起因する破損を防止
する手段を構しておくことが必要である。

この発明は前記必要条件を充足するための好適な手段を
備えた風力エネルギーの変換装置を提供しようとするも
のである。

以下、この発明にかかる実施例について図面を参照しな
がら説明する。

第１図は実施例装置全体の外観側面図、第２図は第１図
の１点鎖線で囲んだ部分の■−■断面を矢印方向にみた
断面図、第３図はこの実施例の主要油圧回路図である。

図において、１は下流形の固定ピッチ式のプロペラ形風
車、１′はそれとともに回転する風車カウリング、２は
風車ハウジング、３はそれにパイプを介して取付けられ
ている風見形の固定尾翼、４は風車ハウジング２を回動
自在に支持するようにされた支柱フレーム、５はその基
台をなすとともにラジェータ６、油タンク７などを収容
する建屋、８は風車ハウジング２と連室５間に設けられ
た配管部である。

このように構成された実施例の風車１は風向にしたがっ
て、つねに風下にプロペラが位置するようにされている
。

１１は容積形油圧ポンプ、さらに詳しくはケース回転形
のラジアルピストン形油圧ポンプで、その固定主軸１２
を支持ブロック１３に対してＶ形の四部を有するキャッ
プ１４によって側方から強力に固定されており、また固
定主軸１２はその軸方向の固定位置を位置決めピン１４
′によって規制されている。

一方、支持ブロック１３は支持フレーム４上端部に回転
自在なるように取付けられている。

１５はプロペラ取付用アダプタで、前記油圧ポンプ１１
に風車、すなわち固定ピッチ式プロペラ１を直結固定す
る用をなすとともに、プロペラバブの役をかねている。

１６は風車カウリング１′の前半部をプロペラ取付用ア
ダプタ１５に連結支持する連結ロンドである。

ケース回転形油圧ポンプ１１の構造については、この発
明の要旨とは直接関係しないので主要部のみの説明にと
どめる。

１１は内周面が五角形に仕上げられたケース、１７は外
周面が五角形をなすシリンダブロックで、それに植えこ
まれた同期ピン１８と、ケース１１側に設けられた同期
リング１９とからなる回転同期機構によって、ケース１
１およびシリンダブロック１７相互の五角形面が平行を
保持しながらケース１１の回転にともなってシリンダブ
ロック１７かまわされるようにされている。

２０はシリンダブロック１７に放射状に等配された５個
のシリンダの１つにはめこまれたピストン、２１は固定
主軸１２の偏心円筒カムの２面取り部分で、この部分と
、シリンダブロック１７とによって切換弁が形成される
ようにされている。

２２は仕出油路で、固定主軸１２を貫通して設けられ、
２面取り部分２１に開口するとともに、支持ブロック１
３内に設けられた吐出油路２３に連通している。

２４は支持ブロック１３内に設けられた吸込油路で、吐
出油路２２と平行に固定主軸１２を貫通して設けられた
吸込油路に連通しており、この吸込油路は偏心円筒カム
の２面取り部分２１の反対側に同様に設けられた２面取
り部分に開口している。

２５は仕出油路２２と２３との間に直列に設けられた発
熱用のカートリッジ形の、たとえば２段形のオリフィス
である。

前記した吸込油路２４と吐出油路２３とはそれぞれ支柱
フレーム４の中央部を上下方向に配設された配管部８と
接続されるのであるが、支持ブロック１３は風車ハウジ
ング２とともに支柱フレーム４に対して回動し５るよ５
に取付けられていることから、これら油路２３，２４と
配管部８との接続には支持ブロック１３の右方部に組込
んだ回転形油路継手（図示せず）を介して行うようにさ
れている。

２６は温度が上昇させられる吐出油路２３に直列に設け
た油温度感応作動機構２７．２８．３２゜３３を内
蔵した圧力補償形定流量弁である。

油温度感応体２７は、先端部にねじ部を有するロッド２
８を中央に埋めこんだ細長い帽子状の耐熱ゴムの心材部
２９と、その鍔部を鎮みこみ一定の間隙を保って前記心
材部２９を保持するキャップ２７と、＠記間隙に充てん
した一定温度、たとえば８０℃にて溶融するようにされ
たワックスとからなっており、その半球状頭部を前記弁
本体２６の円筒穴の奥部にはめこんだ断熱材の凹面圧３
０にあてがい、一方その基部外周を前記弁本体２６に等
配された３本の押ねじ３１を均等に締付け、それぞれの
ねじ頭にて押圧することによって一定位置に保持するよ
うにされている。

３２は前記弁本体２６の円筒穴に摺動自在にはめ込まれ
ている案内板で、第４図にその平面図が示されていると
おり、その外周には油の通路をなす円弧状の切欠けが３
箇所設けられており、中央にロッド２８がそのねじ部に
螺合連結さね、さらに３本の押しロッド３３がそのまわ
りに等配して固定されている。

油温度感応作動機構は温度感応体２７と、それとロッド
２８を介して連結される押しロッド３３を備えた案内板
３２とによって構成されている。

３４は弁本体２６の円筒穴に摺動自在にはめこまれた弁
ピストンで、その頂部中央にオリフィスを有し、そのス
カート部にて前記弁本体２６の出口ポートを絞り、もし
くは閉止しつるようにされている。

３５はコイルばねで、前記弁本体２６の円筒穴の開口端
部にスナップリングを介して取付けられたばね受座と弁
ピストン３４のばね受は間に圧縮されて収められている
。

支柱フレーム４の高さが高く、油圧ポンプ１１と油タン
ク７との高低差が大きくなるときは、油の吸込みに不都
合をきたすこととなるが、それに対しては油タンク７を
密閉構造とするとともに、油圧ポンプ１１の吸込ポート
近傍の吸込油路に一定のブースト圧が作用するようにし
た適当な加圧可撓管を併設してそれを前記吸込油路と接
続し、配管系がクローズドサーキットを構成するように
すればよい。

つぎにこの装置における動作について説明する。

風向にしたがってつねに風下にプロペラ１が位置するよ
うにされている固定ピッチ式のプロペラ形風車１は風速
がますにつれて、後記するようにある範囲までは直線的
にその回転速度が上昇する。

ケース回転形ラジアルピストンポンプ１１は容積形ポン
プであることがら―その吐出量はプロペラ１の回転速度
に比例して増すこととなる。

吐出油路２３に直列に組込まれた圧力補償形定流量弁２
６は弁ピストン３４の頂部のオリフィスはその直径が後
記する設定流量にあわしてきめられている。

いま圧力Ｐ、で流入する油がオリフィスを通過して圧力
Ｐ２に降下し、弁ピストン３４が平衡状態にあるもの
とするとＰ、Ａ、＝Ｐ２Ａ、＋にとなる。

ただし、Ａ１は弁ピストン３４の受圧面積、Ｋはコイ
ルばね３５の弾発力である。

したがってオリフィス前後の圧力差力一定となる故オリ
フィスの開口面積をきめておけば、この弁においては弁
の上流もしくは下流に圧力の変動が生じても弁をとおる
流量は殆んど変らないように設定しつる。

油温か常温のときには弁本体２６の弁ピストン３４の出
口ポートは全開状態を保持するようにされている。

したがって一定の最大許容回転速度で風車１によって回
転駆動される油圧ポンプ１１の吐出流量に等しくなるよ
うに前記した定流量弁２６の流量を予め設定しておけば
、風速がたとえば２０ｍ／ｓまでは風車１は風速に比例
した回転速度でまわされ、２０ｍ／ｓから２５ｍ／ｓま
では風車１は一定の最大許容回転速度でまわされるよう
にすることができる。

すなわち、前記定流量弁２６は風車１のオーバスピード
リミッタ−の役をしているわけである。

風車１のプロペラ翼に作用する風速が大きくなると、仰
角が大きくなることから、その揚力が増大し、当然風力
からえられるプロペラトルクは増大するが、流量が前記
定流量弁２６にて一定値に制限されているため２０ｍ／
ｓ〜２５ｍ／ｓ間の風速の増加間においては、前記トル
クの増加分は油圧ポンプ１１に対して吐出圧力の増加余
裕にむけられ、風車１の回転速度は一定値に保持される
こととなり、さらに風速が増加する場合には風車１のプ
ロペラ翼は失速し、発生トルクはむしろ減少し、風車１
の過速度回転による破損は防止される。

つぎにこの装置がシステム温度の過度の上昇を防止する
動作について説明する。

油圧ポンプ１１によって加圧された圧力油は発熱量のカ
ートリッジ形のオリフィス２５をとおされることによっ
て、圧力油に積極的に圧力損失を生せしめ、この損失圧
力エネルギーが熱エネルギーに変り、油温を上昇させる
。

油温の上昇した圧力油はさきに説明した圧力補償形定流
量弁２６をとおり下流に流出し、さらにラジェータ６を
とおり、タンク７にもどる。

この油圧回路を油が繰返し循環させられることによって
、油温、すなわちこの風力発熱システムのシステム温度
は徐々に上昇し、ラジェータ６より逐次放熱が行われる
ようになり、この放熱が暖房その他に利用されるととも
に、油がタンク７にもどされることによって蓄熱効果か
えられるようにされている。

この場合、外気に直接さらされる配管部８はもちろん吸
込管路、吐出管路およびタンク７はいずれも断熱材で被
覆しておくことが好ましい。

前記したように風速が変化してもある範囲においては風
車１および油圧ポンプ１１は一定回転速度の運転を行う
ことから、ラジェータ６からの放熱エネルギーと風車１
から取入れた風力エネルギーとを平衡させて定常運転を
実施することができる。

しかしながら、このラジェータ６からの放熱エネルギー
とその消費量との間にアンバランスが生じ、余剰熱エネ
ルキニが蓄積される状態になった場合にはシステム温度
はすみやかに上昇する。

ところで圧力補償形定流量弁２６に内蔵されている油温
度感応体のキャップ２７は発熱を促すオリフィス２５を
通過した直後のこの風力発熱システムの中でもつとも高
い温度の油につねにさらされて加熱され、一方それが押
付けられている凹面塵３０は断熱材であるため熱伝導に
よる放熱が阻止されていることから、前記した状態にお
いてはキャップ２７の温度は急激に上昇する。

したがってキャップ２７と心材部２９との間隙に充てん
されているワックスはキャップ２７に接している部分か
ら熱伝導によって加熱されて、昇温させられ、たとえば
８０℃の溶融温度に達し、さらに融解に必要な熱量を吸
収すると表面から次第に溶融し始める。

前記ワックスは固相から液相へ相変化を来すと体積が膨
張するため、その相変化量の程度に応じて耐熱ゴムの心
材部２９がキャップ２７の開口部から押出される。

その結果、心材部２９に埋めこまれているロッド２８が
つきだされることとなり、案内板３２が弁ピストン３４
側へ移動させられ、同時に押しロッド３３がコイルばね
３５の弾発力に抗して弁ピストン３４を移動させること
によって、そのスカート部で定流量弁２６の出口ポート
を大幅にせばめる。

したがって予め設定された流量がさらに制限されること
となるため、油圧ポンプ１１の回転速度がおさえられる
。

このようにしてシステムの循環油量がしぼられると、ラ
ジェータ６からの放熱エネルギーとその消費量間のアン
バランスは解消され、システム温度すなわち油温の過度
の上昇が防止される。

余剰熱エネルギーが急激に蓄積される場合にはワックス
は全量液相に変化し、前記した過程にて温度感応作動機
構が直接定流量弁２６の出口ポートを閉止し、油圧ポン
プ１１、風車１をともにその運転を停止させる。

ついでラジェータ６からの放熱によってシステム温度が
ワックスの溶融温度より低下するとワックスの凝固が開
始され、前記とは反対に体積が収縮するため液相から固
相への相変化の量に対応して前記とは逆の過程にて圧力
補償形定流量弁２６の出口ポートの開口面積が次第に大
きくされ、全量固相にもどるときは全開状態に復帰する
。

この発明は前記した実施例に限定されないことはいうま
でもない。

たとえばシステム温度が一定温度以上になり、動作する
温度感応体によって吐出油路を別に設けた発熱用オリフ
ィスのバイパス油路に切換接続するとか、風車と油圧ポ
ンプとの連結にたとえば油圧クラッチを用い、その連結
をしゃ断して油圧ポンプを切離して風車のみを空転させ
るようにしてもよい。

以上の説明によって明らかなようにこの発明にかかる風
力エネルギーの変換装置においては風力エネルギーから
えられた熱エネルギーとその消費量とが平衡している場
合には、風速が変化してもある範囲において風車は一定
回転にて運転され、強風時においても風車の過速度回転
は確実に抑止され、風車の過速度回転にもとづく破損を
防止することができ、一方えられた熱エネルギーとその
消費量間にアンバランスを生じ、とくに余剰エネルギー
の蓄積によって、この装置の油温か過度に上昇すること
は確実に防止され、油の温度の上昇による油の劣化、構
成部材の損傷を回避することができ、風力発熱システム
としての長期における良好な状態での運転を可能ならし
めたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例装置全体の外観側面図、第２図は第１図
の１点鎖線で囲んだ部分の■−■断面を矢印方向にみた
断面図、第３図はこの実施例の主要油圧回路図、第４図
は案内板の平面図である。１・・・風車、１１・・・容積膨油圧ポンプ、２３・・
・吐出油路、２４・・・吸込油路、２５・・・発熱用カ
ートリッジ形オリフィス、２６・・・圧力補償形定流量
弁、２７・・・温度感応体、２７．２８．３２．
３３・・・油温度感応作動機構。

Claims

【特許請求の範囲】１風車によって駆動される容積形油圧ポンプを介して
風力エネルギーな液圧的エネルギーに変換する風力エネ
ルギーの変換装置において、前記油圧ポンプの吐出油で
加熱される箇所に、作動ロッドがその先端部を突出させ
て埋め込まれたゴム心材と、このゴム心材を固定し、そ
れと間隙を保って覆蓋する金属製のキャップと、前記間
隙に充填された所定温度にて溶融するワックスとからな
る温度感応作動機構を取付け、油温か所定値をこえると
前記ワックスに生ずる相変化による作動ロッドの動きを
利用し、前記油圧ポンプの吐出油路な閉止、抑制等する
ようにしたことを特徴とする風力エネルギーの変換装置
。２油圧ポンプの吐出油路に、温度感応作動機構を内蔵
した圧力補償形流量弁を設け、油圧が一定値を超えると
きは前記温度感応作動機構の作動により前記弁の出口ポ
ートを直接閉止または抑制せしめるようにした特許請求
の範囲第１項記載の風力エネルギーの変換装置。