JP2016031031A - 空油圧変換式発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】風力、水力、波力、地熱、重力等例えば火山の噴出ガスから大気圧よりも高いエネルギーを取得し、圧縮によるエネルギー保存を活用し、貯蔵されたエネルギーを変換有効活用することによって、電力または機械的エネルギーに変換する空油圧変換発電装置を提供する。【解決手段】油圧シリンダ９，１０は空圧シリンダ１１により駆動される。空気圧縮タンク２の圧縮空気の消耗を低減するための処置として、十分な量の作動油圧縮を実施するために油圧シリンダ８，１０のプッシュプル構成、作動油の流量制御と共に圧縮された作動油のリップル除去を目的として、アキュムレータ１２に一時的に圧縮作動油を蓄積する事により、空圧シリンダ１１のタクトタイムを大幅に延長する事が出来た。圧力リップルの少ない圧縮作動油は緻密に制御された流量制御回路により、油圧モーターは安定した回転とトルクを発生する。【選択図】図２

Description

本発明は空気圧、油圧変換による発電装置に関するものである。
気体を圧縮する事によりその圧力を保存力と定義する事が可能であり、圧力というエネルギーを所望時に取り出し、非圧縮性である液体圧力に変換し、液体圧力をもって発電機を駆動する事により電力を生み出す事が可能となる。
液体圧力に変換する理由として、気体密度と液体密度の相違による伝達関数の違いにより、気体は一般的に圧縮性を有しており、液体は圧縮性をあまり有していないのが一般的概念である。
本発明において、油圧を発生させるために圧縮された空気圧を使用する根拠として、圧縮された空気は弾性を有する事であり、油圧変換時、空気シリンダに設定した所定の流量と圧力を印加すれば、シリンダ内に内在するピストン断面積によって定まる応力を発生し、連結された油圧シリンダ駆動力となるが、油圧シリンダ内ピストンの位置によっては、全ストローク駆動しない場合も発生するが、空気の圧縮性を持って弾性が発生し、あたかもスプリングが存在するかのような効果を生み出し、シリンダの破壊。、配管の破裂などを回避する事が可能である。
発電機出力が過負荷によって、その駆動力を大きく消費する場合、油圧モーター負荷は当然ながら大きくなるがその駆動力の源である空気圧、流量を制御回路のプログラムによって、所望の特性を可能とする。
特開２００５−３４４６２６号公報 特開２００６−１３２３２３号公報 特願２０１４−１４００６２
小規模発電設備において、風力、水力、波力等の発電方法が存在するが、自然が織り成す現象を利用しての発電方法であるが、自然現象であるが故にその状態は急変する場合が多い。また、これらの自然現象を応用した発電装置を考慮したとき大型の設備であれば、受容面積によって大きなトルクを得る事が可能であり、増速機構を用いて所望回転数にする事は可能であるが、小規模発電装置を考慮した場合には直接発電機の所望回転数を得る事は困難である。
風力、水力、波力等より得た動力を小型発電機を介して整流後蓄電池に電力として保存という方法も存在するが、蓄電池は概して高価であり保守を行わなければならない。
風力、水力、波力等より得た動力を
特願２０１４−１４００６２或いは類する気体圧縮装置により、所望圧力まで加圧を実施、制御箱内圧力検知の動作により、空圧バルブより空圧シリンダ１１に所望圧力を供給する事により９および１０の油圧シリンダの作動となるが、油圧シリンダの作動油が大気に接触する事によりその油中に気泡の発生或いは混濁により気体の弾性によって所望の圧力を得られない場合を想定し、空圧シリンダ１０、油圧シリンダ９，１０の分離とともに、油圧回路タンク７，８戻り配管は油圧回路タンク底面に近い所まで配管を延長し大気に接触する機会を極力少なくした。
空圧シリンダより駆動する油圧シリンダ９，１０の配管構成をプッシュプル構成にする事により、空圧シリンダ動作時に加圧可能な作動油量を多くする事によって、空圧シリンダの動作回数に比例消耗する圧縮空気量の削減をした。
また、アキュムレータ１２を各シリンダ毎に設ける事により、余剰圧力の吸収と共にリップルの少ない油圧回路の安定性を持たせた。
油圧シリンダ９，１０は空圧シリンダ１１により駆動されるが、油圧シリンダ作動油は循環式であるため消耗する事はないが、空圧シリンダ１１を駆動すべく圧縮空気は消耗する。圧縮空気の消耗を低減するための処置として、十分な量の作動油圧縮を実施するために油圧シリンダのプッシュプル構成、作動油の流量制御と共に圧縮された作動油のリップル除去を目的として、アキュムレータ１２に一時的に圧縮作動油を蓄積する事により、空圧シリンダ１１のタクトタイムを大幅に延長する事が出来た。圧力リップルの少ない圧縮作動油は緻密に制御された流量制御回路により、油圧モーター４は安定した回転とトルクを発生する。
図１は空油圧式発電装置配置および配管を示した上面図の説明である。 図２は空油圧式発電装置配置および配管を示した正面図の説明である。 図３は空油圧式発電装置主要部の配置および配管を示した説明である。 図４は油圧シリンダ、空圧シリンダ部の拡大透視を示した説明である。 図５は油圧モーター、発電機、プーリー、Vベルトの配置を示した説明である。 図６は空油圧発電装置を示した説明図である。 図７は空油圧発電装置制御を示した説明である。
表１から明らかなように空気圧縮を考慮した場合、大気組成である酸素、窒素の分子量および圧縮時の気体分子より潜在的エネルギー量を算出する事が出来る。所望電力量が既知であるなら、空気圧力タンク２の必要体積は簡易な計算によって導き出せる。また、圧縮率を大きくすれば２空気圧力タンクの体積を減ずる事が可能な事はいうまでもない。
制御箱１には、空気圧力タンク２油圧モーター４に関する流量、圧力の制御回路が内蔵されている。図６に配管接続先を示した。
７，８油圧回路タンク１、２に油圧回路動作に必要な作動油を満たし、空気圧力タンク２は空圧圧力センサによって監視されており、設定された圧力に到達した状態を検知し、空圧シリンダ１１は空圧方向制御によって定められた方向に空圧シリンダピストン１１cを移動させ３４空圧シリンダリミットスイッチ１が動作するまで動作は継続される。原点復帰時の負荷を軽くするため、９油圧シリンダ１および１０湯圧シリンダ２より排出される作動油を１２アキュムレータ接続点より油圧モーター戻り配管６にバイパスさせることにより、原点復帰時間の短縮を図る事も出来る。その場合には、油圧モーター４に高圧作動油は供給されないため発電機３より電力の発生が行われない事はいうまでもない。
原点復帰動作が終了した事によって、プログラムサイクルの開始となる。２空気圧力タンク内の圧力は空圧圧力センサ１７によって常時監視されており、出力されるアナログ値は空圧圧力センサ用A-Dコンバータ１８によってデジタル値に変換され、２４CPU内メモリに蓄積される。操作入力キーボード３３より入力された所望動作条件によって、空圧方向制御、空圧シリンダ１１に供給される圧力、流量の値が設定値に達するまでステッピングモータードライバ２５，２６を経由して２９，３０ステッピングモーターを駆動する。
制御された圧縮空気は空圧シリンダ１１に供給されるが、２９，３０ステッピングモーターによって制御された圧縮空気は空圧シリンダピストン１１cを駆動するが流量と圧力が制御されているため、結果として空圧シリンダピストンロッド１１bの駆動力と駆動時間を制御する。
最初のサイクルタイムによって、空圧シリンダ１１に制御された圧縮空気が供給され、空圧シリンダピストン１１cに接続されている空圧シリンダピストンロッド１１bに対応する駆動力の発生は９f,11ｂ油圧シリンダピストンロッドにそれぞれ接続された、９e、１１c油圧シリンダピストンを駆動し、９a油圧シリンダ１逆止弁、１０a 油圧シリンダ２逆止弁より１１c空圧シリンダピストン表面積より９e油圧シリンダピストン表面積を除算した値の作動油圧が、１５油圧回路圧力制御および１６油圧回路流量制御を経由して４ 油圧モーターに供給される。一般的に油圧モーターは毎分１０００回転程度の製品が多く、発電機出力を商用周波数で使用するためにはその回転数を増速する必要が有るため、５油圧モータープーリー、５b発電機プーリーを設け、５a Vベルトを用いて回転を伝達している。
一方９b油圧シリンダ１逆止弁２、１０ｂ油圧シリンダ２逆止弁２は９e油圧シリンダピストン、１０e油圧シリンダ２ピストンが移動するため負圧が発生するが、９b油圧シリンダ１逆止弁２、１０ｂ 油圧シリンダ２逆止弁２によって作動油の供給が阻止されるため、９d油圧シリンダ１逆止弁４、１０d油圧シリンダ２逆止弁４を経由して、７油圧回路タンク１、８油圧回路タンク２より作動油の供給を行う。
４a油圧モーター入力配管より供給された高圧作動油は４油圧モーター内で消費され、所定の回転数とトルクを生み出すと共に４b油圧モーター戻り配管に作動油が排出され、６油圧モーター戻り配管を経由して７油圧回路タンク１、８油圧回路タンク２に戻る。油圧回路タンク内においては、作動油に大気のコンタミネーションを防止するため配管が下方まで延長されている。
これは、９油圧シリンダ、１０油圧シリンダ２内において１サイクル毎に負圧環境になるため、減圧時の気泡の発生によるキャビテーション防止と正確なストロークを維持する目的である。
発電機３によって発生した電力を交番電圧とするなら、その周期を発電周波数用周波数カウンタ２３で計測し、 操作入力用キーボード３３によって設定された出力周波数との比較結果を１５油圧回路圧力制御、１６油圧回路流量制御によって制御する事が可能である。１５油圧回路圧力制御は油圧モーター４によって発生するトルク、１６油圧回路流量制御は回転数の制御を担い、発電機３の出力電圧と出力周波数の安定を目的とするものである。
上記説明により、空圧シリンダ１１の半サイクル分の説明をしたが、反転動作時に油圧回路の脈動が発生する可能性があるため、その吸収を目的としてそれぞれの油圧シリンダ出力配管中にアキュムレータ１２を配置した。
本発明は利用用途を狭義な意味で限定するものではなく、圧縮空気が供給される環境下で規模に応じた発電電力を供給する事を可能とした装置であり、圧縮空気供給手段は産業、工業、自然エネルギー等を考慮すれば、旧来放置、廃棄していたエネルギーより創出する装置である。
１ 制御箱
２ 空気圧力タンク
３ 発電機
４ 油圧モーター
４a油圧モーター入力配管
４b油圧モーター戻り配管
５ 油圧モータープーリー
５a Vベルト
５b発電機プーリー
６ 油圧モーター戻り配管
７ 油圧回路タンク１
８ 油圧回路タンク２
９ 油圧シリンダ
９a 油圧シリンダ１逆止弁
９b 油圧シリンダ１逆止弁２
９c 油圧シリンダ１逆止弁３
９d 油圧シリンダ１逆止弁４
９e 油圧シリンダピストン
９f 油圧シリンダピストンロッド
１０ 油圧シリンダ２
１０a 油圧シリンダ２逆止弁
１０ｂ 油圧シリンダ２逆止弁２
１０c 油圧シリンダ２逆止弁３
１０d 油圧シリンダ２逆止弁４
１０e 油圧シリンダ２ピストン
１１ 空圧シリンダ
１１b 空圧シリンダピストンロッド
１１c 空圧シリンダピストン
１２ アキュムレータ
１３ 圧縮空気圧力制御
１４ 圧縮空気流量制御
１５ 油圧回路圧力制御
１６ 油圧回路流量制御
１７ 空圧圧力センサ
１８ 空圧圧力センサ用A-Dコンバータ
１９ 空圧流量センサ
２０ 油圧圧力センサ
２１ 油圧圧力センサ用A-Dコンバータ
２２ 油圧流量センサ
２３ 発電周波数用周波数カウンタ
２４ CPU
２５ 空圧圧力調整用ステッピングモータードライバ
２６ 空圧流量調整用ステッピングモータードライバ
２７ 油圧圧力調整用ステッピングモータードライバ
２８ 油圧流量調整用ステッピングモータードライバ
２９ 空圧圧力調整用ステッピングモーター１
３０ 空圧流量調整用ステッピングモーター２
３１ 油圧圧力調整用ステッピングモーター３
３２ 油圧流量調整用ステッピングモーター４
３３ 操作入力用キーボード
３４ 空圧シリンダリミットスイッチ１
３５ 空圧シリンダリミットスイッチ２

Claims (3)

  1. 圧縮空気の持つエネルギーを制御し、油圧変換のために省エネルギーとなる最適値を自動制御するためのプログラムした、テーブルをCPUが実行し発電電力を得るための機能を有する、エネルギー変換をもって、電力を発生する空油圧変換発電装置。
  2. 空気シリンダと油圧シリンダを分離構成する事による作動油と圧縮空気のコンタミネーションを回避する目的で配置されたシリンダ構成を有する空油圧変換発電装置。
  3. 風力、水力、波力、地熱、重力、火山の噴出ガス等のエネルギーを取得し、その結果を圧縮気体に変換し、貯蔵圧縮気体より発電電力あるいは回転を含む機械的動力を得る目的を持っての空油圧変換発電装置の一部を改変した装置。
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