ガバナー（装置）
 コーリス蒸気機関車のポーター調速機 | |
| コンポーネントタイプ | スイッチ |
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| 電子シンボル | |
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調速機、または速度リミッターやコントローラーは、エンジンなどの機械の速度を測定および調整するために使用される装置です。
典型的な例としては、往復蒸気機関の遠心調速機（ワット調速機またはフライボール調速機とも呼ばれる）が挙げられます。これは、機械の出力軸によって駆動される回転重りにかかる慣性力の効果を利用して、蒸気の入力流量を変更することで速度を調節します。
歴史
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17世紀以降、遠心調速機は風車の石臼間の距離と圧力を調節するために使用されていました。初期の蒸気機関は純粋な往復運動を利用し、水の汲み上げに使用されていました。これは動作速度の変動を許容できる用途でした。
スコットランドの技師ジェームズ・ワットが工場機械の駆動用に回転式蒸気機関を開発して初めて、一定の動作速度が求められるようになりました。1775年から1800年にかけて、ワットは実業家マシュー・ボルトンと共同で約500台の回転式ビームエンジンを製造しました。これらのエンジンの心臓部は、ワットが独自に設計した「円錐振り子」調速機でした。これは、リンクアームによって垂直のスピンドルに取り付けられた一連の回転鋼球で構成され、制御力は鋼球の自重によって制御されます。
調速機の作動に関する理論的根拠は、 1868年にジェームズ・クラーク・マクスウェルが彼の重要な論文『調速機について』の中で説明しました。[ 1 ]
ワットの設計を基に、アメリカの技術者ウィラード・ギブスは1872年にワットの円錐振り子調速機を数学的なエネルギーバランスの観点から理論的に解析しました。イェール大学大学院在学中、ギブスはこの装置の実際の動作には、動作の鈍さと、制御すべき速度の変化を過剰に補正する傾向といった欠点があることに気付きました。[ 2 ]
ギブスは、単純なワット調速機の平衡（「ボール」の重量によるトルクと回転によるトルクの2つのトルクの釣り合いに依存する）と同様に、仕事を生じるあらゆる熱力学系の熱力学的平衡は、 2つの実体のバランスに依存すると理論づけた。1つは中間物質に供給される熱エネルギーであり、もう1つは中間物質によって行われる仕事エネルギーである。この場合、中間物質は蒸気である。
こうした理論的研究は、1876年にギブスの有名な著書『異種物質の平衡について』が出版され、ギブスの調速機が構築されるに至りました。これらの定式化は、今日ではギブスの自由エネルギー方程式という形で自然科学のあらゆる分野で用いられており、化学反応の平衡を決定する際に用いられています。ギブス平衡とも呼ばれています。[ 3 ]
ガバナーは初期の自動車（1900年のウィルソン・ピルチャーなど）にも搭載されており、手動スロットルの代替として機能していました。必要なエンジン回転数を設定するために使用され、車両のスロットルとタイミングはガバナーによって調整され、速度を一定に保ちました。これは現代のクルーズコントロールに似ています。また、ウインチや油圧ポンプなどのエンジン駆動アクセサリを備えた実用車（ランドローバーなど）にもオプションでガバナーが搭載されており、これも駆動負荷の変動に関わらずエンジンを必要な回転数に保ちます。
速度リミッター
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調速機は車両の最高速度を制限するために使用され、一部の車両クラスでは法的に義務付けられています。より一般的には、内燃機関の回転速度を制限したり、過度の回転速度によるエンジンの損傷を防ぐために使用されます。
車
現在、BMW、アウディ、フォルクスワーゲン、メルセデス・ベンツは、生産車の最高速度を時速250km（155mph）に制限しています。アウディ・スポーツGmbHとAMGの一部車種、そしてメルセデス/マクラーレンSLRは例外です。BMWロールスロイスは時速240km（149mph）に制限されています。ジャガーは英国車ですが、リミッターを搭載しており、スウェーデンのサーブとボルボも必要に応じてリミッターを搭載しています。
ドイツの自動車メーカーは当初、「紳士協定」に基づき、車両の最高速度を電子的に時速250キロメートル（155マイル）に制限していました。 [ 4 ] [ 5 ]これは、アウトバーンではそのような高速走行が一般的だったためです。これは、法定速度制限の導入を求める政治的な圧力を抑えるために行われました。
ヨーロッパ市場では、ゼネラルモーターズ・ヨーロッパ社は協定値を割り引くことがあり、その結果、オペルやボクスホールの一部の高出力車は最高速度250 km/h (155 mph) を超えることができるが、キャデラックは超えられない。 フェラーリ、ランボルギーニ、マセラティ、ポルシェ、アストンマーティン、ベントレーも、少なくとも250 km/h (155 mph) には車の最高速度制限を設けていない。クライスラー300C SRT8 は、270 km/h (168 mph) に制限されている。日本国内市場のほとんどの車は、180 km/h (112 mph) または 190 km/h (118 mph) に制限されている。[ 6 ] 最高速度は強力な販売論拠となるが、公道で約300 km/h (190 mph) を超える速度に達することはまず不可能である。
一部の高性能車は、車両の保険料を抑える、タイヤがパンクするリスクを減らす、特定の地域でモデルを販売する場合にその地域の法律を遵守するなどの理由から、最高速度を250km/h （ 155mph）[7]に制限することができます。
モペット
イギリスでは1977年からモペットには時速30マイル（48km/h）の速度制限装置が義務付けられている。 [ 8 ]他のほとんどのヨーロッパ諸国でも同様の規則がある（メイン記事を参照）。
公共サービス車両
公共交通機関の車両には、最高速度が法律で定められていることが多い。イギリスの定期バス（およびバス）の最高速度は時速65マイル（105km/h）に制限されている。[ 9 ]
都市部の公共バスには速度調節装置が付いていることが多く、通常は時速 65 km (40 mph) から時速 100 km (62 mph) に設定されます。
トラック
ヨーロッパおよびニュージーランドでは、すべての大型車両には法律または条例により最高速度が時速90km（56mph）または時速100km（62mph）に制限されています。消防車などの緊急車両はこの規制の対象外です。
使用例
航空機
航空機のプロペラもその一つです。調速機はシャフトの回転速度を感知し、ブレードの角度を調整または制御することでエンジンにかかるトルク負荷を変化させます。そのため、航空機が急降下時のように加速したり、上昇時のように減速したりしても、回転速度は一定に保たれます。
小型エンジン
芝刈り機、ポータブル発電機、芝刈り機・園芸用 トラクターなどの動力源として使用される小型エンジンには、無負荷時にエンジンへの燃料供給を最大安全回転数に制限し、負荷変動があっても比較的一定の回転数を維持するための調速機が装備されています。発電機用途の場合、発電機の出力周波数が適切に一定に保たれるように、エンジン回転数を厳密に制御する必要があります。
小型エンジン調速機は、典型的には3つのタイプのいずれかである。[ 10 ]
- 空気圧式：ガバナー機構は、空冷エンジンの冷却に使用されるフライホイールブロワーからの空気の流れを検出します。一般的な設計では、エンジンのブロワーハウジング内にエアベーンが取り付けられ、キャブレターのスロットルシャフトに接続されています。バネがスロットルを開き、エンジンの回転速度が上昇すると、ブロワーからの空気の流れが増加し、ベーンがバネに押し付けられてスロットルが部分的に閉じます。最終的に平衡点に達し、エンジンは比較的一定の速度で回転します。空気圧式ガバナーは設計がシンプルで、製造コストも低くなります。エンジン速度を非常に正確に制御することはできず、空気密度や空気の流れに影響を与える可能性のある外部条件の影響を受けます。
- 遠心式：エンジンによって駆動されるフライウェイト機構がスロットルに連結され、空気圧式調速機と同様の方法でスプリングに抗して作動するため、実質的に同一の動作となります。遠心式調速機は空気圧式調速機よりも設計と製造が複雑です。遠心式は回転数の変化に敏感であるため、負荷変動の大きいエンジンに適しています。
- 電子式：サーボモーターはスロットルに接続され、点火システムまたは磁気ピックアップから発せられる電気パルスをカウントすることでエンジン回転数を感知する電子モジュールによって制御されます。これらのパルスの周波数はエンジン回転数に応じて変化するため、制御モジュールはサーボに比例した電圧を印加してエンジン回転数を調整します。電子式ガバナーは、その高感度と回転数変化への迅速な応答性から、コンピューターハードウェアに電力を供給するエンジン駆動発電機によく搭載されています。これは、発電機の出力周波数を狭い範囲内に維持しなければ故障を防ぐことができないためです。
タービン制御
蒸気タービンにおいて、蒸気タービン調速機とは、タービンの回転速度を一定に保つことを目的として、タービンへの蒸気流量を監視・制御する手順である。蒸気流量は、ボイラーとタービンの間に介在する弁によって監視・制御される。[ 11 ]
水車においては、19世紀半ばから速度制御のために調速機が使用されてきました。典型的なシステムでは、フライボール調速機がタービン入力弁または水門に直接作用し、タービンへの水量を制御していました。1930年までに、機械式調速機はより精密な制御のためにPID制御器を使用するようになりました。20世紀後半には、電子式調速機とデジタルシステムが機械式調速機に取って代わり始めました。[ 12 ]
発電機
同期電力網における発電では、原動機が電力網上の他の発電機と電気的に接続された発電機を駆動します。ドループ速度制御では、電力網全体の周波数によって各発電機に供給される燃料が決定されます。そのため、電力網全体の運転速度が速くなると、各発電機の調速機によって燃料供給量が削減され、速度が制限されます。
エレベーター
調速機はエレベーターに使用されます。調速機は、エレベーターがトリップ速度（通常はエレベーターの最高速度の係数であり、国際的なエレベーター安全ガイドラインに従ってメーカーによって事前に設定されます）を超えた場合に停止機構として機能します。この装置は、トラクションエレベーターおよびロープ式油圧エレベーターに設置する必要があります。
オルゴール
一部の巻き上げ式オルゴールでは、バネの張力が減少している間も音楽の再生速度をほぼ一定に保つために調速機が使用されています。
参照
参考文献
- ^ベネット、スチュアート (1992).制御工学の歴史 1930-1955 . IET. p . 48. ISBN 978-0-86341-299-8。
- ^ Wheeler, Lynder Phelps (1947)、「蒸気機関用ギブス調速機」、Wheeler, Lynder Phelps、Waters, Everett Oyler、Dudley, Samuel William (編)、The Early Work of Willard Gibbs in Applied Mechanics、New York: Henry Schuman、pp. 63– 78
- ^ウィーラー、L. (1951).ジョサイア・ウィラード・ギブス ― 偉大な精神の歴史.ウッドブリッジ、コネチカット州: オックス・ボウ・プレス.
- ^ Bogdan Popa (2012年7月28日). 「紳士協定：そんなに急がなくても大丈夫です！」 . autoevolution .
- ^ヴァン・ゴープ、アンケ「工学設計における倫理的問題：安全性と持続可能性」16ページ。3TU Ethics発行、2005年。ISBN 9090199071, 9789090199078 . ISSN 1574-941X
- ^ 「なぜ日本はついにブレーキを踏まなくなったのか | The Japan Times Online」 Search.japantimes.co.jp、2008年4月13日。2012年11月8日閲覧。
- ^マイク・スピネリ (2006年2月11日). 「さようなら、メルセデス、米国でAMGモデルの最高速度を解放へ、ただし価格設定あり」 . Jalopnik .
- ^運輸省 (2008). 「英国における道路事故報告：2008年年次報告書」(PDF) . 2010年1月9日閲覧.179ページには、「モペットの最高設計速度が時速30マイルに再定義された」と記載されています。
- ^ 「英国の道路安全の歴史」 。 2010年6月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年1月20日閲覧。
- ^ 「小型エンジン調速機はどのように機能するのか？ | Briggs & Stratton」 www.briggsandstratton.com 2018年3月22日閲覧。
- ^ Rathore, MM (2010).熱工学. ニューデリー: Tata McGraw-Hill Education. ISBN 978-0-07-068113-2. 2015年1月29日閲覧。
- ^ Fasol, Karl Heinz (2002年8月). 「水力発電制御の小史」(PDF) . IEEE Control Systems Magazine . 22 (4): 68– 76. doi : 10.1109/MCS.2002.1021646 . 2015年11月6日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2015年1月29日閲覧。
