CN114593514A - 水轮机式流量控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能准确地控制流体的流量而且能谋求小型化的水轮机式流量控制装置。本发明的水轮机式流量控制装置具备：转轮(12)，其构成佛朗西斯水轮机(308)的水轮机部分；旋转‑正交转换机构(314)，其旋转自如地支承转轮(12)并使其沿轴线方向移动；以及壳构件(13)，其使流体从外周侧以涡流形式流入至转轮(12)内部。转轮(12)相对于壳构件(13)而沿轴线方向移动，由此来进行流量的调整。

Description

水轮机式流量控制装置

技术领域

本发明涉及使用佛朗西斯水轮机来控制流体的流量的水轮机式流量控制装置。

背景技术

近年来，作为下一代流量控制装置，业界在寻求能在减少环境负荷的同时推进IOT化的流量控制装置。环境负荷的减少可以通过与流量控制同步地利用水力等可再生能源进行自发电来实现。要推进IOT化，重要的是将电源线和控制用的输入输出线完全无线化而提高流量控制装置的设置的自由度。

另外，一般的空调用阀门用于“控制(流体的)流量”，为了实现这一目的，采用有改变流路内设置的阀塞的开口面积的构成。在这种空调用阀门中，会在阀塞前后发生压力损失，该能量以热的形式被舍弃。因此，只要能回收该能量，便能减少环境负荷。

作为利用水力进行发电的装置，已知有在水电站中用于电力的发生(发电)的佛朗西斯水轮机。佛朗西斯水轮机是使朝内侧流动的水起作用的反击式水轮机的一种。以往的一般的佛朗西斯水轮机是由蜗壳、导叶、固定导叶、转轮以及尾水管等构成，所述蜗壳形成为螺旋状，所述导叶与该蜗壳协作来产生水的涡流，使水沿切线方向流入至承受水而旋转的转轮，所述固定导叶限制水的流动方向，所述转轮为水轮机主体，所述尾水管成为从转轮流出的水的出口。

导叶具备多个叶片，构成为可以调整叶片的开度，以根据使用水量来进行高效的运转。该导叶须使多个叶片同步来进行驱动，此外，作为流量控制装置，难以完全截断水的流路。

能调整水的流量的以往的佛朗西斯水轮机例如在专利文献1、专利文献2中有记载。专利文献1中揭示了一种排除掉可动导叶及开闭机构的固定导叶水轮机。该固定导叶水轮机采用在蜗壳的入口配备流量调节阀、将送至转轮的水抽取至外部(形成旁路)的构成。

专利文献2中揭示的佛朗西斯水轮机在蜗壳的入水口配备有可以改变通道面积的针阀。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本专利实开平7-25274号公报

【专利文献2】日本专利第4601313号公报

发明内容

【发明要解决的问题】

在专利文献1及专利文献2揭示的佛朗西斯水轮机中，由于在蜗壳的上游部配备有阀，因此水的入口到出口的距离变长。因此，这些可实现流量调整的佛朗西斯水轮机存在无法换用作在占用空间上受到制约的流量控制装置例如空调控制系统的流量控制装置的问题。

本发明的目的在于提供一种能准确地控制流体的流量而且能谋求小型化的水轮机式流量控制装置。

【解决问题的技术手段】

为了达成该目的，本发明的水轮机式流量控制装置具备：转轮，其构成佛朗西斯水轮机的水轮机部分；旋转-正交转换机构，其旋转自如地支承所述转轮并使其沿轴线方向移动；以及壳构件，其使流体从外周侧以涡流形式流入至所述转轮内部，所述转轮相对于所述壳构件而沿所述轴线方向移动，由此来进行流量的调整。

本发明在所述水轮机式流量控制装置中也可为，所述转轮具有：转轮主体，其具有叶片；以及圆筒体，其从所述转轮主体朝所述轴线方向中的一方突出，所述壳构件具有如下流体出口：在所述转轮被所述旋转-正交转换机构驱动而移动到所述轴线方向中的所述一方的状态下，与所述转轮主体的外周部相对，所述圆筒体形成为能够通过所述转轮朝所述轴线方向中的另一方移动来闭塞所述流体出口，所述转轮在所述流体出口的整个区域与所述转轮主体的外周部相对的全开位置与所述流体出口被所述圆筒体堵住的全闭位置之间移动。

本发明在所述水轮机式流量控制装置中也可为，所述壳构件具备：入口管，其供流体流入；吸入管，其使从所述转轮流出的流体通过；以及出口管，其连接于所述吸入管的下游侧端部，由弯曲管构成，所述出口管的排出口形成为中心线与所述入口管的流入口一致。

本发明在所述水轮机式流量控制装置中也可为，所述旋转-正交转换机构具备：马达，其成为沿所述轴线方向驱动所述转轮时的动力源；流量控制部，其控制所述马达的动作；以及发电机，其通过所述转轮的旋转来发电，通过所述发电机发出的电力被供给至所述马达及所述流量控制部来进行所述流量的调整。

本发明在所述水轮机式流量控制装置中也可为，进而具备：蓄电部，其将所述发电机所发出的电力以蓄电电力的形式加以积蓄；以及电源部，其将所述蓄电部中积蓄的蓄电电力供给至所述马达及所述流量控制部。

本发明在所述水轮机式流量控制装置中也可为，进而具备数据通信部，所述数据通信部接收包含目标流量的来自外部的数据，所述数据通信部通过无线来接收所述来自外部的数据，所述电源部构成为：在所述蓄电部中积蓄的蓄电电力不足的情况下，将与从外部电源供给的电力合并而成的电力供给至所述马达及所述流量控制部，在所述蓄电电力有剩的情况下，将该剩下的电力作为剩余电力再生到市电中；

分别通过无线来进行来自外部电源的电力的供给和所述剩余电力向市电的再生。

【发明的效果】

在本发明中，转轮实质上成为阀芯，因此与利用多个导叶来控制流量的情况相比，流量控制准确。此外，在壳构件的流体入口侧不需要阀，因此能缩短流体的入口与出口之间的长度。

因而，根据本发明，可以提供一种能准确地控制流体的流量而且能谋求小型化的水轮机式流量控制装置。

附图说明

图1为表示使用本发明的水轮机式流量控制装置的空调控制系统的一实施方式的仪器装设系统图。

图2为水轮机式流量控制装置的第1实施方式(实施方式1)的要部的构成图。

图3为表示发电机的构成的分解立体图。

图4为佛朗西斯水轮机的主视图。

图5为佛朗西斯水轮机的底视图。

图6为佛朗西斯水轮机的分解立体图。

图7为佛朗西斯水轮机的剖视图。

图8为表示佛朗西斯水轮机的一部分的剖视图。

图9为表示旋转-正交转换机构的另一例的示意图。

图10为表示旋转-正交转换机构的另一例的示意图。

图11为表示旋转-正交转换机构的另一例的示意图。

图12为水轮机式流量控制装置的第2实施方式(实施方式2)的要部的构成图。

图13为水轮机式流量控制装置的第3实施方式(实施方式3)的要部的构成图。

图14为水轮机式流量控制装置的第4实施方式(实施方式4)的要部的构成图。

具体实施方式

下面，根据附图，对本发明的实施方式进行详细说明。图1为表示使用本发明的水轮机式流量控制装置的空调控制系统的一实施方式的仪器装设系统图。

图1中，1为控制对象空间，2为向该控制对象空间1供给调和后的空气的空调机(FCU)，3为本发明的水轮机式流量控制装置，4为空调控制装置(控制器)，5为对水轮机式流量控制装置3设置的外部电源。

空调机2具备换热器(冷热水盘管)2a和风机2b。水轮机式流量控制装置3设置在去往空调机2的换热器2a的冷热水的供给通道(流路)上。在该例中，水轮机式流量控制装置3设置在从空调机2的换热器2a送回的冷热水的回水管路LR上。

再者，作为空调机2的换热器2a，有单盘管型和双盘管型，所述单盘管型是利用1个盘管在制冷时利用冷水进行换热、在制热时利用热水进行换热，所述双盘管型是利用2个盘管在制冷时利用冷水盘管进行换热、在制热时利用热水盘管进行换热。在该例中，换热器2a为单盘管型。

在控制对象空间1内设置有测量该控制对象空间1内的温度作为室内温度的室内温度传感器8。由室内温度传感器8测量出的室内温度(室内温度的测量值tpv)被送至控制器4。

控制器4以将室内温度的测量值tpv与室内温度的设定值tsp的偏差设为零的控制输出的形式来运算去往空调机2的换热器2a的冷热水的设定流量Qsp，并将该运算出的设定流量Qsp送至水轮机式流量控制装置3。

〔水轮机式流量控制装置：实施方式1〕

图2中展示水轮机式流量控制装置3的第1实施方式(实施方式1)的要部的构成图。该实施方式1的水轮机式流量控制装置3(3A)具备数据通信部301、系统控制部302、流量控制部303、发电机控制部304、逆变器305、发电机306、位置传感器307、佛朗西斯水轮机308、电源部309、市电再生部310、蓄电部311、水轮机位置传感器312、马达313以及旋转-正交转换机构314。与控制器4之间以及与外部电源5之间通过有线而连接在一起。佛朗西斯水轮机308构成为以马达313为动力源被旋转-正交转换机构314驱动，由此能变更供冷热水通过的通道的通道面积(开度)，详情于后文叙述。

数据通信部301具有与控制器4进行数据的收发的功能，接收来自控制器4的设定值等数据，并将水轮机式流量控制装置3的内部状态等数据发送至控制器4。再者，在该实施方式1的水轮机式流量控制装置3(3A)中，在满足下述条件(1)或条件(2)的情况下，也可为4-20mA输入或0-10V输入等模拟输入而不是数据通信。

条件(1)：来自控制器4的指令仅为设定流量Qsp。

条件(2)：没有从水轮机式流量控制装置3传输至控制器4的数据。

系统控制部302具有对水轮机式流量控制装置3的整个系统进行控制的功能，输入来自数据通信部301的设定值等接收数据，并将水轮机式流量控制装置3的内部状态等发送数据输出至数据通信部301。此外，从来自数据通信部301的设定值等接收数据中取出设定流量Qsp作为流量设定值，并将该取出的流量设定值Qsp输出至流量控制部303。

流量控制部303具有如下功能：根据来自发电机控制部304的角速度值(佛朗西斯水轮机308的当前角速度)ω及转矩值(发电机306的当前转矩)T和来自水轮机位置传感器312的水轮机开度M来推断无因次流量及无因次差压；根据推断出的无因次流量及无因次差压来推断实际流量Q及实际差压ΔP；根据流量控制规则来运算推断出的实际流量Q与流量设定值Qsp一致这样的发电机306的转矩以及佛朗西斯水轮机308的开度作为转矩设定值Tsp、水轮机开度设定值Msp；以及，在不改变佛朗西斯水轮机308的开度时使马达313以与佛朗西斯水轮机308相同的转速旋转等。

流量控制部303构成为：在控制冷热水的流量时，首先，以成为与流量设定值Qsp相对应的水轮机开度设定值Msp的方式调整佛朗西斯水轮机308的开度，然后，通过发电机306的转矩控制来进行流量设定的微调以及伺服控制。

流量控制部303输入来自系统控制部302的流量设定值Qsp、来自发电机控制部304的角速度值ω及转矩值T、来自水轮机位置传感器312的水轮机开度M，将运算出的转矩设定值Tsp输出至发电机控制部304并将水轮机开度设定值Msp输出至马达313。

发电机控制部304具有如下功能：以发电机306的转矩成为转矩设定值Tsp的方式根据转矩控制规则来运算针对逆变器305的相电压目标值；根据位置传感器307所检测的发电机306的转子的磁极位置来运算佛朗西斯水轮机308的当前角速度作为角速度值ω；以及，根据来自逆变器305的发电机306的定子绕组的当前的相电压值及相电流值来运算发电机306的当前转矩作为转矩值T，发电机控制部304输入位置传感器307所检测的磁极位置、来自逆变器305的相电压值及相电流值、来自流量控制部303的转矩设定值Tsp，将运算出的角速度值ω及转矩值T输出至流量控制部303，将运算出的相电压目标值输出至逆变器305。

逆变器305具有如下功能：输入来自发电机控制部304的相电压目标值，对发电机306的定子绕组输出相电压目标值；以及，将发电机306所发出的电力再生到蓄电部311中，逆变器305接受来自电源部309的主电源而进行动作。

像在图3中挑选展示其要部那样，发电机306是具备转子6和定子7的中空型发电机。转子6由嵌入有永磁铁的环6a和一体地设置在该环6a的内侧的滚珠花键螺帽6b构成。滚珠花键螺帽6b供后文叙述的旋转-正交转换机构314的滚珠丝杠花键轴9贯通，与滚珠丝杠花键轴9一体地旋转，而且以容许往滚珠丝杠花键轴9的轴线方向的移动的方式轴装在滚珠丝杠花键轴9上。

如图4所示，滚珠丝杠花键轴9与后文叙述的佛朗西斯水轮机308的转轴11被定位在同一轴线上，以与该转轴11一体地旋转的方式结合在转轴11上。即，转子6一方面容许后文叙述的佛朗西斯水轮机308的转轴11相对于转子6而沿轴线方向移动，另一方面与转轴11成为一体而旋转。

定子7上缠绕有线圈(未图示)，以该线圈为定子绕组将通过转子6的旋转发出的电力取出。再者，位置传感器307安装在定子7上，检测环6a中嵌入的永磁铁的磁极的位置作为转子6的磁极位置。在该例中，使用霍尔IC作为位置传感器307。但除了霍尔IC以外，位置传感器307也可为任意传感器，只要是绝对编码器等能够检测磁极位置的位置传感器即可。

电源部309以来自外部电源5的电力和蓄电部311中积蓄的蓄电电力为输入而作为水轮机式流量控制装置3A内所使用的电力加以分配。在该例中，将去往逆变器305的电力作为主电源，将去往数据通信部301、系统控制部302、流量控制部303、发电机控制部304、马达313等的电力作为各控制部电源。

电源部309分配来自外部电源5的电力与蓄电部311中积蓄的蓄电电力合并而成的电力，但优先分配蓄电部311中积蓄的蓄电电力。此处，在蓄电部311中积蓄的蓄电电力发生不足的情况下，分配与从外部电源5供给的电力合并而成的电力，在蓄电部311中积蓄的蓄电电力有剩的情况下，将该剩下的电力作为剩余电力而经由市电再生部310再生到市电(该例中为外部电源5)中。

马达313是用于使佛朗西斯水轮机308的水轮机部分即转轮12(参考图4)沿轴线方向移动的动力源，输入来自流量控制部303的水轮机开度设定值Msp来进行动作。

水轮机位置传感器312具有测定佛朗西斯水轮机308的开度的功能，对流量控制部输出水轮机开度M。该实施方式的水轮机位置传感器312使用马达313上设置的编码器(未图示)来求水轮机开度M。

该实施方式1中展示了对水轮机位置传感器312使用编码器的例子，但除此以外，水轮机位置传感器312也可为任意传感器，只要是位移传感器、绝对编码器等能够检测水轮机的位置的位置传感器即可。

在该水轮机式流量控制装置3A中，数据通信部301、系统控制部302、流量控制部303、发电机控制部304、逆变器305、电源部309、市电再生部310等各部的功能是通过由处理器、存储装置、数字输入输出电路、模拟输入输出电路、电力电子电路等构成的硬件和与这些硬件协作而实现各种功能的程序来实现。

(佛朗西斯水轮机的说明)

如图4所示，佛朗西斯水轮机308具备描绘于图4中央部的壳构件13和构成佛朗西斯水轮机308的水轮机部分的转轮12。该佛朗西斯水轮机308可以通过转轮12相对于壳构件13而沿轴线方向移动来进行流量的调整。

在该实施方式中，对在图4所示的姿态下使用佛朗西斯水轮机308的情况的一例进行说明。即，在该佛朗西斯水轮机308中，转轮12的轴线沿铅垂方向延伸，冷热水从转轮12排出至下方。此外，在对佛朗西斯水轮机308的各零件进行说明时，在表示方向的情况下，以图4的右侧为佛朗西斯水轮机308的右侧、以图4的纸面的近前侧为前方来进行表示。

壳构件13是组合多个功能零件而构成的。所谓多个功能零件，如图5及图6所示，为入口管15、蜗壳主体16、固定导叶17、吸入管18以及出口管19，所述入口管15具有供冷热水流入的流入口14，所述蜗壳主体16围绕转轮12，所述固定导叶17设置在蜗壳主体16的中心部，为圆环状，所述吸入管18从固定导叶17向下方延伸，所述出口管19连接于吸入管18的下端(下游侧端部)，由弯曲管构成。

如图4所示，入口管15从后文叙述的蜗壳主体16向右方延伸。在入口管15的右端即上游端设置有管道连接用的凸缘20。

蜗壳主体16以从焊接在入口管15的下游端的上游端起围绕转轮12的方式形成为螺旋状。在蜗壳主体16的内周部形成有朝蜗壳主体16的径向内侧开口的环状的孔21(参考图6)。

固定导叶17形成为圆环状，具有沿周向排列的多个固定叶片17a。详细而言，固定导叶17由位于轴线方向的两端部的环17b、17c和架设在这些环17b、17c之间的多个固定叶片17a构成。如图7所示，环17b、17c形成为嵌合于蜗壳主体16的孔21的开口端面21a的形状，以冷热水不会从环与开口端面21a之间泄漏的方式固接在开口端面21a上。

多个固定叶片17a配置成沿环17b、17c的周向空出一定间隔而排列。这些固定叶片17a用于调整冷热水的流动方向，形成为从蜗壳主体16流入到固定导叶17的冷热水的流动方向成为转轮12的切线方向。形成于这些固定叶片17a彼此之间的流体出口22(参考图6)与后文叙述的转轮12的外周部相对。因此，冷热水因通过固定导叶17而从流体出口22成为涡流而流入至转轮12内部。

如图7所示，吸入管18由圆筒部18a和收拢部18b构成，所述圆筒部18a连接于固定导叶17的下侧的环17b，由圆筒状的管构成，所述收拢部18b从该圆筒部18a的下端向下方延伸。圆筒部18a与环17b、17c定位在同一轴线上，以冷热水不泄漏的方式固接在环17b、17c的下表面。圆筒部18a的内径与环17b、17c的内径相同。因此，圆筒部18a的内周面与环17b、17c的内周面位于同一周面上，以不产生阶差的方式相互连接在一起。

收拢部18b形成为随着去往下方而直径逐渐减小。在该收拢部18b的下端即下游侧端部连接有由弯曲管构成的出口管19。

出口管19是以成为规定形状的方式将管材料加以弯曲而形成的。如图4及图5所示，该实施方式的出口管19形成为在吸入管18的下方弯曲而朝佛朗西斯水轮机308的左方延伸的J字形。出口管19的下游侧端部由朝水平方向(左方)延伸的直管19a形成。在该直管19a上设置有管道连接用的凸缘23。出口管19的下游端的排出口19b(凸缘23的开口)形成为中心线与入口管15的流入口14(凸缘20的开口)一致。因此，出口管19上设置的凸缘23与入口管15的凸缘20像图4所示那样在上下方向上为同一位置，而且像图5所示那样在佛朗西斯水轮机308的前后方向上定位在同一位置。

如图6所示，该佛朗西斯水轮机308的转轮12具备包含多个叶片12a的转轮主体24和从转轮主体24朝轴线方向中的一方即上方突出的圆筒体25及转轴11，构成为能在固定导叶17中沿上下方向移动。转轮12在上下方向上的移动是通过连接于转轮12的转轴11的旋转-正交转换机构314(参考图4)来进行。旋转-正交转换机构314的说明于后文叙述。

如图7所示，转轮主体24具备朝下方凸出的大致吊钟状的冠部26、设置在冠部26周围的多个叶片12a、以及连接于各叶片12a的下端部的圆环状的围筒27。冠部26的上端部26a形成为圆板状。冠部26的上端部26a与围筒27形成为外径相等且位于同一轴线上。该外径是冠部26及围筒27可滑动地嵌合于上述固定导叶17的环17b、17c的内周部的外径。

叶片12a是与一般的佛朗西斯水轮机中使用的叶片同等地构成的。即，多个叶片12a配设为沿冠部26的周向空出一定间隔而排列而且从转轮主体24的轴线方向观察是呈放射状延伸。从固定导叶17流入到转轮主体24内的冷热水撞在叶片12a上而流动方向被改变，通过冠部26与围筒27之间而排出至下方。

圆筒体25一体地形成于冠部26的上端部26a而且是外周部，与冠部26被定位在同一轴线上。圆筒体25的外径与冠部26的外径相同。因此，冠部26的外周面与圆筒体25的外周面位于同一周面上，以不产生阶差的方式相互连接在一起。圆筒体25的轴线方向的长度是相当于固定导叶17的上下方向的长度这样的长度。再者，上述吸入管18的圆筒部18a的上下方向的长度也是相当于固定导叶17的上下方向的长度这样的长度。

转轴11一体地形成于冠部26的上端部26a而且是轴心部，与冠部26被定位在同一轴线上。在转轴11的上端部结合有后文叙述的旋转-正交转换机构314的滚珠丝杠花键轴9。

转轮12通过旋转-正交转换机构314而沿上下方向被驱动，由此，在像图7及图8(A)所示那样位于最上方的全开位置与像图8(C)所示那样位于最下方的全闭位置之间移动。通过将转轮12定位在图7及图8(A)所示的全开位置，固定导叶17的流体出口22的整个区域与转轮主体24的外周部整个区域相对，供冷热水通过的通道的通道面积达到最大。

通过将转轮12定位在图8(C)所示的全闭位置，固定导叶17的流体出口22被圆筒体25堵住，供冷热水通过的通道的通道面积变为0。因此，该佛朗西斯水轮机308构成如下阀：通过转轮12移动至全开位置，开度变为100％，通过转轮12移动至全闭位置，开度变为0％。上述所谓水轮机开度，是指由该佛朗西斯水轮机308构成的阀的开度。通过转轮12位于全开位置与全闭位置之间的中央，如图8(B)所示，水轮机开度变为50％。

(旋转-正交转换机构的说明)

旋转-正交转换机构314具有旋转自如地支承转轮12并使其沿轴向移动的功能。

如图4所示，该实施方式的旋转-正交转换机构314由滚珠丝杠花键轴9和滚珠丝杠螺帽31构成，所述滚珠丝杠花键轴9以一体地旋转的方式结合在转轮12的转轴11上，所述滚珠丝杠螺帽31螺合在该滚珠丝杠花键轴9的上端部。

滚珠丝杠花键轴9具有沿轴线方向呈直线状延伸的花键槽32和呈螺旋状延伸的螺旋槽(未图示)，经由未图示的轴承而旋转自如而且是沿上下方向移动自如地支承在支承板33上。因此，转轮12经由滚珠丝杠花键轴9而旋转自如而且是沿上下方向移动自如地支承在支承板33上。

支承板33经由未图示的连结构件连结到壳构件13。

在支承板33与转轮12之间以滚珠丝杠花键轴9贯通的状态配置有上述发电机306。发电机306的转子6与轴装在滚珠丝杠花键轴9上的滚珠花键螺帽6b一体地旋转，因此始终与佛朗西斯水轮机308的转轮12一体地旋转。

发电机306的定子7固定在支承板33上。

滚珠丝杠螺帽31相对于滚珠丝杠花键轴9而旋转，由此对滚珠丝杠花键轴9赋予轴线方向的推力。该滚珠丝杠螺帽31以相对于支承板33的上下方向的移动受到限制的状态旋转自如地支承在支架(未图示)上，所述支架固定在支承板33上。因此，通过滚珠丝杠螺帽31例如沿旋入方向旋转，滚珠丝杠花键轴9上升，通过滚珠丝杠螺帽31沿与上述相反的方向旋转，滚珠丝杠花键轴9下降。

滚珠丝杠螺帽31经由带式传动机构34得到马达313动力的传递，由此进行旋转。

带式传动机构34具备与滚珠丝杠螺帽31一体地旋转的第1带轮35和经由皮带36连接到第1带轮35的第2带轮37。第1带轮35的外径与第2带轮37的外径相同。第2带轮37上以一体地旋转的方式结合有马达313的转轴38。该转轴38从位于支承板33下侧的马达313贯通支承板33而朝上方延伸，经由未图示的轴承而旋转自如地支承在支承板33上。

马达313具有构成上述水轮机位置传感器312的检测部的编码器，固定在支承板33上。马达313的动作由上述流量控制部303控制。

在不改变水轮机开度时，流量控制部303以滚珠丝杠螺帽31沿与滚珠丝杠花键轴9相同的方向以同一转速旋转的方式控制马达313的动作。此外，在增大或减少水轮机开度的情况下，流量控制部303以滚珠丝杠螺帽31的转速相对于滚珠丝杠花键轴9的转速而变化的方式控制马达313的动作。

带式传动机构34的第1带轮35与第2带轮37的外径相同，因此马达313的转轴38以与滚珠丝杠螺帽31相同的转速旋转。因此，根据由编码器检测到的马达313的转轴11的旋转位置，可以换算滚珠丝杠花键轴9的轴线方向的位置(水轮机开度)。水轮机位置传感器312将包含马达313的转轴11的旋转位置的数据作为水轮机开度M送至流量控制部303。

(水轮机式流量控制装置的动作的说明)

接着，对该水轮机式流量控制装置3A中的特征性动作进行说明。当来自控制器4的冷热水的设定流量Qsp发生变化时，即，当因冷热水的供给目标的负载变动而使得冷热水的设定流量Qsp发生变化时，水轮机式流量控制装置3A利用数据通信部301来接收该变化后的设定流量Qsp，数据通信部301将该接收到的设定流量Qsp送至系统控制部302。

系统控制部302取出设定流量Qsp作为流量设定值Qsp，并送至流量控制部303。流量控制部303根据来自发电机控制部304的角速度值(佛朗西斯水轮机308的当前角速度)ω及转矩值(发电机306的当前转矩)T和来自水轮机位置传感器312的水轮机开度M来推断无因次流量及无因次差压，并根据该推断出的无因次流量及无因次差压来推断实际流量Q及实际差压ΔP。继而，运算推断出的实际流量Q与流量设定值Qsp一致这样的转矩设定值Tsp和水轮机开度设定值Msp，并将转矩设定值Tsp送至发电机控制部304而且将水轮机开度设定值Msp送至马达313。

发电机控制部304接收来自流量控制部303的转矩设定值Tsp，对发电机306的转矩成为转矩设定值Tsp这样的相电压目标值进行运算，并送至逆变器305。逆变器305接收来自发电机控制部304的相电压目标值，并对发电机306的定子绕组输出相电压目标值。由此，发电机306的转矩变得与转矩设定值Tsp一致，在管路中流动的冷热水的实际流量被调整为流量设定值Qsp。

马达313接收来自流量控制部303的水轮机开度设定值Msp，使转轴38的角速度相对于发电机306的角速度而增加或减少。如此，通过马达313的转轴38的角速度相对于发电机306的角速度而变化，从滚珠丝杠螺帽31对滚珠丝杠花键轴9施加轴线方向的推力，使得转轮12相对于壳构件13而上升或下降，从而将转轮21的位置设为水轮机开度设定值Msp。

如此，根据本实施方式，佛朗西斯水轮机308的转轮12实质上成为阀芯，因此与利用多个旋动式导叶来控制流量的情况相比，能够准确地进行流量控制。

此外，在壳构件13的流体入口侧不需要阀，因此能缩短冷热水的入口与出口之间的长度。

因而，根据该实施方式，可以提供一种能准确地控制流体的流量而且能谋求小型化的水轮机式流量控制装置。在该实施方式中，可以将发电机306的转矩也加以利用来进行流量的微调，因此能更高精度地控制冷热水的流量。

此外，在本实施方式中，发电机306所发出的电力积蓄至蓄电部311，作为蓄电电力被送至电源部309，在水轮机式流量控制装置3A内的各部中加以使用。由此，在控制实际流量时，以往以热的形式被舍弃的能量的一部分以电能形式被回收，在水轮机式流量控制装置3A中得到再利用。此外，在本实施方式中，在蓄电部311中积蓄的蓄电电力有剩的情况下，将该剩下的电力作为剩余电力再生到市电中，因此水轮机式流量控制装置3A内的剩余电力也得到有效利用。例如，只要将剩余电力供给至传感器或控制器等其他装置，便能综合地对节能做出贡献。

此外，根据本实施方式，可以通过由佛朗西斯水轮机308和发电机306构成的“发电装置”来实现流量控制和发电两种功能，因此能以现行的流量控制阀的尺寸来构成水轮机式流量控制装置，从而能将原有的流量控制阀替换为水轮机式流量控制装置来谋求节能。

此外，在本实施方式中，根据佛朗西斯水轮机308的当前角速度值ω、发电机306的当前转矩值T以及佛朗西斯水轮机308的水轮机开度M来推断在管路中流动的冷热水的实际流量，以该推断的实际流量与流量设定值Qsp一致的方式控制水轮机开度以及发电机306的转矩，因此可以排除昂贵的压力传感器、流量传感器等传感器类，从而能抑制成本上升。

(旋转-正交转换机构的变形例)

旋转-正交转换机构可以像图9～图11所示那样构成。在这些图中，对与通过图1～图8说明过的相同或同等的构件标注同一符号并酌情省略详细说明。

图9所示的旋转-正交转换机构41的马达313由中空马达构成，同轴地配置在滚珠丝杠花键轴9的上端部。在马达313下方以被马达313驱动的方式设置有滚珠丝杠螺帽31。

图10所示的旋转-正交转换机构42中，发电机306经由正交转换式磁齿轮机构43连结到转轮12的转轴11。正交转换式磁齿轮机构43由与转轴11一体地旋转的驱动侧磁齿轮44和设置在与转轴11正交的从动轴45上的从动侧磁齿轮46构成。从动轴45上同轴地设置有发电机306。驱动侧磁齿轮44的旋转通过磁力传递至从动侧磁齿轮46，并经由从动轴45传递至发电机306。

在转轴11的上端部经由传递轴线方向的位移而不传递旋转的联轴节47而连结有线性执行器48。线性执行器48沿轴线方向驱动联轴节47。线性执行器48经由联轴节47来推拉转轴11，由此使得水轮机开度发生变化。此时，驱动侧磁齿轮44只是相对于从动侧磁齿轮46而以不接触的方式改变上下方向的位置，以磁力传递旋转的功能得到维持。

图11所示的旋转-正交转换机构51在转轮12的转轴11上经由平行转换式磁齿轮机构52而连结有发电机306。平行转换式磁齿轮机构52由与转轴11一体地旋转的驱动侧磁齿轮53和设置在与转轴11平行的从动轴54上的从动侧磁齿轮55构成。在从动轴54的上端部同轴地设置有发电机306。驱动侧磁齿轮53的旋转通过磁力传递至从动侧磁齿轮55，并经由从动轴54传递至发电机306。

与图10所示的例子一样，在转轴11的上端部经由传递轴线方向的位移而不传递旋转的联轴节47而连结有线性执行器48。

在转轴11被线性执行器48驱动而沿轴线方向移动时，驱动侧磁齿轮53只是相对于从动侧磁齿轮55而以不接触的方式改变上下方向的位置，以磁力传递旋转的功能得到维持。

〔水轮机式流量控制装置：实施方式2〕

在实施方式1的水轮机式流量控制装置3A中，是通过有线与控制器4之间连接，但也能够通过无线与控制器4之间连接。图12中以实施方式2的形式展示通过无线与控制器4之间连接的水轮机式流量控制装置3(3B)的要部的构成。

图12中，与图2相同的符号表示与参考图2说明过的构成要素相同或同等的构成要素，其说明从略。在该水轮机式流量控制装置3B中，设置无线数据通信部315代替数据通信部301，通过天线316而以无线方式进行与控制器4之间的数据的收发。

〔水轮机式流量控制装置：实施方式3〕

在实施方式1的水轮机式流量控制装置3A中，是通过有线与外部电源5之间连接，但也能够通过无线与外部电源5之间连接。图13中以实施方式3的形式展示通过无线与外部电源5之间连接的水轮机式流量控制装置3(3C)的要部的构成。

图13中，与图2相同的符号表示与参考图2说明过的构成要素相同或同等的构成要素，其说明从略。在该水轮机式流量控制装置3C中，设置无线送电受电部317代替市电再生部310，通过天线318而以无线方式接收来自外部电源5的电力而送至电源部309，而且通过天线318而以无线方式将来自电源部309的剩余电力再生到市电(该例中为外部电源5)中。再者，在该实施方式3的水轮机式流量控制装置3C中，在满足下述条件(1)或条件(2)的情况下，也可为4-20mA输入或0-10V输入等模拟输入而不是数据通信。

条件(1)：来自控制器4的指令仅为设定流量Qsp。

条件(2)：没有从水轮机式流量控制装置3传输至控制器4的数据。

〔水轮机式流量控制装置：实施方式4〕

在实施方式1的水轮机式流量控制装置3A中，都是通过有线与控制器4之间以及与外部电源5之间连接，但也可都通过无线与控制器4之间以及与外部电源5之间连接。图14中以实施方式4的形式展示都通过无线与控制器4之间以及与外部电源5之间连接的水轮机式流量控制装置3(3D)的要部的构成。

图14中，与图2相同的符号表示与参考图2说明过的构成要素相同或同等的构成要素，其说明从略。在该水轮机式流量控制装置3D中，设置无线数据通信部315代替数据通信部301，通过天线319而以无线方式进行与控制器4之间的数据的收发。此外，设置无线送电受电部317代替市电再生部310，通过天线319而以无线方式接收来自外部电源5的电力而送至电源部309，而且通过天线319而以无线方式将来自电源部309的剩余电力再生到市电(该例中为外部电源5)中。

在该水轮机式流量控制装置3D中，都通过无线与控制器4之间以及与外部电源5之间连接，因此可以将去往水轮机式流量控制装置3D的线路全部取消。由此，可以期待线路材料的取消、对施工性/维护性提高的贡献、与线路数量相应的工时的取消、恶劣环境下的作业工时的减少、原有建筑物的追加仪器装设上的作业工时的减少等无线化带来的、对环境负荷减少的贡献。

再者，可以通过无线与外部电源5之间连接是基于如下情况：将水轮机式流量控制装置3D设为使用来自外部电源5的电力和发电机306所发出的电力的混合型，由此，来自外部电源5的电力的供给量可较少。

在以往的流量控制阀(使用阀芯的阀门)中，考虑通过使用电池来完全无线化，但无法实现基于电池的、流量控制阀的长时间驱动，因此判断此事困难。即，必须解决控制电路、通信电路的低耗电化、通信频次的低周期化、电池的高密度电力化等各种问题，导致以往的流量控制阀难以完全无线化。

相对于此，在本实施方式中，通过设为来自外部的电力与内部发出的电力的混合型，能够实现以往认为困难的流量控制阀的完全无线化，可以说是前所未有的、划时代的装置。在本发明中，由于不使用阀芯，因此称为水轮机式流量控制装置而不是流量控制阀。此外，在本发明中，只要能借助内部发出的电力来维持自身的全部运转，便能取消来自外部的对水轮机式流量控制装置的电力供给而实现完全无线化。

再者，上述实施方式以用于空调控制系统的例子的形式进行了说明，但当然不限于空调控制系统，可以运用于各种流量控制的应用。此外，本发明的水轮机式流量控制装置3可以运用于一般工业设备，也可以扩大运用于对工厂的供排水基础设施中的大型阀的替换等。

上述实施方式中使用的佛朗西斯水轮机308构成为随着转轮12下降而水轮机开度减小。但本发明的佛朗西斯水轮机308不受这样的限定，可以构成为随着转轮12上升而水轮机开度减小。此外，使用佛朗西斯水轮机308时的姿态不限定于转轮12沿上下方向移动的姿态，也可为转轮12沿水平方向移动这样的姿态。

在上述实施方式中，展示了使用通过凸缘20、23安装在管道的直线部分的佛朗西斯水轮机308的例子。而在连接佛朗西斯水轮机308的管道为所谓的角度型而呈直角弯曲的情况下，以从吸入管18朝正下方延伸的方式形成出口管19，由此能安装在角度型管道上。在该情况下，佛朗西斯水轮机308的发电效率达到最大。

如此，通过改变出口管19的形状，可以改变流体出口的指向方向，从而能将管道的延伸方向设为任意方向，所以管道的自由度提高。

进而，本发明的水轮机式流量控制装置3可以通过利用自己发出的电力进行动作来实现完全无线化，因此在没有电源的场所也能使用。因此，例如在从农用水渠向田地供水的管路上也能设置本发明的水轮机式流量控制装置。在该情况下，可以通过远程操作来控制去往田地的水的供给量。

在上述实施方式中，对控制空调用冷热水的流量的水轮机式流量控制装置进行了说明。但控制流量的流体并不限于冷热水等液体，也可为煤气等气体。

〔实施方式的扩展〕

以上，参考实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式。可以在本发明的技术思想的范围内对本发明的构成和详情进行本领域技术人员能够理解的各种变更。

符号说明

3(3A～3D)…水轮机式流量控制装置，12…转轮，12a…叶片，13…壳构件，14…流入口，15…入口管，18…吸入管，19…出口管，19b…排出口，22…流体出口，24…转轮主体，25…圆筒体，303…流量控制部，306…发电机，308…佛朗西斯水轮机，309…电源部，311…蓄电部，313…马达，314、41、42、51…旋转-正交转换机构，315…无线数据通信部。

Claims (9)

1.一种水轮机式流量控制装置，其特征在于，具备：

转轮，其构成佛朗西斯水轮机的水轮机部分；

旋转-正交转换机构，其旋转自如地支承所述转轮并使其沿轴线方向移动；以及

壳构件，其使流体从外周侧以涡流形式流入至所述转轮内部，

所述转轮相对于所述壳构件而沿所述轴线方向移动，由此来进行流量的调整。

2.根据权利要求1所述的水轮机式流量控制装置，其特征在于，

所述转轮具有：转轮主体，其具有叶片；以及圆筒体，其从所述转轮主体朝所述轴线方向中的一方突出，

所述壳构件具有如下流体出口：在所述转轮被所述旋转-正交转换机构驱动而移动到所述轴线方向中的所述一方的状态下，该流体出口与所述转轮主体的外周部相对，

所述圆筒体形成为能够通过所述转轮朝所述轴线方向中的另一方移动来闭塞所述流体出口，

所述转轮在所述流体出口的整个区域与所述转轮主体的外周部相对的全开位置与所述流体出口被所述圆筒体堵住的全闭位置之间移动。

3.根据权利要求1或2所述的水轮机式流量控制装置，其特征在于，

所述壳构件具备：

入口管，其供流体流入；

吸入管，其使从所述转轮流出的流体通过；以及

出口管，其连接于所述吸入管的下游侧端部，由弯曲管构成，

所述出口管的下游端的排出口形成为中心线与所述入口管的流入口一致。

4.根据权利要求1或2所述的水轮机式流量控制装置，其特征在于，

所述旋转-正交转换机构具备：

马达，其成为沿所述轴线方向驱动所述转轮时的动力源；

流量控制部，其控制所述马达的动作；以及

发电机，其通过所述转轮的旋转来发电，

通过所述发电机发出的电力被供给至所述马达及所述流量控制部来进行所述流量的调整。

5.根据权利要求3所述的水轮机式流量控制装置，其特征在于，

所述旋转-正交转换机构具备：

马达，其成为沿所述轴线方向驱动所述转轮时的动力源；

流量控制部，其控制所述马达的动作；以及

发电机，其通过所述转轮的旋转来发电，

通过所述发电机发出的电力被供给至所述马达及所述流量控制部来进行所述流量的调整。

6.根据权利要求4所述的水轮机式流量控制装置，其特征在于，进而具备：

蓄电部，其将所述发电机所发出的电力以蓄电电力的形式加以积蓄；以及

电源部，其将所述蓄电部中积蓄的蓄电电力供给至所述马达及所述流量控制部。

7.根据权利要求5所述的水轮机式流量控制装置，其特征在于，进而具备：

蓄电部，其将所述发电机所发出的电力以蓄电电力的形式加以积蓄；以及

电源部，其将所述蓄电部中积蓄的蓄电电力供给至所述马达及所述流量控制部。

8.根据权利要求6所述的水轮机式流量控制装置，其特征在于，

进而具备数据通信部，所述数据通信部接收包含目标流量的来自外部的数据，

所述数据通信部通过无线来接收所述来自外部的数据，

所述电源部构成为：在所述蓄电部中积蓄的蓄电电力不足的情况下，将与从外部电源供给的电力合并而成的电力供给至所述马达及所述流量控制部，在所述蓄电电力有剩的情况下，将该剩下的电力作为剩余电力再生到市电中，

分别通过无线来进行来自外部电源的电力的供给和所述剩余电力向市电的再生。

9.根据权利要求7所述的水轮机式流量控制装置，其特征在于，

进而具备数据通信部，所述数据通信部接收包含目标流量的来自外部的数据，

所述数据通信部通过无线来接收所述来自外部的数据，

所述电源部构成为：在所述蓄电部中积蓄的蓄电电力不足的情况下，将与从外部电源供给的电力合并而成的电力供给至所述马达及所述流量控制部，在所述蓄电电力有剩的情况下，将该剩下的电力作为剩余电力再生到市电中，

分别通过无线来进行来自外部电源的电力的供给和所述剩余电力向市电的再生。

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