JP2016194257A - タービン式流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弁体を用いずに、実流量を制御するようにして、省電力化を図る。エネルギーの再利用を図る。タービンの磁極位置を検出する位置センサが故障、もしくは検出精度が劣化した場合でも、継続して発電部のトルクを適切に制御できるようにする。【解決手段】回転子６と固定子７とからなる発電部３０６を設ける。回転子６は永久磁石を組み込んだリング６−１と羽根車６−２とから構成されている。回転子６をタービン３０８とする。タービン３０８の現在の角速度と発電部３０６の現在のトルクとから実流量を推定し、推定される実流量が設定流量に一致するような発電部３０６のトルクを演算し、演算したトルクおよびタービン３０８の磁極位置に基づいて発電部３０６のトルクを制御する。タービン３０８の磁極位置には位置センサによって検出される測定値を使用するが、位置センサの信頼性が無いと判定された場合には、推定値を使用する。【選択図】 図３

Description

この発明は、タービンを用いて流体の流量を制御するタービン式流量制御装置に関するものである。

従来より、空調制御システムでは、ファンコイルユニット（ＦＣＵ）などの空調機を備え、この空調機の熱交換器へ冷温水を供給するようにしている。空調機の熱交換器への冷温水の供給通路には流量制御バルブが設けられており、この流量制御バルブの開度を制御する装置として空調制御装置（コントローラ）が設けられている。

空調制御装置は、空調機からの調和空気の供給を受ける制御対象空間の室内温度の計測値とこの室内温度に対して設定される室内温度の設定値との偏差を零とするように、流量制御バルブの開度を制御する。これにより、空調機の熱交換器への冷温水の供給量が制御され、空調機からの制御対象空間への調和空気の温度が調節される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−４５８５５号公報 特開２０１２−２４１６５９号公報 特開平５−１０６７５３号公報

しかしながら、上述した空調制御システムにおいて、冷温水の供給通路に設けられた流量制御バルブは、流路内に弁体として設けられたプラグの開口面積を変化させ、圧力損失を生じさせることで流量制御を実現しており、この時に発生する圧力損失に相当するエネルギーが熱として無駄に捨てられていた。また、弁体を駆動するために、大電力を必要とするという問題もあった。

なお、特許文献２には、配水管路の水道水を減圧しながら発電する水道施設の残圧利用発電装置が示されている。この水道施設の残圧利用発電装置では、水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗によって水車の下流側を減圧するようにしている。

この特許文献２には、実施の形態２として、水車の流量を目標流量とするように、発電機のトルクを制御するようにした技術が示されている。以下、この技術を特許文献２の技術と呼ぶ。

具体的には、水車の角速度を検出し、この水車の角速度とトルク指令値とから水車の推定流量を算出し、この推定流量から減圧量を推定し、この推定減圧量から目標流量を実現するためのトルク指令値を算出し、推定流量と目標流量との差分をとり、流量のフィードバック項をトルク指令値に追加し、目標角速度と角速度との差分をとり、角速度のフィードバック項をトルク指令値に追加し、この流量および角速度のフィードバック項が追加されたトルク指令値をインバータに出力するようにしている（引用文献２の段落〔００４３〕〜〔００４９〕、図７、図８などの記載参照）。

この特許文献２の技術において、目標流量は目標減圧量（水車の上流側と下流側との圧力差）に相当する目標値であり、目標減圧量と同様、水道施設に応じて定められる所定値とされる。

すなわち、特許文献２の技術において、目標流量の値は一定値であり、変動しないことを前提としており、この変動しない値として定められる目標流量に推定流量が一致するように、発電機のトルクを制御する。すなわち、特許文献２には、目標流量の値を変えて、実流量を制御しようという考えはなく、水道施設の残圧を利用して電気エネルギーを取り出そうとしているに過ぎない。

また、特許文献３には、バルブの弁箱内に配置されて弁体開成時の流体エネルギーによって回転させられる回転子およびこの回転子の回転によって発電する発電機を備えた発電装置と、この発電装置で発生した電力を蓄える蓄電装置と、この蓄電装置の出力電圧によって起動する電動機と、この電動機の回転出力を弁棒に伝達する動力伝達機構とを具備し、蓄電装置と電動機とを電気的に接続する電路に電動機の正逆回転および停止を選択して実行させる開閉装置を設けた発電装置内蔵バルブが示されている。

この特許文献３に示された発電装置内蔵バルブは、内部に、回転子と発電機とからなる「発電装置」と流体の流通及び遮断を制御する「弁装置」とが離間して設けられているため、構成部品が多く、また、流体の流れ方向に大型化する。また、この引用文献３にも、目標流量の値を変えて、実流量を制御しようという考えはなく、弁体の開弁時に発生する流体エネルギーを利用して、弁体を自動的に開閉させ、エネルギーロスを低減しようとしているに過ぎない。なお、発電電力を用いて弁体を自動的に開閉させるようにしているが、弁体を用いているので、大電力を必要とする。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、弁体を用いずに、実流量を制御するようにして、省電力化を図ることが可能なタービン式流量制御装置を提供することにある。
また、実流量を制御する際に、熱として捨てられていたエネルギーの一部を電気エネルギーとして回収するようにして、エネルギーの再利用を図り、省エネルギーに貢献することが可能なタービン式流量制御装置を提供することにある。
また、タービンの磁極位置（タービンに組み込まれた磁石の磁極の位置）を検出する位置センサが故障、もしくは検出精度が劣化した場合でも、継続して発電部のトルクを適切に制御することが可能なタービン式流量制御装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明のタービン式流量制御装置は、流路を流れる流体のエネルギーを回転運動エネルギーに変換するタービンと、タービンが変換した回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部と、流体の供給先の負荷変動によりその値が変化する設定流量を入力する設定流量入力部と、タービンの現在の角速度と発電部の現在のトルクとから流路を流れている流体の実流量を推定し、この推定される実流量が設定流量に一致するような発電部のトルクを演算する流量制御部と、タービンに組み込まれた磁石の磁極の位置をタービンの磁極位置として検出する位置センサと、タービンに組み込まれた磁石の磁極の位置をタービンの磁極位置として推定する磁極位置推定部と、位置センサが検出したタービンの磁極位置および磁極位置推定部が推定したタービンの磁極位置の何れか一方を選択する磁極位置選択部と、流量制御部が演算したトルクおよび磁極位置選択部が選択したタービンの磁極位置に基づいて発電部のトルクを制御する発電部制御部とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、流体の供給先の負荷変動により設定流量が変化すると、タービンの現在の角速度と発電部の現在のトルクとから流路を流れている流体の実流量が推定され、この推定された実流量が設定流量に一致するように発電部のトルクが制御される。これにより、本発明では、弁体ではなく、発電部のトルク、すなわちタービンの回転トルクによって、流路を流れる流体の流量が制御される。

また、本発明では、発電部のトルクを制御する際、流量制御部が演算したトルクとタービンの磁極位置が用いられる。この場合、磁極位置選択部によって選択されたタービンの磁極位置、すなわち位置センサが検出したタービンの磁極位置および磁極位置推定部が推定したタービンの磁極位置の何れか一方が用いられる。

例えば、磁極位置選択部は、位置センサが検出したタービンの磁極位置の信頼性の有無を判定し、信頼性が有ると判定した場合には、位置センサが検出したタービンの磁極位置を選択し、信頼性が無いと判定した場合には、磁極位置推定部が推定したタービンの磁極位置を選択する。

このようにすると、位置センサが検出したタービンの磁極位置の信頼性が無くなると、位置センサが検出したタービンの磁極位置に代えて磁極位置推定部が推定したタービンの磁極位置が用いられるようになり、タービンの磁極位置を検出する位置センサが故障、もしくは検出精度が劣化した場合でも、継続して発電部のトルクを適切に制御することが可能となる。

なお、発電部の稼働時間が所定時間を超えた場合や累積回転数が所定回転数を超えた場合などに、位置センサが検出したタービンの磁極位置に代えて磁極位置推定部が推定したタービンの磁極位置を選択し、発電部制御部で使用するようにしてもよい。

本発明によれば、流路を流れる流体のエネルギーを回転運動エネルギーに変換するタービンと、タービンが変換した回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部とを設け、流体の供給先の負荷変動によりその値が変化する設定流量を入力とし、タービンの現在の角速度と発電部の現在のトルクとから流路を流れている流体の実流量を推定し、この推定される実流量が設定流量に一致するように発電部のトルクを制御するようにしたので、弁体を用いずに、実流量を制御するようにして、省電力化を図ることが可能となる。
また、実流量を制御する際に、熱として捨てられていたエネルギーの一部を電気エネルギーとして回収するようにして、エネルギーの再利用を図り、省エネルギーに貢献することも可能となる。
また、タービンと発電部とからなる「発電装置」で流量制御と発電の両機能を実現することができ、構成部品が少なく、小型化を実現することができるようになる。

また、本発明によれば、タービンの磁極位置を検出する位置センサと、タービンの磁極位置を推定する磁極位置推定部と、位置センサが検出したタービンの磁極位置および磁極位置推定部が推定したタービンの磁極位置の何れか一方を選択する磁極位置選択部とを設け、流量制御部が演算したトルクおよび磁極位置選択部が選択したタービンの磁極位置に基づいて発電部のトルクを制御するようにしたので、例えば、位置センサが検出したタービンの磁極位置の信頼性の有無を判定し、信頼性が有ると判定した場合には位置センサが検出したタービンの磁極位置を選択し、信頼性が無いと判定した場合には磁極位置推定部が推定したタービンの磁極位置を選択するなどして、タービンの磁極位置を検出する位置センサが故障、もしくは検出精度が劣化した場合でも、継続して発電部のトルクを適切に制御することが可能となる。

本発明に係るタービン式流量制御装置を用いた空調制御システムの一実施の形態を示す計装図である。 この空調制御システムに用いたタービン式流量制御装置の第１の実施の形態（実施の形態１）の要部の構成図である。 このタービン式流量制御装置における発電部の要部を抜き出して示した斜視図である。 このタービン式流量制御装置の管路に設けられた回転子を示す斜視図である。 このタービン式流量制御装置における流量制御部と発電部制御部とインバータと磁極位置推定部と磁極位置選択部とが連携して行う特有の処理動作を示すフローチャートである。 図５に続くフローチャートである。 図６に続くフローチャートである。 位置センサが検出したタービンの磁極位置の信頼性の有無（位置センサの正常／異常）の判定処理の具体例を説明するためのタイムチャートである。 位置センサが検出したタービンの磁極位置の信頼性の有無（位置センサの正常／異常）の判定処理の具体例を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２のタービン式流量制御装置の要部の構成図である。 実施の形態３のタービン式流量制御装置の要部の構成図である。 実施の形態４のタービン式流量制御装置の要部の構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係るタービン式流量制御装置を用いた空調制御システムの一実施の形態を示す計装図である。

図１において、１は制御対象空間、２はこの制御対象空間１へ調和された空気を供給する空調機（ＦＣＵ）、３は本発明に係るタービン式流量制御装置、４は空調制御装置（コントローラ）、５はタービン式流量制御装置３に対して設けられた外部電源である。

空調機２は熱交換器（冷温水コイル）２−１とファン２−２とを備えている。タービン式流量制御装置３は空調機２の熱交換器２−１への冷温水の供給通路（流路）に設けられている。この例において、タービン式流量制御装置３は、空調機２の熱交換器２−１への冷温水の往水管路ＬＳに設けられている。

なお、空調機２の熱交換器２−１としては、１つのコイルで冷房時は冷水として熱交換し、暖房時は温水として熱交換するシングルコイルタイプのものと、２つのコイルで冷房時は冷水コイルにて熱交換し、暖房時は温水コイルにて熱交換するダブルコイルのタイプのものとがある。この例において、熱交換器２−１はシングルコイルタイプであるものとする。

制御対象空間１には、この制御対象空間１内の温度を室内温度として計測する室内温度センサ８が設けられている。室内温度センサ８によって計測された室内温度（室内温度の計測値ｔｐｖ）はコントローラ４へ送られる。

コントローラ４は、室内温度の計測値ｔｐｖと室内温度の設定値ｔｓｐとの偏差を零とする制御出力として空調機２の熱交換器２−１への冷温水の設定流量Ｑｓｐを演算し、この演算した設定流量Ｑｓｐをタービン式流量制御装置３に送る。

〔タービン式流量制御装置：実施の形態１〕
図２にタービン式流量制御装置３の第１の実施の形態（実施の形態１）の要部の構成図を示す。この実施の形態１のタービン式流量制御装置３（３Ａ）は、データ通信部３０１と、システム制御部３０２と、流量制御部３０３と、発電部制御部３０４と、インバータ３０５と、発電部３０６と、位置センサ３０７と、タービン３０８と、電源部３０９と、商用電源回生部３１０と、蓄電部３１１と、温度センサ３１７と、磁極位置推定部３１８と、磁極位置選択部３１９とを備えており、コントローラ４との間および外部電源５との間は有線で接続されている。

データ通信部３０１は、コントローラ４とデータの送受信を行う機能を有し、コントローラ４からの設定値などのデータを受信し、タービン式流量制御装置３の内部状態などのデータをコントローラ４へ送信する。

システム制御部３０２は、タービン式流量制御装置３のシステム全体を制御する機能を有し、データ通信部３０１からの設定値などの受信データを入力し、タービン式流量制御装置３の内部状態などの送信データをデータ通信部３０１へ出力する。また、データ通信部３０１からの設定値などの受信データから設定流量Ｑｓｐを流量設定値として取り出し、この取り出した流量設定値Ｑｓｐを流量制御部３０３へ出力する。

流量制御部３０３は、発電部制御部３０４からの角速度値（タービン３０８の現在の角速度）ωおよびトルク値（発電部３０６の現在のトルク）Ｔとから無次元流量および無次元差圧を推定する機能、推定した無次元流量および無次元差圧から実流量Ｑおよび実差圧ΔＰを推定する機能、推定した実流量Ｑが流量設定値Ｑｓｐに一致するような発電部３０６のトルクを流量制御則によりトルク設定値Ｔｓｐとして演算する機能を有し、システム制御部３０２からの流量設定値Ｑｓｐ、発電部制御部３０４からの角速度値ωおよびトルク値Ｔを入力し、演算したトルク設定値Ｔｓｐを発電部制御部３０４へ出力する。

発電部制御部３０４は、発電部３０６のトルクがトルク設定値Ｔｓｐとなるようにベクトル制御則によりインバータ３０５への相電圧設定値を演算する機能、磁極位置選択部３１９が選択したタービン３０８の磁極位置（後述）からタービン３０８の現在の角速度を角速度値ωとして演算する機能、インバータ３０５からの発電部３０６の固定子巻線の現在の相電圧値および相電流値から発電部３０６の現在のトルクをトルク値Ｔとして演算する機能を有し、磁極位置選択部３１９が選択したタービン３０８の磁極位置、インバータ３０５からの相電圧値および相電流値、流量制御部３０３からのトルク設定値Ｔｓｐを入力し、演算した角速度値ωおよびトルク値Ｔを流量制御部３０３へ出力し、演算した相電圧設定値をインバータ３０５へ出力する。

インバータ３０５は、発電部制御部３０４からの相電圧設定値を入力し、発電部３０６の固定子巻線に相電圧設定値を相電圧として出力する機能、発電部３０６の固定子巻線の現在の相電圧値および相電流値を発電部制御部３０４および磁極位置推定部３１８へ出力する機能、発電部３０６で発電された電力を蓄電部３１１に回生する機能を有し、電源部３０９からの主電源を受けて動作する。

発電部３０６は、図３にその要部を抜き出して示すように、回転子６と固定子７とを備えている。回転子６は、永久磁石を組み込んだリング６−１と、このリング６−１の内側に一体的に設けられた羽根車６−２とから構成されている。回転子６は、管路中にその軸心を管路の軸心と合わせて設けられており（図４参照）、管路を流れる冷温水の水流を受けて全体が回転する。すなわち、羽根車６−２と一体となって、リング６−１が回転する。図２では、便宜上、回転子６をタービン３０８とし、発電部３０６と分離して示している。

固定子７には、コイルが巻かれており、このコイルを固定子巻線として、タービン３０８の回転によって発電される電力が取り出される。なお、位置センサ３０７は、固定子７に取り付けられており、リング６−１に組み込まれた永久磁石の磁極の位置をタービン３０８の磁極位置として検出する。この例において、位置センサ３０７としては、インクリメンタルエンコーダが用いられている。

また、温度センサ３１７は、固定子７に巻かれているコイル（固定子巻線）の温度を検出し、この検出した固定子巻線の温度を巻線温度ＴＲとして磁極位置推定部３１８へ送る。磁極位置推定部３１８は、インバータ３０５からの発電部３０６の固定子巻線の現在の相電圧値および相電流値と温度センサ３１７からの発電部３０６の固定子巻線の現在の巻線温度ＴＲとに基づいて、リング６−１に組み込まれた永久磁石の磁極の位置をタービン３０８の磁極位置として推定する。

磁極位置選択部３１９は、位置センサ３０７が検出したタービン３０８の磁極位置および磁極位置推定部３１８が推定したタービン３０８の磁極位置の何れか一方を選択して、発電部制御部３０４へ送るタービン３０８の磁極位置とする。この実施の形態において、磁極位置選択部３１９は、位置センサ３０７が検出したタービン３０８の磁極位置の信頼性の有無を判定し、信頼性が有ると判定した場合には、位置センサ３０７が検出したタービン３０８の磁極位置を選択し、信頼性が無いと判定した場合には、磁極位置推定部３１８が推定したタービン３０８の磁極位置を選択する。

電源部３０９は、外部電源５からの電力と、蓄電部３１１に蓄積されている蓄電電力を入力とし、タービン式流量制御装置３Ａ内で使用される電力として分配する。この例では、インバータ３０５への電力を主電源とし、データ通信部３０１，システム制御部３０２，流量制御部３０３，発電部制御部３０４などへの電力を各制御部電源とする。

電源部３０９は、外部電源５からの電力と蓄電部３１１に蓄積されている蓄電電力とを合わせた電力を分配するが、蓄電部３１１に蓄積されている蓄電電力を優先的に分配する。ここで、蓄電部３１１に蓄積されている蓄電電力で不足が生じる場合には、外部電源５から供給される電力と合わせた電力を分配し、蓄電部３１１に蓄積されている蓄電電力が余る場合には、その余った電力を余剰電力として商用電源回生部３１０を介して商用電源（この例では、外部電源５）に回生する。

このタービン式流量制御装置３Ａにおいて、データ通信部３０１、システム制御部３０２、流量制御部３０３、発電部制御部３０４、インバータ３０５、磁極位置推定部３１８、磁極位置選択部３１９、電源部３０９、商用電源回生部３１０などの各部の機能は、プロセッサ、記憶装置、デジタル入出力回路、アナログ入出力回路、パワーエレクトロニクス回路などからなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。また、このタービン式流量制御装置３Ａでは、データ通信部３０１とシステム制御部３０２とで設定流量入力部３００が構成されている。

次に、このタービン式流量制御装置３Ａにおける特徴的な動作について説明する。コントローラ４からの冷温水の設定流量Ｑｓｐが変化すると、すなわち冷温水の供給先の負荷変動によって冷温水の設定流量Ｑｓｐが変化すると、タービン式流量制御装置３Ａは、この変化した設定流量Ｑｓｐをデータ通信部３０１で受信し、データ通信部３０１はその受信した設定流量Ｑｓｐをシステム制御部３０２へ送る。

システム制御部３０２は、設定流量Ｑｓｐを流量設定値Ｑｓｐとして取り出し、流量制御部３０３へ送る。流量制御部３０３は、発電部制御部３０４からの角速度値（タービン３０８の現在の角速度）ωおよびトルク値（発電部３０６の現在のトルク）Ｔとから無次元流量および無次元差圧を推定し、この推定した無次元流量および無次元差圧から実流量Ｑおよび実差圧ΔＰを推定する。そして、推定した実流量Ｑが流量設定値Ｑｓｐに一致するようなトルク設定値Ｔｓｐを演算し、発電部制御部３０４へ送る。

発電部制御部３０４は、流量制御部３０３からのトルク設定値Ｔｓｐを受けて、発電部３０６のトルクがトルク設定値Ｔｓｐとなるような相電圧設定値を演算し、インバータ３０５へ送る。インバータ３０５は、発電部制御部３０４からの相電圧設定値を受けて、発電部３０６の固定子巻線に相電圧設定値を相電圧として出力するとともに、発電部３０６の固定子巻線の現在の相電圧値および相電流値を発電部制御部３０４および磁極位置推定部３１８へ出力する。

磁極位置推定部３１８は、発電部３０６の固定子巻線の現在の相電圧値および相電流値と発電部３０６の固定子巻線の現在の巻線温度ＴＲとに基づいてタービン３０８の磁極位置を推定し、その推定したタービン３０８の磁極位置（磁極位置の推定値）を磁極位置選択部３１９へ出力する。磁極位置選択部３１９には、磁極位置推定部３１８からのタービン３０８の磁極位置の推定値と、位置センサ３０７によって検出されるタービン３０８の磁極位置（磁極位置の測定値）が入力される。

図５〜図７に流量制御部３０３と発電部制御部３０４とインバータ３０５と磁極位置推定部３１８と磁極位置選択部３１９とが連携して行う本実施の形態特有の処理動作のフローチャートを示す。この処理動作は、タービン式流量制御装置３Ａにおけるプロセッサ（ＣＰＵ（Central Processing Unit））が行う。

〔磁極位置の測定値を選択しての流量制御（トルク制御）〕
先ず、ＣＰＵは、タービン３０８をアイドリング機械角速度ωａｒで強制的に回転させる（図５：ステップＳ１０１）。そして、位置センサ（インクリメンタルエンコーダ）３０７から出力されるＺ信号を検出したら、位置センサ３０７のカウント値をリセットし、原点合わせを完了とする（ステップＳ１０２）。

そして、ＣＰＵは、流量制御のためのトルク制御に移行し（ステップＳ１０３）、流量制御部３０３が分担する流量制御則によるトルク設定値Ｔｓｐの演算および発電部制御部３０４が分担するベクトル制御則による相電圧設定値の演算を行い、その演算した相電圧設定値を相電圧として発電部３０６へ出力することによって、発電部３０６のトルクをトルク設定値Ｔｓｐに合わせ込み、管路を流れる冷温水の実流量Ｑを流量設定値Ｑｓｐに調整する。

ＣＰＵは、このステップＳ１０２，Ｓ１０３の処理を繰り返すが、すなわち流量制御のためのトルク制御を繰り返すが、この流量制御のためのトルク制御に際して使用するタービン３０８の磁極位置として磁極位置の測定値を用いる。すなわち、発電部制御部３０４で使用するタービン３０８の磁極位置として位置センサ３０７によって検出されるタービン３０８の磁極位置（磁極位置の測定値）を選択し、この選択したタービン３０８の磁極位置の測定値からタービン３０８の現在の角速度の演算を行い、この演算した角速度を流量制御部３０３で使用する角速度値ωとする。

また、ＣＰＵは、このタービン３０８の磁極位置の測定値を使用しての流量制御のためのトルク制御中、位置センサ３０７が正常であるか否かを監視する（ステップＳ１０４）。すなわち、位置センサ３０７が検出したタービン３０８の磁極位置の信頼性の有無を判定する。

〔位置センサが検出したタービンの磁極位置の信頼性の有無の判定〕
ＣＰＵは、例えば、図８（ｂ）に示すように、正弦波状に変化する相電圧値がゼロクロスするタイミングの今回値をＴzcとし、前回値をＴbkzcとし、タービン３０８の電気角速度ωpvuをωpvu＝π／（Ｔzc−Ｔbkzc）として求める（図９：ステップＳ２０１）。

また、図８（ａ）に示すように、相電圧値のゼロクロスするタイミングの今回値Ｔzcにおける位置センサ３０７からのパルス信号のカウント値をＣとし、前回値Ｔbkzcにおける位置センサ３０７からのパルス信号のカウント値をＣbkとし、この前回のカウント値Ｃから今回のカウント値Ｃまでの間に進んだタービン３０８の回転角θをθ＝２π・（Ｃ−Ｃbk）／ＣＴとして求め（ステップＳ２０２）、タービン３０８の機械角速度ω_Mをω_M＝θ／ΔＴとして求める（ステップＳ２０３）。

なお、θ＝２π・（Ｃ−Ｃbk）／ＣＴなる式において、ＣＴはタービン３０８が１回転する間にカウントされるべき位置センサ３０７からのパルス信号のカウント値、ω_M＝θ／ΔＴなる式において、ΔＴはΔＴ＝Ｔzc−Ｔbkzcとして求められる時間間隔を示す。

そして、ＣＰＵは、この求めたタービン３０８の機械角速度ω_Mに極対数Ｐを乗じて電気角速度ωe（ωe＝ω_M＊Ｐ）を求め（ステップＳ２０４）、ステップＳ２０１で求めた電気角速度ωpvuとステップＳ２０４で求めた電気角速度ωeとが一致しているか否かを確認する（ステップＳ２０５）。

ここで、ＣＰＵは、ωpvu＝ωeであれば、位置センサ３０７は正常、すなわち位置センサ３０７が検出したタービン３０８の磁極位置は信頼性が有ると判定する（ステップＳ２０６）。ωpvu≠ωeであれば、位置センサ３０７は異常、すなわち位置センサ３０７が検出したタービン３０８の磁極位置は信頼性が無いと判定する（ステップＳ２０７）。

ＣＰＵは、信頼性が有ると判定した場合には（図５：ステップＳ１０４のＹＥＳ）、ステップＳ１０２に戻り、磁極位置の測定値を使用しての流量制御のためのトルク制御を続ける。

これに対して、位置センサ３０７が検出したタービン３０８の磁極位置の信頼性が無いと判定した場合には（ステップＳ１０４のＮＯ）、磁極位置の測定値を使用しての流量制御のためのトルク制御を中断する（ステップＳ１０５）。すなわち、磁極位置の測定値を選択しての流量制御（トルク制御）を中断する。

〔磁極位置の推定値を選択しての流量制御（トルク制御）〕
ＣＰＵは、磁極位置の測定値を選択しての流量制御（トルク制御）を中断すると、磁極位置の推定値を選択しての流量制御（トルク制御）に移行する。

この磁極位置の推定値を選択しての流量制御（トルク制御）では、先ず、タービン３０８をアイドリング機械角速度ωaｒで強制的に回転させる（ステップＳ１０６）。そして、アイドリング時間Ｔａの経過後（ステップＳ１０７のＹＥＳ）、サンプリング時間Ｔｓが経過する毎に（図６：ステップＳ１０８のＹＥＳ）、以下に説明するステップＳ１０９〜Ｓ１１５の処理動作を繰り返す。

ＣＰＵは、発電部３０６の固定子巻線の現在のＵ相の相電圧値Ｖｕおよび相電流値Ｉｕを入力し（ステップＳ１０９）、発電部３０６の固定子巻線の現在の巻線温度ＴＲを入力する（ステップＳ１１０）。そして、発電部３０６の固定子巻線の巻線抵抗Ｒ（基準温度での巻線抵抗）を巻線温度ＴＲで温度補正し（ステップＳ１１１）、下記（１）式によってタービン３０８の磁極位置を推定する（ステップＳ１１２）。

すなわち、上記（１）式によって求められるθｅ（ｒａｄ）をタービン３０８の電気磁極位置推定値とする。なお、(１)式において、Ｌは発電部３０６の固定子巻線のインダウタンス（巻線インダクタンス）、Ｋｅは逆起電圧定数を示す。

そして、下記（２）式によって、タービン３０８の機械角速度を推定する（ステップＳ１１３）。すなわち、下記（２）式によって求められるωｒをタービン３０８の機械角速度推定値とする。なお、（２）式において、θbkｅ（ｒａｄ）は前回の電気磁極位置推定値であり、初期値は０とされている。

ＣＰＵは、このようにして機械角速度推定値ωｒを求めた後、この機械角速度推定値ωｒがアイドリング機械角速度ωaｒと等しいか否かをチェックする（ステップＳ１１４）。ここで、機械角速度推定値ωｒがアイドリング機械角速度ωaｒと等しくなければ（ステップＳ１１４のＮＯ）、ステップＳ１１２で求めた電気磁極位置推定値θｅを前回の電気磁極位置推定値θbkｅに置き換えて（ステップＳ１１５）、ステップＳ１０８へ戻り、ステップＳ１０８〜Ｓ１１５の処理動作を繰り返す。

このステップＳ１０８〜Ｓ１１５の処理動作の繰り返し中、機械角速度推定値ωｒがアイドリング機械角速度ωaｒと等しくなれば（ステップＳ１１４のＹＥＳ）、ＣＰＵは、タービン３０８の磁極位置の推定値を使用する準備が整ったと判断し、アイドリング機械角速度ωaｒでの強制駆動を解除し（ステップＳ１１６）、流量制御のためのトルク制御に移行する（図７：ステップＳ１１７）。

この流量制御のためのトルク制御において、ＣＰＵは、発電部３０６の固定子巻線の現在のＵ相の相電圧値Ｖｕ、相電流値ＩｕおよびＶ相の相電流値Ｉｖを入力し（ステップＳ１１８）、トルク設定値Ｔｓｐを入力し（ステップＳ１１９）、発電部３０６の固定子巻線の現在の巻線温度ＴＲを入力する（ステップＳ１２０）。

そして、発電部３０６の固定子巻線の巻線抵抗Ｒを巻線温度ＴＲで温度補正し（ステップＳ１２１）、下記（３）式によってタービン３０８の磁極位置を推定する（ステップＳ１２２）。

すなわち、ステップＳ１１２で使用した(１)式におけるωａｒをωｒに置き換えた上記（３）式を用いて、タービン３０８の電気磁極位置推定値θｅ（ｒａｄ）を求める。

また、下記（４）式によって、タービン３０８の機械角速度を推定する（ステップＳ１２３）。すなわち、（２）式と同じ下記（４）式を用いて、タービン３０８の機械角速度推定値ωｒを求める。

そして、ＣＰＵは、この求めた機械角速度推定値ωｒよりωｅ＝ωｒ／Ｐとしてタービン３０８の電気角速度推定値ωｅを求め（ステップＳ１２４）、ステップＳ１１８で入力したＩｕ，Ｉｖ、ステップＳ１２２，Ｓ１２４で得たθｅ，ωｅを使用して、ステップＳ１１９で入力したトルク設定値Ｔｓｐとなるようにベクトル制御則により発電部３０６の固定子巻線への相電圧を制御する（ステップＳ１２５）。

そして、ＣＰＵは、ステップＳ１２２で求めた電気磁極位置推定値θｅを前回の電気磁極位置推定値θbkｅに置き換えて（ステップＳ１２６）、サンプリング時間Ｔｓの経過を待ち（ステップＳ１２７）、サンプリング時間Ｔｓが経過する毎に（ステップＳ１２７のＹＥＳ）、上述したステップＳ１１８〜Ｓ１２６の処理動作（センサレスベクトル制御）を繰り返す。これにより、発電部３０６のトルクがトルク設定値Ｔｓｐに合わせ込まれ、管路を流れる冷温水の実流量が流量設定値Ｑｓｐに調整されるものとなる。

上述したステップＳ１０１〜Ｓ１２７の処理動作は、流量制御部３０３と発電部制御部３０４とインバータ３０５と磁極位置推定部３１８と磁極位置選択部３１９とが連携して行う処理動作として行われるが、ステップＳ１０４での位置センサ３０７の正常／異常（信頼性の有無）の判定を磁極位置選択部３１９が分担し、ステップＳ１０９〜Ｓ１１２やステップＳ１１８〜Ｓ１２２でのタービン３０８の磁極位置の推定を磁極位置推定部３１８が分担する。

このように、本実施の形態によれば、弁体ではなく、発電部３０６のトルク、すなわちタービン３０８の回転トルクによって、管路を流れる流体の流量が制御されるものとなる。このため、弁体を駆動する場合のような大電力を必要とせず、省電力化を図ることが可能となる。

また、本実施の形態において、発電部３０６で発電された電力は蓄電部３１１に蓄積され、蓄電電力として電源部３０９に送られ、タービン式流量制御装置３内の各部で使用される。これにより、実流量を制御する際に、熱として捨てられていたエネルギーの一部が電気エネルギーとして回収され、タービン式流量制御装置３Ａで再利用されるものとなる。

また、本実施の形態では、蓄電部３１１に蓄積されている蓄電電力が余る場合には、その余った電力を余剰電力として商用電源に回生するようにしているので、タービン式流量制御装置３Ａ内での余剰電力も有効利用されるものとなる。例えば、余剰電力をセンサやコントローラなど他の装置に供給するようにすれば、総合的に省エネルギーに貢献することができる。

また、本実施の形態によれば、タービン３０８と発電部３０６とからなる「発電装置」で流量制御と発電の両機能を実現することができるので、すなわち図３に示したタービン３０８（回転子６）と固定子７とからなる「発電装置」で流量制御と発電の両機能を実現することができるので、特許文献３に示されたような「弁装置」を無くし、構成部品を少なくして、小型化を実現することができる。これにより、現行の流量制御バルブのサイズでタービン式流量制御装置を構成することが可能となり、既設の流量制御バルブをタービン式流量制御装置に置き換えるようにして省エネルギーを図ることが可能となる。

また、本実施の形態では、タービン３０８の現在の角速度ωと発電部３０６の現在のトルク値Ｔとから管路を流れている冷温水の実流量を推定し、この推定される実流量が流量設定値Ｑｓｐに一致するように発電部３０６のトルクを制御するので、高価な圧力センサや流量センサなどのセンサ類を排除することが可能となり、コストアップを抑えることが可能となる。

また、本実施の形態では、発電部３０６のトルクを制御する際、流量制御部３０３が演算したトルクとタービン３０８の磁極位置が用いられる。この場合、磁極位置選択部３１９によって選択されたタービンの磁極位置、すなわち位置センサ３０７が検出したタービン３０８の磁極位置および磁極位置推定部３１８が推定したタービン３０８の磁極位置の何れか一方が用いられる。

この実施の形態において、磁極位置選択部３１９は、位置センサ３０７が検出したタービン３０８の磁極位置の信頼性の有無を判定し、信頼性が有ると判定した場合には、位置センサ３０７が検出したタービン３０８の磁極位置（磁極位置の測定値）を選択し、信頼性が無いと判定した場合には、磁極位置推定部３１８が推定したタービン３０８の磁極位置（磁極位置の推定値）を選択する。

これにより、位置センサ３０７が検出したタービン３０８の磁極位置の信頼性が無くなると、位置センサ３０７が検出したタービン３０８の磁極位置に代えて磁極位置推定部３１８が推定したタービン３０８の磁極位置が用いられるようになり、タービン３０８の磁極位置を検出する位置センサ３０７が故障、もしくは検出精度が劣化した場合でも、継続して発電部３０６のトルクを適切に制御することができるようになる。

〔タービン式流量制御装置：実施の形態２〕
実施の形態１のタービン式流量制御装置３Ａでは、コントローラ４との間を有線で接続するようにしたが、コントローラ４との間を無線で接続するようにしてもよい。図１０にコントローラ４との間を無線で接続するようにしたタービン式流量制御装置３（３Ｂ）の要部の構成を実施の形態２として示す。

図１０において、図２と同一符号は図２を参照して説明した構成要素と同一或いは同等の構成要素を示し、その説明は省略する。このタービン式流量制御装置３Ｂでは、データ通信部３０１に代えてワイヤレスデータ通信部３１２を設け、アンテナ３１３を通してコントローラ４との間のデータの送受信を無線で行うようにしている。

なお、このタービン式流量制御装置３Ｂでは、ワイヤレスデータ通信部３１２とシステム制御部３０２とで設定流量入力部３００が構成されている。

〔タービン式流量制御装置：実施の形態３〕
実施の形態１のタービン式流量制御装置３Ａでは、外部電源５との間を有線で接続するようにしたが、外部電源５との間を無線で接続するようにしてもよい。図１１に外部電源５との間を無線で接続するようにしたタービン式流量制御装置３（３Ｃ）の要部の構成を実施の形態３として示す。

図１１において、図２と同一符号は図２を参照して説明した構成要素と同一或いは同等の構成要素を示し、その説明は省略する。このタービン式流量制御装置３Ｃでは、商用電源回生部３１０に代えてワイヤレス送受電部３１４を設け、外部電源５からの電力をアンテナ３１５を通して無線で受けて電源部３０９へ送るようにすると共に、電源部３０９からの余剰電力をアンテナ３１５を通して無線で商用電源（この例では、外部電源５）に回生するようにしている。

〔タービン式流量制御装置：実施の形態４〕
実施の形態１のタービン式流量制御装置３Ａでは、コントローラ４との間および外部電源５との間をどちらも有線で接続するようにしたが、コントローラ４との間および外部電源５との間をどちらも無線で接続するようにしてもよい。図１２にコントローラ４との間および外部電源５との間をどちらも無線で接続するようにしたタービン式流量制御装置３（３Ｄ）の要部の構成を実施の形態４として示す。

図１２において、図２と同一符号は図２を参照して説明した構成要素と同一或いは同等の構成要素を示し、その説明は省略する。このタービン式流量制御装置３Ｄでは、データ通信部３０１に代えてワイヤレスデータ通信部３１２を設け、アンテナ３１６を通してコントローラ４との間のデータの送受信を無線で行うようにしている。また、商用電源回生部３１０に代えてワイヤレス送受電部３１４を設け、外部電源５からの電力をアンテナ３１６を通して無線で受けて電源部３０９へ送るようにすると共に、電源部３０９からの余剰電力をアンテナ３１６通して無線で商用電源（この例では、外部電源５）に回生するようにしている。

このタービン式流量制御装置３Ｄでは、コントローラ４との間および外部電源５との間をどちらも無線で接続するようにしているので、タービン式流量制御装置３Ｄへの配線を全てなくすことができている。これにより、配線材料の撤廃、施工性／メンテナンス性向上への貢献、配線個工数の撤廃、劣悪な環境での作業工数の低減、既設建物の追加計装での作業工数の低減など、ワイヤレス化による環境負荷低減への貢献が期待できる。

なお、外部電源５との間を無線で接続することができているのは、タービン式流量制御装置３Ｄを外部電源５からの電力と発電部３０６で発電された電力とを使用するハイブリッド型としたことにより、外部電源５からの電力の供給量が少なくて済むことによる。

従来の流量制御バルブ（弁体を使用したバルブ）において、バッテリーを用いることにより完全ワイヤレス化することが考えられるが、バッテリーでの流量制御バルブの長期間駆動が実現できないため困難と判断されていた。すなわち、制御回路、通信回路の低消費電力化、通信頻度の低周期化、バッテリーの高密度電力化など、様々な問題を解決しなければならず、従来の流量制御バルブでの完全ワイヤレス化は困難であった。

これに対して、本実施の形態では、外部からの電力と内部で発電された電力とのハイブリッド型とすることにより、今まで困難とされたいた流量制御バルブの完全ワイヤレス化を実現することができており、今までにない画期的な装置であると言える。本発明では、弁体を用いないので、流量制御バルブではなく、タービン式流量制御装置と呼んでいる。また、本発明において、内部で発電された電力で自身の稼働を全て賄うことができれば、タービン式流量制御装置への外部からの電力の供給を撤廃し、完全ワイヤレス化を実現することが可能となる。

なお、上述した実施の形態は、空調制御システムに用いた例として説明したが、空調制御システムに限られるものでないことは言うまでもなく、各種の流量制御のアプリケーションに適用でき、さらには一般産業機器までにも拡大して適用することができる。また、流量を制御する流体も冷温水などの液体に限られるものではなく、ガスなどの気体であっても構わない。

また、上述した実施の形態では、磁極位置選択部３１９において位置センサ３０７の正常／異常（信頼性の有無）を判定してタービン３０８の磁極位置の測定値と推定値との選択を行うようにしたが、発電部３０６の稼働時間が所定時間を超えた場合や累積回転数が所定回転数を超えた場合などに、位置センサ３０７が検出したタービン３０８の磁極位置（測定値）に代えて磁極位置推定部３１８が推定したタービン３０８の磁極位置（推定値）を選択し、発電部制御部３０４で使用するようにしてもよい。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…制御対象空間、２…空調機（ＦＣＵ）、３（３Ａ〜３Ｄ）…タービン式流量制御装置、４…空調制御装置（コントローラ）、ＬＳ…往水管路、６…回転子、６−１…リング、６−２…羽根車、７…固定子、３００…設定流量入力部、３０１…データ通信部、３０２…システム制御部、３０３…流量制御部、３０４…発電部制御部、３０５…インバータ、３０６…発電部、３０７…位置センサ、３０８…タービン、３０９…電源部、３１０…商用電源回生部、３１１…蓄電部、３１２…ワイヤレスデータ通信部、３１４…ワイヤレス送受電部、３１３，３１５，３１６…アンテナ、３１７…温度センサ、３１８…磁極位置推定部、３１９…磁極位置選択部。

Claims (4)

1. 流路を流れる流体のエネルギーを回転運動エネルギーに変換するタービンと、
   前記タービンが変換した回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部と、
   前記流体の供給先の負荷変動によりその値が変化する設定流量を入力する設定流量入力部と、
   前記タービンの現在の角速度と前記発電部の現在のトルクとから前記流路を流れている流体の実流量を推定し、この推定される実流量が前記設定流量に一致するような前記発電部のトルクを演算する流量制御部と、
   前記タービンに組み込まれた磁石の磁極の位置を前記タービンの磁極位置として検出する位置センサと、
   前記タービンに組み込まれた磁石の磁極の位置を前記タービンの磁極位置として推定する磁極位置推定部と、
   前記位置センサが検出したタービンの磁極位置および前記磁極位置推定部が推定したタービンの磁極位置の何れか一方を選択する磁極位置選択部と、
   前記流量制御部が演算したトルクおよび前記磁極位置選択部が選択したタービンの磁極位置に基づいて前記発電部のトルクを制御する発電部制御部と
   を備えることを特徴とするタービン式流量制御装置。
2. 請求項１に記載されたタービン式流量制御装置において、
   前記磁極位置推定部は、
   前記発電部の現在の相電圧値および相電流値と前記発電部の現在の巻線の温度とに基づいて前記タービンの磁極位置を推定する
   ことを特徴とするタービン式流量制御装置。
3. 請求項１に記載されたタービン式流量制御装置において、
   前記磁極位置選択部は、
   前記位置センサが検出したタービンの磁極位置の信頼性の有無を判定し、
   信頼性が有ると判定した場合には、前記位置センサが検出したタービンの磁極位置を選択し、
   信頼性が無いと判定した場合には、前記磁極位置推定部が推定したタービンの磁極位置を選択する
   ことを特徴とするタービン式流量制御装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載されたタービン式流量制御装置において、
   前記発電部制御部より相電圧設定値を入力して前記発電部へ相電圧を出力するとともに、前記発電部制御部と前記磁極位置推定部へそれぞれ前記発電部の現在の相電圧値および相電流値を出力するインバータ
   を備えることを特徴とするタービン式流量制御装置。