JP2022088982A - Water turbine-type flow rate control device - Google Patents

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Abstract

To provide a water turbine-type flow rate control device that can accurately control a flow rate of fluid and can be miniaturized.SOLUTION: A water turbine-type flow rate control device includes: a runner 12 constituting a water turbine part of a Francis turbine 308; a rotation-orthogonal conversion mechanism 314 for freely rotatably supporting and moving the runner 12 in an axial direction; and a casing member 13 for causing fluid to flow into the runner 12 as a swirl flow from an outer peripheral side. The runner 12 is moved in the axial direction relative to the casing member 13 to thereby adjust a flow rate.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、フランシス水車を用いて流体の流量を制御する水車式流量制御装置に関する。 The present invention relates to a water turbine type flow rate control device that controls a fluid flow rate using a Francis water turbine.

近年、次世代の流量制御装置として、環境負荷を低減できるともに、IOT化を推進させることが可能な流量制御装置が求められている。環境負荷の低減は、流量制御と同期して水力などの再生可能エネルギーを利用して自家発電を行うことにより実現可能である。IOT化を推進するためには、電源ラインと制御用の入出力ラインとを完全ワイヤレス化して流量制御装置の設置の自由度を向上させることが重要である。 In recent years, as a next-generation flow control device, there is a demand for a flow control device that can reduce the environmental load and promote the use of IOT. The reduction of the environmental load can be realized by performing private power generation using renewable energy such as hydropower in synchronization with the flow rate control. In order to promote IOT, it is important to make the power supply line and the input / output line for control completely wireless to improve the degree of freedom in installing the flow control device.

ところで、一般的な空調用バルブは、『(流体の)流量を制御する』ために用いられ、これを実現するために、流路内に設けたプラグの開口面積を変化させる構成が採られている。この種の空調用バルブにおいては、プラグの前後で圧力損失が生じ、そのエネルギーは熱として捨てられている。このため、そのエネルギーを回収することができれば、環境負荷低減につなげることができる。 By the way, a general air-conditioning valve is used to "control the flow rate (of a fluid)", and in order to realize this, a configuration is adopted in which the opening area of a plug provided in the flow path is changed. There is. In this type of air conditioning valve, pressure loss occurs before and after the plug, and the energy is wasted as heat. Therefore, if the energy can be recovered, it can lead to a reduction in the environmental load.

水力を利用して発電を行う装置としては、水力発電所において電力の発生(発電)に利用されるフランシス水車が知られている。フランシス水車は、内側に向かって流れる水を作用させる反動水車の一種である。従来の一般的なフランシス水車は、螺旋状に形成されたケーシングと、このケーシングと協働して水の旋回流を発生させ、水を受けて回転するランナーに対し接線方向に水を流入させるガイドベーンと、水の流れる方向を規制するステーベーンと、水車本体であるランナーと、ランナーから流出した水の出口となる吸出し管などによって構成されている。 As a device for generating electric power using hydraulic power, a Francis turbine used for generating electric power (power generation) in a hydroelectric power plant is known. The Francis turbine is a type of reaction turbine that acts on the water flowing inward. A conventional general Francis turbine has a spirally formed casing and a guide that works in cooperation with this casing to generate a swirling flow of water and allow water to flow tangentially to a runner that receives and rotates. It consists of a vane, a stay vane that regulates the direction of water flow, a runner that is the main body of the turbine, and a suction pipe that serves as an outlet for the water that flows out of the runner.

ガイドベーンは、複数の羽根を備え、使用水量に応じて効率的な運転を行うために、羽根の開度を調整することができるように構成されている。このガイドベーンは、複数の羽根を同期させて駆動する必要があり、また流量制御装置として水の流路を完全に締め切ることは困難なものである。 The guide vane is provided with a plurality of blades, and is configured so that the opening degree of the blades can be adjusted in order to perform efficient operation according to the amount of water used. This guide vane needs to be driven by synchronizing a plurality of blades, and it is difficult to completely shut off the water flow path as a flow control device.

水の流量を調整可能な従来のフランシス水車は、例えば特許文献1や特許文献2に記載されている。特許文献1には、可動ガイドベーンおよび開閉機構が排除された固定ガイドベーン水車が開示されている。この固定ガイドベーン水車は、ケーシングの入口に流量調節弁を備え、ランナーに送られる水を外部に抜水(バイパス)する構成が採られている。
特許文献2に開示されているフランシス水車は、ケーシングの水入口に通路面積を可変させるニードル弁を備えている。
Conventional Francis turbines whose water flow rate can be adjusted are described in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2. Patent Document 1 discloses a fixed guide vane turbine in which a movable guide vane and an opening / closing mechanism are excluded. This fixed guide vane turbine is equipped with a flow control valve at the inlet of the casing, and is configured to drain (bypass) the water sent to the runner to the outside.
The Francis turbine disclosed in Patent Document 2 is provided with a needle valve for varying the passage area at the water inlet of the casing.

実開平7-25274号公報Jitsukaihei 7-25274 Gazette 特許第4601313号公報Japanese Patent No. 4601313

特許文献1および特許文献2に開示されているフランシス水車では、ケーシングの上流部に弁を備えているために水の入口から出口までの距離が長くなってしまう。このため、これらの流量調整可能なフランシス水車は、占有スペースに制約を受ける流量制御装置、例えば空調制御システムの流量制御装置と置き換えて使用することはできないという問題があった。 In the Francis turbines disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, since the valve is provided in the upstream portion of the casing, the distance from the water inlet to the water outlet becomes long. Therefore, there is a problem that these flow-adjustable Francis turbines cannot be used in place of a flow control device that is restricted by the occupied space, for example, a flow control device of an air conditioning control system.

本発明の目的は、流体の流量を正確に制御できるとともに小型化を図ることが可能な水車式流量制御装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a water turbine type flow rate control device capable of accurately controlling the flow rate of a fluid and reducing the size.

この目的を達成するために本発明に係る水車式流量制御装置は、フランシス水車の水車部分を構成するランナーと、前記ランナーを回転自在に支持するとともに軸線方向に移動させる回転-直交変換機構と、前記ランナーの内部に流体を外周側から旋回流として流入させるケーシング部材とを備え、前記ランナーが前記ケーシング部材に対して前記軸線方向に移動することにより流量の調整が行われるものである。 In order to achieve this object, the turbine type flow control device according to the present invention includes a runner constituting the turbine portion of the Francis turbine, a rotation-orthogonal transformation mechanism that rotatably supports the runner and moves the runner in the axial direction. A casing member is provided inside the runner to allow a fluid to flow in as a swirling flow from the outer peripheral side, and the flow rate is adjusted by the runner moving in the axial direction with respect to the casing member.

本発明は、前記水車式流量制御装置において、前記ランナーは、羽根を有するランナー本体と、前記ランナー本体から前記軸線方向の一方に突出する円筒体とを有し、前記ケーシング部材は、前記ランナーが前記回転-直交変換機構によって駆動されて前記軸線方向の前記一方に移動した状態において前記ランナー本体の外周部と対向する流体出口を有し、前記円筒体は、前記ランナーが前記軸線方向の他方に移動することにより前記流体出口を閉塞可能に形成され、前記ランナーは、前記流体出口の全域が前記ランナー本体の外周部と対向する全開位置と、前記流体出口が前記円筒体によって塞がれる全閉位置との間で移動してもよい。 INDUSTRIAL APPLICABILITY In the water wheel type flow control device, the runner has a runner main body having blades and a cylindrical body protruding from the runner main body in one of the axial directions, and the casing member is the runner. The cylinder has a fluid outlet facing the outer peripheral portion of the runner body in a state of being driven by the rotation-orthogonal conversion mechanism and moved to the one in the axial direction, and the cylindrical body has the runner in the other in the axial direction. The fluid outlet is formed so as to be able to be closed by moving, and the runner is fully closed at a fully open position where the entire area of the fluid outlet faces the outer peripheral portion of the runner body and the fluid outlet is closed by the cylinder. You may move to and from the position.

本発明は、前記水車式流量制御装置において、前記ケーシング部材は、流体が流入する入口管と、前記ランナーから流出した流体を通す吸込管と、前記吸込管の下流側端部に接続された曲がり管からなる出口管とを備え、前記出口管の排出口は、前記入口管の流入口と中心線が一致するように形成されていてもよい。 According to the present invention, in the water wheel type flow control device, the casing member is connected to an inlet pipe into which a fluid flows, a suction pipe through which a fluid flowing out from the runner passes, and a bend at the downstream end of the suction pipe. An outlet pipe made of a pipe may be provided, and the outlet of the outlet pipe may be formed so that the inflow port of the inlet pipe and the center line coincide with each other.

本発明は、前記水車式流量制御装置において、前記回転-直交変換機構は、前記ランナーを前記軸線方向に駆動する際の動力源となるモータと、前記モータの動作を制御する流量制御部と、前記ランナーが回転することにより発電する発電機とを備え、前記発電機によって発電された電力が前記モータおよび前記流量制御部に給電されて前記流量の調整が行われてもよい。 In the present invention, in the water wheel type flow control device, the rotation-orthogonal conversion mechanism includes a motor that is a power source when driving the runner in the axial direction, and a flow control unit that controls the operation of the motor. A generator that generates electricity by rotating the runner may be provided, and the electric power generated by the generator may be supplied to the motor and the flow control unit to adjust the flow rate.

本発明は、前記水車式流量制御装置において、さらに、前記発電機が発電した電力を蓄電電力として蓄積する蓄電部と、前記蓄電部に蓄電されている蓄電電力を前記モータおよび前記流量制御部に供給する電源部とを備えていてもよい。 In the present invention, in the water wheel type flow control device, a power storage unit that stores the electric power generated by the generator as stored power, and the stored power stored in the power storage unit are stored in the motor and the flow rate control unit. It may be provided with a power supply unit to be supplied.

本発明は、前記水車式流量制御装置において、さらに、目標流量を含む外部からのデータを受信するデータ通信部を備え、前記データ通信部は、無線によって前記外部からのデータを受信し、前記電源部は、前記蓄電部に蓄積されている蓄電電力が不足している場合には、外部電源から供給される電力と合わせた電力を前記モータおよび前記流量制御部に供給し、前記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構成され、
外部電源からの電力の供給と、前記余剰電力の商用電源への回生は、それぞれ無線によって行われてもよい。
The present invention further comprises a data communication unit for receiving data from the outside including a target flow rate in the water wheel type flow control device, and the data communication unit wirelessly receives data from the outside and the power source. When the stored power stored in the storage unit is insufficient, the unit supplies power combined with the power supplied from the external power source to the motor and the flow control unit, and the stored power is surplus. In some cases, the surplus power is configured to be regenerated to a commercial power source as surplus power.
The supply of electric power from an external power source and the regeneration of the surplus electric power to a commercial power source may be performed wirelessly.

本発明においては、ランナーが実質的に弁体になるから、複数のベーンで流量を制御する場合と較べて流量制御が正確である。また、ケーシング部材の流体入口側に弁が不要であるから、流体の入口と出口の間の長さを短くすることができる。
したがって、本発明によれば、流体の流量を正確に制御できるとともに小型化を図ることが可能な水車式流量制御装置を提供することができる。
In the present invention, since the runner is substantially a valve body, the flow rate control is more accurate than the case where the flow rate is controlled by a plurality of vanes. Further, since a valve is not required on the fluid inlet side of the casing member, the length between the fluid inlet and outlet can be shortened.
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a water turbine type flow rate control device capable of accurately controlling the flow rate of the fluid and reducing the size.

図1は、本発明に係る水車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。FIG. 1 is an instrumentation diagram showing an embodiment of an air conditioning control system using a water turbine type flow rate control device according to the present invention. 図2は、水車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。FIG. 2 is a block diagram of a main part of the first embodiment (embodiment 1) of the water turbine type flow rate control device. 図3は、発電機の構成を示す分解斜視図である。FIG. 3 is an exploded perspective view showing the configuration of the generator. 図4は、フランシス水車の正面図である。FIG. 4 is a front view of the Francis turbine. 図5は、フランシス水車の底面図である。FIG. 5 is a bottom view of the Francis turbine. 図6は、フランシス水車の分解斜視図である。FIG. 6 is an exploded perspective view of a Francis turbine. 図7は、フランシス水車の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of a Francis turbine. 図8は、フランシス水車の一部を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a part of a Francis turbine. 図9は、回転-直交変換機構の他の例を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram showing another example of the rotation-orthogonal transformation mechanism. 図10は、回転-直交変換機構の他の例を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing another example of the rotation-orthogonal transformation mechanism. 図11は、回転-直交変換機構の他の例を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing another example of the rotation-orthogonal transformation mechanism. 図12は、水車式流量制御装置の第2の実施の形態(実施の形態2)の要部の構成図である。FIG. 12 is a block diagram of a main part of the second embodiment (embodiment 2) of the water turbine type flow rate control device. 図13は、水車式流量制御装置の第3の実施の形態(実施の形態3)の要部の構成図である。FIG. 13 is a block diagram of a main part of a third embodiment (embodiment 3) of the water turbine type flow rate control device. 図14は、水車式流量制御装置の第4の実施の形態(実施の形態4)の要部の構成図である。FIG. 14 is a block diagram of a main part of the fourth embodiment (embodiment 4) of the water turbine type flow rate control device.

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はこの発明に係る水車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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an instrumentation diagram showing an embodiment of an air conditioning control system using a water turbine type flow rate control device according to the present invention.

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は本発明に係る水車式流量制御装置、4は空調制御装置(コントローラ)、5は水車式流量制御装置3に対して設けられた外部電源である。 In FIG. 1, 1 is a controlled object space, 2 is an air conditioner (FCU) that supplies air in harmony to the controlled object space 1, 3 is a water wheel type flow control device according to the present invention, and 4 is an air conditioning control device (controller). ) 5 is an external power source provided for the water wheel type flow control device 3.

空調機2は熱交換器(冷温水コイル)2aとファン2bとを備えている。水車式流量制御装置3は空調機2の熱交換器2a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、水車式流量制御装置3は、空調機2の熱交換器2aから戻される冷温水の還水管路LRに設けられている。 The air conditioner 2 includes a heat exchanger (cold / hot water coil) 2a and a fan 2b. The water turbine type flow rate control device 3 is provided in a hot / cold water supply passage (flow path) to the heat exchanger 2a of the air conditioner 2. In this example, the water turbine type flow rate control device 3 is provided in the return water pipe LR of the cold / hot water returned from the heat exchanger 2a of the air conditioner 2.

なお、空調機2の熱交換器2a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2aはシングルコイルタイプであるものとする。 The heat exchanger 2a of the air conditioner 2 is a single coil type that exchanges heat as cold water during cooling with one coil and heat exchanges as hot water during heating, and a cold water coil with two coils during cooling. There is a double coil type that exchanges heat with a hot water coil during heating. In this example, it is assumed that the heat exchanger 2a is a single coil type.

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。 The controlled object space 1 is provided with an indoor temperature sensor 8 that measures the temperature in the controlled object space 1 as an indoor temperature. The indoor temperature (measured value tpv of the indoor temperature) measured by the indoor temperature sensor 8 is sent to the controller 4.

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2a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を水車式流量制御装置3に送る。 The controller 4 calculates the set flow rate Qsp of the cold / hot water to the heat exchanger 2a of the air conditioner 2 as a control output in which the deviation between the measured value tpv of the room temperature and the set value tsp of the room temperature is zero, and this calculation is performed. The set flow rate Qsp is sent to the water turbine type flow rate control device 3.

〔水車式流量制御装置:実施の形態1〕
図2に水車式流量制御装置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の水車式流量制御装置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、発電機制御部304と、インバータ305と、発電機306と、位置センサ307と、フランシス水車308と、電源部309と、商用電源回生部310と、蓄電部311と、水車位置センサ312と、モータ313と、回転-直交変換機構314とを備えている。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。フランシス水車308は、詳細は後述するが、モータ313を動力源として回転-直交変換機構314によって駆動されることにより、冷温水が通る通路の通路面積(開度)を変更できるように構成されている。
[Waterwheel type flow rate control device: Embodiment 1]
FIG. 2 shows a configuration diagram of a main part of the first embodiment (embodiment 1) of the water turbine type flow rate control device 3. The water wheel type flow control device 3 (3A) of the first embodiment includes a data communication unit 301, a system control unit 302, a flow control unit 303, a generator control unit 304, an inverter 305, and a generator 306. A position sensor 307, a Francis water wheel 308, a power source unit 309, a commercial power source regeneration unit 310, a power storage unit 311, a water wheel position sensor 312, a motor 313, and a rotation-orthogonal conversion mechanism 314. It is connected by wire to the controller 4 and to the external power supply 5. Although the details of the Francis turbine 308 will be described later, the Francis turbine 308 is configured to be able to change the passage area (opening) of the passage through which the hot and cold water passes by being driven by the rotation-orthogonal transformation mechanism 314 using the motor 313 as a power source. There is.

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、水車式流量制御装置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。なお、この実施の形態1による水車式流量制御装置3(3A)においては、下記の条件(1)や条件(2)が満たされる場合は、データ通信ではなく、4-20mA入力や0-10V入力などのアナログ入力でもよい。
条件(1):コントローラ4からの指令は、設定流量Qspのみである。
条件(2):水車式流量制御装置3からコントローラ4に伝達するデータはない。
The data communication unit 301 has a function of transmitting and receiving data to and from the controller 4, receives data such as set values from the controller 4, and transmits data such as the internal state of the water turbine type flow control device 3 to the controller 4. .. In the water turbine type flow rate control device 3 (3A) according to the first embodiment, if the following conditions (1) and (2) are satisfied, 4-20 mA input or 0-10 V is used instead of data communication. It may be an analog input such as an input.
Condition (1): The command from the controller 4 is only the set flow rate Qsp.
Condition (2): There is no data transmitted from the water turbine type flow rate control device 3 to the controller 4.

システム制御部302は、水車式流量制御装置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、水車式流量制御装置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 The system control unit 302 has a function of controlling the entire system of the water wheel type flow control device 3, inputs received data such as a set value from the data communication unit 301, and causes an internal state of the water wheel type flow control device 3 and the like. The transmission data is output to the data communication unit 301. Further, the set flow rate Qsp is taken out as a flow rate set value from the received data such as the set value from the data communication unit 301, and the taken out flow rate set value Qsp is output to the flow rate control unit 303.

流量制御部303は、発電機制御部304からの角速度値(フランシス水車308の現在の角速度)ωおよびトルク値(発電機306の現在のトルク)Tと、水車位置センサ312からの水車開度M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機306のトルクおよびフランシス水車308の開度を流量制御則によりトルク設定値Tsp、水車開度設定値Mspとして演算する機能、フランシス水車308の開度を変えないときにモータ313をフランシス水車308と同一の回転数で回転させる機能などを有している。 The flow control unit 303 has an angular velocity value (current angular velocity of the Francis turbine 308) ω and a torque value (current torque of the generator 306) T from the generator control unit 304, and a turbine opening degree M from the turbine position sensor 312. The function to estimate the dimensionless flow rate and the dimensionless differential pressure, the function to estimate the actual flow rate Q and the actual differential pressure ΔP from the estimated dimensionless flow rate and the dimensionless differential pressure, and the estimated actual flow rate Q become the flow rate set value Qsp. A function to calculate the matching torque of the generator 306 and the opening degree of the Francis turbine 308 as the torque set value Tsp and the turbine opening setting value Msp according to the flow control law, and the motor 313 when the opening degree of the Francis turbine 308 is not changed. Has a function of rotating the turbine at the same rotation speed as the Francis turbine 308.

流量制御部303は、冷温水の流量を制御するにあたって先ず、流量設定値Qspに対応した水車開度設定値Mspとなるようにフランシス水車308の開度を調整し、次いで、発電機306のトルク制御により流量設定の微調整およびサーボ制御を行うように構成されている。
流量制御部303は、システム制御部302からの流量設定値Qsp、発電機制御部304からの角速度値ωおよびトルク値T、水車位置センサ312からの水車開度Mを入力し、演算したトルク設定値Tspを発電機制御部304へ出力するとともに水車開度設定値Mspをモータ313に出力する。
In controlling the flow rate of cold / hot water, the flow rate control unit 303 first adjusts the opening degree of the Francis turbine 308 so as to have the water turbine opening setting value Msp corresponding to the flow rate set value Qsp, and then the torque of the generator 306. It is configured to fine-tune the flow rate setting and perform servo control by control.
The flow control unit 303 inputs the flow rate set value Qsp from the system control unit 302, the angular speed value ω and the torque value T from the generator control unit 304, and the turbine opening degree M from the turbine position sensor 312, and calculates the torque setting. The value Tsp is output to the generator control unit 304, and the turbine opening setting value Msp is output to the motor 313.

発電機制御部304は、発電機306のトルクがトルク設定値Tspとなるようにトルク制御則によりインバータ305への相電圧目標値を演算する機能、位置センサ307が検出する発電機306の回転子の磁極位置からフランシス水車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からの発電機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機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、位置センサ307が検出する磁極位置、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、演算した相電圧目標値をインバータ305へ出力する。 The generator control unit 304 has a function of calculating a phase voltage target value to the inverter 305 by a torque control rule so that the torque of the generator 306 becomes a torque set value Tsp, and a rotor of the generator 306 detected by the position sensor 307. Ability to calculate the current angular velocity of the Francis water turbine 308 as the angular velocity value ω from the magnetic pole position of, the current phase voltage value and phase current value of the stator winding of the generator 306 from the inverter 305 to the current torque of the generator 306. Has a function of calculating the torque value T, the magnetic pole position detected by the position sensor 307, the phase voltage value and the phase current value from the inverter 305, and the torque set value Tsp from the flow control unit 303 are input, and the calculated angular velocity is calculated. The value ω and the torque value T are output to the flow control unit 303, and the calculated phase voltage target value is output to the inverter 305.

インバータ305は、発電機制御部304からの相電圧目標値を入力し、発電機306の固定子巻線に相電圧目標値を出力する機能、発電機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。 The inverter 305 has a function of inputting a phase voltage target value from the generator control unit 304 and outputting the phase voltage target value to the stator winding of the generator 306, and the power generated by the generator 306 is transferred to the power storage unit 311. It has a function of regeneration and operates by receiving a main power source from the power supply unit 309.

発電機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とを備えた中空型の発電機である。回転子6は、永久磁石を組み込んだリング6aと、このリング6aの内側に一体的に設けられたボールスプラインナット6bとから構成されている。ボールスプラインナット6bは、後述する回転-直交変換機構314のボールねじスプラインシャフト9が貫通し、ボールねじスプラインシャフト9と一体に回転するとともに、ボールねじスプラインシャフト9の軸線方向への移動を許容するようにボールねじスプラインシャフト9に軸装されている。 The generator 306 is a hollow type generator including a rotor 6 and a stator 7, as shown by extracting a main part thereof in FIG. The rotor 6 is composed of a ring 6a incorporating a permanent magnet and a ball spline nut 6b integrally provided inside the ring 6a. The ball spline nut 6b is penetrated by the ball screw spline shaft 9 of the rotation-orthogonal conversion mechanism 314 described later, rotates integrally with the ball screw spline shaft 9, and allows the ball screw spline shaft 9 to move in the axial direction. As described above, the ball screw spline shaft 9 is axially mounted.

ボールねじスプラインシャフト9は、図4に示すように、後述するフランシス水車308の回転軸11と同一軸線上に位置付けられ、この回転軸11と一体に回転するように回転軸11に結合されている。すなわち、回転子6は、後述するフランシス水車308の回転軸11が回転子6に対して軸線方向に移動することを許容しながら、回転軸11と一体となって回転する。 As shown in FIG. 4, the ball screw spline shaft 9 is positioned on the same axis as the rotating shaft 11 of the Francis turbine 308, which will be described later, and is coupled to the rotating shaft 11 so as to rotate integrally with the rotating shaft 11. .. That is, the rotor 6 rotates integrally with the rotating shaft 11 while allowing the rotating shaft 11 of the Francis turbine 308, which will be described later, to move in the axial direction with respect to the rotor 6.

固定子7には、コイル(図示せず)が巻かれており、このコイルを固定子巻線として、回転子6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6aに組み込まれた永久磁石の磁極の位置を回転子6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、ホールICが用いられている。しかし、位置センサ307は、ホールICの他にアブソリュートエンコーダなど磁極位置を検出できる位置センサならば何でも良い。 A coil (not shown) is wound around the stator 7, and the electric power generated by the rotation of the rotor 6 is taken out by using this coil as the stator winding. The position sensor 307 is attached to the stator 7 and detects the position of the magnetic pole of the permanent magnet incorporated in the ring 6a as the magnetic pole position of the rotor 6. In this example, a Hall IC is used as the position sensor 307. However, the position sensor 307 may be any position sensor such as an absolute encoder that can detect the magnetic pole position, in addition to the Hall IC.

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、水車式流量制御装置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,発電機制御部304,モータ313などへの電力を各制御部電源とする。 The power supply unit 309 receives the electric power from the external power source 5 and the stored electric power stored in the electric storage unit 311 as inputs, and distributes them as the electric power used in the water turbine type flow rate control device 3A. In this example, the electric power to the inverter 305 is used as the main power source, and the electric power to the data communication unit 301, the system control unit 302, the flow rate control unit 303, the generator control unit 304, the motor 313, and the like is used as the power source for each control unit.

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。 The power supply unit 309 distributes the combined power of the power from the external power source 5 and the stored power stored in the power storage unit 311, but preferentially distributes the stored power stored in the power storage unit 311. Here, when the stored power stored in the power storage unit 311 is insufficient, the power combined with the power supplied from the external power source 5 is distributed, and the stored power stored in the power storage unit 311 is surplus. The surplus power is regenerated to the commercial power supply (in this example, the external power supply 5) via the commercial power supply regeneration unit 310 as the surplus power.

モータ313は、フランシス水車308の水車部分であるランナー12(図4参照)を軸線方向に移動させるための動力源で、流量制御部303からの水車開度設定値Mspを入力して動作する。
水車位置センサ312は、フランシス水車308の開度を測定する機能を有し、流量制御部へ水車開度Mを出力する。この実施の形態による水車位置センサ312は、モータ313に設けられたエンコーダ(図示せず)を使用して水車開度Mを求める。
この実施の形態1においては水車位置センサ312にエンコーダを使用する例を示したが、水車位置センサ312としては、その他に変位センサやアブソリュートエンコーダなど水車の位置を検出できる位置センサならば何でも良い。
The motor 313 is a power source for moving the runner 12 (see FIG. 4), which is a turbine portion of the Francis turbine 308, in the axial direction, and operates by inputting the turbine opening opening setting value Msp from the flow rate control unit 303.
The turbine position sensor 312 has a function of measuring the opening degree of the Francis turbine 308, and outputs the turbine opening degree M to the flow rate control unit. The turbine position sensor 312 according to this embodiment uses an encoder (not shown) provided in the motor 313 to obtain the turbine opening degree M.
In the first embodiment, an example in which an encoder is used for the water turbine position sensor 312 is shown, but the water turbine position sensor 312 may be any other position sensor such as a displacement sensor or an absolute encoder that can detect the position of the water turbine.

この水車式流量制御装置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、発電機制御部304、インバータ305、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。 In this water wheel type flow control device 3A, the functions of each part such as the data communication unit 301, the system control unit 302, the flow control unit 303, the generator control unit 304, the inverter 305, the power supply unit 309, and the commercial power supply regeneration unit 310 are the processors. It is realized by hardware consisting of a storage device, a digital input / output circuit, an analog input / output circuit, a power electronics circuit, etc., and a program that realizes various functions in cooperation with these hardware.

(フランシス水車の説明)
フランシス水車308は、図4に示すように、図4の中央部に描かれているケーシング部材13と、フランシス水車308の水車部分を構成するランナー12とを備えている。このフランシス水車308は、ランナー12がケーシング部材13に対して軸線方向に移動することにより流量の調整を行うことができるものである。
(Explanation of Francis turbine)
As shown in FIG. 4, the Francis turbine 308 includes a casing member 13 drawn in the central portion of FIG. 4 and a runner 12 constituting the turbine portion of the Francis turbine 308. In this Francis turbine 308, the flow rate can be adjusted by moving the runner 12 in the axial direction with respect to the casing member 13.

この実施の形態においては、フランシス水車308を図4に示す姿勢で使用する場合の一例について説明する。すなわち、このフランシス水車308においては、ランナー12の軸線が鉛直方向に延び、冷温水がランナー12から下方に排出される。また、フランシス水車308の各部品を説明するにあたって方向を示す場合は、図4の右側をフランシス水車308の右側とし、図4の紙面の手前側を前方として行う。 In this embodiment, an example of using the Francis turbine 308 in the posture shown in FIG. 4 will be described. That is, in this Francis turbine 308, the axis of the runner 12 extends in the vertical direction, and cold / hot water is discharged downward from the runner 12. When indicating the direction in explaining each part of the Francis turbine 308, the right side of FIG. 4 is the right side of the Francis turbine 308, and the front side of the paper in FIG. 4 is the front side.

ケーシング部材13は、複数の機能部品を組み合わせて構成されている。複数の機能部品とは、図5および図6に示すように、冷温水が流入する流入口14を有する入口管15と、ランナー12を囲むケーシング本体16と、ケーシング本体16の中心部に設けられた円環状の固定ベーン17と、固定ベーン17から下方に延びる吸込管18と、吸込管18の下端(下流側端部)に接続された曲がり管からなる出口管19である。 The casing member 13 is configured by combining a plurality of functional parts. As shown in FIGS. 5 and 6, the plurality of functional components are provided in an inlet pipe 15 having an inflow port 14 into which hot and cold water flows, a casing main body 16 surrounding the runner 12, and a central portion of the casing main body 16. The outlet pipe 19 is composed of an annular fixed vane 17, a suction pipe 18 extending downward from the fixed vane 17, and a curved pipe connected to the lower end (downstream side end portion) of the suction pipe 18.

入口管15は、図4に示すように、後述するケーシング本体16から右方に延びている。入口管15の右端である上流端には、配管接続用のフランジ20が設けられている。
ケーシング本体16は、入口管15の下流端に溶接された上流端からランナー12を囲むように螺旋状に形成されている。ケーシング本体16の内周部には、ケーシング本体16の径方向の内側に向けて開口する環状の穴21(図6参照)が形成されている。
As shown in FIG. 4, the inlet pipe 15 extends to the right from the casing main body 16 described later. A flange 20 for connecting pipes is provided at the upstream end, which is the right end of the inlet pipe 15.
The casing main body 16 is spirally formed so as to surround the runner 12 from the upstream end welded to the downstream end of the inlet pipe 15. An annular hole 21 (see FIG. 6) that opens inward in the radial direction of the casing main body 16 is formed in the inner peripheral portion of the casing main body 16.

固定ベーン17は、円環状に形成されており、周方向に並ぶ複数の固定翼17aを有している。詳述すると、固定ベーン17は、軸線方向の両端部に位置するリング17b,17cと、これらのリング17b,17cの間に架け渡された複数の固定翼17aとによって構成されている。リング17b,17cは、図7に示すように、ケーシング本体16の穴21の開口端面21aに嵌合する形状に形成されており、開口端面21aとの間から冷温水が漏洩することがないように開口端面21aに固着されている。 The fixed vanes 17 are formed in an annular shape and have a plurality of fixed wings 17a arranged in the circumferential direction. More specifically, the fixed vane 17 is composed of rings 17b, 17c located at both ends in the axial direction, and a plurality of fixed wings 17a bridged between these rings 17b, 17c. As shown in FIG. 7, the rings 17b and 17c are formed in a shape that fits into the opening end surface 21a of the hole 21 of the casing main body 16 so that cold and hot water does not leak from between the rings 17b and 17c. Is fixed to the opening end surface 21a.

複数の固定翼17aは、リング17b,17cの周方向に一定の間隔をおいて並ぶように配置されている。これらの固定翼17aは、冷温水の流れる方向を整えるためのもので、ケーシング本体16から固定ベーン17に流入した冷温水の流れる方向がランナー12の接線方向となるように形成されている。これらの固定翼17aどうしの間に形成された流体出口22(図6参照)は、後述するランナー12の外周部と対向している。このため、冷温水が固定ベーン17を通過することにより、流体出口22から旋回流となってランナー12の内部に流入する。 The plurality of fixed wings 17a are arranged so as to be arranged at regular intervals in the circumferential direction of the rings 17b and 17c. These fixed wings 17a are for adjusting the flow direction of the cold / hot water, and are formed so that the flow direction of the cold / hot water flowing into the fixed vane 17 from the casing main body 16 is the tangential direction of the runner 12. The fluid outlet 22 (see FIG. 6) formed between the fixed blades 17a faces the outer peripheral portion of the runner 12, which will be described later. Therefore, when the cold / hot water passes through the fixed vane 17, it becomes a swirling flow from the fluid outlet 22 and flows into the inside of the runner 12.

吸込管18は、図7に示すように、固定ベーン17の下側のリング17bに接続された円筒状の管からなる円筒部18aと、この円筒部18aの下端から下方に延びる絞り部18bとによって構成されている。円筒部18aは、リング17b,17cと同一軸線上に位置付けられてリング17b,17cの下面に冷温水が漏洩することがないように固着されている。円筒部18aの内径とリング17b,17cの内径は同一である。このため、円筒部18aの内周面とリング17b,17cの内周面とは、同一の周面上に位置し、段差が生じることがないように互いに接続されている。 As shown in FIG. 7, the suction pipe 18 includes a cylindrical portion 18a made of a cylindrical pipe connected to a ring 17b on the lower side of the fixed vane 17, and a throttle portion 18b extending downward from the lower end of the cylindrical portion 18a. It is composed of. The cylindrical portion 18a is positioned on the same axis as the rings 17b and 17c, and is fixed to the lower surface of the rings 17b and 17c so that cold and hot water does not leak. The inner diameter of the cylindrical portion 18a and the inner diameters of the rings 17b and 17c are the same. Therefore, the inner peripheral surface of the cylindrical portion 18a and the inner peripheral surfaces of the rings 17b and 17c are located on the same peripheral surface and are connected to each other so as not to cause a step.

絞り部18bは、下方に向かうにしたがって径が次第に小さくなるように形成されている。この絞り部18bの下端である下流側端部に曲がり管からなる出口管19が接続されている。
出口管19は、管材料を所定の形状となるように曲げて形成されている。この実施の形態による出口管19は、図4および図5に示すように、吸込管18の下方で屈曲してフランシス水車308の左方に延びるJ字状に形成されている。出口管19の下流側端部は、水平方向(左方)に延びる直管19aによって形成されている。この直管19aには、配管接続用のフランジ23が設けられている。出口管19の下流端の排出口19b(フランジ23の開口)は、入口管15の流入口14(フランジ20の開口)と中心線が一致するように形成されている。このため、出口管19に設けられたフランジ23と、入口管15のフランジ20とは、図4に示すように上下方向において同一位置であって、図5に示すように、フランシス水車308の前後方向において同一位置に位置付けられている。
The throttle portion 18b is formed so that its diameter gradually decreases toward the lower side. An outlet pipe 19 made of a bent pipe is connected to a downstream end portion which is the lower end of the throttle portion 18b.
The outlet pipe 19 is formed by bending the pipe material so as to have a predetermined shape. As shown in FIGS. 4 and 5, the outlet pipe 19 according to this embodiment is formed in a J shape that bends below the suction pipe 18 and extends to the left of the Francis turbine 308. The downstream end of the outlet pipe 19 is formed by a straight pipe 19a extending in the horizontal direction (leftward). The straight pipe 19a is provided with a flange 23 for connecting pipes. The discharge port 19b (opening of the flange 23) at the downstream end of the outlet pipe 19 is formed so that the center line coincides with the inflow port 14 (opening of the flange 20) of the inlet pipe 15. Therefore, the flange 23 provided in the outlet pipe 19 and the flange 20 of the inlet pipe 15 are at the same position in the vertical direction as shown in FIG. 4, and are in front of and behind the Francis turbine 308 as shown in FIG. It is positioned at the same position in the direction.

このフランシス水車308のランナー12は、図6に示すように、複数の羽根12aを含むランナー本体24と、ランナー本体24から軸線方向の一方である上方に突出する円筒体25および回転軸11とを備えており、固定ベーン17の中で上下方向に移動できるように構成されている。ランナー12の上下方向への移動は、ランナー12の回転軸11に接続された回転-直交変換機構314(図4参照)によって行われる。回転-直交変換機構314の説明は後述する。 As shown in FIG. 6, the runner 12 of the Francis turbine 308 includes a runner main body 24 including a plurality of blades 12a, a cylindrical body 25 protruding upward from the runner main body 24 in the axial direction, and a rotating shaft 11. It is provided and is configured to be movable in the vertical direction in the fixed vane 17. The vertical movement of the runner 12 is performed by a rotation-orthogonal transformation mechanism 314 (see FIG. 4) connected to the rotation axis 11 of the runner 12. A description of the rotation-orthogonal transformation mechanism 314 will be described later.

ランナー本体24は、図7に示すように、下方に向けて凸になる略釣鐘状のクラウン26と、クラウン26の周囲に設けられた複数の羽根12aと、各羽根12aの下端部に接続された円環状のシュラウド27とを備えている。クラウン26の上端部26aは円板状に形成されている。クラウン26の上端部26aとシュラウド27は、外径が等しくなるとともに同一軸線上に位置するように形成されている。この外径は、上述した固定ベーン17のリング17b,17cの内周部にクラウン26およびシュラウド27が摺動可能に嵌合する外径である。 As shown in FIG. 7, the runner main body 24 is connected to a substantially bell-shaped crown 26 that is convex downward, a plurality of blades 12a provided around the crown 26, and a lower end portion of each blade 12a. It is equipped with an annular shroud 27. The upper end portion 26a of the crown 26 is formed in a disk shape. The upper end portion 26a of the crown 26 and the shroud 27 are formed so as to have the same outer diameter and to be located on the same axis. This outer diameter is the outer diameter at which the crown 26 and the shroud 27 are slidably fitted to the inner peripheral portions of the rings 17b and 17c of the fixed vane 17 described above.

羽根12aは、一般的なフランシス水車に用いられる羽根と同等に構成されている。すなわち、複数の羽根12aは、クラウン26の周方向に一定の間隔をおいて並ぶとともに、ランナー本体24の軸線方向から見て放射状に延びるように配設されている。固定ベーン17からランナー本体24内に流入した冷温水は、羽根12aに当たって流れる方向が変えられ、クラウン26とシュラウド27との間を通って下方に排出される。 The blade 12a is configured in the same manner as a blade used in a general Francis turbine. That is, the plurality of blades 12a are arranged so as to be arranged at regular intervals in the circumferential direction of the crown 26 and to extend radially when viewed from the axial direction of the runner main body 24. The cold / hot water flowing into the runner main body 24 from the fixed vane 17 hits the blade 12a and is changed in the direction of flow, and is discharged downward through between the crown 26 and the shroud 27.

円筒体25は、クラウン26の上端部26aであって外周部に一体に形成され、クラウン26と同一軸線上に位置付けられている。円筒体25の外径はクラウン26の外径と同一である。このため、クラウン26の外周面と、円筒体25の外周面とは、同一の周面上に位置し、段差が生じることなく互いに接続されている。円筒体25の軸線方向の長さは、固定ベーン17の上下方向の長さに相当するような長さである。なお、上述した吸込管18の円筒部18aの上下方向の長さも固定ベーン17の上下方向の長さに相当するような長さである。 The cylindrical body 25 is an upper end portion 26a of the crown 26, is integrally formed on the outer peripheral portion, and is positioned on the same axis as the crown 26. The outer diameter of the cylinder 25 is the same as the outer diameter of the crown 26. Therefore, the outer peripheral surface of the crown 26 and the outer peripheral surface of the cylindrical body 25 are located on the same peripheral surface and are connected to each other without causing a step. The axial length of the cylindrical body 25 is such that it corresponds to the vertical length of the fixed vane 17. The vertical length of the cylindrical portion 18a of the suction pipe 18 described above is also a length corresponding to the vertical length of the fixed vane 17.

回転軸11は、クラウン26の上端部26aであって軸心部に一体に形成され、クラウン26と同一軸線上に位置付けられている。回転軸11の上端部には後述する回転-直交変換機構314のボールねじスプラインシャフト9が結合されている。
ランナー12は、回転-直交変換機構314によって上下方向に駆動されることにより、図7および図8(A)に示すように最も上に位置する全開位置と、図8(C)に示すように最も下に位置する全閉位置との間で移動する。ランナー12が図7および図8(A)に示す全開位置に位置付けられることにより、固定ベーン17の流体出口22の全域がランナー本体24の外周部全域と対向し、冷温水が通る通路の通路面積が最大になる。
The rotating shaft 11 is an upper end portion 26a of the crown 26, is integrally formed at the axial center portion, and is positioned on the same axis as the crown 26. A ball screw spline shaft 9 of a rotation-orthogonal transformation mechanism 314, which will be described later, is coupled to the upper end of the rotation shaft 11.
The runner 12 is driven in the vertical direction by the rotation-orthogonal transformation mechanism 314 to have a fully open position at the top as shown in FIGS. 7 and 8 (A) and a fully open position as shown in FIG. 8 (C). Move to and from the lowest fully closed position. By positioning the runner 12 in the fully open position shown in FIGS. 7 and 8 (A), the entire area of the fluid outlet 22 of the fixed vane 17 faces the entire outer peripheral portion of the runner body 24, and the passage area of the passage through which cold / hot water passes. Is the maximum.

ランナー12が図8(C)に示す全閉位置に位置付けられることにより、固定ベーン17の流体出口22が円筒体25によって塞がれ、冷温水が通る通路の通路面積が0になる。このため、このフランシス水車308は、ランナー12が全開位置に移動することにより開度が100%となり、ランナー12が全閉位置に移動することにより開度が0%となる弁を構成するものとになる。上述した水車開度とは、このフランシス水車308からなる弁の開度のことをいう。ランナー12が全開位置と全閉位置との間の中央に位置することにより、図8(B)に示すように、水車開度が50%になる。 When the runner 12 is positioned at the fully closed position shown in FIG. 8C, the fluid outlet 22 of the fixed vane 17 is blocked by the cylindrical body 25, and the passage area of the passage through which the hot and cold water passes becomes zero. Therefore, the Francis turbine 308 constitutes a valve in which the opening degree becomes 100% when the runner 12 moves to the fully open position and the opening degree becomes 0% when the runner 12 moves to the fully closed position. become. The above-mentioned turbine opening degree means the opening degree of the valve including the Francis turbine 308. By locating the runner 12 in the center between the fully open position and the fully closed position, the turbine opening becomes 50% as shown in FIG. 8 (B).

(回転-直交変換機構の説明)
回転-直交変換機構314は、ランナー12を回転自在に支持するとともに軸方向に移動させる機能を有している。
この実施の形態による回転-直交変換機構314は、図4に示すように、ランナー12の回転軸11に一体に回転するように結合されたボールねじスプラインシャフト9と、このボールねじスプラインシャフト9の上端部に螺合したボールねじナット31とによって構成されている。
(Explanation of rotation-orthogonal transformation mechanism)
The rotation-orthogonal transformation mechanism 314 has a function of rotatably supporting the runner 12 and moving it in the axial direction.
As shown in FIG. 4, the rotation-orthogonal conversion mechanism 314 according to this embodiment includes a ball screw spline shaft 9 coupled to the rotation shaft 11 of the runner 12 so as to rotate integrally, and the ball screw spline shaft 9. It is composed of a ball screw nut 31 screwed to the upper end portion.

ボールねじスプラインシャフト9は、軸線方向に直線状に延びるスプライン溝32と、螺旋状に延びる螺旋溝(図示せず)とを有し、支持板33に図示していない軸受を介して回転自在かつ上下方向へ移動自在に支持されている。このため、ランナー12は、ボールねじスプラインシャフト9を介して支持板33に回転自在かつ上下方向に移動自在に支持されることになる。
支持板33は、図示していない連結部材を介してケーシング部材13に連結されている。
The ball screw spline shaft 9 has a spline groove 32 extending linearly in the axial direction and a spiral groove (not shown) extending spirally, and is rotatable and rotatable via a bearing (not shown) on the support plate 33. It is supported so that it can move freely in the vertical direction. Therefore, the runner 12 is rotatably and vertically movablely supported by the support plate 33 via the ball screw spline shaft 9.
The support plate 33 is connected to the casing member 13 via a connecting member (not shown).

支持板33とランナー12との間には、ボールねじスプラインシャフト9が貫通する状態で上述した発電機306が配置されている。発電機306の回転子6は、ボールねじスプラインシャフト9に軸装されたボールスプラインナット6bと一体に回転するから、フランシス水車308のランナー12と常に一体に回転する。
発電機306の固定子7は支持板33に固定されている。
The generator 306 described above is arranged between the support plate 33 and the runner 12 with the ball screw spline shaft 9 penetrating. Since the rotor 6 of the generator 306 rotates integrally with the ball spline nut 6b mounted on the ball screw spline shaft 9, it always rotates integrally with the runner 12 of the Francis turbine 308.
The stator 7 of the generator 306 is fixed to the support plate 33.

ボールねじナット31は、ボールねじスプラインシャフト9に対して回転することによりボールねじスプラインシャフト9に軸線方向の推力を付与する。このボールねじナット31は、支持板33に固定されたホルダー(図示せず)に、支持板33に対する上下方向への移動が規制される状態で回転自在に支持されている。このため、ボールねじナット31が例えばねじ込み方向に回転することによりボールねじスプラインシャフト9が上昇し、ボールねじナット31が上記とは反対の方向に回転することによりボールねじスプラインシャフト9が下降する。 The ball screw nut 31 rotates with respect to the ball screw spline shaft 9 to apply an axial thrust to the ball screw spline shaft 9. The ball screw nut 31 is rotatably supported by a holder (not shown) fixed to the support plate 33 in a state where the movement in the vertical direction with respect to the support plate 33 is restricted. Therefore, for example, the ball screw nut 31 rotates in the screwing direction to raise the ball screw spline shaft 9, and the ball screw nut 31 rotates in the direction opposite to the above to lower the ball screw spline shaft 9.

ボールねじナット31は、ベルト式伝動機構34を介してモータ313の動力が伝達されることにより回転する。
ベルト式伝動機構34は、ボールねじナット31と一体に回転する第1のプーリ35と、第1のプーリ35にベルト36を介して接続された第2のプーリ37とを備えている。第1のプーリ35の外径と第2のプーリ37の外径は同一である。第2のプーリ37には、モータ313の回転軸38が一体に回転するように結合されている。この回転軸38は、支持板33の下側に位置するモータ313から支持板33を貫通して上方に延びており、支持板33に図示していない軸受を介して回転自在に支持されている。
The ball screw nut 31 rotates by transmitting the power of the motor 313 via the belt type transmission mechanism 34.
The belt-type transmission mechanism 34 includes a first pulley 35 that rotates integrally with the ball screw nut 31, and a second pulley 37 that is connected to the first pulley 35 via a belt 36. The outer diameter of the first pulley 35 and the outer diameter of the second pulley 37 are the same. The rotating shaft 38 of the motor 313 is coupled to the second pulley 37 so as to rotate integrally. The rotary shaft 38 extends upward from the motor 313 located below the support plate 33 through the support plate 33, and is rotatably supported by the support plate 33 via a bearing (not shown). ..

モータ313は、上述した水車位置センサ312の検出部を構成するエンコーダを有し、支持板33に固定されている。モータ313の動作は、上述した流量制御部303によって制御される。
流量制御部303は、水車開度を変えないときはボールねじナット31がボールねじスプラインシャフト9と同方向に同一回転数で回転するようにモータ313の動作を制御する。また、流量制御部303は、水車開度を増大あるいは減少させる場合は、ボールねじナット31の回転数がボールねじスプラインシャフト9の回転数に対して変わるようにモータ313の動作を制御する。
The motor 313 has an encoder constituting the detection unit of the water turbine position sensor 312 described above, and is fixed to the support plate 33. The operation of the motor 313 is controlled by the flow rate control unit 303 described above.
The flow control unit 303 controls the operation of the motor 313 so that the ball screw nut 31 rotates in the same direction as the ball screw spline shaft 9 at the same rotation speed when the water wheel opening degree is not changed. Further, the flow control unit 303 controls the operation of the motor 313 so that the rotation speed of the ball screw nut 31 changes with respect to the rotation speed of the ball screw spline shaft 9 when the opening degree of the water turbine is increased or decreased.

ベルト式伝動機構34の第1のプーリ35と第2のプーリ37の外径は同一であるから、モータ313の回転軸38はボールねじナット31と同一の回転数で回転する。このため、エンコーダによって検出したモータ313の回転軸11の回転位置から、ボールねじスプラインシャフト9の軸線方向の位置(水車開度)を換算することができる。水車位置センサ312は、モータ313の回転軸11の回転位置を含むデータを水車開度Mとして流量制御部303に送る。 Since the outer diameters of the first pulley 35 and the second pulley 37 of the belt type transmission mechanism 34 are the same, the rotating shaft 38 of the motor 313 rotates at the same rotation speed as the ball screw nut 31. Therefore, the position (waterwheel opening degree) in the axial direction of the ball screw spline shaft 9 can be converted from the rotation position of the rotation shaft 11 of the motor 313 detected by the encoder. The water turbine position sensor 312 sends data including the rotation position of the rotation shaft 11 of the motor 313 to the flow rate control unit 303 as the water turbine opening degree M.

(水車式流量制御装置の動作の説明)
次に、この水車式流量制御装置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、水車式流量制御装置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。
(Explanation of operation of water turbine type flow control device)
Next, the characteristic operation of the turbine type flow rate control device 3A will be described. When the set flow rate Qsp of the cold / hot water from the controller 4 changes, that is, when the set flow rate Qsp of the cold / hot water changes due to the load fluctuation of the hot / cold water supply destination, the water wheel type flow rate control device 3A data the changed set flow rate Qsp. Received by the communication unit 301, the data communication unit 301 sends the received set flow rate Qsp to the system control unit 302.

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、発電機制御部304からの角速度値(フランシス水車308の現在の角速度)ωおよびトルク値(発電機306の現在のトルク)Tと、水車位置センサ312からの水車開度M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と水車開度設定値Mspを演算し、トルク設定値Tspを発電機制御部304に送るとともに水車開度設定値Mspをモータ313へ送る。 The system control unit 302 takes out the set flow rate Qsp as the flow rate set value Qsp and sends it to the flow rate control unit 303. The flow control unit 303 has an angular velocity value (current angular velocity of the Francis turbine 308) ω and a torque value (current torque of the generator 306) T from the generator control unit 304, and a turbine opening degree M from the turbine position sensor 312. The dimensionless flow rate and the dimensionless differential pressure are estimated from the above, and the actual flow rate Q and the actual differential pressure ΔP are estimated from the estimated dimensionless flow rate and the dimensionless differential pressure. Then, the torque set value Tsp and the turbine opening setting value Msp are calculated so that the estimated actual flow rate Q matches the flow rate set value Qsp, and the torque set value Tsp is sent to the generator control unit 304 and the turbine opening setting value. Msp is sent to the motor 313.

発電機制御部304は、流量制御部303からのトルク設定値Tspを受けて、発電機306のトルクがトルク設定値Tspとなるような相電圧目標値を演算し、インバータ305へ送る。インバータ305は、発電機制御部304からの相電圧目標値を受けて、発電機306の固定子巻線に相電圧目標値を出力する。これにより、発電機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。 The generator control unit 304 receives the torque set value Tsp from the flow control unit 303, calculates a phase voltage target value such that the torque of the generator 306 becomes the torque set value Tsp, and sends it to the inverter 305. The inverter 305 receives the phase voltage target value from the generator control unit 304 and outputs the phase voltage target value to the stator winding of the generator 306. As a result, the torque of the generator 306 is adjusted to the torque set value Tsp, and the actual flow rate of the cold / hot water flowing through the pipeline is adjusted to the flow rate set value Qsp.

モータ313は、流量制御部303からの水車開度設定値Mspを受けて、回転軸38の角速度を発電機306の角速度に対して増加あるいは減少させる。このようにモータ313の回転軸38の角速度が発電機306の角速度に対して変わることにより、ボールねじナット31からボールねじスプラインシャフト9に軸線方向の推力が加えられてランナー12がケーシング部材13に対して上昇あるいは下降して、ランナー21の位置を水車開度設定値Mspにする。 The motor 313 receives the turbine opening setting value Msp from the flow rate control unit 303, and increases or decreases the angular velocity of the rotating shaft 38 with respect to the angular velocity of the generator 306. As the angular speed of the rotating shaft 38 of the motor 313 changes with respect to the angular speed of the generator 306 in this way, an axial thrust is applied from the ball screw nut 31 to the ball screw spline shaft 9, and the runner 12 is attached to the casing member 13. On the other hand, the position of the runner 21 is set to the water wheel opening setting value Msp by ascending or descending.

このように、本実施の形態によれば、フランシス水車308のランナー12が実質的に弁体になるから、複数の回動式のベーンで流量を制御する場合と較べて流量制御を正確に行うことができる。
また、ケーシング部材13の流体入口側に弁が不要であるから、冷温水の入口と出口の間の長さを短くすることができる。
したがって、この実施の形態によれば、流体の流量を正確に制御できるとともに
小型化を図ることが可能な水車式流量制御装置を提供することができる。この実施の形態においては、発電機306の回転トルクも利用して流量の微調整を行うことができるから、より一層精度よく冷温水の流量を制御することができる。
As described above, according to the present embodiment, since the runner 12 of the Francis turbine 308 substantially becomes a valve body, the flow rate control is performed more accurately than in the case where the flow rate is controlled by a plurality of rotary vanes. be able to.
Further, since a valve is not required on the fluid inlet side of the casing member 13, the length between the inlet and the outlet of the cold / hot water can be shortened.
Therefore, according to this embodiment, it is possible to provide a water turbine type flow rate control device capable of accurately controlling the flow rate of the fluid and reducing the size. In this embodiment, since the flow rate can be finely adjusted by using the rotational torque of the generator 306, the flow rate of the cold / hot water can be controlled more accurately.

また、本実施の形態において、発電機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、水車式流量制御装置3A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、水車式流量制御装置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、水車式流量制御装置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。 Further, in the present embodiment, the electric power generated by the generator 306 is stored in the power storage unit 311 and sent to the power supply unit 309 as the stored electric power, and is used in each part in the water turbine type flow control device 3A. As a result, when controlling the actual flow rate, a part of the energy discarded as heat is recovered as electric energy and reused in the water turbine type flow rate control device 3A. Further, in the present embodiment, when the stored electric power stored in the electricity storage unit 311 is surplus, the surplus electric power is regenerated to the commercial power source as the surplus electric power. The surplus electricity in the above will also be effectively used. For example, if surplus power is supplied to other devices such as sensors and controllers, it is possible to contribute to energy saving in a comprehensive manner.

また、本実施の形態によれば、フランシス水車308と発電機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、現行の流量制御バルブのサイズで水車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水車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。 Further, according to the present embodiment, since both the flow rate control and the power generation functions can be realized by the "power generation device" consisting of the Francis turbine 308 and the generator 306, the size of the current flow control valve is a water turbine type. It is possible to configure a flow rate control device, and it is possible to save energy by replacing the existing flow rate control valve with a water turbine type flow rate control device.

また、本実施の形態では、フランシス水車308の現在の角速度値ωと発電機306の現在のトルク値Tおよびフランシス水車308の水車開度M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に一致するように水車開度および発電機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。 Further, in the present embodiment, the actual flow rate of cold / hot water flowing through the pipeline is calculated from the current angular velocity value ω of the Francis turbine 308, the current torque value T of the generator 306, and the turbine opening M of the Francis turbine 308. Since it is estimated and the turbine opening and the torque of the generator 306 are controlled so that the estimated actual flow rate matches the flow rate set value Qsp, it is possible to eliminate expensive sensors such as pressure sensors and flow rate sensors. Therefore, it is possible to suppress the cost increase.

(回転-直交変換機構の変形例)
回転-直交変換機構は、図9~図11に示すように構成することができる。これらの図において、図1~図8によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
図9に示す回転-直交変換機構41のモータ313は、中空モータによって構成され、ボールねじスプラインシャフト9の上端部に同軸状に配置されている。モータ313の下方にボールねじナット31がモータ313によって駆動されるように設けられている。
(Modification example of rotation-orthogonal transformation mechanism)
The rotation-orthogonal transformation mechanism can be configured as shown in FIGS. 9 to 11. In these figures, the same or equivalent members as those described with reference to FIGS. 1 to 8 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.
The motor 313 of the rotation-orthogonal transformation mechanism 41 shown in FIG. 9 is composed of a hollow motor and is coaxially arranged at the upper end of the ball screw spline shaft 9. A ball screw nut 31 is provided below the motor 313 so as to be driven by the motor 313.

図10に示す回転-直交変換機構42は、ランナー12の回転軸11に直交変換式の磁気歯車機構43を介して発電機306が連結されている。直交変換式の磁気歯車機構43は、回転軸11と一体に回転する駆動側磁気歯車44と、回転軸11とは直交する従動軸45に設けられた従動側磁気歯車46とによって構成されている。従動軸45には発電機306が同軸状に設けられている。駆動側磁気歯車44の回転は、磁力によって従動側磁気歯車46に伝達され、従動軸45を介して発電機306に伝達される。 In the rotation-orthogonal transformation mechanism 42 shown in FIG. 10, a generator 306 is connected to the rotation shaft 11 of the runner 12 via an orthogonal transformation type magnetic gear mechanism 43. The orthogonal transformation type magnetic gear mechanism 43 is composed of a drive-side magnetic gear 44 that rotates integrally with the rotary shaft 11 and a driven-side magnetic gear 46 provided on the driven shaft 45 that is orthogonal to the rotary shaft 11. .. A generator 306 is coaxially provided on the driven shaft 45. The rotation of the drive-side magnetic gear 44 is transmitted to the driven-side magnetic gear 46 by magnetic force, and is transmitted to the generator 306 via the driven shaft 45.

回転軸11の上端部には、回転を伝達することなく軸線方向の変位を伝達するカップリング47を介してリニアアクチュエータ48が連結されている。リニアアクチュエータ48は、カップリング47を軸線方向に駆動するものである。リニアアクチュエータ48がカップリング47を介して回転軸11を押したり引いたりすることによって、水車開度が変化する。このとき、駆動側磁気歯車44は、従動側磁気歯車46に対して非接触で上下方向の位置が変化するだけで磁力で回転を伝達する機能は維持される。 A linear actuator 48 is connected to the upper end of the rotating shaft 11 via a coupling 47 that transmits displacement in the axial direction without transmitting rotation. The linear actuator 48 drives the coupling 47 in the axial direction. When the linear actuator 48 pushes or pulls the rotary shaft 11 via the coupling 47, the water turbine opening degree changes. At this time, the drive-side magnetic gear 44 maintains the function of transmitting rotation by magnetic force only by changing the position in the vertical direction without contacting the driven-side magnetic gear 46.

図11に示す回転-直交変換機構51は、ランナー12の回転軸11に平行変換式の磁気歯車機構52を介して発電機306が連結されている。平行変換式の磁気歯車機構52は、回転軸11と一体に回転する駆動側磁気歯車53と、回転軸11と平行な従動軸54に設けられた従動側磁気歯車55とによって構成されている。従動軸54の上端部には発電機306が同軸状に設けられている。駆動側磁気歯車53の回転は、磁力によって従動側磁気歯車55に伝達され、従動軸54を介して発電機306に伝達される。
回転軸11の上端部には、図10に示した例と同様に、回転を伝達することなく軸線方向の変位を伝達するカップリング47を介してリニアアクチュエータ48が連結されている。
リニアアクチュエータ48によって駆動されて回転軸11が軸線方向に移動するときに駆動側磁気歯車53は、従動側磁気歯車55に対して非接触で上下方向の位置が変化するだけで磁力で回転を伝達する機能は維持される。
In the rotation-orthogonal conversion mechanism 51 shown in FIG. 11, a generator 306 is connected to the rotation shaft 11 of the runner 12 via a parallel conversion type magnetic gear mechanism 52. The parallel conversion type magnetic gear mechanism 52 is composed of a drive-side magnetic gear 53 that rotates integrally with the rotation shaft 11 and a driven-side magnetic gear 55 provided on the driven shaft 54 parallel to the rotating shaft 11. A generator 306 is coaxially provided at the upper end of the driven shaft 54. The rotation of the drive-side magnetic gear 53 is transmitted to the driven-side magnetic gear 55 by magnetic force, and is transmitted to the generator 306 via the driven shaft 54.
Similar to the example shown in FIG. 10, a linear actuator 48 is connected to the upper end of the rotating shaft 11 via a coupling 47 that transmits displacement in the axial direction without transmitting rotation.
When the rotary shaft 11 is driven by the linear actuator 48 and moves in the axial direction, the drive side magnetic gear 53 transmits rotation by magnetic force only by changing the vertical position without contacting the driven side magnetic gear 55. The function to do is maintained.

〔水車式流量制御装置:実施の形態2〕
実施の形態1の水車式流量制御装置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12にコントローラ4との間を無線で接続するようにした水車式流量制御装置3(3B)の要部の構成を実施の形態2として示す。
[Waterwheel type flow rate control device: Embodiment 2]
In the water turbine type flow rate control device 3A of the first embodiment, the connection with the controller 4 is made by wire, but the connection with the controller 4 may be made wirelessly. FIG. 12 shows the configuration of the main part of the water turbine type flow rate control device 3 (3B) which is wirelessly connected to the controller 4 as the second embodiment.

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。この水車式流量制御装置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315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。 In FIG. 12, the same reference numerals as those in FIG. 2 indicate the same or equivalent components as those described with reference to FIG. 2, and the description thereof will be omitted. In this water turbine type flow control device 3B, a wireless data communication unit 315 is provided in place of the data communication unit 301 so that data can be transmitted / received wirelessly to / from the controller 4 through the antenna 316.

〔水車式流量制御装置:実施の形態3〕
実施の形態1の水車式流量制御装置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13に外部電源5との間を無線で接続するようにした水車式流量制御装置3(3C)の要部の構成を実施の形態3として示す。
[Waterwheel type flow rate control device: Embodiment 3]
In the water turbine type flow rate control device 3A of the first embodiment, the connection with the external power supply 5 is made by wire, but the connection with the external power supply 5 may be made wirelessly. FIG. 13 shows the configuration of the main part of the water turbine type flow rate control device 3 (3C) which is wirelessly connected to the external power supply 5 as the third embodiment.

図13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。この水車式流量制御装置3Cでは、商用電源回生部310に代えてワイヤレス送受電部317を設け、外部電源5からの電力をアンテナ318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318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。なお、この実施の形態3による水車式流量制御装置3Cにおいては、下記の条件(1)や条件(2)が満たされる場合は、データ通信ではなく、4-20mA入力や0-10V入力などのアナログ入力でもよい。
条件(1):コントローラ4からの指令は、設定流量Qspのみである。
条件(2):水車式流量制御装置3からコントローラ4に伝達するデータはない。
In FIG. 13, the same reference numerals as those in FIG. 2 indicate the same or equivalent components as those described with reference to FIG. 2, and the description thereof will be omitted. In this water turbine type flow control device 3C, a wireless power transmission / reception unit 317 is provided in place of the commercial power supply regeneration unit 310 so that the power from the external power supply 5 is wirelessly received through the antenna 318 and sent to the power supply unit 309. The surplus power from the unit 309 is wirelessly regenerated to the commercial power source (in this example, the external power source 5) through the antenna 318. In the water turbine type flow rate control device 3C according to the third embodiment, when the following conditions (1) and (2) are satisfied, 4-20 mA input, 0-10 V input, etc. are used instead of data communication. It may be an analog input.
Condition (1): The command from the controller 4 is only the set flow rate Qsp.
Condition (2): There is no data transmitted from the water turbine type flow rate control device 3 to the controller 4.

〔水車式流量制御装置:実施の形態4〕
実施の形態1の水車式流量制御装置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14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水車式流量制御装置3(3D)の要部の構成を実施の形態4として示す。
[Waterwheel type flow rate control device: Embodiment 4]
In the water turbine type flow rate control device 3A of the first embodiment, both the connection with the controller 4 and the connection with the external power supply 5 are made to be connected by wire, but the connection with the controller 4 and the connection with the external power supply 5 are made. Both may be connected wirelessly. FIG. 14 shows the configuration of the main part of the water turbine type flow rate control device 3 (3D) in which both the connection with the controller 4 and the connection with the external power supply 5 are wirelessly connected as the fourth embodiment.

図14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。この水車式流量制御装置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315を設け、アンテナ319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317を設け、外部電源5からの電力をアンテナ319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319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。 In FIG. 14, the same reference numerals as those in FIG. 2 indicate the same or equivalent components as those described with reference to FIG. 2, and the description thereof will be omitted. In this water turbine type flow control device 3D, a wireless data communication unit 315 is provided in place of the data communication unit 301 so that data can be transmitted and received wirelessly to and from the controller 4 through the antenna 319. Further, a wireless power transmission / reception unit 317 is provided in place of the commercial power supply regeneration unit 310 so that the power from the external power supply 5 is wirelessly received through the antenna 319 and sent to the power supply unit 309, and the surplus power from the power supply unit 309 is transmitted. It is wirelessly regenerated to a commercial power source (external power source 5 in this example) through the antenna 319.

この水車式流量制御装置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、水車式流量制御装置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。 In this turbine type flow rate control device 3D, both the connection with the controller 4 and the connection with the external power supply 5 are wirelessly connected, so that all the wiring to the water turbine type flow rate control device 3D can be eliminated. There is. This makes it wireless, such as eliminating wiring materials, contributing to improved workability / maintainability, eliminating individual wiring man-hours, reducing work man-hours in harsh environments, and reducing work man-hours for additional instrumentation of existing buildings. Can be expected to contribute to the reduction of environmental load.

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、水車式流量制御装置3Dを外部電源5からの電力と発電機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。 It should be noted that what can be wirelessly connected to the external power source 5 is a hybrid type in which the water turbine type flow control device 3D uses the electric power from the external power source 5 and the electric power generated by the generator 306. As a result, the amount of power supplied from the external power source 5 can be reduced.

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。 In the conventional flow control valve (valve using a valve body), it is conceivable to make it completely wireless by using a battery, but it was judged to be difficult because it is not possible to drive the flow control valve with a battery for a long period of time. .. In other words, it is necessary to solve various problems such as low power consumption of control circuits and communication circuits, low cycle of communication frequency, and high density power of batteries. It was difficult.

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、水車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、水車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。 On the other hand, in the present embodiment, by adopting a hybrid type of electric power from the outside and electric power generated internally, it is possible to realize completely wireless flow control valve, which has been difficult until now. It can be said that it is an epoch-making device that has been made and has never been seen before. In the present invention, since the valve body is not used, it is called a water turbine type flow rate control device instead of a flow rate control valve. Further, in the present invention, if the power generated internally can cover all of its own operation, it is possible to eliminate the supply of power from the outside to the water turbine type flow control device and realize complete wireless operation. Become.

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る。また、本発明による水車式流量制御装置3は、一般産業機器に適用することができるし、工場の給排水のインフラにおける大型弁からの置き換えなどにも拡大して適用することができる。 Although the above-described embodiment has been described as an example used for the air conditioning control system, it is needless to say that the embodiment is not limited to the air conditioning control system and can be applied to various flow rate control applications. Further, the water turbine type flow rate control device 3 according to the present invention can be applied to general industrial equipment, and can be expanded and applied to replacement from a large valve in the water supply / drainage infrastructure of a factory.

上述した実施の形態で使用するフランシス水車308は、ランナー12が下降するにしたがって水車開度が小さくなるように構成されている。しかし、本発明に係るフランシス水車308は、このような限定にとらわれることはなく、ランナー12が上昇するにしたがって水車開度が小さくなるように構成することができる。また、フランシス水車308を使用する際の姿勢は、ランナー12が上下方向に移動する姿勢に限定されることはなく、ランナー12が水平方向に移動するような姿勢でもよい。 The Francis turbine 308 used in the above-described embodiment is configured so that the turbine opening degree decreases as the runner 12 descends. However, the Francis turbine 308 according to the present invention is not limited to such a limitation, and can be configured so that the opening degree of the turbine decreases as the runner 12 rises. Further, the posture when using the Francis turbine 308 is not limited to the posture in which the runner 12 moves in the vertical direction, and may be the posture in which the runner 12 moves in the horizontal direction.

上述した実施の形態では、配管の直線部分にフランジ20,23によって取付けるフランシス水車308を用いる例を示した。しかし、フランシス水車308を接続する配管がいわゆるアングルタイプで直角に曲がっている場合は、出口管19を吸込管18から真下に延びるように形成することによって、アングルタイプの配管に取付けることができる。この場合は、フランシス水車308による発電効率が最大になる。
このように出口管19の形状を変えることによって流体出口の指向する方向を変えることができ、配管が延びる方向を任意の方向とすることができるから、配管の自由度が高くなる。
In the above-described embodiment, an example of using a Francis turbine 308 attached to a straight portion of a pipe by flanges 20 and 23 is shown. However, when the pipe connecting the Francis turbine 308 is a so-called angle type and is bent at a right angle, it can be attached to the angle type pipe by forming the outlet pipe 19 so as to extend directly below the suction pipe 18. In this case, the power generation efficiency of the Francis turbine 308 is maximized.
By changing the shape of the outlet pipe 19 in this way, the direction in which the fluid outlet is directed can be changed, and the direction in which the pipe extends can be set to an arbitrary direction, so that the degree of freedom of the pipe is increased.

さらに、本発明に係る水車式流量制御装置3は、自ら発電した電力で動作することにより完全ワイヤレス化を実現できるものであるから、電源がない場所でも使用することができる。このため、例えば農業用水路から田畑に水を供給する管路にも本発明の水車式流量制御装置を設けることができる。この場合は、田畑への水の供給量を遠隔操作で制御することができるようになる。 Further, since the water turbine type flow rate control device 3 according to the present invention can be completely wireless by operating with the electric power generated by itself, it can be used even in a place without a power source. Therefore, for example, the water turbine type flow rate control device of the present invention can be provided in a pipeline for supplying water from an agricultural canal to a field. In this case, the amount of water supplied to the fields can be controlled by remote control.

上述した実施の形態においては、空調用の冷温水の流量を制御する水車式流量制御装置について説明した。しかし、流量を制御する流体は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。 In the above-described embodiment, a water turbine type flow rate control device for controlling the flow rate of cold / hot water for air conditioning has been described. However, the fluid that controls the flow rate is not limited to a liquid such as cold / hot water, and may be a gas such as a gas.

〔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。
[Extension of Embodiment]
Although the present invention has been described above with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the structure and details of the present invention within the scope of the technical idea of the present invention.

3(3A~3D…水車式流量制御装置、12…ランナー、12a…羽根、13…ケーシング部材、14…流入口、15…入口管、18…吸込管、19…出口管、19b…排出口、22…流体出口、24…ランナー本体、25…円筒体、303…流量制御部、306…発電機、308…フランシス水車、309…電源部、311…蓄電部、313…モータ、314、41、42,51…回転-直交変換機構、315…ワイヤレスデータ通信部。 3 (3A to 3D ... water wheel type flow control device, 12 ... runner, 12a ... blade, 13 ... casing member, 14 ... inlet, 15 ... inlet pipe, 18 ... suction pipe, 19 ... outlet pipe, 19b ... discharge port, 22 ... Fluid outlet, 24 ... Runner body, 25 ... Cylindrical body, 303 ... Flow control unit, 306 ... Generator, 308 ... Francis turbine, 309 ... Power supply unit, 311 ... Power storage unit, 313 ... Motor, 314, 41, 42 , 51 ... Rotation-Orthogonal conversion mechanism, 315 ... Wireless data communication unit.

Claims (6)

フランシス水車の水車部分を構成するランナーと、
前記ランナーを回転自在に支持するとともに軸線方向に移動させる回転-直交変換機構と、
前記ランナーの内部に流体を外周側から旋回流として流入させるケーシング部材とを備え、
前記ランナーが前記ケーシング部材に対して前記軸線方向に移動することにより流量の調整が行われることを特徴とする水車式流量制御装置。
With the runners that make up the turbine part of the Francis turbine,
A rotation-orthogonal transformation mechanism that rotatably supports the runner and moves it in the axial direction,
A casing member is provided inside the runner to allow a fluid to flow in as a swirling flow from the outer peripheral side.
A water turbine type flow rate control device, characterized in that the flow rate is adjusted by moving the runner in the axial direction with respect to the casing member.
請求項1記載の水車式流量制御装置において、
前記ランナーは、羽根を有するランナー本体と、前記ランナー本体から前記軸線方向の一方に突出する円筒体とを有し、
前記ケーシング部材は、前記ランナーが前記回転-直交変換機構によって駆動されて前記軸線方向の前記一方に移動した状態において前記ランナー本体の外周部と対向する流体出口を有し、
前記円筒体は、前記ランナーが前記軸線方向の他方に移動することにより前記流体出口を閉塞可能に形成され、
前記ランナーは、前記流体出口の全域が前記ランナー本体の外周部と対向する全開位置と、前記流体出口が前記円筒体によって塞がれる全閉位置との間で移動することを特徴とする水車式流量制御装置。
In the water turbine type flow rate control device according to claim 1,
The runner has a runner main body having blades and a cylindrical body protruding from the runner main body in one of the axial directions.
The casing member has a fluid outlet facing the outer peripheral portion of the runner body in a state where the runner is driven by the rotation-orthogonal transformation mechanism and moved to the one side in the axial direction.
The cylindrical body is formed so that the fluid outlet can be closed by the runner moving to the other side in the axial direction.
The runner is a water turbine type, characterized in that the entire area of the fluid outlet moves between a fully open position facing the outer peripheral portion of the runner body and a fully closed position where the fluid outlet is closed by the cylinder. Flow control device.
請求項1または請求項2に記載の水車式流量制御装置において、
前記ケーシング部材は、
流体が流入する入口管と、
前記ランナーから流出した流体を通す吸込管と、
前記吸込管の下流側端部に接続された曲がり管からなる出口管とを備え、
前記出口管の下流端の排出口は、前記入口管の流入口と中心線が一致するように形成されていることを特徴とする水車式流量制御装置。
In the water turbine type flow rate control device according to claim 1 or 2.
The casing member is
The inlet pipe from which the fluid flows in and
A suction pipe that allows the fluid flowing out of the runner to pass through,
It is provided with an outlet pipe made of a curved pipe connected to the downstream end of the suction pipe.
A water turbine type flow control device characterized in that the discharge port at the downstream end of the outlet pipe is formed so that the inflow port of the inlet pipe and the center line coincide with each other.
請求項1ないし請求項3の何れか一つに記載の水車式流量制御装置において、
前記回転-直交変換機構は、
前記ランナーを前記軸線方向に駆動する際の動力源となるモータと、
前記モータの動作を制御する流量制御部と、
前記ランナーが回転することにより発電する発電機とを備え、
前記発電機によって発電された電力が前記モータおよび前記流量制御部に給電されて前記流量の調整が行われることを特徴とする水車式流量制御装置。
In the water turbine type flow rate control device according to any one of claims 1 to 3.
The rotation-orthogonal transformation mechanism
A motor that serves as a power source for driving the runner in the axial direction,
A flow rate control unit that controls the operation of the motor,
It is equipped with a generator that generates electricity by rotating the runner.
A water turbine type flow rate control device, wherein the electric power generated by the generator is supplied to the motor and the flow rate control unit to adjust the flow rate.
請求項4記載の水車式流量制御装置において、
さらに、
前記発電機が発電した電力を蓄電電力として蓄積する蓄電部と、
前記蓄電部に蓄電されている蓄電電力を前記モータおよび前記流量制御部に供給する電源部とを備えることを特徴とする水車式流量制御装置。
In the water turbine type flow rate control device according to claim 4.
moreover,
A storage unit that stores the power generated by the generator as stored power, and
A water turbine type flow rate control device including a motor and a power supply unit that supplies the stored electric power stored in the power storage unit to the motor and the flow rate control unit.
請求項5記載の水車式流量制御装置において、
さらに、
目標流量を含む外部からのデータを受信するデータ通信部を備え、
前記データ通信部は、無線によって前記外部からのデータを受信し、
前記電源部は、前記蓄電部に蓄積されている蓄電電力が不足している場合には、外部電源から供給される電力と合わせた電力を前記モータおよび前記流量制御部に供給し、前記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構成され、
外部電源からの電力の供給と、前記余剰電力の商用電源への回生は、それぞれ無線によって行われることを特徴とする水車式流量制御装置。
In the water turbine type flow rate control device according to claim 5.
moreover,
Equipped with a data communication unit that receives data from the outside including the target flow rate
The data communication unit wirelessly receives data from the outside and receives data from the outside.
When the stored power stored in the storage unit is insufficient, the power supply unit supplies power combined with the power supplied from the external power source to the motor and the flow control unit, and the stored power is supplied. If there is a surplus, the surplus power is configured to be regenerated to a commercial power source as surplus power.
A water turbine type flow rate control device characterized in that the supply of electric power from an external power source and the regeneration of the surplus electric power to a commercial power source are performed wirelessly, respectively.
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