JP6579944B2

JP6579944B2 - 流量制御装置

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Publication number: JP6579944B2
Application number: JP2015249600A
Authority: JP
Inventors: 浩昭成田; 亮猿渡; 康孝藤本; 純松井
Original assignee: Azbil Corp; Yokohama National University NUC
Current assignee: Azbil Corp; Yokohama National University NUC
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2019-09-25
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: JP2017117062A

Description

本発明は、タービンを用いて流体の流量を制御するタービン式の流量制御装置に関する。

ビル等の空調制御システムや化学プラント等では、各種流体の流量を制御する流量制御装置として、流量制御バルブが用いられている。例えば、空調制御システムでは、空調機の熱交換器への冷温水の供給通路に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空調制御装置によって制御することにより、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。

ところで、近年の地球環境に対する意識の高まりに伴い、空調制御システムにおける従来の流量制御バルブの置き換えとして、タービン式の流量制御装置の開発が進められている。例えば、特許文献１には、タービンの回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を備え、上記タービンのトルクによって流路を流れる流体の流量を制御するとともに、上記発電機によって得られた電気エネルギーを流量制御装置内で使用するタービン式の流量制御装置が開示されている。

特開２０１５−９６７９１号公報

しかしながら、従来のタービン式の流量制御装置では、タービンのトルク制御のみによって流体の流量を制御しているため、流量制御のレンジアビリティが従来の流量制御バルブと比較して低いという問題がある。例えば、上述した従来のタービン式の流量制御装置のレンジアビリティは、差圧３０ｋＰａにおいて“４：１”程度であり、タービン式の流量制御装置を流量制御バルブの置き換えとして用いる場合には、実用上、“１００：１”程度のレンジアビリティが必要となる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、タービン式の流量制御装置において流量制御のレンジアビリティの向上を可能にすることにある。

本発明に係る流量制御装置（１）は、流体を受けて回転するタービン（１６０）を有し、前記タービンの回転によって発電する発電機（１６）と、タービンと同軸に配置された基体（１７０）と、基体上に基体の軸（Ｐ）と直交する方向に延在するとともに流体を受ける主面（１７１ｂ）を有する複数の羽根（１７１）とを備えた静翼（１７）と、タービンの角速度（ω）と、発電機のトルク（Ｔ）と、羽根の主面と基体の軸と直交する平面とのなすピッチ角度（Ａｇｖ）とに基づいて流体の流量を推定する流量推定部（１３１）と、流量推定部によって推定された流量（Ｑｚ）が流体の設定流量（Ｑ_ref）に一致するように発電機のトルクを制御する制御部（１３２，１４，１５）とを備えることを特徴とする。

上記流量制御装置において、上記ピッチ角度の情報（２２０）を記憶する記憶部（２２）を更に有し、流量推定部は、記憶部に記憶された上記ピッチ角度の情報に基づいて流量を推定してもよい。

上記流量制御装置において、上記ピッチ角度を検出する角度検出部（２３）を更に有し、流量推定部は、角度検出部によって検出されたピッチ角度に基づいて流量を推定してもよい。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の参照符号を括弧を付して記載している。

以上説明したことにより、本発明によれば、タービン式の流量制御装置において、流量制御のレンジアビリティの向上が可能となる。

図１は、実施の形態１に係るタービン式の流量制御装置を用いた空調制御システムの構成を示す図である。図２は、実施の形態１に係る流量制御装置の内部構成を示すブロック図である。図３は、実施の形態１に係る流量制御装置の外観の一部を示す斜視図である。図４は、実施の形態１に係る流量制御装置の外観の一部を示す分解斜視図である。図５は、実施の形態１に係る流量制御装置における発電機の構成を示す図である。図６は、実施の形態１に係る流量制御装置における静翼の構成を示す図である。図７は、実施の形態１に係る流量制御装置における静翼のピッチ角度を説明するための図である。図８は、実施の形態１に係る流量制御装置における静翼のピッチ角度（０度）の一例を示す図である。図９は、実施の形態１に係る流量制御装置における静翼のピッチ角度（４５度）の一例を示す図である。図１０は、実施の形態１に係る流量制御装置における静翼のピッチ角度（０度）の一例を示す図である。図１１は、実施の形態１に係る流量制御装置における静翼のピッチ角度（４５度）の一例を示す図である。図１２は、無次元流量と無次元トルクとピッチ角度との関係を示す三次元曲面の一例を示す図である。図１３は、ピッチ角度が４５度の場合の流量推定値と流量実測値との関係を示す図である。図１４は、ピッチ角度が３２．５度の場合の流量推定値と流量実測値との関係を示す図である。図１５は、ピッチ角度が８．５度の場合の流量推定値と流量実測値との関係を示す図である。図１６は、ピッチ角度が４５度の場合の流量とトルクと角速度との関係を示す図である。図１７は、ピッチ角度が３２．５度の場合の流量とトルクと角速度との関係を示す図である。図１８は、ピッチ角度が８．５度の場合の流量とトルクと角速度との関係を示す図である。図１９は、実施の形態２に係る流量制御装置の内部構成を示すブロック図である。図２０は、実施の形態３に係る流量制御装置の内部構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態において共通する構成要素には同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する。

≪実施の形態１≫
図１は、本発明の実施の形態１に係るタービン式の流量制御装置を用いた空調制御システムの構成を示す図である。
同図に示される空調制御システム１は、例えばビル等の建物内の制御対象空間２の温度を調節するシステムである。具体的に、空調制御システム１は、空調機３，空調制御装置４、外部電源５、流量制御装置１００、および温度センサ６を含む。

空調機（ＦＣＵ）３は、制御対象空間２へ調和された空気を供給するための装置である。空調機３は熱交換器（冷温水コイル）３１とファン３２とを備えている。

なお、空調機３の熱交換器３１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３１はシングルコイルタイプであるものとする。

流量制御装置１００は、空調機３の熱交換器３１に供給する冷温水の供給通路（流路）に設けられ、上記冷温水の流量を制御するためのタービン式の流量制御装置である。図１には、流量制御装置１００を空調機３の熱交換器３１から戻される冷温水の還水管路ＬＲに設けた場合が例示されているが、熱交換器３１に冷温水を供給する往水管路ＬＳに設けてもよい。

流量制御装置１００は、流量制御装置１００内部の発電機によって発電した電力により動作するが、発電した電力が不足するときには、外部電源５から電力が供給されて動作する。また、流量制御装置１００内部の発電機によって発電した余剰電力は、商用電源に回生し、他のコントローラやセンサ等に供給される。流量制御装置１００の具体的な構成については後述する。

制御対象空間２には、制御対象空間２内の温度を室内温度として計測する温度センサ６が設けられている。温度センサ６によって計測された室内温度の計測値ｔｐｖの情報は空調制御装置４に送信される。

空調制御装置（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との偏差がゼロとなるように、熱交換機３１に供給される冷温水の設定流量Ｑｓｐを算出し、算出した設定流量Ｑｓｐの情報を流量制御装置１００に与える。

空調制御システム１によれば、空調制御装置４によって流量制御装置１００を流れる冷温水の流量を制御することにより、空調機３の熱交換器３１への冷温水の供給量が制御され、空調機３から制御対象空間２への調和空気の温度が調節される。

次に、実施の形態１に係る流量制御装置１００について具体的に説明する。
図２〜４は、流量制御装置１００の構成を示す図である。
図２には、流量制御装置１００の内部構成を示すブロック図が示され、図３には、流量制御装置１００の外観の一部を示す斜視図が示され、図４には、図３に示した流量制御装置１００の分解斜視図が示されている。

図２に示されるように、流量制御装置１００は、データ通信部１１、システム制御部１２、流量制御部１３、インバータ制御部１４、インバータ１５、発電機１６、静翼１７、蓄電部１８、電源部１９、商用電源回生部２０、位置センサ２１、および記憶部２２を備えており、空調制御装置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。

流量制御装置１００は、管路（図１の例の場合、還水管路ＬＲ）から流れ込む冷温水を静翼１７を介して発電機１６を構成するタービン１６０に通水するとともにタービン１６０のトルクを制御することによって、冷温水の流量を制御する。

先ず、流量制御装置１００内部の流路に配置される静翼１７および発電機１６について説明する。
図４に示されるように、発電機１６のタービン１６０と静翼１７とは、流量制御装置１００内部の冷温水が通水する流路内に、それらの軸心と上記流路の軸心とが一致するように配置されている。

発電機１６は、冷温水の水流によって回転するタービンの回転によって発電する機能部である。図５に示されるように、発電機１６は、タービン（回転子）１６０と固定子１６１とを含む。タービン１６０は、流量制御装置１００内部の流路の軸Ｐと同軸に配置されている。具体的に、タービン１６０は、永久磁石を組み込んだリング１６０２と、リング１６０２の内側に一体的に設けられた羽根車１６０１とから構成されている。タービン１６０は、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、リング１６０２と羽根車１６０１とが一体となって回転する。

固定子１６１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１６０の回転による電磁誘導により発電する。

位置センサ２１は、リング１６０２に組み込まれた永久磁石の磁極の位置をタービン１６０の磁極位置として検出する。位置センサ２１としては、例えばホールＩＣ、インクリメンタルエンコーダ、アブソリュートエンコーダ等を用いることができる。

なお、本実施の形態では、位置センサ２１を設ける場合を一例として示しているが、位置センサ２１以外の別の手段によって、タービン１６０の磁極位置の検出とタービン１６０の角速度の算出を実現することができるのであれば、位置センサ２１を設けなくてもよい。また、上記別の手段と位置センサ２１とを組み合わせた構成としてもよい。なお、この場合の位置センサ２１としては、上記と同様に、例えばホールＩＣ、インクリメンタルエンコーダ、アブソリュートエンコーダ等を用いることができる。

静翼１７は、冷温水の水流を受けても回転しないように上記流路内に固定され、流体（冷温水）を整流する。具体的に、静翼１７は、図６に示されるように、タービンと同軸に配置された基体１７０と、基体１７上に基体１７の軸（軸Ｐ）と直交する方向に延在する複数の羽根１７１とを有する。

複数の羽根１７１は、基体１７０上に基体１７０の軸（軸Ｐ）と直交する方向に延在するとともに、基体１７０の円周方向に例えば等間隔で並んで配置されている。図７に示されるように、夫々の羽根１７１は、流体を受ける主面１７１ｂと基体１７０の軸（軸Ｐ）に直交する平面（Ｘ−Ｚ面）とのなす角（以下、「ピッチ角度」と称する。）Ａｇｖが固定されている。なお、以下の説明では、各羽根１７１のピッチ角度Ａｇｖを、「静翼１７のピッチ角度Ａｇｖ」と称することがある。

本実施の形態では、一例として、図７に示されるように、静翼１７をＺ方向からみたとき、羽根１７１を基体１７０の外周面に固定する固定軸１７２と羽根１７１の端部１７１ａとを結ぶ直線Ｂと、固定軸１７２を通り、軸Ｐに直交する平面（Ｘ−Ｚ面）と平行な直線Ａとのなす角をピッチ角度Ａｇｖとしている。

図８〜１１に静翼１７のピッチ角度Ａｇｖの調節例を示す。
図８には、ピッチ角度Ａｇｖ＝０度のときのＺ軸方向から見た静翼１７の斜視図が示され、図９には、ピッチ角度Ａｇｖ＝４５度のときのＺ軸方向から見た静翼１７の斜視図が示されている。また、図１０には、ピッチ角度Ａｇｖ＝０度のときのＹ軸方向から見た静翼１７の平面図が示され、図１１には、ピッチ角度Ａｇｖ＝４５度のときのＹ軸方向から見た静翼１７の平面図が示されている。

図８〜１１から理解されるように、静翼１７のピッチ角度Ａｇｖが大きくなるほど、流量制御装置１００内に流れ込む冷温水の流量が大きくなる。

次に、流量制御装置１００におけるタービン１６０を制御するための周辺の機能部について説明する。

データ通信部１１は、空調制御装置４との間で各種データの送受信を行う機能部である。データ通信部１１は、例えば、冷温水の流量の設定値等のデータを空調制御装置４から受信するとともに、流量制御装置１００の内部状態（動作状態等）に関するデータを空調制御装置４へ送信する。

システム制御部１２は、流量制御装置１００のシステム全体を統括的に制御するための機能部である。システム制御部１２は、例えば、データ通信部１１によって受信した各種設定値等の受信データを入力し、流量制御装置１００の内部状態等の送信データをデータ通信部１１へ出力する。また、システム制御部１２は、例えば、データ通信部１１によって受信した受信データから冷温水の流量の目標値（以下、「流量目標値」と称する。）Ｑ_refを取り出し、この取り出した流量設定値Ｑ_refを流量制御部１３へ出力する。

流量制御部１３は、インバータ制御部１４およびインバータ１５を介して発電機１６のタービン１６０を制御することにより、冷温水の流量を制御するための機能部である。具体的に、流量制御部１３は、流量推定部１３１とトルク目標値算出部１３２とを含む。

流量推定部１３１は、タービン１６０の角速度ωと、タービン１６０のトルクＴと、ピッチ角度Ａｇｖとに基づいて流体の流量を推定する機能部である。

トルク目標値算出部１３２は、流量推定部１３１によって推定された冷温水の流量（以下、「流量推定値」と称する。）Ｑ_Zが流量設定値Ｑ_refに一致するようにタービン１６０のトルクの目標値（以下、「トルク目標値」と称する。）Ｔ_refを算出する機能部である。
なお、流量推定部１３１およびトルク目標値算出部１３２による具体的な演算手法については後述する。

記憶部２２は、流量制御装置１００における各種のデータ処理を実現するための各種のプログラムや各種パラメータ等の情報を記憶する記憶部である。例えば、記憶部２２には、静翼１７のピッチ角度Ａｇｖの情報２２０や、流量推定部１３１による後述する流量の推定処理に用いられる関数の情報２２１等が格納されている。

インバータ制御部１４は、インバータ１５を制御するための機能部である。具体的に、インバータ制御部１４は、タービン１６０のトルクがトルク目標値Ｔ_refとなるようにトルク制御則によりインバータ１５への相電圧設定値を演算する。また、インバータ制御部１４は、位置センサ２１によって検出されたタービン１６０の磁極位置からタービン１６０の現在の角速度ωを算出するとともに、インバータ１５からの発電機１６の固定子１６１の固定子巻線の現在の相電圧値および相電流値からタービン１６０の現在のトルクＴを算出する。算出された角速度ωおよびトルクＴは、流量推定部１３１による流量推定値Ｑ_Zの算出に用いられる。

インバータ１５は、電源部１９からの主電源を受けて動作する。インバータ制御部１４によって算出された相電圧設定値に応じた相電圧を発電機１６の固定子１６１の固定子巻線に印加するとともに、発電機１６で発電された電力を蓄電部１８に供給する。

電源部１９は、外部電源５からの電力と、蓄電部１８に蓄積されている電力とを入力とし、流量制御装置１００内の各機能部に電源を供給する。本実施の形態では、電源部１９からインバータ１５へ供給される電源を主電源とし、電源部１９からデータ通信部１１、システム制御部１２、流量制御部１３、インバータ制御部１４、および記憶部２２等へ供給される電源を制御電源と称する。

電源部１９は、外部電源５からの電力と蓄電部１８に蓄積されている電力とを合わせた電力を各機能部に分配するが、蓄電部１８に蓄積されている電力を優先的に分配する。例えば、蓄電部１８に蓄積されている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各機能部に分配し、蓄電部１８に蓄積されている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２０を介して商用電源（この例では、外部電源５）に回生し、他のコントローラおよびセンサ等に電力を供給する。

上述したデータ通信部１１、システム制御部１２、流量制御部１３、記憶部２２、インバータ制御部１４、電源部１９、商用電源回生部２０等の流量制御装置１００を構成する各機能部は、例えば、プロセッサ、クロック回路、通信回路、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。

次に、流量推定部１３１による流量推定値Ｑ_Zの算出方法について具体的に説明する。
上述したように、流量推定部１３１は、インバータ制御部１４によって算出されたタービン１６０の角速度ωおよびトルクＴの情報と、記憶部２２に記憶されたピッチ角度Ａｇｖの情報とに基づいて無次元流量を推定し、この推定した無次元流量から流量推定値Ｑｚを算出する。

ここで、無次元流量πｑと無次元トルクπｔは、流量，トルク目標値，角速度に着目してバッキンガムのπ定理に基づいて次元解析を行うことにより、式（１）および式（２）によって定義できることが知られている。ここで、ρ［ｋｇ／ｍ³］は流体の密度、Ｄ［ｍ］はタービン１６０の直径（流量制御装置１００内部の流路の内径）、Ｑは流体（冷温水）の流量、ωはタービン１６０の角速度、Ｔ_refはタービン１６０のトルク目標値である。

また、タービン式の流量制御装置１００において、無次元流量πｑと、無次元トルクπｔと、ピッチ角度Ａｇｖとの関係は、図１２に示されるように、一つの三次元曲面３００によって表すことができる。三次元曲面３００は、式（３）で表すことができる。

式（３）において、ａ〜ｈは係数である。係数ａ〜ｈは、例えば、予め流量制御装置１００を試作し、試作した流量制御装置１００の測定結果に基づいて決められる。推定した各係数ａ〜ｈの値は、例えば、式（３）に示される関係式とともに、関数の情報２２１として記憶部２２に予め格納される。

式（３）を用いることにより、無次元トルクπｔとピッチ角度Ａｇｖとから無次元流量πｑを推定することができる。また、無次元流量πｑと流量Ｑとの間には、上述の式（１）に示した関係が成り立つことから、流量制御装置１００を流れる冷温水の流量推定値Ｑｚは、式（４）によって算出することができる。

具体的に、流量推定部１３１は、先ず、インバータ制御部１４によって算出されたタービン１６０の角速度ωの値およびトルクＴの値を式（２）に代入することにより、無次元トルクπｔを算出する。

ここで、式（２）に代入するトルクＴの値としては、インバータ制御部１４によって算出されたトルクの値であってもよいし、その時点で設定されているトルク目標値Ｔ_refの値であってもよく、特に限定されない。

また、式（２）の関係式の情報と、密度ρおよびタービン１６０の直径Ｄの情報は、関数の情報２２１として記憶部２２に予め記憶されているものとする。すなわち、流量推定部１３１は、記憶部２２から読み出した式（２）、密度ρ、および直径Ｄの情報と、インバータ制御部１４によって算出されたタービン１６０の角速度ωおよびトルクＴ（トルク目標値Ｔ_ref）とに基づいて、無次元トルクπｔを算出する。

次に、流量推定部１３１は、算出した無次元トルクπｔの値と、記憶部２２に記憶されたピッチ角度Ａｇｖの値および係数ａ〜ｈの値とを、式（３）に代入することにより、無次元流量πｑを算出する。その後、流量推定部１３１は、算出した無次元流量πｑを記憶部２２に記憶された式（４）に代入することにより、流量推定値Ｑ_Zを算出する。
以上の手法により、タービン１６０の角速度ω、タービン１６０のトルクＴ、およびピッチ角度Ａｇｖに基づいて、流量推定値Ｑ_Zを算出することができる。

図１３〜１５に、実施の形態１に係る流量制御装置１００において、上述した手法によって算出した冷温水の流量推定値Ｑ_Zと、実際に流量計を用いて測定した冷温水の流量との比較結果を示す。図１３〜１５において、縦軸は流量〔ｍ³／ｓ〕であり、横軸はトルク〔Ｎｍ〕である。

図１３には、静翼１７のピッチ角度Ａｇｖが４５度のときの流量推定値Ｑｚと流量とが示され、図１４には、静翼１７のピッチ角度Ａｇｖが３２．５度のときの流量推定値Ｑｚと流量とが示され、図１５には、静翼１７のピッチ角度Ａｇｖが８．５度のときの流量推定値Ｑｚと流量とが示されている。

図１３〜１５に示されるように、ピッチ角度Ａｇｖが４５度および３２．５度においては、一つの点を除いて、流量推定値Ｑｚと流量との誤差は最大±０．０００６〔ｍ３／ｓ〕であり、ピッチ角度Ａｇｖが１２．５度においては、上記誤差は最大±０．０００４〔ｍ３／ｓ〕である。したがって、最大レンジを０．０１６〔ｍ３／ｓ〕とすれば、上記誤差は最大±３．８％ＦＳとなることから、上記推定方法によれば、流体の流量を高精度に推定できることが理解される。

次に、トルク目標値算出部１３２によるトルク目標値Ｔ_refの算出方法について具体的に説明する。
トルク目標値Ｔ_refは、流量目標値Ｑ_refと流量推定値Ｑ_Zとに基づいて、記憶部２２に記憶された定数Ｋ_P，Ｋ_I、および下記式（５）で示されるＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御則によって算出することができる。

したがって、トルク目標値算出部１３２は、流量目標値Ｑ_refと流量推定部１３１によって算出された流量推定値Ｑ_Zとを式（５）に代入することによって、トルク目標値Ｔ_refを算出する。

次に、流量制御装置１００の動作について説明する。
先ず、流量制御装置１００は、冷温水の供給先の負荷変動により、空調制御装置４からの冷温水の新たな流量目標値Ｑ_refをデータ通信部１１によって受信する。データ通信部１１によって受信した流量目標値Ｑ_refは、システム制御部１２へ送られる。

システム制御部１２は、流量目標値Ｑ_refの情報を流量制御部１３へ送る。流量制御部１３では、先ず、流量推定部１３１が、インバータ制御部１４によって算出されたタービン１６０の角速度ωおよびトルクＴの情報と、記憶部２２に記憶されたピッチ角度Ａｇｖの情報とに基づいて、上述した手法により無次元流量πｑを推定し、この推定した無次元流量πｑに基づいて、上述した手法により流量推定値Ｑ_Zを算出する。

そして、トルク目標値算出部１３２は、流量推定部１３１によって算出された流量推定値Ｑ_Zが流量目標値Ｑ_refに一致するようなトルク目標値Ｔ_refを上述した手法により算出し、インバータ制御部１４に送る。

インバータ制御部１４は、流量制御部１３からのトルク目標値Ｔ_refを受けて、発電機１６のタービン１６０のトルクＴがトルク目標値Ｔ_refと一致するような相電圧設定値を算出し、インバータ１５へ送る。インバータ１５は、インバータ制御部１４からの相電圧設定値を受けて、発電機１６の固定子１６１の固定子巻線に上記相電圧設定値に応じた相電圧を供給する。これにより、タービン１６０のトルクがトルク目標値Ｔ_refに合わせ込まれ、管路を流れる冷温水の流量が流量目標値Ｑ_refに調整される。

以上、本実施の形態に係る流量制御装置１００によれば、流量制御におけるレンジアビリティを向上させることが可能となる。以下、図１６〜１８を用いて具体的に説明する。

図１６〜１８は、流量制御装置１の各ピッチ角度Ａｇｖにおける、流量とトルクと角速度との関係を示す図である。
図１６〜１８において、縦軸は流量〔ｍ³／ｓ〕であり、横軸はトルク〔Ｎｍ〕である。図１６には、静翼１７のピッチ角度Ａｇｖが４５度である場合において、タービン１６０の角速度ωを１００〔ｒｐｍ〕、５００〔ｒｐｍ〕、１０００〔ｒｐｍ〕、１５００〔ｒｐｍ〕、２０００〔ｒｐｍ〕、２５００〔ｒｐｍ〕、３０００〔ｒｐｍ〕、３５００〔ｒｐｍ〕、４０００〔ｒｐｍ〕としたときのタービン１６０のトルクＴに対する電磁流量計によって計測した流量の特性が、参照符号４００〜４０８によって夫々示されている。

また、図１７には、静翼１７のピッチ角度Ａｇｖが３２．５度である場合において、タービン１６０の角速度ωを１００〔ｒｐｍ〕、５００〔ｒｐｍ〕、１０００〔ｒｐｍ〕、１５００〔ｒｐｍ〕、２０００〔ｒｐｍ〕、２５００〔ｒｐｍ〕、３０００〔ｒｐｍ〕、３５００〔ｒｐｍ〕としたときのタービン１６０のトルクＴに対する電磁流量計によって計測した流量の特性が参照符号５００〜５０７によって夫々示されている。

また、図１８には、静翼１７のピッチ角度Ａｇｖが８．５度である場合において、タービン１６０の角速度ωを１００〔ｒｐｍ〕、５００〔ｒｐｍ〕、１０００〔ｒｐｍ〕、１５００〔ｒｐｍ〕としたときのタービン１６０のトルクＴに対する電磁流量計によって計測した流量の特性が参照符号６００〜６０３によって夫々示されている。

図１６に示されるように、静翼１７のピッチ角度Ａｇｖが４５度である場合において、タービン１６０の角速度を変えたときの電磁流量計によって計測した流量の範囲は、約０．００３６〔ｍ³／ｓ〕（参照符号４００の流量値の最小値）から約０．０１６〔ｍ³／ｓ〕（参照符号４０８の流量値）となる。

また、図１７に示されるように、静翼１７のピッチ角度Ａｇｖが３２．５度である場合において、タービン１６０の角速度を変えたときの電磁流量計によって計測した流量の範囲は、約０．００３〔ｍ³／ｓ〕（参照符号５００の流量値の最小値）から約０．０１２〔ｍ³／ｓ〕（参照符号４０７の流量値）となる。

また、図１８に示されるように、静翼１７のピッチ角度Ａｇｖが８．５度である場合において、タービン１６０の角速度を変えたときの電磁流量計によって計測した流量の範囲は、約０．００１〔ｍ³／ｓ〕（参照符号６００の流量値の最小値）から約０．００３３〔ｍ³／ｓ〕（参照符号６０３の流量値）となる。

以上のことから理解されるように、静翼１７のピッチ角度Ａｇｖ毎に、流量の制御範囲が異なる。したがって、本実施の形態１に係る流量制御装置１００のようにタービン１６０のトルクＴ、角速度ω、およびピッチ角度Ａｇｖの３つのパラメータに基づいて冷温水の流量を推定した上で、更に静翼１７のピッチ角度を調節すれば、流量制御のレンジアビリティを向上させることが可能となる。例えば、図１６〜図１８に示されるように、タービン１６０のトルクのみならず、ピッチ角度Ａｇｖを８．５度から４５度まで変化させることにより、流量の制御範囲を約０．００１〔ｍ³／ｓ〕（参照符号６００の流量推定値の最小値）から約０．０１６〔ｍ³／ｓ〕（参照符号４０８の流量推定値）まで広げることが可能となる。

以上のように、実施の形態１に係る流量制御装置１００によれば、タービン１６０のトルクと角速度のみならずピッチ角度Ａｇｖをも考慮して流量を推定する構成を備えているので、例えば静翼１７のピッチ角度Ａｇｖを調節できる機構を流量制御装置１００に追加することにより、流量制御のレンジアビリティを向上させることが可能となる。例えば、ピッチ角度Ａｇｖの異なる静翼１７を手動により切り替えられる機構を流量制御装置１００に設けることにより、流量制御装置１００を適用するアプリケーションに応じて流量の制御範囲を選択することができるようになるので、流量制御のレンジアビリティの向上が期待できる。

≪実施の形態２≫
図１９は、実施の形態２に係る流量制御装置１０１の構成を示す図である。
図１９に示される流量制御装置１０１は、角度検出部２３を備える点において、実施の形態１に係る流量制御装置１００と相違する一方、その他の点においては実施の形態１に係る流量制御装置１００と同様である。

角度検出部２３は、各羽根１７１のピッチ角度Ａｇｖを検出する機能部である。角度検出部２３としては、ポテンショメータ、インクリメンタルエンコーダ、およびアブソリュートエンコーダ等を例示することができる。

流量推定部１３１は、角度検出部２３によって検出されたピッチ角度Ａｇｖの値に基づいて流量推定値Ｑ_Zを算出する。なお、流量推定値Ｑ_Zの算出方法については、実施の形態１に係る流量制御装置１００と同様である。

以上、実施の形態２に係る流量制御装置１０１によれば、実施の形態１に係る流量制御装置１００と同様に、流量制御におけるレンジアビリティを向上させることが可能となる。

また、実施の形態２に係る流量制御装置１０１によれば、上述した例のように、ピッチ角度Ａｇｖの異なる静翼１７に交換した場合であっても、静翼１７の交換後のピッチ角度Ａｇｖを角度検出部２３によって検出することができるので、ユーザ自らがピッチ角度Ａｇｖの情報を流量制御装置１０１内の記憶部に再設定する必要がなく、ユーザの手間を省くことができる。

≪実施の形態３≫
図２０は、実施の形態３に係る流量制御装置１０２の構成を示す図である。
図２０に示される流量制御装置１０２は、空調制御装置４との間および外部電源５との間を無線で接続する点において、実施の形態１に係る流量制御装置１００と相違する一方、その他の点においては実施の形態１に係る流量制御装置１００と同様である。

流量制御装置１０２では、データ通信部１１に代えてワイヤレスデータ通信部２４を設け、アンテナ２５を通して空調制御装置４との間のデータの送受信を無線で行う。また、流量制御装置１０２では、商用電源回生部２０に代えてワイヤレス送受電部２６を設け、外部電源５からの電力をアンテナ２５を通して無線で受けて電源部１９へ送るとともに、電源部１９からの余剰電力をアンテナ２５を通して無線で商用電源（この例では、外部電源５）に回生し、他のコントローラおよびセンサ等に電力を供給する。

流量制御装置１０２によれば、空調制御装置４との間および外部電源５との間を無線で接続するようにしているので、流量制御装置１０２と外部機器との間の配線をなくすことが可能となる。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および置き換え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。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、上記実施の形態において、流量制御装置１００〜１０２を空調制御システム１に適用する場合を例示したが、これに限られず、各種の流量制御のアプリケーションに適用でき、更には一般産業機器までにも拡大して適用することが可能である。

また、上記実施の形態において、流量制御装置１００〜１０２による制御対象の流体が冷温水である場合を例示したが、これに限れず、冷温水以外の液体でもよいし、ガス等の気体であってもよい。

また、実施の形態３において、空調制御装置４との間および外部電源５との間を無線で接続する流量制御装置１０２を例示したが、これに限られず、流量制御装置１０２において、空調制御装置４との間および外部電源５との間の何れか一方を無線とし、他方を実施の形態１に係る流量制御装置１００と同様に有線としてもよい。

１…空調制御システム、２…制御対象空間、３…空調機（ＦＣＵ）、４…空調制御装置、５…外部電源、ＬＲ…還水管路、ＬＳ…往水管路、３１…熱交換器、３２…ファン、１００，１０１，１０２…流量制御装置、１１…データ通信部、１２…システム制御部、１３…流量制御部、１３１…流量推定部、１３２…トルク目標値算出部、１４…インバータ制御部、１５…インバータ、１６…発電機、１６０…タービン、１６０１…羽根車、１６０２…リング、１６１…固定子、１７…静翼、１７０…基体、１７１…羽根、１７１ａ…羽根の端部、１７１ｂ…羽根の主面、１７２…固定軸、１８…蓄電部、１９…電源部、２０…商用電源回生部、２１…位置センサ、２２…記憶部、２２０…ピッチ角度の情報、２２１…関数情報、２３…角度検出部、２４…ワイヤレスデータ通信部、２５…アンテナ、２６…ワイヤレス送受電部。

Claims

流体を受けて回転するタービンを有し、前記タービンの回転によって発電する発電機と、
前記タービンと同軸に配置された基体と、前記基体上に前記基体の軸と直交する方向に延在するとともに前記流体を受ける主面を有する複数の羽根とを備えた静翼と、
前記タービンの角速度と、前記発電機のトルクと、前記羽根の前記主面と前記基体の軸に直交する平面とのなすピッチ角度とに基づいて、前記流体の流量を推定する流量推定部と、
前記流量推定部によって推定された前記流量が前記流体の設定流量に一致するように前記発電機のトルクを制御する制御部と、を備える
ことを特徴とする流量制御装置。
請求項１に記載の流量制御装置において、
前記ピッチ角度の情報を記憶する記憶部を更に有し、
前記流量推定部は、前記記憶部に記憶された前記ピッチ角度の情報に基づいて前記流量を推定する
ことを特徴とする流量制御装置。
請求項１に記載の流量制御装置において、
前記ピッチ角度を検出する角度検出部を更に有し、
前記流量推定部は、前記角度検出部によって検出された前記ピッチ角度に基づいて前記流量を推定する
ことを特徴とする流量制御装置。
請求項１乃至３の何れか一項に記載の流量制御装置において、
前記流量推定部は、無次元トルクと、無次元流量と、前記ピッチ角度との関係を示す三次元曲面に基づいて、前記流量の推定値を算出する
ことを特徴とする流量制御装置。
請求項１乃至４の何れか一項に記載の流量制御装置において、
前記制御部は、
前記流量の目標値と前記流量推定部によって算出した前記流量の推定値とに基づいて前記発電機のトルクの目標値を算出するトルク目標値算出部を含む
ことを特徴とする流量制御装置。