JP7477436B2 - 水車式流量制御装置 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

実開平７－２５２７４号公報 特許第４６０１３１３号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 図３は、発電機の構成を示す分解斜視図である。 図４は、フランシス水車の正面図である。 図５は、フランシス水車の底面図である。 図６は、フランシス水車の分解斜視図である。 図７は、フランシス水車の断面図である。 図８は、フランシス水車の一部を示す断面図である。 図９は、回転－直交変換機構の他の例を示す模式図である。 図１０は、回転－直交変換機構の他の例を示す模式図である。 図１１は、回転－直交変換機構の他の例を示す模式図である。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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

コントローラ４は、室内温度の計測値ｔｐｖと室内温度の設定値ｔｓｐとの偏差を零とする制御出力として空調機２の熱交換器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。

〔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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

〔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。

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。

〔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。

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。

〔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。

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。

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。

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。

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

これに対して、本実施の形態では、外部からの電力と内部で発電された電力とのハイブリッド型とすることにより、今まで困難とされたいた流量制御バルブの完全ワイヤレス化を実現することができており、今までにない画期的な装置であると言える。本発明では、弁体を用いないので、流量制御バルブではなく、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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔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。

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。

Claims (5)

1. 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ものであり、
   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。
2. 請求項１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。
3. 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。
4. 請求項３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。
5. 請求項４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。

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