WO2014115208A1

WO2014115208A1 - 流体装置

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Publication number: WO2014115208A1
Application number: PCT/JP2013/006824
Authority: WO
Inventors: 知己阪本; 池上　裕之; 淳須原; 祐造沢田
Original assignee: ダイキン工業株式会社
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-07-31
Also published as: AU2016266086B2; ES2868892T3; AU2013374847A1; EP2950429B1; EP2950429A4; US10233942B2; US20150369258A1; AU2016266086A1; CN104937821A; EP2950429A1

Abstract

流体機械と回転電気機械とを有する流体装置において、流体機械（15）と、上記流体機械（15）の回転軸（10a）に接続された回転電気機械（11）とを備える。上記流体機械（15）の上流側と下流側とをバイパスする冷却配管（40,41）の流体を液冷に用いる冷却器が配置される。上記流体機械（15）と上記回転電気機械（11）とは、取り外し可能に連結される。従って、回転電気機械（11）の冷却性能の向上を図りつつ小型化でき、保守、整備性の向上が図られる。

Description

流体装置

　本発明は、水車又はポンプの水力機械と発電機又は電動機の回転電気機械とを備えた流体装置の改良に関し、特に、その装置の整備性の向上対策に関する。

　従来、水車と発電機とを備えた水力発電装置として、水車と、その水車に回転軸が接続された発電機とを１つのケーシング内に配置し、上記ケーシングの一端に供給される水流を上記水車に与えた後、上記ケーシングの他端から流出させて、水車を回転駆動し、その水車の回転により上記発電機の回転軸を回転駆動して発電させると共に、上記ケーシング内に流入した水流によりそのケーシング内に配置した発電機を冷却する構造が知られている。また、水車と発電機とを備えた水力発電装置において発電機を水冷式としたものとしては、特許文献１に記載がある。

　更に、従来、ポンプと電動機を備えたポンプシステムとして、電動機の回転軸に水ポンプを連結し、その水ポンプと電動機とを上下に配置すると共に、上記電動機を制御するインバータ等の電力変換制御装置を電動機の側方に連結配置した構造とすると共に、その水ポンプを流入管と流出管との接続部分に配置して、電力を受けた電動機により水ポンプを回転駆動して、流出管から水流を供給する構成が知られている。

特開２０１１－８９４７６号公報

　しかしながら、上記水力発電装置では、ケーシング内に流入した水流で発電機を冷却して、発電機を水冷式とするので、発電機の冷却性能を高めて小型化を図ることが可能であるものの、発電機が水車と共にケーシング内にビルトインされた構造であるため、発電機の保守や整備性が低い欠点がある。

　また、上記ポンプシステムでは、電動機及びその側方に配置したインバータ等の電力変換制御装置は空冷式となっており、このため、それ等機器の冷却性能は低く、また大型化する欠点がある。

　本発明は、上記欠点に鑑み、その目的は、水車又はポンプの水力機械と発電機又は電動機の回転電気機械とを備えた流体装置において、その回転電気機械又は電力変換制御装置を水冷式として、その冷却性能を高めると共に、取り外し可能に連結して小型化し、その回転電気機械の保守、整備性の向上を図ることにある。

　上記目的を達成するため、本発明の流体装置は、水力機械（15）と、上記水力機械（15）に連結された回転電気機械（11）とを備えた流体装置において、上記水力機械（15）の上流側と下流側とをバイパスして流体を流す冷却配管（40,41）と、上記冷却配管（40,41）の途中に配置され、上記冷却配管（40,41）を流通する流体を液冷に用いる冷却器（30,31）とを備え、上記水力機械（15）と上記回転電気機械（11）とは、取り外し可能に連結されていることを特徴とする。

　本発明の流体装置では、冷却配管を経て流体が冷却器に流通して、この冷却器により例えば回転電気機械や電力変換制御装置を冷却できるので、この回転電気機械や電力変換制御装置を液冷式として、その冷却性能が高くなると共に小型化が図られる。

　しかも、上記水力機械と回転電気機械とが取り外し可能に連結されているので、水力機械や回転電気機械の保守、整備時には、これを簡易に且つ短時間で行うことが可能である。

　本発明は、上記流体装置において、電力変換制御装置（20,21）を備え、上記冷却器（30,31）は、上記回転電気機械（11）と上記電力変換制御装置（20,21）との間に挟まれて配置され、上記冷却配管（40,41）を流通する流体により上記回転電気機械（11）と電力変換制御装置（20,21）との双方を冷却する双方冷却器（30,31）であることを特徴とする。

　本発明では、双方冷却器の両側に回転電気機械と電力変換制御装置とが位置するので、この１つの冷却器により回転電気機械と電力変換制御装置とが同時に冷却される。ここに、回転電気機械と電力変換制御装置とに対する冷却系統は１系統であるので、回転電気機械と電力変換制御装置の冷却方式を液冷としながら、流体装置全体を小型化、軽量化することができ、低価格化、省スペース化や、工事、メンテナンスの簡略化が可能である。

　本発明は、上記流体装置において、上記電力変換制御装置（20,21）は、上記回転電気機械（11）で得られた電力又は電源からの電力を変換又は制御する第１の電力変換制御装置（20）と、上記第１の電力変換制御装置（20）で変換又は制御された電力を更に変換又は制御する第２の電力変換制御装置（21）とを備え、上記双方冷却器（30,31）は、上記回転電気機械（11）と上記第１の電力変換制御装置（20）との間に挟まれて配置された第１の冷却器（30）と、上記回転電気機械（11）と上記第２の電力変換制御装置（21）との間に挟まれて配置された第２の冷却器（30）とを備えることを特徴とする。

　本発明では、第１の冷却器の両側に回転電気機械と第１の電力変換制御装置とが位置すると共に、第２の冷却器の両側に回転電気機械と第２の電力変換制御装置とが位置して、これ等の回転電気機械と第１及び第２の電力変換制御装置とが同時に冷却されるので、回転電気機械と第１及び第２の電力変換制御装置との冷却方式を液冷としながら、回転電気機械と第１及び第２の電力変換制御装置を含む流体装置全体の小型化、軽量化、低価格化、省スペース化、工事及びメンテナンスの簡略化が可能である。

　本発明は、上記流体装置において、上記冷却配管（40,41）の流体が供給され、上記回転電気機械（11）を冷却する回転電気機械用冷却器（32）を備え、上記回転電気機械用冷却器（32）は、上記回転電気機械（11）の端部のうち上記第１の冷却器（30）及び第２の冷却器（31）が位置する端部以外の端部に位置することを特徴とする。

　本発明では、回転電気機械が上記双方冷却器である第１及び第２の冷却器に加えて回転電気機械用冷却器でも冷却されるので、その回転電気機械の冷却性能が更に向上する。

　本発明は、上記流体装置において、上記回転電気機械（11）は上記水力機械（15）の上方に位置し、上記第１及び第２の電力変換制御装置（20）、（21）並びに上記第１及び第２の冷却器（30）、（31）は、上記水力機械（15）での流体の流通方向とは直交する上記回転電気機械（11）の側方に位置し、上記回転電気機械用冷却器（32）は上記回転電気機械（11）の上方に位置することを特徴とする。

　本発明では、第１及び第２の電力変換制御装置並びに第１及び第２の冷却器の配置位置が特定されて、これ等が回転電気機械の側方のうち、水力機械での流体の流通方向とは直交する側に配置されるので、これ等の回転電気機械や電力変換制御装置の保守、整備時には、水力機械に接続される流体の流入管や流出管に邪魔されることなく、それ等の保守、整備を容易に行うことができる。また、回転電気機械用冷却器により回転電気機械において比較的高温となると考えられるステータのコイルエンド、軸受を個別に効果的に冷却することができる。

　本発明は、上記流体装置において、上記回転電気機械（11）は上記水力機械（15）の上方に位置し、上記第１及び第２の電力変換制御装置（20）、（21）並びに上記第１及び第２の冷却器（30）、（31）は、上記水力機械（15）での流体の流通方向とは平行となる上記回転電気機械（11）の側方に位置し、上記回転電気機械用冷却器（32）は上記回転電気機械（11）の上方に位置することを特徴とする。

　本発明では、第１及び第２の電力変換制御装置並びに第１及び第２の冷却器の配置位置が特定されて、これ等が回転電気機械の側方のうち、水力機械での流体の流通方向とは平行となる側に配置されるので、水力機械に接続される流体配管の延びる方向に第１及び第２の電力変換制御装置並びに第１及び第２の冷却器が沿うので、流体装置全体のスリム化、コンパクト化が可能である。

　本発明は、上記流体装置において、上記冷却配管（40,41）は、上記双方冷却器（30,31）の第１の冷却器（30）、第２の冷却器（31）及び回転電気機械用冷却器（32）に並列に分岐することを特徴とする。

　本発明では、双方冷却器の第１の冷却器、第２の冷却器及び回転電気機械用冷却器は冷却配管に並列に接続されるので、冷却配管での流体供給の抵抗が小さくなる。従って、本流体装置が落差の小さい流体路に配置された場合や、流体機械として備えるポンプの容量が小容量の場合であっても、これ等の３つの冷却器に十分な流体を供給できるので、回転電気機械や第１及び第２の電力変換制御装置を良好に冷却することができる。

　本発明の流体装置によれば、例えば回転電気機械や電力変換制御装置を液冷式にできて、その回転電気機械又は電力変換制御装置の冷却性能の向上及び小型化を図りつつ、水力機械と回転電気機械とを取り外し可能に連結して、その水力機械や回転電気機械の保守、整備を簡易に且つ短時間で行うことが可能である。

　また、本発明によれば、回転電気機械と電力変換制御装置との冷却系統を１系統としながら、流体装置全体を小型化、軽量化することができ、低価格化、省スペース化、工事及びメンテナンスの簡略化が可能である。

　更に、本発明によれば、電力変換制御装置が複数存在する場合であっても、回転電気機械及びそれ等の電力変換制御装置の冷却系統を簡易にして、これ等の機器を含む流体装置全体の小型化、軽量化、低価格化、省スペース化、工事及びメンテナンスの簡略化が可能である。

　加えて、本発明によれば、回転電気機械を３つの冷却器で冷却して、回転電気機械の冷却性能の一層の向上を図ることができる。

　また、本発明によれば、回転電気機械や電力変換制御装置の保守、整備時に、水力機械に接続される流体の流入管や流出管に邪魔されることなく、それ等の保守、整備を容易に行うことができ、かつ回転電気機械の高温となる部分を効果的に冷却することができる。

　更に、本発明によれば、電力変換制御装置及びその冷却器を水力機械の流体の流通方向に沿わせたので、流体装置全体としてスリム化、コンパクト化が可能である。

　加えて、本発明によれば、本流体装置が落差の小さい流体路に配置された場合や、備えるポンプの容量が小容量の場合であっても、回転電気機械や複数の電力変換制御装置を良好に冷却することができる。

図１は実施形態１に係る流体装置の概略正面図である。図２は同流体装置の概略側面図である。図３は同流体装置に備える水車に備える羽根車の斜視図である。図４（a）は実施形態１に係る冷却流体取出し装置の正面図、同図（b）は同側面断面図である。図５（a）は実施形態１に係る冷却流体戻し装置の正面図、同図（b）は同側面断面図である。図６（a）は取水口をフランジ配管の中心となるように配置した冷却流体取出し装置の正面図、同図（b）は同側面断面図である。図７（a）は排出口をフランジ配管の中心となるように配置した冷却流体戻し装置の正面図、同図（b）は同側面断面図である。図８（a）は変形例１に係る冷却流体取出し装置の正面図、同図（b）は同側面断面図である。図９（a）は変形例１において取水口をフランジ配管の中心となるように配置した冷却流体取出し装置の正面図、同図（b）は同側面断面図である。図１０（a）は変形例２に係る冷却流体取出し装置の正面図、同図（b）は同側面断面図である。図１１（a）は変形例２に係る冷却流体取出し装置を冷却流体戻し装置として使用する場合の冷却流体戻し装置の正面図、同図（b）は同側面断面図である。図１２（a）は変形例３に係る冷却流体取出し装置の正面図、同図（b）は同側面断面図である。図１３（a）は変形例３において取水口がフランジ配管の中心からオフセットした冷却流体取出し装置の正面図、同図（b）は同側面断面図である。図１４（a）は変形例４に係る冷却流体取出し装置の正面図、同図（b）は同側面断面図である。図１５（a）は変形例４において取水口がフランジ配管の中心からオフセットした冷却流体取出し装置の正面図、同図（b）は同側面断面図である。図１６は実施形態２に係る水力発電システムの縦断面図である。図１７は実施形態２の変形例に係る水力発電システムの縦断面図である。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、又はその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

　《発明の実施形態１》
　本発明の流体装置の一例として水力発電システムを説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る水力発電システム（500）の概略正面図を示し、図２は、同水力発電システム（500）の概略側面図を示す。

　図１及び図２において、（1）は水流の流入管、（2）は水流の流出管であって、本水力発電システム（500）は、上記流入管（1）と流出管（2）とが一直線上に配置されたインライン型である。上記流入管（1）には冷却流体取出し装置（100）が、上記流出管（2）には冷却流体戻し装置（200）がそれぞれ接続されている。

　上記流入管（1）と流出管（2）とで形成する水流経路の途中には図３に示す羽根車（10）を内蔵するケーシング（14）が配置される。上記羽根車（10）は、上下方向に配置された回転軸（10a）の下端が接続され、その回転軸（10a）が接続される中心部（10b）には複数枚のブレード（10c）が渦巻き状に配置されている。そして、流入管（1）からの水流により複数枚のブレード（10c）が圧力を受けて回転して、回転軸（10a）を回転させる構成である。この羽根車（10）は、例えば渦巻きポンプに備えるインペラが流用される。　　　

　そして、上記流入管（1）、流出管（2）、回転軸（10a）を有する羽根車（10）、及び上記羽根車（10）の回転軸（10a）の周囲を囲む中空の台座（13）、並びに上記ケーシング（14）により、水流を受けて回転軸（10a）を回転駆動する水車（水力機械）（15）を構成する。

　上記水車（15）の上方には、その上下方向に配置された回転軸（10a）の上端に接続される発電機（回転電気機械）（11）が配置されていて、この発電機（11）の下方に配置したフロントカバー（12）と上記水車（15）の回転軸（10a）の周囲を囲む中空の台座（13）とがボルト等の締結具により締結されて、水車（15）と発電機（11）とが取り外し可能に連結固定されており、本流体装置は、水車（15）と発電機（11）とが上下方向に配置された立型となっている。

　上記発電機（11）は、上記水車（15）の回転軸（10a）に連結されて回転駆動されて、三相交流電力を発生する。

　そして、上記発電機（11）の図２左側方（水車（15）に流通する水流の方向とは直行する水平方向）には、上記発電機（11）で発電された電力又は電源（22）からの電力を変換又は制御する装置又はその一部品としての第１の電力変換制御装置（20）が配置される。この第１の電力変換制御装置（20）は、本実施形態では、一例として、上記発電機（11）で発電した三相交流電力を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータを例示する。また、上記発電機（11）の図２右側方には、上記第１の電力変換制御装置（20）で変換又は制御された電力を更に変換又は制御する装置又はその一部品としての第２の電力変換制御装置（21）が配置される。この第２の電力変換制御装置（21）は、本実施形態では、一例として、上記例示したＡＣ／ＤＣコンバータにより変換された直流電力を例えば商用電源（22）に返還するために交流電力に変換するＤＣ／ＡＣコンバータを例示する。これ等のＡＣ／ＤＣコンバータ（20）及びＤＣ／ＡＣコンバータ（21）は、共に、図１から判るように、上記発電機（11）とほぼ同一高さ及び同一幅に形成されている。

　上記ＡＣ／ＤＣコンバータ（20）は、発電機（11）で発電した三相交流を直流に変換する。また、上記ＤＣ／ＡＣコンバータ（21）は、上記ＡＣ／ＤＣコンバータ（20）で変換された直流を交流に変換して例えば商用電源（22）に返還する。

　尚、上記第１の電力変換制御装置（20）としてＡＣ／ＤＣコンバータを例示し、第２の電力変換制御装置（21）としてＤＣ／ＡＣコンバータを例示したが、これ等の電力変換制御装置（20）、（21）は複数であっても良い。

　次に、本立型水力発電システム（500）において、上記発電機（11）、ＡＣ／ＤＣコンバータ（20）及びＤＣ／ＡＣコンバータ（21）を冷却する冷却系統について説明する。

　上記発電機（11）の図２で左側方には、この発電機（11）とＡＣ／ＤＣコンバータ（20）との間に水冷ジャケット（双方冷却器の第１の冷却器）（30）が配置されていて、この水冷ジャケット（30）を介して発電機（11）とＡＣ／ＤＣコンバータ（20）とが取り外し可能に連結、固定されている。

　そして、上記水車（15）の上流側の流路、即ち、流入管（1）に接続された冷却流体取出し装置（100）には、この冷却流体取出し装置（100）から上記水車（15）をバイパスした一部の水流が流れ出す水（冷却流体の一例）が流れ込む冷却流体配管（40）が、管継手（301）を介して接続される。この冷却流体配管（40）は、水車（15）側に水平方向に延びた後、冷却流体取出し装置（100）の上方に立ち上がり、発電機（11）の下部付近（I）で横方向に折れ曲がって、上記水冷ジャケット（30）の冷却流体通路の水車（15）上流側の一端に接続されて、水流が水冷ジャケット（30）に供給される。この水冷ジャケット（30）の冷却流体通路の水車（15）下流側の他端には、水流排出用の冷却流体配管（41）が接続される。この冷却流体配管（41）は、水車（15）下流側に水平方向に延びた後、下方に曲がり、流出管（2）の直上方の位置にて更に水車（15）下流側に水平方向に延びて、流出管（2）に接続された冷却流体戻し装置（200）の上部に、管継手（301）を介して接続されて、水を冷却流体戻し装置（200）に戻す。

　従って、水冷ジャケット（30）への水流は、水車（15）の上流側から冷却流体配管（40）を介して供給され、その後、冷却流体配管（41）を経て水車（15）の下流側に戻される。

　上記発電機（11）の図２で右側方には、左側方と同様に、発電機（11）とＤＣ／ＡＣコンバータ（21）との間に水冷ジャケット（双方冷却器の第２の冷却器）（31）が配置されていて、この水冷ジャケット（31）を介して発電機（11）とＤＣ／ＡＣコンバータ（21）とが取り外し可能に連結、固定されている。

　そして、上記水車（15）上流側の冷却流体取出し装置（100）に接続された冷却流体配管（40）は、その上記発電機下部付近（I）にて図２右側方に分岐して、水冷ジャケット（31）の冷却流体通路の上流側の一端に接続されて、水流が水冷ジャケット（31）に供給されると共に、冷却流体戻し装置（200）に接続された冷却流体配管（41）は、発電機下部付近（O）にて図２右側方に分岐して、水冷ジャケット（31）の冷却流体通路の下流側の一端に接続されて、水冷ジャケット（31）流通後の水流が冷却流体配管（41）を経て冷却流体戻し装置（200）に戻される。

　更に、上記発電機（11）の上方には水冷リアカバー（回転電気機械用冷却器）（32）が配置され、その下面が発電機（11）の上面に取り外し可能に固定されている。上記水冷リアカバー（32）は、その水車（15）に対する水流の方向の長さ及びその直行方向の幅において発電機（11）の同長さ及び幅とほぼ同一長さ及び幅に形成されている。更に、上記水冷リアカバー（32）は、内部に冷却流体通路（図示せず）を有し、この冷却流体通路は例えば発電機（11）のコイルエンド近傍に位置するように配置されると共に、その一端は水車（15）の上流側に開口し、その他端は水車（15）の下流側に開口する。

　そして、上記冷却流体取出し装置（100）に接続された冷却流体配管（40）は、その発電機下部付近（I）にて分岐して上方に延びた後、水車（15）下流側に折れ曲がって、上記水冷リアカバー（32）の冷却水通路の一端と接続されて、水流が水冷リアカバー（32）に供給されると共に、上記冷却流体戻し装置（200）に接続された冷却流体配管（41）も、発電機下部付近（O）にて分岐して上方に延びた後、水車（15）上流側に折れ曲がって、上記水冷リアカバー（32）の冷却水通路の他端と接続されて、水冷リアカバー（32）流通後の水流が冷却流体配管（41）を経て冷却流体戻し装置（200）に戻される。

　従って、上記冷却流体取出し装置（100）に接続された冷却流体配管（40）及び冷却流体戻し装置（200）に接続された冷却流体配管（41）は、共に、発電機下部付近（I）、（O）で図２左側方、右側方及び上方に３分岐して、各々、水冷ジャケット（30）、水冷ジャケット（31）及び水冷リアカバー（32）に水流を並列に供給する。

　以上のように、本実施形態では、水車（15）の前後の流路をバイパスしてそれぞれの水冷ジャケット（30,31）及び水冷リアカバー（32）に冷却水（冷却流体の一例）を供給し、ＡＣ／ＤＣコンバータ（20）、ＤＣ／ＡＣコンバータ（21）及び発電機（11）（例えば軸受）を水冷（液冷）するのである。

　《本実施形態の効果》
　従って、本実施形態の立型流体装置では、流入管（1）の水流の一部が冷却流体配管（40）、（41）を介して水冷ジャケット（30）、（31）に流通して発電機（11）が冷却されるので、この発電機（11）を水冷式として、風冷の場合に比してその冷却性能を高めることが可能であると共に、外扇ファンやそのファンカバー等を不要にできて小型化を図ることが可能である。

　更に、発電機（11）と水車（15）とが取り外し可能に連結されているので、それ等の発電機（11）又は水車（15）の保守、整備時には、発電機（11）と水車（15）とを分離して保守、整備することができ、その整備性の向上を図ることが可能である。

　また、ＡＣ／ＤＣコンバータ（20）を水冷ジャケット（30）で冷却し、ＤＣ／ＡＣコンバータ（21）を水冷ジャケット（31）で冷却するので、これ等の機器も水冷式として、風冷の場合に比して冷却性能を高めることが可能であると共に、風冷の場合の冷却フィン等を削減できて、小型、軽量化を図ることができる。

　加えて、発電機（11）の図２左側方にＡＣ／ＤＣコンバータ（20）が配置され、その発電機（11）とＡＣ／ＤＣコンバータ（20）との間に水冷ジャケット（30）が配置されているので、１つの水冷ジャケット（30）のみで発電機（11）とＡＣ／ＤＣコンバータ（20）の双方を良好に冷却することが可能である。

　同様に、発電機（11）の図２右側方に配置したＤＣ／ＡＣコンバータ（21）と発電機（11）とを、その間に配置した水冷ジャケット（31）で冷却する構造であるので、１つの水冷ジャケット（31）のみで発電機（11）とＤＣ／ＡＣコンバータ（21）の双方を良好に冷却することが可能である。

　しかも、発電機（11）とＡＣ／ＤＣコンバータ（20）との間、及び発電機（11）とＤＣ／ＡＣコンバータ（21）との間が各々水冷ジャケット（30）、（31）のみを挟んで近接しているので、それ等機器間の配線ハーネスを削減でき、配線の簡略化、低価格化が可能である。

　更に、発電機（11）の図２の側方、すなわち、水車（15）への水流の流通方向とは直交する水平方向には、水冷ジャケット（30）、（31）、ＡＣ／ＤＣコンバータ（20）及びＤＣ／ＡＣコンバータ（21）が配置されているので、これ等の機器や水車（15）の保守、整備時には、流入管（1）や流出管（2）及びこれ等に接続される冷却流体取出し装置（100）や冷却流体戻し装置（200）に邪魔されることなく、それ等の保守、整備を容易に行うことができる。

　また、上記発電機（11）の上部は、冷却流体配管（40）、（41）の途中に配置した水冷リアカバー（32）により冷却されるので、発電機（11）はその左側方及び右側方に加えて上部をも冷却されて、発電機（11）の冷却性能を高めることができる。

　更に、上記発電機（11）の側方に配置した２つの水冷ジャケット（30）、（31）及び発電機（11）の上方に配置した水冷リアカバー（32）へは、３分岐した水供給側の冷却流体配管（40）及び水排出用の冷却流体配管（41）により水流が並列に供給されるので、これ等の冷却流体配管（40）、（41）の抵抗を小さくできて、本立型水力発電システム（500）が落差の低い箇所に設置された場合であっても、発電機（11）、ＡＣ／ＤＣコンバータ（20）及びＤＣ／ＡＣコンバータ（21）を良好に冷却することが可能である。

　《冷却流体取出し装置の構成》
　図４は、実施形態１に係る冷却流体取出し装置（100）を示す。図４（a）は正面図、同図（b）は側面断面図である（以下同様）。冷却流体取出し装置（100）は、両端にフランジが設けられたフランジ配管（3）と、フランジ配管（3）内の流体を冷却流体として取出す吸入管（103）とを備えている。フランジ配管（3）は、管継手の一例である。

　吸入管（103）は、配管部材をＬ字状に屈曲して、その一端を、端側がより大きな径となるコーン状（コーン部（104）と呼ぶ）となるように加工したものである。吸入管（103）は、コーン部（104）側の開口が冷却水を取り込む取水口（106）である。吸入管（103）は、直状の管を拡管することで製造できるので、低コストで冷却流体取出し装置（100）を製造できる。

　吸入管（103）は、コーン部（104）が整流部材（105）で覆われている。詳しくは、整流部材（105）は、吸入管（103）のコーン部（104）を覆うように設けられた部材であり、吸入管（103）がフランジ配管（3）内の水流に対して抵抗とならないようにするために設けたものである。この例では、整流部材（105）は、図４（b）に示すように、吸入管（103）のコーン部（104）側の一端から吸入管（103）が屈曲した部位（屈曲部）付近に渡って形成された円柱状の部分と、上記屈曲部よりも右側（図４（b）における右）に形成された略球形の部分がある。そして、吸入管（103）は、取水口（106）がフランジ配管（3）の開口に向かって開口するように、フランジ配管（3）に取り付けられている（図４（b）参照）。吸入管（103）（コーン部（104））と整流部材（105）で動圧作用部の一例を構成している。

　そして、本実施形態では、冷却流体取出し装置（100）と流入管（1）とは、フランジ同士が締結される。この場合、冷却流体取出し装置（100）は、吸入管（103）の取水口（106）が、流入管（1）の水車（15）とは反対側、すなわち上流側を向くように、流入管（1）に取り付けられる。つまり、吸入管（103）の取水口（106）は、フランジ配管（3）内を流通する流体の動圧を受ける向きにフランジ配管（3）内で開口しているのである。そして、この吸入管（103）は、管継手（301）を介して冷却流体配管（40）に接続される。　　　

　《冷却流体戻し装置の構成》
　図５（a）及び（b）は、実施形態１に係る冷却流体戻し装置（200）を示す。冷却流体戻し装置（200）は、両端にフランジが設けられたフランジ配管（4）と、ＡＣ／ＤＣコンバータ（20）等の冷却に使用された冷却水をフランジ配管（4）内に戻す排出管（203）とを備えている。フランジ配管（4）は、管継手の一例である。

　排出管（203）は、配管部材をＬ字状に屈曲して形成したものである。また、排出管（203）は、整流部材（205）で覆われている。整流部材（205）は、排出管（203）がフランジ配管（4）内の水流に対して抵抗とならないようにするために設けたものである。この例では、整流部材（205）は、図５（b）に示すように、両端が流線型をしている。排出管（203）と整流部材（205）とで動圧作用部の一例を構成している。

　そして、本実施形態では、冷却流体戻し装置（200）と流出管（2）とは、フランジ同士が締結される。この場合、冷却流体戻し装置（200）は、排出管（203）のフランジ配管（4）内先端側の開口（以下、排出口（206））が、流出管（2）とは反対側、すなわち下流側を向くように、該流出管（2）に取り付けられる。つまり、排出口（206）は、フランジ配管（4）内の流体の流れによって、内部の冷却流体が吸いだされる向きに、フランジ配管（4）内に開口しているのである。そして、この排出管（203）は、管継手（301）を介して冷却流体配管（41）に接続される。

　《冷却流体取出し、及び冷却流体戻し動作》
　本実施形態では、冷却流体取出し装置（100）内に水流が供給されると、その水流は流入管（1）を経由して水車（15）に供給される。さらに冷却流体取出し装置（100）では、水流による動圧が吸入管（103）の取水口（106）に作用する（図４（b）等では水流の向きを矢印で示してある。以下同様）。その結果、冷却流体取出し装置（100）内の水は、吸入管（103）から冷却流体配管（40）を経由して、それぞれの水冷ジャケット（30,31）、及び水冷リアカバー（32）に冷却水として供給される。これにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ（20）及びＤＣ／ＡＣコンバータ（21）などが良好に冷却される。そして、水冷ジャケット（30,31）や水冷リアカバー（32）を通過した冷却水は、冷却流体配管（41）に流入する。冷却流体戻し装置（200）では、排出管（203）の排出口（206）が水流の下流を向いているので、水車（15）からの排水の水流によって、排出管（203）内部の水（冷却水）が排出口（206）から吸いだされる。その結果、冷却流体配管（41）内の冷却水が冷却流体戻し装置（200）内に排出される。以上のように、本実施形態では、冷却水が循環して、ＡＣ／ＤＣコンバータ（20）やＤＣ／ＡＣコンバータ（21）が良好に水冷される。

　本実施形態では、冷却流体取出し装置（100）は、水車（15）に流入する水の動圧を利用して冷却水を取り込んで水冷ジャケット（30,31）、及び水冷リアカバー（32）に供給する。そのため、本実施形態によれば、ポンプなどの動力を使うことなく、且つ簡単な構造で、発電機（11）（回転電気機械）や電装品（例えばＡＣ／ＤＣコンバータ（20）やＤＣ／ＡＣコンバータ（21））を容易に水冷できる。つまり、本実施形態は、流量が比較的少ない小規模な水力発電システム（流体装置の一例）において、発電機（回転電気機械の一例）やＤＣ／ＡＣコンバータ（21）などの電装品の水冷に有用である。

　また、冷却流体戻し装置（200）は、フランジ配管（4）内の水の流れによって、冷却流体配管（41）内部の冷却水が吸いだされる向きにフランジ配管（4）内に開口した排出管（203）を有している。そのため、この観点からも本実施形態では、流量が比較的少ない小規模な流体装置において、回転電気機械や電装品を容易に水冷できる。

　なお、取水口（106）や排出口（206）の位置は例示である。例えば、図６（a）及び（b）や図７（a）及び（b）は、取水口（106）、排出口（206）がフランジ配管（3,4）の中心となるように配置した例である。

　《実施形態１の変形例１》
　図８（a）及び（b）は、変形例１に係る冷却流体取出し装置（100）を示す。すなわち、配管部材をＬ字状に屈曲して、その一端を端側がより大きな径となるコーン状に加工した吸入管（103）をフランジ配管（3）に接続したものである。この吸入管（103）も、直状の管を拡管することで製造できるので、低コストで冷却流体取出し装置（100）を製造できる。また、この冷却流体取出し装置（100）は、流出管（2）に接続して冷却流体戻し装置（200）として使用することもできる。冷却流体戻し装置（200）として使用する場合には、吸入管（103）の開口（取水口（106））を下流側に向ける。

　なお、図９（a）及び（b）は、変形例１において取水口（106）をフランジ配管（3,4）の中心となるように配置した例である。

　《実施形態１の変形例２》
　図１０（a）及び（b）は、変形例２に係る冷却流体取出し装置（100）を示す。この例では、フランジ配管（3）の内周面にポケット部（107）を形成し、ポケット部（107）内の空間と連通するように吸入管（103）を接続してある。ポケット部（107）の開口が取水口（106）である。また、吸入管（103）は、同図の例ではストレートの配管である。この例でも、取水口（106）が上流に向くように冷却流体取出し装置（100）を配置することで、動圧によって冷却水を取り入れることが可能になる。この例では、ポケット部（107）と吸入管（103）とで動圧作用部の一例を構成している。

　この例では、冷却流体取出し装置（100）は、冷却流体戻し装置（200）としても使用することができる。図１１（a）及び（b）は、変形例２に係る冷却流体取出し装置（100）を冷却流体戻し装置（200）として使用する場合の水流の向きを示している。冷却流体取出し装置（100）として使用する際に取水口（106）として機能した開口が、排出口（206）として機能する。本変形例では、冷却流体取出し装置（100）及び冷却流体戻し装置（200）の共用できるので、製造コストの低減が可能になる。

　《実施形態１の変形例３》
　図１２（a）及び（b）は、変形例３に係る冷却流体取出し装置（100）を示す。この例では、冷却流体取出し装置（100）は、配管部材をＬ字状に屈曲して形成した吸入管（103）をフランジ配管（3）に固定して形成してある。また、取水口（106）は、フランジ配管（3,4）の中心となるように配置してある。この形態は加工が容易であり、低コストでの製造が期待できる。そして、この例でも、取水口（106）が上流に向くように冷却流体取出し装置（100）を配置することで、動圧によって冷却水を取り入れることが可能になる。

　なお、図１３（a）及び（b）は、変形例３において取水口（106）がフランジ配管（3）の中心からオフセットした例である。また、この変形例に係る冷却流体取出し装置（100）も、流出管（2）に接続して冷却流体戻し装置（200）として使用することもできる。冷却流体戻し装置（200）として使用する場合には、吸入管（103）の開口（取水口（106））を下流側に向ける。

　《実施形態１の変形例４》
　図１４（a）及び（b）は、変形例４に係る冷却流体取出し装置（100）を示す。この例では、冷却流体取出し装置（100）は、配管部材の先端を斜めに切り落として、注射針の先端のように加工した吸入管（103）をフランジ配管（3）に固定して形成してある。また、取水口（106）は、フランジ配管（3,4）の中心となるように配置してある。そして、この例でも、取水口（106）が上流に向くように冷却流体取出し装置（100）を配置することで、動圧によって冷却水を取り入れることが可能になる。なお、図１５（a）及び（b）は、変形例４において取水口（106）がフランジ配管（3）の中心からオフセットした例である。

　《発明の実施形態２》
　図１６（a）及び（b）は、実施形態２に係る水力発電システム（500）の縦断面図である。この例では、配管（本体管（400））の中に発電機（11）と水車（15）が組み込まれている。このような構成の水力発電システム（500）においても、実施形態１やその変形例で示した冷却流体取出し装置（100）や冷却流体戻し装置（200）を使用できる。図１６（a）及び（b）は、実施形態１の冷却流体取出し装置（100）及び冷却流体戻し装置（200）を用いた例である。

　図１６（a）及び（b）の例では、実施形態１と同様の水冷ジャケット（30）が、本体管（400）の外周面に取り付けられている。水冷ジャケット（30）には、ＡＣ／ＤＣコンバータ（20）やＤＣ／ＡＣコンバータ（21）が取り付けられ、これらの電装品を冷却する。

　勿論、水冷ジャケット（30）の構成は例示であり、その他の方法で電装品を冷却してもよい。図１７（a）及び（b）は、水冷ジャケット（30）を用いない例であり、配管を本体管（400）の回りに巻回してある。こうすることでも、電装品を冷却できる。

　（その他の実施形態）
　本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

　上記実施形態では、水車（15）、発電機（11）、ＡＣ／ＤＣコンバータ（20）及びＤＣ／ＡＣコンバータ（21）、２つの水冷ジャケット（30）、（31）及び水冷リアカバー（32）を取り外し可能に一体化した立型流体装置としたが、本発明はこれに限定されず、その他、例えば水車（15）と発電機（11）とを上下方向に配置する立型とせず、横型とする構成を採用可能であるし、更には、ＤＣ／ＡＣコンバータ（21）を発電機（11）の側方に配置せず、ＤＣ／ＡＣコンバータ（21）及び水冷ジャケット（31）を別置きとする構成を採用可能である。加えて、本発明は、発電機（11）、ＡＣ／ＤＣコンバータ（20）及びＤＣ／ＡＣコンバータ（21）の全てを同時に冷却する場合に限らず、ＡＣ／ＤＣコンバータ（20）又はＤＣ／ＡＣコンバータ（21）のみを冷却する場合にも適用でき、要は、発電機（回転電気機械）（11）及び電力変換制御装置（20,21）の少なくとも一方を冷却する場合にも適用可能である。

　また、上記実施形態では、冷却流体配管（40）、（41）を３分岐させて、２つの水冷ジャケット（30）、（31）と水冷リアカバー（32）とに水流を並列に供給する構成を採用したが、本立型流体装置が落差の高い箇所に設置される場合等では、冷却流体配管（40）、（41）を分岐させずに、水冷ジャケット（30）、（31）及び水冷リアカバー（32）に水流を直列に供給する構成を採用しても良い。

　加えて、回転電気機械用冷却器としてリアカバー（32）を例として挙げたが、フロントカバー（12）を採用して、同様にコイルエンドを冷却しても良い。また、リアカバー、フロントカバーに内包する軸受部分を同時に冷却しても良い。

更に、上記実施形態では、第１及び第２の電力変換制御装置（20）、（21）並びに上記第１及び第２の冷却器（30）、（31）を水車（15）での水流の方向とは直交する発電機（11）の側方に配置したが、本発明はこれに限定されず、その他、例えば、これ等の機器（20）、（21）、（30）、（31）を水車（15）での水流の方向と平行となる発電機（11）の側方に配置しても良い。この場合には、これ等の機器（20）、（21）、（30）、（31）が水車（15）に接続される水供給配管（3）及び水排出配管（4）と沿うので、流体装置全体のスリム化、コンパクト化が可能となる。

　加えて、羽根車（10）は流入管（1）と流出管（2）との接続部位に配置されて水流を生成する構成としたが、本発明の流体装置は、その他、冷媒は水に限らず例えばブラインなどであってもよいし、羽根車（10）は他の種々の流体の流れに対しても同様な構成を取り得ることは勿論である。

　尚、上記実施形態では、水流を受ける羽根車（10）の回転により発電機（11）を駆動して発電する流体装置を説明したが、本発明はこれに限定されず、上記発電機（11）を電動機に置換し、水車（15）をポンプに置換すれば、電力を受けた電動機の回転によりポンプを駆動して流体流れを発生させる流体装置に適用可能である。この流体装置では、上記ＡＣ／ＤＣコンバータ（第１の電力変換制御装置）２０は、商用電源（22）からの交流電力を直流に変換し、上記ＤＣ／ＡＣコンバータ（第２の電力変換制御装置）２１は、上記ＡＣ／ＤＣコンバータで変換された直流を三相交流に変換してその三相交流を電動機に供給する。

　また、実施形態１やその変形例で説明した冷却流体取出し装置（100）、冷却流体戻し装置（200）の組合せは任意である。例えば、実施形態１の冷却流体取出し装置（100）と変形例１の冷却流体戻し装置（200）とをペアで使用するようにしてもよい。

　更に、冷却流体取出し装置（100）及び冷却流体戻し装置（200）は、水力発電システムの他にも、例えばポンプ（水力機械の一例）とそれを駆動するモータ（回転電気機械の一例）を備えたポンプシステム（流体装置の一例）にも使用できる。ポンプシステムでもモータやモータに電力を供給する電力変換制御装置などを適切に冷却することが重要である。ポンプシステムに冷却流体取出し装置（100）や冷却流体戻し装置（200）を使用する際には、ポンプの吸入口側に冷却流体戻し装置（200）を接続し、ポンプの吐出口側に冷却流体取出し装置（100）を設ける。すなわち、冷却流体取出し装置（100）は、水力機械（15）の流入管（1）、及び上記水力機械（15）からの流体が流出する流出管（2）のうちの水圧の高圧側に接続し、冷却流体戻し装置（200）は、水力機械（15）への流体が入る流入管（1）、及び上記水力機械（15）からの流体が流出する流出管（2）のうちの水圧の低圧側に接続するのである。

　また、冷却流体による冷却対象は、回転電気機械（11）や電力変換制御装置（20,21）には限定されない。

　更に、フランジ配管（3,4）は管継手の例示である。例えば、いわゆるウエハタイプの管継手を採用してもよい。

　以上説明したように、本発明は、発電機や電動機の回転電気機械又は電力変換制御装置の冷却性能の向上を図りつつ、水車やポンプの流体機械と回転電気機械や電力変換制御装置とを取り外し可能に連結して小型化し、それ等の保守、整備性の向上を図ったので、水車及び発電機を含む流体装置やポンプ及び電動機を含む流体装置に適用して、有用である。

１　　　　　　流入管
２　　　　　　流出管
１０　　　　　羽根車
１０ａ　　　　回転軸
１０ｃ　　　　ブレード
１１　　　　　発電機（回転電気機械）
１２　　　　　フロントカバー
１５　　　　　水車（水力機械）
２０　　　　　ＡＣ／ＤＣコンバータ（第１の電力変換制御装置）
２１　　　　　ＤＣ／ＡＣコンバータ（第２の電力変換制御装置）
３０　　　　　水冷ジャケット（双方冷却器、第１の冷却器）
３１　　　　　水冷ジャケット（双方冷却器、第２の冷却器）
３２　　　　　水冷リアカバー（回転電気機械用冷却器）
４０、４１　　冷却配管
１００　　　　冷却流体取出し装置
１０３　　　　吸入管（動圧作用部）
２００　　　　冷却流体戻し装置
２０３　　　　排出管
５００　　　　水力発電システム（流体装置）

Claims

　水力機械（15）と、上記水力機械（15）に連結された回転電気機械（11）とを備えた流体装置において、
　上記水力機械（15）の上流側と下流側とをバイパスして流体を流す冷却配管（40,41）と、
　上記冷却配管（40,41）の途中に配置され、上記冷却配管（40,41）を流通する流体を液冷に用いる冷却器（30,31）とを備え、
　上記水力機械（15）と上記回転電気機械（11）とは、取り外し可能に連結されている
　ことを特徴とする流体装置。
　上記請求項１記載の流体装置において、
　電力変換制御装置（20,21）を備え、
　上記冷却器（30,31）は、
　上記回転電気機械（11）と上記電力変換制御装置（20,21）との間に挟まれて配置され、上記冷却配管（40,41）を流通する流体により上記回転電気機械（11）と電力変換制御装置（20,21）との双方を冷却する双方冷却器（30,31）である
　ことを特徴とする流体装置。
　上記請求項２記載の流体装置において、
　上記電力変換制御装置（20,21）は、
　上記回転電気機械（11）で得られた電力又は電源からの電力を変換又は制御する第１の電力変換制御装置（20）と、
　上記第１の電力変換制御装置（20）で変換又は制御された電力を更に変換又は制御する第２の電力変換制御装置（21）とを備え、
　上記双方冷却器（30,31）は、
　上記回転電気機械（11）と上記第１の電力変換制御装置（20）との間に挟まれて配置された第１の冷却器（30）と、
　上記回転電気機械（11）と上記第２の電力変換制御装置（21）との間に挟まれて配置された第２の冷却器（30）とを備える
　ことを特徴とする流体装置。
　上記請求項３記載の流体装置において、
　上記冷却配管（40,41）の流体が供給され、上記回転電気機械（11）を冷却する回転電気機械用冷却器（32）を備え、
　上記回転電気機械用冷却器（32）は、
　上記回転電気機械（11）の端部のうち上記第１の冷却器（30）及び第２の冷却器（31）が位置する端部以外の端部に位置する
　ことを特徴とする流体装置。
　上記請求項４記載の流体装置において、
　上記回転電気機械（11）は上記水力機械（15）の上方に位置し、
　上記第１及び第２の電力変換制御装置、（21）並びに上記第１及び第２の冷却器（30）、（31）は、上記水力機械（15）での流体の流通方向とは直交する上記回転電気機械（11）の側方に位置し、
　上記回転電気機械用冷却器（32）は上記回転電気機械（11）の上方に位置する
　ことを特徴とする流体装置。
　上記請求項４記載の流体装置において、
　上記回転電気機械（11）は上記水力機械（15）の上方に位置し、
　上記第１及び第２の電力変換制御装置、（21）並びに上記第１及び第２の冷却器（30）、（31）は、上記水力機械（15）での流体の流通方向とは平行となる上記回転電気機械（11）の側方に位置し、
　上記回転電気機械用冷却器（32）は上記回転電気機械（11）の上方に位置する
　ことを特徴とする流体装置。
　上記請求項４～６の何れか１項に記載の流体装置において、
　上記冷却配管（40,41）は、上記双方冷却器（30,31）の第１の冷却器（30）、第２の冷却器（31）及び回転電気機械用冷却器（32）に並列に分岐する
　ことを特徴とする流体装置。