(57)【要約】【課題】流体装置において、配管継手を大型化することなく、配管継手の外周面に設ける、配管接続用の開口の歪みを低減する。【解決手段】流体機械（W）に接続された配管継手（70,71）とを設ける。回転電気機械（G）及び電力変換制御装置（20）の少なくとも一方を液冷する冷却流体を流通させる複数の流体流通管（51,52,61,62）を設ける。配管継手（70,71）はウエハ型とし、外周面に流体流通管（51,52,61,62）を接続する複数の孔部（70b,70c,71b,71c）を形成し、流体流通管（51,52,61,62）に流体の一部を冷却流体として供給、又は該流体流通管からの冷却流体を排出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸（10a）を有し、流体の運動エネルギーを上記回転軸（10a）の運動エネルギー変換、又は上記回転軸（10a）の運動エネルギーを上記流体の運動エネルギーに変換する流体機械（W）と、
上記回転軸（10a）に接続された回転電気機械（G）と、
上記回転電気機械（G）に電力を供給又は該回転電気機械（G）からの電力を受ける電力変換制御装置（20）と、
上記流体機械（W）に接続され、上記流体を該流体機械（W）に流入、又は該流体機械（W）から流出させる配管継手（70,71）と、
上記回転電気機械（G）及び上記電力変換制御装置（20）の少なくとも一方を液冷する冷却流体を流通させる複数の流体流通管（51,52,61,62）と、
を備え、
上記配管継手（70,71）は、両端にフランジを有しないウエハ型の構造であり、外周面には上記流体流通管（51,52,61,62）を接続する複数の孔部（70b,70c,71b,71c）が形成され、該流体流通管（51,52,61,62）に上記流体の一部を上記冷却流体として供給、又は該流体流通管（51,52,61,62）からの該冷却流体を排出させることを特徴とする流体装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記冷却流体によって、上記回転電気機械（G）及び上記電力変換制御装置（20）の両方を冷却することを特徴とする流体装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
上記回転電気機械（G）は、発電機であることを特徴とする流体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水車やポンプなどの流体機械を備えた流体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、流体機械を備えた流体装置として、両端にフランジが形成されたフランジ配管が接続されたものが記載されている。この例では、フランジ配管の配管本体（フランジ配管の直管状の部分）の外周面に配管を接続する貫通孔（孔部）を形成し、孔部に接続した配管によって流体を取り出したり排出したりしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１４７１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、フランジ配管（配管継手）の外周面に孔部を形成するに際しては、配管本体に孔部を先に形成し、その後に配管本体の両端に各々フランジを溶接することがある。しかしながら、外周面に孔部が複数ある場合には、それらの孔部にはフランジの溶接に起因する歪みが生じ易く（孔部の数が多いほど歪みは顕著になる）、その歪みが原因となって、孔部における流体漏れ等の不具合発生が懸念される。
【０００５】
それに対しては、溶接箇所と孔部とを十分に離す（すなわちフランジと孔部を十分に離す）と歪みの低減が可能であるが、それでは、配管継手の全長が長くなってしまい、重量の増加や流体装置の設置スペースの増大といった問題に繋がる。
【０００６】
本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、流体装置において、配管継手を大型化することなく、配管継手の外周面に設ける、配管接続用の開口の歪みを低減することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の目的を達成するため、第１の発明は、
回転軸（10a）を有し、流体の運動エネルギーを上記回転軸（10a）の運動エネルギー変換、又は上記回転軸（10a）の運動エネルギーを上記流体の運動エネルギーに変換する流体機械（W）と、
上記回転軸（10a）に接続された回転電気機械（G）と、
上記回転電気機械（G）に電力を供給又は該回転電気機械（G）からの電力を受ける電力変換制御装置（20）と、
上記流体機械（W）に接続され、上記流体を該流体機械（W）に流入、又は該流体機械（W）から流出させる配管継手（70,71）と、
上記回転電気機械（G）及び上記電力変換制御装置（20）の少なくとも一方を液冷する冷却流体を流通させる複数の流体流通管（51,52,61,62）と、
を備え、
上記配管継手（70,71）は、両端にフランジを有しないウエハ型の構造であり、外周面には上記流体流通管（51,52,61,62）を接続する複数の孔部（70b,70c,71b,71c）が形成され、該流体流通管（51,52,61,62）に上記流体の一部を上記冷却流体として供給、又は該流体流通管（51,52,61,62）からの該冷却流体を排出させることを特徴とする。
【０００８】
この構成では、配管継手（70,71）がウエハ型の構造であるので、孔部（70b,70c,71b,71c）の形成後に溶接を行う必要がない。すなわち、溶接を考慮して配管継手（70,71）の大きさを設定する必要がない。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、
上記冷却流体によって、上記回転電気機械（G）及び上記電力変換制御装置（20）の両方を冷却することを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、
上記回転電気機械（G）は、発電機であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、孔部の形成後に溶接を行う必要がないので、配管継手を大型化することなく、配管継手の外周面に設ける、配管接続用の開口の歪みを低減することが可能になる。
【００１２】
また、フランジを有する配管継手のように、溶接を考慮して全長を設定する必要がないので、その重量分で肉厚を厚くすることも可能である。換言すると、配管継手（70,71）の厚みを大きな重量アップを招くことなく増大させることができる。配管継手の厚みを増大させることができれば、管接続用の開口の歪み低減がより確実になり、更に、剛性アップや、パッキンの密着性をより確実にすることも可能になる。
【００１３】
また、第２の発明によれば、複数の対象を確実に冷却することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は本発明の実施形態に係る流体装置の概略正面図である。
【図２】図２は同流体装置の概略側面図である。
【図３】図３は同流体装置に備える水車の羽根車の斜視図である。
【図４】図４は同流体装置に備える配管継手の斜視図である。
【図５】図５は同流体装置の水流入側からの冷却水取り出し構造を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施形態）
本発明の流体装置の実施形態として、水力発電装置の例を説明する。この水力発電装置は、比較的小規模な発電設備の例であり、例えば、浄水場などにおける水圧の減圧の溜めに設けられる減圧弁の代わりに設置され、エネルギーを電力として回収する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る流体装置（水力発電装置）の概略正面図を示し、図２は同流体装置の概略側面図を示す。
【００１７】
図１及び図２において、（W）は流体機械としての水車であって、水平方向に延びる水流の流入管（1）と、水流の流出管（2）とを備える。（3）は上記水車（W）に流入管（1）を介して流体としての水を供給する水供給管、（4）は上記水車（W）からの水を流出管（2）を介して排出する水排出管である。上記水供給管（3）及び水排出管（4）は、上記水車（W）に水を流通させる主管である。
【００１８】
また、（5）、（6）は両端間で径の異なるレジューサである。レジューサ（5）は水供給管（3）と水車（W）の流入管（1）との間に配置され、レジューサ（6）は水排出管（4）と水車（W）の流出管（2）との間に配置される。水流入側のレジューサ（5）は、その一端のフランジ（5a）が水供給管（3）のフランジ（3a）にボルト及びナット（8）で締結されており、その端部開口部での流体流通断面積は水供給管（3）の端部開口部での流体流通断面積（Mci）に等しい。一方、水流入側のレジューサ（5）の他端開口部での流体流通断面積は水車（W）の流入管（1）の端部開口部での流体流通断面積（Wci）に等しい。上記水供給管（3）の流通断面積（Mci）は上記水車（W）の流入管（1）の流通断面積（Wci）よりも大きい（Mci>Wci）。従って、水流入側のレジューサ（5）は、水供給管（3）から水車（W）の流入管（1）への水流を絞る。
【００１９】
また、水流出側のレジューサ（6）は、その一端のフランジ（6a）が水排出管（4）のフランジ（4a）にボルト及びナット（8）で締結されており、その端部開口部での流体流通断面積は水排出管（4）の端部開口部での流体流通断面積（Mco＝Mci≡Mc）に等しい。一方、水流出側のレジューサ（6）の他端開口部での流体流通断面積は水車（W）の流出管（2）の端部開口部での流体流通断面積（Wco＝Wci≡Wc）に等しい。従って、水流出側のレジューサ（6）は、水車（W）の流出管（2）から水排出管（4）への水流を拡開する。
【００２０】
そして、上記水流入側のレジューサ（5）は全長（li）の短い配管であり、水流出側のレジューサ（6）は上記水流入側のレジューサ（5）の全長（li）よりも長い全長（lo>li）を有する長い配管である。従って、水流入側のレジューサ（5）は、流通断面積が急に変化して、水流を大きく絞る一方、流体流出側のレジューサ（6）は、流通断面積が緩やかに変化して、水流を緩やかに拡開する。
【００２１】
そして、本実施形態の流体装置は、上記水供給管（3）、水車（W）の流入管（1）、水車（W）の流出管（2）及び水排出管（4）並びにレジューサ（5）、（6）とで形成する水流の流入経路と流出経路とが一直線上に配置されたインライン型である。
【００２２】
上記水車（W）では、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）には、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。つまり、本実施形態の水車（W）は、流体の運動エネルギーを回転軸（10a）の運動エネルギー変換するのである。そして、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。上記羽根車（10）の回転軸（10a）は、羽根車（10）の上方に配置した中空の台座（13）内を上方に延びている。
【００２３】
また、上記水車（W）の上方には、上記水車（W）に連繋される連繋装置（C）が配置される。この連繋装置（C）には、回転電気機械としての発電機（G）と、電力変換制御装置（20）（以下では単にコントローラとも呼ぶ場合もある）とが含まれる。
【００２４】
上記発電機（G）は、上記羽根車（10）の回転軸（10a）の上端に連結される回転軸（図示せず）を有している。そして上記発電機（G）の下方に配置したフロントカバー（12）と水車（W）の台座（13）とがボルト等の締結具により締結されて、水車（W）と発電機（G）とが取り外し可能に上下に連結固定されている。従って、本流体装置は、水車（W）と発電機（Gとが上下方向に配置された立型となっている。
【００２５】
上記発電機（G）は、上記水車（W）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。
【００２６】
また、上記電力変換制御装置（20）は、上記発電機（G）の図２左側方（水車（W）に流通する水流の方向とは直行する水平方向）に配置される。この電力変換制御装置（20）は、上記発電機（G）で発電された電力又は電源（図示せず）からの電力を変換又は制御したり、その変換又は制御された電力を更に変換又は制御する。こ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（G）で発電された三相交流電力を受けて、三相交流電力を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータや、その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周波数の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コンバータ及びＤＣ／ＡＣコンバータは、図１及び図２から判るように、上記発電機（G）とほぼ同一高さ及び同一幅に形成されている。尚、上記電力変換制御装置（20）は、複数（例えば２個）であっても良く、その一方を図２左側方に配置し、他方を図２右側方に配置しても良い。
【００２７】
上記電力変換制御装置（20）のＡＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータは、電力変換用に複数個のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子を有する。これ等の半導体素子はそのｏｎ／ｏｆｆ動作に伴い発熱するため、本流体装置は、水車（W）への水の一部を上記連繋装置（C）の発熱部としての発電機（G）と電力変換制御装置（20）に流通させて冷却する冷却系統（50）を有する。
【００２８】
＜冷却系統の構成＞
上記冷却系統（50）は、発電機（G）冷却用の２本の冷却配管（51,52）と、電力変換制御装置（20）冷却用の２本の冷却配管（61,62）と、２つの配管継手（70,71）とを有する。上記発電機（G）冷却用の一方の冷却配管（51）は、上記流入管（1）に流れる水の一部を冷却用の流体（冷却流体）として発電機（G）に供給する冷却配管であり、発電機（G）冷却用の他方の冷却配管（52）は、発電機（G）を冷却した水を流出管（2）に戻す（すなわち排出する）冷却配管である。また、電力変換制御装置（20）冷却用の一方の冷却配管（61）は、流入管（1）に流れる水の一部を冷却流体として電力変換制御装置（20）に供給する冷却配管であり、電力変換制御装置（20）冷却用の他方の冷却配管（62）は、電力変換制御装置（20）を冷却した水を流出管（2）に戻す（すなわち排出する）冷却配管である。上記４本の冷却用の冷却配管（51,52,61,62）は、発電機（G）や電力変換制御装置（20）に水を流通させる本発明の流体流通管である。
【００２９】
２つの配管継手（70,71）は、水車（W）に接続され、供給された流体を水車（W）に流出又は流入させる。この例では、２つの配管継手（70,71）は、図４に示すように、中心に中空部（70a,71a）を有する円筒状に形成されており、その両端にフランジを有しないウエハ型の構造である。この配管継手（70,71）の中空部（70a,71a）の流体流通開口断面積は、上記水車（W）の流入管（1）及び流出管（2）の端部開口部での流体流通断面積（Wc）に等しい。
【００３０】
上記水流入側の配管継手（70）は、図５にも示すように、水流入側のレジューサ（5）と流入管（1）との間に配置され、他方（水流出側）の配管継手（71）は、流出管（2）と水流出側のレジューサ（6）との間に配置される。上記水流入側の配管継手（70）には、図４に示したように、その外周面に、中空部（70a）に貫通する２つの孔部（70b,70c）が形成される。一方の孔部（70b）は上記発電機（G）冷却用の冷却配管（51）接続用であり、他方の孔部（70c）は上記電力変換制御装置（20）冷却用の冷却配管（61）接続用である。同様に、水流出側の配管継手（71）にも、その外周面に、中空部（71a）に貫通する２つの孔部（71b,71c）が形成される。その一方の孔部（71b）は上記発電機（G）冷却用の冷却配管（52）接続用であり、他方の孔部（71c）は上記電力変換制御装置（20）冷却用の冷却配管（62）接続用である。上記４つの孔部（70b,70c,71b,71c）には、各々、内周面に冷却配管接続用の雌ねじが形成されている。
【００３１】
そして、図１に示したように、水流入側の配管継手（70）は、水流入側のレジューサ（5）の端部フランジ（5b）と流入管（1）の端部フランジ（1a）との間に配置された状態で、そのレジューサ（5）の端部フランジ（5b）と流入管（1）の端部フランジ（1a）とが複数本のボルト及びナット（締結具（80））で接続されている。更に、水流入側の配管継手（70）の一方の孔部（70b）に発電機（G）冷却用の冷却配管（51）の一端が接続され、他方の孔部（70c）に電力変換制御装置（20）冷却用の冷却配管（61）の一端が接続される。また、上記発電機（G）冷却用の冷却配管（51）の他端は、発電機（G）の外周面に設けた水冷装置（65）に接続され、上記電力変換制御装置（20）冷却用の冷却配管（61）の他端は、電力変換制御装置（20）の内部冷却用の水流入側の接続口（20a）に接続される。
【００３２】
水冷装置（65）は、発電機（G）内部冷却用の冷却管（Ga）を有している。この冷却管（Ga）は、発電機（G）の外周に蛇行するように配置され、その一端は、冷却配管（51）の他端と接続されている。従って、発電機（G）の熱は、冷却管（Ga）を介して、冷却管（Ga）内の流体（水）に伝わることになる。
【００３３】
同様に、水流出側の配管継手（71）は、流出管（2）の端部フランジ（2a）と水流出側のレジューサ（6）の端部フランジ（6b）との間に配置された状態で、その流出管（2）の端部フランジ（2a）とレジューサ（6）の端部フランジ（6b）とが複数本のボルト及びナット（締結具（81））で締結されている。更に、水流出側の配管継手（71）の一方の孔部（71b）に発電機（G）冷却用の冷却配管（52）の一端が接続され、他方の孔部（71c）に電力変換制御装置（20）冷却用の冷却配管（62）の一端が接続される。また、上記発電機（G）冷却用の冷却配管（52）の他端は、水冷装置（65）の冷却管（Ga）の水流出側に接続され、上記電力変換制御装置（20）冷却用の冷却配管（62）の他端は、電力変換制御装置（20）の内部冷却用の水流出側の接続口（20b）に接続される。
【００３４】
従って、水供給管（3）からの水流による水車（W）の回転時には、その水の一部は配管継手（70）から冷却配管（51,61）を介して発電機（G）及び電力変換制御装置（20）に流通し、これ等機器を冷却した後、冷却配管（52,62）を介して配管継手（71）からレジューサ（6）及び水排出管（4）に戻ることになる。
【００３５】
＜本実施形態の効果＞
本実施形態では、水供給管（3）からの水の供給時には、その水の供給により水車（W）が回転駆動され、その回転駆動により発電機（G）が回転駆動されて、その発電電力が電力変換制御装置（20）の例えばＡＣ／ＤＣコンバータにより直流に変換される。
【００３６】
その際、上記連繋装置（C）の発電機（G）はその回転駆動により生じる発熱で温度上昇する。また、ＡＣ／ＤＣコンバータは、内蔵するＩＧＢＴなどの半導体素子のｏｎ／ｏｆｆ動作に伴う発熱で温度上昇しようとする。しかし、４本の冷却配管（51,52,61,62）に流通する水により発電機（G）や電力変換制御装置（20）が冷却されるので、それ等機器の温度上昇が有効に抑制される。
【００３７】
そして、水供給管（3）から冷却配管（51,61）への水の取り出し構造や、冷却配管（52,62）から水排出管（4）への水の戻し構造として、本実施形態では、両端にフランジを有しないウエハ型の構造の配管継手（70,71）を使用している。
【００３８】
そのため、この配管継手（70,71）では、孔部（70b,70c,71b,71c）の形成後に溶接を行う必要がない。すなわち、この例では、配管継手（70,71）において、溶接による歪みが発生する余地がなく、孔部（70b,70c,71b,71c）の精度は良好に保持されるのである。したがって、孔部（70b,70c,71b,71c）に冷却配管（51,61,52,62）を接続しても、その接続箇所から水漏れが生じることを確実に防止できる。
【００３９】
また、溶接を考慮して配管継手（70,71）の大きさを設定する必要がないので、両端にフランジを有する構造と比較して、水流通方向の長さを短くできる。その結果、流体装置全体として、コンパクト化、軽量化が図られ、安価となる。そして、流体装置の設置スペースの低減が可能になる。
【００４０】
また、フランジを有する配管継手のように、溶接を考慮して全長を設定する必要がないので、フランジを有する配管継手と同重量で本実施形態の配管継手（70,71）を設計するならば、配管継手（70,71）の肉厚をより厚くできる。換言すると、本実施形態では、配管継手（70,71）の厚みを大きな重量アップを招くことなく増大させることもできる。この観点においても、本実施形態では、孔部（70b,70c,71b,71c）の歪み低減がより確実になり、更に、剛性アップや、パッキンの密着性をより確実にすることも可能になる。
【００４１】
また、フランジを有する構造のように、その両フランジでのボルト締結に要する空間や長さを確保する必要がなく、この点においても設置スペースの低減が可能になる。
【００４２】
（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。
【００４３】
上記実施形態では、電力変換制御装置（20）を発電機（G）の図２左側方に配置したが、この電力変換制御装置（20）をＡＣ／ＤＣコンバータ等で構成する第１の電力変換制御装置とＤＣ／ＡＣコンバータ等で構成する第２の電力変換制御装置とに区分し、それ等を発電機（G）の図２右側方と左側方とに配置して、これらの電力変換制御装置に対する冷却系統を２系統としても良い。この場合には、２つの配管継手（70,71）に各々形成する孔部の個数は発電機（G）用を含めて３個となる。従って、配管継手（70,71）に各々形成する孔部の個数は２個や３個に限定されず、４個以上であっても良い。
【００４４】
また、発電機（回転電気機械）及び電力変換制御装置（20）のうちの、何れか一方のみを冷却するように構成することも可能である。
【００４５】
また、上記実施形態では、流体装置として水車（W）により発電機（G）を回転駆動する発電装置を例示したが、電動機によりポンプを駆動するポンプ装置を対象として、その電動機やこれを制御するコントローラを冷却する冷却水の取り出し構造や戻し構造に本発明を適用しても良い。つまり、この場合は、電動機が本発明の回転電気機械に相当し、ポンプが本発明の流体機械に相当する。そして、電動機とポンプの組み合わせにおいては、ポンプは、電動機によって回転軸（10a）に与えられた運動エネルギーを流体の運動エネルギーに変換する。また、電力変換制御装置（20）は、電動機（回転電気機械）に電力を供給する。
【００４６】
加えて、上記実施形態では、水流入側の配管継手（70）をレジューサ（5）と水車（W）の流入管（1）との間に配置し、水流出側の配管継手（71）を水車（W）の流出管（2）とレジューサ（6）との間に配置したが、レジューサ（5,6）が配置されない場合には、水流入側の配管継手（70）を水供給管（3）と水車（W）の流入管（1）との間に配置し、水流出側の配管継手（71）を水車（W）の流出管（2）と水排出管（4）との間に配置するのは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、水車やポンプなどの流体機械を備えた流体装置として有用である。
【符号の説明】
【００４８】
10a      回転軸
20      電力変換制御装置
51,52,61,62      冷却配管（流体流通管）
70,71      配管継手
70b,70c,71b,71c      孔部
W      水車（流体機械）
G      発電機（回転電気機械）
【図１】
2017118681.tif 000003
【図２】
2017118681.tif 000004
【図３】
2017118681.tif 000005
【図４】
2017118681.tif 000006
【図５】
2017118681.tif 000007