(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機により駆動され吐出方向が切換え可能な２方向回転型油圧ポンプの各吐出・吸引口を、油圧シリンダのヘッド側ポートおよびロッド側ポートにそれぞれ操作管を介して連結し、前記油圧ポンプの吐出方向切換えにより前記油圧シリンダのピストンロッドを押し引きして、前記ピストンロッドに連結した水力機械の水口操作機構を駆動する水力機械の水口操作装置において、前記各操作管に前記油圧ポンプをバイパスするループ配管を設け、このループ配管内に並列な２系統の分岐管路を設け、この分岐管路の一方の管路には、前記油圧シリンダのロッド側ポートより排出される油を止める機能を有する第一逆止弁と、前記油圧シリンダのヘッド側ポートより排出される油を止める機能を有する第二逆止弁とを直列に配置し、前記分岐管路の他方の管路には、前記油圧シリンダのロッド側ポートに流入する油を止める機能を有する第三逆止弁と、前記油圧シリンダのヘッド側ポートに流入する油を止める機能を有する第四逆止弁とを直列に配置し、かつ前記分岐管路の第一・第二逆止弁間および第三・第四逆止弁間を連結する連結管を設けてこの連結管にリリーフ弁を設けるとともに、さらにこの連結管を前記分岐管路から外部に延長させて、その延長部分に油圧制御用バッファ装置を設けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置。
【請求項２】
請求項１記載の水力機械の電動式水口操作装置において、油圧制御用バッファ装置は、密閉型の油タンク、フィルタ付きの大気呼吸管を設けた開放型の油タンク、大気に開口したブラダを装着したブラダ型の油タンク、またはアキュムレータであることを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置。
【請求項３】
請求項２記載の水力機械の電動式水口操作装置において、油タンクは、分岐管に設けた第一ないし第四逆止弁およびリリーフ弁により、ピストンロッドの押し引きに伴って油圧シリンダに生じる油の余剰分を回収する機能および前記油圧シリンダに生じる油の不足分を供給する機能を有するものであることを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれかに記載の水力機械の電動式水口操作装置において、油圧シリンダの出および入り方向のストロークエンドを検出し、電動機の制御装置により電動機に出力する電流を制限して発生トルクを減じるトルク制御手段、または油圧シリンダの出および入り方向のストロークエンドに近づいたことを検出し、電動機の制御装置により電動機の回転速度を減じる速度制御手段を設けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれかに記載の水力機械の電動式水口操作装置において、圧油が入り水口を開く側の油圧シリンダポートあるいはこれに接続された配管途中から分岐させて、動作することにより一次側を油圧制御用バッファ装置に排出する開閉切換弁を設けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれかに記載の水力機械の電動式水口操作装置において、圧油が入り水口を閉じる側の油圧シリンダポートあるいはこれに接続された配管途中から分岐させてアキュムレータを設けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置。
【請求項７】
請求項６記載の水力機械の電動式水口操作装置において、アキュムレータの入口にパイロット操作逆止弁または逆止弁と開閉切換弁を並列に回路構成した弁管路を設けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置。
【請求項８】
請求項７記載の水力機械の電動式水口操作装置において、油圧ポンプが水口を閉鎖するよう圧油を送る方向を自由流れ方向とするパイロット操作逆止弁を前記油圧ポンプの吐出口に設けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれかに記載の水力機械の電動式水口操作装置において、運転停止手段として、電動機に機械ブレーキを設け、または油圧制御用バッファ装置内の油面の異常低下もしくは油温の異常上昇を検出して運転を停止する機構を設けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれかに記載の水力機械の電動式水口操作装置において、水口を閉じる動作で油が排出される側の油圧シリンダポートあるいはこれに接続された配管中に排出される油の流量を制限するオリフィス、絞り弁または流量調整弁を設け、これをバイパスしてなる回路中にこの排出される油の流れとは逆方向を自由流れとする逆止弁を向けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれかに記載の水力機械の電動式水口操作装置において、油圧ポンプをバイパスするループ配管の並列な２系統の分岐管路の一方に、油圧シリンダのロッド側ポートより排出される油を止めるよう機能する第一のパイロット操作逆止弁と、ヘッド側ポートより排出される油を止めるよう機能する第二のパイロット操作逆止弁を直列に配置し、前記第一のパイロット操作逆止弁は油圧シリンダのヘッド側ポート操作管の油圧をパイロット油圧とし、前記第二のパイロット操作逆止弁は油圧シリンダのロッド側ポート操作管の油圧をパイロット油圧とする構成にしたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置。
【請求項１２】
電動機により駆動され吐出方向が切換え可能な２方向回転型油圧ポンプの各吐出・吸引口を、油圧シリンダのヘッド側ポートおよびロッド側ポートにそれぞれ操作管を介して連結し、前記油圧ポンプの吐出方向切換えにより前記油圧シリンダのピストンロッドを押し引きして、前記ピストンロッドに連結した水力機械の水口操作機構を駆動する水力機械の水口操作方法において、前記ピストンロッドの押し引きに伴って前記油圧シリンダにて油の余剰分が生じるときはこれを油タンクに回収し、不足分が生じるときはこれを油タンクより供給することを特徴とする水力機械の水口操作方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の水力機械の水口操作方法において、油圧シリンダの前記水口に働く自己閉鎖力を支える側のシリンダ室を排油して、前記自己閉鎖力により前記水口を緊急に閉鎖させることを特徴とする水力機械の水口操作方法。
【請求項１４】
請求項１２または１３記載の水力機械の水口操作方法において、油圧シリンダの前記水口に働く自己閉鎖力を支える側のシリンダ室に対向するシリンダ室に蓄圧手段より油圧を印加して前記水口を緊急に閉鎖させることを特徴とする水力機械に水口操作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動機を使用して水口の操作を行う水力機械の電動式水口操作装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、水力機械の水口の開閉機構としては油圧式のサーボモータを利用する機構や電動機を利用する機構などが存在する。今、水力発電所の水車のガイドベーン操作機構に着目してみると、この機構には多くの場合油圧式サーボモータが用いられているが、近年では中小水力発電所用に圧油装置が不要である電動式サーボモータが用いられるようになってきた。これは電動機の回転軸に歯車減速機を連結し、この歯車減速機の出力軸にボールねじを回転可能に連結し、ボールねじのボールナットに連結して直線運動を行うスライド軸によりガイドベーン操作用ゲートシャフトを回動せしめるものである（例えば実公昭６１−２９９７６号公報等）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来の電動式水口操作装置の電動式サーボモータは、電動機の回転トルクを歯車減速機とボールねじで構成された機構により減速、トルク増幅して直線運動に変換して操作力を得るようにしているが、これを容量の大きい水車にまでその適用を拡大しようとした場合には、ガイドベーンは強大な操作力を必要とするので、ボールねじのねじ径即ちボールねじの負荷容量上の製作限界からの制約を受ける。また、ガイドベーンを流れる水の水圧脈動が操作機構を介して伝わって来るので、電動式サーボモータのボールねじは外力による強制振動を受けて摩耗が促進され寿命が短くなる場合があるため、大容量の水車には適用が制限されている。
【０００４】
また、歯車減速機とボールねじで構成された機構であるため、負荷側からの力により電動機が逆転するための抵抗力が大きいので、水車の特性によっては電源喪失の場合のガイドベーンの水圧自己閉鎖力による水車の自動停止が困難になることがあり、このために非常用予備電源を有しなければならない場合がある（発電用水力設備に関する技術基準第３８条２項）。
【０００５】
なお、近年においては、電動機の回転トルクを歯車減速機とボールねじで構成された機構により減速、トルク増幅して直線運動に変換して操作力を得る上記従来構成に代り、電動機により駆動される油圧ポンプの各吐出・吸引口を、油圧シリンダのヘッド側ポートおよびロッド側ポートにそれぞれ操作管を介して連結し、油圧ポンプの吐出方向切換えにより油圧シリンダのピストンロッドを押し引きして、ピストンロッドに連結した水力機械の水口操作機構を駆動する構成も開示されている（例えば特開平６−３０７３２５号公報、特開平８−１８９４５２号公報等）。
【０００６】
これらの技術においては、圧油タンクや集油タンクを省略して、構成の簡素化等が図られているが、大容量の水力機械にまで適用を拡大ならしめることが困難である等の課題がある。また、非常用予備電源が必要となったり、水圧自己閉鎖力による自動停止が困難となる等の課題がある。
【０００７】
本発明はかかる問題を解決して大容量の水力機械にまで適用を拡大ならしめ、かつ非常用予備電源を必要とせずに水圧自己閉鎖力による自動停止を容易ならしめることができ、信頼性が高く、しかも低コストの水力機械の電動式水口操作装置および水口操作方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明では、電動機により駆動され吐出方向が切換え可能な２方向回転型油圧ポンプの各吐出・吸引口を、油圧シリンダのヘッド側ポートおよびロッド側ポートにそれぞれ操作管を介して連結し、前記油圧ポンプの吐出方向切換えにより前記油圧シリンダのピストンロッドを押し引きして、前記ピストンロッドに連結した水力機械の水口操作機構を駆動する水力機械の水口操作装置において、前記各操作管に前記油圧ポンプをバイパスするループ配管を設け、このループ配管内に並列な２系統の分岐管路を設け、この分岐管路の一方の管路には、前記油圧シリンダのロッド側ポートより排出される油を止める機能を有する第一逆止弁と、前記油圧シリンダのヘッド側ポートより排出される油を止める機能を有する第二逆止弁とを直列に配置し、前記分岐管路の他方の管路には、前記油圧シリンダのロッド側ポートに流入する油を止める機能を有する第三逆止弁と、前記油圧シリンダのヘッド側ポートに流入する油を止める機能を有する第四逆止弁とを直列に配置し、かつ前記分岐管路の第一・第二逆止弁間および第三・第四逆止弁間を連結する連結管を設けてこの連結管にリリーフ弁を設けるとともに、さらにこの連結管を前記分岐管路から外部に延長させて、その延長部分に油圧制御用バッファ装置を設けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置を提供する。
【０００９】
本発明によれば、ねじ径の大きさに製作限界があり、対振動強度が低いボールねじの使用を電動機のトルク伝達機構から排除して、これに代え大容量化が可能である。本発明においては、対振動強度が大きい２方向回転型油圧ポンプ、油圧シリンダ、リリーフ弁、逆止弁、油タンクとこれらを接続する配管で構成することができる。
【００１０】
請求項２に係る発明では、請求項１記載の水力機械の電動式水口操作装置において、油圧制御用バッファ装置は、密閉型の油タンク、フィルタ付きの大気呼吸管を設けた開放型の油タンク、大気に開口したブラダを装着したブラダ型の油タンク、またはアキュムレータであることを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置を提供する。
【００１１】
本発明によれば、油タンクは油圧シリンダのロッドの引き込み動作における油の回収時に圧力が立たないように大気に開放して圧力容器とならないようにして製作を容易にすることができる。また、油タンクの中にブラダを装着して油と外気を遮断して、作動油への水分や塵芥などの異物の混入を防止して設置場所の環境面からの影響を受けない信頼性の高いものとすることができる。さらに、油タンクをアキュムレータとして、油圧ポンプの吸込み側に常時圧力をかけておくことにより、油圧ポンプのキャビテーションの発生を防止して信頼性を高めることができる。
【００１２】
請求項３に係る発明では、請求項２記載の水力機械の電動式水口操作装置において、油タンクは、分岐管に設けた第一ないし第四逆止弁およびリリーフ弁により、ピストンロッドの押し引きに伴って油圧シリンダに生じる油の余剰分を回収する機能および前記油圧シリンダに生じる油の不足分を供給する機能を有するものであることを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置を提供する。
【００１３】
本発明によれば、油圧シリンダのピストンロッドによるシリンダ室減少分の油の余剰分および不足分を油タンクによって吸収することができ、高精度の操作性が得られる。
【００１４】
請求項４に係る発明では、請求項１から３までのいずれかに記載の水力機械の電動式水口操作装置において、油圧シリンダの出および入り方向のストロークエンドを検出し、電動機の制御装置により電動機に出力する電流を制限して発生トルクを減じるトルク制御手段、または油圧シリンダの出および入り方向のストロークエンドに近づいたことを検出し、電動機の制御装置により電動機の回転速度を減じる速度制御手段を設けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置を提供する。
【００１５】
本発明によれば、位置センサまたは位置検出スイッチにより油圧シリンダの出および入り方向のストロークエンドを検出し、電動機の制御装置を動作させて電動機に出力する電流を制限して発生トルクを減じる制御を行うことで、油圧ポンプを不要に酷使することを避けて寿命を延ばし信頼性を高めることができる。
【００１６】
また、位置センサまたは位置検出スイッチにより油圧シリンダの出および入り方向のストロークエンドに近づいたことを検出し、電動機の制御装置を動作させて電動機の回転速度を減じる制御を行うことで、油圧ポンプを不要に酷使することを避けて寿命を延ばし信頼性を高めることができる。
【００１７】
請求項５に係る発明では、請求項１から４までのいずれかに記載の水力機械の電動式水口操作装置において、圧油が入り水口を開く側の油圧シリンダポートあるいはこれに接続された配管途中から分岐させて、動作することにより一次側を油圧制御用バッファ装置に排出する開閉切換弁を設けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置を提供する。
【００１８】
本発明によれば、水圧自己閉鎖力で水口を閉じせしめるために、圧油が入り水口を開く側の油圧シリンダポートあるいはこれに接続された配管途中から分岐させて開閉切換弁を設け、これを動作させて油圧シリンダの油を油圧制御用バッファ装置に排出させてこれを行うようにして非常用予備電源を不要として低コスト化が図れる。
【００１９】
請求項６に係る発明では、請求項１から５までのいずれかに記載の水力機械の電動式水口操作装置において、圧油が入り水口を閉じる側の油圧シリンダポートあるいはこれに接続された配管途中から分岐させてアキュムレータを設けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置を提供する。
【００２０】
本発明によれば、圧油が入り水口を閉じる側の油圧シリンダポートあるいはこれに接続された配管途中から分岐させてアキュムレータを設け、電源喪失で油圧ポンプを回すことができない故障時にはこれに畜圧された圧油を使って油圧シリンダを閉動作するようにして非常用予備電源を不要として低コスト化が図れる。
【００２１】
請求項７に係る発明では、請求項６記載の水力機械の電動式水口操作装置において、アキュムレータの入口にパイロット操作逆止弁または逆止弁と開閉切換弁を並列に回路構成した弁管路を設けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置を提供する。
【００２２】
本発明によれば、アキュムレータの入口にパイロット操作逆止弁または逆止弁と開閉切換弁を並列に回路構成された弁管路を設け、アキュムレータには自動的に油圧ポンプの吐出圧油が補給されるようにして安定した圧油を畜圧できるようにして、確保電源喪失で油圧ポンプを回すことができない故障時にはこれに畜圧された圧油を使って油圧シリンダを閉動作するようにして非常用予備電源を不要として低コスト化が図れる。
【００２３】
請求項８に係る発明では、請求項７記載の水力機械の電動式水口操作装置において、油圧ポンプが水口を閉鎖するよう圧油を送る方向を自由流れ方向とするパイロット操作逆止弁を油圧ポンプの吐出口に設けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置を提供する。
【００２４】
本発明によれば、油圧ポンプの吐出口にパイロット操作逆止弁を設け、電源喪失時などで電動機を回すことができなくなった事態でアキュムレータに畜圧された圧油を使う場合に、このパイロット操作逆止弁を動作させて油圧ポンプの逆転から起きる圧油の逆流を防止し、圧油の損失を減らしてアキュムレータの容量の効率を上げ、アキュムレータを小型化して低コスト化が図れる。
【００２５】
請求項９に係る発明では、請求項１から８までのいずれかに記載の水力機械の電動式水口操作装置において、運転停止手段として、電動機に機械ブレーキを設け、または油圧制御用バッファ装置内の油面の異常低下もしくは油温の異常上昇を検出して運転を停止する機構を設けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置を提供する。
【００２６】
本発明によれば、電動機に機械ブレーキを取付けて、電源喪失時などで電動機を回すことができなくなった事態でアキュムレータに畜圧された圧油を使う場合に、このブレーキを動作させて油圧ポンプの逆転から起きる圧油の逆流を防止して圧油の損失を減らし、アキュムレータの容量の効率を上げてアキュムレータを小型化して低コストとすることができる。
【００２７】
また、油タンクに油面検出器を設け、これにより油面の異常低下を検出して運転を停止させるようにして故障に対する信頼性を高めることができる。また、油圧制御用バッファ装置に温度検出器を設け、これにより油温の異常上昇を検出して運転を停止させるようにして故障に対する信頼性を高めることができる。
【００２８】
請求項１０に係る発明では、請求項１から９までのいずれかに記載の水力機械の電動式水口操作装置において、水口を閉じる動作で油が排出される側の油圧シリンダポートあるいはこれに接続された配管中に排出される油の流量を制限するオリフィス、絞り弁または流量調整弁を設け、これをバイパスしてなる回路中にこの排出される油の流れとは逆方向を自由流れとする逆止弁を向けたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置を提供する。
【００２９】
本発明によれば、電源喪失時などで電動機を回すことができなくなった事態に至ったとき、油圧ポンプが外力で容易に回転するため、油圧シリンダは水圧自己閉鎖力で負荷側から押し戻されるが、この閉鎖速度は制御されたものではなく無拘束であるので、水口は所定の速度より速い危険な速度で閉じることになるので、これを防止するのに好適である。即ち、危険な速度で水口が閉じることを防止するために、水口を閉じる動作で油が排出される側の油圧シリンダポート、あるいはこれに接続された配管中に排出される油の流量を制限するオリフィス、または絞り弁または流量調整弁を設けることにより、水口が安全な速度で閉鎖するようにして故障に対する信頼性を高めることができる。
【００３０】
請求項１１に係る発明では、請求項１から１０までのいずれかに記載の水力機械の電動式水口操作装置において、油圧ポンプをバイパスするループ配管の並列な２系統の分岐管路の一方に、油圧シリンダのロッド側ポートより排出される油を止めるよう機能する第一のパイロット操作逆止弁と、ヘッド側ポートより排出される油を止めるよう機能する第二のパイロット操作逆止弁を直列に配置し、前記第一のパイロット操作逆止弁は油圧シリンダのヘッド側ポート操作管の油圧をパイロット油圧とし、前記第二のパイロット操作逆止弁は油圧シリンダのロッド側ポート操作管の油圧をパイロット油圧とする構成にしたことを特徴とする水力機械の電動式水口操作装置を提供する。
【００３１】
本発明によれば、ねじ径の大きさに製作限界があり、対振動強度が低いボールねじの使用を電動機のトルク伝達機構から排除して、これに代え大容量化が可能であり、対振動強度が大きい２方向回転型油圧ポンプと油圧シリンダ、リリーフ弁、逆止弁、パイロット操作逆止弁、油タンクとこれらを接続する配管で構成することにより、構成のコンパクト化が図れる。また、パイロット操作逆止弁により油圧ポンプの負荷を軽減してエネルギーの消費を低減することができる。
【００３２】
請求項１２に係る発明では、電動機により駆動され吐出方向が切換え可能な２方向回転型油圧ポンプの各吐出・吸引口を、油圧シリンダのヘッド側ポートおよびロッド側ポートにそれぞれ操作管を介して連結し、前記油圧ポンプの吐出方向切換えにより前記油圧シリンダのピストンロッドを押し引きして、前記ピストンロッドに連結した水力機械の水口操作機構を駆動する水力機械の水口操作方法において、前記ピストンロッドの押し引きに伴って前記油圧シリンダにて油の余剰分が生じるときはこれを油タンクに回収し、不足分が生じるときはこれを油タンクより供給することを特徴とする水力機械の水口操作方法を提供する。
【００３３】
請求項１３に係る発明では、請求項１２記載の水力機械の水口操作方法において、油圧シリンダの前記水口に働く自己閉鎖力を支える側のシリンダ室を排油して、前記自己閉鎖力により前記水口を緊急に閉鎖させることを特徴とする水力機械の水口操作方法を提供する。
【００３４】
請求項１４に係る発明では、請求項１２または１３記載の水力機械の水口操作方法において、油圧シリンダの前記水口に働く自己閉鎖力を支える側のシリンダ室に対向するシリンダ室に蓄圧手段より油圧を印加して前記水口を緊急に閉鎖させることを特徴とする水力機械に水口操作方法を提供する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態においては、水車のガイドベーン操作装置を例に説明するが、ポンプその他の各種水力機械の水口操作装置に適用することができる。
【００３６】
第１実施形態（図１、図２）
本発明の第１実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。図１は水車に適用した場合の構成を示す油管系統図である。
【００３７】
本実施形態では概述して、ガイドベーン５０を駆動するための油圧シリンダ４に油圧を供給するための各操作管（開側操作管、閉側操作管）６，７に、２方向回転型油圧ポンプ３をバイパスするループ配管６ａ，７ａを設け、このループ配管６ａ，７ａ内に並列な２系統の分岐管路（バイパス管）８，１１を設け、この分岐管路の一方の管路８には、油圧シリンダ４のロッド側ポート４ａより排出される油を止める機能を有する第一逆止弁９と、油圧シリンダ４のヘッド側ポート４ｂより排出される油を止める機能を有する第二逆止弁１０とを直列に配置し、分岐管路の他方の管路１１には、油圧シリンダ４のロッド側ポート４ａに流入する油を止める機能を有する第三逆止弁１２と、油圧シリンダ４のヘッド側ポート４ｂに流入する油を止める機能を有する第四逆止弁１３とを直列に配置し、かつ分岐管路の第一・第二逆止弁９，１０間および第三・第四逆止弁１２，１３間を連結する連結管１６を設けてこの連結管１６にリリーフ弁１４を設けるとともに、さらにこの連結管１６を分岐管路から外部に延長させて、その延長部分１６ａに油圧制御用バッファ装置として密閉型の油タンク１５を設けたものである。なお、以下の説明では、油圧シリンダ４のロッド側ポート４ａを「閉側シリンダポート４ａ」ともいい、ヘッド側ポート４ｂを「開側シリンダポート４ｂ」ともいう。
【００３８】
以下、具体的に説明する。
【００３９】
本実施形態では、制御装置１により運転される電動機２が設けられ、この電動機２の回転軸に２方向回転型油圧ポンプ３が連結されている。この油圧ポンプ３の吐出・吸引口３ａ，３ｂ（以下、単に「油圧ポンプ３のポート３ａ，３ｂ」ともいう）と、油圧シリンダ４の閉側シリンダポート４ａおよび開側シリンダポート４ｂとが、開側操作管６と閉側操作管７とによりそれぞれ配管接続されている。そして、油圧ポンプ３が一方向に回転駆動（以下、「正転」という）すれば、圧油が開側シリンダポート４ｂから開側シリンダ室４ｃに流入し、油圧シリンダ４のピストンロッド５が、図１の矢印「開」方向（同図右方向）に押し出され、水車のガイドベーン５０が開状態となる。また、油圧ポンプ３が前記と反対方向に回転駆動（以下、「逆転」という）すれば、圧油が閉側シリンダポート４ａから閉側シリンダ室４ｄに流入し、油圧シリンダ４のピストンロッド５が、図１の矢印「閉」方向（同図左方向）に引き込まれ、水車のガイドベーン５０が閉状態となる。
【００４０】
油圧シリンダ４の開側シリンダ室４ｃに接続された操作管６（以下、「開側操作管６」という）、および油圧シリンダ４の閉側シリンダ室４ｄに接続された操作管７（以下、「閉側操作管７」という）には、油圧ポンプ３をバイパスするループ配管６ａ，７ａが設けられている。これらのループ配管６ａ，７ａには、並列な分岐管としてのバイパス管８，１１が２回路設けられている。
【００４１】
一方のバイパス管８には、油圧シリンダ４の閉側シリンダポート４ａより排出される油を止めるよう機能する第一逆止弁９と、開側シリンダポート４ｂより排出される油を止めるよう機能する第二逆止弁１０とが直列に配置されている。また、他方のバイパス管１１には、油圧シリンダ４の閉側シリンダポート４ａに流入する油を止めるよう機能する第三逆止弁１２と、開側シリンダポート４ｂに流入する油を止めるよう機能する第四逆止弁１３とが直列に配置されている。
【００４２】
また、他方のバイパス管１１の各逆止弁１２，１３間より分岐した連結管１６に、リリーフ弁１４の入口側が接続され、そのリリーフ弁１４の出口側は一方のバイパス管８の各逆止弁９，１０間に接続されている。さらに、一方のバイパス管８の各逆止弁９，１０間より延長した連結管１６の延長部分１６ａに、油タンク１５が接続されている。
【００４３】
このような構成において、ガイドベーン５０を開く場合には、制御装置１により電動機２を正転駆動させる。すると、油圧ポンプ３からの吐出油圧は開側操作管６を経由して油圧シリンダ４の開側シリンダポート４ｂから開側シリンダ室４ｃに流入し、他方、油圧シリンダ４の閉側シリンダ室４ｄから閉側シリンダポート４ａを介して排出される油は、閉側操作管７を介して油圧ポンプ３の吸込み側となるポート３ａに戻される。
【００４４】
一方、ガイドベーン５０を閉じる場合には、制御装置１により電動機２を逆転駆動させる。すると、油圧ポンプ３からの吐出油圧は閉側操作管７を経由して油圧シリンダ４の閉側シリンダポート４ａから閉側シリンダ室４ｄに流入し、他方、油圧シリンダ４の開側シリンダ室４ｃから開側シリンダポート４ｂを介して排出される油は、開側操作管６を介して油圧ポンプ３の吸込み側となるポート３ｂに戻される。
【００４５】
このように、油圧ポンプ３と油圧シリンダ４とは閉鎖循環回路を形成するが、本実施形態に示すように一般的な水車に用いられている油圧シリンダ４は片ロッド型油圧シリンダであるので、ピストン５ａの往復動作におけるピストン押し退け油量がピストンロッド５の体積分だけ往復動作で異なり、閉動作の場合には圧油の消費量より排出される油量のほうが多い。このため、油圧ポンプ３の吸込み量から余ってしまうことになるので、この余剰分の油量を油タンク１５により回収させるようにする。一方、開動作の場合には、上記閉動作とは逆にピストンロッド５の体積分の油量がポンプ吸込み量から不足することになるので、この時は油タンク１５に貯えられた油を吸込むようにする。即ち、この油タンク１５は油圧シリンダ４の開動作と閉動作における油の消費量の違いを吸収させるバッファ機能を発揮する。
【００４６】
次に図２によって、油圧ポンプ３をバイパスするバイパス管８，１１およびこれらに取付けられた逆止弁８，９，１２，１３およびリリーフ弁１４の作用について説明する。
【００４７】
図２は、図１に示した水車のガイドベーン５０の水圧自己閉鎖特性を示すグラフである。このガイドベーン５０を操作する油圧シリンダ４のピストンロッド５は、この図２に示した特性により運転中は常に閉方向の力（ガイドベーン水圧自己閉鎖力Ｆ０）を受けている。
【００４８】
図１に示した水車が運転中であり、ガイドベーン５０水車の負荷に見合う開度にあり、この開度を維持する場合について以下に述べる。上述のようにガイドベーン５０は水圧によりそれぞれガイドベーン５０を閉じる方向の力を受けており、この力は全体としてガイドベーン水圧自己閉鎖力Ｆ０として作用している。ピストン５ａを動作させてガイドベーン５０を開閉する際には摩擦力が生じるため、ガイドベーンが自然に閉鎖しないようにするためには、ガイドベーン水圧自己閉鎖力Ｆ０からこの摩擦力を減じた力をガイドベーン５０が開く方向に作用させる必要がある。この力が図２に示した油圧シリンダに作用する閉鎖力Ｆ１である。逆に、ガイドベーン５０を開くためには、少なくともガイドベーン自己閉鎖力Ｆ０にこの摩擦力を加えた力をガイドベーン５０が開く方向に作用させる必要があり、この力が図２に示した、ガイドベーン開に必要な操作力Ｆ２である。これらのことからわかるように、ガイドベーン５０の開度を維持するためには、ピストン５ａにＦ１より大きくＦ２より小さい力を、常にガイドベーンが開く方向に作用させておく必要がある。そして、本実施形態においては、開側シリンダ室４ｃには常にこの力（図２の油圧シリンダに作用する閉鎖力Ｆ１より大きく、ガイドベーン開に必要な操作力Ｆ２より小さい力）に相当する油圧が発生している。そしてこのことにより、油圧シリンダ４のピストン５ａはその位置を保ち、ガイドベーン５０もその開度を保つように構成されている。この油圧は油圧ポンプ３より吐出された圧油を封じ込めて発生させるが、実際は油圧シリンダ４にピストン５ａの外周などからの内部油漏れが生じるため、油圧ポンプ３からこの漏れ分に相当する油を補給して運転開度を保つようにしなければならない。このため、油圧ポンプ３は常時、低速度で回転して油圧シリンダ４の開側シリンダポート４ｂに少量の圧油を送り込んでいる。この油圧ポンプ３の吐出側の圧油は、一方のバイパス管８においては第二逆止弁１０の作用により、また他方のバイパス管１１では第３逆止弁１２およびリリーフ弁１４の作用により、それぞれ吸込み側に逆流するのを防止している。
【００４９】
次に、この状態から水車の負荷が増加してガイドベーン５０を開く場合について説明する。制御装置１より電動機２に開制御指令が発せられると、電動機２と油圧ポンプ３とは正転方向に大きく回転する。すると、油圧ポンプ３はガイドベーン５０の開度を維持するための油圧よりも高い油圧の油を吐出し、その油は開側操作管６を経由して油圧シリンダ４の開側シリンダポート４ｂに送られるので、上記の力の平衡関係が崩れてピストン５ａは開方向に動作する。ここで、油圧ポンプ３が吐出する油の圧力は、図２に示したガイドベーン水圧自己閉鎖力Ｆ０にピストン５ａが動く際の摩擦力を加えた、ガイドベーン開に必要な油圧シリンダの操作力Ｆ２に相当する圧力以上であればよい。そして、この時、油圧シリンダ４の閉側シリンダポート４ａより油が排出され閉側操作管７を介して油圧ポンプ３の吸込み側に戻されるが、この戻り油は上述したように油圧ポンプ３の吐出量に比べて少ないので、油圧ポンプ３はこの不足分を補うように油タンク１５に貯えられた油を同時に吸込む。
【００５０】
この油の流れについて詳述する。油圧ポンプ３の正転時には、閉側操作管７が吸込み側、開側操作管６が吐出側になる。閉側操作管７が吸込み側になると、油タンク１５に貯えられた油は逆止弁９を開いて管１６→８→７ａの経路で流れ、油圧シリンダ４より排出された油と図１の（Ａ）点で合流して油圧ポンプ３に流れ込む。油圧ポンプ３が吐出した圧油は、開側操作管６を通って油圧シリンダ４に流れ、ピストン５ａを押し出す。このときループ配管６ａ内の油圧も油圧ポンプ３がポート３ｂから吐出する油圧、つまり開側シリンダ室４ｃ内の油圧と等しくなるが、この油圧が逆流しないように前述の逆止弁１０，１２およびリリーフ弁１４が機能する。すなわち、逆止弁１０，１２が吸い込み側への油が逆流を防いでおり、リリーフ弁１４が油タンク１５への油の逆流を防いでする。ここで、リリーフ弁１４が開く圧力の設定値は、開操作時の開側シリンダ室４ｃの最大の油圧よりも高い値に設定されていることにより、開操作時にピストン５ａを押し出す油が油タンク１５に逆流しないようになっている。
【００５１】
次に、水車の負荷が減少してガイドベーン５０を閉じる場合について説明する。制御装置１より電動機２に閉制御指令が発せられると、電動機２と油圧ポンプ３とは逆転方向に大きく回転する。このとき、油圧ポンプ３の開側シリンダ室４ｃ内の圧油は前述のガイドベーン水圧自己閉鎖力に抗する力に相当する油圧が封圧されており、油圧ポンプ３は、この開側シリンダ室４ｃ内に封圧された圧油を吸い込んでポート３ａからこれよりも高圧の圧油を吐出する。ここで、「ガイドベーン水圧自己閉鎖力に抗する力」とは、ガイドベーンに作用する水圧自己閉鎖力に摩擦力を加減した力であり、上述したガイドベーン５０の開度を維持するために必要な力である。そしてこの圧油が閉側操作管７を経由して油圧シリンダ４の閉側シリンダポート４ａを介して閉側シリンダ室４ｄへ供給され、ピストン５ａは閉方向に動作する。ここで、ピストン５ａの閉方向へ変位しても開側シリンダ室４ｃ内の油圧は常にガイドベーン水圧自己閉鎖力に抗する力に相当する油圧となっており、この圧力の圧油がポート３ｂから油圧ポンプ３に吸い込まれるようになっている。この時、油圧シリンダ４の開側シリンダポート４ｂより排出され、油圧ポンプ３で吸込み加圧されて吐出される圧油の量に比べて、油圧シリンダ４の閉側シリンダポート４ａに供給されて消費される圧油の量が少ないため余剰が生じる。従って閉動作の場合には、油圧ポンプ３より吐出された圧油は（Ａ）点で分流して油タンク１５に流れ込む。
【００５２】
この油の流れについて詳述する。油圧ポンプ３が逆転すると、開側操作管６が吸込み側に、また閉側操作管７が吐出側になる。油圧ポンプ３より吐出された圧油のうち閉側シリンダ室４ｄへ流入しない余剰分は（Ａ）点で分流され、閉側操作管７側のループ配管７ａからバイパス管１１へ流入し、逆止弁１２を押し開く。ここで、上述したようにリリーフ弁１４が開く圧力の設定値は開操作時の開側シリンダ室４ｃの最大の油圧よりも高い値に設定されているが、この設定値は閉操作時に油圧ポンプ３から吐出される圧油の圧力よりも低い値となっている。つまり逆に言えば、閉操作時に油圧ポンプ３ａが吐出する圧油の圧力は常に、リリーフ弁１４が開く圧力よりも高くなるように構成されている。したがって、（Ａ）点で分流してバイパス管１１に流入し、逆止弁１２を押し開いた圧油の余剰分は、リリーフ弁１４を押し開いて管１６に吐出され、油タンク１５に流入する。バイパス管１１に流れた圧油が油圧ポンプ３の吸込み側になる開操作管６に逆流しないように、逆止弁１３が機能し、また油圧ポンプ３の吸込み側に封圧された油圧が油タンク１５に流出しないように、逆止弁１０が機能する。
【００５３】
このように本実施形態によれば、電動機２の発生するトルクを油圧ポンプ３により液圧に変換して油圧シリンダ４を動作させ、水口操作機構に伝達せしめるようにしたことにより、従来の電動式水口操作装置の電動式サーボモータを利用した場合の如き歯車減速機やボールねじを使用せずに実施できるので、ボールねじのねじ径、即ちボールねじの負荷容量上の製作限界からの装置容量の制約が排除でき、大型の装置が製作可能となる。さらに、水力機械が水圧脈動で発生する振動に対しても、従来の油圧式サーボモータと同程度の強度となり、この制約も排除できるので、大容量の水力機械にも電動式水口操作装置の適用を拡大することができる。
【００５４】
また、歯車減速機とボールねじとにより構成される機構を使用しないので、負荷側からの力により電動機が逆転するための抵抗力は小さくでき、したがって電源喪失の場合のガイドベーン５０の水圧自己閉鎖力による水車の自動停止が容易になり、このため非常用予備電源が不要になり、低コストの電動式水口操作装置の提供が可能となる。
【００５５】
第２実施形態（図３）
本発明の第２実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。図３は水車に適用した場合の構成を示す油管系統図である。
【００５６】
本実施形態は、油圧制御用バッファ装置を、第１実施形態における密閉型の油タンクに代えて、フィルタ付き大気呼吸管２２を設けた開放型の油タンクとして構成したものである。即ち、本実施形態の油タンク１５は油の出入りに応じて呼吸する呼吸口２１を有し、大気と連通する構成としてある。そして、この呼吸口２１に、フィルタ付大気呼吸管２２が取付けられている。その他の構成については、第１実施形態を示す図１と略同様であるので、対応部分に図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００５７】
本実施形態において、油圧ポンプ３と油圧シリンダ４とは閉鎖循環回路を形成するが、油圧シリンダ４は片ロッド型油圧シリンダであるため、ピストン５ａの往復動作におけるピストン押し退け油量がピストンロッド５の体積分だけ異なる。閉動作の場合には圧油の消費量より排出される油量のほうが多いため、油圧ポンプ３の吸込み量から余ることになり、この余剰分の油量は油タンク１５により回収される。一方、開動作の場合には、上記閉動作とは逆にピストンロッド５の体積分の油量が油圧ポンプ吸込み量から不足することになるので、この時は油タンク１５に貯えられた油を吸込むようになる。
【００５８】
このように、本実施形態においても、油タンク１５は油圧シリンダ４の開動作と閉動作における油の消費量の違いを吸収するものであり、この点において第１実施形態と同様である。ただし、第１実施形態においては、油タンク１５が密閉されているので、タンク内部の空気圧（内圧）は油の体積変化に応じて変化し、油が流入する場合には圧力が初期の圧力よりも高くなり、流出する場合には初期の圧力よりも低くなる。ピストンロッド５を引き込んだ状態を初期状態とし、この時が大気圧であった場合には、ピストンロッド５が押し出されると油タンク１５は負圧となる。逆に、ピストンロッド５が押し出された状態を初期状態とし、この時が大気圧であった場合には、ピストンロッド５が引き込まれると油タンク１５は内圧を持つことになる。従って、油タンク１５はこの圧力変動を考慮した設計としなければならず、これに対応した強度を有する圧力容器としなければならない。
【００５９】
これに対し、本実施形態においては、油タンク１５を大気に通ずる呼吸口２１を有する構成としているので、油タンク内１５内の油の体積が変化してもタンク内圧は外気との呼吸により常に大気圧状態に保たれる。従って、本実施形態によれば、油タンク１５を圧力容器とする必要が無く、大気圧に対応する設計とすれば良いため、製作が容易であり、低コスト化が図れる。また、呼吸口２１にはフィルタ付き大気呼吸管２２を取付けたので、大気中の塵埃が油タンク１５内に混入することが防止でき、装置の設置環境面からの影響を受けない信頼性の高いものとすることができる。
【００６０】
第３実施形態（図４）
本発明の第３実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。図４は水車に適用した場合の構成を示す油管系統図である。
【００６１】
本実施形態は、油圧制御用バッファ装置を、大気に開口したブラダを装着したブラダ型の油タンクとしたものである。即ち、図４に示すように、油タンク１５内に弾性材からなるブラダ２３が装着され、このブラダ２３は油の出入りに応じて呼吸する呼吸口２１を持ち、大気と連通している。その他の構成については、第１実施形態を示す図１と略同様であるので、対応部分に図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００６２】
このように、本実施形態においては、油タンク１５の内部にブラダ２３を装着し、このブラダ２３は呼吸口２１によって大気に連通する構成としたので、タンク内は油の体積が変化しても外気の呼吸機能によって常に大気圧に保たれる。
【００６３】
従って、本実施形態によっても第２実施形態と同様に、油タンク１５を圧力容器にする必要が無く、大気圧で設計すれば良いので、製作が容易であり、低コスト化が図れる。また、油タンク１５内にブラダ２３を装着して、油と外気とを遮断する構成としたので、作動油に水分や塵芥などの異物が混入することを防止することができ、設置場所の環境面からの影響を受けない信頼性の高いものとなる。
【００６４】
第４実施形態（図５）
本発明の第４実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。図５は水車に適用した場合の構成を示す油管系統図である。
【００６５】
本実施形態は、油圧制御用バッファ装置を、アキュムレータとしたものである。即ち、図５に示すように、バイパス管８には、油圧ポンプ３が吐出した圧油を畜圧するアキュムレータ２４が接続されている。その他の構成については、第１実施形態を示す図１と略同様であるので、対応部分に図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００６６】
一般的な水車は種々の故障に対する安全性の考慮からガイドベーン５０は水圧自己閉鎖特性を持たせることが多い。従って、このガイドベーン５０を操作する油圧シリンダ４は、運転中開側シリンダポート４ｂには水圧自己閉鎖力を受けた油圧が常時発生するが、他方の閉側シリンダは無圧となる。この状態で油圧ポンプ３が動作すると、吸込み側管路における油の流れの損失水頭により、油圧ポンプ３の吸込み口は負圧になる。負圧が大きくなると油圧ポンプ３はキャビテーションを発生するようになり、振動、騒音が大きくなると共に、油圧ポンプ３の寿命も短くなる。
【００６７】
これに対し、本実施形態ではアキュムレータ２４によりバイパス管８、逆止弁９、ループ配管７ａを介して油圧シリンダ４の閉側シリンダ室４ｄにも常時圧油をかけておくので、ガイドベーン５０を閉動作させる場合でも油圧ポンプ３内が負圧にならず、キャビテーションの発生を防止することができる。従って、本実施形態によれば、油圧ポンプ３のキャビテーションの発生防止により、振動や騒音の発生を低減もしくは無くすることができ、装置寿命の長期化が図れるようになる。
【００６８】
第５の実施形態（図６、図７）
本発明の第５実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。図６は水車に適用した場合の構成を示す油管系統図であり、図７は作用説明図である。
【００６９】
本実施形態は、油圧シリンダの出および入り方向のストロークエンドを検出し、電動機の制御装置により電動機に出力する電流を制限して発生トルクを減じるトルク制御手段を設けたものである。即ち、本実施形態では図６に示すように、油圧シリンダ全閉位置検出スイッチ２５と、全開位置検出スイッチ２６とを設けてある。これにより、油圧シリンダ４の出方向（ピストンロッド５の「開」方向）のストロークエンド、および入り方向（ピストンロッド５の「閉」方向）のストロークエンドをそれぞれ検出できるようにしてある。そして、電動機２の制御装置１にトルク制御手段としての制御回路が設けられ、各ストロークエンドが検出された場合に電動機２に出力する電流を制限し、発生トルクを減じる指令が出力されるようになっている。その他の構成については、第１実施形態を示す図１と略同様であるので、対応部分に図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００７０】
ガイドベーン５０が閉動作あるいは開動作して油圧シリンダ４がストロークエンドに達すると、油圧ポンプ３より吐出した圧油は全量をリリーフ弁１４から油タンク１５に吐出し、同時に、油圧ポンプ３はこの油タンク１５の油を吸込むことになる。従って、油圧ポンプ３に入力されたエネルギーは熱となり、これにより油温が上昇することになって無駄なエネルギーが消費されることになる。また、このことは油圧ポンプ３を酷使していることにもなる。
【００７１】
これに対し、本実施形態では図７に示すように、各位置検出スイッチ２５，２６により油圧シリンダ４の出および入り方向でのピストンロッド５のストロークエンド（ｅ１，ｅ２）がそれぞれ検出され、制御装置１により電動機２に出力する電流が制限される（上限リミット（１）、（２））。これにより、電動機２の発生トルクを減じる制御が行われるので、各ストロークエンド位置ではリリーフ弁１４を動作せしめる油圧の上昇が停止される。
【００７２】
したがって、本実施形態によれば、油圧シリンダ４のストロークエンドでは電動機２に出力される電流が制限されて発生トルクを減じる制御が行われるので、リリーフ弁１４は動作しなくなり、無駄なエネルギーを消費することが無くなり、油圧ポンプ３を不要に酷使することを避けるので、装置寿命を長期化することができる。
【００７３】
第６の実施形態（図６、図８）
本発明の第６実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。本実施形態では油圧系統図としては第５実施形態で使用した図６を参照する。図８は本実施形態の作用説明図である。
【００７４】
本実施形態は、油圧シリンダの出および入り方向のストロークエンドに近づいたことを検出し、電動機の制御装置により電動機の回転速度を減じる速度制御手段を設けたものである。即ち、本実施形態でも第５実施形態と同様に、油圧シリンダ全閉位置検出スイッチ２５と全開位置検出スイッチ２６により油圧シリンダ４の出および入り方向のストロークエンドが検出されるようにしてある。本実施形態が第５実施形態と異なる点は、電動機２の制御装置１に速度制御手段としての回路構成を有し、制御装置１により電動機２の回転速度を減じる制御を行うようにした点である。その他の構成については、第５実施形態と略同様である。
【００７５】
ガイドベーン５０が閉あるいは開動作して油圧シリンダ４がストロークエンドに達すると、油圧ポンプ３より吐出した圧油は全量をリーフ弁１４から油タンク１５に吐出し、同時に、油圧ポンプ３はこの油タンク１５の油を吸込むことになるので、油圧ポンプ３が入力したエネルギーは熱となり油温を上昇させることになり、無駄なエネルギーを消費することになる。また、このことは油圧ポンプ３を酷使していることになる。
【００７６】
これに対し、本実施形態では図８に示すように、各位置検出スイッチ２５，２６により油圧シリンダ４の出および入り方向でのピストンロッド５のストロークエンド（ｅ１，ｅ２）がそれぞれ検出され、制御装置１により電動機２の回転速度を減じる制御（上限リミット（１）、（２））が行なわれるので、各ストロークエンド位置ではリリーフ弁１４を動作せしめる油圧の上昇が停止される。
【００７７】
したがって、本実施形態によれば、油圧シリンダ４のストロークエンドでは電動機２の回転速度を減じる制御が行われるので、リリーフ弁１４は動作しなくなり、無駄なエネルギーを消費することが無くなり、油圧ポンプ３を不要に酷使することを避けることができ、第５実施形態と同様に寿命の長期化が図れる。
【００７８】
第７の実施形態（図９）
本発明の第７実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。図９は水車に適用した場合の構成を示す油管系統図である。
【００７９】
本実施形態は、圧油が入り水口を開く側の油圧シリンダポート、あるいはこれに接続された配管途中から分岐させて、動作することにより一次側を油圧制御用バッファ装置に排出する開閉切換弁を設けたものである。即ち、図９に示すように、本実施形態では、例えば油圧シリンダ４の開側操作管６から廃油管２８が分岐し、この廃油管２８に開閉切換弁２７が設けられるとともに、排油管２８は油タンク１５に接続されている。この開閉切換弁２７を動作させることにより、開側シリンダ室４ｃの油を油タンク１５に排出させることができる。その他の構成については、第１実施形態を示す図１と略同様であるので、対応部分に図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００８０】
一般的な水車は種々の故障に対する安全性の考慮からガイドベーン５０は図２に示すような水圧自己閉鎖特性を持たせることが多い。従って、このガイドベーン５０を操作する油圧シリンダ４の開側シリンダ室４ｃには運転中、水圧自己閉鎖力を受けた油圧が常時発生している。本実施形態では、電源喪失などによって油圧ポンプ３をガイドベーン５０の閉方向に動作することができなくなった故障時を考慮して、油圧シリンダ４の開側操作管６から分岐させて設けた開閉切換弁２７を動作させることにより、油圧シリンダ４の油をタンク１５に排出させることにより、水圧自己閉鎖力によりガイドベーン５０を閉じることができる。
【００８１】
したがって、本実施形態によれば、電源喪失などの故障時には水圧自己閉鎖力によりガイドベーン５０を閉じるようにしたので、非常用予備電源を不要とすることができ、これにより低コスト化が図れる。
【００８２】
第８実施形態（図１０、図１１）
本発明の第８実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。図１０は水車に適用した場合の構成を示す油管系統図であり、図１１は本実施形態の特性を示すグラフである。
【００８３】
本実施形態は、圧油が入り水口を閉じる側の油圧シリンダポートあるいはこれに接続された配管途中から分岐させてアキュムレータを設けたものである。即ち、図１０に示すように、本実施形態では油圧シリンダ４の閉側操作管７の配管途中から給油管３０ａが分岐し、この給油管３０ａに開閉切換弁２９が元弁として設けられている。そして、この給油管３０ａの先端には、圧油を畜圧したアキュムレータ３０が設けられている。その他の構成については、第１実施形態を示す図１と略同様であるので、対応部分に図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００８４】
一般的な水車は種々の故障に対する安全性の考慮からガイドベーン５０は水圧自己閉鎖特性を持たせることが多いが、水車によっては図２のような特性にはならず、自己閉鎖力が不足して摩擦抵抗力を上回ることができずに、図１１に示す特性となって水圧自己閉鎖しないものもある。この現象は、図１１に示すように、油圧シリンダ４に作用する閉鎖力が０以下のマイナスになるガイドベーン開度Ｘ％から全開までの領域で生じる。
【００８５】
そこで、本実施形態では、この不足するガイドベーン水圧自己閉鎖力を補う圧油を供給するように、アキュムレータ３０を設けたもののである。例えば油圧ポンプ３が故障した場合などにおいて、油圧ポンプ３を使用せずに水車を非常停止する必要が生じたような場合、図示しない別の制御装置から開閉切換弁２９に開指令が発せられ、この開閉切換弁２９が開く。すると、アキュムレータ３０に貯えられた圧油が油圧シリンダ４の閉側シリンダ室４ｄに流入するので、ガイドベーン５０は、このアキュムレータ３０の圧油により閉鎖することになる。
【００８６】
したがって、本実施形態によれば、電源喪失などの故障時等において、アキュムレータ３０に畜圧された圧油によってガイドベーン５０を閉じるようにしたので、非常用予備電源を不要とすることができ、それにより低コスト化が図れる。
【００８７】
第９実施形態（図１２）
本発明の第９実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。図１２は水車に適用した場合の構成を示す油管系統図である。
【００８８】
本実施形態は第８実施形態の機能性を向上させたものである。即ち、図１２に示すように、本実施形態変形では、油圧シリンダ４の閉側操作管７の配管途中から分岐させた給油管３０ａにさらに分岐管３０ｂを設け、圧油を畜圧したアキュムレータ３０の入口側に開閉切換弁２９と並列に逆止弁３１が接続された回路構成の弁管路が設けてある。その他の構成については、第８実施形態を示す図１０と略同様であるので、対応部分に図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００８９】
一般的な水車は種々の故障に対する安全性の考慮からガイドベーン５０は水圧自己閉鎖特性を持たせることが多いが、水車によっては図２のような特性にはならず、自己閉鎖力が不足して摩擦抵抗力を上回ることができずに図１１に示す特性となって水圧自己閉鎖しないものもある。これは図１１において、油圧シリンダに作用する閉鎖力が０以下のマイナスになるガイドベーン開度Ｘ％から全開までの領域である。
【００９０】
第８実施形態では、この不足するガイドベーン５０の水圧自己閉鎖力を補うよう圧油を供給するアキュムレータ３０を設け、油圧シリンダ４の閉側操作管７の途中から分岐させて開閉切換弁２９を介して常時畜圧されたアキュムレータ３０を接続するものであるが、ガイドベーン５０を開動作する場合にはこの閉側操作管７は油圧ポンプ３の吸込み側になるので負圧となるので、開閉切換弁２９に漏れがあると、アキュムレータ３０に畜圧された圧油はここから抜け減少する。
【００９１】
そこで本実施形態では、アキュムレータ３０の入口の逆止弁３１と開閉切換弁２９を並列に回路構成された弁管路を採用することにより、開閉切換弁２９に漏れがあってもこれを許容できるようにしたものである。つまり、アキュムレータ３０の入口は逆止弁３１を持つので、圧油は自由に流入可能である。従って、アキュムレータ３０の圧油が漏れても、運転中の水車は絶えず負荷調整運転を繰り返しているので、ガイドベーン５０の閉動作において、油圧シリンダ４の閉操作管６には油圧ポンプ３の吐出油圧が発生するので、この時にアキュムレータ３０の圧油は補充されることになるので、アキュムレータ３０はガイドベーン５０の閉動作に必要な圧油を減少させることなく貯えておくことができる。
【００９２】
よって、本実施形態によれば、電源喪失などの故障時に使うアキュムレータ３０に畜圧された圧油の減少を防止することができ、非常用停止装置としての一層の信頼性向上が図れる。
【００９３】
第１０の実施形態（図１３）
本発明の第１０実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。図１３は水車に適用した場合の構成を示す油管系統図である。
【００９４】
本実施形態は、第８および第９実施形態の応用例であり、油圧ポンプが水車の水口を閉鎖する圧油を送る方向を自由流れ方向とするパイロット操作逆止弁を油圧ポンプの吐出口に設けたものである。即ち、図１３に示すように、本実施形態では、油圧ポンプ３のポート３ａにガイドベーン５０の閉操作時における、油圧ポンプ３の吐出方向を自由流れ方向としてパイロット操作逆止弁３２を設けるとともに、アキュムレータ３０にもパイロット操作逆止弁３３を設けてある。そして、通常はパイロット操作逆止弁３２を外部の開閉切換弁３４によってパイロット油圧をかけて開いておき、アキュムレータ３０からの圧油で油圧シリンダ４を閉鎖する場合にパイロット油圧を抜いて逆止機能が働くようにしてある。その他の構成については、第９実施形態を示す図１２と略同様であるので、対応部分に図１２と同一符号を付して説明を省略する。
【００９５】
一般的な水車は種々の故障に対する安全性の考慮からガイドベーン５０は水圧自己閉鎖特性を持たせることが多いが、水車によっては図２のような特性にはならず自己閉鎖力が不足して摩擦抵抗力を上回ることができずに図１１に示す特性となって水圧自己閉鎖しないものもある。これは図１１において、油圧シリンダに作用する閉鎖力が０以下のマイナスになるガイドベーン開度Ｘ％から全開までの領域である。本実施形態では、この不足するガイドベーン５０の水圧自己閉鎖力を補うよう圧油を供給するアキュムレータ３０を設けたものであり、このアキュムレータ３０の圧油を使用する場合に、油圧ポンプ３の内部を通ってこれが漏れて損失しないようにしてアキュムレータの容積効率を高めたものである。
【００９６】
ところで、油圧ポンプ３が故障した場合などで、油圧ポンプ３を使わずにガイドベーン５０の水圧自己閉鎖力の働きで水車を非常停止する必要が生じた場合に、図示しない別の制御装置によって開閉切換弁３４を操作すると、アキュムレータ３０のパイロット操作逆止弁３３に開油圧信号が発せられるのでこれが開く。すると、アキュムレータ３０に貯えられた圧油が油圧シリンダ４の閉側シリンダに流入するので、ガイドベーン５０はこのアキュムレータ３０の圧油で閉鎖することになる。この時に、油圧ポンプ３の内部を通過して圧油の一部が漏れるので油圧シリンダ４を確実に閉鎖するためにはこの損失する分の圧油の量を見込んだアキュムレータ３０の容量とする必要がある。
【００９７】
そこで本実施形態では、油圧ポンプ３の閉側圧油の吐出口となるポート３ａに油圧ポンプ３の吐出方向をこれの自由流れ方向としてパイロット操作逆止弁３２を設け、通常は開閉切換弁３４からのパイロット油圧を入れて開いておき、油圧ポンプ３の吸込み吐き出しに影響を及ぼさないようにしておく。そして、アキュムレータ３０からの圧油によって油圧シリンダ４を閉鎖する場合に、別に設けた開閉切換弁３４を動作させてパイロット油圧を抜いて動作させ、逆止機能が働くようにして、圧油の逆流を防止するものである。
【００９８】
本実施形態によれば、電源喪失などの故障時に使うアキュムレータ３０の圧油の損失を減らしてアキュムレータ３０の容積効率を上げ、これによりアキュムレータ３０を小型化することができ、もって低コスト化が図れる。
【００９９】
第１１実施形態（図１４）
本発明の第１１実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。図１４は水車に適用した場合の構成を示す油管系統図である。
【０１００】
本実施形態は図１２に示した第９実施形態の変形例であり、油圧ポンプ３の電動機２に機械ブレーキ３５を設け、常時は非制動状態としておき、非常用アキュムレータ３０により油圧シリンダ４を閉鎖する場合には制動状態として油圧ポンプ３の逆転を防止するようにしたものである。その他の構成については、第９実施形態を示す図１２と略同様であるので、対応部分に図１２と同一符号を付して説明を省略する。
【０１０１】
一般的な水車は種々の故障に対する安全性の考慮からガイドベーン５０は水圧自己閉鎖特性を持たせることが多いが、水車によっては図２のような特性にはならず、自己閉鎖力が不足して摩擦抵抗力を上回ることができずに図１１に示す特性となって水圧自己閉鎖しないものもある。これは図１１に示したように、油圧シリンダに作用する閉鎖力が０以下のマイナスになるガイドベーン開度Ｘ％から全開までの領域である。本実施形態では、この不足するガイドベーン５０の水圧自己閉鎖力を補うよう圧油を供給するアキュムレータ３０を設け、このアキュムレータ３０の圧油を使用する場合に、油圧ポンプ３の内部を通ってこれが漏れて損失しないようにして、アキュムレータの容積効率を高めたものである。
【０１０２】
このために、本実施形態では、油圧ポンプ３を駆動する電動機２に機械ブレーキ３５を設け、通常は非制動状態としておき、アキュムレータ３０からの圧油を閉側シリンダ室４ｄへ流入させるガイドベーンン５０を閉鎖する場合に、機械ブレーキ３５を動作させて油圧ポンプ３の逆転を防止するようにし、圧油の逆流を防止するようにしたものである。
【０１０３】
したがって、本実施形態によれば、電源喪失などの故障時に使うアキュムレータ３０の圧油の損失を減らし、アキュムレータ３０の容積効率を上げてアキュムレータを小型化することにより低コスト化が図れる。
【０１０４】
第１２実施形態（図１５）
本発明の第１２実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。図１５は水車に適用した場合の構成を示す油管系統図である。
【０１０５】
本実施形態では、油タンク１５に油面検出器３６を設け、これにより油面の異常低下を検出して運転を停止させるようにしたものである。その他の構成については、第１実施形態を示す図１と略同様であるので、対応部分に図１と同一符号を付して説明を省略する。
【０１０６】
油タンク１５の中の油量は開側シリンダ室４ｃへ圧油を流入させ、ガイドベーン５０を開動作する際に消費するものであり、これが外部へ漏れて減少して必要最低量を下回ると、油圧ポンプ３が空気を吸入して油圧シリンダ４を動かすことができなくなり、ひいては水車を停止不能な事態に陥らせる。この事態を未然に防止するために、油タンク１５の油面を油面検出器３６で常時監視し、油量の減少を検出して制御装置１に信号を送り、運転を自動的に停止させるようにしたものである。
【０１０７】
本実施形態によれば、トルク伝達媒体である作動油の喪失を予知し、運転不能な事態に陥らないように事前に水車の運転を停止させるようにしたので、故障に対する信頼性を高めることができる。
【０１０８】
第１３実施形態（図１６）
本発明の第１３実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。図１６は水車に適用した場合の構成を示す油管系統図である。
【０１０９】
本実施形態は、油タンク１５に温度検出器３７を設け、これにより油温の異常上昇を検出して運転を停止させるようにしたものである。その他の構成については、第１実施形態を示す図１と略同様であるので、対応部分に図１と同一符号を付して説明を省略する。
【０１１０】
油タンク１５の中の油量は油圧シリンダ４の動作に伴って出入りするものであり、例えば制御装置１の故障により油圧シリンダ４がハンチングを起こすような事態になったとすると、油タンク１５の油温は高頻度の繰り返し使用により急激に上昇する。すると、油圧ポンプ３は高温の油を吸入することになり、軸受温度が上昇して焼き付きを起こし運転不能になり、ひいては水車を停止不能な事態に陥らせる可能性がある。本実施形態では、この事態を未然に防止するために、油タンク１５の油温を温度検出器３７で常時監視し、油温の上昇を検出して制御装置１に信号を送り運転を自動的に停止させることができるようにしたものである。
【０１１１】
本実施形態によれば、トルク伝達媒体である作動油の油温の異常上昇を予知し、運転不能な事態に陥らないように事前に水車の運転を停止させるようにしたので、故障に対する信頼性を高めることができる。
【０１１２】
第１４実施形態（図１７）
本発明の第１４実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。図１７は水車に適用した場合の構成を示す油管系統図である。
【０１１３】
本実施形態では、ガイドベーン５０を閉じる動作で油が排出される側の油圧シリンダポート４ｂに、排出される油の流量を制限する絞り弁３８を設け、これをバイパスしてなる回路３９ａ中に、この排出される油の流れとは逆方向を自由流れとする逆止弁３９を設けたものである。その他の構成については、第１実施形態を示す図１と略同様であるので、対応部分に図１と同一符号を付して説明を省略する。
【０１１４】
例えば運転中、電源喪失時などで電動機を回すことができない事態が生じた場合、油圧ポンプ３は外力で容易に回転するため、油圧シリンダ４は水圧自己閉鎖力で負荷側から押し戻される。この閉鎖速度は制御されたものではなく、無拘束であるので、ガイドベーン５０は所定の速度よりも速い危険な速度で閉じることになる。本実施形態では、これを防止するため、ガイドベーン５０を閉じる動作で油が排出される側の油圧シリンダポート４ｂに排出される油の流量を制限する絞り弁３８を設けたので、これにより制限された速度以上では閉鎖しない。
【０１１５】
本実施形態によれば、電源喪失時などで電動機２を駆動できなくなった事態でも、制限された安全な速度で閉鎖するようにしたので、故障に対する信頼性を高めることができる。
【０１１６】
第１５実施形態（図１８、図１１）
本発明の第１５実施形態による水力機械の電動式水口操作装置を説明する。図１８は水車に適用した場合の構成を示す油管系統図である。
【０１１７】
本実施形態は、バイパス管８に油圧シリンダ４の閉側シリンダ室４ｄより排出される油を止めるよう機能するパイロット操作逆止弁４０と、開側シリンダ室４ｃより排出される油を止めるよう機能するパイロット操作逆止弁４１とを直列に配置したものである。パイロット操作逆止弁４０は油圧シリンダ４の開側操作管６も油圧をパイロット油圧とし、パイロット操作逆止弁４１は油圧シリンダ閉側操作管７の油圧をパイロット油圧とするよう各々パイロット管４２，４３を配管接続構成してある。その他の構成については、第１実施形態を示す図１と略同様であるので、対応部分に図１と同一符号を付して説明を省略する。
【０１１８】
上記の構成において油圧ポンプ３をバイパスするバイパス管８と、これに取付けられたパイロット操作逆止弁４０，４１の作用について水車の負荷が減少してガイドベーン５０を閉じる場合で説明する。
【０１１９】
図１１に示したガイドベーン５０水圧自己閉鎖特性を持つ水車が、ガイドベーン５０の開度Ｘ％以下の開度で運転中であるとすると、この状態の時には油圧シリンダ４はピストン５ａが水圧自己閉鎖力により閉鎖方向の力、即ちピストン５ａを押し戻そうとする力を受けているので、これに平衡する力を出すように開側シリンダ室４ｃ内にはこれに相当する油圧が発生しており、油圧シリンダ４のピストン５ａはその位置を保っている。この状態では、バイパス管８のパイロット操作逆止弁４０は開側操作管６からのパイロット油圧により開いた状態になっており、油圧シリンダ４の閉側シリンダは閉側操作管７、パイロット操作逆止弁４０を介して油タンク１５に排油された状態になっているので圧力は無い。他方のパイロット操作逆止弁４１は、閉側操作管７より導かれるパイロット油圧が無いので、逆止弁機能が働き、油圧シリンダ４の開側シリンダ室４ｃと開側操作管６の圧油が低下するのを防いでいる。
【０１２０】
この状態からガイドベーン５０を閉じる場合には、油圧ポンプ３は油圧モータの働きをする。即ち、圧力側となる油圧シリンダ４の開側操作管６の圧油を、排油側となる閉側操作管７に排出させれば油圧シリンダ４はガイドベーン５０が閉じる方向に動作することになるので、この場合の油圧ポンプ３は油圧モータの働きで、電動機２を発電機として制御装置１により回生制動されて所定の速度となるよう制御された運転を行う。
【０１２１】
一方、水圧自己閉鎖できないガイドベーン５０の開度Ｘ％以上で運転しているときに閉動作する場合には、油圧ポンプ３の吐出した圧油を内側シリンダ室４ｄへ送り、ガイドベーン５０を閉鎖する。この場合には油圧シリンダ４を動作させるために力が必要であるので、閉側シリンダ室４ｄには油圧ポンプ３により吐出された圧油で油圧が発生し、開側シリンダ室４ｃは油圧ポンプ３への吸込みにより圧力が無くなる。従って、バイパス管８のパイロット操作逆止弁４０は開側操作管６からのパイロット油圧が無くなるので、逆止弁の働きをして閉側操作管７の圧油が油タンク１５に流出するのを防止し、他方のパイロット操作逆止弁４１は閉側操作管７の油圧がパイロット油圧になって開くので、開側操作管６は油タンク１５に通じて開側シリンダ室４からの排油がなされる。従って、油圧シリンダ４はガイドベーン５０が閉じる方向に動作する。
【０１２２】
以上のように、本実施形態によると、正常に油圧シリンダ４が動作し、ガイドベーン５０が開閉するときはリリーフ弁１４は動作しない。このリリーフ弁１４は油圧ポンプ３に過トルクが働くような異常の場合にのみ動作して、油圧ポンプ３、油圧シリンダ、配管弁類の破損を防止するよう機能する。
【０１２３】
したがって、本実施形態によれば、バイパス管８にパイロット操作逆止弁４０，４１を取付けたことにより、リリーフ弁１４の動作を抑制するので、油圧ポンプ３の負荷を減少することができ、これにより省エネルギ化が図れる。
【０１２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る水力機械の電動式水口操作装置よれば、大容量の水力機械にまで適用を拡大ならしめ、信頼性の向上および低コスト化等が有効に図れる等の優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の装置構成を示す系統図。
【図２】第１実施形態の作用説明図。
【図３】本発明の第２実施形態の装置構成を示す系統図。
【図４】本発明の第３実施形態の装置構成を示す系統図。
【図５】本発明の第４実施形態の装置構成を示す系統図。
【図６】本発明の第５、第６実施形態の装置構成を示す系統図。
【図７】第５実施形態の作用説明図。
【図８】第６実施形態の作用説明図。
【図９】本発明の第７実施形態の装置構成を示す系統図。
【図１０】本発明の第８実施形態の装置構成を示す系統図。
【図１１】第８実施形態の作用説明図。
【図１２】本発明の第９実施形態の装置構成を示す系統図。
【図１３】本発明の第１０実施形態の装置構成を示す系統図。
【図１４】本発明の第１１実施形態の装置構成を示す系統図。
【図１５】本発明の第１２実施形態の装置構成を示す系統図。
【図１６】本発明の第１３実施形態の装置構成を示す系統図。
【図１７】本発明の第１４実施形態の装置構成を示す系統図。
【図１８】本発明の第１５実施形態の装置構成を示す系統図。
【符号の説明】
１  制御装置
２  電動機
３  油圧ポンプ
４  油圧シリンダ
４ａ  ロッド側ポート（閉側シリンダポート）
４ｂ  ヘッド側ポート（開側シリンダポート）
５  ピストンロッド
６，７  操作管（開側操作管、閉側操作管）
６ａ，７ａ  ループ配管
８，１１  管路、（分岐管路、バイパス管）
９  第一逆止弁
１０  第二逆止弁
１１  管路
１２  第三逆止弁
１３  第四逆止弁
１４  リリーフ弁
１５  油タンク
１６  連結管
５０  ガイドベーン
【図１】
0004131907.tif 000002
【図２】
0004131907.tif 000003
【図３】
0004131907.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004131907.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004131907.tif 000011
【図１１】
0004131907.tif 000012
【図１２】
0004131907.tif 000013
【図１３】
0004131907.tif 000014
【図１４】
0004131907.tif 000015
【図１５】
0004131907.tif 000016
【図１６】
0004131907.tif 000017
【図１７】
0004131907.tif 000018
【図１８】
0004131907.tif 000019