JP4259995B2

JP4259995B2 - 小型水力発電機

Info

Publication number: JP4259995B2
Application number: JP2003412954A
Authority: JP
Inventors: 博元中; 芳男塩崎
Original assignee: TAIYO CHEMICALS CO., LTD.
Current assignee: TAIYO CHEMICALS CO., LTD.
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: US7074008B2; JP2005171877A; US20050129503A1; CN1327127C; CN1626791A

Description

本発明は、水道管内を流通する水流を利用して発電を行う小型水力発電機に関するものである。

従来から水道管内を流通する水流を利用して発電を行い、コンデンサや蓄電池に充電することによって、例えば、自動手洗い器や各種機器類の弁の制御用電源、その他の乾電池を利用した製品の電源として使用するようにした小型水力発電機が知られている。

このような小型水力発電機の構造としては、一端部に水道管に連結、連通させる流入口を形成し且つ他端部に流出口を形成しているケーシング内に、固定子と回転子とからな発電部を配設すると共に回転子に羽根車を一体に設けてこの羽根車を上記流入口からの水流によって回転させることにより回転子を回転させて固定子に誘起電圧を発生させ、発電させる一方、羽根車の回転に使用した水を回転子の中心部に貫通形成している通路を通じて流出口側に流出させるように構成している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２１３４４６号公報

しかしながら、上記小型水力発電機によれば、水道管内を流通する全ての水量を羽根車に作用させて回転子の回転エネルギーとして使用しているので、図５に示すように固定からの出力電圧は流量に比例して増大し、一定の安定した電圧を得ることができないばかりでなく、流量が多い水道管や水圧が高い水道管に接続した場合には、羽根車が必要以上に高速回転してこの羽根車や回転子の回転中心軸を支持している軸受が短期間で摩損する虞れがあった。

本発明のこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、流量が多い場合や水圧が高い場合においても、一定の安定した出力電圧を得ることができる小型水力発電機を提供するにある。

上記目的を達成するために、本発明の小型水力発電機は、請求項１に記載したように、一端部に流入口を、他端部に流出口を設けているケーシング内に羽根車と一体に回転する回転子とこの回転子の回転によって発電する固定子とを配設して上記流入口から流入する水流により羽根車を回転させて発電するように構成している小型水力発電機において、上記流入口から流出口に至る水流の通路として、流入口から回転子の中心部を通過して流出口に至るメイン通路と、流入口から固定子の外周側を迂回して流出口に至るバイパス通路とを設けてありこのバイパス通路内にスプリングによって流入口側からの流通を閉止する方向に付勢されている逆止弁を配設した構造としている。

さらに、このように構成した小型水力発電機において、上記流入口と羽根車との間に仕切壁を配設して流入口とこの仕切壁との間の空間部を上記バイパス通路に連通する水流室に形成し、この水流室の外周一部から上記仕切壁の外周部を通じて上記羽根車に向かって開口している第１噴射口を形成していると共に、上記バイパス通路における逆止弁に至る手前の通路部から上記仕切壁の外周部を貫通して上記羽根車に向かって開口している第２噴射口を形成していることを特徴とする。

本発明の小型水力発電機によれば、一端部に流入口を、他端部に流出口を設けているケーシング内に羽根車と一体に回転する回転子とこの回転子の回転によって発電する固定子とを配設して上記流入口から流入する水流により羽根車を回転させて発電するように構成している小型水力発電機において、上記流入口から流出口に至る水流の通路として、流入口から回転子の中心部を通過して流出口に至るメイン通路と、流入口から固定子の外周側を迂回して流出口に至るバイパス通路とを設けてありこのバイパス通路内にスプリングによって流入口側からの流通を閉止する方向に付勢されている逆止弁を配設しているので、ケーシングの流入口に流入する水量が少なくて水圧が上記スプリング力よりも低い場合には、その水量を全てメイン通路を通じて羽根車の回転に作用させて回転子を回転させ、発電に供することができる。

また、ケーシングの流入口に流入する水量が多くて水圧が上昇した場合、その水圧によってバイパス通路内の逆止弁がスプリング力に抗して開放させられ、該バイパス通路側に流動する水流を羽根車の回転、即ち、発電に供することなく該バイパス通路内を通じて排出口に流出させることができるので、メイン通路側を流通して羽根車の回転に供する水量を抑制することができ、従って、羽根車が必要以上に高速回転するのを防止して回転子を安定的に回転させて発電させることができる。

さらに、上記流入口と羽根車との間に仕切壁を配設して流入口とこの仕切壁との間の空間部を上記バイパス通路に連通する水流室に形成し、この水流室の外周一部から上記仕切壁の外周部を通じて上記羽根車に向かって開口している第１噴射口を形成していると共に、上記バイパス通路における上記逆止弁に至る手前の通路部から上記仕切壁の外周部を貫通して上記羽根車に向かって開口している第２噴射口を形成しているので、流入口から水流室内に流入する水道水の水圧が低くてバイパス通路内に設けている逆止弁が閉止している場合においても、上記第１、第２噴射口からの噴流によって羽根車を回転させて発電を行うことができる。

その上、流入口から水流室内に流入する水道水の水量が多くて水圧が高くなった場合、その水圧によって逆止弁がスプリング力に抗して開放されてバイパス通路側に水道水の一部を逃がすことができ、従って、上記のように羽根車側に必要以上の多量の水が流通するのを防止することができると共に、このバイパス通路を流通する流速に反比例して第２噴射口から羽根車に噴射する圧力が低下し、この第２噴射口の流量と水圧に比例して噴射圧力が高くなる第１噴射口からの流量との和を略一定にすることができて、羽根車の回転を必要以上に高速回転させることなく略一定に保持して軸受部等の摩損を防止し得るばかりでなく、流入口に流入する流量に殆ど関係なく固定子からの出力電圧を略一定にすることができ、自動手洗い器や各種機器類の弁の制御用電源、その他の乾電池を利用した製品の電源として安定的に使用することができる。

次に、本発明の具体的な実施の形態を図面について説明すると、１は小型水力発電機の本体である中空のケーシングで、その一端部と他端部との中央にそれぞれ水道水の流入口２と流出口３を形成していると共に、このケーシング１内の中央部に羽根車４と一体に回転する回転子５と、この回転子５の回転によって発電する固定子６とを配設している。

上記流入口２と流出口３とは、その内径を水道管Ａの内径に略等しい径に形成されていると共にこれらの流入口２と流出口３との周囲から該流入口２、流出口３よりも大径の短筒状の接続口部2a、3aを突設してこの接続口部2a、3a内に水道管Ａの端部外周面を螺合させることによって水道管Ａの長さ方向の適所に連結、連通させた状態で介在させるように構成している。

ケーシング１内の中央部には上記回転子５と固定子６とからなる発電部の収納室７が設けられていると共に該収納室７の両端開口部には仕切壁８、９が設けられていて一端側の仕切壁８と上記流入口２を設けているケーシング１の一端側壁面との間の空隙部を水流室10に形成していると共に、両仕切壁８、９の対向面中央部に軸受部11、12を設けて上記羽根車４の回転中心軸13の両端を回転自在に支持している。

この羽根車４は中心部に内外二重の筒部4a、4bを一体に設けていてこれらの内外筒部4a、4b間を連結している環状壁部に該壁部の内外面間に亘って貫通した流通孔4dを設けていると共に外側筒部4aの一端開口部から外方に向かって複数枚の羽根4cを放射状に突設してなるものである。

そして、上記内側の筒部4bに上記回転中心軸13の一端部を挿嵌、固着して該羽根車４を上記収納室７の一端側の開口部7a内で回転させるように構成していると共に、外側の筒部4aを筒状のヨーク5aとこの筒状ヨーク5aの外周面に装着しているマグネット5bとからなる上記回転子５の該ヨーク5aの一端部内に挿嵌、固着して羽根車４と回転子５とを一体に回転させるように構成してあり、筒状のヨーク5aの内部をその一端側が上記羽根車４の流通孔4dと連通した流通路14に形成し、この流通路14の他端部を上記他端側の仕切壁９の中心部に設けている流出孔15を通じて上記流出口３に連通させている。

一方、回転子５と共に発電部を構成している上記固定子６はコア6bにコイル6aを巻装してなり、回転子５の外周面を囲繞して上記収納室７の内周面に固定されていると共に、コイル6bから引き出されているリード線6b' をケーシング１の他端部内に配設した交流を直流に変換する変換器16を介して外部に導出し、自動手洗い器や各種機器類の弁等に接続するように構成している。

また、上記ケーシング１の流入口２を設けている一端側壁面と該ケーシング１内の一端側の仕切壁８との間の空間部によって形成している水流室10は、仕切壁８の外周部に設けている一つの第１噴射口17を通じて羽根車４を設けている上記収納室７の一端開口部7a内に連通してあり、この第１噴射口17は、図２に点線で示したように、水流室10側から収納室７に向かって羽根車４の回転方向に螺旋状に傾斜した溝からなり、その噴射開口端を羽根車４の先端部に対して直交する方向に臨ませている。そして、流入口２から順次、上記水流室10、第１噴射口17、羽根車４、筒状のヨーク5a内の流通路14、流出孔15を通じて排出口３に至る通路をメイン通路Ｂとしている。

さらに、流入口２から水流室10を通じて固定子６の外周側を迂回して上記流出口３に至る二つのバイパス通路Ｃ、Ｃを設けている。詳しくは、これらのバイパス通路Ｃ、Ｃは図２に示すように、上記水流室10の外周部における周方向に適宜間隔を存した２個所からケーシング１内における発電部収納室７の外周部に互いに平行にして設けられてあり、これらのバイパス通路Ｃ、Ｃの他端部を収納室７の他端側仕切壁９とケーシング１の他端側壁面との間に形成されている流通路18を通じて上記排出口３に連通させている。

上記各バイパス通路Ｃ内には、該バイパス通路Ｂを開閉する逆止弁19が配設されてあり、該逆止弁19とケーシング１の他端側壁面との間に圧縮状態で配設されているスプリング20によって該逆止弁19は流入口２側からの水の流通を閉止する方向に付勢されていて、弁座21に圧着している。

また、上記各バイパス通路Ｃにおける上記水流室10から逆止弁19に至る手前の通路部から上記仕切壁８の外周部を貫通して上記羽根車４に向かって角度を付けて開口した第２噴射口22が設けられている。

この第２噴射口22は、バイパス通路Ｃよりも小径で且つバイパス通路Ｃの長さ方向に対して直角或いは直角に近い角度でもって水流室10から分岐させてあり、従って、該第２噴射口22内の水圧はバイパス通路Ｃ内を流通する水道水の流速に反比例して低下し、該第２噴射口22を流通する水の流速（量）が減少するように構成されている。

このように構成した小型水力発電機の作用を述べると、まず、この小型水力発電機を水道管Ａの適所に連結、連通させた状態、即ち、水道管Ａの適所を分断し、上流側の水道管Ａの分断口部をケーシング１の流入口２の接続口部2aに接続する一方、下流側の水道管Ａの分断口部を流出口３の接続口部3aに接続した状態とする。

この状態にして水道管Ａに水道水を流通させると、水道水は流入口２から水流室10に流入して該水流室10内に充満したのち、メイン通路Ｂとバイパス通路Ｃとに分流し、メイン通路Ｂ側の第１噴射口17から噴射する水流によって羽根車４が回転し、羽根車４と一体の回転子５の回転によって固定子６のコイル6aに交流電圧が発生し、この交流電圧を変換器16によって直流に変換してリード線6b' を通じて外部に取り出し、電源として使用する。羽根車４の回転エネルギーに使用した水流はメイン通路Ｂの流通路14を通過して流出口３から下流側の水道管Ａに流出する。

一方、バイパス通路Ｃ、Ｃ側に流れる水道水は、その水圧がバイパス通路Ｃ内に配設した逆止弁19を押圧しているスプリング20の圧力よりも小さい場合には、逆止弁19によってバイパス通路Ｃが閉止された状態を維持しているので、バイパス通路Ｃを流通しないが、該バイパス通路Ｃにおける逆止弁19に至るまでの手前の通路部には羽根車４に向かって開口した第２噴射口22が設けられているので、上記メイン通路Ｂ側の第１噴射口17からの噴流水と共にこの第２噴射口22からの噴流水によって羽根車４が回転させられ、該羽根車４と一体の回転子５の回転によって固定子６に上述したように交流電圧を発生させて発電させる。

この第２噴射口22からの噴流水は羽根車４の回転エネルギーに使用されたのち、第１噴射口17からの噴流水と羽根車４が配設されている収納室７の一端開口部7a内から回転子５の筒状ヨーク5a内の流通路14内で合流して流出口３から下流側の水道管Ａ内に流出する。

次に、水道管を流通する水の水量が多くてケーシング１内の水流室10内の水圧が上記逆止弁19を押圧しているスプリング20の圧力よりも高くなると、バイパス通路Ｃ、Ｃ側に流入する水道水は、図３に示すように、その圧力によって逆止弁19をスプリング20の力に抗して押し開き、各バイパス通路Ｃを流通して流出口３から水道管内に流出する。この場合も、メイン通路Ｂ側の第１噴射口17からは、水流室10の圧力に応じた噴射力でもって羽根車４に水道水を噴射すると共に、バイパス通路Ｃ、Ｃ側の第２噴射口22からも羽根車４に向かって水道水を噴射して羽根車４を回転させ、回転子５と固定子６とによって発電を行うが、第２噴射口22は、バイパス通路Ｃの長さ方向に対して直角、或いは、該バイパス通路Ｃから羽根車４に向かって流れ方向に傾斜させた状態でバイパス通路Ｃから分岐させているので、バイパス通路Ｃを流通する水道水の流速が高くなればなる程、該第２噴射口22内の水圧が低くなる。

従って、ケーシング１の流入口２に流入する水道水の水量が多くて圧力が高くなるに従って、メイン通路Ｂ側の第１噴射口17から噴射する噴流圧が高くなる一方、バイパス通路Ｃ側においては第２噴射口22から噴射する噴流圧が低くなり、そのため、羽根車４を回転させる第１、第２噴射口17、22からの噴流圧の和が略一定となって流入口２に流入する水道水の流量に殆ど関係なく、図４に示すように羽根車４を略一定の回転速度でもって回転させて固定子６からは安定した略一定の出力電圧を得ることができるものである。

このように、小型水力発電機の流入口２と流出口３とを水道管Ａの管路中に接続した状態にし、流入口２から水道水がケーシング１内に流入すると、羽根車４がその水流によって回転して該羽根車４と一体の回転子５が回転し、固定子６に電圧が発生してこの電力を外部に取り出し、電源として使用する。

この際、流入口２から流出口３に流通する水流の通路としては、流入口２から回転子５の中心部を通過して流出口３に至るメイン通路Ｂと、固定子６の外周側に迂回して流出口３に至るバイパス通路Ｃとが設けられてあり、流入口２から流入した水道水はこれらの両通路Ｂ、Ｃを通じて流出口３側に流出しようとするが、バイパス通路Ｃは逆止弁19によって閉止されているので、流入口２から流入する水量が少なくて水圧が低い場合、即ち、逆止弁19を押圧しているスプリング力よりも水圧が低い場合には、バイパス通路Ｃは逆止弁19により閉止された状態を維持して水道水はメイン通路Ｂを通じてのみ流通し、従って、流入口２に流入する全ての水道水を羽根車４の回転エネルギーに使用して回転子５を回転させて発電することができる。

これに対して、流入口２に流入する水量が多くて水圧が高い場合、この水圧によってバイパス通路Ｃ内の逆止弁がスプリング力に抗して押し開かれ、バイパス通路Ｃ内を流通する水流が羽根車４の回転に使用されることなく該バイパス通路Ｃを通じて排出口側に流出してメイン通路Ｂ側に流通する水量を比例的に増大させることなく抑制して羽根車４の回転に供する水量、水圧を減少させ、回転子５を安定的に回転させて発電させることができる。

さらに、流入口２からの水流を上記メイン通路Ｂ側に向かって噴射して羽根車４を回転させる噴射口17を第１噴射口とする一方、第２噴射口22として上記バイパス通路Ｃにおける逆止弁19に至る手前の通路部から上記羽根車４に向かって噴射する噴射口を形成しておくことによって、水圧が低くて逆止弁19が閉止している場合においても、これらの第１、第２噴射口17、22からの噴流によって羽根車４を回転させて発電を行うことができるのは勿論、第２噴射口22はバイパス通路Ｃよりも小径で且つバイパス通路Ｃに対して直角或いは直角に近い角度でもって該バイパス通路Ｃから分岐させているので、高い水圧にて逆止弁19が開放した状態においてはこのバイパス通路Ｃを流通する流速に反比例して該第２噴射口22から羽根車４に噴射する圧力が低下し、従って、この第２噴射口22からの流量と水圧に比例して噴射圧力が高くなる第１噴射口17からの流量との和が略一定となり、流入口２に流入する流量に殆ど関係なく固定子６からの出力電圧を略一定にすることができる。

水道管の適所に介在させている小型発電機の縦断側面図。羽根車部分の簡略縦断正面図。逆止弁が開放した状態の縦断側面図。本発明の小型水力発電機による水量と出力電圧との関係線図。従来の小型水力発電機による水量と出力電圧との関係線図。

符号の説明

１ケーシング
２流入口
３流出口
４羽根車
５回転子
６固定子
10 水流室
14 流出孔
17 第１噴射口
19 逆止弁
20 スプリング
22 第２噴射口
Ａ水道管
Ｂメイン通路
Ｃバイパス通路

Claims

一端部に流入口を、他端部に流出口を設けているケーシング内に羽根車と一体に回転する回転子とこの回転子の回転によって発電する固定子とを配設して上記流入口から流入する水流により羽根車を回転させて発電するように構成している小型水力発電機において、上記流入口から流出口に至る水流の通路として、流入口から回転子の中心部を通過して流出口に至るメイン通路と、流入口から固定子の外周側を迂回して流出口に至るバイパス通路とを設けてありこのバイパス通路内にスプリングによって流入口側からの流通を閉止する方向に付勢されている逆止弁を配設し、さらに、上記流入口と羽根車との間に仕切壁を配設して流入口とこの仕切壁との間の空間部を上記バイパス通路に連通する水流室に形成し、この水流室の外周一部から上記仕切壁の外周部を通じて上記羽根車に向かって開口している第１噴射口を形成していると共に、上記バイパス通路における逆止弁に至る手前の通路部から上記仕切壁の外周部を貫通して上記羽根車に向かって開口している第２噴射口を形成していることを特徴とする小型水力発電機。