JP4446680B2

JP4446680B2 - 水力発電装置

Info

Publication number: JP4446680B2
Application number: JP2003140959A
Authority: JP
Inventors: 行宣弓田; 英大熊谷
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2023-05-19
Also published as: JP2004340112A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蛇口から射出される水道水などの流れを利用して水力発電を行う水力発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
蛇口の下方位置に手を差し出したとき、それをセンサが感知すると、蛇口から水を自動的に流すように構成した自動水栓装置が普及しつつある。また、近年、水道水の流路の途中位置に小型の水力発電装置を設けるとともに、この水力発電装置によって得た電力を蓄え、この電力を自動水栓装置のセンサ回路に供給する装置も案出されている。
【０００３】
この種の水力発電装置としては、従来、流体入口から流体出口を結ぶ流路の途中位置に水車室を形成しておき、ここに配置した発電用水車の羽根に向けて流体を高速で射出して発電を行うものが案出されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ここで、水車室の下方位置に流体出口と連通する排出空間を構成しておくと、水車室を直接、流体出口に連通させた構造と比較して、発電用水車を回転させた後の流体がスムーズに下方に流れてくれるので、発電効率が向上する。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−８１３６１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水車室の下方位置に流体出口と連通する排出空間を構成しておくと、発電効率が向上する一方、異音が発生しやすいという問題点がある。本願発明者は、このような異音の発生原因について追究した結果、排出空間内において、一部の流体が高速で循環しているため、そこに紛れ込んだ気泡が排出空間から流体出口に向けて排出されず、圧縮、膨張により変形を繰り返しながら回転することによって異音を発生させるという知見を得た。
【０００７】
本願発明は、このような知見に基づいて成されたものであり、本発明の課題は、発電効率を高める排出空間を水車室と流体出口との間に構成した場合でも、気泡に起因する異音の発生を防止することのできる水力発電装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、流体入口から流体出口までの間に水車室を備えた流路と、前記水車室に配置された発電用水車と、該発電用水車に連動して回転するロータマグネットとを有する水力発電装置において、前記水車室の下方位置には、前記発電用水車を回転させた後の流体が排出されてくる排出空間が前記流体出口に連通して構成され、前記排出空間の内壁には、当該排出空間内に滞留しようとする気泡の前記流体出口への流出を促進する滞留防止用突起が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、水車室の下方位置に流体出口と連通する排出空間が構成されているため、発電用水車を回転させた後の流体がスムーズに下方に流れてくれるので、発電効率が高い。また、排出空間を構成すると、この排出空間内で流体が高速で循環し、そこに紛れ込んだ気泡が排出空間から流体出口に向けて排出されにくいが、本発明では、排出空間の内壁に滞留防止用突起が形成されているため、排出空間内での流体の循環が阻害され、流体が気泡とともに流体出口へ流出するのが促進される。このため、滞留防止用突起によって排出空間から流体出口への流体の排出が促進される結果、流体の還流、循環による発電用水車への余計な抵抗が解消されるので、発電効率がさらに向上するという利点もある。
【００１０】
また、本発明は、前記水車室および前記排出空間が円筒状の空間である水力発電装置に適用することを特徴する。すなわち、前記水車室および前記排出空間が円筒状の空間である場合には、排出空間で流体が気泡とともに高速で循環しやすく、そこに紛れ込んだ気泡が排出空間から流体出口に向けて排出されにくいが、このような構造の排出空間において滞留防止用突起によって、流体が気泡とともに流体出口へ流出するのを促進すれば、一部の流体が高速で循環しているため、そこに紛れ込んだ気泡が排出空間から流体出口に向けて排出されず、圧縮、膨張により変形を繰り返しながら回転することによる異音の発生を防止でき、かつ、発電効率のさらなる向上を図ることができる。
【００１１】
さらに、本発明は、前記滞留防止用突起は、前記排出空間の内壁のうち、前記発電用水車の軸方向に位置する前記排出空間の底壁に形成されていることを特徴とする。排出空間内では、流体が底壁に沿って高速で循環するので、この底壁に滞留防止用突起を形成すれば、流体が気泡とともに流体出口へ流出するのを効果的に促進することができる。
【００１２】
また、本発明は、前記排出空間の底壁に、前記発電用水車の回転中心軸の下端部を保持するボスが形成されている水力発電装置に適用することを特徴とする。すなわち、排出空間の底壁にボスが形成されていると、このボス周りに流体が気泡とともに循環しやすいが、このような構造の排出空間において滞留防止用突起によって、流体が気泡とともに流体出口へ流出するのを促進すれば、気泡が排出空間の内壁に衝突を繰り返すことによる異音の発生を防止でき、かつ、発電効率のさらなる向上を図ることができる。
【００１３】
さらに、本発明は、前記滞留防止用突起は、前記ボスから半径方向に延びたリブであることを特徴とする。このように構成すると、ボス周りに流体が気泡とともに循環しようとするのを効果的に妨げて、流体が気泡とともに流体出口へ流出するのを効果的に促進することができる。
【００１４】
また、本発明は、前記流体出口は、前記排出空間の外周側に位置しており、前記滞留防止用突起は、前記ボスから前記流体出口に向かって延びていることを特徴とする。このように構成すると、流体が気泡とともに流体出口へ流出するのを効果的に促進することができる。
【００１５】
本発明において、前記流体は、蛇口から射出される水である。このような水力発電装置は、例えば、自動水栓装置のセンサなどに対して電力を供給するために用いられる。ここで、水道の場合には、気泡が特に入りやすいという性質があるので、このような用途の水力発電装置に本発明を適用すると、その効果が大である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
（全体構成）
図１は、本発明を適用した小型の水力発電装置の平面図である。図２は、図１の矢印II方向からみた側面図である。図３は、図１に示す水力発電装置の縦断面図である。
【００１８】
図１、図２および図３に示すように、本形態の水力発電装置１００は、流体入口１２、流体出口１３、および流路１１０を備えた本体ケース１と、本体ケース１に形成された水車室５０と、水車室５０の中心位置で直立する支軸７と、この支軸７に対して回転可能に支持された回転体４と、この回転体４に被さるように本体ケース１に取り付けられたステンレス製のカップ状ケース５と、このカップ状ケース５の円筒部５５の外周側に配置されたステータ部６と、このステータ部６に被さるように本体ケース１に取り付けられた樹脂ケース９とから構成されている。後述するように、回転体４には、その中央に支軸７が嵌る軸孔４１（軸受）が形成されているとともに、その下端側に発電用水車３が構成され、上半部の外周面にはロータマグネット２が固着されている。
【００１９】
本形態では、本体ケース１に支軸７の下端部を圧入固定した後、環状のカバー１５を取り付け、しかる後に支軸７に対して回転体４を取り付け、次に、シール用のＯリング８を嵌め込んだカップ状ケース５を本体ケース１に圧入し、次に、カップ状ケース５の円筒部５５の周りにステータ部６を取り付け、次に、このステータ部６に被さるように本体ケース１に樹脂ケース９を取り付けた構造になっている。また、本体ケース１の水車室２０を覆う円環状のカバー１５によって、図５を参照して後述するように、発電用水車３に対して半径方向の外側から水を吹き付ける注水部３０が構成されている。
【００２０】
（本体ケースおよびカバーの構成）
図４および図５はそれぞれ、図１に示す水力発電装置に用いた本体ケースの断面図、および平面図である。図６（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、図３に示す水力発電装置において、本体ケースとともに射出口を構成するカバーの底面図、および断面図である。
【００２１】
本形態の水力発電装置１００において、本体ケース１は、本体部１１と、この本体部１１から両側に各々突出している筒状の流体入口１２および流体出口１３とを備えている。本体部１１の内部には、流体入口１２の側で立ち上がって水車室５０を区画する注水用壁２０１が形成され、この注水用壁２０１と、本体部１１の内壁とによって水車室５０が構成されている。
【００２２】
水車室５０の下方位置には、支軸７の下端を保持する軸受け孔１１２が形成されている。この軸受け孔１１２は、水車室５０の軸線方向下側に位置する底壁２５０から突き出た円筒状のボス５１の上面に形成されており、支軸７に回転体４を取り付けた状態において、水車室３０の下方位置には、回転体４において発電用水車３の下方に突き出た突起４２の高さ寸法と、ボス５１の高さ寸法とを合わせた高さ寸法の排出空間２５が形成されている。このように構成された排出空間２５は、水車室５０と同様、円筒状の空間である。
【００２３】
また、本形態では、排出空間２５の内壁のうち、発電用水車３の軸線方向に位置する底壁２５０には、ボス５１から半径方向外側、例えば、ボス５１から流体出口１３に向かって１本のリブからなる滞留防止用突起５００が形成されている。ここで、滞留防止用突起５００は、ボス５１から、ボス５１と同じ高さ寸法をもって延びている。
【００２４】
注水部３０は、流体入口１２から流れ込んできた水の流路１１０を絞り、水の勢いを強くして発電用水車３の羽根に吹き付けてぶつけるためのものである。
【００２５】
このような注水部３０を構成するにあたって、本形態では、まず、図４および図５に示すように、本体ケース１において、水車室５０の周りには、２つの環状面１８、１９が段差を介して形成されている。これらの環状面１８、１９のうち、内側の環状面１８には環状凹部２６が形成され、その内側で、水車室５０を区画する側壁の上方には、周方向に延びた５つの注水用壁２０１、２０２、２０３、２０４、２０５が形成されることにより、本体ケース１とカバー１５との間には、水車室５０の上方位置を囲む環状の導水路２７が構成されている。ここで、環状凹部２６は、注水用壁２０１の外周側に位置する部分が流体入口１２と連通している。
【００２６】
このように構成した環状面１８に対しては、図６に示す円環状のカバー１５が被せられる。このカバー１５の内径寸法は、水車室５０の内径と同じであり、このカバー１５の外径寸法は、２つの環状面１８、１９を構成する段差の内径よりわずかに小さい。従って、カバー１５はその内周部分が、周方向に延びた５つの注水用壁２０１、２０２、２０３、２０４、２０５の上面に載置され、その外周部分が環状面１８上に載置される。
【００２７】
ここで、注水用壁２０１、２０２、２０３、２０４、２０５の上面には、細い溝２０６が形成されている一方、カバー１５には、各溝２０６に嵌る突起１５６が形成されている。このため、本体ケース１にカバー１５を被せた状態で突起１５６が溝２０６に嵌ることにより、カバー１５と、注水壁２０１、２０２、２０３、２０４、２０５との隙間からの水漏れを防止している。
【００２８】
また、カバー１５を注水用壁２０１、２０２、２０３、２０４、２０５の上面に載置した状態において、カバー１５は導水路２７の上を覆うとともに、注水用壁２０１、２０２、２０３、２０４、２０５の狭い溝状の途切れ部分によって、水車室５０の内周面で開口する複数の射出口２２１、２２２、２２３、２２４を構成することになる。射出口２２１、２２２、２２３、２２４は、水車室５０に配置された発電用水車３の周りで開口し、本体ケース１の流体入口１２から流れ込んだ水を発電用水車３の半径方向外側から、図７を参照して後述する羽根３１に向けて水を射出する。
【００２９】
なお、カバー１５には、下方に１枚の板状部１５１が延びており、この板状部１５１は、図３に示すように、発電用水車３の周りのうち、水車室５０と流体出口１３との連通部分１３１において発電用水車３の側方を覆った状態となる。
【００３０】
（発電部の構成）
再び図３において、本体ケース１にカバー１５を取り付けた状態においてカバー１５の上面には凹部１４が形成されるので、そこにカップ状ケース５の下面側が嵌めこまれる。カップ状ケース５は、中央の円筒部５５の下端縁から外周側にフランジ部が広がり、かつ、フランジ部は、外周側が上方に屈曲した後、外側に折れ曲がっていることにより、下面側には環状部分５６が形成され、この環状部分５６が凹部１４にはめ込まれている。この際、環状部分５６の外周部分と凹部１６との間にＯリング８が配置され、ここでの液密が確保されている。このカップ状ケース５において、円筒部５５の上面には、支軸７の上端部を支持する軸受部分５２が形成されている。
【００３１】
このようにして本体ケース１に被せられたカップ状ケース５の円筒部５５に対しては、環状に構成されたステータ部６が装着される。ステータ部６は、軸方向に重ねて配置された２つの相６０１、６０２で構成されている。各相６０１、６０２は、それぞれ外ヨーク６１と、この外ヨーク６１に一体的に形成された外極歯６１１と、内ヨーク６２と、この内ヨーク６２に一体的に形成された内極歯６２１と、コイルボビンに巻回されたコイル６３とを備えている。コイル６３の巻き始め部分および巻き終わり部分は、それぞれ端子部６４に接続されている。
【００３２】
このような構成のステータ部６をカップ状ケース５の円筒部５５の外側部分に嵌めこんだ状態で、ステータ部６の各極歯６１１、６２１と、回転体４に装着されているロータマグネット２との間には磁束が流れている。従って、発電用水車３とともに、回転体４全体が回転すると、この磁束の流れの変化が生じ、この流れの変化を防止する方向にコイル６３に誘起電圧が発生する。この誘起電圧は、端子部６４から取り出される。このような形で取り出された誘起電圧は、回路により直流に変換され、所定の回路（図示省略）を通して整流され電池に充電される。
【００３３】
また、ステータ部６を覆うように樹脂ケース９が被せられ、この樹脂ケース９は、カップ状ケース５とともに本体ケース１に対してねじ１０によって固定される。この樹脂ケース９には、図２および図３に示すように、端子部６４を覆うフード部９１が形成されている。このフード部９１には、端子部６４に一方端が接続されたリード線６５の他端側を外部へ引き出すための引き出し部９２が形成されている。この引き出し部９２には、外部とステータ部６とを封止するシール剤（図示せず）が充填され、外部から引き出し部９２を通ってステータ部６へ水が浸入するのを防止する構造になっている。
【００３４】
（発電用水車の構成）
図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、図３に示す水力発電装置に用いた回転体の一部を切り欠いて示す側面図、平面図、および底面図である。
【００３５】
図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、発電用水車３は、回転体４の下端部に形成された胴部３３と、この胴部から放射状に形成された羽根３１とから構成されている。胴部３３は、軸孔４１を構成する円筒状の小筒部３３１と、この小筒部３３１より径の大きい大筒部３３２と、両筒部３３１、３３２を連結した骨部３３３とから形成されている。なお、両筒部３３１、３３２の間は軸方向に貫通し、このような貫通部分３３４によって水車室５０において水を循環させ、回転体４（発電用水車３）の回転を滑らかにする。
【００３６】
羽根３１は、各射出口２２１、２２２、２２３、２２４から射出される水の圧力を受けやすいように途中部分が湾曲している。このため、発電用水車３は、流体入口１２から流れ込んだ水が各射出口２２１、２２２、２２３、２２４で絞られて圧力を高められた状態で羽根３１に勢い良くぶつかり、その水力で支軸７を回転中心として回転するようになっている。
【００３７】
回転体４において、その上半部分にはロータマグネット２が嵌めこまれ、このロータマグネット２の外周面には多極着磁がなされている。
【００３８】
（動作）
このように構成した水力発電装置１００において、以下に説明するように、流体入口１２から流れ込んだ水は、流体入口１２から流体出口１３までの間に水車室５０を備える流路１１０（図３に矢印Ａで示す）を通って発電に寄与する。
【００３９】
まず、水力発電装置１００において、流体入口１２から流れ込んだ水は、注水用壁２０１にぶつかって上方に流れ、本体ケース１の環状面１８とカバー１５と間において、凹部２６からなる導水路２７を通って各射出口２２１、２２２、２２３、２２４から水車室５０の発電用水車３の羽根３１に射出される。その結果、発電用水車３が回転する。発電用水車３を回し終えた水は、下方に形成されている排出空間２５に落下し、そこから流体出口１３に向かう。
【００４０】
ここで、排出空間２５は、水車室５０と同様に略円筒形の空間であり、その底壁２５０にはボス５１が突き出ている。また、排出空間２５の上方では発電用水車３が高速回転しているので、落下してきた水が、そのまま流体出口１３に向かって排出されずに、排出空間２５内において、ボス５１の周りで循環しやすい。しかるに本形態では、ボス５１から流体出口１３に向って滞留防止用突起５００が形成されているため、循環しようとする水は、滞留防止用突起５００によって循環を妨げられ、流体出口１３への流出が促進される。また、本形態の水力発電装置１００を水道の途中位置に接続した場合には水道水に気泡が紛れ込みやすく、このような気泡も、排出空間２５内において、ボス５１の周りで循環してしまうことがあるが、水の循環が滞留防止用突起５００によって妨げられて、流体出口１３への水の流出が促進されている結果、流体出口１３への気泡の流出も促進されることになる。
【００４１】
(本形態の効果)
以上説明したように、本形態では、水車室３０の下方位置に流体出口１３と連通する排出空間２５が構成されているため、発電用水車３を回転させた後の水がスムーズに下方に流れてくれるので、発電効率が高い。また、排出空間２５を構成すると、この排出空間２５内で水が高速で循環し、そこに紛れ込んだ気泡が排出空間２５から流体出口１３に向けて排出されにくいが、本形態では、排出空間２５の底壁２５０に滞留防止用突起５００が形成されているため、排出空間２５内での水の循環が阻害され、水が気泡とともに流体出口１３へ流出するのが促進される。しかも、本形態では、排出空間２５内では、水が底壁２５０に沿って高速で循環するのに対応させて、この底壁２５０に滞留防止用突起５００を形成したので、水が気泡とともに流体出口１３へ流出するのを効果的に促進することができる。それ故、気泡が排出空間２５の内壁に衝突を繰り返すことによる異音の発生を防止できる。
【００４２】
また、滞留防止用突起５００によって排出空間２５から流体出口１３への水の排出が促進される結果、水の還流、循環による発電用水車３への余計な抵抗が解消されるので、発電効率がさらに向上するという利点もある。
【００４３】
しかも、本形態において、水車室３０および排出空間２５が円筒状の空間であり、かつ、排出空間２５の底壁２５０の中央に、発電用水車３０の支軸７の下端部を保持するボス５１が形成されている。このため、排出空間２５で水および気泡がボス５１周りに循環しやすいが、このような構造の排出空間２５に対して滞留防止用突起５００を形成したので、気泡が排出空間２５の内壁に衝突を繰り返すことによる異音の発生を防止でき、かつ、発電効率のさらなる向上を図ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る水力発電装置では、水車室の下方位置に流体出口と連通する排出空間が構成されているため、発電用水車を回転させた後の流体がスムーズに下方に流れてくれるので、発電効率が高い。また、排出空間を構成すると、この排出空間内で流体が高速で循環し、そこに紛れ込んだ気泡が排出空間から流体出口に向けて排出されにくいが、本発明では、排出空間の内壁に滞留防止用突起が形成されているため、排出空間内での流体の循環が阻害され、流体が気泡とともに流体出口へ流出するのが促進される。このため、気泡が排出空間の内壁に衝突を繰り返すことによる異音の発生を防止できる。また、滞留防止用突起によって排出空間から流体出口への流体の排出が促進される結果、流体の還流、循環による発電用水車への余計な抵抗が解消されるので、発電効率がさらに向上するという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した小型水力発電装置の平面図である。
【図２】図１の矢印II方向からみた側面図である。
【図３】図１に示す小型水力発電装置の縦断面図である。
【図４】図１に示す小型水力発電装置に用いた本体ケースの断面図である。
【図５】図１に示す小型水力発電装置に用いた本体ケースの平面図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）は、図１に示す小型水力発電装置において、本体ケースと一緒に射出口を構成するカバーの底面図、および断面図である。
【図７】図１に示す小型水力発電装置に用いた回転体の一部を切り欠いて示す側面図、平面図、および底面図である。
【符号の説明】
１本体ケース
２マグネット
３発電用水車
４回転体
５カップ状ケース
６ステータ部
７支軸
１１本体部
１２流体入口
１３流体出口
１５カバー
２５排出空間
２６溝状凹部
２７導水路
３０注水部
３１羽根
５０水車室
５１ボス
６３コイル
１００水力発電装置
１１０発電用の流路
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５注水用壁
２２１、２２２、２２３、２２４射出口
２５０排出空間の底壁
５００滞留防止用突起

Claims

流体入口から流体出口までの間に水車室を備えた流路と、前記水車室に配置された発電用水車と、該発電用水車に連動して回転するロータマグネットとを有する水力発電装置において、
前記水車室は、円筒状の空間であり、
前記水車室の下方位置には、前記発電用水車を回転させた後の流体が排出されてくる円筒状の排出空間が前記流体出口に連通して構成され、
前記流体出口は、前記排出空間の外周側に位置しており、
前記発電用水車の軸方向に位置する前記排出空間の底壁には、前記発電用水車の回転中心軸の下端部を保持するボスと、当該排出空間内に滞留しようとする気泡の前記流体出口への流出を促進する滞留防止用突起が形成され、
前記滞留防止用突起は、前記ボスから半径方向に延びて前記流体出口に向かうリブであることを特徴とする水力発電装置。
請求項１において、前記流体は、蛇口から射出される水であることを特徴とする水力発電装置。