CN1202358C - 小型水力发电装置 - Google Patents

Abstract

一种小型水力发电装置，在流体通道中设有逐渐缩小流体通道、并向叶片构件(31)射出水的多个射出孔(22)。水轮(3)设有旋转中心部(33)，内周端部连接于旋转中心部、外周前端部分延伸至射出孔(22)旁边并承受从射出孔(22)中射出的流体冲击的叶片构件(33)，叶片构件(33)旋转方向的背面侧形成从内周端部至外周前端部分中央突出的弓型，同时，外周前端部分形成棱状(31a)。采用本发明，可减轻噪声。

Description

小型水力发电装置

技术领域

本发明涉及利用水通过水龙头的流动所产生水力的小型水力发电装置的改进。

技术背景

一直以来人们所熟知的自动阀栓装置是，当将手伸到水龙头下侧时传感器感应到、并由该传感器的感知为前提从水龙头流出水。

下面简单描述上述小型水力发电装置的构成。小型水力发电装置是在本体外壳上设有流入口与流出口，中央部装有分配环。从流入口流入的水由该圆筒状壁分配，并从开设于圆筒状壁上的射出口喷出。

喷出的水撞到被旋转自如地配置于壁内侧的水轮上，驱动水轮旋转，并从流出口流出。水轮的旋转轴上设有与水轮固定为一体的旋转体。该旋转体的外周面为磁化的旋转磁性体。在与旋转磁性体的外周面相对的位置，隔着不锈钢制隔壁而配置有定子。定子上设有发电用线圈，磁性体的磁通进入定子时，该磁通与线圈产生交链而发电。

图8为上述小型水力发电装置中所用的水轮及旋转体的构成例子(磁性体与旋转轴除外)，图8(A)、(B)及(C)分别为其主视图、俯视图及仰视图。在图8中，水轮3设有：穿过并固定在上述旋转轴上的旋转中心部33；内周端部与该旋转中心部33相连的多个叶片构件31；连接着叶片构件31的外周前端部分的圆筒状环部32。旋转体4与水轮3形成一体。

图10为上述小型水力发电装置所使用的水轮及旋转体的另外一种构成例子，图10(A)、(B)及(C)分别为其主视图、俯视图及仰视图。水轮3设有：穿过并固定在上述旋转轴上的旋转中心部33；内周端部与该旋转中心部33相连的多个叶片构件31。图10中的水轮3的结构是没有图8中的水轮3的环部32。

在上述小型水力发电装置中，如果流过流体通道的水的流量多，将特别发生下述问题：水轮3随着水的流过而旋转时，由于叶片构件31的外周前端部分瞬间堵塞一部分射出孔22，故会使从射出孔22喷至叶片构件31的水压无法保持稳定，出现紊乱。

也就是说，图10中的水轮3的叶片构件31，在俯视图中的外周前端部分的宽d1与仰视图中的外周前端部分的宽度d2分别为1mm。这样，如图11及其部分放大图所示，将水喷向在流入口12与流出口13间配置水轮3的水分配用的环状壁部2的内侧的部分射出孔22(由于较宽的一方流量多，水压低，发电能力小，所以，为得到适当的发电能力，该宽度d3设定为1.5mm)，在水轮3旋转时会部分地被叶片构件31的外周前端部分堵塞。其结果，带来水压变动，水轮3旋转失衡，整个水龙头振动，旋转噪声以及振动噪声增大。

上述问题在图8及图10中的水轮及旋转体中均会发生。图9为表示图8使用水轮及旋转体时流量(l/min(升/分钟))与噪声(dB(分贝))特性的曲线图。此时，在流量为6.0升/分钟左右时，产生超过35分贝的噪声。

同样，图12为表示图10使用的水轮及旋转体时流量(l/min(升/分钟))与噪声(dB(分贝))特性的曲线图。此时，表示相同构造的水轮及旋转体的样品A、B、C的有关特性，但均是在流量为6.0升/分钟左右时产生超过35分贝的噪声。

如上所述，如果小型水力发电装置所产生的噪声在流量6.0升/分钟左右时超过35分贝，则正在使用自动水龙头装置的人耳朵会产生不适感。

本发明的目的是，提供一种通过改进水轮构造来减轻噪声产生的小型水力发电装置。

发明的公开

鉴于上述目的，本发明的小型水力发电装置设有：带流体通道的本体外壳；配设于流体通道、随着规定流量的流体通过而旋转的水轮，作为使与水轮相连、并与水轮同时旋转的旋转体与定子部相对配置的转子部，随着流体的通过而使该转子相对定子部旋转，由此而产生电力。其特征是，在流体通道中，在水轮的旋转轨迹外侧，设有逐渐缩小流体通道、并将流体射出的多个射出孔，水轮设有：旋转中心部；内周端部连接于旋转中心部且外周前端部分延伸至射出孔旁边、并受从射出孔中射出的流体冲击的叶片构件。叶片构件的与承受流体冲击侧相反侧的面的外周前端部分为棱状。

这样，射出孔就不会被水轮叶片构件的前端部分堵住，水压稳定，同时，由于一般水是从多个射出孔射出，所以水轮旋转流畅，旋转噪声小。并且，由于水压及水流稳定，所以壳体的振动声及水流声也有所减小。

在上述小型水力发电装置中，作为叶片构件前端部形成棱状的部位的周向宽度也可设定在水轮旋转方向射出孔的宽度的30％以下。这样，水轮叶片构件前端部分对射出孔的堵塞与以往相比有所减小，可控制水压变化产生的振动与旋转噪声。

在上述小型水力发电装置中，与叶片构件承受流体冲击的面相反侧的面设成中央部从内周端部至外周前端部凸起的弓型。这样，由于弓型面在旋转时成为前方的面，所以，叶片构件可在不必遭受那么大的水阻力而旋转。水轮可顺畅地旋转。因此，可进一步减小旋转产生的振动与噪声。

在上述各小型水力发电装置中，叶片构件旋转中心部具有向与流体从射出孔射出的方向正交的方向延伸的轴状，同时设有从外周前端部分向圆周方向延伸、并与形成轴状的旋转中心部平行且不会堵塞射出孔的旋转翼部。因此，不会堵塞射出孔，可提高水轮的旋转力。

附图的简单说明

图1为本发明实施形态小型水力发电装置的纵剖视图。

图2为从图1箭头II方向所见图1的小型水力发电装置的侧视图。

图3为从图1箭头III方向所见的俯视图。

图4为图1中小型水力发电装置所用的水轮及旋转体的构造图，图4(A)为主视图，图4(B)为从箭头B方向所见(A)的俯视图，图4(C)为从箭头C方向所见图4(A)的仰视图。

图5为图1小型水力发电装置中水轮的叶片构件与射出孔位置关系的说明图。

图6表示图4中说明的水轮及旋转体中设有棱状部时、以及在与承受流体冲击侧相反侧的面及端部上未设R形圆角时流量与噪声的特性。

图7是表示图4中说明的水轮及旋转体中设有棱状部时、以及在与承受流体冲击侧相反侧的面及端部上设有R形圆角时流量与噪声的特性。

图8表示现有小型水力发电装置所用的水轮及旋转体的构成例子，图8(A)、(B)、(C)分别为主视图、俯视图和仰视图。

图9是表示图8使用水轮及旋转体时流量与噪声的特性曲线图。

图10表示现有小型水力发电装置所用的水轮及旋转体的其他构成例子，图10(A)、(B)、(C)分别为主视图、俯视图、仰视图。

图11为图10中小型水力发电装置水轮叶片构件与射出孔位置关系说明图。

图12为表示图10使用的水轮及旋转体时流量与噪声的特性曲线图。

发明的实施形态

下面，根据附图，说明本发明小型水力发电装置的实施形态。

图1为本发明实施形态小型水力发电装置的纵剖视图。图2为从图1的箭头II方向所见的图1小型水力发电装置的侧视图。图3为从图1的箭头III方向所见的图1小型水力发电装置的俯视图。图4为水轮3与旋转体4的构造图，其中(A)为主视图，(B)为从箭头B方向所见(A)的俯视图，(C)为从箭头C方向所见(A)的仰视图。

首先说明一下小型水力发电装置的基本构成。

如图1至图3所示，本发明实施形态的小型水力发电装置设有：有流体通道的流入口12及流出口13的本体外壳1；设于本体外壳1内、构成一部分流体通道的注水用环状壁部2；配置于环状壁部2内周侧、随规定流量的流体通过而旋转的水轮3；连接在水轮3上、与水轮3同时旋转的旋转体4；配置于旋转体4外周侧、并嵌入本体外壳1内而与本体外壳1联动、形成内部空间的不锈钢制的杯状壳体5；配置于该杯状壳体5外侧的定子部6。

本体外壳1设有：本体部11；突出至本体部11外侧的筒状的流入口12和流出口13。本体部11设有：围绕于水轮3的外侧、并形成水分配部的环状壁部2；嵌入、并保持支承旋转体4的轴7一端的轴承孔11b。

环状壁部2将从流入口12进入的水的通道缩小，增加水压以冲击水轮3的叶片构件31，并将冲击叶片构件31后的水导向流出口13。该环状壁部2设有：与本体外壳1一体形成的多个壁(未图示)；用盖15覆盖这些壁的前端侧、设在四周壁上将通道被缩小的流体喷向水轮3的叶片构件31的多个射出孔22。

本体外壳1设有：杯状壳体5；嵌入密封固定于杯状壳体5的外侧的定子部5的轴向一端的凹部。凹部的底面成为用于载放配置于本体外壳1与杯状壳体5之间的环状盖12的平面部15a的部位。该底面的中心部位设有连通本体外壳1侧的流体通道与杯状壳体5内部空间的孔，通过该孔，杯状壳体5的内部空间与流体通道的流入口12以及流出口13连通。

杯状壳体5由非磁性的不锈钢制的构件构成，设有：经拉深加工而成为最外周部的凸缘部5b；连续形成在凸缘部5b内侧的外侧圆筒部5a；配置于该外侧圆筒部5a内侧、对水进入的内部空间与定子部6进行隔断的隔壁部5c；连接外侧圆筒部5a与隔壁部5c的连接面部5d；以及底部5e。

采用上述构造的杯状壳体5一边夹持盖15的平面部15a、一边嵌入上述本体外壳1的凹部内。在外侧圆筒部5a的外侧配置O形环8。O形环8在径向外侧受到该外侧圆筒部5a的按压，并由该外侧圆筒部5a与凹部的内壁夹持。底部5e上设有嵌入水轮3支承与旋转体4的轴7的另一端的轴承孔5f。杯状壳体5将定子部6与通过本体外壳1内的水隔断，防止水流至本体外壳1外。

设于本体外壳1上的流入口12、流出口13以及连接二者的本体部11配设于由水龙头与阀门等构成的阀栓装置(未图示)的流体通道的一部分，从流体源进入流入口12的流体通过配置于本体部11内部的环壁部2而从流出口13流出。流体在通过时给予水轮3旋转力。

如上所述，将杯状壳体5嵌入本体外壳1，在其外侧配置定子部6后，覆盖树脂壳体9，以覆盖杯状壳体5与定子部6。树脂壳体9设有覆盖从定子部6向半径方向侧突出的端子部6a的盖9b，且盖9b上设有将一端连接于端子部6a的导线6b的另一端引至外部的引出部9c。该引出部9c上充填将外部与定子部6予以密封的密封剂(未图示)，防止水从外部通过引出部9c进入定子部6。树脂壳体9通过螺钉10固定在本体外壳1上。此种构造可防止杯状壳体5与定子部6从本体外壳1上脱落以及从固定状态产生的位置偏离等。

上述的配置于注水用环状壁部2内侧的水轮3随着规定流量的流体的通过而旋转。如图4所示，水轮3设有：穿过上述轴7、与射出孔22垂直配置的旋转中心部33；内周端部连接于该旋转中心部33上的叶片构件31。

进入流入口2，经各射出孔22挤压后压力增高的流体强力冲击叶片构件31，水轮3在该水力作用下以轴7为旋转中心进行旋转。冲击到叶片构件31的水如上所述，在空间内循环后，向流出口13侧移动。

旋转中心部33设有：在轴7上滑动旋转的圆筒状的小筒部33a；比该小筒部33a直径大的大筒部33b，在轴向两端部分别连结小筒部33a与大筒部33b的多个骨架部33c。

另外，小筒部33a及大筒部33b间为轴向贯通的中空构造的贯通空部33d，水轮3侧的各骨架部33c间的空隙作为入口，旋转体4侧的各骨架部33c间的空隙作为出口。该贯通空部33d通过将射向水轮3的水从上述入口进入，从出口排出，从而使水在水轮3以及连结在水轮3上的旋转体4所配置的空间内循环，并使水轮3与旋转体4顺利旋转。水轮3在水力作用下旋转，则旋转体4以轴7为中心与水轮3一起旋转。

连结于水轮3上、并与水轮3同时旋转的旋转体4成为与定子部6相对配置的转子部，其面上嵌有圆筒状的磁性体Mg。该磁性体Mg的外周面被多极励磁。并且，其外周面通过杯状壳体5的隔壁部5c而与定子部6相对配置。这样，在旋转体4与水轮3一起旋转时，就相对定子部6旋转。

定子部6由轴向重且相位错开配置的2个层6c、6d构成。由于定子部6采用双层构造，所以各层6c、6d可相互抵消止动扭矩，从而整体上减少旋转磁性体Mg与定子部6间产生的止动扭矩。各层6c、6d分别设有：外定子铁心(重叠状态下配置于外侧)61；内定子铁心(重叠状态下配置于内侧)62；卷绕在线圈骨架上的线圈63。

在本实施形态中，各层6c、6d相邻配置的内定子铁心62、62间被磁性绝缘。各层6c、6d的各外定子铁心61、61均为大致杯状，外侧的端部间相连并成为磁性连接的状态。这些结构可进一步引出将各层6c、6d间产生的止动扭矩互相抵消的力，起到降低止动扭矩的效果。并且，线圈63的卷绕开始部分与卷绕结束部分是从设于外定子铁心61、61的连接部位的窗(未图示)引至外定子铁心61、61的外侧，并分别连接在端子部6a上。

外定子铁心61设有，对经拉深加工而成的杯状构件中心部分进行冲切翻起而形成的多个极齿61a。这些极齿61a为大致梯形，并形成周向等间隔配置的梳齿状，并与旋转磁性Mg的外周面相对。内定子铁心62也同样设有多个极齿62a，这些极齿62a也形成周向等间隔配置的梳齿状，并与旋转磁性体Mg的外周面相对。如果将两个定子铁心61、62重叠配置，设于各定子铁心61、62上的各极齿61a、62a将锯齿状地交替地配置在周向。

采用此种构造的定子部6被嵌入杯状壳体5的隔壁部5c的外侧部分。由此，定子部6的各极齿61a、62a与旋转体4的磁化部之间流过磁通。如上所述，如果旋转体4与水轮3同时旋转，该磁通流动将发生变化，在防止其流动变化的方向上，线圈63产生感应电压。以此种形式获得的感应电压通过电路转换为直流电，并通过规定电路(未图示)整流而对电池进行充电。

下面再利用图4说明一下作为本发明的特点的水轮3的具体构造。

在图4(B)的俯视图中，水轮3的叶片构件31，与承受流体冲击侧相反侧的面31b弯曲成从内周端部至外周前端部分间中央突出的弓型，外周前端部分形成棱形。该棱形部31a与图10中水轮3的外周前端部分宽度d1＝1mm相比，其宽度为0.2mm以下。

在本实施形态中，设有从叶片构件31的外周前端部分即棱形部31a向圆周方向延伸的旋转翼部31d。该旋转翼部31d设成平行于垂直从射出孔22射出水的方向形成的轴状旋转中心部33且不堵塞射出孔22。也就是说，旋转翼部31d设在不与叶片构件31的轴向的射出孔22相对的区域内。

具体来说，所谓与设于叶片构件31的外周前端部分的轴向的射出孔22相对的部位是指，从另一侧的端部至叶片构件31的轴向中间位置附近形成，不形成在与射出孔22相对的部位。这样，旋转翼部31d就不会堵住射出孔22，还可提高水轮3的旋转力。根据不同方法，如果不采用旋转翼部31d能够产生足够的水轮3的旋转力的话，也可不设置旋转翼部31d。

在图4(C)的俯视图中，水轮3的叶片构件31同样弯曲成从内周端部向外周前端部分中央突出的弓型，与承受流体冲击侧相反侧的面31b上设有R形状的圆角，不形成角和棱。

在图4(A)的主视图中，在水轮3的叶片构件31的轴向接近射出孔22相对侧的端部31c处也设有R形圆角，不形成角和棱。

使用具有上述构造的水轮3时，从射出孔22喷出的水冲击水轮3的叶片构件31的正面侧，在水的动能的作用下，水轮3旋转。此时，水轮3的叶片构件31更接近水的射出孔22，并且冲击角度约接近90度，冲击到叶片构件31的水的动能就越大，水轮旋转得越快。

如果从射出孔22至叶片构件31的距离较远，则由于传至水轮3的动能变小，所以在距离远时，现行的方法是，用水轮3的外周部堵住，使水流向其他部位，使其他部位的水量增加，从而提高水轮的旋转。但在流过阀栓的流量较大时，如果用水轮3的外周堵住射出孔22，则会产生上面所述的问题。

在本发明中，如上所述，水轮3的叶片构件31的外周前端部分形成宽度0.2mm以下的棱状。这样，如图5以及其部分放大图所示，射出孔22的宽度d3(本例中，设定为约1.5mm)不会被水轮3的叶片构件31的棱状部31a堵住。

因此，可消除水压与水流的紊乱，也可正常地从4个射出孔22中射出水，水轮3顺畅地旋转，旋转噪声也有所减小。并且，由于水压与水流稳定，本体外壳1的振动声与水流声也有所减小。

水轮3旋转时，为使从射出孔22喷出的水冲击叶片构件31的背面侧(弯曲成弓型的外侧)，该背面侧(包括承受流体冲击侧的相反侧的面31b与端部31c)没有角和棱，而是形成R形圆角，有效地防止了逆扭矩的产生，使水流流畅，降低了噪声。

本实施形态的叶片构件31的正面侧的面形状的根部附近为R形状(圆角形状)。这样，冲击到叶片构件31后的水的以后的移动变得流畅，从而使水轮3更顺利地旋转。

图6为下述情况下流量l/min(升/分钟)噪声dB的特性曲线图，即：图4中说明的水轮3与旋转体4的上述棱状部31a形状与图4相同，在与承受流体冲击侧相反侧的面31b及端部31c上未设置R形状的圆角。此时虽显示了同一构造的水轮及旋转体的样品A、B、C的有关特性，但其中的2个样品在流量6升/分钟左右时产生的噪声已降至35分贝以下。

也就是说，在上述实施形态中，在将叶片构件31的外周前端部分形成棱状的同时，在与承受流体侧相反侧的面31b与端部31c上设有R形的圆角，但即使不设置R形圆角而只设置棱状部31a，也可一定程度地控制振动和噪声。因此，根据不同方法，在承受流体冲击侧的另一侧的面31b及端部31c上也可不设置R形圆角。

图7为下述情况下流量l/min(升/分钟)噪声dB的特性曲线图，即：水轮3与旋转体4上设有图4中所述的上述棱状部31a，在与承受流体冲击侧相反侧的面31b及端部31c上设有R形状圆角。此时虽显示了同一构造的水轮及旋转体的样品A、B、C的有关特性，但其中的2个样品在流量6升/分钟左右时产生的噪声已降至35分贝以下。因此，如图7所示，在承受流体冲击侧的另一侧的面31b及端部31c上设有R形圆角时，与不设置时相比，可更有效地控制振动与噪声。

上面对本发明的实施形态作了说明，但并不仅限于本说明，可有各种各样的变形和应用。如：在上述实施形态中，水轮3未设置图8中的环部32，但也可对图4的构造进行补充，设置与图8中环部32相同的环部。

在上述形态中，水轮3配设成旋转中心部33与射出孔22垂直，但作为其他实施形态，也可配置成旋转中心部33与射出孔22平行。

在上述实施形态中，相对射出孔22的宽度d3＝1.5mm，将水轮3的叶片构件31的外周前端部分设成宽度d1＝0.2mm以下的棱状部31a。但射出孔22的宽度d3与棱状况31a的宽度d1的大小并不仅限于此，目前已发现，通过将棱状部31a的宽度d1的尺寸设定为射出孔22宽度d3的30％以下，可减小产生的噪声。

利用本发明的小型水力发电装置，由于与射出孔相对部分的水轮外周部的形状作成棱状，所以不会堵住射出孔，水压稳定，同时由于一般水是从多个射出孔射出，所以，水轮旋转顺利，减小了旋转噪声。并且，由于水压与水流稳定，所以壳体的振动声及水流声有所减小。此外，由于叶片构件背面侧无角及棱，而是R形圆角，所以可防止产生逆扭矩，使水流顺畅，并可减小噪声。

Claims (3)

1.一种小型水力发电装置，具有：设有流体通道的本体外壳；配设于所述流体通道、随着规定流量的流体通过而旋转的水轮，将与该水轮相连并与水轮同时旋转的旋转体作为与定子部相对配置的转子部，随着所述流体的通过使该转子部相对定子部旋转而发电，其特征是，

在所述流体通道中，在水轮旋转轨迹的外侧，设有逐渐缩小所述流体通道并将流体射出的多个射出孔，

所述水轮设有：旋转中心部；内周端部连接于所述旋转中心部、外周前端部分延伸至所述射出孔旁边、并受从射出孔中射出的流体冲击的叶片构件，

所述叶片构件的与承受流体冲击侧相反侧的面的外周前端部分形成棱状。

2.如权利要求项1所述的小型水力发电装置，其特征是，所述叶片构件前端部分、即形成棱状部位的周向宽度不到所述射出孔的所述水力旋转方向的宽度的30％。

3.如权利要求项1所述的小型水力发电装置，其特征是，所述叶片构件的与承受流体冲击侧相反侧的面，形成从内周端部向外周前端部分中央突出的弓型。

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