JP2012031767A - 水道水発電ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、水道の僅かな水圧にても羽根部を効率的に回転させ、良好な発電ができるとともに、国民的な省エネ生活を推進すること。
【解決手段】上部円板１１の下側に設けた円筒部１２と、この下側に下方が窄まる円錐状のスカート部１３とを備えたケーシング１と、円筒部１２内に、羽根取付部２１の周囲に複数の羽根部２２が設けられた羽根車２とから構成されていること。羽根車２の回転軸部２３がケーシング１内に垂直状で且つ回転可能に設置されていること。羽根車２の回転軌跡の接線方向から水道水の流入口３が設けられ、スカート部１３の下端に流出口４が備えられていること。回転軸部２３の上端に設けた駆動円板５１の回転にて発電用モータ６を駆動するように設けられてなること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水道の僅かな水圧にても羽根部を効率的に回転させ、良好な発電ができるとともに、国民的な省エネ生活を推進することができる水道水発電ユニットに関する。

従来より、水道水発電装置では、種々の発明が提案されている。大型のものから小型のものまでも存在している。現在、環境保護、エコロジーとの関連から、一般家庭の蛇口又は水道管等の途中に取り付ける水道水発電装置も多く提案されている。そのような水道水発電装置において、機構又は構造が複雑であるものが多い。また、水道水発電装置では、水圧が少ないと、回転しないことがあったり、或いは、回転がスムーズにならないことがあった。

具体的には、引用文献１では、発明の名称は、オゾン水生成装置であるが、その羽根車構造として、第１の羽根車及び第２の羽根車が設けられている。この羽根車の接線方向から水道水が流入して、その羽根車の下側に流出するように構成されているが、実際に水道水を流してみると、その出口箇所に溜まってしまい、水道水が流れにくくなったり、流れが停止して回転が止まってしまう欠点があった。つまり、水圧が低い水道水では、その出口（羽根車の下側箇所）で詰まってしまう重大な欠点があった。

また、引用文献２でも、図１の水車３の回転軸部２３に直交する方向から水道管が備えられている場合、水車３を回転させようとしても、水道水の水圧が低いと回転しにくい欠点があった。つまり、出口箇所に水が溜まった状態となり、水道水が流れにくくなったり、流れが停止して回転が止まってしまう欠点があった。また、密閉式の回転装置内に水道水にて徐々に充満されると水車は水抵抗にて回転速度が極端に低下したり、回転が止まってしまう欠点もあった。

特開２００４−４１８２６ 特開２００４−１００６２５

このため、本発明が解決しようとする課題（技術的課題又は目的等）は、水圧が低い水道水であっても、水道水が流れにくくならず、流れが停止して回転が止まることもなく、さらには、その出口箇所に溜まることがないようにでき、水道の僅かな水圧にても羽根部を効率的に回転させ、良好な発電ができる水道水発電装置を実現することである。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、上部円板の下側に設けた円筒部と、該円筒部の下側に下方が窄まる円錐状のスカート部とを備えたケーシングと、該ケーシングの円筒部内に、羽根取付部の周囲に複数の羽根部が設けられた羽根車とからなり、該羽根車の回転軸部が前記ケーシングに垂直状で且つ回転可能に設置され、前記羽根車の回転軌跡の接線方向から水道水の流入口が設けられ、前記スカート部の下端に流出口が備えられてなり、前記回転軸部の上端に設けた駆動円板の回転にて発電用モータを駆動可能するように設けられてなることを特徴とする水道水発電ユニットとしたことにより、前記課題を解決したものである。

請求項２においては、請求項１において、前記羽根車を、上円板と下円板とこの間の板状の羽根部とからなることを特徴とする水道水発電ユニットとしたことにより、前記課題を解決した。請求項３の発明を、請求項１において、前記羽根車を、厚肉円板状の羽根取付部とこの周縁の複数の羽根部とからなることを特徴とする水道水発電ユニットとしたことにより、前記課題を解決した。

請求項４の発明を、請求項１，２又は３の何れか１項において、前記スカート部の窄まりの円錐頂角は、約１２０度以下で約３０度以上に形成されてなることを特徴とする水道水発電ユニットとしたことにより、前記課題を解決した。請求項５の発明を、請求項４において、前記スカート部の窄まりの円錐頂角は、約９０度以下で約３０度以上に形成されてなることを特徴とする水道水発電ユニットとしたことにより、前記課題を解決した。

請求項６の発明を、請求項５において、前記スカート部の窄まりの円錐頂角は、約６０度以下で約３０度以上に形成されてなることを特徴とする水道水発電ユニットとしたことにより、前記課題を解決した。請求項７の発明を、請求項２において、前記羽根車の下円板の中心側の周囲に複数の貫通孔が形成されてなることを特徴とする水道水発電ユニットとしたことにより、前記課題を解決したものである。

請求項１の発明においては、特に、水圧が低い水道水であっても、水道水が流れにくくならず、流れが停止して回転が止まることもなく、さらには、その出口箇所に溜まることがないようにでき、極めて効率的な羽根車の回転ができ、高効率に発電できる水道水発電装置を提供できる利点がある。

さらに、水道水利用の発電とのことで、国民的な省エネ生活を推進することができる。すなわち、太陽光発電、風力発電が、現在盛んに推奨されているが、その設備投資には、何十万、何百万も掛るが、この装置では、数万円乃至数十万円以下であり、その効果は絶大なものである。国家的にＣＯ２削減２５％目標にも大いに貢献できるものである。

請求項２及び３においては、請求項１と同様の効果を奏する。請求項４及び５の発明では、スムーズな回転ができる利点がある。請求項６の発明では、さらに、良好な回転効率が得られる効果がある。請求項７で、請求項２の構成において、より良い回転力を得ることができる。

（Ａ）は本発明の第１実施形態の斜視図、（Ｂ）は羽根車の斜視図、（Ｃ）は羽根車支持箇所の要部斜視図である。 （Ａ）は本発明の第１実施形態の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ１−Ｘ１矢視断面図、（Ｃ）は（Ａ）の分解断面図である。 （Ａ）は本発明の第１実施形態の水の流れを示す作用図、（Ｂ）は本発明の水の流れを示した断面状態図、（Ｃ）は（Ａ）の羽根車箇所の平面作用状態図、（Ｄ）はスカート部箇所の平面作用状態図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は本発明のスカート部の変形例の断面図、（Ｃ）はスカート部内での水道水のトルネード流下状態を示す作用図である。 （Ａ）は本発明の第２実施形態の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ２−Ｘ２矢視断面図、（Ｃ）は羽根車の斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明すると、複数の実施形態が存在する。実施形態によって、構成が変わるのは、後述する羽根車２であり、他の構成は共通である。まず、図１乃至図４は、本発明の第１実施形態である。本発明は、スカート部１３付きのケーシング１、羽根車２、流入口３及び流出口４とからなる水道水発電用駆動装置から構成されている。特に本発明の第１実施形態は、図１に示すように、シロッコファンとしての羽根車２の場合である。前記ケーシング１は、上部円板１１と、この直下の円筒部１２と、スカート部１３とから構成されている。

前記ケーシング１の円筒部１２は、図１及び２に示すように、適宜の直径での円筒主部１２１で形成され、高さは比較的低く形成されている。該円筒主部１２１の上端の円周に鍔状の上部フランジ１２２が形成されている。前記円筒主部１２１の下端より、下方に行くに従って窄まる円錐状のスカート部１３が設けられている。本発明では、該スカート部１３は重要な役割をなす主要な構成要素であるが、この詳細な構成については後述する。

前記円筒主部１２１の下端箇所より内周には、該円筒主部１２１の中央に位置する軸受抱持部１２４を不動状態に支持する放射型腕杆１２３が設けられている〔図１（Ｃ）参照〕。該放射型腕杆１２３の外周端が前記円筒主部１２１の内周に溶接又は適宜な固着手段（ボルト・ナット等）にて固着されている。また、図２（Ｃ）に示すように、前記軸受抱持部１２４内には、前記羽根車２の回転軸部２３の下端を回動可能に軸支する下部軸受１２５が収納されている。

前記円筒主部１２１は、具体的には、直径が約数ｃｍ乃至数十ｃｍで構成され、高さも数ｃｍ乃至約十数ｃｍで構成されている。水道水を使用する構成であるが、一般家庭用では、直径が約十数ｃｍで、高さは数ｃｍで構成されている。主にマンションタイプの場合には、屋上の水タンク箇所での使用のため、一般家庭用の数倍乃至数十倍の容量となるように適宜決定される。

前記スカート部１３は、図１等に示すように、下方が窄まる円錐状をなしている。円錐の角度を円錐頂角φ（立体角）という。該円錐頂角φは、円錐の垂直軸ｎを基準とした頂角である。その円錐頂角φは、約１２０度以下で３０度以上形成されている。好ましくは、約９０度以下で３０度以上に形成されている。さらに好ましくは、約６０度以下で３０度以上に形成されている。この角度によって、水が渦巻き状をなしつつそのスカート部１３内に溜まることなく落下するがごとくに流下する。

図４（Ａ）の円錐頂角φが、約１２度で、図４（Ｂ）が、約３０度である。本発明の図１乃至図３及び図５、さらには、図４（Ｃ）の場合が、円錐頂角φが約６０度である。前記スカート部１３は、母線が直線となっている円錐をなしているが、母線を弧状（曲線）とした円錐を「弧状円錐」といい、該弧状円錐には、中間が膨らみ状とした場合〔図２（Ｃ）鎖線部参照〕や、凹み状の場合〔図５（Ａ）鎖線部参照〕もあり、これらを総称して「円錐状」という。つまり、前記スカート部１３は円錐状に形成されている。

前記上部円板１１は、図２（Ｃ）に示すように、円板主板１１１と、該円板主板１１１の中央に位置する軸受抱持部１１２とからなっている。該軸受抱持部１１２内には、前記羽根車２の回転軸部２３の上端を回動可能に軸支する上部軸受１１３が収納され、且つ水密に支持するように設けられている。前記上部円板１１の外周部と、前記円筒主部１２１の上部フランジ１２２とがパッキン１１４を介してボルト・ナット１１５にて水密的に固着されている。

前記ケーシング１の上部円板１１、円筒部１２及びスカート部１３の材質は、主にステンレス鋼等の不銹鋼材が使用されるが、水道水対応とのことで塩化ビニル等の合成樹脂材が使用されることもある。また、前記の説明では、前記上部軸受１１３の軸受抱持部１１２は前記上部円板１１に設けたが、前記円筒部１２の上端箇所に放射型腕杆を介して設けることもある。さらに、前記下部軸受１２５の軸受抱持部１２４は前記円筒部１２の下端に設けたが、前記スカート部１３の上端箇所に放射型腕杆を介して設けることもある。

前記羽根車２は、羽根取付部２１と羽根部２２と回転軸部２３から構成され、複数の実施形態が存在している。第１実施形態は、図１（Ｂ）に示すように、シロッコファン型であり、羽根取付部２１は、上円板２１１と下円板２１２とからなり、羽根部２２は平板として、放射状に複数（数枚乃至十数枚等）設けられている。前記羽根車２の回転軌跡の接線方向から水道水の前記流入口３が設けられているが、この回転方向は、図２（Ｂ）に示すように、左回転ように設けられているが、これとは逆に右回転向きにすることもある。この場合には、図２（Ｂ）では、前記流入口３の取付は上側となり、後述の角度∠αも逆向きとなる。

具体的には、平面的に見ると、上円板２１１及び下円板２１２の外周円に、前記羽根部２２の外辺が略一致するようにしてそれぞれ固着され、この内辺は前記上円板２１１及び下円板２１２の中間部に存在するようにそれぞれ固着されている。複数の羽根部２２は前記上円板２１１及び下円板２１２の外周寄りに設けられている。さらに、前記下円板２１２の内周寄り箇所には、貫通孔２１２ａが複数設けられている。これは、羽根部２２の回転時に、水道水を下側に落下させ易いためである。

さらに、平面的にみた上円板２１１からの各羽根部２２の角度は、図２（Ｂ）に示すように、上円板２１１の直径に対して適宜の角度∠α（３０度前後）となるように設けられている。また、側面から見た角度は、垂直状に設置されているが、羽根部２２が回転しやすく、該羽根部２２に当った水が、下方に落下し易いようにするのに、図１（Ｂ）鎖線に示すように、下方が角度βだけ先行するように形成されることもある。また、該角度βを逆向きの角度に形成することもある。図中２４は、羽根取付部２１の上下に設けられたカラーである。

羽根車２の第２実施形態は、図５（Ｃ）に示すように、厚肉円板状の羽根取付部２１の周縁に各羽根部２２が放射状に複数（数枚乃至十数枚等）設けられている。具体的には、該羽根部２２は、図５（Ｂ）に示すように、平面的に見ると、回転方向に沿うようにして適宜の円弧からなる弧状に形成されている。さらに、前記羽根部２２を側面から見た角度は、図５（Ａ）実線及び（Ｂ）に示すように、垂直状に設置されているが、羽根部２２が回転しやすく、該羽根部２２に当った水が、下方に落下し易いようにするのに、図５（Ａ）鎖線に示すように、下方が角度βだけ先行するように形成されることもある。また、この場合も、該角度βを逆向きの角度に形成することもある。

本発明の動作について説明する。図３（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、流入口３から水道水を流入させると、その水の流れ及び圧力にて羽根車２に当たって、回転し始める。その回転させた水道水は、円筒部１２内から下側のスカート部１３内に流れ落ちる。その回転が一定回転以上となったときに、逆円錐状の渦巻き、たつ巻き状となって、流下がスムーズにできる。

このように、たつ巻き状となって流れ落ちることを、この発明では「トルネード流下」という。このトルネード流下の状態は、図１乃至図３、図４（Ｃ）では、円錐頂角φは、約６０度の場合で、前記スカート部１３は、上端の拡大部では一杯の水で、下側の流出口４箇所では略一杯の水で、その中間は螺旋状にねじられつつ流下する。

このように、トルネード流下の状態になりつつ、羽根車２が回転しているときには、効率的な回転力が得られる。このときには、図２（Ｂ）又は図４（Ｃ）の水位置に示すように、羽根車２が収納されている円筒部１２の下側寄り位置、若しくは、その下側箇所に溜まっている状態となっている。つまり、羽根車２を回転させた後の水は、トルネード流下の箇所に引っ張られる如くになっている。

この状態ではなく、この水道水が前記円筒部１２内に充満している状態となったときには、その羽根車２の回転は止まるか、殆ど回転しない状態となる。これは、前記スカート部１３の傾斜角度にも影響する。すなわち、円錐頂角φの角度が約１２０度以上の場合には、トルネード流下は水道水の圧力では、殆ど起こらないものである。これは、実験を行った結果である。

ケーシング１、上部円板１１、円筒部１２、スカート部１３、羽根車２、
羽根取付部２１、羽根部２２、流入口３、流出口４、駆動円板５１、
発電用モータ６、円錐頂角φ。

Claims (7)

1. 上部円板の下側に設けた円筒部と、該円筒部の下側に下方が窄まる円錐状のスカート部とを備えたケーシングと、該ケーシングの円筒部内に、羽根取付部の周囲に複数の羽根部が設けられた羽根車とからなり、該羽根車の回転軸部が前記ケーシング内に垂直状で且つ回転可能に設置され、前記羽根車の回転軌跡の接線方向から水道水の流入口が設けられ、前記スカート部の下端に流出口が備えられてなり、前記回転軸部の上端に設けた駆動円板の回転にて発電用モータを駆動するように設けられてなることを特徴とする水道水発電ユニット。
2. 請求項１において、前記羽根車を、上円板と下円板とこの間の板状の羽根部とからなることを特徴とする水道水発電ユニット。
3. 請求項１において、前記羽根車を、厚肉円板状の羽根取付部とこの周縁の複数の羽根部とからなることを特徴とする水道水発電ユニット。
4. 請求項１，２又は３の何れか１項において、前記スカート部の窄まりの円錐頂角は、約１２０度以下で約３０度以上に形成されてなることを特徴とする水道水発電ユニット。
5. 請求項４において、前記スカート部の窄まりの円錐頂角は、約９０度以下で約３０度以上に形成されてなることを特徴とする水道水発電ユニット。
6. 請求項５において、前記スカート部の窄まりの円錐頂角は、約６０度以下で約３０度以上に形成されてなることを特徴とする水道水発電ユニット。
7. 請求項２において、前記羽根車の下円板の中心側の周囲に複数の貫通孔が形成されてなることを特徴とする水道水発電ユニット。

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