JP4317388B2

JP4317388B2 - 水力発電装置

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Publication number: JP4317388B2
Application number: JP2003140958A
Authority: JP
Inventors: 行宣弓田; 英大熊谷
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2023-05-19
Also published as: JP2004340111A

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までの間に水車室を備えた流路を構成する本体ケースと、この本体ケースの上面を覆うカバーとを有し、本体ケースの上面に形成された溝によって、本体ケースとカバーとの間には、水車室内の発電用水車の羽根に向けて流体を高速で射出させる射出口を設けたものが案出されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような水力発電装置では、射出口から水車室内の発電用水車の羽根に向けて流体を高速で射出させるため、少ない流量でも効率よく発電用水車を回転させることができる。
【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】
この種の水力発電装置は、様々な状況下で使用されるという性質上、様々な仕様のものが求められる。例えば、水路抵抗や流量が異なれば、発電量も変化するため、その使用状況に応じて、発電用水車の羽根に高速で射出するための射出口の大きさを変更する必要がある。しかしながら、その仕様毎に本体ケースを製作したのでは、本体ケースを製作するための金型代に多大な費用が発生するとともに、短納期に対応することができないという問題点がある。
【０００７】
以上の問題に鑑みて、本発明の課題は、大幅な設計変更しなくても、射出口の開口面積を変更可能にして、低コスト化および短納期化を達成可能な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を構成するケース本体と、該ケース本体の上面を覆うカバーと、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、前記ケース本体と前記カバーとの間には、前記ケース本体および前記カバーのうちの一方側部材における他方側部材との対向面に形成された溝によって前記発電用水車の羽根に向けて流体を高速で射出させる射出口が形成されている一方、前記他方側部材における前記一方側部材との対向面には、前記溝内に入り込んで前記射出口の開口面積を調節する突起が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
すなわち、２つの部材の一方に形成した溝によって射出口を形成したことを利用して、他方の部材には、溝内に入り込んで射出口の開口面積を調節する突起を形成したことを特徴とする。従って、本発明では、設計変更が容易、あるいは金型代の安価な方の部材において、突起を形成するか否か、あるいは突起をどのようなサイズで形成するかによって、射出口の開口面積を調整することができる。それ故、射出口を設計変更しなくても、射出口の開口面積を調整できるので、水力発電装置の低コスト化および短納期化を達成することができる。
【００１０】
本発明において、前記射出口を構成する溝は、前記ケース本体の上面に形成されている一方、前記突起は、前記カバーの下面に形成されていることが好ましい。すなわち、ケース本体およびカバーのうち、設計変更が容易で、金型代が安価なゆえに部品コストの安価なカバーの方に突起を形成した場合には、突起のないカバー、突起の有するカバー、突起のサイズが異なるカバーのうちのいずれを用いるかによって、射出口の開口面積を調整でき、水力発電装置のさらなる低コスト化および短納期化を図ることができる。
【００１１】
本発明において、前記本体ケースと前記カバーとの間には、前記本体ケースの上面に形成された環状凹部によって前記水車室の上方位置を囲む環状の導水路が形成され、前記射出口は、前記導水路から前記発電用水車の羽根に向かって複数、形成されている一方、前記カバーには、前記射出口の開口面積を調節する前記突起が複数、形成されていることが好ましい。このように構成した場合には、発電用水車の羽根に対して複数箇所から流体を噴射するので、発電効率が向上する。この場合も、カバーに複数の突起を設けるだけで、複数の射出口の各々について開口面積を調整することができる。
【００１２】
本発明において、前記複数の突起には、突出寸法の異なる複数の突起が含まれていることが好ましい。射出口を複数、形成した場合には、導水路との位置関係などによって、射出口から噴射される流体速度がばらつくことがあるが、このような場合でも、複数の突起に大小をつければ、各射出口から噴射される流体速度がばらつきを解消して発電効率を高めることができるなどの利点がある。
【００１３】
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。
【００１４】
【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。
【００１５】
（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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
（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平面図、および断面図である。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。
【００１９】
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。
【００２０】
水車室５０において、その底部には、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の底部に形成されたボス５１の上面に形成され、支軸７に回転体４を取り付けた状態において、発電用水車３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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
さらに、本形態では、カバー１５の下面のうち、射出口２２１、２２２、２２３、２２４に対応する部分には、それぞれ対応する射出口２２１、２２２、２２３、２２４に入り込んで射出口２２１、２２２、２２３、２２４の開口面積を調整するリブ２２１ａ、２２２ａ、２２３ａ、２２４ａ（突起）が形成されている。
【００２７】
また、本形態では、リブ２２１ａ、２２２ａ、２２３ａ、２２４ａは、その突出寸法により、射出口２２１、２２２、２２３、２２４の開口面積がそれぞれ調節されている。すなわち、図６（Ｂ）に示すように、４つの射出口２２１、２２２、２２３、２２４のうち、流量が多い射出口２２１、２２４に対応するリブ２２１ａ、２２４ａについては突出寸法を小さくして、射出口２２１、２２４の開口面積を大きくし、流量が少ない射出口２２２、２２３に対応するリブ２２２ａ、２２３ａについては突出寸法を大きくして、射出口２２２、２２３の開口面積を小さくしてある。それ故、射出口２２１、２２２、２２３、２２４において、水は、略等しい流速で羽根３１に向けて吹き付けられる。
【００２８】
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。
【００２９】
（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
（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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
(本形態の効果)
以上説明したように、本形態では、本体ケース１とカバー１５との間に射出口２２１、２２２、２２３、２２４を形成したことを利用して、カバー１５の方には、射出口２２１、２２２、２２３、２２４の開口面積を調節するリブ２２１ａ、２２２ａ、２２３ａ、２２４ａを形成してある。従って、本体ケース１を作り直さなくても、カバー１５にリブを形成するか否か、あるいはリブをどのようなサイズで形成するかによって、射出口２２１、２２２、２２３、２２４の開口面積を調整することができる。従って、射出口２２１、２２２、２２３、２２４を設計変更しなくても、その開口面積を調整できるので、水力発電装置１００の低コスト化および短納期化を達成することができる。しかも、本形態では、設計変更が容易、かつ、金型代が安価なカバー１５の方にリブ２２１ａ、２２２ａ、２２３ａ、２２４ａを形成したので、リブのないカバー、リブの有するカバー、リブのサイズが異なるカバーを準備しておき、そのうちのいずれを用いるかによって、射出口２２１、２２２、２２３、２２４の開口面積を調整できるため、水力発電装置１００の低コスト化および短納期化に有利である。
【００４０】
また、本形態では、４つの射出口２２１、２２２、２２３、２２４のうち、流量が多い射出口２２１、２２４に対応するリブ２２１ａ、２２４ａについては突出寸法を小さくして、射出口２２１、２２４の開口面積を大きくする一方、流量が少ない射出口２２２、２２３に対応するリブ２２２ａ、２２３ａについては突出寸法を大きくして、射出口２２２、２２３の開口面積を小さくしてあるため、射出口２２１、２２２、２２３、２２４の各々から、略等しい流速で羽根３１に水が吹き付けられる。しかも、対称位置にある射出口２２１、２２４同士、および射出口２２２、２２３同士については、同一の開口面積にしてあるので、発電用水車３を均等に回すことができる。それ故、水路全体の水路抵抗を抑えながら、発電量を上げることができる。
【００４１】
［その他の実施の形態］
なお、上記形態では、射出口２２１、２２２、２２３、２２４に向けて突出するリブ２２１ａ、２２２ａ、２２３ａ、２２４ａの突出寸法を相違させたが、全てのリブにおいて突出寸法を同一としてもよい。
【００４２】
また、上記形態では、本体ケース１の方に射出口を構成する溝を形成し、カバー１５の方に、溝内に入り込んで射出口の開口面積を調節する突起を形成したが、カバー１５に射出口を構成する溝を形成し、本体ケース１の方に、溝内に入り込んで射出口の開口面積を調節する突起を形成してもよい。
【００４３】
【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、２つの部材の一方に形成した溝によって射出口を形成したことを利用して、他方の部材には、溝内に入り込んで射出口の開口面積を調節する突起を形成したことを特徴とする。従って、本発明では、設計変更が容易、あるいは金型代の安価な方の部材において、突起を形成するか否か、あるいは突起をどのようなサイズで形成するかによって、射出口の開口面積を調整することができる。従って、射出口を設計変更しなくても、射出口の開口面積を調整できるので、水力発電装置の低コスト化および短納期化を達成することができる。
【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
１８、１９環状面
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
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
２２１ａ、２２２ａ、２２３ａ、２２４ａリブ

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を構成するケース本体と、該ケース本体の上面を覆うカバーと、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、
前記ケース本体と前記カバーとの間には、前記ケース本体および前記カバーのうちの一方側部材における他方側部材との対向面に形成された溝によって前記発電用水車の羽根に向けて流体を高速で射出させる射出口が形成されている一方、前記他方側部材における前記一方側部材との対向面には、前記溝内に入り込んで前記射出口の開口面積を調節する突起が形成されていることを特徴とする水力発電装置。
請求項１において、前記射出口を構成する溝は、前記ケース本体の上面に形成されている一方、前記突起は、前記カバーの下面に形成されていることを特徴とする水力発電装置。
請求項２において、前記本体ケースと前記カバーとの間には、前記本体ケースの上面に形成された環状凹部によって前記水車室の上方位置を囲む環状の導水路が形成され、
前記射出口は、前記導水路から前記発電用水車の羽根に向かって複数、形成されている一方、前記カバーには、前記射出口の開口面積を調節する前記突起が複数、形成されていることを特徴とする水力発電装置。
請求項３において、前記複数の突起には、突出寸法が異なる複数の突起が含まれていることを特徴とする水力発電装置。
請求項１ないし４のいずれかにおいて、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。