JP4394852B2 - 水力発電装置 - Google Patents

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おり、その一例が実開平２−６５７７５号公報に開示されている。
【０００３】
このような装置に用いる水力発電装置は、一般に、流体入口から流体出口までの間に水車室を備える流路が形成されたケース本体と、水車室に配置された発電用水車と、この発電用水車に連動して回転する発電用ロータと、この発電用ロータに対向する発電用ステータとを有している。また、流路には、この流路を絞って流体を高速で発電用水車の羽根に射出する射出口が形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の水力発電装置では、射出口によって流路を絞ることにより流速を高めているため、流量が小さくても発電できるが、その分、流路の抵抗が大きくなり、十分な流量を確保するには、流体入口側での水圧を高くしなければならないという問題点がある。また、従来の水力発電装置では、射出口によって流路を絞っているため、流量が大きいときの流速がかなり速くなるので、流路内での水流が乱れてノイズが発生するという問題点がある。さらに、流量が大きいときには流速がかなり速く、流体が発電用水車にかなり強く衝突する結果、大きなノイズが発生する。さらにまた、発電用水車が高速回転すると、発電用水車の回転バランスのわずかなずれや振れが大きなノイズをひき起こすという問題点もある。また、流量が大きいときには、発電用水車が高速回転するため、軸受が異常磨耗するという問題点もある。
【０００５】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、本体ケース内を通過する流体の流量が大きいときでもノイズの発生や軸受の異常磨耗を防止することのできる発電装置を提供することにある。
【０００６】
【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る発電用の第１の流路と、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発電用ロータとを有し、前記第１の流路には、当該第１の流路を絞って流体を前記発電用水車の羽根に高速で射出させる射出口が形成された水力発電装置において、さらに、前記流体入口から前記流体出口までの間には、前記水車室に対して並列なバイパス用の第２の流路が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る水力発電装置では、流体入口から流体出口までの間で水車室に並列するバイパス用の第２の流路が構成されているため、流体入口から流れ込んだ流体は、その一部が発電用の第１の流路を通って射出口から発電用水車の羽根に射出された後、流体出口に向かう一方、残りの流体は、水車室を通らず、第２の流路を通ってそのまま流体出口に向かう。このため、射出口によって流路を絞ることにより流速を高めて発電用水車の羽根に流体を射出しても、全体としてみた場合、流路の抵抗が小さい。従って、十分な流量を確保する場合でも、流体入口側での水圧が低くてよい。また、射出口によって流路を絞っているが、流体入口から流れ込んだ流体の一部は、水車室を通らず、第２の流路を通ってそのまま流体出口に向かうため、流量が大きいときでも、発電に用いる第１の流路の側では、流速が過剰に速くなることがない。それ故、流路内での水流が乱れてノイズが発生するという問題を回避することができる。さらに、流体が発電用水車に強く衝突するのを防ぐことができるので、この点でもノイズの発生を抑えることができる。さらにまた、発電用水車が異常な高速回転を行うのを防ぐことができるので、発電用水車の回転バランスのずれや振れが大きなノイズを引き起こすという問題も回避できる。しかも、発電水車が異常な高速回転することを防止できるため、軸受が異常磨耗するという問題も回避できる。
【０００８】
また、本発明において、前記射出口は、前記発電用水車の半径方向外側から当該発電用水車の羽根に向けて流体を射出し、前記水車室の下方位置は、当該水車室から前記流体出口に向かう流体が排出されてくる排出空間になっているとともに、当該排出空間および前記水車室にわたって、前記発電用水車を備えた回転体を回転可能に支持している支軸が当該支軸の軸線を上下方向に向けた状態で配置され、前記支軸は前記排出空間の底部で保持されており、前記第２の流路は、当該第２の流路の出側が前記排出空間に連通するように、前記流体入口から前記排出空間に向かって前記支軸の軸線と交差する方向に直線的に延びており、前記排出空間には、前記弁機構が配設されている。このため、排出空間には、第２の流路から流体が流れ込むように構成されている。従って、第１の流路を流れる流体と第２の流路を流れる流体とにおいて、排出空間から流体出口までを共通の流路とすることができるので、本体ケースを大型化しなくても、本体ケース内に２つの流路を設けることができる。しかも、排出空間を利用して弁機構を配置できるので、本体ケースを大型化しなくてよい。
【００１０】
本発明において、前記第２の流路に対しては、流体圧が所定圧以上になったときに当該第２の流路を閉状態から開状態に切り換える弁機構が構成されている。
【００１１】
このような弁機構は、例えば、前記第２の流路を閉状態および開状態に変位可能な弁体と、前記流体圧に抗して前記弁体を前記第２の流路を閉状態にする方向に付勢する圧縮コイルばね、トーションばね、捻りばね、板ばねなどといったばね部材とを備えたものを用いることができる。このように構成すると、流量が小のときは全ての流体が第１の流路を流れて発電に寄与する一方、流量が大のときには、流体の一部が第１の流路を流れて発電に寄与し、その他の流体は第２の流路を通る。このため、流量が小のときでも発電効率が高い。また、流量が大のときでも、第１の流路には一部の流体のみが流れるので、ノイズの発生や軸受の異常磨耗を防止することができる。
【００１２】
本発明において、前記弁体は、例えば、回転中心軸部と、該回転中心軸部から延びて前記第２の流路を閉塞可能な板状のシール部とを備える場合があり、この場合、前記ばね部材としては、前記板状のシール部を前記回転中心軸部周りに回転させて前記第２の流路を閉状態と開状態とに切り換える捻りばねを用いる。
【００１３】
また、本発明において、前記回転中心軸部は、前記発電用水車の側方位置を通って上方に延びる軸部を備えるとともに、該軸部の上端部がカバーに当接することにより、前記弁体の上下方向の位置が規定されていることが好ましい。
【００１４】
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。
【００１５】
【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。
【００１６】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る小型の水力発電装置の縦断面図である。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に用いた本体ケースの平面図である。図４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、図１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。図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、図１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。図６は、図１に示す小型水力発電装置に用いた弁機構の説明図である。
【００１７】
（全体構成）
図１および図２に示すように、本形態の水力発電装置１００は、流体入口１２および流体出口１３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。
【００１８】
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、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、後述するように、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３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。
【００１９】
この水力発電装置１００において、まず、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円筒状の突起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、突起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。このような注水部３０を構成するにあたって、本形態では、図３および図４を参照して説明する構造が採用されている。
【００２２】
まず、図３において、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には溝状の凹部２６が形成され、その内側には周方向に延びた５つの注水用壁２０１、２０２、２０３、２０４、２０５が形成されている。ここで、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４に示す円環状のカバー１５が被せられる。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ため、カバー１５は環状面１８の上に載置される。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。
【００２４】
また、カバー１５を環状面１８の上に載置した状態において、カバー１５は凹部２６の上面を覆い、この凹部２６によって本体ケース１の流体入口１２から流れ込んだ水を水車室５０の周りに導く導水路２７を構成するとともに、注水用壁２０１、２０２、２０３、２０４、２０５の狭い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。ここで、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５に示す羽根３１に向けて水を射出することになる。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１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。
【００２５】
再び図１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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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１および図２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。
【００２９】
図５（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。
【００３０】
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。なお、羽根３１にぶつけられた水は、水車室５０において発電用水車３の下方位置に形成されている排出空間２５を通って流体出口１３に向かい、この流体出口１３から排出される。
【００３１】
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。
【００３２】
（発電用の第１の流路）
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を備える第１の流路１１０（図１に矢印Ａで示す）を通って発電に寄与する。
【００３３】
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。そして、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。
【００３４】
（バイパス用の第２の流路）
水力発電装置１００において、本形態では、流体入口１２から流体出口１３までの間で発電用の第１の流路１１０に対して並列に第２の流路１２０が形成されている。すなわち、ケース本体１には、第１の流路１１０（水車室５０の射出口２２１、２２２、２２３、２２４）を通らずに水車室５０の下側に直接、流れ込むバイパス用の第２の流路１２０が形成されている。
【００３５】
このような第２の流路１２０を構成するにあたって、本形態では、図１に示すように、流体入口１２の側において、注水用壁２０１の下方位置には、排出空間２５に連通する第２の流路１２０が形成されている。また、排出空間２５を利用して、第２の流路１２０に対する弁機構２００が構成され、この弁機構２００は、流量が大になって流体圧が所定圧以上になったときに第２の流路１２０を閉状態から開状態に切り換える。
【００３６】
このような弁機構２００を構成するにあたって、本形態では、図６に示すように、まず、突起５１を利用して、排出空間２５の底部に軸状ガイド部２１１を備えるガイド２１０を固定する。また、軸状ガイド部２１１の先端部分には、軸状ガイド部２１１の軸線方向に摺動可能な弁体２２０を取り付けるとともに、ガイド２１０の環状座部２１２と、弁体２２０の環状座部２２１との間に圧縮コイルばね２３０を配置する。ここで、弁体２２０は、その先端側において第２の流路１２０内に位置するガイド部２２２、このガイド部２２２と環状座部２２１との間に形成された細径部分からなるシール材装着部２２３、およびこのシール材装着部２２３に装着されたシール材２２５から構成されている。
【００３７】
このように構成した弁機構２００では、第２の流路１２０を閉状態および開状態に変位可能な弁体２２０と、流体圧に抗して弁体２２０を第２の流路１２０が閉状態となる方向に付勢する圧縮コイルばね２３０とを用いているため、流量が大になって流体圧が所定値以上になったとき、第２の流路１２０は、閉状態から開状態に切り換るとともに、流体圧が所定値未満になったとき、第２の流路１２０は、自動的に開状態から閉状態に切り換る。
【００３８】
（本形態の効果）
以上説明したように、本形態の水力発電装置１００では、流体入口１２から流体出口１３までの間で第１の流路１１０に並列する第２の流路１２０が構成されているため、流体入口１２から本体ケース１内に流れ込んだ水の流量が大のとき、第２の流路１２０が弁機構２００によって開状態になるため、その一部が第１の流路１１０を通って射出口２２１、２２２、２２３、２２４から発電用水車３の羽根３１に向けて射出された後、排出空間２５を経て流体出口１３に向かう一方、残りの流体は、射出口２２１、２２２、２２３、２２４を通らず、第２の流路１２０を通ってそのまま排出空間２５を経て流体出口１３に向かう。このため、射出口２２１、２２２、２２３、２２４によって流路を絞ることにより流速を高めて発電用水車３の羽根３１に水を射出しても、本体ケース１内全体としてみた場合、流路の抵抗が小さい。従って、十分な流量を確保する場合でも、流体入口１２側での水圧が低くてよい。
【００３９】
また、射出口２２１、２２２、２２３、２２４によって流路を絞っているが、流量が大のとき、流体入口１２から本体ケース１内に流れ込んだ流体の一部は、水車室５０を通らず、第２の流路１２０を通ってそのまま排出空間２５を経て流体出口１３に向かうため、発電に用いる第１の流路１１０の側では、流速が過剰に速くなることがない。それ故、流路内での水流が乱れてノイズが発生するという問題を回避することができ、かつ、水が発電用水車３に強く衝突するのを防ぐことができるので、この点でもノイズの発生を抑えることができる。
【００４０】
さらに、発電用水車３が異常な高速回転を行うのを防ぐことができるので、発電用水車３の回転バランスのずれや振れが大きなノイズを引き起こすという問題も回避できる。
【００４１】
さらにまた、発電水車３が異常な高速回転することを防止できるため、軸受を構成する軸孔４１などが異常磨耗するという問題も回避できる。
【００４２】
しかも、流量が小のときは、弁機構２００は、第２の流路１２０を閉状態にするため、流量が小のときは全ての水が第１の流路１１０を流れて発電に寄与するので、流量が小のときでも発電効率が高い。
【００４３】
また、本形態では、水車室３の下方位置には、発電用水車３を回し終えた水が排出されてくる排出空間２５が形成され、この排出空間２５に第２の流路１２０が連通している。このため、第１の流路１１０を流れる流体と第２の流路１２０を流れる流体とにおいて、排出空間２５から流体出口１３までを共通の流路とすることができる。しかも、排出空間２５を利用して第２の流路１２０に対する弁機構２００を配置できる。それ故、本体ケース１を大型化しなくても、本体ケース１内に２つの流路と弁機構２００とを設けることができる。
【００４４】
［本発明に対する参考例］
図７は、本発明に対する参考例に係る小型水力発電装置の縦断面図である。なお、本例の小型発電装置の基本的な構成は、バイパス用の第２の流路および弁機構の構成を除いて実施の形態１と同様であるため、共通する機能を有する部分には同一の符号を付すことにしてそれらの説明を省略する。
【００４５】
図７において、本形態の水力発電装置１００でも、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を備える第１の流路１１０（矢印Ａで示す）を通って発電に寄与する。すなわち、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。そして、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。
【００４６】
また、本形態の水力発電装置１００でも、流体入口１２から流体出口１３までの間で水車室５０に並列して形成されたバイパス用の第２の流路が形成されている。すなわち、本形態では、本体ケース１の下方位置に第２の流路１２０Ａを構成する筒状の付属ケース６０が設けられており、この付属ケース６０の一方の端部は、本体ケース１に対して流体入口１２と注水用壁２０１との間に相当する部分に開けられた縦穴１０１に連通し、付属ケース６０の他方の端部は、本体ケース１に対して流体出口１３と排出空間２５との間に相当する部分に開けられた縦穴１０２に連通している。
【００４７】
また、本形態の水力発電装置１００では、付属ケース６０の一方の端部における立ち上がり部分６１を利用して、第２の流路１２０Ａに対する弁機構２００Ａが構成され、この弁機構２００Ａは、流量が大になって流体圧が所定圧以上になったときに第２の流路１２０Ａを閉状態から開状態に切り換える。
【００４８】
このような弁機構２００Ａを構成するにあたって、本形態では、立ち上がり部分６１の底部分に圧縮コイルばね２４０を配置する。また、圧縮コイルばね２４の上端部分には、付属ケース６０と本体ケース１との連結部分に構成されている段差部分にシール材２５１が当接する弁体２５０が連結されている。ここで、弁体２５０に用いたガイド２５２は、本体ケース１に形成された縦穴１０１内に位置するガイド部分２５３と、圧縮コイルばね２４０との連結部分２５４、およびシール材２５１の装着部分２５５とを備えている。
【００４９】
このように構成した弁機構２００Ａでは、第２の流路１２０Ａを閉状態および開状態に変位可能な弁体２５０と、流体圧に抗して弁体２５０を第２の流路１２０Ａが閉状態となる方向に付勢する圧縮コイルばね２４０とを用いているため、流量が大になって流体圧が所定値以上になったとき、第２の流路１２０Ａは、閉状態から開状態に切り換るとともに、流体圧が所定値未満になったとき、第２の流路１２０Ａは、自動的に開状態から閉状態に切り換る。
【００５０】
従って、本形態の水力発電装置１００では、流体入口１２から本体ケース１内に流れ込んだ水の流量が大のとき、第２の流路１２０Ａが弁機構２００Ａによって開状態になるため、その一部が第１の流路１１０を通って射出口２２１、２２２、２２３、２２４から発電用水車３の羽根３１に向けて射出された後、排出空間２５を経て流体出口１３に向かう一方、残りの流体は、水車室５０を通らず、第２の流路１２０Ａを通ってそのまま流体出口１３に向かう。このため、射出口２２１、２２２、２２３、２２４によって流路を絞ることにより流速を高めて発電用水車３の羽根３１に水を射出しても、本体ケース１内全体としてみた場合、流路の抵抗が小さいなど、実施の形態１と同様な効果を奏する。
【００５１】
［実施の形態２］
図８は、本発明の実施の形態２に係る小型水力発電装置の本体ケースに構成した第２の流路、およびこの流路に対する弁機構の構成を説明するための縦断面図である。図９は、図８に示す小型水力発電装置に構成した第２の流路、およびこの流路に対する弁機構の構成を説明するための本体ケースの平面図である。図１０（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、図８および図９に示す弁機構を拡大して示す平面図、および図１０（Ａ）のＸ側からみた側面図である。なお、本形態の小型発電装置の基本的な構成は、バイパス用の第２の流路および弁機構の構成を除いて実施の形態１と同様であるため、共通する機能を有する部分には同一の符号を付すことにしてそれらの説明を省略する。
【００５２】
図８において、本形態の水力発電装置１００でも、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を備える第１の流路１１０（矢印Ａで示す）を通って発電に寄与する。すなわち、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。そして、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。
【００５３】
また、本形態の水力発電装置１００でも、流体入口１２から流体出口１３までの間で水車室５０に並列して形成されたバイパス用の第２の流路が形成されている。このような第２の流路を構成するにあたって、本形態では、流体入口１２の側において、注水用壁２０１の下方位置には、排出空間２５に連通する第２の流路１２０が形成されている。
【００５４】
また、本形態では、排出空間２５を利用して、第２の流路１２０に対する弁機構２００Ｂが構成され、この弁機構２００Ｂは、流量が大になって流体圧が所定圧以上になったときに第２の流路１２０を閉状態から開状態に切り換える。
【００５５】
このような弁機構２００Ｂを構成するにあたって、本形態では、図９、および図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、まず、排出空間２５の底部に円柱状の突起１０５を形成する。また、巻回部分２６１から延びて軸受用の突起５１に引っ掛かるフック部２６２、および巻回部分２６１から延びて弁体２７０に当接する立ち上がり部２６３を備える捻りばね２６０を準備する。また、弁体２７０は、突起１０５が嵌る円筒部２７１（回転中心軸部）と、この円筒部２７１から延びて第２の流路１２０の排出空間２５側の開口を塞ぐ板状のシール部２７２とを備えている。
【００５６】
このような部材を用いて弁機構２００Ｂを構成するには、まず、捻りばね２６０の巻回部分２６１を突起１０５に嵌めた後、フック部２６２を突起５１に引っ掛ける。次に、弁体２７０の円筒部２７１を突起１０５に嵌め、そこから延びるシール部２７２で第２の流路１２０の排出空間２５側の開口を塞ぎ、かつ、その背面側に捻りばね２６０の立ち上がり部２６３を当接させる。その結果、シール部２７２は、捻りばね２６０によって第２の流路１２０の排出空間２５側の開口を塞ぐ方向に付勢される。
【００５７】
このように構成した弁機構２００Ｂでも、流量が大になって第２の流路１２０での水圧が所定値以上になったとき、シール部２７２が捻りばね２６０の付勢力に抗して円筒部２７１を中心に回転して、第２の流路１２０は、閉状態から開状態に切り換るとともに、流体圧が所定値未満になったとき、シール部２７２が捻りばね２６０の付勢力によって円筒部２７１を中心に回転し、第２の流路１２０は、自動的に開状態から閉状態に切り換る。
【００５８】
従って、本形態の水力発電装置１００でも、流体入口１２から本体ケース１内に流れ込んだ水の流量が大のとき、第２の流路１２０が弁機構２００Ｂによって開状態になるため、その一部が第１の流路１１０を通って射出口２２１、２２２、２２３、２２４から発電用水車３の羽根３１に向けて射出された後、排出空間２５を経て流体出口１３に向かう一方、残りの流体は、水車室５０を通らず、第２の流路１２０を通ってそのまま排出空間２５を経て流体出口１３に向かう。従って、射出口２２１、２２２、２２３、２２４によって流路を絞ることにより流速を高めて発電用水車３の羽根３１に水を射出しても、本体ケース１内全体としてみた場合、流路の抵抗が小さいので、十分な流量を確保する場合でも、流体入口１２側での水圧が低くてよいなど、実施の形態１と同様な効果を奏する。
【００５９】
［実施の形態３］
図１１は、本発明の実施の形態３に係る小型水力発電装置に構成した第２の流路、およびこの流路に対する弁機構の構成を説明するための本体ケースの平面図である。図１２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、図１１に示す弁機構を拡大して示す平面図、および図１２（Ａ）のＸ側からみた側面図である。なお、本形態の小型発電装置の基本的な構成は、バイパス用の第２の流路および弁機構の構成を除いて実施の形態１、２と同様であるため、共通する機能を有する部分には同一の符号を付すことにしてそれらの説明を省略する。
【００６０】
図１１に示すように、本形態の水力発電装置１００では、本体ケース１において、水車室５０を囲む環状面１８には溝状の凹部２６が形成され、その内側には周方向に延びた４つの注水用壁２０７、２０８、２０９、２１０が形成されている。ここで、凹部２６は、注水用壁２０７、２０８の間が深くなって流体入口１２と連通している。また、注水用壁２０７、２０８、２０９，２１０の上面には、狭い溝２０６が形成されている。
【００６１】
このように構成した本体ケース１を用いた場合も、注水部３０を構成するには、図４に示すような円環状のカバー１５が被せられ、その結果、カバー１５は、凹部２６の上面を覆い、この凹部２６によって本体ケース１の流体入口１２から流れ込んだ水を水車室５０の周りに導く導水路２７を構成するとともに、注水用壁２０７、２０８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２２６、２２７、２２８を構成することになる。但し、カバー１５に形成される突起１５６については、注水用壁２０７、２０８、２０９，２１０に形成されている溝２０６に対応させて、その形状や位置が変更されている。
【００６２】
また、本形態では、図１１と図９と比較すればわかるように、水車室５０の平面形状は円形であるが、水車室５０の側面には、後述する弁体２７０から延びる軸部２７５を通す切り欠き５０１が軸線方向に延びている。
【００６３】
このように構成した水力発電装置１００でも、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を備える第１の流路１１０を通って発電に寄与する。すなわち、流体入口１２から流れ込んだ水は、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２２６、２２７、２２８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。そして、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。
【００６４】
また、本形態の水力発電装置１００でも、流体入口１２から流体出口１３までの間で第１の流路１１０に並列して形成されたバイパス用の第２の流路１２０が形成されている。このような第２の流路１２０を構成するにあたって、本形態では、実施の形態３と同様、流体入口１２の側において、注水用壁２０１の下方位置には、排出空間２５に連通する第２の流路１２０が形成されている。
【００６５】
また、本形態でも、実施の形態２と同様、排出空間２５を利用して、第２の流路１２０に対する弁機構２００Ｃが構成され、この弁機構２００Ｃは、流量が大になって流体圧が所定圧以上になったときに第２の流路１２０を閉状態から開状態に切り換える。
【００６６】
このような弁機構２００Ｃを構成するにあたって、本形態では、図１１、および図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、まず、排出空間２５の底部に円柱状の突起１０５を形成する。但し、本形態では、図１１と図９とを比較すればわかるように、突起１０５は、水車室５０の外周部分に一部がかかるように形成されている。また、本形態でも、巻回部分２６１から延びて軸受用の突起５１に引っ掛かるフック部２６２、および巻回部分２６１から延びて弁体２７０に当接する立ち上がり部２６３を備える捻りばね２６０を準備する。また、弁体２７０は、突起１０５が嵌る円筒部２７１と、この円筒部２７１から延びて第２の流路１２０の排出空間２５側の開口を塞ぐ板状のシール部２７２とを備えている。ここで、捻りばね２６０は、立ち上がり部２６３の上端部分２６９が折れ曲がっており、この上端部分２６９は、板状のシール部２７２の上端面に引っ掛かるようになっている。
【００６７】
このような部材を用いて弁機構２００Ｃを構成するには、まず、捻りばね２６０の巻回部分２６１を突起１０５に嵌めた後、フック部２６２を突起５１に引っ掛ける。次に、弁体２７０の円筒部２７１を突起１０５に嵌め、そこから延びるシール部２７２で第２の流路１２０の排出空間２５側の開口を塞ぎ、かつ、その背面側に捻りばね２６０の立ち上がり部２６３を当接させる。その結果、シール部２７２は、捻りばね２６０によって第２の流路１２０の排出空間２５側の開口を塞ぐ方向に付勢される。この際、捻りばね２６０については、立ち上がり部２６３の上端部分２６９をシール部２７２の上端面に引っ掛けることにより、捻りばね２６０がシール部２７２から外れることを防止する。
【００６８】
ここで、弁体２７０では、円筒部２７１から上方に細い軸部２７５が延びており、この軸部２７５は、発電用水車３の側方位置を通って発電用水車３の上から突き出て、カバー１５に当接している。このため、弁体２７０の上下方向の位置が規制されるので、弁体２７０の円筒部２７１が突起１０５から抜け出るのが防止され、発電用水車３との接触が防止される。なお、図１２（Ｂ）に示すように、カバー１５に軸部２７５の上端部が緩く嵌る支持孔１５９を形成しておき、弁体２７０がカバー１５および突起１０５によって両持ち状態に支持されるようにしてもよい。それでも、軸部２７５は、図１１に示す切り欠き５０１の内側を通っているので、発電用水車の３の回転を妨げない。
【００６９】
このように構成した弁機構２００Ｃでも、流量が大になって第２の流路１２０での水圧が所定値以上になったとき、第２の流路１２０は、閉状態から開状態に切り換るとともに、流体圧が所定値未満になったとき、第２の流路１２０は、自動的に開状態から閉状態に切り換る。従って、流体入口１２から本体ケース１内に流れ込んだ水の一部が第１の流路１１０を通って射出口２２６、２２７、２２８から発電用水車３の羽根３１に向けて射出された後、排出空間２５を経て流体出口１３に向かう一方、残りの流体は、水車室５０を通らず、第２の流路１２０を通ってそのまま排出空間２５を経て流体出口１３に向かう。従って、射出口２２６、２２７、２２８によって流路を絞ることにより流速を高めて発電用水車３の羽根３１に水を射出しても、本体ケース１内全体としてみた場合、流路の抵抗が小さいので、十分な流量を確保する場合でも、流体入口１２側での水圧が低くてよいなど、実施の形態１と同様な効果を奏する。
【００７１】
【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、流体入口から流体出口までの間で水車室に並列するバイパス用の第２の流路が構成されているため、流体入口から流れ込んだ流体は、その一部が発電用の第１の流路を通って射出口から発電用水車の羽根に射出された後、流体出口に向かう一方、残りの流体は、水車室を通らず、第２の流路を通ってそのまま流体出口に向かう。このため、射出口によって流路を絞ることにより流速を高めて発電用水車の羽根に流体を射出しても、全体としてみた場合、流路の抵抗が小さい。従って、十分な流量を確保する場合でも、流体入口側での水圧が低くてよい。また、射出口によって流路を絞っているが、流体入口から流れ込んだ流体の一部は、水車室を通らず、第２の流路を通ってそのまま流体出口に向かうため、流量が大きいときでも、発電に用いる第１の流路の側では、流速が過剰に速くなることがない。それ故、流路内での水流が乱れてノイズが発生するという問題を回避することができる。さらに、流体が発電用水車に強く衝突するのを防ぐことができるので、この点でもノイズの発生を抑えることができる。さらにまた、発電用水車が異常な高速回転を行うのを防ぐことができるので、発電用水車の回転バランスのずれや振れが大きなノイズを引き起こすという問題も回避できる。しかも、発電水車が異常な高速回転することを防止できるため、軸受が異常磨耗するという問題も回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る小型水力発電装置の縦断面図である。
【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に用いた本体ケースの平面図である。
【図４】（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５】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。
【図６】図１に示す小型水力発電装置に用いた弁機構の説明図である。
【図７】 本発明に対する参考例に係る小型水力発電装置の縦断面図である。
【図８】 本発明の実施の形態２に係る小型水力発電装置の本体ケースに構成した第２の流路、およびこの流路に対する弁機構の構成を説明するための縦断面図である。
【図９】図８に示す小型水力発電装置に構成した第２の流路、およびこの流路に対する弁機構の構成を説明するための本体ケースの平面図である。
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、図８および図９に示す弁機構を拡大して示す平面図、および図１０（Ａ）のＸ側からみた側面図である。
【図１１】 本発明の実施の形態３に係る小型水力発電装置に構成した第２の流路、およびこの流路に対する弁機構の構成を説明するための本体ケースの平面図である。
【図１２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、図１１に示す弁機構を拡大して示す平面図、および図１２（Ａ）のＸ側からみた側面図である。
【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 溝状の凹部
２７ 導水路
３０ 注水部
３１ 羽根
３３ 発電用水車の胴部
４１ 軸孔
５０ 水車室
５１ 突起
５２ 軸受部分
６０ 付属ケース
６１ 付属ケースの立ち上がり部分
６３ コイル
１００ 水力発電装置
１０１、１０２ 本体ケースの縦穴
１１０ 発電用の第１の流路
１２０ バイパス用の第２の流路
２００、２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ 弁機構
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０７、２０８，２０９，２１０ 注水用壁
２２０、２５０、２７０ 弁体
２２１、２２２、２２３、２２４、２２６、２２７、２２８ 射出口
２３０、２４０ 圧縮コイルばね（ばね部材）
２６０ 捻りばね（ばね部材）
２７１ 円筒部（回転中心軸部）
２７２ 板状のシール部

Claims (5)

1. 流体入口から流体出口までの間に水車室を備える発電用の第１の流路と、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し、前記第１の流路には、当該第１の流路を絞って流体を前記発電用水車の羽根に高速で射出させる射出口が形成された水力発電装置において、
   さらに、前記流体入口から前記流体出口までの間には前記水車室に対して並列なバイパス用の第２の流路が形成され、
   前記第２の流路に対しては、流体圧が所定圧以上になったときに当該第２の流路を閉状態から開状態に切り換える弁機構が構成され、
   前記射出口は、前記発電用水車の半径方向外側から当該発電用水車の羽根に向けて流体を射出し、
   前記水車室の下方位置は、当該水車室から前記流体出口に向かう流体が排出されてくる排出空間になっているとともに、当該排出空間および前記水車室にわたって、前記発電用水車を備えた回転体を回転可能に支持している支軸が当該支軸の軸線を上下方向に向けた状態で配置され、
   前記支軸は前記排出空間の底部で保持されており、
   前記第２の流路は、当該第２の流路の出側が前記排出空間に連通するように、前記流体入口から前記排出空間に向かって前記支軸の軸線と交差する方向に直線的に延びており、
   前記排出空間には、前記弁機構が配設されていることを特徴とする水力発電装置。
2. 請求項１において、
   前記弁機構は、前記第２の流路を閉状態および開状態に変位可能な弁体と、前記流体圧に抗して前記弁体を前記第２の流路を閉状態にする方向に付勢するばね部材とを備えていることを特徴とする水力発電装置。
3. 請求項２において、
   前記弁体は、回転中心軸部と、該回転中心軸部から延びて前記第２の流路を閉塞可能な板状のシール部とを備え、前記ばね部材は、前記板状のシール部を前記回転中心軸部周りに回転させて前記第２の流路を閉状態と開状態とに切り換える捻りばねであることを特徴とする水力発電装置。
4. 請求項３において、
   前記回転中心軸部は、前記発電用水車の側方位置を通って上方に延びる軸部を備えるとともに、該軸部の上端部がカバーに当接することにより、前記弁体の上下方向の位置が規定されていることを特徴とする水力発電装置。
5. 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。

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