JP4414144B2 - 軸流式の小型水力発電機 - Google Patents
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- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水路内を流れる水流の勢いで水車を含むロータを回転させて発電を行う小型水力発電機に関し、詳しくは軸流式の小型水力発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来より、自動水栓や便器の自動洗浄装置等の給水装置において、水路の水流により水車を含むロータを回転させて発電を行う小型水力発電機が広く用いられている。
詳しくは、これら自動水栓や便器の自動洗浄装置等においては、小型水力発電機で発生させた電力を２次電池やコンデンサ等の蓄電素子に蓄え、これを電源としてセンサや制御回路等を駆動するようにしている。
【０００３】
従来これらの給水装置においては、水車に対して水流をその接線方向即ち軸直角方向に当て、水車即ちロータを回転させるようにしていた。
この場合水流の勢いを効率的に水車の回転力に変換することができ、従って効率高く発電を行うことが可能である。
【０００４】
しかしながらこの形式の小型水力発電機を用いた給水装置の場合、水流を水車に対して接線方向に当てるように水流の向きを変えなければならないといった制約がある問題が内在する。
これに対して、小型水力発電機を軸流式のものとした場合、即ち水路内の水流の向きと同じ方向（つまり水路の軸方向）に水車の回転軸を配向させ、軸方向の水流によって水車を回転させる形式の水力発電機とした場合、上記のように水流の向きを直角に曲げたりする必要がない利点がある。
【０００５】
しかしながら一方でこのような軸流式の小型水力発電機の場合、水流の勢いを効率高く水車の回転力に変換することが難しい問題がある。
軸流式の小型水力発電機の場合、水車における羽根形状がスクリュー状の形状とされ、その羽根形状に基づいて軸方向の水流の勢いを水車の回転方向の力に変換するが、この場合軸方向の水流のエネルギーの一部だけが水車の回転力に変換されるに過ぎず、残りのエネルギーが水車を軸方向に押す力として働いてしまい、そのためこの種軸流式の水力発電機の場合、水流の勢いを効率高く水車の回転力に変換して発電することが難しいのである。
【０００６】
またこの軸流式の小型水力発電機の場合、水流による水車即ちロータの回転力が小さいため、静止状態で水路内に水流が生じたときその水流量が少ないと、半径方向に対向して位置するロータとステータとの間に発生する回転方向のブレーキ力（ディテントトルク）に打ち勝ってロータが回ることができず、発電がなされない問題が生ずる。
【０００７】
水力発電機において、ロータとステータとの間のディテントトルクによって水車に回転抵抗が生じる問題の解決を図ったものが下記特許文献１に開示されている。
しかしながらこの特許文献１に開示のものは軸流式の水力発電機ではなく、またその解決手段も本発明とは異なったものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−８９４２９号公報
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の軸流式の小型水力発電機はこのような課題を解決するために案出されたものである。
而して請求項１のものは、水路内において該水路の軸方向に配向された回転軸の軸心回りに回転可能に設けられた水車を含むロータと、該ロータの外周側に配置されたステータとを有し、該水路内の水流により該ロータを回転させて発電を行う軸流式の小型水力発電機において、前記ロータを軸方向に移動可能に設けるとともに該ロータを水流の向きとは逆方向にばねにて付勢し、水流停止状態で該ロータを前記ステータから軸方向に離れた位置に位置させ、水流の発生により該ロータを軸方向において該ステータ側に前記ばねの付勢力に抗して移動させるようになしてあるとともに、前記水路内の最大水流量の下で前記ロータを前記ステータに対し半径方向に対向する位置で軸方向の移動を停止するようになしてあり、且つ前記ばねは、前記ロータが前記ステータに対し前記半径方向に対向する位置で軸方向に密着した状態となって該ロータの前記軸方向の移動を停止させるストッパ手段を兼用するものとなしてあることを特徴とする。
【００１０】
【作用及び発明の効果】
以上のように本発明は、水車を含むロータを軸方向に移動可能となすとともにばねにより水流の向きとは逆方向に付勢し、水流停止状態でロータをステータから軸方向に離れた位置に位置させ、そして水流の発生によりロータを回転開始させるとともに水流による軸方向の押動力によりばねの付勢力に抗してステータ側に移動させ、そしてストッパ手段を兼ねたばねのストッパ作用により水路内の最大水流量の下でロータをステータに対し半径方向に対向する軸方向位置に保ち、それ以上には移動しないようになしたもので、本発明によれば、水路内に水流が生じて水車を含むロータが回転開始する際、ロータとステータとの間に働くディテントトルクから開放された状態でロータを回転開始させることができる。
従ってその際微弱な水流の下でも円滑にロータを回転開始させることができる。
【００１１】
そして慣性力により回転を保ちながらロータがばねの付勢力に抗してステータ側に、即ち発電効率の高い位置に移動して回転するため、効率的に発電を行うことができる。
【００１２】
本発明の軸流式の小型水力発電機によれば、水車を含むロータの回転のために水路を直角に曲げたりしなくても良く、また小水流量の下でも円滑にロータを回転させることができ、そしてディテントトルクに負けない強い回転力が水流からロータに加えられるようになった段階では、ロータをステータに対し半径方向に対向する位置に位置させて高効率で発電を行わせることができる。
【００１３】
本発明では、上記ばねの先端をスラスト軸受を介して水車に当接させておくことができ、このようにすることでばねの付勢力を水車に対して及ぼしつつ水車を含むロータを円滑に回転させることができる。
【００１４】
【実施例】
次に本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明する。
図１において、１０は本例の軸流式の小型水力発電機（以下単に水力発電機）で、円筒形状のケーシング１２と、ステータ１４と、ケーシング１２内部に配設された水車１６を含むロータ１８とを有している。
ここでステータ１４はコイル２０とヨーク２２とを有している。
【００１５】
ケーシング１２の内部には水路２４が形成されており、この水路２４上に且つ軸方向に距離を隔てて一対の支持部材２６が配設されている。これら一対の支持部材２６には貫通穴３８が形成されている。
【００１６】
２８はロータ１８の回転軸で、軸方向の両端部が一対の支持部材２６によって非回転状態に保持されている。
そしてこの回転軸２８の軸心回りに回転可能な状態で上記ロータ１８が配設されている。
【００１７】
ここでロータ１８は、水車１６の外周面に水車１６と一体回転状態に設けられた円筒形状のマグネット３２を有している。
また水車１６には、スクリュー状の羽根３０が内筒部３１から外筒部３３にかけて設けられている。
【００１８】
水車１６は、この内筒部３１において回転軸２８の外周面に回転可能に外嵌されている。
この水車１６を含むロータ１８は、回転軸２８に対し軸方向に移動可能とされている。
【００１９】
回転軸２８の外周側には、圧縮コイルスプリングから成るばね３４が嵌装されている。
ばね３４は、その一端を支持部材２６に当接させ、また他端をスラスト軸受３６を介してロータ１８、詳しくは水車１６の内筒部３１に当接させている。
【００２０】
次に本例の水力発電機１０の作用を詳しく説明する。
本例において、ロータ１８は水路２４内に水流が生じていないとき（水流停止状態）、ばね３４の付勢力でステータ１４に対して半径方向に対向する位置から図１中右方向に移動した位置で停止している。
この状態では、ロータ１８がステータ１４に対し軸方向に距離Ｌ１（図３(Ｉ)参照）離隔していることから、ロータ１８とステータ１４との間に回転方向のブレーキ力、即ちディテントトルクは生じない。
【００２１】
従ってこの状態で、図３（Ｉ）に示しているように水路２４内に図中左向きの水流が生ずると、ロータ１８はそのディテントトルクによる回転抵抗を受けないで円滑に回転運動し始める。
このとき、図２に示しているように水車１６には水流による図中左向きの、つまりばね３４の付勢力とは反対方向のスラスト力と回転方向の力とが作用する。
ロータ１８はこの回転方向の力、即ち回転方向の成分によって回転運動する。
【００２２】
ロータ１８はこのようにして水流発生と同時、即ち通水開始と同時に回転運動し、これとともに上記水流によるスラスト力（押動作用）によってばね３４の付勢力に抗し図中左向きに移動開始する。
図３（II）はこのときの状態を表している。但し図３（II）は水路２４内に生ずる水流が小水流量のときを表している。
【００２３】
このとき、図３（II）に示しているようにロータ１８はステータ１４に対向する位置まで軸方向に移動せず、ステータ１４から距離Ｌ２離れた途中の位置で止まって回転運動を継続する。
そしてこのロータ１８の回転運動に基づいて発電が行われる。
【００２４】
この図３（II）に示すよりも更に水路２４内に生ずる水流量が増し、ロータ１８に対するスラスト力が更に増大すると、ロータ１８は図３（III）に示しているようにステータ１４に対して丁度半径方向に対向する位置に到り、その位置において回転運動を行って発電を継続する。
【００２５】
この図３（III）に示す状態、即ちロータ１８がステータ１４に対して軸方向の丁度同じ位置に位置している状態は発電効率が最も高い状態であり、この位置においてロータ１８が回転することによって高効率で発電が行われる。
【００２６】
またこの図３（III）に示す状態ではロータ１８の回転力も強いため、ロータ１８とステータ１４との間に働く電磁吸引力即ちブレーキ力（ディテントトルク）にも拘わらずロータ１８が良好に勢い良く回転運動することができる。
【００２７】
図３（III）に示す状態では、圧縮コイルスプリングから成るばね３４は、ばねの巻線同士（１巻１巻）が軸方向に密着した状態にあり、従ってこれ以上水流量が増してもロータ１８はこの状態から更に図中左方向に移動することはなく、図３に示す位置を保持しながら回転運動して発電を行う。
即ちこの例では、ばね３４自体がロータ１８をステータ１４に対し半径方向に対向する位置に位置決めするストッパ手段を兼ねている。
【００２８】
以上のように本例の水力発電機１０によれば、ロータ１８の回転のために水路２４を直角に曲げたりしなくても良く、また水流停止状態においてロータ１８をディテントトルクが働かない位置に位置させておくことができるため、水路２４内に水流が生じてロータ１８が回転開始する際、ディテントトルクから開放された条件下でロータ１８を回転開始させることができる。
従ってその際水路２４内の水流が微弱な水流であっても、円滑にロータ１８を回転開始させることができる。
【００２９】
回転開始したロータ１８は慣性力によって回転運動を続けながら水流の押動作用でばね３４の付勢力に抗して漸次ステータ１４側に軸方向に移動するため、ステータ１４との間でディテントトルクが働く位置に到っても回転運動を継続し、そして最終的にステータ１４に対し半径方向に対向する位置に到った段階で最も高効率で発電を行う。
【００３０】
本例では、ばね３４の先端をスラスト軸受３６を介して水車１６に当接させているため、ばね３４の付勢力を水車１６に対して及ぼしつつ水車１６を含むロータ１８を円滑に回転させることができる。
【００３１】
以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた形態で構成可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である軸流式の水力発電機を示す図である。
【図２】 図１の要部を示す斜視図である。
【図３】 図１の軸流式の水力発電機の作用説明図である。
【符号の説明】
１０ 水力発電機
１４ ステータ
１６ 水車
１８ ロータ
２４ 水路
２８ 回転軸
３４ ばね
３６ スラスト軸受
【発明の属する技術分野】
この発明は、水路内を流れる水流の勢いで水車を含むロータを回転させて発電を行う小型水力発電機に関し、詳しくは軸流式の小型水力発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来より、自動水栓や便器の自動洗浄装置等の給水装置において、水路の水流により水車を含むロータを回転させて発電を行う小型水力発電機が広く用いられている。
詳しくは、これら自動水栓や便器の自動洗浄装置等においては、小型水力発電機で発生させた電力を２次電池やコンデンサ等の蓄電素子に蓄え、これを電源としてセンサや制御回路等を駆動するようにしている。
【０００３】
従来これらの給水装置においては、水車に対して水流をその接線方向即ち軸直角方向に当て、水車即ちロータを回転させるようにしていた。
この場合水流の勢いを効率的に水車の回転力に変換することができ、従って効率高く発電を行うことが可能である。
【０００４】
しかしながらこの形式の小型水力発電機を用いた給水装置の場合、水流を水車に対して接線方向に当てるように水流の向きを変えなければならないといった制約がある問題が内在する。
これに対して、小型水力発電機を軸流式のものとした場合、即ち水路内の水流の向きと同じ方向（つまり水路の軸方向）に水車の回転軸を配向させ、軸方向の水流によって水車を回転させる形式の水力発電機とした場合、上記のように水流の向きを直角に曲げたりする必要がない利点がある。
【０００５】
しかしながら一方でこのような軸流式の小型水力発電機の場合、水流の勢いを効率高く水車の回転力に変換することが難しい問題がある。
軸流式の小型水力発電機の場合、水車における羽根形状がスクリュー状の形状とされ、その羽根形状に基づいて軸方向の水流の勢いを水車の回転方向の力に変換するが、この場合軸方向の水流のエネルギーの一部だけが水車の回転力に変換されるに過ぎず、残りのエネルギーが水車を軸方向に押す力として働いてしまい、そのためこの種軸流式の水力発電機の場合、水流の勢いを効率高く水車の回転力に変換して発電することが難しいのである。
【０００６】
またこの軸流式の小型水力発電機の場合、水流による水車即ちロータの回転力が小さいため、静止状態で水路内に水流が生じたときその水流量が少ないと、半径方向に対向して位置するロータとステータとの間に発生する回転方向のブレーキ力（ディテントトルク）に打ち勝ってロータが回ることができず、発電がなされない問題が生ずる。
【０００７】
水力発電機において、ロータとステータとの間のディテントトルクによって水車に回転抵抗が生じる問題の解決を図ったものが下記特許文献１に開示されている。
しかしながらこの特許文献１に開示のものは軸流式の水力発電機ではなく、またその解決手段も本発明とは異なったものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−８９４２９号公報
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の軸流式の小型水力発電機はこのような課題を解決するために案出されたものである。
而して請求項１のものは、水路内において該水路の軸方向に配向された回転軸の軸心回りに回転可能に設けられた水車を含むロータと、該ロータの外周側に配置されたステータとを有し、該水路内の水流により該ロータを回転させて発電を行う軸流式の小型水力発電機において、前記ロータを軸方向に移動可能に設けるとともに該ロータを水流の向きとは逆方向にばねにて付勢し、水流停止状態で該ロータを前記ステータから軸方向に離れた位置に位置させ、水流の発生により該ロータを軸方向において該ステータ側に前記ばねの付勢力に抗して移動させるようになしてあるとともに、前記水路内の最大水流量の下で前記ロータを前記ステータに対し半径方向に対向する位置で軸方向の移動を停止するようになしてあり、且つ前記ばねは、前記ロータが前記ステータに対し前記半径方向に対向する位置で軸方向に密着した状態となって該ロータの前記軸方向の移動を停止させるストッパ手段を兼用するものとなしてあることを特徴とする。
【００１０】
【作用及び発明の効果】
以上のように本発明は、水車を含むロータを軸方向に移動可能となすとともにばねにより水流の向きとは逆方向に付勢し、水流停止状態でロータをステータから軸方向に離れた位置に位置させ、そして水流の発生によりロータを回転開始させるとともに水流による軸方向の押動力によりばねの付勢力に抗してステータ側に移動させ、そしてストッパ手段を兼ねたばねのストッパ作用により水路内の最大水流量の下でロータをステータに対し半径方向に対向する軸方向位置に保ち、それ以上には移動しないようになしたもので、本発明によれば、水路内に水流が生じて水車を含むロータが回転開始する際、ロータとステータとの間に働くディテントトルクから開放された状態でロータを回転開始させることができる。
従ってその際微弱な水流の下でも円滑にロータを回転開始させることができる。
【００１１】
そして慣性力により回転を保ちながらロータがばねの付勢力に抗してステータ側に、即ち発電効率の高い位置に移動して回転するため、効率的に発電を行うことができる。
【００１２】
本発明の軸流式の小型水力発電機によれば、水車を含むロータの回転のために水路を直角に曲げたりしなくても良く、また小水流量の下でも円滑にロータを回転させることができ、そしてディテントトルクに負けない強い回転力が水流からロータに加えられるようになった段階では、ロータをステータに対し半径方向に対向する位置に位置させて高効率で発電を行わせることができる。
【００１３】
本発明では、上記ばねの先端をスラスト軸受を介して水車に当接させておくことができ、このようにすることでばねの付勢力を水車に対して及ぼしつつ水車を含むロータを円滑に回転させることができる。
【００１４】
【実施例】
次に本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明する。
図１において、１０は本例の軸流式の小型水力発電機（以下単に水力発電機）で、円筒形状のケーシング１２と、ステータ１４と、ケーシング１２内部に配設された水車１６を含むロータ１８とを有している。
ここでステータ１４はコイル２０とヨーク２２とを有している。
【００１５】
ケーシング１２の内部には水路２４が形成されており、この水路２４上に且つ軸方向に距離を隔てて一対の支持部材２６が配設されている。これら一対の支持部材２６には貫通穴３８が形成されている。
【００１６】
２８はロータ１８の回転軸で、軸方向の両端部が一対の支持部材２６によって非回転状態に保持されている。
そしてこの回転軸２８の軸心回りに回転可能な状態で上記ロータ１８が配設されている。
【００１７】
ここでロータ１８は、水車１６の外周面に水車１６と一体回転状態に設けられた円筒形状のマグネット３２を有している。
また水車１６には、スクリュー状の羽根３０が内筒部３１から外筒部３３にかけて設けられている。
【００１８】
水車１６は、この内筒部３１において回転軸２８の外周面に回転可能に外嵌されている。
この水車１６を含むロータ１８は、回転軸２８に対し軸方向に移動可能とされている。
【００１９】
回転軸２８の外周側には、圧縮コイルスプリングから成るばね３４が嵌装されている。
ばね３４は、その一端を支持部材２６に当接させ、また他端をスラスト軸受３６を介してロータ１８、詳しくは水車１６の内筒部３１に当接させている。
【００２０】
次に本例の水力発電機１０の作用を詳しく説明する。
本例において、ロータ１８は水路２４内に水流が生じていないとき（水流停止状態）、ばね３４の付勢力でステータ１４に対して半径方向に対向する位置から図１中右方向に移動した位置で停止している。
この状態では、ロータ１８がステータ１４に対し軸方向に距離Ｌ１（図３(Ｉ)参照）離隔していることから、ロータ１８とステータ１４との間に回転方向のブレーキ力、即ちディテントトルクは生じない。
【００２１】
従ってこの状態で、図３（Ｉ）に示しているように水路２４内に図中左向きの水流が生ずると、ロータ１８はそのディテントトルクによる回転抵抗を受けないで円滑に回転運動し始める。
このとき、図２に示しているように水車１６には水流による図中左向きの、つまりばね３４の付勢力とは反対方向のスラスト力と回転方向の力とが作用する。
ロータ１８はこの回転方向の力、即ち回転方向の成分によって回転運動する。
【００２２】
ロータ１８はこのようにして水流発生と同時、即ち通水開始と同時に回転運動し、これとともに上記水流によるスラスト力（押動作用）によってばね３４の付勢力に抗し図中左向きに移動開始する。
図３（II）はこのときの状態を表している。但し図３（II）は水路２４内に生ずる水流が小水流量のときを表している。
【００２３】
このとき、図３（II）に示しているようにロータ１８はステータ１４に対向する位置まで軸方向に移動せず、ステータ１４から距離Ｌ２離れた途中の位置で止まって回転運動を継続する。
そしてこのロータ１８の回転運動に基づいて発電が行われる。
【００２４】
この図３（II）に示すよりも更に水路２４内に生ずる水流量が増し、ロータ１８に対するスラスト力が更に増大すると、ロータ１８は図３（III）に示しているようにステータ１４に対して丁度半径方向に対向する位置に到り、その位置において回転運動を行って発電を継続する。
【００２５】
この図３（III）に示す状態、即ちロータ１８がステータ１４に対して軸方向の丁度同じ位置に位置している状態は発電効率が最も高い状態であり、この位置においてロータ１８が回転することによって高効率で発電が行われる。
【００２６】
またこの図３（III）に示す状態ではロータ１８の回転力も強いため、ロータ１８とステータ１４との間に働く電磁吸引力即ちブレーキ力（ディテントトルク）にも拘わらずロータ１８が良好に勢い良く回転運動することができる。
【００２７】
図３（III）に示す状態では、圧縮コイルスプリングから成るばね３４は、ばねの巻線同士（１巻１巻）が軸方向に密着した状態にあり、従ってこれ以上水流量が増してもロータ１８はこの状態から更に図中左方向に移動することはなく、図３に示す位置を保持しながら回転運動して発電を行う。
即ちこの例では、ばね３４自体がロータ１８をステータ１４に対し半径方向に対向する位置に位置決めするストッパ手段を兼ねている。
【００２８】
以上のように本例の水力発電機１０によれば、ロータ１８の回転のために水路２４を直角に曲げたりしなくても良く、また水流停止状態においてロータ１８をディテントトルクが働かない位置に位置させておくことができるため、水路２４内に水流が生じてロータ１８が回転開始する際、ディテントトルクから開放された条件下でロータ１８を回転開始させることができる。
従ってその際水路２４内の水流が微弱な水流であっても、円滑にロータ１８を回転開始させることができる。
【００２９】
回転開始したロータ１８は慣性力によって回転運動を続けながら水流の押動作用でばね３４の付勢力に抗して漸次ステータ１４側に軸方向に移動するため、ステータ１４との間でディテントトルクが働く位置に到っても回転運動を継続し、そして最終的にステータ１４に対し半径方向に対向する位置に到った段階で最も高効率で発電を行う。
【００３０】
本例では、ばね３４の先端をスラスト軸受３６を介して水車１６に当接させているため、ばね３４の付勢力を水車１６に対して及ぼしつつ水車１６を含むロータ１８を円滑に回転させることができる。
【００３１】
以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた形態で構成可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である軸流式の水力発電機を示す図である。
【図２】 図１の要部を示す斜視図である。
【図３】 図１の軸流式の水力発電機の作用説明図である。
【符号の説明】
１０ 水力発電機
１４ ステータ
１６ 水車
１８ ロータ
２４ 水路
２８ 回転軸
３４ ばね
３６ スラスト軸受
Claims (1)
- 水路内において該水路の軸方向に配向された回転軸の軸心回りに回転可能に設けられた水車を含むロータと、該ロータの外周側に配置されたステータとを有し、該水路内の水流により該ロータを回転させて発電を行う軸流式の小型水力発電機において、
前記ロータを軸方向に移動可能に設けるとともに該ロータを水流の向きとは逆方向にばねにて付勢し、水流停止状態で該ロータを前記ステータから軸方向に離れた位置に位置させ、水流の発生により該ロータを軸方向において該ステータ側に前記ばねの付勢力に抗して移動させるようになしてあるとともに、
前記水路内の最大水流量の下で前記ロータを前記ステータに対し半径方向に対向する位置で軸方向の移動を停止するようになしてあり、
且つ前記ばねは、前記ロータが前記ステータに対し前記半径方向に対向する位置で軸方向に密着した状態となって該ロータの前記軸方向の移動を停止させるストッパ手段を兼用するものとなしてあることを特徴とする軸流式の小型水力発電機。
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| JP2003050108A JP4414144B2 (ja) | 2003-02-26 | 2003-02-26 | 軸流式の小型水力発電機 |
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| JP2004257330A JP2004257330A (ja) | 2004-09-16 |
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