JP6180261B2 - 水力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、水車の回転により発電する水力発電装置に関する。

自動水栓では吐水動作を制御するために人感センサが用いられる。人感センサは、通常、起動した状態で長時間使用される。よって、その消費電力を補うため、自動水栓の給水路に水力発電装置が設置されることがある。これにより得られた電力は二次電池に蓄電され、人感センサ等の電子機器に利用される。

この水力発電装置では、通常、水車の上流側に流体を絞る噴出通路が設けられる。噴出通路を通った流体は流速が速められて水車の羽根に当たるため、小流量でも水車を回転させて発電できる。しかし、大流量の流体を流す場合、噴出通路を通った流体は流速が速くなりすぎ、水車が過度に高速回転してしまう。その結果、軸受け等が早く摩耗しかねない。

電子機器の消費電力を補う用途ではないが、この対策を実現できる水力発電装置が提案されている（特許文献１参照）。この水力発電装置では、サーボモータ等を使用して電気的に噴出通路の大きさが制御される。小流量のときは噴出通路を小さくして水車を回転させ易くし、大流量のときは噴出通路を大きくして水車の高速回転が抑えられる。

特開平１０−２６０７２号

特許文献１の構造では、モータ等の駆動のために電力が必要となる。水力発電所等の大規模施設では外部電源を確保し易いが、住宅等の小規模施設では設置場所によっては外部電源を確保し難い。

本発明は、このような課題に鑑みてなされ、その目的は、住宅等の小規模施設での使用に適した水力発電装置を提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明のある態様は、水力発電装置に関する。水力発電装置は、流体流路に配置された水車と、水車の回転により発電する発電機と、流体流路を流れる流体を絞って水車の羽根に吹き付ける噴出通路と、流体流路を流れる流体の圧力を受けて変位して、噴出通路の通路断面積を変化させる受圧変位体と、を備えることを特徴とする。

この態様によれば、流体流路を流れる流体の圧力に応じて噴出通路の通路断面積を変化させて、その圧力に応じた適切な大きさの通路断面積にできる。また、受圧変位体が流体流路を流れる流体の圧力を受けて無電源で変位する。よって、住宅等の小規模施設のように、外部電源を確保し難く、小エネルギーしか利用できない環境での使用に適する。

また、前述の態様において、受圧変位体は、水車の回転軸の軸方向に沿って変位してもよい。この態様によれば、回転軸の軸直交断面において、受圧変位体の動作により噴出通路内で流体の流れる向きが変わらず、噴出通路内での圧力損失を抑えられる。

また、前述の態様において、受圧変位体を付勢する付勢部材を更に備え、受圧変位体は、付勢部材による付勢力に抗して変位してもよい。この態様によれば、付勢部材の付勢力を適切に選択すれば、流体の圧力に対する受圧変位体の応答特性を自由に調整できる。

また、前述の態様において、受圧変位体は、初期位置にあるとき噴出通路を開放してもよい。この態様によれば、小流量の流体が流れるときでも、受圧変位体の変位を伴わずに噴出通路から流体が吹き付けられ、受圧変位体の変位に伴うエネルギー損失が抑えられる。

また、前述の態様において、水車の回転数に基づき流体流路を流れる流体の流量を検出する流量検出部を更に備えてもよい。この態様によれば、水車の回転を利用して発電しつつ流体の流量を測定できる。

また、前述の態様において、発電機により発電された電力により電子情報を送信する送信部を更に備えてもよい。この態様によれば、送信部による電子情報の送信に必要な電力を外部電源を用いずに利用でき、水力発電装置の設置場所が限定され難くなる。また、この態様において、流体流路を流れる流体に関する物理量を測定する測定部を更に備え、送信部は、測定部により測定された測定情報を送信してもよい。この態様によれば、測定部により測定された測定情報を外部の電子機器に送信すれば、その測定情報をエネルギー管理に利用できる。

本発明によれば、住宅等の小規模施設のように、外部電源を確保し難く、小エネルギーしか利用できない環境での使用に適した水力発電装置を提供できる。

第１実施形態に係る水力発電装置を示す正面断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）は第１実施形態に係る噴出通路を示す図であり、（ｂ）は受圧変位体の断面積調整部が変位した状態を示す図である。 第１実施形態に係る水力発電装置の受圧変位体が変位した状態を示す正面断面図である。 第１実施形態に係る水力発電装置のブロック図である。 流体流路を流れる流体の流量と水車の回転数との関係の例を示すグラフである。 （ａ）は第２実施形態に係る水力発電装置を示す拡大平面断面図であり、（ｂ）は受圧変位体が変位した状態を示す図である。 （ａ）は第２実施形態に係る水力発電装置の噴出通路を示す図であり、（ｂ）は受圧変位体の断面積調整部が変位した状態を示す図である。 （ａ）は第３実施形態に係る水力発電装置を示す拡大平面断面図であり、（ｂ）は受圧変位体が変位した状態を示す図である。 （ａ）は第３実施形態に係る水力発電装置の噴出通路を示す図であり、（ｂ）は受圧変位体の断面積調整部が変位した状態を示す図である。

［第１の実施の形態］
図１は第１実施形態に係る水力発電装置１０を示し、図２は図１のＡ−Ａ線断面図を示す。以下、便宜上、図示の状態を基準に各構成要素の位置関係を表現する。

水力発電装置１０は、自動水栓（図示せず）の吐水口に給水する給水路の途中に設置されるが、その用途はこれに限定されない。水力発電装置１０は、ハウジング２０と、水車５０と、発電機６０と、噴出通路７０と、受圧変位体８０と、付勢部材１００を備える。

ハウジング２０は、上側ボディ２１（第１ボディ）と、下側ボディ２３（第２ボディ）と、蓋ケース２５を備える。各ボディ２１、２３は、合成樹脂等を素材とし、蓋ケース２５は、ステンレス鋼等を素材として成形される。

上側ボディ２１の上部には凹状の上側収納部２１ａが形成される。上側収納部２１ａにはカップ状の蓋ケース２５が配置され、蓋ケース２５はボルト等の固定具（図示せず）により上側ボディ２１に固定される。上側ボディ２１の下部には凹状の第１収納部２１ｂが形成される。第１収納部２１ｂには、その凹底面から下側に突出する筒状のガイド部２１ｃが設けられる。上側ボディ２１にはガイド部２１ｃ内を通して上下に貫通する貫通孔２１ｄが設けられる。下側ボディ２３には凹状の第２収納部２３ａが形成される。上側ボディ２１と下側ボディ２３は、第１収納部２１ｂ、第２収納部２３ａを対向させて配置され、ボルト等の固定具（図示せず）により固定される。

ハウジング２０には、第１収納部２１ｂと第２収納部２３ａにより構成される下側収納部２７が設けられる。下側収納部２７には受圧変位体８０が配置され、受圧変位体８０により副室２７ａと導出室２７ｂとに区画される。

ハウジング２０には、流入路２９と、流出路３１と、これらを連通する流体流路３３が形成される。流入路２９は上側ボディ２１に形成され、流出路３１は下側ボディ２３に形成される。流体流路３３は、導入室３５と、噴出通路７０と、水車室３７と、導出室２７ｂを含む。これらは流体流路３３の上流側から下流側にかけて順に設けられる。また、流体流路３３は、副室２７ａを更に含む。水車室３７には水車５０が配置される。

導入室３５と水車室３７は、上側収納部２１ａ内にて上側ボディ２１と蓋ケース２５との間に設けられる。上側ボディ２１と蓋ケース２５との間には区画部材３９が配置される。区画部材３９は、水車５０の回転軸５１（後述する）と同軸状に設けられる筒状の周壁部３９ａと、周壁部３９ａの上部から外周側に延びる環状部３９ｂとを含む。上側ボディ２１と蓋ケース２５の間は、区画部材３９の周壁部３９ａ及び環状部３９ｂにより、導入室３５と水車室３７に区画される。なお、環状部３９ｂと上側収納部２１ａはＯリング等のシール部材４１によりシールされる。

導入室３５は、上側ボディ２１に形成された通水孔２１ｅを通して副室２７ａと連通される。導入室３５は、図２に示すように、水車室３７の水車５０を取り囲むように環状に設けられる。

図１に戻り、水車５０には水車５０と一体に回転可能な回転軸５１が取り付けられる。回転軸５１は、その上部が上側軸受け（図示せず）により蓋ケース２５に回転自在に支持され、その下部が下側軸受け（図示せず）により下側ボディ２３に回転自在に支持される。つまり、水車５０は、回転軸５１を回転中心としてハウジング２０に回転自在に支持される。

水車５０は、回転軸５１を中心として放射状に設けられた複数の羽根５７と、羽根５７の上下に設けられた円板状の一対の回転板５９とを含む。下側の回転板５９には上下に貫通する貫通孔５９ａが形成される。

発電機６０は、ロータ部６１と、ステータ部６３を含む。ロータ部６１は、水車５０の回転軸５１の上部、つまり、回転軸５１の一部に設けられる。ロータ部６１は、回転軸５１と一体に回転可能に設けられる。ロータ部６１には永久磁石等の磁石６２が取り付けられる。磁石６２は、回転軸５１の周方向に異なる磁極が交互に位置する。

ステータ部６３は、ロータ部６１の外周側に間隔を空けて、つまり、ロータ部６１の径方向に間隔を空けて配置される。ロータ部６１は、ステータ部６３の内周側で回転するインナーロータとして構成されるが、アウターロータとして構成されてもよい。ステータ部６３は、図示の例では、蓋ケース２５に設けられた凹状のステータ収納室内に設けられる。ステータ部６３には、蓋ケース２５に接するように軟磁性材料のヨーク６４が装着される。ヨーク６４は、ボルト等の固定具（図示せず）により上側ボディ２１に固定される。ステータ部６３のヨーク６４内には、ステータコイル６５を巻き付けたコイルボビン６６が装着される。

発電機６０は、水車５０の回転によりロータ部６１の磁石６２が回転すると、磁石６２からヨーク６４に伝わる磁束の流れが変化し、電磁誘導によりこの変化を妨げる方向にステータコイル６５に起電力が生じて発電する。つまり、発電機６０は、水車５０の回転により、ステータ部６３に対してロータ部６１が回転して発電する。この起電力による電流は、ステータコイル６５に接続された導線等の導体（図示せず）を通じて取り出され、後述する流量検出部１１３や送信部１２０で使用される。

噴出通路７０は、図２に示すように、水車５０の周方向に間隔を空けて複数（図示は３つ）設けられる。噴出通路７０は、導入室３５と水車室３７を連通し、流体流路３３にて水車５０の上流側に設けられる。噴出通路７０は、その中心軸線Ｌ１が、水車５０の回転軸５１から外周側にずれた位置であって、水車５０の羽根５７と交差する位置を通過するように設けられる。噴出通路７０は、導入室３５を流れる流体を絞って、流体の流速を速めて水車５０の羽根５７に吹き付け可能な通路断面積となるように構成される。水車５０の羽根５７には、導入室３５から噴出通路７０を通して吹き付けられた流体が周方向側面にあたる。

図３（ａ）は、噴出通路７０を示す図であり、図２のＢ−Ｂ線断面図でもある。噴出通路７０は、区画部材３９の周壁部３９ａに形成されたスリット３９ｃと、後述する受圧変位体８０の断面積調整部８４とにより囲まれて形成される。スリット３９ｃは、水車５０の回転軸５１の一方（上側）に凹み、他方（下側）に開口する。

図１に戻り、受圧変位体８０は、下側スライド部材８１と、上側スライド部材８３と、ダイアフラム８５を含む。下側スライド部材８１は、筒状の内側摺動部８１ａと、筒状の外周部８１ｂを含み、内側摺動部８１ａと外周部８１ｂにより段付筒状に形成される。内側摺動部８１ａは、その内側に上側ボディ２１のガイド部２１ｃが上下に摺動自在に設けられる。

上側スライド部材８３は、筒状の基部８３ａと、基部８３ａから上側に突出して設けられた複数の断面積調整部８４とを含む。上側スライド部材８３は、基部８３ａに設けられた雌ねじ部を内側摺動部８１ａに設けられた雄ねじ部にねじ込む等して下側スライド部材８１に固定される。

断面積調整部８４は、噴出通路７０の数に対応した数（図示は３つ）で設けられる。断面積調整部８４の上部は、図３（ａ）に示すように、上側ボディ２１に形成された通孔２１ｆを通して区画部材３９のスリット３９ｃ内に挿入される。断面積調整部８４は、スリット３９ｃの少なくとも一部を塞ぐように配置され、そのスリット３９ｃ内を上下に摺動自在に設けられる。

図１に戻り、ダイアフラム８５は、可撓性を有するゴム等の弾性体により構成される。ダイアフラム８５は、内周側の厚肉の内側厚肉部８５ａと、外周側の厚肉の外側厚肉部８５ｂと、これらの間に架設された薄肉の本体部８５ｃを含む。内側厚肉部８５ａは、下側スライド部材８１の段差面と基部８３ａの下面とにより挟まれて保持される。外側厚肉部８５ｂは、上側ボディ２１の下面に設けられた環状溝としての嵌合部２１ｇ内に配置される。外側厚肉部８５ｂは、嵌合部２１ｇの内壁面と下側ボディ２３に設けられた環状突起としての押さえ部２３ｂとにより挟まれて保持される。

受圧変位体８０は、内側厚肉部８５ａの一部に副室２７ａ内に露出した受圧面８７が設けられる。受圧変位体８０は、受圧面８７により副室２７ａ内の流体の圧力を受けて変位する。このとき、図４に示すように、下側スライド部材８１の内側摺動部８１ａがガイド部２１ｃをガイドとして上下に摺動し、受圧変位体８０が水車５０の回転軸５１の軸方向に沿って変位する。

なお、図１に戻り、ハウジング２０の下側収納部２７には、上側スライド部材８３の基部８３ａの上面と対向する第１ストッパ面４３が設けられる。下側収納部２７には、下側スライド部材８１の外周部８１ｂの下面と対向する第２ストッパ面４４が設けられる。

付勢部材１００は、導出室２７ｂ内にて受圧変位体８０と下側ボディ２３との間に配置される。付勢部材１００は、圧縮ばね等の弾性体である。受圧変位体８０は、第１ストッパ面４３に係合される初期位置にて、回転軸５１の軸方向の一方（上側）への変位が規制される。付勢部材１００は、この初期位置に向けて受圧変位体８０を付勢する。受圧変位体８０は、主として、副室２７ａ内の流体の圧力を受圧面８７で受けて、付勢部材１００による付勢力に抗して下側に向けて変位する。受圧変位体８０は、図４に示すように、第２ストッパ面４４に係合される停止位置にて、回転軸５１の軸方向の他方（下側）への変位が規制される。

ここで、噴出通路７０は、図３（ａ）に示すように、受圧変位体８０が初期位置にあるとき、噴出通路７０を開放する。このとき、噴出通路７０は、所定の大きさの通路断面積Ｓ１を有する。この通路断面積Ｓ１は、本実施形態において、比較的に小さい所定の流量の流体が流体流路３３を流れたとき、噴出通路７０から吹き付けられる流体により水車５０が回転できるように調整される。なお、水車５０は、停止時に磁石６２が磁力によりステータコイル６５に吸引されて保持されるので、その保持力に抗して回転できるように通路断面積Ｓ１の大きさが調整される。また、ここでいう通路断面積とは、噴出通路７０の中心軸線Ｌ１に直交する断面での噴出通路７０の断面積をいう。

受圧変位体８０が初期位置から変位すると、図３（ｂ）に示すように、区画部材３９のスリット３９ｃ内において、水車５０の回転軸の他方（下側）に断面積調整部８４が変位する。断面積調整部８４が変位すると、断面積調整部８４の変位方向の側面（上面）、つまり、噴出通路７０を構成する面の一部が変位して、噴出通路７０の通路断面積が大きくなるように変化する。噴出通路７０は、受圧変位体８０が停止位置まで変位すると、受圧変位体８０の変位可能範囲内で最も通路断面積が大きくなる。

図５は、水力発電装置１０の概略的な構成を示すブロック図である。水力発電装置１０は、水車５０と、発電機６０との他に、測定部１１０と、送信部１２０を含む。

測定部１１０は、流体流路３３を流れる流体に関する物理量を測定する。測定部１１０は、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリ、回路、素子等で実現できる。測定部１１０は、センサ１１１と、流量検出部１１３とを含む。

センサ１１１は、本実施形態において、下側ボディ２３に設置された温度センサ（図示せず）であり、流体流路３３を流れる流体の温度を測定する。センサ１１１は、この他にも、流体流路３３を流れる流体の圧力を測定する圧力センサ等の公知のセンサでもよい。

流量検出部１１３は、水車５０の回転数に基づき流体流路３３を流れる流体の流量を検出する。この流体の流量は、水車５０の回転数に依存している。よって、これらの関係を予め求めたうえで水車５０の回転数を求めれば流体の流量が検出される。この関係は、実験、解析等により求めればよい。水車５０の回転数は、発電機６０から出力される交流電流の周波数に比例している。本実施形態に係る流量検出部１１３は、発電機６０から出力される交流電流の周波数に基づき水車５０の回転数を求める。交流電流の周波数は、たとえば、交流電流の波形を矩形波に整形し、その矩形波の数をカウントして算出される。

測定部１１０は、測定して得られた測定情報を送信部１２０に出力する。この測定情報には、温度センサにより測定された流体の温度を示す温度情報や、流量検出部１１３により求めた水車５０の回転数を示す情報、つまり、流体の流量を示す流量情報が含まれる。

送信部１２０は、無線により外部の電子機器（図示せず）に電子情報を送信する送信機により構成される。この電子情報には測定部１１０により測定された測定情報が含まれる。なお、送信部１２０は有線により送信してもよい。

測定部１１０と送信部１２０は、発電機６０により発電された電力により動作する。測定部１１０は、その電力により動作して流体に関する物理量を測定し、測定情報を送信部１２０に出力する。送信部１２０は、その電力により動作して、送信部１２０から出力された測定情報を含む電子情報を送信する。ここで、発電機６０により発電された電力は、ステータコイル６５から導体を通じて交流電流として取り出される。測定部１１０と送信部１２０は、本実施形態において、その交流電流を全波整流して得られた直流電流により動作する。なお、発電機６０により発電された電力を二次電池に蓄電して、その二次電池に蓄電された電力により動作してもよい。

以上の水力発電装置１０の動作を説明する。水等の流体は、図１に示すように、流入路２９から流入し、流体流路３３を通過して、流出路３１から流出する。流体流路３３では、流入路２９から導入室３５に流体が流入すると、導入室３５から通水孔２１ｅを通して副室２７ａ内にも流入する。導入室３５内に流体が貯まると、噴出通路７０を通して水車５０の羽根５７に流体が吹き付けられる。水車５０は、羽根５７にあたった流体の勢いにより回転軸５１と一体に一定方向に回転する。水車５０の羽根５７にあたった流体は、水車５０の回転板５９の貫通孔５９ａと、上側ボディ２１のガイド部２１ｃの貫通孔２１ｄとを通して導出室２７ｂに導かれ、導出室２７ｂから流出路３１に流出する。

ここで、図４に示すように、導入室３５、副室２７ａ、噴出通路７０内の流体の圧力が上昇すると、受圧変位体８０が変位して、噴出通路７０の通路断面積が大きくなる。これら流体の圧力は、主として、受圧変位体８０の受圧面８７や断面積調整部８４の変位方向の側面（上面）により受けられる。一方、受圧変位体８０が変位しているとき、導入室３５、副室２７ａ内の流体の圧力が低下すると、受圧変位体８０が変位して、噴出通路７０の通路断面積が小さくなる。このように、受圧変位体８０は、流体流路３３を流れる流体の圧力を受けて、自動的、かつ、無電源で変位する。受圧変位体８０は、初期位置と停止位置との間の変位可能範囲にあるとき、導入室３５、副室２７ａ、噴出通路７０内の流体から受圧変位体８０が受ける圧力と付勢部材１００の付勢力が釣り合う位置で停止する。

以上の水力発電装置１０によれば、流体流路３３を流れる流体の圧力に応じて噴出通路７０の通路断面積を変化させて、その圧力に応じた適切な大きさの通路断面積にできる。

つまり、流体流路３３を流れる流体の流量が小さいとき、噴出通路７０の通路断面積を小さいままとし、その流体を噴出通路７０により絞って流速を速めたうえで水車５０の羽根５７に吹き付けて、水車５０を回転させられる。よって、小流量でも水車５０を回転させて、発電機６０による発電を開始できる。

また、流体流路３３を流れる流体の流量が大きいとき、噴出通路７０の通路断面積を大きくし、噴出通路７０から吹き付けられる流体の流速を抑え、大流量での水車５０の高速回転を抑えられる。水車５０の高速回転を抑えられると、水車５０の回転軸５１等の回転に伴う磨耗が抑えられ、ハウジング２０の耐久性を向上できる。また、流体の流量が大きいときでも、噴出通路７０の通路断面積を大きくできるため、噴出通路７０での流体への抵抗が抑えられ、大流量での噴出通路７０による圧力損失が抑えられる。

なお、大流量での流体流路での圧力損失が大きいと、流体流路に流体を通過させるため、上流側での流体圧力を増加させる必要がある。しかし、流体圧力を過度に増加させると、ハウジングの負荷が増大し、耐久性の低下を招く。よって、通常、流体流路の上流側に定流量弁を設置し、流体流路に大流量の流体が流れないようにしていた。一方、本実施形態に係る水力発電装置１０によれば、大流量での噴出通路７０による圧力損失が抑えられるため、使用可能な流量の範囲が広がるうえ、流体流路３３の上流側の定流量弁が不要となる。

また、従来では、小流量で発電を開始しつつ、大流量での水車の高速回転を防止するため、特開２００５−２９９６３４号公報に記載のような、水車を迂回するバイパス流路を設けた水力発電装置が提案されている。この水力発電装置では、小流量のときは全流体を水車に流し、大流量のときは弁を開いて一部の流体をバイパス流路に流している。一方、本実施形態に係る水力発電装置１０によれば、バイパス流路を設けなくともよいため、流体流路３３を流れる流体の一部を無駄にせずに水車５０の回転に利用でき、発電機６０により効果的に発電できる。

また、本実施形態に係る水力発電装置１０によれば、受圧変位体８０が流体流路３３を流れる流体の圧力を受けて無電源で変位する。よって、住宅等の小規模施設のように、外部電源を確保し難く、小エネルギーしか利用できない環境での使用に適する。

また、受圧変位体８０が水車５０の回転軸５１の軸方向に沿って変位するため、その回転軸５１の軸直交断面において、受圧変位体８０の動作により噴出通路７０内で流体の流れる向きが変わらず、噴出通路７０内での圧力損失を抑えられる。また、噴出通路７０から吹き付けられる流体の向きが受圧変位体８０の動作により変わらないため、受圧変位体８０の動作によらず水車５０を安定して回転させられる。

また、受圧変位体８０を付勢する付勢部材１００が設けられるため、圧縮ばねの弾性力、つまり、付勢部材１００の付勢力を適切に選択すれば、流体の圧力に対する受圧変位体８０の応答特性を自由に調整できる。よって、後述のように、たとえば、大流量での流体の流量を精度よく測定できるような、流量特性に特化させた水力発電装置１０を製造できる。

また、受圧変位体８０は、初期位置にあるとき噴出通路７０を開放する。よって、小流量の流体が流れるときでも、受圧変位体８０の変位を伴わずに噴出通路７０から流体が吹き付けられ、受圧変位体８０の変位に伴うエネルギー損失が抑えられる。このエネルギー損失は、受圧変位体８０が摩擦力、付勢力等の抵抗力に抗して変位して生じる。また、噴出通路７０を構成する面の一部（断面積調整部８４）で流体の圧力を受けて、初期位置にある受圧変位体８０を変位させられる。また、所定の大きさの通路断面積Ｓ１に調整等すれば、目的に合わせた流量の流体が流れたときに発電機６０で発電を開始できる。

また、発電機６０と流量検出部１１３を備えるため、水車５０の回転を利用して発電しつつ流体の流量を測定できる。特に、後述のように、バイパス流路を利用しないため、大流量でも流体の流量を精度よく求められる。また、流量検出部１１３は発電機６０により発電された電力により動作するため、外部電源を用いずに流体の流量を測定できる。

また、発電機６０により発電された電力により送信部１２０が動作するため、送信部１２０による電子情報の送信に必要な電力を外部電源を用いずに利用でき、水力発電装置１０の設置場所が限定され難くなる。

また、測定部１１０より流体に関する物理量を測定し、測定情報を送信部１２０が送信するため、その測定情報を水力発電装置１０の外部の電子機器に送信すれば、その測定情報をエネルギー管理に利用できる。また、発電機６０により発電された電力により測定部１１０が動作するため、外部電源を用いずにセンサ等を追加できる。

図６（ａ）は、流体流路３３を流れる流体の流量と水車５０の回転数との関係の一例を示す。図示の例では、本実施形態に係る水力発電装置１０での流量に対する回転数の関係を実線で示す。また、参考例として、バイパス流路を設けた水力発電装置での関係を一点鎖線で示す。バイパス流路を設けた水力発電装置では、流量Ｑ１のときに弁を開いて一部の流体をバイパス流路に流している。

図示の例では、流量Ｑ１で受圧変位体８０が初期位置から変位し、流量Ｑ２で受圧変位体８０が停止位置で停止する。つまり、流量Ｑ１から流量Ｑ２までの範囲が受圧変位体８０の変位可能範囲となる。付勢部材１００は、導入室３５、副室２７ａ内の流体の圧力の増大に対して、その変位量が比較的に緩やかとなるようにばね定数等のばね特性が設計される。このとき、流量Ｑ１から流量Ｑ２までの範囲で、流体の流量と水車５０の回転数との間にほぼ線形性が成立する。よって、流量Ｑ１から流量Ｑ２までの範囲を流量測定範囲とすれば、水車５０の回転数から大流量でも流体の流量を精度よく求められる。

バイパス流路を設けた水力発電装置では、流量Ｑ１以上の範囲のとき、全流体の一部がバイパス流路に流れるため、流体の流量と水車５０の回転数との間の線形性が悪化する。よって、水車５０の回転数から大流量での流体の流量を精度よく求めにくくなる。一方、本実施形態に係る水力発電装置１０によれば、付勢部材１００のばね特性等の部材特性の設計により、水車５０の回転数から大流量での流体の流量を精度よく求められる。

図６（ｂ）は、流量検出部１１３により測定される流体の流量と水車５０の回転数との関係の別の例を示す。図示の例では、流量Ｑ３から流量Ｑ４までの範囲が受圧変位体８０の変位可能範囲となる。付勢部材１００は、流量Ｑ３で受圧変位体８０が初期位置から変位しはじめたら、早期に停止位置まで変位するようにばね特性が設計される。このとき、流量Ｑ４以上の範囲で、流体の流量と水車５０の回転数との間に線形性が成立する。よって、流量Ｑ４以上の範囲を流量測定範囲とすれば、水車５０の回転数から流体の流量を精度よく求められる。なお、図示の例では、流量Ｑ４以上流量Ｑ５以下と小流量の限定された範囲を流量測定範囲とすることを想定している。

以上のように、受圧変位体８０の変位可能範囲を流量測定範囲としてもよいし、その変位可能範囲以外を流量測定範囲としてもよい。

［第２の実施の形態］
図７（ａ）は、第２実施形態に係る水力発電装置１０の拡大図を示す。本実施形態では、第１実施形態と比較して、ハウジング２０、噴出通路７０、受圧変位体８０、付勢部材１００の構成が主に相違する。以下、第１実施形態で説明した要素と同一の要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

ハウジング２０は、導入室３５内に隔壁体４５が固定される。隔壁体４５は、噴出通路７０の数に対応した数で設けられる。隔壁体４５は、その内側に内部空間４５ａが形成される。内部空間４５ａは、水車５０の回転軸５１の軸方向に対して垂直な一方向Ｐ１に沿って延びる。内部空間４５ａは、隔壁体４５とハウジング２０に形成された通気孔４５ｂを通してハウジング２０の外部空間に連通される。

噴出通路７０は、区画部材３９の周壁部３９ａに形成されたスリット３９ｃにより囲まれて形成される。噴出通路７０は、導入室３５から水車室３７に向かうにつれて、つまり、水車５０側に近づくにつれて先細となるように形成される。

受圧変位体８０は、導入室３５に配置される。受圧変位体８０は、断面積調整部８４と、膜体９１とを備える。断面積調整部８４は、その先端に向かうにつれて先細となるように形成される。断面積調整部８４は、噴出通路７０内に上流側から挿入される。断面積調整部８４は、弁孔としての噴出通路７０に対する弁体として機能する。断面積調整部８４は、図７（ｂ）に示すように、噴出通路７０に対して方向Ｐ１に離間又は近接して噴出通路７０を開閉し、噴出通路７０の開度を調整する。断面積調整部８４は、その基端側に設けられたロッド９２により膜体９１に接続される。

膜体９１は、隔壁体４５の内部空間４５ａと導入室３５とを仕切るように配置される。膜体９１は、その厚さ方向の片面が導入室３５内に露出した受圧面８７となる。受圧変位体８０は、受圧面８７により導入室３５内の流体の圧力を受けて変位する。このとき、膜体９１が隔壁体４５の内面をガイドとして方向Ｐ１に摺動し、受圧変位体８０が方向Ｐ１に沿って変位する。

付勢部材１００は、隔壁体４５の内部空間４５ａに配置される。隔壁体４５は、膜体９１の受圧面８７の一部と対向する第１ストッパ面４３が設けられる。受圧変位体８０は、膜体９１の受圧面８７の一部が第１ストッパ面４３に係合される初期位置にて、噴出通路７０に近接する方向への変位が規制される。付勢部材１００は、この初期位置に向けて受圧変位体８０を付勢する。

図８（ａ）は、噴出通路７０を示す図である。噴出通路７０は、受圧変位体８０が初期位置にあるとき、所定の大きさの通路断面積Ｓ１を有する。この通路断面積Ｓ１は、噴出通路７０の中心軸線Ｌ１に直交する断面において、スリット３９ｃの断面積から断面積調整部８４の断面積を減算した大きさとなる。受圧変位体８０が初期位置から変位すると、図８（ｂ）に示すように、噴出通路７０から断面積調整部８４が離間して噴出通路７０の開度が大きくなり、噴出通路７０の通路断面積が大きくなる。

以上の水力発電装置１０では、導入室３５内の流体の圧力が上昇すると、受圧変位体８０が変位して、噴出通路７０の通断面積が大きくなる。このとき、隔壁体４５内の内部空間４５ａは通気孔４５ｂを通して外部空間と連通されるため、膜体９１の変位によりその内部空間４５ａ内の空気が高圧化せず、受圧変位体８０の変位の抵抗とならない。

以上のように、受圧変位体８０は、第１実施形態のように、噴出通路７０を構成する面の一部を変位させて噴出通路７０の通路断面積を変化させてもよいし、第２実施形態のように、噴出通路７０の開度を調整して噴出通路７０の通路断面積を変化させてもよい。

［第３の実施の形態］
図９（ａ）は第３実施形態の水力発電装置１０の拡大図を示す。本実施形態では、第１実施形態と比較して、ハウジング２０、噴出通路７０、受圧変位体８０、付勢部材１００の構成が主に相違する。

ハウジング２０は、導入室３５内にガイド体４７が固定される。ガイド体４７は、噴出通路７０の数に対応した数で設けられる。ガイド体４７は、その内側面と区画部材３９の周壁部３９ａとにより囲まれた内側空間４７ａが形成される。内側空間４７ａは、水車５０の周方向Ｐ２に沿って延びる。内側空間４７ａは、区画部材３９の周壁部３９ａに形成された通気孔４５ｂを通して水車室３７と連通する。

噴出通路７０は、区画部材３９の周壁部３９ａに形成されたスリット３９ｃと、受圧変位体８０の断面積調整部８４により囲まれて形成される。

受圧変位体８０は、導入室３５に配置される。受圧変位体８０は、スライド部９３と、断面積調整部８４を含む。スライド部９３は、水車５０の周方向Ｐ２に沿って形成され、ガイド体４７の内側空間４７ａに配置される。スライド部９３は、ガイド体４７に対して周方向に摺動自在に設けられる。断面積調整部８４は、図９（ｂ）に示すように、スライド部９３が周方向Ｐ２に摺動すると、区画部材３９のスリット３９ｃ内で周方向Ｐ２に沿って変位する。断面積調整部８４は、その周方向端面が導入室３５及び噴出通路７０内に露出した受圧面８７となる。

付勢部材１００は、ガイド体４７の内側空間４７ａに配置される。ガイド体４７は、断面積調整部８４の周方向端面の一部と対向する第１ストッパ面４３が設けられる。受圧変位体８０は、断面積調整部８４の周方向端面の一部が第１ストッパ面４３に係合される初期位置にて、周方向の一方（図中左側）への変位が規制される。付勢部材１００は、この初期位置に向けて受圧変位体８０を付勢する。

図１０（ａ）は、噴出通路７０を示す図である。噴出通路７０は、受圧変位体８０が初期位置にあるとき、所定の大きさの通路断面積Ｓ１を有する。この通路断面積Ｓ１は、スリット３９ｃの内壁面３９ｄと、断面積調整部８４の変位方向（周方向Ｐ２）の端面８４ａとにより囲まれた断面の断面積となる。受圧変位体８０が初期位置から変位すると、図１０（ｂ）に示すように、スリット３９ｃ内で断面積調整部８４が周方向Ｐ２に沿って変位し、噴出通路７０の通路断面積が大きくなる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。また、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

発電機６０は、水車５０の回転により、ステータ部６３に対してロータ部６１が回転して発電するものであれば、図示の例に限定されず、公知の発電機が用いられてよい。

噴出通路７０は、スリット３９ｃの少なくとも一部を受圧変位体８０の断面積調整部８４で塞いで設けられる例を説明したが、スリットの他にも、ノズルのノズル孔等の少なくとも一部を断面積調整部８４により塞いで設けられてもよい。噴出通路７０は、受圧変位体８０が初期位置にあるとき、受圧変位体８０の断面積調整部８４により一部が塞がれた例を説明したが、すべてが塞がれてもよい。

受圧変位体８０は、流体流路３３を流れる流体の圧力が上昇すると、噴出通路７０の通路断面積が大きくなるように変化させた例を説明したが、噴出通路７０の通路断面積が小さくなるように変化させてもよい。また、受圧変位体８０は、複数の噴出通路７０のうち、すべての噴出通路７０の通路断面積を変化させたが、そのうちの一部の噴出通路７０の通路断面積のみを変化させてもよい。

流量検出部１１３は、発電機６０の出力に基づき水車５０の回転数を求め、その回転数に基づき流体流路３３を流れる流体の流量を検出したが、その方法は実施形態に限定されず、公知の方法が用いられてもよい。また、流量検出部１１３は、発電機６０の出力を用いずに、公知の方法により流体の流量を検出してもよい。この場合、たとえば、水車５０の回転軸５１や羽根５７等に別の磁石を設け、流量検出部１１３は、その磁石を検出するピックアップコイル等の磁気センサにより構成される。流量検出部１１３は、磁気センサの検出範囲を磁石が通過する度にパルス信号を出力し、そのパルス数をカウントして水車５０の回転数を求められる。

１０ 水力発電装置、２０ ハウジング、３３ 流体流路、３５ 導入室、３７ 水車室、３９ 区画部材、３９ａ 周壁部、３９ｂ 環状部、３９ｃ スリット、５０ 水車、５１ 回転軸、５７ 羽根、６０ 発電機、６１ ロータ部、６２ 磁石、６３ ステータ部、６５ ステータコイル、７０ 噴出通路、８０ 受圧変位体、８４ 断面積調整部、８７ 受圧面、１００ 付勢部材、１１０ 測定部、１１１ センサ、１１３ 流量検出部、１２０ 送信部。

Claims (6)

1. 流体流路が形成され、前記流体流路は上流側から順に導入室と水車室と導出室を含むハウジングと、
   前記水車室に配置された水車と、
   前記水車の回転により発電する発電機と、
   前記流体流路の一部として前記導入室と前記水車室の間に設けられ、前記導入室を流れる流体を絞って前記水車の羽根に吹き付ける噴出通路と、
   前記流体流路を流れる流体の圧力を受けて変位して、前記噴出通路の通路断面積を変化させる受圧変位体と、
   前記受圧変位体を付勢する付勢部材と、を備え、
   前記受圧変位体は、前記付勢部材による付勢力に抗して変位し、
   前記付勢部材は弾性体であることを特徴とする水力発電装置。
2. 前記受圧変位体は、前記水車の回転軸の軸方向に沿って変位することを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記受圧変位体は、初期位置にあるとき前記噴出通路を開放することを特徴とする請求項１または２に記載の水力発電装置。
4. 前記水車の回転数に基づき前記流体流路を流れる流体の流量を検出する流量検出部を更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の水力発電装置。
5. 前記発電機により発電された電力により電子情報を送信する送信部を更に備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の水力発電装置。
6. 前記流体流路を流れる流体に関する物理量を測定する測定部を更に備え、
   前記送信部は、前記測定部により測定された測定情報を送信することを特徴とする請求項５に記載の水力発電装置。

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