(57)【要約】【課題】バイパス流路を開閉する弁機構が滑らかに開閉動作を行うことのできる水力発電装置を提供すること。【解決手段】水力発電装置１において、弁機構９を構成する弁体９０の隔壁２１９との当接面に、フッ素系ゴムまたはフッ素樹脂からなるシール部材９６を固着させる。また、シール部材９６の表面には微細な凹凸を設け、隔壁２１９において、シール部材９６と当接する面を平滑面で構成する。このように構成することにより、弁機構９が閉から開状態となる際、弁体９０が隔壁２１９に固着することを防止できる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電用水車が配置された水車室を備えた発電用の第１の流路と、前記水車室に対して並列に構成されたバイパス用の第２の流路と、流体圧が上昇したときに前記第２の流路を閉状態から開状態に切り換える弁機構とを有する水力発電装置において、
前記弁機構は、前記第２の流路を構成する開口部を備えた隔壁と、前記開口部を開閉するための弁体と、該弁体を前記隔壁に接近する方向および離間方向に変位可能に支持する支持機構と、流体圧に抗して前記開口部を閉鎖する方向に前記弁体を付勢する付勢部材とを備え、
前記弁体の前記隔壁との当接面、および前記隔壁の前記弁体との当接面のうちの少なくとも一方の当接面は、フッ素系ゴムまたはフッ素系樹脂で構成されていることを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
請求項１において、前記弁体の前記隔壁との当接面、および前記隔壁の前記弁体との当接面のうち、前記フッ素系ゴムまたは前記フッ素系樹脂で構成された当接面は、表面に微細な凹凸が付与されている弾性体で構成されていることを特徴とする水力発電装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記弁体の前記隔壁との当接面、および前記隔壁の前記弁体との当接面のうち、いずれか一方の当接面が前記フッ素系ゴムまたは前記フッ素系樹脂で構成され、他方の当接面は平滑面で構成されていることを特徴とする水力発電装置。
【請求項４】
発電用水車が配置された水車室を備えた発電用の第１の流路と、前記水車室に対して並列に構成されたバイパス用の第２の流路と、流体圧が上昇したときに前記第２の流路を閉状態から開状態に切り換える弁機構とを有する水力発電装置において、
前記弁機構は、前記第２の流路を構成する開口部を備えた隔壁と、前記開口部を開閉するための弁体と、該弁体を前記隔壁に接近する方向および離間方向に変位可能に支持する支持機構と、流体圧に抗して前記開口部を閉鎖する方向に前記弁体を付勢する付勢部材とを備え、
前記弁体の前記隔壁との当接面、および前記隔壁の前記弁体との当接面のうちの一方の当接面は、表面に微細な凹凸が付与された弾性体で構成されていることを特徴とする水力発電装置。
【請求項５】
請求項４において、前記弁体の前記隔壁との当接面、および前記隔壁の前記弁体との当接面のうち、いずれか一方の当接面が前記弾性体で構成され、他方の当接面は平滑面で構成されていることを特徴とする水力発電装置。
【請求項６】
請求項２、４または５において、前記微細な凹凸は、梨地状、網目状、または同心円状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７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記一方の当接面は、前記弁体の前記隔壁との当接面であって、当該当接面は、前記弁体の弁体本体と別部材で構成されたシール部材からなり、
当該シール部材は、前記弁体本体において前記隔壁と対向する弁部および該弁部の外周面を覆っていることを特徴とする水力発電装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかにおいて、前記支持機構は、前記弁体および前記隔壁のうちの一方側に形成された軸部と、他方側で当該軸部を支持する軸受部とを備え、
前記隔壁では、前記軸部または前記軸受部が前記開口部の内周面から内側に向けて延びた連結部によって前記開口部の内側に保持されており、
当該連結部は、前記隔壁の前記弁体との当接面の一部を構成していることを特徴とする水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水道水などを利用して発電を行う水力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、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などに供給する装置も案出されている。
【０００３】
このような水力発電装置において、水車室に供給される水量が増大すると、発電用水車の回転速度が高くなりすぎて、がたつきやノイズが発生する、発電用水車に対する軸受などが磨耗してしまう等の問題点がある。また、水力発電装置からの出力電圧が規格上限値を超えてしまうことがある。そこで、発電用水車が配置された水車室を備えた発電用の第１の流路と、水車室に対して並列に構成されたバイパス用の第２の流路とを構成し、弁機構によって、流体圧が上昇したときに第２の流路を閉状態から開状態に切り換えることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような弁機構は、例えば、図１１に示すように、バイパス用の第２の流路を構成する開口部３８″を備えた隔壁２１９″と、開口部３８″を開閉するための弁体９０″と、この弁体９０″に形成された穴９８″に先端側に嵌ることにより弁体９０″を隔壁２１９″に接近する方向および離間方向に変位可能に支持する軸部９７″と、流体圧に抗して開口部３８″を閉鎖する方向に弁体を付勢するコイルバネ９５″とによって構成できる。また、弁体９０″の隔壁２１９″との当接面にシール部材を設けた構成も提案されている。
【特許文献１】特開２００３−１２９９３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図１１に示すような弁機構において、弁体９０″に設けたシール部材が不適切であると、弁体９０″がシール部材を介して隔壁２１９″に固着してしまい、水圧が所定レベル以上になっても、弁体９０″が変位しないなど、弁機構の滑らかな開動作が妨げられてしまうという問題点がある。また、シール部材が隔壁２１９″に固着すると、弁機構を閉状態から開状態にする際、シール部材自体が破断してしまうおそれもある。
【０００６】
以上の問題に鑑みて、本発明の課題は、バイパス流路を開閉する弁機構が滑らかに開動作を行うことのできる水力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明では、発電用水車が配置された水車室を備えた発電用の第１の流路と、前記水車室に対して並列に構成されたバイパス用の第２の流路と、流体圧が上昇したときに前記第２の流路を閉状態から開状態に切り換える弁機構とを有する水力発電装置において、前記弁機構は、前記第２の流路を構成する開口部を備えた隔壁と、前記開口部を開閉するための弁体と、該弁体を前記隔壁に接近する方向および離間方向に変位可能に支持する支持機構と、流体圧に抗して前記開口部を閉鎖する方向に前記弁体を付勢する付勢部材とを備え、前記弁体の前記隔壁との当接面、および前記隔壁の前記弁体との当接面のうちの少なくとも一方の当接面は、フッ素系ゴムまたはフッ素系樹脂で構成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、弁体と隔壁との当接面が、他の材料と比較して固着性が低いフッ素系ゴムまたはフッ素系樹脂で構成されている。このため、弁体が隔壁に当接して開口部を閉鎖している状態で流体圧が所定のレベルまで上昇し、弁体が隔壁から離間して開口部を開放しようとした際に、弁体が隔壁に固着して開口部を開放しないという事態を回避することができる。それ故、所定の流体圧になったときには、バイパス用の第２の流路に流体を導くことができるので、水車室に流体が高圧力で供給されることがない。それ故、発電用水車の回転速度が高くなりすぎることに起因するがたつきやノイズが発生することを防止できるとともに、発電用水車に対する軸受などが磨耗してしまう等の問題を回避することができる。また、水力発電装置からの出力電圧が規格上限値を超えてしまうことを防止することができる。
【０００９】
本発明において、前記弁体の前記隔壁との当接面、および前記隔壁の前記弁体との当接面のうち、前記フッ素系ゴムまたは前記フッ素系樹脂で構成された当接面は、表面に微細な凹凸が付与されている弾性体で構成されていることが好ましい。このように構成すると、弁体と隔壁との当接面同士が固着することをより確実に防止することができる。それ故、流体圧が所定のレベルまで上昇した場合には、バイパス用の第２の流路に流体を確実に導くことができる。
【００１０】
本発明において、前記弁体の前記隔壁との当接面、および前記隔壁の前記弁体との当接面のうち、いずれか一方の当接面が前記フッ素系ゴムまたは前記フッ素系樹脂で構成され、他方の当接面は平滑面で構成されていることが好ましい。このように構成すると、一方の当接面で固着を防止できるので、他方の面については平滑面により構成することにより液漏れを防止することができる。
【００１１】
本発明の別の形態では、発電用水車が配置された水車室を備えた発電用の第１の流路と、前記水車室に対して並列に構成されたバイパス用の第２の流路と、流体圧が上昇したときに前記第２の流路を閉状態から開状態に切り換える弁機構とを有する水力発電装置において、前記弁機構は、前記第２の流路を構成する開口部を備えた隔壁と、前記開口部を開閉するための弁体と、該弁体を前記隔壁に接近する方向および離間方向に変位可能に支持する支持機構と、流体圧に抗して前記開口部を閉鎖する方向に前記弁体を付勢する付勢部材とを備え、前記弁体の前記隔壁との当接面、および前記隔壁の前記弁体との当接面のうちの一方の当接面は、表面に微細な凹凸が付与された弾性体で構成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明では、弁体と隔壁との当接面に微細な凹凸が形成されているため、弁体が隔壁に当接して開口部を閉鎖している状態で流体圧が所定のレベルまで上昇し、弁体が隔壁から離間して開口部を開放しようとした際に、弁体が隔壁に固着して開口部を開放しないという事態を回避することができる。それ故、所定の流体圧になったときには、バイパス用の第２の流路に流体を導くことができるので、水車室に流体が高圧力で供給されることがない。それ故、発電用水車の回転速度が高くなりすぎることに起因するがたつきやノイズが発生することを防止できるとともに、発電用水車に対する軸受などが磨耗してしまう等の問題を回避することができる。また、水力発電装置からの出力電圧が規格上限値を超えてしまうことを防止することができる。
【００１３】
本発明において、前記弁体の前記隔壁との当接面、および前記隔壁の前記弁体との当接面のうち、いずれか一方の当接面が前記弾性体で構成され、他方の当接面は平滑面で構成されていることが好ましい。このように構成すると、一方の当接面で固着を防止できるので、他方の面については平滑面により構成することにより液漏れを防止することができる。
【００１４】
本発明において、前記微細な凹凸は、例えば、梨地状、網目状、または同心円状に形成されている。
【００１５】
本発明において、前記一方の当接面が前記弁体の前記隔壁との当接面であって、当該当接面が、前記弁体の弁体本体と別部材で構成されたシール部材からなる場合、当該シール部材は、前記弁体本体において前記隔壁と対向する弁部および該弁部の外周面を覆っていることが好ましい。
【００１６】
本発明は、前記支持機構が、前記弁体および前記隔壁のうちの一方側に形成された軸部と、他方側で当該軸部を支持する軸受部とを備え、前記隔壁では、前記軸部または前記軸受部が前記開口部の内周面から内側に向けて延びた連結部によって前記開口部の内側に保持されており、当該連結部は、前記隔壁の前記弁体との当接面の一部を構成している場合に適用すると効果的である。すなわち、開口部の内側にも弁体との当接面があると、その分、弁体と隔壁との当接面積が広くなって、弁体と隔壁との固着が発生しやすくなるが、本発明では、かかる構成を採用した場合でも、弁体と隔壁との固着を確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、弁機構を構成する弁体と隔壁との当接面を固着しにくい構造としたため、弁体が隔壁に当接して開口部を閉鎖している状態で流体圧が所定のレベルまで上昇した際には、弁体が隔壁から確実に離間して開口部を開放するため、所定の流体圧になったときにバイパス用の第２の流路に流体を導くことができる。従って、水車室に流体が高圧力で供給されることがないので、発電用水車の回転速度が高くなりすぎてがたつきやノイズが発生することを防止できるとともに、発電用水車に対する軸受などが磨耗してしまう等の問題を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した水力発電装置について説明する。
【００１９】
（全体構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用した水力発電装置の平面図、およびＡ−Ａ′断面図である。なお、図１において、Ａ−Ａ′線は、射出口の形成位置を通らないが、図１（ｂ）の左部分には、射出口についても図示してある。
【００２０】
図１（ａ）、（ｂ）に示す水力発電装置１は、水道水の流路の途中位置になどに配置される小型の水力発電装置であり、この水力発電装置１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などに供給する用途などに用いられる。本形態の水力発電装置１は、後述する流路を構成する樹脂製の本体ケース２１、この本体ケース２１の上面を覆うカバー２３、このカバー２３を覆うステンレス製のカップ状の仕切り板２５と、この仕切り板２５のフランジ部との間にステータ部６を挟む環状ケース２７と、環状ケース２７の上方に被さる樹脂製の上ケース２９とを有しており、上ケース２９および仕切り板２５はネジにより本体ケース２１に固定されている。また、本体ケース２１の底面にはＥＰＤＭ製のシール２８１が重ねられ、仕切り板２５と本体ケース２１との間には、ゴム製のＯリング２８２が配置されている。
【００２１】
本体ケース２１には、相対向する側面で開口する流体入口３１および流体出口３２を備えており、流体入口３１から流体出口３２に向かう第１の流路１１０の途中位置には、本体ケース２１とカバー２３とにより、後述する注水部が構成され、本体ケース２１と仕切り板２５との間に水車室３５が構成されている。水車室３５では、下端部および上端部が各々、本体ケース２１および仕切り板２５の軸固定穴に圧入固定された支軸４が直立しており、支軸４には、円筒状の発電用水車５が回転可能に支持されている。支軸４には、樹脂製のスリーブ４５が嵌められており、発電用水車５は、支軸４のうち、スリーブ４５から露出している上半部で支持されている。なお、発電用水車５は、支軸４に装着されたワッシャなどにより上下方向への変位が防止されている。
【００２２】
発電用水車５において仕切り板２５の円筒部２５１内に位置する上半部には、外周面に円筒状の永久磁石５５が固着されている。また、仕切り板２５の円筒部２５１の周りには環状のステータ組６１、６２が配置されており、永久磁石５５およびステータ部６によって発電部が構成されている。
【００２３】
ステータ部６は、軸線方向に重ねて配置された２つの相のステータ組６１、６２で構成されている。２つのステータ組６１、６２のいずれにおいても、外ステータコア、コイルボビンに巻回されたコイル、および内ステータコアが重ねられた構造を有しており、コイルボビンの内周に沿って、外ステータコアの極歯と内ステータコアの極歯が交互に並んでいる。また、コイルの巻き始め部分および巻き終わり部分は、端子台６６の端子６７およびワイヤー６８を介してコネクタ６９に接続されている。なお、上ケース２９には、端子台６６を覆うフード部２９１が形成されており、ステータ部６に水が浸入するのを防止する構造になっている。
【００２４】
また、本形態の水力発電装置１には、流体入口３１から流入した水が水車室３５を通らずに流体出口３２に向かうバイパス用の第２の流路１２０が形成されており、この第２の流路１２０には、図６を参照して後述する弁機構９が構成されている。
【００２５】
（注水部の構成）
図２は、図１に示す水力発電装置に用いた本体ケースの構成を示す平面図である。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、図１に示す水力発電装置に用いたカバーの構成を示す平面図、正面図および底面図である。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、図１に示す水力発電装置に用いることの可能な別のカバーの構成を示す平面図、正面図および底面図である。
【００２６】
図１および図２に示すように、本形態の水力発電装置１において、本体ケース２１では、流体入口３１に対向するように隔壁２１９が起立しており、その上方には、水車室３５の周りに環状流路３３が形成されている。ここで、環状流路３３は、底面、内周面、外周面、および上面が各々、本体ケース２１の環状の仕切り壁２１１、本体ケース２１の環状の内側垂直壁２１２、本体ケース２１の環状の外側垂直壁２１３、および図３に示すカバー２３により規定されている。また、内側垂直壁２１２には、周方向の４箇所に射出口３４を構成するための切り欠きが形成されている。さらに、環状流路３３内の一部には、傾斜面３３０（図２中の斜線部）が形成されている。
【００２７】
これに対して、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、カバー２３はリング状を成し、カバー２３のリング部２３０の下面のうち、図２に示す本体ケース２１の４つの射出口３４に対応する部分には、４つの射出口３４に嵌って射出口３４の各々の開口面積を調整するリブ２３１（突起）が形成されている。また、リブ２３１にテーパ２３１ａを設けることで、その突出寸法が調節されている。従って、本体ケース２１の上面にカバー２３を被せると、環状流路３３から発電用水車５の羽根５７に向けて水を高速噴射する４つの射出口３４が構成される。
【００２８】
なお、図４に示すような、リング部２３０にリブを形成しない構成のカバー２３´を用いてもよい。このように、リブの形状が異なるカバーを用途に応じて付け替えることにより、射出口３４から射出される水の量を調整することができる。
【００２９】
（発電用水車５の構成）
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１に示す水力発電装置に用いた発電用水車を第１のラジアル軸受側からみたときの斜視図、この発電用水車を第２のラジアル軸受側からみたときの平面図、およびＢ−Ｂ′断面図である。
【００３０】
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、本形態の水力発電装置１において、発電用水車５は、外周面から複数枚の羽根５７が等角度間隔で張り出す円筒体５０と、この円筒体５０の貫通穴５０１の一方側端部（本体ケース２１が位置する下方側）に位置する円筒状の第１のラジアル軸受５１と、貫通穴５０１の他方側端部（仕切り板２５の円筒部２５１が位置する上方側）に位置する円筒状の第２のラジアル軸受５２とを備えており、第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０、および第２のラジアル軸受５２の軸穴５２０に対して、図１（ｂ）に示す支軸４が嵌ることにより、発電用水車５は支軸４の周りで回転可能に支持されている。円筒体５０は、羽根５７が形成された下端部は大径である一方、上半部は小径であり、この小径部分に円筒状の永久磁石５５が固定されている。
【００３１】
本形態において、発電用水車５は、複数枚の羽根５７が各々、軸線方向において第２のラジアル軸受５２側に位置する第１の羽根５７１と、第１のラジアル軸受５１側に位置する第２の羽根５７２とに２分割されており、第２の羽根５７２の外周端は、円筒体５０の軸線方向と平行な円筒板部５８により連結されている。ここで、円筒板部５８の外端面は、第１の羽根５７１の外周端と同一の半径距離の位置にある。
【００３２】
このように構成した発電用水車５に対しては、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、４つの射出口３４が発電用水車５の周りに等角度間隔に形成されている。また、４つの射出口３４は、第１の羽根５７１および円筒板部５８の双方に跨る方向に向かって開口しており、図５（ｃ）に矢印Ｌ１、Ｌ２で示すように、４つの射出口３４は各々、第１の羽根５７１と円筒板部５８とに跨って水を射出するように構成されている。すなわち、射出口３４から射出された水の一部は、矢印Ｌ１で示すように、第１の羽根５７１に直接、ぶつかる一方、射出口３４から射出された水の残りは、円筒板部５８の外周面にぶつかるようになっている。ここで、注水部に形成した射出口３４の数と羽根５７の枚数とは、素の関係にあり、一方が他方の整数倍となる条件を避けてある。例えば、本形態では、射出口３４は４つであるのに対して、羽根５７の枚数は７枚である。
【００３３】
（発電動作）
このように構成した水力発電装置１において、流体入口３１から流れ込んだ水は、隔壁にぶつかって上方の環状流路３３に流れ込んだ後、４つの射出口３４から発電用水車５の羽根５７に向けて射出される。その結果、発電用水車５が回転し、それに伴い、永久磁石５５も回転することにより、ステータ部６のコイルに誘起電圧が発生する。発電用水車５を回し終えた水は、下方に落下し、そこから流体出口３２を経て排出される。また、ステータ部６で発生した誘起電圧は、コネクタ６９を介して外部の回路に導かれ、この回路で直流に変換された後、整流され電池に充電される。
【００３４】
（バイパス用の第２の流路および弁機構９の構成）
図６（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、図１（ｂ）に示す弁機構９の構成を示す拡大図、および図６（ａ）において隔壁２１９を流体入口側から見たときの説明図である。
【００３５】
図１および図６（ａ）に示すように、本形態における水力発電装置１には、流体入口３１から流入した水が水車室３５を通らずに流体出口３２に向かうバイパス用の第２の流路１２０が形成されている。すなわち、流体入口３１に対向する隔壁２１９には流体出口３２に向けて窪んだ凹部２１９ａが形成されており、この凹部２１９ａの底部には、図６（ｂ）に示すように、周方向に並んだ４つの開口部３８が流体入口３１と流体出口３２とを連通可能に形成されている。
【００３６】
また、開口部３８に対しては弁機構９が構成されており、弁機構９は、流体圧が低いときには開口部３８（第２の流路）を閉鎖しておき、流体圧が上昇したときに開口部３８（第２の流路）を閉状態から開状態に切り換える。
【００３７】
このような弁機構９を構成するにあたって、本形態では、隔壁２１９には、第２の流路１２０における上流側の面に、凹部２１９ａの底部から流体入口３１側に向けて突出する円筒状の筒部２１７（軸受部）が形成されており、この筒部２１７の周りに４つの開口部３８が配置されている。また、弁機構９は弁体９０を備えており、この弁体９０は、隔壁２１９の裏面側（第２の流路１２０における下流側／流体出口３２の側）に重なる弁部９０１と、弁部９０１の中央から流体入口３１の側に突出した丸棒状の軸部９０２とを備えており、軸部９０２は筒部２１７を貫通している。このようにして、弁機構９では、軸部９０２と筒部２１７とによって、弁体９０に対する支持機構９９が構成されている。
【００３８】
ここで、筒部２１７は４つの開口部３８の中央に位置しており、筒部２１７は、開口部３８の内周面から筒部２１７に向かって延びる４本の連結部２１５により保持され、隔壁２１９と連結している構造になっている。従って、４本の連結部２１５の裏面側は、開口部３８周辺の隔壁２１９の裏面側とともに、弁体９０との当接面を構成している。
【００３９】
本形態において、弁体９０は、弁部９０１と軸部９０２とを備えた弁体本体９０′と、隔壁２１９との当接面を構成するシール部材９６とを備えている。ここで、シール部材９６は、有底円筒形状を有しており、弁部９０１の前端面を覆う底部９６１と、弁部９０１の側面を覆う胴部９６２とを備えている。
【００４０】
本形態において、シール部材９６は、フッ化ビニリデン系ゴム（ＫＦＭ）、テトラフロオロエチレン−プロピレン系ゴム（ＦＥＰＭ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロビニルエーテル系ゴム（ＦＦＫＭ）等のフッ素系ゴム製であり、弁部９０１に対する固着方法としては、接着剤による方法、アウトサート成形による方法などが挙げられる。また、シール部材９６の表面には微細な凹凸が付与されており、このような凹凸は、シール部材９６に対するブラスト処理、あるいはシール部材９６を成形する金型に微細な凹凸を設けることにより容易に形成することができる。また、シール部材９６に付した微細な凹凸は、梨地状、網目状、または同心円状などの形態で形成されている。これに対して、隔壁２１９の側において、シール部材９６と当接する面は平滑面で構成されている。
【００４１】
なお、弁体９０において、軸部９０２の先端部には、その基端側より小径の突起９０３が形成され、この突起９０３より形成された段部９０５には、プッシュナット９１によりワッシャ９２が固定されている。また、軸部９０２の周りにはコイルバネ９５が装着されており、コイルバネ９５は、ワッシャ９２と隔壁２１９の筒部２１７の周りの部分とによって両端部が各々支持され、圧縮された状態にある。
【００４２】
（流量と発電用水車の回転数との関係などの評価結果）
図７は、図１に示す水力発電装置での流量と発電用水車の回転数との関係を示すグラフである。図８は、図１に示す水力発電装置において、弁体と隔壁との間で固着が発生した場合と固着が発生しない場合における流量と発電用水車の回転数との関係を比較して示すグラフである。図９は、図１に示す水力発電装置で弁体の隔壁への当接面の構成を変えた場合において、弁体を隔壁から離間する際に変位させた場合と、その際に弁体に加わる荷重との関係を比較して示すグラフである。
【００４３】
本形態の水力発電装置１において、弁機構９では、弁体９０がコイルバネ９５によって流体入口３１に向けて付勢されているので、弁部９０１がシール部材９６を介して隔壁２１９に当接している。このため、流体入口３１から流入した水の圧力が低い場合には、開口部３８は閉鎖されている。但し、流体入口３１から流入した水の圧力が高くなってワッシャ９２および弁部９０１がコイルバネ９５の付勢力よりも大きな水圧を受けると、弁体９０は、コイルバネ９５の付勢力に抗して流体出口３２の側に変位し、弁部９０１が隔壁２１９の裏面側から離間するので、バイパス用の開口部３８は開放される。それ故、流体入口３１から流入した水の圧力が低い場合には、流入した水の全てが環状流路３３を介して水車室３５に導かれ、発電に寄与する一方、流体入口３１から流入した水の圧力が高い場合には、流入した水の一部がバイパス用の開口部３８を通ってそのまま流体出口３２に向かう。それ故、発電用水車５の回転速度が高くなりすぎてがたつくなどの問題を回避できる。
【００４４】
このような効果を、図７を参照して詳述する。図７には、水力発電装置において、バイパスが無い（第２の流路を形成しない）もの、本形態を適用した弁機構９におけるコイルバネ９５の始動荷重をそれぞれ、１７５ｇｆ、２１５ｇｆ、２２０ｇｆ、２２５ｇｆ、２８０ｇｆに設定したものを順に線Ｉ〜ＶＩによって、それぞれの水力発電装置が有する発電用水車に注がれる流量と、その時の発電用水車の回転数との関係を示してある。図７に示すように、水力発電装置において、発電用水車に注がれる流量が１０Ｌ／ｍｉｎから２５Ｌ／ｍｉｎへと変化すると、バイパスの無いものでは（線Ｉで示す結果）、発電用水車の回転数が流量に比例して増加するのに対して、本形態を適用した弁機構９を有するものでは（線ＩＩ〜ＶＩで示す結果）、発電用水車に注がれる流量が１０Ｌ／ｍｉｎから２５Ｌ／ｍｉｎへと変化しても、発電用水車の回転数は３０００〜４０００ｒｐｍ近傍で安定している。それ故、本発明を適用した弁機構９によれば、閉状態から開状態の切り換え動作を滑らかに行うことができ、水車室３５に供給される水の量を常に一定に保つことができることが分かる。よって、本発明によれば、発電用水車５の回転ノイズなどの発生を防止することができる。
【００４５】
このような開動作を行う際、弁体９０と隔壁２１９との当接面で固着が発生していると、図８に実線で示すように、流量が所定レベルに到達してもすぐには開口部３８が開状態とならず、発電用水車の回転数にオーバーシュートが発生するが、本形態では、図９を参照して説明するように弁体９０と隔壁２１９との当接面で固着が発生しないため、図８に点線で示すように、開口部３８が閉から開に移行する際、発電用水車の回転数にオーバーシュートが発生せず、流量が所定レベルに到達すると、開口部３８がスムーズに開状態となる。すなわち、図８に実線で示すように、弁体９０と隔壁２１９との当接面で固着が発生していると、流量が１０Ｌ／ｍｉｎから１５Ｌ／ｍｉｎまで増大した際、流量が１３Ｌ／ｍｉｎ位になっても、弁体９０が変位せず、開口部３８が閉鎖状態のままであるため、発電用水車の回転数が５０００ｒｐｍ近傍まで増加してしまう。これに対して、図８に点線で示すように、本形態では、弁体９０と隔壁２１９との当接面で固着が発生しないので、流量が１２Ｌ／ｍｉｎ位になった時点で弁体９０が変位し、開口部３８が閉状態から開状態にスムーズに切り換わるため、発電用水車の回転数が５０００ｒｐｍ近傍まで増加することがない。
【００４６】
また、図９には、本形態の水力発電装置１において、弁体９０に貼り付けるシール部材９６として、表面に微細な凹凸を付したフッ素系ゴムを用いた実施例と、表面に微細な凹凸を付していないＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエンゴム）を用いた比較例、および表面に微細な凹凸を付していないフッ素系ゴムを用いた例について、弁体９０を隔壁２１９から離間させる際に変位させた場合と、その際に弁体に加わる荷重との関係を実線Ａ、Ｂ、Ｃで比較して示してある。
【００４７】
弁体９０に貼り付けるシール部材９６として、表面に微細な凹凸を付していないＥＰＤＭゴムを用いたものでは、図９に実線Ｂで示すように、弁体９０を隔壁２１９から離間させる瞬間に大きな荷重（図中の線分Ｇ）が必要であることが分かる。これは、シール部材９６と隔壁２１９との間に固着が生じていることに起因する。
【００４８】
これに対して、弁体９０に貼り付けるシール部材９６として、表面に微細な凹凸を付していないフッ素系ゴムを用いたものでは、図９に実線Ｃで示すように、弁体９０を隔壁２１９から離間させる瞬間に余計な荷重（図中の線分Ｇ′）が必要であるが、かかる荷重の大きさは、表面に微細な凹凸を付していないＥＰＤＭゴムをシール部材９６として用いた場合と比較して著しく小さい。
【００４９】
さらに、シール部材９６として、表面に微細な凹凸を付したフッ素系ゴムを用いたものでは、図９に実線Ａで示すように、弁体９０を隔壁２１９から離間する際に余計な荷重が一切、加わらない。
【００５０】
それ故、実線Ｂ、Ｃを比較すれば分かるように、フッ素系ゴム製のシール部材９６は、ＥＰＤＭなどといったゴム製のシール部材９６と比較して隔壁２１９に固着しにくいという材質を有している。また、実線Ａ、Ｃを比較すれば分かるように、シール部材９６の表面に微細な凹凸を付した場合には、隔壁２１９に固着しにくくなることが分かる。すなわち、弁機構９が閉状態から開状態に転じる際、シール部材９６と隔壁２１９とが密着することにより変形した微細な凹凸が復元力により元の形状に戻るため、シール部材９６と隔壁２１９との接触面積が減少する。従って、シール部材９６は隔壁２１９に固着せずスムーズに離間する。しかも、梨地状、網目状、または同心円状などの微細な凹凸は、形成が容易であり、かつ、粗さ管理が容易である。
【００５１】
（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態の水力発電装置１において、バイパス用の第２の流路１２０に構成した弁機構９では、弁体９０において隔壁２１９と当接する箇所に、フッ素系ゴム製のシール部材９６（弾性体）を設けてあり、このようなフッ素系ゴム製のシール部材９６は、他の材料と比較して隔壁２１９に固着しにくい材質を有している。しかも、本形態では、シール部材９６の表面に微細な凹凸を付してあるため、シール部材９６の表面が平滑である場合と比較して、隔壁２１９に固着しにくい。従って、弁体９０が隔壁２１９に当接して開口部３８を閉鎖している状態で水圧が所定のレベルまで上昇し、弁体９０が隔壁２１９から離間して開口部３８を開放しようとした際に、弁体９０が隔壁２１９に固着して開口部３８を開放しないという事態を回避することができる。それ故、所定の水圧になったときには、バイパス用の第２の流路１２０に流体を確実に導くことができるので、水車室３５に流体が高圧力で供給されることがない。それ故、発電用水車５の回転速度が高くなりすぎることに起因するがたつきやノイズが発生することを防止できるとともに、発電用水車５に対する軸受などが磨耗してしまう等の問題を回避することができる。また、水力発電装置１からの出力電圧が規格上限値を超えてしまうことを防止することができる。さらに、シール部材９６が隔壁２１９に固着して破断するという事態も回避することができる。
【００５２】
特に本形態の水力発電装置１は水道水を利用して発電を行うため、設置箇所あるいは時間によって、水力発電装置１に供給される水圧が変動しやすい。従って、水力発電装置１では、水車室３５に供給される水圧を一定に保つために、弁機構９が頻繁に開閉することになる。それ故、弁体９０の隔壁２１９との当接面には耐久性も求められるが、本形態では、弁部９０１において隔壁２１９と当接する箇所に耐久性の高いフッ素系ゴム製のシール部材９６を設けたので、弁機構９の耐久性を高めることができる。
【００５３】
また、本形態の水力発電装置１における弁機構９では、隔壁２１９の弁部９０１との当接面を平滑面で構成する一方、弁部９０１に設けたシール部材９６の表面には、微細な凹凸を付与してシール部材９６の表面粗さを最適化してある。従って、弁機構９がコイルバネ９５の付勢力により閉状態にある時は、シール部材９６の表面上に形成された微細な凹凸が潰れて弾性変形するため、シール部材９６と隔壁２１９との隙間、即ち、弁体９０の隔壁２１９との当接面における隙間をなくすことができる。これにより、弁機構９が閉状態の時、開口部３８からの液漏れを防止することができる。
【００５４】
さらに、本形態の水力発電装置１では、隔壁２１９に形成されている開口部３８の内周側には、開口部３８の内周面から筒部２１７に向かって延びる４本の連結部２１５が形成され、弁機構９が閉状態の時、シール部材９６は隔壁２１９および連結部２１５と当接する。従って、連結部２１５も、シール部材９６との当接面の一部を構成するので、当接面積が広くなるが、本形態によれば、シール部材９６の材質および表面性状を最適化してあるので、当接面積が広い場合でも、固着の問題点が発生しない。
【００５５】
また、本形態では、弁体９０に対する支持機構９９が、隔壁２１９から流体入口３１に向けて延びた筒部２１７と、弁体９０から流体入口３１に向けて突出して筒部２１７を貫通する軸部９０２とを備えているため、嵌め合い寸法（支持寸法）が長い。このため、弁体９０を安定した姿勢で支持することができる。また、軸部９０２は筒部２１７を貫通しているため、弁体９０の移動に伴って筒部２１７と軸部９０２との相対位置が変化しても、筒部２１７と軸部９０２との嵌め合い寸法が長いままであるので、弁体９０がいずれの位置にあっても弁体を安定した状態で支持でき、かつ、弁体９０は滑らかに移動する。それ故、設定した流体圧に応じて、バイパス用の第２の流路１２０を滑らかに開閉することができる。
【００５６】
さらに、軸部９０２の先端部にワッシャ９２の位置を規定する段部９０５が形成されているため、コイルバネ９５を所定の長さ寸法の状態で軸部９０２に装着することができる。それ故、弁体９０が開き始める荷重（始動荷重）を適切に設定することができるため、これにより弁体９０は適切に作動する。
【００５７】
さらにまた、隔壁２１９には、流体出口３２に向けて窪んだ凹部２１９ａが形成されており、この凹部２１９ａの底部に開口部３８が形成されている。この凹部２１９ａにより、流体入口３１から流入する水を、開口部３８を塞ぐ弁部９０１に対して垂直に作用させることができる。それ故、弁体９０やコイルバネ９５のブレを抑えることができる。
【００５８】
（シール部材の変形例）
上記実施の形態では、表面に微細な凹凸を付したフッ素系ゴム製のシール部材９６を弁体に設けたが、図９に実線Ｂ、Ｃで示す比較結果からみて、表面が平滑なフッ素系ゴム製のシール部材９６を弁体９０に設けてもよい。
【００５９】
また、上記実施の形態では、表面に微細な凹凸を付したフッ素系ゴム製のシール部材９６を弁体９０に設けたが、図９に実線Ａ、Ｃで示す比較結果からみて、表面に凹凸を付したシール部材９６であれば、ＥＰＤＭなどといったゴム製のシール部材を用いてもよい。
【００６０】
さらに、上記実施の形態では、弁体９０にシール部材９６を設けたが、隔壁２１９の側において弁体９０と当接する箇所にシール部材９６を設けてもよい。また、弁体９０および隔壁２１９の側の双方にシール部材９６を設けてもよい。
【００６１】
また、弁体９０と隔壁２１９との固着を防止するという観点からすれば、弁体９０の隔壁２１９との当接面、および隔壁２１９の弁体９０との当接面のうちの少なくとも一方をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＶＤＦ）などのフッ素系樹脂で構成してもよい。
【００６２】
（弁機構９の変形例）
図１０は、本発明に係る弁機構の変形例を示す説明図である。上記実施の形態で構成した弁機構９の支持機構９９では、隔壁２１９の方に筒部２１７を形成し、弁体９０の方に軸部９０２を形成したが、図１０に示すように、隔壁２１９′において第２の流路１２０における下流側の面に軸部９０２′を形成し、弁体９０′の方に筒部２１７′（軸受部）を形成してもよく、このような場合にも、弁体９０′の側、および隔壁２１９′の側の少なくとも一方に、表面が平滑なフッ素系ゴム製のシール部材９６を設けた構成、あるいは表面に微細な凹凸を付したフッ素系ゴムやＥＰＤＭなどといったゴム製のシール部材を設けた構成を採用すればよい。なお、図１０に示す構成を採用した場合には、軸部９０２′に形成した段部９０５′とプッシュナット９１′によりワッシャ９２′を位置決めし、ワッシャ９２′と弁部９０１′との間にコイルバネ９５′を配置すればよい。
【００６３】
また、上記形態では、弁機構９の支持機構９９を構成するにあたって、軸部９０２、９０２′が貫通する筒部２１７、２１７′を軸受部としたが、軸部９０２、９０２′との相対的な位置が変化したときでも軸部９０２、９０２′との間の支持寸法が一定の軸受部であれば、軸部の周りを部分的に支持する構成、例えば、軸部の周りを複数箇所で支持する構成や、溝と突条部とが係合した構成などを採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用した水力発電装置の平面図、およびＡ−Ａ′断面図である。
【図２】図１に示す水力発電装置に用いた本体ケースの構成を示す平面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１に示す水力発電装置に用いたカバーの構成を示す平面図、正面図、および底面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１に示す水力発電装置に用いることの可能なカバーの構成を示す平面図、正面図および底面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１に示す水力発電装置に用いた発電用水車を第１のラジアル軸受側からみたときの斜視図、この発電用水車を第２のラジアル軸受側からみたときの平面図、およびＢ−Ｂ′断面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、図１（ｂ）に示す弁機構の構成を示す拡大図、および隔壁を流体入口側から見たときの説明図である。
【図７】図１に示す水力発電装置での流量と、発電用水車の回転数との関係を示すグラフである。
【図８】図１に示す水力発電装置において、弁体と隔壁との間で固着が発生した場合と固着が発生しない場合における流量と発電用水車の回転数との関係を比較して示すグラフである。
【図９】図１に示す水力発電装置で弁体の隔壁への当接面の構成を変えた場合において、弁体を隔壁から離間する際に変位させた場合と、その際に弁体に加わる荷重との関係を比較して示すグラフである。
【図１０】図１に示す水力発電装置に使用可能な別の弁機構の構成を示す構成図である。
【図１１】従来の水力発電装置に用いられる弁体の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  水力発電装置
５  発電用水車
９  弁機構
２１  本体ケース
２３  カバー
３１  流体入口
３２  流体出口
３５  水車室
３８  開口部
９０  弁体
９０′  弁体本体
９５  コイルバネ
９６  シール部材
９９  支持機構
９０１  弁部
９０２  軸部
１１０  第１の流路
１２０  第２の流路
２１７  筒部（軸受部）
２１９  隔壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008008427.tif 000008
【図７】
2008008427.tif 000009
【図８】
2008008427.tif 000010
【図９】
2008008427.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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