(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングの内部に形成される流体流路に配置される水車と、
前記水車の回転により発電する発電機と、
前記流体流路を流れる流体の流れを絞って前記水車の羽根に吹き付ける絞り部と、
前記絞り部の開度を調整可能な開度調整機構と、を備え、
前記開度調整機構は、前記流体流路にて前記絞り部より下流側を流れる下流側流体の圧力を受けて変位可能な受圧変位体を有し、
前記受圧変位体は、前記下流側流体の圧力が増加した場合に前記絞り部の開度を減少させるように変位することを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
前記開度調整機構は、前記絞り部の開度を調整するため、前記ハウジングの外部から手動で操作される操作部を有することを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
【請求項３】
前記流体流路は、上流側流路から送り込まれる流体を下流側流路に送り出すために設けられ、
前記受圧変位体は、前記下流側流路への前記下流側流体の流れが止まったときに、前記絞り部を閉塞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。
【請求項４】
前記開度調整機構は、前記絞り部を閉塞可能であ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。
【請求項５】
前記開度調整機構は、前記絞り部の開度の増加に伴い、前記水車の羽根に対する流体の吹き付け位置が、該絞り部から見て水車の径方向外側から内側に近づくように構成され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。
【請求項６】
前記絞り部の噴流を噴出する噴出口は角部を有する形状であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
水栓等の水回り機器を安全、快適に使用するため、上水路に減圧弁を設置する場合がある。減圧弁は、機器の使用に適さない高圧水を減圧するとともに、上水路内の圧力が変化しようとする場合に、その変化を抑える機能がある。また、上水路に減圧弁を設置しないまでも、同様の目的を果たすために、上水路に設置される止水栓を利用する場合がある。この場合も、止水栓の絞り量の調節により高圧水を減圧できる。しかし、減圧弁や止水栓の何れを用いた場合でも、減圧弁等により減圧された余剰圧力は損失となり、余剰圧力がもつエネルギーを無駄にしているのが現状である。
【０００３】
この対策として、給水源から送水するときにかける圧力を抑え、余剰圧力の大きさを抑える手段が考えられる。しかし、給水源から給水先まで安定して送水するうえでは、ある程度の圧力をかけて給水源から送り出す必要があり、余剰圧力の大きさを抑えるにしても限界がある。
【０００４】
他の対策として、水道施設等の大規模施設では、減圧時の余剰圧力を発電に利用しようとする試みがなされている。この例として、特許文献１では、水車の上流側に設置した入口弁の開度と、水車の回転数とを独立して電気的に制御する水力発電装置が提案されている。本装置では、水車の下流側を流れる水の流量に目標値を設定し、この目標値に近づくように入口弁を開度制御しつつ、発電電力が最大となるように水車の回転数を制御している。これにより、下流側を流れる水の圧力を任意の値に制御しつつ、減圧時の余剰圧力を用いて高い発電電力を得るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２２７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、入口弁の開度や水車の回転数の調整にあたり電気的な制御が必要となる。よって、住宅の給水施設等のように、外部電源を確保し難い小規模施設での利用には適さないという問題がある。外部電源の代替として発電した電力を用いてもよいが、入口弁を閉塞等して水路の流れが止まったとき、発電機により発電できなくなり、電力を供給できない場合が想定される。よって、他の解決手段の提案が望まれる。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされ、その目的は、電気エネルギーを効果的に回生でき、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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明のある態様は、ハウジングの内部に形成される流体流路に配置される水車と、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の流れを絞って水車の羽根に吹き付ける絞り部と、絞り部の開度を調整可能な開度調整機構と、を備え、開度調整機構は、絞り部の開度を調整するため、ハウジングの外部から手動で操作される操作部を有する。
この態様によれば、絞り部により流体が減圧するときに失われる余剰圧力を無駄にせず、その余剰圧力を発電機により電気エネルギーに効果的に回生できる。また、操作部の操作により絞り部の開度を調整可能であるため、絞り部の開度を調整するうえで無電源で動作でき、住宅等の小規模施設のように、外部電源を確保し難い環境で好適に利用できる。
【０００９】
また、前述の態様において、開度調整機構は、絞り部を閉塞可能であってもよい。
この態様によれば、絞り部の閉塞により止水栓としての機能を発揮でき、水力発電装置を通常の止水栓に替えて利用できる。
【００１０】
また、前述の態様において、開度調整機構は、流体流路にて前記絞り部より下流側を流れる下流側流体の圧力を受けて変位可能な受圧変位体を有し、受圧変位体は、下流側流体の圧力が増加した場合に絞り部の開度を減少させるように変位してもよい。
この態様によれば、下流側流体の圧力が増加した場合、絞り部の減圧量を大きくし、下流側流体の圧力を減少させて、その圧力変動を抑えられる。よって、下流側流体の圧力変動を抑える減圧弁としての機能を発揮でき、水力発電装置を通常の減圧弁に替えて利用できる。
【００１１】
また、本発明の他の態様は、ハウジングの内部に形成される流体流路に配置される水車と、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の流れを絞って水車の羽根に吹き付ける絞り部と、絞り部の開度を調整可能な開度調整機構と、を備え、開度調整機構は、流体流路にて絞り部より下流側を流れる下流側流体の圧力を受けて変位可能な受圧変位体を有し、受圧変位体は、下流側流体の圧力が増加した場合に絞り部の開度を減少させるように変位する。
この態様によれば、絞り部により流体が減圧するときに失われる余剰圧力を無駄にせず、その余剰圧力を電気エネルギーに効果的に回生できる。また、下流側流体の圧力を受けて変位可能な受圧変位体により絞り部の開度を調整可能であるため、絞り部の開度を調整するうえで無電源で動作できる。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い環境で好適に利用できる。
【００１２】
また、前述の態様において、流体流路は、上流側流路から送り込まれる流体を下流側流路に送り出すために設けられ、受圧変位体は、下流側流路への下流側流体の流れが止まったときに、絞り部を閉塞してもよい。
この態様によれば、下流側流体が過度に高圧化するのを抑え易くなり、流体流路より下流側に設置される流体使用機器、配管等を過剰圧力から保護できる。
【００１３】
また、前述の態様において、開度調整機構は、絞り部の開度の増加に伴い、水車の羽根に対する流体の吹き付け位置が、絞り部から見て水車の径方向外側から内側に近づくように構成されてもよい。
この態様によれば、絞り部の開度が小さい場合、羽根の径方向外側寄りの部位に高速の噴流が吹き付けられる。この場合、径方向内側寄りの部位に噴流を吹き付けるより、噴流により羽根に大トルクが与えられ、羽根の回転速度を上げられ、発電機により効果的に発電できる。また、絞り部の開度が大きい場合、羽根の径方向内側寄りの部位に低速の噴流が吹き付けられる。羽根の周速度は径方向内側より外側の方が速いが、羽根の周速度が遅い径方向内側寄りの部分に噴流が吹き付けられるため、低速の噴流を安定して羽根に当てられ、水車を安定して回転させて発電機により発電できる。
【００１４】
また、前述の態様において、絞り部の噴流を噴出する噴出口は角部を有する形状であってもよい。
この態様によれば、角部からは他の部位より高速の噴流を定常的に噴出できる。よって、水車の羽根の所望の吹き付け位置に噴流を当て易くなり、水車を安定して回転させ易くなる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電気エネルギーを効果的に回生でき、小規模施設での利用に適した水力発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係る水力発電装置が用いられる発電システムを示す構成図である。
【図２】第１実施形態に係る水力発電装置の絞り部が開いた状態を示す平面断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】第１実施形態に係る水力発電装置の絞り部が閉塞した状態を示す平面断面図である。
【図５】第１実施形態に係る水力発電装置の作用効果を説明するための図である。
【図６】第２実施形態に係る水力発電装置の絞り部が開いた状態を示す平面断面図である。
【図７】第２実施形態に係る水力発電装置の絞り部が閉塞した状態を示す平面断面図である。
【図８】第３実施形態に係る水力発電装置を概略的に示す側面断面図である。
【図９】第４実施形態に係る水力発電装置を示す平面断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は第４実施形態に係る水力発電装置の絞り部の開度が小さい状態を示す拡大図であり、図１０（ｂ）は絞り部の開度が大きい状態を示す拡大図である。
【図１１】図１１（ａ）は第４実施形態に係る絞り部の開度が小さい状態にあるときの噴出口を見た図であり、図１１（ｂ）は絞り部の開度が大きい状態にあるときの噴出口を見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、各実施形態の説明では、同一の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面では、説明を簡単にするため、構成要素の一部を適宜省略して示す。
【００１８】
［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が用いられる発電システム１２を示す構成図である。
水力発電装置１０は、給水路等の流体供給路を構成する上流側流路１４と下流側流路１６の間に設置される。上流側流路１４には、ポンプ等の加圧装置１８が設置される。下流側流路１６には流体の供給先となる流体使用機器２０が設置される。流体使用機器２０は水栓等の吐水装置である。なお、流体使用機器２０はタンク等の貯溜装置でもよい。
【００１９】
図２は水力発電装置１０の平面断面図を示し、図３は図２のＡ−Ａ線断面図を示す。図２では後述する絞り部３６が開いた状態を示す。
水力発電装置１０は、ハウジング２２と、水車２４と、発電機２６（図３参照）と、開度調整機構２８（図２参照）を備える。ハウジング２２には、上流側流路１４から加圧して送り込まれる流体を下流側流路１６に送り出すための流体流路３０が内部に形成される。流体流路３０は、流入路３２と、導入路３４と、絞り部３６と、導出路３８と、流出路４０（図３参照）とを有し、これらが上流側から下流側にかけて順に設けられる。
【００２０】
流入路３２は、図２に示すように、ハウジング２２の側壁部に開口し、上流端が上流側流路１４に接続される。導入路３４は、絞り部３６の上流側に設けられ、流入路３２から送り込まれる流体を絞り部３６に送り出す。導入路３４は、後述する開度調整機構２８のノズル部８０の内部に形成される。絞り部３６は、流体流路３０の途中に設けられる。導出路３８は、絞り部３６の下流側に設けられ、絞り部３６から送り込まれる流体を導出路３８に送り出す。流出路４０は、図３に示すように、ハウジング２２の側壁部に開口し、下流端が下流側流路１６に接続される。
【００２１】
ハウジング２２には、図２に示すように、導入路３４の下流端に接続され、導入路３４の下流端と交差する一方向に沿って延びる収容孔４２が形成される。収容孔４２は段付き孔として形成され、その一端側に小径孔部４４が設けられ、その他端側に大径孔部４６が設けられる。収容孔４２の一端部は導出路３８に連通される。収容孔４２の内部には開度調整機構２８が収容される。
【００２２】
ハウジング２２には、ハウジング２２の側壁部に開口し、収容孔４２の他端部と内外を連通させる第１外部連通孔４８が形成される。ハウジング２２には、第１外部連通孔４８を塞ぐように後述する操作部５０が脱着可能に取り付けられる。また、ハウジング２２には、収容孔４２の大径孔部４６と外内を連通する通気孔５２が形成される。また、ハウジング２２には、図３に示すように、ハウジング２２の上壁部に開口し、導出路３８と内外を連通させる第２外部連通孔５４が形成される。ハウジング２２には、第２外部連通孔５４を塞ぐようにカップ状の蓋カバー５６が取り付けられる。
【００２３】
水車２４は導出路３８内に配置される。水車２４には一体に回転可能な回転軸５８が取り付けられる。回転軸５８は、回転軸５８を回転中心として軸受５９を介してハウジング２２に対して回転自在に支持される。水車２４は回転軸５８から放射状に設けられる複数の羽根６０と、羽根６０の上下に設けられる円板状の一対の回転板６２とを有する。下側の回転板６２には、導出路３８内で流体を下流側に流し易くするため、上下に貫通する貫通孔６４が形成される。
【００２４】
発電機２６は、ロータ部６６と、ステータ部６８を有する。ロータ部６６は、水車２４の回転軸５８の一部である上部にて、回転軸５８と一体に回転可能に設けられる。ロータ部６６には永久磁石等の複数の磁石７０が取り付けられる。ステータ部６８は、ロータ部６６の外周側にて径方向に間隔を空けて配置される。ステータ部６８は、蓋カバー５６の外側に設けられる凹状のステータ収納室内に配置され、ステータコイル７２を巻き付けたコイルボビン７４を有する。
【００２５】
発電機２６は、水車２４の回転によりステータ部６８に対してロータ部６６が回転すると、ロータ部６６の磁石７０が発する磁束の流れが変化し、電磁誘導によりステータコイル７２に起電力が生じて発電する。この起電力は、ステータコイル７２に接続される導体（図示せず）を通じて取り出され、二次電池、センサ等の電力を用いる電気部品に供給される。
【００２６】
開度調整機構２８は、図２に示すように、シャフト７６と、付勢部材７８と、操作部５０とを備える。シャフト７６は、導出路３８側に一端側が臨み、導出路３８とは反対側の第１外部連通孔４８側に他端側が臨むように、収容孔４２内に配置される。シャフト７６は収容孔４２内にて軸方向に変位可能に設けられる。
【００２７】
シャフト７６は、収容孔４２の小径孔部４４内に配置されるノズル部８０を有する。ノズル部８０は有底筒状に形成され、ノズル部８０内には内部通路８２が形成される。内部通路８２は、絞り部３６の上流側に設けられる導入路３４を構成する。内部通路８２は、ノズル部８０の外周部に開口し、流入路３２に臨む入口８４と、ノズル部８０の先端面８５に開口する出口８６とを有する。
【００２８】
ノズル部８０は、小径孔部４４に摺動可能に設けられ、その外周部にＯリング等の複数の第１シール部材８７が装着される。各第１シール部材８７は、ノズル部８０の入口８４を間に挟んで軸方向に間隔を空けた位置に装着される。各第１シール部材８７はノズル部８０と小径孔部４４の間に介装され、ノズル部８０の外周側を通して流入路３２から軸方向両側に流体が漏洩するのを規制する。
【００２９】
収容孔４２の小径孔部４４には、ノズル部８０の先端部の向かい側に封止部材８８が配置される。封止部材８８は収容孔４２内にて接着等により固定される。封止部材８８はゴム等の弾性体により構成される。封止部材８８はノズル部８０の先端面８５と対向する案内面９０を有する。ノズル部８０の先端面８５と封止部材８８の案内面９０は略平行に設けられ、これらの間には隙間９２が形成される。隙間９２には導出路３８に臨む位置に絞り部３６が設けられる。
【００３０】
絞り部３６の通路断面積はシャフト７６の内部通路８２の通路断面積より小さくなるように形成される。また、絞り部３６は、所定の方向Ｐ１に噴流を噴出するように構成される。この方向Ｐ１は、絞り部３６から見て、水車２４の回転軸５８に対して径方向に離れた位置にある羽根６０の外周端部に向かう方向となる。このように構成されるように、絞り部３６を画定する案内面９０の形状が定められる。
【００３１】
図４は絞り部３６が閉塞した状態を示す図である。
シャフト７６が一端側（図中左側）に変位すると、ノズル部８０の先端面８５が封止部材８８の案内面９０に密着し、封止部材８８の案内面９０によりノズル部８０の内部通路８２の出口８６とともに絞り部３６が閉塞される。一方、シャフト７６が他端側に変位すると、図２に示すように、ノズル部８０の先端面８５が封止部材８８の案内面９０から離れ、ノズル部８０の内部通路８２の出口８６とともに絞り部３６が開かれる。絞り部３６は、シャフト７６の変位量に応じて隙間９２の隙間幅が増減すると、その隙間幅の増減に応じて開度が増減する。以下の説明では、シャフト７６の変位方向のうち、絞り部３６の開度が増加する方向、減少する方向をそれぞれ開方向、閉方向という。図２では右方向が開方向となり、左方向が閉方向となる。
【００３２】
シャフト７６には収容孔４２の大径孔部４６内にて受け部材９６が脱着可能に装着される。受け部材９６はシャフト７６から径方向外側に張り出すように設けられる。受け部材９６と収容孔４２の段部９８の間には付勢部材７８が介装される。付勢部材７８はコイルスプリング等の弾性体である。付勢部材７８はシャフト７６を開方向に付勢可能に設けられる。
【００３３】
操作部５０は、ねじ体であり、シャフト７６と別体の部品で構成される。操作部５０は、雄ねじ部１００と、軸部１０２とを備える。雄ねじ部１００は、第１外部連通孔４８に形成される雌ねじ部１０４にねじ込まれる。軸部１０２は、雄ねじ部１００から収容孔４２に向けて突き出る。操作部５０の軸部１０２はシャフト７６の他端部７６ａに対して軸方向の向かい側に配置される。雄ねじ部１００は軸部１０２とは逆側の端面部１０６がハウジング２２の外部に露出する。雄ねじ部１００の端面部１０６には、レンチ等の回動工具を用いるための係合孔１０８が形成される。係合孔１０８は多角形状等の非円形状に形成される。係合孔１０８にはハウジング２２の外部から回動工具の先端部が差し込まれ、回動工具を回したときに係合孔１０８の内周面と係合される。
【００３４】
操作部５０は回動工具により一方向に回動させられると、第１外部連通孔４８の雌ねじ部１０４に雄ねじ部１００がねじ込まれ、シャフト７６の他端部７６ａに近づく方向に軸部１０２が変位する。操作部５０の軸部１０２をシャフト７６の他端部７６ａに当てた状態で、操作部５０を更に一方向に回動させると、シャフト７６が付勢部材７８の付勢力に抗して閉方向に変位させられ、絞り部３６の開度が小さくなる。同様の状態で、操作部５０を逆方向に回動させると、付勢部材７８の付勢力によりシャフト７６が開方向に変位させられ、絞り部３６の開度が大きくなる。つまり、この状態にあるとき、開度調整機構２８は、絞り部３６の開度を調整可能であり、操作部５０は、絞り部３６の開度を調整するためにハウジング２２の外部から手動で操作される。
【００３５】
以上の水力発電装置１０の動作を説明する。
上流側流路１４から送り込まれる流体は流体流路３０を通して下流側流路１６に送り出され、流体流路３０は流体で満たされた状態になる。このとき、絞り部３６は、流体流路３０の導入路３４を流れる流体の流れを絞ることにより減圧する。また、絞り部３６は、その流体の流れを絞って流速を高めた噴流として水車２４の羽根６０の周方向側面に吹き付ける。水車２４は、羽根６０に当たる噴流の勢いにより回転軸５８と一体に一定方向に回転させられる。発電機２６は、水車２４の回転により、ステータ部６８に対してロータ部６６が回転して発電する。
【００３６】
ここで、絞り部３６の開度が増加するように調整した場合、絞り部３６での減圧量を小さくし、絞り部３６より下流側にて流体流路３０を流れる流体（以下、下流側流体という）の圧力を増加させつつ、絞り部３６が噴出する噴流の流速を小さくできる。一方、絞り部３６の開度が減少するように調整した場合、絞り部３６での減圧量を大きくし、下流側流体の圧力を減少させつつ、絞り部３６が噴出する噴流の流速を大きくできる。
【００３７】
以上の水力発電装置１０の作用効果を説明する。
図５（ａ）、（ｂ）は、従来の発電システム３１２と、本実施形態に係る発電システム１２を概略的に示す。従来の発電システム３１２は、減圧弁３１４と、発電機３２６とが分けて設置される。何れの発電システム１２、３１２も加圧装置１８（図示せず）と流体使用機器２０の間で用いられる。
【００３８】
図５（ｃ）は、各発電システム１２、３１２の配管長と配管内の圧力との関係を示すグラフである。本図では、この関係について、従来の発電システム３１２を破線で示し、本実施形態の発電システム１２を実線で示す。各発電システム１２、３１２では、加圧装置１８から一次圧力Ｐｓの流体が送り込まれ、二次圧力Ｐｅにした流体を流体使用機器２０に送り出すように用いるものとする。
【００３９】
従来の発電システム３１２では、減圧弁３１４により一次圧力Ｐｓから中間圧力Ｐｍに減圧される。この一次圧力Ｐｓと中間圧力Ｐｍの圧力差をΔＰａ１とする。また、従来の発電システム３１２では、中間圧力Ｐｍと二次圧力Ｐｅの圧力差ΔＰａ２が発電機３２６による発電に用いられる。一方、本実施形態の発電システム１２では、一次圧力Ｐｓと二次圧力Ｐｅの圧力差ΔＰｂが発電機２６による発電に用いられる。
【００４０】
従来の発電システム３１２では、減圧弁３１４と発電機３２６を分けて設置しており、減圧弁３１４により減圧するときに失われるΔＰａ１を利用せずに無駄にしている。この点、本実施形態の水力発電装置１０によれば、流体流路３０を流れる流体を絞り部３６により減圧するとき、絞り部３６から噴出する噴流により水車２４を回転させて、発電機２６により発電させている。よって、絞り部３６により流体が減圧するときに失われる余剰圧力を無駄にせず、その余剰圧力を発電機２６により電気エネルギーに効果的に回生できる。
【００４１】
また、従来の発電システム３１２では、減圧弁３１４により減圧された低圧の中間圧力Ｐｅが発電機３２６に送り込まれるため、発電に利用される流体の圧力差ΔＰａ２を大きくし難く、発電機３２６で電気エネルギーを効果的に回生できない。この点、本実施形態の水力発電装置１０によれば、一次圧力Ｐｓの流体が絞り部３６に送り込まれるため、発電に利用される流体の圧力差ΔＰｂを大きくし易くなり、発電機２６で電気エネルギーを効果的に回生できる。
【００４２】
また、開度調整機構２８はハウジング２２の外部からの操作部５０の操作により絞り部３６の開度を調整可能であるため、水力発電装置１０の使用環境等に応じて減圧量を調整して、下流側流体の圧力を流体使用機器の利用に適した大きさに設定できる。この点について、水力発電装置１０を給水路の途中に設置する場合を例に説明する。
【００４３】
給水路の水圧は地域により異なるため、流体使用機器２０を設置等するとき、流体使用機器２０の利用に適した水圧に調整する必要がある。ここで、高水圧地域では、開度調整機構２８により絞り部３６の開度を減少させて減圧量を大きくすることにより、流体使用機器２０の利用に適した水圧にまで低める。これと併せて、流体使用機器２０の利用に不要な余剰圧力は、絞り部３６で高流速の噴流に変換して水車２４を回転させることにより電気エネルギーに回生する。また、低水圧地域では、開度調整機構２８により絞り部３６の開度を増加させて減圧量を小さくすることにより、流体使用機器の利用に必要な水圧を確保する。これと併せて、絞り部３６からの噴流により水車２４を回転させることにより電気エネルギーに回生する。このようにして水力発電装置１０の使用環境に応じて減圧量を調整できる。
【００４４】
また、本実施形態に係る開度調整機構２８は、ハウジング２２の外部からの操作部５０の操作により絞り部３６の開度を調整可能であるため、絞り部３６の開度を調整するうえで無電源で動作できる。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好適に利用できる。
【００４５】
また、開度調整機構２８は、絞り部３６を閉塞可能であるため、絞り部３６の閉塞により止水栓としての機能を発揮できる。よって、水力発電装置１０を通常の止水栓に替えて利用でき、省スペース化に寄与できる。止水栓としての機能は、下流側流路１６の流体使用機器に不具合等があり、下流側流路１６への流体の供給を止める必要がある場合に有効となる。
【００４６】
［第２の実施の形態］
図６は第２実施形態に係る水力発電装置１０の絞り部３６が開いた状態を示し、図７は絞り部３６が閉塞した状態を示す。
本実施形態では、図２の例と比較して、開度調整機構２８の構成が主に相違する。開度調整機構２８は、シャフト７６と、付勢部材７８と、操作部５０の他に、ダイアフラム１１０を更に備える。
【００４７】
ダイアフラム１１０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１１０は薄肉の円板状の内周部１１０ａと、厚肉の環状の外周部１１０ｂと、これらの間に架設される薄肉の環状の架設部１１０ｃとを含む。ダイアフラム１１０の外周部１１０ｂは、ハウジング２２を構成する第１ハウジング部材２２ａと第２ハウジング部材２２ｂの間に挟まれて保持される。ダイアフラム１１０の内周部１１０ａは、シャフト７６に脱着可能に装着される固定部材１１２と受け部材９６の間に挟まれて保持される。
【００４８】
ダイアフラム１１０は、収容孔４２の大径孔部４６内を第１副室１１４と第２副室１１６に区画する。第１副室１１４は収容孔４２の段部９８寄りの位置に設けられ、第２副室１１６は収容孔４２の第１外部連通孔４８寄りの位置に設けられる。第１副室１１４は、ハウジング２２に形成される通気孔５２を通して、ハウジング２２の外部空間に開放され、大気圧に保たれる。第１副室１１４には付勢部材７８が配置される。第２副室１１６は、ハウジング２２に形成される内部連通孔１１８を通して、絞り部３６より下流側にて導出路３８と連通される。第２副室１１６には、絞り部３６より下流側にて流体流路３０を流れる下流側流体が内部連通孔１１８を通して流れ込む。ダイアフラム１１０には、第２副室１１６に面する受圧面１１０ｄにより下流側流体の圧力を受けて閉方向への押圧力が作用する。
【００４９】
なお、操作部５０の軸部１０２の外周部には第２シール部材１２０が装着される。第２シール部材１２０は軸部１０２と第１外部連通孔４８の間に介装される。第２シール部材１２０は、軸部１０２の外周側を通して第２副室１１６から外部空間に流体が漏洩するのを規制する。
【００５０】
以上の水力発電装置１０の動作を説明する。
絞り部３６が開いた状態にあるときに、流体使用機器２０での流体使用量が小さくなり、流体使用機器２０に送り出される流体流量が減少する場合を考える。ここでの流体使用量とは、たとえば、吐水装置から吐き出す水の吐水量である。この場合、上流側流路１４から流体流路３０に流体が送り込まれ続けるため、流体流路３０内で下流側流体の圧力が徐々に増加する。これに伴い、開度調整機構２８では、ダイアフラム１１０に作用する押圧力が増大し、付勢部材７８の付勢力に抗してシャフト７６が閉方向に変位し、絞り部３６の開度が減少する。この結果、絞り部３６の減圧量を大きくし、下流側流体の圧力を減少させて、その圧力変動を抑えられる。また、このとき、絞り部３６から噴出する噴流の流速を小さくできる。これは、上流側流路１４から送り込まれる流体の圧力が増大する場合も同様である。
【００５１】
一方、絞り部３６が開いた状態にあるときに、流体使用機器２０での流体使用量が大きくなり、流体使用機器２０に送り出される流体流量が増大する場合を考える。この場合、下流側流体の圧力が徐々に減少する。これに伴い、開度調整機構２８では、ダイアフラム１１０に作用する押圧力が減少し、付勢部材７８の付勢力によりシャフト７６が開方向に変位し、絞り部３６の開度が増加する。この結果、絞り部３６の減圧量を小さくし、下流側流体の圧力を増加させて、その圧力変動を抑えられる。また、このとき、絞り部３６から噴出する噴流の流速を大きくできる。これは、上流側流路１４から送り込まれる流体の圧力が減少する場合も同様である。
【００５２】
何れの場合においても、絞り部３６が開いた状態にあるとき、開度調整機構２８は、ダイアフラム１１０に作用する下流側流体の押圧力と付勢部材７８の付勢力とが釣り合う位置でシャフト７６が止まる。
【００５３】
次に、流体使用機器２０で流体使用動作を止めた場合を考える。ここでの流体使用動作とは、たとえば、吐水装置の吐水動作である。この場合、流体流路３０から下流側流路１６への下流側流体の流れが止まり、流体流路３０内で下流側流体の圧力が徐々に増大する。これに伴い、開度調整機構２８では、シャフト７６が閉方向に変位し、絞り部３６の開度が徐々に減少し、最終的には絞り部３６が閉塞される。この結果、下流側流体の圧力は一定に保たれるとともに、絞り部３６から水車２４に噴出する噴流が止まる。この状態から流体使用機器２０で流体使用動作を始めた場合、下流側流体の圧力が徐々に減少し、開度調整機構２８では、シャフト７６が開方向に変位し、絞り部３６の開度が徐々に増加する。このとき、絞り部３６から水車２４に噴流が噴出し始める。
【００５４】
以上の通り、開度調整機構２８は、下流側流体の圧力を受けて変位可能なシャフト７６とダイアフラム１１０を受圧変位体１２２として有する。この受圧変位体１２２は、下流側流体の圧力の増減に応じて、絞り部３６での減圧量を増減させるために、絞り部３６の開度を減増させるように変位可能である。ここでの「下流側流体の圧力の増減に応じて、絞り部３６の開度を減増させる」とは、下流側流体の圧力が増加した場合は絞り部３６の開度を減少させ、下流側流体の圧力が減少した場合は絞り部３６の開度を増加させることをいう。別の観点から捉えると、受圧変位体１２２は、流体使用機器２０での流体使用量や、上流側流路１４から送り込まれる流体の圧力に応じて、絞り部３６の開度を調整するように変位可能であるともいえる。
【００５５】
なお、本実施形態に係る開度調整機構２８でも、図２の例と同様に、ハウジング２２の外部からの操作部５０の操作により絞り部３６の開度を調整可能である。よって、水力発電装置１０の使用環境等に応じて減圧量を調整し、流体使用機器２０の利用に適した下流側流体の圧力に設定できる。
【００５６】
以上の水力発電装置１０でも、図２の例と同様に、絞り部３６により流体が減圧するときに失われる余剰圧力を無駄にせず、その余剰圧力を電気エネルギーに効果的に回生できる。
【００５７】
また、開度調整機構２８は、下流側流体の圧力を受けて変位可能な受圧変位体１２２により絞り部３６の開度を調整可能であるため、絞り部３６の開度を調整するうえで無電源で動作できる。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好適に利用できる。
【００５８】
また、受圧変位体１２２は、下流側流体の圧力の増減に応じて、絞り部３６の開度を減増させるように変位できるため、流体使用機器２０での流体の使用中において、下流側流体の圧力変動を抑えて一定に保つ減圧弁としての機能を発揮できる。このため、水力発電装置１０を通常の減圧弁に替えて利用でき、省スペース化に寄与できる。
【００５９】
また、開度調整機構２８は、下流側流路１６への下流側流体の流れが止まったときに、絞り部３６を閉塞する。よって、下流側流体が過度に高圧化するのを抑え易くなり、流体流路３０より下流側に設置される流体使用機器２０、配管等を過剰圧力から保護できる。
【００６０】
［第３の実施の形態］
図８は第３実施形態に係る水力発電装置１０を概略的に示す側面断面図である。
本実施形態では、図６の例と比較して、流体流路３０、絞り部３６、開度調整機構２８のシャフト７６の構成が主に相違する。
【００６１】
流体流路３０の導入路３４は、図６の例では、シャフト７６の内部通路８２により構成されたが、本実施形態では、収容孔４２の小径孔部４４内に設けられる。また、絞り部３６は、図６の例では、シャフト７６の先端面８５と封止部材８８の間に設けられたが、本実施形態では、収容孔４２の一端部４２ａ（図中右端部）に設けられる。絞り部３６はハウジング２２の一部として一体成形され、導出路３８側に向かうにつれて先細りするように傾斜するテーパー状、つまり、截頭円錐状に形成される。絞り部３６は、後述の弁体部１２６が接離する弁座として設けられる。
【００６２】
シャフト７６は、ノズル部８０を有さず、収容孔４２の小径孔部４４内に配置される小径軸部１２４を有する。流体流路３０の導入路３４は、収容孔４２の小径孔部４４とシャフト７６の小径軸部１２４の間に設けられる。シャフト７６の先端部には弁体部１２６が設けられる。弁体部１２６はニードル弁体であり、先端側に向かうにつれて先細りするように傾斜するテーパー状、つまり、円錐状に形成される。絞り部３６とシャフト７６の弁体部１２６は相似となるように形成される。弁体部１２６の外周部にはＯリング等の第３シール部材１２７が装着される。
【００６３】
シャフト７６は、小径軸部１２４より基端側に設けられ、収容孔４２の小径孔部４４内に配置される第１拡径部１２８と、ダイアフラム１１０より基端側に設けられ、第１外部連通孔４８内に配置される第２拡径部１３０とを有する。第１拡径部１２８は小径孔部４４内に摺動可能に設けられ、その外周部にＯリング等の第４シール部材１３２が装着される。第４シール部材１３２は第１拡径部１２８と小径孔部４４の間に介装され、第１拡径部１２８の外周側を通して導入路３４から第１副室１１４に流体が漏洩するのを規制する。第２拡径部１３０は第１外部連通孔４８に摺動可能に設けられ、その外周部にＯリング等の第５シール部材１３４が装着される。第５シール部材１３４は第２拡径部１３０と第１外部連通孔４８の間に介装され、第２拡径部１３０の外周側を通して第２副室１１６から外部空間に流体が漏洩するのを規制する。なお、第１副室１１４は、ハウジング２２に形成される通気孔５２を通して、ハウジング２２の外部空間に開放される。
【００６４】
開度調整機構２８は、図６の例と同様、下流側流体の圧力が大きくなると、シャフト７６の弁体部１２６が絞り部３６に近づく閉方向に変位させられ、絞り部３６内への弁体部１２６の挿入量が大きくなる。このとき、弁体部１２６と絞り部３６の間の隙間幅が小さくなり、絞り部３６の開度が小さくなる。シャフト７６が更に閉方向に変位すると、最終的には、弁体部１２６が絞り部３６に接して閉塞される。このとき、弁体部１２６と絞り部３６の間に第３シール部材１２７が介装される。一方、下流側流体の圧力が小さくなると、シャフト７６の弁体部１２６が絞り部３６から離れる開方向に変位させられ、絞り部３６内への弁体部１２６の挿入量が小さくなる。このとき、弁体部１２６と絞り部３６の間の隙間幅が大きくなり、絞り部３６の開度が大きくなる。
【００６５】
以上の水力発電装置１０によっても、図６の例と同様の作用効果を得られる。
【００６６】
［第４の実施の形態］
図９は第４実施形態の水力発電装置１０を示す平面断面図である。
本実施形態では、図６の例と比較して、シャフト７６のノズル部８０と、絞り部３６と、水車２４の構成が主に相違する。
【００６７】
ノズル部８０の出口８６は、図６に示す例ではノズル部８０の先端面８５に開口したが、本実施形態ではノズル部８０の外周部に開口し、導出路３８に臨むように設けられる。また、絞り部３６は、図６に示す例では、ノズル部８０と封止部材８８の間に設けられたが、本実施形態では、ノズル部８０の内部通路８２の下流端部に設けられる。また、絞り部３６の噴流を噴出する噴出口９４はノズル部８０の出口８６により構成される。
【００６８】
図１０は絞り部３６の近傍の拡大図であり、図１０（ａ）は絞り部３６の開度が小さい状態を示し、図１０（ｂ）は開度が大きい状態を示す。
絞り部３６の噴出口９４は収容孔４２の内壁面４２ｂにより部分的に塞がれている。図１０（ｂ）に示すように、シャフト７６がノズル部８０とともに開方向（図中右方向）に変位すると、噴出口９４が内壁面４２ｂに対して変位し、内壁面４２ｂにより塞がれる範囲が小さくなる。この結果、噴出口９４の開放される範囲が大きくなり、絞り部３６の開度が増加する。一方、図１０（ａ）に示すように、シャフト７６がノズル部８０とともに閉方向（図中左方向）に変位すると、噴出口９４が内壁面４２ｂにより塞がれる範囲が大きくなる。この結果、噴出口９４の開放される範囲が小さくなり、絞り部３６の開度が減少する。
【００６９】
絞り部３６は、図６の例と同様に、所定の方向Ｐ１に噴流を噴出するように構成される。この方向Ｐ１は、絞り部３６から見て、水車２４の回転軸５８に対して径方向に離れた位置にある羽根６０の外周端部に向かう方向となる。このように構成されるように、絞り部３６を画定する内壁面３６ａの形状が定められる。
【００７０】
図１１は、噴流の噴出方向Ｐ１とは逆方向Ｐ２（図１０（ａ）参照）から絞り部３６の噴出口９４を見た図である。図１１（ａ）は絞り部３６の開度が小さい状態を示し、図１１（ｂ）は開度が大きい状態を示す。
噴出口９４の形状は、鋭角な角部１３６を有し、角部１３６から離れるにつれて高さ寸法が徐々に大きくなる三角形状となる。噴出口９４は、噴出口９４から見て、水車２４の径方向において回転軸５８に近づく方向に角部１３６が向くように設けられる。角部１３６からは、他の部位より噴出される噴流よりも高速、つまり、高エネルギーの噴流を定常的に噴出できる。羽根６０の周速度（ｍ／ｓ）が速くなるほど、羽根６０の所望の吹き付け位置に噴流を当て難くなるが、角部１３６から高速の噴流を噴出できるため、羽根６０の所望の吹き付け位置に噴流を当て易くなり、水車２４を安定して回転させ易くなる。
【００７１】
図１０では角部１３６から噴出される噴流の方向Ｐ１を示す。本図に示すように、角部１３６の噴流の噴出方向Ｐ１は、絞り部３６の開度が増加するに伴い、絞り部３６から見て、水車２４の径方向外側から内側に近づく。これは、噴流の吹き付け位置についても同じことがいえる。つまり、開度調整機構２８は、絞り部３６の開度の増加に伴い、水車２４の羽根６０に対する流体の吹き付け位置が、絞り部３６から見て水車２４の径方向外側から内側に近づくように構成される。
【００７２】
羽根６０の外周部６０ａは、図１１に示すように、上側から下側に向かうにつれて外径が小さくなるように傾斜する三角形状に形成される。羽根６０の外周部６０ａは、上側部分を残して下側部分を切り欠いた形状となり、それだけ軽量化が図られる。
【００７３】
なお、内部連通孔１１８は、図６の例では、ダイアフラム１１０により区画される第１副室１１４と第２副室１１６のうち、第２副室１１６と導出路３８を連通したが、本実施形態では、図９に示すように、第１副室１１４と導出路３８を連通する。また、第２副室１１６は通気孔５２を通してハウジング２２の外部空間に開放され、第２副室１１６には付勢部材７８が配置される。ダイアフラム１１０には、第１副室１１４に面する受圧面１１０ｄにより下流側流体の圧力を受けて閉方向（図中左方向）への押圧力が作用する。
【００７４】
以上の水力発電装置１０の動作を説明する。
流体流路３０内で下流側流体の圧力が増加した場合、開度調整機構２８では、図６の例と同様に、ダイアフラム１１０に作用する押圧力が増大し、シャフト７６が閉方向（図９の左方向）に変位し、絞り部３６の開度が徐々に減少する。このとき、図１０（ａ）に示すように、絞り部３６の噴出口９４から見て、水車２４の径方向内側から外側に噴出口９４が変位する。これに伴い、噴出口９４の角部１３６から噴出する噴流の吹き付け位置も、羽根６０の径方向内側から外側に遠ざかる。このとき、噴出口９４の開放される範囲が小さくなり、噴出口９４から噴出する噴流の吹き付け範囲が、羽根６０の径方向内側から外側に狭まる。
【００７５】
この場合、羽根６０の径方向内側寄りの部位に噴流を吹き付けるより、噴流により羽根６０に大トルクが与えられ、羽根６０の回転速度を上げられ、発電機２６により効果的に発電できる。
【００７６】
一方、流体流路３０内で下流側流体の圧力が減少した場合、開度調整機構２８では、図６の例と同様に、ダイアフラム１１０に作用する押圧力が減少し、シャフト７６が開方向（図９の右方向）に変位し、絞り部３６の開度が徐々に増加する。このとき、図１０（ｂ）に示すように、絞り部３６の噴出口９４から見て、水車２４の径方向外側から内側に噴出口９４が変位する。これに伴い、噴出口９４の角部１３６から噴出する噴流の吹き付け位置も、羽根６０の径方向外側から内側に近づく。このとき、噴出口９４の開放される範囲が大きくなり、噴出口９４から噴出する噴流の吹き付け範囲が、羽根６０の径方向外側から内側に広がる。
【００７７】
この場合、絞り部３６の開度が増加しており、噴流の速度が遅くなる。羽根６０の周速度は径方向内側より外側の方が速く、羽根６０の外周部６０ａに低速の噴流を吹き付ける場合、羽根６０に当たらない場合も考えられる。この点、本実施形態では、噴出口９４から噴出する噴流の吹き付け位置が羽根６０の径方向外側から内側に近づき、羽根６０の周速度が遅い径方向内側寄りの部分に噴流が吹き付けられ、低速の噴流を安定して羽根６０に当てられる。よって、絞り部３６の開度が大きい場合でも、水車２４を安定して回転させて発電機２６により発電できる。
【００７８】
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。
【００７９】
発電機２６は、水車２４の回転により、ステータ部６８に対してロータ部６６が回転して発電するものであればよく、図示の例に限定されず、公知の発電機が用いられてよい。操作部５０は、ハウジング２２の外部に一部が露出して設けられるねじ体を例に説明した。操作部５０は、この他にも、回転可能なダイヤル等により構成されてもよい。また、操作部５０は、シャフト７６と別体の部品で構成されたが、シャフト７６等の開度調整機構２８を構成する部品との一体品として構成されてもよい。弁体部１２６は弁機構に用いられる他の弁体要素が用いられてもよく、絞り部３６はこの他の弁体要素に応じた弁座要素が用いられてもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１０…水力発電装置、１４…上流側流路、１６…下流側流路、２２…ハウジング、２４…水車、２６…発電機、２８…開度調整機構、３０…流体流路、３６…絞り部、５０…操作部、６０…羽根、９４…噴出口、１２２…受圧変位体、１３６…角部。
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0006276156.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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