(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力発電システムにおいて、
給水設備と、
前記給水設備内に回転可能に配設されたハウジングであって、該ハウジングは、凹状に形成された複数のパドルであって該ハウジングの外面から外方に延在すべく配置された複数のパドルを備えるというハウジングと、
前記ハウジング内に配設された発電器であって、該発電器は前記ハウジングの内面に結合した回転子と、前記ハウジング内に固定的に配置された固定子とを備え、前記ハウジングが回転するときに、前記回転子が前記固定子の回りで回転して電力を発生する発電器と、
前記給水設備内に配設されたノズルであって、液体流を前記パドルに向けて導向することで前記ハウジングの回転を誘起すべく構成されたノズルと、
前記給水設備内に配設されると共に、前記ノズルに流動液体を供給すべく構成された電動バルブと、
前記発電器と前記電動バルブとに結合されたエネルギ蓄積デバイスと、
前記電動バルブと前記エネルギ蓄積デバイスとに結合された電圧制御器であって、前記エネルギ蓄積デバイスにおける電圧が所定スレッショルド値レベルより低いときに前記電動バルブを操作して開成させるべく構成された電圧制御器とを備え、
前記ハウジングは前記発電器に対する液体連通を許容する複数の通孔を更に備えており該通孔の各々を前記外面の回りに同心的に構成することで、前記ハウジングが回転したときに、前記ハウジングが実質的に気体により充填された状態とするように、該ハウジング内に存在する液体の量を可及的に低減するようにした水力発電システム。
【請求項２】
前記ハウジングは、前記パドルに対する0.44リットル／分から4.16リットル／分の範囲における流動液体の衝当に応じて5,000回転／分より高速で回転する請求項１記載の水力発電システム。
【請求項３】
前記ハウジングは、前記外面上の所定位置に前記パドルを維持すべく且つ前記発電器を同心的に囲繞すべく一体的に結合される様に構成された第１ハブおよび第２ハブを備える請求項１記載の水力発電システム。
【請求項４】
前記ノズルを0.44リットル／分から4.16リットル／分の範囲で液体が流れる結果、0.25ワットから30ワットの範囲の電力を発生する請求項１記載の水力発電システム。
【請求項５】
前記給水設備は洗面所用設備である請求項１記載の水力発電システム。
【請求項６】
外側ハウジングに固定され、内側ハウジングを貫通させて延設されたセンタリングロッドを更に具備し、
前記内側ハウジングは前記外側ハウジング内で前記センタリングロッドを中心に回転可能となっている請求項１に記載の水力発電システム。
【請求項７】
前記パドルの各々は、
前記外面に対して直交して位置決めされた第１楕円形状パドル区画および第２楕円形状パドル区画と、
前記外面に結合されるべく構成された基部であって前記外面の近傍にて前記各パドルにより形成される連続的同心リングの一部を形成する基部とを備えて成る請求項１記載の水力発電システム。
【請求項８】
水力発電システムにおいて、
給水設備と、
前記給水設備内に配設されたハウジングであって、凹状に形成された複数のパドル備えて成るハウジングと、
前記ハウジング内に配設された発電器であって、該発電器は前記ハウジングと共に回転自在の永久磁石と、前記永久磁石の直近に配置された固定とを具備し前記ハウジングが回転すると前記永久磁石が固定子に対して回転して電力が発生する発電器と、
前記給水設備内に配設され、前記ノズルに流動液体を供給すべく構成された電動バルブと、
前記発電器と前記電動バルブとに結合されたエネルギ蓄積デバイスとを備え、
前記ハウジングは前記発電器に対する液体連通を許容する複数の通孔を更に備えており該通孔の各々を前記外面の回りに同心的に構成することで、前記ハウジングが回転したときに、前記ハウジングが実質的に気体により充填された状態とするように、該ハウジング内に存在する液体の量を可及的に低減するようにした水力発電システム。
【請求項９】
前記エネルギ蓄積デバイスがバッテリを具備する請求項８に記載の水力発電システム。
【請求項１０】
前記発電器は、前記エネルギ蓄積デバイスを再充電する電力を発生するよう作動する請求項８に記載の水力発電システム。
【請求項１１】
前記電動バルブに接続されたセンサを更に含み、該センサは、検知したパラメータに応答して前記電動バルブを起動するように構成されている請求項８に記載の水力発電システム。
【請求項１２】
前記検知したパラメータは、前記給水設備近傍の動作である請求項１１に記載の水力発電システム。
【請求項１３】
給水設備と、
前記給水設備内に回転可能に配設されたハウジングであって、該ハウジングは、凹状に形成された複数のパドルであって該ハウジングの外面から外方に延在すべく配置された複数のパドルを備えるというハウジングと、
前記ハウジング内に配設された発電器であって、該発電器は前記ハウジングの内面に結合した回転子と、前記ハウジング内に固定的に配置された固定子とを備え、前記ハウジングが回転するときに、前記回転子が前記固定子の回りで回転して電力を発生する発電器と、
前記給水設備内に配設されたノズルであって、液体流を前記パドルに向けて導向することで前記ハウジングの回転を誘起すべく構成されたノズルと、
前記給水設備内に配設されると共に、前記ノズルに流動液体を供給すべく構成された電動バルブと、
前記発電器と前記電動バルブとに結合されたエネルギ蓄積デバイスとを備え、
前記ハウジングは前記発電器に対する液体連通を許容する複数の通孔を更に備えており該通孔の各々を前記外面の回りに同心的に構成することで、前記ハウジングが回転したときに、前記ハウジングが実質的に気体により充填された状態とするように、該ハウジング内に存在する液体の量を可及的に低減するようにした水力発電システム。
【請求項１４】
前記電動バルブと前記エネルギ蓄積デバイスとに結合された電圧制御器を更に備え、
該電圧制御器は、前記エネルギ蓄積デバイスにおける電圧が所定スレッショルド値レベルより低いときに、前記電動バルブを操作して開成させるべく構成されている請求項１３に記載の水力発電システム。
【請求項１５】
前記ハウジングは、第１と第２のハブの内側にキャビティを形成すべく前記第２ハブと係合可能な第１ハブを備え、
前記パドルは、前記第１と第２のハブが係合したときに、該第１と第２のハブの間に保持されるべく構成されている請求項１３に記載の水力発電システム。
【請求項１６】
前記エネルギ蓄積デバイスは、充放電可能なバッテリおよびコンデンサを具備する請求項１３に記載の水力発電システム。
【請求項１７】
前記発電器は、前記エネルギ蓄積デバイスと前記電動バルブの双方に電力を供給するように構成されている請求項１３に記載の水力発電システム。
【請求項１８】
前記電動バルブは、該電動バルブの位置を検知する位置検知デバイスを具備する請求項１３に記載の水力発電システム。
【請求項１９】
前記エネルギ蓄積デバイスと前記電動バルブの間、および、前記発電器と前記電動バルブとの間に接続されたプロセッサを更に具備し、
該プロセッサは、前記発電器とエネルギ蓄積デバイスの少なくとも一方から前記電動バルブへ電力を選択的に供給可能となっている請求項１３に記載の水力発電システム。
【請求項２０】
前記プロセッサが、前記電動バルブの動作を制御し、該水力発電システムの作動状態を提供するように構成されている請求項１９に記載の水力発電システム。
【請求項２１】
前記プロセッサは、更に、前記エネルギ蓄積デバイスの充電速度および完全充電に対する百分率を提供するように構成されている請求項１９に記載の水力発電システム。
【請求項２２】
前記エネルギ蓄積デバイスは複数のエネルギ蓄積デバイスを具備し、前記プロセッサは、更に、前記エネルギ蓄積デバイスに接続され該プロセッサによって制御される直列／並列スィッチによって、前記エネルギ蓄積デバイスの幾つかを並列形態と直列形態との間で選択的に切換えるように構成されている請求項１９記載の水力発電システム。
【請求項２３】
水力発電システムにより電力を発生する方法において、
給水設備を準備し、
前記給水設備内に配設されると共に、前記ノズルに流動液体を供給すべく構成された電動バルブを選択的に開成し、
前記給水設備内に回転可能に配設されたハウジングであって、該ハウジングは、凹状に形成された複数のパドルであって該ハウジングの外面から外方に延在すべく配置された複数のパドルを備えるというハウジングを液体流によって回転させ、
前記ハウジング内に配設された発電器であって、該発電器は前記ハウジングと共に回転自在の永久磁石と、前記永久磁石の直近に固定、配置された固定子とを具備し、前記ハウジングが回転すると、前記永久磁石が固定子に対して回転して電力が発生するようにした発電器によって電力を発生させると共に、前記ハウジングの外面の回りに同心的に配置され前記発電器に対する液体連通を許容する複数の通孔を通して、前記ハウジングが回転したときに、前記ハウジングが実質的に気体により充填された状態とするように、該ハウジング内に存在する液体の量を可及的に低減し、
前記電力を前記電動バルブとエネルギ蓄積デバイスの少なくとも一方に電力を供給するようにした水力発電システムにより電力を発生する方法。
【請求項２４】
前記エネルギ蓄積デバイスの電圧を監視し、該エネルギ蓄積デバイスの電圧が所定スレッショルド値レベルより低いときに前記電動バルブを自動的に所定時間開成することによって、前記電動バルブおよび前記エネルギ蓄積デバイスへ電力を供給するようにした請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記エネルギ蓄積デバイスは複数のエネルギ蓄積デバイスと、複数の充電スィッチとを具備しており、
前記電動バルブおよび前記エネルギ蓄積デバイスへの電力供給が、前記複数のエネルギ蓄積デバイスの電圧レベルおよび該複数のエネルギ蓄積デバイスの放電時間に従って、前記複数の充電スィッチを選択的に閉成、開成することを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記エネルギ蓄積デバイスが複数のエネルギ蓄積デバイスと、直列／並列スィッチとを具備し、
前記電動バルブおよび前記エネルギ蓄積デバイスへの電力供給が、放電時間を最長化し、出力電圧を維持し、或いは、出力電圧の振幅を変更するために、直列形態と並列形態との間でエネルギ蓄積デバイスを自動的、選択的に切換えることを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記電動バルブおよびエネルギ蓄積デバイスへの電力供給が、更に、エネルギ蓄積デバイスへの充電と、完全充電に対する百分率、充電速度および充電百分率を決定するために、エネルギ蓄積デバイスの充電速度を計時とを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
給水設備内に配設された電動バルブの選択的な開成が、エネルギ蓄積デバイスを放電して、前記電動バルブを励起することを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
前記電動バルブを励起するための前記エネルギ蓄積デバイスの放電は、放電速度とエネルギ蓄積デバイスの充電百分率を決定するためにエネルギ蓄積デバイスの放電速度の計時を含む請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概略的に発電に関し、より詳細には、小型水力発電システムによる水力発電に関する。
【背景技術】
【０００２】
流動する加圧水(pressurized water)から運動エネルギを抽出して、該エネルギを電力を発生するための発電器を回転すべく使用する水力発電は公知である。これに加え、気体、蒸気などの他の加圧流体を用いて発電器を回転させることは公知である。河川またはダムなどの大規模な水源により作動される大規模な水力発電によれば、数百万ガロンの流水を用いて数千メガワットの発電が可能である。故に、流水の運動エネルギから電力への変換は、相当の非効率さを伴うのではあるが、依然として経済的に容認可能なレベルの性能を提供可能である。
【０００３】
然しながら、水力発電機器の規模が小さくなるにつれ発電規模も小さくなる。これに加え、運動エネルギが抽出され得る流水の量も少なくなる。故に、水の流れにおける運動エネルギから電力への変換の効率が重要となる。効率が低すぎると、加圧流水からは少量の運動エネルギしか抽出されない。結果として、水力発電機器のサイズが小さくなるにつれ発電量は減少する。
【０００４】
流動する加圧液体を含むと共に作動のためには電力を要するという多くの小規模なシステムが在る。一定の例としては、住居用の水処理システム、自動給水設備(automatic plumbing fixture)、流速モニタ、水試験器などが挙げられる。
【０００５】
また、消費のために供与される前に水を濾過して浄化すべく炭素系フィルタユニットおよび紫外線(UV)光ユニットを含むという幾つかの異なる形式の水処理システムが在る。前記炭素系フィルタユニットは、微粒子および有機汚染物質を濾過して除去すべく不活性物質を用いる。前記紫外線光ユニットから発せられる紫外線は、水の中に存在する有害な微生物を無力化すべく用いられる。
【０００６】
前記水処理システム内に存在し得る前記紫外線光ユニットおよび他の一切の電力消費システムを起動するためには電源が必要となる。習用の水処理システムは、前記紫外線光ユニットなどの該水処理システム内の全ての構成要素を駆動するために必要なエネルギを提供すべく、標準的な電気コンセントまたはバッテリ電源からの電力を使用する。電気コンセントにより電力供給される水処理システムの場合、該システムの携帯性は限られ、かつ、電気コンセントの電力供給が中断すると動作が停止する。
【０００７】
また、バッテリ電源により動作される水処理システムは、該水処理システムの動作もしくは保管により消費されるという有限供給量のエネルギのみを含んでいる。これに加え、前記水処理システムを動作可能に維持するには、交換用バッテリが容易に利用可能とされねばならない。もし長期のバッテリ電源が所望されるなら更に大寸のバッテリが必要とされるが、これは水処理システムに相当の重量および寸法を加え得る。
【０００８】
既存の一定の水処理システムは、バッテリ電源が電気コンセントの電源により充電され得るという、標準的な電気コンセントまたはバッテリ電源のいずれかを使用可能である。これらの水処理システムは交換用バッテリを必要としないが、バッテリ電源で動作する前記水処理システムの動作の長さはバッテリの容量およびサイズにより左右される。電気コンセントによる電源もまた、バッテリを充電すべく定期的に利用されねばならない。これに加え、これらの水処理システムは前記の２種類の異なる電源で動作する付加的な電気回路および構成要素を必要とする。
【０００９】
化粧室のバルブおよび流しの水栓などの自動給水設備は、電気作動式バルブおよびセンサを含むことができる。前記センサは、自動給水設備のユーザの存在を検知し、前記電気作動式バルブを動作させて水の流れで応答する。前記電気作動式バルブおよびセンサは両者ともに、動作するために電力を必要とする。電力は、配電盤からの電気ケーブルを前記自動給水設備まで設置することで得られる。而して、自動給水設備が既存の建築物に設置される場合、配電盤および／または電気ケーブルの設置は不経済であり、時間が掛かり且つ困難でもあり得る。
【００１０】
以上の理由により、水処理システム、自動給水設備などのシステムに適合するに十分なほど小寸であり、且つ、斯かるシステムを動作させるに十分な電力を発生すべく十分な効率で動作し得る小型水力発電機器に対する要望が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、先行技術に伴う問題を克服する小型水力発電システムを開示する。前記小型水力発電システムの実施例は、5,000RPM以上などの高回転／分(RPM)にて回転することで電気デバイスを動作させるに十分な電力を効率的に提供可能である。損失が最小化されることから高RPMの動作が可能となり、流動液体の運動エネルギから発電のための回転エネルギへの変換が最大化される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記水力発電システムは、当該ハウジングの外面から外方に延在すべく配置された複数のパドルを有する略円筒状のハウジングを含むことができる。前記各パドルは、概ね凹状とされると共に、前記ハウジングの前記外面から直角に延在し得る。前記水力発電システムは、ノズル、センタリングロッドおよび発電器も含むことができる。前記ノズルは、高速の液体流を前記パドルに向けて導向することで前記ハウジングの回転を誘起すべく構成することができる。前記センタリングロッドは、前記ハウジングに含まれたキャビティを貫通延在し得る。前記ハウジングは、前記パドルへの液体の衝当に応じて前記センタリングロッドの回りで回転可能となっている。
【００１３】
前記発電器は、前記ハウジングの前記キャビティ内に配置された永久磁石発電器とすることができる。前記発電器は、前記ハウジングに結合された回転子と、前記センタリングロッドに結合した固定子とを含む。前記ハウジングが回転するとき、前記回転子は該ハウジング内に配置されて前記固定子の回りで回転して発電可能である。前記回転子は磁界を形成して、中心軸が一致するように前記固定子の周囲に該回転子自体を浮動、支持(suspend)する。前記ハウジングは、前記センタリングロッドを囲繞するブッシュを含むことができる。前記回転子は前記固定子の回りに浮動、支持されているので、前記ハウジングは前記センタリングロッドの回りに浮動、支持されることとなる。故に前記ブッシュは前記ハウジングおよび前記センタリングロッドを殆どまたは全く接触させずに前記センタリングロッドを囲繞することから、前記ハウジングが回転するときの回転摩擦は減少され且つ効率は更に改善される。
【００１４】
前記ハウジングは、キャビティを形成すべく第２ハブに結合された第１ハブから形成することができる。前記第１と第２のハブが係合されたとき、前記パドルは前記第１と第２のハブの間に保持可能である。前記パドルは、前記ハウジングを同心的に囲繞するパドルのリングを形成することができる。前記ハウジングはまた、該ハウジングが回転するときに前記キャビティから液体を排出して流体インピーダンスを減少すべく構成された複数の通孔を含むことができる。故に、前記パドルが前記ノズルからの液体流に委ねられて前記ハウジングが高RPMで回転するときに、前記キャビティは実質的に無水(dry)のままとされる。
【００１５】
前記ハウジングは、外側ハウジング内に完全に配置可能である。前記外側ハウジングは、内面および吐出口を含むことができる。前記内面は案内構造(ducting)を含むことで、液体流が前記パドルに向けて導向されたときに液体噴霧を減少するが故に流体インピーダンスを減少し得る。前記案内構造は、液体噴霧を減少すべく且つ前記外側ハウジングから液体を確定排出(channel out)すべく、フィンガおよびチャネルを含むことができる。前記フィンガおよびチャネルは、回転する前記ハウジングから放出される液体の拡散パターンに基づき、前記内面上の旋回パターンで構成することができる。前記案内構造により液体は前記外側ハウジングから連続的に確定排出されることから、前記外側ハウジングは実質的に無水のままである。故に前記内側ハウジングおよび前記ノズルは液体に浸漬されずに動作し得ることから、流体インピーダンスが更に減少され且つ効率的なエネルギ伝達が改善される。
【００１６】
前記水力発電システムはまた、化粧室用の自動洗流設備などの給水設備も含むことができる。前記給水設備は、電動バルブ、エネルギ蓄積デバイス、電力制御器、センサおよび発電器を含むことができる。前記発電器は、先に記述されたように流動液体から発電可能である。電力は前記エネルギ蓄積デバイスに蓄積されると共に、前記電力制御器、前記センサおよび前記電動バルブを励起すべく使用可能である。前記センサが化粧室の使用を検知したとき、前記電動バルブが励起されて開成され、液体の流れが提供され得る。流動液体は前記発電器により使用されることで、前記エネルギ蓄積デバイスを再充電する電力が生成され得る。前記電力制御器は、前記エネルギ蓄積デバイスに蓄積された電力のレベルを監視し得る。もし蓄積された電力のレベルが低くなれば、前記電力制御器は前記電動バルブを起動して開成し、且つ、前記発電器は前記エネルギ蓄積デバイスを再充電し得る。
【００１７】
本発明のこれらのおよび他の特徴および利点は、添付図面に関して示されると共に現在において好適である実施例に関する以下の詳細な説明を考慮すれば明らかとなろう。前記の説明は、序論としてのみ提供されている。本項における如何なる処も、発明の有効範囲を定義する添付の各請求項を制限するものと解釈されるべきでない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好適実施例を特定形態に関して示すが、当業者であれば、各請求項の有効範囲内で該特定形態を種々変更および改変が可能であることを理解し得よう。現在において好適な実施例は、電源を必要とし且つ水流を含む任意のシステムと共に使用可能であるが、各実施例は、住居用もしくは携帯用の水処理システム、給水設備などのシステムに対して設計される。当業者であれば、各実施例は水以外の液体と共に使用可能であり、且つ、「水」および「水力」との語の使用は限定的と解釈されるべきでないことも理解し得よう。
【００１９】
図１は、好適な水力発電システム12に接続された水処理システム10の側面図である。この実施例において水力発電システム12は、ノズル14、ハウジング16、インペラ18およびハウジング吐出口20を含む。ノズル14は、管路22により水処理システム10に連結される。管路22はPVCプラスチックもしくは同様の材料から形成され得ると共に、螺着接続、摩擦嵌合または他の一定の同様の接続機構によりノズル14に結合可能である。
【００２０】
動作の間に加圧水は、矢印24により示すように、水処理システム10からノズル14を介して水力発電システム12に流入する。ノズル14は、水が該ノズル14を通り流れてハウジング16を通りハウジング吐出口20に至るべく付勢される様に、ハウジング16に結合される。代替実施例において水力発電システム12は、水処理システム10内に配置されるか、または、加圧水が水処理システム10に進入する前に該加圧水の供給を受容すべく位置決めされ得る。
【００２１】
図２は、ノズル14の一実施例の断面を示している。好適なノズル14は、自身を貫通して流れる加圧水の速度を増大する音波ノズルである。この実施例においてノズル14は、水の速度を亜音速まで増大し得る。ノズル14はステンレス鋼もしくは他の一定の同様の剛性材料で形成されると共に、ノズル取入口26およびノズル吐出口28を含む。ノズル取入口26は、前述されたように水処理システム10に連結される。ノズル吐出口28はハウジング16に対し、摩擦嵌合、弾性嵌合、螺着接続、または、それらの間に水密な接続を形成し得る他の一定の同様の機構により連結される。ノズル14は、以下において論じられるようにインペラ18に対する該ノズル14の適切な整列を提供する任意の箇所においてハウジング16を貫通し得る。
【００２２】
ノズル14は、自身を貫通する水の流れを提供する通路30を含む。通路30は、ノズル取入口26にては第１所定直径32であり且つノズル吐出口28にては第２所定直径34である様に形成される。この実施例において第２所定直径34は、第１所定直径32の約26％である。通路30は、ノズル14の所定長さに対して第１所定直径32のままである。通路30の残存部分は、第２所定直径34まで該通路30を均一にテーパ付けすることで円錐形状とされる。この実施例においてノズル14の通路30は、第１所定直径32と第２所定直径34との間で約18°の角度でテーパ付けされる。
【００２３】
通路30の形態は、ノズル14から出射する水の速度を決定する。これに加え、ノズル吐出口28における水の速度は、水源の圧力とノズル14の下流の背圧とに依存する。ノズル吐出口28における前記速度の望ましい所定範囲は、ノズル取入口26において(図１に示された)水処理システム10により提供される圧力の期待範囲を用いて決定され得る。たとえば家庭用水道において水の供給圧力は約20〜60ポンド／平方インチ(PSI)の範囲である。通路30はまた、ノズル吐出口28にて連続的で均一な水の流れも提供する。動作の間においてノズル14を通り流れる水は、所定範囲内の速度および所定軌跡にてハウジング16に流入する。
【００２４】
図１に戻るとハウジング16は、プラスチック、または、水に対する堅固な通路を形成し得る他の一定の同様の耐水材料から構成され得る管路を形成する。この実施例においてハウジング16は、該ハウジング16の内部の視認を許容すべく図１に示された透光部分を含む。ハウジング16は、水がノズル吐出口28を出射した後で該ハウジング16を通り流れるときにその水と流体連通するインペラ18を包囲すべく形成される。
【００２５】
インペラ18は、ハブ44に堅固に取着された複数のブレード42を含む。各ブレード42は、ノズル14から流れる水が所定角度でインペラ18の該ブレード42に衝当するようにハウジング16内で位置決めされる。前記所定角度は、ノズル取入口26における水の期待圧力、ノズル吐出口28における背圧、および、インペラ18の所望の毎分回転数(RPM)に基づいて決定される。動作の間において流水はインペラ18に作用し、ハウジング16内で該インペラを単一方向に回転させる。以下において詳細に論じられるようにインペラ18が回転するにつれ、この実施例の水力発電システム12は流水におけるエネルギを回転エネルギへと変換し、それは次に電気に変換される。この実施例においてインペラ18は、ハウジング16を通り流れる水に浸漬される。
【００２６】
図３は、図１に示されると共に90°回転され且つハウジング16が破断された前記実施例を示している。図示するように、インペラ18は、長手延在シャフト48により発電器46に対して共軸的に取着される。シャフト48は、ステンレス鋼、または、インペラ18に固定的に結合される他の一定の同様の剛性材料とすることができる。インペラ18のハブ44はシャフト48の一端に対して共軸的に結合され、且つ、発電器46の一部である発電器シャフト50は他端に共軸的に結合される。インペラ18および発電器46に対するシャフト48の堅固な結合は、溶接、圧力嵌めまたは他の同様の堅固接続とすることができる。
【００２７】
回転可能シャフト48は長手方向に延在することで、ゴムもしくは他の同様の材料で作成された水密シール52を通りハウジング16を貫通する。水密シール52はハウジング16に結合されると共に、ハウジング16から水が離脱せずにシャフト48が自由に回転するのを許容すべく形成される。シャフト48は、ハウジング16の近傍に配置された発電器46まで長手方向に延在する。不図示ではあるが発電器46の外面は、ナットおよびボルト、リベット、または、ハウジング16と該発電器46とを固定的に結合し得る他の同様の機構により、ハウジング16に結合可能である。
【００２８】
動作の間において水がハウジング16を通り流れ且つインペラ18が回転するにつれてシャフト48、50は対応して回転し、発電器46から電気が生成される。代替実施例においてはハウジング16に対する貫通の必要性を排除すべく、シャフト48の代わりに、磁的連結器（図示せず）が用いられる。この実施例においてインペラ18は、ハウジング16の外側で発電器シャフト50上に配置された同様の磁石に対して堅固に結合するに十分な磁的強度を備えた磁石を含む。動作の間においてインペラ18が回転するとき、該インペラ上で配向された磁石および発電器シャフト50上で配向された磁石の磁的吸引力により発電器シャフト50が回転されることで、発電器46から電気が生成される。
【００２９】
この実施例において発電器46は、交流(AC)を生成し得る永久磁石発電器とすることができる。交流(AC)は、直流(DC)を生成すべく整流され得る。代替実施例において発電器46は、ACおよびDC電流の両方を生成し得る。電気は発電器46から、ワイヤ、バス、または、電気を導通し得る他の同様の材料とされ得る複数本の導体54により伝達される。生成された電気の電圧レベルは、インペラ18の毎分回転数の関数である。上述したように、ノズル14から流れる水の速度は所定範囲内に設計されることで、発電器46により生成される電気の電圧出力を制御し得る。
【００３０】
この実施例により生成された交流もしくは整流された直流は、水処理システム10に対して電力供給すべく使用され得ると共に、たとえばバッテリもしくはコンデンサなどのエネルギ蓄積デバイス（図示せず）を充電するためにも使用可能である。インペラ18の回転または生成されつつある電気の持続時間は、水処理システム10を通り流れる水の流速もしくは量などの流量式測定に対するメカニズムも提供可能である。インペラ18の回転または生成されつつある電気の持続時間は発電器46の逆起電力(EMF)と組み合わされることで、流量式測定を提供可能である。当業者であれば、水力発電システム12は水処理システム10の他のシステムでも使用され得ることを理解し得よう。
【００３１】
図４は、水力発電システム12の別実施例の断面図を示している。この実施例は図１に示された実施例と同様に水処理システム10に連結されると共に、ノズル14、ハウジング16，インペラ18およびハウジング吐出口20を含む。既述した実施例と同様に、ノズル14はインペラ18に向けて導向される水を高速にて提供する。但しこの実施例においてインペラ18は、動作の間においてハウジング16内の水に浸漬されない。故にノズル14からの水は、インペラ18に向けて導向される流れを形成する。
【００３２】
ノズル14は、図２に示されて既述したノズル14と同様の音波ノズルとすることができる。ノズル14はハウジング16を貫通すると共に、取付プレート56により該ハウジングに結合される。取付プレート56は、ハウジング16の外面に対して密接して接触すべく位置決めされる。当業者であれば、ノズル14をハウジング16に結合すべく使用され得る他の方法が存在することを理解し得よう。
【００３３】
図５は、この実施例の取付プレート56に取付けられたノズル14の断面図を示している。取付プレート56は、インペラ18に関する最適位置へとノズル14の調節を許容する長手スロット58および一対の突起部60を含む。この実施例においてノズル14は、最適位置が達成されたときに突起部60に螺条付きネジを挿入することでハウジング16に対して固定的に取付けることができる。代替実施例において取付プレート56は、たとえば螺条付きネジ、リベットもしくはピンなどの締結具が該取付プレート56をハウジング16に対して固定的に取付けたときに、ノズル14の所定の単一の所望位置を提供する。
【００３４】
図４を再び参照するとノズル14の所望位置は、該ノズル14がハウジング16内へと直立的に延在する如きである。この実施例のハウジング16は、図４に示すように、該ハウジング16の内壁により画成されたハウジングキャビティ62を含む。ハウジングキャビティ62は、インペラ18が内部に配置された空気空間である。動作の間において、水はノズル14から所定軌跡によりハウジングキャビティ62内へと放出され、所定角度にてインペラ18に衝当する。前記所定角度は、インペラ18の所望のRPMと、水処理システム10からノズル14に供給される水の圧力の範囲とに基づく。ノズル14とインペラ18との協働的動作は加圧水に限定されず、たとえば空気などの他の流体が同様に利用され得る。
【００３５】
図４に更に示すように、インペラ18は複数のブレード64を含む。この実施例のブレード64の各々は、一端にてはインペラハブ66に固定的に結合されると共に、逆端に形成されたパドル68を含む。インペラハブ66は、既述した実施例と同様にシャフト48に固定的に結合される。当業者であれば、ブレード64の個数およびインペラ18のサイズは用途に依存して変更され得ることを理解し得よう。
【００３６】
図６は、図５に示されると共に90°回転され且つ図示目的でハウジング16の一部が破断された前記実施例の水力発電システム12を示している。図示するように、水力発電システム12は、既述した実施例と同様に、シャフト48により発電器46に結合されたハウジング16を含む。これに加え、回転可能であるシャフト48は、インペラ18から水密シール52を貫通して発電器46内へと長手方向に延在する。代替実施例においてシャフト48は、先に記述されたように磁的連結器により改変されることで、ハウジング16および水密シール52の貫通が排除される。図示するように、シャフト48はハウジングキャビティ62内の前記空気空間内にインペラ18を回転可能に位置させることから、パドル68はシャフト48の回りを回転する。
【００３７】
図６に示すように、この実施例のパドル68の各々は、スロット70を含む放物線形状に形成される。パドル68の放物線形状によれば、(図５に示された)ノズル14から放出された水に存在するエネルギの均一な受容体が提供される。スロット70によれば、放出された水のエネルギはインペラ18が回転するにつれて次のパドル68へと受け渡され得る。放出された水におけるエネルギが次のパドル68へと遷移的に受け渡さると、水からインペラ18へのエネルギ伝達の効率が最大化される。代替実施例においてブレード64は、ノズル14から放出された他の流体のエネルギの効率的な伝達を助長する他の形状および構成にて形成することができる。たとえば流体が空気である場合にブレード64は、翼板、フィン、または、流動する空気からインペラ18に対してエネルギを伝達し得る他の同様の構造として形成することができる。
【００３８】
動作の間において、水の流れが所定角度にてインペラ18に衝当した後、矢印72により示すように、水は重力によりハウジング吐出口20に向けて落下する。故に、水はハウジング吐出口20に集まることでハウジング16から確定排出される。インペラ18は水に浸漬されないことから、水流からインペラ18に対して伝達されるエネルギの大部分はシャフト48に対して回転力として提供される。
【００３９】
シャフト48の回転によれば、発電器46の一部が回転される。発電器46の一実施例は、発電器ハウジング82内に配置された回転子76、第１固定子78および第２固定子80を含む。回転子76は、シャフト48に固定的に結合され、それと共に回転する。第１および第２固定子78、80は、発電器ハウジング82に固定的に結合されてシャフト48を環状的に囲繞する。回転子76は、第１および第２固定子78、80の間に配置されることで、発電器46を形成する。
【００４０】
この実施例の回転子76は、複数の永久磁石84を含むディスクの形態とすることができる。永久磁石84は回転子76において所定位置に等間隔で載置されることで、第１および第２固定子78、80と作用的に協働する。この実施例における第１および第２固定子78、80の各々は、複数のコイル86を含むディスクを形成しても良い。各コイル86は第１および第２固定子78、80内で等間隔に配置されることで、永久磁石84と作用的に協働する。各コイル86は電気的に接続されることで、電気を生成すべく作用可能な一本以上の巻線を形成することができる。第１および第２固定子78、80の磁極の個数および設計態様は、多数の要因に依存する。斯かる要因としては、永久磁石84により形成されるガウス場の強度、逆EMF、ならびに、発電器46の所望RPMおよび所望電力出力が挙げられる。
【００４１】
この実施例において回転子76が回転すると同様に回転する永久磁石84により磁束が生成されることから、第１および第２固定子78、80に電気が生成される。回転子76および第１および第２固定子78、80は作用的に協働することで、交流(AC)を生成する。このACは発電器46により整流かつ安定化されることで、ACおよび直流(DC)の両方が供給される。代替実施例において永久磁石84は、発電器46が直流(DC)を生成すべく作動する様に、第１および第２固定子78、80上に配置可能である。別の代替実施例において発電器46は、図３に関して論じられた発電器46と同様である。
【００４２】
動作の間において加圧水は、(図１に示された)水処理システム10から水力発電システム12へと供給され得る。先行実施例におけるのと同様に水力発電システム12の代替実施例は、水処理システム10に対して水を供給するか、または、水処理システム10内に配置可能である。この実施例において水は、上述したように水処理システム10からノズル14に供給される。
【００４３】
加圧水はノズル14を通り流れると共に高速でハウジングキャビティ62内へと放出されることで、所定の入射角にてインペラ18上のパドル68に衝当する。水がパドル68に衝当するとき、放出された水のエネルギはインペラ18に伝達されて単一方向における回転を引き起こす。インペラ18が回転するにつれ、放出された水流の一部はスロット70を通り流れてインペラ18上の別のパドル68に衝当する。各パドル68に対する水の衝突およびこれに伴うエネルギの伝達に続き、水は重力によりハウジング吐出口20へと落下してハウジング16から流出する。故に動作の間においてハウジングキャビティ62は空気空間を維持し、動作の間において水により完全に充填されることはない。
【００４４】
インペラ18の回転によりシャフト48の回転が引き起こされることから、発電器46の回転子76が回転される。この実施例において回転子76は、約2,400回転／分(RPM)で回転する。回転子76の回転により、水処理システム10に供給される電気の生成が誘起される。上述したように発電器46により生成される電圧レベルの範囲は、ノズル14を通り流れる水の速度の範囲に基づく。故に前記発電器の電圧範囲は、ノズル14を通り流れる水の速度の所定範囲を選択することで選択され得る。
【００４５】
図７は、水処理システム10に対して好適に連結された水力発電システム12の別実施例の断面図を示している。図示するように、水力発電システム12は、回転子ハウジング102および固定子ハウジング104を含む。回転子ハウジング102は、プラスチックもしくは他の同様の剛性材料から構成され得る管路を形成し、且つ、取入口106および吐出口108を含む。動作の間において、取入口106は矢印110により示すように、流水を受容し、且つ、吐出口108は流水を水処理システム10へと確定移送(channel)する。代替実施例において水力発電システム12は、水処理システム10内に配置され、または、水処理システム10から流出する水を受容すべく配置可能である。上述したように、水力発電システム12を通る水の流れは水処理システム10により制御され得る。
【００４６】
図７に示すように、回転子ハウジング102は回転子112を収容し且つ固定子ハウジング104は固定子114を収容する。この実施例の回転子112は、６組のN/S極を有する12極式の永久磁石回転子とすることができる。以下において詳細に示されるように、この実施例の固定子114は8組のN/S極を以て設計された環状リングとすることができる。回転子112およびノズル14は協働して作用することで、動作の間に電気を生成する。業界公知のように、固定子は、出力にて必要とされる電圧の大きさに依存する任意数の磁極を含むべく構成され得る静止的巻線を含む。本実施例において開示された巻線における磁極の個数は、本発明を限定するものと解釈されるべきでない。
【００４７】
図８は、図７に示された実施例の平面図を示しており、固定子ハウジング104の頂部は、図示する目的で破断されている。固定子114は固定子ハウジング104内に対して固定的に配置されることで、回転子ハウジング102を環状的に囲繞する。固定子114は、コア116、複数の突出極118および複数のコイル120を含む。コア116は、鉄、鋼鉄もしくは他の同様の材料で構成され得ると共に、突出極118を含むべく形成される。この実施例においては、各々がコイル120により囲繞された８個の突出極118が在り得る。
【００４８】
突出極118は、それらが回転子ハウジング102を環状的に囲繞するように固定子114上に形成される。突出極118の各々は、業界公知の磁極片(pole shoe)122として形成された端部を含む。磁極片122は、回転子ハウジング102に隣接して配置される。磁極片122は、回転子112により形成された一定の磁束をコイル120を通して導通する。コイル120は、ワイヤ、または、電気を導通し得ると共に突出極118の回りに巻回され得る他の一定の同様の材料とすることができる。不図示ではあるが、各コイル120は電気的に接続されて巻線を形成する。業界公知のように、各コイル120に対して使用されるワイヤの巻き数は、電圧および電力の要件、回転子112の最小および最大の回転数、許容可能な最大の背圧、必要なインダクタンスおよび磁気ガウスにより決定される。
【００４９】
再び図７を参照すると、固定子114は回転子ハウジング102の中心軸線に直交して横方向に配置される。固定子114は回転子ハウジング102の外側に配置されることから、それは回転子ハウジング102内を流れる水との流体連通から遮断される。固定子ハウジング104は回転子ハウジング102に固定的に結合されることで、回転子ハウジング102上における所定位置を固定子114に提供する。この実施例において固定子ハウジング104は、回転子ハウジング102の外側表面に対して摩擦嵌合により結合される。当業者であれば、回転子ハウジング102および固定子ハウジング104を結合する他の種々の様式が存在することを理解し得よう。
【００５０】
水力発電システム12のこの実施例において回転子112は、金属、焼結金属、押出し成形金属、プラスチック射出成形材料もしくはセラミック材料で形成され得る永久磁石124を含む。永久磁石124は、一定の磁束を形成すると共に、回転子シャフト126に結合される。回転可能である回転子シャフト126は、永久磁石124の各端部から長手方向に延在すると共に、ステンレス鋼、または、他の堅固な耐食性材料により構成することができる。永久磁石124は、回転子シャフト126と同軸的な中心軸線を以て形成される。永久磁石124の外面は、少なくとも一個の回転子ブレード128を含むべく流線形状に形成することができる。この実施例の永久磁石124は、回転子ブレード128を形成する単一の螺旋隆起部を備えた筒体形状に形成される。代替実施例において回転子ブレード128は、タービンブレード、または、流水に委ねられたときに回転子112の回転を誘起し得る他の同様のデバイスとすることができる。
【００５１】
図７に示すように、回転子112は、回転子ハウジング102の中心軸線と同軸に該回転子ハウジング102内に配置される。回転子112の回転子シャフト126の一端は第１カラー130に挿入され、且つ、回転子シャフト126の他端は第２カラー132に挿入される。この実施例において回転子シャフト126の各端部は、直径を大きくすることで、第１カラー130および第２カラー132への取着を容易にする中実球体を形成する。第１カラー130および第２カラー132はプラスチックまたは他の同様の材料により形成されると共に、回転子ハウジング102の中心軸線に直交する横方向ストラットを形成する。第１カラー130および第２カラー132は各々、回転子シャフト126を回転可能にする軸受134または他の同様のデバイスを包含する。更に、第１カラー130および第２カラー132は、両者間に回転子112が浮動、支持されるように、所定距離にて回転子ハウジング102に結合されている。
【００５２】
回転子112は、回転子ハウジング102を通り流れる水が、該回転子112の一部を形成する回転子ブレード128に衝当するように、回転子ハウジング102内に配置される。回転子ブレード128はパドルとして作用することから、流水は回転子112に作用する。流水によれば回転子112は、回転子ハウジング102の中心軸線の回りにおいて単一方向に回転される。回転子112は、該回転子112の中心軸が固定子114のそれと同心的であるように該固定子114内に位置決めされる。回転子112は固定子144と作用的に協働して前記発電器を形成する。
【００５３】
動作の間において水が流れて回転子112が回転するにつれ、回転子112により生成される一定の磁束も回転して固定子114を貫通することから、本来的に電力が生成される。回転子112からの前記一定の磁束が固定子114からの電気生成を誘起するのを許容するために、回転子112と固定子114との間には特定距離のエアギャップが維持されねばならない。これらの実施例において、回転子112の永久磁石124と固定子114の磁極片122との間の「エアギャップ」は、流水および回転子ハウジング102から成る。流体の流れおよび回転子ハウジング102は、前記一定の磁束に影響しない。故に、回転する回転子112からの回転する一定の磁束は、固定子114のコイル120からの電気の生成を誘起する。
【００５４】
水が回転子ハウジング102を通り流れて回転子112を回転させるにつれ、回転する一定の磁束は固定子114の巻線に与えられて電気が生成される。この電気は導体54を通り流れることで、この実施例においては水処理システム10であるデバイスに電力供給を行う。図７、８に示されたこの実施例の水力発電システム12は、水処理システム10へ電力供給を行うべく使用され得る交流(AC)を生成する。代替実施例において水力発電システム12は、交流(AC)を整流して直流(DC)を生成しても良い。別の代替実施例において水力発電システム12は、交流(AC)を整流かつ安定化することにより、ACおよびDC電流の両方を水処理システム10に供給する。DC電流は、エネルギ蓄積デバイス（図示せず）を充電するためにも使用可能である。回転子112の回転または生成される電気の持続時間は、水処理システム10を通り流れる水の流速もしくは量などの流量式測定を提供するためにも使用可能である。
【００５５】
図９は、図７、８に関して開示された先行実施例と概念が類似した水力発電システム12の更に別の実施例の断面図を示している。この実施例は、ハウジング142内に配置された回転子112、固定子114およびタービンノズル140を含む。ハウジング142は、取入口144および吐出口146を含む管路を形成する。矢印148により示すように、水または他の流体は取入口144に流入し、水はハウジング142を通り流れて吐出口146によりハウジング142から確定排出される。一実施例において水力発電システム12は、(図１に示された)水処理システム10内に配置され、水処理システム10に追随し、または、水処理システム10に水を供給しても良い。
【００５６】
ハウジング142は、プラスチック、または、水を確定移送し得る同様の剛性材料で形成することができる。この実施例のハウジング142は第１区画152および第２区画154を含むことで、組立ておよび保守が促進される。第１および第２区画152、154は、接着、摩擦嵌合、螺着接続、超音波溶接、または、同様の堅固な接続を提供する他の一定の手段により固定的に結合可能である。ハウジング142は、自身を貫通する水の流れに対する通路156を形成する。通路156内には、タービンノズル140が固定的に配置される。
【００５７】
この実施例のタービンノズル140は、略円錐形状とされ得ると共に、プラスチック、または、他の一定の同様の剛性材料で形成することができる。タービンノズル140は、１個の先端158および複数個のストラット160を含むべく形成することができる。先端158は、通路156内で中央に配置され得ると共に、ハウジング142の内壁に対して流水を外方に導向する役割を果たす。各ストラット160は、たとえば摩擦嵌合、弾性嵌合、螺着接続、または、他の同様の堅固接続によりハウジング142の内壁に固定的に結合される。
【００５８】
各ストラット160は、通路156内でタービンノズル140を固定的に保持し、且つ、水がハウジング142を通り流れるのを許容する複数のチャネル162を含む。チャネル162のサイズは、流水の速度を制御すべく調節され得る。図２に関して既述したノズル14におけるのと同様に、所定範囲の速度が決定され得る。前記所定範囲の速度は、取入口144において流れる水の期待圧力範囲、並びに、水力発電システム12の背圧に基づく。これに加えて各ストラット160は、流水を導向する翼板として作用すべく所定形態で配向され得る。流水は導向されることで、たとえば、所定様式で回転子112に作用し、乱流を排除し、圧力低下を調節し、または、動作の効率を高め得る。
【００５９】
図１０は、ハウジング142の第１区画152内におけるノズル140およびストラット160を示す図９の水力発電システム12の一部の破断平面図である。各ストラット160はノズル140の外側部の回りにて、相互から4.42ミリメートル(0.174インチ)などの所定距離1002に配置可能である。ストラット160の各々は、前端部1004および後端部1006を含む。隣接して配置された各ストラット160の前端部1004は入口ダクトを形成し得ると共に、隣接して配置された各ストラット160の後端部1006は出口ダクトを形成することができる。矢印148により示すように、液体の流れは、まず前端部1004に到達して前記入口ダクトに進入する。チャネル162内において前記液体は、ストラット160の後端部1006に到達する前に速度が増大される。
【００６０】
図示するように、チャネル162の幅は後端部1006に向けて漸進的に狭幅となり得る。故に各チャネル間の断面積は、約10％〜20％などの所定量だけ減少される。加圧液体は、次第に狭幅となるチャネル162内へと付勢されることから、速度は高まる。各チャネル162間の断面積が漸進的に減少することから、流動液体の速度は増大するが背圧は最小化される。これに加え、漸進的に狭幅となるチャネル162により、チャネル162内における液体の非層流は最小限とされる。
【００６１】
ストラット160は、複数の流れ直進化部材1008も含むことができる。流れ直進化部材1008はチャネル162内に含まれることで、非層流を更に最小限とし得る。ストラット160と同様に流れ直進化部材1008は、第１区画152の内壁に固定的に結合されてチャネル162内へと延在し得る。流れ直進化部材1008の例は、本体1012に結合されたブレード1010を含むことができる。ブレード1010は、ストラット160の各々の前端部1004の近傍から後端部1006に向けて延在するという流れ直進化部材1008の実質的に直線状の区画とすることができる。本体1012は、隣接して配置されたストラット160の後端部1006により形成された前記出口ダクトの所定距離だけ上流に配置された球形状体とすることができる。他の例において流れ直進化部材1008は、液体の流れを規定し且つチャネル162を通る等流を最大化する他の任意の流体力学的形状とすることができる。
【００６２】
図１０に更に示すように、ノズル140は、確立領域1018が追随する圧縮領域1016へと分割され得る。圧縮領域1016内では、液体の流れの方向における急激な遷移が生じ得る。この急激な遷移により、液体の流れにおける乱流が増加され得る。乱流は、第１区画152内の液体の体積容量が減少するにつれて増加し得る。前記体積は減少するので、液体の圧縮度および速度は増大する。圧縮領域1016における体積の減少は事前設定されることで、流動液体の期待圧力範囲に基づく所望流速が達成され得る。圧縮領域1016内において流動液体はハウジング142の内壁に向けて外方に付勢されることから、乱流および／または非層流が増大され得る。
【００６３】
確立領域1018は、流動液体における乱流が鎮まり且つ液体が更に層的な流れを有するのを許容するという、液体の均一な体積容量を有する領域を提供する。確立領域1018は、流動液体における乱流の予測量に基づく所定長さとすることができる。液体の非層流は、チャネル162に進入する前に減少され得る。チャネル162内において流動液体の速度は更に増大され、次に液体は回転子112へと導向される。
【００６４】
再び図９を参照すると、この実施例の回転子112は、タービン回転子164、回転子シャフト166および永久磁石168を含む。回転子112は、通路156内を流れる水により該回転子112がハウジング142の中心軸線170の回りで回転するように、通路156内に回転可能に配置される。回転子112の回転は、流水がタービン回転子164に作用するときに生ずる。タービン回転子164は、ステンレス鋼、アルミニウム、プラスチック、または、前記回転力および流水の力に耐え得る他の同様の剛性材料で形成することができる。タービン回転子164は、少なくとも一枚のタービンブレード172および本体174を含む。
【００６５】
タービンブレード172は、各ストラット160を通り流れる水からのエネルギを受容すべく配置される。タービンブレード172は、複数の翼板、螺旋隆起部、または、流水のエネルギを回転エネルギに変換し得るべく本体174上に形成された他の機構とすることができる。この実施例のタービンブレード172は本体174と一体的に形成され、且つ、ハウジング142の内壁の近傍に配置されるまで延在する。本体174は、回転子シャフト166の一部を環状的に囲繞するキャビティ176を画成すべく形成することができる。
【００６６】
尚、ハウジング142の内壁に関してチャネル162の深度はタービンブレード172の深度よりも浅いことを銘記すべきである。前記差分深度によれば、以下において論じられるように流水の循環が行われる。これに加え、固定子114を通る水の流路は実質的に直線状である。前記流路の体積もまたチャネル162に続いて更に大きくなることで、流水の所定の圧力低下が提供される。故に流水は、該流水がタービンブレード172を通り流れるときに、運動エネルギの相当の量を回転するタービンブレード172に放出する。流水における運動エネルギはそれほどの損失および非効率さ無しでタービンブレード172により効率的に抽出される。と言うのは、流水の高速流内にはタービンブレード172のみが直接的に存在するからである。
【００６７】
回転子シャフト166は回転可能であり且つタービン回転子164と一体的に形成され得るか、または、それに対して該回転子シャフト166が圧力嵌め、螺着接続または同様の連結機構により固定的に結合可能である。回転子シャフト166は、ステンレス鋼、または、永久磁石168を貫通して長手方向に延在し得る他の同様の剛性材料とすることができる。永久磁石168は、押出し成形磁石またはプラスチック射出成形磁石とすることができる。代替的に前記永久磁石は、金属、焼結金属、セラミック材料、または、磁気的特性を備えた他の一定の同様の材料で形成することができる。永久磁石168は、摩擦嵌合、型成形または他の同様の機構により回転子シャフト166に固定的に結合可能である。回転子112は、複数の軸受178により所定位置にて回転可能に保持される。
【００６８】
各軸受178は、永久磁石168の夫々の端部にて回転子シャフト166の一部を環状的に囲繞する。軸受178は、炭素グラファイト、テフロン（登録商標）、ボールベアリング、セラミック、超高分子(UHMW)ポリエチレン、または、回転子シャフト166の回転に耐え得る他の同様の軸受とすることができる。この実施例において軸受178は、通路156内に存在する水により潤滑される。これに加え、以下において論じられるように流水は軸受178を冷却すべく作用可能である。軸受178は固定子114に固定的に結合されて所定位置に保持される。
【００６９】
この実施例の固定子114は、複数の出口案内翼板180、フィン182、複数のコイル184、および、キャップ186を含む。図９に示すように、固定子114は、通路156内において出口案内翼板180により固定的に配置される。出口案内翼板180はハウジング142の内壁に対し、たとえ接着剤、摩擦嵌合、弾性嵌合または同様の堅固な接続機構により固定的に結合される。出口案内翼板180はハウジング142の内壁と平行に長手方向に延在すると共に、自身を貫通する水の流れに対するチャネルを提供する。出口案内翼板180は、流水を吐出口146へと確定移送することで、乱流、気泡、背圧、および、効率的な動作に影響し得る流水の他の同様の挙動を低減すべく形成される。フィン182は、流水を吐出口146へと確定移送すべく同様に形成される。
【００７０】
不図示ではあるが出口案内翼板180は、中心軸線170と同心的な螺旋形状コイル(または旋条)を擬態する旋回パターンで形成することができる。各出口案内翼板180はフィン182の方向において漸進的に巻き戻されることで、最終的には中心軸線170と実質的に平行となり得る。この形態において出口案内翼板180は、乱流を減少して層流を生成し得る。
【００７１】
動作の間において出口案内翼板180により受容された液体は、タービンブレード172の回転の故に旋回傾向を有し得る。この液体における旋回傾向は、出口案内翼板180の前記旋回パターンに対して実質的に整合し得る。故に液体は、乱流を引き起こし得る急激な方向変化無しで出口案内翼板180に進入する。出口案内翼板180により確定移送され乍ら、液体の旋回傾向は、出口案内翼板180の漸進的な巻き戻しにより漸進的に最小化することができる。故に液体は、実質的に層流により出口案内翼板180を出射することで、効率的な動作を最大化し得る。
【００７２】
コイル184はコア（図示せず）上に形成されることで、回転子112を環状的に囲繞して巻線を形成する。各コイル184は、エアギャップ188により回転子112から離間される。コイル184は、出口案内翼板180に固定的に結合される。これに加えてコイル184は、軸受178およびフィン182に固定的に結合可能である。コイル184は、出口案内翼板180、軸受178およびフィン182に対し、たとえば接着剤により固定的に結合され得るか、または、それらと一体成形され得る。この実施例においてコイル184は通路156内に配置されるが、流水に対する流体連通を回避すべく耐水性である。コイル184は、たとえばエポキシにより充填され、ゴムもしくはプラスチックにより射出成形され、超音波シールされ、または、同様の耐水機構により水から別様に遮断されることで、耐水性とすることができる。代替実施例においては、図７、８に関して既述した実施例と同様に、コイル184はハウジング142の外側に配置可能である。
【００７３】
コイル184はまた、キャップ186によっても耐水性とされる。図９に示すように、キャップ186は、タービン回転子164の近傍であるコイル184の端部をシールすべく位置決めされる。キャップ186は、螺着接続によりコイル184に着脱自在に連結され得るか、または、接着剤もしくは一体成形によりコイル184に固定的に結合可能である。キャップ186は、軸受178を部分的に囲繞すべく、且つ、固定子114の半径に等しい所定距離だけ径方向に延在すべく形成される。キャップ186の前記所定距離は、ハウジング142の内壁に対し、タービン回転子164の本体174よりも接近して延在する。以下において論じられるように、ハウジング142の内壁からキャップ186および本体174までの距離の差により、流水の循環が行われる。
【００７４】
動作の間において、取入口144を通り通路156内に流れる水は、該加圧水がチャネル162を通り流れるにつれて所定の速度増加に遭遇する。流水は各ストラット160により導向されることで、回転子112に回転を与えるべくタービンブレード172上における所定の入射角を達成する。チャネル162、タービンブレード172およびキャップ182の差分的深度の故に、流水はキャビティ176内へと循環される。キャビティ176を通る流水の循環によれば、隣接して配置された軸受178の冷却および潤滑が行われる。
【００７５】
この実施例において回転子112は、約5,000RPMから約10,000RPMの範囲、または、約4,000RPMから約12,000RPMの範囲などの、約5,000回転／分(RPM)以上で回転する。約5,000RPM以上での回転は、約415kPaから約690kPa(約60〜100ポンド／平方インチ)の液体圧力範囲における約3.78リットル／分〜約11.35リットル／分(約1〜3ガロン／分)の液体流速に基づき得る。5,000RPM以上の回転はまた、約103.4kPaから約415kPa(約15〜60PSI)の液体圧力範囲における約0.76リットル／分〜約3.78リットル／分(約0.2〜約1ガロン／分)の液体流速にも基づき得る。本明細書中で論じられた寸法、RPM、圧力および流速は、液体の物理的特性および／または製造許容差に依存して10％〜20％まで変更可能である。
【００７６】
このRPM範囲内で動作するために前記水力発電システムは、流体の流体インピーダンス(または風損)による非効率さを減少すべく最小化することができる。本明細書中で用いられるように、「流体インピーダンス(fluid impedance)」との語は、運動エネルギから回転エネルギへの変換の最大化を阻害し得る流体摩擦および／または他の一切の流体効果として定義される。
【００７７】
前記水力発電システムを小型化すると、回転子112が回転するときに流体を受ける表面積が最小化される。これに加え、前記水力発電システムの重量が最小化される。たとえば通路156の直径は、約6.35ミリメートルから約51ミリメートル(約0.25インチから約2インチ)の範囲とすることができる。これに加え、チャネル162の深度は約0.76ミリメートルから約2.54ミリメートル(約0.03インチから約0.1インチ)とされ得ると共に、タービンブレード172の深度は約0.89ミリメートルから約3.8ミリメートル(約0.035インチから約0.15インチ)とすることができる。
【００７８】
前記の小型化および流体インピーダンスの減少により達成され得る更に大きなRPMにより、発電効率は最大化される。たとえば前記発電器は、約5,000から10,000RPMで回転するときに約0.27から30ワットを生成し得る。これに加え、永久磁石168のサイズ(および重量)は、水力発電システム12の電力生成を最適化すべく寸法設定され得る。
【００７９】
固定子114内における回転子112の高RPMでの回転によれば、水力発電システム12が動作するときに電気が効率的に生成される。水力発電システム12は、交流(AC)を生成し得る。代替実施例において水力発電システム12は(DC)電流を生成し得る。別の代替実施例において水力発電システム12は、AC電流と、該AC電流の整流および安定化によるDC電流との両方を生成すべく設計され得る。上述したように、磁極の個数およびコイル184のサイズおよび形態は、水力発電システム12の背圧、必要なRPM、および、目標エネルギ出力に依存する。
【００８０】
次に図３、図６、図７、図８、９を参照すると、これらの図の実施例に関して論じられた水力発電システム12の別実施例は、複数の電圧および電流レベルを供給すべく作用可能である。複数の電圧および電流レベルは、水力発電システム12の前記コイルを直列形態および並列形態の間で切換えることで供給される。不図示ではあるが、直列形態と並列形態との間で前記コイルを選択的に切換えるために、水力発電システム12の電圧および電流出力と水処理システム10の現在の電圧および電流の要求内容とを検知し得るマイクロプロセッサもしくは他の同様の制御ユニットが使用可能である。代替的に、前記コイルを選択的に切換えるべくRPMが使用可能である。前記コイルの選択的な切換えは、直流(DC)または交流(AC)を生成する実施例に適用可能である。
【００８１】
たとえば一定の紫外線(UV)光源は、初期励起に対する比較的に小さい所定交流と、比較的に高い電圧レベルとを必要とする。初期励起に続いて前記UV光源は、比較的に大きい交流を必要とするが、比較的に低い電圧レベルで励起され続けることが必要である。たとえば水処理システムにおいて前記UV光源は低圧の水銀ランプもしくは冷陰極ランプとされ得ると共に、始動電圧および動作状態電圧は安定器(ballast)により提供され得る。代替的に、以下に記述されるように水力発電システム12が安定器機能を提供し得ると共に、安定器は排除され得る。水銀ランプおよび／または冷陰極ランプは、水からバクテリアおよび他の不純物を除去し得る。
【００８２】
動作の間において水力発電システム12が電気を生成するとき、前記コイルは前記マイクロプロセッサにより選択的に直列形態に設定され得る。前記直列形態によれば、前記始動電圧により前記UV光源を最初に励起し得る所定電圧レベルにて所定の交流が生成される。前記UV光源の初期励起に続いて前記コイルは選択的に並列形態に再構成されることから、前記動作状態電圧により前記UV光源の励起を維持し得る所定電圧レベルにて所定交流が提供される。上述したように水力発電システム12のコイルが切換えられると、該水力発電システム12により電力が供給される任意のシステムにおける任意の電気デバイスの種々の電圧および電流要件が提供され得る。
【００８３】
別実施例において、既述した実施例に関して論じられた水力発電システム12は、巻線へと形成された異なる群のコイルを表す複数のタップ(tap)を備え得る。これらのタップは、異なる本数のコイルを電気的に接続して巻線を形成することで、複数の異なる所定電圧レベルを供給すべく作用可能である。水処理システム10は、動作の間においてマイクロプロセッサもしくは他の一定の同様のデバイスを用いて前記各タップ間で作用的に切換えを行うべく構成することができる。故に、既述したUV光源の例においては、始動電圧を提供すべく初期励起には１つのタップが使用され得ると共に、動作状態電圧を提供すべく連続動作には別のタップが使用可能である。これに加え、水処理システム10における種々の電気デバイスの電力要件に依存して、これらの電気デバイスを動作させるべく同時進行的に種々のタップが使用可能である。タップ切換えは、前記発電器のRPMを制御するためにも使用可能である。RPMが所望スレッショルド値より低ければ、たとえば各タップはコイルを間引くことでRPMを増大すべく調節され得る。水力発電システム12のタップ切換えによれば、該水力発電システム12により電力供給される任意のシステムに種々の電圧レベルも提供され得る。
【００８４】
既述した実施例に関して論じられた水力発電システム12の更に別の実施例においては、存在する逆起電力(EMF)が好適に低減される。業界公知のように永久磁石発電器の逆EMFは、発電器のコア内における金属積層体により形成される磁束濃縮器(flux concentrator)により増大される。前記磁束濃縮器は前記発電器の発電効率を改善すべく作用可能であるが、回転子を回転するためには克服されるべき逆EMFを供給する。
【００８５】
水処理システム10に水力発電システム12が適用される場合、一定のUV光源は始動および動作の間において電力要件が変化する。既述した水力発電システム12の実施例を使用すると共に磁束濃縮器を含めないことで、前記UV光源の動作要件は満足され得る。
【００８６】
動作の間において水処理システム10の励起に先立ち、水力発電システム12上の回転負荷(逆EMF)は、比較的に低いこともある。前記回転負荷が比較的に低くなり得るのは、この実施例の水力発電システム12は磁束濃縮器を含まず且つ水処理システム10は電力を使用しないからである。磁束濃縮器を排除した結果、コギングトルク(cogging torque)が減少し、発電器の迅速な回転上昇が許容される。故に、水が水力発電システム12を通り流れるとき、前記回転子は、比較的に短時間内に所定の比較的に高いRPMへと加速すべく作用し得る。
【００８７】
比較的に高いRPMは、たとえば水処理システム10におけるUV光源などを初期的に励起し得る所定の交流(AC)にて所定電圧(始動電圧)を供給する。前記UV光源の初期励起に続き、水力発電システム12上の回転負荷が増大されることで前記回転子のRPMが減速される。前記回転子の更に低速なRPMによれば、対応する所定交流(AC)による所定低電圧(動作状態電圧)が提供されることから、前記UV光源の連続的励起が許容される。尚、この実施例の水力発電システム12により提供される「即時始動(instant-on)」機能によれば水処理システム10におけるUV光源にエネルギ蓄積デバイスが電力供給を行う必要性が排除され得ることを理解すべきである。と言うのは、前記UV光源は水が流れ始めるのと殆ど同時に励起されるからである。
【００８８】
図１１は、部分的断面図で示された水力発電システム12の別実施例である。先行実施例と同様に、水力発電システム12は水処理システム10において使用可能である。これに加えて水力発電システム12は、流動する加圧液体と共に他の任意の形態のシステムに含まれ得る。水力発電システム12はまた、UV光源、フィルタ、電子機器などの水処理システムの特徴も含むことができる。
【００８９】
図示された水力発電システム12は、側部カバーを除去して示された外側ハウジング1102を含む。これに加えて水力発電システム12は、内側ハウジング1104、センタリングロッド1106およびノズル1108を含む。外側ハウジング1102は、プラスチック、金属、炭素繊維または他の剛性材料とされ得ると共に、キャビティ1110を含む。該キャビティ1110は、外側ハウジング1102の内面1112に内側ハウジング1104を接触させずに該内側ハウジング1104を収容すべく寸法設定された空気空間である。外側ハウジング1102には、吐出口1114も含まれる。該吐出口1114は、外側ハウジング1102内に存在する液体が重力によりキャビティ1110から排出されることで、動作の間において前記空気空間が維持されるのを許容する開孔とすることができる。
【００９０】
内側ハウジング1104は略円筒状であると共に、プラスチック、金属、炭素繊維または他の同様の材料で形成することができる。内側ハウジング1104は外側ハウジング1102内に取付けられことで、外側ハウジング1102のキャビティ1110内のセンタリングロッド1106の少なくとも一部を囲繞する。センタリングロッド1106は、外側ハウジング1102に固定的に結合されて内側ハウジング1104内に延在し得る。センタリングロッド1106は、ステンレス鋼などの、長手方向に延在する任意の堅固な材料とすることができる。
【００９１】
内側ハウジング1104には、複数のブッシュ1116が結合されてセンタリングロッド1106を囲繞し得る。ブッシュ1116の各々は、プラスチック、金属または他の同様の材料で形成されたスリーブとすることができる。ブッシュ1116には、センタリングロッド1106を収容する開孔と、内側ハウジング1104の外面における開孔内に嵌合すべく形成された外面とが形成することができる。ブッシュ1116における前記開孔は十分に大寸とされることで、センタリングロッド1106の回りにて、該センタリングロッド1106に接触しない外側ハウジング1102内で該ブッシュ1116が回転することが許容され得る。ブッシュ1116の前記外面は、内側ハウジング1104および該ブッシュ1116が一体的に回転するように、内側ハウジング1104の外面に固定的に結合可能である。代替的に、ブッシュ1116および内側ハウジング1104は、センタリングロッド1106の回りで独立して回転可能となっている。
【００９２】
内側ハウジング1104は、該内側ハウジング1104の外面1120に固定的に結合されて該外面から外方に延在する複数のパドル1118も含むことができる。パドル1118は、プラスチック、炭素繊維、金属または他の同様の材料で形成することができる。パドル1118は、内側ハウジング1104が回転するときに該パドル1118の各々が一定の箇所でノズル1108の近傍に配置されるように、内側ハウジング1104の外面1120に対し直交して位置決めされ得る。
【００９３】
図示するように、ノズル1108は、内側ハウジング1104と吐出口1114との間でキャビティ1110内に延在すべく取付けることができる。図１から図５に関して既述したノズル14と同様に、ノズル1108は加圧液体の速度を増大する。第１速度にてノズル取入口1122に供給された加圧液体は、ノズル1108を通り流れると共に、前記第１速度よりも相当に大きな第２速度にてノズル吐出口1124から放出される。ノズル1108により前記キャビティ内へと放出された液体は、各パドル1118における前記空気空間を通り導向される。
【００９４】
図１２は、ノズル取入口1122(図１１)から見たノズル1108の端面図である。ノズル1108は、ノズル吐出口1124(図１１)に向けて直径が減少する軸方向ボアである通路1202を含む。通路1202内には、リブ1204が含まれる。リブ1204は、ノズル1108の内側面1206に結合されると共に、内側面1206からノズル1108の中心軸線1208に向けて延在する。
【００９５】
図１３は、図１２に示されると共にリブ1204を含むノズル1108の破断底面図である。ノズル1108を貫通する通路1202は、ノズル取入口1122の近傍の第１角度的区画1302を含み、これに対しては第１直線状区画1304、テーパ付き区画1306、第２角度的区画1308、および、ノズル吐出口1124を形成する第２直線状区画1310が追随する。通路1202は、ノズル取入口1122にて約10.8ミリメートルなどの所定入口直径とすることができる。第１角度的区画1302内において通路1202の直径は、約20°などの様に中心軸線1208に関して所定角度(θ)にてノズル吐出口1124に向けて直径が均一に減少し得る。
【００９６】
第１直線状区画1304において通路1202の直径は、約5.8ミリメートルなどの所定の第１ノズル直径とすることができる。通路1202の第１直線状区画1304の全体に亙り、内側面1206は中心軸線1208に対して概ね平行とされ得ることから、前記第１ノズル直径に維持される。テーパ付き区画1306において通路1202は、曲率半径を有し得る。前記曲率半径は、約8.7ミリメートルなどの所定半径を有する円の一部を形成することができる。第２角度的区画1308における通路1202の直径は、約20°などの様に、中心軸線1208に関して所定角度(θ)にてノズル吐出口1124に向けて均一割合で減少し得る。第２直線状区画1310は、通路1202を約1.85ミリメートルなどの所定の第２ノズル直径に維持することで、ノズル吐出口1124を形成することができる。
【００９７】
前記第１および第２ノズル直径は、ノズル1108に供給される液体の利用可能な圧力範囲に基づいて決定され得る。一例において、第１直線状区画1304の直径は比較的に不変のままとされ得ると共に、第２直線状区画1310の直径はノズル1108に導入される液体の圧力に基づいて変更可能である。たとえば第１直線状区画1304の直径は約5.8ミリメートルのままとされ得ると共に、第２直線状区画1310は約1.9ミリメートル以下に形成することができる。故に、ノズル1108の第２直線状区画1310(ノズル吐出口1124)の直径は、ノズル1108の第１直線状区画1304の直径の約33％以下である。
【００９８】
別の例において第２直線状区画1310は、ノズル取入口1122にて約34kPaから850kPa(約5から125PSI)に加圧された液体と共に使用されるために約0.8ミリメートルから約1.9ミリメートル(約0.03から0.075インチ)の範囲に形成することができる。この例においてノズル1108は、ノズル1108の第１直線状区画1304の直径の約14％から約33％とすることができる。この例に対するノズル1108の結果的な流速は、34kPaにおける約0.44リットル／分から約850kPaにおける約4.16リットル／分(約0.115ガロン／分から約1.1ガロン／分)の範囲とすることができる。
【００９９】
リブ1204は、通路1102を通り流れる液体の旋回および他の非層流的な挙動を最小化する任意の構成とすることができる。示されたリブ1204は、ノズル取入口1122にて開始し、中心軸線1208に沿い所定距離だけ延在して、第１角度的区画1302、第１直線状区画1304を通りテーパ付き区画1306に至る。均一な幅を有するものとして示されるが、他の例においてリブ1204は、ノズル1108を通る液体の層流を促進する一個以上のテーパ幅区画、球部(bulb)、湾曲部または他の任意の構成を含むことができる。これに加え、リブ1204の長さは、通路1202を通り流れる液体の旋回を最適に排除すべく、図示されたよりも短寸もしくは長寸とすることができる。
【０１００】
図１４は、図１２に示されたリブ1204を含むノズル1108の破断側面図である。例示的なリブ1204は、通路1202のノズル取入口1122にて内側面1206から中心軸線1208に向けて外方に所定第１距離だけ延在する。リブ1204が内側面1206から延在する距離は、該リブ1204が中心軸線1208に沿いノズル吐出口1124に向けて延在するにつれて、ゼロまで漸進的に減少する。図示例においてリブ1204は、該リブ1204が中心軸線1208に沿いノズル吐出口1124に向けて延在するにつれて中心軸線1208から漸進的に更に離間する様に所定距離に亙り延在すべくテーパ付けされる。これに加え、内側面1206と中心軸線1208との間の距離はノズル吐出口1124に向かい更に小さくなるので、図示するように、リブ1204は更にテーパ付けられる。他の例においてリブ1204は、ノズル1108を通る液体の旋回効果を減少して層流を促進する他の任意の形状を形成することができる。
【０１０１】
図１１を再び参照すると、動作の間においてノズル1108を通り流れる液体は層流として維持され得る一方、液体の速度はノズル1108内で加速される。前記液体は、高速の流れでノズル1108から放出され得る。実質的な層流の故に、液体の流れは、放出の後でもノズル吐出口1124と概ね同一の直径である良好に画成された流れのままとすることができる。故に、液体の流れにより生成される液体噴霧は最小化され、且つ、流動液体の運動エネルギは比較的に小さな領域内に集中可能である。
【０１０２】
液体の流れは、パドル1118に向けて導向され得る。パドル1118に対する衝当時に、液体内に存在する運動エネルギは内側ハウジング1104の回転エネルギへと効率的に変換することができる。内側ハウジング1104が回転するにつれ、パドル1118の各々はノズル1108から放出された高速の液体の流れに進入し、流動液体の流れ内に存在する運動エネルギの実質的に全てを受容し得る。
【０１０３】
運動エネルギが前記液体から抽出されたなら、該液体は重力により吐出口1114へと落下し得ると共に、外側ハウジング1102から確定排出される。前記の確定排出により、外側ハウジング1102は実質的に液体が空のままとされる。ノズル1108から放出される一定の液体の流れの故に一定の液体は存在するが、前記確定排出によれば、外側ハウジング1102内の液体のレベルは、ノズル1108および内側ハウジング1104が液体に浸漬されないために十分に低位に維持可能である。故にノズル1108および内側ハウジング1104は、流体インピーダンスによる損失が最小化され乍ら、外側ハウジング1102内の空気空間内で動作する。
【０１０４】
液体の幾分かは、パドル1118上に一時的に残存し、且つ、内側ハウジング1104の回転力により外側ハウジング1102の内面1112上へと投じられる。これに加え、液体の幾分かはパドル1118を衝撃して内面1112上へと偏向され得る。
【０１０５】
内面1112には、キャビティ1110内における液体噴霧を最小化すべく案内構造が形成することができる。キャビティ1110内の液体噴霧を最小化すると、回転する内側ハウジング1104から過剰液体が離間維持されることで、回転する該内側ハウジング1104に関する流体インピーダンスによる損失が最小化される。内面1112上に含まれた前記案内構造はまた、液体噴霧を効率的に収集して液体を吐出口1114へと確定移送すべく設計された旋回パターンを以て形成することができる。故に、ノズル108のノズル吐出口1124が液体に浸漬されない様に、キャビティ1110は動作の間において実質的に液体が空のままであり且つ空気(または他の一定の気体)により実質的に充填されたままとされる。
【０１０６】
図１５は、図１１の外側ハウジング1102の断面図における内面1112の一例を示している。内面1112は、該内面1112から内側ハウジング1104(図１１)に向かい外方に延在する複数のフィンガ1502の形態の案内構造を含む。フィンガ1502の各々は、個別の角錐形状部材として形成される。他の例においてフィンガ1502は、溝、リング、ストラット、軌道、または、外側ハウジング1102の内面1112における他の任意の形態の凹凸とすることができる。フィンガ1502は、所定パターンで配置可能である。該パターンは、液体噴霧を最小化すべく且つ吐出口1114(図１１)に対する液体の確定移送を最大化すべく、回転する内側ハウジング1104およびパドル1118から放出される液体のモデル化もしくは分析に基づく旋回パターンとすることができる。
【０１０７】
フィンガ1502は、外側ハウジング1102の内面1112と接触する液体の液体噴霧を最小化し得る。これに加えてフィンガ1502は、外側ハウジング1102に含まれる中央チャネル1504および外側チャネル1506に水を確定移送すべく構成することができる。中央チャネル1504および外側チャネル1506は、V形状溝、または、吐出口1114(図１１)に向けて液体を確定移送する他の一定の管路の形態とすることができる。内面1112はまた、複数の分岐チャネル1508も含むことができる。該分岐チャネル1508は、中央チャネル1504または外側チャネル1506へと液体を確定移送する内面1112における弧状系路とすることができる。前記各チャネルはまた、液体噴霧を最小化すべく且つ吐出口1114(図１１)に対する液体の確定移送を最大化すべく、回転する内側ハウジング1104から放出される液体のモデル化もしくは分析に基づく旋回パターンにても配置可能である。
【０１０８】
フィンガ1502は、分岐チャネル1508の各々に沿い配置可能である。フィンガ1502を衝撃する液体は、該フィンガ1502により「捕捉」され得る。前記液体はフィンガ1502から分岐チャネル1508へと流れてから、中央チャネル1504もしくは外側チャネル1506へと流れ得る。
【０１０９】
図１６は、図示目的で内側ハウジング1104およびセンタリングロッド1106が除去された、図１１に示された外側ハウジング1102の側面図である。外側ハウジング1102の内面1112は、該内面1112における液体に対する弧状系路を形成する複数の分岐チャネル1602に沿い載置されたフィンガ1502を含む。フィンガ1502により「捕捉」された液体はフィンガ1502から分岐チャネル1602へと流れ、外側チャネル1506(図１４)および／または吐出口1114へと確定移送される。
【０１１０】
図１７は、図１１に示されると共に吐出口1114を含む外側ハウジング1102の底部の断面図である。ハウジング1102の底部も同様に、液体を吐出口1114に向けて導向する弧状通路である複数の分岐チャネル1702を含む。フィンガ1502は、分岐チャネル1702の各々に沿い載置され得る。
【０１１１】
図１８は、図１１に示されると共にセンタリングロッド1106を含む内側ハウジング1104の分解斜視図である。内側ハウジング1104には、ブッシュ1116、パドル1118、第１ハブ1802、第２ハブ1804、回転子1806および固定子1808も含まれる。センタリングロッド1106は中心軸線1812に沿い内側ハウジング1104を貫通延在してブッシュ1116と協働して作用することで、固定子1808に対する中心合わせ機能を提供可能である。各ブッシュ1116は、第１と第２のハブ1802、1804の各々の第１端部に形成されたブッシュ用開孔1816内に中心軸方向に嵌合すべく形成することができる。
【０１１２】
第１と第２のハブ1802、1804は、プラスチック、炭素繊維または他の任意の剛性材料で形成することができる。第１と第２のハブ1802、1804の各々は、略円筒状とされ、且つ、開放端部1818を有するキャビティを形成することができる。開放端部1818は、ブッシュ用開孔1816を含む第１端部の反対側の第２端部におけるものとすることができる。第１と第２のハブ1802、1804は、開放端部1818にて相互に連結されることで内側ハウジング1104の外面1120(図１１)を形成することができる。
【０１１３】
第１と第２のハブ1802、1804の各々は、保持リング1820を含む。保持リング1820は、開放端部1818の縁部の回りにて中心軸線1812に平行に外方に延在する複数の突起部1822を含む。保持リング1820における突起部1822の各々の間には、複数のスロット1824が形成することができる。各突起部1822は、第１と第２のハブ1802、1804が開放端部1818にて連結されたときに相互に密接して接触すべく整列され得る。故に各スロット1824もまた、第１と第２のハブ1802、1804の間に整列されて開孔を形成することができる。
【０１１４】
第１と第２のハブ1802、1804はまた、内側ハウジング1104の外面の回りにて同心的に順次に配設され得る複数の通孔1826も含む。各通孔1826は、内側ハウジング1104の内側の前記キャビティと該内側ハウジング1104の外側との間の液体連通を許容する開孔を形成する。故に液体は、通孔1826を介して内側ハウジング1104に進入または退出し得る。
【０１１５】
内側ハウジング1104が回転するとき、該内側ハウジング1104内の液体は、生成される回転関連の遠心力により通孔1826を通り流出する。故に、内側ハウジング1104が高RPMで回転するときに該内側ハウジング1104の内側の液体に起因する流体インピーダンスによる損失は、通孔1826を通る液体の同時進行的な排出により最小化される。故に、回転する内側ハウジング1104は、液体が実質的に空となる様に前記キャビティを維持し得る。前記キャビティは、実質的に無水とされ得ると共に、空気(または他の一定の気体)により充填され得る。前記キャビティは湿潤されることもあるが、該キャビティは、効率的な動作に影響するに足る量の液体は不在のままとすることができる。通孔1826はまた、冷却のために内側ハウジング1104を通る空気流も提供可能である。
【０１１６】
第１と第２のハブ1802、1804の各々に形成された前記キャビティ内には、該第１と第２のハブ1802、1804から中心軸線1812に向けて外方に延在する複数の保持部1828が在る。各保持部1828は所定距離だけ離間して配置されることで、各保持部1828間に複数のノッチ1830を形成することができる。各保持部1828は、第１と第２のハブ1802、1804の一体的部分として形成することができる。代替的に各保持部1828は、プラスチック、金属、炭素繊維、または、夫々のキャビティ内で第１と第２のハブ1802、1804の各々の内面に結合され得る他の任意の剛性材料で別体的に形成することができる。
【０１１７】
回転子1806は、保持部用リング1834および磁石1836を含むことができる。保持部用リング1834は、鉄または他の同様の鉄系(または非鉄)材料で形成された円筒状スリーブとすることができる。第１と第２のハブ1802、1804が一体的に結合されたとき、保持部用リング1834の一部は第１と第２のハブ1802、1804の各々のキャビティ内に配置可能である。保持部用リング1834は、該保持部用リング1834が内側ハウジング1104と共に回転するように、第１と第２のハブ1802、1804の夫々の内部で保持部1828に結合可能である。保持部用リング1834は、磁石1836と共に作用して発電器効率を改善する磁束濃縮器として構成することができる。
【０１１８】
磁石1836は、保持部用リング1834に結合され、且つ、内側ハウジング1104と共に回転もし得る。磁石1836は、焼結もしくは接合されたネオジム鉄ホウ素(NdFeB)希土類磁石などの永久磁石とすることができる。磁石1836は、当該構造に沿い構成された所望数のNおよびS極を備えた連続的な単一構造として形成することができる。代替的に保持部用リング1834には、複数の個別の磁石が整列かつ結合可能である。
【０１１９】
前記発電器の逆EMFは、磁石1836を保持部1828に対して直接的に結合することで好適に減少され得る。故に、保持部用リング1834は排除され得る。上述したように、逆EMFが減少すると更に高速な加速が許容され、UV光源の「即時始動」機能を提供するなどして、一定の負荷に対して好適となり得る。
【０１２０】
固定子1808には、上述したように、一本以上の静止的巻線（図示せず）が巻回された複数の磁極1840が形成することができる。磁極1840は、取付プレート1842に結合された金属積層体とすることができる。取付プレート1842は、金属、プラスチックもしくは他の任意の剛性材料とされ得ると共に、センタリングロッド1106に結合可能である。固定子1808は、磁石1836が各磁極1840の近傍にて固定子1808の回りにエアギャップを介して配置されるように、第１と第２のハブ1802、1804により形成された前記キャビティ内に配置可能である。
【０１２１】
固定子1808は湿潤もしくは無水にて動作可能である。と言うのは、巻線は、該巻線を形成すべく使用されるワイヤ上のエナメル被覆などの非導電材料によりシールされ得るからである。代替的に前記巻線は、プラスチック、ゴムまたは他の一定の耐水材料により重ね成形(over-mold)され得る。耐水性を提供することに加え、斯かる重ね成形はまた、固定子1808の回りで内側ハウジング1104が高速で回転するときの流体インピーダンスによる損失に寄与し得る固定子1808の縁部もしくは他の特定形状も減少し得る。
【０１２２】
回転子1806および固定子1808の組み合わせによれば、三相電力を発生する発電器が形成することができる。代替的に前記発電器は、単相発電可能である。前記発電器により生成された電力は、電源ライン1844に提供され得る。電源ライン1844は、固定子1808の単一もしくは複数の巻線に電気的に接続電可能である。電源ライン1844は、中心軸線1812に沿いセンタリングロッド1106を貫通させて延設された通路を通して経路設定され得る。電力に加え、前記回転子の回転および／または生成された電力を監視することにより、流量式測定を行うことができる。
【０１２３】
固定子1808と磁石1836との間の前記エアギャップは、センタリングロッド1106および周囲のブッシュ1116と組み合わされた磁石1836の磁界により維持することができる。固定子1808は、センタリングロッド1106に結合することができる。故に、内側ハウジング1104が回転するが故に回転子1806が回転すると同時に、回転する磁界は固定子1808の単一もしくは複数の巻線における電力の生成を誘起する。
【０１２４】
動作の間において内側ハウジング1104は、単一の高速液体流により5,000RPM以上などの比較的に高い毎分回転数(RPM)で回転することができる。前記比較的に高いRPMは、内側ハウジング1104のサイズが比較的に小寸であり且つ流体インピーダンスによる損失が最小化されるが故に達成され得る。略円筒状の内側ハウジング1104の直径は、約40ミリメートルから約10ミリメートルの範囲などの様に約40ミリメートル未満とすることができる。ノズル1108(図１１)のノズル吐出口1124(図１１)の直径が約1.9ミリメートルから約0.8ミリメートルの範囲であることから、ノズル吐出口1124の直径は内側ハウジング1104の直径の約4.75％から約8％である。
【０１２５】
内側ハウジング1104の回転速度、故に前記発電器により生成される電力の量は、ノズル1108(図１１)により放出される液体の速度および内側ハウジング1104の直径に基づき得る。故に、液体圧力および流速の所定範囲内では、ノズル1108(図１１)のノズル吐出口1124(図１１)の所定範囲の直径と、内側ハウジング1104の所定範囲の直径とに対し、所定範囲の電力が出力され得る。たとえば、ノズル1108のノズル吐出口1124の直径が約0.8ミリメートルから約1.9ミリメートルの範囲であれば、約0.44リットル／分から約4.16リットル／分(約0.115ガロン／分から約1.1ガロン／分)で放出が為され得る。前記流速は、ノズル取入口1122(図１１)における約34kPaから約413kPa(約5ポンド／平方インチから約60ポンド／平方インチ)の圧力範囲に基づき得る。結果的な内側ハウジング1104の回転により、約0.25ワットから約30ワットの電力が生成され得る。前記発電器からのこの例示的範囲の電力は、UVランプもしくは電子アセンブリを直接的に駆動し得るか、または、整流されることで、コンデンサ、スーパーコンデンサ(super capacitor)、ウルトラコンデンサ(ultra capacitor)および／またはバッテリなどのエネルギ蓄積デバイスを充電し得る。
【０１２６】
磁石1836は、内側ハウジング1104の平衡および整列も提供可能である。磁石1836の重量は、内側ハウジング1104の回転を旋回平衡化(spin balance)すべく構成することができる。故に内側ハウジング1104は、不平衡な回転に伴う振動または他の効果が最小化され乍ら高RPMで円滑に回転可能となっている。上述したように、磁石1836の重量は高RPMにおける効率的な電力生成によっても最小化することができる。
【０１２７】
これに加え、磁石1836の磁界は、固定子1808に対する回転子1806の整列、故に内側ハウジング1104の整列を維持し得る。実質的に等しく分布された磁石1836の磁界によれば、その中心軸が一致するように回転子1806および固定子1808を配置可能である。故に内側ハウジング1104もまた、センタリングロッド1106に中心軸が一致させることが可能である。ブッシュ1116およびセンタリングロッド1106は、内側ハウジング1104を同軸に配置することを支援し得るが、内側ハウジング1104は磁石1836の磁界により、センタリングロッド1106に中心軸が一致するように浮動、支持され得る。故に、周囲のブッシュ1116と非回転のセンタリングロッド1106との間における摩擦損失は最小化することができる。これに加え、ステー、ラッチまたは相対位置決めを維持する他の任意の機構を使用せずに水力発電器12が垂直、水平などに取付けられたとき、前記磁界によれば固定子1808に対する内側ハウジング1104の位置関係が維持可能である。
【０１２８】
図１１、１８に図示するように、各パドル1118は内側ハウジング1104を同心的に囲繞するリングを形成することができる。各パドル1118は、内側ハウジング1104の外面に結合されるべく個別に製造された部材とすることができる。第１と第２のハブ1802、1804が一体的に結合されたとき、パドル1118の各々はスロット1824の内の１つにおいて所定位置に維持されることで前記リングを形成する。代替的に各パドル1118は、接着、溶接、摩擦嵌合または他の任意の機構により、第１と第２のハブ1802、1804の双方または一方に個別にまたは群として結合可能である。
【０１２９】
各パドル1118は、個別に製造されてから組立てられてリングとされることで、コストが削減され且つ製造性が改善され得る。これに加え、内側ハウジング1104の直径、故に各パドル1118による前記リングの直径は、個々のパドル1118の形状寸法に対するそれほどの変更なしで変更可能である。個々のパドル1118の各々、および、第１と第２のハブ1802、1804の各々における保持リング1820の構成は協働して作用することで、スロット1824内におけるパドル1118の位置が維持される。
【０１３０】
図１９は、図１８に示されたパドル1118の一例の斜視図である。示されたパドル1118は概ね凹状とされ得ると共に、基部1902、第１パドル区画1904、第２パドル区画1906およびスロット1908を含む。基部1902は、第１と第２のハブ1802、1804(図１８)の隣接スロット1824(図１８)に嵌合すべく形成することができる。基部1902は、下側表面1912および脚部1914を含むことができる。下側表面1912は、第１と第２のハブ1802、1804(図１８)の内面の曲率半径と同様に所定曲率半径にて湾曲され得る。脚部1914は略三角形状とされ得ると共に、第１斜面1916、第２斜面1918および前面1920を含む。
【０１３１】
次に図１８、１９を参照すると、パドル1118が内側ハウジング1104内に取付けられるとき、基部1902は、第１と第２のハブ1802、1804の各々において隣接配置されたノッチ1824内に配設され得る。各パドル1118の脚部1914は、第１と第２のハブ1802、1804上の突起部1822によりノッチ1824内に保持可能である。図示する例では、第１と第２の斜面1916、1918は、夫々、第１と第２のハブ1802、1804の各々の突起部1822の内の１つに密接させて接触可能である。これに加えて前面1920は、隣接して取付けられたパドル1118に密接させて接触可能である。
【０１３２】
図２０は図１９のパドル1118の平断面図であり、第１と第２のパドル区画1904、1906および脚部1914を示している。また、パドル1118の後面2002も示される。パドル1118が内側ハウジング1104(図１１)上に取付けられたとき、後面2002は、隣接して取付けられたパドル1118の脚部1914の前面1920(図１９)に密接して接触可能である。故にパドル1118の基部1902(図１９)は、各パドル1118によるリングにおいて隣接して配置された突起部1822(図１８)と各パドル1118との組み合わせにより、効率的に所定位置に保持される。パドル1118の各々の基部1902は、内側ハウジング1104の外面の近傍における連続的同心リング(unbroken concentric ring)の一部を形成することができる。パドル1118は、摩擦嵌合、接着、溶接または他の任意の連結機構もしくは材料により所定位置に保持可能である。
【０１３３】
再び図１９を参照すると、第１と第２のパドル区画1904、1906は各々、高速液体流を受け入れ得る別体のカップもしくは凹所を提供可能である。図２０に示すように、第１と第２のパドル区画1904、1906の各々は楕円形とすることで、パドル区画1904、1906に衝当する液体の流れを最適化し得る。スロット1918によれば、内側ハウジング1104(図１１)が高RPMで回転するときに液体の流れはパドル1118の各々に効率的に衝当可能である。
【０１３４】
前述の水力発電システム12はまた、水処理システムの機能も含むことができる。一例において、前記水力発電システムは、水栓もしくは他の給水設備に取付けることができる。水栓に取付けられた水力発電システム12の取入口は、その水栓の水吐出口端に連結可能である。水力発電システム12は、既述した発電機能に加え、炭素フィルタおよび紫外線(UV)ランプを含むことができる。これに加えて水力発電システム12は、処理水が所望されないときに該水力発電システム12をバイパスする液体分流器を含むことができる。水力発電システム12はまた、前記UVランプおよびフィルタの寿命を監視するマイクロプロセッサなどの処理デバイスも含むことができる。水力発電システム12は、フィルタ寿命の監視における使用に関して上述したように、液体流検出を行うことができる。これに加え、前記UVランプの寿命の終りは、前記マイクロプロセッサにより監視可能である。更に、タップとコイルの双方または一方の切換えは前記マイクロプロセッサにより動的に指示することで、上述したように、前記UVランプの初期励起に対する第１電圧および該UVランプに対する連続的励起が提供され得る。
【０１３５】
水力発電システム12によれば、加圧液体の流れを含むと共に電源を必要とする他の用途も提供され得る。たとえば、動作するために電力源を必要とする動作検出器、電動バルブまたは他の任意のデバイスを備えた給水設備が、水力発電システム12の一部として包含され得る。
【０１３６】
図２１は、前記水力発電システムの一部として含まれたスツール(stool)もしくは朝顔(urinal)などの、化粧室に対する例示的な給水設備2100の斜視図である。給水設備2100は、水を受容する水取入口2102および水を放出する水吐出口2104を含む。給水設備2100はまた、バルブモジュール2016、電子機器用ハウジング2108および発電モジュール2110も含む。他の例においては、制御弁、水取入口および水吐出口を有する水栓、シャワーまたは他の任意の給水設備が前記水力発電システムに同様に含まれ得る。本明細書中で用いられるように、「給水設備(plumbing fixture)」との語は、水栓、化粧室の洗流機構、噴霧器およびシャワーなどの洗面所関連デバイスを包含すべく定義される。これに加え、給水設備としては、スプリンクラー、噴水、および、約1034kPa(約150ポンド／平方インチ)未満の圧力で液体の流れを制御且つ／又は確定移送する他の任意のデバイスおよび機構が挙げられる。
【０１３７】
図２２は、図２１に示した給水設備2100の一例の破断側面図であり、該給水設備は取入口2102、吐出口2104、バルブモジュール2016、電子機器用ハウジング2108および発電モジュール2110を含む。
【０１３８】
バルブモジュール2016は電動バルブ2202を含む。電動バルブ2202は、液体流の経路を開閉する電圧および電流により起動され得る任意の電気機械的なバルブデバイスとすることができる。励起時に電動バルブ2202は、バルブモジュール2016を介して液体流の経路を開成する位置へと移動し得る。前記液体流経路が開成されたとき、取入口2102に供給された加圧液体はバルブモジュール2016および発電モジュール2110を通り吐出口2104へと流れ得る。励起解除時には、電動バルブ2202は前記液体流経路を閉成することで、バルブモジュール2016および発電モジュール2110を通る液体の流れを停止し得る。
【０１３９】
発電モジュール2110は、図１１から図２０について既述した実施例と同様に、外側ハウジング1102、内側ハウジング1104、センタリングロッド1106およびノズル1108を含む。故に、これらの特徴の詳細な説明は省略する。他の例において、発電モジュール2110には、既述した他の実施例の任意のものに類似した特徴および／または構成要素を具備することができる。外側ハウジング1102はまた、内側ハウジング1104に対する衝撃に続き液体を吐出口2104に確定移送する水落し2204も含む。内側ハウジング1102は前記給水設備から、保守および／または修理のためにユニットとして取り外され得る。取入口2102に提供された加圧液体はノズル1108により高速へと加速され、且つ、液体の流れとして、内側ハウジング1104の外面に配置されたパドル1118に向けて供給される。
【０１４０】
高速液体流における運動エネルギの大部分は回転エネルギに変換されて内側ハウジング1104を高RPMで回転させる。前記液体は重力により、給水設備2100の水吐出口2104へと落下する。外側ハウジング1102のキャビティ内の液体噴霧もまた、外側ハウジング1102の内面1112と水落し2204との構成により水吐出口2104に向けて確定移送され得る。内側ハウジング1104の高RPMの回転によれば、内側ハウジング1104内に含まれた永久磁石発電器により電力が生成される。電力は、前記発電器により電源ライン1844上に生成され得る。電源ライン1844は、センタリングロッド1106における通路および管路2206を通り電子機器用ハウジング2108へと経路設定され得る。
【０１４１】
電子モジュール2108は、給水設備2100に対する一切の電気関連回路機構および構成要素を含むことができる。電子機器用ハウジング2108は、バルブ制御器2226、エネルギ蓄積デバイス2228、電力制御器2230およびセンサ2232を含むことができる。バルブ制御器2226は電動バルブ2202の一部とされ得ると共に、電圧および電流を用いて電動バルブ2202を開閉すべく起動し得る任意のデバイスとすることができる。バルブ制御器2226は、電気モータ、回転アクチュエータ、ソレノイド、または、バルブ機構を移動させ得る他の任意のデバイスを含むことができる。これに加えてバルブ制御器2226は、リミットスィッチ、または、電動バルブ2202の位置を決定する他の任意の形態の位置検知デバイスを含むことができる。バルブ制御器2226へは、エネルギ蓄積デバイス2228により電力を供給することができる。
【０１４２】
エネルギ蓄積デバイス2228は、バッテリ、および／または、コンデンサ、および／または、電圧および電流の形態でエネルギを蓄積し得る他の任意の回路もしくはデバイスとすることができる。電力制御器2230は、バルブ制御器2226およびエネルギ蓄積デバイス2238に連結される。電力制御器2230は、エネルギ蓄積デバイス2228における電圧の大きさを監視すると共に電動バルブ2202の動作を制御し得る任意の回路もしくはデバイスとすることができる。
【０１４３】
動作の間においてエネルギ蓄積デバイス2228における電圧の大きさは、電力制御器2230により監視される。前記電圧が所定スレッショルド値以下に低下したとき、電動バルブ2202は電力制御器2230により起動されて開成し得る。電力はエネルギ蓄積デバイス2228からバルブ制御器2226に供給されて、電動バルブ2202を起動し得る。電動バルブ2202が開成されたとき、加圧液体はバルブモジュール2016を通りノズル1108へと流れる。高速の加圧液体流はノズル1108により内側ハウジング1104に向けて導向されて電力を発生する。電力は、エネルギ蓄積デバイス2228を再充電すべく用いられる。
【０１４４】
センサ2232もまた電動バルブ2202を起動し得る。センサ2232は、動作センサ、温度センサ、または、給水設備2100の回りの環境における一種類以上のパラメータを検知し得る他の任意の形態の検知デバイスとすることができる。この実施例においてセンサ2232は、動作を検知し得る動作センサとすることができる。動作に応じてセンサ2232は、エネルギ蓄積デバイス2228からの電力を用いて開成すべく電動バルブ2202を起動し得る。エネルギ蓄積デバイス2228は引き続き、液体の流れから帰着する発電モジュール2110における発電器からの電力により再充電可能である。
【０１４５】
図２３は、エネルギ蓄積デバイス2228および電力制御器2230の一例の回路図である。図示されたエネルギ蓄積デバイス2228は、第１エネルギ蓄積デバイス2302、第２エネルギ蓄積デバイス2304および第３エネルギ蓄積デバイス2306を含む。電力制御器2230は、プロセッサ2308、第１充電スィッチ2310、第２充電スィッチ2312、第３充電スィッチ2314、直列／並列スィッチ2316および負荷制御スィッチ2318を含む。他の例においては、更に少ないもしくは更に多い個数のエネルギ蓄積デバイスおよびスィッチを利用することができる。
【０１４６】
第１、第２と第３のエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306は、電力を蓄積し得る任意のデバイスとすることができる。図示例において、第１エネルギ蓄積デバイス2302はバッテリであり、且つ、放電性能を最大化すべく第２と第３のエネルギ蓄積デバイス2304、2306はコンデンサである。前記コンデンサは、スーパーコンデンサおよび／またはウルトラコンデンサなどの一個以上の電解質コンデンサまたは電気化学的コンデンサとすることができる。他の例においては、バッテリ、コンデンサ、または、任意の構成のバッテリおよびコンデンサが使用可能である。第１と第２のエネルギ蓄積デバイス2302、2304の各々は、アース接続部2320に電気的に接続される。第３エネルギ蓄積デバイス2306は、直列／並列スィッチ2316によりアース接続部2320に電気的に接続電可能である。
【０１４７】
プロセッサ2308は、入力を監視する命令を実行して出力を提供し得る任意の形態の演算デバイスとすることができる。プロセッサ2308に対する入力としては、発電モジュール2110(図２１)の発電器から供給される入力電力ライン2330上の入力電力が挙げられる。前記発電器から供給される電力は三相もしくは単相のAC電力とされ、これは一個以上のダイオードにより整流されてプロセッサ2308にDC電力を供給可能である。
【０１４８】
プロセッサ2308に対する他の入力としては、第１エネルギ蓄積デバイス2302に対する第１充電ライン2332上の第１充電示度、および、第２と第３のエネルギ蓄積デバイス2304、2306の夫々に対する第２と第３の充電ライン2334、2336上の第２と第３の充電示度が挙げられる。充電ライン2332、2334、2336はプロセッサ2308に対し、夫々のエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306に蓄積された充電量を知らせる。これに加え、図示例においては、第１放電ライン2338および第２放電ライン2340の夫々における第１放電示度および第２放電示度が入力としてプロセッサ2308に提供される。前記第１放電示度は、第２エネルギ蓄積デバイス2304である前記コンデンサの放電量を提供する。第３エネルギ蓄積デバイス2306である前記コンデンサの放電量は、前記第２放電示度により提供される。
【０１４９】
プロセッサ2308からの出力としては、第１充電制御スィッチ2310、第２充電制御スィッチ2312および第３充電制御スィッチ2314の動作を制御する制御信号が挙げられる。第１充電制御スィッチ2310が励起されると、第１充電ライン2342上で第１充電電圧が第１エネルギ蓄積デバイス2302に提供され得る。第２充電制御スィッチ2312が閉成されたとき、第２エネルギ蓄積デバイス2304には、第２充電ライン2344上の第２充電電圧が提供され得る。第３充電制御スィッチ2314は、第３エネルギ蓄積デバイス2306には第３充電ライン2346上で第３充電電圧を提供すべく励起され得る。
【０１５０】
プロセッサ2308はまた、負荷制御スィッチ2318に指示を与えて負荷用供給ライン2348上の電圧を制御すべく出力制御信号も提供可能である。負荷用供給ライン2348は、負荷にに電力を供給可能である。この例において負荷としては、電動バルブ2202(図２２)、および、電子モジュール2108(図２１)に含まれる電子機器が挙げられる。他の例においては、他の任意の負荷が負荷用供給ライン2348から電力を供給することができる。
【０１５１】
負荷用供給ライン2348上の電力は、プロセッサ2308により、発電モジュール2110における発電器から、且つ／又は、エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の内の一個以上に蓄積された電荷から供給され得る。たとえば前記発電器が電力を発生しているとき、プロセッサ2308はその電力を負荷用供給ライン2348上の負荷に直接的に供給可能である。これに加えてプロセッサ2308は、前記発電器により生成された電力によりエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の内の一個以上を充電すべく充電電圧を提供可能である。代替的に、たとえば前記発電器が電力を発生していない(または十分な電力を発生していない)とき、プロセッサ2308は、エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の内の一個以上に蓄積された電荷から負荷用供給ライン2348上に電力を提供可能である。
【０１５２】
プロセッサ2308はまたバルブ制御ライン2350上に、電動バルブ2202の動作を制御する制御出力も提供可能である。プロセッサ2308からのステータスライン2352上の出力は、動作ステータスを提供可能である。動作ステータスとしては、エラー表示、エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306上の電荷の状態、電動バルブ2202(図２２)の位置、または、動作に関連する他の任意の示度もしくはパラメータが挙げられる。ステータスライン2352は、発光ダイオード(LED)、ディスプレイ、可聴警報器などの任意の形態のユーザインタフェースに連結可能である。
【０１５３】
直列／並列スィッチ2316は、直列スィッチ2356および並列スィッチ2358を含む。プロセッサ2308は、直列スィッチ2356および並列スィッチ2358の動作を指示する出力を提供可能である。直列スィッチ2356および並列スィッチ2358は、第２と第３のエネルギ蓄積デバイス2304、2306を並列形態もしくは直列形態に構成することができる。
【０１５４】
前記並列形態においては、第２と第３のエネルギ蓄積デバイス2304、2306により低い度合の放電電圧が負荷に個別に供給され得る。前記直列形態においては、第２と第３のエネルギ蓄積デバイス2304、2306の組み合わせ放電により、負荷には高い度合の放電電圧が供給され得る。プロセッサ2308、充電制御スィッチ2310、2312、2314、直列／並列スィッチ2316および負荷制御スィッチ2318は、特定用途集積回路(ASIC)により実現され得る。代替的に、別体の構成要素、または、別体の構成要素群を利用可能である。
【０１５５】
メモリ内に記憶された命令をプロセッサ2308により実行することにより、第１、第２と第３のエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の充放電の制御が可能である。プロセッサ2308による制御は、所定スレッショルド電圧と、所定スレッショルド充電レベルと、発電モジュール2110における発電器により供給される入力電力とに基づいて行うことができる。第１スレッショルド電圧は、前記発電器および／またはエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の内の一個以上から供給される入力電圧の大きさとすることができる。第２スレッショルド電圧は、負荷用供給ライン2348に供給された出力電圧とすることができる。
【０１５６】
エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の各々に対する所定スレッショルド充電レベルは、個々のエネルギ蓄積デバイスの特性に基づいて決定され得る完全充電状態とすることができる。エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の各々に対する第１、第２と第３の放電レベルスレッショルド値も決定され得る。放電レベルスレッショルド値の各々は、放電限界点(discharge limit)および放電遮断点(discharge cutoff)を含むことができる。前記放電限界点は、完全充電状態より一定レベルだけ低い充電レベルの減耗を表し得る。前記放電遮断点は、充電減耗の最大所望レベルより低い充電の減耗を表し得る。
【０１５７】
これに加えてプロセッサ2308は、エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306のステータスを表示するための計時機能を含むことができる。プロセッサ2308によれば、前記エネルギ蓄積デバイスの内の１個が充電されるときに計時を開始すべく充電タイマが起動され得る。充電されつつある特定のエネルギ蓄積デバイスの充電ライン上の充電示度に基づき、前記充電タイマの計時内容は、完全充電に対する百分率、充電速度などを決定すべく使用可能である。充電関連の決定は、ステータスライン2352に提供され得る。同様に、プロセッサ2308によれば、第２と第３のエネルギ蓄積デバイス2304、2306の各々の放電サイクルの間における計時を開始すべく放電タイマが有効化され得る。夫々の放電ライン2338、2340上の放電示度は、第２と第３のエネルギ蓄積デバイス2304、2306の各々の放電の百分率、放電速度などをステータスライン2352上で表すべく、前記放電タイマにより使用可能である。
【０１５８】
発電モジュール2110における発電器が電力を発生しているとき、プロセッサ2308はエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の内の一個以上を選択的に充電し得る。たとえば液体の流れが比較的に高い圧力にて比較的に大きいとき、前記発電器は比較的に高いレベルにて豊富な量の発電可能である。これらの条件下でプロセッサ2308は、第１充電スィッチ2310、第２充電スィッチ2312および第３充電スィッチ2314により同時にエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の全てを充電させ得る。代替的に、更に少ないもしくは低い電圧の電力が生成されているとき、プロセッサ2308は第１、第２と第３の充電スィッチ2310、2312、2314の全てより少ない個数のスィッチを起動し得る。
【０１５９】
動作の間において、エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の内の一個以上に蓄積された電荷が所定放電限界点より高ければ、負荷制御スィッチ2318はプロセッサ2308により有効化されて負荷に電力を供給し得る。前記負荷が電力を消費することでエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の内の一個以上が放電限界点未満まで放電されたとき、プロセッサ2308はバルブ制御ライン2350上の制御信号により電動バルブ2202(図２２)を起動して開成させ得る。上述したように、給水設備2100(図２１)および発電モジュール2110を通る液体の流れによれば、前記発電器による電力の生成が誘起される。
【０１６０】
入力電力ライン2330上で入力電力を検知すると同時にプロセッサ2308は、充電制御スィッチ2310、2312、2314の内の一個以上を起動して夫々のエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306を再充電し得る。もしエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306が遮断限界点まで放電し続けるなら、負荷制御スィッチ2318はプロセッサ2308により無効化され得る。前記負荷に対する負荷用供給ライン2348上の電力が喪失されると同時に、電動バルブ2202(図２２)は開成されたままとされ且つ発電モジュール2110における発電器は電力を供給し続け得る。代替的に、電力の喪失時に、電動バルブ2202は閉成され得ると共に、前記発電器からの入力電力は中断され、且つ、エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306からの電力はステータスライン2352上でエラーを表すべくプロセッサ2308により使用可能である。前記エラーは、点滅する発光ダイオード(LED)などのインディケータにより表示可能である。
【０１６１】
エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の内の一個以上からの電力が放電される間、プロセッサ2308は選択的に直列／並列スィッチ2316を切換えて放電時間を最長化し得る。これに加え、負荷用供給ライン2348上の電圧は直列／並列スィッチ2316を選択的に切換えることで維持可能である。と言うのは、放電は効率を最大化すべく行われるからである。更に、プロセッサ2308は直列／並列スィッチ2316の選択的な切換えにより、出力電圧の振幅を別の電圧振幅へと変換し得る。たとえば前記発電器からの約6VDCの入力電圧は、プロセッサ2308により3VDCへと変換することができる。別の例において、前記発電器から供給された1.5VDCはプロセッサ2308により6VDCへと変換することができる。
【０１６２】
図２４は、エネルギ蓄積デバイス2228および電力制御器2230の別の例示的な回路図である。この例において電力制御器2230は、プロセッサ2308を含む。エネルギ蓄積デバイス2228は、アース接続2410に電気的に接続された第１コンデンサ2402、第２コンデンサ2404、第３コンデンサ2406および第4コンデンサ2408から成る複数のエネルギ蓄積デバイスを含む。他の例においては、第4コンデンサ2408の代わりに、バッテリなどの他の形態および個数のエネルギ蓄積デバイスが使用可能である。
【０１６３】
プロセッサ2308は、発電モジュール2110(図２１)における発電器からの入力電力を入力電力ライン2330上で受信し得る。前記入力電力は第１コンデンサ2402も充電し得る。プロセッサ2308は、前記発電器が電力の生成を停止したときに第１コンデンサ2402から入力電力を提供可能である。
【０１６４】
プロセッサ2308は第4コンデンサ2408の充放電を充電制御ライン2412により制御し得る。第4コンデンサ2408の充電は、入力電力ライン2330上に供給された電力により行われ得る。第4コンデンサ2408の放電は、負荷用供給ライン2348により電力供給が行われつつある負荷に基づき得る。前記負荷としては、電動バルブ2202(図２２)、および／または、電子モジュール2108(図２１)における他の任意の電子機器が挙げられる。
【０１６５】
プロセッサ2308は、負荷用供給ライン2348上の負荷に対し、調整済み出力電圧を提供可能である。負荷用供給ライン2348上に供給される電力は、前記発電器、第１コンデンサ2402および／または第4コンデンサ2408からとすることができる。第２と第３のコンデンサ2404、2406は、負荷用供給ライン2348上に存在し得る一切の高周波過渡電流のノイズを抑制し得る。
【０１６６】
図２３の例と同様にプロセッサ2308は、第4コンデンサ2408における放電限界レベルより低い電荷の減耗を検知し、バルブ制御ライン2350上で制御信号を送信して電動バルブ2202(図２２)を開成させ得る。結果的な液体の流れは発電モジュール2110(図２１)における発電器を高RPMで回転させ、入力電力ライン2330上に電力が生成され得る。第4コンデンサ2408における電荷が放電遮断レベルまで減耗したときに、ステータスライン2350上にエラーを発生させて、電動バルブ2202(図２２)を消勢して前記負荷に対する電力を中断するようにできる。
【０１６７】
図２５は、図２２から図２３の電力制御器2230の例示的処理を示すプロセスフローチャートである。前記負荷に対する所望出力電圧、所望充電レベルおよび所望放電レベルスレッショルド値(前記放電限界点および放電遮断点)が確立されてプロセッサ2308に記憶されたとき、ブロック2502にて処理が開始される。ブロック2504にてプロセッサ2308は、入力電力ライン2330上における供給電圧、および、エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の充放電電圧を監視すべく命令を実行し得る。
【０１６８】
ブロック2506にてプロセッサ2308は、供給電圧の大きさが前記負荷に対する所望出力電圧以上であるか否かを決定する。もし供給電圧が所望出力電圧より大きければ、ブロック2508にてプロセッサ2308は充電制御スィッチ2310、2312、2314の内の一個以上を起動して入力電力ライン2330からの電力の供給を有効化することで、エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の内の一個以上を充電する。ブロック2510にてプロセッサ2308は、一個以上の充電タイマを起動して充電制御スィッチ2310、2312、2314の充電を監視し得る。これに加え、ブロック2512にてプロセッサ2308は、負荷用供給ライン2348上の負荷に対する入力電力ライン2330からの電力の供給を有効化し得る。この処理は次にブロック2504に戻り、電圧および電荷の監視が継続される。
【０１６９】
ブロック2506にて、もし供給電圧が所望出力電圧未満であれば、ブロック2518にてプロセッサ2308は、入力電力ライン2330上の供給電圧が所望出力電圧より所定量(x)だけ低いか否かを決定する。もし供給電圧が少なくとも所定量(x)だけ所望出力電圧より低ければ、ブロック2520にてプロセッサ2308はエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の内の一個以上を有効化し、蓄積された電荷を蓄積済み電力ライン2332、2334、2336上で放電する。プロセッサ2308は前記負荷に供給を行うべく、蓄積された電荷を負荷用供給ライン2348上の出力電圧および電流として提供可能である。ブロック2522にてプロセッサ2308は放電タイマを有効化することで、エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の各々からの電力の放電を監視し得る。前記処理はブロック2504に戻り、電圧および電荷の監視が継続される。
【０１７０】
ブロック2518にて供給電圧が所望出力電圧以上であれば、ブロック2526にてプロセッサ2308は、全てのエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306が完全に充電されているか否かを決定する。もし全てのエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306が完全充電されていれば、ブロック2528にてプロセッサ2308は電動バルブ2202が開成されているか否かを決定する。もし電動バルブ2202が開成されていなければ、前記処理はブロック2504に戻り電圧が監視される。もし電動バルブ2202が開成されていれば、ブロック2530にてプロセッサ2308はバルブ制御ライン2350上に信号を送信して電動バルブ2202を閉成する。電動バルブ2202が閉成されたとき、発電モジュール2110における発電器は電力の生成を停止する。
【０１７１】
ブロック2532にては放電タイマがリセットされ、処理はブロック2504に戻り電圧および電荷が監視される。もしブロック2526にてエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の全てが完全には充電されていなければ、ブロック2536にてプロセッサ2308は、エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306のいずれかが放電遮断点より低く放電されたか否かを決定する。もしエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306が放電遮断点より低く放電されていれば、ブロック2538にてプロセッサ2308は、負荷用供給ライン2348上における出力電力の供給を無効化する。これに加え、ブロック2540にてプロセッサ2308はバルブ制御ライン2350上に信号を送信することで電動バルブ2202を閉成する。ブロック2542にてプロセッサ2308はステータスライン2352上に、エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306の充電が実施され得ないという表示を行う。処理は次にブロック2504に戻り、電圧および電荷が監視される。
【０１７２】
もしブロック2536にてエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306のいずれもが放電遮断点より低くは放電されていなければ、ブロック2546にてプロセッサ2308は、エネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306のいずれが放電限界点より低く放電されているかを決定する。もしエネルギ蓄積デバイス2302、2304または2306のいずれかが放電限界点より低く放電されていれば、ブロック2548にてプロセッサ2308はバルブ制御ライン2350上で制御信号を送信して電動バルブ2202を開成させる。電動バルブ2202が開成されたとき、発電モジュール2110における発電器は入力電力ライン2330上に電力を発生する。前記処理はブロック2504に戻り、前記発電器からエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306を充電しかつ前記負荷に電力を供給する。もしブロック2546にてエネルギ蓄積デバイス2302、2304、2306のいずれもが放電限界点より低くは放電されていなければ、前記処理はブロック2504に戻り、電圧および電荷を監視する。
【０１７３】
図２１と類似する別の例において、前記水力発電システムは水栓システム(faucet system)である給水設備を含むことができる。前記水栓システムは、バルブモジュール2016、電子モジュール2108および発電モジュール2110を含むことができる。発電モジュール2110における発電器は、電子モジュール2108における少なくとも一個のエネルギ蓄積デバイスを充電し得る。電子モジュール2108における電力制御器は、前記エネルギ蓄積デバイスが充電されるまで直接充電を許容し得る。これにより前記水栓システムは、液体が該水栓システムを通り流れる期間を超えて蓄積電力を使用し得る。これに加え、もし前記水栓システムが延長期間に亙り使用されなければ、単純な手動の一時的押しボタンにより発電モジュール2110内の発電器が液体の流れにより回転されて前記エネルギ蓄積デバイスが再充電可能である。
【０１７４】
更に別の例において、前記水力発電システムはシャワーヘッドである給水設備を含むことができる。該シャワーヘッドは、ラジオおよび／または他の耐水電子機器を含むことができる。前記ラジオは耐水性とされると共に、AM、FM、コンパクトディスクまたは他の任意の娯楽デバイスとすることができる。前記水力発電システムは、図９、１０に示されたシステムと同様の特徴を含むことができる。前記固定子内で旋回するタービンから帰着する発電器は、コンデンサ、スーパーコンデンサもしくはウルトラコンデンサを充電する電源とすることができる。これにより前記電子機器には、電源がバッテリなどの場合には交換のために必要とされる保守サイクルを必要としない電源が提供される。前記シャワーヘッドはまた、シャワーの計時を維持すべくアラーム付きのシャワータイマおよび事前警告インディケータも含むことができる。前記アラームは、シャワーの長さを所定時間に維持するために使用可能である。更に前記シャワーヘッドは、該シャワーが動作しているときに照明されるディスプレイを備えたクロックを含むことができる。液体流がない期間中、前記クロックは照明なしでエネルギ蓄積デバイスから操作されることで、電力が節約される。
【０１７５】
図２６は、外側ハウジング2602、内側ハウジング2604、センタリングロッド2606およびノズル2608を含む水力発電システム12の更に別の実施例を示している。内側ハウジング2604は、外側ハウジング2602内に形成されたキャビティ2610内に配置され、且つ、該内側ハウジング2604の外面2613上に配置された複数のパドル2612を含む。外側ハウジング2602は、吐出口2614および内部壁2616を含む。図２６に示された水力発電システム12の特徴は多くの点で、既述した水力発電システムの例と類似している。故に簡潔さのために、以下の説明では既述した例との際について述べる。
【０１７６】
図示例において外側ハウジング2602は、内側ハウジング区画2618、ノズル区画2620、排出区画2622および流れ収集区画2624を含む。内側ハウジング区画2618は、内側ハウジング2604の一部を隣接して囲繞すべく形成される。各パドル2612は内側ハウジング区画2618の内部壁2616の近傍に配置され、液体インピーダンスを最小化する。先行例におけるのと同様に、内側ハウジング区画2618内の内部壁2616は吐出口2614に向けて液体を確定移送するための案内構造（図示せず）を含むことができる。
【０１７７】
ノズル区画2620は、外側ハウジング2602の頂部を形成すると共に、ノズル2608を受容すべく構成される。ノズル2608は、外側ハウジング2602を貫通すべく、且つ、実質的に垂直な液体の流れを内側ハウジング2604のパドル2612に向けて導向すべく配置される。実質的に垂直な液体の流れはノズル2608のノズル吐出口2626から、良好に画成された実質的な層流として比較的に高速で放出され得る。前記液体の流れは、放出の後でもノズル吐出口2626の直径を実質的に維持し得る。故に液体噴霧は最小化され得ると共に、液体の流れにおける運動エネルギは比較的に小さな領域に集中可能である。
【０１７８】
図２７は、外側ハウジング2602、内側ハウジング2604、センタリングロッド2606およびノズル2608を含む水力発電システム12の破断側面図である。内側ハウジング2604はパドル2612を含む。外側ハウジング2602は、内側ハウジング区画2618、ノズル区画2620、排出区画2622および流れ収集区画2624を含む。
【０１７９】
パドル2612に対する液体流の衝撃に続き、該液体流は排出区画2622に進入し得る。前記衝撃の故に前記液体は、ノズル吐出口2624の直径よりも大きい直径を備えた拡散液体流となり得る。これに加え、前記衝撃ならびに内側ハウジング2604の回転により液体噴霧が生成され得る。前記拡散液体流の直径(もしくは噴霧パターン)は、液体の流れの速度と前記発電器に対する電気的な負荷量とに依存し得る。前記発電器に対する負荷が殆どないとき、内側ハウジング2604は比較的に自由に回転可能となっている。故に、ノズル2608から放出された液体流と共軸的な中心軸線2702に関して30°の拡散角度などの様に、拡散液体流の拡散量は比較的に小さい。逆に、大きな負荷が存在する場合、内側ハウジング2604の回転を維持するには相当の力が必要とされ、且つ、拡散液体流の拡散は中心軸線2702に関する90°もの大きな拡散角度に帰着し得る。前記負荷が如何なるものであれ、パドル2612に対する液体の衝突により、液体噴霧および拡散液体流が生成され得る。説明を目的として、拡散液体流の拡散角度は約45°と仮定される。他の例においては、更に大きな又は更に小さな拡散角度が使用可能である。
【０１８０】
図２７には、衝撃箇所2704および複数の軌跡ベクトル2706も示される。衝撃箇所2704は、ノズル2608により放出されて良好に画成された実質的に線形の液体流がパドル2612に衝突する領域である。軌跡ベクトル2706は、パドル2612に対する衝撃に続く液体の経路を拡散角度に基づいて示している。軌跡ベクトル2706の内で中心軸線2702に接近するベクトルに従う液体は、収集区画2624に直接的に進入して吐出口2614へと確定移送され得る。
【０１８１】
しかし、中心軸線2702から更に離間した軌跡2706における液体は、排出区画2622における内面2616に衝突する。この液体は吐出口2614へと効率的に確定移送され、流体インピーダンスが最小化される。これに加え、内面2616との衝突から帰着する液体噴霧が最小化される。排出区画2622において内面2616は所定形状に構成されることで、液体は吐出口2614へと効率的に確定移送されて液体噴霧が最小化される。故に、既述した内面2616における案内構造は不要である。代わりに、第２セグメント2710内の内面は実質的に平坦のままとされて反射板として作用する形状とされ、且つ、外側ハウジング2602から液体を効率的に排出して液体インピーダンスを最小化し得る。故にキャビティ2610は、約0.44リットル／分から約4.16リットル／分の範囲の液体流速により実質的に無水に維持可能である。
【０１８２】
図２７に更に示すように、排出区画2622内の内面2616は所定形状に構成することができる。該所定形状は、排出区画2622内において軌跡ベクトル2706の各々と内面2616との間に形成される軌跡流角度2708に基づき得る。軌跡流角度2708は、内面2616と、パドル2612に対する衝撃から帰着する拡散液体流および液体噴霧により追随される軌跡ベクトル2706と、の交点における角度として定義される。内面2616の形状は、拡散液体流により追随される軌跡流角度2708を約20°未満に維持すべく設計され得る。軌跡流角度2708は、製造許容差および／または液体に伴う物理的特性に基づいて±5°まで変更可能である。
【０１８３】
図示例において第２セグメント2710の内面2616の形状は、略円錐形の弾丸状ノズル(rocket nozzle)として構成される。前記内面の形状は、回転するパドル2612との衝撃から帰着する拡散液体流の挙動のモデル化もしくは分析に基づき得る。拡散液体流により追随される軌跡流角度2708を内面2616に関して約20°以内に維持することで、液体は更に少ない非層流を以て更に整然とした状態に留まり得る。
【０１８４】
前記の更に整然とした状態によれば、キャビティ2610からは比較的に更に迅速に排出が行われ得る。故に、液体がノズル2608から放出されるときに外側および内側ハウジング2602、2604を依然として実質的に無水に維持し乍ら、外側ハウジング2602の全体サイズは最小化することができる。これに加え、吐出口2614から流出する液体の流れは、前記内面と軌跡ベクトル2706との形状の類似性の故に一定の大きさの速度を有し得る。更に、流動液体の更に整然とした状態によれば液体噴霧および乱流は最小化されることから、流体インピーダンスは最小化され、且つ、運動エネルギから回転エネルギへの変換は最大化することができる。
【０１８５】
外側ハウジング2602の排出区画2622の形状はまた、既述した水力発電システムの例に関しても実施され得る。たとえば図１１の水力発電システム12を参照すると、ノズル1108が流体流を垂直に放出するように、外側ハウジング1102は90°回転され得る。これに加え、吐出口1114はノズル1108の反対側となる外側ハウジング1102の壁部へと移動され得ると共に、前記外側ハウジングは約20°以下の軌跡ベクトルに対する軌跡流角度を達成すべく再構成することができる。図２１の例示的な水力発電システムにおいて、給水設備2100の吐出口2104の上流の外側ハウジング1102は、約20°以下の軌跡ベクトルに対する軌跡流角度を達成すべく単純に再構成することができる。
【０１８６】
前記水力発電システムの現在において好適な実施例は、給水設備または水処理などの他の機能性も含み得るスタンドアロンの電源を提供する。該水力発電システムによれば、流水中に存在するエネルギが電力へと効率的に変換される。その電力は、前記水力発電システム内の電子機器もしくは他のデバイスに動力を供給すべく使用可能である。これに加えて前記電力は、水処理システムなどの他の独立したシステムに供給され得る。当業者であれば理解し得る様に、前記水力発電システムの用途は水に限定されず、他の液体に対して好適に適用可能である。
【０１８７】
特定の代表的実施例に関して本発明は説明したが、発明の精神および有効範囲から逸脱することなく、これらの実施例は種々の改変および変更が可能である。全ての均等物を含め、発明の精神および有効範囲を定義するものは添付の各請求項である。
【図面の簡単な説明】
【０１８８】
【図１】水力発電システムの一実施例に連結された水処理システムを示す図である。
【図２】図１に示されたノズルの一実施例の断面図である。
【図３】図１に示されると共に90°回転され且つ水力発電システムの一部が破断された前記水処理システムおよび水力発電システムを示す図である。
【図４】水力発電システムの別実施例の断面図である。
【図５】図４の5-5線に沿うノズルの断面図である。
【図６】図４に示されると共に90°回転され且つ水力発電システムの一部が破断された前記水力発電システムを示す図である。
【図７】前記水処理システムに連結された水力発電システムの別実施例の断面図である。
【図８】図７に示されると共に固定子ハウジングの一部が破断された前記水力発電システムの実施例の平面図である。
【図９】前記水力発電システムの別実施例の断面図である。
【図１０】図９の水力発電システムの一部の断面図である。
【図１１】前記水力発電システムの別実施例の側面図である。
【図１２】図１１に示されたノズルの端面図である。
【図１３】図１２に示された前記ノズルの13-13線に沿う断面図である。
【図１４】図１２に示された前記ノズルの14-14線に沿う別の断面図である。
【図１５】図１１に示された水力発電システムの外側ハウジングの一部の15-15線に沿う断面図である。
【図１６】図１１に示されると共に内側ハウジングが取り外された前記水力発電システムの側面図である。
【図１７】図１１に示された水力発電システムの外側ハウジングの底部の17-17線に沿う断面図である。
【図１８】図１１に示された水力発電システムに含まれる内側ハウジングの分解斜視図である。
【図１９】図１１に示された水力発電システムに含まれるパドルの斜視図である。
【図２０】図１９に示された前記パドルの20-20線に沿う断面図である。
【図２１】給水設備を含む水力発電システムの斜視図である。
【図２２】図２１に示された給水設備の断面図である。
【図２３】図２２の給水設備に含まれる電力制御器の一例の概略図である。
【図２４】図２２の給水設備に含まれる電力制御器の別の例の概略図である。
【図２５】図２１から図２４の給水設備内の水力発電システムの動作を示すプロセスフローチャートである。
【図２６】前記水力発電システムの別実施例の部分的側断面図である。
【図２７】図２６の水力発電システムの別の側断面図である。
【図１】
0004426453.tif 000002
【図２】
0004426453.tif 000003
【図３】
0004426453.tif 000004
【図４】
0004426453.tif 000005
【図５】
0004426453.tif 000006
【図６】
0004426453.tif 000007
【図７】
0004426453.tif 000008
【図８】
0004426453.tif 000009
【図９】
0004426453.tif 000010
【図１０】
0004426453.tif 000011
【図１１】
0004426453.tif 000012
【図１２】
0004426453.tif 000013
【図１３】
0004426453.tif 000014
【図１４】
0004426453.tif 000015
【図１５】
0004426453.tif 000016
【図１６】
0004426453.tif 000017
【図１７】
0004426453.tif 000018
【図１８】
0004426453.tif 000019
【図１９】
0004426453.tif 000020
【図２０】
0004426453.tif 000021
【図２１】
0004426453.tif 000022
【図２２】
0004426453.tif 000023
【図２３】
0004426453.tif 000024
【図２４】
0004426453.tif 000025
【図２５】
0004426453.tif 000026
【図２６】
0004426453.tif 000027
【図２７】
0004426453.tif 000028