(57)【要約】【課題】水力発電装置をコンパクト化する。【解決手段】水力発電装置１は、ハウジング１０内で回転可能に設けられた水車７０と、水車の回転を電力に変換する複数の磁石９６及び複数のコイル９２と、を備えている。ハウジングは、当該ハウジングを水車の回転軸８０に沿う方向である軸方向に貫通して設けられて水流を一方向に流す水路４０を備えている。水車は、当該水車の周方向に並べて設けられた複数の羽根７４を備えている。各羽根７４は、水車の径方向に所定寸法延びるとともに、水車の軸方向に対して傾斜して設けられて、当該軸方向に流れる水流を受け止めて水車を回転させる。各磁石は、水車に固定されているとともに各羽根の外周まわりで水車の周方向に並べて配置されている。各コイルは、ハウジングに固定されているとともに各磁石と対向するようにして各磁石の外周まわりで水車の周方向に並べて配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内で回転可能に設けられた水車と、水車の回転を電力に変換する複数の磁石及び複数のコイルと、を備えた水力発電装置であって、
ハウジングは、当該ハウジングを水車の回転軸に沿う方向である軸方向に貫通して設けられて水流を一方向に流す水路を備え、
水車は、当該水車の周方向に並べて設けられた複数の羽根を備え、
各羽根は、水車の径方向に所定寸法延びるとともに、水車の軸方向に対して傾斜して設けられて、当該軸方向に流れる水流を受け止めて水車を回転させ、
各磁石は、水車に固定されているとともに各羽根の外周まわりで水車の周方向に並べて配置され、
各コイルは、ハウジングに固定されているとともに各磁石と対向するようにして各磁石の外周まわりで水車の周方向に並べて配置されている水力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水力発電装置であって、
水路は、水車に対して上流側において、ハウジングの外部と連通された入口部と、入口部に連続して設けられるとともに下流側に向けて徐々に径が広がるテーパ状に構成された環状部と、環状部に連続して設けられるとともに各羽根に水流を吐出する複数の絞り部と、を備え、
各絞り部の通水断面積は、環状部の通水断面積よりも小さく設定されている水力発電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の水力発電装置であって、
ハウジングを貫通して設けられた水路の入口と出口とは、ともに水道管に連通されている水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示された水力発電装置は、水面に浮かべた水車と、水車の回転軸につながれた発電機と、水車の水中への沈み込み量を変化させる支持装置と、を備えている。水車は、水面下を水車の周方向に流れる水流によって回転する。支持装置は、水流の強さに応じて、水車の水中への沈み込む量を変化させて、水車の回転効率を向上させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−４３８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された水力発電装置においては、水車と発電機とが個別の箇所に設置されている。したがって、水車と発電機とのそれぞれのためのスペースが必要であり、水力発電装置全体としてスペースを多くとる懸念がある。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、水力発電装置をコンパクト化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明の水力発電装置はつぎの手段をとる。
【０００７】
水力発電装置は、ハウジング内で回転可能に設けられた水車と、水車の回転を電力に変換する複数の磁石及び複数のコイルと、を備えている。ハウジングは、当該ハウジングを水車の回転軸に沿う方向である軸方向に貫通して設けられて水流を一方向に流す水路を備えている。水車は、当該水車の周方向に並べて設けられた複数の羽根を備えている。各羽根は、水車の径方向に所定寸法延びるとともに、水車の軸方向に対して傾斜して設けられて、当該軸方向に流れる水流を受け止めて水車を回転させる。各磁石は、水車に固定されているとともに各羽根の外周まわりで水車の周方向に並べて配置されている。各コイルは、ハウジングに固定されているとともに各磁石と対向するようにして各磁石の外周まわりで水車の周方向に並べて配置されている。
【０００８】
一般的な水車（例えば特許文献１）においては、水車の外周まわりで周方向に水流を流して水車を回転させるため、水車自体の外周部分や水車の外周まわりに磁石やコイルを設置することができない。これに対して、本発明では、水車に対して軸方向に水流を流して水車を回転させるため、水車自体の外周部分及び水車の外周まわりをそれぞれ磁石とコイルとの設置個所として利用でき、これによって、水車と一体的に発電機を設けられる。したがって、本発明では、水車と発電機とを個別の場所に設けることなく両者を一まとめに集約でき、水力発電装置全体をコンパクトにできる。
【０００９】
本発明の水力発電装置において、より好ましくは、つぎの手段をとる。水路は、水車に対して上流側において、ハウジングの外部と連通された入口部と、入口部に連続して設けられるとともに下流側に向けて徐々に径が広がるテーパ状に構成された環状部と、環状部に連続して設けられるとともに各羽根に水流を吐出する複数の絞り部と、を備えている。そして、各絞り部の通水断面積は、環状部の通水断面積よりも小さく設定されている。
【００１０】
この構成においては、各絞り部の通水断面積が、環状部の通水断面積よりも小さく設定されていることから、絞り部によって水流の流速を高めて、強い水流を羽根に吐出できる。
【００１１】
本発明の水力発電装置において、より好ましくは、つぎの手段をとる。ハウジングを貫通して設けられた水路の入口と出口とが、ともに水道管に連通されている。
【００１２】
この構成においては、水道管の水流を利用して手軽に発電できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】水力発電装置の外観斜視図である。
【図２】水力発電装置の断面図である。
【図３】水力発電装置を上流側ケースの側から視た分解斜視図である。
【図４】水力発電装置を下流側ケースの側から視た分解斜視図である。
【図５】上流側ケース及びコイルを、下流側ケースの側から視た正面図である。
【図６】下流側ケース及びコイルを、上流側ケースの側から視た正面図である。
【図７】水車を下流側ケースの側から視た正面図である。
【図８】図２の矢印VIII方向から視た場合の、絞り部と羽根との関係を表した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。図１に示す水力発電装置１は、水道管１１０の配管途中に配置されている。水力発電装置１は、図２に示すように、ハウジング１０と、ハウジング１０内に設けられた水車７０と、複数の磁石９６と、複数のコイル９２と、を備えている。水車７０は、ハウジング１０内で、回転軸８０を中心に回転可能である。本明細書においては、水車７０の回転軸８０に沿う方向を軸方向と記す。また、水車７０の半径方向を径方向、水車７０の円周方向を周方向とそれぞれ記す。また、回転軸８０の中心線を延長させた仮想直線を、仮想軸線Ｐと記す。
【００１５】
ハウジング１０は、図１〜４に示すように、２つのケース２０,３０によって構成されている。両ケース２０,３０は、水車７０を挟んで軸方向の一方側と他方側とにそれぞれ配置されている。両ケース２０,３０の外形は、ともに略円錐形状である。両ケース２０,３０における略円錐形状の先端部分には、円筒状の接続部２２,３２が形成されている。また、両ケース２０,３０における略円錐形状の底部分には、それぞれの外周に亘る環状の張出部２４,３４が形成されている。両ケース２０,３０は、互いの張出部２４,３４をつき合わせた状態で、例えばボルトＢ（図１参照）で一体に結合されている。なお、各接続部２２,３２には、個々に水道管１１０が接続されている（図２参照）。
【００１６】
両ケース２０,３０は、図２〜４に示すように、それぞれの張出部２４,３４に、コイル収容凹部２６,３６を備えている。両ケース２０,３０のコイル収容凹部２６,３６が互いに付き合わされて、コイル収容部１２（図２参照）が形成されている。コイル収容部１２は、周方向に等間隔で複数個（例えば１０個）設けられている。そして、各コイル収容部１２に、コイル９２が個別に固定されている。各コイル９２は円柱状である。コイル９２については、後で詳しく説明する。
【００１７】
両ケース２０,３０は、図２に示すように、当該両ケース２０,３０を軸方向に貫通して設けられた水路４０を備えている。水路４０は、仮想軸線Ｐまわりに設けられ、一方向の水流方向に水流を流す。図２では、太矢印Ｗによって水流の流れを表している。両ケース２０,３０のうちの一方である上流側ケース２０は、水車７０に対して上流側の水路４０である上流側水路５０を構成している。他方のケースである下流側ケース３０は、水車７０に対して下流側の水路４０である下流側水路６０を構成している。なお、上流側ケース２０は、上流側外ケース２８の内側に、上流側ノズル２９を一体に組付けて構成されている。下流側ケース３０は、下流側外ケース３８の内側に、下流側ノズル３９を一体に組付けて構成されている。
【００１８】
上流側水路５０は、図２に示すように、入口部５２と、環状部５４と、絞り部５６と、を備えている。入口部５２は、既に説明した接続部２２の内周空間で構成されており、ハウジング１０の外部と連通されている。本実施形態において、入口部５２は、水道管１１０に連通されている。環状部５４は、入口部５２に連続して設けられている。環状部５４は、下流側に向けて徐々に径が広がるテーパ状の環状に構成されている。環状部５４の下流側の端部である環状部下流端５４ａは、水車７０の各羽根７４（後述参照）に対応した位置で、環状に構成されている。なお、環状部５４の通水断面積は、下流側に向けて徐々に小さくなっている。
【００１９】
絞り部５６は、環状部５４に連続して設けられる。絞り部５６は、環状部下流端５４ａから複数に区分けして設けられている。各絞り部５６は、水車７０の各羽根７４に対応した位置において、一定の通水断面積にて軸方向に延びている。そして、各絞り部５６は、水車７０の各羽根７４に水流を吐出する。なお、絞り部５６は、図５に示すように、周方向に等間隔で設けられている。各絞り部５６の通水断面積は、環状部下流端５４ａの通水断面積よりも小さい。
【００２０】
各絞り部５６は、図８に示すように、上流側から下流側に向けて軸方向に対して所定角度で傾斜しており、各羽根７４に直角に水流を吐出できるようになっている。後で説明するとおり、各羽根７４自体も、軸方向に対して所定角度で傾斜している。なお、図８において、水流の流れは太矢印Ｗで示されている。また、図８では、水車７０の羽根７４及び内周円筒部７２、並びに上流側ノズル２９（上流側ケース２０）以外は省略されている。
【００２１】
下流側水路６０は、図２に示すように、排出部６２と、出口部６４と、を備えている。排出部６２は、水車７０に連続して設けられ、水車７０の各羽根７４の間を流れる水流が当該排出部６２に流出するように構成されている。排出部６２は、下流側に向けて径が縮まる略円錐状に構成されている。排出部６２の上流側の端部の径は、後述する外側円筒部７６の内周面の径に略一致している。なお、排出部６２は、図２,６に示すように、仮想軸線Ｐ上を延びて回転軸８０を支持する中心壁３９ａと、中心壁３９ａから放射状に延びる複数の分割壁３９ｂと、によって流路を分割されている。出口部６４は、排出部６２に連続して設けられている。出口部６４は、下流側ケース３０の接続部３２の内周空間で構成され、ハウジング１０の外部と連通されている。本実施形態において、出口部６４は、水道管１１０に連通されている。
【００２２】
水車７０は、図２に示すように、上流側水路５０と下流側水路６０との間に配置されている。水車７０は、図２,７に示すように、径方向の内方側から順に、円筒状の内側円筒部７２と、複数の羽根７４と、円筒状の外側円筒部７６と、を備えている。内側円筒部７２の筒孔７２ａには、回転軸８０が挿通されている。水車７０は、この回転軸８０を中心として回転可能である。回転軸８０は、両ケース２０,３０に亘って延びて、個々の先端が両ケース２０,３０のそれぞれのノズル２９,３９に固定されている。なお、内側円筒部７２の筒孔７２ａの両縁には、個々にすべり軸受７８が設けられている。両すべり軸受７８は、回転軸８０に対して回転可能に接触している。両すべり軸受７８は、例えばテフロン（登録商標）製である。
【００２３】
各羽根７４は、図７に示すように、周方向に並べて設けられているとともに周方向に互いに等間隔で設けられている。各羽根７４は、内側円筒部７２の外周面から外側円筒部７６の内周面まで径方向に延びている。また、各羽根７４は、軸方向に所定寸法延びている（図２参照）。なお、各羽根７４は、軸方向に対して所定角度で傾斜している。各羽根７４が軸方向に対して傾斜していることで、各羽根７４は、軸方向に流れる水流を受け止めて水車７０を回転させる。
【００２４】
各羽根７４の軸方向に対する傾斜について詳述する。図８に示すように、各羽根７４は、下流側ほど水車７０の回転方向Ｃの後方に位置するように傾斜している。そして、上述した上流側水路５０の各絞り部５６は、各羽根７４に対して略直交する方向に延びている。したがって、各絞り部５６から吐出される水流は、各羽根７４に略直角に当たって効率よく水車７０を回転せせる。なお、各羽根７４は、径方向に対しても滑らかに傾斜しており、水流を受け止めやすくなっている。
【００２５】
外側円筒部７６は、図２,４,７に示すように、磁石９６を収容するための磁石収容部７６ａを備えている。磁石収容部７６ａは、外側円筒部７６の肉厚部分を軸方向に（例えば下流側に）開口して設けられている。磁石収容部７６ａは、周方向に等間隔で複数個（例えば１０個）設けられている。そして、これらの各磁石収容部７６ａに、磁石９６が個別に固定されている。磁石９６は、磁石収容部７６ａにその開口側からに挿入されている。そして、磁石収容部７６ａの開口部分は例えばテープで塞がれている。
【００２６】
各磁石９６は、例えば永久磁石である。各磁石９６は、図７に示すように、各羽根７４の外周まわりに周方向に並べて配置されている。図７では、各磁石９６のＳ極側とＮ極側とをドット密度の濃淡で示している。各磁石９６は、径方向外方を向いた面と、径方向内方を向いた面と、で極性が異なる。そして、各磁石９６は、周方向に磁性が交互に入れ替わるように配置されている。
【００２７】
水車７０の外周まわりには、図２,４に示すように、各コイル９２が配置されている。各コイル９２は、それぞれの端面が各磁石９６と対向するようにして各磁石９６の外周まわりで周方向に並べて配置されている。コイルは例えば１０個ある。既に説明したとおり、各コイル９２は、ハウジング１０に設けられた各コイル収容部１２に固定されている。なお、各コイル９２と水車７０との間には、環状の隔壁８２が設けられている。また、隔壁８２の軸方向の両側には、周方向に亘ってシール部材８４（例えばゴムパッキン）が設けられている。隔壁８２と両シール部材８４とによって、水路４０の水がコイル９２の側へ漏れ出すことが防止されている。
【００２８】
各コイル９２は、磁性体９２ａの外周面に銅線９２ｂを巻きつけて構成されている。各コイル９２は、図３〜６に示すように、直列で繋がれているとともに、例えば電力制御装置（図示省略）に電気的に接続されている。電力制御装置は、各コイル９２から供給された電力の充電と放電とが可能であり、任意の電力供給対象物に対する電力供給源として機能する。なお、隣り合うコイル９２をつなぐ導電線９４は、両ケース２０,３０の張出部２４,３４に設けられた切欠部Ｋを通じて、張出部２４,３４の外周面を伝っている。そして、両張出部２４,３４の外側には、図１,２に示すように、周方向に亘って電力線カバー８６が設けられている。電力線カバー８６は各導電線９４を覆っている。電力制御装置につながる導電線９５は、電力線カバー８６の一部から外部に引き出されている。なお、電力線カバー８６は、図３に示すように、二つに分割して設けられている。各電力線カバー８６は、それらの各突起部８６ａが両張出部２４,３４の各挿入孔Ｈに個別に挿入されて、両ケース２０,３０に対して固定されている。
【００２９】
以上説明した水力発電装置１においては、上流側の水道管１１０から水流が流れると、当該水流は、入口部５２、環状部５４、各絞り部５６、を順に通過して、水車７０の各羽根７４に吐出される。各羽根７４は水流を受けて水車７０を回転させる。この後、水流は、噴出部６２、出口部６４を順に通過して、下流側の水道管１１０に流出する。なお、水車７０が回転すると、当該水車７０に固定された各磁石９６と、両ケース２０,３０に固定された各コイル９２とが相対回転して電力が発生する。電力は、導電線９４,９５を通じて電力制御装置に供給される。
【００３０】
一般的な水車（例えば特許文献１）においては、水車の外周まわりで周方向に水流を流して水車を回転させるため、水車自体の外周部分や水車の外周まわりに磁石やコイルを設置することができない。これに対して、水力発電装置１では、水車７０に対して軸方向に水流を流して水車７０を回転させるため、水車７０自体の外周部分（外側円筒部７６）及び水車７０の外周まわりをそれぞれ磁石９６とコイル９２との設置個所として利用でき、これによって、水車７０と一体的に発電機を設けられる。したがって、水力発電装置１では、水車７０と発電機とを個別の場所に設けることなく両者を一まとめに集約でき、水力発電装置１全体をコンパクトにできる。
【００３１】
水力発電装置１では、上流側水路５０の各絞り部５６の通水断面積が、環状部下流端５４ａの通水断面積よりも小さく設定されていることから、各絞り部５６によって水流の流速を高めて、強い水流を水車７０の各羽根７４に吐出できる。
【００３２】
水力発電装置１では、水路４０の入口部５２と出口部６４とが水道管１１０に繋がれている。したがって、水道管１１０の水流を利用して手軽に発電できる。
【００３３】
なお、両ケース２０,３０、水車７０、隔壁８２、及び各電力線カバー８６は、例えば樹脂（ＡＢＳ樹脂）を素材として、例えば３Ｄプリンターで作製されている。回転軸８０は例えば金属製である。
【００３４】
以上は、本発明を実施するための一実施形態を図面に関連して説明したが、本発明は他の実施形態でも実施可能である。水車７０の各羽根７４の形状は、軸方向に流れる水流を受けて水車７０を回転させることができればどのような形状でもよく、径方向への寸法、軸方向への寸法、軸方向に対する傾斜角度等も、自由に設計変更可能である。また、上流側水路５０の絞り部５６の傾斜角度は、水車７０の各羽根７４に水流を吐出して水車７０を回転させることができれば、自由に変更可能である。水路４０は、水流を水車７０の各羽根７４に吐出して水車７０を回転させることができ、かつ、水車７０の回転を遮ることなく水流を排出できる構成であれば、上述の実施形態に限定されることなく自由に変更可能である。電力線カバー８６から引き出された導電線９５は、上述の電力制御装置を介することなく、直接、任意の電力供給対象物につなげてもよい。水力発電装置１を構成する各部材の素材は、上述の実施形態に記載のものに限定されない。
【符号の説明】
【００３５】
１     水力発電装置
１０   ハウジング
４０   水路
５２   入口部
５４   環状部
５６   絞り部
７０   水車
７４   羽根
８０   回転軸
９２   コイル
９６   磁石
１１０ 水道管
【図１】
2017025705.tif 000003
【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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