水力発電装置
【課題】発電用水車が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を防止可能な水力発電装置を提供すること。
【解決手段】水力発電装置の発電用水車５では、第１の羽根５７１と第２の羽根５７２が軸線方向で隣接する領域に形成され、第２の羽根５７２の外周端は円筒板部５８で連結されている。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、射出口３４から射出された水の一部は、第１の羽根５７１に直接、ぶつかる一方、残りは、円筒板部５８の外端面に各方向から常時、ぶつかり、発電用水車５に調芯作用を発揮する。射出口３４の数と羽根５７の枚数とは互いに素の関係にあり、４枚の第１の羽根５７１が各々、射出口３４に最接近するタイミングがずれているため、射出口３４から射出される水が２枚以上の羽根５７に同時に強烈に当たることがない。
【解決手段】水力発電装置の発電用水車５では、第１の羽根５７１と第２の羽根５７２が軸線方向で隣接する領域に形成され、第２の羽根５７２の外周端は円筒板部５８で連結されている。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、射出口３４から射出された水の一部は、第１の羽根５７１に直接、ぶつかる一方、残りは、円筒板部５８の外端面に各方向から常時、ぶつかり、発電用水車５に調芯作用を発揮する。射出口３４の数と羽根５７の枚数とは互いに素の関係にあり、４枚の第１の羽根５７１が各々、射出口３４に最接近するタイミングがずれているため、射出口３４から射出される水が２枚以上の羽根５７に同時に強烈に当たることがない。
【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、近年、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】
この種の水力発電装置は、流体入口から流体出口までの間に流路を構成するケースと、この流路の途中位置に配置された支軸と、この支軸に回転可能に支持された円筒状の発電用水車とを有しており、従来、発電用水車としては、外周面から複数枚の羽根が各々、独立して外側に張り出したものが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３４０１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような水力発電装置において、発電用水車の軸穴と支軸との間にはクリアランスに存在する。また、発電用水車は、射出口から噴射された水が羽根にぶつかることにより回転するため、発電用水車の回転に伴って、羽根と射出口の位置関係が変動し、発電用水車が受ける力の方向が変動する。その結果、発電用水車が回転したときに回転振動や回転ノイズが発生するという問題点がある。
【０００５】
以上の問題に鑑みて、本発明の課題は、発電用水車が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を防止可能な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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明では、流体入口から流体出口に到る流路と、前記流路の途中位置で軸線周りに回転可能に配置された発電用水車と、該発電用水車の周りから水を噴射する射出口とを有する水力発電装置において、前記発電用水車は、外周側に張り出す複数枚の第１の羽根と、該第１の羽根に対して軸線方向で隣接する位置で前記発電用水車の回転中心軸線に対して同軸状に構成された円筒板部を備え、前記射出口は、前記第１の羽根および前記円筒板部の双方に跨る方向に向かって開口していることを特徴とする。
【０００７】
本発明の水力発電装置に用いた発電用水車には、第１の羽根に対して軸線方向で隣接する位置に円筒板部を備え、射出口は、第１の羽根および円筒板部の双方に跨る方向に向かって開口しているため、射出口から射出された水の一部は、第１の羽根に直接、ぶつかる一方、射出口から射出された水の残りは、円筒板部の外端面に各方向から常時、ぶつかる。このため、円筒板部にぶつかった水の圧力は、発電用水車に調芯作用を発揮するため、発電用水車が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を防止することができる。
【０００８】
本発明において、前記発電用水車は、前記第１の羽根に対して軸線方向で隣接する領域で外周側に張り出す複数枚の第２の羽根を備え、前記円筒板部は、前記第２の羽根の外周端同士を連結するように構成されていることが好ましい。このように構成すると、第１の羽根に直接、ぶつかった水流は、その後、円筒板部の内側を通るが、その際、第２の羽根に効率よくぶつかる。従って、発電用水車を効率よく回転させることができるので、水力発電装置の発電効率が向上する。
【０００９】
本発明において、前記円筒板部の外端面は、前記第１の羽根の外周端と同一の半径距離の位置にあることが好ましい。このように構成すると、第１の羽根に直接、ぶつかった後の水流を円筒板部の内側に効率よく導くことができる。
【００１０】
本発明において、前記射出口は複数形成され、前記複数枚の第１の羽根が各々、前記射出口に最接近するタイミングがずれていることが好ましい。例えば、前記複数枚の第１の羽根が等角度間隔に配置されているとともに、前記射出口も等角度間隔に複数形成されている場合、前記第１の羽根の枚数と前記射出口の数は互いに素の関係にあればよい。すなわち、射出口の数と、第１の羽根の枚数とは、一方が他方の整数倍となる条件を避ければよい。このように構成すると、射出口から射出される水が２枚以上の羽根に同時に強烈に当たることを防ぐことができるので、発電用水車に大きな力が同時に加わることを防止できる。それ故、発電用水車が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の水力発電装置に用いた発電用水車には、第１の羽根に対して軸線方向で隣接する位置に円筒板部を備え、射出口は、第１の羽根および円筒板部の双方に跨る方向に向かって開口しているため、射出口から射出された水の一部は、第１の羽根に直接、ぶつかる一方、射出口から射出された水の残りは、円筒板部の外端面に各方向から常時、ぶつかる。このため、円筒板部にぶつかった水の圧力は、発電用水車に調芯作用を発揮するため、発電用水車が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した水力発電装置およびその製造方法を説明する。
【００１３】
（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、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。
【００１４】
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。
【００１５】
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に向かう流路（矢印Ｌで示す）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。
【００１６】
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。
【００１７】
（発電部の構成）
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。
【００１８】
（注水部およびバイパス流路の構成）
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、およびカバー２３により規定されている。
【００１９】
ここで、内側垂直壁２１２には、周方向の複数箇所、例えば、４箇所に切り欠きが形成されており、本体ケース２１の上面にカバー２３を被せると、４つの切り欠きによって、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。
【００２０】
なお、隔壁２１９には、流体入口３１から流入した水を環状流路３３を通らずに流体出口３２に向かわせるバイパス用の開口３８が形成されており、この開口３８は、隔壁２１９の裏面側に配置されたスライダ９０により塞がれている。隔壁２１９には流体入口３１に向けて延びた円筒部２１７を有する一方、スライダ９０は、隔壁２１９の裏面に樹脂製シール９６を介して当接する板状の弁部９０１と、弁部９０１から円筒部２１７内に延びた軸部９０２と、軸部９０２の先端部にプッシュナット９１により固定されたワッシャ９２とを備えており、円筒部２１７の端部とワッシャ９２との間にはコイルバネ９５が配置されている。従って、流体入口３１から流入した水の圧力が低い場合には、スライダ９０は、コルイバネ９５に付勢されて弁部９０１が隔壁２１９に当接しているので、バイパス用の開口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、ワッシャ９２がコイルバネ９５の付勢力よりも大きな水圧を受けると、スライダ９０は、弁部９０１が隔壁２１９から離間する方向に変位し、バイパス用の開口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に導かれる一方、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環状流路３３に導かれずにバイパス用の開口３８を通ってそのまま流体出口３２に向かうことになる。従って、流入する水の圧力が過剰に高くなった場合でも、環状流路３３を介して水車室３５に導入される水量を規制することができるので、回転ノイズなどの発生を防止することができる。
【００２１】
（発電用水車５の構成）
図２（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。
【００２２】
図２（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。
【００２３】
本形態において、発電用水車５では、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。
【００２４】
このように構成した発電用水車５に対しては、図２（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２（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。
【００２５】
また、本形態において、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。
【００２６】
本形態において、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２はいずれも、円筒体５０とは別体の樹脂成形品であり、第１のラジアル軸受５１は、貫通穴５０１の一方側端部に圧入後、円筒体５０に溶着されて貫通穴５０１内に固定されている。従って、貫通穴５０１の一方側端部における内周面と第１のラジアル軸受５１の外周面とのクリアランスは、例えば、０〜０．０３ｍｍと小さい。これに対して、第２のラジアル軸受５２は、後述するように、第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０を基準にラジアル方向で位置決めされた状態で貫通穴５０１内に挿入され、円筒体５０に溶着されている。このため、第２のラジアル軸受５２を第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０を基準にラジアル方向で位置決めする際、貫通穴５０１内でラジアル方向で位置調整が可能なように、貫通穴５０１の他方側端部における内周面と第２のラジアル軸受５２の外周面とのクリアランスは、例えば、０．０４〜０．０７ｍｍと大きく設定されている。
【００２７】
（水力発電装置１１の製造方法）
以下、図１、図２および図３を参照して、本形態の水力発電装置１の製造方法のうち、発電用水車５の組み立て方法を説明しながら、発電用水車５の構成を詳述する。
【００２８】
図３（ａ）〜（ｄ）は、図２に示す発電用水車の組み立て方法を示す工程断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、円筒体５０では、下端面に４枚の板状の溶着用突起５０６が形成されており、これらの溶着用突起５０６は、貫通穴５０１の内周縁に沿って等角度間隔に形成されている。これに対して、第１のラジアル軸受５１は、下端寄りの位置で拡径する円盤状のフランジ部５１４が形成されており、このフランジ部５１４の付け根部分には、円筒体の溶着用突起５０６が嵌る４つの穴５１５が形成されている。また、第１のラジアル軸受５１の下端面では、穴５１５が形成されている位置より内周側で軸穴５１０を囲むように軸線方向に凹む周溝５１８が開口しており、軸穴５１０と周溝５１８との間には肉薄の円筒壁５１９が形成されている。ここで、軸穴５１０は、軸線方向で内径が切り換わっており、内径が小さい部分が支軸４との摺動部分５１１であるため、周溝５１８は、摺動部分５１１の全体を肉薄の円筒壁５１９で構成する深さに形成されている。
【００２９】
また、円筒体５０では、上端面に３枚の板状の溶着用突起５０７が形成されており、これらの溶着用突起５０７は、貫通穴５０１の内周縁に沿って等角度間隔に形成されている。これに対して、第２のラジアル軸受５２は、上端寄りの位置で拡径する円盤状のフランジ部５２４が形成されており、このフランジ部５２４の付け根部分には、円筒体の溶着用突起５０７が嵌る３つの穴５２５が形成されている。また、第２のラジアル軸受５２の上端面には、穴５２５が形成されている位置より内周側で軸穴５２０を囲むように軸線方向に凹む周溝５２８が開口しており、軸穴５２０と周溝５２８との間には肉薄の円筒壁５２９が形成されている。ここで、軸穴５２０は、軸線方向で内径が切り換わっており、内径が小さい部分が支軸４との摺動部分５２１であるため、周溝５２８は、摺動部分５２１の全体を肉薄の円筒壁５２９で構成する深さに形成されている。
【００３０】
このように構成した円筒体５０、第１のラジアル軸受５１、および第２のラジアル軸受５２を用いて発電用水車５を組み立てるにあたっては、まず、図３（ｂ）に示す第１のラジアル軸受固定工程において、円筒体５０の下端面に形成した溶着用突起５０６が第１のラジアル軸受５１の穴５１５に嵌るように、第１のラジアル軸受５１を貫通穴５０１の一方側端部に圧入した後、穴５１５から突き出た溶着用突起５０６の先端部を加熱溶融し、第１のラジアル軸受５１を貫通穴５０１の一方側端部に溶着により固定する。
【００３１】
次に、芯出し工程では、図３（ｃ）に示すように、貫通穴５０１の一方側端部に固定された第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０に位置決め軸９を嵌めた後、位置決め軸９を第２のラジアル軸受５２の軸穴５２０に嵌めて、図３（ｄ）に示すように、第２のラジアル軸受５２を貫通穴５０１の他方側端部に挿入する。その際、円筒体５０の上端面に形成した溶着用突起５０７を第２のラジアル軸受５２のフランジ部５２４に形成した穴５２５に嵌める。ここで、貫通穴５０１の内周面と第２のラジアル軸受５２の外周面とのクリアランスは、例えば、０．０４〜０．０７ｍｍと大きく設定されているため、第２のラジアル軸受５２を第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０を基準にラジアル方向で位置決めする際、貫通穴５０１内でラジアル方向で第２のラジアル軸受５２の位置調整が可能である。なお、穴５２５と溶着用突起５０７との間にも十分なクリアランスが設定されている。
【００３２】
次に、第２のラジアル軸受固定工程において、穴５２５から突き出た溶着用突起５０７の先端部を加熱溶融し、第２のラジアル軸受５２を貫通穴５０１の他方側端部に溶着により固定する。このように固定した第２のラジアル軸受５２は、永久磁石５５が円筒体５０から脱落することを防止する機能も担うことになる。
【００３３】
しかる後には、位置決め軸９を抜く。このように構成した発電用水車５については、水力発電装置１を組み立てる際、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に支軸４が嵌った状態で水車室３５に配置される。
【００３４】
（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。
【００３５】
（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に用いた発電用水車５は、第１の羽根５７１に対して軸線方向で隣接する位置に円筒板部５８を備え、この円筒板部５８は振動防止壁として機能する。すなわち、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、射出口３４から射出された水の一部は、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の外端面に各方向から常時、ぶつかる。このため、円筒板部５８にぶつかった水の圧力は、発電用水車５に調芯作用を発揮するため、発電用水車５が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を防止することができる。
【００３６】
また、第１の羽根５７１に直接、ぶつかった後の水流は、円筒板部５８の内側を通る際、第２の羽根５７２に効率よくぶつかるため、発電用水車５を効率よく回転させる。しかも、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ため、第１の羽根５７１に直接、ぶつかった後の水流を円筒板部５８の内側に効率よく導くことができるので、第１の羽根５７１に直接、ぶつかった後の水流が第２の羽根５７２に効率よく供給され、発電用水車５を効率よく回転させる。それ故、本形態によれば、水力発電装置１の発電効率が高いという利点がある。
【００３７】
また、本形態では、射出口３４および羽根５７は等角度間隔に複数、形成されているため、安定した発電を行うことができる。しかも、本形態では、射出口３４は等角度間隔に４つ形成されている一方、羽根５７は等角度間隔に７枚形成され、かつ、射出口３４の数と、羽根５７の枚数とは、互いに素の関係にある。すなわち、射出口３４の数と、羽根５７の枚数とでは、一方が他方の整数倍となる条件を避けてある。このため、射出口３４から射出される水が２枚以上の羽根５７に同時に強烈に当たることを防ぐことができるので、発電用水車５に大きな力が同時に加わることを防止できる。それ故、発電用水車５が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を確実に防止することができる。すなわち、射出口３４の数と、羽根５７の枚数との間で一方が他方の整数倍となる条件であると、射出口３４から射出される水が複数枚の羽根５７に同時に強烈に当たるため、発電用水車５に大きな力が同時に加わって回転振動や回転ノイズが発生しやすくなるが、本形態によれば、４枚の第１の羽根５７１が各々、射出口３４に最接近するタイミングがずれているため、かかる現象の発生を回避することができる。
【００３８】
また、本形態では、発電用水車５を構成するにあたって、外周面から羽根５７が張り出す円筒体５０と、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２とを別体で形成しているため、円筒体５０、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２を樹脂成形品で構成した場合でも、ヒケ等が発生しにくい。それ故、双方の軸穴５１０、５２０が高い寸法精度をもって同一サイズとなるように、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２を樹脂成形により製造できる。また、円筒体５０に対して第１のラジアル軸受５１を固定した後、第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０を基準に第２のラジアル軸受５２の位置決めを行うので、第１のラジアル軸受５１と第２のラジアル軸受５２とを同芯位置に配置することができる。それ故、発電用水車５が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を確実に防止することができる。
【００３９】
また、円筒体５０と、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２とが別体であるため、円筒体第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２についてはカーボンファイバー含有ポリアセタール樹脂などの耐磨耗性材料で形成し、ポリフェニレンエーテルなどの安価な樹脂材料や軽量化に適した樹脂材料で円筒体５０を形成することも可能である。それ故、ラジアル軸受５１、５２を耐磨耗性材料で構成した場合でも製造コストを低く抑えることができる。
【００４０】
また、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２では、軸穴５１０、５２０を囲むように軸線方向に凹む周溝５１８、５２８が形成され、軸穴５１０、５２０と周溝５１８、５２８との間には肉薄の円筒壁５１９、５２９が形成されている。しかも、軸穴５１０、５２０のうち、支軸４との摺動部分５１１、５２１の全体が肉薄の円筒壁５１９、５２９で構成されている。このため、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２を樹脂成形により製造する際、摺動部分５１１、５２１でのヒケを防止できる。それ故、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２では、軸穴５１０、５２０の摺動部分５１１、５２１の径寸法に高い精度を得ることができる。また、第１のラジアル軸受５１を円筒体５０の貫通穴５０１に圧入した際に、その変形が周溝５１８で吸収されるので、軸穴５１０の内径寸法に影響を及ぼさない。さらに、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２を円筒体５０の貫通穴５０１に溶着した際に、その変形が周溝５１８、５２８で吸収されるので、軸穴５１０、５２０の内径寸法に影響を及ぼさないという利点がある。
【００４１】
また、貫通穴５０１の内周面と第２のラジアル軸受５２の外周面とのクリアランスが、貫通穴５０１の内周面と第１のラジアル軸受５１の外周面とのクリアランスより大きいため、第１のラジアル軸受５１については貫通穴５０１の一方側端部に圧入でき、第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０を基準に第２のラジアル軸受５２の位置決めを行う際には、第２のラジアル軸受５２が貫通穴５０１の他方側端部で内周面に当たって芯出しできないという事態を回避することができる。
【００４２】
さらに、発電用水車５を組み立てる際の芯出し工程では、貫通穴５０１の一方側端部に固定された第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０に位置決め軸９を嵌めた後、この位置決め軸９を第２のラジアル軸受５２の軸穴５２０に嵌めて第２のラジアル軸受５２を位置決めする。このため、第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０を基準に第２のラジアル軸受５２の位置決めを容易にかつ、確実に行うことができる。
【００４３】
［その他の実施の形態］
上記形態においては、発電用水車５を組み立てる際、円筒体５０に対して第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２を溶着により固定したが、機械的な潰しや接着などの方法を採用してもよい。また、上記形態では、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２が別体で構成された発電用水車５を用いたが、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２が円筒体５０と一体に構成された発電用水車５を用いた場合に本発明を適用してもよい。さらに上記形態では、４つの射出口３４が等角度間隔に形成されていたが、４つの射出口３４が不等角度間隔に形成されているために、第１の羽根５７１が各々、射出口３４に最接近するタイミングがずれている構成を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【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】（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３】（ａ）〜（ｄ）は、図２に示す発電用水車の組み立て方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 水力発電装置
５ 発電用水車
６ ステータ部
９ 位置決め軸
３４ 射出口
３５ 水車室
５０ 円筒体
５１ 第１のラジアル軸受
５２ 第２のラジアル軸受
５５ 永久磁石
５７ 羽根
５８ 円筒板部
５０１ 貫通穴
５１０、５２０ 軸穴
５１８、５２８ 周溝
５７１ 第１の羽根
５７２ 第２の羽根
【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、近年、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】
この種の水力発電装置は、流体入口から流体出口までの間に流路を構成するケースと、この流路の途中位置に配置された支軸と、この支軸に回転可能に支持された円筒状の発電用水車とを有しており、従来、発電用水車としては、外周面から複数枚の羽根が各々、独立して外側に張り出したものが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３４０１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような水力発電装置において、発電用水車の軸穴と支軸との間にはクリアランスに存在する。また、発電用水車は、射出口から噴射された水が羽根にぶつかることにより回転するため、発電用水車の回転に伴って、羽根と射出口の位置関係が変動し、発電用水車が受ける力の方向が変動する。その結果、発電用水車が回転したときに回転振動や回転ノイズが発生するという問題点がある。
【０００５】
以上の問題に鑑みて、本発明の課題は、発電用水車が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を防止可能な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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明では、流体入口から流体出口に到る流路と、前記流路の途中位置で軸線周りに回転可能に配置された発電用水車と、該発電用水車の周りから水を噴射する射出口とを有する水力発電装置において、前記発電用水車は、外周側に張り出す複数枚の第１の羽根と、該第１の羽根に対して軸線方向で隣接する位置で前記発電用水車の回転中心軸線に対して同軸状に構成された円筒板部を備え、前記射出口は、前記第１の羽根および前記円筒板部の双方に跨る方向に向かって開口していることを特徴とする。
【０００７】
本発明の水力発電装置に用いた発電用水車には、第１の羽根に対して軸線方向で隣接する位置に円筒板部を備え、射出口は、第１の羽根および円筒板部の双方に跨る方向に向かって開口しているため、射出口から射出された水の一部は、第１の羽根に直接、ぶつかる一方、射出口から射出された水の残りは、円筒板部の外端面に各方向から常時、ぶつかる。このため、円筒板部にぶつかった水の圧力は、発電用水車に調芯作用を発揮するため、発電用水車が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を防止することができる。
【０００８】
本発明において、前記発電用水車は、前記第１の羽根に対して軸線方向で隣接する領域で外周側に張り出す複数枚の第２の羽根を備え、前記円筒板部は、前記第２の羽根の外周端同士を連結するように構成されていることが好ましい。このように構成すると、第１の羽根に直接、ぶつかった水流は、その後、円筒板部の内側を通るが、その際、第２の羽根に効率よくぶつかる。従って、発電用水車を効率よく回転させることができるので、水力発電装置の発電効率が向上する。
【０００９】
本発明において、前記円筒板部の外端面は、前記第１の羽根の外周端と同一の半径距離の位置にあることが好ましい。このように構成すると、第１の羽根に直接、ぶつかった後の水流を円筒板部の内側に効率よく導くことができる。
【００１０】
本発明において、前記射出口は複数形成され、前記複数枚の第１の羽根が各々、前記射出口に最接近するタイミングがずれていることが好ましい。例えば、前記複数枚の第１の羽根が等角度間隔に配置されているとともに、前記射出口も等角度間隔に複数形成されている場合、前記第１の羽根の枚数と前記射出口の数は互いに素の関係にあればよい。すなわち、射出口の数と、第１の羽根の枚数とは、一方が他方の整数倍となる条件を避ければよい。このように構成すると、射出口から射出される水が２枚以上の羽根に同時に強烈に当たることを防ぐことができるので、発電用水車に大きな力が同時に加わることを防止できる。それ故、発電用水車が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の水力発電装置に用いた発電用水車には、第１の羽根に対して軸線方向で隣接する位置に円筒板部を備え、射出口は、第１の羽根および円筒板部の双方に跨る方向に向かって開口しているため、射出口から射出された水の一部は、第１の羽根に直接、ぶつかる一方、射出口から射出された水の残りは、円筒板部の外端面に各方向から常時、ぶつかる。このため、円筒板部にぶつかった水の圧力は、発電用水車に調芯作用を発揮するため、発電用水車が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した水力発電装置およびその製造方法を説明する。
【００１３】
（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、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。
【００１４】
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。
【００１５】
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に向かう流路（矢印Ｌで示す）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。
【００１６】
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。
【００１７】
（発電部の構成）
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。
【００１８】
（注水部およびバイパス流路の構成）
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、およびカバー２３により規定されている。
【００１９】
ここで、内側垂直壁２１２には、周方向の複数箇所、例えば、４箇所に切り欠きが形成されており、本体ケース２１の上面にカバー２３を被せると、４つの切り欠きによって、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。
【００２０】
なお、隔壁２１９には、流体入口３１から流入した水を環状流路３３を通らずに流体出口３２に向かわせるバイパス用の開口３８が形成されており、この開口３８は、隔壁２１９の裏面側に配置されたスライダ９０により塞がれている。隔壁２１９には流体入口３１に向けて延びた円筒部２１７を有する一方、スライダ９０は、隔壁２１９の裏面に樹脂製シール９６を介して当接する板状の弁部９０１と、弁部９０１から円筒部２１７内に延びた軸部９０２と、軸部９０２の先端部にプッシュナット９１により固定されたワッシャ９２とを備えており、円筒部２１７の端部とワッシャ９２との間にはコイルバネ９５が配置されている。従って、流体入口３１から流入した水の圧力が低い場合には、スライダ９０は、コルイバネ９５に付勢されて弁部９０１が隔壁２１９に当接しているので、バイパス用の開口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、ワッシャ９２がコイルバネ９５の付勢力よりも大きな水圧を受けると、スライダ９０は、弁部９０１が隔壁２１９から離間する方向に変位し、バイパス用の開口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に導かれる一方、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環状流路３３に導かれずにバイパス用の開口３８を通ってそのまま流体出口３２に向かうことになる。従って、流入する水の圧力が過剰に高くなった場合でも、環状流路３３を介して水車室３５に導入される水量を規制することができるので、回転ノイズなどの発生を防止することができる。
【００２１】
（発電用水車５の構成）
図２（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。
【００２２】
図２（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。
【００２３】
本形態において、発電用水車５では、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。
【００２４】
このように構成した発電用水車５に対しては、図２（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２（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。
【００２５】
また、本形態において、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。
【００２６】
本形態において、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２はいずれも、円筒体５０とは別体の樹脂成形品であり、第１のラジアル軸受５１は、貫通穴５０１の一方側端部に圧入後、円筒体５０に溶着されて貫通穴５０１内に固定されている。従って、貫通穴５０１の一方側端部における内周面と第１のラジアル軸受５１の外周面とのクリアランスは、例えば、０〜０．０３ｍｍと小さい。これに対して、第２のラジアル軸受５２は、後述するように、第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０を基準にラジアル方向で位置決めされた状態で貫通穴５０１内に挿入され、円筒体５０に溶着されている。このため、第２のラジアル軸受５２を第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０を基準にラジアル方向で位置決めする際、貫通穴５０１内でラジアル方向で位置調整が可能なように、貫通穴５０１の他方側端部における内周面と第２のラジアル軸受５２の外周面とのクリアランスは、例えば、０．０４〜０．０７ｍｍと大きく設定されている。
【００２７】
（水力発電装置１１の製造方法）
以下、図１、図２および図３を参照して、本形態の水力発電装置１の製造方法のうち、発電用水車５の組み立て方法を説明しながら、発電用水車５の構成を詳述する。
【００２８】
図３（ａ）〜（ｄ）は、図２に示す発電用水車の組み立て方法を示す工程断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、円筒体５０では、下端面に４枚の板状の溶着用突起５０６が形成されており、これらの溶着用突起５０６は、貫通穴５０１の内周縁に沿って等角度間隔に形成されている。これに対して、第１のラジアル軸受５１は、下端寄りの位置で拡径する円盤状のフランジ部５１４が形成されており、このフランジ部５１４の付け根部分には、円筒体の溶着用突起５０６が嵌る４つの穴５１５が形成されている。また、第１のラジアル軸受５１の下端面では、穴５１５が形成されている位置より内周側で軸穴５１０を囲むように軸線方向に凹む周溝５１８が開口しており、軸穴５１０と周溝５１８との間には肉薄の円筒壁５１９が形成されている。ここで、軸穴５１０は、軸線方向で内径が切り換わっており、内径が小さい部分が支軸４との摺動部分５１１であるため、周溝５１８は、摺動部分５１１の全体を肉薄の円筒壁５１９で構成する深さに形成されている。
【００２９】
また、円筒体５０では、上端面に３枚の板状の溶着用突起５０７が形成されており、これらの溶着用突起５０７は、貫通穴５０１の内周縁に沿って等角度間隔に形成されている。これに対して、第２のラジアル軸受５２は、上端寄りの位置で拡径する円盤状のフランジ部５２４が形成されており、このフランジ部５２４の付け根部分には、円筒体の溶着用突起５０７が嵌る３つの穴５２５が形成されている。また、第２のラジアル軸受５２の上端面には、穴５２５が形成されている位置より内周側で軸穴５２０を囲むように軸線方向に凹む周溝５２８が開口しており、軸穴５２０と周溝５２８との間には肉薄の円筒壁５２９が形成されている。ここで、軸穴５２０は、軸線方向で内径が切り換わっており、内径が小さい部分が支軸４との摺動部分５２１であるため、周溝５２８は、摺動部分５２１の全体を肉薄の円筒壁５２９で構成する深さに形成されている。
【００３０】
このように構成した円筒体５０、第１のラジアル軸受５１、および第２のラジアル軸受５２を用いて発電用水車５を組み立てるにあたっては、まず、図３（ｂ）に示す第１のラジアル軸受固定工程において、円筒体５０の下端面に形成した溶着用突起５０６が第１のラジアル軸受５１の穴５１５に嵌るように、第１のラジアル軸受５１を貫通穴５０１の一方側端部に圧入した後、穴５１５から突き出た溶着用突起５０６の先端部を加熱溶融し、第１のラジアル軸受５１を貫通穴５０１の一方側端部に溶着により固定する。
【００３１】
次に、芯出し工程では、図３（ｃ）に示すように、貫通穴５０１の一方側端部に固定された第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０に位置決め軸９を嵌めた後、位置決め軸９を第２のラジアル軸受５２の軸穴５２０に嵌めて、図３（ｄ）に示すように、第２のラジアル軸受５２を貫通穴５０１の他方側端部に挿入する。その際、円筒体５０の上端面に形成した溶着用突起５０７を第２のラジアル軸受５２のフランジ部５２４に形成した穴５２５に嵌める。ここで、貫通穴５０１の内周面と第２のラジアル軸受５２の外周面とのクリアランスは、例えば、０．０４〜０．０７ｍｍと大きく設定されているため、第２のラジアル軸受５２を第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０を基準にラジアル方向で位置決めする際、貫通穴５０１内でラジアル方向で第２のラジアル軸受５２の位置調整が可能である。なお、穴５２５と溶着用突起５０７との間にも十分なクリアランスが設定されている。
【００３２】
次に、第２のラジアル軸受固定工程において、穴５２５から突き出た溶着用突起５０７の先端部を加熱溶融し、第２のラジアル軸受５２を貫通穴５０１の他方側端部に溶着により固定する。このように固定した第２のラジアル軸受５２は、永久磁石５５が円筒体５０から脱落することを防止する機能も担うことになる。
【００３３】
しかる後には、位置決め軸９を抜く。このように構成した発電用水車５については、水力発電装置１を組み立てる際、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に支軸４が嵌った状態で水車室３５に配置される。
【００３４】
（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。
【００３５】
（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に用いた発電用水車５は、第１の羽根５７１に対して軸線方向で隣接する位置に円筒板部５８を備え、この円筒板部５８は振動防止壁として機能する。すなわち、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、射出口３４から射出された水の一部は、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の外端面に各方向から常時、ぶつかる。このため、円筒板部５８にぶつかった水の圧力は、発電用水車５に調芯作用を発揮するため、発電用水車５が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を防止することができる。
【００３６】
また、第１の羽根５７１に直接、ぶつかった後の水流は、円筒板部５８の内側を通る際、第２の羽根５７２に効率よくぶつかるため、発電用水車５を効率よく回転させる。しかも、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ため、第１の羽根５７１に直接、ぶつかった後の水流を円筒板部５８の内側に効率よく導くことができるので、第１の羽根５７１に直接、ぶつかった後の水流が第２の羽根５７２に効率よく供給され、発電用水車５を効率よく回転させる。それ故、本形態によれば、水力発電装置１の発電効率が高いという利点がある。
【００３７】
また、本形態では、射出口３４および羽根５７は等角度間隔に複数、形成されているため、安定した発電を行うことができる。しかも、本形態では、射出口３４は等角度間隔に４つ形成されている一方、羽根５７は等角度間隔に７枚形成され、かつ、射出口３４の数と、羽根５７の枚数とは、互いに素の関係にある。すなわち、射出口３４の数と、羽根５７の枚数とでは、一方が他方の整数倍となる条件を避けてある。このため、射出口３４から射出される水が２枚以上の羽根５７に同時に強烈に当たることを防ぐことができるので、発電用水車５に大きな力が同時に加わることを防止できる。それ故、発電用水車５が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を確実に防止することができる。すなわち、射出口３４の数と、羽根５７の枚数との間で一方が他方の整数倍となる条件であると、射出口３４から射出される水が複数枚の羽根５７に同時に強烈に当たるため、発電用水車５に大きな力が同時に加わって回転振動や回転ノイズが発生しやすくなるが、本形態によれば、４枚の第１の羽根５７１が各々、射出口３４に最接近するタイミングがずれているため、かかる現象の発生を回避することができる。
【００３８】
また、本形態では、発電用水車５を構成するにあたって、外周面から羽根５７が張り出す円筒体５０と、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２とを別体で形成しているため、円筒体５０、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２を樹脂成形品で構成した場合でも、ヒケ等が発生しにくい。それ故、双方の軸穴５１０、５２０が高い寸法精度をもって同一サイズとなるように、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２を樹脂成形により製造できる。また、円筒体５０に対して第１のラジアル軸受５１を固定した後、第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０を基準に第２のラジアル軸受５２の位置決めを行うので、第１のラジアル軸受５１と第２のラジアル軸受５２とを同芯位置に配置することができる。それ故、発電用水車５が回転した際の回転振動や回転ノイズの発生を確実に防止することができる。
【００３９】
また、円筒体５０と、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２とが別体であるため、円筒体第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２についてはカーボンファイバー含有ポリアセタール樹脂などの耐磨耗性材料で形成し、ポリフェニレンエーテルなどの安価な樹脂材料や軽量化に適した樹脂材料で円筒体５０を形成することも可能である。それ故、ラジアル軸受５１、５２を耐磨耗性材料で構成した場合でも製造コストを低く抑えることができる。
【００４０】
また、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２では、軸穴５１０、５２０を囲むように軸線方向に凹む周溝５１８、５２８が形成され、軸穴５１０、５２０と周溝５１８、５２８との間には肉薄の円筒壁５１９、５２９が形成されている。しかも、軸穴５１０、５２０のうち、支軸４との摺動部分５１１、５２１の全体が肉薄の円筒壁５１９、５２９で構成されている。このため、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２を樹脂成形により製造する際、摺動部分５１１、５２１でのヒケを防止できる。それ故、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２では、軸穴５１０、５２０の摺動部分５１１、５２１の径寸法に高い精度を得ることができる。また、第１のラジアル軸受５１を円筒体５０の貫通穴５０１に圧入した際に、その変形が周溝５１８で吸収されるので、軸穴５１０の内径寸法に影響を及ぼさない。さらに、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２を円筒体５０の貫通穴５０１に溶着した際に、その変形が周溝５１８、５２８で吸収されるので、軸穴５１０、５２０の内径寸法に影響を及ぼさないという利点がある。
【００４１】
また、貫通穴５０１の内周面と第２のラジアル軸受５２の外周面とのクリアランスが、貫通穴５０１の内周面と第１のラジアル軸受５１の外周面とのクリアランスより大きいため、第１のラジアル軸受５１については貫通穴５０１の一方側端部に圧入でき、第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０を基準に第２のラジアル軸受５２の位置決めを行う際には、第２のラジアル軸受５２が貫通穴５０１の他方側端部で内周面に当たって芯出しできないという事態を回避することができる。
【００４２】
さらに、発電用水車５を組み立てる際の芯出し工程では、貫通穴５０１の一方側端部に固定された第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０に位置決め軸９を嵌めた後、この位置決め軸９を第２のラジアル軸受５２の軸穴５２０に嵌めて第２のラジアル軸受５２を位置決めする。このため、第１のラジアル軸受５１の軸穴５１０を基準に第２のラジアル軸受５２の位置決めを容易にかつ、確実に行うことができる。
【００４３】
［その他の実施の形態］
上記形態においては、発電用水車５を組み立てる際、円筒体５０に対して第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２を溶着により固定したが、機械的な潰しや接着などの方法を採用してもよい。また、上記形態では、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２が別体で構成された発電用水車５を用いたが、第１のラジアル軸受５１および第２のラジアル軸受５２が円筒体５０と一体に構成された発電用水車５を用いた場合に本発明を適用してもよい。さらに上記形態では、４つの射出口３４が等角度間隔に形成されていたが、４つの射出口３４が不等角度間隔に形成されているために、第１の羽根５７１が各々、射出口３４に最接近するタイミングがずれている構成を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【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】（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３】（ａ）〜（ｄ）は、図２に示す発電用水車の組み立て方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 水力発電装置
５ 発電用水車
６ ステータ部
９ 位置決め軸
３４ 射出口
３５ 水車室
５０ 円筒体
５１ 第１のラジアル軸受
５２ 第２のラジアル軸受
５５ 永久磁石
５７ 羽根
５８ 円筒板部
５０１ 貫通穴
５１０、５２０ 軸穴
５１８、５２８ 周溝
５７１ 第１の羽根
５７２ 第２の羽根
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体入口から流体出口に到る流路と、前記流路の途中位置で軸線周りに回転可能に配置された発電用水車と、該発電用水車の周りから水を噴射する射出口とを有する水力発電装置において、
前記発電用水車は、外周側に張り出す複数枚の第１の羽根と、該第１の羽根に対して軸線方向で隣接する位置で前記発電用水車の回転中心軸線に対して同軸状に構成された円筒板部を備え、
前記射出口は、前記第１の羽根および前記円筒板部の双方に跨る方向に向かって開口し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、前記発電用水車は、前記第１の羽根に対して軸線方向で隣接する領域で外周側に張り出す複数枚の第２の羽根を備え、
前記円筒板部は、前記第２の羽根の外周端同士を連結するように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２において、前記円筒板部の外端面は、前記第１の羽根の外周端と同一の半径距離の位置にあることを特徴とする水力発電装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記射出口は複数形成され、
前記複数枚の第１の羽根が各々、前記射出口に最接近するタイミングがず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、前記複数枚の第１の羽根は等角度間隔に配置されているとともに、前記射出口も等角度間隔に複数形成され、
前記第１の羽根の枚数と前記射出口の数は互いに素の関係にあることを特徴とする水力発電装置。
【請求項１】
流体入口から流体出口に到る流路と、前記流路の途中位置で軸線周りに回転可能に配置された発電用水車と、該発電用水車の周りから水を噴射する射出口とを有する水力発電装置において、
前記発電用水車は、外周側に張り出す複数枚の第１の羽根と、該第１の羽根に対して軸線方向で隣接する位置で前記発電用水車の回転中心軸線に対して同軸状に構成された円筒板部を備え、
前記射出口は、前記第１の羽根および前記円筒板部の双方に跨る方向に向かって開口し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、前記発電用水車は、前記第１の羽根に対して軸線方向で隣接する領域で外周側に張り出す複数枚の第２の羽根を備え、
前記円筒板部は、前記第２の羽根の外周端同士を連結するように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２において、前記円筒板部の外端面は、前記第１の羽根の外周端と同一の半径距離の位置にあることを特徴とする水力発電装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記射出口は複数形成され、
前記複数枚の第１の羽根が各々、前記射出口に最接近するタイミングがず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、前記複数枚の第１の羽根は等角度間隔に配置されているとともに、前記射出口も等角度間隔に複数形成され、
前記第１の羽根の枚数と前記射出口の数は互いに素の関係にあることを特徴とする水力発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−２６２９１８（Ｐ２００７−２６２９１８Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−８５７５０（Ｐ２００６−８５７５０）
【出願日】平成１８年３月２７日（２００６．３．２７）
【出願人】（０００００２２３３）日本電産サンキョー株式会社 (1,337)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２７日（２００６．３．２７）
【出願人】（０００００２２３３）日本電産サンキョー株式会社 (1,337)
【Ｆターム（参考）】
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