專利名稱：小型水力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及發(fā)電，并且更特別地涉及具有小型水力發(fā)電系統(tǒng)的水力發(fā)電。
背景技術(shù)：
其中從流動(dòng)增壓水中提取動(dòng)能并用來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)以便產(chǎn)生電能的水力發(fā)電是公知的。另外，使用例如氣體、蒸汽等壓力流體轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)是公知的。對(duì)于采用例如河流或堤壩的大規(guī)模水源操作的大型水力發(fā)電來(lái)說(shuō)，使用百萬(wàn)加侖的流動(dòng)水可以產(chǎn)生成千上萬(wàn)兆瓦的電能。因此，將流動(dòng)水中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能可能包括顯著的低效率，并不能提供經(jīng)濟(jì)和可以接受程度的性能。
隨著水電發(fā)電設(shè)備的尺寸變得更小，所產(chǎn)生的電量也變得更小。另外，從中提取動(dòng)能的流動(dòng)水量變得更少。因此，將流動(dòng)水中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的效率變得很重要。當(dāng)存在許多低效率時(shí)，只有少量的動(dòng)能從增壓流動(dòng)水中提取出來(lái)。因此，所產(chǎn)生電量隨著水力發(fā)電設(shè)備變得更小而減小。
具有許多小型系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括流動(dòng)增壓流體并需要電能來(lái)操作。某些實(shí)例包括民用水處理系統(tǒng)、自動(dòng)潔具、流速監(jiān)測(cè)器、水測(cè)試設(shè)備等。
具有多種不同的水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括碳基過(guò)濾器單元和紫外線(UV)單元以便在使用之前對(duì)水進(jìn)行過(guò)濾和凈化。碳基過(guò)濾器單元使用惰性材料來(lái)過(guò)濾顆粒和有機(jī)污染物。從紫外線單元發(fā)射的紫外線輻射用來(lái)中和水中存在的有害微生物。
為了啟動(dòng)紫外線單元和水處理系統(tǒng)中的任何其它電能消耗系統(tǒng)，需要電源。傳統(tǒng)水處理系統(tǒng)使用來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)電插座的電能或電池電源以便驅(qū)動(dòng)包括紫外線單元的水處理系統(tǒng)中的所有部件所需的電能。在通過(guò)電插座供電的水處理系統(tǒng)的情況下，該系統(tǒng)限制了便攜性能并在電插座電源損壞時(shí)不能操作。
由電池電源操作的水處理系統(tǒng)只包括在水處理系統(tǒng)的操作或存儲(chǔ)過(guò)程中可以用完的有限電能供應(yīng)裝置。另外，必須能夠更換電池以便使得水處理系統(tǒng)可以操作。如果需要長(zhǎng)效電池電源，需要更大的電池，由此顯著地增加了水處理系統(tǒng)的重量和尺寸。
某些現(xiàn)有水處理系統(tǒng)能夠使用標(biāo)準(zhǔn)電插座或電池電源，電池電源可以通過(guò)電插座電源補(bǔ)充。盡管這些水處理系統(tǒng)不需要更換電池，雖然以電池電源操作，電池的容量和尺寸決定水處理系統(tǒng)的操作長(zhǎng)度。必須同樣采用電插座電源經(jīng)常補(bǔ)充電池電源。另外，這些水處理系統(tǒng)需要另外的電路和部件，以便由兩種不同電電源操作。
例如盥洗室閥和水池龍頭的自動(dòng)潔具可以包括電操作的閥和傳感器。傳感器可以檢測(cè)自動(dòng)潔具的使用者是否存在并操作電操作閥以響應(yīng)提供水流。電操作閥和傳感器兩者需要電能來(lái)操作。電能可以通過(guò)安裝從配電板到自動(dòng)潔具的電纜來(lái)獲得。在自動(dòng)潔具安裝在現(xiàn)有建筑物內(nèi)的情況下，配電板和/或電纜的安裝成本高、費(fèi)時(shí)并且是困難的。
出于以上原因，需要一種微型水力發(fā)電設(shè)備，該設(shè)備足夠小以便安裝在例如水處理系統(tǒng)、自動(dòng)潔具等系統(tǒng)內(nèi)，并能夠以高效率操作來(lái)產(chǎn)生足以操作系統(tǒng)的電能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明披露一種克服與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的問(wèn)題的微型水力發(fā)電系統(tǒng)。微型水力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施例能夠有效地提供充分的電能以便通過(guò)在例如5000RPM以上的每分鐘高轉(zhuǎn)速(RPM)下轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)操作電氣裝置。由于在流動(dòng)液體中使得損失最小并使得動(dòng)能最大地轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，以產(chǎn)生電能，可以進(jìn)行高RPM操作。
水力發(fā)電系統(tǒng)可以包括大致圓柱形的殼體，可以具有定位成從殼體的外表面向外延伸的多個(gè)漿葉。漿葉可以是大致凹入形狀并從殼體的外表面垂直延伸。水力發(fā)電系統(tǒng)可還可包括噴嘴、對(duì)中桿和發(fā)電機(jī)。噴嘴可以構(gòu)造成引導(dǎo)漿葉處的高速液體流，以便產(chǎn)生殼體的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)中桿可以延伸通過(guò)包括在殼體內(nèi)的空腔。殼體可以圍繞對(duì)中桿轉(zhuǎn)動(dòng)以響應(yīng)液體沖擊漿葉。
發(fā)電機(jī)可以是定位在殼體空腔內(nèi)的永磁體發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)包括與殼體連接的轉(zhuǎn)子和與對(duì)中桿路連接的定子。當(dāng)殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子可以定位在殼體內(nèi)以便圍繞定子轉(zhuǎn)動(dòng)并且產(chǎn)生電能。轉(zhuǎn)子可以產(chǎn)生圍繞定子軸向?qū)?zhǔn)地懸浮轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)。殼體包括圍繞對(duì)中桿的套筒。由于轉(zhuǎn)子圍繞定子懸浮，殼體圍繞對(duì)中桿懸浮。套筒因此圍繞對(duì)中桿，其中在殼體和對(duì)中桿之間具有少量或沒(méi)有接觸，以便在殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)減小轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，并進(jìn)一步改善效率。
殼體可以由與第二輪轂連接的第一輪轂形成，以便形成空腔。在第一和第二輪轂接合時(shí)漿葉保持在第一和第二輪轂之間。漿葉可以形成同心圍繞殼體的漿葉環(huán)。殼體還包括多個(gè)排放口，排放口構(gòu)造成在殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)從空腔內(nèi)排放液體以便減小流體阻力。由于漿葉經(jīng)受來(lái)自噴嘴的液體流，并且殼體以高RPM轉(zhuǎn)動(dòng)，空腔因此保持大致干燥。
殼體可以完全定位在外殼體內(nèi)。外殼體可以包括內(nèi)表面和出口。內(nèi)表面可以包括減小液體噴射并因此減小在漿葉處引導(dǎo)液體流時(shí)的流體阻力的導(dǎo)管。導(dǎo)管可以包括指形件和通道以便減小液體噴射，并還將液體引導(dǎo)離開(kāi)外殼體。根據(jù)從轉(zhuǎn)動(dòng)殼體濺射的液體分布圖案，指形件和通孔可以在內(nèi)表面上構(gòu)造成漩渦圖案。液體可以通過(guò)導(dǎo)管連續(xù)引導(dǎo)離開(kāi)外殼體，使得外殼體保持大致干燥。內(nèi)殼體和噴嘴可以因此在不浸入液體的情況下操作，以便進(jìn)一步減小流體阻力并改善有效的能量傳遞。
水力發(fā)電系統(tǒng)還可包括例如自動(dòng)盥洗室沖洗附件的潔具。潔具包括電操作閥、儲(chǔ)能裝置、功率控制器、傳感器和發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)可以通過(guò)液體流動(dòng)產(chǎn)生電能并用來(lái)驅(qū)動(dòng)功率控制器、傳感器和電操作閥。當(dāng)傳感器檢測(cè)到使用盥洗室時(shí)，電操作閥可以啟動(dòng)以便開(kāi)啟并提供液體流。液體流可以被發(fā)電機(jī)用來(lái)產(chǎn)生電能以便為儲(chǔ)能裝置充電。功率控制器可以監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能裝置內(nèi)存儲(chǔ)能量的大小。如果存儲(chǔ)的能量大小變得很低時(shí)，功率控制器可以啟動(dòng)電操作閥以開(kāi)啟，并且發(fā)電機(jī)可以對(duì)儲(chǔ)能裝置充電。
結(jié)合附圖，本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例的以下詳細(xì)描述中變得清楚。以上描述只通過(guò)介紹來(lái)提出。其中不能作為以下限定本發(fā)明范圍的權(quán)利要求的限制。


圖1示出同水力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施例案相連接的水處理系統(tǒng)；圖2示出圖1所示噴嘴的實(shí)施例的截面圖；圖3示出圖1所示的水處理系統(tǒng)和水力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)90°的截面圖，其中水力發(fā)電系統(tǒng)被剖視一個(gè)部分；圖4示出水力發(fā)電系統(tǒng)的另一實(shí)施例的截面圖；
圖5示出沿著截取5-5線截取的圖4所示噴嘴的截面圖；圖6示出圖4所示的水力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)90°的截面圖，其中水力發(fā)電系統(tǒng)被剖視一部分；圖7表示同水處理系統(tǒng)相連接的水力發(fā)電系統(tǒng)的另一實(shí)施例的截面圖；圖8表示圖7所示的水力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施例的頂視圖，其中定子殼體被剖視一部分；圖9表示水力發(fā)電系統(tǒng)的另一實(shí)施例的截面圖；圖10表示圖9的水力發(fā)電系統(tǒng)一部分的截面圖；圖11表示水力發(fā)電系統(tǒng)的另一實(shí)施例的側(cè)視圖；圖12表示圖11所示噴嘴的端視圖；圖13表示沿著線13-13截取的圖12所示噴嘴的截面圖；圖14表示沿著線14-14截取的圖12所述噴嘴的另一截面圖；圖15表示沿著線15-15截取的圖11所示水力發(fā)電系統(tǒng)的外殼體一部分的截面圖；圖16表示圖11所示水力發(fā)電系統(tǒng)的側(cè)視圖，其中拆卸了內(nèi)殼體；圖17表示沿著線17-17截取的圖11所示水力發(fā)電系統(tǒng)的外殼體底部的截面圖；圖18表示包括在圖11所示水力發(fā)電系統(tǒng)中的內(nèi)殼體的分解透視圖；圖19表示包括在圖1所示水力發(fā)電系統(tǒng)中的漿葉的透視圖；圖20表示沿著線20-20截取的圖19所示漿葉的截面圖；圖21表示包括潔具的水力發(fā)電系統(tǒng)的透視圖；圖22表示圖21所示潔具的截面?zhèn)纫晥D；圖23表示包括在圖22的潔具內(nèi)的功率控制器的一個(gè)實(shí)例的示意圖；圖24表示包括在圖22的潔具內(nèi)的功率控制器的另一實(shí)例的示意圖；圖25表示圖21-24的潔具內(nèi)的水力發(fā)電系統(tǒng)的操作流程圖；圖26表示水力發(fā)電系統(tǒng)的另一實(shí)施例的局部截面圖；圖27表示圖26的水力發(fā)電系統(tǒng)的另一截面?zhèn)纫晥D。
具體實(shí)施例方式
下文參照具體的結(jié)構(gòu)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，并且本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)該理解對(duì)這些具體結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行各種改變和變型而同時(shí)不超出權(quán)利要求的范圍。本優(yōu)選的實(shí)施例可以與任何需要電源和包括水流動(dòng)的水處理系統(tǒng)一起使用；然而，這些實(shí)施例是為住它的或可移動(dòng)的使用的水處理系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員也應(yīng)該理解這些實(shí)施例可以與不是水的流體一起使用并且術(shù)語(yǔ)“水”和“水電”的使用不應(yīng)該被認(rèn)作一個(gè)限定。
圖1為與優(yōu)選的水力發(fā)電系統(tǒng)12相連接的水處理系統(tǒng)10的側(cè)視圖。在該實(shí)施例中，水力發(fā)電系統(tǒng)12包括噴嘴14、殼體16、葉輪18和殼體出口20。噴嘴14通過(guò)管道22連接于水處理系統(tǒng)10。管道22由聚氯乙烯(PVC)塑料或類似材料制成并且通過(guò)螺紋連接、摩擦配合或其它類似的連接機(jī)構(gòu)連接于噴嘴14。
在操作過(guò)程中，增壓水從水處理系統(tǒng)10中經(jīng)由噴嘴14流入水力發(fā)電系統(tǒng)12中，如箭頭24所示。噴嘴14同殼體16連接成使水流過(guò)噴嘴14并被迫使通過(guò)殼體16流到殼體出口20。在替代的實(shí)施例中，水力發(fā)電系統(tǒng)12可以定位在水處理系統(tǒng)10的內(nèi)部或定位成使其在水進(jìn)入水處理系統(tǒng)10以前可以接收一定量的增壓水。
圖2示出噴嘴14的一個(gè)實(shí)施例的截面圖。該優(yōu)選的噴嘴14為一聲速噴嘴，其提高流過(guò)它的增壓水的流速。在該實(shí)施例中，噴嘴14能夠?qū)⑺牧魉偬岣叩絹喡曀佟娮?4由不銹鋼或其它類似的鍘性材料制成并且包括噴嘴入口26和噴嘴出口28。噴嘴入口26如上所述連接于水處理系統(tǒng)10。噴嘴出口28通過(guò)摩擦配合、卡扣固定、螺紋連接或能夠在其間形成液密連接的其它類似連接機(jī)構(gòu)連接于殼體16。噴嘴14可以在任何位置插入殼體16中，只要該位置形成噴嘴14與葉輪18的適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)即可，如將在下文討論的。
噴嘴14包括為水流通過(guò)而設(shè)置的通道30。通道30在噴嘴入口26形成有第一預(yù)定直徑32和在噴嘴出口28處的第二預(yù)定值徑34。在該實(shí)施例中，第二預(yù)定直徑34約為第一預(yù)定直徑32的26％。通道30對(duì)噴嘴14的預(yù)定的長(zhǎng)度保持第一預(yù)定直徑32。通道30的其余部分通過(guò)使通道30成錐度均勻地至第二預(yù)定直徑34而形成。在該實(shí)施例中，噴嘴14的通道30在第一預(yù)定直徑32與第二預(yù)定直徑34之間的錐角約為18°。
通道30的形狀確定從噴嘴14流出的水的流速。此外，在噴嘴出口28處的水流速取決于水源的壓力和噴嘴下游的背壓。要求的噴嘴出口28處的預(yù)定流速范圍可以利用由水處理系統(tǒng)10(圖1所示)在噴嘴入口26處提供的預(yù)期的壓力范圍來(lái)確定。例如，在一家用的水系統(tǒng)中，水源的壓力在約20至60磅/平方英寸(PSI)的范圍內(nèi)。通道30還在噴嘴出口28處提供連接而均勻的水流。在操作過(guò)程中流過(guò)噴嘴14的水在預(yù)定的高速范圍內(nèi)以預(yù)定的路線流入殼體16中。
再參照?qǐng)D1，殼體16形成管道，其可以由塑料或能夠形成剛性水通道的其它類似的防水材料制成。在該實(shí)施例中，殼體16包括如圖1所示的半透明的部分以便可以觀察殼體16的內(nèi)部。殼體16被形成圍繞葉輪18，葉輪18與在水流出噴嘴出口28以后流過(guò)殼體16時(shí)的水流體連通。
葉輪18包括多個(gè)葉片42，其剛性地固定到輪轂44上。葉片42在殼體16中定位成使從噴嘴14流出的水以預(yù)定的角度沖擊葉輪18的葉片42。該預(yù)定的角度根據(jù)水在噴嘴入口26處預(yù)期的壓力、在噴嘴出口28和的背壓和要求的葉輪18的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)來(lái)確定。在操作過(guò)程中，流動(dòng)的水作用在葉輪18上使其在殼體16中沿單方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如下文所詳細(xì)討論的，當(dāng)葉輪18轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，水力發(fā)電系統(tǒng)12的這個(gè)實(shí)施例將流動(dòng)水中的能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能量，其又轉(zhuǎn)換為電能。在該實(shí)施例中，葉輪18浸在流過(guò)殼體16的水中。
圖3示出圖1所示的實(shí)施例轉(zhuǎn)動(dòng)90°的截面圖，其中殼體16被剖視一部分。如圖所示，葉輪18通過(guò)縱向延伸的軸48共軸地固定于發(fā)電機(jī)46。軸48可以是不銹鋼或其它固定地連接葉輪18的類似的剛性材料。葉輪18的輪轂44共軸地連接于軸48的一端而為發(fā)電機(jī)46的一部分的發(fā)電機(jī)軸50共軸地連接于其另一端。軸48與葉輪18和發(fā)電機(jī)46的剛性連接可以通過(guò)焊接、壓配合或其它類似的剛性連接。
可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸48縱向延伸而通過(guò)液密的密封52插入殼體16中，該密封52用橡膠或其它類似的材料制成。液密的密封52連接于殼體16并構(gòu)成使軸48可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)而不從殼體16內(nèi)部向外漏水。軸48縱向延伸至鄰近殼體16定位的發(fā)電機(jī)46。雖然圖中未示出，發(fā)電機(jī)46的外表面可以連接于殼體16，例如借助于螺母與螺釘、鉚釘或其它能夠固定地連接殼體16與發(fā)電機(jī)48的類似的機(jī)構(gòu)。
在操作過(guò)程中，當(dāng)水流過(guò)殼體16和葉輪18轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸48、50相應(yīng)地轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致由發(fā)電機(jī)46產(chǎn)生電能。在替代的實(shí)施例中，采用磁性聯(lián)接器(未示出)代替軸48以排除貫穿殼體16的需要。在該實(shí)施例中，葉輪18包括具有足夠的磁強(qiáng)度的磁體以便與固定在殼體16外部的發(fā)電機(jī)軸50上的類似磁體剛性地連接。在操作過(guò)程中，當(dāng)葉輪18轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，取向在葉輪上的磁體與取向在發(fā)動(dòng)機(jī)軸50上的磁體間的吸引力使發(fā)電機(jī)軸50轉(zhuǎn)動(dòng)從而由發(fā)電機(jī)46產(chǎn)生電能。
在該實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)46可以是能夠產(chǎn)生直流電(DC)或交流電(AC)的永磁體發(fā)電機(jī)。在替代的實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)46能產(chǎn)生AC和DC電流。電能從發(fā)電機(jī)46通過(guò)多個(gè)導(dǎo)電體54傳送，該導(dǎo)電體54可以是電線、匯流排或其它能夠?qū)щ姷念愃撇牧?。產(chǎn)生的電能的電壓水平是葉輪18的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)。如上所述，從噴嘴14流出的水的流速可以設(shè)計(jì)在預(yù)定范圍內(nèi)從而控制由發(fā)電機(jī)46產(chǎn)生的電能的電壓輸出值。
由該實(shí)施例產(chǎn)生的交流電或整流直流電可以用于驅(qū)動(dòng)水處理系統(tǒng)10和也可以用于給儲(chǔ)能器(未示出)例如蓄電池或電容器充電。葉輪18的轉(zhuǎn)動(dòng)或產(chǎn)生的電能的持續(xù)時(shí)間也可以供給基于流動(dòng)的測(cè)量的機(jī)構(gòu)，例如流率或已流過(guò)水處理系統(tǒng)10的水量的測(cè)量。葉輪18的轉(zhuǎn)動(dòng)或產(chǎn)生的電能的持續(xù)時(shí)間可以與發(fā)電機(jī)46的反電磁力(EMF)組合供給基于流動(dòng)的測(cè)量。本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)該理解該水力發(fā)電系統(tǒng)12除水處理系統(tǒng)10外也可以用于其它的系統(tǒng)。
圖4示出水力發(fā)電系統(tǒng)12的另一實(shí)施例的截面圖。該實(shí)施例同樣連接于水處理系統(tǒng)10如圖1所示實(shí)施例那樣并且包括噴嘴14、殼體16、葉輪18和殼體出口20。類似于上述的實(shí)施例，噴嘴14以高速提供水，其在可轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪18上導(dǎo)向。然而，在該實(shí)施例中，葉輪18在操作過(guò)程中不浸入殼體16內(nèi)部的水中。因而，水從噴嘴14中形成噴流，其噴射在葉輪18上。
噴嘴14類似于上述的圖2所示噴嘴14可以是聲速噴嘴。噴嘴14插入殼體16并且通過(guò)安裝板56與其連接。安裝板56鄰接殼體16的外表面定位。本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)該理解存在其它的可以用于連接噴嘴14與殼體16的方法。
圖5示出定位于該實(shí)施例的安裝板56上的截面圖。安裝板56包括縱向的長(zhǎng)孔58和一對(duì)耳部60，后者使噴嘴14可以相對(duì)于葉輪18調(diào)整到一個(gè)最佳的位置。在該實(shí)施例中，噴嘴14在通過(guò)將螺釘插入耳部60而達(dá)到最佳位置時(shí)可以固定地安裝到殼體16上。在替代的實(shí)施例中，當(dāng)緊固件例如螺釘、鉚釘或銷將安裝板56固定地安裝在殼體16上時(shí)該安裝板56為噴嘴14提供單一的預(yù)定的所需位置。
再參照?qǐng)D4，要求的噴嘴14的位置是使噴嘴14縱向伸進(jìn)殼體16中。該實(shí)施例的殼體16包括由殼體16的內(nèi)壁限定的殼體內(nèi)腔62，如圖4所示。殼體內(nèi)腔62為空氣空間，其包括其中定位的葉輪18。在操作過(guò)程中，水從噴嘴14以預(yù)定的路線噴射入殼體內(nèi)腔62中以便以預(yù)定的角度沖擊葉輪18。該預(yù)定的角度根據(jù)要求的葉輪的RPM和由水處理系統(tǒng)供給噴嘴的水壓范圍來(lái)確定的。噴嘴14和葉輪18的協(xié)同操作不限于利用增壓水來(lái)進(jìn)行，同樣也可以利用其它的流體，例如空氣。
如圖4中還示出的，葉輪18包括多個(gè)葉片64。該實(shí)施例的每一葉片64在一端固定地連接于葉輪輪轂66并且包括在另一端形成的槳葉68。葉輪輪轂66如上述實(shí)施例中一樣固定地連接于軸48。本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)該理解葉片64的數(shù)量和葉輪18的尺寸可以根據(jù)用途改變。
圖6示出圖5所示的水力發(fā)電系統(tǒng)12的實(shí)施例轉(zhuǎn)動(dòng)90°的截面圖，其中殼體16被剖視一部分以便于說(shuō)明。如圖所示，水力發(fā)電系統(tǒng)12包括利用軸48連接于發(fā)電機(jī)46的殼體16如在上述的實(shí)施例中那樣。此外，可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸48通過(guò)液密的密封52從葉輪18縱向伸入發(fā)電機(jī)46中。在替代的實(shí)施例中，軸48可以改用磁性聯(lián)接器，如以上所述，從而排除殼體16的貫穿和液密的密封52。如圖所示，軸48可轉(zhuǎn)動(dòng)地將葉輪18定位于殼體內(nèi)腔62內(nèi)的空氣空間中從而利用槳葉68使之繞軸48轉(zhuǎn)動(dòng)。
如圖6所示，該實(shí)施例的每一槳葉68形成拋物面形狀，其包括槽口70。該槳葉68的拋物面形狀為存在于從噴嘴14(圖5所示)噴射的水中的能量提供均勻的接受器。槽口70在葉輪18轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使噴射水的能量進(jìn)入下一個(gè)槳葉68。將噴射水的能量轉(zhuǎn)給下一個(gè)槳葉使從水到葉輪18傳送的能量的效率為最大。在替代的實(shí)施例中，各葉片64可以形成其它的形狀和結(jié)構(gòu)而有助于有效的傳送從噴嘴14噴射的其它流體的能量。例如，當(dāng)流體為空氣時(shí)，葉片64可以形成為螺槳、翅片或其它能夠?qū)⒛芰繌牧鲃?dòng)的空氣轉(zhuǎn)換為葉輪18的轉(zhuǎn)動(dòng)的類似結(jié)構(gòu)。
在操作過(guò)程中，在水噴流以預(yù)定的角度沖擊葉輪18以后，水靠重力如箭頭72所示落向殼體出口20。因而，水集合在殼體出口20處并從而被導(dǎo)出殼體16。由于葉輪18不浸入水中，從水噴流到葉輪18傳送的大部分能量被形成為對(duì)軸48的轉(zhuǎn)動(dòng)力。
軸48的轉(zhuǎn)動(dòng)使發(fā)電機(jī)46的一部分轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)電機(jī)46的一個(gè)實(shí)施例包括轉(zhuǎn)子76、第一定子78和第二定子80，后兩者定位在發(fā)電機(jī)殼體82的內(nèi)部。轉(zhuǎn)子76固定地連接于軸48并隨其轉(zhuǎn)動(dòng)。第一和第二定子78、80固定地連接于發(fā)電機(jī)殼體82并且周向地包圍軸48。轉(zhuǎn)子76定位在第一與第二定子78、80之間以形成發(fā)電機(jī)46。
該實(shí)施例的轉(zhuǎn)于76可以是包括多個(gè)永磁體84的盤(pán)的形式。永磁體84均勻地置于轉(zhuǎn)子76內(nèi)的預(yù)定位置以同第一和第二78、80協(xié)同操作。在該實(shí)施例中的第一和第二定子78、80的每一個(gè)也可以形成包括多個(gè)線圈86的盤(pán)。線圈86均勻地定位在第一和第二定子78、80的內(nèi)部以同永磁體84協(xié)同操作?？砂丫€圈86電連接以形成一個(gè)或多個(gè)用于產(chǎn)生電能的繞組。第一和第二定子78、80的極數(shù)和設(shè)計(jì)取決于許多因素。這些因素包括由永磁體84和反EMF形成的高斯磁場(chǎng)的強(qiáng)度，以及要求的RPM和要求發(fā)電機(jī)46的功率輸出。
在該實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子76的轉(zhuǎn)動(dòng)使由永磁體84產(chǎn)生的磁通量同樣轉(zhuǎn)動(dòng)從而在第一和第二定子78、80中產(chǎn)生電能。轉(zhuǎn)子76和第一與第二定子78、80協(xié)同操作以產(chǎn)生交流電(AC)。AC可以由發(fā)電機(jī)46整流和穩(wěn)定化以既提供AC又提供直流電(DC)。在替代的實(shí)施例中，永磁體84可定位在第一和第二定子78、80上使發(fā)電機(jī)46可用于產(chǎn)生直流電(DC)。在另一替代的實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)46類似于關(guān)于圖3討論的發(fā)電機(jī)46。
在操作過(guò)程中，可以從水處理系統(tǒng)10(圖1所示)中向水力發(fā)電系統(tǒng)12輸送增壓水。如同在以前的實(shí)施例中，水力發(fā)電系統(tǒng)12的各個(gè)替代的實(shí)施例可以向水處理系統(tǒng)10輸送水或定位在水處理系統(tǒng)10的內(nèi)部。在該實(shí)施例中，如上所述，水從處理系統(tǒng)10輸送給噴嘴14。
增壓水流過(guò)噴嘴14并以高速噴射入殼體內(nèi)腔62從而以預(yù)定的入射角沖擊葉輪18上的槳葉68上。當(dāng)水沖擊槳葉68時(shí)，噴射水的能量轉(zhuǎn)送給葉輪18使其沿單方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)葉輪18轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)噴射水的一部分也通過(guò)槽口70噴射并沖擊葉輪18上的另一些槳葉68。在水沖擊槳葉68和能量的同時(shí)傳送以后，水靠重力落到殼體出口20并流出殼體16。因此，在操作過(guò)程中殼體內(nèi)腔62保持空氣空間并且在操作過(guò)程中不完全充滿水。
葉輪18的轉(zhuǎn)動(dòng)使軸48轉(zhuǎn)動(dòng)從而轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)46的轉(zhuǎn)子76。在該實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子76以約2400每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子76的轉(zhuǎn)動(dòng)引起供給水處理系統(tǒng)10的電能的產(chǎn)生。如上所述，由發(fā)電機(jī)46產(chǎn)生的電壓水平的范圍是根據(jù)流過(guò)噴嘴14的水的流速范圍確定的。因此，發(fā)電機(jī)的電壓范圍可以通過(guò)選擇流過(guò)噴嘴14的水的流速范圍來(lái)選擇。
圖7示出水力發(fā)電系統(tǒng)12的另一實(shí)施例的截面圖，其優(yōu)選連接于水處理系統(tǒng)10。如圖所示，水力發(fā)電系統(tǒng)12包括轉(zhuǎn)子殼體102和定子殼體104。轉(zhuǎn)子殼體102形成管道，其可以由塑料或其它類似的剛性材料構(gòu)成并且包括入口106和一出口108。在操作過(guò)程中入口106按箭頭110所示接收流動(dòng)的水而出口108將流動(dòng)的水引到水處理系統(tǒng)10。在各替代的實(shí)施例中，該水力發(fā)電系統(tǒng)12可以固定在水處理系統(tǒng)10的內(nèi)部或固定成可接收流出水處理系統(tǒng)10的水。如上所述，流過(guò)水力發(fā)電系統(tǒng)12的水流量可以由水處理系統(tǒng)10加以控制。
如圖7所示，轉(zhuǎn)子殼體102包含轉(zhuǎn)子112而定子殼體104包含定子114。該實(shí)施例的轉(zhuǎn)子112可以是具有六個(gè)北/南極組合的十二級(jí)永磁體轉(zhuǎn)子。如下文所詳述的，該實(shí)施例的定子114可以是設(shè)計(jì)有八個(gè)北/南極組合的一環(huán)狀圓環(huán)。轉(zhuǎn)子112和定子114在操作過(guò)程中協(xié)同操作以產(chǎn)生電能。如在本領(lǐng)域中已知的，定子包括固定的繞組，其可以根據(jù)需要的電壓輸出大小構(gòu)成可容納任何數(shù)目的電極。公開(kāi)于本實(shí)施例的繞組中的電極數(shù)目不應(yīng)被認(rèn)作是對(duì)本發(fā)明的一個(gè)限定。
圖8示出圖7所示實(shí)施例的頂視圖，其中為說(shuō)明起見(jiàn)定子殼體104被剖視頂部。定子114固定地定位于定子殼體104中以周向地包圍轉(zhuǎn)子殼體102。定子114包括芯體116、多個(gè)凸出的電極118和多個(gè)線圈120。芯體116可以由鐵、鋼或其它類似材料構(gòu)成并且被形成可包括凸出的電極118。在該實(shí)施例中，可以有八個(gè)凸出的電極118，其分別圍繞以線圈120。
將凸出的電極118形成在定子114上使它們以周向地包圍轉(zhuǎn)子殼體102。每個(gè)凸出的電極118包括成形端，其作為極靴122在本領(lǐng)域中是已知的。極靴122鄰近轉(zhuǎn)子殼體102放置。極靴122傳導(dǎo)恒定的由轉(zhuǎn)子112通過(guò)線圈120形成的磁通量。線圈120可以是電線或其它能夠傳導(dǎo)電能的類似材料并且圍繞凸出的電極118纏繞。雖然未示出，線圈120相互電連接以形成繞組，如在本領(lǐng)域中已知的，用于每一線圈120的電線圈數(shù)由電壓和功率要求、最小和最大轉(zhuǎn)子112的轉(zhuǎn)數(shù)、最大允許的反壓、需要的電感和磁高斯數(shù)來(lái)確定。
再參照?qǐng)D7，定子114橫向垂直于轉(zhuǎn)子殼體102的中心軸線定位。由于定子114定位在轉(zhuǎn)子殼體102的外面，其與在轉(zhuǎn)子殼體102內(nèi)部的流動(dòng)水脫離了流體連通。定子殼體104固定地連接于轉(zhuǎn)子殼體102從而為定子114提供在轉(zhuǎn)子殼體102上的預(yù)定位置。在該實(shí)施例中，定子殼體104通過(guò)摩擦配合與轉(zhuǎn)子殼體102的外表面相連接。本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員應(yīng)該理解存在不同的其它的轉(zhuǎn)子殼體102與定子殼體104的連接方式。
在該水力發(fā)電系統(tǒng)12的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子112包括永磁體124，其可以由金屬、燒結(jié)金屬、擠壓金屬或陶瓷材料制成。永磁體124形成恒定的磁通量并且與轉(zhuǎn)子軸126相連接。可轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子軸126從永磁體124的兩端縱向外伸并可以由不銹鋼或其它剛性耐腐蝕材料構(gòu)成。永磁體124的中心軸線形成與轉(zhuǎn)子軸126共軸線。永磁體124的外表面可以形成流線形以包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片128。該實(shí)施例的永磁體124構(gòu)成桶形，具有形成轉(zhuǎn)子葉片128的單螺旋螺脊。在替代的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子葉片128可以是渦輪葉片或其它能夠在受到流動(dòng)的水沖擊時(shí)引起轉(zhuǎn)子112轉(zhuǎn)動(dòng)的類似裝置。
如圖7所示，轉(zhuǎn)子112固定在轉(zhuǎn)子殼體102的內(nèi)部與轉(zhuǎn)子殼體102的中心軸線共軸線。轉(zhuǎn)子112的轉(zhuǎn)子軸126的一端插入第一連接盤(pán)130而其另一端插入第二連接盤(pán)132。在該實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子軸126的兩端增大直徑以形成便于固定于第一連接盤(pán)130和第二連接盤(pán)132上的堅(jiān)固的區(qū)域。第一連接盤(pán)130和第二連接盤(pán)132由塑料或其它類似的材料形成并且建立垂直于轉(zhuǎn)子殼體102的中心軸線的橫向支承件。第一連接盤(pán)130和第二連接盤(pán)132均包括軸承134或其它類似的裝置以便使轉(zhuǎn)子軸126可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，第一連接盤(pán)130和第二連接盤(pán)132以預(yù)定的相互間距連接于轉(zhuǎn)子殼體102使轉(zhuǎn)子112可以懸掛在它們之間。
轉(zhuǎn)子112定位在轉(zhuǎn)子殼體102中使流過(guò)轉(zhuǎn)子殼體102的水沖擊形成轉(zhuǎn)子112的一部分的轉(zhuǎn)子葉片128。轉(zhuǎn)子葉片128用作為一槳葉使流動(dòng)的水作用在轉(zhuǎn)子112上。流動(dòng)的水使轉(zhuǎn)子112繞轉(zhuǎn)子殼體102的中心軸線沿單一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子112定位在定子114的內(nèi)部使轉(zhuǎn)子112的軸線同心于定子114的軸線。轉(zhuǎn)子112同定子114協(xié)同操作而構(gòu)成發(fā)電機(jī)。
在操作過(guò)程中，當(dāng)水流動(dòng)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由轉(zhuǎn)子112產(chǎn)生的恒定磁通量也轉(zhuǎn)動(dòng)并透入定子114從而實(shí)質(zhì)上產(chǎn)生電能。在轉(zhuǎn)子112與定子114之間必須保持特定距離的氣隙以便使來(lái)自轉(zhuǎn)子112的恒定磁通量可以引起由定子114產(chǎn)生的電能。在這些實(shí)施例中，在轉(zhuǎn)子112的永磁體124與定子114的極靴122之間的“氣隙”包括流動(dòng)的水和轉(zhuǎn)子殼體102。流體的流動(dòng)和轉(zhuǎn)子殼體102并不影響恒定的磁通量。因此，來(lái)自轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子112的轉(zhuǎn)動(dòng)恒定磁通量引起由定子114的線圈120產(chǎn)生電能。
當(dāng)水流過(guò)轉(zhuǎn)子殼體102而使轉(zhuǎn)子112轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的恒定磁通量傳給定子114的繞組并產(chǎn)生電能。該電能流過(guò)導(dǎo)電體54以驅(qū)動(dòng)一個(gè)裝置，即在該實(shí)施例中的水處理系統(tǒng)10。圖7和8所示的該實(shí)施例的水力發(fā)電系統(tǒng)12產(chǎn)生交流電(AC)，其可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)水處理系統(tǒng)10。在替代的實(shí)施例中，該水力發(fā)電系統(tǒng)12通過(guò)將永磁體124定位在定子114上可以產(chǎn)生直流電(DC)。在另一替代的實(shí)施例中，水力發(fā)電系統(tǒng)12通過(guò)使交流電(AC)整流和穩(wěn)定化給水處理系統(tǒng)10既提供AC電流又提供DC電流。DC電流還可以用來(lái)給儲(chǔ)能器(未示出)充電。轉(zhuǎn)子112的轉(zhuǎn)動(dòng)和電能產(chǎn)生的持續(xù)時(shí)間也可以用于供給基于流動(dòng)的測(cè)量，例如流率或流過(guò)水處理系統(tǒng)10的水量的測(cè)量。
圖9示出水力發(fā)電系統(tǒng)12的又一實(shí)施例的截面圖，其在原理上類似于關(guān)于圖7和8公開(kāi)的上述的實(shí)施例。該實(shí)施例包括轉(zhuǎn)子112、定子114和固定于殼體142中的渦輪噴嘴140。殼體142構(gòu)成管道，其具有入口144和出口146。當(dāng)水或其它流體按箭頭148所示流入入口114時(shí)，水流過(guò)殼體142并由出口146引出殼體142。在一個(gè)實(shí)施例中，水力發(fā)電系統(tǒng)12可以固定在水處理系統(tǒng)10(圖1所示)的內(nèi)部，位于水處理系統(tǒng)10或輸送水給該水處理系統(tǒng)10的后邊。
殼體142可以由塑料或類似的能夠?qū)膭傂圆牧现瞥伞Ｔ搶?shí)施例的殼體142包括第一部分152和第二部分154以便于組裝和維護(hù)。第一和第二部分152、154可以通過(guò)粘接、摩擦配合、螺紋連接或其它構(gòu)成類似的剛性連接的裝置結(jié)合在一起。殼體142形成水流通過(guò)的通道156。渦輪噴嘴140固定地定位在通道156的內(nèi)部。
該實(shí)施例的渦輪噴嘴140可以是大體上錐形形狀并且可以由塑料或其它類似的剛性材料制成。渦輪噴嘴140可以成整體構(gòu)成包括頂部158和多個(gè)支承件160。頂部158可以位于通道156的中心并且用于向外朝著殼體142的內(nèi)壁噴射流動(dòng)的水。各支承件160通過(guò)例如摩擦配合、卡和固定、螺紋連接或其它類似的剛性連接固定地連接于殼體142的內(nèi)壁。
支承件160將渦輪噴嘴140固定地支持在通道156中并且包括多個(gè)通道162以使水可以流過(guò)殼體142。通道162的尺寸可以調(diào)整以控制水的流速。如以上參照?qǐng)D2所述的噴嘴14中，可以確定預(yù)定的速度范圍，該預(yù)定的流速范圍根據(jù)流入入口114中預(yù)期的水的壓力范圍以及水力發(fā)電系統(tǒng)12的背壓來(lái)確定。此外，各支承件160可以按預(yù)定的形狀定向而用作為螺槳以面向流動(dòng)的水。流動(dòng)的水可以以預(yù)定的方式對(duì)準(zhǔn)作用在轉(zhuǎn)子112上，以便消除紊流，從而調(diào)整壓力降或提高操作效率。
圖10是剖視圖9的水力發(fā)電系統(tǒng)12一部分的頂視圖，表示出殼體142的第一部分152內(nèi)的噴嘴140和支承件160。支承件160可以圍繞噴嘴140的外部相互定位在例如4.42毫米(0.174英寸)的預(yù)定距離1002上，以便形成通道162。每個(gè)支承件160包括導(dǎo)引端1004和拖尾端1006。靠近支承件160定位的導(dǎo)引端1004可以形成入口導(dǎo)管，并且靠近支承件160定位的拖尾端1006可以形成出口導(dǎo)管。如箭頭148所示液體流首先到達(dá)導(dǎo)引端1004并進(jìn)入入口導(dǎo)管。在通道162內(nèi)，液體在到達(dá)支承件160的拖尾端1006之前增加速度。
通道162的寬度可以朝著拖尾端1006逐漸變窄，如同所示。因此，通道之間的截面面積減小預(yù)定量，例如大約10％-20％。由于增壓液體被迫進(jìn)入逐漸變窄的通道162，速度增加。通道162之間的截面面積逐漸減小使得背壓最小，同時(shí)增加流動(dòng)液體的速度。另外，通過(guò)逐漸變窄通道162可以使得通道162內(nèi)液體的非分層流動(dòng)最小。
支承件160還可包括多個(gè)直流器1008。直流器1008可以包括在通道162內(nèi)以便進(jìn)一步減小非分層流動(dòng)。與支承件160類似，直流器1008可以和第一部分152的內(nèi)壁固定連接并延伸到通道162內(nèi)。示例性直流器1008可包括和主體1012連接的葉片。葉片1010可以是從導(dǎo)引端1004附近朝著每個(gè)支承件160的拖尾端1006延伸的直流器1008的大致直的部分。主體1012可以是定位在相鄰定位的支承件160的拖尾端1006形成的出口導(dǎo)管的上游預(yù)定距離上的球形主體。在其它實(shí)例中，直流器1008可以是任何其它流體動(dòng)力形狀，以便限定液體的流動(dòng)并最大程度地均勻流過(guò)通道162。
如圖10進(jìn)一步所示，噴嘴140可以分成壓縮區(qū)域1016，隨后是沉降區(qū)域1018。在壓縮區(qū)域1016內(nèi)，可以出現(xiàn)液體流動(dòng)方向的突然轉(zhuǎn)換。由于第一部分152內(nèi)的液體容積增加，紊流增加。隨著容積減小，液體的壓縮和速度增加?？梢灶A(yù)先確定壓縮區(qū)域1016中容積減小，以便根據(jù)所需流動(dòng)液體的壓力范圍實(shí)現(xiàn)所需流速。在壓縮區(qū)域1016內(nèi)，流動(dòng)液體被迫朝著殼體142的內(nèi)壁流出，這可以增加紊流和/或非分層流動(dòng)。
沉降區(qū)域1018提供具有液體能力的均勻容積的區(qū)域，使得流動(dòng)液體中的紊流衰減并且液體具有更加分層的流動(dòng)。根據(jù)流動(dòng)液體中紊流的預(yù)計(jì)大小，沉降區(qū)域1018可以是預(yù)定長(zhǎng)度。液體的非分層流動(dòng)可以在進(jìn)入通道162之間減小。在通道162內(nèi)，流動(dòng)液體的速度進(jìn)一步增加，并且液體接著引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子112。
再次參考圖9，該實(shí)施例的轉(zhuǎn)子112包括渦輪轉(zhuǎn)子164、轉(zhuǎn)子軸166和永磁體168。轉(zhuǎn)子112可轉(zhuǎn)動(dòng)地固定在通道156內(nèi)使流入通道156的水可以引起轉(zhuǎn)子112繞殼體142的中心軸線170轉(zhuǎn)動(dòng)。在流動(dòng)的水作用在渦輪轉(zhuǎn)子164上時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子112的轉(zhuǎn)動(dòng)。渦輪轉(zhuǎn)子164可以由不銹鋼、鋁、塑料或其它類似的剛性材料制成，該剛性材料能夠耐得住轉(zhuǎn)動(dòng)力和流動(dòng)的水力。渦輪轉(zhuǎn)子164包括至少一個(gè)渦輪葉片172和主體174。
渦輪葉片172定位成可接收來(lái)自流過(guò)支承件160的水的能量。渦輪葉片172可以是多個(gè)螺槳、螺旋形凸脊或其它形成在主體174上的裝置，其能夠?qū)⒘鲃?dòng)的水的能量轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能量。該實(shí)施例的渦輪葉片172與主體174整體構(gòu)成并且延伸到鄰近殼體142的內(nèi)壁的位置。主體174可以構(gòu)成為限定內(nèi)腔176，其沿圓周包圍轉(zhuǎn)子軸166的一部分。
讀者應(yīng)該注意相對(duì)于殼體142的內(nèi)壁來(lái)說(shuō)，通道162的深度小于渦輪葉片172的深度。不同深度提供流動(dòng)水的循環(huán)，如下面說(shuō)明。另外，水的流動(dòng)路徑設(shè)置成直線地通過(guò)定子114。流動(dòng)路徑的容積同樣在通道162之后是較大的，以便提供流動(dòng)水壓力中預(yù)定壓力降。當(dāng)水流過(guò)渦輪葉片172時(shí)，流動(dòng)水因此將大量動(dòng)能釋放到轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪葉片172上。流動(dòng)水中的動(dòng)能通過(guò)渦輪葉片172有效地提取，而沒(méi)有顯著的損失和低效率，這是由于只有渦輪葉片172直接位于流動(dòng)水的高速流中。
轉(zhuǎn)子軸166是可轉(zhuǎn)動(dòng)的并且可以與渦輪轉(zhuǎn)子164構(gòu)成整體或者轉(zhuǎn)子軸166通過(guò)壓配合、螺紋連接或類似的連接裝置固定地連接于渦輪轉(zhuǎn)子164。轉(zhuǎn)子軸166可以是不銹鋼或其它類似的剛性材料，其可以縱向貫穿永磁體168。永磁體168可以是擠壓磁體，其可以由金屬、燒結(jié)金屬、陶瓷材料或其它類似的具有磁性的材料制成。永磁體168可以通過(guò)摩擦配合、模壓或其它類似的裝置固定地連接于轉(zhuǎn)子軸166。轉(zhuǎn)子112通過(guò)多個(gè)軸承178可轉(zhuǎn)動(dòng)地定位。
軸承178在永磁體168的兩端沿周向地包圍轉(zhuǎn)子軸166的一部分。軸承178可以是碳石墨、聚四氟乙烯、滾珠軸承、陶瓷、超高分子量(UHMW)聚乙烯或其它能夠經(jīng)受轉(zhuǎn)子軸166的轉(zhuǎn)動(dòng)的類似軸承。在該實(shí)施例中，軸承178由通道156中存在的水潤(rùn)滑。此外，流動(dòng)的水可用來(lái)冷卻軸承178，如將在下文描述的。軸承178由定子114固定和定位。
該實(shí)施例的定子114包括多個(gè)排水引導(dǎo)螺槳180、翅片182、多個(gè)線圈184和蓋186。如圖9所示，定子114通過(guò)排水引導(dǎo)螺槳180固定地定位于通道156中。各排水引導(dǎo)螺槳180通過(guò)例如粘接、摩擦配合、卡扣固定或類似的剛性裝置同殼體142的內(nèi)壁固定地連接。排水引導(dǎo)螺槳180縱向平行于殼體142的內(nèi)壁延伸并形成水流通過(guò)的通道。排水引導(dǎo)螺槳180形成可將流動(dòng)的水引向出口146以減小紊流、氣泡、背壓和其它的會(huì)影響有效操作的流動(dòng)的水的類似性能。翅片182同樣形成可將流動(dòng)的水引向出口146。
盡管未示出，排水引導(dǎo)螺漿180可以形成螺旋圖案，該圖案與和中心軸線170同心的螺旋形線圈類似。排水引導(dǎo)螺漿180可以在翅片182的方向上逐漸展開(kāi)，以便逐漸變成大致平行于中心軸線170。在此構(gòu)造中，排水引導(dǎo)螺漿180可以減小紊流并形成分層流動(dòng)。
在操作中，由于渦輪葉片172的轉(zhuǎn)動(dòng)，由排水引導(dǎo)螺漿180接收的液體可包括渦流的趨勢(shì)。液體中的渦流趨勢(shì)可以大致與排水引導(dǎo)螺漿180的螺旋圖案大致匹配。因此，液體進(jìn)入排水引導(dǎo)螺漿180，而不造成紊流的突然改變方向。雖然通過(guò)排水引導(dǎo)螺漿180引導(dǎo)，液體中的渦流趨勢(shì)可以通過(guò)排水引導(dǎo)螺漿180的逐漸展開(kāi)而逐漸減小。因此，液體可以通過(guò)大致分層的流動(dòng)排出排水引導(dǎo)螺漿180，以便盡可能有效地操作。
線圈184形成在芯體(未示出)上以沿圓周包圍轉(zhuǎn)子112并形成繞組。線圈184與轉(zhuǎn)子112隔開(kāi)一定氣隙188。線圈184同排水引導(dǎo)螺槳180固定地連接。此外，線圈184可以同軸承178和翅片182固定地連接。線圈184可以通過(guò)例如粘接或與其形成整體固定地連接于排水引導(dǎo)螺槳180、軸承178和翅片182。在該實(shí)施例中，線圈184固定在通道156的內(nèi)部，但是防水的以避免與流動(dòng)的水形成流體連通。線圈184可以通過(guò)例如外裹環(huán)氧樹(shù)脂、注塑橡膠或塑料、超聲密封或通過(guò)類似的防水裝置另外隔水來(lái)制成防水的。在替代的實(shí)施例中，線圈184可以位于殼體142的外邊，如以上參照?qǐng)D7和8所述的實(shí)施例中那樣。
線圈184還可以由蓋186防水。蓋186定位在密封線圈184鄰近渦輪轉(zhuǎn)子164的一端的位置，如圖9所示。蓋186可以通過(guò)螺紋連接可拆式連接于線圈184或可以通過(guò)粘接固定地連接于線圈184或與其成整體形成。蓋186形成部分地包圍軸承178并經(jīng)向延伸預(yù)定的距離，其等于定子114的半徑。蓋186的該預(yù)定的距離延伸到比渦輪轉(zhuǎn)子164的主體174更接近殼體142的內(nèi)壁。從殼體142的內(nèi)壁到蓋186和主體174的距離差保證流動(dòng)的水的循環(huán)，如將在下文討論的。
在操作過(guò)程中，流過(guò)入口144和流入通道156的水在增壓水流過(guò)通道162時(shí)得到了預(yù)定的增速。流動(dòng)的水由支承件160引導(dǎo)而獲得對(duì)渦輪葉片172的預(yù)定的入射角，其使轉(zhuǎn)子112轉(zhuǎn)動(dòng)。在該實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子112以約15000每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于通道162、渦輪葉片172和蓋182的不同的深度，流動(dòng)的水被循環(huán)于內(nèi)腔176中。流動(dòng)的水在內(nèi)腔176中的循環(huán)提供鄰近定位的軸承178的冷卻和潤(rùn)滑。
在此實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子112例如在大約4000RPM和大約5000RPM之間范圍內(nèi)或者在大約4000RPM和大約12000RPM之間的范圍內(nèi)以大約每分鐘5000轉(zhuǎn)(RPM)轉(zhuǎn)動(dòng)。5000RPM以上的轉(zhuǎn)動(dòng)可以取決于在大約415Kpa到大約690kpa(大約60到100ibs./sq.inch)液體壓力范圍內(nèi)的液體壓力以及大約3.78升/分鐘到大約11.35升/分鐘(大約1-3加侖/分鐘)的液體流速。5000RPM以上的轉(zhuǎn)動(dòng)還可取決于在大約103.4Kpa到大約415kpa(大約15到60PSI)液體壓力范圍內(nèi)的液體壓力以及大約0.76升/分鐘到大約3.78升/分鐘(大約0.2-大約1加侖/分鐘)的液體流速。根據(jù)液體的物理性能和/或制造容差、尺寸、RPM，這里所述的壓力和流速可以變化多達(dá)10％到20％。
為了在這種RPM范圍內(nèi)操作，水力發(fā)電系統(tǒng)可以進(jìn)行最小化以便減小由于流體阻力(或風(fēng)阻損失)造成的低效率。如這里使用那樣，術(shù)語(yǔ)“流體阻力”限定成流體摩擦和/或不利于將動(dòng)能最大程度地轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的任何其它流體作用。
水力發(fā)電系統(tǒng)的最小化使得在轉(zhuǎn)子112轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)經(jīng)受流體的表面面積最小化。另外，水力發(fā)電系統(tǒng)的重量最小化。例如，通道156的直徑在大約6.35毫米到大約51毫米(大約0.25英寸到大約2英寸)的范圍內(nèi)。另外，通道162的深度可以是大約0.76毫米到大約2.54毫米(大約0.03英寸到大約0.1英寸)并且渦輪葉片172的深度可以是大約0.89毫米到大約3.8毫米(大約0.035英寸到大約0.15英寸)。
由于最小化造成所得RPM更高以及流體阻力減小可以使得發(fā)電效率最大。例如，在大約5000RPM和10000RPM之間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生大約0.27和39之間的瓦數(shù)。另外，永磁體168的尺寸(重量)可以設(shè)置成使得水力發(fā)電系統(tǒng)12的發(fā)電最佳。
在水力發(fā)電系統(tǒng)12操作時(shí)，在定子114內(nèi)轉(zhuǎn)子112的高RPM轉(zhuǎn)動(dòng)有效地產(chǎn)生電能。水力發(fā)電系統(tǒng)12能夠產(chǎn)生交流電(AC)。在可選擇實(shí)施例中，水力發(fā)電系統(tǒng)12可以產(chǎn)生直流電(DC)。在另一可選擇實(shí)施例中，水力發(fā)電系統(tǒng)12可設(shè)計(jì)成通過(guò)交流電的整流和穩(wěn)定來(lái)產(chǎn)生直流電和交流電。如上所述，電極的數(shù)量以及線圈184的構(gòu)造和尺寸取決于背壓、所需RPM以及水力發(fā)電系統(tǒng)12的目標(biāo)能量輸出。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3、6、7、8和9，結(jié)合這些圖的實(shí)施例所討論的水力發(fā)電系統(tǒng)12的另一實(shí)施例用于提供多個(gè)電壓與電流電平。通過(guò)在串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)之間切換水力發(fā)電系統(tǒng)12的線圈提供多個(gè)電壓與電流電平。雖然未示出，可以檢測(cè)水力發(fā)電系統(tǒng)12的電壓與電流電平和水處理系統(tǒng)10的當(dāng)前電壓與電流需求的微處理器或其它類似的控制裝置可以用來(lái)選擇性地切換串聯(lián)結(jié)構(gòu)與并聯(lián)結(jié)構(gòu)之間的線圈。線圈的選擇開(kāi)關(guān)可以用于產(chǎn)生直流電(DC)或交流電(AC)的實(shí)施例。
例如，某些紫外(UV)光源需要較低的預(yù)定交流電用以初始供能和較高的電壓水平。在初始供能以后，UV光源需要較高的交流電但需要較低的電壓水平以保持供給的能量。在例如水處理系統(tǒng)中，UV光源可以是低壓汞燈或冷陰極等，并且通過(guò)鎮(zhèn)流器提供啟動(dòng)電源和運(yùn)行狀態(tài)電壓。另外，水力發(fā)電系統(tǒng)12可以提供下面描述的鎮(zhèn)流器功能，并且可以省略鎮(zhèn)流器。汞燈和/或冷陰極等可以從水中去除細(xì)菌和其它雜質(zhì)。
在操作過(guò)程中，當(dāng)水力發(fā)電系統(tǒng)12產(chǎn)生電能時(shí)，由微處理器選擇地將線圈置于串聯(lián)結(jié)構(gòu)中。該串聯(lián)結(jié)構(gòu)以預(yù)定的電壓水平產(chǎn)生預(yù)定的交流電，其能夠初始給UV光源供能。在給UV光源的初始供能以后，線圈被選擇性地再組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)以提供在能夠保持給UV光源供能的預(yù)定電壓水平下的預(yù)定的交流電。水力發(fā)電系統(tǒng)12的線圈的切換，如上所述，可以為由水力發(fā)電系統(tǒng)12供電的任何系統(tǒng)中的任何電裝置提供不同的電壓與電流要求。
在另一實(shí)施例中，結(jié)合以上所述實(shí)施例所討論的水力發(fā)電系統(tǒng)12可以設(shè)有多個(gè)分接頭以表示不同的形成各繞組的線圈組。這些分接頭可用于通過(guò)電連接不同的線圈數(shù)目以形成各繞組來(lái)提供多個(gè)不同的預(yù)定電壓水平。水處理系統(tǒng)10可以構(gòu)成使在操作過(guò)程中利用微處理器或其它類似的裝置在各分接頭之間進(jìn)行切換。因此，在上述的UV光源實(shí)例中，一個(gè)分接頭可用于初始供能而另一分接頭可用于連續(xù)操作。此外，不同的分接頭可以在運(yùn)行著的基礎(chǔ)上用于根據(jù)電裝置的電能要求操作水處理系統(tǒng)10中的各不同的電裝置。分接頭切換還可以用來(lái)控制發(fā)電機(jī)的RPM。在RPM低于所需閾值時(shí)，例如，分接頭可以調(diào)節(jié)以便脫離線圈，由此增加RPM。水力發(fā)電系統(tǒng)12的分接頭切換還可為由水力發(fā)電系統(tǒng)12供電的任何系統(tǒng)提供不同的電壓級(jí)。
在結(jié)合上述實(shí)施例所討論的水力發(fā)電系統(tǒng)12的又一實(shí)施例中，存在的反電磁力(EMF)被有利地減小。如在本領(lǐng)域中已知的，永磁體發(fā)電機(jī)的反EMF因通量集中器而增加，后者是由發(fā)電機(jī)芯體中的許多金屬疊片形成的。通量集中器可用于改進(jìn)發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，但必須克服傳送的反EMF以便轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子。
在水力發(fā)電系12應(yīng)用于水處理系統(tǒng)10的情況下，某些UV光源在啟動(dòng)和操作過(guò)程中具有不同的電能需要。采用水力發(fā)電系統(tǒng)12的上述實(shí)施例并且不包含通量集中器時(shí)，可以滿足UV光源的操作要求。
在操作過(guò)程中，在給水處理系統(tǒng)10供能以前，水力發(fā)電系統(tǒng)12上的轉(zhuǎn)動(dòng)載荷(反EMF)可以是較小的。轉(zhuǎn)動(dòng)載荷可以是較小的是因?yàn)樵搶?shí)施例的水力發(fā)電系統(tǒng)12并不包含通量集中器并且水處理系統(tǒng)10還沒(méi)有利用電能。消除通量集中器造成變動(dòng)力矩減小，由此水電發(fā)電機(jī)快速加快轉(zhuǎn)動(dòng)。因而，當(dāng)水流過(guò)水力發(fā)電系統(tǒng)12時(shí)，轉(zhuǎn)子可在較短的時(shí)期內(nèi)加速到預(yù)定的較高RPM。
較高的RPM以預(yù)定的交流電流(AC)提供預(yù)定的電壓(啟動(dòng)電壓)，該預(yù)定的交流電流能夠初始供能給例如水處理系統(tǒng)10中的UV光源。在給UV光源初始供能以后，水力發(fā)電系統(tǒng)12上的轉(zhuǎn)動(dòng)載荷增加從而降低轉(zhuǎn)子的RPM。該較低的轉(zhuǎn)子RPM提供預(yù)定的低電壓與相應(yīng)預(yù)定的交流電(AC)從而可以連續(xù)地供能給UV光源。讀者應(yīng)該理解由該實(shí)施例的水力發(fā)電系統(tǒng)12提供的“即時(shí)”能力可以排除水處理系統(tǒng)10中為驅(qū)動(dòng)UV光源所需要的儲(chǔ)能裝置，這是由于UV光源幾乎在水開(kāi)始流動(dòng)時(shí)啟動(dòng)。
圖11是以部分截面圖表示的水力發(fā)電系統(tǒng)12的另一實(shí)施例。與前面實(shí)施例類似，水力發(fā)電系統(tǒng)12可以用于水處理系統(tǒng)10。另外，水力發(fā)電系統(tǒng)12可以包括在具有流動(dòng)增壓液體的任何其它形式的系統(tǒng)中。水力發(fā)電系統(tǒng)12還可包括水處理系統(tǒng)的例如UV光源、過(guò)濾器、電子器件等結(jié)構(gòu)。
所示的水力發(fā)電系統(tǒng)12包括已經(jīng)拆卸側(cè)蓋的外殼體1102。另外，水力發(fā)電系統(tǒng)12包括內(nèi)殼體1104、對(duì)中桿1106和噴嘴1108。外殼體1102可以是塑料、金屬、碳纖維或其它剛性材料并包括空腔1110?？涨?110是一個(gè)氣隙，該氣隙設(shè)置尺寸以便容納內(nèi)殼體1104，而使得內(nèi)殼體1104接觸外殼體1102的內(nèi)表面1112。同樣包括在外殼體1102中的是出口1114。出口1114可以是開(kāi)口，該開(kāi)口使得外殼體1102中存在的液體通過(guò)重力從空腔1110排出，以便在操作中保持氣隙。
內(nèi)殼體1104可以是大致圓柱形的并由塑料、金屬、碳纖維或其它類似材料制成。內(nèi)殼體1104可以安裝在外殼體1102上以便在外殼體1102的空腔1110內(nèi)圍繞對(duì)中桿1106的至少一部分。對(duì)中桿1106可以和外殼體1102固定連接并延伸到內(nèi)殼體1104內(nèi)。對(duì)中桿1106可以是例如不銹鋼的任何剛性、縱向延伸材料。
多個(gè)套筒1116可以和內(nèi)殼體1104連接并圍繞對(duì)中桿1106。每個(gè)套筒1116可以是由塑料、金屬或其它類似材料制成的襯套。套筒1116可以形成容納對(duì)中桿1106的開(kāi)口以及形成為安裝在內(nèi)殼體1104的外表面內(nèi)的開(kāi)口內(nèi)的外表面。套筒1116中的開(kāi)口可以足夠大以便使得套筒1116圍繞對(duì)中桿116在外殼體1102內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，而不接觸對(duì)中桿1106。套筒1116的外表面可以和內(nèi)殼體1104的外表面固定連接，使得內(nèi)殼體1104和套筒1116一起轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，套筒1116和內(nèi)殼體1104可以單獨(dú)圍繞對(duì)中桿1106轉(zhuǎn)動(dòng)。
內(nèi)殼體1104還可包括多個(gè)固定連接并從內(nèi)殼體1104的外表面1120向外延伸的多個(gè)漿葉1118。漿葉1118可以由塑料、碳纖維、金屬或其它類似材料制成。漿葉1118可以垂直于內(nèi)殼體1104的外表面定位，使得當(dāng)內(nèi)殼體1104轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)漿葉1118在某些點(diǎn)處靠近噴嘴1108定位。
噴嘴1108可以安裝成延伸到內(nèi)殼體1104和出口1114之間的空腔1110內(nèi)，如圖所示。與圖1-5所示的噴嘴14類似，噴嘴1108增加增壓液體的速度。以第一速度供應(yīng)到噴嘴入口1122的增壓液體流過(guò)噴嘴1108，并以第二速度從噴嘴出口1124排出，第二速度顯著高于第一速度。通過(guò)噴嘴1108排出到空腔內(nèi)的液體引導(dǎo)通過(guò)漿葉1118處的氣隙。
圖12是從噴嘴入口1122觀看(圖11)的噴嘴1108的端視圖。噴嘴1108包括通道1202，通道是朝著噴嘴出口1202(圖11)減小直徑的軸向孔。包括在通道1202的是凸肋1204。凸肋1204與噴嘴1108的內(nèi)表面1206連接并從內(nèi)表面1206向外朝著噴嘴1108的中心軸線1208延伸。
圖13是圖12所示包括凸肋1204的噴嘴1108的剖視底視圖。穿過(guò)噴嘴1108的通道1202包括靠近噴嘴入口1122的第一傾斜部分1302，隨后是第一直部分1304、漸縮部分1306、第二傾斜部分1308以及形成噴嘴出口1124的第二直部分1310。在噴嘴入口1122處，通道1202可以是例如10.8毫米預(yù)定入口直徑。在第一傾斜部分1302內(nèi)，通道1202的直徑可以朝著噴嘴出口1124相對(duì)于中心軸線1208呈例如大約20度的預(yù)定角度θ均勻減小直徑。
在第一直部分1304處，通道1202的直徑可以是例如大約5.8毫米的預(yù)定第一噴嘴直徑。通過(guò)通道1202的第一直部分1304，內(nèi)表面1206可以大致平行于中心軸線1208，并因此保持在第一噴嘴直徑上。在漸縮部分1306，內(nèi)表面1202可以具有曲率半徑。曲率半徑可以形成具有例如8.7毫米的預(yù)定半徑的圓的一部分。第二傾斜部分1308內(nèi)的通道1202的直徑可以朝著噴嘴出口1124相對(duì)于中心軸線1208呈例如大約20度的預(yù)定角度e均勻減小。第二直部分1310可以通過(guò)將通道1202保持在例如1.85毫米的預(yù)定第二噴嘴直徑上而形成噴嘴出口1124。
第一和第二噴嘴直徑可以根據(jù)供應(yīng)到噴嘴1108的液體壓力的所得范圍來(lái)確定。在一個(gè)實(shí)例中，第一直部分1304的直徑可以保持相對(duì)不變，并且第二直部分1301的直徑可以根據(jù)引入噴嘴1108的液體壓力來(lái)改變。例如，第一直部分1304的直徑可以保持在大約5.8毫米，并且第二直部分1301的直徑形成大約1.9毫米或更小。因此，噴嘴1108的第二直部分1301的直徑(噴嘴出口1124)是噴嘴1108的第一直部分1304直徑的大約33％或更少.
在另一實(shí)例中，對(duì)于噴嘴入口1122處的液體壓力在大約34kPa和850kPa(大約5和125PSI之間)來(lái)說(shuō)，第二直部分1301可以形成在大約0.8毫米和大約1.9毫米之間(大約0.03和0.075英寸)的范圍內(nèi)。在此實(shí)例中，噴嘴1108可以在噴嘴1108的第一直部分1304直徑的大約14％和大約33％之間。此實(shí)例中通過(guò)噴嘴1108的所得流速可以在34kPa下的大約0.44升/分鐘到大約850kPa下的大約4.16升/分鐘(大約0.115加侖/分鐘到大約1.1加侖/分鐘)的范圍內(nèi)。
凸肋1204可以是減小流過(guò)通道1102的液體渦流和其它非分層性能的任何構(gòu)造。所示凸肋1204在噴嘴入口1122處開(kāi)始并沿著中心軸線1208延伸預(yù)定距離通過(guò)第一傾斜部分1302、第一直部分1304，并進(jìn)入漸縮部分1306。盡管示出具有均勻?qū)挾龋谄渌鼘?shí)例中，凸肋1204可以包括一個(gè)或多個(gè)漸縮寬度部分、泡體、彎曲或任何其它構(gòu)造，以便提高液體通過(guò)噴嘴1108的分層流動(dòng)。另外，凸肋1204的長(zhǎng)度可以比所示更長(zhǎng)或更短，以便更好地消除液體流過(guò)通道1202的渦流。
圖14是包括圖12所示凸肋1204的噴嘴1108的剖視側(cè)視圖。在通道1202的噴嘴入口1122處，示例性的凸肋1204從內(nèi)表面1206朝著中心軸線1208向外延伸預(yù)定第一距離。當(dāng)凸肋1204沿著中心軸線1208朝著噴嘴出口1124延伸時(shí)，凸肋1204從內(nèi)表面1206延伸的距離逐漸減小到零。在所示實(shí)例中，凸肋1204漸縮以便在凸肋1204沿著中心軸線1208朝著噴嘴出口1124延伸時(shí)延伸逐漸進(jìn)一步離開(kāi)中心軸線1208的距離。另外，內(nèi)表面1206和中心軸線1208之間的距離朝著噴嘴出口1124變得更小，進(jìn)一步漸縮凸肋1204，如圖所示。在其它實(shí)例中，凸肋1204可形成任何其它形狀，以便減小渦流作用并增加液體通過(guò)噴嘴1108的分層流動(dòng)。
再次參考圖11，在操作中，流過(guò)噴嘴1108的液體可以保持分層流動(dòng)，同時(shí)液體的速度在噴嘴1108內(nèi)加速。液體可以高速?gòu)膰娮?108排出。由于大致的分層流動(dòng)，在排放之后，液體流可保持具有與噴嘴出口1124大致相同直徑的良好限定的液流。因此，由液流產(chǎn)生的液體飛濺減小，并且流動(dòng)液體的動(dòng)能集中在相對(duì)小的區(qū)域內(nèi)。
液流可以在漿葉118處引導(dǎo)。在沖擊漿葉118時(shí)，液體中的動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)換成內(nèi)殼體1104的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。當(dāng)內(nèi)殼體1104轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)漿葉1118可進(jìn)入從噴嘴1108排出的高速液流中，并接收流動(dòng)液流中的大致所有的動(dòng)能。
一旦動(dòng)能從液體提取，液體通過(guò)重力落到出口1114，并引導(dǎo)離開(kāi)外殼體1102。由于通道引導(dǎo)，外殼體1102大致沒(méi)有液體。盡管由于從噴嘴1108排出的恒定液流，會(huì)存在某些液體，通道引導(dǎo)可以使得外殼體1102內(nèi)的液位保持足夠低，使得噴嘴1108和內(nèi)殼體1104不浸入液體中。因此，噴嘴1108和內(nèi)殼體1104在外殼體1102內(nèi)的氣隙中操作，其中流體阻力損失最小。
某些液體臨時(shí)保持在漿葉1118上，并且通過(guò)內(nèi)殼體1104的轉(zhuǎn)動(dòng)力甩到外殼體1102的外表面1112上。另外，某些液體可沖擊漿葉1118，并反射到內(nèi)表面1112上。
內(nèi)表面1112可形成導(dǎo)管以便減小空腔1110內(nèi)的液體飛濺。通過(guò)將多余的液體保持離開(kāi)轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)殼體1104，空腔1110內(nèi)液體飛濺的減小使得轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)殼體1104的液體阻力損失最小。包括在內(nèi)表面1112上的導(dǎo)管還可形成螺旋圖案，該圖案設(shè)計(jì)成有效地收集液體飛濺并將液體引導(dǎo)到出口1114。因此，在操作期間空腔1110大致保持沒(méi)有液體，并大致填充空氣(或其它氣體)，使得噴嘴1108的噴嘴出口1124不浸入液體中。
圖15在圖11的外殼體1102的截面圖中表示內(nèi)表面1112的一個(gè)實(shí)例。內(nèi)表面1112包括以從內(nèi)表面1112朝著內(nèi)殼體1104(圖11)向外延伸的多個(gè)指形件1502為形式的導(dǎo)管。每個(gè)指形件1502可以形成單獨(dú)的金字塔形構(gòu)件。換言之，指形件1502可以是凹槽、環(huán)件、支承件、軌道或外殼體1102的內(nèi)表面1112內(nèi)的任何其它不規(guī)則形狀。指形件1502可以定位成預(yù)定圖案。根據(jù)從轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)殼體1104和漿葉1118飛濺的液體的模擬或分析，該圖案可以是螺旋圖案，以便減小液體飛濺，并且使得液體最大限度地引導(dǎo)到出口1114(圖11)。
指形件1502可減小接觸外殼體1102的內(nèi)表面1112的液體的液體飛濺。另外，指形件1502可以構(gòu)造成將水引導(dǎo)到中心通道1504和包括在外殼體1102內(nèi)的外通道1506。中心通道1504和外通道1506可以是V形凹槽或?qū)Ч艿哪承┢渌问?，以便將液體朝著出口1114引導(dǎo)(圖11)。內(nèi)表面1112還可包括多個(gè)分支通道1508。分支通道1508可以是內(nèi)表面1112內(nèi)的弧形通路，該通路將液體引導(dǎo)到中心通道1504或外通道1506。根據(jù)從轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)殼體1104和漿葉1118飛濺的液體的模擬或分析，通道還可定位成螺旋圖案，以便減小液體飛濺，并且使得液體最大限度地引導(dǎo)到出口1114(圖11)。
指形件1502可沿著每個(gè)分支通道1508定位。在指形件1502上的液體可以被指形件1502“截留”。液體可流動(dòng)離開(kāi)指形件1502進(jìn)入分支通道1508，并接著進(jìn)入中心通道1504或外通道1506。
圖16是圖11所示外殼體1102的側(cè)視圖，其中拆卸內(nèi)殼體1104和對(duì)中桿1106以便于說(shuō)明。外殼體1102的內(nèi)表面1112包括沿著形成用于內(nèi)表面1112內(nèi)的液體的弧形通路的多個(gè)分支通道1602放置的指形件1502。通過(guò)指形件1503“截留”的液體流動(dòng)離開(kāi)指形件1502進(jìn)入分支通道1602，并引導(dǎo)到外通道1506中(圖14)和/或出口1114。
圖17是圖11所示包括出口1114的外殼體1102的底部的截面圖。殼體1102的底部類似地包括多個(gè)分支通道1702，分支通道是將液體引導(dǎo)到出口1114的弧形通道。指形件1502可以沿著每個(gè)分支通道1702放置。
圖18是圖11所示包括對(duì)中桿1106的內(nèi)殼體1104的分解透視圖。同樣包括在內(nèi)殼體1104內(nèi)的是套筒1116、漿葉1118、第一輪轂1802、第二輪轂1804、轉(zhuǎn)子1806和定子1808。對(duì)中桿1106可以沿著中心軸線1812延伸通過(guò)內(nèi)殼體1104，并且與套筒1116協(xié)同操作以便提供定子1808的對(duì)中功能。套筒1116可以形成為軸向安裝在形成在每個(gè)第一和第二輪轂1802和1804的第一端內(nèi)的套筒開(kāi)口1816內(nèi)。
第一和第二輪轂1802和1804可以由塑料、碳纖維或任何其它剛性材料制成。每個(gè)第一和第二輪轂1802和1804可以是大致圓柱形并形成具有開(kāi)口端1818的空腔。開(kāi)口端1818可以位于與包括套筒開(kāi)口1816的第一端相對(duì)的第二端處。第一和第二輪轂1802和1804可以在開(kāi)口端1818連接在一起，以便形成內(nèi)殼體1104的外表面1120(圖11)。
每個(gè)第一和第二輪轂1802和1804包括保持環(huán)1820。保持環(huán)1820包括圍繞平行于中心軸線1812的開(kāi)口端1818的邊緣向外延伸的多個(gè)凸耳1822。多個(gè)細(xì)槽1824可以形成在保持環(huán)1820內(nèi)的每個(gè)凸耳1822之間。凸耳1822可以對(duì)準(zhǔn)以便在第一和第二輪轂1802和1804在開(kāi)口端1818處連接時(shí)相鄰地相互接觸。因此細(xì)槽1824還可在第一和第二輪轂1802和1804之間對(duì)中以便形成開(kāi)口。
第一和第二輪轂1802和1804還包括圍繞內(nèi)殼體1104的外表面同心順序布置的多個(gè)排放口1826。排放口1826形成使得內(nèi)殼體1104內(nèi)的空腔和內(nèi)殼體1104外部流體連通的開(kāi)口。因此，液體可經(jīng)由排放口1826進(jìn)入或流出內(nèi)殼體1104。
當(dāng)內(nèi)殼體1104轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于形成與轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的離心力，內(nèi)殼體1104內(nèi)的液體經(jīng)由排放口1826流出。因此，通過(guò)在內(nèi)殼體1104以高RPM轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將液體經(jīng)由排放口1826及時(shí)排出，減小由于內(nèi)殼體1104內(nèi)的液體造成的流體阻力損失。轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)殼體1104因此可以保持空腔內(nèi)大致沒(méi)有液體?？涨豢梢源笾赂稍锊⑻畛淇諝?或某些其它氣體)。盡管空腔可以是潮濕的，空腔可保持少量液體，足以實(shí)現(xiàn)有效的操作。排放口126還提供穿過(guò)內(nèi)殼體1104的氣流以便冷卻。
多個(gè)保持件1828位于形成在每個(gè)第一和第二輪轂1802和1804內(nèi)的空腔內(nèi)，保持件從第一和第二輪轂1802和1804向外朝著中心軸線1812延伸。保持件1828可以隔開(kāi)預(yù)定距離定位，以便在保持件1828之間形成多個(gè)缺口1830。保持件1828可以形成第一和第二輪轂1802和1804的整體部分。另外，保持件1828可以由塑料、金屬、碳纖維或與各自空腔內(nèi)的每個(gè)第一和第二輪轂1802和1804的內(nèi)表面連接的任何其它剛性材料分開(kāi)制成。
轉(zhuǎn)子1806可包括保持環(huán)1834和磁體1836。保持環(huán)1834可以是由鐵或類似鐵素體(或非鐵素體)材料形成的圓柱形套筒。當(dāng)?shù)谝缓偷诙嗇?802和1804連接在一起時(shí)，保持環(huán)1834的一部分定位在每個(gè)第一和第二輪轂1802和1804的空腔內(nèi)。保持環(huán)1834可以和每個(gè)第一和第二輪轂1802和1804內(nèi)的保持件1828連接，使得保持環(huán)1834和內(nèi)殼體1104一起轉(zhuǎn)動(dòng)。保持環(huán)1834可以構(gòu)造成通量集中器，以便和磁體1836操作，來(lái)改善發(fā)電機(jī)效率。
磁體1836可以和保持環(huán)1834連接，并且同樣和內(nèi)殼體1104一起轉(zhuǎn)動(dòng)。磁體1836可以是永磁體，例如燒結(jié)或粘接的釹鐵硼(NdFeB)稀土磁體。磁體1836可以形成連續(xù)的單個(gè)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有沿著該結(jié)構(gòu)構(gòu)造的所需數(shù)量的北極和南極。另外，多個(gè)單獨(dú)的磁體可以和保持件1834對(duì)準(zhǔn)并與其連接。
通過(guò)將磁體1836和保持件1828直接連接，可以有利地減小發(fā)電機(jī)的反EMF。因此，可以消除保持環(huán)1834。如上所述，減小反EMF可以更快加速，這對(duì)于例如提供UV光源的“及時(shí)”性能的某些負(fù)載來(lái)說(shuō)是有利的。
定子1808可以形成纏繞一個(gè)或多個(gè)定子繞組(未示出)的多個(gè)極1840，如上所述。極1840可以是與安裝板1842連接的金屬層壓件。安裝板1842可以是金屬、塑料或任何其它材料，并可以和對(duì)中桿1106連接。定子1808可以定位在由第一和第二輪轂1802和1804形成的空腔內(nèi)，使得磁體1836圍繞靠近極1840的定子1808定位，其中具有氣隙。
由于繞組可以由在線材上涂覆例如搪瓷的非傳導(dǎo)材料，以便形成繞組，定子1808可以濕式或干式操作。另外，繞組可以覆蓋模制塑料、橡膠或其它防水材料。除了提供防水性能以外，這種覆蓋模制還可減小內(nèi)殼體1104以高速圍繞定子1808轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的流體阻力損失。
轉(zhuǎn)子1806和定子1808相結(jié)合可以形成產(chǎn)生三相電能的發(fā)電機(jī)。另外，發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生單相電能。由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能可以提供到電能供應(yīng)線1844上。電能供應(yīng)線1844可以電連接到定子1808的繞組上。電能供應(yīng)線1844可以引導(dǎo)通過(guò)沿著穿過(guò)對(duì)中桿1106的中心軸線1812延伸的通道。除了電能之外，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)和/或產(chǎn)生的電能可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便根據(jù)流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。
定子1808和磁體1836之間的氣隙可以通過(guò)磁體1836的磁場(chǎng)和對(duì)中桿1106和圍繞套筒1116相結(jié)合來(lái)保持。定子1808可以和對(duì)中桿1106連接。因此，當(dāng)內(nèi)殼體1104以及轉(zhuǎn)子1806轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的磁場(chǎng)在定子1808的繞組內(nèi)產(chǎn)生電能。
在操作中，內(nèi)殼體1104可以通過(guò)單個(gè)高速液流以例如5000RPM以上的相對(duì)高的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于內(nèi)殼體1104的相對(duì)小的尺寸以可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)高的RPM，并減小流體阻力損失。大致圓柱形內(nèi)殼體1104的直徑可以小于大約40毫米，例如在大約40毫米到大約10毫米之間的范圍內(nèi)。由于噴嘴1108的噴嘴出口1124的直徑(圖11)可以在大約1.9毫米到0.8毫米的范圍內(nèi)，噴嘴出口1124在殼體1104直徑的大約4.75％和大約8％之間。
內(nèi)殼體1104的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電量可以取決于由噴嘴1108排出的液體速度(圖11)以及內(nèi)殼體1104的直徑。因此，對(duì)于在液體壓力和流速范圍內(nèi)的噴嘴1108的噴嘴出口1124(圖11)的直徑范圍以及內(nèi)殼體1104的直徑范圍來(lái)說(shuō)，可以輸出一定范圍的電能。例如，在大約0.8毫米和大約1.9毫米之間的噴嘴1108的噴嘴出口1124的直徑范圍可以排出大約0.44升/分鐘和大約4.16升/分鐘(大約0.115加侖/分鐘和大約1.1加侖/分鐘)的量。流速可以取決于噴嘴入口1122(圖11)處的大約34kPa和大約413kPa之間的壓力范圍(大約51b/sq.in和大約601b/sq.in)。內(nèi)殼體1104的所得轉(zhuǎn)動(dòng)可以產(chǎn)生大約0.25瓦和大約30瓦之間的電能。在此實(shí)例中來(lái)自發(fā)電機(jī)的電能可以直接驅(qū)動(dòng)UV燈或電子器件和/或可以整流以便為例如電容器、超級(jí)電容器、超高電容器和/或電池的儲(chǔ)能裝置充電。
磁體1836還可提供內(nèi)殼體1104的平衡和對(duì)準(zhǔn)。磁體1836的重量可以構(gòu)造成轉(zhuǎn)動(dòng)平衡內(nèi)殼體1104的轉(zhuǎn)動(dòng)以便增加效率。因此，殼體1104可以在高PRM下平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，其中使得與不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的振動(dòng)或其它作用最小。如上所述，由于在高RPM下有效地發(fā)電，還可減小磁體1836的重量。
另外，磁體1836的磁場(chǎng)可以保持轉(zhuǎn)子1806以及內(nèi)殼體1104和定子1808對(duì)準(zhǔn)。磁體1836的大致相同分布的磁場(chǎng)可以軸向?qū)?zhǔn)轉(zhuǎn)子1806和定子1808。因此，內(nèi)殼體1104可還可軸向?qū)?zhǔn)對(duì)中桿1106。套筒1116和對(duì)中桿1106可以幫助對(duì)準(zhǔn)內(nèi)殼體1104，但是，內(nèi)殼體1104可以通過(guò)磁體1836的磁場(chǎng)與對(duì)中桿1106對(duì)準(zhǔn)地懸浮。因此，圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)套筒1116和非轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)中桿1106之間的摩擦損失可以最小。另外，當(dāng)水力發(fā)電系統(tǒng)12垂直、水平安裝時(shí)，磁場(chǎng)可以保持內(nèi)殼體1104和定子1808之間的相對(duì)位置關(guān)系，而不使用固定件、鎖栓或任何其它機(jī)構(gòu)來(lái)保持相對(duì)定位。
如圖11和18所示，漿葉1118可形成同心圍繞內(nèi)殼體1104的環(huán)件。漿葉1118可以是與內(nèi)殼體1104的外表面連接的單獨(dú)制造的部件。每個(gè)漿葉1118可以保持就位在一個(gè)缺口1824內(nèi)，以便在第一和第二輪轂1802和1804連接在一起時(shí)形成環(huán)件。另外，漿葉1118可以通過(guò)粘接、焊接、摩擦配合或任何其它機(jī)構(gòu)單獨(dú)連接或成組連接到第一和/或第二輪轂1802和1804上。
漿葉1118可以單獨(dú)制造并接著組裝成環(huán)件以便減小成本并改善制造性能。另外，內(nèi)殼體1104的直徑以及漿葉1118的直徑可以變化，而不顯著改變單獨(dú)漿葉1118的幾何形狀。第一和第二輪轂1802和1804內(nèi)的每個(gè)單獨(dú)漿葉1118以及保持環(huán)1820的構(gòu)造可以相互協(xié)作以便將漿葉1118在缺口1824中保持就位。
圖19是圖18所示一個(gè)漿葉1118的實(shí)例的同時(shí)。所示漿葉1118可以是大致凹入的并且包括底部1902、第一漿葉部分1904、第二漿葉部分1906和細(xì)槽1908。底部1902可以形成為安裝在第一和第二輪轂1802和1804(圖18)的相鄰細(xì)槽1824內(nèi)(圖18)。底部1902可包括下表面1912和支腳1914。下表面1912可以與第一和第二輪轂1802和1804(圖18)的內(nèi)表面的曲率半徑類似的預(yù)定曲率半徑彎曲。支腳1914可以是大致三角形形狀并包括第一傾斜表面1916、第二傾斜表面1918和表面1920。
現(xiàn)在參考圖18和19，當(dāng)漿葉1118安裝在內(nèi)殼體1104中時(shí)，底部1902可布置在每個(gè)第一和第二輪轂1802和1804的相鄰定位的缺口1824中。每個(gè)漿葉1802的支腳1914可通過(guò)第一和第二輪轂1802和1804上的凸耳1822保持在缺口1824中。在所示實(shí)例中，第一和第二傾斜表面1916和1918可以各自相鄰地接觸每個(gè)第一和第二輪轂1802和1804上的一個(gè)凸耳1822。另外，表面1920可以相鄰地接觸相鄰安裝的漿葉1118。
圖20是表示第一和第二漿葉部分1904和1906和支腳1914的圖19的漿葉1118的截面頂視圖。同樣表示的是漿葉1118的后表面2002。當(dāng)漿葉1118安裝在內(nèi)殼體104上時(shí)(圖11)，后表面2002可以相鄰地接觸相鄰安裝的漿葉1118的支腳1914的表面1920(圖19)。每個(gè)漿葉1118的底部1902可以形成靠近內(nèi)殼體1104的外表面的完整同心環(huán)的一部分。漿葉1118可以通過(guò)摩擦配合、粘接、焊接或任何其它連接機(jī)構(gòu)或材料保持就位。
再次參考圖19，第一和第二漿葉部分1904和1906可各自設(shè)置能夠接收高速液流的分開(kāi)的凹口或凹入部。如圖20清楚示出，每個(gè)第一和第二漿葉部分1904和1906可以是橢圓形的，以便使得液流最佳地沖擊漿葉部分1904和1906。當(dāng)內(nèi)殼體1104(圖11)以高RPM轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，細(xì)槽1918使得液流有效地沖擊每個(gè)漿葉1118。
前面所述的水力發(fā)電系統(tǒng)12還可包括水處理系統(tǒng)的能力。在一個(gè)實(shí)例中，水力發(fā)電系統(tǒng)12可以安裝在水龍頭或其它潔具上。安裝在水龍頭上的水力發(fā)電系統(tǒng)12的入口可以連接到水龍頭的水出口端上。除了所述的發(fā)電能力之外，水力發(fā)電系統(tǒng)12可以包括碳過(guò)濾器和紫外線(UV)燈。另外，水力發(fā)電系統(tǒng)12可以包括液體轉(zhuǎn)換器以便在不需要處理水時(shí)旁通水力發(fā)電系統(tǒng)12。水力發(fā)電系統(tǒng)12還可包括例如微處理器的以便監(jiān)測(cè)UV燈和過(guò)濾器的壽命的處理裝置。水力發(fā)電系統(tǒng)12可提供所述的液流檢測(cè)以便用來(lái)監(jiān)測(cè)過(guò)濾器壽命。另外，可以采用微處理器來(lái)監(jiān)測(cè)UV燈壽命結(jié)束。另外，可以通過(guò)微處理器動(dòng)態(tài)指示分接頭和/或線圈切換，以便提供用于所述的開(kāi)始啟動(dòng)UV燈以及隨后驅(qū)動(dòng)UV燈的第一電壓。
還可通過(guò)水力發(fā)電系統(tǒng)12提供需要電源并涉及增壓液流的其它應(yīng)用。例如，具有需要電源來(lái)操作的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器、電操作閥或任何其它裝置的潔具可以被包括作為水力發(fā)電系統(tǒng)12的一部分。
圖21是用于被包括作為水力發(fā)電系統(tǒng)一部分的例如坐便器或小便池的盥洗室的示例性潔具2100的透視圖。潔具2100包括用于接收水的水入口2102和用于排出水的水出口2104。潔具2100還包括閥模塊2106、電子模塊2108和發(fā)電模塊2110。在其它實(shí)例中，水龍頭、噴頭或具有控制閥的、水入口和水出口的任何其它潔具類似地包括在水力發(fā)電系統(tǒng)中。如這里使用，術(shù)語(yǔ)“潔具”限定成包括例如水龍頭、盥洗室沖洗機(jī)構(gòu)、噴射器以及噴頭的衛(wèi)生間相關(guān)裝置。另外，潔具可包括用來(lái)在小于大約1034kPa(大約150ibs./sq.inch)的壓力下控制和/或引導(dǎo)液流的噴射器、噴灑器或任何其它裝置和機(jī)構(gòu)。
圖22是包括入口2102、出口2104、閥模塊2106、電子模塊2108和發(fā)電模塊2110的圖21所示示例性潔具2100的剖視側(cè)視圖。
閥模塊2106包括電操作閥2202。電操作閥2202可以是能夠用電壓和電流致動(dòng)以便開(kāi)啟和關(guān)閉液體流路的任何電子機(jī)械閥裝置。在啟動(dòng)時(shí)，電操作閥2202可運(yùn)動(dòng)到經(jīng)由閥模塊2106開(kāi)啟液體流路的位置。當(dāng)液體流路開(kāi)啟時(shí)，入口2102供應(yīng)的增壓液體可流過(guò)閥模塊2106以及發(fā)電模塊2110到出口2104。在斷電時(shí)，電操作閥2202可閉合液體流路，經(jīng)由閥模塊2106和發(fā)電模塊2110停止液流。
發(fā)電模塊2110包括與圖11-20所述實(shí)施例類似的外殼體1102、內(nèi)殼體1104、對(duì)中桿1106和噴嘴1108。因此，將不重復(fù)這些結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述。在其它實(shí)例中，與任何其它所述實(shí)施例類似的結(jié)構(gòu)和/或部件可以包括在發(fā)電模塊2110中。外殼體1102還可包括排水口2204，以便在和內(nèi)殼體1104沖擊之后將液體朝著出口2104引導(dǎo)。內(nèi)殼體1102可作為一個(gè)單元從潔具中取出以便維護(hù)和/或修復(fù)。供應(yīng)到入口2102的增壓液體通過(guò)噴嘴1108加速到高速，并在定位在內(nèi)殼體1104的外表面上的漿葉1118處引導(dǎo)液流。
高速液流中的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能以便以高RPM轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)殼體1104。液體通過(guò)重力落入潔具2100的水出口2104。外殼體1102的空腔內(nèi)的液體飛濺還可通過(guò)外殼體1102的內(nèi)表面1112和排水口的構(gòu)造引導(dǎo)到水出口2104。內(nèi)殼體1104的高RPM轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)包括在內(nèi)殼體1104中的永磁體發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。電能通過(guò)電能供應(yīng)線1844上的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。電能供應(yīng)線1844可以采用對(duì)中桿1106內(nèi)的通道和導(dǎo)管2206引導(dǎo)到電子模塊2108。
電子模塊2108可包括用于潔具2100的任何相關(guān)電路和部件。電子器件殼體2108包括閥控制器2226、儲(chǔ)能裝置2228、功率控制器2230和傳感器2332。閥控制器2226可以是電操作閥2202的一部分，并可以是使用電壓和電流啟動(dòng)電操作閥2202開(kāi)啟和閉合的任何裝置。閥控制器2226可以包括電馬達(dá)、轉(zhuǎn)動(dòng)致動(dòng)器、電磁閥或能夠運(yùn)動(dòng)閥機(jī)構(gòu)的任何其它裝置。另外，閥控制器2226可以包括限制開(kāi)關(guān)或任何其它形式的位置檢測(cè)裝置，以便確定電操作閥2202的位置。閥控制器2226可以通過(guò)儲(chǔ)能裝置2228供電。
儲(chǔ)能裝置2228可以是電池和/或電容器和/或能夠以電壓和電流形式儲(chǔ)能的任何其它回路或裝置。功率控制器2230和閥控制器2226以及儲(chǔ)能裝置238連接。功率控制器2230可具有能夠監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能裝置2228內(nèi)的電壓大小并控制電操作閥2202的操作的任何回路或裝置。
在操作中，儲(chǔ)能裝置2228內(nèi)的電壓大小通過(guò)功率控制器2230來(lái)監(jiān)測(cè)。當(dāng)電壓減小到預(yù)定閾值以下時(shí)，電操作閥2202可以啟動(dòng)以便通過(guò)功率控制器2230開(kāi)啟。電能從儲(chǔ)能裝置2228供應(yīng)到閥控制器2226以便啟動(dòng)電操作閥2202。當(dāng)電操作閥2202開(kāi)啟時(shí)，增壓液體流過(guò)閥模塊2106到噴嘴1108。增壓的高速液流在內(nèi)殼體1104處通過(guò)噴嘴1108引導(dǎo)以便產(chǎn)生電能。電能用來(lái)重新充電儲(chǔ)能裝置2228。
傳感器2232還可啟動(dòng)電操作閥2202。傳感器2232可以是運(yùn)動(dòng)傳感器、溫度傳感器或能夠檢測(cè)潔具2100附近環(huán)境內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的任何其它形式或檢測(cè)裝置。在此實(shí)例中，傳感器2232可以是能夠檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)傳感器。為了響應(yīng)運(yùn)動(dòng)，傳感器2221可使用來(lái)自儲(chǔ)能裝置2228的電能來(lái)啟動(dòng)電操作閥2202以便開(kāi)啟。儲(chǔ)能裝置2228可以隨后通過(guò)從發(fā)電模塊2110中的發(fā)電機(jī)由液體流動(dòng)產(chǎn)生的電能充電。
圖23是儲(chǔ)能裝置2228和功率控制器2230的實(shí)例的電路圖。所示的儲(chǔ)能裝置2228包括第一儲(chǔ)能裝置2302、第二儲(chǔ)能裝置2304和第三儲(chǔ)能裝置2306。功率控制器2230包括處理器2308、第一充電開(kāi)關(guān)2310、第二充電開(kāi)關(guān)2312、第三充電開(kāi)關(guān)2314、串聯(lián)/并聯(lián)開(kāi)關(guān)2316和負(fù)載控制開(kāi)關(guān)2318。在其它實(shí)例中，可以使用或多或少的儲(chǔ)能裝置。
第一、第二和第三儲(chǔ)能裝置2302、2304、2306可以是能夠存儲(chǔ)電能的任何裝置。在所示實(shí)例中，第一儲(chǔ)能裝置2302是電池，第二和第三儲(chǔ)能裝置2304和21306是電容器以便使得充電性能最大。電容器可以是一個(gè)或多個(gè)電解質(zhì)電容器或電化學(xué)電容器，例如超級(jí)電容器和/或超高電容器。在其它實(shí)例中，可以使用電池、電容器或電池和電容器的任何其它構(gòu)造。每個(gè)第一和第二儲(chǔ)能裝置2302和2304和地線2320電連接。第三儲(chǔ)能裝置2306可以通過(guò)串聯(lián)/并聯(lián)開(kāi)關(guān)2316和地線2320電連接。
處理器2308可以是能夠?qū)嵤┲噶钜员惚O(jiān)測(cè)輸入并提供輸出的任何形式的計(jì)算裝置。處理器2308的輸入包括由電能輸入線2330上的發(fā)電模塊2110(圖21)內(nèi)的發(fā)電機(jī)供應(yīng)的輸入電能。由發(fā)電機(jī)供應(yīng)的電能可以是用一個(gè)或多個(gè)二極管整流以便為處理器2308提供DC電能的三相或單相AC電能。
處理器2308的其它輸入包括用于第一充電線2332上的第一儲(chǔ)能裝置2302的第一充電指示和用于各自第二和第三充電線2334和2336上的各自第二和第三儲(chǔ)能裝置2304和2306的各自第二和第三充電指示。充電線2332、2334和2336為處理器2308指示各自儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306內(nèi)存儲(chǔ)的電量。另外，在所示實(shí)例中，第一充電指示和第二充電指示作為輸入各自提供給第一充電線2338和第二充電線2340上的處理器2308。第一充電指示提供作為第二儲(chǔ)能裝置2304的電容器的放電量。第二充電指示提供作為第三儲(chǔ)能裝置2306的電容器的放電量。
來(lái)自處理器2308的輸出包括控制第一充電控制開(kāi)關(guān)2310、第二充電控制開(kāi)關(guān)2312和第三充電控制開(kāi)關(guān)2314操作的控制信號(hào)。第一充電控制開(kāi)關(guān)2310的啟動(dòng)可以將第一充電電壓提供給第一充電線2342上的第一儲(chǔ)能裝置2302。當(dāng)?shù)诙潆娍刂崎_(kāi)關(guān)2312閉合時(shí)，第二充電電壓可以提供給第二充電線2344上的第二儲(chǔ)能裝置2304。第三充電控制開(kāi)關(guān)2314可以啟動(dòng)以便將第三充電電壓提供給第三充電線2346上的第三儲(chǔ)能裝置2306。
處理器2308還可提供輸出控制信號(hào)以便指示負(fù)載控制開(kāi)關(guān)2318控制負(fù)載供應(yīng)線2348上的電壓。負(fù)載供應(yīng)線2348可提供電能到負(fù)載。在此實(shí)例中，負(fù)載包括電操作閥2202(圖22)和包括在電子模塊2108中的電子器件(圖21)。在其它實(shí)例中，任何其它負(fù)載可以由負(fù)載供應(yīng)線2348供應(yīng)。
負(fù)載供應(yīng)線2348上的電能可以通過(guò)處理器2308從發(fā)電模塊2110中的發(fā)電機(jī)和/或從一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306中存儲(chǔ)的電能供應(yīng)。例如，當(dāng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能時(shí)，處理器2308可以提供電能直接到負(fù)載供應(yīng)線2348上的負(fù)載上。另外，處理器2308可以提供充電電壓以便通過(guò)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能充電一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306。另外，當(dāng)例如發(fā)電機(jī)不產(chǎn)生電能(或者不產(chǎn)生足夠電能)時(shí)，處理器2308可以將一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能裝置中存儲(chǔ)的電能提供電能到負(fù)載供應(yīng)線2348上。
處理器2308還可在閥控制線2350上提供控制輸出，以便控制電操作閥2202的操作。來(lái)自狀態(tài)線2352上的處理器2308的輸出可以提供操作狀態(tài)。操作狀態(tài)可包括錯(cuò)誤指示、儲(chǔ)能裝置2302、2304、2306上充電狀態(tài)、電操作閥2202的位置(圖22)或者任何其它與操作相關(guān)的指示或參數(shù)。狀態(tài)線2352可以和任何形式的用戶界面連接，例如發(fā)光二極管(LED)、顯示器、音頻報(bào)警等。
串聯(lián)/并聯(lián)開(kāi)關(guān)2316包括串聯(lián)開(kāi)關(guān)2356和并聯(lián)開(kāi)關(guān)2358。處理器2308可以提供輸出以便指示串聯(lián)開(kāi)關(guān)2356和并聯(lián)開(kāi)關(guān)2358的操作。串聯(lián)開(kāi)關(guān)2356和并聯(lián)開(kāi)關(guān)2358可以并聯(lián)構(gòu)造或串聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)造第二和第三儲(chǔ)能裝置2304和2306。
在并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，較小的放電電壓可以通過(guò)第二和第三儲(chǔ)能裝置2304和2306單獨(dú)供應(yīng)到負(fù)載。在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，較大的放電電壓可以通過(guò)第二和第二儲(chǔ)能裝置2304和2306的組合放電來(lái)供應(yīng)到負(fù)載。處理器2308、充電控制開(kāi)關(guān)2310、2312和2314、串聯(lián)/并聯(lián)開(kāi)關(guān)2316以及負(fù)載控制開(kāi)關(guān)2318可以采用專用集成電路(ASIC)。另外，可以使用分開(kāi)的部件或分開(kāi)的成組部件。
存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)的指令可以通過(guò)處理器2308實(shí)施以便提供第一、第二和第三儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306的充電和放電控制。采用處理器2308進(jìn)行控制可以取決于確定的閾值電壓、確定的閾值充電水平以及由放電模塊2110內(nèi)的發(fā)電機(jī)供應(yīng)的輸入電能。
每個(gè)儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306的確定閾值充電水平可以是根據(jù)單個(gè)儲(chǔ)能裝置的性能來(lái)確定的完全充電的狀態(tài)。還可確定每個(gè)儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306的第一、第二和第三放電水平閾值。每個(gè)放電水平閾值可以包括放電極限和放電終止。放電極限可以表示充電水平消耗到完全充電狀態(tài)以下某些程度。放電終止表示充電消耗到最大所需充電消耗以下。
另外，處理器2308可以包括計(jì)時(shí)功能以便提供儲(chǔ)能裝置230、2304和2306的狀態(tài)的指示。充電計(jì)時(shí)器可以通過(guò)處理器2308啟動(dòng)以便在一個(gè)儲(chǔ)能裝置充電時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。根據(jù)充電的特定儲(chǔ)能裝置的充電線上的充電指示，充電計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)可以用來(lái)確定完全充電的百分比、充電速度等。與充電相關(guān)的確定可以提供到狀態(tài)線2352上。類似地，放電計(jì)時(shí)器可以通過(guò)處理器2308啟動(dòng)，以便在每個(gè)第二和第三儲(chǔ)能裝置2304和2306的放電循環(huán)中開(kāi)始計(jì)時(shí)。各自放電線2338和2340上的放電指示可以被放電計(jì)時(shí)器使用，以便在狀態(tài)線2352上指示每個(gè)第二和第三儲(chǔ)能裝置2304和2306的放電百分比、放電速度等。
當(dāng)發(fā)電模塊2110中的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能時(shí)，處理器2308可有選擇地充電一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306。例如，當(dāng)在相對(duì)高壓下液體流動(dòng)相對(duì)高，發(fā)電機(jī)可以在相對(duì)高壓下產(chǎn)生足夠量的電能。在這些條件下，處理器2308可以同時(shí)啟動(dòng)第一充電開(kāi)關(guān)2310、第二充電開(kāi)關(guān)2312和第三充電開(kāi)關(guān)2314以便充電所有的儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306。另外，在產(chǎn)生較小或較低的電壓電能時(shí)，處理器2308可啟動(dòng)比所有第一、第二和第三充電開(kāi)關(guān)2310、2312和2314少的開(kāi)關(guān)。
在操作中，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306中存儲(chǔ)的電能在確定放電極限以上時(shí)，負(fù)載控制開(kāi)關(guān)2318可以通過(guò)處理器2308啟動(dòng)，以便供應(yīng)電能到負(fù)載上。當(dāng)負(fù)載消耗電能，并因此使得一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能裝置放電到放電極限以下時(shí)，處理器2308可通過(guò)閥控制線2350上的控制信號(hào)啟動(dòng)電操作閥2202(圖22)以便開(kāi)啟。當(dāng)負(fù)載供應(yīng)線2348上的負(fù)載電能損失時(shí)，電操作閥2202(圖22)可保持開(kāi)啟并且發(fā)電模塊2110中的發(fā)電機(jī)可連續(xù)供應(yīng)電能。另外在損失電能時(shí)，電操作閥2202可以閉合，來(lái)自發(fā)電機(jī)的輸入電能可以停止并且來(lái)自儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306的電能可以通過(guò)處理器2308使用，以便在狀態(tài)線2352上指示錯(cuò)誤。錯(cuò)誤可通過(guò)例如閃光發(fā)光二極管(LED)指示。
在電能從一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306放電時(shí)，處理器2308可有選擇地轉(zhuǎn)換串聯(lián)/并聯(lián)開(kāi)關(guān)2316，以便使得放電時(shí)間最大。另外，在出現(xiàn)放電時(shí)負(fù)載供應(yīng)線2348上的電壓可以通過(guò)有選擇地轉(zhuǎn)換串聯(lián)/并聯(lián)開(kāi)關(guān)2316來(lái)保持，以便使得效率最大。另外，處理器2308可通過(guò)有選擇地轉(zhuǎn)換串聯(lián)/并聯(lián)開(kāi)關(guān)2316將輸出電壓的大小轉(zhuǎn)換成其它的電壓大小。例如，來(lái)自大約6VDC的發(fā)電機(jī)輸入電壓可以通過(guò)處理器2308轉(zhuǎn)換成3VDC。在另一實(shí)例中，從發(fā)電機(jī)供應(yīng)的1.5VDC可以通過(guò)處理器2308轉(zhuǎn)換成6VDC。
圖24是儲(chǔ)能裝置2228和功率控制器2230的另一示例性電路圖。在此實(shí)例中，功率控制器2230包括處理器2308。儲(chǔ)能裝置2228包括具有電連接到地線2410上的第一電容器2402、第二電容器2404、第三電容器2406和第四電容器2408的多個(gè)儲(chǔ)能裝置。在另一實(shí)例中，可以使用儲(chǔ)能裝置的其它構(gòu)造和數(shù)量，例如電池代替第四電容器2408。
處理器2308可以通過(guò)充電控制線2412來(lái)控制第四電容器2408的充電和放電。第四電容器2408的充電可以采用電能輸入線2330供應(yīng)的電能。第四電容器2408的放電可以取決于由負(fù)載供應(yīng)線2348供應(yīng)的負(fù)載。負(fù)載可以包括電操作閥2202(圖22)和/或電子模塊2108(圖21)中的任何其它電子器件。
處理器2308可以提供調(diào)節(jié)的輸出電壓到負(fù)載供應(yīng)線2348上的負(fù)載上。負(fù)載供應(yīng)線2348上供應(yīng)的電能可以來(lái)自發(fā)電機(jī)、第一電容器2402和/和第四電容器2408。第二和第三電容器2404和2406可以提供負(fù)載供應(yīng)線2348上存在的任何高頻瞬變的噪聲抑止。
與圖23的實(shí)例類似，處理器2308可以監(jiān)測(cè)第四電容器2408的電量消耗到充電極限程度以下并傳輸閥控制線2350上的控制信號(hào)，以便開(kāi)啟電操作閥2202(圖22)。所得液流可以高RPM轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電模塊2110(圖21)中的發(fā)電機(jī)，以便在電能輸入線2330上產(chǎn)生電能。如果第四電容器2408上的電量消耗到放電終止程度，在狀態(tài)線2350上可以產(chǎn)生錯(cuò)誤，電操作閥2202(圖22)可以斷電，并且斷開(kāi)到達(dá)負(fù)載的電能。
圖25是表示圖22-23的功率控制器2230的示例性操作的流程圖。在處理器2308中建立并存儲(chǔ)去往負(fù)載的所需輸出電壓、所需充電水平和所需放電水平閾值(放電極限以及放電終止)時(shí)，在方框2502開(kāi)始操作。在方框2504處，處理器2308可以實(shí)施指令以便監(jiān)測(cè)電能輸入線2330上的供應(yīng)電壓，以及儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306的充電和放電電壓。
在方框2506處，處理器2308確定供應(yīng)電壓的大小是否等于或大于去往負(fù)載的所需輸出電壓。如果供應(yīng)電壓大于所需輸出電壓，處理器2308啟動(dòng)一個(gè)或多個(gè)充電開(kāi)關(guān)2310、2312和2314，以便從電能供應(yīng)線2330供應(yīng)電能，從而在方框2508處充電一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能裝置2302、2304、2306。在方框2510處，處理器2308可以啟動(dòng)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能裝置的一個(gè)或多個(gè)充電計(jì)時(shí)器2310、2312和2314。另外，在方框2512處，處理器2308可以使得電能從輸入電能線2330供應(yīng)到負(fù)載供應(yīng)線2348上的負(fù)載。接著操作返回到方框2504，以便繼續(xù)監(jiān)測(cè)電壓和充電。
如果在方框2506處，供應(yīng)電壓不大于或等于所需輸出電壓，在方框2518處，處理器2308確定輸入電能線2330上的供應(yīng)電壓是否小于所需輸出電壓預(yù)定量。如果供應(yīng)電壓小于所需輸出電壓至少一個(gè)預(yù)定量時(shí)，在方框2520處，處理器2308使得一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能裝置2302、2304、2306開(kāi)始對(duì)存儲(chǔ)電能線2332、2334和2336上的存儲(chǔ)電量放電。處理器2308可以在負(fù)載供應(yīng)線2348上提供作為輸出電壓和電流的存儲(chǔ)電量，以便供應(yīng)負(fù)載。在方框2522處，處理器2308啟動(dòng)放電計(jì)時(shí)器，以便監(jiān)測(cè)電能從每個(gè)儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306放電。操作接著返回到方框2504，以便繼續(xù)監(jiān)測(cè)電壓和充電。
如果在方框2518處供應(yīng)電壓不小于所需輸出電壓，處理器2308確定所有的儲(chǔ)能裝置2302、2304、2306是否在方框2526處完全充電。如果所有的儲(chǔ)能裝置2302、2304、2306完全充電，在方框2528處，處理器2308確定電操作閥2202是否開(kāi)啟。如果電操作閥2202沒(méi)有開(kāi)啟，操作返回到方框2504，并且監(jiān)測(cè)電壓。如果電操作閥2202開(kāi)啟，處理器2308在閥控制線2350上發(fā)送信號(hào)以便在方框2530處閉合電操作閥2202。當(dāng)電操作閥2202閉合時(shí)，發(fā)電模塊2100中的發(fā)電機(jī)停止產(chǎn)生電能。
在方框2532處，放電計(jì)時(shí)器復(fù)位并且操作返回到方框2504以便監(jiān)測(cè)電壓和充電。如果儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306沒(méi)有在方框2526處完全充電，在方框2536處，處理器2308確定任何儲(chǔ)能裝置2302、2304、2306是否放電到小于放電終止。如果儲(chǔ)能裝置2302、2304、2306放電到小于放電終止，在方框2538處，處理器2308中斷輸出電能線2348上的輸出電能供應(yīng)。另外，在方框2540處，處理器2308在閥控制線2350上發(fā)送信號(hào)，以便閉合電操作閥2202。在方框2542處，處理器2308在狀態(tài)線2352上提供不充電儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306的指令。操作接著返回到2504以便監(jiān)測(cè)電壓和充電。
如果在方框2536處，沒(méi)有儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306放電到小于放電終止，在方框2546處，處理器2308確定任何儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306是否放電到小于放電極限。如果任何儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306放電到小于放電極限，在方框2548處，處理器2308在閥控制線2350上發(fā)送控制信號(hào)，以便開(kāi)啟電操作閥2202。當(dāng)電操作閥2202開(kāi)啟，發(fā)電模塊2110內(nèi)的發(fā)電機(jī)在電能輸入線2330上產(chǎn)生電能。操作返回到方框2504，以便充電儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306，并且從發(fā)電機(jī)將電能供應(yīng)到負(fù)載。如果方框2546處，沒(méi)有儲(chǔ)能裝置2302、2304和2306放電到小于放電極限，操作返回到方框2504并監(jiān)測(cè)電壓和充電。
在另一實(shí)例中，與圖21類似，水力發(fā)電系統(tǒng)可以包括作為水龍頭系統(tǒng)的潔具。水龍頭系統(tǒng)可包括閥模塊2106、電子模塊2108和發(fā)電模塊2110。發(fā)電模塊2110中的發(fā)電機(jī)可以在發(fā)電模塊2108中的至少一個(gè)儲(chǔ)能裝置中充電。包括在電子模塊2108中的功率控制器可以進(jìn)行直接充電，直到儲(chǔ)能裝置充電為止。這將使得水龍頭系統(tǒng)在液體流過(guò)水龍頭系統(tǒng)的時(shí)間周期以外使用存儲(chǔ)電能。另外，如果水龍頭系統(tǒng)不長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，簡(jiǎn)單瞬時(shí)手動(dòng)按鈕可造成液流轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電模塊2110中的發(fā)電機(jī)，以便重新充電儲(chǔ)能裝置。
在又一實(shí)例中，水力發(fā)電系統(tǒng)可包括作為淋浴頭的潔具。淋浴頭可包括無(wú)線電和/或其它防水電子器件。無(wú)線電可以是防水的，并包括AM、FM、致密盤(pán)或任何其它娛樂(lè)裝置。水力發(fā)電系統(tǒng)包括與圖9和10所示系統(tǒng)類似的結(jié)構(gòu)。由在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪形成的發(fā)電機(jī)可以是為電容器、超級(jí)電容器或超高電容器充電的電源。這為不需要維護(hù)循環(huán)的電子器件提供電源，以便例如在電源是電池的情況下更換電源。淋浴頭還可包括具有報(bào)警器和預(yù)熱指示器的淋浴計(jì)時(shí)器，以便保持淋浴計(jì)時(shí)。報(bào)警器可用來(lái)保持淋浴的長(zhǎng)度在預(yù)定時(shí)間內(nèi)。另外，淋浴頭可包括具有在進(jìn)行淋浴時(shí)照亮的顯示器的時(shí)鐘。在沒(méi)有液流的情況下，時(shí)鐘可以由儲(chǔ)能裝置操作，而不照亮以便節(jié)省電能。
圖26表示包括外殼體2602、內(nèi)殼體2604、對(duì)中桿2606和噴嘴2608的水力發(fā)電系統(tǒng)12。內(nèi)殼體2604定位在外殼體2602內(nèi)形成的空腔2610內(nèi)，并包括定位在內(nèi)殼體2604的外表面2613上的多個(gè)漿葉2612。外殼體2602包括出口2614和內(nèi)壁2616。圖26所示的水力發(fā)電系統(tǒng)12的結(jié)構(gòu)在許多方面與水力發(fā)電系統(tǒng)的所述實(shí)例類似。因此，出于簡(jiǎn)明目的，以下描述將集中在與所述實(shí)例不同之處。
在所示實(shí)例中，外殼體2602包括內(nèi)殼體部分2618、噴嘴部分2620、排放部分2622和流動(dòng)收集部分2624。內(nèi)殼體部分2618形成相鄰地圍繞內(nèi)殼體2604的一部分。漿葉2612靠近內(nèi)殼體部分2618的內(nèi)壁2616定位，以便減小流體阻力。如同所述實(shí)例那樣，內(nèi)殼體部分2618中的內(nèi)壁2626可包括朝著出口2614引導(dǎo)液體的導(dǎo)管(未示出)。
噴嘴部分2620形成外殼體2602的頂部并構(gòu)造成接收噴嘴2608。噴嘴2608定位成穿過(guò)外殼體2602并在內(nèi)殼體2604的漿葉2612處引導(dǎo)大致垂直的液流。大致垂直的液流可以從噴嘴2608的噴嘴出口2626以良好限定的大致分層流動(dòng)方式以相對(duì)高速排出。排放之后液流可大致保持具有噴嘴出口2626的直徑?？梢虼藴p小液體飛濺，并且液流中的動(dòng)能可以集中在相對(duì)小的區(qū)域內(nèi)。
圖27是包括外殼體2602、內(nèi)殼體2604、對(duì)中桿2606和噴嘴2608的水力發(fā)電系統(tǒng)12的剖視側(cè)視圖。內(nèi)殼體2604包括漿葉2612。外殼體2602包括內(nèi)殼體部分2612、噴嘴部分2620、排放部分2622和流動(dòng)收集部分2624。
在液流沖擊漿葉2612之后，液流可進(jìn)入排放部分2622。由于沖擊，液流可變成具有一個(gè)直徑的分散液流，該直徑大于噴嘴出口2624的直徑。另外，可通過(guò)沖擊以及內(nèi)殼體2604的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生液體飛濺。分散液流的直徑(噴射圖案)可以取決于液流速度和發(fā)電機(jī)上的電負(fù)載量。當(dāng)在發(fā)電機(jī)上有小負(fù)載時(shí)，內(nèi)殼體2604可相對(duì)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，分散液流的分散量相對(duì)小，例如相對(duì)于與噴嘴2608排出的液流同軸的中心軸線2702形成30度的分散角。相反，當(dāng)具有大負(fù)載時(shí)，需要很大的力保持內(nèi)殼體2604轉(zhuǎn)動(dòng)，并且分散液流的分散可造成分散角大到相對(duì)于中心軸線2702呈90度。無(wú)論負(fù)載如何，液體與漿葉2612的碰撞可產(chǎn)生液體飛濺以及分散液流。為了進(jìn)行說(shuō)明，假設(shè)分散液流的分散角是大約45度。在其它實(shí)例中，可以使用或大或小的分散角。
同樣如圖27所示的是沖擊點(diǎn)2704和多個(gè)軌線矢量2706。沖擊點(diǎn)2704可以是由噴嘴2608排出的良好限定的大致線性液流與漿葉2612碰撞的區(qū)域。軌線矢量2706表示液體根據(jù)分散角在與漿葉2612碰撞之后的路徑。跟隨更加靠近中心軸線2702的這些軌線矢量2706的液體可以直接進(jìn)入收集部分2624，并引導(dǎo)到出口2614。
軌線2706中的液體進(jìn)一步離開(kāi)中心軸線2702，同時(shí)與排放部分26內(nèi)的內(nèi)表面2616碰撞。該液體有效地引導(dǎo)到出口2614以便減小流體阻力。另外，減小了由于與內(nèi)表面2616噴嘴產(chǎn)生的液體飛濺。在排放部分2622，內(nèi)表面2616構(gòu)造成預(yù)定形狀，以便有效地引導(dǎo)液體到出口并減小液體飛濺。因此，不需要前面所述的內(nèi)表面2616上的導(dǎo)管。相反，第二部段2710內(nèi)的內(nèi)表面可保持大致平的，并成形用作反射器，并有效地從外殼體2602排出液體，并減小流體阻力。因此，空腔2610可保持大致干燥，其中液體流速在大約0.44升/分鐘到大約4.16升/分鐘的范圍內(nèi)。
如圖27進(jìn)一步所示，排放部分2622內(nèi)的內(nèi)表面2616可以構(gòu)造成預(yù)定形狀。預(yù)定形狀可以取決于形成在每個(gè)軌線矢量2706和排放部分2622內(nèi)的內(nèi)表面2626之間的軌線流動(dòng)角度2708。軌線流動(dòng)角度2708限定成內(nèi)表面2616和分散液流和由于與漿葉2612沖擊造成的液體飛濺之后的軌線矢量2706相交處的角度。內(nèi)表面2616的形狀可以設(shè)計(jì)成將分散液流之后的軌線流動(dòng)角度2708保持小于大約20度。根據(jù)制造容差和/或與液體相關(guān)的物理性能，通過(guò)加減5度來(lái)變化軌線流動(dòng)角度2708。
所示實(shí)例中第二部段2710的內(nèi)表面2616的形狀構(gòu)造成大致錐形的火箭噴嘴。內(nèi)表面的形狀可以取決于由于與轉(zhuǎn)動(dòng)漿葉2612沖擊而造成的分散液流的模擬或分析。通過(guò)將分散液流之后的軌線流動(dòng)角度2708保持在內(nèi)表面2616的大約20度內(nèi)，液體可保持在較少非分層流動(dòng)的更加穩(wěn)定的狀態(tài)下。
更加穩(wěn)定的狀態(tài)使得空腔2610相對(duì)更快地排空。因此，外殼體2602的總體尺寸可以減小，并同時(shí)在液體從噴嘴2608排出時(shí)始終保持內(nèi)殼體2602和外殼體2604大致干燥。另外，流出出口2614的液流由于與內(nèi)表面和軌線實(shí)例2706的形狀類似而具有某種大小的速度。另外，更加穩(wěn)定的液流可以減小液體飛濺以及渦流，因此減小流體阻力，并使得動(dòng)能最大程度地轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。
外殼體2602的排放部分2622的形狀還可用于水力發(fā)電系統(tǒng)的前面所述實(shí)例中。例如，參考圖11的水力發(fā)電系統(tǒng)12，外殼體1102可轉(zhuǎn)動(dòng)90度，使得噴嘴1108垂直排放液流。另外，出口1114可以運(yùn)動(dòng)到與噴嘴1108相對(duì)的外殼體1102的壁上，并且外殼體可以重新成形以便對(duì)于大約29度或更小的軌線矢量來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)軌線流動(dòng)角度。在圖21的示例性水力發(fā)電系統(tǒng)中，潔具2100的出口2104上游的外殼體12可簡(jiǎn)單地重新成形以便對(duì)于大約29度或更小的軌線矢量來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)軌線流動(dòng)角度。
水力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)選的實(shí)施例為包括在例如潔具或水處理系統(tǒng)的其它裝置提供獨(dú)立的電源。水力發(fā)電系統(tǒng)12提供從存在于流過(guò)水處理系統(tǒng)10的能量到電能量的有效轉(zhuǎn)換。電能可以用來(lái)為水力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的電子器件和其它裝置供電。另外，電能可以為例如水處理系統(tǒng)的其它獨(dú)立系統(tǒng)供電。如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人應(yīng)該理解的，水力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用不限于水，并且可以有利地用于其它的流體。
雖然參照具體的示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但顯然對(duì)這些實(shí)施例可以進(jìn)行各種不同的變型和改變而并不背離本發(fā)明的精神和范圍。附屬權(quán)利要求包括所有的等價(jià)物，并用來(lái)限定本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種水力發(fā)電系統(tǒng)，包括殼體，殼體包括大致凹入的并定位成從殼體的外表面向外延伸的多個(gè)漿葉；構(gòu)造成在漿葉處引導(dǎo)單個(gè)液流以便造成殼體轉(zhuǎn)動(dòng)的唯一一個(gè)噴嘴；延伸穿過(guò)殼體的對(duì)中桿，殼體圍繞對(duì)中桿可以轉(zhuǎn)動(dòng)以便響應(yīng)液體沖擊漿葉；以及布置在殼體內(nèi)的發(fā)電機(jī)，其中發(fā)電機(jī)包括與對(duì)中桿連接的定子和與殼體的內(nèi)表面連接的轉(zhuǎn)子，其中當(dāng)殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子圍繞定子轉(zhuǎn)動(dòng)，以便產(chǎn)生電能。
2.如權(quán)利要求1所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，殼體還包括多個(gè)排放口，排放口可以和發(fā)電機(jī)流體連通，排放口圍繞外表面同心構(gòu)造，以便在殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)減小殼體內(nèi)存在的液體量，使得殼體保持大致填充氣體。
3.如權(quán)利要求1所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)漿葉包括垂直于外表面定位的第一橢圓形漿葉部分和第二橢圓形漿葉部分以及構(gòu)造成與外表面連接并靠近由漿葉形成的外表面形成完整同心環(huán)的一部分的底部。
4.如權(quán)利要求1所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，噴嘴包括具有噴嘴出口的軸向孔，噴嘴出口的直徑小于大約2毫米，并且殼體通過(guò)液流以大約5000RPM以上的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。
5.如權(quán)利要求1所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，噴嘴包括延伸通過(guò)噴嘴通道的凸肋，以便減小液體流過(guò)通道的渦流。
6.如權(quán)利要求1所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，殼體構(gòu)造成通過(guò)大約0.44升/分鐘和大約4.16升/分鐘之間的液流以大約5000RPM以上的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。
7.如權(quán)利要求1所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，殼體是大致圓柱形形狀，其直徑小于大約40毫米。。
8.如權(quán)利要求1所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，還包括包圍該殼體的外殼體，其中外殼體與噴嘴連接，并包括出口和沿著外殼體的內(nèi)表面上的多個(gè)通道定位以便將液體引導(dǎo)到出口的多個(gè)指形件。
9.一種水力發(fā)電系統(tǒng)，包括外殼體；限定在外殼體內(nèi)的內(nèi)殼體，內(nèi)殼體包括與第二輪轂接合的第一輪轂，以便在第一和第二輪轂內(nèi)形成空腔，內(nèi)殼體還包括構(gòu)造成在第一和第二輪轂接合時(shí)保持在第一和第二輪轂之間的多個(gè)漿葉；不可轉(zhuǎn)動(dòng)地和外殼體連接并延伸通過(guò)內(nèi)殼體的對(duì)中桿，內(nèi)殼體可在外殼體內(nèi)圍繞對(duì)中桿轉(zhuǎn)動(dòng)；布置在內(nèi)殼體內(nèi)的發(fā)電機(jī)，其中發(fā)電機(jī)包括與對(duì)中桿連接的定子和與內(nèi)殼體的內(nèi)表面連接的轉(zhuǎn)子，其中當(dāng)內(nèi)殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子圍繞定子轉(zhuǎn)動(dòng)；以及穿過(guò)外殼體的噴嘴，其中噴嘴構(gòu)造成在漿葉處引導(dǎo)液流以便造成內(nèi)殼體轉(zhuǎn)動(dòng)。
10.如權(quán)利要求9所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)第一和第二輪轂具有在第一和第二輪轂接合時(shí)互鎖的多個(gè)凸耳。
11.如權(quán)利要求9所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，外殼體的內(nèi)表面包括構(gòu)造成減小外殼體內(nèi)液體飛濺并將液體引導(dǎo)離開(kāi)外殼體以便保持外殼體大致沒(méi)有液體的導(dǎo)管。
12.如權(quán)利要求9所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，內(nèi)殼體包括構(gòu)造成在空腔和外殼體之間形成流體連通的排放口，排放口構(gòu)造成從空腔內(nèi)排出液體，以便在內(nèi)殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持空腔大致沒(méi)有液體。
13.如權(quán)利要求9所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)漿葉大致是凹入的，并垂直于對(duì)中桿定位在內(nèi)殼體的外表面上，并且從內(nèi)殼體朝著外殼體向外延伸。
14.如權(quán)利要求9所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，漿葉構(gòu)造成相互接觸，以便形成與內(nèi)殼體同心的完整環(huán)。
15.如權(quán)利要求9所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，漿葉各自包括具有第一傾斜表面和第二傾斜表面的支腳，其中第一和第二傾斜表面分別接觸第一和第二輪轂。
16.如權(quán)利要求9所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)漿葉包括表面和后表面，每個(gè)漿葉的表面接觸另一漿葉的后表面，以便形成同心圍繞內(nèi)殼體的完整環(huán)。
17.如權(quán)利要求9所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，轉(zhuǎn)子包括與磁體連接的保持環(huán)，保持環(huán)的一部分和磁體定位在每個(gè)第一和第二輪轂內(nèi)。
18.一種水力發(fā)電系統(tǒng)，包括噴嘴；殼體，殼體具有空腔、同軸布置在殼體的外表面上的多個(gè)排放口以及垂直于殼體的外表面安裝的多個(gè)漿葉，其中噴嘴構(gòu)造成在漿葉處引導(dǎo)液流，以便造成殼體轉(zhuǎn)動(dòng)，排放口構(gòu)造成在殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從空腔排出液體使得空腔保持大致干燥；延伸穿過(guò)殼體的對(duì)中桿，殼體可圍繞對(duì)中桿轉(zhuǎn)動(dòng)；以及布置的空腔內(nèi)的發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)包括與對(duì)中桿連接的定子和與殼體連接的轉(zhuǎn)子，其中轉(zhuǎn)子定位在殼體內(nèi)以便在殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)圍繞定子轉(zhuǎn)動(dòng)。
19.如權(quán)利要求18所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，排放口在空腔和殼體的外表面之間形成流體連通，以便在殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過(guò)離心力從空腔內(nèi)排出液體。
20.如權(quán)利要求18所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，噴嘴包括在噴嘴入口和噴嘴出口之間的通道，通道包括形成噴嘴入口的第一傾斜部分、和第一傾斜部分連續(xù)的第一直部分、和第一直部分連續(xù)的漸縮部分、和漸縮部分連續(xù)的第二傾斜部分以及和第二傾斜部分連續(xù)并形成噴嘴出口的第二直部分。
21.如權(quán)利要求18所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，噴嘴包括靠近噴嘴入口并且其直徑為大約5.8毫米的第一直部分和形成噴嘴出口并且其直徑小于大約1.9毫米的第二直部分。
22.如權(quán)利要求18所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，噴嘴包括具有凸肋的通道，凸肋從通道的內(nèi)表面朝著通道中心軸線向外延伸，以便減小通過(guò)通道的液流的非分層流動(dòng)。
23.如權(quán)利要求18所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，噴嘴是唯一的噴嘴，并且在通過(guò)來(lái)自噴嘴的大約0.44升/分鐘和大約4.16升/分鐘之間的液流造成轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，殼體構(gòu)造成以大約5000RPM或更大的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。
24.如權(quán)利要求18所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，噴嘴包括噴嘴出口，噴嘴出口的直徑小于大約1.9毫米，并且殼體的直徑小于大約40毫米。
25.如權(quán)利要求18所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，噴嘴包括通道，其第一直徑靠近噴嘴入口，并且第二直徑形成噴嘴出口，其中第二直徑是第一直徑的大約33％或更小。
26.一種水力發(fā)電系統(tǒng)，包括對(duì)中桿；定位成圍繞對(duì)中桿的套筒；與套筒連接的殼體，其中殼體和套筒可圍繞對(duì)中桿轉(zhuǎn)動(dòng)；與殼體外表面連接的多個(gè)漿葉，其中漿葉是大致凹入的，并垂直于對(duì)中桿從殼體外表面縱向向外延伸；以及包圍在殼體內(nèi)的永磁體發(fā)電機(jī)，永磁體發(fā)電機(jī)包括與對(duì)中桿連接的定子和與殼體的內(nèi)表面連接的轉(zhuǎn)子；其中轉(zhuǎn)子和定子相互協(xié)作以便保持圍繞對(duì)中桿的套筒的位置，而在套筒和對(duì)中桿之間大致沒(méi)有接觸。
27.如權(quán)利要求26所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，轉(zhuǎn)子包括構(gòu)造成轉(zhuǎn)動(dòng)平衡殼體轉(zhuǎn)動(dòng)的永磁體。
28.如權(quán)利要求26所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，轉(zhuǎn)子包括具有磁場(chǎng)的永磁體，磁場(chǎng)構(gòu)造成與定子軸向?qū)?zhǔn)地懸浮轉(zhuǎn)子。
29.如權(quán)利要求26所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，還包括圍繞殼體的外殼體，其中對(duì)中桿延伸通過(guò)殼體的相對(duì)端并不可轉(zhuǎn)動(dòng)地與外殼體連接。
30.如權(quán)利要求26所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，殼體是大致圓柱形的，并且其直徑在大約40毫米和大約20毫米之間，并且構(gòu)造成以大約5000RPM以上的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。
31.如權(quán)利要求26所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)套筒包括具有開(kāi)口的襯套，開(kāi)口形成為容納對(duì)中桿。
32.如權(quán)利要求26所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，套筒布置在殼體的相對(duì)端上，并包括容納對(duì)中桿的開(kāi)口和形成為安裝在殼體的外表面內(nèi)的開(kāi)口中的外表面。
33.如權(quán)利要求26所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，還包括與永磁體發(fā)電機(jī)連接的紫外線光源，其中定子包括多個(gè)線圈，線圈構(gòu)造成在并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)之間動(dòng)態(tài)切換以便提供開(kāi)始啟動(dòng)紫外線光源的第一電壓和繼續(xù)驅(qū)動(dòng)紫外線光源的第二電壓。
34.如權(quán)利要求33所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，紫外線光源是汞燈和冷陰極燈中的一種，燈在開(kāi)始時(shí)被啟動(dòng)，并在沒(méi)有鎮(zhèn)流器的情況下繼續(xù)驅(qū)動(dòng)。
35.一種水力發(fā)電系統(tǒng)，包括外殼體；定位成通過(guò)外殼體完全包圍的內(nèi)殼體，內(nèi)殼體包括多個(gè)漿葉，漿葉構(gòu)造成從內(nèi)殼體的外表面朝著外殼體縱向向外延伸；與外殼體固定連接并延伸通過(guò)內(nèi)殼體的對(duì)中桿，內(nèi)殼體可在外殼體內(nèi)圍繞對(duì)中桿轉(zhuǎn)動(dòng)；布置在內(nèi)殼體內(nèi)的發(fā)電機(jī)，其中發(fā)電機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子，定子與對(duì)中桿連接，并且轉(zhuǎn)子與內(nèi)殼體的內(nèi)表面連接并當(dāng)內(nèi)殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)圍繞定子轉(zhuǎn)動(dòng)；以及外殼體的內(nèi)表面包括構(gòu)造成減小外殼體內(nèi)液體飛濺的導(dǎo)管。
36.如權(quán)利要求35所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，導(dǎo)管包括定位成螺旋圖案的多個(gè)指形件，指形件形成為在外殼體內(nèi)有效地收集液體飛濺。
37.如權(quán)利要求36所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，指形件各自形成金字塔形構(gòu)件，該構(gòu)件從外殼體的內(nèi)表面朝著內(nèi)殼體向外延伸。
38.如權(quán)利要求35所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，導(dǎo)管包括在內(nèi)表面內(nèi)形成螺旋圖案的中心通道、外通道和多個(gè)分支通道，其中螺旋圖案根據(jù)在內(nèi)殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)從內(nèi)殼體飛濺的液體圖案形成。
39.如權(quán)利要求35所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，導(dǎo)管包括多個(gè)通道和多個(gè)指形件，指形件沿著通道定位以便有效地收集液體飛濺，并經(jīng)由通道引導(dǎo)液體離開(kāi)外殼體。
40.如權(quán)利要求35所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，內(nèi)殼體的轉(zhuǎn)動(dòng)可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)以便提供液流的基于流動(dòng)的測(cè)量值。
41.如權(quán)利要求35所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，噴嘴定位成在內(nèi)殼體和包括在外殼體內(nèi)的出口之間穿過(guò)外殼體，并為液流提供大致與噴嘴出口直徑大致相同的直徑。
42.如權(quán)利要求35所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，噴嘴構(gòu)造成穿過(guò)外殼體定位，以便朝著包括在外殼體內(nèi)的出口排放垂直液流。
43.如權(quán)利要求35所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，導(dǎo)管構(gòu)造成將液體引導(dǎo)離開(kāi)外殼體，使得噴嘴和內(nèi)殼體不浸入從噴嘴排出的液體中，并且在外殼體中保持空氣空間。
44.如權(quán)利要求35所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，還包括和發(fā)電機(jī)電連接的紫外線光源，其中定子包括多個(gè)分接頭，分接頭構(gòu)造成在開(kāi)始啟動(dòng)紫外線光源的啟動(dòng)電壓和繼續(xù)驅(qū)動(dòng)紫外線光源的運(yùn)行狀態(tài)電壓之間動(dòng)態(tài)切換。
45.如權(quán)利要求44所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，紫外線光源開(kāi)始啟動(dòng)并在沒(méi)有鎮(zhèn)流器的情況下繼續(xù)驅(qū)動(dòng)。
46.如權(quán)利要求44所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，紫外線光源是汞燈和冷陰極燈中的一種。
47.如權(quán)利要求35所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，外殼體包括具有內(nèi)表面的排放部分，內(nèi)表面成形為在大約20度或更小的流動(dòng)軌線角度上接收液體，其中通過(guò)排放部分接收的液體已經(jīng)與漿葉碰撞。
48.一種水力發(fā)電系統(tǒng)，包括包括多個(gè)漿葉的內(nèi)殼體，漿葉構(gòu)造成從內(nèi)殼體的外表面縱向向外延伸；不可轉(zhuǎn)動(dòng)地延伸通過(guò)內(nèi)殼體的對(duì)中桿，內(nèi)殼體可圍繞對(duì)中桿轉(zhuǎn)動(dòng)；布置在內(nèi)殼體內(nèi)的發(fā)電機(jī)，其中發(fā)電機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子，定子與對(duì)中桿連接，并且轉(zhuǎn)子與內(nèi)殼體的內(nèi)表面連接并當(dāng)內(nèi)殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)圍繞定子轉(zhuǎn)動(dòng)；構(gòu)造成在漿葉處引導(dǎo)液流以便造成內(nèi)殼體轉(zhuǎn)動(dòng)的噴嘴；以及不可轉(zhuǎn)動(dòng)地與對(duì)中桿連接的外殼體，其中外殼體形成圍繞內(nèi)殼體的空腔，并包括排放部分，該部分構(gòu)造成在液體沖擊漿葉之后接收液體，并且排放部分成形為在引導(dǎo)流動(dòng)軌線角度上接收液體，以便減小流體阻力。
49.如權(quán)利要求48所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，流動(dòng)軌線角度是大約20度或更小。
50.如權(quán)利要求48所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，排放部分形成為大致錐形的火箭噴嘴的形狀。
51.如權(quán)利要求48所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，外殼體包括形成外殼體頂部并構(gòu)造成接收垂直定位的噴嘴的噴嘴部分和構(gòu)造成部分圍繞殼體以便減小流體阻力的內(nèi)殼體部分。
52.如權(quán)利要求48所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，內(nèi)殼體在空腔內(nèi)以大約5000RPM以上的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，并且排放部分構(gòu)造成排放在大約0.44升/分鐘和大約4.16升/分鐘之間流動(dòng)的液體，以便保持空腔大致干燥。
53.一種水力發(fā)電系統(tǒng)，包括潔具；可轉(zhuǎn)動(dòng)地布置在潔具內(nèi)的殼體，殼體包括多個(gè)漿葉，漿葉是大致凹入的并定位成從殼體的外表面向外延伸；布置在殼體內(nèi)的發(fā)電機(jī)，其中發(fā)電機(jī)包括與殼體的內(nèi)表面連接的轉(zhuǎn)子和固定定位在殼體內(nèi)的定子，其中在殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)定子圍繞轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)以便產(chǎn)生電能；布置在潔具內(nèi)的噴嘴，噴嘴構(gòu)造成在漿葉處引導(dǎo)液流以便造成殼體轉(zhuǎn)動(dòng)；布置在潔具內(nèi)的電操作閥，其中電操作閥構(gòu)造成將液流供應(yīng)到噴嘴；與電操作閥和儲(chǔ)能裝置連接的電壓控制器，其中電壓控制器構(gòu)造成在儲(chǔ)能裝置內(nèi)的電壓低于預(yù)定閾值時(shí)指示電操作閥開(kāi)啟。
54.如權(quán)利要求53所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，殼體以大約5000RPM以上的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，以便響應(yīng)大約0.44升/分鐘和大約4.16升/分鐘之間液流沖擊漿葉。
55.如權(quán)利要求53所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，殼體包括第一輪轂和第二輪轂，第一和第二輪轂構(gòu)造成連接在一起以便在外表面上保持漿葉就位并同心圍繞發(fā)電機(jī)。
56.如權(quán)利要求53所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，以大約0.44升/分鐘和大約4.16升/分鐘之間流過(guò)噴嘴的液體造成產(chǎn)生大約0.25瓦到大約30瓦的電能。
57.如權(quán)利要求53所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，殼體包括多個(gè)排放口，排放口圍繞外表面同心定位，以便在殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)從殼體排出液體，使得發(fā)電機(jī)大致干燥地操作。
58.如權(quán)利要求53所述的水力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，潔具是衛(wèi)生間潔具。
59.一種通過(guò)水力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的方法，該方法包括通過(guò)唯一的噴嘴加速液流的速度；經(jīng)由空氣空間將液流排出噴嘴以便沖擊多個(gè)漿葉，其中漿葉是大致凹入的并垂直于殼體的外表面向外延伸；將液流中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成殼體的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能；通過(guò)液流使得殼體以及和殼體內(nèi)表面連接的永磁體轉(zhuǎn)動(dòng)；圍繞不可轉(zhuǎn)動(dòng)地定位在殼體內(nèi)的定子轉(zhuǎn)動(dòng)永磁體；以及通過(guò)轉(zhuǎn)子和定子產(chǎn)生電能。
60.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，還包括通過(guò)以大約0.44升/分鐘和大約4.16升/分鐘之間流動(dòng)的液體所提供的動(dòng)能并以大約5000RPM或以上的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)殼體。
61.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，還包括通過(guò)布置在殼體表面內(nèi)的多個(gè)排放口將液體從殼體排出，使得轉(zhuǎn)子和定子大致干燥。
62.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，還包括在具有連續(xù)定位的漿葉的殼體的外表面上使得漿葉保持成完整同心環(huán)，并在形成殼體的第一輪轂和第二輪轂之間壓縮漿葉。
63.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，還包括在由永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中使得轉(zhuǎn)子與定子軸向?qū)?zhǔn)地懸浮。
64.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，還包括引導(dǎo)液體離開(kāi)殼體，以避免殼體和噴嘴進(jìn)入液體，使得殼體和噴嘴保持大致干燥。
65.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，還包括在噴嘴噴射液體時(shí)保持殼體和包括殼體的外殼體大致干燥。
66.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，還包括成形包括在外殼體內(nèi)的排放部分的內(nèi)表面，以便截留與漿葉碰撞的液體，其中排放部分的內(nèi)表面構(gòu)造成以大約20度或更小的流動(dòng)軌線角接收液體。
67.如權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，還包括截留殼體外部的液體飛濺，以便減小流體阻力，其中液體飛濺通過(guò)包括在圍繞殼體的外殼體的內(nèi)表面上的多個(gè)金字塔形構(gòu)件截留。
全文摘要
小型水力發(fā)電系統(tǒng)可以由液流產(chǎn)生電能。小型水力發(fā)電系統(tǒng)可包括具有多個(gè)槳葉的殼體，槳葉定位成從殼體的外表面向外延伸。系統(tǒng)還可包括噴嘴和延伸穿過(guò)殼體的對(duì)中桿。在來(lái)自噴嘴的液流引導(dǎo)到槳葉時(shí)，殼體可圍繞對(duì)中桿轉(zhuǎn)動(dòng)。包括轉(zhuǎn)子和定子的發(fā)電機(jī)可定位在殼體的空腔中。轉(zhuǎn)子可以和殼體連接，并且定子可以和對(duì)中桿連接。轉(zhuǎn)子可以高PRM圍繞定子轉(zhuǎn)動(dòng)，以便在殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電能。電能可供應(yīng)負(fù)載和/或可以存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置內(nèi)。
文檔編號(hào)E03C1/12GK1723346SQ200380105534
公開(kāi)日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2003年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月9日
發(fā)明者D·W·巴曼, T·L·勞珍黑塞爾 申請(qǐng)人:通達(dá)商業(yè)集團(tuán)國(guó)際公司