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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Erzeugung elektrischer
Leistung und insbesondere auf die Erzeugung von hydroelektrischer
Leistung mit einem Miniatur-Wasserkraftenergieerzeugungssystem.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erzeugung von hydroelektrischer Leistung, bei der kinetische Energie
aus fließendem,
unter Druck stehendem Wasser gewonnen und zum Drehen eines Generators
zur Generierung von elektrischer Leistung verwendet wird, ist bekannt.
Zudem ist die Verwendung anderer unter Druck stehender Fluide wie
Gas, Dampf, etc. zum Drehen eines Generators bekannt. Bei der Produktion
von hydroelektrischer Leistung in großem Umfang unter Einsatz einer großflächigen Wasserquelle,
wie eines Flusses oder Dammes, können
unter Verwendung von Millionen von Litern fließendem Wasser Tausende Megawatt Leistung
erzeugt werden. Die Umwandlung der kinetischen Energie des fließenden Wassers
in elektrische Leistung kann an sich erhebliche Ineffizienzen beinhalten
und dennoch ein ökonomisches
und akzeptables Leistungsniveau bieten.
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Mit
abnehmender Größe der Anlagen
zur Erzeugung hydroelektrischer Leistung sinkt auch die Menge der
generierten elektrischen Leistung. Zudem nimmt die Menge des fließenden Wassers,
aus dem kinetische Energie gewonnen werden kann, ab. Damit wird
die Effizienz der Umwandlung der kinetischen Energie des Wasserstroms
in elektrische Leistung bedeutsam. Bei zu vielen Ineffizienzen werden nur
geringe Mengen kinetischer Energie aus dem unter Druck stehenden
fließenden
Wasser gewonnen. Infolgedessen sinkt die Menge der erzeugten elektrischen
Leistung mit abnehmender Größe der Anlage zur
Erzeugung hydroelektrischer Leistung.
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Es
gibt viele kleinformatige Systeme mit fließender, unter Druck stehender
Flüssigkeit,
für deren Betrieb
elektrische Leistung erforderlich ist. Einige Beispiele hierfür sind Haushaltswasseraufbereitungssysteme,
Automatik-Rohranlagen, Durchflusswächter, Wasserprüfausrüstung, etc.
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Es
gibt mehrere verschiedene Arten von Wasseraufbereitungssystemen
mit einer Filtereinheit auf Kohlenstoffbasis und einer ultravioletten
(UV) Lichteinheit zum Filtern und Dekontaminieren des Wassers, bevor
dieses zum Verbrauch ausgegeben wird. Die Filtereinheit auf Kohlenstoffbasis
verwendet ein inertes Material zum Herausfiltern von partikelförmigen und
organischen Verunreinigungen. Die von der ultravioletten Lichteinheit
abgegebene ultraviolette Strahlung wird zum Neutralisieren schädlicher,
im Wasser befindlicher Mikroorganismen verwendet.
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Um
die ultraviolette Lichteinheit und jegliche anderen elektrische
Leistung verbrauchenden Systeme, die sich im Wasseraufbereitungssystem
befinden können,
mit Energie zu versorgen, ist eine Energiequelle erforderlich. Herkömmliche
Wasseraufbereitungssysteme verwenden Leistung aus einer üblichen
Steckdose oder einer Batteriequelle zum Bereitstellen der zum Antreiben
aller Komponen ten im Wasseraufbereitungssystem, einschließlich der
ultravioletten Lichtquelle, benötigten
Energie. Im Fall von Wasseraufbereitungssystemen, die von Steckdosen mit
Energie versorgt werden, ist das System nur begrenzt tragbar und
stellt den Betrieb ein, wenn eine Unterbrechung in der Energieversorgung
aus der Steckdose vorliegt.
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Aus
Batteriequellen betriebene Wasseraufbereitungssysteme enthalten
nur einen begrenzten Energievorrat, der durch den Betrieb oder das
Lagern des Wasseraufbereitungssystems erschöpft wird. Zudem müssen Ersatzbatterien
ohne weiteres verfügbar
sein, um das Wasseraufbereitungssystem betriebsbereit zu halten.
Falls eine längerfristige
Batteriequelle gewünscht
wird, sind größere Batterien
erforderlich, die dem Wasseraufbereitungssystem beträchtlich
mehr Gewicht und Größe verleihen
können.
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Einige
bestehende Wasseraufbereitungssysteme können entweder übliche Steckdosen
oder Batteriequellen verwenden, wenn die Batteriequelle durch die
Steckdosen-Energiequelle wieder aufgefüllt werden kann. Zwar erfordern
diese Wasseraufbereitungssysteme keine Ersatzbatterien, doch geben
die Kapazität
und Größe der Batterien
die Betriebsdauer des Wasseraufbereitungssystems vor, während es
mit der Batteriequelle betrieben wird. Auch muss regelmäßig eine
Steckdosenquelle eingesetzt werden, um die Batterien aufzufüllen. Zudem erfordern
diese Wasseraufbereitungssysteme zusätzliche elektrische Schaltkreise
und Bauteile, um aus den zwei verschiedenen Energiequellen betrieben
zu werden.
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Automatik-Rohranlagen
wie Toilettenventile und Wasserhähne
können
ein elektrisch betriebenes Ventil und einen Sensor beinhalten. Der
Sensor kann die Anwesenheit eines Nutzers der Rohranlage er fassen
und das elektrisch betriebene Ventil betätigen, einen Wasserstrom als
Reaktion bereitzustellen. Sowohl das elektrisch betriebene Ventil
als auch der Sensor benötigen
für ihren
Betrieb elektrische Leistung. Die Leistung lässt sich durch Verlegen eines elektrischen
Kabels von einem Verteilerschrank zur Automatik-Rohranlage erhalten.
Wenn die Automatik-Rohranlage in einem bestehenden Gebäude installiert
ist, kann das Installieren eines Verteilerschranks und/oder eines
elektrischen Kabels kostenintensiv, zeitaufwändig und schwierig sein.
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US 5 349 985 offenbart ein
Wasserkraftenergieerzeugungssystem mit einem Gehäuse, das eine Mehrzahl von
Schaufeln umfasst, die im Allgemeinen konkav und derart angeordnet
sind, um sich von einer äußeren Oberfläche eines
Gehäuses
zu erstrecken, und mit einem elektrischen Generator zum Generieren
von elektrischer Leistung. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem
von
US 5 349 985 umfasst
einen Rotor und einen Stator, wobei sich der Rotor innerhalb des
Stators dreht.
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Aus
den vorgenannten Gründen
besteht ein Bedarf an einer Miniatur-Wasserkraftenergieerzeugungsausrüstung, die
klein genug ist, um in ein System wie ein Wasseraufbereitungssystem,
eine Automatik-Rohranlage, etc. zu passen, und die imstande ist,
effizient genug zu arbeiten, um ausreichend Leistung für den Betrieb
des Systems zu generieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung offenbart ein Miniatur-Wasserkraftenergieerzeugungssystem,
das die mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme überwindet.
Die Ausführungsformen
des Miniatur-Wasserkraftenergieerzeugungssystems sind imstande,
auf effiziente Weise ausreichend Leistung zu erzeugen, um durch
Rotation bei hoher Drehzahl (UpM bzw. Umdrehungen pro Minute), wie über 5000 UpM,
elektrische Vorrichtungen zu betreiben. Ein Betrieb bei hohen UpM
zum Generieren elektrischer Leistung ist aufgrund der Minimierung
von Verlusten und der Maximierung der Umsetzung der kinetischen Energie
einer strömenden
Flüssigkeit
in Rotationsenergie möglich.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein Wasserkraftenergieerzeugungssystem
vor mit: einem Gehäuse
mit einer Mehrzahl von Schaufeln, die im Allgemeinen konkav und
derart angeordnet sind, um sich nach außen von einer äußeren Oberfläche des Gehäuses zu
erstrecken; einer Düse,
derart eingerichtet, einen Flüssigkeitsstrom
auf die Schaufeln zu richten, um eine Drehung des Gehäuses herbei
zu führen;
eine Zentrierungsstange, die sich durch das Gehäuse erstreckt, wobei das Gehäuse drehbar
um die Zentrierungsstange als Antwort auf die auf die Schaufeln
treffende Flüssigkeit
ist; und einem elektrischen Generator, wobei der elektrische Generator
einen Stator, der mit der Zentrierungsstange gekoppelt ist, und
einen Rotor, der mit einer inneren Oberfläche des Gehäuses gekoppelt ist, enthält, dadurch
gekennzeichnet, dass der elektrische Generator innerhalb des Gehäuses angeordnet
ist, wobei sich der Rotor um den Stator dreht, wenn sich das Gehäuse dreht,
um elektrische Leistung zu erzeugen.
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In
einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Erzeugung von Energie mit einem Wasserkraftenergieerzeugungssystem vor,
wobei das Verfahren enthält:
Beschleunigen der Geschwindigkeit eines Flüssigkeitsstroms mit einer Düse; Entladen
des Flüssigkeitsstroms
aus der Düse durch
einen Luftraum, um eine Mehrzahl an Schaufeln zu treffen, wobei
die Schaufeln im Allgemeinen konkav sind und sich nach außen senkrecht
zu einer äußeren Oberfläche eines
Gehäuses
erstrecken; Übertragen
der kinetischen Energie des Flüssigkeitsstroms
in Rotationsenergie des Gehäuses;
Herbeiführen
einer Rotation des Gehäuses
und eines mit einer inneren Oberfläche des Gehäuses gekoppelten Dauermagnets,
durch den Flüssigkeitsstrom;
gekennzeichnet durch Drehen des Dauermagneten um einen Stator, der
nicht drehbar in dem Gehäuse
angeordnet ist; und Erzeugen von elektrischer Leistung mit dem Rotor
und Stator.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in Anbetracht
der folgenden ausführlichen
Beschreibung der vorliegend bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung
mit den angehängten
Zeichnungen ersichtlich. Die vorstehende Erörterung sollte nur als Einführung dienen.
Nichts in diesem Abschnitt sollte als beschränkend für die nachfolgenden Ansprüche aufgefasst
werden, die den Umfang der Erfindung definieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 veranschaulicht
ein Wasseraufbereitungssystem, das mit einer Ausführungsform
des Wasserkraftenergieerzeugungssystems gekoppelt ist.
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2 veranschaulicht
einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der in 1 veranschaulichten
Düse.
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3 veranschaulicht
das in 1 veranschaulichte Wasseraufbereitungssystem
und Wasserkraftenergieerzeugungssystem um 90° gedreht, wobei ein Bereich
des Wasserkraftenergieerzeugungssystems abgeschnitten ist.
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4 veranschaulicht
einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems.
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5 veranschaulicht
einen Querschnitt entlang der Linie 5-5 durch die in 4 veranschaulichte
Düse.
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6 veranschaulicht
das in 4 veranschaulichte Wasserkraftenergieerzeugungssystem um
90° gedreht,
wobei ein Bereich des Wasserkraftenergieerzeugungssystems abgeschnitten
ist.
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7 stellt
eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des mit dem Wasseraufbereitungssystem
gekoppelten Wasserkraftenergieerzeugungssystems dar.
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8 stellt
eine Draufsicht auf die in 7 veranschaulichte
Ausführungsform
des Wasserkraftenergieerzeugungssystems dar, wobei ein Bereich des
Statorgehäuses
abgeschnitten ist.
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9 stellt
eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems
dar.
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10 stellt eine Querschnittsansicht eines Bereichs
des Wasserkraftenergieerzeugungssystems aus 9 dar.
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11 stellt eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform
des Wasserkraftenergieerzeugungssystems dar.
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12 stellt eine Endansicht einer in 11 veranschaulichten Düse dar.
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13 stellt eine Querschnittsansicht entlang der
Linie 13-13 der in 12 veranschaulichten Düse dar.
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14 stellt eine andere Querschnittsansicht entlang
der Linie 14-14
der in 12 veranschaulichten Düse dar.
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15 stellt eine Querschnittsansicht entlang der
Linie 15-15 eines Bereichs eines Außengehäuses des in 11 veranschaulichten Wasserkraftenergieerzeugungssystems
dar.
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16 stellt eine Seitenansicht des in 11 veranschaulichten Wasserkraftenergieerzeugungssystems
mit einem entfernten Innengehäuse dar.
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17 stellt eine Querschnittsansicht entlang der
Linie 17-17 eines Bodenbereichs des Außengehäuses des in 11 veranschaulichten Wasserkraftenergieeerzeugungssystems
dar.
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18 stellt eine perspektivische Explosionsansicht
eines in dem in 11 veranschaulichten Waserkraftenergieerzeugungssystem
enthaltenen Innengehäuses
dar.
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19 stellt eine perspektivische Ansicht einer in
dem in 11 veranschaulichten Wasserkraftenergieerzeugungssystem
enthaltenen Schaufel dar.
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20 stellt eine Querschnittsansicht entlang der
Linie 20-20 der in 19 veranschaulichten Schaufel
dar.
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21 stellt eine perspektivische Ansicht eines Wasserkraftenergieerzeugungssystems
dar, das eine Rohranlage beinhaltet.
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22 stellt eine Querschnittsseitenansicht der in 21 veranschaulichten Rohranlage dar.
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23 stellt ein schematisches Diagramm eines Beispiels
eines in der Rohranlage aus 22 beinhalteten
Leistungsstellers dar.
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24 stellt ein schematisches Diagramm eines anderen
Beispiels eines in der Rohranlage aus 22 beinhalteten
Leistungsstellers dar.
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25 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm, das den
Betrieb des Wasserkraftenergieerzeugungssystems in der Rohranlage
aus den 21 bis 24 veranschaulicht.
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26 stellt eine teilweise im Querschnitt gezeigte
Seitenansicht einer anderen Ausführungsform
des Wasserkraftenergieerzeugungssystems dar.
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27 stellt eine andere Querschnittsseitenansicht
des Wasserkraftenergieerzeugungssystems aus 26 dar.
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Ausführliche Beschreibung der vorliegend
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung werden nachstehend unter Bezug auf konkrete Ausgestaltungen
dargelegt, und Fachleute würden
erkennen, dass verschiedene Veränderungen und
Modifikationen der konkreten Ausgestaltungen möglich sind, die im Rahmen der
Ansprüche
liegen. Die vorliegend bevorzugten Ausführungsformen können mit
jeglichem System verwendet werden, das eine Leistungsversorgung
erfordert und einen Wasserstrom umfasst; jedoch sind die Ausführungsformen
für Systeme
wie ein Wasseraufbereitungssystem für die Verwendung im Wohnbereich
oder für tragbare
Anwendungen, für
Rohranlagen, etc. vorgesehen. Fachleute würden auch erkennen, dass die Ausführungsformen
mit anderen Flüssigkeiten
als Wasser verwendet werden könnten,
und die Verwendung des Begriffs "Wasser" und "hydro-" sollte nicht beschränkend ausgelegt
werden.
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1 ist
eine Seitenansicht eines Wasseraufbereitungssystems 10,
das mit einem bevorzugten Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 verbunden
ist. In dieser Ausführungsform
beinhaltet das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 eine
Düse 14,
ein Gehäuse 16,
ein Antriebsrad 18 und einen Gehäuseauslass 20. Die
Düse 14 ist
mit dem Wasseraufbereitungssystem 10 durch einen Schacht 22 gekoppelt.
Der Schacht 22 kann aus PVC-Kunststoff oder einem ähnlichen
Material gebildet und mit der Düse 14 durch
eine Gewindeverbindung, Reibschluss oder irgendeinen anderen ähnlichen
Verbindungsmechanismus gekoppelt sein.
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Während des
Betriebs fließt
unter Druck stehendes Wasser vom Wasseraufbereitungssystem 10 in
das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 über die
Düse 14,
wie durch den Pfeil 24 veranschaulicht. Die Düse 14 ist
mit dem Gehäuse 16 derart
gekoppelt, dass Wasser durch die Düse 14 fließt und durch
das Gehäuse 16 zum
Gehäuseauslass 20 getrieben
wird. In alternativen Ausführungsformen
kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 innerhalb
des Wasseraufbereitungssystems 10 oder so positioniert
sein, dass es einen Vorrat an unter Druck stehendem Wasser erhält, bevor
das Wasser in das Wasseraufbereitungssystem 10 eintritt.
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2 veranschaulicht
einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Düse 14.
Die bevorzugte Düse 14 ist
eine Schalldüse,
die die Geschwindigkeit des durch sie hindurchfließenden,
unter Druck stehenden Wassers erhöht. In dieser Ausführungsform
ist die Düse 14 imstande,
die Geschwindigkeit des Wassers auf eine Unterschallgeschwindigkeit
zu erhöhen.
Die Düse 14 ist
aus Edelstahl oder aus irgendeinem anderen ähnlichen steifen Material gebildet
und beinhaltet einen Düseneinlass 26 und
einen Düsenauslass 28.
Der Düseneinlass 26 ist
mit dem Wasseraufbereitungssystem 16 gekoppelt, wie vorstehend
erörtert.
Der Düsenauslass 28 ist
mit dem Gehäuse 16 durch
Reibschluss, eine Schnappverbindung, eine Gewindeverbindung oder
einen anderen ähnlichen
Kopplungsmechanismus gekoppelt, der imstande ist, eine wasserdichte
Verbindung dazwischen zu bilden. Die Düse 14 kann das Gehäuse 16 an
irgendeiner Stelle durchdringen, die für eine passende Ausrichtung
der Düse 14 mit
dem Antriebsrad 18 sorgt, wie nachstehend erörtert wird.
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Die
Düse 14 beinhaltet
einen Durchgang 30, der für das Hindurchfließen von
Wasser sorgt. Der Durchgang 30 ist so gebildet, dass er ein
erster vorbestimmter Durchmesser 32 am Düseneinlass 26 und
ein zweiter vorbestimmter Durchmesser 34 am Düsenauslass 28 ist.
In dieser Ausführungsform
beträgt
der zweite vorbestimmte Durchmesser 34 etwa 26% des ersten
vorbestimmten Durchmessers 32. Der Durchlass 30 bleibt
für eine
vorbestimmte Länge der
Düse 14 der
erste vorbestimmte Durchmesser 32. Der übrige Teil des Durchgangs 30 ist
durch ein gleichförmiges
Verjüngen
des Durchgangs 30 auf den zweiten vorbestimmten Durchmesser 34 kegelförmig. In
dieser Ausführungsform
verjüngt
sich der Durchgang 30 der Düse 14 mit einem Winkel
von ca. 18° zwischen
dem ersten vorbestimmten Durchmesser 32 und dem zweiten
vorbestimmten Durchmesser 34.
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Die
Ausgestaltung des Durchgangs 30 bestimmt die Geschwindigkeit
des aus der Düse 14 austretenden
Wassers. Zudem hängt
die Geschwindigkeit des Wassers am Düsenauslass 28 vom
Druck der Wasserquelle und dem Gegendruck stromabwärts der
Düse 14 ab.
Ein wünschenswerter
vorbestimmter Geschwindigkeitsbereich am Düsenauslass 28 kann
unter Verwendung eines vom Wasseraufbereitungssystem 10 (in 1 veranschaulicht)
am Düseneinlass 26 bereitgestellten
erwarteten Druckbereichs bestimmt werden. Beispielsweise liegt in
einem Haushaltwassersystem der Druck der Wasserversorgung in einem
Bereich von etwa 20 bis 60 Pfund pro Quadratzoll (psi von engl.
pounds per square inch). Der Durchgang 30 stellt auch einen kontinuierlichen
und gleichförmigen
Wasserstrom am Düsenauslass 28 bereit.
Während
des Betriebs fließt durch
die Düse 14 strömendes Wasser
innerhalb eines vorbestimmten Geschwindigkeitsbereichs und mit einer
vorbestimmten Trajektorie bzw. Bahn in das Gehäuse 16.
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Nun
wird erneut Bezug auf 1 genommen, in der das Gehäuse 16 einen
Schacht bildet, der aus Plastik oder irgendeinem anderen ähnlichen wasserfesten
Material gebildet sein kann, welches imstande ist, einen steifen
Durchgang für
Wasser zu bilden. In dieser Ausführungsform
beinhaltet das Gehäuse 16 einen
durchsichtigen Bereich, wie in 1 veranschaulicht,
um einen Blick in das Innere des Gehäuses 16 zu gestatten.
Das Gehäuse 16 ist
gebildet, das Antriebsrad 18 zu umfassen, das in Strömungsverbindung
mit dem Wasser steht, wenn das Wasser nach dem Austreten aus dem
Düsenauslass 28 durch
das Gehäuse 16 fließt.
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Das
Antriebsrad 18 beinhaltet eine Mehrzahl von Schaufeln 42,
die fest an einer Nabe 44 befestigt sind. Die Schaufeln 42 sind
derart in dem Gehäuse 16 positioniert,
dass aus der Düse 14 fließendes Wasser
mit einem vorbestimmten Winkel auf die Schaufeln 42 des
Antriebsrads 18 auftrifft. Der vorbestimmte Winkel wird
basierend auf dem erwarteten Druck des Wassers am Düseneinlass 26,
dem Gegendruck am Düsenauslass 28 und
den gewünschten
Umdrehungen pro Minute (UpM) des Antriebsrads 18 bestimmt.
Während
des Betriebs wirkt das fließende
Wasser auf das Antriebsrad 18 und veranlasst es, sich in
einer einzigen Richtung innerhalb des Gehäuses 16 zu drehen.
Wie im Einzelnen nachfolgend erörtert
wird, wandelt diese Ausführungsform des
Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12, wenn sich das Antriebsrad 18 dreht,
die Energie des fließenden
Wassers in Rotationsenergie um, die dann in Elektrizität umgewandelt
wird. In dieser Ausführungsform
ist das Antriebsrad 18 in dem durch das Gehäuse 16 fließenden Wasser
versenkt.
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3 veranschaulicht
die in 1 abgebildete Ausführungsform
um 90° gedreht,
wobei ein Bereich des Gehäuses 16 abgeschnitten ist.
Wie veranschaulicht, ist das Antriebsrad 18 durch einen
sich längs
erstreckenden Schaft 48 koaxial an einem Generator 46 befestigt.
Der Schaft 48 kann aus Edelstahl oder einem anderen ähnlichen
steifen Material bestehen, das mit dem Antriebsrad 18 fest
gekoppelt ist. Die Nabe 44 des Antriebsrads 18 ist
mit einem Ende des Schafts 48 koaxial gekoppelt und ein
Generatorschaft 50, der Teil des Generators 46 ist,
ist koaxial mit dem anderen Ende gekoppelt. Die starre Kopplung
des Schafts 48 mit dem Antriebsrad 18 und dem
Generator 46 kann durch Verschweißen, Presspassung oder eine
andere ähnliche
steife Verbindung herbeigeführt
werden.
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Der
drehbare Schaft 48 erstreckt sich derart in Längsrichtung,
dass er in das Gehäuse 16 durch eine
aus Gummi oder einem anderen ähnlichen
Material hergestellte wasserdichte Dichtung 52 eindringt.
Die wasserdichte Dichtung 52 ist mit dem Gehäuse 16 gekoppelt
und ist gebildet, um es dem Schaft 48 zu erlauben, sich
frei zu drehen, ohne dass Wasser aus dem Inneren des Gehäuses 16 austritt. Der
Schaft 48 erstreckt sich in Längsrichtung zum Generator 46,
der angrenzend an das Gehäuse 16 positioniert
ist. Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, kann die äußere Oberfläche des
Generators 46 mit dem Gehäuse 16 gekoppelt sein,
und zwar beispielsweise durch Muttern und Schrauben, Nieten oder
einen anderen ähnlichen
Mechanismus, der imstande ist, das Gehäuse 16 und den Generator 46 fest
zu koppeln.
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Wenn
während
des Betriebs Wasser durch das Gehäuse 16 fließt und sich
das Antriebsrad 18 dreht, drehen sich die Schäfte 48, 50 entsprechend, was
dazu führt,
dass Elektrizität
vom Generator 46 generiert wird. In einer alternativen
Ausführungsform wird
anstelle des Schafts 48 ein magnetischer Koppler (nicht
gezeigt) verwendet, so dass es nicht länger notwendig ist, das Gehäuse 16 zu
durchdringen. In dieser Ausführungsform
beinhaltet das Antriebsrad 18 Magneten mit einer ausreichenden
Magnetstärke, um
mit anderen ähnlichen
Magneten, die an dem Generatorschaft 50 außerhalb
des Gehäuses 16 positioniert
sind, fest gekoppelt zu werden. Während des Betriebs, wenn sich
das Antriebsrad 18 dreht, führt die magnetische Anziehung
der am Antriebsrad ausgerichteten Magnete und der am Generatorschaft 50 ausgerichteten
Magnete zu einer Drehung des Generatorschafts 50, wodurch
vom Generator 46 Elektrizität erzeugt wird.
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In
dieser Ausführungsform
kann der Generator 46 ein Dauermagnetgenerator sein, der
imstande ist, Wechselstrom (AC) zu erzeugen. Der Wechselstrom (AC)
kann gleichgerichtet werden, um Gleichstrom (DC) zu generieren.
In einer alternativen Ausführungsform
kann der Generator 46 imstande sein, sowohl AC- als auch
DC-Strom zu erzeugen.
Die Elektrizität
wird von dem Generator 46 durch eine Mehrzahl von Leitern 54 übertragen,
bei denen es sich um Drähte,
Busse oder ähnliche
Materialien handeln kann, die imstande sind, Elektrizität zu führen. Der
Spannungspegel der generierten Elektrizität ist eine Funktion der Umdrehungszahl
pro Minute des Antriebsrads 18. Wie vorstehend erörtert, kann
die Geschwindigkeit des aus der Düse 14 strömenden Wassers
innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gestaltet werden, wodurch
die Spannungsausgabe der durch den Generator 46 erzeugten
Elektrizität
gesteuert wird.
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Der
durch diese Ausführungsform
generierte Wechselstrom oder gleichgerichtete Gleichstrom kann dazu
verwendet werden, das Wasseraufbereitungssystem 10 mit
Strom zu versorgen, und kann auch dazu verwendet werden, eine Energiespeichervorrichtung
(nicht gezeigt), wie beispielsweise eine Batterie oder Kondensatoren,
zu laden. Die Drehung des Antriebsrads 18 oder die Dauer
der generierten Energie können
auch einen Mechanismus für
strömungsbasierte
Messungen, wie Flussraten oder der Menge Wasser, die durch das Wasseraufbereitungssystem 10 geflossen
ist, bereitstellen. Die Drehung des Antriebsrads 18 oder
die Dauer der generierten Elektrizität können mit der elektromagnetischen
Gegenkraft (EMF) des Generators 46 kombiniert werden, um
die strömungsbasierten
Messungen bereitzustellen. Fachleute würden erkennen, dass das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 neben dem
Wasseraufbereitungssystem 10 auch in anderen Systemen verwendet
werden kann.
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4 veranschaulicht
einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12.
Diese Ausführungsform
ist auf ähnliche
Weise mit dem Wasseraufbereitungssystem 10 gekoppelt wie
in der in 1 veranschaulichten Ausführungsform
und beinhaltet eine Düse 14,
ein Gehäuse 16,
ein Antriebsrad 18 und einen Gehäuseauslass 20. Ähnlich wie
in der zuvor erörterten
Ausführungsform,
stellt die Düse 14 Wasser mit
hoher Geschwindigkeit bereit, das auf das drehbare Antriebsrad 18 gerichtet
wird. Jedoch ist in dieser Ausführungsform
das Antriebsrad 18 während des
Betriebs nicht in dem Wasser innerhalb des Gehäuses 16 versenkt.
Das Wasser aus der Düse 14 bildet
als solches einen Strom, der auf das Antriebsrad 18 gerichtet
wird.
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Die
Düse 14 kann, ähnlich wie
die zuvor erörterte,
in 2 veranschaulichte Düse 14, eine Schalldüse sein.
Die Düse 14 durchdringt
das Gehäuse 16 und
ist durch eine Montageplatte 56 damit gekoppelt. Die Montageplatte 56 ist
benachbart positioniert und berührt die äußere Oberfläche des
Gehäuses 16.
Fachleute würden
erkennen, dass es andere Verfahren gibt, die zum Koppeln der Düse 14 mit dem
Gehäuse 16 verwendet
werden könnten.
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5 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht durch die Düse 14, die in der
Montageplatte 56 dieser Ausführungsform angebracht ist.
Die Montageplatte 56 beinhaltet eine längslaufende Aussparung 58 und
ein Paar Ösen 60,
die eine Einstellung der Düse 14 auf
eine optimale Position bezüglich
des Antriebsrads 18 erlauben. In dieser Ausführungsform kann
die Düse 14 fest
an dem Gehäuse 16 angebracht
sein, wenn die optimale Position durch Einsetzen von Gewindeschrauben
in die Ösen 60 erzielt wird.
In alternativen Ausführungsformen
stellt die Montageplatte 56 eine einzige vorbestimmte gewünschte Position
der Düse 14 bereit,
wenn die Befestigungseinrichtungen, wie beispielsweise Gewindeschrauben,
Nieten oder Stifte, die Montageplatte 56 fest auf dem Gehäuse 16 anbringen.
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Nun
wird wieder auf 4 Bezug genommen, in der die
gewünschte
Position der Düse 14 derart
ist, dass die Düse 14 sich
in Längsrichtung
in das Gehäuse 16 erstreckt.
Das Gehäuse 16 dieser
Ausführungsform
beinhaltet einen Gehäusehohlraum 62, der
durch die Innenwände
des Gehäuses 16,
wie in 4 veranschaulicht, begrenzt
wird. Der Gehäusehohlraum 62 ist
ein Luftraum, der das darin positionierte Antriebsrad 18 beinhaltet.
Während
des Betriebs wird Wasser aus der Düse 14 mit einer vorbestimmten
Bahn in den Gehäusehohlraum 62 abgegeben,
um das Antriebsrad 18 in einem vorbestimmten Winkel zu
treffen. Der vorbestimmte Winkel basiert auf der gewünschten
UPM des Antriebsrads 18 und dem Druckbereich des der Düse 14 von
dem Wasseraufbereitungssystem 10 zugeführten Wassers. Der auf Zusammenwirken
ausgelegte Betrieb der Düse 14 und
des Antriebsrads 18 ist nicht auf einen Betrieb mit unter
Druck stehendem Wasser beschränkt,
und andere Fluide, wie beispielsweise Luft, könnten analog eingesetzt werden.
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Wie
ferner in 4 veranschaulicht, beinhaltet
das Antriebsrad 18 eine Mehrzahl von Blättern 64. Jedes der
Blätter 64 dieser
Ausführungsform
ist an einem Ende fest mit einer Antriebsradnabe 66 gekoppelt
und beinhaltet eine am gegenüberliegenden Ende
gebildete Schaufel 68. Die Antriebsradnabe 66 ist
fest mit einem Schaft 48 gekoppelt, wie in den zuvor erörterten
Ausführungsformen.
Fachleute würden erkennen,
dass die Anzahl der Blätter 64 und
die Größe des Antriebsrads 18 je
nach Anwendung variieren könnten.
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6 veranschaulicht
die in 5 veranschaulichte Ausführungsform
eines Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 um 90° gedreht,
wobei ein Bereich des Gehäuses 16 zu
Zwecken der Veranschaulichung abgeschnitten ist. Wie veranschaulicht, umfasst
das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 das Gehäuse 16,
das wie in den zuvor erörterten Ausführungsformen
mit dem Generator 46 mit dem Schaft 48 gekoppelt
ist. Zudem erstreckt sich der drehbare Schaft 48 in Längsrichtung
von dem Antriebsrad 18 durch die wasserdichte Dichtung 52 in den
Generator 46. In einer alternativen Ausführungsform
könnte
der Schaft 48 mit einem magnetischen Koppler, wie zuvor
beschrieben, modifiziert sein, wodurch das Durchdringen des Gehäuses 16 und
die wasserdichte Dichtung 52 entfallen. Wie veranschaulicht,
positioniert der Schaft 48 das Antriebsrad 18 drehbar
im Luftraum innerhalb des Gehäusehohlraums 62,
wodurch sich die Schaufeln 68 um den Schaft 48 drehen.
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Wie
in 6 veranschaulicht, ist jede der Schaufeln 68 dieser
Ausführungsform
parabelförmig mit
einer Aussparung 70 ausgebildet. Die Parabelform der Schaufeln 68 sorgt
für eine
einheitliche Aufnahme der Energie, die in dem aus der Düse 14 (in 5 veranschaulicht)
abgegebenen Wasser enthalten ist. Die Aussparungen 70 erlauben
es der Energie des abgegebenen Wassers, während des Drehens des Antriebsrades 18 zur
nächsten
Schaufel 68 überzutreten.
Das vorübergehende Übertreten
der Energie des abgegebenen Wassers zur nächsten Schaufel 68 maximiert
die Effizienz des Energietransfers vom Wasser zum Antriebsrad 18.
In alternativen Ausführungsformen
könnten
die Blätter 64 in
anderen Formen und Ausgestaltungen ausgebildet sein, die dem effizienten
Transfer von Energie anderer aus der Düse 14 abgegebener
Fluide förderlich
sind. Beispielsweise könnten
die Blätter 64,
wenn es sich bei dem Fluid um Luft handelt, als Leitschaufeln bzw. -bleche,
Flügel
bzw. Finnen oder als eine andere ähnliche Struktur ausgebildet
sein, die in der Lage ist, die Energie von der fließenden Luft
in die Drehung des Antriebsrades 18 umzusetzen.
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Während des
Betriebs, nachdem der Wasserstrom mit einem vorbestimmten Winkel
auf das Antriebsrad 18 aufgetroffen ist, fällt das
Wasser mittels Schwerkraft, wie durch den Pfeil 72 angedeutet, hin
zum Gehäuseauslass 20.
Als solches sammelt sich das Wasser am Gehäuseauslass 20 und
wird dadurch aus dem Gehäuse 16 herauskanalisiert.
Da das Antriebsrad 18 nicht in dem Wasser versenkt ist, wird
der Großteil
der vom Wasserstrom auf das Antriebsrad 18 transferierten
Energie dem Schaft 48 als Drehkraft zur Verfügung gestellt.
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Die
Drehung des Schafts 48 bewirkt eine Drehung eines Bereichs
des Generators 46. Eine Ausführungsform des Generators umfasst
einen Rotor 76, einen ersten Stator 78 und einen
zweiten Stator 80, die innerhalb eines Generatorgehäuses 82 positioniert
sind. Der Rotor 76 ist fest mit dem Schaft 48 gekoppelt
und dreht sich mit diesem. Der erste und der zweite Stator 78, 80 sind
fest mit dem Generatorgehäuse 82 gekoppelt
und umgeben den Schaft 48 in Umfangsrichtung. Der Rotor 76 ist
zwischen dem ersten und zweiten Stator 78, 80 positioniert,
um den Generator 46 zu bilden.
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Der
Rotor 76 dieser Ausführungsform
kann die Form einer Scheibe mit einer Mehrzahl von Dauermagneten 84 aufweisen.
Die Dauermagneten 84 sind einheitlich an vorbestimmten
Positionen innerhalb des Rotors 76 platziert, um mit dem
ersten und dem zweiten Stator 78, 80 betriebsmäßig zusammenzuwirken.
Der erste und der zweite Stator 78, 80 können in
dieser Ausführungsform
jeweils auch Scheiben mit einer Mehrzahl von Spulen 86 bilden. Die
Spulen 86 sind einheitlich innerhalb des ersten und des
zweiten Stators 78, 80 positioniert, um betriebsmäßig mit
den Dauermagneten 84 zusammenzuwirken. Die Spulen 86 können elektrisch
verbunden sein, um eine oder mehrere Wicklungen zu bilden, die zum
Erzeugen von Elektrizität
betreibbar sind. Die Anzahl von Polen und die Ausgestaltung des
ersten und des zweiten Stators 78, 80 hängen von
einer Reihe von Faktoren ab. Zu diesen Faktoren gehören: die
Stärke
des durch die Dauermagneten 84 und die elektromagnetische
Gegenkraft EMF gebildeten Gausschen Feldes sowie die gewünschte UPM
und die gewünschte
Leistungsausgabe des Generators 46.
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In
dieser Ausführungsform
bewirkt die Drehung des Rotors 76 einen magnetischen Fluss,
der durch die Dauermagneten 84 erzeugt wird, so dass diese
sich auf ähnliche
Weise drehen und dabei Elektrizität im ersten und zweiten Stator 78, 80 generieren.
Der Rotor 76 und der erste und zweite Stator 78, 80 wirken
betriebsmäßig zusammen,
um Wechselstrom (AC) zu erzeugen. Der AC kann durch den Generator 46 gleichgerichtet
und stabilisiert werden, um sowohl AC als auch Gleichstrom (DC)
zu liefern. In einer alternativen Ausführungsform können die
Dauermagneten 84 auf dem ersten und dem zweiten Stator 78, 80 derart
angeordnet sein, dass der Generator 46 zum Erzeugen von
Gleichstrom (DC) betreibbar ist. In einer anderen alternativen Ausführungsform ähnelt der
Generator 46 dem mit Bezug auf 3 erörterten
Generator 46.
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Während des
Betriebs kann dem Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 von
dem Wasseraufbereitungssystem 10 (in 1 veranschaulicht) unter
Druck stehendes Wasser zugeführt
werden. Wie in den vorangehenden Ausführungsformen, können alternative
Ausführungsformen
des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 dem Wasseraufbereitungssystem 10 Wasser
zuführen
oder innerhalb des Wasseraufbereitungssystems 10 positioniert
sein. In dieser Ausführungsform
wird der Düse 14 Wasser von
dem Wasseraufbereitungssystem 10 zugeführt, wie vorstehend erörtert.
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Unter
Druck stehendes Wasser fließt
durch die Düse 14 und
entleert sich mit hoher Geschwindigkeit in den Gehäusehohlraum 62,
wobei es die Schaufeln 68 auf dem Antriebsrad 18 mit
einem vorbestimmten Anströmwinkel
trifft. Wenn das Wasser die Schaufeln 68 trifft, wird die
Energie des abgegebenen Wassers auf das Antriebsrad 18 übertragen, was
eine Drehung in einer einzigen Richtung bewirkt. Während sich
das Antriebsrad 18 dreht, strömt auch ein Teil des abgegebenen
Wasserstroms durch die Aussparungen 70 und trifft eine
andere der Schaufeln 68 am Antriebsrad 18. Nach
der Kollision des Wassers mit den Schaufeln 68 und dem
damit einhergehenden Energietransfer fällt das Wasser mittels Schwerkraft
zum Gehäuseauslass 20 und
fließt
aus dem Gehäuse 16.
Dementsprechend bleibt der Gehäusehohlraum 62 während des
Betriebs ein Luftraum und wird während
des Betriebs nicht vollständig mit
Wasser gefüllt.
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Das
Drehen des Antriebsrads 18 bewirkt ein Drehen des Schafts 48,
wodurch der Rotor 76 des Generators 46 gedreht
wird. In dieser Ausführungsform
dreht sich der Rotor 76 mit etwa 2400 Umdrehungen pro Minute
(UpM). Das Drehen des Rotors 76 veranlasst die Erzeugung
von Elektrizität,
die dem Wasseraufbereitungssystem 10 zugeführt wird.
Wie vorstehend erörtert,
basiert der Bereich des von dem Generator 46 erzeugten
Spannungspegels auf dem Geschwindigkeitsbereich des durch die Düse 14 fließenden Wassers.
Demgemäß lässt sich
der Spannungsbereich des Generators durch Auswählen eines vorbestimmten Geschwindigkeitsbereichs
für das
durch die Düse 14 fließende Wasser
auswählen.
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7 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12,
das bevorzugt mit dem Wasseraufbereitungssystem 10 gekoppelt ist.
Wie veranschaulicht, umfasst das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 ein
Rotorgehäuse 102 und
ein Statorgehäuse 104.
Das Rotorgehäuse 102 bildet
einen Schacht, der aus Plastik oder einem anderen ähnlichen
steifen Material bestehen kann und einen Einlass 106 und
einen Auslass 108 beinhaltet. Während des Betriebs nimmt der
Einlass 106 das fließende
Wasser auf, wie durch den Pfeil 110 veranschaulicht, und
der Auslass 108 kanalisiert das fließende Wasser zum Wasseraufbereitungssystem 10. In
alternativen Ausführungs formen
kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 innerhalb
des Wasseraufbereitungssystems 10 positioniert sein oder
so positioniert sein, dass es aus dem Wasseraufbereitungssystem 10 ausströmendes Wasser
aufnimmt. Wie vorstehend erörtert,
kann der Strom von Wasser durch das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 durch
das Wasseraufbereitungssystem 10 gesteuert werden.
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Wie
in 7 veranschaulicht, enthält das Rotorgehäuse 102 einen
Rotor 112, und das Statorgehäuse 104 enthält einen
Stator 114. Der Rotor 112 dieser Ausführungsform
kann ein zwölfpoliger
Dauermagnetrotor mit sechs Nord-/Südpolkombinationen sein. Wie
im Einzelnen nachstehend dargelegt, kann es sich bei dem Stator 114 dieser
Ausführungsform um
einen kreisförmigen
Ring handeln, der mit acht Nord-/Südpolkombinationen ausgebildet
ist. Der Rotor 112 und der Stator 114 wirken zusammen,
um während
des Betriebs Elektrizität
zu erzeugen. Wie in der Technik bekannt, enthält ein Stator eine stationäre Wicklung,
die ausgestaltet sein kann, um abhängig von der Stärke der
am Ausgang benötigten
Spannung irgendeine Anzahl von Polen zu enthalten. Die Anzahl von
Polen der in der vorliegenden Ausführungsform offenbarten Wicklung
sollte nicht als beschränkend
für die
vorliegende Erfindung ausgelegt werden.
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8 stellt
eine Draufsicht auf die in 7 abgebildete
Ausführungsform
dar, wobei der obere Bereich des Statorgehäuses 104 zum Zwecke
der Veranschaulichung abgeschnitten ist. Der Stator 114 ist
fest im Statorgehäuse 104 positioniert,
um das Rotorgehäuse 102 umfangsmäßig zu umgeben.
Der Stator 114 beinhaltet einen Kern 116, eine
Mehrzahl von Schenkelpolen 118 und eine Mehrzahl von Spulen 120.
Der Kern 116 kann aus Eisen, Stahl oder einem anderen ähnlichen
Material bestehen und ist ausgebildet, die Schenkelpole 118 zu
beinhalten. In dieser Ausführungsform
können
acht Schenkelpole 118 vorliegen, die jeweils von Spulen 120 umgeben sind.
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Die
Schenkelpole 118 sind derart auf dem Stator 114 gebildet,
dass sie das Rotorgehäuse 102 umfangsmäßig umgeben.
Jeder der Schenkelpole 118 beinhaltet ein geformtes Ende,
das in der Technik als Polschuh 122 bekannt ist. Die Polschuhe 122 befinden
sich angrenzend an das Rotorgehäuse 102. Die
Polschuhe 122 führen
einen vom Rotor 112 gebildeten konstanten Magnetfluss durch
die Spulen 120. Die Spulen 120 können aus
Draht oder aus einem anderen ähnlichen
Material sein, das fähig
ist, Elektrizität
zu führen
und um die Schenkelpole 118 herumgewickelt zu werden. Obwohl
dies nicht dargestellt ist, sind die Spulen 120 elektrisch
verbunden, um die Wicklung zu bilden. Wie in der Technik bekannt,
wird die für
jede Spule 120 verwendete Anzahl von Windungen des Drahts
durch die Spannungs- und Energieerfordernisse, die Mindest- und
Höchstdrehzahl
des Rotors 112, den maximal zulässigen Gegendruck, die erforderliche
Induktivität
und die magnetische Feldstärke
in Gauss bestimmt.
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Nun
wird erneut auf 7 Bezug genommen, in der der
Stator 114 quer positioniert ist, senkrecht zur Mittenachse
des Rotorgehäuses 102.
Da der Stator 114 außerhalb
des Rotorgehäuses 102 positioniert
ist, ist er von einer Strömungsverbindung mit
dem innerhalb des Rotorgehäuses 102 fließenden Wasser
isoliert. Das Statorgehäuse 104 ist
fest mit dem Rotorgehäuse 102 gekoppelt
und sorgt dadurch für
eine vorbestimmte Position des Stators 114 am Rotorgehäuse 102.
In dieser Ausführungsform
ist das Statorgehäuse 104 durch
Reibschluss mit der äußeren Oberfläche des
Rotorgehäuses 102 gekoppelt.
Fachleute würden
erkennen, dass verschiedene andere Arten der Kopplung des Rotorgehäuses 102 und
des Statorgehäuses 104 existieren.
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In
dieser Ausführungsform
des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 beinhaltet der
Rotor 112 einen Dauermagneten 124, der aus Metall,
gesintertem Metall, extrudiertem Metall, gespritztem Plastikmaterial
oder Keramikmaterial gebildet sein kann. Der Dauermagnet 124 bildet
einen konstanten Magnetfluss und ist mit einem Rotorschaft 126 gekoppelt.
Der Rotorschaft 126, der drehbar ist, erstreckt sich in
Längsrichtung
von gegenüberliegenden
Enden des Dauermagneten 124 und kann aus Edelstahl oder
einem anderen steifen, korrosionsbeständigen Material bestehen. Der
Dauermagnet 124 ist mit seiner Mittenachse koaxial mit
dem Rotorschaft 126 ausgebildet. Die äußere Oberfläche des Dauermagneten 124 kann
stromlinienförmig
ausgebildet sein, um mindestens ein Rotorblatt 128 zu beinhalten.
Der Dauermagnet 124 dieser Ausführungsform ist walzenförmig ausbildet,
mit einem einzelnen spiralförmigen
Steg, der das Rotorblatt 128 bildet. In alternativen Ausführungsformen
könnte
es sich bei dem Rotorblatt 128 um Turbinenblätter oder ähnliche Vorrichtungen
handeln, die fähig
sind, eine Drehung des Rotors 112 herbeizuführen, wenn
sie fließendem Wasser
ausgesetzt werden.
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Wie
in 7 veranschaulicht, ist der Rotor 112 innerhalb
des Rotorgehäuses 102,
koaxial mit der Mittenachse des Rotorgehäuses 102 positioniert. Ein
Ende des Rotorschafts 126 des Rotors 112 ist in einen
ersten Bund 130 eingeführt
und das andere Ende des Rotorschafts 126 ist in einen zweiten
Bund 132 eingeführt.
In dieser Ausführungsform
nimmt der Durchmesser der Enden des Rotor schafts 126 zum Bilden
einer massiven Kugel zu, um die Befestigung am ersten Bund 130 und
am zweiten Bund 132 zu erleichtern. Der erste Bund 130 und
der zweite Bund 132 sind aus Plastik oder einem anderen ähnlichen Material
gebildet und erzeugen eine Querstrebe senkrecht zur Mittenachse
des Rotorgehäuses 102. Der
erste Bund 130 und der zweite Bund 132 enthalten
jeweils ein Lager 134 oder eine andere ähnliche Vorrichtung, um es
dem Rotorschaft 126 zu erlauben, sich frei zu drehen. Zusätzlich sind
der erste Bund 130 und der zweite Bund 132 mit
dem Rotorgehäuse 102 in
einem vorbestimmten Abstand voneinander gekoppelt, so dass der Rotor 112 dazwischen
gehängt
werden kann.
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Der
Rotor 112 ist derart im Rotorgehäuse 102 positioniert,
dass durch das Rotorgehäuse 102 fließendes Wasser
auf das Rotorblatt 128 trifft, das einen Bestandteil des
Rotors 112 bildet. Das Rotorblatt 128 wirkt als
Schaufel, die das fließende
Wasser veranlasst, auf den Rotor 112 einzuwirken. Das fließende Wasser
bringt den Rotor 112 dazu, sich in einer einzigen Richtung
um die Mittenachse des Rotorgehäuses 102 zu
drehen. Der Rotor 112 ist derart innerhalb des Stators 114 positioniert,
dass die Achse des Rotors 112 konzentrisch zu der des Stators 114 ist.
Der Rotor 112 wirkt betriebsmäßig mit dem Stator 144 zusammen,
um den Generator zu bilden.
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Während des
Betriebs, wenn Wasser fließt und
sich der Rotor 112 dreht, dreht sich auch der von dem Rotor 112 erzeugte
konstante Magnetfluss und dringt in den Stator 114, wodurch
er intrinsisch Leistung erzeugt. Zwischen dem Rotor 112 und
dem Stator 114 muss ein Luftspalt eines vorgeschriebenen Abstands
aufrechterhalten werden, um es dem konstanten Magnetfluss aus dem
Rotor 112 zu erlauben, die Erzeugung von Elektrizität vom Stator 114 zu
veranlassen. In diesen Ausführungsformen
besteht der „Luftspalt" zwischen dem Dauermagneten 124 des Rotors 112 und
den Polschuhen 122 des Stators 114 aus fließendem Wasser
und dem Rotorgehäuse 102. Das
Strömen
eines Fluids und das Rotorgehäuse 102 beeinträchtigen
nicht den konstanten Magnetfluss. Demgemäß veranlasst der sich drehende
konstante Magnetfluss aus dem sich drehenden Rotor 112 die
Erzeugung von Elektrizität
von den Spulen 120 des Stators 114.
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Wenn
das Wasser durch das Rotorgehäuse 102 fließt und dabei
den Rotor 112 veranlasst, sich zu drehen, wird der sich
drehende konstante Magnetfluss auf die Wicklung des Stators 114 weitergegeben und
es wird Elektrizität
erzeugt. Die Elektrizität
fließt durch
die Leiter 54, um eine Vorrichtung mit Leistung zu versorgen,
bei der es sich in dieser Ausführungsform
um ein Wasseraufbereitungssystem 10 handelt. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 dieser
Ausführungsform,
das in den 7 und 8 veranschaulicht
ist, erzeugt einen Wechselstrom (AC), der zum Versorgen des Wasseraufbereitungssystems 10 mit
Leistung verwendet werden kann. In einer alternativen Ausführungsform
kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 den Wechselstrom
(AC) gleichrichten, um Gleichstrom (DC) zu erzeugen. In einer anderen
alternativen Ausführungsform
führt das
Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 dem Wasseraufbereitungssystem 10 sowohl AC-
als auch DC-Strom zu, indem es den Wechselstrom (AC) gleichrichtet
und stabilisiert. Der DC-Strom kann auch zum Laden einer Energiespeichervorrichtung
(nicht gezeigt) verwendet werden. Die Drehung des Rotors 112 und
die Dauer, für
die Elektrizität
erzeugt wird, können
auch zum Bereitstellen von strömungsbasierten
Messungen, wie der Flussrate oder der Menge Wasser, die durch das Wasseraufbereitungssystem 10 fließt, verwendet werden.
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9 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht noch einer anderen Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12,
das vom Konzept her der vorangehenden, im Hinblick auf die 7 und 8 offenbarten
Ausführungsform ähnelt. Diese
Ausführungsform
beinhaltet einen Rotor 112, einen Stator 114 und
eine Turbinendüse 140,
die in einem Gehäuse 142 angeordnet
sind. Das Gehäuse 142 bildet
einen Schacht mit einem Einlass 144 und einem Auslass 146.
Wenn Wasser oder irgendein anderes Fluid in den Einlass 144 fließt, wie durch
den Pfeil 148 veranschaulicht, so fließt das Wasser durch das Gehäuse 142 und
wird durch den Auslass 146 aus dem Gehäuse 142 heraus kanalisiert.
In einer Ausführungsform
kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 innerhalb
eines Wasseraufbereitungssystems 10 (in 1 veranschaulicht)
positioniert sein oder es kann sich an das Wasseraufbereitungssystem 10 anschließen oder
dem Wasseraufbereitungssystem 10 Wasser zuführen.
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Das
Gehäuse 142 kann
aus Plastik oder einem ähnlichen
steifen Material gebildet sein, das imstande ist, Wasser zu kanalisieren.
Das Gehäuse 142 dieser
Ausführungsform
beinhaltet einen ersten Abschnitt 152 und einen zweiten
Abschnitt 154, um die Montage und Wartung zu erleichtern.
Der erste und der zweite Abschnitt 152, 154 können durch
Kleben, Reibschluss, eine Gewindeverbindung, Schallschweißen oder
ein anderes Mittel zum Bereitstellen einer ähnlichen steifen Verbindung
fest gekoppelt sein. Das Gehäuse 142 bildet
einen Durchgang 156 für
das Hindurchströmen
von Wasser.
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Die
Turbinendüse 140 ist
fest innerhalb des Durchgangs 156 positioniert.
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Die
Turbinendüse 140 dieser
Ausführungsform
kann im Allgemeinen kegelförmig
sein oder kann aus Plastik oder irgendeinem ähnlichen steifen Material gebildet
sein. Die Turbinendüse 140 kann einstückig ausgebildet
sein, um eine Spitze 158 und eine Mehrzahl von Streben 160 zu
beinhalten. Die Spitze 158 kann sich mittig im Durchgang 156 befinden
und dient zum Leiten des fließenden
Wassers nach außen,
hin zur Innenwand des Gehäuses 142. Die
Streben 160 sind fest mit der Innenwand des Gehäuses 142 gekoppelt,
beispielsweise durch Reibschluss, eine Schnappverbindung, Gewindeverbindung
oder eine ähnliche
steife Verbindung.
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Die
Streben 160 halten die Turbinendüse 140 fest im Durchgang 156 und
beinhalten eine Mehrzahl von Kanälen 162,
um Wasser durch das Gehäuse 142 fließen zu lassen.
Die Größe der Kanäle 162 kann
angepasst werden, um die Geschwindigkeit des fließenden Wassers
zu steuern. Genau wie in der vorangehend mit Bezug auf 2 erörterten Döse 14,
kann ein vorbestimmter Geschwindigkeitsbereich bestimmt werden.
Der vorbestimmte Geschwindigkeitsbereich basiert auf dem erwarteten Druckbereich
des im Einlass 144 fließenden Wassers sowie auf dem
Gegendruck des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12.
Zudem können
die Streben 160 in einer vorbestimmten Konfiguration ausgerichtet
sein, um zum Leiten des fließenden
Wassers als Leitschaufeln zu wirken. Das fließende Wasser kann beispielsweise
geleitet werden, um auf den Rotor 112 in einer vorbestimmten
Art und Weise einzuwirken, um eine Turbulenz zu beseitigen, einen
Druckabfall zu korrigieren oder die Betriebseffizienz zu erhöhen.
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10 ist eine abgeschnittene Draufsicht auf einen
Teil des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 der 9,
die die Düse 140 und
die Streben 160 innerhalb des ersten Abschnitts 152 des
Gehäuses 142 veranschaulicht.
Die Streben 160 können
in einem bestimmten Abstand 1002, wie 4,42 mm (0,174 Inch)
voneinander um das Äußere der Düse 140 positioniert
sein, um die Kanäle 162 zu
bilden. Jede der Streben 160 umfasst ein vorderes Ende 1004 und
ein hinteres Ende 1006. Das vordere Ende 1004 von
benachbart angeordneten Streben 160 kann einen Eintrittsgang
bilden, und das hintere Ende 1006 von benachbart angeordneten
Streben 160 kann einen Austrittsgang bilden. Der durch
den Pfeil 148 angedeutete Flüssigkeitsstrom erreicht zuerst
das vordere Ende 1004 und gelangt in den Eintrittsgang.
In den Kanälen 162 wird
die Geschwindigkeit der Flüssigkeit
erhöht,
bevor diese das hintere Ende 1006 der Streben 160 erreicht.
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Die
Breite der Kanäle 162 kann
sich allmählich
hin zum hinteren Ende 1006 verengen, wie veranschaulicht.
Die Querschnittsfläche
zwischen den Kanälen
an sich wird um einen vorbestimmten Betrag, wie etwa 10% bis 20%,
verkleinert. Da die unter Druck stehende Flüssigkeit in einen zunehmend
engeren Kanal 162 getrieben wird, erhöht sich die Geschwindigkeit.
Die allmähliche
Verringerung der Querschnittsfläche
zwischen den Kanälen 162 minimiert
den Gegendruck, während
sie die Geschwindigkeit der strömenden
Flüssigkeit
erhöht.
Zudem wird durch die sich verengenden Kanäle 162 ein nicht laminarer
Flüssigkeitsstrom
innerhalb der Kanäle 162 minimiert.
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Die
Streben 160 können
auch eine Mehrzahl von Strömungsgleichrichtern 1008 beinhalten.
Die Strömungsgleichrichter 1008 können in
den Kanälen 162 enthalten
sein, um eine nicht laminare Strömung weiter
zu minimieren. Auf ähnliche
Weise wie die Streben 160 können die Strömungsgleichrichter 1008 fest
mit der Innenwand des ersten Abschnitts 152 gekoppelt sein
und sich in die Kanäle 162 hinein erstrecken.
Die beispielhaften Strömungsgleichrichter 1008 können ein
mit einem Körper 1012 gekoppeltes
Blatt 1010 beinhalten. Das Blatt 1010 kann ein im
Wesentlichen gerader Abschnitt der Strömungsgleichrichter 1008 sein,
das sich von nahe des vorderen Endes 1004 hin zum hinteren
Ende 1006 jeder der Streben 160 erstreckt. Der
Körper 1012 kann
ein kugelförmiger
Körper
sein, der um einen vorbestimmten Abstand stromaufwärts von
der Austrittsleitung positioniert ist, die von den hinteren Enden 1006 der angrenzend
positionierten Streben 160 gebildet wird. In anderen Beispielen
können
die Strömungsgleichrichter 1008 irgendeine
andere hydrodynamische Form aufweisen, um den Flüssigkeitsstrom zu definieren
und eine einheitliche Strömung
durch die Kanäle 162 zu
maximieren.
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Wie
ferner in 10 veranschaulicht, kann die
Düse 140 in
einen Kompressionsbereich 1016, gefolgt von einem Beruhigungsbereich 1018,
unterteilt sein. Innerhalb des Kompressionsbereichs 1016 kann
ein abrupter Übergang
in der Strömungsrichtung
der Flüssigkeit
erfolgen. Der abrupte Übergang kann
die Turbulenz im Flüssigkeitsstrom
erhöhen. Die
Turbulenz kann mit abnehmendem Volumen des Flüssigkeitskapazität innerhalb
des ersten Abschnitts 152 zunehmen. Mit abnehmendem Volumen
nehmen die Kompression und die Geschwindigkeit der Flüssigkeit
zu. Die Abnahme des Volumens im Kompressionsbereich 1016 kann
vorbestimmt sein, um eine gewünschte
Flussrate basierend auf dem erwarteten Druckbereich der strömenden Flüssigkeit
zu erzielen. Innerhalb des Kompressionsbereichs 1016 wird
die strömende
Flüssigkeit
nach außen,
zur Innenwand des Gehäuses 142 hin
getrieben, was die Turbulenz und/oder die nicht laminare Strömung erhöhen kann.
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Der
Beruhigungsbereich 1018 stellt eine Fläche mit einem einheitlichen
Volumen an Flüssigkeitskapazität bereit,
die eine Turbulenz der strömenden Flüssigkeit
abklingen lässt
und eine stärker
laminare Strömung
der Flüssigkeit
erlaubt. Der Beruhigungsbereich 1018 kann eine vorbestimmte
Länge aufweisen,
basierend auf dem geplanten Turbulenzgrad der strömenden Flüssigkeit.
Eine nicht laminare Strömung
der Flüssigkeit
kann vor dem Eintritt in die Kanäle 162 verringert
werden. In den Kanälen 162 wird die
Geschwindigkeit der strömenden
Flüssigkeit
weiter erhöht,
und die Flüssigkeit
wird dann auf den Rotor 112 gerichtet.
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Nun
wird wieder auf 9 Bezug genommen, in der der
Rotor 112 dieser Ausführungsform
einen Turbinenrotor 164, einen Rotorschaft 166 und
einen Dauermagneten 168 beinhaltet. Der Rotor 112 ist innerhalb
des Durchgangs 156 drehbar positioniert, so dass in dem
Durchgang 156 strömendes
Wasser eine Drehung des Rotors 112 um eine Mittenachse 170 des
Gehäuses 142 bewirkt.
Eine Drehung des Rotors 112 erfolgt, wenn das strömende Wasser
auf den Turbinenrotor 164 einwirkt. Der Turbinenrotor 164 kann
aus Edelstahl, Aluminium, Plastik oder einem anderen ähnlichen
steifen Material gebildet sein, das imstande ist, den Drehkräften und
der Kraft des strömenden
Wassers zu widerstehen. Der Turbinenrotor 164 umfasst mindestens
ein Turbinenblatt 172 und einen Körper 174.
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Das
Turbinenblatt 172 ist positioniert, um Energie von dem
durch die Streben 160 strömenden Wasser zu erhalten.
Bei dem Turbinenblatt 172 kann es sich um eine Mehrzahl
von Leitschaufeln, einen spiralförmigen
Steg oder einen anderen, an dem Körper 174 gebildeten
Mechanismus handeln, der imstande ist, die Energie des strömenden Wassers
in Rotationsenergie umzuwandeln. Das Turbinenblatt 172 dieser
Ausführungsform
ist mit dem Körper 174 einstückig ausgebildet
und erstreckt sich, bis es angrenzend an die Innenwand des Gehäuses 142 positioniert
ist. Der Körper 174 kann
ausgebildet sein, um einen Hohlraum 176 zu begrenzen, der
einen Teil des Rotorschafts 166 umfangsmäßig umgibt.
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Der
Leser sollte berücksichtigen,
dass die Tiefe der Kanäle 162 geringer
ist als die Tiefe des Turbinenblatts 172 in Bezug auf die
Innenwand des Gehäuses 142.
Die unterschiedliche Tiefe sorgt für eine Zirkulation des strömenden Wassers,
wie nachstehend erörtert
wird. Zudem ist der Strömungsweg des
Wassers am Stator 114 vorbei im Wesentlichen geradlinig.
Das Volumen des Strömungswegs
ist auch im Anschluss an die Kanäle 162 größer, um
für einen
bestimmten Druckabfall des strömenden
Wassers zu sorgen. Das strömende
Wasser gibt daher erhebliche Mengen kinetischer Energie an das sich drehende
Turbinenblatt 172 ab, wenn das Wasser am Turbinenblatt 172 vorbeiströmt. Die
kinetische Energie des strömenden
Wassers wird durch die Turbinenblätter 172 effizient,
ohne bedeutende Verluste und Ineffizienzen extrahiert, da sich nur
die Turbinenblätter 172 unmittelbar
in der Strömung
hoher Geschwindigkeit des fließenden
Wassers befinden.
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Der
Rotorschaft 166 ist drehbar und kann mit dem Turbinenrotor 164 einstückig ausgebildet
sein, oder der Rotorschaft 166 kann durch Presspassung, eine
Gewindeverbindung oder einen ähnlichen
Kopplungsmechanismus fest damit gekoppelt sein. Der Rotorschaft 166 kann
Edelstahl oder ein anderes ähnliches
steifes Material sein, das sich in Längsrichtung durch den Dauermagneten 168 erstrecken kann.
Der Dauermagnet 168 kann ein extrudierter Magnet oder ein
gespritzter Plastikmagnet sein. Alternativ kann der Dauermagnet
aus einem Metall, gesinterten Metall, einem keramischen Material
oder einem anderen ähnlichen
Material mit magnetischen Eigenschaften hergestellt sein. Der Dauermagnet 168 kann
durch Reibschluss, Formgebungsverfahren oder einen anderen ähnlichen
Mechanismus fest mit dem Rotorschaft 166 gekoppelt sein.
Der Rotor 112 wird von einer Mehrzahl von Lagern 178 drehbar
in Position gehalten.
-
Die
Lager 178 umgeben einen Teil des Rotorschafts 166 umfangsmäßig an gegenüberliegenden
Enden des Dauermagneten 168. Die Lager 178 können Carbongraphit,
Teflon, Kugellager, Keramik, ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMW-PE)
oder andere ähnliche
Lager sein, die imstande sind, der Drehung des Rotorschafts 166 zu
widerstehen. In dieser Ausführungsform
werden die Lager 178 durch in dem Durchgang 156 vorhandenes
Wasser geschmiert. Zudem ist das strömende Wasser betreibbar, um
die Lager 168 zu kühlen,
wie nachfolgend beschrieben wird. Die Lager 178 sind mit
dem Stator 114 fest gekoppelt und werden von ihm in Position gehalten.
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Der
Stator 114 dieser Ausführungsform
beinhaltet eine Mehrzahl von Austrittsleitschaufeln 180, einen
Flügel 182,
eine Mehrzahl von Spulen 184 und eine Kappe 186.
Wie in 9 veranschaulicht, wird der
Stator 114 durch die Austrittsleitschaufeln 180 fest
im Durchgang 156 positioniert. Die Austrittsleitschaufeln 180 sind
mit der Innenwand des Gehäuses 142 durch
beispielsweise Klebstoff, Reibschluss, eine Schnappverbindung oder
einen ähnlichen
steifen Kopplungsmechanismus fest gekoppelt. Die Austrittsleitschaufeln 180 erstrecken
sich in Längsrichtung
parallel zur Innenwand des Gehäuses 142 und stellen
Kanäle
zum Hindurchströmen
von Wasser bereit. Die Austrittsleitschaufeln 180 sind
ausgebildet, um das strömende
Wasser zum Auslass 146 zu kanalisieren, um eine Turbulenz,
Luftblasen, Gegendruck und ein anderes ähnliches Verhalten des strömenden Wassers
zu verringern, das einen effizienten Betrieb beeinträchtigen
kann. Der Flügel 182 ist
auf ähnliche
Weise ausgebildet, um das strömende
Wasser zum Auslass 146 zu kanalisieren.
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Zwar
ist dies nicht dargestellt, doch können die Austrittsleitschaufeln 180 in
einem Wirbelmuster ausgebildet sein, das einer mit der Mittenachse 170 konzentrischen
spiralförmigen
Spule (oder Spiralnuten) ähnelt.
Die Austrittsleitschaufeln 180 können sich allmählich in
Richtung des Flügels 182 abwickeln,
um schließlich
im Wesentlichen parallel zur Mittenachse 170 zu werden.
In dieser Ausgestaltung können
die Austrittsleitschaufeln 180 eine Turbulenz verringern
und eine laminare Strömung
erzeugen.
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Während des
Betriebs kann von den Austrittsleitschaufeln 180 empfangene
Flüssigkeit
aufgrund der Drehung des Turbinenblatts 172 eine Tendenz
zur Wirbelbildung aufweisen. Die Tendenz zur Wirbelbildung der Flüssigkeit
kann im Wesentlichen dem Wirbelmuster der Austrittsleitschaufeln 180 entsprechen.
Demgemäß tritt
die Flüssigkeit
ohne abrupte Richtungsveränderungen,
die eine Turbulenz bewirken können,
in die Austrittsleitschaufeln 180 ein. Während der
Kanalisierung durch die Austrittsleitschaufeln 180 kann
die Ten denz zur Wirbelbildung der Flüssigkeit allmählich durch
das allmähliche
Abwickeln der Austrittsleitschaufeln 180 minimiert werden.
Somit kann die Flüssigkeit
aus den Austrittsleitschaufeln 180 mit einer im Wesentlichen
laminaren Strömung
austreten, um den effizienten Betrieb zu maximieren.
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Die
Spulen 184 sind auf einem Kern (nicht gezeigt) gebildet,
um den Rotor 112 umfangsmäßig zu umgeben und eine Wicklung
zu bilden. Die Spulen 184 werden von dem Rotor 112 durch
einen Luftspalt 188 getrennt. Die Spulen 184 sind
mit den Austrittsleitschaufeln 180 fest gekoppelt. Zudem
können
die Spulen 184 mit den Lagern 178 und dem Flügel 182 fest
gekoppelt sein. Die Spulen 184 können mit den Austrittsleitschaufeln 180,
den Lagern 178 und dem Flügel 182 fest gekoppelt
sein, beispielsweise durch Klebstoff oder durch eine einstückige Ausbildung
damit. In dieser Ausführungsform
sind die Spulen 184 innerhalb des Durchgangs 156 positioniert,
sind jedoch wasserfest, um eine flüssigkeitsleitende Verbindung
mit dem strömenden
Wasser zu vermeiden. Die Spulen 184 können wasserfest gemacht werden,
indem sie beispielsweise mit Epoxid vergossen, mit Gummi oder Kunststoff
spritzgegossen, mit Ultraschall versiegelt oder anderweitig, durch
ein ähnliches
Abdichtungsverfahren vom Wasser isoliert werden. In einer alternativen
Ausführungsform
können sich
die Spulen 184 außerhalb
des Gehäuses 142 befinden,
wie in der vorstehend mit Bezug auf die 7 und 8 erörterten
Ausführungsform.
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Die
Spulen 184 werden auch durch die Kappe 186 gegen
das Wasser abgedichtet. Die Kappe 186 ist positioniert,
um das Ende der Spulen 184, das sich angrenzend an den
Turbinenrotor 164 befindet, wie in 9 veranschaulicht,
abzudichten. Die Kappe 186 kann mit den Spulen 184 durch
eine Gewindeverbindung abnehmbar gekoppelt sein oder kann mit den
Spulen 184 durch Klebstoff oder durch eine einstückige Ausbildung
fest gekoppelt sein. Die Kappe 186 ist ausgebildet, das
Lager 178 teilweise zu umgeben und sich in radialer Richtung über eine
vorbestimmte Strecke zu erstrecken, die gleich dem Radius des Stators 114 ist.
Die vorbestimmte Erstreckung der Kappe 186 nähert sich
stärker
der Innenwand des Gehäuses 142 als
der Körper 174 des
Turbinenrotors 164. Der unterschiedliche Abstand von der
Innenwand des Gehäuses 142 zur
Kappe 186 und dem Körper 174 sorgt
für ein
Zirkulieren des strömenden
Wassers, wie nachstehend erörtert
wird.
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Während des
Betriebs erfährt
Wasser, das durch den Einlass 144 und in den Durchgang 156 strömt, eine
vorbestimmte Geschwindigkeitszunahme, wenn das druckbeaufschlagte
Wasser durch die Kanäle 162 fließt. Das
strömende
Wasser wird von den Streben 160 geleitet, um einen vorbestimmten Anströmwinkel
auf dem Turbinenblatt 172 zu erreichen, der dem Rotor 112 eine
Drehung verleiht. Aufgrund der unterschiedlichen Tiefe des Kanals 162, des
Turbinenblattes 172 und der Kappe 182 wird das strömende Wasser
in den Hohlraum 176 hinein zirkuliert. Das Zirkulieren
des strömenden
Wassers durch den Hohlraum 176 sorgt für eine Kühlung und Schmierung des angrenzend
positionierten Lagers 178.
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In
dieser Ausführungsform
dreht sich der Rotor 112 mit über etwa 5.000 Umdrehungen
pro Minute (UpM), wie etwa in einem Bereich von zwischen ca. 5.000
UpM und ca. 10.000 UpM oder in einem Bereich von zwischen ca. 4.000
UpM und ca. 12.000 UpM. Eine Drehung von über ca. 5.000 UpM kann auf einer
Flussrate der Flüssigkeit
von ca. 3,78 l/Min. bis ca. 11,35 l/Min. (ca. 1 bis 3 Gallo nen/Min.)
in einem Druckbereich der Flüssigkeit
von ca. 415 kPa bis ca. 690 kPa (ca. 60 bis 100 lb./sq. inch) beruhen.
Eine Drehung von über
ca. 5.000 UpM kann auch auf einer Flussrate der Flüssigkeit
von ca. 0,76 l/Min. bis ca. 3,78 l/Min. (ca. 0,2 bis ca. 1 Gallone/Min.)
in einem Druckbereich der Flüssigkeit
von ca. 103,4 kPa bis ca. 415 kPa (ca. 15 bis 60 psi) beruhen. Je
nach den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit und/oder den Herstellungstoleranzen
können
die vorliegend erörterten
Abmessungen, die UpM, der Druck und die Flussraten um bis zu 10%
bis 20% variieren.
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Um
in diesem UpM-Bereich zu arbeiten, kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem
miniaturisiert werden, um die durch den Fluidwiderstand (oder Ventilationsverluste)
bedingte Ineffizienz zu verringern. In vorliegender Verwendung ist
der Begriff „Fluidwiderstand" definiert als Fluidreibung und/oder
jegliche andere Fluidwirkungen, die die Maximierung des Transfers
von kinetischer Energie auf Rotationsenergie beeinträchtigen
kann.
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Eine
Miniaturisierung des Wasserkraftenergieerzeugungssystems minimiert
die Oberflächenbereiche,
die während
des Drehens des Rotors 112 Fluiden ausgesetzt sind. Zudem
wird das Gewicht des Wasserkraftenergieerzeugungssystems minimiert. Beispielsweise
kann der Durchmesser des Durchgangs 156 in einem Bereich
von ca. 6,35 mm bis ca. 51 mm (ca. 0,25 Inch bis ca. 2 Inch) liegen.
Zudem kann die Tiefe der Kanäle 162 ca.
0,76 mm bis ca. 2,54 mm (ca. 0,03 Inch bis ca. 0,1 Inch) betragen
und die Tiefe des Turbinenblattes 172 kann ca. 0,89 mm bis
ca. 3,8 mm (ca. 0,035 Inch bis ca. 0,15 Inch) betragen.
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Die
höhere
UpM, die sich aufgrund der Miniaturisierung und der Verringerung
des Fluidwiderstands erreichen lässt,
maximiert die Leistungserzeugungseffizienz. Beispielsweise kann
der Generator zwischen ca. 0,27 und 30 Watt erzeugen, wenn er sich
mit zwischen ca. 5.000 und 10.000 UpM dreht. Zudem kann die Größe (und
das Gewicht) des Dauermagneten 168 so bemessen sein, dass
die Leistungsproduktion des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 optimiert
wird.
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Die
hohe UpM-Drehzahl des Rotors 112 innerhalb des Stators 114 generiert
auf effiziente Weise Elektrizität,
wenn das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 arbeitet.
Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 ist imstande,
Wechselstrom (AC) zu erzeugen. In alternativen Ausführungsformen
kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 (DC-)Strom
produzieren. In einer anderen alternativen Ausführungsformen kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 ausgestaltet
sein, durch Gleichrichtung und Stabilisierung des AC-Stroms sowohl
AC-Strom als auch DC-Strom zu produzieren. Wie vorstehend erörtert, hängt die
Anzahl der Pole und die Größe und Ausgestaltung
der Spulen 184 vom Gegendruck, den erforderlichen UpM und
der Sollenergieausgabe des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 ab.
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Nun
wird auf die 3, 6, 7, 8 und 9 Bezug
genommen, in denen eine andere Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12,
das in Verbindung mit den Ausführungsformen
dieser Figuren diskutiert wurde, zum Liefern mehrerer Spannungs- und Strompegel betreibbar
ist. Die mehreren Spannungs- und Strompegel werden durch Umschalten
der Spulen des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 zwischen einer
seriellen oder paralle len Konfiguration geliefert. Zwar ist dies
nicht dargestellt, doch kann ein Mikroprozessor oder eine andere ähnliche
Steuereinheit, die die Spannungs- und Stromausgabe des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 und
die gegenwärtigen
Spannungs- und Stromerfordernisse des Wasseraufbereitungssystems 10 erfassen
kann, verwendet werden, um die Spulen wahlweise zwischen seriellen
und parallelen Konfigurationen umzuschalten. Alternativ können zum
wahlweisen Umschalten der Spulen die UpM verwendet werden. Ein wahlweises
Umschalten der Spulen kann auf Ausführungsformen angewendet werden,
die Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) produzieren.
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Beispielsweise
benötigen
einige ultraviolette (UV) Lichtquellen einen relativ niedrigen vorbestimmten
Wechselstrom für
die anfängliche
Energieversorgung und einen relativ hohen Spannungspegel. Im Anschluss
an die anfängliche
Energieversorgung benötigt
die UV-Lichtquelle
einen relativ hohen Wechselstrom, aber einen relativ niedrigen Spannungspegel,
um mit Energie versorgt zu bleiben. In einem Wasseraufbereitungssystem
beispielsweise kann die UV-Lichtquelle
eine Niederdruck-Quecksilberlampe oder eine Kaltkathodenlampe sein
und die Anlaufspannung und die Betriebszustandsspannung können durch
ein Vorschaltgerät
bereitgestellt werden. Alternativ kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 eine
Funktion eines Vorschaltgeräts,
wie nachstehend beschrieben, bereitstellen und das Vorschaltgerät kann entfallen.
Die Quecksilberlampe und/oder die Kaltkathodenlampe können Bakterien und
andere Verunreinigungen aus dem Wasser entfernen.
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Während des
Betriebs, wenn das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 Elektrizität erzeugt,
können
die Spulen durch den Mikroprozessor wahlweise in eine serielle Konfiguration
gesetzt werden. Die serielle Konfiguration erzeugt einen vorbestimmten
Wechselstrom bei einem vorbestimmten Spannungspegel, der imstande
ist, die UV-Lichtquelle
anfänglich
mit der Startspannung zu versorgen. Nach der anfänglichen Energieversorgung
der UV-Lichtquelle werden die Spulen selektiv in eine parallele
Konfiguration umgestaltet, um einen vorbestimmten Wechselstrom bei
einem vorbestimmten Spannungspegel bereitzustellen, der imstande
ist, die Energieversorgung der UV-Lichtquelle mit der Betriebszustandsspannung
aufrechtzuerhalten. Das vorstehend erörterte Umschalten der Spulen
des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 kann verschiedenen
Spannungs- und Stromerfordernissen einer jeglichen elektrischen
Vorrichtung in irgendeinem System, dem vom Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 Leistung
zugeführt
wird, gerecht werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann das in Verbindung mit den vorstehend erörterten Ausführungsformen
diskutierte Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 mit einer
Mehrzahl von Anzapfungen versehen sein, die verschiedene, zu Wicklungen geformte
Spulengruppen darstellen. Die Anzapfungen sind betreibbar zum Liefern
einer Vielzahl verschiedener vorbestimmter Spannungspegel durch elektrisches
Verbinden von unterschiedlich vielen Spulen zur Bildung der Wicklungen.
Das Wasseraufbereitungssystem 10 kann ausgestaltet sein,
um während
des Betriebs unter Verwendung eines Mikroprozessors oder einer anderen ähnlichen
Vorrichtung betriebsmäßig zwischen
den Anzapfungen umzuschalten. Demgemäß kann in dem vorstehend erörterten
Beispiel einer UV-Lichtquelle eine Anzapfung zur anfänglichen
Energieversorgung verwendet werden, um die Startspannung bereitzustellen,
und eine andere Anzapfung kann für
einen kontinuierlichen Betrieb verwendet werden, um die Betriebszustandsspannung
bereitzustellen. Zudem können
per manent verschiedene Anzapfungen verwendet werden, um verschiedene
elektrische Vorrichtungen in dem Wasseraufbereitungssystem 10 je
nach den Leistungserfordernissen der elektrischen Vorrichtungen
zu betreiben. Ein Umschalten zwischen den Anzapfungen kann auch
zum Steuern der UpM des Generators verwendet werden. Falls sich
die UpM beispielsweise unterhalb eines gewünschten Schwellwerts befinden,
können
die Anzapfungen angepasst werden, um Spulen auszuscheiden und so
die UpM zu erhöhen.
Ein Umschalten zwischen den Anzapfungen des Wasserkraftenergieerzeugungssysters 12 kann
auch verschiedene Spannungspegel für jegliches System bereitstellen,
das von dem Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 mit Leistung
versorgt wird.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12, das in Verbindung
mit den vorstehend erörterten
Ausführungsformen
diskutiert wurde, wird die vorhandene elektromagnetische Gegenkraft
(EMF) vorteilhafterweise verringert. Wie in der Technik bekannt,
wird die Gegen-EMF eines Dauermagnetgenerators durch Flusskonzentratoren,
die durch Metalllamellen im Kern des Generators gebildet sind, erhöht. Die
Flusskonzentratoren sind betreibbar zum Verbessern der Erzeugungseffizienz
des Generators, liefern jedoch Gegen-EMF, die zum Drehen des Rotors überwunden
werden muss.
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Bei
der Anwendung des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 auf
ein Wasseraufbereitungssystem 10 besitzen einige UV-Lichtquellen unterschiedliche
Energieerfordernisse während
des Startvorgangs und des Betriebs. Durch Verwenden der vorstehend
erörterten
Ausführungsformen
des Wasserkraftenergieerzeugungs systems 12 und Weglassen
der Flusskonzentratoren können
die Betriebserfordernisse der UV-Lichtquelle erfüllt werden.
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Während des
Betriebs, vor der Energieversorgung des Wasseraufbereitungssystems 10,
kann die Drehbelastung (die Gegen-EMF) auf dem Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 relativ
hoch sein. Die Drehbelastung kann relativ niedrig sein, da das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 dieser Ausführungsform
keine Flusskonzentratoren beinhaltet und das Wasseraufbereitungssystem 10 keine Leistung
verbraucht. Das Wegfallen der Flusskonzentratoren führt zu einer
Verringerung des Rastmoments und erlaubt dadurch ein schnelles Anlaufen des
Generators. Wenn Wasser durch das Wasserkraftenergierzeugungssystem 12 fließt, ist
der Rotor an sich betreibbar, um in einer relativ kurzen Zeitspanne
auf eine vorbestimmte, relativ hohe UpM zu beschleunigen.
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Die
relativ hohe UpM liefert eine vorbestimmte Spannung (Startspannung)
bei einem vorbestimmten Wechselstrom (AC), der imstande ist, beispielsweise
die UV-Lichtquelle im Wasseraufbereitungssystem 10 anfänglich mit
Energie zu versorgen. Nach der anfänglichen Energieversorgung
der UV-Lichtquelle wird die Drehbelastung auf dem Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 erhöht und dadurch
die UpM des Rotors verlangsamt. Die langsamere UpM des Rotors sorgt
für eine
vorbestimmte niedrige Spannung (Betriebszustandsspannung) mit einem entsprechenden
vorbestimmten Wechselstrom (AC) und erlaubt dadurch eine kontinuierliche
Energieversorgung der UV-Lichtquelle. Der Leser sollte erkennen,
dass aufgrund der durch das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 dieser
Ausführungsform bereitgestellten
Fähigkeit
der sofortigen Betriebsbereitschaft („Instant-on") die Notwendigkeit
entfällt, dass
E nergiespeichervorrichtungen der UV-Lichtquelle im Wasseraufbereitungssystem 10 Leistung zuführen, da
die UV-Lichtquelle fast zur gleichen Zeit mit Energie versorgt wird,
wie das Wasser zu fließen beginnt.
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11 zeigt eine andere Ausführungsform des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12,
die in einer Teilquerschnittsansicht abgebildet ist. Ähnlich wie
in den vorangegangenen Ausführungsformen
kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 in einem
Wasseraufbereitungssystem 10 verwendet werden. Zudem kann
das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 in irgendeiner
anderen Form von System mit strömender,
unter Druck stehender Flüssigkeit
integriert sein. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 kann
auch Merkmale eines Wasseraufbereitungssystems, wie eine UV-Lichtquelle,
Filter, Elektronikeinheiten, etc. beinhalten.
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Das
veranschaulichte Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 beinhaltet
ein Außengehäuse 1102,
das mit einer entfernten Seitenabdeckung abgebildet ist. Zudem umfasst
das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 ein Innengehäuse 1104,
eine Zentrierungsstange 1106 und eine Düse 1108. Das Außengehäuse 1102 kann
aus Kunststoff, Metall, Kohlenstofffasern oder einem anderen steifen
Material sein und beinhaltet einen Hohlraum 1110. Der Hohlraum 1110 ist
ein Luftraum, der dimensioniert ist, das Innengehäuse 1104 aufzunehmen,
ohne dass das Innengehäuse 1104 eine
Innenfläche 1112 des Außengehäuses 1102 berührt. Auch
ist im Außengehäuse 1102 ein
Auslass 1114 enthalten. Der Auslass 1114 kann
eine Öffnung
sein, die es einer im Außengehäuse 1102 vorhandenen
Flüssigkeit
erlaubt, durch die Schwerkraft aus dem Hohlraum 1110 abzufließen, um
den Luftraum während
des Betriebs aufrechtzuerhalten.
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Das
Innengehäuse 1104 kann
im Allgemeinen zylindrisch und aus Kunststoff, Metall, Kohlenstofffasern
oder einem anderen ähnlichen
Material gebildet sein. Das Innengehäuse 1104 kann im Außengehäuse 1102 angebracht
sein, um mindestens einen Teil der Zentrierungsstange 1106 innerhalb
des Hohlraums 1110 des Außengehäuses 1102 zu umgeben.
Die Zentrierungsstange 1106 kann mit dem Außengehäuse 1102 fest
gekoppelt sein und sich in das Innengehäuse 1104 erstrecken.
Die Zentrierungsstange 1106 kann aus irgendeinem steifen,
sich längs
erstreckenden Material wie Edelstahl sein.
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Eine
Mehrzahl von Buchsen 1116 können mit dem Innengehäuse 1104 gekoppelt
sein und die Zentrierungsstange 1106 umgeben. Jede der
Buchsen 1116 kann eine Muffe sein, die aus Kunststoff,
Metall oder einem anderen ähnlichen
Material gebildet sein kann. Die Buchsen 1116 können mit
einer Öffnung zum
Aufnehmen der Zentrierungsstange 1106 und einer Außenfläche gebildet
sein, die ausgebildet ist, in eine Öffnung in der Außenfläche des
Innengehäuses 1104 zu
passen. Die Öffnung
in der Buchse 1116 kann groß genug sein, um es der Buchse 1116 zu
erlauben, sich um die Zentrierungsstange 1106 innerhalb
des Außengehäuses 1102 zu
drehen, ohne die Zentrierungsstange 1106 zu berühren. Die
Außenfläche der
Buchse 1116 kann mit der Außenfläche des Innengehäuses 1104 derart
gekoppelt sein, dass sich das Innengehäuse 1104 und die Buchse 1116 zusammen
drehen. Alternativ können
sich die Buchse 1116 und das Innengehäuse 1104 unabhängig voneinander
um die Zentrierungsstange 1106 drehen.
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Das
Innengehäuse 1104 kann
auch eine Mehrzahl von Schaufeln 1118 beinhalten, die fest
gekoppelt sind und sich von einer Außenfläche 1120 des Innengehäuses 1104 nach
außen
erstrecken. Die Schaufeln 1118 können aus Kunststoff, Kohlenstofffasern,
Metall oder einem anderen ähnlichen
Material gebildet sein. Die Schaufeln 1118 können senkrecht
zur Außenfläche 1120 des
Innengehäuses 1104 positioniert
sein, derart dass sich jede der Schaufeln 1118 irgendwann
einmal benachbart zur Düse 1108 befindet,
wenn sich das Innengehäuse 1104 dreht.
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Die
Düse 1108 kann
angebracht sein, um sich in den Hohlraum 1110 zwischen
dem Innengehäuse 1104 und
dem Auslass 1114 zu erstrecken, wie dargestellt. Ähnlich wie
die vorstehend mit Bezug auf die 1 bis 5 erörterte Düse 14,
erhöht
die Düse 1108 die
Geschwindigkeit der unter Druck stehenden Flüssigkeit. Unter Druck stehende
Flüssigkeit,
die einem Düseneinlass 1122 mit
einer ersten Geschwindigkeit zugeführt wird, fließt durch
die Düse 1108 und
wird bei einer zweiten Geschwindigkeit, die wesentlich höher ist
als die erste Geschwindigkeit, aus einem Düsenauslass 1124 abgegeben.
Die in den Hohlraum mit der Düse 1108 abgegebene
Flüssigkeit
wird durch den Luftraum bei den Schaufeln 1118 geleitet.
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12 ist eine vom Düseneinlass 1122 (11) aus gesehene Endansicht der Düse 1108. Die
Düse 1108 beinhaltet
einen Durchgang 1202, bei dem es sich um eine axiale Bohrung
handelt, deren Durchmesser zum Düsenauslass 1124 hin
abnimmt (11). Im Durchgang 1202 ist
eine Rippe 1204 enthalten. Die Rippe 1204 ist
mit einer Innenfläche 1206 der
Düse 1108 gekoppelt
und erstreckt sich von der Innenfläche 1206 aus nach
außen,
hin zu einer Mittenachse 1208 der Düse 1108.
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13 ist eine abgeschnittene Ansicht von unten der
in 12 abgebildeten Düse 1108, die die Rippe 1204 beinhaltet.
Der Durchgang 1202 durch die Düse 1108 beinhaltet
einen ersten Winkel-Abschnitt 1302 benachbart
zum Düseneinlass 1122,
an den sich ein erster gerader Abschnitt 1304, ein sich verjüngender
Abschnitt 1306, ein zweiter Winkel-Abschnitt 1308 und
ein zweiter gerader Abschnitt 1310 anschließt, der
den Düsenauslass 1124 bildet.
Der Durchgang 1202 kann ein vorbestimmter Eingangsdurchmesser,
wie ca. 10,8 mm, am Düseneinlass 1122 sein.
Innerhalb des ersten Winkel-Abschnitts 1302 kann
der Durchmesser des Durchgangs 1202 in Richtung des Düsenauslasses 1124 gleichmäßig mit einem
vorbestimmten Winkel (θ),
wie ca. 20°,
gegenüber
der Mittenachse 1208 abnehmen.
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An
einem ersten geraden Abschnitt 1304 kann der Durchmesser
des Durchgangs 1202 ein vorbestimmter erster Düsendurchmesser,
wie ca. 5,8 mm, sein. Den ersten geraden Abschnitt 1304 des Durchgangs 1202 hindurch
kann die Innenfläche 1206 in
etwa parallel zur Mittenachse 1208 sein und wird daher
auf dem ersten Düsendurchmesser
gehalten. Im sich verjüngenden
Abschnitt 1306 kann die Innenfläche 1202 einen Krümmungsradius
aufweisen. Der Krümmungsradius
kann einen Teil eines Kreises mit einem vorbestimmten Radius, wie
ca. 8,7 mm, bilden. Der Durchmesser des Durchgangs 1202 im
zweiten Winkel-Abschnitt 1308 kann gleichmäßig mit
einem vorbestimmten Winkel (θ)
bezüglich
der Mittenachse 1208, wie ca. 20°, in Richtung des Düsenauslasses 1124 abnehmen.
Der zweite gerade Abschnitt 1310 kann den Düsenauslass 1124 bilden, indem
er den Durchgang 1202 auf einem vorbestimmten zweiten Düsendurchmesser,
wie ca. 1,85 mm, hält.
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Der
erste und der zweite Düsendurchmesser können anhand
des verfügbaren
Druckbereichs der der Düse 1108 zugeführten Flüssigkeit
bestimmt werden. In einem Beispiel kann der Durchmesser des ersten
geraden Abschnitts 1304 relativ unverändert bleiben und der Durchmesser
des zweiten geraden Abschnitts 1310 kann anhand des Drucks
der in die Düse 1108 eingeführten Flüssigkeit
variiert werden. Beispielsweise kann der Durchmesser des ersten
geraden Abschnitts 1304 ca. 5,8 mm bleiben und der zweite
gerade Abschnitt 1310 kann gebildet sein, ca. 1,9 mm oder
weniger zu betragen. Demgemäß beträgt der Durchmesser
des zweiten geraden Abschnitts 1310 (der Düsenauslass 1124)
der Düse 1108 ca.
33% oder weniger des Durchmessers des ersten geraden Abschnitts 1304 der
Düse 1108.
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In
einem anderen Beispiel kann der zweite gerade Abschnitt 1310 in
einem Bereich von zwischen ca. 0,8 mm und ca. 1,9 mm gebildet sein
(zwischen ca. 0,03 und 0,075 Inch), zur Verwendung mit einer Flüssigkeit,
die am Düseneinlass 1122 mit
einem Druck von zwischen ca. 34 kPa und 850 kPa (zwischen ca. 5
und 125 psi) beaufschlagt wird. In diesem Beispiel kann die Düse 1108 zwischen
ca. 14% und ca. 33% des Durchmessers des ersten geraden Abschnitts 1304 der
Düse 1108 betragen.
Die sich für
dieses Beispiel ergebende Flussrate durch die Düse 1108 kann in einem
Bereich von ca. 0,44 l/Min. bei 34 kPa bis ca. 4,16 l/Min. bei ca.
850 kPa (ca. 0,115 Gallonen/Min. bis ca. 1,1 Gallonen/Min.) liegen.
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Die
Rippe 1204 kann von irgendeiner Ausgestaltung sein, um
eine Verwirbelung und ein anderes nicht-laminares Verhalten der
durch den Durchgang 1102 strömenden Flüssigkeit zu minimieren. Die
veranschaulichte Rippe 1204 beginnt am Düseneingang 1122 und
erstreckt sich eine vorbestimmte Strecke weit entlang der Mittenachse 1208 durch
den ersten Winkel-Abschnitt 1302, den ersten geraden Abschnitt 1304 und
in den sich verjüngenden
Abschnitt 1306 hinein. Zwar ist die Rippe 1204 mit
einer gleichmäßigen Breite
abgebildet, doch kann sie in anderen Beispielen einen oder mehrere
sich verjüngende
Breitenabschnitte, Ausbuchtungen, Krümmungen oder irgendeine andere
Ausgestaltung zum Fördern
einer laminaren Strömung
der Flüssigkeit
durch die Düse 1108 beinhalten.
Zudem kann die Länge
der Rippe 1204 kürzer
oder länger
als veranschaulicht sein, um eine Verwirbelung der durch den Durchgang 1202 fließenden Flüssigkeit
auf die beste Art und Weise zu beseitigen.
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14 ist eine abgeschnittene Seitenansicht der Düse 1108,
die die in 12 abgebildete Rippe 1204 beinhaltet.
Die beispielhafte Rippe 1204 erstreckt sich eine bestimmte
erste Strecke am Düseneinlass 1122 des
Durchgangs 1202 von der Innenfläche 1206 nach außen, hin
zur Mittenachse 1208. Die Strecke, die sich die Rippe 1204 von
der Innenfläche 1206 erstreckt,
nimmt allmählich
auf null ab, während
sich die Rippe 1204 entlang der Mittenachse 1208 hin
zum Düsenauslass 1124 erstreckt.
Im veranschaulichten Beispiel verjüngt sich die Rippe 1204,
so dass sie sich eine Strecke weit erstreckt, die sich in Richtung
der Erstreckung der Rippe 1204 hin zum Düsenauslass 1124 entlang
der Mittenachse 1208 zunehmend weiter von der Mittenachse 1208 entfernt.
Zudem wird der Abstand zwischen der Innenfläche 1206 und der Mittenachse 1208 in
Richtung auf den Düsenauslass 1124 geringer,
was die Rippe 1204, wie veranschaulicht, weiter verjüngt. In anderen
Beispielen kann die Rippe 1204 irgendeine andere Form bilden,
um Verwirbelungseffekte zu verringern und eine laminare Strömung der
durch die Düse 1108 strömenden Flüssigkeit
zu fördern.
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Nun
wird erneut auf 11 Bezug genommen, in der während des
Betriebs durch die Düse 1108 strömende Flüssigkeit
mit laminarer Strömung gehalten
werden kann, während
die Geschwindigkeit der Flüssigkeit
innerhalb der Düse 1108 beschleunigt wird.
Die Flüssigkeit
kann aus der Düse 1108 mit
hoher Geschwindigkeit abgegeben werden. Aufgrund der im Wesentlichen
laminaren Strömung
kann der Flüssigkeitsstrom
ein klar definierter Strom mit einem Durchmesser bleiben, der in
etwa der gleiche Durchmesser ist wie der Düsenauslass 1124 nach
dem Ablassen. Somit kann ein durch den Flüssigkeitsstrom erzeugter Flüssigkeitsnebel
minimiert werden und die kinetische Energie der strömenden Flüssigkeit lässt sich
in einem relativ kleinen Bereich konzentrieren.
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Der
Flüssigkeitsstrom
kann auf die Schaufeln 1118 gerichtet werden. Beim Auftreffen
auf die Schaufeln 1118 kann die in der Flüssigkeit
vorhandene kinetische Energie effizient auf die Rotationsenergie
des Innengehäuse 1104 übertragen
werden. Wenn sich das Innengehäuse 1104 dreht,
kann jede der Schaufeln 1118 in den Strom der Hochgeschwindigkeitsflüssigkeit,
die aus der Düse 1108 abgegeben wird,
eintreten und im Wesentlichen sämtliche
im fließenden
Flüssigkeitsstrom
vorhandene kinetische Energie aufnehmen.
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Sobald
die kinetische Energie aus der Flüssigkeit extrahiert wird, kann
die Flüssigkeit
aufgrund von Schwerkraft zum Auslass 1114 fallen und wird aus
dem Außengehäuse 1102 kanalisiert.
Aufgrund der Kanalisierung bleibt das Außengehäuse 1102 im Wesentlichen
frei von Flüssigkeit.
Obwohl aufgrund des konstanten Flüssigkeitsstroms, der aus der
Düse 1108 abgegeben
wird, etwas Flüssigkeit
vorhanden ist, kann das Kanalisieren den Flüssigkeitspegel im Außengehäuse 1102 niedrig
genug halten, dass die Düse 1108 und
das Innengehäuse 1104 nicht
in der Flüssigkeit
versenkt sind. Demgemäß arbeiten
die Düse 1108 und
das Innengehäuse 1104 in
einem Luftraum innerhalb des Außengehäuses 1102 mit
minimierten Fluidwiderstandsverlusten.
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Ein
Teil der Flüssigkeit
kann vorübergehend auf
den Schaufeln 1118 verbleiben und kann durch die Drehkraft
des Innengehäuses 1104 auf
die Innenfläche 1112 des
Außengehäuses 1102 geworfen
werden. Zudem kann ein Teil der Flüssigkeit auf die Schaufeln 1118 prallen
und auf die Innenfläche 1112 abgelenkt
werden.
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Die
Innenfläche 1112 kann
mit Führungen gebildet
sein, um Flüssigkeitsnebel
innerhalb des Hohlraums 1110 zu minimieren. Die Minimierung
von Flüssigkeitsnebel
innerhalb des Hohlraums 1110 minimiert Fluidwiderstandsverluste
des rotierenden Innengehäuses 1104,
indem es überschüssige Flüssigkeit
von dem rotierenden Innengehäuse 1104 fernhält. Die
auf der Innenfläche 1112 enthaltenen
Führungen
können
auch mit einem Verwirbelungsmuster ausgebildet sein, das ausgelegt
ist, den Flüssigkeitsnebel
effizient zu sammeln und die Flüssigkeit
zum Auslass 1114 zu kanalisieren. Demgemäß bleibt
der Hohlraum 1110 während
des Betriebs im Wesentlichen frei von Flüssigkeit und im Wesentlichen
mit Luft (oder einem anderen Gas) gefüllt, so dass der Düsenauslass 1124 der
Düse 1108 nicht
in der Flüssigkeit
versenkt ist.
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15 veranschaulicht ein Beispiel der Innenfläche 1112 in
einer Querschnittsansicht des Außengehäuses 1102 der 11. Die Innenfläche 1112 beinhaltet
Führungen
in Form einer Mehrzahl von Fingern 1502, die sich von der
Innenfläche 1112 nach außen, hin
zum Innengehäuse 1104 erstrecken (11). Jeder der Finger 1502 kann als einzelnes pyramidenförmiges Element
ausgebildet sein. In anderen Beispielen können die Finger 1502 Nuten,
Ringe, Streben, Rillen oder irgendeine andere Form von Unregelmäßigkeit
in der Innenfläche 1112 des
Außengehäuses 1102 sein.
Die Finger 1502 können
in einem vorbestimmten Muster positioniert sein. Bei dem Muster
kann es sich um ein Verwirbelungsmuster basierend auf einem Modell
oder einer Analyse der aus dem rotierenden Innengehäuse 1104 und den
Schaufeln 1118 geschleuderten Flüssigkeit handeln, um Flüssigkeitsnebel
zu minimieren und die Kanalisierung der Flüssigkeit zum Auslass 1114 zu
maximieren (11).
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Die
Finger 1502 können
Flüssigkeitsnebel der
die Innenfläche 1112 des
Außengehäuses 1102 berührenden
Flüssigkeit
minimieren. Zudem können die
Finger 1502 gestaltet sein, das Wasser zu einem mittleren
Kanal 1504 und den äußeren Kanälen 1506,
die in dem Außengehäuse 1102 enthalten
sind, zu kanalisieren. Der mittlere Kanal 1504 und die äußeren Kanäle 1506 können V-förmige Nuten
oder eine andere Form von Schacht zum Kanalisieren der Flüssigkeit
hin zum Auslass 1114 sein (11).
Die Innenfläche 1112 kann
auch eine Mehrzahl von Zweigkanälen 1508 beinhalten.
Die Zweigkanäle 1508 können bogenförmige Bahnen
in der Innenfläche 1112 sein,
die die Flüssigkeit
zum mittleren Kanal 1504 oder zu den äußeren Kanälen 1506 kanalisieren.
Die Kanäle
können
auch in einem Verwirbelungsmuster basierend auf einem Modell oder
einer Analyse der aus dem rotierenden Innengehäuse 1104 geschleuderten
Flüs sigkeit
positioniert sein, um Flüssigkeitsnebel
zu minimieren und die Kanalisierung der Flüssigkeit zum Auslass 1114 zu
maximieren (11).
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Die
Finger 1502 können
entlang jedem der Zweigkanäle 1508 positioniert
sein. Flüssigkeit,
die auf die Finger 1502 prallt, kann durch die Finger 1502 „eingefangen" werden. Die Flüssigkeit
kann von den Fingern 1502 ab- und in die Zweigkanäle 1508 und dann
in den mittleren Kanal 1504 oder die äußeren Kanäle 1506 hineinfließen.
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16 ist eine Seitenansicht des in 11 abgebildeten Außengehäuses 1102, bei dem
das Innengehäuse 1104 und
die Zentrierungsstange 1106 zum Zweck der Veranschaulichung
entfernt wurden. Die Innenfläche 1112 des
Außengehäuses 1102 beinhaltet
die Finger 1502, die entlang einer Mehrzahl von Zweigkanälen 1602 platziert
sind, welche bogenförmige
Bahnen für
Flüssigkeit
in der Innenfläche 1112 bilden.
Von den Fingern 1502 „eingefangene" Flüssigkeit
fließt
von den Fingern 1502 ab und in die Zweigkanäle 1602 und
wird zu den Außenkanälen 1506 (14) und/oder dem Auslass 1114 kanalisiert.
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17 ist eine Querschnittsansicht des Bodens des
in 11 veranschaulichten Außengehäuses 1102, der den
Auslass 1114 beinhaltet. Der Boden des Gehäuses 1102 beinhaltet
auf ähnliche
Weise eine Mehrzahl von Zweigkanälen 1702,
bei denen es sich um bogenförmige
Verläufe
handelt, die die Flüssigkeit
zum Auslass 1114 leiten. Die Finger 1502 können entlang
jedem der Zweigkanäle 1702 platziert
sein.
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18 ist eine perspektivische Explosionsansicht
des in 11 veranschaulichten Innengehäuses 1104,
das die Zentrierungsstange 1106 beinhaltet. Auch im Innengehäuse 1104 enthalten
sind die Buchsen 1116, die Schaufeln 1118, eine
erste Nabe 1802, eine zweite Nabe 1804, ein Rotor 1806 und
ein Stator 1808. Die Zentrierungsstange 1106 kann
sich durch das Innengehäuse 1104 entlang
einer Mittenachse 1812 erstrecken und wirkt mit den Buchsen 1116 zusammen,
um eine zentrierende Funktion für
den Stator 1808 bereitzustellen. Die Buchsen 1116 können ausgebildet
sein, um axial in eine Buchsenöffnung 1816 zu
passen, die in einem ersten Ende jeder der ersten und der zweiten
Nabe 1802 und 1804 gebildet ist.
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Die
erste und die zweite Nabe 1802 und 1804 können aus
Kunststoff, Kohlenstofffasern oder irgendeinem anderen steifen Material
gebildet sein. Die erste und die zweite Nabe 1802 und 1804 können im
Allgemeinen jeweils zylindrisch sein und einen Hohlraum mit einem
offenen Ende 1818 bilden. Das offene Ende 1818 kann
sich an einem zweiten Ende gegenüber
dem ersten Ende befinden, das die Buchsenöffnung 1816 beinhaltet.
Die erste und zweite Nabe 1802 und 1804 können an
den offenen Enden 1818 zusammengekoppelt sein, um die Außenfläche 1120 (11) des Innengehäuses 1104 zu bilden.
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Die
erste und die zweite Nabe 1802 und 1804 beinhalten
jeweils einen Haltering 1820. Der Haltering 1820 beinhaltet
eine Mehrzahl von sich nach außen
um den Rand des offenen Endes 1818 parallel zur Mittenachse 1812 erstreckenden
Nasen 1822. Eine Mehrzahl von Aussparungen 1824 können zwischen
jeder der Nasen 1822 im Haltering 1820 gebildet
sein. Die Nasen 1822 können
ausgerichtet sein, einander anliegend zu berühren, wenn die erste und zweite Nabe 1802 und 1804 an
den offenen Enden 1818 gekoppelt sind. Die Aussparungen 1824 können somit
auch zwischen der ersten und zweiten Nabe 1802 und 1804 fluchten,
um Öffnungen
zu bilden.
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Die
erste und die zweite Nabe 1802 und 1804 beinhalten
auch eine Mehrzahl von Schlitzen 1826, die sequenziell
und konzentrisch um die Außenfläche des
Innengehäuses 1104 angeordnet
sein können.
Die Schlitze 1826 bilden Öffnungen, die eine Flüssigkeitsverbindung
zwischen dem Hohlraum innerhalb des Innengehäuses 1104 und der
Außenseite
des Innengehäuses 1104 erlauben.
Demgemäß kann Flüssigkeit
durch die Schlitze 1826 in das Innengehäuse 1104 eintreten
oder aus diesem austreten.
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Wenn
sich das Innengehäuse 1104 dreht, fließt Flüssigkeit
im Innengehäuse 1104 aufgrund
der erzeugten rotationsbezogenen Zentrifugalkraft durch die Schlitze 1826 nach
außen.
Somit werden Fluidwiderstandsverluste aufgrund von Flüssigkeit
innerhalb des Innengehäuses 1104 minimiert,
indem die Flüssigkeit
permanent durch die Schlitze 1826 abgeführt wird, wenn sich das Innengehäuse 1104 mit
hoher UpM dreht. Das rotierende Innengehäuse 1104 kann deshalb
den Hohlraum im Wesentlichen frei von Flüssigkeit halten. Der Hohlraum
kann im Wesentlichen trocken und mit Luft (oder einem anderen Gas)
gefüllt sein.
Obwohl der Hohlraum nass sein kann, kann der Hohlraum ohne Flüssigkeitsmengen
bleiben, die ausreichen, einen effizienten Betrieb zu beeinträchtigen. Die
Schlitze 1826 können
auch einen Luftstrom durch das Innengehäuse 1104 zum Kühlen bereitstellen.
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Innerhalb
des jeweils in der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 gebildeten
Hohlraums befindet sich eine Mehrzahl von Halte rungselementen 1828,
die sich von der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 nach
außen
in Richtung auf die Mittenachse 1812 erstrecken. Die Halterungselemente 1828 können einen
bestimmten Abstand voneinander entfernt positioniert sein, um eine
Mehrzahl von Kerben 1830 zwischen den Halterungselementen 1828 zu
bilden. Die Halterungselemente 1828 können als integraler Bestandteil
der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 gebildet
sein. Alternativ können
die Halterungselemente 1828 eigenständig aus Kunststoff, Metall,
Kohlenstofffasern oder irgendeinem anderen steifen Material gebildet
sein, das mit einer Innenfläche
jeder der ersten und zweiten Nabe 1802 und 1804 innerhalb
der jeweiligen Hohlräume
gekoppelt sein kann.
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Der
Rotor 1806 kann einen Halterungsring 1834 und
einen Magneten 1836 beinhalten. Der Halterungsring 1834 kann
eine zylindrische Muffe sein, die mit Eisen oder einem anderen ähnlichen
eisenhaltigen (oder nicht eisenhaltigen) Material gebildet ist.
Wenn die erste und die zweite Nabe 1802 und 1804 zusammen
gekoppelt sind, kann ein Teil des Halterungsrings 1834 im
Hohlraum jeweils der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 positioniert sein.
Der Halterungsring 1834 kann mit Halterungselementen 1828 innerhalb
jeder der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 koppeln,
so dass sich der Halterungsring 1834 mit dem Innengehäuse 1104 dreht.
Der Halterungsring 1834 kann als ein Flusskonzentrator
ausgestaltet sein, um mit dem Magneten 1836 zur Verbesserung
der Generatoreffizienz zu arbeiten.
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Der
Magnet 1836 kann mit dem Halterungsring 1834 gekoppelt
sein und sich auch mit dem Innengehäuse 1104 drehen. Der
Magnet 1836 kann ein Dauermagnet, wie ein gesinterter oder
gebondeter Seltenerdemagnet aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB), sein.
Der Magnet 1836 kann als eine durchgängige Einzelstruktur mit der
gewünschten
Anzahl von entlang der Struktur konfigurierten Nord- und Südpolen ausgebildet
sein. Alternativ kann eine Mehrzahl von einzelnen Magneten ausgerichtet
und mit dem Halterungsring 1834 gekoppelt sein.
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Die
Gegen-EMF des Generators kann vorteilhafterweise durch Koppeln des
Magneten 1836 unmittelbar mit den Halterungselementen 1828 verringert
werden. So kann der Halterungsring 1834 entfallen. Wie
vorstehend erörtert,
erlaubt die Verringerung der Gegen-EMF eine schnellere Beschleunigung,
was bei einigen Beanspruchungen, wie der Bereitstellung der Fähigkeit
der „sofortigen
Betriebsbereitschaft" einer
UV-Lichtquelle, vorteilhaft sein kann.
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Der
Stator 1808 kann mit einer Mehrzahl von Polen 1840 gebildet
und mit einer oder mehreren ortsfesten Wicklungen (nicht gezeigt)
gewickelt sein, wie vorstehend erörtert. Die Pole 1840 können Metalllamellen
sein, die mit einer Montageplatte 1842 gekoppelt sind.
Die Montageplatte 1842 kann aus Metall, Kunststoff oder
irgendeinem anderen steifen Material sein und kann mit der Zentrierungsstange 1106 gekoppelt
sein. Der Stator 1808 kann in dem Hohlraum positioniert
sein, der von der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 gebildet
wird, so dass der Magnet 1836 um den Stator 1808 angrenzend
an die Pole 1840 mit einem Luftspalt dazwischen positioniert
ist.
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Der
Stator 1808 kann nass oder trocken betrieben werden, da
die Wicklung(en) mit einem nicht leitenden Material, wie einer Emaillebeschichtung
auf dem zum Bilden der Wicklungen verwendeten Draht, abgedichtet
sein kann bzw. können.
Alternativ kann bzw. können
die Wicklung(en) mit Kunststoff, Gummi oder einem anderen wasserfesten
Material umspritzt werden. Neben dem Bereitstellen von Wasserbeständigkeit
kann eine solche Umspritzung auch Kanten und andere Merkmale des
Stators 1808 verringern, die zu Fluidwiderstandsverlusten
beitragen können,
wenn das Innengehäuse 1104 mit
hoher Geschwindigkeit um den Stator 1808 gedreht wird.
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Die
Kombination aus Rotor 1806 und Stator 1808 kann
einen Generator bilden, der eine dreiphasige Leistung erzeugt. Alternativ
kann der Generator eine einphasige Leistung erzeugen. Von dem Generator
erzeugte Leistung kann auf einer Leistungszufuhrleitung 1844 bereitgestellt
werden. Die Leistungszufuhrleitung 1844 kann mit den Wicklung(en) des
Stators 1808 elektrisch verbunden sein. Die Leistungszufuhrleitung 1844 kann
durch einen Durchgang geführt
werden, der entlang der Mittenachse 1812 durch die Zentrierungsstange 1106 verläuft. Neben
der Leistung können
auch die Drehung des Rotors und/oder die erzeugte Leistung überwacht werden,
um strömungsbasierte
Messungen durchzuführen.
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Der
Luftspalt zwischen dem Stator 1808 und dem Magneten 1836 kann
durch das Magnetfeld des Magneten 1836 in Verbindung mit
der Zentrierungsstange 1106 und den umgebenden Buchsen 1116 aufrechterhalten
werden. Der Stator 1808 kann mit der Zentrierungsstange 1106 gekoppelt
sein. Demgemäß veranlasst
das rotierende Magnetfeld, wenn sich das Innengehäuse 1104 und
damit der Rotor 1806 dreht, die Erzeugung von elektrischer
Leistung in den Wicklung(en) des Stators 1808.
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Während des
Betriebs kann das Innengehäuse 1104 mit
einer relativ hohen Umdrehung pro Minute (UpM), wie über 5000
UpM, durch einen einzigen Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrom
gedreht werden. Die relativ hohe UpM lässt sich aufgrund der relativ
geringen Größe des Innengehäuses 1104 und
minimierten Fluidwiderstandsverlusten erreichen. Der Durchmesser
des im Allgemeinen zylindrischen Innengehäuses 1104 kann weniger
als ca. 40 mm betragen, wie in einem Bereich von ca. 40 mm bis ca.
10 mm. Da der Durchmesser des Düsenauslasses 1124 (11) der Düse 1108 (11) in einem Bereich von ca. 1,9 mm bis ca. 0,8
mm liegen kann, beträgt
der Durchmesser des Düsenauslasses 1124 zwischen
ca. 4,75% und ca. 8% des Durchmessers des Gehäuses 1104.
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Die
Drehgeschwindigkeit des Innengehäuses 1104,
und daher die von dem Generator erzeugte Menge an Leistung, kann
auf der Geschwindigkeit der von der Düse 1108 (11) abgegebenen Flüssigkeit und dem Durchmesser
des Innengehäuses 1104 beruhen.
So kann für
einen Bereich von Durchmessern des Düsenauslasses 1124 (11) der Düse 1108 (11) und einen Bereich von Durchmessern des Innengehäuses 1104 innerhalb
eines Bereichs von Flüssigkeitsdrücken und
Flussraten ein Leistungsbereich ausgegeben werden. Beispielsweise
kann ein zwischen ca. 0,8 mm und ca. 1,9 mm liegender Durchmesserbereich
des Düsenauslasses 1124 der
Düse 1108 zwischen
ca. 0,44 l/Min. und ca. 4,16 l/Min. (ca. 0,115 Gallonen/Min. und
ca. 1,1 Gallonen/Min.) abgeben. Die Flussrate kann auf einem Druckbereich
am Düseneinlass 1122 (11) von zwischen ca. 34 kPa und ca. 413 kPa (ca.
5 lb/sq. Inch und ca. 60 lb/sq. Inch) beruhen. Die resultierende
Drehung des Innengehäuses 1104 kann
zwischen 0,25 Watt und ca. 30 Watt Leistung generieren. Leistung
von dem Generator kann in diesem beispielhaf ten Bereich eine UV-Lampe
oder eine Elektronikanordnung unmittelbar antreiben und/oder kann
zum Laden einer Energiespeichervorrichtung, wie einem Kondensator,
einem Superkondensator, einem Ultrakondensator und/oder einer Batterie,
gleichgerichtet werden.
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Der
Magnet 1836 kann auch für
eine Auswuchtung bzw. Ausgleichung und Ausrichtung des Innengehäuses 1104 sorgen.
Das Gewicht des Magneten 1836 kann so gestaltet sein, dass
es die Drehung des Innengehäuses 1104 zum
Erhöhen
der Effizienz ausgleicht. So kann sich das Innengehäuse 1104 problemlos
mit einer hohen UpM mit minimierter Vibration oder anderen mit einer
unausgeglichenen Drehung zusammenhängenden Effekten drehen. Wie
vorstehend erörtert,
kann auch das Gewicht des Magneten 1836 aufgrund der effizienten
Leistungserzeugung bei hoher UpM minimiert werden.
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Zudem
kann das Magnetfeld des Magneten 1836 die Ausrichtung des
Rotors 1806, und damit des Innengehäuses 1104, mit dem
Stator 1808 aufrechterhalten. Das im Wesentlichen gleich
verteilte Magnetfeld des Magneten 1836 kann den Rotor 1806 und
den Stator 1808 axial ausrichten. Demgemäß kann das
Innengehäuse 1104 auch
mit der Zentrierungsstange 1106 axial ausgerichtet sein.
Die Buchsen 1116 und die Zentrierungsstange 1106 können das
axiale Ausrichten des Innengehäuses 1104 zwar unterstützen, doch
kann das Innengehäuse 1104 durch
das Magnetfeld des Magneten 1836 in axialer Ausrichtung
mit der Zentrierungsstange 1106 aufgehängt sein. So lassen sich Reibungsverluste
zwischen den umgebenden rotierenden Buchsen 1116 und der
nicht rotierenden Zentrierungsstange 1106 minimieren. Zudem
kann das Magnetfeld das Positionsverhältnis des Innengehäuses 1104 zum
Stator 1808 aufrechter halten, wenn der Wasserkraftenergiegenerator 12 vertikal,
horizontal, etc. ohne die Verwendung von Streben, Arretiereinrichtungen
oder irgendwelchen anderen Mechanismen zum Beibehalten der relativen
Positionierung angebracht ist.
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Wie
in den 11 und 18 veranschaulicht,
können
die Schaufeln 1118 einen Ring bilden, der das Innengehäuse 1104 konzentrisch
umgibt. Die Schaufeln 1118 können einzeln gefertigte Teile
sein, die mit der Außenfläche des
Innengehäuses 1104 gekoppelt
sind. Jede der Schaufeln 1118 kann in einer der Kerben 1824 in
Position gehalten sein, um den Ring zu bilden, wenn die erste und
die zweite Nabe 1802 und 1804 zusammen gekoppelt
sind. Alternativ können
die Schaufeln 1118 einzeln oder als Gruppe an die erste
und/oder die zweite Nabe 1802 und 1084 durch Kleben,
Schweißen,
Reibschluss oder irgendeinen anderen Mechanismus gekoppelt sein.
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Die
Schaufeln 1118 können
einzeln gefertigt und dann zu einem Ring zusammengesetzt werden, um
Kosten zu reduzieren und die Herstellbarkeit zu verbessern. Zudem
kann der Durchmesser des Innengehäuses 1104, und damit
der Durchmesser des Rings der Schaufeln 1118, ohne wesentliche
Veränderungen
der Geometrie der einzelnen Schaufeln 1118 variiert werden.
Die Gestaltung jeder der einzelnen Schaufeln 1118 sowie
der Halterungsringe 1820 in jeweils der ersten und der
zweiten Nabe 1802 und 1804 kann zusammenwirken,
um die Position der Schaufeln 1118 in den Kerben 1824 aufrechtzuerhalten.
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19 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels
für eine
der in 18 veranschaulichten Schaufeln 1118.
Die veranschaulichte Schaufel 1118 kann im Allgemeinen
konkav sein und beinhaltet ein Grundteil 1902, einen ersten
Schaufelabschnitt 1904, einen zweiten Schaufelabschnitt 1906 und
eine Aussparung 1908. Das Grundteil 1902 kann ausgebildet
sein, um in angrenzende Aussparungen 1824 (18) der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 (18) zu passen. Das Grundteil 1902 kann
eine untere Fläche 1912 und
einen Sockel 1914 aufweisen. Die untere Fläche 1912 kann
mit einem vorbestimmten Krümmungsradius ähnlich dem Krümmungsradius
der Innenfläche
der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 (18) gekrümmt sein.
Der Sockel 1914 kann im Allgemeinen von dreieckiger Form
sein und eine erste geneigte Fläche 1916,
eine zweite geneigte Fläche 1918 und
eine Stirnfläche 1920 beinhalten.
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Nun
wird auf die 18 und 19 Bezug genommen,
in denen, wenn die Schaufel 1118 in dem Innengehäuse 1104 angebracht
ist, das Grundteil 1902 in angrenzend positionierten Kerben 1824 jeder der
ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 angeordnet
sein kann. Der Sockel 1914 jeder Schaufel 1118 kann
durch die Nasen 1822 an der ersten und der zweiten Nabe 1802 und 1804 in
den Kerben 1824 gehalten sein. In dem veranschaulichten
Beispiel können
die erste und die zweite geneigte Fläche 1916 und 1918 in
angrenzender Berührung
mit einer der Nasen 1822 an jeder der ersten und der zweiten Nabe 1802 bzw. 1804 stehen.
Zudem kann die Stirnfläche 1920 in
angrenzender Berührung
mit einer angrenzend angebrachten Schaufel 1118 stehen.
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20 ist eine Querschnittsdraufsicht auf die Schaufel 1118 der 19, die den ersten und den zweiten Schaufelabschnitt 1904 und 1906 und
den Sockel 1914 veranschaulicht. Auch ist eine Rückfläche 2002 der
Schaufel 1118 veranschaulicht. Wenn die Schaufel 1118 am
Innengehäuse 1104 (11) angebracht ist, kann die Rückfläche 2002 mit der Stirnfläche 1920 (19) des Sockels 1914 einer angrenzend
angebrachten Schaufel 1118 in angrenzender Berührung stehen.
So wird das Grundteil 1902 (19)
der Schaufel 1118 durch die Kombination der Nasen 1822 (18) und die Schaufeln 1118, die angrenzend
im Ring der Schaufeln 1118 positioniert sind, effektiv
fixiert. Das Grundteil 1902 jeder der Schaufeln 1118 kann
einen Teil eines ununterbrochenen konzentrischen Rings angrenzend
an die Außenfläche des
Innengehäuses 1104 bilden.
Die Schaufeln 1118 können
durch Reibschluss, Kleben, Schweißen oder irgendeinen anderen
Kopplungsmechanismus oder irgendein anderes Material in ihrer Position
gehalten werden.
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Nun
wird wieder auf 19 Bezug genommen, in der der
erste und der zweite Schaufelabschnitt 1904 und 1906 jeweils
eine eigene Auskehlung oder Vertiefung bereitstellen können, die
zur Aufnahme eines Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstroms fähig ist.
Wie am besten in 20 veranschaulicht, können der
erste und der zweite Schaufelabschnitt 1904 und 1906 jeweils
ellipsenförmig sein,
um das Fließen
von auf die Schaufelabschnitte 1904 und 1906 auftreffender
Flüssigkeit
zu optimieren. Die Aussparung 1918 erlaubt es dem Flüssigkeitsstrom,
jede der Schaufeln 1118 effizient zu treffen, wenn sich
das Innengehäuse 1104 (11) mit hoher UpM dreht.
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Das
vorstehend beschriebene Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 kann
auch die Fähigkeiten
eines Wasseraufbereitungssystems beinhalten. In einem Beispiel kann
das Wasserkraftenergieerzeugungssystem an einem Wasserhahn oder
einer anderen Rohranlage angebracht werden. Der Einlass des an einem
Wasserhahn angebrachten Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 kann
mit dem Wasserauslassende des Wasserhahns gekoppelt sein. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 kann
neben der vorstehend erörterten
Fähigkeit der
Energieerzeugung einen Kohlefilter und eine ultraviolette (UV) Lampe
aufweisen. Zudem kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 einen Flüssigkeitsumlenker
beinhalten, um das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 zu
umgehen, wenn kein aufbereitetes Wasser gewünscht wird. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 kann auch
eine Verarbeitungsvorrichtung, wie einen Mikroprozessor, zum Überwachen
der UV-Lampe und der Lebensdauer des Filters beinhalten. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 kann,
wie vorstehend erörtert,
eine Detektion der Flüssigkeitsströmung bereitstellen,
zur Verwendung beim Überwachen
der Lebensdauer des Filters. Zudem kann mit dem Mikroprozessor das
Ende der Lebensdauer der UV-Lampe überwacht werden. Ferner kann
das Umschalten von Anzapfungen und/oder Spulen von dem Mikroprozessor
dynamisch gelenkt werden, um eine erste Spannung zur anfänglichen
Energieversorgung der UV-Lampe und eine beständige Energieversorgung der
UV-Lampe bereitzustellen, wie vorstehend erörtert.
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Auch
andere Anwendungen, die mit einem druckbeaufschlagten Flüssigkeitsstrom
einhergehen und eine Energiequelle erfordern, können durch das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 bereitgestellt
werden. Beispielsweise können
Rohranlagen mit Bewegungsdetektoren, elektrisch betriebene Ventile
oder irgendeine andere Vorrichtung, deren Betrieb eine elektrische
Energiequelle erfordert, als Teil des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 aufgenommen
werden.
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21 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften
Rohranlage 2100 für
eine Toilette, wie ein Sitz-WC oder ein Urinal, die als Teil des
Wasserkraftenergieerzeugungssystems aufgenommen ist. Die Rohranlage 2100 beinhaltet
einen Wassereinlass 2102 zum Aufnehmen von Wasser und einen
Wasserauslass 2104 zum Ablassen von Wasser. Die Rohranlage 2100 beinhaltet
auch ein Ventilmodul 2106, ein Elektronikmodul 2108 und
ein Leistungserzeugungsmodul 2110. In anderen Beispielen
können ein
Wasserhahn, eine Dusche oder irgendeine andere Rohranlage mit einem
Steuerventil, einem Wassereinlass und einem Wasserauslass einfach
in das Wasserkraftenergieerzeugungssystem aufgenommen werden. In
vorliegender Verwendung ist der Begriff „Rohranlage" so definiert, dass
er Vorrichtungen mit Bezug zu sanitären Räumen, wie Wasserhähne, Toilettenspülmechanismen,
Sprühmechanismen
und Duschen, umfasst. Zudem können
Rohranlagen Sprinkler, Springbrunnen und jegliche anderen Vorrichtungen
und Mechanismen umfassen, die zum Steuern und/oder Kanalisieren
eines Flüssigkeitsstroms
bei Drücken
von weniger als ca. 1034 kPa (ca. 150 lbs./sq. inch) verwendet werden.
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22 ist eine abgeschnittene Seitenansicht der in 21 veranschaulichten beispielhaften Rohranlage 2100,
die den Einlass 2102, den Auslass 2104, das Ventilmodul 2106,
das Elektronikmodul 2108 und das Leistungserzeugungsmodul 2110 beinhaltet.
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Das
Ventilmodul 2106 beinhaltet ein elektrisch betriebenes
Ventil 2202. Das elektrisch betriebene Ventil 2202 kann
irgendeine elektromechanische Ventilvorrichtung sein, die imstande
ist, mit Spannung und Strom zum Öffnen
und Schließen
eines Flüssigkeitsströmungsweges
betätigt
zu werden. Bei Energiezufuhr kann sich das elektrisch betriebene
Ventil 2202 an eine Position bewegen, die einen Flüssigkeitsströmungsweg
durch das Ventilmodul 2106 öffnet. Wenn der Flüssigkeitsströmungsweg
geöffnet
wird, kann am Einlass 2102 zugeführte, unter Druck stehende
Flüssigkeit
durch das Ventilmodul 2106 und das Leistungserzeugungsmodul 2110 zum Auslass 2104 fließen. Bei
Beendigung der Energiezufuhr kann das elektrisch betriebene Ventil 2202 den
Flüssigkeitsströmungsweg
absperren und dadurch das Strömen
von Flüssigkeit
durch das Ventilmodul 2106 und das Leistungserzeugungsmodul 2110 abbrechen.
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Das
Leistungserzeugungsmodul 2110 beinhaltet das Außengehäuse 1102,
das Innengehäuse 1104,
die Zentrierungsstange 1106 und die Düse 1108, die den mit
Bezug auf die 11 bis 20 erörterten
Ausführungsformen ähneln. Dementsprechend
wird auf eine Wiederholung einer ausführlichen Erörterung dieser Merkmale verzichtet.
In anderen Beispielen können
Merkmale und/oder Komponenten, die irgendwelchen der anderen vorstehend erörterten
Ausführungsformen ähneln, in
das Leistungserzeugungsmodul 2110 aufgenommen werden. Das
Außengehäuse 1102 beinhaltet
auch eine Abflussöffnung 2204,
um Flüssigkeit
nach dem Aufprall auf das Innengehäuse 1104 zum Auslass 2104 zu
kanalisieren. Das Innengehäuse 1102 kann
zur Wartung und/oder Reparatur als Einheit von der Rohranlage abgenommen
werden. Unter Druck stehende Flüssigkeit,
die dem Einlass 2102 zugeführt wird, wird durch die Düse 1108 auf
eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt und in einem Flüssigkeitsstrom auf
die Schaufeln 1118 gerichtet, die an der Außenfläche des
Innengehäuses 1104 positioniert
sind.
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Der
Großteil
der kinetischen Energie im Hochgeschwindigkeitsflüssigkeitsstrom
wird in Rotationsenergie umgesetzt, um das In nengehäuse 1104 bei
einer hohen UpM zu drehen. Die Flüssigkeit fällt durch die Schwerkraft zum
Wasserauslass 2104 der Rohranlage 2100 ab. Flüssigkeitsnebel
innerhalb des Hohlraums des Außengehäuses 1102 kann
durch die Gestaltung der Innenfläche 1112 des
Außengehäuses 1102 und
die Abflussöffnung 2204 auch
zum Wasserauslass 2104 kanalisiert werden. Eine Drehung
mit hoher UpM des Innengehäuses 1104 erzeugt
mit dem im Innengehäuse 1104 aufgenommenen
Dauermagnet-Generator elektrische Leistung. Leistung kann vom Generator
auf der Leistungszufuhrleitung 1844 erzeugt werden. Die
Leistungszufuhrleitung 1844 kann durch den Durchgang in
der Zentrierungsstange 1106 und einen Schacht 2206 zum
Elektronikmodul 2108 geführt werden.
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Das
Elektronikmodul 2108 kann irgendeine diesbezügliche elektrische
Schaltanordnung und Bauteile für
die Rohranlage 2100 beinhalten. Das Elektronikgehäuse 2108 kann
ein Ventilsteuergerät 2226,
eine Energiespeichervorrichtung 2228, einen Leistungssteller 2230 und
einen Sensor 2232 beinhalten. Das Ventilsteuergerät 2226 kann
ein Teil des elektrisch betriebenen Ventils 2202 sein und
kann irgendeine Vorrichtung sein, die imstande ist, das Öffnen und
Schließen
des elektrisch betriebenen Ventils 2202 unter Verwendung
von Spannung und Strom zu betätigen.
Das Ventilsteuergerät 2226 kann
einen Elektromotor, einen Drehantrieb, einen Elektromagneten oder
irgendeine andere Vorrichtung beinhalten, die imstande ist, einen
Ventilmechanismus zu bewegen. Zudem kann das Ventilsteuergerät 2226 Endabschalter
oder irgendeine andere Form von Positionserfassungsvorrichtung(en)
zum Bestimmen der Position des elektrisch betriebenen Ventils 2202 beinhalten.
Das Ventilsteuergerät 2226 kann
von der Energiespeichervorrichtung 2228 mit Leistung versorgt
werden.
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Die
Energiespeichervorrichtung 2228 kann eine Batterie und/oder
ein Kondensator und/oder irgendeine andere Schaltung oder Vorrichtung(en) sein,
die imstande sind, Energie in Form von Spannung und Strom zu speichern.
Der Leistungssteller 2230 ist mit dem Ventilsteuergerät 2226 und
der Energiespeichervorrichtung 2228 gekoppelt. Der Leistungssteller 2230 kann
irgendeine Schaltung oder Vorrichtung sein, die imstande ist, den
Betrag einer Spannung in der Energiespeichervorrichtung 2228 zu überwachen
und den Betrieb des elektrisch betriebenen Ventils 2202 zu
steuern.
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Während des
Betriebs wird der Betrag der Spannung in der Energiespeichervorrichtung 2228 durch
den Leistungssteller 2230 überwacht. Wenn die Spannung
unter einen bestimmten Schwellwert abfällt, kann das elektrisch betriebene
Ventil 2202 durch den Leistungssteller 2230 zum Öffnen aktiviert werden.
Dem Ventilsteuergerät 2226 kann
von der Energiespeichervorrichtung 2228 Leistung zugeführt werden,
um das elektrisch betriebene Ventil 2202 zu betätigen. Wird
das elektrisch betriebene Ventil 2202 geöffnet, fließt unter
Druck stehende Flüssigkeit durch
das Ventilmodul 2106 zur Düse 1108. Der Hochgeschwindigkeitsstrom
von unter Druck stehender Flüssigkeit
wird von der Düse 1108 auf
das Innengehäuse
gerichtet 1104, um elektrische Leistung zu erzeugen. Die
elektrische Leistung wird zum Wiederaufladen der Energiespeichervorrichtung 2228 verwendet.
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Auch
der Sensor 2232 kann das elektrisch betriebene Ventil 2202 aktivieren.
Der Sensor 2232 kann ein Bewegungssensor, ein Temperatursensor oder
irgendeine andere Form einer Sensorvorrichtung sein, die imstande
ist, einen oder mehrere Parameter in der Umge bung der Rohranlage 2100 zu
erfassen. In diesem Beispiel kann der Sensor 2232 ein zum
Erfassen von Bewegung fähiger
Bewegungssensor sein. Als Reaktion auf eine Bewegung kann der Sensor 2232 das
elektrisch betriebene Ventil 2202 unter Verwendung von
Leistung von der Energiespeichervorrichtung 2228 zum Öffnen betätigen. Die
Energiespeichervorrichtung 2228 kann anschließend von
dem Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 mit Leistung,
die aus dem Strömen
von Flüssigkeit
resultiert, wieder aufgeladen werden.
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23 ist ein Schaltbild eines Beispiels der Energiespeichervorrichtung 2228 und
des Leistungsstellers 2230. Die veranschaulichte Energiespeichervorrichtung 2228 beinhaltet
eine erste Energiespeichervorrichtung 2302, eine zweite
Energiespeichervorrichtung 2304 und eine dritte Energiespeichervorrichtung 2306.
Der Leistungssteller 2230 beinhaltet einen Prozessor 2308,
einen ersten Ladeschalter 2310, einen zweiten Ladeschalter 2312,
einen dritten Ladeschalter 2314, einen Serien-/Parallelschalter 2316 und
einen Laststeuerschalter 2318. In anderen Beispielen kann
eine größere oder
kleinere Anzahl von Energiespeichervorrichtungen und Schaltern benutzt
werden.
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Die
erste, die zweite und die dritte Energiespeichervorrichtung 2302, 2304 und 2306 können irgendeine
Vorrichtung sein, die imstande ist, elektrische Leistung zu speichern.
In dem veranschaulichten Beispiel ist die erste Energiespeichervorrichtung 2302 eine
Batterie und die zweite und die dritte Energiespeichervorrichtung 2304 und 2306 sind
Kondensatoren zum Maximieren der Entladeleistung. Die Kondensatoren
können
ein oder mehrere elektrolytische Kondensatoren oder elektrochemische
Kondensatoren, wie Superkondensatoren und/oder Ultrakondensatoren,
sein. In anderen Beispielen können
Batterien, Kondensatoren oder irgendeine Ausführung von Batterien und Kondensatoren
verwendet werden. Die erste und die zweite Energiespeichervorrichtung 2302 und 2304 sind
jeweils elektrisch mit einem Masseanschluss 2320 verbunden.
Die dritte Energiespeichervorrichtung 2306 kann durch den Serien-/Parallelschalter 2316 elektrisch
mit dem Masseanschluss 2320 verbunden werden.
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Der
Prozessor 2308 kann irgendeine Form einer Berechnungsvorrichtung
sein, die imstande ist, Befehle zum Überwachen von Eingaben und
zum Bereitstellen von Ausgaben auszuführen. Eingaben an den Prozessor 2308 beinhalten
Eingabeleistung, die vom Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 (21) auf einer Leistungseingangsleitung 2330 zugeführt wird.
Die durch den Generator zugeführte
Leistung kann eine drei- oder einphasige AC-Leistung sein, der mit
einer oder mehreren Dioden zum Bereitstellen einer DC-Leistung an
den Prozessor 2308 gleichgerichtet wird.
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Zu
anderen Eingaben an den Prozessor 2308 gehören eine
erste Ladungsangabe für
die erste Energiespeichervorrichtung 2302 auf einer ersten Ladungsleitung 2332 und
eine jeweilige zweite und dritte Ladungsangabe für die jeweilige zweite und dritte
Energiespeichervorrichtung 2304 und 2306 auf jeweiligen
zweiten und dritten Ladungsleitungen 2334 und 2336.
Die Ladungsleitungen 2332, 2334 und 2336 geben
dem Prozessor 2308 die Menge der in den jeweiligen Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 gespeicherten
Ladung an. Zudem werden im veranschaulichten Beispiel dem Prozessor 2308 eine
erste Entladungsangabe und eine zweite Entladungsangabe auf einer
ersten Entladungsleitung 2338 bzw. einer zweiten Entladungsleitung 2340 als
Eingaben zur Verfügung
gestellt.
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Die
erste Entladungsangabe liefert die Entladungsmenge des Kondensators,
der die zweite Energiespeichervorrichtung 2304 bildet.
Die Entladungsmenge des Kondensators, der die dritte Energiespeichervorrichtung 2306 bildet,
wird durch die zweite Entladungsangabe bereitgestellt.
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Zu
den Ausgaben aus dem Prozessor 2308 gehören Steuersignale zum Steuern
des Betriebs des ersten Ladungssteuerschalters 2310, des
zweiten Ladungsteuerschalters 2312 und des dritten Ladungssteuerschalters 2314.
Zufuhr von Energie zum ersten Ladungssteuerschalter 2310 kann
die erste Energiespeichervorrichtung 2302 auf einer ersten Ladungsleitung 2342 mit
einer ersten Ladespannung versorgen. Eine zweite Ladespannung kann
der zweiten Energiespeichervorrichtung 2304 auf einer zweiten
Ladungsleitung 2344 geliefert werden, wenn der zweite Ladungssteuerschalter 2312 geschlossen ist.
Dem dritten Ladungssteuerschalter 2314 kann Energie zugeführt werden,
um der dritten Energiespeichervorrichtung 2306 auf einer
dritten Ladungsleitung 2346 eine dritte Ladespannung zur
Verfügung zu
stellen.
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Der
Prozessor 2308 kann auch Ausgangssteuersignale zum Anweisen
des Laststeuerschalters 2318, die Spannung auf einer Lastversorgungsleitung 2348 zu
steuern, bereitstellen. Die Lastversorgungsleitung 2348 kann
einer elektrischen Last Leistung zur Verfügung stellen. In diesem Beispiel gehört zur Last
das elektrisch gesteuerte Ventil 2202 (22) und die in dem Elektronikmodul 2108 (21) enthaltene Elektronik. In anderen Beispielen
kann irgendeine andere Last von der Lastversorgungsleitung 2348 versorgt
werden.
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Leistung
auf der Lastversorgungsleitung 2348 kann durch den Prozessor 2308 aus
dem Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 und/oder
aus der in einer oder mehreren der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 gespeicherten
Ladung zugeführt
werden. Beispielsweise kann, wenn der Generator Leistung erzeugt,
der Prozessor 2308 diese Leistung auf der Lastversorgungsleitung 2348 unmittelbar
der Last zur Verfügung
stellen. Zudem kann der Prozessor 2308 Ladespannung(en)
zum Laden einer oder mehrerer der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 mit der
vom Generator erzeugten Leistung bereitstellen. Alternativ kann
der Prozessor 2308, wenn beispielsweise der Generator keine
Leistung erzeugt (oder nicht genug Leistung erzeugt), Leistung aus
der in einer oder mehreren der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 gespeicherten
Ladung auf der Lastversorgungsleitung 2348 bereitstellen.
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Der
Prozessor 2308 kann auch eine Steuerausgabe auf einer Ventilsteuerleitung 2350 zum Steuern
des Betriebs des elektrisch betriebenen Ventils 2202 bereitstellen.
Ausgaben aus dem Prozessor 2308 auf einer Statusleitung 2352 können den
Betriebsstatus bereitstellen. Der Betriebsstatus kann Fehlerangaben,
den Zustand der Ladung in den Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306, die
Position des elektrisch betriebenen Ventils 2202 (22) oder jegliche anderen betriebsbezogenen Angaben
oder Parameter umfassen. Die Statusleitung 2352 kann mit
irgendeiner Form von Nutzerschnittstelle, wie Leuchtdiode(n) (LEDs),
einer Anzeige, einem akustischen Alarm, etc. gekoppelt sein.
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Der
Serien-/Parallelschalter 2316 beinhaltet einen Serienschalter 2356 und
einen Parallelschalter 2358. Der Prozessor 2308 kann Ausgaben
zum Anweisen des Betriebs des Serienschalters 2356 und des
Parallelschalters 2358 bereitstellen. Der Serienschalter 2356 und
der Parallelschalter 2358 können die zweite und die dritte
Energiespeichervorrichtung 2304 und 2306 in einer
parallelen Konfiguration oder in einer seriellen Konfiguration gestalten:
In
der parallelen Konfiguration kann ein niedrigerer Betrag der Entladespannung
durch die zweite und die dritte Energiespeichervorrichtung 2304 und 2306 einzeln
der Last zugeführt
werden. In der seriellen Konfiguration kann der Last durch die kombinierte Entladung
der zweiten und dritten Energiespeichervorrichtung 2304 und 2306 ein
höherer
Entladespannungsbetrag zugeführt
werden. Der Prozessor 2308, die Ladungssteuerschalter 2310, 2312 und 2314,
der Serien-/Parallelschalter 2316 und der Laststeuerschalter 2318 können mit
einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC von engl.
application specific integrated circuit) ausgeführt sein. Alternativ können separate
Bauteile oder separate Bauteilgruppen benutzt werden.
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Im
Speicher gespeicherte Befehle können vom
Prozessor 2308 zum Bereitstellen einer Ladungs- und Entladungssteuerung
der ersten, zweiten und dritten Energiespeichervorrichtung 2302, 2304 und 2306 ausgeführt werden.
Die Steuerung mit dem Prozessor 2308 kann auf bestimmten
Schwellspannungen, bestimmten Schwellladungspegeln und auf der durch
den Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 zugeführten Eingangsleistung
basieren. Eine erste Schwellspannung kann ein Betrag der von dem
Generator und/oder einer oder mehrerer der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 zugeführten Eingangsspannung
sein. Eine zweite Schwellspannung kann eine auf der Lastversorgungsleitung 2348 zugeführte Ausgangsspannung sein.
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Die
bestimmten Schwellladungspegel jeder der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 können ein
vollständig
geladener Zustand sein, der basierend auf den Eigenschaften der
einzelnen Energiespeichervorrichtungen bestimmt werden kann. Auch
können
erste, zweite und dritte Entladungspegelschwellwerte für jede der
jeweiligen Energiespeichervorrichtung 2302, 2304 und 2306 bestimmt
werden. Jeder der Entladungspegelschwellwerte kann einen Entladungsgrenzwert
und einen Entladungsabschaltwert beinhalten. Der Entladungsgrenzwert
kann eine Absenkung des Ladungspegels auf einen Pegel unterhalb
des vollständig
geladenen Zustands anzeigen. Der Entladungsabschaltwert kann eine
Absenkung der Ladung unter einen maximal gewünschten Pegel der Ladungsminderung
anzeigen.
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Zudem
kann der Prozessor 2308 eine Zeitgebefähigkeit zum Bereitstellen einer
Angabe über den
Status der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 beinhalten.
Ein Ladezeitgeber kann durch den Prozessor 2308 aktiviert
werden zum Beginnen der Zeitgebung, wenn eine der Energiespeichervorrichtungen
geladen wird. Basierend auf der bzw. den Ladungsangabe(n) auf der
bzw. den Ladungsleitung(en) der einzelnen gerade geladenen Energiespeichervorrichtung(en)
kann die Zeitgebung des Ladezeitgebers zum Bestimmen eines prozentualen
Anteils der vollständigen
Ladung, einer Laderate, etc. verwendet werden. Die ladungsbezogenen Bestimmungen
können
auf der Statusleitung 2352 bereitgestellt werden. Analog
kann ein Entladezeitgeber durch den Prozessor 2308 befähigt werden, eine
Zeitgebung während
eines Entladezyklus jeder der ersten und der zweiten Energiespeichervorrichtung 2304 und 2306 zu
beginnen. Die Entladeangaben auf den jeweiligen Entladungsleitungen 2338 und 2340 können von
dem Entladezeitgeber zum Angeben der prozentuellen Entladung, der
Entladerate, etc. jeder der zweiten und der dritten Energiespeichervorrichtung 2304 und 2306 auf
der Statusleitung 2352 verwendet werden.
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Wenn
der Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 Leistung
erzeugt, kann der Prozessor 2308 selektiv eine oder mehrere
der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 laden. Beispielsweise
kann der Generator, wenn der Flüssigkeitsstrom
bei einem relativ hohen Druck relativ hoch ist, reichliche Mengen
von Leistung mit einer relativ hohen Spannung erzeugen. Unter diesen
Bedingungen kann der Prozessor 2308 es dem ersten Ladeschalter 2310,
dem zweiten Ladeschalter 2312 und dem dritten Ladeschalter 2314 ermöglichen, gleichzeitig
alle Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 zu
laden. Alternativ, wenn weniger Leistung oder eine Leistung niedrigerer
Spannung generiert wird, kann der Prozessor 2308 weniger
als alle der ersten, zweiten und dritten Ladeschalter 2310, 2312 und 2314 aktivieren.
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Während des
Betriebs, wenn die in einer oder mehrerer der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 gespeicherte
Ladung den bestimmten Entladungsgrenzwert überschreitet, kann der Laststeuerschalter 2318 durch
den Prozessor 2308 befähigt
werden, der Last Leistung zuzuführen. Wenn
die Last Leistung verbraucht und damit eine oder mehrere der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 auf
einen Wert unterhalb des Entladungsgrenzwertes entlädt, kann
der Prozessor 2308 das elektrisch betriebene Ventil 2202 (22) aktivieren, sich bei einem Steuersignal auf
der Ven tilsteuerleitung 2350 zu öffnen. Wie vorstehend erörtert, bedingt
der Strom von Flüssigkeit
durch die Rohranlage 2100 (21)
und das Leistungserzeugungsmodul 2110 die Generierung von
Leistung durch den Generator.
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Beim
Erfassen von Eingangsleistung auf der Leistungseingangsleitung 2330 kann
der Prozessor 2308 einen oder mehrere der Ladeschalter 2310, 2312 und 2314 zum
Wiederaufladen der jeweiligen Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 aktivieren.
Falls die Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 fortfahren,
sich bis auf den Abschaltgrenzwert zu entladen, so kann der Laststeuerschalter 2318 vom
Prozessor 2308 deaktiviert werden. Bei einem Verlust von
Leistung an die Last auf der Lastversorgungsleitung 2348 kann
das elektrisch betriebene Ventil 2202 (22) offen bleiben und der Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 kann weiterhin
Leistung liefern. Alternativ kann sich bei einem Leistungsverlust
das elektrisch betriebene Ventil 2202 schließen, die
Einspeisung von Leistung aus dem Generator kann aufhören und
Leistung aus den Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 kann
von dem Prozessor 2308 zum Anzeigen eines Fehlers auf der
Statusleitung 2352 verwendet werden. Der Fehler kann mit
Hilfe eines Anzeigeelementes, wie einer blinkenden Leuchtdiode (LED),
angezeigt werden.
-
Während der
Entladung bzw. Entnahme von Leistung aus einer oder mehreren der
Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 kann
der Prozessor 2308 den Serien-/Parallelschalter 2316 zum
Maximieren der Entladezeit selektiv umschalten. Zudem kann die Spannung
auf der Lastversorgungsleitung 2348 durch selektives Umschalten
des Serien-/Parallelschalters 2316 während des Entla devorgangs zum
Maximieren der Effizienz aufrechterhalten werden. Ferner kann der
Prozessor 2308 durch selektives Umschalten des Serien-/Parallelschalters 2316 den
Betrag der Ausgabespannung auf andere Spannungsbeträge umstellen.
Beispielsweise kann durch den Prozessor 2308 eine Eingangsspannung vom
Generator von ca. 6 VDC in 3 VDC umgewandelt werden. In einem anderen
Beispiel können
von dem Generator zugeführte
1,5 VDC durch den Prozessor 2308 in 6 VDC umgewandelt werden.
-
24 ist ein anderes beispielhaftes Schaltbild der
Energiespeichervorrichtung 2228 und des Leistungsstellers 2230.
In diesem Beispiel beinhaltet der Leistungssteller 2230 den
Prozessor 2308. Die Energiespeichervorrichtung 2228 beinhaltet
eine Mehrzahl von Energiespeichervorrichtungen umfassend einen ersten
Kondensator 2402, einen zweiten Kondensator 2404,
einen dritten Kondensator 2406 und einen vierten Kondensator 2408,
die elektrisch mit einem Masseanschluss 2410 verbunden
sind. In anderen Beispielen können
andere Konfigurationen und Anzahlen von Energiespeichervorrichtungen, wie
eine Batterie anstelle des vierten Kondensators 2408, verwendet
werden.
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Der
Prozessor 2308 kann auf der Leistungseingangsleitung 2330 vom
Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 (21) Eingangsleistung empfangen. Die Eingangsleistung
kann auch den ersten Kondensator 2402 aufladen. Somit kann
der Prozessor 2308 mit Eingangsleistung von dem ersten
Kondensator 2402 versorgt werden, wenn der Generator die
Erzeugung von Leistung einstellt.
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Der
Prozessor 2308 kann das Laden und Entladen des vierten
Kondensators 2408 anhand einer Ladesteuerleitung 2412 steuern.
Das Laden des vierten Kondensators 2408 kann mit der auf
der Leistungseingangsleitung 2330 zugeführten Leistung erfolgen. Das
Entladen des vierten Kondensators 2408 kann auf der mit
der Lastversorgungsleitung 2348 versorgten Last basieren.
Die Last kann das elektrisch betriebene Ventil 2202 (22) und/oder irgendeine andere Elektronikeinheit
in dem Elektronikmodul 2108 (21)
beinhalten.
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Der
Prozessor 2308 kann die Last auf der Lastversorgungsleitung 2348 mit
einer geregelten Ausgangsspannung versorgen. Die auf der Lastversorgungsleitung 2348 zugeführte Leistung
kann aus dem Generator, dem ersten Kondensator 2402 und/oder
dem vierten Kondensator 2408 stammen. Der zweite und der
dritte Kondensator 2404 und 2406 können für eine Rauschunterdrückung etwaiger hochfrequenter
Transienten sorgen, die auf der Lastversorgungsleitung 2348 vorliegen
können.
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Ähnlich wie
im Beispiel der 23, kann der Prozessor 2308 eine
Minderung der Ladung des vierten Kondensators 2408 unter
den Entladungsgrenzpegel erfassen und ein Steuersignal auf der Ventilsteuerleitung 2350 zum Öffnen des
elektrisch betriebenen Ventils 2202 (22) übermitteln.
Der resultierende Flüssigkeitsstrom
kann den Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 (21) mit hoher UpM drehen, zum Generieren von Leistung
auf der Leistungseingangsleitung 2330. Falls die Ladung
des vierten Kondensators 2408 auf den Entladungsabschaltpegel
abgesenkt wird, kann auf der Statusleitung 2350 ein Fehler
erzeugt werden, das elektrisch betriebene Ventil 2202 (22) kann von der Energieversorgung genommen werden
und Leistung an die Last kann ausgesetzt werden.
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25 ist ein Prozessablaufdiagramm, das einen beispielhaften
Arbeitsgang des Leistungsstellers 2230 der 22–23 veranschaulicht.
Der Arbeitsgang beginnt bei Block 2502, wenn die gewünschte Ausgangsspannung
an die Last, der gewünschte
Ladungspegel und die gewünschten
Entladungspegelschwellwerte (der Entladungsgrenzwert und der Entladungsabschaltwert)
festgelegt und in dem Prozessor 2308 gespeichert werden.
Der Prozessor 2308 kann bei Block 2504 Befehle
zum Überwachen
der Versorgungsspannung auf der Leistungseingangsleitung 2330 und
der Lade- und Entladespannungen der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 ausführen.
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Bei
Block 2506 bestimmt der Prozessor 2308, ob der
Betrag der Versorgungsspannung gleich oder größer ist als die gewünschte Ausgangsspannung
an die Last. Falls die Versorgungsspannung größer ist als die gewünschte Ausgangsspannung,
aktiviert der Prozessor 2308 einen oder mehrere der Ladeschalter 2310, 2312 und 2314,
um die Zuführung
von Leistung aus der Leistungseingangsleitung 2330 zum
Laden einer oder mehrerer der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 bei Block 2508 zu
ermöglichen.
Bei Block 2510 kann der Prozessor 2308 einen oder
mehrere Ladezeitgeber zum Überwachen
des Ladevorgangs der Energiespeichervorrichtung(en) 2310, 2312 und 2314 aktivieren.
Zudem kann der Prozessor 2308 bei Block 2512 die
Zufuhr von Leistung aus der Eingangsleistungsleitung 2330 zur
Last auf der Lastversorgungsleitung 2348 ermöglichen.
Der Arbeitsgang kehrt dann zu Block 2504 zurück, um die Überwachung
der Spannungen und Ladungen fortzusetzen.
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Falls
bei Block 2506 die Versorgungsspannung nicht größer als
oder gleich der gewünschten Ausgangsspannung
ist, bestimmt der Prozessor 2308 bei Block 2518,
ob die Versorgungsspannung auf der Eingangsleistungsleitung 2330 um
einen bestimmten Betrag (x) geringer ist als die gewünschte Ausgangsspannung.
Falls die Versorgungsspannung um mindestens den bestimmten Betrag
(x) niedriger ist als die gewünschte
Ausgangsspannung, ermöglicht
es der Prozessor bei Block 2520 einer oder mehrerer der
Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306,
mit dem Entladen von gespeicherter Ladung auf den gespeicherte-Leistungsleitungen 2332, 2334 und 2336 zu
beginnen. Der Prozessor 2308 kann die gespeicherte Ladung
als Ausgangsspannung und -strom auf der Lastversorgungsleitung 2348 zum
Versorgen der Last bereitstellen. Bei Block 2522 kann der
Prozessor 2308 einen Entladezeitgeber zum Überwachen
der Entladung von Leistung aus jeder der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 befähigen. Der
Arbeitsgang kehrt dann zu Block 2504 zum Fortsetzen der Überwachung
der Spannungen und Ladungen zurück.
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Falls
die Versorgungsspannung bei Block 2518 nicht geringer ist
als die gewünschte
Ausgangsspannung, bestimmt der Prozessor 2308, ob alle
Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 bei Block 2526 vollständig geladen
sind. Falls alle Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 vollständig geladen
sind, bestimmt der Prozessor 2308 bei Block 2528,
ob das elektrisch betriebene Ventil 2202 offen ist. Falls
das elektrisch betriebene Ventil 2202 nicht offen ist,
kehrt der Arbeitsgang zu Block 2504 zurück und überwacht die Spannungen. Falls das
elektrisch betriebene Ventil 2202 offen ist, sendet der
Prozessor 2308 bei Block 2530 ein Signal auf der Ventilsteuerleitung 2350 zum
Schließen
des elekt risch betriebenen Ventils 2202. Der Generator
im Leistungserzeugungsmodul 2110 bricht die Erzeugung von
elektrischer Leistung ab, wenn das elektrisch betriebene Ventil 2202 geschlossen
ist.
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Bei
Block 2532 wird der bzw. werden die Entladezeitgeber rückgesetzt
und der Arbeitsgang kehrt zu Block 2504 zum Überwachen
der Spannungen und Ladungen zurück.
Falls die Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 bei
Block 2526 nicht alle vollständig geladen sind, bestimmt
der Prozessor 2308 bei Block 2536, ob irgendeine
der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 auf
einen geringeren Wert als den Entladungsabschaltwert entladen sind.
Falls die Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 auf
einen geringeren Wert als den Entladungsabschaltwert entladen sind,
sperrt der Prozessor 2308 bei Block 2538 die Zufuhr
von Ausgangsleistung auf der Ausgangsleistungsleitung 2348.
Zudem sendet der Prozessor 2308 bei Block 2540 ein
Signal auf der Ventilsteuerleitung 2350 zum Schließen des
elektrisch betriebenen Ventils 2202. Bei Block 2542 stellt
der Prozessor 2308 auf der Statusleitung 2352 eine
Anzeige bereit, dass der Ladevorgang der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 nicht
durchgeführt
werden kann. Der Arbeitsgang kehrt dann zu Block 2504 zum Überwachen
der Spannungen und Ladungen zurück.
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Falls
bei Block 2536 keine der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 auf
einen niedrigeren Wert als den Entladungsabschaltwert entladen sind,
bestimmt der Prozessor 2308 bei Block 2546, ob
irgendeine der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 auf
einen niedrigeren Wert als den Entladungsgrenzwert entladen sind. Falls
irgendeine der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 oder 2306 auf
einen niedrigeren Wert als den Entla dungsgrenzwert entladen ist,
sendet der Prozessor 2308 bei Block 2548 ein Steuersignal
auf der Ventilsteuerleitung 2350 zum Öffnen des elektrisch betriebenen
Ventils 2202. Wenn das elektrisch betriebene Ventil 2202 geöffnet wird,
generiert der Generator im Leistungserzeugungsmodul 2110 Leistung
auf der Leistungseingangsleitung 2330. Der Arbeitsgang
kehrt zu Block 2504 zum Laden der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 und Zuführen von
Leistung aus dem Generator zur Last zurück. Falls bei Block 2546 keine
der Energiespeichervorrichtungen 2302, 2304 und 2306 auf
einen niedrigeren Wert als den Entladungsgrenzwert entladen ist,
kehrt der Arbeitsgang zu Block 2504 zurück und überwacht die Spannungen und
Ladungen.
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In
einem anderen, der 21 ähnelnden Beispiel kann das
Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 eine Rohranlage beinhalten,
bei der es sich um ein Wasserhahnsystem handelt. Das Wasserhahnsystem
kann das Ventilmodul 2106, das Elektronikmodul 2108 und
das Leistungserzeugungsmodul 2110 beinhalten. Der Generator
im Leistungserzeugungsmodul 2110 kann mindestens eine Energiespeichervorrichtung
im Elektronikmodul 2108 laden. Der im Elektronikmodul 2108 enthaltene
Leistungssteller kann ein unmittelbares Aufladen erlauben, bis die
Energiespeichervorrichtung(en) geladen ist bzw. sind. Dies erlaubt
es dem Wasserhahnsystem, gespeicherte Leistung über den Zeitraum hinaus zu
verwenden, in der Flüssigkeit
durch das Wasserhahnsystem fließt.
Zudem kann ein einfacher manueller Drucktaster einen Flüssigkeitsstrom
zum Rotieren des Generators in dem Leistungserzeugungsmodul 2110 zum
Wiederaufladen der Energiespeichervorrichtung(en) veranlassen, falls
das Wasserhahnsystem für
längere
Zeiträume
nicht verwendet wird.
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In
noch einem anderen Beispiel kann das Wasserkraftenergieerzeugungssystem
eine Rohranlage enthalten, bei der es sich um einen Duschkopf handelt.
Der Duschkopf kann ein Radio und/oder andere wasserfeste Elektronikgeräte beinhalten.
Das Radio kann wasserfest sein und AM, FM, ein CD- oder irgendein
anderes Unterhaltungsgerät
beinhalten. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem kann Merkmale ähnlich dem
in den 9 und 10 veranschaulichten
System beinhalten. Der Generator, der aus der in dem Stator kreisenden
Turbine resultiert, kann eine Energiequelle zum Laden eines Kondensators,
Superkondensators oder Ultrakondensators sein. Dies stellt eine
Energiequelle für
die Elektronikgeräte
bereit, die keinen Wartungszyklus zum Ersetzen der Energiequelle
erfordert, wie dies bei einer Batterie als Energiequelle der Fall
ist. Der Duschkopf kann auch einen Duschzeitgeber mit einer Alarmeinrichtung
und einer Vorwarnanzeigeeinrichtung beinhalten, um die Dusche zeitlich
gesteuert zu halten. Die Alarmeinrichtung kann verwendet werden,
um die Duschlänge
auf einem bestimmten Zeitraum zu halten. Ferner kann der Duschkopf
eine Uhr mit einer Anzeige enthalten, die bei laufender Dusche beleuchtet
ist. In Zeiten, in denen keine Flüssigkeit fließt, kann
die Uhr, um Leistung zu sparen, ohne Beleuchtung aus der Energiespeichervorrichtung
arbeiten.
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26 veranschaulicht noch ein anderes Beispiel des
Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12, das ein Außengehäuse 2602,
ein Innengehäuse 2604,
eine Zentrierungsstange 2606 und eine Düse 2608 beinhaltet.
Das Innengehäuse 2604 ist
in einem in dem Außengehäuse 2602 gebildeten
Hohlraum 2610 positioniert und beinhaltet eine Mehrzahl
von Schaufeln 2612, die an einer Außenfläche 2613 des Innengehäuses 2604 positioniert
sind. Das Außengehäuse 2602 beinhaltet
einen Auslass 2614 und eine Innenwand 2616. Die
Merkmale des in 26 veranschaulichten Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12 ähneln in
vielerlei Hinsicht den vorstehend erörterten Beispielen des Wasserkraftenergieerzeugungssystems.
Somit wird die folgende Erörterung der
Kürze halber
auf Unterschiede zu den vorstehend erörterten Beispielen abstellen.
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In
dem veranschaulichten Beispiel beinhaltet das Außengehäuse 2602 einen Innengehäuseabschnitt 2618,
einen Düsenabschnitt 2620,
einen Ablassabschnitt 2622 und einen Stromsammelabschnitt 2624.
Der Innengehäuseabschnitt 2618 ist
ausgebildet, einen Teil des Innengehäuses 2604 angrenzend zu
umgeben. Die Schaufeln 2612 sind angrenzend an die Innenwand 2616 des
Innengehäuseabschnitts 2618 positioniert,
um Flüssigkeitswiderstand
zu minimieren. Wie in den vorangehenden Beispielen kann die Innenwand 2616 im
Innengehäuseabschnitt 2618 Führungen
(nicht gezeigt) zum Kanalisieren von Flüssigkeit hin zum Auslass 2614 beinhalten.
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Der
Düsenabschnitt 2620 bildet
das Oberteil des Außengehäuses 2602 und
ist gestaltet, die Düse 2608 aufzunehmen.
Die Düse 2608 ist
positioniert, das Außengehäuse 2602 zu
durchdringen und einen im Wesentlichen vertikalen Flüssigkeitsstrom
auf die Schaufeln 2612 des Innengehäuses 2604 zu richten. Der
im Wesentlichen vertikale Flüssigkeitsstrom kann
aus einem Düsenauslass 2626 der
Düse 2608 in
einem klar definierten, im Wesentlichen laminaren Strom mit relativ
hoher Geschwindigkeit abgegeben werden. Der Flüssigkeitsstrom kann nach dem
Ablassen im Wesentlichen den Durchmesser des Düsenauslasses 2626 beibehalten.
Flüssigkeitsnebel lässt sich
daher minimieren und die kinetische Energie im Flüssigkeitsstrom
kann in einem relativ kleinen Bereich fokussiert werden.
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27 ist eine abgeschnittene Seitenansicht des Wasserkraftenergieerzeugungssystems 12, das
das Außengehäuse 2602,
das Innengehäuse 2604,
die Zentrierungsstange 2606 und die Düse 2608 beinhaltet.
Das Innengehäuse 2604 beinhaltet die
Schaufeln 2612. Das Außengehäuse 2602 beinhaltet
den Innengehäuseabschnitt 2618,
den Düsenabschnitt 2620,
den Abflussabschnitt 2622 und den Stromsammelabschnitt 2624.
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Nach
dem Zusammenprallen des Flüssigkeitsstroms
mit den Schaufeln 2612 kann der Flüssigkeitsstrom in den Abflussabschnitt 2622 eintreten. Aufgrund
des Zusammenpralls kann die Flüssigkeit zu
einem auseinandergetriebenen Flüssigkeitsstrom mit
einem größeren Durchmesser
werden als der Durchmesser des Düsenauslasses 2624.
Zudem kann durch den Zusammenprall sowie die Drehung des Innengehäuses 2604 Flüssigkeitsnebel
entstehen. Der Durchmesser (oder das Spritzmuster) des auseinandergetriebenen
Flüssigkeitsstroms
kann von der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms und dem Betrag
der elektrischen Last am Generator abhängen. Wenn die Last am Generator
gering ist, kann sich das Innengehäuse 2604 relativ frei
drehen. So ist der Dispersionsgrad des auseinandergetriebenen Flüssigkeitsstroms
relativ klein, wie beispielsweise ein Dispersionswinkel von 30° zu einer
Mittenachse 2702, die koaxial mit dem Strom der aus der
Düse 2608 abgegebenen
Flüssigkeit
ist. Umgekehrt ist beim Vorliegen einer großen Last eine erhebliche Kraft
erforderlich, um die Rotation des Innengehäuses 2604 aufrechtzuerhalten,
und die Dispersion des auseinandergetriebenen Flüssigkeitsstroms kann zu einem
Dispersionswinkel führen,
der ganze 90° zur Mittenachse 2702 beträgt. Ungeachtet
der Last kann die Kollision der Flüssigkeit mit den Schaufeln 2612 Flüssigkeitsnebel
und einen auseinandergetriebenen Flüssigkeitsstrom erzeugen. Erörterungshalber
wird angenommen, dass der Dispersionswinkel des auseinandergetriebenen
Flüssigkeitsstroms
ca. 45° beträgt. In anderen
Beispielen können
größere oder kleinere
Dispersionswinkel verwendet werden.
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Auch
sind in 27 eine Aufprallstelle 2704 und
eine Mehrzahl der Trajektorienvektoren 2706 veranschaulicht.
Die Aufprallstelle 2704 kann der Bereich sein, in dem der
klar definierte, im Wesentlichen lineare Flüssigkeitsstrom, der von der
Düse 2608 abgegeben
wird, mit den Schaufeln 2612 kollidiert. Die Trajektorienvektoren 2706 veranschaulichen
die Wege der Flüssigkeit
nach dem Zusammenprall mit den Schaufeln 2612 basierend
auf dem Dispersionwinkel. Flüssigkeit,
die den Trajektorienvektoren 2706 folgt, welche sich näher an der
Mittenachse 2702 befinden, kann unmittelbar in den Sammlerabschnitt 2624 eintreten
und kann zum Auslass 2614 kanalisiert werden.
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Flüssigkeit
in den weiter von der Mittenachse 2702 entfernt befindlichen
Trajektorien 2706 kann jedoch mit der Innenfläche 2616 innerhalb
des Abflussabschnitts 2622 kollidieren. Diese Flüssigkeit
wird effizient zum Auslass 2614 kanalisiert, um Fluidwiderstand
zu minimieren. Zudem wird Flüssigkeitsnebel, der
aus der Kollision mit der Innenfläche 2616 resultiert,
minimiert. Im Abflussabschnitt 2622 ist die Innenfläche 2616 in
einer vorbestimmten Form gestaltet, um die Flüssigkeit effizient zum Auslass 2614 zu kanalisieren
und Flüssigkeitsnebel
zu minimieren. Somit sind die vorstehend erörterten Führungen in der Innenfläche 2616 nicht
nötig.
Stattdessen kann die Innenfläche
im zweiten Segment 2710 im Wesentlichen flach bleiben und
kann geformt sein, um als Reflektor zu wirken und Flüssigkeit
effizient vom Außengehäuse 2602 abzuführen und
Flüssigkeitswiderstand
zu minimieren. Demgemäß kann der
Hohlraum 2610 im Wesentlichen trocken gehalten werden,
mit Flüssigkeitsflussraten
in einem Bereich von ca. 0,44 l/Min. bis ca. 4,16 l/Min.
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Wie
ferner in 27 veranschaulicht, kann die
Innenfläche 2616 innerhalb
des Abflussabschnitts 2622 mit einer vorbestimmten Form
gestaltet sein. Die vorbestimmte Form kann auf einem Trajektorienströmungswinkel 2708 basieren,
der zwischen jedem der Trajektorienvektoren 2706 und der
Innenfläche 2616 innerhalb
des Abflussabschnitts 2622 gebildet ist. Der Trajektorienströmungswinkel 2708 ist
als der Winkel an der Schnittstelle der Innenfläche 2616 mit den Trajektorienvektoren 2706 definiert,
auf die der auseinandergetriebene Flüssigkeitsstrom und der aus
dem Zusammenprall mit den Schaufeln 2612 entstandene Flüssigkeitsnebel
folgen. Die Form der Innenfläche 2616 kann
gestaltet sein, den Trajektorienströmungswinkel 2708 so
zu halten, dass auf ihn der auseinandergetriebene Flüssigkeitsstrom
mit weniger als ca. 20° folgt.
Der Trajektorienströmungswinkel 2708 kann
basierend auf Fertigungstoleranzen und/oder mit der Flüssigkeit
verbundenen physikalischen Eigenschaften um plus oder minus 5° variieren.
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Die
Form der Innenfläche 2616 des
zweiten Segments 2710 in dem veranschaulichten Beispiel ist
als eine im Allgemeinen kegelförmige
Raketendüse
gestaltet. Die Form der Innenfläche
kann auf einem Modell oder einer Analyse des Verhaltens des auseinandergetriebenen
Flüssigkeitsstroms
basieren, der aus dem Zusammenprall mit den rotierenden Schaufeln 2612 entsteht.
Durch Beibehalten des Trajektorienströmungswinkels 2708,
auf den der auseinandergetriebene Flüssigkeitsstrom folgt, innerhalb von
ca. 20° der
Innenfläche 2616 kann
die Flüssigkeit in
einem geordneteren Zustand bleiben, mit weniger nicht laminarer
Strömung.
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Der
geordnetere Zustand kann eine relativ gesehen schnellere Entleerung
des Hohlraums 2610 erlauben. So kann die Gesamtgröße des Außengehäuses 2602 minimiert
werden, während
das Innen- und Außengehäuse 2602 und 2604 dennoch
im Wesentlichen trocken bleiben, wenn Flüssigkeit aus der Düse 2608 abgegeben
wird. Zudem kann der Strom von Flüssigkeit aus dem Auslass 2614 aufgrund
der Ähnlichkeit
der Form der Innenfläche
und der Trajektorienvektoren 2706 eine gewisse Geschwindigkeit aufweisen.
Ferner kann der geordnetere Zustand der strömenden Flüssigkeit Flüssigkeitsnebel und eine turbulente
Strömung
minimieren und somit Fluidwiderstand minimieren und die Überführung von
kinetischer Energie in Rotationsenergie maximieren.
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Die
Form des Abflussabschnitts 2622 des Außengehäuses 2602 kann auch
bei den vorstehend erörterten
Beispielen des Wasserkraftenergieerzeugungssystems umgesetzt werden.
Beispielsweise kann unter Bezugnahme auf das Wasserkraftenergieerzeugungssystem 12 der 11 das Außengehäuse 1102 um
90° gedreht
werden, so dass die Düse 1108 einen
Flüssigkeitsstrom
in vertikaler Richtung abgibt. Zudem kann der Auslass 1114 zur
Wand des Außengehäuses 1102 bewegt
werden, die der Düse 1108 gegenüberliegt,
und das Außengehäuse kann
umgeformt werden, um Trajektorienströmungswinkel für die Trajektorienvektoren
von ca. 20° oder weniger
zu erreichen. In dem beispielhaften Wasserkraftenergieerzeugungssystem
der 21 kann das Außengehäuse 1102 stromaufwärts des
Auslasses 2104 der Rohranlage 2100 einfach umgeformt
werden, um einen Trajektorienströmungswinkel
für die Trajektorienvektoren
von ca. 20° oder
weniger zu erreichen.
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Die
vorliegend bevorzugten Ausführungsformen
des Wasserkraftenergieerzeugungssystems stellen eine eigenständige Elektrizitätsquelle
bereit, die auch andere Funktionalitäten wie Rohranlagen oder Wasseraufbereitung
enthalten kann. Das Wasserkraftenergieerzeugungssystem sorgt für eine effiziente
Umwandlung der im fließenden
Wasser vorliegenden Energie in elektrische Leistung. Die elektrische
Leistung kann zum Zuführen
von Leistung zu Elektronikgeräten
oder (einer) anderen Vorrichtung(en) innerhalb des Wasserkraftenergieerzeugungssystems
verwendet werden. Zudem kann die elektrische Leistung andere unabhängige Systeme wie
ein Wasseraufbereitungssystem versorgen. Wie Fachleute erkennen
werden, ist die Anwendung des Wasserkraftenergieerzeugungssystems
nicht auf Wasser beschränkt
und könnte
vorteilhafterweise auf andere Flüssigkeiten
angewandt werden.
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Zwar
wurde die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele
beschrieben, doch ist ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen
und Veränderungen
dieser Ausführungsformen
vorgenommen werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die folgenden Ansprüche, einschließlich sämtlicher Äquivalente,
sollen den Umfang der Erfindung definieren.