用于转化在液体流动路径中流动的液体能量的装置制造方法
【专利摘要】一种用于将其定位在液体流动路径中的装置，其包括：壳体，其被构造来容纳于所述流动路径中且具有在其问界定流动方向的液体入口和液体出口；电流发电机，其包括由所述壳体支撑且具有安装在其上且具有多个叶片的转子的杆轴，所述杆轴在所述壳体中沿着所述流动方向延伸，允许由穿过所述发电机的液体使所述转子随着所述叶片旋转，和与所述转子关联以依照所述转子的旋转而产生电信号的定子；和电布线，其用于将所述电流发电机电连接至电力接收器以将所述电信号传递至所述电力接收器。
【专利说明】用于转化在液体流动路径中流动的液体能量的装置
【技术领域】
[0001]当前公开的标的涉及一种用于将液体流动路径中流动的液体能量转化成电能的装置。明确而言，当前公开的标的涉及管线的电力发电机，其基于由液体流激励的涡轮驱动发电机。
【背景技术】
[0002]当前公开的标的涉及一种用于将液体流动路径中流动的液体能量转化成电能的装置。明确而言，当前公开的标的涉及管线的电力发电机，其基于由液体流激励的涡轮驱动发电机。
【发明内容】
[0003]根据当前公开的标的的一个方面，其指的是与液体供应管线一起使用的装置，用于将穿过其中的液体能量转化成电能，装置包括:
[0004]壳体，其被构造来容纳于管线内，且具有在其间界定流动方向的液体入口和液体出口，
[0005]至少一个电流发电机，其包括:转子，由所述壳体支撑且具有杆轴和附接至所述杆轴的多个叶片，杆轴在壳体中沿着流动方向延伸，允许由穿过发电机的液体使叶片旋转；和定子，其与转子关联用于依照转子的旋转而产生电信号，和
[0006]电布线，其用于将至少一个电流发电机电连接至电力存储构件，以将所述电信号传递至所述电力存储构件。
[0007]装置还可以包括电力存储构件。
[0008]应理解，液体入口和液体出口可以互换。
[0009]电流发电机可包括附接至至少一些叶片的自由端的磁铁，和安置在壳体上或邻近壳体的至少一个电绕组。
[0010]可通过磁力传动实现转子与定子之间的关联。在特定实例中，转子可包括磁性元件，且定子可包括至少一个线圈，且转子的磁性元件与至少一个线圈的绕组密切相关地旋转。例如，定子可以是线圈的形式，且叶片可至少部分被与线圈的绕组密切相关而旋转的磁性元件所包围。在另一实例中，叶片可至少部分由磁性材料制成，且可与线圈的绕组密切相关地旋转。线圈可位于壳体内部和/或外部。
[0011]电流发电机可包括以由转子间隔开且在其两端支撑杆轴的单独组件形式的上游壳体部分和下游壳体部分，其中杆轴可相对于上游壳体部分和下游壳体部分自由旋转。例如，壳体部分可以是有孔盖的形式。上游壳体部分和下游壳体部分可由具有不同磁性质的材料制成。例如，至少下游部分可构造为过滤器，其持续或间断地被磁化以阻断液体流中的铁磁颗粒。
[0012]壳体可穿过可密封连接而被插入至液体供应管线中。例如，壳体可经由可密封开口而紧固至管线以及从管线拆卸。[0013]装置可包括并联配置于壳体中的多个电流发电机。一个或多个电流发电机可配置在横向于流动方向的方向上。
[0014]装置还可以被构造来测量穿过电流发电机的液体量，且还包括:用于接收电信号以处理并产生指示液体量的输出信号的控制器，且其中电力存储构件包括电力存储和供应单元，其被构造来对装置充电并将其运行所需的电力供应至控制器。例如，电力存储和供应单元可以是可再充电的，和/或电力存储构件可被构造来在液体停流或低流量期间给装置提供电力。装置还可以包括用于计算穿过壳体的液体体积的积分器，和/或安置在电流发电机的入口或出口处或邻近所述入口或出口的电致动闸门设备，其用于选择性地阻断穿过其中的液体流。在一些特定实例中，可提供热交换器，其被构造来使用来自管线的液体以冷却或加热电力存储和供应单元。
[0015]根据当前公开的标的的另一方面，提供一种装置，其包括:壳体，其以允许液体穿过壳体的方式串联安装在管线中；涡轮，其安装在壳体内以便可由穿过的液体而旋转；发电机，其枢转地或齿轮接合至涡轮以根据涡轮的旋转而产生电力；和控制器，其被构造来以对一个时间序列中供应的电力求积分的方式测量液体流。
[0016]发电机可通过两个齿轮传动，第一齿轮在发电机轴上，且第二齿轮在涡轮轴上。
[0017]装置还可以包括安装在壳体中的阀门，其中控制器根据预定标准而操作阀门。
[0018]控制器可被编程且根据预定标准而操作以执行任务，包括打开和关闭阀门、传输测量得到的信息和控制其它构件。
[0019]控制器还可以包括收发器，这个收发器使控制器能传输和接收信息，使控制器能命令其它控制器或被其它控制器命令，且实现这个控制器的远程编程。
[0020]装置还可以包括电力存储器，其中发电机可对电力存储器充电。这个电力存储器可以是可充电电池、电容器或两者。
[0021]发电机可以发电机的转子构建在涡轮叶片内且发电机的定子构建在壳体内的方式与涡轮整合。
[0022]或者，发电机可以发电机的转子构建在涡轮叶片上且发电机的定子构建在涡轮轴内的方式与涡轮整合。
[0023]装置还可以包括由非磁性材料制成的壁，其在涡轮与发电机之间分离，其中由第一磁铁和第二磁铁完成涡轮与发电机之间的驱动耦合，其中第一磁铁安装在靠近壁的涡轮轴上，且第一磁铁驱动位于壁的另一侧上(抵靠第一磁铁)的第二磁铁，且第二磁铁安装在发电机轴上。
[0024]装置的壳体可被分成第一液体通路和第二液体通路，且具有用于高流量液体的大涡轮和用于低流量液体的小涡轮，两者都连接至发电机，其中大涡轮位于第一通路中，且小涡轮位于第二通路中，且其中第一通路具有根据预定标准使液体能或不能穿过通路的阀门，且其中所述标准尤其可以是压力差或来自控制器的命令。控制器可被构造来在低流量液体穿过装置时关闭阀门，且在流量上升超过预定阈值时打开阀门。
[0025]根据当前公开的标的的又一方面，提供一种用于液体或任何其它流动材料中的装置，其包括:壳体，其以供应液体穿过壳体的方式串联安装至液体管线；涡轮，所述涡轮安装在壳体内，其中涡轮由穿过的液体而转动；多极磁铁，其附接至涡轮，产生可旋转总成；爪极定子，其具有线圈，其中所述总成向内旋转，在线圈中诱发全波AC电力；二极管桥，其将AC电力整流成DC电力；电力存储构件，其能够存储DC电力；和控制器，其能够以对一个时间序列中的DC或AC电力求积分的方式计算供应的液体。
[0026]根据当前公开的标的的又另一方面，提供一种装置，其密封地构建在具有纵轴的管体内，且包括至少一个涡轮驱动发电机，所述涡轮驱动发电机具有可围绕横向于所述管体的纵轴的轴旋转的转子，和被构造来根据转子的旋转而产生电信号的定子，所述管体可穿过管线壁，经由可密封连接而被插入至液体流动管线中，使得其纵轴横向于液体流动方向，且使得仅一部分液体在管线中流动，穿过所述涡轮驱动发电机。装置可单纯用于产生电能，或用于测量液体流量，以及视需要控制其并将控制数据传达至管线外部。
[0027]根据本申请的标的的又另一方面，提供一种管线组合，其被构造来允许液体流穿过其中，其中装置根据上文描述的一个或多个方面。
[0028]液体入口和液体出口的至少一个可包括沿着流动方向延伸的至少一段，所述至少一段是以下的至少一个:收缩管状、扩张管状和其组合。例如，这样一段可沿着流动方向在朝壳体内部的方向上收缩。
[0029]液体入口和液体出口的至少一个，或至少其的上述段可从未部署状态部署成至少一个部署状态。特定而言，液体入口和液体出口的至少一个可以是可充气的。入口和出口的至少一个可具有内部肋和外部肋的至少一个。视需要,液体入口和液体出口的至少一个可包括至少一个刚性段。
[0030]液体入口和液体出口的至少一个可被构造来响应于穿过其中的液体流速变化而改变其几何参数的至少一个。
[0031]根据本申请的标的的又一方面，提供一种用于将其定位在液体流动路径中的装置，其用于将穿过其中的液体能量转化为电能，所述装置包括:至少一个壳体，其被构造来容纳于所述流动路径中，且具有在其间界定流动方向的液体入口和液体出口 ；至少一个电流发电机，其包括由所述壳体支撑的杆轴，和安装在其上且具有多个叶片的转子，所述杆轴在壳体中沿着所述流动方向延伸，允许由穿过发电机的液体使转子随着所述叶片旋转，和与所述转子关联以依照所述转子的旋转而产生电信号的定子；和电布线，其用于将至少一个电流发电机电连接至电力接收器以将所述电信号传递至所述电力接收器，液体入口和液体出口的至少一个被构造来呈现未部署状态和部署状态。
[0032]液体入口和液体出口的所述至少一个可以是可充气的，从其被放气的所述未部署状态进入其被充气的所述部署状态。
[0033]装置的壳体可被构造来容纳于管线内。
[0034]装置可被构造来在液体入口和液体出口的所述至少一个处于所述未部署状态时穿过可密封开口而插入至所述管线中，且当所述装置定位于所述管线内时呈现所述部署状态。
[0035]装置的电力接收器可以是电力存储构件。
[0036]装置的转子可包括至少一个磁性元件。
[0037]装置的定子可包括至少一个线圈，且转子可相对于至少一个线圈的绕组而随着其磁性单元旋转，以便产生电信号。
[0038]至少一个线圈可位于壳体内，且还可以安置在转子内。
[0039]转子可包括:叶片单元，其包括具有外表面和内表面的中空转子主体，所述叶片从外表面向外延伸；和磁铁单元，其固定至转子主体的内表面，且界定转子内部空间，所述线圈被安置在所述内部空间内。
[0040]磁铁单元可具有磁铁壳体且所述至少一个磁性元件安置于其内。
[0041]磁铁壳体可由不同于制成所述叶片的材料的材料制成。例如，叶片材料可以是柔性的，以促进液体在流动方向上穿过叶片之间，而壳体材料可以是更刚性的。磁铁壳体材料必须允许磁场穿透其中。
[0042]根据本申请的标的的又另一方面，提供一种将其定位在液体流动路径中的装置，其用于将穿过其中的液体能量转化成电能，所述装置包括:至少一个壳体，其被构造来容纳于所述流动路径中，且具有在其间界定流动方向的液体入口和液体出口 ；至少一个电流发电机，其由所述壳体支撑且包括:具有安装在其上且具有多个叶片的转子的杆轴，杆轴在壳体中沿着所述流动方向延伸，允许由穿过发电机的液体使转子随着所述叶片旋转；和至少部分安置在转子内且与其关联以依照转子相对于定子的旋转而产生电信号的定子；和电布线，其用于将至少一个电流发电机电连接至电力接收器以将所述电信号传递至所述电力接收器。
[0043]定子也可以完全安置在转子内。
[0044]可由磁力传动实现转子与定子之间的关联。
[0045]转子可包括至少一个磁性元件且定子可包括至少一个线圈，所述至少一个磁性元件被构造来绕其旋转以便产生电信号。
[0046]转子可包括:叶片单元，其包括具有外表面和内表面的中空转子主体，所述叶片从外表面向外延伸；和磁铁单元，其固定至转子主体的内表面且界定转子内部空间，所述线圈被安置在所述内部空间内。
[0047]磁铁单元可具有磁铁壳体且所述至少一个磁性元件安置在其内。磁铁壳体可由不同于制成所述叶片的材料的材料制成。例如，叶片材料可以是柔性的，以促进液体在流动方向上穿过叶片之间，而壳体材料可以是更刚性的。壳体材料必须允许磁场穿透其中。定子可包括至少一个线圈，且转子可相对于至少一个线圈的绕组而随着磁性单元旋转，以便产生电信号。
[0048]根据本申请的标的的又另一方面，提供一种将在液体流动路径中穿过的液体能量转化成电能的方法，其包括:提供一种装置，所述装置包括:至少一个壳体，其被构造来容纳于所述流动路径中，且具有在其间界定流动方向的液体入口和液体出口 ；至少一个电流发电机，其包括由所述壳体支撑的杆轴，具有附接至所述杆轴的多个叶片的转子，所述杆轴在壳体中沿着所述流动方向延伸，允许由穿过发电机的液体使转子随着所述叶片旋转，和与所述转子关联以依照所述转子的旋转而产生电信号的定子；和电布线，其用于将至少一个电流发电机电连接至电力接收器以将所述电信号传递至所述电力接收器；在液体入口和液体出口的所述至少一个处于所述未部署状态的情况下，将壳体插入至所述液体流动路径中使得所述流动方向实质上平行于所述液体的流动方向；使液体入口和液体出口的所述至少一个呈现所述部署状态；允许由穿过壳体的液体使转子旋转，且由定子相应地产生电信号；且通过电布线将所述电信号从所述至少的电流发电机传递至所述电力接收器。
[0049]将壳体插入至液体流动路径中的步骤可通过将壳体插入至管线中来执行。
[0050]使液体入口和液体出口的所述至少一个呈现部署状态的步骤可包括使其充气的步骤。
[0051]方法还可以包括响应于穿过其中的液体流速而改变液体入口和液体出口的所述至少一个的至少一个几何参数的步骤。
[0052]方法还可以包括测量穿过电流发电机的液体量的步骤。
【专利附图】
【附图说明】
[0053]为了理解本发明并了解其可如何在实践中实行，现在将参考附图描述非限制性实例，其中:
[0054]图1是根据当前公开的标的的一个实例的装置的示意图；
[0055]图2是可用于图1中所示的装置中的磁性发电机驱动器的示意图；
[0056]图3是根据当前公开的标的的另一个实例的装置的示意图；
[0057]图4是沿着包括发电机转子的旋转轴和装置的纵轴的平面取得的可用于根据当前公开的标的的额外实例的装置中的涡轮驱动发电机的横截面图；
[0058]图5是根据当前公开的标的的实例以较小比例绘制的在安置于液体流动管线中的多个涡轮驱动发电机单元内使用如图4中所示的涡轮驱动发电机的装置的横截面图，所述横截面图沿着穿过装置的纵轴和发电机转子的旋转轴的平面而取得；
[0059]图6是图5中所示的装置的一个涡轮发电机单元的横截面图；
[0060]图7是根据当前公开的标的的实例的自供电、远程水监视装置的横截面图；
[0061]图8是根据当前公开的标的的实例的自供电、远程水监控装置的方框图；
[0062]图9a图示根据当前公开的标的的另一实例的装置的透视图；
[0063]图9b是根据当前公开的标的的额外实例的装置沿着其中心轴A取得的横截面图；
[0064]图1Oa至图1Ob图示根据当前公开的标的的装置的一些额外任选特征；
[0065]图1Oc是类似于图9b中所示的装置的装置的横截面图，其使用图1Oa至图1Ob中所示的特征；
[0066]图11图示根据当前公开的标的的图1Oa至图1Ob中所示的特征的另一实例；
[0067]图12a图示根据当前公开的标的的又一实例的装置的正面等角视图，其中出于图示的目的，其上部被示作透明的；
[0068]图12b图示根据当前公开的标的的又一实例的装置的正面等角视图，其中出于图示的目的，其上部被示作透明的；
[0069]图13a至图13b图示在管线内处于分别的未部署状态和部署状态的图12b中所示的装置的侧视图。
【具体实施方式】
[0070]贯穿本说明书，术语电流发电机和涡轮驱动发电机可以在具有相同意义的同时互换使用。另外，贯穿本说明书，术语叶片和叶片可以互换使用。
[0071]图1图示根据当前公开的标的的装置的实例的方框图和横截面。一般而言，装置包括壳体11，其被构造来容纳于管线(图1中未示出)内，且具有在其间界定流动方向的液体入口 33a和液体出口 33b。装置还包括涡轮形式的电流发电机，其包括由壳体11支撑且具有杆轴15和附接至所述杆轴15的多个叶片14的转子。杆轴15在壳体中沿着流动方向延伸，允许由穿过发电机的液体使叶片14旋转，且定子13与转子关联以依照转子的旋转而产生电信号。装置还包括电力存储构件22，电流发电机电连接至所述电力存储构件22以接收电信号。
[0072]液体入口 33a和液体出口 33b可以互换，其中当前公开的标的的装置被构造来在不同时间转化可在管线中在两个方向的任一个上流动的液体能量。
[0073]更特定而言，液体12穿过壳体11且使涡轮转动，所述涡轮由转子组成，转子具有转子叶片14和安装在每个叶片边缘上且可在杆轴15上旋转的磁铁16。定子13构建在壳体11上，其具有线圈17，其中根据叶片14随磁铁16 (即，转子)的转动而产生电力。
[0074]作为对本实例的补充，一些电力可传递至控制器18，其中所产生的电力的任何参数(即，电压、电流或频率)可用于计算一个时间序列期间穿过的液体量。控制器18包括:积分器19，其计算穿过的液体；控制单元20，其能够存储信息并将其用于经由通信通道21控制阀门或控制其它系统。控制器18通过电力存储构件22运行。这个电力存储构件22(例如，可充电电池或电容器)由装置自身产生的电力充电。
[0075]图2图示磁性驱动电流发电机的实例。液体12穿过涡轮且凭借转子叶片14和杆轴15而使涡轮旋转。第一磁铁23安装在杆轴15上且随着其旋转。第一磁铁23驱动位于壳体壁上的第二磁铁24,且第二磁铁24使发电机25旋转。
[0076]图3图不具有两个通路的实例的横截面:一个用于低流量且另一个在闻流量时打开。需要这种构造来更好地提取能量并在流量显著变化的情况下执行更精确的测量。为使流量测量精确，对于低流量需要小涡轮27a且对于高流量需要大涡轮27b。在这样一种构造中，液体12a&12b进入壳体11。只要压力较低(这意味着流动缓慢)，那么阀门26关闭且液体12a缓慢地流动穿过小涡轮27a。当压力增加超过预定阈值时，来自控制器(未示出)的命令28使阀门26打开，使液体12b能够穿过大涡轮27b。在减小流量的情况下，命令28将关闭阀门26。控制器(未示出)从两个涡轮计算供应的液体29。
[0077]根据上文所示的任何实例的装置可用于将由其产生的一些或所有电力引导至不同于电力存储构件22的电力存储构件，例如引导至外部电力存储构件31。这个外部电力存储构件31可用于任何目的，例如，对蓄电池充电，对供水传感器或泵供电，引入至公共电网中或任何其它电气基础设施中，等等。
[0078]图4图示涡轮驱动发电机102，其可用于可安装在液体供应管线内以将穿过其中的液体能量转化成电能的装置中。
[0079]涡轮驱动发电机102包括转子104和定子106。转子104具有杆轴108、多个叶片110和紧固至转子104的外围的环或若干个磁性元件112。或者，叶片110自身可至少部分由磁性材料制成。定子106包括:主体114，其支撑线圈116的绕组；保护罩118，其罩住线圈116 ;上游壳体部分，其为过滤器120，例如，面对液体流方向的机械、电子或电磁过滤器的形式；和下游壳体部分，其为可具有与过滤器120的磁性质不同或类似的磁性质的有孔液体输出表面122的形式。过滤器120和表面122因此组成转子114的盖。电磁过滤器120可持续或间断地被磁化。杆轴108可旋转地座落在低摩擦轴承124、126中，有利地形成于过滤器120和表面122中，所述轴承被构造来被穿过通路128的流动液体冲洗。
[0080]图5和图6图示装置130，其包括在横穿管体(例如，试管状的圆柱形壳体134)下部的通路132中彼此并联紧固的一组三个涡轮驱动发电机102，所述通路132在圆柱形壳体134内通过横穿分区136、138彼此分离。相结合时，通路132的相对侧界定液体入口 133a、液体出口 133b和其间的液体方向轴X。
[0081]装置130是密封装置，其可横向地插入至液体管线150中制作的可密封开口 158中，且借助于接头160而可移除地紧固在其内。因此涡轮驱动发电机102变得配置在横向于管线150中的液体流动方向的方向上。接头160可包括手柄或类似物，其为了易于任意更换和/或维护而用于紧固密封的装置130和将其从管线分离。显然，这种密封的装置130可另外可移除地插入管线150中，例如，通过将其拧至螺纹接头160中。电线156用于将电从涡轮发电机传导(例如)至外部电力存储构件181。装置130还可以适于伴随加压液体流而插入至管线中，例如，通过将接头设计成还包括阀门，其允许在来自管线的泄漏最小化的情况下将装置插入管线和从管线移除。加压和非加压地将不同设备插入管线中的多种不同技术(即，带压开孔)在本领域中已知且可等同地应用于当前公开的标的。
[0082]如图6中可见，发电机102在圆柱形壳体134内抵靠环140而紧固在一个横向侧，且有利地通过弹簧式卡掣142紧固在另一侧上。卡掣142可以所有本身已知的不同方式体现以促进发电机102的插入和取出进行定期清洗或更换。
[0083]应理解，插入管线150中的每个密封的装置130中包括的涡轮驱动发电机102的数量，其几何形状和尺寸，以及装置本身的尺寸是尤其取决于装置所连接的管线的直径，液体流的持续时间和速度，期望或所需的电力输出，等等的一个选择问题。
[0084]例如，在装置130中，圆柱形壳体134可具有以下参数:
[0085]-壳体直径d，其对应于其每个电流发电机102的入口与出口之间的距离(这个直径对应于开口 158的直径)；
[0086]-壳体长度L，其基本上大于其直径d，例如，其不小于2d，尤其不小于3d，其中
[0087]长度L可以不小于管线150直径的0.3，尤其不小于管线直径的0.5，或其可在
0.25至0.75的范围内，更特定地在管线直径的0.4至0.6之间。
[0088]如果壳体134被设计成非圆柱形，那么上述尺寸d将指在沿着穿过其轴X且垂直于包括所有发电机102的中心轴A的平面的平面所取得的壳体横截面中内切的圆。
[0089]图7图示了装置130还适于用作自供电、远程水监视单元和/或用于产生和存储电能的单元。在这种情况下，在圆筒134的上部罩住:至少一个蓄电池144 ;本身已知的测量、控制和通信电路146 (例如，PCB);和天线148，其用于从电路146接收和传输数据。电路146由蓄电池144供电，所述蓄电池144在液体在管线150中安装装置130的一段中流动时，通过涡轮驱动发电机102再充电。在圆筒134的下端紧固有:探针152，其用于感测管线150的所述段中的液体流动；和视需要的阴极154，其用于处理周围液体。支撑和罩住一个或多个涡轮驱动发电机102的圆筒134、线圈116、蓄电池144、电路146、天线148、探针152和阴极154都通过电线156电连接。为清晰起见，图7中未示出蓄电池144与电路146之间的电布线或电连接，然而，在这方面参考图8。
[0090]参考图8，发电机或发电机102组经由充电控制器162和整流器164电连接至蓄电池144 (或电池)和/或可例如连接至外部电力构件181。来自蓄电池144的输出通过电压稳定器166被引至装置的控制器168，其经由包括蜂窝收发器170、无线电收发器172或卫星收发器174的通信构件中的任一个而操作远端水监视系统。后者需要IP单元176。天线148操作地连接至三个收发器170、172和174。热交换器190可用于在可能危害蓄电池144的非常热或非常冷的条件下加热或冷却蓄电池144。热交换器190可连接至管线使得来自管线的处于其环境温度的液体被泵送至热交换器190且分别从蓄电池144吸收或传递热，或将热传递至蓄电池144。穿过热交换器190之后，液体可返回到管线。
[0091]图9a图示根据当前公开的标的的装置230的另一实例。装置230和其组件具有围绕中心轴A对称的管状结构。
[0092]装置230包括:壳体211，其可容纳于液体流动路径(未示出)内；和涡轮驱动电流发电机202，其安置在壳体211内。液体流动路径可以是本领域中任何已知的天然或人造结构，液体可在其中流动以便运行装置230以产生电能。例如，壳体211可被构造来容纳于管线(未示出)内。
[0093]壳体211具有:中心轴A ;液体入口 233a和液体出口 233b ;前壳体部分236a，其与液体入口关联；和后壳体部分236b，与液体出口 233b关联；和管234，其在这个实例中示作前壳体部分236a的整合部分,且其横向于中心轴A而定向。前壳体部分236a和后壳体部分236b具有沿着轴A的重叠段且通过螺栓连接至彼此。或者，这些壳体部分可以任何其它适当方式彼此组装。
[0094]现在对图9b进行参考，其图示了装置230可具有的内部。
[0095]因此发电机202包括:杆轴208 ;转子204，其安装在所述杆轴208上且具有中空内部(未指定)；定子206，其安装在转子204内部；上游壳体部分，其为圆锥220的形式；和下游壳体部分，其为盖222的形式。杆轴208可旋转地座落在低摩擦轴承224、226中，有利地形成于圆锥220和盖222中。杆轴208适于在固定至壳体211的低摩擦轴承224和226内旋转。
[0096]电流发电机202在壳体的两个横向侧通过元件240紧固至壳体211。因而，元件240可以可拆卸地附接至壳体以促进从壳体211拆卸电流发电机202，例如进行其更换。元件240可能可形成为叶片以便不过度干涉穿过壳体211的液体流。
[0097]转子204包括叶片单元205和磁铁单元212。
[0098]叶片单元205包括具有外表面205a和内表面205b的转子主体或转子外部壳体204a，和从外表面205a向外延伸的多个叶片210。叶片单元或至少所述叶片可由相对柔性的材料制成以促进液体在其间从入口穿过，至发电机的出口。
[0099]磁铁单元212固定至内部表面205b以便包围定子206。磁铁单元212具有多层套管结构，其包括安置在至少部分防止磁场穿透其中的外层212a与允许磁场朝转子的内部穿透其中的内层212c (例如，其可由塑料制成)之间的磁性元件212b。因此外层和内层可被视作磁铁元件212b的壳体。制成磁铁单元的层的至少一个材料可比叶片单元的材料更刚性，允许磁铁单元至少在其与叶片关联的区域处相对于转子主体执行加强功能。
[0100]定子206包括主体214和线圈216的绕组，其可完全由金属制成或可以是涂布非金属材料的金属芯的形式。如所示的定子206完全安置在转子204的内部。然而，不一定需要是这种情况。例如，虽然整个线圈216可安置在转子204的内部时，但是定子主体214可具有在转子外部的元件。另外，线圈的一部分可在转子外部。
[0101]根据本实例，定子206的主体214通过连接套管223从盖222突出至转子内部且通过间隙241与杆轴208间隔开而保持在壳体211内，使得在这个杆轴随转子204旋转期间，定子206不被旋转。
[0102]相对于磁性兀件212b径向和轴向向外安置的电流发电机兀件的至少一部分,如转子的外层212a和主体204a或圆锥220和/或盖222可由金属制成。罩住定子206的线圈216绕组的磁铁内层212c和/或主体214可分别由直接成型至磁性元件212b和线圈216绕组上的塑料制成，因此将绕组与管线中的液体(尤其进入其间的间隙241的液体)隔离和保护绕组不受所述液体影响。在替代实例中，磁铁内层212c和/或主体214可由套管制成，其具有如本领域中已知的用O型环和类似物密封的开口。
[0103]如上文所提，转子或至少其叶片210可由柔性材料制成。柔性叶片在遇到由管线中的液体携带的相对较大物体时可改变其形状，例如弯曲，因此使这些物体能穿过装置而不致对其的损坏。例如，叶片210可由一种热塑性弹性体(TPE)制成。定子206配置在转子204内允许叶片210在装置230运行期间弯曲。
[0104]在运行期间，转子204与其磁性元件212b绕着定子206 (其中其线圈216在壳体211内)旋转，以便产生电信号。电信号由于转子204与定子206之间的电磁感应而产生。这些电信号可经由将电流发电机202电连接至电力接收器的电布线256而被传递至电力接收器(未示出)。根据特定实例，电力接收器是电力存储构件(例如，可充电电池、电容器)。
[0105]电流发电机202可以是无刷三相AC发电机。因而，电流发电机202可被构造来在不考虑管线中的液体流动方向情况下运行，即，在沿着轴X的任一方向上。当然，圆锥220可安装在电流发电机202的两端，而不是盖222处，以引导沿着轴X从任一方向进入的液体流。如图8中已示出，整流器164可用于随后将AC电流转换成DC电流。
[0106]装置230可被构造来以其电流发电机的中心轴A平行于管线的纵向方向的这样一种定向插入至管线中，由此界定装置中的流动方向，且使得装置的液体入口(例如，图1Oa中所示的液体入口 333a)面对管线的上游方向且液体出口(例如，图1Oa中所示的液体出口333b)面对管线的下游方向。出于这个目的，管线需要形成有相应形状和尺寸的可密封开口。壳体211可被构造来借助于适当接头而可移除地紧固至可密封开口。
[0107]如图9b中所示，装置230还包括电缆256，其具有以将电力从电流发电机202传递至管线外部的电力存储构件的电布线，且可能可包括传递来自被构造来感测管线中的液体特征的传感器的信号的布线。电缆256可从电流发电机202 (尤其从其定子206)穿过元件240的至少一个且穿过管234而延伸至管线外部。
[0108]用于感测液体的参数和其流量的传感器可形成于壳体211和/或电流发电机202中。特定而言，至少一些传感器可包括在可从壳体211或电流发电机202可控地延伸的单元中，以将传感器暴露至管线中的液体，所述单元也可缩回至壳体211或电流发电机202中。
[0109]图1Oa至图1Ob图示根据当前公开的标的的装置330的一些额外任选特征，其可应用于任何上述实例和其组合。图1Oc图示了图1Oa至图1Ob中所示的特征的使用，其中装置类似于图9a至图9b中所示的装置。类似于图9a至图9b中出现的部件的部件以类似方式标号。
[0110]如图1Oa中所示，装置330包括壳体311和电流发电机302，其所有元件具有围绕装置的中心轴A的大致管状结构。根据本实例，壳体311包括:在装置沿着其轴A的两个相对端上的液体入口 333a和液体出口 333b、前中间壳体部分336a、后中间壳体部分336b、入口附接部分338a、出口附接部分338b和管334。液体入口 333a和液体出口 333b在其间界定平行于轴A的液体流动方向。入口附接部分338a和出口附接部分338b分别拧至前中间壳体部分336a和后中间壳体部分336b。根据其它实例，入口附接部分338a和出口附接部分338b可成型且可由一种热塑性弹性体(TPE)制成。
[0111]根据本实例，液体入口 333a和液体出口 333b被构造来呈现未部署状态和部署状态，两者在图1Oa中都以虚线展现。根据其它实例，仅液体入口 333a和液体出口 333b中的一个可被构造来呈现未部署状态和部署状态。
[0112]由于液体入口 333a和/或液体出口 333b处于未部署状态的能力，其大小和装置330的总尺寸可相对于液体入口 333a和/或液体出口 333b的部署状态而减小。装置330的这个特征可被利用来使装置330穿过可密封开口而插入至管线中，所述可密封开口具有预定受限的尺寸(如预定直径)。出于这个目的，装置330可在未部署状态333a’和333b’中分别穿过其可密封开口而被插入至管线中，且在插入之后，可分别呈现其部署状态333a’’和333b’’。图1Oa中清晰可见，处于未部署状态(333a，和333b’)的液体入口 333a和液体出口 333b的尺寸比其处于部署状态(333a’’和333b’’)的尺寸小得多。这使装置330能穿过明显更小的可密封开口而被插入至管线中。当可密封开口的尺寸受限时装置330的这个特征可为重要的，且操作者更偏向于扩大这些尺寸以使装置330插入至管线中。随后，在装置330被插入至管线中之后，液体入口 333a和液体出口 333b可从其未部署状态被带入其部署状态。由于入口 333a和出口 333b的弹性性质，这可例如自动执行。
[0113]根据图1Oa中图示的实例，处于未部署状态的液体入口 333a和/或液体出口 333b以折叠构造提供，且其可通过制成其的材料的自然伸长和/或弹性而呈现部署状态。根据一些实例，液体入口 333a和液体出口 333b可由柔性材料制成，如各种硅酮。
[0114]根据其它实例，液体入口 333a和/或液体出口 333b可通过致动机构从未部署状态转换成部署状态(且反之亦然)。致动机构可例如为伸长元件，其可被拉动和/或推动，且由于此，可改变液体入口 333a和/或液体出口 333b的状态。
[0115]根据其它实例，入口 333a和出口 333b可如此使得其可从其被放气的未部署状态充气成其被充气的部署状态。这可通过在液体流动路径(例如，管线)中流动的液体和/或通过存储在壳体311中或经由适当的管从外部气体源供应的压缩气体而执行。
[0116]例如，这种管可在电缆356旁边延伸至壳体311。根据其它实例，入口 335a和出口335b可通过管线中流动的液体而被充气成其完全或部分增大的大小，由此从未部署状态重新构造成部署状态。例如可通过使入口和/或出口有弹性而促进充气和/或放气，使得其松弛状态对应于其部署状态，而在插入至管线期间，入口和/或出口被压入未部署状态。或者，可使用主动充气和/或放气构件，如小型泵。如本领域技术人员所了解，其它充气/放气机构或上述机构的组合也是可行的。
[0117]根据图1Oa中图示的实例，装置330在其未部署状态中具有沿着轴A的第一最大长度LI，其是液体入口 333a’’的边缘52与液体出口 333b’’的边缘54之间的距离；且在其部署状态中具有沿着轴A的第二最大长度L2，其是液体入口 333a’的边缘51与液体出口333b’的边缘53之间的距离。根据图10a，长度LI小于长度L2 (L1〈L2)。
[0118]有时，可能需要改变穿过壳体311的液体流速。这可通过液体入口 333a和/或液体出口 333b被构造使得可控制其几何参数来实现。这些参数例如可以是喉部面积和入口截面积中的至少一个。在一些示例性情况中，当至电流发电机302的液体流速非常高时，可能产生过多能量(这可导致电流发电机302过热和致其损坏)。在这种情况下，按照上述内容，可控制液体入口 333a和/或液体出口 333b的几何尺寸以降低这个流速。
[0119]液体入口 333a和/或液体出口 333b的几何参数的上述控制可在穿过壳体311的液体流速的指示之后受影响。如上文已描述，这些指示可基于各种信号，包括但不限于如本领域技术人员所了解的以下至少一个:转子304的转速、由电流发电机302提供的电力、流动穿过壳体311的液体压力差，等等。
[0120]或者或另外，液体入口 333a和/或液体出口 333b可被构造来以电流发电机302在其峰值效率下的运行所需的液体流速为函数自动控制穿过其中的液体流速。如本领域技术人员所了解，可通过构造液体入口 333a使得其形状由于液体入口 333a内与外的液体之间的压力差而改变来实现这种控制，所述压力差取决于管线中的液体总流速。特定而言，柔性或部分柔性的液体入口 333a (例如，上文描述的可充气入口 333a)可被构造来分别改变其形状或其一些部分的形状。或者或另外，入口 333a的至少一些部分可被构造来例如通过与弹簧连接而相对于彼此或相对于电流发电机302改变其定向。
[0121]在一些实例中，当穿过壳体311的液体流速变得过高时可使用电路断路器来切断电流发电机302上的负载。
[0122]根据不同实例，液体入口和/或液体出口可呈现介于未部署状态与部署状态之间的至少一个第三中间状态(未示出)。在这个中间状态下，液体入口和/或液体出口可处于部分部署状态。
[0123]在一些额外特定实例中，入口 333a和/或出口 333b可由许多刚性或半刚性段构成，其至少一些是可部署的，从电流发电机302轴向地(B卩，沿着轴A)和/或径向地(B卩，从轴A)从未部署状态部署成入口 333a和/或出口 333b的部署状态。在这些实例中，装置330的大小在液体入口 333a和/或液体出口 333b的未部署状态中(例如在插入至管线之前)仍然减小，且液体入口 333a和/或液体出口 333b可例如在将装置330插入至管线之后部署。
[0124]制作入口 333a和出口 333b的一个示例性方式是通过将其注入为此构造的模具中以及如图1Oc中所示的横截面中可见，分别注入入口附接部分338a和出口附接部分338b中的空间中。
[0125]现在对图1Oc进行参考，其图示了类似于图9b中所示的装置的装置311，且其间的唯一差异是如所示，使用在远离电流发电机302的方向上扩张的入口 333a和出口 333b结构。
[0126]图11示出具有内部肋333y和外部肋333x的入口 333a或出口 333b的另一实例。内部肋333y和外部肋333x可帮助沿着流动方向X引导液体流穿过壳体311。内部肋333y和外部肋333x还可以被构造以提供结构强度，即，加固并帮助维持入口 333a和出口 333b(尤其当其可充气时)的形状。
[0127]注意，装置可包括如上文参考当前公开的标的的装置的其它实例所描述的额外部件，和所有上述实例的部件，其中执行如本领域技术人员所了解的等效功能的这些部件可互换。特定而言，上述实例的装置可包括如上文参考图8所描述的额外部件，其中发电机302可取代(多个)发电机302。
[0128]图12a是装置430的正面等角视图。装置430包括一组三个电流发电机402a、402b和402c，其分别具有相应的壳体411a、411b和411c。壳体402a、402b和402c被安装使得其中心轴A平行于彼此且垂直于装置440的纵轴B。如本图中可见，壳体402a具有两端:第一端430a和第二端430b。第一端430a经由连接器432a连接至具有可研究电池413和控制器414的控制单元403。控制器414负责装置430的运行。第二端430b经由连接器432b连接至壳体411b的第一端430c，且壳体411b的第二端430d经由连接器432c连接至壳体411c的第一端430e。
[0129]根据当前公开的标的的不同实例，壳体411a、411b和411c和/或电流发电机402a、402b和402c可构造为图1至图11中图示的壳体和/或电流发电机中的一个。例如，壳体411a、411b和411c可具有被构造来呈现未部署状态和部署状态的液体入口和/或液体出口。图12a的外壳411a、411b和411c与图9a中清晰图示的外壳211相同。图12a中展现的电流发电机402a、402b和402c与上文描述的电流发电机202相同。
[0130]电布线456被构造来将电流发电机402a、402b和402c电连接至可研究电池413以将产生的电信号传递至所述可研究电池413。
[0131]装置430适于伴随或不伴随加压液体流而经由可密封开口插入至管线中，例如，通过将接头设计成还包括阀门，其允许在来自管线的泄漏最小化的情况下将装置插入管线和从管线移除。加压和非加压地将不同设备插入管线中的多个不同技术(即，带压开孔)在本领域中已知且可等同地应用于当前公开的标的。
[0132]根据其它实例，装置430可容纳于任何液体流动路径(未示出)内，且紧固至所述液体流动路径。液体流动路径可以是本领域中已知的任何天然或人造结构，液体可在其中流动，以便运行装置430以产生电能。例如，液体流动路径可以是河流、管线、管、通道和水道。根据不同实例，装置430可用于将由其产生的一些或所有电力引导至不同于可研究电池413的任何其它电力存储构件，例如，引导至外部电力存储构件(未示出)。可出于任何目的使用这个外部电力存储构件，例如，对蓄电池充电、对供水传感器或泵供电，引入至公共电网中或任何其它电气基础设施中，等等。
[0133]图12b图示装置530的等距正视图，其实质上与装置430相同，但提供有共同管状圆柱形壳体534。
[0134]图13a至图13b图示装置630的侧面部分透视图，所述装置630穿过可密封开口642而被容纳于管线640内。装置630实质上类似于装置530，但另外包括以未部署状态展现(图13a中)的液体入口 635a,635b和635c，和液体出口 635d、635e、635f，且其被构造来呈现部署状态。图13b图示处于部署状态的液体入口 633a、633b和633c和液体出口 633d、633e、633f。如图 13b 中可见，液体入口 633a、633b 和 633c 以及液体出口 633d.633e.633f在其间界定液体方向轴X。装置630可插入至管线640中，使得电流发电机的杆轴平行于管线的纵向方向，且两者平行于液体方向轴X。
[0135]根据图13a，装置630在其未部署状态具有垂直于其纵轴B而取得的其横截面积El的第一最大尺寸Dl。根据本实例，Dl是在未部署状态下内切装置630的虚圆筒Fl的直径。根据图13b，装置630在部署状态下具有横截面积E2的第二最大尺寸D2。根据本图，D2是在部署状态下内切装置630的内切虚圆筒F2的直径，且E2是虚圆筒F2的横截面。
[0136]根据当前公开的标的的不同实例，第二最大尺寸D2大于第一最大尺寸D1。横截面积(例如，E2)的第二最大尺寸(例如，D2)与横截面积(例如，El)的第一最大尺寸(例如，Dl)之间的比率可在约1.1至约5的范围中，但不超过5，尤其不超过4，还更特定地不超过3。
[0137]在图13a中，其中液体入口 635a,635b和635c以及液体出口 635d.635e.633f处于未部署状态，装置630由于直径Dl的大小(其实质上小于(或几乎等于)可密封开口 642的横截面直径D3 (在横截面El的平面中))而能穿过可密封开口 642。在图13b中所图示的液体入口 633a、633b和633c以及液体出口 633d、633e、633f的部署状态下，清晰地看见D3小于D2。本图清晰地示出装置630由于其尺寸增加而无法插入至管线640中。由于装置630在管线640内部署的能力，其比起不可部署的刚性液体入口和液体出口的情况可穿过明显更小的可密封开口而插入至管线640中。
[0138]根据当前公开的标的的另一实例，可将装置630阵列(从属单元)插入至管线中，且连接至一个中央电力收集单元(主控单元)，其被构造来收集每个装置的电流发电机的电力。
[0139]应理解，上述实例的装置，其发电机和壳体可具有几何形状、尺寸等等，这是尤其取决于与装置一起使用的管线的直径、管线中液体和其流量的参数、期望或所需的电力输出，等等的一个选择问题。
[0140]根据当前公开的标的的多个装置可以例如图5、图9a、图10a、图1Ob中所示的方式或任何其它适当方式而容纳于管线内，这将导致产生更多能量，更精确的液体流量测量，等等。其中装置还包括通信构件，装置系统可通过实现其间通信的有线或短程无线连接而链接，且至少一个装置具有于将关于整个装置系统的信息传递至远端监视站远程的无线通信构件。
[0141]装置可适于与任何类型的液体使用，例如，水、盐水、污水、油、燃料等等。因此装置组件的标准相应调适，如保护性表面涂层、叶片几何形状和类似物假定在当前公开的标的的范畴内。
[0142]如本领域技术人员所了解，用于与液体流相互作用的多种类型的传感器和构件可安装在装置的壳体上或壳体内，且可用于感测液体流和/或与其相互作用。例如，用于测量穿过其中的液体流的小涡轮，压力传感器，磁流量计，测量电导率、pH、浊度、氯含量、溶解氧含量等等的传感器，可识别液体的化学成分的其它传感器，影响液体化学成分的构件，影响管线中液体的水动力的构件，过滤器等等。例如可添加用于处理液体并防止管线腐蚀的阴极形式的电化学液体处理设备。
【权利要求】
1.一种用于将其定位在液体流动路径中，以将穿过其中的液体能量转化成电能的装置，所述装置包括: 至少一个壳体，所述壳体被构造来容纳于所述流动路径中，且具有在其间界定流动方向的液体入口和液体出口； 至少一个电流发电机，所述电流发电机包括:杆轴，所述杆轴由所述壳体支撑且具有安装在其上且具有多个叶片的转子，所述杆轴在所述壳体中沿着所述流动方向延伸，允许由穿过所述发电机的液体使所述转子随着所述叶片旋转；和定子，所述定子与所述转子关联以依照所述转子的旋转而产生电信号；和 电布线，所述电布线用于将所述至少一个电流发电机电连接至电力接收器以将所述电信号传递至所述电力接收器； 所述液体入口和所述液体出口的至少一个被构造来呈现未部署状态和部署状态。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述壳体被构造来容纳于管线内。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述装置被构造来在所述液体入口和所述液体出口的所述至少一个处于所述未部署状态时穿过可密封开口而插入至所述管线中，且当所述装置定位在所述管线内时呈现所述部署状态。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括所述电力接收器，所述电力接收器是电力存储构件。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述转子包括至少一个磁性元件，所述定子包括至少一个线圈，所述转子的所述磁性元件被构造来相对于所述至少一个线圈的绕组而旋转，以便由于所述转子与所述定子之间的磁性关联而产生所述电信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述至少一个线圈安置在所述转子内。
7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述转子包括:叶片单元，所述叶片单元包括具有外表面和内表面的中空转子主体，所述叶片从所述外表面向外延伸；和磁铁单元，所述磁铁单元固定至所述转子主体的所述内表面并界定转子内部空间，所述线圈被安置在所述内部空间内。
8.一种根据权利要求1所述的装置，被构造来测量穿过所述壳体的液体量，且还包括: 控制器，所述控制器用于接收所述电信号以处理并产生指示所述液体量的输出信号；和 其中，所述电力接收器包括电力存储和供应单元，所述电力存储和供应单元被配置来对所述装置充电并将控制器运行所需的电力供应至所述控制器。
9.一种用于将其定位在液体流动路径中，以将穿过其中的液体能量转化成电能的装置，所述装置包括: 至少一个壳体，所述壳体被构造来容纳于所述流动路径中，且具有在其间界定流动方向的液体入口和液体出口； 至少一个电流发电机，所述电流发电机由所述壳体支撑且包括: -杆轴，所述杆轴具有安装在其上且具有多个叶片的转子，所述杆轴在所述壳体中沿着所述流动方向延伸，允许由穿过所述发电机的液体使所述转子随着所述叶片旋转；和 -定子，所述定子至少部分安置在所述转子内且与其关联以依照所述转子相对于所述定子的旋转而产生电信号；和电布线，所述电布线用于将所述至少一个电流发电机电连接至电力接收器以将所述电信号传递至所述电力接收器。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述定子完全安置在所述转子内。
11.根据权利要求9中任一要求所述的装置，其中，所述转子包括至少一个磁性元件，所述定子包括至少一个线圈，所述转子的所述磁性元件被构造来相对于所述至少一个线圈的绕组旋转，以便由于所述转子与所述定子之间的磁性关联而产生所述电信号。
12.根据权利要求9所述的装置，其中所述转子包括:叶片单元，所述叶片单元包括具有外表面和内表面的中空转子主体，所述叶片从所述外表面向外延伸；和磁铁单元，所述磁铁单元固定至所述转子主体的内表面并界定转子内部空间，所述线圈被安置在所述内部空间内。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述磁铁单元具有磁铁壳体和安置在其内的所述至少一个磁性元件，其中所述磁铁壳体由被构造来允许磁场穿透其中的材料制成。
14.根据权利要求9所述的装置，其中，所述液体入口和所述液体出口的所述至少一个被构造来呈现未部署状态和部署状态。
15.根据权利要求9所述的装置，其中，所述壳体被构造来容纳于管线内。
16.根据权利要求9所述的装置，其中，所述壳体被构造来在所述液体入口和所述液体出口的所述至少一个处于所述未部署状态时穿过可密封开口而插入至管线中，且在所述装置定位在所述管线内时呈现所述部署状态。
17.根据权利要求9所述的装 置，还包括所述电力接收器，所述电力接收器是电力存储构件。
18.一种用于将在液体流动路径中穿过的液体能量转化成电能的方法，所述方法包括: 提供一种装置，所述装置包括:至少一个壳体，所述壳体被构造来容纳于所述流动路径中，且具有在其间界定流动方向的液体入口和液体出口 ；至少一个电流发电机，所述电流发电机包括由所述壳体支撑的杆轴，具有附接至所述杆轴的多个叶片的转子，所述杆轴在所述壳体中沿着所述流动方向延伸，允许由穿过所述发电机的液体使所述转子随着所述叶片旋转，和与所述转子关联以依照所述转子的旋转而产生电信号的定子；和电布线，所述电布线用于将所述至少一个电流发电机电连接至电力接收器以将所述电信号传递至所述电力接收器；在所述液体入口和所述液体出口的所述至少一个处于所述未部署状态的情况下，将壳体插入至所述液体流动路径中使得所述流动方向实质上平行于所述液体的流动方向； 使所述液体入口和所述液体出口的所述至少一个呈现所述部署状态； 允许由穿过所述壳体的液体使所述转子旋转，且由所述定子相应地产生电信号；和 透过所述电布线将所述电信号从所述至少的电流发电机传递至所述电力接收器。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，将所述壳体插入至所述液体流动路径中的所述步骤可通过将所述壳体插入至管线中而执行。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括测量穿过所述电流发电机的所述液体量。
【文档编号】F03B17/06GK103547793SQ201280015128
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年3月28日 优先权日:2011年3月31日
【发明者】达尼·皮莱格 申请人:海德鲁斯派恩监控解决方案有限公司