自供電小型液體處理系統的制作方法

專利名稱：自供電小型液體處理系統的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及液體處理系統，并且特別涉及一種小型液體處理系統，該處理系統通過包括在液體處理系統中的小型水力發電系統自供電。
背景技術：
其中從流動增壓水中提取動能并用來轉動發電機以便產生電能的水力發電是公知的。另外，使用例如氣體、蒸汽等壓力流體轉動發電機是公知的。對于采用例如河流或堤壩的大規模水源操作的大型水力發電來說，使用百萬加侖的流動水可以產生成千上萬兆瓦的電能。因此，將流動水中的動能轉換為電能可能包括顯著的低效率，并不能提供經濟和可以接受程度的性能。
隨著水電發電設備的尺寸變得更小，所產生的電量也變得更小。另外，從中提取動能的流動水量變得更少。因此，將流動水中的動能轉換為電能的效率變得很重要。當存在許多低效率時，只有少量的動能從增壓流動水中提取出來。因此，所產生電量隨著水力發電設備變得更小而減小。
具有許多小型系統，該系統包括流動增壓流體并需要電能來操作。某些實例包括民用水處理系統、自動潔具、流速監測器、水測試設備等。
具有多種不同的水處理系統，該系統包括碳基過濾器單元和紫外線(UV)單元以便在使用之前對水進行過濾和凈化。碳基過濾器單元使用惰性材料來過濾顆粒和有機污染物。從紫外線單元發射的紫外線輻射用來中和水中存在的有害微生物。
為了啟動紫外線單元和水處理系統中的任何其它電能消耗系統，需要電源。傳統水處理系統使用來自標準電插座的電能或電池電源以便驅動包括紫外線單元的水處理系統中的所有部件所需的電能。在通過電插座供電的水處理系統的情況下，該系統限制了便攜性能并在電插座電源損壞時不能操作。
由電池電源操作的水處理系統只包括在水處理系統的操作或存儲過程中可以用完的有限電能供應裝置。另外，必須能夠更換電池以便使得水處理系統可以操作。如果需要長效電池電源，需要更大的電池，由此顯著地增加了水處理系統的重量和尺寸。
某些現有水處理系統能夠使用標準電插座或電池電源，電池電源可以通過電插座電源補充。盡管這些水處理系統不需要更換電池，雖然以電池電源操作，電池的容量和尺寸決定水處理系統的操作長度。必須同樣采用電插座電源經常補充電池電源。另外，這些水處理系統需要另外的電路和部件，以便由兩種不同電電源操作。
例如盥洗室閥和水池水龍頭的自動潔具可以包括電操作的閥和傳感器。傳感器可以檢測自動潔具的使用者是否存在并操作電操作閥以響應提供水流。電操作閥和傳感器兩者需要電能來操作。電能可以通過安裝從配電板到自動潔具的電纜來獲得。在自動潔具安裝在現有建筑物內的情況下，配電板和/或電纜的安裝成本高、費時并且是困難的。
出于以上原因，需要一種小型水力發電設備，該設備足夠小以便安裝在例如水處理系統、自動潔具等系統內，并能夠以高效率操作來產生足以操作系統的電能。

發明內容
本發明披露一種克服與現有技術相關的問題的小型液體處理系統。小型液體處理系統的實施例可以通過水力發電系統來自供電。該液體處理系統包括過濾器、紫外線輻射劑量系統和水力發電機。液體處理系統布置在構造成安裝在水龍頭端部處的殼體內。殼體包括用于提供處理液體的第一流動路徑和用于提供未處理液體的第二流動路徑。第一和第二流動路徑可以是獨立的流動路徑，該路徑可通過液體處理系統的使用者使用轉換機構來選擇。轉換機構可連接到殼體上，并且可拆卸地與水龍頭端部連接。
液體處理系統還包括處理器。處理器可通過水力發電機供電，或者通過由水力發電機充電的例如電池或電容器的儲能裝置供電。另外，包括在紫外線輻射劑量系統內的紫外線(UV)光源可通過水力發電機供電，或者通過由水力發電機充電的例如電池或電容器的儲能裝置供電。液體處理系統還可包括UV開關。UV開關可通過處理器控制，以便有選擇地將水力發電機產生的電能供應到UV光源。處理器還可監測液體處理系統并且提供與液體處理系統操作相關的數據存儲、報警和指示。
使用者可選擇處理或未處理的液體并且將液流供應到液體處理系統。液體可以射流的方式噴射，以便造成水力發電機轉動。通過水力發電機的轉動可產生電能。電能可激勵處理器以便開始檢測由水力發電機產生的電能。根據AC電能，處理器可確定水力發電機的每分鐘轉速。當水力發電機的轉動速度進入預定范圍時，處理器啟動UV開關，以便將水力發電機產生的電能提供給UV光源。在啟動之后，UV光源可提供UV能量以便對流過第一流動路徑的液體消毒。作為選擇，儲能裝置可用來在水力發電機開始轉動時激勵UV光源。當水力發電機的轉動速度到達確定范圍時，處理器可啟動UV開關以便將水力發電機產生的電能提供給UV光源和/或充電儲能裝置。
殼體可包括大致圓柱形部分和大致球形部分。過濾器和UV輻射劑量系統可布置在圓柱形部分內，并且水力發電系統可布置在球形部分內。殼體可構造成多個隔室。第一隔室可包括過濾器并且與沿著第一流動路徑流動的液體流體連通。第二隔室包括UV輻射劑量系統并且保持大致干燥。作為發電模塊的第三隔室可與沿著第一流動路徑的液流流體連通，并且與沿著第二流動路徑的液流流體連通。發電模塊包括水力發電系統，該系統包括水力發電機和第一流動路徑上的噴嘴。
沿著第一流動路徑的液流可通過布置在殼體內的歧管在過濾器、UV輻射劑量系統和水力發電機之間引導。歧管可由單件材料構成以便包括多個通道。形成在歧管內的第一通道可將液流引導到過濾器。第二通道可將過濾器過濾的液流引導到UV輻射劑量系統。歧管還可包括構造成接合安裝在歧管上的噴嘴的噴嘴保持件。暴露于UV能量的液流可通過UV輻射劑量系統引導到噴嘴。噴嘴可在相對高的速度下以液體射流形式噴射液流。射流可接觸并使得水力發電機轉動。
結合附圖，本發明的這些和其它特征和優點將從當前優選的實施例的以下詳細描述中變得清楚。以上描述只通過介紹來提出。其中不能作為以下限定本發明范圍的權利要求的限制。


圖1示出同水力發電系統的實施例案相連接的水處理系統；圖2示出圖1所示噴嘴的實施例的截面圖；
圖3示出圖1所示的水處理系統和水力發電系統轉動90°的截面圖，其中水力發電系統被剖視一個部分；圖4示出水力發電系統的另一實施例的截面圖；圖5示出沿著截取5-5線截取的圖4所示噴嘴的截面圖；圖6示出圖4所示的水力發電系統轉動90°的截面圖，其中水力發電系統被剖視一部分；圖7表示同水處理系統相連接的水力發電系統的另一實施例的截面圖；圖8表示圖7所示的水力發電系統的實施例的頂視圖，其中定子殼體被剖視一部分；圖9表示水力發電系統的另一實施例的截面圖；圖10表示圖9的水力發電系統一部分的截面圖；圖11表示水力發電系統的另一實施例的側視圖；圖12表示圖11所示噴嘴的端視圖；圖13表示沿著線13-13截取的圖12所示噴嘴的截面圖；圖14表示沿著線14-14截取的圖12所述噴嘴的另一截面圖；圖15表示沿著線15-15截取的圖11所示水力發電系統的外殼體一部分的截面圖；圖16表示圖11所示水力發電系統的側視圖，其中拆卸了內殼體；圖17表示沿著線17-17截取的圖11所示水力發電系統的外殼體底部的截面圖；圖18表示包括在圖11所示水力發電系統中的內殼體的分解透視圖；圖19表示包括在圖1所示水力發電系統中的漿葉的透視圖；圖20表示沿著線20-20截取的圖19所示漿葉的截面圖；圖21表示包括潔具的水力發電系統的透視圖；圖22表示圖21所示潔具的截面側視圖；圖23表示包括在圖22的潔具內的功率控制器的一個實例的示意圖；圖24表示包括在圖22的潔具內的功率控制器的另一實例的示意圖；圖25表示圖21-24的潔具內的水力發電系統的操作流程圖；
圖26表示水力發電系統的另一實施例的局部截面圖；圖27表示圖26的水力發電系統的另一截面側視圖；圖28表示水處理系統的透視圖；圖29表示圖28所示的水處理系統的分解透視圖；圖30表示包括在圖29的水處理系統內的閥主體的透視圖；圖31表示包括在圖29的水處理系統內的歧管的透視圖；圖32表示圖31的歧管的另一透視圖；圖33表示圖29的包括在水處理系統內的過濾器模塊和歧管的分解透視圖；圖34表示圖29的包括在水處理系統內的過濾器模塊和反應器容器的分解透視圖；圖35表示包括在圖34所示反應器容器內的彎頭的分解透視圖；圖36表示拆卸殼體一部分的圖28所示的水處理系統的透視圖；圖37表示圖29所示的水處理系統一部分的方框圖；圖38是表示圖29所示水處理系統操作的流程圖；圖39是圖38的流程圖的第二部分。
具體實施例方式
下文參照具體的結構描述本發明的示例性實施例，并且本領域的那些技術人員應該理解對這些具體結構可以進行各種改變和變型而同時不超出權利要求的范圍。本優選的實施例可以與任何需要電源和包括水流動的水處理系統一起使用；然而，這些實施例是為住它的或可移動的使用的水處理系統而設計的。本領域的那些技術人員也應該理解這些實施例可以與不是水的流體一起使用并且術語“水”和“水電”的使用不應該被認作一個限定。
圖1為與優選的水力發電系統12相連接的水處理系統10的側視圖。在該實施例中，水力發電系統12包括噴嘴14、殼體16、葉輪18和殼體出口20。噴嘴14通過管道22連接于水處理系統10。管道22由聚氯乙烯(PVC)塑料或類似材料制成并且通過螺紋連接、摩擦配合或其它類似的連接機構連接于噴嘴14。
在操作過程中，增壓水從水處理系統10中經由噴嘴14流入水力發電系統12中，如箭頭24所示。噴嘴14同殼體16連接成使水流過噴嘴14并被迫使通過殼體16流到殼體出口20。在替代的實施例中，水力發電系統12可以定位在水處理系統10的內部或定位成使其在水進入水處理系統10以前可以接收一定量的增壓水。
圖2示出噴嘴14的一個實施例的截面圖。該優選的噴嘴14為一聲速噴嘴，其提高流過它的增壓水的流速。在該實施例中，噴嘴14能夠將水的流速提高到亞聲速。噴嘴14由不銹鋼或其它類似的鍘性材料制成并且包括噴嘴入口26和噴嘴出口28。噴嘴入口26如上所述連接于水處理系統10。噴嘴出口28通過摩擦配合、卡扣固定、螺紋連接或能夠在其間形成液密連接的其它類似連接機構連接于殼體16。噴嘴14可以在任何位置插入殼體16中，只要該位置形成噴嘴14與葉輪18的適當對準即可，如將在下文討論的。
噴嘴14包括為水流通過而設置的通道30。通道30在噴嘴入口26形成有第一預定直徑32和在噴嘴出口28處的第二預定值徑34。在該實施例中，第二預定直徑34約為第一預定直徑32的26％。通道30對噴嘴14的預定的長度保持第一預定直徑32。通道30的其余部分通過使通道30成錐度均勻地至第二預定直徑34而形成。在該實施例中，噴嘴14的通道30在第一預定直徑32與第二預定直徑34之間的錐角約為18°。
通道30的形狀確定從噴嘴14流出的水的流速。此外，在噴嘴出口28處的水流速取決于水源的壓力和噴嘴下游的背壓。要求的噴嘴出口28處的預定流速范圍可以利用由水處理系統10(圖1所示)在噴嘴入口26處提供的預期的壓力范圍來確定。例如，在一家用的水系統中，水源的壓力在約20至60磅/平方英寸(PSI)的范圍內。通道30還在噴嘴出口28處提供連接而均勻的水流。在操作過程中流過噴嘴14的水在預定的高速范圍內以預定的路線流入殼體16中。
再參照圖1，殼體16形成管道，其可以由塑料或能夠形成剛性水通道的其它類似的防水材料制成。在該實施例中，殼體16包括如圖1所示的半透明的部分以便可以觀察殼體16的內部。殼體16被形成圍繞葉輪18，葉輪18與在水流出噴嘴出口28以后流過殼體16時的水流體連通。
葉輪18包括多個葉片42，其剛性地固定到輪轂44上。葉片42在殼體16中定位成使從噴嘴14流出的水以預定的角度沖擊葉輪18的葉片42。該預定的角度根據水在噴嘴入口26處預期的壓力、在噴嘴出口28和的背壓和要求的葉輪18的每分鐘轉數(RPM)來確定。在操作過程中，流動的水作用在葉輪18上使其在殼體16中沿單方向轉動。如下文所詳細討論的，當葉輪18轉動時，水力發電系統12的這個實施例將流動水中的能量轉換為轉動動能量，其又轉換為電能。在該實施例中，葉輪18浸在流過殼體16的水中。
圖3示出圖1所示的實施例轉動90°的截面圖，其中殼體16被剖視一部分。如圖所示，葉輪18通過縱向延伸的軸48共軸地固定于發電機46。軸48可以是不銹鋼或其它固定地連接葉輪18的類似的剛性材料。葉輪18的輪轂44共軸地連接于軸48的一端而為發電機46的一部分的發電機軸50共軸地連接于其另一端。軸48與葉輪18和發電機46的剛性連接可以通過焊接、壓配合或其它類似的剛性連接。
可轉動的軸48縱向延伸而通過液密的密封52插入殼體16中，該密封52用橡膠或其它類似的材料制成。液密的密封52連接于殼體16并構成使軸48可以自由轉動而不從殼體16內部向外漏水。軸48縱向延伸至鄰近殼體16定位的發電機46。雖然圖中未示出，發電機46的外表面可以連接于殼體16，例如借助于螺母與螺釘、鉚釘或其它能夠固定地連接殼體16與發電機48的類似的機構。
在操作過程中，當水流過殼體16和葉輪18轉動時，軸48、50相應地轉動，導致由發電機46產生電能。在替代的實施例中，采用磁性聯接器(未示出)代替軸48以排除貫穿殼體16的需要。在該實施例中，葉輪18包括具有足夠的磁強度的磁體以便與固定在殼體16外部的發電機軸50上的類似磁體剛性地連接。在操作過程中，當葉輪18轉動時，取向在葉輪上的磁體與取向在發動機軸50上的磁體間的吸引力使發電機軸50轉動從而由發電機46產生電能。
在該實施例中，發電機46可以是能夠產生直流電(DC)或交流電(AC)的永磁體發電機。在替代的實施例中，發電機46能產生AC和DC電流。電能從發電機46通過多個導電體54傳送，該導電體54可以是電線、匯流排或其它能夠導電的類似材料。產生的電能的電壓水平是葉輪18的每分鐘轉數的函數。如上所述，從噴嘴14流出的水的流速可以設計在預定范圍內從而控制由發電機46產生的電能的電壓輸出值。
由該實施例產生的交流電或整流直流電可以用于驅動水處理系統10和也可以用于給儲能器(未示出)例如蓄電池或電容器充電。葉輪18的轉動或產生的電能的持續時間也可以供給基于流動的測量的機構，例如流率或已流過水處理系統10的水量的測量。葉輪18的轉動或產生的電能的持續時間可以與發電機46的反電磁力(EMF)組合供給基于流動的測量。本領域的那些技術人員應該理解該水力發電系統12除水處理系統10外也可以用于其它的系統。
圖4示出水力發電系統12的另一實施例的截面圖。該實施例同樣連接于水處理系統10如圖1所示實施例那樣并且包括噴嘴14、殼體16、葉輪18和殼體出口20。類似于上述的實施例，噴嘴14以高速提供水，其在可轉動的葉輪18上導向。然而，在該實施例中，葉輪18在操作過程中不浸入殼體16內部的水中。因而，水從噴嘴14中形成噴流，其噴射在葉輪18上。
噴嘴14類似于上述的圖2所示噴嘴14可以是聲速噴嘴。噴嘴14插入殼體16并且通過安裝板56與其連接。安裝板56鄰接殼體16的外表面定位。本領域的那些技術人員應該理解存在其它的可以用于連接噴嘴14與殼體16的方法。
圖5示出定位于該實施例的安裝板56上的截面圖。安裝板56包括縱向的長孔58和一對耳部60，后者使噴嘴14可以相對于葉輪18調整到一個最佳的位置。在該實施例中，噴嘴14在通過將螺釘插入耳部60而達到最佳位置時可以固定地安裝到殼體16上。在替代的實施例中，當緊固件例如螺釘、鉚釘或銷將安裝板56固定地安裝在殼體16上時該安裝板56為噴嘴14提供單一的預定的所需位置。
再參照圖4，要求的噴嘴14的位置是使噴嘴14縱向伸進殼體16中。該實施例的殼體16包括由殼體16的內壁限定的殼體內腔62，如圖4所示。殼體內腔62為空氣空間，其包括其中定位的葉輪18。在操作過程中，水從噴嘴14以預定的路線噴射入殼體內腔62中以便以預定的角度沖擊葉輪18。該預定的角度根據要求的葉輪的RPM和由水處理系統供給噴嘴的水壓范圍來確定的。噴嘴14和葉輪18的協同操作不限于利用增壓水來進行，同樣也可以利用其它的流體，例如空氣。
如圖4中還示出的，葉輪18包括多個葉片64。該實施例的每一葉片64在一端固定地連接于葉輪輪轂66并且包括在另一端形成的槳葉68。葉輪輪轂66如上述實施例中一樣固定地連接于軸48。本領域的那些技術人員應該理解葉片64的數量和葉輪18的尺寸可以根據用途改變。
圖6示出圖5所示的水力發電系統12的實施例轉動90°的截面圖，其中殼體16被剖視一部分以便于說明。如圖所示，水力發電系統12包括利用軸48連接于發電機46的殼體16如在上述的實施例中那樣。此外，可轉動的軸48通過液密的密封52從葉輪18縱向伸入發電機46中。在替代的實施例中，軸48可以改用磁性聯接器，如以上所述，從而排除殼體16的貫穿和液密的密封52。如圖所示，軸48可轉動地將葉輪18定位于殼體內腔62內的空氣空間中從而利用槳葉68使之繞軸48轉動。
如圖6所示，該實施例的每一槳葉68形成拋物面形狀，其包括槽口70。該槳葉68的拋物面形狀為存在于從噴嘴14(圖5所示)噴射的水中的能量提供均勻的接受器。槽口70在葉輪18轉動時使噴射水的能量進入下一個槳葉68。將噴射水的能量轉給下一個槳葉使從水到葉輪18傳送的能量的效率為最大。在替代的實施例中，各葉片64可以形成其它的形狀和結構而有助于有效的傳送從噴嘴14噴射的其它流體的能量。例如，當流體為空氣時，葉片64可以形成為螺槳、翅片或其它能夠將能量從流動的空氣轉換為葉輪18的轉動的類似結構。
在操作過程中，在水噴流以預定的角度沖擊葉輪18以后，水靠重力如箭頭72所示落向殼體出口20。因而，水集合在殼體出口20處并從而被導出殼體16。由于葉輪18不浸入水中，從水噴流到葉輪18傳送的大部分能量被形成為對軸48的轉動力。
軸48的轉動使發電機46的一部分轉動。發電機46的一個實施例包括轉子76、第一定子78和第二定子80，后兩者定位在發電機殼體82的內部。轉子76固定地連接于軸48并隨其轉動。第一和第二定子78、80固定地連接于發電機殼體82并且周向地包圍軸48。轉子76定位在第一與第二定子78、80之間以形成發電機46。
該實施例的轉子76可以是包括多個永磁體84的盤的形式。永磁體84均勻地置于轉子76內的預定位置以同第一和第二78、80協同操作。在該實施例中的第一和第二定子78、80的每一個也可以形成包括多個線圈86的盤。線圈86均勻地定位在第一和第二定子78、80的內部以同永磁體84協同操作。可把線圈86電連接以形成一個或多個用于產生電能的繞組。第一和第二定子78、80的極數和設計取決于許多因素。這些因素包括由永磁體84和反EMF形成的高斯磁場的強度，以及要求的RPM和要求發電機46的功率輸出。
在該實施例中，轉子76的轉動使由永磁體84產生的磁通量同樣轉動從而在第一和第二定子78、80中產生電能。轉子76和第一與第二定子78、80協同操作以產生交流電(AC)。AC可以由發電機46整流和穩定化以既提供AC又提供直流電(DC)。在替代的實施例中，永磁體84可定位在第一和第二定子78、80上使發電機46可用于產生直流電(DC)。在另一替代的實施例中，發電機46類似于關于圖3討論的發電機46。
在操作過程中，可以從水處理系統10(圖1所示)中向水力發電系統12輸送增壓水。如同在以前的實施例中，水力發電系統12的各個替代的實施例可以向水處理系統10輸送水或定位在水處理系統10的內部。在該實施例中，如上所述，水從處理系統10輸送給噴嘴14。
增壓水流過噴嘴14并以高速噴射入殼體內腔62從而以預定的入射角沖擊葉輪18上的槳葉68上。當水沖擊槳葉68時，噴射水的能量轉送給葉輪18使其沿單方向轉動。當葉輪18轉動時噴射水的一部分也通過槽口70噴射并沖擊葉輪18上的另一些槳葉68。在水沖擊槳葉68和能量的同時傳送以后，水靠重力落到殼體出口20并流出殼體16。因此，在操作過程中殼體內腔62保持空氣空間并且在操作過程中不完全充滿水。
葉輪18的轉動使軸48轉動從而轉動發電機46的轉子76。在該實施例中，轉子76以約2400每分鐘轉數(RPM)轉動。轉子76的轉動引起供給水處理系統10的電能的產生。如上所述，由發電機46產生的電壓水平的范圍是根據流過噴嘴14的水的流速范圍確定的。因此，發電機的電壓范圍可以通過選擇流過噴嘴14的水的流速范圍來選擇。
圖7示出水力發電系統12的另一實施例的截面圖，其優選連接于水處理系統10。如圖所示，水力發電系統12包括轉子殼體102和定子殼體104。轉子殼體102形成管道，其可以由塑料或其它類似的剛性材料構成并且包括入口106和一出口108。在操作過程中入口106按箭頭110所示接收流動的水而出口108將流動的水引到水處理系統10。在各替代的實施例中，該水力發電系統12可以固定在水處理系統10的內部或固定成可接收流出水處理系統10的水。如上所述，流過水力發電系統12的水流量可以由水處理系統10加以控制。
如圖7所示，轉子殼體102包含轉子112而定子殼體104包含定子114。該實施例的轉子112可以是具有六個北/南極組合的十二級永磁體轉子。如下文所詳述的，該實施例的定子114可以是設計有八個北/南極組合的一環狀圓環。轉子112和定子114在操作過程中協同操作以產生電能。如在本領域中已知的，定子包括固定的繞組，其可以根據需要的電壓輸出大小構成可容納任何數目的電極。公開于本實施例的繞組中的電極數目不應被認作是對本發明的一個限定。
圖8示出圖7所示實施例的頂視圖，其中為說明起見定子殼體104被剖視頂部。定子114固定地定位于定子殼體104中以周向地包圍轉子殼體102。定子114包括芯體116、多個凸出的電極118和多個線圈120。芯體116可以由鐵、鋼或其它類似材料構成并且被形成可包括凸出的電極118。在該實施例中，可以有八個凸出的電極118，其分別圍繞以線圈120。
將凸出的電極118形成在定子114上使它們以周向地包圍轉子殼體102。每個凸出的電極118包括成形端，其作為極靴122在本領域中是已知的。極靴122鄰近轉子殼體102放置。極靴122傳導恒定的由轉子112通過線圈120形成的磁通量。線圈120可以是電線或其它能夠傳導電能的類似材料并且圍繞凸出的電極118纏繞。雖然未示出，線圈120相互電連接以形成繞組，如在本領域中已知的，用于每一線圈120的電線圈數由電壓和功率要求、最小和最大轉子112的轉數、最大允許的反壓、需要的電感和磁高斯數來確定。
再參照圖7，定子114橫向垂直于轉子殼體102的中心軸線定位。由于定子114定位在轉子殼體102的外面，其與在轉子殼體102內部的流動水脫離了流體連通。定子殼體104固定地連接于轉子殼體102從而為定子114提供在轉子殼體102上的預定位置。在該實施例中，定子殼體104通過摩擦配合與轉子殼體102的外表面相連接。本領域的那些技術人員應該理解存在不同的其它的轉子殼體102與定子殼體104的連接方式。
在該水力發電系統12的實施例中，轉子112包括永磁體124，其可以由金屬、燒結金屬、擠壓金屬或陶瓷材料制成。永磁體124形成恒定的磁通量并且與轉子軸126相連接。可轉動的轉子軸126從永磁體124的兩端縱向外伸并可以由不銹鋼或其它剛性耐腐蝕材料構成。永磁體124的中心軸線形成與轉子軸126共軸線。永磁體124的外表面可以形成流線形以包括至少一個轉子葉片128。該實施例的永磁體124構成桶形，具有形成轉子葉片128的單螺旋螺脊。在替代的實施例中，轉子葉片128可以是渦輪葉片或其它能夠在受到流動的水沖擊時引起轉子112轉動的類似裝置。
如圖7所示，轉子112固定在轉子殼體102的內部與轉子殼體102的中心軸線共軸線。轉子112的轉子軸126的一端插入第一連接盤130而其另一端插入第二連接盤132。在該實施例中，轉子軸126的兩端增大直徑以形成便于固定于第一連接盤130和第二連接盤132上的堅固的區域。第一連接盤130和第二連接盤132由塑料或其它類似的材料形成并且建立垂直于轉子殼體102的中心軸線的橫向支承件。第一連接盤130和第二連接盤132均包括軸承134或其它類似的裝置以便使轉子軸126可以自由轉動。此外，第一連接盤130和第二連接盤132以預定的相互間距連接于轉子殼體102使轉子112可以懸掛在它們之間。
轉子112定位在轉子殼體102中使流過轉子殼體102的水沖擊形成轉子112的一部分的轉子葉片128。轉子葉片128用作為一槳葉使流動的水作用在轉子112上。流動的水使轉子112繞轉子殼體102的中心軸線沿單一方向轉動。轉子112定位在定子114的內部使轉子112的軸線同心于定子114的軸線。轉子112同定子114協同操作而構成發電機。
在操作過程中，當水流動和轉子轉動時，由轉子112產生的恒定磁通量也轉動并透入定子114從而實質上產生電能。在轉子112與定子114之間必須保持特定距離的氣隙以便使來自轉子112的恒定磁通量可以引起由定子114產生的電能。在這些實施例中，在轉子112的永磁體124與定子114的極靴122之間的“氣隙”包括流動的水和轉子殼體102。流體的流動和轉子殼體102并不影響恒定的磁通量。因此，來自轉動的轉子112的轉動恒定磁通量引起由定子114的線圈120產生電能。
當水流過轉子殼體102而使轉子112轉動時，轉動的恒定磁通量傳給定子114的繞組并產生電能。該電能流過導電體54以驅動一個裝置，即在該實施例中的水處理系統10。圖7和8所示的該實施例的水力發電系統12產生交流電(AC)，其可以用來驅動水處理系統10。在替代的實施例中，該水力發電系統12通過將永磁體124定位在定子114上可以產生直流電(DC)。在另一替代的實施例中，水力發電系統12通過使交流電(AC)整流和穩定化給水處理系統10既提供AC電流又提供DC電流。DC電流還可以用來給儲能器(未示出)充電。轉子112的轉動和電能產生的持續時間也可以用于供給基于流動的測量，例如流率或流過水處理系統10的水量的測量。
圖9示出水力發電系統12的又一實施例的截面圖，其在原理上類似于關于圖7和8公開的上述的實施例。該實施例包括轉子112、定子114和固定于殼體142中的渦輪噴嘴140。殼體142構成管道，其具有入口144和出口146。當水或其它流體按箭頭148所示流入入口114時，水流過殼體142并由出口146引出殼體142。在一個實施例中，水力發電系統12可以固定在水處理系統10(圖1所示)的內部，位于水處理系統10或輸送水給該水處理系統10的后邊。
殼體142可以由塑料或類似的能夠導水的剛性材料制成。該實施例的殼體142包括第一部分152和第二部分154以便于組裝和維護。第一和第二部分152、154可以通過粘接、摩擦配合、螺紋連接或其它構成類似的剛性連接的裝置結合在一起。殼體142形成水流通過的通道156。渦輪噴嘴140固定地定位在通道156的內部。
該實施例的渦輪噴嘴140可以是大體上錐形形狀并且可以由塑料或其它類似的剛性材料制成。渦輪噴嘴140可以成整體構成包括頂部158和多個支承件160。頂部158可以位于通道156的中心并且用于向外朝著殼體142的內壁噴射流動的水。各支承件160通過例如摩擦配合、卡和固定、螺紋連接或其它類似的剛性連接固定地連接于殼體142的內壁。
支承件160將渦輪噴嘴140固定地支持在通道156中并且包括多個通道162以使水可以流過殼體142。通道162的尺寸可以調整以控制水的流速。如以上參照圖2所述的噴嘴14中，可以確定預定的速度范圍，該預定的流速范圍根據流入入口114中預期的水的壓力范圍以及水力發電系統12的背壓來確定。此外，各支承件160可以按預定的形狀定向而用作為螺槳以面向流動的水。流動的水可以以預定的方式對準作用在轉子112上，以便消除紊流，從而調整壓力降或提高操作效率。
圖10是剖視圖9的水力發電系統12一部分的頂視圖，表示出殼體142的第一部分152內的噴嘴140和支承件160。支承件160可以圍繞噴嘴140的外部相互定位在例如4.42毫米(0.174英寸)的預定距離1002上，以便形成通道162。每個支承件160包括導引端1004和拖尾端1006。靠近支承件160定位的導引端1004可以形成入口導管，并且靠近支承件160定位的拖尾端1006可以形成出口導管。如箭頭148所示液體流首先到達導引端1004并進入入口導管。在通道162內，液體在到達支承件160的拖尾端1006之前增加速度。
通道162的寬度可以朝著拖尾端1006逐漸變窄，如同所示。因此，通道之間的截面面積減小預定量，例如大約10％-20％。由于增壓液體被迫進入逐漸變窄的通道162，速度增加。通道162之間的截面面積逐漸減小使得背壓最小，同時增加流動液體的速度。另外，通過逐漸變窄通道162可以使得通道162內液體的非分層流動最小。
支承件160還可包括多個直流器1008。直流器1008可以包括在通道162內以便進一步減小非分層流動。與支承件160類似，直流器1008可以和第一部分152的內壁固定連接并延伸到通道162內。示例性直流器1008可包括和主體1012連接的葉片。葉片1010可以是從導引端1004附近朝著每個支承件160的拖尾端1006延伸的直流器1008的大致直的部分。主體1012可以是定位在相鄰定位的支承件160的拖尾端1006形成的出口導管的上游預定距離上的球形主體。在其它實例中，直流器1008可以是任何其它流體動力形狀，以便限定液體的流動并最大程度地均勻流過通道162。
如圖10進一步所示，噴嘴140可以分成壓縮區域1016，隨后是沉降區域1018。在壓縮區域1016內，可以出現液體流動方向的突然轉換。由于第一部分152內的液體容積增加，紊流增加。隨著容積減小，液體的壓縮和速度增加。可以預先確定壓縮區域1016中容積減小，以便根據所需流動液體的壓力范圍實現所需流速。在壓縮區域1016內，流動液體被迫朝著殼體142的內壁流出，這可以增加紊流和/或非分層流動。
沉降區域1018提供具有液體能力的均勻容積的區域，使得流動液體中的紊流衰減并且液體具有更加分層的流動。根據流動液體中紊流的預計大小，沉降區域1018可以是預定長度。液體的非分層流動可以在進入通道162之間減小。在通道162內，流動液體的速度進一步增加，并且液體接著引導到轉子112。
再次參考圖9，該實施例的轉子112包括渦輪轉子164、轉子軸166和永磁體168。轉子112可轉動地固定在通道156內使流入通道156的水可以引起轉子112繞殼體142的中心軸線170轉動。在流動的水作用在渦輪轉子164上時產生轉子112的轉動。渦輪轉子164可以由不銹鋼、鋁、塑料或其它類似的剛性材料制成，該剛性材料能夠耐得住轉動力和流動的水力。渦輪轉子164包括至少一個渦輪葉片172和主體174。
渦輪葉片172定位成可接收來自流過支承件160的水的能量。渦輪葉片172可以是多個螺槳、螺旋形凸脊或其它形成在主體174上的裝置，其能夠將流動的水的能量轉變為轉動動能量。該實施例的渦輪葉片172與主體174整體構成并且延伸到鄰近殼體142的內壁的位置。主體174可以構成為限定內腔176，其沿圓周包圍轉子軸166的一部分。
讀者應該注意相對于殼體142的內壁來說，通道162的深度小于渦輪葉片172的深度。不同深度提供流動水的循環，如下面說明。另外，水的流動路徑設置成直線地通過定子114。流動路徑的容積同樣在通道162之后是較大的，以便提供流動水壓力中預定壓力降。當水流過渦輪葉片172時，流動水因此將大量動能釋放到轉動渦輪葉片172上。流動水中的動能通過渦輪葉片172有效地提取，而沒有顯著的損失和低效率，這是由于只有渦輪葉片172直接位于流動水的高速流中。
轉子軸166是可轉動的并且可以與渦輪轉子164構成整體或者轉子軸166通過壓配合、螺紋連接或類似的連接裝置固定地連接于渦輪轉子164。轉子軸166可以是不銹鋼或其它類似的剛性材料，其可以縱向貫穿永磁體168。永磁體168可以是擠壓磁體，其可以由金屬、燒結金屬、陶瓷材料或其它類似的具有磁性的材料制成。永磁體168可以通過摩擦配合、模壓或其它類似的裝置固定地連接于轉子軸166。轉子112通過多個軸承178可轉動地定位。
軸178在永磁體168的兩端沿周向地包圍轉子軸166的一部分。軸承178可以是碳石墨、聚四氟乙烯、滾珠軸承、陶瓷、超高分子量(UHMW)聚乙烯或其它能夠經受轉子軸166的轉動的類似軸承。在該實施例中，軸承178由通道156中存在的水潤滑。此外，流動的水可用來冷卻軸承178，如將在下文描述的。軸承178由定子114固定和定位。
該實施例的定子114包括多個排水引導螺槳180、翅片182、多個線圈184和蓋186。如圖9所示，定子114通過排水引導螺槳180固定地定位于通道156中。各排水引導螺槳180通過例如粘接、摩擦配合、卡扣固定或類似的剛性裝置同殼體142的內壁固定地連接。排水引導螺槳180縱向平行于殼體142的內壁延伸并形成水流通過的通道。排水引導螺槳180形成可將流動的水引向出口146以減小紊流、氣泡、背壓和其它的會影響有效操作的流動的水的類似性能。翅片182同樣形成可將流動的水引向出口146。
盡管未示出，排水引導螺漿180可以形成螺旋圖案，該圖案與和中心軸線170同心的螺旋形線圈類似。排水引導螺漿180可以在翅片182的方向上逐漸展開，以便逐漸變成大致平行于中心軸線170。在此構造中，排水引導螺漿180可以減小紊流并形成分層流動。
在操作中，由于渦輪葉片172的轉動，由排水引導螺漿180接收的液體可包括渦流的趨勢。液體中的渦流趨勢可以大致與排水引導螺漿180的螺旋圖案大致匹配。因此，液體進入排水引導螺漿180，而不造成紊流的突然改變方向。雖然通過排水引導螺漿180引導，液體中的渦流趨勢可以通過排水引導螺漿180的逐漸展開而逐漸減小。因此，液體可以通過大致分層的流動排出排水引導螺漿180，以便盡可能有效地操作。
線圈184形成在芯體(未示出)上以沿圓周包圍轉子112并形成繞組。線圈184與轉子112隔開一定氣隙188。線圈184同排水引導螺槳180固定地連接。此外，線圈184可以同軸承178和翅片182固定地連接。線圈184可以通過例如粘接或與其形成整體固定地連接于排水引導螺槳180、軸承178和翅片182。在該實施例中，線圈184固定在通道156的內部，但是防水的以避免與流動的水形成流體連通。線圈184可以通過例如外裹環氧樹脂、注塑橡膠或塑料、超聲密封或通過類似的防水裝置另外隔水來制成防水的。在替代的實施例中，線圈184可以位于殼體142的外邊，如以上參照圖7和8所述的實施例中那樣。
線圈184還可以由蓋186防水。蓋186定位在密封線圈184鄰近渦輪轉子164的一端的位置，如圖9所示。蓋186可以通過螺紋連接可拆式連接于線圈184或可以通過粘接固定地連接于線圈184或與其成整體形成。蓋186形成部分地包圍軸承178并經向延伸預定的距離，其等于定子114的半徑。蓋186的該預定的距離延伸到比渦輪轉子164的主體174更接近殼體142的內壁。從殼體142的內壁到蓋186和主體174的距離差保證流動的水的循環，如將在下文討論的。
在操作過程中，流過入口144和流入通道156的水在增壓水流過通道162時得到了預定的增速。流動的水由支承件160引導而獲得對渦輪葉片172的預定的入射角，其使轉子112轉動。在該實施例中，轉子112以約15000每分鐘轉數(RPM)轉動。由于通道162、渦輪葉片172和蓋182的不同的深度，流動的水被循環于內腔176中。流動的水在內腔176中的循環提供鄰近定位的軸承178的冷卻和潤滑。
在此實施例中，轉子112例如在大約4000RPM和大約5000RPM之間范圍內或者在大約4000RPM和大約12000RPM之間的范圍內以大約每分鐘5000轉(RPM)轉動。5000RPM以上的轉動可以取決于在大約415Kpa到大約690kpa(大約60到100ibs./sq.inch)液體壓力范圍內的液體壓力以及大約3.78升/分鐘到大約11.35升/分鐘(大約1-3加侖/分鐘)的液體流速。5000RPM以上的轉動還可取決于在大約103.4Kpa到大約415kpa(大約15到60PSI)液體壓力范圍內的液體壓力以及大約0.76升/分鐘到大約3.78升/分鐘(大約0.2-大約1加侖/分鐘)的液體流速。根據液體的物理性能和/或制造容差、尺寸、RPM，這里所述的壓力和流速可以變化多達10％到20％。
為了在這種RPM范圍內操作，水力發電系統可以進行最小化以便減小由于流體阻力(或風阻損失)造成的低效率。如這里使用那樣，術語“流體阻力”限定成流體摩擦和/或不利于將動能最大程度地轉換成轉動動能的任何其它流體作用。
水力發電系統的最小化使得在轉子112轉動時經受流體的表面面積最小化。另外，水力發電系統的重量最小化。例如，通道156的直徑在大約6.35毫米到大約51毫米(大約0.25英寸到大約2英寸)的范圍內。另外，通道162的深度可以是大約0.76毫米到大約2.54毫米(大約0.03英寸到大約0.1英寸)并且渦輪葉片172的深度可以是大約0.89毫米到大約3.8毫米(大約0.035英寸到大約0.15英寸)。
由于最小化造成所得RPM更高以及流體阻力減小可以使得發電效率最大。例如，在大約5000RPM和10000RPM之間轉動時，發電機可以產生大約0.27和39之間的瓦數。另外，永磁體168的尺寸(重量)可以設置成使得水力發電系統12的發電最佳。
在水力發電系統12操作時，在定子114內轉子112的高RPM轉動有效地產生電能。水力發電系統12能夠產生交流電(AC)。在可選擇實施例中，水力發電系統12可以產生直流電(DC)。在另一可選擇實施例中，水力發電系統12可設計成通過交流電的整流和穩定來產生直流電和交流電。如上所述，電極的數量以及線圈184的構造和尺寸取決于背壓、所需RPM以及水力發電系統12的目標能量輸出。
現在參照圖3、6、7、8和9，結合這些圖的實施例所討論的水力發電系統12的另一實施例用于提供多個電壓與電流電平。通過在串聯結構和并聯結構之間切換水力發電系統12的線圈提供多個電壓與電流電平。雖然未示出，可以檢測水力發電系統12的電壓與電流電平和水處理系統10的當前電壓與電流需求的微處理器或其它類似的控制裝置可以用來選擇性地切換串聯結構與并聯結構之間的線圈。線圈的選擇開關可以用于產生直流電(DC)或交流電(AC)的實施例。
例如，某些紫外(UV)光源需要較低的預定交流電用以開始供電和較高的電壓水平。在開始供電以后，UV光源需要較高的交流電但需要較低的電壓水平以保持供給的能量。在例如水處理系統中，UV光源可以是低壓汞燈或冷陰極等，并且通過鎮流器提供啟動電源和運行狀態電壓。另外，水力發電系統12可以提供下面描述的鎮流器功能，并且可以省略鎮流器。汞燈和/或冷陰極等可以從水中去除細菌和其它雜質。
在操作過程中，當水力發電系統12產生電能時，由微處理器選擇地將線圈置于串聯結構中。該串聯結構以預定的電壓水平產生預定的交流電，其能夠開始給UV光源供電。在給UV光源的開始供電以后，線圈被選擇性地再組成并聯結構以提供在能夠保持給UV光源供電的預定電壓水平下的預定的交流電。水力發電系統12的線圈的切換，如上所述，可以為由水力發電系統12供電的任何系統中的任何電裝置提供不同的電壓與電流要求。
在另一實施例中，結合以上所述實施例所討論的水力發電系統12可以設有多個分接頭以表示不同的形成各繞組的線圈組。這些分接頭可用于通過電連接不同的線圈數目以形成各繞組來提供多個不同的預定電壓水平。水處理系統10可以構成使在操作過程中利用微處理器或其它類似的裝置在各分接頭之間進行切換。因此，在上述的UV光源實例中，一個分接頭可用于開始供電而另一分接頭可用于連續操作。此外，不同的分接頭可以在運行著的基礎上用于根據電裝置的電能要求操作水處理系統10中的各不同的電裝置。分接頭切換還可以用來控制發電機的RPM。在RPM低于所需閾值時，例如，分接頭可以調節以便脫離線圈，由此增加RPM。水力發電系統12的分接頭切換還可為由水力發電系統12供電的任何系統提供不同的電壓級。
在結合上述實施例所討論的水力發電系統12的又一實施例中，存在的反電磁力(EMF)被有利地減小。如在本領域中已知的，永磁體發電機的反EMF因通量集中器而增加，后者是由發電機芯體中的許多金屬疊片形成的。通量集中器可用于改進發電機的發電效率，但必須克服傳送的反EMF以便轉動轉子。
在水力發電系12應用于水處理系統10的情況下，某些UV光源在啟動和操作過程中具有不同的電能需要。采用水力發電系統12的上述實施例并且不包含通量集中器時，可以滿足UV光源的操作要求。
在操作過程中，在給水處理系統10供電以前，水力發電系統12上的轉動載荷(反EMF)可以是較小的。轉動載荷可以是較小的是因為該實施例的水力發電系統12并不包含通量集中器并且水處理系統10還沒有利用電能。消除通量集中器造成變動力矩減小，由此水電發電機快速加快轉動。因而，當水流過水力發電系統12時，轉子可在較短的時期內加速到預定的較高RPM。
較高的RPM以預定的交流電流(AC)提供預定的電壓(啟動電壓)，該預定的交流電流能夠開始供電給例如水處理系統10中的UV光源。在給UV光源開始供電以后，水力發電系統12上的轉動載荷增加從而降低轉子的RPM。該較低的轉子RPM提供預定的低電壓與相應預定的交流電(AC)從而可以連續地供電給UV光源。讀者應該理解由該實施例的水力發電系統12提供的“即時”能力可以排除水處理系統10中為驅動UV光源所需要的儲能裝置，這是由于UV光源幾乎在水開始流動時啟動。
圖11是以部分截面圖表示的水力發電系統12的另一實施例。與前面實施例類似，水力發電系統12可以用于水處理系統10。另外，水力發電系統12可以包括在具有流動增壓液體的任何其它形式的系統中。水力發電系統12還可包括水處理系統的例如UV光源、過濾器、電子器件等結構。
所示的水力發電系統12包括已經拆卸側蓋的外殼體1102。另外，水力發電系統12包括內殼體1104、對中桿1106和噴嘴1108。外殼體1102可以是塑料、金屬、碳纖維或其它剛性材料并包括空腔1110。空腔1110是一個氣隙，該氣隙設置尺寸以便容納內殼體1104，而使得內殼體1104接觸外殼體1102的內表面1112。同樣包括在外殼體1102中的是出口1114。出口1114可以是開口，該開口使得外殼體1102中存在的液體通過重力從空腔1110排出，以便在操作中保持氣隙。
內殼體1104可以是大致圓柱形的并由塑料、金屬、碳纖維或其它類似材料制成。內殼體1104可以安裝在外殼體1102上以便在外殼體1102的空腔1110內圍繞對中桿1106的至少一部分。對中桿1106可以和外殼體1102固定連接并延伸到內殼體1104內。對中桿1106可以是例如不銹鋼的任何剛性、縱向延伸材料。
多個套筒1116可以和內殼體1104連接并圍繞對中桿1106。每個套筒1116可以是由塑料、金屬或其它類似材料制成的襯套。套筒1116可以形成容納對中桿1106的開口以及形成為安裝在內殼體1104的外表面內的開口內的外表面。套筒1116中的開口可以足夠大以便使得套筒1116圍繞對中桿116在外殼體1102內轉動，而不接觸對中桿1106。套筒1116的外表面可以和內殼體1104的外表面固定連接，使得內殼體1104和套筒1116一起轉動。另外，套筒1116和內殼體1104可以單獨圍繞對中桿1106轉動。
內殼體1104還可包括多個固定連接并從內殼體1104的外表面1120向外延伸的多個漿葉1118。漿葉1118可以由塑料、碳纖維、金屬或其它類似材料制成。漿葉1118可以垂直于內殼體1104的外表面定位，使得當內殼體1104轉動時，每個漿葉1118在某些點處靠近噴嘴1108定位。
噴嘴1108可以安裝成延伸到內殼體1104和出口1114之間的空腔1110內，如圖所示。與圖1-5所示的噴嘴14類似，噴嘴1108增加增壓液體的速度。以第一速度供應到噴嘴入口1122的增壓液體流過噴嘴1108，并以第二速度從噴嘴出口1124排出，第二速度顯著高于第一速度。通過噴嘴1108排出到空腔內的液體引導通過漿葉1118處的氣隙。
圖12是從噴嘴入口1122觀看(圖11)的噴嘴1108的端視圖。噴嘴1108包括通道1202，通道是朝著噴嘴出口1202(圖11)減小直徑的軸向孔。包括在通道1202的是凸肋1204。凸肋1204與噴嘴1108的內表面1206連接并從內表面1206向外朝著噴嘴1108的中心軸線1208延伸。
圖13是圖12所示包括凸肋1204的噴嘴1108的剖視底視圖。穿過噴嘴1108的通道1202包括靠近噴嘴入口1122的第一傾斜部分1302，隨后是第一直部分1304、漸縮部分1306、第二傾斜部分1308以及形成噴嘴出口1124的第二直部分1310。在噴嘴入口1122處，通道1202可以是例如10.8毫米預定入口直徑。在第一傾斜部分1302內，通道1202的直徑可以朝著噴嘴出口1124相對于中心軸線1208呈例如大約20度的預定角度θ均勻減小直徑。
在第一直部分1304處，通道1202的直徑可以是例如大約5.8毫米的預定第一噴嘴直徑。通過通道1202的第一直部分1304，內表面1206可以大致平行于中心軸線1208，并因此保持在第一噴嘴直徑上。在漸縮部分1306，內表面1202可以具有曲率半徑。曲率半徑可以形成具有例如8.7毫米的預定半徑的圓的一部分。第二傾斜部分1308內的通道1202的直徑可以朝著噴嘴出口1124相對于中心軸線1208呈例如大約20度的預定角度θ均勻減小。第二直部分1310可以通過將通道1202保持在例如1.85毫米的預定第二噴嘴直徑上而形成噴嘴出口1124。
第一和第二噴嘴直徑可以根據供應到噴嘴1108的液體壓力的所得范圍來確定。在一個實例中，第一直部分1304的直徑可以保持相對不變，并且第二直部分1301的直徑可以根據引入噴嘴1108的液體壓力來改變。例如，第一直部分1304的直徑可以保持在大約5.8毫米，并且第二直部分1301的直徑形成大約1.9毫米或更小。因此，噴嘴1108的第二直部分1301的直徑(噴嘴出口1124)是噴嘴1108的第一直部分1304直徑的大約33％或更少。
在另一實例中，對于噴嘴入口1122處的液體壓力在大約34kPa和850kPa(大約5和125PSI之間)來說，第二直部分1301可以形成在大約0.8毫米和大約1.9毫米之間(大約0.03和0.075英寸)的范圍內。在此實例中，噴嘴1108可以在噴嘴1108的第一直部分1304直徑的大約14％和大約33％之間。此實例中通過噴嘴1108的所得流速可以在34kPa下的大約0.44升/分鐘到大約850kPa下的大約4.16升/分鐘(大約0.115加侖/分鐘到大約1.1加侖/分鐘)的范圍內。
凸肋1204可以是減小流過通道1102的液體渦流和其它非分層性能的任何構造。所示凸肋1204在噴嘴入口1122處開始并沿著中心軸線1208延伸預定距離通過第一傾斜部分1302、第一直部分1304，并進入漸縮部分1306。盡管示出具有均勻寬度，在其它實例中，凸肋1204可以包括一個或多個漸縮寬度部分、泡體、彎曲或任何其它構造，以便提高液體通過噴嘴1108的分層流動。另外，凸肋1204的長度可以比所示更長或更短，以便更好地消除液體流過通道1202的渦流。
圖14是包括圖12所示凸肋1204的噴嘴1108的剖視側視圖。在通道1202的噴嘴入口1122處，示例性的凸肋1204從內表面1206朝著中心軸線1208向外延伸預定第一距離。當凸肋1204沿著中心軸線1208朝著噴嘴出口1124延伸時，凸肋1204從內表面1206延伸的距離逐漸減小到零。在所示實例中，凸肋1204漸縮以便在凸肋1204沿著中心軸線1208朝著噴嘴出口1124延伸時延伸逐漸進一步離開中心軸線1208的距離。另外，內表面1206和中心軸線1208之間的距離朝著噴嘴出口1124變得更小，進一步漸縮凸肋1204，如圖所示。在其它實例中，凸肋1204可形成任何其它形狀，以便減小渦流作用并增加液體通過噴嘴1108的分層流動。
再次參考圖11，在操作中，流過噴嘴1108的液體可以保持分層流動，同時液體的速度在噴嘴1108內加速。液體可以高速從噴嘴1108排出。由于大致的分層流動，在排放之后，液體流可保持具有與噴嘴出口1124大致相同直徑的良好限定的液流。因此，由液流產生的液體飛濺減小，并且流動液體的動能集中在相對小的區域內。
液流可以在漿葉118處引導。在沖擊漿葉118時，液體中的動能有效地轉換成內殼體1104的轉動動能。當內殼體1104轉動時，每個漿葉1118可進入從噴嘴1108排出的高速液流中，并接收流動液流中的大致所有的動能。
一旦動能從液體提取，液體通過重力落到出口1114，并引導離開外殼體1102。由于通道引導，外殼體1102大致沒有液體。盡管由于從噴嘴1108排出的恒定液流，會存在某些液體，通道引導可以使得外殼體1102內的液位保持足夠低，使得噴嘴1108和內殼體1104不浸入液體中。因此，噴嘴1108和內殼體1104在外殼體1102內的氣隙中操作，其中流體阻力損失最小。
某些液體臨時保持在漿葉1118上，并且通過內殼體1104的轉動力甩到外殼體1102的外表面1112上。另外，某些液體可沖擊漿葉1118，并反射到內表面1112上。
內表面1112可形成導管以便減小空腔1110內的液體飛濺。通過將多余的液體保持離開轉動內殼體1104，空腔1110內液體飛濺的減小使得轉動內殼體1104的液體阻力損失最小。包括在內表面1112上的導管還可形成螺旋圖案，該圖案設計成有效地收集液體飛濺并將液體引導到出口1114。因此，在操作期間空腔1110大致保持沒有液體，并大致填充空氣(或其它氣體)，使得噴嘴1108的噴嘴出口1124不浸入液體中。
圖15在圖11的外殼體1102的截面圖中表示內表面1112的一個實例。內表面1112包括以從內表面1112朝著內殼體1104(圖11)向外延伸的多個指形件1502為形式的導管。每個指形件1502可以形成單獨的金字塔形構件。換言之，指形件1502可以是凹槽、環件、支承件、軌道或外殼體1102的內表面1112內的任何其它不規則形狀。指形件1502可以定位成預定圖案。根據從轉動內殼體1104和漿葉1118飛濺的液體的模擬或分析，該圖案可以是螺旋圖案，以便減小液體飛濺，并且使得液體最大限度地引導到出口1114(圖11)。
指形件1502可減小接觸外殼體1102的內表面1112的液體的液體飛濺。另外，指形件1502可以構造成將水引導到中心通道1504和包括在外殼體1102內的外通道1506。中心通道1504和外通道1506可以是V形凹槽或導管的某些其它形式，以便將液體朝著出口1114引導(圖11)。內表面1112還可包括多個分支通道1508。分支通道1508可以是內表面1112內的弧形通路，該通路將液體引導到中心通道1504或外通道1506。根據從轉動內殼體1104和漿葉1118飛濺的液體的模擬或分析，通道還可定位成螺旋圖案，以便減小液體飛濺，并且使得液體最大限度地引導到出口1114(圖11)。
指形件1502可沿著每個分支通道1508定位。在指形件1502上的液體可以被指形件1502“截留”。液體可流動離開指形件1502進入分支通道1508，并接著進入中心通道1504或外通道1506。
圖16是圖11所示外殼體1102的側視圖，其中拆卸內殼體1104和對中桿1106以便于說明。外殼體1102的內表面1112包括沿著形成用于內表面1112內的液體的弧形通路的多個分支通道1602放置的指形件1502。通過指形件1503“截留”的液體流動離開指形件1502進入分支通道1602，并引導到外通道1506中(圖14)和/或出口1114。
圖17是圖11所示包括出口1114的外殼體1102的底部的截面圖。殼體1102的底部類似地包括多個分支通道1702，分支通道是將液體引導到出口1114的弧形通道。指形件1502可以沿著每個分支通道1702放置。
圖18是圖11所示包括對中桿1106的內殼體1104的分解透視圖。同樣包括在內殼體1104內的是套筒1116、漿葉1118、第一輪轂1802、第二輪轂1804、轉子1806和定子1808。對中桿1106可以沿著中心軸線1812延伸通過內殼體1104，并且與套筒1116協同操作以便提供定子1808的對中功能。套筒1116可以形成為軸向安裝在形成在每個第一和第二輪轂1802和1804的第一端內的套筒開口1816內。
第一和第二輪轂1802和1804可以由塑料、碳纖維或任何其它剛性材料制成。每個第一和第二輪轂1802和1804可以是大致圓柱形并形成具有開口端1818的空腔。開口端1818可以位于與包括套筒開口1816的第一端相對的第二端處。第一和第二輪轂1802和1804可以在開口端1818連接在一起，以便形成內殼體1104的外表面1120(圖11)。
每個第一和第二輪轂1802和1804包括保持環1820。保持環1820包括圍繞平行于中心軸線1812的開口端1818的邊緣向外延伸的多個凸耳1822。多個細槽1824可以形成在保持環1820內的每個凸耳1822之間。凸耳1822可以對準以便在第一和第二輪轂1802和1804在開口端1818處連接時相鄰地相互接觸。因此細槽1824還可在第一和第二輪轂1802和1804之間對中以便形成開口。
第一和第二輪轂1802和1804還包括圍繞內殼體1104的外表面同心順序布置的多個排放口1826。排放口1826形成使得內殼體1104內的空腔和內殼體1104外部流體連通的開口。因此，液體可經由排放口1826進入或流出內殼體1104。
當內殼體1104轉動時，由于形成與轉動相關的離心力，內殼體1104內的液體經由排放口1826流出。因此，通過在內殼體1104以高RPM轉動時將液體經由排放口1826及時排出，減小由于內殼體1104內的液體造成的流體阻力損失。轉動內殼體1104因此可以保持空腔內大致沒有液體。空腔可以大致干燥并填充空氣(或某些其它氣體)。盡管空腔可以是潮濕的，空腔可保持少量液體，足以實現有效的操作。排放口126還提供穿過內殼體1104的氣流以便冷卻。
多個保持件1828位于形成在每個第一和第二輪轂1802和1804內的空腔內，保持件從第一和第二輪轂1802和1804向外朝著中心軸線1812延伸。保持件1828可以隔開預定距離定位，以便在保持件1828之間形成多個缺口1830。保持件1828可以形成第一和第二輪轂1802和1804的整體部分。另外，保持件1828可以由塑料、金屬、碳纖維或與各自空腔內的每個第一和第二輪轂1802和1804的內表面連接的任何其它剛性材料分開制成。
轉子1806可包括保持環1834和磁體1836。保持環1834可以是由鐵或類似鐵素體(或非鐵素體)材料形成的圓柱形套筒。當第一和第二輪轂1802和1804連接在一起時，保持環1834的一部分定位在每個第一和第二輪轂1802和1804的空腔內。保持環1834可以和每個第一和第二輪轂1802和1804內的保持件1828連接，使得保持環1834和內殼體1104一起轉動。保持環1834可以構造成通量集中器，以便和磁體1836操作，來改善發電機效率。
磁體1836可以和保持環1834連接，并且同樣和內殼體1104一起轉動。磁體1836可以是永磁體，例如燒結或粘接的釹鐵硼(NdFeB)稀土磁體。磁體1836可以形成連續的單個結構，該結構具有沿著該結構構造的所需數量的北極和南極。另外，多個單獨的磁體可以和保持件1834對準并與其連接。
通過將磁體1836和保持件1828直接連接，可以有利地減小發電機的反EMF。因此，可以消除保持環1834。如上所述，減小反EMF可以更快加速，這對于例如提供UV光源的“及時”性能的某些負載來說是有利的。
定子1808可以形成纏繞一個或多個定子繞組(未示出)的多個極1840，如上所述。極1840可以是與安裝板1842連接的金屬層壓件。安裝板1842可以是金屬、塑料或任何其它材料，并可以和對中桿1106連接。定子1808可以定位在由第一和第二輪轂1802和1804形成的空腔內，使得磁體1836圍繞靠近極1840的定子1808定位，其中具有氣隙。
由于繞組可以由在線材上涂覆例如搪瓷的非傳導材料，以便形成繞組，定子1808可以濕式或干式操作。另外，繞組可以覆蓋模制塑料、橡膠或其它防水材料。除了提供防水性能以外，這種覆蓋模制還可減小內殼體1104以高速圍繞定子1808轉動時的流體阻力損失。
轉子1806和定子1808相結合可以形成產生三相電能的發電機。另外，發電機可以產生單相電能。由發電機產生的電能可以提供到電能供應線1844上。電能供應線1844可以電連接到定子1808的繞組上。電能供應線1844可以引導通過沿著穿過對中桿1106的中心軸線1812延伸的通道。除了電能之外，轉子的轉動和/或產生的電能可以進行監測，以便根據流動進行測量。
定子1808和磁體1836之間的氣隙可以通過磁體1836的磁場和對中桿1106和圍繞套筒1116相結合來保持。定子1808可以和對中桿1106連接。因此，當內殼體1104以及轉子1806轉動時，轉動的磁場在定子1808的繞組內產生電能。
在操作中，內殼體1104可以通過單個高速液流以例如5000RPM以上的相對高的每分鐘轉數(RPM)轉動。由于內殼體1104的相對小的尺寸以可以實現相對高的RPM，并減小流體阻力損失。大致圓柱形內殼體1104的直徑可以小于大約40毫米，例如在大約40毫米到大約10毫米之間的范圍內。由于噴嘴1108的噴嘴出口1124的直徑(圖11)可以在大約1.9毫米到0.8毫米的范圍內，噴嘴出口1124在殼體1104直徑的大約4.75％和大約8％之間。
內殼體1104的轉動速度以及由發電機產生電量可以取決于由噴嘴1108排出的液體速度(圖11)以及內殼體1104的直徑。因此，對于在液體壓力和流速范圍內的噴嘴1108的噴嘴出口1124(圖11)的直徑范圍以及內殼體1104的直徑范圍來說，可以輸出一定范圍的電能。例如，在大約0.8毫米和大約1.9毫米之間的噴嘴1108的噴嘴出口1124的直徑范圍可以排出大約0.44升/分鐘和大約4.16升/分鐘(大約0.115加侖/分鐘和大約1.1加侖/分鐘)的量。流速可以取決于噴嘴入口1122(圖11)處的大約34kPa和大約413kPa之間的壓力范圍(大約51b/sq.in和大約601b/sq.in)。內殼體1104的所得轉動可以產生大約0.25瓦和大約30瓦之間的電能。在此實例中來自發電機的電能可以直接驅動UV燈或電子器件和/或可以整流以便為例如電容器、超級電容器、超高電容器和/或電池的儲能裝置充電。
磁體1836還可提供內殼體1104的平衡和對準。磁體1836的重量可以構造成轉動平衡內殼體1104的轉動以便增加效率。因此，殼體1104可以在高PRM下平穩轉動，其中使得與不平衡轉動相關的振動或其它作用最小。如上所述，由于在高RPM下有效地發電，還可減小磁體1836的重量。
另外，磁體1836的磁場可以保持轉子1806以及內殼體1104和定子1808對準。磁體1836的大致相同分布的磁場可以軸向對準轉子1806和定子1808。因此，內殼體1104可還可軸向對準對中桿1106。套筒1116和對中桿1106可以幫助對準內殼體1104，但是，內殼體1104可以通過磁體1836的磁場與對中桿1106對準地懸浮。因此，圍繞轉動套筒1116和非轉動對中桿1106之間的摩擦損失可以最小。另外，當水力發電系統12垂直、水平安裝時，磁場可以保持內殼體1104和定子1808之間的相對位置關系，而不使用固定件、鎖栓或任何其它機構來保持相對定位。
如圖11和18所示，漿葉1118可形成同心圍繞內殼體1104的環件。漿葉1118可以是與內殼體1104的外表面連接的單獨制造的部件。每個漿葉1118可以保持就位在一個缺口1824內，以便在第一和第二輪轂1802和1804連接在一起時形成環件。另外，漿葉1118可以通過粘接、焊接、摩擦配合或任何其它機構單獨連接或成組連接到第一和/或第二輪轂1802和1804上。
漿葉1118可以單獨制造并接著組裝成環件以便減小成本并改善制造性能。另外，內殼體1104的直徑以及漿葉1118的直徑可以變化，而不顯著改變單獨漿葉1118的幾何形狀。第一和第二輪轂1802和1804內的每個單獨漿葉1118以及保持環1820的構造可以相互協作以便將漿葉1118在缺口1824中保持就位。
圖19是圖18所示一個漿葉1118的實例的同時。所示漿葉1118可以是大致凹入的并且包括底部1902、第一漿葉部分1904、第二漿葉部分1906和細槽1908。底部1902可以形成為安裝在第一和第二輪轂1802和1804(圖18)的相鄰細槽1824內(圖18)。底部1902可包括下表面1912和支腳1914。下表面1912可以與第一和第二輪轂1802和1804(圖18)的內表面的曲率半徑類似的預定曲率半徑彎曲。支腳1914可以是大致三角形形狀并包括第一傾斜表面1916、第二傾斜表面1918和表面1920。
現在參考圖18和19，當漿葉1118安裝在內殼體1104中時，底部1902可布置在每個第一和第二輪轂1802和1804的相鄰定位的缺口1824中。每個漿葉1802的支腳1914可通過第一和第二輪轂1802和1804上的凸耳1822保持在缺口1824中。在所示實例中，第一和第二傾斜表面1916和1918可以各自相鄰地接觸每個第一和第二輪轂1802和1804上的一個凸耳1822。另外，表面1920可以相鄰地接觸相鄰安裝的漿葉1118。
圖20是表示第一和第二漿葉部分1904和1906和支腳1914的圖19的漿葉1118的截面頂視圖。同樣表示的是漿葉1118的后表面2002。當漿葉1118安裝在內殼體104上時(圖11)，后表面2002可以相鄰地接觸相鄰安裝的漿葉1118的支腳1914的表面1920(圖19)。每個漿葉1118的底部1902可以形成靠近內殼體1104的外表面的完整同心環的一部分。漿葉1118可以通過摩擦配合、粘接、焊接或任何其它連接機構或材料保持就位。
再次參考圖19，第一和第二漿葉部分1904和1906可各自設置能夠接收高速液流的分開的凹口或凹入部。如圖20清楚示出，每個第一和第二漿葉部分1904和1906可以是橢圓形的，以便使得液流最佳地沖擊漿葉部分1904和1906。當內殼體1104(圖11)以高RPM轉動時，細槽1918使得液流有效地沖擊每個漿葉1118。
前面所述的水力發電系統12還可包括水處理系統的能力。在一個實例中，水力發電系統12可以安裝在水龍頭或其它潔具上。安裝在水龍頭上的水力發電系統12的入口可以連接到水龍頭的水出口端上。除了所述的發電能力之外，水力發電系統12可以包括碳過濾器和紫外線(UV)燈。另外，水力發電系統12可以包括液體轉換器以便在不需要處理水時旁通水力發電系統12。水力發電系統12還可包括例如微處理器的以便監測UV燈和過濾器的壽命的處理裝置。水力發電系統12可提供所述的液流檢測以便用來監測過濾器壽命。另外，可以采用微處理器來監測UV燈壽命結束。另外，可以通過微處理器動態指示分接頭和/或線圈切換，以便提供用于所述的開始啟動UV燈以及隨后驅動UV燈的第一電壓。
還可通過水力發電系統12提供需要電源并涉及增壓液流的其它應用。例如，具有需要電源來操作的運動檢測器、電操作閥或任何其它裝置的潔具可以被包括作為水力發電系統12的一部分。
圖21是用于被包括作為水力發電系統一部分的例如坐便器或小便池的盥洗室的示例性潔具2100的透視圖。潔具2100包括用于接收水的水入口2102和用于排出水的水出口2104。潔具2100還包括閥模塊2106、電子模塊2108和發電模塊2110。在其它實例中，水龍頭、噴頭或具有控制閥的、水入口和水出口的任何其它潔具類似地包括在水力發電系統中。如這里使用，術語“潔具”限定成包括例如水龍頭、盥洗室沖洗機構、噴射器以及噴頭的衛生間相關裝置。另外，潔具可包括用來在小于大約1034kPa(大約150ibs./sq.inch)的壓力下控制和/或引導液流的噴射器、噴灑器或任何其它裝置和機構。
圖22是包括入口2102、出口2104、閥模塊2106、電子模塊2108和發電模塊2110的圖21所示示例性潔具2100的剖視側視圖。
閥模塊2106包括電操作閥2202。電操作閥2202可以是能夠用電壓和電流致動以便開啟和關閉液體流路的任何電子機械閥裝置。在啟動時，電操作閥2202可運動到經由閥模塊2106開啟液體流路的位置。當液體流路開啟時，入口2102供應的增壓液體可流過閥模塊2106以及發電模塊2110到出口2104。在斷電時，電操作閥2202可閉合液體流路，經由閥模塊2106和發電模塊2110停止液流。
發電模塊2110包括與圖11-20所述實施例類似的外殼體1102、內殼體1104、對中桿1106和噴嘴1108。因此，將不重復這些結構的詳細描述。在其它實例中，與任何其它所述實施例類似的結構和/或部件可以包括在發電模塊2110中。外殼體1102還可包括排水口2204，以便在和內殼體1104沖擊之后將液體朝著出口2104引導。內殼體1102可作為一個單元從潔具中取出以便維護和/或修復。供應到入口2102的增壓液體通過噴嘴1108加速到高速，并在定位在內殼體1104的外表面上的漿葉1118處引導液流。
高速液流中的大部分動能轉換成轉動動能以便以高RPM轉動內殼體1104。液體通過重力落入潔具2100的水出口2104。外殼體1102的空腔內的液體飛濺還可通過外殼體1102的內表面1112和排水口的構造引導到水出口2104。內殼體1104的高RPM轉動通過包括在內殼體1104中的永磁體發電機產生電能。電能通過電能供應線1844上的發電機產生。電能供應線1844可以采用對中桿1106內的通道和導管2206引導到電子模塊2108。
電子模塊2108可包括用于潔具2100的任何相關電路和部件。電子器件殼體2108包括閥控制器2226、儲能裝置2228、功率控制器2230和傳感器2332。閥控制器2226可以是電操作閥2202的一部分，并可以是使用電壓和電流啟動電操作閥2202開啟和閉合的任何裝置。閥控制器2226可以包括電馬達、轉動致動器、電磁閥或能夠運動閥機構的任何其它裝置。另外，閥控制器2226可以包括限制開關或任何其它形式的位置檢測裝置，以便確定電操作閥2202的位置。閥控制器2226可以通過儲能裝置2228供電。
儲能裝置2228可以是電池和/或電容器和/或能夠以電壓和電流形式儲能的任何其它回路或裝置。功率控制器2230和閥控制器2226以及儲能裝置238連接。功率控制器2230可具有能夠監測儲能裝置2228內的電壓大小并控制電操作閥2202的操作的任何回路或裝置。
在操作中，儲能裝置2228內的電壓大小通過功率控制器2230來監測。當電壓減小到預定閾值以下時，電操作閥2202可以啟動以便通過功率控制器2230開啟。電能從儲能裝置2228供應到閥控制器2226以便啟動電操作閥2202。當電操作閥2202開啟時，增壓液體流過閥模塊2106到噴嘴1108。增壓的高速液流在內殼體1104處通過噴嘴1108引導以便產生電能。電能用來重新充電儲能裝置2228。
傳感器2232還可啟動電操作閥2202。傳感器2232可以是運動傳感器、溫度傳感器或能夠檢測潔具2100附近環境內的一個或多個參數的任何其它形式或檢測裝置。在此實例中，傳感器2232可以是能夠檢測運動的運動傳感器。為了響應運動，傳感器2221可使用來自儲能裝置2228的電能來啟動電操作閥2202以便開啟。儲能裝置2228可以隨后通過從發電模塊2110中的發電機由液體流動產生的電能充電。
圖23是儲能裝置2228和功率控制器2230的實例的電路圖。所示的儲能裝置2228包括第一儲能裝置2302、第二儲能裝置2304和第三儲能裝置2306。功率控制器2230包括處理器2308、第一充電開關2310、第二充電開關2312、第三充電開關2314、串聯/并聯開關2316和負載控制開關2318。在其它實例中，可以使用或多或少的儲能裝置。
第一、第二和第三儲能裝置2302、2304、2306可以是能夠存儲電能的任何裝置。在所示實例中，第一儲能裝置2302是電池，第二和第三儲能裝置2304和21306是電容器以便使得充電性能最大。電容器可以是一個或多個電解質電容器或電化學電容器，例如超級電容器和/或超高電容器。在其它實例中，可以使用電池、電容器或電池和電容器的任何其它構造。每個第一和第二儲能裝置2302和2304和地線2320電連接。第三儲能裝置2306可以通過串聯/并聯開關2316和地線2320電連接。
處理器2308可以是能夠實施指令以便監測輸入并提供輸出的任何形式的計算裝置。處理器2308的輸入包括由電能輸入線2330上的發電模塊2110(圖21)內的發電機供應的輸入電能。由發電機供應的電能可以是用一個或多個二極管整流以便為處理器2308提供DC電能的三相或單相AC電能。
處理器2308的其它輸入包括用于第一充電線2332上的第一儲能裝置2302的第一充電指示和用于各自第二和第三充電線2334和2336上的各自第二和第三儲能裝置2304和2306的各自第二和第三充電指示。充電線2332、2334和2336為處理器2308指示各自儲能裝置2302、2304和2306內存儲的電量。另外，在所示實例中，第一充電指示和第二充電指示作為輸入各自提供給第一充電線2338和第二充電線2340上的處理器2308。第一充電指示提供作為第二儲能裝置2304的電容器的放電量。第二充電指示提供作為第三儲能裝置2306的電容器的放電量。
來自處理器2308的輸出包括控制第一充電控制開關2310、第二充電控制開關2312和第三充電控制開關2314操作的控制信號。第一充電控制開關2310的啟動可以將第一充電電壓提供給第一充電線2342上的第一儲能裝置2302。當第二充電控制開關2312閉合時，第二充電電壓可以提供給第二充電線2344上的第二儲能裝置2304。第三充電控制開關2314可以啟動以便將第三充電電壓提供給第三充電線2346上的第三儲能裝置2306。
處理器2308還可提供輸出控制信號以便指示負載控制開關2318控制負載供應線2348上的電壓。負載供應線2348可提供電能到負載。在此實例中，負載包括電操作閥2202(圖22)和包括在電子模塊2108中的電子器件(圖21)。在其它實例中，任何其它負載可以由負載供應線2348供應。
負載供應線2348上的電能可以通過處理器2308從發電模塊2110中的發電機和/或從一個或多個儲能裝置2302、2304和2306中存儲的電能供應。例如，當發電機產生電能時，處理器2308可以提供電能直接到負載供應線2348上的負載上。另外，處理器2308可以提供充電電壓以便通過發電機產生的電能充電一個或多個儲能裝置2302、2304和2306。另外，當例如發電機不產生電能(或者不產生足夠電能)時，處理器2308可以將一個或多個儲能裝置中存儲的電能提供電能到負載供應線2348上。
處理器2308還可在閥控制線2350上提供控制輸出，以便控制電操作閥2202的操作。來自狀態線2352上的處理器2308的輸出可以提供操作狀態。操作狀態可包括錯誤指示、儲能裝置2302、2304、2306上充電狀態、電操作閥2202的位置(圖22)或者任何其它與操作相關的指示或參數。狀態線2352可以和任何形式的用戶界面連接，例如發光二極管(LED)、顯示器、音頻報警等。
串聯/并聯開關2316包括串聯開關2356和并聯開關2358。處理器2308可以提供輸出以便指示串聯開關2356和并聯開關2358的操作。串聯開關2356和并聯開關2358可以并聯構造或串聯結構來構造第二和第三儲能裝置2304和2306。
在并聯結構中，較小的放電電壓可以通過第二和第三儲能裝置2304和2306單獨供應到負載。在串聯結構中，較大的放電電壓可以通過第二和第二儲能裝置2304和2306的組合放電來供應到負載。處理器2308、充電控制開關2310、2312和2314、串聯/并聯開關2316以及負載控制開關2318可以采用專用集成電路(ASIC)。另外，可以使用分開的部件或分開的成組部件。
存儲在存儲器內的指令可以通過處理器2308實施以便提供第一、第二和第三儲能裝置2302、2304和2306的充電和放電控制。采用處理器2308進行控制可以取決于確定的閾值電壓、確定的閾值充電水平以及由放電模塊2110內的發電機供應的輸入電能。
每個儲能裝置2302、2304和2306的確定閾值充電水平可以是根據單個儲能裝置的性能來確定的完全充電的狀態。還可確定每個儲能裝置2302、2304和2306的第一、第二和第三放電水平閾值。每個放電水平閾值可以包括放電極限和放電終止。放電極限可以表示充電水平消耗到完全充電狀態以下某些程度。放電終止表示充電消耗到最大所需充電消耗以下。
另外，處理器2308可以包括計時功能以便提供儲能裝置230、2304和2306的狀態的指示。充電計時器可以通過處理器2308啟動以便在一個儲能裝置充電時開始計時。根據充電的特定儲能裝置的充電線上的充電指示，充電計時器的計時可以用來確定完全充電的百分比、充電速度等。與充電相關的確定可以提供到狀態線2352上。類似地，放電計時器可以通過處理器2308啟動，以便在每個第二和第三儲能裝置2304和2306的放電循環中開始計時。各自放電線2338和2340上的放電指示可以被放電計時器使用，以便在狀態線2352上指示每個第二和第三儲能裝置2304和2306的放電百分比、放電速度等。
當發電模塊2110中的發電機產生電能時，處理器2308可有選擇地充電一個或多個儲能裝置2302、2304和2306。例如，當在相對高壓下液體流動相對高，發電機可以在相對高壓下產生足夠量的電能。在這些條件下，處理器2308可以同時啟動第一充電開關2310、第二充電開關2312和第三充電開關2314以便充電所有的儲能裝置2302、2304和2306。另外，在產生較小或較低的電壓電能時，處理器2308可啟動比所有第一、第二和第三充電開關2310、2312和2314少的開關。
在操作中，當一個或多個儲能裝置2302、2304和2306中存儲的電能在確定放電極限以上時，負載控制開關2318可以通過處理器2308啟動，以便供應電能到負載上。當負載消耗電能，并因此使得一個或多個儲能裝置放電到放電極限以下時，處理器2308可通過閥控制線2350上的控制信號啟動電操作閥2202(圖22)以便開啟。當負載供應線2348上的負載電能損失時，電操作閥2202(圖22)可保持開啟并且發電模塊2110中的發電機可連續供應電能。另外在損失電能時，電操作閥2202可以閉合，來自發電機的輸入電能可以停止并且來自儲能裝置2302、2304和2306的電能可以通過處理器2308使用，以便在狀態線2352上指示錯誤。錯誤可通過例如閃光發光二極管(LED)指示。
在電能從一個或多個儲能裝置2302、2304和2306放電時，處理器2308可有選擇地轉換串聯/并聯開關2316，以便使得放電時間最大。另外，在出現放電時負載供應線2348上的電壓可以通過有選擇地轉換串聯/并聯開關2316來保持，以便使得效率最大。另外，處理器2308可通過有選擇地轉換串聯/并聯開關2316將輸出電壓的大小轉換成其它的電壓大小。例如，來自大約6VDC的發電機輸入電壓可以通過處理器2308轉換成3VDC。在另一實例中，從發電機供應的1.5VDC可以通過處理器2308轉換成6VDC。
圖24是儲能裝置2228和功率控制器2230的另一示例性電路圖。在此實例中，功率控制器2230包括處理器2308。儲能裝置2228包括具有電連接到地線2410上的第一電容器2402、第二電容器2404、第三電容器2406和第四電容器2408的多個儲能裝置。在另一實例中，可以使用儲能裝置的其它構造和數量，例如電池代替第四電容器2408。
處理器2308可以通過充電控制線2412來控制第四電容器2408的充電和放電。第四電容器2408的充電可以采用電能輸入線2330供應的電能。第四電容器2408的放電可以取決于由負載供應線2348供應的負載。負載可以包括電操作閥2202(圖22)和/或電子模塊2108(圖21)中的任何其它電子器件。
處理器2308可以提供調節的輸出電壓到負載供應線2348上的負載上。負載供應線2348上供應的電能可以來自發電機、第一電容器2402和/和第四電容器2408。第二和第三電容器2404和2406可以提供負載供應線2348上存在的任何高頻瞬變的噪聲抑止。
與圖23的實例類似，處理器2308可以監測第四電容器2408的電量消耗到充電極限程度以下并傳輸閥控制線2350上的控制信號，以便開啟電操作閥2202(圖22)。所得液流可以高RPM轉動發電模塊2110(圖21)中的發電機，以便在電能輸入線2330上產生電能。如果第四電容器2408上的電量消耗到放電終止程度，在狀態線2350上可以產生錯誤，電操作閥2202(圖22)可以斷電，并且斷開到達負載的電能。
圖25是表示圖22-23的功率控制器2230的示例性操作的流程圖。在處理器2308中建立并存儲去往負載的所需輸出電壓、所需充電水平和所需放電水平閾值(放電極限以及放電終止)時，在方框2502開始操作。在方框2504處，處理器2308可以實施指令以便監測電能輸入線2330上的供應電壓，以及儲能裝置2302、2304和2306的充電和放電電壓。
在方框2506處，處理器2308確定供應電壓的大小是否等于或大于去往負載的所需輸出電壓。如果供應電壓大于所需輸出電壓，處理器2308啟動一個或多個充電開關2310、2312和2314，以便從電能供應線2330供應電能，從而在方框2508處充電一個或多個儲能裝置2302、2304、2306。在方框2510處，處理器2308可以啟動監測儲能裝置的一個或多個充電計時器2310、2312和2314。另外，在方框2512處，處理器2308可以使得電能從輸入電能線2330供應到負載供應線2348上的負載。接著操作返回到方框2504，以便繼續監測電壓和充電。
如果在方框2506處，供應電壓不大于或等于所需輸出電壓，在方框2518處，處理器2308確定輸入電能線2330上的供應電壓是否小于所需輸出電壓預定量。如果供應電壓小于所需輸出電壓至少一個預定量時，在方框2520處，處理器2308使得一個或多個儲能裝置2302、2304、2306開始對存儲電能線2332、2334和2336上的存儲電量放電。處理器2308可以在負載供應線2348上提供作為輸出電壓和電流的存儲電量，以便供應負載。在方框2522處，處理器2308啟動放電計時器，以便監測電能從每個儲能裝置2302、2304和2306放電。操作接著返回到方框2504，以便繼續監測電壓和充電。
如果在方框2518處供應電壓不小于所需輸出電壓，處理器2308確定所有的儲能裝置2302、2304、2306是否在方框2526處完全充電。如果所有的儲能裝置2302、2304、2306完全充電，在方框2528處，處理器2308確定電操作閥2202是否開啟。如果電操作閥2202沒有開啟，操作返回到方框2504，并且監測電壓。如果電操作閥2202開啟，處理器2308在閥控制線2350上發送信號以便在方框2530處閉合電操作閥2202。當電操作閥2202閉合時，發電模塊2100中的發電機停止產生電能。
在方框2532處，放電計時器復位并且操作返回到方框2504以便監測電壓和充電。如果儲能裝置2302、2304和2306沒有在方框2526處完全充電，在方框2536處，處理器2308確定任何儲能裝置2302、2304、2306是否放電到小于放電終止。如果儲能裝置2302、2304、2306放電到小于放電終止，在方框2538處，處理器2308中斷輸出電能線2348上的輸出電能供應。另外，在方框2540處，處理器2308在閥控制線2350上發送信號，以便閉合電操作閥2202。在方框2542處，處理器2308在狀態線2352上提供不充電儲能裝置2302、2304和2306的指令。操作接著返回到2504以便監測電壓和充電。
如果在方框2536處，沒有儲能裝置2302、2304和2306放電到小于放電終止，在方框2546處，處理器2308確定任何儲能裝置2302、2304和2306是否放電到小于放電極限。如果任何儲能裝置2302、2304和2306放電到小于放電極限，在方框2548處，處理器2308在閥控制線2350上發送控制信號，以便開啟電操作閥2202。當電操作閥2202開啟，發電模塊2110內的發電機在電能輸入線2330上產生電能。操作返回到方框2504，以便充電儲能裝置2302、2304和2306，并且從發電機將電能供應到負載。如果方框2546處，沒有儲能裝置2302、2304和2306放電到小于放電極限，操作返回到方框2504并監測電壓和充電。
在另一實例中，與圖21類似，水力發電系統可以包括作為水龍頭系統的潔具。水龍頭系統可包括閥模塊2106、電子模塊2108和發電模塊2110。發電模塊2110中的發電機可以在發電模塊2108中的至少一個儲能裝置中充電。包括在電子模塊2108中的功率控制器可以進行直接充電，直到儲能裝置充電為止。這將使得水龍頭系統在液體流過水龍頭系統的時間周期以外使用存儲電能。另外，如果水龍頭系統不長時間使用時，簡單瞬時手動按鈕可造成液流轉動發電模塊2110中的發電機，以便重新充電儲能裝置。
在又一實例中，水力發電系統可包括作為淋浴頭的潔具。淋浴頭可包括無線電和/或其它防水電子器件。無線電可以是防水的，并包括AM、FM、致密盤或任何其它娛樂裝置。水力發電系統包括與圖9和10所示系統類似的結構。由在定子內轉動的渦輪形成的發電機可以是為電容器、超級電容器或超高電容器充電的電源。這為不需要維護循環的電子器件提供電源，以便例如在電源是電池的情況下更換電源。淋浴頭還可包括具有報警器和預熱指示器的淋浴計時器，以便保持淋浴計時。報警器可用來保持淋浴的長度在預定時間內。另外，淋浴頭可包括具有在進行淋浴時照亮的顯示器的時鐘。在沒有液流的情況下，時鐘可以由儲能裝置操作，而不照亮以便節省電能。
圖26表示包括外殼體2602、內殼體2604、對中桿2606和噴嘴2608的水力發電系統12。內殼體2604定位在外殼體2602內形成的空腔2610內，并包括定位在內殼體2604的外表面2613上的多個漿葉2612。外殼體2602包括出口2614和內壁2616。圖26所示的水力發電系統12的結構在許多方面與水力發電系統的所述實例類似。因此，出于簡明目的，以下描述將集中在與所述實例不同之處。
在所示實例中，外殼體2602包括內殼體部分2618、噴嘴部分2620、排放部分2622和流動收集部分2624。內殼體部分2618形成相鄰地圍繞內殼體2604的一部分。漿葉2612靠近內殼體部分2618的內壁2616定位，以便減小流體阻力。如同所述實例那樣，內殼體部分2618中的內壁2626可包括朝著出口2614引導液體的導管(未示出)。
噴嘴部分2620形成外殼體2602的頂部并構造成接收噴嘴2608。噴嘴2608定位成穿過外殼體2602并在內殼體2604的漿葉2612處引導大致垂直的液流。大致垂直的液流可以從噴嘴2608的噴嘴出口2626以良好限定的大致分層流動方式以相對高速排出。排放之后液流可大致保持具有噴嘴出口2626的直徑。可因此減小液體飛濺，并且液流中的動能可以集中在相對小的區域內。
圖27是包括外殼體2602、內殼體2604、對中桿2606和噴嘴2608的水力發電系統12的剖視側視圖。內殼體2604包括漿葉2612。外殼體2602包括內殼體部分2612、噴嘴部分2620、排放部分2622和流動收集部分2624。
在液流沖擊漿葉2612之后，液流可進入排放部分2622。由于沖擊，液流可變成具有一個直徑的分散液流，該直徑大于噴嘴出口2624的直徑。另外，可通過沖擊以及內殼體2604的轉動產生液體飛濺。分散液流的直徑(噴射圖案)可以取決于液流速度和發電機上的電負載量。當在發電機上有小負載時，內殼體2604可相對自由轉動。因此，分散液流的分散量相對小，例如相對于與噴嘴2608排出的液流同軸的中心軸線2702形成30度的分散角。相反，當具有大負載時，需要很大的力保持內殼體2604轉動，并且分散液流的分散可造成分散角大到相對于中心軸線2702呈90度。無論負載如何，液體與漿葉2612的碰撞可產生液體飛濺以及分散液流。為了進行說明，假設分散液流的分散角是大約45度。在其它實例中，可以使用或大或小的分散角。
同樣如圖27所示的是沖擊點2704和多個軌線矢量2706。沖擊點2704可以是由噴嘴2608排出的良好限定的大致線性液流與漿葉2612碰撞的區域。軌線矢量2706表示液體根據分散角在與漿葉2612碰撞之后的路徑。跟隨更加靠近中心軸線2702的這些軌線矢量2706的液體可以直接進入收集部分2624，并引導到出口2614。
軌線2706中的液體進一步離開中心軸線2702，同時與排放部分26內的內表面2616碰撞。該液體有效地引導到出口2614以便減小流體阻力。另外，減小了由于與內表面2616噴嘴產生的液體飛濺。在排放部分2622，內表面2616構造成預定形狀，以便有效地引導液體到出口并減小液體飛濺。因此，不需要前面所述的內表面2616上的導管。相反，第二部段2710內的內表面可保持大致平的，并成形用作反射器，并有效地從外殼體2602排出液體，并減小流體阻力。因此，空腔2610可保持大致干燥，其中液體流速在大約0.44升/分鐘到大約4.16升/分鐘的范圍內。
如圖27進一步所示，排放部分2622內的內表面2616可以構造成預定形狀。預定形狀可以取決于形成在每個軌線矢量2706和排放部分2622內的內表面2626之間的軌線流動角度2708。軌線流動角度2708限定成內表面2616和分散液流和由于與漿葉2612沖擊造成的液體飛濺之后的軌線矢量2706相交處的角度。內表面2616的形狀可以設計成將分散液流之后的軌線流動角度2708保持小于大約20度。根據制造容差和/或與液體相關的物理性能，通過加減5度來變化軌線流動角度2708。
所示實例中第二部段2710的內表面2616的形狀構造成大致錐形的火箭噴嘴。內表面的形狀可以取決于由于與轉動漿葉2612沖擊而造成的分散液流的模擬或分析。通過將分散液流之后的軌線流動角度2708保持在內表面2616的大約20度內，液體可保持在較少非分層流動的更加穩定的狀態下。
更加穩定的狀態使得空腔2610相對更快地排空。因此，外殼體2602的總體尺寸可以減小，并同時在液體從噴嘴2608排出時始終保持內殼體2602和外殼體2604大致干燥。另外，流出出口2614的液流由于與內表面和軌線實例2706的形狀類似而具有某種大小的速度。另外，更加穩定的液流可以減小液體飛濺以及渦流，因此減小流體阻力，并使得動能最大程度地轉換成轉動動能。
外殼體2602的排放部分2622的形狀還可用于水力發電系統的前面所述實例中。例如，參考圖11的水力發電系統12，外殼體1102可轉動90度，使得噴嘴1108垂直排放液流。另外，出口1114可以運動到與噴嘴1108相對的外殼體1102的壁上，并且外殼體可以重新成形以便對于大約29度或更小的軌線矢量來說實現軌線流動角度。在圖21的示例性水力發電系統中，潔具2100的出口2104上游的外殼體12可簡單地重新成形以便對于大約29度或更小的軌線矢量來說實現軌線流動角度。
圖28是作為水龍頭2802的另一示例性潔具的透視圖。水龍頭2802可以是如所示的水池龍頭、灑水龍頭、淋浴龍頭或任何其它能夠有選擇地提供例如水的液流的潔具。安裝在水龍頭2802的端部上的是水處理系統2804。在其它實例中，水處理系統2804可通過軟管或其它導管與潔具連接并且是臺上構造或臺下構造等。另外，在其它實例中，水處理系統2804的部件可以是分開的。例如，某些部件可安裝在水龍頭的端部處，并且可以是臺上構造或臺下構造一部分的其它部件可以通過軟管或其它類型的導管與安裝有該部件的龍頭的端部連接。
所示示例性水處理系統2804包括與殼體2808連接的轉換機構2806。轉換機構2806可通過卡扣、摩擦配合、螺紋連接、焊接或任何其它的連接機構與殼體2808連接。作為選擇，轉換機構2806可以形成殼體2808的一部分。殼體2808和轉換機構2806可以由塑料、碳纖維、鋼、鋁和/或任何其它非多孔材料形成。
水處理系統2904包括從水龍頭2802接收液流的入口2810和從水處理系統2804排出液流的出口2812。出口2812包括第一出口2816和第二出口2818。從第一出口2816流出的液體可流過第一流動路徑并且通過水處理系統2804處理。從第二出口2818流出的液體可流過第二流動路徑并且未處理。轉換機構2806包括開關2824，開關可以撥動以便選擇液體從第一出口2816還是從第二出口2818流出。在其它實例中，包括水處理系統2804內的另外出口可以通過一個或多個開關選擇以便提供處理或未處理的液流。例如，水處理系統2804可包括通過開關選擇以便提供類似于水池噴頭的淋浴噴頭類型的未處理液流的出口。
圖29是圖28的水處理系統2804的實例的分解透視圖。水處理系統2804包括轉換機構2806和殼體2808。轉換機構2806與殼體2808連接并且與水龍頭2802可拆卸地連接，而且可以選擇來自于水處理系統2804的處理或未處理液流。
轉換機構2806包括開關2824、套環2902、上部第一墊片2904、適配器2906、上部第二墊片2908、閥主體2910、桿2912、彈簧2914、球2916、閥密封件2918、閥芯2920、外部下部墊片2922和內部下部墊片2924。形成轉換機構2806的部件可以是鋼、塑料、鋁和/或任何其它非多孔材料。套環2902可以如所示通過螺紋連接、卡口安裝件或任何其它連接機構與閥主體2908連接。適配器2906可通過套環2902貼靠閥主體2910保持。上部第一墊片2904和上部第二墊片2908可分別定位在套環2902和適配器2906以及套環2902和閥主體2910之間。適配器2906可與水龍頭2802形成液密連接，例如所示的螺紋連接。作為選擇，適配器2906可通過任何其它形式的連接與龍頭2802形成液密連接。來自于水龍頭2802的液體可流過套環2902、第一上部墊片2904、適配器2906、上部第二墊片2908并進入閥主體2910。
液體流入形成在閥主體2910內的空腔2932。桿2912包括第一柱2934和第二柱2936，并且形成為安裝在空腔2932內。第一柱2934延伸通過閥主體2910以及通過形成在閥主體2910上的環2938。第一柱2934上的O形圈2940可提供液密密封，以便防止液流從空腔2932泄漏。第一柱2934與開關2824連接，使得在開關2824撥動時，第一柱2934可轉動，由此在空腔2932中樞轉第二柱2936。第二柱2936可形成為容納彈簧2914和球2916，使得彈簧2914通過密封件2918上的球2916保持恒定壓力。樞轉第二柱2936可在包括在密封件2918內的第一座2941和第二座2942之間運動球。第一和第二座2941和2942可各自包括提供到達閥芯2920的分開流動路徑的孔口。閥芯2920可形成為容納密封件2918并且包括第一孔口2950和第二孔口2952。
圖30是圖29所示的示例性閥芯2920的透視底部視圖。第一和第二孔口2950和2952穿過閥芯2920的上壁3002，并且各自通過突唇2004同心圍繞。每個第一和第二座2941和2942(圖29)可通過各自的第一和第二孔口2950和2952接收，并且朝著突唇3004延伸。閥芯2920還包括通過上壁3002、垂直于上壁3002延伸的外壁3008和內壁3010形成的外部空腔3006。外壁3008延伸到外斜切表面3012和平行于上壁3002的外部下表面3014。內壁3010垂直于上壁3002延伸到同樣平行于上壁3002的內部下表面3016。內壁3010和上表面3002形成外部空腔3006內的內部空腔3020。內部空腔3020通過內壁3010與外部空腔3006完全分開。
每個第一和第二孔口2950和2952通過從突唇3004延伸的蓋3022部分包圍。部分包圍第一孔口2950的蓋3022從突唇3004延伸到外部斜切表面3012，并且形成為將流過第一孔口2950的液體只引導到內部空腔3012。另一方面，部分包圍第二孔口2952的蓋3022從突唇3004延伸到內部下表面3016，并且形成為將流過第二孔口2952的液體只引導到外部空腔3006。因此，第一孔口2950和內部空腔3020形成第一流動路徑(處理液體)的一部分，并且第二孔口2952和外部空腔3006形成第二流動路徑(未處理液體)的一部分。由于內壁3010，第一和第二空腔3006和3020提供分開和獨立的流動路徑。
再次參考圖29，閥主體2910的空腔2932形成為容納桿2912、彈簧2914、球2916、密封件2918和閥芯2920。閥芯2929還包括閥密封件2954以便防止流動液體從空腔2932泄漏。閥主體2910可通過螺紋連接與殼體2808連接，使得殼體2808將閥芯2920等保持在空腔2932內。在其它實例中，閥主體2910和殼體2808可通過任何其它機構連接。
現在參考圖29和30，外部下部墊片2922和內部下部墊片2924在轉換機構2806和殼體2808之間形成密封。外部下部墊片2922可靠近外部下表面3014定位，并且內部下部墊片2924可靠近內部下表面3016定位。因此，內部下部墊片2924保持第一和第二流動路徑中流動的液體分開，并且外部下部墊片2922防止第二流動路徑中流動的液體逃逸。第一或第二流動路徑中流動的液體流入殼體2808。
殼體2808可由塑料、碳纖維、鋁、鋼或任何其它非多孔材料形成。如圖29所示，殼體2808包括多個模塊，該模塊包括作為過濾器模塊2960的第一隔室、作為發電模塊2962的第二隔室、作為紫外線(UV)輻射劑量模塊2964的第三隔室以及作為電子模塊2966的第四隔室。過濾器模塊2960和紫外線輻射劑量模塊2964靠近定位并且形成殼體2808的大致圓柱形部分。發電模塊2962形成安裝在殼體2808的圓柱形部分上的殼體2808的大致球形部分。在其它實例中，水處理系統2804的構造和/或形狀可以變化，并且在殼體2808中包括或多或少的模塊以便適用于水處理系統2804的功能。
殼體2808還包括可以插入殼體2808的中央部分2970的歧管2968。歧管2968可以是塑料、碳纖維、鋁、鋼或任何其它非多孔材料。在所示實例中，歧管2968在殼體2808的大致圓柱形部分內在過濾器模塊2960和紫外線輻射劑量模塊2964之間靠近發電模塊2962定位。歧管2968包括靠近過濾器模塊2960定位的歧管蓋2972。歧管2968形成第一流動路徑的一部分，并且接收從閥芯2920的內部腔室3020(圖30)流出的液體。歧管2968在過濾器模塊2960、紫外線(UV)輻射劑量模塊2964和發電模塊2962之間引導液流。歧管2968的單件式構造有利地避免了多個軟管、裝配件和連接件，并且使得液體在模塊之間液密流動。因此，可以改善制造效率、維護便利性和可靠性。
圖31是圖29所示示例性歧管2968的透視圖。歧管2968包括形成為容納液流的第一通道3102和第二通道3104。每個第一和第二通道3102和3104形成第一流動路徑(處理液體流動路徑)的一部分。第一通道3102包括第一通道入口3114，并且第二通道3104包括第二通道出口3118。
圖32是圖31所示示例性歧管2968的相對側的透視圖，表示第一通道3102、第二通道3104、第一通道入口3114和第二通道出口3118。大致圓柱形的第一通道3102同心定位以便圍繞大致圓柱形的第二通道3104。歧管內壁3202和歧管分割壁3204限定第一通道3102。分割壁3204還限定第二通道3104，并且保持第一和第二通道3102和3104分開。分割壁3204包括溝槽3206，以便容納歧管蓋2972的一部分(圖29)。歧管內壁3202包括凸脊3208以便通過例如超聲波焊接將歧管蓋2972(圖29)連接到歧管2968上。在其它實例中，歧管蓋2972可通過螺紋連接、卡扣配合、粘接或任何其它連接機構與歧管2968連接。
再次參考圖31，歧管2968還包括噴嘴保持件3106和燈座3124。噴嘴保持件3106構造成接合并且保持與歧管2968連續剛性連接的噴嘴1108。噴嘴1108還形成第一流動路徑的一部分。燈座3124包括多個指形件3126，指形件從歧管2968朝著UV輻射劑量模塊2986向外延伸。指形件3126構造成容納并且支承包括在UV輻射劑量模塊2986(圖29)內的UV光源(未示出)。
同樣包括在歧管2968內的是形成為分別容納第一墊片3132和第二墊片3134的第一凹槽3128和第二凹槽3130。所示歧管2968是大致圓柱形的，并且形成為在殼體2808的大致圓柱形部分內提供液密密封。在歧管2968插入殼體2808的中央部分2970并且定位成接收來自于閥芯3020的液流(圖29)時，液密密封形成在第一和第二墊片3132和3134以及殼體2808的內壁之間。從閥芯2920的內部空腔3020接收到殼體2808內液體可以通過第一通道入口3114引導到第一通道3102。第一通道3102將液流引導到過濾器模塊2960。
如圖29所示，過濾器模塊2960包括布置在過濾器空腔2974內的過濾器2972。過濾器2972可由任何多孔材料形成，以便從流過過濾器2972的液體中去除顆粒等。另外，過濾器2972包括例如活性碳等材料，以便從液流中去除氣味、氯、有機化學物等。整個過濾器2972和/或過濾器2972的各部分可以更換。過濾器模塊2962形成第一液體流動路徑的一部分，并且可以沿著第一液體流動路徑填充流過殼體2808的液體。在所示的示例性構造中，第一液體流動路徑內流動的液體流過過濾器入口管線2976并且充滿圍繞過濾器2972的過濾器空腔2974的部分。液流通過過濾器2972，并且經由過濾器出口管線2978離開過濾器空腔2974到歧管2968。
圖33是過濾器模塊2960、歧管2968和歧管蓋2972的分解透視圖。歧管蓋2972可由塑料、碳纖維、鋁、鋼或可成形以覆蓋第一和第二通道3102和3104的任何其它材料形成。歧管蓋2972包括形成有各自突唇3306的第一蓋通道3302和第二蓋通道3304。第一蓋通道3302的突唇3306形成為延伸到第一通道3102內并且通過缺口3206接收。另外，第一蓋通道3302可形成為接收過濾器入口管線2976，并且使用過濾器墊片3310提供液密連接。第一通道3102內的液流可流過第一蓋通道3302并且進入過濾器入口管線2976。第二蓋通道3304的突唇3306可形成為延伸到第二通道3104內。另外，第二蓋通道3304可形成為接收過濾器出口管線2978，并且使用過濾器墊片3310提供液密連接。通過過濾器出口管線2978的液流可經由第二蓋通道3304通過第二通道3104接收。流過第二通道3104的液體流過第二通道出口3118到UV輻射劑量模塊2964。
再次參考圖29，UV輻射劑量模塊2964包括端蓋2980、觀察口2981和UV輻射劑量系統2982。端蓋2980形成殼體2808的一部分，并且提供UV輻射劑量系統2982的可拆卸進出口。端蓋2980可通過螺紋連接、卡扣或任何其它可拆卸的連接機構與殼體2808的其它部分連接。觀察口2981可以是例如聚碳酸酯的窗口材料，由此可以視覺確認UV輻射劑量系統2982正在操作。
UV輻射劑量系統2982包括UV光源2984、插座2986和反應器容器2988。UV光源2984可以是能夠發出例如紫外線的大約100到大約280納米范圍內的UVC能量的紫外線能量的任何裝置，以便中和存在于流動液體中的例如細菌、藻類等有機微生物。示例性UV光源包括低壓汞式、冷陰極式或發光二極管(LED)式。所示UV光源2984是兩個泡體的UV光源，該光源可通過例如大約三到大約六瓦的交流電流的操作瓦特數連續操作。另外，UV光源2984可開始通過例如大約八到大約十二瓦交流電流的所確定瓦數啟動。UV光源2984通常可以拆卸并且可以與插座2986電連接。在所示實例中，UV光源2984包括插入插座2986內的開口2990以形成電連接的柱(未示出)。
插座2986可通過螺紋連接、粘接、緊固件或任何其它機構同心安裝在殼體2808內。UV光源2984可靠近反應器容器1988與插座2986連接。反應器容器2988可以是對于紫外線能量透明的任何材料，例如Teflon，并且能夠形成用于液流的螺旋成形通道。透明材料使得流過反應器容器2988的液體暴露于UV光源2984產生的紫外線能量下。在所示實例中，反應器容器1988形成有容納UV光源2984的中央空腔。UV光源2984可與反應器容器2988同心安裝并由其圍繞，使得流過反應器容器2988的液體最大程度地暴露于紫外線能量下。UV光源2984與插座2986相對的端部可接合并靜置在參考圖31描述的燈座3124內，以便在反應器容器2988內保持UV光源2984的位置。
圖34是與圖29所示的反應器容器2988連接的歧管2968的透視圖。反應器容器2988包括作為第一流動路徑的一部分的直線區段3402、彎頭3404和螺旋區段2406。雖然未示出，第二通道出口3118(圖31)使用例如摩擦配合的液密連接與直線區段3402連接。直線區段3402是通過螺旋區段3406從反應器容器2988的第一端部3410附近延伸到第二端部3412附近的導管。彎頭3404在直線區段3402和螺旋區段3406之間提供液密連接。
圖35是示例性彎頭3404的透視圖。彎頭3404包括可以由塑料、碳纖維、鋁、鋼或任何其它非多孔材料形成的第一半件3502和第二半件3504。第一和第二半件3502和3504可通過粘接、超聲波焊接或能夠形成液密密封的任何其它連接機構連接。第一半件3502包括大致直線并且形成為接收在反應器容器2988(圖34)的直線區段3402(圖34)內的入口短管3506。入口短管3506限定進入由第一和第二半件3502和3504限定的彎頭空腔3508的通道。以類似于螺旋區段3406的曲率半徑彎曲的出口短管3510同樣通過第一和第二半件3502和3504限定。經由入口短管3506進入彎頭空腔3508的液流可經由出口短管3510離開彎頭空腔3508到反應器容器2988的螺旋區段3406(圖34)。作為選擇，直線區段3402和螺旋區段3406可形成為單個連續通道，并且可以省略彎頭3404。
如圖34所示，螺旋區段3406包括螺旋入口3416和螺旋出口3418。螺旋入口3416形成為接收出口短管3510并且形成液密連接。螺旋出口3418位于靠近直線區段3402的出口的第一端部3410處。因此，液體在相同端部處流入和流出反應器容器2988。螺旋出口3418形成為與噴嘴1108(圖29)連接，并且形成液密密封。圖34還表示與噴嘴保持件3106接合的噴嘴1108和形成為接收UV光源2984的螺旋區段3406內的空腔(圖29)。
參考圖29和34，反應器容器2988形成具有安裝在殼體2808的UV輻射劑量模塊2964內的外直徑以及容納UV光源2984和直線區段3402的內直徑的螺旋。在UV輻射劑量模塊2964內，反應器容器2988可通過反射器(未示出)圍繞，以便朝著螺旋區段3406內的空腔反射UV光源2984發射的UV能量。作為選擇，靠近反應器容器2988的殼體2808的內壁可具有反射表面。當UV光源2984同心定位在螺旋區段3402內時，液體可平行于UV光源2984流過直線區段3402并且圍繞UV光源2984通過螺旋區段3406循環，以便使得液流進行最大程度地暴露于輻射。液體可從第二通道出口3118經由直線區段3402、彎頭3404、螺旋區段3406和螺旋出口3418流到噴嘴1108。由于液體只在反應器容器2988內流動，UV輻射劑量模塊2964保持大致干燥。
來自于螺旋區段3406的液流可進入噴嘴1108并且從噴嘴1108作為液體射流噴出。在進入噴嘴1108的位置處，液流通過過濾器模塊2960過濾，并且通過UV輻射劑量模塊2964以UV能量輻射劑量，而且認為是處理的液體。如這里使用那樣，術語“處理的液體”和“處理的水”指的是進行過濾并且經受UV能量的液體。
如上所述，噴嘴1108增加壓力液體的速度。在第一速度下供應的壓力液體流過噴嘴1108并且在顯著高于第一速度的第二速度下從噴嘴1108排出。噴嘴1108構造成將液流轉換成從噴嘴1108噴出的液體射流。被噴出的液體射流在發電模塊2962中通過噴嘴1108排出。
如圖29所示，發電模塊2962包括所示的水力發電系統。水力發電系統包括噴嘴1108和水力發電機2992。水力發電機2992包括作為內部殼體1104的發電機殼體、對中桿1106和與參考圖11-27描述的實施例類似的漿片1118。因此，將不重復前面描述的水力發電系統的詳細說明。應該注意到類似于前面描述的水力發電系統的實施例的特征和/或部件可包括在發電模塊2962中。
發電模塊2962還包括形成作為通過殼體2808的第一流動路徑(處理液體流動路徑)的一部分的第一液體流動通道的外部殼體2994。外部殼體2994類似于參考圖11-22描述的外部殼體1102和/或類似于參考圖26-27描述的外部殼體2602。提供處理液體的第一出口2816從流過外部殼體2994的液體供應。
發電模塊2962還包括第二液體流動通道。第二液體流動通道是形成第二流動路徑一部分的未處理液體通道2996。第二出口2818可提供從未處理液體通道2996供應的未處理液體。未處理液體通道2996形成有外部殼體2992的外表面和殼體2808的內表面。換言之，未處理液體通道2996用于未處理液體，并且在發電模塊2962內的外部殼體2992的外側分開和獨立地流到第二出口2818。
因此，發電模塊2962供應第一和第二出口2816和2818兩者。形成在外部殼體2992內的第一液體流動通道將未處理液體提供給第一出口2816，并且未處理液體通道2996將未處理液體提供給第二出口2818。第一或第二液體流動通道之一內的液流保持與其它液體流動通道分開和獨立。
圖36是圖28-35所示水處理系統2804的側視圖，其中去除殼體2808的一部分。在操作過程中，在開關2824在第一位置時，壓力液體從水龍頭2802流過閥主體2910到內部空腔2950(圖29)，并且進入第一空腔3020。內部下部墊片2924防止液流泄漏到外部空腔3006內。液流通過殼體2808內的未處理液體通道3602引導到歧管2968的第一通道入口3114。由于擋板3602，沿著殼體2808內的第一流動路徑(處理液體路徑)流動的液體不進入第二流動路徑(未處理液體通道2996)。如上所述，液體流過過濾器模塊2960和反應器容器2988，并且通過噴嘴1108以高速噴射到外部殼體2994內。
液體射流穿過空氣，并且沖擊水力發電機2992。更特別是，液體射流沖擊安裝在內部殼體1104的表面上的漿片1118，以便轉動內部殼體1104。內部殼體1104的轉動產生電能，以便啟動并且保持UV光源2984。作為選擇，儲能裝置3740可與水力發電機結合使用，以便開始啟動并保持UV光源2984的啟動，如隨后描述那樣。在與漿片1118沖擊之后，液體容納在外部殼體2994內，并且流到第一出口2816處，其中對于水處理系統2804的使用者來說液體可以作為處理液體獲得。
當開關2824撥動到第二位置時，來自于水龍頭2802的壓力液體沿著第二流動路徑流過閥主體2910到第二孔口2952(圖30)并且進入外部空腔3006。外部下部墊片2922和內部下部墊片2924防止液流從外部空腔3006泄漏。從外部空腔3006，液體引導到未處理液體通道2996并且接著到第二出口2818。
再次參考圖29，可通過電子模塊2966來提供水處理系統2804的操作、監測和控制。在所示實例中，電子模塊2966可以是形成殼體2808一部分的液密隔室。在其它實例中，電子模塊2966可以是多個較小的隔室、液密隔室和/或提供所述功能的任何其它構造。
圖37是同樣包括UV光源2984和水力發電機2992的電子模塊2966的方框圖。示例性電子模塊2966包括處理器3702、顯示器3704、UV開關3706和電源3708。在其它實例中，可以使用另外或較少的部件，以便描述電子模塊2966的功能。
處理器3702可以是能夠與接收輸入和/或產生輸出相結合進行邏輯和/或指令以便至少指示、監測、控制和操作水處理系統的任何裝置。處理器3702可包括例如存儲裝置的存儲器，以便存儲指令和數據。儲存器可包括易失性或非易失性存儲裝置。另外，處理器3702可包括信號轉換能力，例如模擬和數字轉換能力。處理器3702還可包括傳遞和接收電信號的信號輸入/輸出能力以及傳遞和接收數據和/或指令的外部通訊口。
水力發電系統所產生的電能的監測、指示、控制和分配可通過處理器3702來進行。水力發電機2992的監測包括接收每分鐘轉數(RPM)、功率輸出、溫度和/或與水力發電機2992相關的任何其它操作參數。在所示實例中，處理器3702在功率輸出線3712上接收表示水力發電機2992的功率輸出的信號。根據由水力發電機2922產生的交流電流(AC)的頻率，處理器3702可確定水力發電機2922的RPM。RPM(AC電能)還可通過處理器3702使用，以便確定流過第一流動路徑(處理液體流動路徑)的流速。因此，可以通過處理器3702跟蹤和記錄過濾器壽命、UV光源壽命、總加侖數或任何其它使用相關的參數。
作為選擇，電子模塊2996還包括例如UV傳感器、級A傳感器、流量傳感器等一個或多個傳感器3714。傳感器3714可通過處理器3702在傳感器監測線3716上監測，以便確定例如UV光源是否操作、流過系統的液體接收的UV輻射劑量、流動容積和速度等。作為選擇，處理器3702可在存儲器內存儲輻射劑量曲線的預定表格。根據供應到UV光源2984的電能大小和液流暴露于UV能量的時間長度，燈輻射劑量曲線可提供UV能量的足夠輻射劑量。
使用該表格和水力發電機2992的功率輸出，處理器3702可確定UV光源2984進行輻射所需的工作時間量。如這里使用那樣，術語“輻射劑量”指的是需要滿意地凈化以測量流速流過反應器腔室2988(圖29)的液流的UV能量輸出量。通過具有這種信息表格以及知道當前水力發電機2992的功率輸出大小，微處理器3702可確定燈到達所需輻射劑量的所需工作時間。應該認識到UV光源的“工作時間”指的是沖擊電弧并離子化氣體以獲得釋放UV能量(開始光輸出(ILO))的等離子體所需的時間周期。
系統狀態指示器還可通過處理器3702驅動。顯示器3704可以是任何形式的視覺和/或音頻指示器，例如發光二極管(LED)、液晶顯示器(LCD)、光指示器、壓電器件、信號器燈。顯示器3704可在電子模塊2996上/內。作為選擇，顯示器3704可容易看到的位置上在殼體2808(圖29)上/內定位在其它地方，例如在殼體2808的大致球形部分上/內(圖29)。通過處理器3702經由顯示器3704驅動的視覺和/或音頻指示器可指示UV光源2984的剩余壽命(使用)、過濾器2972的剩余壽命(使用)、是否和何時UV光源2984到達輻射劑量、是否缺少電能驅動UV光源2984、系統缺省值、系統操作、液體流速或任何其它系統和/或操作指示/狀態。處理器3702可在顯示線3718上提供信號來驅動顯示器3704。
通過處理器3702進行控制可包括UV光源2984的起動和操作控制。如上所述，UV光源2984可開始通過水力發電機2992產生的電能啟動并且隨后連續驅動。處理器3702可監測水力發電機2922的RPM和/或功率輸出，并且在RPM和/或功率輸出在所確定范圍內時啟動UV光源2984。應該理解到水力發電機的RPM及其產生的功率輸出是相關的。因此，當RPM增加時，功率輸出相應增加，并且當RPM減小時，功率輸出相應減小。功率輸出的所確定范圍可以進行選擇，以便減小UV光源2984的工作時間。換言之，UV光源2984到達輻射劑量所需的起動時間可通過處理器3702減小。起動時間可通過在最佳操作狀態下有選擇地驅動UV光源2984經由處理器減小，例如在水力發電機的RPM在所確定范圍內時。起動時間的減小可提供水處理系統的所需“瞬時接通”能力。瞬時接通能力可減小流過第一流動路徑的未處理液體量。
UV光源2984的起動時間還可根據UV光源2984的構造有利地減小。與可以有利地構造的UV光源2984構造相關的參數包括UV光源2984的細絲尺寸、UV光源2984內的氣體混合物和任選預熱控制器3720的施加。
UV光源2984的高能起動以沖擊電弧可將UV光源2984內的等離子體升高到熱離子溫度。使得UV光源2984提供的UV能量的穩定性和持久性最大的熱離子溫度是需要的。過低的熱離子溫度可造成高能起動形成的等離子體不穩定。另一方面，如果熱離子溫度過高，可使得反應退化。
對于UV光源2984來說可以研究等離子體熱離子溫度的范圍。為了獲得所確定范圍內的等離子體熱離子溫度，所確定范圍的起動電壓(以及RPM)可以在處理器3702的方向上施加在UV光源2984上。等離子體熱離子溫度的所確定范圍可在簡單形成等離子體而不考慮其穩定性所需的等離子體熱離子溫度以上。由于等離子體熱離子溫度需要較高，以便位于所確定范圍內，所確定范圍的起動電壓同樣在幅值上較大。UV光源2984內細絲可相應設置相對大的尺寸，以便適應位于所需熱離子溫度范圍內所需的起動電壓幅值。因此，在處理器3702的方向上由水力發電機2992供應的起動電壓可以在幅值上較大，而沒有不利影響，并且起動時間可以減小。
為了使得形成等離子體的反應的熱離子溫度最大，在UV光源2984中可以使用氖和氬的所確定混合物。例如，該混合物可以在高達大約5％的氖以及余量為氬的范圍內。作為選擇，氖的范圍可以在大約5％到大約15％。在另一選擇中，氖可以是大約25％或更少，并且氬可以是大約75％或更少。
由于水力發電機2992產生的電能可用來沖擊電弧并使得氣體離子化以產生所需溫度范圍內的反應的所需熱離子溫度，可以使用最糟情況的液體流速和液體溫度來確定所產生的電能以及熱離子溫度。一旦確定最佳熱離子溫度范圍，處理器3702可監測水力發電機2992的參數，以便只在氣體離子化時熱離子溫度在最佳熱離子溫度范圍時驅動UV光源2984。
UV開關3706可通過處理器3702控制，以便控制從水力發電機2992到UV光源2984的電能供應。UV開關3706可以是繼電器、FET或可以通過處理器3702驅動的某種其它的轉換機構。處理器3702可通過作為啟動線3722上的輸出信號提供的啟動信號指導UV開關3706。UV開關3706可從水力發電機2992在高壓電源線2724上接收電能，并且在啟動時在電源線3726上將水力發電機2922產生的電能傳遞到UV光源2984上。
UV輻射劑量系統2988(圖34)和水力發電機2922還可設計成“負載匹配”，以便在多種液流條件下將足夠的輻射劑量提供給液流。可以確定液體流速變化時水力發電機2992的電壓輸出變化。另外，還可確定由于水力發電機2992的波動電壓(RPM)造成的UV光源2984的UV能量輸出中的變化。根據這些確定，水力發電機2992和UV光源2984可設計成輔助匹配，以便在任何流速條件下在液體流速的所需范圍內提供足夠的輻射劑量。另外，UV輻射劑量系統2988的例如直線區段3402和螺旋區段3406的其它方面(圖34)可設計成在變化的流速下提供足夠的輻射劑量。
預熱控制器3718可以是例如與UV光源2984連接的輝光泡體的機械控制器。在氣體開始離子化時，輝光泡體可短路UV光源2984內的細絲。一旦離子化完成并且UV光源2984內的反應達到熱離子溫度的所需范圍，輝光泡體可去除短路。作為選擇，可控硅元件或熱電偶可進行類似的功能。在另一選擇中，預熱控制器3718可以是通過處理器3702控制的例如舌簧繼電器或三端雙向可控硅開關的短路開關。處理器3702可有選擇地激勵并且斷電短路開關，以便減小UV光源984到達輻射劑量的工作時間。預熱控制器3718的激勵和斷電可通過預熱線3728上的來自于處理器3702信號來啟動。
電源3708可利用水力發電機的輸出功率來提供調節的DC控制電壓，以便供應處理器3702。一旦水力發電機2992開始轉動，調節DC控制電壓可在DC控制線3730上供應到處理器3702上。因此，處理器3702可開始激勵并且大致在水力發電機2992開始轉動的同時開始監測水力發電機2992的功率輸出。
水力發電機2992可在高壓模式下作為高壓發電機操作，或者在低壓模式下作為低壓發電機操作。例如，在高壓模式下，水力發電機2992可包括構造成產生高壓功率輸出以便為UV光源2984供電的線圈。作為選擇，在低壓模式下，水力發電機2992可包括構造成產生低壓功率輸出以便為UV光源2984供電的線圈。
如這里使用那樣，術語“高壓模式”指的是由水力發電機2992產生的足夠大以直接起動并操作UV光源2984的任何幅值的操作電壓。例如，高壓模式可提供大約300-400V AC的開始激勵電壓(在水力發電機2992上沒有負載時的起動電壓)以及一旦完成起動保持UV光源2984激勵的大約20-40V AC。術語“低壓模式”指的是由水力發電機2992產生的由鎮流器使用以起動并操作UV光源2984的任何幅值的操作電壓，如說明描述那樣。例如，水力發電機可在低壓模式下提供大約6-20VAC。在其它實例中，其它電壓模式和構造可用于水力發電機2992以便起動和操作UV光源2984。
如果水力發電機2992在高壓模式下操作，高壓功率輸出可在高壓功率線3724上供應到UV開關上。另外，水力發電機2992可包括構造成提供低壓功率輸出以便在AC輸出線3732上供應電源3708的線圈。供應到UV開關3706上的相對高壓的AC功率可通過處理器3702直接使用，以便在具有最佳操作條件時沖擊UV光源2984內的電弧。
如果水力發電機2992在低壓模式下操作以產生相對低壓的功率輸出，從而供應UV光源2984，電子模塊2966可包括鎮流器3730。鎮流器3730可在UV開關3706和UV光源2984之間連接在電源線3726內。UV開關3706還可與電源3708連接。在此構造中，根據來自于在低壓模式下操作的水力發電機2992的功率供應，UV開關3706可通過電壓3708在整流的未調節DC電壓下供應，例如大約3-12VDC。整流的DC電壓可在DC電壓供應線3734上供應。在達到最佳操作條件時通過處理器激勵UV開關3706的情況下，整流的DC電壓可通過鎮流器3730轉換回到AC電能，并且供應到UV光源2984。
在通過高壓模式下操作的水力發電機2992起動時，UV光源2984如上所述利用最小電流和高壓。在離子化期間，UV光源2984的阻抗從例如1兆歐的相對高的阻抗變化到例如100歐姆的相對低的阻抗。使用水力發電機2992作為直流電源有利地提供可以構造成與UV光源2984的變化阻抗相互協作的電源。
高壓模式下操作的水力發電機2992可設計成提供確定的起動電壓以便開始直接激勵UV光源2984。確定的起動電壓可以在如下所述的電壓范圍內，即該電壓范圍是使用最糟情況下所預計的液體流速和溫度來預料水力發電機2992在沒有負載的條件下的第一RPM以及起動電壓、輸出而設計在水力發電機2922內。處理器3702可在UV光源只在水力發電機2992的RPM在能夠提供所確定的起動電壓的所確定范圍內時激勵UV光源。另外，水力發電機2992可構造成提供一個運行電壓，該運行電壓在開始激勵之后通過對于最糟情況下所預計液體流速和溫度的相應第二RPM進行設計來保持UV光源2984的激勵。
可在高壓模式下操作的水力發電機2992還可通過飛輪效應設計，以便大致保持第一RPM以及起動電壓長達所確定的時間周期，該時間周期足夠長以完成UV光源2984的開始激勵。大致保持第一RPM使得水力發電機2992在負載條件下供應足夠的電能，以便沖擊電弧并在熱離子溫度的所需范圍內使得UV光源2984內的氣體離子化。所確定的時間周期可以例如是800微秒。處理器3702可監測水力發電機2992的飛輪效應(起動電壓)并且調節RPM的所確定范圍，從而實現所確定的時間周期。因此，處理器3702可連續調節最佳時間，以便開始激勵UV光源2984，從而減小UV光源2984的隨后起動。由于UV光源2984的連續負載，水力發電機2992的RPM可接著減小，以便提供保持UV光源2984激勵所需的操作電壓幅值。
在水力發電機2992在低壓模式下操作時，處理器3702可再次確定最佳時間，使得UV開關3706開始激勵UV光源2984。對于所確定范圍來說，處理器3702可監測水力發電機2992的RPM(或電壓)。在到達所確定范圍時，UV開關3706可提供DC電壓到鎮流器3730上，以便沖擊UV光源2984內的電弧。由于所確定的范圍，鎮流器3730可提供能夠在熱離子溫度的所需范圍內沖擊UV光源2984內的電弧的電壓幅值。
在高壓或低壓模式下操作的水力發電機2992可以通過處理器3702的控制與UV光源2984有效地“阻抗匹配”。處理器3702可監測水力發電機2992的RPM并且有選擇地激勵UV開關3706，以便在RPM達到所確定的范圍以減小起動時為UV光源2984供電。通過在從水力發電機2992提供足夠的電能時只沖擊UV光源2984內的電弧，UV光源2984的壽命可以最大化。另外，UV光源2984內的所得等離子體可在所需范圍的熱離子溫度內，所需范圍的熱離子溫度使得所產生的UV能量的穩定性最大并且變化最小。
在任一模式下，電弧的沖擊可略微延遲，而處理器3802等待RPM(或電壓)達到所需范圍。延遲可以是由于將水力發電機2992的轉動慣量變化到所需RPM范圍所需的時間。延遲可在水力發電機2992緩慢升高到完全速度的同時有利地避免從水力發電機2992抽取能量。因此，可以實現UV光源2984的快速和有效的起動，使得離子化氣體的穩定性最大。
電子模塊2966還可包括任選的存儲裝置3740和充電/放電控制器3742。存儲裝置2740可以是電容器、電池、或能夠存儲和放電的任何其它的儲能機構。充電/放電控制器3742可以是任何形式的轉換機構，例如能夠有選擇地傳導電能的繼電器或FET。處理器3702可通過充電/放電線3744上的信號來控制充電/放電控制器3742。充電/放電控制器3742還可通過儲能線3746與存儲裝置3740連接，并且通過儲能線3748與電源3708連接。
存儲裝置3740可以通過處理器3702使用，以便在水力發電機2992沒有產生電能時將電能供應到水處理系統。另外，存儲裝置3740可通過處理器3702使用，以便滿足超過水力發電機2992的當前功率輸出的功率需求。例如，如果由于水力發電機2992的RPM不足，處理器3702不能啟動UV光源2984，處理器3702可使得充電/放電控制器從存儲裝置3740的電能補充所得電能，并且接著使得UV開關3706啟動UV光源2984。在水力發電機2992產生足夠量的電能以將電能存儲在存儲裝置3740內時，處理器3702還可有選擇地啟動充電/放電控制器2984。
在又一實例中，處理器3702可通過來自于存儲裝置3740的電能開始激勵UV光源2984。在處理器3702監測到水力發電機2992轉動時，處理器3702可啟動UV開關3706。換言之，當處理器3702監測到沿著第一流動路徑的液流時。水力發電機2992的RPM(或電壓)可接著通過處理器3702監測，直到達到能夠保持UV光源2984激勵的所確定范圍為止。處理器3702可接著通過同步開關(未示出)將來自于存儲裝置3740的電能供應轉換到水力發電機。存儲裝置3740可接著通過水力發電機產生的電能充電。因此，水處理系統可包括用于UV光源2984的瞬時接通能力，并且可以自供電。包括存儲裝置3740的選擇還可以低成本和方便的方式在例如某些第三世界國家的液體壓力條件下提供處理液體。
圖38-39是表示前面參考圖28-37描述的水處理系統2804操作的示例性操作流程圖。在所示的示例性操作中，假設水處理系統2804已經進行操作并且保持有液體。在液流進入轉換機構2806時，操作在圖38的方框3802處開始。在方框3804，如果水處理系統2804的使用者選擇通過撥動開關2824來接收處理液流時，液體沿著第一流動路徑流過轉換機構2806并且接著進入殼體2808。在方框3806，存在于第一流動路徑內的液體開始流動。由于前面使用的水處理系統2804，保持已經存在的液體。
在方框3808，前面存在的液體在水力發電機2992處以高速噴出射流的方式噴射，并且水力發電機2992開始轉動。在方框2810，水力發電機2992開始產生電能。在方框3812，電能激勵處理器3702。在方框3814，處理器3702監測水力發電機2992的輸出功率以便確定是否達到RPM的所確定范圍。如果達到RPM的范圍，處理器3702啟動UV開關3706，以便在方框3816激勵UV光源2984。
如果在方框3814處，RPM沒有在所確定的范圍內，處理器3702監測液流量，并且在方框3820確定液流是否超過所確定的量。所確定液流量可以是已經通過UV能量輻射的存在于反應器容器2988內的當前存在的液體量。如果超過所確定的液流量，在方框3822，處理器3702可提供液流沒有充分處理的報警或其它指示。
現在參考圖39，在方框3824，處理器3702確定是否超過例如三秒的所確定的時間周期。如果沒有超過所確定的時間周期，操作返回到方框3814，以便監測所確定的RPM范圍。如果超過了時間周期，在方框3826，處理器3702可通過顯示器3704產生報警，指示所得到的電能不足以起動UV光源2984，并且操作返回到方框3814(圖38)。作為選擇，處理器3702可起動存儲裝置3740(如果有的話)，以便如上所述提供另外的電能。
一旦UV光源在方框3817(圖38)激勵，處理器3702在方框3832監測并跟蹤流量、過濾器壽命(使用)、UV光源壽命(使用)等。如果存儲裝置3740用來起動UV光源2984，處理器3702還可進行監測，以便根據所確定的RPM范圍，確定何時由存儲裝置3740供應電能轉換到由水力發電機2992供應電能。在方框3834，處理器3702可利用表格來確定是否液體經過足夠輻射劑量的UV能量。作為選擇，傳感器3714可通過處理器3702監測，以便進行確定。如果液體已經進過足夠的輻射劑量，在方框3836，處理器3702經由顯示器3704指示使用者液體進行處理。如果液體沒有經過足夠的輻射劑量，在方框3838，處理器3702可在顯示器3704上產生報警。
在方框3840，進入轉換機構2806的液流進入歧管2968并且沿著第一流動路徑引導到過濾器2972。液體在方框3842過濾。在方框3844，過濾的液流返回歧管2968，并且沿著第一流動路徑引導到反應器容器2988。在方框3846，過濾液流在反應器容器2988內暴露于UV能量下。在方框3848，輻射后的液流再次返回到歧管2968，并且通過噴嘴1108沿著第一流動路徑引到。液流在水力發電機2992處通過噴嘴1108以液體射流形式噴出，并且在方框2850，沿著第一流動路徑引導離開第一出口2816。
再次參考圖38，在方框3802，如果使用者選擇為處理液體，在方框2854，液體沿著第二流動路徑流過轉換機構2806。在方框3856，液流進入殼體，并且沿著第二流動路徑流過未處理液體通道2996。在方框3858，在第二出口2818處提供未處理的液流。
當使用者停止液流，處理器3702可保持足夠的維持電能以便在非易失性存儲器內直接存儲操作和使用數據。作為選擇，存儲裝置3740可為處理器3702供電。在數據存儲完成之后，處理器3702可斷電，并且關閉水處理系統。
前面描述的小型水處理系統通過提供備用電源的小型水力發電系統自供電。可使用通過小型水處理系統處理的液流產生電能。小型水處理系統可安裝在水龍頭的端部處。流過小型水處理系統的液體可進行選擇，以便流過提供處理液體的第一流動路徑，或者流過提供未處理液體的第二流動路徑。流過第一流動路徑的液體可過濾、經過UV能量并且以射流形式噴出以便高速轉動水力發電機。水力發電機的轉動產生電能，該電能用來開始激勵包括在小型水處理系統中的處理器。處理器控制UV光源的激勵以及在小型水處理系統中進行監測和控制。
雖然參照具體的示例性實施例描述了本發明，但顯然對這些實施例可以進行各種不同的變型和改變而并不背離本發明的精神和范圍。附屬權利要求包括所有的等價物，并用來限定本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種液體處理系統，包括殼體，殼體包括構造成與流過殼體的液流流體連通的第一隔室和第二隔室以及構造成保持大致干燥的第三隔室；過濾器，布置在第一隔室內，其中過濾器構造成從流過第一隔室的液流中去除顆粒；紫外線輻射劑量系統，布置在第三隔室內，其中紫外線輻射劑量系統構造成凈化液流；水力發電系統，構造成在第二隔室內操作，其中水力發電系統包括噴嘴，并且構造成產生電能，以響應液體作為液體射流從噴嘴噴入第二隔室；以及唯一一個歧管，布置在第一和第二隔室之間，歧管包括接合噴嘴的噴嘴保持件以及形成在歧管內以便將液流引導到第一和第二隔室的多個分開的通道。
2.如權利要求1所述的液體處理系統，其特征在于，歧管包括構造成將液流引導到過濾器的第一通道和構造成在過濾器和紫外線輻射劑量系統之間引導液流的第二通道。
3.如權利要求1所述的液體處理系統，其特征在于，殼體構造成安裝在水龍頭的端部處。
4.如權利要求1所述的液體處理系統，其特征在于，紫外線輻射劑量系統包括反應器容器和紫外線光源，反應器容器包括定位在反應器容器一端處以便分別與歧管和噴嘴連接的入口和出口。
5.如權利要求4所述的液體處理系統，其特征在于，紫外線輻射劑量系統還包括與UV光源連接的插座，并且歧管包括與紫外線光源的與插座相對的端部接合的燈座。
6.如權利要求4所述的液體處理系統，其特征在于，反應器容器包括直管、螺旋管和彎頭，直管包括入口并延伸通過螺旋管，以便在反應器容器的相對端處與彎頭連接，彎頭與螺旋管連接，其中螺旋管包括出口。
7.如權利要求1所述的液體處理系統，其特征在于，殼體包括圓柱形部分，并且過濾器、紫外線輻射劑量系統和歧管在圓柱形部分內同心定位，使得歧管定位在過濾器和紫外線輻射劑量系統之間。
8.如權利要求1所述的液體處理系統，其特征在于，殼體包括圓柱形部分和球形部分，過濾器、紫外線輻射劑量系統和歧管定位在圓柱形部分內，并且水力發電系統布置在球形部分內。
9.如權利要求1所述的液體處理系統，其特征在于，還包括構造成可拆卸地將殼體與水龍頭的端部連接并可以選擇液體從殼體的處理和未處理液流之一的轉換機構。
10.如權利要求1所述的液體處理系統，其特征在于，過濾器包括活性碳。
11.一種液體處理系統，包括殼體，構造成安裝在水龍頭的端部處；過濾器，布置在殼體內，以便從流過殼體的液流中去除顆粒；紫外線光源，布置在殼體內，以便凈化液流；以及水力發電機，布置在殼體內并構造成通過液流轉動，以便產生用于紫外線光源的電能。
12.如權利要求11所述的液體處理系統，其特征在于，還包括處理器，處理器構造成只在水力發電機的轉動速度在所確定范圍內時通過水力發電機產生的電能激勵紫外線光源。
13.如權利要求12所述的液體處理系統，其特征在于，所確定范圍是能夠在熱離子溫度的所需范圍內開始激勵紫外線光源的范圍。
14.如權利要求11所述的液體處理系統，其特征在于，還包括噴嘴以及布置在殼體內的唯一一個歧管，歧管包括構造成將液流引導到過濾器的第一通道、構造成將液流從過濾器引導到紫外線光源的第二通道以及構造成接合噴嘴的噴嘴保持件，噴嘴構造成將液流作為液體射流從紫外線光源引導到水力發電機，以便產生轉動。
15.如權利要求11所述的液體處理系統，其特征在于，紫外線光源包括高達大約25％的氖氣和高達大約75％的氬氣。
16.如權利要求11所述的液體處理系統，其特征在于，還包括布置在殼體內的噴嘴，噴嘴構造成由液流產生液體噴出射流，液體噴出射流可引導到水力發電機，以便產生轉動。
17.如權利要求16所述的液體處理系統，其特征在于，水力發電機包括具有垂直于發電機殼體的外表面安裝的多個漿片的發電機殼體和延伸通過發電機殼體的對中桿，其中發電機殼體圍繞對中桿轉動，以響應漿片接收到液體噴出射流。
18.如權利要求11所述的液體處理系統，其特征在于，水力發電機包括轉子和定子，轉子是與發電機殼體連接的永磁體，并且定子不可轉動地安裝在對中桿上。
19.如權利要求12所述的液體處理系統，其特征在于，還包括開關，其中只有開關連接在水力發電機和UV光源之間，并且開關構造成通過處理器啟動，以便將電能從水力發電機直接供應到UV光源。
20.如權利要求12所述的液體處理系統，其特征在于，還包括開關和鎮流器，其中開關連接在水力發電機和鎮流器之間，并且鎮流器與紫外線光源連接，其中開關構造成通過處理器啟動，以便將電能從水力發電機供應到紫外線光源。
21.如權利要求11所述的液體處理系統，其特征在于，過濾器包括活性碳。
22.一種水處理系統，包括提供處理液體的第一液體流動路徑，和提供未處理液體的第二液體流動路徑；過濾器，構造成第一液體流動路徑的一部分；紫外線輻射劑量系統，構造成第一液體流動路徑的一部分；發電模塊，構造成包括作為第一液體流動路徑一部分的第一通道和作為第二液體流動路徑一部分的第二通道；其中電能只在液體流過第一液體流動路徑時通過用于紫外線輻射劑量系統的發電模塊產生。
23.如權利要求22所述的液體處理系統，其特征在于，還包括從第一液體流動路徑排出處理液體的第一出口和從獨立于第一出口的第二液體流動路徑排出未處理液體的第二出口。
24.如權利要求22所述的液體處理系統，其特征在于，還包括處理器，處理器構造成監測由發電模塊產生的電能，處理器構造成作為所產生的電能的函數來確定流過第一液體流動路徑的液體流速。
25.如權利要求22所述的液體處理系統，其特征在于，發電模塊包括噴嘴和水力發電機，其中水力發電機可轉動布置在第一液體流動路徑內，以響應第一液體流動路徑中的液流作為液體射流從噴嘴噴出。
26.如權利要求22所述的液體處理系統，其特征在于，發電模塊包括水力發電機，水力發電機可轉動地布置在第一液體流動路徑內，并且處理器構造成作為所產生的電能的函數來確定水力發電機的轉動速度并且在水力發電機的轉動速度在所確定范圍內時通過電能激勵紫外線輻射劑量系統。
27.如權利要求22所述的液體處理系統，其特征在于，處理器構造成作為所產生的電能的函數來跟蹤過濾器和紫外線輻射劑量系統的使用。
28.如權利要求22所述的液體處理系統，其特征在于，發電模塊包括布置在第一通道內的轉子和定子，轉子可圍繞定子轉動，以便產生電能，以響應第一通道內液體射流。
29.如權利要求22所述的液體處理系統，其特征在于，還包括轉換機構，轉換機構構造成在第一和第二液體流動路徑之間撥動。
30.如權利要求22所述的液體處理系統，其特征在于，第一通道形成在包括在發電機模塊內的外部殼體內，并且第二通道形成在外部殼體外部。
31.如權利要求22所述的液體處理系統，其特征在于，還包括桿和閥芯，閥芯具有形成第一液體流動路徑一部分的第一空腔以及形成第二液體流動路徑的一部分的第二空腔，其中第一和第二空腔是可通過桿選擇的分開和獨立的液體流動路徑。
32.如權利要求22所述的液體處理系統，其特征在于，過濾器包括活性碳。
33.一種液體處理系統，包括唯一單件式構造的歧管，形成為包括第一通道；過濾器，構造成過濾通過第一通道提供的液流；該歧管形成為包括第二通道，第二通道構造成引導已經從過濾器過濾的液流；紫外線輻射劑量系統，構造成從第二通道直接接收液流并且凈化液流；該歧管包括接合安裝在歧管上的噴嘴的噴嘴保持件，噴嘴構造成從紫外線輻射劑量系統直接接收凈化的液流，并且將液流作為液體噴出射流噴射；以及水力發電機，構造成轉動，以響應與液體射流接觸，并且產生電能，以便供應紫外線輻射劑量系統。
34.如權利要求33所述的液體處理系統，其特征在于，過濾器和紫外線輻射劑量系統同心定位在歧管的相對側上。
35.如權利要求33所述的液體處理系統，其特征在于，水力發電機包括對中桿和圍繞對中桿轉動的發電機殼體。
36.如權利要求35所述的液體處理系統，其特征在于，殼體包括大致垂直于殼體表面向外延伸的多個漿片，漿片構造成通過液體噴出射流沖擊，以便產生轉動。
37.如權利要求33所述的液體處理系統，其特征在于，過濾器包括活性碳。
38.一種通過液體處理系統處理液體的方法，該方法包括開始液體流過液體處理系統；過濾液流；通過液流轉動水力發電機，以便產生電能；監測電能以便確定水力發電機的每分鐘轉數；只在水力發電機的每分鐘轉數進入所確定范圍時，通過水力發電機產生的電能激勵紫外線光源；以及將液流經過由紫外線光源產生的紫外線能量。
39.如權利要求38所述的方法，其特征在于，還包括作為電能和紫外線光源激勵的函數，指示何時液流接收足夠輻射劑量。
40.如權利要求38所述的方法，其特征在于，紫外線光源的激勵包括從水力發電機將作為交流電流的電能直接供應到紫外線光源，而沒有鎮流器。
41.如權利要求38所述的方法，其特征在于，紫外線光源的激勵包括將來自于水力發電機的電能作為直流電電能供應到構造成激勵紫外線光源的鎮流器。
42.如權利要求38所述的方法，其特征在于，紫外線光源的激勵包括將包括在紫外線光源內的氣體的熱離子溫度升高到所確定的熱離子溫度范圍內。
43.如權利要求38所述的方法，其特征在于，監測電能包括通過水力發電機產生的電能激勵處理器以便監測電能。
44.如權利要求38所述的方法，其特征在于，監測電能包括作為電能的函數來跟蹤過濾器的使用以及紫外線光源的使用。
45.如權利要求38所述的方法，其特征在于，轉動水力發電機包括圍繞安裝在延伸通過殼體的固定對中桿上的定子來同心地轉動在殼體內壁上包括永磁體的殼體。
全文摘要
可以自供電的液體處理系統(2804)包括在第一流動路徑上的過濾器(2972)、紫外線光源(2984)和水力發電機(2992)。第一流動路徑可在液體處理系統(2804)的第一出口(2816)處提供處理的液體。包括在液體處理系統中的第二流動路徑(2996)可在液體處理系統(2804)的第二出口(2818)處提供未處理的液體。第一和第二流動路徑可包括在殼體(2808)中，并且可通過液體處理系統(2804)的使用者用轉換系統來選擇。殼體(2808)可安裝在水龍頭(2802)的端部。水力發電機(2992)可產生用于紫外線光源(2584)和處理器的電能。處理器可監測電能并且在水力發電機的轉動速度到達預定范圍時為紫外線光源供電。
文檔編號F03B13/00GK1890185SQ200480036659
公開日2007年1月3日 申請日期2004年1月17日 優先權日2003年10月9日
發明者D·W·巴曼, T·勒皮恩, T·L·勞珍黑賽爾, C·B·霍頓, S·J·麥菲利亞米 申請人:捷通國際有限公司