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図面 (17)

課題

動翼回転力を与えない無駄な流れを抑制し、発電効率を向上させた水栓用発電機を提供する。

解決手段

給水流路に対して略平行な中心軸と、周面に複数の動翼羽根部を有し中心軸のまわりに回転可能に給水流路に設けられる動翼と、動翼に対して間隙を隔てて動翼の上流側に設けられ動翼に旋回流を与える複数の静翼羽根部を周面に有する予旋回静翼と、動翼と一体に回転可能なマグネットと、マグネットに対向するコイルと、を備え、静翼羽根部間に形成される静翼流路の中心よりも、動翼羽根部間に形成される動翼流路の中心の方が径外方向に位置している。

概要

背景

従来より、蛇口の下に手を差し出すことによって、これをセンサ感知し、蛇口から水を自動的に吐水する自動水栓装置が知られている。また、そのような自動水栓装置の流路小型発電機を配設し、この発電機で得られた電力蓄電しておき、上述のセンサ等の回路の電力を補う装置も知られている。

例えば、特許文献1には、流体流通する流路に、羽根部を有する軸流式の水車を設けた発電装置が開示されている。水車の羽根部の外周側には、略円筒状マグネットが固定され、このマグネットの下流側にマグネットの回転により起電力を発生するコイルが配設されている。水車の上流側には、水車にあてる水流流速を高めるとともに、その水流が水車の軸方向に対して旋回するようにする噴流口が形成され、その噴流口を流れた旋回流は、水車の羽根部とマグネット内周面との間の空間を流れて、水車に回転力を与える。

しかし、特許文献1では、噴流口の出口幅と、水車への流入口幅とが略等しく、遠心方向径外方向)への成分を多く持った旋回流が水車に流入する際、マグネット内周面に衝突することによる圧力損失や、マグネットの外周側を流れる水流の割合が高くなり水車を流れる流量が低減することなどにより、水力エネルギーから回転エネルギーへの変換効率が悪く、発電効率の向上が期待できない。
特開2004−336982号公報

概要

動翼に回転力を与えない無駄な流れを抑制し、発電効率を向上させた水栓用発電機を提供する。給水流路に対して略平行な中心軸と、周面に複数の動翼羽根部を有し中心軸のまわりに回転可能に給水流路に設けられる動翼と、動翼に対して間隙を隔てて動翼の上流側に設けられ動翼に旋回流を与える複数の静翼羽根部を周面に有する予旋回静翼と、動翼と一体に回転可能なマグネットと、マグネットに対向するコイルと、を備え、静翼羽根部間に形成される静翼流路の中心よりも、動翼羽根部間に形成される動翼流路の中心の方が径外方向に位置している。

目的

本発明は、動翼に回転力を与えない無駄な流れを抑制し、発電効率を向上させた水栓用発電機を提供する。

効果

実績

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請求項1

給水流路に対して略平行な中心軸と、周面に複数の動翼羽根部を有し、前記中心軸のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられる動翼と、前記動翼に対して間隙を隔てて前記動翼の上流側に設けられ、前記動翼に旋回流を与える複数の静翼羽根部を周面に有する予旋回静翼と、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、前記マグネットに対向するコイルと、を備え、前記静翼羽根部間に形成される静翼流路の中心よりも、前記動翼羽根部間に形成される動翼流路の中心の方が径外方向に位置していることを特徴とする水栓用発電機

請求項2

前記動翼羽根部が前記静翼羽根部よりも径外方向に突出していることを特徴とする請求項1記載の水栓用発電機。

請求項3

水栓装置水栓金具と、前記水栓装置の上流側に設けられた止水栓との間を接続する流路に設けられ、発電した電力を前記水栓装置の開閉動作以外に供給可能であることを特徴とする請求項1または2に記載の水栓用発電機。

請求項4

水栓装置の水栓金具内に設けられ、発電した電力で前記水栓装置を開閉することを特徴とする請求項1または2に記載の水栓用発電機。

請求項5

前記静翼羽根部の外周部は、前記動翼羽根部の内周部より径外方向に突出していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の水栓用発電機。

請求項6

前記動翼流路の入口幅が、前記静翼流路の出口幅より大であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の水栓用発電機。

請求項7

前記動翼流路の入口幅が、前記静翼流路の出口幅の1.5倍以上2.5倍以下であることを特徴とする請求項6記載の水栓用発電機。

請求項8

前記マグネットは、前記動翼流路を囲むように前記動翼羽根部に固定された筒状を呈し、前記コイルは、前記マグネットの上流側端面及び下流側端面の少なくともいずれかに対向して配置されたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の水栓用発電機。

技術分野

0001

本発明は、給水の流れを利用して発電する水栓用発電機に関する。

背景技術

0002

従来より、蛇口の下に手を差し出すことによって、これをセンサ感知し、蛇口から水を自動的に吐水する自動水栓装置が知られている。また、そのような自動水栓装置の流路小型発電機を配設し、この発電機で得られた電力蓄電しておき、上述のセンサ等の回路の電力を補う装置も知られている。

0003

例えば、特許文献1には、流体流通する流路に、羽根部を有する軸流式の水車を設けた発電装置が開示されている。水車の羽根部の外周側には、略円筒状マグネットが固定され、このマグネットの下流側にマグネットの回転により起電力を発生するコイルが配設されている。水車の上流側には、水車にあてる水流流速を高めるとともに、その水流が水車の軸方向に対して旋回するようにする噴流口が形成され、その噴流口を流れた旋回流は、水車の羽根部とマグネット内周面との間の空間を流れて、水車に回転力を与える。

0004

しかし、特許文献1では、噴流口の出口幅と、水車への流入口幅とが略等しく、遠心方向径外方向)への成分を多く持った旋回流が水車に流入する際、マグネット内周面に衝突することによる圧力損失や、マグネットの外周側を流れる水流の割合が高くなり水車を流れる流量が低減することなどにより、水力エネルギーから回転エネルギーへの変換効率が悪く、発電効率の向上が期待できない。
特開2004−336982号公報

発明が解決しようとする課題

0005

本発明は、動翼に回転力を与えない無駄な流れを抑制し、発電効率を向上させた水栓用発電機を提供する。

課題を解決するための手段

0006

本発明の一態様によれば、給水流路に対して略平行な中心軸と、周面に複数の動翼羽根部を有し、前記中心軸のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられる動翼と、前記動翼に対して間隙を隔てて前記動翼の上流側に設けられ、前記動翼に旋回流を与える複数の静翼羽根部を周面に有する予旋回静翼と、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、前記マグネットに対向するコイルと、を備え、前記静翼羽根部間に形成される静翼流路の中心よりも、前記動翼羽根部間に形成される動翼流路の中心の方が径外方向に位置していることを特徴とする水栓用発電機が提供される。

発明の効果

0007

本発明によれば、動翼に回転力を与えない無駄な流れを抑制し、発電効率を向上させた水栓用発電機が提供される。

発明を実施するための最良の形態

0008

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。なお、各図面中、同一の構成要素には同一の符号を付している。

0009

図2は、本発明の実施形態に係る発電機付自動水栓装置(以下、単に自動水栓装置とも称する)の取付例を表す模式図である。
図3は、同自動水栓装置の内部構成を表す模式図である。

0010

本実施形態に係る自動水栓装置3は、例えば洗面台2などに取り付けられる。自動水栓装置3は、配管4を介して、水道水等の流入口5に接続されている。自動水栓装置3は、円筒状の本体3aと、この本体3aの径外方向に延出して本体3aの上部に設けられた吐水部3bとを有する。本体3aと吐水部3bは水栓金具を構成する。吐水部3bの先端には、吐水口6が形成され、さらにこの吐水口6の近傍にセンサ7が内蔵されている。

0011

自動水栓装置3の内部には、流入口5から流入し配管4を流れてきた給水を、吐水口6へと導く給水流路10が形成されている。自動水栓装置3の本体3aの内部には、その給水流路10を開閉する電磁弁8が内蔵され、さらに電磁弁8の下流側には、吐水量を一定に制限する定流量弁55が内蔵されている。また、水道元圧使用圧よりも高すぎる場合に減圧するための減圧弁または調圧弁(図示省略)が、電磁弁8より上流側に内蔵されている。なお、定流量弁55、減圧弁、調圧弁は、必要に応じて適宜設けられる。

0012

定流量弁55より下流の吐水部3bの内部には、水栓用発電機11が内蔵されている。本体3aの内部には、水栓用発電機11で発電された電力を充電しておく充電器56、センサ7の駆動と電磁弁8の開閉を制御する制御部57が設けられている。水栓用発電機11は、電磁弁8及び定流量弁55よりも下流側に配設されているため、水道元圧(一次圧)が、水栓用発電機11に直接作用しない。したがって、水栓用発電機11は、それほど高い耐圧性を要求されず、信頼性やコストの点で有利である。

0013

次に、水栓用発電機11の具体例について説明する。

0014

[第1の具体例]
図1は、本発明の第1の具体例に係る水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。
図4は、同水栓用発電機における予旋回静翼14、動翼15、軸受17の斜視図である。
図5は、同水栓用発電機におけるマグネットM1とヨーク極歯33c、34aとの配置関係を表す模式斜視図である。

0015

本具体例に係る水栓用発電機は、主として、筒体13、予旋回静翼14、動翼15、マグネットM1、コイル9を備え、これらは、図3に表されるケース12の中に収容されている。

0016

筒体13は、小径部13aと大径部13bとからなる段付き形状を呈し、その内部が給水流路に連通した状態で、図2、3に図示される吐水部3bに内蔵され、筒体13の中心軸方向は、流水方向に対して略平行になるよう設置される。筒体13は、小径部13aを上流側に、大径部13bを下流側に向けて配置される。

0017

筒体13の内部には、上流側から順に、予旋回静翼14、動翼15、軸受17が設けられている。予旋回静翼14は小径部13aの内部に設けられ、動翼15及び軸受17は大径部13bの内部に設けられている。

0018

予旋回静翼14は、円柱体の一方の端面(上流側に位置する面)に、円錐体を一体に設けた形状を呈する。予旋回静翼14の周面には、径外方向に突出した複数の突起状の静翼羽根部18が設けられている。図4に表すように、静翼羽根部18は、予旋回静翼14の軸中心に対して右方向にねじれつつ、上流側から下流側に向けて傾斜している。予旋回静翼14は、筒体13に対して固定されている。

0019

予旋回静翼14に対して間隙(例えば0.55mm)を隔てて、予旋回静翼14の下流側に動翼15が設けられている。動翼15は、円柱状を呈し、その周面には径外方向に突出した複数の突起状の動翼羽根部19が設けられている。図4に表すように、動翼羽根部19は、静翼羽根部18とは逆に、軸中心に対して左方向にねじれつつ、上流側から下流側に向けて傾斜している。動翼15は、給水流路に対して略平行な中心軸24を介して、筒体13に対して固定された軸受17上に支持されている。動翼15は、中心軸24のまわりに回転可能となっている。軸受17は、動翼15に対して間隙を隔てて、動翼15の下流側に設けられている。

0020

筒体大径部13bの下流端の開口は、Oリング52を介して、封止部材51によって液密に塞がれている。封止部材51の内部には段付き孔が形成され、その段部51aは環状に形成され、この段部51aの上に軸受17が支持されている。

0021

軸受17は、封止部材51内部の段部51aの上に支持されるリング部材21と、このリング部材21の中心に設けられた軸支持部22とが、放射状に設けられた連結部材23(図4)によって結合されてなる。連結部材23間は、閉塞せず貫通しているため、筒体13内部の給水の流れを妨げない。

0022

軸受17の軸支持部22には、動翼15の軸中心に固定された中心軸24が回転可能に支持されている。中心軸24の先端部は、動翼15から突出して予旋回静翼14に嵌め込まれている。中心軸24の先端部と予旋回静翼14とは、互いに固定されておらず、筒体13に対して固定された予旋回静翼14に対して中心軸24は回転可能になっている。あるいは、中心軸24の両端部をそれぞれ軸支持部22と予旋回静翼14に固定させ、その中心軸24に対して回転可能に動翼15を嵌め込む構成としてもよい。

0023

中心軸24と予旋回静翼14の周面との間の径方向寸法と、中心軸24と動翼15の周面との間の径方向寸法とは略等しく、予旋回静翼14の周面と動翼15の周面とは軸方向に見て略面一となっている。

0024

静翼羽根部18の径外方向への突出幅は、上流側から下流側にかけてほぼ同じとなっている。同様に、動翼羽根部19の径外方向への突出幅は、上流側から下流側にかけてほぼ同じとなっている。動翼羽根部19の方が静翼羽根部18よりも突出幅は大きく、動翼羽根部19は静翼羽根部18よりも径外方向に突出している。静翼羽根部18の外周部18aは、動翼羽根部19の内周部19aよりも径外方向に突出している。

0025

周方向に見て隣り合う静翼羽根部18間の空間は、静翼流路71として機能する。周方向に見て隣り合う動翼羽根部19間の空間は、動翼流路72として機能する。図1に示すように、静翼流路71における幅方向(径方向)の中心C1よりも、動翼流路72における幅方向(径方向)の中心C2の方が径外方向に位置している。静翼流路71の出口は、間隙(例えば0.55mm)を隔てて、動翼流路72の入口に対向している。動翼流路72の入口幅bは、静翼流路71の出口幅aより大きい。

0026

筒体13の大径部13bの内部に、動翼流路72を囲むように動翼羽根部19に固定された筒状のマグネットM1が収容されている。図4において2点鎖線で表されるマグネットM1の内周面は、動翼羽根部19の側端部に固定されている。

0027

大径部13bの外側には、マグネットM1の上流側端面に対向させてコイル9が配置されている。なお、コイル9は、マグネットM1の下流側端面に対向させて配置してもよく、あるいは、マグネットM1の上流側及び下流側の両端面にそれぞれ対向させて1対のコイル9を配置してもよい。

0028

コイル9は、図5に表される円筒状のヨーク31と、このヨーク31の内部に配置されるコイル配線部(図示省略)とを有する。ヨーク31は、共に磁性体からなる3つのヨーク32、33、34を組み合わせてなる。

0029

ヨーク33は、内部に収容したコイル配線部の周面部に対向される周面部33bと、マグネットM1に対向される複数の極歯33aと、を有する。複数の極歯33aは、径内方に突出して周面部33bに一体に設けられ、周方向に沿って等間隔で設けられている。

0030

ヨーク34は、径外方向に突出し、ヨーク33の極歯33aの間に配置される複数の極歯34aを有する。極歯33a、34aは、内部に収容されたコイル配線部を間に挟んで、ヨーク32に対向している。

0031

マグネットM1の軸方向の端面には、周方向に沿ってN極とS極とが交互に着磁されている。

0032

次に、本実施形態に係る水栓用発電機及び自動水栓装置の作用について説明する。

0033

使用者が、吐水口6(図3)の下に手をかざすと、これをセンサ7が感知して、制御部57が電磁弁8を開にする。これにより、水栓用発電機11の筒体13の内部に流水が供給され、筒体13の内部を流れた水は吐水口6から吐水される。使用者が、吐水口6の下から手を遠ざけると、電磁弁8が閉となり、自動で水が止まる。

0034

筒体13内に流れ込んだ流水は、予旋回静翼14の円錐体表面を流れて径外方向に拡散され、図1及び図4に図示される具体例においては、軸中心に対して右方向に旋回するような旋回流となって、静翼羽根部18間の静翼流路71を流れる。

0035

静翼流路71を流れた旋回流は、動翼流路72に流入し、動翼羽根部19の上側の傾斜面に衝突する。本具体例では、動翼流路72に流入する旋回流は、軸中心に対して右方向に旋回した流れなので、動翼羽根部19に対して右方向の力が作用し、動翼15は右回りに回転する。動翼流路72を流れた流水は、軸受17の内側を通過して、筒体13内部を抜け、吐水口6へと至る。

0036

動翼15が回転すると、これに固定されたマグネットM1も回転し、このマグネットM1に対向している極歯33a、34a(図5)の極性が変化していく。すなわち、ヨーク33(極歯33a)がN極のときヨーク34(極歯34a)がS極、ヨーク33(極歯33a)がS極のときヨーク34(極歯34a)がN極という状態が繰り返されることで、ヨーク33、34の内部に配置されたコイル配線部に対する鎖交磁束が変化し、そのコイル配線部に起電力が生じ、発電する。発電した電力は、充電器56へと充電された後、例えば、電磁弁8、センサ7、制御部57の駆動に使用される。

0037

本具体例においては、静翼羽根部18と筒体13内周面とによって囲まれる空間が静翼流路71として機能し、前述したように流水がその静翼流路71を流れることで旋回流が形成される。この旋回流は、動翼羽根部19とマグネットM1内周面とによって囲まれる空間である動翼流路72に流入し、動翼15に回転力を与える。

0038

動翼流路72に流入する流水は旋回流であるため、動翼流路72に流入する流水は、動翼流路72の径外方に設けられたマグネットM1に衝突する成分を多くもっている。そこで、本具体例では、動翼流路72の中心C2を静翼流路71の中心C1よりも径外方向に位置させることにより、静翼流路71から流出して径外方向に広がった流れの中心を、動翼流路72の中心C2に合わせることで、効率良く水流を動翼15で受けることができる。さらに、動翼羽根部19を静翼羽根部18よりも径外方向に突出させ、静翼流路71の出口幅aよりも広い動翼流路72の入口幅bを確保することで、予旋回静翼14を通過した水流が径外方向に進んでマグネットM1に衝突するまでの距離を長くすることができ、マグネット衝突時の水流の流速の低減が図れる。そのため、予旋回静翼14を通過した水流がマグネットM1に衝突する時の圧力損失を原因とする、水力エネルギーから回転エネルギーへの変換損失を低減させることができ、発電効率の向上が図れる。

0039

特に、節水効果アピールした自動水栓のように発電に用いる水力エネルギーが小さいものでは、わずかな圧力損失であっても低減したいという要求が強く、本実施形態はそのようなものに非常に有効である。

0040

なお、静翼流路71の出口幅bに対して、動翼流路72の入口幅aをあまり大きくしすぎると、流路の急拡大による圧力損失が生じるため、この流路の急拡大による圧力損失の影響を抑えつつ、前述した旋回流のマグネットM1への衝突による圧力損失も抑えるために、静翼流路71の出口幅bと動翼流路72の入口幅aとの関係を適切に設定する必要がある。

0041

次に、静翼流路出口幅に対する動翼流路入口幅の比率を、1.0、1.5、2.0、2.5と変えた場合における、圧力損失の比(%)、損失流出の比(%)、羽根車効率の比(%)をシミュレーションした結果について、表1、図6〜8を参照して説明する。なお、静翼流路は、その上流側の入口から下流側の出口にかけて径方向の幅は同じとし、同様に、動翼流路は、その上流側の入口から下流側の出口にかけて径方向の幅は同じとした。

0042

0043

損失流量とは、静翼流路71を通過した流水のうち、動翼流路72を通過せずに、マグネットM1と、筒体13内壁面との間の隙間を通過してしまう流量を表す。羽根車効率とは、与えた水流のエネルギーのうち回転エネルギーに変換された割合のことをいう。

0044

図6において、横軸は、静翼流路出口幅に対する動翼流路入口幅の比率を表し、縦軸は、動翼流路入口幅比率が1.0のときの圧力損失の比を100(%)として、動翼流路入口幅比率が1.5、2.0、2.5のときの圧力損失の比(%)を表している。
図7において、横軸は、静翼流路出口幅に対する動翼流路入口幅の比率を表し、縦軸は、動翼流路入口幅比率が1.0のときの損失流量の比を100(%)として、動翼流路入口幅比率が1.5、2.0、2.5のときの損失流量の比(%)を表している。
図8において、横軸は、静翼流路出口幅に対する動翼流路入口幅の比率を表し、縦軸は、動翼流路入口幅比率が1.0のときの羽根車効率の比を100(%)として、動翼流路入口幅比率が1.5、2.0、2.5のときの羽根車効率の比(%)を表している。

0045

図6より、動翼流路入口幅比率が2.0のとき、最も圧力損失が小さい。また、図7グラフ図よりわかることは、動翼流路入口幅を拡大することで、動翼流路を通らずにマグネットと筒体内壁面との間の隙間を通過していた水量が減少し、その分、動翼流路を通って動翼の回転に寄与する水量が増え、発電効率を向上させることができる。したがって、動翼流路入口幅を広げることにより、前述したマグネットへの衝突による圧力損失低減および動翼に回転力を与えない損失流量の減少という2つの作用により発電効率を向上させることができる。また、図8より、動翼流路入口幅比率が2.0のとき、最も羽根車効率がよい。図6、7、8に基づく知見より、動翼流路入口幅としては、静翼流路出口幅の1.5倍以上2.5倍以下が望ましい。具体的な動翼流路の入口幅寸法としては、例えば1.0mmを挙げることができる。

0046

なお、動翼羽根部19を静翼羽根部18よりも径外方向に突出させて動翼流路72の拡大を図るには、設置箇所における径方向寸法に余裕が必要である。本具体例では、コイル9を、マグネットM1の軸方向に対向配置させた構造のため、コイル9をマグネットM1の径外方向に対向配置させた場合に比べて、径方向寸法を小さくすることができ、例えば図2に表される円筒状の吐水部3bの中に内蔵させても吐水部3bの細くスッキリとしたデザイン性を損ねない。

0047

[第2の具体例]
図9は、本発明の第2の具体例に係る水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。
図10は、同水栓用発電機におけるコイル16を表す模式斜視図である。
図11は、図10に表されるコイル16の分解斜視図である。
図12は、同水栓用発電機におけるマグネットM2とヨーク極歯25c、26bとの配置関係を表す模式平面図である。

0048

本具体例では、マグネットM2とコイル16との配置関係が第1の具体例と異なる。

0049

筒体13の大径部13bの内部に、動翼流路72を囲むように動翼羽根部19に固定された筒状のマグネットM2が収容されている。大径部13bの径外方向の外側には、マグネットM2の外周面に対向させてコイル16が配置されている。

0050

コイル16は、図10、11に表される1対のヨーク25、26と、これらヨーク25、26が組み合わされて形成される環状の空間内に配設されたコイル配線部16aとを有する。

0051

ヨーク25、26は、共に磁性体からなる。ヨーク25は、コイル配線部16aの一方の端面部に対向される環状部25aと、コイル配線部16aの周面部に対向される周面部25bとを有し、さらに環状部25aの内周縁部には、軸方向に突出した複数の極歯25cが設けられている。ヨーク26は、コイル配線部16aの他方の端面部に対向される環状部26aと、この環状部26aの内周縁部に、軸方向に突出して設けられた複数の極歯26bとを有する。ヨーク25の極歯25cは、周方向に沿って等間隔で設けられ、ヨーク26の極歯26bも周方向に沿って等間隔で設けられており、図10に表されるように、一方のヨークの極歯の間に、他方のヨークの極歯を位置させて、両ヨーク25、26の極歯25c、26bは、コイル配線部16aの内周面に対向する。

0052

マグネットM2は、図12に表されるように、周方向にN極とS極とが交互に着磁されており、それぞれのヨーク25、26の極歯25c、26bは、筒体13の管壁を間に挟んで、マグネットM2のN極またはS極に対向する。コイル配線部16aは、極歯25c、26bおよび筒体13の管壁を間に挟んで、マグネットM2に対向する。

0053

第1の具体例と同様、予旋回静翼14によって形成された旋回流の水力を受けて動翼15が回転されると、これに固定されたマグネットM2も回転する。マグネットM2は、図12に表されるように、周方向に沿ってN極とS極が交互に並んで着磁されているため、マグネットM2に対向しているヨーク25、26の極歯25c、26bの極性が変化していく。すなわち、ヨーク25がN極のときヨーク26がS極、ヨーク25がS極のときヨーク26がN極という状態が繰り返されることで、コイル配線部16aに対する鎖交磁束が変化し、コイル配線部16aに起電力が生じ、発電する。

0054

本具体例においても、動翼流路72の中心C2を静翼流路71の中心C1よりも径外方向に位置させることにより、静翼流路71から流出して径外方向に広がった流れの中心を、動翼流路72の中心C2に合わせることで、効率良く水流を動翼15で受けることができる。さらに、動翼羽根部19を静翼羽根部18よりも径外方向に突出させ、静翼流路71の出口幅aよりも広い動翼流路72の入口幅bを確保することで、予旋回静翼14を通過した水流が径外方向に進んでマグネットM2に衝突するまでの距離を長くすることができ、マグネット衝突時の水流の流速の低減が図れる。そのため、予旋回静翼14を通過した水流がマグネットM2に衝突する時の圧力損失を原因とする、水力エネルギーから回転エネルギーへの変換損失を低減させることができ、発電効率の向上が図れる。

0055

[第3の具体例]
図13は、本発明の第3の具体例に係る水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。

0056

本具体例では、筒体13の内部に、給水が流れる方向の上流側から順に、予旋回静翼14、動翼15、マグネットM3、および軸受17が、互いの軸中心を一致させて設けられている。マグネットM3は、円筒状を呈し、動翼15の下流側に動翼15に対して離間して設けられている。

0057

動翼15の軸中心に固定され、軸受17上に回転可能に支持された中心軸24は、マグネットM3の中空部を貫通しており、その中心軸24には、放射状に延びる複数本の連結部材35を介して、マグネット装着部材36が固定されている。マグネット装着部材36は、リング状のプレート部37と、このプレート部37の中央孔の縁部に一体に設けられ上流側に向けて延在する筒部38とを有する。

0058

マグネットM3は、その中空部を、マグネット装着部材36の筒部38の外周面に嵌合させてプレート部37上に固定されている。したがって、マグネットM3は、マグネット装着部材36および中心軸24を介して、動翼15に対して固定されており、動翼15が回転すると、マグネットM3は動翼15と一体となって回転する。

0059

あるいは、中心軸24の両端部をそれぞれ軸支持部22と予旋回静翼14に固定させ、その中心軸24に対して回転可能に動翼15をはめ込む構成としてもよい。この具体例の場合、マグネット装着部材36の連結部材35は、中心軸24のまわりを回転可能に中心軸24に対して係合しており、さらに筒部38の上端が動翼15に固定されているので、動翼15が回転すると、マグネットM3はマグネット装着部材36と共に中心軸24のまわりに回転する。

0060

筒体13の外周面における、マグネットM3に対向する部分には、マグネットM3の軸方向長さに合わせて、例えば2つのコイル16が設けられている。コイル16は、前述した第2の具体例と同じ構成を有し、マグネットM3は、第2の具体例のマグネットM2と同様、周方向に沿ってN極とS極が交互に並んで着磁されており、マグネットM3が回転することによる発電の原理も第2の具体例と同じである。

0061

本具体例においては、静翼羽根部18と筒体13内周面とによって囲まれる空間が静翼流路71として機能し、動翼羽根部19と筒体13内周面とによって囲まれる空間が動翼流路72として機能する。前述したように流水が静翼流路71を流れることで旋回流が形成され、この旋回流は、動翼流路72に流入し、動翼15に回転力を与える。動翼流路72を流れた流水は、マグネットM3の中空部、軸受17の内側を通過して、筒体13内部を抜け、吐水口6へと至る。

0062

動翼流路72に流入する流水は旋回流であるため、動翼流路72に流入する流水は、動翼流路72の径外方に位置する筒体13内周面に衝突する成分を多くもっている。本具体例においても、動翼流路72の中心C2を静翼流路71の中心C1よりも径外方向に位置させることにより、静翼流路71から流出して径外方向に広がった流れの中心を、動翼流路72の中心C2に合わせることで、効率良く水流を動翼15で受けることができる。さらに、動翼羽根部19を静翼羽根部18よりも径外方向に突出させ、静翼流路71の出口幅aよりも広い動翼流路72の入口幅bを確保することで、予旋回静翼14を通過した水流が径外方向に進んで筒体13内周面に衝突するまでの距離を長くすることができ、その衝突時の水流の流速の低減が図れる。そのため、予旋回静翼14を通過した水流が筒体13内周面に衝突する時の圧力損失を原因とする、水力エネルギーから回転エネルギーへの変換損失を低減させることができ、発電効率の向上が図れる。

0063

なお、本具体例において、動翼15の周面を囲むように動翼羽根部19に動翼リングを設けてもよい。このような構成にすれば、動翼リングの外周面と、筒体13の内周面との間の隙間が狭められて、動翼羽根部19よりも径外方側の流路抵抗が大きくなって、動翼流路72を流れる流量が多くなり、水力エネルギーから回転エネルギーへの変換効率が高まる。

0064

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

0065

水栓用発電機11は、水栓装置3の水栓金具の内部に設けられることに限らない。例えば、図14に表すように、水栓装置3の水栓金具(本体3a及び吐水部3b)と、これよりも上流側に設けられた止水栓元栓)105との間を接続する配管(流路)4に設けてもよい。この場合、発電機11は洗面台等のカウンター2下に配設される。また、水栓装置3の吐水口6へとつながる給水流路を開閉する電磁弁8も水栓金具の内部に設けることに限らず、例えば図14の例では、止水栓105と発電機11との間の配管(流路)4に設けてもよい。

0066

本発明の水栓用発電機は、止水栓(元栓)105と水栓装置3の吐水口6との間の流路に設けられ、止水栓105から水栓装置3の吐水口6へと向けて流れる流水の水力によって発電される。水栓装置としては、例えば、キッチン用水栓リビングダイニング水栓シャワー用水栓、トイレ用水栓、洗面所用水栓などが挙げられる。また、水栓装置において、吐出流量は、例えば、毎分100リットル以下、望ましくは毎分30リットル以下に設定される。特に、洗面所用水栓においては、毎分5リットル以下に設定されていることが望ましい。また、トイレ用水栓のような吐出流量が比較的多い場合には、給水管から、発電機11に流れる水流を分岐させて、発電機11を流れる流量を毎分30リットル以下に調整することが望ましい。これは、給水管からのすべての水流を発電機11に流すと、動翼15の回転数が大きくなり、騒音や軸摩耗が増大する可能性が懸念され、また、回転数が増大しても適正回転数以下でなければ、渦電流コイル熱によるエネルギー損失が生じるため、発電量は増大しないからである。また、水栓金具が取り付けられる水道管給水圧としては、例えば、日本においては0.05(MPa)程度の低水圧である場合もあり得る。

0067

また、本発明は、人体検知センサを用いた自動水栓に限らず、例えば、図15に表すように手動操作部や手動スイッチ3cのオンオフによるワンタッチ水栓、流量をカウントして止水する定量吐水水栓、設定時間を経過すると止水するタイマー水栓などにも適用できる。

0068

また、発電された電力を、例えば、図15に表すように水栓装置3に設けられたライトアップ用の照明101や、その他、アルカリイオン水銀イオン含有水などの電解機能水の生成、流量表示(計量)、温度表示音声ガイドなどに用いてもよい。

0069

さらには、図16に表すように、例えば、洗面所の天井に設けられた人体検知センサ102に、発電機11が発電した電力を供給してもよい。その他、発電機11が発電した電力を、ガスセンサマイクロ波センサドア開閉機械式センサ等の作動に用いてもよい。

図面の簡単な説明

0070

本発明の第1の具体例に係る水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。
本発明の実施形態に係る発電機付自動水栓装置の取付例を表す模式図である。
同自動水栓装置の内部構成を表す模式図である。
本発明の第1の具体例に係る水栓用発電機における予旋回静翼、動翼、軸受の斜視図である。
同第1の具体例に係る水栓用発電機におけるマグネットとヨーク極歯との配置関係を表す模式斜視図である。
動翼流路入口幅比率と圧力損失の比との関係を表すグラフ図である。
動翼流路入口幅比率と損失流出の比との関係を表すグラフ図である。
動翼流路入口幅比率と羽根車効率の比との関係を表すグラフ図である。
本発明の第2の具体例に係る水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。
同第2の具体例に係る水栓用発電機におけるコイルを表す模式斜視図である。
図10に表されるコイルの分解斜視図である。
同第2の具体例に係る水栓用発電機におけるマグネットとヨーク極歯との配置関係を表す模式平面図である。
本発明の第3の具体例に係る水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。
本発明の実施形態に係る水栓装置において、発電機の設置位置の一具体例を表す模式図である。
本発明の実施形態に係る水栓装置において、発電機の設置位置及び発電した電力の使用例の一具体例を表す模式図である。
本発明の実施形態に係る水栓装置において、発電機の設置位置及び発電した電力の使用例の一具体例を表す模式図である。

符号の説明

0071

3…自動水栓装置、7…センサ、8…電磁弁、9,16…コイル、11…水栓用発電機、14…予旋回静翼、15…動翼、17…軸受、18…静翼羽根部、19…動翼羽根部、24…中心軸、55…定流量弁、56…充電器、57…制御部、71…静翼流路、72…動翼流路、M1〜M3…マグネット

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