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技術 水栓用発電機

出願人 TOTO株式会社
発明者 小野寺尚幸黒石正宏清水剛佐藤知子
出願日 2008年6月11日 (12年0ヶ月経過) 出願番号 2008-153571
公開日 2009年12月24日 (10年6ヶ月経過) 公開番号 2009-303350
状態 特許登録済
技術分野 上水用設備 電動機,発電機と機械的装置等との結合
主要キーワード リングプレート状 コイル熱 最適回転数 脈動幅 コイル配線 使用圧 小型発電機 人体感知センサ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (15)

課題

本発明は、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さを短くしても動翼が受けるトルクの変動を抑制することができる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回転中心を有し、前記回転中心のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられた動翼羽根部と、前記動翼羽根部の径外方向に設けられ、前記動翼羽根部と一体に回転可能なマグネットを設けた動翼径外部と、を有する動翼と、前記マグネットの回転により起電力を生ずるコイルと、前記コイルを囲んで設けられたヨークと、前記ヨークから突出し互いに離間して配設された複数のインダクタと、を有するステータと、を備え、前記動翼径外部の上流側端面を、前記動翼羽根部の上流側端面よりも上流側に設け、前記動翼の回転ムラ騒音を抑制する程度に、前記動翼羽根部の下流側端面が、前記動翼径外部の下流側端面より上流側に位置するように、前記動翼羽根部の下流側端面と、前記動翼径外部の下流側端面と、を離間させて設けること、を特徴とする水栓用発電機が提供される。

概要

背景

従来より、蛇口の下に差し出された手をセンサ感知し、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、上述のセンサなど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を参照)。

このような水栓装置には、小型化が容易な軸流式発電機が用いられることが多い。そして、軸流式発電機には、マグネット径方向の外側にインダクタを介してコイルを配設した「ラジアル配置」の発電機(例えば、特許文献1の図4を参照)と、マグネットの径方向に略直角な方向の端面と対向させるようにしてインダクタを介してコイルを配設した「アキシャル配置」の発電機(例えば、特許文献1の図5を参照)とがあるが、径方向の寸法が小さい発電機を必要とするような用途においては、「ラジアル配置」の発電機よりも「アキシャル配置」の発電機を用いる方が好ましい。

そして、このような発電機においては、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さと、動翼径外方向に設けられたマグネットの径方向に略直角な方向の長さとがほぼ同一となるようにされている(例えば、特許文献1の図5(a)、(b)を参照)。

ここで、発電機のサイズを大きくせずに発電機の出力を向上させるために、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さを短くする場合がある。その際に、マグネットの径方向に略直角な方向の長さと動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さとがほぼ同一になるようにすると、動翼が受けるトルクが変動して回転ムラ騒音の原因となるおそれがある。
特開2004−336982号公報

概要

本発明は、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さを短くしても動翼が受けるトルクの変動を抑制することができる水栓用発電機を提供する。給水流路に対して略平行な回転中心を有し、前記回転中心のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられた動翼羽根部と、前記動翼羽根部の径外方向に設けられ、前記動翼羽根部と一体に回転可能なマグネットを設けた動翼径外部と、を有する動翼と、前記マグネットの回転により起電力を生ずるコイルと、前記コイルを囲んで設けられたヨークと、前記ヨークから突出し互いに離間して配設された複数のインダクタと、を有するステータと、を備え、前記動翼径外部の上流側端面を、前記動翼羽根部の上流側端面よりも上流側に設け、前記動翼の回転ムラや騒音を抑制する程度に、前記動翼羽根部の下流側端面が、前記動翼径外部の下流側端面より上流側に位置するように、前記動翼羽根部の下流側端面と、前記動翼径外部の下流側端面と、を離間させて設けること、を特徴とする水栓用発電機が提供される。

目的

本発明は、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さを短くしても動翼が受けるトルクの変動を抑制することができる水栓用発電機を提供する。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

給水流路に対して略平行な回転中心を有し、前記回転中心のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられた動翼羽根部と、前記動翼羽根部の径外方向に設けられ、前記動翼羽根部と一体に回転可能なマグネットを設けた動翼径外部と、を有する動翼と、前記マグネットの回転により起電力を生ずるコイルと、前記コイルを囲んで設けられたヨークと、前記ヨークから突出し互いに離間して配設された複数のインダクタと、を有するステータと、を備え、前記動翼径外部の上流側端面を、前記動翼羽根部の上流側端面よりも上流側に設け、前記動翼の回転ムラ騒音を抑制する程度に、前記動翼羽根部の下流側端面が、前記動翼径外部の下流側端面より上流側に位置するように、前記動翼羽根部の下流側端面と、前記動翼径外部の下流側端面と、を離間させて設けること、を特徴とする水栓用発電機

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、蛇口の下に差し出された手をセンサ感知し、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、上述のセンサなど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を参照)。

0003

このような水栓装置には、小型化が容易な軸流式発電機が用いられることが多い。そして、軸流式発電機には、マグネット径方向の外側にインダクタを介してコイルを配設した「ラジアル配置」の発電機(例えば、特許文献1の図4を参照)と、マグネットの径方向に略直角な方向の端面と対向させるようにしてインダクタを介してコイルを配設した「アキシャル配置」の発電機(例えば、特許文献1の図5を参照)とがあるが、径方向の寸法が小さい発電機を必要とするような用途においては、「ラジアル配置」の発電機よりも「アキシャル配置」の発電機を用いる方が好ましい。

0004

そして、このような発電機においては、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さと、動翼径外方向に設けられたマグネットの径方向に略直角な方向の長さとがほぼ同一となるようにされている(例えば、特許文献1の図5(a)、(b)を参照)。

0005

ここで、発電機のサイズを大きくせずに発電機の出力を向上させるために、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さを短くする場合がある。その際に、マグネットの径方向に略直角な方向の長さと動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さとがほぼ同一になるようにすると、動翼が受けるトルクが変動して回転ムラ騒音の原因となるおそれがある。
特開2004−336982号公報

発明が解決しようとする課題

0006

本発明は、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さを短くしても動翼が受けるトルクの変動を抑制することができる水栓用発電機を提供する。

課題を解決するための手段

0007

本発明の一態様によれば、給水流路に対して略平行な回転中心を有し、前記回転中心のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられた動翼羽根部と、前記動翼羽根部の径外方向に設けられ、前記動翼羽根部と一体に回転可能なマグネットを設けた動翼径外部と、を有する動翼と、前記マグネットの回転により起電力を生ずるコイルと、前記コイルを囲んで設けられたヨークと、前記ヨークから突出し互いに離間して配設された複数のインダクタと、を有するステータと、を備え、前記動翼径外部の上流側端面を、前記動翼羽根部の上流側端面よりも上流側に設け、前記動翼の回転ムラや騒音を抑制する程度に、前記動翼羽根部の下流側端面が、前記動翼径外部の下流側端面より上流側に位置するように、前記動翼羽根部の下流側端面と、前記動翼径外部の下流側端面と、を離間させて設けること、を特徴とする水栓用発電機が提供される。

発明の効果

0008

本発明によれば、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さを短くしても動翼が受けるトルクの変動を抑制することができる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

0009

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明をする。
尚、各図面中、同一の構成要素には同一の符号を付す。

0010

図1は、本発明の実施の形態に係る発電機1の模式断面図である。
発電機1には、主として、筒体13、予旋回静翼14、動翼15、マグネットM、ステータ9、封止部材51が備えられ、これらは、ケース12(図3を参照)の中に収容されている。尚、予旋回静翼14の上方に描かれた矢印は、流水の方向を示している。

0011

ここで、発電機1の説明をする前に、発電機1を備えた自動水栓装置3の説明をする。

0012

図2は、本発明の実施の形態に係る発電機を備えた自動水栓装置(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、本発明の実施の形態に係る発電機を備えた自動水栓装置の模式断面図である。 尚、図中の矢印は、流水の方向を示している。

0013

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の上部に設けられ、本体3aの径外方向に延出する吐水部3bとを有する。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の近傍にはセンサ7が内蔵されている。
自動水栓装置3の内部には、流入口5から流入し、配管4内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。本体3aの内部には、その給水流路10を開閉するための電磁弁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ための定流量弁55が内蔵されている。また、水道等の元圧が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。尚、定流量弁55、減圧弁、調圧弁は、必要に応じて適宜設けるようにすればよい。

0014

定流量弁55より下流の吐水部3bの内部には、発電機1が備えられている。本体3aの内部には、発電機1で発電された電力を充電しておく充電器56、センサ7の駆動や電磁弁8の開閉などを制御する制御部57が設けられている。発電機1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、水道の元圧(一次圧)が、発電機1に直接作用することはない。そのため、発電機1は、それほど高い耐圧性を要求されず、このような配置は、信頼性やコストの点で有利である。

0015

また、充電器56と制御部57とは、図示しない配線を介して接続されている。そして、充電器56及び制御部57は、本体3aの上部であって、給水流路10の最も上方の位置よりもさらに上方の位置に配置されている。そのため、給水流路10を形成する流路管の外面に結露した水滴が、落下または流路管を伝って流れ落ちても、制御部57が浸水することを防ぐことができ、制御部57の故障を防止することができる。同様に、充電器56も給水流路10の上方に設けているため、充電器56が浸水することを防ぎ、充電器56の故障をも防止することができる。

0016

発電機1に設けられたコイル50(図5参照)と制御部57とは、図示しない配線を介して接続され、コイル50の出力が制御部57を介して充電器56に送られるようになっている。
なお、水栓用発電機1は、水栓装置3の水栓金具(本体3a及び吐水部3b)の内部に設けられることに限らない。例えば、水栓装置3の水栓金具と、これよりも上流側に設けられた止水栓元栓)105(図2参照)との間を接続する配管(流路)4に設けてもよい。

0017

自動水栓装置3は、生活空間において好適に使用される。使用目的としては、例えば、キッチン用水栓装置、リビングダイニング用水栓装置、シャワー用水栓装置トイレ用水栓装置、洗面所用水栓装置などが挙げられる。また、本実施の形態に係る発電機1は、人体感知センサを用いた自動水栓装置3に限らず、例えば、手動スイッチのオンオフによるワンタッチ水栓装置、流量をカウントして止水する定量吐水水栓装置、設定時間を経過すると止水するタイマー水栓装置などにも適用させることができる。また、発電された電力を、例えば、ライトアップ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ることもできる。
また、自動水栓装置3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ている。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1に流れる水流分岐させて、発電機1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1に流すと、動翼15の回転数が大きくなりすぎ、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、結果として発電量は増大しないからである。尚、水栓装置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。

0018

次に、図1に戻って、発電機1について説明する。
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図3に図示される吐水部3bに配設される。この際、筒体13の中心軸方向が、流水の方向に対して略平行となるようにして配設される。また、筒体13は、小径部13aを下流側に、大径部13bを上流側に向けて配設される。

0019

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。軸受17は小径部13aの内部に設けられ、予旋回静翼14及び動翼15は大径部13bの内部に設けられている。

0020

大径部13bの上流端の開口は、Oリング52を介して、封止部材51により液密になるよう塞がれている。封止部材51の内部には段付き孔が設けられている。そして、その段部51aは環状に形成され、この段部51aの上に予旋回静翼14が支持されている。

0021

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、円錐体を一体的に設けた形状を呈している。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。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。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。予旋回静翼14は、筒体13に対して固定され、回転はしない。

0022

予旋回静翼14の下流側には、動翼15が設けられている。動翼15は、円柱状を呈し、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。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。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。なお、動翼羽根部とは、水流から動翼の回転に必要な力を受けるものとして機能する。

0023

軸受17から上流側に向けて突出するように、中心軸24が設けられている。中心軸24は軸受17と一体化されている。動翼15は、中心軸24に挿通するようにして設けられ、中心軸24のまわりを回転可能とされている。尚、動翼15と中心軸24とを一体化し、中心軸24の両端部を予旋回静翼14と軸受17に支持させて、中心軸24と一体化された動翼15が回転するようにしてもよい。すなわち、給水流路に対して略平行な回転中心を有し、回転中心のまわりに回転可能に給水流路に設けられた動翼羽根部を有する動翼15とすればよい。

0024

軸受17は、筒体13の内周面に対して固定されたリング部材21と、このリング部材21の中心に設けられた軸支持部22とを備え、リング部材21と軸支持部22とは、放射状に設けられた連結部材23によって結合されている。各連結部材23の間は、閉塞されておらず貫通しているため、筒体13内部の給水の流れが妨げられることはない。

0025

筒体13の大径部13bの内部には、動翼羽根部19の径外方側の側端面に固定された動翼リング15a、動翼リング15aの外周部に固定された円環状のマグネットMが収容されている。ここで、動翼径外部は、動翼リング15aとマグネットMから構成される。動翼径外部の上流側端面は、動翼羽根部19の上流側端面よりも、径方向に略直角な方向の上流側に設けられている。筒体13の小径部13aの外側には、マグネットMの下流側の径方向に略直角な方向の端面に対向させるようにしてステータ9が設けられている。動翼リング15aは必ずしも必要ではないが、設けられていた方がより強固に動翼羽根部19とマグネットMとを一体化させることができる。なお、図1においては、マグネットMは、動翼径外部の下流側の端面に配置されている。このようにすれば、コイル9をマグネットMに対して、下流側に配置することができる。

0026

本実施の形態では、ステータ9を、マグネットMの径方向に略直角な方向に対向配置させる構造のため、ステータ9をマグネットMの径外方向に対向配置させる場合に比べて、径方向寸法を小さくすることができる。また、動翼15の径外方にステータ9を配置しない分、動翼15の径方向寸法の拡大が図れ、発電量を増加させることができる。

0027

また、筒体13を樹脂などのような電気伝導度の低い材料で形成するものとすれば、金属で形成した場合と比べて渦電流損が低減できるので、発電量をさらに増加させることができる。この場合、磁束が通過する大径部13bのみを樹脂などのような電気伝導度の低い材料で形成するようにしてもよい。

0028

次に、マグネットMとステータ9について説明をする。
図4は、マグネットMを説明するための模式斜視図である。
図5は、ステータ9を説明するための模式斜視図である。
図4に示すように、マグネットMの径外方向の端面(外周面)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。尚、径方向に略直角な方向の端面側にも、わずかではあるが、N極とS極とからの磁束が漏れるが、この量は着磁方法により制御することができる。

0029

図5に示すように、ステータ9は、いずれも軟磁性体(例えば、圧延鋼)からなる第1ヨーク31、第2ヨーク32およびこれらに連接するインダクタ31a、ヨーク31b、インダクタ32aと、これら第1ヨーク31、第2ヨーク32、ヨーク31bで囲まれた空間内に配置されるコイル50とを有する。

0030

円環状に巻回されたコイル50は、その内周面部、外周面部および径方向に略直角な方向の両端面部が、第1ヨーク31、第2ヨーク32、ヨーク31b、第3ヨーク33によって囲まれている。

0031

第1ヨーク31は、略円環状を呈し、コイル50の内周面部を囲むようにして配置され、その径方向に略直角な方向の一端部には、径外方向に向けて、複数のヨーク31bが一体的に設けられている。第1ヨーク31において、コイル50の内周面部に対向する部分と、ヨーク31bとは、略直角となっている。ヨーク31bは、コイル50の周方向に沿って等間隔で配置されている。ヨーク31bの一端は、さらにコイル50の径方向に略直角な方向に突出してインダクタ31aを形成している。

0032

第2ヨーク32は、略円環状を呈し、コイル50の外周面部を囲むようにして配置され、その径方向に略直角な方向の一端部には、複数のインダクタ32aが径方向に略直角な方向に向けて一体的に設けられている。インダクタ32aは、コイル50の周方向に沿って等間隔で配置されるとともに、第1ヨーク31の各インダクタ31aの間に配置されるようになっている。すなわち、第1ヨーク31のインダクタ31aと、第2ヨーク32のインダクタ32aとが、コイル50の周方向に沿って、交互に、且つ互いに離間して並んでいる。また、インダクタ31a、32aは、コイル50の外周面部を囲むようにして配置された部分(第2ヨーク32)の直上に設けられ、コイル50の中心から各インダクタ31a、32aまでの距離は略同一となっている。

0033

インダクタ31a、32aは、径方向に略直角な方向に突出するようにして設けられ、その内周面(コイル50の中心方向に位置する側の面)が、マグネットMの外周面(径外方向の面)と対向するようになっている。また、ヨーク31bは、コイル50の一方の端面部と対向している。そのコイル50の一方の端面部は、ヨーク31b及び筒体13のフランジ部13cを間に挟んで、マグネットMの径方向に略直角な方向端面と対向している。

0034

ここで、発電機1の径方向の寸法を小さくしようとすれば、マグネットMの径方向の寸法も小さくしなければならない。しかしその場合でも、マグネットMの径方向に略直角な方向の寸法は小さくする必要がなく、また、場合によっては大きくすることもできる。

0035

本実施の形態においては、インダクタ31a、32aをマグネットMの外周面に対向するように設けている。そのため、マグネットMの外周面からの磁束をインダクタ31a、32aを介してコイル50に導くことができ、径方向寸法を小さくした場合でも、その影響を少なくすることができ、所定の発電量を確保することができる。

0036

また、本実施の形態においては、ヨーク31bをマグネットMの径方向に略直角な方向の端面と対向するように設けている。

0037

このように、発電量を確保したまま発電機1の径方向寸法の小型化を図ることができれば、例えば、発電機1が配設される自動水栓装置3の寸法をも小さくすることができる。その結果、自動水栓装置3の設置性、操作性などを向上させることができ、また、自動水栓装置3の外観デザインの採用に関する許容性をも向上させることができる。例えば、従来よりも細身の現代的なデザインを採用することができるようにもなる。

0038

第3ヨーク33は、リングプレート状を呈し、コイル50の他方の端面部と対向して設けられる。また、第3ヨーク33の外周側の一部が切り欠かれて、図示しないコイル配線の取り出し部が形成されている。

0039

第3ヨーク33は、第1ヨーク31及び第2ヨーク32におけるそれぞれのインダクタ31a、ヨーク31b、インダクタ32aが設けられた端部と反対側の端部に結合されている。第1ヨーク31〜第3ヨーク33によって囲まれた空間内に、コイル50が収容され、コイル50からの配線は、第3ヨーク33の外周側に形成された図示しないコイル配線の取り出し部から外部に引き出されるようになっている。このように、コイル50の配線は、第3ヨーク33の外周側に形成された図示しないコイル配線の取り出し部を介して、外周側から外部に取り出されるので、内周側から取り出す場合に比べて、制御部57までの配線の取りまわしが容易となる。

0040

また、第3ヨーク33には、例えば、凸状の図示しない位置決め部が設けられており、この位置決め部を、第1ヨーク31及び第2ヨーク32のそれぞれに形成された凹状の切り欠き部に係合させることで、第1ヨーク31及び第2ヨーク32は、それぞれ周方向の所定の位置に位置決めされる。これにより、インダクタ31a、32a間のピッチ精度を向上させることができる。尚、第3ヨーク33に凹状の位置決め部を、第1ヨーク31及び第2ヨーク32のそれぞれに凸状の位置決め部を設けるようにすることもできる。

0041

また、第2ヨーク32には切り欠き部39aが、第3ヨーク33には切り欠き部39bが設けられている。このように、各ヨーク32、33において、コイルの周面部を囲むようにして設けられた部分に、インダクタ31a、32aが設けられた一端側から隣接するインダクタの間を切り欠いた切り欠き部39a、39bを間欠的に設けることで、各ヨーク32、33を周方向に磁気的に絶縁するようにしている。そして、各ヨーク32、33の周面に沿って形成される磁路のうち、発電に必要のない部分を削り取ることで、鉄損を抑制することができ発電量を増加させることができる。

0042

尚、マグネットMの下流側端面に対向させてステータ9が配置されている場合を説明したが、ステータ9は、マグネットMの上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Mの上流側及び下流側の両端面にそれぞれ対向させて1対のステータ9を配置させてもよい。

0043

次に、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さと動翼径外部の径方向に略直角な方向の長さとがトルク変動に与える影響について説明をする。
図6は、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さと動翼径外部の径方向に略直角な方向の長さを同じ長さとし、これらをともに短くした場合を説明するための模式断面図である。尚、図中の矢印は流水の方向を示している。また、図6においては、ステータ9をマグネットMの上流側端面に対向させるようにして配置している。
図7は、図6の場合において動翼が受けるトルクを説明するためのグラフ図である。尚、図7は、動翼の回転数を2500rpmとして、シミュレーションにより動翼の受けるトルクを求めたものである。
発電機のサイズを大きくせずに発電機の出力を向上させる手段として、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さを短くすることが考えられる。

0044

ここで、特許文献1に開示がされているような発電機においては、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さと、動翼の径外方向に設けられた動翼径外部の径方向に略直角な方向の長さとがほぼ同一となるようにされている。
図6は、このような動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さと動翼径外部の径方向に略直角な方向の長さとの寸法関係を保ったまま双方を短くした場合である。

0045

図7に示すように、図6の場合における動翼が受けるトルクは、平均受圧トルクが0.84mN・m(ミリニュートン・メートル)となり、脈動幅が0.28mN・m(ミリニュートン・メートル)となる。ここで、脈動幅とは、平均受圧トルクに対する振動の幅である。また、平均受圧トルクに対する脈動幅の割合である脈動割合は33%となる。

0046

ここで、本発明者の得た知見によれば、脈動割合が25%を超えると動翼の回転ムラや騒音が大きくなりすぎ実用上の障害となる。

0047

そのため、図6に示すように、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さと動翼径外部の径方向に略直角な方向の長さを同じ長さとし、これらをともに短くするようにすれば、動翼が受けるトルクが大きく変動して回転ムラや騒音が大きくなりすぎることになる。

0048

このトルクの変動原因は必ずしも明らかではないが、以下のことが考えられる。
動翼径外部の径方向に略直角な方向の長さを短くしたことで、動翼径外部の径外方向に形成されるバイパス路60の長さも短くなる。そのため、予旋回静翼14からバイパス路60に流入した脈流バイパス流61)が減衰せずにバイパス路60の出口から吐出されることになる。また、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さと動翼径外部の径方向に略直角な方向の長さを同じとしているため、動翼羽根部19の出口とバイパス路60の出口とが近接していることになる。その結果、バイパス路60の出口から吐出する水流が動翼の回転や動翼内の流れに影響を及ぼしてこれらが不安定になるので、動翼が受けるトルクが大きく変動することになるものと考えられる。

0049

動翼が受けるトルクの変動を抑える手段として、バイパス路の出口と動翼羽根部19の出口とを離隔させる方法が考えられる。
図8は、バイパス路の出口と動翼羽根部の出口とを離隔させた場合を説明するための模式断面図である。尚、図中の矢印は流水の方向を示している。また、図8においては、ステータ9をマグネットMの上流側端面に対向させるようにして配置している。
図9は、図8の場合において動翼が受けるトルクを説明するためのグラフ図である。尚、図9は、動翼の回転数を2500rpmとして、シミュレーションにより動翼の受けるトルクを求めたものである。

0050

図8に示すように、バイパス路60aの出口と動翼羽根部19の出口とを離隔させると、バイパス路60aの出口から吐出するバイパス流61aが動翼の回転や動翼内の流れに及ぼす影響を大幅に低減させることができる。そのため、図9に示すように、動翼が受けるトルクの変動を大幅に低減させることができる。

0051

しかしながら、このようにすれば、バイパス路60aの出口を拡げることにもなり、バイパス路60aからバイパス流61aが流出しやすくなるので、バイパス路60aへ流入する水量が増え、動翼側に通水される水量がその分減少してしまうことにもなる。その結果、図9に示すように、平均受圧トルクが半分程度にまで減少してしまうという新たな問題を生じる。

0052

本発明者は検討の結果、動翼径外部の上流側端面を動翼羽根部の上流側端面よりも、径方向に略直角な方向の上流側に設けるようにすれば、バイパス流を抑制することができ、回転ぶれを低減できるとの知見を得た。
また、本発明者は検討の結果、動翼羽根部の下流側端面が動翼径外部の下流側端面より上流側に位置するように動翼羽根部の下流側端面と、動翼径外部の下流側端面と、を離間させて設けようにすれば、動翼が受けるトルクの変動の低減とを図ることができるとの知見を得た。

0053

図10は、動翼径外部の上流側端面を動翼羽根部の上流側端面より上流側に設けるとともに、動翼羽根部の下流側端面が、動翼径外部の下流側端面より径方向に略直角な方向の上流側に位置するように、両端面を離間させた場合を説明するための模式断面図である。尚、図中の矢印は流水の方向を示している。また、図10においては、ステータ9をマグネットMの上流側端面に対向させるようにして配置している。
図11は、図10の場合における動翼が受けるトルクを説明するためのグラフ図である。尚、図11は、動翼の回転数を2500rpmとして、シミュレーションにより動翼の受けるトルクを求めたものである。

0054

図10に示したものでは、図6に示したものとは異なり、動翼径外部の上流側端面を動翼羽根部の上流側端面より径方向に略直角な方向の上流側に設けるとともに、動翼羽根部の下流側端面が動翼径外部の下流側端面より径方向に略直角な方向の上流側に位置するように設けているため、動翼径外部の径外方向に形成されるバイパス路60bの長さが短くなることがない。そのため、予旋回静翼14からバイパス路60bに流入した脈流(バイパス流61b)が減衰した状態でバイパス路60bの出口から吐出されることになる。また、バイパス路60bの出口と動翼羽根部19の出口とを離隔させている。そのため、バイパス路60bの出口から吐出するバイパス流61bが動翼の回転や動翼内の流れに及ぼす影響を大幅に低減させることができる。
その結果、図11に示すように、平均受圧トルクの低下を抑制しつつ、脈動幅の増加を抑制することができる。

0055

尚、図10においては、マグネットMは、動翼径外部の上流側の端面に配置されている。このようにすれば、コイル9をマグネットMに対して、上流側に配置することができる。

0056

本発明者はさらなる検討の結果、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さに対して、動翼羽根部の下流側端面と、動翼径外部の下流側端面と、の径方向に略直角な方向の長さの比率を所定の値以上とすれば、平均受圧トルクの低下を抑制することができ、かつ、脈動幅の増加をも抑制することができるとの知見を得た。
ここで、動翼羽根部の下流側端面と、動翼径外部の下流側端面と、の径方向に略直角な方向の長さとは、図10でのHをいう。

0057

図12は、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さに対する動翼羽根部の下流側端面と、動翼径外部の下流側端面と、の径方向に略直角な方向の長さの比率と、動翼が受けるトルクとの関係を説明するためのグラフ図である。尚、図12は、動翼の回転数を2500rpmとして、シミュレーションにより動翼の受けるトルクを求めたものである。図13は、図12の場合における脈動割合を説明するためのグラフ図である。

0058

図12図13からわかるように、動翼羽根部の下流側端面と、動翼径外部の下流側端面と、の径方向に略直角な方向の長さを、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さで除した値を、1倍以上とすれば、平均受圧トルクの低下を抑制しつつ脈動割合を25%以下とすることができる。前述したように、本発明者の得た知見によれば、脈動割合が25%を超えると動翼の回転ムラや騒音が大きくなりすぎ実用上の障害となるので、動翼羽根部の下流側端面と、動翼径外部の下流側端面と、の径方向に略直角な方向の長さを、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さで除した値を、1倍以上とすることが好ましい。この場合、脈動割合の低減の観点からは、上限値に特に制限はないが、動翼羽根部の下流側端面と、動翼径外部の下流側端面と、の径方向に略直角な方向の長さを、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さで除した値が9倍を超えると重量が大きくなりすぎ、動翼15を回転させるために必要となる水力が大きくなりすぎるなどの問題が発生するおそれがある。

0059

そのため、動翼羽根部の下流側端面と、動翼径外部の下流側端面と、の径方向に略直角な方向の長さを、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さで除した値は、1倍以上、9倍以下とすることが好ましい。すなわち、動翼羽根部の下流側端面と、動翼径外部の下流側端面と、の径方向に略直角な方向の長さを1倍以上、9倍以下とすることで、動翼の回転ムラや騒音を十分に抑制することができる。
また、動翼羽根部の下流側端面と、動翼径外部の下流側端面と、の径方向に略直角な方向の長さを、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さで除した値を5倍以上とすれば、平均受圧トルクの低下を抑制しつつ脈動割合を15%以下とすることができるので、なお良い。すなわち、動翼羽根部の下流側端面と、動翼径外部の下流側端面と、の径方向に略直角な方向の長さを5倍以上、9倍以下とすることで、動翼の回転ムラや騒音をさらに抑制することができる。

0060

以上は、水栓装置に備えられる発電機1として一般的な使用環境下における場合であるが、発電機1の使用環境などによっては、例えば、水量、水圧、動翼の最適回転数などが変わる場合もある。その場合であっても、脈動割合が25%以下となるような動翼羽根部の下流側端面と、動翼径外部の下流側端面と、の径方向に略直角な方向の長さを、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さで除した値とすることで平均受圧トルクの低下を抑制しつつ、脈動幅の増加を抑制することができる。
すなわち、動翼羽根部の下流側端面を、動翼が受ける平均受圧トルクに対する脈動幅の割合が25%以下となる位置に設けるようにすればよい。

0061

また、説明の便宜上、マグネットMの外周面からの磁束をインダクタ31a、32aを介してマグネットMの径方向に略直角な方向の端面に対向させるようにして設けられたコイル50に導くようにしているが、コイル、マグネット、インダクタの配置はこれに限定されるわけではない。例えば、マグネットの径外方向にインダクタを介してコイルを配設した「ラジアル配置」の発電機であってもよいし、マグネットの径方向に略直角な方向の端面と対向させるようにしてインダクタを介してコイルを配設した「アキシャル配置」の発電機であってもよい。

0062

図14は、「アキシャル配置」の発電機を説明するための模式分解図である。
マグネットM1の径方向に略直角な方向の端面には、周方向に沿ってN極とS極とが交互に着磁されている。
ステータ90は、いずれも軟磁性体(例えば、圧延鋼)からなる第1ヨーク131、第2ヨーク132およびこれらに連接するインダクタ131a、132aと、これら第1ヨーク131、第2ヨーク132、インダクタ131a、132aで囲まれた空間内に配置されるコイル50aとを有する。また、第3ヨーク133は、第1ヨーク131及び第2ヨーク132におけるそれぞれのインダクタ131a、132aが設けられた端部と反対側の端部に結合されている。

0063

コイル50aは、マグネットM1の径方向に略直角な方向の端面に対向して設けられ、インダクタ131a、132aは、マグネットM1の径方向に略直角な方向に対向する部分を有して互いに離間して配設されている。

0064

本実施の形態においても発電機の径方向寸法の小型化を図ることができる。そして、脈動割合が25%以下となるような動翼羽根部の下流側端面と、動翼径外部の下流側端面と、の径方向に略直角な方向の長さを、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さで除した値とすることで、平均受圧トルクの低下を抑制しつつ、脈動幅の増加を抑制することができる。
また、例えば、マグネットMの外周面にさらに部材を備えるようなものであってもよい。

0065

次に、本発明の実施の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をする。
使用者が、図2、3に表した吐水口6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により電磁弁8が開かれる。これにより、発電機1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、これをセンサ7が感知して、制御部57により電磁弁8が閉じられ、自動的に水が止まる。

0066

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に図示される実施の形態においては、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。

0067

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。本実施の形態では、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。そして、マグネットMの内周面より内側の動翼流路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。

0068

動翼15が回転すると、これに固定されたマグネットMも回転する。マグネットMの径外方向の端面(外周面)は、図4に表すようにN極とS極とが周方向(回転方向)に沿って交互に着磁されているため、マグネットMが回転すると、マグネットMの径外方向の端面(外周面)に対向しているインダクタ31a、32a及びこれらに連接する第1、第2ヨーク31、32の極性が変化していく。これにより、コイル50に対する鎖交磁束の向きが変化し、コイル50に起電力が生じ、発電が行われる。
尚、図14に例示をした場合においても同様にしてコイル50aに起電力が生ずる。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の駆動などに使用される。

図面の簡単な説明

0069

本発明の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
本発明の実施の形態に係る発電機を備えた自動水栓装置の取付例を表す模式図である。
本発明の実施の形態に係る発電機を備えた自動水栓装置の模式断面図である。
マグネットを説明するための模式斜視図である。
ステータを説明するための模式斜視図である。
動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さと動翼径外部の径方向に略直角な方向の長さを同じ長さとし、これらをともに短くした場合を説明するための模式断面図である。
図6の場合において動翼が受けるトルクを説明するためのグラフ図である。
バイパス路の出口と動翼羽根部の出口とを離隔させた場合を説明するための模式断面図である。
図8の場合において動翼が受けるトルクを説明するためのグラフ図である。
動翼羽根部の下流側端面が動翼径外部の下流側端面より上流側に位置するように両端面を離間させた場合を説明するための模式断面図である。
図10の場合における動翼が受けるトルクを説明するためのグラフ図である。
動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さに対する動翼羽根部の下流側端面と、動翼径外部の下流側端面と、の径方向に略直角な方向の長さの比率と、動翼が受けるトルクとの関係を説明するためのグラフ図である。
図12の場合における脈動割合を説明するためのグラフ図である。
「アキシャル配置」の発電機を説明するための模式分解図である。

符号の説明

0070

1発電機、3自動水栓装置、9ステータ、13筒体、14予旋回静翼、15動翼、19動翼羽根部、60bバイパス路、61bバイパス流、M マグネット

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