JP2004293499A - 屋内設備用発電ユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた羽根車と、前記流路内に配設され前記羽根車により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に配設されたコイルとを備えることを特徴とする屋内設備用発電ユニットであって、従来技術よりも発電効率の高い屋内設備用発電ユニットを提供する。
【解決手段】流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた羽根車と、前記流路内に配設され前記羽根車により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に且つ前記マグネットに対峙して配設されたコイルとを備え、前記羽根車は同心環状に配設された複数の翼列を有し、各翼列は周方向に互いに間隔を隔てて配設された複数の翼を有している。
【選択図】 図２
【解決手段】流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた羽根車と、前記流路内に配設され前記羽根車により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に且つ前記マグネットに対峙して配設されたコイルとを備え、前記羽根車は同心環状に配設された複数の翼列を有し、各翼列は周方向に互いに間隔を隔てて配設された複数の翼を有している。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屋内設備用発電ユニットに関するものである。本明細書において屋内設備とは、オフィス、駅等の公共施設や住宅で使用される水回り設備であって、上水、中水、下水、井戸水、雨水等を使用する設備を意味する。
【０００２】
【従来の技術】
流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた羽根車と、前記流路内に配設され前記羽根車により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に且つ前記マグネットに対峙して配設されたコイルとを備えることを特徴とする屋内設備用発電ユニットが、特許文献１、２に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】実公平３−５３１号
【特許文献２】特開２０００−２１３４４６
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、屋内設備用発電ユニットで発電された電力の用途は、簡単な人体検知や電磁弁の開閉程度に限定されており、屋内設備用発電ユニットには、高い発電能力は要求されていなかった。近年、生活快適性向上の観点から、便器洗浄水吐出流量自動制御の為の大便姿勢と小便姿勢の相違の検知、手洗用洗浄水吐出制御の為の手かざしの検知等の複雑な人体検知や、リモコンからの制御信号の受信等のニーズが高まり、屋内設備用発電ユニットに、高い発電能力が要求されるようになった。一方、屋内設備用発電ユニットを通過した後の水流には、汚物搬送や気泡混入等の能力が要求されるので、屋内設備用発電ユニットには、屋内設備へ供給される水流から発電に必要な最小限のエネルギーのみを取得する高効率性が求められる。
羽根車の各部位の周速は当該部位の回転軸からの径方向距離によって異なる。一方、流路を流れる水流の流速は前記回転軸からの径方向距離によらず略一定である。従って、一つの翼列のみを有する羽根車では、断面形状や迎え角等を含む翼形状を径方向に複雑に変化させない限り、水流から高効率でエネルギーを受け取ることはできない。特許文献１、２に開示された屋内設備用発電ユニットは、一つの翼列のみを有する羽根車を備えており且つ翼形状は単純なので、羽根車の効率が低く、ひいては発電効率が低いという問題を有している。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた羽根車と、前記流路内に配設され前記羽根車により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に且つ前記マグネットに対峙して配設されたコイルとを備える屋内設備用発電ユニットであって、従来技術よりも発電効率の高い屋内設備用発電ユニットを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた羽根車と、前記流路内に配設され前記羽根車により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に且つ前記マグネットに対峙して配設されたコイルとを備え、前記羽根車は同心環状に配設された複数の翼列を有し、各翼列は周方向に互いに間隔を隔てて配設された複数の翼を有していることを特徴とする屋内設備用発電ユニットを提供する。
本発明に係る屋内設備用発電ユニットにおいては、羽根車は、同心環状に配設された複数の翼列を有しており、各翼列の径方向幅は狭いので、翼の径方向内端の周速と径方向外端の周速との差は小さい。従って、各翼列毎に、当該翼列の平均的な周速に基づいて翼形状を最適設計すれば、翼形状の径方向分布を複雑化することなく、また翼形状の複雑化に伴う圧力損失の増加を招くことなく、各翼列の効率を最高効率近傍まで高めることができ、ひいては羽根車の効率を最高効率近傍まで高めることができる。従って、本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、従来の屋内設備用発電ユニットに比べて発電効率が高い。
【０００６】
本発明の好ましい態様においては、前記羽根車は同心環状に配設された２つの翼列を有している。
翼列の数が過度に多いと、羽根車の構造が過度に複雑になり、屋内設備用発電ユニットの製造コストの上昇を招く。翼列の数を２とした場合でも、翼形状の複雑化を招くことなく、屋内設備用発電ユニットの発電効率を従来に比べて向上させることができる。
【０００７】
本発明の好ましい態様においては、径方向外方の翼列が流路を流れる水流から受け取るエネルギーが、径方向内方の翼列が前記水流から受け取るエネルギーよりも大きい。
水流から大きなエネルギーを受け取るためには、翼枚数、翼弦長を大きくし、迎え角を流れに対し最適化する必要がある。翼列の周長が長い径方向外方の翼列の翼枚数、翼弦長を大きくし、迎え角を流れに対し最適化して、径方向外方の翼列で径方向内方の翼列よりも多くのエネルギーを水流から受け取るようにすれば、圧力損失の増加を抑制しつつ水流から大きなエネルギーを受け取ることができる。
【０００８】
本発明の好ましい態様においては、翼列毎に翼形状が異なる。
翼列毎に翼形状を変えることにより、圧力損失の増加を抑制しつつ水流から大きなエネルギーを受け取ることができる。
【０００９】
本発明の好ましい態様においては、翼列の翼形状は略棒状又は略平板状である。径方向内側の翼列で水流から大きなエネルギーを受け取らない場合には、当該翼列の翼形状を略棒状として圧力損失を抑制するのが望ましい。複数の翼列が環状に配設されているので、翼形状が単純な略平板であっても、翼列毎に弦長、迎え角等を最適化すれば、各翼列の効率を最高効率近傍まで高めることができ、ひいては羽根車の効率を最高効率近傍まで高めることができる。
【００１０】
本発明の好ましい態様においては、前記マグネットが、前記羽根車の径方向外方に環状に配設され前記羽根車の外周に固定されている。
前記マグネットを前記羽根車の径方向外方に環状に配設すれば、マグネットとコイルとの間隔が狭まり、コイルを通過する磁束密度が高まり、屋内設備用発電ユニットの発電効率が向上する。マグネットを羽根車の外周に固定することにより、屋内設備用発電ユニットが小型化される。
【００１１】
本発明の好ましい態様においては、前記マグネットの、前記流路内を流れる水流に関する上流端が、径方向内方へテーパーしている。
マグネットの上流端をテーパーさせることにより、マグネットによる圧損が低減する。前記テーパーを径方向内方へ差し向けることにより、水流を羽根車へ集めることができる。
【００１２】
本発明の好ましい態様においては、前記マグネットが、変速機を介して前記羽根車に係合している。
変速機を配設することにより、羽根車の出力が最高となる回転数で、マグネットとコイルとが形成する発電機を駆動することが可能となり、屋内設備用発電ユニットの発電効率が向上する。
【００１３】
本発明の好ましい態様においては、屋内設備用発電ユニットは水道管の一部を形成する。
屋内設備用発電ユニットが、水道管の一部を形成するように構成されていれば、当該ユニットを水道管に組み込んで、簡便に発電を行うことができる。
【００１４】
本発明の好ましい態様においては、屋内設備用発電ユニットは、電磁弁への通電により水流をオンし所定時間経過後に自動的に水流をオフする屋内設備用水栓と組み合わされて、前記電磁弁の駆動電力の少なくとも一部を供給する。
本発明の好ましい態様においては、前記所定時間は１分以下である。
発電効率が高い本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、電磁弁への通電により水流をオンし所定時間経過後に自動的に水流をオフする屋内設備用水栓と組み合わせて使用され、前記電磁弁の駆動電力の少なくと一部を供給するのに適している。
本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、水流オンから水流オフまでの時間が短くても、具体的には１分以下であっても、効率良く発電し、前記電磁弁の駆動電力の少なくとも一部を供給することができる。
【００１５】
本発明の好ましい態様においては、前記流路を流れる水流が前記羽根車の下流で汚物搬送に必要な水圧を有している。
本発明に係る屋内設備用発電ユニットにおいては、羽根車が、高効率に且つ低圧損に設計されているので、羽根車の下流側の水流に、汚物搬送に必要な水圧、具体的には０．０２Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。
【００１６】
本発明の好ましい態様においては、式（１）で与えられる弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たすことを特徴とする請求項１０に記載の屋内設備用発電ユニット。
Ｃｖ＝（Ｎ×Ｑ）／√（△Ｐ）・・・・・（１）
Ｃｖ≧０．１２６７×Ｑ・・・・・・（２）
Ｎ：０．０２１９
Ｑ：屋内設備発電ユニットを流れる水流の流量（Ｌ／分）
△Ｐ：屋内設備用発電ユニットの圧損（ＭＰａ）
式（１）で表される弁容量係数Ｃｖは、弁の入口と出口との間の差圧△Ｐと、弁を通って流れる液体の流量との関係を規定する定数であり、弁の形状、寸法によって定まる定数である。弁容量係数が式（２）を満たす場合には、△Ｐ≦０．０３ＭＰａとなる。屋内設備用発電ユニットを一種の弁と見做すと、屋内設備用発電ユニットの弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たす場合には、屋内設備用発電ユニットの圧損△Ｐが０．０３ＭＰａ以下となる。屋内設備が接続される水道管の末端水圧は一般に０．０５ＭＰａ以上なので、屋内設備用発電ユニットの弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たせば、屋内設備用発電ユニットの下流側の水流に、汚物搬送に必要な０．０２Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施例に係る屋内設備用発電ユニットを説明する。
図１に示すように、屋内設備用発電ユニット１は、一端部２ａが六角ナット状に膨出した円筒体の外ケーシング２を備えている。外ケーシング２の他端部外周面にネジ２ｂが形成されている。
図２に示すように、外ケーシング２に円筒体の内ケーシング３が圧入固定されている。内ケーシング３は外ケーシング２と同軸に延在している。内ケーシング３の一端部は外ケーシング２の前記一端部２ａから突出しており、当該一端部の先端外周面にネジ３ａが形成されている。内ケーシング３の外ケーシング２内に在る他端部と外ケーシング２との当接部はＯリング４によりシールされている。
【００１８】
図２に示すように、内ケーシング３の外ケーシング２内に在る他端部に、予旋回発生部材５が圧入固定されている。図２、３に示すように、予旋回発生部材５は、円筒体５ａを備えている。円筒体５ａは内ケーシング３と同軸に延在している。円筒体５ａの一端に、内ケーシング３の他端に係合する外フランジ５ａ′が形成されている。
円筒体５ａ内に周方向に互いに間隔を隔てて複数の径向き翼５ｂが配設されている。径向き翼５ｂの径方向外端は円筒体５ａの内周面に固定されており、径方向内端は円筒体５ａの中心に配設された軸受５ｃに固定されている。径向き翼５ｂは円筒体５ａの中心軸線に対して周方向へ傾斜しており、隣接する径向き翼５ｂ間に形成される案内路５ｄは円筒体５ａの中心軸線に対して周方向へ傾斜している。
円筒体５ａと径向き翼５ｂと軸受５ｃとは一体形成されている。
【００１９】
図２に示すように、内ケーシング３の長手方向中央部内に、羽根車６が配設されている。図２、４に示すように、羽根車６は、円筒体６ａを備えている。円筒体６ａは円筒体５ａと同軸に延在している。
円筒体６ａ内に周方向に互いに間隔を隔てて複数の径向き翼６ｂが配設されている。前記複数の翼６ｂは環状に配設された第１翼列６ｂ′を形成している。径向き翼６ｂは、平面視形状が長方形の平板で構成された、弦長の小さな、略棒状の形状を有している。径向き翼６ｂの径方向外端は円筒体６ａの内周面に固定されており、径方向内端は円筒体６ａの中心に配設されたボス６ｃに固定されている。径向き翼６ｂは、円筒体６ａの中心軸線に対して周方向へ傾斜している。径向き翼６ｂは、円筒体６ａの中心軸線ひいては円筒体５ａの中心軸線に対して、径向き翼５ｂとは反対方向へ傾斜している。
円筒体６ａの径方向外方に且つ円筒体６ａから所定間隔を隔ててリング６ｄが配設されている。円筒体６ａとリング６ｄとの間の環状隙間内に、周方向に互いに間隔を隔てて複数の径向き翼６ｅが配設されている。前記複数の径向き翼６ｅは、第１翼列６ｂ′と同心環状に且つ第１翼列６ｂ′の径方向外方に配設された第２翼列６ｅ′を形成している。径向き翼６ｅの径方向内端は円筒体６ａの外周面に固定され、径方向外端はリング６ｄの内周面に固定されている。径向き翼６ｅは、円筒体６ａの中心軸線に対して周方向へ傾斜している。径向き翼６ｅは、円筒体６ａの中心軸線ひいては円筒体５ａの中心軸線に対して、径向き翼５ｂとは反対方向へ傾斜している。径向き翼６ｅは、平面視形状が長方形の平板であり、弦長は大きな値に設定されている。径向き翼６ｅの数は径向き翼６ｂの数よりも大きな値に設定され、径向き翼６ｅの迎え角は流れに対して最適化されている。円筒体６ａと、径向き翼６ｂ、６ｅと、ボス６ｃと、リング６ｄとは一体形成されている。
図２に示すように、円筒体６ａと同軸に延在する回転軸６ｆが、ボス６ｃに挿通固定されている。
【００２０】
図２に示すように、羽根車６の径方向外方に且つ内ケーシング３の内部に、周方向に互いに間隔を隔てた複数の磁極を有する環状のマグネット７が配設されている。マグネット７は円筒体６ａと同軸に延在している。マグネット７は、径方向外端部が周方向にＮ極とＳ極とが交互に繰り返すように設計されている。前記複数のマグネット７は、リング６ｄに固定されると共に径向き翼６ｅの径方向外端にひいては羽根車６の外周に固定されている。
【００２１】
図２に示すように、内ケーシング３の中心に配設された軸受本体８ａと、周方向に互いに間隔を隔てて軸受本体８ａから径方向外方へ延びる複数の腕８ｂとを有する軸受８が、内ケーシング３の前記一端部に嵌合固定されている。
【００２２】
図２に示すように、回転軸６ｆの一端は軸受５ｃにより支持され、他端は軸受本体８ａにより支持されている。
【００２３】
図２に示すように、外ケーシング２の六角ナット状に膨出した一端部２ａの内側に且つ内ケーシング３の外側に、内ケーシング３を取り巻いて、コイル９が配設されている。コイル９は内ケーシング３を介してマグネット７に対峙している。マグネット７の磁束がコイル９を通過している。前記一端部２ａの先端と内ケーシング３との間の環状隙間は、環状の蓋部材１０によって閉鎖されている。
【００２４】
図２に示すように、屋内設備用発電ユニット１は、図示しない電磁弁への通電により水流をオンし、所定時間経過後に或いは人体検知センサー、汚物検知センサー、臭いセンサー等の各種センサーからのトリガー信号に基づいて、自動的に水流をオフする屋内設備用水栓１００と、屋内設備用水栓１００の下流に配設されたバキュームブレーカー２００との間に配設されている。外ケーシング２は屋内設備用水栓１００の下流端部に挿入されており、内ケーシング３はバキュームブレーカー２００の上流端部に挿入されている。外ケーシング２の前記他端部外周面に形成されたネジ２ｂが屋内設備用水栓１００の下流端部内周面に形成されたネジに螺合している。内ケーシング３の前記一端外周面に形成されたネジ３ａがバキュームブレーカー２００の上流端部内周面に形成されたネジに螺合している。内ケーシング３と外ケーシング２との間に配設されたＯリング４と、内ケーシング３とバキュームブレーカー２００との間に配設されたＯリング２０１により、コイル９の被水が防止されている。
屋内設備用発電ユニット１の内ケーシング３は、水道管の一部を形成している。バキュームブレーカー２００は、図示しない配管を介して図示しない水洗便器に接続している。
【００２５】
屋内設備用発電ユニット１の作動を説明する。
屋内設備用水栓１００の図示しない電磁弁が通電され、当該電磁弁によりオンされた水流が、屋内設備用発電ユニット１の予旋回発生部材５へ流入する。水流は羽根車６の回転軸６ｆに平行に流入する。屋内設備用水栓１００の吐出流量は２００リットル毎分以下に設定されている。
外フランジ５ａ′が形成された一端から予旋回発生部材５の円筒体５ａに流入した前記水流は、円筒体５ａの中心軸線ひいては羽根車６の回転軸６ｆに対して周方向へ傾斜した案内路５ｄ内を、円筒体５ａの他端へ向けて流れる。案内路５ｄ内を流れる水流は周方向へ差し向けられる。この結果、予旋回発生部材５を通過した水流は旋回流となる。
旋回流は羽根車６へ流入する。旋回流は、回転軸６ｆに対して周方向へ且つ案内路５ｄとは反対方向へ傾斜した径向き翼６ｂ、６ｅに衝突して羽根車６を回転駆動すると共に、円筒体６ａの周側面に剪断力を印加して羽根車６を回転駆動し、ひいては羽根車６に固定されたマグネット７を回転駆動する。径向き翼６ｂ、６ｅは、旋回流の旋回速度ベクトルに適した迎え角を有しており、水流が有する動圧が効率良く径向き翼６ｂ、６ｃに伝達される。
コイル９を通過するマグネット７の磁束が変化することにより、コイル９に起電力が発生する。コイル９に発生した電力は、直接又は二次電池やコンデンサーに貯留された後、屋内設備用水栓１００が備える図示しない電磁弁の駆動電力の一部として利用され、或いは、屋内設備が備える各種センサーの駆動電力、各種制御回路の駆動電力、ランプや電解槽等の各種機能部材の駆動電力の一部として利用される。
屋内設備用発電ユニット１を通過した水流は、バキュームブレーカー２００を通過した後、図示しない水洗便器へ流入し、便器内の汚物を便器から排出する。
【００２６】
屋内設備用発電ユニット１においては、同心環状に配設された複数の翼列６ｂ′、６ｅ′を有しており、各翼列の径方向幅は狭いので、翼６ｂ、６ｅの径方向内端の周速と径方向外端の周速との差は小さい。従って、各翼列毎に、当該翼列の平均的な周速に基づいて翼形状を最適設計すれば、翼形状の径方向分布を複雑化することなく、また翼形状の複雑化に伴う圧力損失の増加を招くことなく、各翼列の効率を最高効率近傍まで高めることができ、ひいては羽根車６の効率を最高効率近傍まで高めることができる。従って、本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、従来の屋内設備用発電ユニットに比べて発電効率が高い。
屋内設備用発電ユニット１においては、旋回流により回転体６を回転駆動するので、回転軸６ｆに平行な軸流により回転体６を回転駆動する場合に比べて、小さな圧力損失で回転体６を高速回転駆動できる。旋回流を発生させる予旋回発生部材５は水流により回転しないので、回転抵抗は無い。従って、屋内設備用発電ユニット１の発電効率は高い。
屋内設備においては水流のオン、オフが比較的頻繁に繰り返される。屋内設備用発電ユニット１においては、予旋回発生部材５が軸流を旋回流に変換することにより、水流オン時に発生する突入水力が緩和され、水流オン時の軸受８の負荷が軽減され、水流オン時の突入水流の繰り返しに対する軸受８の強度が増加しており、水流のオン、オフが比較的頻繁に繰り返されても、軸受８は損傷しな。従って、屋内設備用発電ユニット１は、水流オン時の突入水流の繰り返しに対して十分な強度を有している。
屋内設備用発電ユニット１においては、旋回流により回転体６を回転駆動するので、回転体６の起動時の立ち上がりが早い。従って、屋内設備用発電ユニット１は起動時の立ち上がりが早い。
屋内設備用発電ユニット１は、様々な水圧条件下で使用されるが、旋回流により回転体６を回転駆動するので、高水圧下でも軸受８に加わるスラスト荷重は小さく、低水圧下でも回転体６を確実に回転駆動して発電することができる。
【００２７】
翼列の数が過度に多いと、羽根車６の構造が過度に複雑になり、屋内設備用発電ユニット１の製造コストの上昇を招く。翼列の数を２とした場合でも、各翼列毎に、当該翼列の平均的な周速に基づいて翼形状を最適設計すれば、翼形状を複雑化することなく、また翼形状の複雑化に伴う圧力損失の増加を招くことなく、各翼列の効率を最高効率近傍まで高めることができ、羽根車６の効率を最高効率近傍まで高めることができ、ひいては屋内設備用発電ユニット１の発電効率を従来に比べて向上させることができる。
【００２８】
羽根車６へ流入する水流から大きなエネルギーを受け取るためには、羽根車６を構成する翼の翼枚数、翼弦長を大きくし、迎え角を流れに対して最適化する必要がある。翼列の周長が長い径方向外方の第２翼列６ｅ′の翼枚数、翼弦長を大きくし、迎え角を流れに対して最適化し、径方向外方の第２翼列６ｅ′で径方向内方の第１翼列６ｂ′よりも多くのエネルギーを水流の軸流成分から受け取るようにしたので、圧力損失の増加を抑制しつつ水流の軸流成分から大きなエネルギーを受け取ることができる。翼列の周長が短い径方向内方の第１翼列６ｂ′の翼枚数、翼弦長を大きくすると、圧力損失が増加する。
上記説明から分かるように、断面形状や迎え角等を含む翼形状を翼列毎に変えることにより、圧力損失の増加を抑制しつつ水流から大きなエネルギーを受け取ることができる。
【００２９】
径方向内側の翼列で、水流から大きなエネルギーを受け取らない場合には、第１翼列６ｂ′の翼６ｂのように、翼形状を略棒状として圧力損失を抑制するのが望ましい。
複数の翼列６ｂ′、６ｅ′が同心環状に配設されているので、翼形状が単純な略平板であっても、翼列毎に翼弦長、迎え角等を最適化すれば、各翼列の効率を最高効率近傍まで高めることができ、ひいては羽根車の効率を最高効率近傍まで高めることができる。
【００３０】
屋内設備用発電ユニット１においては、周方向に互いに間隔を隔てた複数の磁極を有するマグネット７が、羽根車６の径方向外方に環状に配設されているので、マグネット７とコイル９との間隔が狭まり、コイル９を通過する磁束密度が高まり、屋内設備用発電ユニット１の発電効率が向上している。マグネット７が羽根車６の外周に固定されることにより、屋内設備用発電ユニット１が小型化されている。
【００３１】
屋内設備用発電ユニット１の外ケーシング２は六角ナット形状を有しているので、スパナ等の工具を用いて、バキュームブレーカー２００に屋内設備用発電ユニット１機を容易に螺結することができる。
屋内設備用発電ユニット１は水道管の一部を形成するように構成されているので、屋内設備用発電ユニット１を水道管に組み込んで、簡便に発電を行い、無駄に捨てられる水圧エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することができる。
【００３２】
発電効率が高い屋内設備用発電ユニット１は、図示しない電磁弁への通電により水流をオンし所定時間経過後に自動的に水流をオフする屋内設備用水栓１００と組み合わせて使用され、前記電磁弁の駆動電力の少なくと一部を供給するのに適している。
屋内設備用発電ユニット１は、水流オンから水流オフまでの時間が短くても、具体的には１分以下であっても、効率良く発電し、前記電磁弁の駆動電力の少なくとも一部を供給することができる。
【００３３】
屋内設備用発電ユニット１においては、羽根車６が、高効率に且つ低圧損に設計されているので、羽根車６の下流側の水流に、汚物搬送に必要な水圧、具体的には０．０２Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。
屋内設備用発電ユニット１においては、式（１）で表される弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たすように、予旋回発生部材５、羽根車６、マグネット７、コイル９等の諸機能部材が設計されている。
Ｃｖ＝（Ｎ×Ｑ）／√（△Ｐ）・・・・・（１）
Ｃｖ≧０．１２６７×Ｑ・・・・・・（２）
Ｎ：０．０２１９
Ｑ：屋内設備発電ユニットを流れる水流の流量（Ｌ／分）
△Ｐ：屋内設備用発電ユニットの圧損（ＭＰａ）
式（１）で表される弁容量係数Ｃｖは、弁の入口と出口との間の差圧△Ｐと、弁を通って流れる液体の流量との関係を規定する定数であり、弁の形状、寸法によって定まる定数である。弁容量係数が式（２）を満たす場合には、△Ｐ≦０．０３ＭＰａとなる。屋内設備用発電ユニット１を一種の弁と見做すと、屋内設備用発電ユニット１の弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たす場合には、屋内設備用発電ユニット１の圧損△Ｐが０．０３ＭＰａ以下となる。屋内設備が接続される水道管の末端水圧は一般に０．０５ＭＰａ以上なので、屋内設備用発電ユニット１の弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たせば、屋内設備用発電ユニット１の下流側の水流に、汚物搬送に必要な０．０２Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たす屋内設備用発電ユニット１は、流量の比較的少ない屋内設備や低圧で駆動可能な屋内設備との組み合わせに適している。具体的には、浴室用カラン、手洗い用水栓、台所用水栓、タンク式の大便器や小便器、局部洗浄装置等の屋内設備との組み合わせに適している。
屋内設備用発電ユニット１の弁容量係数Ｃｖが式（３）を満たす場合には、屋内設備用発電ユニット１の圧損△Ｐが０．０２ＭＰａ以下となり、屋内設備用発電ユニット１の下流側の水流に、０．０３Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。弁容量係数Ｃｖが式（３）を満たす屋内設備用発電ユニット１は、上記の屋内設備との組み合わせに加え、水道直圧式の大便器や小便器、浴室用シャワー、気泡混入式の手洗い用水栓や台所用水栓との組み合わせにも適している。
Ｃｖ≧０．１５５１×Ｑ・・・・・・（３）
屋内設備用発電ユニット１の弁容量係数Ｃｖが式（４）を満たす場合には、屋内設備用発電ユニット１の圧損△Ｐが０．０１ＭＰａ以下となり、屋内設備用発電ユニット１の下流側の水流に、０．０４Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。弁容量係数Ｃｖが式（４）を満たす屋内設備用発電ユニット１は、上記の屋内設備との組み合わせに加え、流量が比較的大きく駆動に高圧を必要とする屋内設備との組み合わせにも適している。
Ｃｖ≧０．２１９４×Ｑ・・・・・・（４）
【００３４】
図５に示すように、変速機１１を介してグネット７を羽根車６に係合させても良い。
羽根車６の出力特性Ｗ１と、マグネット７とコイル９とが形成する発電機の入力特性Ｗ２とは、一般に図６に示すようなものになる。従って、羽根車６と前記発電機とを接続すると、羽根車６の出力と発電機の入力とが釣り合った点、すなわちＷ１とＷ２との交点Ｐで発電機は作動する。変速機１１を介してグネット７を羽根車６に係合させ、羽根車６の回転数ベースの発電機の入力特性Ｗ２′を図６に一点鎖線で示すように左方へ移動させることにより、Ｗ１とＷ２′の交点、ひいては発電機の作動点を羽根車６の最高出力点Ｍへ移動させることができる。発電機の出力は発電機の入力の増減に応じて増減するので、発電機の作動点を羽根車６の最高出力点Ｍへ移動させることにより、羽根車６の最高出力で発電機を駆動し、発電機の出力を最大にすることができる。この結果、屋内設備用発電ユニット１の発電効率が向上する。
【００３５】
羽根車６の径向き翼６ｂは、図７に示すように丸棒でも良い。羽根車６のエネルギー取得が比較的小さくて良い場合、径向き翼６ｂを丸棒にすれば、不必要な流れの乱れを生じさせることなく、圧損の上昇を防ぎながら、羽根車６を最適化することができる。
羽根車６の径向き翼６ｂは、図８に示すように平板を捩じった形状でも良い。羽根車６が比較的大きなエネルギー取得を必要とする場合、径向き翼６ｂの径方向幅は狭いので、翼形状を複雑化することなく平板を単に捩じるだけで、羽根車６を最適化することができ、羽根車効率を向上させることができる。
径向き翼６ｂの径方向幅は小さいので、翼厚の径方向分布を不均一化する場合でも翼の最適設計は容易である。
【００３６】
図９に示すように、リング６ｄを廃して、径向き翼６ｅのみにマグネット７を固定しても良い。
【００３７】
羽根車６の各翼列の翼枚数は、４枚以上２０枚以下であることが望ましい。１枚の翼が水流から受け取るエネルギーには限度があるので、翼列を構成する翼の枚数が４枚未満であると発電に必要なエネルギーを水流から受け取ることが困難になる。一方、翼列を構成する翼の枚数が２０枚を超えると、周方向の翼間隔が短くなり、流動抵抗が増大して、エネルギー取得効率が低下する。
【００３８】
流路径が大きいにも関わらず大きな発電量を必要としない場合には、径方向内方の翼列が水流から受け取るエネルギーが、径方向外方の翼列が水流から受け取るエネルギーよりも大きくなるように、羽根車を構成しても良い。
【００３９】
回転軸６ｆからの径方向距離により水流の流速が変化する場合や、屋内設備用発電ユニット１へ流入する水流が回転軸６ｆに平行でない場合でも、水流に適した翼形状を採用することにより、翼形状の径方向分布を複雑化することなく、また翼形状の複雑化に伴う圧力損失の増加を招くことなく、各翼列の効率を最高効率近傍まで高めることができ、ひいては羽根車の効率を最高効率近傍まで高めることができる。
【００４０】
図１０に示すように、マグネット７の、水流に関する上流端を、径方向内方へテーパーさせても良い。
マグネット７の上流端をテーパーさせることにより、マグネット７による圧損が低減する。前記テーパーを径方向内方へ差し向けることにより、水流を回転体６へ集めることができる。
【００４１】
【発明の効果】
上記説明から分かるように、本発明に係る屋内設備用発電ユニットにおいては、羽根車は、同心環状に配設された複数の翼列を有しており、各翼列の径方向幅は狭いので、翼の径方向内端の周速と径方向外端の周速との差は小さい。従って、各翼列毎に、当該翼列の平均的な周速に基づいて翼形状を最適設計すれば、翼形状の径方向分布を複雑化することなく、各翼列の効率を最高効率近傍まで高めることができ、ひいては羽根車の効率を最高効率近傍まで高めることができる。従って、本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、従来の屋内設備用発電ユニットに比べて発電効率が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る屋内設備用発電ユニットの斜視図である。
【図２】本発明の実施例に係る屋内設備用発電ユニットの断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備える予旋回発生部材の斜視図である。
【図４】本発明の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備える羽根車の斜視図である。
【図５】本発明の他の実施例に係る屋内設備用発電ユニットの部分断面図である。
【図６】羽根車出力特性と発電機入力特性の相関を示す図である。
【図７】本発明の他の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備える羽根車の斜視図である。
【図８】本発明の他の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備える羽根車の斜視図である。
【図９】本発明の他の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備える羽根車の部分断面図である。
【図１０】本発明の他の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備えるマグネットの断面図である。
【符号の説明】
１ 屋内設備用発電ユニット
２ 外ケーシング
３ 内ケーシング
５ 予旋回発生部材
６ 羽根車
７ マグネット
９ コイル
１１ 変速機
１００ 屋内設備用水栓
２００ バキュームブレーカー
【発明の属する技術分野】
本発明は、屋内設備用発電ユニットに関するものである。本明細書において屋内設備とは、オフィス、駅等の公共施設や住宅で使用される水回り設備であって、上水、中水、下水、井戸水、雨水等を使用する設備を意味する。
【０００２】
【従来の技術】
流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた羽根車と、前記流路内に配設され前記羽根車により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に且つ前記マグネットに対峙して配設されたコイルとを備えることを特徴とする屋内設備用発電ユニットが、特許文献１、２に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】実公平３−５３１号
【特許文献２】特開２０００−２１３４４６
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、屋内設備用発電ユニットで発電された電力の用途は、簡単な人体検知や電磁弁の開閉程度に限定されており、屋内設備用発電ユニットには、高い発電能力は要求されていなかった。近年、生活快適性向上の観点から、便器洗浄水吐出流量自動制御の為の大便姿勢と小便姿勢の相違の検知、手洗用洗浄水吐出制御の為の手かざしの検知等の複雑な人体検知や、リモコンからの制御信号の受信等のニーズが高まり、屋内設備用発電ユニットに、高い発電能力が要求されるようになった。一方、屋内設備用発電ユニットを通過した後の水流には、汚物搬送や気泡混入等の能力が要求されるので、屋内設備用発電ユニットには、屋内設備へ供給される水流から発電に必要な最小限のエネルギーのみを取得する高効率性が求められる。
羽根車の各部位の周速は当該部位の回転軸からの径方向距離によって異なる。一方、流路を流れる水流の流速は前記回転軸からの径方向距離によらず略一定である。従って、一つの翼列のみを有する羽根車では、断面形状や迎え角等を含む翼形状を径方向に複雑に変化させない限り、水流から高効率でエネルギーを受け取ることはできない。特許文献１、２に開示された屋内設備用発電ユニットは、一つの翼列のみを有する羽根車を備えており且つ翼形状は単純なので、羽根車の効率が低く、ひいては発電効率が低いという問題を有している。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた羽根車と、前記流路内に配設され前記羽根車により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に且つ前記マグネットに対峙して配設されたコイルとを備える屋内設備用発電ユニットであって、従来技術よりも発電効率の高い屋内設備用発電ユニットを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた羽根車と、前記流路内に配設され前記羽根車により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に且つ前記マグネットに対峙して配設されたコイルとを備え、前記羽根車は同心環状に配設された複数の翼列を有し、各翼列は周方向に互いに間隔を隔てて配設された複数の翼を有していることを特徴とする屋内設備用発電ユニットを提供する。
本発明に係る屋内設備用発電ユニットにおいては、羽根車は、同心環状に配設された複数の翼列を有しており、各翼列の径方向幅は狭いので、翼の径方向内端の周速と径方向外端の周速との差は小さい。従って、各翼列毎に、当該翼列の平均的な周速に基づいて翼形状を最適設計すれば、翼形状の径方向分布を複雑化することなく、また翼形状の複雑化に伴う圧力損失の増加を招くことなく、各翼列の効率を最高効率近傍まで高めることができ、ひいては羽根車の効率を最高効率近傍まで高めることができる。従って、本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、従来の屋内設備用発電ユニットに比べて発電効率が高い。
【０００６】
本発明の好ましい態様においては、前記羽根車は同心環状に配設された２つの翼列を有している。
翼列の数が過度に多いと、羽根車の構造が過度に複雑になり、屋内設備用発電ユニットの製造コストの上昇を招く。翼列の数を２とした場合でも、翼形状の複雑化を招くことなく、屋内設備用発電ユニットの発電効率を従来に比べて向上させることができる。
【０００７】
本発明の好ましい態様においては、径方向外方の翼列が流路を流れる水流から受け取るエネルギーが、径方向内方の翼列が前記水流から受け取るエネルギーよりも大きい。
水流から大きなエネルギーを受け取るためには、翼枚数、翼弦長を大きくし、迎え角を流れに対し最適化する必要がある。翼列の周長が長い径方向外方の翼列の翼枚数、翼弦長を大きくし、迎え角を流れに対し最適化して、径方向外方の翼列で径方向内方の翼列よりも多くのエネルギーを水流から受け取るようにすれば、圧力損失の増加を抑制しつつ水流から大きなエネルギーを受け取ることができる。
【０００８】
本発明の好ましい態様においては、翼列毎に翼形状が異なる。
翼列毎に翼形状を変えることにより、圧力損失の増加を抑制しつつ水流から大きなエネルギーを受け取ることができる。
【０００９】
本発明の好ましい態様においては、翼列の翼形状は略棒状又は略平板状である。径方向内側の翼列で水流から大きなエネルギーを受け取らない場合には、当該翼列の翼形状を略棒状として圧力損失を抑制するのが望ましい。複数の翼列が環状に配設されているので、翼形状が単純な略平板であっても、翼列毎に弦長、迎え角等を最適化すれば、各翼列の効率を最高効率近傍まで高めることができ、ひいては羽根車の効率を最高効率近傍まで高めることができる。
【００１０】
本発明の好ましい態様においては、前記マグネットが、前記羽根車の径方向外方に環状に配設され前記羽根車の外周に固定されている。
前記マグネットを前記羽根車の径方向外方に環状に配設すれば、マグネットとコイルとの間隔が狭まり、コイルを通過する磁束密度が高まり、屋内設備用発電ユニットの発電効率が向上する。マグネットを羽根車の外周に固定することにより、屋内設備用発電ユニットが小型化される。
【００１１】
本発明の好ましい態様においては、前記マグネットの、前記流路内を流れる水流に関する上流端が、径方向内方へテーパーしている。
マグネットの上流端をテーパーさせることにより、マグネットによる圧損が低減する。前記テーパーを径方向内方へ差し向けることにより、水流を羽根車へ集めることができる。
【００１２】
本発明の好ましい態様においては、前記マグネットが、変速機を介して前記羽根車に係合している。
変速機を配設することにより、羽根車の出力が最高となる回転数で、マグネットとコイルとが形成する発電機を駆動することが可能となり、屋内設備用発電ユニットの発電効率が向上する。
【００１３】
本発明の好ましい態様においては、屋内設備用発電ユニットは水道管の一部を形成する。
屋内設備用発電ユニットが、水道管の一部を形成するように構成されていれば、当該ユニットを水道管に組み込んで、簡便に発電を行うことができる。
【００１４】
本発明の好ましい態様においては、屋内設備用発電ユニットは、電磁弁への通電により水流をオンし所定時間経過後に自動的に水流をオフする屋内設備用水栓と組み合わされて、前記電磁弁の駆動電力の少なくとも一部を供給する。
本発明の好ましい態様においては、前記所定時間は１分以下である。
発電効率が高い本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、電磁弁への通電により水流をオンし所定時間経過後に自動的に水流をオフする屋内設備用水栓と組み合わせて使用され、前記電磁弁の駆動電力の少なくと一部を供給するのに適している。
本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、水流オンから水流オフまでの時間が短くても、具体的には１分以下であっても、効率良く発電し、前記電磁弁の駆動電力の少なくとも一部を供給することができる。
【００１５】
本発明の好ましい態様においては、前記流路を流れる水流が前記羽根車の下流で汚物搬送に必要な水圧を有している。
本発明に係る屋内設備用発電ユニットにおいては、羽根車が、高効率に且つ低圧損に設計されているので、羽根車の下流側の水流に、汚物搬送に必要な水圧、具体的には０．０２Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。
【００１６】
本発明の好ましい態様においては、式（１）で与えられる弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たすことを特徴とする請求項１０に記載の屋内設備用発電ユニット。
Ｃｖ＝（Ｎ×Ｑ）／√（△Ｐ）・・・・・（１）
Ｃｖ≧０．１２６７×Ｑ・・・・・・（２）
Ｎ：０．０２１９
Ｑ：屋内設備発電ユニットを流れる水流の流量（Ｌ／分）
△Ｐ：屋内設備用発電ユニットの圧損（ＭＰａ）
式（１）で表される弁容量係数Ｃｖは、弁の入口と出口との間の差圧△Ｐと、弁を通って流れる液体の流量との関係を規定する定数であり、弁の形状、寸法によって定まる定数である。弁容量係数が式（２）を満たす場合には、△Ｐ≦０．０３ＭＰａとなる。屋内設備用発電ユニットを一種の弁と見做すと、屋内設備用発電ユニットの弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たす場合には、屋内設備用発電ユニットの圧損△Ｐが０．０３ＭＰａ以下となる。屋内設備が接続される水道管の末端水圧は一般に０．０５ＭＰａ以上なので、屋内設備用発電ユニットの弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たせば、屋内設備用発電ユニットの下流側の水流に、汚物搬送に必要な０．０２Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施例に係る屋内設備用発電ユニットを説明する。
図１に示すように、屋内設備用発電ユニット１は、一端部２ａが六角ナット状に膨出した円筒体の外ケーシング２を備えている。外ケーシング２の他端部外周面にネジ２ｂが形成されている。
図２に示すように、外ケーシング２に円筒体の内ケーシング３が圧入固定されている。内ケーシング３は外ケーシング２と同軸に延在している。内ケーシング３の一端部は外ケーシング２の前記一端部２ａから突出しており、当該一端部の先端外周面にネジ３ａが形成されている。内ケーシング３の外ケーシング２内に在る他端部と外ケーシング２との当接部はＯリング４によりシールされている。
【００１８】
図２に示すように、内ケーシング３の外ケーシング２内に在る他端部に、予旋回発生部材５が圧入固定されている。図２、３に示すように、予旋回発生部材５は、円筒体５ａを備えている。円筒体５ａは内ケーシング３と同軸に延在している。円筒体５ａの一端に、内ケーシング３の他端に係合する外フランジ５ａ′が形成されている。
円筒体５ａ内に周方向に互いに間隔を隔てて複数の径向き翼５ｂが配設されている。径向き翼５ｂの径方向外端は円筒体５ａの内周面に固定されており、径方向内端は円筒体５ａの中心に配設された軸受５ｃに固定されている。径向き翼５ｂは円筒体５ａの中心軸線に対して周方向へ傾斜しており、隣接する径向き翼５ｂ間に形成される案内路５ｄは円筒体５ａの中心軸線に対して周方向へ傾斜している。
円筒体５ａと径向き翼５ｂと軸受５ｃとは一体形成されている。
【００１９】
図２に示すように、内ケーシング３の長手方向中央部内に、羽根車６が配設されている。図２、４に示すように、羽根車６は、円筒体６ａを備えている。円筒体６ａは円筒体５ａと同軸に延在している。
円筒体６ａ内に周方向に互いに間隔を隔てて複数の径向き翼６ｂが配設されている。前記複数の翼６ｂは環状に配設された第１翼列６ｂ′を形成している。径向き翼６ｂは、平面視形状が長方形の平板で構成された、弦長の小さな、略棒状の形状を有している。径向き翼６ｂの径方向外端は円筒体６ａの内周面に固定されており、径方向内端は円筒体６ａの中心に配設されたボス６ｃに固定されている。径向き翼６ｂは、円筒体６ａの中心軸線に対して周方向へ傾斜している。径向き翼６ｂは、円筒体６ａの中心軸線ひいては円筒体５ａの中心軸線に対して、径向き翼５ｂとは反対方向へ傾斜している。
円筒体６ａの径方向外方に且つ円筒体６ａから所定間隔を隔ててリング６ｄが配設されている。円筒体６ａとリング６ｄとの間の環状隙間内に、周方向に互いに間隔を隔てて複数の径向き翼６ｅが配設されている。前記複数の径向き翼６ｅは、第１翼列６ｂ′と同心環状に且つ第１翼列６ｂ′の径方向外方に配設された第２翼列６ｅ′を形成している。径向き翼６ｅの径方向内端は円筒体６ａの外周面に固定され、径方向外端はリング６ｄの内周面に固定されている。径向き翼６ｅは、円筒体６ａの中心軸線に対して周方向へ傾斜している。径向き翼６ｅは、円筒体６ａの中心軸線ひいては円筒体５ａの中心軸線に対して、径向き翼５ｂとは反対方向へ傾斜している。径向き翼６ｅは、平面視形状が長方形の平板であり、弦長は大きな値に設定されている。径向き翼６ｅの数は径向き翼６ｂの数よりも大きな値に設定され、径向き翼６ｅの迎え角は流れに対して最適化されている。円筒体６ａと、径向き翼６ｂ、６ｅと、ボス６ｃと、リング６ｄとは一体形成されている。
図２に示すように、円筒体６ａと同軸に延在する回転軸６ｆが、ボス６ｃに挿通固定されている。
【００２０】
図２に示すように、羽根車６の径方向外方に且つ内ケーシング３の内部に、周方向に互いに間隔を隔てた複数の磁極を有する環状のマグネット７が配設されている。マグネット７は円筒体６ａと同軸に延在している。マグネット７は、径方向外端部が周方向にＮ極とＳ極とが交互に繰り返すように設計されている。前記複数のマグネット７は、リング６ｄに固定されると共に径向き翼６ｅの径方向外端にひいては羽根車６の外周に固定されている。
【００２１】
図２に示すように、内ケーシング３の中心に配設された軸受本体８ａと、周方向に互いに間隔を隔てて軸受本体８ａから径方向外方へ延びる複数の腕８ｂとを有する軸受８が、内ケーシング３の前記一端部に嵌合固定されている。
【００２２】
図２に示すように、回転軸６ｆの一端は軸受５ｃにより支持され、他端は軸受本体８ａにより支持されている。
【００２３】
図２に示すように、外ケーシング２の六角ナット状に膨出した一端部２ａの内側に且つ内ケーシング３の外側に、内ケーシング３を取り巻いて、コイル９が配設されている。コイル９は内ケーシング３を介してマグネット７に対峙している。マグネット７の磁束がコイル９を通過している。前記一端部２ａの先端と内ケーシング３との間の環状隙間は、環状の蓋部材１０によって閉鎖されている。
【００２４】
図２に示すように、屋内設備用発電ユニット１は、図示しない電磁弁への通電により水流をオンし、所定時間経過後に或いは人体検知センサー、汚物検知センサー、臭いセンサー等の各種センサーからのトリガー信号に基づいて、自動的に水流をオフする屋内設備用水栓１００と、屋内設備用水栓１００の下流に配設されたバキュームブレーカー２００との間に配設されている。外ケーシング２は屋内設備用水栓１００の下流端部に挿入されており、内ケーシング３はバキュームブレーカー２００の上流端部に挿入されている。外ケーシング２の前記他端部外周面に形成されたネジ２ｂが屋内設備用水栓１００の下流端部内周面に形成されたネジに螺合している。内ケーシング３の前記一端外周面に形成されたネジ３ａがバキュームブレーカー２００の上流端部内周面に形成されたネジに螺合している。内ケーシング３と外ケーシング２との間に配設されたＯリング４と、内ケーシング３とバキュームブレーカー２００との間に配設されたＯリング２０１により、コイル９の被水が防止されている。
屋内設備用発電ユニット１の内ケーシング３は、水道管の一部を形成している。バキュームブレーカー２００は、図示しない配管を介して図示しない水洗便器に接続している。
【００２５】
屋内設備用発電ユニット１の作動を説明する。
屋内設備用水栓１００の図示しない電磁弁が通電され、当該電磁弁によりオンされた水流が、屋内設備用発電ユニット１の予旋回発生部材５へ流入する。水流は羽根車６の回転軸６ｆに平行に流入する。屋内設備用水栓１００の吐出流量は２００リットル毎分以下に設定されている。
外フランジ５ａ′が形成された一端から予旋回発生部材５の円筒体５ａに流入した前記水流は、円筒体５ａの中心軸線ひいては羽根車６の回転軸６ｆに対して周方向へ傾斜した案内路５ｄ内を、円筒体５ａの他端へ向けて流れる。案内路５ｄ内を流れる水流は周方向へ差し向けられる。この結果、予旋回発生部材５を通過した水流は旋回流となる。
旋回流は羽根車６へ流入する。旋回流は、回転軸６ｆに対して周方向へ且つ案内路５ｄとは反対方向へ傾斜した径向き翼６ｂ、６ｅに衝突して羽根車６を回転駆動すると共に、円筒体６ａの周側面に剪断力を印加して羽根車６を回転駆動し、ひいては羽根車６に固定されたマグネット７を回転駆動する。径向き翼６ｂ、６ｅは、旋回流の旋回速度ベクトルに適した迎え角を有しており、水流が有する動圧が効率良く径向き翼６ｂ、６ｃに伝達される。
コイル９を通過するマグネット７の磁束が変化することにより、コイル９に起電力が発生する。コイル９に発生した電力は、直接又は二次電池やコンデンサーに貯留された後、屋内設備用水栓１００が備える図示しない電磁弁の駆動電力の一部として利用され、或いは、屋内設備が備える各種センサーの駆動電力、各種制御回路の駆動電力、ランプや電解槽等の各種機能部材の駆動電力の一部として利用される。
屋内設備用発電ユニット１を通過した水流は、バキュームブレーカー２００を通過した後、図示しない水洗便器へ流入し、便器内の汚物を便器から排出する。
【００２６】
屋内設備用発電ユニット１においては、同心環状に配設された複数の翼列６ｂ′、６ｅ′を有しており、各翼列の径方向幅は狭いので、翼６ｂ、６ｅの径方向内端の周速と径方向外端の周速との差は小さい。従って、各翼列毎に、当該翼列の平均的な周速に基づいて翼形状を最適設計すれば、翼形状の径方向分布を複雑化することなく、また翼形状の複雑化に伴う圧力損失の増加を招くことなく、各翼列の効率を最高効率近傍まで高めることができ、ひいては羽根車６の効率を最高効率近傍まで高めることができる。従って、本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、従来の屋内設備用発電ユニットに比べて発電効率が高い。
屋内設備用発電ユニット１においては、旋回流により回転体６を回転駆動するので、回転軸６ｆに平行な軸流により回転体６を回転駆動する場合に比べて、小さな圧力損失で回転体６を高速回転駆動できる。旋回流を発生させる予旋回発生部材５は水流により回転しないので、回転抵抗は無い。従って、屋内設備用発電ユニット１の発電効率は高い。
屋内設備においては水流のオン、オフが比較的頻繁に繰り返される。屋内設備用発電ユニット１においては、予旋回発生部材５が軸流を旋回流に変換することにより、水流オン時に発生する突入水力が緩和され、水流オン時の軸受８の負荷が軽減され、水流オン時の突入水流の繰り返しに対する軸受８の強度が増加しており、水流のオン、オフが比較的頻繁に繰り返されても、軸受８は損傷しな。従って、屋内設備用発電ユニット１は、水流オン時の突入水流の繰り返しに対して十分な強度を有している。
屋内設備用発電ユニット１においては、旋回流により回転体６を回転駆動するので、回転体６の起動時の立ち上がりが早い。従って、屋内設備用発電ユニット１は起動時の立ち上がりが早い。
屋内設備用発電ユニット１は、様々な水圧条件下で使用されるが、旋回流により回転体６を回転駆動するので、高水圧下でも軸受８に加わるスラスト荷重は小さく、低水圧下でも回転体６を確実に回転駆動して発電することができる。
【００２７】
翼列の数が過度に多いと、羽根車６の構造が過度に複雑になり、屋内設備用発電ユニット１の製造コストの上昇を招く。翼列の数を２とした場合でも、各翼列毎に、当該翼列の平均的な周速に基づいて翼形状を最適設計すれば、翼形状を複雑化することなく、また翼形状の複雑化に伴う圧力損失の増加を招くことなく、各翼列の効率を最高効率近傍まで高めることができ、羽根車６の効率を最高効率近傍まで高めることができ、ひいては屋内設備用発電ユニット１の発電効率を従来に比べて向上させることができる。
【００２８】
羽根車６へ流入する水流から大きなエネルギーを受け取るためには、羽根車６を構成する翼の翼枚数、翼弦長を大きくし、迎え角を流れに対して最適化する必要がある。翼列の周長が長い径方向外方の第２翼列６ｅ′の翼枚数、翼弦長を大きくし、迎え角を流れに対して最適化し、径方向外方の第２翼列６ｅ′で径方向内方の第１翼列６ｂ′よりも多くのエネルギーを水流の軸流成分から受け取るようにしたので、圧力損失の増加を抑制しつつ水流の軸流成分から大きなエネルギーを受け取ることができる。翼列の周長が短い径方向内方の第１翼列６ｂ′の翼枚数、翼弦長を大きくすると、圧力損失が増加する。
上記説明から分かるように、断面形状や迎え角等を含む翼形状を翼列毎に変えることにより、圧力損失の増加を抑制しつつ水流から大きなエネルギーを受け取ることができる。
【００２９】
径方向内側の翼列で、水流から大きなエネルギーを受け取らない場合には、第１翼列６ｂ′の翼６ｂのように、翼形状を略棒状として圧力損失を抑制するのが望ましい。
複数の翼列６ｂ′、６ｅ′が同心環状に配設されているので、翼形状が単純な略平板であっても、翼列毎に翼弦長、迎え角等を最適化すれば、各翼列の効率を最高効率近傍まで高めることができ、ひいては羽根車の効率を最高効率近傍まで高めることができる。
【００３０】
屋内設備用発電ユニット１においては、周方向に互いに間隔を隔てた複数の磁極を有するマグネット７が、羽根車６の径方向外方に環状に配設されているので、マグネット７とコイル９との間隔が狭まり、コイル９を通過する磁束密度が高まり、屋内設備用発電ユニット１の発電効率が向上している。マグネット７が羽根車６の外周に固定されることにより、屋内設備用発電ユニット１が小型化されている。
【００３１】
屋内設備用発電ユニット１の外ケーシング２は六角ナット形状を有しているので、スパナ等の工具を用いて、バキュームブレーカー２００に屋内設備用発電ユニット１機を容易に螺結することができる。
屋内設備用発電ユニット１は水道管の一部を形成するように構成されているので、屋内設備用発電ユニット１を水道管に組み込んで、簡便に発電を行い、無駄に捨てられる水圧エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することができる。
【００３２】
発電効率が高い屋内設備用発電ユニット１は、図示しない電磁弁への通電により水流をオンし所定時間経過後に自動的に水流をオフする屋内設備用水栓１００と組み合わせて使用され、前記電磁弁の駆動電力の少なくと一部を供給するのに適している。
屋内設備用発電ユニット１は、水流オンから水流オフまでの時間が短くても、具体的には１分以下であっても、効率良く発電し、前記電磁弁の駆動電力の少なくとも一部を供給することができる。
【００３３】
屋内設備用発電ユニット１においては、羽根車６が、高効率に且つ低圧損に設計されているので、羽根車６の下流側の水流に、汚物搬送に必要な水圧、具体的には０．０２Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。
屋内設備用発電ユニット１においては、式（１）で表される弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たすように、予旋回発生部材５、羽根車６、マグネット７、コイル９等の諸機能部材が設計されている。
Ｃｖ＝（Ｎ×Ｑ）／√（△Ｐ）・・・・・（１）
Ｃｖ≧０．１２６７×Ｑ・・・・・・（２）
Ｎ：０．０２１９
Ｑ：屋内設備発電ユニットを流れる水流の流量（Ｌ／分）
△Ｐ：屋内設備用発電ユニットの圧損（ＭＰａ）
式（１）で表される弁容量係数Ｃｖは、弁の入口と出口との間の差圧△Ｐと、弁を通って流れる液体の流量との関係を規定する定数であり、弁の形状、寸法によって定まる定数である。弁容量係数が式（２）を満たす場合には、△Ｐ≦０．０３ＭＰａとなる。屋内設備用発電ユニット１を一種の弁と見做すと、屋内設備用発電ユニット１の弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たす場合には、屋内設備用発電ユニット１の圧損△Ｐが０．０３ＭＰａ以下となる。屋内設備が接続される水道管の末端水圧は一般に０．０５ＭＰａ以上なので、屋内設備用発電ユニット１の弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たせば、屋内設備用発電ユニット１の下流側の水流に、汚物搬送に必要な０．０２Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たす屋内設備用発電ユニット１は、流量の比較的少ない屋内設備や低圧で駆動可能な屋内設備との組み合わせに適している。具体的には、浴室用カラン、手洗い用水栓、台所用水栓、タンク式の大便器や小便器、局部洗浄装置等の屋内設備との組み合わせに適している。
屋内設備用発電ユニット１の弁容量係数Ｃｖが式（３）を満たす場合には、屋内設備用発電ユニット１の圧損△Ｐが０．０２ＭＰａ以下となり、屋内設備用発電ユニット１の下流側の水流に、０．０３Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。弁容量係数Ｃｖが式（３）を満たす屋内設備用発電ユニット１は、上記の屋内設備との組み合わせに加え、水道直圧式の大便器や小便器、浴室用シャワー、気泡混入式の手洗い用水栓や台所用水栓との組み合わせにも適している。
Ｃｖ≧０．１５５１×Ｑ・・・・・・（３）
屋内設備用発電ユニット１の弁容量係数Ｃｖが式（４）を満たす場合には、屋内設備用発電ユニット１の圧損△Ｐが０．０１ＭＰａ以下となり、屋内設備用発電ユニット１の下流側の水流に、０．０４Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。弁容量係数Ｃｖが式（４）を満たす屋内設備用発電ユニット１は、上記の屋内設備との組み合わせに加え、流量が比較的大きく駆動に高圧を必要とする屋内設備との組み合わせにも適している。
Ｃｖ≧０．２１９４×Ｑ・・・・・・（４）
【００３４】
図５に示すように、変速機１１を介してグネット７を羽根車６に係合させても良い。
羽根車６の出力特性Ｗ１と、マグネット７とコイル９とが形成する発電機の入力特性Ｗ２とは、一般に図６に示すようなものになる。従って、羽根車６と前記発電機とを接続すると、羽根車６の出力と発電機の入力とが釣り合った点、すなわちＷ１とＷ２との交点Ｐで発電機は作動する。変速機１１を介してグネット７を羽根車６に係合させ、羽根車６の回転数ベースの発電機の入力特性Ｗ２′を図６に一点鎖線で示すように左方へ移動させることにより、Ｗ１とＷ２′の交点、ひいては発電機の作動点を羽根車６の最高出力点Ｍへ移動させることができる。発電機の出力は発電機の入力の増減に応じて増減するので、発電機の作動点を羽根車６の最高出力点Ｍへ移動させることにより、羽根車６の最高出力で発電機を駆動し、発電機の出力を最大にすることができる。この結果、屋内設備用発電ユニット１の発電効率が向上する。
【００３５】
羽根車６の径向き翼６ｂは、図７に示すように丸棒でも良い。羽根車６のエネルギー取得が比較的小さくて良い場合、径向き翼６ｂを丸棒にすれば、不必要な流れの乱れを生じさせることなく、圧損の上昇を防ぎながら、羽根車６を最適化することができる。
羽根車６の径向き翼６ｂは、図８に示すように平板を捩じった形状でも良い。羽根車６が比較的大きなエネルギー取得を必要とする場合、径向き翼６ｂの径方向幅は狭いので、翼形状を複雑化することなく平板を単に捩じるだけで、羽根車６を最適化することができ、羽根車効率を向上させることができる。
径向き翼６ｂの径方向幅は小さいので、翼厚の径方向分布を不均一化する場合でも翼の最適設計は容易である。
【００３６】
図９に示すように、リング６ｄを廃して、径向き翼６ｅのみにマグネット７を固定しても良い。
【００３７】
羽根車６の各翼列の翼枚数は、４枚以上２０枚以下であることが望ましい。１枚の翼が水流から受け取るエネルギーには限度があるので、翼列を構成する翼の枚数が４枚未満であると発電に必要なエネルギーを水流から受け取ることが困難になる。一方、翼列を構成する翼の枚数が２０枚を超えると、周方向の翼間隔が短くなり、流動抵抗が増大して、エネルギー取得効率が低下する。
【００３８】
流路径が大きいにも関わらず大きな発電量を必要としない場合には、径方向内方の翼列が水流から受け取るエネルギーが、径方向外方の翼列が水流から受け取るエネルギーよりも大きくなるように、羽根車を構成しても良い。
【００３９】
回転軸６ｆからの径方向距離により水流の流速が変化する場合や、屋内設備用発電ユニット１へ流入する水流が回転軸６ｆに平行でない場合でも、水流に適した翼形状を採用することにより、翼形状の径方向分布を複雑化することなく、また翼形状の複雑化に伴う圧力損失の増加を招くことなく、各翼列の効率を最高効率近傍まで高めることができ、ひいては羽根車の効率を最高効率近傍まで高めることができる。
【００４０】
図１０に示すように、マグネット７の、水流に関する上流端を、径方向内方へテーパーさせても良い。
マグネット７の上流端をテーパーさせることにより、マグネット７による圧損が低減する。前記テーパーを径方向内方へ差し向けることにより、水流を回転体６へ集めることができる。
【００４１】
【発明の効果】
上記説明から分かるように、本発明に係る屋内設備用発電ユニットにおいては、羽根車は、同心環状に配設された複数の翼列を有しており、各翼列の径方向幅は狭いので、翼の径方向内端の周速と径方向外端の周速との差は小さい。従って、各翼列毎に、当該翼列の平均的な周速に基づいて翼形状を最適設計すれば、翼形状の径方向分布を複雑化することなく、各翼列の効率を最高効率近傍まで高めることができ、ひいては羽根車の効率を最高効率近傍まで高めることができる。従って、本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、従来の屋内設備用発電ユニットに比べて発電効率が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る屋内設備用発電ユニットの斜視図である。
【図２】本発明の実施例に係る屋内設備用発電ユニットの断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備える予旋回発生部材の斜視図である。
【図４】本発明の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備える羽根車の斜視図である。
【図５】本発明の他の実施例に係る屋内設備用発電ユニットの部分断面図である。
【図６】羽根車出力特性と発電機入力特性の相関を示す図である。
【図７】本発明の他の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備える羽根車の斜視図である。
【図８】本発明の他の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備える羽根車の斜視図である。
【図９】本発明の他の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備える羽根車の部分断面図である。
【図１０】本発明の他の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備えるマグネットの断面図である。
【符号の説明】
１ 屋内設備用発電ユニット
２ 外ケーシング
３ 内ケーシング
５ 予旋回発生部材
６ 羽根車
７ マグネット
９ コイル
１１ 変速機
１００ 屋内設備用水栓
２００ バキュームブレーカー
Claims (13)
- 流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた羽根車と、前記流路内に配設され前記羽根車により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に且つ前記マグネットに対峙して配設されたコイルとを備え、前記羽根車は同心環状に配設された複数の翼列を有し、各翼列は周方向に互いに間隔を隔てて配設された複数の翼を有していることを特徴とする屋内設備用発電ユニット。
- 前記羽根車は同心環状に配設された２つの翼列を有していることを特徴とする請求項１に記載の屋内設備用発電ユニット。
- 径方向外方の翼列が流路を流れる水流から受け取るエネルギーが、径方向内方の翼列が前記水流から受け取るエネルギーよりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の屋内設備用発電ユニット。
- 翼列毎に翼形状が異なることを特徴とする請求項３に記載の屋内設備用発電ユニット。
- 前記翼列の翼形状は略棒状又は略平板状であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の屋内設備用発電ユニット。
- 前記マグネットが、前記羽根車の径方向外方に環状に配設され前記羽根車の外周に固定されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の屋内設備用発電ユニット。
- 前記マグネットの、前記流路内を流れる水流に関する上流端が、径方向内方へテーパーしていることを特徴とする請求項６に記載の屋内設備用発電ユニット。
- 前記マグネットが、変速機を介して前記羽根車に係合していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の屋内設備用発電ユニット。
- 水道管の一部を形成することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の屋内設備用発電ユニット。
- 電磁弁への通電により水流をオンし所定時間経過後に自動的に水流をオフする屋内設備用水栓と組み合わされて、前記電磁弁の駆動電力の少なくとも一部を供給することを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の屋内設備用発電ユニット。
- 前記所定時間は１分以下であることを特徴とする請求項１０に記載の屋内設備用発電ユニット。
- 前記流路を流れる水流が前記羽根車の下流で汚物搬送に必要な水圧を有していることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の屋内設備用発電ユニット。
- 式（１）で与えられる弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たすことを特徴とする請求項１２に記載の屋内設備用発電ユニット。
Ｃｖ＝（Ｎ×Ｑ）／√（△Ｐ）・・・・・（１）
Ｃｖ≧０．１２６７×Ｑ・・・・・・（２）
Ｎ：０．０２１９
Ｑ：屋内設備発電ユニットを流れる水流の流量（Ｌ／分）
△Ｐ：屋内設備用発電ユニットの圧損（ＭＰａ）
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| JP2003089896A JP2004293499A (ja) | 2003-03-28 | 2003-03-28 | 屋内設備用発電ユニット |
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-
2003
- 2003-03-28 JP JP2003089896A patent/JP2004293499A/ja active Pending
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