JP2007274858A - 水栓用発電機及び発電機付自動水栓装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動翼から、この下流に設けられたマグネットに至る流路での圧力損失を低減して、発電能力の低下を抑えた水栓用発電機及び発電機付自動水栓装置を提供すること。
【解決手段】筒体の中心軸のまわりに回転可能に筒体の内部に設けられた動翼と、動翼の外径より小さな外径の中空部を有する筒状を呈し、軸中心を動翼の回転軸に一致させ、且つ動翼に対して筒体の軸方向に離間して筒体の内部に設けられ、動翼と一体となって筒体の中心軸のまわりに回転可能なマグネットと、筒体の管壁を間に挟んでマグネットに対向して筒体の外部に設けられたコイルと、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、給水の流れを利用して発電する水栓用発電機及びこれを備えた自動水栓装置に関する。

従来より、蛇口の下に手を差し出すことによって、これをセンサが感知し、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に小型発電機を配設し、この発電機で得られた電力を蓄電しておき、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、図１２に模式的に表されるように、複数の翼部１９ａを周面に設けた回転体１５ａと、これよりも下流に配設された円筒状のマグネットＭとが開示されている。回転体１５ａは、段付き配管１３ａの小径部に配設され、マグネットＭは、配管１３ａの大径部に配設されている。回転体１５ａに回転力を与えながら回転体１５ａを流れた流水は、マグネットＭの中空部を通過する。

所定の流量に対する回転力（駆動トルク）を高めて、発電量を多くするためには、図１３に表される比較例のように、複数の翼部１９ｂを有する回転体１５ｂの外径を大きくする必要があるが、回転体１５bの外径を増大させると、回転体１５ｂを流れた流水がマグネットＭの肉厚部へ衝突して中空部に抜けにくく、大きな圧力損失となり、流量の低下や必要水圧の上昇を招き、結果として発電能力が低下してしまう。
特開２００４−３３６９８２号公報

本発明は、動翼から、この下流に設けられたマグネットに至る流路での圧力損失を低減して、発電能力の低下を抑えた水栓用発電機及び発電機付自動水栓装置を提供する。

本発明の一態様によれば、内部が給水流路に連通され、給水が流れる方向に対して、軸方向を略平行にして設けられる筒体と、前記筒体の中心軸のまわりに回転可能に前記筒体の内部に設けられた動翼と、前記動翼の外径より小さな外径の中空部を有する筒状を呈し、軸中心を前記動翼の回転軸に一致させ、且つ前記動翼に対して前記筒体の軸方向に離間して前記筒体の内部に設けられ、前記動翼と一体となって前記筒体の中心軸のまわりに回転可能なマグネットと、前記筒体の管壁を間に挟んで前記マグネットに対向して前記筒体の外部に設けられたコイルと、を備えたことを特徴とする水栓用発電機が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、給水の流入口と、給水の吐水口と、前記流入口から流入した給水を前記吐水口に導く給水流路と、内部が前記給水流路に連通され、給水が流れる方向に対して、軸方向を略平行にして設けられた筒体と、前記筒体の中心軸のまわりに回転可能に前記筒体の内部に設けられた動翼と、前記動翼の外径より小さな外径の中空部を有する筒状を呈し、軸中心を前記動翼の回転軸に一致させ、且つ前記動翼に対して前記筒体の軸方向に離間して前記筒体の内部に設けられ、前記動翼と一体となって前記筒体の中心軸のまわりに回転可能なマグネットと、前記筒体の管壁を間に挟んで前記マグネットに対向して前記筒体の外部に設けられたコイルと、を備えたことを特徴とする発電機付自動水栓装置が提供される。

本発明によれば、動翼から、この下流に設けられたマグネットに至る流路での圧力損失を低減して、発電能力の低下を抑えた水栓用発電機及び発電機付自動水栓装置が提供される。

以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。

図９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）の設置態様を例示する模式図である。
図１０は、同自動水栓装置の要部の部分断面図である。

本実施形態に係る自動水栓装置は、例えば洗面台２などに取り付けられる吐水金具３を備える。吐水金具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。吐水金具３は、円筒状の本体３ａと、この本体３ａの径外方に延出して本体３ａの上部に設けられた吐水部３ｂとを有する。吐水部３ｂの先端側には、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。

配管４および吐水金具３の内部には、流入口５から流入した給水を、吐水口６へと導く給水流路が形成されている。吐水金具３の本体３ａの内部には、その給水流路を開閉する電磁弁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。また、定流量弁５５より下流の吐水部３ｂの内部には、発電機１１が内蔵されている。また、本体３ａには、発電機１１で発電された電力を充電しておく充電器５６と、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。発電機１１は、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、発電機１１に直接作用しない。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。

図１は、その発電機１１の内部を表す模式図である。
図２は、同発電機１１の模式断面図である。

発電機１１は、カバー１２（図１０参照）の中に、主として、筒体１３、静翼１４、動翼１５、マグネットＭ、コイル１６を備える。

筒体１３は、その内部が給水流路に連通した状態で、吐水金具３の吐水部３ｂに内蔵され、筒体１３の軸方向は、給水が流れる方向に対して略平行になるよう設置される。筒体１３の内部には、給水が流れる方向の上流側から順に、静翼１４、動翼１５、マグネットＭ、軸受け１７が設けられ、これらは、互いの軸中心を、筒体１３の軸中心に一致させている。

静翼１４は、円柱体の上面（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。静翼１４の周面には、径外方に突出した複数の突起状の固定翼部１８が設けられている。固定翼部１８は、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。静翼１４は、筒体１３に対して固定されている。

静翼１４の下流側に、静翼１４に対して離間して動翼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、径外方に突出した複数の突起状の翼部１９が設けられている。動翼１５の翼部１９は、静翼１４の固定翼部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、筒体１３に対して固定された軸受け１７上に回転可能に支持されている。すなわち、動翼１５は、筒体１３の中心軸のまわりに回転可能となっている。

動翼１５の下流には、動翼１５に対して軸方向に離間して、マグネットＭが設けられている。マグネットＭは、動翼１５の外径より小さな外径の中空部を有する筒状を呈する。動翼１５とマグネットＭとの間には、隙間ａが形成されている。

軸受け１７は、筒体１３の内壁部に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とが、径方向に延在する連結部材２３によって結合されてなる。連結部材２３間は、閉塞しておら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。

軸受け１７のリング部材２１は、図２に表されるように、筒体１３の内周面に形成された段部２９の上に固定されている。軸受け１７の軸支持部２２には、動翼１５の軸中心に固定された軸部材２４が回転可能に支持されている。軸部材２４は、マグネットＭの中空部および動翼１５を貫通して動翼１５の上流側に突出し、静翼１４に支持されている。軸部材２４の先端部と静翼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静翼１４に対して軸部材２４は回転可能になっている。

軸部材２４には、径方向に延在す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延在する筒部３８とを有する。マグネットＭ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Ｍは、マグネット装着部材３６および軸部材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Ｍは動翼１５と一体となって回転する。マグネットＭの外周面は、筒体１３の内周面に対してわずかな隙間をあけて対向しており、マグネットＭの回転は妨げられない。

あるいは、図３に表される他の具体例のように、軸部材２４の両端部をそれぞれ軸支持部２２と静翼１４に固定させ、その軸部材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、軸部材２４のまわりを回転可能に軸部材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Ｍはマグネット装着部材３６と共に軸部材２４のまわりに回転する。筒部３８において動翼１５とつながっている部分には開口３８ａが形成され、この開口３８ａを通って、動翼１５を流れた流水がマグネットＭの中空部へと流れる。

筒体１３の外周面における、マグネットＭに対向する部分には、マグネットＭ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、図４、５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。

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プレート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、さらに環状プレート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プレート２６ａと、この環状プレート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４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。

両ヨーク２５、２６の極歯２５ｃ、２６ｂは、筒体１３の外周面におけるマグネットＭに対向する部分に当接して設けられる。マグネットＭは、図６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ＭのＮ極またはＳ極に対向する。さらに、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Ｍに対向する。

次に、本実施形態に係る水栓用発電機及びこれを備えた自動水栓装置の作用について説明する。

図１１は、本実施形態に係る発電機付自動水栓装置において、給水の流れ（実線の矢印）と、電気の流れ（点線の矢印）とを表す模式図である。
使用者が、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が電磁弁８を開にする。これにより、発電機１１の筒体１３の内部に給水が供給され、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。

筒体１３内部に流れ込んだ流水は、静翼１４の円錐体表面を流れて径外方に拡散され、静翼１４の周面における固定翼部１８間を流れて、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、動翼１５に向けて流れる。静翼１４を流れた旋回流は、動翼１５の周面に設けられた翼部１９の上側の内壁面に当たって、動翼１５とマグネットＭを回転させるとともに、翼部１９間の周面を流れ、動翼１５とマグネットＭとの間の隙間ａに流れ込む。

その隙間ａに流れ込んだ流水は、マグネットＭの端面に衝突して、径外方および径内方に流れるが、マグネットＭと筒体１３の内周面との間の隙間はわずかであるので、大部分は径内方に流れて、マグネットＭの中空部に至る。さらに、流水は、マグネットＭの中空部を軸方向に流れて、マグネット装着部材３６および軸受け１７を通過して、筒体１３内部を抜け、吐水口６へと至る。

図１に図示される具体例では、静翼１４によって形成された旋回流が、動翼１５の翼部１９の上側に流入し、右方向に旋回した流れなので、翼部１９に右方向の力が作用し、動翼１５は右回りに回転する。動翼１５が回転するとマグネットＭも回転する。マグネットＭは、図６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、筒体１３の管壁を挟んでマグネットＭ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、すなわち発電する。

発電機１１が発電した電力は、充電器５６へと充電された後、電磁弁８、センサ７、制御部５７の駆動に使用される。

本実施形態では、駆動トルクを大きくして発電量の増大を図るべく、動翼１５の外径を、例えばマグネットＭの外径と同程度にまで大きくしても（動翼１５の外径がマグネットＭの中空部の外径より大きくても）、動翼１５とマグネットＭとの間に隙間ａを設けたため、動翼１５を流れてきた流水がマグネットＭの中空部へと流れる際の圧力損失を低減できる。すなわち、動翼１５に回転力を与えながら動翼１５を通過する流水の停滞を抑えて、発電能力の低下を防げる。そして、動翼１５の外径を大きくして、より大きな駆動トルクを確保したことと相俟って、発電能力のよりいっそうの向上が図れる。

なお、動翼１５とマグネットＭとの間の隙間ａにおける、マグネットＭの中空部直上の部分の周方向に沿った面の面積（図７に斜線で模式的に表した部分の面積）と、マグネットＭの中空部の軸方向に対して垂直な断面積（図８に斜線で模式的に表した部分の面積）と、が略等しくなるようにすれば、流水が隙間ａを通ってマグネットＭの中空部に抜ける際の通水面積の大きな変化が更に抑制され、圧力損失をより低減でき、発電能力の低下をより抑えることができる。

例えば、隙間ａの軸方向長さを１．６ｍｍ、マグネットＭの中空部の半径を３．５ｍｍ、マグネットＭの中空部の軸中心に位置する軸部材２４の半径を１ｍｍに設計すると、隙間ａにおける、マグネットＭの中空部直上の部分の周方向に沿った面の面積（図７に斜線で模式的に表した部分の面積）は約３５．２ｍｍ^２となり、マグネットＭの中空部の軸方向に対して垂直な断面積（図８に斜線で模式的に表した部分の面積）は約３５．３ｍｍ^２となり、両面積は略等しくなる。

また、筒体１３の内周面と、動翼１５との間の隙間を０．１〜１．０ｍｍとすることで、より多くのトルクを確保することができる。筒体１３の内周面と、動翼１５との間の隙間が０．１ｍｍ未満だと組み立て誤差で動翼１５と筒体１３とが接触し、動翼１５が回転できなくなる可能性がある。また、筒体１３の内周面と、動翼１５との間の隙間が１．０ｍｍ以上になると、その隙間を通過する流水が増大し、動翼１５の翼部１９に衝突して動翼１５に回転力を与える流体エネルギーが低下して、必要なトルク力が確保できなくなる可能性がある。

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。

本発明の水栓用発電機が用いられる水栓装置としては、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、人体検知センサを用いた自動水栓装置に限らず、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できる。また、発電された電力を、例えば、吐水のライトアップ、電解機能水の吐水、流量表示（計量）、温度表示、音声ガイドなどに用いてもよい。

本発明の実施形態に係る水栓用発電機の内部を表す模式図である。 同実施形態における第１の具体例に係る水栓用発電機の模式断面図である。 同実施形態における第２の具体例に係る水栓用発電機の模式断面図である。 同実施形態において、ヨークおよびこの内部に収容されたコイルを表す斜視図である。 図４に表されるコイルおよびヨークの分解斜視図である。 同実施形態において、マグネットと、ヨークの極歯との配置関係を表す模式図である。 動翼とマグネットとの間の隙間における、マグネットの中空部直上の部分の周方向に沿った面の面積を模式的に表した図である。 マグネットの中空部の軸方向に対して垂直な断面積を模式的に表した図である。 本発明の実施形態に係る発電機付自動水栓装置の設置態様を例示する模式図である。 同自動水栓装置の要部の部分断面図である。 本発明の実施形態に係る発電機付自動水栓装置において、給水の流れ（実線の矢印）と、電気の流れ（点線の矢印）とを表す模式図である。 従来例の発電機の内部を表す模式図である。 比較例の発電機の内部を表す模式図である。

符号の説明

３…吐水金具、５…流入口、６…吐水口、７…センサ、８…電磁弁、１１…発電機、１２…カバー、１３…筒体、１４…静翼、１５…動翼、１６…コイル、１６ａ…コイル配線部、１８…固定翼部、１９…翼部、２５，２６…ヨーク、２５ｃ，２６ｂ…極歯、Ｍ…マグネット

Claims (4)

1. 内部が給水流路に連通され、給水が流れる方向に対して、軸方向を略平行にして設けられる筒体と、
   前記筒体の中心軸のまわりに回転可能に前記筒体の内部に設けられた動翼と、
   前記動翼の外径より小さな外径の中空部を有する筒状を呈し、軸中心を前記動翼の回転軸に一致させ、且つ前記動翼に対して前記筒体の軸方向に離間して前記筒体の内部に設けられ、前記動翼と一体となって前記筒体の中心軸のまわりに回転可能なマグネットと、
   前記筒体の管壁を間に挟んで前記マグネットに対向して前記筒体の外部に設けられたコイルと、
   を備えたことを特徴とする水栓用発電機。
2. 前記動翼と前記マグネットとの間の隙間の周面の面積と、前記マグネットの中空部の軸方向に対して垂直な断面積と、が略等しいことを特徴とする請求項１記載の水栓用発電機。
3. 給水の流入口と、
   給水の吐水口と、
   前記流入口から流入した給水を前記吐水口に導く給水流路と、
   内部が前記給水流路に連通され、給水が流れる方向に対して、軸方向を略平行にして設けられた筒体と、
   前記筒体の中心軸のまわりに回転可能に前記筒体の内部に設けられた動翼と、
   前記動翼の外径より小さな外径の中空部を有する筒状を呈し、軸中心を前記動翼の回転軸に一致させ、且つ前記動翼に対して前記筒体の軸方向に離間して前記筒体の内部に設けられ、前記動翼と一体となって前記筒体の中心軸のまわりに回転可能なマグネットと、
   前記筒体の管壁を間に挟んで前記マグネットに対向して前記筒体の外部に設けられたコイルと、
   を備えたことを特徴とする発電機付自動水栓装置。
4. 前記動翼と前記マグネットとの間の隙間の周面の面積と、前記マグネットの中空部の軸方向に対して垂直な断面積と、が略等しいことを特徴とする請求項３記載の発電機付自動水栓装置。
   
   

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