JP2008274787A - 水栓用発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】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ることのできる水栓用発電機を提供する。
【解決手段】主流路に対して略平行に設けられた軸部材と、軸部材よりも径外方に突出し主流路に設けられた動翼羽根部と、動翼羽根部よりも径外方に突出し主流路から分岐したバイパス流路の入口部及び出口部の少なくともいずれかに設けられたフランジ部とを有し、軸部材によって径方向の移動を規制されつつ軸部材のまわりに回転可能な動翼と、フランジ部の軸方向の端部が摺動自在に接触する受部とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水栓に供される流水の流れを利用して発電する水栓用発電機に関する。

従来、蛇口の下に差し出された手をセンサで感知し、蛇口から水を自動的に吐水させ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備え、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、流体が流通する流路に、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、略円筒状の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。

しかし、特許文献１に開示されている技術では、流路配管とマグネットとの間に形成された隙間（マグネットの外周面側部分）を流れる水流の割合が多くなり、水車を流れる流量が低減するため、水力エネルギーから回転エネルギーへの変換効率が悪化し、発電効率が低下する問題がある。
特開２００４−３３６９８２号公報

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ることのできる水栓用発電機を提供する。

本発明の一態様によれば、主流路に対して略平行に設けられた軸部材と、前記軸部材よりも径外方に突出し、前記主流路に設けられた動翼羽根部と、前記動翼羽根部よりも径外方に突出し、前記主流路から分岐したバイパス流路の入口部及び出口部の少なくともいずれかに設けられたフランジ部とを有し、前記軸部材によって径方向の移動を規制されつつ前記軸部材のまわりに回転可能な動翼と、前記フランジ部の軸方向の端部が摺動自在に接触する受部と、を備えたことを特徴とする水栓用発電機が提供される。

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ることのできる水栓用発電機が提供される。

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す。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る水栓用発電機１の模式断面図である。
この水栓用発電機１は、主として、筒体１５、静翼２１、動翼２５、マグネットＭ、ステータ５０などを備え、これらは、ケース１２（図５を参照）の中に収容されている。

ここで、水栓用発電機１の説明をする前に、この水栓用発電機１を備えた水栓装置３の説明をする。
図４は、その水栓装置３の取付例を表す模式図である。
図５は、同水栓装置３の模式断面図である。

水栓装置３は、例えば、洗面台２などに取り付けられる。水栓装置３は、配管４を介して、水道水等の流入路５に接続されている。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。

水栓装置３の内部には、流入路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。なお、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。

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１が備えられている。本体３ａの内部には、水栓用発電機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。水栓用発電機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、水栓用発電機１に直接作用することはない。そのため、水栓用発電機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。

水栓用発電機１に具備されたコイル３６（図１参照）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３６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４参照）との間を接続する配管（流路）４に設けてもよい。

水栓用発電機１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用水栓、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１に流れる水流を分岐させて、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２５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、渦電流や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の給水圧としては、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。

また、水栓装置は、人体検知センサを用いた自動水栓に限らず、手動スイッチのオン／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であってもよい。

また、水栓用発電機１で発電された電力を、例えば、ライトアップ、アルカリイオン水や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。

次に、図１に戻って、水栓用発電機１について説明する。

筒体１５は、大径部１６と小径部１８とを有す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４、５に示される吐水部３ｂ内に配設される。筒体１５は、その中心軸方向が、吐水部３ｂ内の給水流路１０を流水が流れる方向に対して略平行となるように配設される。筒体１５は、大径部１６を上流側に、小径部１８を下流側に向けて配設される。筒体１５の内部における主流路には、上流側から順に、静翼２１と動翼２５が設けられている。

大径部１６の上流端の開口は、Ｏリング３３を介して、封止部材３２により液密に塞がれている。封止部材３２の内周部に静翼２１が設けられている。

静翼２１は、円柱体の一方の軸方向端面（上流側に位置する面）に、円錐体を一体的に設けた形状をしている。静翼２１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２２が設けられている。静翼羽根部２２は、例えば、静翼２１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２１は、封止部材３２の内周部に対して固定され、回転はしない。

静翼２１の下流側には、静翼２１に対してわずかの隙間をあけて動翼２５が設けられている。動翼２５の上流側部分は円柱状に形成され、その周面には、動翼２５の軸中心（軸部材３５）に対して径外方向に突出した複数の動翼羽根部２６が設けられている。動翼羽根部２６は、静翼羽根部２２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２５の外周側には、動翼羽根部２６の周囲を囲むように動翼リング２８が設けられている。動翼リング２８における下流側の軸方向端部には、径外方に突出した環状のフランジ部２９が一体に設けられ、そのフランジ部２９の上流側に、マグネットＭが動翼リング２８の外周面に固定されて設けられている。動翼２５、動翼リング２８、フランジ部２９およびマグネットＭは一体となって回転する。

マグネットＭは、筒状を呈し、その軸方向の端面には周方向に沿って交互にＮ極とＳ極とが着磁されている。

動翼２５の下流側には、軸部材３５を流路中に支持するための支持部材３４が設けられている。軸部材３５は、支持部材３４の中心から上流側に向けて延在している。支持部材３４は、筒体１５の中心軸に対して略平行、すなわち主流路に対して略平行に設けられている。支持部材３４は、筒体１５の小径部１８の内周面に対して固定されたスリーブ４４と、軸中心からスリーブ４４の内周面に向けて放射状に設けられた複数の連結部材４３とを有し、連結部材４３の中心に軸部材３５が支持されている。複数の連結部材４３は周方向に互いに離間して設けられ、連結部材４３どうしの間は閉塞されず、流水の流れを許容する隙間が形成されている。

軸部材３５は、動翼２５の軸中心を貫通しており、動翼２５は、軸部材３５によって径方向の移動を規制されつつ、軸部材３５のまわりを回転可能となっている。なお、軸部材３５を動翼２５に対して固定させ、軸部材３５の両端部をそれぞれ静翼２１及び支持部材３４に対して摺動自在とし、動翼２５と軸部材３５とが一体となって軸部材３５の中心軸まわりに回転するようにしてもよい。

筒体１５の大径部１６における下流側の端部は、小径部１８の外周面よりも径外方に張り出した環状に形成され、その内面は、動翼２５と一体に回転するフランジ部２９の下流側の軸方向端部を摺動自在に支持する受部１７として機能する。

受部１７よりも下流側における小径部１８の外側には、マグネットＭの下流側の軸方向端面（Ｎ極とＳ極とが着磁された着磁面）に対向させるようにしてステータ５０が設けられている。

ステータ５０は、円筒状に巻回されたコイル３６と、コイル３６を囲む磁性体からなるヨーク４０とを有する。ヨーク４０は、周方向に沿って、交互に、且つ互いに離間して並んで設けられた複数のインダクタ（極歯）を有し、それらインダクタは、コイル３６の一方の軸方向端面（図１においては上流側端面）に対向している。そのコイル３６の一方の軸方向端面は、インダクタ、受部１７およびフランジ部２９を間に挟んで、マグネットＭの下流側端面（着磁面）に対向している。

次に、水栓用発電機１及び水栓装置３の作用について説明をする。

使用者が、水栓装置３の吐水口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を開にし、給水流路１０が連通される。これにより、水栓用発電機１の筒体１５の内部に流水が供給され、筒体１５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、自動的に水が止まる。

筒体１５内に流れ込んだ流水は、静翼２１の円錐体表面を流れて径外方向に拡散され、図１に例示される構造では、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２２間の静翼流路２３を流れる。

静翼流路２３を流れた旋回流は、動翼羽根部２６間の動翼流路２７に流入し、動翼羽根部２６の上側の傾斜面に衝突する。本具体例では、動翼流路２７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２６に対して右方向の力が作用し、動翼２５は右回りに回転する。そして、動翼流路２７を流れた流水は、筒体１５の小径部１８を軸方向に流れて筒体１５内部を抜け、吐水口６（図５）へと至る。

前述した流水からの力を受けて動翼２５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が回転すると、Ｎ極とＳ極とが周方向に沿って交互に着磁されているマグネットＭの下流側の軸方向端面に対向しているヨーク４０のインダクタの極性が変化してゆく。これにより、インダクタ及びヨーク４０によって導かれる、コイル３６に対する鎖交磁束の向きが変化し、コイル３６に起電力が生じ、発電がされる。発電により生じた電力は、充電器５６へと送られ、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。

また、本実施形態では、動翼羽根部２６の周囲を囲むように設けた動翼リング２８が、動翼流路２７と筒体１５内壁面とを隔てる隔壁として機能し、動翼流路２７から遠心方向（径外方）へと流れ出る流水がなくなるため、より多くの流水が動翼リング２８の内側の動翼流路２７を流れる。このように動翼羽根部２６に沿って流れる流量が多くなることで、動翼２５の回転力がより高まり、発電能力を高めることができる。

動翼２５及びこれに固定されたマグネットＭの回転を許容するためには、これらの周囲に設けられた静止体（封止部材３２、筒体１５）との間に隙間を設ける必要があるが、その隙間が、流水が動翼羽根部２６を介さないで流れるバイパス流路となる。

図８に示す第１の比較例の構造では、封止部材３２の下流側端面と、動翼リング２８及びマグネットＭとの間の隙間、マグネットＭの外周面と筒体１５の大径部１６内周面との間の隙間、マグネットＭ及び動翼リング２８の下流側端面と、大径部１６の下流側端面１６ａとの間の隙間によってバイパス流路が形成される。

静翼２１を流れた流水は、動翼羽根部２６（動翼流路２７）を介さないバイパス流路を流れるバイパス流Ｆｂと、動翼羽根部２６（動翼流路２７）を流れる主流Ｆａとに分岐する。このうち、主流Ｆａは、前述したように動翼２５を回転させつつ動翼流路２７を通り、そのまま下流へと流出する。一方、バイパス流Ｆｂは、バイパス流路を通り、動翼２５の回転すなわち発電に寄与することなく、そのまま下流へと流れ、動翼２５の下流側で主流と合流する。そのため、バイパス流路を流れるバイパス流Ｆｂの量が多くなると、発電に寄与する動翼流路２７を流れる主流Ｆａの量がその分少なくなり、発電効率の低下をまねく。

そこで、本実施形態では、図１に表すように、バイパス流路１００の一部分で動翼２５が軸部材３５の軸方向に支持される構造とすることで、バイパス流路を実質閉塞し、バイパス流をほぼゼロにしている。

具体的には、動翼羽根部２６及び動翼リング２８よりも径外方に突出するフランジ部２９を、バイパス流路１００の出口部に設けている。動翼本体、動翼羽根部２６、動翼リング２８およびフランジ部２９は、例えば樹脂の一体成型品であり、これらは一体となって回転する。

動翼２５は、上流側から流れてくる流水の圧力を受けて下流側に付勢されるが、フランジ部２９が受部１７に接触することで、それ以上の動翼２５の軸方向下流側への移動が規制される。さらに、動翼２５の回転時、フランジ部２９は、バイパス流路内に満たされる水による潤滑軸受構造によって受部１７に対してすべり運動し、動翼２５の回転を許容する。受部１７に対するフランジ部２９のすべり運動によってそれら両者の間の潤滑水膜に圧力（動圧）が生じ、これによって負荷（動翼２５）が軸方向に支持される。フランジ部２９及び受部１７はともに樹脂材料からなり、滑らかな摺動性が得られる。

このような構造とすることで、フランジ部２９によってバイパス流路１００の出口が塞がれ、バイパス流路１００からのバイパス流の流出が阻害される。したがって、バイパス流路１００への流水の流入が抑制され、その分、動翼羽根部２６を介した動翼流路２７を流れる発電に寄与する主流の流量を増大させることができ、発電効率を向上させることができる。

図８に示した第１の比較例（バイパス流路が塞がれていない構成）と、図１に示す本実施形態の構成とで、「バイパス流割合」、「圧損」、「トルク」、「羽根車効率」をシミュレーションにより求め、比較した結果を表１に示す。このときのシミュレーションの条件は、発電機１に供給する流水量を毎分１．８リットル、動翼２５の回転を２５００ｒｐｍとした。「羽根車効率」は、水力エネルギーを回転エネルギーに変換する際の効率を表し、羽根車効率η＝（Ｔ・Ｎ）／（ΔＰ・Ｑ）で求めることができる。ここで、Ｔは回転トルク、Ｎは回転数、ΔＰは水圧、Ｑは流量である。そのため、分子のＴ・Ｎは回転エネルギー、分母のΔＰ・Ｑは水力エネルギーとなる。

表１の結果より、第１の比較例では、バイパス流割合は約３９％であり、これは、発電機に供給された流水のうち４割近くのものが発電に寄与せず無駄になっていることを意味する。これに対して、本実施形態では、バイパス流割合は０％であり、発電機に供給された流水をすべて動翼羽根部２６を介した動翼流路２７に流すことができ、羽根車効率を比較例に比べて大きくできる。

なお、受部１７に対するフランジ部２９の軸受構造としては、水膜を介したすべり軸受に限らず、ボールベアリング等を用いた転がり軸受を用いることもできるが、動翼２５回転時、流路内は水で満たされるため、その水を利用するだけでよい水潤滑すべり軸受にした方が転がり軸受よりも構造が簡単になりコストを低く抑えることができ、また、ゴミ等の噛み込みによる摺動不具合も生じにくくできる。

また、第２の比較例として特開平５−１１１２１６号公報では、ロータの径方向の支持（径方向の移動の規制）も、ロータの外周側に設けた軸受で担っている。すなわち、ロータの外周面がその外側に設けられた軸受に対して摺動する構成となっている。本実施形態では、軸部材３５の外周面と、そのまわりを囲む動翼２５の中心に形成された貫通孔内周面とが摺動することで径方向の移動が規制される。それら径方向支持のための摺動部における摺動トルク（回転中心からの摺動部の距離×摺動部における摩擦力）は、回転体の回転の抵抗となるが、その摺動トルクは回転中心から摺動部までの距離に比例し、よって、より外周側の周面が軸受に対して摺動する特開平５−１１１２１６号公報の方が本実施形態よりも回転体に対して大きな摺動トルクが作用しやすく、回転体の回転を妨げる抵抗が大きくなりがちである。すなわち、本実施形態では、動翼２５の径方向の移動を規制するための摺動部における抵抗を、特開平５−１１１２１６号公報よりも小さく抑え、その分エネルギーロスを抑えて発電効率を向上できる。

軸流式の発電機において、水力エネルギーを効率良く利用して動翼２５を回転させるために、動翼２５に旋回流を与えることが効果的であり、本実施形態では、動翼２５の上流側に設けた静翼２１によって、動翼２５に与える旋回流を形成している。

しかし、旋回流は遠心方向の速度成分を持ち、静翼流路２３からバイパス流路へと流入しやすい。しかし、本実施形態では、前述したように、フランジ部２９によってバイパス流路１００の出口が塞がれているため、バイパス流路を介した流水の無駄な流れが抑制される。すなわち、静翼２１からの旋回流を効果的に動翼２５に作用させることができ、発電効率を向上できる。

なお、第２の比較例としての特開平５−１１１２１６号公報には、流体により回転される羽根を有するロータの外周側で、そのロータを軸方向に支持した構成が開示されている。

流体から回転体が大きなトルクを得るには、回転体のより外側で大きな流体力を付与する必要があるが、それには、動翼の内径を大きくし、動翼の外側で動翼流路の通水面積を狭めることで、動翼羽根部へ衝突する流速を大きくする必要がある。さらには、動翼の上流側に、内径を大きくして噴流速度を増加させた静翼を設置するのが効果的である。しかし、特開平５−１１１２１６号公報の構成は、ロータ（羽根）の中心にシャフトがない構成のため、ロータの径を大きくすることができず、さらには、静翼も備えていないため、ある決められた流量という制限内で流速を大きくすることが難しく高出力が得難い。

これに対して本実施形態では、動翼２５の中心を貫通する軸部材３５のまわりを動翼２５が回転する構成としたため、ある決められた流量制限内であっても内径寸法を大きくしつつ流速の増大を図りやすく、特開平５−１１１２１６号公報の構成に比べて高出力を出しやすい。

次に、図２は、本発明の第２の実施形態に係る水栓用発電機の模式断面図である。

本実施形態では、バイパス流路１００の出口（主流路との合流部）で動翼２５が軸部材３５の軸方向に支持される構造とすることで、バイパス流路を実質閉塞し、バイパス流をほぼゼロにしている。

具体的には、軸部材３５を支持するための支持部材３４のスリーブ４４の上流側端部を、バイパス流路の出口にまで延在させて、そのスリーブ４４の上流側端部に対して、フランジ部２９の下流側の軸方向端部が摺動自在に支持されるようにしている。すなわち、本実施形態では、スリーブ４４の上流側端部が動翼２５を軸方向に支持する受部４４ａとして機能する。

フランジ部２９は、その下流側の軸方向端面の全面が、受部４４ａに対して摺動支持されるのではなく、内周側の一部分のみが受部４４ａに対して摺動支持される。したがって、図１に表される第１の実施形態に比べて、軸受面の接触面積が低減し、摺動抵抗を低減できる。これにより、動翼２５の回転ロスを抑制し発電効率の向上が図れる。

本実施形態においても、動翼２５は、上流側から流れてくる流水の圧力を受けて下流側に付勢されるが、フランジ部２９が受部４４ａに接触することで、それ以上の動翼２５の軸方向下流側への移動が規制される。さらに、動翼２５の回転時、フランジ部２９は、バイパス流路内に満たされる水による潤滑軸受構造によって受部４４ａに対してすべり運動し、動翼２５の回転を許容する。受部４４ａに対するフランジ部２９のすべり運動によってそれら両者の間の潤滑水膜に圧力（動圧）が生じ、これによって負荷（動翼２５）が軸方向に支持される。フランジ部２９及び受部４４ａはともに樹脂材料からなり、滑らかな摺動性が得られる。

本実施形態においても、フランジ部２９によってバイパス流路１００の出口が塞がれ、バイパス流路１００からのバイパス流の流出が阻害される。したがって、バイパス流路１００への流水の流入が抑制され、その分、動翼羽根部２６を介した動翼流路２７を流れる発電に寄与する主流の流量を増大させることができ、発電効率を向上させることができる。

次に、図３は、本発明の第３の実施形態に係る水栓用発電機の模式断面図である。

本実施形態に係る水栓用発電機も、主として、筒体６１、静翼２１、動翼２５、マグネットＭ、ステータ５０などを備える。

筒体６１は、大径部６３と小径部６２とを有す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４、５に示される吐水部３ｂ内に配設される。筒体６１は、その中心軸方向が、吐水部３ｂ内の給水流路１０を流水が流れる方向に対して略平行となるように配設される。筒体６１は、小径部６２を上流側に、大径部６３を下流側に向けて配設される。筒体６１の内部における主流路には、上流側から順に、静翼２１と動翼２５が設けられている。大径部６３の下流端の開口は、Ｏリング３３を介して、封止部材６５により液密に塞がれている。

静翼２１は小径部６２内に設けられている。静翼２１は、円柱体の一方の軸方向端面（上流側に位置する面）に、円錐体を一体的に設けた形状をしている。静翼２１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２２が設けられている。静翼羽根部２２は、例えば、静翼２１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２１は、小径部６２に対して固定され、回転はしない。

静翼２１の下流側には、静翼２１に対してわずかの隙間をあけて動翼２５が設けられている。動翼２５の上流側部分は円柱状に形成され、その周面には、動翼２５の軸中心（軸部材３５）に対して径外方向に突出した複数の動翼羽根部２６が設けられている。動翼羽根部２６は、静翼羽根部２２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２５の外周側には、動翼羽根部２６の周囲を囲むように動翼リング２８が設けられている。動翼リング２８における下流側の軸方向端部には、径外方に突出した環状のフランジ部２９が一体に設けられ、そのフランジ部２９の上流側に、マグネットＭが動翼リング２８の外周面に固定されて設けられている。動翼２５、動翼リング２８、フランジ部２９およびマグネットＭは一体となって回転する。

マグネットＭは、筒状を呈し、その軸方向の端面には周方向に沿って交互にＮ極とＳ極とが着磁されている。

動翼２５の下流側には、軸部材３５を流路中に支持するための支持部材３４が設けられている。軸部材３５は、支持部材３４の中心から上流側に向けて延在している。支持部材３４は、筒体６１の中心軸に対して略平行、すなわち主流路に対して略平行に設けられている。支持部材３４は、封止部材６５の内周面に対して固定されたスリーブ４４と、軸中心からスリーブ４４の内周面に向けて放射状に設けられた複数の連結部材４３とを有し、連結部材４３の中心に軸部材３５が支持されている。複数の連結部材４３は周方向に互いに離間して設けられ、連結部材４３どうしの間は閉塞されず、流水の流れを許容する隙間が形成されている。

軸部材３５は、動翼２５の軸中心を貫通しており、動翼２５は、軸部材３５によって径方向の移動を規制されつつ、軸部材３５のまわりを回転可能となっている。

封止部材６５における上流側の環状に形成された端面は、動翼２５と一体に回転するフランジ部２９の下流側の軸方向端部を摺動自在に支持する受部６５ａとして機能する。

本実施形態では、マグネットＭの上流側にステータ５０が設けられている。ステータ５０は、小径部６２の外側に設けられ、マグネットＭの上流側の軸方向端面（Ｎ極とＳ極とが着磁された着磁面）に対向している。

ステータ５０は、円筒状に巻回されたコイル３６と、コイル３６を囲む磁性体からなるヨーク４０とを有する。ヨーク４０は、周方向に沿って、交互に、且つ互いに離間して並んで設けられた複数のインダクタ（極歯）を有し、それらインダクタは、コイル３６の一方の軸方向端面（図３においては下流側端面）に対向している。そのコイル３６の一方の軸方向端面は、インダクタを介してマグネットＭの上流側端面（着磁面）に対向している。

筒体６１内に流入する流水からの力を受けて動翼２５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が回転すると、Ｎ極とＳ極とが周方向に沿って交互に着磁されているマグネットＭの上流側の軸方向端面に対向しているヨーク４０のインダクタの極性が変化してゆく。これにより、インダクタ及びヨーク４０によって導かれる、コイル３６に対する鎖交磁束の向きが変化し、コイル３６に起電力が生じ、発電がされる。

本実施形態においても、マグネットＭの外周側のバイパス流路１０１の一部分で動翼２５が軸部材３５の軸方向に支持される構造とすることで、バイパス流路を実質閉塞し、バイパス流をほぼゼロにしている。

具体的には、動翼羽根部２６及び動翼リング２８よりも径外方に突出するフランジ部２９を、バイパス流路１００の出口部に設けている。

動翼２５は、上流側から流れてくる流水の圧力を受けて下流側に付勢されるが、フランジ部２９が受部６５ａに接触することで、それ以上の動翼２５の軸方向下流側への移動が規制される。さらに、動翼２５の回転時、フランジ部２９は、バイパス流路内に満たされる水による潤滑軸受構造によって受部６５ａに対してすべり運動し、動翼２５の回転を許容する。受部６５ａに対するフランジ部２９のすべり運動によってそれら両者の間の潤滑水膜に圧力（動圧）が生じ、これによって負荷（動翼２５）が軸方向に支持される。フランジ部２９及び受部６５ａはともに樹脂材料からなり、滑らかな摺動性が得られる。

このような構造とすることで、フランジ部２９によってバイパス流路１０１の出口が塞がれ、バイパス流路１０１からのバイパス流の流出が阻害される。したがって、バイパス流路１０１への流水の流入が抑制され、その分、動翼羽根部２６を介した動翼流路２７を流れる発電に寄与する主流の流量を増大させることができ、発電効率を向上させることができる。

また、本実施形態では、ステータ５０（コイル３６及びヨーク４０）を、マグネットＭの上流側に設けることで、マグネットＭの上流側の軸方向端面とこれに対向するヨーク４０のインダクタとの間に作用する磁気吸引力によって、動翼２５の下流側への付勢力を軽減して、受部６５ａに対して過大に軸方向の力が作用することを抑制できる。この結果、受部６５ａにおける摺動抵抗の増大や摩耗を抑えることができる。

次に、図６は、本発明の第４の実施形態に係る水栓用発電機の模式断面図である。

本実施形態では、動翼リング２８における上流側の軸方向端部に、径外方に突出した環状のフランジ部７５が一体に設けられ、そのフランジ部７５の下流側に、マグネットＭが動翼リング２８の外周面に固定されて設けられている。

封止部材３２の下流側の環状の端面は、フランジ部７５の上流側の軸方向端部が摺動自在に接触可能な受部３２ａとして機能する。

発電機１内に導入される水流の水勢、軸部材３５の位置、動翼２５の重さなどによっては、動翼２５は、水流が流れる方向とは逆方向（上流側）に浮き上がるように付勢される場合がある。特に、インダクタとマグネットＭとの間に作用する磁気吸引力によってマグネットＭがインダクタ側に付勢される力の方向と、給水流路を流れる流水から動翼２５が受ける付勢力の方向とが逆方向である場合には、動翼２５は、水流が流れる方向とは逆方向に浮き上がるように付勢されやすい。

その場合、前述したフランジ部７５が受部３２ａに接触することで、それ以上の動翼２５の軸方向上流側への移動が規制される。さらに、動翼２５の回転時、フランジ部７５は、バイパス流路内に満たされる水による潤滑軸受構造によって受部３２ａに対してすべり運動し、動翼２５の回転を許容する。フランジ部７５及び受部３２ａはともに樹脂材料からなり、滑らかな摺動性が得られる。

フランジ部７５が受部３２ａに接触することで、バイパス流路１００の入口部が塞がれ、バイパス流路１００へのバイパス流の流入が阻害され、その分、動翼羽根部２６を介した動翼流路２７を流れる発電に寄与する主流の流量を増大させることができ、発電効率を向上させることができる。

動翼羽根部２６よりも径外方に突出し動翼２５と一体に回転するフランジ部が、バイパス流路の入口部または出口部を塞ぐように受部に対して摺動自在に接触する部分は、面状に限らず、図７に表すように、突起状もしくは線状であってもよい。

図７に示す例では、フランジ部２９の下流側の軸方向端部における径内方側部分に、下流側に向けて突出する環状の突起８２が設けられ、その突起８２がスリーブ４４の上流側端部に設けられた受部４４ａに対して摺動自在に接触する。

また、動翼リング２８が、バイパス流路の入口部を塞ぐために動翼羽根部２６よりも径外方に突出したフランジ部としても機能し、具体的には、動翼リング２８における上流側の軸方向端部に、上流側に向けて突出する環状の突起８１が設けられ、その突起８１が封止部材３２の下流側の環状端面に設けられた受部３２ａに対して摺動自在に接触する。

突起８２が受部４４ａに接触することでそれ以上の動翼２５の軸方向下流側への移動が規制され、突起８１が受部３２ａに接触することでそれ以上の動翼２５の軸方向上流側への移動が規制される。動翼２５の回転時、突起８１、８２は、バイパス流路内に満たされる水による潤滑軸受構造によって、それぞれ受部３２ａ、４４ａに対してすべり運動し、動翼２５の回転を許容する。突起８１、８２及び受部３２ａ、４４ａは樹脂材料からなり、滑らかな摺動性が得られる。

突起８１と受部３２ａとの接触によってバイパス流路の入口部が塞がれ、突起８２と受部４４ａとの接触によってバイパス流路の出口部が塞がれる。これにより、流水がバイパス流路をほとんど流れないようにすることができ、その分、動翼羽根部２６を介した動翼流路２７を流れる発電に寄与する主流の流量を増大させることができ、発電効率を向上させることができる。

なお、突起８１、８２はいずれか一方のみでもよく、また突起８１、８２を両方とも受部に対して接触させても、フランジ部の面全体を受部に対して接触させる場合よりも接触面積が小さく、摺動抵抗によって動翼２５の回転性を損なうことがない。

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。

前述した各実施形態において、動翼リング２８を設けずに、マグネットＭを直接動翼羽根部２６の周囲を囲むように設けることで、そのマグネットの内周面によって、動翼流路２７を流れる流水の径外方向への流出を阻止するようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る水栓用発電機の模式断面図。 本発明の第２の実施形態に係る水栓用発電機の模式断面図。 本発明の第３の実施形態に係る水栓用発電機の模式断面図。 本発明の実施形態に係る水栓装置の取付例を表す模式図。 同水栓装置内部の構成を表す模式図。 本発明の第４の実施形態に係る水栓用発電機の模式断面図。 本発明の第５の実施形態に係る水栓用発電機の要部の拡大模式図。 比較例に係る水栓用発電機の模式断面図。

符号の説明

１…水栓用発電機、３…水栓装置、７…センサ、８…電磁弁、１７…受部、２１…静翼、２２…静翼羽根部、２３…静翼流路、２５…動翼、２６…動翼羽根部、２７…動翼流路、２８…動翼リング、２９…フランジ部、３５…軸部材、３６…コイル、４０…ヨーク、５０…ステータ

Claims (3)

1. 主流路に対して略平行に設けられた軸部材と、
   前記軸部材よりも径外方に突出し、前記主流路に設けられた動翼羽根部と、前記動翼羽根部よりも径外方に突出し、前記主流路から分岐したバイパス流路の入口部及び出口部の少なくともいずれかに設けられたフランジ部とを有し、前記軸部材によって径方向の移動を規制されつつ前記軸部材のまわりに回転可能な動翼と、
   前記フランジ部の軸方向の端部が摺動自在に接触する受部と、
   を備えたことを特徴とする水栓用発電機。
2. 前記フランジ部は、水潤滑軸受構造によって前記受部に対してすべり運動することを特徴とする請求項１記載の水栓用発電機。
3. 前記動翼よりも上流側の流路に固定して設けられ、前記動翼に対して旋回流を与える静翼をさらに備えた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。

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