JP2009024703A - Generator for faucet - Google Patents
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Abstract
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に関する。 The present invention relates to a faucet generator that generates electric power using a flow of water supply.
従来より、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)。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known an automatic faucet device that senses a hand held under a faucet with a sensor and automatically discharges water from the faucet. There is also known a device in which a small generator is arranged in the flow path of such an automatic water faucet device, the electric power obtained by this generator is stored, and the electric power of a circuit such as the above-described sensor is supplemented. (For example, refer to Patent Document 1).
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ている。そして、軸流式発電機には、マグネットの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。 In such a faucet device, an axial generator that can be easily downsized is used. The axial flow generator includes a “radial arrangement” generator (for example, see FIG. 4 of Patent Document 1) in which a coil is disposed outside the radial direction of the magnet via an inductor, and a diameter of the magnet. There is an “axial arrangement” generator (see, for example, FIG. 5 of Patent Document 1) in which a coil is arranged via an inductor so as to face an end face in a direction substantially perpendicular to the direction. In applications that require a generator with a small size, it is preferable to use a generator of “axial arrangement” rather than a generator of “radial arrangement”.
ここで、例えば、特許文献1に開示をされているような軸流式発電機においては、噴流口により形成された旋回流により動翼を回転させる構成となっている。このような場合において、旋回流は遠心力を受けて径外方向に拡散しようとするため、バイパス流路への流水量が増加して羽根車効率を低下させる要因となっていた。
本発明は、バイパス流路への流水量を抑制することができる水栓用発電機を提供する。 The present invention provides a faucet generator capable of suppressing the amount of water flowing into a bypass channel.
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を有する動翼と、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、前記マグネットの回転により起電力を生ずるコイルと、前記回転中心に対して平行な方向から流れてくる水を、前記動翼羽根部に向けて噴出させるノズルと、を備えたことを特徴とする水栓用発電機が提供される。 According to one aspect of the present invention, there is provided a rotor blade having a rotation center substantially parallel to the water supply flow path and having a blade blade portion provided in the water supply flow path so as to be rotatable around the rotation center. , A magnet that can rotate integrally with the moving blade, a coil that generates an electromotive force by the rotation of the magnet, and water that flows from a direction parallel to the rotation center is ejected toward the blade portion There is provided a faucet generator characterized by comprising a nozzle.
本発明によれば、バイパス流路への流水量を抑制することができる水栓用発電機が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the generator for faucets which can suppress the amount of flowing water to a bypass flow path is provided.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals.
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、キャップ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、キャップ14の上方に描かれた矢印は、流水の方向を示している。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a generator 1 according to an embodiment of the present invention.
The generator 1 mainly includes a
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。
Here, before describing the generator 1, the
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。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of attachment of an automatic faucet device (hereinafter also simply referred to as an automatic faucet device) provided with a generator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an automatic water faucet device provided with a generator according to an embodiment of the present invention.
In addition, the arrow in a figure has shown the direction of flowing water.
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。
The
Inside the automatic
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。
Inside the water discharger 3b downstream of the
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。
The
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。
The coil 50 (see FIG. 5) provided in the generator 1 and the
The faucet generator 1 is not limited to being provided inside the faucet fitting (the
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、渦電流や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の給水圧としては、例えば、日本においては50kPa(キロパスカル)程度の低水圧である場合もあり得る。
The
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(動翼15)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。
Next, returning to FIG. 1, the generator 1 will be described.
The
筒体13の内部には、上流側から順に、キャップ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、キャップ14及び動翼15は大径部13bの内部に設けられている。
Inside the
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の上にキャップ14が支持されている。キャップ14は、筒体13に対して固定され、回転はしない。
尚、キャップ14とキャップ14の周面に設けられたノズル18についての詳細は後述する。
The opening at the upstream end of the large-
Details of the
キャップ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、径内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。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。尚、動翼羽根部19についての詳細は後述する。
A moving
そして、後述する動翼リング15aの端面やマグネットMと、筒体13や封止部材51との間には動翼15を回転可能とするための隙間が設けられ、この隙間がバイパス流路60となる。
A gap for allowing the
また、軸受17と一体化された中心軸24が上流側に向けて突出するようにして設けられている。中心軸24は、動翼15のボス部15bを挿通しており、中心軸24のまわりを動翼15が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の両端部をキャップ14と軸受17とに支持させて、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。
A
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。
The
筒体13の大径部13bの内部には、動翼羽根部19の下流側であって径外方側の側端面に設けられた動翼リング15aと、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とが収容されている。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。
Inside the large-
本実施の形態においては、ステータ9を、マグネットMの径方向に略直角な方向の端面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(「ラジアル配置」)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。
In the present embodiment, since the
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。
Further, if the
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。
Next, the magnet M and the
FIG. 4 is a schematic perspective view for explaining the magnet M. FIG.
FIG. 5 is a schematic perspective view for explaining the
As shown in FIG. 4, N poles and S poles are alternately magnetized along the circumferential direction on the end face (outer circumferential face) of the magnet M in the radial direction. Note that, although slightly, the magnetic flux from the N pole and the S pole leaks also on the end face side in the direction substantially perpendicular to the radial direction, but this amount can be controlled by the magnetization method.
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、31b、32aと、これら第1ヨーク31、第2ヨーク32、インダクタ31a、31b、32aで囲まれた空間内に配置されるコイル50とを有する。
As shown in FIG. 5, the
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、インダクタ31a、31b、32a、第3ヨーク33によって囲まれている。
The
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、複数のインダクタ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、インダクタ31bとは、略直角となっている。インダクタ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。インダクタ31bの一端は、さらにコイル50の径方向に略直角な方向に延出してインダクタ31aを形成している。
The
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。
The
インダクタ31a、32aは、径方向に略直角な方向に延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、インダクタ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、インダクタ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の端面と対向している。
The
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。 Here, if the radial dimension of the generator 1 is to be reduced, the radial dimension of the magnet M must also be reduced. However, even in that case, it is not necessary to reduce the dimension of the magnet M in the direction substantially perpendicular to the radial direction, and it may be increased in some cases.
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。
In the present embodiment,
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。
Thus, if the radial dimension of the generator 1 can be reduced while ensuring the amount of power generation, for example, the dimension of the
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。
The
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、31b、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。
The
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。
Further, the
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。
The
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。
Although the case where the
次に、旋回流とバイパス流について説明をする。 Next, the swirl flow and the bypass flow will be described.
図6は、比較例に係る発電機の模式断面図である。
尚、図1において説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a generator according to a comparative example.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part similar to what was demonstrated in FIG. 1, and the description is abbreviate | omitted.
図6に示す発電機100は、本発明者が発明をするに至った過程で検討を加えたものであり、主として、筒体13、予旋回静翼114、動翼15、マグネットM、ステータ9、封止部材51が備えられている。尚、予旋回静翼114の上方に描かれた矢印は、流水の方向を示している。
The
予旋回静翼114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114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118が設けられている。静翼羽根部118は、予旋回静翼114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118間の空間は、静翼流路171として機能する。予旋回静翼114は、筒体13に対して固定され、回転はしない。
The pre-turning
予旋回静翼114の下流側には、動翼115が設けられている。動翼115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119が設けられている。動翼羽根部119は、静翼羽根部118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119間の空間は、動翼流路172として機能する。
筒体13内に流れ込んだ流水は、予旋回静翼114の円錐体表面を流れて径外方向に拡散され、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118間の静翼流路171を流れる。
A moving
The flowing water that has flowed into the
静翼流路171を流れた旋回流は、動翼流路172に流入し、動翼羽根部119の上側の傾斜面に衝突する。動翼流路172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119に対して右方向の力が作用し、動翼115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172を流れた流水は、軸受17の内側を通過して、筒体13内部を抜ける。
The swirling flow that has flowed through the stationary
図7は、図6における動翼部分の模式拡大断面図である。
尚、図1、図6において説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。
FIG. 7 is a schematic enlarged cross-sectional view of the moving blade portion in FIG.
1 and 6 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図7に示すように、動翼115の端面やマグネットMと、筒体13や封止部材51との間には動翼115を回転可能とするための隙間が設けられ、この隙間がバイパス流路60aとなる。
As shown in FIG. 7, a gap is provided between the end face of the moving
前述したように静翼流路171を流れた旋回流62は、遠心力を受けて外側に拡散しようとする。そして、外側に拡散しようとする旋回流62の一部は、静翼流路171の出口付近において、バイパス流61としてバイパス流路60aに流れ込む。
このバイパス流61は動翼115の回転、すなわち、発電には寄与しないので、バイパス流61が増えるほど羽根車効率が低下することになる。
ここで、「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示すものであり、下記の(1)式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。
As described above, the
Since the
Here, “impeller efficiency” indicates the efficiency at the time of converting hydraulic energy into rotational energy, and can be obtained by the following equation (1).
Here, T is rotational torque, N is rotational speed, ΔP is water pressure, and Q is flow rate. Therefore, TN of the numerator is rotational energy and ΔP · Q of the denominator is hydraulic energy.
本発明者は検討の結果、動翼を回転させる際に、動翼羽根部の径外方向から内側に向かって流れる流れを形成させることができれば外側に拡散しようとする流れの形成を抑制することができるので、バイパス流路60aに流れ込むバイパス流61の流量を抑制することができるとの知見を得た。
As a result of the study, the present inventor suppresses the formation of a flow to be diffused to the outside if the flow can be formed to flow from the radially outward direction to the inside when rotating the moving blade. Therefore, the knowledge that the flow rate of the
図8は、本実施の形態に係る発電機1に備えられるキャップ14を説明するための模式斜視図である。
また、図9は、図1におけるA−A矢視断面図である。
FIG. 8 is a schematic perspective view for explaining the
9 is a cross-sectional view taken along arrow AA in FIG.
尚、図1において説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。 In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part similar to what was demonstrated in FIG. 1, and the description is abbreviate | omitted.
図8、図9に示すように、キャップ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。また、円柱体の他方の端面(下流側に位置する面)にはフランジ部14aが設けられている。
As shown in FIGS. 8 and 9, the
また、キャップ14の内部には、フランジ部14aが設けられた側の端面に開口した円柱形状を呈した空間部14b(図1を参照)が設けられている。そして、空間部14bには動翼15の上流端側に設けられた動翼羽根部19が収納されている。キャップ14の中心軸上であって、空間部14bに面する側の面には動翼15を挿通する中心軸24の一端が支持されている。
Further, inside the
また、キャップ14の周面には、空間部14bに連通するノズル18が3箇所設けられている。ノズル18は、その下面がフランジ部14aの上面に接するようにしてキャップ周面の周方向に沿って等間隔に設けられている。そして、ノズル18は、空間部14bに収納された動翼羽根部19に向けて開口されており、その方向は、動翼羽根部19の外接円の接線方向よりは内側に向くようにされている。
このようなノズル18によれば、回転中心(中心軸)に対して平行な方向から流れてくる水を、回転中心(中心軸)に対して略垂直な平面内において、動翼羽根部19の径外方向から動翼羽根部19の主面に向けて噴出させることができる。
また、ノズル18から噴出された水の方向は、動翼羽根部19の外接円の接線方向よりは内側に向くようになる。
Further, three
According to such a
Further, the direction of the water ejected from the
また、動翼羽根部19の上流側端面は動翼15の天井部15dに支持されており、下流側端面19aは動翼15の羽根支持面15cに支持されている(図1を参照)。そのため、動翼15の径外方向の端面(外周面)においては、動翼羽根部19は支持されておらず、動翼15の径外方向の端面(外周面)から内部に向けて流水が可能となっている。
Further, the upstream end surface of the moving
図9に示すように、動翼羽根部19の主面は曲線で構成されており、動翼15の中心に向けてその先端が接近するような向きに湾曲している。動翼羽根部19の出口側先端19bと動翼15のボス部15bとは離隔されており、動翼羽根部19の入口側から出口側に向けて動翼羽根部19に沿った円滑な水の流れが形成されるようになっている。そのため、羽根車効率を向上させることができ、水力エネルギーを効率よく電力に変換することができる。
As shown in FIG. 9, the main surface of the
また、動翼羽根部19の枚数は、ノズル18の数の整数倍とは異なる値となっている。例えば、図9に例示をしたものでは、動翼羽根部19の枚数を11枚、ノズル18の数を3箇所としている。尚、図9に例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。動翼羽根部19の枚数をノズル18の数の整数倍とは異なる値とすれば、各動翼羽根部19への噴出時期をずらすことができるので、動翼15の振動や騒音の発生を抑制することができる。
動翼羽根部19の出口側先端19bは、動翼羽根部19の下流側端面を支持する羽根支持面15cより動翼15の内側に向けて突出するようにして設けられている。そのため、羽根支持面15cの内側に設けられる流水路15e(図1を参照)の径方向寸法を大きくすることができるので、圧損を抑制することができる。また、動翼羽根部19の径方向長さを長くすることができるので、動翼羽根部19の面積を大きくすることができる。その結果、羽根車効率を向上させることができ、水力エネルギーを効率よく電力に変換することができる。
Further, the number of
An outlet-
動翼羽根部19の下流側端面19aの位置(図1を参照)は、ノズル18より下流側となるようにされている。そのため、ノズル18から噴出された水流のうち、下流側に向けて拡散されたものをも動翼羽根部19に当てることができる。その結果、羽根車効率を向上させることができ、水力エネルギーを効率よく電力に変換することができる。
The position (see FIG. 1) of the downstream end face 19 a of the rotor
図8に示すように、このようなノズル18によれば、中心軸24に対して平行な方向から流れてくる水流62aを、中心軸24に対して略垂直な平面内において、動翼15(動翼羽根部19)の径外方向から内側に向けて噴出させることができる。そのため、外側に拡散しようとする流れの形成を抑制することができるので、バイパス流路に流れ込むバイパス流を抑制することができる。
As shown in FIG. 8, according to such a
図10は、バイパス流の抑制を説明するためのグラフ図である。
図10は、動翼の回転数を2500rpm、流量を1.8リットル/分として、全水量に占めるバイパス流量(バイパス流路への流水量)の割合をシミュレーションにより求めたものである。また、縦軸は全水量に占めるバイパス流量の割合、横軸は動翼が受けるトルクを示している。図中の「▲」は、図6で説明をした比較例に係る発電機100、「■」は、本実施の形態に係る発電機1を示している。
FIG. 10 is a graph for explaining suppression of the bypass flow.
FIG. 10 shows the ratio of the bypass flow rate (the flow rate of water flowing to the bypass channel) in the total water volume by simulation, assuming that the rotational speed of the rotor blade is 2500 rpm and the flow rate is 1.8 liters / minute. The vertical axis represents the ratio of the bypass flow rate to the total amount of water, and the horizontal axis represents the torque received by the moving blades. In the figure, “▲” indicates the
図10からわかるように、本実施の形態によれば、全水量に占めるバイパス流量の割合を1/4以下に抑制することができる。
また、比較例に係る発電機100においては、トルクを上げるために流速を増加させるとバイパス流量の割合が増加してしまうが、本実施の形態に係る発電機1によれば、トルクを上げるために流速を増加させてもバイパス流量の割合をほぼ一定に保つことができる。そのため、種々の用途に応じた様々な使用条件においてもバイパス流量の割合を抑制することができる。尚、比較例に係る発電機100においては、バイパス流量の割合が100%を超えている部分があるが、これは予旋回静翼114と動翼115との間に生じた負圧により、一旦下流側に流れた水が逆流しているためであると考えられる。
As can be seen from FIG. 10, according to the present embodiment, the ratio of the bypass flow rate to the total water amount can be suppressed to ¼ or less.
Further, in the
図11は、羽根車効率を説明するためのグラフ図である。
図11は、動翼の回転数を2500rpm、流量を1.8リットル/分として、羽根車効率をシミュレーションにより求めたものである。また、縦軸は羽根車効率、横軸は動翼が受けるトルクを示している。図中の「▲」は、図6で説明をした比較例に係る発電機100、「■」は、本実施の形態に係る発電機1を示している。
FIG. 11 is a graph for explaining the impeller efficiency.
FIG. 11 shows the impeller efficiency obtained by simulation with the rotational speed of the moving blade set to 2500 rpm and the flow rate set to 1.8 liters / minute. The vertical axis represents the impeller efficiency, and the horizontal axis represents the torque received by the moving blades. In the figure, “▲” indicates the
図11からわかるように、本実施の形態によれば、羽根車効率を2倍以上に向上させることができる。また、トルクを上げるために流速を増加させても羽根車効率の低下を抑制することができる。そのため、種々の用途に応じた様々な使用条件においても高い羽根車効率を維持することができ、水力エネルギーを効率よく電力に変換することができる。 As can be seen from FIG. 11, according to the present embodiment, the impeller efficiency can be improved more than twice. Moreover, even if the flow rate is increased in order to increase the torque, it is possible to suppress a decrease in impeller efficiency. Therefore, high impeller efficiency can be maintained even under various use conditions according to various applications, and hydraulic energy can be efficiently converted into electric power.
図12は、トルクと圧損との関係を説明するためのグラフ図である。
図12は、動翼の回転数を2500rpm、流量を1.8リットル/分として、圧損をシミュレーションにより求めたものである。また、縦軸は動翼が受けるトルク、横軸は圧損を示している。図中の「▲」は、図6で説明をした比較例に係る発電機100、「■」は、本実施の形態に係る発電機1を示している。
FIG. 12 is a graph for explaining the relationship between torque and pressure loss.
FIG. 12 shows the pressure loss obtained by simulation by setting the rotational speed of the moving blade to 2500 rpm and the flow rate to 1.8 liters / minute. The vertical axis represents the torque received by the rotor blade, and the horizontal axis represents the pressure loss. In the figure, “▲” indicates the
一般的な水栓装置に備えられる発電機においては、発電量を50mW(ミリワット)以上とすることが好ましい。このような場合、動翼においては0.65mN・m(ミリニュートン・メートル)以上のトルクを得る必要がある。 In a generator provided in a general water faucet device, the amount of power generation is preferably 50 mW (milliwatt) or more. In such a case, it is necessary to obtain a torque of 0.65 mN · m (millinewton · meter) or more in the moving blade.
図12からわかるように、動翼において0.65mN・m(ミリニュートン・メートル)以上のトルクを得るためには、比較例に係る発電機100においては、108kPa(キロパスカル)以上の圧損とする必要がある。一方、本実施の形態に係る発電機1においては、25kPa(キロパスカル)以上の圧損とすれば足りる。そのため、種々の用途に応じた様々な使用条件においても高いトルクを得ることができ、水力エネルギーを効率よく電力に変換することができる。
As can be seen from FIG. 12, in order to obtain a torque of 0.65 mN · m (millinewton · meter) or more in the moving blade, the
前述したように、水栓装置には種々の用途があり、また、使用環境も様々である。例えば、日本においては水栓装置が取り付けられる水道管の給水圧が50kPa(キロパスカル)程度の低水圧である場合もあり得る。このような場合においては、比較例に係る発電機100では必要なトルクを確保することができない。これに対し、本実施の形態に係る発電機1ではこのような低水圧の環境下においても充分なトルクを確保することができる。
As described above, the faucet device has various uses and the usage environment is also various. For example, in Japan, the water supply pressure of a water pipe to which a faucet device is attached may be a low water pressure of about 50 kPa (kilopascal). In such a case, the
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。
For convenience of explanation, the magnetic flux from the outer peripheral surface of the magnet M is guided to the
図13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、第3ヨーク133と、第1ヨーク131、第2ヨーク132に連接するインダクタ131a、132a、これら第1ヨーク131、第2ヨーク132、第3ヨーク133、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。
FIG. 13 is a schematic exploded view for explaining the generator of “axial arrangement”.
N poles and S poles are alternately magnetized along the circumferential direction on the end face of the magnet M1 in a direction substantially perpendicular to the radial direction.
The
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。
The
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、ノズル18、動翼羽根部19などを前述のもののようにすれば、バイパス流路に流れ込むバイパス流を抑制することができる。
Also in this embodiment, it is possible to reduce the size of the generator in the radial direction. And if the
説明の便宜上、動翼の回転中心に対して平行な方向から流れてくる水を、動翼の回転中心に対して略垂直な平面内において、動翼羽根部の径外方向から動翼羽根部の主面に向けて噴出させるノズルを説明したが、本発明はこれに限定されるわけではない。 動翼の回転中心に対して平行な方向から流れてくる水を、動翼の回転中心に対して略垂直な平面と所定の角度をもって、動翼羽根部の径外方向から動翼羽根部の主面に向けて噴出させるノズルを備えるものとすることもできる。 For convenience of explanation, the water flowing from the direction parallel to the rotation center of the moving blade is allowed to flow from the radial direction of the moving blade blade portion to the moving blade blade portion in a plane substantially perpendicular to the rotation center of the moving blade. Although the nozzle to be ejected toward the main surface is described, the present invention is not limited to this. Water flowing from a direction parallel to the rotation center of the moving blade has a predetermined angle with a plane that is substantially perpendicular to the rotation center of the moving blade, and from the radially outer direction of the moving blade blade portion, A nozzle that is ejected toward the main surface may be provided.
図14は、本発明の他の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
尚、図1で説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。
発電機1aに備えられるキャップ14aの周面には、空間部14bに連通するノズル18aが3箇所設けられている。ノズル18aは、キャップ周面の周方向に沿って等間隔に設けられている。そして、ノズル18aは、空間部14bに収納された動翼羽根部19に向けて開口されており、その方向は、動翼羽根部19の外接円の接線方向よりは内側に向くようにされている。また、ノズル18aは、動翼の回転中心に対して略垂直な平面と所定の角度をもって、設けられている。
このようなノズル18aによれば、回転中心(中心軸)に対して平行な方向から流れてくる水を、動翼の回転中心に対して略垂直な平面と所定の角度をもって、動翼羽根部の径外方向から動翼羽根部の主面に向けて噴出させることができる。図14に示すものでは斜め上方から動翼羽根部の主面に向けて噴出させるようになっている。
また、この際、、ノズル18aから噴出された水の方向は、動翼の回転中心に対して略垂直な平面に投影した場合において、動翼羽根部19の外接円の接線方向よりは内側に向くようになる。
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a generator according to another embodiment of the present invention.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part similar to what was demonstrated in FIG. 1, and the description is abbreviate | omitted.
Three
According to such a
At this time, the direction of the water ejected from the
次に、本発明の実施の形態に係る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。
Next, the operation of the generator and the automatic faucet device according to the embodiment of the present invention will be described. When the user holds his / her hand under the spout 6 shown in FIGS. 2 and 3, the
筒体13内に流れ込んだ流水は、キャップ14の円錐体表面を流れて径外方向に拡散される。そして、図8に表したように、中心軸24に対して平行な方向から流れてくる水流62aは、中心軸24に対して略垂直な平面内において、ノズル18から動翼羽根部19に向けて噴出される。
The flowing water that has flowed into the
動翼羽根部19に向けて噴出された水は、動翼羽根部19の入口側から出口側に向けて
動翼羽根部19に沿って動翼流路72内を流れ、流水路15e、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。
The water ejected toward the moving
一方、動翼羽根部19に向けて噴出された水の力により動翼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13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。
On the other hand, when the moving
以上、本発明の実施の形態について説明をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to these descriptions.
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。 As long as the features of the present invention are provided, those skilled in the art appropriately modified the design of the above-described embodiments are also included in the scope of the present invention.
例えば、発電機1、自動水栓装置3などが備える各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
For example, the shape, size, material, arrangement, and the like of each element included in the generator 1, the
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。 Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is combined can be combined as much as possible, and what combined these is also included in the scope of the present invention as long as the characteristics of the present invention are included.
1 発電機、1a 発電機、3 自動水栓装置、9 ステータ、13 筒体、14 キャップ、14a フランジ部、14b 空間部、15 動翼、15a 動翼リング、15b ボス部、15c 羽根支持面、15d 天井部、15e 流水路、18 ノズル、18a ノズル、19 動翼羽根部、31a インダクタ、32a インダクタ、50 コイル、50a コイル、60 バイパス流路、62a 水流、90 ステータ、131a インダクタ、132a インダクタ、M マグネット、M1 マグネット DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Generator, 1a Generator, 3 automatic faucet device, 9 stator, 13 cylinder, 14 cap, 14a flange part, 14b space part, 15 moving blade, 15a moving blade ring, 15b boss | hub part, 15c blade support surface, 15d Ceiling, 15e Flow channel, 18 nozzle, 18a nozzle, 19 blade blade, 31a inductor, 32a inductor, 50 coil, 50a coil, 60 bypass flow path, 62a water flow, 90 stator, 131a inductor, 132a inductor, M Magnet, M1 magnet
Claims (1)
前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、
前記マグネットの回転により起電力を生ずるコイルと、
前記回転中心に対して平行な方向から流れてくる水を、前記動翼羽根部の主面に向けて噴出させるノズルと、
を備えたことを特徴とする水栓用発電機。 A rotor blade having a rotation center substantially parallel to the water supply flow path and having a blade blade portion provided in the water supply flow path so as to be rotatable around the rotation center;
A magnet rotatable integrally with the moving blade;
A coil that generates an electromotive force by rotation of the magnet;
A nozzle that ejects water flowing from a direction parallel to the rotation center toward a main surface of the blade blade,
A faucet generator characterized by comprising:
Priority Applications (1)
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-
2008
- 2008-10-01 JP JP2008256118A patent/JP2009024703A/en active Pending
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