JP2009027892A - 水栓用発電機 - Google Patents

Abstract

【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を有する動翼と、前記動翼羽根部の径外方向に設けられ、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、前記コイルを囲んで設けられたヨークと、前記ヨークから延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、前記動翼羽根部の下流側端面を前記動翼の回転ムラや騒音を抑制する程度に前記マグネットの下流側端面より上流側に位置するように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。
【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に関する。

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）。

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。

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、動翼の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や騒音の原因となるおそれがある。
特開２００４−３３６９８２号公報

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。

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、前記動翼羽根部の径外方向に設けられ、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、前記コイルを囲んで設けられたヨークと、前記ヨークから延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、前記動翼羽根部の下流側端面を前記動翼の回転ムラや騒音を抑制する程度に前記マグネットの下流側端面より上流側に位置するように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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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０．０５（ＭＰａ）程度の低水圧である場合もあり得る。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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１５とマグネットＭとを一体化させることができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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端面と対向している。

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。

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。

また、本実施の形態においては、インダクタ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。そのため、マグネットＭの径方向に略直角な方向の端面からの磁束をもインダクタ３１ｂを介してコイル５０に導くことができ、発電量をさらに増加させることができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さとマグネット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マグネット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。

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。
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マグネット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。

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。

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。

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マグネット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。

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。
マグネットの径方向に略直角な方向の長さを短くしたことで、マグネット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マグネット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。

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。

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。

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。

本発明者は検討の結果、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必要となった場合において、動翼の上流側端面とマグネットＭの上流側端面とを揃え、動翼羽根部の下流側端面が前記マグネットの下流側端面より上流側に位置するように離間させるようにすれば、平均受圧トルクの低下の抑制と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。

図１０は、動翼の下流側端面がマグネットＭ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。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の下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。

図１０に示したものでは、図６に示したものとは異なり、マグネットの径方向に略直角な方向の長さを短くしていないので、マグネット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。

尚、マグネットＭのなるべく上流側に動翼羽根部１９を設けるようにすることが好ましく、マグネットＭの上流側端面と動翼羽根部１９の上流側端面とを揃えるようにすることがより好ましい。このようにすれば、予旋回静翼１４からの旋回流のエネルギーを効率よく電力に変換することができる。

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するマグネットＭ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。

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マグネット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。

また、表１は、図１２の場合における各値をまとめたものである。

図１２、図１３、表１からわかるように、マグネットの径方向に略直角な方向の長さ／動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さを２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、マグネットの径方向に略直角な方向の長さ／動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さを２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、マグネットの径方向に略直角な方向の長さ／動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さが１０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。

そのため、マグネットの径方向に略直角な方向の長さ／動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さは、２倍以上、１０倍以下とすることが好ましい。また、マグネットの径方向に略直角な方向の長さ／動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さを６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。

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％以下となるようなマグネットの径方向に略直角な方向の長さ／動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さ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。

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。

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。

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。

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、動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さ、マグネットの径方向に略直角な方向の長さを前述のもののようにすれば、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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マグネット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。 動翼の下流側端面がマグネットＭ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マグネット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

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

Claims (4)

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を有する動翼と、
   前記動翼羽根部の径外方向に設けられ、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、
   前記コイルを囲んで設けられたヨークと、前記ヨークから延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、
   前記動翼羽根部の下流側端面を前記動翼の回転ムラや騒音を抑制する程度に前記マグネットの下流側端面より上流側に位置するように離間させて設けること、を特徴とする水栓用発電機。
2. 前記コイルは、前記マグネットの径方向に略直角な方向の端面に対向して設けられ、
   前記インダクタは、前記マグネットの前記周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こと、を特徴とする請求項１記載の水栓用発電機。
3. 前記コイルは、前記マグネットの径方向に略直角な方向の端面に対向して設けられ、
   前記インダクタは、前記マグネット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こと、を特徴とする請求項１記載の水栓用発電機。
4. 前記動翼羽根部の下流側端面は、前記動翼羽根部の径方向に略直角な方向の長さに対する前記マグネットの径方向に略直角な方向の長さが２倍以上、１０倍以下となる位置に設けられること、を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の水栓用発電機。

Images