JP4264845B1 - 水栓用発電機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
給水流入口と、給水流出口とを有し、内部に給水流路が形成された筐体と、
前記給水流路内に設けられ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、
前記動翼および前記マグネットが水流により受ける力を支持する軸受と、
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基部と、前記基部から延出し互いに離間して設けられた複数のインダクタとを有するヨークと、を備え、
前記コイルは、前記マグネットよりも前記給水流路の下流側で、且つ前記マグネットに対向して設けられ、
前記マグネットは回転中心軸と垂直な平面と交わる外周面に着磁され、
前記インダクタは前記マグネットの外周面と対向し、前記給水流路の上流側から下流側へ向かって、前記筐体の外側に設けられた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
さらに、回転の摺動面が磨耗しやすいことにより、マグネットとインダクタ間に形成される筐体内の流路についても、使用開始からわずかな期間で狭くなる。これにより、水中を流れるごみが詰まりやすくなる。さらに、水流により、マグネットがわずかに振動するだけでも、筐体の内壁面に干渉しやすくなる。すなわち、水栓用発電機としての信頼性も低い。
また、本発明の一態様によれば、給水流入口と、給水流出口とを有し、内部に給水流路が形成された筐体と、前記給水流路内に設けられ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、前記動翼および前記マグネットが水流により受ける力を支持する軸受と、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基部と、前記基部の径外側から延出し互いに離間して設けられた複数のインダクタと、を有するヨークと、を備え、前記コイルは、前記マグネットの前記給水流路の上流側に対向して設けられ、前記コイルは、前記マグネットよりも前記給水流路の上流側で、且つ前記マグネットに対向して設けられ、前記マグネットは回転中心軸と垂直な平面と交わる外周面に着磁され、前記コイルと対向する端面は着磁されず、前記インダクタは前記マグネットの外周面と対向し、前記給水流路の上流側から下流側へ向かって、前記筐体の外側に設けられたことを特徴とする水栓用発電機が提供される。
なお、「マグネットの回転中心軸と垂直な平面と交わる方向」について、最も好ましくは、90度で直角に交わることが望ましいが、好ましくは、45度以上で交わることが望ましい。45度で交われば、電磁力の作用を、「マグネットの回転中心軸と略平行な方向」と「マグネットの回転中心軸と略平行な方向」に等分でき、軸受に作用する電磁力を十分に削減でき、回転の摺動面が磨耗を抑制する効果が得られる。
本発明においては、回転の摺動面が長期にわたって磨耗しにくいため、マグネットとインダクタ間に形成される給水流路についても、一定の距離が維持され、ごみ詰まりやマグネットの振動による干渉も起こりにくく、長期にわたって高い信頼性を維持することができる。
さらに、電磁力が作用する方向を、水流による荷重がかかる方向と完全に一致させないようにすることで、回転の摺動面が磨耗しても、マグネットとインダクタ間の距離が変化するのを抑制し、長期にわたって、安定した発電量を得ることができる。
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。なお、各図面中、同一の構成要素には同一の符号を付す。
発電機1には、主として、給水流入口400、給水流入口500、筒体13、予旋回静翼14、動翼15、マグネットM、コイル50、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。なお、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。
図3は、本発明の実施の形態に係る自動水栓装置3の模式断面図である。
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。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。
また、本発明にかかる水栓装置において、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、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、渦電流やコイルに電流が流れることで発生するジュー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。
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。
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は、マグネットMの回転中心軸と垂直な平面と交わる外周面(以後、マグネットMの外周面)において、周方向に沿ってN極とS極とが交互に着磁されている。なお、マグネットMの給水流路に対する上流側端面Mu、および下流側端面Md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。なお、マグネットMは、円筒形状に成形された一部品に、着磁を行っても、複数の瓦状に成形された部品それぞれに着磁を行った後、それぞれの部品を接着し、円筒形状に成形してもよい。前者の場合は、製造工程を少なくでき、後者の場合は、着磁を行うための磁気回路を簡単にできる。
第2ヨーク32は、略円筒状を呈し、コイル50の外周面部を囲むようにして配置され、その軸方向の一端部には、複数のインダクタ32aが軸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、各インダクタ31a、インダクタ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の基部32b)の直上に設けられ、コイル50の中心から各インダクタ31a、インダクタ32aまでの距離は略同一となっている。
電磁力が作用する方向は、図1において、中心軸24と略垂直である。よって、図1において、軸受17は、設置向きによらず、水流による荷重を受けるが、電磁力の作用は受けない。よって、図1のように、中心軸24に挿通するようにして設けられた動翼15が回転し、動翼15の摺動面に摺動リング15dを設けた場合は、摺動リング15dの磨耗を抑制することができる。
中心軸24と一体化された動翼15が回転する場合は、中心軸24における回転の摺動面が、磨耗するのを抑制することができる。その結果、マグネットMの下流側端面Mdと、これに対向した基部31b間の距離(図1のL1)は、時間が経っても狭くなりにくい。すなわち、マグネットMの下流側端面Mdと基部31bとの間に形成される流路の幅も変化しにくい。これにより、長期にわたって、ごみ詰まりや、マグネットが水流により振動して筐体13の内壁に干渉するのを防ぐことができ、信頼積が高い水栓用発電機となる。
さらに、マグネットMの外周面とインダクタ31a、32a間の距離(図1のL2)は、水流の作用を受けないため、長期にわたって距離が変化せず、「アキシャル配置」により径方向の小型化を図りつつも、経時変化による発電量の変動を抑制することができる。
図6は、切り欠き部39a、39bの深さと発電量との関係を示すグラフ図である。
横軸は、切り欠き部39a、39bの深さ(mm)を、縦軸は、発電量(mW)を表す。
切り欠き部39a、39bの深さ(コイル50の上端面からの軸方向長さ)を、0(mm)、2(mm)、5(mm)、10(mm)と変えて、発電量及びコイル効率をシミュレーションした。ここで、コイル効率は、入力(マグネットMを回転させるのに必要なトルク×回転数)に対する、出力(発電量)の割合(%)を表す。なお、ステータ9全体の軸方向寸法は、27(mm)とした。切り欠き部39a、39bの深さが0(mm)とは、切り欠き部39a、39bを設けないことを意味する。
前述のように構成された自動水栓装置3及び発電機1において、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を開にし、給水流路10が連通される。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、電磁弁8が閉となり、自動的に水が止まる。
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。本具体例では、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。
本実施例において、図9(a)に示すように、マグネットMは、円筒形状ではなく、円錐台をしている。さらに、回転中心軸Cと垂直な平面と交わる外周面Mjに着磁がされている。本発明において、マグネットMは必ずしも円筒形状である必要はなく、本実施例のように、円錐台にすれば、マグネットMの高さを抑えつつ、外周面Mjの表面積を確保し、発電量を増やすことができる。
次に図9(b)を用いて、電磁力の作用について説明する。ここでは、マグネットMとインダクタ31a・32aとの間に作用する電磁力をFjとし、Fj1をFjの水平方向成分、Fj2をFjの垂直方向成分としている。このとき、Fj2が、図示しない軸受17に作用する電磁力となる。本実施例では、電磁力Fjの作用する方向を水平方向にも分散することで、軸受17に作用する電磁力の作用を低減し、軸受17の負荷を軽減している。なお、本発明においては、θ1とθ2を45度以上とすれば、電磁力Fjを、水平方向成分Fj1と垂直方向成分Fj2に等分でき、軸受17が受ける負荷を十分に軽減することができる。
図10は、インダクタの位置関係を説明するための模式断面図である。
図10(a)〜(c)に示すように、コイル50の端面50dとマグネットMの下流側端面Mdとは対向しており、マグネットMの外周面とインダクタ31a・32a、310a・320a、311a・321aとは対向している。また、コイル50の端面端面50dとマグネットMの下流側端面Mdとの間には、基部31b、310b、311bが設けられている。なお、基部から「延設」したインダクタとは、いずれも本実施例のような形態も含み、インダクタ31a・32a、310a・320a、311a・321aは、いずれもそれぞれの基部31b・32b、310b・320b、311b・321bから「延設」している。そして、これらの図から分かるように、マグネットMの外周面と対向する位置に設けられるインダクタの径方向の位置は、コイル50の外周面から内周面までの間で適宜選択することができる。
なお、そのような場合であっても、コイル50の端面端面50dの直上にマグネットMの下流側端面Mdが存在することが好ましい。特に、図8(a)に示したような位置(図1で例示したものの位置)とすれば、インダクタの形成を含めて、ヨークの製作が容易となる利点がある。さらに、発電機全体の径に対して、マグネットの径を最大にできるので、マグネットの表面積が増加し、表面磁束量を大きくすることができる。また、周速が増すため、磁束の変化率も増加し、発電量を大きくすることができる。
また、マグネットMの外周面と対向する位置に設けられるインダクタの端面(先端)位置は、少なくともマグネットMのコイル50側の下流側端面Mdより上側にあればよい。ただし、発電量を考えると、マグネットMのコイル50とは反対側の上流側端面Mu近傍まであることが好ましく、典型的には、マグネットMのコイル50とは反対側の上流側端面Muとインダクタの端面(先端)との位置は略同一とされる。
なお、本実施例では、コイル50をマグネットMの下流側端面Mdに配置した場合を示したが、コイル50をマグネットMの上流側端面Muに対向するように、配置した場合も、同様の設計がなされる。
ヨークは、発電中に電磁力の作用を受けるため、形状によっては応力集中が発生する。本実施例のように、曲げ形状において、曲げ部を設けると、応力集中が緩和され、ヨークの耐久性が向上する。特に、本実施例のように、インダクタ31aが、ステータ9の全長に対して比較的長い場合には、曲げ部によって応力集中を抑制する効果がさらに高まる。
具体的には、マグネットMとインダクタのストレート部分の重なり合う長さを調整することで、発電機の使用態様に適した発電機を容易に設計できることができる。例えば、水量が多いためトルクも大きく、また、多量の発電量を必要とする場合には、マグネットMとインダクタのストレート部分の重なり合う長さが長いものを、水量が少なくトルクが小さいが、発電量は少なくてよい場合には、マグネットMとインダクタのストレート部分の重なり合う長さが短いものを採用すればよいことになる。例えば、前者の例としては浴槽用水栓に備えられる発電機を、後者の例としては洗面所用水栓に備えられる発電機を挙げることができる。
このように、マグネットMの回転に伴い、マグネットMの磁区とインダクタとが対峙する領域の面積が、漸次増減するようにさせることが好ましい。そのようにすれば、マグネットとヨーク間に作用する吸引反発力の急激な変化を抑えることができるので、コギングを抑制してマグネットを円滑に回転させることができる。その結果、軸摩擦やトルクロスを抑えることができ、発電量を増加させることができる。なお、図17(a)〜(c)では、それぞれの形状が直線的に変化する場合を例示したが、これに限定されるわけではなく、任意の曲線としたり、曲線や直線を組み合わせたものとすることもできる。
コイル50を鎖交する磁束の流れを形成する各ヨークの間に隙間が生じてしまうと、磁束の損失が生じ、発電量が減少する。そのため、各ヨークの部材同士を複数の面で当接させるようにして、組み付け時などに一部の面に隙間が生じた場合でも、他の面で磁路が確保できるようにして、発電量の減少を抑制できるようにすることが好ましい。
図18に例示をするものでは、第3ヨーク33の内周側段部33aに、第1ヨーク31の端部が係合することで、第1ヨーク31と第3ヨーク33とが、それぞれ、コイル50の周方向に沿って略環状に形成された複数の面(本具体例では、例えば略垂直な2面)で当接するようになっている。第1ヨーク31の端面(図18においては下端面)は、第3ヨーク33の内周側段部33aにおけるコイル中心方向に張り出したフランジ状の面と当接し、第1ヨーク31の端部における外周側(コイル中心方向と逆方向)の側面(上記端面に対して略垂直な面)は、第3ヨーク33の内周側段部33aにおける上記フランジ状の面に対して略垂直な側面と当接する。
本発明者は検討の結果、ボビン等の絶縁部材を不要とすることができれば、巻線スペースの確保をすることができるので、発電機1を小型化しても発電量の減少を抑制することができるとの知見を得た。
具体的には、内径14mm、外径22mmのコイル50において、コイル50に接触するヨークの内面に絶縁加工を施しボビン等の絶縁部材を不要とすることにより、発電機1の巻線のスペースを70%程度増やすことができた。この場合の絶縁加工としては、厚さが数10μM程度のフッ素樹脂コーティングを例示することができる。ただし、絶縁加工に用いられる材料、膜厚、コーティング方法などはこれに限定されるわけではなく、適宜変更することができる。
A 曲げ部、 Aa 曲げサイズ、 G 磁区、 W1 インダクタの寸法、 W2 磁区Gの寸法
310a インダクタ、 310b 基部、 311a インダクタ、 311b 基部、 320a インダクタ、 320b 基部、 321a インダクタ、 321b 基部、 400給水流入口、 500給水流出口、
Claims (3)
- 給水流入口と、給水流出口とを有し、内部に給水流路が形成された筐体と、
前記給水流路内に設けられ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、
前記動翼および前記マグネットが水流により受ける力を支持する軸受と、
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基部と、前記基部の径外側から延出し互いに離間して設けられた複数のインダクタと、を有するヨークと、
を備え、
前記コイルは、前記マグネットよりも前記給水流路の下流側で、且つ前記マグネットに対向して設けられ、
前記マグネットは回転中心軸と垂直な平面と交わる外周面に着磁され、前記コイルと対向する端面は着磁されず、
前記インダクタは前記マグネットの外周面と対向し、前記給水流路の上流側から下流側へ向かって、前記筐体の外側に設けられたことを特徴とする水栓用発電機。 - 給水流入口と、給水流出口とを有し、内部に給水流路が形成された筐体と、
前記給水流路内に設けられ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、
前記動翼および前記マグネットが水流により受ける力を支持する軸受と、
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基部と、前記基部の径外側から延出し互いに離間して設けられた複数のインダクタと、を有するヨークと、
を備え、
前記コイルは、前記マグネットの前記給水流路の上流側に対向して設けられ、
前記コイルは、前記マグネットよりも前記給水流路の上流側で、且つ前記マグネットに対向して設けられ、
前記マグネットは回転中心軸と垂直な平面と交わる外周面に着磁され、前記コイルと対向する端面は着磁されず、
前記インダクタは前記マグネットの外周面と対向し、前記給水流路の上流側から下流側へ向かって、前記筐体の外側に設けられたことを特徴とする水栓用発電機。 - 前記ヨークは、前記基部と前記インダクタを結ぶ部分に設けられた曲げ部を備え、
前記マグネットは、前記曲げ部と対向しないように配置されたこと、
を特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の水栓用発電機。
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