JP4882904B2 - 水栓用発電機 - Google Patents

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、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。水車の上流側には、水車にあてる水流の流速を高めるとともに、その水流が水車の軸方向に対して旋回するようにする噴流口が形成され、その噴流口を流れた旋回流は、水車の羽根部とマグネット内周面との間の空間を流れて、水車に回転力を与える。

しかし、特許文献１では、噴流口の出口幅と、水車への流入口幅とが略等しく、遠心方向（径外方向）への成分を多く持った旋回流が水車に流入する際、マグネット内周面に衝突することによる圧力損失や、マグネットの外周側を流れる水流の割合が高くなり水車を流れる流量が低減することなどにより、水力エネルギーから回転エネルギーへの変換効率が悪く、発電効率の向上が期待できない。
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た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中心軸と、周面に複数の動翼羽根部を有し、前記中心軸のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられる動翼と、前記動翼に対して間隙を隔てて前記動翼の上流側に設けられ、前記動翼に旋回流を与える複数の静翼羽根部を周面に有する予旋回静翼と、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、前記マグネットに対向するコイルと、を備え、前記静翼羽根部間に形成される静翼流路の中心よりも、前記動翼羽根部間に形成される動翼流路の中心の方が径外方向に位置してい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た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している。

図２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）の取付例を表す模式図である。
図３は、同自動水栓装置の内部構成を表す模式図である。

本実施形態に係る自動水栓装置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の径外方向に延出して本体３ａの上部に設けられた吐水部３ｂとを有する。本体３ａと吐水部３ｂは水栓金具を構成する。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。自動水栓装置３の本体３ａの内部には、その給水流路１０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。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。

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１１が内蔵されている。本体３ａの内部には、水栓用発電機１１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。水栓用発電機１１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、水道元圧（一次圧）が、水栓用発電機１１に直接作用しない。したがって、水栓用発電機１１は、それほど高い耐圧性を要求されず、信頼性やコストの点で有利である。

次に、水栓用発電機１１の具体例について説明する。

［第１の具体例］
図１は、本発明の第１の具体例に係る水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。
図４は、同水栓用発電機における予旋回静翼１４、動翼１５、軸受１７の斜視図である。
図５は、同水栓用発電機におけるマグネットＭ１とヨーク極歯３３ｃ、３４ａとの配置関係を表す模式斜視図である。

本具体例に係る水栓用発電機は、主として、筒体１３、予旋回静翼１４、動翼１５、マグネットＭ１、コイル９を備え、これらは、図３に表されるケース１２の中に収容されている。

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、３に図示される吐水部３ｂに内蔵され、筒体１３の中心軸方向は、流水方向に対して略平行になるよう設置される。筒体１３は、小径部１３ａを上流側に、大径部１３ｂを下流側に向けて配置される。

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。予旋回静翼１４は小径部１３ａの内部に設けられ、動翼１５及び軸受１７は大径部１３ｂの内部に設けられている。

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、円錐体を一体に設けた形状を呈する。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。図４に表すように、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。予旋回静翼１４は、筒体１３に対して固定されている。

予旋回静翼１４に対して間隙（例えば０．５５ｍｍ）を隔てて、予旋回静翼１４の下流側に動翼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。図４に表すように、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。動翼１５は、給水流路に対して略平行な中心軸２４を介して、筒体１３に対して固定された軸受１７上に支持されている。動翼１５は、中心軸２４のまわりに回転可能となっている。軸受１７は、動翼１５に対して間隙を隔てて、動翼１５の下流側に設けられている。

筒体大径部１３ｂの下流端の開口は、Ｏリング５２を介して、封止部材５１によって液密に塞がれている。封止部材５１の内部には段付き孔が形成され、その段部５１ａは環状に形成され、この段部５１ａの上に軸受１７が支持されている。

軸受１７は、封止部材５１内部の段部５１ａの上に支持されるリング部材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、放射状に設けられた連結部材２３（図４）によって結合されてなる。連結部材２３間は、閉塞せ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１７の軸支持部２２には、動翼１５の軸中心に固定された中心軸２４が回転可能に支持されている。中心軸２４の先端部は、動翼１５から突出して予旋回静翼１４に嵌め込まれている。中心軸２４の先端部と予旋回静翼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予旋回静翼１４に対して中心軸２４は回転可能になっている。あるいは、中心軸２４の両端部をそれぞれ軸支持部２２と予旋回静翼１４に固定させ、その中心軸２４に対して回転可能に動翼１５を嵌め込む構成としてもよい。

中心軸２４と予旋回静翼１４の周面との間の径方向寸法と、中心軸２４と動翼１５の周面との間の径方向寸法とは略等しく、予旋回静翼１４の周面と動翼１５の周面とは軸方向に見て略面一となっている。

静翼羽根部１８の径外方向への突出幅は、上流側から下流側にかけてほぼ同じとなっている。同様に、動翼羽根部１９の径外方向への突出幅は、上流側から下流側にかけてほぼ同じとなっている。動翼羽根部１９の方が静翼羽根部１８よりも突出幅は大きく、動翼羽根部１９は静翼羽根部１８よりも径外方向に突出している。静翼羽根部１８の外周部１８ａは、動翼羽根部１９の内周部１９ａよりも径外方向に突出している。

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。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。図１に示すように、静翼流路７１における幅方向（径方向）の中心Ｃ１よりも、動翼流路７２における幅方向（径方向）の中心Ｃ２の方が径外方向に位置している。静翼流路７１の出口は、間隙（例えば０．５５ｍｍ）を隔てて、動翼流路７２の入口に対向している。動翼流路７２の入口幅ｂは、静翼流路７１の出口幅ａより大きい。

筒体１３の大径部１３ｂの内部に、動翼流路７２を囲むように動翼羽根部１９に固定された筒状のマグネットＭ１が収容されている。図４において２点鎖線で表されるマグネットＭ１の内周面は、動翼羽根部１９の側端部に固定されている。

大径部１３ｂの外側には、マグネットＭ１の上流側端面に対向させてコイル９が配置されている。なお、コイル９は、マグネットＭ１の下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Ｍ１の上流側及び下流側の両端面にそれぞれ対向させて１対のコイル９を配置してもよい。

コイル９は、図５に表される円筒状のヨーク３１と、このヨーク３１の内部に配置されるコイル配線部（図示省略）とを有する。ヨーク３１は、共に磁性体からなる３つのヨーク３２、３３、３４を組み合わせてなる。

ヨーク３３は、内部に収容したコイル配線部の周面部に対向される周面部３３ｂと、マグネットＭ１に対向される複数の極歯３３ａと、を有する。複数の極歯３３ａは、径内方に突出して周面部３３ｂに一体に設けられ、周方向に沿って等間隔で設けられている。

ヨーク３４は、径外方向に突出し、ヨーク３３の極歯３３ａの間に配置される複数の極歯３４ａを有する。極歯３３ａ、３４ａは、内部に収容されたコイル配線部を間に挟んで、ヨーク３２に対向している。

マグネットＭ１の軸方向の端面には、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に着磁されている。

次に、本実施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する。

使用者が、吐水口６（図３）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、水栓用発電機１１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、自動で水が止まる。

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及び図４に図示される具体例においては、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。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Ｍ１も回転し、このマグネットＭ１に対向している極歯３３ａ、３４ａ（図５）の極性が変化していく。すなわち、ヨーク３３（極歯３３ａ）がＮ極のときヨーク３４（極歯３４ａ）がＳ極、ヨーク３３（極歯３３ａ）がＳ極のときヨーク３４（極歯３４ａ）がＮ極という状態が繰り返されることで、ヨーク３３、３４の内部に配置されたコイル配線部に対する鎖交磁束が変化し、そのコイル配線部に起電力が生じ、発電する。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の駆動に使用される。

本具体例においては、静翼羽根部１８と筒体１３内周面とによって囲まれる空間が静翼流路７１として機能し、前述したように流水がその静翼流路７１を流れることで旋回流が形成される。この旋回流は、動翼羽根部１９とマグネットＭ１内周面とによって囲まれる空間である動翼流路７２に流入し、動翼１５に回転力を与える。

動翼流路７２に流入する流水は旋回流であるため、動翼流路７２に流入する流水は、動翼流路７２の径外方に設けられたマグネットＭ１に衝突する成分を多くもっている。そこで、本具体例では、動翼流路７２の中心Ｃ２を静翼流路７１の中心Ｃ１よりも径外方向に位置させることにより、静翼流路７１から流出して径外方向に広がった流れの中心を、動翼流路７２の中心Ｃ２に合わせることで、効率良く水流を動翼１５で受けることができる。さらに、動翼羽根部１９を静翼羽根部１８よりも径外方向に突出させ、静翼流路７１の出口幅ａよりも広い動翼流路７２の入口幅ｂを確保することで、予旋回静翼１４を通過した水流が径外方向に進んでマグネットＭ１に衝突するまでの距離を長くすることができ、マグネット衝突時の水流の流速の低減が図れる。そのため、予旋回静翼１４を通過した水流がマグネットＭ１に衝突する時の圧力損失を原因とする、水力エネルギーから回転エネルギーへの変換損失を低減させることができ、発電効率の向上が図れる。

特に、節水効果をアピールした自動水栓のように発電に用いる水力エネルギーが小さいものでは、わずかな圧力損失であっても低減したいという要求が強く、本実施形態はそのようなものに非常に有効である。

なお、静翼流路７１の出口幅ｂに対して、動翼流路７２の入口幅ａをあまり大きくしすぎると、流路の急拡大による圧力損失が生じるため、この流路の急拡大による圧力損失の影響を抑えつつ、前述した旋回流のマグネットＭ１への衝突による圧力損失も抑えるために、静翼流路７１の出口幅ｂと動翼流路７２の入口幅ａとの関係を適切に設定する必要がある。

次に、静翼流路出口幅に対する動翼流路入口幅の比率を、１．０、１．５、２．０、２．５と変えた場合における、圧力損失の比（％）、損失流出の比（％）、羽根車効率の比（％）をシミュレーションした結果について、表１、図６〜８を参照して説明する。なお、静翼流路は、その上流側の入口から下流側の出口にかけて径方向の幅は同じとし、同様に、動翼流路は、その上流側の入口から下流側の出口にかけて径方向の幅は同じとした。

損失流量とは、静翼流路７１を通過した流水のうち、動翼流路７２を通過せずに、マグネットＭ１と、筒体１３内壁面との間の隙間を通過してしまう流量を表す。羽根車効率とは、与えた水流のエネルギーのうち回転エネルギーに変換された割合のことをいう。

図６において、横軸は、静翼流路出口幅に対する動翼流路入口幅の比率を表し、縦軸は、動翼流路入口幅比率が１．０のときの圧力損失の比を１００（％）として、動翼流路入口幅比率が１．５、２．０、２．５のときの圧力損失の比（％）を表している。
図７において、横軸は、静翼流路出口幅に対する動翼流路入口幅の比率を表し、縦軸は、動翼流路入口幅比率が１．０のときの損失流量の比を１００（％）として、動翼流路入口幅比率が１．５、２．０、２．５のときの損失流量の比（％）を表している。
図８において、横軸は、静翼流路出口幅に対する動翼流路入口幅の比率を表し、縦軸は、動翼流路入口幅比率が１．０のときの羽根車効率の比を１００（％）として、動翼流路入口幅比率が１．５、２．０、２．５のときの羽根車効率の比（％）を表している。

図６より、動翼流路入口幅比率が２．０のとき、最も圧力損失が小さい。また、図７のグラフ図よりわかることは、動翼流路入口幅を拡大することで、動翼流路を通らずにマグネットと筒体内壁面との間の隙間を通過していた水量が減少し、その分、動翼流路を通って動翼の回転に寄与する水量が増え、発電効率を向上させることができる。したがって、動翼流路入口幅を広げることにより、前述したマグネットへの衝突による圧力損失低減および動翼に回転力を与えない損失流量の減少という２つの作用により発電効率を向上させることができる。また、図８より、動翼流路入口幅比率が２．０のとき、最も羽根車効率がよい。図６、７、８に基づく知見より、動翼流路入口幅としては、静翼流路出口幅の１．５倍以上２．５倍以下が望ましい。具体的な動翼流路の入口幅寸法としては、例えば１．０ｍｍを挙げることができる。

なお、動翼羽根部１９を静翼羽根部１８よりも径外方向に突出させて動翼流路７２の拡大を図るには、設置箇所における径方向寸法に余裕が必要である。本具体例では、コイル９を、マグネットＭ１の軸方向に対向配置させた構造のため、コイル９をマグネットＭ１の径外方向に対向配置させた場合に比べて、径方向寸法を小さくすることができ、例えば図２に表される円筒状の吐水部３ｂの中に内蔵させても吐水部３ｂの細くスッキリとしたデザイン性を損ねない。

［第２の具体例］
図９は、本発明の第２の具体例に係る水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。
図１０は、同水栓用発電機におけるコイル１６を表す模式斜視図である。
図１１は、図１０に表されるコイル１６の分解斜視図である。
図１２は、同水栓用発電機におけるマグネットＭ２とヨーク極歯２５ｃ、２６ｂとの配置関係を表す模式平面図である。

本具体例では、マグネットＭ２とコイル１６との配置関係が第１の具体例と異なる。

筒体１３の大径部１３ｂの内部に、動翼流路７２を囲むように動翼羽根部１９に固定された筒状のマグネットＭ２が収容されている。大径部１３ｂの径外方向の外側には、マグネットＭ２の外周面に対向させてコイル１６が配置されている。

コイル１６は、図１０、１１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部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、さらに環状部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部２６ａと、この環状部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１０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。

マグネットＭ２は、図１２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Ｍ２のＮ極またはＳ極に対向する。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Ｍ２に対向する。

第１の具体例と同様、予旋回静翼１４によって形成された旋回流の水力を受けて動翼１５が回転されると、これに固定されたマグネットＭ２も回転する。マグネットＭ２は、図１２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、マグネットＭ２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、発電する。

本具体例においても、動翼流路７２の中心Ｃ２を静翼流路７１の中心Ｃ１よりも径外方向に位置させることにより、静翼流路７１から流出して径外方向に広がった流れの中心を、動翼流路７２の中心Ｃ２に合わせることで、効率良く水流を動翼１５で受けることができる。さらに、動翼羽根部１９を静翼羽根部１８よりも径外方向に突出させ、静翼流路７１の出口幅ａよりも広い動翼流路７２の入口幅ｂを確保することで、予旋回静翼１４を通過した水流が径外方向に進んでマグネットＭ２に衝突するまでの距離を長くすることができ、マグネット衝突時の水流の流速の低減が図れる。そのため、予旋回静翼１４を通過した水流がマグネットＭ２に衝突する時の圧力損失を原因とする、水力エネルギーから回転エネルギーへの変換損失を低減させることができ、発電効率の向上が図れる。

［第３の具体例］
図１３は、本発明の第３の具体例に係る水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。

本具体例では、筒体１３の内部に、給水が流れる方向の上流側から順に、予旋回静翼１４、動翼１５、マグネットＭ３、および軸受１７が、互いの軸中心を一致させて設けられている。マグネットＭ３は、円筒状を呈し、動翼１５の下流側に動翼１５に対して離間して設けられている。

動翼１５の軸中心に固定され、軸受１７上に回転可能に支持された中心軸２４は、マグネットＭ３の中空部を貫通しており、その中心軸２４には、放射状に延び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向けて延在する筒部３８とを有する。

マグネットＭ３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Ｍ３は、マグネット装着部材３６および中心軸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Ｍ３は動翼１５と一体となって回転する。

あるいは、中心軸２４の両端部をそれぞれ軸支持部２２と予旋回静翼１４に固定させ、その中心軸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、中心軸２４のまわりを回転可能に中心軸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Ｍ３はマグネット装着部材３６と共に中心軸２４のまわりに回転する。

筒体１３の外周面における、マグネットＭ３に対向する部分には、マグネットＭ３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、前述した第２の具体例と同じ構成を有し、マグネットＭ３は、第２の具体例のマグネットＭ２と同様、周方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に並んで着磁されており、マグネットＭ３が回転することによる発電の原理も第２の具体例と同じである。

本具体例においては、静翼羽根部１８と筒体１３内周面とによって囲まれる空間が静翼流路７１として機能し、動翼羽根部１９と筒体１３内周面とによって囲まれる空間が動翼流路７２として機能する。前述したように流水が静翼流路７１を流れることで旋回流が形成され、この旋回流は、動翼流路７２に流入し、動翼１５に回転力を与える。動翼流路７２を流れた流水は、マグネットＭ３の中空部、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。

動翼流路７２に流入する流水は旋回流であるため、動翼流路７２に流入する流水は、動翼流路７２の径外方に位置する筒体１３内周面に衝突する成分を多くもっている。本具体例においても、動翼流路７２の中心Ｃ２を静翼流路７１の中心Ｃ１よりも径外方向に位置させることにより、静翼流路７１から流出して径外方向に広がった流れの中心を、動翼流路７２の中心Ｃ２に合わせることで、効率良く水流を動翼１５で受けることができる。さらに、動翼羽根部１９を静翼羽根部１８よりも径外方向に突出させ、静翼流路７１の出口幅ａよりも広い動翼流路７２の入口幅ｂを確保することで、予旋回静翼１４を通過した水流が径外方向に進んで筒体１３内周面に衝突するまでの距離を長くすることができ、その衝突時の水流の流速の低減が図れる。そのため、予旋回静翼１４を通過した水流が筒体１３内周面に衝突する時の圧力損失を原因とする、水力エネルギーから回転エネルギーへの変換損失を低減させることができ、発電効率の向上が図れる。

なお、本具体例において、動翼１５の周面を囲むように動翼羽根部１９に動翼リングを設けてもよい。このような構成にすれば、動翼リングの外周面と、筒体１３の内周面との間の隙間が狭められて、動翼羽根部１９よりも径外方側の流路抵抗が大きくなって、動翼流路７２を流れる流量が多くなり、水力エネルギーから回転エネルギーへの変換効率が高まる。

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。

水栓用発電機１１は、水栓装置３の水栓金具の内部に設けられることに限らない。例えば、図１４に表すように、水栓装置３の水栓金具（本体３ａ及び吐水部３ｂ）と、これよりも上流側に設けられた止水栓（元栓）１０５との間を接続する配管（流路）４に設けてもよい。この場合、発電機１１は洗面台等のカウンター２下に配設される。また、水栓装置３の吐水口６へとつながる給水流路を開閉する電磁弁８も水栓金具の内部に設けることに限らず、例えば図１４の例では、止水栓１０５と発電機１１との間の配管（流路）４に設けてもよい。

本発明の水栓用発電機は、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１１に流れる水流を分岐させて、発電機１１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１１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、本発明は、人体検知センサを用いた自動水栓に限らず、例えば、図１５に表すように手動操作部や手動スイッチ３ｃ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にも適用できる。

また、発電された電力を、例えば、図１５に表すように水栓装置３に設けられたライトアップ用の照明１０１や、その他、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。

さらには、図１６に表すように、例えば、洗面所の天井に設けられた人体検知センサ１０２に、発電機１１が発電した電力を供給してもよい。その他、発電機１１が発電した電力を、ガスセンサ、マイクロ波センサ、ドア開閉の機械式センサ等の作動に用いてもよい。

本発明の第１の具体例に係る水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。 本発明の実施形態に係る発電機付自動水栓装置の取付例を表す模式図である。 同自動水栓装置の内部構成を表す模式図である。 本発明の第１の具体例に係る水栓用発電機における予旋回静翼、動翼、軸受の斜視図である。 同第１の具体例に係る水栓用発電機におけるマグネットとヨーク極歯との配置関係を表す模式斜視図である。 動翼流路入口幅比率と圧力損失の比との関係を表すグラフ図である。 動翼流路入口幅比率と損失流出の比との関係を表すグラフ図である。 動翼流路入口幅比率と羽根車効率の比との関係を表すグラフ図である。 本発明の第２の具体例に係る水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。 同第２の具体例に係る水栓用発電機におけるコイルを表す模式斜視図である。 図１０に表されるコイルの分解斜視図である。 同第２の具体例に係る水栓用発電機におけるマグネットとヨーク極歯との配置関係を表す模式平面図である。 本発明の第３の具体例に係る水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。 本発明の実施形態に係る水栓装置において、発電機の設置位置の一具体例を表す模式図である。 本発明の実施形態に係る水栓装置において、発電機の設置位置及び発電した電力の使用例の一具体例を表す模式図である。 本発明の実施形態に係る水栓装置において、発電機の設置位置及び発電した電力の使用例の一具体例を表す模式図である。

符号の説明

３…自動水栓装置、７…センサ、８…電磁弁、９，１６…コイル、１１…水栓用発電機、１４…予旋回静翼、１５…動翼、１７…軸受、１８…静翼羽根部、１９…動翼羽根部、２４…中心軸、５５…定流量弁、５６…充電器、５７…制御部、７１…静翼流路、７２…動翼流路、Ｍ１〜Ｍ３…マグネット

Claims (8)

1. 給水流路に対して略平行な中心軸と、
   周面に複数の動翼羽根部を有し、前記中心軸のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられる動翼と、
   前記動翼に対して間隙を隔てて前記動翼の上流側に設けられ、前記動翼に旋回流を与える複数の静翼羽根部を周面に有する予旋回静翼と、
   前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、
   前記マグネットに対向するコイルと、
   を備え、
   前記静翼羽根部間に形成される静翼流路の中心よりも、前記動翼羽根部間に形成される動翼流路の中心の方が径外方向に位置していることを特徴とする水栓用発電機。
2. 前記動翼羽根部が前記静翼羽根部よりも径外方向に突出し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. 水栓装置の水栓金具と、前記水栓装置の上流側に設けられた止水栓との間を接続する流路に設けられ、発電した電力を前記水栓装置の開閉動作以外に供給可能である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。
4. 水栓装置の水栓金具内に設けられ、発電した電力で前記水栓装置を開閉する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。
5. 前記静翼羽根部の外周部は、前記動翼羽根部の内周部より径外方向に突出していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の水栓用発電機。
6. 前記動翼流路の入口幅が、前記静翼流路の出口幅より大であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の水栓用発電機。
7. 前記動翼流路の入口幅が、前記静翼流路の出口幅の１．５倍以上２．５倍以下であることを特徴とする請求項６記載の水栓用発電機。
8. 前記マグネットは、前記動翼流路を囲むように前記動翼羽根部に固定された筒状を呈し、前記コイルは、前記マグネットの上流側端面及び下流側端面の少なくともいずれかに対向して配置されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の水栓用発電機。

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