水栓用発電機
【課題】本発明は、径方向の寸法の小さく、動翼羽根を安定して効率よく回転させ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筒体と、 前記給水流路に設けられ、動翼羽根を有し、前記給水流路に対して略平行な回転軸の周りに回転する動翼と、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、前記動翼羽根に向けて水を噴出させる第一のノズルと、前記マグネットに隣接して設けられた導水路に向けて水を噴出させる第二のノズルと、を備え、前記第二のノズルへの水の流れが前記第一のノズルへの水の流れに影響を与えない程度に、前記第二のノズルを、前記第一のノズルから離間させて配置することを特徴とする水栓用発電機を提供する。
【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筒体と、 前記給水流路に設けられ、動翼羽根を有し、前記給水流路に対して略平行な回転軸の周りに回転する動翼と、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、前記動翼羽根に向けて水を噴出させる第一のノズルと、前記マグネットに隣接して設けられた導水路に向けて水を噴出させる第二のノズルと、を備え、前記第二のノズルへの水の流れが前記第一のノズルへの水の流れに影響を与えない程度に、前記第二のノズルを、前記第一のノズルから離間させて配置することを特徴とする水栓用発電機を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【０００４】
また、例えば、特許文献２や特許文献３に開示をされているような軸流式発電機においては、動翼の軸方向に対して略平行である水流方向を変化させ、水を動翼羽根の径外方向から動翼羽根に噴出する第一ノズルを備え、マグネットの径外側にマグネットに隣接しない水路を設けて、その水路にバイパス弁を備えた構成となっている。
【０００５】
このような従来の発電機において、マグネットの径外側にマグネットに隣接しない水路を設ける必要があったため、径方向の寸法が大きくなってしまうという課題があった。
そのため、径方向の寸法を小さくするために、マグネットに隣接した水路に連通する第二のノズルを設けることが考えられるが、動翼羽根を安定して効率よく回転させるためには、第二のノズルの配置を工夫する必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３３６９８２号公報
【特許文献２】特開２００５−２９９６３４号公報
【特許文献３】特開２００５−１７１８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、径方向の寸法の小さく、動翼羽根を安定して効率よく回転させることができる水栓用発電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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筒体と、 前記給水流路に設けられ、動翼羽根を有し、前記給水流路に対して略平行な回転軸の周りに回転する動翼と、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、前記動翼羽根に向けて水を噴出させる第一のノズルと、前記マグネットに隣接して設けられた導水路に向けて水を噴出させる第二のノズルと、を備え、前記第二のノズルへの水の流れが前記第一のノズルへの水の流れに影響を与えない程度に、前記第二のノズルを、前記第一のノズルから離間させて配置することを特徴とする水栓用発電機が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、径方向の寸法の小さく、動翼羽根を安定して効率よく回転させることができる水栓用発電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】マグネットを説明するための模式斜視図である。
【図５】ステータを説明するための模式斜視図である。
【図６】本実施の形態に係る発電機に備えられるキャップを説明するための模式斜視図である。
【図７】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図８】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図９】開閉弁を説明するための模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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、給水流入口２０１、給水流出口２０２、給水流路２０３、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。
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。
【００１３】
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。
【００１４】
尚、図中の矢印は、流水の方向を示している。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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）の回転軸（中心軸）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。
【００２４】
筒体１３の内部には、上流側から順に、給水流入口２０１、キャップ１４、動翼１５、軸受１７、給水流出口２０２が設けられている。また、給水流入口２０１と給水流出口２０２との間には、給水流路２０３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。
【００２５】
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第一ノズル１８についての詳細は後述する。
【００２６】
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１９が設けられている。周方向に見て隣り合う動翼羽根１９間の空間は、動翼流路７２として機能する。尚、動翼羽根１９についての詳細は後述する。
【００２７】
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、この隙間が導水路６０となる。
【００２８】
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、動翼１５の回転軸が給水流路に対して略平行となるように、動翼羽根部を有する動翼１５を給水流路に設ければよい。ここでいう動翼１５の回転軸は、中心軸２４と同じである。
【００２９】
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。
【００３０】
筒体１３の大径部１３ｂの内部には、動翼羽根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。
【００３１】
また、マグネットＭは、動翼羽根１９と給水流出口２０２との間に設けている。このようにマグネットＭを配置させることによって、径方向の寸法が小さくても、発電量を確保できる発電機を設けることができる。その理由は、動翼羽根１９と給水流出口２０２との間であって、第一ノズル１８の下流側である空間に、径方向に大きなマグネットＭを配置させることができるからである。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、ヨーク３１ｂ、インダクタ３２ａと、これら第１ヨーク３１、第２ヨーク３２、インダクタ３１ａ、ヨーク３１ｂ、インダクタ３２ａで囲まれた空間内に配置されるコイル５０とを有する。
【００３６】
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、ヨーク３１ｂ、インダクタ３２ａ、第３ヨーク３３によって囲まれている。
【００３７】
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、複数のヨーク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、ヨーク３１ｂとは、略直角となっている。ヨーク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。ヨーク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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、ヨーク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、ヨーク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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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ヨーク３１ａ、ヨーク３１ｂ、インダクタ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。
【００４５】
また、第３ヨーク３３には、例えば、凸状の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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
図６（ａ）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７及び図８は、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
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。
【００４９】
図６（ａ）、図７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。
【００５０】
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。
【００５１】
また、キャップ１４の周面には、空間部１４ｂに連通する３つの第一ノズル１８が設けられている。これら３つの第一ノズル１８は、動翼１５の周囲において１２０度の角度関係で、均等（等間隔）に配置されている。
なお、３つの第一ノズル１８を配置する場合に、それぞれの第一ノズルの周方向での配置角度は１２０度に限定されるものではなく、第一ノズル１８から噴出される水流が動翼１５の周方向において対称性を保つように配置されていればよい。すなわち、動翼１５の回転角に対する動翼１５のトルクのばらつきが小さくなるように、第一ノズル１８を配置することができる。
【００５２】
一方、キャップ１４の周面には、３つの柱３０１が設けられており、各々の第一ノズル１８への流路を区画している。第一ノズル１８および柱３０１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、第一ノズル１８は、空間部１４ｂに収納された動翼羽根１９に向けて開口されており、その方向は、動翼羽根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。
【００５３】
なお、フランジ部１４ａをキャップ１４と別体で設けてもよい。この場合には、フランジ部１４ａとキャップ１４を接合させることによって、第一ノズル１８を形成することができる。
【００５４】
このような第一ノズル１８によれば、回転軸（中心軸）に対して略平行な方向から流れてくる水を、流れの方向を変えて、回転軸（中心軸）に対して略垂直な平面内において、動翼羽根１９の径外方向から動翼羽根１９に向けて噴出させることができる。
【００５５】
すなわち、動翼１５の回転軸（中心軸）に対して略平行な方向から流れてくる水を、回転軸（中心軸）に対して略垂直な方向に、流れの方向を変えて、動翼羽根１９の径外方向から動翼羽根１９に向けて噴出させる複数の第一ノズル１８が設けられている。そして、これら複数の第一ノズル１８は、動翼１９の周囲に等間隔（均等）に配置されている。
【００５６】
このようにすれば、水流が給水流入口からそれぞれの第一ノズル１８を通過して動翼羽根１９に衝突するまでの距離を均一にすることができる。そのため、水流の変動による動翼羽根１９での脈動を抑制できる。なお、軸流式でない場合には、各第一ノズル１８までの水路の長さが均一ではないため、第一ノズル１８を動翼１５の周囲に均等に配置しても、水流が各第一ノズル１８を通過して動翼羽根１９に衝突するまでの距離を均一にすることができない。
【００５７】
これに対して、本実施形態によれば、軸流式の流路形態において、動翼１５の周囲に複数の第一ノズル１８を等間隔に配置することにより、水流が各第一ノズル１８を介して動翼羽根１９に衝突するまでの距離を均一にできる。その結果として、水流の変動による動翼羽根１９での脈動などを抑制できる。
【００５８】
なお、図６（ｂ）に表した具体例のように、キャップ１４の周面に障害物２０４を設けてもよい。この場合においては、水は障害物２０４を迂回するように流れる。そして、この具体例においても、動翼１５の回転軸に対して略平行な方向から流れてくる水を、回転軸（中心軸）に対して略垂直な方向に、流れの方向を変えて、複数の第一ノズル１８から動翼羽根１９の径外方向から動翼羽根１９に向けて噴出させることができる。その結果として、図６（ａ）に関して前述した効果を得ることができる。
【００５９】
またさらに、本実施形態によれば、３つ以上の第一ノズル１８を動翼１５の周囲に均等（等間隔）に設けることで、各々の動翼羽根１９に対して噴流をばらつきを抑えて当てることができ、安定して動翼を回転させることができる。すなわち、動翼羽根１９に噴流が均等に当たらないと、各々の動翼羽根１９が受ける水圧が偏り、動翼１５が振動してしまうという問題が生じる。
【００６０】
例えば、第一ノズル１８の数を１つのみにした場合には、動翼１５に対して、片側のみから水圧がかかることとなる。この場合、動翼１５の回転軸に対して一方向からの力が加わるため、偏心しやすい。また、軸受けが一方向のみに向けて摩耗しやすく、使用するに従ってガタなどが生じやすくなる。また、第一ノズル１８に供給される水流の変動の影響を受けやすい。例えば、水流の脈動などによって、動翼１５の回転が不安定になったり、振動や騒音が発生しやすくなる。
【００６１】
一方、第一ノズル１８の数を２つにした場合も、それぞれの第一ノズル１８から噴射される水流のバランスが少し偏っただけでも、動翼１５の回転軸が偏ってしまい、振動や騒音が発生しやすい。また、軸受けの片減りも生じやすくなる。
【００６２】
これに対して、３つ以上の第一ノズル１８を動翼１５の周囲に等間隔に設けた場合には、動翼１５に噴射する水流を分散させることにより、より安定して回転させることができる。すなわち、第一ノズル１８を３つ以上設けた場合には、これら第一ノズル１８に供給される水流が変動しても、それぞれの第一ノズル１８から噴射される水流のバランスが偏ることを抑制できる。つまり、第一ノズル１８を３つ以上設けることにより、水流のばらつきも分散することができる。そして、これら第一ノズル１８を等間隔に配置して水流を動翼１５に作用させることにより、動翼１５にかかる水圧の偏りを抑制し、常に安定して回転させ、振動や騒音の発生を抑制できる。また、軸受けの片減りも抑制できる。
【００６３】
また、３つ以上の第一ノズル１８を設けることにより、製造上の寸法の誤差などの影響も吸収しやすくなる。例えば、キャップ１４を成型する際に生ずる寸法の誤差により、第一ノズル１８の位置がずれることなどがあり得る。第一ノズル１８の数を２つにした場合には、第一ノズル１８の位置がわずかにずれただけでも、動翼１５に対する水圧のバランスが偏りやすくなる。つまり、動翼１５の回転が偏心したり、振動や騒音などが生じやすくなる。
【００６４】
これに対して、３つ以上の第一ノズル１８を設ける場合には、それぞれの第一ノズル１８の位置がずれても、その影響は分散され、動翼１５に対する水圧のバランスの偏りも緩和される。つまり、製造上の寸法の誤差などによる影響も分散させ緩和できる。 本実施形態において、第一ノズル１８の数は３つには限定されない。例えば、４つの第一ノズル１８を動翼１５の周囲に等間隔に配置しても、前述したような水圧の偏りの抑制などの各種の効果を得ることができる。またさらに、５つ以上の第一ノズル１８を動翼１５の周囲に等間隔に配置することによっても、前述したような水圧の偏りの抑制などの効果を同様に得ることができる。
【００６５】
動翼羽根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。
天井部１５ｄを設けることで、動翼羽根１９に流入した水が、動翼１５の軸方向に対して略平行の上流側端面から逃げることを防止することができる。そのため、動翼羽根の回転効率を向上させることができる。
【００６６】
図７に示すように、動翼羽根１９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１９の入口側から出口側に向けて動翼羽根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。
【００６７】
また、本実施形態によれば、図７及び図８に表したように、第一ノズル１８から噴出される水流６２ａの方向は、動翼羽根１９の外接円の接線方向よりは内側に向くようになる。より具体的には、図８に表したように、水流６２ａの方向は、動翼羽根１９の外接円（破線）５１０とその接線５２０との接点において接線５２０に対して垂直な垂線５３０に対して、傾斜している。すなわち、水流６２ａの方向は、外接円５２０の接点における接線５２０の垂線５３０に対して、非平行かつ非垂直である。例えば、水流６２ａの方向は、外接円５１０の接点における接線５２０の垂線５３０に対して、４５度以上９０度未満に設定することができる。
このようにすると、各第一ノズル１８から旋回流を形成するように水流が噴射される。その結果として、全ての第一ノズル１８からの水流が、全体として旋回流を形成する。このため、動翼羽根１９の外周側から動翼１５の回転軸に向けて、動翼羽根１９に沿った円滑な水の流れを生じさせることができる。その結果として、動翼羽根１９に効率よく水流を作用させ、動翼１５を効率よく回転させることができる。
また第一ノズルから噴射される水の流量が増大した時には、遠心力でより多く水が動翼羽根１９側に流れずに導水路６０を通過して動翼羽根より下流側に導水するようにすることができる。よって、流量増大時における動翼羽根１９の回転数の増大を低減することができる。
【００６８】
動翼羽根１９の枚数は、第一ノズル１８の数の整数倍とは異なる値となっている。例えば、図７に例示をしたものでは、動翼羽根１９の枚数を１１枚、第一ノズル１８の数を３つとしている。動翼羽根１９の枚数を第一ノズル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。
【００６９】
動翼羽根１９の出口側先端１９ｂは、動翼羽根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１９の径方向長さを長くすることができるので、動翼羽根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。
【００７０】
動翼羽根１９の下流側端面１９ａの位置（図１を参照）は、第一ノズル１８より下流側となるようにされている。そのため、第一ノズル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。
【００７１】
図６（ａ）に示すように、このような第一ノズル１８によれば、中心軸２４に対して略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。
【００７２】
次に、第二ノズル４０１について、説明する。
図１に示すように、環状に形成された段部５１ａには、第二ノズル４０１が設けられている。第二ノズル４０１は、マグネットＭに隣接して設けられた導水路６０に向けて水を噴出させることができる。これによって、径方向の寸法の小さい構成にすることができる。
また、第一ノズル１８から動翼羽根１９に向けて噴射させる水量を減らすことができるので、高水圧時などにおいて、動翼羽根１９を安定して効率よく回転させることができる。
また、図７に示すように、第二ノズル４０１は、第一ノズル１８と第一ノズル１８との中間位置の径方向外周側の近傍に、略等間隔で配置されている。このように、第二ノズル４０２を第一ノズル１８から離間させて配置することによって、第二ノズル４０１への水の流れが第一ノズル１８への水の流れに影響を与えないようにすることができるので、動翼羽根１９を安定して効率よく回転させることができる。
ここでは、第一ノズル１８が３個設けられ、第二ノズル４０１が３個設けられている。なお、第二ノズルの個数は、第一ノズルの個数と異ならせてもよい。
【００７３】
図９は、第二ノズルに設けた開閉弁を説明するための模式断面図である。図９（ａ）は、開閉弁が閉じた状態を示し、図９（ｂ）は開閉弁が開いた状態を示す。
【００７４】
図９に示すように、第二ノズル４０１には、開閉弁５００が設けられている。開閉弁５００は、弁体５０１と弾性体５０２とで構成させている。
水圧が低い場合には、弁体５０１にかかる水圧が小さいため、弁体５０１は、弾性体５０２に押されて、閉じた状態になっている。そして、水圧が高い場合には、弁体５０１にかかる水圧が大きいため、弁体５０１は、弾性体５０２に押される以上の力を受けて、開いた状態になる。
このように、水圧によって、第二ノズル４０１に設けた開閉弁５００が開閉するため、動翼羽根１９を安定して効率よく回転させることができる。そのため、発電機の耐久性を高めることができる。
【００７５】
また、第二ノズルは、旋回流を形成するように水流を噴射させてもよい。具体的には、軸中心に対して右方向（時計回り）あるいは左方向（反時計回り）にねじれつつ、上流側から下流側に向けて傾斜するように、設けることもできる。
その際には、マグネットMの回転方向が右方向（時計回り）である場合には、第二ノズルの形成する旋回流を左方向（反時計回り）にすることで、動翼羽根１９をより安定して効率よく回転させることができる。
一方、マグネットMの回転方向が左方向（反時計回り）である場合には、第二ノズルの形成する旋回流を右方向（時計回り）にすることで、動翼羽根１９をより安定して効率よく回転させることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１ 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 第一ノズル、１９ 動翼羽根、３１ａ インダクタ、３２ａ インダクタ、５０ コイル、６０ 導水路、６２ａ 水流、９０ ステータ、２０１ 給水流入口、２０２ 給水流出口、２０３ 給水流路、２０４ 障害物、３０１ 柱、４０１ 第二ノズル、５００ 開閉弁、５０１ 弁体、５０２、弾性体、Ｍ マグネット
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【０００４】
また、例えば、特許文献２や特許文献３に開示をされているような軸流式発電機においては、動翼の軸方向に対して略平行である水流方向を変化させ、水を動翼羽根の径外方向から動翼羽根に噴出する第一ノズルを備え、マグネットの径外側にマグネットに隣接しない水路を設けて、その水路にバイパス弁を備えた構成となっている。
【０００５】
このような従来の発電機において、マグネットの径外側にマグネットに隣接しない水路を設ける必要があったため、径方向の寸法が大きくなってしまうという課題があった。
そのため、径方向の寸法を小さくするために、マグネットに隣接した水路に連通する第二のノズルを設けることが考えられるが、動翼羽根を安定して効率よく回転させるためには、第二のノズルの配置を工夫する必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３３６９８２号公報
【特許文献２】特開２００５−２９９６３４号公報
【特許文献３】特開２００５−１７１８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、径方向の寸法の小さく、動翼羽根を安定して効率よく回転させることができる水栓用発電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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筒体と、 前記給水流路に設けられ、動翼羽根を有し、前記給水流路に対して略平行な回転軸の周りに回転する動翼と、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、前記動翼羽根に向けて水を噴出させる第一のノズルと、前記マグネットに隣接して設けられた導水路に向けて水を噴出させる第二のノズルと、を備え、前記第二のノズルへの水の流れが前記第一のノズルへの水の流れに影響を与えない程度に、前記第二のノズルを、前記第一のノズルから離間させて配置することを特徴とする水栓用発電機が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、径方向の寸法の小さく、動翼羽根を安定して効率よく回転させることができる水栓用発電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】マグネットを説明するための模式斜視図である。
【図５】ステータを説明するための模式斜視図である。
【図６】本実施の形態に係る発電機に備えられるキャップを説明するための模式斜視図である。
【図７】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図８】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図９】開閉弁を説明するための模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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、給水流入口２０１、給水流出口２０２、給水流路２０３、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。
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。
【００１３】
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。
【００１４】
尚、図中の矢印は、流水の方向を示している。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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）の回転軸（中心軸）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。
【００２４】
筒体１３の内部には、上流側から順に、給水流入口２０１、キャップ１４、動翼１５、軸受１７、給水流出口２０２が設けられている。また、給水流入口２０１と給水流出口２０２との間には、給水流路２０３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。
【００２５】
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第一ノズル１８についての詳細は後述する。
【００２６】
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１９が設けられている。周方向に見て隣り合う動翼羽根１９間の空間は、動翼流路７２として機能する。尚、動翼羽根１９についての詳細は後述する。
【００２７】
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、この隙間が導水路６０となる。
【００２８】
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、動翼１５の回転軸が給水流路に対して略平行となるように、動翼羽根部を有する動翼１５を給水流路に設ければよい。ここでいう動翼１５の回転軸は、中心軸２４と同じである。
【００２９】
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。
【００３０】
筒体１３の大径部１３ｂの内部には、動翼羽根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。
【００３１】
また、マグネットＭは、動翼羽根１９と給水流出口２０２との間に設けている。このようにマグネットＭを配置させることによって、径方向の寸法が小さくても、発電量を確保できる発電機を設けることができる。その理由は、動翼羽根１９と給水流出口２０２との間であって、第一ノズル１８の下流側である空間に、径方向に大きなマグネットＭを配置させることができるからである。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、ヨーク３１ｂ、インダクタ３２ａと、これら第１ヨーク３１、第２ヨーク３２、インダクタ３１ａ、ヨーク３１ｂ、インダクタ３２ａで囲まれた空間内に配置されるコイル５０とを有する。
【００３６】
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、ヨーク３１ｂ、インダクタ３２ａ、第３ヨーク３３によって囲まれている。
【００３７】
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、複数のヨーク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、ヨーク３１ｂとは、略直角となっている。ヨーク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。ヨーク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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、ヨーク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、ヨーク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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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ヨーク３１ａ、ヨーク３１ｂ、インダクタ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。
【００４５】
また、第３ヨーク３３には、例えば、凸状の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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
図６（ａ）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７及び図８は、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
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。
【００４９】
図６（ａ）、図７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。
【００５０】
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。
【００５１】
また、キャップ１４の周面には、空間部１４ｂに連通する３つの第一ノズル１８が設けられている。これら３つの第一ノズル１８は、動翼１５の周囲において１２０度の角度関係で、均等（等間隔）に配置されている。
なお、３つの第一ノズル１８を配置する場合に、それぞれの第一ノズルの周方向での配置角度は１２０度に限定されるものではなく、第一ノズル１８から噴出される水流が動翼１５の周方向において対称性を保つように配置されていればよい。すなわち、動翼１５の回転角に対する動翼１５のトルクのばらつきが小さくなるように、第一ノズル１８を配置することができる。
【００５２】
一方、キャップ１４の周面には、３つの柱３０１が設けられており、各々の第一ノズル１８への流路を区画している。第一ノズル１８および柱３０１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、第一ノズル１８は、空間部１４ｂに収納された動翼羽根１９に向けて開口されており、その方向は、動翼羽根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。
【００５３】
なお、フランジ部１４ａをキャップ１４と別体で設けてもよい。この場合には、フランジ部１４ａとキャップ１４を接合させることによって、第一ノズル１８を形成することができる。
【００５４】
このような第一ノズル１８によれば、回転軸（中心軸）に対して略平行な方向から流れてくる水を、流れの方向を変えて、回転軸（中心軸）に対して略垂直な平面内において、動翼羽根１９の径外方向から動翼羽根１９に向けて噴出させることができる。
【００５５】
すなわち、動翼１５の回転軸（中心軸）に対して略平行な方向から流れてくる水を、回転軸（中心軸）に対して略垂直な方向に、流れの方向を変えて、動翼羽根１９の径外方向から動翼羽根１９に向けて噴出させる複数の第一ノズル１８が設けられている。そして、これら複数の第一ノズル１８は、動翼１９の周囲に等間隔（均等）に配置されている。
【００５６】
このようにすれば、水流が給水流入口からそれぞれの第一ノズル１８を通過して動翼羽根１９に衝突するまでの距離を均一にすることができる。そのため、水流の変動による動翼羽根１９での脈動を抑制できる。なお、軸流式でない場合には、各第一ノズル１８までの水路の長さが均一ではないため、第一ノズル１８を動翼１５の周囲に均等に配置しても、水流が各第一ノズル１８を通過して動翼羽根１９に衝突するまでの距離を均一にすることができない。
【００５７】
これに対して、本実施形態によれば、軸流式の流路形態において、動翼１５の周囲に複数の第一ノズル１８を等間隔に配置することにより、水流が各第一ノズル１８を介して動翼羽根１９に衝突するまでの距離を均一にできる。その結果として、水流の変動による動翼羽根１９での脈動などを抑制できる。
【００５８】
なお、図６（ｂ）に表した具体例のように、キャップ１４の周面に障害物２０４を設けてもよい。この場合においては、水は障害物２０４を迂回するように流れる。そして、この具体例においても、動翼１５の回転軸に対して略平行な方向から流れてくる水を、回転軸（中心軸）に対して略垂直な方向に、流れの方向を変えて、複数の第一ノズル１８から動翼羽根１９の径外方向から動翼羽根１９に向けて噴出させることができる。その結果として、図６（ａ）に関して前述した効果を得ることができる。
【００５９】
またさらに、本実施形態によれば、３つ以上の第一ノズル１８を動翼１５の周囲に均等（等間隔）に設けることで、各々の動翼羽根１９に対して噴流をばらつきを抑えて当てることができ、安定して動翼を回転させることができる。すなわち、動翼羽根１９に噴流が均等に当たらないと、各々の動翼羽根１９が受ける水圧が偏り、動翼１５が振動してしまうという問題が生じる。
【００６０】
例えば、第一ノズル１８の数を１つのみにした場合には、動翼１５に対して、片側のみから水圧がかかることとなる。この場合、動翼１５の回転軸に対して一方向からの力が加わるため、偏心しやすい。また、軸受けが一方向のみに向けて摩耗しやすく、使用するに従ってガタなどが生じやすくなる。また、第一ノズル１８に供給される水流の変動の影響を受けやすい。例えば、水流の脈動などによって、動翼１５の回転が不安定になったり、振動や騒音が発生しやすくなる。
【００６１】
一方、第一ノズル１８の数を２つにした場合も、それぞれの第一ノズル１８から噴射される水流のバランスが少し偏っただけでも、動翼１５の回転軸が偏ってしまい、振動や騒音が発生しやすい。また、軸受けの片減りも生じやすくなる。
【００６２】
これに対して、３つ以上の第一ノズル１８を動翼１５の周囲に等間隔に設けた場合には、動翼１５に噴射する水流を分散させることにより、より安定して回転させることができる。すなわち、第一ノズル１８を３つ以上設けた場合には、これら第一ノズル１８に供給される水流が変動しても、それぞれの第一ノズル１８から噴射される水流のバランスが偏ることを抑制できる。つまり、第一ノズル１８を３つ以上設けることにより、水流のばらつきも分散することができる。そして、これら第一ノズル１８を等間隔に配置して水流を動翼１５に作用させることにより、動翼１５にかかる水圧の偏りを抑制し、常に安定して回転させ、振動や騒音の発生を抑制できる。また、軸受けの片減りも抑制できる。
【００６３】
また、３つ以上の第一ノズル１８を設けることにより、製造上の寸法の誤差などの影響も吸収しやすくなる。例えば、キャップ１４を成型する際に生ずる寸法の誤差により、第一ノズル１８の位置がずれることなどがあり得る。第一ノズル１８の数を２つにした場合には、第一ノズル１８の位置がわずかにずれただけでも、動翼１５に対する水圧のバランスが偏りやすくなる。つまり、動翼１５の回転が偏心したり、振動や騒音などが生じやすくなる。
【００６４】
これに対して、３つ以上の第一ノズル１８を設ける場合には、それぞれの第一ノズル１８の位置がずれても、その影響は分散され、動翼１５に対する水圧のバランスの偏りも緩和される。つまり、製造上の寸法の誤差などによる影響も分散させ緩和できる。 本実施形態において、第一ノズル１８の数は３つには限定されない。例えば、４つの第一ノズル１８を動翼１５の周囲に等間隔に配置しても、前述したような水圧の偏りの抑制などの各種の効果を得ることができる。またさらに、５つ以上の第一ノズル１８を動翼１５の周囲に等間隔に配置することによっても、前述したような水圧の偏りの抑制などの効果を同様に得ることができる。
【００６５】
動翼羽根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。
天井部１５ｄを設けることで、動翼羽根１９に流入した水が、動翼１５の軸方向に対して略平行の上流側端面から逃げることを防止することができる。そのため、動翼羽根の回転効率を向上させることができる。
【００６６】
図７に示すように、動翼羽根１９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１９の入口側から出口側に向けて動翼羽根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。
【００６７】
また、本実施形態によれば、図７及び図８に表したように、第一ノズル１８から噴出される水流６２ａの方向は、動翼羽根１９の外接円の接線方向よりは内側に向くようになる。より具体的には、図８に表したように、水流６２ａの方向は、動翼羽根１９の外接円（破線）５１０とその接線５２０との接点において接線５２０に対して垂直な垂線５３０に対して、傾斜している。すなわち、水流６２ａの方向は、外接円５２０の接点における接線５２０の垂線５３０に対して、非平行かつ非垂直である。例えば、水流６２ａの方向は、外接円５１０の接点における接線５２０の垂線５３０に対して、４５度以上９０度未満に設定することができる。
このようにすると、各第一ノズル１８から旋回流を形成するように水流が噴射される。その結果として、全ての第一ノズル１８からの水流が、全体として旋回流を形成する。このため、動翼羽根１９の外周側から動翼１５の回転軸に向けて、動翼羽根１９に沿った円滑な水の流れを生じさせることができる。その結果として、動翼羽根１９に効率よく水流を作用させ、動翼１５を効率よく回転させることができる。
また第一ノズルから噴射される水の流量が増大した時には、遠心力でより多く水が動翼羽根１９側に流れずに導水路６０を通過して動翼羽根より下流側に導水するようにすることができる。よって、流量増大時における動翼羽根１９の回転数の増大を低減することができる。
【００６８】
動翼羽根１９の枚数は、第一ノズル１８の数の整数倍とは異なる値となっている。例えば、図７に例示をしたものでは、動翼羽根１９の枚数を１１枚、第一ノズル１８の数を３つとしている。動翼羽根１９の枚数を第一ノズル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。
【００６９】
動翼羽根１９の出口側先端１９ｂは、動翼羽根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１９の径方向長さを長くすることができるので、動翼羽根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。
【００７０】
動翼羽根１９の下流側端面１９ａの位置（図１を参照）は、第一ノズル１８より下流側となるようにされている。そのため、第一ノズル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。
【００７１】
図６（ａ）に示すように、このような第一ノズル１８によれば、中心軸２４に対して略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。
【００７２】
次に、第二ノズル４０１について、説明する。
図１に示すように、環状に形成された段部５１ａには、第二ノズル４０１が設けられている。第二ノズル４０１は、マグネットＭに隣接して設けられた導水路６０に向けて水を噴出させることができる。これによって、径方向の寸法の小さい構成にすることができる。
また、第一ノズル１８から動翼羽根１９に向けて噴射させる水量を減らすことができるので、高水圧時などにおいて、動翼羽根１９を安定して効率よく回転させることができる。
また、図７に示すように、第二ノズル４０１は、第一ノズル１８と第一ノズル１８との中間位置の径方向外周側の近傍に、略等間隔で配置されている。このように、第二ノズル４０２を第一ノズル１８から離間させて配置することによって、第二ノズル４０１への水の流れが第一ノズル１８への水の流れに影響を与えないようにすることができるので、動翼羽根１９を安定して効率よく回転させることができる。
ここでは、第一ノズル１８が３個設けられ、第二ノズル４０１が３個設けられている。なお、第二ノズルの個数は、第一ノズルの個数と異ならせてもよい。
【００７３】
図９は、第二ノズルに設けた開閉弁を説明するための模式断面図である。図９（ａ）は、開閉弁が閉じた状態を示し、図９（ｂ）は開閉弁が開いた状態を示す。
【００７４】
図９に示すように、第二ノズル４０１には、開閉弁５００が設けられている。開閉弁５００は、弁体５０１と弾性体５０２とで構成させている。
水圧が低い場合には、弁体５０１にかかる水圧が小さいため、弁体５０１は、弾性体５０２に押されて、閉じた状態になっている。そして、水圧が高い場合には、弁体５０１にかかる水圧が大きいため、弁体５０１は、弾性体５０２に押される以上の力を受けて、開いた状態になる。
このように、水圧によって、第二ノズル４０１に設けた開閉弁５００が開閉するため、動翼羽根１９を安定して効率よく回転させることができる。そのため、発電機の耐久性を高めることができる。
【００７５】
また、第二ノズルは、旋回流を形成するように水流を噴射させてもよい。具体的には、軸中心に対して右方向（時計回り）あるいは左方向（反時計回り）にねじれつつ、上流側から下流側に向けて傾斜するように、設けることもできる。
その際には、マグネットMの回転方向が右方向（時計回り）である場合には、第二ノズルの形成する旋回流を左方向（反時計回り）にすることで、動翼羽根１９をより安定して効率よく回転させることができる。
一方、マグネットMの回転方向が左方向（反時計回り）である場合には、第二ノズルの形成する旋回流を右方向（時計回り）にすることで、動翼羽根１９をより安定して効率よく回転させることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１ 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 第一ノズル、１９ 動翼羽根、３１ａ インダクタ、３２ａ インダクタ、５０ コイル、６０ 導水路、６２ａ 水流、９０ ステータ、２０１ 給水流入口、２０２ 給水流出口、２０３ 給水流路、２０４ 障害物、３０１ 柱、４０１ 第二ノズル、５００ 開閉弁、５０１ 弁体、５０２、弾性体、Ｍ マグネット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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筒体と、
前記給水流路に設けられ、動翼羽根を有し、前記給水流路に対して略平行な回転軸の周りに回転する動翼と、
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、
前記動翼羽根に向けて水を噴出させる第一のノズルと、
前記マグネットに隣接して設けられた導水路に向けて水を噴出させる第二のノズルと、
を備え、
前記第二のノズルへの水の流れが前記第一のノズルへの水の流れに影響を与えない程度に、前記第二のノズルを、前記第一のノズルから離間させて配置することを特徴とする水栓用発電機。
【請求項２】
前記第一のノズルは、複数設けられ、
前記第二のノズルを、前記動翼の周方向において前記第一のノズルと前記第一のノズルの中間位置の近傍に配置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。
【請求項３】
前記第二のノズルに、前記導水路に向けて噴射する水の流量を制御する開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の水栓用発電機。
【請求項１】
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筒体と、
前記給水流路に設けられ、動翼羽根を有し、前記給水流路に対して略平行な回転軸の周りに回転する動翼と、
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、
前記動翼羽根に向けて水を噴出させる第一のノズルと、
前記マグネットに隣接して設けられた導水路に向けて水を噴出させる第二のノズルと、
を備え、
前記第二のノズルへの水の流れが前記第一のノズルへの水の流れに影響を与えない程度に、前記第二のノズルを、前記第一のノズルから離間させて配置することを特徴とする水栓用発電機。
【請求項２】
前記第一のノズルは、複数設けられ、
前記第二のノズルを、前記動翼の周方向において前記第一のノズルと前記第一のノズルの中間位置の近傍に配置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。
【請求項３】
前記第二のノズルに、前記導水路に向けて噴射する水の流量を制御する開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の水栓用発電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２３６５０５（Ｐ２０１０−２３６５０５Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８７７２１（Ｐ２００９−８７７２１）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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