(57)【要約】【課題】使用者を検出して自動的に給水を行うとともに、給水によって発電を行う発電機を備えた自動給水装置において、通水路内に設けた翼車の回転効率を改善し、１回の給水で発電量を高めるとともに、翼車での圧力損失を抑制し、さらに翼車の耐久性を向上させる。【解決手段】使用者の有無を検出する人体検出器と、通水路の開閉を電気的に行う電磁弁と、通水路に翼車を備えた発電機と、この発電機によって生じる電力を蓄えるバッテリと、これらの部品を制御する制御装置とを有する自動給水装置において、翼車の上流側で供給水の流れを旋回させ、旋回により発生した供給水の回転力を翼車の傾斜部に付勢する旋回手段を設けるとともに、翼車の中央側に供給水の第一通水路と外周側に第二通水路を設けて供給水を分流させる。さらに、翼車の回転軸の下端部及び回転軸を受ける軸受け部に同極性の磁石を配設する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の有無を検出する人体検出器と、通水路の開閉を電気的に行う電磁弁と、通水路に翼車を備えた発電機と、この発電機によって生じる電力を蓄えるバッテリと、これらの部品を制御する制御装置とを有する自動給水装置において、前記翼車の上流側で供給水の流れを旋回させ、旋回により発生した供給水の回転力を翼車の傾斜部に付勢する旋回手段を設けたことを特徴とする自動給水装置。
【請求項２】
前記旋回手段に中心部から外周方向に向けて延びる羽根を設け、前記羽根は傾斜角度が違う連続した２箇所の傾斜部からなり、その上流側の傾斜部を通水方向に対して１２°〜２３°の角度を有するように形成したことを特徴とする請求項１に記載の自動給水装置。
【請求項３】
前記翼車の中央側に圧力損失を抑制する供給水の第一通水路と外周側に発電効率を高める供給水の第二通水路を設けて供給水を分流させたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自動給水装置。
【請求項４】
前記翼車に用いる回転軸の下端部と前記回転軸の下端部を受ける軸受部とに、同極性の磁石を配設したことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の自動給水装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用者を検出して自動的に給水を行うとともに、給水によって発電を行う発電機を備えた自動給水装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８に示すように、使用者を検出して自動的に給水を行う自動給水装置に用いられる発電機としては、給水管１００の内部に回転自在な磁石１０１を設けて、その両端をガイド１０２で枢支し、給水管１００の外部にコイル１０３を配設して磁石１０１自身がタービン形状の翼車であるか、または、磁石に翼車が連設されたものがある。
このような発電機を備えた自動給水装置は、使用者を検出すると、電磁弁が開いて給水管１００内に供給水が流れ、複数板の翼１０４を備えた磁石１０１が回転する。これによって、回転磁束が給水管１００の管壁を透過してコイル１０３に起電力が生じて、バッテリに電力が蓄えられて自動給水装置の制御装置などの負荷へ給電される（例えば、特許文献１参照のこと。）。
【０００３】
【特許文献１】
実公平３−５３１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来技術の発電機のように、磁石の翼が供給水を直接受けて回転する構造では、供給水が磁石の翼に上から当たるので、回転方向への運動エネルギーを損失してしまい、磁石の翼の回転力（軸トルク）が弱くなる。発電量は、回転力（軸トルク）と角速度の積によって求められるから、回転力（軸トルク）が小さいと発電量も少ないものとなる。
このような状態で、長時間、発電が行われないと、バッテリの充電量は低減し、制御装置などの負荷へ充分な給電ができなくなり、使用者検出の送信が不可能になったり、電磁弁が開閉できないといった問題が生じる。また、バックアップ用として乾電池を用いた場合は、乾電池の消耗が早まって頻繁に乾電池を交換することになるので経済的ではない。
【０００５】
また、このような構造で、１回の給水で発電量を高めようとすると、翼車を回転させる回転力（軸トルク）を大きくするか、または、翼車の角速度を速める必要がある。回転力（軸トルク）を大きくするためには、磁石の翼の外径を大きくすることになり、発電機そのものが大きくなってしまう。そのため、発電機を設置するスペースが確保できず、設置できないといった問題が生じる。角速度を速めるためには、発電機内を通過する供給水の流速を速くすることになり、発電機内の圧力損失が大きくなってしまい、自動給水装置として、最低限必要な供給水の圧力を確保できず、前述同様、設置できないといった問題が生じる。
【０００６】
そこで、本発明は、通水路内に設けた翼車の回転性能を改善し１回の給水で発電量を高めるとともに、翼車での圧力損失を抑制し、さらに翼車の耐久性を向上させた発電機を備えた自動給水装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明では、使用者の有無を検出する人体検出器と、通水路の開閉を電気的に行う電磁弁と、通水路に翼車を備えた発電機と、この発電機によって生じる電力を蓄えるバッテリと、これらの部品を制御する制御装置とを有する自動給水装置において、前記翼車の上流側で供給水の流れを旋回させ、旋回により発生した供給水の回転力を翼車の傾斜部に付勢する旋回手段を設けたことを特徴とする。
【０００８】
これによって、供給水は旋回手段により旋回する流れ（以下、旋回流と記す。）となって、翼車の回転方向に向かって流れるので、翼車を回転させる回転力成分（軸トルク）が大きくなり、同じ使用条件で、旋回手段を持たない場合に比べ、１回の給水によって生じる発電量を高めることができる。また発電機を大きくする必要がなく、設置場所の制約を受けることがない。バックアップ用としての乾電池を用いた場合においても、乾電池の消耗量が減少し、交換の手間を省くことができて経済的である。
【０００９】
第２の発明では、前記旋回手段に中心部から外周に向けて延びる羽根を設け、前記羽根は傾斜角度が違う連続した２箇所の傾斜部からなり、その上流側の傾斜部を通水方向に対して１２°〜２３°の角度を有するように形成したことを特徴とする。
【００１０】
これによって、上記第１の発明の効果に加え、大流量の供給水を流す大便器などに本発明の自動給水装置を設置するときに、羽根による圧力損失を抑制して大便器の洗浄に必要な給水圧を確保することができる。
【００１１】
第３の発明では、前記翼車の中央側に圧力損失を抑制する供給水の第一通水路と外周側に発電効率を高める供給水の第二通水路を設けて供給水を分流させたことを特徴とする。これによって、翼車内の通水面積を増加させ、発電機を含む自動給水装置の圧力損失を低減することができる。
【００１２】
第４の発明では、前記翼車の回転軸の下端部と前記回転軸の下端部を受ける軸受部とに、同極性の磁石を配設したことを特徴とする。これによって、回転軸と軸受部が摩擦抵抗の無い非接触状態となるため、翼車の回転性能が上昇し、回転軸と軸受部の磨耗量が低減でき、耐久性を向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例について図面を参照しながら具体的に説明する。
図１は、発電機を備えた自動給水装置の構成を示した図である。図２は、自動給水装置の通水システム図である。図３は、発電機の構成を示した図である。図４は、翼車を示した断面図である。図５は、旋回手段の羽根を示した断面図である。図６は、羽根の傾斜角度と発電量及び圧力損失との関係を示した図である。図７は、通水路と発電量及び圧力損失との関係を示した図である。
【００１４】
図１、図２に示すように自動給水装置１０は、使用者の有無を検出する人体検出器１１、電磁弁１３、フラッシュバルブ２１、通水路１２に翼車３１を備えた発電機３０、発電機３０によって生じる電力を蓄えるバッテリ１４、乾電池１５、これらの部品を制御する制御装置１６で構成されている。電磁弁１３、バッテリ１４、乾電池１５、制御装置１６、フラッシュバルブ２１は、樹脂または金属製のカバー１７で覆われている。カバー１７の前面には人体検出器１１、上面には手かざし器２０が設けられている。カバー１７の外部で上流側は、給水管２２と接続され、下流側は、発電機３０、逆流防止用のバキュームブレーカー１９を介して大便器（図示しない）と接続されている。
【００１５】
発電機３０は、図３の（ｂ）に示すように供給水によって回転する翼車３１と翼車３１の中心に取り付けられた回転軸３２と回転軸３２を受けるための上部軸受を備えた旋回手段３３と下部軸受ケース３４とボディ３５で構成されている。
【００１６】
図４の（ａ）に示すように、翼車３１は、中心部に円筒部３１ａを設け、円筒部３１ａから外周壁３１ｂに向けて４本の軸３１ｃが延びており、各軸３１ｃの間には第一通水路３６が形成されている。第一通水路３６と外周壁３１ｂの間には、第二通水路３７が設けられている。図４の（ｃ）は、図４の（ａ）におけるＰ視であり、これに示すように第二通水路３７は、通水方向に対して４５°の角度で傾斜３７ａが設けられ、この傾斜３７ａは、翼車３１を回転するための機能も有するものである。図４の（ｂ）は、翼車３１の縦断面を示しており、翼車３１の外周壁３１ｂには磁石３１ｄが全周に配設されている。
【００１７】
回転軸３２は、回転時に生じる下部軸受ケース３４との磨耗を低減するために軸の下端部に磁石３２ａが設けられており、翼車３１の円筒部３１ａに圧入されている。
尚、回転軸３２は、翼車３１と一体成形としてもよい。
【００１８】
旋回手段３３には、図５の（ａ）に示すように中心部上流側に、圧力損失を抑制するために先尖形状部を設け、その下方には回転軸３２の上部軸受部３３ａを設けている。また、図５の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、中心部から外周壁３３ｂに向けて４本の羽根３３ｃが延びており、羽根３３ｃには、通水方向に対して１２〜２３°の角度で第一傾斜部３３ｄが形成されている。第一傾斜部３３ｄの下端からは、４５°の角度で第二傾斜部３３ｅが形成されている。なお、図５の（ｃ）は、図５の（ｂ）の視図ｄである。
【００１９】
下部軸受ケース３４は、図３の（ｂ）のように中心部に回転軸３２を受ける軸受部３４ａを設け、その底部には、回転軸３２に設けた磁石３２ａと同極性の磁石３２ａを設けている。また、軸受部３４ａには、回転軸３２の外周の位置を規制する軸ガイド３８が圧入されている。
【００２０】
図３の（ｂ）に示すように、ボディ３５の下方には、バキュームブレーカー１９と接続するための雄ネジ３５ａを外周に設け、内側は、下部軸受ケース３４が収容されるようにしている。上方には、通水路１２と接続するための雌ネジ３５ｂを内周側に設けている。また、ボディ３５の外周側には、コイル３５ｃを圧入して設けている。
そして、この発電機３０は、下部軸受ケース３４をボディ３５に圧入して、回転軸３２が組み込まれた翼車３１を下部軸受ケース３４に取り付け、上部軸受を備えた旋回手段３３をボディ３５に圧入して組み立てられる。
【００２１】
このような発電機３０を備えた自動給水装置１０の動作について説明する。人体検出器１１が使用者を検出すると、検出信号が制御装置１６に送信される。その後、検出信号が送信されなくなると、電磁弁１３に開信号（通電）が送信され電磁弁１３が開いて圧力室２１ａの水が経路２１ｂで抜け、ピストン２１ｃが上昇し、給水管２２から供給水が通水路１２を通って発電機３０に流れ込む。
【００２２】
発電機３０に流れ込んだ供給水は、旋回手段３３の羽根３３ｃに沿って流れる。供給水は、羽根３３ｃの第一傾斜部３３ｄ、第二傾斜部３３ｅに沿って流れ、図５の（ｂ）に示すような矢印の方向に流れ、旋回流が生じ、供給水の回転力Ｆ１が生ずる。そして、旋回流は、図４の（ｃ）に示すように翼車３１に設けた第二通水路の傾斜３７ａに回転力Ｆ１を付勢するように流れると同時に、翼車３１の第一通水路３６と第二通水路３７を通って流れていく。
【００２３】
このようにして、翼車３１が回転すると、翼車３１の外周壁３１ｂに設けた磁石３１ｄに回転磁束が生じ、ボディ３５の内周壁３５ｄを透過してコイル３５ｃに起電力を発生させる。発生した起電力はバッテリ１４に蓄えられ、電磁弁１３や制御装置１６の負荷へ給電可能になる。
【００２４】
電磁弁１３を開いて所定時間経過した後、制御装置１６から電磁弁１３に閉信号（通電）が送られて電磁弁１３を閉める。電磁弁１３が閉まると、圧力室２１ａに供給水が溜まり、ピストン２１ｃが降下して止水し、自動給水装置１０の一連の動作が終了する。
【００２５】
ここで、自動給水装置１０は、バッテリ１４の充電量が、設定値以下の場合、（例えば、自動給水装置１０の初期使用時や充電不足時など）、電磁弁１３や制御装置１６の負荷への給電は、乾電池１５から行うが、バッテリ１４が、設定値以上の充電量になった場合、バッテリ１４から給電されるように制御されている。
【００２６】
次に、図６を用いて、旋回手段３３の羽根３３ｃに第一傾斜部３３ｄを設けた場合の効果を説明する。図６は、横軸に第一傾斜部３３ｄの角度、左縦軸に給水１回当たりの発電量、右縦軸に自動給水装置１０の圧力損失をとって、供給水の瞬間流量が６０Ｌ／ｍｉｎ時の発電量，１００Ｌ／ｍｉｎ時の自動給水装置１０の圧力損失を示したものである。これらの瞬間流量は、自動給水装置１０を便器に取り付ける場合の上限、下限の流量値として設定したものである。
【００２７】
上限の流量時（１００Ｌ／ｍｉｎ）では、下限の流量時（６０Ｌ／ｍｉｎ）より発電量は高くなり問題はなく、むしろ圧力損失が問題となるため、上限の流量時（１００Ｌ／ｍｉｎ）での圧力損失を示している。逆に下限の流量時（６０Ｌ／ｍｉｎ）では、圧力損失より発電量の方が問題となるため、下限の流量時（６０Ｌ／ｍｉｎ）での発電量を示している。
尚、瞬間流量とは、電磁弁１３を開いたときに自動給水装置１０の入口部を流れる供給水の流量ピーク値を意味する。
【００２８】
瞬間流量６０Ｌ／ｍｉｎでの発電量は、羽根３３ｃの第一傾斜部３３ｄの角度が０°の場合（従来の技術）、給水１回当たりの発電量は０．２Ｊ／回である。第一傾斜部３３ｄの角度を１５°とした場合は、発電量が０．７Ｊ／回で従来の３．５倍向上する。第一傾斜部３３ｄの角度を２０°とした場合は、発電量が１．８Ｊ／回となり、従来の９倍向上する。この結果から、第一傾斜部３３ｄの効果は明らかであり、さらに、角度を大きく形成すると、より発電量を上昇させる効果が得られる。
【００２９】
一方、瞬間流量１００Ｌ／ｍｉｎで、自動給水装置１０としての圧力損失は、羽根３３ｃの第一傾斜部３３ｄの角度が０°の場合（従来の技術）、０．０６ＭＰａとなる。第一傾斜部３３ｄの角度を１５°とした場合は、０．０６４ＭＰａ、第一傾斜部３３ｄの角度を２０°とした場合は、０．０７２ＭＰａとなり、第一傾斜部３３ｄの角度を形成することによって自動給水装置１０の圧力損失は上昇する。
【００３０】
ここで、発電機３０の１回当たりの発電量を向上させても自動給水装置１０の圧力損失が大きいと、自動給水装置１０を便器に取り付けるための規格、ＪＩＳ規格  Ｂ２０６１の条件（瞬間流量１００Ｌ／ｍｉｎ時の水圧０．１ＭＰａ）を満足することができなくなる。また、供給水の圧力は、使用条件などによって常に一定ではなく、変動することもあるため条件値（０．１ＭＰａ）にある程度の余裕を持たせて設定するとよい。このことから、第一傾斜部３３ｄの角度１５°〜２０°が望ましいが、各部材のばらつきなども考慮して１２〜２３°の範囲で設定することがさらに好ましい。このようにすることで、発電機３０は、同じ使用条件下で、大きくすることなく、発電量を向上させることができ、給電不足による問題や乾電池１５の消耗も低減することができ、経済的となることがわかる。
【００３１】
次に、図７を用いて第一通水路３６と第二通水路３７を設けた場合の効果について説明する。瞬間流量６０Ｌ／ｍｉｎ時の発電量は、第二通水路のみの場合、４Ｊ／回で、第一通水路と第二通水路を設けた場合は、０．７Ｊ／回となる。
一方、１００Ｌ／ｍｉｎ時の自動給水装置１０の圧力損失は、第二通水路３７のみの場合は、０．０９ＭＰａで、第一通水路３６と第二通水路３７を設けた場合、０．０６４ＭＰａとなる。
【００３２】
第二通水路３７のみの場合、１回当たりの発電量は高い結果が得られるが、自動給水装置１０としての圧力損失では、ＪＩＳ規格値（０．１ＭＰａ）に近い数値となって、供給水の変動なども考慮すると、大便器に設置することは困難といえる。また、第一通水路３６と第二通水路３７を設けた場合、１回当たりの発電量は、第二通水路３７のみの場合に及ばないが、自動給水装置１０としての圧力損失は大幅に減少する。よって、ＪＩＳ規格を充分に満足できるものであり、このことから翼車３１に第一通水路３６と第二通水路３７を設けて供給水を分流させることが圧力損失を低減する効果が得られる。
【００３３】
このように、旋回流によって翼車３１を回転させる回転力（軸トルク）を大きくすると、回転軸３２と下部軸受ケース３４の軸受部３４ａの磨耗量が増加し、耐久性が劣るようになる。そこで、回転軸３２の下部と下部軸受ケース３４の軸受部３４ａに同極性の磁石３２ａを設けた。これにより回転軸３２と下部軸受ケース３４の軸受部３４ａは非接触となり、磨耗量を抑制することができ、発電機としての耐久性を向上させることができる。
【００３４】
尚、本発明の発電機３０を備えた自動給水装置１０は、前述の便器への給水に限定されることなく、電磁弁１３を用いて電気的に開閉する水栓などの給水装置にも使用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
通水路内に設けた翼車の回転性能を改善し、１回の給水での発電量を高めるとともに、翼車での圧力損失を抑制し、さらに翼車の耐久性を向上させた発電機を備えた自動給水装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発電機を備えた自動給水装置の構成を示した図
【図２】自動給水装置の動作システムを示した図
【図３】発電機の構成を示した図
【図４】翼車を示した断面図
【図５】旋回手段を示した断面図
【図６】羽根の角度と発電量及び圧力損失との関係を示した図
【図７】通水路と発電量及び圧力損失との関係を示した図
【図８】従来技術を示した図
【符号の説明】
１０：自動給水装置
１１：人体検出器
１２：通水路
１３：電磁弁
１４：バッテリ
１５：乾電池
１６：制御装置
１７：カバー
１８：袋ナット
１９：バキュームブレーカー
２０：手かざし器
２１：フラッシュバルブ
２１ａ：圧力室
２１ｂ：経路
２１ｃ：ピストン
２２：給水管
３０：発電機
３１：翼車
３１ａ：円筒部
３１ｂ：外周壁
３１ｃ：軸
３１ｄ：磁石
３２：回転軸
３２ａ：磁石
３３：旋回手段
３３ａ：上部軸受部
３３ｂ：外周壁
３３ｃ：羽根
３３ｄ：第一傾斜部
３３ｅ：第二傾斜部
３４：下部軸受ケース
３４ａ：軸受部
３５：ボディ
３５ａ：雄ネジ
３５ｂ：雌ネジ
３５ｃ：コイル
３５ｄ：内周壁
３６：第一通水路
３７：第二通水路
３７ａ：傾斜
３８：軸ガイド
Ｆ１：旋回手段により発生する回転力
【図１】
2004263466.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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