(57)【要約】【課題】流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた回転体と、前記流路内に配設され前記回転体により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に配設されたコイルとを備えることを特徴とする屋内設備用発電ユニットであって、発電効率が高く、水流オン時の突入流れの繰り返しに対して十分な強度を有しており、起動時の立ち上がりが迅速な屋内設備用発電ユニットを提供する。【解決手段】流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた回転体と、前記回転軸に対して周方向に傾斜した案内路を有し前記流路内に且つ前記流路内を流れる水流に関して前記回転体の上流に配設され、且つ前記水流によって回転しない予旋回発生部材と、前記流路内に配設され前記回転体により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に且つ前記マグネットに対峙して配設されたコイルとを備える。【選択図】  図２
2004293498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた回転体と、前記回転軸に対して周方向に傾斜した案内路を有し前記流路内に且つ前記流路内を流れる水流に関して前記回転体の上流に配設され、且つ前記水流によって回転しない予旋回発生部材と、前記流路内に配設され前記回転体により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に且つ前記マグネットに対峙して配設されたコイルとを備えることを特徴とする屋内設備用発電ユニット。
【請求項２】
前記流路内を流れる水流に関して下流側から計った前記案内路の傾斜角が、前記流路内を流れる水流に関して上流から下流へ向けて増加することを特徴とする請求項１に記載の屋内設備用発電ユニット。
【請求項３】
前記回転体は回転軸から放射状に延びる翼を有しており、翼全体が回転軸を含む平面内で延在していることを特徴とする請求項１又は２に記載の屋内設備用発電ユニット。
【請求項４】
前記予旋回発生部材が、前記回転体の回転軸を支持する軸受を有していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の屋内設備用発電ユニット。
【請求項５】
前記マグネットが、前記回転体の径方向外方に環状に配設され前記回転体の外周に固定されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の屋内設備用発電ユニット。
【請求項６】
前記マグネットの、前記流路内を流れる水流に関する上流端が、径方向内方へテーパーしていることを特徴とする請求項５に記載の屋内設備用発電ユニット。
【請求項７】
前記マグネットが、変速機を介して前記回転体に係合していることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の屋内設備用発電ユニット。
【請求項８】
水道管の一部を形成することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の屋内設備用発電ユニット。
【請求項９】
電磁弁への通電により水流をオンし所定時間経過後に自動的に水流をオフする屋内設備用水栓と組み合わされて、前記電磁弁の駆動電力の少なくとも一部を供給することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の屋内設備用発電ユニット。
【請求項１０】
前記所定時間は１分以下であることを特徴とする請求項９に記載の屋内設備用発電ユニット。
【請求項１１】
前記流路を流れる水流が前記回転体の下流で汚物搬送に必要な水圧を有していることを特徴とする請求項９又は１０に記載の屋内設備用発電ユニット。
【請求項１２】
式（１）で与えられる弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たすことを特徴とする請求項１１に記載の屋内設備用発電ユニット。
Ｃｖ＝（Ｎ×Ｑ）／√（△Ｐ）・・・・・（１）
Ｃｖ≧０．１２６７×Ｑ・・・・・・（２）
Ｎ：０．０２１９
Ｑ：屋内設備発電ユニットを流れる水流の流量（Ｌ／分）
△Ｐ：屋内設備用発電ユニットの圧損（ＭＰａ）
【請求項１３】
予旋回発生部材は着脱可能であることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の屋内設備用発電ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屋内設備用発電ユニットに関するものである。本明細書において屋内設備とは、オフィス、駅等の公共施設や住宅で使用される水回り設備であって、上水、中水、下水、井戸水、雨水等を使用する設備を意味する。
【０００２】
【従来の技術】
流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた回転体と、前記流路内に配設され前記回転体により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に且つ前記マグネットに対峙して配設されたコイルとを備えることを特徴とする屋内設備用発電ユニットが、特許文献１、２に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】実公平３−５３１号
【特許文献２】特開２０００−２１３４４６
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、屋内設備用発電ユニットで発電された電力の用途は、簡単な人体検知や電磁弁の開閉程度に限定されており、屋内設備用発電ユニットには、高い発電能力は要求されていなかった。近年、生活快適性向上の観点から、便器洗浄水吐出流量自動制御の為の大便姿勢と小便姿勢の相違の検知、手洗用洗浄水吐出制御の為の手かざしの検知等の複雑な人体検知や、リモコンからの制御信号の受信等のニーズが高まり、屋内設備用発電ユニットに、高い発電能力が要求されるようになった。
屋内設備用発電ユニットには以下の特性が求められる。
▲１▼  屋内設備用発電ユニットを通過した後の水流には、汚物搬送や気泡混入等の能力が要求されるので、屋内設備へ供給される水流から発電に必要な最小限のエネルギーのみを取得する高効率性を有する必要がある。
▲２▼  屋内設備においては水流のオンオフが頻繁に繰り返されるので、水流オン時の突入流れの繰り返しに対して十分な強度を有する必要がある。
▲３▼  屋内設備においては水流オンの継続時間が短いので、起動時の立ち上がりが迅速である必要がある。
特許文献１、２に開示された屋内設備用発電ユニットは、軸流羽根車を有する発電装置を単に水流中に置いただけであり、上記▲１▼〜▲３▼の特性を具備するための対策が施されていないという問題を有している。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた回転体と、前記流路内に配設され前記回転体により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に且つ前記マグネットに対峙して配設されたコイルとを備える屋内設備用発電ユニットであって、上記▲１▼〜▲３▼の特性を具備した屋内設備用発電ユニットを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、流路内に配設され回転軸が流路の延在方向へ差し向けられた回転体と、前記回転軸に対して周方向に傾斜した案内路を有し前記流路内に且つ前記流路内を流れる水流に関して前記回転体の上流に配設され、且つ前記水流によって回転しない予旋回発生部材と、前記流路内に配設され前記回転体により回転駆動されるマグネットと、前記流路外に且つ前記マグネットに対峙して配設されたコイルとを備えることを特徴とする屋内設備用発電ユニットを提供する。
本発明に係る屋内設備用発電ユニットにおいては、予旋回発生部材の案内路を通過した水流が形成する旋回流から剪断力を受けて、予旋回発生部材の下流に配設された回転体が回転する。回転体によりマグネットが回転駆動され、コイルに起電力が発生する。
旋回流により回転体を回転駆動するので、回転軸に平行な軸流により回転体を回転駆動する場合に比べて、小さな圧力損失で回転体を高速回転駆動でき、回転軸を支持する軸受に掛かるスラスト荷重が小さく、回転体の起動時の立ち上がりが早い。従って、本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、発電効率が高く、水流オン時の突入流れの繰り返しに対して十分な強度を有しており、起動時の立ち上がりが迅速である。
【０００６】
本発明の好ましい態様においては、前記流路内を流れる水流に関して下流側から計った前記案内路の傾斜角が、前記流路内を流れる水流に関して上流から下流へ向けて増加する。
案内路の傾斜角の増加に伴って、軸流が徐々に旋回流に変換されるので、軸流を急激に旋回流に変換する場合に比べて、流れ方向変換に伴う圧力損失を抑制することができる。この結果、屋内設備用発電ユニットの発電効率が向上する。
【０００７】
本発明の好ましい態様においては、前記回転体は回転軸から放射状に延びる翼を有しており、翼全体が回転軸を含む平面内で延在する。
旋回流から受ける剪断力により回転体が回転するので、回転軸から放射状に延びる翼を回転体が有する場合でも、当該翼は水流の軸流成分によって回転駆動される必要性は必ずしも無い。従って、前記翼の全体が回転体の回転軸を含む平面内で延在しても良い。翼の全体が回転体の回転軸を含む平面内で延在すれば、翼は水流の軸流成分と平行に延在することになるので、水流の軸流成分によって回転駆動されない。予旋回発生部材を通過した水流の旋回速度ベクトルに適した迎角を有する翼を回転体に配設すれば、屋内設備用発電ユニットの発電効率は更に向上する。
【０００８】
本発明の好ましい態様においては、前記予旋回発生部材が、前記回転体の回転軸を支持する軸受を有している。
予旋回発生部材に前記回転体の回転軸を支持する軸受を配設すれば、別途軸受を配設する必要が無くなり、屋内設備用発電ユニットが小型化される。
【０００９】
本発明の好ましい態様においては、前記マグネットが、前記回転体の径方向外方に環状に配設され前記回転体の外周に固定されている。
前記マグネットを前記回転体の径方向外方に環状に配設すれば、マグネットとコイルとの間隔が狭まり、コイルを通過する磁束密度が高まり、屋内設備用発電ユニットの発電効率が向上する。マグネットを回転体の外周に固定することにより、屋内設備用発電ユニットが小型化される。
【００１０】
本発明の好ましい態様においては、前記マグネットの、前記流路内を流れる水流に関する上流端が、径方向内方へテーパーしている。
マグネットの上流端をテーパーさせることにより、マグネットによる圧損が低減する。前記テーパーを径方向内方へ差し向けることにより、水流を回転体へ集めることができる。
【００１１】
本発明の好ましい態様においては、前記マグネットが、変速機を介して前記回転体に係合している。
変速機を配設することにより、回転体の出力が最高となる回転数で、マグネットとコイルとが形成する発電機を駆動することが可能となり、屋内設備用発電ユニットの発電効率が向上する。また、回転体、マグネット、コイルの設計を変更することなく、屋内設備用発電ユニットの電気出力を必要に応じて変更することが可能になる。
【００１２】
本発明の好ましい態様においては、屋内設備用発電ユニットは水道管の一部を形成する。
屋内設備用発電ユニットが、水道管の一部を形成するように構成されていれば、当該ユニットを水道管に組み込んで、簡便に発電を行うことができる。
【００１３】
本発明の好ましい態様においては、屋内設備用発電ユニットは、電磁弁への通電により水流をオンし所定時間経過後に自動的に水流をオフする屋内設備用水栓と組み合わされて、前記電磁弁の駆動電力の少なくとも一部を供給する。
本発明の好ましい態様においては、前記所定時間は１分以下である。
本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、予旋回発生部材を備えているので、起動時の立ち上がりが早く、水流をオンした直後に発電を開始することができる。従って、本発明に係る屋内設備用発電ユニットを、電磁弁への通電により水流をオンし所定時間経過後に自動的に水流をオフする屋内設備用水栓と組み合わせた場合、当該屋内設備用発電ユニットは、水流オンから水流オフまでの所定時間内に、確実に発電することができる。
屋内設備においては水流のオン、オフが比較的頻繁に繰り返される。予旋回発生部材が軸流を旋回流に変換することにより、水流オン時に発生する突入水力が緩和されるので、水流オン時の回転体軸受の負荷が軽減され、予旋回発生部材を配設しない場合に比べて水流オン時の突入水流に対する回転体軸受けの強度が増加する。従って、水流のオン、オフが比較的頻繁に繰り返されても、回転体軸受は損傷しない。
本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、水流オンから水流オフまでの時間が短くても、具体的には１分以下であっても、効率良く発電し、前記電磁弁の駆動電力の少なくとも一部を供給することができる。
【００１４】
本発明の好ましい態様においては、前記流路を流れる水流が前記回転体の下流で汚物搬送に必要な水圧を有している。
本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、予旋回発生部材を備えているので、回転体による圧力損失が小さい。従って、回転体の下流側の水流に、汚物搬送に必要な水圧、具体的には０．０２Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。
【００１５】
本発明の好ましい態様においては、式（１）で表される弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たす。
Ｃｖ＝（Ｎ×Ｑ）／√（△Ｐ）・・・・・（１）
Ｃｖ≧０．１２６７×Ｑ・・・・・・（２）
Ｎ：０．０２１９
Ｑ：屋内設備発電ユニットを流れる水流の流量（Ｌ／分）
△Ｐ：屋内設備用発電ユニットの圧損（ＭＰａ）
式（１）で表される弁容量係数Ｃｖは、弁の入口と出口との間の差圧△Ｐと、弁を通って流れる液体の流量との関係を規定する定数であり、弁の形状、寸法によって定まる定数である。弁容量係数が式（２）を満たす場合には、△Ｐ≦０．０３ＭＰａとなる。屋内設備用発電ユニットを一種の弁と見做すと、屋内設備用発電ユニットの弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たす場合には、屋内設備用発電ユニットの圧損△Ｐが０．０３ＭＰａ以下となる。屋内設備が接続される水道管の末端水圧は一般に０．０５ＭＰａ以上なので、屋内設備用発電ユニットの弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たせば、屋内設備用発電ユニットの下流側の水流に、汚物搬送に必要な０．０２Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。
【００１６】
本発明の好ましい態様においては、予旋回発生部材は着脱可能である。
案内路の設計が異なる種々の予旋回発生部材の中から、最適なものを選択して装着するだけで、回転体、マグネット等の他の機能部材の流路形状を変更することなく、流量の異なる種々の屋内設備に屋内設備用発電ユニットを組み込んで、所期の機能を発揮させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施例に係る屋内設備用発電ユニットを説明する。
図１に示すように、屋内設備用発電ユニット１は、一端部２ａが六角ナット状に膨出した円筒体の外ケーシング２を備えている。外ケーシング２の他端部外周面にネジ２ｂが形成されている。
図２に示すように、外ケーシング２に円筒体の内ケーシング３が圧入固定されている。内ケーシング３は外ケーシング２と同軸に延在している。内ケーシング３の一端部は外ケーシング２の前記一端部２ａから突出しており、当該一端部の先端外周面にネジ３ａが形成されている。内ケーシング３の外ケーシング２内に在る他端部と外ケーシング２との当接部はＯリング４によりシールされている。
【００１８】
図２に示すように、内ケーシング３の外ケーシング２内に在る他端部に、予旋回発生部材５が圧入固定されている。図２、３に示すように、予旋回発生部材５は、円筒体５ａを備えている。円筒体５ａは内ケーシング３と同軸に延在している。円筒体５ａの一端に、内ケーシング３の他端に係合する外フランジ５ａ′が形成されている。
円筒体５ａ内に周方向に互いに間隔を隔てて複数の径向き翼５ｂが配設されている。径向き翼５ｂの径方向外端は円筒体５ａの内周面に固定されており、径方向内端は円筒体５ａの中心に配設された軸受５ｃに固定されている。径向き翼５ｂは円筒体５ａの中心軸線に対して周方向へ傾斜しており、隣接する径向き翼５ｂ間に形成される案内路５ｄは円筒体５ａの中心軸線に対して周方向へ傾斜している。円筒体５ａの他端側から計った径向き翼５ｂの傾斜角θは円筒体５ａの前記一端から他端へ向けて階段状に不連続に増加しており、円筒体５ａの他端側から計った案内路５ｄの傾斜角θは円筒体５ａの前記一端から他端へ向けて階段状に不連続に増加している。
円筒体５ａと径向き翼５ｂと軸受５ｃとは一体形成されている。
【００１９】
図２に示すように、内ケーシング３の長手方向中央部内に、回転体６が配設されている。図２、４に示すように、回転体６は、円筒体６ａを備えている。円筒体６ａは円筒体５ａと同軸に延在している。
円筒体６ａ内に周方向に互いに間隔を隔てて複数の径向き翼６ｂが配設されている。径向き翼６ｂの径方向外端は円筒体６ａの内周面に固定されており、径方向内端は円筒体６ａの中心に配設されたボス６ｃに固定されている。径向き翼６ｂは、円筒体６ａの中心軸線に対して周方向へ傾斜している。径向き翼６ｂは、円筒体６ａの中心軸線ひいては円筒体５ａの中心軸線に対して、径向き翼５ｂとは反対方向へ傾斜している。
円筒体６ａの径方向外側に且つ円筒体６ａから所定間隔を隔ててリング６ｄが配設されている。円筒体６ａとリング６ｄとの間の環状隙間内に、周方向に互いに間隔を隔てて複数の径向き翼６ｅが配設されている。径向き翼６ｅの径方向内端は円筒体６ａの外周面に固定され、径方向外端はリング６ｄの内周面に固定されている。径向き翼６ｅは、円筒体６ａの中心軸線に対して周方向へ傾斜している。径向き翼６ｅは、円筒体６ａの中心軸線ひいては円筒体５ａの中心軸線に対して、径向き翼５ｂとは反対方向へ傾斜している。
円筒体６ａと、径向き翼６ｂ、６ｅと、ボス６ｃと、リング６ｄとは一体形成されている。
図２に示すように、円筒体６ａと同軸に延在する回転軸６ｆが、ボス６ｃに挿通固定されている。回転軸６ｆの一端近傍に形成されたフランジ６ｆ′がボス６ｃの一端と係合している。
【００２０】
図２に示すように、回転体６の径方向外方に且つ内ケーシング３の内部に、周方向に互いに間隔を隔てた複数の磁極を有する環状のマグネット７が配設されている。マグネット７は円筒体６ａと同軸に延在している。マグネット７は、径方向外端部が周方向にＮ極とＳ極とが交互に繰り返すように設計されている。前記複数のマグネット７は、リング６ｄに固定されると共に径向き翼６ｅの外端にひいては回転体６の外周に固定されている。
【００２１】
図２に示すように、内ケーシング３の中心に配設された軸受本体８ａと、周方向に互いに間隔を隔てて軸受本体８ａから径方向外方へ延びる複数の腕８ｂとを有する軸受８が、内ケーシング３の前記一端部に嵌合固定されている。
【００２２】
図２に示すように、回転軸６ｆの一端は軸受５ｃにより支持され、他端は軸受本体８ａにより支持されている。
【００２３】
図２に示すように、外ケーシング２の六角ナット状に膨出した一端部２ａの内側に且つ内ケーシング３の外側に、内ケーシング３を取り巻いて、コイル９が配設されている。コイル９は内ケーシング３を介してマグネット７に対峙している。マグネット７の磁束がコイル９を通過している。前記一端部２ａの先端と内ケーシング３との間の環状隙間は、環状の蓋部材１０によって閉鎖されている。
【００２４】
図２に示すように、屋内設備用発電ユニット１は、図示しない電磁弁への通電により水流をオンし、所定時間経過後に或いは人体検知センサー、汚物検知セン  サー、臭いセンサー等の各種センサーからのトリガー信号に基づいて、自動的に水流をオフする屋内設備用水栓１００と、屋内設備用水栓１００の下流に配設されたバキュームブレーカー２００との間に配設されている。外ケーシング２は屋内設備用水栓１００の下流端部に挿入されており、内ケーシング３はバキュームブレーカー２００の上流端部に挿入されている。外ケーシング２の前記他端部外周面に形成されたネジ２ｂが屋内設備用水栓１００の下流端部内周面に形成されたネジに螺合している。内ケーシング３の前記一端外周面に形成されたネジ３ａがバキュームブレーカー２００の上流端部内周面に形成されたネジに螺合している。内ケーシング３と外ケーシング２との間に配設されたＯリング４と、内ケーシング３とバキュームブレーカー２００との間に配設されたＯリング２０１とにより、コイル９の被水が防止されている。
屋内設備用発電ユニット１の内ケーシング３は、水道管の一部を形成している。バキュームブレーカー２００は、図示しない配管を介して図示しない水洗便器に接続している。
【００２５】
屋内設備用発電ユニット１の作動を説明する。
屋内設備用水栓１００の図示しない電磁弁が通電され、当該電磁弁によりオンされた水流が、屋内設備用発電ユニット１の予旋回発生部材５へ流入する。水流は回転体６の回転軸６ｆに平行に流入する。屋内設備用水栓１００の吐出流量は２００リットル毎分以下に設定されている。
外フランジ５ａ′が形成された一端から予旋回発生部材５の円筒体５ａに流入した前記水流は、円筒体５ａの中心軸線ひいては回転体６の回転軸６ｆに対して周方向へ傾斜した案内路５ｄ内を、円筒体５ａの他端へ向けて流れる。案内路５ｄ内を流れる水流は周方向へ差し向けられる。この結果、予旋回発生部材５を通過した水流は旋回流となる。
旋回流は回転体６へ流入する。旋回流は、回転軸６ｆに対して周方向へ且つ案内路５ｄとは反対方向へ傾斜した径向き翼６ｂ、６ｅに衝突して回転体６を回転駆動すると共に、円筒体６ａの周側面に剪断力を印加して回転体６を回転駆動し、ひいては回転体６に固定されたマグネット７を回転駆動する。径向き翼６ｂ、６ｅは、旋回流の旋回速度ベクトルに適した迎え角を有しており、水流が有する動圧が効率良く径向き翼６ｂ、６ｃに伝達される。
コイル９を通過するマグネット７の磁束が変化することにより、コイル９に起電力が発生する。コイル９に発生した電力は、直接又は二次電池やコンデンサーに貯留された後、屋内設備用水栓１００が備える図示しない電磁弁の駆動電力の一部として利用され、或いは、屋内設備が備える各種センサーの駆動電力、各種制御回路の駆動電力、ランプや電解槽等の各種機能部材の駆動電力の一部として利用される。
屋内設備用発電ユニット１を通過した水流は、バキュームブレーカー２００を通過した後、図示しない水洗便器へ流入し、便器内の汚物を便器から排出する。
【００２６】
屋内設備用発電ユニット１においては、旋回流により回転体６を回転駆動するので、回転軸６ｆに平行な軸流により回転体６を回転駆動する場合に比べて、小さな圧力損失で回転体６を高速回転駆動できる。旋回流を発生させる予旋回発生部材５は水流により回転しないので、回転抵抗は無い。従って、屋内設備用発電ユニット１の発電効率は高い。
屋内設備においては水流のオン、オフが比較的頻繁に繰り返される。屋内設備用発電ユニット１においては、予旋回発生部材５が軸流を旋回流に変換することにより、水流オン時に発生する突入水力が緩和され、水流オン時の軸受８の負荷が軽減され、予旋回発生部材５を配設しない場合に比べて水流オン時の突入水流の繰り返しに対する軸受８の強度が増加しており、水流のオン、オフが比較的頻繁に繰り返されても、軸受８は損傷しな。従って、屋内設備用発電ユニット１は、水流オン時の突入水流の繰り返しに対して十分な強度を有している。
屋内設備用発電ユニット１においては、旋回流により回転体６を回転駆動するので、回転体６の起動時の立ち上がりが早い。従って、屋内設備用発電ユニット１は起動時の立ち上がりが早い。
屋内設備用発電ユニット１は、様々な水圧条件下で使用されるが、旋回流により回転体６を回転駆動するので、高水圧下でも軸受８に加わるスラスト荷重は小さく、低水圧下でも回転体６を確実に回転駆動して発電することができる。
【００２７】
屋内設備用発電ユニット１においては、円筒体５ａの他端側から計った円筒体５ａの中心軸線に対する予旋回発生部材５の案内路５ｄの周方向傾斜角θが、内ケーシング３が形成する流路内を流れる水流に関して上流から下流へ向けて増加するので、回転軸６ｆ方向の軸流が徐々に旋回流に変換される。この結果、回転軸６ｆ方向の軸流を急激に旋回流に変換する場合に比べて、流れ方向変換に伴う圧力損失が抑制され、屋内設備用発電ユニット１の発電効率が向上する。
【００２８】
屋内設備用発電ユニット１においては、予旋回発生部材５が、回転体６の回転軸６ｆを支持する軸受５ｃを有している。この結果、回転体６の回転軸６ｆを支持する軸受を別途配設する場合に比べて、屋内設備用発電ユニット１は小型化されている。
【００２９】
屋内設備用発電ユニット１においては、周方向に互いに間隔を隔てた複数の磁極を有するマグネット７が、回転体６の径方向外方に環状に配設されているので、マグネット７とコイル９との間隔が狭まり、コイル９を通過する磁束密度が高まり、屋内設備用発電ユニット１の発電効率が向上している。マグネット７が回転体６の外周に固定されることにより、屋内設備用発電ユニット１が小型化されている。
【００３０】
屋内設備用発電ユニット１の外ケーシング２は六角ナット形状を有しているので、スパナ等の工具を用いて、バキュームブレーカー２００に屋内設備用発電ユニット１機を容易に螺結することができる。
屋内設備用発電ユニット１は水道管の一部を形成するように構成されているので、屋内設備用発電ユニット１を水道管に組み込んで、簡便に発電を行い、無駄に捨てられる水圧エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することができる。
【００３１】
屋内設備用発電ユニット１は、予旋回発生部材５を備えているので、起動時の立ち上がりが早く、水流をオンした直後に発電を開始することができる。従って、屋内設備用発電ユニット１を、図示しない電磁弁への通電により水流をオンし所定時間経過後に自動的に水流をオフする屋内設備用水栓１００と組み合わせた場合、屋内設備用発電ユニット１は、水流オンから水流オフまでの所定時間内に、確実に発電することができる。
屋内設備用発電ユニット１は、水流オンから水流オフまでの時間が短くても、具体的には１分以下であっても、効率良く発電し、前記電磁弁の駆動電力の少なくとも一部を供給することができる。
【００３２】
屋内設備用発電ユニット１は、予旋回発生部材５を備えているので、回転体６による圧力損失が小さい。従って、回転体６の下流側の水流に、汚物搬送や気泡混入に必要な水圧、具体的には０．０２Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。屋内設備用発電ユニット１においては、式（１）で表される弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たすように、予旋回発生部材５、回転体６、マグネット７、コイル９等の諸機能部材が設計されている。
Ｃｖ＝（Ｎ×Ｑ）／√（△Ｐ）・・・・・（１）
Ｃｖ≧０．１２６７×Ｑ・・・・・・（２）
Ｎ：０．０２１９
Ｑ：屋内設備発電ユニットを流れる水流の流量（Ｌ／分）
△Ｐ：屋内設備用発電ユニットの圧損（ＭＰａ）
式（１）で表される弁容量係数Ｃｖは、弁の入口と出口との間の差圧△Ｐと、弁を通って流れる液体の流量との関係を規定する定数であり、弁の形状、寸法によって定まる定数である。弁容量係数が式（２）を満たす場合には、△Ｐ≦０．０３ＭＰａとなる。屋内設備用発電ユニット１を一種の弁と見做すと、屋内設備用発電ユニット１の弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たす場合には、屋内設備用発電ユニット１の圧損△Ｐが０．０３ＭＰａ以下となる。屋内設備が接続される水道管の末端水圧は一般に０．０５ＭＰａ以上なので、屋内設備用発電ユニット１の弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たせば、屋内設備用発電ユニット１の下流側の水流に、汚物搬送に必要な０．０２Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。弁容量係数Ｃｖが式（２）を満たす屋内設備用発電ユニット１は、流量の比較的少ない屋内設備や低圧で駆動可能な屋内設備との組み合わせに適している。具体的には、浴室用カラン、手洗い用水栓、台所用水栓、タンク式の大便器や小便器、局部洗浄装置等の屋内設備との組み合わせに適している。
屋内設備用発電ユニット１の弁容量係数Ｃｖが式（３）を満たす場合には、屋内設備用発電ユニット１の圧損△Ｐが０．０２ＭＰａ以下となり、屋内設備用発電ユニット１の下流側の水流に、０．０３Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。弁容量係数Ｃｖが式（３）を満たす屋内設備用発電ユニット１は、上記の屋内設備との組み合わせに加え、水道直圧式の大便器や小便器、浴室用シャワー、気泡混入式の手洗い用水栓や台所用水栓との組み合わせにも適している。
Ｃｖ≧０．１５５１×Ｑ・・・・・・（３）
屋内設備用発電ユニット１の弁容量係数Ｃｖが式（４）を満たす場合には、屋内設備用発電ユニット１の圧損△Ｐが０．０１ＭＰａ以下となり、屋内設備用発電ユニット１の下流側の水流に、０．０４Ｍｐ以上の水圧を持たせることができる。弁容量係数Ｃｖが式（４）を満たす屋内設備用発電ユニット１は、上記の屋内設備との組み合わせに加え、流量が比較的大きく駆動に高圧を必要とする屋内設備との組み合わせにも適している。
Ｃｖ≧０．２１９４×Ｑ・・・・・・（４）
【００３３】
図５に示すように、変速機１１を介してグネット７を回転体６に係合させても良い。
回転体６の出力特性Ｗ１と、マグネット７とコイル９とが形成する発電機の入力特性Ｗ２とは、一般に図６に示すようなものになる。従って、回転体６と前記発電機とを接続すると、回転体６の出力と発電機の入力とが釣り合った点、すなわちＷ１とＷ２との交点Ｐで発電機は作動する。変速機１１を介してグネット７を回転体６に係合させ、回転体６の回転数ベースの発電機の入力特性Ｗ２′を図６に一点鎖線で示すように左方へ移動させることにより、Ｗ１とＷ２′の交点、ひいては発電機の作動点を回転体６の最高出力点Ｍへ移動させることができる。発電機の出力は発電機の入力の増減に応じて増減するので、発電機の作動点を回転体６の最高出力点Ｍへ移動させることにより、回転体６の最高出力で発電機を駆動し、発電機の出力を最大にすることができる。この結果、屋内設備用発電ユニット１の発電効率が向上する。また、回転体６、マグネット７、コイル９の設計を変更することなく、屋内設備用発電ユニット１の電気出力を必要に応じて変更することが可能になる。
【００３４】
回転体６の径向き翼６ｂは、平板形状でも良く、平板を捩じった形状でも良い。径向き翼６ｂを棒状体としても良い。旋回流が棒状体に衝突することにより、回転体６を回転駆動する。
翼回転体６の径向き翼６ｂ、６ｅの全体を、回転軸６ｆを含む平面内で延在させても良い。旋回流から受ける剪断力により円筒体６ａが回転するので、径向き翼６ｂ、６ｅは水流の軸流成分によって回転駆動される必要性は必ずしも無い。翼６ｂ、６ｅの全体が回転体６の回転軸６ｆを含む平面内で延在すれば、翼６ｂ、６ｅは水流の軸流成分と平行に延在することになるので、水流の軸流成分によって回転駆動されない。径向き翼６ｂ、６ｅは回転軸６ｆを含む平面内で延在しても良い。翼回転体６の径向き翼６ｂ、６ｅを、小径棒状体等の単なる接続部材に変更しても良い。旋回流から受ける剪断力により円筒体６ａが回転するので、発電することができる。旋回流の旋回速度ベクトルに適した迎え角を有する翼を回転体６に配設すれば、屋内設備用発電ユニット１の発電効率は小径棒状体を配設する場合に比べて向上する。
【００３５】
案内路５ｄの傾斜角を階段状に不連続に増加させるのに変えて、連続に漸増させても良い。流れの変化がスムーズになり、圧損が低下し、発電効率が向上する。図７に示すように、リング６ｄを廃して、径向き翼６ｅのみにマグネット７を固定しても良い。
【００３６】
バキュームブレーカー２００が接続される水洗便器が小便器の場合には、屋内設備用水栓１００の吐出流量は約５０リットル毎分以下に設定されるので、予旋回発生部材５に代えて、図８に示す予旋回発生部材１５を使用しても良い。予旋回発生部材１５は、内ケーシング３の外ケーシング２内に在る他端部に圧入固定される肉厚円板１５ａを備えている。肉厚円板１５ａの一端には、内ケーシング３の他端に係合する外フランジ１５ａ′が形成されている。肉厚円板１５ａの周側面に、周方向に互いに間隔を隔てて複数の溝状の案内路１５ｄが形成されている。案内路１５ｄは肉厚円板１５ａの中心軸線に対して周方向へ傾斜している。
予旋回発生部材１５へ流入する水流の流量は予旋回発生部材５へ流入する水流の流量よりも少ないので、案内路５ｄに比べて流路面積の小さな溝状の案内路１５ｄを採用しても、圧力損失の増加を招かない。
屋内設備用発電ユニット１は、予旋回発生部材５、１５の案内路の設計を変更するだけで、回転体６、マグネット７等の他の機能部材の流路形状を変更することなく、流量の異なる種々の屋内設備に組み込まれて、所期の機能を発揮することができる。
予旋回発生部材５、１５を内ケーシング３に着脱可能に取りつけておけば、又は内ケーシング３の予旋回発生部材５、１５を収容する部位と予旋回発生部材５、１５とをユニット化して外ケーシング２に着脱可能に取りつけておけば、或いは外ケーシング２と内ケーシング３の予旋回発生部材５、１５を収容する部位と予旋回発生部材５、１５とをユニット化して外ケーシング２と内ケーシング３の他の部位に着脱可能に取りつけておけば、案内路の設計が異なる種々の予旋回発生部材５、１５の中から最適なものを選択して内ケーシング３に装着するだけで、又は予旋回発生部材５、１５と内ケーシング３とにより形成されるユニットの中から最適な予旋回発生部材５、１５を有するものを選択して外ケーシング２に装着するだけで、或いは予旋回発生部材５、１５と内ケーシング３と外ケーシング２とにより形成されるユニットの中から最適な予旋回発生部材５、１５を有するものを選択して外ケーシング２と内ケーシング３の他の部位に装着するだけで、回転体６、マグネット７等の他の機能部材の流路形状を変更することなく、流量の異なる種々の屋内設備に屋内設備用発電ユニット１を組み込んで、所期の機能を発揮させることができる。
【００３７】
案内路５ｄ、１５ｄの数は１０以下であるのが望ましい。案内路５ｄ、１５ｄの数が１０を超えると、各案内路の流路面積が小さくなり、予旋回発生部材５、１５による圧力損失が増加して、屋内設備用発電ユニット１の発電効率の低下を招く可能性がある。
【００３８】
屋内設備用発電ユニット１を、屋内設備用水栓１００の上流に配設しても良い。バキュームブレーカー２００を省略しても良い。
回転軸６ｆの一端を軸受５ｃに固定し他端を軸受本体８ａに固定し、回転軸６ｆを相対摺動回転可能に回転体６のボス６ｃに挿通しても良い。この場合は、回転体６の円筒体６ａ、ボス６ｃ等は回転軸６ｆの廻りに回転する。回転軸６ｆのフランジ６ｆ′がボス６ｃを摺動回転可能に支持する軸受となる。
【００３９】
図９に示すように、マグネット７の、水流に関する上流端を、径方向内方へテーパーさせても良い。
マグネット７の上流端をテーパーさせることにより、マグネット７による圧損が低減する。前記テーパーを径方向内方へ差し向けることにより、水流を回転体６へ集めることができる。
【００４０】
【発明の効果】
上記説明から分かるように、本発明に係る屋内設備用発電ユニットにおいては、旋回流により回転体を回転駆動するので、回転軸に平行な軸流により回転体を回転駆動する場合に比べて、小さな圧力損失で回転体を高速回転駆動でき、回転軸を支持する軸受に掛かるスラスト荷重が小さく、回転体の起動時の立ち上がりが早い。従って、本発明に係る屋内設備用発電ユニットは、発電効率が高く、水流オン時の突入流れの繰り返しに対して十分な強度を有しており、起動時の立ち上がりが迅速である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る屋内設備用発電ユニットの斜視図である。
【図２】本発明の実施例に係る屋内設備用発電ユニットの断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備える予旋回発生部材の斜視図である。
【図４】本発明の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備える回転体の斜視図である。
【図５】本発明の他の実施例に係る屋内設備用発電ユニットの部分断面図である。
【図６】回転体出力特性と発電機入力特性の相関を示す図である。
【図７】本発明の他の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備える回転体の部分断面図である。
【図８】本発明の他の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備える予旋回発生部材の斜視図である。
【図９】本発明の他の実施例に係る屋内設備用発電ユニットが備えるマグネットの断面図である。
【符号の説明】
１  屋内設備用発電ユニット
２  外ケーシング
３  内ケーシング
５、１５  予旋回発生部材
６  回転体
７  マグネット
９  コイル
１１  変速機
１００  屋内設備用水栓
２００  バキュームブレーカー
【図１】
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【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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【図９】
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