(57)【要約】【課題】発電機の発電量を最大限に高め、しかも、発電電力の有効な分配を可能とした給排水発電システムを提供する。【解決手段】給排水発電機１１０は、水の流入口、流出口及び後述する本体ハウジングを接続する図示しない接続口を有する給水筒１と、この給水筒１の接続口に備えられて本体ハウジングと接続後に固定する接続リング２と、給水筒１からの漏水を防止するシールリング３と、水流の力を回転力に変換する水車４と、更に、給水筒１の上部に電磁石１２が羽根５と磁気結合が可能な距離で、しかも非接触に配置され、電磁石１２は防水カバー１２ａにより防水されている。【選択図】　　　図４
2004076637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給排水管に接続された給水筒入口の水流の圧力を回転力に変換して発電する給排水発電機であって、
水の流入口と流出口を有する給水筒と、該給水筒内に配置され該給水筒内の水流により回転する回転手段と、前記回転手段を支持する回転軸、前記回転手段が回転することにより電流を発生する複数の発電コイル、及び前記発電コイルにより発生した電圧を整流して蓄電器に充電する充電制御部を有する本体ハウジングと、を備え、
前記給水筒は、前記回転手段を内部に配置するための接続口を更に備え、該接続口により前記本体ハウジングと合体する構成を備えたことを特徴とする給排水発電機。
【請求項２】
給排水管に接続された給水筒入口の水流の圧力を回転力に変換して発電する給排水発電機であって、
水の流入口と流出口を有する給水筒と、該給水筒内に配置され該給水筒内の水流により回転する回転手段と、前記回転手段を支持する回転軸、前記回転手段が回転することにより電流を発生する複数の発電コイル、及び前記発電コイルにより発生した電圧を整流して蓄電器に充電する充電制御部を有する本体ハウジングと、前記回転手段の回転力に負荷を与えるブレーキ手段と、を備え、
前記給水筒は、前記回転手段を内部に配置するための接続口を更に備え、該接続口により前記本体ハウジングと合体する構成を備えたことを特徴とする給排水発電機。
【請求項３】
前記回転手段は、回転体の周囲に複数の羽根を備え、且つ該羽根車内部に永久磁石が前記給水筒内の水流と接しない構成で配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の給排水発電機。
【請求項４】
前記本体ハウジングは、前記羽根車と前記発電コイルを磁気的結合が可能な距離に非接触状態で配置し、且つ前記給水筒内の水が前記本体ハウジング内に浸水しない構成を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の給排水発電機。
【請求項５】
前記ブレーキ手段は、外部から供給する電流により磁界を発生する電磁石により構成され、該電磁石と前記羽根車を磁気的結合が可能な距離に非接触状態で配置し、且つ前記給水筒内の水が浸水しない構成にしたことを特徴とする請求項２に記載の給排水発電機。
【請求項６】
前記ブレーキ手段は、前記発電コイルにより発生した電圧に基づいて前記電磁石に流す電流を制御することにより、前記回転手段に与える負荷を制御することを特徴とする請求項２に記載の給排水発電機。
【請求項７】
前記ブレーキ手段は、前記給水筒内の水流が停止した場合、前記電磁石に流す電流を制御することにより、前記回転手段を逆回転することを特徴とする請求項２に記載の給排水発電機。
【請求項８】
前記ブレーキ手段の電磁石に供給する電力は、前記蓄電器に蓄電された電力により供給されることを特徴とする請求項２に記載の給排水発電機。
【請求項９】
給排水管に接続された給水筒入口の水流の圧力を回転力に変換して発電する発電機と、流入する水の圧力を減圧して流出する減圧手段と、前記発電機により発電された電力を蓄電する蓄電手段と、該蓄電手段により蓄電された電力を複数の負荷に分配する分配手段と、前記複数の負荷が消費する電力量を積算する積算手段と、を備え、
前記発電機により発電された電力を一旦前記蓄電手段に蓄電後、前記各負荷が使用した各々の電力量に基づいて個別に課金することを特徴とする給排水発電システム。
【請求項１０】
前記発電機を、前記減圧手段の取水口である一次側に設置することを特徴とする請求項９記載の給排水発電システム。
【請求項１１】
前記発電機は、１系統の給水管に少なくとも１つ以上設置され、各系統の発電機からの発電量を合成して前記蓄電手段に蓄電することを特徴とする請求項９に記載の給排水発電システム。
【請求項１２】
請求項１乃至８の何れか一項に記載の給排水発電機を使用したことを特徴とする給排水発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給排水発電機及び給排水発電システムに関し、さらに詳しくは、給排水管に流れる水流の圧力を利用した発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境の悪化に伴って、環境保全の意味から省エネルギーに対する要求がますます増加している。例えば電子回路の分野では省電力化の動きとなって現れており、ＣＭＯＳ回路に見られるように電力面ではかなりの省電力化が実現している。その結果、商用電力を必要としない回路により電池で長時間稼動するシステムの実現が可能となった。このシステムは、商用電力の供給が困難な山奥や離島といった場所で有効に活用されている。しかしながら、電池には必ず寿命があり、寿命が到来した際には交換を余儀なくされる。
それを解決する一つの手段として特開２００２−３８５６３公報には、従来浪費していた、水を供給する給水槽の水の位置エネルギー、及び、水道の蛇口から出る配水速度エネルギーを、電気的に回収して、小電子製品の補助電源として使用するために水流を利用した電力供給装置について開示されている。それによると、洗浄用小型タンクに上方から臨んで設けられた水洗蛇口の下方に、羽根車を備えた小型発電機を設け、小型発電機には充電器を接続する。充電器は二次電池を介して電子回路に平準化した電気を供給し、電子回路で消費される。タンクからは１回につき最大約８〜１２リットルが給水又は送水され、水洗蛇口から流出する水で羽根車及び小型発電機を作動させて電力を取り出す。ここで得られる個々の電力は微量であるが、公共施設に設けた複数の水洗トイレに設置した場合、適度の電力を得ることができる。また、最近の電子機器は消費電力が小さいため充分補助電力として利用できるとも記されている。
また、特開平８−１０５０９４号公報には、給水時の水量を正確に設定管理する技術について開示されている。この公報には、給水路にその水量を設定する止水栓を設けるとともに、給水流量に応じて回転する翼車を設け、その翼車に連結されて回転し発電する発電機により充電されるバッテリと、同出力に基づいて給水路に流れる水量を算出する制御パネルと、算出された流量に応じて点灯ないし点滅する表示灯とを設ける技術が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開２００２−３８５６３公報による発明は、水道の蛇口から放出される水を水車で受けて発電機を回転する構成であるため、発電量が小さく、且つ発電効率が悪いため、発電中は他の目的に水を使うことが困難である。
また、特開平８−１０５０９４号公報による発明は、便器に流れる水量（発電量）から電磁弁の開放量を調節するために、表示灯により流量を検出してそれに基づいて水量を管理者が設定するものであり、発電電力の使用目的は、あくまでもその表示灯の制御のために限定されてしまう。更に、両公報とも給水管に設置された減圧弁の２次側（減圧後の水圧）に発電機が設置されており、水圧が減圧されているため、配水エネルギーを最大限に回収することが困難である。
本発明は、かかる課題に鑑み、配水のエネルギー回収を最大限に高め、しかも、発電電力の有効な分配を可能とした給水発電システムを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、給排水管に接続された給水筒入口の水流の圧力を回転力に変換して発電する給排水発電機であって、水の流入口と流出口を有する給水筒と、該給水筒内に配置され該給水筒内の水流により回転する回転手段と、前記回転手段を支持する回転軸、前記回転手段が回転することにより電流を発生する複数の発電コイル、及び前記発電コイルにより発生した電圧を整流して蓄電器に充電する充電制御部を有する本体ハウジングと、を備え、前記給水筒は、前記回転手段を内部に配置するための接続口を更に備え、該接続口により前記本体ハウジングと合体する構成を備えたことを特徴とする。
一定の流路内を単位時間内に流れる液体の量を流量といい、一般に（ｌ／ｍｉｎ）と表し、１分間に何リットル流れたかで表現する。この液体が所定の径を有する給水筒内を流れる場合、その給水筒内に設置された回転体は、負荷が一定であれば流量に比例して回転数が上昇する。本発明の給排水発電機は、給水筒と回転手段と本体ハウジングの３つの部分からなり、給水筒には給排水管と接続する水の流入口と流出口があり、その筒体のほぼ中央に更に本体ハウジングと接続するための接続口がある。また、本体ハウジングは、内部に浸水しないように完全に周囲を防水構造に形成され、その頂部の中心に回転体の回転軸と、その周囲を電磁コイルが周回して配置され、前記回転軸に回転体が支持された状態で、両者は接続口から回転体が給水筒内に挿入されて接続リングにより固定されて合体する。これにより、給水筒内の回転体は水流により自由に回転される。
かかる発明によれば、給水筒と本体ハウジングが完全に分離されて、しかも回転体の機械的な損失が最小限になる構成のため、発電効率が高く、しかも防水効果と信頼性の高い発電機を構成することができる。
【０００５】
請求項２は、給排水管に接続された給水筒入口の水流の圧力を回転力に変換して発電する給排水発電機であって、水の流入口と流出口を有する給水筒と、該給水筒内に配置され該給水筒内の水流により回転する回転手段と、前記回転手段を支持する回転軸、前記回転手段が回転することにより電流を発生する複数の発電コイル、及び前記発電コイルにより発生した電圧を整流して蓄電器に充電する充電制御部を有する本体ハウジングと、前記回転手段の回転力に負荷を与えるブレーキ手段と、を備え、前記給水筒は、前記回転手段を内部に配置するための接続口を更に備え、該接続口により前記本体ハウジングと合体する構成を備えたことを特徴とする。
１次側とは水の流入側を指し、２次側とは水の流出側を指す。請求項１の発電機は、給排水管と減圧弁の中間に位置し、必ず１系統の給排水管には１つの減圧弁が存在し、所定の圧力に減圧されて水が供給される。しかし、実際には発電機により殆どのエネルギーが回収され、減圧弁では僅かの圧力が減圧される。請求項２ではこの原理を更に積極的に利用するために、発電機に更に回転体に負荷を与える機構を加え、発電機の１次側の圧力が変化した場合でも、発電機の２次側の圧力を一定圧力に減圧するために、１次側の圧力変化量により変化する流量変化（回転数の変化）を検出して、それにより発生する発電コイルの電圧に応じてブレーキ手段により回転体にブレーキをかけて減速するものである。
かかる発明によれば、ブレーキ手段により、発電機から流出する流量を制御することにより発電機の２次側の圧力が調整できるので、それにより減圧弁が不必要となるので、装置コストを安くすることができる。
【０００６】
請求項３は、前記回転手段は、回転体の周囲に複数の羽根を備え、且つ該羽根車内部に永久磁石が前記給水筒内の水流と接しない構成で配置されていることを特徴とする。
回転体には磁界を構成する永久磁石が備えられている。その永久磁石から放射される磁束がコイル内を通過する時にコイルに電圧が発生する。この磁界を回転体により回転させることによりコイルには連続的に電圧が発生する。従って、この回転体内に永久磁石を配置することにより、永久磁石が水と接触することを防ぐと共に、羽根を形成することができる。
かかる発明によれば、羽根内部に永久磁石を配置するので、少ない場所に有効に部品を配置でき、単純な構成で発電機を実現することができる。
請求項４は、前記本体ハウジングは、前記羽根車と前記発電コイルを磁気的結合が可能な距離に非接触状態で配置し、且つ前記給水筒内の水が前記本体ハウジング内に浸水しない構成を備えていることを特徴とする。
給水筒と本体ハウジングは、水を介して羽根車から放射される磁界により発電コイルと結合されている。この結合度は可能な限り両者の距離が近いほど強くなる。しかし、接触しないように機械的な精度の誤差を見込んで決定される。この状態で羽根が給水筒内に配置されるため、両者を結合した時に漏水を防ぎつつ、本体ハウジング内には浸水しない構成にしなければならない。
かかる発明によれば、羽根車と発電コイルの磁気的結合が可能で、しかも非接触に配置され、さらに、本体ハウジングが防水構造になっているので、回転体の構成が簡単で回転をスムーズに行うことができる。
請求項５は、前記ブレーキ手段は、外部から供給する電流により磁界を発生する電磁石により構成され、該電磁石と前記羽根車を磁気的結合が可能な距離に非接触状態で配置し、且つ前記給水筒内の水が浸水しない構成にしたことを特徴とする。
ブレーキ手段と羽根は水を介して電磁石の磁界と永久磁石の磁界により結合されている。永久磁石からは一定の磁界が放射され、その磁界に対して反発する力は外部からの極性が同じ磁界である。その磁界の極性、強さを任意に作り出すのは電磁石が最適である。電磁石の起磁力はコイルに流す電流とコイルの巻き数の積で決定される。コイルの巻き数が一定であれば、電流の大きさで一義的に決定される。
かかる発明によれば、ブレーキ手段が電磁石により構成され、しかもその電磁石と羽根車が磁気的可能な距離に配置され、さらに、電磁石が防水構造になっているので、回転体のブレーキ力を外部から任意に制御でき、しかも、回転体の構成が簡単なのでブレーキ制御のエネルギー損失を最小限にすることができる。
【０００７】
請求項６は、前記ブレーキ手段は、前記発電コイルにより発生した電圧に基づいて前記電磁石に流す電流を制御することにより、前記回転手段に与える負荷を制御することを特徴とする。
発電コイルに発生する起電圧は、回転体の回転数に比例する。従って、起電圧が大きい場合は、発電機の１次側の圧力が高いことを意味し、回転体の負荷を減らして流量を増加することにより減圧することができる。ここで、回転体の負荷を減らすには、電磁石の電流を減らすことが有効である。逆に、発電コイルに発生する起電圧が小さい場合は、発電機の１次側の圧力が低いことを意味し、回転体の負荷を増加して流量を減少することにより圧力を高めることができる。
かかる発明によれば、発電コイルにより発生する起電圧を監視することにより容易に回転手段の負荷を制御することができるので、簡単な回路で確実に回転体の負荷を任意に制御することができる。
請求項７は、前記ブレーキ手段は、前記給水筒内の水流が停止した場合、前記電磁石に流す電流を制御することにより、前記回転手段を逆回転することを特徴とする。
給水筒内の水が停止した場合、流入口と流出口の圧力は同じになる。従って、そのとき水栓には流入口の高い圧力がかかる。これを防ぐために、従来は減圧弁が必要であった。本発明では、この減圧弁を不要とするために、水流が停止した場合、電磁石に回転手段が逆回転する磁界を与えて流出口の圧力を減ずるものである。
かかる発明によれば、電磁石により回転手段を逆回転するので、給水筒内の流出口の圧力が減少し、減圧弁を不要とすることができる。
請求項８は、前記ブレーキ手段の電磁石に供給する電力は、前記蓄電器に蓄電された電力により供給されることを特徴とする。
本発明の主たる目的は、エネルギーを有効活用するところにある。従って、ブレーキ手段の電磁石に供給する電力は、蓄電器に蓄電された電力を使用することが好ましい。
かかる発明によれば、ブレーキ手段の電磁石に供給する電力は、蓄電器に蓄電された電力を使用するので、外部から別の電力を供給する必要がなく、閉じられたシステム内で実現することができる。
【０００８】
請求項９は、給排水管に接続された給水筒入口の水流の圧力を回転力に変換して発電する発電機と、流入する水の圧力を減圧して流出する減圧手段と、前記発電機により発電された電力を蓄電する蓄電手段と、該蓄電手段により蓄電された電力を複数の負荷に分配する分配手段と、前記複数の負荷が消費する電力量を積算する積算手段と、を備え、前記発電機により発電された電力を一旦前記蓄電手段に蓄電後、前記各負荷が使用した各々の電力量に基づいて個別に課金することを特徴とする。
発電機により発電された電力は一旦蓄電器に蓄電される。そして、蓄電器に蓄電された電力は必要な電圧に変換されて複数の負荷に分配される。このとき、各負荷には使用した電力量に基づいて電力を積算する積算手段が設けられ、この積算結果に基づいて課金される。
かかる発明によれば、発電された電力が有効に使用されると共に、使用量に応じて課金するので無駄な電力の消費を極力抑えることができる。
請求項１０は、前記発電機を、前記減圧手段の取水口である一次側に設置することを特徴とする。
発電機に流入する圧力は可能な限り高いほうが好ましい。その理由は、発電機の発電量は発電機に利用可能な圧力の大きさによって決められているからである。もし、発電機を減圧手段の２次側に設置した場合、減圧された圧力で回転させなければならず、発電機の発電量は非常に小さくなってしまう。
かかる発明によれば、発電機を減圧手段の１次側に設置するので、発電機にかかる水圧が高く設定でき、それにより発電効率を高くすることができ、より大きな発電電力を発生することができる。
【０００９】
請求項１１は、前記発電機は、１系統の給水管に少なくとも１つ以上設置され、各系統の発電機からの発電量を合成して前記蓄電手段に蓄電することを特徴とする。
給水管の系統は、例えば、高層ビルの場合、各階に１系統の給水管を設置してその系統ごとに１つの発電機を設置する。そのとき、各階の水道の使用量と使用時間はランダムであり、それにより発電量も各階異なる。そのため、各階からの発電機の発電電力を一旦一つの蓄電手段にまとめて蓄電しておく。
かかる発明によれば、各系統からの電力を、一旦同じ蓄電手段に蓄電するので、発電量と発電時間が異なる電力を平準化して一定の電力として使用することができる。
請求項１２は、請求項１乃至８の何れか一項に記載の給排水発電機を使用したことを特徴とする。
本発明の給水発電システムに使用する発電機は、給水管に直接接続する構成であり、配水のエネルギーを最大限に有効活用するためエネルギーの無駄が無く、発電効率を高めることができる。また、減圧手段を兼ねた発電機は、設備が簡略化して減圧量もその設備に合わせて任意に設定することができる。
かかる発明によれば、本発明の発電機を使用することにより、高い発電効率と、設備の簡略化及び使用範囲の拡大を実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る給排水発電機の外観斜視図である。この給排水発電機１００は、水の流入口、流出口及び後述する本体ハウジング１０を接続する接続口１５を有する給水筒１と、この給水筒１の接続口１５に回転自在に備えられて本体ハウジングを接続固定する接続リング２と、給水筒１からの漏水を防止するために所要箇所に配置されるシールリング３と、給水筒１内の水流の力を回転力に変換するために回転自在に支持された円筒状の水車４と、水車４が回転することにより起電圧を発生する起電圧発生手段を備えた本体ハウジング１０から構成される。円筒形状の水車４の外周には所定の周方向ピッチで設けられた複数の羽根５が所定の角度で突設され、水車４の中心に水車の中心軸６が設けられている。また、本体ハウジング１０の上部中心には、水車の中心軸６を支持する固定軸７が突設されており、固定軸７の外径側には同心円状に発電コイル８が配置されている。また、固定軸７や発電コイル８を支持した部分よりも下側の本体ハウジング１０の外周には、接続リング２と嵌合するネジ部９が形成されている。
【００１１】
図２（ａ）は、図１の給排水発電機１００の給水筒１と本体ハウジング１０を接続リング２により接続した側断面図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図２（ａ）を用いて本発明の給排水発電機１００の動作について説明する。給水筒１は、接続口１５から、本体ハウジング１０に実装された水車４を嵌合された後、接続リング２を本体ハウジング１０のネジ部９と螺合させ、更にシールリング３により給水筒１内の水が漏水しないようにシールして固定される。つまり、接続リング２を回転して給水筒１をシールリング３に強く押し当てることにより、シールリング３が持つ弾力性により給水筒１と本体ハウジング１０との接続部からの漏水を防止している。本体ハウジング１０の頂部にある固定軸７に水車４の水車中心軸６が嵌合し、図示しないベアリング等により水車４の回転をスムーズにする手段が講じられている。水車４の周回には羽根５が形成され、その内部に永久磁石５ａが内装されている。また、個々の羽車５の適所に永久磁石を配置する代わりに、図２（ｂ）のように、羽根５の下に円盤状の形態で永久磁石５ｂを設ける構成でも構わない。
いずれにしても、永久磁石５ａが直下に位置する発電コイル８に対して非接触の状態で対向するように両者の位置関係が設定される。また、羽根５と発電コイル８との間隔は、磁気結合が可能な距離で配置される。そして、発電コイル８は樹脂等で形成された防水カバー８ａにより防水されている。当然この防水カバー８ａは本体ハウジング１０と一体で構成されているのが好ましい。また、本体ハウジング１０内には発電コイル８により発生した起電圧を整流して図示しないコネクタにより外部に出力する充電コントローラ１１が内蔵されている。尚、この充電コントローラ１１は外部に設置されても構わない。そのときは、発電コイル８からの起電圧はコネクタにより外部に取り出される。
このように構成された給排水発電機１００は、水の流入方向１３、流出方向１４により水車４が所定の方向に回転し、羽根５内に配置された永久磁石５ａから放射された磁束が発電コイル８を通過するたびに起電圧を発生する。その電圧は回転速度に比例して大きくなり、充電コントローラ１１により整流されて、外部に取り出される。尚、図示を省略するが、流入方向１３にノズル形状の流入手段により水圧を高めて羽根５にその水流を当てる構成でも構わない。
【００１２】
図３は、本実施形態の実際の設置状態を模式的に表した図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。給排水発電機１００の水車４は水流に対して減圧弁２３と直列に配列され、減圧弁２３の１次側に配置される。ここで、減圧弁２３の動作原理について図８、図９を参照して簡単に説明する。図８は、公知の減圧弁の概略構成図である。減圧弁７０は、調節バネ６１のバネ力を調節する調節ネジ６０と、弁体を一定圧力で押圧する調節バネ６１と、水圧により弁体を上下に移動させるダイアフラム６２と、弁棒６３と、流量を調節する弁体６４から構成されている。水が符号６５の方向（１次側）から流入すると、その圧力に応じてダイアフラム６２が移動する。それにより弁棒６３に固定された弁体６４が上下に移動して符号６６の方向（２次側）に水が流出する。これにより、２次側の圧力は所定の圧力に減圧されて流出する。つまり、１次側の圧力が強いとダイアフラム６２は強く上方向に押し上げられ、弁体６４を大きく開く。その結果、１次側からの流量が増加して２次側の圧力が低下する。逆に、１次側の圧力が低いとダイアフラム６２は調節バネ６１により下方向に押され、弁体６４を閉じるように働く。その結果、２次側の圧力が高くなる。この原理は、我々が日常的に経験していることである。つまり、ホースの口をつぼめるとそこから出る水の圧力は高まり遠くまで飛ぶが、流量は少なくなる、という現象と同じである。図９（ｂ）から明らかなように、１次側の圧力が一定の場合、流量が多くなれば２次側の圧力が低下する。１次側の圧力が低いほどその減少は顕著に表れる。この原理により、図９（ａ）のように減圧弁により１次側の圧力（Ｐ１）が所定の範囲で変化しても、２次側の圧力（Ｐ２）は特性値７１のように、ほぼ一定に保つことができる。
このように、減圧弁２３の１次側に設置された発電機の水車４は１次側の圧力で回転し、発電コイル８により起電圧を発生する。そして、その起電圧は充電コントローラ１１で整流されて蓄電装置２２に効率よく蓄えられる。尚、充電コントローラ１１を駆動する電力は充電装置２２から供給され、充電コントローラ１１の消費電力は極力少なくなるように構成される。
【００１３】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る給排水発電機の側断面図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図４の実施形態が図２（ａ）と異なる点は、羽根５の直上に位置する給水筒１側に電磁石１２を配置すると共に、羽根５の上部に永久磁石５ｃを追加し、更に水圧検出部２４を追加した点である。そして、互いに非接触である羽根５と電磁石１２の間隔は、磁気結合が可能な距離に設定される。また、給水筒１内の流路に突出する電磁石１２の部分は樹脂等で形成された防水カバー１２ａにより防水されている。ここで、水車４が回転すると発電コイル８により発電するプロセスについては第１の実施形態（図２（ａ））と同じであるが、本実施形態は、水車４が回転中に電磁石１２に電流を流すことにより、永久磁石５ｃと反発して水車にブレーキをかける点が特徴である。電磁石１２のコイルの巻き数は一定であるので、電流値に比例して起磁力の強さを任意に制御することができる。尚、図示を省略するが、図２（ａ）と同様に、流入方向１３にノズル形状の流入手段により水の衝撃速度を高めて羽根５にその水流を当てる構成でも構わない。
ここで、給水筒内の水が停止した場合、流入口と流出口の圧力は同じになる。従って、そのとき水栓には流入口の高い圧力がかかる。これを防ぐために、従来は減圧弁が必要であった。本発明では、この減圧弁を不要とするために、水流が停止した場合、電磁石１２に水車４が逆回転する磁界を与えて流出口の圧力を減ずるものである。これにより、電磁石１２により水車４が逆回転するので、その逆回転のエネルギーにより給水筒１内の流出口の圧力が減少し、減圧弁を不要とすることができる。
【００１４】
図５は、本実施形態に係るブレーキ付き給排水発電機の実際の設置状態を模式的に表した図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されている。この実施形態では図３の減圧弁２３の代わりに電磁石１２と永久磁石５ｃを備え、水車４を配置した流路を流れる水流の２次側の圧力を減圧して減圧弁を削除することを可能とした給排水発電機を実現するものである。この発電機１１０においては、給水筒１内に水が流れると、水車４が回転して発電コイル８により起電圧を発生する。その電圧は充電コントローラ１１により整流されて蓄電装置２２に蓄電されると共に、水圧検出部２４により発電コイル８の電圧から水圧に換算して、その水圧に対する減圧量から電磁石１２の起磁力を算出して、電磁石１２の電流値を決定する。電磁石１２に電流が流れるとその電流値に応じて水車４の永久磁石５ｃに反発力が生じ、減圧弁の弁体を閉じるように働く。それにより、水車４の回転方向と反対側にモーメントを働かせてブレーキの作用を発生するものである。
例えば、図５において１次側の圧力が強いと水車４は高速に回転し、発電コイル８から高い起電圧が発生される。その結果水圧検出部２４は水圧が高いと判断し、その水圧値を算出してそれに応じた起磁力を算出し、その値から電磁石１２に流す電流を減らし水車４のブレーキ力を弱める。これにより、水車４の負荷が軽くなり、１次側からの流量を増加して図８の弁体６４を大きく開いた状態と同じようにして、２次側の圧力を低下させる。逆に、１次側の圧力が低いと水車４は低速に回転し、発電コイル８から低い起電圧が発生される。その結果水圧検出部２４は水圧が低いと判断し、その水圧値を算出してそれに応じた起磁力を算出し、その値から電磁石１２に流す電流を増加し水車４のブレーキ力を強める。これにより、水車４の負荷が重くなり、１次側からの流量を減少して図８の弁体６４を閉じる状態と同じようにして、２次側の圧力を高める。この作用が連続的に行われ、結果的に発電機から流出する水の圧力はほぼ一定値に減圧される。
尚、充電コントローラ１１、水圧検出部２４、及び電磁石１２を駆動する電力は充電装置２２から供給され、充電コントローラ１１、水圧検出部２４、及び電磁石１２の消費電力は極力少なくなるように構成される。
【００１５】
図６は、本発明の給排水発電機を使用した１系統の給水管の様子を模式的に表した図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。この例では、図示しない給水管内の水流３０が給排水発電機１００の水車４を回転して電力を発電する。給排水発電機１００から流出する水は、減圧弁２３により減圧されて図示しない水栓から流出する。また、給排水発電機１００により発電された電力は蓄電装置２２により蓄電される。蓄電方法は各種有り、例えば、２次電池あるいはコンデンサにより蓄電しても良く、方法は問わない。そして、蓄電された電力は、複数の負荷Ａ３１、負荷Ｂ３２、負荷Ｎ３３に分配される。この負荷の数は、給排水発電機１００の発電能力と蓄電装置２２の容量により決定される。尚、ここでは給排水発電機１００の２次側に減圧弁２３を設置した構成について説明したが、図４のブレーキ付きの給排水発電機１１０を使用して、減圧弁２３を削除しても構わない。
次に、図６の系統による発電システムを説明する前に、図１０を参照して一般的な給水システムについて若干の説明をしておく。建設設備の給水システムは図１０（ａ）のようにポンプにより加圧するポンプ圧送方式と、（ｂ）のように高所に設置したタンクから水を自由落下させる重力給水方式がある。（ａ）のポンプ圧送方式は、補給管７５からタンク７６に一旦水を貯水し、その水をバルブ７７を介してポンプ７８により加圧して給水本管７９により各階に給水する。そして、各階の水栓８０〜８２により取水する。また、（ｂ）の重力給水方式は、補給管８５から高所にあるタンク８６に一旦水を貯水し、その水をバルブ８７を介して自由落下により給水本管９１により各階に給水する。そして、各階の水栓８８〜９０により取水する。このとき、各階に備えられた給水機器、配管、継手、弁等の動水抵抗を考慮して、通常各階の１次側における圧力設定は、１〜１．５ｋｇ／ｃｍ２（高さに換算して１０〜１５ｍ）とし、減圧弁を使用して行う。従って、（ａ）のポンプ圧送方式のポンプ７８に近い水栓８２や（ｂ）の重力給水方式のタンク８６から遠い水栓９０では減圧弁によって大きく減圧する必要がある。
ここで、水栓の必要最低圧力は空気調和衛生工学会資料によると、（単位：ｋｇ／ｃｍ２）洗浄弁０．７、一般水栓０．３、自在水栓０．７、シャワー０．７、湯沸器０．３〜０．５となっている。例えば、１８階建て給水システムの場合で、水栓の必要最低圧力０．７ｋｇ／ｃｍ２に配管、弁類、機器等の動水抵抗分の安全率を約５０％とすると、最大静圧は、１階あたりの高さ３．３ｍ×１８階÷６０ｍ÷６ｋｇ／ｃｍ２となり、分岐給水管系の必要最低圧力は、０．７×１．５＝１．０５ｋｇ／ｃｍ２である。
【００１６】
図７は、本発明の実施形態に係る給水発電システムのブロック図である。本実施形態ではポンプ圧送方式を使用した場合について説明する。この給水発電システムは、補給管５８から補給水３５を一旦タンク３６に貯水し、貯水された水をバルブ３７を介してポンプ３８により加圧する。加圧された水は給水本管５７により各階の給水支管に給水される。図では上方を最上階とする。各給水支管の入口にはバルブ３９ａ〜３９ｎが設けられている。例えば、最上階はバルブ３９ａを介して発電機Ａ４１を通り、減圧弁Ａ４５により減圧されて水栓５０ａにより取水される。その下の階は、バルブ３９ｂを介して発電機Ｂ４２を通り、減圧弁Ｂ４６により減圧されて水栓５０ｂにより取水される。同様にして一番下の階は、バルブ３９ｎを介して発電機Ｎ４３を通り、減圧弁Ｎ４７により減圧されて水栓５０ｎにより取水される。そして、各階の発電機から発電された電力は、各階の合成器４０により各階からの電力が合成されて、蓄電装置４４により蓄電される。各階からは発電される電力量とその発電時間が異なる。例えば、最上階で働いている人が多ければ、それだけ水栓の使用量も多く、それに比例して発電量も多くなる。逆に、一番下の階で働く人が少なければ、必然的に発電量も少なくなる。このように、蓄電装置４４に蓄電される電力は、時間的にも発電量的にも変則的に発生するため、一旦これらの電力を蓄電する蓄電装置は必須の装置である。そして、蓄えられた電力は分配コントローラ４８により負荷５３〜５６に分配され、同時に各負荷単位に使用量を積算する積算装置４８により積算されて、課金される。
ここで、本発明の給水発電システムの発電電力量について、例に基づいて見積もると、例えば、１８階の建物の１階の減圧弁で減圧される圧力差、約５ｋｇ／ｃｍ２を本発明の発電システムにより回収する場合、水流量が３０ｌ／ｍｉｎとすると、水車の有効落差：Ｈ＝５０ｍ、水車の水流量：Ｑ＝０．５×１０−３ｍ３／ｓ、水の密度：ρ＝１０３ｋｇ／ｍ３、重力加速度：ｇ＝１０Ｎ／ｋｇ、発電システムの総効率：η＝５０％の場合、
発電電力量：Ｐ＝ρ・ｇ・Ｑ・Ｈ・η＝１２５Ｗ
となる。従って、この見積もり量に基づいて負荷の大きさと数を決定する必要がある。尚、本実施形態ではポンプ圧送方式を使用した場合について説明したが、重力給水方式でも構わない。また、各系統に減圧弁を使用した例について説明したが、本発明のブレーキつきの発電機を使用して減圧弁を省略したシステムとして構成しても構わない。
【００１７】
【発明の効果】
以上記載のごとく請求項１の発明によれば、給水筒と本体ハウジングが完全に分離されて、しかも回転体の機械的な損失が最小限になるように構成されているため、発電効率が高く、しかも防水効果と信頼性の高い発電機を構成することができる。
また請求項２では、ブレーキ手段により、水車にブレーキをかけて回転力を弱め、発電機から流出する流量を制御することにより、発電機の２次側の圧力が減圧され、その結果、減圧弁が不必要となるので装置コストを安くすることができる。
また請求項３では、羽根車内に永久磁石を配置するので、少ない場所に有効に部品を配置でき、且つ永久磁石を防水することができ、単純な構成で発電機を実現することができる。
また請求項４では、羽根車と発電コイルの磁気的結合が可能で、しかも非接触に配置され、さらに、本体ハウジングが防水構造にすることにより、回転体の構成が簡単になり回転をスムーズに行うことができる。
また請求項５では、ブレーキ手段が電磁石により構成され、しかもその電磁石と羽根車が磁気的結合が可能な距離に配置されるので、回転体のブレーキ力を外部から容易な方法で任意に制御でき、しかも、回転体の構成が簡単なのでブレーキ制御のエネルギーを最小限にすることができる。
また請求項６では、発電コイルにより発生する起電圧を監視することにより容易に回転手段の負荷を制御することができるので、簡単な回路で確実に回転体の負荷を任意に制御することができる。
【００１８】
また請求項７では、電磁石により回転手段を逆回転するので、給水筒内の流出口の圧力が減少し、減圧弁を不要とすることができる。
また請求項８では、ブレーキ手段の電磁石に供給する電力は、蓄電器に蓄電された電力を使用するので、外部から別の電力を供給する必要がなく、閉じられたシステム内で実現することができる。
また請求項９では、発電された電力が有効に使用されると共に、使用量に応じて課金するので無駄な電力の消費を極力抑えることができる。
また請求項１０では、発電機を減圧手段の１次側に設置するので、発電機にかかる水圧が高く設定でき、それにより発電効率を高くすることができ、より大きな発電電力を発生することができる。
また請求項１１では、各系統からの電力を、一旦同じ蓄電手段に蓄電するので、発電量と発電時間が異なる電力を平準化して一定の電力として使用することができる。
また請求項１２では、本発明の発電機を使用することにより、高い発電効率と、設備の簡略化及び使用範囲の拡大を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る給排水発電機の外観斜視図である。
【図２】本発明の図１の給排水発電機の給水筒と本体ハウジングを接続リングにより接続した側断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の実際の設置状態を模式的に表した図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る給排水発電機の側断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の実際の設置状態を模式的に表した図である。
【図６】本発明の給排水発電機を使用した１系統の給水管の様子を模式的に表した図である。
【図７】本発明の実施形態に係る給水発電システムのブロック図である。
【図８】公知の減圧弁の概略構成図である。
【図９】減圧弁の動作を説明するための減圧弁の特性図である。
【図１０】一般的な給水システムの構成図である。
【符号の説明】
１　給水筒、２　接続リング、３　シールリング、４　水車、５　羽根、８発電コイル、１１　充電コントローラ、１２　電磁石、５ａ、５ｃ　永久磁石
【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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【図１０】
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