(57)【要約】【課題】  永久磁石３そのものの磁力を弱める事なく、少ない流量でも比較的速やかに回転し、期待どおりの発電量を発電することが可能な発電装置１００を提供することを目的とする。【解決手段】  水が流れていない状態では、ステータコイル４と永久磁石３との距離を長くすることで両者の磁気的結合を弱め、単位時間当たり所定の水量が流れた場合は、その水圧に応じてステータコイル４と永久磁石３との距離を短くする事で両者の磁気的結合を強めることが可能な弾性体を、水車２の給水源Ａ側、もしくは吐水口Ｂ側に配設する。【選択図】  図４
2005273575.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給水源（Ａ）から吐水口（Ｂ）にかけての水路（１）に設けられ、前記水路（１）の流水により水車（２）を回転させて発電する発電手段であって、
前記発電手段は、前記水車（２）と、前記水車（２）に固設される永久磁石（３）と、前記永久磁石（３）の回転により起電力を発生するステータコイル（４）とから構成され、
前記水車（２）の給水源（Ａ）側、または吐水口（Ｂ）側に配置され、前記水車（２）の回転軸（２ｂ）を回転可能に支持すると共に、前記回転軸（２ｂ）を前記回転軸（２ｂ）の軸方向に往復動可能に支持し、かつ流水を流通可能に構成される第一、第二のガイド（１ａ、１ｂ）と、
前記第一のガイド（１ａ）と前記水車（２）との間、または前記第二のガイド（１ｂ）と前記水車（２）との間に配置され、前記水車（２）が前記ステータコイル（４）と離れるように、所定の軸方向に移動させて、前記水車（２）に固設される前記永久磁石（３）と前記ステータコイル（４）との磁気的結合関係を弱めるとともに、
前記水路（１）中の流水の圧力に応じて、前記水車（２）と前記ステータコイルとを近づけるように、前記水車（２）を所定の軸方向に移動させ、前記水車（２）に固設される前記永久磁石（３）と、前記ステータコイル（４）との磁気的結合関係を強めるように伸縮する弾性体（５または６）を設けたことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記弾性体（５）は、圧縮バネ（５）である事を特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記弾性体（６）は、伸張バネ（６）である事を特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
前記永久磁石（３）は、前記水車（２）の外周に設けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発電装置。
【請求項５】
前記弾性体（５または６）の両端部（５ａ、５ｂまたは６ａ、６ｂ）は前記第一のガイド（１ａ）、または前記第二のガイド（１ｂ）と、前記水車（２）と滑動可能に当接することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水道水などの水流により水車を回転して発電する発電装置に関するものであり、特に、軸流式の水車を用いた発電装置の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の発電装置では、特許文献１にも記されているように、フランシス型の水車を用いた発電手段を備えた装置が知られている。
【０００３】
このフランシス型水車は、円盤状の背板に回転軸を貫通させて、その背板の下面に放射状に複数枚の羽根を持つ羽根部品が設けられ、この羽根部品に永久磁石を固設させたものであって、水路を流れる水流が水車の外周方向から回転軸に直行するように水路中に配設されている。
【０００４】
そして、水路に水流が起こると、この水流が羽根部品にあたり水車が回転する。水車の回転に伴い永久磁石も回転することにより永久磁石から磁束の流れが変化し、この変化を妨げる方向にステータコイルに電流が流れ発電が行われる。
【特許文献１】特願２００３−１１０３１５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、周知の通り、永久磁石とステータコイル間では、磁力により互いを引き合う吸引力が発生するため、給水源から吐水口への水流の流量が、この吸引力よりも小さい水車の回転トルクしか生じない流量だった場合は、永久磁石とステータコイルとの間の磁力による吸引力によって回転が阻止、または減殺されてしまう可能性がある。
【０００６】
このような状況に陥らないように、少ない流量でも水車がすぐに回転できるように、永久磁石の磁力を弱めてしまうと、今度は期待する発電量が得られないという可能性が発生する。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑み、永久磁石の磁力を弱める事なく、少ない流量でも比較的速やかに回転し、期待どおりの発電量を発電することが可能な発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００９】
請求項１に記載の発電装置は、給水源（Ａ）から吐水口（Ｂ）にかけての水路（１）に設けられ、水路（１）の流水により水車（２）を回転させて発電する発電手段であって、
発電手段は、水車（２）と、水車（２）に固設される永久磁石（３）と、永久磁石（３）の回転により起電力を発生するステータコイル（４）とから構成され、
水車（２）の給水源（Ａ）側、または吐水口（Ｂ）側に配置され、水車（２）の回転軸（２ｂ）を回転可能に支持すると共に、回転軸（２ｂ）を回転軸（２ｂ）の軸方向に往復動可能に支持し、かつ流水を流通可能に構成される第一、第二のガイド（１ａ、１ｂ）と、
第一のガイド（１ａ）と水車（２）との間、または第二のガイド（１ｂ）と水車（２）との間に配置され、水車（２）がステータコイル（４）と離れるように、所定の軸方向に移動させて、水車（２）に固設される永久磁石（３）とステータコイル（４）との磁気的結合関係を弱めるとともに、
水路（１）中の流水の圧力に応じて、水車（２）とステータコイルとを近づけるように、水車（２）を所定の軸方向に移動させ、水車（２）に固設される永久磁石（３）と、ステータコイル（４）との磁気的結合関係を強めるように伸縮する弾性体（５または６）を設けたことを特徴とする。
【００１０】
この発明により、弾性体によって、通常時（水流がない場合）は、水車がステータコイルから離れるように軸方向に移動しているので、ステータコイルと永久磁石との磁気的結合関係は弱くなる。
【００１１】
この為、給水源Ａから吐出口Ｂへの流水開始直後、つまり、水流が弱い場合でも永久磁石とステータコイルとの間に働く磁力による吸引力は小さいので、水車は永久磁石とステータコイルとの引き合う力によって回転を阻止、または減殺されると言う事が起こりにくくなる（つまり回転し易くなる）。
【００１２】
しかし、水流が増量してくると、水車にかかる水圧も徐々に大きくなる。この大きくなった水圧に応じて弾性体は水圧の上昇に比例して水車とステータコイルとを近づけるように軸方向に移動する。
【００１３】
水車がステータコイルと近づくように軸方向に移動すると、期待値に近い発電量を見込む事が可能となる。つまり、永久磁石の磁力を弱める事なく、少ない流量でも比較的速やかに水車を回転させ、かつ、期待値に近い発電量を得る事が可能となる。
【００１４】
請求項２に記載の発電装置における弾性体（５）は、圧縮バネ（５）である事を特徴とする。
【００１５】
この発明により、弾性体５を安価に構成する事が可能となる。
【００１６】
請求項３に記載の発電装置における弾性体（６）は、伸張バネ（６）である事を特徴とする。
【００１７】
この発明により、請求項２に記載の発明の効果と同等の効果を得ることが可能となる。
【００１８】
請求項４に記載の発電装置における永久磁石（３）は、水車（２）の外周に設けられることを特徴とする。
【００１９】
この発明により、永久磁石（３）とステータコイル（４）との距離が短くなるので、水車（２）が回転した際、高い効率性で発電することが可能となる。
【００２０】
請求項５に記載の発電装置における弾性体（５または６）の両端部（５ａ、５ｂまたは６ａ、６ｂ）は第一のガイド（１ａ）または第二のガイド（１ｂ）と、水車（２）と滑動可能に当接することを特徴とする。
【００２１】
この発明により、水車が回転する際における水車と弾性体との摩擦抵抗を小さくできるので、水車の回転効率を上昇させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図１〜図３を用いて説明する。
【００２３】
（構成）
図１は、発電装置１００の構成図である。この発電装置１００は、給水源Ａから吐水口Ｂに掛けて設けられる水道管１に配設されている。
【００２４】
発電装置１００は、第一のガイド１ａと、第二のガイド１ｂと、水車２と、永久磁石３と、ステータコイル４と、コイルバネ６とからなる。
【００２５】
第一のガイド１ａと第二のガイド１ｂとは同様の形状で、どちらも水道管１内に、水道管１を流通する水流の流れ方向と略直交するように設けられ、第一のガイド１ａは後述する回転軸２ｂの一端部２ｂ１を、第二のガイド１ｂは回転軸２ｂの他端部２ｂ２を、それぞれ支えるガイド部材である。
【００２６】
水流と略直交するように設けられるが、水流の流通を可能な限り妨げないように水流の抵抗となる面積は最小限に構成され、回転軸２ｂを支える為のみに設けられている。
【００２７】
第一のガイド１ａは、後述する水車２の給水源Ａ側に設けられ、第二のガイド１ｂは水車２の吐水口Ｂ側に設けられている。言い換えるなら第一、第二のガイド１ａ、１ｂは後述する水車２を挟み込むように構成されている。上述したように第一のガイド１ａと第二のガイド１ｂとは同等の形状なので、図２に第一のガイド１ａの斜視図を示す。
【００２８】
水車２は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、軸流式の水車であり、ポリアセタール製の水車本体２ａにステンレス鋼製の回転軸２ｂが貫通した状態で固定されている。そして、水車本体２ａには、給水源Ａからの水流を当てるための複数枚（例えば、４枚）の羽根部２ｃが回転軸２ｂの外側に放射状に設けられている。
【００２９】
これにより、給水源Ａからの水流が水車２の軸方向に対して旋回する水量のエネルギーをあて易いように形成されている。
【００３０】
また、水車２には、羽根部２ｃの外側に円周が帯状の外筒部２ｄおよび突起部２ｄ１が形成されている。
【００３１】
そして、この外筒部２ｄおよび突起部２ｄ１の端面に接するように略円筒形状からなる永久磁石３が固設されている。
【００３２】
従って、給水源Ａからの水流が外筒部２ｄおよび永久磁石３の内側を流れるように構成されている。なお、この永久磁石３は水車２の円周方向に対してＮ、Ｓ極が交互に着磁されている。この永久磁石は図１に示すように所定の磁界αを常に放っている。
【００３３】
さらに、図１に示すように、永久磁石３の外周側の水道管１の外装部分には、軟磁性材料よりなるヨーク４ａが水道管１の外装部分に図示しない締結部材にて固定されている。
【００３４】
このヨーク４ａの内部には、ステータコイル４ｂを巻装したコイルボビン４ｃが装着されている。このステータコイル４ｂは図示しない端子を介して外部の図示しない蓄電手段に接続されている。
【００３５】
このように、水車２および永久磁石４は、水道管１内を流れる水が直接あたる位置に配置されている。従って流水時に、給水源Ａから流れる水流を永久磁石４の内周側に流すことで、羽根部２ｃに水流を当てて水車２および永久磁石４を回転させることが可能となる。
【００３６】
コイルバネ６は、上述した第二のガイド１ｂと、水車２との間において、回転軸２ｂが挿通するように配設される伸張バネである。
【００３７】
コイルバネ６の一端部６ａは、水車本体２ａと滑動可能に当接し、他端部６ｂは、第二のガイド１ｂと滑動可能に当接している。
【００３８】
具体的には、コイルバネ６の一端部６ａと水車本体２ａ、ならびにコイルバネ６の他端部６ｂと第二のガイド１ｂとは、両者とも摩擦抵抗が低い部材、例えば樹脂などで構成されているので、水車２が高速回転を始めても水車２とコイルバネ６との間で発生する摩擦による回転運動への抵抗または減殺は起こりにくくなっているように構成されている。
【００３９】
給水源Ａから吐水口Ｂに向かって水が流れていない、すなわち水車２に水圧が掛かっていない時は、第二のガイド１ｂから給水源Ａ方向へ所定の距離Ｃだけ、回転軸２ｂの軸方向に沿って水車２を押し上げている（移動させている）とともに、給水源Ａから吐水口Ｂへ単位時間あたり所定の水量が流れる、すなわち所定の水圧が水車２に掛かると、回転軸２ｂの軸方向に沿って、距離Ｃだけ縮むように構成されている。
【００４０】
この距離Ｃは、コイルバネ６の伸縮度合いと表現しても良い。なぜなら、コイルバネ６が伸びきった状態の時の長さＬ１と、水車２が所定の水圧を受けることでコイルバネ６が縮んだときの長さＬ２との差が距離Ｃだからである。
【００４１】
この距離Ｃは、上述したステータコイル４ｂと永久磁石３との磁気的結合を弱めるのに十分な距離である。ちなみにこのコイルバネ６は請求項で示す伸張バネに相当する。
【００４２】
（作動）
上述した構成の発電装置１００における、永久磁石３の磁力を弱める事なく、少ない流量でも比較的速やかに回転し、期待どおりの発電量を発電することが可能な作動を図４を用いて以下に説明する。
【００４３】
図４（ａ）は、給水源Ａから水が流れ始めた当初の発電装置１００の説明図である。
【００４４】
図４（ｂ）は、給水源Ａから単位時間当たり所定の水量が流れ始めた際の発電装置１００の説明図である。
【００４５】
図４（ａ）に示すように、発電装置１００を構成する水車２は、コイルバネ６の伸張により給水源Ａ方向へ長さＬ１だけ移動している。
【００４６】
その為、水車２に固設されている永久磁石３が放つ磁界αも給水源Ａ方向へ移動している。その結果、ステータコイル４の一部は、磁界αから外れている。言い換えれば、永久磁石３とステータコイル４との磁力による吸引力は、両者の距離が遠くなっている分だけ弱まっている。
【００４７】
この状態だと、給水源Ａから流れる水の水車２に掛かる水圧が弱くても、水車２は小さな抵抗しか受けないので、スムーズに回転を始めることが可能となる。
【００４８】
また、流れ始めた当初なので水車２に掛かる水圧も弱い。つまり、水圧によってコイルバネ６を縮ませることが難しいため、水車２の軸方向の位置はコイルバネ６に長さＬ１だけ給水源Ａ方向へ押し上げられたままの位置となる。
【００４９】
つぎに、図３（ｂ）に示すように、給水源Ａから単位時間当たり所定の水量が流れ始めた、つまり所定の水圧が水車２に掛かった場合は、コイルバネ６の伸張力よりも水車２に掛かる水圧の方が大きい為、コイルバネ６は長さＬ２まで縮む。
【００５０】
コイルバネ６が長さＬ２まで縮む、すなわち水車２が距離Ｃだけ吐水口Ｂ方向へ移動すると、水車２に固設されている永久磁石３が放つ磁界αも吐水口Ｂ方向へ移動する。
【００５１】
磁界αが距離Ｃだけ吐水口Ｂ方向へ移動すると、ステータコイル４が磁界αの中に完全に入る。つまり、永久磁石３とステータコイル４との距離が近くなる。
【００５２】
両者の距離が近くなると、その分、磁力による吸引力は大きくなるが、この時点では既に水車２の回転は慣性力によって相当な回転力にて回転しているので、永久磁石３とステータコイル４との吸引力が増強した程度で、回転が停止、または減殺される可能性は少ない。
【００５３】
磁力による吸引力が強くなったと言うことは、それだけ永久磁石３の磁束の流れの変化が激しくなり、この変化を妨げる方向にステータコイル４に電流が流れる、つまり期待どおりの発電量を発電すると言うことである。
【００５４】
（作用効果）
上述した構成と作動とにより、永久磁石３の磁力を弱める事なく、少ない流量でも比較的速やかに回転し、期待どおりの発電量を発電することが可能な発電装置１００を提供することが可能となる。
【００５５】
なお、本実施形態では、コイルバネ６の伸張時の長さＬ１と短縮時の長さＬ２との差、つまり距離Ｃを、ステータコイル４の一部が磁界αから外れるために必要な距離として説明したが、ステータコイル４の全部が磁界αからはずれる距離の方がよりよい。
【００５６】
また、上述したような発電装置１００を構成する水車２は、単に発電のためのみに回転するだけでなく、流量を計測するための回転も兼ねている場合が多い。
【００５７】
そのため、上述した構成と作動とにより、小さな水圧しかもたらさない、すなわち少ない流量しか流れなかった場合は、水車２は永久磁石３とステータコイル４との吸引力により回転を阻止、もしくは減殺されてしまう可能性を少なくし、小さな水圧しか水車２にもたらさない少ない流量であっても、高い応答性で確実に回転することが可能となる。
【００５８】
また、本実施形態では、水車２と第二のガイド１ｂとの間に伸張バネとしてのコイルバネ６を配設した場合を示したが、同様の作用効果をもたらす別の例として、図５に示すように、第一のガイド１ａと水車２との間に、短縮性をもったひっぱりバネ５を配設し、水車２に掛かる水圧が低いときは、ステータコイル４の一部または全部が磁界αから外れるようにて給水源Ａ側に常にひっぱって水車２を位置させておき、水車２に所定の水圧が掛かった場合は、ひっぱり力が負け、ひっぱりバネ５がステータコイル４の略全部が磁界α内に位置するように伸びるようにしても良い。
【００５９】
また、回転軸２ｂと第二のガイド１ｂとの間に摩擦による磨耗を軽減するための図示しないスラストワッシャ（樹脂製が好ましい）を挿入しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態に係る発電装置１００の概略の構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る第一のガイド１ａの斜視図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施形態に係る水車２および永久磁石３の形状を示す斜視図であり、（ｂ）は、水車２および永久磁石３の構成を示す分解斜視図である。
【図４】（ａ）は、コイルバネ６が長さＬ１の時の発電装置１００の説明図であり、（ｂ）は、コイルバネ６が長さＬ２の時の発電装置１００の説明図である。
【符号の説明】
【００６１】
１      水道管
２      水車
３      永久磁石
４      ステータコイル
５      ひっぱりばね（伸張バネ）
６      コイルバネ（圧縮バネ）
１００  発電装置（発電手段）
Ａ      給水源
Ｂ      吐水口
【図１】
2005273575.tif 000003
【図２】
2005273575.tif 000004
【図３】
2005273575.tif 000005
【図４】
2005273575.tif 000006