(57)【要約】【課題】本発明は、バイパス流路からの流水量を抑制することができる水栓用発電機を提供する。【解決手段】給水流路に対して略平行な回転中心を有し、前記回転中心のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられた動翼羽根部を有する動翼と、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、前記回転中心に対して平行な方向から流れてくる水を、前記動翼羽根部に向けて噴出させるノズルと、を備えたことを特徴とする水栓用発電機が提供される。【選択図】図１
2009024703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給水流路に対して略平行な回転中心を有し、前記回転中心のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられた動翼羽根部を有する動翼と、
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、
前記回転中心に対して平行な方向から流れてくる水を、前記動翼羽根部の主面に向けて噴出させるノズルと、
を備えたことを特徴とする水栓用発電機。
【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】
このような水栓装置には、小型化が容易な軸流式発電機が用いられている。そして、軸流式発電機には、マグネットの径方向の外側にインダクタを介してコイルを配設した「ラジアル配置」の発電機（例えば、特許文献１の図４を参照）と、マグネットの径方向に略直角な方向の端面と対向させるようにしてインダクタを介してコイルを配設した「アキシャル配置」の発電機（例えば、特許文献１の図５を参照）とがあるが、径方向の寸法が小さい発電機を必要とするような用途においては、「ラジアル配置」の発電機よりも「アキシャル配置」の発電機を用いる方が好ましい。
【０００４】
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。このような場合において、旋回流は遠心力を受けて径外方向に拡散しようとするため、バイパス流路への流水量が増加して羽根車効率を低下させる要因となっていた。
【特許文献１】特開２００４−３３６９８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、バイパス流路への流水量を抑制す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】
【０００６】
本発明の一態様によれば、給水流路に対して略平行な回転中心を有し、前記回転中心のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられた動翼羽根部を有する動翼と、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、前記回転中心に対して平行な方向から流れてくる水を、前記動翼羽根部に向けて噴出させるノズルと、を備えた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】
【０００７】
本発明によれば、バイパス流路への流水量を抑制することができる水栓用発電機が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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、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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
尚、図中の矢印は、流水の方向を示している。
【００１２】
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。
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
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。
【００１６】
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。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。
【００１７】
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）の中心軸方向が、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。
【００１８】
筒体１３の内部には、上流側から順に、キャップ１４、動翼１５、軸受１７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。
【００１９】
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ノズル１８についての詳細は後述する。
【００２０】
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部１９が設けられている。周方向に見て隣り合う動翼羽根部１９間の空間は、動翼流路７２として機能する。尚、動翼羽根部１９についての詳細は後述する。
【００２１】
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、この隙間がバイパス流路６０となる。
【００２２】
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、給水流路に対して略平行な回転中心を有し、回転中心のまわりに回転可能に給水流路に設けられた動翼羽根部を有する動翼１５とすればよい。
【００２３】
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。
【００２４】
筒体１３の大径部１３ｂの内部には、動翼羽根部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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。尚、径方向に略直角な方向の端面側にも、わずかではあるが、Ｎ極とＳ極とからの磁束が漏れるが、この量は着磁方法により制御することができる。
【００２８】
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、３１ｂ、３２ａと、これら第１ヨーク３１、第２ヨーク３２、インダクタ３１ａ、３１ｂ、３２ａで囲まれた空間内に配置されるコイル５０とを有する。
【００２９】
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、３１ｂ、３２ａ、第３ヨーク３３によって囲まれている。
【００３０】
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、複数のインダクタ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、インダクタ３１ｂとは、略直角となっている。インダクタ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。インダクタ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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、インダクタ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、インダクタ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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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インダクタ３１ａ、３１ｂ、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。
【００３８】
また、第３ヨーク３３には、例えば、凸状の図示しない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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
次に、旋回流とバイパス流について説明をする。
【００４２】
図６は、比較例に係る発電機の模式断面図である。
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。
【００４３】
図６に示す発電機１００は、本発明者が発明をするに至った過程で検討を加えたものであり、主として、筒体１３、予旋回静翼１１４、動翼１５、マグネットＭ、ステータ９、封止部材５１が備えられている。尚、予旋回静翼１１４の上方に描かれた矢印は、流水の方向を示している。
【００４４】
予旋回静翼１１４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。予旋回静翼１１４の周面には、径外方向に突出した複数の突起状の静翼羽根部１１８が設けられている。静翼羽根部１１８は、予旋回静翼１１４の軸中心に対して右方向にねじれつつ、上流側から下流側に向けて傾斜している。周方向に見て隣り合う静翼羽根部１１８間の空間は、静翼流路１７１として機能する。予旋回静翼１１４は、筒体１３に対して固定され、回転はしない。
【００４５】
予旋回静翼１１４の下流側には、動翼１１５が設けられている。動翼１１５は、円柱状を呈し、径外方向に突出した複数の突起状の動翼羽根部１１９が設けられている。動翼羽根部１１９は、静翼羽根部１１８とは逆に、軸中心に対して左方向にねじれつつ、上流側から下流側に向けて傾斜している。周方向に見て隣り合う動翼羽根部１１９間の空間は、動翼流路１７２として機能する。
筒体１３内に流れ込んだ流水は、予旋回静翼１１４の円錐体表面を流れて径外方向に拡散され、軸中心に対して右方向に旋回するような旋回流となって、静翼羽根部１１８間の静翼流路１７１を流れる。
【００４６】
静翼流路１７１を流れた旋回流は、動翼流路１７２に流入し、動翼羽根部１１９の上側の傾斜面に衝突する。動翼流路１７２に流入する旋回流は、軸中心に対して右方向に旋回した流れなので、動翼羽根部１１９に対して右方向の力が作用し、動翼１１５は右回りに回転する。そして、マグネットＭの内周面より内側の動翼流路１７２を流れた流水は、軸受１７の内側を通過して、筒体１３内部を抜ける。
【００４７】
図７は、図６における動翼部分の模式拡大断面図である。
尚、図１、図６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。
【００４８】
図７に示すように、動翼１１５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１１５を回転可能とするための隙間が設けられ、この隙間がバイパス流路６０ａとなる。
【００４９】
前述したように静翼流路１７１を流れた旋回流６２は、遠心力を受けて外側に拡散しようとする。そして、外側に拡散しようとする旋回流６２の一部は、静翼流路１７１の出口付近において、バイパス流６１としてバイパス流路６０ａに流れ込む。
このバイパス流６１は動翼１１５の回転、すなわち、発電には寄与しないので、バイパス流６１が増えるほど羽根車効率が低下することになる。
ここで、「羽根車効率」は、水力エネルギーを回転エネルギーに変換する際の効率を示すものであり、下記の（１）式で求めることができる。
【数１】
2009024703.tif 000003
ここで、Ｔは回転トルク、Ｎは回転数、ΔＰは水圧、Ｑは流量である。そのため、分子のＴ・Ｎは回転エネルギー、分母のΔＰ・Ｑは水力エネルギーとなる。
【００５０】
本発明者は検討の結果、動翼を回転させる際に、動翼羽根部の径外方向から内側に向かって流れる流れを形成させることができれば外側に拡散しようとする流れの形成を抑制することができるので、バイパス流路６０ａに流れ込むバイパス流６１の流量を抑制することができるとの知見を得た。
【００５１】
図８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９は、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【００５２】
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。
【００５３】
図８、図９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。
【００５４】
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部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。
【００５５】
また、キャップ１４の周面には、空間部１４ｂに連通するノズル１８が３箇所設けられている。ノズル１８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、ノズル１８は、空間部１４ｂに収納された動翼羽根部１９に向けて開口されており、その方向は、動翼羽根部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。
このようなノズル１８によれば、回転中心（中心軸）に対して平行な方向から流れてくる水を、回転中心（中心軸）に対して略垂直な平面内において、動翼羽根部１９の径外方向から動翼羽根部１９の主面に向けて噴出させることができる。
また、ノズル１８から噴出された水の方向は、動翼羽根部１９の外接円の接線方向よりは内側に向くようになる。
【００５６】
また、動翼羽根部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、動翼羽根部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。
【００５７】
図９に示すように、動翼羽根部１９の主面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。動翼羽根部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、動翼羽根部１９の入口側から出口側に向けて動翼羽根部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。
【００５８】
また、動翼羽根部１９の枚数は、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９に例示をしたものでは、動翼羽根部１９の枚数を１１枚、ノズル１８の数を３箇所としている。尚、図９に例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。動翼羽根部１９の枚数をノズル１８の数の整数倍とは異なる値とすれば、各動翼羽根部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。
動翼羽根部１９の出口側先端１９ｂは、動翼羽根部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、動翼羽根部１９の径方向長さを長くすることができるので、動翼羽根部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。
【００５９】
動翼羽根部１９の下流側端面１９ａの位置（図１を参照）は、ノズル１８より下流側となるようにされている。そのため、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部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。
【００６０】
図８に示すように、このようなノズル１８によれば、中心軸２４に対して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（動翼羽根部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。そのため、外側に拡散しようとする流れの形成を抑制することができるので、バイパス流路に流れ込むバイパス流を抑制することができる。
【００６１】
図１０は、バイパス流の抑制を説明するためのグラフ図である。
図１０は、動翼の回転数を２５００ｒｐｍ、流量を１．８リットル／分として、全水量に占めるバイパス流量（バイパス流路への流水量）の割合をシミュレーションにより求めたものである。また、縦軸は全水量に占めるバイパス流量の割合、横軸は動翼が受けるトルクを示している。図中の「▲」は、図６で説明をした比較例に係る発電機１００、「■」は、本実施の形態に係る発電機１を示している。
【００６２】
図１０からわかるように、本実施の形態によれば、全水量に占めるバイパス流量の割合を１／４以下に抑制することができる。
また、比較例に係る発電機１００においては、トルクを上げるために流速を増加させるとバイパス流量の割合が増加してしまうが、本実施の形態に係る発電機１によれば、トルクを上げるために流速を増加させてもバイパス流量の割合をほぼ一定に保つことができる。そのため、種々の用途に応じた様々な使用条件においてもバイパス流量の割合を抑制することができる。尚、比較例に係る発電機１００においては、バイパス流量の割合が１００％を超えている部分があるが、これは予旋回静翼１１４と動翼１１５との間に生じた負圧により、一旦下流側に流れた水が逆流しているためであると考えられる。
【００６３】
図１１は、羽根車効率を説明するためのグラフ図である。
図１１は、動翼の回転数を２５００ｒｐｍ、流量を１．８リットル／分として、羽根車効率をシミュレーションにより求めたものである。また、縦軸は羽根車効率、横軸は動翼が受けるトルクを示している。図中の「▲」は、図６で説明をした比較例に係る発電機１００、「■」は、本実施の形態に係る発電機１を示している。
【００６４】
図１１からわかるように、本実施の形態によれば、羽根車効率を２倍以上に向上させることができる。また、トルクを上げるために流速を増加させても羽根車効率の低下を抑制することができる。そのため、種々の用途に応じた様々な使用条件においても高い羽根車効率を維持することができ、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。
【００６５】
図１２は、トルクと圧損との関係を説明するためのグラフ図である。
図１２は、動翼の回転数を２５００ｒｐｍ、流量を１．８リットル／分として、圧損をシミュレーションにより求めたものである。また、縦軸は動翼が受けるトルク、横軸は圧損を示している。図中の「▲」は、図６で説明をした比較例に係る発電機１００、「■」は、本実施の形態に係る発電機１を示している。
【００６６】
一般的な水栓装置に備えられる発電機においては、発電量を５０ｍＷ（ミリワット）以上とすることが好ましい。このような場合、動翼においては０．６５ｍＮ・ｍ（ミリニュートン・メートル）以上のトルクを得る必要がある。
【００６７】
図１２からわかるように、動翼において０．６５ｍＮ・ｍ（ミリニュートン・メートル）以上のトルクを得るためには、比較例に係る発電機１００においては、１０８ｋＰａ（キロパスカル）以上の圧損とする必要がある。一方、本実施の形態に係る発電機１においては、２５ｋＰａ（キロパスカル）以上の圧損とすれば足りる。そのため、種々の用途に応じた様々な使用条件においても高いトルクを得ることができ、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。
【００６８】
前述したように、水栓装置には種々の用途があり、また、使用環境も様々である。例えば、日本においては水栓装置が取り付けられる水道管の給水圧が５０ｋＰａ（キロパスカル）程度の低水圧である場合もあり得る。このような場合においては、比較例に係る発電機１００では必要なトルクを確保することができない。これに対し、本実施の形態に係る発電機１ではこのような低水圧の環境下においても充分なトルクを確保することができる。
【００６９】
説明の便宜上、マグネットＭの外周面からの磁束をインダクタ３１ａ、３２ａを介してマグネットＭ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設けられたコイル５０に導くようにしているが、コイル、マグネット、インダクタの配置はこれに限定されるわけではない。例えば、マグネットの径外方向にインダクタを介してコイルを配設した「ラジアル配置」の発電機であってもよいし、マグネットの径方向に略直角な方向の端面と対向させるようにしてインダクタを介してコイルを配設した「アキシャル配置」の発電機であってもよい。
【００７０】
図１３は、「アキシャル配置」の発電機を説明するための模式分解図である。
マグネットＭ１の径方向に略直角な方向の端面には、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に着磁されている。
ステータ９０は、いずれも軟磁性体（例えば、圧延鋼）からなる第１ヨーク１３１、第２ヨーク１３２、第３ヨーク１３３と、第１ヨーク１３１、第２ヨーク１３２に連接するインダクタ１３１ａ、１３２ａ、これら第１ヨーク１３１、第２ヨーク１３２、第３ヨーク１３３、インダクタ１３１ａ、１３２ａで囲まれた空間内に配置されるコイル５０ａとを有する。また、第３ヨーク１３３は、第１ヨーク１３１及び第２ヨーク１３２におけるそれぞれのインダクタ１３１ａ、１３２ａが設けられた端部と反対側の端部に結合されている。
【００７１】
コイル５０ａは、マグネットＭ１の径方向に略直角な方向の端面に対向して設けられ、インダクタ１３１ａ、１３２ａは、マグネットＭ１の径方向に略直角な方向に対向する部分を有して互いに離間して配設されている。
【００７２】
本実施の形態においても発電機の径方向寸法の小型化を図ることができる。そして、ノズル１８、動翼羽根部１９などを前述のもののようにすれば、バイパス流路に流れ込むバイパス流を抑制することができる。
【００７３】
説明の便宜上、動翼の回転中心に対して平行な方向から流れてくる水を、動翼の回転中心に対して略垂直な平面内において、動翼羽根部の径外方向から動翼羽根部の主面に向けて噴出させるノズルを説明したが、本発明はこれに限定されるわけではない。 動翼の回転中心に対して平行な方向から流れてくる水を、動翼の回転中心に対して略垂直な平面と所定の角度をもって、動翼羽根部の径外方向から動翼羽根部の主面に向けて噴出させるノズルを備えるものとすることもできる。
【００７４】
図１４は、本発明の他の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
尚、図１で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。
発電機１ａに備えられるキャップ１４ａの周面には、空間部１４ｂに連通するノズル１８ａが３箇所設けられている。ノズル１８ａは、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、ノズル１８ａは、空間部１４ｂに収納された動翼羽根部１９に向けて開口されており、その方向は、動翼羽根部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。また、ノズル１８ａは、動翼の回転中心に対して略垂直な平面と所定の角度をもって、設けられている。
このようなノズル１８ａによれば、回転中心（中心軸）に対して平行な方向から流れてくる水を、動翼の回転中心に対して略垂直な平面と所定の角度をもって、動翼羽根部の径外方向から動翼羽根部の主面に向けて噴出させることができる。図１４に示すものでは斜め上方から動翼羽根部の主面に向けて噴出させるようになっている。
また、この際、、ノズル１８ａから噴出された水の方向は、動翼の回転中心に対して略垂直な平面に投影した場合において、動翼羽根部１９の外接円の接線方向よりは内側に向くようになる。
【００７５】
次に、本発明の実施の形態に係る発電機及び自動水栓装置の作用について説明をする。使用者が、図２、３に表した吐水口６の下に手をかざすと、これをセンサ７が感知して、制御部５７により電磁弁８が開かれる。これにより、発電機１の筒体１３の内部に流水が供給され、筒体１３の内部を流れた水は吐水口６から吐水される。使用者が、吐水口６の下から手を遠ざけると、これをセンサ７が感知して、制御部５７により電磁弁８が閉じられ、自動的に水が止まる。
【００７６】
筒体１３内に流れ込んだ流水は、キャップ１４の円錐体表面を流れて径外方向に拡散される。そして、図８に表したように、中心軸２４に対して平行な方向から流れてくる水流６２ａは、中心軸２４に対して略垂直な平面内において、ノズル１８から動翼羽根部１９に向けて噴出される。
【００７７】
動翼羽根部１９に向けて噴出された水は、動翼羽根部１９の入口側から出口側に向けて
動翼羽根部１９に沿って動翼流路７２内を流れ、流水路１５ｅ、軸受１７の内側を通過し
て、筒体１３内部を抜け、吐水口６へと至る。
【００７８】
一方、動翼羽根部１９に向けて噴出された水の力により動翼１５が回転すると、これに固定されたマグネットＭも回転する。マグネットＭの径外方向の端面（外周面）は、図４に表すようにＮ極とＳ極とが周方向（回転方向）に沿って交互に着磁されているため、マグネットＭが回転すると、マグネットＭの径外方向の端面（外周面）に対向しているインダクタ３１ａ、３２ａ及びこれらに連接する第１、第２ヨーク３１、３２の極性が変化していく。これにより、コイル５０に対する鎖交磁束の向きが変化し、コイル５０に起電力が生じ、発電が行われる。尚、図１３に例示をした場合においても同様にしてコイル５０ａに起電力が生ずる。発電した電力は、充電器５６へと充電された後、例えば、電磁弁８、センサ７、制御部５７の駆動などに使用される。
【００７９】
以上、本発明の実施の形態について説明をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。
【００８０】
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
【００８１】
例えば、発電機１、自動水栓装置３などが備える各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【００８２】
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【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】比較例に係る発電機の模式断面図である。
【図７】図６における動翼部分の模式拡大断面図である。
【図８】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９】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である
【図１０】バイパス流の抑制を説明するためのグラフ図である。
【図１１】羽根車効率を説明するためのグラフ図である。
【図１２】トルクと圧損の関係を説明するためのグラフ図である。
【図１３】「アキシャル配置」の発電機を説明するための模式分解図である。
【図１４】本発明の他の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
【符号の説明】
【００８４】
１ 発電機、１ａ 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 ノズル、１８ａ ノズル、１９ 動翼羽根部、３１ａ インダクタ、３２ａ インダクタ、５０ コイル、５０ａ コイル、６０ バイパス流路、６２ａ 水流、９０ ステータ、１３１ａ  インダクタ、１３２ａ インダクタ、Ｍ マグネット、Ｍ１ マグネット
【図１】
2009024703.tif 000004
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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