JP4820422B2

JP4820422B2 - 水栓用の水力発電機

Info

Publication number: JP4820422B2
Application number: JP2009020182A
Authority: JP
Inventors: 明西岡
Original assignee: 株式会社三栄水栓製作所
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: JP2009103136A

Description

本発明は、水栓用の水力発電機に関するものであり、例えば、使用流水で水力発電機を回して発電した電力を蓄電し、その電力で作動する自動水栓の水力発電機に関するものである。

近年、利用者が水栓に触れることなく手を差し延べるだけで吐水するいわゆる自動水栓が広く用いられている。この自動水栓は人体などの被検知物が吐水口の近傍に位置したことを検知するために電力が必要であると共に、電磁弁を動作させて水を吐水させるためにも電力を必要としている。また、この電力を得るために吐水する水の勢いで水車を回して発電機を回転させる小型の水力発電機を備えた自動水栓がある。

下記特許文献１に示される水力発電機の構成は、水力発電機の水車と発電機の有極磁石で作られた回転子を水中に置いている。固定子は、鉄心の磁気回路とコイルで構成されており大気中に置かれている。したがって、水と空気の隔壁は回転子と固定子との磁界内に位置することになり、この隔壁は非磁性体金属で設けられている。

このような構造になっている理由は、前記隔壁を貫通するように回転軸を設けてその軸受け部分に水密性を持たせるとすると機械ロスが大きく、少量の流水では発電に必要な回転が得られないためである。

特開２００２−４４９２２号公報

しかしながら、特許文献１に示すような構成では、回転子と固定子との間の磁場に透磁率が低い水が介在するだけでなく、水圧に耐える程度の厚みを有する非磁性金属が介在するので、回転子が回転しても十分の磁力を固定子に伝達することができず、発電機の発電効率を低下させることを避けられなかった。そこで、回転子の磁力を強くするなどして起電力を向上させることが考えられるが、回転子の磁力を強くすればするほど発電機の始動時に大きなトルクを必要とすることは避けられず、少流量で水を流したときには水車が回らないという問題が生じていた。

本発明は、上述の事柄を考慮に入れてなされたものであって、その目的は水による磁力の吸収に影響されることなく、回転力を効率的に電力に変換できる発電部を有する水栓用の水力発電機を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の水栓用の水力発電機は、水栓によって制御された水の流れに沿って設けた中心軸のまわりに水の流れによって回転するように回動自在に支持された水車と、水車と一体に回転可能に設けられた回転磁性体と、水車の回転力を電力に変換する発電部とを有し、
さらに、水車と回転磁性体と発電部とを前記中心軸に対して同芯円状に配置してある水栓用の水力発電機であって、発電部は、回転磁性体の回動によって生じる回転磁界を隔壁の外側で受けることで水車からの回転力を受ける従動回転磁性体を含み、
その従動回転磁性体はリング状の磁性体よりなり、従動回転磁性体の上流側および下流側に位置するベアリングによって前記中心軸と同芯円状に回動自在に構成されており、
さらに、
前記ベアリングを介して従動回転磁性体が回動自在となるように保持するための位置決め用のリング体を、従動回転磁性体の上流側および下流側に位置する前記ベアリングのうちいずれか一方のベアリングに当接させた状態で設けてあることを特徴としている。（請求項１）

前記本発明の水栓用の水力発電機では、水車および回転磁性体を水栓に連通する水道管内または水栓内に収容する収容室を設け、この収容室内の水の水密状態を保つと共に回転磁性体の磁力を水から隔離された外部に透過させる隔壁を水道管内または水栓内に設ける一方、
水車と回転磁性体と従動回転磁性体とを同芯円状に配置することで、従動回転磁性体と回転磁性体の磁力によって回転磁性体および水車を水中に浮かせた状態に保持し、発電部が従動回転磁性体によって形成される回転磁界を電力に変換するよう構成されているのが好ましい。（請求項２）

すなわち、本発明の水栓用の水力発電機は、水車を水中に配置し、発電部は大気中に配置するので、水車は水の流れによって効率よく回転し、発電部は磁束漏れが少ないので回転力を効率よく電力に変換することができる。

また、発電部は水から隔離された状態で回転力を電力に変換するものであるから、その形状に何ら制限がなく、電力への変換効率を優先させた構成とすることができる。加えて、効率のよい発電部は比較的強い回転力を必要とするが、回転磁性体と従動回転磁性体が完全に連結されていないので、これがダンパーとして機能するので水車の始動時における必要トルクを小さくすることができ、小流量の水を用いて比較的大きな電力を発生させることができる。

また、水車を水中で浮かせることで軸受けの摩擦による抵抗を無くすことができ、水車は小流量の水の流れによって回転しやすくなり、高速回転した場合の摩擦によるロスを削減できる。

以上説明したように本発明は、水栓によって制御された水の流れを効率よく電力に変換することができ、これを有効に利用することができる。また、構成が簡素であるから、製造コストを削減できる。

水栓用の水力発電機の参考例を示す図である。本発明の水栓用の水力発電機の一実施例を示す図である。

図１は水栓用の水力発電機１の参考例の構成を示す図である。
図１において、２は図外の水栓に連通するほゞＬ状に屈曲してなる水道管、３はこの水道管２の屈曲部に位置して水道管２内を流れる水の流れによって回転するように構成された水車、４はこの水車３を回動自在に支持する第１軸、５は第１軸４の軸端に連設されることで水車３と連設する回転磁性体、６はこれらの部材３〜５を水道管２に連通した状態で収容する収容室、７はこの収容室６内の水の水密状態を保つと共に回転磁性体５の磁力を水から隔離された外部に透過させる非磁性体金属からなる隔壁、８は回転磁性体５の回動によって生じる回転磁界を隔壁７の外側で受けることで水車３からの回転力を受ける従動回転磁性体、９は従動回転磁性体８を一端部に連設する第２軸、１０は第２軸９の他端部に連設する発電部である。

本例の水道管２はその端部に接続部２ａ，２ｂを有しており、図外の水栓によって開閉される弁体に連通する水道管の流路中に介在させるように取付け可能としている。なお、水栓用の水力発電機１は水道管２の流路中に介在させる構成に限定されるものではなく、水栓に組み込むように構成されたものであってもよい。

また、前記回転磁性体５と従動回転磁性体８は水車３と発電部１０との間において、磁力による吸引力や反発力を用いて（回転磁性体５によって形成される回転磁界を従動回転磁性体８が受けることによって）、水中の水車３から水に対して隔離された発電部１０に回転力を伝達するための回転力伝達機構１１として機能する。

本例の収容室６は例えば水車３を収容する水車収容部６ａと、回転磁性体５を収容する回転磁性体収容部６ｂに分けて構成しているが、両収容部６ａ，６ｂ間は水密に構成される必要はない。むしろ、第１軸４の軸受け部４ａにおける回転に伴う摩擦抵抗をできるだけ小さくするために、幾らかの隙間を設けて両収容部６ａ，６ｂ間を幾らかの水が通過できる程度に構成している。

そして、前記水車収容部６ａは水道管２に対して取り外し可能に連結された水車収容ブロック１２によって形成され、この水車収容ブロック１２は前記軸受け部４ａを形成する水車収容ブロック本体１２ａと、第１軸４の軸受け部４ｂを有する水車押えブロック１２ｂとからなる。一方、回転磁性体収容部６ｂは水車収容ブロック本体１２ａに隔壁７が圧着されることによって形成される。

１３は回転力伝達機構１１を収容すると共にベアリングなどからなる第２軸９の軸受け部９ａを有し、隔壁７を水車収容ブロック本体１２ａに押しつける回転力伝達ブロックである。

前記発電部１０は例えば回転力伝達ブロック１３に連設されたカバー体１４と、第２軸９の軸受け部９ｂと、第２軸９の回転に連動して回転する回転子１５と、回転子１５の回転によって起電力を得る電磁コイルなどの固定子１６とを有している。

前記水栓用の水力発電機１は水道管２に水が流れることにより、水車３に回転力が発生する。この回転力は第１軸４を介して回転磁性体５に伝達されて、回転磁性体５が回動する。そして、回転磁性体５の回動に伴って隔壁７の外側に回転磁界が発生し、この磁力による吸引力や反発力を用いて回転力が回転磁性体５から従動回転磁性体８に伝達される。

従動回転磁性体８に伝わった回転力は第２軸９を介して発電部１０の回転子１５に伝達されて固定子１６に起電力を発生することで電力に変換される。なお、本例の場合、第２軸９に出力される回転力を電力に変換する発電部１０は完全に水から隔離された部分に形成されるので、その構造は自由に設計できる。つまり、発電部１０は必要とする電力を生成できる任意のものとすることができる。

本例に示すように、回転子１５と固定子１６との間の隙間には、隔壁７などが存在しないので、隙間を狭くすることで漏れ磁束を格段に小さくすることができる。すなわち、発電部１０における発電効率を高めることができる。また、発電部１０に既に確立された様々な技術を用いて形成された既存の発電機を用いることで、発電効率を可及的に高めることができる。

図２は本発明の水栓用の水力発電機２０の一実施例の構成を示す図である。図２において、図１と同じ符号を付した部分は同一または同等の部分であるから、その詳細な説明を省略する。

図２において、２１，２２は分離可能に構成された水道管であって、接続部２１ａ，２２ａを用いて、任意の水道管に取り付けられるように構成している。２１ｂ，２２ｂは互いに当接することにより水道管２１，２２の流路を直線的に連結するフランジ部である。そして、この連結によって隔壁７を挟み込むようにして両フランジ部２１ｂ，２２ｂを圧着することにより、水車３，第１軸４，回転磁性体５を水密状態を保った状態で流路内に収容する収容部２３を形成する。さらに、水道管２１，２２には拡大図に示すように前記第１軸４との間で幾らかの隙間ｄを形成するような軸受け部４ａ，４ｂを形成する。

水道管２１，２２を流れる水の流れは、その向きを変えることなく水車３の羽根を回転させて下流側に流れる。これによって、水の流れを効率よく回転力に変えることができ、発電効率を向上することができる。本例の回転磁性体５は水車３を構成する合成樹脂からなる羽根の外周部に厚肉部分を形成し、この厚肉部分に磁性体の粉末を混入して磁化させたプラスチック磁石である。すなわち、高速回転する部分をできるだけ一体成形することにより堅牢性の向上を図ると共に軽量化を図ることができる。

本例における従動回転磁性体８は例えばリング状の磁性体であって、その上流側および下流側に位置するベアリング２４，２４によって第１軸（中心軸）４と同芯円状に回動自在に構成されている。また、本例においては、水車３と回転磁性体５と従動回転磁性体８とが同芯円状に配置されることで、従動回転磁性体８の磁力によって回転磁性体５を吸引して回転磁性体５および水車３を水中に浮かせた状態に保持できるように構成している。あるいは従動回転磁性体８と回転磁性体５（または別途の磁石同士）の反発力を用いて前記浮かせた状態を保持する。

そして、前記従動回転磁性体８と回転磁性体５は磁力による吸引力や反発力を用いて水車３からの回転力を水から隔離された発電部１０に伝達する回転力伝達機構２５を形成する。さらに、本例の従動回転磁性体８は発電部１０の一部を構成する。すなわち、本例の従動回転磁性体８は図１における回転子１５と同様の役割を兼ねるものである。

２６は前記フランジ部２２ｂに従動回転磁性体８を乗せた状態で、ベアリング２４，２４を介して従動回転磁性体８が回動自在となるように保持するための位置決め用のリング体である。すなわち、このリング体２６を従動回転磁性体８の上流側又は下流側に位置するベアリング２４に当接させた状態で前記フランジ部２２ｂにねじ結合してあり、前記リング体２６を螺合する強さを適宜に調整することにより、従動回転磁性体８を回転方向に対して抵抗なく回動自在に保持すると共に、ガタツキを防止することができる。

固定子１６はフランジ部２２ｂに埋設と共に従動回転磁性体８との間にできるだけ小さな隙間を形成するように配置されている。したがって、従動回転磁性体８からの磁束漏れを少なくすることができる。２７は固定子１６の外側を保護する保護カバーである。

本例のように構成することで、水の流れを変えることなく回転力に変換できると共に、回転力を効率的に電力に変換することができる。また、回転力伝達機構２５が完全に連結されていないので、これがダンパーとして機能でき、少ない流量の水であっても水車３を回転させることができる。さらに、安定して回転している時には水車３の軸４が軸受け４ａ，４ｂから浮いた状態になるので、この部分における摩擦抵抗によるロスの削減も行うこともできる。

３水車
４第１軸（中心軸）
５回転磁性体
７隔壁
８従動回転磁性体
１０発電部
２０水力発電機
２３収容部
２４ベアリング
２６リング体

Claims

水栓によって制御された水の流れに沿って設けた中心軸のまわりに水の流れによって回転するように回動自在に支持された水車と、水車と一体に回転可能に設けられた回転磁性体と、水車の回転力を電力に変換する発電部とを有し、
さらに、水車と回転磁性体と発電部とを前記中心軸に対して同芯円状に配置してある水栓用の水力発電機であって、発電部は、回転磁性体の回動によって生じる回転磁界を隔壁の外側で受けることで水車からの回転力を受ける従動回転磁性体を含み、
その従動回転磁性体はリング状の磁性体よりなり、従動回転磁性体の上流側および下流側に位置するベアリングによって前記中心軸と同芯円状に回動自在に構成されており、
さらに、
前記ベアリングを介して従動回転磁性体が回動自在となるように保持するための位置決め用のリング体を、従動回転磁性体の上流側および下流側に位置する前記ベアリングのうちいずれか一方のベアリングに当接させた状態で設けてあることを特徴とする水栓用の水力発電機。
水車および回転磁性体を水栓に連通する水道管内または水栓内に収容する収容室を設け、この収容室内の水の水密状態を保つと共に回転磁性体の磁力を水から隔離された外部に透過させる隔壁を水道管内または水栓内に設ける一方、
水車と回転磁性体と従動回転磁性体とを同芯円状に配置することで、従動回転磁性体と回転磁性体の磁力によって回転磁性体および水車を水中に浮かせた状態に保持し、発電部が従動回転磁性体によって形成される回転磁界を電力に変換するよう構成されている請求項１に記載の水栓用の水力発電機。
回転磁性体は、水車を構成する合成樹脂からなる羽根の外周部に形成された厚肉部分に磁性体の粉末を混入して磁化させたプラスチック磁石で構成されている請求項１または２に記載の水栓用の水力発電機。
水道管は分離可能な上流側水道管と下流側水道管で構成されており、上流側水道管および下流側水道管はそれぞれ水道管の流路を直線的に連結する上流側フランジ部および下流側フランジ部を有し、両フランジ部の連結によって前記隔壁を挟み込むようにして両フランジ部を圧着することにより、水車，中心軸，回転磁性体を水密状態を保った状態で流路内に収容する前記収容部が形成される一方、
上流側水道管および下流側水道管はそれぞれ前記中心軸との間で隙間を形成する軸受け部を有し、
また、両フランジ部のうち一方のフランジ部に従動回転磁性体を乗せた状態で、前記位置決め用のリング体を、他方のフランジ部にねじ結合してある請求項２または３に記載の水栓用の水力発電機。