DE112016004590T5

DE112016004590T5 - Induktionsheizvorrichtung und Stromerzeugungssystem

Info

Publication number: DE112016004590T5
Application number: DE112016004590.5T
Authority: DE
Inventors: Toru Okazaki; Tetsuji Matsuo
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Kyoto University NUC
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Kyoto University NUC
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2018-06-21
Also published as: US10750579B2; RU2018112402A; US20180295678A1; CN108141919A; CN108141919B; BR112018005561A2; WO2017061160A1; AU2016336721A1; JP2017073327A; JP6560588B2

Abstract

Eine Induktionsheizvorrichtung, die ein Heizmedium erhitzt, beinhaltet: einen Rotor mit einer Rotationswelle; einen Heizteil, der angeordnet ist, dem Rotor in einer Distanz gegenüberliegend zu sein; einen Magnetfluss-Erzeugungsteil, der am Rotor vorgesehen ist, um Magnetfluss für den Heizteil zu erzeugen; einen Magnetfluss-Führungsteil, der auf einer gegenüberliegenden Oberflächenseite des Heizteils vorgesehen ist, der dem Magnetfluss-Erzeugungsteil gegenüberliegt, um den Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil zum Heizteil zu leiten; und eine Flusspassage, die im Heizteil vorgesehen ist, um dem Heizmedium zu gestatten, zu zirkulieren. Der Magnetfluss-Führungsteil beinhaltet Magnetsubstanzteile, die aus einem magnetischen Material gebildet sind und Isolatorteile, die aus einem nicht-magnetischen und elektrisch isolierenden Material gebildet sind. Der Magnetfluss-Führungsteil weist eine Struktur auf, in der die Magnetsubstanzteile und die Isolatorteile sich längs einer Richtung vom Magnetfluss-Erzeugungsteil zum Heizteil erstrecken und abwechselnd längs einer Umfangsrichtung des Heizteils geschichtet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Induktionsheizvorrichtung und ein Stromerzeugungssystem.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität, die auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-200597 , eingereicht am 8, Oktober 2015, basiert, deren gesamter Inhalt hierin unter Bezugnahme inkorporiert sei.
HINTERGRUND
Eine in PTD 1 (Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2005-174801) beschriebene Wirbelstrom-Heizvorrichtung beinhaltet einen Rotor mit auf der äußeren Peripherie desselben angeordneten Permanentmagneten und einem Heizteil, der aus einem konduktiven Material gefertigt ist, das an der Außenseite des Rotors fixiert ist und eine Flusspassage innerhalb desselben zum Zirkulieren von Wasser aufweist.
PTD 2 (Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2011-159595) und PTD 3 (Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2012-245507) offenbaren eine Induktionsheizvorrichtung. Die Induktionsheizvorrichtung beinhaltet einen Rotor, einen auf der äußeren Peripherie des Rotors vorgesehenen Magnetfluss-Erzeugungsteil zum Erzeugen von Magnetfluss in Radialrichtung des Rotors, einen röhrenförmigen Heizteil, der auf der Außenseite des Rotors bei einer Distanz vom Rotor angeordnet ist und eine Flusspassage, die im Heizteil vorgesehen ist, um einem Heizmedium zu gestatten, zu zirkulieren. PTD 2 beschreibt den Heizteil, der aus einem leitfähigen Material wie etwa Aluminium, Kupfer oder Eisen gebildet ist. PTD 3 beschreibt eine Struktur einschließlich eines Heizteils, der aus einem Komposit-Material eines magnetischen Materials (Material mit hoher magnetischer Permeabilität µ) und eines leitfähigen Materials (Material mit einer hohen Leitfähigkeit σ, wie etwa ein aluminiumbasiertes Material oder ein kupferbasiertes Material), einem Magnetmaterialteil und einen konduktiven Materialteil gemacht ist.
ZITATELISTE
PATENTDOKUMENTE

PTD 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2005-174801
PTD 2: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2011-159595
PTD 3: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2012-256507

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Induktionsheizvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung heizt ein Heizmedium. Die Induktionsheizvorrichtung beinhaltet: einen Rotor mit einer Rotationswelle; einen Heizteil, der angeordnet ist, gegenüberliegend dem Rotor bei einer Distanz zu sein; einen Magnetfluss-Erzeugungsteil, der am Rotor vorgesehen ist, um Magnetfluss für den Heizteil zu erzeugen; einen Magnetfluss-Führungsteil, der auf einer gegenüberliegenden Oberflächenseite des Heizteils vorgesehen ist, das gegenüberliegend dem Magnetfluss-Erzeugungsteil ist, um den Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil zum Heizteil zu leiten; und eine Flusspassage, die im Heizteil vorgesehen ist, um dem Heizmedium zu gestatten, zu zirkulieren. Der Magnetfluss-Führungsteil beinhaltet Magnetsubstanzteile, die aus einem magnetischen Material gebildet sind, und Isolatorteile, die aus einem nichtmagnetischen und elektrisch isolierenden Material gebildet sind. Der Magnetfluss-Führungsteil weist eine Struktur auf, in welcher die Magnetsubstanzteile und die Isolatorteile sich längs einer Richtung aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil zum Heizteil erstrecken und abwechselnd längs einer Umfangsrichtung des Heizteils geschichtet sind.
Ein Stromerzeugungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung beinhaltet: die oben beschriebene Induktionsheizvorrichtung und einen Stromerzeugungsteil, der konfiguriert ist, Wärme des Heizmediums, welches durch die Induktionsheizvorrichtung aufgeheizt ist, in elektrische Energie umzuwandeln.
Figurenliste

1A ist eine schematische Explosions-Perspektivansicht, die eine Induktionsheizvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
1B ist eine schematische Montage-Perspektivansicht, welche die Induktionsheizvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine schematische Querschnittansicht, welche die Induktionsheizvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils, der durch die Linie III in 2 umgeben ist.
4 ist eine schematische Querschnittansicht, die Modifikation 1-1 der Induktionsheizvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
5 ist eine schematische Längsschnittansicht eines Heizteils und eines Magnetfluss-Führungsteils, genommen längs der Linie V-V in 4.
6 ist eine schematische Querschnittansicht, welche Modifikation 1-2 der Induktionsheizvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
7 ist eine schematische Querschnittansicht, die eine Induktionsheizvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
8 ist eine vergrößerte Ansicht eines durch die Linie VIII in 7 umgebenen Bereichs.
9 ist eine schematische Querschnittansicht, welche Modifikation 2 der Induktionsheizvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
10 ist eine schematische Längsschnittansicht einer Induktionsheizvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
11 ist eine schematische Aufsicht, welche die Konfiguration des Magnetfluss-Erzeugungsteils in der Induktionsheizvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
12 ist eine schematische Aufsicht, welche die Konfiguration des Magnetfluss-Führungsteils in der Induktionsheizvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
13 ist eine schematische Aufsicht, welche die Konfiguration einer Flusspassage in der Induktionsheizvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
14 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel der Gesamtkonfiguration eines Stromerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
15 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel der Gesamtkonfiguration des Stromerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Durch die vorliegende Erfindung zu lösende Probleme]
In der oben beschriebenen konventionellen Induktionsheizvorrichtung liegen der am Rotor vorgesehene Magnetfluss-Erzeugungsteil und der Heizteil einander gegenüber und ist der Magnetfluss-Erzeugungsteil an einer Position nahe dem Heizteil vorgesehen. Der Magnetfluss-Erzeugungsteil wird somit leicht durch Wärme aus dem Heizteil beeinträchtigt. Ein Wirbelstrom wird im Heizteil erzeugt. Aufgrund des Hauteffekts wird ein Wirbelstrom mehr auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite des Heizteils, der dem Magnetfluss-Erzeugungsteil gegenüberliegt, produziert. Entsprechend erzeugt hauptsächlich die gegenüberliegende Oberflächenseite des Heizteils Wärme. In der konventionellen Induktionsheizvorrichtung tendiert Strahlungswärme aus dem Heizteil, der Wärme erzeugt, dazu, die Temperatur des Magnetfluss-Erzeugungsteils zu erhöhen. Wenn die Temperatur des Magnetfluss-Erzeugungsteils ansteigt, werden die Magnet-Charakteristika des Magnetfluss-Erzeugungsteils reduziert, so dass der Magnetfluss (Magnetfeld), der vom Magnetfluss-Erzeugungsteil produziert wird, reduziert sein kann. Die Menge an Wärmeerzeugung (thermische Energie) durch Induktionserhitzen (Wirbelstrom) ist proportional dem Quadrat der Magnetflussintensität. Entsprechend, falls die Magnet-Charakteristika des Magnetfluss-Erzeugungsteils reduziert sind, wird die Menge an Wärmeerzeugung im Heizteil reduziert.
Damit der Magnetfluss-Erzeugungsteil weniger durch Wärme aus dem Heizteil beeinträchtigt wird, kann die Distanz zwischen dem Magnetfluss-Erzeugungsteil und dem Heizteil vergrößert werden oder kann ein wärmeisolierendes Material zwischen dem Magnetfluss-Erzeugungsteil und dem Heizteil angeordnet sein. Jedoch befinden sich in diesen Fällen der Magnetfluss-Erzeugungsteil und der Heizteil in einer Distanz zueinander. Falls eine nicht-magnetische Substanz zwischen dem Magnetfluss-Erzeugungsteil und dem Heizteil eingefügt ist, nimmt der durch den Heizteil fließende Magnetfluss ab und wird die Menge an Wärmeerzeugung im Heizteil reduziert, weil die Magnetfeld-Intensität mit steigender Distanz sinkt. Alternativ kann ein Kühlmechanismus zum Kühlen des Magnetfluss-Erzeugungsteils vorgesehen sein. Jedoch ist in diesem Fall die Struktur der Induktionsheizvorrichtung kompliziert und die Kosten steigen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Induktionsheizvorrichtung bereitzustellen, in welcher ein Temperaturanstieg des Magnetfluss-Erzeugungsteils unterdrückt werden kann und die Menge an Wärmeerzeugung im Heizteil vergrößert werden kann. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Stromerzeugungssystem bereitzustellen, welches die Induktionsheizvorrichtung enthält.
[Wirkungen der vorliegenden Offenbarung]
Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann in der Induktionsheizvorrichtung ein Temperaturanstieg des Magnetfluss-Erzeugungsteils unterdrückt werden und kann die Menge an Wärmeerzeugung im Heizteil vergrößert werden. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann im Stromerzeugungssystem die Stromerzeugungs-Effizienz verbessert werden.
[Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung]
Zuerst werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nacheinander unten beschrieben.

(1) eine Induktionsheizvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung heizt ein Heizmedium. Die Induktionsheizvorrichtung beinhaltet: einen Rotor mit einer Rotationswelle; einen Heizteil, der angeordnet ist, bei einer Distanz dem Rotor gegenüberliegend zu sein; einen Magnetfluss-Erzeugungsteil, der am Rotor vorgesehen ist, um Magnetfluss für den Heizteil zu erzeugen; und einen Magnetfluss-Führungsteil, der auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite des Heizteils, der dem Magnetfluss-Erzeugungsteil gegenüberliegt, vorgesehen ist, um den Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil zum Heizteil zu führen; und eine Flusspassage, die im Heizteil vorgesehen ist, um dem Heizmedium zu gestatten, zu zirkulieren. Der Magnetfluss-Führungsteil beinhaltet Magnetsubstanzteile, die aus einem magnetischen Material hergestellt sind, und Isolatorteile, die aus einem nicht-magnetischen und elektrisch isolierenden Material gebildet sind. Der Magnetfluss-Führungsteil weist eine Struktur auf, in welcher die Magnetsubstanzteile und die Isolatorteile sich längs einer Richtung aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil zum Heizteil erstrecken und abwechselnd längs der Umfangsrichtung des Heizteils geschichtet sind.

In der Induktionsheizvorrichtung wird der Magnetfluss-Führungsteil auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite des Heizteils vorgesehen. Der in dem Magnetfluss-Erzeugungsteil erzeugte Magnetfluss passiert somit die Magnetsubstanzteile des Magnetfluss-Führungsteils und daher kann der Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil an den Heizteil übertragen werden. Die Magnetsubstanzteile des Magnetfluss-Führungsteils sind aus einem magnetischen Material gebildet, gestatten dem Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil zu fließen und bilden einen Magnetpfad, der den Magnetfluss zwischen dem Magnetfluss-Erzeugungsteil und dem Heizteil leitet. Der Magnetfluss-Führungsteil weist eine Struktur auf, in welcher die Magnetsubstanzteile und die Isolatorteile abwechselnd geschichtet sind. Die aus einem nicht-magnetischen und elektrisch isolierenden Material gebildeten Isolatorteile sind alle zwischen die Magnetsubstanzteile eingefügt. Entsprechend, selbst wenn der Magnetfluss durch den Magnetsubstanzteil fließt, wird in dem Magnetsubstanzteil erzeugter Wirbelstrom durch den Isolatorteil getrennt und somit fließt kaum Wirbelstrom. Aufgrund dessen wird das Auftreten von Wirbelstrom in den Magnetsubstanzteilen unterdrückt und wird weniger Magnetfluss als thermische Energie aufgebaut, wodurch die Diffusion des Magnetflusses unterdrückt wird. Entsprechend kann der Magnetfluss-Führungsteil den Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil zum Heizteil ohne Diffusion leiten. Zusätzlich kann auch im Magnetfluss-Führungsteil Wärmeerzeugung durch Wirbelstrom unterdrückt werden. Der durch den Magnetsubstanzteil fließende Magnetfluss ist weniger wahrscheinlich, in der Richtung des angrenzenden Magnetsubstanzteils zu fließen (das heißt der Umfangsrichtung des Heizteils) aufgrund der Isolatorteils. Im Magnetflussführungsteil wird Magnetfluss längs der Richtung aus dem Magnetflusserzeugungsteil zum Heizteil leitet.
In der Induktionsheizvorrichtung wird der Magnetfluss-Führungsteil auf der entgegengesetzten Oberflächenseite zum Heizteil vorgesehen. Dies unterdrückt Wärmeerzeugung durch Wirbelstrom im Magnetfluss-Führungsteil. Weiterhin, da der Magnetfluss-Erzeugungsteil und der Heizteil bei einer Distanz zueinander sind, kann der Effekt von Wärme auf den Magnetfluss-Erzeugungsteil reduziert werden und kann ein Ansteigen bei der Temperatur des Magnetfluss-Erzeugungsteils unterdrückt werden. Weiterhin, selbst wenn der Magnetfluss-Erzeugungsteil und der Heizteil bei einer Distanz zueinander sind, kann der Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil durch den Magnetfluss-Führungsteil zum Heizteil ohne Diffusion geleitet werden. Entsprechend kann die Menge an Wärmeerzeugung im Heizteil vergrößert werden.
Das magnetische Material, welches den Magnetsubstanzteil bildet, ist ein Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität. Beispielsweise wird ein Material mit einer relativen Permeabilität von 500 oder mehr bevorzugt und ein Material mit einer relativen Permeabilität von 1000 oder mehr wird mehr bevorzugt. Spezifische Beispiele beinhalten Metalle wie etwa Eisen, Nickel und Kobalt, magnetische Metalle einschließlich Legierungen wie etwa magnetischem Stahl (Siliziumstahl), Sendust, Permalloy und magnetischen Edelstahl, und magnetische Oxide wie etwa Ferrit und Magnetit. Beispiele des magnetischen Edelstahls beinhalten magnesitische Edelstähle (Beispiel: SUS 420J2), ferritische Edelstähle (Beispiele: SUS 430) und austentitische/ferritische Edelstähle (Beispiel: SUS 329J4L). Das nicht-magnetische und elektrisch isolierende Material, welches den Isolatorteil bildet, ist ein Material mit niedriger magnetischer Permeabilität und hohem elektrischem Widerstand, beispielsweise ein Material mit einer relativen Permeabilität von 3 oder weniger und mit einem Volumenwiderstand von 10⁷ Ω·m oder mehr wird bevorzugt. Spezifische Beispiele beinhalten Polymere, Keramiken und Glas.

(2) In einer Ausführungsform der Induktionsheizvorrichtung beinhaltet der Magnetfluss-Führungsteil einen geschichteten Körper, der eine Vielzahl von elektrischen Stahlblechen enthält, wobei die elektrischen Stahlbleche geschichtet sind und jedes eine isolierende Beschichtung aufweist.

Da elektrische Stahlbleche, die alle eine isolierende Beschichtung aufweisen, geschichtet sind, kann der Magnetfluss-Führungsteil leicht gebildet werden. In diesem Fall entspricht das elektrische Stahlblech dem Magnetsubstanzteil und entspricht die isolierende Beschichtung auf der Oberfläche des elektrischen Stahlblechs dem Isolatorteil.

(3) In einer Ausführungsform der Induktionsheizvorrichtung ist der Magnetfluss-Führungsteil über die gesamte gegenüberliegende Oberfläche des Heizteils vorgesehen.

Da der Magnetfluss-Führungsteil über die gesamte gegenüberliegende Oberfläche des Heizteils vorgesehen ist, kann Magnetfluss zu dem gesamten Heizteil geleitet werden. Entsprechend kann die Menge an Wärmeerzeugung im Heizteil leicht vergrößert werden.

(4) In einer Ausführungsform der Induktionsheizvorrichtung ist eine Vielzahl der Magnetfluss-Führungsteile auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Heizteils mit Beabstandung in der Umfangsrichtung des Heizteils vorgesehen.

Da eine Vielzahl von Magnetfluss-Führungsteilen mit Abstand vorgesehen sind, verhindert die Beabstandung zwischen den Magnetfluss-Führungsteilen, dass Magnetfluss zu dem angrenzenden Magnetfluss-Führungsteil transferiert wird. Somit wird im Magnetfluss-Führungsteil Magnetfluss längs der Richtung aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil zum Heizteil geführt.

(5) In einer Ausführungsform der Induktionsheizvorrichtung, die in (4) oben beschrieben ist, wird ein wärmeisolierendes Material in dem Abstand zwischen den Magnetfluss-Führungsteilen angeordnet.

Da das wärmeisolierende Material zwischen den Magnetfluss-Führungsteilen angeordnet ist, kann eine Wärmeabstrahlung aus dem Heizteil reduziert werden. Da ein Wärmeverlust aus dem Heizteil unterdrückt werden kann, kann die Heizeffizienz des Heizmediums verbessert werden. Da das wärmeisolierende Material allgemeine eine nicht-magnetische Substanz ist, wird eine Bewegung von Magnetfluss zum angrenzenden Magnetfluss-Führungsteil unterdrückt. Beispiele des wärmeisolierenden Materials beinhaltet Steinwolle, Glaswolle, aufgeschäumtes Plastik, Ziegel und Keramik.

(6) In einer Ausführungsform der Induktionsheizvorrichtung wird die Flusspassage so gebildet, dass der Heizteil und der Magnetfluss-Führungsteil mit entsprechenden Flusspassagen vorgesehen sind und eine Enden der Flusspassagen miteinander so verbunden sind, dass die Flusspassagen eine Rundlaufpassage bilden. Von den Flusspassagen ist eine in dem Magnetfluss-Führungsteil vorgesehene Flusspassage ein Ausgangspfad des Heizmediums und dient die in dem Heizteil vorgesehene andere Flusspassage als Rückführpfad des Heizmediums.

Da die entsprechenden Flusspassagen im Heizteil und den Magnetfluss-Führungsteilen vorgesehen sind und einen Rundführungspfad bilden, kann nicht nur im Heizteil erzeugte Wärme, sondern auch aus dem Heizteil zu dem Magnetfluss-Führungsteil geleitete Wärme durch das Heizmedium rückgewonnen werden. Da das Rückgewinnungsverhältnis von in dem Heizteil erzeugter Wärme verbessert werden kann, kann das Heizmedium effizient erhitzt werden. Wenn eine in dem Magnetfluss-Führungsteil vorgesehene Flusspassage ein Ausgangsteil des Heizmediums ist, wird das Heizmedium bei niedriger Temperatur der in dem Magnetfluss-Führungsteil vorgesehenen Flusspassage zugeführt und wird dadurch der Magnetfluss-Führungsteil gekühlt. Da ein Temperaturanstieg des Magnetfluss-Führungsteils effektiv unterdrückt werden kann, kann der Effekt von Wärme auf den Magnetfluss-Erzeugungsteil mehr reduziert werden. Entsprechend kann ein Temperaturanstieg des Magnetfluss-Erzeugungsteils mehr unterdrückt werden.

(7) In einer Ausführungsform der Induktionsheizvorrichtung wird die Rotationswelle mit einer Windturbine verbunden.

Ein Elektromotor oder eine Maschine, die kinetische Energie unter Verwendung von Kraftstoff als einer Energiequelle erzeugt, kann als Bewegungsleistungsquelle zum Rotieren des Rotors (Rotationswelle) verwendet werden. Es wird bevorzugt, eine erneuerbare Energie, wie etwa Windenergie, Wasserenergie und Wellenenergie zu verwenden. Die Erzeugung von CO₂ kann unter Verwendung erneuerbarer Energie als Bewegungskraft des Materials unterdrückt werden. Da die Rotationswelle mit einer Windturbine verbunden ist, kann Windenergie als Bewegungsenergie des Rotors genutzt werden.

(8) Ein Stromerzeugungssystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Induktionsheizvorrichtung irgendeines von (1) bis (7) oben; und einen Stromerzeugungsteil, der konfiguriert ist, Wärme des Heizmediums, welches durch die Induktionsheizvorrichtung erhitzt ist, in elektrische Ende umzuwandeln.

Das Stromerzeugungssystem beinhaltet die Induktionsheizvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Entsprechend kann in der Induktionsheizvorrichtung, während ein Temperaturanstieg des Magnetfluss-Erzeugungsteils unterdrückt werden kann, die Menge an Wärmeerzeugung wie im Heizteil gesteigert werden. Somit kann die Heizeffizienz des Heizmediums in der Induktionsheizvorrichtung verbessert werden und daher kann die Stromerzeugungs-Effizienz verbessert werden.
Das Stromerzeugungssystem erzeugt Strom unter Verwendung von Wärme des Heizmediums, welches durch die Induktionsheizvorrichtung erhitzt wird. Beispielsweise ist die Rotationswelle der Induktionsheizvorrichtung mit einer Windturbine verbunden, so dass Windenergie als Bewegungsenergie des Rotors verwendet wird. In diesem Fall wird Windenergie in Rotationsenergie umgewandelt und wird die Rotationsenergie in thermische Energie umgewandelt. Die thermische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt und die elektrische Energie kann extrahiert werden. Das Stromerzeugungssystem beinhaltet die Induktionsheizvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Entsprechend kann in der Induktionsheizvorrichtung, während ein Temperaturanstieg des Magnetfluss-Erzeugungsteils unterdrückt werden kann, die Menge an Wärmeerzeugung im Heizteil verbessert werden. Somit kann die Heizeffizienz des Heizmediums in der Induktionsheizvorrichtung verbessert werden und daher kann die Stromerzeugungs-Effizienz verbessert werden.
Das Stromerzeugungssystem erzeugt Strom unter Verwendung von Wärme des Heizmediums, welches durch die Induktionsheizvorrichtung erhitzt wird. Beispielsweise ist die Rotationswelle der Induktionsheizvorrichtung mit einer Windturbine verbunden, so dass Windenergie als Bewegungsenergie des Rotors verwendet wird. In diesem Fall wird Windenergie in Rotationsenergie umgewandelt und wird die Rotationsenergie in thermische Energie umgewandelt. Die thermische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt und die elektrische Energie kann extrahiert werden. Als Beispiel wird Wasser als ein Heizmedium erhitzt, um Hochtemperatur- und Hochdruckdampf zu erzeugen. Unter Verwendung des Dampfes gestattet eine Dampfturbine es einem Stromgenerator, zu rotieren, um Strom zu erzeugen. Weiterhin, aufgrund der Konfiguration des Umwandelns von Wärme in elektrische Energie kann Energie in Form von Wärme unter Verwendung eines Wärme-Akkumulators gesteigert werden. Somit kann ein Stromerzeugungssystem, das zum stabilen erzeugen von Strom in der Lage ist, implementiert werden.
[Details von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung]
Spezifische Beispiele der Induktionsheizvorrichtung und des Stromerzeugungssystems gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung werden unten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Dieselben Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnen dieselben oder entsprechende Teile. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die illustrierten Beispiele beschränkt, sondern durch die Ansprüche gezeigt und es ist beabsichtigt, dass alle Äquivalente zu den Ansprüchen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche umfasst sind.
<Induktionsheizvorrichtung>
[Erste Ausführungsform]
Bezug nehmend auf 1 und 3 wird eine Induktionsheizvorrichtung 101 gemäß einer ersten Ausführungsform beschrieben. Die Induktionsheizvorrichtung 101 beinhaltet einen Rotor 11, einen Heizteil 13, einen Magnetfluss-Erzeugungsteil 15, einen Magnetfluss-Führungsteil 12 und eine Flusspassage 17. Die Induktionsheizvorrichtung 101 ist eine Radialspaltstruktur, in der der Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 und der Heizteil 13 angeordnet sind, gegenüberliegend zu sein bei einer Distanz in der Radialrichtung von Rotor 11. Die Konfiguration der Induktionsheizvorrichtung 101 wird im Detail unten beschrieben.
(Rotor)
Der Rotor 11 ist ein röhrenförmiges oder säulenförmiges Element, das mit einer Endseite der Rotationswelle 21 drehbar durch ein (nicht gezeigtes) Lager unterstützt gekoppelt ist. In diesem Beispiel wird ein Durchgangsloch an der Zentralachse des zylindrischen Rotors 11 gebildet, wird die Rotationswelle 21 in das Durchgangsloch eingeführt und wird der Rotor 11 an der Rotationswelle 21 fixiert. Auf der äußeren Peripherie des Rotors 11 werden eine Vielzahl von Vorsprüngen 111 gebildet, um in der Radialrichtung vorzuragen. In diesem Beispiel weist der Rotor 11 acht Vorsprüngen 111 auf und die Vorsprünge 111 sind in regelmäßigen Intervallen in der Umfangsrichtung des Rotors 11 gebildet. Auf der äußeren Peripherie des Rotors 11 wird auch der Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 (in diesem Fall Spule 15c), der später beschrieben wird, vorgesehen. Hier wird angenommen, dass der Rotor 11 im Gegenuhrzeigersinn rotiert (der Pfeil in 2 und 3 zeigt die Rotationsrichtung). Beispielsweise ist eine (nicht gezeigte) Windturbine mit der Rotationswelle 21 verbunden, so dass Windenergie als Antriebskraft des Rotors 11 verwendet werden kann. Die Rotationswelle 21 kann in einem Rotor 11 als Teil des Rotors 11 enthalten sein.
Der Rotor 11 kann aus jeglichem Material gebildet sein, das eine mechanische Festigkeit aufweist und den Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 haltern kann, entweder ein magnetisches Material oder ein nicht-magnetisches Material. Materialien von exzellenter struktureller Festigkeit und Langzeithaltbarkeit (Wetterwiderstandsfähigkeit und Korrosionswiderstandsfähigkeit) werden als das Material bevorzugt, das den Rotor 11 bildet. Beispiele des Materials, das den Rotor 11 bildet, beinhalten Metalle wie etwa Eisen, Stahl, Edelstahl, Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung zur Verwendung in strukturellen Materialien und Komposit-Materialien wie etwa GFRP (glasfaserverstärkter Kunststoff) und CFRP (kohlefaserverstärkter Kunststoff).
In diesem Beispiel wird Rotor 11 (einschließlich Vorsprünge 111) aus einem magnetischen Material gebildet. Wenn eine normale leitende Spule als Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 (Spule 15c) verwendet wird, wird der Rotor 11 vorzugsweise aus einem magnetischen Material gebildet. Wenn andererseits eine superleitende Spule als Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 (Spule 15c) verwendet wird, kann der Rotor 11 entweder aus einem magnetischen Material oder aus einem nicht-magnetischen Material gebildet werden. Wenn eine superleitende Spule verwendet wird, kann das erzeugte Magnetfeld aufgrund der Magnetflusssättigung des Rotors 11 begrenzt sein. Daher wird der Rotor 11 in einigen Fällen vorzugsweise aus einem nicht-magnetischen Material gebildet.
(Heizteil)
Der Heizteil 13 ist ein röhrenförmiges Element, das angeordnet ist, dem Rotor 11 in einer Distanz gegenüberliegend zu sein und auf der äußeren Umfangsoberflächenseite des Rotors 11 vorgesehen ist. Der Heizteil 13 ist angeordnet, den Rotor 11 in einer Distanz in der Radialrichtung gegenüberliegend zu sein und an einem (nicht gezeigten) Gehäuse fixiert zu sein, um nicht zu rotieren. Wie später beschrieben, fließt Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 durch den Heizteil 13, um einen Wirbelstrom im Heizteil 13 zu erzeugen. Der Heizteil 13 erzeugt Wärme durch Induktionsheizen.
Der Heizteil 13 wird aus einem magnetischen Material gebildet, in welchem der Magnetfluss fließt, um einen Wirbelstrom zu erzeugen und Wärme zu erzeugen, beispielsweise ein magnetisches Metall. Beispiele des magnetischen Metalls beinhalten Metalle wie etwa Eisen, Nickel und Kobalt und Legierungen wie etwa magnetischen Stahl (Siliziumstahl), Sendust, Permalloy und magnetischen Edelstahl. Beispiele des magnetischen Edelstahls beinhalten martensitische Edelstähle (beispielsweise SUS 420J2), ferritische Edelstähle (Beispiel: SUS 430) und austenitische/ferritische Edelstähle (Beispiel: SUS 329J4L). Das magnetische Material, welches den Heizteil 13 bildet, weist vorzugsweise eine relative Permeabilität von 500 oder mehr auf, bevorzugter eine relative Permeabilität von 1000 oder mehr. In diesem Beispiel wird der Heizteil 13 aus Eisen gebildet. Die Dicke (die Dicke in Radialrichtung) des Stromquellenschalters 13 wird so eingestellt, dass selbst wenn ein durch den Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 erzeugter Magnetfluss fließt, der Heizteil 13 nicht magnetisch gesättigt ist und ausreichend Wirbelstrom durch den Magnetfluss fließt (die Dicke zumindest der Hautdicke oder größer).
(Magnetfluss-Erzeugungsteil)
Der Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 ist am Rotor 11 vorgesehen und erzeugt einen Magnetfluss für den Heizteil 13. In diesem Beispiel ist der Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 auf dem äußeren Umfang des Rotors 11 vorgesehen, um so dem Heizteil 13 gegenüberliegend zu sein und erzeugt der Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 magnetischen Fluss in der Radialrichtung des Rotors 11 (der Richtung des Heizteils 13). Spezifisch wird eine Spule 15c als Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 verwendet. Die Spule 15c (insgesamt acht Spulen) ist um jeden Vorsprung 111 des Rotors 11 gewickelt. Wenn der Vorsprung 111 aus einem magnetischen Material gebildet ist, bilden die Spule 15 und der Vorsprung 111 den Magnetfluss-Erzeugungsteil 15. Eine Gleichstromquelle (nicht gezeigt) ist mit jeder Spule 15c verbunden. Die Richtung des Magnetfeldes (Magnetfluss), das zu erzeugen ist, wird durch Steuern der Richtung des jeder Spule 15c zugeführten Stroms festgelegt. Die Polaritäten angrenzender Spulen 15c unterscheiden sich voneinander (siehe 2). Beispielsweise ist die Spule 15c mit einer externen Stromversorgung über einen Gleitring verbunden, so dass Strom der Spule 15c zugeführt wird.
Als Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 kann ein Permanentmagnet anstelle einer Spule (Elektromagnet) verwendet werden. Beispiele der Spule beinhalten eine normale leitfähige Spule aus Kupferdraht und eine superleitende Spule, die aus einem superleitenden Drahtmaterial gebildet ist. Wenn eine Spule als Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 verwendet wird, wird der der Spule zugeführte Strom erhöht, um ein starkes magnetisches Feld zu erzeugen. Die Stärke des magnetischen Feldes kann durch Steuern des zugeführten Stroms justiert werden. Da die Menge an Wärmeerzeugung durch Induktionsheizung (Wirbelstrom) proportional dem Quadrat der Magnetfeldstärke ist, kann die Spule leicht die Menge an Wärmeerzeugung im Vergleich zu einem Permanentmagneten vergrößern. Mit einer Spule ist es weniger wahrscheinlich, dass eine Reduktion bei der Magnet-Charakteristik aufgrund von Temperaturanstieg oder Verschleiß bei der Magnet-Charakteristik über die Zeit auftritt, im Vergleich zu einem Permanentmagneten. Daher, wenn eine Spule als Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 verwendet wird, wird eine ausreichende Magnetfeldstärke leicht durch Steigern des zugeführten Stroms gehalten und wird leicht eine Leistungsfähigkeit (thermische Energie), die ausreicht für das Erhitzen eines Heizmediums auf eine vorbestimmte Temperatur (beispielsweise 100°C bis 600°C, vorzugsweise 200°C bis 350°C), die für Stromerzeugung geeignet ist, erhalten. Gleichstrom kann der Spule zugeführt werden, um ein Gleichstrom-Magnetfeld zu erzeugen. Im Falle einer superleitenden Spule in einem superleitenden Zustand, in welchem der elektrische Widerstand im Wesentlichen Null ist, tritt eine Wärmeerzeugung (Verlust) im Wesentlichen in der Spule nicht auf, selbst wenn ein großer Strom durch die superleitende Spule fließt. Daher kann im Vergleich zu einer normalen leitfähigen Spule eine Wärmeerzeugung (Verlust) in der Spule, der durch Zuführen eines großen Stroms verursacht wird, unterdrückt werden und kann ein extrem starkes Magnetfeld gehalten werden, ohne Leistungsverlust. In diesem Beispiel ist jede Spule 15c eine superleitende Spule. Die superleitende Spule ist mit einem Kühlmantel (nicht gezeigt) auf der Peripherie abgedeckt, so dass die superleitende Spule gekühlt und damit in einem superleitenden Zustand gehalten wird. Eine normale leitfähige Spule kann als Spule 15c verwendet werden. Alternativ kann anstelle der Spule 15c ein Permanentmagnet als Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 verwendet werden.
(Magnetfluss-Führungsteil)
Der Magnetfluss-Führungsteil 12 ist auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite des Heizteils 13 vorgesehen, der dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 gegenüberliegt, um Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 zum Heizteil 13 zu führen. In diesem Beispiel wird der Magnetfluss-Führungsteil 12 an der inneren Umfangsoberfläche des Heizteils 13 fixiert. Der in dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 erzeugte Magnetfluss wird zum Heizteil 13 über den Magnetfluss-Führungsteil 12 geführt. Der Magnetfluss-Führungsteil 12 ist über die gesamte Umfangsoberfläche des Heizteils 13 vorgesehen.
Der Magnetfluss-Führungsteil 12 weist magnetische Substanzteile 121 auf, die aus einem magnetischen Material gebildet sind, und Isolatorteile 122, die aus einem nicht-magnetischen und elektrisch isolierenden Material gebildet sind. Im Querschnitt orthogonal zur Axialrichtung des Heizteils 13 erstrecken sich Magnetsubstanzteile 121 und Isolatorteile 122 längs der Richtung aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 zum Heizteil 13 und sind abwechselnd in Umfangsrichtung des Heizteils 13 geschichtet. In diesem Beispiel ist der Magnetsubstanzteil 121 ein dünnes plattenförmiges Element und längs der Radialrichtung des Heizteils 13 angeordnet. Eine Vielzahl von Magnetsubstanzteilen 121 ist mit Isolatorteilen 122 geschichtet, die in der Umfangsrichtung des Heizteils 13 eingefügt sind (die Rotationsrichtung des Magnetfluss-Erzeugungsteils 15).
Der Magnetsubstanzteil 121 des Magnetfluss-Führungsteils 12 bildet einen Magnetpfad, der dem Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 gestattet, zu fließen und dem Magnetfluss zwischen den Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 und dem Heizteil 13 leitet. Magnetsubstanzteile 121 und Isolatorteile 122 sind abwechselnd geschichtet und der Isolatorteil 122 ist zwischen Magnetsubstanzteilen 121 eingefügt. Selbst wenn Magnetfluss durch den Magnetsubstanzteil 121 fließt, wird in dem Magnetsubstanzteil 121 erzeugter Wirbelstrom durch den Isolatorteil 122 getrennt und somit wird Wirbelstrom reduziert. Entsprechend wird im Magnetsubstanzteil 121 die Erzeugung von Wirbelstrom unterdrückt und wird eine Änderung beim Magnetfluss nicht unterbrochen, so dass eine Diffusion des Magnetflusses reduziert wird. Entsprechend kann Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 zum Heizteil 13 über den Magnetfluss-Führungsteil 12 geleitet werden, ohne diffundiert zu werden. Im Magnetfluss-Führungsteil 12 wird auch Wärmeerzeugung durch Wirbelstrom reduziert. Weiterhin ist es weniger wahrscheinlich, dass Magnetfluss, der durch den Magnetsubstanzteil 121 fließt, in der Richtung des angrenzenden Magnetsubstanzteils 121 fließt, das heißt der Umfangsrichtung des Heizteils 13), aufgrund des Isolatorteils 122. Der Magnetfluss wird hauptsächlich längs der Richtung vom Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 zum Heizteil 13 geleitet.
Das Magnetmaterial, das den Magnetsubstanzteil 121 bildet, weist vorzugsweise eine relative Permeabilität von 500 oder mehr auf, bevorzugterer eine relative Permeabilität von 1000 oder mehr. Beispiele eines solchen magnetischen Materials beinhalten die oben beschriebenen magnetischen Metalle und magnetische Oxide wie etwa Ferrit und Magnetit. Es wird bevorzugt, dass das nicht-magnetische und elektrisch isolierende Material, welches den Isolatorteil 122 bildet, eine relative Permeabilität von 3 oder weniger und einen Volumenwiderstand von 10⁷ Ω·m oder mehr aufweist. Beispiele von einem solchen Material beinhalten Polymere, Keramik und Glas. In diesem Beispiel ist der Magnetfluss-Führungsteil 12 aus einem geschichteten Körper gebildet, der eine Vielzahl elektrischer Stahlbleche beinhaltet, die alle eine isolierende Beschichtung aufweisen. Das elektrische Stahlblech entspricht dem Magnetsubstanzteil 121 und die isolierende Beschichtung entspricht dem Isolatorteil 122. Der geschichtete Körper aus elektrischen Stahlblechen kann durch Ankleben elektrischer Stahlbleche mit Adhäsiv gebildet werden. Die isolierende Beschichtung auf dem elektrischen Stahlblech wird aus einer Oxidbeschichtung oder einem Beschichtungsfilm gebildet. Beispiele der isolierenden Beschichtung beinhalten Phosphat-Beschichtung, Silikat-Beschichtung, organische Lackbeschichtung und Emaille-Beschichtung.
Die Dicke (die Dicke in Schichtrichtung) des Magnetsubstanzteils 121 wird so eingestellt, dass, selbst wenn ein Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 durch den Magnetsubstanzteil 121 fließt, der Magnetsubstanzteil 121 nicht-magnetisch gesättigt ist und das Auftreten von Wirbelstrom unterdrückt werden kann. Die Dicke des Magnetsubstanzteils 121 (elektrisches Stahlblech) ist beispielsweise 0,1 mm oder mehr bis 1 mm oder weniger, vorzugsweise 0,2 mm oder mehr bis 0,5 mm oder weniger. Die Dicke des Isolatorteils 122 wird so eingestellt, dass in dem Magnetsubstanzteil 121 erzeugter Wirbelstrom getrennt werden kann und die Bewegung des Magnetflusses, der durch den Magnetsubstanzteil 121 zum angrenzenden Magnetsubstanzteil 121 fließt, reduziert werden kann. Die Dicke des Isolatorteils 122 (isolierende Beschichtung) ist beispielsweise 0,1 µm oder größer bis 5 µm oder kleiner, vorzugsweise 1 µm oder größer bis 3 µm oder weniger. In 2 sind der Magnetsubstanzteil 121 und der Isolatorteil 122 übertrieben gezeigt.
(Flusspassage)
Der Heizteil 13 ist mit einer Flusspassage 17 versehen, durch welche ein Heizmedium zirkuliert. In diesem Beispiel ist die Flusspassage 17 längs der Axialrichtung des Heizteils 13 vorgesehen und zirkuliert ein Heizmedium von einer Seite zur anderen Seite in der Axialrichtung des Heizteils 13 (von der rechten Seite zur linken Seite im Zeichnungsblatt in 1) (der weiße Pfeil in 1 zeigt die Richtung des Flusses des Heizmediums). Die Flusspassage 17 ist gebildet durch Ausbilden eines Durchgangslochs im Inneren des Heizteils 13 und Einfügen von Leitungen in das Durchgangsloch. Die Flusspassage 17 kann Wärme mit dem Heizteil 13 austauschen. Solange der Heizteil 13 und die Flusspassage 17 thermisch verbunden sind, kann die Flusspassage 17 an jeder Stelle gebildet sein. Somit kann die Flusspassage 17 durch Anordnen einer Rohrleitung in Kontakt mit der äußeren Umfangsoberfläche des Heizteils 13 gebildet sein. Die Rohrleitung wird aus einem Metallmaterial gebildet, das nicht korrodiert, selbst bei Kontakt mit dem Heizmedium, von exzellenter thermischer Widerstandsfähigkeit ist und eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Beispiele des Heizmediums beinhalten Wasser, Wasserdampf, Öl, Flüssigmetall (beispielsweise Na, Pb), Flüssigkeit wie etwa geschmolzenes Salz und Gas.
Nunmehr hauptsächlich auf 3 Bezug nehmend, wird nun der Mechanismus, durch welchen das Heizmedium in der Induktionsheizvorrichtung 101 erhitzt wird, beschrieben.
Hier wird eine Beschreibung gegeben, die auf dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 des Nordpols fokussiert (gezeigt in 3). Der in der Radialrichtung des Rotors 11 aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 (Spule 15c) des Nordpols erzeugte Magnetfluss passiert den Magnetsubstanzteil 121 des Magnetfluss-Führungsteils 12, der dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 gegenüberliegt und wird zum Heizteil 13 (die gepunkteten Pfeile in 3 zeigen den Fluss des Magnetflusses) geführt. Hier wird im Magnetsubstanzteil 121, da der Isolatorteil 122 die Erzeugung von Wirbelstrom unterdrückt, eine Änderung des Magnetflusses weniger wahrscheinlich unterbrochen werden und wird die Diffusion des Magnetflusses reduziert. Entsprechend ist der Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 nicht durch den Magnetfluss-Führungsteil 12 diffundiert und wird zum Heizteil 13 geleitet. Der Magnetfluss, der den Heizteil 13 erreicht, fließt im Heizteil 13 in Umfangsrichtung, passiert den Magnetsubstanzteil 121 des Magnetfluss-Führungsteils 12, der dem Südpol gegenüberliegt und erreicht den Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 des Südpols. Das heißt, dass ein magnetischer Pfad in Form einer Schleife gebildet wird, die sich vom Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 des Nordpols durch den Magnetfluss-Führungsteil 12 (Magnetsubstanzteil 121), Heizteil 13 und Magnetfluss-Führungsteil 12 (Magnetsubstanzteil 121) erstreckt, um den Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 des Südpols zu erreichen. Der Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 rotiert zusammen mit dem Rotor 11, wodurch der Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 sich relativ zum Heizteil 13 bewegt. Entsprechend ändert sich die Richtung des Magnetflusses, der durch den Heizteil 13 fließt, und ändert sich der Magnetfluss periodisch. Als Ergebnis wird Wirbelstrom in dem Heizteil 13 erzeugt, wodurch der Heizteil 13 Wärme erzeugt. Die Wärme wird zum Heizmedium geleitet, welches die Flusspassage 17 durchfließt, um das Heizmedium zu erhitzen.
Der durch den Magnetsubstanzteil 121 fließende Magnetfluss fließt weniger wahrscheinlich in der Richtung des angrenzenden Magnetsubstanzteils 121, aufgrund des Isolatorteils 122. Der Magnetfluss wird leicht in dem Magnetfluss-Führungsteil 12 längs der Richtung vom Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 zum Heizteil 13 geführt. Das heißt, da es möglich ist, zu unterdrücken, dass der durch den Magnetsubstanzteil 121 fließende Magnetfluss innerhalb des Magnetfluss-Führungsteils 12 in der Umfangsrichtung fließt, kann ein Kurzschluss des schleifenförmigen Magnetpfads innerhalb des Magnetfluss-Führungsteils 12 reduziert werden.
Die Anzahl von Magnetfluss-Erzeugungsteilen 15 (Spulen 15c) kann angemessen eingestellt werden. Der Fluktuationszyklus eines Magnetfelds kann durch Steigern der Anzahl von Magnetfluss-Erzeugungsteilen 15 in einem gewissen Umfang verkürzt werden. Basierend darauf, dass die Menge an Wärmeerzeugung durch Induktionsheizen proportional zur Frequenz eines Magnetfeldes ist, kann ein Anstieg der Menge an Wärmeerzeugung durch Verkürzen des Zyklus eines Magnetfeldes erwartet werden. Die Anzahl von Magnetfluss-Erzeugungsteilen 15 ist beispielsweise vorzugsweise vier oder mehr, bevorzugterer Weise sechs oder mehr, weiter bevorzugterer Weise zehn oder mehr.
(Betriebseffekt)
In der Induktionsheizvorrichtung 101 der ersten Ausführungsform ist der Magnetfluss-Führungsteil 12 auf der inneren Umfangsseite des Heizteils 13 vorgesehen, der dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 gegenüberliegt, wodurch Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 zum Heizteil 13 geleitet werden kann, ohne diffundiert zu werden. Wärmeerzeugung durch Wirbelstrom wird in dem Magnetfluss-Führungsteil 12 unterdrückt und zusätzlich sind der Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 und der Heizteil 13 bei einer Distanz voneinander. Somit kann in der Induktionsheizvorrichtung 101 der Effekt von Wärme auf den Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 reduziert werden, wodurch ein Temperaturanstieg des Magnetfluss-Erzeugungsteils 15 reduziert wird. Selbst wenn der Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 und der Heizteil 13 bei einer Distanz zueinander sind, kann Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 zum Heizteil 13 durch den Magnetfluss-Führungsteil 12 geleitet werden, ohne diffundiert zu werden. Entsprechend kann die Menge an Wärmeerzeugung im Heizteil 13 vergrößert werden.
[Modifikation 1-1]
In der Induktionsheizvorrichtung 101 der ersten Ausführungsform ist die Flusspassage 17 im Heizteil 13 vorgesehen. Die Flusspassage 17 kann nicht nur im Heizteil 13 vorgesehen sein, sondern auch im Magnetfluss-Führungsteil 12. In der Modifikation 1-1 wird eine Weise, in welcher Flusspassagen 17 im Heizteil 13 und dem Magnetfluss-Führungsteil 12 vorgesehen sind, beschrieben. Bezug nehmend auf 4 und 5 wird unten die Induktionsheizvorrichtung 101 der Modifikation 1-1 beschrieben, wobei hauptsächlich auf den Unterschied gegenüber der ersten Ausführungsform fokussiert wird.
In der Induktionsheizvorrichtung 101 von Modifikation 1-1, die in 4 und 5 gezeigt sind, sind eine Flusspassage 171 und eine Flusspassage 172 jeweils im Heizteil 13 und dem Magnetfluss-Führungsteil 12 vorgesehen. Die im Heizteil 13 bereitgestellte Flusspassage 171 wird durch Ausbilden eines Durchgangsloches längs der Axialrichtung des Heizteils 13 und Einführen einer Rohrleitung in das Durchgangsloch gebildet. Die Flusspassage 172, die im Magnetfluss-Führungsteil 12 bereitgestellt ist, wird durch Ausbilden eines Durchgangslochs längs der Axialrichtung des Magnetfluss-Führungsteils 12 und Einführen einer Rohrleitung in dieses Durchgangsloch, in derselben Weise wie die Flusspassage 171 gebildet. In diesem Beispiel ist ein Ende der Flusspassage 171 mit einem Ende der Flusspassage 172 durch ein Verbindungsrohr 175 (siehe 5) so verbunden, dass die Flusspassage 17 als eine Rundlaufpassage gebildet ist, welche die Flusspassagen 171 und 172 beinhaltet. Spezifisch ist von den Flusspassagen 171 und 172 die Flusspassage 172 ein Ausgleichspfad des Heizmediums und ist die Flusspassage 171 ein Rückkehrpfad des Heizmediums. In diesem Beispiel, wie in 5 gezeigt, wird das Heizmedium aus einer Seite der Flusspassage 172 zugeführt, zirkuliert das durch die Flusspassage 172 zirkulierende Heizmedium zur Flusspassage 171 durch Verbindungsrohr 175, das mit dem anderen Ende der Flusspassage 172 verbunden ist und wird das Heizmedium aus einer Seite von Flusspassage 171 abgegeben (die weißen Pfeile in 5 zeigen die Zufuhr-/Ablassrichtung des Heizmediums). In der Induktionsheizvorrichtung 101 von Modifikation 1-1 kann nicht nur in dem Heizteil 13 erzeugte Wärme, sondern auch aus dem Heizteil 13 zum Magnetfluss-Führungsteil 12 geleitete Wärme durch das Heizmedium wiedergewonnen werden. Entsprechend kann die Wiedergewinnungs-Effizienz von in dem Heizteil 13 erzeugter Wärme verbessert werden und kann das Heizmedium effizient geheizt werden. Zusätzlich dient die in dem Magnetfluss-Führungsteil 12 vorgesehene Flusspassage 172 als ein Auslasspfad des Heizmediums, wodurch das Heizmedium bei niedriger Temperatur der Flusspassage 172 zugeführt wird, um den Magnetfluss-Führungsteil 12 zu kühlen. Entsprechend kann der Temperaturanstieg des Magnetfluss-Führungsteils 12 effektiv unterdrückt werden. Daher, da der Effekt von Wärme auf den Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 mehr reduziert werden kann, kann ein Temperaturanstieg des Magnetfluss-Erzeugungsteils 15 mehr unterdrückt werden.
[Modifikation 1-2]
In der Induktionsheizvorrichtung 101 der ersten Ausführungsform sind im Magnetfluss-Führungsteil 12 Magnetsubstanzteile (elektrische Stahlbleche) 121 mit Isolatorteilen (isolierende Beschichtung) 122 dazwischen eingefügt längs der Radialrichtung des Heizteils 13 (der Richtung orthogonal zur Umfangsrichtung des Heizteils 13) angeordnet. Wie in der in 6 gezeigten Modifikation 1-2 können Magnetsubstanzteile 121 des Magnetfluss-Führungsteils 12 so angeordnet sein, dass sie relativ zur Radialrichtung des Heizteils 13 geneigt sind. Mit dieser Konfiguration, selbst wenn die Dicke des Magnetfluss-Führungsteils 12 (die Dicke in der Radialrichtung) und die Distanz zwischen der äußeren Umfangsoberfläche des Vorsprungs 111 von Rotor 11 und der inneren Umfangsoberfläche des Magnetfluss-Führungsteils 12 die gleichen sind wie jene in der ersten Ausführungsform, kann die Länge des Magnetsubstanzteils 121, der als Hauptwärmeleitungspfad dient, im Vergleich zur ersten Ausführungsform vergrößert werden. Der Isolatorteil 122 weist allgemein einen großen thermischen Widerstand im Vergleich zum Magnetsubstanzteil 121 auf. Der Wärmeleitungspfad längs der Radialrichtung des Magnetsubstanzteils 121 ist durch den Isolatorteil 122 getrennt und ist nicht ein Hauptwärmeleitungspfad. Der Wärmeleitungspfad längs der Richtung längs der Neigung des Magnetsubstanzteils 121 ist dazu gedacht, der Haupt-Wärmeleitungspfad zu sein. Somit, da die thermische Leitungsdistanz zwischen dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 und dem Heizteil 13 im Wesentlichen vergrößert wird, kann der Effekt von Wärme auf den Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 reduziert werden und kann ein Temperaturanstieg des Magnetfluss-Erzeugungsteils 15 unterdrückt werden. Andererseits, selbst wenn der Magnetsubstanzteil 121, der als Haupt-Wärmeleitungspfad dient, lang ist, kann der Magnetsubstanzteil 121 den Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 zum Heizteil 13 leiten, ohne Diffusion, weil der Magnetsubstanzteil 121 selbst aus einem magnetischen Material gebildet ist.
[Zweite Ausführungsform]
In der Induktionsheizvorrichtung 101 der ersten Ausführungsform wird der Magnetfluss-Führungsteil 12 über den gesamten Umfang der gegenüberliegenden Oberfläche (innere Umfangsoberfläche) des Heizteils 13 vorgesehen. Eine Vielzahl von Magnetfluss-Führungsteilen 12 kann mit Beabstandung in der Umfangsrichtung der inneren Umfangsoberfläche des Heizteils 13 vorgesehen sein. In einer zweiten Ausführungsform sind eine Weise, in der eine Vielzahl von Magnetfluss-Führungsteilen 12 auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Heizteils 13 mit Beabstandung in der Umfangsrichtung des Heizteils 13 vorgesehen sind. Bezug nehmend auf 7 und 8 wird eine Induktionsheizvorrichtung 102 der zweiten Ausführungsform unten beschrieben, wobei hauptsächlich auf die Differenz gegenüber der ersten Ausführungsform fokussiert wird.
In der Induktionsheizvorrichtung 102 der in 7 gezeigten zweiten Ausführungsform sind eine Vielzahl von Magnetfluss-Führungsteilen 12 mit Beabstandung in der Umfangsrichtung auf der inneren Umfangsoberfläche des Heizteils 13 vorgesehen. Jeder Magnetfluss-Führungsteil 12 ist ein bogenförmiger, geschichteter Körper. In diesem Fall, wie durch gestrichelte Pfeile in 8 gezeigt, wird die Bewegung des durch einen Magnetfluss-Führungsteil 12 zum angrenzenden Magnetfluss-Führungsteil 12 fließenden Magnetflusses durch die Beabstandung zwischen den Magnetfluss-Führungsteilen 12 unterbrochen. Daher kann im Magnetfluss-Führungsteil 12 der Magnetfluss längs der Richtung vom Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 zum Heizteil 13 geführt werden. das heißt, dass die Magnetfluss-Führungsteile 12 durch die Beabstandung getrennt sind, wodurch verhindert wird, dass der aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 erzeugte Magnetfluss des Nordpols eine Abkürzung zum Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 des Südpols durch den Magnetfluss-Führungsteil 12 nimmt.
[Modifikation 2]
Wie in der in 9 gezeigten Modifikation 2, kann in der Induktionsheizvorrichtung 102 der zweiten Ausführungsform ein wärmeisolierendes Material 19 in dem Abstand zwischen den Magnetfluss-Führungsteilen 12 angeordnet sein. Das Anordnen von wärmeisolierendem Material 19 kann die Wärmedissipation aus dem Heizteil 13 reduzieren. Dies kann einen Wärmeverlust aus dem Heizteil 13 unterdrücken und somit die Heizeffizienz des Heizmediums verbessern. Gegeben, dass das wärmeisolierende Material 19 allgemein eine nicht-magnetische Substanz ist, wird die Bewegung des Magnetflusses zum angrenzenden Magnetfluss-Führungsteil 12 unterbrochen. Als wärmeisolierendes Material kann beispielsweise Steinwolle, Glaswolle, aufgeschäumter Kunststoff, Ziegel oder Keramik verwendet werden.
[Dritte Ausführungsform]
In den vorstehenden ersten und zweiten Ausführungsformen ist die Struktur der Induktionsheizvorrichtung eine Radialspaltstruktur, in welcher ein Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 und ein Heizteil 13 angeordnet sind, einander bei einer Distanz in Radialrichtung des Rotors 11 gegenüberliegend zu sein. In einer dritten Ausführungsform ist die Struktur der Induktionsheizvorrichtung eine Axialspalttypstruktur, in der der Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 und der Heizteil 13 zueinander bei einer Distanz in Axialrichtung des Rotors 11 gegenüberliegend angeordnet sind. Bezug nehmend auf 10 bis 13 wird unten eine Induktionsheizvorrichtung 103 gemäß der dritten Ausführungsform beschrieben, wobei hauptsächlich auf einen Unterschied gegenüber der ersten Ausführungsform fokussiert wird.
(Rotor und Heizteil)
Der Rotor 11 und der Heizteil 13 sind wie eine Platte (hier Scheibenform) gebildet und mit entsprechenden Oberflächen in einer Distanz zueinander weisend angeordnet (siehe 10). Der Rotor 11 ist mit einer Endseite einer Rotationswelle 21 drehbar durch ein (nicht gezeigtes) Lager gehaltert. Der Heizteil 13 ist angeordnet, den Rotor 11 bei einer Distanz in Axialrichtung gegenüberliegend zu sein und an einem (nicht gezeigten) Gehäuse fixiert, um nicht zu rotieren.
(Magnetfluss-Erzeugungsteil)
Auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Rotors 11, der dem Heizteil 13 gegenüberliegt, ist der Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 vorgesehen, um einen Magnetfluss in Axialrichtung (der Richtung des Heizteils 13) des Rotors 11 zu erzeugen. In diesem Beispiel ist der Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 ein Permanentmagnet 15m. Wie in 11 gezeigt, sind eine Vielzahl von sektorförmigen Permanentmagneten 15m in einem Kreis auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Rotors 11 angeordnet und unterscheiden sich die Polaritäten der angrenzenden Permanentmagneten 15m voneinander. Obwohl 11 illustrativ sechs Magnetfluss-Erzeugungsteile 15 (Permanentmagnete 15m) zeigt, ist die Anzahl von Magnetfluss-Erzeugungsteilen 15 (Permanentmagneten 15m) nicht darauf beschränkt und kann angemessen gesetzt werden. Die Anzahl von Magnetfluss-Erzeugungsteilen 15 ist beispielsweise vorzugsweise vier oder mehr, bevorzugterer Weise acht oder mehr, noch bevorzugterer Weise 10 oder mehr. Eine Spule kann als Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 verwendet werden.
(Magnetfluss-Führungsteil)
Auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Heizteils 13, der dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 gegenüberliegt, ist der Magnetfluss-Führungsteil 12 vorgesehen, um den Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 zum Heizteil 13 zu führen. In diesem Beispiel, wie in 10 und 12 gezeigt, sind Magnetsubstanzteile 121 und Isolatorteile 122 radial auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Heizteils 13 angeordnet und sind abwechselnd in der Umfangsrichtung des Heizteils 13 geschichtet.
(Flusspassage)
Die Flusspassage 17 ist längs der Radialrichtung des Heizteils 13 vorgesehen. In diesem Beispiel, wie in 10 und 13 gezeigt, sind eine Vielzahl von Flusspassagen 17 vorgesehen, durch radiales Anordnen von Rohrleitungen auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Heizteils 13 auf der gegenüberliegenden Seite zur gegenüberliegenden Oberfläche, die dem Rotor 11 gegenüberliegt. In jeder Flusspassage 17 zirkuliert ein Heizmedium von einer Seite zur anderen Seite in der Radialrichtung des Heizteils 13 (von der Außenseite zur Innenseite in 10) (die weißen Pfeile in 10 zeigen die Zufuhr-/Auslassrichtung des Heizmediums).
(Betriebseffekt)
In der Induktionsheizvorrichtung 103 der dritten Ausführungsform ist der Magnetfluss-Führungsteil 12 auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Heizteils 13 vorgesehen, der gegenüberliegend dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 ist, in derselben Weise wie in der Induktionsheizvorrichtung 101 der ersten Ausführungsform. Somit kann der Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 zum Heizteil 13 geleitet werden, ohne diffundiert zu werden. Entsprechend, da der Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 und der Heizteil 13 in einer Distanz voneinander stehen, kann der Effekt von Wärme auf den Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 reduziert werden. Weiterhin kann der Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil 15 zum Heizteil 13 durch den Magnetfluss-Führungsteil 12 geleitet werden, ohne diffundiert zu werden. Entsprechend kann die dritte Ausführungsform den Temperaturanstieg des Magnetfluss-Erzeugungsteils unterdrücken und kann die Menge an Wärmeerzeugung im Heizteil vergrößern, in derselben Weise wie in der ersten Ausführungsform vom Radialspalttyp.
Wie in Modifikation 1-1 der ersten Ausführungsform beschrieben, kann auch in der Axialspalttyp-Induktionsheizvorrichtung 103 der dritten Ausführungsform die Flusspassage 17 nicht nur im Heizteil 13 vorgesehen sein, sondern auch im Magnetfluss-Führungsteil 12. In diesem Fall kann die in dem Magnetfluss-Führungsteil 12 vorgesehene Flusspassage als ein Auslasspfad dienen, kann die im Heizteil 13 vorgesehene Flusspassage als ein Rückführpfad dienen, so dass jene Flusspassagen eine Rundlaufpassage bilden. Weiterhin, wie in Modifikation 1-2 der ersten Ausführungsform beschrieben, können im Magnetfluss-Führungsteil 12 die Magnetsubstanzteile 121 so angeordnet sein, dass sie relativ zur Radialrichtung des Heizteils 13 geneigt sind. Zusätzlich, wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben, kann eine Vielzahl von Magnetfluss-Führungsteilen 12 mit Beabstandung in der Umfangsrichtung auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Heizteils 13 vorgesehen sein. In diesem Fall kann ein wärmeisolierendes Material im Abstand zwischen Magnetfluss-Führungsteilen 12 angeordnet sein.
<Stromerzeugungssystem>
Bezug nehmend auf 14 wird ein Beispiel eines Stromerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Stromerzeugungssystem P, das in 14 gezeigt ist, beinhaltet eine Induktionsheizvorrichtung 10, eine Windturbine 20, einen Wärme-Akkumulator 50 und einen Stromerzeugungsteil 60. Die Windturbine 20 ist an einer Gondel 92 angebracht, die an der Spitze eines Turms 91 installiert ist, wobei die Induktionsheizvorrichtung 10 in der Gondel 92 gelagert ist. Der Wärme-Akkumulator 50 und der Stromerzeugungsteil 60 sind in einem Gebäude 93 installiert, das auf dem Boden (Basis) des Turms 91 gebaut ist. Die Konfiguration des Stromerzeugungssystems P wird im Detail unten beschrieben.
Die Induktionsheizvorrichtung 10 ist die Induktionsheizvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und beispielsweise können die Induktionsheizvorrichtungen 101 bis 103 gemäß den vorstehenden ersten bis dritten Ausführungsformen verwendet werden. Die andere Endseite der Rotationswelle 21 ist direkt mit der später beschriebenen Windturbine 20 gekoppelt und Wind wird als Bewegungsenergie zum Rotieren des Rotors verwendet. Hier ist das Heizmedium beispielsweise Wasser.
Die Windturbine 20 weist eine Struktur auf, in welcher die Drehwelle 21, die sich in der horizontalen Richtung erstreckt, am Zentrum eingestellt ist und drei Flügel 201 radial an der Rotationswelle 21 angebracht sind. Im Falle eines Windenergie-Erzeugungssystems mit einem Output, der 5 MW übersteigt, beträgt der Durchmesser 120 m oder mehr, und ist die Drehzahl etwa 10 bis 20 Upm.
Die Flusspassage (Rohrleitung) der Induktionsheizvorrichtung 10 ist mit einem Wasserzufuhrrohr 73 zum Zuführen von Wasser zur Induktionsheizvorrichtung 10 und einem Transportrohr 51 zum Liefern von durch die Induktionsheizvorrichtung 10 erhitztem Wasser zum Wärme-Akkumulator 50 verbunden. In der Induktionsheizvorrichtung 10 wird ein Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil erzeugt, der am Rotor vorgesehen ist, und wenn der Rotor rotiert, ändert sich der den bei einer Distanz ab dem Rotor angeordneten Heizteil passierende Magnetfluss, wodurch ein Wirbelstrom im Heizteil erzeugt wird, um den Heizteil zu veranlassen, Wärme zu erzeugen und Wasser in der Flusspassage zu erhitzen. Die Induktionsheizvorrichtung 10 erhitzt Wasser, das als ein Heizmedium dient, auf hohe Temperaturen wie beispielsweise etwa 100 °C bis 600 °C. Da die Induktionsheizvorrichtung 10 so strukturiert ist, dass der Heizteil (Flusspassage) nicht rotiert, ist es unnötig, ein Drehgelenk zum Verbinden der Flusspassage mit dem Transportrohr 51 und dem Wasserzufuhrrohr 73 zu verwenden. Eine robuste Verbindung wird mit einer einfachen Konfiguration, beispielsweise schweißend implementiert.
Das Stromerzeugungssystem P erwärmt Wasser auf Temperaturen (beispielsweise 200 °C bis 350 °C), die zur Stromerzeugung geeignet sind, mit der Induktionsheizvorrichtung 10 und erzeugt Hochdrucktemperatur- und Hochdruckwasser. Das Hochdrucktemperatur- und Hochdruckwasser wird dem Wärme-Akkumulator 50 durch das Transportrohr 51 geliefert, welches die Induktionsheizvorrichtung 10 mit dem Wärme-Akkumulator 50 koppelt. Der Wärme-Akkumulator 50 speichert die Wärme des Hochdrucktemperatur- und Hochdruckwassers, welches durch das Transportrohr 51 geliefert wird, und führt für die Stromerzeugung erforderlichen Dampf dem Stromerzeugungsteil 60 unter Verwendung eines Wärmetauschers zu. Alternativ kann Dampf durch die Induktionsheizvorrichtung 10 erzeugt werden.
Als Wärme-Akkumulator 50 können beispielsweise ein Dampf-Akkumulator, eine fühlbare Wärme-Typ-Speichervorrichtung, die ein geschmolzenes Salz, Öl oder dergleichen verwendet, oder eine Latenzwärme-Typ-Speichervorrichtung, die eine Phasenänderung eines geschmolzenen Salzes mit hohem Schmelzpunkt einsetzt, verwendet werden. Das fühlbare Wärme-Typ-Speicherverfahren speichert Wärme bei einer Phasenübergangstemperatur eines Wärmespeichermaterials und weist daher allgemein ein enges Band an Wärmespeichertemperaturen im Vergleich mit dem Latenzwärmetyp-Speicherverfahren auf und zeigt eine hohe Wärmespeicherdichte.
Der Stromerzeugungsteil 60 ist eine Struktur, welche die Dampfturbine 61 und den Stromgenerator 62 in Kombination enthält, und aus dem Wärme-Akkumulator 50 zugeführter Dampf rotiert die Dampfturbine 61, um den Stromgenerator 62 anzutreiben, um Strom zu erzeugen.
Das Hochdrucktemperatur- und Hochdruckwasser oder der Dampf, der dem Wärme-Akkumulator 50 zugeführt wird, wird durch einen Kondensor 71 in Wasser zurückgekühlt. Das Wasser wird dann einer Pumpe 72 angeliefert, die Hochdruckwasser erzeugt und das Hochdruckwasser der Induktionsheizvorrichtung 10 über das Wasserzufuhrrohr 73 zuführt, wodurch das Wasser zirkuliert wird.
Da das Stromerzeugungssystem P die Induktionsheizvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet, kann die Menge an Wärmeerzeugung im Heizteil vergrößert werden, während der Temperaturanstieg des Magnetfluss-Erzeugungsteils bei der Induktionsheizvorrichtung 10 unterdrückt wird. Daher kann die Effizienz des Heizens des Heizmediums in der Induktionsheizvorrichtung 10 verbessert werden und kann die Stromerzeugungseffizienz verbessert werden. Zusätzlich kann die Wärme des durch die Induktionsheizvorrichtung 10 erhitzten Heizmediums im Wärme-Akkumulator 50 gespeichert werden, um Strom zu erzeugen, wodurch eine stabile Stromerzeugung, um den Bedarf zu erfüllen, realisiert werden kann, ohne teure Speicherbatterien zu verwenden. Weiterhin ist die Windturbine 20 direkt mit der Rotationswelle 21 der Induktionsheizvorrichtung 10 gekoppelt, wodurch Probleme mit Geschwindigkeitssteigerern (Getriebeboxen) vermieden werden. Darüber hinaus, da die Wärme des Heizmediums dem Stromerzeugungsteil 60 zugeführt wird, der beispielsweise am Boden (Basis) des Turms 91 installiert ist, durch das Transportrohr 51, ist es nicht notwendig, den Stromerzeugungsteil 60 in der Gondel 92 zu lagern, so dass die Gondel 92, die an der Spitze des Turms 91 installiert ist, in Größe und Gewicht reduziert werden kann.
Im oben illustrierten Stromerzeugungssystem P wird Wasser als ein Heizmedium verwendet. Alternativ kann Flüssigmetall mit einer thermischen Leitfähigkeit höher als Wasser als ein Heizmedium verwendet werden. Ein Beispiel eines solchen Flüssigmetalls ist flüssiges metallisches Natrium. Wenn Flüssigmetall als Heizmedium verwendet wird, kann beispielsweise Flüssigmetall als ein primäres Heizmedium verwendet werden, das Wärme aus dem Heizteil aufnimmt und kann ein sekundäres Heizmedium (Wasser) durch einen Wärmetauscher durch die Wärme des durch das Transportrohr zugeführten Flüssigmetalls erhitzt werden, um Dampf zu erzeugen.
Wenn beispielsweise Öl, Flüssigmetall, geschmolzenes Salz oder dergleichen mit einem Siedepunkt, der bei Normaldruck 100 °C übersteigt, als ein Heizmedium verwendet wird, kann der durch Verdampfung des Heizmediums in der Flusspassage verursachte interne Druckanstieg leichter unterdrückt werden, wenn es auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, im Vergleich zu Wasser.
Das Stromerzeugungssystem P kann eine in 15 gezeigte Konfiguration aufweisen. Der Wärme-Akkumulator 50 kann einen Wärmetauscher 52 und eine Wärme akkumulierende Einheit 53 beinhalten. Im Wärme-Akkumulator 50 gespeicherte Wärme kann zum Erzeugen von Dampf verwendet werden, der für die Stromerzeugung notwendig ist, unter Verwendung des Wärmetauschers 52. Wie in 15 gezeigt, sind der Wärmetauschers 52 und die Wärme akkumulierende Einheit 53 im Wärme-Akkumulator 50 enthalten. Das Induktionsheizvorrichtung P weist erste und zweite Schleifen auf. Die erste Schleife gestattet einem Heizmedium, zu zirkulieren und beinhaltet das Transportrohr 51, den Wärme-Akkumulator 50 und das Wasserzufuhrrohr 73. Die zweite Schleife liefert Dampf der Dampfturbine 61 und beinhaltet die Dampfturbine 61, den Dampfkondensator 71 und den Wärmetauscher 52.
Um mit 14 konsistent zu sein, wird die Rohrleitung zum Rückführen des Heizmediums aus der Pumpe 72 zur Induktionsheizvorrichtung 10 „Wasserzufuhrrohr“ genannt. Jedoch ist in der in 15 gezeigten Konfiguration das durch die erste Schleife zirkulierende Heizmedium nicht auf Wasser oder Wasserdampf beschränkt. Wie oben beschrieben, kann das Heizmedium Öl, Flüssigmetall oder geschmolzenes Salz sein.
Die Induktionsheizvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann in einem Stromerzeugungssystem verwendet werden, das erneuerbare Energie (beispielsweise Windenergie) verwendet und kann auch beispielsweise in einem Heißwasserzufuhrsystem oder einem Luftheizsystem verwendet werden. Das Stromerzeugungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird geeigneter Weise auf dem Gebiet der Stromerzeugung unter Verwendung erneuerbarer Energien angewendet.
Bezugszeichenliste
10, 10 bis 103 Induktionsheizvorrichtung, P Stromerzeugungssystem, 11 Rotor, 111 Vorsprung, 12 Magnetfluss-Führungsteil, 121 Magnetsubstanzteil, 122 Isolatorteil, 13 Heizteil, 15 Magnetfluss-Erzeugungsteil, 15c Spule, 15m Permanentmagnet, 17 Flusspassage, 171 Flusspassage (Auslasspfad), 172 Flusspassage (Rückführpfad), 175 Verbindungsrohr, 19 wärmeisolierendes Material, 21 Rotationswelle, 20 Windturbine, 20 Flügel, 50 Wärme-Akkumulator, 51 Transportrohr, 52 Wärmetauscher, 53 Wärme akkumulierende Einheit, 60 Stromerzeugungsteil, 61 Dampfturbine, 62 Stromgenerator, 71 Dampfkondensator, 72 Pumpe, 73 Wasserzufuhrrohr, 91 Turm, 92 Gondel, 93 Gebäude.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015200597 [0002]

Claims

Induktionsheizvorrichtung, die ein Heizmedium heizt, umfassend: einen Rotor mit einer Rotationswelle; einen Heizteil, der angeordnet ist, in einer Distanz dem Rotor gegenüberliegend zu sein; einen Magnetfluss-Erzeugungsteil, der am Rotor vorgesehen ist, um Magnetfluss für den Heizteil zu erzeugen; einen Magnetfluss-Führungsteil, der auf einer gegenüberliegenden Oberflächenseite des Heizteils vorgesehen ist, das gegenüberliegend dem Magnetfluss-Erzeugungsteil ist, um den Magnetfluss aus dem Magnetfluss-Erzeugungsteil zum Heizteil zu leiten; und eine Flusspassage, die im Heizteil vorgesehen ist, um dem Heizmedium zu gestatten, zu zirkulieren, wobei der Magnetfluss-Führungsteil Magnetsubstanzteile, die aus einem magnetischen Material gebildet sind, und Isolatorteile, die aus einem nichtmagnetischen und elektrisch isolierenden Material gebildet sind, beinhaltet, und eine Struktur aufweist, in welcher die Magnetsubstanzteile und die Isolatorteile sich längs einer Richtung von dem Magnetfluss-Erzeugungsteil zum Heizteil erstrecken und abwechselnd längs einer Umfangsrichtung des Heizteils geschichtet sind.
Induktionsheizvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Magnetfluss-Führungsteil einen geschichteten Körper beinhaltet, der eine Vielzahl elektrischer Stahlbleche beinhaltet, wobei die elektrischen Stahlbleche geschichtet sind und jedes eine isolierende Beschichtung aufweist.
Induktionsheizvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnetfluss-Führungsteil über die gesamte gegenüberliegende Oberfläche des Heizteils vorgesehen ist.
Induktionsheizvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine Vielzahl der Magnetfluss-Führungsteile auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Heizteils mit Beabstandung in Umfangsrichtung des Heizteils vorgesehen sind.
Induktionsheizvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei ein wärmeisolierendes Material in dem Abstand zwischen den Magnetfluss-Führungsteilen angeordnet ist.
Induktionsheizvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Flusspassage so gebildet ist, dass der Heizteil und der Magnetfluss-Führungsteil mit entsprechenden Flusspassagen vorgesehen sind und eine Enden der Flusspassage miteinander so verbunden sind, dass die Flusspassagen eine Rundlaufpassage bilden, und von den Flusspassagen eine in dem Magnetfluss-Führungsteil vorgesehene Flusspassage als ein Auslasspfad des Heizmediums dient und die in dem Heizteil vorgesehene andere Flusspassage als ein Rückführpfad des Heizmediums dient.
Induktionsheizvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Rotationswelle mit einer Windturbine verbunden ist.
Stromerzeugungssystem, umfassend: die Induktionsheizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und einen Stromerzeugungsteil, der konfiguriert ist, Wärme des Heizmediums, das durch die Induktionsheizvorrichtung erhitzt ist, in elektrische Energie umzuwandeln.