JP2011210656A - 永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風力、水力、波力等の自然界の流体運動エネルギーを、高効率かつ低コストで熱エネルギー及び又は電気エネルギーに変換し、水等の加熱・給湯、電力源とすることができる永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置を提供する。
【解決手段】ロータ５が着脱可能な空洞を有する被加熱部４に挿入される。ロータ５の回転によって発生する交番磁界によって、被加熱部４に渦電流を発生させ、そのジュール熱を熱交換し、その中の流体を加熱する。ロータ５とステータ６は、外部から電力供給を受けた場合は電動機として機能し、回転軸３を回転させるか、その回転を助長する。同様に外部から電力供給を受け無い場合は、ロータ５とステータ６は、回転軸３の回転で回転し、発電機としても機能する。ロータ５が挿脱可能な被加熱部４の空洞４ｂは、緩い傾斜角度を持たせた台形の構造とし、ロータ５の着脱時の負荷変動の影響を小さくする形状とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体運動エネルギーを電気エネルギー及び又は熱エネルギーに変換するための永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置に関するものである。特に、風力、水力、波力等の自然界の流体運動を、熱エネルギーに変換、及び又は、電気エネルギーに変換するための永久磁石式の渦電流加熱及び発電用のハイブリッド装置に関する。

近代、石油等の化石燃料を燃焼しエネルギー源にすることが活発行われるようになった。この化石燃料の燃焼は、二酸化炭素等の温室効果ガスを排出し、結果的に、この温室効果ガスが大気中に放出されている。温室効果ガスの増加に伴う地球温暖化が学会やマスメディア等を始め、大きく取り上げられ、問題視されてきている。この中で、温室効果ガスを排出しないため、自然エネルギーを利用する技術の開発が加速している。自然エネルギーの利用としては、太陽光で液体を加熱して日常生活に利用することが古くから行われている。

また、太陽光を電力に変換するソーラー電池、風力でモーターを回転させて発電する風力発電システムが実用化されている。太陽光発電は、通信回線や宇宙設備等への給電など特定の分野に利用されてきたが、近年は、一般家庭、オフィスビル用の発電パネルの販売が急速に伸びており、太陽光発電の普及も目覚ましい。水力を利用した水力発電プラントも自然エネルギーの利用の一例である。更に、自然エネルギーの利用としては、海洋の波力、地熱を利用した発電、暖房システムもある。

風力や水力等の自然由来の流体運動エネルギーで、渦電流を発生させながら加熱体に直接的に熱を発生させて水を加熱するようにしたものも提案されている（特許文献１）。これは、流体運動エネルギーを電力に変換してから加熱する場合と比べて、簡易な構成でイニシャルコストを低廉に抑えながら自然エネルギーを従来よりも高い効率で利用することが可能となる。また、一方、本発明の発明者らは、先に、特許文献２に記載の永久磁石式の渦電流加熱装置を提案している。

永久磁石式の渦電流加熱装置において、磁極面の永久磁石を前記のような構成・配置としたことで、磁力線の立ち上がりを大きくして渦電流による加熱効率を向上させることができ、また、ロータ外周面側に設けた加熱体の流体加熱路の形状をコイル状としたことで、水を加熱する流路が長くなって効率的かつ連続的な加熱が実現されることから、さらにエネルギー効率が高く有用性の高いものとなった。しかしながら、自然由来の不安定な駆動力を利用している関係で加熱能力の制御が容易ではなく、例えば風等の流体運動エネルギーが強くなりすぎた場合には、加熱体が過剰に高温化して装置の故障・破損の畏れが生じることになる。

また、永久磁石を前述のような特殊な形状としたことにより加熱効率は高くなるものの、汎用品の磁石が使用できないためにコスト高となりやすく、また、コイル状の流体加熱路は構成が複雑であることから加熱体の作成が容易ではなく、さらに、複雑な流体加熱通路の漏水や目詰まりを回避するためにメンテナンスの手間・コストが過大となりやすい。特許文献３には、太陽熱温水装置によって加熱された温水を利用する技術が開示されている。

実登第３０１６０６６号公報 特開２００５−１７４８０１号公報 特開平１１−２６２４５８号公報

従来のように太陽光を利用した装置は、天候に左右されやすく、曇り、悪天時に安定して動作しない、更に、夜間は利用できないという問題点がある。これに対して、風力を利用するものは、風力さえ安定であれば、太陽光より安定して動作できる。しかし、風力は、昼も夜中も利用できる利点があるが、その風力は強弱がある。風力が強すぎると、その受け身となる羽根などが折れたりすることもある。更に、渦電流を利用する場合は、強い風力の時、渦電流が流れすぎ、被加熱金属物が加熱し過ぎる問題点もあり、風力の強弱に適応して円滑な制御が望まれる。

本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記の目的を達成する。
本発明は、風力、水力、波力等の自然界の流体運動エネルギーを、高効率かつ低コストで熱エネルギー及び又は電気エネルギーに変換して、水等の加熱・給湯、電力源とすることができる永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、流体運動エネルギーを、熱エネルギー又は電気エネルギーに効率よく変換できる永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するため、次の手段を採る。
本発明は、永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置を提供する。
本発明の永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置は、自然エネルギーによって回転駆動される回転体と、回転体に接続された回転軸と、回転軸に固定された円筒と、円筒の外周に設けられた複数の永久磁石とからなるロータと、ロータが着脱可能な第１空洞を有し、導電材料からできた被加熱部と、及び、ロータが着脱可能な第２空洞を有し、導線コイルからなる固定子と、からなり、ロータが第１空洞の中に挿入されて回転するとき、導電材料に永久磁石による渦電流が流れて加熱し、この加熱により、被加熱部の内部の流体を熱交換で加熱し、ロータが第２空洞の中に挿入されて回転するとき、導線コイルに永久磁石による誘導起電力が生じ、固定子の端子から電力を出力することを特徴とする。

第１空洞は、断面が台形の円錐形状をし、ロータが挿入される側の直径が、その反対側の直径より大きい値を有すると良い。
また、本発明の永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置は、固定子の端子から出力される電力を、蓄電器又は電力線に供給する機能を有する制御手段を有すると良い。
更に、回転体は、風力によって回転駆動される風車であると良い。

更に、また、本発明の永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置は、被加熱部とロータとの相対位置を制御するための第１移動手段と、固定子とロータとの相対位置を制御するための第２移動手段と有すると良い。
更に、第１移動手段は、ロータが第１空洞に挿入される長さを調整することで、被加熱部の加熱の強弱を制御すると良い。
更に、ロータは被加熱部及び固定子の両方に入った状態を有し、同時に加熱機及び、回転軸を回転させる又はその回転を助長するための電動機として機能すると良い。

更に、本発明の永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置は、被加熱部と固定子を同時に移動させて、ロータとの相対位置を制御するための同時移動手段を有すると良い。
同時移動手段は、ロータが第１空洞に挿入される長さを調整することで、被加熱部の加熱の強弱を制御すると良い。

本発明によると、次の効果が奏される。
本発明の永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置は、風力、水力、波力等の自然界の流体運動エネルギーを、高効率かつ低コストで熱エネルギー及び又は電気エネルギーに変換して、流体の加熱・給湯、電力源とすることが可能になった。
また、本発明は、流体運動エネルギーを、熱エネルギー及び又は電気エネルギーに効率よく選択変換できるようになった。

図１は、本発明の第１の実施の形態である永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置１の概要を図示した概念図である。 図２は、図１のハイブリッド装置１の断面を示す概念図である。 図３は、永久磁石５ａの配置例の断面の一部を示す図である。 図４は、本発明の第２の実施の形態である永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置１０１の概要を図示した概念図である。 図５は、本発明の第３の実施の形態である永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置２０１の概要を図示した概念図である。

〔第１の実施の形態〕
本発明の第１の実施の形態の永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置１を、図面を参照しながら説明する。以下、永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置１は、ハイブリッド装置１と称する。

〔ハイブリッド装置１の概要〕
図１は、ハイブリッド装置１の全体を示す概念図である。ハイブリッド装置１は、永久磁石によって導体に渦電流を発生させて、その導体に接触する流体を熱交換で加熱するものである。また、ハイブリッド装置１は、自然運動エネルギーを、回転する永久磁石を介して、電磁誘導で電気エネルギーに変換し電力を出力するものである。ハイブリッド装置１は、回転体２、回転軸３、被加熱部４、ロータ５、ステータ６、制御ユニット７等からなる。

回転体２は、自然エネルギーによって回転し、それに接続された回転軸３を回転させるためのものである。回転体２は、任意の自然エネルギーを利用するものである。本実施の形態では、回転体２は、風力によって回転する風車である。回転軸３は、回転体２の回転運動を、回転軸３に固定されたロータ５に伝達するためのものである。回転軸３は、本実施の形態では、細長い棒状の形状をしている。回転軸３は、回転体２の回転運動をロータ５の回転運動に伝達又は変換するものであれば、任意の形状、原理のものを利用することができる。

ロータ５は、複数の永久磁石５ａ（図２及び図３を参照。）からなり、回転してその周囲に交番磁界を形成するためのものである。被加熱部４は、導電材料からなる容器で、その中に流体を貯蔵又は格納する。被加熱部４は、その内部にロータ５が挿入され、回転することができる空洞４ｂ（空間）を有する（図２を参照。）。ロータ５は、この空洞４ｂに入って回転し、永久磁石５ａから発生する磁束が回転によって、被加熱部４の導電材料に渦電流を発生させ、そのジュール熱で、被加熱部４が加熱し、最終的に、被加熱部４の内部の流体が加熱される。空洞４ｂは、円錐状の空間である。

また、ハイブリッド装置１は、ステータ６とロータ５とを組み合わせて、発電機として機能する。ロータ５は、ステータ６の中に挿入されて回転し、発電して、ステータ６の端子から電力を出力する。また、ステータ６の端子に電力を供給して、ロータ５を回転させ、電動機として機能させることができる。この場合は、回転軸３の回転が自然エネルギーで賄えないときに、その回転を助長することができる。ハイブリッド装置１は、装置全体の動作を制御するための制御ユニット７を有する。

具体的には、制御ユニット７は、蓄電器１２、電力線１３、及び、太陽光発電１４の中から選択される１以上の電力源に接続されて、電力供給を受ける。制御ユニット７は、電力を、ハイブリッド装置１に電力を必要とするデバイスに供給する。例えば、制御ユニット７は、後述する供給ポンプ、排出ポンプ、各種の温度センサー、ステッピングモータ１０ｂ、ステッピングモータ１１ｂ、ステータ６等に電力を供給する。電力線１３は、ディーゼル発電機、商用電力線、及びその他の電力源の何れかを使用する。

〔加熱機としての動作〕
ロータ５の複数の永久磁石５ａは、回転軸３に固定された円筒５ｂ（図２及び図３を参照。）の外周に固定されている。永久磁石５ａは、回転軸３と一体的に回転駆動される。回転軸３が回転するとき、ロータ５の複数の永久磁石５ａは、回転軸３の回転軸を中心軸線にして回転する。本実施の形態では、被加熱部４の空洞４ｂは円錐の形状を成している。この円錐は、その２つの円形の端部を有している。この端部の半径が同じであることも、異なることもできる。

被加熱部４は、内部に被加熱用の流体を貯蔵又は内蔵し、加熱するものであれば、任意の形状、導電性材質のものを利用することができる。ロータ５の永久磁石５ａは、その周囲に磁界を形成し、回転する。永久磁石５ａが回転軸３に固定されているので、回転軸３が回転されると永久磁石５ａが回転する。被加熱部４の円錐状の空洞４ｂの中にロータ５が入って回転すると、永久磁石５ａから発生する磁束で、被加熱部４を交差する磁束が変化し、被加熱部４の導電材料に渦電流が流れる。

この渦電流によるジュール熱によって、被加熱部４が加熱される。円錐状の空間４ｂにすることにより、ロータ５をこれに挿入したとき、抵抗が少なく済む。即ち、従来は、特許文献２に示すように、ロータは、同一の直径の円筒空間を有する加熱部に中に挿入されて回転していた。このロータを回転駆動させるには、抵抗が大きくスムーズには、回転駆動できないという問題があった。本実施の形態においては、ロータ５が挿入される側の端部の直径を大きくして、ロータ５の挿入抵抗とトルクを小さくしている。

これにより、被加熱部４の内部を流れている、又は被加熱部４の内部に内蔵／貯蔵されている、流体が熱交換で加熱される。このように、ハイブリッド装置１は、被加熱部４とロータ５とを組み合わせて、流体の加熱機として機能する。流体は、空気、水等の任意の流体であることができる。流体は、被加熱部４に接続された供給管８から、被加熱部４に供給される。そして、被加熱部４の中の流体は、被加熱部４に接続された排出管９から排出される。

流体は、供給管８から連続的に供給され、排出管９から連続的に排出されるとき、流体は、被加熱部４の内部を流れる。このとき、流体は、加熱されると、排出管９からは加熱された流体として排出される。流体を被加熱部４に供給するための供給ポンプ（図示せず。）が、供給管８に連結されており、流体を加圧して供給する。又は、ハイブリッド装置１は、流体を被加熱部４から強制的に排出するために排出ポンプ（図示せず。）を、排出管９に連結されている。

ハイブリッド装置１は、ロータ５と被加熱部４との距離を調整し制御するための、第１調整手段１１を有する。図中の第１調整手段１１は、被加熱部４を移動させるためのボールネジ１１ａとステッピングモータ１１ｂからなる。ステッピングモータ１１ｂは、駆動して、ボールネジ１１ａを回転させる。ボールネジ１１ａが回転すると、ボールネジ１１ａのナット（図示せず。）に固定された被加熱部４が移動する。図１には、被加熱部４の移動方向を矢印で示している。

第１調整手段１１は、被加熱部４を移動させて、被加熱面４の空洞４ｂにロータ５を挿入する。被加熱部４のこの移動量、又は位置を適当に調整することで、ロータ５を全部又はその一部を被加熱面４の空洞４ｂに入れる。これにより、被加熱部４の全体又は一部を加熱するように調整することができる。つまり、被加熱部４の加熱の強弱を制御することができる。制御ユニット７は、電力をステッピングモータ１１ｂに供給する。この制御ユニット７は、被加熱部４内の流体の温度を検知して、その温度を所定温度の設定値になるように、加熱を制御する。

所定温度としては、流体を利用するのに必要な温度である。例えば、流体が給湯や暖房等に利用するものであれば、その利用に必要な温度が所定温度になる。被加熱部４から排出される流体は、所定温度に、又は、所定温度以上に加熱されるように、制御される。この制御は、制御ユニット７によって行われる。制御ユニット７は、被加熱部４内の流体の温度を検知して、その加熱温度を調整する機能を有する。この温度検知は、被加熱部４の中又はそれに密着させて設置した温度センサー（図示せず。）等によって、行われる。

温度センサーで検知された被加熱部４内の流体の温度が設定値より高いときは、制御ユニット７は、ステッピングモータ１１ｂに制御信号を送り、ステッピングモータ１１ｂを駆動させて被加熱部４を移動させてロータ５を被加熱部４の空洞４ｂから出す。温度センサーで検知された被加熱部４内の流体の温度が設定値より小さくて、ロータ５が空洞４ｂに全部又は一部しか入っていない場合、ロータ５を被加熱部４の空洞４ｂに入れて被加熱部４内の流体を設定値になるように加熱する。

このときは、制御ユニット７は、ステッピングモータ１１ｂに制御信号を送り、ステッピングモータ１１ｂを駆動させて被加熱部４を移動させてロータ５を被加熱部４の空洞４ｂに入れる。また、制御ユニット７は、上述の供給ポンプや排出ポンプ等に例示される流体制御手段を制御して、流体の流れを制御することができる。例えば、温度センサーで検知された被加熱部４内の流体の温度が設定値より高いときは、制御ユニット７は、流体制御手段に制御信号を送り、流体の流れを早くし、被加熱部４内の流体の温度を設定値にすることができる。

温度センサーで検知された被加熱部４内の流体の温度が設定値より小さいときは、制御ユニット７は、流体制御手段に制御信号を送り、流体の流れを遅くし、被加熱部４内の流体の温度を設定値にする。また、流体は、タンク（図示）等に蓄えられていて、そこから供給ポンプ等によって、供給管８を介して、被加熱部４に供給される。言い換えると、供給管８は、流体を貯蔵するタンクに接続される。タンクの中の流体は、被加熱部４に供給され、被加熱部４の中を流れて排出されるとき、加熱される。

ハイブリッド装置１は、タンク内の流体の温度を検知するためのタンク用温度センサー（図示せず。）を配置しても良い。この配置により、制御ユニット７は、タンク用温度センサーからその検知信号を受信して、最適加熱制御をすることができる。例えば、タンク内の流体の温度と、被加熱部４内の流体の温度を比較して、加熱を最適にするには、被加熱部４を移動させるか、流体制御手段を駆動させるか、あるいは両方を同時に制御するかを決定し、その制御を行う。

〔回転電機としての機能〕
また、ハイブリッド装置１は、ステータ６とロータ５とを組み合わせて、発電機として機能する。この場合、ロータ５は、ステータ６の中に挿入されて回転駆動される。ステータ６は、回転軸３と一体的に回転するロータ５によって発電するものである。回転軸３が自然エネルギーによって回転しているとき、ステータ６とロータ５の組み合わせは、発電機として機能し、電力を出力する。

ステータ６は、回転するロータ５の外周に配置された複数のコイル６ａからなる（図２を参照。）。ステータ６のコイル６ａは、積層体のティースに巻かれた構造になる。ステータ６のティースやコア等は、できるだけ発熱しない構造にするために、積層体の強磁性体構造にする。ステータ６は、ロータ５を挿脱することができる空間をその中心に有する。また、ハイブリッド装置１は、被加熱部４の中の流体を加熱しないときは、ステータ６とロータ５とを組み合わせて、発電機として機能する。

ハイブリッド装置１は、被加熱部４の中の流体を加熱しない、かつ、発電機としても機能しないような休止状態にすることができる。この休止状態の場合は、図２に示すように、ロータ５は、被加熱部４の中の空洞４ｂにも、ステータ６の中にも入れず、その中間に位置する。ハイブリッド装置１は、ロータ５とステータ６との距離を調整するための、第２調整手段１０を有する。図中の第２調整手段１０は、ステータ６を移動させるためのボールネジ１０ａとステッピングモータ１０ｂからなる。

ステッピングモータ１０ｂは、ボールネジ１０ａを回転駆動する。ボールネジ１０ａが回転すると、ボールネジ１０ａのナット（図示せず。）に固定されたステータ６が移動する。図中には、ステータ６の移動方向を矢印で示している。第２調整手段１０は、ステータ６を移動させて、ステータ６の中にロータ５を挿入する。制御ユニット７は、ステッピングモータ１０ｂに電力を供給し、ステッピングモータ１０ｂの動作を制御する機能を有する。

制御ユニット７は、ステータ６の出力端子に接続されており、ステータ６から供給される電力を、蓄電器１２及び又は電力線１３に供給する機能を有する。蓄電器１２は、任意の動作原理と構造の蓄電器を利用できる。例えば、蓄電器１２は、リチウムイオン２次電池等である。制御ユニット７は、蓄電器１２の容量を確認する機能を有する。ここで、制御ユニット７の動作の一例を示す。蓄電器１２の容量がフルではない場合、ステータ６から供給される電力を、蓄電器１２に供給し、蓄電器１２を充電する。

蓄電器１２の容量がフルの場合、ステータ６から供給される電力を、電力線１３に供給する。電力線１３に供給した電力を計算する電力計（図示せず。）を設置すると、電力を計算できるので効率の計算等に便利である。制御ユニット７は、太陽光発電１４に接続されて、太陽光発電１４から電力供給を受ける。蓄電器１２が空で、電力線１３も使えない状況では、制御ユニット７は、太陽光発電１４から電力供給を受け、ハイブリッド装置１の各部に電力を供給する。この場合は、ハイブリッド装置１は、完全に自然エネルギーで動作する。

例えば、完全に自然エネルギーでの動作は、災害時等の電気、ガス等のエネルギー供給が困難な事態には、非常に役立つ。太陽光発電１４から供給された電力は、その有効利用のために、制御ユニット７が、蓄電器１２及び又は省電力線１３に供給する機能を有する。図２は、図１のハイブリッド装置１の断面を示す概念図である。特に、被加熱部４、ロータ５、及び、ステータ６の断面を例示している。被加熱部４の断面に示すように、被加熱部４の空洞４ｂは、断面形状が台形の円錐である。

ロータ５が装着される側の空間４ｂの直径は、ロータ５の直径より大きな値を有する。このようにすると、ロータ５が挿入されるとき、駆動トルクを小さくすることができる。更に、被加熱部４の内部が急に加熱されることを防ぐ効果がある。ロータ５が空洞４ｂに挿入されると、だんだん小さな直径の端部に向かって進む。これに従って、被加熱部４の加熱も増加する。被加熱部４は、参照番号４ａで示すように、その中に流体を貯蔵できる空間を有する。

〔ロータの構成例〕
ロータ５は、回転軸３に平行に配置された複数個の永久磁石５ａからなる。永久磁石５ａは、回転軸３に固定された円筒５ｂに固定されている。図３は、この永久磁石５ａの配置例を示す概念図である。永久磁石５ａは、断面形状が長方形の磁石要素５ｃからなる。磁石要素５ｃは、断面形状が円の円筒５ｂの外周に交互に配置されている。隣接する磁石要素５ｃは、異なる磁極を、回転軸３へ向くように配置している。

図３の例では、磁石要素５ｃは、細長く形状をし、その長手方向の軸線が回転軸３の中心線と交差するように配置される。又、磁極の向きは、例えば、磁石要素５ｃがＳ極を回転軸３へ向くように配置すると、その隣の磁石要素５ｃがＮ極を回転軸３へ向くように配置する。各磁石要素５ｃは、例えば、ネオジウム磁石等の任意の磁石が利用できる。磁石要素５ｃの間には、継鉄薄板からなる磁性体スペーサを配置することができる。磁石要素５ｃの間の空間には、クサビ状のスペーサを入れると、磁石要素５ｃをしっかり固定できるという効果ある。

ロータ５の外観は、図１及び図２に図示したように、細長い円筒状の形状している。ロータ５の軸線方向の長さは、被加熱部４より長くなっている。又、ロータ５の長さは、ステータ６より長くなっている。ロータ５の長さは、被加熱部４とステータ６が、その両側から挿入されても動作できるように長くなっている。このようにすると、ロータ５が回転しているとき、その両側から、被加熱部４とステータ６が同時に挿入され、加熱器兼発電機としてハイブリッド動作することができる。このようにハイブリッド動作が必要ないときは、ロータ５を短くすることができる。

〔ハイブリッド装置としての機能〕
回転軸３は、自然エネルギーによって回転するものであるが、風力などの自然エネルギーが足りないとき、被加熱部４にその動作に必要な回転が得られないことがある。例えば、風力が弱い場合、又は、風が無い場合は、被加熱部４にその動作に必要な回転速度が得られない。回転軸３の回転が流体を加熱するのに足りない場合、ステータ６に電力供給して、ロータ５とステータ６の組み合わせを電動機として動作させることができる。

被加熱部４とステータ６は、ロータ５の両側から挿入し、ロータ５の一部が被加熱部４の空洞４ｂに入り、残りの部分はステータ６の中に入った状態にすることができる。そして、ステータ６に制御ユニット７から電力を供給して、ロータ５を回転させ、ロータ５とステータ６の組み合わせがモータとして機能する。これにより、ロータ５に固定されている回転軸３が回転駆動される。又は、回転軸３の回転を助長することができる。これは、回転軸３が自然エネルギーで回転しないとき、又は、自然エネルギーが足りないとき、有効な手段である。

例えば、本発明のハイブリッド装置１を、流体が水であり、これを生活水に利用するとき、自然エネルギーと電力線の電力を組み合わせて、水を安定して加熱することができる。被加熱部４とステータ６は、ロータ５の両方から挿入し、ロータ５の一部が被加熱部４の空洞４ｂに入り、残りの部分はステータ６の中に入った状態にした場合、被加熱部４とロータ５が組み合って流体を加熱しながら、ロータ５とステータ６が組み合って発電することもできる。

このように本発明のハイブリッド装置１は、流体運動エネルギーで、渦電流の原理を利用して高効率かつ低コストで水等の流体を加熱し、給湯・暖房等に利用できる。また、流体運動エネルギーは、渦電流の原理を利用して高効率かつ低コストで、電気エネルギーに変換し、電力源とするか、電力販売業者に販売する。

〔第２の実施の形態〕
以下、本発明の第２の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態の概要を示す概念図である。本発明の第２の実施の形態は、上述した第１の実施の形態と基本的に同じ構成であり、同じ構成部分、同じ機能の説明は省略する。こで、その異なる部分のみを説明する。本発明の第２の実施の形態のハイブリッド装置１０１は、第１の実施の形態のハイブリッド装置１と基本的に同じ構成であるが、被加熱部４とステータ６との間に距離を置かないで設置している点が異なる。

被加熱部４とステータ６は、ボールネジ１２ａ上に一緒に移動することになる。ロータ５の一部が被加熱部４の空洞４ｂに入り、残りの部分はステータ６の中に入った状態が、存在する。この場合は、次の第１機能と第２機能のいずれかで、ハイブリッド装置１０１が動作する。まず、第１機能の場合、被加熱部４とロータ５が組み合って流体を加熱しながら、ロータ５とステータ６が組み合って発電する状態になる。被加熱部４の加熱を調整しながら発電するという利点がある。

加熱が必要ない場合は、ロータ５は、ステータ６の中に完全に入り、ロータ５とステータ６が組み合ってフル状態で発電する。回転軸３の回転が流体を加熱するだけの動力が足りない場合、ステータ６に電力供給して、ロータ５とステータ６の組み合わせを回転電機として動作させることができる。これは、ハイブリッド装置１０１の第２機能である。ステータ６に制御ユニット７から電力を供給して、ロータ５を回転させることができる。これにより、ロータ５に固定されている回転軸が回転する。回転軸３が自然エネルギーに回転しないとき、ロータ５とステータ６の組み合わせが回転電機として機能し、回転軸３を回転させる。

〔第３の実施の形態〕
以下、本発明の第３の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図５は、本発明の第３の実施の形態の概要を示す概念図である。本発明の第３の実施の形態は、上述した第１の実施の形態と基本的に同じ構成であり、同じ構成部分、同じ機能の説明は省略する。ここで、その異なる部分のみを説明する。本発明の第３の実施の形態のハイブリッド装置２０１は、第１の実施の形態のハイブリッド装置１と基本的に同じ構成であるが、被加熱部４の外形は、円筒状の形状をしている。被加熱部４は、ナット１１ｃに固定されている。

ナット１１ｃがボールネジ１１ａによる駆動で移動することで、最終的に被加熱部４が移動する。また、ステータ６の内形は、円筒状の形状をしている。被加熱部４は、ナット１０ｃに固定される。ナット１１ｃがボールネジ１１ａによって駆動されて移動することで、最終的に被加熱部４が移動する。このように、被加熱部４及びステータ６の外形を円筒状にすることで、第１の実施の形態のように楕円形にするよりは、製造しやすい効果がある。また、被加熱部４及びステータ６の外形は、第１〜第３の実施の形態の形状に限定するものではなく、流体を貯蔵して、加熱できるような状態であれば、任意の形状にすることができる。

本発明のハイブリッド装置は、自然界の流体運動エネルギーを利用して、流体を効率よく加熱することができ、高効率および低コストのシステムを実現することができる。このため、本発明は、自然エネルギー利用分野、例えば、家庭や小型事業所等に用いる水の給湯システム、介護給湯システム等の分野に利用するとよい。これにより、化石燃料による電力の利用に代わって利用でき、ＣＯ_２などの温室効果ガスの削減をはじめ、エネルギーの有効利用を計るとともに環境保全に貢献できる。

１、１０１、２０１…永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置
２…回転体
３…回転軸
４…被加熱部
５…ロータ
５ａ…永久磁石
５ｃ…磁石要素
６…ステータ
７…制御ユニット
１２…蓄電器
１３…電力線
１４…太陽光発電

Claims (9)

1. 自然エネルギーによって回転駆動される回転体と、
   前記回転体に接続された回転軸と、
   前記回転軸に固定された円筒と、前記円筒の外周に設けられた複数の永久磁石とからなるロータと、
   前記ロータが着脱可能な第１空洞を有し、導電材料からできた被加熱部と、及び、
   前記ロータが着脱可能な第２空洞を有し、導線コイルからなる固定子と、
   からなり、
   前記ロータが前記第１空洞の中に挿入されて回転するとき、前記導電材料に前記永久磁石による渦電流が流れて加熱し、この加熱により、前記被加熱部の内部の流体を熱交換で加熱し、
   前記ロータが前記第２空洞の中に挿入されて回転するとき、前記導線コイルに前記永久磁石による誘導起電力が生じ、前記固定子の端子から電力を出力する
   ことを特徴とする永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置。
2. 請求項１に記載の永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置において、
   前記第１空洞は、断面が台形の円錐形状をし、前記ロータが挿入される側の直径が、その反対側の直径より大きい値を有する
   ことを特徴とする永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置。
3. 請求項１又は２に記載の永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置において、
   前記固定子の端子から出力される前記電力を、蓄電器又は電力線に供給する機能を有する制御手段を有する
   ことを特徴とする永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置。
4. 請求項１又は２に記載の永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置において、
   前記回転体は、風力によって回転駆動される風車である
   ことを特徴とする永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置。
5. 請求項１又は２に記載の永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置において、
   前記被加熱部と前記ロータとの相対位置を制御するための第１移動手段と、
   前記固定子と前記ロータとの相対位置を制御するための第２移動手段と
   有することを特徴とする永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置。
6. 請求項５に記載の永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置において、
   前記第１移動手段は、前記ロータが前記第１空洞に挿入される長さを調整することで、前記被加熱部の加熱の強弱を制御する
   ことを特徴とする永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置。
7. 請求項５に記載の永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置において、
   前記ロータは前記被加熱部及び前記固定子の両方に入った状態を有し、同時に加熱機及び、前記前記回転軸を回転させる又はその回転を助長するための電動機として機能する
   ことを特徴とする永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置。
8. 請求項１又は２に記載の永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置において、
   前記被加熱部と前記固定子を同時に移動させて、前記ロータとの相対位置を制御するための同時移動手段を有する
   ことを特徴とする永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置。
9. 請求項８に記載の永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置において、
   前記同時移動手段は、前記ロータが前記第１空洞に挿入される長さを調整することで、前記被加熱部の加熱の強弱を制御する
   ことを特徴とする永久磁石式の加熱及び発電用のハイブリッド装置。

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