JP2011216325A - 誘導加熱装置およびそれを備える発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体を加熱するのに適した性能を有すると共に、小型軽量化を図ることができる誘導加熱装置およびそれを備える発電システムを提供する。
【解決手段】誘導加熱装置101は、熱媒体を加熱する装置であり、回転軸21を有する回転体11と、この回転体11の外周面に設けられる凸部111と、筒状のヨーク部12と、加熱部13と、コイル14と、配管15と、断熱部16とを備える。凸部111は、磁性材料からなり、回転体11の外周面に回転体11の径方向に突出して設けられる。ヨーク部12は、磁性材料からなり、回転体11の外周側に回転体11と間隔をあけて配置される。加熱部13は、導電材料からなり、回転体11とヨーク部12との間に配置される。コイル14は、凸部111から加熱部13を通過する磁束を発生する。配管15は、加熱部13に設けられ、熱媒体が流通する。断熱部16は、ヨーク部12の外周を覆うように配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、誘導加熱を利用して熱媒体を加熱する誘導加熱装置およびそれを備える発電システムに関する。

水を加熱する装置として、誘導加熱（渦電流）を利用した加熱装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の渦電流加熱装置は、外周に永久磁石が配置された回転可能なロータと、このロータの外側に固定して設けられ、内部に水を流通させる流通路が形成された導電材料の加熱部とを備える。そして、ロータが回転することより、ロータ外周の永久磁石による磁力線が加熱部を貫通して移動することで、加熱部に渦電流が発生して、加熱部自体が発熱する。その結果、加熱部で発生した熱が内部の流通路を流通する水に伝達され、水が加熱される。

上記の技術は風力などのエネルギーを利用して給湯を行うことを主目的としたものであるが、近年、同じく風力、水力、波力などの再生可能エネルギーを利用した発電システムが注目されている。

例えば非特許文献１〜３には、風力発電に関する技術が記載されている。風力発電は、風で風車を回転させ、発電機を駆動して発電するものであり、風のエネルギーを回転エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出すものである。風力発電システムは、塔の上部にナセルを設置し、このナセルに水平軸風車（風の方向に対して回転軸がほぼ平行な風車）を取り付けた構造が一般的である。ナセルには、風車の回転軸の回転数を増速して出力する増速機と、増速機の出力によって駆動される発電機とが格納されている。増速機は、風車の回転数を発電機の回転数まで高める（例えば1：100）ものであり、ギアボックスが組み込まれている。

最近では、発電コストを下げるため、風車（風力発電システム）を大型化する傾向があり、風車の直径が120m以上、１基当たりの出力が5MWクラスの風力発電システムが実用化されている。このような大型の風力発電システムは、巨大かつ重量物であるため建設上の理由から、洋上に建設されるケースが多い。

また、風力発電では、風力の変動に伴い発電出力（発電量）が変動するため、風力発電システムに蓄電システムを併設し、不安定な電力を蓄電池に蓄えて、出力を平滑化することが行われている。

特開２００５‐１７４８０１号公報

"風力発電（01‐05‐01‐05）"、［online］、原子力百科辞典ATOMICA、[平成22年3月12日検索]、インターネット<URL：http://www.rist.or.jp/atomica/> "スバル風力発電システム SUBARU WIND TURBINE"、［online］、富士重工業株式会社、[平成22年3月12日検索]、インターネット<URL：http://www.subaru-windturbine.jp/windturbine/> "風力講座"、［online］、三菱重工業株式会社、[平成22年3月12日検索]、インターネット<URL：http://www.mhi.co.jp/products/expand/wind_kouza.html>

しかし、上記した特許文献１に記載されるような従来の誘導加熱装置では、磁束（磁力線）を発生させる磁場発生手段に永久磁石を用いているため、次のような不具合が起こり得る。

誘導加熱エネルギーは、磁場の強さ（Ｈ）の二乗に比例するが、永久磁石では一般的に発生できる磁場が弱いため、十分な誘導加熱エネルギーが得られず、所望の温度まで熱媒体（例えば、水などの液体）を加熱できない虞がある。

また、強力な磁場を得るためにネオジウム磁石を使用することが考えられるが（特に、特許文献１の段落００３７参照）、ネオジウム磁石は熱に弱く、温度が上昇すると、磁気特性が低下する（これは、一般的なフェライト磁石も同じ）。そのため、加熱部の近い位置に永久磁石が配置されるような従来の誘導加熱装置では、永久磁石の温度が上昇し易く、磁気特性が低下して、結果的に所望の温度まで熱媒体を加熱できない虞がある。さらに、永久磁石は、時間の経過とともに磁気特性が劣化することから、長時間の使用に耐えられない虞がある。ところで、熱による磁気特性の低下（劣化）を防止するために、永久磁石の外周を覆うように断熱材を設けることも考えられる。しかし、この場合、断熱材は通常、非磁性体であるため、永久磁石と加熱部との間の磁気ギャップが大きくなり、加熱部を通過する総磁束量が減少することから、誘導加熱の効率が低下する。

一方、一般に広く知られている風力発電システムでは、出力平滑化のため蓄電システムが設置されているが、蓄電システムには電力を蓄電池に蓄えるためにコンバータなどの部品が必要であるため、システムの複雑化、電力損失の増大を招く。また、大型の風力発電システムの場合では、発電量に応じた大容量の蓄電池が必要であり、システム全体としてのコスト増大を招く。

また、風力発電システムの故障原因の多くは、増速機、より具体的にはギアボックスのトラブルによるものである。ギアボックスが故障すると、通常はギアボックスを交換することで対処しているが、塔の上部にナセルが設置されている場合は、ギアボックスの取り付け・取り外しに多大な時間と労力を要する。そこで最近では、増速機を必要としないギアレスの可変速式風力発電機もある。

しかし、ギアレスの場合、具体的には発電機の極数を増やすこと（多極発電機）で対応するが、増速機を使用する場合と比較して、発電機が大型・重量化する。特に、5MWクラスの大型の風力発電システムでは、発電機の重量が300トン（300000kg）を超えるものと考えられ、ナセル内に配置することが困難である。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、熱媒体を加熱するのに適した性能を有すると共に、小型軽量化を図ることができる誘導加熱装置を提供することにある。また、別の目的は、上記の誘導加熱装置を備える発電システムを提供することにある。

本発明の誘導加熱装置は、熱媒体を加熱する装置であり、回転軸を有する回転体と、この回転体の外周面に設けられる凸部と、筒状のヨーク部と、加熱部と、コイルと、配管と、断熱部とを備えることを特徴とする。凸部は、少なくとも一部が磁性材料からなり、回転体の外周面に回転体の径方向に突出して設けられる。ヨーク部は、少なくとも一部が磁性材料からなり、回転体の外周側に回転体と間隔をあけて配置される。加熱部は、少なくとも一部が導電材料からなり、回転体とヨーク部との間に配置される。コイルは、凸部から加熱部を通過する磁束を発生する。配管は、加熱部に設けられ、熱媒体が流通する。断熱部は、ヨーク部の外周を覆うように配置される。

本発明の誘導加熱装置によれば、磁場発生手段にコイルを用いているため、従来の永久磁石を用いた装置に比較して、より強い磁場（磁束密度）を安定的に発生することができる。具体的には、コイルに通電する電流を大きくすることで、強い磁場を発生することができ、通電電流を制御することで、磁場の強さ調整することも可能である。また、コイルであれば、永久磁石に比較して、温度上昇による磁気特性の低下や、経時的な磁気特性の劣化が起こり難い。したがって、磁場発生手段にコイルを用いることで、通電電流を制御して十分な磁場強度を維持し易く、加熱部（熱媒体）を所定の温度（100℃以上の高温、例えば100℃〜600℃）まで加熱するのに十分な性能（熱エネルギー）を得ることができる。なお、コイルには直流電流を流し、直流磁場を発生することが挙げられる。

また、本発明の誘導加熱装置では、断熱部がヨーク部の外周を覆うように配置されており、回転体、加熱部およびヨーク部を含めた装置全体を断熱材で覆うような構造である。本発明の装置において、加熱部の周囲のみを断熱材で覆うことが考えられるが、その場合、凸部と加熱部との間の磁気ギャップが大きくなり、加熱部を通過する総磁束量が減少する。一方、本発明の装置では、少なくともヨーク部の外周を断熱材で覆うことで、装置からの放熱を抑制し、加熱部の周囲を覆う断熱材を省略または薄くすることが可能である。そのため、凸部と加熱部との間の磁気ギャップを小さくすることができ、加熱部を通過する総磁束量を維持することができる。また、加熱部周囲の断熱材を省略または簡素化できるため、その分、加熱部の断面積を大きくとることができ、装置の小型軽量化を図ることができる。

さらに、本発明の誘導加熱装置では、回転せず固定された加熱部に配管を設けることで、配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する給排管と配管との接続に、配管の回動を許容する回転継手を用いる必要がない。そのため、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。具体的には、熱媒体が加熱されると配管内の圧力が上昇し、例えば熱媒体が水（蒸気）の場合では600℃で約25MPa（250気圧）に達する。加熱部（配管）が回転する場合は、その圧力に耐え得る特殊な回転継手が必要であるところ、回転しない場合は、回転継手の必要がなく、例えば給排管と配管とを溶接するといった単純な方法を採用することで、十分に堅牢な構造を実現できる。

本発明の誘導加熱装置における熱媒体の加熱メカニズムについて説明する。本発明の装置では、コイルが通電されることで、回転体に設けられた凸部から加熱部を通過する磁束が発生する。そして、その状態で、回転体が回転することにより、加熱部を通過する磁束量が変化し、加熱部に誘導電流が発生することで、加熱部が誘導加熱され、熱媒体が加熱される。

凸部は、少なくとも１個あればよく、その位置や形状を問わない。凸部を複数設ける場合は、４個以上とし、回転体の周方向に等間隔に設けることが好ましい。

本発明において、凸部やヨーク部に使用する磁性材料としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、ケイ素鋼、パーマロイ、及びフェライトなどが挙げられる。また、加熱部に使用する導電材料としては、例えば、アルミニウムや銅、鉄などの金属が挙げられる。特に、加熱部にアルミニウムを使用することで、加熱部の軽量化を図ることができ、もって装置の軽量化を図ることができる。熱媒体としては、例えば、水、油、液体金属（Na、Pbなど）、溶融塩などの液体、並びに気体が挙げられる。

本発明の誘導加熱装置の一形態としては、コイルが超電導コイルであることが挙げられる。

コイルとしては、銅線などの常電導コイルや超電導線材を用いた超電導コイルが挙げられる。コイルに直流電流を流し、直流磁場を発生させる場合、超電導コイルであれば、電気抵抗がゼロであり、大電流を流してもコイルに発熱（損失）が実質的に生じない。そのため、上記構成によれば、常電導コイルに比較して、大電流を流すことによるコイルの発熱（損失）を抑制することができ、電力損失なしで極めて強い磁場を維持することができる。ただし、本発明の装置では、凸部と加熱部との間の磁気ギャップを小さくすることが可能であり、常電導コイルであっても、加熱部（熱媒体）を所定の温度まで加熱するのに十分な磁場を得ることができる。

本発明の誘導加熱装置の一形態としては、コイルを加熱部の熱から保護する耐熱部を備えることが挙げられる。

加熱部が加熱されると、コイルが加熱部から近い位置に配置されている場合は、加熱部の熱によってコイルの温度が上昇する。また、コイルが加熱部から遠い位置に配置されていたとしても、加熱部から回転体やヨーク部などの部材を介して伝導してきた熱によってコイルの温度が上昇することが考えられる。コイルの温度が上昇すると、コイルの電気特性が低下するなどの悪影響を招くことがある。特に、本発明の装置では、加熱部の周囲を覆う断熱材を省略または薄くすることが可能であるため、その影響が大きくなる虞がある。そこで、上記構成によれば、加熱部が加熱されることに起因するコイルの温度上昇を防止し、コイルが加熱部からの熱影響を受け難くすることができる。

本発明の誘導加熱装置の一形態としては、回転軸が風車に接続され、回転体を回転させる動力に風力を利用することが挙げられる。

本発明の誘導加熱装置において、回転体（回転軸）の動力には、電動機やエンジンなどの内燃機関を用いることができるが、風力、水力、波力などの再生可能エネルギーを利用することが好ましい。再生可能エネルギーを利用すれば、CO₂の増加を抑制でき、中でも風力を利用することが好適である。

本発明の発電システムは、上記した本発明の誘導加熱装置と、この誘導加熱装置により加熱した熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部とを備えることを特徴とする。

本発明の発電システムは、上記した誘導加熱装置を利用して加熱した熱媒体の熱を発電に利用するものであり、従来にない新規な発電システムである。例えば、誘導加熱装置の回転軸に風車を接続し、回転体の動力に風力を利用すれば、風のエネルギーを回転エネルギー→熱エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出すことができる。そして、本発明の発電システムによれば、熱を電気エネルギーに変換する構成としたことで、蓄熱器を用いて熱としてエネルギーを蓄えることにより、効率の良い安定した発電を実現できる。また、熱を蓄熱器に蓄え、発電に必要な熱を取り出すことができる蓄熱システムは、蓄電システムに比べて簡易であり、蓄熱器も蓄電池に比べれば安価である。さらに、従来の風力発電システムのように増速機を設ける必要がなく、ギアボックスのトラブルを回避することが可能である。

本発明の誘導加熱装置は、磁場発生手段にコイルを用いると共に、断熱部がヨーク部の外周に配置されているため、熱媒体を100℃以上の高温に加熱することが容易であり、小型軽量化を図ることができる。また、本発明の発電システムは、上記した誘導加熱装置を利用して加熱した熱媒体の熱を発電に利用するものであり、従来にない新規な発電システムである。

実施の形態１に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、分解斜視図であり、（B）は、組み立て状態を示す斜視図である。 実施の形態１に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、回転体の軸方向と直交方向に切断した正面断面図であり、（B）は、回転体の軸方向に沿って切断した側面断面図である。 図２（A）のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。 実施の形態１に係る誘導加熱装置において、加熱部の周囲にのみ断熱部を配置した場合を示す概略側面断面図である。 （A）は、変形例１‐１に係る誘導加熱装置を示す概略側面断面図であり、（B）は、変形例１‐２に係る誘導加熱装置を示す概略側面断面図である。 本発明に係る発電システムの全体構成の一例を示す概略図である。

本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

＜誘導加熱装置＞
（実施の形態１）
図１、２に示す実施の形態１に係る誘導加熱装置101は、回転体11と、ヨーク部12と、加熱部13と、コイル14と、配管15と、断熱部16とを備える。以下、誘導加熱装置101の構成を詳しく説明する。

回転体11は、回転可能に支持された回転軸21を有し、外周面に複数の凸部111が径方向に突出して一体に設けられている。この例では、８個の凸部111が周方向に等間隔に設けられている。この回転体11は、凸部111を含めて磁性材料からなり、この例では、回転軸方向にケイ素鋼板を積層した積層鋼板で形成されている。その他、鉄粉等の磁性粉末の表面に絶縁被覆を施し、この粉末を加圧成形した圧粉磁心を用いてもよい。なお、ここでは、回転体11が回転軸側から見て反時計方向に回転する（図２（A）中の矢印は回転方向を示す）。

ヨーク部12は、回転体11の外周側に回転体11と所定間隔をあけて配置された筒状の部材である。この例では、ヨーク部12が円筒状である。このヨーク部12は、磁性材料からなり、回転しないように固定されている。

加熱部13は、回転体11とヨーク部12との間に配置されており、この例では、円筒状に形成されている。この加熱部13は、導電材料からなり、例えばアルミニウムで形成されている。また、加熱部13は、ヨーク部12の内周面に取り付けられ、回転しない。

加熱部13には、熱媒体が流通する配管15が設けられている（図２（A）参照）。この例では、加熱部13の内部に軸方向に沿って延びる複数の挿通孔が形成され、各挿通孔に配管15が挿通されている。そして、加熱部13と配管15とは熱的に接続されている。また、例えばこの例では、配管15の一端側から熱媒体を供給し、他端側から排出する構成としたり、配管15の一端側において、配管15と別の配管15とを接続する接続管を取り付け、配管15の他端側から熱媒体を供給し、接続管を介して、別の配管15の他端側から排出する構成としたりすることができる。即ち、前者の場合は片道の流路、後者の場合は往復の流路となり、後者の場合、前者の場合と比較して、熱媒体の加熱距離を長くすることができる。

コイル14は、凸部111から加熱部13を通過する磁束を発生する。この例では、コイル14が、後述する支持柱部145に装着されており、回転体11に対して回転体11の中心から軸方向にずれた位置に配置されている。また、このコイル14は、常電導の銅コイルであり、コイル14には、図示しない直流電源が接続されている。ここでは、コイル14に通電する直流電流の向きを制御して、発生する磁束（磁場）の方向を決定しており、コイル14の一端側（回転体11側）がN極、他端側がS極となっている。

支持柱部145は、その一端側が回転体11の一端側に対向するように配置された柱状の部材である。この例では、回転体11の背面（一端側の面）中央に遊嵌穴115が形成されており、この遊嵌穴115に支持柱部145の一端部が遊嵌されている（図２（B）参照）。支持柱部145の形状は、特に限定されないが、例えば、円柱状、円筒柱状、多角柱状、多角筒柱状などを挙げることができ、この例では、円柱状である。また、支持柱部145は、磁性材料、非磁性材料のいずれを用いてもよく、この例では、磁性材料で形成されている。例えば、コイル14が常電導コイルである場合は、支持柱部145を磁性材料で形成することが好ましい。一方、コイル14が超電導コイルである場合は、支持柱部145の飽和磁束のために発生する磁束が制限されてしまう虞があることから、支持柱部145を非磁性材料で形成することが好ましい場合もある。

さらに、誘導加熱装置101は、磁性材料からなり、ヨーク部12と支持柱部145の他端側とを磁気的に連結する磁路形成部18を備える。この例では、磁路形成部18は、一端側がヨーク部12に接続され、コイル14の外周側を覆うように周方向に配された複数の磁路片181と、これら各磁路片181の他端側が接続される基部板182とを有する。そして、コイル14が装着された支持柱部145の他端側に基部板182が接続され、これにより、磁路形成部18を介してヨーク部12と支持柱部145の他端側とが磁気的に連結されている。この例では、複数の磁路片181を用いて磁路形成部18を構成しているが、周方向に連続する実質的に筒状の１つの磁路片を用いて構成してもよい。

断熱部16は、ヨーク部12の外周を覆うように配置され、この例では、誘導加熱装置101全体を包囲するように配置されている。ただし、断熱部16において、回転軸21や配管15に対応する箇所には開口部が設けられている。この断熱部16は、例えば、ロックウール、グラスウール、発砲プラスチック、レンガ、セラミックスなどの断熱材で形成されている。

次に、誘導加熱装置101における熱媒体が加熱されるメカニズムについて詳しく説明する。

誘導加熱装置101では、コイル14が通電されることにより、磁場が発生し、支持柱部145の一端側から、回転体11、凸部111、ヨーク部12、磁路形成部18（磁路片181及び基部板182）を通り、支持柱部145の他端側に至る磁気回路が形成される（図２（B）中の点線矢印は磁束の流れのイメージを示す）。つまり、凸部111とヨーク部12との間に磁束が発生し、凸部111から加熱部13を通過する磁束が発生する。ここで、図２（A）の加熱部13におけるa点では、凸部111‐ヨーク部12間の磁気ギャップが小さくなるため、加熱部13を通過する磁束量が増える。一方、図２（A）の加熱部13におけるb点では、凸部111が存在しないことから、磁気ギャップが大きくなり、加熱部13を通過する磁束量が減る。その結果、回転体11の回転により、加熱部13の全周にわたって通過する磁束量が変化し、この部分での磁場の強さが周期的に変化することで、加熱部13に誘導電流（渦電流）が発生し、加熱部13が誘導加熱され、配管15内の熱媒体が加熱される。

図３は、図２（A）のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。磁場は、凸部‐ヨーク部間の磁気ギャップが最も小さくなるとき、極大かつ最大となり、一方、凸部‐ヨーク部間の磁気ギャップが最も大きくなるとき、極小かつ最小となる。

上記した誘導加熱装置101は、磁場発生手段にコイルを用いているため、永久磁石を用いる場合に比較して、強い磁場を安定的に発生させることができる。また、断熱部がヨーク部の外周に配置されているため、加熱部の周囲を覆う断熱材を省略または薄くすることが可能であり、凸部と加熱部との間の磁気ギャップを小さくすることができると共に、加熱部の断面積を大きくとることができる。さらに、加熱部（配管）が回転しない構造としたことで、例えば配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する給排管と配管との接続に、配管の回動を許容する回転継手を用いる必要がなく、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。

図４は、上記した誘導加熱装置101において、加熱部の周囲にのみ断熱部を配置した場合を示す概略側面断面図である。この図４に示す誘導加熱装置1010では、断熱部160が加熱部13から熱を逃がさない程度の厚さを有し、例えば断熱部160の厚さが50mm程度である。そのため、凸部111と加熱部13との間の磁気ギャップが大きくなり、加熱部13を通過する総磁束量が減少する。また、誘導加熱に寄与する加熱部13の断面積も小さくなる。これに対し、図２（B）に示す本発明の実施の形態１に係る誘導加熱装置101では、ヨーク部12の外周に断熱部16を配置することで、装置からの放熱を抑制し、加熱部の周囲を覆う断熱材を省略または薄くすることが可能である。例えば、加熱部13の周囲にも断熱材を配置する場合、その断熱材の厚さを5mm以下にすることができる。そのため、凸部111と加熱部13との間の磁気ギャップを小さくして、加熱部13を通過する総磁束量を増加させることができる。また、加熱部13の断面積を大きくとることができるので、装置の小型軽量化を図ることができる。

上記した誘導加熱装置101では、コイル14が常電導コイルである場合を例に説明したが、コイル14が超電導コイルであってもよい。超電導コイルを採用した場合、より強い磁場を発生させることができる。なお、上述したように、誘導加熱装置101では、凸部111と加熱部13との間の磁気ギャップを小さくすることが可能であるため、常電導コイルであっても、加熱部を加熱するのに十分な磁場を得ることができる。

その他、誘導加熱装置101において、凸部111の数、並びに回転体11の周方向における凸部111の幅は、適宜設定することができる。ここで、凸部111の数をある程度増やすことで、磁場の周期を短くすることができる。誘導加熱エネルギーは、磁場の周波数に比例関係にあることから、磁場の周期を短くすることで、加熱効率を向上できる。また、凸部111の幅をある程度小さくすることで、凸部111からヨーク部12に流れる磁束が集中し、凸部111‐ヨーク部12間の磁気ギャップが小さくなる箇所に対応する加熱部13を通過する磁束量が増加する。その結果、加熱部13に印加される磁場の振幅が大きくなり、加熱効率を向上できる。

誘導加熱装置101では、加熱部13の周囲を覆う断熱材を省略または薄くすることが可能であるため、加熱部13の熱が回転体11やヨーク部12などの部材に伝導され易い。そこで、加熱部13に設けられた配管15の熱媒体供給側を、例えばヨーク部12から受熱できるように伸ばして配設することで、ヨーク部12を冷却できると共に、発生した熱を有効利用することができる。また、コイル14には常電導コイルを用いているため、通電によりコイル14が発熱する。そこで、加熱部13に設けられた配管15の熱媒体供給側を、コイル14から受熱できるように伸ばして配設することで、コイル14を冷却できると共に、熱の有効利用を図ることができる。

（変形例１‐１）
上記した誘導加熱装置101において、図５（A）に示すように、回転軸21の途中に断熱部16aを介在させてもよい。この構成によれば、加熱部13の熱が回転体11を介して回転軸21から逃げるのを防ぐことができ、装置からの放熱をより低減できる。

（変形例１‐２）
上記した誘導加熱装置101において、図５（B）に示すように、コイル14を加熱部13の熱から保護する耐熱部17を設けてもよい。この耐熱部17は、上記した断熱材で形成されている。この構成によれば、加熱部13が加熱されることに起因するコイル14の温度上昇を防ぐことができ、コイル14が加熱部13からの熱影響を受け難くなる。

＜発電システム＞
次に、図６を用いて、本発明に係る発電システムの全体構成の一例を説明する。図６に示す発電システムPは、誘導加熱装置10と、風車20と、蓄熱器50と、発電部60とを備える。塔91の上部に設置されたナセル92に風車20が取り付けられ、ナセル92内に誘導加熱装置10が格納されている。また、塔91の下部（土台）に建てられた建屋93に蓄熱器50及び発電部60が設置されている。以下、発電システムPの構成を詳しく説明する。

誘導加熱装置10は、本発明の誘導加熱装置であり、例えば、上記した実施の形態１に係る誘導加熱装置101を利用することができる。また、回転軸21の他端側が後述する風車20に直結され、回転体を回転させる動力に風力を利用している。なお、ここでは、熱媒体が水である場合を例に説明する。

風車20は、水平方向に延びる回転軸21を中心に、３枚の翼201を回転軸21に放射状に取り付けた構造である。出力が5MWを超える風力発電システムの場合、直径が120m以上、回転数が10〜20rpm程度である。

誘導加熱装置10の配管には、誘導加熱装置10に水を供給する給水管73と、誘導加熱装置10により加熱した水を蓄熱器50に送る輸送管51が接続されている。そして、誘導加熱装置10は、コイルの直流通電により、凸部とヨーク部を通る磁気回路が形成され、回転体の回転により、回転体とヨーク部との間に配置された加熱部を通過する磁束量が変化することで、加熱部を誘導加熱し、配管内の水を加熱する。誘導加熱装置10は、磁場発生手段にコイルを用いているため、強い磁場を発生させることができ、熱媒体である水を例えば100℃〜600℃といった高温に加熱することが可能である。また、誘導加熱装置10は、加熱部（配管）が回転しない構造であるので、配管と輸送管51及び給水管73との接続に回転継手を用いる必要がなく、例えば溶接などを用いて、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。

この発電システムPは、誘導加熱装置10により水を発電に適した温度（例えば200℃〜350℃）まで加熱し、高温高圧水を発生させる。高温高圧水は、誘導加熱装置10と蓄熱器50とを連結する輸送管51を通って蓄熱器50に送られる。蓄熱器50は、輸送管51を通って送られてきた高温高圧水の熱を蓄え、また、熱交換器を用いて発電に必要な蒸気を発電部60に供給する。なお、誘導加熱装置10により蒸気を発生させてもよい。

蓄熱器50としては、例えば、蒸気アキュムレーターや、溶融塩や油などを用いた顕熱型、或いは、融点の高い溶融塩の相変化を利用した潜熱型の蓄熱器を利用することができる。潜熱型の蓄熱方式は蓄熱材の相変化温度で蓄熱を行うため、一般に、顕熱型の蓄熱方式に比べて蓄熱温度域が狭帯域であり、蓄熱密度が高い。

発電部60は、蒸気タービン61と発電機62とを組み合わせた構造であり、蓄熱器50から供給された蒸気によって蒸気タービン61が回転し、発電機62を駆動して発電する。

蓄熱器50に送られた高温高圧水又は蒸気は、復水器71で冷却され水に戻される。その後、ポンプ72に送られ、高圧水にして給水管73を通って誘導加熱装置10に送られることで循環する。

この発電システムPによれば、再生可能エネルギー（例、風力）を動力として回転エネルギーを得て熱を発生させ、その熱を蓄熱器に蓄熱して発電することで、高価な蓄電池を用いなくても、需要に応じた安定的な発電を実現できる。また、従来の風力発電システムのように増速機を設ける必要がなく、ギアボックスのトラブルを回避することが可能である。さらに、熱媒体の熱を輸送管により例えば塔の下部（土台）に設置された発電部に供給することで、ナセルに発電部を格納する必要がなく、塔の上部に設置されるナセルを小型・軽量化することができる。

上記した発電システムでは、熱媒体に水を用いた場合を例に説明したが、水よりも熱伝導率の高い液体金属を熱媒体に用いてもよい。このような液体金属としては、例えば液体金属ナトリウムが挙げられる。液体金属を熱媒体に用いる場合は、例えば、加熱部から熱を受け取る一次熱媒体に液体金属を用い、輸送管を通って送られてきた液体金属の熱で熱交換器を介して二次熱媒体（水）を加熱し、蒸気を発生させることが考えられる。

また、常圧で100℃超の沸点を有する例えば油、液体金属、溶融塩などを熱媒体に用いた場合は、水に比較して、所定の温度まで加熱したときに、配管内の熱媒体の気化による内圧上昇を抑制し易い。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、回転体やヨーク部の形状を適宜変更したり、回転体及びヨーク部を形成する材料を適宜変更したりすることも可能である。

本発明の誘導加熱装置は、再生可能エネルギーを利用した発電システムに利用する他、例えば給湯システムや暖房システムに利用することも可能である。また、本発明の発電システムは、再生可能エネルギーを利用した発電の分野に好適に利用可能である。

10、101、1010 誘導加熱装置 P 発電システム
11 回転体 111 凸部 115 遊嵌穴
12 ヨーク部
13 加熱部
14 コイル 145 支持柱部
15 配管
16,16a,160 断熱部
17 耐熱部
18 磁路形成部 181 磁路片 182 基部板
21 回転軸
20 風車 201 翼
50 蓄熱器 51 輸送管
60 発電部 61 蒸気タービン 62 発電機
71 復水器 72 ポンプ 73 給水管
91 塔 92 ナセル 93 建屋

Claims (6)

1. 熱媒体を加熱する誘導加熱装置であって、
   回転軸を有する回転体と、
   少なくとも一部が磁性材料からなり、前記回転体の外周面に前記回転体の径方向に突出して設けられる凸部と、
   少なくとも一部が磁性材料からなり、前記回転体の外周側に前記回転体と間隔をあけて配置される筒状のヨーク部と、
   少なくとも一部が導電材料からなり、前記回転体と前記ヨーク部との間に配置される加熱部と、
   前記凸部から前記加熱部を通過する磁束を発生するコイルと、
   前記加熱部に設けられ、前記熱媒体が流通する配管と、
   前記ヨーク部の外周を覆うように配置される断熱部と、を備えることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記コイルが、超電導コイルであることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記コイルを加熱部の熱から保護する耐熱部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記回転軸が、風車に接続され、
   前記回転体を回転させる動力に風力を利用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。
5. 前記加熱部に、アルミニウムが使用されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の誘導加熱装置と、
   前記誘導加熱装置により加熱した前記熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備えることを特徴とする発電システム。

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