JP2017010696A - 誘導加熱装置、及び発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】加熱部で発生した熱を、流通路を流通する熱媒体に効率よく伝熱できるアキシャルギャップ型の誘導加熱装置、及びそれを備える発電システムを提供する。【解決手段】熱媒体を加熱する誘導加熱装置であって、回転軸を有する板状の回転体と、前記回転体に対して軸方向に間隔をあけて対向して配置される板状の加熱部と、前記回転体の前記加熱部に対向する対向面に設けられ、前記加熱部に対して磁束を発生する磁束発生部と、前記加熱部の径方向に設けられ、前記熱媒体が流通する流通路と、を備え、前記流通路は、前記加熱部の径方向の外側に前記熱媒体を供給する入口部と、その径方向の内側に前記熱媒体を排出する出口部と、を有する誘導加熱装置。【選択図】図１

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、及びそれを備える発電システムに関する。特に、加熱部で発生した熱を、流通路を流通する熱媒体に効率よく伝熱できるアキシャルギャップ型の誘導加熱装置に関する。

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により、ロータ外周の永久磁石による磁力線（磁束）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。最近では、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システムが提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。特許文献２，３には、回転体と、回転体の外周に設けられて回転体の径方向に磁束を発生する磁束発生部と、回転体の外側に回転体と間隔をあけて配置される筒状の加熱部と、加熱部に設けられ、熱媒体が流通する流通路（配管）とを備える誘導加熱装置が開示されている。特許文献２，３では、加熱部の軸方向に沿って複数の流通路を形成し、流通路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することが例示されている。

特開２００５−１７４８０１号公報 特開２０１１−１５９５９５号公報 特開２０１２−２５６５０７号公報

上述した特許文献１〜３に記載の誘導加熱装置はいずれも、回転体（磁束発生部）と加熱部とが径方向に間隔をあけて対向して配置された、所謂ラジアルギャップ型の構造である。一方で、回転体（磁束発生部）と加熱部とが軸方向に間隔をあけて対向して配置された、所謂アキシャルギャップ型の誘導加熱装置は、これまであまり提案されていない。

また、誘導加熱装置では、加熱部で発生した熱を、流通路を流通する熱媒体に効率よく伝熱することが望まれる。しかし、アキシャルギャップ型の場合に、加熱部で発生した熱を受け取る熱媒体の流通路の構成について、必ずしも十分な検討がなされているとは言えないのが実情である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の一つは、加熱部で発生した熱を、流通路を流通する熱媒体に効率よく伝熱できるアキシャルギャップ型の誘導加熱装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、上記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。

本発明の一態様に係る誘導加熱装置は、熱媒体を加熱する誘導加熱装置であって、回転軸を有する板状の回転体と、前記回転体に対して軸方向に間隔をあけて対向して配置される板状の加熱部と、前記回転体の前記加熱部に対向する対向面に設けられ、前記加熱部に対して磁束を発生する磁束発生部と、前記加熱部の径方向に設けられ、前記熱媒体が流通する流通路と、を備える。前記流通路は、前記加熱部の径方向の外側に前記熱媒体を供給する入口部と、その径方向の内側に前記熱媒体を排出する出口部と、を有する。

本発明の一態様に係る発電システムは、上記本発明の一態様に係る誘導加熱装置と、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。

上記誘導加熱装置は、アキシャルギャップ型の構造を有し、加熱部で発生した熱を、流通路を流通する熱媒体に効率よく伝熱できる。上記発電システムは、誘導加熱装置における熱媒体への熱交換効率を改善でき、発電効率の向上を図ることが可能である。

実施形態１に係る誘導加熱装置の構成を示す概略縦断面図である。 実施形態１に係る誘導加熱装置における磁束発生部の構成を示す概略平面図である。 実施形態１に係る誘導加熱装置における流通路の構成を示す概略平面図である。 実施形態１に係る誘導加熱装置における流通路の変形例を示す概略図である。 実施形態２に係る誘導加熱装置の構成を示す概略縦断面図である。 実施形態２に係る誘導加熱装置において加熱部に断熱材を配置した一例を示す概略縦断面図である。 実施形態３に係る誘導加熱装置の構成を示す概略図である。 実施形態３に係る誘導加熱装置における流通路の変形例を示す概略平面図である。 実施形態４に係る誘導加熱装置の構成を示す概略縦断面図である。 本発明の実施形態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。

［本発明の実施形態の説明］
本発明者は、板状の回転体と加熱部とが互いに対向して配置され、回転体の加熱部に対向する対向面に磁束発生部が設けられたアキシャルギャップ型の誘導加熱装置において、加熱部から熱を受け取る熱媒体の流通路の構成について鋭意検討した。具体的には、加熱部での発熱量の分布、及び加熱部から熱媒体への熱の伝わり方について検討し、加熱部で発生した熱を熱媒体に効率よく伝熱できる流通路の構成について検討した。

変動磁束が通過する導体内において、誘導加熱（渦電流）による発熱量は、磁場強度、磁場の変化速度（周波数）の大きさに比例して増加することが知られている。アキシャルギャップ型の誘導加熱装置の場合、回転体の径方向の外側では内側よりも周速が速くなるため、加熱部を通過する磁束発生部による磁束の変化速度は外側の方が大きくなる。そのため、同じ磁場強度であっても、加熱部の径方向の外側の方が発熱量が大きく、内側ほど発熱量が小さくなる。

また、流通路は、加熱部に沿って設け、加熱部に沿う方向の一方側から他方側へ熱媒体が流通するように構成することが考えられる。熱媒体は、加熱部から熱を順次受け取りながら流通路を流れることにより、徐々に加熱される。よって、熱媒体の温度は、流通路の入口部側（入口部又はその近傍）よりも出口部側の方が高く、出口部側（出口部又はその近傍）では加熱部の温度に近付く又は等しくなる。

ここで、加熱部と熱媒体との間の熱伝達率ｈ（Ｗ／ｍ^２・Ｋ）は、次式で定義される。
ｈ＝Ｑ／［Ａ（Ｔｗ−Ｔａ）］＝Ｊ／（Ｔｗ−Ｔａ）
Ｑ：熱移動量（Ｗ）
Ｊ：熱流束密度（Ｗ／ｍ^２）
Ａ：伝熱面積（ｍ^２）
Ｔｗ：加熱部表面の温度（Ｋ）
Ｔａ：熱媒体の温度（Ｋ）
但し、Ｔｗ＞Ｔａとする。

上記式から、加熱部と熱媒体との間の熱移動量Ｑは、加熱部と熱媒体との温度差（Ｔｗ−Ｔａ）を大きくしたり、伝熱面積Ａを大きくするほど増大することが分かる。そのため、流通路の入口部側では、熱媒体の温度が低く、加熱部と流通路に流れる熱媒体との温度差が大きいことから、熱移動量が大きくなる。一方、出口部側では、熱媒体の温度が高く、加熱部と熱媒体との温度差が小さいので、熱移動量が小さくなる。つまり、流通路の入口部側では、熱移動量が大きく、加熱部から熱媒体へ十分に伝熱されるが、流通路の出口部側では、熱移動量が小さくなるため、加熱部から熱媒体へ十分に伝熱されない場合がある。したがって、流通路の構成によっては、加熱部で発生した熱を、流通路を流通する熱媒体に効率よく伝熱できないことが考えられる。また、加熱部で発生した熱を熱媒体によって十分に抜熱できず、最悪の場合、加熱部が過熱により溶解するなど損傷することも考えられる。そこで、加熱部に設けられた流通路の径を大きくするなど、全体的に伝熱面積を大きくすることで、加熱部と熱媒体との間の熱移動量を増やすことが考えられるが、その場合、装置の大型化やコストアップを招く。

本発明者は、アキシャルギャップ型の誘導加熱装置において、熱媒体の流通路を加熱部の径方向に設けると共に、加熱部の径方向に外側に流通路の入口部を、その径方向の内側に流通路の出口部を設けることを提案する。以下、本発明の実施態様を列記して説明する。

（１）本発明の一態様に係る誘導加熱装置は、熱媒体を加熱する誘導加熱装置であって、回転軸を有する板状の回転体と、前記回転体に対して軸方向に間隔をあけて対向して配置される板状の加熱部と、前記回転体の前記加熱部に対向する対向面に設けられ、前記加熱部に対して磁束を発生する磁束発生部と、前記加熱部の径方向に設けられ、前記熱媒体が流通する流通路と、を備える。前記流通路は、前記加熱部の径方向の外側に前記熱媒体を供給する入口部と、その径方向の内側に前記熱媒体を排出する出口部と、を有する。

上記誘導加熱装置は、回転体（磁束発生部）と加熱部とが軸方向に間隔をあけて対向して配置されたアキシャルギャップ型の構造である。また、上記誘導加熱装置では、流通路が加熱部の径方向に設けられると共に、加熱部の径方向の外側に流通路の入口部が、その径方向の内側に流通路の出口部が設けられており、加熱部の径方向の外側から内側へ熱媒体が流通するように流通路が構成されている。

上述したように、アキシャルギャップ型の場合、加熱部の径方向の外側の方が発熱量が大きい。また、流通路の入口部側では加熱部と熱媒体との温度差が大きいため、熱移動量が大きくなる。上記誘導加熱装置によれば、加熱部の径方向の外側に流通路の入口部が設けられていることから、加熱部の外側において熱媒体との温度差を大きくでき、発熱量が大きい加熱部の外側の熱を熱媒体へ十分に伝熱させることができる。したがって、発熱量が大きい加熱部の径方向の外側に流通路の入口部が設けられていることで、加熱部で発生した熱を熱媒体に効率よく伝熱することができ、加熱部からの熱ロスを低減できる。熱媒体の加熱効率（熱交換効率）の向上により、誘導加熱装置の小型軽量化を図ることが可能である。また、誘導加熱装置の大型化やコストアップを招くことなく、加熱部で発生した熱を熱媒体によって十分に抜熱でき、過熱による加熱部の損傷を抑制できる。

（２）上記誘導加熱装置の一形態として、上記流通路は、上記加熱部の径方向に渦巻状に設けられていることが挙げられる。

上記形態によれば、流通路を渦巻状とすることで、１つの流通路で、加熱部全体からの発熱を熱媒体に伝熱できる。

（３）上記誘導加熱装置の一形態として、上記磁束発生部と上記加熱部との間の間隔が、上記流通路の上記入口部側よりも上記出口部側の方が大きいことが挙げられる。

上記形態によれば、流通路の入口部側よりも出口部側の方が磁束発生部と加熱部との間の間隔が大きくなるように構成されている。つまり、加熱部の径方向の外側よりも内側の方が磁束発生部との間隔が大きい。誘導加熱による発熱量は磁場強度の２乗に比例し、磁場強度は距離によって減衰することから、磁束発生部との間の間隔が大きい部分では加熱部の発熱量が小さくなる。そのため、熱移動量が小さくなる流通路の出口部側において、加熱部の発熱量が小さくなることから、加熱部と熱媒体との温度差を大きくでき、伝熱効率を高めることができる。したがって、出口部側の加熱部で発生した熱を熱媒体へ十分に伝熱させることができ、出口部側の加熱部からの熱ロスを低減して、熱媒体への熱交換効率をより向上できる。よって、加熱部で発生した熱を熱媒体に更に効率よく伝熱することができる。また、誘導加熱装置の大型化やコストアップを招くことなく、出口部側の加熱部で発生した熱を熱媒体によってより十分に抜熱でき、過熱による加熱部の損傷をより抑制できる。

（４）上記誘導加熱装置の一形態として、上記流通路は、上記入口部側よりも上記出口部側の方が、上記加熱部との接触面積が大きくなるように形成されていることが挙げられる。

上記形態によれば、流通路の入口部側よりも出口部側の方が加熱部との接触面積が大きくなるように流通路が構成されている。つまり、加熱部の径方向の外側よりも内側の方が流通路との接触面積が大きい。これにより、熱移動量が小さくなる流通路の出口部側において、加熱部との接触面積が増え、加熱部から熱媒体への熱の移動量を増やすことができる。したがって、出口部側の加熱部で発生した熱を熱媒体へ十分に伝熱させることができ、出口部側の加熱部からの熱ロスを低減して、熱媒体への熱交換効率をより向上できる。よって、加熱部で発生した熱を、流通路を流通する熱媒体に更に効率よく伝熱することができる。また、誘導加熱装置の大型化やコストアップを招くことなく、出口部側の加熱部で発生した熱を熱媒体によってより十分に抜熱でき、過熱による加熱部の損傷をより抑制できる。

流通路の入口部側よりも出口部側の方が加熱部との接触面積が大きくなるように流通路を構成する場合、流通路は、入口部側よりも出口部側の方が隣り合う流通路間の間隔が小さくなるように形成することが挙げられる。例えば、流通路が渦巻状の場合、径方向の外側から内側に向かって渦巻のピッチが小さくなるように形成することが挙げられる。流通路の渦巻のピッチとは、流通路を構成する渦巻の径方向に隣り合う曲線の間隔のことである。

（５）上記誘導加熱装置の一形態として、上記回転軸が風車に接続されていることが挙げられる。

回転体（回転軸）を回転させる動力には、電動機やエンジンなどの内燃機関を用いることも可能であるが、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、ＣＯ_２の発生を抑制できる。回転軸を風車に接続することで、回転体の動力に風力を利用することができる。

（６）本発明の一態様に係る発電システムは、上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の誘導加熱装置と、上記誘導加熱装置により加熱した上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。

上記発電システムによれば、本発明の一態様に係る上記誘導加熱装置を備えることから、誘導加熱装置において、加熱部で発生した熱を熱媒体に効率よく伝熱することができる。そのため、誘導加熱装置における熱媒体への熱交換効率を改善でき、発電効率の向上を図ることが可能である。

上記発電システムは、上記誘導加熱装置により加熱した熱媒体の熱を利用して発電するものである。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。一例としては、熱媒体の水を加熱して高温高圧蒸気を生成し、その蒸気を利用して蒸気タービンにより発電機を回転させて発電することが挙げられる。また、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、安定した発電システムを実現できる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る誘導加熱装置、及び発電システムの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。図中の同一符号は同一又は相当部分を示す。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

〈誘導加熱装置〉
［実施形態１］
図１〜図３を参照して、実施形態１に係る誘導加熱装置１０１について説明する。誘導加熱装置１０１は、回転体１１と、加熱部１３と、磁束発生部１５と、流通路１７とを備える。誘導加熱装置１０１は、磁束発生部１５と加熱部１３とが回転体１１の軸方向に間隔をあけて対向して配置された、所謂アキシャルギャップ型の構造である。以下、誘導加熱装置１０１の構成を詳しく説明する。

（回転体）
回転体１１は、回転軸２１を有する板状の部材であり、後述する加熱部１３と互いの面が対向するように間隔をあけて配置されている。この例では、回転体１１は円板状であり、加熱部１３に対向する対向面と反対側の反対面の中心に、回転軸２１の一端側が固定されている（図１を参照）。回転軸２１は、軸受２２により回転可能に支持されている。また、回転体１１の加熱部１３に対向する対向面には、後述する磁束発生部１５（この例では永久磁石１５ｍ）が設けられている。回転体１１の動力には、例えば回転軸２１に風車（図示せず）を接続し、風力を利用することが挙げられる。

回転体１１の形成材料としては、磁性材料、非磁性材料を問わず、機械的強度を有し、磁束発生部１５を支持可能な材料であればよく、構造強度と長期耐久性（耐候性及び耐食性）に優れる材料が好ましい。例えば、構造用材料に使用される鉄、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金などの金属や、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）やＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などの複合材料が挙げられる。

（加熱部）
加熱部１３は、回転体１１に対して軸方向に間隔をあけて対向して配置される板状の部材である。加熱部１３は、回転しないようにケーシング（図示せず）に固定されている。加熱部１３には、磁束発生部１５による磁束が通過し、後述するように渦電流が生じ、誘導加熱によって加熱部１３が発熱する。加熱部１３は、導電材料からなり、例えば、鉄やアルミニウム、銅などの金属又はそれらの合金で形成されている。

（磁束発生部）
磁束発生部１５は、回転体１１の加熱部１３に対向する対向面に設けられ、加熱部１３に対して磁束を発生する。つまり、磁束発生部１５は、回転体１１の軸方向（加熱部１３の方向）に磁束を発生する。この例では、磁束発生部１５が永久磁石１５ｍであり、図２に示すように、回転体１１の対向面に複数の扇形状の磁石１５ｍ（計６個）が円形状に並べて配置され、隣り合う磁石１５ｍの極性が互いに異なっている。また、各磁束発生部１５（磁石１５ｍ）と加熱部１３との間の間隔が径方向に実質的に一定である（図１を参照）。

磁束発生部１５としては、永久磁石の他、コイル（電磁石）を用いることも可能である。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。コイルの場合、コイルに通電する電流を大きくすることで、強い磁場を発生させることができ、通電電流を制御することで磁場の強さを調整することも可能である。誘導加熱（渦電流）による発熱量は磁場強度の２乗に比例することから、コイルは永久磁石に比較して発熱量の向上を図り易い。また、コイルであれば、永久磁石に比べて、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利点がある。したがって、磁束発生部１５にコイルを用いた場合、通電電流を大きくして十分な磁場強度を維持し易く、熱媒体を発電に適した所定の温度（例えば、１００℃〜６００℃、好ましくは２００℃〜３５０℃）まで加熱するのに十分な性能（熱エネルギー）を得易い。

コイルには直流電流を流し、直流磁場を発生させることが挙げられる。例えば、誘導加熱装置１０１において、磁石１５ｍに代えてコイルを用いる場合、各コイルにスリップリングなどを介して直流電源を接続し、電流を供給する。そして、各コイルに通電する電流の向きを制御して、隣り合うコイルの極性が互いに異なるように、各コイルに発生させる磁場（磁束）の方向を制御することが挙げられる。さらに、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、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。超電導コイルの場合、例えば、周囲を冷却用ジャケットで覆い、冷却することによって超電導状態に保持することが挙げられる。

（流通路）
加熱部１３には、熱媒体が流通する流通路１７が設けられている。流通路１７は、加熱部１３の径方向に設けられ、加熱部１３の径方向の外側に熱媒体を供給する入口部１７１と、その径方向の内側に熱媒体を排出する出口部１７２とを有する。そして、加熱部１３の径方向の外側から内側へ熱媒体が流通する（図１中の白抜き矢印は熱媒体の供給・排出方向を示す）。

この例では、流通路１７は、図３に示すように、加熱部１３の径方向に渦巻状に設けられている。流通路１７は、配管１７ｐによって構成されており、加熱部１３の回転体１１に対向する対向面とは反対側の反対面に、配管１７ｐを渦巻状に巻き付けて配置している。加熱部１３と流通路１７（配管１７ｐ）とは熱的に接続されている。また、流通路１７（配管１７ｐ）は、隣り合う流通路１７（配管１７ｐ）間の間隔が等しくなるように形成されている。具体的には、流通路１７（配管１７ｐ）は、加熱部１３の径方向（熱媒体の流通方向）に略等しいピッチで渦巻状に設けられており、入口部１７１側から出口部１７２側に亘って渦巻のピッチが実質的に一定である。したがって、流通路１７の入口部１７１側から出口部１７２側に亘って加熱部１３との接触面積が略等しくなっており、加熱部１３において、径方向（熱媒体の流通方向）における単位長さあたりの流通路１７との接触面積が入口部１７１側から出口部１７２側に亘って略等しい。配管１７ｐは、例えば、鉄やアルミニウム、銅などの金属又はそれらの合金で形成されている。熱媒体としては、例えば、水、水蒸気、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。

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説明する。

誘導加熱装置１０１では、磁束発生部１５（磁石１５ｍ）から回転体１１の軸方向に磁束が発生し、加熱部１３に磁束が通過する。具体的には、加熱部１３におけるＮ極の磁束発生部１５に対向する部分では、磁束（磁場）が加熱部１３の対向面側から反対面側の方向に通過し、Ｓ極の磁束発生部１５に対向する部分では、磁束（磁場）が加熱部１３の反対面側から対向面側の方向に通過する。そして、回転体１１と共に磁束発生部１５が回転することにより、加熱部１３に対して磁束発生部１５が相対的に移動することで、加熱部１３における磁束発生部１５に対向する部分において通過する磁束が変化し、印加される磁場が周期的に変化する。その結果、加熱部１３に渦電流が発生することで、加熱部１３が発熱し、その熱が流通路１７（配管１７ｐ）に流れる熱媒体に伝熱され、熱媒体が加熱される。この例では、回転体１１の径方向の外側では内側よりも周速が速くなるため、加熱部１３を通過する磁束の変化速度（周波数）は外側の方が大きくなる。そのため、加熱部１３の径方向の外側、即ち流通路１７の入口部１７１側の方が発熱量が大きい。

また、誘導加熱装置１０１では、隣り合う磁束発生部１５（磁石１５ｍ）の極性が互いに異なることから、磁束（磁場）の方向が周期的に逆転しながら変化する。そのため、加熱部１３に印加される磁場の振幅（変化）が大きくなるため、より大きな渦電流を発生させることができ、発熱量を増やすことができる。

磁束発生部１５（磁石１５ｍ）の数は、適宜設定することができる。磁束発生部１５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、磁場の変化速度が大きくなる。誘導加熱による発熱量は磁場の変化速度に比例することから、磁場の周期を短くすることで、発熱量の向上が期待できる。磁束発生部１５の数は、例えば４個以上が好ましく、６個以上、更に８個以上がより好ましい。

｛作用効果｝
実施形態１の誘導加熱装置１０１は、加熱部１３の径方向の外側に流通路１７の入口部１７１が設けられており、加熱部１３の径方向の外側から内側へ熱媒体が流通するように流通路１７が構成されている。したがって、発熱量が大きい加熱部１３の径方向の外側に流通路１７の入口部１７１が設けられていることから、加熱部１３の外側において熱媒体との温度差を大きくでき、発熱量が大きい加熱部１３の外側の熱を熱媒体へ十分に伝熱させることができる。よって、加熱部１３で発生した熱を、流通路１７を流通する熱媒体に効率よく伝熱することができ、加熱部１３からの熱ロスが小さく、加熱効率（熱交換効率）を改善できる。加えて、装置の大型化やコストアップを招くことなく、加熱部１３で発生した熱を熱媒体によって十分に抜熱でき、過熱による加熱部１３の損傷を抑制できる。

また、板状の加熱部１３に対して流通路１７を渦巻状に設けたことで、１つの流通路１７で加熱部１３全体からの発熱を熱媒体に伝熱できる。

［変形例］
実施形態１の誘導加熱装置１０１では、流通路１７を配管１７ｐによって構成し、加熱部１３の外部に流通路１７を設ける形態を説明したが、流通路１７は加熱部１３に形成することも可能である。例えば、図４に示すように、加熱部１３の反対面に径方向に渦巻状の溝１７ｇを形成し、この溝１７ｇを流通路１７に利用することが挙げられる。そして、溝１７ｇを形成した加熱部１３の反対面を覆うように、流通路１７の入口部１７１及び出口部１７２に対応する位置にそれぞれ開口１３ｏが形成された板状のカバー材１３ｃを被せることで、溝１７ｇの内周面とカバー材１３ｃの表面とにより囲まれた空間によって流通路１７を形成できる。なお、図４の上図は、流通路１７を加熱部１３に形成した溝１７ｇによって構成した場合の誘導加熱装置の概略縦断面図であり、下図は、加熱部１３に形成した流通路１７（溝１７ｇ）の概略平面図である。

（断熱材）
実施形態１の誘導加熱装置１０１において、加熱部１３や配管１７ｐの周囲に断熱材（図示せず）を配置してもよい。例えば、加熱部１３の対向面及び周面や、配管１７ｐの外側に断熱材を設けることが挙げられる。断熱材には、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、セラミックスなどを用いることができる。加熱部１３や配管１７ｐの周囲に断熱材を設けることで、加熱部１３や配管１７ｐからの熱ロスを抑制でき、熱媒体への熱交換効率を向上できる。また、回転体１１（磁束発生部１５）に対向する加熱部１３の対向面に断熱材を配置することで、回転体１１（磁束発生部１５）に対する加熱部１３からの熱の影響を低減できる。回転体１１（磁束発生部１５）の加熱部１３に対向する対向面に断熱材を配置してもよく、これによっても加熱部１３からの熱の影響を低減できる。

[実施形態２]
上述した実施形態１では、図１に示すように、磁束発生部１５と加熱部１３との間の間隔が径方向に一定である形態を説明した。実施形態２では、磁束発生部１５と加熱部１３との間の間隔が流通路１７の入口部１７１側よりも出口部１７２側の方が大きい形態を説明する。以下、図５を参照して、実施形態２に係る誘導加熱装置１０２について、実施形態１との相違点を中心に説明する。

図５に例示する実施形態２の誘導加熱装置１０２では、各磁束発生部１５を構成する各磁石１５ｍの径方向の内側が外側よりも一段凹んでおり、各磁束発生部１５と加熱部１３との間の間隔が流通路１７の入口部１７１側よりも出口部１７２側の方が大きくなっている。

｛作用効果｝
実施形態２の誘導加熱装置１０２では、流通路１７の入口部１７１側よりも出口部１７２側の方が磁束発生部１５と加熱部１３との間の間隔が大きくなるように構成されている。これにより、磁束発生部１５と加熱部１３との間の間隔が大きい流通路１７の出口部１７２側において、加熱部１３の発熱量を抑えることができる。そのため、磁束発生部１５と加熱部１３との間の間隔が径方向に一様な場合に比べて、流通路１７の出口部１７２側で加熱部１３と熱媒体との温度差を大きくできる。したがって、加熱部１３から熱媒体への熱の移動量が小さくなる流通路１７の出口部１７２側において、加熱部１３で発生した熱を熱媒体へ十分に伝熱させることができる。よって、加熱部１３で発生した熱を熱媒体に更に効率よく伝熱することができ、出口部１７２側の加熱部１３からの熱ロスが小さく、熱交換効率をより向上できる。また、装置の大型化やコストアップを招くことなく、出口部１７２側の加熱部１３で発生した熱を熱媒体によって十分に抜熱でき、過熱による加熱部１３の損傷をより抑制できる。

[変形例]
実施形態２の誘導加熱装置１０２では、回転体１１に設けられた各磁束発生部１５（磁石１５ｍ）に径方向に段差を設けることで、流通路１７の出口部１７２側で磁束発生部１５と加熱部１３との間の間隔を大きくする形態を説明した。磁束発生部１５と加熱部１３との間の間隔を大きくするその他の手段としては、例えば、回転体１１に対向する加熱部１３の対向面に段差を設けることが挙げられる。具体的には、各磁石１５ｍの厚さを径方向に実質的に一定にすると共に、回転体１１（磁束発生部１５）と加熱部１３との対向距離が入口部１７１側よりも出口部１７２側が大きくなるように、加熱部１３の対向面に径方向に段差を設ける。これにより、出口部１７２側において、磁束発生部１５と加熱部１３との間の間隔を大きくすることができる。段差ではなく傾斜を設けてもよく、磁束発生部１５と加熱部１３との間の間隔は、流通路１７の入口部１７１側から出口部１７２側に向かって段差を設けて段階的に大きくする他、傾斜を設けて連続的に大きくすることも可能である。

特に、実施形態２の誘導加熱装置１０２では、流通路１７の出口部１７２側において磁束発生部１５と加熱部１３との間の間隔が大きくなっているため、その間隔が大きい部分に断熱材を配置したり、配置する断熱材の厚さを厚くすることが容易である。例えば、図６に示すように、加熱部１３の対向面のうち、磁束発生部１５との間の間隔が大きい部分、即ち流通路１７の出口部１７２側に断熱材１９を配置することが挙げられる。流通路１７の出口部１７２側では、熱媒体の温度が高く、加熱部１３の温度も高くなる傾向があるため、熱ロスが生じ易いが、流通路１７の出口部１７２側に断熱材１９を配置したり、断熱材１９を厚くすることによって、熱ロスを効果的に抑制できる。

[実施形態３]
上述した実施形態１では、図１及び図３に示すように、流通路１７の渦巻のピッチが一定であり、流通路１７が入口部１７１側から出口部１７２側に亘って加熱部１３との接触面積が等しくなるように形成されている形態を説明した。実施形態３では、流通路１７が加熱部１３の径方向に渦巻状に設けられると共に、入口部１７１側よりも出口部１７２側の方が加熱部１３との接触面積が大きくなるように形成されている形態を説明する。以下、図７を参照して、実施形態３に係る誘導加熱装置１０３について、実施形態１との相違点を中心に説明する。なお、図７の上図は、図１と同様に、誘導加熱装置の概略縦断面図であり、下図は、図３と同様に、流通路の概略平面図である。

図７に例示する実施形態３の誘導加熱装置１０３では、流通路１７（配管１７ｐ）は、入口部１７１側よりも出口部１７２側の方が隣り合う流通路１７（配管１７ｐ）間の間隔が小さくなるように形成されている。具体的には、流通路１７の入口部１７１側から出口部１７２側に向かうほど、流通路１７の渦巻のピッチが小さくなっており、加熱部１３に対して流通路１７が密に設けられている。したがって、流通路１７の入口部１７１側よりも出口部１７２側の方が加熱部１３との接触面積が大きくなっており、加熱部１３において、径方向（熱媒体の流通方向）における単位長さあたりの流通路１７との接触面積が入口部１７１側よりも出口部１７２側の方が大きい。

｛作用効果｝
実施形態３の誘導加熱装置１０３では、流通路１７の入口部１７１側よりも出口部１７２側の方が加熱部１３との接触面積が大きくなるように流通路１７が構成されている。これにより、流通路１７の出口部１７２側において、加熱部１３から流通路１７に流れる熱媒体への熱の移動量を増やすことができる。したがって、加熱部１３から熱媒体への熱の移動量が小さくなる流通路１７の出口部１７２側において、加熱部１３で発生した熱を熱媒体へ十分に伝熱させることができる。よって、加熱部１３で発生した熱を熱媒体に更に効率よく伝熱することができ、出口部１７２側の加熱部１３からの熱ロスが小さく、熱交換効率をより向上できる。また、装置の大型化やコストアップを招くことなく、出口部１７２側の加熱部１３で発生した熱を熱媒体によって十分に抜熱でき、過熱による加熱部１３の損傷をより抑制できる。

[変形例]
実施形態３の誘導加熱装置１０３では、加熱部１３に対して渦巻状の流通路１７を１つ設ける形態を説明したが、複数の流通路を設けることも可能である。例えば、図８に示すように、加熱部１３の径方向に放射状に複数の流通路１７を設けることが挙げられる。各流通路１７は、加熱部１３の径方向の外側から内側に向かって直線状に設けられ、加熱部１３の径方向の外側に入口部１７１が、その径方向の内側に出口部１７２が設けられている。この例では、各流通路１７は、配管１７ｐによって構成されており、各配管１７ｐを加熱部１３の反対面に配置している。この場合であっても、流通路１７（配管１７ｐ）の入口部１７１側よりも出口部１７２側の方が隣り合う流通路１７（配管１７ｐ）間の間隔が小さくなるため、流通路１７の入口部１７１側よりも出口部１７２側の方が加熱部１３との接触面積が大きくなる。図８では、流通路１７（配管１７ｐ）の数が８個の場合を例示しているが、流通路１７（配管１７ｐ）の数はこれに限定されず、適宜設定することができる。流通路１７の数は、加熱部１３との接触面積を確保する観点から、例えば４個以上、８個以上、更に１２個以上とすることが挙げられる。また、図８では、加熱部１３を平面視した場合に、流通路１７（配管１７ｐ）が加熱部１３の径方向に直線状に設けられているが、流通路１７（配管１７ｐ）は波線状に設けることも可能である。

[実施形態４]
上述した実施形態１において、実施形態２及び実施形態３で説明した構成を組み合わせることも可能である。図９に例示する実施形態４に係る誘導加熱装置１０４のように、流通路１７の入口部１７１側よりも出口部１７２側の方が磁束発生部１５と加熱部１３との間の間隔が大きくなると共に、流通路１７の入口部１７１側よりも出口部１７２側の方が加熱部１３との接触面積が大きくなるように構成することが挙げられる。これにより、加熱部１３から熱媒体への熱の移動量が小さくなる流通路１７の出口部１７２側において、加熱部１３で発生した熱を熱媒体へより十分に伝熱させることができ、出口部１７２側の加熱部１３で発生した熱を熱媒体によってより十分に抜熱できる。

〈発電システム〉
図１０を参照して、本発明の実施形態に係る発電システムの一例を説明する。図１０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、本発明の実施形態に係る誘導加熱装置であり、例えば、上述した実施形態１〜４に係る誘導加熱装置１０１〜１０４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の流通路（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とが接続されている。そして、誘導加熱装置１０は、回転体に設けられた磁場発生部から磁束が発生し、回転体の回転により、回転体と間隔をあけて配置された加熱部を通過する磁束が変化することで、加熱部に渦電流が発生し、加熱部が発熱して流通路内の水を加熱する。誘導加熱装置１０は、熱媒体である水を例えば１００℃〜６００℃といった高温に加熱する。また、誘導加熱装置１０は、加熱部（流通路）が回転しない構造であるので、流通路と輸送管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、本発明の実施形態に係る誘導加熱装置１０を備えることから、誘導加熱装置１０において、加熱部で発生した熱を、流通路を流通する熱媒体に効率よく伝熱することができる。よって、誘導加熱装置１０における熱媒体の熱交換効率を改善でき、発電効率の向上を図ることができる。その他、誘導加熱装置１０により加熱した熱媒体の熱を蓄熱器５０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、風車２０と誘導加熱装置１０の回転軸２１とを直結することにより、増速機（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５１により例えば塔９１の下部（土台）に設置された発電部６０に供給することで、ナセル９２に発電部６０を格納する必要がなく、塔９１の上部に設置されるナセル９２を小型・軽量化することができる。

上記した発電システムＰ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、流通路内の熱媒体の気化による内圧上昇を抑制し易い。

本発明の誘導加熱装置は、再生可能エネルギー（例、風力）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、１０１〜１０４ 誘導加熱装置 Ｐ 発電システム
１１ 回転体
１３ 加熱部
１３ｃ カバー材 １３ｏ 開口
１５ 磁束発生部
１５ｍ 永久磁石
１７ 流通路
１７ｐ 配管 １７ｇ 溝
１７１ 入口部 １７２ 出口部
１９ 断熱材
２１ 回転軸 ２２ 軸受
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、
   回転軸を有する板状の回転体と、
   前記回転体に対して軸方向に間隔をあけて対向して配置される板状の加熱部と、
   前記回転体の前記加熱部に対向する対向面に設けられ、前記加熱部に対して磁束を発生する磁束発生部と、
   前記加熱部の径方向に設けられ、前記熱媒体が流通する流通路と、を備え、
   前記流通路は、前記加熱部の径方向の外側に前記熱媒体を供給する入口部と、その径方向の内側に前記熱媒体を排出する出口部と、を有する誘導加熱装置。
2. 前記流通路は、前記加熱部の径方向に渦巻状に設けられている請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記磁束発生部と前記加熱部との間の間隔が、前記流通路の前記入口部側よりも前記出口部側の方が大きい請求項１又は請求項２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記流通路は、前記入口部側よりも前記出口部側の方が、前記加熱部との接触面積が大きくなるように形成されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
5. 前記回転軸が風車に接続されている請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１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、を備える発電システム。

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