JP2017010698A - Induction heating apparatus and power generation system - Google Patents
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Abstract
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誘導加熱装置に関する。 The present invention relates to an induction heating apparatus that heats a heat medium using induction heating, and a power generation system including the induction heating apparatus. In particular, the present invention relates to an induction heating device that can efficiently transfer heat generated in a heating section to a heat medium flowing through a flow passage.
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。 As a device for heating water, a heating device using induction heating (eddy current) has been proposed (for example, see Patent Document 1). The eddy current heating device described in Patent Document 1 is a conductive rotor having a rotatable rotor having a permanent magnet arranged on the outer periphery and a fixed passage provided outside the rotor, and a flow passage through which water flows. A heating part for the material. Then, when the rotor rotates, the magnetic lines of force (magnetic flux) generated by the permanent magnets on the outer periphery of the rotor move through the heating unit, so that an eddy current is generated in the heating unit and the heating unit generates heat. As a result, the heat generated in the heating unit is transmitted to the water flowing through the internal flow passage, and the water is heated.
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。 The above-described technology is mainly intended to supply hot water using energy such as wind power. Recently, a power generation system that converts heat of a heat medium heated by an induction heating device into electric energy has been proposed (see, for example, Patent Documents 2 and 3). In Patent Documents 2 and 3, a rotating body, a magnetic flux generating section that is provided on the outer periphery of the rotating body and generates a magnetic flux in the radial direction of the rotating body, and arranged outside the rotating body with a gap from the rotating body. An induction heating apparatus is disclosed that includes a cylindrical heating unit and a flow passage (pipe) that is provided in the heating unit and through which a heat medium flows. Patent Documents 2 and 3 exemplify a configuration in which a plurality of flow paths are formed along the axial direction of the heating unit, a heat medium is supplied from one end side of the flow path, and discharged from the other end side. .
誘導加熱装置において、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望まれる。しかし、上述したような従来の誘導加熱装置では、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かった。 In the induction heating device, it is desired to efficiently transfer the heat generated in the heating unit to the heat medium flowing through the flow path. However, in the conventional induction heating apparatus as described above, it has not necessarily been fully studied about the configuration of the flow path of the heat medium that receives the heat generated in the heating unit.
例えば、回転体の外周に磁束発生部が設けられ、回転体の外側に加熱部が配置された従来の誘導加熱装置において、加熱部の軸方向の一方側から他方側へ熱媒体が流通するように流通路を構成することが挙げられる。また、従来の誘導加熱装置では、一般に、磁束発生部と加熱部との間の間隔が軸方向に実質的に一定であり、誘導加熱によって加熱部が軸方向に均一に発熱するように構成されている。即ち、加熱部の軸方向における単位長さあたりの発熱量が実質的に等しくなっている。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。 For example, in a conventional induction heating apparatus in which a magnetic flux generation unit is provided on the outer periphery of a rotating body and a heating unit is disposed outside the rotating body, the heat medium flows from one side to the other side in the axial direction of the heating unit. It is mentioned that a flow path is configured. In addition, the conventional induction heating apparatus is generally configured such that the interval between the magnetic flux generation unit and the heating unit is substantially constant in the axial direction, and the heating unit generates heat uniformly in the axial direction by induction heating. ing. That is, the heat generation amount per unit length in the axial direction of the heating unit is substantially equal. The heat medium is gradually heated by flowing through the flow path while sequentially receiving heat from the heating unit. Therefore, the temperature of the heat medium is higher on the outlet side than on the inlet side (inlet part or the vicinity thereof) of the flow passage, and approaches or equals the temperature of the heating part on the outlet side (the outlet part or its vicinity). Become.
ここで、加熱部と熱媒体との間の熱伝達率h(W/m2・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/m2)
A:伝熱面積(m2)
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。
Here, the heat transfer coefficient h (W / m 2 · K) between the heating unit and the heat medium is defined by the following equation.
h = Q / [A (Tw-Ta)] = J / (Tw-Ta)
Q: Heat transfer amount (W)
J: Heat flux density (W / m 2 )
A: Heat transfer area (m 2 )
Tw: Temperature of the heated part surface (K)
Ta: Temperature of heat medium (K)
However, Tw> Ta.
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。よって、誘導加熱に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効率よく伝熱できないことが考えられる。また、出口部側の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、出口部側の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。 From the above equation, the heat transfer amount Q between the heating unit and the heat medium increases as the temperature difference (Tw−Ta) between the heating unit and the heat medium increases or the heat transfer area A increases. I understand. Therefore, on the inlet portion side of the flow passage, the temperature of the heat medium is low, and the temperature difference between the heating unit and the heat medium flowing through the flow passage is large, so the amount of heat transfer is large. On the other hand, on the exit side, the temperature of the heat medium is high and the temperature difference between the heating part and the heat medium is small, so the amount of heat transfer is small. In other words, the amount of heat transfer is large on the inlet side of the flow passage, and heat is sufficiently transferred from the heating unit to the heat medium. There may be insufficient heat transfer. Therefore, it is conceivable that the heat generated in the heating section by induction heating cannot be efficiently transferred to the heat medium flowing through the flow path. Further, the heat generated in the heating part on the outlet side cannot be sufficiently removed by the heat medium, and in the worst case, the heating part on the outlet side may be damaged due to overheating.
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。 Therefore, it is conceivable to increase the amount of heat transfer between the heating unit and the heat medium by increasing the overall heat transfer area, such as increasing the diameter of the flow path provided in the heating unit. In this case, the apparatus is increased in size and cost.
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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of the objects of the present invention is to provide an induction heating apparatus that can efficiently transfer heat generated in a heating section to a heat medium flowing through a flow passage. There is. Another object of the present invention is to provide a power generation system including the induction heating device.
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、回転軸を有する回転体と、前記回転体と間隔をあけて対向して配置される加熱部と、前記回転体に設けられ、前記加熱部に対して磁束を発生する磁束発生部と、前記加熱部に沿って設けられ、前記熱媒体が流通する流通路と、を備える。そして、前記流通路は、前記加熱部に沿う方向の一方側に前記熱媒体を供給する入口部と、その他方側に前記熱媒体を排出する出口部と、を有し、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。 An induction heating device according to an aspect of the present invention is an induction heating device that heats a heat medium, and includes a rotating body having a rotating shaft, and a heating unit that is disposed to face the rotating body with a space therebetween. A magnetic flux generation unit that is provided in the rotating body and generates a magnetic flux with respect to the heating unit; and a flow path that is provided along the heating unit and through which the heat medium flows. The flow path includes an inlet portion that supplies the heat medium on one side in the direction along the heating portion, and an outlet portion that discharges the heat medium on the other side, from the inlet portion side. Further, the outlet side is formed so that the contact area with the heating unit is increased.
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。 The power generation system which concerns on 1 aspect of this invention is provided with the induction heating apparatus which concerns on the said 1 aspect of this invention, and the electric power generation part which converts the heat | fever of the said heat medium heated with the said induction heating apparatus into electrical energy.
上記誘導加熱装置は、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。上記発電システムは、誘導加熱装置における熱媒体の加熱効率を改善でき、発電効率の向上を図ることが可能である。 The induction heating device can efficiently transfer the heat generated in the heating unit to the heat medium flowing through the flow path. The power generation system can improve the heating efficiency of the heat medium in the induction heating device, and can improve the power generation efficiency.
[本発明の実施形態の説明]
最初に、本発明の実施態様を列記して説明する。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
First, embodiments of the present invention will be listed and described.
(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、回転軸を有する回転体と、前記回転体と間隔をあけて対向して配置される加熱部と、前記回転体に設けられ、前記加熱部に対して磁束を発生する磁束発生部と、前記加熱部に沿って設けられ、前記熱媒体が流通する流通路と、を備える。そして、前記流通路は、前記加熱部に沿う方向の一方側に前記熱媒体を供給する入口部と、その他方側に前記熱媒体を排出する出口部と、を有し、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。 (1) An induction heating apparatus according to an aspect of the present invention is an induction heating apparatus that heats a heat medium, and is a heating body that is disposed to face a rotating body having a rotating shaft and the rotating body at an interval. A magnetic flux generating unit that is provided in the rotating body and generates a magnetic flux with respect to the heating unit, and a flow path that is provided along the heating unit and through which the heat medium flows. The flow path includes an inlet portion that supplies the heat medium on one side in the direction along the heating portion, and an outlet portion that discharges the heat medium on the other side, from the inlet portion side. Further, the outlet side is formed so that the contact area with the heating unit is increased.
上記誘導加熱装置によれば、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、加熱部において、熱媒体の流通方向における単位長さあたりの流通路との接触面積が、入口部側よりも出口部側の方が大きい。これにより、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、熱媒体の加熱効率(熱交換効率)を向上できる。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効率よく伝熱することができ、熱媒体の加熱効率の向上により、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、出口部側の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。 According to the induction heating apparatus, the flow path is configured such that the contact area with the heating unit is larger on the outlet side than on the inlet side of the flow path. That is, in the heating unit, the contact area with the flow passage per unit length in the flow direction of the heat medium is larger on the outlet side than on the inlet side. Thereby, in the exit part side of a flow path, a contact area with a heating part increases, and the amount of heat transfer from a heating part to a heat carrier can be increased. Therefore, the heat generated in the heating part on the outlet side can be sufficiently transferred to the heat medium, reducing the heat loss from the heating part on the outlet side, and heating efficiency of the heat medium (heat exchange efficiency) Can be improved. Therefore, the heat generated in the heating unit can be efficiently transferred to the heat medium flowing through the flow path, and the induction heating apparatus can be reduced in size and weight by improving the heating efficiency of the heat medium. . In addition, the heat generated in the heating unit on the outlet side can be sufficiently removed by the heat medium without increasing the size and cost of the induction heating device, and damage to the heating unit due to overheating can be suppressed.
(2)上記誘導加熱装置の一形態として、上記加熱部は、上記回転体の外周側に設けられる筒状の部材であり、上記磁束発生部は、上記回転体の径方向に上記磁束を発生する。そして、上記流通路は、上記加熱部の軸方向の一方側に上記入口部が、その他方側に上記出口部が設けられている。また、上記流通路は、上記加熱部の軸方向に螺旋状に設けられると共に、上記入口部側よりも上記出口部側の方が隣り合う上記流通路間の間隔が小さくなるように形成されていることが挙げられる。 (2) As one form of the induction heating device, the heating section is a cylindrical member provided on the outer peripheral side of the rotating body, and the magnetic flux generating section generates the magnetic flux in the radial direction of the rotating body. To do. And the said flow path is provided with the said inlet part in the one side of the axial direction of the said heating part, and the said outlet part in the other side. In addition, the flow passage is provided in a spiral shape in the axial direction of the heating portion, and is formed so that the interval between the flow passages adjacent to each other on the outlet portion side is smaller than that on the inlet portion side. It is mentioned.
上記形態は、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。上記形態によれば、流通路が加熱部の軸方向に螺旋状に設けられ、その流通路の入口部側よりも出口部側の方が流通路間の間隔が小さくなるように形成されていることから、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。また、流通路を螺旋状とすることで、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。 The above-mentioned form is a so-called radial gap type structure in which a rotating body (magnetic flux generating part) and a heating part are arranged to face each other with a gap in the radial direction. According to the above aspect, the flow passage is provided in a spiral shape in the axial direction of the heating portion, and the distance between the flow passages is smaller on the outlet portion side than on the inlet portion side of the flow passage. For this reason, the contact area with the heating unit is larger on the outlet side than on the inlet side of the flow passage. In addition, by forming the flow path in a spiral shape, heat generated from the entire heating unit can be transferred to the heat medium with one flow path.
(3)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。 (3) As one form of the said induction heating apparatus, it is mentioned that the said rotating shaft is connected to the windmill.
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、CO2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。 As power for rotating the rotating body (rotating shaft), an internal combustion engine such as an electric motor or an engine can be used, but it is preferable to use renewable energy such as wind power, hydraulic power, and wave power. If renewable energy is used, generation of CO 2 can be suppressed. By connecting the rotating shaft to the windmill, wind power can be used for the power of the rotating body.
(4)本発明の一態様に係る発電システムは、上記(1)〜(3)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。 (4) A power generation system according to an aspect of the present invention provides an electric energy that generates heat from the induction heating device according to any one of (1) to (3) and the heat medium heated by the induction heating device. And a power generation unit for converting to
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、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。そのため、誘導加熱装置における熱媒体の加熱効率を改善でき、発電効率の向上を図ることが可能である。 According to the power generation system, since the induction heating device according to one aspect of the present invention is provided, in the induction heating device, the heat generated in the heating unit is efficiently transferred to the heat medium flowing through the flow path. Can do. Therefore, the heating efficiency of the heat medium in the induction heating device can be improved, and the power generation efficiency can be improved.
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。 The power generation system generates power using the heat of the heat medium heated by the induction heating device. For example, if a windmill is connected to the rotating shaft of the induction heating device and wind power is used as the power of the rotating body, the wind energy can be converted from rotational energy to thermal energy and extracted as electrical energy. As an example, high-temperature and high-pressure steam is generated by heating water of a heat medium, and power is generated by rotating a generator by a steam turbine using the steam. Moreover, since it was set as the structure which converts heat into electrical energy, the stable electric power generation system is realizable by storing energy as heat using a thermal accumulator.
[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。
[Details of the embodiment of the present invention]
Specific examples of the induction heating device and the power generation system according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. The same reference numerals in the drawings indicate the same or corresponding parts. In addition, this invention is not limited to these illustrations, is shown by the claim, and intends that all the changes within the meaning and range equivalent to a claim are included.
〈誘導加熱装置〉
[実施形態1]
図1,図2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。以下、誘導加熱装置101の構成を詳しく説明する。
<Induction heating device>
[Embodiment 1]
The
(回転体)
回転体11は、回転軸21を有し、回転軸21の一端側に連結された筒状又は柱状の部材である。この例では、円柱状の回転体11の中心軸に貫通孔が形成されており、その貫通孔に回転軸21が挿通され、回転軸21に回転体11が固定されている。回転軸21は、回転体11の両端側に設けられた軸受22により回転可能に支持されている(図1を参照)。回転体11の外周には、径方向に突出する複数の凸部111が形成されている(図2を参照)。この例では、6つの凸部111を有し、各凸部111が周方向に等間隔に形成されている。また、回転体11の外周には、後述する磁束発生部15(この例ではコイル15c)が設けられている。ここでは、回転体11が反時計方向に回転するものとする(図2中の矢印は回転方向を示す)。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。
(Rotating body)
The rotating
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。
The material for forming the
この例では、回転体11(凸部111を含む)が磁性材料で形成されている。磁束発生部15(コイル15c)に常電導コイルを用いる場合は、回転体11を磁性材料で形成することが好ましい。一方、超電導コイルを用いる場合は、回転体11は磁性材料、非磁性材料のいずれで形成してもよい。超電導コイルを用いる場合、回転体11の磁束飽和のために発生磁場が限定されてしまう虞があることから、回転体11を非磁性材料で形成することが好ましい場合もある。
In this example, the rotating body 11 (including the convex portion 111) is made of a magnetic material. When a normal conducting coil is used for the magnetic flux generator 15 (
(加熱部)
加熱部13は、回転体11と間隔をあけて対向して配置され、回転体11の外周側に設けられた筒状の部材である。加熱部13は、回転体11に対して径方向に間隔をあけて対向して配置され、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。
(Heating part)
The
(磁束発生部)
磁束発生部15は、回転体11に設けられ、加熱部13に対して磁束を発生する。この例では、加熱部13に対向するように回転体11の外周に磁束発生部15が設けられており、回転体11の径方向(加熱部13の方向)に磁束を発生する。具体的には、磁束発生部15としてコイル15cを用いており、回転体11の各凸部111にコイル15c(計6個)が巻回され取り付けられている。凸部111が磁性材料で形成されている場合、コイル15cと凸部111とで磁束発生部15が構成される。また、磁束発生部15を構成する凸部111の先端面と加熱部13との間の間隔が軸方向に一定又は略一定である(図1を参照)。各コイル15cには、直流電源(図示せず)が接続され、各コイル15cに通電する電流の向きを制御して、発生させる磁場(磁束)の方向を決定しており、隣り合うコイル15cの極性が互いに異なっている(図2を参照)。コイル15cには、例えばスリップリングを介して外部の電源と接続し、電流を供給することが挙げられる。
(Magnetic flux generator)
The magnetic
磁束発生部15としては、コイル(電磁石)の他、永久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。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。なお、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。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。この例では、各コイル15cは、超電導コイルであり、周囲を冷却用ジャケット(図示せず)で覆い、冷却することによって超電導状態に保持されている。勿論、コイル15cには常電導コイルを用いてもよく、コイル15cに代えて永久磁石を用いてもよい。
As the
(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(図1を参照)。流通路17は、加熱部13に沿って設けられ、加熱部13に沿う方向の一方側に熱媒体を供給する入口部171と、その他方側に熱媒体を排出する出口部172とを有し、加熱部13に沿う方向の一方側から他方側へ熱媒体が流通する。この例では、加熱部13の軸方向の一方側に入口部171が、その軸方向の他方側に出口部172が設けられており、加熱部13の軸方向の一方側から他方側(図1では左側から右側)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)。
(Flow passage)
The
流通路17は、加熱部13の軸方向に螺旋状に設けられている。この例では、流通路17は配管17pによって構成されており、配管17pを加熱部13の外周に螺旋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、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の螺旋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、軸方向(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。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。
The
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。
Next, the mechanism by which the heat medium in the
誘導加熱装置101では、磁束発生部15(コイル15c)から回転体11の径方向に磁束が発生し、加熱部13に磁束が通過する。磁束発生部15が対向して、磁束発生部15の磁束が鎖交する加熱部13の領域では、多くの磁束が通過し、磁場が強くなる。一方、磁束発生部15と対向せず、磁束発生部15の磁束が鎖交しない加熱部13の領域では、通過する磁束が減少し、磁場が弱くなる。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の全周にわたって通過する磁束が変化し、加熱部13に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、磁束発生部15を構成する凸部111と加熱部13との間の間隔が軸方向に実質的に一定であり、加熱部13が軸方向に略均一に発熱する。即ち、加熱部13の発熱量が軸方向において略均一である。
In the
また、誘導加熱装置101では、隣り合う磁束発生部15(コイル15c)の極性が互いに異なることから、N極の磁束発生部15に対向する場合とS極の磁束発生部15に対向する場合とでは、磁束(磁場)の方向が異なる。N極の磁束発生部15が対向するときは、磁束(磁場)の方向が、加熱部13の内周側から外周側方向(径方向の+方向)となる。一方、S極の磁束発生部15に対向するときは、磁束(磁場)の方向が、加熱部13の外周側から内周側方向(径方向の−方向)となる。つまり、回転体11と共に磁束発生部15が回転することにより、磁束(磁場)の方向が周期的に逆転しながら変化する。
Moreover, in the
ここで、誘導加熱装置101において、各磁束発生部15(コイル15c)の極性が全て同じ(例えばN極)場合であっても、上述したように、磁束発生部15に対向する加熱部13の一部分では、磁場が強くなり、隣り合う磁束発生部15の間に対向する加熱部13の別部分では、磁場が弱くなる。そのため、回転体11と共に磁束発生部15が回転することにより、磁場の強さが周期的に変化することから、加熱部13に渦電流が発生し、加熱部13が誘導加熱される。但し、この場合は磁場の方向が逆転しない。隣り合う磁束発生部15の極性が互いに異なる場合、磁場の方向が逆転することから、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。
Here, in the
また、磁束発生部15(コイル15c)の数は、適宜設定することができる。ここで、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る。誘導加熱による発熱量は磁場の周波数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。
Moreover, the number of the magnetic flux generation parts 15 (
{作用効果}
実施形態1の誘導加熱装置101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、熱媒体の温度が高く、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、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、出口部172側の加熱部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、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の損傷を抑制できる。
{Function and effect}
In the
また、筒状の加熱部13に対して流通路17を螺旋状に設けたことで、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。
In addition, since the
[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3に示すように、加熱部13の外周面に、軸方向に螺旋状の溝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の外周面を覆うようにシート状や筒状のカバー材13cを被せることで、溝17gの内周面とカバー材13cの内周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。
[Modification]
In the
(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の内周面及び端面や、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、熱媒体の加熱効率を向上できる。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(ここでは内周面)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(ここでは外周面)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。
(Insulation material)
In the
実施形態1の誘導加熱装置101では、回転体11が円柱状で、かつ、加熱部13が円筒状である形態を説明したが、回転体11及び加熱部13の形状はこれに限定されない。例えば、図4に示すように、回転体11の外周面が円錐面を有し、これに対向する加熱部13の内周面も円錐面を有する形態が挙げられる。具体的には、回転体11は、軸方向の一方側から他方側(図4では左側から右側)に向かって外径が小さくなる円錐台状であり、円錐状の外周面を有している。また、回転体11における各凸部111の外径も軸方向の一方側から他方側に向かって小さくなっている。一方、加熱部13は、軸方向の一方側から他方側に向かって内径が小さくなる円錐台筒状であり、回転体11の外周面に対応した円錐状の内周面を有している。回転体11の外周面と加熱部13の内周面とは略同じ傾斜角度を有し、図1に示す誘導加熱装置101と同様、磁束発生部15(凸部111)と加熱部13との間の間隔が軸方向に一様である。加熱部13は、回転体11に対して軸方向の長さが長くなるように形成されている。
In the
更に、図4に例示する誘導加熱装置101は、回転体11と加熱部13の少なくとも一方を軸方向に移動させる軸方向移動機構12を備える。この例では、軸方向移動機構12は、回転体11を加熱部13に対して相対的に軸方向に移動させる。軸方向移動機構12の駆動源としては、電動モータや電動アクチュエータを用いたり、油圧シリンダ等を用いることが可能である。その他、磁束発生部15(凸部111)と加熱部13とを一定の間隔に保持する間隔保持部材(例、ベアリング)14が回転体11と加熱部13との間に周方向に亘って介在されている。
Furthermore, the
誘導加熱によって加熱部13が発熱して高温になると、加熱部13が径方向外側に熱膨張することがある。そのため、熱膨張によって加熱部13の内径が拡大し、磁束発生部15(凸部111)と加熱部13との間隔が拡がることがある。誘導加熱による発熱量は磁場強度に比例し、磁場強度は距離によって減衰することから、熱膨張によって加熱部13の内径が拡大すると、磁束発生部15との間隔が大きくなり、加熱部13全体の発熱量が小さくなる。
When the
図4の上図は、加熱部13が熱膨張していない状態を示し、下図は、加熱部13が熱膨張した状態を示す。図4の下図において、移動前の回転体11及び熱膨張前の加熱部13をそれぞれ二点鎖線で示している。図4に例示する誘導加熱装置101は、加熱部13が熱膨張していない状態では、上図に示すように、回転体11が加熱部13に対して軸方向の中央側に位置しており、磁束発生部15と加熱部13とが所定の間隔となるように構成されている。そして、加熱部13が熱膨張して内径が拡大した場合は、図4の下図に示すように、磁束発生部15と加熱部13との間隔が小さくなる方向に、回転体11を加熱部13に対して相対的に軸方向に移動させる。具体的には、軸方向移動機構12により回転体11を加熱部13に対して軸方向の他方側(図4の右側)に移動させる。これにより、加熱部13が熱膨張しても、磁束発生部15と加熱部13とが所定の間隔となるように調整できる。したがって、加熱部13の熱膨張前と後とで、磁束発生部15と加熱部13との間隔を一定にすることができ、熱膨張による加熱部13全体の発熱量の低下を抑制できる。加熱部13の熱膨張の程度が小さくなった場合、例えば、回転体11の回転数が低下するなどして加熱部13の発熱量が低下した場合などは、軸方向移動機構12により回転体11を加熱部13に対して軸方向の一方側(図4の左側)に移動させる。これにより、間隔保持部材14に過度の圧縮応力が作用することを抑制できる。
The upper diagram of FIG. 4 shows a state where the
その他、図4に例示する誘導加熱装置101によれば、軸方向移動機構12によって回転体11が加熱部13に対して相対的に軸方向に移動可能であり、磁束発生部15と加熱部13との間隔を任意に調整することが可能である。そのため、加熱部13の熱膨張前と後とで、磁束発生部15と加熱部13との間隔を一定にする以外に、磁束発生部15と加熱部13との間隔を積極的に変更して、加熱部13全体の発熱量を調整することも可能である。例えば、図4の上図に示す状態から、磁束発生部15と加熱部13との間隔が大きくなる方向、即ち、回転体11を加熱部13に対して軸方向の一方側(図4の左側)に移動させることで、加熱部13全体の発熱量を小さくできる。一方、磁束発生部15と加熱部13との間隔が小さくなる方向、即ち、回転体11を加熱部13に対して軸方向の他方側(図4の右側)に移動させることで、加熱部13全体の発熱量を大きくできる。したがって、図4に例示する誘導加熱装置101によれば、回転体11を加熱部13に対して相対的に軸方向に移動させることで、磁束発生部15と加熱部13との間隔を任意に調整することが可能であり、加熱部13全体の発熱量を調整することも可能である。磁束発生部15と加熱部13との間隔を積極的に変更する場合、間隔保持部材14によって回転体11の軸方向の他方側への移動量が規制されることがあるため、この場合は、間隔保持部材14を省略してもよい。
In addition, according to the
[実施形態2]
上述した実施形態1では、磁束発生部15と加熱部13とが回転体11の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形態を説明する。以下、図5〜図7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。
[Embodiment 2]
Embodiment 1 mentioned above demonstrated the form which is what is called a radial gap type structure where the magnetic flux generation | occurrence |
(回転体及び加熱部)
回転体11と加熱部13は板状(ここでは円板状)であり、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(図5を参照)。回転体11は、軸受22により回転可能に支持された回転軸21の一端側に連結されている。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、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。
(Rotating body and heating unit)
The rotating
(磁束発生部)
回転体11の加熱部13に対向する対向面に、回転体11の軸方向(加熱部13の方向)に磁束を発生する磁束発生部15が設けられている。この例では、磁束発生部15が永久磁石15mであり、図6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と加熱部13との間の間隔が実質的に一定である。図6では、磁束発生部15(磁石15m)の数が6個の場合を例示しているが、磁束発生部15(磁石15m)の数はこれに限定されず、適宜設定することができる。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。磁束発生部15には、コイルを用いることも可能である。
(Magnetic flux generator)
A
(流通路)
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、熱媒体が流通する流通路17が設けられている。この例では、流通路17は、図7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。そして、加熱部13の径方向の一方側(ここでは外側)に入口部171が、その径方向の他方側(ここでは内側)に出口部172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(図5中の白抜き矢印は熱媒体の供給・排出方向を示す)。また、流通路17は、配管17pによって構成されており、配管17pを加熱部13の反対面に渦巻状に配置している。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(流通路17を構成する渦巻の隣り合う曲線の間隔)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。
(Flow passage)
A
誘導加熱装置102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102の場合、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。
A mechanism by which the heat medium in the
{作用効果}
実施形態2の誘導加熱装置102は、実施形態1の誘導加熱装置101と同様に、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流通路17が構成されている。したがって、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、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、実施形態1と同じように、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、加熱効率(熱交換効率)を改善できる。
{Function and effect}
Similarly to the
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。
Further, by providing the
[変形例]
実施形態2の誘導加熱装置102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。
[Modification]
In the
実施形態2の誘導加熱装置102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、実施形態1と同様、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、加熱部13の対向面又は反対面に径方向に渦巻状の溝を形成し、この溝を流通路に利用することが挙げられる。そして、溝を形成した加熱部の面を覆うように、流通路の入口部及び出口部に対応する位置に開口が形成された板状のカバー材を被せることで、溝の内周面とカバー材の表面とにより囲まれた空間によって流通路を形成できる。
In the
(断熱材)
実施形態2の誘導加熱装置102においても、実施形態1と同様、加熱部13や配管17pの周囲に断熱材を配置してもよい。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。また、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い。
(Insulation material)
Also in the
〈発電システム〉
図9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9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。
<Power generation system>
An example of the power generation system according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. A power generation system P illustrated in FIG. 9 includes an
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1,2に係る誘導加熱装置101,102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。
The
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。
The
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。
A
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。
In the power generation system P, water is heated to a temperature suitable for power generation (for example, 200 ° C. to 350 ° C.) by the
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。
As the
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。
The
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。
The high-temperature high-pressure water or steam sent to the
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における熱媒体の加熱効率を改善でき、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。
According to this power generation system P, since the
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。 In the power generation system P described above, the case where water is used as the heat medium has been described as an example, but a liquid metal having a higher thermal conductivity than water may be used as the heat medium. An example of such a liquid metal is liquid metal sodium. When using a liquid metal as the heat medium, for example, the liquid metal is used as the primary heat medium that receives heat from the heating unit, and the secondary heat is transmitted through the heat exchanger using the heat of the liquid metal sent through the transport pipe. It is conceivable that the medium (water) is heated to generate steam.
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。 In addition, when oil, liquid metal, molten salt, or the like having a boiling point of over 100 ° C. at normal pressure is used as the heat medium, the heat in the flow path is increased when heated to a predetermined temperature compared to water. It is easy to suppress an increase in internal pressure due to vaporization of the medium.
以上説明した本発明の実施形態に関連して、更に以下の付記を開示する。 The following additional notes are disclosed in relation to the embodiment of the present invention described above.
[付記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、
前記回転体の外周側に設けられ、前記回転体に対して径方向に間隔をあけて対向して配置される筒状の加熱部と、
前記回転体の外周に設けられ、前記回転体の径方向に磁束を発生する磁束発生部と、
前記加熱部に沿って設けられ、前記熱媒体が流通する流通路と、
前記回転体を前記加熱部に対して相対的に軸方向に移動させる軸方向移動機構と、を備え、
前記回転体は、円錐状の外周面を有すると共に、前記加熱部は、前記回転体の外周面に対応した円錐状の内周面を有する誘導加熱装置。
[Appendix 1]
An induction heating device for heating a heat medium,
A rotating body having a rotation axis;
A cylindrical heating unit that is provided on the outer peripheral side of the rotating body and is arranged to face the rotating body with a space in the radial direction;
A magnetic flux generator provided on an outer periphery of the rotating body and generating a magnetic flux in a radial direction of the rotating body;
A flow path provided along the heating unit and through which the heat medium flows;
An axial movement mechanism for moving the rotating body in the axial direction relative to the heating unit,
The rotating body has a conical outer peripheral surface, and the heating section has a conical inner peripheral surface corresponding to the outer peripheral surface of the rotating body.
付記1に係る誘導加熱装置は、回転体を加熱部に対して相対的に軸方向に移動させることで、磁束発生部と加熱部との間隔を調整することが可能である。誘導加熱による発熱量は磁場強度に比例し、磁場強度は距離に依存することから、磁束発生部と加熱部との間隔を変更することで、加熱部全体の発熱量を調整することが可能である。 The induction heating apparatus according to appendix 1 can adjust the interval between the magnetic flux generation unit and the heating unit by moving the rotating body in the axial direction relative to the heating unit. Since the amount of heat generated by induction heating is proportional to the magnetic field strength, and the magnetic field strength depends on the distance, it is possible to adjust the amount of heat generated by the entire heating unit by changing the interval between the magnetic flux generation unit and the heating unit. is there.
また、誘導加熱によって加熱部が発熱して高温になった場合、加熱部が径方向外側に熱膨張することがある。そのため、熱膨張によって加熱部の内径が拡大し、磁束発生部と加熱部との間隔が拡がることがある。熱膨張によって加熱部の内径が拡大すると、磁束発生部との間隔が大きくなり、加熱部全体の発熱量が小さくなる。付記1に係る誘導加熱装置によれば、加熱部が熱膨張しても、回転体を加熱部に対して相対的に軸方向に移動させることで、磁束発生部と加熱部とが所定の間隔となるように調整できる。したがって、熱膨張による加熱部全体の発熱量の低下を抑制できる。 In addition, when the heating unit generates heat due to induction heating and becomes high temperature, the heating unit may thermally expand radially outward. For this reason, the inner diameter of the heating unit may be expanded due to thermal expansion, and the interval between the magnetic flux generation unit and the heating unit may be increased. When the inner diameter of the heating unit is expanded due to thermal expansion, the distance from the magnetic flux generation unit increases, and the amount of heat generated by the entire heating unit decreases. According to the induction heating device according to supplementary note 1, even if the heating unit is thermally expanded, the magnetic flux generating unit and the heating unit are spaced apart from each other by moving the rotating body in the axial direction relative to the heating unit. Can be adjusted. Therefore, the fall of the emitted-heat amount of the whole heating part by thermal expansion can be suppressed.
[付記2]
付記1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。
[Appendix 2]
The induction heating device according to appendix 1,
A power generation system comprising: a power generation unit that converts heat of the heat medium heated by the induction heating device into electrical energy.
付記2に係る発電システムによれば、付記1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、回転体を加熱部に対して相対的に軸方向に移動させることによって、磁束発生部と加熱部との間隔を調整することが可能である。そのため、磁束発生部と加熱部との間隔を変更することで、加熱部全体の発熱量を調整することが可能である。例えば、加熱部が熱膨張して内径が拡大した場合であっても、磁束発生部と加熱部とが所定の間隔となるように調整することで、熱膨張による加熱部全体の発熱量の低下を抑制できる。 According to the power generation system according to supplementary note 2, since the induction heating device according to supplementary note 1 is provided, in the induction heating device, by moving the rotating body in the axial direction relative to the heating part, the magnetic flux generating part It is possible to adjust the interval between the heating part and the heating part. Therefore, it is possible to adjust the calorific value of the entire heating unit by changing the interval between the magnetic flux generation unit and the heating unit. For example, even when the heating part is thermally expanded and the inner diameter is enlarged, the heat generation amount of the entire heating part is reduced by the thermal expansion by adjusting the magnetic flux generating part and the heating part to be at a predetermined interval. Can be suppressed.
付記2に係る発電システムは、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。 The power generation system according to Supplementary Note 2 generates power using the heat of the heat medium heated by the induction heating device. For example, if a windmill is connected to the rotating shaft of the induction heating device and wind power is used as the power of the rotating body, the wind energy can be converted from rotational energy to thermal energy and extracted as electrical energy. As an example, high-temperature and high-pressure steam is generated by heating water of a heat medium, and power is generated by rotating a generator by a steam turbine using the steam. Moreover, since it was set as the structure which converts heat into electrical energy, the stable electric power generation system is realizable by storing energy as heat using a thermal accumulator.
付記1に係る誘導加熱装置の具体例を、以下に図10を参照しつつ説明する。誘導加熱装置110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110は、磁束発生部15と加熱部13とが回転体11の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。誘導加熱装置110の基本的な構成は、図1,図2を参照して説明した上述の実施形態1に係る誘導加熱装置101の構成と同様である。以下では、実施形態1で説明した構成と同様の構成については同一符号を付して詳細な説明を省略し、実施形態1との相違点を中心に説明する。
A specific example of the induction heating apparatus according to Supplementary Note 1 will be described below with reference to FIG. The
(回転体)
回転体11は、円錐状の外周面を有する。この例では、回転体11は、軸方向の一方側から他方側(図10では左側から右側)に向かって外径が小さくなる円錐台状であり、外周面が円錐面を有している。また、回転体11における各凸部111の外径も軸方向の一方側から他方側に向かって小さくなっている。
(Rotating body)
The rotating
(加熱部)
加熱部13は、回転体11の外周面に対応した円錐状の内周面を有する。具体的には、軸方向の一方側から他方側に向かって内径が小さくなる円錐台筒状であり、内周面が回転体11の外周面に対応した円錐面を有している。回転体11の外周面と加熱部13の内周面とは略同じ傾斜角度を有し、回転体11(凸部111)と加熱部13とが所定の間隔となるように構成されている。この例では、加熱部13は、回転体11に対して軸方向の長さが長くなるように形成されている。
(Heating part)
The
(磁束発生部)
磁束発生部15は、回転体11の外周に設けられており、回転体11の径方向(加熱部13の方向)に磁束を発生する。つまり、磁束発生部15は、加熱部13に対して磁束を発生する。この例では、磁束発生部15としてコイル15cを用いており、回転体11の外周に形成された各凸部111にコイル15cが巻回され取り付けられている。凸部111は磁性材料で形成されており、コイル15cと凸部111とで磁束発生部15が構成される。磁束発生部15を構成する凸部111の先端面と加熱部13との間の間隔が軸方向に一定又は略一定である。
(Magnetic flux generator)
The
(流通路)
流通路17は、加熱部13の軸方向に設けられている。流通路17は、加熱部13の軸方向の一方側に熱媒体を供給する入口部171と、その軸方向の他方側に熱媒体を排出する出口部172とを有し、加熱部13の軸方向の一方側から他方側へ熱媒体が流通する(図10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は加熱部13の軸方向に螺旋状に設けられており、配管17pによって構成されている。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の軸方向(熱媒体の流通方向)に略等しいピッチで螺旋状に設けられており、入口部171側から出口部172側に亘って螺旋のピッチが実質的に一定である。
(Flow passage)
The
流通路17は、加熱部13に螺旋状に設ける他、例えば、加熱部13の軸方向に沿って直線状に設けることも可能である。この場合、加熱部13の周方向に間隔をあけて複数の流通路17を設けることが挙げられる。
The
(軸方向移動機構)
更に、誘導加熱装置110は、回転体11と加熱部13の少なくとも一方を軸方向に移動させる軸方向移動機構12を備え、軸方向移動機構12は、回転体11を加熱部13に対して相対的に軸方向に移動させる。軸方向移動機構12の駆動源としては、電動モータや電動アクチュエータを用いたり、油圧シリンダ等を用いることが可能である。
(Axial movement mechanism)
The
その他、磁束発生部15(凸部111)と加熱部13とを一定の間隔に保持する間隔保持部材(例、ベアリング)14が回転体11と加熱部13との間に周方向に亘って介在されている。
In addition, an interval holding member (for example, a bearing) 14 that holds the magnetic flux generation unit 15 (convex portion 111) and the
図10に例示する誘導加熱装置110の作用効果について、図面を参照しつつ説明する。図10の上図は、加熱部13が熱膨張していない状態を示し、下図は、加熱部13が熱膨張した状態を示す。図10の下図において、移動前の回転体11及び熱膨張前の加熱部13をそれぞれ二点鎖線で示している。
The effect of the
誘導加熱装置110において、誘導加熱によって加熱部13が発熱して高温になると、加熱部13が径方向外側に熱膨張することがある。そのため、熱膨張によって加熱部13の内径が拡大し、磁束発生部15(凸部111)と加熱部13との間隔が拡がることがある。誘導加熱による発熱量は磁場強度に比例し、磁場強度は距離によって減衰することから、熱膨張によって加熱部13の内径が拡大すると、磁束発生部15との間隔が大きくなり、加熱部13全体の発熱量が小さくなる。
In the
誘導加熱装置110は、加熱部13が熱膨張していない状態では、図10の上図に示すように、回転体11が加熱部13に対して軸方向の中央側に位置しており、磁束発生部15と加熱部13とが所定の間隔となるように構成されている。そして、加熱部13が熱膨張して内径が拡大した場合は、図10の下図に示すように、磁束発生部15と加熱部13との間隔が小さくなる方向に、回転体11を加熱部13に対して相対的に軸方向に移動させる。具体的には、軸方向移動機構12により回転体11を加熱部13に対して軸方向の他方側(図10の右側)に移動させる。これにより、加熱部13が熱膨張しても、磁束発生部15と加熱部13とが所定の間隔となるように調整できる。したがって、加熱部13の熱膨張前と後とで、磁束発生部15と加熱部13との間隔を一定にすることができ、熱膨張による加熱部13全体の発熱量の低下を抑制できる。加熱部13の熱膨張の程度が小さくなった場合、例えば、回転体11の回転数が低下するなどして加熱部13の発熱量が低下した場合などは、軸方向移動機構12により回転体11を加熱部13に対して軸方向の一方側(図10の左側)に移動させる。これにより、間隔保持部材14に過度の圧縮応力が作用することを抑制できる。
In the state where the
また、誘導加熱装置110によれば、軸方向移動機構12によって回転体11が加熱部13に対して相対的に軸方向に移動可能であり、磁束発生部15と加熱部13との間隔を任意に調整することが可能である。そのため、加熱部13の熱膨張前と後とで、磁束発生部15と加熱部13との間隔を一定にする以外に、磁束発生部15と加熱部13との間隔を積極的に変更して、加熱部13全体の発熱量を調整することも可能である。例えば、図10の上図に示す状態から、磁束発生部15と加熱部13との間隔が大きくなる方向、即ち、回転体11を加熱部13に対して軸方向の一方側(図10の左側)に移動させることで、加熱部13全体の発熱量を小さくできる。一方、磁束発生部15と加熱部13との間隔が小さくなる方向、即ち、回転体11を加熱部13に対して軸方向の他方側(図10の右側)に移動させることで、加熱部13全体の発熱量を大きくできる。したがって、誘導加熱装置110によれば、回転体11を加熱部13に対して相対的に軸方向に移動させることで、磁束発生部15と加熱部13との間隔を任意に調整することが可能であり、加熱部13全体の発熱量を調整することも可能である。磁束発生部15と加熱部13との間隔を積極的に変更する場合、間隔保持部材14によって回転体11の軸方向の他方側への移動量が規制されることがあるため、この場合は、間隔保持部材14を省略してもよい。
Further, according to the
付記2に係る発電システムの構成は、付記1に係る誘導加熱装置を備える点が図9を参照して説明した上述の発電システムPと異なり、その他の構成は、図9の発電システムPと同様の構成を採用できるので、ここでは詳細な説明を省略する。 The configuration of the power generation system according to Supplementary Note 2 is different from the above-described power generation system P described with reference to FIG. 9 in that the induction heating device according to Supplementary Note 1 is provided, and other configurations are the same as those of the power generation system P of FIG. Therefore, the detailed description is omitted here.
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。 The induction heating device of the present invention can be used for, for example, a hot water supply system and a heating system, in addition to being used for a power generation system using renewable energy (eg, wind power). Moreover, the power generation system of the present invention can be suitably used in the field of power generation using renewable energy.
10、101〜102、110 誘導加熱装置 P 発電システム
11 回転体 111 凸部
12 軸方向移動機構
13 加熱部 13c カバー材
14 間隔保持部材
15 磁束発生部
15c コイル 15m 永久磁石
17 流通路
17p 配管 17g 溝
171 入口部 172 出口部
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
DESCRIPTION OF
Claims (4)
回転軸を有する回転体と、
前記回転体と間隔をあけて対向して配置される加熱部と、
前記回転体に設けられ、前記加熱部に対して磁束を発生する磁束発生部と、
前記加熱部に沿って設けられ、前記熱媒体が流通する流通路と、を備え、
前記流通路は、
前記加熱部に沿う方向の一方側に前記熱媒体を供給する入口部と、その他方側に前記熱媒体を排出する出口部と、を有し、
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誘導加熱装置。 An induction heating device for heating a heat medium,
A rotating body having a rotation axis;
A heating unit disposed to face the rotating body with a space therebetween;
A magnetic flux generator provided on the rotating body and generating a magnetic flux with respect to the heating unit;
A flow path that is provided along the heating unit and through which the heat medium flows,
The flow path is
An inlet part for supplying the heat medium on one side in the direction along the heating part, and an outlet part for discharging the heat medium on the other side;
An induction heating apparatus formed such that a contact area with the heating unit is larger on the outlet side than on the inlet side.
前記磁束発生部は、前記回転体の径方向に前記磁束を発生し、
前記流通路は、
前記加熱部の軸方向の一方側に前記入口部が、その他方側に前記出口部が設けられており、
前記加熱部の軸方向に螺旋状に設けられると共に、前記入口部側よりも前記出口部側の方が隣り合う前記流通路間の間隔が小さくなるように形成されている請求項1に記載の誘導加熱装置。 The heating unit is a cylindrical member provided on the outer peripheral side of the rotating body,
The magnetic flux generator generates the magnetic flux in the radial direction of the rotating body,
The flow path is
The inlet portion is provided on one side in the axial direction of the heating portion, and the outlet portion is provided on the other side.
2. The device according to claim 1, wherein the heating unit is provided in a spiral shape in the axial direction, and is formed such that a gap between the adjacent flow passages is smaller on the outlet side than on the inlet side. Induction heating device.
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。 The induction heating device according to any one of claims 1 to 3,
A power generation system comprising: a power generation unit that converts heat of the heat medium heated by the induction heating device into electrical energy.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015123354A JP2017010698A (en) | 2015-06-18 | 2015-06-18 | Induction heating apparatus and power generation system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2015123354A JP2017010698A (en) | 2015-06-18 | 2015-06-18 | Induction heating apparatus and power generation system |
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JP (1) | JP2017010698A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020145277A1 (en) * | 2019-01-10 | 2020-07-16 | 日本製鉄株式会社 | Eddy-current-type heat generation apparatus |
WO2023045374A1 (en) * | 2021-09-24 | 2023-03-30 | 二重(德阳)重型装备有限公司 | Rotor electric heating structure of pyrolysis device |
-
2015
- 2015-06-18 JP JP2015123354A patent/JP2017010698A/en active Pending
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