JP2017073327A - 誘導加熱装置、及び発電システム - Google Patents
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Abstract
Description
最初に、本発明の実施態様を列記して説明する。
磁性材料で形成された磁性体部と、非磁性かつ電気絶縁性の材料で形成された絶縁体部とを有し、前記磁性体部と前記絶縁体部とが、前記磁束発生部から前記加熱部の方向に沿って延び、かつ、前記加熱部の周方向に沿って交互に積層された構造を有する。
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。
[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、磁束ガイド部12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。
回転体11は、軸受(図示せず)により回転可能に支持された回転軸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。この例では、8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、図3中の実線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。
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からの磁束が流れることにより、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。
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8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。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。
磁束ガイド部12は、加熱部13の磁束発生部15に対向する対向面側に設けられ、磁束発生部15からの磁束を加熱部13に案内する。この例では、加熱部13の内周面に固定されており、磁束発生部15で発生した磁束を磁束ガイド部12を介して加熱部13に伝える。磁束ガイド部12は、加熱部13の内周面に全体に亘って設けられている。
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。この例では、加熱部13の軸方向に沿って流通路17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では右側から左側)へ熱媒体が流通する(図1中の白抜き矢印は熱媒体の流通方向を示す)。流通路17は、加熱部13の内部に貫通する孔を形成し、この孔に配管を挿通することで形成されている。流通路17は加熱部13との間で熱の授受が可能であり、加熱部13と流通路17とが熱的に接続されていれば、流通路17の形成箇所は特に問わない。そのため、流通路17は、加熱部13の外周面に配管を接触させて配置することで形成することも可能である。配管は、熱媒体と接触しても腐食せず、耐熱性に優れ、熱伝導率の高い金属材料で形成することが挙げられる。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。
実施形態1の誘導加熱装置101は、磁束発生部15に対向する加熱部13の内周面に磁束ガイド部12が設けられていることで、磁束発生部15からの磁束を拡散させることなく、加熱部13に伝えることができる。誘導加熱装置101は、磁束ガイド部12において渦電流による発熱が抑制されると共に、磁束発生部15と加熱部13との距離が離れることになるため、磁束発生部15への熱の影響を低減でき、磁束発生部15の温度上昇を抑制できる。また、磁束発生部15と加熱部13との距離が離れていても、磁束ガイド部12を介して磁束発生部15からの磁束を拡散させることなく、加熱部13に伝えることができるので、加熱部13での発熱量を向上できる。
実施形態1の誘導加熱装置101では、流通路17が加熱部13に設けられている形態を説明したが、流通路17は、加熱部13だけでなく、磁束ガイド部12に設けることも可能である。変形例1−1では、流通路17が加熱部13と磁束ガイド部12とにそれぞれ設けられている形態を説明する。以下、図4、図5を参照して、変形例1−1の誘導加熱装置101について、実施形態1との相違点を中心に説明する。
実施形態1の誘導加熱装置101では、磁束ガイド部12において、磁性体部(電磁鋼板)121が絶縁体部(絶縁皮膜)122を挟んで加熱部13の径方向(加熱部13の周方向に直交する方向)に沿って配列された形態を説明した。磁束ガイド部12の磁性体部121は、図6に示す変形例1−2のように、加熱部13の径方向に対して傾斜するように配列されていてもよい。この構成によれば、磁束ガイド部12の厚さ(径方向の厚さ)、及び回転体11の凸部111の外周面と磁束ガイド部12の内周面との間隔が実施形態1と同じであっても、主たる熱伝導経路となる磁性体部121の長さを実施形態1に比べて長く採ることができる。径方向に沿った熱伝導経路は、磁性体部121に比べて一般に熱抵抗が大きい絶縁体部122によって分断されて主たる熱伝導経路とはならず、磁性体部121の傾斜に沿った方向が主たる熱伝導経路になると考えられるからである。よって、磁束発生部15と加熱部13との熱伝導距離が実質的に離れることになるため、磁束発生部15への熱の影響を低減でき、磁束発生部15の温度上昇を抑制できる。一方、主たる熱伝導経路となる磁性体部121が長くなっても、それ自体が磁性材料で形成されていることから、磁束発生部15からの磁束を拡散させることなく、加熱部13に伝えることができる。
実施形態1の誘導加熱装置101では、磁束ガイド部12が加熱部13の対向面(内周面)の全周に亘って設けられている形態を説明したが、磁束ガイド部12は、加熱部13の内周面の周方向に空間をあけて複数設けることも可能である。実施形態2では、磁束ガイド部12が、加熱部13の周方向に空間をあけて加熱部13の対向面に複数設けられている形態を説明する。以下、図7、図8を参照して、実施形態2の誘導加熱装置102について、実施形態1との相違点を中心に説明する。
更に、実施形態2の誘導加熱装置102において、図9に示す変形例2のように、磁束ガイド部12間の空間に断熱材19を配置することも可能である。断熱材19を配置することで、加熱部13からの放熱を低減できる。これにより、加熱部13からの熱ロスを抑制でき、熱媒体の加熱効率を改善できる。断熱材19は、一般に非磁性体であることから、隣り合う磁束ガイド部12への磁束の移動が阻止される。断熱材19としては、例えば、ロックウール、グラスウール、発泡プラスチック、レンガ、セラミックなどを用いることができる。
上述した実施形態1、2では、誘導加熱装置の構造が磁束発生部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3では、誘導加熱装置の構造が磁束発生部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10〜図13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。
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10を参照)。回転体11は、軸受(図示せず)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。
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11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。図11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、8個以上、更に10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。
加熱部13の磁束発生部15に対向する対向面に、磁束発生部15からの磁束を加熱部13に案内する磁束ガイド部12が設けられている。この例では、図10及び図12に示すように、磁性体部121と絶縁体部122とが、加熱部13の対向面に放射状に配置され、加熱部13の周方向に沿って交互に積層されている。
流通路17は、加熱部13の径方向に沿って設けられている。この例では、図10及び図13に示すように、流通路17は、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、配管を放射状に配置することによって複数設けられている。また、各流通路17には、加熱部13の径方向の一方側から他方側(図10では外側から内側)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)。
実施形態3の誘導加熱装置103であっても、実施形態1の誘導加熱装置101と同様に、磁束発生部15に対向する加熱部13の対向面に磁束ガイド部12が設けられていることで、磁束発生部15からの磁束を拡散させることなく、加熱部13に伝えることができる。したがって、磁束発生部15と加熱部13との距離が離れるため、磁束発生部15への熱の影響を低減でき、また、磁束ガイド部12を介して磁束発生部15からの磁束を拡散させずに加熱部13に伝えることができる。よって、ラジアルギャップ型の実施形態1と同じように、磁束発生部の温度上昇を抑制でき、かつ、加熱部での発熱量を向上できる。
図14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14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。
11 回転体 111 凸部
12 磁束ガイド部
121 磁性体部 122 絶縁体部
13 加熱部
15 磁束発生部
15c コイル 15m 永久磁石
17 流通路
171 流通路(往路) 172 流通路(復路)
175 接続管
19 断熱材
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 (8)
- 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、
前記加熱部の前記磁束発生部に対向する対向面側に設けられ、前記磁束発生部からの磁束を前記加熱部に案内する磁束ガイド部と、
前記加熱部に設けられ、前記熱媒体が流通する流通路と、を備え、
前記磁束ガイド部は、
磁性材料で形成された磁性体部と、非磁性かつ電気絶縁性の材料で形成された絶縁体部と、を有し、
前記磁性体部と前記絶縁体部とが、前記磁束発生部から前記加熱部の方向に沿って延び、かつ、前記加熱部の周方向に沿って交互に積層された構造を有する誘導加熱装置。 - 前記磁束ガイド部が、絶縁皮膜を有する電磁鋼板が複数積層された積層体で形成されている請求項1に記載の誘導加熱装置。
- 前記磁束ガイド部が、前記加熱部の対向面に全体に亘って設けられている請求項1又は請求項2に記載の誘導加熱装置。
- 前記磁束ガイド部が、前記加熱部の周方向に空間をあけて前記加熱部の対向面に複数設けられている請求項1又は請求項2に記載の誘導加熱装置。
- 前記磁束ガイド部間の前記空間に断熱材が配置されている請求項4に記載の誘導加熱装置。
- 前記流通路が、前記加熱部と前記磁束ガイド部とにそれぞれ設けられると共に各流通路の一端同士が接続され、両流通路により往復の流路となるように形成されており、
前記各流通路のうち、前記磁束ガイド部に設けられた一方の流通路が往路であり、前記加熱部に設けられた他方の流通路が復路である請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の誘導加熱装置。 - 前記回転軸が風車に接続されている請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の誘導加熱装置。
- 請求項1〜請求項7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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