JP2017122547A - 渦電流式発熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張による発熱部材の変形を抑制でき、且つ、発熱部材で発生した熱を効率よく回収できる渦電流式の発熱装置を提供する。
【解決手段】開示される渦電流式の発熱装置１００は、回転軸１０２を含む回転部１０４と、円筒状の発熱部材１０５と、発熱部材１０５の外周面および内周面のいずれか一方の面に対向するように配置された永久磁石１０６と、熱媒体が流れる配管とを含む。永久磁石１０６および発熱部材１０５のいずれか一方が回転部１０４に固定されている。配管は、発熱部材１０５の外周面および内周面のうち前記一方の面とは異なる他方の面に固定されたらせん状の配管１１０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転する回転軸の運動エネルギを熱エネルギに変換する渦電流式発熱装置に関する。

近年、化石燃料の燃焼に伴う二酸化炭素の発生が問題視されている。このため、太陽熱エネルギ、風力エネルギ、水力エネルギ等のような自然エネルギの活用が推進されている。自然エネルギの中でも、風力エネルギおよび水力エネルギは流体の運動エネルギである。

流体の運動エネルギによって回転軸を回転させ、その運動エネルギを熱エネルギに変換する発熱装置が従来から提案されている。そのような発熱装置の一例が、特開２０１２−１１２２９８号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１の発熱装置は、強磁性体からなる回転子と、磁場形成部と、回転子が浸漬される液体を保持する容器と、容器内を通る配管とを含む。この装置では、回転子が回転することによって回転子が発熱する。回転子で生じた熱は、容器内の液体に移動し、さらに配管を通る熱交換用の流体（熱媒体）によって回収される。

特許文献１の装置では、回転子で生じた熱が、容器内の液体に移動し、さらに熱媒体に移動する。そのため、液体を加熱するために熱エネルギが消費されてしまう。また、容器を介して液体から外部に熱が放出されやすいという問題がある。そのため、特許文献１の発熱装置では、熱の回収効率が充分とはいえなかった。さらに、熱膨張による発熱部材の破損を防止する手段が従来から求められていた。

特開２０１２−１１２２９８号公報

上記の状況において、本発明の目的の１つは、熱膨張による発熱部材の変形を抑制でき、且つ、発熱部材で発生した熱を効率よく回収できる渦電流式の発熱装置を提供することである。

本発明の一実施形態による渦電流式発熱装置は、回転する回転軸の運動エネルギを熱エネルギに変換する渦電流式発熱装置である。この発熱装置は、前記回転軸を含む回転部と、円筒状の発熱部材と、前記発熱部材の外周面および内周面のいずれか一方の面に対向するように配置された永久磁石と、熱媒体が流れる配管とを含む。前記永久磁石および前記発熱部材のいずれか一方が前記回転部に固定されている。前記配管は、前記発熱部材の前記外周面および前記内周面のうち前記一方の面とは異なる他方の面に固定されたらせん状の配管である。

本発明の渦電流式の発熱装置によれば、熱膨張による発熱部材の変形を抑制でき、且つ、発熱部材で発生した熱を効率よく回収できる。

図１は、本発明の発熱装置の一例を模式的に示す断面図である。 図２は、図１の線II−IIにおける断面を模式的に示す。 図３は、らせん配管およびそれが固定される部材の一例を模式的に示す断面図である。 図４は、本発明の発熱装置の他の一例を模式的に示す断面図である。 図５は、図４の発熱装置に用いられるらせん配管の一例の端面を模式的に示す。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明では本発明の実施形態について例を挙げて説明するが、本発明は以下で説明する例に限定されない。以下の説明では、具体的な数値や材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や材料を適用してもよい。

（渦電流式発熱装置）
本発明の渦電流式発熱装置は、渦電流によって発熱する装置である。この発熱装置は、回転する回転軸の運動エネルギを熱エネルギに変換する。この発熱装置は、回転軸を含む回転部と、円筒状の発熱部材と、発熱部材の外周面および内周面のいずれか一方の面に対向するように配置された永久磁石と、熱媒体が流れる配管とを含む。永久磁石および発熱部材のいずれか一方は、回転部に固定されている。前記の配管は、発熱部材の外周面および内周面のうち前記一方の面とは異なる他方の面に固定されたらせん状の配管である。換言すれば、本発明の発熱装置では、らせん状の配管に発熱部材が固定されている。らせん状の配管を、以下では、「らせん配管」と称する場合がある。

回転軸は、流体の運動エネルギによって回転させられてもよい。すなわち、本発明の発熱装置は、流体の運動エネルギ（たとえば、風力や水力などの自然エネルギ）を利用して発熱する装置であってもよい。また、本発明の発熱装置は、風力発電設備、水力発電設備等のように流体の運動エネルギを利用する発電設備に搭載されてもよい。公知の風力発電設備や水力発電設備の発電装置部分を本発明の発熱装置に置き換えることによって、熱エネルギを生成できる。そのため、本発明の発熱装置は、公知の発電設備が備える構成（羽根車、クラッチ装置、増速装置、ブレーキ装置等）を含んでもよい。

発熱部材は円筒状の部分を含んでいればよい。発熱部材は、円筒状の発熱部材と、それ以外の発熱部材とを含んでいてもよい。発熱部材の少なくとも一部は、電磁誘導によって渦電流が生じる材料（具体的には導電性材料）で形成される。発熱部材の表面や内部には、必要に応じて、電磁誘導が生じない部分が存在してもよい。たとえば、電磁誘導が生じない保護膜が発熱部材の表面に形成されていてもよい。発熱部材に用いることができる導電性材料の例には金属材料が含まれ、たとえば、強磁性金属材料、弱磁性金属材料、および非磁性金属材料が含まれる。

永久磁石に特に限定はなく、公知の永久磁石を用いてもよい。たとえば、車両の補助ブレーキとして用いられる永久磁石式のリターダに使用されている永久磁石を用いてもよい。永久磁石は、円筒状の発熱部材の外周面または内周面に対向するように配置される。より具体的には、回転部に固定されている永久磁石または発熱部材の回転によって発熱部材が発熱するように、永久磁石が配置されている。

回転部は、回転軸と共に回転する部分である。回転部は、回転軸と他の部材とを連結するための連結部材を含んでもよい。永久磁石が回転部に固定される場合、回転部は、永久磁石を保持するための部材（たとえば円筒状の部材）を含んでもよい。

本発明の発熱装置では、永久磁石が回転部に固定されて回転されてもよいし、発熱部材が回転部に固定されて回転されてもよい。永久磁石が回転部に固定される場合の一例では、発熱部材の内周面に対向するように複数の永久磁石が配置される。発熱部材が回転部に固定される場合の一例では、発熱部材の外周面に対向するように複数の永久磁石が配置される。

らせん配管は、発熱部材の外周面および内周面のうち、永久磁石と対向していない面に固定される。らせん配管が発熱部材に固定される形態の例には、らせん配管が、熱伝導を高めるための物質を介して発熱部材に固定される形態が含まれる。

らせん配管の中を熱媒体が流れる。発熱部材で発生した熱は、らせん配管を流れる熱媒体によって回収される。らせん配管を流れる熱媒体は、発熱部材において発生した熱を回収する熱回収機構として機能する。熱媒体に限定はなく、発熱部材で発生した熱を回収できるものであればよい。熱媒体には、公知の熱媒体を用いてもよい。熱媒体の例には、溶融塩（たとえば硝酸塩系の溶融塩）、熱媒油、水（蒸気）、空気、超臨界ＣＯ₂等が含まれる。

らせん配管は、熱伝導性が高い材料で形成されることが好ましい。また、発熱部材の変形を抑制する観点では、らせん配管は剛性が高い材料で形成されることが好ましい。らせん配管の材料の例には金属材料が含まれ、炭素鋼、ステンレス鋼その他の鋼材、および銅などが含まれる。

らせん配管を用いることによって、熱媒体の流路と発熱部材との接触面積を大きくできる。そのため、発熱部材で発生した熱を効率よく回収できる。また、らせん配管を発熱部材に固定することによって、発熱部材の変形（熱膨張による変形等）を抑制できる。そのため、発熱部材の変形による発熱部材の破損を抑制できる。

本発明の発熱装置が備えてもよい熱回収機構は、熱媒体、および熱媒体が流れる流路（らせん配管を含む）を含み、さらに蓄熱装置を含んでもよい。たとえば、熱回収機構は、蓄熱装置が途中に配置された循環路を含んでもよい。この場合、循環路を熱媒体が流れることによって熱エネルギが回収され、その熱エネルギが蓄熱装置に蓄積される。蓄熱装置には公知の蓄熱装置を用いてもよい。

本発明の発熱装置では、永久磁石が発熱部材の外周面を囲むように配置されていてもよい。この場合、らせん配管は、発熱部材の内周面に固定されている。

らせん配管は、断面の外縁が円状である丸管であってもよいし、断面の外縁が矩形状である角管であってもよい。角管を用いる場合には、らせん配管と発熱部材との接触面積を大きくすることが容易である。丸管を用いる場合には、らせん配管と発熱部材との接触面積を大きくするために、丸管の表面と嵌合するような凹凸を発熱部材の表面に形成してもよい。また、丸管の表面と嵌合するような凹凸を備える部材を、発熱部材の表面に配置してもよい。その部材は、熱伝導性が高い材料（たとえば金属）で形成することが好ましい。

らせん配管は、発熱部材と接触する部分のうちの一部が発熱部材に固定されていてもよいし、発熱部材と接触する部分の全部が発熱部材に固定されていてもよい。らせん配管を発熱部材に固定することによって、発熱部材の変形を抑制でき、その結果、発熱部材の破損を抑制できる。らせん配管を発熱部材に固定する方法に特に限定はない。固定する方法の例には、溶接、拡散接合、ロウ付けなどが含まれる。

らせん配管を構成する配管は、円筒状の発熱部材の周方向に対して少し傾くように捲回されている。円筒状の発熱部材の軸方向に隣接する配管同士は、固定されていてもよいし、固定されていなくてもよい。好ましい一例では、隣接する配管同士の少なくとも一部が固定されていない。隣接する配管同士を固定しないことによって、らせん配管は、発熱部材の変形を抑制しつつ、発熱部材の変形に追従するように変形しやすくなる。これによって、発熱部材の変形の抑制と、発熱部材とらせん配管との間の破壊の抑制とを両立できる。隣接する配管同士を固定する方法の例には、溶接、拡散接合、ロウ付けなどが含まれる。

本発明の実施形態の例について、図面を参照しながら以下に説明する。以下の説明では、同様の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。

（第１実施形態）
第１実施形態では、本発明の渦電流式発熱装置の一例について説明する。第１実施形態の発熱装置１００の断面を図１に模式的に示す。また、図１の線II−IIにおける断面を図２に模式的に示す。

発熱装置１００は、本体１０１、回転軸１０２、連結部材１０３ａ、連結部材１０３ｂ、発熱部材１０５、複数の永久磁石１０６、磁石保持部材１０８、および軸受１０９を含む。さらに、発熱装置１００は、熱媒体の流路となる、らせん配管１１０、配管１２１ａ、配管１２１ｂ、および配管１２２ｂを含む。回転軸１０２は、外部からの力によって回転する。発熱装置１００は、風力発電設備で用いられる構成要素（後述する、羽根車、ブレーキ装置、クラッチ装置、増速装置等）を含んでもよい。

回転軸１０２は、軸受１０９を介して、非回転部である固定の本体１０１に回転可能に支持されている。連結部材１０３ａと連結部材１０３ｂとは、回転軸１０２に固定されており、回転軸１０２と共に回転する回転部１０４を構成する。棒状の連結部材１０３ｂは、回転軸１０２の軸方向に沿って配置されている。連結部材１０３ａは、連結部材１０３ｂと回転軸１０２とを連結する。らせん配管１１０は、連結部材１０３ｂと接触する部分の一部または全部において連結部材１０３ｂに固定されている。すなわち、らせん配管１１０は、連結部材１０３ａおよび１０３ｂを介して回転軸１０２に固定されている。

発熱部材１０５は、円筒状の形状を有する。らせん配管１１０も、全体としては円筒状の形状を有する。発熱部材１０５の内周面１０５ａ（図３参照）の少なくとも一部は、円筒状のらせん配管１１０の外周面に固定されている。発熱部材１０５をらせん配管１１０に固定することによって、熱膨張による発熱部材１０５の破損を抑制できる。また、らせん配管１１０は発熱部材の膨張に対応して変形することが可能である。そのため、熱膨張によって発熱部材１０５の固定部が破損することを抑制できる。

磁石保持部材１０８は、円筒状の形状を有する。第１実施形態では、磁石保持部材１０８は、発熱部材１０５の外周面１０５ｂ（図３参照）を囲むように配置されている。複数の磁石１０６は、発熱部材１０５の外周面１０５ｂに対向するように、磁石保持部材１０８によって保持されている。永久磁石１０６は、回転部１０４の回転（すなわち発熱部材１０５の回転）によって発熱部材１０５が発熱する位置に配置される。

図２には、磁石１０６の磁極の方向の一例を示す。図２に示す一例では、複数の棒状の磁石１０６が、仮想の円筒に沿うように配置されている。それぞれの棒状の磁石１０６は、その長手方向が回転軸１０２の軸方向と平行になるように配置されている。なお、本発明の効果が得られる限り、磁石１０６の配置に特に限定はない。複数の円弧状の磁石を、仮想の円筒に沿うように配置してもよい。たとえば、複数の円弧状の磁石を周方向に並べてリング状の磁石群を構成し、そのリング状の磁石群を複数個、回転軸の軸方向に並べて円筒状としてもよい。なお、隣接する磁石１０６と磁石１０６との間には、隙間があってもよいし、他の部材が配置されてもよい。

らせん配管１１０には、配管１２１ａ、１２１ｂ、および１２２ｂが接続されている。それらの配管によって、らせん配管１１０への熱媒体の供給と、らせん配管１１０からの熱媒体の回収とが行われる。本体１０１の外部につながる配管１２１ａと、回転軸１０２を通る配管１２１ｂとの結合は、公知のジョイントを用いて行うことができる。同様に、配管１２２ｂも、本体１０１の外部につながる配管に接続できる。一例では、熱媒体は、配管１２１ａから導入され、配管１２１ｂを通ってらせん配管１１０に流れる。らせん配管１１０を通った熱媒体は、配管１２２ｂを通って回収される。

第１実施形態では、らせん配管１１０が角管である場合の一例について説明する。らせん配管１１０およびそれが固定される部材の一例の断面図を図３に示す。らせん配管１１０は、らせん状に捲回された角管によって構成されている。らせん配管１１０は、全体としてほぼ円筒状の形状を有する。効率よく熱エネルギを回収する観点では、らせん配管１１０において、隣接する配管の間の隙間が小さいことが好ましい。図３に示すように、隣接する配管同士が密着していてもよい。

発熱装置１００の機能について以下に説明する。外部からの運動エネルギによって回転軸１０２が回転すると、それに伴って発熱部材１０５が回転する。発熱部材１０５が回転すると、磁石１０６の磁力によって発熱部材１０５内で渦電流が発生する。この渦電流によって、発熱部材１０５が発熱する。発熱部材１０５で発生した熱は、らせん配管１１０に伝わり、さらにらせん配管１１０を流れる熱媒体によって回収され、熱エネルギとして利用される。

第１実施形態では、熱媒体を供給・回収する配管（流路）の一部が回転軸を通る場合について説明した。しかし、熱媒体を供給・回収する配管とらせん配管とを接続する方法に特に限定はない。熱媒体を供給・回収する配管とらせん配管との接続方法が第１実施形態とは異なる実施形態の一例を、以下に説明する。

（第２実施形態）
第２実施形態では、風力発電設備に本発明の渦電流式発熱装置を適用した一例について説明する。第２実施形態の発熱装置１００ａの断面を図４に模式的に示す。なお、図４の線II−IIにおける断面図は、図２に示した断面図と同様である。

発熱装置１００ａは、本体１０１、回転軸１０２、連結部材１０３ａ、連結部材１０３ｂ、発熱部材１０５、複数の永久磁石１０６、磁石保持部材１０８、および軸受１０９を含む。さらに、発熱装置１００ａは、熱媒体の流路となる、らせん配管１１０、配管１２３ａ、ジョイント部１２３ｂ、配管１２４ａ、およびジョイント部１２４ｂを含む。さらに、発熱装置１００ａは、風力発電設備と同様に、羽根車１３０、羽根車の回転軸１３１、ブレーキ装置１３２、クラッチ装置１３３、増速装置１３４、および軸受１３５を備える。

連結部材１０３ａと連結部材１０３ｂとは、回転軸１０２に固定されており、回転軸１０２と共に回転する回転部１０４を構成する。発熱部材１０５、複数の永久磁石１０６、およびらせん配管１１０は、第１実施形態と同様の構成を有し、第１実施形態と同様に配置されている。ただし、第２実施形態は、らせん配管１１０とそれにつながる配管との接続方法が、第１実施形態とは異なる。

羽根車１３０は、回転軸１３１に固定されている。回転軸１３１は、軸受１３５によって、固定の本体１０１に回転可能に支持されている。回転軸１３１は、クラッチ装置１３３および増速装置１３４を介して、回転軸１０２に連結されている。羽根車１３０の回転に伴って、回転軸１０２が回転する。

ジョイント部１２３ｂおよび１２４ｂはそれぞれ、リング状の空洞である。ジョイント部１２３ｂに面するらせん配管１１０の端面の一例を、図５に示す。なお、ジョイント部１２４ｂに面するらせん配管１１０の端面も、同様の構成を有する。らせん配管１１０の端面には、らせん配管１１０内部の流路につながる開口部１１０ａが形成されている。開口部１１０ａ以外の部分は平らな平面１１０ｂとなっている。平面１１０ｂは、ジョイント部１２３ｂを覆うように配置され、ジョイント部１２３ｂから熱媒体が漏れることを防止する。

熱媒体の流れについて以下に説明する。熱媒体は、配管１２３ａから導入され、ジョイント部１２３ｂを満たす。この熱媒体は、開口部１１０ａかららせん配管１１０に導入される。らせん配管１１０を通った熱媒体は、ジョイント部１２４ｂおよび配管１２４ａを通って回収される。

上記発熱装置１００ａの機能について以下に説明する。風力によって羽根車１３０が回転すると、それに伴って回転軸１０２および発熱部材１０５が回転する。発熱部材１０５が回転すると、磁石１０６の磁力によって発熱部材１０５内で渦電流が発生する。この渦電流によって、発熱部材１０５が発熱する。発熱部材１０５で発生した熱は、らせん配管１１０に伝わり、さらにらせん配管１１０を流れる熱媒体によって回収され、熱エネルギとして利用される。

第１実施形態の構成では、発熱部材１０５が熱媒体に浸漬されておらず、発熱部材１０５の近傍を流れる熱媒体はらせん配管１１０を流れる熱媒体のみである。そのため、特許文献１の装置とは異なり、熱エネルギを効率よく回収できる。

図４には、ジョイント部が全周にわたって形成されている場合について示した。しかし、ジョイント部は、本体１０１の下半分側のみに形成されていてもよい。その場合のジョイント部は、半円柱状の空洞であってもよい。その場合のらせん配管１１０の一例は、開口部１１０ａを備える円板状の構造を端面に有する。

なお、本発明の発熱装置は、必要に応じて、上記の構成要素以外の構成要素を含んでもよい。たとえば、本発明の発熱装置は、発熱部材と永久磁石との間を隔てるように配置された、非磁性材料からなる隔壁を備えてもよい。隔壁を設けることによって、磁石が加熱されることを抑制できる。

上記実施形態では、発熱部材が回転する場合について説明したが、永久磁石が回転軸（回転部）に固定されて回転してもよい。その場合、発熱部材は、通常、回転する永久磁石の外周を囲むように配置される。すなわち、永久磁石は、発熱部材の内周面に対向するように配置される。そして、らせん配管は、発熱部材の外周面に固定される。この場合でも、上記実施形態と同様の効果が得られる。

本発明は、渦電流式の発熱装置に利用できる。たとえば、本発明は、自然エネルギを利用する渦電流式発熱装置に利用できる。

１００、１００ａ 発熱装置
１０１ 本体
１０２ 回転軸
１０３ａ、１０３ｂ 連結部材
１０４ 回転部
１０５ 発熱部材
１０５ａ 内周面
１０５ｂ 外周面
１０６ 永久磁石
１０８ 磁石保持部材
１０９ 軸受
１１０ らせん配管

Claims (3)

1. 回転する回転軸の運動エネルギを熱エネルギに変換する渦電流式発熱装置であって、
   前記回転軸を含む回転部と、円筒状の発熱部材と、前記発熱部材の外周面および内周面のいずれか一方の面に対向するように配置された永久磁石と、熱媒体が流れる配管とを含み、
   前記永久磁石および前記発熱部材のいずれか一方が前記回転部に固定されており、
   前記配管は、前記発熱部材の前記外周面および前記内周面のうち前記一方の面とは異なる他方の面に固定されたらせん状の配管である、渦電流式発熱装置。
2. 前記永久磁石が前記発熱部材の外周面を囲むように配置されており、
   前記配管が、前記発熱部材の内周面に固定されている、請求項１に記載の渦電流式発熱装置。
3. 前記配管が角管である、請求項１または２に記載の渦電流式発熱装置。

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