JP3955888B2

JP3955888B2 - 永久磁石式渦電流加熱装置

Info

Publication number: JP3955888B2
Application number: JP2003414719A
Authority: JP
Inventors: 信一近藤
Original assignee: TOK ENGINEERING CO., LTD.
Current assignee: TOK ENGINEERING CO., LTD.
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2023-12-12
Also published as: JP2005174801A

Description

この発明は、風力、水力、波力等の自然界の流体運動エネルギーを熱エネルギーに変換して水等の加熱用流体を高効率で加熱する永久磁石式渦電流加熱装置に関するものであり、特に自然界のエネルギーを有効に利用して高効率かつ低コストで水等の加熱・給湯を行うことのできる永久磁石式渦電流加熱装置に関するものである。

石油等の燃焼による二酸化炭素の発生が問題視されてきて、太陽熱、風力、水力、波力等の自然界のエネルギーを利用することがますます重要となってきている。従来、自然界のエネルギーを利用して給湯を行うのは、太陽熱を利用して水を加熱する方法が主流であった。例えば、下記の特許文献１に記載されたものが公知である。特許文献１には、太陽熱温水装置、太陽電池装置、風力発電装置等を設けた共同住宅の浴場が記載されている。これは、太陽熱温水装置によって加熱した温水を浴槽に供給するものである。
特開平１１−２６２４５８号公報

従来の太陽熱温水装置は、太陽熱を有効に利用して給湯を行うものであるが、天候に左右されやすく晴天でないと十分な太陽熱が得られないという問題点がある。また、夜間も太陽熱を利用できない。したがって、晴天率の小さい期間や地域では太陽熱の利用が困難である。このような場合、太陽光以外の他のエネルギー（例えば、風力、水力、波力等の流体運動エネルギー）の利用が考えられる。一例としては、風力発電装置によって発電した電力により、水を加熱して給湯を行うことが考えられる。

ただし、このような風力発電システムにおいては、風力エネルギーによって発電を行って、発生した電力によって水を加熱するので、各部でのエネルギー損失が大きくなり、エネルギーの利用効率が低下するという問題点がある。また、発電機の故障や送電各部での絶縁劣化等のトラブルも発生しやすく、発電機や送電各部の保守作業にコストがかかるという問題点もある。

そこで、本発明は、以上のような問題点を解決し、風力、水力、波力等の自然界の流体運動エネルギーを高効率かつ低コストで熱エネルギーに変換して水等の加熱・給湯を行うことのできる永久磁石式渦電流加熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の永久磁石式渦電流加熱装置は、外周に永久磁石が配置され、回転可能に設けられたロータと、前記ロータの外側に固定して設けられ、かつ、前記永久磁石による磁界中に配置され、導電材料を含む加熱部と、前記加熱部に熱的に接続されて設けられた流体通路とを有し、前記永久磁石は、前記ロータの回転軸方向と直交する平面での断面形状が略長方形である偶数個の第１の永久磁石と、前記ロータの回転軸方向と直交する平面での断面形状がくさび形状である偶数個の第２の永久磁石が、前記ロータの円周方向に１つおきに交互に並ぶように配置されたものである。
また、上記の永久磁石式渦電流加熱装置において、前記第１の永久磁石は、前記ロータの半径方向に磁化され、かつ、その磁化方向が交互に逆向きとなるように前記第２の永久磁石を挟んで円周方向に並べて配置されているものであり、前記第２の永久磁石は、前記ロータの円周方向に磁化され、かつ、その磁化方向が交互に逆向きとなるように前記第１の永久磁石を挟んで円周方向に並べて配置されているものであり、さらに、前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石は、それらの磁極が前記ロータの外周側では互いに反発し内周側では互いに吸引するように配置されているものであることが好ましい。

また、上記の永久磁石式渦電流加熱装置において、前記流体通路は、流体を貯留するタンクに接続されたものであることが好ましい。

また、上記の永久磁石式渦電流加熱装置において、前記ロータは、自然界の流体運動エネルギーによって回転駆動される回転体に接続されたものであることが好ましい。

また、上記の永久磁石式渦電流加熱装置において、前記回転体は、風力によって回転駆動される風車とすることができる。

また、上記の永久磁石式渦電流加熱装置において、前記風車は、回転軸が垂直方向に設置された垂直軸風車とすることができる。

また、上記の永久磁石式渦電流加熱装置において、前記ロータは、発電機に接続されたものであることが好ましい。

また、上記の永久磁石式渦電流加熱装置において、前記発電機は、電動モーターと兼用の発電機であることが好ましい。

また、上記の永久磁石式渦電流加熱装置において、前記流体通路に水を通過させ、水を加熱して給湯を行うものであることが好ましい。

本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。

外周に永久磁石を配置したロータによる渦電流によって流体を加熱するようにしたので、高効率および低コストで流体の加熱を行うことができる。また、加熱装置自体も簡素な構造となり、各部の故障や絶縁劣化等のトラブルが発生しにくくなり、装置の保守作業やその他のランニングコストを低減させることができる。

永久磁石式渦電流加熱装置の流体通路を流体を貯留するタンクに接続して、高効率および低ランニングコストの給湯システムを構成することができる。

永久磁石式渦電流加熱装置のロータを自然界の流体運動エネルギーによって回転駆動される回転体に接続したので、自然界のエネルギーを有効に利用して石油等の過大な消費を抑え、二酸化炭素ガスの発生を減少させることにより、環境保全にも貢献するものである。

ロータを風車に接続したものでは、風の強い地域において風力の有効利用を計ることができる。また、風車として垂直軸風車を使用したものでは、風の方向が変化しやすい地域でも風力の有効利用を計ることができる。

ロータに発電機を接続するようにしたので、例えば、風力が強い場合には、余剰の風力によって発電を行うようにして、自然界のエネルギーをさらに有効利用することができる。

ロータに接続する発電機を電動モーターと兼用の発電機としたので、例えば、風力が弱い場合には、補助的に電動モーターによってロータを回転駆動するようにして、常に安定した加熱熱量を得ることができ、安定した給湯温度および給湯量を確保することができる。

断面形状が略長方形である第１の永久磁石と、断面形状がくさび形状である第２の永久磁石とを交互に並べて配置し、磁化方向も特有の配置としたので、渦電流加熱の効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の渦電流加熱装置１を使用した給湯システムの全体構成を示す図である。渦電流加熱装置１は、回転可能に設けられた回転軸２に固定されたロータ１１（図２参照）と、ロータ１１の外側に配置された加熱部１５（図２参照）を有するものである。渦電流加熱装置１の構成に関しては、後に詳しく説明する。

ロータ１１は、回転可能に支持された回転軸２に固定されている。回転軸２の先端側には風力によって回転駆動されるプロペラ４が取り付けられている。プロペラ４と渦電流加熱装置１との間にはモータ兼用発電機３が配置されている。モータ兼用発電機３の回転軸２は渦電流加熱装置１の回転軸２と共通である。モータ兼用発電機３は、風力が弱い場合には電力を供給して電動モータとして機能させて風力を補い、風力が強い場合には逆に発電機として機能させて発電した電力をエネルギーとして利用する。

温水タンク６には加熱用の水が貯留されており、渦電流加熱装置１によって加熱した温水も温水タンク６に戻されて貯留される。加熱用の水はポンプ５により温水タンク６から吸上パイプ６１を介して吸い上げられて渦電流加熱装置１に供給される。加熱後の温水はポンプ５の加圧力により戻しパイプ６２を介して温水タンク６に戻される。渦電流加熱装置１によって十分に加熱された温水は、温水タンク６から給湯口６６および給湯用配管８１，８１，…を介して各給湯機器に供給される。

給湯により温水タンク６内の水量が減少すると、水位調整弁６５により給水用配管を介して温水タンク６内に給水される。水位調整弁６５は、温水タンク６内の水位が所定位置より低下すると開状態となり温水タンク６内への給水を行い、温水タンク６内の水位が所定位置まで上昇すると閉状態となって給水を停止する。このため、温水タンク６内の水位はほぼ一定に保たれる。

温水タンク６には、温水の温度を検出するための温度センサ６３が設置されている。温度センサ６３による温度検出信号は電源部７に送出され、モータ兼用発電機３の制御に利用される。風力が弱い等の理由で温水の温度が設定下限値よりも低い場合に、補助的にモータ兼用発電機３を回転駆動して渦電流加熱装置１の加熱能力を増強する。逆に、風力が強くて温水の温度が設定上限値よりも高くなると、モータ兼用発電機３を発電機として機能させ、余剰の風力で発電した電力を二次電池に蓄えたり送電線側に戻すようにする。例えば、発電電力を電力会社に販売することができる。

図２は、渦電流加熱装置１の構成を示す断面図である。また、図３は、渦電流加熱装置１を後方（図２における右側）から見た図である。ただし、図３は渦電流加熱装置１のケース後方部分を取り外し、ロータ１１を見える状態としたものである。ロータ１１はほぼ円筒状に形成されており、その外周には多数の永久磁石１３，１４が配置されている。ロータ１１の内周部１２は継鉄からなるものであり、永久磁石１３，１４の内周側の磁路を形成している。内周部１２は中央部が空洞状に形成され、回転軸２に固定されている。回転軸２は、軸受２１，２２により渦電流加熱装置１に対して回転可能に支持されている。

また、ロータ１１の外側には、ロータ１１外周と微少な間隙を持って固定された加熱部１５が設けられている。加熱部１５はロータ１１の外周全周を取り巻くドーナツ状に形成されている。加熱部１５の内部は中空状に形成されており、その空間が加熱用の水を流通させるための流通路１５ｂとして機能する。加熱部１５の内部には、内周壁１５ａにつるまき線状（らせん状）の仕切壁１６が固定されている。この仕切壁１６により、流通路１５ｂは加熱部１５の内部につるまき線状に形成される。

加熱用の水は、加熱部１５後方に形成された流入口１７から加熱部１５内に流入し、つるまき線状の流通路１５ｂを通って加熱部１５の前方に移動しながら加熱され、加熱部１５前方側から流出する。加熱された温水は、さらに後方側の流出口１８に導かれてこの流出口１８から機外に流出する。このように、加熱用の水はつるまき線状の流通路１５ｂを通って、十分な距離を流通する間に加熱されるため、効率よく加熱することができる。なお、仕切壁１６は熱伝導率の大きな金属材料で形成することが好ましい。

加熱部１５の内周側の壁面である内周壁１５ａは、ステンレス綱、アルミニウム合金等の導電材料で形成されている。ロータ１１の回転により外周の永久磁石１３，１４による磁力線が内周壁１５ａを貫通して移動するため、内周壁１５ａには渦電流が発生して、この渦電流による抵抗損失等により内周壁１５ａ自体が発熱する。もちろん、加熱部１５全体が導電材料で形成されていてもよいが、少なくとも内周壁１５ａは導電材料であることが必要とされる。内周壁１５ａで発生した熱は、流通路１５ｂを通過する水に直接伝達され、または仕切壁１６を介して水に伝達され、効率的に流通路１５ｂ内の水を加熱する。

なお、加熱部１５の外周側を断熱材等によって覆うようにしてもよく、または、加熱部１５の外周側の壁面を断熱性の材料で形成するようにしてもよい。このようにすれば、渦電流加熱装置１からの無駄な熱の発散を防止することができ、加熱効率がさらに向上する。

図４は、ロータ１１外周の永久磁石１３，１４の配置を示す図である。図４はロータ１１を回転軸方向から見た部分拡大図である。ロータ１１の内周部１２はほぼ円筒形状に形成されているが、外周面には直方体形状の永久磁石１３を配置するための平面部が形成されている。永久磁石１３の回転軸２と直交する面での断面形状は図示のように略長方形となる。永久磁石１３は円周方向の角度２０度ごとに配置されており、図３に示すように全円周では１８個の永久磁石１３が配置されている。永久磁石１３は、磁化方向が図４に示すようにロータ１１の半径方向に向くように配置され、Ｎ極Ｓ極が交互に逆向きになるように配置されている。

永久磁石１３，１３の間には、それぞれ永久磁石１４が配置されている。永久磁石１４の回転軸２と直交する面での断面形状は図示のようにくさび形状となっている。永久磁石１４の磁化方向は図示のように円周方向であり、永久磁石１３の磁化方向とはほぼ直交するように配置されている。また、永久磁石１４は、図示のようにロータ１１の外周側において永久磁石１３と磁極が反発するように配置されている。したがって、ロータ１１の内周側においては、永久磁石１３と永久磁石１４の磁極が吸引する配置となっている。

このような永久磁石１３，１４の配置により、永久磁石１３，１４からの磁力線がロータ１１外周面から大きく立ち上がる分布を呈するようになり、比較的遠距離まで磁束密度が大きくなる。このため、ロータ１１の回転に伴う磁力線の移動による渦電流の大きさも増大して、渦電流加熱の効率も向上する。なお、ここでは永久磁石１３，１４は、ロータ１１の円周方向に１８個ずつ配置されているが、１８個に限らず他の個数（ただし偶数個）でもよい。

また、図２に示すように、永久磁石１３，１４は、ロータ１１の回転軸方向に関して適宜の個数に分割されている。ロータ１１の回転軸方向に並んだ永久磁石１３と永久磁石１４は、すべて同じ極性に配置されている。このような永久磁石１３，１４としては、例えば、ネオジウム磁石が使用できる。なお、図４では図示省略しているが、永久磁石１３，１４の間には継鉄薄板からなる磁性体スペーサを配置することが好ましい。

なお、図１においては、渦電流加熱装置１を駆動する風車として水平回転軸を有するプロペラ形風車を示しているが、実際に設置する際には、垂直方向の回転軸を有する垂直軸風車の方が好ましい場合がある。垂直軸風車としては、例えば、図５に示すような各種の風車がある。図５（ａ）はサボニウス形風車、図５（ｂ）はダリウス形風車、図５（ｃ）は垂直翼垂直軸風車の外観を示している。このような垂直軸風車では、風の方向が変化しても風車の向きを変えることなく効率的に風力エネルギーを回転エネルギーに変換することができる。

したがって、風の方向が頻繁に変化しやすい都市圏などでは垂直軸風車を利用することが好ましい。また、都市圏では風車および渦電流加熱装置１を高層ビルやマンションの屋上等に設置することができる。そして、給湯用の温水タンク６を屋上等に設置すれば、各戸、各部への給湯を重力によって容易に行うことができる。さらに、本発明の渦電流加熱装置１と、一般の太陽熱給湯システムや廃熱利用システムを組み合わせて使用することもできる。

図５に示すような各種垂直軸風車やプロペラ形風車では、それぞれ風速−発生トルク特性が異なり、効率的に変換可能な風速等が異なるので、設置地点の風の特性と風車の特性とを勘案して最適な風車を選択する必要がある。なお、風力発電における各種損失は、一般的に、風車における損失が６０％、増速機等の機械的損失が４％、発電機における損失が６％であり、最終的に電気エネルギーとして風力エネルギーの３０％が利用可能であるとされている。本発明の渦電流加熱装置１では、発電機の損失は発生しないので最終的に熱エネルギーとして風力エネルギーの３６％が利用可能ということになる。

以上のように、本発明の渦電流加熱装置１を使用することにより、風力、水力、波力等の自然界の流体運動エネルギーを高効率かつ低コストで熱エネルギーに変換して水等の加熱・給湯を行うことができる。各部でのエネルギー損失も少なくエネルギーの利用効率が向上する。また、渦電流加熱装置１は、渦電流により直接流体を加熱するものであり、装置自体も簡素な構造であるから、各部の故障や絶縁劣化等のトラブルが発生しにくく、給湯システム等の保守作業が著しく軽減され、保守作業やその他のランニングコストも低減させることができる。さらに、石油等の過大な消費を抑え、二酸化炭素ガスの発生を減少させることにより、環境保全にも貢献するものである。

なお、以上の実施の形態では、渦電流加熱装置１のロータ１１を風力によって回転駆動して加熱を行っているが、河川等における水流を水車等によって伝達して回転駆動してもよく、海洋、湖沼等における波力を利用するようにしてもよい。自然界の流体運動エネルギーを利用して、効率よく水等の流体の加熱を行うことができる。また、加熱部１５の内部に流通路１５ｂを形成しているが、流通路１５ｂは必ずしも加熱部１５の内部に設ける必要はなく、加熱部１５と熱的に接続されていればよい。

本発明の渦電流加熱装置は、自然界の流体運動エネルギーを利用して効率よく水等の流体の加熱を行うことができ、高効率および低コストの給湯システム等を実現することができる。そして、エネルギーの有効利用を計るとともに環境保全にも貢献するものである。

本発明の渦電流加熱装置を使用した給湯システムの全体構成を示す図である。渦電流加熱装置の構成を示す断面図である。渦電流加熱装置を後方（図２における右側）から見た図である。ロータ外周の永久磁石の配置を示す図である。各種の垂直軸風車の外観を示す図である。

符号の説明

１渦電流加熱装置
２回転軸
３モータ兼用発電機
４プロペラ
５ポンプ
６温水タンク
７電源部
１１ロータ
１２内周部
１３，１４永久磁石
１５加熱部
１５ａ内周壁
１５ｂ流通路
１６仕切壁
１７流入口
１８流出口
２１軸受
６１吸上パイプ
６２戻しパイプ
６３温度センサ
６５水位調整弁
６６給湯口
８１給湯用配管

Claims

外周に永久磁石（１３，１４）が配置され、回転可能に設けられたロータ（１１）と、
前記ロータ（１１）の外側に固定して設けられ、かつ、前記永久磁石（１３，１４）による磁界中に配置され、導電材料を含む加熱部（１５）と、
前記加熱部（１５）に熱的に接続されて設けられた流体通路（１５ｂ）とを有し、
前記永久磁石（１３，１４）は、前記ロータ（１１）の回転軸方向と直交する平面での断面形状が略長方形である偶数個の第１の永久磁石（１３）と、前記ロータ（１１）の回転軸方向と直交する平面での断面形状がくさび形状である偶数個の第２の永久磁石（１４）が、前記ロータ（１１）の円周方向に１つおきに交互に並ぶように配置されたものである永久磁石式渦電流加熱装置。
請求項１に記載した永久磁石式渦電流加熱装置であって、
前記第１の永久磁石（１３）は、前記ロータ（１１）の半径方向に磁化され、かつ、その磁化方向が交互に逆向きとなるように前記第２の永久磁石（１４）を挟んで円周方向に並べて配置されているものであり、
前記第２の永久磁石（１４）は、前記ロータ（１１）の円周方向に磁化され、かつ、その磁化方向が交互に逆向きとなるように前記第１の永久磁石（１３）を挟んで円周方向に並べて配置されているものであり、
さらに、前記第１の永久磁石（１３）および前記第２の永久磁石（１４）は、それらの磁極が前記ロータ（１１）の外周側では互いに反発し内周側では互いに吸引するように配置されているものである永久磁石式渦電流加熱装置。
請求項１，２のいずれか１項に記載した永久磁石式渦電流加熱装置であって、
前記流体通路（１５ｂ）は、流体を貯留するタンク（６）に接続されたものである永久磁石式渦電流加熱装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載した永久磁石式渦電流加熱装置であって、
前記ロータ（１１）は、自然界の流体運動エネルギーによって回転駆動される回転体（４）に接続されたものである永久磁石式渦電流加熱装置。
請求項４に記載した永久磁石式渦電流加熱装置であって、
前記回転体（４）は、風力によって回転駆動される風車（４）である永久磁石式渦電流加熱装置。
請求項５に記載した永久磁石式渦電流加熱装置であって、
前記風車は、回転軸が垂直方向に設置された垂直軸風車である永久磁石式渦電流加熱装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載した永久磁石式渦電流加熱装置であって、
前記ロータ（１１）は、発電機（３）に接続されたものである永久磁石式渦電流加熱装置。
請求項７に記載した永久磁石式渦電流加熱装置であって、
前記発電機（３）は、電動モーターと兼用の発電機である永久磁石式渦電流加熱装置。
請求項１〜８のいずれか１項に記載した永久磁石式渦電流加熱装置であって、
前記流体通路（１５ｂ）に水を通過させ、水を加熱して給湯を行うものである永久磁石式渦電流加熱装置。