JP6435960B2 - 流体式発熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の運動エネルギ（回転動力）を熱エネルギに変換して回収するための流体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る。自然エネルギの中でも、風力エネルギ、水力エネルギ等は流体の運動エネルギである。従来、流体運動エネルギを活用して発電が行われる。

例えば、一般的な風力発電設備では、風車が風力を受けて回転する。風車の回転軸は発電機の入力軸に連結されており、風車の回転に伴って発電機の入力軸が回転する。これにより、発電機で電気が発生する。つまり、一般的な風力発電設備では、風力エネルギが風車の回転軸の運動エネルギに変換され、この回転軸の運動エネルギが電気エネルギに変換される。

特開２０１１−８９４９２号公報（特許文献１）は、エネルギの利用効率の向上を図った風力発電設備を開示する。特許文献１の発電設備は流体式減速装置を備え、風力エネルギから電気エネルギへの変換過程で熱エネルギを発生する。

特許文献１の発電設備においては、風力エネルギが羽根車の回転軸の運動エネルギに変換され、この回転軸の運動エネルギが油圧ポンプの油圧エネルギに変換される。油圧エネルギによって油圧モータが回転する。油圧モータの主軸は流体式減速装置の回転軸に連結され、この減速装置の回転軸は発電機の入力軸に連結される。油圧モータの回転に伴って減速装置の回転軸が回転するとともに、発電機の入力軸が回転する。これにより、発電機で電気が発生する。

流体式減速装置は、回転軸と一体で回転するロータ羽根車と、固定のステータ羽根車と、を備える。これらの間に存在する作動流体の抵抗を利用し、減速装置の回転軸の回転速度を減速する。これにより、油圧モータの主軸の回転速度が減速し、これに伴い油圧ポンプを介して風車の回転速度が調整される。

また、流体式減速装置においては、回転軸の回転速度を減速させる制動力が発生すると同時に熱が発生し、ロータ羽根車とステータ羽根車との間に存在する作動流体が昇温する。つまり、風力エネルギの一部が熱エネルギに変換される。作動流体が保有する熱（熱エネルギ）は蓄熱装置に回収され、回収された熱エネルギによって原動機が駆動する。原動機の駆動によって発電機が駆動し、その結果として発電機で電気が発生する、と特許文献１には記載される。このことから、特許文献１の流体式減速装置は、風車の回転軸の運動エネルギを熱エネルギに変換して回収するための発熱装置ともいえる。そして、作動流体は熱媒体ともいえる。

また、流体式減速装置は、トラック、バス等の車両に補助ブレーキとして搭載される場合がある。この場合の減速装置は、プロペラシャフト、ドライブシャフト等のような回転軸の回転速度を減速する。これにより、車両の走行速度が調整される。その際、回転軸の回転速度を減速させる制動力が発生すると同時に、熱が発生する。したがって、車両に搭載された流体式減速装置においても、回転軸の運動エネルギが熱エネルギに変換されることから、この熱エネルギを回収して活用することが望まれる。

特開２０１１−８９４９２号公報

特許文献１の風力発電設備は、回転軸である風車と流体式減速装置（発熱装置）との間に油圧ポンプ及び油圧モータを備える。このため、設備の構造が複雑になる。また、多段階のエネルギ変換が必要であるから、エネルギの変換ロスが著しい。これに伴って、発熱装置としての流体式減速装置で得られる熱エネルギも小さくなる。

また、特許文献１の流体式減速装置の場合、ロータ羽根車とステータ羽根車との間に存在する熱媒体（作動流体）の量を逐次変化させる制御が行われる。これにより、風車の回転速度が一定にされる。更に、羽根車同士の間で昇温した熱媒体は、タンクに導かれ、このタンクから出側配管を経由し、蓄熱装置に導かれる。この熱媒体は、蓄熱装置から汲み上げられ、入側配管を経由してタンクに戻り、タンクから羽根車同士の間に導かれる。このように熱媒体の主たる循環経路が形成される。ここで、出側配管と入側配管にはバイパス管が接続されている。出側配管に設置された温度計により、出側配管内の熱媒体の温度が検出される。その温度計の出力値に基づき、蓄熱装置から入側配管に戻す熱媒体の量と、蓄熱装置を通じることなく出側配管からパイパス管を通じて入側配管に戻す熱媒体の量と、の比率を調整する制御が行われる。これにより、タンク内の熱媒体の温度が調整される。

このような特許文献１の流体式減速装置では、ロータ羽根車とステータ羽根車との間に導かれた熱媒体の温度を高い応答性で正確に制御することはできない。そのため、熱媒体が過剰に昇温する可能性がある。近年、高温の蓄熱が指向されるが、熱媒体として硝酸塩系の溶融塩を使用した場合、その使用限界温度は約６００℃である。熱媒体の温度が使用限界温度を超えると、熱媒体は分解反応により変質する。変質した熱媒体は、循環経路を構成する金属材の腐食を助長する。したがって、熱媒体の過剰な昇温（以下、「過昇温」ともいう）は、熱媒体の変質を引き起こすばかりか、減速装置そのものの耐久性の低下を招く。更に、羽根車同士の間で昇温した熱媒体の温度が低いときは、熱回収に寄与しないバイパス管による循環経路が主体とされる。そのため、昇温した熱媒体の熱損失が大きくなる可能性がある。

本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、回転軸の運動エネルギ（回転動力）を熱エネルギに有効に変換して回収することができる流体式発熱装置を提供することである。

本発明の実施形態による流体式発熱装置は、
非回転部に回転可能に支持された回転軸と、
前記回転軸に固定されたロータ羽根車と、
前記ロータ羽根車と対向するように配置されて前記ロータ羽根車と対を成し、前記非回転部に固定されたステータ羽根車と、
前記ステータ羽根車と一体で前記ロータ羽根車を包囲し、内部に熱媒体を充満する密閉容器と、
前記密閉容器内の前記熱媒体に生じた熱を回収する熱回収機構と、を備える。
前記熱回収機構は、
前記密閉容器に前記熱媒体を供給する入側配管と、
前記密閉容器から前記熱媒体を排出する出側配管と、
前記入側配管及び出側配管に接続された蓄熱装置と、
前記入側配管の経路に設けられ、前記熱媒体の温度を検出する入側温度計と、
前記出側配管の経路に設けられ、前記熱媒体の温度を検出する出側温度計と、
前記入側配管の経路に設けられ、前記密閉容器への前記熱媒体の供給流量を調整する入側バルブと、
前記出側配管の経路に設けられ、前記密閉容器からの前記熱媒体の排出流量を調整する出側バルブと、
前記回転軸の回転速度を検出する回転速度センサと、を含む。
前記回転速度センサ、前記入側温度計及び前記出側温度計の各出力値に基づき、前記入側バルブ及び前記出側バルブがそれぞれ調節される。

本発明の流体式発熱装置によれば、回転軸の運動エネルギを熱エネルギに有効に変換して回収することができる。

図１は、第１実施形態の発熱装置の構成を模式的に示す縦断面図である。 図２Ａは、第１実施形態の発熱装置におけるステータ羽根車を回転軸に沿って見たときの平面図である。 図２Ｂは、第１実施形態の発熱装置におけるロータ羽根車を回転軸に沿って見たときの平面図である。 図３は、第２実施形態の発熱装置の構成を模式的に示す縦断面図である。

本発明の実施形態による流体式発熱装置は、回転軸と、ロータ羽根車と、ステータ羽根車と、密閉容器と、熱回収機構と、を備える。回転軸は、非回転部に回転可能に支持される。ロータ羽根車は、前記回転軸に固定される。ステータ羽根車は、前記ロータ羽根車と対向するように配置されて前記ロータ羽根車と対を成し、前記非回転部に固定される。密閉容器は、前記ステータ羽根車と一体で前記ロータ羽根車を包囲し、内部に熱媒体を充満する。熱回収機構は、前記密閉容器内の前記熱媒体に生じた熱を回収する。

前記熱回収機構は、入側配管と、出側配管と、蓄熱装置と、入側温度計と、出側温度計と、入側バルブと、出側バルブと、回転速度センサと、を含む。入側配管は、前記密閉容器に前記熱媒体を供給する。出側配管は、前記密閉容器から前記熱媒体を排出する。蓄熱装置は、前記入側配管及び出側配管に接続される。入側温度計は、前記入側配管の経路に設けられ、前記熱媒体の温度を検出する。出側温度計は、前記出側配管の経路に設けられ、前記熱媒体の温度を検出する。入側バルブは、前記入側配管の経路に設けられ、前記密閉容器への前記熱媒体の供給流量を調整する。出側バルブは、前記出側配管の経路に設けられ、前記密閉容器からの前記熱媒体の排出流量を調整する。回転速度センサは、前記回転軸の回転速度を検出する。前記回転速度センサ、前記入側温度計及び前記出側温度計の各出力値に基づき、前記入側バルブ及び前記出側バルブがそれぞれ調節される。

本実施形態の流体式発熱装置によれば、密閉容器によってロータ羽根車とステータ羽根車が包囲され、この密閉容器内に熱媒体が充満する。そして、密閉容器に供給される熱媒体の温度、密閉容器から排出される熱媒体の温度、及び回転軸の回転速度に基づき、密閉容器への熱媒体の供給流量及び密閉容器からの熱媒体の排出流量が調整される。これにより、密閉容器に導かれた熱媒体の温度を高い応答性で正確に制御することができる。したがって、回転軸の運動エネルギを熱エネルギに有効に変換して回収することができる。

上記の発熱装置において、前記熱回収機構は、前記密閉容器内の圧力を検出する圧力センサを備え、前記圧力センサの出力値に基づき、前記出側バルブが調節されることが好ましい。

更に、上記の発熱装置は、前記ロータ羽根車及び前記ステータ羽根車の対を２つ以上備えることが好ましい。

上記の発熱装置は、風力発電設備、水力発電設備等のように流体運動エネルギを利用した発電設備に搭載することができる。また、上記の発熱装置は、車両に搭載することができる。いずれの場合でも、発熱装置は回転軸の運動エネルギを熱エネルギに変換して回収する。回収した熱エネルギは、例えば電気エネルギの生成に利用される。

以下に、本発明の渦電流式発熱装置の実施形態について詳述する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の発熱装置の構成を模式的に示す縦断面図である。図２Ａは、その発熱装置におけるステータ羽根車を回転軸に沿って見たときの平面図である。図２Ｂは、その発熱装置におけるロータ羽根車を回転軸に沿って見たときの平面図である。図２Ａ及び図２Ｂ中の実線矢印は、ロータ羽根車の回転方向を示す。図１、図２Ａ及び図２Ｂには、風力発電設備に搭載した発熱装置１を例示する。

図１に示すように、第１実施形態の発熱装置１は、回転軸３と、ロータ羽根車４と、ステータ羽根車５と、を備える。回転軸３は、非回転部である固定の本体２に対し、軸受７を介して回転可能に支持される。

ロータ羽根車４は、回転軸３に固定される。ステータ羽根車５は、ロータ羽根車４と対向するように配置され、ロータ羽根車４と対を成す。ステータ羽根車５は、回転軸３に対し軸受８を介して回転可能に支持されるとともに、非回転部である本体２に固定される。図１には、ロータ羽根車４及びステータ羽根車５の対を回転軸３に沿って２つ備えた態様を示す。

ロータ羽根車４は、回転軸３に固定される円板部４ａと、この円板部４ａの外周に設けられた環状部４ｂとから構成される。この環状部４ｂは半トーラス状の内部空間を有する。ステータ羽根車５は、回転軸３に対して回転可能に支持される円板部５ａと、この円板部５ａの外周に設けられた環状部５ｂとから構成される。この環状部５ｂは半トーラス状の内部空間を有する。ロータ羽根車４及びステータ羽根車５それぞれの環状部４ｂ及び５ｂの開口が互いに向き合う。これらの環状部４ｂ及び５ｂを組み合わせた内部空間によって、トーラス状の作動室が形成される。

図１及び図２Ｂに示すように、ロータ羽根車４の環状部４ｂの内部には、放射状に延び出す多数の羽根（以下「ロータ羽根」ともいう）４ｃが設けられる。同様に、図１及び図２Ａに示すように、ステータ羽根車５の環状部５ｂの内部には、放射状に延び出す多数の羽根（以下「ステータ羽根」ともいう）５ｃが設けられる。いずれの羽根４ｃ及び５ｃも、回転軸３に対し傾斜して設置される。ロータ羽根４ｃは環状部４ｂと一体成形される。ただし、ロータ羽根４ｃは個別に成形され、各々が環状部４ｂに取り付けられても構わない。ステータ羽根５ｃの成形態様も同様である。

図１に示すように、ロータ羽根車４の背後には、隔壁６Ａが配置される。この隔壁６Ａは、ステータ羽根車５の環状部５ｂの外周に接合され、ステータ羽根車５と一体化される。更に、隔壁６Ａは、回転軸３に対し軸受９を介して回転可能に支持される。ステータ羽根車５及びこれと一体の隔壁６Ａは、ロータ羽根車４を包囲し、密閉容器を形成する。この密閉容器の内部に熱媒体を充満する。熱媒体は硝酸塩系の溶融塩である。ただし、熱媒体は、圧力による密度変化の小さい液体であれば特に限定しない。熱媒体は、水、油等であってもよい。

ステータ羽根車５を支持する軸受８、及び隔壁６Ａを支持する軸受９のそれぞれに隣接して、リング状のシール部材（図示省略）が配置される。これらのシール部材により、密閉容器内の熱媒体の不用意な漏出が防止される。このようにして、密閉容器内は、ロータ羽根車４とステータ羽根車５との間の作動室を含め、熱媒体で常に満たされる。

ロータ羽根車４及びステータ羽根車５の材質は、金属材料（例：炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、銅合金、鋳鉄等）である。

ロータ羽根車４及びステータ羽根車５の外側には、全体を包囲するように円筒状のカバー１０が配置される。このカバー１０は本体２に固定される。カバー１０の内部は密封される。

回転軸３が回転すると、ロータ羽根車４が回転軸３と一体で回転する（図１中の白抜き矢印参照）。これにより、ロータ羽根車４とステータ羽根車５との間に相対的な回転速度差が生じる。すると、作動室では、ロータ羽根４ｃとステータ羽根５ｃとの間を熱媒体が循環し、熱媒体の循環流が起こる。このとき、熱媒体がロータ羽根４ｃに衝突し、ロータ羽根車４の回転を妨げる抵抗となる。これにより、ロータ羽根車４と一体で回転する回転軸３に、回転方向と逆向きの制動力（制動トルク）が発生する。

更に、制動力が発生すると同時に、熱媒体が発熱する。この発熱は、循環しながら流れる熱媒体自身に生じる粘性応力の仕事によるものと、ロータ羽根から受ける圧力仕事によるものである。作動室内では、流れの速さ及び方向が激しく変化するため、粘性応力が大きくなり、熱媒体が有効に昇温する。

発熱装置１は、熱媒体に生じた熱を回収して活用するために、熱回収機構を備える。図１に示すように、第１実施形態では、熱回収機構として、密閉容器を構成するステータ羽根車５（厳密には、環状部５ｂ）に、密閉容器の内部空間（厳密には、作動室）に繋がる入側配管１１及び出側配管１２が設けられる。入側配管１１及び出側配管１２のいずれも、カバー１０を貫通して本体２の外部に導き出され、蓄熱装置（図示省略）に接続される。密閉容器の内部空間（作動室）、入側配管、出側配管、及び蓄熱装置は一連の経路を形成し、この経路を熱媒体が流通して循環する（図１中の実線矢印参照）。

作動室で昇温した熱媒体は、出側配管１２を通じて密閉容器から排出され、蓄熱装置に導かれる。蓄熱装置は、熱交換によって熱媒体から熱を受け取って回収し、その熱を蓄える。蓄熱装置を経た熱媒体は、入側配管１１を通じて密閉容器に供給される。このように熱媒体の循環経路が形成され、熱媒体に生じた熱が回収される。

ここで、入側配管１１の経路には、作動室に近い位置に、入側温度計１３が設けられる。入側温度計１３は、入側配管１１を流通する熱媒体の温度を検出する。すなわち、入側温度計１３により、作動室に供給される熱媒体の温度が検出される。ただし、入側温度計１３の設置位置は、入側配管１１の経路である限り特に限定しない。

一方、出側配管１２の経路には、作動室に近い位置に、出側温度計１４が設けられる。出側温度計１４は、出側配管１２を流通する熱媒体の温度を検出する。すなわち、出側温度計１４により、作動室から排出される熱媒体の温度が検出される。ただし、出側温度計１４の設置位置は、出側配管１２の経路である限り特に限定しない。

入側配管１１の経路には、入側温度計１３の上流側に、入側バルブ１５が設けられる。入側バルブ１５は、入側配管１１を流通する熱媒体の流量を調整する。つまり、入側バルブ１５の開閉度合いの調節により、作動室への熱媒体の供給流量が調整される。ただし、入側バルブ１５の設置位置は、入側配管１１の経路である限り特に限定しない。

一方、出側配管１２の経路には、出側温度計１４の下流側に、出側バルブ１６が設けられる。出側バルブ１６は、出側配管１２を流通する熱媒体の流量を調整する。つまり、出側バルブ１６の開閉度合いの調節により、作動室からの熱媒体の排出流量が調整される。ただし、出側バルブ１６の設置位置は、出側配管１２の経路である限り特に限定しない。

回転軸３には、回転速度センサ１７が設置される。回転速度センサ１７は、例えばロータリーエンコーダであり、回転軸３の回転速度を検出する。密閉容器を構成するステータ羽根車５（厳密には、環状部５ｂ）には、圧力センサ１８が設置される。圧力センサ１８は、密閉容器の内部空間（厳密には、作動室）の圧力を検出する。

回転速度センサ１７、入側温度計１３、出側温度計１４、入側バルブ１５、出側バルブ１６及び圧力センサ１８は、制御装置（図示省略）に接続される。制御装置には、回転軸３の回転速度と制動トルクとの既知の相関を示すデータが格納されている。

発熱装置１の運転時、制御装置は、回転速度センサ１７、入側温度計１３、出側温度計１４及び圧力センサ１８の各出力を都度取得する。制御装置は、各出力値に基づき、入側バルブ１５及び出側バルブ１６に都度指令を送出し、各バルブ１５及び１６の開閉度合いを調節する。これにより、作動室で昇温する熱媒体の温度を適正に制御する。以下に、制御装置による制御の一例を示す。

入側温度計１３及び回転速度センサ１７によって、熱媒体の供給温度Ｔ_in［Ｋ］及び回転軸３の回転速度ω［ｒａｄ／ｓ］を検出する。これらの各出力値と、回転軸３の回転速度と制動トルクとの既知の相関を用い、下記の式（１）に従って、熱媒体の供給流量の基準値Ｍ_V,*［ｋｇ／ｓ］を算出する。なおここでの流量は、体積流量ではなく、質量流量を表すものとする。

式（１）中のその他の記号の意味は以下のとおりである。
・Ｔ₁：作動室で昇温する熱媒体の温度の目標値（例：熱媒体が硝酸塩系溶融塩の場合は約８７３Ｋ（＝６００℃））［Ｋ］
・Ｎ（ω）：回転速度ωでの制動トルク［Ｎｍ］
・Ｃ_P（Ｔ）：温度Ｔにおける熱媒体の比熱［Ｊ／ｋｇ−Ｋ］
・上付き添え字のｎ：検出器におけるｎ回目のサンプリング

次に、出側温度計１４によって、熱媒体の排出温度Ｔ_out［Ｋ］を検出する。この出力値と、上記の基準値Ｍ_V,*［ｋｇ／ｓ］を用い、下記の式（２）に従って、熱媒体の供給流量の指示値Ｍ_Vを算出する。式（２）は、ＰＩＤ制御（比例制御、積分制御及び微分制御を組み合わせて制御する手法）を用いた式である。この指示値Ｍ_Vに応じて入側バルブ１５の開閉度合いを調節し、作動室への熱媒体の供給流量を調整する。

式（２）中のその他の記号の意味は以下のとおりである。
・Δｔ：検出器におけるサンプリング間隔［ｓ］
・Ｋ_P：比例ゲイン［ｋｇ／ｓ−Ｋ］
・Ｔ_I：積分時間［ｓ］
・Ｔ_D：微分時間［ｓ］
なお、Ｋ_P、Ｔ_I及びＴ_DはＰＩＤ制御で用いられる制御パラメータであり、限界感度法等により決定される。

圧力センサ１８によって、作動室に存在する熱媒体の静圧を検出する。この出力値が、事前に定められた圧力の基準値（例：熱媒体が静止状態で完全に満たされている時の静圧の値）を下回る場合、熱媒体の充満が不十分な状態にあると判断し、出側バルブ１６を閉じる。一方、圧力センサ１８の出力値が基準値を上回る場合、上記の指示値Ｍ_Vに応じて出側バルブ１６の開閉度合いを調節し、作動室からの熱媒体の排出流量を調整する。

第１実施形態の発熱装置１においては、上記のとおり、作動室（密閉容器）で熱媒体が有効に昇温する。また、作動室への熱媒体の供給温度、作動室からの熱媒体の排出温度、及び回転軸の回転速度に基づき、熱媒体の供給流量及び排出流量が調整される。これにより、作動室に導かれた熱媒体の温度を高い応答性で正確に制御することができる。このため、回転軸の運動エネルギを熱エネルギに有効に変換して回収することができる。

しかも、熱媒体の温度を高い応答性で正確に制御できるので、熱媒体の過昇温を防止できる。その結果、熱媒体の変質、及び発熱装置そのものの耐久性の低下を防止できる。また、作動室が熱媒体で常に満たされるため、作動室に大気（酸化源の酸素）が進入し難い。これにより、作動室及び各種の配管を構成する金属材の腐食を抑制できる。更に、特許文献１の技術のようなバイパス管による循環経路がないため、昇温した熱媒体の熱損失を低減できる。

第１実施形態の発熱装置１は、ロータ羽根車４及びステータ羽根車５の対を２つ備える。この構成によれば、より高い応答性で熱媒体の温度を制御することができる。その理由を以下に示す。

作動室において、熱媒体はロータ羽根車４によって十分に撹拌されるため、熱媒体の温度は均一であると仮定できる。熱媒体の流量制御を開始してからｔ［ｓ］経過した時点での作動室の熱媒体温度をＴ（ｔ）［Ｋ］とし、更に、制御開始時刻ｔ＝０における、作動室の熱媒体温度をＴ₀［Ｋ］、熱媒体の供給温度をＴ_in［Ｋ］とする。作動室内の熱収支は下記の式（Ａ１）で表わされる。

式（Ａ１）中のその他の記号の意味は以下のとおりである。
・Ｎ：制動トルク［Ｎｍ］
・ω：回転軸の回転速度［ｒａｄ／ｓ］
・Ｍ：作動室の熱媒体の質量［ｋｇ］
・Ｍ_V：作動室への熱媒体の供給流量［ｋｇ／ｓ］
・Ｃ_P：熱媒体の比熱［Ｊ／ｋｇ−Ｋ］

式（Ａ１）において、簡単化のために、熱媒体の比熱Ｃ_P、制動トルクＮ、及び回転数ωは一定とし、更に作動室の表面から外部への熱損失は無視できるものとする。また、作動室からの熱媒体の排出温度は作動室の熱媒体温度と等しいものとする。

次に、式（Ａ１）について定常状態（ｄＴ（ｔ）／ｄｔ＝０）における解をＴ_∞［Ｋ］とおくと、Ｔ_∞及び式（Ａ１）の解は、下記の式（Ａ２）及び式（Ａ３）で表わされる。

ここで、熱媒体の排出温度の目標温度をＴ₁［Ｋ］とし、この目標温度Ｔ₁を式（Ａ２）における定常状態での温度Ｔ_∞と一致させるものとする。すると、その際に必要な熱媒体の供給流量Ｍ_Vは、式（Ａ２）を変形することにより、下記の（Ａ４）で表わされる。

また、式（Ａ４）より、熱媒体の供給流量をＭ_Vに設定する。設定してからの作動室の熱媒体温度（すなわち、作動室からの熱媒体の排出温度）の経時変化は、式（Ａ３）を書き改めることにより、下記の式（Ａ５）で表わされる。

式（Ａ５）より、作動室の熱媒体の質量Ｍが小さいほど、熱媒体の排出温度は目標温度Ｔ₁に速やかに漸近し、制御の応答性が高まることを理解できる。作動室の熱媒体質量は、作動室の容積に依存する。このため、作動室の容積が小さいほど、制御の応答性が高まる。したがって、容積の小さい作動室を複数備えれば、より高い応答性で熱媒体の温度を制御することができる。これは、作動室を形成するロータ羽根車４及びステータ羽根車５の対を複数備えることにより、実現される。

第１実施形態の発熱装置１の場合、ロータ羽根車４及びステータ羽根車５を包囲するカバー１０の外表面が断熱材で覆われることが好ましい。また、カバー１０の内部が大気圧よりも低い圧力状態にされることが好ましい。いずれも、作動室で昇温した熱媒体からの放熱を防止できるからである。

第１実施形態の発熱装置１は、風力発電設備に搭載される。つまり、図１に示すように、発熱装置１の回転軸３の延長線上に、風車２０が設けられる。風車２０の回転軸２１は、固定の本体２に対し、軸受２５を介して回転可能に支持される。風車２０の回転軸２１は、クラッチ装置２３及び増速装置２４を介して、発熱装置１の回転軸３に連結される。風車２０の回転軸２１の回転に伴って発熱装置１の回転軸３が回転する。このとき、発熱装置１の回転軸３の回転速度は、増速装置２４によって、風車２０の回転軸２１の回転速度よりも増加する。増速装置２４には、例えば遊星歯車機構を適用できる。

このような風力発電設備では、風車２０が風力を受けて回転する（図１の白抜き矢印参照）。風車２０の回転に伴って発熱装置１の回転軸３が回転する。これにより、熱が発生し、発生した熱は蓄熱装置に回収される。すなわち、風車２０の回転に基づく発熱装置１の回転軸３の運動エネルギの一部が熱エネルギに変換されて回収される。その際、風車２０と発熱装置１との間には、特許文献１の風力発電設備のような油圧ポンプ及び油圧モータが無いため、エネルギの変換ロスが少ない。蓄熱装置に回収された熱は、例えば、熱素子、スターリングエンジン等による発電に利用される。

更に、発熱装置１の回転軸３が回転することにより、熱が発生すると同時に、回転軸３には、回転を減速させる制動力が発生する。これにより、増速装置２４及びクラッチ装置２３を介し風車２０の回転速度が調整される。ここで、クラッチ装置２３は以下の機能を有する。発熱装置１で発熱が必要な場合には、クラッチ装置２３は、風車２０の回転軸２１と発熱装置１の回転軸３とを接続する。これにより、風車２０の回転動力が発熱装置１に伝達される。蓄熱装置に蓄積された熱量が許容量に達し、発熱装置１で発熱の必要が無くなった場合、メンテナンスのために発熱装置１を停機する場合等には、クラッチ装置２３は、風車２０の回転軸２１と発熱装置１の回転軸３との接続を切る。これにより、風車２０の回転動力が発熱装置１に伝達されない。このときに風車２０が風力で自由に回転することのないように、風車２０とクラッチ装置２３との間に、風車２０の回転を止める摩擦式、電磁式等のブレーキ装置２２を設置するのが好ましい。

［第２実施形態］
図３は、第２実施形態の発熱装置の構成を模式的に示す縦断面図である。図３に示す第２実施形態の発熱装置は、前記第１実施形態の発熱装置の構成を基本とする。第２実施形態の発熱装置は、前記第１実施形態と比較し、主にロータ羽根車４及びステータ羽根車５の構成を変形したものである。

図３に示すように、２つのロータ羽根車４の環状部４ｂが回転軸３に直接固定される。これらの環状部４ｂは、互いの開口が反対向きになるように、背中合わせに配置される。各ロータ羽根車４の環状部４ｂとそれぞれ対向するように、ステータ羽根車５の環状部５ｂが配置される。それぞれの環状部４ｂ及び５ｂの開口が互いに向き合う。各ステータ羽根車５の環状部５ｂは、本体２に直接固定される。

ロータ羽根車４及びステータ羽根車５の外側には、全体を包囲するように円筒状の隔壁６Ｂが配置される。この隔壁６Ｂは本体２に固定される。隔壁６Ｂの内部は密封される。ステータ羽根車５の環状部５ｂの外周は隔壁６Ｂの内周に接合され、これにより、ステータ羽根車５と隔壁６Ｂが一体化される。ステータ羽根車５及びこれと一体の隔壁６Ｂ（厳密には本体２も含む）は、ロータ羽根車４を包囲し、密閉容器を形成する。密閉容器の内部空間（厳密には、作動室）に繋がる入側配管１１及び出側配管１２は、隔壁６Ｂを貫通して本体２の外部に導き出される。

その他の構成は、上記した第１実施形態の構成と同じである。したがって、第２実施形態の発熱装置でも、前記第１実施形態と同様の効果を奏する。

特に、第２実施形態では、作動室を形成するロータ羽根車４及びステータ羽根車５の対が２つ設けられ、この２つの対のロータ羽根車４及びステータ羽根車５が回転軸３に沿って正反対に配置される。各ロータ羽根車４には、各作動室の熱媒体の循環流によって回転軸３方向の荷重が負荷されるところ、両者の荷重の向きは互いに反対向きになる。このため、回転軸３に作用する回転軸３方向の負荷が均衡し、発熱装置の耐久性が高まる。

第２実施形態の発熱装置１の場合、ロータ羽根車４及びステータ羽根車５を包囲する隔壁６Ｂの外表面が断熱材で覆われることが好ましい。作動室で昇温した熱媒体からの放熱を防止できるからである。

その他本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。ロータ羽根車及びステータ羽根車の対は、２つに限らず、３つ以上であっても構わない。もちろん、その対が１つであっても構わない。

また、上記の発熱装置は、風力発電設備のみならず、水力発電設備等のように流体運動エネルギを利用した発電設備に搭載することができる。

更に、上記の発熱装置は、車両に搭載することができる。この場合、上記の発熱装置は、補助ブレーキとしての流体式減速装置とは別個に設けられてもよいし、補助ブレーキとして兼用されてもよい。補助ブレーキとして兼用される場合、制動と非制動を切り替えるスイッチ機構を設置すればよい。例えば、制動時には作動室に熱媒体を充満し、非制動時には作動室から熱媒体を排出して作動室を空にすれば足りる。車両に搭載した発熱装置によって回収された熱は、例えば、車体内を暖めるための暖房機の熱源に利用されたり、コンテナ内を冷却するための冷凍機の熱源に利用されたりする。

本発明の流体式発熱装置は、風力発電設備、水力発電設備等のように流体運動エネルギを利用した発電設備、及びトラック、バス等の車両に有用である。

１：流体式発熱装置、 ２：本体、 ３：回転軸、
４：ロータ羽根車、 ４ａ：円板部、 ４ｂ：環状部、
４ｃ：ロータ羽根、
５：ステータ羽根車、 ５ａ：円板部、 ５ｂ：環状部、
５ｃ：ステータ羽根、
６Ａ：隔壁、 ６Ｂ：隔壁、
７：軸受、 ８：軸受、 ９：軸受、
１０：カバー、
１１：入側配管、 １２：出側配管、
１３：入側温度計、 １４：出側温度計、
１５：入側バルブ、 １６：出側バルブ、
１７：回転速度センサ、 １８：圧力センサ、
２０：風車、 ２１：回転軸、 ２２：ブレーキ装置、
２３：クラッチ装置、 ２４：増速装置、 ２５：軸受

Claims (2)

1. 非回転部に回転可能に支持された回転軸と、
   前記回転軸に固定されたロータ羽根車と、
   前記ロータ羽根車と対向するように配置されて前記ロータ羽根車と対を成し、前記非回転部に固定されたステータ羽根車と、
   前記ステータ羽根車と一体で前記ロータ羽根車を包囲し、内部に熱媒体を充満する密閉容器と、
   前記密閉容器内の前記熱媒体に生じた熱を回収する熱回収機構と、を備え、
   前記熱回収機構は、
   前記密閉容器に前記熱媒体を供給する入側配管と、
   前記密閉容器から前記熱媒体を排出する出側配管と、
   前記入側配管及び出側配管に接続された蓄熱装置と、
   前記入側配管の経路に設けられ、前記熱媒体の温度を検出する入側温度計と、
   前記出側配管の経路に設けられ、前記熱媒体の温度を検出する出側温度計と、
   前記入側配管の経路に設けられ、前記密閉容器への前記熱媒体の供給流量を調整する入側バルブと、
   前記出側配管の経路に設けられ、前記密閉容器からの前記熱媒体の排出流量を調整する出側バルブと、
   前記回転軸の回転速度を検出する回転速度センサと、を含み、
   前記回転速度センサ、前記入側温度計及び前記出側温度計の各出力値に基づき、前記入側バルブ及び前記出側バルブがそれぞれ調節される、流体式発熱装置であり、
   前記ロータ羽根車及び前記ステータ羽根車の対を２つ備え、この２つの対のロータ羽根車及びステータ羽根車が回転軸に沿って互いに正反対に配置される、流体式発熱装置。
2. 請求項１に記載の流体式発熱装置において、
   前記熱回収機構は、前記密閉容器内の圧力を検出する圧力センサを備え、
   前記圧力センサの出力値に基づき、前記出側バルブが調節される、流体式発熱装置。