JP6485291B2 - 渦電流式発熱装置 - 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発熱装置に関する。特に、本発明は、永久磁石（以下、単に「磁石」ともいう）を用い、磁石からの磁界の作用によって生じる渦電流を利用した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、羽根車が風力を受けて回転する。羽根車の回転軸は発電機の入力軸に連結されており、羽根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の発電設備は渦電流式減速装置を備え、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渦電流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。

渦電流式減速装置は、永久磁石からの磁界の作用によって生じる渦電流を利用し、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羽根車の回転速度が調整される。

また、渦電流式減速装置においては、渦電流の発生により、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。つまり、風力エネルギの一部が熱エネルギに変換される。その熱（熱エネルギ）が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の渦電流式減速装置は、羽根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。

また、渦電流式減速装置は、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、車両に搭載された渦電流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、回転軸である羽根車と渦電流式減速装置（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、発熱装置としての渦電流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の渦電流式減速装置の場合、複数の磁石が円筒状のロータの内周面に対向し、円周方向にわたり配列される。これらの磁石の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、回転軸を中心とする周方向であって、円周方向に隣接する磁石同士で一律である。このため、磁石からの磁界が広がらず、ロータに到達する磁束密度が少ない。そうすると、実質的に、磁石からの磁界の作用によってロータに生じる渦電流が小さくなり、十分な発熱が得られない。

更に、特許文献１の渦電流式減速装置の場合、稼働中に磁石の温度が上昇することがある。磁石の温度上昇が著しくなると、磁力は低下する。以下、このような事態を減磁ともいう。磁力が低下すると、ロータに生じる渦電流が更に小さくなり、十分な発熱が得られない。

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、磁石の温度上昇を抑制することができ、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渦電流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渦電流式発熱装置は、下記（１）又は（２）の構成を備える。

（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発熱部材と、
前記発熱部材に隙間を空けて対向し、互いに隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる複数の永久磁石と、
前記永久磁石を保持し、前記非回転部に固定された磁石保持部材と、
前記非回転部に固定されて前記発熱部材及び前記永久磁石を包囲する密閉容器と、
前記密閉容器内を、前記発熱部材が存在する第１空間と前記永久磁石が存在する第２空間とに仕切る非磁性の隔壁と、
前記発熱部材に生じた熱を回収する熱回収機構と、
前記永久磁石を冷却する冷却機構と、を備える。

（２）非回転部に回転可能に支持された回転軸と、
前記非回転部に固定された発熱部材と、
前記発熱部材に隙間を空けて対向し、互いに隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる複数の永久磁石と、
前記永久磁石を保持し、前記回転軸に固定された磁石保持部材と、
前記非回転部に固定されて前記発熱部材及び前記永久磁石を包囲する密閉容器と、
前記密閉容器内を、前記発熱部材が存在する第１空間と前記永久磁石が存在する第２空間とに仕切る非磁性の隔壁と、
前記発熱部材に生じた熱を回収する熱回収機構と、
前記永久磁石を冷却する冷却機構と、を備える。

上記（１）又は（２）の渦電流式発熱装置は、更に下記の構成を備える。

前記熱回収機構は、
前記密閉容器の前記第１空間に繋がる入口及び出口にそれぞれ接続された第１配管と、
前記各第１配管に接続された蓄熱装置と、
前記第１空間、前記第１配管、及び前記蓄熱装置を循環する蓄熱用熱媒体と、を含む。
前記冷却機構は、
前記密閉容器の前記第２空間に繋がる吸入口及び排出口にそれぞれ接続された第２配管と、
前記各第１配管、及び前記各第２配管に接続された熱交換器と、
前記第２空間、前記第２配管、及び前記熱交換器を循環する磁石冷却用熱媒体と、を含む。
前記熱交換器は、
再生器と、凝縮器と、蒸発器と、吸収器と、冷却塔と、を備えるとともに、前記再生器、前記凝縮器、前記蒸発器、及び前記吸収器を循環する熱交換器用熱媒体を備える。
前記再生器は、前記第１配管からの前記蓄熱用熱媒体と液化した前記熱交換器用熱媒体との熱交換により、前記熱交換器用熱媒体を蒸発させる。
前記蒸発器は、前記第２配管からの前記磁石冷却用熱媒体と液化した前記熱交換器用熱媒体との熱交換により、前記熱交換器用熱媒体を蒸発させる。

本発明の渦電流式発熱装置によれば、磁石の温度上昇を抑制することができ、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縦断面図である。 図２は、第１実施形態の発熱装置の横断面図である。 図３は、第１実施形態の熱交換器を模式的に示す図である。 図４は、第１実施形態の発熱装置における発熱部材の好適な態様の一例を示す横断面図である。 図５は、第２実施形態の発熱装置の縦断面図である。 図６は、第３実施形態の発熱装置の縦断面図である。 図７は、第３実施形態の熱交換器を模式的に示す図である。

本発明の実施形態による渦電流式発熱装置は、回転軸と、発熱部材と、複数の永久磁石と、磁石保持部材と、密閉容器と、非磁性の隔壁と、熱回収機構と、冷却機構と、を備える。回転軸は、非回転部に回転可能に支持される。発熱部材は、前記回転軸に固定される。複数の永久磁石は、前記発熱部材に隙間を空けて対向し、互いに隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる。磁石保持部材は、前記永久磁石を保持し、前記非回転部に固定される。密閉容器は、前記非回転部に固定されて前記発熱部材及び前記永久磁石を包囲する。非磁性の隔壁は、前記密閉容器内を、前記発熱部材が存在する第１空間と前記永久磁石が存在する第２空間とに仕切る。熱回収機構は、前記発熱部材に生じた熱を回収する。冷却機構は、前記永久磁石を冷却する。

また、本発明の他の実施形態による渦電流式発熱装置において、発熱部材は、非回転部に固定されても構わない。この場合、磁石保持部材は、回転軸に固定される。

前記熱回収機構は、第１配管と、蓄熱装置と、蓄熱用熱媒体と、を含む。第１配管は、前記密閉容器の前記第１空間に繋がる入口及び出口にそれぞれ接続される。蓄熱装置は、前記各第１配管に接続される。蓄熱用熱媒体は、前記第１空間、前記第１配管、及び前記蓄熱装置を循環する。

前記冷却機構は、第２配管と、熱交換器と、磁石冷却用熱媒体と、を含む。第２配管は、前記密閉容器の前記第２空間に繋がる吸入口及び排出口にそれぞれ接続される。熱交換器は、前記各第１配管、及び前記各第２配管に接続される。磁石冷却用熱媒体は、前記第２空間、前記第２配管、及び前記熱交換器を循環する。

前記熱交換器は、再生器と、凝縮器と、蒸発器と、吸収器と、冷却塔と、を備えるとともに、熱交換器用熱媒体を備える。熱交換器用熱媒体は、前記再生器、前記凝縮器、前記蒸発器、及び前記吸収器を循環する。前記再生器は、前記第１配管からの前記蓄熱用熱媒体と液化した前記熱交換器用熱媒体との熱交換により、前記熱交換器用熱媒体を蒸発させる。前記蒸発器は、前記第２配管からの前記磁石冷却用熱媒体と液化した前記熱交換器用熱媒体との熱交換により、前記熱交換器用熱媒体を蒸発させる。

本実施形態の渦電流式発熱装置によれば、発熱部材に対向する磁石の磁極の配置が、互いに隣接する磁石同士で交互に異なるため、磁石からの磁界が広がり、発熱部材に到達する磁束密度が多くなる。これにより、磁石からの磁界の作用によって発熱部材に生じる渦電流が大きくなり、十分な発熱が得られる。しかも、磁石が、冷却機構により冷却される。この冷却により、磁石の温度上昇が抑制され、減磁が起こりにくい。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。

上記の発熱装置は、以下の構成を採用できる。前記熱交換器には、前記各第１配管に代わって、外気に開放する一対の第３配管が接続される。前記再生器は、前記各第３配管からの前記外気と液化した前記熱交換器用熱媒体との熱交換により、前記熱交換器用熱媒体を蒸発させる。

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縦断面図である。図２は、第１実施形態の発熱装置の横断面図である。図１及び図２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、発熱部材４と、複数の永久磁石５と、磁石保持部材６と、密閉容器と、非磁性の隔壁１５と、熱回収機構と、冷却機構と、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。

発熱部材４は、回転軸３に固定される。発熱部材４は、回転軸３を軸心とする円筒部材４Ａと、この円筒部材４Ａと回転軸３を繋ぐ円板状の連結部材４Ｂと、を含む。連結部材４Ｂには、軽量化及び熱回収のために、複数の貫通穴４Ｃが設けられる。磁石保持部材６は、発熱部材４の外側に配置され、本体２に固定される。磁石保持部材６は、回転軸３を軸心とする円筒部材６ａを含む。円筒部材６ａは磁石５を保持する。

磁石５は、円筒部材６ａの内周面に固定され、発熱部材４（円筒部材４Ａ）の外周面に対し隙間を空けて対向する。ここで、図２に示すように、磁石５は、円周方向にわたり配列される。これらの磁石５の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、回転軸３を中心とする径方向であって、円周方向に隣接する磁石５同士で交互に異なる。第１実施形態の場合、磁石５を直接保持する円筒部材６ａの材質は、強磁性材料である。

発熱部材４の材質、特に磁石５と対向する円筒部材４Ａの外周面の表層部の材質は、導電性材料である。導電性材料としては、強磁性金属材料（例：炭素鋼、鋳鉄等）、弱磁性金属材料（例：フェライト系ステンレス鋼等）、又は非磁性金属材料（例：アルミニウム合金、オーステナイト系ステンレス鋼、銅合金等）が挙げられる。

第１実施形態では、密閉容器は、本体２と磁石保持部材６の円筒部材６ａとで形成される。すなわち、密閉容器は、非回転部に固定される。密閉容器は、発熱部材４及び磁石５を包囲する。発熱部材４と磁石５との隙間には、円筒状の隔壁１５が配置される。この隔壁１５は本体２に固定される。隔壁１５は、密閉容器内を第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とに仕切る。第１空間Ｓ１内には、発熱部材４が存在する。第２空間Ｓ２内には、磁石５が存在する。隔壁１５の材質は非磁性材料である。磁石５から発熱部材４への磁界に悪影響を及ぼさないようにするためである。第１実施形態では、第１空間Ｓ１に繋がる入口１１及び出口１２が設けられる。第２空間Ｓ２に繋がる吸入口１３及び排出口１４が設けられる。

回転軸３が回転すると、発熱部材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、磁石５と発熱部材４との間に相対的な回転速度差が生じる。このとき、図２に示すように、発熱部材４（円筒部材４Ａ）の外周面と対向する磁石５に関し、磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、回転軸３を中心とする径方向であって、円周方向に隣接する磁石５同士で交互に異なる。また、磁石５を保持する円筒部材６ａが強磁性体である。

このため、磁石５からの磁束（磁界）は、次のような状況になる。互いに隣接する磁石５のうちの一方の磁石５のＮ極から出た磁束は、この磁石５に対向する発熱部材４（円筒部材４Ａ）に達する。発熱部材４に達した磁束は、他方の磁石５のＳ極に達する。他方の磁石５のＮ極から出た磁束は、円筒部材６ａを通じて一方の磁石５のＳ極に達する。つまり、円周方向に隣接する磁石５同士、磁石５を保持する円筒部材６ａ、及び発熱部材４との間に、磁石５による磁気回路が形成される。このような磁気回路が、円周方向の全域にわたり、交互にその磁束の向きを逆向きにして形成される。そうすると、磁石５からの磁界が広がり、発熱部材４に到達する磁束密度が多くなる。

磁石５と発熱部材４との間に相対的な回転速度差が生じた状態において、磁石５から発熱部材４に磁界が作用すると、発熱部材４（円筒部材４Ａ）の外周面に渦電流が発生する。この渦電流と、磁石５からの磁束密度との相互作用により、フレミングの左手の法則に従い、回転軸３と一体で回転する発熱部材４には回転方向と逆向きの制動力が発生する。

更に、渦電流の発生により、制動力が発生すると同時に、発熱部材４に熱が発生する。上記のとおり、発熱部材４に到達する磁束密度が多いので、磁石５からの磁界の作用によって発熱部材４に生じる渦電流が大きくなり、十分な発熱が得られる。

発熱装置１は、発熱部材４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。熱回収機構は、第１配管と、蓄熱装置と、蓄熱用熱媒体と、を含む。

第１配管は、入側配管４１及び出側配管４２からなる。第１空間Ｓ１（発熱部材存在空間）の入口１１及び出口１２のそれぞれには、入側配管４１及び出側配管４２が接続される。また、入側配管４１及び出側配管４２は、蓄熱装置５０に接続される。更に、第１配管は、熱交換器３５にも接続される。具体的には、図１に示すように出側配管４２は、分岐して蓄熱装置５０と熱交換器３５とに接続される。入側配管４１も同様に、分岐して蓄熱装置５０と熱交換器３５とに接続される。より詳しくは、後述するように、入側配管４１及び出側配管４２は、熱交換器３５の再生器３５Ａに接続される。第１空間Ｓ１、第１配管、及び蓄熱装置５０、は一連の経路を形成し、この経路中を蓄熱用熱媒体が流通して循環する（図１中の実線矢印参照）。また、出側配管４２内の蓄熱用熱媒体の一部は、上記経路から分岐して熱交換器３５に導かれる。出側配管４２の分岐点には弁３９が配置される。弁３９は、分岐させる蓄熱用熱媒体の流量を調整する。分岐した蓄熱用熱媒体は、熱交換器３５を出ると、上記の経路に合流する。なお、この経路中には、蓄熱用熱媒体を送り出すポンプ３６が設置される。

このような構成によれば、ポンプ３６の駆動により、蓄熱用熱媒体が入口１１から第１空間Ｓ１に導入される（図１中の実線矢印参照）。第１空間Ｓ１に導入された蓄熱用熱媒体は、発熱部材４の近傍領域を流通する。発熱部材４に生じた熱は、第１空間Ｓ１を流通する蓄熱用熱媒体に伝達される。第１空間Ｓ１内の蓄熱用熱媒体は、第１空間Ｓ１の出口１２から排出され、出側配管４２を通じて蓄熱装置５０に導かれる。蓄熱装置５０は、熱交換によって蓄熱用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５０を経た蓄熱用熱媒体は、入側配管４１を通じ、入口１１から第１空間Ｓ１に戻る。このようにして、発熱部材４に生じた熱が回収される。熱交換器３５に導かれる蓄熱用熱媒体は、後述するように、磁石冷却用熱媒体の冷却に活用される。

蓄熱用熱媒体は、例えば硝酸塩系の溶融塩（例：硝酸ナトリウム６０％と硝酸カリウム４０％との混合塩）である。蓄熱用熱媒体にはその他に、熱媒油、水（蒸気）、空気、超臨界ＣＯ₂等を適用してもよい。

上述したように、渦電流式発熱装置では、磁石５の温度が上昇するため、磁石５の減磁が起こりやすい。そこで、発熱装置１は、磁石５を冷却するために、冷却機構を備える。冷却機構は、第２配管と、熱交換器３５と、磁石冷却用熱媒体と、を含む。

第２配管は、吸入側配管３１及び排出側配管３２からなる。第２空間Ｓ２（磁石存在空間）の吸入口１３及び排出口１４のそれぞれには、吸入側配管３１及び排出側配管３２が接続される。吸入側配管３１及び排出側配管３２は、熱交換器３５に接続される。より詳しくは、後述するように、吸入側配管３１及び排出側配管３２は、蒸発器３５Ｃに接続される。第２空間Ｓ２、吸入側配管３１、排出側配管３２、及び熱交換器３５は一連の経路を形成し、この経路中を磁石冷却用熱媒体が流通して循環する（図１中の点線矢印参照）。この経路中には、磁石冷却用熱媒体を送り出すポンプ３８が設置される。

このような構成によれば、ポンプ３８の駆動により、磁石冷却用熱媒体が吸入口１３から第２空間Ｓ２に導入される（図１中の点線矢印参照）。第２空間Ｓ２に導入された磁石冷却用熱媒体は、磁石５の近傍領域を流通する。その際、磁石５が冷却される。磁石５を冷却した磁石冷却用熱媒体は、排出口１４から排出側配管３２に排出される（図１中の点線矢印参照）。排出側配管３２に排出された磁石冷却用熱媒体は、熱交換器３５で冷却され、吸入側配管３１に送り出される。このようにして、磁石５を磁石冷却用熱媒体によって強制的に冷却し、磁石５の温度上昇を抑制することができる。磁石冷却用熱媒体は、例えば空気、水、熱媒油、ＣＯ₂等である。なお、簡便のため、図１中の上部に示す入口１１等に接続される配管等は省略する。

図３は、第１実施形態の熱交換器を模式的に示す図である。図１に示すように、熱交換器３５は、再生器３５Ａと、凝縮器３５Ｂと、蒸発器３５Ｃと、吸収器３５Ｄと、冷却塔３６と、を備える。更に、熱交換器３５は、熱交換器用熱媒体を備える。再生器３５Ａ、凝縮器３５Ｂ、蒸発器３５Ｃ、及び吸収器３５Ｄは一連の経路を形成し、この経路中を熱交換器用熱媒体が流通して循環する。熱交換器用熱媒体は、例えば水、ＣＯ₂、アンモニア、プロパン、イソブタン、フロン等である。

再生器３５Ａには、第１空間Ｓ１からの第１配管（入側配管４１及び出側配管４２）が接続される。再生器３５Ａ内には、液化した熱交換器用熱媒体が存在する。具体的には、第１空間Ｓ１を出た高温の蓄熱用熱媒体は、第１配管（出側配管４２）を介して再生器３５Ａに入る。再生器３５Ａでは、高温の蓄熱用熱媒体と液化した熱交換器用熱媒体とが熱交換する。すなわち、蓄熱用熱媒体が熱交換器用熱媒体に熱エネルギを与える。熱交換後、蓄熱用熱媒体は、第１配管（入側配管４１）を介して再生器３５Ａを出る。この熱交換により、熱交換器用熱媒体は蒸発する。気化した熱交換器用熱媒体は、凝縮器３５Ｂに導かれる。

凝縮器３５Ｂには、冷却塔３６の冷却管３７が接続される。冷却管３７内は冷媒体が循環する。凝縮器３５Ｂでは、冷却管３７からの冷媒体と気化した熱交換器用熱媒体とが熱交換する。この熱交換により、熱交換器用熱媒体は液化する。液化した熱交換器用熱媒体は、蒸発器３５Ｃに導かれる。

蒸発器３５Ｃには、第２空間Ｓ２からの第２配管（吸入側配管３１及び排出側配管３２）が接続される。蒸発器３５Ｃ内には、液化した熱交換器用熱媒体が存在する。具体的には、第２空間Ｓ２を出た高温の磁石冷却用熱媒体は、第２配管（排出側配管３２）を介して蒸発器３５Ｃに入る。蒸発器３５Ｃでは、高温の磁石冷却用熱媒体と液化した熱交換器用熱媒体とが熱交換する。すなわち、磁石冷却用熱媒体は、熱交換器用熱媒体に熱エネルギを与える。熱交換後、磁石冷却用熱媒体は、第２配管（吸入側配管３１）を介して蒸発器３５Ｃを出る。この熱交換により、熱交換器用熱媒体は蒸発する。このとき、熱交換器用熱媒体は、磁石冷却用熱媒体から気化熱を奪う。したがって、磁石冷却用熱媒体は冷却される。冷却された磁石冷却用熱媒体は、第２配管（吸入側配管３１）を通り、第２空間Ｓ２に戻る。これにより、磁石５が冷却される。また、気化した熱交換器用熱媒体は、吸収器３５Ｄに導かれる。

吸収器３５Ｄには、冷却塔３６の冷却管３７が接続される。吸収器３５Ｄでは、冷却管３７からの冷媒体と気化した熱交換器用熱媒体とが熱交換する。この熱交換により、熱交換器用熱媒体は液化する。液化した熱交換器用熱媒体は、再生器３５Ａに戻る。

第１実施形態の発熱装置１においては、上記のとおり、発熱部材４で十分な発熱が得られる。しかも、第１実施形態の発熱装置１では、蓄熱用熱媒体の一部が熱交換器３５に導かれる。この蓄熱用熱媒体の熱を活用して磁石冷却熱媒体が冷却される。そして、冷却された磁石冷却用熱媒体によって、磁石５が冷却されるため、磁石５の温度上昇を抑制できる。その結果、発熱装置１が連続運転を行っても磁石５の減磁が起こりにくい。したがって、回転軸３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。

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。すなわち、図１に示すように、発熱装置１の回転軸３の延長線上に、風車である羽根車２０が設けられる。羽根車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。羽根車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。羽根車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、羽根車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、羽根車２０が風力を受けて回転する（図１の白抜き矢印参照）。羽根車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、発熱部材４で熱が発生し、発生した熱は蓄熱装置に回収される。すなわち、羽根車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、羽根車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、発熱部材４が発熱すると同時に、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を介し羽根車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、羽根車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、羽根車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、羽根車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、羽根車２０の回転動力が発熱装置１に伝達されない。このときに羽根車２０が風力で自由に回転することのないように、羽根車２０とクラッチ装置２３との間に、羽根車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。

上記のとおり、発熱部材４（円筒部材４Ａ）に発生した渦電流により、発熱部材４が発熱する。このため、磁石５は発熱部材４からの輻射熱によって温度が上昇し、保有する磁力が低下するおそれがある。そこで、磁石５の温度上昇を抑制する工夫を施すことが望ましい。

この点、第１実施形態の発熱装置１では、発熱部材４からの輻射熱が隔壁１５によって遮断される。これにより、冷却機構による磁石５の冷却に加え、更に磁石５の温度上昇を防止することができる。また、この場合、磁石５と隔壁１５との間に、断熱材が充填されたり、磁石５と隔壁１５との間が真空状態にされたりすることが好ましい。発熱部材４からの輻射熱をより確実に遮断することができるからである。

図４は、第１実施形態の発熱装置における発熱部材の好適な態様の一例を示す横断面図である。図４では、磁石５と対向する発熱部材４（円筒部材４Ａ）の外周面近傍を拡大して示す。図４に示すように、発熱部材４は、基材４ａの外周面に、第１層４ｂ、第２層４ｃ及び酸化防止皮膜層４ｄが順に積層される。基材４ａの材質は、熱伝導率の高い導電性金属材料（例：銅合金、アルミニウム合金等）である。第１層４ｂの材質は、強磁性金属材料（例：炭素鋼、鋳鉄等）である。第２層４ｃの材質は、非磁性金属材料又は弱磁性金属材料であり、特に第１層４ｂに比べて導電率の高い材料（例：アルミニウム合金、銅合金等）が望ましい。酸化防止皮膜層４ｄは、例えばＮｉ（ニッケル）めっき層である。

基材４ａと第１層４ｂとの間、第１層４ｂと第２層４ｃとの間、第２層４ｃと酸化防止皮膜層４ｄとの間には、それぞれ緩衝層４ｅが積層される。緩衝層４ｅの線膨張係数は、隣接する一方の材料の線膨張係数よりも大きく、他方の材料の線膨張係数よりも小さい。各層の剥離を防止するためである。緩衝層４ｅは、例えばＮｉＰ（ニッケル−リン）めっき層である。

このような積層構造によれば、磁石５からの磁界の作用によって発熱部材４に生じる渦電流がより大きくなり、高い制動力とより十分な発熱を得ることが可能になる。ただし、第２層４ｃは省いて構わないし、緩衝層４ｅも省いて構わない。

［第２実施形態］
図５は、第２実施形態の発熱装置の縦断面図である。図５に示す第２実施形態の発熱装置１は、前記第１実施形態の発熱装置１の構成を基本とする。第２実施形態の発熱装置１は、前記第１実施形態と比較し、主に発熱部材４が非回転部に固定され、磁石５が回転軸３に固定される点で相違する。

発熱部材４は、回転軸３を軸心とする円筒状であり、本体２（非回転部）に固定される。磁石保持部材６は、発熱部材４の内側に配置され、回転軸３に固定される。磁石保持部材６は、回転軸３を軸心とする円筒部材６ａと、この円筒部材６ａと回転軸３を繋ぐ円板状の連結部材６ｂと、を含む。円筒部材６ａは磁石５を保持する。連結部材６ｂには、軽量化のために、複数の貫通穴６ｃが設けられる。

磁石５は、円筒部材６ａの外周面に固定され、発熱部材４の内周面に対し隙間を空けて対向する。ここで、磁石５は、円周方向にわたり配列される。これらの磁石５の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、回転軸３を中心とする径方向であって、円周方向に隣接する磁石５同士で交互に異なる。第２実施形態の場合、磁石５を直接保持する円筒部材６ａの材質は、強磁性材料である。また、発熱部材４の外側には、全体を包囲するように円筒状のカバー８が配置される。このカバー８は、本体２に固定される。

第２実施形態では、密閉容器は、本体２とカバー８とで形成される。第１実施形態と同様に、発熱部材４と磁石５との隙間には、円筒状の隔壁１５が配置される。この隔壁１５は、密閉容器内を第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とに仕切る。第１空間Ｓ１内には、発熱部材４が存在する。第２空間Ｓ２内には、磁石５が存在する。

要するに、第２実施形態では、固定の発熱部材４に対し、磁石５が回転する。これにより、磁石５と発熱部材４との間に相対的な回転速度差が生じる。したがって、第１実施形態と同様に、発熱部材４で十分な発熱が得られる。また、第１実施形態と同様に、第２実施形態の発熱装置１は冷却機構を備える。そのため、磁石５の温度上昇も抑制されるため、回転軸３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。

［第３実施形態］
図６は、第３実施形態の発熱装置の縦断面図である。図６に示す第３実施形態の発熱装置１は、前記第１実施形態の発熱装置１の構成を基本とする。第３実施形態の発熱装置１は、前記第１実施形態と比較し、主に熱交換器３５に、第１配管（入側配管４１及び出側配管４２）に代わって第３配管が接続される点で相違する。

第１配管は、入側配管４１及び出側配管４２からなる。第１空間Ｓ１の入口１１及び出口１２のそれぞれには、第１実施形態と同様に、入側配管４１及び出側配管４２が接続される。入側配管４１及び出側配管４２は、蓄熱装置５０に接続される。第３実施形態では、入側配管４１及び出側配管４２は、熱交換器３５に接続されない。

第３実施形態では、熱交換器３５には、一対の第３配管が接続される。第３配管は、入側配管６１及び出側配管６２からなる。第３配管（入側配管６１及び出側配管６２）は、外気に開放される。すなわち、第３実施形態では、外気を活用して磁石冷却用熱媒体を冷却する。

図７は、第３実施形態の熱交換器を模式的に示す図である。第３実施形態の熱交換器３５は、第１実施形態の熱交換器の構成を基本とする。第３実施形態の熱交換器３５は、前記第１実施形態と比較し、主に再生器３５Ａに、第３配管（入側配管６１及び出側配管６２）が接続される点で相違する。

再生器３５Ａには、第３配管（入側配管６１及び出側配管６２）が接続される。第３配管（入側配管６１及び出側配管６２）は外気に開放される。すなわち、再生器３５Ａには、入側配管６１から外気が導かれる。再生器３５Ａでは、入側配管６１からの外気と液化した熱交換器用熱媒体とが熱交換する。熱交換後、出側配管６２内の外気は外気に開放される。この熱交換により、第１実施形態と同様に、再生器３５Ａ内の熱交換器用熱媒体は蒸発する。

外気により熱交換器用熱媒体を効率的に蒸発させるためには、第３配管（入側配管６１）は、圧縮機６３を備えるのが好ましい。この場合、再生器３５Ａに導かれる外気（熱媒体）は圧縮されることにより、温度が高くなる。そのため、再生器３５Ａ内の熱交換器用熱媒体が蒸発しやすい。すなわち、熱交換効率が高い。

凝縮器３５Ｂ、蒸発器３５Ｃ、及び吸収器３５Ｄでは、第１実施形態と同様に、熱交換器用熱媒体が液化又は気化することで熱交換が行われる。これにより、上述したように蒸発器３５Ｃ内で、磁石冷却用熱媒体が冷却される。

要するに、第３実施形態の発熱装置１では、外気を熱交換器３５に導く。この外気の熱を活用して磁石冷却熱媒体を冷却する。そして、冷却された磁石冷却用熱媒体によって、磁石５が冷却される。したがって、第１実施形態と同様に、発熱部材４で十分な発熱が得られる。また、磁石５の温度上昇も抑制されるため、回転軸３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。

このような磁石冷却機構は、前記第２実施形態の発熱装置１に適用することも可能である。

上記の実施形態では、いずれも磁石５は回転軸３を中心とする円周方向にわたり配列され、磁石５の磁極の配置は、回転軸３を中心とする径方向である。しかしながら、磁石５の配列及び磁極の配置は、上記実施形態の態様に限定されない。例えば、円周方向にわたり配列された磁石５の磁極の配置は、回転軸３を中心とする円周方向であってもよい。この場合であっても、磁極の配置は円周方向に隣接する磁石５同士で交互に異なる。また、磁石５の配置は、軸方向にわたり配列されてもよい。この場合、磁極の配置は、回転軸３に沿った軸方向である。この場合であっても、磁極の配置は軸方向に隣接する磁石５同士で異なる。

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。例えば、上記の実施形態では、発熱部材４が円筒状とされているが、これに代えて、回転軸３を軸心とする円板状とされても構わない。この場合、磁石保持部材６も回転軸３を軸心とする円板状とされる。この円板部材は、円板状の発熱部材の主面（軸方向の両面のうちの一方の面）と対向し、この主面と対向する面に磁石５を保持する。これにより、磁石は、発熱部材の主面に対し隙間を空けて対向する。この場合、磁石５の配列形態は、例えば、以下の３種類となる。

第１の配列態様では、磁石は、回転軸３を中心とする円周方向にわたり配列される。これらの磁石の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、軸方向であって、円周方向に隣接する磁石同士で交互に異なる。この場合、磁石を直接保持する円板部材の材質は、強磁性材料である。

第２の配列態様では、磁石は、回転軸３を中心とする円周方向にわたり配列される。これらの磁石の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、周方向であって、円周方向に隣接する磁石同士で交互に異なる。この場合、磁石を直接保持する円板部材の材質は、非磁性材料である。円周方向で隣接する磁石の間に強磁性体からなるポールピースが設けられる。

第３の配列態様では、磁石は、回転軸３を中心とする径方向にわたり同心円状に配列される。これらの磁石の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、径方向であって、径方向に隣接する磁石同士で交互に異なる。この場合、磁石を直接保持する円板部材の材質は、非磁性材料である。径方向で隣接する磁石の間に強磁性体からなるポールピースが設けられる。更に、ポールピースは、径方向の両端に配置された磁石の端にも設けられる。

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渦電流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。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。

本発明の渦電流式発熱装置は、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：渦電流式発熱装置、 ２：本体、 ３：回転軸、
４：発熱部材、 ４Ａ：円筒部材、 ４Ｂ：連結部材、 ４Ｃ：貫通穴、
５：永久磁石、 ６：磁石保持部材、 ６ａ：円筒部材、
７：軸受、 ８：カバー、
１１：入口、 １２：出口、 １３：吸入口、 １４：排出口、
１５：隔壁、 ２０：羽根車、 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、
３１：吸入側配管、 ３２：排出側配管、 ３５：蓄熱装置、
３５Ａ：再生器、 ３５Ｂ：凝縮器、 ３５Ｃ：蒸発器、 ３５Ｄ：吸収器、
４１：入側配管（第１配管）、 ４２：出側配管（第１配管）、
５０：熱交換器、 ６１：入側配管（第３配管）、
６２：出側配管（第３配管）、 ６３：圧縮機、
Ｓ１：第１空間、 Ｓ２：第２空間

Claims (3)

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発熱部材と、
   前記発熱部材に隙間を空けて対向し、互いに隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる複数の永久磁石と、
   前記永久磁石を保持し、前記非回転部に固定された磁石保持部材と、
   前記非回転部に固定されて前記発熱部材及び前記永久磁石を包囲する密閉容器と、
   前記密閉容器内を、前記発熱部材が存在する第１空間と前記永久磁石が存在する第２空間とに仕切る非磁性の隔壁と、
   前記発熱部材に生じた熱を回収する熱回収機構と、
   前記永久磁石を冷却する冷却機構と、を備え、
   前記熱回収機構は、
   前記密閉容器の前記第１空間に繋がる入口及び出口にそれぞれ接続された第１配管と、
   前記各第１配管に接続された蓄熱装置と、
   前記第１空間、前記第１配管、及び前記蓄熱装置を循環する蓄熱用熱媒体と、を含み、
   前記冷却機構は、
   前記密閉容器の前記第２空間に繋がる吸入口及び排出口にそれぞれ接続された第２配管と、
   前記各第１配管、及び前記各第２配管に接続された熱交換器と、
   前記第２空間、前記第２配管、及び前記熱交換器を循環する磁石冷却用熱媒体と、を含み、
   前記熱交換器は、
   再生器と、凝縮器と、蒸発器と、吸収器と、冷却塔と、を備えるとともに、前記再生器、前記凝縮器、前記蒸発器、及び前記吸収器を循環する熱交換器用熱媒体を備え、
   前記再生器は、前記第１配管からの前記蓄熱用熱媒体と液化した前記熱交換器用熱媒体との熱交換により、前記熱交換器用熱媒体を蒸発させ、
   前記蒸発器は、前記第２配管からの前記磁石冷却用熱媒体と液化した前記熱交換器用熱媒体との熱交換により、前記熱交換器用熱媒体を蒸発させる、渦電流式発熱装置。
2. 非回転部に回転可能に支持された回転軸と、
   前記非回転部に固定された発熱部材と、
   前記発熱部材に隙間を空けて対向し、互いに隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる複数の永久磁石と、
   前記永久磁石を保持し、前記回転軸に固定された磁石保持部材と、
   前記非回転部に固定されて前記発熱部材及び前記永久磁石を包囲する密閉容器と、
   前記密閉容器内を、前記発熱部材が存在する第１空間と前記永久磁石が存在する第２空間とに仕切る非磁性の隔壁と、
   前記発熱部材に生じた熱を回収する熱回収機構と、
   前記永久磁石を冷却する冷却機構と、を備え、
   前記熱回収機構は、
   前記密閉容器の前記第１空間に繋がる入口及び出口にそれぞれ接続された第１配管と、
   前記各第１配管に接続された蓄熱装置と、
   前記第１空間、前記第１配管、及び前記蓄熱装置を循環する蓄熱用熱媒体と、を含み、
   前記冷却機構は、
   前記密閉容器の前記第２空間に繋がる吸入口及び排出口にそれぞれ接続された第２配管と、
   前記各第１配管、及び前記各第２配管に接続された熱交換器と、
   前記第２空間、前記第２配管、及び前記熱交換器を循環する磁石冷却用熱媒体と、を含み、
   前記熱交換器は、
   再生器と、凝縮器と、蒸発器と、吸収器と、冷却塔と、を備えるとともに、前記再生器、前記凝縮器、前記蒸発器、及び前記吸収器を循環する熱交換器用熱媒体を備え、
   前記再生器は、前記第１配管からの前記蓄熱用熱媒体と液化した前記熱交換器用熱媒体との熱交換により、前記熱交換器用熱媒体を蒸発させ、
   前記蒸発器は、前記第２配管からの前記磁石冷却用熱媒体と液化した前記熱交換器用熱媒体との熱交換により、前記熱交換器用熱媒体を蒸発させる、渦電流式発熱装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記熱交換器には、前記各第１配管に代わって、外気に開放する一対の第３配管が接続され、
   前記再生器は、前記各第３配管からの前記外気と液化した前記熱交換器用熱媒体との熱交換により、前記熱交換器用熱媒体を蒸発させる、渦電流式発熱装置。
   

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