JP6593179B2 - 渦電流式発熱装置 - Google Patents

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。特開２０１１−８９４９２号公報（特許文献１）では、エネルギの利用効率の向上を図った風力発電設備が提案されている。特許文献１の発電設備は、熱エネルギを発生させるための発熱装置を備える。

特許文献１の発熱装置の一例は、永久磁石式のリターダ装置を含む。そのリターダ装置は、回転するロータと、ロータの近傍に固定された永久磁石とを備える。ロータが回転することによってロータに渦電流が発生し、ロータが発熱する。リターダ装置で発生した熱は、鉱油によって回収され、蓄熱装置に蓄積される。

上記の発熱装置では、発熱部材（ロータ）から効率よく熱を回収することが重要である。しかし、従来は、効率よく熱を回収する方法について充分に検討されていなかった。特に、発熱部材が回転する場合に効率よく熱を回収する方法について、充分に検討されていなかった。

特開２０１１−８９４９２号公報

上記の状況において、本発明の目的の１つは、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。この装置は、前記回転軸を含む回転部と、前記回転部に固定された円筒状の発熱部材と、前記発熱部材と対向するように配置された永久磁石と、熱媒体が流れる第１、第２、および第３の流路とを含む。前記第１の流路は、前記発熱部材の近傍に設けられている。前記第２の流路は、前記第１の流路に前記熱媒体を供給するための流路である。前記第３の流路は、前記第１の流路を通った前記熱媒体を回収するための流路である。前記第２の流路の少なくとも一部および前記第３の流路の少なくとも一部が前記回転軸内を通っている。

本発明によれば、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が得られる。

図１は、本発明の渦電流式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、図１の線III−IIIにおける断面を模式的に示す。 図４は、本発明の渦電流式発熱装置の他の一例を模式的に示す断面図である。

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、回転部に固定された円筒状の発熱部材と、発熱部材と対向するように配置された永久磁石と、熱媒体が流れる第１、第２、および第３の流路とを含む。第１の流路は、発熱部材の近傍に設けられている。第２の流路は、第１の流路に熱媒体を供給するための流路である。第３の流路は、第１の流路を通った熱媒体を回収するための流路である。第２の流路の少なくとも一部および第３の流路の少なくとも一部が回転軸内を通っている。

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、それ以外の形状を有する発熱部材とによって構成されていてもよい。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。通常、永久磁石は、円筒状の発熱部材の外周面に対向するように配置される。より具体的には、発熱部材の回転によって発熱部材に渦電流が発生するように、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、回転軸と発熱部材とを連結するための連結部材を含んでもよい。発熱部材は、回転部に固定される。換言すれば、発熱部材は、回転軸に固定される。回転部に固定された発熱部材は、回転軸と共に回転する。

第１の流路は、典型的には、第１の流路を流れる熱媒体が発熱部材と接触するように設けられている。流路を流れる熱媒体は、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。

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を含み、さらに蓄熱装置を含んでもよい。たとえば、第１〜第３の流路を含む流路は、蓄熱装置が途中に配置された循環路を構成していてもよい。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、第２の流路および第３の流路から選ばれる少なくとも１つの流路がロータリージョイントを含んでもよい。ロータリージョイントを用いることによって、熱媒体を回転軸中に容易に流すことができる。ロータリージョイントに限定はなく、公知のロータリージョイントを用いてもよい。一例では、第２の流路および第３の流路のいずれか一方が、ロータリージョイントを含む。たとえば、第２の流路のみがロータリージョイントを含んでもよいし、第３の流路のみがロータリージョイントを含んでもよい。

第１の流路は、発熱部材の内部に形成されていてもよい。この場合、熱媒体は発熱部材の内部を流れる。あるいは、第１の流路は、発熱部材の外部に形成されていてもよい。たとえば、本発明の発熱装置は、発熱部材の周囲が第１の流路となるように発熱部材を包囲する容器をさらに含んでもよい。この場合、容器のうち発熱部材と永久磁石との間に存在する部分が非磁性材料からなる。もちろん、容器の他の部分も非磁性材料で形成されてもよい。

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、風力で発熱する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の断面図を図１に模式的に示す。また、図１の線II−IIにおける断面図を図２に模式的に示す。また、図１の線III−IIIにおける断面図を図３に模式的に示す。発熱装置１００は、ケース１０１、回転軸１０２、連結部材１０３、円筒状の発熱部材１０５、複数の永久磁石１０６、および羽根車１０８を含む。発熱装置１００は、さらに、容器１１０、軸受１１１、第２の流路１２０、および第３の流路１３０を含む。なお、本発明の発熱装置は、必要に応じて他の部材や他の機構を備えてもよい（他の実施形態においても同様である）。たとえば、本発明の発熱装置は、風力発電装置で用いられているような機構（クラッチ装置、増速装置など）を備えてもよい。

ケース１０１は、軸受１１１を介して回転軸１０２を回転可能に保持している。回転軸１０２および連結部材１０３は、羽根車１０８の回転に伴って回転する回転部１０４を構成する。発熱部材１０５は、回転部１０４に固定されている。すなわち、発熱部材１０５は、連結部材１０３を介して回転軸１０２に固定されている。

複数の磁石１０６は、回転する発熱部材１０５の外周面を囲むように配置されている。一例では、複数の永久磁石１０６が、仮想の円筒に沿うように配置される。たとえば、複数の棒状の磁石を、周方向に並べて円筒状としてもよい。この場合、棒状の磁石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もよい。また、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。

容器１１０は、発熱部材１０５を囲むように配置されている。換言すれば、発熱部材１０５は、容器１１０の内部空間１１０ａに配置されている。内部空間１１０ａに面する容器１１０の内面は、第１の流路を構成する。容器１１０が発熱することを防止するため、容器１１０のうち、少なくとも発熱部材１０５と永久磁石１０６との間に存在する部分は非磁性材料で形成されてもよい。容器１１０の全体が非磁性材料からなるものであってもよい。

第２の流路１２０は、配管１２１、ジョイント部１２２、流路１２３、および配管１２４を含む。配管１２１は、ジョイント部１２２に接続されている。ジョイント部１２２は、回転軸１０２の周囲に形成されたリング状の空間である。流路１２３は回転軸１０２の内部に形成されている。流路１２３の一端はジョイント部１２２に接続され、他端は配管１２４に接続されている。配管１２４の一端は流路１２３に接続され、他端は容器１１０（第１の流路）に接続されている。

第３の流路１３０は、配管１３１、ジョイント部１３２、流路１３３、および配管１３４を含む。配管１３１は、ジョイント部１３２に接続されている。ジョイント部１３２は、回転軸１０２の周囲に形成されたリング状の空間である。流路１３３は回転軸１０２の内部に形成されている。流路１３３の一端はジョイント部１３２に接続され、他端は配管１３４に接続されている。配管１３４の一端は流路１３３に接続され、他端は容器１１０（第１の流路）に接続されている。流路１２３および１３３は、回転軸１０２に形成された貫通孔である。ジョイント部１２２および１３２は、熱媒体が漏れないようにシールされている。

熱媒体の流れの一例について説明する。熱媒体は、第２の流路１２０から容器１１０の内部空間１１０ａ（第１の流路）に供給される。より具体的には、熱媒体は、配管１２１、ジョイント部１２２、流路１２３、および配管１２４を通って内部空間１１０ａに供給される。発熱部材１０５で発生した熱は、容器１１０内を通る熱媒体によって回収される。熱を回収した熱媒体は、第３の流路１３０を通って回収される。より具体的には、熱媒体は、内部空間１１０ａから、配管１３４、流路１３３、ジョイント部１３２、および配管１３１を通って回収される。

なお、第２の流路と第３の流路とを入れ替えてもよい（他の実施形態においても同様である）。すなわち第３の流路１３０を熱媒体を供給するための第２の流路として利用し、第２の流路１２０を熱媒体を回収するための第３の流路として利用してもよい。

発熱装置１００の機能について以下に説明する。風によって羽根車１０８が回転すると、それに伴って、回転部１０４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、容器１１０内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。

なお、第１実施形態では、第２の流路および第３の流路のいずれもがロータリージョイントを含まない場合について説明した。しかし、第１実施形態において、第２の流路および第３の流路のいずれか一方または両方が、第２実施形態で説明するロータリージョイントを含んでもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態では、風力で発熱する渦電流式発熱装置の他の一例について説明する。第２実施形態の発熱装置２００の断面図を図４に模式的に示す。発熱装置２００は、ケース１０１、回転軸１０２、連結部材１０３、円筒状の発熱部材２０５、複数の永久磁石１０６、および羽根車１０８を含む。発熱装置２００は、さらに、第２の流路２２０、および第３の流路１３０を含む。第３の流路１３０は、第１実施形態で説明したものと同じである。なお、本発明の発熱装置は、発熱部材１０５と永久磁石１０６との間に、永久磁石が加熱されることを防止するための隔壁を備えてもよい。

回転軸１０２および連結部材１０３は、羽根車１０８の回転に伴って回転する回転部１０４を構成する。発熱部材２０５は、全体として円筒状の形状を有する。発熱部材２０５は、回転部１０４に固定されている。すなわち、発熱部材２０５は、連結部材１０３を介して回転軸１０２に固定されている。複数の磁石１０６は、回転する発熱部材２０５の外周面を囲むように配置されている。複数の永久磁石１０６は、発熱装置１００の永久磁石と同様に、円筒状に配置される。

発熱部材２０５の内部空間２０５ａは空洞となっている。内部空間２０５ａに面する発熱部材２０５の内面は、第１の流路を構成する。発熱部材２０５のうち磁石１０６に面する部分だけが電磁誘導で発熱する材料で形成されてもよい。また、発熱部材２０５の全体が、電磁誘導で発熱する材料で形成されてもよい。

第２の流路２２０は、配管２２１、ロータリージョイント２２２、流路２２３、および配管２２４を含む。配管２２１は、ロータリージョイント２２２に接続されている。流路２２３は回転軸１０２の内部に形成されている。流路２２３の一端はロータリージョイント２２２に接続され、他端は配管２２４に接続されている。配管２２４の一端は流路２２３に接続され、他端は内部空間２０５ａに接続されている。流路２２３は、回転軸に形成された貫通孔である。

熱媒体は、第２の流路２２０から発熱部材２０５の内部空間２０５ａ（第１の流路）に供給される。具体的には、熱媒体は、配管２２１、ロータリージョイント２２２、流路２２３、および配管２２４を通って内部空間２０５ａに供給される。発熱部材２０５で発生した熱は、内部空間２０５ａを通る熱媒体によって回収される。熱を回収した熱媒体は、第３の流路１３０を通って回収される。

発熱装置１００と同様に、発熱装置２００においても、回転軸１０２と共に発熱部材２０５が回転することによって発熱部材２０５が発熱する。発熱部材２０５で発生した熱エネルギは、熱媒体によって回収されて利用される。

なお、第２実施形態では、第２の流路がロータリージョイントを含む場合について説明した。しかし、第２実施形態において、第２の流路はロータリージョイントを含まなくてもよい。たとえば、第１実施形態で説明した第２の流路１２０を用いてもよい。

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、２００ 発熱装置（渦電流式発熱装置）
１０１ ケース
１０２ 回転軸
１０３ 連結部材
１０４ 回転部
１０５、２０５ 発熱部材
１０６ 永久磁石
１０８ 羽根車
１１０ 容器
１１０ａ、２０５ａ 内部空間（第１の流路）
１２０、２２０ 第２の流路
１３０ 第３の流路
２２２ ロータリージョイント

Claims (2)

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、前記回転部に固定された円筒状の発熱部材と、前記発熱部材と対向するように配置された永久磁石と、熱媒体が流れる第１、第２、および第３の流路とを含み、
   前記第１の流路は、前記発熱部材の近傍に設けられており、
   前記第２の流路は、前記第１の流路に前記熱媒体を供給するための流路であり、
   前記第３の流路は、前記第１の流路を通った前記熱媒体を回収するための流路であり、
   前記第２の流路の少なくとも一部および前記第３の流路の少なくとも一部が前記回転軸内を通っていて、
   前記渦電流式発熱装置は、前記発熱部材の周囲が前記第１の流路となるように前記発熱部材を包囲する容器をさらに含み、
   前記容器のうち前記発熱部材と前記永久磁石との間に存在する部分が非磁性材料からなる、渦電流式発熱装置。
2. 前記第２の流路および前記第３の流路のいずれか一方がロータリージョイントを含む、請求項１に記載の渦電流式発熱装置。

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