JP6651880B2 - 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。

熱エネルギを効率的に回収するためには、渦電流式減速装置に発生する熱エネルギ量は大きい方が好ましい。しかし、発生する熱エネルギ量が大きいと、発熱する部材（発熱部材）が高温になり、熱膨張する。発熱部材が熱膨張すると、発熱部材に過大な熱応力が生じ発熱部材が永久変形することがある。発熱部材が永久変形すると、磁石との間隔が変化するため熱エネルギが効率的に回収できないだけでなく、発熱部材の寿命も短くなる。

実開平４−１１４７８３号公報（特許文献２）は、ロータ（発熱部材）の熱膨張に追従するロータ支持アームを備える渦電流式減速装置を開示する。特許文献２の渦電流式減速装置は、ロータが熱膨張してもロータとロータ支持アームとの接合部における応力分布状態を制御する。

特開２０１１−８９４９２号公報 実開平４−１１４７８３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２の渦電流式減速装置はロータ（発熱部材）の片側にのみ支持アームを備える。特許文献２の渦電流式減速装置は自動車用であり、ロータの内側に電磁石等が配置されるため、ロータの片側にしか支持アームを配置できないためである。このような構成の渦電流式減速装置を発電設備のような大型設備に適用するのは難しい。

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、熱回収効率が高く、かつ、発熱部材が高温になっても発熱部材に生じる熱応力を低減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、下記の（１）又は（２）の構成を備える。

（１）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、連結部材と、複数の永久磁石と、磁石保持部材と、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。発熱部材は、円筒状であり、回転軸を包囲する。連結部材は、回転軸及び発熱部材を連結する。連結部材は、本体部、及び複数のアーム部を含む。本体部は、リング状であり、回転軸に固定されている。アーム部は、本体部から延び出して発熱部材に固定されている。アーム部は湾曲している。永久磁石は、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、永久磁石を保持し、非回転部に固定されている。熱回収機構は、発熱部材に生じた熱を回収する。

（２）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、連結部材と、複数の永久磁石と、磁石保持部材と、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。発熱部材は、円筒状であり、回転軸を包囲する。連結部材は、非回転部及び発熱部材を連結する。連結部材は、本体部、及び複数のアーム部を含む。本体部は、リング状であり、非回転部に固定されている。アーム部は、本体部から延び出して発熱部材に固定されている。アーム部は、湾曲している。永久磁石は、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、永久磁石を保持し、回転軸に固定されている。熱回収機構は、発熱部材に生じた熱を回収する。

本発明の渦電流式発熱装置は、熱回収効率が高く、かつ、発熱部材が高温になっても発熱部材に生じる熱応力を低減でき、更には連結部材の疲労損傷を抑制できる。

図１は、第１実施形態の発熱装置を示す縦断面図である。 図２は、第１実施形態の発熱装置を示す横断面図である。 図３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は、従来の発熱装置の横断面図である。 図５は、従来の発熱装置の発熱部材が熱膨張した状態を示す縦断面図である。 図６は、第１実施形態の発熱部材が熱膨張する前の状態を示す図である。 図７は、図６に示す発熱部材が熱膨張した後の状態を示す図である。 図８は、第２実施形態の発熱部材が熱膨張する前の状態を示す横断面図である。 図９は、図８に示す発熱部材が熱膨張した後の状態を示す図である。 図１０は、第３実施形態の発熱部材が熱膨張する前の状態を示す図である。 図１１は、図１０に示す発熱部材が熱膨張した後の状態を示す図である。 図１２は、図１０と異なる第３実施形態の連結部材を示す縦断面図である。 図１３は、第４実施形態の発熱装置を示す縦断面図である。 図１４は、第４実施形態の発熱装置を示す横断面図である。 図１５は、図１とは磁石の配置が異なる発熱装置の横断面図である。 図１６は、図１とは磁石の配置が異なる発熱装置の縦断面図である。

本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、連結部材と、複数の永久磁石と、磁石保持部材と、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。発熱部材は、円筒状であり、回転軸を包囲する。連結部材は、回転軸及び発熱部材を連結する。連結部材は、本体部、及び複数のアーム部を含む。本体部は、リング状であり、回転軸に固定されている。アーム部は、本体部から延び出して発熱部材に固定されている。アーム部は湾曲している。永久磁石は、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、永久磁石を保持し、非回転部に固定されている。熱回収機構は、発熱部材に生じた熱を回収する。

また、本実施形態の発熱装置は以下のような構成とすることもできる。

本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、連結部材と、複数の永久磁石と、磁石保持部材と、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。発熱部材は、円筒状であり、回転軸を包囲する。連結部材は、非回転部及び発熱部材を連結する。連結部材は、本体部、及び複数のアーム部を含む。本体部は、リング状であり、非回転部に固定されている。アーム部は、本体部から延び出して発熱部材に固定されている。アーム部は、湾曲している。永久磁石は、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、永久磁石を保持し、回転軸に固定されている。熱回収機構は、発熱部材に生じた熱を回収する。

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。しかも、本実施形態の発熱装置では、複数の湾曲したアーム部を有する連結部材が発熱部材に固定される。したがって、発熱部材が熱膨張しても、アーム部の弾性変形により、発熱部材に過大な熱応力が生じにくい。さらには、連結部材の疲労損傷も抑制できる。その結果、熱エネルギを効率的に回収できる。

上記の発熱装置において、連結部材のアーム部は、発熱部材の円周方向に湾曲しているのが好ましい。また、アーム部は、第１アーム部及び第２アーム部を含んでいてもよい。この場合、第１アーム部及び第２アーム部は、互いに発熱部材の円周方向において逆向きに湾曲している。

上記の発熱装置において、連結部材のアーム部は、発熱部材の軸方向に湾曲していてもよい。

上記の発熱装置において、複数のアーム部は、発熱部材の円周方向に等間隔に配置されているのが好ましい。

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及び図２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、連結部材８と、複数の永久磁石５と、磁石保持部材６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を軸心とする円筒形状である。発熱部材４は、回転軸３を包囲する。

連結部材８は、板状の部材であり、回転軸３及び発熱部材４を連結する。連結部材８は、リング状の本体部８Ａ及び複数のアーム部８Ｂを含む。本体部８Ａは、回転軸３に固定される。アーム部８Ｂは、本体部８Ａから発熱部材４の方向へ延び出す。アーム部８Ｂは、発熱部材４に固定される。図２に示すように、第１実施形態のアーム部８Ｂは、発熱部材４の円周方向に湾曲している。連結部材８は、金属板からなる。部品のコスト等を考慮すれば、連結部材８は鋼板が好ましい。風力発電設備に搭載される発熱部材４は大型であるため、図１に示すように、連結部材８は複数設けられるのが好ましい。例えば、図１には、連結部材８が発熱部材４の両端部に１つずつ設けられた態様を示す。要するに、連結部材８の材質及び個数は発熱部材４の大きさ、重量等によって適宜設定される。

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、発熱部材４の外側に配置される。磁石５は、円筒部材６ａの内周面に固定され、発熱部材４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。このような磁石の配置の場合、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と対向する発熱部材４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。

また、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、発熱部材４を包囲する密閉容器を形成する。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。

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。第１実施形態では、熱回収機構として、隔壁１５と一体で密閉容器を構成する本体２に、密閉容器の内部空間、すなわち発熱部材４が存在する空間（以下、「発熱部材存在空間」ともいう）に繋がる入口１１及び出口１２が設けられる。この発熱部材存在空間の入口１１及び出口１２のそれぞれには、図示しない入側配管及び出側配管が接続される。入側配管及び出側配管は、図示しない蓄熱装置に接続される。発熱部材存在空間（密閉容器の内部空間）、入側配管、出側配管、及び蓄熱装置は一連の経路を形成し、この経路中を熱媒体が流通して循環する（図１中の実線矢印参照）。

発熱部材４に生じた熱は、発熱部材存在空間を流通する熱媒体に伝達される。発熱部材存在空間内の熱媒体は、発熱部材存在空間の出口１２から排出され、出側配管を通じて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、入側配管を通じ、入口１１から発熱部材存在空間に戻る。このようにして、発熱部材４に生じた熱が回収される。

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と発熱装置１の回転軸３との間には、クラッチ装置２３及び増速装置２４が配置される。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。発熱装置１の回転軸３の回転速度は、増速装置２４によって調整される。増速装置２４には、例えば遊星歯車機構が適用される。

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。

上記のとおり、発熱部材４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からの輻射熱が密閉容器の隔壁１５によって遮断される。これにより、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３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３では、磁石５と対向する発熱部材４の外周面近傍を拡大して示す。図３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。

ところで、従来の風力発電設備に搭載される発熱装置では、発熱部材が高温になると、発熱部材が熱膨張し発熱部材に過大な熱応力が生じることがあった。また、発熱部材の温度変化によって繰り返される発熱部材の膨張、収縮により連結部材が疲労損傷する可能性があった。

図４は、従来の風力発電設備に搭載される発熱装置の横断面図である。従来の発熱装置１００の連結部材１０８は、発熱部材１０４の内周面に、周方向の全域にわたって固定される。発熱部材１０４が高温になると、発熱部材１０４は熱膨張する。しかし、発熱部材１０４は、連結部材１０８を介して回転軸１０３に固定される。そのため、発熱部材１０４は、連結部材１０８によって拘束される。したがって、発熱部材１０４は高温になっても膨張しにくいため、発熱部材１０４に熱応力が生じる。発熱部材１０４に生じる熱応力が過大になると、図５に示すように、発熱部材１０４は、樽形に変形し、損傷しやすくなる。また、発熱部材１０４と磁石１０５との間隔が変化するため、発熱部材１０４の発熱量が変化し、熱エネルギが効率的に回収されない。

そこで、図２に示すように本実施形態の発熱装置１において、連結部材８は発熱部材４の周方向の一部に固定される。すなわち、連結部材８の複数のアーム部８Ｂ同士は間隔を置いて配置される。そのため、従来の発熱装置の発熱部材と比べて、発熱部材の熱膨張が拘束されにくい。したがって、発熱部材に熱応力が生じにくい。さらに、本実施形態のアーム部８Ｂは、発熱部材４の周方向に湾曲している。この点について、図６を参照して説明する。

図６は、第１実施形態の発熱部材が熱膨張する前の状態を示す図である。図６に示す符号「Ｌ」は連結部材８におけるアーム部８Ｂに沿った長さ（以下、「湾曲長さ」ともいう）を示し、符号「Ｒ」は連結部材８における発熱部材４の半径方向に沿った長さ（以下、「直線長さ」ともいう）を示す。アーム部８Ｂは、半径方向に対して湾曲しているため、湾曲長さＬは直線長さＲよりも長い。

図７は、図６に示す発熱部材が熱膨張した後の状態を示す図である。発熱部材４が熱膨張すると、アーム部８Ｂが湾曲しているため、アーム部８Ｂは弾性変形しやすい。すなわち、アーム部８Ｂは発熱部材４の熱膨張に追従して変形し、発熱部材４の熱膨張を許容する。そのため、発熱部材４に熱応力が生じにくく、発熱部材４が損傷しにくい。

また、発熱部材４の温度は風力などによって変動するため、風力発電設備の稼働中、発熱部材４は膨張、収縮を繰り返す。すなわち、連結部材８には疲労荷重が負荷される。しかし、第１実施形態のアーム部８Ｂは湾曲しているため弾性変形しやすく、従来の連結部材よりも疲労損傷しにくい。また、アーム部８Ｂの弾性変形により発熱部材４に熱応力が生じにくいため、発熱部材４も疲労損傷しにくい。

図６に示す連結部材８のアーム部８Ｂは、回転軸３を中心として反時計回り方向に凸形状となるように湾曲している。しかしながら、アーム部８Ｂの湾曲形状は図６に示す場合に限定されない。アーム部８Ｂは、時計回り方向に凸形状となるように湾曲していてもよい。要するに、湾曲長さＬが、直線長さＲよりも長ければ、アーム部８Ｂの湾曲形状は特に限定されない。また、図２及び図６では、アーム部８Ｂが発熱部材４の円周方向に等間隔に５つ設けられている場合を示す。しかしながら、アーム部８Ｂの数は、特に限定されない。アーム部８Ｂの数は、発熱部材４の熱膨張率、連結部材８の強度等を考慮して適宜設定される。

［第２実施形態］
第２実施形態の発熱装置は、連結部材の形状が異なる点で第１実施形態の発熱装置と相違する。第２実施形態の発熱装置のその他の構成は、第１実施形態と同様であるため説明は省略する。

図８は、第２実施形態において発熱部材が熱膨張する前の状態を示す横断面図である。第２実施形態の連結部材８も、第１実施形態と同様に、本体部８Ａ及びアーム部８Ｂを含む。第２実施形態のアーム部８Ｂは、第１アーム部８Ｃ及び第２アーム部８Ｄを含む。図８中の符号「Ｌ１」は第１アーム部８Ｃに沿った連結部材８の長さ（湾曲長さ）を示し、符号「Ｌ２」は第２アーム部８Ｄに沿った連結部材８の長さ（湾曲長さ）を示す。符号「Ｒ」は、発熱部材４の半径方向に沿った連結部材８の長さ（直線長さ）を示す。

図８に示すように、第１アーム部８Ｃ及び第２アーム部８Ｄは、互いに発熱部材４の周方向において逆向きに湾曲している。図８では、発熱部材４の内周面及び連結部材８の本体部８Ａ近傍において、第１アーム部８Ｃと第２アーム部８Ｄとがつながっている場合を示す。しかしながら、第２実施形態の連結部材８は図８に示す形状に限定されない。第１アーム部８Ｃと第２アーム部８Ｄとは、離れていてもよい。いずれの場合であっても、湾曲長さＬ１及びＬ２は、それぞれ直線長さＲよりも長い。

図９は、図８に示す発熱部材が熱膨張した後の状態を示す図である。第２実施形態の発熱装置においても、第１実施形態と同様に、発熱部材４の熱膨張に追従して第１アーム部８Ｃ及び第２アーム部８Ｄは、弾性変形する。その結果、第１実施形態と同様に、発熱部材４に熱応力が生じにくく、発熱部材４が損傷しにくい。また、連結部材８の疲労強度が高く、連結部材８も損傷しにくい。

［第３実施形態］
第３実施形態の発熱装置は、連結部材の湾曲方向が異なる点で第１及び第２実施形態の発熱装置と相違する。第３実施形態の発熱装置のその他の構成は、第１及び第２実施形態と同様であるため説明は省略する。

図１０は、第３実施形態の発熱部材が熱膨張する前の状態を示す図である。図１０に示す符号「Ｌ」はアーム部８Ｂに沿った連結部材８の長さ（湾曲長さ）を示し、符号「Ｒ」は発熱部材４の半径方向に沿った連結部材８の長さ（直線長さ）を示す。アーム部８Ｂは、発熱部材４の軸方向に対して湾曲しているため、湾曲長さＬは直線長さＲよりも長い。

図１１は、図１０に示す発熱部材が熱膨張した後の状態を示す図である。発熱部材４が熱膨張すると、アーム部８Ｂが湾曲しているため、アーム部８Ｂは弾性変形しやすい。すなわち、アーム部８Ｂは発熱部材４の熱膨張に追従して変形し、発熱部材４の熱膨張は拘束されにくい。そのため、第１及び第２実施形態と同様に、発熱部材４に熱応力が生じにくく、発熱部材４が損傷しにくい。また、連結部材８の疲労強度が高く、連結部材８も損傷しにくい。

図１０では、連結部材８が発熱部材４の軸方向の内側に向けて凸形状となるように湾曲しているが、連結部材８は発熱部材４の軸方向の外側に向けて凸形状となるように湾曲していてもよい。

図１２は、図１０と異なる第３実施形態の連結部材を示す縦断面図である。図１２に示す連結部材８は、発熱部材４の軸方向に湾曲する点では図１０に示す連結部材と同じである。しかし、図１２に示す連結部材８は、湾曲形状が途中で変わる点で図１０に示す連結部材と相違する。要するに、図１２に示す連結部材８の湾曲形状は、変曲点を有する。この場合であっても、アーム部８Ｂに沿った連結部材８の長さＬは、発熱部材４の半径方向に沿った連結部材８の長さＲよりも長い。したがって、上述したように、発熱部材４に熱応力が生じにくく、発熱部材４が損傷しにくい。また、連結部材８の疲労強度が高く、連結部材８も損傷しにくい。

［第４実施形態］
第１〜第３実施形態では、磁石が回転し、発熱部材が固定されている発熱装置について説明した。第４実施形態の発熱装置は、発熱部材が回転し、磁石が固定されている点で第１〜第３実施形態の発熱装置と相違する。

図１３は、第４実施形態の発熱装置の縦断面図である。図１４は、第４実施形態の発熱装置の横断面図である。図１３及び図１４には、風力発電設備に搭載した発熱装置１を例示する。なお、図１４では、磁石５、磁石保持部材６等は省略してある。図１３及び図１４に示すように、第４実施形態の発熱装置１は、回転軸３と、発熱部材４と、連結部材８と、複数の永久磁石５と、磁石保持部材６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を軸心とする円筒形状である。発熱部材４は、回転軸３を包囲する。

連結部材８は、非回転部である本体２及び発熱部材４を連結する。連結部材８は、リング状の本体部８Ａ及び複数のアーム部８Ｂを含む。本体部８Ａは、非回転部である本体２に固定される。アーム部８Ｂは、本体部８Ａから発熱部材４の方向へ延び出す。アーム部８Ｂは、発熱部材４に固定される。図１３及び図１４に示すように、第４実施形態のアーム部８Ｂは、発熱部材４の周方向及び軸方向に湾曲している。しかしながら、第４実施形態のアーム部８Ｂは図１３及び図１４に示す場合に限定されない。アーム部８Ｂは、発熱部材４の周方向のみに湾曲していてもよいし、軸方向のみに湾曲していてもよい。また、連結部材８は変曲点を有していてもよい。この点は、第１〜第３実施形態の連結部材と同様である。

磁石保持部材６は、発熱部材４の内側に配置され、支持部材９を介して回転軸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を含む。円筒部材６ａは磁石５を保持する。

磁石５は、発熱部材４の内側に配置される。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、第１〜第３実施形態と同様に、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。このような磁石の配置の場合、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。

要するに、第４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〜第３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〜第３実施形態と同様に、第４実施形態の発熱部材４は湾曲している連結部材８に固定される。これにより、発熱部材４及び連結部材８の損傷が抑制される。

第４実施形態の発熱装置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。第４実施形態では、熱回収機構として、発熱部材４の内部に通路１０が形成されている。この通路１０の入口１１及び出口１２のそれぞれには、図示しない入側配管及び出側配管が接続されている。入側配管及び出側配管は、図示しない蓄熱装置に接続されている。発熱部材４の通路１０、入側配管、出側配管、及び蓄熱装置は一連の経路を形成し、この経路中を熱媒体が流通して循環する（図１３中の実線矢印参照）。

発熱部材４に生じた熱は、通路１０を流通する熱媒体に伝達される。通路１０内の熱媒体は、通路１０の出口１２から排出され、出側配管を通じて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、入側配管を通じ、入口１１から通路１０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。

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、図１５に示すように、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、図１６に示すように磁石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。図１５及び図１６に示す発熱装置の場合、磁石５を直接保持する円筒部材６ａの材質は、非磁性材料である。また、隣接する磁石５の間に、強磁性体からなるポールピース１６が設けられる。

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、
５：永久磁石、
６：磁石保持部材、 ６ａ：円筒部材、
７：軸受、
８：連結部材、 ８Ａ：本体部、 ８Ｂ：アーム部、
９：支持部材、
１０：通路、
１１：入口、
１２：出口、
１５：隔壁、
１６：ポールピース、
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

Claims (6)

1. 非回転部に回転可能に支持された回転軸と、
   前記回転軸を包囲する円筒形状の発熱部材と、
   前記回転軸及び前記発熱部材を連結する連結部材であって、前記回転軸に固定されたリング状の本体部、及び前記本体部から延び出して先端で前記発熱部材に固定され、湾曲した複数のアーム部を含む連結部材と、
   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、
   前記発熱部材に生じた熱を回収する熱回収機構と、を備えた、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、
   前記回転軸を包囲する円筒形状の発熱部材と、
   前記非回転部及び前記発熱部材を連結する連結部材であって、前記非回転部に固定されたリング状の本体部、及び前記本体部から延び出して前記発熱部材に固定され、湾曲した複数のアーム部を含む連結部材と、
   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、
   前記発熱部材に生じた熱を回収する熱回収機構と、を備えた、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、
   前記連結部材の前記アーム部は、前記発熱部材の円周方向に湾曲している、渦電流式発熱装置。
4. 請求項３に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記連結部材の前記アーム部は、第１アーム部及び第２アーム部を含み、
   前記第１アーム部及び前記第２アーム部は、互いに前記発熱部材の円周方向において逆向きに湾曲している、渦電流式発熱装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記連結部材の前記アーム部は、前記発熱部材の軸方向に湾曲している、渦電流式発熱装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記複数のアーム部は、前記発熱部材の円周方向に等間隔に配置されている、渦電流式発熱装置。

Images