JP6672839B2 - 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、熱膨張することがある。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変形することがある。発熱部材が変形すると、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。

特開昭５８−５８８６０号公報（特許文献２）は、発熱部材の熱膨張を抑制する多重円筒ロータを開示する。特許文献２の多重円筒ロータでは、１つの円筒体の一部分が他の円筒体に固定され、他の部分は固定されない。これにより、円筒体が軸方向に自由に熱膨張できるため、熱膨張により円筒体に生じる熱応力を低減できる。

特開２０１１−８９４９２号公報 特開昭５８−５８８６０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の多重円筒ロータでは、１つの円筒ロータが他の円筒ロータと固定されている。特許文献２の多重円筒ロータでは、両方の円筒ロータが発熱により熱膨張するため、１つの円筒ロータは少なからず他の円筒ロータの熱膨張の影響を受ける。そのため、円筒ロータの発熱量が大きい場合、円筒ロータに過大な熱応力が生じることがある。

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、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し、かつ、熱回収効率が高い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、円筒形状の発熱部材と、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。回転軸は、第１回転軸と第２回転軸に分割される。第１回転軸又は第２回転軸は軸方向の移動を許容される。発熱部材は、第１回転軸及び第２回転軸に固定される。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、円筒形状の発熱部材と、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、回転軸に固定される。発熱部材は、一方の端部から他方の端部まで伸びる切れ目を有する。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、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し、かつ、熱回収効率が高い。

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、従来の発熱装置の縦断面図である。 図５は、図１の発熱装置において発熱部材が熱膨張したときの状態を示す縦断面図である。 図６は、第２実施形態の発熱装置の縦断面図である。 図７は、第３実施形態の発熱装置の発熱部材の斜視図である。 図８は、図７の発熱部材が熱膨張した状態を示す斜視図である。 図９は、第４実施形態の発熱部材の斜視図である。 図１０は、図９の発熱部材が熱膨張した状態を示す斜視図である。 図１１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１２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。

本実施形態の渦電流式発熱装置は、発熱部材が軸方向に熱膨張することによる熱回収効率の低下を抑制するため、以下のような構成を備える。

本実施形態による渦電流式発熱装置は、回転軸と、円筒形状の発熱部材と、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。回転軸は、第１回転軸と第２回転軸に分割される。第１回転軸又は第２回転軸は軸方向の移動を許容される。発熱部材は、第１回転軸及び第２回転軸に固定される。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。しかも、本実施形態の発熱装置では、回転軸が第１回転軸と第２回転軸に分割される。第１回転軸又は第２回転軸は、軸方向に移動可能である。したがって、発熱部材が軸方向に熱膨張しても、第１回転軸又は第２回転軸が発熱部材の熱膨張に追従して移動する。そのため、発熱部材に過大な熱応力が生じにくい。その結果、発熱部材の変形が抑制され、熱エネルギを効率的に回収できる。

上記の発熱装置は、第１回転軸と第２回転軸とをつなぐ伸縮部材を備えるのが好ましい。第１回転軸と第２回転軸とは、発熱部材を介してつながる。そのため、一方の回転軸の回転トルクが大きい場合、発熱部材に負荷されるトルクが大きくなる。この場合、発熱部材が損傷しやすい。第１回転軸と第２回転軸とをつなぐ伸縮部材を設けると、伸縮部材が、発熱部材に負荷されるトルクの一部を負担する。これにより、回転軸の回転トルクが大きい場合であっても、発熱部材が損傷しにくい。また、伸縮部材は回転軸の軸方向に伸縮可能である。したがって、発熱部材が軸方向に熱膨張しても、伸縮部材は発熱部材に負荷されるトルクを負担できる。

また、本実施形態の渦電流式発熱装置は、発熱部材が半径方向に熱膨張することによる熱回収効率の低下を抑制するため、以下のような構成を備える。

本実施形態による渦電流式発熱装置は、回転軸と、円筒形状の発熱部材と、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、回転軸に固定される。発熱部材は、一方の端部から他方の端部まで伸びる切れ目を有する。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。

本実施形態の発熱装置によれば、上述したように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。そのため、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、本実施形態の発熱装置では、発熱部材が切れ目を有する。したがって、発熱部材の熱膨張は、半径方向よりも切れ目の隙間を変化させる方向へ、すなわち、後述の通りに周方向又は軸方向へ優先的に生じる。そのため、発熱部材に過大な熱応力が生じにくい。その結果、発熱部材の変形が抑制され、熱エネルギを効率的に回収できる。

発熱部材の切れ目は、発熱部材の軸方向に沿って伸びてもよいし、発熱部材の軸方向から傾きをもって伸びてもよい。この場合、切れ目は複数設けられてもよい。複数の切れ目同士の周方向の間隔は等しい方が好ましい。

一方、発熱部材の切れ目は、発熱部材の軸方向に対してらせん状に伸びてもよい。

このような切れ目は、上述の軸方向の熱膨張により生じる発熱部材の熱応力を低減する発熱装置に適用してもよい。

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、図面を参照して、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、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、分割された第１回転軸３Ａと第２回転軸３Ｂとを含む。すなわち、第１回転軸３Ａは、第２回転軸３Ｂとつながっていない。第１回転軸３Ａ及び第２回転軸３Ｂ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。第２回転軸３Ｂは、第１回転軸３Ａと同軸上に配置される。第１実施形態の発熱装置１では、第１回転軸３Ａは回転軸３の軸方向に固定され、第２回転軸３Ｂは回転軸３の軸方向に移動可能である。すなわち、第２回転軸３Ｂと本体２との間には隙間ＳＰが設けられる。ここで、第１回転軸３Ａが軸方向に移動可能で、第２回転軸３Ｂが軸方向に固定されていてもよい。要するに、第１回転軸３Ａ及び第２回転軸３Ｂは、相対的に移動可能であればよい。第１回転軸３Ａ及び第２回転軸３Ｂは、円板状の連結部材３Ｃを含む。

発熱部材４は、円筒形状である。発熱部材４は、第１回転軸３Ａ及び第２回転軸３Ｂに固定される。より具体的には、発熱部材４は、連結部材３Ｃに固定される。図２に示すように、連結部材３Ｃには、軽量化及び熱回収のために、複数の貫通穴３Ｄ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、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の第１回転軸３Ａ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と第１回転軸３Ａ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の第１回転軸３Ａ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の第１回転軸３Ａ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。第１回転軸３Ａ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の第１回転軸３Ａ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の第１回転軸３Ａ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。このような構成は、後述する第２〜第４実施形態の発熱装置にも適用できる。

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、発熱部材が固定される回転軸は、分割されていなかった。また、回転軸は軸方向の移動が許容されていなかった。そのため、発熱部材が高温になると、発熱部材が熱膨張し変形することがあった。この点について、図４を参照して説明する。

図４は、従来の風力発電設備に搭載される発熱装置の縦断面図である。従来の発熱装置１００は、分割されていない回転軸３００を備える。発熱部材４００が高温になると、発熱部材４００は熱膨張する。しかし、発熱部材４００は、２つの連結部材３００Ｃを介して回転軸３００に固定される。さらに、回転軸３００は、軸方向の移動が許容されていない。すなわち、発熱部材４００は、連結部材３００Ｃによって拘束されている。したがって、発熱部材４００は高温になっても軸方向に膨張しにくいため、発熱部材４００に熱応力が生じる。発熱部材４００に生じる熱応力が過大になると、図４に示すように、発熱部材４００は、樽形に変形する。これにより、発熱部材４００と磁石５００との間隔が変化するため、発熱部材４００の発熱量が変化し、熱エネルギが効率的に回収されない。また、発熱部材４００が損傷しやすい。

そこで、図１に示すように本実施形態の発熱装置１は、回転軸３が第１回転軸３Ａと第２回転軸３Ｂとに分割される。さらに、第１回転軸３Ａ及び第２回転軸３Ｂは、相対的に移動可能である。これにより、発熱部材が高温になっても、発熱部材が変形しにくい。この点について図５を参照して説明する。

図５は、図１の発熱装置において発熱部材が熱膨張したときの状態を示す縦断面図である。発熱部材４が高温になると、発熱部材４は軸方向に熱膨張する。このとき、第２部材３Ｂと本体２との間には隙間ＳＰが存在するため、第２回転軸３Ｂは第１回転軸３Ａに対して軸方向に移動可能である。そのため、第２回転軸３Ｂは発熱部材４の軸方向の熱膨張に追従して移動する（図５中の実線矢印参照）。これにより、発熱部材４は軸方向に拘束されないため、発熱部材４に熱応力は生じにくい。その結果、発熱部材４の変形が抑制され、熱エネルギを効率的に回収できる。

第１実施形態では、第２回転軸３Ｂが第１回転軸３Ａに対して移動する場合を説明した。しかし、第１実施形態の発熱装置１は、第２回転軸３Ｂが第１回転軸３Ａに対して移動する場合に限定されない。第１回転軸３Ａが第２回転軸３Ｂに対して移動する構成としてもよい。要するに、第１回転軸３Ａ及び第２回転軸３Ｂが相対的に移動できる構成であればよい。

［第２実施形態］
図１に示す発熱装置では、羽根車２０から第１回転軸３Ａに伝達されたトルクは、全て発熱部材４に負荷される。羽根車の直径が数十メートル以上の大型の風力発電設備では、羽根車の回転により発生するトルクが大きい。すなわち、大型の風力発電設備では、発熱部材４に負荷されるトルクが大きいため、発熱部材が破損する可能性がある。

図６は、第２実施形態の発熱装置の縦断面図である。第２実施形態の発熱装置１は、第１実施形態の発熱装置に伸縮部材が追加される。第２実施形態の発熱装置１のその他の構成は、第１実施形態の発熱装置と同じである。

伸縮部材８は、第１回転軸３Ａと第２回転軸３Ｂとをつなぐ。より具体的には、伸縮部材８は、第１回転軸３Ａと第２回転軸３Ｂを直接接続してもよいし、第１回転軸３Ａ及び第２回転軸３Ｂそれぞれにつながる連結部材３Ｃに直接接続してもよい。また、伸縮部材８の数は、特に限定されない。すなわち、第１回転軸３Ａのトルクの大きさ及び発熱部材４の強度を考慮して伸縮部材８の数は適宜決定される。

伸縮部材８は、例えば、２本の金属管をはめ込んだものである。発熱部材４の軸方向の熱膨張に追従して第２部材３Ｂが移動すると、伸縮部材８の一方の金属管が他方の金属管に対しスライドする。すなわち、伸縮部材８が伸びる。このような構成により、伸縮部材８は、発熱部材４の軸方向に伸縮可能である。したがって、伸縮部材８は発熱部材４の軸方向の熱膨張を拘束しないため、発熱部材４に熱応力は生じにくい。また、伸縮部材８の一端は第１回転軸３Ａに固定され、他端は第２回転軸３Ｂに固定される。そのため、伸縮部材８が発熱部材４に負荷されるトルクの一部を負担できる。したがって、発熱部材４が破損しにくい。

［第３実施形態］
上述の実施形態では、発熱部材の軸方向への熱膨張を許容する発熱装置について説明した。以下の第３実施形態では、発熱部材の半径方向への熱膨張を抑制する発熱装置について説明する。

図４に示すように、従来の発熱部材４００は円筒部材であり、周方向にわたり連続している。この発熱部材４００は、連結部材３００Ｃを介して回転軸３００に取り付けられる。このため、発熱部材４００の半径方向の膨張は、連結部材３００Ｃによって拘束される。したがって、発熱部材４００が半径方向に熱膨張すると、発熱部材４００に熱応力が生じ、発熱部材４００が変形することがある。

図７は、第３実施形態の発熱装置の発熱部材の斜視図である。第３実施形態の発熱部材４は、発熱部材４の一方の端部４１から他方の端部４２まで伸びる切れ目９を有する。図７では、発熱部材３が複数の切れ目９を有する場合を例示する。また、図７では、切れ目９が発熱部材４の軸方向に沿って伸びる場合を例示する。しかし、切れ目９の数及び伸びる方向は、図７に示す場合に限定されない。切れ目９は、１つであってもよい。切れ目９は、発熱部材４の軸方向に対して斜めに伸びていてもよい。また、図７では、切れ目９同士の発熱部材周方向の間隔が等しい場合を例示する。しかし、切れ目９同士の間隔は等間隔でなくてもよい。要するに、第３実施形態の発熱部材４は、全体として円筒形状であるが、周方向にわたり連続していない。図７に示すような発熱部材４では、切れ目９の領域において隙間が存在する。

図８は、図７の発熱部材が熱膨張した状態を示す斜視図である。図７に示す発熱部材４が高温になると、発熱部材４は、切れ目９の隙間があるために、半径方向よりも切れ目９の隙間を小さくする方向、すなわち周方向へ優先的に膨張する。これにより、発熱部材４の半径方向への変形が抑制されるため、熱エネルギを効率的に回収できる。

図７に示すように分割された発熱部材の場合、分割された発熱部材それぞれが連結部材３Ｃを介して回転軸３に固定される。また、切れ目９の数及び切れ目９の隙間の大きさは、特に限定されず、発熱部材の大きさ、熱膨張係数等を考慮して適宜設定される。

［第４実施形態］
図９は、第４実施形態の発熱部材の斜視図である。第４実施形態の発熱部材４は、切れ目９が発熱部材４の軸方向に対してらせん状に伸びる点で第３実施形態の発熱部材と相違する。

図１０は、図９の発熱部材が熱膨張した状態を示す斜視図である。図９に示す発熱部材４が高温になると、発熱部材４は、切れ目９がらせん状に伸びているため、切れ目９の隙間が広がる方向、すなわち軸方向へ優先的に膨張する。これにより、発熱部材４の半径方向への変形が抑制されるため、熱エネルギを効率的に回収できる。

第３及び第４実施形態のように切れ目８を有する発熱部材４は、上述した第１及び第２実施形態の発熱装置に適用することもできる。この場合、発熱部材の軸方向の熱膨張を許容すると同時に、半径方向の熱膨張を抑制できる。その結果、発熱部材４の変形がより抑制され、熱エネルギがより効率的に回収できる。

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１１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１２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１１及び図１２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１０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、
３Ａ：第１回転軸、 ３Ｂ：第２回転軸、 ３Ｃ：連結部材、 ３Ｄ：貫通穴、
４：発熱部材、 ４１、４２：発熱部材の端部、
５：永久磁石、
６：磁石保持部材、 ６ａ：円筒部材、
７：軸受、
８：伸縮部材、
９：発熱部材の切れ目、
１０：ポールピース、
１１：入口、
１２：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

Claims (7)

1. 非回転部に回転可能に支持された回転軸であって、第１回転軸と第２回転軸に分割され、前記第１回転軸又は前記第２回転軸が軸方向の移動を許容された回転軸と、
   前記第１回転軸及び前記第２回転軸に固定された円筒形状の発熱部材と、
   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、
   前記発熱部材に生じた熱を回収する熱回収機構と、
   前記第１回転軸と前記第２回転軸とをつなぐ伸縮部材と、を備える、渦電流式発熱装置。
2. 請求項１に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記発熱部材は、一方の端部から他方の端部まで伸びる切れ目を有する、渦電流式発熱装置。
3. 請求項２に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記切れ目は、前記発熱部材の軸方向に沿って伸びる、渦電流式発熱装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記切れ目は複数設けられる、渦電流式発熱装置。
5. 請求項４に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記複数の切れ目同士の周方向の間隔は等しい、渦電流式発熱装置。
6. 請求項２に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記切れ目は、前記発熱部材の軸方向に対してらせん状に伸びる、渦電流式発熱装置。
7. 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円筒形状の発熱部材であって、一方の端部から他方の端部まで伸びる切れ目を有する発熱部材と、
   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、
   前記発熱部材に生じた熱を回収する熱回収機構と、を備え、
   前記切れ目は、前記発熱部材の軸方向に対してらせん状に伸びる、渦電流式発熱装置。
   

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