JP7156398B2 - 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、地球温暖化が大きくクローズアップされており、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、風力エネルギ及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知られている。例えば特開２０１７－００５９３２号公報（特許文献１）は、渦電流式発熱装置を開示する。特許文献１の発熱装置は、回転軸に固定された発熱部材と、発熱部材に隙間を空けて対向する永久磁石と、永久磁石を保持する磁石保持部材と、発熱部材を包囲する密閉容器と、密閉容器の入口及び出口にそれぞれ接続された入側配管及び出側配管と、を備える。入側配管を通じて密閉容器の内部に熱媒体が流入し、出側配管を通じて密閉容器の内部から熱媒体が流出する。

このような特許文献１の発熱装置の場合、回転軸の回転によって、発熱部材が永久磁石に対して回転する。このとき、永久磁石からの磁界の作用によって、発熱部材に渦電流が発生する。これにより、密閉容器内で発熱部材が発熱する。発熱部材で生じた熱は、密閉容器内の熱媒体に移動して回収される。

特許文献１の発熱装置では、発熱部材が回転軸に固定される代わりに、磁石保持部材が回転軸に固定される場合もある。この場合、回転軸の回転によって、永久磁石が発熱部材に対して回転する。このときも、永久磁石からの磁界の作用によって、発熱部材に渦電流が発生することから、密閉容器内で発熱部材が発熱する。発熱部材で生じた熱は、密閉容器内の熱媒体に移動して回収される。

特開２０１７－００５９３２号公報

特許文献１の発熱装置によれば、回転軸の回転によって発熱部材が発熱し、密閉容器の内部において、発熱部材で生じた熱が大量の熱媒体に移動して回収される。この発熱装置の場合、熱媒体の熱容量が大きい。そのため、回転軸の回転数が低いとき、熱媒体の十分な昇温が困難である。そうすると、熱媒体を保温するための予熱が必要となる。したがって、熱回収率が低下する可能性がある。

また、回転軸が安定して高速で回転しているとき、発熱部材、又は熱媒体からの輻射熱により、永久磁石は高温環境下に長時間さらされる。そのため、永久磁石の熱減磁が生じないように工夫する必要がある。

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１つの目的は、永久磁石の熱減磁を抑制しつつ、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、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る。この発熱装置は、円筒部材と、永久磁石と、カバーと、伝熱管と、を備える。永久磁石は、円筒部材の外周面及び内周面のいずれか一方の周面に保持されている。カバーは、円筒部材に保持された永久磁石を包囲するように円筒部材に取り付けられている。伝熱管は、円筒部材の外周面及び内周面のうちの上記一方の周面と対向するように配置されている。この伝熱管は、導電性且つ熱伝導性を有する材料からなる。この伝熱管は、円筒部材の中心軸回りにらせん状に熱媒体の流路を形成する。そして、円筒部材及び伝熱管のいずれか一方が回転軸に固定されて、円筒部材及び伝熱管のいずれか他方に対して円筒部材の中心軸回りに回転する。

本発明の実施形態による渦電流式発熱装置において、回転軸が回転すれば、永久磁石からの磁界の作用によって、伝熱管に渦電流が発生し、伝熱管が発熱する。伝熱管で生じた熱は、伝熱管内のらせん状の流路を流れる熱媒体に移動して回収される。らせん状の流路を流れる熱媒体の熱容量は小さい。そのため、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。さらに、伝熱管からの輻射熱に対して、永久磁石はカバーによって隔離されている。そのため、永久磁石の昇温が抑えられ、永久磁石の熱減磁を抑制することができる。

図１は、第１実施形態の発熱装置の要部を模式的に示す側面図である。 図２は、図１の線II－IIにおける横断面図である。 図３は、図２の線III－IIIにおける縦断面図である。 図４は、第２実施形態の発熱装置の要部を模式的に示す側面図である。 図５Ａは、図４の線VＡ－VＡにおける横断面図である。 図５Ｂは、図４の線VＢ－VＢにおける横断面図である。 図５Ｃは、図４の線VＣ－VＣにおける横断面図である。 図５Ｄは、図４の線VＤ－VＤにおける横断面図である。 図５Ｅは、図４の線VＥ－VＥにおける横断面図である。 図６Ａは、図５Ａ及び図５Ｂの線VIＡ－VIＡにおける縦断面図である。 図６Ｂは、図５Ｂ及び図５Ｃの線VIＢ－VIＢにおける縦断面図である。 図６Ｃは、図５Ｃ及び図５Ｄの線VIＣ－VIＣにおける縦断面図である。 図６Ｄは、図５Ｄ及び図５Ｅの線VIＤ－VIＤにおける縦断面図である。 図６Ｅは、図５Ｅの線VIＥ－VIＥにおける縦断面図である。 図７は、第３実施形態の発熱装置の要部を模式的に示す縦断面図である。 図８は、第４実施形態の発熱装置の要部を模式的に示す縦断面図である。 図９は、第５実施形態の発熱装置の要部を模式的に示す縦断面図である。 図１０は、第６実施形態の発熱装置の要部を模式的に示す縦断面図である。 図１１は、第７実施形態の発熱装置の要部を模式的に示す縦断面図である。

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。以下の説明において特定の数値や特定の材料を例示する場合があるが、本発明はそれらの例示に限定されない。

本発明の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渦電流式発熱装置である。この発熱装置は、円筒部材と、永久磁石と、カバーと、伝熱管と、を備える。永久磁石は、円筒部材の外周面及び内周面のいずれか一方の周面に保持されている。カバーは、円筒部材に保持された永久磁石を包囲するように円筒部材に取り付けられている。伝熱管は、円筒部材の外周面及び内周面のうちの上記一方の周面と対向するように配置されている。この伝熱管は、導電性且つ熱伝導性を有する材料からなる。この伝熱管は、円筒部材の中心軸回りにらせん状に熱媒体の流路を形成する。そして、円筒部材及び伝熱管のいずれか一方が回転軸に固定されて、円筒部材及び伝熱管のいずれか他方に対して円筒部材の中心軸回りに回転する（第１の構成）。

第１の構成の発熱装置によれば、回転軸の回転によって、磁石を保持する円筒部材、及び熱媒体が流れる伝熱管のいずれか一方が、それらの他方に対して回転する。このとき、永久磁石からの磁界の作用によって、伝熱管そのものに渦電流が発生する。これにより、伝熱管が発熱する。伝熱管で生じた熱は、伝熱管内のらせん状の流路を流れる熱媒体に直に移動して回収される。らせん状の流路を流れる熱媒体の熱容量は小さい。そのため、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。

さらに第１の構成の発熱装置によれば、伝熱管からの輻射熱に対して、永久磁石はカバーによって隔離されている。そのため、永久磁石の昇温が抑えられ、永久磁石の熱減磁を抑制することができる。特に、永久磁石とカバーとの間の隙間に空気が存在すれば、この空気は断熱層として機能する。この場合、永久磁石の昇温がより抑えられる。永久磁石とカバーとの間の隙間に断熱材（例：グラスウール）が充填されていてもよい。

第１の構成の発熱装置の典型的な例では、永久磁石が円筒部材の外周面に保持されている。伝熱管が円筒部材の外周面と対向するように配置されている。円筒部材が回転軸に固定されて、伝熱管に対して円筒部材の中心軸回りに回転する（第２の構成）。

第２の構成の発熱装置によれば、熱媒体が流れる伝熱管は、磁石を保持する円筒部材の外側で静止し、回転軸の回転によって、伝熱管の内側で円筒部材が回転する。伝熱管が円筒部材の外側で静止しているので、伝熱管内の流路を流れる熱媒体を回収しやすい。

ただし、第２の構成に代えて、永久磁石が円筒部材の外周面に保持され、伝熱管が円筒部材の外周面と対向するように配置され、伝熱管が回転軸に固定されてもよい。この場合、伝熱管が円筒部材に対して円筒部材の中心軸回りに回転する。つまり、磁石を保持する円筒部材は、熱媒体が流れる伝熱管の内側で静止し、回転軸の回転によって、円筒部材の外側で伝熱管が回転する。伝熱管が回転するため、その回転方向を一方向に定めた場合に、熱媒体が伝熱管の内部表面から受ける力（摩擦力）を流路方向への流れを促進する駆動力として利用する構成とすることができ、熱媒体を供給する上で必要な圧力を低減することが可能である。

また、第２の構成に代えて、永久磁石が円筒部材の内周面に保持され、伝熱管が円筒部材の内周面と対向するように配置され、円筒部材が回転軸に固定されてもよい。この場合、円筒部材が伝熱管に対して円筒部材の中心軸回りに回転する。つまり、熱媒体が流れる伝熱管は、磁石を保持する円筒部材の内側で静止し、回転軸の回転によって、伝熱管の外側で円筒部材が回転する。伝熱管が静止しているため熱媒体を回収しやすく、さらに円筒部材が伝熱管を囲むため熱媒体及び伝熱管の熱が外部へ放散されにくくなる。

また、第２の構成に代えて、永久磁石が円筒部材の内周面に保持され、伝熱管が円筒部材の内周面と対向するように配置され、伝熱管が回転軸に固定されてもよい。この場合、伝熱管が円筒部材に対して円筒部材の中心軸回りに回転する。つまり、磁石を保持する円筒部材は、熱媒体が流れる伝熱管の外側で静止し、回転軸の回転によって、円筒部材の内側で伝熱管が回転する。伝熱管が回転するため、その回転方向を一方向に定めた場合に、熱媒体が伝熱管の内部表面から受ける力（摩擦力）を流路方向への流れを促進する駆動力として利用する構成とすることができ、熱媒体を供給する上で必要な圧力を低減することが可能である。さらに円筒部材が伝熱管を囲むため熱媒体及び伝熱管の熱が外部へ放散されにくくなる。

第１及び第２の構成の発熱装置において、伝熱管が角管であることが好ましい（第３の構成）。角管とは、管の長手方向に垂直な断面の形状が矩形である管を意味する。管の長手方向は、管の軸方向又は管の延びる方向と同義である。伝熱管が角管であれば、伝熱管内の流路の断面形状も矩形である。

伝熱管として角管を用いる場合、１本の角管をらせん状に巻回すことにより、らせん状の流路を形成することができる。すなわち、伝熱管は、らせん状に巻回された１本の角管から構成される（第４の構成）。この場合、角管の隣接する部分同士は、接触していてもよいし、離れていてもよい。隣接する部分同士が接触している場合、その接触部分は接合されてもよい。ここでの接合の方法は、特に限定されないが、例えば溶接である。この接合方法は、ろう付けであってもよい。角管の隣接する部分同士が接触していれば、伝熱管全体の表面積が小さいため、伝熱管から外部への放熱が抑えられる。そのため、熱回収率が高まる。

また、伝熱管として角管を用いる場合、複数の環状の角管を準備し、これらの環状角管を一列に並べて順に接合することにより、らせん状の流路を形成することができる。すなわち、伝熱管は、円筒部材の中心軸に沿って順に積み重ねられた複数の環状の角管から構成される。この場合、各環状角管の内部に仕切り板が設けられており、隣り合う環状角管同士には仕切り板の近傍に連通穴が設けられている（第５の構成）。ここでの接合の方法も上記と同様に、特に限定されないが、例えば溶接である。この接合方法は、ろう付けであってもよい。この場合も、伝熱管全体の表面積が小さいため、伝熱管から外部への放熱が抑えられる。そのため、熱回収率が高まる。

第３～第５の構成の発熱装置によれば、伝熱管の磁石側の面と、磁石の伝熱管側の面との間の距離を一定にすることができる。そのため、伝熱管の磁石側の面において、渦電流が広範囲で有効に発生する。したがって、伝熱管で十分な発熱が生じる。

ただし、第３の構成に代えて、伝熱管が丸管であってもよい。丸管とは、管の長手方向に垂直な断面の形状が円形である管を意味する。伝熱管が丸管であれば、伝熱管の流路の断面形状も円形である。伝熱管として丸管を用いる場合、１本の丸管をらせん状に巻回すことにより、らせん状の流路を形成することができる。

第１～第５の構成の発熱装置の定型的な例では、カバーは、円筒形状を有する第１の隔壁と、第２の隔壁と、第３の隔壁と、を含む。第１の隔壁は、永久磁石と伝熱管との間に配置されている。第２の隔壁は、第１の隔壁の両端のうちの一方端から延びて円筒部材に接合されている。第３の隔壁は、第１の隔壁の両端のうちの他方端から延びて円筒部材に接合されている。そして、第１の隔壁、第２の隔壁及び第３の隔壁が、熱伝導性を有する材料からなる（第６の構成）。ここでの接合の方法は、特に限定されないが、例えば溶接である。この接合方法は、ボルトによる締結であってもよいし、接着剤による接着であってもよい。

第６の構成の発熱装置によれば、伝熱管からの輻射熱によって第１の隔壁が昇温したとしても、第１の隔壁の熱は、第２及び第３の隔壁に伝播し、さらに円筒部材に伝播する。つまり、カバーに与えられた熱は、カバーに蓄積されることなく、円筒部材に誘導される。そのため、永久磁石の昇温がより抑えられる。

第６の構成の発熱装置において、第２の隔壁及び第３の隔壁の少なくとも一方の隔壁に放熱フィンが設けられていてもよい（第７の構成）。

第７の構成の発熱装置によれば、第２の隔壁に放熱フィンが設けられている場合、第２の隔壁に伝播した熱は、放熱フィンを通じてカバーの外部に放出される。第３の隔壁に放熱フィンが設けられている場合、第３の隔壁に伝播した熱は、放熱フィンを通じてカバーの外部に放出される。つまり、カバーに与えられた熱はカバーに蓄積されることなく、さらに円筒部材に伝わる熱も少ない。そのため、永久磁石の昇温がより抑えられる。

第６の構成の発熱装置において、第２の隔壁及び第３の隔壁の少なくとも一方の隔壁が起伏していてもよい（第８の構成）。ここでの起伏の形状は、波形であってもよいし、凹凸であってもよい。

第８の構成の発熱装置によれば、第２の隔壁が起伏している場合、第２の隔壁に伝播した熱は、第２の隔壁自身からカバーの外部に放出される。第３の隔壁が起伏している場合、第３の隔壁に伝播した熱は、第３の隔壁自身からカバーの外部に放出される。つまり、カバーに与えられた熱はカバーに蓄積されることなく、さらに円筒部材に伝わる熱も少ない。そのため、永久磁石の昇温がより抑えられる。

第６～第８の構成の発熱装置において、第１の隔壁、第２の隔壁及び第３の隔壁が非磁性材料からなっていてもよい（第９の構成）。

第９の構成の発熱装置によれば、カバーは永久磁石からの磁束に影響を与えない。そのため、伝熱管で十分な発熱が生じる。

第９の構成の発熱装置において、第１の隔壁の外面に磁性材料からなる層が設けられていてもよい（第１０の構成）。

第１０の構成の発熱装置によれば、磁性材料からなる層が永久磁石と伝熱管との間の第１の隔壁に設けられる。そのため、永久磁石からの磁束は、上記の層に導かれ、さらに伝熱管に導かれる。つまり、磁石からの磁束は伝熱管に向けて誘導される。そのため、伝熱管でより十分な発熱が生じる。

第６～第８の構成の発熱装置において、第１の隔壁が磁性材料からなり、第２の隔壁及び第３の隔壁が非磁性材料からなっていてもよい（第１１の構成）。

第１１の構成の発熱装置によれば、第２及び第３の隔壁は非磁性材料からなる。そのため、第２及び第３の隔壁は永久磁石からの磁束に影響を与えない。一方、永久磁石と伝熱管との間に存在する第１の隔壁は磁性材料からなる。そのため、永久磁石からの磁束は、第１の隔壁に導かれ、さらに伝熱管に導かれる。つまり、磁石からの磁束は伝熱管に向けて誘導される。したがって、伝熱管でより十分な発熱が生じる。

第１～第１１の構成の発熱装置は、さらに、断熱カバーを備えてもよい。断熱カバーは、伝熱管のうち、円筒部材の外周面及び内周面のうちの上記一方の周面と対向する領域を除いて、伝熱管を包囲する（第１２の構成）。

第１２の構成の発熱装置によれば、断熱カバーによって、伝熱管から外部への放熱が遮断される。そのため、熱回収率が高まる。

上記の発熱装置において、熱媒体は、伝熱管で発生した熱を回収できるものである限り、特に限定されない。熱媒体の例には、溶融塩（例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。

永久磁石を保持する円筒部材の材料は、特に限定されず、強磁性材料であってもよいし、弱磁性材料であってもよいし、非磁性材料であってもよい。強磁性材料の例には、強磁性金属材料（例：炭素鋼、鋳鉄等）が含まれる。弱磁性材料の例には、弱磁性金属材料（例：フェライト系ステンレス鋼等）が含まれる。非磁性材料の例には、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）が含まれる。これらの金属材料は熱伝導性も有する。そのため、カバーが熱伝導性を有する材料からなる場合に、円筒部材の材料がそれらの金属材料であれば、カバーから円筒部材への熱の誘導が促進される。

永久磁石を包囲するカバーの材料は、特に限定されない。カバー（第１の隔壁、第２の隔壁、第３の隔壁）の材料が熱伝導性を有する材料である場合、その材料は、例えば金属材料である。特に、カバー（第１の隔壁、第２の隔壁、第３の隔壁）の材料が非磁性材料である場合、その非磁性材料の例には、上記の非磁性金属材料（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）が含まれる。カバー（第１の隔壁）の材料が磁性材料である場合、その磁性材料の例には、上記の強磁性金属材料（例：炭素鋼、鋳鉄等）及び弱磁性金属材料（例：フェライト系ステンレス鋼等）が含まれる。第１の隔壁に磁性材料からなる層が設けられている場合、その磁性材料の例には、上記の強磁性金属材料及び弱磁性金属材料が含まれる。

伝熱管の材料は、導電性且つ熱伝導性を有する材料である限り、特に限定されない。伝熱管の材料は、例えば金属材料である。その金属材料の例には、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等が含まれる。その中でも、導電性が高くて熱伝導性が高いアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等が好ましい。伝熱管の肉厚は、例えば３～６ｍｍである。

永久磁石は、円筒部材の外周面及び内周面のいずれか一方の周面に保持されている。永久磁石の配置は、磁石からの磁束を伝熱管に到達させることができる限り、特に限定されない。例えば、永久磁石は、複数の棒状の磁石からなる。この場合、複数の棒状の磁石は、円筒部材の周方向で等間隔に配置される。各棒状の磁石は、その長手方向が円筒部材の中心軸と平行になるように配置される。また、例えば、永久磁石は、複数の円弧状の磁石からなる。この場合、複数の円弧状の磁石が円筒部材の周方向で等間隔に配置されて、リング状の磁石群を構成する。そのリング状の磁石群が複数個、円筒部材の軸方向に配置されてもよい。隣接する磁石同士の間には、隙間があってもよいし、他の部材が配置されてもよい。

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、上記の発熱装置は、流体の運動エネルギ（例えば、風力や水力等の自然エネルギ）を利用して発熱する装置であってもよい。また、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。例えば、回転軸は、風や水流を受けて回転する羽根車に、直接又は間接的に接続される。この場合、羽根車の回転によって、回転軸が回転する。

以下では、本発明の渦電流式発熱装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下で説明する実施形態は例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されず、上述した様々なバリエーションを適用できる。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］
図１は、第１実施形態の発熱装置の要部を模式的に示す側面図である。図２は、図１の線II－IIにおける横断面図である。図３は、図２の線III－IIIにおける縦断面図である。本明細書において、横断面とは、円筒部材２の中心軸ＣＬに垂直な断面である。縦断面とは、円筒部材２の中心軸ＣＬに沿った断面である。円筒部材２の中心軸ＣＬは、回転軸３０の軸心と一致する。

図１～図３を参照して、発熱装置１は、円筒部材２と、永久磁石３と、カバー４と、伝熱管５と、を備える。本実施形態では、円筒部材２は、回転軸３０に支持部材（図示省略）を介して固定されている。回転軸３０は、非回転部である固定の本体（図示省略）に、軸受（図示省略）を介して回転可能に支持されている。

図２及び図３を参照して、本実施形態では、円筒部材２の外周面２ａに、複数の棒状の永久磁石３が保持されている。これら複数の磁石３は、円筒部材２の周方向で等間隔に配置されている。各磁石３は、その長手方向が円筒部材２の中心軸ＣＬと平行になるように配置されている。これらの磁石３の磁極（Ｎ極、Ｓ極）は、円筒部材２の径方向に配置されている。周方向で隣接する磁石３同士の磁極は、交互に反転している。

図１～図３を参照して、カバー４は円筒部材２に取り付けられている。カバー４は、円筒部材２の外周面２ａ、及びこの外周面２ａに保持された磁石３を包囲する。カバー４と磁石３との間には隙間が設けられている。つまり、カバー４は磁石３と接触していない。

本実施形態では、カバー４は、円筒形状を有する第１の隔壁４ａと、第２の隔壁４ｂと、第３の隔壁４ｃと、を含む。第１の隔壁４ａは、磁石３と後述する伝熱管５との間に配置されている。第２の隔壁４ｂ及び第３の隔壁４ｃは、ドーナツ板状の形状を有する。第２の隔壁４ｂは、第１の隔壁４ａの両端のうちの一方端（図３では上側）から延びて円筒部材２に接合されている。第３の隔壁４ｃは、第１の隔壁４ａの両端のうちの他方端（図３では下側）から延びて円筒部材２に接合されている。第１の隔壁４ａ、第２の隔壁４ｂ及び第３の隔壁４ｃが、熱伝導性を有する材料からなる。

伝熱管５は、全体として円筒形状を有する。本実施形態では、伝熱管５は、円筒部材２の外周面２ａと対向するように配置されている。つまり、伝熱管５は、円筒部材２及びカバー４（第１の隔壁４ａ）の外側に配置され、磁石３と隙間を空けて対向する。なお、伝熱管５はカバー４と接触していない。この伝熱管５は、導電性且つ熱伝導性を有する材料からなる。この伝熱管５は、円筒部材２の中心軸ＣＬ回りにらせん状に熱媒体の流路５ａを形成する。

本実施形態では、伝熱管５は１本の角管１５からなる。この１本の角管１５は、円筒部材２の中心軸ＣＬ回りにらせん状に巻回される。このようにらせん状に巻回された角管１５により、らせん状の流路５ａが形成される。角管１５の隣接する部分同士は、接触している。角管１５（伝熱管５）の磁石３側の面と、磁石３の伝熱管５側の面との間の距離は一定である。なお、伝熱管５と磁石３との間には、カバー４を構成する第１の隔壁４ａが配置されている。

伝熱管５には、入側連結部６及び出側連結部７が設けられている。入側連結部６には入側配管（図示省略）が接続され、出側連結部７には出側配管（図示省略）が接続される。入側配管及び入側連結部６を通じて、伝熱管５に熱媒体が供給される。伝熱管５に供給された熱媒体は、伝熱管５内のらせん状の流路５ａを一方向に流れ、出側連結部７及び出側配管を通じて、伝熱管５から排出されて回収される。

このような構成の本実施形態の発熱装置１では、円筒部材２が回転軸３０に固定されている。そのため、回転軸３０が回転すれば、磁石３を保持する円筒部材２は、回転軸３０とともに円筒部材２の中心軸ＣＬ回りに回転する。一方、熱媒体が流れる伝熱管５は、磁石３を保持する円筒部材２の外側で静止している。つまり、円筒部材２が伝熱管５に対して回転する。これにより、磁石３と円筒部材２との間に相対的な回転速度差が生じる。

このとき、磁石３からの磁束（磁界）の作用によって、伝熱管５の磁石３側の面に渦電流が発生する。このように伝熱管５そのものに発生した渦電流によって、伝熱管５が発熱する。伝熱管５で生じた熱は、伝熱管５内のらせん状の流路５ａを流れる熱媒体に直に移動して回収される。らせん状の流路５ａを流れる熱媒体の熱容量は小さい。そのため、回転軸３０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。

さらに、伝熱管５からの輻射熱に対して、磁石３はカバー４によって隔離されている。そのため、磁石３の昇温が抑えられ、磁石３の熱減磁を抑制することができる。

また、本実施形態の発熱装置１では、伝熱管５からの輻射熱によってカバー４（特に第１の隔壁４ａ）が昇温したとしても、第１の隔壁４ａの熱は、第２及び第３の隔壁４ｂ及び４ｃに伝播し、さらに円筒部材２に伝播する。つまり、カバー４に与えられた熱は、カバー４に蓄積されることなく、円筒部材２に誘導される。そのため、磁石３の昇温をより抑えることができる。

また、本実施形態の発熱装置１では、伝熱管５が円筒部材２の外側で静止している。そのため、伝熱管５内の流路５ａを流れる熱媒体を回収しやすい。

また、本実施形態の発熱装置１では、伝熱管５として角管１５が用いられる。この場合、角管１５（伝熱管）の磁石３側の面と、磁石３の伝熱管５側の面との間の距離を一定にすることができる。そのため、伝熱管５の磁石３側の面において、渦電流が広範囲で有効に発生する。したがって、伝熱管５で十分な発熱が生じる。

さらに角管１５の隣接する部分同士が接触しているため、伝熱管５全体の表面積が小さい。したがって、伝熱管５から外部への放熱が抑えられ、熱回収率が高まる。

［第２実施形態］
図４は、第２実施形態の発熱装置の要部を模式的に示す側面図である。図５Ａは、図４の線VＡ－VＡにおける横断面図である。図５Ｂは、図４の線VＢ－VＢにおける横断面図である。図５Ｃは、図４の線VＣ－VＣにおける横断面図である。図５Ｄは、図４の線VＤ－VＤにおける横断面図である。図５Ｅは、図４の線VＥ－VＥにおける横断面図である。図６Ａは、図５Ａ及び図５Ｂの線VIＡ－VIＡにおける縦断面図である。図６Ｂは、図５Ｂ及び図５Ｃの線VIＢ－VIＢにおける縦断面図である。図６Ｃは、図５Ｃ及び図５Ｄの線VIＣ－VIＣにおける縦断面図である。図６Ｄは、図５Ｄ及び図５Ｅの線VIＤ－VIＤにおける縦断面図である。図６Ｅは、図５Ｅの線VIＥ－VIＥにおける縦断面図である。第２実施形態の発熱装置１は、上記した第１実施形態の発熱装置１を変形したものである。以下、第１実施形態の発熱装置１と重複する構成についての説明は省略する。後述する第３～第７実施形態でも同様とする。

図４～図６Ｅを参照して、第１実施形態と同様に、伝熱管５は、全体として円筒形状を有する。ただし、本実施形態では、伝熱管５は、複数の環状の角管１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄからなる。ここでは、伝熱管５が４つの環状角管１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄからなる例を示す。４つの環状角管１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄは、一列に並べられて順に接合され、全体として円筒形状にされる。つまり、４つの環状角管１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄは、円筒部材２の中心軸ＣＬに沿って順に積み重なる。説明の便宜上、以下では４つの環状角管１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄを先頭（図４では上側）から順に、第１の環状角管１５Ａ、第２の環状角管１５Ｂ、第３の環状角管１５Ｃ、及び第４の環状角管１５Ｄと称する場合がある。

図５Ｂ～図５Ｅを参照して、各環状角管１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄの内部には、仕切り板１６ａ、１６ｂ、１６ｃ及び１６ｄが設けられている。仕切り板１６ａ、１６ｂ、１６ｃ及び１６ｄによって、環状に連続する環状角管１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄの内部の一部が閉ざされる。伝熱管５を円筒部材２の中心軸ＣＬに沿って見たとき、仕切り板１６ａ、１６ｂ、１６ｃ及び１６ｄ同士は、中心軸ＣＬ回りに所定のピッチずらされて配置されている。

隣り合う第１の環状角管１５Ａ及び第２の環状角管１５Ｂには、第１の環状角管１５Ａ及び第２の環状角管１５Ｂを貫通する連通穴１７ａが設けられている（図５Ｂ及び図６Ｂ参照）。連通穴１７ａは、仕切り板１６ａ及び仕切り板１６ｂの近傍で、且つ仕切り板１６ａと仕切り板１６ｂとの間に配置されている。これと同様に、隣り合う第２の環状角管１５Ｂ及び第３の環状角管１５Ｃには、連通穴１７ｂが設けられている（図５Ｃ及び図６Ｃ参照）。これと同様に、隣り合う第３の環状角管１５Ｃ及び第４の環状角管１５Ｄには、連通穴１７ｃが設けられている（図５Ｄ及び図６Ｄ参照）。伝熱管５を円筒部材２の中心軸ＣＬに沿って見たとき、連通穴１７ａ、１７ｂ及び１７ｃ同士は、中心軸ＣＬ回りに所定のピッチずらされて配置されている。

図５Ａ及び図６Ａを参照して、第１の環状角管１５Ａには、入口１８が設けられている。伝熱管５を円筒部材２の中心軸ＣＬに沿って見たとき、入口１８と連通穴１７ａとの間に仕切り板１６ａが配置されている。図５Ｅ及び図６Ｅを参照して、第４の環状角管１５Ｄには、出口１９が設けられている。伝熱管５を円筒部材２の中心軸ＣＬに沿って見たとき、出口１９と連通穴１７ｃとの間に仕切り板１６ｄが配置されている。

図４を参照して、第１の環状角管１５Ａの入口１８（図６Ａ参照）には、入側連結部６が設けられている。第４の環状角管１５Ｄの出口１９（図６Ｅ参照）には、出側連結部７が設けられている。

入側配管、入側連結部６及び入口１８を通じて、第１の環状角管１５Ａに熱媒体が供給される。第１の環状角管１５Ａに供給された熱媒体は、第１の環状角管１５Ａ内を一方向に流れ、連通穴１７ａから第２の環状角管１５Ｂに供給される。第２の環状角管１５Ｂに供給された熱媒体は、第２の環状角管１５Ｂ内を一方向に流れ、連通穴１７ｂから第３の環状角管１５Ｃに供給される。第３の環状角管１５Ｃに供給された熱媒体は、第３の環状角管１５Ｃ内を一方向に流れ、連通穴１７ｃから第４の環状角管１５Ｄに供給される。第４の環状角管１５Ｄに供給された熱媒体は、第４の環状角管１５Ｄ内を一方向に流れ、出口１９、出側連結部７及び出側配管を通じて、第４の環状角管１５Ｄから排出されて回収される。

このように複数の環状角管１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄで構成された伝熱管５により、らせん状の流路５ａが形成される。したがって、本実施形態の発熱装置１でも、第１実施形態と同様の効果を奏する。また、本実施形態の場合も、伝熱管５全体の表面積が小さい。隣り合う環状角管１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄが接合されているからである。したがって、伝熱管５から外部への放熱が抑えられ、熱回収率が高まる。特に、本実施形態の場合、らせん状の流路５ａは、各連通穴１７ａ、１７ｂ及び１７ｃの付近で折れ曲がっている。このため、熱媒体が流路５ａを流れるとき、各連通穴１７ａ、１７ｂ及び１７ｃの付近で圧力損失が生じる。圧力損失が生じた部分では、伝熱管５から熱媒体への熱の移動が促進する。したがって、熱回収率がより高まる。

［第３実施形態］
図７は、第３実施形態の発熱装置の要部を模式的に示す縦断面図である。第３実施形態の発熱装置１は、上記した第１及び第２実施形態の発熱装置１を変形したものである。

本実施形態では、カバー４を構成する第２の隔壁４ｂの外面に、放熱フィン８ｂが設けられている。放熱フィン８ｂの数は、１つでもよいし、複数でもよい。放熱フィン８ｂは、第２の隔壁４ｂの全域にわたって設けられてもよいし、第２の隔壁４ｂの一部の領域に設けられてもよい。これと同様に、第３の隔壁４ｃの外面に、放熱フィン８ｃが設けられている。

本実施形態の発熱装置１では、カバー４が昇温したとしても、第２の隔壁４ｂに伝播した熱は、放熱フィン８ｂを通じてカバー４の外部に放出される。第３の隔壁４ｃに伝播した熱は、放熱フィン８ｃを通じてカバー４の外部に放出される。つまり、カバー４に与えられた熱はカバー４に蓄積されることなく、さらに円筒部材２に伝わる熱も少ない。そのため、磁石３の昇温をより抑えることができる。

なお、放熱フィンは、第２の隔壁及び第３の隔壁の少なくとも一方の隔壁に設けられればよい。もっとも、カバーの放熱特性を高める観点からは、第２の隔壁及び第３の隔壁の両方に放熱フィンが設けられることが好ましい。

［第４実施形態］
図８は、第４実施形態の発熱装置の要部を模式的に示す縦断面図である。第４実施形態の発熱装置１は、上記した第１及び第２実施形態の発熱装置１を変形したものである。

本実施形態では、カバー４を構成する第２の隔壁４ｂが起伏している。具体的には、第２の隔壁４ｂが波形に起伏している。第２の隔壁４ｂの全域が起伏していてもよいし、その一部の領域が起伏していてもよい。これと同様に、第３の隔壁４ｃが起伏している。

本実施形態の発熱装置１では、カバー４が昇温したとしても、第２の隔壁４ｂに伝播した熱は、第２の隔壁４ｂ自身からカバー４の外部に放出される。第３の隔壁４ｃに伝播した熱は、第３の隔壁４ｃ自身からカバー４の外部に放出される。つまり、カバー４に与えられた熱はカバー４に蓄積されることなく、さらに円筒部材２に伝わる熱も少ない。そのため、磁石３の昇温をより抑えることができる。

なお、第２の隔壁及び第３の隔壁の少なくとも一方の隔壁が起伏していればよい。もっとも、カバーの放熱特性を高める観点からは、第２の隔壁及び第３の隔壁の両方が起伏していることが好ましい。

［第５実施形態］
図９は、第５実施形態の発熱装置の要部を模式的に示す縦断面図である。第５実施形態の発熱装置１は、上記した第１～第４実施形態の発熱装置１を変形したものである。

本実施形態の発熱装置１は、さらに、断熱カバー１０を備える。断熱カバー１０は、伝熱管５のうち、円筒部材２の外周面２ａと対向する領域を除いて、伝熱管５を包囲する。つまり、断熱カバー１０は、伝熱管５の磁石３側の面を除いて、伝熱管５を包囲する。

本実施形態の発熱装置１では、断熱カバー１０によって、伝熱管５から外部への放熱が遮断される。そのため、熱回収率が高まる。

［第６実施形態］
図１０は、第６実施形態の発熱装置の要部を模式的に示す縦断面図である。第６実施形態の発熱装置１は、上記した第１～第５実施形態の発熱装置１を変形したものである。

本実施形態では、カバー４を構成する第１の隔壁４ａ、第２の隔壁４ｂ及び第３の隔壁４ｃが非磁性材料からなる。さらに、第１の隔壁４ａの外面に磁性材料からなる層９が設けられている。つまり、磁性材料からなる層９が磁石３と伝熱管５との間の第１の隔壁４ａに設けられている。磁性材料からなる層９は、磁性材料の板を第１の隔壁４ａに張り付けることによって形成することができる。

本実施形態の発熱装置１では、カバー４が非磁性材料からなるため、カバー４は磁石３からの磁束に影響を与えない。そのため、伝熱管５で十分な発熱が生じる。

さらに、磁性材料からなる層９が磁石３と伝熱管５との間に設けられているため、磁石３からの磁束は、上記の層９に導かれ、さらに伝熱管５に導かれる。つまり、磁石３からの磁束は伝熱管５に向けて誘導される。そのため、伝熱管５でより十分な発熱が生じる。

［第７実施形態］
図１１は、第７実施形態の発熱装置の要部を模式的に示す縦断面図である。第７実施形態の発熱装置１は、上記した第１～第５実施形態の発熱装置１を変形したものである。

本実施形態では、カバー４を構成する第１の隔壁４ａが磁性材料からなる。一方、第２の隔壁４ｂ及び第３の隔壁４ｃが非磁性材料からなる。

本実施形態の発熱装置１では、第２及び第３の隔壁４ｂ及び４ｃが非磁性材料からなるため、第２及び第３の隔壁４ｂ及び４ｃは磁石３からの磁束に影響を与えない。一方、磁石３と伝熱管５との間に存在する第１の隔壁４ａが磁性材料からなるため、磁石３からの磁束は、第１の隔壁４ａに導かれ、さらに伝熱管５に導かれる。つまり、磁石３からの磁束は伝熱管５に向けて誘導される。したがって、伝熱管５でより十分な発熱が生じる。

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ことは言うまでもない。例えば、上記の実施形態では、永久磁石が円筒部材の外周面に保持され、伝熱管が円筒部材の外周面と対向するように配置され、さらに円筒部材が回転軸に固定されている。この場合、伝熱管が円筒部材の外側で静止し、円筒部材が伝熱管の内側で回転する。

これに対し、永久磁石が円筒部材の外周面に保持され、伝熱管が円筒部材の外周面と対向するように配置され、さらに伝熱管が回転軸に固定されていてもよい。この場合、円筒部材が伝熱管の内側で静止し、伝熱管が円筒部材の外側で回転する。

また、永久磁石が円筒部材の内周面に保持され、伝熱管が円筒部材の内周面と対向するように配置され、さらに円筒部材が回転軸に固定されていてもよい。この場合、伝熱管が円筒部材の内側で静止し、円筒部材が伝熱管の外側で回転する。

また、永久磁石が円筒部材の内周面に保持され、伝熱管が円筒部材の内周面と対向するように配置され、さらに伝熱管が回転軸に固定されていてもよい。この場合、円筒部材が伝熱管の外側で静止し、伝熱管が円筒部材の内側で回転する。

本発明は、渦電流式発熱装置に有効に利用できる。

１ 発熱装置
２ 円筒部材
２ａ 外周面
３ 永久磁石
４ カバー
４ａ 第１の隔壁
４ｂ 第２の隔壁
４ｃ 第３の隔壁
５ 伝熱管
５ａ 流路
６ 入側連結部
７ 出側連結部
８ｂ、８ｃ 放熱フィン
１０ 断熱カバー
１５、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ 角管
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 仕切り板
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ 連通穴
１８ 入口
１９ 出口
３０ 回転軸
ＣＬ 中心軸

Claims (10)

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、
   円筒部材と、
   前記円筒部材の外周面及び内周面のいずれか一方の周面に保持された永久磁石と、
   前記円筒部材に保持された前記永久磁石を包囲するように前記円筒部材に取り付けられたカバーと、
   前記円筒部材の前記外周面及び前記内周面のうちの前記一方の周面と対向するように配置された、導電性且つ熱伝導性を有する材料からなる伝熱管であって、前記円筒部材の中心軸回りにらせん状に熱媒体の流路を形成する前記伝熱管と、を備え、
   前記カバーは、前記永久磁石と前記伝熱管との間に配置された、円筒形状を有する第１の隔壁と、前記第１の隔壁の両端のうちの一方端から延びて前記円筒部材に接合された第２の隔壁と、前記第１の隔壁の両端のうちの他方端から延びて前記円筒部材に接合された第３の隔壁と、を含み、
   前記第１の隔壁、前記第２の隔壁及び前記第３の隔壁が、熱伝導性を有する材料からなり、
   前記第２の隔壁及び前記第３の隔壁の少なくとも一方の隔壁に放熱フィンが設けられ、
   前記円筒部材及び前記伝熱管のいずれか一方が前記回転軸に固定されて、前記円筒部材及び前記伝熱管のいずれか他方に対して前記円筒部材の中心軸回りに回転する、渦電流式発熱装置。
2. 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、
   円筒部材と、
   前記円筒部材の外周面及び内周面のいずれか一方の周面に保持された永久磁石と、
   前記円筒部材に保持された前記永久磁石を包囲するように前記円筒部材に取り付けられたカバーと、
   前記円筒部材の前記外周面及び前記内周面のうちの前記一方の周面と対向するように配置された、導電性且つ熱伝導性を有する材料からなる伝熱管であって、前記円筒部材の中心軸回りにらせん状に熱媒体の流路を形成する前記伝熱管と、を備え、
   前記カバーは、前記永久磁石と前記伝熱管との間に配置された、円筒形状を有する第１の隔壁と、前記第１の隔壁の両端のうちの一方端から延びて前記円筒部材に接合された第２の隔壁と、前記第１の隔壁の両端のうちの他方端から延びて前記円筒部材に接合された第３の隔壁と、を含み、
   前記第１の隔壁、前記第２の隔壁及び前記第３の隔壁が、熱伝導性を有する材料からなり、
   前記第２の隔壁及び前記第３の隔壁の少なくとも一方の隔壁が起伏しており、
   前記円筒部材及び前記伝熱管のいずれか一方が前記回転軸に固定されて、前記円筒部材及び前記伝熱管のいずれか他方に対して前記円筒部材の中心軸回りに回転する、渦電流式発熱装置。
3. 請求項１又は２に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記永久磁石が前記円筒部材の前記外周面に保持され、
   前記伝熱管が前記円筒部材の前記外周面と対向するように配置され、
   前記円筒部材が前記回転軸に固定されて、前記伝熱管に対して前記円筒部材の前記中心軸回りに回転する、渦電流式発熱装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記伝熱管が角管である、渦電流式発熱装置。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記伝熱管は、らせん状に巻回された１本の角管から構成される、渦電流式発熱装置。
6. 請求項１から３のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記伝熱管は、前記円筒部材の前記中心軸に沿って順に積み重ねられた複数の環状の角管から構成され、前記環状の角管それぞれの内部に仕切り板が設けられ、隣り合う前記環状の角管同士には前記仕切り板の近傍に連通穴が設けられている、渦電流式発熱装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記第１の隔壁、前記第２の隔壁及び前記第３の隔壁が非磁性材料からなる、渦電流式発熱装置。
8. 請求項７に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記第１の隔壁の外面に磁性材料からなる層が設けられている、渦電流式発熱装置。
9. 請求項１から６のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
   前記第１の隔壁が磁性材料からなり、前記第２の隔壁及び前記第３の隔壁が非磁性材料からなる、渦電流式発熱装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
    さらに、前記伝熱管のうち、前記円筒部材の前記外周面及び前記内周面のうちの前記一方の周面と対向する領域を除いて、前記伝熱管を包囲する断熱カバーを備える、渦電流式発熱装置。

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