JP7345496B2 - 直流励磁、極めて小さな電気的／動力学的効率、及び極めて高い熱ｃｏｐを有する回転式誘導熱発生器 - Google Patents

Description

本発明は、直流励磁及び交番磁場の生成のための機械的デバイスによる渦電流の形態の磁気誘導により熱エネルギーが生成される、回転式誘導熱発生器（ｒｏｔａｒｙ－ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）に関する。熱発生器は、あらゆるタイプの加熱システム及び家庭用温水暖房のための熱水の生成のために、また、独立したデバイスにより、運動エネルギーへの熱の効率的な変換、及び冷却エネルギーへの熱エネルギーの効率的な変換のために、使用され得る。

渦電流は、導電体における電気エネルギーを熱エネルギーに変換する短絡電流である。僅かな対流損失を除けば、このエネルギーは、固体、液体（好ましくは油）、又は気体の熱伝達媒体に１００％伝達される。

渦電流により熱エネルギーが生成される既知の技術の熱発生器が、既に存在する。それらのうちの幾つかは、例えば、誘導オーブン、又はＩＨコンロ（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｏｂ）である。

ここで、熱エネルギーは、加熱されるべき媒体において独占的に生成される。媒体は、加熱ユニットへの磁気又は電気伝導性のブリッジを形成し、加熱ユニットでは、渦電流の結果として、媒体が温まる。加熱ユニット自体においては、軽度のヒステリシス損失及び渦電流損失しか示されない。

挙げられたシステムが機能し得るためには、励磁コイルに交流電流（つまり、交流電圧）が供給されなければならない。

この交流電流は、コイルにおいて交番磁場を生成し、そこで誘導電流が生成され、この誘導電流は、よく知られている誘導の法則に従って、印加された電流に逆らう。

この目的のために、低い電気伝導性を有する被覆され且つ絶縁された薄鋼板で作られた磁心、又は渦電流に対する高い電気抵抗を有するフェライト磁心などの、特定の技術的手段が、低い巻き数及び誘導リアクタンスに対する低いオーム抵抗を有するコイルと一緒に必要とされる。交流コイルの詳細な動作モードは、本明細書においてはさらに詳細には論じられない。

既知の技術の加熱システムに加えて、同様の方法で熱エネルギーを生成する渦電流ブレーキも言及されるべきである。この場合も、やはり同じ問題が明白である。渦電流ブレーキは、直流電流で動作され、且つ、高水準の電気効率を有するが、熱エネルギーを生成するために、つまり、システムを動作させ続けるために、同等の運動エネルギーを必要とする。

これは、挙げられた全てのシステムに対して、導入されるべき電気エネルギー及び／又は運動エネルギーは、利用され得る熱エネルギーを上回ることを意味する。これらの加熱システムは、いかなるエネルギー節約も可能にせず、また、暖房及び家庭内の熱水部門での熱生成にあまり適さないか又は全く適さない場合がある。

従来技術として、特許文献１～１２を参照する。

現時点まで、既知の技術のシステムは、過度に低いそれらの熱効率値（ＣＯＰ）により、全面的な支持を得られていない。また、それらの不利な構造的構築のために、システムは習慣的に、比較的低い出力のために、特に車両での使用、例えば車両暖房システムとしての使用のためにのみ、設計される。

性能係数（ドイツ語では「Ｌｅｉｓｔｕｎｇ－ｓｚａｈｌ」、略してＬＺ）としても知られ、また、エネルギー効率比（ＥＥＥＲ：ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｒａｔｉｏ））としても知られるＣＯＰ因数は、生成される熱出力の使用される電力に対する比を示す。例えば、４の性能係数は、提供される熱出力が使用される電力の４倍であることを意味する。言い換えれば、４のＣＯＰ因数を有する熱ポンプは、供給される１ＫＷの電力から、４ＫＷの熱出力を提供する。

特許文献８は、冷却水をさらに加熱するために追加的な構成要素が結合される液冷式オルタネータを説明しており、この液冷式オルタネータは、運転室を暖めるために使用される。この熱発生構成要素は、集電環を介して回転コイルに励磁電流が供給されなければならない、励磁コイルが組み込まれたクロー・ポール・ロータである。さらに、固定子は、磁場伝達のために被覆鋼板を使用して構築され、良好な電気伝導性を有する固体材料が、それぞれの固定子端部に取り付けられる。この従来技術はまた、持続的な制動トルクが生成されること、及び、その制動トルクは生成される熱エネルギーと同等であることを開示している。最後に、この従来技術は、静場を生成するコイルは常に回転すること、及び、コイルのための励磁電流は耐摩耗性集電環を介して供給されることを開示している。

特許文献９は、永久磁石により磁場が生成され、また、誘導円板が良好な導電体で構成される、渦電流ブレーキを開示している。この従来技術は、ポール・パックを回転させることにより出力が制御されるのではなく、代わりに旋回デバイスによりポール・パックが誘導円板に対して内方又は外方に旋回されるという点で、従来の渦電流ブレーキとは異なる。

挙げられた全てのシステムの場合、導入されるエネルギーは一般に、システムから得られる有用なエネルギーよりも大きい。有用なエネルギーとは、例えばオーム抵抗が電気エネルギーの１００％（電流ｘ電圧＝Ｅ ｉｎ Ｗ）を熱エネルギーに変換する場合であると理解される。このことから、これらの加熱システムはいかなるエネルギー節約も可能とせず、したがってそのようなシステムは今までのところ暖房及び家庭内の熱水部門での熱生成にあまり適していなかったか又は全く適していなかったことが分かる。

国際公開第２０１１／１２５４８５号 米国特許出願公開第２０１４／１１０９３８号明細書 米国特許第３０１４１１６号 独国特許出願公開第２６２０２３６号明細書 独国特許出願公開第２６４７７４１号明細書 仏国特許出願公開第２８６４３６９号明細書 国際公開第２００８／０２８６７３号 欧州特許出願公開第００７１０４６号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０２３１４１４号明細書 独国特許出願公開３１２９８１７号明細書 米国特許第４４２３３４４号明細書 欧州特許出願公開第００６２７０６号明細書

本発明の目的は、挙げられた熱発生器の欠点を回避すること、及び、大幅に改良された発熱システムを提供することである。

最後に、本発明の回転式誘導熱発生器はまた、１０ｋＷ超、好ましくは２０又は５０ｋＷ超、さらには１００～５００ｋＷを超える出力を提供することを可能にするはずである。

本発明によれば、この目的は、請求項１に記載の特徴を有する回転式誘導熱発生器によって達成され、有利な発展形態が、従属請求項において、また本明細書及び図において説明される。

本発明は、誘導の目的に必要とされる交番磁場が交流電流ではなく直流電流により励磁コイルを介して生成されるという認識に基づくものであり、ここで、励磁コイルは、好ましくは回転せず、むしろ静的に固定される。したがって、集電環は省略され得る。最後に、本発明は、今日まで従来技術の回転式誘導熱発生器では達成されることがなかった望ましい非常に高いＣＯＰ因数を得ることを可能にする、磁気リング及び極ホイールの構成のための代替的な構造を提案する。最後に、本発明はまた、回転式誘導熱発生器が１０％未満、さらに好ましくは２％未満の値を意味する非常に低い電気的（励磁コイル）／動力学的（駆動モータ）効率を意図的に有することを確実にすることを目指す。しかし、それと同時に、本発明の回転式誘導熱発生器は、非常に高いＣＯＰ因数を有する。ＣＯＰ因数は、通常「性能係数」と呼ばれ、また、本発明によれば、このＣＯＰ因数は、２を超える値、好ましくは５を超える値、例えば６から５０までの任意の好ましい値を有する。

ここで重要なのは、効率とＣＯＰとを同等視するという間違いをしないことである。ＣＯＰは、入力エネルギーがより良好に利用される因数を示す。従来技術から知られた応用の形態では、意図的な高い効率を得るために、供給されるエネルギーは放出されるエネルギーよりも僅かにしか大きくないので、ＣＯＰ因数は、普通は非常に小さく、つまり、ＣＯＰ因数は、２を下回り、普通は１以下である。つまり、既に高い水準の効率は、利用のさらなる効率的な増大を可能にしない。

この本発明による事例のように、効率が極めて高く、且つ、渦電流が有用なエネルギーとしてではなく廃エネルギーと見なされる場合には、状況は異なる。この場合、磁気プロセスが駆動エネルギー又は制動エネルギーのどちらかが利用されることを可能にするので、放出されるエネルギー（エネルギー・アウト）は、動力学的な成分である。供給されるエネルギー（エネルギー・イン）は、ＤＣコイルの励磁出力及び駆動モータの運動エネルギーとしてとらえられるべきである。これら２つは一緒に、正及び／又は負のトルクのどちらかの変換時に、実際の有用なエネルギーに反対するエネルギーのための手段を与える。

渦電流ブレーキは、渦電流が「３軸」効果を有するように設計される。本発明によれば、渦電流がもはや主に（＞９０％）回転軸（Ｚ軸）に沿って作用して極ホイールを強力に制動するのではなく、事実上特定の状況下で主に無効なＸ軸及びＹ軸に沿って向けられるように、渦電流の作用を切り離すことが、今や可能である。

ＤＣコイルは、交流コイルの誘導リアクタンスよりも何倍も低い誘導リアクタンスを有する。これは、低励磁電流及び多くの巻きを可能にする。結果として、磁気ポテンシャル（ベクトル・ポテンシャル）は、電流ｘ巻きに相当する。高い励磁電流及び少ない巻き（Ｎ）、例えば１００Ａ ｘ １Ｎ＝１００ＡＷ（起磁力）、又は低い励磁電流及び多くの巻き、例えば１Ａ ｘ １００Ｎ＝１００ＡＷは、同じ大きさである。静磁場はいかなる誘導も生じさせないので、本発明は、以下の図においても説明され且つ記述される。

図は、本発明の実施例の可能な実例を示す。

発明性のある回転式誘導熱発生器の平面図である。 本発明の回転式誘導熱発生器の必須部品の分解組立図である。 本発明の熱発生器の分解組立図である。 本発明の熱発生器の分解組立図である。 片側の磁気リング、及びもう片側のＤＣコイルの分解組立図である。 ＤＣコイル及び短絡リングを含む磁気リングの分解組立図である。 図４ｂにおける磁気リングの構造の断面図である。 内側極リング、外側極リング、及び極リング・キャリヤから構成されている極ホイールの分解組立図である。 極ホイールの代替的な実施例の分解組立図である。 いくつかの部品で組み立てられた誘導リングの分解組立図である。 誘導リングの代替的な実施例の分解組立図である。 誘導リングの側面図である。 断面図を一緒に示す、誘導リングのさらなる側面図である。 断面図を一緒に示す、発明性のある回転式誘導熱発生器の平面図である。 構成要素間の磁場を一緒に示す、磁気リング、極ホイール、及び誘導リングの分解組立図である。

図１は、本発明の回転式誘導熱発生器１及びそれに接続された熱交換器の基本設計を、温／冷水供給のための混合箱２と一緒に示す。図１で分かるように、機器の全ての部品は、基部フレーム３上に支持される。この基部フレームは、断熱遮音マット４を有し、また、図１に示されたデバイスに断熱遮音フードが被せられてもよく、その場合、フードは、表示及び制御要素を有し、フード自体も、取外し可能な又は開口する扉を有する。やはり図１で分かるように、熱発生器は、その後側に後壁６を有し、この後壁６もまた、その後面上に断熱遮音マットを備え、ユニットはまた、制御電子装置５を有する。

図２は、図１に示された本発明の回転式誘導熱発生器のいくつかの部品の分解組立図を示す。ここで、図は、下部熱交換器ハウジング１２、油水分離器１３、上部熱交換器ハウジング１１、回転式誘導熱発生器ユニット１０、給油量のための制御装置１６、典型的な駆動装置の形態の駆動モータ１４、及び回転式誘導熱発生器ユニット１０と駆動モータ１４とを連結するためのカップリングを示す。

図３ａは、（左から右に）油ポンプ２４、支持軸受２２、支持軸受挟持ナット２３、支持軸受ハブ２１、及びＤＣコイル２９（静的）を含む磁気リング２０、極ホイール１９（回転）、誘導リング１８（静的）、回転式誘導熱発生器ユニット１０のためのハウジング１７、案内軸受２５、及び案内軸受挟持ナット２６、さらに前カバー２７から構成されている回転式誘導熱発生器ユニット１０の詳細を、分解組立図で示す。

図３ｂは、図３ａに示された設計とは僅かに異なるが類似の設計における、直流励起を伴う回転式誘導熱発生器の詳細を、分解組立図で示す。

磁気リング２０、極ホイール１９、及び誘導リング１８の設計並びに機能性は、以下で説明される。本発明によれば、図４ａでは、ＤＣコイル２９が、磁気リング２０の磁気リング・ハウジング２８内に受容される。ここで、ＤＣコイルは、磁気リング・ハウジングに固定して接続されることが好ましく、磁気リング２０自体は、その磁気リング・ハウジング２８と一緒に、回転式誘導熱発生器１のハウジング１７に静的に接続され、ＤＣコイル２９によって生じる静磁場５１は、回転する機械的構成要素、具体的には極ホイール１９により、交番磁場５２に変換される。

図４ｂは、図４ａにおける実施例に対する代替的な形態の実施例を示し、この実施例では、ＤＣコイル２９は、短絡リング４４によって受容され、短絡リング４４は、ひいては磁気リング２０のハウジング２８内に配置される。

短絡リング４４は、良好な電気伝導性を有するか若しくは磁性の材料、又は良好な電気伝導性を有し且つ非磁性である材料、例えばアルミニウムの、いずれかから構成される。磁気リング２０における短絡リング４４とＤＣコイル２９との一体的な収容は、磁気リングにおける渦電流の出現を高めるように設計され、したがって、熱効率値（ＣＯＰ）を高めるように設計される。ここで、短絡リング４４が電気伝導性及び／又は透磁率の観点から磁気リング・ハウジングよりも高い値を有することを確実とするように、注意が払われなければならない。図４ａ及び４ｂで分かるように、磁気リング・ハウジング２８は、Ｕ形状断面を有するリングによって形成され、且つ、好ましくは純鉄である強磁性材料から構成される。Ｕ形状のリングにより、溝８７が形成され、この溝８７内には－図４ａ参照－ＤＣコイル２９が位置決めされるか、又は、この溝８７内には－図４ｂ参照－ＤＣコイル２９と一緒に短絡リング４４が位置決めされる。ＤＣコイル２９もまた、環状の設計のものである。

ＤＣコイル２９は、巻きコイルを有し、この巻きコイルは、例えば、薄鋼帯（ｓｈｅｅｔ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｉｐ）、丸線（ｒｏｕｎｄ ｗｉｒｅ）、さらには矩形線（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｗｉｒｅ）から構成され得る。静磁場により、磁気リング２０は、固体材料、層状の薄鋼板、又は焼結金属から構成され得る。磁気リング２０は、内側及び外側の連続した平坦な表面を有し、この表面では、磁場が、例えばＳ極として、また、反対の極、つまりＮ極として交互に現れ、且つ、軸方向に隣接する極ホイール１９の構造的に同一の表面に入る。

或いは、磁化の目的のためにＤＣコイルの代わりに永久磁石を磁気リングに挿入することも考えられる。永久磁石の見込まれる欠点は、高い製造コスト、低いキュリー温度、及び、熱出力を設定するための複雑な制御技術である。図４ａはまた、ＤＣコイル２９のための電力供給接続部８９を示す。この電力供給接続部は、ＤＣコイルのための外部電源接続を可能とするために、磁気リング２０にある開口部９０を通じて外部へ導かれる。

図４ｃは、図４ｂにおける磁気リング２０の構造の断面図を示す。ここでは、磁気リング２０がＵ形状のリングとして設計されていることが分かり、磁気リング２０は、短絡リング４４を受容し、且つ、短絡リング４４内にＤＣコイル２９を受容する。図４ｃはまた、ＤＣコイル２９が入れられる溝８７を形成する側部分４９を含む磁気リング２０の側面図の詳細を示す。

静場を誘導のために必要とされる交番場に変換するために、本発明は、回転する機械的構成要素、具体的には図５に示されるような極ホイール１９を提供する。極ホイール１９が静的な（つまり、固定された）磁気リング２０を越えて回転すると、この要件は満たされる。

図５における極ホイール１９は、複数の構成要素、例えば３つの構成要素から構成されることが好ましく、それらの構成要素は、例えば、内側極リング５３、好ましくは純鉄である強磁性材料で作られた外側極リング５４、及び、例えば抗磁性材料であるが好ましくは良好な電気伝導性を有する材料、例えばアルミニウム、銅、ステンレス鋼で作られた極リング・キャリヤ５５である。内側及び外側の極リングは、固体材料、層状の薄鋼板、又はフェライトから構成されてもよい。

磁気リング及び極ホイールの組立体において、磁気リング２０及び極ホイール１９は、軸方向に隣接し、それらの間には、可能な限り小さな空隙（図示せず）が形成される。

機能性によって定められるように、磁気リング２０と極ホイール１９との間の可能な限り小さなこの空隙をわたる静磁場５１は、極ホイール１９の回転により、極ホイール１９から、例えば所定の位置にボルト留めされた、固定された（静的な）誘導リング１８上の交番磁場５２に変換される。ここでは、極ホイールが磁気リングに対して動的に振る舞うか堅固に振る舞うかは問題にならない。静磁場５１は、小さな空隙の損失は別として損失を伴うことなく伝えられ、また、磁気リングにより近い領域において極ホイールにおける静場として維持される。極ホイールの交番場側５２は、最大保磁力の法則若しくは再磁化損失（ｒｅｍａｇｎｅｔｉｓａｔｉｏｎ ｌｏｓｓｅｓ）、表皮効果、又は固体材料の場合の渦電流損失を被る。

図５ａ及び５ｂは、発明性のある極ホイール１９の実施例の２つの代替的な形態を示す。

第１の変形形態では、つまり図５ａでは、誘導リング１８に面する極ホイール１９の側、つまり磁気リング２０と反対の側を向いた極ホイール１９の側に、複数の極延長部４６及び４７が配置される。

極延長部の数は、１１個以上であることが好ましく、１３個以上であることが好ましい。

図５ａでは、極ホイールの内側極リング５３が、内側から外側へ径方向に延在する１１個以上の極延長部４６、４７を有することが、はっきりと分かる。

極ホイール１９の外側極リング５４もまた、外側から内側へ径方向に同様に延在する、１１個以上の極延長部を有する。

図５ａではっきりと分かるように、内側極リング５３の極延長部４６、及び外側極リング５４の極延長部４７は、互いに噛み合うように（つまり、互いに接近して位置するように）、互いにオフセットして配置され、それにより、図５ａで分かるように径方向において重なり合い、したがって、磁気リングの静磁場を、隣接する誘導リング１８における交番場に変換する。それにより、誘導リング１８における「Ｎ及びＳ」極の関係がもたらされ、これは、極ホイールの回転方向、つまり極ホイールの回転ごとに左右され、また、極の数に応じて、極性は相応に頻繁に変更される。このようにして、極ホイール１９及び誘導リング１８において渦電流が誘導される。図５ａに示された変形形態では、負のトルクは、正のトルクに対して常に優勢である。

図５ａでは、極リング１９が、軸受スタブ２１ａを含む極リング・キャリヤ５５を有することも分かる。極リング・キャリヤ５５は、内側及び外側の極リングの極延長部４７及び４７を受容するための凹部を相応に有する。

すでに述べたように、極リング・キャリヤ５５は、抗磁性で好ましくは良好な電気伝導性の材料、例えばアルミニウム、銅、又はステンレス鋼から構成されることが好ましい。しかし、プラスチックによる実施例もまた、本発明によれば考えられる。

図５ｂは、極ホイール１９の代替的な設計変形形態を示す。

対応する極延長部４６及び４７を含む内側極リング５３及び外側極リング５４が、この場合もはっきりと見られる。この変形形態では、極延長部の数は、図５ａにおける変形形態での数（１０）よりも著しく多い。

図５ｂで分かるように、個々の極延長部４６、４７は、それらの長手軸を整列させて、この場合も同様に径方向に配向され、したがって、内側極リング５３の極延長部４６、及び外側極リング５４の極延長部４７は、互いに径方向に（予め定められた距離で）離間される。

したがって、図５ｂに示された変形形態における極延長部４６、４７の長さは、図５ａに示された個々の極延長部の長さよりも短く保たれ、したがって、内側及び外側の極リングの極延長部４６及び４７は重なり合わないが、述べたように、図５ａにおける変形形態と同じ構築サイズ（極ホイールの外径）の場合、著しく多い数の極が存在する。

図５ｂに示された変形形態における極延長部の数は、２０を優に超え、好ましくは４０以上であり、又は、１０から１００の範囲内若しくはそれを超える数である。

図５ｂに示された極ホイールの変形形態では、古典的な交番磁場（誘導リングにおける交番するｎ／ｓ場）は生成されず、代わりに、回転速度及び極の数に応じて、磁気回路が時間的に中断される（刻まれる）。したがって、磁場の一定な構築及び破壊は、極ホイール１９及び誘導リング１８における渦電流を同様に生成する。図５ａにおける変形形態とは対照的に、図５ｂに示された変形形態は、正のトルクと負のトルクとを周期的に繰り返し、それにより、この場合も負のトルクは正のトルクに対して優勢である。

やはり図５ｂではっきりと分かるように、極リング・キャリヤ５５は、極リング５３、５４が極リング・キャリヤ５５内に保持されるように、内側及び外側の極リングの極延長部４６及び４７が正確に受容される凹部に、相応に嵌合される。対応する取付部２１ａもまた、はっきりと見られる。

極リング・キャリヤ５５は、その内的な剛性により、極リング５３、５４に作用する全ての磁気力を吸収しなければならない。

したがって、抗磁性であるが好ましくは良好な電気伝導性を有する材料で構成される極リング・キャリヤ５５の材料として、金属が特に適している。

極延長部４６及び４７の断面の構成には、ある程度の自由度が存在する。

図５ａ及び５ｂに示された変形形態ではっきりと分かるように、極延長部４６及び４７は、断面がテーパ付けされているが、それらが矩形の断面を有して設計されることも考えられる。極の数、つまり内側極リング及び外側極リングの極延長部の数を、不釣り合いであるように、つまり等しくないように設計することもまた、可能である。

述べたように、極リング・キャリヤ５５は、非磁性材料で作られ得るが、電気伝導性材料又は電気絶縁材料で作られてもよい。そのような材料の選択は極リングに対しても可能であるが、それらは電気伝導性又は非伝導性であるべきである。

これは、必要とされる個々の潜在的な熱性能に依存する。電気伝導性材料及び固体構成要素を用いると、誘導リングにおけるように、極ホイールにおいても渦電流が誘導され、これらは、熱出力を著しく増大させる。

図６ａは、誘導リング１８の第１の変形形態を分解組立図で示す。図で分かるように、図６ａにおける誘導リング１８は、３部品構造を有し、且つ、極リングのそれに類似した構造の形態を有する。

この場合もやはり、磁場の一様な出現を防ぐポケットとして、くぼみ３３ａが形成される。誘導リングにおいて磁場が一様に出現すればするほど、制動モード、つまり負のトルクに向かう傾向はますます大きくなる。

図６ａに示されるように、誘導リング１８の第１の部品３３（円板形状）は、強磁性材料で作られ、この強磁性材料はまた、電気伝導特性を有し得る。

誘導リング１８の第１の部品３３に対応して、第１の部品３３に隣接する（しかし、空間的に離間される）磁性の電気絶縁体５０が、第２の部品として軸方向に続く。この絶縁体５０は、絶対に必要なものではないが、使用された場合、この手段は、正のトルク成分は増大するがシステム全体における渦電流の出現はある程度減少するという結果を有する。

図６ｂは、誘導リング１８の第１の部品３３を図６ａにおける変形形態とは異なりくぼみ３３ａが全くない一様な円板として設計することも可能であることを示す。

図６ｃは、強磁性材料で作られるのではなく良好な電気特性を有する材料で作られる、誘導リングの別の変形形態を示す。

誘導リング１８のために強磁性材料を使用することも可能であるとはいえ、これは、必ずしも有利であるとは限らない。

図６ａ及び６ｂでは、良好な熱伝導性を有する材料で作られた別の円板６３（第３の部品）が、極ホイール１９と反対の側を向いた誘導リング１８の側に取り付けられることが分かる。この円板の厚さは、いかなる特定の仕様にも左右されない。円板材料の熱伝導性が良好であればあるほど、誘導リング１８から円板６３への熱の伝達がますます良くなる。液体伝熱媒体が、円板６３の周りを流れて、システムにおけるほとんど損失のない熱伝達を保証する。それと同時に、円板６３は、誘導リングの機械的なキャリヤであり、且つ、ハウジング１７にボルト留めされ、したがって、本発明のデバイス内に静的に配置される。

対流表面を増大させるために、熱伝達媒体に面する側が輪郭整形されることもまた、考えられる。

誘導リング（図６）は、極リングのそれに類似した構造の形態を有する。

渦電流強度を高めるために、誘導リング１８内の凹部又はポケット（図６ａ、品目３３ａ）は、良好な電気伝導性及び熱伝導性を有する材料で満たされる。加えて、述べたように、同じ材料で作られた円板が、極ホイール１９と反対の側を向いた側に取り付けられる。ポケット３３ａは、図６ａに示されたポケット縁部３３ｂ（ウェブ）によって画定される。

いかなる充填材料も含まない誘導リングを設計することもまた、考えられる。これは、同じ一次エネルギー入力に対する熱出力の低下をもたらすであろうが、基本機能そのものには影響を及ぼさないはずである。

図７は、本発明によるデバイス全体、つまりコンパクトな設計においてデバイスの全ての部品を含む回転式誘導熱発生器の図及び断面図を再び示す。

本発明のデバイスの機能性に関しては、以下のことが留意されるべきである。

図８における分解組立図は、磁気空間における磁束を表わす目的のために、磁気リング２０、極ホイール１９、及び誘導リング１８の軸方向に並んだ配置を示す。本発明の回転式誘導熱発生器において、ＤＣコイル２９を含む磁気リング２０、及び誘導リング１８は、機械本体内で静的に、つまり動かないように配置されるが、極ホイール１９は、動的部品として、回転運動を行うことができる。

ここで、磁気リング２０と極ホイール１９との間には、静磁場帯５１が形成され、一方、極ホイール１９と誘導リング１８との間には、交番磁場帯が形成される。

本発明のデバイスの最適な体系的作用（ｓｙｓｔｅｍｉｃ ａｃｔｉｏｎ）は、本質的に正反対の特徴が存在する場合、つまり正の（駆動モード）トルク及び／又は負の（制動モード）トルクが同じ時間系列において平衡状態にある場合に、達成される。これは最適なことであるが、本発明のデバイスはその体系的挙動（ｓｙｓｔｅｍｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ）において負のトルクの優勢に向かう傾向があるので、必ずしも達成できるとは限らない。１回転当たりの体系的作用は、極ホイールの極延長部の数によって、また、誘導リング内のポケットの数によって、決定される。ここで、極リング５３、５４の極延長部４６、４７の縁部は、誘導リング１８内のポケット縁部３３ｂに対して好ましくは平行、又は反対である。それぞれの縁部の互いに対する角度位置は、正のトルク及び／又は負のトルク間の差を決定する。極リングの内側極面と外側極面との間の磁気モーメントが誘導リングの極面に対して中和されるまで、正のトルクが優勢である。次いで、反対方向では、負のトルクが優勢である。両方のトルクが時間的及び動力学的な平衡状態にあるときに、最高のエネルギー効率が得られる。この平衡状態が負のトルクの方向における時間的及び動力学的な不均衡状態になると、熱エネルギー効率が低下し、逆の場合には、熱エネルギー効率が向上する。

理想的には、正のトルク及び／又は負のトルク間の関係は、負のトルクを優位として１：１．０３を超えるべきではない。この極ホイールの僅かな制動は、熱発生器により完全励磁出力レベルを設定することができ、したがって最大熱出力を求めることができることを意味する。極ホイールの制動と駆動との間の差が制動に関して大きくなればなるほど、熱発生器の熱効率はますます低下する。

負のトルクが優勢である場合、全ての回転構成要素の質量慣性による回転エネルギーは、正のトルクの優勢が再び達成されるまで、極ホイールの継続的な制動を抑えるために効果的に使用され得る。

正のトルクが負のトルクに対して絶えず優勢であった場合、極ホイールは危険速度を超えるまで着実に加速し、熱発生器は損傷するであろう。そのため、励磁出力レベルは、速度が規定レベルに調節されるまで、低下されなければならない。これは、正のトルクと負のトルクとの間の差と同等の熱出力レベルをもたらす。極ホイールを制動して完全励磁出力レベルを有効にし、それにより抽出されたエネルギーをシステムに戻すことも考えられる。これは、極ホイールと誘導リングとの間の空隙内に熱伝達媒体が注入され、したがって摩擦抵抗の結果として制動が行われる、追加のデバイスによって達成される。注入される液体の量は、適切な制御装置により、所要量に正確に調節され得る。

本発明の回転式誘導熱発生器は、少なくとも３つの熱源を有する。いずれの場合にも、これらは、そこから熱が生じ、したがって満たすことができる発生源である。これらの発生源は、磁気リング、極ホイール、そして誘導リングである。極ホイールでは磁気リングよりも少ない熱が生じ、一方で、誘導リングにおける発熱は、磁気リングよりも大きくなり得るが、特定の設計では、磁気リングにおける発熱もまた、誘導リングにおける発熱よりも大きくなり得る。

ＤＣコイルは、導入される電気エネルギーの１００％を熱エネルギーに変換する、オーム抵抗器である。

熱伝達媒体を介して誘導リング及び極ホイールの熱源（温度原）から熱を効率的に伝達するために、本発明は、例えばポンプを提供する。ポンプは、内側ポンプ・ホイールが極ホイールの軸を介してアダプタ・キャリヤにより直接駆動されるＧ－ロータ・ポンプとして設計されることが好ましい。

標準化されまた好ましくは温度が安定した高温油が、熱回路熱発生器／熱交換器（図２、品目１１～１３）における好ましい熱伝達媒体である。任意の他の潤滑液も考えられる。油は、取付部及びポンプの潤滑が別々に行われる必要がなく、また、水から油を遮断することが必要とされないという利点を有する。さらに、油は、水よりも遙かに高い沸点を有する。油の高い沸点は、熱回路における高い温度を可能にし、したがって過剰圧力は生じない。これは、高額な過剰圧力手段を有利に節約する。構成要素が適切に設計され、また、過剰圧力を封じるための手段が取られている場合、より低い沸点を有する熱伝達媒体、例えば水を使用することも考えられる。

本発明はまた、加熱システムにおける温度カスケードを提供する。熱発生器は、２５０℃までの油温が予定されるカスケード１を形成し、熱交換器及び混合箱は、９９℃までの水温が予定されるカスケード２を形成するが、実際の加熱回路は、３０～６０℃の慣例的な水温のカスケード３を形成する。これは、最高６０℃の現在の通常の循環温度よりも過剰な温度を生成するためにより高い熱放射エネルギーを差し引いたより多くのエネルギーを消費する必要はないという事実に基づく。カスケード技術もまた、エネルギー効率を向上させる。

第１のカスケード内の高温の油から第２のカスケード内の別の媒体、例えば水への熱の伝達は、従来の熱交換器によって行われ、また、具体的には、種々の熱媒体回路が互いに材料接続部を有さず、したがって熱媒体が混ざり合うことができないように、この目的のために油水分離器１３が設けられる。

断熱被覆材を含むフードが、本発明の加熱デバイスからの熱放射をさらに減少させる。

本発明は、外的な電気エネルギー及び運動エネルギーが絶えず供給されなければならないという事実に基づく。従来の電気モータ４５が、電気－運動エネルギー供給源として機能することが好ましいが、外的な運動エネルギー供給源のために例えば内燃機関といった任意の他の形態を選択することも考えられる。モータは、３０００ｒｐｍが好ましい所定の（効率的な）回転速度まで、極ホイールを加速させる。モータの主な仕事は、制動モードと駆動モードとの間で差動運動エネルギーを絶えず導入することである。エネルギーが制動モードの方に優勢になる傾向がある場合、モータは作動しており。エネルギーが駆動モードの方に優勢になる傾向がある場合、モータは作動していない。

モータは、液冷式であることが好ましく、また、モータの冷却回路は、例えば加熱回路に統合される。これは、この損失エネルギーが加熱システムにおいても利用され得ることを意味する。

電磁エネルギー供給源として、直流が提供される。電気モータ及びＤＣコイルの両方は、従来の電源を供給源として使用することが好ましい。

電気エネルギー源の出所は、本発明の対象ではない。

しかし、例えば風力タービン、光発電システム、又は類似の物といった、再生エネルギー源が好ましい。

制御手段を伴わずに主周波数５０Ｈｚの２極電気モータから生じるような３０００ｒｐｍが、好ましい回転速度である。本発明によれば、例えばインバータ制御により、速度を上げる又は下げることも考えられる。回転速度の低下という点では、電気モータにおける再磁化損失は周波数の減少とともに減少し、したがってシステムに恩恵をもたらすので、上記のことは、エネルギーの問題をもたらさない。回転速度が上げられる場合、機械的な手段がより有利になり、インバータの周波数変換により速度が上げられる場合、電気モータにおける再磁化損失及び励磁電流が増大する。これは、エネルギー利用よりもエネルギー消費の方が多いことを意味する。したがって、本発明は、機械式歯車箱、好ましくは遊星歯車箱を提供し得る。歯車箱は、入力側では、駆動装置の駆動軸に取って代わり、出力側では、例えば、極ホイールを直接駆動する。

回転速度の増大により、本発明は、同じ構築サイズにおける熱出力の増大を実現する。周波数の増大が再磁化損失の増大及びエネルギー効率の低下を常にもたらす電気機械とは対照的に、ここでは、渦電流密度が増大し、したがって熱効率も増大する。

自己学習ソフトウェアにより熱発生器の効率を増大させること、したがってそれを絶えず調節することも、考えられる。化石エネルギー源又は再生可能エネルギー源が燃やされる従来の「加熱システム」では、燃焼温度は、僅かにしか影響され得ないか、又は少しも影響され得ない。このことは、熱ポンプ及び太陽光技術にも当てはまり、この場合もやはり、キャリヤ媒体、即ち空気、水、土壌、及び太陽に蓄えられたエネルギーは、熱発生器自体に影響され得ない。

既知の技術のシステムとは対照的に、ここでは、周囲状況は、本発明に従って振る舞う。ここでは、エネルギー効率の増大は、実際には、基本的な機械的及び物理的な構造への介入によって可能である。電気モータの場合、一次電気エネルギーは、回転速度及び負荷特性によって事実上影響され得る。エネルギー効率を増大させる機会が同様に存在する熱発生器にも、同じことが当てはまる。再磁化損失が最小になり、最大の磁場侵入長が提供され、したがって最良の渦電流の出現が起きる回転速度は、試験から容易に見出される。全ての要因の総和において、このことは、エネルギー効率のさらなる向上をもたらす。

ＤＣ励磁機を含む本発明の回転式誘導熱励磁機の熱効率は、最大で９８％であり、それにより、ある程度の対流損失は避けられない。

本発明は、＞１０の高エネルギー効率ＣＯＰ（性能係数）を達成するという目標を実現させる。高い性能係数は、磁気力Ｆ＝ＦＥ＋ＦＢの形態でシステムにおける運動エネルギーに変換される、鉄の特性である直流励磁からの磁気ポテンシャル（ベクトル・ポテンシャル ｉｎｔＢ ｘ Ｈｄｉｖ又はｉｎｔＨ ｘ Ｂｄｉｖ）に基づく。さらに、極ホイールを動かし続けるために、運動エネルギーがデバイスから利用可能である。

２つが合わさって、駆動損失を差し引いた運動エネルギーがもたらされる。

この運動エネルギーは、正及び負のトルクに変換される。これは、差分（差）をもたらし、この差分から、外的に導入されるべきエネルギー（又は出力レベル）に対する値が計算される。

最も可能性のある態様でシステムが具現化され得るように、磁性材料、静磁場、及び、機械的なデバイスによる静磁場の交番磁場への変換は、重要な役割を果たす。

低い磁場強度による高い磁気飽和は、狭いヒステリシス曲線をもたらす。狭いヒステリシス曲線は、磁気ポテンシャルが小さいことを意味する。逆に言えば、磁気ポテンシャルが高くなればなるほど、導入されるべき外的な励磁力（電流ｘ電圧）はますます大きくなり、したがって、性能はますます低下する。

同様に、高い磁気ポテンシャルはまた、高いヒステリシス損失（再磁化損失）を生じさせ、そのようなヒステリシス損失は、システムにおいて不都合であり、且つ、誘導リングにおける渦電流の出現を減少させるが、有利には、システムにほとんど影響しない。

オームの法則によれば、渦電流密度は、熱出力密度を決定する。

ここに幾つかの実例を挙げる。純鉄の場合、性能係数ＣＯＰ＞１０が達成され得る。変圧器シート鋼（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｓｈｅｅｔ ｓｔｅｅｌ）又は鋳鋼の場合、ＣＯＰ＝１．５の性能係数が達成され得、合金シート鋼（ａｌｌｏｙｅｄ ｓｈｅｅｔ ｓｔｅｅｌ）の場合、ＣＯＰ＝１．３の最大性能係数が達成され得る。

純鉄の固有の磁気値を、従来の磁性材料と比較した。

純鉄では、１．６Ｔ（テスラ）において約１０Ａ／ｍが必要とされ、変圧器シート鋼及び鋳鋼では、１．６テスラにおいて４，０００Ａ／ｍが必要とされ、合金シート鋼では、１．６テスラにおいて６，０００Ａ／ｍが必要とされ、鋳鉄では、１．２テスラにおいて２１，０００Ａ／ｍが必要とされる。

リストは、同じ回転数で１．６Ｔ（テスラ）の磁束密度を達成するのにそれぞれの場合にどれだけ多くの励磁力が必要とされるのかを、はっきりと示す。

述べたように、純鉄は、非常に高い飽和度（変圧器シート鋼の場合では２．５Ｔから１．７Ｔ）、狭いヒステリシス曲線、及び低い磁気ポテンシャルを有する。

純鉄は、磁気飽和、透磁性、及びレミニセンス（ｒｅｍｉｎｉｓｃｅｎｃｅ）が非常に高く、また保磁力が非常に低いという事実により、理想的な磁性材料として特に特徴付けられる。高いレミニセンスは、励磁電流がオフにされたときに磁束密度を僅かにしか降下させない。この特性は、励磁電流のためのパルス変調回路に利益をもたらすために使用されて、電源において５０％を超える節電効果をもたらすことができる。低い保磁力は、高周波数においてほんの少しの再磁化損失しか生じさせない。これは、小さな励磁電流が使用されることを可能にする。幾つかの状況下では純鉄に非常に近づくか又は超える可能性すらある他の高周波数磁性作用因子も存在する。したがって、本出願では、「純鉄」という用語はまた、＞１．５Ｔの磁気飽和においてμＡ＞６，０００の初期透磁率を有する材料を含む。

極ホイール及び誘導リングの幾何形状は、等しく重要な役割を果たす。これらは、駆動対制動の比率を決定する。差分のみが、印加される運動エネルギーを決定するので、最小の可能な差分を達成することが重要である。磁力からもたらされる内的な運動エネルギーのレベルは、性能係数に影響せず、また、この場合には重要でない。渦電流は、熱エネルギーだけを決定し、運動エネルギーは決定しない。幾何形状におけるベクトル従属（Ｅｐｏｔ＝・－ｍ ｘ Ｂ＝・－ｍ Ｂ ｃｏｓΘ）により、渦電流はまた、磁気モーメントからポテンシャル・エネルギーを決定する。

これは、磁気モーメントとトルクとの間のいかなる直接相関も識別することは不可能であることを意味する。この自由は、性能効率のレベルを決定するので、同様に望ましい。

１ 回転式誘導熱発生器
２ 混合箱
３ 基部フレーム
４ 断熱遮音マット
５ 制御電子装置
６ 後壁
７ 後壁断熱材
９ 表示及び制御要素
１０ 回転式誘導熱発生器ユニット
１１ 上部熱交換器ハウジング
１２ 下部熱交換器ハウジング
１３ 油水分離器
１４ 駆動モータ（例えば、電気モータ）
１５ カップリング
１６ 制御装置
１７ ハウジング
１８ 誘導リング
１９ 極ホイール
２０ 磁気リング
２１ 支持軸受ハブ
２１ａ 取付部／軸受スタブ
２２ 支持軸受
２３ 支持軸受
２４ 油ポンプ
２５ 案内軸受
２６ 案内軸受（支持軸受）
２７ 前カバー
２８ 磁気リング・ハウジング
２９ ＤＣコイル
３０ 円板
３１ 外側極リング
３２ 極ホイール
３３ 誘導リングの第１の部品（円板）
３３ａ くぼみ
３３ｂ ポケット縁部
３８ くぼみ
４４ 短絡リング
４５ 電気モータ
４６ 極延長部
４７ 極延長部
４８ 円板
４９ 側面部分
５０ 絶縁体、誘導リングの第２の部品（円板）
５１ 静磁場
５２ 交番磁場
５３ 内側極リング
５４ 外側極リング
５５ 極リング・キャリヤ
６３ 誘導リングの第３の部品（円板）
８７ 溝
８８ ＤＣコイル
８９ 電力端子
９０ 開口部

Claims (16)

1. 固体又は液体又は気体の物質を加熱するための直流励磁を伴う回転式誘導熱発生器であって、誘導の目的、つまり誘導熱の生成のために必要とされる交番磁場が、ＤＣコイルによって生成され、静磁場が生成され、前記静磁場が、回転する機械的構成要素により交番磁場に変換され、ＤＣコイルが、磁気リング（２０）によって受容され、且つ、前記磁気リング（２０）に固定して接続され、前記磁気リング（２０）が、前記回転式誘導熱発生器（１）のハウジング（１７）に静的に接続され、前記ＤＣコイル（２９）によって生成された前記静磁場（５１）が、回転する機械的部品、具体的には極ホイール（１９）により、交番磁場（５２）に変換され、前記極ホイール（１９）が、内側極リング（５３）、外側極リング（５４）、及び極リング・キャリヤ（５５）から構成され、前記極ホイール（１９）により、前記静磁場（５１）が、前記極ホイール（１９）に軸方向に隣接する誘導リング（１８）における交番場（５２）に変換され、前記内側極リング及び前記外側極リングが、径方向に配向された１１個以上の複数の極延長部（４６、４７）を有し、前記複数の極延長部（４６、４７）が、
   ａ）互いに噛み合う、つまり、互いに径方向に部分的に隣接して配置されるか若しくは互いに重なり合うか、又は、
   ｂ）互いに重なり合わず、その代わりに、前記内側極リング（５３）の前記極延長部（４６）が、前記外側極リング（５４）の前記極延長部（４７）から径方向に離間され、前記内側極リング及び前記外側極リングの前記極延長部が、互いからの所定の距離（Ａ）を有し、前記内側極リング（５３）の前記極延長部の数が、前記外側極リング（５４）の前記極延長部の数におおよそ一致するか又は同じである
   ことを特徴とする、回転式誘導熱発生器。
2. １０％未満の電気的／動力学的効率と、３を超える値のＣＯＰ（性能係数）因数とを有することを特徴とする、請求項１に記載の回転式誘導熱発生器。
3. 前記誘導リング（１８）が、
   ａ）やはり良好な電気特性を有し得る強磁性材料、又は
   ｂ）電気伝導性であるが強磁性ではない材料
   から構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の回転式誘導熱発生器。
4. 前記誘導熱が、前記磁気リング（２０）において、前記極ホイール（１９）において、また前記誘導リング（１８）において生成され、前記極ホイール（１９）において生成される誘導熱が、前記磁気リングにおいて生成される誘導熱未満であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の回転式誘導熱発生器。
5. 前記誘導リング（１８）が、互いに接続された複数の円板から構成されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の回転式誘導熱発生器。
6. 前記誘導リング（１８）が、電気伝導性材料で満たされたくぼみ（３３ａ）が形成された円板（３３）を有することを特徴とする、請求項５に記載の回転式誘導熱発生器。
7. 前記誘導リングが、磁性の電気絶縁体の円板（５０）を有することを特徴とする、請求項５に記載の回転式誘導熱発生器。
8. 前記磁気リング（２０）が、短絡リング（４４）を有し、前記短絡リング（４４）が、前記磁気リング（２０）よりも高い値の電気伝導性及び／又は高い値の透磁性を有する材料から構成されることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載の回転式誘導熱発生器。
9. 前記磁気リング（２０）及び前記極ホイール（１９）が、軸方向に隣接し、前記磁気リング（２０）と前記極ホイール（１９）との間に、空隙が形成され、前記空隙にわたる前記静磁場（５１）が、前記極ホイール（１９）の回転によって、固定された前記誘導リング（１８）上の交番磁場に変換されることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載の直流励磁を伴う回転式誘導熱発生器。
10. 機械的構成要素による前記静磁場の交番磁場への変換のために運動エネルギーが必要とされ、総運動エネルギーが、駆動エネルギーと制動エネルギーとに分割され、前記総運動エネルギーが、渦電流の形態で電気エネルギーに変換され、前記渦電流での前記電気エネルギーが、完全に又は可能な限り熱に変換されることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項に記載の回転式誘導熱発生器。
11. 前記誘導熱が、主に前記誘導リング（１８）において生成され、次に前記極ホイール（１９）において生成されることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の回転式誘導熱発生器。
12. 前記誘導熱が、前記誘導リング（１８）及び前記極ホイール（１９）から液体又は気体の物質に伝達されることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の回転式誘導熱発生器。
13. 前記極ホイール（１９）の前記回転の維持のための差動的な運動エネルギーが、電気モータである外部の駆動装置（１４）によって印加されることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の回転式誘導熱発生器。
14. 高温油が、熱伝達媒体として使用され、また２５０℃までの加熱が、蒸気形成を伴わずに可能であることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の回転式誘導熱発生器。
15. 熱放射の理由から、循環ポンプ及び熱／冷水混合デバイスを含む熱／冷水混合ユニットが、加熱システムに組み入れられることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の回転式誘導熱発生器。
16. 熱出力電力が、１０ｋＷ超であることを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の回転式誘導熱発生器。

Images