WO2011093192A1

WO2011093192A1 - 発電システム

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Publication number: WO2011093192A1
Application number: PCT/JP2011/050894
Authority: WO
Inventors: 岡崎　徹
Original assignee: 住友電気工業株式会社
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2011-08-04
Also published as: TW201200729A

Abstract

　誘導加熱装置を利用して熱媒体を加熱し、この熱媒体の熱を電気エネルギーに変換して発電する発電システムを提供する。発電システムPは、誘導加熱を利用して、回転エネルギーを熱エネルギーに変換し、熱媒体を加熱する誘導加熱装置10と、熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部60と、を備える。この発電システムPにおける誘導加熱装置10は、動力に風力を利用し、風車20の回転エネルギーを熱エネルギーに変換する。そして、発電システムPは、その熱を利用して発電部60により発電する。

Description

発電システム

　本発明は、誘導加熱を利用して、回転エネルギー（機械エネルギー）を熱エネルギーに変換し、熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、この熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備える発電システムに関する。

　水を加熱する装置として、誘導加熱（渦電流）を利用した加熱装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の渦電流加熱装置では、外周に永久磁石が配置された回転可能なロータと、このロータの外周に固定して設けられ、内部に水を流通させる流通路が形成された導電材料の加熱部とを備える。そして、ロータが回転することより、ロータ外周の永久磁石による磁力線が加熱部を貫通して移動することで、加熱部に渦電流が発生して、加熱部自体が発熱する。その結果、加熱部で発生した熱が内部の流通路を流通する水に伝達され、水が加熱される。

　上記の技術は風力などのエネルギーを利用して給湯を行うことを主目的としたものである。近年、同じく風力、水力、波力などの再生可能エネルギーを利用した発電システムが注目されている。

　例えば非特許文献１～３には、風力発電に関する技術が記載されている。風力発電は、風で風車を回転させ、発電機を駆動して発電するものであり、風のエネルギーを回転エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出すものである。風力発電システムは、塔の上部にナセルを設置し、このナセルに水平軸風車（風の方向に対して回転軸がほぼ平行な風車）を取り付けた構造が一般的である。ナセルには、風車の回転軸の回転数を増速して出力する増速機と、増速機の出力によって駆動される発電機とが格納されている。増速機は、風車の回転数を発電機の回転数まで高める（例えば1：100）ものであり、ギアボックスが組み込まれている。

　最近では、発電コストを下げるため、風車（風力発電システム）を大型化する傾向があり、風車の直径が120m以上、１基当たりの出力が5MWクラスの風力発電システムが実用化されている。このような大型の風力発電システムは、巨大かつ重量物であるため建設上の理由から、洋上に建設されるケースが多い。

　また、風力発電では、風力の変動に伴い発電出力（発電量）が変動するため、風力発電システムに蓄電システムを併設し、不安定な電力を蓄電池に蓄えて、出力を平滑化することが行われている。

特開２００５‐１７４８０１号公報

"風力発電（01‐05‐01‐05）"、［online］、原子力百科辞典ATOMICA、[平成22年1月12日検索]、インターネット<URL：http://www.rist.or.jp/atomica/> "2000kW大型風力発電システム　SUBARU80/2.0　PROTOTYPE"、［online］、富士重工業株式会社、[平成22年1月12日検索]、インターネット<URL：http://www.subaru-windturbine.jp/home/index.html> "風力講座"、［online］、三菱重工業株式会社、[平成22年1月12日検索]、インターネット<URL：http://www.mhi.co.jp/products/expand/wind_kouza.html>

　一般に広く知られている風力発電システムでは、出力平滑化のため蓄電システムが設置されているが、蓄電システムには電力を蓄電池に蓄えるためにコンバータなどの部品が必要であるため、システムの複雑化、電力損失の増大を招く。また、大型の風力発電システムの場合では、発電量に応じた大容量の蓄電池が必要であり、システム全体としてのコスト増大を招く。

　また、風力発電システムの故障原因の多くは、増速機、より具体的にはギアボックスのトラブルによるものである。ギアボックスが故障すると、通常はギアボックスを交換することで対処しているが、塔の上部にナセルが設置されている場合は、ギアボックスの取り付け・取り外しに多大な時間と労力を要する。そこで最近では、増速機を必要としないギアレスの可変速式風力発電機もある。

　しかし、ギアレスの場合、具体的には発電機の極数を増やすこと（多極発電機）で対応するが、増速機を使用する場合と比較して、発電機が大型・重量化する。特に、5MWクラスの大型の風力発電システムでは、発電機の重量が300トン（300000kg）を超えるものと考えられ、ナセル内に配置することが困難である。

　本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、誘導加熱を利用して熱媒体を加熱し、この熱媒体の熱を電気エネルギーに変換して発電する発電システムを提供することにある。

　本発明の発電システムは、誘導加熱を利用して、回転エネルギーを熱エネルギーに変換し、熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、前記熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備えることを特徴とする。

　本発明の発電システムは、誘導加熱装置を利用して加熱した熱媒体の熱を発電に利用するものであり、従来にない新規な発電システムである。例えば、誘導加熱装置の動力に風力を利用すれば、風のエネルギーを回転エネルギー→熱エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出すことができる。そして、本発明の発電システムによれば、熱を電気エネルギーに変換する構成としたことで、蓄熱器を用いて熱としてエネルギーを蓄えることにより、効率の良い安定した発電システムを実現できる。また、熱を蓄熱器に蓄え、発電に必要な熱を取り出すことができる蓄熱システムは、蓄電システムに比べて簡易であり、蓄熱器も蓄電池に比べれば安価である。さらに、従来の風力発電システムのように増速機を設ける必要がなく、ギアボックスのトラブルを回避することが可能である。

　本発明おいて、上記誘導加熱装置は、以下の第１～第４のいずれかの形態であることが好ましい。

　本発明の発電システムにおける誘導加熱装置の第１の形態は、回転体と、ステータ部と、加熱部と、支持柱部と、磁場発生手段と、ヨーク部と、配管とを備える形態であり、これら各部材は次のように構成されている。回転体は、回転軸の一端側に固定され、外形が非円形の磁性材料からなる。ステータ部は、回転体の外周に所定間隔をあけて配置され、磁性材料からなる。加熱部は、回転体とステータ部との間に配置され、導電材料からなる。支持柱部は、その一端側が回転体の一端側に対向するように配置される柱状の部材である。磁場発生手段は、支持柱部に装着され、回転体に対し磁場を発生させる。ヨーク部は、磁性材料からなり、ステータ部と支持柱部の他端側とを磁気的につなぐ。配管は、加熱部に設けられ、熱媒体が流通する。この装置は、磁場発生手段により、支持柱部の一端側から、回転体、ステータ部、ヨーク部を通り、支持柱部の他端側に至る磁気回路が形成される。そして、回転軸の回転により、回転体が回転し、回転体とステータ部との間に配置された加熱部の少なくとも一部を通過する磁束が変化することで、加熱部が誘導加熱され、熱媒体を加熱する。

　本発明の発電システムにおける誘導加熱装置の第２の形態は、回転軸を有する回転体と、回転体の外周に取り付けられ、回転体の径方向に磁場を発生するコイルと、少なくとも一部が導電材料で形成されると共に、回転体の外側に間隔をあけて設けられ、コイルによる磁束が通過する加熱部と、加熱部に設けられ、熱媒体が流通する配管と、を備える形態である。

　本発明の発電システムにおける誘導加熱装置の第３の形態は、回転体と、コイルと、加熱部と、配管と、を備える形態であり、これら各部材は次のように構成されている。回転体は、少なくとも一部が磁性材料で形成され、回転軸を有する第一回転体とこの第一回転体に対し連結される第二回転体との双方を組み合わせてなる。コイルは、第一回転体と第二回転体とに一方の磁極と他方の磁極とが対向するように第一回転体と第二回転体との間に配置され、回転体の軸方向に磁場を発生させる。加熱部は、少なくとも一部が導電材料で形成され、回転体の外側に回転体と間隔をあけて配置される。配管は、加熱部に設けられ、熱媒体が流通する。そして、第一回転体と第二回転体との双方には、回転体の径方向に突出する少なくとも１個の凸部が形成されており、双方の凸部が、互いに周方向にずれた状態で相手側に向かって延設されると共に互いに離間している。

　本発明の発電システムにおける誘導加熱装置の第４の形態は、回転軸を有する回転体と、この回転体の外周面に設けられる凸部と、ステータ部と、加熱部と、コイルと、配管と、断熱部とを備える形態であり、これら各部材は次のように構成されている。凸部は、少なくとも一部が磁性材料からなり、回転体の外周面に回転体の径方向に突出して設けられる。ステータ部は、少なくとも一部が磁性材料からなり、回転体の外周側に回転体と間隔をあけて配置される。加熱部は、少なくとも一部が導電材料からなり、回転体とステータ部との間に配置される。コイルは、凸部から加熱部を通過する磁束を発生する。配管は、加熱部に設けられ、熱媒体が流通する。断熱部は、ステータ部の外周を覆うように配置される。

　ところで、上記した特許文献１に記載されるような従来の誘導加熱装置では、磁場（磁力線）を発生させる手段に永久磁石を用いているため、また、この永久磁石がロータの外周に配置されているため、次のような不具合が起こり得る。

　誘導加熱エネルギーは、磁場の強さ（Ｈ）の二乗に比例するが、永久磁石では一般的に発生できる磁場が弱いため、十分な誘導加熱エネルギーが得られず、所望の温度まで熱媒体（例えば、水などの液体）を加熱できない虞がある。

　また、強力な磁場を得るためにネオジウム磁石を使用することが考えられるが（特に、特許文献１の段落００３７参照）、ネオジウム磁石は熱に弱く、温度が上昇すると、磁気特性が低下する（これは、一般的なフェライト磁石も同じ）。上記した従来の誘導加熱装置では、加熱部と対向するように永久磁石が配置され、永久磁石と加熱部との距離が近い構造であるため、加熱部からの熱の影響により永久磁石の温度が上昇し易く、磁気特性が低下して、結果的に所望の温度まで熱媒体を加熱できない虞がある。さらに、永久磁石は、時間の経過と共に磁気特性が劣化することから、長時間の使用に耐えられない虞がある。ところで、熱による磁気特性の低下（劣化）を防止するために、永久磁石の外周を覆うように断熱材を設けることも考えられる。しかし、この場合、断熱材は通常、非磁性体であるため、永久磁石と加熱部との間の磁気ギャップが所定以上に大きくなり、加熱部を通過する総磁束量が減少することから、誘導加熱の効率が低下する虞がある。

　まず、上記した第１の形態の誘導加熱装置によれば、回転体の一端側に配置された支持柱部に磁場発生手段が装着された構造であるため、回転体に対して磁場発生手段が回転体の中心から軸方向にずれた位置に位置する。その結果、従来の誘導加熱装置に比較して、回転体とステータ部との間に配置された加熱部と磁場発生手段とを距離を離して配置することができ、加熱部から磁場発生手段への熱影響を抑えることができる。

　さらに、第１の形態の誘導加熱装置では、回転体に対して磁場発生手段が軸方向にずれることで、磁場発生手段が回転体に囲まれることがなく、また、回転せず固定された支持柱部に磁場発生手段が装着されていることで、例えば磁場発生手段にコイル（電磁石）を用いる場合、コイルに接続する電源の取り回しが容易である。また、回転せず固定された加熱部に配管を設けることで、配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する給排管と配管との接続に、配管の回動を許容する回転継手を用いる必要がなく、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。具体的には、熱媒体が加熱されると配管内の圧力が上昇し、例えば熱媒体が水（蒸気）の場合では600℃で約25MPa（250気圧）に達する。加熱部（配管）が回転する場合は、その圧力に耐えられる特殊な回転継手が必要であるところ、回転しない場合は、回転継手の必要がなく、例えば給排管と配管とを溶接するといった単純な方法を採用することで、十分に堅牢な構造を実現できる。

　第１の形態の誘導加熱装置における熱媒体が加熱されるメカニズムについて説明する。この誘導加熱装置では、磁場発生手段により、磁束（磁場）を発生させ、支持柱部の一端側から、回転体、ステータ部、ヨーク部を通り、支持柱部の他端側に至る磁気回路が形成される。そして、非円形の回転体が回転することにより、回転体とステータ部との間の一部において、回転体とステータ部との間のギャップ（距離）が変化する。具体的には、回転体‐ステータ部間の距離が狭小になり回転体とステータ部とがほぼ連続状態になるとき、回転体からステータ部に磁束が流れ易くなる。一方、回転体の回転により、回転体‐ステータ部間の距離が広大になり回転体とステータ部とが非連続状態になるとき、回転体からステータ部に磁束が流れ難くなる。その結果、回転体とステータ部との間に配置された加熱部の少なくとも一部を通過する磁束（磁場）が変化することで、誘導電流（渦電流）が発生し、加熱部が誘導加熱され、熱媒体が加熱される。

　第１の形態の誘導加熱装置において、回転体の外形は、非円形であり、回転体が１回転する間に回転体とステータ部との間の距離が変化する形状であれば、特に限定されない。回転体の外形形状としては、例えば、矩形状、楕円形状、多角形状、十字形状、歯車形状などが挙げられる。

　次に、上記した第２～第４の形態の各誘導加熱装置は、磁場発生手段にコイル（電磁石）を用いているため、従来の永久磁石を用いた装置に比較して、強い磁場を発生させることができる。具体的には、コイルに通電する電流を大きくすることで、強い磁場を発生させることができ、通電電流を制御することで、磁場の強さを調整することも可能である。また、コイルであれば、永久磁石に比較して、温度上昇による磁気特性の低下や、経時的な磁気特性の劣化が起こり難い。さらに、加熱部を保温するために加熱部の周囲に断熱材を設けた場合、断熱材が回転体と加熱部との間に配置され、回転体と加熱部との間の距離が大きくなることがあっても、通電電流をより大きくすることで、十分な磁場強度を維持し易い。したがって、磁場発生手段にコイルを用いることで、熱媒体を発電に適した温度（例えば100℃～600℃、好ましくは200℃～350℃）まで加熱するのに十分な性能を得ることができる。なお、コイルには直流電流を流し、直流磁場を発生させることが挙げられる。

　中でも第４の形態の誘導加熱装置では、断熱部がステータ部の外周を覆うように配置されており、回転体、加熱部およびステータ部を含めた装置全体を断熱材で覆うような構造である。上述したように、この装置において、加熱部の周囲のみを断熱材で覆うことが考えられるが、その場合、凸部と加熱部との間の距離（磁気ギャップ）が大きくなり、加熱部を通過する総磁束量が減少する。一方、この装置では、少なくともステータ部の外周を断熱材で覆うことで、装置からの放熱を抑制し、加熱部の周囲を覆う断熱材を省略または薄くすることが可能である。そのため、凸部と加熱部との間の磁気ギャップを小さくすることができ、加熱部を通過する総磁束量を維持することができる。また、加熱部周囲の断熱材を省略または簡素化できるため、その分、加熱部の断面積を大きくとることができ、装置の小型軽量化を図ることができる。

　また、第２～第４の形態の各誘導加熱装置においても、第１の形態の装置と同様に、回転せず固定された加熱部に配管を設けることで、配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する給排管と配管との接続に、配管の回動を許容する回転継手を用いる必要がなく、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。

　第２～第４の形態の各誘導加熱装置における熱媒体が加熱されるメカニズムについてそれぞれ説明する。

　第２の形態の誘導加熱装置では、回転体の外周に取り付けられたコイルが通電されることで、回転体の径方向に磁場が発生し、回転体の外側に設けられた加熱部を磁束が通過する。そして、回転体と共にコイルが回転することにより、加熱部を通過する磁束が変化し、加熱部に誘導電流が発生することで、加熱部が誘導加熱され、熱媒体が加熱される。

　なお、この装置において、コイルが、回転体の周方向に複数配置され、隣り合うコイルの極性が互いに異なるように構成されていることが好ましい。この構成によれば、装置の加熱部を通過する磁束の方向（加熱部に印加される磁場の方向）を周期的に逆転させることができる。その結果、加熱部を通過する磁束（磁場）の変化を大きくすることができ、加熱効率を向上できる。また、コイルの数は、特に限定されないが、４つ以上であることが好ましい。コイルを複数配置する場合は、回転体の周方向に等間隔に設けることが好ましい。

　第３の形態の誘導加熱装置では、コイルが通電されることで、コイルの一方の磁極と対向する第一回転体が一方の磁極と同じ極性に磁化されると共に、コイルの他方の磁極と対向する第二回転体が他方の磁極と同じ極性に磁化される。その結果、第一回転体と第二回転体との双方の凸部が異なる極性に磁化され、回転体の軸方向に直交する断面において、双方の凸部は離間した状態で回転体の周方向に交互に配置されるので、回転体の隣り合う凸部の極性が互いに異なる。第一回転体と第二回転体との双方の凸部から流れ出た磁束は、回転体（凸部）の外側に配置された加熱部を通過する。そして、回転体が回転することにより、加熱部を通過する磁束が変化し、加熱部に誘導電流が発生することで、加熱部が誘導加熱され、熱媒体が加熱される。

　なお、この装置において、凸部は、第一回転体と第二回転体との双方にそれぞれ複数（例えば２個以上、双方合わせて計４個以上）設けることが好ましく、凸部を複数設ける場合は、回転体の周方向に等間隔に設けることが好ましい。

　第４の形態の誘導加熱装置では、コイルが通電されることで、回転体に設けられた凸部から加熱部を通過する磁束が発生する。そして、その状態で、回転体が回転することにより、加熱部を通過する磁束量が変化し、加熱部に誘導電流が発生することで、加熱部が誘導加熱され、熱媒体が加熱される。

　なお、この装置において、凸部は、少なくとも１個あればよく、その位置や形状を問わない。凸部を複数設ける場合は、４個以上とし、回転体の周方向に等間隔に設けることが好ましい。

　第１～第４の形態の各誘導加熱装置において、第１、第３の形態の装置の回転体や第４の形態の装置の凸部に使用する磁性材料としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、ケイ素鋼、パーマロイ、及びフェライトなどが挙げられる。また、加熱部に使用する導電材料としては、例えば、アルミニウムや銅、鉄などの金属が挙げられる。特に、加熱部にアルミニウムを使用することで、加熱部の軽量化を図ることができ、もって誘導加熱装置の軽量化を図ることができる。熱媒体としては、例えば、水、油、液体金属（Na、Pbなど）、溶融塩などの液体、並びに気体が挙げられる。

　上記した第１～第４の形態の各誘導加熱装置における好ましい態様について以下に説明する。

　第１の形態の誘導加熱装置の好ましい態様としては、磁場発生手段が、コイルであることが挙げられる。

　この装置において、磁場発生手段としては、永久磁石やコイル（電磁石）を用いることができる。コイルを用いる場合、永久磁石を用いる場合と比較して、強い磁場を発生させることができる。磁場発生手段にコイルを用いることの作用効果については、上述した第２～第４の形態の誘導加熱装置のところで説明したのと同様である。具体的には、コイルに通電する電流を大きくすることで、強い磁場を発生させることができ、通電電流を制御することで磁場の強さを調整することも可能である。また、コイルであれば、永久磁石と比較して、温度上昇による磁気特性の低下や、経時的な磁気特性の劣化が起こり難い。さらに、加熱部を保温するために加熱部の周囲に断熱材を設けた場合、断熱材が磁気回路の途中（具体的には回転体と加熱部との間）に配置され、回転体とステータ部との間の距離が大きくなることがあっても、通電電流をより大きくすることで、十分な磁場強度を維持し易い。したがって、磁場発生手段にコイルを用いることで、熱媒体を所定の温度（例えば、100℃～600℃）まで加熱するのに十分な磁場を得ることができる。コイルを用いる場合は、コイルに直流電源を接続し、直流磁場を発生させることが挙げられる。

　第１の形態の誘導加熱装置の好ましい態様としては、ステータ部が、筒状であり、この筒状部分から求心状に突出する突起部を有し、加熱部は、ステータ部の内周面に取り付けられ、突起部が挿通される孔を有することが挙げられる。

　この構成によれば、ステータ部の突起部の周囲が加熱部を形成する導電材料によって囲まれる。そして、回転体の回転により、回転体とステータ部の突起部との間の距離が狭小→広大、或いは広大→狭小になり、突起部に流れる磁束が変化すると、突起部周囲の加熱部において、誘導起電力（逆起電力）が発生し、電流が流れることで、加熱される。したがって、この構成によれば、突起部周囲の加熱部における誘導起電力も利用して熱媒体を加熱することができ、また、突起部が存在することで、突起部がない場合と比較して、回転体‐ステータ部（突起部）間の距離が狭小になるときの回転体からステータ部（突起部）に流れる磁束量が増加する。その結果、ステータ部の突起部に流れる磁束の変化を大きくして、発生する誘導起電力を大きくすることができ、加熱効率を向上できる。

　第１の形態の誘導加熱装置の好ましい態様としては、回転体の形状が、径方向に突出する凸部を有する歯車形状であることが挙げられる。

　この構成によれば、回転体が１回転する間、加熱部の一部を通過する磁束が周期的に変化し、この部分での磁場の強さが周期的に変化する。また、回転体の周方向における凸部の幅を小さくすることで、回転体（凸部）からステータ部に流れる磁束が集中し、加熱部を通過する磁束（磁場）を大きくすることができる。その結果、加熱部での磁場の変化を大きくすることができ、加熱効率を向上できる。なお、凸部の数は、複数であることが好ましく、４つ以上であることがより好ましい。また、複数の凸部を設ける場合は、例えば回転体の周方向に等間隔に設けることが挙げられる。

　第２又は第３の形態の誘導加熱装置の好ましい態様としては、さらに、加熱部の外周に配置され、磁性材料からなるステータ部を備え、ステータ部が、筒状であり、この筒状部分から求心状に突出する突起部を有し、加熱部は、ステータ部の内周面に取り付けられ、突起部が挿通される孔を有することが挙げられる。

　この構成によれば、ステータ部に突起部を設けた上述の第１の形態の誘導加熱装置のところで説明したのと同様に、ステータ部における突起部の周囲を加熱部を形成する導電材料によって囲むことができる。そして、例えば第２の形態の装置であれば、回転体の回転により、コイルとステータ部の突起部との間の距離が狭小→広大、或いは広大→狭小になり、突起部に流れる磁束が変化すると、突起部周囲の加熱部において、誘導起電力（逆起電力）が発生し、電流が流れることで、加熱される。したがって、この構成によれば、突起部周囲の加熱部における誘導起電力も利用して熱媒体を加熱することができ、また、突起部が存在することで、突起部がない場合と比較して、コイル‐ステータ部（突起部）間の距離が狭小になるときのコイルからステータ部（突起部）に流れる磁束量が増加する。その結果、ステータ部の突起部に流れる磁束の変化を大きくして、発生する誘導起電力を大きくすることができ、加熱効率を向上できる。

　なお、第３の形態の装置であれば、回転体の回転により、回転体の凸部とステータ部の突起部との間の距離が狭小→広大、或いは広大→狭小になる。ステータ部に突起部を設けることの作用効果については、上述した第２の形態の誘導加熱装置のところで説明したのと同じである。この場合、突起部周囲の加熱部における誘導起電力も利用して熱媒体を加熱することができ、また、突起部が存在することで、突起部がない場合と比較して、回転体（凸部）‐ステータ部（突起部）間の距離が狭小になるときの凸部から突起部に流れる磁束量が増加する。その結果、ステータ部の突起部に流れる磁束の変化を大きくして、発生する誘導起電力を大きくすることができ、加熱効率を向上できる。

　また同様に、第４の形態の装置においても、ステータ部が、求心状に突出する突起部を有し、加熱部は、ステータ部の内周面に取り付けられ、突起部が挿通される孔を有するように構成されていることが好ましい。このような構成とすることで、ステータ部に突起部を設けた上述の第１～第３の形態の誘導加熱装置のところで説明したのと同様の作用効果を得ることができる。

　第１～第４の形態の各誘導加熱装置において、ステータ部に突起部を設ける場合、突起部の数は、複数であることが好ましく、４つ以上であることがより好ましい。また、複数の突起部を設ける場合は、ステータ部の周方向に等間隔に設けることが好ましい。

　第１～第４の形態の各誘導加熱装置において、ステータ部を備える場合、ステータ部に使用する磁性材料としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、ケイ素鋼、パーマロイ、及びフェライトなどが挙げられる。

　第１～第４の形態の各誘導加熱装置の好ましい態様としては、磁場発生手段がコイルである場合、コイルが、超電導コイルであることが挙げられる。

　コイルとしては、銅線などの常電導コイルや超電導線材を用いた超電導コイルが挙げられる。コイルに直流電流を流し、直流磁場を発生させる場合、超電導コイルであれば、電気抵抗がゼロであり、大電流を流してもコイルに発熱（損失）が実質的に生じない。そのため、常電導コイルに比較して、大電流を流すことによるコイルの発熱（損失）を抑制することができ、大空間であっても電力損失なしで極めて強い磁場を維持することができる。また、超電導線材は電流密度が高く、コイルの小型・軽量化を図ることができ、もって誘導加熱装置の小型・軽量化を図ることができる。例えば、大規模発電に見合った熱エネルギーを得ようとした場合、超電導コイルを用いることで、常電導コイルに比較して、消費電力が小さくなると共に、装置の小型・軽量化を図ることができ、ナセル内に配置することが容易になる。

　ここで、第４の形態の装置のように断熱部を設けた場合、回転体（凸部）と加熱部との間の距離（磁気ギャップ）を小さくすることが可能であり、常電導コイルであっても、加熱部（熱媒体）を所定の温度まで加熱するのに十分な磁場を得易い。断熱部には、例えば、ロックウール、グラスウール、発砲プラスチック、レンガ、セラミックスなどの断熱材を使用することができる。

　第１～第４の形態の各誘導加熱装置の好ましい態様としては、磁場発生手段がコイルである場合、コイルを加熱部の熱から保護する耐熱部を備えることが挙げられる。

　加熱部が加熱されると、コイルが加熱部から近い位置に配置されている場合は、加熱部の熱によってコイルの温度が上昇する。また、コイルが加熱部から遠い位置に配置されていたとしても、加熱部から回転体やステータ部などの部材を介して伝導してきた熱によってコイルの温度が上昇することが考えられる。コイルの温度が上昇すると、コイルの電気特性が低下するなどの悪影響を招くことがある。特に、第４の形態の装置のように断熱部を設けた場合、加熱部の周囲を覆う断熱材を省略または薄くすることが可能であるため、その影響が大きくなる虞がある。そこで、この構成によれば、加熱部が加熱されることに起因するコイルの温度上昇を防止し、コイルが加熱部からの熱影響を受け難くすることができる。

　第１～第４の形態の各誘導加熱装置の好ましい態様としては、回転軸が風車に接続され、回転体を回転させる動力に風力を利用することが挙げられる。

　これら各誘導加熱装置において、回転体（回転軸）の動力には、風力、水力、波力などの再生可能エネルギーを利用することが好ましい。再生可能エネルギーを利用すれば、CO₂の増加を抑制でき、中でも風力を利用することが好適である。

　本発明の発電システムは、誘導加熱装置を利用して加熱した熱媒体の熱を発電部により電気エネルギーに変換して発電することができる。

第１の形態の実施例１に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、分解斜視図であり、（B）は、組み立て状態を示す斜視図である。第１の形態の実施例１に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、回転軸側から見た正面図であり、（B）は、回転軸方向に沿って切断した側面断面図である。図２（A）のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。第１の形態の実施例２に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、分解斜視図であり、（B）は、回転体の軸方向と直交方向に切断した正面断面図である。第１の形態の実施例２に係る誘導加熱装置の部分拡大概略図であり、（A）は、回転体が回転中の一状態を示し、（B）は、回転体が回転中の別の状態を示す。第１の形態の実施例２に係る誘導加熱装置におけるステータ部の変形例を示す概略斜視図である。第１の形態の実施例３に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、回転軸方向に沿って切断した側面断面図であり、（B）は、同図（A）の矢視7B‐7Bから見た磁場発生手段部分の部分断面図である。第１の形態の誘導加熱装置における磁場発生手段の変形例を示す概略図であり、（A）は、永久磁石が埋め込まれた支持柱部の側面図であり、（B）は、同図（A）の矢視8B‐8Bから見た断面図である。第１の形態の誘導加熱装置における配管の配置例を示す概略図であり、（A）は、１つの配管で構成する場合の展開平面図であり、（B）は、２つの配管で構成する場合の展開平面図であり、（C）は、４つの配管で構成する場合の展開平面図である。（D）は、同図（A）の配置例の場合に、配管の部分同士を電気的に接続する接続導体の取り付け例を示す展開平面図である。第１の形態の誘導加熱装置における配管の別の配置例を示す概略側面図である。第２の形態の実施例１に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、分解斜視図であり、（B）は、組み立て状態を示す斜視図である。第２の形態の実施例１に係る誘導加熱装置を回転軸側から見た概略正面図である。図１２のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。第２の形態の実施例２に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、分解斜視図であり、（B）は、回転体の軸方向と直交方向に切断した正面断面図である。第２の形態の実施例２に係る誘導加熱装置の部分拡大概略図であり、（A）は、回転体が回転中の一状態を示し、（B）は、回転体が回転中の別の状態を示す。第２の形態の実施例２に係る誘導加熱装置におけるステータ部の変形例を示す概略斜視図である。第３の形態の実施例１に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、分解斜視図であり、（B）は、組み立て状態を示す斜視図である。第３の形態の実施例１に係る誘導加熱装置における回転体の概略分解斜視図である。第３の形態の実施例１に係る誘導加熱装置を回転体の軸方向と直交方向に切断した概略正面断面図である。図１９のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。第３の形態の実施例２に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、分解斜視図であり、（B）は、回転体の軸方向と直交方向に切断した正面断面図である。第３の形態の実施例２に係る誘導加熱装置の部分拡大概略図であり、（A）は、回転体が回転中の一状態を示し、（B）は、回転体が回転中の別の状態を示す。第３の形態の実施例２に係る誘導加熱装置におけるステータ部の変形例を示す概略斜視図である。第４の形態の実施例１に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、分解斜視図であり、（B）は、組み立て状態を示す斜視図である。第４の形態の実施例１に係る誘導加熱装置の概略図であり、（A）は、回転体の軸方向と直交方向に切断した正面断面図であり、（B）は、回転体の軸方向に沿って切断した側面断面図である。図２５（A）のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。第４の形態の実施例１に係る誘導加熱装置において、加熱部の周囲にのみ断熱部を配置した場合を示す概略側面断面図である。（A）は、第４の形態の変形例１‐１に係る誘導加熱装置を示す概略側面断面図であり、（B）は、第４の形態の変形例１‐２に係る誘導加熱装置を示す概略側面断面図である。本発明に係る発電システムの全体構成の一例を示す概略図である。試算例１に使用したシミュレーションモデルを模式的に示す図である。シミュレーションモデルでのトータルコストの試算結果を示す図である。

　本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

　本発明の発電システムは、熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、前記熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備える。ここでは、まず、誘導加熱装置について説明し、次いで、発電システム全体について説明する。

　＜誘導加熱装置＞
　［第１の形態］
　　（実施例１）
　図１～１０は、第１の形態の誘導加熱装置を説明する図である。図１、２に示す第１の形態の実施例１に係る誘導加熱装置1011は、回転体11と、ステータ部12と、加熱部13と、支持柱部16、磁場発生手段15と、ヨーク部17と、配管14とを備える。以下、誘導加熱装置1011の構成を詳しく説明する。

　回転体11は、回転可能に支持された回転軸21の一端側に固定されており、軸方向から見た外形形状が、径方向に突出する複数の凸部111を有する歯車形状に形成されている。この例では、８つの凸部111を有し、各凸部が周方向に等間隔に設けられている。この回転体11は、磁性材料からなり、この例では、回転軸方向にケイ素鋼板を積層した積層鋼板で形成されている。その他、鉄粉等の磁性粉末の表面に絶縁被覆を施し、この粉末を加圧成形した圧粉磁心を用いてもよい。なお、ここでは、回転体11が反時計方向に回転するものとする（図２（A）中の矢印は回転方向を示す。後述する図４（B）、図５も同じ）。

　ステータ部12は、回転体11の外周を覆うように、回転体11との間に所定間隔をあけて配置されている。この例では、ステータ部12が筒状、より具体的には円筒状である。このステータ部12は、磁性材料からなり、回転しないように固定されている。

　加熱部13は、回転体11とステータ部12との間に配置され、回転体11の周囲を覆うように円筒状に形成されている。加熱部13は、導電材料からなり、例えば、アルミニウムや銅、鉄などの金属で形成されている。また、加熱部13は、ステータ部12の内周面に取り付けられ、回転しない。

　加熱部13には、熱媒体が流通する配管14が設けられている（図２（A）参照）。この例では、加熱部13の内部に軸方向に沿って延びる複数の流通路を形成し、これらを熱媒体が流通する配管14に利用している。そして、加熱部13と配管14とは熱的に接続されている。例えばこの例では、配管14の一端側から熱媒体を供給し、他端側から排出する構成としたり、配管14の一端側において、配管14と別の配管14とを接続する接続管を取り付け、配管14の他端側から熱媒体を供給し、接続管を介して、別の配管14の他端側から排出する構成としたりすることが挙げられる。後者の場合、前者の場合と比較して、熱媒体の加熱距離を長くすることができる。

　また、加熱部13の周囲には、断熱材（図示せず）を配置してもよい。例えばこの例では、加熱部13の内外周面、及び加熱部13の端面のうち配管14の配置箇所を除く箇所に断熱材を設けることが挙げられる。断熱材には、例えば、ロックウール、グラスウール、発砲プラスチック、レンガ、セラミックスなどを用いることができる。

　支持柱部16は、回転体11の一端側に一端側が対向するように配置される柱状の部材である。この例では、回転体11の背面（一端側の面）中央に遊嵌穴115が形成されており、この遊嵌穴115に支持柱部16の一端部が遊嵌されている（図２（B）参照）。支持柱部16の形状は、特に限定されないが、例えば、円柱状、円筒柱状、多角柱状、多角筒柱状などを挙げることができ、この例では、中空の円柱状であり、軽量化が図られている。また、支持柱部16は、磁性材料、非磁性材料のいずれを用いてもよく、この例では、非磁性材料で形成されている。例えば、磁場発生手段に永久磁石や常電導コイルを用いる場合は、支持柱部16を磁性材料で形成することが好ましい。一方、超電導コイルを用いる場合は、支持柱部16の飽和磁束のために発生磁場が限定されてしまう虞があることから、支持柱部16を非磁性材料で形成することが好ましい場合もある。

　支持柱部16には、回転体11に対し磁場を発生させる磁場発生手段のコイル15が装着されており、コイル15は、回転体11に対して回転体の中心から軸方向にずれた位置に位置する。また、コイル15には、図示しない直流電源が接続されている。この例では、コイル15に通電する直流電流の向きを制御して、発生させる磁場（磁束）の方向を決定しており、一端側（回転体11側）がN極、他端側がS極となるようにしている。また、コイル15は、超電導コイルであり、周囲を図示しない冷却用ジャケットで覆われ、冷却することによって超電導状態に保持されている。

　ヨーク部17は、ステータ部12と支持柱部16の他端側とを磁気的につなぐ部材であり、磁性材料で形成されている。この例では、ヨーク部17は、一端側がステータ部12に接続され、コイル15の外周側を覆うように周方向に配された複数のヨーク片171と、これら各ヨーク片171の他端側が接続される基部板172とを有する。また、コイル15が装着された支持柱部16の他端側に基部板172が接続され、これにより、ヨーク部17を介してステータ部12と支持柱部16の他端側とを磁気的につなぐことができる。この例では、複数のヨーク片171を用いてヨーク部17を構成しているが、周方向に連続する実質的に筒状の１つのヨーク片を用いて構成してもよい。

　次に、誘導加熱装置1011における熱媒体が加熱されるメカニズムについて詳しく説明する。

　誘導加熱装置1011では、コイル15に直流通電することにより、磁束（磁場）が発生し、支持柱部16の一端側から、回転体11、ステータ部12、ヨーク部17（ヨーク片171及び基部板172）を通り、支持柱部16の他端側に至る磁気回路が形成される。つまり、回転体11とステータ部12とヨーク部17とで、閉じた磁気回路が形成される（図２（B）中の点線矢印は磁束の流れのイメージを示す。後述する図７（A）も同じ）。ここで、図２（A）のa点では、回転体11の凸部111とステータ部12とが対向し、回転体11‐ステータ部12間の距離が狭小になり、回転体11とステータ部12とがほぼ連続状態になることで、磁気抵抗が小さくなり、回転体11からステータ部12に磁束が流れ易くなる。一方、図２（A）のb点では、凸部111が存在しないことから、回転体11‐ステータ部12間の距離が広大になり、回転体11とステータ部12とが非連続状態になることで、磁気抵抗が大きくなり、回転体11からステータ部12に磁束が流れ難くなる。その結果、回転体11の回転により、加熱部13の全周にわたって通過する磁束が変化し、この部分での磁場の強さが周期的に変化することで、加熱部13に誘導電流（渦電流）が発生し、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。

　図３は、図２（A）のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。磁場は、回転体‐ステータ部間の距離が最も狭小になるとき、極大かつ最大となり、一方、回転体‐ステータ部間の距離が最も広大になるとき、極小かつ最小となる。

　誘導加熱装置1011において、回転体11の凸部111の数、並びに周方向における凸部111の幅は、適宜設定することができる。ここで、凸部111の数をある程度増やすことで、磁場の周期を短くすることができる。誘導加熱エネルギー（誘導電流）は、磁場の周波数に比例関係にあることから、磁場の周期を短くすることで、加熱効率を向上できる。また、凸部111の幅をある程度小さくすることで、回転体11（凸部111）からステータ部12に流れる磁束が集中し、回転体11‐ステータ部12間の距離が狭小になる箇所に対応する加熱部13を通過する磁束が増加する。その結果、加熱部13に印加される磁場の振幅が大きくなり、加熱効率を向上できる。

　　（実施例２）
　図４、５に示す第１の形態の実施例２に係る誘導加熱装置1012は、ステータ部および加熱部の形状が図１、２に示す実施例１の誘導加熱装置1011と相違し、以下ではその相違点を中心に説明する。

　実施例２の誘導加熱装置1012では、ステータ部12が、円筒状部分から求心状に突出する複数の突起部121を有し、かつ、加熱部13には、各突起部121が挿通される孔131を有する。この例では、ステータ部12が８つの突起部121を有し、各突起部が周方向に等間隔に設けられている。また、突起部121は、ステータ部12の軸方向に対して平行で、突出方向と直交方向に切断した断面が略矩形状の四角柱状であり、この断面の面積が、回転体11の凸部111の突出方向と直交方向に切断した凸部の断面の面積と略等しい。

　誘導加熱装置1012における熱媒体が加熱されるメカニズムについて説明すると、回転体11の回転により、加熱部13に印加される磁場の強さが周期的に変化することで、加熱部13に渦電流が発生し、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される点は、実施例１の誘導加熱装置1011と同様である。さらに、誘導加熱装置1012においては、回転体11の回転により、回転体11の凸部111とステータ部12の突起部121との間の距離が狭小→広大、或いは広大→狭小になり、突起部121に流れる磁束が変化する（図５（A）、（B）参照）。それにより、突起部121周囲の加熱部13において、誘導起電力（逆起電力）が発生し、電流が流れることで、加熱部13が加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。

　このように、誘導加熱装置1012では、誘導起電力が発生した際に、突起部121の周囲に存在する加熱部13の導電材料により、突起部121の周囲に連続する電流経路が形成されることから、実施例１の誘導加熱装置1011と異なり、誘導起電力も利用して熱媒体を加熱する。

　この実施例２の誘導加熱装置1012では、ステータ部12における突起部121の形状が、突出方向と直交方向に切断にした断面が略矩形状の四角柱状である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、ステータ部12の突起部121をステータ部12の軸方向に対して傾斜させたスキュー構造とすることができる。スキュー構造を採用することで、コギングトルクを低減して、回転体11の回転を滑らかにすることができる。また、回転体11の凸部111（図４、図５）をスキュー構造としてもよい。

　　（実施例３）
　上記した実施例１、２の誘導加熱装置1011、1012では、支持柱部16に１つのコイル15を装着した場合を例に説明したが、誘導加熱装置を後述する本発明の発電システムに利用する場合、支持柱部16の直径が1m以上、例えば2m程度に達することが考えられる。そこで、複数のコイルや永久磁石を用いて磁場発生手段を構成することが好ましい場合も考えられる。

　図７に示す第１の形態の実施例３に係る誘導加熱装置1013は、複数のコイルを用いて磁場発生手段を構成した一例である。例えば、複数のコイルを用いる場合、図７に例示するように、複数の支持柱部16を円筒状に配置し、各支持柱部16にコイル15cを装着することが挙げられる。この構成の場合、各コイル15cの発生磁場の方向を同じとすることで、図２（B）に示す誘導加熱装置1011と同じように、支持柱部16の一端側から、回転体11、ステータ部12、ヨーク部17（ヨーク片171及び基部板172）を通り、支持柱部16の他端側に至る磁気回路が形成される（図７（A）参照）。複数のコイルを用いて磁場発生手段を構成することで、１つあたりのコイルを小型化することができ、コイルの製造が容易である。

　また、複数の永久磁石を用いる場合は、図８に例示するように、支持柱部16の周方向に複数のスリットを設け、各スリットに永久磁石15mを埋め込んで装着することが挙げられる。この構成によっても、各永久磁石15cの発生磁場の方向を同じとすることで、図２（B）に示す誘導加熱装置1011と同じように、磁気回路が形成される。

　上記した実施例１～３の誘導加熱装置1011～1013では、加熱部13の内部に流通路を形成し、加熱部13と配管14とを一体に形成した場合を例に説明したが、加熱部13と配管14とを別体で形成してもよい。その場合、配管も導電材料で形成することが好ましい。配管を導電材料で形成することで、配管を加熱部として兼用することができる。また、加熱部と配管とを別体とし、配管を加熱部の表面に設けてもよい。ここで、配管を導電材料で形成し、配管を加熱部として兼用する場合は、例えば、配管のみを配置する他、円筒状の支持台の表面に配管を取り付けるようにしてもよい。このとき、円筒状の支持台を導電材料以外の材料で形成してもよい。

　図９は、配管を導電材料で形成し、かつ、配管のみ配置する場合の配管の配置例を示す展開平面図である。ここでは、円筒状のステータ部12の内周面に配管14を這わして取り付けた場合を例に説明し、図９は、配管14をステータ部12の内周面側から見た展開平面図である。また、図９中の黒塗り矢印は、熱媒体の供給、並びに排出方向を示す。

　図９（A）は、１つの配管14で構成した場合であり、ステータ部12の内周面全体に周方向に蛇行するように配管14を折り曲げ形成して配設している。配管14を蛇行させることで、熱媒体の加熱距離を長くすることができる。この場合、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向に略360°ずれる、即ち供給側端部と排出側端部とは周方向の略同じ位置に位置することになる。そのため、排出側端部から排出される加熱された熱媒体が、供給側端部から供給される熱媒体によって冷やされ、加熱効率が低下することが懸念される。そこで、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向にある程度ずらすことが好ましく、例えば10°以上ずらすことが好ましい。

　図９（B）は、２つの配管14で構成した場合であり、図９（A）と同様に、ステータ部12の内周面全体に配管14が蛇行状態で配設されている。この場合、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向に略180°ずれることになる。また、この例では、隣り合う配管14の供給側端部同士、並びに排出側端部同士がそれぞれ周方向の略同じ位置に位置している。そのため、配管14の排出側端部から排出される加熱された熱媒体が、別の配管14の供給側端部から供給される熱媒体によって冷やされることもない。

　図９（C）は、４つの配管14で構成した場合であり、図９（B）と同様に、ステータ部12の内周面全体に配管14が蛇行状態で配設され、また、隣り合う配管14の供給側端部同士、並びに排出側端部同士がそれぞれ周方向の略同じ位置に位置している。この場合、配管14の供給側端部と排出側端部とは周方向に略90°ずれることになる。

　このように、配管を蛇行状態で配置する場合は、複数の配管を用いて構成してもよい。また、図９（A）～（C）に示した例では、配管14の供給側端部と排出側端部とをステータ部12の軸方向の一方側に設けているが、供給側端部を一方側又は他方側に、排出側端部を他方側又は一方側に設けることも可能である。

　さらに、上記した実施例２、３の誘導加熱装置1012、1013のように、ステータ部12が突起部121を有する場合は、突起部を挟むように蛇行させた配管のうち、折り曲げ部とは突起部を挟んで反対側の配管部分同士が離隔する側に配管の部分同士を電気的に接続する接続導体141を別途取り付けて（図９（D）参照）、導電材料からなる配管14と接続導体141とで突起部121の周囲を囲むようにするとよい。これにより、突起部121に流れる磁束が変化することに起因して発生する誘導起電力に伴う電流が、配管14と接続導体141とで形成されるループ状の電流経路を流れることになる。

　また、ステータ部が突起部を有する場合は、例えば図１０に例示するように、突起部121の外周に導電材料からなる配管14を巻回して取り付けてもよい。この場合、配管14の巻き始めと巻き終わりの端部同士を接続導体で電気的に接続することで、突起部121に流れる磁束が変化することにより、配管14に誘導起電力が発生し、配管14に電流が流れることで、配管14が加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。

　以上説明した第１の形態の誘導加熱装置は、回転体に対して磁場発生手段が回転体の中心から軸方向にずれた位置に位置するため、回転体とステータ部との間に配置された加熱部と磁場発生手段とを距離を離して配置することができ、加熱部から磁場発生手段への熱影響を抑えることができる。また、超電導コイルを採用したことで、大電流を流すことによるコイルの発熱を抑制することができ、また、より強い磁場を発生させることができる。さらに、加熱部（配管）が回転しない構造としたことで、例えば配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する給排管と配管との接続に、配管の回動を許容する回転継手を用いる必要がなく、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。

　［第２の形態］
　　（実施例１）
　図１１～１６は、第２の形態の誘導加熱装置を説明する図である。図１１、１２に示す第２の形態の実施例１に係る誘導加熱装置1021は、回転体11と、コイル15と、加熱部13と、配管14と、ステータ部12とを備える。以下、誘導加熱装置1021の構成を詳しく説明する。

　回転体11は、回転可能に支持された回転軸21を有し、軸方向から見た外形形状が、径方向に突出する複数の凸部111を有する歯車形状に形成されている。この例では、８つの凸部111を有し、各凸部111が周方向に等間隔に設けられている。また、回転体11の外周には、後述するコイル15が配置されている。なお、ここでは、回転体11が反時計方向に回転するものとする（図１２中の矢印は回転方向を示す。後述する図１４（B）、図１５も同じ）。

　回転体11を形成する材料としては、磁性材料、非磁性材料を問わず、機械的強度を有し、コイル15を支持可能な材料であればよく、構造強度と長期耐候性に優れる材料が好ましい。例えば、構造用材料に使用される鉄、鋼、ステンレス、アルミニウム合金、マグネシウム合金、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）やＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などの複合材料が挙げられる。

　この例では、回転体11（凸部111を含む）が非磁性材料で形成されている。コイル15に常電導コイルを用いる場合は、回転体11を磁性材料で形成することが好ましい。一方、超電導コイルを用いる場合は、回転体11の磁束飽和のために発生磁場が限定されてしまう虞があることから、回転体11を非磁性材料で形成することが好ましい場合もある。

　コイル15は、回転体11の各凸部111に巻回され取り付けられており、回転体11の径方向に磁場を発生する。また、各コイル15には、図示しない直流電源が接続される。この例では、各コイル15に通電する直流電流の向きを制御して、発生させる磁場（磁束）の方向を決定しており、隣り合うコイル15の極性が互いに異なるようにしている（図１２参照）。また、各コイル15は、超電導コイルであり、周囲を図示しない冷却用ジャケットで覆われ、冷却することによって超電導状態に保持されている。

　加熱部13は、回転体11の外側に回転体11と間隔をあけて設けられ、回転体11の周囲を覆うように円筒状に形成されている。この加熱部13には、コイル12による磁束が通過する。また、加熱部13は、導電材料からなり、例えば、アルミニウムや銅、鉄などの金属で形成されている。

　加熱部13には、熱媒体が流通する配管14が設けられている（図１２参照）。この例では、加熱部13の内部に軸方向に沿って延びる複数の流通路を形成し、これらを熱媒体が流通する配管14に利用している。そして、加熱部13と配管14とは熱的に接続されている。例えばこの例では、配管14の一端側から熱媒体を供給し、他端側から排出する構成としたり、配管14の一端側において、配管14と別の配管14とを接続する接続管を取り付け、配管14の他端側から熱媒体を供給し、接続管を介して、別の配管14の他端側から排出する構成としたりすることが挙げられる。即ち、前者の場合は片道の流路、後者の場合は往復の流路となり、後者の場合、前者の場合と比較して、熱媒体の加熱距離を長くすることができる。

　ステータ部12は、加熱部13の外周に配置された筒状の部材であり、内周面に加熱部13が取り付けられている。そして、加熱部13及びステータ部12は、回転しないように固定されている。

　この例では、ステータ部12が円筒状であり、磁性材料で形成されている。ステータ部12を磁性材料で形成する場合は、例えば、ケイ素鋼板を積層した積層鋼板や、鉄粉等の磁性粉末の表面に絶縁被覆を施し、この粉末を加圧成形した圧粉磁心を用いてもよい。

　次に、誘導加熱装置1021における熱媒体が加熱されるメカニズムについて詳しく説明する。

　誘導加熱装置1021では、コイル15が通電されることで、回転体11の径方向に磁場が発生し、加熱部13を磁束が通過する。ここで、コイル15に対向し、コイル15との距離が小さい加熱部13の一部分（例えば図１２のa点、c点）では、多くの磁束が通過し、磁場が強くなる。一方、隣り合うコイル15の間に対向し、コイル15との距離が大きい加熱部13の別部分（例えば図１２のb点）では、通過する磁束が減少し、磁場が弱くなる。そして、回転体11と共にコイル15が回転することにより、加熱部13の全周にわたって通過する磁束が変化し、この部分での磁場の強さが周期的に変化する。その結果、加熱部13に誘導電流が発生することで、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。

　また、誘導加熱装置1021では、隣り合うコイル15の極性が互いに異なることから、N極のコイル15に対向する部分とS極のコイル15に対向する部分とでは、磁束（磁場）の方向が異なる。N極のコイル15に対向する部分（例えば図１２のa点）では、磁束（磁場）の方向が、加熱部13の内周側から外周側方向（径方向の＋方向）となる。一方、S極のコイル15に対向する部分（例えば図１２のc点）では、磁束（磁場）の方向が、加熱部13の外周側から内周側方向（径方向の－方向）となる。

　図１３は、図１２のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。磁場は、N極のコイルと対向し、N極のコイル‐加熱部間の距離が最も狭小になるとき、強さが＋方向に最大となる。一方、S極のコイルと対向し、S極コイル‐加熱部間の距離が最も狭小になるとき、強さが－方向に最大となる。つまり、回転体と共にコイルが回転することにより、磁場の方向と強さが周期的に逆転しながら変化する。

　ここで、誘導加熱装置1021において、各コイル15の極性が全て同じ（例えばN極）場合であっても、上述したように、コイル15に対向する加熱部13の一部分では、磁場が強くなり、隣り合うコイル15の間に対向する加熱部13の別部分では、磁場が弱くなる。そのため、回転体11と共にコイル15が回転することにより、磁場の強さが周期的に変化することから、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。ただし、この場合は磁場の方向が逆転しない。したがって、隣り合うコイル15の極性が互いに異なる方が、磁場の方向が逆転することから、加熱部13に印加される磁場の振幅（変化）を大きくすることができる。その結果、加熱部13により大きな誘導電流を発生させることができ、加熱効率を向上できる。

　また、コイル15の数は、適宜設定することができる。ここで、コイル15の数をある程度増やすことで、磁場の周期を短くすることができる。誘導加熱エネルギー（誘導電流）は、磁場の周波数に比例関係にあることから、磁場の周期を短くすることで、加熱効率を向上できる。

　さらに、コイル15には、例えばスリップリングを介して外部の電源と接続し、電流を供給すればよい。

　　（実施例２）
　図１４、１５に示す第２の形態の実施例２に係る誘導加熱装置1022は、ステータ部および加熱部の形状が図１１、１２に示す実施例１の誘導加熱装置1021と相違し、以下ではその相違点を中心に説明する。

　実施例２の誘導加熱装置1022では、ステータ部12が、円筒状部分から求心状に突出する複数の突起部121を有し、かつ、加熱部13には、各突起部121が挿通される孔131を有する。この例では、ステータ部12が８つの突起部121を有し、各突起部121が周方向に等間隔に設けられている。つまり、コイル15の数と突起部121の数が等しい。また、突起部121は、ステータ部12の軸方向に対して平行で、突出方向と直交方向に切断にした断面が略矩形状の四角柱状である。

　誘導加熱装置1022における熱媒体が加熱されるメカニズムについて説明すると、回転体11と共にコイル15が回転することにより、加熱部13を通過する磁束が周期的に変化し、加熱部13に誘導電流が発生することで、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される点は、実施例１の誘導加熱装置1021と同様である。さらに、誘導加熱装置1022においては、回転体11の回転により、コイル15とステータ部12の突起部121との間の距離が狭小→広大、或いは広大→狭小になり、突起部121に流れる磁束が変化する（図１５（A）、（B）参照）。それにより、突起部121周囲の加熱部13において、誘導起電力（逆起電力）が発生し、電流が流れることで、加熱部13が加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。

　このように、誘導加熱装置1022では、誘導起電力が発生した際に、突起部121の周囲に存在する加熱部13の導電材料により、突起部121の周囲に連続する電流経路が形成されることから、実施例１の誘導加熱装置1021と異なり、誘導起電力も利用して熱媒体を加熱する。

　また、ステータ部12（突起部121を含む）が磁性材料で形成されていることから、ステータ部12に磁束が流れる。そして、各コイル15と各突起部121とが対向するとき、N極のコイル15から発生した磁束は、このコイルに対向する突起部121に流れ、ステータ部12の筒状部分を通って、S極のコイル15に対向する突起部121に流れる（図１４（B）中の点線矢印は磁束の流れのイメージを示す）。つまり、回転体11とステータ部12とで、略閉磁路が形成されることから、各突起部121に流れる磁束が大きくなる。

　この実施例２の誘導加熱装置1022では、ステータ部12における突起部121の形状が、突出方向と直交方向に切断にした断面が略矩形状の四角柱状である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図１６に示すように、ステータ部12の突起部121をステータ部12の軸方向に対して傾斜させたスキュー構造とすることができる。スキュー構造を採用することで、コギングトルクを低減して、回転体11の回転を滑らかにすることができる。また、回転体11の凸部111（図１４、図１５）をスキュー構造としてもよい。

　上記した実施例１、２の誘導加熱装置1021、1022では、加熱部13の内部に流通路を形成し、加熱部13と配管14とを一体に形成した場合を例に説明したが、加熱部13と配管14とを別体で形成してもよい。その場合、配管も導電材料で形成することが好ましい。配管を導電材料で形成することで、配管を加熱部として兼用することができる。また、加熱部と配管とを別体とし、配管を加熱部の表面に設けてもよい。ここで、配管を導電材料で形成し、配管を加熱部として兼用する場合は、例えば、配管のみを配置する他、円筒状の支持台の表面に配管を取り付けるようにしてもよい。このとき、円筒状の支持台を導電材料以外の材料で形成してもよい。

　配管を導電材料で形成し、かつ、配管のみ配置する場合は、上述した第１の形態の誘導加熱装置のところで図９を用いて説明したように構成してもよい。

　また、ステータ部が突起部を有する場合は、上述した第１の形態の誘導加熱装置のところで説明した図１０に例示するように、突起部121の外周に導電材料からなる配管14を巻回して取り付けてもよい。この場合、配管14の巻き始めと巻き終わりの端部同士を接続導体で電気的に接続することで、突起部121に流れる磁束が変化することにより、配管14に誘導起電力が発生し、配管14に電流が流れることで、配管14が加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。

　以上説明した第２の形態の誘導加熱装置は、磁場発生手段にコイルを用いているため、従来の永久磁石を用いた装置に比較して、強い磁場を発生させることができる。特に、超電導コイルを採用したことで、大電流を流すことによるコイルの発熱を抑制することができ、また、より強い磁場を発生させることができる。また、加熱部（配管）が回転しない構造としたことで、例えば配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する給排管と配管との接続に、配管の回動を許容する回転継手を用いる必要がなく、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。

　［第３の形態］
　　（実施例１）
　図１７～２３は、第３の形態の誘導加熱装置を説明する図である。図１７～１９に示す第３の形態の実施例１に係る誘導加熱装置1031は、回転体11と、コイル15と、加熱部13と、配管14と、ステータ部12とを備える。以下、誘導加熱装置1031の構成を詳しく説明する。

　回転体11は、回転可能に支持された回転軸21を有する第一回転体11aと、この第一回転体11aに対し連結される第二回転体11bとの双方を組み合わせてなる。第一回転体11aと第二回転体11bとの双方には、回転体11の径方向に突出する複数の凸部111a,111bが形成されており、双方の各凸部111a,111bが、互いに周方向にずれた状態で相手側に向かって延設されると共に互いに離間している。つまり、第一回転体11aと第二回転体11bとは、相互に各凸部111a,111bが噛み合うように対向配置されている。また、双方の各凸部111a,111bは、回転体11の周方向に等間隔に設けられている。この例では、第一回転体11aと第二回転体11bとのそれぞれに８個の凸部が形成されており、双方合わせて計１６個の凸部が回転体11に設けられている。また、回転体11（第一回転体11a及び第二回転体11b）は、鉄などの磁性材料で形成されている。なお、ここでは、回転体11が回転軸21側から見て反時計方向に回転するものとする（図１９中の矢印は回転体11の回転方向を示す。後述する図２１（B）、図２２も同じ）。

　コイル15は、第一回転体11aと第二回転体11bとに一方の磁極と他方の磁極とが対向するように第一回転体11aと第二回転体11bとの間に配置され、回転体11の軸方向に磁場を発生する。即ち、回転体11の内部に配置されたコイル15が通電により励磁されたとき、一方の磁極と対向する第一回転体11aが一方の磁極と同じ極性に磁化されると共に、他方の磁極と対向する第二回転体11bが他方の磁極と同じ極性に磁化される。このとき、第一回転体11a及び第二回転体11bの各凸部111a,111bも磁化される。このコイル15には、図示しない直流電源が接続される。この例では、コイル15が超電導コイルであり、コイル15に通電する直流電流の向きを制御して、発生させる磁場（磁束）の方向を決定しており、一方の磁極がN極、他方の磁極がS極となるようにしている。また、超電導コイル15は、周囲を図示しない冷却用ジャケットで覆われ、冷却することによって超電導状態に保持されている。

　この例では、第一回転体11aと第二回転体11bとが、中央内部に配置される柱状の連結部材112を介して連結されており、連結部材112が、コイル15の内側に挿通されると共にコイル15を支持している（図１８参照）。連結部材112を形成する材料としては、磁性材料、非磁性材料を問わず、機械的強度を有し、コイル15を支持可能な材料であればよく、構造強度と長期耐候性に優れる材料が好ましい。例えば、構造用材料に使用される鉄、鋼、ステンレス、アルミニウム合金、マグネシウム合金、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）やＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などの複合材料が挙げられる。

　ここでは、連結部材112が非磁性材料で形成されている。例えば、連結部材112を磁性材料で形成した場合、連結部材112の磁束飽和ために超電導コイル15の発生磁場が限定されてしまう虞があることから、連結部材112を非磁性材料で形成することが好ましい場合もある。また、連結部材112の形状は、例えば、円柱状、円筒柱状、多角柱状、多角筒柱状などが挙げられ、適宜必要に応じて好ましい形状を選択すればよい。

　加熱部13は、回転体11の外側に回転体11と間隔をあけて配置され、回転体11の周囲を覆うように筒状に形成されている。この加熱部13には、後述するように、回転体11の凸部111a、111bから流れ出た磁束が通過する。また、加熱部13は、アルミニウムなどの導電材料で形成されている。

　加熱部13には、熱媒体が流通する配管14が設けられている（図１９参照）。この例では、加熱部13の内部に軸方向に沿って延びる複数の流通路を形成し、これらを熱媒体が流通する配管14に利用している。そして、加熱部13と配管14とは熱的に接続されている。例えばこの例では、配管14の一端側から熱媒体を供給し、他端側から排出する構成としたり、配管14の一端側において、配管14と別の配管14とを接続する接続管を取り付け、配管14の他端側から熱媒体を供給し、接続管を介して、別の配管14の他端側から排出する構成としたりすることが挙げられる。即ち、前者の場合は片道の流路、後者の場合は往復の流路となり、後者の場合、前者の場合と比較して、熱媒体の加熱距離を長くすることができる。

　また、加熱部13の周囲には、加熱部13を保温するために、断熱材（図示せず）を配置してもよい。例えばこの例では、加熱部13の内外周面、及び加熱部13の端面のうち配管14の配置箇所を除く箇所に断熱材を設けることが挙げられる。断熱材には、例えば、ロックウール、グラスウール、発泡プラスチック、レンガ、セラミックスなどを用いることができる。

　加熱部13の周囲に断熱材を配置した場合、磁化された回転体11の凸部111a、111bと加熱部13との間の距離が大きくなることから、加熱部13を通過する磁束が減る、つまり加熱部13に印加される磁場が減少する。第３の形態の誘導加熱装置では、コイル15を用いているため、もともとの磁場強度が高く、また、必要に応じて通電電流を大きくして磁場強度を高めることもできるので、断熱材を配置した場合であっても、熱媒体を発電に必要な温度まで加熱するのに十分な性能（熱エネルギー）を得易い。この点は、上述した第１や第２の形態の誘導加熱装置において磁場発生手段がコイルである場合、同じである。

　この例では、ステータ部12が円筒状であり、磁性材料で形成されている。ステータ部12には、例えば、ケイ素鋼板を積層した積層鋼板や、鉄粉などの磁性粉末の表面に絶縁被覆を施し、この粉末を加圧成形した圧粉磁心を用いてもよい。

　次に、誘導加熱装置1031における熱媒体の加熱メカニズムについて詳しく説明する。

　誘導加熱装置1031では、コイル15への通電によりコイル15が励磁され回転体11の軸方向に磁場が発生し、コイル15の一方の磁極（N極）と対向する第一回転体11aがN極に磁化される共に、コイル15の他方の磁極（S極）と対向する第二回転体11bがS極に磁化される。その結果、第一回転体11aの凸部111aがN極に、第二回転体11bの凸部111bがS極に磁化され、回転体11の軸方向に直交する断面において、双方の凸部111a,111bは離間した状態で回転体11の周方向に交互に配置されるので、回転体11の隣り合う凸部の極性が互いに異なる（特に、図１９参照）。第一回転体11aと第二回転体11bとの双方の凸部111a,111bから流れ出た磁束は、回転体11（凸部）の外側に配置された加熱部13を通過する。そして、回転体11が回転することにより、加熱部13を通過する磁束が変化し、加熱部13に誘導電流が発生することで、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。

　ここで、誘導加熱装置1031では、回転体11の隣り合う凸部の極性が互いに異なることから、加熱部13の凸部111a（N極）に対向する部分と加熱部13の凸部111b（S極）に対向する部分とでは、磁束（磁場）の方向が異なる。N極の凸部111aに対向する部分（例えば図１９のa点）では、磁束（磁場）の方向が、加熱部13の内周側から外周側方向（径方向の＋方向）となる。一方、S極の凸部111bに対向する部分（例えば図１９のb点）では、磁束（磁場）の方向が、加熱部13の外周側から内周側（径方向の－方向）となる。

　図２０は、図１９のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。磁場は、N極の凸部に対向し、N極の凸部‐加熱部間の距離が最も狭小になるとき、強さが＋方向に最大となる。一方、S極の凸部に対向し、S極の凸部‐加熱部間の距離が最も狭小になるとき、強さが－方向に最大となる。つまり、回転体11の回転により凸部が回転移動することで、磁場の方向と強さが周期的に逆転しながら変化する。

　また、凸部111a,111bの数は、適宜設定することができる。ここで、凸部111a,111bの数をある程度増やすことで、磁場の周期を短くすることができる。誘導加熱エネルギー（誘導電流）は、磁場の周波数に比例関係にあることから、磁場の周期を短くすることで、加熱効率を向上できる。

　さらに、コイル15は、例えば第二回転体11bの中央に形成された開口部113から引出線を引き出して、外部の電源と接続すればよい。回転体11と共にコイル15が回転する場合は、例えばスリップリングを介して引出線と外部電源とを接続すればよい。また、回転体11が回転してもコイル15が回転しないように連結部材112とコイル15との間にベアリング（軸受）を取り付けて、引出線と外部電源とを接続してもよい。

　　（実施例２）
　図２１、２２に示す第３の形態の実施例２に係る誘導加熱装置1032は、ステータ部および加熱部の形状が図１７～１９に示す実施例１の誘導加熱装置1031と相違し、以下ではその相違点を中心に説明する。

　実施例２の誘導加熱装置1032では、ステータ部12が、円筒状部分から求心状に突出する複数の突起部121を有し、かつ、加熱部13には、各突起部121が挿通される孔131を有する。この例では、ステータ部12が１６個の突起部121を有し、各突起部121が周方向に等間隔に設けられている。つまり、凸部111aと凸部111bとを合わせた回転体11の凸部の数とステータ部12の突起部121の数が等しい。また、突起部121は、ステータ部12の軸方向に対して平行で、突出方向と直交方向に切断にした断面が略矩形状の四角柱状である。

　誘導加熱装置1032における熱媒体の加熱メカニズムについて説明すると、回転体11が回転することにより、凸部111a,111bが回転移動することで、加熱部13を通過する磁束が周期的に変化し、加熱部13に誘導電流が発生することで、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される点は、実施例１の誘導加熱装置1031と同様である。さらに、誘導加熱装置1032においては、回転体11の回転により、回転体11の凸部とステータ部12の突起部121との間の距離が狭小→広大、或いは広大→狭小になり、突起部121に流れる磁束が変化する（図２２（A）、（B）参照）。それにより、突起部121周囲の加熱部13において、誘導起電力（逆起電力）が発生し、電流が流れることで、加熱部13が加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。

　このように、誘導加熱装置1032では、誘導起電力が発生した際に、突起部121の周囲に存在する加熱部13の導電材料により、突起部121の周囲にループ状の電流経路が形成されることから、実施例１の誘導加熱装置1031と異なり、誘導起電力も利用して熱媒体を加熱する。

　また、ステータ部12（突起部121を含む）が磁性材料で形成されていることから、ステータ部12に磁束が流れる。そして、各凸部111a,111bと各突起部121とが対向するとき、N極の凸部111aから流れ出た磁束は、この凸部111aに対向する突起部121に流れ、ステータ部12の筒状部分を通って、S極の凸部111bに対向する突起部121に流れる（図２１（B）中の点線矢印は磁束の流れのイメージを示す）。つまり、N極の凸部111aからステータ部12を通ってS極の凸部111bに至る磁路が形成されることから、各突起部121に流れる磁束が大きくなる。

　この実施例２の誘導加熱装置1032では、ステータ部12における突起部121の形状が、突出方向と直交方向に切断にした断面が略矩形状の四角柱状である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図２３に示すように、ステータ部12の突起部121をステータ部12の軸方向に対して傾斜させたスキュー構造とすることができる。スキュー構造を採用することで、コギングトルクを低減して、回転体11の回転を滑らかにすることができる。また、回転体11の凸部（図２１、図２２）をスキュー構造としてもよい。

　上記した実施例１、２の誘導加熱装置1031、1032では、加熱部13の内部に流通路を形成し、加熱部13と配管14とを一体に形成した場合を例に説明したが、加熱部13と配管14とを別体で形成してもよい。その場合、配管も導電材料で形成することが好ましい。配管を導電材料で形成することで、配管を加熱部として兼用することができる。また、加熱部と配管とを別体とし、配管を加熱部の表面に設けてもよい。ここで、配管を導電材料で形成し、配管を加熱部として兼用する場合は、例えば、配管のみを配置する他、筒状の支持台の表面に配管を取り付けるようにしてもよい。このとき、筒状の支持台を導電材料以外の材料で形成してもよい。

　以上説明した第３の形態の誘導加熱装置は、磁場発生手段にコイルを用いているため、従来の永久磁石を用いた装置に比較して、強い磁場を発生させることができる。特に、超電導コイルを採用したことで、大電流を流すことによるコイルの発熱を抑制することができ、また、より強い磁場を発生させることができる。また、加熱部（配管）が回転しない構造としたことで、例えば配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する給排管と配管との接続に、配管の回動を許容する回転継手を用いる必要がなく、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。

　［第４の形態］
　　（実施例１）
　図２４～２８は、第４の形態の誘導加熱装置を説明する図である。図２４、２５に示す第４の形態の実施例１に係る誘導加熱装置1041は、回転体11と、ステータ部12と、加熱部13と、コイル15と、配管14と、断熱部18とを備える。以下、誘導加熱装置1041の構成を詳しく説明する。

　回転体11は、回転可能に支持された回転軸21を有し、外周面に複数の凸部111が径方向に突出して一体に設けられている。この例では、８個の凸部111が周方向に等間隔に設けられている。この回転体11は、凸部111を含めて磁性材料からなり、この例では、回転軸方向にケイ素鋼板を積層した積層鋼板で形成されている。その他、鉄粉等の磁性粉末の表面に絶縁被覆を施し、この粉末を加圧成形した圧粉磁心を用いてもよい。なお、ここでは、回転体11が回転軸側から見て反時計方向に回転する（図２５（A）中の矢印は回転方向を示す）。

　ステータ部12は、回転体11の外周側に回転体11と所定間隔をあけて配置された筒状の部材である。この例では、ステータ部12が円筒状である。このステータ部12は、磁性材料からなり、回転しないように固定されている。

　加熱部13は、回転体11とステータ部12との間に配置されており、この例では、円筒状に形成されている。この加熱部13は、導電材料からなり、例えばアルミニウムで形成されている。また、加熱部13は、ステータ部12の内周面に取り付けられ、回転しない。

　加熱部13には、熱媒体が流通する配管14が設けられている（図２５（A）参照）。この例では、加熱部13の内部に軸方向に沿って延びる複数の挿通孔が形成され、各挿通孔に配管14が挿通されている。そして、加熱部13と配管14とは熱的に接続されている。また、例えばこの例では、配管14の一端側から熱媒体を供給し、他端側から排出する構成としたり、配管14の一端側において、配管14と別の配管14とを接続する接続管を取り付け、配管14の他端側から熱媒体を供給し、接続管を介して、別の配管14の他端側から排出する構成としたりすることができる。即ち、前者の場合は片道の流路、後者の場合は往復の流路となり、後者の場合、前者の場合と比較して、熱媒体の加熱距離を長くすることができる。

　コイル15は、凸部111から加熱部13を通過する磁束を発生する。この例では、コイル15が、後述する支持柱部16に装着されており、回転体11に対して回転体11の中心から軸方向にずれた位置に配置されている。また、このコイル15は、常電導の銅コイルであり、コイル15には、図示しない直流電源が接続されている。ここでは、コイル15に通電する直流電流の向きを制御して、発生する磁束（磁場）の方向を決定しており、コイル15の一端側（回転体11側）がN極、他端側がS極となっている。

　支持柱部16は、その一端側が回転体11の一端側に対向するように配置された柱状の部材である。この例では、回転体11の背面（一端側の面）中央に遊嵌穴115が形成されており、この遊嵌穴115に支持柱部16の一端部が遊嵌されている（図２５（B）参照）。支持柱部16の形状は、特に限定されないが、例えば、円柱状、円筒柱状、多角柱状、多角筒柱状などを挙げることができ、この例では、円柱状である。また、支持柱部16は、磁性材料、非磁性材料のいずれを用いてもよく、この例では、磁性材料で形成されている。例えば、コイル15が常電導コイルである場合は、支持柱部16を磁性材料で形成することが好ましい。一方、コイル15が超電導コイルである場合は、支持柱部16の飽和磁束のために発生する磁束が制限されてしまう虞があることから、支持柱部16を非磁性材料で形成することが好ましい場合もある。

　さらに、誘導加熱装置1041は、磁性材料からなり、ステータ部12と支持柱部16の他端側とを磁気的に連結するヨーク部17を備える。この例では、ヨーク部17は、一端側がステータ部12に接続され、コイル15の外周側を覆うように周方向に配された複数のヨーク片171と、これら各ヨーク片171の他端側が接続される基部板172とを有する。そして、コイル15が装着された支持柱部16の他端側に基部板172が接続され、これにより、ヨーク部17を介してステータ部12と支持柱部16の他端側とが磁気的に連結されている。この例では、複数のヨーク片171を用いてヨーク部17を構成しているが、周方向に連続する実質的に筒状の１つのヨーク片を用いて構成してもよい。

　断熱部18は、ステータ部12の外周を覆うように配置され、この例では、誘導加熱装置1041全体を包囲するように配置されている。ただし、断熱部18において、回転軸21や配管14に対応する箇所には開口部が設けられている。この断熱部18は、例えば、ロックウール、グラスウール、発砲プラスチック、レンガ、セラミックスなどの断熱材で形成されている。

　以上説明した誘導加熱装置1041は、上述した第１の形態の実施例１に係る誘導加熱装置1011と基本的な構成が同様であり、この装置における熱媒体が加熱されるメカニズムについても同様である。

　具体的には、誘導加熱装置1041では、コイル15が通電されることにより、磁場が発生し、支持柱部16の一端側から、回転体11、凸部111、ステータ部12、ヨーク部17（ヨーク片171及び基部板172）を通り、支持柱部16の他端側に至る磁気回路が形成される（図２５（B）中の点線矢印は磁束の流れのイメージを示す）。つまり、凸部111とステータ部12との間に磁束が発生し、凸部111から加熱部13を通過する磁束が発生する。ここで、図２５（A）の加熱部13におけるa点では、凸部111‐ステータ部12間の磁気ギャップが小さくなるため、加熱部13を通過する磁束量が増える。一方、図２５（A）の加熱部13におけるb点では、凸部111が存在しないことから、磁気ギャップが大きくなり、加熱部13を通過する磁束量が減る。その結果、回転体11の回転により、加熱部13の全周にわたって通過する磁束量が変化し、この部分での磁場の強さが周期的に変化することで、加熱部13に誘導電流（渦電流）が発生し、加熱部13が誘導加熱され、配管14内の熱媒体が加熱される。

　図２６は、図２５（A）のa点における磁場の時間的変化を模式的に示す図である。磁場は、凸部‐ヨーク部間の磁気ギャップが最も小さくなるとき、極大かつ最大となり、一方、凸部‐ヨーク部間の磁気ギャップが最も大きくなるとき、極小かつ最小となる。

　上記した誘導加熱装置1041は、磁場発生手段にコイルを用いているため、永久磁石を用いる場合に比較して、強い磁場を安定的に発生させることができる。また、断熱部がステータ部の外周に配置されているため、加熱部の周囲を覆う断熱材を省略または薄くすることが可能であり、凸部と加熱部との間の磁気ギャップを小さくすることができると共に、加熱部の断面積を大きくとることができる。さらに、加熱部（配管）が回転しない構造としたことで、例えば配管に連通して外部から熱媒体を供給・排出する給排管と配管との接続に、配管の回動を許容する回転継手を用いる必要がなく、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。

　図２７は、上記した誘導加熱装置1041において、加熱部の周囲にのみ断熱部を配置した場合を示す概略側面断面図である。この図２７に示す誘導加熱装置1040では、断熱部180が加熱部13から熱を逃がさない程度の厚さを有し、例えば断熱部180の厚さが50mm程度である。そのため、凸部111と加熱部13との間の磁気ギャップが大きくなり、加熱部13を通過する総磁束量が減少する。また、誘導加熱に寄与する加熱部13の断面積も小さくなる。これに対し、例えば図２５（B）に示す第４の形態の誘導加熱装置1041では、ステータ部12の外周に断熱部18を配置することで、装置からの放熱を抑制し、加熱部の周囲を覆う断熱材を省略または薄くすることが可能である。例えば、加熱部13の周囲にも断熱材を配置する場合、その断熱材の厚さを5mm以下にすることができる。そのため、凸部111と加熱部13との間の磁気ギャップを小さくして、加熱部13を通過する総磁束量を増加させることができる。また、加熱部13の断面積を大きくとることができるので、装置の小型軽量化を図ることができる。

　この例では、上述した第１の形態の実施例１に係る誘導加熱装置1011と基本的な構成が同様の装置に断熱部を配置した誘導加熱装置1041を例に挙げ説明したが、例えば、上述した第２や第３の形態の誘導加熱装置においても、上記した断熱部を配置することが可能である。ステータ部の外周を覆うように断熱部を配置することで、同様の作用効果を得ることができる。

　また、上記した誘導加熱装置1041では、コイル15が常電導コイルである場合を例に説明したが、コイル15が超電導コイルであってもよい。超電導コイルを採用した場合、より強い磁場を発生させることができる。なお、上述したように、誘導加熱装置1041では、凸部111と加熱部13との間の磁気ギャップを小さくすることが可能であるため、常電導コイルであっても、加熱部を加熱するのに十分な磁場を得ることができる。

　その他、誘導加熱装置1041において、凸部111の数、並びに回転体11の周方向における凸部111の幅は、適宜設定することができる。ここで、凸部111の数をある程度増やすことで、磁場の周期を短くすることができる。誘導加熱エネルギーは、磁場の周波数に比例関係にあることから、磁場の周期を短くすることで、加熱効率を向上できる。また、凸部111の幅をある程度小さくすることで、凸部111からステータ部12に流れる磁束が集中し、凸部111‐ステータ部12間の磁気ギャップが小さくなる箇所に対応する加熱部13を通過する磁束量が増加する。その結果、加熱部13に印加される磁場の振幅が大きくなり、加熱効率を向上できる。

　誘導加熱装置1041では、加熱部13の周囲を覆う断熱材を省略または薄くすることが可能であるため、加熱部13の熱が回転体11やステータ部12などの部材に伝導され易い。そこで、加熱部13に設けられた配管14の熱媒体供給側を、例えばステータ部12から受熱できるように伸ばして配設することで、ステータ部12を冷却できると共に、発生した熱を有効利用することができる。また、コイル15には常電導コイルを用いているため、通電によりコイル15が発熱する。そこで、加熱部13に設けられた配管14の熱媒体供給側を、コイル15から受熱できるように伸ばして配設することで、コイル15を冷却できると共に、熱の有効利用を図ることができる。

　（変形例１‐１）
　上記した誘導加熱装置1041において、図２８（A）に示すように、回転軸21の途中に断熱部18aを介在させてもよい。この構成によれば、加熱部13の熱が回転体11を介して回転軸21から逃げるのを防ぐことができ、装置からの放熱をより低減できる。

　（変形例１‐２）
　上記した誘導加熱装置1041において、図２８（B）に示すように、コイル15を加熱部13の熱から保護する耐熱部19を設けてもよい。この耐熱部19は、上記した断熱材で形成されている。この構成によれば、加熱部13が加熱されることに起因するコイル15の温度上昇を防ぐことができ、コイル15が加熱部13からの熱影響を受け難くなる。なお、例えば、上述した第２や第３の形態の誘導加熱装置においても、上記した耐熱部を配置することが可能である。

　＜発電システム＞
　次に、図２９を用いて、本発明に係る発電システムの全体構成の一例を説明する。図２９に示す発電システムPは、誘導加熱装置10と、風車20と、蓄熱器50と、発電部60とを備える。塔91の上部に設置されたナセル92に風車20が取り付けられ、ナセル92内に誘導加熱装置10が格納されている。また、塔91の下部（土台）に建てられた建屋93に蓄熱器50及び発電部60が設置されている。以下、発電システムPの構成を詳しく説明する。

　誘導加熱装置10は、誘導加熱を利用して、回転エネルギー（機械エネルギー）を熱エネルギーに変換し、熱媒体を加熱する誘導加熱装置であり、例えば、上述した第１～第４のいずれかの形態の誘導加熱装置を利用することができる。また、回転軸21の他端側が後述する風車20に直結され、回転体を回転させる動力に風力を利用している。なお、ここでは、熱媒体が水である場合を例に説明する。

　風車20は、水平方向に延びる回転軸21を中心に、３枚の翼201を回転軸21に放射状に取り付けた構造である。出力が5MWを超える風力発電システムの場合、直径が120m以上、回転数が10～20rpm程度である。

　誘導加熱装置10の配管には、誘導加熱装置10に水を供給する給水管73と、誘導加熱装置10により加熱した水を蓄熱器50に送る輸送管51が接続されている。そして、誘導加熱装置10は、コイルが通電されると共に、回転体が回転することにより、回転体とステータ部との間に配置された加熱部を通過する磁束量が変化することで、加熱部を誘導加熱し、配管内の水を加熱する。誘導加熱装置10は、磁場発生手段にコイルを用いているため、強い磁場を発生させることができ、熱媒体である水を例えば100℃～600℃といった高温に加熱することが可能である。また、誘導加熱装置10は、加熱部（配管）が回転しない構造であるので、配管と輸送管51及び給水管73との接続に回転継手を用いる必要がなく、例えば溶接などを用いて、簡易な構成で、堅牢な接続を実現できる。

　この発電システムPは、誘導加熱装置10により水を発電に適した温度（例えば200℃～350℃）まで加熱し、高温高圧水を発生させる。高温高圧水は、誘導加熱装置10と蓄熱器50とを連結する輸送管51を通って蓄熱器50に送られる。蓄熱器50は、輸送管51を通って送られてきた高温高圧水の熱を蓄え、また、熱交換器を用いて発電に必要な蒸気を発電部60に供給する。なお、誘導加熱装置10により蒸気を発生させてもよい。

　蓄熱器50としては、例えば、蒸気アキュムレーターや、溶融塩や油などを用いた顕熱型、或いは、融点の高い溶融塩の相変化を利用した潜熱型の蓄熱器を利用することができる。潜熱型の蓄熱方式は蓄熱材の相変化温度で蓄熱を行うため、一般に、顕熱型の蓄熱方式に比べて蓄熱温度域が狭帯域であり、蓄熱密度が高い。

　発電部60は、蒸気タービン61と発電機62とを組み合わせた構造であり、蓄熱器50から供給された蒸気によって蒸気タービン61が回転し、発電機62を駆動して発電する。

　蓄熱器50に送られた高温高圧水又は蒸気は、復水器71で冷却され水に戻される。その後、ポンプ72に送られ、高圧水にして給水管73を通って誘導加熱装置10に送られることで循環する。

　この発電システムPによれば、再生可能エネルギー（例、風力）を動力として回転エネルギーを得て熱を発生させ、その熱を蓄熱器に蓄熱して発電することで、高価な蓄電池を用いなくても、需要に応じた安定的な発電を実現できる。また、従来の風力発電システムのように増速機を設ける必要がなく、ギアボックスのトラブルを回避することが可能である。さらに、熱媒体の熱を輸送管により例えば塔の下部（土台）に設置された発電部に供給することで、ナセルに発電部を格納する必要がなく、塔の上部に設置されるナセルを小型・軽量化することができる。

　上記した発電システムでは、熱媒体に水を用いた場合を例に説明したが、水よりも熱伝導率の高い液体金属を熱媒体に用いてもよい。このような液体金属としては、例えば液体金属ナトリウムが挙げられる。液体金属を熱媒体に用いる場合は、例えば、加熱部から熱を受け取る一次熱媒体に液体金属を用い、輸送管を通って送られてきた液体金属の熱で熱交換器を介して二次熱媒体（水）を加熱し、蒸気を発生させることが考えられる。

　また、常圧で100℃超の沸点を有する例えば油、液体金属、溶融塩などを熱媒体に用いた場合は、水に比較して、所定の温度（100℃超）まで加熱したときに、配管内の熱媒体の気化による内圧上昇を抑制し易い。

　（試算例１）
　図３０に例示するようなシミュレーションモデル3000を使用して、コイル3200に超電導コイルを用いた場合と銅コイルを用いた場合のイニシャルコストとランニングコストとを合わせたトータルコストについて試算した。

　シミュレーションモデル3000は、磁気ギャップを有するC字状の鉄心3100にコイル3200を装着した構造である。鉄心3100は、断面が400mm×500mmであり、ギャップ距離が100mmである。

　コストは、次の条件で試算した。運転時間を年間4800時間（200日×24時間）とし、電力料金を1キロワット時当たり15円として計算した。また、コイルの消費電力を考慮すると共に、超電導コイルを用いる場合は、冷却系統の運転電力も考慮し、銅コイルを用いる場合は、水冷方式と空冷方式の二通りについて行い、水冷方式では水冷系統の運転電力も考慮した。コイルには、磁気ギャップに1Tの磁場を発生させる電流を流すものとした。

　トータルコストの試算結果を図３１に示す。図３１中、超電導コイルのトータルコストを実線、水冷方式の銅コイル（水冷銅コイル）のトータルコストを破線、空冷方式の銅コイル（空冷銅コイル）のトータルコストを点線で示している。この結果から、超電導コイルを用いた場合、水冷方式の銅コイルに比較して、イニシャルコストは高くなるが、消費電力が小さいため、ランニングコストが低くなり、運転年数が３年程度でトータルコストが逆転することが分かる。つまり、超電導コイルの方が、本発明の発電システムにおける誘導加熱装置の磁場発生手段に用いた場合、費用対効果が高く、発電コストを抑えることができる。

　次に、上記条件で、図３０のシミュレーションモデル3000におけるコイル3200に超電導コイルを用いた場合と銅コイルを用いた場合のコイル重量について試算した。ただし、水冷方式の銅コイルの場合は電流密度を10A／mm²、空冷方式の銅コイルの場合は電流密度を1A／mm²として計算し、また、超電導コイルの場合は、冷却系統の重量も考慮し、水冷方式の銅コイルの場合は、水冷系統の重量も考慮した。

　コイル重量を試算した結果、超電導コイルの重量は200kg、水冷方式の銅コイルの重量は200kg、空冷方式の銅コイルの重量は2000kgであった。この結果から、超電導コイルを用いた場合、空冷方式の銅コイルに比較して、小型・軽量化を図れることが分かる。つまり、超電導コイルの方が、本発明の発電システムにおける誘導加熱装置の磁場発生手段に用いた場合、誘導加熱装置の小型・軽量化を図ることができ、例えばナセル内に配置することが容易になる。さらに、銅コイルを誘導加熱装置の磁場発生手段に用いる場合、磁場を強くするために鉄心が必要であり、また、鉄心の磁束飽和を抑えるために鉄心を大型化せざるを得ないので、超電導コイルに比較して、誘導加熱装置の大型・重量化を免れ得ない。

　さらに、最近では、風車の回転に伴う低周波騒音による人体への影響が問題になっている。風車から発生する低周波騒音の低減対策が国内のみならず海外でも検討されており、風車を低速回転させることで低周波騒音を抑制できることが知られている。本発明の発電システムにおける誘導加熱装置の加熱メカニズムでは、回転体を低速回転させると得られる熱エネルギーが減るが、誘導加熱装置の磁場発生手段に超電導コイルを採用することで強力な磁場を発生させることができるため、低速回転でも十分な熱エネルギーを得ることができる。

　なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、回転体やステータ部の形状を適宜変更したり、回転体及びステータ部を形成する材料を適宜変更したりすることも可能である。

　本発明の発電システムは、再生可能エネルギーを利用した発電の分野に好適に利用可能である。

　10、1011,1012,1013、1021,1022、1031,1032、1041,1040　誘導加熱装置
　11　回転体　　11a　第一回転体　　11b　第二回転体
　111,111a,111b　凸部
　112　連結部材　　113　開口部　　115　遊嵌穴
　12　ステータ部　　121　突起部
　13　加熱部　　131　孔
　14　配管　　141　接続導体
　15　磁場発生手段（コイル）
　　15c　コイル　　15m　永久磁石
　16　支持柱部
　17　ヨーク部　　171　ヨーク片　　172　基部板
　18,18a,180　断熱部
　19　耐熱部
　21　回転軸
　20　風車　　201　翼
　50　蓄熱器　　51　輸送管
　60　発電部　　61　蒸気タービン　　62　発電機
　71　復水器　　72　ポンプ　　73　給水管
　91　塔　　92　ナセル　　93　建屋
　P　発電システム

Claims

　誘導加熱を利用して、回転エネルギーを熱エネルギーに変換し、熱媒体を加熱する誘導加熱装置と、
　前記熱媒体の熱を電気エネルギーに変換する発電部と、を備えること特徴とする発電システム。
　前記誘導加熱装置は、
　　回転軸の一端側に固定され、外形が非円形の磁性材料からなる回転体と、
　　前記回転体の外周に所定間隔をあけて配置され、磁性材料からなるステータ部と、
　　前記回転体と前記ステータ部との間に配置され、導電材料からなる加熱部と、
　　前記回転体の一端側に一端側が対向するように配置される柱状の支持柱部と、
　　前記支持柱部に装着され、前記回転体に対し磁場を発生させる磁場発生手段と、
　　前記ステータ部と前記支持柱部の他端側とを磁気的につなぐ磁性材料からなるヨーク部と、
　　前記加熱部に設けられ、熱媒体が流通する配管と、を備え、
　　前記磁場発生手段により、前記支持柱部の一端側から、前記回転体、前記ステータ部、前記ヨーク部を通り、前記支持柱部の他端側に至る磁気回路が形成され、
　　前記回転軸の回転により、前記回転体が回転し、前記回転体と前記ステータ部との間に配置された前記加熱部の少なくとも一部を通過する磁束が変化することで、前記加熱部が誘導加熱され、前記熱媒体を加熱することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
　前記誘導加熱装置は、
　　回転軸を有する回転体と、
　　前記回転体の外周に取り付けられ、前記回転体の径方向に磁場を発生するコイルと、
　　少なくとも一部が導電材料で形成されると共に、前記回転体の外側に間隔をあけて設けられ、前記コイルによる磁束が通過する加熱部と、
　　前記加熱部に設けられ、前記熱媒体が流通する配管と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
　前記誘導加熱装置は、
　　少なくとも一部が磁性材料で形成され、回転軸を有する第一回転体と前記第一回転体に対し連結される第二回転体との双方を組み合わせてなる回転体と、
　　前記第一回転体と前記第二回転体とに一方の磁極と他方の磁極とが対向するように前記第一回転体と前記第二回転体との間に配置され、回転体の軸方向に磁場を発生させるコイルと、
　　少なくとも一部が導電材料で形成され、前記回転体の外側に前記回転体と間隔をあけて配置される加熱部と、
　　前記加熱部に設けられ、前記熱媒体が流通する配管と、を備え、
　　前記第一回転体と前記第二回転体との双方には、回転体の径方向に突出する少なくとも１個の凸部が形成されており、双方の前記凸部が、互いに周方向にずれた状態で相手側に向かって延設されると共に互いに離間していることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
　前記誘導加熱装置は、
　　回転軸を有する回転体と、
　　少なくとも一部が磁性材料からなり、前記回転体の外周面に前記回転体の径方向に突出して設けられる凸部と、
　　少なくとも一部が磁性材料からなり、前記回転体の外周側に前記回転体と間隔をあけて配置される筒状のステータ部と、
　　少なくとも一部が導電材料からなり、前記回転体と前記ステータ部との間に配置される加熱部と、
　　前記凸部から前記加熱部を通過する磁束を発生するコイルと、
　　前記加熱部に設けられ、前記熱媒体が流通する配管と、
　　前記ステータ部の外周を覆うように配置される断熱部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
　前記磁場発生手段が、コイルであることを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
　前記ステータ部が、筒状であり、この筒状部分から求心状に突出する突起部を有し、
　前記加熱部は、前記ステータ部の内周面に取り付けられ、前記突起部が挿通される孔を有することを特徴とする請求項２又は６に記載の発電システム。
　前記回転体の形状が、径方向に突出する凸部を有する歯車形状であることを特徴とする請求項２、６、７のいずれか一項に記載の発電システム。
　前記加熱部の外周に配置され、磁性材料からなるステータ部を備え、
　前記ステータ部が、筒状であり、この筒状部分から求心状に突出する突起部を有し、
　前記加熱部は、前記ステータ部の内周面に取り付けられ、前記突起部が挿通される孔を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の発電システム。
　前記コイルが、前記回転体の周方向に複数配置され、
　隣り合うコイルの極性が互いに異なることを特徴とする請求項３に記載の発電システム。
　前記コイルが、超電導コイルであることを特徴とする請求項３～６、９、１０のいずれか一項に記載の発電システム。
　前記コイルを加熱部の熱から保護する耐熱部を備えることを特徴とする請求項３～６、９～１１のいずれか一項に記載の発電システム。
　前記回転軸が、風車に接続され、
　前記回転体を回転させる動力に風力を利用することを特徴とする請求項２～１２のいずれか一項に記載の発電システム。
　前記加熱部に、アルミニウムが使用されていることを特徴とする請求項２～１３のいずれか一項に記載の発電システム。