WO2016072094A1 - 渦電流式発熱装置 - Google Patents

Abstract

　開示される発熱装置（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、熱回収機構と、を備える。回転軸（３）は、非回転部である本体（２）に回転可能に支持される。発熱部材（４）は本体（２）に固定される。磁石（５）は、発熱部材（４）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（６）は、磁石（５）を保持し、回転軸（３）に固定される。熱回収機構は、発熱部材（４）に生じた熱を回収する。発熱部材（４）と磁石（５）との隙間に、非磁性の隔壁（１５）が設けられる。

Description

渦電流式発熱装置

　本発明は、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ための発熱装置に関し、特に、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、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ている。

　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。すなわち、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）には、エネルギの利用効率の向上を図った風力発電設備が提案されている。特許文献１の発電設備は、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させるために、発熱装置（特許文献１のリターダ装置３０）を備える。

　特許文献１の発電設備では、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発熱装置の回転軸に連結され、この発熱装置の回転軸は発電機の入力軸に連結されている。油圧モータの回転に伴って発熱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し、発電機で電気が発生する。

　発熱装置は、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、発熱装置の回転軸の回転速度を減速させる。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、発熱装置においては、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。すなわち、風力エネルギの一部が熱エネルギに変換される。特許文献１では、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し、この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、としている。

特開２０１１－８９４９２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、発熱装置で得られる熱エネルギも小さくなる。

　また、特許文献１の発熱装置の場合、複数の磁石が円筒状のロータの内周面に対向し、円周方向にわたり配列されている。これらの磁石の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、円周方向であって、円周方向に隣接する磁石同士で一律である。このため、磁石からの磁界が広がらず、ロータに到達する磁束密度が少ない。そうすると、実質的に、磁石からの磁界の作用によってロータに生じる渦電流が小さくなり、十分な発熱が得られない。

　本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、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。

　本発明の一実施形態による渦電流式発熱装置は、
　非回転部に回転可能に支持された回転軸と、
　前記非回転部に固定された発熱部材と、
　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、前記回転軸に固定された磁石保持部材と、
　前記発熱部材に生じた熱を回収する熱回収機構と、を備え、
　前記発熱部材と前記永久磁石との前記隙間に非磁性の隔壁が設けられている。

　本発明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。このため、磁石からの磁界が広がり、発熱部材に到達する磁束密度が多くなる。これにより、磁石からの磁界の作用によって発熱部材に生じる渦電流が大きくなり、十分な発熱が得られる。したがって、本発明によれば、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、本発明の渦電流式発熱装置では、発熱部材と永久磁石との隙間に非磁性の隔壁を設けることによって、磁石の温度上昇を抑制できる。その結果、装置の劣化を抑制できる。

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、第２実施形態の発熱装置の横断面図である。 図５は、第３実施形態の発熱装置の縦断面図である。 図６は、第４実施形態の発熱装置の縦断面図である。 図７は、第５実施形態の発熱装置の縦断面図である。 図８は、第６実施形態の発熱装置の縦断面図である。

　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。以下の説明では、具体的な数値や材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や材料を適用してもよい。

　本発明の一実施形態による渦電流式発熱装置は、回転軸と、発熱部材と、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、前記非回転部に固定される。複数の永久磁石は、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。磁石保持部材は、前記永久磁石を保持し、前記回転軸に固定される。熱回収機構は、前記発熱部材に生じた熱を回収する。

　発熱部材の少なくとも一部は電磁誘導が生じる材料（具体的には導電性材料）で形成される。発熱部材のうち少なくとも磁石側の部分は、電磁誘導が生じる材料で形成されることが好ましい。発熱部材の具体的な材料の例については後述する。

　本実施形態の渦電流式発熱装置によれば、発熱部材に対向する磁石の磁極の配置が、互いに隣接する磁石同士で交互に異なるため、磁石からの磁界が広がり、発熱部材に到達する磁束密度が多くなる。これにより、磁石からの磁界の作用によって発熱部材に生じる渦電流が大きくなり、十分な発熱が得られる。したがって、回転軸の運動エネルギを熱エネルギに有効に変換して回収することができる。

　上記の発熱装置において、前記発熱部材と前記永久磁石との前記隙間に非磁性の隔壁が設けられることが好ましい。この場合、前記発熱部材と前記隔壁との間に断熱材が充填されるか、又は前記発熱部材と前記隔壁との間が真空状態にされることが好ましい。

　隔壁が磁石と共に回転しない場合、隔壁は、導電性が高くない材料（非導電性材料を含む）で形成されることが好ましい。導電性が高くない材料の例には、導電率が、５×１０^６Ｓ／ｍ以下（たとえば、１Ｓ／ｍ以下、１０^－６Ｓ／ｍ以下、または１０^－１０Ｓ／ｍ以下）である材料が含まれる。隔壁の材料の例には、オーステナイト系ステンレス鋼、ＰＥＥＫ樹脂等の高耐熱性樹脂、及びセラミックスが含まれる。隔壁の発熱部材側の面は平滑度が高い鏡面としてもよい。そうすることによって、発熱部材から磁石に熱が移動することを抑制できる。

　上記の発熱装置は、発熱部材の周囲に配置されたカバーを備えてもよい。そのようなカバーを用いることによって、発熱部材で発生した熱が放熱されることを抑制できる。放熱を抑制する観点から、カバーは、断熱性が高い材料で形成されることが好ましい。また、放熱を抑制する観点から、発熱部材とカバーとの間に断熱材が充填されるか、又は発熱部材とカバーとの間が真空状態にされてもよい。発熱部材が円筒状である場合、円筒状の発熱部材の外周面を覆うようにカバーが配置されてもよい。また、発熱部材が円板状である場合、発熱部材の面のうち磁石と反対側の面を覆うようにカバーが配置されてもよい。また、発熱部材を挟むようにカバーと隔壁とを配置してもよい。本発明の装置の一例では、カバーは、他の部材（たとえば隔壁その他の部材）とともに、発熱部材の周囲のすべてを覆うものであってもよい。

　上記の発熱装置において、前記熱回収機構は、前記発熱部材の内部に形成された通路と、前記通路の入口及び出口にそれぞれ接続された配管と、前記各配管に接続された蓄熱装置と、前記通路、前記配管、及び前記蓄熱装置を循環する熱媒体と、を含む構成とすることができる。蓄熱装置に特に限定はなく、熱媒体で運ばれた熱エネルギを蓄積可能な公知の蓄熱装置を用いてもよい。熱媒体に特に限定はなく、公知の熱媒体を用いてもよい。熱媒体の例には、硝酸塩系の溶融塩（例：硝酸ナトリウム６０％と硝酸カリウム４０％との混合塩）である。熱媒体にはその他に、熱媒油、水（蒸気）、空気、超臨界ＣＯ_２等を適用してもよい。

　上記発熱装置は、流体運動エネルギによって回転させられた前記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装置であってもよい。流体運動エネルギの例には、風力や水力などの自然エネルギが含まれる。自然エネルギによってもたらされる運動エネルギは一定しないが、上記発熱装置では、一定しない運動エネルギでも大きく効率を落とすことなく熱エネルギに変換することが可能である。

　上記の発熱装置において、前記永久磁石を冷却する冷却機構が設けられることが好ましい。

　上記の発熱装置において、前記発熱部材が円筒状であり、前記永久磁石は、前記発熱部材の内周面に対向して円周方向にわたり配列され、磁極の配置が径方向であって、円周方向に隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる構成とすることができる。この場合、前記磁石保持部材は、外周面に前記永久磁石を保持する円筒部材を含み、前記円筒部材は強磁性体であることが好ましい。磁石保持部材に用いられる強磁性体の材料の例には、強磁性金属材料（例：炭素鋼、鋳鉄等）が含まれる。

　上記の発熱装置において、前記発熱部材が円筒状であり、前記永久磁石は、前記発熱部材の内周面に対向して円周方向にわたり配列され、磁極の配置が円周方向であって、円周方向に隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる構成とすることができる。この場合、前記磁石保持部材は、外周面に前記永久磁石を保持する円筒部材を含み、前記円筒部材は非磁性体であり、円周方向で隣接する前記永久磁石の間にポールピースが設けられることが好ましい。磁石保持部材に用いられる非磁性体の材料の例には、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。

　上記の発熱装置において、前記発熱部材が円筒状であり、前記永久磁石は、前記発熱部材の内周面に対向して軸方向にわたり配列され、磁極の配置が軸方向であって、軸方向に隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる構成とすることができる。この場合、前記磁石保持部材は、外周面に前記永久磁石を保持する円筒部材を含み、前記円筒部材は非磁性体であり、軸方向で隣接する前記永久磁石の間及び軸方向にわたる前記永久磁石の配列の両端にポールピースが設けられることが好ましい。

　上記の発熱装置において、前記発熱部材が円板状であり、前記永久磁石は、前記発熱部材の主面に対向して円周方向にわたり配列され、磁極の配置が軸方向であって、円周方向に隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる構成とすることができる。この場合、前記磁石保持部材は、前記発熱部材の前記主面と対向する面に前記永久磁石を保持する円板部材を含み、前記円板部材は強磁性体である構成とすることができる。

　上記の発熱装置において、前記発熱部材が円板状であり、前記永久磁石は、前記発熱部材の主面に対向して円周方向にわたり配列され、磁極の配置が円周方向であって、円周方向に隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる構成とすることができる。この場合、前記磁石保持部材は、前記発熱部材の前記主面と対向する面に前記永久磁石を保持する円板部材を含み、前記円板部材は非磁性体であり、円周方向で隣接する前記永久磁石の間にポールピースが設けられることが好ましい。

　上記の発熱装置において、前記発熱部材が円板状であり、前記永久磁石は、前記発熱部材の主面に対向して径方向にわたり配列され、磁極の配置が径方向であって、径方向に隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる構成とすることができる。この場合、前記磁石保持部材は、前記発熱部材の前記主面と対向する面に前記永久磁石を保持する円板部材を含み、前記円板部材は非磁性体であり、径方向で隣接する前記永久磁石の間及び径方向にわたる前記永久磁石の配列の両端にポールピースが設けられることが好ましい。

　なお、発熱部材を円筒状とした装置は、発熱部材を円板状とした装置に比べて、発熱部材と永久磁石との相対速度を高速で一定としやすく、発熱効率に優れるという利点がある。また、前者の装置は、後者の装置に比べて装置を小型化しやすいという利点がある。

　上記発熱装置において、前記発熱部材は１種類以上の導電性磁性材料からなるものであってもよい。

　上記発熱装置において、前記発熱部材は少なくとも導電性強磁性材料と導電性非磁性材料からなり、導電性非磁性材料が前記永久磁石に近接していてもよい。導電性強磁性材料の例には、後述する導電性の強磁性金属材料が含まれる。導電性非磁性材料の例には、後述する導電性の非磁性金属材料が含まれる。

　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（たとえば風力や水力などの自然エネルギ）を利用した発電設備に搭載することができる。たとえば、公知の風力発電設備や水力発電設備の発電装置部分を上記の発熱装置に置き換えることによって、熱エネルギを生成できる。そのため、発熱装置以外の部分には、公知の発電設備の構成を適用できる。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、電気エネルギの生成に利用されてもよい。

　以下に、本発明の渦電流式発熱装置の実施形態について詳述する。

　［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態の発熱装置の縦断面図である。図２は、第１実施形態の発熱装置の横断面図である。図１及び図２には、風力発電設備に搭載した発熱装置１を例示する。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、非回転部である固定の本体２に対し、軸受７を介して回転可能に支持される。

　発熱部材４は、回転軸３を軸心とする円筒状であり、本体２に固定される。磁石保持部材６は、発熱部材４の内側に配置され、回転軸３に固定される。磁石保持部材６は、回転軸３を軸心とする円筒部材６ａと、この円筒部材６ａと回転軸３を繋ぐ円板状の連結部材６ｂと、を含む。円筒部材６ａは磁石５を保持する。連結部材６ｂには、軽量化及び冷却のために、複数の貫通穴６ｃが設けられる。

　磁石５は、円筒部材６ａの外周面に固定され、発熱部材４の内周面に対し隙間を空けて対向する。ここで、図２に示すように、磁石５は、円周方向にわたり配列されている。これらの磁石５の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、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。第１実施形態の場合、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と対向する内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の外側には、全体を包囲するように円筒状のカバー８が配置される。このカバー８は、本体２に固定される。カバー８によって、発熱部材４からの放熱を抑制できる。

　回転軸３が回転すると、磁石５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の内周面と対向する磁石５に関し、磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、径方向であって、円周方向に隣接する磁石５同士で交互に異なっている。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Ｓ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Ｎ極に達する。他方の磁石５のＳ極から出た磁束は、円筒部材６ａを通じて一方の磁石５のＮ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の内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と一体で回転する磁石保持部材６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、発熱部材４の内部に通路１０が形成されている。この通路１０の入口１１及び出口１２のそれぞれには、図示しない入側配管及び出側配管が接続されている。入側配管及び出側配管は、図示しない蓄熱装置に接続されている。発熱部材４の通路１０、入側配管、出側配管、及び蓄熱装置は一連の経路を形成し、この経路中を熱媒体が流通して循環する（図１中の実線矢印参照）。

　発熱部材４に生じた熱は、通路１０を流通する熱媒体に伝達される。通路１０内の熱媒体は、通路１０の出口１２から排出され、出側配管を通じて蓄熱装置に導かれる。蓄熱装置は、熱交換によって熱媒体から熱を受け取って回収し、その熱を蓄える。蓄熱装置を経た熱媒体は、入側配管を通じ、入口１１から通路１０に戻る。このようにして、発熱部材４に生じた熱が回収される。

　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ため、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てもよい。たとえば、風力発電設備の発電装置部分を、第１実施形態の発熱装置１で置き換えてもよい。すなわち、図１に示すように、発熱装置１の回転軸３の延長線上に、風車である羽根車２０が設けられてもよい。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は、クラッチ装置２３及び増速装置２４を介して、発熱装置１の回転軸３に連結されている。羽根車２０の回転軸２１の回転に伴って発熱装置１の回転軸３が回転する。このとき、発熱装置１の回転軸３の回転速度は、増速装置２４によって、羽根車２０の回転軸２１の回転速度よりも増加する。増速装置２４には、例えば遊星歯車機構を適用できる。

　このような風力発電設備では、羽根車２０が風力を受けて回転する（図１の白抜き矢印参照）。羽根車２０の回転に伴って発熱装置１の回転軸３が回転し、これにより、発熱部材４で熱が発生し、発生した熱は蓄熱装置に回収される。すなわち、羽根車２０の回転に基づく発熱装置１の回転軸３の運動エネルギの一部が熱エネルギに変換されて回収される。その際、羽根車２０と発熱装置１との間には、特許文献１の風力発電設備のような油圧ポンプ及び油圧モータが無いため、エネルギの変換ロスが少ない。蓄熱装置に回収された熱は、例えば、熱素子、スターリングエンジン等による発電に利用される。

　更に、発熱装置１の回転軸３が回転することにより、発熱部材４が発熱すると同時に、回転軸３には、回転を減速させる制動力が発生する。これにより、増速装置２４及びクラッチ装置２３を介し羽根車２０の回転速度が調整される。ここで、クラッチ装置２３は以下の機能を有する。発熱装置１で発熱が必要な場合には、クラッチ装置２３は、羽根車２０の回転軸２１と発熱装置１の回転軸３とを接続する。これにより、羽根車２０の回転力が発熱装置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て発熱装置１で発熱の必要が無くなった場合や、メンテナンスのために発熱装置１を停機する場合等には、クラッチ装置２３は、羽根車２０の回転軸２１と発熱装置１の回転軸３との接続を切る。これにより、羽根車２０の回転力が発熱装置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実施形態の発熱装置１では、全体を包囲するカバー８と発熱部材４との間に、断熱材が充填されたり、カバー８と発熱部材４との間が真空状態にされたりすることが好ましい。発熱した発熱部材４からの放熱を遮断し、熱の回収効率を高め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の内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の内周面に、第１層４ｂ、第２層４ｃ及び酸化防止皮膜層４ｄが順に積層されている。基材４ａには通路１０が形成されている。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が積層されている。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。

　［第２実施形態］
　図４は、第２実施形態の発熱装置の横断面図である。図４に示す第２実施形態の発熱装置１は、前記第１実施形態の発熱装置１の構成を基本とする。後述する第３～第６実施形態でも同様とする。第２実施形態の発熱装置１は、前記第１実施形態とは、主に磁石５の配列態様が相違する。

　図４に示すように、磁石５は、円筒部材６ａの外周面に、円周方向にわたり配列されている。これらの磁石５の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、円周方向であって、円周方向に隣接する磁石５同士で交互に異なる。第２実施形態の場合、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。円周方向で隣接する磁石５の間に強磁性体からなるポールピース９が設けられる。

　第２実施形態では、磁石５からの磁束（磁界）は、次のような状況になる。円周方向に隣接する磁石５同士は、ポールピース９を挟んで同極が向き合っている。また、磁石５を保持する円筒部材６ａが非磁性体である。このため、両磁石５のＳ極から出た磁束は、互いに反発し、ポールピース９を通じて発熱部材４に達する。発熱部材４に達した磁束は、隣のポールピース９を通じて各々の磁石５のＮ極に達する。つまり、磁石５、ポールピース９、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。

　したがって、第２実施形態の発熱装置１でも、前記第１実施形態と同様の効果を奏する。

　［第３実施形態］
　図５は、第３実施形態の発熱装置の縦断面図である。第３実施形態の発熱装置１は、前記第１実施形態とは、主に磁石５の配列態様が相違する。

　図５に示すように、磁石５は、円筒部材６ａの外周面に、軸方向にわたり配列されている。磁石５は、円筒状の磁石である。これらの磁石５の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、軸方向であって、軸方向に隣接する磁石５同士で交互に異なる。第３実施形態の場合、磁石５を直接保持する円筒部材６ａの材質は、前記第２実施形態と同様に非磁性材料である。軸方向で隣接する磁石５の間に、強磁性体からなるポールピース９が設けられる。更に、ポールピース９は、軸方向にわたる磁石５の配列の両端にも設けられる。

　第３実施形態では、磁石５からの磁束（磁界）は、次のような状況になる。軸方向に隣接する磁石５同士は、ポールピース９を挟んで同極が向き合っている。また、磁石５を保持する円筒部材６ａが非磁性体である。このため、両磁石５のＳ極から出た磁束は、互いに反発し、ポールピース９を通じて発熱部材４に達する。発熱部材４に達した磁束は、隣のポールピース９を通じて各々の磁石５のＮ極に達する。つまり、磁石５、ポールピース９、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、軸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。

　したがって、第３実施形態の発熱装置１でも、前記第１実施形態と同様の効果を奏する。

　［第４実施形態］
　図６は、第４実施形態の発熱装置の縦断面図である。第４実施形態の発熱装置１は、前記第１実施形態の発熱装置１の構成を変形したものである。

　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からの熱（たとえば輻射熱）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。

　第４実施形態の発熱装置１は、その点に着目し、磁石５を冷却する冷却機構を設けたものである。すなわち、図６に示すように、第４実施形態の発熱装置１は、磁石５を保持する円筒部材６ａの軸方向に隣接して羽根車３０を備える。羽根車３０は、回転軸３又は磁石保持部材６に固定されている。また、本体２には、磁石５及び磁石保持部材６が存在する空間（以下、「磁石存在空間」ともいう）に外部の空気を導入するための吸入口３１が設けられている。更に、本体２には、磁石存在空間から外部に空気を排出するための排出口３２が設けられている。なお、図６では、排出口３２が本体２及び発熱部材４を貫通する態様を示す。

　このような構成によれば、回転軸３が回転すると、羽根車３０が回転軸３と一体で回転する。これにより、外部の空気が吸入口３１から磁石存在空間に導入される（図６中の点線矢印参照）。磁石存在空間に導入された空気は、羽根車３０によって磁石５に向けて送り出され、磁石５の近傍領域を流通する。その際、磁石５が冷却される。磁石５を冷却した空気は、排出口３２から外部に排出される（図６中の点線矢印参照）。このようにして、磁石５を強制的に冷却し、磁石５の温度上昇を抑制することができる。

　このような磁石冷却機構は、前記第２及び第３実施形態の発熱装置１に適用することも可能である。

　［第５実施形態］
　図７は、第５実施形態の発熱装置の縦断面図である。第５実施形態の発熱装置１は、前記第４実施形態と同様に、磁石５の温度上昇を抑制する点に着目し、前記図６に示す第４実施形態の発熱装置１の構成を変形したものである。

　図７に示すように、第５実施形態の発熱装置１は、前記第４実施形態の磁石冷却機構に加え、発熱部材４と磁石５との隙間に円筒状の隔壁１５を備える。この隔壁１５は本体２に固定されている。隔壁１５の材質は非磁性材料で、かつ低導電性材料又は非導電性材料である。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。更に、隔壁１５と磁石５が相対的に移動しても隔壁１５が発熱しないようにするためである。なお、図７では、隔壁１５の両端部のうち、一方の端部が本体２に固定され、他方の端部が発熱部材４に固定された態様を示す。排出口３２は、その隔壁１５を外れた位置で本体２及び発熱部材４を貫通する態様を示す。

　このような構成によれば、前記第４実施形態のように磁石５が強制冷却されるのに加え、発熱部材４からの熱（たとえば輻射熱）が隔壁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、第５実施形態の場合、発熱部材４と隔壁１５との間に、断熱材が充填されたり、発熱部材４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からの熱をより確実に遮断することができるからである。

　もっとも、第５実施形態の場合、前記第４実施形態の磁石冷却機構は省いて構わない。もちろん、第５実施形態の隔壁１５は、本発明の他の発熱装置に適用することが可能である。たとえば、隔壁１５は、前記第１、第２及び第３実施形態の発熱装置１に適用することが可能である。また、後述の、発熱部材が円板状である実施形態に隔壁を適用することも可能である。この場合の典型的な一例では、円板状である発熱部材と円板状である磁石保持部材との間に、円板状の隔壁が配置される。

　［第６実施形態］
　図８は、第６実施形態の発熱装置の縦断面図である。第６実施形態の発熱装置１は、前記第４実施形態と同様に、磁石５の温度上昇を抑制する点に着目し、前記図７に示す第５実施形態の発熱装置１の構成を変形したものである。

　図８に示すように、第６実施形態の発熱装置１は、磁石冷却機構として、以下の構成を備える。磁石存在空間の吸入口３１及び排出口３２のそれぞれには、吸入側配管３３及び排出側配管３４が接続されている。吸入側配管３３及び排出側配管３４は、熱交換器３５に接続されている。磁石存在空間、吸入側配管３３、排出側配管３４、及び熱交換器３５は一連の経路を形成し、この経路中を冷媒体が流通して循環する（図８中の点線矢印参照）。この経路中には、冷媒体を送り出すポンプ３６が設置されている。

　このような構成によれば、ポンプ３６の駆動により、冷媒体が吸入口３１から磁石存在空間に導入される（図８中の点線矢印参照）。磁石存在空間に導入された冷媒体は、磁石５の近傍領域を流通する。その際、磁石５が冷却される。磁石５を冷却した冷媒体は、排出口３２から排出側配管３４に排出される（図８中の点線矢印参照）。排出側配管３４に排出された冷媒体は、熱交換器３５で冷却され、吸入側配管３３に送り出される。このようにして、磁石５を冷媒体によって強制的に冷却し、磁石５の温度上昇を抑制することができる。

　第６実施形態の場合、冷媒体の移動はポンプ３６の駆動力によって行われるため、羽根車３０は省いて構わない。ただし、羽根車３０は、磁石５に向けて冷媒体を送り出すためには有用である。また、第６実施形態の場合、隔壁１５は省いて構わない。ただし、隔壁１５は、冷媒体によって発熱部材４が不用意に冷却されるのを防止するためには有用である。もちろん、第６実施形態の磁石冷却機構は、本発明の他の発熱装置に適用することが可能である。たとえば、第６実施形態の磁石冷却機構は、前記第１、第２及び第３実施形態の発熱装置１に適用することが可能である。また、後述の、発熱部材が円板状である実施形態に磁石冷却機構を適用することも可能である。

　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。例えば、上記の実施形態では、発熱部材４が円筒状とされているが、これに代えて、回転軸３を軸心とする円板状とされても構わない。この場合、磁石保持部材６も回転軸３を軸心とする円板状とされる。この円板部材は、円板状の発熱部材の主面（軸方向の両面のうちの一方の面）と対向し、この主面と対向する面に磁石５を保持する。これにより、磁石は、発熱部材の主面に対し隙間を空けて対向する。この場合、磁石５の配列形態は、例えば、以下の３種類となる。

　第１の配列態様は、前記第１実施形態に準じたものである。第１の配列態様では、磁石は、円周方向にわたり配列される。これらの磁石の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、軸方向であって、円周方向に隣接する磁石同士で交互に異なる。この場合、磁石を直接保持する円板部材の材質は、強磁性材料である。

　第２の配列態様は、前記第２実施形態に準じたものである。第２の配列態様では、磁石は、円周方向にわたり配列される。これらの磁石の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、円周方向であって、円周方向に隣接する磁石同士で交互に異なる。この場合、磁石を直接保持する円板部材の材質は、非磁性材料である。円周方向で隣接する磁石の間に強磁性体からなるポールピースが設けられる。

　第３の配列態様は、前記第３実施形態に準じたものである。第３の配列態様では、磁石は、リング状の形状を有し、径方向にわたり同心円状に配列される。これらの磁石の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の配置は、径方向であって、径方向に隣接する磁石同士で交互に異なる。この場合、磁石を直接保持する円板部材の材質は、非磁性材料である。径方向で隣接する磁石の間に強磁性体からなるポールピースが設けられる。更に、ポールピースは、径方向にわたる配列の両端に配置された磁石の端にも設けられる。

　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（たとえばトラックやバス等）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。上記の発熱装置は、補助ブレーキ（減速装置）として用いられる場合、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させる。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。車両に搭載した発熱装置によって回収された熱は、例えば、車体内を暖めるための暖房機の熱源に利用されたり、コンテナ内を冷却するための冷凍機の熱源に利用されたりする。

　本発明の渦電流式発熱装置は、風力発電設備、水力発電設備等のように流体運動エネルギを利用した発電設備、及びトラック、バス等の車両に有用である。

　　１：渦電流式発熱装置、　　２：本体、　　３：回転軸、
　　４：発熱部材、　　４ａ：基材、　　４ｂ：第１層、　　４ｃ：第２層、　　４ｄ：酸化防止皮膜層、　　４ｅ：緩衝層、
　　５：永久磁石、　　６：磁石保持部材、　　６ａ：円筒部材、
　　６ｂ：連結部材、　　６ｃ：貫通穴、
　　７：軸受、　　８：カバー、　　９：ポールピース、
　　１０：通路、　　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、
　　３０：羽根車、　　３１：吸入口、　　３２：排出口、
　　３３：吸入側配管、　　３４：排出側配管、
　　３５：熱交換器、　　３６：ポンプ

Claims (19)

1. 　非回転部に回転可能に支持された回転軸と、
   　前記非回転部に固定された発熱部材と、
   　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、前記回転軸に固定された磁石保持部材と、
   　前記発熱部材に生じた熱を回収する熱回収機構と、を備え、
   　前記発熱部材と前記永久磁石との前記隙間に非磁性の隔壁が設けられた、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、
   　前記発熱部材と前記隔壁との間に断熱材が充填されるか、又は前記発熱部材と前記隔壁との間が真空状態にされた、渦電流式発熱装置。
3. 　請求項１または２に記載の渦電流式発熱装置であって、
   　前記熱回収機構は、
   　前記発熱部材の内部に形成された通路と、
   　前記通路の入口及び出口にそれぞれ接続された配管と、
   　前記各配管に接続された蓄熱装置と、
   　前記通路、前記配管、及び前記蓄熱装置を循環する熱媒体と、を含む、渦電流式発熱装置。
4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
   　流体運動エネルギによって回転させられた前記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、渦電流式発熱装置。
5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
   　前記永久磁石を冷却する冷却機構が設けられた、渦電流式発熱装置。
6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
   　前記発熱部材が円筒状であり、
   　前記永久磁石は、前記発熱部材の内周面に対向して円周方向にわたり配列され、磁極の配置が径方向であって、円周方向に隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる、渦電流式発熱装置。
7. 　請求項６に記載の渦電流式発熱装置であって、
   　前記磁石保持部材は、外周面に前記永久磁石を保持する円筒部材を含み、
   　前記円筒部材は強磁性体である、渦電流式発熱装置。
8. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
   　前記発熱部材が円筒状であり、
   　前記永久磁石は、前記発熱部材の内周面に対向して円周方向にわたり配列され、磁極の配置が円周方向であって、円周方向に隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる、渦電流式発熱装置。
9. 　請求項８に記載の渦電流式発熱装置であって、
   　前記磁石保持部材は、外周面に前記永久磁石を保持する円筒部材を含み、
   　前記円筒部材は非磁性体であり、円周方向で隣接する前記永久磁石の間にポールピースが設けられる、渦電流式発熱装置。
10. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
    　前記発熱部材が円筒状であり、
    　前記永久磁石は、前記発熱部材の内周面に対向して軸方向にわたり配列され、磁極の配置が軸方向であって、軸方向に隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる、渦電流式発熱装置。
11. 　請求項１０に記載の渦電流式発熱装置であって、
    　前記磁石保持部材は、外周面に前記永久磁石を保持する円筒部材を含み、
    　前記円筒部材は非磁性体であり、軸方向で隣接する前記永久磁石の間及び軸方向にわたる前記永久磁石の配列の両端にポールピースが設けられる、渦電流式発熱装置。
12. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
    　前記発熱部材が円板状であり、
    　前記永久磁石は、前記発熱部材の主面に対向して円周方向にわたり配列され、磁極の配置が軸方向であって、円周方向に隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる、渦電流式発熱装置。
13. 　請求項１２に記載の渦電流式発熱装置であって、
    　前記磁石保持部材は、前記発熱部材の前記主面と対向する面に前記永久磁石を保持する円板部材を含み、
    　前記円板部材は強磁性体である、渦電流式発熱装置。
14. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
    　前記発熱部材が円板状であり、
    　前記永久磁石は、前記発熱部材の主面に対向して円周方向にわたり配列され、磁極の配置が円周方向であって、円周方向に隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる、渦電流式発熱装置。
15. 　請求項１４に記載の渦電流式発熱装置であって、
    　前記磁石保持部材は、前記発熱部材の前記主面と対向する面に前記永久磁石を保持する円板部材を含み、
    　前記円板部材は非磁性体であり、円周方向で隣接する前記永久磁石の間にポールピースが設けられる、渦電流式発熱装置。
16. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
    　前記発熱部材が円板状であり、
    　前記永久磁石は、前記発熱部材の主面に対向して径方向にわたり配列され、磁極の配置が径方向であって、径方向に隣接するもの同士で磁極の配置が交互に異なる、渦電流式発熱装置。
17. 　請求項１６に記載の渦電流式発熱装置であって、
    　前記磁石保持部材は、前記発熱部材の前記主面と対向する面に前記永久磁石を保持する円板部材を含み、
    　前記円板部材は非磁性体であり、径方向で隣接する前記永久磁石の間及び径方向にわたる前記永久磁石の配列の両端にポールピースが設けられる、渦電流式発熱装置。
18. 　請求項１～１７のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
    　前記発熱部材は１種類以上の導電性磁性材料からなる、渦電流式発熱装置。
19. 　請求項１～１７のいずれか１項に記載の渦電流式発熱装置であって、
    　前記発熱部材は少なくとも導電性強磁性材料と導電性非磁性材料からなり、導電性非磁性材料が前記永久磁石に近接している、渦電流式発熱装置。

Images