JP2011216421A - 誘導加熱装置およびそれを備える発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で熱媒体を加熱でき、回転体の回転に要するトルクを低減できる誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】誘導加熱装置10は、回転コア部115、固定コア部120、磁場発生部130、仕切部113、加熱部140、配管150を備える。回転コア部115は回転体を構成する。固定コア部120は回転コア部と間隔をあけて配される。磁場発生部130は、一方のコア部に設けられて、両コア部を通る磁束を発生させる。仕切部113は、回転コア部の磁束の一端側と他端側の各々を周方向に並ぶ複数の領域に区画する。加熱部140は、両コア部の間で磁束に鎖交されることで誘導加熱される。配管150は、加熱部140に設けられ、熱媒体が流通される。回転コア部115における磁束の一端側と固定コア部120における磁束の一端側とを対向したとき、回転コア部115における磁束の他端側と固定コア部120における磁束の他端側とが回転体の周方向にずれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導加熱を利用して熱媒体を加熱する誘導加熱装置およびそれ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が、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、5MW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29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29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29日検索]、インターネット<URL：http://www.mhi.co.jp/products/expand/wind_kouza.html>

しかし、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、ロータを回転するのに大きなトルクが必要になる場合がある。この加熱装置では、ロータの周方向に並列された各永久磁石は、ロータの外周側に現れる磁極が交互にN極とS極が並ぶように配置されている。この構成により渦電流による加熱を効率的に行うことができるが、ロータの回転を阻害しないように磁力を作用させることができない。そのため、特にロータが大型化した場合、ロータの回転には大きなトルクが必要とされる。

一方、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、簡易な構成でありながら、熱媒体を加熱することに適し、回転体（ロータ）の回転に要するトルクを低減できる誘導加熱装置を提供することにある。

また、本発明の別の目的は、上記の誘導加熱装置を備える発電システムを提供することにある。

本発明の誘導加熱装置は、回転コア部、固定コア部、磁場発生部、仕切部、加熱部、及び配管を備える。回転コア部は、磁性材料からなって、回転体を構成する。固定コア部は、磁性材料からなって、回転コア部と間隔をあけて配される。磁場発生部は、前記回転コア部又は固定コア部に設けられて、両コア部を通る磁束を発生させる。仕切部は、非磁性材料からなり、回転コア部における磁束の一端側と他端側の各々を周方向に並ぶ複数の領域に区画し、かつその一端側の各領域と他端側の各領域とが周方向にずれるように区画する。加熱部は、導電性材料からなり、前記回転コア部と固定コア部との間に配置され、前記磁束に鎖交されることで誘導加熱される。配管は、この加熱部に設けられ、熱媒体が流通される。そして、この加熱装置において、前記回転コア部における磁束の一端側と固定コア部における磁束の一端側とを対向したとき、回転コア部における磁束の他端側と固定コア部における磁束の他端側とが前記回転体の周方向にずれていることを特徴とする。

この構成によれば、回転コア部及び固定コア部における磁束の一端側と他端側との配置を上記規定のように構成することで、回転体の回転を阻害しない方向に磁力を作用させることができ、回転体のトルクを軽減することができる。また、所定の仕切部を設けることで、固定コア部における磁束の一端側、回転コア部における磁束の一端側、回転コア部における磁束の他端側、固定コア部における磁束の他端側とつながる環状の閉磁路を容易に形成することができる。そして、固定コア部又は回転コア部の一方の突端の極性を切り替える装置を用いることなく、この突端の極性を回転体の回転に伴って切り替えることができる。さらに、回転しない加熱部を用いることで、加熱部に対して熱媒体を容易に供給・排出することができる。

本発明の誘導加熱装置の一形態として、前記磁場発生部は、固定コア部に巻回される超電導コイルを備えることが挙げられる。

この構成によれば、磁場発生部に超電導コイルを用いることで、同コイルを励磁した際、常電導コイルのようにコイル自体が発熱することがなく、かつ強力な磁場を発生することができる。

本発明の誘導加熱装置の一形態として、前記磁場発生部は、回転コア部を構成する永久磁石であることが挙げられる。

この構成によれば、磁場発生部に永久磁石を用いることで、コイルのように電流の供給を必要とせず、その電流の給電線も不要である。そのため、磁場発生部の構成を簡易にすることができる。

本発明の誘導加熱装置の一形態として、前記回転コア部と固定コア部との間に形成される間隔は、回転体の径方向に形成されていることが挙げられる。

この構成によれば、いわゆるラジアルギャップタイプの誘導加熱装置を構成することができる。特に、次述するアキシャルギャップタイプの加熱装置に比べて回転体を小型化しやすく、回転体を低トルクで回転できる点で好ましい構成といえる。

本発明の誘導加熱装置の一形態として、前記回転コア部と固定コア部との間に形成される間隔は、回転体の軸方向に形成されていることが挙げられる。

この構成よれば、いわゆるアキシャルギャップタイプの誘導加熱装置を構成することができ、誘導加熱装置の設置状況に応じた装置構成の選択肢を増加することができる。

本発明の誘導加熱装置の一形態として、前記回転体は風車の回転軸を備え、前記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。

この構成によれば、風力を利用するため、自然エネルギーの有効利用を図ることができる。特に、風力は昼夜に関係なく風が吹く限り利用でき、熱媒体の加熱に利用することが。

一方、本発明の発電システムは、上述した本発明に係る誘導加熱装置と、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。

この構成によれば、上記した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、誘導加熱装置の回転軸に風車を接続し、回転体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から熱エネルギーに変換して、さらに電気エネルギーとして取り出すことができる。また、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を実現できる。さらに、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。そして、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。

本発明の誘導加熱装置は、回転体の回転に必要なトルクを低減することが比較的容易である。また、本発明の発電システムは、上記の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。

実施形態１に係る加熱装置の模式斜視図である。 実施形態１に係る加熱装置の模式側面図である。 図１の加熱装置から加熱体を取り外した状態を示す模式斜視図である。 図１の加熱装置を構成する回転体を示し、（A）は回転体の組立斜視図、（B）は回転体の分解斜視図である。 図１の加熱装置における回転体の回転状態を示す説明図で、（A）は回転体が所定の回転位置にある状態を示し、（B）は（A）図から回転体が時計回りに回転した状態を示す。 実施形態２に係る加熱装置の模式部分断面図である。 実施形態３に係る発電システムの模式説明図である。

以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。実施形態１、２では誘導加熱装置を、実施形態３では発電システムを説明する。各図において、同じ部材又は対応する部材には同一符号を付している。

〔実施形態１：ラジアルギャップ型誘導加熱装置〕
＜構成の概要＞
この誘導加熱装置10は、図１〜図３に示すように、回転体110、固定コア部120、磁場発生部130、加熱部140（図１、図２）、及び配管150（図１、図２）を備える。回転体110は回転コア部115を備え、回転体110を回転すると共に磁場発生部130で磁束を発生することで、固定コア部120と回転コア部115の双方を通る閉磁路が形成される。この閉磁路を構成する磁束は加熱部140を通過するため、回転体110の回転により磁束を変化させれば、加熱部140は渦電流が生じて誘導加熱される。そして、加熱部140の加熱に伴って、配管150を流通する熱媒体が加熱される。以下、各部の構成をより詳しく説明する。

（回転体）
回転体110は、図４に示すように、回転軸111と、その回転軸111の外周に嵌め込まれる一対の放射状の仕切部113と、回転軸111に貫通されると共に、仕切部113の区画領域に配されて回転軸111と共に回転される回転コア部115とを備える。回転体110の各端部側の外形は、回転体110が１回転する間に回転コア部115と固定コア部120と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110における回転軸111と直交断面の外形としては、例えば、矩形状、楕円形状、多角形状、十字形状、円弧形状（弓形状）、歯車形状などが挙げられる。

《回転軸》
回転軸111は、図示しない回転駆動源により回転される。回転駆動源には、電動機やエンジンなどの内燃機関を用いることができる他、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できる。再生可能エネルギーを利用すれば、CO₂の増加を抑制でき、中でも自然エネルギーの一つである風力を利用することが好適である。例えば、風力で回転する翼の回転軸を、この回転軸111として利用することができる。本例では、非磁性材料で回転軸111を構成している。

《仕切部》
仕切部113（113F、113B）は、回転コア部115の軸方向における一端側と他端側の各々における軸方向の所定長さ分にわたって、周方向に複数の領域に区画する部材で、非磁性材料から構成されている。つまり、仕切部113は回転コア部115の両端部のみを周方向に区画し、中間部は区画していない。本例では、回転軸111の外側に嵌められる筒部と、筒部の外周に等間隔で突出される複数の板部とを有する歯車状の仕切部113を一対用いている。板部の形状とサイズは、隣り合う分割片115P同士を区画できるように適宜選択すればよい。本例では6枚の矩形板を板部としている。この仕切部113の材料としては、プラスチックの他、銅、アルミニウム、それらの合金、ステンレスなどの非磁性金属材料などが利用できる。このような各仕切部113F、113Bは、次述する回転コア部115の一端側と他端側の各々に設けられた切欠に嵌め込まれる。

《回転コア部》
回転コア部115は、磁性材料からなって上述した閉磁路の一部を構成する概略円筒状の部材である。本例では、回転コア部115の各端部が放射状の切欠115Nにより周方向に6つの分割片115Pに分けられ、中間部は両端部の分割片115Pをつなぐ中空円筒片から構成されている。つまり、回転コア部115の一端側の各分割片115Pと他端側の各分割片115Pとは中空円筒片を介して一体に構成されている。この切欠115Nは、上述した仕切部113（113F、113B）に対応した形状であり、各仕切部113F、113Bは回転コア部115の端部から軸方向にスライドして切欠115Nに嵌め込むことができる。各分割片115Pは、断面が扇形で、回転コア部115の軸方向の所定長さ分にわたって周方向に分割される基部の外周面に突端115H（115T）を備える。即ち、各分割片115Pを用いて回転体110を構成した際、回転体110の各端部からは外周に向かって合計6つの突端115H（115T）が延びるように構成される。但し、回転コア部115の各端部では、6つの突端115H、115T同士の位置が互いに周方向にずれるように構成されている。本例では、図２に示すように、回転コア部115の一端側に計6つの突端115Hが並び、他端側の突端115Tは一端側の突端115Hの間に位置するように設けられている。つまり、回転コア部115の一端側の突端115Hと他端側の突端115Tは、互いに30°ずつ周方向にずれて配置されている。分割片115Pの数は適宜選択することができる。これら突端のうち、回転コア部の一端側のある突端115Hと、他端側の突端115Tで回転コア部115を軸方向からみた場合に、当該一端側の突端115Hに隣接する一方の突端115Tとは、回転コア部115を通る磁束における一端側と他端側とを構成する。基部の形状や突端115H、115Tの形状は適宜選択すればよい。本例では基部を断面が扇状の棒状片とし、突端115H、115Tを円柱片としている。そして、これら一対の突端115H、115Tは、基部の長手方向（回転軸方向）に離れているのみならず、基部における回転軸111の周方向にもずれた位置に設けられている。この突端115H、115Tのペア数と後述する固定コア部120の突端120H、120Tのペア数は、本例のように同じでもよいが、異なってもよい。このペア数が異なることにより、一部の回転コア部の突端115H、115Tが固定コア部の突端120H、120Tに対向したとき、他の回転コア部の突端115H、115Tが固定コア部の突端120H、120Tからずれた位置としやすく、磁場発生部130（図１〜図３）の励磁に伴う磁力を回転体110の回転を阻害しないように利用しやすい。この回転コア部115を構成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。

（固定コア部）
一方、固定コア部120は、回転体110の外周に間隔をあけて配されて、上記閉磁路の一部を構成する（図１〜図３）。本例では、［型の棒状片を合計６つ用いて固定コア部120としている。この固定コア部110は、図示しない支持部材に支持されて、回転体110の周方向に等間隔に固定されている。その固定状態において、固定コア部の両突端120H、120Tは、互いに回転体110の軸方向に沿って離隔されるが、回転体110の周方向には、ずれないように配置されている。そして、これら両突端120H、120Tが、固定コア部120を通る磁束の一端側と他端側を構成する。この固定コア部120の構成材料も回転コア部115と同様の磁性材料が利用できる。

（磁場発生部）
磁場発生部130は、回転コア部115と固定コア部120を通る磁束を発生する。磁場発生部130は、磁束を発生できるものであれば、永久磁石でもコイルでも構わない。永久磁石は、電力供給が不要で、加熱装置を簡易な構成にすることができる。一方、コイルは、励磁する際の通電電流を上げることで、容易に高い磁場強度を得ることができる。また、このコイルは、回転せず固定された固定コア部120に設けることで、コイルにつながる給電線の取り回しを容易にでき、かつ回転体110を軽量化して回転体110の回転に要するトルクを低減し易くする。さらに、コイルの場合、常電導コイルと超電導コイルのいずれも利用することができる。本例では、各固定コア部120の中間部に巻回された超電導コイルで磁場発生部130を構成している。超電導コイルは、電気抵抗が実質的にゼロであり、大電流を流してもコイルに発熱が生じない。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を抑制することができ、かつより強い磁場を発生させることができる。この超電導コイルは、図示しない直流電源に接続されている。直流通電を行うことでコイルを励磁する際に交流損失もない。さらに、コイルの周囲を図示しない冷却用ジャケットで覆われて、冷却することによって超電導状態に保持されている。

このような磁場発生部130は、回転体110の周方向に隣り合う固定コア部120の突端120H（120T）が互いに逆極性となるように構成することが好ましい。例えば、図２に破線で示すように超電導コイルに電流を流して同コイルを励磁する。それに伴い、ある固定コア部の突端120HがN極なら、それに隣り合う固定コア部の突端120HはS極となるように超電導コイルが励磁される（図５）。この極性配置により、磁場発生部130により生じた磁力を回転体110の回転を阻害しないように利用しやすく、回転体110を回転する際のトルク低減に効果的である。

（加熱部）
加熱部140は、磁場発生部130で発生された磁束の変化に伴って誘導加熱される導電性の部材で、図示しない支持部材により回転しないよう支持されている。本例では、回転体110の外周を覆う中空円筒状の金属管を加熱部としている。金属管の構成材としては、例えば、アルミニウムや銅、鉄などが挙げられる。この加熱部140は、回転コア部115と固定コア部120との間に両コア部115、120と非接触に配置される。この配置により、両コア部115、120を通る磁束は加熱部140を通過するため、その磁束を回転体110の回転により変化させることで加熱部140を誘導加熱することができる。

また、この加熱部140の周囲には、断熱材（図示略）を配置してもよい。例えば、円筒状の加熱部140の内外周面、及び加熱部140の端面のうち配管150の配置箇所を除く箇所に断熱材を設ける。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。

（配管）
配管150は、熱媒体の流路を構成する。熱媒体の流路は、加熱部140と熱的に接続されていればよく、加熱部140と接触する距離を極力長く確保できれば、効率的に熱媒体を加熱することができる。例えば、筒状の加熱部140に、その軸方向に延びる配管150を配し、加熱部140の一端から他端に向けて抜ける熱媒体の流路を構成してもよいし（図１）、加熱部の軸方向又は周方向に蛇行する配管を配して、より加熱効率に優れた熱媒体の流路を構成してもよい。また、配管150は、加熱部140に接触状態で外装してもよいし、加熱部140に内装してもよい。加熱部140に配管150を内装する場合、加熱部140に貫通孔を形成しておき、その貫通孔に加熱部140とは別材料の管路を挿通して配管150としてもよいし、単にその貫通孔自体を配管150としてもよい。その他、配管自体で加熱部を構成することもできる。例えば、導電性材料でらせん状に構成された配管であれば、図１の筒状の加熱体140の代わりに回転体110と同軸に配することで、加熱部140の機能も兼用することができる。

また、回転せず固定された加熱部140に配管150を設けることで、配管150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150との接続に、配管150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、熱媒体を加熱す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140（配管150）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150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。

この配管で流通される熱媒体としては、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。

＜作用効果＞
以上の構成の加熱装置において、熱媒体は次のようにして加熱される。磁場発生部130の超電導コイルに直流通電することにより磁束が発生し、例えば、固定コア部の突端120H→回転コア部の突端115H→回転コア部の突端115T→固定コア部の突端120Tとつながる閉磁路が形成される。その際、回転コア部115と固定コア部120との間に加熱部140が配置されているため、この閉磁路を構成する磁束は加熱部140を通ることになる。ここで、回転体110が回転すると、固定コア部の突端120Hと回転コア部の突端115Hが対向したとき（図２参照）、両コア部115、120の距離は近くなり、この両突端120H、115Hが対向しないときは両コア部115、120の距離が遠くなる。この距離が近い場合は、磁束が固定コア部120から回転コア部115に流れやすく、この距離が遠い場合は磁束が固定コア部120から回転コア部115に流れ難くなる。その結果、回転コア部115と固定コア部120との間に配置された加熱部140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、加熱部140が誘導加熱され、熱媒体が加熱される。

そして、この回転体110の回転時、回転コア部の両突端115H、115Tが回転体110の周方向にずれて配置されていることで、超電導コイルの励磁に伴う磁力は、回転体110の回転を阻害しないように作用する。その動作原理を図５に基づいて説明する。図５において、図の最上に位置する固定コア部を固定コア部121とし、順次時計回りに固定コア部122〜126とする。同様に回転体110の突端も、図の前方の最上のものを突端115-1とし、順次時計回りに突端115-2〜115-6とする。そして、図の前方の突端を「H」で、後方の突端を「T」で表す。

ここで、例えば、図５（A）に示すように、固定コア部の突端121Hが回転コア部の突端115-1Hと対向しているとき、その固定コア部の突端121Tは回転コア部の突端115-1Tと対向していない。一方で、周方向に隣り合う固定コア部の突端121H〜126H（121T〜126T）同士は互いに逆極性となるように励磁されている。そして、回転体110の前端側と後端側は、それぞれ仕切部113F、113Bにより複数の分割片に区画され、かつその分割片の周方向の配列が前端側と後端側とで周方向にずれている。そのため、互いに対向する固定コア部の突端121Hと回転コア部の突端115-1Hとが引き合おうとするとき、回転コア部115では、図に破線矢印で示すように磁路が形成され、回転コア部の突端115-1Tは、固定コア部の突端121Tに吸引され、突端126Tからは反発される。

一方、図５（B）に示すように、さらに回転体110が時計回りに回転すると、図に破線矢印で示すように磁路が形成され、回転コア部の突端115-1Hは固定コア部の突端122Hに接近して突端122Hとは逆極性に磁化されることで突端122Hに吸引される。同時に、回転コア部の突端115-6Hは固定コア部の突端121Hに吸引され、さらに回転コア部の突端115-1Tは固定コア部の突端121Tに吸引される。つまり、回転コア部115の一方の突端の極性を切り替える装置を用いることなく、この突端の極性を回転体100の回転に伴って切り替えることができる。その結果、磁場発生部130の励磁に伴う磁力を回転体110の回転を阻害しないことに利用でき、回転体110の回転に要するトルクを低減することができる。その他、この極性の細かい切り替えにより、コギングを抑制して回転体を円滑に回転するという作用効果も期待できる。

＜変形例１＞
実施形態１の変形例としては、次の構成が考えられる。いずれの構成においても、加熱部を発熱させて熱媒体の加熱ができる。
（Ａ）回転コア部の突端を永久磁石で構成し、固定コア部にはコイルを設けない。
（Ｂ）固定コア部の突端を永久磁石で構成し、回転コア部にはコイルや永久磁石を設けない。
（Ｃ）図３の構成において、回転コア部における軸方向の一端側の突端と他端側の突端とを回転体の周方向にずらさずに軸方向に沿って並列し、固定コア部を屈曲形状として、その突端を回転体の周方向にずらす。

〔実施形態２：アキシャルギャップ型誘導加熱装置〕
次に、図６に基づいて、アキシャルギャップ型の誘導加熱装置を説明する。この装置も、固定コア部120に超電導コイルからなる磁場発生部130を有し、そのコイルにより発生された磁束が回転コア部115をも通る閉磁路を形成する点、及びその磁束が加熱部140と鎖交することで加熱部140を誘導加熱する点で、基本的な構成や加熱原理は実施形態１と共通する。但し、本例の装置は、回転コア部115と固定コア部120との間に形成される間隔の形成方向、各コア部115,120の形状及び加熱部140の形状が実施形態１の装置とは相違している。以下、この相違点を中心に説明する。

＜構成の概要＞
本例の回転コア部115は、複数の分割片を、仕切部を介して回転軸111の周りに並列することで回転体110を構成する点で実施形態１と共通しているが、回転体110に設けられた一対の突端115H、115Tの形状が異なる。具体的には、各突端115H、115Tが短片と長片からなるL字型であり、その短片同士が回転体110の軸方向に向けられて、回転コア部115を通る磁束の一端部と他端部とを構成する。この各突端115H、115Tは、回転体110の周方向にずれた位置にある。この回転コア部115に設けられた仕切部（図示略）は、実施形態1と同様の構成である。

一方、固定コア部120は直棒状で、回転軸111の周方向に間隔をあけて複数並列され、前記L字型突端の短片同士の間に配されている。そのため、回転コア部115と固定コア部120との間に形成される間隔は、固定コア部120の一端側と他端側の二箇所において、回転体110の軸方向に形成されることになる。

さらに、加熱部140は、これら間隔の間に両コア部115,120とは非接触で配される平板材である。本例では、各間隔ごとに平板材を介在しているが、両平板材が連結された構造の加熱部としてもよい。もちろん、この加熱部140には熱媒体が流通される配管（図示略）が形成されている。

＜作用効果＞
本例の加熱装置においても、磁場発生部130のコイルを励磁することで、固定コア部の突端120H→回転コア部の突端115H→回転コア部の突端115T→固定コア部の突端120Tとつながる閉磁路を形成することができる。そして、回転体110を回転することで、この閉磁路に交差する加熱部140を誘導加熱し、その加熱部140と熱的に接続される熱媒体を加熱することができる。その際、回転コア部115の一端部の突端115Hと他端部の突端115Tが回転体110の周方向にずれているため、実施形態１と同様に、回転体110の回転を阻害しないように磁力を作用させることができ、回転体110の回転に要するトルクを低減できる。

このアキシャルギャップ型の加熱装置によれば、実施形態１の装置に比べて回転体110が大きくなる傾向にあるが、特に加熱部140の形状自由度が実施形態１のそれよりも広い。そのため、配管で加熱部140に供給・排出される熱媒体の循環経路も配置形態の自由度が広く、加熱装置の設置箇所の制約によっては、実施形態１の装置よりも利用しやすいことが期待される。

＜変形例２＞
実施形態２の変形例としては、固定コア部を直棒状とせず、同コア部の両端部の位置が回転体の周方向にずれた折り曲げ棒状（略Z状）とし、回転コア部の各分割片における一対のL型突端を回転体の周方向に揃うように構成してもよい。この構成によっても、実施形態２の装置と同様の作用効果が得られる。

〔実施形態３：発電システム〕
次に、図７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７に示す発電システムG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Gの構成を詳しく説明する。

誘導加熱装置10は、本発明の誘導加熱装置であり、例えば、上記した実施の形態１、２に係る誘導加熱装置10を利用することができる。また、誘導加熱装置10の回転軸111（図１〜図６）につながる回転軸21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、コイルの直流通電により、固定コア部と回転体（回転コア部）とで磁気回路が形成され、回転体の回転により、固定コア部と回転体との間に配置された加熱部を通過する磁束を変化させることで、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できる。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Gは、誘導加熱装置10により水を例えば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G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、導電体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。

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、回転コア部の形状、固定コア部の形状及び各コア部の突端の形や数を適宜変更したり、各コア部の構成材料を適宜変更してもよい。

本発明の誘導加熱装置は、再生可能エネルギーを利用した発電システムに利用する他、例えば給湯システムに利用することも可能である。また、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 誘導加熱装置
110 回転体
111 回転軸 113（113F、113B） 仕切部 115 回転コア部
115H（115-1H〜115-6H） 突端 115T（115-1T〜115-6T） 突端
115P 分割片 115N 切欠
120（121〜126） 固定コア部
120H（121H〜126H） 突端 120T（121T〜126T） 突端
130 磁場発生部
140 加熱部
150 配管
20 風車 21 回転軸 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
G 発電システム

Claims (7)

1. 磁性材料からなって、回転体を構成する回転コア部と、
   磁性材料からなって、回転コア部と間隔をあけて配される固定コア部と、
   前記回転コア部又は固定コア部に設けられて、両コア部を通る磁束を発生させる磁場発生部と、
   前記回転コア部における磁束の一端側と他端側の各々を周方向に並ぶ複数の領域に区画し、かつその一端側の各領域と他端側の各領域とが周方向にずれるように区画する非磁性材料の仕切部と、
   前記回転コア部と固定コア部との間に配置され、前記磁束に鎖交されることで誘導加熱される導電性の加熱部と、
   この加熱部に設けられ、熱媒体が流通される配管とを備え、
   前記回転コア部における磁束の一端側と固定コア部における磁束の一端側とを対向したとき、回転コア部における磁束の他端側と固定コア部における磁束の他端側とが前記回転体の周方向にずれていることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記磁場発生部は、固定コア部に巻回される超電導コイルを備えることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記磁場発生部は、回転コア部を構成する永久磁石であることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
4. 前記回転コア部と固定コア部との間に形成される間隔は、回転体の径方向に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
5. 前記回転コア部と固定コア部との間に形成される間隔は、回転体の軸方向に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
6. 前記回転体は風車の回転軸を備え、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１〜５のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の誘導加熱装置と、
   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発電システム。

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