JP3982656B2 - マグネット式ヒーター - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に寒冷時や極寒時におけるディーゼルエンジンやガソリンエンジンを動力源とする主に自動車などの各種車両用エンジンの起動性向上や電気自動車を含む各種車両や船舶のキャビン暖房などに使用されるエンジン冷却水などの熱媒体用流体の補助加熱手段として用いられ、またエンジン駆動される発電機、溶接機、コンプレッサー、建設機械などのエンジン冷却水の予熱あるいは急速昇温（ウォーミングアップ時間の短縮）に用いるマグネット式ヒーターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
寒冷地などにおける始動時のエンジン冷却水の暖房に利用される自動車などの車両用補助暖房熱源として、ビスカス式ヒーターが知られている（特開平２−２４６８２３号公報、実開平４−１１７１６号公報、特開平９−２５４６３７公報、特開平９−６６７２９号公報、特開平９−３２３５３０公報など参照）。
ビスカス式ヒーターは、シリコンオイルなどの粘性流体をせん断により発熱させ、ウォータージャケット内を循環する循環水に熱交換して暖房熱源に利用する方式であって、その構造としては、例えばハウジング内部に発熱室と、この発熱室の外域にウォータージャケットを形成し、ハウジングには軸受装置を介して駆動軸が回動可能に支承され、駆動軸には発熱室内で回動可能なロータが固定されており、発熱室の壁面とロータとの間隙にシリコンオイルなどの粘性流体が封入され、ウォータージャケット内では循環水が入水ポートから取入れられ、出水ポートから外部の暖房回路へ送り出されるべく循環されている。
【０００３】
車両の暖房装置に組込まれたこのビスカス式ヒーターでは、駆動軸がエンジンにより駆動されれば、発熱室内でロータが回動するため、粘性流体が発熱室の壁面とロータの外面との間隙でせん断により発熱し、この発熱がウォータージャケット内の循環水に熱交換され、加熱された循環水が暖房回路でエンジン冷却水など車両の暖房に供されることとなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記したビスカス式ヒーターは、シンプルな構造により、小型化と低コストを実現でき、また摩耗のない非接触式の機構で高い信頼性と安全性を確保することができ、さらに水温が上昇し、補助ヒーターが不要になると温度制御により自動的に運転が停止するため、無駄なエネルギーは使用しないなどの特徴を有するが、粘性流体として用いるシリコンオイルの耐熱性は２４０℃程度が限界であり、シリコンオイルの温度をあまり高くできないことと、始動時シリコンオイルが撹拌されて高温に発熱するまでに時間がかかると共に、シリコンオイルの温度が上昇すると粘度が低下することによりせん断抵抗が低下して単位時間当りの発熱量が次第に減少する傾向があるためにエンジン冷間時間での急速な暖房効果が得られないという難点がある。このため、特にディーゼルエンジン搭載の寒冷地仕様車の場合、このようなビスカス式ヒータは有効性において十分とはいえず、より短時間にかつ効率よく熱媒体用流体を高温に加熱することができる補助ヒータが望まれていた。
【０００５】
本発明は、このようなビスカス式ヒーターの有する問題点にかんがみなされたもので、ビスカス式ヒーターに比しより高温にしかも短時間に熱媒体用流体の温度を上昇させることができ、かつ耐熱性に優れたマグネット式ヒーターを提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るマグネット式ヒーターは、磁石と導体間に形成される磁路をせん断することにより導体側に発生するスリップ発熱を熱媒体用流体に熱交換する方式であり、その要旨はポンプに磁石と導体を僅かなギャップを隔てて対向配置し、該磁石と導体を相対的に回転させることにより導体に生じるスリップ発熱でポンプ内の流体を加熱する方式であって、ポンプのポンプホイールに導体を取付け、該導体と僅かなギャップを隔てて対向配置する永久磁石を当該ポンプ本体に組込み、前記インペラーの回動により導体に生じるスリップ発熱により当該ポンプ内の流体が加熱される構造となしたことを特徴とし、またポンプのポンプホイールを導体製とし、該ホイールと僅かなギャップを隔てて対向配置する永久磁石を当該ポンプ本体に組込み、前記ポンプホイールの回動により当該ホイールに生じるスリップ発熱により当該ポンプ内の流体が加熱される構造となしたことを特徴とするものである。さらに本発明は前記永久磁石に替えてサーマルフェライトまたは電磁石を用いたり、導体に、ヒステリシス材またはエディカレント材を磁石側表面に設けたヒステリシス材を用いたりするものである。
【０００７】
すなわち、永久磁石、サーマルフェライトまたは電磁石などの磁石と、磁気ヒステリシスの大きな材料（以下「ヒステリシス材」と呼ぶ）やエディカレント材などを磁石側表面に設けたヒステリシス材の導体（発熱体）の２つの部材で構成され、この２つの部材が僅かなギャップを隔てて向かい合い、磁石と導体を相対的に回転させて磁路をせん断することにより導体側に発生するスリップ発熱を利用したもので、発熱体に、ヒステリシス材またはエディカレント材を磁石側表面に設けたヒステリシス材を用いることによって数秒〜数十秒で２００〜６００℃の温度に発熱させることができるという特徴を有する。なお、前記ギャップは特に限定するものではないが、通常０．３〜１．０ｍｍである。
【０００８】
なお、上記した「スリップ発熱」とは、前記磁石により発生した磁界内で該磁界を切る方向に導体を動かす（回転させる）と当該導体内に渦電流（エディカレント）が発生し、この渦電流の導体内における電気抵抗により発熱することを意味する。
【０００９】
また、本発明における回転駆動方式としては、エンジンによりプーリなどを介してウォーターポンプとして駆動する方式、あるいはエンジンとは別設の専用のモーターや風力、水力などによりポンプを駆動する方式を用いることができる。
【００１０】
さらに、このマグネット式ヒーターのＯＮ／ＯＦＦ制御手段としては、電磁クラッチ、サーマルフェライトなどを用いることができる。なお、サーマルフェライトは、永久磁石にソフトフェライトを貼り付けたものが一般的であり、ある温度以上に発熱すると磁路がソフトフェライト中を通るようになり、反対に発熱温度がある温度以下に下がると磁路がソフトフェライトの外側に形成されるという特性を有する磁石であるため、磁石にサーマルフェライトを用いた場合は、自動的にＯＮ／ＯＦＦ制御が可能となるので、ＯＮ／ＯＦＦ制御系は不要である。また、温度センサーを用いて流体の温度を測定し、所定の温度に達した時点で電磁石をＯＦＦあるいは磁力を弱めて発熱量を制御する方式を用いることも可能である。
【００１１】
なお、本発明は磁石と導体間の相対回転により主として導体が発熱し、磁石も導体からの輻射熱により磁力は少し弱まるが、発熱量はビスカス式ヒーターをはるかに凌ぐ高い値を維持し続けることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るマグネット式ヒーターの一例を示す縦断側面図、図２は同じくマグネット式ヒーターの他の例を示す縦断側面図であり、１はポンプ本体、２は駆動軸、３は軸受装置、４はメカニカルシール、５はポンプホイール、５−１はインペラー、６は導体、７は永久磁石支持体、８は永久磁石、９は締結ボルト、１０は電磁石、１１は給電ケーブル、１２はシリンダーブロック（エンジンブロック）、矢印は流体（水）の流れをそれぞれ示す。
【００１３】
すなわち、図１に示すマグネット式ヒーターは、ポンプ本体１内に軸受装置３およびメカニカルシール４を介して回転可能に支承された駆動軸２の先端に取付けられたポンプホイール５の背面に導体６が取着され、この導体と僅かなギャップを隔てて対向する永久磁石支持体７が締結ボルト９にてポンプ本体１に取付けられている。永久磁石支持体７にはドーナツ状の永久磁石８がヨーク８ａを介して取付けられている。前記導体６はヒステリシス材または鉄板などの基材の永久磁石８側の表面にエディカレント材を貼着して構成されたものである。なお、駆動軸２は専用のモーターも可能であるが、エンジンにより駆動する方式が一般的であるが、風水力などを使用して駆動する方式を採用することもできる。
【００１４】
上記構成のマグネット式ヒーターにおいて、駆動軸２がエンジンやモーターなどにより駆動されると、インペラー５−１の作用により流体が矢印で示すように流れると同時に、ポンプホイール５の背面に取着した導体６とポンプ本体１に取付けられた永久磁石支持体７の永久磁石８との間に形成されている磁路がせん断されて導体６にスリップ発熱が生じる。この導体６の発熱は、ポンプ本体１内を流れる流体に熱交換され、加熱された流体が暖房回路で車両などの暖房に供されることとなる。
【００１５】
上記図１に示す構成のマグネット式ヒーターにおいて、永久磁石に替えてサーマルフェライトを用いた場合には、前記したごとくこのマグネット式ヒーターのＯＮ／ＯＦＦ制御を自動化することができる。また、導体６としては、エディカレント材やヒステリシス材を用いることができる。
【００１６】
次に、図２に示すマグネット式ヒーターはエンジンのウォーターポンプとして使用した場合を例示するが、永久磁石に替えて電磁石を用い、回転する側のポンプホイールを導体製とし、このポンプホイール自体にスリップ発熱を生じさせる方式を例示したもので、この場合はポンプ本体１内に電磁石１０を組込み、この電磁石１０に給電ケーブル１１を接続し電磁石１０に給電するように構成するとともに、ポンプ本体１内に軸受装置３およびメカニカルシール４を介して回転可能に支承された駆動軸２の先端に導体製のポンプホイール５を前記電磁石１０と僅かなギャップを隔てて取付けた構造となしたもので、この場合は導体製のポンプホイール５とポンプ本体１内に組込まれた電磁石１０との間に形成されている磁路がせん断されてポンプホイール５にスリップ発熱が生じ、この発熱が主としてインペラー５−１から放熱されてポンプ本体１内を流れるエンジン冷却水に熱交換され、加熱された流体がシリンダーブロック１２内などへ導入される。なお、導体製のポンプホイール５の電磁石１０対向面に銅板などのエディカレント材を貼りつけると発熱効果がより高められる。
【００１７】
図３は本発明者が試験的に行った希土類エディカレント材発熱データを例示したもので、このデータは永久磁石とエディカレント材間のギャップを１．０ｍｍに設定して対向配置し、エディカレント材側を固定した状態で磁石側の回転数を種々変えて測定した時間（ｓｅｃ）と温度の関係を示したものである。
このデータより、磁石と導体を僅かなギャップを隔てて対向配置し、該磁石と導体を相対的に回転させることにより、数秒〜数十秒で導体に２００〜６００℃のスリップ発熱が生じることがわかる。したがって、ウォーターポンプのポンプホイールに導体を取付けた場合、あるいはポンプホイール自体を導体製とした場合には、流体との熱交換表面の温度を極短時間に２００〜６００℃の高温に加熱することができることとなる。
【００１８】
なお、流体としては水に限定されず、他の熱媒体用流体、例えば熱媒体油、シリコンオイル、冷媒あるいは空気などのガス体も採用できることはいうまでもない。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明に係るマグネット式ヒーターは、永久磁石や電磁石、サーマルフェライトなどの磁石と、ヒステリシス材またはエディカレント材を磁石側を表面に設けたヒステリシス材からなる導体を相対的に回転させることにより導体に生じるスリップ発熱を利用したものであるから、構造をよりシンプルにでき、小型化と低コスト化を実現でき、また摩耗のない非接触式の機構でより高い信頼性と安全性を確保することができるという効果に加え、例えばエンジン冷間時、急速に暖房が必要な場合、磁石側または導体側をエンジンなどにより駆動することによりエンジン冷却水を急速に暖めるとともにエンジンの暖房機能を著しく向上させることができるという優れた効果を有する。したがって、本発明はより短時間にかつ効率よく熱媒体用流体を高温に加熱することができる補助ヒータとして優れた効果を発揮し、特にディーゼルエンジン搭載の寒冷地仕様車などに極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマグネット式ヒーターの一例を示す縦断側面図である。
【図２】同じくマグネット式ヒーターの他の例を示す縦断側面図である。
【図３】本発明者が試験的に行った希土類エディカレント材発熱データの一例を示す図である。
【符号の説明】
１ ポンプ本体
２ 駆動軸
３ 軸受装置
４ メカニカルシール
５ ポンプホイール
５−１ インペラー
６ 導体
７ 永久磁石支持体
８ 永久磁石
９ 締結ボルト
１０ 電磁石
１１ 給電ケーブル
１２ シリンダーブロック

Claims (5)

1. 磁石と導体を僅かなギャップを隔てて対向配置し、該磁石と導体を相対的に回転させることにより導体に生じるスリップ発熱で熱媒体用流体を加熱する方式であって、ポンプのポンプホイールに導体を取付け、該導体と僅かなギャップを隔てて対向配置する永久磁石を当該ポンプ本体に組込み、前記ポンプホイールの回動により導体に生じるスリップ発熱により当該ポンプ内の流体が加熱される構造となしたことを特徴とするマグネット式ヒーター。
2. 磁石と導体を僅かなギャップを隔てて対向配置し、該磁石と導体を相対的に回転させることにより導体に生じるスリップ発熱で熱媒体用流体を加熱する方式であって、ポンプのポンプホイールを導体製とし、該ホイールと僅かなギャップを隔てて対向配置する永久磁石を当該ポンプ本体に組込み、前記ポンプホイールの回動により当該ホイールに生じるスリップ発熱により当該ポンプ内の流体が加熱される構造となしたことを特徴とするマグネット式ヒーター。
3. 永久磁石に替えてサーマルフェライトを用いることを特徴とする請求項１または２記載のマグネット式ヒーター。
4. 導体に、ヒステリシス材またはエディカレント材を磁石側表面に設けたヒステリシス材を用いることを特徴とする請求項１または２記載のマグネット式ヒーター。
5. 永久磁石に替えて、電磁石を用いることを特徴とする請求項１〜３項のうちいずれか１項記載のマグネット式ヒーター。

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