発熱機および風力熱発電システム

【課題】軽量化に有利な発熱機および当該発熱機を構成要素として含む風力熱発電システムを提供する。
【解決手段】発熱機３０は、積層された強磁性体板からなり、軸３４方向に垂直な断面において円弧状の形状を有し、当該軸３４周りに回転可能な回転子３１と、回転子３１の外周側に配置され、強磁性体からなるヨーク３２と、回転子３１とヨーク３２との間において軸３４方向に沿って延在する電流路３３Ｕ，３３Ｄとを備えている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発熱機および風力熱発電システムに関し、より特定的には、渦電流による発熱を利用した発熱機および当該発熱機を構成要素として含む風力熱発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転エネルギーを熱エネルギーに変換する装置として、渦電流による発熱を利用した発熱装置が知られている。具体的には、たとえば外周に永久磁石を配置したロータを回転させることによって磁界を変化させ、得られた渦電流により熱を発生させる永久磁石式渦電流加熱装置が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１７４８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、永久磁石により磁場を形成する上記発熱機は、質量が大きくなるという問題がある。また、発熱機の大型化が必要な場合、これに合わせた大型の永久磁石が必要となるが、永久磁石の大型化には限界がある。
【０００５】
本発明はこのような問題点に対応するためになされたものであって、その目的は、軽量化に有利な発熱機および当該発熱機を構成要素として含む風力熱発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に従った発熱機は、積層された強磁性体板からなり、軸方向に垂直な断面において円弧状の形状を有し、当該軸周りに回転可能な回転子と、回転子の外周側に配置され、強磁性体からなるヨークと、回転子とヨークとの間において上記軸方向に沿って延在する電流路とを備えている。
【０００７】
本発明の発熱機においては、電流路に電流が流されつつ回転子が回転する。これにより、回転子およびヨークを通る磁路が形成される。また、各場所における磁場は、回転子の回転に伴って変化する。このとき、回転子は積層板からなるため、回転子においては磁場の変化に起因する渦電流はほとんど発生しない。一方、（バルク状の）強磁性体からなるヨークにおいては、上記磁場の変化に起因して渦電流が発生し、発熱する。このように、本発明の発熱機は機能する。上記本発明の発熱機においては、その構造を単純化することが容易である。そのため、本発明の発熱機においては、軽量化に有利な発熱機を提供することができる。
【０００８】
上記発熱機においては、ヨークは筒状の形状を有していてもよい。この場合、上記発熱機は少なくとも１対の電流路を備え、当該１対の電流路には互いに逆向きの電流が流れる。このようにすることにより、単純な構造を維持しつつ十分な発熱を得ることが容易となる。
【０００９】
上記発熱機においては、２対以上の電流路を備え、ヨークの周方向において互いに隣り合う電流路には互いに逆向きの電流が流れるようにしてもよい。このようにすることにより、ヨークおよび回転子を薄肉化することが可能となり、発熱機の軽量化が一層容易となる。
【００１０】
上記発熱機においては、ヨークは、回転子の周方向に沿って複数配置されていてもよい。このようにすることにより、ヨークの形状として筒状の形状を採用した場合と同様に、単純な構造を維持しつつ十分な発熱を得ることが容易となる。
【００１１】
上記発熱機においては、上記ヨークにおいて回転子に対向する側の面には凹部が形成されており、当該凹部内を通るように電流路が配置されていてもよい。このような構造を採用することにより、発熱機における電流路の配置が容易となる。
【００１２】
上記発熱機においては、複数の回転子を備え、当該複数の回転子は円環状の単一の軌道上を回転可能となっていてもよい。このようにすることにより、発熱機において効率よく発熱を実現することができる。
【００１３】
上記発熱機においては、回転子の外周面とヨークの内周面との距離は、回転子の周方向において異なっていてもよい。上記距離を適切に設定することにより、回転子の回転に伴ってヨークの各部位における磁場が変化し続ける状態を実現することが可能となり、材料（ヨーク）の利用効率が向上する。
【００１４】
本発明に従った風力熱発電システムは、風車と、風車に接続され、風車の回転により発熱する発熱機と、発熱機に接続され、発熱機において発生した熱を蓄える蓄熱部と、蓄熱部に接続され、蓄熱部において蓄えられた熱を電気に変換する発電部とを備えている。そして、発熱機は上記本発明の発熱機であり、回転子は、上記風車の回転により回転する。
【００１５】
本発明の風力熱発電システムにおいては、発熱機として軽量化に有利な構造を有する上記本発明の発熱機が採用される。そのため、たとえば発熱機を風車後方の機械室（ナセル）に収納し、風車およびナセルをタワーにより支持する構造を採用した場合でも、タワーにより支持すべき質量を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上の説明から明らかなように、本発明の発熱機および風力熱発電システムによれば、軽量化に有利な発熱機および当該発熱機を構成要素として含む風力熱発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】風力熱発電システムの構造を示す概略図である。
【図２】実施の形態１における発熱機の部品を示す概略図である。
【図３】実施の形態１における発熱機の構造を示す概略図である。
【図４】実施の形態１における発熱機の構造を示す概略断面図である。
【図５】発熱機の動作を説明するための概略図である。
【図６】発熱機の動作を説明するための概略図である。
【図７】発熱機の動作を説明するための概略図である。
【図８】発熱機の動作を説明するための概略図である。
【図９】図６のＰ_１における磁場の変化を示す図である。
【図１０】図６のＰ_２における磁場の変化を示す図である。
【図１１】実施の形態２における発熱機の構造を示す概略断面図である。
【図１２】実施の形態３における発熱機の構造を示す概略図である。
【図１３】実施の形態４における発熱機の構造を示す概略図である。
【図１４】実施の形態５における発熱機の構造を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１９】
（実施の形態１）
まず、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１を参照して、本実施の形態における風力熱発電システム１は、風車１０と、風車１０に接続され、風車１０の回転により発熱する発熱機３０と、発熱機３０に接続され、発熱機３０において発生した熱を蓄える蓄熱部４０と、蓄熱部４０に接続され、蓄熱部４０において蓄えられた熱を電気に変換する発電部５０とを備えている。風車１０は、主軸１１と、主軸１１から径方向に突出し、風を受けることにより主軸１１を周方向に回転させるブレード１２とを含んでいる。発熱機３０は、風車１０の主軸１１に接続され、主軸１１の回転により発熱する。また、発熱機３０は、風車１０の後方に隣接して配置されたナセル２０の中に収納されている。そして、風車１０およびナセル２０は、回転支持部２１を介してタワー８１上に配置されている。
【００２０】
蓄熱部４０は、配管９１，９６，９７を介して発熱機３０と接続されており、発熱機３０において加熱された熱媒体としての流体を保持する。熱媒体としての流体としては、種々の流体を採用可能であるが、本実施の形態としてはその一例として水を採用する。発電部５０は、蒸気タービン５１と、蒸気タービン５１の回転により発電する発電機５２とを含んでいる。蒸気タービン５１は、配管９２により蓄熱部４０に接続され、配管９２を介して供給される水蒸気により回転する。当該回転は発電機５２に伝達され、発電に利用される。
【００２１】
風力熱発電システム１は、さらに復水器６０とポンプ７１，７２とを備えている。復水器６０は、配管９３により蒸気タービン５１に接続されている。復水器６０には、蒸気タービン５１を通過した水蒸気が配管９３を介して供給され、当該水蒸気は復水器６０の中で液体の水に戻される。復水器６０には、配管６１および配管６２が接続されている。そして、復水器６０には上記水蒸気を冷却して水に戻すための冷却水が配管６１を通して供給され、配管６２を通して排出される。ポンプ７１は、配管９４により復水器６０に接続されるとともに、配管９５により蓄熱部４０に接続されている。また、ポンプ７２は配管９６により蓄熱部４０に接続されるとともに、配管９７によりタワー８１上のナセル２０に収納された発熱機３０に接続されている。蓄熱部４０、発電部５０および復水器６０は、発電室８２内に配置されている。
【００２２】
次に、風力熱発電システム１の動作について説明する。図１を参照して、ブレード１２が風を受けると主軸１１が軸周りに回転する。この主軸１１の回転は、ナセル２０内の発熱機３０において熱に変換される。発熱機３０において発生した熱は、熱媒体である水の加熱に用いられる。そして、加熱された水は水蒸気となり、配管９１を通って蓄熱部４０に到達する。そして、当該水蒸気は、高温、高圧の状態で蓄熱部４０に蓄えられる。
【００２３】
蓄熱部４０に蓄えられた水蒸気は、配管９２を介して蒸気タービン５１に供給され蒸気タービン５１が回転する。そして、蒸気タービン５１の回転が発電機５２において電気に変換され、発電が達成される。
【００２４】
蒸気タービン５１の回転に用いられた水蒸気は配管９３を通って復水器６０に到達する。復水器６０では、当該水蒸気が冷却されて液体の水に戻される。この水は配管９４を通ってポンプ７１に送られる。そして、ポンプ７１は配管９５を通して水を蓄熱部４０に戻す。一方、蓄熱部４０内の水は、配管９６を通してポンプ７２に送られる。そして、ポンプ７２は配管９７を通して水を発熱機３０に供給する。つまり、発熱機３０から蓄熱部４０に入り、蓄熱部４０から発熱機３０に戻る水の循環と、蓄熱部４０から蒸気タービン５１、復水器６０を通って蓄熱部４０に戻る水の循環とが形成される。このようにして、熱媒体である水は風力熱発電システム１内を循環する。
【００２５】
上記風力熱発電システム１においては、風車１０の回転エネルギーを熱エネルギーに変換して蓄積し、必要に応じて熱エネルギーを用いて発電することができる。そのため、風車１０の回転エネルギーを電気エネルギーに直接変換する風力発電システムにおいて必要な、コストの高い蓄電装置を省略することが可能となる。また、本実施の形態における風力熱発電システム１においては、後述する本実施の形態における発熱機を含む軽量化の容易な本発明の発熱機が採用される。そのため、タワー（図示しない）により支持すべき質量（風車１０、および発熱機３０を含むナセル２０の質量）を抑制することができる。
【００２６】
次に、ナセル２０内に収納される本実施の形態における発熱機３０について、図２〜図４を参照して説明する。本実施の形態における発熱機３０は、積層された強磁性体板からなり、軸３４方向に垂直な断面において円弧状の形状を有し、軸３４周りに回転可能な回転子３１と、回転子３１の外周側に配置され、強磁性体からなるヨーク３２と、回転子３１とヨーク３２との間において軸３４方向に沿って延在する電流路３３Ｕ，３３Ｄとを備えている。また、ヨーク３２の外周面に接触するように、配管３６が配置されている（図３参照）。配管３６の入口３６Ａは図１の配管９７に接続され、出口３６Ｂは図１の配管９１に接続されている。その結果、図３の矢印の向きに沿って熱媒体としての水が移動する。
【００２７】
ここで、発熱機３０の動作を説明する。静止状態である図５に示す状態から、図６〜図８にように回転子３１が軸３４周りに回転し、かつ図２の矢印αの向きに（図５〜図８の電流路３３Ｕにおいては紙面手前から奥側に向かって）電流が流されると、磁路が形成され、図６〜図８に示す矢印のように変化する磁場が発生する。ここで、図６〜図８における中抜きの矢印の向きは磁場の向き、矢印の太さは磁場の大きさを示している。このとき、図６の場所Ｐ_１およびＰ_２における磁場は、それぞれ図９および図１０のように変化する。図９において磁場の強度が一定となる領域が形成されるのは、磁場が飽和するためである。もちろん、磁場が飽和しない程度の電流が電流路３３Ｕおよび電流路３３Ｄに流された場合、当該領域にピークが形成される。一方、場所Ｐ_２における磁場強度の最大値が場所Ｐ_１における磁場強度の最大値よりも小さいのは、場所Ｐ_２を通る磁路の長さが場所Ｐ_１を通る磁路の長さに比べて大きいためである。
【００２８】
このとき、回転子３１は積層板からなっている。そのため、回転子３１においては磁場の変化に起因する渦電流はほとんど発生しない。一方、バルク状の強磁性体からなるヨーク３２においては、上記磁場の変化に起因して渦電流が発生し、発熱する。そして、ヨーク３２において発生した熱により、配管３６（図３参照）内の水が加熱され、配管９１を介して蓄熱部４０に蓄積される（図１参照）。
【００２９】
ここで、本実施の形態における発熱機３０によれば、上述のような単純な構造を採用することができる。そのため、本実施の形態における発熱機３０は、軽量化に有利な発熱機となっている。
【００３０】
また、本実施の形態における発熱機３０では、ヨーク３２は筒状の形状を有している。また、軸３４に垂直な断面におけるヨーク３２の内周面は円形形状を有している。そして、発熱機３０は１対の電流路（電流路３３Ｕおよび電流路３３Ｄ）を備え、図２〜図４を参照して、当該１対の電流路３３Ｕ，３３Ｄには互いに逆向きの電流が流れる。より具体的には、１対の電流路３３Ｕ，３３Ｄは軸３４を挟んで互いに対向するように配置され、両端においてヨーク３２の径方向に接続されている。その結果、１対の電流路３３Ｕ，３３Ｄはヨーク３２の内周側に配置されたコイルを構成している。このようにすることにより、本実施の形態における発熱機３０は、単純な構造を維持しつつ十分な発熱を得ることが容易となっている。
【００３１】
さらに、本発明においては必須の構造ではないが、本実施の形態の発熱機３０においては、図４を参照して、ヨーク３２において回転子３１に対向する側の面には凹部３２Ａが形成されている。そして、凹部３２Ａ内を通るように（凹部３２Ａに沿って）電流路３３Ｕおよび電流路３３Ｄが配置されている。このような構造を採用することにより、発熱機３０における電流路３３Ｕおよび電流路３３Ｄの配置が容易となっている。
【００３２】
また、本発明の発熱機において回転子は１つであってもよいが、本実施の形態の発熱機３０は複数（具体的にはたとえば図２〜図４に示すように２つ）の回転子３１を備えている。そして、複数の回転子３１は円環状の単一の軌道上を回転可能となっている。このようにすることにより、発熱機において効率よく発熱を実現することができる。
【００３３】
（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２における発熱機３０および風力熱発電システム１は、基本的には実施の形態１の場合と同様の構造を有し、同様に動作するとともに、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２における発熱機３０は、回転子、ヨークおよび電流路の構成において、実施の形態１の場合とは異なっている。
【００３４】
すなわち、図１１を参照して、実施の形態２の発熱機３０は、２対以上（本実施例では２対）の電流路（電流路３３Ｕおよび電流路３３Ｌの対、および電流路３３Ｄおよび電流路３３Ｒの対）を備え、ヨーク３２の周方向において互いに隣り合う電流路には互いに逆向きの電流が流れる。より具体的には、たとえば電流路３３Ｕおよび電流路Ｄにおいては紙面手前から奥向きに、電流路３３Ｌおよび電流路３３Ｒにおいては紙面奥から手前向きに電流が流れる。ヨーク３２には、各電流路３３Ｕ，３３Ｌ，３３Ｄ，３３Ｒに対応する凹部３２Ａが形成される。また、発熱機３０は、周方向に等間隔に配置された４つの回転子３１を備えている。このような構造を採用することにより、本実施の形態における発熱機３０では、ヨーク３２および回転子３１を薄肉化することが可能となり、発熱機３０の軽量化が一層容易となっている。
【００３５】
（実施の形態３）
次に、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態３について説明する。実施の形態３における発熱機３０および風力熱発電システム１は、基本的には実施の形態１の場合と同様の構造を有し、同様に動作するとともに、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態３における発熱機３０は、ヨーク３２の構成において、実施の形態１の場合とは異なっている。
【００３６】
すなわち、図１２を参照して、本実施の形態の発熱機３０においては、回転子３１の外周面とヨーク３２の内周面との距離が、回転子３１の周方向において異なっている。より具体的には、回転子３１の外周面とヨーク３２の内周面との距離は、電流路３３Ｕが配置される位置において最も大きく、電流路３３Ｕから離れるに従ってその距離がｇ_１、ｇ_２と小さくなっている。このようにすることにより、本実施の形態においては、磁路βと磁路γとの磁気抵抗の差が小さく、好ましくは磁路βと磁路γとの磁気抵抗が同じになる。その結果、回転子３１の回転に伴ってヨーク３２の各部位における磁場が変化し続ける状態を実現することが可能となり、材料（ヨーク３２）の利用効率が向上している。なお。上記回転子３１の外周面とヨーク３２の内周面との距離の調整は、たとえば軸３４に垂直な断面における回転子３１の外周面の形状を円弧状とする一方、ヨーク３２の内周面の形状を電流路３３Ｕの近傍において楕円弧状とすることにより達成することができる。
【００３７】
（実施の形態４）
次に、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態４について説明する。実施の形態４における発熱機３０および風力熱発電システム１は、基本的には実施の形態１の場合と同様の構造を有し、同様に動作する。しかし、実施の形態４における発熱機３０は、電流路の構成において、実施の形態１の場合とは異なっている。
【００３８】
すなわち、図１３を参照して、電流路３３Ｕおよび電流路３３Ｄのそれぞれは、ヨーク３２の側壁を挟んで内周面側および外周面側のそれぞれにおいて延在する延在部と、当該延在部の端部同士を接続する接続部とを備えた別々のコイルを構成している。そして、電流路３３Ｕおよび電流路３３Ｄは、いずれも上記内周面側において延在する延在部を構成している。すなわち、電流路３３Ｕおよび電流路３３Ｄは、それぞれ異なるコイルの一部となっている。このような構造を採用することにより、実施の形態１における発熱機３０と同様に、本実施の形態における発熱機３０は、単純な構造を維持しつつ十分な発熱を得ることが容易となっている。
【００３９】
（実施の形態５）
次に、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態５について説明する。実施の形態５における発熱機３０および風力熱発電システム１は、基本的には実施の形態１の場合と同様の構造を有し、同様に動作する。しかし、実施の形態５における発熱機３０は、ヨーク３２の構成において、実施の形態１の場合とは異なっている。
【００４０】
すなわち、図１４を参照して、本実施の形態における発熱機３０においては、ヨーク３２は、回転子３１の周方向に沿って複数（ここでは２つ）配置されている。このような構造を採用することにより、本実施の形態における発熱機３０は、ヨーク３２の形状として筒状の形状を採用した実施の形態１の場合と同様に、単純な構造を維持しつつ十分な発熱を得ることが容易となっている。さらに、上述のようにヨーク３２が分割された構造を採用することにより、回転子３１の軌道を全周にわたってヨーク３２が覆わない構造が得られる。即ち、発熱部分が円筒ではなく、回転子３１の軌道の一部にだけ面するように配置することで、発熱機３０全体の大きさを小さくすることが可能となる。これにより、たとえば発熱機３０の輸送（道路輸送など）が容易となる。図１４は、発熱部となるべきヨーク３２が軸３４を挟んで対向するように２つ配置される場合を示しているが、たとえばこれらのうち一方のヨーク３２が省略される構造が採用されてもよい。
【００４１】
なお、上記実施の形態においては、ヨーク３２の形状として、軸３４に垂直な断面において円弧状の内周面を有する場合について図示したが、本発明の発熱機を構成するヨークはこれに限られず、たとえば平板状の形状を有していてもよい。また、電流路３３Ｕ，３３Ｄ，３３Ｌ，３３Ｒの素材としては銅などの一般的な導体材料が採用されてもよいが、超電導材料を採用してもよい。これにより、発熱の効率を一層向上させることができる。また、上記強磁性体としては、たとえば鉄のほか、コバルト、ニッケルなどを採用してもよい。
【００４２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の発熱機および風力熱発電システムは、渦電流による発熱を利用した発熱機および当該発熱機を構成要素として含む風力熱発電システムに、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００４４】
１風力熱発電システム、１０風車、１１主軸、１２ブレード、２０ナセル、３０発熱機、３１回転子、３２ヨーク、３２Ａ凹部、３３Ｕ，３３Ｄ，３３Ｌ，３３Ｒ電流路、３４軸、３６配管、３６Ａ入口、３６Ｂ出口、４０蓄熱部、５０発電部、５１蒸気タービン、５２発電機、６０復水器、７１，７２ポンプ、８１タワー、８２発電室、９１〜９７配管。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された強磁性体板からなり、軸方向に垂直な断面において円弧状の形状を有し、前記軸周りに回転可能な回転子と、
前記回転子の外周側に配置され、強磁性体からなるヨークと、
前記回転子と前記ヨークとの間において前記軸方向に沿って延在する電流路とを備えた、発熱機。
【請求項２】
前記ヨークは筒状の形状を有し、
少なくとも１対の前記電流路を備え、
前記１対の前記電流路には互いに逆向きの電流が流れる、請求項１に記載の発熱機。
【請求項３】
２対以上の前記電流路を備え、
前記ヨークの周方向において互いに隣り合う前記電流路には互いに逆向きの電流が流れる、請求項２に記載の発熱機。
【請求項４】
前記ヨークは、前記回転子の周方向に沿って複数配置されている、請求項１に記載の発熱機。
【請求項５】
前記ヨークにおいて前記回転子に対向する側の面には凹部が形成されており、
前記凹部内を通るように前記電流路が配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発熱機。
【請求項６】
複数の前記回転子を備え、
前記複数の回転子は円環状の単一の軌道上を回転可能となっている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発熱機。
【請求項７】
前記回転子の外周面と前記ヨークとの距離は、前記回転子の周方向において異なっている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発熱機。
【請求項８】
風車と、
前記風車に接続され、前記風車の回転により発熱する発熱機と、
前記発熱機に接続され、前記発熱機において発生した熱を蓄える蓄熱部と、
前記蓄熱部に接続され、前記蓄熱部において蓄えられた熱を電気に変換する発電部とを備え、
前記発熱機は請求項１〜７のいずれか１項に記載の発熱機であり、
前記回転子は、前記風車の回転により回転する、風力熱発電システム。

【図１】