JP5637452B2 - 誘導加熱装置、及びそれを備える発電システム - Google Patents

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、及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、このロータの外側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（磁束）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、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23年2月2日検索]、インターネット<URL：http://www.rist.or.jp/atomica/> "スバル風力発電システム SUBARU WIND TURBINE"、［online］、富士重工業株式会社、[平成23年2月2日検索]、インターネット<URL：http://www.subaru-windturbine.jp/windturbine/> "風力講座"、［online］、三菱重工業株式会社、[平成23年2月2日検索]、インターネット<URL：http://www.mhi.co.jp/products/expand/wind_kouza.html>

しかし、上記した特許文献１に記載されるような従来の渦電流加熱装置では、加熱部に磁束が通過することにより発生する渦電流を利用して加熱部を発熱させるように構成されている。そのため、十分な熱エネルギー（発熱量）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。

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。そのため、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、発熱量を向上でき、熱媒体を加熱するのに適した性能を有する誘導加熱装置を提供することにある。また、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、熱媒体を加熱する装置であり、回転軸を有する回転体と、回転体と間隔をあけて配置され、回転体の方向に突出する磁性材料からなる突起部を有するステータ部と、突起部の外周に配置され、熱媒体の流路となる導電性金属からなるコイル状の配管と、を備える。そして、回転体には、突起部を突出方向に通過する磁束を発生する磁束発生部が設けられている。また、配管の端部同士が接続導体で電気的に接続されていることを特徴とする。

まず、本発明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、磁束発生部から突起部を通過する磁束が発生し、回転体と共に磁束発生部が回転することにより、磁束発生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→狭小になり、突起部を通過する磁束が周期的に変化する。その結果、突起部の外周に配置されたコイル状の配管に誘導起電力（逆起電力）が発生して、配管の端部同士が接続導体で電気的に接続されていることにより、配管に誘導電流が流れることから、配管が発熱し、配管内の熱媒体が加熱される。また、回転体と共に磁束発生部が回転することにより、配管を通過する磁束も変化することから、配管に渦電流が流れることで配管が発熱し、配管内の熱媒体が加熱される。そして、本発明の誘導加熱装置は、渦電流だけでなく、主として誘導起電力により生じる電流（誘導電流）を利用することから、配管（熱媒体）を効果的に加熱し、従来の渦電流加熱装置に比較して発熱量が向上すると考えられる。

突起部を形成する磁性材料としては、磁束を通し易い材料、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。一方、配管を形成する導電性金属としては、例えば、銅、アルミニウム、鉄、チタンなどの金属及びその合金並びにステンレスなどの合金が挙げられる。また、接続導体は、配管に誘導電流を流すために配管の端部同士を電気的に接続する部材であり、例えば、上記した導電性金属、中でも導電率の高い良導体で形成することが挙げられる。具体的には、銅やアルミニウム又はその合金で形成することが好ましい。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。

また、回転せず固定されたステータ部の突起部に配管を取り付けることで、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ことで、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）に達すると考えられる。配管が回転する場合は、その圧力に耐え得る特殊な回転継手が必要であるところ、回転せず固定されている場合は、回転継手の必要がなく、例えば給排管と配管との接続に溶接といった単純な方法を採用しても、十分に堅牢な接続構造を実現できる。

本発明の誘導加熱装置の一形態としては、配管全体の抵抗値が接続導体の抵抗値に対して高いことが挙げられる。

上述したように、接続導体は、導電率の高い材料で形成し、抵抗値を低くすることが好ましい。これに対し、配管は、誘導電流が流れることにより発熱し易い、即ち誘導加熱され易い材料で形成することが好ましく、ある程度の抵抗値を有することが好ましい。上記構成によれば、配管全体の抵抗値が接続導体の抵抗値に対して高いことで、配管では発熱し易く、接続導体では発熱し難くなるので、配管（熱媒体）を加熱するのに適した構成となる。配管と接続導体はいずれも電流が流れる部材であるが、このように配管と接続導体の抵抗値を異ならせることで、発熱量の向上を図ることができる。例えば、配管及び接続導体に使用する材料の組み合わせとしては、配管には、鉄、チタン及びその合金並びにステンレスからなる群から選択される少なくとも一種を使用し、接続導体には、銅、アルミニウム及びその合金からなる群から選択される少なくとも一種を使用することが好ましい。なお、配管全体の抵抗値とは、配管が複数の材料（部材）で構成されている場合は、全ての配管構成部材の導体抵抗を含めた抵抗値のことをいう。

本発明の誘導加熱装置の一形態としては、配管が熱媒体の流路となる内層とこの内層の外周に配置された外層とを有する多層管であり、内層の導電率が外層の導電率に対して高いことが挙げられる。

誘導電流は、表皮効果によって配管の外側（表面）に流れ易い。上記構成によれば、内層の導電率が外層の導電率に対して高いことで、内層により多くの電流を流すことができ、熱媒体に接触する内層を効果的に発熱させることができる。よって、熱媒体を効率的に加熱することができる。例えば、内層には、銅、アルミニウム及びその合金からなる群から選択される少なくとも一種を使用し、外層には、鉄、チタン及びその合金並びにステンレスからなる群から選択される少なくとも一種を使用することが挙げられる。内層に銅やアルミニウム又はその合金を使用した場合、これら材料は熱伝導性にも優れるので、内層から熱媒体への熱伝導を効率よく行うことができる。また、外層に鉄、チタン又はその合金或いはステンレスを使用した場合、これら材料は機械的強度にも優れるので、外層が配管の強度を高める補強材として機能し、配管の耐久性、耐圧性を高めることができる。

本発明の誘導加熱装置の一形態としては、配管が熱媒体の流路となる管部とこの管部の内周面から内方に突出し長手方向に延びる少なくとも一つの凸部とを有し、凸部の導電率が管部の導電率に対して高いことが挙げられる。

上述したように、誘導電流は、表皮効果によって配管の外側（表面）に流れ易い。上記構成によれば、凸部の導電率が管部の導電率に対して高いことで、凸部により多くの電流を流すことができ、熱媒体に接触する凸部を効果的に発熱させることができる。よって、熱媒体を効率的に加熱することができる。例えば、凸部には、銅、アルミニウム及びその合金からなる群から選択される少なくとも一種を使用し、管部には、鉄、チタン及びその合金並びにステンレスからなる群から選択される少なくとも一種を使用することが挙げられる。凸部にこのような材料を使用した場合、凸部から熱媒体への熱伝導を効率よく行うことができ、一方、管部にこのような材料を使用した場合、管部の耐久性、耐圧性を高めることができる。また、管部の内周面に複数の凸部を設けることで、凸部と熱媒体との接触面積を増やすことができ、熱媒体をより効率的に加熱することができる。

本発明の誘導加熱装置の一形態としては、配管が熱媒体の流路となる管部と管部内に配置され長手方向に延びる内部導体とを有し、内部導体の導電率が管部の導電率に対して高いことが挙げられる。

上述したように、誘導電流は、表皮効果によって配管の外側（表面）に流れ易い。上記構成によれば、内部導体の導電率が管部の導電率に対して高いことで、内部導体により多くの電流を流すことができ、熱媒体に接触する内部導体を効果的に発熱させることができる。よって、熱媒体を効率的に加熱することができる。例えば、内部導体には、銅、アルミニウム及びその合金からなる群から選択される少なくとも一種を使用し、管部には、鉄、チタン及びその合金並びにステンレスからなる群から選択される少なくとも一種を使用することが挙げられる。内部導体にこのような材料を使用した場合、内部導体から熱媒体への熱伝導を効率よく行うことができ、一方、管部にこのような材料を使用した場合、管部の耐久性、耐圧性を高めることができる。なお、内部導体の形態は、特に限定されるものではなく、例えば、線材、棒材、板材、管材など任意の形態とすることができる。また、内部導体の断面（長手方向と直交する方向の断面）外形形状も、特に限定されるものではなく、円形や楕円形、三角形や四角形といった多角形、十字形や星形など任意の形状とすることができる。内部導体の断面外形形状は円形よりも外周の長さが長い形状とした方が、内部導体と熱媒体との接触面積が増え、熱媒体をより効率的に加熱することができる。

本発明の誘導加熱装置の一形態としては、磁束発生部から発生する磁束が、コイルによるものであることが挙げられる。

磁束の発生手段としては、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。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。発熱量は磁場強度の２乗に比例することから、発熱量の更なる向上が期待できる。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。したがって、磁束発生部から発生する磁束がコイルによるものである場合、通電電流を大きくして十分な磁場強度を維持し易く、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性能（熱エネルギー）を得ることができる。例えば、上記した特許文献１の渦電流加熱装置では、加熱部に対向し、加熱部の近い位置に永久磁石が配置されているため、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と考えられる。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。

さらに、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、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。

本発明の誘導加熱装置の一形態としては、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。

回転体（回転軸）の動力には、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が、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、上記した本発明の誘導加熱装置と、この誘導加熱装置により加熱した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。

この発電システムは、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→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、こ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、効率のよい安定した発電を実現できる。また、熱を蓄熱器に蓄えると同時に蓄熱器から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。

本発明の誘導加熱装置は、ステータ部の突起部に熱媒体の流路となるコイル状の配管を配置し、配管に誘導電流を誘起させ、誘導電流により配管を発熱させることによって配管内の熱媒体を加熱するようにしたことで、発熱量を向上させることができる。また、本発明の発電システムは、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。

実施の形態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）は組立斜視図である。 実施の形態１に係る誘導加熱装置の概略図であり、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。 実施の形態１に係る誘導加熱装置における配管部分を示す部分概略図である。 誘導加熱装置における配管の変形例を示す概略断面図であり、（A）は配管が内層と外層とを有する２層管である一例を示し、（B）は配管が管部と管部の内周面から内方に突出する凸部とを有する一例を示し、（C）は配管が管部と管部内に配置された内部導体とを有する一例を示す。 誘導加熱装置における配管と接続導体との接続構造の変形例を示す部分概略図である。 誘導加熱装置における突起部の変形例を示す概略斜視図である。 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。

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。

＜誘導加熱装置＞
（実施の形態１）
図１〜３に示す実施の形態１に係る誘導加熱装置101は、回転体11と、回転体11の方向に突出する突起部121を有するステータ部12と、熱媒体の流路となるコイル状の配管14と、を備える。以下、誘導加熱装置101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個の凸部111を有し、各凸部111が周方向に等間隔に形成されている。また、回転体11の外周には、後述する磁束発生部（この例ではコイル15）が設けられている。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２中の矢印は回転方向を示す）。

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、構造強度と長期耐久性（耐候性及び耐食性）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。

ステータ部12は、回転体11の径方向外側に回転体11と間隔をあけて配置されており、回転しないように固定されている。このステータ部12は、回転体11の周囲を取り囲むように円筒状に形成された磁性材料からなるヨーク部125と、このヨーク部125の内周面から求心方向（径方向内方）に突出する磁性材料からなる突起部121と、を有する。この例では、ステータ部12が複数（８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おり、各突起部121がヨーク部125に接続されヨーク部125を介して連結されている（図２参照）。つまり、回転体11の凸部111の数とステータ部12の突起部121の数が等しい。また、各突起部121は、ステータ部12の軸方向に対して平行で、突出方向と直交する方向の断面が略矩形の四角柱状である。

コイル15は、回転体11の各凸部111の外側に嵌め込んで取り付けられており、回転体11の径方向に磁束を発生し、突起部121を突出方向に通過する磁束を発生する磁束発生部である。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２参照）。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。コイル15には常電導コイルを用いてもよく、コイル15に代えて永久磁石を用いてもよい。また、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。

配管14は、導電性金属からなるコイル状の部材であり、各突起部121の外側に嵌め込んで取り付けられており、各突起部121の外周に配置されている。また、この配管14の端部同士（巻き始め部分と巻き終り部分）が接続導体141で電気的に接続されている（図３参照）。この例では、配管14が単一の導電性金属で形成されており、配管14には、抵抗率の高い（導電率の低い）導電性金属、具体的には、鉄、チタン又はその合金或いはステンレスが使用され、接続導体141には、導電率の高い良導体、具体的には、銅やアルミニウム又はその合金が使用されている。そして、配管14の巻き始めから巻き終りまでの抵抗値が接続導体141の抵抗値に対して高くなるように設計されている。配管14には、一方の端部から熱媒体が供給され、他方の端部から熱媒体が排出されるようになっており、熱媒体が流通する。

また、配管14の外周には、断熱材（図示せず）を配置してもよい。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。

次に、誘導加熱装置101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101では、コイル15が通電されることで、回転体11の径方向に磁束が発生し、回転体11と共にコイル15が回転することにより、コイル15と突起部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を通過する磁束が周期的に変化する。その結果、突起部121の外周に配置されたコイル状の配管14に誘導起電力（逆起電力）が発生して、配管14に誘導電流が流れることで配管14が発熱し、配管14内の熱媒体が加熱される。また、回転体11と共にコイル15が回転することにより、配管14を通過する磁束も変化することから、配管14に渦電流が流れることで配管14が発熱し、配管14内の熱媒体が加熱される。したがって、この誘導加熱装置101では、従来の渦電流加熱装置と異なり、コイル状の配管14に誘導電流を誘起させ、主としてこの誘導電流により配管14を発熱させることによって配管14内の熱媒体を加熱する。

ここで、誘導加熱装置101では、配管14の抵抗値が接続導体141の抵抗値に対して高いことで、配管14では発熱し易く、接続導体141では発熱し難くなるので、配管14（熱媒体）を加熱するのに適した構成となり、発熱量の向上を図ることができる。また、各突起部121が同じ磁性材料からなるヨーク部125を介して連結されていることで、各突起部121に流れる磁束を多くすることができ、発熱量の更なる向上が期待できる。

その他、誘導加熱装置101では、隣り合うコイル15の極性が互いに異なることから、突起部121がN極のコイル15に対向する場合とS極のコイル15に対向する場合とでは、磁束（磁場）の向きが異なる。N極のコイル15に対向するときは、突起部121を通過する磁束の向きが回転体11側からヨーク部125側方向（径方向の＋方向）となる。一方、S極のコイル15に対向するときは、突起部121を通過する磁束の向きがヨーク部125側から回転体11側方向（径方向の−方向）となる。つまり、回転体11と共にコイル15が回転することにより、磁束（磁場）の方向が周期的に逆転しながら変化する。

（変形例１）
上記した実施の形態１に係る誘導加熱装置101では、配管14が単一の材料（部材）で構成されている場合を例に説明したが、図４を用いて以下に説明するように、配管14が複数の材料（部材）で構成されてもよい。なお、図４（A）〜（C）はいずれも、配管の長手方向と直交する方向の断面を示す。

図４（A）に例示する配管14Aは、熱媒体の流路となる内層14aとこの内層14aの外周に配置された外層14bとを有する２層管である。例えば、内層14aには、銅やアルミニウム又はその合金が使用され、外層14bには、鉄、チタン又はその合金或いはステンレスが使用されており、内層14aの導電率が外層14bの導電率に対して高くなるように設計されている。この配管14Aは、例えば、内層14aを形成する材料の板と外層14bを形成する材料の板とを圧着したクラッド材を管状に加工したり、外層14bを形成する材料の板に内層14aを形成する材料をめっきしたメッキ材を管状に加工したりすることで得ることができる。或いは、内層14aを形成する材料の内管と外層14bを形成する材料の外管とを同心状に配置することでも得ることができる。

この配管14Aでは、内層14aの導電率が外層14bの導電率に対して高いことで、外側（表面）に集中し易い誘導電流を内層14aに多く流すことができ、熱媒体に接触する内層14aを効果的に発熱させることができる。よって、熱媒体を効果的に加熱することができる。ここで、内層14aの断面積を大きくすると、抵抗値が下がり発熱し難くなるので、発熱し易い適当な抵抗値となるように、内層14aの断面積（内層14aの厚さ）を設定することが好ましい。さらに、内層14aに銅やアルミニウム又はその合金を使用すると、熱伝導性にも優れるので、内層14aから熱媒体への熱伝導を効率よく行うことができる。一方、外層14bに鉄、チタン又はその合金或いはステンレスを使用すると、機械的強度にも優れるので、配管14Aの強度を高める補強材として機能し、配管14Aの耐久性、耐圧性を高めることができる。

図４（B）に例示する配管14Bは、熱媒体の流路となる管部14cとこの管部14cの内周面から内方に突出する凸部14dとを有する。この例では、図４(A)に例示した、内層14aと外層14bとを有する２層管を管部14cとしており、管部14cの構成については説明を省略する。凸部14dには、管部14cの内層14aと同種の導電性金属を使用しており、内層14aと一体に形成されている。また、凸部14dは、管部14c（内層14a）の内周面に複数設けられており、長手方向に一連に延びている。この配管14Bは、例えば、内層14aを形成する材料の板に凸部14dを押出などで一体に形成し、この板と外層14bを形成する材料の板とを圧着したクラッド材を管状に加工したり、或いは、内層14aを形成する材料の内管に凸部14dを一体に形成し、この内管と外層14bを形成する材料の外管とを同心状に配置したりすることで得ることができる。

この配管14Bでは、凸部14dの導電率が管部14c（外層14b）の導電率に対して高いことで、誘導電流を凸部14dに多く流すことができ、熱媒体に接触する凸部14dを効果的に発熱させることができる。よって、熱媒体を効果的に加熱することができる。また、管部14cの内周面に複数の凸部14dを設けたことで、凸部14dと熱媒体との接触面積が増えるので、熱媒体をより効率的に加熱することができる。ここで、凸部14dの断面積を大きくすると、抵抗値が下がり発熱し難くなるので、発熱し易い適当な抵抗値となるように、凸部14dの断面積（凸部14dの数やサイズ）を設定することが好ましい。さらに、凸部14dに銅やアルミニウム又はその合金を使用すると、凸部14aから熱媒体への熱伝導を効率よく行うことができる。

図４（C）に例示する配管14Cは、熱媒体の流路となる管部14cとこの管部14c内に配置された内部導体14eとを有する。例えば、内部導体14eには、銅やアルミニウム又はその合金が使用され、管部14cには、鉄、チタン又はその合金或いはステンレスが使用されており、内部導体14eの導電率が管部14cの導電率に対して高くなるように設計されている。また、内部導体14eは、長手方向に一連に延びており、この例では、断面が略矩形の線材である。

この配管14Cでは、内部導体14eの導電率が管部14cの導電率に対して高いことで、誘導電流を内部導体14eに多く流すことができ、熱媒体に接触する内部導体14eを効果的に発熱させることができる。よって、熱媒体を効果的に加熱することができる。ここで、内部導体14eの断面積を大きくすると、抵抗値が下がり発熱し難くなるので、発熱し易い適当な抵抗値となるように、内部導体14eの断面積（内部導体14eの数やサイズ）を設定することが好ましい。さらに、内部導体14eに銅やアルミニウム又はその合金を使用すると、内部導体14eから熱媒体への熱伝導を効率よく行うことができる。なお、この例では、内部導体14eが断面矩形の線材である場合を例に挙げているが、これに限定されるものではなく、内部導体14eの形態が棒材や板材であってもよいし、内部導体14eの断面形状が円形や矩形以外の多角形であってもよい。また、内部導体14e断面の外周の長さが長くなるように、内部導体14eの断面外形形状を選択すると、内部導体14eと熱媒体との接触面積を増やすことができ、熱媒体をより効率的に加熱することができる。

以上説明した配管の構成では、配管の内側と外側とで異なる導電性金属が使用されている。図４（A）、（B）に例示した配管14A,14Bの場合、内側を形成する材料（配管14Aの内層14a、配管14Bの凸部14d（管部14cの内層14a））と接続導体141（図３参照）とは、配管の外側を形成する材料（配管14Aの外層14b、配管14Bの管部14cの外層14b）を介して間接的に電気的に接続されることになる。また、図４（C）に例示した配管14Cでは、説明を分かり易くするために、図面上は内部導体14eが管部14cに接触していないように示しているが、実際には、内部導体14eが長手方向の全長に亘って浮遊しておらず、内部導体14eと管部14cの内周面とが接触する箇所が存在する。よって、配管14Cの場合も、内側を形成する材料（配管14Cの内部導体14e）と接続導体141（図３参照）とは、配管14Cの管部14cを介して間接的に電気的に接続されることになる。

ここで、配管の内側を形成する材料と外側を形成する材料との接触が不十分である場合などは、誘導電流が流れたときに、部分放電が発生する虞がある。そこで、例えば配管14A,14Bの場合、外層14bに開孔を設け、露出した内層14aと接続導体141（図３参照）とを直接的に電気的に接続してもよい。一方、例えば配管14Cの場合、管部14cの周壁に貫通孔を設け、この貫通孔からシールした状態で内部導体14eを外部に引き出して、内部導体14eと接続導体141（図３参照）とを直接的に電気的に接続してもよい。また、配管14Cの場合、例えば図５に示すように、配管14C（管部14c）の開口端部に端部継手145を接続し、開口端部から延出させた内部導体14eを端部継手145の周壁に設けた貫通孔からシールした状態で引き出して、内部導体14eと接続導体141（図３参照）とを直接的に電気的に接続してもよい。

（変形例２）
上記した実施の形態１に係る誘導加熱装置101では、ステータ部12の突起部121の断面（突出方向と直交する方向の断面）が略矩形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、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挙げられる。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をスキュー構造としてもよい。

＜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、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に係る誘導加熱装置101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、回転体と共にコイルが回転することにより、突起部を通過する磁束が変化することで、突起部に配置されたコイル状の配管に誘導電流を発生させ、誘導電流により配管を発熱させることによって配管内の水を加熱する。誘導加熱装置10は、熱媒体が流通するコイル状の配管に誘導電流を誘起させ、主としてこの誘導電流により配管を発熱させることによって配管内の熱媒体を加熱するため、発熱量が高く、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。例えば、配管の外周に断熱材を適切に配置したり、熱媒体の流量も適切に設定したりすることで、配管材料が熔解する温度付近まで配管温度を上げることができる。また、誘導加熱装置10は、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℃〜550℃）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、配管に流通す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。

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、配管の材料や形状、構成などを適宜変更することが可能である。

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や暖房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。

10,101 誘導加熱装置 P 発電システム
11 回転体
111 凸部
12 ステータ部
121 突起部 125 ヨーク部
14,14A,14B,14C 配管
141 接続導体
14a 内層 14b 外層 14c 管部
14d 凸部 14e 内部導体
145 端部継手
15 磁束発生部（コイル）
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

Claims (9)

1. 熱媒体を加熱する誘導加熱装置であって、
   回転軸を有する回転体と、
   前記回転体と間隔をあけて配置され、前記回転体の方向に突出する磁性材料からなる突起部を有するステータ部と、
   前記突起部の外周に配置され、前記熱媒体の流路となる導電性金属からなるコイル状の配管と、を備え、
   前記回転体には、前記突起部を突出方向に通過する磁束を発生する磁束発生部が設けられており、
   前記配管の端部同士が接続導体で電気的に接続されていることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記配管全体の抵抗値が、前記接続導体の抵抗値に対して高いことを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記配管には、鉄、チタン及びその合金並びにステンレスからなる群から選択される少なくとも一種が使用され、
   前記接続導体には、銅、アルミニウム及びその合金からなる群から選択される少なくとも一種が使用されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記配管が、前記熱媒体の流路となる内層と、前記内層の外周に配置された外層と、を有する多層管であり、
   前記内層の導電率が、前記外層の導電率に対して高いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。
5. 前記配管が、前記熱媒体の流路となる管部と、前記管部の内周面から内方に突出し長手方向に延びる少なくとも一つの凸部と、を有し、
   前記凸部の導電率が、前記管部の導電率に対して高いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。
6. 前記配管が、前記熱媒体の流路となる管部と、前記管部内に配置され長手方向に延びる内部導体と、を有し、
   前記内部導体の導電率が、前記管部の導電率に対して高いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。
7. 前記磁束発生部から発生する磁束が、コイルによるものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。
8. 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１〜７のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の誘導加熱装置と、
   前記誘導加熱装置により加熱した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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