特開 2025-14873 発熱装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025014873

(43)【公開日】2025-01-30

(54)【発明の名称】発熱装置

(51)【国際特許分類】

   F24V 40/00 20180101AFI20250123BHJP

   F24H 1/20 20220101ALI20250123BHJP

【ＦＩ】

F24V40/00

F24H1/20 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023117800

(22)【出願日】2023-07-19

(71)【出願人】

【識別番号】000138521

【氏名又は名称】株式会社ユタカ技研

(71)【出願人】

【識別番号】504300088

【氏名又は名称】国立大学法人北海道国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】110001999

【氏名又は名称】弁理士法人はなぶさ特許商標事務所

(74)【代理人】

【識別番号】110002192

【氏名又は名称】弁理士法人落合特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木谷 悟

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】村上 雄紀

(72)【発明者】

【氏名】松村 昌典

【テーマコード（参考）】

3L122

【Ｆターム（参考）】

3L122AA02

3L122AA22

3L122AB30

3L122AB42

(57)【要約】

【課題】回転エネルギーを熱エネルギーに変換する、構造簡単な発熱装置を提供する。
【解決手段】
発熱装置１は、内部に環状の第１ステータ２を回動不能に固定した密閉容器３と、密閉容器内に充填される流体５と、第１ステータに対向して密閉容器の内部に回転自在に配置され、第１ステータとの間に前記流体の螺旋状流路７を形成する環状のポンプ６と、該ポンプを一端部８ａに回転不能に支持するとともに、密閉容器から突出する他端部８ｂを回転動力の動力源９に接続する動力伝達軸８と、該動力伝達軸を密閉容器に回転可能に支持する軸受け部材１７ａ，１７ｄと、ポンプと第１ステータとの間で、密閉容器に回転不能、且つ取り外し可能に固定される第２ステータ１０と、密閉容器の外壁に設けられた放熱部４とを備え、動力源の動力により螺旋状流路内の流体を攪拌し、流体摩擦により発生する流体の熱を放熱部より放出して熱媒１１との間で熱交換を行わせる。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に環状の第１ステータを回動不能に固定した密閉容器と、
前記密閉容器内に充填される流体と、
前記第１ステータに対向して前記密閉容器の内部に回転自在に配置され、前記第１ステータとの間に前記流体の螺旋状流路を形成する環状のポンプと、
前記ポンプを一端部に回転不能に支持するとともに、前記密閉容器から突出する他端部を回転動力の動力源に接続する動力伝達軸と、
前記動力伝達軸を前記密閉容器に回転可能に支持する軸受け部材と、
前記ポンプと前記第１ステータとの間で、前記密閉容器に回転不能、且つ取り外し可能に固定される第２ステータと、
前記密閉容器の外壁に設けられた放熱部と、を備え、
前記動力源の動力により前記螺旋状流路内の前記流体を攪拌し、流体摩擦により発生する前記流体の熱を前記放熱部より放出して外部の熱媒との間で熱交換を行わせることを特徴とする発熱装置。

【請求項2】

請求項１に記載の発熱装置であって、
前記第１，第２ステータは、各々内周部にステータハブを有しており、前記第１ステータの第１ステータハブは、前記第２ステータの第２ステータハブを取り外し可能に固定し得る回り止め部を有していることを特徴とする発熱装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の発熱装置であって、
前記第１，第２ステータは、各々同一枚数の複数のステータブレードを有しており、前記第２ステータは、当該第２ステータの第２ステータブレードを、前記第１ステータの第１ステータブレードに対して任意の位相で装着し得るようにして、前記密閉容器に取り外し可能に固定されることを特徴とする発熱装置。

【請求項4】

請求項１または請求項２に記載の発熱装置であって、
前記第２ステータは、前記第１ステータが有する複数の第１ステータブレードと異なる枚数の複数の第２ステータブレードを有し、前記密閉容器に取り外し可能に固定されることを特徴とする発熱装置

【請求項5】

請求項２に記載の発熱装置であって、
前記第１ステータは前記密閉容器と一体に形成され、前記第１ステータハブに、前記動力伝達軸との間で前記密閉容器内の流体を封止するシール部と、前記動力伝達軸を前記密閉容器内で回転させるための軸受け部材とを有していることを特徴とする発熱装置。

【請求項6】

請求項１に記載の発熱装置であって、
前記密閉容器は、重力方向と平行に延びる前記動力伝達軸を上面から突出させていることを特徴とする発熱装置。

【請求項7】

請求項１または請求項６に記載の発熱装置であって、
前記放熱部は、少なくとも一部が径方向で前記螺旋状流路と重なっていることを特徴とする発熱装置。

【請求項8】

請求項１または請求項６に記載の発熱装置であって、
前記密閉容器は、熱媒が充填されて密閉された貯湯タンク内に収納されて、前記動力伝達軸の他端部が前記貯湯タンクから突出し、前記貯湯タンクと前記貯湯タンクの外部に配置された熱交換装置との間に、前記熱媒を前記貯湯タンクと前記熱交換装置との間で循環させる循環配管が接続され、前記貯湯タンク内の前記密閉容器の外側で前記動力伝達軸には、該動力伝達軸の外周から放射状に延びる複数枚の攪拌翼が、前記密閉容器の少なくとも前記放熱部の一部を覆うように取り付けられることを特徴とする発熱装置。

【請求項9】

請求項８に記載の発熱装置であって、
前記循環配管の前記貯湯タンクへの入り口から前記貯湯タンク内に延びる前記循環配管の延長部分が、前記攪拌翼の内周側で開口することを特徴とする発熱装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内部にステータを回動不能に固定した密閉容器と、その密閉容器内に充填される流体と、ステータに対向して密閉容器内に回転自在に配置され、ステータとの間に前記流体の螺旋状流路を形成するポンプと、該ポンプを一端部側に回転不能に支持するとともに、密閉容器から突出する他端部を回転動力の動力源に接続する動力伝達軸と、その動力伝達軸を密閉容器に回転可能に支持する軸受け部材とを備え、動力源の回転動力でポンプを回転させ、密閉容器内の流体を撹拌することで回転エネルギを熱エネルギに変換する発熱装置に関する。

【背景技術】

【0002】

このような発熱装置を風車や軸流水車等の動力源に接続して、密閉容器内に充填された流体を撹拌し、撹拌により加熱された流体を熱エネルギとして外部に取り出すことが、特許文献１に開示されているように公知である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】実公昭５８－４９００５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１に開示されたものは、ポンプ５を一端部側に支持した動力伝達軸３を、動力源の回転動力で回転させつつ、流体としての水を密閉容器の流入口１ｃから注入することで、ポンプ５のブレードによって加速された水を螺旋状流路内でステータ２のブレード２ａに衝突させ、この衝突によってポンプ５の回転エネルギを熱エネルギに変換して水を加熱するように構成している。加熱された水は、遠心力によりステータ２及びポンプ５の間隙を経て密閉容器内のポンプ５の背面側に流出し、流出口８から排出されることで、回転エネルギを熱エネルギとして外部に取り出すことができる。

【0005】

しかしながらこのものは、密閉容器内の加圧された水が動力伝達軸３から軸受部に流出しないようにするためのシール構造が複雑で、これにより部品点数が増加してコスト増を招くとともに、加熱された水をそのまま外部に流出させているので熱効率的にも問題があった。しかもこのものは、多種多様な風車等に合わせてその特性を変更したい場合に、ステータ２もしくはポンプ５の形状を大きく変えなければならないのでその変更が容易でなく、またコストの増大が避けられないものであった。

【0006】

本発明は、上記に鑑み提案されたもので、シール構造が簡略で部品点数が削減され熱効率も優れたるとともに、その特性を多種多様な風車等に簡単に適合させることができる発熱装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明は、内部に環状の第１ステータを回動不能に固定した密閉容器と、前記密閉容器内に充填される流体と、前記第１ステータに対向して前記密閉容器の内部に回転自在に配置され、前記第１ステータとの間に前記流体の螺旋状流路を形成する環状のポンプと、前記ポンプを一端部に回転不能に支持するとともに、前記密閉容器から突出する他端部を回転動力の動力源に接続する動力伝達軸と、前記動力伝達軸を前記密閉容器に回転可能に支持する軸受け部材と、前記ポンプと前記第１ステータとの間で、前記密閉容器に回転不能、且つ取り外し可能に固定される第２ステータと、前記密閉容器の外壁に設けられた放熱部と、を備え、前記動力源の動力により前記螺旋状流路内の前記流体を攪拌し、流体摩擦により発生する前記流体の熱を前記放熱部より放出して外部の熱媒との間で熱交換を行わせることを第１の特徴とする。

【0008】

また本発明は、第１の特徴に加えて、前記第１，第２ステータは、各々内周部にステータハブを有しており、前記第１ステータの第１ステータハブは、前記第２ステータの第２ステータハブを取り外し可能に固定し得る回り止め部を有していることを第２の特徴とする。

【0009】

また本発明は、第１または第２の特徴に加えて、前記第１，第２ステータは、各々同一枚数の複数のステータブレードを有しており、前記第２ステータは、当該第２ステータの第２ステータブレードを、前記第１ステータの第１ステータブレードに対して任意の位相で装着し得るようにして、前記密閉容器に取り外し可能に固定されることを第３の特徴とする。

【0010】

また本発明は、第１または第２の特徴に加えて、前記第２ステータは、前記第１ステータが有する複数の第１ステータブレードと異なる枚数の複数の第２ステータブレードを有し、前記密閉容器に取り外し可能に固定されることを第４の特徴とする。

【0011】

また本発明は、第２の特徴に加えて、前記第１ステータは前記密閉容器と一体に形成され、前記第１ステータハブに、前記動力伝達軸との間で前記密閉容器内の流体を封止するシール部と、前記動力伝達軸を前記密閉容器内で回転させるための軸受け部材とを有していることを第５の特徴とする。

【0012】

また本発明は、第１の特徴に加えて、前記密閉容器は、重力方向と平行に延びる前記動力伝達軸を上面から突出させていることを第６の特徴とする。

【0013】

また本発明は、第１または第６の特徴に加えて、前記放熱部は、少なくとも一部が径方向で前記螺旋状流路と重なっていることを第７の特徴とする。

【0014】

また本発明は、第１または第６の特徴に加えて、前記密閉容器は、熱媒が充填されて密閉された貯湯タンク内に収納されて、前記動力伝達軸の他端部が前記貯湯タンクから突出し、前記貯湯タンクと前記貯湯タンクの外部に配置された熱交換装置との間に、前記熱媒を前記貯湯タンクと前記熱交換装置との間で循環させる循環配管が接続され、前記動力伝達軸には該動力伝達軸の外周から放射状に延びる複数枚の攪拌翼が、前記密閉容器の少なくとも前記放熱部の一部を覆うように取り付けられることを第８の特徴とする。

【0015】

また本発明は、第８の特徴に加えて、前記循環配管の前記貯湯タンクへの入り口から前記貯湯タンク内に延びる前記循環配管の延長部分が、前記攪拌翼の内周側で開口することを第９の特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明の第１の特徴によれば、密閉容器の内部に回動不能に固定された環状の第１ステータに、動力源に接続した環状のポンプを対向させ、該環状のポンプを動力源の回転動力で回転させることで、第１ステータおよびポンプ間の螺旋状流路内の流体を攪拌し、流体摩擦により発生する流体の熱を放熱部より放出して外部の熱媒との間で熱交換を行わせる発熱装置が、第１ステータに加えて第２ステータを備えるので、流体の抵抗が大きくなり、動力源から伝達される回転エネルギーを効率よく熱エネルギーに変換することができる。しかも攪拌される流体が密閉容器内に封入されているので、シール構造が複雑化することもない。

【0017】

また、発熱装置を風車に接続する場合、発熱装置のポンプ容量を、風車のパワー係数が最大となる周速比（風車翼の先端速度と風速との比）を得られるように調整することで、風車効率を最大化できるのであるが、本発明の第１の特徴によれば、第２ステータが密閉容器に回転不能且つ取り外し可能に固定されるので、様々な風車の特性に合わせたポンプ容量の変更が、第２ステータのブレードを変更するだけで可能となり、ポンプおよび第１ステータの翼形状を変更することなく、多種多様な風車に適合するポンプ容量を得ることが可能となる。

【0018】

しかも本発明の発熱装置は、入力トルクが回転数の二乗に比例する流体継手構造を有するので、発熱装置の動力伝達軸に接続される風車の出力トルクを、常に風車の回転数の二乗に比例させることができる。そのため、一旦、発熱装置のポンプ容量を風車のパワー係が最大となる周速比を得るように調整してしまえば、風速が変化してもパワー係数が常時最大となるような周速比を得ることができるから、風車に対して特別な制御を行うことなく、風車を常に最大の効率で運転することができる。

【0019】

また本発明の第２の特徴によれば、第１，第２ステータは、各々内周部にステータハブを有しており、第１ステータの第１ステータハブは、第２ステータの第２ステータハブを取り外し可能に固定し得る回り止め部を有しているので、重量やコストを増加させることのない簡素な構成で、様々な形状の第２ステータを追加することができる。

【0020】

また本発明の第３の特徴によれば、第１，第２ステータは、各々同一枚数の複数のステータブレードを有しており、第２ステータは、当該第２ステータの第２ステータブレードを、第１ステータの第１ステータブレードに対して任意の相対取付角度（位相）で装着し得るので、第２ステータの第１ステータに対する位相を変更するだけで、簡単にポンプ容量の変更が可能となって、様々な風車に最適な発熱装置を容易に提供できる。

【0021】

また本発明の第４の特徴によれば、第２ステータは、第１ステータが有する複数の第１ステータブレードと異なる枚数の複数の第２ステータブレードを有するので、第２ステータの第１ステータに対する取付角度が変わっても、ポンプ容量のバラツキを抑えることができる。

【0022】

また本発明の第５の特徴によれば、第１ステータは密閉容器と一体に形成され、動力伝達軸との間で密閉容器内の流体を封止するシール部と、動力伝達軸を密閉容器内で回転させるための軸受け部材とを第１ステータハブに有しているので、第１ステータハブに、第２ステータの保持機能に加えてシール機能と軸受け機能とを持たせることができて、発熱装置のコンパクト化に寄与することができる。

【0023】

また本発明の第６の特徴によれば、密閉容器は、重力方向と平行に延びる前記動力伝達軸を上面から突出させているので、動力伝達軸を地面に対し垂直に配置できる。そのため、密閉容器を地面や建屋近くに設置できるので、それを支える支柱等を簡素化でき、コストおよび重量を削減できる。

【0024】

また更に、本発明の第７の特徴によれば、放熱部は、少なくとも一部が径方向で螺旋状流路と重なっているので、放熱部を発熱源である螺旋状流路に近づけることができるため、密閉容器を水槽や貯湯タンク内で駆動する際に、密閉容器から水槽や貯湯タンク内の熱媒への熱伝導性が向上して、熱媒を素早く暖めることができる。

【0025】

また、本発明の第８の特徴によれば、熱媒が充填されて密閉された貯湯タンク内に、動力伝達軸の他端部を貯湯タンクから突出させるようにして密閉容器が収納され、貯湯タンクと該貯湯タンクの外部に配置された熱交換装置との間に、熱媒を貯湯タンクと熱交換装置との間で循環させる循環配管が接続されるので、動力伝達軸の回転を受けて発熱する密閉容器の熱を、貯湯タンクと循環配管とに充填された熱媒により貯湯タンク外の熱交換装置に送り出して熱交換を行わせることができる。しかも、貯湯タンク内の密閉容器の外側で動力伝達軸には、該動力伝達軸の外周から放射状に延びる複数枚の攪拌翼が、密閉容器の少なくとも放熱部の一部を覆うように取り付けられるので、動力伝達軸に取り付けた攪拌翼が回転することで貯湯タンク内の熱媒が攪拌され、密閉容器からの放熱を促進することができる。

【0026】

また更に、本発明の第９の特徴によれば、動力伝達軸に取り付けた攪拌翼が回転することで貯湯タンク内の熱媒が回転運動をし、その熱媒の回転運動によって攪拌翼の外周側が高圧となるとともに内周側が低圧となって遠心ポンプと同様の作用が行われるため、循環配管の貯湯タンクへの入り口から貯湯タンク内に延びる循環配管の延長部分を、攪拌翼の内周側で開口させることで、攪拌翼にポンプ作用を行わせることが可能となる。そのため循環配管の途中に循環ポンプを設ける必要がなくなり部品点数の削減、構造の簡素化に寄与し得る。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】図１は、第１実施形態の発熱装置を水槽内に設置して、垂直軸型風車と熱交換装置とに接続したときの構成を模式的に示す縦断面図である。

【図2】図２は、図１のＡ部拡大図である。

【図3】図３（Ａ）は、第１実施形態の発熱装置における第１、第２ステータの位相を一致させて両者を重ね合わせたときの第１、第２ステータブレードの重なり具合を示す概略平面図であり、図３（Ｂ）は両者の位相を異ならせて重ね合わせたときの概略平面図である。また図３（Ｃ）は両ステータの位相の変化に対するポンプ容量τの変化を表すグラフである。

【図4】図４（Ａ）は、第２実施形態の発熱装置における第１、第２ステータを重ねた合わせときの第１、第２ステータブレードの重なり具合を示す概略平面図であり、図４（Ｂ）は両ステータの位相の変化に対するポンプ容量τの変化を表すグラフである。

【図5】図５は、第３実施形態の発熱装置を水槽内に設置したときの構成を模式的に示す縦断面図である。

【図6】図６は、第３実施形態の攪拌翼を模式的に示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

本発明の第１～第３実施形態を、添付図面に基づいて以下に説明する。

【0029】

第１実施形態の発熱装置１は、図１と、図１のＡ部拡大図である図２に示すように、周方向に等間隔に並ぶ複数の第１ステータブレード２ａを有する環状の第１ステータ２と、その第１ステータ２を内部に回動不能に固定した密閉容器３と、その密閉容器３の外壁に設けられたフィン状の放熱部４と、その密閉容器３内に充填される液体としてのオイル５と、第１ステータ２の第１ステータブレード２ａに対向する複数のブレード６ａを有して密閉容器３内に回転自在に配置されるとともに、第１ステータ２との間にオイル５の螺旋状流路７を形成する環状のポンプ６と、該ポンプ６のハブ６ｂを一端部８ａ側に回転不能に支持するとともに、密閉容器３から突出する他端部８ｂを回転動力の動力源としての風車９に接続する動力伝達軸８と、ポンプ６と第１ステータ２との間で密閉容器３に回転不能且つ取り外し可能に固定される第２ステータ１０とを備える。

【0030】

密閉容器３は、水等の熱媒１１が充填されて密閉された貯湯タンク１２内に収納されて、動力伝達軸８を重力方向に向けて建屋等の床１３に固定的に配置されており、上半部３ａと下半部３ｂとの接合により密封されている。貯湯タンク１２と外部の熱交換装置１４との間には、熱媒１１を貯湯タンク１２と熱交換装置１４との間で循環させる循環配管１５が接続されており、循環配管１５の途中には図示せぬ循環ポンプが介在する。

【0031】

貯湯タンク１２の床面１２ａ上には、密閉容器３を固定する台座１２ｂが固定されており、台座１２ｂの上面と密閉容器３の下半部３ｂの下面との間にも熱媒１１が流通して、密閉容器３内のオイル５との間で熱交換を行う。循環配管１５は、貯湯タンク１２への入り口１５ａを下側、貯湯タンク１２からの出口１５ｂを上側として貯湯タンク１２の側壁に取り付けられる。また、動力伝達軸８が貯湯タンク１２から突出する部分には、シール部材１２ｃが配置される

【0032】

図２に示すように、本実施形態では、第１ステータ２が密閉容器３の一部を構成するようにして密閉容器３の上半部３ａに形成されており、該上半部３ａの中央には、密閉容器３のハブを兼ねる第１ステータ２の第１ステータハブ２ｂが、動力伝達軸８を回転可能に貫通させるように形成されている。動力伝達軸８と対向する第１ステータハブ２ｂの内周面には、動力伝達軸８との間で密閉容器３内のオイル５を封止するシール部１６と、動力伝達軸８を密閉容器３内で回転させるための軸受け部材１７ａとが配置される。

【0033】

第２ステータ１０は、動力伝達軸８を相対回転可能に囲む第２ステータハブ１０ｂを内周部に有しており、その第２ステータハブ１０ｂを第１ステータ２の第１ステータハブ２ｂおよびポンプ６のハブ６ｂの両方に対向させるようにして、ポンプ６と第１ステータ２との間に配置される。第２ステータ１０は、第１ステータブレード２ａと同数で第２ステータハブ１０ｂの外周から径方向外方に延びる第２ステータブレード１０ａを有しており、該第２ステータブレード１０ａは第１ステータブレード２ａとポンプ６のブレード６ａとの間に配置される。

【0034】

第１ステータハブ２ｂの密閉容器３内面側の軸方向最内方部分には、動力伝達軸８を相対回動可能に囲むようにして第２ステータハブ１０ｂの内周面側に突出する円筒部２ｃが形成されており、その円筒部２ｃの下端部を径方向内方に縮径して形成した段部２ｄに、第２ステータ１０のハブ１０ｂの内周下部に形成された内向きの筒部１０ｃが取り外し可能に嵌合する。第１ステータ２の段部２ｄに連続する円筒部２ｃの外周面には径方向外方に突出する複数の外向き歯２ｅが形成されており、この外向き歯２ｅに、ハブ１０ｂの筒部１０ｃの上面から径方向内方に突出する複数の内向き歯１０ｄが取り外し可能に固定される。なお、これら外向き歯２ｅおよび内向き歯１０ｄは、第２ステータハブ１０ｂを第１ステータハブ２ｂに取り外し可能に固定するための回り止め部を構成する。

【0035】

第１ステータハブ２ｂの外向き歯２ｄと、第２ステータハブ１０ｂの内向き歯１０ｃとは全て同じピッチで形成されており、そのため第２ステータハブ１０ｂの内向き歯１０ｃを第１ステータハブ２ｂの外向き歯２ｄから取り外した後、この内向き歯１０ｃを第１ステータハブ２ｂの別の外向き歯２ｄと噛合わせて嵌め込むことで、第１ステータ２の第１ステータブレード２ａと第２ステータ１０の第２ステータブレード１０ａとの相対取付角度、即ち位相を変更することができる。

【0036】

図３（Ａ），（Ｂ）は、第１実施形態の発熱装置１における第１，第２ステータ２，１０を重ね合わせたときの第１，第２ステータブレード２ａ，１０ａの重なり具合を示す概略平面図である。図３（Ａ）は、第１ステータ２の第１ステータブレード２ａと第２ステータ１０の第２ステータブレード１０ａとの位相が同位相である状態を示しており、図３（Ｂ）は、第１，第２ステータブレード２ａ，１０ａの位相がズレている状態を示している。また、図３（Ｃ）のグラフは第１ステータブレード２ａに対する第２ステータブレード１０ａの位相角度のズレ量と、発熱装置１のポンプ容量τとの関係を示すものであり、図３（Ｃ）のグラフから明らかなように、第１，第２ステータブレード２ａ，１０ａの位相のズレが小さいほど発熱装置１のポンプ容量τが大きくなることから、第２ステータハブ１０ｂを第１ステータハブ２ｂから一旦取り外した後、第１ステータブレード２ａに対する第２ステータブレード１０ａの位相を変更した上で再度取り付けることにより、発熱装置１のポンプ容量τを変更することが可能となる。

【0037】

動力伝達軸８にはポンプ６のハブ６ｂが回動不能にスプライン嵌合６ｃしており、動力伝達軸８の一端部８ａの下端は密閉容器３の下半部３ｂ中央の係合穴３ｃ内で軸受け部材１７ｄにより回転自在に保持されている。また、ポンプ６のハブ６ｂの下面は前記係合穴３ｃの周囲に配置された軸受け部材１７ｃにより回転自在に支えられるとともに、ポンプ６のハブ６ｂの上面と第２ステータ１０の第２ステータハブ１０ｂの下面との間にも軸受け部材１７ｂが配置されて、ポンプ６を、密閉容器３の下半部３ｂ上面と第２ステータハブ１０ｂの下面との間に回転自在に支持している。

【0038】

水等の熱媒１１を貯湯タンク１２との間で循環させる熱交換装置１４は、熱エネルギーを直接使用する融雪用温水パネルであってもよく、放熱器や熱媒体の熱エネルギを回転エネルギ等の機械的エネルギに変換する熱機関であってもよい。また更に、熱媒体の熱エネルギを蓄熱する蓄熱器とすることも可能である。なお、例えば風車９の回転エネルギを電気エネルギに変換し、発生した電気エネルギを蓄電するものにおいては、高価な蓄電池を使用することが必須となるが、蓄熱器は蓄電池と比べると安価であり、しかも放電の心配も無いので、回転エネルギを熱エネルギとして蓄熱器に蓄えるのは有効なエネルギ貯留手段といえる。

【0039】

また本実施形態では、密閉容器３から重力方向上方に延びる動力伝達軸８を、垂直軸型の風車９の垂直軸９ａに直接接続しているが、動力伝達軸８の延びる方向は水平方向であってもよく、風車９の形状も特に垂直軸型に限定されるものではない。また更に、動力源としては回転動力を生み出すものであれば風車以外の例えば水車等を用いてもよい。

【0040】

このように構成された本実施形態の発熱装置１では、風車９に接続された動力伝達軸８が風車９の動力で回転することで、ポンプ６のブレード６ａと第１，第２ステータ２，１０のブレード２ａ，１０ａとの間で、通常の流体継手と同様のオイル５の螺旋状の流動が発生する。しかしながら通常の流体継手と異なり、第１，第２ステータ２，１０のブレード２ａ，１０ａが、建屋の床１３等に固定的に配置された密閉容器３に回動不能に固定されているので、ポンプ６のブレード６ａと第１，第２ステータ２，１０のブレード２ａ，１０ａとの間でオイル５が攪拌され、流体摩擦による発熱が生じてオイル５の温度が上昇する。温度が上昇したオイル５は、密閉容器３の外壁に設けられたフィン状の放熱部４を介して貯湯タンク１２内に充填された熱媒１１と熱交換して冷却される一方、貯湯タンク１２内の熱媒１１は、図示せぬ循環ポンプにより熱交換装置１４に送られて熱交換装置１４との間で熱交換が行われる。

【0041】

なお、風のエネルギを風車９によって機械的動力に変換する際は、その変換効率であるパワー係数Ｃｐを最大にすることが望ましい。風車９のパワー係数Ｃｐは、風車翼９ｂの先端速度Ｖｒと風速Ｖとの比（Ｖｒ／Ｖ）である周速比λに対応して放物線状に変化するので、その変化の途中にパワー係数Ｃｐを最大とする周速比λが存在する。そこで発熱装置１を風車９に接続する場合には、風車９のパワー係数Ｃｐが最大となる周速比λを得るように発熱装置１のポンプ容量τを調整することで、風車効率を最大化することができる。

【0042】

ところで、風車９の回転エネルギの変換に流体継手を使用しない従来の風車では、風速Ｖが変わると風車回転数Ｎが変化し、それにより周速比λが変化してしまうため、特定の風速Ｖでパワー係数Ｃｐを最大とする周速比λが得られても、風速Ｖが変化するとパワー係数Ｃｐを最大とする周速比λが得られなかった。そのため、風速Ｖの変化に対してはピッチ制御や変速機の追加、発電機の負荷制御等で対応せざるを得なかったが、本発明では風車９の回転エネルギを流体継手を用いた発熱装置１で熱エネルギに変換しているので、風速Ｖが変化してもパワー係数Ｃｐを常に最大とする周速比λを得ることができる。その理由を以下に説明する。

【0043】

風車の出力Ｅは、パワー係数をＣｐ、空気密度をρ、翼の受圧面積をＡ、Ｖを風速としたときに、
Ｅ＝Ｃｐ×（１／２）×ρ×Ａ×Ｖ^３ ・・・・・（１）
で表すことができる。
ここで、ｄを回転翼の直径、λを周速比、Ｖｒを風車翼の先端速度、Ｎを風車の回転数とすると、
Ｖ＝Ｖｒ／λ
Ｖｒ＝πｄＮ／６０
であることから、
Ｖ＝πｄＮ／６０λ
と表すことができるから、（１）式は、
Ｅ＝Ｃｐ×（１／２）×ρ×Ａ×（πｄＮ／６０λ）^３・・・・・・（２）
と変形できる。ここで更に、風車の出力トルクをＴとすると、出力トルクＴは、
Ｔ＝６０Ｅ／２πＮ・・・・・（３）
と表せるから、（２）式と（３）式とから、ＴとＮの関係を、
Ｔ＝６０×（Ｃｐ×（１／２）×ρ×Ａ×（πｄＮ／６０λ）^３／２πＮ
＝｛（Ｃｐ×ρ×Ａ×π^２ｄ^３）／（４×６０^２×λ^３）｝×Ｎ^２ ・・・・・（４）
と表すことができる。

【0044】

（４）式は、（Ｃｐ×ρ×Ａ×π^２ｄ^３）／（４×６０^２×λ^３）が一定ならば風車９の出力トルクＴが風車９の回転数Ｎの二乗に比例することを示しているが、逆に、風車９の出力トルクＴを風車９の回転数Ｎの二乗に比例させてやれば、（Ｃｐ×ρ×Ａ×π^２ｄ^３）／（４×６０^２×λ^３）が比例定数となって一定の値に固定されること、即ち、Ｔ∝Ｎ^２であるならば、対応して変化するパワー係数Ｃｐと周速比λとを、風速Ｖの如何に拘わらず常に一定の値に固定できることも示している。しかるに、周知のように流体継手の入力トルクは回転数Ｎの二乗に比例するので、流体継手を発熱装置１として用いることで、発熱装置１の動力伝達軸８に接続される風車９の出力トルクＴを、風車９の回転数Ｎの二乗に比例させることができるため、流体継手を発熱装置１として用い、且つその発熱装置１のポンプ容量τを、風車９のパワー係数Ｃｐが最大となる周速比λを得るように調整することで、風速Ｖが変化してもパワー係数Ｃｐが常に最大となるような周速比λを得ることが可能となるのである。

【0045】

なお、本実施形態の発熱装置１を特性の異なる風車９に適用する場合には、発熱装置１のポンプ容量τがその風車の特性に合っていないことで、風車９のパワー係数Ｃｐを最大とする周速比λを得られなくなってしまうことが考えられるが、本実施形態では、第１，第２ステータ２，１０は、各々同一枚数の複数のステータブレード２ａ，１０ａを有しており、第２ステータ１０は、当該第２ステータ１０の第２ステータブレード１０ａを、第１ステータ２の第１ステータブレード２ａに対して任意の位相で装着し得るので、第２ステータ１０の第１ステータ２に対する相対取付角度（位相）を変更するだけで、簡単にポンプ容量τの変更が可能となって、様々な風車に最適な発熱装置を容易に提供できる。

【0046】

次に、上記構成を備えた本発明の第１実施形態の作用を説明する。

【0047】

本実施形態では、密閉容器３の内部に回動不能に固定された環状の第１ステータ２に、風車９に接続した環状のポンプ６を対向させ、該環状のポンプ６を風車９の回転動力で回転させることで、第１ステータ２およびポンプ６間の螺旋状流路７内のオイル５を攪拌し、流体摩擦により発生するオイル５の熱を放熱部４より放出して外部の熱媒１１との間で熱交換を行わせる発熱装置１が、第１ステータ２に加えて第２ステータ１０を備えるので、オイル５の抵抗が大きくなり、風車９から伝達される回転エネルギーを効率よく熱エネルギーに変換することができる。しかも攪拌されるオイル５が密閉容器３内に封入されているので、シール構造が複雑化することもない。

【0048】

また、発熱装置１を風車９に接続する場合には、風車９のパワー係数Ｃｐが最大となる周速比λ（風車翼９ｂの先端速度Ｖｒと風速Ｖとの比）を得るように発熱装置１のポンプ容量τを調整することで、風車効率を最大化できるのであるが、本発明の第１実施形態では、第２ステータ１０が密閉容器３に回転不能且つ取り外し可能に固定されるので、様々な風車９の特性に合わせたポンプ容量τの変更が、第２ステータ１０の第２ステータブレード１０ａを変更するだけで可能となり、ポンプ６および第１ステータ２の翼形状を変更することなく多種多様な風車９に適合するポンプ容量τを得ることが可能となる。

【0049】

しかも第１実施形態の発熱装置１は、入力トルクＴが回転数Ｎの二乗に比例する流体継手構造を有するので、発熱装置１の動力伝達軸８に接続される風車９の出力トルクを、常時風車９の回転数の二乗に比例させることができる。そのため、一旦、発熱装置１のポンプ容量τを風車９のパワー係数Ｃｐが最大となる周速比λを得るように調整してしまえば、風速Ｖが変化してもパワー係数Ｃｐが常に最大となるような周速比λを得ることができるから、風車９に対して特別な制御を行うことなく、風車９を常に最大の効率で運転することができる。

【0050】

また、第１，第２ステータ２，１０は、各々内周部にステータハブ２ｂ，１０ｂを有しており、第１ステータ２の第１ステータハブ２ｂは、第２ステータ１０の第２ステータハブ１０ｂを取り外し可能に固定し得る回り止め部としての外向き歯２ｄ，内向き歯１０ｃを有しているので、重量やコストを増加させることのない簡素な構成で、様々な形状の第２ステータ１０を付け替えることができる。

【0051】

しかも、これら第１，第２ステータ２，１０は、各々同一枚数の複数のステータブレード２ａ，１０ａを有しており、第２ステータ１０は、当該第２ステータ１０の第２ステータブレード１０ａを、第１ステータ２の第１ステータブレード２ａに対して任意の位相で装着し得るので、第２ステータ１０の第１ステータ２に対する相対取付角度（位相）を変更するだけで、簡単にポンプ容量τの変更が可能となって、様々な風車９に最適な発熱装置１を容易に提供できる。

【0052】

また、第１ステータ２は密閉容器３と一体に形成されており、動力伝達軸８との間で密閉容器３内のオイル５を封止するシール部１６と、動力伝達軸８を密閉容器３内で回転させるための軸受け部材１７ａとを第１ステータハブ２ｂに有しているので、第１ステータハブ２ｂに、第２ステータ１０の保持機能に加えてシール機能と軸受け機能とを持たせることができて、発熱装置１のコンパクト化に寄与することができる。

【0053】

また、密閉容器３は、重力方向と平行に延びる動力伝達軸８を上面から突出させているので、動力伝達軸８を地面に対し垂直に配置できる。そのため、密閉容器３を地面や建屋の床１３近くに設置できて、それを支える支柱等を簡素化でき、コストおよび重量を削減できる。

【0054】

また、放熱部４は、少なくとも一部が径方向で螺旋状流路７と重なっているので、放熱部４を発熱源である螺旋状流路７に近づけることができるため、密閉容器３を貯湯タンク１２内で駆動する際に、密閉容器３から貯湯タンク１２内の熱媒１１への熱伝導性が向上して、熱媒１１を素早く暖めることができる。

【0055】

次に、本発明の第２実施形態の発熱装置を図４に基づいて説明する。

【0056】

本発明の第２実施形態の第１，第２ステータ２，１０を重ね合わせときの第１，第２ステータブレード２ａ，１０ａの重なり具合を示す概略平面図を図４（Ａ）に示す。この図に示すように、本発明の第２実施形態の発熱装置１は、密閉容器３に取り外し可能に固定される第２ステータ１０の第２ステータブレード１０ａが、第１ステータ２の第１ステータブレード２ａと異なる枚数であり、そのため、第１，第２ステータ２，１０を重ね合わせときに、第１，第２ステータブレード２ａ，１０ａが、いかなる相対取付角度（位相）でもバラバラな位置関係で重なるように構成されている点でのみ、第１実施形態の発熱装置１と異なっている。

【0057】

図４（Ｂ）のグラフは、第２実施形態の第１ステータブレード２ａに対する第２ステータブレード１０ａの位相角度のズレ量と、発熱装置１のポンプ容量τとの関係を示すものであり、このグラフから明らかなように、第２実施形態のものは、第１，第２ステータ２，１０をどのような位相で重ね合わせてもポンプ容量τが略一定となって、ポンプ容量τが位相の違いで変わってしまうことが避けられる。したがって、第２ステータ１０の第２ステータブレード１０ａが、特定のポンプ容量τが得られるような形状に予め定めて作成されている場合には、第１，第２ステータハブ２ｂ，１０ｂの間に取付角度の多少のズレがあっても、第２ステータハブ１０ｂを第１ステータハブ２ｂに取り付けるときに密閉容器３のポンプ容量τが変わってしまうことがなく、予め定めたポンプ容量τを確実に得ることができる。

【0058】

次に、本発明の第３実施形態の発熱装置を図５，図６に基づいて説明する。

【0059】

図５に示すように、本発明の第３実施形態の発熱装置１は、貯湯タンク１２内の密閉容器３の外側で、動力伝達軸８に、該動力伝達軸８の外周から放射状に延びる複数枚の攪拌翼１８が取り付けられている。その攪拌翼は、図６に示すように遠心ポンプのインペラに類似する形状に形成されて、密閉容器３の少なくとも放熱部４の一部（本実施形態では放熱部４全体）を覆っている。また、貯湯タンク１２への入り口１５ａ側の循環配管１５は、図５に示すように、貯湯タンク１２への入り口１５ａから貯湯タンク１２内部まで延長されて、台座１２ｂの上面と密閉容器３の下半部３ｂの下面との間から台座１２ｂ内に入り、密閉容器３の下半部３ｂ中央から動力伝達軸８の内部を通って、その先端１５ｃが攪拌翼１８の内周側の部分で開口している（その際、台座１２ｂおよび密閉容器３の下半部３ｂ中央と動力伝達軸８との間に図示せぬシール部材が介装される。）。

【0060】

このようにすることで、動力伝達軸８に取り付けた攪拌翼１８が回転して貯湯タンク１２内の熱媒１１が攪拌されるから、密閉容器３からの放熱が促進できるのみならず、貯湯タンク１２内の熱媒１１が回転運動をすることで、遠心ポンプと同様に攪拌翼１８の外周側が高圧となり内周側が低圧となるから、攪拌翼１８をポンプとして機能させることができる。したがって、循環配管１５の途中に循環ポンプを設けなくても、攪拌翼１８の内周側の部分に開口する循環配管１５の先端１５ｃから流出させた循環配管１５内の熱媒１１を、貯湯タンク１２内で攪拌させつつ、貯湯タンク１２の周壁に形成した貯湯タンク１２からの出口１５ｂから循環配管１５に送り出して循環させることが可能となって、循環配管１５の途中に循環ポンプを特別に設ける必要がなくなり、部品点数の削減、構造の簡素化に寄与し得る。

【0061】

なお、本実施形態では、攪拌翼１８を動力伝達軸８にボルト１８ａで固定しているが、その固定方法に特に限定はない。また本実施形態では、循環配管１５を密閉容器３の下半部３ｂの下面から動力伝達軸８の内部を経て攪拌翼１８の内周側に開口させているが、循環配管１５の貯湯タンク１２への入り口１５ａから貯湯タンク内に延びる配管を、そのまま貯湯タンク１２で攪拌翼１８の内周側まで導いて攪拌翼１８の内周側で開口させてもよい。またその場合には、台座１２ｂおよび密閉容器３の下半部３ｂ中央と動力伝達軸との間のシール部材は必要ない。

【0062】

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。例えば実施形態では密閉容器３内に充填される液体としてオイル５を用いたが、この液体は水等の別の液体であっても良い。また前述したように、動力伝達軸８の延びる方向は水平方向であっても良く、動力源も風車９に限定されるものではない。また更に、熱交換装置１４も種々の形式のものが選択できる。

【符号の説明】

【0063】

１・・・・発熱装置
２・・・・第１ステータ
２ａ・・・第１ステータブレード
２ｂ・・・第１ステータハブ
３・・・・密閉容器
４・・・・放熱部
５・・・・密閉容器内に充填される流体としてのオイル
６・・・・ポンプ
７・・・・螺旋状流路
８・・・・動力伝達軸
８ａ・・・一端部
８ｂ・・・他端部
９・・・・動力源としての風車
１０・・・第２ステータ
１０ａ・・第２ステータブレード
１０ｂ・・第２ステータハブ
１１・・・熱媒
１２・・・貯湯タンク
１４・・・熱交換装置
１５・・・循環配管
１５ａ・・循環配管の貯湯タンクへの入り口
１６・・・シール部
１７ａ～１７ｄ・・軸受け部材
１８・・・攪拌翼

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】