(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、駆動軸に軸受装置および軸封装置を介して支承されかつ熱媒体用流体の入口および出口が設けられたハウジングの内部に、同心円上に配設した複数の永久磁石群を間隔を隔てて左右に対向配置するとともに、一方の永久磁石群はモーターまたは流体圧シリンダーなどの動力により軸芯回りを所定の角度回動可能に設け、該永久磁石群の間に介在し左右の各永久磁石と僅かなギャップを隔てて対向配置した導体を有する円板が前記駆動軸により回動可能に設けられ、該円板の回動により導体に生じるスリップ発熱により、前記ハウジング内部の熱媒体用流体が加熱される構造となすとともに、前記回動可能な永久磁石群の位相を変えることによりＯＮ／ＯＦＦ制御可能となすとともに、磁界をコントロールすることにより導体に生ずる発熱量を調整可能となしたことを特徴とするマグネット式ヒーター。
【請求項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、駆動軸に軸受装置および軸封装置を介して支承されかつ熱媒体用流体の入口および出口が設けられたハウジングの内部に、導体を有する円板が前記駆動軸により回動可能に設けられ、かつ同心円上に配設した複数の永久磁石群が前記導体の片面と僅かなギャップを隔てて対向配置され、さらに前記複数の永久磁石群と相重なるように同心円上に配設した複数の永久磁石群を前記ハウジングにモーターまたは流体圧シリンダーなどの動力により軸芯回りを所定の角度回動可能に設け、前記円板の回動により導体に生じるスリップ発熱により、前記ハウジング内部の熱媒体用流体が加熱される構造となすとともに、前記回動可能な永久磁石群の位相を変えることによりＯＮ／ＯＦＦ制御可能となすとともに、磁界をコントロールすることにより導体に生ずる発熱量を調整可能となしたことを特徴とするマグネット式ヒーター。
【請求項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。
【請求項４】
導体にエディカレント材を磁石側表面に設けた磁性材、ヒステリシス材またはエディカレント材を用いることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載のマグネット式ヒーター。
【発明の詳細な説明】
【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ともに、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鑑みなされたもので、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、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、その第１の実施態様は駆動軸に軸受装置および軸封装置を介して支承されかつ熱媒体用流体の入口および出口が設けられたハウジングの内部に、同心円上に配設した複数の永久磁石群を間隔を隔てて左右に対向配置するとともに、一方の永久磁石群はモーターまたは流体圧シリンダーなどの動力により軸芯回りを所定の角度回動可能に設け、該永久磁石群の間に介在し左右の各永久磁石と僅かなギャップを隔てて対向配置した導体を有する円板が前記駆動軸により回動可能に設けられ、該円板の回動により導体に生じるスリップ発熱により、前記ハウジング内部の熱媒体用流体が加熱される構造となすとともに、前記回動可能な永久磁石群の位相を変えることによりＯＮ／ＯＦＦ制御可能となすとともに、磁界をコントロールすることにより導体に生ずる発熱量を調整可能となしたことを特徴とし、また第２の実施態様は駆動軸に軸受装置および軸封装置を介して支承されかつ熱媒体用流体の入口および出口が設けられたハウジングの内部に、導体を有する円板が前記駆動軸により回動可能に設けられ、かつ同心円上に配設した複数の永久磁石群が前記導体の片面と僅かなギャップを隔てて対向配置され、さらに前記複数の永久磁石群と相重なるように同心円上に配設した複数の永久磁石群を前記ハウジングにモーター駆動または流体圧シリンダーなどの動力により軸芯回りを所定の角度回動可能に設け、前記円板の回動により導体に生じるスリップ発熱により、前記ハウジング内部の熱媒体用流体が加熱される構造となすとともに、前記回動可能な永久磁石群の位相を変えることによりＯＮ／ＯＦＦ制御可能となすとともに、磁界をコントロールすることにより導体に生ずる発熱量を調整可能となしたことを特徴とし、さらに前記永久磁石に替えてサーマルフェライトを用いたり、前記導体にエディカレント材を磁石側表面に設けた磁性材、ヒステリシス材またはエディカレント材を用いたりするものである。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。
【０００７】
すなわち、基本的には永久磁石、サーマルフェライトなどの磁石と、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、発熱体にエディカレント材または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。
【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主に意味する。
【０００９】
本発明において、固定の永久磁石を同心円上に配設した複数の永久磁石群とし、かつ一方の磁石群を回動式にして位相を可変としたのは、固定の永久磁石に対して回動式の永久磁石群の位相を変えることにより当該マグネット式ヒーターのＯＮ／ＯＦＦ制御を容易に行うことができるのみならず、磁界をコントロールすることにより発熱量を調整できるからである。
【００１０】
ハウジングの内部に導入された熱媒体用流体は、固定の永久磁石と回動する導体との左右のギャップ間、または固定の永久磁石と回動する導体とのギャップ間および導体の永久磁石と反対面側を通流する際に導体に直接（または間接）に接触して熱交換が行われる。
【００１１】
また、本発明における回転駆動源としては、エンジンによりプーリなどを介して駆動軸を駆動する方式、あるいはエンジンとは別設の専用のモーターや風力、水力などを用いることができる。
【００１２】
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、永久磁石に替えてサーマルフェライトを用いた場合も自動的にＯＮ／ＯＦＦ制御が可能となる。
【００１３】
本発明は導体側の回転により当該導体が発熱し、磁石も導体からの輻射熱により磁力は少し弱まり、駆動トルクは多少減少するが、前記したビスカス式ヒーター程の比ではなく、発熱量は高い値を維持し続けることができる。
【００１４】
【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は同上のマグネット式ヒーターの背面図、図３は同上のマグネット式ヒーターの永久磁石群の回動機構の他の例を示したもので、（Ａ）は要部の縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）の背面図、図４は同上マグネット式ヒーターの永久磁石の極配置例を示す説明図、図５は同上マグネット式ヒーターのＯＮ／ＯＦＦ時の磁石構成を示す説明図で、（Ａ）はＯＮ時（発熱時）の磁石構成、（Ｂ）はＯＦＦ時の磁石構成、図６は本発明に係るマグネット式ヒーターの他の例を示す縦断側面図、図７は同上のマグネット式ヒーターの背面図、図８は同上のマグネット式ヒーターの永久磁石群の回動機構の他の例を示したもので、（Ａ）は要部の縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）の背面図、図９は同上のマグネット式ヒーターのＯＮ／ＯＦＦ時の磁石構成を示す説明図であり、（Ａ）はＯＮ時（発熱時）の磁石構成、（Ｂ）はＯＦＦ時の磁石構成であり、１、１１は駆動軸、２、１２はハウジング、２−１、１２−１はウォータージャケット、３、１３は永久磁石、４、１４は回動式導体支持体、５、１５は導体、６、１６は軸受装置、７、１７は軸封装置、８、１８はシリンダー、９、１９は入水ポート、１０、２０は出水ポート、３１、４１は締結ボルト、５１、６１はプーリをそれぞれ示す。
【００１５】
図１に示すマグネット式ヒーターは、駆動軸１の外周に軸受装置６および軸封装置７を介して支承されたハウジング２と、該ハウジングに軸芯回りを回動可能に内嵌されかつリング状のストッパー板２１にて取付けられたウォータージャケット２−１に所定の間隔を隔てて対向配置した永久磁石３が収納されている。ハウジング２とウォータージャケット２−１に取付けられた永久磁石３は、図２に破線で示すごとくそれぞれ同心円上に配設した複数、例えば１０〜１２個の扇形状の永久磁石群で構成され、その永久磁石は図４にその配置例を示すごとく、Ｎ極とＳ極が交互に配置されている。各永久磁石３はそれぞれヨーク３ａを介して取付けられている。さらに、前記ハウジング２内には前記永久磁石３群間に前記駆動軸１に嵌着された回動式導体支持体４が設けられ、この支持体には前記複数の扇形状の永久磁石３群と僅かなギャップを隔てて対向する導体５が取付けられている。
なお導体５はヒステリシス材、好ましくは鉄板、鋳鉄、鋳鋼などの磁性材の磁石側表面にエディカレント材を貼着して構成されたものあるいはエディカレント材そのものである。
【００１６】
ウォータージャケット２−１を回動可能に設けたのは、前記したごとく該ジャケットとハウジング２側に取付けた複数の扇形状の永久磁石３群の位相を変えることによって、当該マグネット式ヒーターのＯＮ／ＯＦＦ制御を行うためと、磁界をコントロールして発熱量を調整するためであり、そのウォータージャケット２−１を所定の回転角度回動させる手段としては、例えば該ウォータージャケットの背面側に、基端部をハウジング２に、ロッド先端を該ウォータージャケットの背面にそれぞれ駆動軸１と平行に突設した枢着ピン８−１、８−２にて回動自在に取付けたシリンダー８にて行うことができる。ウォータージャケット２−１の回動手段としては上記のシリンダー方式に替えて、図３に示すごとくハウジング２側に取付けたモーターＭによりギヤーＧ１および、ウォータージャケット２−１の背面に取着した扇形のギヤーＧ２を介して回動させる方式を用いてもよい。
【００１７】
ウォータージャケット２−１には入水ポート９が、ハウジング２には出水ポート１０がそれぞれ設けられ、入水ポート９および出水ポート１０は該ハウジング内に連通されている。
【００１８】
一方、駆動軸１には締結ボルト３１によりプーリ５１が取付けられ、車両のエンジンによりベルトで回転されるようになっている。駆動源はエンジンに替えて専用のモーターや風水力などを使用することも可能であることはいうまでもない。
【００１９】
上記構成のマグネット式ヒーターにおいて、駆動軸１がプーリ５１を介してエンジンにより駆動されると、ハウジング２内で回動式導体支持体４が回動し導体５が回動することにより、該導体５の左右に対向位置している永久磁石３との間に形成されている磁路がせん断されて導体５にスリップ発熱が生じる。この導体５の発熱は、ハウジング２内の熱媒体用流体としての循環水に熱交換され、加熱された循環水が暖房回路で車両の暖房に供されることとなる。
【００２０】
上記マグネット式ヒーターにおけるＯＮ／ＯＦＦ制御は、図５に示すごとくＯＮ時（発熱時）は（Ａ）の磁石構成となっており、Ｎ極とＳ極の間に磁路が形成され、ＯＦＦ時は（Ｂ）の磁石構成、すなわち導体５の左右の永久磁石３を同極にする。このＯＮ／ＯＦＦ制御は、シリンダー８またはモーターＭにてウォータージャケット２−１を所望の回転角度回動させて行う。また、発熱量を変化させる場合も、ウォータージャケット２−１の回転角度を調整して導体５の左右の永久磁石３の位相を変化させて磁界の強さを制御する。
【００２１】
つぎに、図６に示すマグネット式ヒーターは、基本構造は図１に示すものと同様、駆動軸１１の外周に軸受装置１６および軸封装置１７を介して支承されたハウジング１２に一体に取付けられたウォータージャケット１２−１に、図１と同様の同心円上に配設した複数の扇形状の永久磁石群で構成された永久磁石１３が取付けられ、前記ハウジング１２内に位置して前記駆動軸１１に嵌着された回動式導体支持体１４に前記複数の扇形状の永久磁石１３群と僅かなギャップを隔てて対向する導体１５が取付けられている。さらに、このマグネット式ヒーターの場合は、ＯＮ／ＯＦＦ制御と、磁界をコントロールして発熱量を調整する手段として、前記ウォータージャケット１２−１に取付けられた永久磁石群と相重なるようにもう一組の永久磁石１３群を収納した磁石支持体１２−１ａを当該ウォータージャケット１２−１に軸芯回りに回動可能に装着し、該ウォータージャケットの背面側に、基端部を当該ウォータージャケット１２−１に、ロッド先端を前記磁石支持体１２−１ａの背面にそれぞれ駆動軸１と平行に突設した枢着ピン１８−１、１８−２にて回動自在に取付けたシリンダー１８にて行うことができる。この磁石支持体１２−１ａの回動手段としては上記のシリンダー方式に替えて、図８に示すごとくモータ駆動されるウォームＧ３および、該磁石支持体１２−１ａの周面に取付けた扇形のウォームホイールＧ４を介して回動させる方式を用いてもよい。２２はドーナツ状のストッパー板である。
【００２２】
ウォータージャケット１２−１には入水ポート１９が、ハウジング１２には出水ポート２０がそれぞれ設けられ、入水ポート１９および出水ポート２０は該ハウジング内に連通されている。
【００２３】
一方、駆動軸１１には図１に示すものと同様、締結ボルト４１によりプーリ６１が取付けられ、車両のエンジンによりベルトで回転されるようになっている。駆動源はエンジンに替えて専用のモーターや風水力などを使用することも可能であることはいうまでもない。
【００２４】
上記構成のマグネット式ヒーターにおいて、駆動軸１１がプーリ６１を介してエンジンにより駆動されると、ハウジング１２内で回動式導体支持体１４が回動し導体１５が回動することにより、該導体１５の片面に対向位置している永久磁石１３との間に形成されている磁路がせん断されて導体１５にスリップ発熱が生じる。この導体１５の発熱は、ハウジング１２内の熱媒体用流体としての循環水に熱交換され、加熱された循環水が暖房回路で車両の暖房に供されることとなる。
【００２５】
上記図６に示すマグネット式ヒーターにおけるＯＮ／ＯＦＦ制御は、図９に示すごとくＯＮ時（発熱時）は（Ａ）の磁石構成となっており、Ｎ極とＳ極および導体１５との間に磁路が形成され、ＯＦＦ時は（Ｂ）の磁石構成、すなわちウォータージャケット１２−１に設けられた永久磁石１３群と相重なる外側の永久磁石１３群を回動させて位相を変える。このＯＮ／ＯＦＦ制御は、シリンダー１８またはモータ駆動されるウォームＧ３により磁石支持体１２−１ａを所望の回転角度回動させて行う。また、発熱量を変化させる場合も、磁石支持体１２−１ａの回転角度を調整して磁界の強さを制御する。
【００２６】
図１０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、導体側にウォータージャケットを取付けた場合には、循環水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。
【００２７】
なお、上記の各実施例では、熱媒体用流体として水を採用したが、これに限定されず、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。
【００２８】
【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、永久磁石やサーマルフェライトなどの磁石と、エディカレント材を磁石側表面に設けた磁性材、ヒステリシス材またはエディカレント材からなる導体とを組合わせ、熱媒体用流体中で導体側を回転させることにより当該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、さらに熱媒体用流体中で導体にスリップ発熱を生じさせるので熱回収効率も高く、また永久磁石群の位相を変えることにより当該マグネット式ヒーターのＯＮ／ＯＦＦ制御を容易に行うことができるのみならず、磁界をコントロールすることにより発熱量を調整できるという機能を有し、例えばエンジン冷間時、急速に暖房が必要な場合、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奏する。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】同上のマグネット式ヒーターの背面図である。
【図３】同上のマグネット式ヒーターの永久磁石群の回動機構の他の例を示したもので、（Ａ）は要部の縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）の背面図である。
【図４】同上マグネット式ヒーターの永久磁石の極配置例を示す説明図である。
【図５】同上マグネット式ヒーターのＯＮ／ＯＦＦ時の磁石構成を示す説明図で、（Ａ）はＯＮ時（発熱時）の磁石構成、（Ｂ）はＯＦＦ時の磁石構成である。
【図６】本発明に係る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７】同上のマグネット式ヒーターの背面図である。
【図８】同上のマグネット式ヒーターの永久磁石群の回動機構の他の例を示したもので、（Ａ）は要部の縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）の背面図である。
【図９】同上のマグネット式ヒーターのＯＮ／ＯＦＦ時の磁石構成を示す説明図であり、（Ａ）はＯＮ時（発熱時）の磁石構成、（Ｂ）はＯＦＦ時の磁石構成である。
【図１０】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、１１  駆動軸
２、１２  ハウジング
２−１、１２−１  ウォータージャケット
３、１３  永久磁石
４、１４  回動式導体支持体
５、１５  導体
６、１６  軸受装置
７、１７  軸封装置
８、１８  シリンダー
９、１９  入水ポート
１０、２０  出水ポート
３１、４１  締結ボルト
５１、６１  プーリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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