(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石と導体を僅かなギャップを隔てて対向配置し、該永久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のマグネット式ヒーターにおいて、駆動軸に軸受装置を介して支承されたケーシングの内部に、前記駆動軸により回動可能に設けられた遠心ファンの背面側に永久磁石が取着され、該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熱媒体用流体ジャケットが前記ケーシングに設けられ、前記遠心ファンの回転により前記熱媒体用流体ジャケットの導体に生じるスリップ発熱により、前記熱媒体用流体ジャケットの熱媒体用流体とケーシング内の熱媒体用流体が同時に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。
【請求項２】
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記載のマグネット式ヒーター。
【請求項３】
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または２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）などにも用いるマグネット式ヒーターに関するものである。
【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】
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。
【０００５】
かかる対策として、うず電流発熱ヒーターをエンジン冷却水などを加熱する補助ヒーターとして使用する暖房装置がある。このうず電流発熱ヒーターは、ギャップを介して対向する磁石と導体との間に構成される磁気回路において、磁気回路の磁界の向きや磁気抵抗の変化に対応して、磁束が変化することにより生ずるうず電流が導体内を流れるときに発生するジュール熱を利用したもので、特開昭５７−１７８９１２号公報、特開昭５７−１６４８０５号公報などに開示されている。この特開昭５７−１７８９１２号公報、特開昭５７−１６４８０５号公報に開示されているものは、磁石と導体とが駆動軸と平行な面上に配設されているため、うず電流発熱ヒーターの設置スペースに制約がある場合発生熱量を大きく設定できないという構造上の問題があった。かかる問題を解決する手段として、磁石と導体とに駆動軸の軸線に対して半径方向に延在する対向面部を形成し、この対向面部を僅かなギャップを介して対面させて構成したうず電流発熱ヒーターが特開平１１−７８４９５号公報に開示されている。この特開平１１−７８４９５号公報に記載されているものは、駆動軸に軸線に対して半径方向に延在する対向面部の外周部分が磁束変化部となるので、所要スペースを大きくすることなく、発生熱量を大きくすることができる上、狭いスペースにも設置できるという利点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のうず電流発熱ヒーターには発熱量や熱回収効率をより効果的に高めるための手段など、エンジンの暖房機能を向上させるための改良がほとんどなされていない上、小型化や低コスト化をはかるための工夫もなされていない。また、従来のうず電流発熱ヒーターはすべて１種類の熱媒体用流体しか加熱することができないため、例えば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）と、車両のキャビン暖房を同時に行うことができなかった。
【０００７】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みなされたもので、小型化と低コスト化を実現でき、また熱回収効率も高く、さらに１種類だけでなく２種類の熱媒体用流体、例えば液体（水など）と気体（空気など）を同時に加熱し、かつ一方の熱媒体用流体に速度エネルギーを与えることができるマグネット式ヒーターを提供しようとするものである。
【０００８】
【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のマグネット式ヒーターにおいて、駆動軸に軸受装置を介して支承されたケーシングの内部に、前記駆動軸により回動可能に設けられた遠心ファンのバックプレートの背面側に永久磁石が取着され、該該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熱媒体用流体ジャケットが前記ケーシングに設けられ、前記遠心ファンの回転により前記熱媒体用流体ジャケットの導体に生じるスリップ発熱により、前記熱媒体用流体ジャケットの第１の熱媒体用流体とケーシング内の第２の熱媒体用流体が同時に共に加熱され、かつ第２の熱媒体用流体には速度エネルギーを与える構造となしたことを特徴とするものである。
また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、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。
【０００９】
本発明の対象とするマグネット式ヒーターは、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、永久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、本発明では前記永久磁石として希土類磁石を用い、かつ前記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℃の温度に導体側を発熱させることができるという特徴を有する。
【００１０】
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。
【００１１】
本発明において、ケーシングの内部に導入された第２の熱媒体用流体は、回動する永久磁石と固定の導体とのギャップ間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とと同時に、ケーシングに設けられた熱媒体用流体ジャケットに導入された第１の熱媒体用流体も、固定の導体に生じるスリップ発熱により直接または間接に接触して同時に熱交換が行われる。すなわち、本発明によれば２種類の熱媒体用流体、例えば液体（水など）と気体（空気など）を同時に加熱することができ、発熱エネルギーを効率よく熱交換できる。また、本発明では第２の熱媒体用流体に回動する遠心ファンにより速度エネルギーが与えられるものであり、さらに磁石側の回転により導体が発熱し、磁石も導体からの輻射熱を受けるが、回動する永久磁石は常時冷却されるので安定した磁気回路が形成され、発熱量は高い値を維持し続けることができる。
【００１２】
なお、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。
【００１３】
さらに、本発明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、電磁ブレーキ、電磁コイル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、永久磁石に替えてサーマルフェライトを用いた場合は、自動的にＯＮ／ＯＦＦ制御が可能となることによりＯＮ／ＯＦＦ制御系が不要となる。
【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実施例を示す縦断側面図、図２は本発明に係るマグネット式ヒーターの他の実施例を示す縦断側面図であり、１、１１は駆動軸、２、１２はケーシング、３は遠心ファン、３−１はバックプレート、３−２はインペラー、４は永久磁石、５は導体、６は熱媒体用流体ジャケット、７は軸受装置、８ａは流入ポート、８ｂは流出ポート、９ａは入水ポート、９ｂは出水ポートをそれぞれ示す。
【００１５】
図１は遠心ファンを用いたマグネット式ヒーターを例示したもので、駆動軸１の外周に軸受装置７を介して支承されたケーシング２内に遠心ファン３と、該遠心ファン３と対向する側にドーナツ状の熱媒体用流体ジャケット６を設けている。前記遠心ファン３は駆動軸１に取着されたバックプレート３−１の駆動軸側にインペラー３−２が設けられており、該バックプレート３−１の反対面側に取付けられたドーナツ状の永久磁石４と僅かなギャップを隔てて導体５がその背面に取着されたプレート５−１と共に熱媒体用流体ジャケット６部に取付けられている。バックプレート３−１には第２の熱媒体用流体としての空気の通孔３−１ａが穿設されている。なお、前記プレート５−１には図示していないが、所望箇所に開口部を設けて水などの第１の熱媒体用流体と導体５とが直接接触するよう構成することもできる。
前記導体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。
遠心ファン３、永久磁石４および導体５を内蔵し、熱媒体用流体ジャケット６を備えたケーシング１には、第２の熱媒体用流体としての空気の流入ポート８ａおよび流出ポート８ｂと、もう一つの第１の熱媒体用流体としての循環水の入水ポート９ａおよび出水ポート９ｂが設けられている。
一方、駆動軸１は車両のエンジンまたは専用のモーターや風水力などで駆動されるようになっている。
【００１６】
上記構成のマグネット式ヒーターにおいて、駆動軸１が車両のエンジンなどにより駆動されると、遠心ファン３により第２の熱媒体用流体である空気が速度エネルギーを与えられて圧送されるとともに、該遠心ファン３と一体に回動する永久磁石４と導体５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、流入ポート８ａからケーシング内に導入された空気と入水ポート９ａから熱媒体用流体ジャケット６内に導入された第１の熱媒体用流体である循環水に熱交換され、加熱された空気は速度エネルギーを付与されて圧送され循環水と共にそれぞれ流出ポート８ｂ、出水ポート９ｂから流出し、共に暖房回路などで車両などの暖房に供されることとなる。
【００１７】
つぎに、図２に示すマグネット式ヒーターは、図１に示すマグネット式ヒーターにおける駆動軸を熱媒体用流体ジャケット６側に設け、第２の熱媒体用流体としての空気の流入ポート８ａを熱媒体用流体ジャケット６と反対側に設けた構造となしたもので、駆動軸１１の外周に軸受装置７を介して支承されたケーシング１２内に遠心ファン３と、該遠心ファン３の駆動軸１１側にドーナツ状の熱媒体用流体ジャケット６を設けている。前記遠心ファン３は駆動軸１１と一体構造のバックプレート３−１の背面側にインペラー３−２が設けられており、該バックプレート３−１と反対側の熱媒体用流体ジャケット６側の面に取付けられたドーナツ状の永久磁石４と僅かなギャップを隔てて導体５がその背面に取着されたプレート５−１と共に熱媒体用流体ジャケット６部に取付けられている。バックプレート３−１には第２の熱媒体用流体としての空気の通孔３−１ａが穿設されている。
本実施例においても、前記プレート５−１に図示していないが、所望箇所に開口部を設けて水などの第１の熱媒体用流体と導体５とが直接接触するよう構成してもよく、また導体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。
遠心ファン３、永久磁石４および導体５を内蔵し、熱媒体用流体ジャケット６を備えたケーシング１２には、第２の熱媒体用流体としての空気の流入ポート８ａおよび流出ポート８ｂと、もう一つの第１の熱媒体用流体としての循環水の入水ポート９ａおよび出水ポート９ｂが設けられている。
【００１８】
上記図２に示す構成のマグネット式ヒーターの場合も、駆動軸１１が車両のエンジンなどにより駆動されると、遠心ファン３と一体に回動する永久磁石４と導体５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、流入ポート８ａからケーシング１２内に導入された空気と入水ポート９ａから熱媒体用流体ジャケット６内に導入された第１の熱媒体用流体としての循環水に熱交換され、加熱された第２の熱媒体用流体としての空気は速度エネルギーを与えられて圧送され前記循環水と共にそれぞれ流出ポート８ｂ、出水ポート９ｂから流出し、共に暖房回路などで車両などの暖房に供されることとなる。
【００１９】
なお、上記図１、図２に示す構成のマグネット式ヒーターにおけるＯＮ／ＯＦＦ制御手段としては、電磁クラッチを用いる方式や、永久磁石に替えてサーマルフェライトなどを用いてＯＮ／ＯＦＦ制御する方式などを用いることができる。また第１の熱媒体用流体が水などの液体の場合、遠心ファンが高速回転して導体が高温に達した状態で停止された時にも、高温に達した導体は液体によって冷却されるので熱害の発生を防止することができる。
【００２０】
図３は本発明者が試験的に行った希土類永久磁石とエディカレント材との組合わせの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、希土類永久磁石とエディカレント材（導体）を僅かなギャップを隔てて対向配置し、該磁石とエディカレント材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。
【００２１】
なお、熱媒体用流体として水、空気の外、熱媒体油、シリコンオイル、冷媒あるいは空気以外のガス体なども採用できる。
【００２２】
【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、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ることができるばかりでなく、従来のものに比べより小型化と低コスト化を実現でき、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、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効果が得られる。
また本発明によれば２種類の熱媒体用流体、例えば液体（水など）と気体（空気など）を同時に共に加熱することができるので、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）と、車両のキャビン暖房を同時に行う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１種類または２種類の熱媒体用流体を高温に共に加熱し、かつ一方の熱媒体用流体に速度エネルギーを与え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実施例を示す縦断側面図である。
【図２】本発明に係るマグネット式ヒーターの他の実施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永久磁石とエディカレント材との組合わせの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  ケーシング
３  遠心ファン
３−１  バックプレート
３−２  インペラー
４  永久磁石
５  導体
６  熱媒体用流体ジャケット
７  軸受装置
８ａ  流入ポート
８ｂ  流出ポート
９ａ  入水ポート
９ｂ  出水ポート
【図１】
0004247941.tif 000002
【図２】
0004247941.tif 000003
【図３】
0004247941.tif 000004