JP2010239796A - 超電導フライホイール蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロータ及びステータに超電導体を使用した磁気支持装置を用いて、磁気支持を安定かつ恒久的に行い、高効率の電力貯蔵を行うことができる超電導フライホイール蓄電装置を提供する。
【解決手段】 超電導フライホイール蓄電装置において、フライホイール１０と、このフライホイール１０に固定される回転軸１１と、この回転軸１１に連結される非接触トルク伝達部品２とで構成される回転体と、内槽８と、この内槽８周りの輻射シールド槽６と、この輻射シールド槽６周りの真空容器３とが配置され前記回転軸１１を非接触で支持する超電導体を有する磁気支持装置９，１２とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超電導体を使用した磁気支持装置によって回転体を支持し、電力を回転体の運動エネルギーとして蓄積する超電導フライホイール蓄電装置に関するものである。

従来、余剰電力をフライホイールの運動エネルギーに変換して貯蔵するとともに、フライホイールに貯蔵されている運動エネルギーを必要時に電気エネルギーに変換して取り出すための、超電導フライホイールシステムの開発が行われている（下記特許文献１及び２、下記非特許文献１及び２参照）。

また、高温超電導バルク体を利用した磁気浮上用途の回転体用真空断熱容器（下記特許文献３参照）が開示されている。

特開２００３−２１９５８１号公報 特開２００８−２２８５３５号公報 特開２００８−２３５３５５号公報

市原, 松永, 喜多, 平林, 磯野, 広瀬, 吉井, 栗原, 齊藤, 斉藤, 村上, 高林, 棗田, 腰塚, 「１０ｋＷｈ級フライホイール電力貯蔵システム用ラジアル型超電導軸受の開発」, 低温工学, Ｖｏｌ．３９, Ｎｏ．１２, ｐｐ. ６３８−６４４, ２００４． 東海旅客鉄道株式会社, 「超電導フライホイールシステムの開発」, 新エネルギー・産業技術総合開発機構委託業務成果報告書, ２００８ 岩手県地域結集型共同研究事業，バルク超電導体の熱物性データベース（ｈｔｔｐ：／／ｉｋｅｂｅｈｐ．ｍａｔ．ｉｗａｔｅ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／ｄａｔａｂａｓｅ．ｈｔｍｌ）

しかしながら、上記した超電導体を磁気支持に利用した従来のフライホイール装置では、特に回転体側に超電導体を配置するのが困難であった。

また、回転体側にも超電導体を適用した磁気支持フライホイール（上記特許文献１参照）では、トルク伝達部品の配置条件や冷却方法などの必要諸条件が解明されておらず、未完成の状態であった。

さらに、回転体の軸を断熱保冷容器として、その中に超電導体を配置する装置（上記特許文献３参照）では、寒剤の注液作業及び追加注液作業が必要であるため、連続運転のためには寒剤の状態監視及び自動注液装置などの付帯設備が必要となり、大掛かりなものとなるといった問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、ロータ及びステータに超電導体を使用した磁気支持装置を用いて、磁気支持を安定かつ恒久的に行い、高効率の電力貯蔵を行うことができる超電導フライホイール蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超電導フライホイール蓄電装置において、フライホイールと、このフライホイールに固定される回転軸と、この回転軸に連結される非接触磁気力トルク伝達部品とで構成される回転体と、内槽と、この内槽周りの輻射シールド槽と、この輻射シールド槽周りの真空槽と、この真空槽周りの真空容器とが配置され前記回転軸を非接触で支持する超電導体を有する磁気支持装置とを具備することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記磁気支持装置は、浮上体である回転体と固定側であるステータから構成され、その双方が超電導体からなることを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記浮上体であるロータ及び前記固定側であるステータが、浮上安定化用超電導体及び径方向支持用超電導体からなることを特徴とする。

〔４〕上記〔２〕記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記浮上体であるロータが、浮上安定化用超電導体及び径方向支持用超電導体から構成され、固定側に磁界発生用の超電導コイルを配置することを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記内槽は、中央部と、この中央部に接続される温度勾配導管部と、この温度勾配導管部に接続される室温部とから構成され、前記中央部には前記フライホイールと前記回転軸と前記磁気支持装置及び異常時のストッパ装置としてのバックアップスラスト軸受部が収納されることを特徴とする。

〔６〕上記〔５〕記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記室温部には前記非接触磁気力トルク伝達部品が収納されることを特徴とする。

〔７〕上記〔６〕記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記室温部の内槽は前記真空槽から外部に突出した形になっていることを特徴とする。

〔８〕上記〔１〕記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記真空容器の外部の電動／発電機側にある前記非接触磁気力トルク伝達部品の内槽蓋部を非金属部材とすることを特徴とする。

〔９〕上記〔５〕記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記温度勾配導管部は、前記磁気支持装置の冷却温度である極低温から、前記室温部における室温までの温度勾配を付与する部分であり、熱侵入を抑えるために薄肉円管で構成し、温度勾配が確保できる長さを有することを特徴とする。

〔１０〕上記〔９〕記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記温度勾配導管部にバッフル板を設けて、室温部分と極低温部分との対流を防止することを特徴とする。

〔１１〕上記〔５〕記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記内槽に希薄ガスを導入して前記径方向支持用超電導体を冷却し、十分に冷却された前記径方向支持用超電導体からの分子伝導冷却と輻射冷却によって、前記浮上安定化用超電導体を冷却することを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

（１）ロータ及びステータに超電導体を使用した磁気支持装置を用いて、磁気支持を安定かつ恒久的に行うことができる。

また、この磁気支持装置でフライホイールを支持することで、回転抵抗を極小化した高効率電力貯蔵が可能となる。

（２）回転エネルギーから電気エネルギーへの変換部分が低温容器内に存在せず、冷却に要するエネルギーを削減できる。

（３）極低温から室温までの温度勾配を有する内槽を使うことで、内槽内部に配置する非接触磁気力トルク伝達部品に室温で使用する部品を適用できる。

（４）液体窒素などの冷媒を使用しないので、メンテナンスも容易である。

本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の全体構成図である。 本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の超電導磁気軸受特性確認用クライオスタットの構成図である。 本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の超電導体を使用した磁気支持装置（高温超電導磁気軸受）の構成図である。 本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の磁気支持装置（高温超電導磁気軸受）の模式図である。 本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の磁気支持装置の磁気支持例を示す図である。 本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の磁気支持装置のバルク体の温度変化の試算を説明するための模式図である。 本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の磁気支持装置のバルク体と冷却板の温度差変化予測図である。 本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の第１の非接触磁気力トルク伝達部品を示す図である。 本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の磁気力伝達機構の特性図である。 本発明の具体的な超電導フライホイール蓄電装置の特性図である。 本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の第２の非接触磁気力トルク伝達部品を示す図である。 本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の高温超電導パワーリードの構成図である。

本発明の超電導フライホイール蓄電装置は、フライホイールと、このフライホイールに固定される回転軸と、この回転軸に連結される非接触磁気力トルク伝達部品とで構成される回転体と、内槽と、この内槽周りの輻射シールド槽と、この輻射シールド槽周りの真空槽と、この真空槽周りの真空容器とが配置され前記回転軸を非接触で支持する超電導体を有する磁気支持装置とを具備する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の全体構成図である。

この図において、１は電動／発電機、２は非接触磁気力トルク伝達部品、３は真空容器、４は真空槽（断熱槽）、５はシールド容器、５Ａは輻射シールド槽の蓋部、５Ｂは輻射シールド槽（中間温度槽）６の温度でパワーリードを冷却する温度定点用アンカ、７は内槽容器、８は内槽（極低温槽）、８Ａは内槽中央部、８Ｂは内槽室温部、８Ｃは温度勾配導管部、９は上部磁気支持装置（高温超電導磁気軸受）、１０はフライホイール、１１は回転軸、１２は下部磁気支持装置（高温超電導磁気軸受）、１３はバックアップスラスト軸受部、１４は高温超電導パワーリード、１５は極低温用冷凍機である。

フライホイール１０と回転軸１１及び非接触磁気力トルク伝達部品２で構成される回転体と、回転軸１１を非接触で支持する超電導体を使用した磁気支持装置（高温超電導磁気軸受）９，１２を真空容器３内に配置する。内槽８、輻射シールド槽６、及び真空槽４を組み合わせて断熱容器を構成する。

内槽８は、内槽中央部８Ａ、内槽室温部８Ｂ、及び温度勾配導管部８Ｃから構成され、内槽中央部８Ａには回転体としてのフライホイール１０及び回転軸１１と磁気支持装置（高温超電導磁気軸受）９，１２、異常時のストッパ装置としてのバックアップスラスト軸受部１３が収納される。内槽中央部８Ａは温度勾配導管部８Ｃを介して内槽室温部８Ｂにつながっており、この内槽室温部８Ｂには非接触磁気力トルク伝達部品２が収納される。なお、内槽室温部８Ｂは真空容器３から突出した形になっている。真空容器３の外部の電動／発電機１側にある非接触磁気力トルク伝達部品２の内槽蓋部２Ａは、ＧＦＲＰなどの非金属部材とする。

また、温度勾配導管部８Ｃは、超電導体を使用した磁気支持装置（高温超電導磁気軸受）９，１２の冷却温度である内槽中央部８Ａの極低温から、内槽室温部８Ｂにおける室温までの温度勾配を付与する部分であり、熱侵入を抑えるために薄肉円管で構成し、温度勾配が確保できる長さを有する。このような温度勾配を形成することで、内槽室温部８Ｂに配置する非接触磁気力トルク伝達部品に、室温で使用できる部品を用いることができる。また、この温度勾配導管部８Ｃにバッフル板１７を設けて、室温部分と極低温部分との対流を防止する。このバッフル板１７は、発泡剤を用いた断熱材であり、これを温度勾配導管部８Ｃに回転軸１１部分をくり抜いた形で配置する。このバッフル板１７を設けることにより、槽内の気相部分の対流による熱伝導を主に防止する。

図２は本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の超電導磁気軸受の特性確認用クライオスタットの構成図である。

この図に示すように、非接触磁気力トルク伝達部品２周りの内槽室温部８Ｂには内槽真空換気／ガス置換装置１６が接続され、内槽８の真空換気／ガス置換が行われる。また、輻射シールド槽６は極低温用冷凍機１５によって冷却される。この輻射シールド槽６は、その外周りを真空容器３の真空槽（断熱槽）４によって密封されている。内槽８内の部品への電力は高温超電導パワーリード１４を介して供給される。

図３は本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の超電導体を使用した磁気支持装置（高温超電導磁気軸受）の構成図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図、図３（ｃ）は側面図であり、図４はその磁気支持装置（高温超電導磁気軸受）の模式図、図５はその磁気支持例を示す図であり、図５（ａ）は支持体の上下方向の変位（ｍｍ）に対する浮上力（Ｎ）の特性図、図５（ｂ）は支持体の径方向の変位（ｍｍ）に対する径方向支持力（Ｎ）の特性図である。

これらの図において、２１は超電導コイル、２２は超電導コイル２１の中央部の円筒状空間部、２３は上部冷却板、２４は下部冷却板、２５，２６は電極、２７はクライオスタット側取付け面である。

また、図４において、３１は浮上安定化用超電導体（ロータ）、３２は径方向支持用超電導バルク体（ステータ）、３３はクライオスタット側取付け座面である。

ここで、磁気支持装置の具体的構成例について説明する。

（１）磁気支持装置仕様については、回転軸を含む支持体（回転体）の総質量は１００ｋｇ（フライホイール１０の質量は５０ｋｇ）である。

（２）冷却仕様については、内槽到達温度は２０Ｋ以下、超電導バルク体温度は５０Ｋ以下である。

図５に示すように、上下方向変位（ｍｍ）に対して、符号が逆となる力が発生している。これは変位に対する復元力を意味する。１００ｋｇの支持体を軸受２組で支持した場合の均衡位置は−２ｍｍとなるが、この位置では、上下方向でおよそ２５０Ｎ／ｍｍ、径方向でおよそ１３７Ｎ／ｍｍの復元力が作用する。

（３）バルク体冷却特性については、次のように計算できる。

磁気支持装置のロータである高温超電導バルク体冷却特性に関する条件を表１に示す。

磁気支持装置部分における超電導磁石に接続された冷却板と、ロータであるバルク体との間の伝熱特性の算出方法を以下に示す。まず、輻射による伝熱量Ｑ_e は次式（１）の通りとなる。

Ｑ_e ＝σ・Ａ₂ ・（Ｔ₂ ⁴ −Ｔ₁ ⁴ ）／（１／ε₁ ）＋（Ａ₁ ／Ａ₂ ）・〔（１／ε₂ ）−１〕 …（１）
式中、σはシュテファン・ボルツマン定数、Ｔ₁ は冷却板温度、Ｔ₂ はバルク体温度である。

また、気体分子伝導による伝熱量Ｑ_c は次式（２）の通りとなる。

Ｑ_c ＝κ_c ・Ａ₂ ・（Ｔ₂ −Ｔ₁ ）／ｄ …（２）
式中、κ_c は気体分子伝熱度である。

本装置の使用条件では、冷却板とバルク体の間の伝熱は、輻射と気体分子伝導による伝熱のみの合計となるので、伝熱量はＱ_e とＱ_c の合計Ｑとなり、冷却板とバルク体の間の見かけの熱伝導率κは次式（３）の通りとなる。

κ＝Ｑ／〔（Ｔ₂ −Ｔ₁ ）・Ａ₂ 〕 …（３）
なお、見かけの熱伝導率κは圧力に応じて変化する表１に示した条件で算出した熱伝導率κは、表２の通りとなる。

前記の伝熱特性に基づき、浮上力発生に伴うバルク体からの発熱量と、冷却板に奪われる伝熱量から、バルク体の温度変化を以下のように算出した。

（４）試算について、
軸受部の寸法を基に、冷却板から冷却することによりバルク体から奪われる伝熱量と、バルク体からの発熱量とを算出し、バルク体の温度変化を以下のように試算した。

図６は本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の磁気支持装置のバルク体の温度変化の試算を説明するための模式図である。

この図において、４１はバルク体、４２は冷却板である。

バルク体４１は負荷によって熱量Ｑ₁ を発熱し、冷却板４２からの非接触冷却により熱量Ｑ₂ を失う。このため、ある瞬間におけるバルク体４１−冷却板４２間の温度差の微小時間変化は次式（４）のようになる。

ｄＴ／ｄｔ＝（Ｑ₁ −Ｑ₂ ）／Ｃｍ …（４）
ここで、Ｑ₂ ＝（κＡ／ｄ）・Ｔであるので、上記式（４）は次式（５）のようになる。

ｄＴ／ｄｔ＝（Ｑ₁ ／Ｃｍ）−〔（κＡ／ｃｍｄ）・Ｔ〕 …（５）
この式（５）を解くと次式（６）のようになる。

初期条件ｔ＝０のとき、温度差Ｔ＝０とすると、上記式（６）は次式（７）のようになる。

この式（７）を基に、表２に示した圧力に応じた熱伝導率から、負荷がかかり始めてからのバルク体４１と冷却板４２の温度差の時間変化を計算した結果を次の図７に示す。

図７は本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の磁気支持装置のバルク体と冷却板の温度差変化予測図であり、図７（ａ）は圧力が１〔Ｐａ〕の場合、図７（ｂ）は圧力が１０〔Ｐａ〕の場合、図７（ｃ）は圧力が３０〔Ｐａ〕の場合、図７（ｄ）は圧力が１００〔Ｐａ〕の場合を示す図である。

この結果、仮定した条件においてバルク体の冷却特性は、３０〔Ｐａ〕以上であまり変わらない。このため、この条件では、圧力を３０〔Ｐａ〕に設定することで、風損を増加させずに効率よく冷却できると推定できる。３０〔Ｐａ〕においては、冷却板とバルク体の温度差は約１０時間で１９〔Ｋ〕で平衡しているので、バルク体を５０〔Ｋ〕に保つには、冷却板を３１〔Ｋ〕程度に設定する必要がある。

温度勾配導管部には輻射シールド板の温度定点を取り付けているので、その部分は５０Ｋ程度となる。内槽室温部から回転軸を通しての熱侵入Ｑ₃ は、熱伝導積分値を用いて、次式（８）のように計算できる。

Ｑ₃ ＝∫λ（Ｔ）ｄＴ …（８）
式中、λ（Ｔ）は回転軸材料の熱伝導率、Ｔは温度を表す。

また、温度勾配導管部からの熱侵入Ｑ₃ を考慮して次式（９）を解くことで、必要な冷凍能力及び冷却時間を計算することができる。

ｍＣｄＴ／ｄｔ＝λ（Ｔ）ｄ² Ｔ／ｄｘ² ＋Ｑ₃ ＋Ｑ₄ −Ｑ_ref …（９）
式中、ｍは材料の質量、Ｃは比熱、ｔは時間、ｘは導管部の長さ、Ｑ₄ は輻射による熱侵入、Ｑ_ref は冷凍能力を表す。Ｑ₄ は次式（１０）で与えられる。

Ｑ₄ ＝σＡ（Ｔｈ⁴ −Ｔｃ⁴ ）ε／（１−ε） …（１０）
式中、σはシュテファンボルツマン係数、εは放射率、Ａは表面積、Ｔｈは高温側温度、Ｔｃは低温側温度を表す。

常温〜極低温部分の回転軸は熱伝導を抑えるためにＦＲＰ製とする。その場合は、Ｑ₃ は０．０１Ｗ程度になる。また、仮に内槽の温度を５０Ｋとした場合、内部の回転体（２０Ｋ）への輻射による熱侵入は０．０２Ｗと見積もることができる。

また、Ｑ_ref は、住友重機械工業製の４Ｋ冷凍機（ＲＤＫ−４１５Ｄ, ６０Ｈｚ）のロードマップを参照すると、輻射シールドの冷却の場合、第１ステージでは６０Ｗで５０Ｋ、第２ステージでは１．５Ｗで４．２Ｋであった。これらを上記の計算式にあてはめて計算すると、回転体に若干の温度差は生じるものの、内槽内部を２０Ｋに冷却することは可能である。

このように、超電導体を用いて構成した磁気支持装置（高温超電導磁気軸受）９，１２を内槽８内に配置する。

また、内槽８には希薄ガスを導入して、固定側の径方向支持用超電導バルク体３２を冷却し、十分に冷却された固定側からの分子伝導冷却と輻射冷却によって、回転体側の浮上用安定化超電導体３１及び固定側の超電導体を冷却して、その分子伝導冷却で回転側を冷却する。

このように構成することで、磁気支持が安定かつ恒久的に可能になる。この磁気支持装置（高温超電導磁気軸受）９，１２でフライホイール１０を支持することで回転抵抗を小さくして効率の良い電力貯蔵を行うことができる。

図８は本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の第１の非接触磁気力トルク伝達部品を示す図であり、図８（ａ）はその上面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

これらの図において、５１は磁石、５２はケース用蓋、５３はケース本体、５４は回転盤である。

この非接触磁気力トルク伝達部品は、８極の磁気反発型磁気カップリングクラック装置として構成されている。

次いで、本発明の実施例の計算（トルク伝達機構の実用性試算）結果について説明する。
１．まず、計算式について説明する。
（１）蓄積エネルギー
（２）必要トルク・回転動力算出式
ΔＥ＝Ｉ（ω₁ ² −ω₂ ² ）／２ …（１１）
Ｉ＝（１／２）ｍ（ｒ_out ² −ｒ_in ² ）
式中、ΔＥはフライホイールから取り出せるエネルギー量（Ｊ）、Ｉは慣性モーメント（ｋｇｍ² ）、ω₁ はエネルギー取り出し開始時の角速度（ｒａｄ／ｓ）、ω₂ はエネルギー取り出し終了時の角速度（ｒａｄ／ｓ）、ｍはフライホイール質量（ｋｇ）、ｒ_inはフライホイール内半径（ｍ）、ｒ_out ：フライホイール外半径（ｍ）である。

上記したフライホイール形状から算出した負荷慣性より、回転速度変化（最大回転速度と最低回転速度及び速度変化に要する時間）を定義して加速（減速）時のトルクを算出する。なお、回転速度変化は一定とする。

Ｔ＝〔２π（ｎ₁ −ｎ₂ ）／６０〕ＧＤ² ／４ｔ …（１２）
ＧＤ² ＝πρＬＤ⁴ ／８＝ｍ（２Ｒ）² ／２
式中、Ｔは加速・減速トルク（ｋｇｍ）、ＧＤ² は回転体の負荷慣性（ｋｇｍ² ）、ｎ₁ は最大回転速度（ｒｐｍ）, ｎ₂ は最小回転速度（ｒｐｍ）、ｔは回転速度変化時間（ｓ）、ρはフライホイール（ＦＷ) の密度（ｋｇ／ｍ³ ）、ＬはＦＷ厚さ（ｍ）、ＤはＦＷ直径（ｍ）、ＲはＦＷ半径（ｍ）, ｍ：ＦＷ質量（ｋｇ）である。

ここで、算出した加速（減速）時のトルクと、回転速度変化から、そのトルク及び回転速度変化に必要な電動機動力を算出する。

Ｐ＝２π（ｎ₁ −ｎ₂ ）／６０Ｔ …（１３）
式中、Ｐは所要動力（Ｗ）である。
２．次に、計算結果について説明する。

図９は本発明の具体的な超電導フライホイール蓄電装置の特性図である。

事例１：
〔計算条件〕
（１）上記した図８の非接触磁気力伝達機構で計算する。
（２）フライホイール質量：５０ｋｇ（回転軸も含め１００ｋｇと置く）
（３）フライホイール外半径：１５０ｍｍ（円板形状）
（４）フライホイール厚さ：９５ｍｍ（直径３００ｍｍ, 厚さ９５ｍｍのＳＵＳ）
（５）ＧＤ² （回転体の負荷慣性）は４．５ｋｇｍ²
（６）回転速度は３０００ｒｐｍ〜１５００ｒｐｍ
〔計算結果〕
磁気力伝達機構のトルク伝達能力を、以下の図９に示す。カップリング間隔を２０ｍｍとすると、およそ１８Ｎｍのトルクが伝達可能である。

蓄積エネルギー量は４３ｋＪ（１２Ｗｈ）、０ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの速度変化におけるトルクと電動機出力の関係は、図１０に示す通りであった。

ＧＤ² ＝４．５ｋｇｍ² から、通常の誘導電動機を想定すると、５．５ｋＷ以上が必要となる。この時の最大トルクは、１８Ｎｍ程度であり、図８の装置の伝達トルク範囲内であることが分かる。

図１１は本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の第２の非接触磁気力トルク伝達部品を示す図であり、図１１（ａ）はその上面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。

これらの図において、６１は磁石、６２はケース用蓋、６３はケース本体、６４は磁石仕切り板、６５は回転盤である。

この非接触磁気力トルク伝達部品は、ハルバッハ配列の磁石装置を有するカップリングクラック装置であり、コンパクトで、高い伝達トルクを得ることができる。

図８及び図１１に示した非接触磁気力トルク伝達機構により、内槽８内のフライホイール１０の回転エネルギーを電動／発電機１に伝達する。そのため、回転エネルギーから電気エネルギーへの変換部分が内槽８内に存在せず、冷却に要するエネルギーを削減することができる。

図１２は本発明の実施例を示す超電導フライホイール蓄電装置の高温超電導パワーリードの構成図であり、図１２（ａ）はその平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。

この図において、７１は高温超電導バルク体、７２はその高温超電導バルク体７１を内装する樹脂層、７３，７４は両端に配置される銅端子、７５，７６，７７，７８は銅端子７３，７４に形成される穴であり、この穴７５，７８または７６，７７にはボルトが嵌められて輻射シールド槽５の蓋部５Ａのパワーリード温度アンカ５Ｂに固定され、穴７６，７７または７５，７８は内部の各部品に接続される配線（図示なし）と接続される。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の超電導フライホイール蓄電装置は、超電導体を使用した磁気支持装置によって回転体を支持し、電力を回転体の運動エネルギーとして蓄積するフライホイール蓄電装置として利用可能である。

１ 電動／発電機
２ 非接触磁気力トルク伝達部品
３ 真空容器
４ 真空槽（断熱槽）
５ シールド容器
５Ａ 輻射シールド槽の蓋部
５Ｂ 温度定点用アンカ
６ 輻射シールド槽（中間温度槽）
７ 内槽容器
８ 内槽（極低温槽）
８Ａ 内槽中央部
８Ｂ 内槽室温部
８Ｃ 温度勾配導管部
９ 上部磁気支持装置（高温超電導磁気軸受）
１０ フライホイール
１１ 回転軸
１２ 下部磁気支持装置（高温超電導磁気軸受）
１３ バックアップスラスト軸受部
１４ 高温超電導パワーリード
１５ 極低温用冷凍機
１６ 内槽真空換気／ガス置換装置
１７ バッフル板
２１ 超電導コイル
２２ 超電導コイルの中央部の円筒状空間部
２３ 上部冷却板
２４ 下部冷却板
２５，２６ 電極
２７ クライオスタット側取付け面
３１ 浮上安定化用超電導体（ロータ）
３２ 径方向支持用超電導バルク体（ステータ）
３３ クライオスタット側取付け座面
４１ バルク体
４２ 冷却板
５１，６１ 磁石
５２，６２ ケース用蓋
５３，６３ ケース本体
５４，６５ 回転盤
６４ 磁石仕切り板
７１ 高温超電導バルク体
７２ 樹脂層
７３，７４ 銅端子
７５，７６，７７，７８ 穴

Claims (11)

1. （ａ）フライホイールと、該フライホイールに固定される回転軸と、該回転軸に連結される非接触磁気力トルク伝達部品とで構成される回転体と、
   （ｂ）内槽と、該内槽周りの輻射シールド槽と、該輻射シールド槽周りの真空槽と、該真空槽周りの真空容器とが配置され前記回転軸を非接触で支持する超電導体を有する磁気支持装置とを具備することを特徴とする超電導フライホイール蓄電装置。
2. 請求項１記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記磁気支持装置は、浮上体である回転体と固定側であるステータから構成され、その双方が超電導体からなることを特徴とする超電導フライホイール蓄電装置。
3. 請求項２記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記浮上体であるロータ及び前記固定側であるステータが、浮上安定化用超電導体及び径方向支持用超電導体からなることを特徴とする超電導フライホイール蓄電装置。
4. 請求項２記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記浮上体であるロータが、浮上安定化用超電導体及び径方向支持用超電導体から構成され、固定側に磁界発生用の超電導コイルを配置することを特徴とする超電導フライホイール蓄電装置。
5. 請求項１記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記内槽は、中央部と、該中央部に接続される温度勾配導管部と、該温度勾配導管部に接続される室温部とから構成され、前記中央部には前記フライホイールと前記回転軸と前記磁気支持装置及び異常時のストッパ装置としてのバックアップスラスト軸受部が収納されることを特徴とする超電導フライホイール蓄電装置。
6. 請求項５記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記室温部には前記非接触磁気力トルク伝達部品が収納されることを特徴とする超電導フライホイール蓄電装置。
7. 請求項６記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記室温部の内槽は前記真空槽から外部に突出した形になっていることを特徴とする超電導フライホイール蓄電装置。
8. 請求項１記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記真空容器の外部の電動／発電機側にある前記非接触磁気力トルク伝達部品の内槽蓋部を非金属部材とすることを特徴とする超電導フライホイール蓄電装置。
9. 請求項５記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記温度勾配導管部は、前記磁気支持装置の冷却温度である極低温から、前記室温部における室温までの温度勾配を付与する部分であり、熱侵入を抑えるために薄肉円管で構成し、温度勾配が確保できる長さを有することを特徴とする超電導フライホイール蓄電装置。
10. 請求項９記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記温度勾配導管部にバッフル板を設けて、室温部分と極低温部分との対流を防止することを特徴とする超電導フライホイール蓄電装置。
11. 請求項５記載の超電導フライホイール蓄電装置において、前記内槽に希薄ガスを導入して前記径方向支持用超電導体を冷却し、十分に冷却された前記径方向支持用超電導体からの分子伝導冷却と輻射冷却によって、前記浮上安定化用超電導体を冷却することを特徴とする超電導フライホイール蓄電装置。

Images