JP2010526265A - 高速フライホイールシール - Google Patents

Abstract

シャフト（４）に取り付けられた高速フライホイールに用いるシール（２）であって、２つのハウジング部（６，８）及びハウジング部の間に形成される空洞（３０）と、空洞の両側に設けられ、シャフトと接触して取り囲むリップシール（２０，２２）とを有し、注入ニップル（３６）を介して空洞内に油性流体を注入することができ、且つ、流体を注入する間、ブリードニップル（３８）を介して空洞から空気を排出することができ、それにより、流体がシャフトに対する気密シールを形成することが可能なシール。

Description

本発明はフライホイールに関するものであり、特に、車両に使用される高速フライホイールに関する。

フライホイールは、一般的に、シャフトに取り付けられ、シャフトと共に回転するように構成された比較的重量の大きいマスを備える。車両におけるフライホイールの利用は、例えば車両の加速又は減速を助けるものとして知られている。また、エネルギー蓄積のためにフライホイールを用いることも知られており、フライホイールの運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。フライホイールの運動エネルギーは、回転慣性と角速度の２乗とに正比例する。車両におけるエネルギー蓄積を目的としてフライホイールを使用する場合、質量、慣性、及び回転速度の最適バランスを実現する必要がある。フライホイールをより高速に回転させることができれば、より小型且つ軽量で所定の蓄積容量が得られる。

高速フライホイールは、通常、抵抗によるエネルギー損失を抑制し、周囲空気との摩擦によりフライホイールの温度が過度に上昇するのを防ぐため、真空にされた容器に収容される。

フライホイールが真空ハウジングに収容されるとき、ハウジング内を真空に維持できるように、ハウジングとシャフトとの間にシールを設ける必要がある。フライホイールを支持するシャフトに用いられるシールとして現在知られているものは、２０，０００ｒｐｍ以下で回転するシャフトでの使用にしか適さない。

フライホイールシャフト用のシールとして現在知られているものの一例は、油性流体に鉄粒子を添加し、流体をシャフト周囲の環状部に保持するために磁石を設けた、磁性流体シールである。流体は、フライホイールのハウジング内を真空に維持するための気密シールを形成する。

磁性流体シールの効率は、流体の粘度を増大させる流体への鉄粒子の添加によって制限される。さらに、シャフトを特定グレードのステンレス鋼で形成する必要があるため、シャフトの強度に制限が加わる。フライホイールの動作時の抵抗及び発熱を最小限に抑えるためにはシャフトの直径を最小限にすることが望ましいが、所定のシャフト材料では、その直径は、フライホイールを支持するため及び／又は所望のトルクを伝達するために十分な強度を有するシャフトにするだけの大きさでなければならない。

さらに、現在知られているフライホイールシールは、フライホイールが高速で動作するとき、発生した熱を十分に放散できないために、しばしば過熱するという問題がある。

本発明は、高速で、すなわち２０，０００以上で回転しているフライホイール及びシャフトの間にシールを設け、フライホイールハウジング内を真空に維持し得るようにすることを目的とする。

従って、本発明は、添付されている請求の範囲の請求項１に記載されるような高速フライホイール用のシールを提供する。

本発明の利点は、シール流体が効果的に冷却され、過熱する可能性が低くなるため、シールが、２０，０００ｒｐｍを超える速度で動作するフライホイールに使用可能になる点である。当然ながら、シールは、より低い速度でも機能する。

本発明においては、トルク伝達シャフトの材料が特定グレードのステンレス鋼に限られない。従って、高強度の材料を用いることができるため、シャフトの直径を最小限にして抵抗及び発熱を最小限に抑えることが可能になり、結果として、フライホイールの効率が向上し、シールが過熱する可能性が低くなる。

さらに、本発明において用いられるシール流体は、鉄粒子の添加を必要としないため、現在知られている流体よりも粘度の低い流体を用いることができる。

流体は、本来の位置で、すなわちフライホイールがシャフトに取り付けられた時点で、注入ニップルを介してシールの空洞に注入することができる。空洞に流体が注入される間、ブリードニップルを介して空洞から空気が排出される。

シールは、孔が設けられた挿入体を含むことが好ましく、孔の寸法が環状の空洞の体積を決定し、従って、空洞を満たすために注入されるべき油の量を決定する。孔は円形であるのが好ましく、挿入体の外径に対して偏心するように、従って、フライホイールを支持するシャフトに対して偏心するように、形成してもよい。その結果、流体空洞もシャフトに対して偏心した状態になり、フライホイールの動作時に流体の流動を誘起するという利点があり、それにより、流体とハウジングとの間の熱伝導が向上し、シールが過熱する可能性が低くなる。

シールの第１ハウジング部にピストンを設けてもよい。ピストンは、フライホイールの動作時に流体が加熱されて膨張すると、それに従って移動することが可能であり、その結果、加熱に伴って流体内の圧力が過度に上昇することを防止する。ピストンはまた、シール内側の圧力と外気圧とのバランスを取る働きをし、それにより、第１のリップシールでの圧力降下をなくしている。その結果、シール内の圧力が周囲圧力と等しくなるため、シールの空洞への外気の漏れが生じない。

本発明において用いられる流体は、真空のフライホイールコアの圧力で蒸発しないことが好ましい。従って、流体が真空のフライホイールコアに浸出してしまった場合に、流体は真空のフライホイールコア内で蒸発しないため、真空度の低下は起こらない。

シールのハウジングは、熱伝導率の良いアルミニウム等の軽合金で製造することができる。重さが重要でない場合は、銅等の熱伝導率の良い他の材料を用いてもよい。従って、軽合金より熱伝導率の低い、磁石及びスチールで囲まれる、現在知られている磁性流体型シールに比べて、シール流体の冷却効率が良くなる。

リップシールは、ＰＴＦＥを含むポリマーブレンドで形成されたシールリップを備えるものであってもよい。

以下、本発明の実施形態を、例として、添付の図面を参照して説明する。

本発明によるフライホイールシールの側面図。 図１のフライホイールシールのＩＩ−ＩＩ線断面図。 図２のフライホイールシールのＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。 本発明によるフライホイールシールの別の実施形態の断面図。

図２を参照すると、シール２は、トルク伝達シャフト４に対して気密シールを提供する。当該シールは、第１のハウジング部６と第２のハウジング部８とで形成される軽合金ハウジングを備える。第１のハウジング部６及び第２のハウジング部８は相補的な段付き形状１０，１２を有し、第１のハウジング部６が第２のハウジング部８に収まるようになっている。

組み立てた状態のフライホイールにおいて、第１のハウジング部６は、フライホイールから外側に向いており、接触可能である。第２のハウジング部８は、真空のフライホイールコアへと内方に向いており、そのため、接触はできない。

第１のハウジング部６を第２のハウジング部８に嵌め込むと、ハウジング間に空間１４が形成される。第１及び第２のハウジング部６，８には、第１の変性ＰＴＦＥリップシール２０及び第２の変性ＰＴＦＥリップシール２２をそれぞれ収容するため、環状の肩部１６，１８が形成されている。各環状肩部１６，１８の深さはリップシール２０，２２の深さに略等しく、リップシール２０，２２が空間１４に影響を及ぼすことはない。

空間１４にはリング状の挿入体２４ａが配設される。挿入体の外径２６は、第２のハウジング部８に収まるような寸法になっている。図３を参照すると、シャフトは挿入体２４ａの中央部を通っている。

環状の空洞３０は、リップシール２０，２２間に形成される。当該空洞は、リップシール２０，２２、ハウジング部６，８、及び挿入体２４によって境界される。挿入体２４ａは体積を減少させる働きをし、環状空洞の体積は、ハウジングの２０，２２部分間の空間体積から挿入体２４ａの体積を差し引いたものになる。

シール２は、シャフト４がハウジング部６，８、リップシール２０，２２、及び挿入体２４ａの中央部を通るように、シャフト４に取り付けられる。

リップシール２０，２２は、リップシールのリップ３２，３４が環状空洞３０側に向くとともにシャフト４と接触するように、配置される。

空洞３０には、注入ニップル３６を介して、油性流体４０が充填される（図３）。流体が注入される間、ブリードニップル３８を介して空洞３０から空気が排出される。空洞３０が流体４０で満たされると、流体４０はシャフト４に対する気密シールを形成する。第１のリップシール２０は流体４０を外気から隔離し、第２のリップシール２２は流体４０を真空のフライホイールコアから隔離する。

注入ニップル３６及びブリードニップル３８は、フライホイールから外側に向いており、接触可能であるため、本来の位置で、すなわち、フライホイールがシャフト４に取り付けられた後に、流体４０を空洞３０に注入することができる。流体４０がシャフト４を取り囲み、リップシール２０，２２が空洞３０からシャフト４に沿って流体４０が漏出するのを防止することにより、シールが形成される。

フライホイールが高速で動作するとき、流体４０はまた、潤滑及び冷却作用をもたらし、リップシール２０，２２の過熱を防止する。流体４０によって吸収された熱は、ハウジング部６，８を通って伝導により放散される。

ピストン４２は、第１のハウジング部６に配設される。ピストン４２は、フライホイールの動作時に流体４０が加熱されて膨張すると、それに従って移動することが可能であり、その結果、加熱に伴って流体４０内の圧力が過度に上昇することを防止する。また、ピストン４２は、シール内側の圧力と外気圧とのバランスを取る働きをし、それにより、第１のリップシール２０での圧力降下をなくしている。その結果、空洞３０内の圧力が周囲圧力と等しくなるため、外気が空洞３０に漏れることを防止する。第２のリップシール２２は、１バールの圧力降下を維持するように作用する。しかしながら、仮にいくらかの流体４０が空洞３０から第２のリップシール２２を通り過ぎて真空のフライホイールコアに浸出するようなことがあっても、流体は真空のコアの圧力で蒸発しないため、真空度の低下は起こらない。

シール２は、必要に応じて別の挿入体２４を利用することも可能である。挿入体２４は空洞３０の体積を減少させるため、より大きな挿入体を用いれば、それだけ空洞３０のより大きな部分を占めることになり、空洞３０を満たすために必要な流体４０の量を減少させる。

図４に示される別の実施形態においては、環状の挿入体２４ｂの中央部が、挿入体２４ｂの外径２６と同心でないような形状になっている。従って、フライホイールにシールを取り付けたとき、挿入体２４の中央部及び流体４０が注入される空洞３０は、シャフト４と同心でない。これにより、フライホイールが動作するとき、空洞３０内で流体の流動が誘起されるため、特定領域における温度上昇を防止し、流体の温度勾配を最小限に抑える。従って、流体４０とハウジング部６，８との間の熱伝導が向上する。

Claims (10)

1. シャフトに取り付けられた高速フライホイールに用いるシールであって、ハウジング及び該ハウジング内にあって流体で満たされることが可能な体積を有する空洞と、該空洞の両側に設けられ、前記シャフトと接触して取り囲むリップシールと、前記空洞に流体を注入するための手段と、前記空洞への前記流体の注入中に前記空洞から空気を排出できるようにするための手段とを備え、それにより、前記流体は前記シャフトに対する気密シールを形成することができることを特徴とするシール。
2. 前記空洞の前記体積を減少させるためにリング状の挿入体が配設されることを特徴とする請求項１に記載のシール。
3. 前記挿入体の中央部は円形であることを特徴とする請求項２に記載のシール。
4. 前記孔は前記シャフトに対して偏心していることを特徴とする請求項３に記載のシール。
5. 前記流体の膨張に応じて移動することが可能なピストンが配設されることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載のシール。
6. 前記ハウジングの少なくとも一部分はアルミニウム等の軽合金で形成されることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載のシール。
7. 前記シール手段は、ＰＴＦＥを含むポリマーブレンドで形成されたリップシールであることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載のシール。
8. 先行するいずれかの請求項に記載のシールを含むフライホイール。
9. シャフトに取り付けられたフライホイールにシールを形成する方法であって、
   注入ニップル及びブリードニップルを開くステップと、
   前記シャフトと接触する２つのリップシールの間に形成された空洞が満たされるまで、前記注入ニップルに流体を注入し、流体が前記空洞に注入されるにつれて前記ブリードニップルを介して前記空洞から空気が排出されるステップと、
   前記注入ニップル及び前記ブリードニップルを閉じるステップとを備えることを特徴とする方法。
10. 添付の図面を参照して実質的に説明された高速フライホイール。

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