JP2814153B2 - エネルギー貯蔵装置 - Google Patents

エネルギー貯蔵装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、エネルギーの一時的あ
るいは長期的な貯蔵方法ならびにエネルギーの変換方
法、およびそれらに付随する装置に関する。本発明で
は、特にエネルギーの貯蔵方法およびそれに付随する装
置では従来では達成困難な極めて高いエネルギー蓄積密
度を得ることが可能である。
【０００２】
【従来の技術】太古よりエネルギーの貯蔵は、無意識な
ものではあったが、人類にとって重要な問題であった。
これは、夜と昼、冬と夏といったエネルギー需要と供給
の周期的な変化に対応するために必要とされたものであ
る。
【０００３】人類は当初、自然に蓄えられたエネルギー
を燃焼という化学的手段によって、利用可能な形態と
し、太陽エネルギーの供給が不十分で寒冷な夜間あるい
は冬に暖をとってきた。すなわち、自然に存在した薪あ
るいはそれを加工した炭は、太陽エネルギーが植物の光
合成によって植物体内に貯蔵されたものであった。ま
た、近代になって大量に使用されるようになった石炭や
石油は太古の植物や動物の遺骸が変成したものであり、
さかのぼれば太古の太陽エネルギーが貯蔵されたものに
他ならない。
【０００４】また、１９世紀に発明された鉛蓄電池は、
電気エネルギーを貯蔵するための方法であり、鉛蓄電池
をはじめとする二次電池は、いずれも電気エネルギーを
化学的な手段によって貯蔵する方法である。
【０００５】さらに、水の電気分解によって生成する水
素ガスを貯蔵することもエネルギーの貯蔵方法の１つで
ある。
【０００６】これらのエネルギー貯蔵方法はいずれも分
子や原子の化学反応を利用したものである。この方法の
特徴は極めて高密度にエネルギーが貯蔵できることであ
る。一般に、１ｃｍ３あたりには原子は１０２３個程度
存在するが、これらの原子・分子は化学反応によって１
原子・分子あたり０．１〜１電子ボルト程度のエネルギ
ーを貯蔵できるため、計算では１ｍ３あたり、１０９〜
１０１０ジュール（Ｊ）のエネルギーを蓄積できる。実
際には、例えば、液体水素は１ｍ３あたり、１．０２×
１０１０Ｊ／ｍ３である。また、二次電池の例では、鉛
蓄電池で１０８Ｊ／ｍ３程度の蓄積エネルギー密度であ
る。これはエネルギーの蓄積された物質（電極板）以外
の電解液が多量の体積を占めるからである。
【０００７】これら化学的な反応を利用するエネルギー
貯蔵方法ではエネルギーの取り出しを一時に大量におこ
なうことは難しい。例えば、二次電池では、電極の表面
の反応がエネルギー取り出し量の最大値を決定する。ま
た、その他の化学的なエネルギー貯蔵方法では、爆発と
いう形で蓄積されていたエネルギーを一時に解放するこ
とは可能であるが、それを、例えば電気エネルギーとい
うような利用しやすい形態に効率よく変換することはほ
とんど不可能である。
【０００８】以上のような化学的なエネルギー貯蔵方法
に対して、物理的なエネルギー貯蔵方法も様々な分野で
利用されている。その代表的なものは水力発電所のダム
である。ダムは、太陽エネルギー等によって発生した雨
水を蓄えておくものであり、貯蔵の際には、多量の水が
位置エネルギーという形態で貯蔵されるのである。ま
た、夜間の余剰の電力を利用してダムに水を汲み上げ、
昼間にそれを利用して発電するという揚力発電所におい
ては、夜間の電力が水の位置エネルギーという形態で貯
蔵されることとなる。揚力発電所の技術思想は、需要に
応じてフレキシブルにエネルギーを供給しようとするも
のであり、本発明の目的とする内容に近いものである。
【０００９】ダムの場合には、例えば、ダムと発電所の
落差が１００ｍあるとすれば、ダムの水に蓄えられた貯
蔵エネルギー密度は、水１ｍ３あたり１０６ジュールで
ある。ダムの落差がより大きくなれば、蓄積エネルギー
密度はそれに比例して大きくなる。
【００１０】コンデンサーも物理的なエネルギー貯蔵方
法の１つである。これは静電気的な形態でエネルギーを
貯蔵する。この方法の特徴は、一時に極めて多くのエネ
ルギーを取り出すことが可能ということである。すなわ
ち、極端な場合には１０ナノ秒という短時間に蓄積され
ているエネルギーを全て取り出すことも可能である。し
かしながら、コンデンサーでは蓄積エネルギー密度は一
般に大きくない。
【００１１】コンデンサーは電極の間に形成される電場
によってエネルギーが蓄積されていると考えられ。電場
のエネルギーは、εＥ２で表される。ここで、εは電極
間の誘電率であり、Ｅは電場である。一般に物質に無制
限に大きな電場をかけることはできない。一定以上の電
場をかけると絶縁が破壊されてしまう。通常の物質では
１０８Ｖ／ｍ以上の電場をかけることはできない。ま
た、εは通常、１０−１１〜１０−９であり、したがっ
て、理想的なコンデンサーでの蓄積エネルギー密度は最
大でも１０７Ｊ／ｍ３である。
【００１２】静電場によるエネルギーに対して、静磁場
によるエネルギー蓄積方法も存在する。超伝導の閉電流
によるエネルギー貯蔵装置である。これは、閉じた超伝
導コイルに永久電流を流すことによってエネルギーを貯
蔵するものであり、原理的には、超伝導永久電流によっ
て生じた磁場によってエネルギーが貯蔵されるものと考
えられる。磁場のエネルギーはμＨ２＝Ｂ２／μで表さ
れる。ここで、μは透磁率であり、最も小さい真空中で
１０−６である。また、Ｈは磁場、Ｂは磁束密度である
が、Ｂも無制限に大きくはできない。すなわち、１００
テスラもの磁束密度のもとでは超伝導体がもはや超伝導
とはならない。通常、安定して使用できる磁束密度は３
０テスラが限度である。したがって、この方法による蓄
積エネルギー密度は１０９Ｊ／ｍ３が限度であるが、物
理的なエネルギー貯蔵方法としてはかなり密度が高い。
しかし、現在のところ、この方法に使用できる超伝導体
は、液体ヘリウムで冷やす必要があり、そのための冷却
設備が巨大なものとなることと、エネルギー貯蔵の際に
発生する巨大な磁場を遮蔽するために、装置の体積のほ
とんどを費やしてしまうこと、等の問題点のために民生
用としては利用されていない。
【００１３】これらの物理的なエネルギー貯蔵方法に対
して、はずみ車（フライホイール）を利用したエネルギ
ー貯蔵方法は、簡便な方法で、装置も小型にでき、か
つ、高い蓄積エネルギー密度が達成できる、という点で
注目される。
【００１４】フライホイールによるエネルギー貯蔵の原
理はフライホイールの回転エネルギー（運動エネルギー
の一形態）を保持するということである。回転エネルギ
ーはＩω２／２で表される。ここで、Ｉはフライホイー
ルの慣性モーメントであり、ωはフライホイールの角速
度である。フライホイールが密度ρの材料で出来てい
て、半径ｒ、厚さＤの円盤であるとすれば、その慣性モ
ーメントＩは２πρＤｒ３／３で表される。一方、フラ
イホイールの体積はπｒ２Ｄであるので、蓄積エネルギ
ー密度はρｒω２／３となる。物質の密度は、水では１
０３Ｋｇ／ｍ３、普通に用いられる材料では１０４Ｋｇ
／ｍ３程度である。最大でも２×１０４Ｋｇ／ｍ３であ
るので、密度の大きな材料を使用することよりも他のパ
ラメーターを良くする方が効果的である。上式から明ら
かなように、フライホイールの半径が大きく、回転の速
度が大きい方が蓄積エネルギー密度が大きくなる。
【００１５】例えば、密度が１０４Ｋｇ／ｍ３の材料で
出来た半径１ｍのフライホイールを毎分１万回転（１０
５ｒｐｍ）＝１０３ｒａｄ／ｓで回転させたときの蓄積
エネルギー密度は３×１０９Ｊ／ｍ３であり、これは物
理的な方法によるエネルギー貯蔵では極めて大きなもの
であり、また、回転数をさらに１桁上げれば化学的な方
法によるエネルギー貯蔵法の上限以上の蓄積エネルギー
密度が可能となる。しかも、化学的なエネルギー貯蔵方
法とは異なり、一時に大量にエネルギーを取り出すこと
が可能である。
【００１６】さて、今日、特にエネルギーの貯蔵方法が
問題とされているかというと、それは環境問題と極めて
深いかかわり合いがある。すなわち、従来、人類は石炭
や石油といった化石燃料を、特に意識もせずに消費して
きた。これら化石燃料は、先にも述べたように太古の動
植物の遺骸が変成して出来たものであり、結局のとこ
ろ、過去の太陽エネルギーが自然に蓄積されたものであ
る。
【００１７】しかしながら、これら化石燃料は極めて偏
在して存在し、先のイラク・クウェィート問題でさらけ
出されたように、現在の産業を支える重要な材料である
にも関わらず、国際政治に翻弄されがちである。
【００１８】さらに、これらの化石燃料は有限な資源で
あることも問題である。化石燃料は極めて高い蓄積エネ
ルギー密度を誇っていながら、極めて取扱が容易であ
り、通常の用途にはほとんど問題がない。したがって、
多くの交通手段、輸送手段が化石燃料を使用する。一
方、電気自動車や水素自動車等は燃料の取扱が不便であ
り、さらに、またエネルギー蓄積密度の点で問題があっ
たりして、普及には程遠いのが現状である。
【００１９】化石燃料に代わるエネルギー源としては原
子力や大陽光発電等があるが、前者はプラントの設置と
管理が難しく、自動車に積めるという代物ではない。人
里離れた僻地に発電所を設置し、そこから送られてくる
電力を消費するという形となり、自動車にはその電気エ
ネルギーを何らかの方法によって貯蔵して搭載するとい
う手段を取らざるを得ない。また、後者は太陽が出てい
ない夜間や曇天下ではエネルギーの供給が不可能で、必
然的にエネルギー貯蔵が必要となる。
【００２０】現在、これらの他の方法によるエネルギー
を扱いやすい人工燃料（人造石油等）に変換することが
試みられているが、製造コストが高く、実用には到って
いない。
【００２１】さらにまた、昨今の地球温暖化現象で問題
となったように、化石燃料の消費は多量の二酸化炭素を
大気中に放出することとなり、世界的に使用を控えるべ
きとの運動がおこっている。
【００２２】以上のようなわけで、原子力や太陽光発電
によって得られたエネルギーを使用しやすい形態で貯蔵
することが望まれている。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
フライホイールによるエネルギー貯蔵はフライホイール
をベアリングを介して支えるという構造をとるため、無
制限に回転数を上げることは不可能であり、実際問題と
して、半径１ｍのフライホイールを１０５ｒｐｍで回転
させることは、現在の技術では果たしえないものであっ
た。
【００２４】本発明は、以上の説明で明らかにした、従
来のフライホイール型エネルギー貯蔵方法の最大の問題
点である回転数の制約を取り除き、よりエネルギー密度
を上げることを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】本発明は、エネルギー貯
蔵装置において、ベアリング等の機械的な方法によって
フライホイールを支持するのではなく、超伝導体と磁場
との相互作用によってフライホイールを支持することを
特徴とする。
【００２６】ここで、超伝導体と磁場との相互作用につ
いて簡単に説明する。従来、超伝導体と磁場との相互作
用の典型的な現象としてマイスナー効果が知られてい
た。これは、（勾配のある）磁場によって、超伝導体が
反発力を受け、例えば、磁石（超伝導体）の上に超伝導
体（磁石）が浮上するというものである。
【００２７】しかしながら、近年の超伝導の研究によっ
て、マイスナー効果だけではなく、新たな相互作用が知
られるに到った。すなわち、マイスナー効果では、磁石
と超伝導体間の相互作用では反発力しかあり得ず、極め
て不安定な状態であった。しかしながら、新たに発見さ
れた相互作用では、磁石と超伝導体が近接しすぎると反
発はするが、ある程度離すと今度は引力が発生する、と
いう複雑な効果が特徴である。その原理については、未
だ明らかではないが、磁石と超伝導体の間の特定の場所
にポテンシャルの底があり、磁石と超伝導体はこのポテ
ンシャルの谷付近で安定するため、極めて安定な相互作
用であり、物体を支持するのに極めて適していることが
わかった。この新たな相互作用は、近年発見されたセラ
ミックス超伝導体で極めて顕著であり、セラミックス超
伝導体の中でも、ランタノイド族元素もしくはイットリ
ウムとバリウムと銅と酸素を含むセラミックス超伝導
体、あるいはビスマスとストロンチウムとカルシウムと
銅と酸素を含む超伝導体、あるいはタリウムとバリウム
とカルシウムと銅と酸素を含む超伝導体において、特に
顕著であった。
【００２８】本発明の技術思想を図１に示す。図１にお
いて１０２がフライホイールであり、その表面には、図
３に示すように、中央にＮ極の磁石が、その周囲には磁
石がＮＳＮＳＮＳ・・・というように交互に形成されて
いる。１０１と１０３は超伝導体であって、この超伝導
体とフライホイールの表面の磁石との相互作用によって
フライホイールは中空に浮上する。１０４ａおよびｂは
フライホイールに回転力を与えるための、あるいはフラ
イホイールの回転力を電気エネルギーに変換するための
コイルである。
【００２９】図２は図１で示した装置の側面図である。
図にはフライホイールの表面に形成された磁石が示され
ている。図１および２ではフライホイールの上下に超伝
導体が存在するが、上下いずれか一方だけに存在して
も、フライホイールを支持できる。しかし、上下両方に
超伝導体がある方がフライホイールの安定静が向上し
た。
【００３０】また、図１および図２にはコイル１０４ａ
〜ｄが独立に描かれているが、これらは全て同一の電気
系統に接続されていても構わない。その際には、これら
のコイルは、ホイールに回転力を供給する装置として、
かつ、ホイールの回転力を電気エネルギーに変換する装
置として機能する。このことは、電気モーターが、ま
た、発電機としても機能することから容易に推察できる
であろう。
【００３１】また、例えば１０４ａとｂをホイールに回
転力を与える装置として用い、１０４ｃとｄをホイール
の回転力を電気エネルギーに変換する装置として用いる
ことも可能である。また、図１および図２では、コイル
は２組づつ、計４個しか描かれていないが、より多くの
コイルを配置しても良いことは明白である。しかしなが
ら、コイルの配置に関しては、できるだけ対称性のよい
ように配置するとフライホイールの回転が安定し、高回
転（１０万ｒｐｍ以上）まで回転数を上げることができ
た。
【００３２】図には書かれていないが、コイルの磁芯と
して、軟鉄やフェライトを用いると取り出し電流の最大
値を大きくすることができた。また、コイルとフライホ
イールとの距離を調節することによって回転力から取り
出す電力量を調節することができる。例えば、極めて高
速でフライホイールが回転している場合に、コイルをフ
ライホイールに極めて近い位置に置いて、その場所に固
定した場合には、最初は極めて多量の電力が発生する
が、フライホイールが発電によってエネルギーを失って
低速で回転するようになると発生する電力は低下する。
このような電力の発生は、一時に多量の電力が必要な場
合には効果的であるが、通常の恒常的な電力の消費を考
えた場合には極めて扱いにくいものである。
【００３３】しかし、最初にコイルを遠い位置に置き、
フライホイールの回転が低下するにしたがって、コイル
をフライホイールに近づければ、発生する電力は一定と
することができる。
【００３４】以下に本発明を用いたエネルギー貯蔵法に
ついて図１乃至図３を用いて説明する。最初、フライホ
イール１０２は超伝導体１０３および超伝導体１０１と
フライホイールの表面に形成された磁石１０５ｃおよび
ｄとの相互作用によって宙に浮いた状態で静止している
とする。
【００３５】この装置に外部より電力を供給する。例え
ば、直流を供給する。しかしながら、フライホイールを
回転させるためには直流を適切な周波数の交流に変換す
る必要がある。そこで、図には示されていないが直流・
交流変換装置を用いて装置に供給された電力を交流に変
える。また、特定の周波数の交流が供給された場合に
も、その周波数ではフライホイールが順調に回転しない
場合があるため、回転に適切な周波数に変換する必要が
ある。最初、フライホイールは静止しているため変換さ
れた交流の周波数はゼロに近い低周波である。
【００３６】このような低周波電流はコイル１０４ａ〜
ｄに導かれ、磁場を発生する。そして、フライホイール
上の磁石、例えば１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｅおよび
１０５ｆとの相互作用によって、フライホイールは回転
を始める。この原理は、公知の電気モーターと全く同じ
である。
【００３７】さらに電力が供給され続け、フライホイー
ルは回転数を上げて回転する。装置に供給される交流の
周波数はフライホイールの回転と同期したものである必
要がある。そうでなければ、フライーホイールの回転を
妨げることとなる。
【００３８】外部からの電力の供給がなくった時点、あ
るいは充分少なくなった時点でコイルの電気回路を開
く。外部からの電力の供給がなくなり、コイルで磁場が
発生しなくなっても、フライホイールは慣性で回転し続
け、エネルギーを保持し続ける。従来のフライホイール
はベアリングで支持されていたため、空気の抵抗ととも
にベアリングの摩擦によって回転エネルギーは時間とと
もに減少してゆき、エネルギーの保持時間は１０分が限
度であった。しかしながら、本発明ではベアリングを使
用しないのでエネルギーの保持時間は当然のことながら
従来のフライホイール以上であり、さらにフライホイー
ルを真空容器中においた場合には空気の抵抗も働かない
ので、回転は１時間以上にわたって続く。また、フライ
ホイールを真空中に置くということは、本発明の特徴的
なことである。すなわち、従来のフライホイールはベア
リングによって支持されていたため、フライホイールを
真空中に置くためには、装置全体を真空容器中に入れな
ければならず、また、真空容器中にベアリング等の機械
部品を置くために、その保守・点検・整備には多大な労
力が必要とされる。また、そのような真空中であって
も、空気の抵抗以上にベアリングの抵抗が大きいため、
現実的には真空中で使用するメリットはほとんど失われ
る。
【００３９】一方、本発明では、フライホイールのみを
真空中に保持することも可能である。また、フライホイ
ールのみを真空中に置くことは、機械部品を真空容器内
に設置する必要がない。そのため、真空容器を小型にで
き、例えば、真空管のごとき真空封じ切りにすることも
可能である。
【００４０】さらに本発明では、従来の場合に比べて機
械部品の使用が少なく、例えば、ベアリングの磨耗等の
問題もないため、フライホイールだけでなく、その周辺
の部品をも真空容器中に入れ、長期にわたってメンテナ
ンスフリーで使用することも可能である。
【００４１】次にこの回転体からエネルギーを外部に取
り出す場合について説明する。コイル１０４ａ〜ｄの電
気回路を閉じると、フライホイール上の磁石とコイルと
の電磁誘導作用によってコイルに起電力が生じる。フラ
イホイールとコイルとの位置関係が固定されている場合
には、生じる電力は、最初に最大で、その後、回転数の
減少とともに電力は減少する。また、生じる電力は交流
で、その周波数はフライホイールの回転数に比例する。
このため、最初は周波数が高いが次第に周波数が低くな
る。電力を供給するにあたっては、周波数の変動は望ま
しくないので、先述の直流・交流変換装置あるいはそれ
と同等な装置によって、特定の周波数の交流もしくは直
流に変換する。
【００４２】また、電力が時間とともに変化することは
電力供給にあたって望ましくない。安定な電力の供給が
望まれる場合には、コイルの位置を可変にし、最初はコ
イルを遠くに離しておき、フライホイールの回転が減少
するにしたがって、コイルを近づけるという方法を採用
するとよい。
【００４３】以上の方法では電力の供給と取り出しを同
一のコイルでおこなうものであったが、供給用コイルと
取り出し用コイルとを別のものとすることも可能であ
る。例えば、コイル１０４ａおよびｂを外部からの電力
の供給に使用し、コイル１０４ｃおよびｄを電力取り出
し用に使用する。この場合には、供給用の電気回路と取
り出し用の電気回路とを独立して設定、使用することが
可能であり、操作性が向上する。
【００４４】また、以上の例では最初はフライホイール
は静止していたが、常にフライホイールが一定回転以上
の回転を保つようにして、電力の供給・保持・取り出し
をおこなってもよい。
【００４５】
【実施例】〔実施例１〕本発明の実施形態の１例を図４
に示す。図は本発明を用いた装置の概要を示したもの
で、細部は省略されている。
【００４６】本装置は、フライホイール４０２を挟んで
超伝導体４０１および４０３が配置されている。図では
超伝導体は１体物のように描かれているが、本発明およ
び本実施例では、超伝導体とは、超伝導体そのものを必
ずしも意味するのではなく、超伝導体を使用し、超伝導
体と磁場との相互作用を与えうるような構造を有するも
のをいうことに注意すべきである。したがって、本発明
および本実施例では、単に超伝導体といった場合でも、
その超伝導体の表面に無機材料や有機材料の被膜が形成
されていても、あるいは、多数の超伝導体が組み合わさ
れ、各超伝導体の間には非超伝導体で充満されていても
構わない。
【００４７】図４では何ら示されていないが、フライホ
イール４０２の表面には図３に示されるような永久磁石
が形成されている。これらの磁石と上下の超伝導体との
相互作用によって、フライホイールは中空に浮いた状態
に保たれている。フライホイールは真空容器４０６の中
に収納されている。真空容器４０６は、排気管４１１と
バルブ４０９を経て、真空ポンプ４１０で排気される。
使用時の圧力は、空気抵抗を避けるため、低い方が望ま
しい。当然のことながら、大気圧以下の圧力であって
も、従来のベアリング支持のフライホイールの場合、あ
るいは本発明を利用して大気中でおこなう場合と比較す
れば、回転の保持時間は大幅に増加する。なおかつ、フ
ライホイールは非常な高速度で回転するため、その先端
の速度は音速を越える。したがって、回転の不安定性を
取り除く必要から、１０ｔｏｒｒ以下の圧力が望まし
く、１０−２ｔｏｒｒ以下であれば、外部の不意の振動
の影響が全くなく、回転は極めて安定の高いものであっ
た。しかしながら、高い真空度を得るためには特殊なポ
ンプが必要とされるので真空度の選択は、装置の目的、
価格を考慮してなされる。具体的には通常の油回転ポン
プもしくはそれに液体窒素トラップ等のオイルゲッタを
取りつけたもので十分であった。オイルゲッタが望まれ
るのは、真空ポンプからもれ出てくる油が真空容器の内
壁に堆積し、フライホイールの回転を損なうからであ
る。また、真空排気装置を一切使用せず、真空容器を真
空管のように封じ切ってしまっても構わない。
【００４８】超伝導体１０１および１０３は、フライホ
イールの回転軸付近には超伝導体を配置しなかった。こ
のような構造を取ることによってフライホイールの横方
向の安定性が優れたものとなった。
【００４９】フライホイールの周辺には外部から電力を
供給するための、およびフライホイールの回転エネルギ
ーを電気エネルギーに変え、外部に供給するためのコイ
ル４０４ａ〜ｄを配置した。このコイルは空芯であって
も構わないが、その芯として薄板珪素鋼もしくはフェラ
イト（磁性酸化物材料）を用いると、エネルギーの変換
が効率よくおこなえた。また、コイル４０４ａおよびｃ
は電力供給用として、コイル４０４ｂおよびｄは電力取
り出し用として用いた。特にこのように、上下１組のコ
イルを同じ目的の為に用いた理由は、上下のコイルと磁
石との相互作用が釣り合ってフライホイールの安定性が
増すからである。
【００５０】超伝導体１０１および１０３は冷却装置４
０７および４０８によって、それぞれ冷却される。冷却
装置４０７および４０８は液体窒素が充満されている。
【００５１】本装置で用いられた超伝導体はイットリウ
ム、バリウム、銅、酸素からなる酸化物超伝導体で、そ
の作製は以下のようにおこなった。
【００５２】すなわち、三酸化二イットリウム（Ｙ２Ｏ
３）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、酸化銅（ＣｕＯ）
のいずれも純度９９．９％の粉末をモル比で、Ｙ：Ｂ
ａ：Ｃｕ＝１：２：３となるように正確に計り取り、ボ
ールミルで１時間混合した。次にこの混合物を空気中、
９００度Ｃで４８時間焼成した。この焼成生成物が主と
して酸化物超伝導体ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（０＜ｘ＜
１）からなっていることを、Ｘ線回折法によって確認し
たのち、これを再びボールミルで粉砕し、得られた粉末
１００ｇをアルミナ坩堝に入れ、空気中１４００度Ｃで
１時間加熱して溶融させ、この溶融物を冷却された銅板
でできた円盤状の型に流しこみ急冷した。
【００５３】型は鉄製やアルミナ製のものより銅製のも
のの方が適していた。その理由としては、鉄製のもので
は、溶融物と型（鉄製）のものの反応が激しく、得られ
る超伝導体の特性が悪く、また、熱伝導率が銅に比べて
劣っていたため、また、アルミナ製のものでは熱伝導率
は銅と同等であるが、溶融物がアルミナに強固に付着す
ることが度々あり、その際には溶融固化物にひび割れが
生じることが多かったためである。これに対し、銅製の
型では熱伝導率がよく、さらに、溶融物と型の界面には
剥がれやすい銅の酸化物が生じ、溶融固化物に強い応力
が及ばないためにひび割れの発生は極力抑えられた。ま
た、型から取り出す工程も極めて容易であった。
【００５４】次に、このようにして得られた溶融固化物
を大気圧の酸素とアルゴンの混合気体中（酸素５％）
で、１０００度Ｃで１２時間焼成したのち、その状態を
保ったまま９００度Ｃまで６０時間かけて冷却し、最後
に酸素中４００度Ｃで４８時間アニールをおこなった。
【００５５】このようにして得られたものは多結晶質の
酸化物超伝導体ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（０＜ｘ＜０．
１）であり、超伝導反磁性の測定から、９２．５Ｋで超
伝導転移を示した。以上に述べた超伝導体の作製方法は
１例であり、その他の方法で超伝導体を作製することも
可能である。
【００５６】このような構造を有するフライホイール型
エネルギー貯蔵装置では、フライホイールの半径は０．
１ｍ、厚さは０．０５ｍであり、その慣性モーメントは
２．５ｋｇ・ｍであった。また、このホイールは１０４
ｒｐｍで回転させることができ、１時間後においても回
転数の減少は１％以内であった。この状態では、このフ
ライホイールに貯蔵させているエネルギーは１．２５×
１０６Ｊ＝３４７Ｗｈであると考えられる。
【００５７】〔実施例２〕装置の構造は図４で示される
ものと同じであるが、超伝導体を図５に示すような、細
いテープ状の超伝導線材を多層に巻いたものを用いた。
図で５０１はフライホイールを支持するための超伝導体
を、５０１ａはそれを構成する超伝導線材を示す。この
場合でもフライホイールの動作自体には何ら変化はなか
った。
【００５８】超伝導体を構成する超伝導線材は、ＹＢａ
２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（０＜ｘ＜０．１）で示される酸化物
超伝導体が薄い銀（純度は９９．９９９％以上）のチュ
ーブによって包まれた構造を有している。チューブの断
面は０．５ｍｍ×２０ｍｍのテープ状であった。直径５
ｍｍの円状の断面を有する線材を用いても同様な効果が
得られた。
【００５９】また、超伝導物質としてビスマス、ストロ
ンチウム、カルシウム、銅、酸素からなる酸化物超伝導
体を用いた場合でも同じ程度の効果が得られた。
【００６０】これらの線材は多層に巻いた後、超伝導材
料としてＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘを用いたものに関して
は酸素中９５０度Ｃで１２時間焼成した後、酸素中４０
０度Ｃで２４時間アニールし、また、超伝導物質として
ビスマス、ストロンチウム、カルシウム、銅、酸素から
なる酸化物超伝導体を用いた場合には、アルゴン雰囲気
（酸素１％以下）中８００度Ｃで１２時間焼成した。
【００６１】〔実施例３〕本発明を利用した応用例を図
６を用いて説明する。図６で示されているのは、自動車
等の交通手段に本発明による電力貯蔵装置を積載したも
のである。
【００６２】運動している自動車６０１が制動するとき
を考える。前輪６０２の回転力は発電機６０３に伝えら
れ、直流の電気エネルギーとなって、直流・交流変換装
置６０４へ送られる。さらに、直流・交流変換装置６０
４によって、フライホイールによってエネルギーを貯蔵
する装置６０５のフライホイールの回転数に同期した周
波数の交流に変換された電力はエネルギー貯蔵装置６０
５に送られ、電力はフライホイールの回転エネルギーと
して蓄えられる。この過程で、自動車の運動エネルギー
は電気エネルギー、さらには回転エネルギーと変化し、
フライホイール中に蓄えられる。そして、この効果によ
って自動車は減速する。
【００６３】自動車が十分に低速になったらエネルギー
貯蔵装置６０５への電力の供給は遮断され、以後は通常
のブレーキによって自動車は停止させられる。この状態
で、フライホイールの回転エネルギーとしてエネルギー
がエネルギー貯蔵装置６０５に蓄えられている。
【００６４】次に自動車が発進する際には、自動車に積
載されている内燃機関６０６による動力以外に、フライ
ホイールに蓄えられているエネルギーをも使用して発進
する。すなわち、フライホイールより取り出した電力
（交流）を直流・交流変換装置６０４にって直流に変換
し、これを発電機（電気モーターと同じ働きをする）に
供給することによって前輪６０２を駆動する。一方、後
輪６０７は内燃機関６０６によって駆動される。
【００６５】本実施例では前輪の運動エネルギーをフラ
イホイールに取り込むことによって制動をおこなうが、
これは、制動は前輪の割合を大きくすることによって安
定に制動できるからである。
【００６６】自動車の運動においてエネルギーを最も消
費する過程は発進時であり、本実施例では、発進は内燃
機関とフライホイールによって供給される電力でおこな
うが、フライホイールの電力はもともと制動時の自動車
の運動エネルギーによって得たものであるので、エネル
ギーを極めて有効に使用できる。さらに、内燃機関への
発進時の負担が少ないので内燃機関を小さな容量のもの
にできる。このような構造の車両は、特に平地を中心に
走行する場合には低燃費、小排気ガスという効果が著し
い。
【００６７】１０トンの自動車を時速５０ｋｍまで加速
するのに必要なエネルギーは１０６ジュールであるか
ら、実施例１で示したエネルギー貯蔵装置１個でまかな
える。実施例１で示した装置の重さはせいぜい３０ｋｇ
であり、全車重の１％にも満たない。同じ装置を幾つも
搭載することによっても、その重量による車重の増加は
無視でき、むしろ加速性能を向上させることが可能であ
る。
【００６８】また、１０トンの自動車が高度差１００ｍ
の坂道を登る場合には１０７ジュールのエネルギーが必
要であるが、この場合には、実施例１の装置１個だけで
は間に合わない。しかしながら、フライホイールの回転
数を４倍に増加させると蓄積されるエネルギーは１６倍
となる。もちろん、フライホイールの数を増やしてもよ
い。
【００６９】〔実施例４〕フライホイールおよびそれを
支持する超伝導体のバリエーションについて記述する。
図７は本発明を用いたエネルギー貯蔵装置のフライホイ
ールおよびそれを支持する超伝導体を示したものであ
る。
【００７０】フライホイール７０２の上下には実施例１
の場合と同様に超伝導体７０１および７０３が設けられ
ている。しかしながら、実施例１の場合とは異なり、回
転軸近傍は空洞Ａとなっている。このため、この空洞部
Ａを他の用途に利用することが可能である。フライホイ
ールの慣性モーメントには、中心よりも周辺の方の質量
が大きく影響するため、このように中心部を空洞にして
しまうことは、単位体積あたりのエネルギー蓄積密度を
高めることとなる。
【００７１】また、このような空洞が設けられた構造は
本発明の特徴をうまく利用したものである。すなわち、
従来の機械的なベアリングを利用した場合には、ベアリ
ングは当然、空洞よりも外側に配置されることとなり、
当然のことながらベアリングの接触面積が大きくなる。
このことはベアリングによるフライホイールの回転の抵
抗を増大させることとなる。したがって、従来のフライ
ホイールによるエネルギー貯蔵法では、図７のような回
転軸周辺に空洞は設けられていず、また、そのようなア
イデアが考えられていたとしても全く実用的なものでは
なかった。
【００７２】本実施例では超伝導体７０１および７０３
がＬ字型をしているが、これはフライホイールの回転を
安定化させるためである。すなわち、図７で示されるよ
うに回転軸付近が空洞であると、回転軸がはっきりしな
いために回転が極めて不安定となる。したがって、この
ようなＬ字型の構造がないと回転をおこなうことができ
なかった。
【００７３】また、図７に示される装置ではフライホイ
ールの外周部には溝が設けられ、該溝を挟んで、互いに
逆性の磁石７０５ａおよびｂ、７０５ｅおよびｆが配置
されている。図中の矢印はこれらの磁石によって生じる
磁場を示している。実施例１の場合とは異なり、外部か
ら電力を供給するコイルおよびフライホイールの回転を
電力に変換するコイルはこれら磁石の間に挿入して使用
される。すなわち、磁石７０５ａとｂの間、および磁石
７０５ｅとｆの間に挿入して使用される。この場合に
も、実施例１で指摘したようにコイルの位置が固定され
ていたら、フライホイールの回転数が大きいときには得
られる電力は大きくなり、回転数が小さくなると得られ
る電力は小さくなる。このような電力供給の変化を避け
るためにはコイルの位置をフライホイールの回転数によ
って変化させる必要がある。
【００７４】図７で示される場合には、コイルは磁石７
０５ａとｂの間、および磁石７０５ｅとｆの間に挿入さ
れているが、その位置を図において左右に変化させるこ
とによって、上記の目的を達することができる。すなわ
ち、コイルの貫く磁束の数をコイルの位置によって変化
せしめる。
【００７５】また、詳細は記さないが、図７に示される
フライホイールは真空容器に封入して使用することが可
能であり、その他、実施例１で示される装置を用いて、
また、実施例１で示される方法によって使用される。
【００７６】〔実施例５〕図８には、別のフライホイー
ルおよびそれを支持するための超伝導体を示す。図７と
よく似ているが、図７では、上下に２つあった超伝導体
が１体化されてある点で異なる。
【００７７】〔実施例６〕図９は多数のフライホイール
を積層した構造を有するエネルギー貯蔵装置を示す。し
かしながら、それ以外にも、実施例１乃至５で述べてき
たフライホイールおよびそれを支持する超伝導体の構造
において異なる点がある。
【００７８】１つはフライホイールを支持する超伝導体
がフライホイールの外側に設けられている点である。ま
た、積層構造であるため、第１のフライホイールＷ１と
第２のフライホイールＷ２の間に存在する超伝導体９０
３は、Ｗ１の支持とともにＷ２の支持も兼ねている。し
たがって、積層構造とすることによってエネルギーの貯
蔵容量を増やすだけでなく、単純に多数のエネルギー貯
蔵装置を集めた場合に比べて、超伝導体の数を節約で
き、結果として、装置全体の貯蔵エネルギー当たりの重
さを減らすことができる。
【００７９】もう１つは超伝導体と相互作用してフライ
ホイールを浮上させ支持させるための磁石が同時に、フ
ライホイールに電力を供給する際に、また、フライホイ
ールから電力を取り出す際に使用されるフライホイール
上の磁石を兼ねているという点である。すなわち、図９
では磁石９０５ａの上面はＮ極であり、超伝導体９０１
と相互作用してフライホイールを支持する。一方、下面
はＳ極であり、電力の供給・取り出しに使用される。ま
た、磁石９０５ｂの上面はＮ極であり、電力の供給・取
り出しに使用される。一方、下面はＳ極であり、超伝導
体９０１と相互作用してフライホイールを支持する。そ
して、電力の供給・取り出しに使用されるコイルは、実
施例５と同様に磁石９０５ａとｂの間、および磁石９０
５ｃとｄの間に挿入されて使用される。
【００８０】フライホイールの回転軸周辺が空洞となっ
ていることは、実施例５と同様である。
【００８１】〔実施例７〕図７に本発明によるフライホ
イールとそれを支持する超伝導体の一部を示す。図に示
されるフライホイールと超伝導体は実施例４および５で
示したものと同様な構造を有するものであるが、超伝導
体の表面、少なくともフライホイールに形成された磁石
に対向する面の一部に軟磁性体、例えば、純鉄あるいは
軟鉄、もしくは各種フェライトを形成した点が異なる。
【００８２】図において、１００１および１００３は超
伝導体であり、１００１ａおよび１００３ａは軟鉄、フ
ェライト等の軟磁性材料の被膜である。フェライトとし
ては、マンガン−亜鉛フェライト、ニッケル−亜鉛フェ
ライト、ニッケル−銅−亜鉛フェライト、マグネシウム
−銅−亜鉛フェライト、マンガン−マグネシウム−亜鉛
フェライト等が適していた。また、１００２はフライホ
イールであり、１００５ａおよびｂは磁石であり、磁石
に出入りする磁束線が図中に矢印で示されている。
【００８３】このように超伝導体の表面を軟磁性体で覆
ってしまうことにより、超伝導体と磁石との間の相互作
用をより強くすることができることが明らかになった。
特に超伝導体と磁石が離れようとするときの引力が向上
することが明らかになった。したがって、例えば、図１
０において、フライホイールの上に設置されている超伝
導体１００１を軟磁性体で覆うと、フライホイールが遠
ざかろうとするのを強く引き止めることができる。図１
０では超伝導体１００１および１００３の両方に軟磁性
体の被膜を形成したが、どちらか一方、望ましくは１０
０１、に形成することにより十分な効果を上げることが
できる。
【００８４】
【発明の効果】本発明は、フライホイールを用いたエネ
ルギー貯蔵装置に超伝導体を用いることによって、これ
を支持し、フライホイールの能力を高めることができ
た。フライホイールは、小型の装置で高密度にエネルギ
ーを貯蔵できる装置として提案されたものであったが、
従来の装置は、フライホイールを支持するのに機械的な
装置を用いていたため、フライホイールの回転数に限界
があった。しかしながら、本発明では、フライホイール
の支持は、機械的な手段を用いないので、フライホイー
ルの回転数には特に限界はなく、特に真空中でフライホ
イールを回転させることは本発明を用いなければほとん
ど不可能であり、かつ、真空中でフライホイールを回転
させた場合には、半径１ｍという大きなフライホイール
を１０５ｒｐｍという高速回転させることも可能であ
り、したがって、著しく蓄積エネルギー密度を上げるこ
とが可能となる。（現在、市販されている乗用車のター
ボエンジンのタービンの回転数はそれと同程度である
が、その半径は数ｃｍであり、比較にはならない。）
【００８５】また、本発明で使用する超伝導体の作製
は、実施例に示したように比較的容易であり、また、超
伝導体の種類を選択することによって、使用が容易で安
価な液体窒素等の冷却材を用いることができる。液体窒
素は、断熱が十分であれば長期にわたって使用でき、ま
た、その作製も容易である。例えば、本発明によるエネ
ルギー貯蔵装置を自動車に搭載する場合には、内燃機関
の出力の一部を液体窒素作製に振り向けてやればよい
が、その出力は１０Ｗもあれば十分である。
【００８６】本発明ではフライホイールに用いられる磁
石については特に説明しなかったが、これは公知の永久
磁石であってもよいし、あるいはまた、極めてピン止め
力の大きな超伝導体を磁化させて、１種の永久磁石のよ
うにしたものであっても構わない。特に、通常の永久磁
石では発生できる磁場は１テスラが限度であるが、超伝
導体を強く磁化させたもの、あるいはそのような超伝導
体と軟磁性体である軟鉄やフェライト等を組み合わせた
ものは、１Ｔを越える磁場を容易に発生させることがで
き、かつ、このような超伝導体を利用したものは、超伝
導臨界温度以上の温度では超伝導性とともに、磁性も失
ってしまうため、操作性がよく、安全である。
【００８７】以上のように本発明は容易に実施すること
が可能であり、かつ、従来の物理的なエネルギー貯蔵方
法では不可能であった、非常にエネルギー密度の高いエ
ネルギー貯蔵が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるエネルギー貯蔵装置の例の概略を
示す。
【図２】本発明によるエネルギー貯蔵装置の例の概略を
示す。
【図３】本発明によるフライホイールの例の概略を示
す。
【図４】本発明によるエネルギー貯蔵装置の例を示す。
【図５】本発明によるフライホイール支持に用いられる
超伝導体の例を示す。
【図６】本発明によるエネルギー貯蔵装置の応用例を示
す。
【図７】本発明によるエネルギー貯蔵装置の部品の例を
示す。
【図８】本発明によるエネルギー貯蔵装置の部品の例を
示す。
【図９】本発明によるエネルギー貯蔵装置の部品の例を
示す。
【図１０】本発明によるエネルギー貯蔵装置の部品の例
を示す。
【符号の説明】
１０１、１０３・・・超伝導体 １０２・・・フライホイール（はずみ車） １０４ａ〜ｄ・・・コイル １０５ａ〜ｆ・・・磁石
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭47−5958（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−81508（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−145816（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−125984（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−19134（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−43158（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−119782（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−218332（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−19930（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−295019（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−36740（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−178127（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−191520（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−217830（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−282050（ＪＰ，Ａ) 米国特許3512852（ＵＳ，Ａ) 米国特許4509006（ＵＳ，Ａ) 米国特許4870310（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F16C 32/00 - 32/06 F16F 15/00 - 15/36 H01B 12/00 - 12/16 H02J 15/00 H02K 7/00 - 7/20 H02N 15/00 - 15/04 ＰＣＩ（ＤＩＡＬＯＧ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １つの軸を中心として回転し、中央にＮ
    またはＳの磁場を発生する第１の磁性面が形成され、前
    記第１の磁性面の周囲にＮとＳの磁性面が交互に形成さ
    れている円盤状の第１の物体と、前記第１の磁性面 に対向して該第１の物体とは離れて設
    けられた超伝導体を有する第２の物体と、前記 第１の物体に電磁気的な作用を及ぼすことによって
    前記第１の物体に回転エネルギーを与える手段と、前記 第１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する
    手段とを有し、前記 第１の物体は、前記第１の磁性面の磁場と前記超伝
    導体との相互作用により浮上され、 前記超伝導体の、少なくとも前記第１の磁性面に対向す
    る表面は、軟磁性体で覆われている ことを特徴とするエ
    ネルギー貯蔵装置。
  2. 【請求項２】 １つの軸を中心として回転し、磁場を発
    生する面を少なくとも１つ有する第１の物体と、 該磁場を発生する面の少なくとも１つに対向して該第１
    の物体とは離れて設けられた超伝導体を有する第２の物
    体と、前記 第１の物体に電磁気的な作用を及ぼすことによって
    前記第１の物体に回転エネルギーを与える手段と、前記 第１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する
    手段とを有し、前記 第１の物体は、前記磁場と前記超伝導体との相互作
    用により浮上され、前記 第２の物体は、線状もしくはテープ上に成形された
    超伝導体を多層に巻いて形成されたものであり、 前記超伝導体の、少なくとも前記磁場を発生する面に対
    向する表面は、軟磁性体で覆われている ことを特徴とす
    るエネルギー貯蔵装置。
  3. 【請求項３】 １つの軸を中心として回転し、磁場を発
    生する面を少なくとも１つ有する第１の物体と、 該磁場を発生する面の少なくとも１つに対向して該第１
    の物体とは離れて設けられた超伝導体を有する第２の物
    体と、前記 第１の物体に電磁気的な作用を及ぼすことによって
    前記第１の物体に回転エネルギーを与える手段と、前記 第１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する
    手段とを有し、前記 第１の物体は、前記磁場と前記超伝導体との相互作
    用により浮上され、前記 第１の物体の外周部に沿って溝が設けられ、前記溝
    の２つの側面にそれぞれ、互いに逆性の磁場を有する表
    面が設けられ、該溝の内部に前記第１の回転エネルギー
    を電気エネルギーに変換する手段を設け、 前記超伝導体の、少なくとも前記磁場を発生する面に対
    向する表面は、軟磁性体で覆われている ことを特徴とす
    るエネルギー貯蔵装置。
  4. 【請求項４】 １つの軸を中心として回転し、磁場を発
    生する面を少なくとも１つ有する第１の物体と、 該磁場を発生する面の少なくとも１つに対向して該第１
    の物体とは離れて設けられた超伝導体を有する第２の物
    体と、前記 第１の物体に電磁気的な作用を及ぼすことによって
    前記第１の物体に回転エネルギーを与える手段と、前記 第１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する
    手段とを有し、前記第１の物体は、前記磁場と前記超伝導体との相互作
    用により浮上され、 前記第１の物体の回転エネルギーを電気エネルギーに変
    換する手段は、コイルによって構成されており、前記コ
    イルと前記第１の物体との距離は可変され、 前記超伝導体の、少なくとも前記磁場を発生する面に対
    向する表面は、軟磁性体で覆われている ことを特徴とす
    るエネルギー貯蔵装置。
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