JP3388241B2 - 回転体の損失低減装置 - Google Patents
回転体の損失低減装置Info
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Description
流体中で回転するフライホイール等の回転体を、回転体
と同軸上に回転自在に設けるカバー状の覆回転体で覆う
ことにより、回転体が回転することにより外側の覆回転
体が連れ回り、その結果、回転体が受ける流体抵抗を減
少させ、抵抗による損失、いわゆる風損を減少させる回
転体の風損低減装置に関する。
て、回転体の表面に接する流体を除去するか、密度を低
減させることが行われている。このため、回転体を収納
する容器を設け、容器の内部を真空にするか減圧するこ
とにより損失を低減させることが行われている。
を潤滑する潤滑油の蒸発や回転体の製造上の問題から回
転体そのものからのアウトガスが発生し真空度が低下す
るため真空度を保つのが難しい。そこで、所定の真空度
を保つためには真空保持装置である真空ポンプやゲッタ
ーを設けることが必要となるが、真空保持装置は設備コ
ストがかかる。
ない軸受として、非接触軸受である磁気浮上軸受、制御
型磁気軸受(AMB)や超伝導軸受(SMB)などが知
られている。しかし、軸受として使用できる磁気浮上状
態や超伝導状態を保つためのエネルギー消費量が大き
く、回転体、例えばエネルギー蓄積用のフライホイール
などでの利用には満足すべき性能に達していない。
状態にすることなく、高周速の回転体を大気圧か、大気
圧に近い環境で回転させるとともに従来からある軸受技
術を利用しながら、低コストで流体抵抗による損失を低
減する回転体の損失低減装置を実現することにより、例
えばフライホイール等のエネルギー貯蔵装置の効率を高
くすることを課題とする。
め、本発明の損失低減装置は、回転自在に支持され回転
する回転体と、この回転体の外側に同じ回転軸芯を持ち
回転自在に支持され、前記回転体を覆う覆回転体を設け
ることを手段とする。これにより、回転体と覆回転体と
の間で相対速度が減少し、流体抵抗が低減され風損が低
減する。
前記損失低減装置の外側を覆う覆回転体をさらに任意数
設けること、覆回転体を複数重ねて設ける方がより効果
が大きいため要求される性能にあわせて任意数の覆回転
体を設けることを手段として採用する。
体または隣接する覆回転体同士の間に軸受手段を設け、
回転体に対して覆回転体の軸受が回転体の軸受に対し直
列に構成されるため、覆回転体をいくつ設けようが回転
体の軸受損失は一つのみの覆回転体が設けられたものよ
り増加することなく、並列に構成する場合と比較して回
転体の軸受損失が大幅に低減されるようにする。さら
に、軸受の回転数も覆回転体同士の相対回転速度となる
ため、軸受の回転速度が減少し、軸受で生じる軸受損失
を低減できる。
置換の際、開孔がガスの通路となり能率向上が図れると
ともに、風速を増加させた際には、開孔がガスの密度変
化によるガスの流通路となり、圧力変動を低減する手段
となる。
はヘリウムガスを注入させたこと、容器の内部を空気よ
り密度が小さい流体で満たすことにより風損を減少す
る。また、前記回転体がフライホイールで効率の高いフ
ライホイールを得ることを手段とする。
による回転体の損失低減装置の好適な実施の形態につい
て詳細に説明する。なお、同一要素には同一符号を用
い、重複する説明は省略する。
部を破断した斜視図である。101は軸112を持ち回
転によりエネルギーを蓄積する回転体の一種であるフラ
イホイールである。102は薄板で形成されフライホイ
ール101を覆い、フライホイールと同じ回転軸芯を持
ち回転自在に支持される第1の覆回転体である。103
は同じく薄板で形成され第1の覆回転体102を覆い、
同様にフライホイール101と同じ回転軸芯を回転自在
に支持される第2の覆回転体である。
これらフライホイール101、第1の覆回転体102お
よび第2の覆回転体103を覆い、フライホイール10
1の軸受部11,12が設けられた容器111が設けら
れている。容器111は図示しない支持台に固定されて
いる。
対の軸受であり、13、14は第1の覆回転体102と
第2の覆回転体103との間に設けられ、また15、1
6は第2の覆回転体103と容器111との間に設けら
れている。
の損失低減装置の一部を破断した斜視図である。第1の
覆回転体102、第2の覆回転体103は図1と同様に
取り付けられているが、平面上には開孔201、202
がそれぞれ設けられている。この開孔201、202は
貫通し、相互間で気体の移動が可能になっている。
3が取り付けられ、このガス管113から空気はもとよ
り空気よりも質量の小さい気体、例えば水素やヘリウム
などを注入することができる。注入されると第1の覆回
転体102や第2の覆回転体103には開孔201、2
02がそれぞれ設けられているため、水素を注入すれば
これら開孔から水素が入り込み、装置全体を水素で置換
することができる。また、回転体の速度を上げて外周の
ガス圧が高くなり、中心部の圧力が下がって中心近くの
覆回転体は内側に変形し、逆に外周に近い部分では圧力
が上がって外側に変形する可能性があるが、開孔を設け
ることにより、この圧力変動を減少でき、覆回転体が押
しつぶされる現象を回避できる。
の図において、11,12はフライホイール101の軸
112を支持する軸受、13,14は第1の覆回転体1
02を支持する軸受、また15,16は、第2の覆回転
体103を支持する軸受である。
の軸受11、12が支持台17によって支持されてい
る。第1の覆回転体102は軸受13、14に回転自在
に支持されている。また、第2の覆回転体103は支持
台17によって支持された軸受15、16に支持されて
いる。ここで軸受13、14は第1の覆回転体102と
隣り合う第2の覆回転体103との間に設けられてい
る。
は図3と同じだが、第1の覆回転体102が支持される
一方の軸受14がフライホイール101の軸112の間
に取り付けられている。
受13,14ともにフライホイール101の軸112に
取り付けている。図6は、装置全体が水平方向に配置さ
れたものであり、第1の覆回転体の一方の軸受14がフ
ライホイール101との間に設けられている。
する覆回転体または隣接する覆回転体同士との間に軸受
手段を設けたことで、回転体に対して覆回転体の軸受が
直列に構成されるため、並列に構成する場合より軸受損
失が大幅に低減される。また隣り合う覆回転体同士の間
に軸受手段を設けていることから相対速度が減少し、こ
のことからも軸受損失を低減する。
説明する。フライホイール等、周速が高い回転体におけ
る単位面積当たりの流体抵抗Dは、流体の密度をρ、レ
イノルズ数や動粘性係数などで決定される係数をA、回
転体の速度をVとすると、 D=(ρ/2)AV2 で表されることが知られている。
度の二乗に比例していることが分かる。したがって、回
転体全体が受ける抵抗は回転体の角速度の二乗に比例す
ることが分かり、回転体が流体抵抗によって受けるトル
クをQ、流体の密度をρ、トルク係数B、回転体の角速
度をωとすると、トルクQは Q=(ρ/2)Bω2 で表される。
る。まず、覆回転体が1つ場合で考える。フライホイー
ル101と覆回転体の表面積がほぼ等しいとし、フライ
ホイール101の角速度ω1、覆回転体の角速度ω2が
釣り合って回転しているとして、フライホイール101
と覆回転体102との間の流体抵抗によるトルクを
Q1、覆回転体102と覆回転体102の外側の流体と
の間の流体抵抗によるトルクをQ2とすると、Q1,Q
2は、 Q1=(ρ/2)B(ω1−ω2)2 Q2=(ρ/2)Bω2 2
のトルクQ1とQ2は等しいため、Q1=Q2の関係が
成立し、上記Q1とQ2の式から、次の関係を導ける。
(ρ/2)B(ω1−ω2)2=(ρ/2)Bω2 2こ
の式を整理すると、ω2=ω1/2が得られる。これは
覆回転体102の角速度ω2がフライホイール101の
角速度ω1の1/2の速度で回転することを示す。
える。覆回転体をn個設けたときに各覆回転体のトルク
をQ1、Q2、Q3、…、Qn−1、Qnとすると、そ
れらは全て同じ値になり、それぞれの相対角速度はω1
/(n+1)で等しくなる。さらに、フライホイールお
よび覆回転体に接する流体の層の数は(n+1)層とな
るので、フライホイール101を露出して回転させる場
合の流体抵抗によるトルクをQ0とすると、覆回転体を
n個設けたときの流体抵抗によるトルクQnは、 Qn=Q0/(n+1)2 となる。したがって、フライホイール101が受ける抵
抗は覆回転体が1個、2個、3個、…と増えるにしたが
って1/4、1/9、1/16、…のように減少する。
転体102を多数設けるとフライホイールの流体抵抗が
減少し、いわゆる風損を減少できることがわかる。実際
には覆回転体102を多数設けると、フライホイール1
01に接する流体層などは層全体が大きい角速度で回転
することになって流体の質量による影響が無視できなく
なる。
Vと、流体の回転による遠心力による圧力Pの関係をグ
ラフに示したものであり、Pは図中に記載の式により得
られる。この式において、周速をV、気体定数をR、絶
対温度をT、大気圧をP0で示す。フライホイールや覆
回転体の周速が極めて大きくなると、それら同士に挟ま
れる流体の回転による遠心力の影響が無視できなくな
り、フライホイールまたは覆回転体の外周部分の圧力が
増大するので、外周に近い部分の密封性を高くすること
が望まれる。特に気体のように圧縮性流体の場合には、
回転体の外周に基づくにしたがって流体の密度が高くな
る。
場合には、フライホイールの周速を大きくすると、50
0m/sで4.42気圧、1000m/sで382.2
気圧と急激に圧力が上昇する。これに対し、水素は20
00m/sでも計算値では、5.34気圧となり、空気
と比較して圧力上昇が極めて少ない。
にすることは現実的に不可能であるが、水素では空気の
4倍の速度、2000m/sの周速にしても空気の1/
4の速度の場合の圧力と大差ない。空気より密度が小さ
い水素やヘリウムで置換すると空気に比べ抵抗がはるか
に小さく、より風損を減少できる。また、特に水素は熱
伝導度が高いため、水素に置換することにより、従来技
術では使用できなかった発熱を伴う部品も利用可能にな
る。
周速について、流体の回転に伴う遠心力による内圧上昇
を考慮しない場合と、考慮した場合とについて、算出し
た周速を示すグラフである。1枚目の覆回転体について
内圧上昇を考慮した場合には、内圧上昇を考慮しない場
合と比較して周速が上昇する。2枚目の覆回転体も同様
に内圧上昇の影響を受けて周速が上昇するが、周速が1
枚目の覆回転体よりも小さいため、内圧上昇に伴う回転
数の上昇の割合は小さい。
係を、フライホイールのみ、覆回転体が1から5枚ある
場合について示した図である。フライホイールの外周に
覆回転体が1枚設けられた場合には、フライホイールと
1枚目の覆回転体の相対的回転数が小さくなる結果、フ
ライホイールの風損による損失が低下することを示して
いる。同様に、覆回転体が複数枚設けられた場合には、
覆回転体と次の覆回転体との相対的回転数も小さくなる
から、この現象による損失の低下が加わる。しかし、覆
回転体の枚数が増加した場合、損失低下に寄与する割合
は次第に小さくなる。覆回転体を増加する場合は、装置
のコストが増加するから、損失低下のメリットを比較判
断して設計する必要がある。
説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではな
い。たとえば、回転体としては、フライホイールの他に
キャンドポンプや軸受などにも効果がある。また、キャ
ンドポンプにも適用できることから用いる流体は気体だ
けでなく、油等の流体にも適用できることは容易に推測
できよう。また、空気を水素やヘリウムに置換する場合
に、全てを置き換えなくても空気に水素やヘリウムを混
在させることによっても風損を減少できる。空気に水素
を添加する場合、引火の可能性が少ない比率を選択する
必要がある。
よれば回転体の風損を、覆回転体を設けて減少させ、そ
の結果フライホイール等の回転体の回転環境を真空状態
に保つことなく効率を高めることができる。
断した斜視図である。
転体装置の一部を破断した斜視図である。
との関係を示したグラフである。
した場合の、算出した周速または角速度を示すグラフで
ある。
ホイールのみ、覆回転体が1から5枚ある場合について
示した図である。
03…第2の覆回転体、111…容器、113…ガス
管、201, 202…開孔、11乃至15…軸受、1
7…支持台
Claims (5)
- 【請求項1】 回転自在に支持される回転体と、この回
転体の外側を覆うカバー状の覆回転体を備え、この覆回
転体は前記回転体と同一の回転軸芯を有し、回転自在に
支持されており、前記覆回転体の内径及び軸方向の長さ
を、前記回転体の外径及び軸方向の長さより大きく選定
して設けた間隙による流体層を保有させ、前記回転体の
回転動作に伴って前記間隙に存在する流体層も回転し、
前記覆回転体に作用して回転動作を惹起させ前記回転体
の回転速度よりも小さな速度をもって回転する機能を有
し、回転体と覆回転体、及び覆回転体と外部との間で順
次速度を減少させる介在流体層により、前記回転体の損
失を低減させることを特徴とする、回転体の損失低減装
置。 - 【請求項2】 前記回転体と同じ軸芯を持ち、前記損失
低減装置の外側を覆う覆回転体をさらに任意数設けたこ
とを特徴とする、前記請求項1記載の回転体の損失低減
装置。 - 【請求項3】 前記回転体と回転体と隣接する覆回転
体、または隣接する覆回転体同士の間に軸受手段を設け
たことを特徴とする、前記請求項2記載の回転体の損失
低減装置。 - 【請求項4】 回転体の損失低減装置を構成する覆回転
体の外部に、装置全体を覆うように剛性を有する容器を
設け、回転体及び覆回転体の回転軸の支持台とするとと
もに、保護手段としたことを特徴とする、前記請求項1
乃至3記載の回転体の損失低減装置。 - 【請求項5】 回転体の損失低減装置を構成する覆回転
体の外部に、装置全体を覆う剛性を有する容器を設け、
回転体及び覆回転体の回転軸の支持台とするとともに、
容器及び軸受部を気密可能な構成とし、かつ容器の外側
に内部と連通する管の接続部を設けて容器内部の気体及
びその圧力の調整を可能とし、容器内部に設けた覆回転
体の内側の圧力を外部からの気体の圧力調整に迅速に対
応可能とするように覆回転体の一部に開口を設けたこと
を特徴とする、前記請求項1乃至4記載の回転体の損失
低減装置。
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