JP6099403B2 - フライホイールエネルギー貯蔵のための軽量複合体安全封じ込め装置 - Google Patents

Description

本開示は、フライホイールエネルギー貯蔵デバイスに関し、より詳細には、改善された安定性、性能、および封じ込め容量を有するフライホイール貯蔵デバイスに関する。

フライホイールエネルギー貯蔵デバイスおよびシステムは、エネルギーを貯蔵し、要求があり次第貯蔵されたエネルギーを放出することで知られている。既知のフライホイールアセンブリは、炭素繊維複合体を用いて作製されることもある従来のロータ設計を有する。そのようなロータは、モータ／発電機（Ｍ／Ｇ）と軸受け永久磁石（ＰＭ）が装着されるシャフトを有する。シャフトは、従来、ハブを介してリムに連結される。シャフト−ハブフライホイール設計は、その達成可能な上端速度の点で制限されている。フライホイールアセンブリ内の構成部品用に使用可能な材料を調和させることには問題が多い。なぜなら、ロータ速度が上がるにつれて、これらの構成部品の半径方向の膨張が変動するからである。ハブは、フライホイールの動作スピード範囲内における動作周波数の範囲にわたってロータ構造に曲げモードを導入することなしに、シャフトをリムに機械的に結合しなければならない。しかし、シャフトは、しばしば無視できるほどしか半径方向の膨張を示さない一方、リムは、有意な半径方向の膨張を示す。

進歩し続ける材料の使用によって可能になるフライホイールにとってのより高いスピードは、残念ながらハブにとっての膨張調和問題を悪化させる。なぜなら、リムの半径方向の膨張の増大は、たとえば連結シャフトなど他の連結された構成部品が呈するどんな膨張よりも速いからである。さらに、フライホイール技術によってもたらされる全体的な効率は、材料の許容度を超えるスピードでフライホイールが動作したとき破壊される、現在使用可能な材料によって制限される。

さらに、最大限のエネルギー貯蔵および展開（ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ）を達成するために高いエネルギー密度が望ましいが、既知のフライホイールアセンブリで達成可能なエネルギー密度は制限される。さらに、フライホイールシステムのエネルギー貯蔵および展開の最大容量に達することは、正味の角運動量の存在によりしばしば困難であり、空間の制限により、フライホイール技術の有用性がしばしば妨げられる。

本発明の一態様によれば、内壁および外壁を有する実質的に円筒形のチャンバと、チャンバ内壁およびチャンバ外壁の少なくとも１つに取り付けられた複数の変形可能なブラケットとを備える、フライホイール装置用の封じ込めレイヤが提供される。

ブラケットはそれぞれ、約０．１°から約５°の衝撃の方向における視射角をもたらす衝撃を封じ込めるための少なくとも１つの表面を有し、ブラケットは、それぞれが複数のレイヤを含むことが好ましい。少なくとも１つのレイヤは、融蝕性粒子を含むことが好ましい。ブラケットは、衝撃を吸収し封じ込めるように配向され、予測可能に変形することが好ましい。ブラケットは、たとえば炭素繊維含有材料、ガラス繊維含有材料、金属含有材料、またはそれらの組合せなどの材料製であることが好ましい。ブラケットは、最も速いフライホイールデブリの速度より低い速さで最初に変形し、数センチメートルの完全な変形が、約１ｍｓから約１０ｍｓの周期で発生することが好ましい。ブラケットは、約２ＧＰａから約２０ＧＰａの好ましい引張り強度を有し、好ましくは各ブラケットがＳ字形を有し、複数のレイヤを含み、外向きに移動する衝撃に応答して半径方向外向きの方向で塑性変形し、凹型の内部表面を生み出す中央区間を含む。少なくとも１つのレイヤは、融蝕性粒子を含むことが好ましい。ブラケットを変形させ始める力または衝撃に直面したとき、封じ込めレイヤが、実質的に円環状のキャビティを生み出すように変形する。

封じ込めレイヤは、フライホイール装置を実質的に囲み、前記装置は、約３００ｍ／秒から約３０００ｍ／秒の速度で回転する少なくとも１つのロータを含むことが有利である。

ブラケットはＳ字形であり、ブラケットは、外向きの衝撃に応答して半径方向外向きの方向で塑性変形することが有利である。

ブラケットは、衝撃を受けたとき予測可能に変形し、チャンバ内で実質的に円環状のキャビティを生み出すことが有利である。

少なくとも１つのブラケットレイヤが、ガラス含有繊維、炭素含有繊維、またはそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む織布レイヤであることが有利である。炭素含有繊維は、カーボンナノチューブ含有繊維であることが好ましい。

少なくとも１つのブラケットレイヤが、相互連結されたリンクのアレイを含み、前記リンクが、鋼、チタン、アルミニウム、ポリマー繊維、炭素繊維、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料製であることが有利である。炭素繊維は、カーボンナノチューブ含有繊維であることが好ましい。

ブラケットの少なくとも１つのレイヤが、少なくとも１つの融蝕性プレートを含むことが有利である。

封じ込めレイヤは、フライホイール装置の軸方向高さより高い軸方向高さを有することが有利である。

ビークルが上述の封じ込めレイヤを有することが有利である。

本発明の他の態様によれば、真空チャンバ内に実質的に円筒形のロータアセンブリを備える、エネルギーを貯蔵および放出するためのフライホイールアセンブリが提供される。このアセンブリは、内面および外面を有するロータを備え、炭素繊維含有材料、ガラス繊維含有材料、金属含有材料など、およびそれらの組合せを含むことが好ましい。ステータアセンブリは、ロータアセンブリに近接して配置される。好ましくは可撓性である少なくとも１つのロータ磁石がロータの内面に添着され、少なくとも１つのステータ磁石がステータに添着にされる。封じ込めレイヤがロータアセンブリを実質的に囲み、衝撃を吸収し封じ込めるように配向された複数の変形可能なブラケットを含む。ブラケットは、少なくとも１つのレイヤが好ましくは融蝕性粒子を含む複数のレイヤを含むことが好ましい。

ブラケットは、それぞれがフライホイールアセンブリ破壊からのデブリを封じ込めるための表面を有することが有利である。

衝撃を封じ込めるための表面は、約０．１°から約５°の衝撃の方向における視射角をもたらすことが有利である。

フライホイール装置は、約３００ｍ／秒から約３０００ｍ／秒の速度で回転する少なくとも１つのロータを含み、ブラケットは、ロータの速度より低い速さで変形することが有利である。

ブラケットは、約２ＧＰａから約２０ＧＰａの引張り強度を有することが有利である。

ブラケットはＳ字形であり、外向きの衝撃に応答して半径方向外向きの方向で予測可能に塑性変形する中央区間を含むことが有利である。

ブラケットは、封じ込めレイヤ内で実質的に円環状のキャビティを生み出すように実質的に変形することが有利である。

ブラケットは、炭素繊維含有材料、ガラス繊維含有材料、金属含有材料、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料製であることが有利である。

炭素繊維含有材料は、カーボンナノチューブ含有材料であることが有利である。

上述のフライホイールアセンブリを備えるエネルギー貯蔵設備が提供されることが有利である。

ロータアセンブリは、たとえばシャフト−ハブ、ハブレス、オープンコアアーキテクチャなどを含めて、所望のアーキテクチャのものであってよい。ブラケットはそれぞれ、約０．１°から約５°の衝撃の方向における視射角で衝撃を吸収するための表面を有する。ブラケットは、Ｓ字形であることが好ましいが、本明細書に記載の利点をもたらす任意の幾何学的形状とすることができ、内側（外向き）または外側（内向き）の衝撃に応答して半径方向外向きの方向で塑性変形する中央区間を含む。内側（外向き）の衝撃に応答するとき、ブラケットは、凹型の内部表面および実質的に円環状のキャビティを生み出すように変形する。

本発明の他の態様によれば、動作中、損傷したフライホイールアセンブリからのフライホイールロータデブリを封じ込めるための方法であって、真空チャンバ内で実質的に円筒形のフライホイールロータおよびフライホイールステータアセンブリを用意することを含む方法が提供される。少なくとも１つのロータ磁石が、各ロータの内面に添着され、少なくとも１つのステータ磁石が各ステータに取り付けられる。封じ込めレイヤが、ロータアセンブリを実質的に囲むフライホイールシステムに設けられる。封じ込めレイヤは、衝撃を吸収する、または他の方法で封じ込めるように配向された複数の変形可能なブラケットを含む。ブラケットは、複数のレイヤを含み、少なくとも１つのレイヤが融蝕性粒子を含むことが好ましい。各ブラケットは、約０．１°から約５°の衝撃の方向における視射角を有することによって衝撃を吸収する、または他の方法で封じ込めるための表面を有することが好ましい。

損傷したフライホイールアセンブリからのフライホイールロータデブリを封じ込めるための方法は、真空チャンバ内で実質的に円筒形のフライホイールロータおよびフライホイールステータアセンブリを用意すること、各ロータの内面に添着された複数のロータ磁石を用意すること、各ステータに添着された複数のステータ磁石を用意すること、ロータアセンブリを囲む封じ込めレイヤを用意することを含み、封じ込めレイヤが、衝撃を封じ込めるように配向された一連の変形可能なブラケットを含み、ブラケットがそれぞれ複数のレイヤを含み、少なくとも１つのレイヤが融蝕性粒子を含む。

ブラケットはＳ字形であり、ブラケットは、外向きの衝撃に応答して半径方向外向きの方向で予測可能に塑性変形し、凹型の内部表面を生み出すことが有利である。ブラケットは、実質的に円環状のキャビティを生み出すように実質的に変形することが好ましい。

少なくとも１つのブラケットレイヤが、炭素繊維含有材料、ガラス繊維含有材料、金属含有材料、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を含むことが有利である。炭素繊維含有材料は、カーボンナノチューブ含有材料であることが好ましい。

上述のように、本開示は、シャフト−ハブタイプのフライホイールならびにオープンコアフライホイールを対象とする。フライホイール貯蔵システムは、たとえば機械的軸受け、能動軸受け、または超伝導軸受けなど、また、たとえば炭素繊維、ガラス繊維、金属など高強度材料を含む複数のロータ、ならびにマルチウォールカーボンナノチューブ含有材料（ＭＷＣＮＴ）を含む配向マルチストランドカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）含有材料を使用することができる。作製されたロータに固有の望ましい特性は、著しく高いスピード、高い蓄電／発電、および高いシステム耐久性の点で、著しく改善されたフライホイール性能をもたらす。

真空チャンバが、１つまたは複数の回転する繊維複合体含有ロータリングまたはシリンダを含み、各ロータが、独立のフライホイールとして動作する。小型のターボ分子ポンプまたはゲッタ−サブリメーションポンプが、アセンブリ全体を封じ込めるチャンバ内の真空を維持することが好ましい。

本開示の変形形態について、このように一般的な言葉で述べたので、次に、添付の図面を参照する。これらの図面は、必ずしも原寸に比例して示されていない。

従来技術のシャフト−ハブフライホイールアセンブリの断面図である。 オープンコアフライホイールアセンブリの断面図である。 本出願による封じ込め構造の部分断面図である。 ３つの複合体レイヤを示す個々のＳ字ブラケットの拡大クローズアップ図である。 Ｓ字ブラケットの構成部品レイヤの拡大クローズアップ図である。 Ｓ字ブラケットの構成部品レイヤのうちの少なくとも１つにおける炭素繊維束の拡大クローズアップ図である。 融蝕性プレートのアレイを示すＳ字ブラケットの構成部品レイヤの拡大クローズアップ図である。 封じ込めレイヤを含むフライホイールアセンブリを示す概略断面図である。 図３に示されているフライホイールアセンブリの圧力解放構成部品のクローズアップ断面図である。 図３に示されているフライホイールアセンブリの安定化ボス要素のクローズアップ断面図である。

フライホイールアセンブリを外の脅威から保護するとき、本開示による封じ込めデバイスは、たとえば弾道貫入（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）を防止し、落雷から保護しなければならない。たとえば破局的なフライホイール破壊などの発生時にフライホイールアセンブリから噴出するデブリの封じ込めに関して、本開示は、新規な解決策を対象とする。鋼製フライホイールのようにしてパイ形状の部片に破断するのではなく、破壊された複合体含有材料製のフライホイールは、数ミクロンから数ミリメートルの範囲のサイズの分布を有する小さな欠片および部片になる、周方向に巻かれた繊維の複合体リングを生成する。これらの欠片および部片から形成される団塊状のデブリ雲が、デブリが粘性液体であるかのように広がる。本開示は、フライホイールの動作安全性のためにより確実かつ保護的な封じ込めを実施するために、新しいフライホイール設計およびフライホイール封じ込め設計を、より高強度の材料と共に提供する。

本開示の好ましい一変形形態によれば、予め選択された向きの一連のＳ字形ベーンが、封じ込めチャンバの剛性の外壁から内向きに、また任意選択で内壁から外向きに延びる。ブラケットの内縁は、フライホイールロータアセンブリの外側リムに近接しており、その結果、故障時に、デブリ雲の最外郭の最も速く移動する部分が、約０．１°から約５°の「視射」角でこれらのブラケットに入射し、それにより初期衝撃を「和らげ」、衝撃波を著しく緩和する。Ｓ字ブラケットは、デブリ雲からの圧力が蓄積するにつれて、非破壊的な塑性変形により適切に扁平化し、破壊されたフライホイールの高エネルギー材料破片を封じ込めるのに十分な延性を有するように、計画的かつ予測可能に構成および配置される。

形状要素によって形成される中空セルは、これらの要素が最終的な引張り破壊（破裂）または局所的な圧縮破壊（座屈）を受けないように十分に速い速さで塑性変形する（または曲がる）。Ｓ字ブラケットは、フライホイールロータの軸方向高さより大きい軸方向高さを有することが好ましい。Ｓ字ブラケットは、破壊されたフライホイールの破片からの衝撃に応答して、凹型の内部表面を意図的かつ予測可能に生み出すように、半径方向外向きの方向で塑性変形するように設計される中央区間を有する。次いで、この凹型の表面は、向きの変わったフライホイール材料破片の軸方向の分散を防止するように働く。すなわち、デブリ雲は、変形したブラケットによって形成される実質的に円環状のキャビティ内で周方向に円運動し続ける。内部形状要素の塑性変形は、衝撃時間間隔全体を有意に延ばし、したがって封じ込め要素によって吸収しなければならないピーク力を低減するように十分に迅速に生じる。ブラケットは、（内側のフライホイールアセンブリ破壊から）半径方向外向きに変形し、衝突を受けた封じ込めチャンバの実質的に円環形状を形成するように形作られ周方向に配向されることを理解されたい。

初期のフライホイール封じ込め設計では、Ｓ字ブラケット材料がステンレス鋼であった。本開示の変形形態によれば、Ｓ字ブラケットは、圧力波を引き延ばし、衝撃のエネルギーを吸収するように設計された複合体含有材料を含むことが好ましい。図２に示されているようなマトリクス複合体のための鎖および組紐（ｃｈａｉｎ−ａｎｄ−ｂｒａｉｄ）設計により、複合体材料は、最初に変形し、チェーンリンクが伸張するにつれてマトリクス材料の圧縮によってエネルギーを吸収することができる。デブリがＳ字ブラケットと係合すると、鎖および組紐設計における鎖のリンクが最初に移動し、鎖が（デブリが移動している方向で）外向きに伸張する。伸張が継続するにつれて、リンクの端部同士が触れ、互いに引き合い始める。最終的にチェーンリンクは係止し、リンクおよびブラケットそれ自体を引き延ばすことによってさらに伸張が生じる。リンクを織布ＣＮＴ含有繊維／布材料から構築することにより、チェーンリンクの応力−歪関係が、現在知られている材料のものよりはるかに高くなる。

チェーンリンクの性能は、粘性の、たとえばろう様の材料を、リンクを結合する開空間に配置することによってさらに高めることができる。リンクが伸張し、隣接するリンクの端部が互いに向かって移動すると、リンクは、粘性材料を通って移動し、それを押し出す。粘性材料とリンクの間の粘性力により粘性材料が加熱され、リンクの運動エネルギーの一部が熱に変化する。たとえばダイラタイント（ずり増粘）流体などの材料を使用し、封じ込め構造のこの部分の性能を強化し改善する助けとすることができる。可能な流体は、それだけには限らないがシリコーン油とホウ酸の組合せ、ポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ）の溶液中のシリカナノ粒子分散液、および市販のずり増粘流体を含む。

さらに、硬質、融蝕性、エネルギー吸収性の粒子を、たとえば内側に面する表面上など構造物の適切な部分に組み込み配置し、それにより、フライホイールロータからの繊維の欠片があればそれをより粉塵のような物質にするための最初の衝撃の表面をそれらの硬質の粒子が形成するようにすることができる。これらの粒子は、Ｓ字ブラケットが真空チャンバの内側に露出しているところのＳ字ブラケットの表面に実質的に共形となるｍｍサイズのプレートの形態をとることが理想的である。これらのプレートは、たとえばアルミナ含有材料、炭化ケイ素含有材料、炭化ホウ素含有材料など、硬質セラミック製であることが好ましい。

リム速度が１０００ｍ／秒を超える、エネルギー密度が非常に高いフライホイールの場合、破裂したロータのエネルギーを封じ込めることは、チャンバ壁を加熱し、デブリがその速度を失う間、さらには失った後で問題になり得るロータデブリの熱的加熱によってさらに困難になる。したがって、他の変形形態は、この機械的な封じ込め装置を、たとえば耐火れんが材料など断熱材によって封入することを企図している。また、蒸発した高温の材料の一部は、たとえば圧力解放機構を介してなど、制御された形で大気に安全に排気されることも企図されている。

封じ込め装置の作製に使用するための１つの特に好ましい材料は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）である。ＣＮＴは、円筒形のナノ構造を有する炭素の同素体である。ナノチューブは、他のどの材料よりも著しく大きい最大１３２，０００，０００：１の長さ対直径比で構築されている。これらの円筒形の炭素分子は、ナノテクノロジ、エレクトロニクス、光学、ならびに他の材料科学および材料技術の分野にとって価値のある独特の特性を有する。カーボンナノチューブは、それらの熱伝導性および機械的、電気的特性のために、様々な構造材料に対する添加剤として応用される。ナノチューブは、シングルウォールナノチューブ（ＳＷＮＴ）とマルチウォールナノチューブ（ＭＷＮＴ）として分類される。個々のナノチューブは、ファンデルワールス力、より具体的にはπスタッキングによって共に保持される「ロープ」の形に自然に整列する。

ＣＮＴは、引張り強度と弾性率の点で、それぞれこれまでに発見された最も強く最も堅い材料に入る。この強度は、個々の炭素原子間に形成されるｓｐ^２共有結合に起因する。マルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）は、６３ギガパスカル（ＧＰａ）の引張り強度を有することが試験で示された。例示として、これは、約１ｍｍ^２の断面を有するケーブルにかかる６４２２ｋｇに相当する重量の張力に耐える能力に置き換えられる。個々のＣＮＴシェルは、最大約１００ＧＰａの強度を有する。カーボンナノチューブは、約１．３ｇ／ｃｍ^３から約１．４ｇ／ｃｍ^３の、固体としては低い密度を有するので、最大約４８，０００ｋＮ・ｍ・ｋｇ^−１というそれらの比強度は、たとえば約１５４ｋＮ・ｍ・ｋｇ^−１の高炭素鋼に比べて、既知の材料の最良のものである。

個々のＣＮＴシェルの強度は非常に高いが、隣接するシェルおよびチューブ間の弱いせん断相互作用により、マルチウォールカーボンナノチューブおよびカーボンナノチューブ束の有効強度はわずか数ＧＰａに著しく低下することになる。しかし、内部のシェルおよびチューブを架橋する高エネルギー電子照射を加えることにより、これらの材料の強度は、マルチウォールカーボンナノチューブについて約６０ＧＰａ、ダブルウォールカーボンナノチューブ束について約１７ＧＰａに事実上増大する。

標準的なシングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）は、変形なしに最大約２４ＧＰａの圧力に耐えることができる。次いで、ＳＷＣＮＴは、超硬度ナノチューブへの変換を受ける。現行の実験技法を使用して測定された最大圧力は、約５５ＧＰａである。しかし、これらの新しい超硬度ナノチューブが圧潰するのは、未知ではあるがさらに高い圧力である。

マルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）は、互いに精密に入れ子にされた複数の同心のナノチューブを有する。これらのＣＮＴは、際だった伸縮特性を示し、それにより内部のナノチューブコアがその外部のナノチューブシェル内でほとんど摩擦なしに摺動し、したがって原子的に完璧な直線軸受けまたは回転軸受けを生み出すことができる。約０．２ｇｍ／ｃｍ^３の密度を有するＭＷＣＮＴヤーンは、ねじれのない複合体構造物について少なくとも約４５ＧＰａの控えめな最小材料強度を生み出すと考えられている。

本開示で使用されるＣＮＴを製造するための１つの好ましいプロセスは、シリコンウェハを被覆するＳｉＯ_２の層（厚さ約１ミクロン）上に堆積されたＡｌ_２Ｏ_３（厚さ約１０ｎｍ）のバッファ層上にＦｅ触媒膜の薄い層（厚さ約１ｎｍ）を堆積することを必要とする。好ましい炭素源として、アルゴンキャリアガス（約６％Ｈｓ）内でエチレンが供給される。次いで、ＣＮＴが連続プロセスにおいて約７５０℃で成長され、約１ｃｍより長いＣＮＴを生成することが好ましい。これは、作製される材料に約１００，０００より大きい縦横比（長さ／直径）を与え、応力をある繊維から別の繊維に伝達するのに適切である。

本開示の新規なロータの作製に使用するための好ましいＣＮＴは、約１５０ＧＰａから約２６０ＧＰａの物理的壁強度で、約０．０７５ｎｍの物理的壁厚、および約０．３４ｎｍの有効壁厚を有することが好ましい。これは、金属性、ガラス質、および／またはポリマー性のマトリクスで直径３０ｎｍのＭＷＣＮＴの最大約６５％の体積分率を有する好ましい材料をもたらす。ＭＷＣＮＴ内に欠陥を導入することにより、壁内強度が改善され、ＭＷＣＮＴストランドと内部ストランド「壁」との間の機械荷重伝達を約２倍改善すると考えられている。

本開示で使用される好ましいＣＮＴは、仕上げ後の複合体材料および製品に、現在知られているものより望ましい物理的特性（たとえば、より高いロータ引張り強度）を与えるように、マトリクス内の配向度および体積分率を制御することによって特別に配合される。

次に、本開示のいくつかの変形形態について、以下、本開示のいくつかの、しかしすべてではない変形形態が示されている添付の図面を参照してより十分に述べる。実際には、本開示は、多数の様々な形態で実施することができるので、本明細書に記載の変形形態に限定されると解釈すべきではない。それどころか、これらの例示的な変形例は、この開示が徹底的かつ完全なものになるように、また本開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されている。たとえば、別段示されていない限り、何らかのものを第１、第２などと呼ぶことは、特定の順序を暗示すると解釈すべきではない。また、何らかのものが別の何かの「上方」にあると述べられることがあっても、別段示されていない限り、そうではなく「下方」にあってもよく、逆も同様である。同様に、別の何かの左にあると述べられた何らかのものが、そうではなく右にあってもよく、逆も同様である。同様の符号は、全体を通じて同様の要素を指す。

図１（ａ）は、たとえば様々な周波数およびより高いスピードで限られた性能を示す従来のシャフト−ハブフライホイールアセンブリ１０の断面図を示す。繊維複合体リムロータ１２がハブ１４に取り付けられ、ハブ１４は、シャフト１６に取り付けられている。シャフト１６には、焼結永久磁石（ＰＭ）１５、１８が取り付けられ、リフトＰＭ２０および高温超伝導体２２に対して吸引力および反発力を及ぼす。ＰＭ２０は、支持体１７に取り付けられて示されている。モータ／発電機（Ｍ／Ｇ）からのステータコイル２４が、Ｍ／Ｇ ＰＭ２６と支持体１７の間に懸吊されて示されている。

図１（ｂ）は、本開示に従って作製されたフライホイールアーキテクチャ３０の断面図を示す。この「ハブレス」オープンコアフライホイールアーキテクチャ（１点短鎖線は中心線を示す）では、弾性のある永久磁石（ＰＭ）３４、３６、３８が、繊維複合体リムロータ３２に添着されて示されている。リフト軸受けステータＰＭ４８およびモータ／発電機（Ｍ／Ｇ）からのステータコイル４２が、支持構造物４３に取り付けられている。高温超伝導体（ＨＴＳ）４５が、支持体４６に近接して配置されている。ＰＭ４８、３４は、リフト軸受けを構成し、要素４５、３８は、安定軸受けを構成する。

本開示のオープンコアアーキテクチャは、繊維複合体リムおよびＨＴＳ軸受けが、シャフト−ハブフライホイール設計に固有の、構成部品の半径方向の膨張の不釣り合いという設計制限なしに最大の性能を達成することを可能にする新規な設計を提供する。図ではその垂直の向きにあるオープンコアフライホイール３０全体が、真空チャンバ（図示せず）内に封じ込められることを理解されたい。好ましい垂直の向きでは、リング形状の繊維複合体ロータ３２が、受動的に安定な磁気軸受けによって懸吊され、一端または「上部」でリフト軸受け（ＰＭ４８およびＰＭ３４）を、また第２の端部または「下部」でＨＴＳ安定軸受け（ＰＭ３６およびＨＴＳ４５）を構成することが好ましい。ブラシレスＰＭモータ／発電機４０が、ロータの内外に電力を送出することが好ましい。図１（ｂ）に示されているように、ロータＰＭ３４、３６、３８が、ロータ３２の内面３３に沿って配置されている。小型冷凍機（図示せず）のコールドヘッドがＨＴＳ４５に対して熱伝導し、約３０Ｋから約９０Ｋ、好ましくは約６０Ｋの望ましい温度を維持する。小型のターボ分子ポンプまたはゲッタ−サブリメーションポンプ（図示せず）が、チャンバ内の真空を維持する。

図２は、代表的なフライホイールと共に一般的な封じ込め構造２００の部分断面図を示す。この構造物は、中心線２０２周りで実質的に同心である。この封じ込め装置は、複数のＳ字ブラケット２０４、真空ライナ２０６、および外装レイヤ２０８を含む。各Ｓ字ブラケット２０４は、真空ライナ２０６の内面に取り付けられている。フライホイール２１０が、Ｓ字ブラケット２０４の最も内側の端部内に配置されている。フライホイール２１０の高さは、Ｓ字ブラケット２０４の高さより低いことが好ましい。外装レイヤ２０８は、外の発射体が真空ライナを内向きに貫通しないように保つように設計される。外装レイヤ２０８は、鋼、セラミック、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）などの実質的に同心のレイヤを含むことが好ましい。また、外装レイヤ２０８は、鋼、セラミック、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）などのラミネーションを含むハニカムおよび他の多孔性の幾何形状からなってもよい。

一変形形態によれば、個々のＳ字ブラケット２０４は、図２ａに示されているレイヤを含むことが好ましい。Ｓ字ブラケット２０４は、３つのレイヤ、すなわち第１のレイヤ２２０、第２の（中間）レイヤ２４０、第３のレイヤ２６０を含む。第１のレイヤ２２０の一部分が、図２ｂにさらに詳細に示されている。実質的に同じ平面内にあるリンク２２２の第１のセットが、リンク２２２の第１のセットの平面に対してある角度で配向されたリンク２２４の第２の組と共に示されている。各リンク２２２は、２つの隣接するリンク２２４とリンクし、各リンク２２４は、２つの隣接するリンク２２２とリンクする。リンク間の空間２２６は、たとえばナイロン、ポリエチレンなどプラスチック材料で充填されることが好ましい。空間２２６もまた、上述のようにずり増粘流体で充填することができる。接合されたリンク、プラスチック材料、および流体は、共に列２２８を形成し、列２２８の積み重ねがレイヤ２２０を形成する。個々のレイヤ２２０は、積み重ねられた列の１つまたは複数のレイヤを有することができる。

個々のリンク２２２、２２４は、たとえば鋼、チタン、アルミニウムなど金属、またはポリマー繊維もしくは炭素繊維を含むことができることが好ましい。また、これらのリンクは、図２ｃに示されているカーボンナノチューブ含有材料を含むことができることが好ましい。図２ｃでは、リンク２２４の一部分が示されており、このリンクは、ナノ繊維アレイ２３０の束を含んで示されている。ナノ繊維アレイの束は、小さな繊維２３５の重なりを有して示されている。ナノ繊維アレイ２３０は、シングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）２３６のセットまたは任意の他のナノ繊維のセットを含む。巻き繊維２３５は、ナノチューブ２３６の同様のアレイを含むことができ、またはポリマー、ガラス、炭素繊維、またはそれらの組合せなどの単一の繊維を含むことができる。２４０（図２ａ）として示されている第２の（中間）レイヤは、繊維の織布レイヤを含むことが好ましい。これらの繊維は、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）、ガラス、炭素繊維、ＣＮＴ、またはそれらの組合せなどを含むことが好ましい。織り方パターンは、繊維および繊維複合体業界で使用される任意の標準的なパターンであることが好ましい。

第３のレイヤ２６０の好ましい部分の詳細が、図２ｄに示されている。第３のレイヤ２６０は、基材シート２６２と、硬質、融蝕性のプレート２６４のアレイと、融蝕性プレート２６４を基材シート２６２に接着するための取付け手段２６６とを含む。融蝕性プレート２６４は、基材シート２６２の内側に面する表面２６８上に装着されることが好ましい。各融蝕性プレート２６４は、１つまたは複数の取付け手段２６６によって基材シート２６２に取り付けられることが好ましい。融蝕性プレート２６４は、前に開示されているセラミックのいずれかを含むことができる。基材２６２は、たとえば鋼、チタン、アルミニウムなど金属、または任意の中実プラスチック、または繊維複合体などを含むことが好ましい。取付け手段２６６は、プレートを基材に接着する任意の接着剤とすることができる。

複数のレイヤを使用し、より厚いＳ字ブラケット要素を生み出すことができることを理解されたい。たとえば、ある５層構成は、（１）フライホイールに面する側の融蝕性レイヤ、（２）織布レイヤ、（３）鎖および組紐レイヤ、（４）織布レイヤ、（５）鎖および組紐レイヤからなることができる。

他の変形形態が図３に示されており、これはフライホイールエネルギー貯蔵封じ込めシステムの断面を表す。システム３００はフライホイールロータ３０２を備え、任意選択でハブ３０４を有してもよいが、本開示は、本明細書に記載のオープンコアフライホイールアーキテクチャ内にも組み込まれることが重要であり、このアーキテクチャはハブレスである。フライホイールは、図に示されていない様々な静的な支持構成部品を有する。フライホイールロータ３０２（およびハブ３０４）は、中心線３０６周りで回転する。真空バリア３０８が、濃く太い線で示されている。Ｓ字ブラケットアセンブリ３１０が、原寸に比例して示されていない可能性がある断熱レイヤ３１２内に配置されて示されている。内向きに移動する外の発射体が真空境界に達するのをさらに妨げるための構造物を任意選択で含んでもよい任意選択の回転可能な機械的レイヤ３１４が示されている。機械的軸受け３１６が、回転可能なレイヤ３１４を中央に保つ助けとなる。機械的なボス３１８が、レイヤ３１４と支持体またはグランド３２０との間に配置されることが好ましい。軸受け３１６とボス３１８は共に、任意選択でグランドに機械的に連結される。最後に、圧力解放構成部品３２２がアセンブリの中央に示されている。

断熱レイヤ３１２は、約１０００℃から約２５００℃の高温に耐えることが好ましく、約０．４Ｗ／ｍ・ｋ未満の低い熱伝導性を有することが好ましい。たとえば炉内で耐火れんがを製造する際に使用される材料を、このレイヤに使用することができる。しかし、移動応用例、特にビークル応用例向けには、たとえばシリカ、アルミナ、ムライト、シリマナイト、マグネシア、ジルコニア、および繊維状耐火断熱タイルなど軽量材料を使用してもよく、アルミナ−ジルコニア−シリカの組合せが特に好ましい。回転可能なレイヤ３１４は、複合体含有内部構造を含むことができるが、鋼を含む外層を有することが好ましい。軸受け３１６は、セラミック軸受けであることが好ましく、ボス３１８は、鋼との摩擦係数が比較的低い青銅または他の材料などとすることができる。

圧力解放構成部品３２２の構造が、図４にさらに断面で詳細に示されている。圧力解放構成部品３２２は、中心線３０６周りで同心であり、外部本体３３０を有する。本体３３０の下部表面には、たとえばバーストディスクなど圧力解放構成部品３３２がある。圧力解放構成部品３３２の目的は、ある値より高い圧力で予測可能に破れ、ガスおよび小さな粒子が本体３３０の頂面に位置する出口穴３３４から逃げることを可能にすることである。また、解放構成部品３２２は、本体３３０の外壁に取り付けられたバッフル環状ディスク３３６を有する。解放構成部品３２２は、本体３３０の上面に取り付けられた中柱３３８を有する。中柱３３８に取り付けられた１つまたは複数のバッフル３４０がある。これらのバッフルは、ガスおよび粒子の流れを、出口穴３３４に達する前に減速するように働く。

ボス要素３１８（図３に示されている）は、図５に示されているような詳細を有することができる。要素３１８は、実質的に円筒形の側壁５０２、および環状ディスクとすることができる下部ディスク５０４を有する支持構造物を含む。この支持構造物の下部は、支持体／グランド３２０に取り付けられている。円筒５０６は、壁５０２内に嵌合する。ばね５０８が円筒５０６を上向きに押し、回転可能なレイヤ３１４の下部にしっかり接触させる（図３）。回転可能なレイヤは、回転中に円筒５０６を摩滅させることがあり、ばね力は、接触を保ち、上向きに支持し、回転運動を放散する助けとなる。

外向きの力を生み出す内部フライホイール破壊の発生時には、フライホイールロータデブリを封じ込めるうえで、Ｓ字ブラケットが上述のように変形し、実質的に円環状の封じ込めチャンバを形成する。本開示の変形形態によれば、デブリは、Ｓ字ブラケットの変形によって生成される実質的に円環状のキャビティ内で円運動する。好ましくはＳ字ブラケット内に封じ込められている１つまたは複数の融蝕性粒子封じ込めレイヤは、いくつかの機能を有する。第１に、これらのレイヤは、ロータデブリをより細かい粉塵のような粒子にする助けとなる。第２に、これらのレイヤは、炭素繊維およびプラスチックポリマーと化学的に吸熱反応し、デブリ雲の温度をさらに低減するように設計および選択されてもよい。たとえば、図２ｄに示されている取付け手段２６６は、エチレンプロピレンジエンモノマーなど化合物を少なくとも部分的に含むことができる。

ロータデブリの運動エネルギーが熱エネルギーに変化するにつれて、チャンバ内の構成部品の温度が上昇する。ロータ複合体内に使用されているプラスチックポリマーが気化することになる。チャンバ内にガス圧力が蓄積することになる。ある所定の点で、たとえばシールまたは破裂板など、あるデバイスを含む圧力解放構成部品が計画的に破壊されることになる。チャンバの中央のガスは、バッフル付き構造を通って、所定の比較的制御された速さで、たとえばすすのような灰の形態で環境中に脱出することができる。最初、依然として回転する流れがあることになり、その流れの遠心力により、大部分の粉塵およびガスが、Ｓ字ブラケット封じ込めレイヤの実質的に円環状の部分内に保たれることになる。回転が遅くなるにつれて、より多くのガスおよび粉塵がチャンバを脱出することが可能になる。

フライホイールロータの角運動量は保存されることになる。デブリ雲の角速度は、雲が外向きに伸張するにつれて減少することになり、ブラケットとの最初の視射角衝突（ｇｌａｎｃｉｎｇ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ）は、雲内の大部分の運動量を保つことになる。しかし、この衝突は、一部のトルクをブラケットに伝達することになり、これはブラケット、断熱材、および回転可能なレイヤを回転させることになる。この構造物のより大きな半径、およびそのかなりの質量のために、角速度は小さいものとなり、この角運動量は、ボス１１９０および軸受け１１８０内で放散される可能性がある。

本開示のフライホイールシステムのための有用な静的応用例および移動応用例は豊富である。実際、持続可能なエネルギー貯蔵および展開のためのどのような必要とされるニーズも、本開示から用途および利益を得るはずである。たとえば、本開示のフライホイールシステムの実質的に無音の動作により、無音またはステルスモードでのビークル運転が可能になる。さらに、現在開示されているシステムは、急速充放電、ならびに、たとえばグリッド、再生可能エネルギー源、発電機など、あらゆる使用可能なエネルギー源から充電することを可能にする。さらに、本開示の変形形態を静的なエネルギー貯蔵または発電設備、ならびに移動運転および静止運転における無中断および中断可能なエネルギー貯蔵または展開を必要とするデバイス、システム、またはビークルに組み込むために、独特な工具またはインフラストラクチャは必要とされない。好ましいビークルは、それだけには限らないが有人および無人の航空機、宇宙機、陸上および水上および地下ビークルを含む。開示されている変形形態のオープンコアアーキテクチャ設計に対するモジュール型手法は、全体的なシステム破壊の危険性を低減し、既知のフライホイールシステムに比べてより深い（たとえば、約９５％を超える）エネルギー放出をさらに可能にする。さらに、これらのシステムは、フライホイール回転スピードの監視だけに基づいて非常に正確な充電の判定を可能にする。

本開示の好ましい変形形態および代替形態について例示し述べたが、本開示の精神および範囲から逸脱することなしに、様々な変更および置き換えを行うことができることを理解されたい。さらに、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲、およびその均等物によってのみ限定されるべきである。

１０ シャフト−ハブフライホイールアセンブリ
１２ 繊維複合体リムロータ
１４ ハブ
１５ 永久磁石
１６ シャフト
１７ 支持体
１８ 永久磁石
２０ 永久磁石
２２ 高温超伝導体
２４ ステータコイル
２６ 永久磁石
３０ フライホイールアーキテクチャ
３２ 繊維複合体リムロータ
３３ 内面
３４ 永久磁石
３６ 永久磁石
３８ 永久磁石
４０ モータ／発電機
４２ ステータコイル
４３ 支持構造物
４５ 高温超伝導体
４６ 支持体
４８ 永久磁石
２００ 封じ込め構造
２０２ 中心線
２０４ Ｓ字ブラケット
２０６ 真空ライナ
２０８ 外装レイヤ
２１０ フライホイール
２２０ 第１のレイヤ
２２２ リンク
２２４ リンク
２２６ 空間
２３０ ナノ繊維アレイ
２３５ 巻き繊維
２３６ シングルウォールカーボンナノチューブ
２４０ 第２の（中間）レイヤ
２６０ 第３のレイヤ
２６２ 基材シート
２６４ 融蝕性プレート
２６６ 取付け手段
２６８ 表面
３００ システム
３０２ フライホイールロータ
３０４ ハブ
３０６ 中心線
３１０ Ｓ字ブラケットアセンブリ
３１２ 断熱レイヤ
３１４ 回転可能なレイヤ
３１６ 軸受け
３１８ ボス
３２０ グランド
３２２ 圧力解放構成部品
３３０ 本体
３３２ 圧力解放構成部品
３３４ 出口穴
３３６ バッフル環状ディスク
３３８ 中柱
５０２ 側壁
５０４ 下部ディスク
５０６ 円筒
５０８ ばね

Claims (12)

1. フライホイール装置用の封じ込めレイヤであって、
   内壁および外壁を含む実質的に円筒形のチャンバと、
   前記チャンバ内壁および前記チャンバ外壁の少なくとも１つに取り付けられた複数の変形可能なブラケット（２０４）とを備え、前記ブラケット（２０４）が、衝撃を受けたとき予測可能に変形するように配向され、前記ブラケット（２０４）がそれぞれ、衝撃を封じ込めるための少なくとも１つの表面を有し、前記ブラケット（２０４）が、複数のレイヤ（２２０、２４０、２６０）を含み、少なくとも１つのレイヤが融蝕性粒子を含む、封じ込めレイヤ。
2. 衝撃を封じ込めるための前記ブラケット表面が、０．１°から５°の衝撃の方向における視射角をもたらす、請求項１に記載の封じ込めレイヤ。
3. フライホイール装置（２１０）を実質的に囲み、前記装置が、３００ｍ／秒から３０００ｍ／秒の速度で回転する少なくとも１つのロータを含む、請求項１に記載の封じ込めレイヤ。
4. 前記ブラケット（２０４）がＳ字形であり、前記ブラケット（２０４）が、外向きの衝撃に応答して半径方向外向きの方向で塑性変形する、請求項１に記載の封じ込めレイヤ。
5. 前記ブラケット（２０４）が、衝撃を受けたとき予測可能に変形し、前記チャンバ内で実質的に円環状のキャビティを生み出す、請求項１または４に記載の封じ込めレイヤ。
6. 少なくとも１つのブラケット（２４０）レイヤが、ガラス含有繊維、炭素含有繊維、またはそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む織布レイヤである、請求項１に記載の封じ込めレイヤ。
7. 前記炭素含有繊維がカーボンナノチューブ含有繊維である、請求項６に記載の封じ込めレイヤ。
8. 少なくとも１つのブラケットレイヤ（２２０）が、相互連結されたリンク（２２２、２２４）のアレイを含み、前記リンクが、鋼、チタン、アルミニウム、ポリマー繊維、炭素繊維、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料製である、請求項１に記載の封じ込めレイヤ。
9. 前記炭素繊維がカーボンナノチューブ含有繊維を含む、請求項８に記載の封じ込めレイヤ。
10. 前記ブラケットの少なくとも１つのレイヤ（２２０）が、少なくとも１つの融蝕性プレート（２６４）を含む、請求項１に記載の封じ込めレイヤ。
11. フライホイール装置の軸方向高さより高い軸方向高さを有する、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の封じ込めレイヤ。
12. 請求項１に記載の封じ込めレイヤを備えるビークル。

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