JP6149089B2 - 高速フライホイールシステム - Google Patents

Description

本発明は、高速フライホイールシステムに関し、特に車両に使用するフライホイールのための軸受に関する。

車両に使用するフライホイールシステムは、例えばエネルギー貯蔵の制動及び回復システムとして知られ、運動エネルギーが車両の制動時に回復される。

一般的に、フライホイールシステムは、軸に搭載されて、軸とともに回転するように配置された比較的大きな塊を備える。通常、フライホイールシステムは、筐体内のチャンバに入っており、チャンバを真空にして、抵抗によるエネルギー損失を少なくし、周囲空気との摩擦によってフライホイールの温度が高くなり過ぎるのを防ぐ。筐体と軸の間にシールが備えられ、チャンバ内が真空に保たれる。

筐体を軸に連結させるために、軸受が備えられる。現在知られている高速フライホイールシステムの軸受は、転がり軸受を有し、例えば、フライホイールが入っている真空封止されたチャンバ内の、シールとフライホイールの間に位置する。

上記の種類のフライホイール軸受に関する問題としては、軸受の滑剤の選択が制限されるというのがある。滑剤は、真空フライホイールチャンバの圧力で気化しないものでなければならない。また、接触シール又はリップシールを使わずに滑剤を軸受内に保持することが困難であり、このようなシールを使用することは、チャンバをポンプで真空にすることが困難になり、ポンプ排気中に滑剤が漏出する可能性があることから、望ましくない。

現在のフライホイールは、シール機構において、一方がシール液に触れて、他方が大気に触れるスライドピストンを有するものもある。シール液がフライホイールの操作で温まり、膨張することによってピストンが動き、大気圧でシール液を保持し、圧力が高まり過ぎるのを防ぐ。このようなピストンでは、ピストンの両側の圧力を均等にすることを目的としているが、ピストンシールとピストン筐体との間に摩擦があると、それが小さなものであっても、ピストンの両側の圧力が完全に均等にならなくなってしまう。

理想的には、フライホイールシールを、シールの寿命のために一旦シール液で満たす。シール液は、時間とともに劣化し、シールからの小さな粒子がすり減ってシール液を汚染したり、シール液の質が温度周期で低下する可能性がある。シールの寿命は、その中のシール液の状態によって制限される。

シール摩耗によってシール液が真空チャンバに漏出した場合、シール液を手動で交換せねばならないため、メンテナンスが必要であり、シールの耐用年数が少なくなる。

そこで、本発明は、上記の問題を克服又は少なくとも軽減することを目的とする。

従って、本発明は、添付の請求項における請求項１に主張する高速フライホイールシステムを提供するものである。

本発明における真空チャンバ外部の軸受の位置により、軸受を適切なシール液で潤滑することができ、真空チャンバの真空に近い状態での圧力で気化しないシール液を使用する必要がなくなる。

これにより、軸受の寿命が先行技術の実施例のものよりも長くなるよう、最も効率的な従来の軸受滑剤を選択することができる。従って、軸受の許容負荷率が、軸受が真空チャンバの内部にある先行技術の実施例のものよりも高くなり、軸受の小型化、軽量化、及び摩擦や生産コストの低下を図ることができる。

例えば、シール液が漏出した時に、シール液を補給するための液だめを備えてもよい。液だめは、例えば稼働中に発生したシールの摩耗によって漏出したどんなシール液であっても自動的に補給することができる。これにより、シールの点検間隔及び維持費を減らすことができる。

また、シール液だめが大気に開放されるようにしてもよい。これにより、ある特定の先行技術実施例での使用に必要な圧力バランスピストンが不要となり、ピストン摩耗に起因する圧力アンバランスのような問題がなくなる。

シール液は、シールキャビティの底部近傍にあるポートから供給してもよく、第二のポートがシールキャビティの上部近傍にあって、シール液を出すことができるため、シール液の持続的な貫流が可能であり、手動でシール液を補給する必要がないために、点検間隔を延ばし、メンテナンスの必要性が軽減される。また、シール液の流れが、フライホイール軸受を通るようにして、潤滑及び冷却するようにしてもよい。

シール液だめにフライホイール駆動機構の潤滑システムから補給してもよい。

フライホイールの使用前にチャンバを真空にするのは、望ましくはチャンバの底部又は近傍に位置する真空ポートを通じて行う。真空ポートの位置により、シールを通過して滲み出したどんなシール液であっても回収可能であり、回収したシール液を再利用できる。

搭載されたポンプは、真空チャンバの底部から漏出したどんなシール液体からもごみを除去するよう、すなわちシール液体を回収させるように備えられることが望ましい。ポンプは、真空チャンバの底部と接続されるのが望ましい。ポンプは、初めにチャンバの底部からシール液のごみを除去し、それから真空レベルを上げることができる。チャンバの底部からごみを除去されたシール液は、シール液だめに戻して再利用できるため、コスト及びメンテナンスにおいて利点を持つ。

シール液だめをフライホイール駆動機構の潤滑システムから補給すると、チャンバの底部からごみを除去されたシール液を潤滑システムに戻すことができる。

別の実施例においては、一組のアンギュラコンタクト軸受が軸の一端に位置し、シールが軸受装置のフライホイール側に備えられる。軸の他端は、軸受によって軸方向移動可能に支持され、シールはこの場合も軸受装置のフライホイール側に備えられる。本実施例により、フライホイール軸の両端における軸受装置の関連軸方向運動が可能になる。このような運動により、フライホイール軸と真空チャンバと熱膨張率の違い及び運転及び運転していない時の温度の違いも補われる。軸受装置の関連軸方向運動により、外的環境圧よりも小さい内部チャンバ圧のために、真空チャンバの偏向も可能にできる。

更なる別の実施例においては、軸受装置が片持ちフライホイール軸受装置を備える。本実施例では、フライホイールがフライホイール軸の一端に搭載され、軸受がフライホイールと軸との間に位置する。シールは、軸受のフライホイール側に位置する。この配置によって、必要なシールが一個で済むという利点が得られる。

一部又は全てのフライホイールは、軸と一体的に形成してもよい。例えば、フライホイールのウェブを軸と一体的に形成してもよい。

本発明の実施例を、例として添付の図面を参照して説明する。

本発明による高速フライホイールシステムの正面図。 図１に示す高速フライホイールシステムの線ＩＩＡ−ＩＩＡに沿った断面図。 図１に示す高速フライホイールシステムの線ＩＩＡ−ＩＩＡに沿った部分断面図。 本発明による高速フライホイールシステムの、別の実施例における正面図。 図３に示す高速フライホイールシステムの線ＩＶＡ−ＩＶＡ及び線ＩＶＢ−ＩＶＢに沿った断面図。 図３に示す高速フライホイールシステムの線ＩＶＡ−ＩＶＡ及び線ＩＶＢ−ＩＶＢに沿った断面図。 図４ａ及び図４ｂに関連する部分断面図。 シール液の経路を示した、図４ｃ及び図４ｄに関連する部分断面図。 本発明による高速フライホイールシステムの、さらに別の実施例における断面図。 図５に示す高速フライホイールシステムの線ＸＩ−ＸＩに沿った断面図。 図５に示す高速フライホイールシステムの線ＸＩ−ＸＩに沿った部分断面図。

図１、２ａ及び２ｂの実施例を参照し、高速フライホイールシステム２は、軸４に搭載された筐体５に含まれるフライホイール３を備える。フライホイール３は、ウェブ７及びリム９を備える。フライホイール３のウェブ７は、軸４と一体的に形成される。

筐体５は、真空ポート８を通じて真空ポンプ（図示せず）によって真空排気されるチャンバ６を有する。筐体５は、高速フライホイール軸４の両端１４及び１６の近傍に備えられる転がり軸受１２によって、軸４に搭載される。シール装置１８及び１９は、軸４に位置し、フライホイール３の各々の軸受１２とウェブ７の間にある。シール装置１８及び１９は、それぞれリップシール３２及びシール液（図示せず）を含む第一のキャビティ２０及び第二のキャビティ２２を備える。

シール液だめ２４が備えられ、それにより、シール液がキャビティ２０及び２２から漏出し、リップシール３２を通過した場合、シール液をシール液だめ２４から補給することができる。開口２６が、シール液だめ２４の上部２８に備えられ、シール液だめ２４が大気に開放され、それにより、シール液だめ２４内のシール液の圧力が大気圧と同等になるようにする。シール液は、第一のシール液だめ出口ポート５６及び第二のシール液だめ出口ポート５８を通じて、シール液だめ２４を抜け出る。出口ポート５６及び５８は、それぞれ第一のシールキャビティ供給ポート６６及び第二のシールキャビティ供給ポート６８にチューブ（図示せず）を介して取り付けられている。そのため、シール液は、第一のシールシールキャビティ供給ポート６６を通じて、第一のキャビティ２０に入り、第二のシールキャビティ供給ポート６８を通じて、第二のキャビティ２２に入る。

シール液のチャンバ６への漏出が発生すると、漏出したシール液は、真空ポート８に接続された真空ポンプによって、チャンバ６から回収することができる。このように、初めにチャンバ６の底部１０からどんなシール液も回収し、次に、キャビティ２０及び２２内のシール液のレベルを自動的に補給する。キャビティ２０及び２２が補給されると、それから回収したシール液はシール液だめ２４に戻される。

図３乃至４ｆに示した本発明の別の実施例では、フライホイール２’が片持ち軸受装置を有する。本実施例では、リム９’及びウェブ７’を備えるフライホイール３’が、軸４’の一端に搭載され、転がり軸受１２’がフライホイール３’のウェブ７’と軸４’の間に位置する。リップシール３２’及びキャビティ２０’を備えるシール装置１８’は、軸受１２’の高速フライホイールシステム側に位置する。シール液の流路を図４ｅ及び４ｆに示す。図４ｅの矢印Ａに示すように、シール液は供給ポート部３６に入り、入口溝３８を通り、キャビティ２０’の底部近傍に位置する入口ポート４０を通じてキャビティ２０’に入る。図４ｆの矢印Ｂに示すように、シール液はキャビティ２０’の上部近傍に位置する出口ポート４４を通り、出口溝４６に沿ってシール装置１８’のキャビティ２０’を出る。出口溝４６は、二つの第二溝４８及び５０が備えられ、いくらかのシール液が軸受１２’に回されて、潤滑及び冷却をする。シール液の残りは、出口ポート部５２及び５３を通って出る。本実施例により、キャビティ２０’を通じてシール液を持続的に流すことができる。

図５乃至６ｂの実施例において、高速フライホイールシステム２”はリム９”及びウェブ７”を備えるフライホイール３”を有する。一組のアンギュラコンタクト軸受８０を備える第一の軸受装置７０は、軸４”の一端近傍に位置する。第一のシール装置６０は、フライホイール３”のウェブ７”と第一の軸受装置７０の間に備えられる。軸４”の他端は、第二の軸受装置７２によって軸方向移動可能に支持され、第二のシール装置６２は、フライホイール３”のウェブ７”と軸受装置７２の間に備えられる。

別の実施例では、シール液だめは、フライホイール駆動機構のための潤滑システムから補給され、また、ポンプによってチャンバの底部から回収したどんなシール液も、潤滑システムに戻される。

２ 高速フライホイールシステム
３ フライホイール
４ 軸
５ 筐体
６ チャンバ
７ ウェブ
８ 真空ポート
１２ 軸受
１２’ 軸受
１８，１９ シール装置
１８’ シール装置
２０ 第一のキャビティ
２０’ キャビティ
２２ 第二のキャビティ
２４ シール液だめ
３８ 入口溝
４０ 入口ポート
４４ 出口ポート
４６ 出口溝
４８，５０ 第二溝

Claims (20)

1. フライホイール及び軸を備える高速フライホイールシステムであって、
   前記フライホイールは、筐体内のチャンバ内に配置され、
   前記チャンバは、シール液を含むキャビティを備える少なくとも一つのシール装置によって真空及び封止され、前記筐体は前記チャンバの外部であり、かつ前記キャビティの外部に位置する少なくとも一つの軸受を備える軸受装置を介して前記軸に搭載され、シール液は前記少なくとも一つの軸受を潤滑するために用いられる、高速フライホイールシステム。
2. シール液だめをさらに備える、請求項１に記載の高速フライホイールシステム。
3. 前記少なくとも一つのシール装置のキャビティ内のシール液は、前記シール液だめからの液によって自動補給される、請求項２に記載の高速フライホイールシステム。
4. 前記シール液だめは、大気に開放され、前記シール液だめ内のシール液の圧力が大気圧と同等になるようにする、請求項２又は３に記載の高速フライホイールシステム。
5. 前記少なくとも一つのシール装置を通してシール液の流れを許容する流路がフライホイールシステムの中に設けられ、シール液は前記流路から転送され、前記少なくとも一つの軸受の潤滑のために前記軸受装置に向けられる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の高速フライホイールシステム。
6. 前記流路は、前記少なくとも一つのシール装置のキャビティの底部近傍に設けられた入口ポートと、少なくとも一つのシール装置のキャビティの上部近傍に設けられた出口ポートと、を備え、シール液は、前記入口ポートを通じて前記キャビティに供給され、また、シール液は、前記出口ポートを通して前記キャビティから漏出することができ、前記少なくとも一つのシール装置の前記キャビティを通したシール液の持続的な流れを可能とする、請求項５に記載の高速フライホイールシステム。
7. 前記流路は、さらに前記出口ポートと液が連通する出口溝を備え、前記出口溝は、シール液を前記軸受装置に転送することができるように少なくとも一つの第二溝を備えている、請求項６に記載の高速フライホイールシステム。
8. フライホイール駆動機構及び前記フライホイール駆動機構のための潤滑システムをさらに備え、シール液だめが、前記フライホイール駆動機構のための前記潤滑システムからシール液を補給される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の高速フライホイールシステム。
9. 前記チャンバ内を真空排気するための真空ポートが、前記チャンバに又はその底部近傍に備えられ、前記チャンバに漏出したシール液を回収できる、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の高速フライホイールシステム。
10. 前記チャンバに漏出したシール液を回収できるように配置されたポンプをさらに備える、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の高速フライホイールシステム。
11. 前記ポンプによって前記チャンバから回収したシール液は、前記少なくとも一つのシール装置のキャビティに向けられ、前記キャビティ内のシール液を補給されることを特徴とする、請求項１０に記載の高速フライホイールシステム。
12. 前記キャビティ内のシール液が補給された後、残りの回収されたシール液は前記シール液だめに向けられる、請求項２又は１１に記載の高速フライホイールシステム。
13. 前記チャンバから回収したシール液は、前記フライホイール駆動機構の潤滑システムに戻される、請求項８又は１０に記載の高速フライホイールシステム。
14. 前記フライホイールのウェブの一側にある前記軸に設けられた一組のアンギュラコンタクト軸受を備える第一の軸受装置と、前記フライホイールのウェブの他側にある前記軸に配置された第二の軸受装置と、を備え、前記第二の軸受装置は、前記軸に対して軸方向移動可能に配置される、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の高速フライホイールシステム。
15. 前記軸受装置が、前記フライホイールと前記軸の間に配置された片持ち軸受を備える、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の高速フライホイールシステム。
16. 前記シール装置は、シール液を前記キャビティ内に保つためのシールから成る、請求項１乃至１５のいずれかに記載の高速フライホイールシステム。
17. 前記シールは、前記キャビティを区切る、請求項１６に記載の高速フライホイールシステム。
18. 前記シールは、前記軸を取り囲んでシールしている、請求項１６又は１７に記載の高速フライホイールシステム。
19. 前記シールは、リップシールから成る、請求項１６、１７又は１８に記載の高速フライホイールシステム。
20. 当該システムは、前記少なくとも一つの軸受を潤滑するためにシール液を前記軸受装置に向かわせるように構成されている、請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の高速フライホイールシステム。

Images