JP6323641B2 - 電力貯蔵装置におけるシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、超電導体を使用した磁気支持装置によって回転体を支持し、電力を回転体の運動エネルギーとして蓄積する電力貯蔵装置におけるシール構造に関するものである。

従来より、余剰電力をフライホイールの運動エネルギーに変換して貯蔵するとともに、フライホイールに貯蔵されている運動エネルギーを必要時に電気エネルギーに変換して取り出す電力貯蔵装置が知られている。
この電力貯蔵装置は、特許文献１に示されるように、フライホイールと、該フライホイールに固定される回転軸と、該回転軸に連結される非接触トルク伝達部品とで構成される回転体を、周りに輻射シールド槽及び真空容器を周囲に備えた内槽に配置したものであって、前記回転体の回転軸は、超電導体を有する磁気支持装置により非接触状態で支持されている。

そして、上記電力貯蔵装置は、真空容器内で回転体を回転自在に支持するために、磁気支持装置の超電導体を極低温に冷却しかつその状態を維持する必要がある。
このため、特許文献２に示される電力貯蔵用フライホイールでは、フライホイールの回転軸に取り付けられた回転側伝熱板と、該回転側伝熱板と間隔をおいて対向する固定側伝熱板とからなる非接触部冷却装置を有し、該非接触部冷却装置の伝熱板によって輻射による伝熱面積を増加させるようにしている。
また、引用文献３に示される非接触部の冷却装置では、輻射による伝熱が支配的である圧力の領域から気体分子伝導による伝熱が支配的となる圧力の近傍に圧力を設定し、非接触部の冷却を行うようにしている。

特開２０１０−２３９７９６号公報 特開２０１１−１７６９０５号公報 特開２００９−２６４４９５号公報

ところで、上記のように構成された電力貯蔵装置では、極低温の真空空間内にフライホイールを回転自在に設置し、磁気支持装置の超電導体に対して、外部から冷媒を連続的に導入してもよいが、冷媒が蒸発した気体が散逸すると真空断熱が損なわれ、該内槽の内部と外部との間の熱的遮断が不十分となって、冷却効率が低下するおそれがある。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、フライホイールの回転軸を、内槽となる真空容器に軸支する箇所において確実にガスを遮断し、冷却に関するエネルギーロスを抑えることができる電力貯蔵装置におけるシール構造を提供する。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、超電導磁気軸受を介して、極低温及び高真空下にあるフライホイールを回転動作させることにより、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵する電力貯蔵装置において、前記フライホイールを収容する真空容器と前記フライホイールの回転軸との間に、該回転軸を軸支する回転軸受を設け、この回転軸受は、前記フライホイールとともに回転する回転部材と、前記真空容器に固定されかつ前記回転部材との間に間隙を有するように設置された固定部材と、これら回転部材及び固定部材の間隙に収容された磁性流体と、前記間隙内に磁性流体を保持する磁性体と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、フライホイールを収容する真空容器と該フライホイールの回転軸との間に回転軸受を設け、この回転軸受の回転部材と固定部材との間隙に磁性流体を設ける構成としたので、該磁性流体により、フライホイールの回転軸を、内槽である真空容器に軸支する箇所において確実なガス遮断を行ない、冷却に関するエネルギーロスを抑えることができる。
また、磁性体により、回転部材と固定部材との間隙に収容された磁性流体を保持する構成としたので、フライホイールの回転により磁性流体が流出してしまうことがなく、回転軸受において安定した外部とのガス遮断が可能となる。

また、本発明では、真空容器内にフライホイールの回転軸を支持する内部軸受をさらに設け、該内部軸受における回転ブロックと固定ブロックとの間隙内の対向面に、回転時にガス分子を高圧側に排気する螺旋溝を形成することにより、真空容器内を効率良く真空状態にすることができる。

また、フライホイールの回転軸の中心部に、該回転軸と同軸でかつ真空容器に固定された冷媒供給管からの冷媒が流れる冷媒流路を形成し、該冷媒流路を、超電導磁気軸受付近に冷媒が至るように配置することにより、該超電導磁気軸受を効率良く極低温に冷却することができる。

本発明に係る電力貯蔵装置１の全体図である。 本発明の実施形態１に係る電力貯蔵装置１を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る電力貯蔵装置１を示す断面図である。

（実施形態１）
本発明の実施形態１について図１及び図２を参照して説明する。
図１は本発明が適用される電力貯蔵装置１であって、電気エネルギーを回転体の運動エネルギーとして貯蔵する機能を有する。

電力貯蔵装置１は、充電時には余剰電力をフライホイール５の運動エネルギーに変換して貯蔵するとともに、放電時にはこのフライホイール５に蓄積されている運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。電力貯蔵装置１は、例えば、超電導体を使用した磁気支持装置によって回転体を支持し、電力を回転体の運動エネルギーとして蓄積する超電導フライホイール蓄電装置である。
電力貯蔵装置１は、架台２と、上回転軸３と、下回転軸４と、フライホイール５と、超電導磁気軸受６、７と、内槽となる真空容器８と、冷却装置９と、真空排気装置１０、１１とを有し、さらに本発明に係るガス封止機構２０及びガス封止ネジ機構３０を有している。

上回転軸３及び下回転軸４は、フライホイール５と一体となって回転する部材である。フライホイール５は、電気エネルギーを運動エネルギーとして保存するための部材である。フライホイール５は、このフライホイール５の中心が上回転軸３及び下回転軸４の中心軸Ｏと一致するように、これら回転軸３、４に固定されている。フライホイール５は、回転軸３とともに真空容器８内に浮揚状態で収容されており、電力貯蔵用の超電導フライホイールとして機能する。

超電導磁気軸受６、７は、上回転軸３及び下回転軸４を回転自在に支持する装置である。超電導磁気軸受６は、フライホイール５の上方に配置されており、上回転軸３の上端部側を非接触で支持している。超電導磁気軸受７は、フライホイール５の下方に配置されており、下回転軸４の下端部側を非接触で支持している。
また、超電導磁気軸受６、７は、超電導物質のマイスナー効果または完全反磁場性による磁気浮上を利用して上回転軸３、フライホイール５および下回転軸を回転自在に支持するスラスト軸受として機能する。さらに、超電導磁気軸受６、７は、超電導バルク体（回転子）６ａ、７ａと超電導コイル（固定子）６ｂ、７ｂなどを備えており、回転体側の超電導バルク体６ａ、７ａと固定体側の超電導コイル６ｂ、７ｂとの間に磁場を発生させる。超電導磁気軸受６、７は、超電導バルク体６ａ、７ａと超電導コイル６ｂ、７ｂとを対向させてこれらの間に磁気反発力を発生させて、超電導バルク体６ａ、７ａと超電導コイル６ｂ、７ｂとの間に所定の間隔が保持させるように上下回転軸３、４をガイドする。超電導磁気軸受６、７は、上下回転軸３，４及びフライホイール５を浮揚状態で支持することによって、エネルギー損失の大部分を占める軸受部分の摩擦抵抗を低減している。

超電導バルク体６ａ、７ａは、単結晶と同等の超電導特性を有する高温超電導材料の固まりである。超電導バルク体６ａ、７ａは、例えば、Ｙ系超電導材料などを溶解させてから結晶成長させた溶融成長体であり、冷却することによって超電導特性を発揮する。

真空容器８は、内部が極低温／高真空下の容器であって、超電導磁気軸受６、７の超電導コイル６ｂ、７ｂを支持した状態でこの超電導磁気軸受６、７を収容する。また、この真空容器８は、超電導磁気軸受６、７の超電導コイル６ｂ、７ｂを臨界温度以下にするために内部が極低温下に維持されているとともに、フライホイール５の風損を低減するために内部が高真空下に維持されている。

冷却装置９は、内槽１上の内部を冷却する装置である。冷却装置９は、例えば、真空容器８内の超電導磁気軸受６、７の超電導コイル６ｂ、７ｂを液体窒素によって臨界温度以下に冷却する極低温用冷凍機のような熱伝導型冷却装置である。この冷却装置９は、ヘリウムガスの圧縮と膨張とを繰り返して冷却するＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機のような冷凍機９ａと、この冷凍機９ａに冷媒ガスを供給する圧縮機９ｂと、冷凍機９ａ及び圧縮機９ｂを経た冷媒ガスを供給する冷媒供給菅９ｃなどを備えている。

真空排気装置１０は、真空容器８の内部を容器上部から真空状態にする装置であって、超電導バルク体６ａ、７ａへの伝熱（超電導コイル６ｂ、７ｂからの冷熱で超電導バルク体６ａ、７ａを冷却）のために、真空容器８の内部を数〜１００Ｐａ程度の真空状態に調整する。また、この真空排気装置１０は、真空容器８の内部を真空排気する真空ポンプ１０ａと、この真空ポンプ１０ａと真空容器８とを接続する管路１０ｂなどを備えている。
真空排気装置１１は、真空容器８の内部を容器下部から真空状態にする装置であって、同様に真空ポンプ１１ａ、管路１１ｂを備えている。

次に、図１及び図２を参照して、ガス封止機構２０及びガス封止ネジ機構３０について詳細に説明する。

このガス封止機構２０は、図２に示されるように、フライホイール５とともに回転するリング状の回転磁性体２１、真空容器８に固定されかつ回転磁性体２１との間に間隙２３を有するように設置された突起があるリング状の固定部材２２と、これら回転磁性体２１及び固定部材２２の間隙２３に収容されたシール材となる磁性流体２４と、間隙２３内に磁性流体２４を保持する磁性体２１、２５と、を具備している。
この回転軸受２０は、回転磁性体２１、固定部材２２及びこれらの間の間隙２３が、フライホイール５と上下回転軸３，４に対して直交する位置関係に配置されたガス封止機構である。

間隙２３内に磁性流体２４を保持する磁性体２５は、該間隙２３の反対側に位置する固定部材２２の裏面に配置されるものであって、磁性体２５は真空容器８側に設置されている。
なお、回転磁性体２１はフライホイール５側に設置された回転部材２７によって、下回転軸４に固定保持されている。

そして、このようなガス封止機構２０にて、回転磁性体２１及び固定部材２２の間隙２３に収容された磁性流体２４によって、回転磁性体２１及び固定部材２２がシールされることにより、ガス封止機構２０内部を通る冷媒ガスを真空容器８内に流出しないよう確実なガス遮断を行ない、冷却に関するエネルギーロスを抑えることができる。
また、回転磁性体２１，磁性体２５により、回転磁性体２１と固定部材２２との間隙２３に収容された磁性流体２４を保持する構成としたので、フライホイール５の回転により磁性流体２４の流出が防止されて、ガス遮断効果を維持することができる。

次に、図２を参照して、真空容器８内にさらに設けられて、フライホイール５の下回転軸４付近をシールするガス封止ネジ機構３０について説明する。

このガス封止ネジ機構３０は、フライホイール５とともに回転する下回転軸４と、真空容器８に固定されかつ下回転軸との間に間隙３２を有するように設置されたリング状の固定ブロック３１と、これら下回転軸４と固定ブロック３１の間隙３２内に形成された真空シール３３と、を具備する構成である。

また、下回転軸４と固定ブロック３１との間隙３２内の対向面には、回転時にガス分子を高圧側に排気する螺旋溝３４が形成されており、この螺旋溝３４によって、真空容器８内のガス分子が矢印Ａ方向に排出される。
また、螺旋溝３４によってガス分子を排出する矢印Ａ側には、真空ポンプ１１ａの管路１１ｂの吸引口３５（図１参照）が配置されており、該管路１１ｂを通じて真空容器８内のガス分子が内部から排出される。

また、冷凍機９ａの冷媒供給管９ｃは、図１及び図２に示されるように真空容器８の下部に設置されており、該冷媒供給管９ｃを通じて供給された冷媒は、該真空容器８内に立設された冷媒供給管３７を通じて、冷媒流路４０に図中下方側から供給される。
この冷媒流路４０は、フライホイール５の回転軸４の中心部に形成された内部空間の管路であって、真空容器８に固定された冷媒供給管３７と同軸（中心軸Ｏを中心として同軸）となるように設置される。

冷媒流路４０は、上回転軸３の内部にある超電導磁気軸受６の回転側のバルク体６ａの間まで通るよう設置されており、冷媒が冷媒流路４０を通りバルク体６ａを局部冷却する。
その後、冷媒は上回転軸３、フライホイール５、下回転軸４の内部空間を下方向に通り、下回転軸４内部にある超電導磁気軸受７の回転側のバルク体７ａを局部冷却する。
下回転軸４の内部空間を通ってきた冷媒は、冷媒排気管３８を通じて冷却装置９に再供給される。

以上詳細に説明したように本実施形態に示される電力貯蔵装置１のシール構造によれば、フライホイール５を収容する真空容器８と該フライホイール５の下回転軸４との間にガス封止機構２０を設け、該ガス封止機構２０における回転部材２１と固定部材２２との間隙２３に磁性流体２４を設ける構成としたので、該磁性流体２４により、フライホイール５の回転軸４を、内槽である真空容器８に軸支する箇所において確実なガス遮断を行ない、冷却に関するエネルギーロスを抑えることができる。

また、本実施形態に示される電力貯蔵装置１のシール構造では、磁性体２１，２５により、固定部材２２との間隙２３に収容された磁性流体２４を保持する構成としたので、フライホイール５の回転により磁性流体２４が流出してしまうことがなく、ガス封止機構２０内部を通る冷媒ガスを安定して遮断することができる。

また、本実施形態に示される電力貯蔵装置１のシール構造では、真空容器８内にフライホイール５の下回転軸４付近をシールするガス封止ネジ機構３０をさらに設け、該ガス封止ネジ機構３０における下回転軸４と固定ブロック３１との間隙３３内の対向面に、回転時にガス分子を高圧側に排気する螺旋溝３４を形成することにより、真空容器８内上部を効率良く真空状態にすることができる。

また、フライホイール５の下回転軸４の中心部に、該下回転軸４と同軸でかつ真空容器８に固定された冷媒供給管９ｃからの冷媒が流れる冷媒流路４０を形成し、超電導磁気軸受６，７のバルク材６ａ、７ａに冷媒が至るように配置することにより、局部的に効率良く極低温に冷却することができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２について図３を参照して説明する。この実施形態２が実施形態１と構成を異にする点は、ガス封止機構の構成である。

すなわち、実施形態２に示されるガス封止機構５０は、図３に示されるように、フライホイール５とともに回転する円筒状の回転部材５１と、真空容器８に固定されかつ回転部材５１との間に間隙５３を有するように設置されたリング状の固定部材５２と、これら回転部材５１及び固定部材５２の間隙５３に収容されたシール材となる磁性流体５４と、固定部材５２内に設けられて間隙５３内に磁性流体５４を保持する磁性体５５と、を具備している。
このガス封止機構５０は、回転部材５１、固定部材５２及びこれらの間の間隙５３が、フライホイール５の下回転軸４における中心軸Ｏの周囲に配置されたラジアル方向でシールする機構である。

以上詳細に説明したように本実施形態２に示される電力貯蔵装置１によれば、フライホイール５を収容する真空容器８と該フライホイール５の下回転軸４との間にガス封止機構５０を設け、該ガス封止機構５０における回転部材５１と固定部材５２との間隙５３に磁性流体５４を設ける構成としたので、該磁性流体５４により、フライホイール５の下回転軸４を、内槽である真空容器８に軸支する箇所において確実なガス遮断を行ない、冷却に関するエネルギーロスを抑えることができる。

また、本実施形態２に示される電力貯蔵装置１では、磁性体５５により、回転部材５１と固定部材５２との間隙５３に収容された磁性流体５４を保持する構成としたので、フライホイール５の回転により磁性流体５４が流出してしまうことがなく、回転軸受２０内部を通る冷媒ガスを安定して遮断することができる。

なお、上記実施形態では、冷媒流路４０を超電導磁気軸受６ａ、７ａに設置したが、その箇所は冷媒の循環程度に応じて適宜、変更しても良い。
また、間隙部２３、５３内の磁性流体２４、５４は、回転磁性体２１、回転部材５１及び固定部材２２、５２の対向面に連続的に形成された凹部内に収容しても良く、この場合、この凹部の形状は図２及び図３に示されるように三角形であっても良いし、球面状であっても良く、その形状は限定されるものではない。また、この凹部は、回転磁性体２１、回転部材５１の側であっても、固定部材２２、５２の側であっても良く、又は双方の側にあっても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、超電導体を使用した磁気支持装置によって回転体を支持し、電力を回転体の運動エネルギーとして蓄積する電力貯蔵装置におけるシール構造に関するものである。

１ 電力貯蔵装置
３ 上回転軸
４ 下回転軸
５ フライホイール
６ 超電導磁気軸受
７ 超電導磁気軸受
８ 真空容器
９ 冷却装置
１０ 真空排気装置
１１ 真空排気装置
２０ ガス封止機構
２１ 回転磁性体
２２ 固定部材
２３ 間隙
２４ 磁性流体
２５ 磁性体
３０ ガス封止ネジ機構
３１ 固定ブロック
３２ 間隙
３３ 真空シール
３４ 螺旋溝
３５ 吸引口
３７ 冷媒供給管
３８ 冷媒排気管
４０ 冷媒流路
５０ ガス封止機構
５１ 回転部材
５２ 固定部材
５３ 間隙
５４ 磁性流体
５５ 磁性体

Claims (6)

1. 超電導磁気軸受を介して、極低温及び高真空下にあるフライホイールを回転動作させることにより、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵する電力貯蔵装置において、
   前記フライホイールを収容する真空容器と前記フライホイールの回転軸との間に、該回転軸を軸支する回転軸受を設け、
   この回転軸受は、前記フライホイールとともに回転する回転部材と、前記真空容器に固定されかつ前記回転部材との間に間隙を有するように設置された固定部材と、これら回転部材及び固定部材の間隙に収容された磁性流体と、前記間隙内に磁性流体を保持する磁性体と、を具備し、
   前記フライホイールの回転軸の中心部には、該回転軸と同軸に配置されかつ前記真空容器に固定された冷媒供給管からの冷媒が流れる冷媒流路が形成され、
   該冷媒流路は、前記超電導磁気軸受付近に冷媒が至るように配置され、
   前記回転部材と固定部材との間を封止するガス封止機構は、
   それぞれリング状に形成され、前記回転軸とともに回転する内側、外側の回転磁性体と、
   これら内側、外側の回転磁性体との間の軸方向の間隙に、それぞれ磁力により磁性流体を保持する固定部材と、
   を有し、
   前記回転軸の中心軸線上で開口する冷媒供給管から冷媒が供給され、
   前記内側、外側の回転磁性体に対応する前記固定部材の間の位置に設けられた冷媒排気管から冷媒が排出される、
   電力貯蔵装置におけるシール構造。
2. 超電導磁気軸受を介して、極低温及び高真空下にあるフライホイールを回転動作させることにより、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵する電力貯蔵装置において、
   前記フライホイールを収容する真空容器と前記フライホイールの回転軸との間に、該回転軸を軸支する回転軸受を設け、
   この回転軸受は、前記フライホイールとともに回転する回転部材と、前記真空容器に固定されかつ前記回転部材との間に間隙を有するように設置された固定部材と、これら回転部材及び固定部材の間隙に収容された磁性流体と、前記間隙内に磁性流体を保持する磁性体と、を具備し、
   前記フライホイールの回転軸の中心部には、該回転軸と同軸に配置されかつ前記真空容器に固定された冷媒供給管からの冷媒が流れる冷媒流路が形成され、
   該冷媒流路は、前記超電導磁気軸受付近に冷媒が至るように配置され、
   前記回転部材と固定部材との間を封止するガス封止機構は、
   前記回転軸とともに回転する円筒状の回転部材と、この回転部材との間の半径方向の間隙に、磁力により磁性流体を保持し、それぞれリング状に形成され軸線方向に互いに間隔をおいて配置された上側および下側の固定部材と、
   を有し、
   前記回転軸の中心軸線上で開口する冷媒供給管から冷媒が供給され、
   前記軸線方向において、前記上側および下側の固定部材の間の位置に設けられた冷媒排気管から冷媒が排出される
   電力貯蔵装置におけるシール構造。
3. 前記回転軸受は、前記回転部材、前記固定部材及びこれらの間の間隙が、前記フライホイールの回転軸に対して直交する位置関係に配置されたスラスト軸受であることを特徴とする請求項１に記載の電力貯蔵装置におけるシール構造。
4. 前記回転軸受は、前記回転部材、前記固定部材及びこれらの間の間隙が、前記フライホイールにおける回転軸の中心軸線周囲に配置されたラジアル軸受であることを特徴とする請求項２に記載の電力貯蔵装置におけるシール構造。
5. 前記真空容器内には、前記フライホイールの回転軸を支持する内部軸受がさらに設けられ、
   該内部軸受は、前記フライホイールとともに回転する回転ブロックと、前記真空容器に固定されかつ前記回転ブロックとの間に間隙を有するように設置された固定ブロックと、を具備し、
   前記回転ブロックと固定ブロックとの間隙内の対向面には、回転時にガス分子を高圧側に排気する螺旋溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力貯蔵装置におけるシール構造。
6. 前記螺旋溝によってガス分子を排出する側には、真空ポンプの吸引口が配置されていることを特徴とする請求項５に記載の電力貯蔵装置におけるシール構造。

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