JP6506705B2 - フライホイール蓄電装置の収納容器 - Google Patents

Description

本発明は、衝撃エネルギー吸収特性に優れたフライホイール蓄電装置の収納容器に関するものである。

図１５は従来のフライホイール蓄電装置の模式図、図１６はフライホイール蓄電装置の収納容器の一例を示す構成図である。

これらの図において、１０１はフライホイール蓄電装置、１０２はフライホイール蓄電装置の収納容器、１０３は超電導磁気軸受、１０４は回転軸、１０５は超電導磁気軸受１０３によって支持される大きなロータ、１０６は下部ベアリング、１０７は上部ベアリング、１０８は真空シール、１０９は発電電動機である。

フライホイール蓄電装置１０１は、図１５に示されるように、超電導磁気軸受１０３によって支持される大きなロータ１０５が回転して蓄電を行うものであり、制御不能となった場合、ロータ１０５が収納容器１０２に衝撃力（荷重）を与える可能性があるため、収納容器１０２には堅牢性が要求される。そこで、従来は例えば、図１６に示されるように、収納容器１０２に厚肉基材１０２Ａが用いられ、さらに補強リブ１０２Ｂが複数設けられる。

ケブラーＷｉｋｉｐｅｄｉａ ｈｔｔｐｓ：//ｊａ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ/ ｗ/ ｉｎｄｅｘ．ｐｈｐ？ｔｉｔｌｅ＝ケブラー＆ｏｌｄｉｄ＝５７４５７４１５ ＷＥＢカタログＴＥＩＪＩＮ パラアミド繊維・トワロン ｈｔｔｐ：//ｃａｔａｌｏｇ．ｔｅｉｊｉｎ．ｃｏ．ｊｐ/ ｔｅｍｐｌａｔｅ．ｐｈｔｍｌ？ｉｄ＝１８６

上記したように、フライホイール蓄電装置は、収納容器内部に質量十数トンものフライホイールを備えており、そのフライホイールが毎分千回転から数千回転に加速することでＭＪ（メガジュール）級の電気エネルギーを運動エネルギーに変換でき、逆に毎分数千回転から千回転まで減速することで、その運動エネルギーを電気エネルギーに変換できるものであるが、高速回転するフライホイールが震度７クラスの大震災に見舞われて制御不能に陥るような不測の事態に備えて、従来の収納容器は厚さ百ミリ超のステンレス鋼等の高強度部材で構成され、さらに堅牢性を増すために補強リブを数多く備えたものとなっている。

このため、フライホイール蓄電装置の収納容器自体の重量が十数トン超にもなり、コスト面も含めて製作性が悪く、さらに輸送等の取り扱い性も悪いなどハンドリング面も不利になるという問題がある。

本発明は、上記状況に鑑みて、収納容器の製作コスト低減と不測の事態に備えた安全対策を両立することができる、フライホイール蓄電装置の収納容器を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕フライホイール蓄電装置の収納容器において、パラフェニレンジアミンとテレフタル酸クロリドの重合体を主成分とするアラミド繊維クロス層とＳｉＣを主成分とする微粒子とエポキシ樹脂とからなる、高強度・高耐熱性の複合材と金属基材を一体化したことを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のフライホイール蓄電装置の収納容器において、前記ＳｉＣを主成分とする微粒子の粒径が５μｍから１０μｍの間でかつ、その含有率が５ｗｔ％から４０ｗｔ％の間であることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載のフライホイール蓄電装置の収納容器において、前記金属基材がステンレス鋼やＴｉ合金材であることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載のフライホイール蓄電装置の収納容器において、前記金属基材がアルミニウム／ステンレス鋼ないしはアルミニウム／Ｔｉ合金材料からなる異種金属ハイブリッド基材であることを特徴とする。

〔５〕上記〔４〕記載のフライホイール蓄電装置の収納容器において、前記異種金属ハイブリッド基材が拡散接合法ないしは爆着法ないしは圧延法により製造されたことを特徴とする。

〔６〕上記〔４〕記載のフライホイール蓄電装置の収納容器において、前記異種金属ハイブリッド基材におけるアルミニウムが純度９９．９９％（４Ｎ）以上であることを特徴とする。

〔７〕上記〔１〕から〔６〕の何れか１項記載のフライホイール蓄電装置の収納容器において、前記フライホイール蓄電装置の収納容器の内部に、金属基材とＳｉＣを含むエポキシ樹脂とアラミド繊維クロス層からなる複合材リングを設置することを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

フライホイール蓄電装置の収納容器の補強リブを廃止することが可能となり、さらに従来、百数十ｍｍ厚のステンレス鋼からなる収納容器の基材厚さを３割程度削減することが可能となり、収納容器の製作コスト低減と不測の事態に備えた安全対策を両立することができる、衝撃エネルギー吸収特性に優れたフライホイール蓄電装置の収納容器を提供することができる。

本発明の実施例を示すフライホイール蓄電装置の収納容器の模式図である。 本発明の補強部材に用いるアラミド繊維の例であるケブラー（デュポン社、登録商標）の分子構造〔基本ユニット〕を示す図である。 本発明のフライホイール蓄電装置の収納容器の斜視図である。 図３の収納容器の外面イメージを示す収納容器の図面代用写真である。 収納容器の変形によるエネルギー吸収の説明図である。 本発明のフライホイール蓄電装置の収納容器のＳｉＣの含有率の範囲とエネルギー吸収特性の関係を示す図である。 本発明のフライホイール蓄電装置の収納容器の基本構成［実施例１（ＳＵＳ１．０ｍｍ）、実施例２（ＳＵＳ１．５ｍｍ）を示す図である。 本発明のフライホイール蓄電装置の収納容器の他の構成［実施例３（ＳＵＳ/ ４Ｎアルミ１．０ｍｍ、アルミ層は０．２ｍｍ）、実施例４（ＳＵＳ/ ４Ｎアルミ１．５ｍｍ、アルミ層は０．２ｍｍ）を示す図である。 実施例１〜４のアラミドから見た図面代用外観写真（アラミド繊維の平織り状態がわかる）である。 衝撃（落錘）試験の様子を示す図面代用写真である。 実施例１の衝撃試験の結果を示す図面代用写真である。 実施例２の衝撃試験の結果を示す図面代用写真である。 比較例の衝撃試験の結果を示す図面代用写真である。 本発明のフライホイール蓄電装置の収納容器の内部に複合材リングを設置する構成例を示す図である。 従来のフライホイール蓄電装置の模式図である。 従来のフライホイール蓄電装置の収納容器の一例を示す構成図である。

本発明のフライホイール蓄電装置の収納容器は、パラフェニレンジアミンとテレフタル酸クロリドの重合体を主成分とするアラミド繊維クロス層とＳｉＣを主成分とする微粒子とエポキシ樹脂とからなる、高強度・高耐熱性の複合材と金属基材を一体化した。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、本発明のフライホイール蓄電装置の収納容器の構成について順次説明する。

図１は本発明の実施例を示すフライホイール蓄電装置の収納容器の模式図、また、図２は本発明の補強部材に用いるアラミド繊維の例である、ケブラー（デュポン社、登録商標）の分子構造〔基本ユニット〕を示す図である。

これらの図において、１はフライホイール蓄電装置の収納容器、２は基材、３は補強部材、４は回転軸である。

本発明は、フライホイール蓄電装置の収納容器の製作コスト低減と不測の事態に備えた安全対策を両立するため、収納容器の外周に衝撃エネルギー吸収特性に優れた複合材を一体化することで安全対策をとりつつ、補強リブの廃止とさらに収納容器の基材厚さを大幅に削減することで構成の簡素化を図り製作コストを削減するものである。

具体的な衝撃エネルギー吸収特性に優れたフライホイール蓄電装置の収納容器としては、パラフェニレンアジアミンとテレフタル酸クロリドの重合体を主成分とするアラミド繊維クロス層とＳｉＣを主成分とする微粒子とエポキシ樹脂からなる、高強度・高耐熱性の複合材が望ましい。

図３は本発明のフライホイール蓄電装置の収納容器の斜視図、図４は図３の収納容器の外面イメージを示す収納容器の図面代用写真、図５は収納容器の変形によるエネルギー吸収の説明図である。

これらの図において、１１はフライホイール蓄電装置の収納容器、１２は収納容器の金属基材層、１３はアラミド繊維クロス層、１３Ａは収納容器の外面であり、アラミド繊維の平織り状態がわかる。１４はローター由来の破片である。

図６は本発明のフライホイール蓄電装置の収納容器のＳｉＣの含有率の範囲とエネルギー吸収特性の関係を示す図であり、横軸はＳｉＣの含有率（ｗｔ％），縦軸はエネルギー吸収特性（正規化）［シャルピー衝撃試験］である。

図７は本発明のフライホイール蓄電装置の収納容器の基本構成［実施例１（ＳＵＳ１．０ｍｍ）、実施例２（ＳＵＳ１．５ｍｍ）を示す図である。

この図において、１５は金属基材（ＳＵＳまたはＴｉ合金）、１８はエポキシ樹脂（ＳｉＣ微粒子を含む）１６とアラミド繊維クロス層１７を繰り返し積層し、一体化した収納容器である。

図８は本発明のフライホイール蓄電装置の収納容器の他の構成［実施例３（ＳＵＳ/ ４Ｎアルミ１．０ｍｍ、アルミ層は０．２ｍｍ）、実施例４（ＳＵＳ/ ４Ｎアルミ１．５ｍｍ、アルミ層は０．２ｍｍ）を示す図である。

この実施例では、図７の本発明のフライホイール蓄電装置の収納容器の基本構成として、金属基材（ＳＵＳまたはＴｉ合金）層１２にさらに金属中間材［アルミ（４Ｎ以上）］１２Ａを追加する。

なお、比較例としてＳＵＳ１．５ｍｍを示す。

表１は、実施例１〜４及び比較例の構成を示す。

図９は実施例１〜４のアラミドから見た図面代用外観写真（アラミド繊維の平織り状態がわかる）である。

図１０は衝撃（落錘）試験の様子を示す図面代用写真である。

この図において、２１は試験用の錘、２２は被試験体であり、高さ２ｍの位置から試験用の錘２１を被試験体２２に自由落下させる。

表２は、実施例１〜４及び比較例の衝撃試験結果を示す。

図１１は実施例１の衝撃試験の結果を示す図面代用写真、図１２は実施例２の衝撃試験の結果を示す図面代用写真、図１３は比較例の衝撃試験の結果を示す図面代用写真である。

図１４は本発明のフライホイール蓄電装置の収納容器の内部に複合材リングを設置する構成例を示す図である。

この図において、３１は収納容器、３２は複合材リング、３３はフライホイールのロータ（弾み車）である。

このように、収納容器３１の内部に、金属基材とＳｉＣを含むエポキシ樹脂とアラミド繊維クロス層からなる複合材リング３２を設置する。

本発明によれば、万一フライホイールのロータが破損しても収納容器３１はダメージを受けず、事後、複合材リング３２のみを取り外し部品交換するだけで、収納容器３１は再使用できる。

なお、上記のアラミド繊維の例としては、図２に分子構造を示したケブラーや、トワロン（帝人株式会社、登録商標）が好適であるが、これらに限定されるものではない。

上記のＳｉＣを主成分とする微粒子は粒径が５μｍから１０μｍの間でかつ、その含有率が５ｗｔ％から４０ｗｔ％の間であることが望ましい。

また、上記の基材（金属基材）はステンレス鋼やＴｉ合金材であることが望ましい。

なお、上記の金属基材はアルミニウム／ステンレス鋼ないしはアルミニウム／Ｔｉ合金材料からなる異種金属ハイブリッド基材であっても良い。

この異種金属ハイブリッド基材は、拡散接合法ないしは爆着法ないしは圧延法により製造されたものが望ましい。

上記の異種金属ハイブリッド基材におけるアルミニウムは純度９９．９９％（４Ｎ）以上であることが望ましい。

このような構成の複合材からなる補強部材を収納容器の外周に一体化することで、収納容器の基材厚さを大幅に削減し、補強リブを廃止しても堅牢性を保持し、製作コスト低減と不測の事態に備えた安全対策が両立可能となる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のフライホイール蓄電装置の収納容器は、その収納容器の製作コスト低減と不測の事態に備えた安全対策を両立することができるフライホイール蓄電装置の収納容器として利用可能である。

１、１１、１８ フライホイール蓄電装置の収納容器
２ 基材
３ 補強部材
４ 回転軸
１２ 収納容器の金属基材層
１２Ａ 金属中間材［アルミ（４Ｎ以上）］
１３、１７ アラミド繊維クロス層
１３Ａ 収納容器の外面
１４ ローター由来の破片
１５ 金属基材（ＳＵＳまたはＴｉ合金）
１６ エポキシ樹脂（ＳｉＣ微粒子を含む）
２１ 試験用の錘
２２ 被試験体
３１ 収納容器
３２ 複合材リング
３３ フライホイールのロータ（弾み車）

Claims (7)

1. パラフェニレンジアミンとテレフタル酸クロリドの重合体を主成分とするアラミド繊維クロス層とＳｉＣを主成分とする微粒子とエポキシ樹脂とからなる、高強度・高耐熱性の複合材と金属基材を一体化したことを特徴とするフライホイール蓄電装置の収納容器。
2. 請求項１記載のフライホイール蓄電装置の収納容器において、前記ＳｉＣを主成分とする微粒子の粒径が５μｍから１０μｍの間でかつ、その含有率が５ｗｔ％から４０ｗｔ％の間であることを特徴とするフライホイール蓄電装置の収納容器。
3. 請求項１記載のフライホイール蓄電装置の収納容器において、前記金属基材がステンレス鋼やＴｉ合金材であることを特徴とするフライホイール蓄電装置の収納容器。
4. 請求項１記載のフライホイール蓄電装置の収納容器において、前記金属基材がアルミニウム／ステンレス鋼ないしはアルミニウム／Ｔｉ合金材料からなる異種金属ハイブリッド基材であることを特徴とするフライホイール蓄電装置の収納容器。
5. 請求項４記載のフライホイール蓄電装置の収納容器において、前記異種金属ハイブリッド基材が拡散接合法ないしは爆着法ないしは圧延法により製造されたことを特徴とするフライホイール蓄電装置の収納容器。
6. 請求項４記載のフライホイール蓄電装置の収納容器において、前記異種金属ハイブリッド基材におけるアルミニウムが純度９９．９９％（４Ｎ）以上であることを特徴とするフライホイール蓄電装置の収納容器。
7. 請求項１から６の何れか１項記載のフライホイール蓄電装置の収納容器において、前記フライホイール蓄電装置の収納容器の内部に、金属基材とＳｉＣを含むエポキシ樹脂とアラミド繊維クロス層からなる複合材リングを設置することを特徴とするフライホイール蓄電装置の収納容器。