JP6639471B2 - フライホイールシステム - Google Patents

Description

本開示は、フライホイールシステムに関する。

少なくともフライホイールおよび駆動装置／発電機構成を備える多くのフライホイールシステムが、一般的に知られている。例えば、車両などのエネルギーを節約するための一般的用途では、ますます緻密かつ小形のフライホイールシステムを提供する方向に向うこの技術分野の傾向がある。

上記技術分野におけるこの傾向にもかかわらず、長期間にわたってエネルギーを貯蔵する効率的な方法が、特に固定構造に対して望まれている。本開示に対してより関連性があると考えられるこの技術分野では、フライホイールシステムの潜在力が完全に見逃されてきている。

本開示は、想定される高容量および高エネルギー貯蔵に対する適切な寸法のフライホイールに基づいて、長期にわたってエネルギーを特に機械的に貯蔵する効率的なシステムを提供することを意図している。

特許文献１は、スポーク構造を有する大きなリング状フライホイールであって、そのスポークが回転軸とリング状フライホイールとの間の接続要素を構成している、リング状フライホイールを開示していることが、本明細書において認識されている。特許文献２は、回転軸に直接当接するディスク状フライホイールを開示している。特許文献３は、多数のプレートから構成されたフライホイールであって、各プレートが円錐形状のハブ周りを回転可能であり、上壁および下壁がプレート用の空間を密閉しており、揚力を生成する翼輪郭を有している、フライホイールを開示している。

米国特許出願公開第２００３／１９２４４９号明細書 米国特許出願公開第２０１１／１２０４５５号明細書 国際特許出願公開第０３／０１７４４９号パンフレット

本開示の実施形態は、回転軸と、リング状フライホイールロータと、リング状フライホイールロータを回転軸に接続する少なくとも１つの接続要素と、フライホイールロータに接続された駆動装置および／または発電機と、を備え、フライホイールロータは、少なくとも０．８５ｍ、好ましくは、少なくとも１ｍ、さらに好ましくは、少なくとも１．３０ｍの半径方向における外半径と、少なくとも０．３ｍ、好ましくは、少なくとも０．４５ｍ、さらに好ましくは、少なくとも０．６０ｍの軸方向における厚みと、少なくとも２．５トン、好ましくは、少なくとも４トン、さらに好ましくは、少なくとも５トンの重量と、を有している、フライホイールシステムを提供している。前記厚みは、特定の実施形態では、直立方位または横向き方位における軸の長さに関連しており、他の実施形態では、さらに逐語的に、回転軸が延在する方向におけるフライホイールロータの厚みに関連している。このような大きさは、フライホイールシステム、特にフライホイールの相対的に巨大な大きさの単なる例示にすぎないが、このような巨大なフライホイールから、それに応じた多量のエネルギーが貯蔵可能になることは、極めて明瞭である。寸法および重量に関するこのような大きさは、最小化に向う関連する技術分野における傾向と著しく対照的である。にもかかわらず、これによって、著しく大きい効率を得ることができ、高効率のシステムを予期に反して得ることができる。

本開示によれば、かつ前述の先行技術に加えて、少なくとも１つの接続要素は、ディスク状であり、リング状フライホイールロータの第１の軸端の上にまたは該第１の軸端に対して配置され、リング状フライホイールロータと回転軸とを固定して接続しており、ディスク状接続要素は、回転軸に締り嵌め接続によって接続されている。

本開示の実施形態は、貯蔵される多量のエネルギーに関して際立った利点および独創的な効果を示している。フライホイールのこのような巨大な大きさによって、その有効利用が望まれる限り、それに応じた多量のエネルギーを貯蔵することができる。

特定の実施形態では、フライホイールシステムは、フライホイールロータがリング状であり、少なくとも０．７５ｍ、好ましくは、少なくとも１ｍ、さらに好ましくは、少なくとも１．１０ｍの半径方向における内半径を有するようになっていてもよい。

例えば、前述の大きさの適切な組合せを有するフライホイールシステムは、駆動装置および／または発電機が、フライホイールシステムの使用時に、フライホイールロータが少なくとも６００ｒｐｍから１８００ｒｐｍの間、好ましくは、１０００ｒｐｍ超または少なくとも１４００ｒｐｍ、さらに好ましくは、最大略１８００ｒｐｍの速度で回転することを可能にするように、構成されるようになっていてもよい。さらに具体的には、このような大きさが前述の回転速度と組み合わされることによって、必ずしも空気浮上と組み合わされなくてもよいが、例えば、損失を最大７．５％／時間に制限することができる効率が得られることになる。すなわち、本システムは、フライホイールに入力されるエネルギーの７．５％／時間という極めてわずかな損失しか示さないことになる。当業者であれば、このような結果は、少なくとも驚きであり、本開示のこのような実施形態の利得および／または独創的な効果を暗示していることを認めるだろう。

前述したように、本フライホイールシステムは、フライホイールロータがリング状であるという特徴を示している。空気浮上に基づく非制限的な実施形態では、フライホイールロータは、高質量リングに外周において接続され、回転軸に中心において接続されるディスク状要素を閉鎖要素として備えていてもよい。前記特徴は、特に周知のフライホイールに対して大きい寸法を有するフライホイールの空気浮上を改良するのに役立つことになる。さらに、ディスク状要素は、遠心力によって生じた作用張力を軸および／またはハブの全体にわたって均一に分布することになる。

また、空気浮上に基づかない実施形態では、閉鎖要素は、高質量フライホイールロータが回転軸を中心として極めて高い回転速度、具体的には、フライホイールロータの外周が略音速の絶対速度で移動するような回転速度で回転することを可能にするという利得および／または独創的な効果を示すことができる。閉鎖要素、さらに具体的には、ディスク状要素を用いることによって、フライホイールロータと回転軸との間に堅牢な接続部、具体的には、フライホイールリングによって生じる張力および／または引張力および閉鎖要素またはディスク状要素に作用する遠心力に対して全ての半径方向において均等に耐えるように設計され得る堅牢な接続部をもたらすことができる。

本開示のいくつかの実施形態は、空気浮上に基づいており、他の実施形態は、空気浮上に基づいていないことに留意されたい。例えば、フライホイールの周りのどこかが大気圧に晒される実施形態も考えられるが、この実施形態は、魅力的ではない。何故なら、空気抗力がフライホイールに加えられるからである。結果的に、空気浮上を含む実施形態は、（制限されるものではないが）、好ましくは、フライホイールの下方の圧力を大気圧と比較すれば著しく低いがフライホイールを取り巻く他の空間の圧力よりも高くすることによって、フライホイールに、好ましくは、フライホイールの下方に生じる空気クッションに基づいているとよい。空気浮上に基づかない実施形態では、フライホイールを取り巻く全空間が、好ましくは、空気浮上を可能にするどのような区画をもたらすことなく、著しく減圧されているとよく、好ましくは、可能な限り均一に真空になっているとよい。

さらに、フライホイールシステムは、リング状フライホイールを支持する閉鎖要素または接続要素が、永久変形を生じることなく、遠心力に耐えるのに十分柔軟であるという代替的または追加的な特徴を有していてもよい。閉鎖要素または接続要素の特定の実施形態によれば、曲げが不可避であることが分かっている。しかし、この特定の特徴によれば、接続要素およびフライホイールの曲げは、全体として、信頼性の高い方法によって対処することが可能である。また、閉鎖要素または接続要素の張力または引張は、ここでも永久変形を生じさせることなく、制御可能な半径方向伸張によって対処することができる。

本開示の実施形態では、リング状フライホイールロータを有するフライホイールシステムは、少なくとも１つの接続要素がリング状フライホイールロータの第１の軸端と回転軸との間に配置されるという特徴を有していてもよい。付加的または代替的に、少なくとも１つの追加的な接続要素が、フライホイールロータの軸方向において反対側の軸端と回転軸との間に配置されていてもよい。このような接続要素または追加的な接続要素は、リング状フライホイールロータに対する半径方向負荷、変形および伸張、ならびに横方向力を効果的に軽減させることができる。このような接続要素は、特定の実施形態では、ここではさらに詳細に述べないが、リング状フライホイールロータの厚みに対して軸方向中心に位置するディスク状カバー要素、ホイールスポーク、またはディスクによって形成されていてもよい。しかし、追加的または代替的に、本開示によるフライホイールシステムは、接続要素および追加的な接続要素の少なくとも１つが、ディスク状であり、好ましくは、リング状フライホイールロータの軸端の上にまたは該軸端に対して配置されるようになっているとよい。本開示は、空気浮上に制限されるものではないが、空気浮上を含む実施形態では、このようなディスク状接続要素は、重量のあるフライホイールロータの空気揚力または空気浮上に必要な真空また圧力差を高めるために、前述の閉鎖要素と比較して、リング状フライホイールロータの内部空間を閉鎖するように機能するようなっていてもよい。さらに、空気浮上の内容から外れるが、ディスク状接続要素は、極めて堅牢かつ信頼性の高い接続および組立をもたらすために、リング状フライホイールロータの周囲に沿って均一に固定されているとよく、これによって、極めて高い速度（いくつかの実施形態では、例えば、１．３ｍの半径に対応する外周およびフライホイールロータの前述の外周に沿った全ての半径方向位置において音速に達する可能性のある１８００ｒｍｐ）においても、ディスク状フライホイールロータの伸張および／または変形および／または該フライホイールロータに作用する横方向力を軽減させることができる。

前述したように、ディスク状接続要素または閉鎖要素は、リング状フライホイールロータを柔軟に支持するようになっていてもよい。特に軸方向において互いに向き合ったディスク状接続要素を有する本開示の実施形態では、得られたアセンブリの剛性は、前記軸方向において互いに向き合った２つのディスク状接続要素によって、高められることになる。

ディスク状接続要素または追加的な接続要素を有する実施形態では、接続要素は、回転軸において、リング状フライホイールロータにおけるよりも厚くなっていてもよい。前記厚みは、軸方向におけるものである。このような厚みに関連する特徴によって、所望の程度の柔軟性をもたらすことができる。これとは別に、ディスク状接続要素および／または追加的な接続要素の剛性は、その厚みに依存することになる。回転軸（またはハブ）から半径方向において厚みが減少するようになっている関連する特徴によって、リング状フライホイールロータと１つまたは２つのディスク状接続要素との間の負荷、張力、力、伸張、および変形の最適な分布を生じさせることができる。その結果、リング状フライホイールロータと１つまたは２つのディスク状接続要素とのアセンブリの一定の負荷を急な変化を生じさせることなくもたらすことができ、これによって、疲労に関連する現象を本質的に回避または排除することができる。例えば、回転軸における１つまたは２つのディスク状接続要素の厚みは、１３ｍｍ超、好ましくは、１６ｍｍ超、さらに好ましくは、１８ｍｍ超、最も好ましくは、２０ｍｍ超である。さらに、一例として、リング状フライホイールロータにおける厚みは、１９ｍｍ未満、好ましくは、１７ｍｍ未満、さらに好ましくは、１５ｍｍ未満、最も好ましくは、略１２ｍｍである。これらの寸法は、前述の特定の実施形態および／またはフライホイールロータの半径、厚みおよびリング形状に関してすでに規定かつ記載した構成に大いに対応しているが、どのような代替的構成に適用されてもよい。代替的に、１つまたは２つの接続要素および／またはリング状フライホイールロータまたは他の形状のロータのいずれかに関する任意の他の構成も、高回転速度における高遠心力によって生じるリングの伸張を可能にする所望の程度の変形に役立つことになる。

少なくとも１つの、好ましくは、ディスク状接続要素を有する本開示の実施形態は、前述の特徴に代わってまたは加えて、ハブが回転軸の一部に配置されているかまたは回転軸の一部を形成しており、該ハブに対して少なくとも１つの接続要素が接続され、ハブからリング状フライホイールロータに延在するようになっていてもよい。ハブは、回転軸に対する少なくとも１つの接続要素の最も信頼性の高い同期回転をもたらす取付け部をもたらすことができる。前記実施形態は、少なくとも１つの接続要素がハブに締り嵌め接続によって接続されるようになっていてもよい。追加的または代替的に、少なくとも１つの接続要素は、ハブとの接続において予応力付与されていてもよい。もし接続要素および追加的な接続要素の少なくとも１つが著しく剛性であったなら、過剰な半径方向張力および種々の力が生じる可能性がある。同じように、もし接続要素および追加的な接続要素の少なくとも１つの取付けが極めて剛性であったなら、その結果、過剰な半径方向力および応力または張力がリング状フライホイールロータおよび／または１つまたは２つの接続要素に生じる可能性がある。しかし、ハブの過度に柔軟な接続または取付けは、回転中に不安定さをもたらし、ごくわずかな不均衡であっても、フライホイールロータの偏った回転を増幅し、これに付随して、特に、もし１つまたは２つの接続要素がハブから緩んだなら、極めて大きな半径方向力が生じることになる。少なくとも１つの接続要素の締り嵌め接続および／または予応力付与は、このような課題を回避または排除するために効果的に用いることができる。ディスク状接続要素は、制限されるものではないが、溶接またはボルトによらない締り嵌め接続および／または他の従来の応力生成が可能な手段によって、伸張することができ、該少なくとも１つの、好ましくは、ディスク状接続要素のどのような伸張も、制限されるものではないが、ディスク状接続要素および／または追加的なディスク状接続要素に付与された応力の結果として、ハブに対するどのような遊びまたは自由な運動も生じないことになる。ハブと接続要素との接続部に対する予応力付与の効果に関して、予応力付与特徴をもたらす任意の適切に考案された代替的構造によっても同じ効果が達成されることは、自明である。例えば、バネ要素が、ハブと１つまたは２つのディスク状接続要素の中心孔の内側リムとの間においてハブの周囲に沿って均一に分布され、これによって、１つまたは２つの接続要素の直径の増加、特にハブを収容するための中心通路の直径の増加を相殺することができる。本開示および／または本発明の範囲内にあるさらなる代替例も可能である。

さらに、フライホイールシステムは、空気リングが同心のリング要素を備え、排気部がポンプのような空気吸入器に関連して各対の互いに隣接する同心のリング要素間に位置する少なくとも１つの排気接続部を備える、代替的または追加的な特徴を有していてもよい。その結果、個別の排気段階がもたらされ、これによって、空気リングによって画定された空間内の空気クッション上にフライホイールを空気浮上させる最適な環境がもたらされることになる。このような実施形態では、充填部が、少なくとも１つの排気接続部に関連する少なくとも１つの位置を除いて、同心のリング要素間に配置され、充填要素は、湾曲した上縁を有し、該湾曲した上縁は、排気接続部に向かって下方に延在し、同心のリング要素の上側領域に向かって上方に延在するようになっている、さらなる特徴を含んでいてもよい。これによって、空気が同心リング要素内から排気される空間の大きさを最小限に抑えることができる。

さらに、フライホイールシステムは、空気リングまたは同心のリング要素の少なくとも１つが、フライホイールロータに向かって延在する少なくとも２つの突起と、突起に対してフライホイールロータから後退する位置にある突起間の中間凹部と、を画定する上区域を備えている、代替的または付加的特徴を有していてもよい。その結果、空気リングまたは同心リング要素の上のフライホイールの空気浮上を高める空気ポケットをもたらすことができる。

さらに、フライホイールシステムは、空気リングが昇降構造上に取り付けられ、昇降構造は、フライホイールロータが静止しているときに空気リングを降下させ、フライホイールロータの始動中に空気リングを持ち上げ、フライホイールロータが運転可能な回転速度で回転しているフライホイールロータの完全な運転状態において空気リングを上昇させるように、構成されている、代替的または付加的特徴を有していてもよい。これによって、フライホイールの曲げを吸収することができ、フライホイールが、特にフライホイールの回転運動の初期に、空気リングに摩擦係合しないように防ぐことができる。このような実施形態は、昇降構造が、少なくとも始動中および運転状態において、フライホイールロータに接触することなく、例えば、略５０μｍの距離までフライホイールロータに近接して配置されるようになっている、さらなる特徴を備えることができる。内側リングとフライホイールとの間の空気間隙によって、重量のあるフライホイールであっても、効果的な空気浮上を達成することができる。しかし、他の大きさであっても、パラメータによっては、例えば、フライホイール自体のパラメータによっては、同様に効果的であることが分かっている。

さらに、フライホイールシステムは、少なくとも空気リングおよびその上のフライホイールロータを収容するハウジングをさらに備え、ハウジングは、ポンプのような空気吸引器と関連して少なくとも１つの排気接続部を備えており、これによって、空気リングおよびフライホイールロータによって画定された空間の内部に対してハウジングの内部の低圧を維持するようになっている、代替的または付加的特徴を有していてもよい。

さらに、フライホイールは、駆動装置および／または発電機に関連する制御装置と、振動センサのような少なくとも１つのセンサとをさらに備え、制御装置およびセンサは、センサが振動のような運転状態の不安定を検出したとき、フライホイールロータの回転速度を調整するように構成されている、代替的または付加的特徴を有していてもよい。当業者であれば、このような制御装置およびセンサを設計するときに払われるべきあらゆる努力は、フライホイールシステムに生じ得る固有振動の回避に向けられることをすぐに認めるだろう。しかし、この特定の一連の特徴は、振動を検出し、システムをこのような危険な状態に曝す可能性のあるフライホイールの回転速度を変更することによって、フライホイールの監視を可能にし、過剰な振動を防ぐことができる。

本開示の実施形態の態様について一般的に説明してきたが、以下、単なる例示にすぎないが、本発明によるフライホイールシステムの特定の実施形態について、説明する。ただし、添付の請求項による保護の範囲は、これらの実施形態に制限されるものではない。

図１〜図１０は、それぞれ、本開示によるフライホイールの特定の例示的実施形態の全体および／またはその特定の詳細を示す図である。

図１には、フライホイールシステム１が示されている。フライホイールシステム１は、駆動シャフト３に配置されたフライホイールロータ２と、駆動装置および／または発電機４とを備えている。駆動装置および／または発電機４は、駆動シャフト３によって画定される直立軸を中心としてフライホイールロータ２を回転駆動させるモータを備えることができ、および／またはフライホイールローラ２の回転運動から電気エネルギーまたは電力を生成または発生するために用いることができる。ロータ２は、横置き水平回転軸を中心として回転可能となるように直立配置されていてもよい。

フライホイールロータ２と駆動装置／発電機４とのアセンブリは、ハウジング５内に収容されており、該ハウジング５内には、（本開示において任意選択的な）空気浮上をもたらすための空気ポンプ６の形態にある多数の空気吸引器が設けられている。フライホイールロータを含む先行技術によるシステムと対照的に、本実施形態は、比較的大きな形状を有している。実際、本実施形態のフライホイールシステムは、ハウジングが入口７を含むのに十分な大きさを有しており、これによって、点検員などがハウジング５内に入ることが可能になっている。

図４に示されているように、実体のフライホイール２は、リング状である。図１のフライホイールシステム１のハブ８が、回転軸をなす駆動シャフト３に接続されており、下側ディスク状カバー要素９および上側ディスク状カバー要素１０を介して、実体のフライホイールロータ２に接続されている。下側ディスク状カバー要素９は、ハブ８とリング状フライホイールローラ２との間の接続要素を構成し、上側ディスク状カバー要素１０は、ハブ８とリング状フライホイールローラ２との間の追加的な接続要素を構成するものである。好ましくは、カバー要素９，１０は、（図４に示されている）駆動シャフト３，ロータ８、およびカバー要素９，１０のアセンブリにかなりの剛性を与えるようになっている。しかし、実体のフライホイール２の定格重量によって、カバー要素９，１０の曲げが不可避であることが分かっており、このような事態に対して、カバー要素９，１０の材料は、可能な限り硬質かつ剛性であると同時に、フライホイール２のかなりの重量の結果としての撓みを確実なものとするために必要な程度の柔軟性を有するように明確に選択されるとよい。さらに、カバー要素９，１０の撓みまたは伸張は、フライホイールロータ２が回転によって伸張する傾向にある高速においてカバー要素９，１０に加えられる極めて大きい張力および遠心力を相殺することができるような大きさであるべきである。特に、カバー要素９，１０の厚みは、回転軸において１３ｍｍ超、好ましくは、１６ｍｍ超、さらに好ましくは、１８ｍｍ超、最も好ましくは、略２０ｍｍ以上であるとよく、そこから半径方向に変化しているとよい。リング状フライホイールローラ２におけるこの厚みは、１９ｍｍ未満、好ましくは、１７ｍｍ未満、さらに好ましくは、１５ｍｍ未満、最も好ましくは、略１２ｍｍであるとよい。単なる例示にすぎないが、厚みのこのような変化によって、高速におけるフライホイールロータ２の伸張がカバー要素９，１０によって吸収され、その結果として、カバー要素９，１０が（変形せずに）引き伸ばされるようになっているとよい。

駆動シャフト３およびカバー要素９，１０は、溶接部、ネジ、またはボルトのような図示されている機械的接続部（図４では、ボルトが示されている）に加えてまたは代わって、締り嵌めを用いて互いに接続されていてもよい。例えば、ハブ８が−１７０℃の温度に冷却され、カバー要素９，１０が２００℃の温度に加熱され、これによって、組立後、ハブ８とカバー要素９，１０との間の相対的な温度差が減少したとき、駆動シャフトとカバー要素とが互いに接合または締り嵌めされるようになっているとよい。前記組立の前に、ハブの寸法は、０．６ｍｍから１．２ｍｍの間、さらに好ましくは、０．８ｍｍから１．０ｍｍの間の値だけ大きくなっているとよく、これによって、フライホイール２が１８００ｒｐｍの回転速度で回転するとき、カバー要素９，１０の伸張、例えば、０．３５ｍｍの伸張が許容されることになる。代替的に、カバー要素９，１０は、ハブ８を介在させることなく、駆動シャフト３に締まり嵌めされてもよい。カバー要素９，１０とハブ８または駆動シャフト３とのこのような接続を達成するための要件として、これらの寸法は、ハブ８または軸３が冷却されて要素９，１０が加熱されたときの最大温度差に極めて厳密に対応している必要がある。温度差が減少したとき、例えば、ハブ８またはシャフト３は、室温まで温められるときに膨張する傾向にあり、その一方、カバー要素９，１０は、冷却されているときに締まり嵌めする傾向にある。これらが組み合わさって、極めて信頼性の高い接続が得られることになる。

駆動シャフト３は、駆動装置／発電機４までまたは駆動装置／発電機４内に延在しており、これによって、フライホイールロータ２を回転駆動させ、またはこのような継続する回転運動から電力または電気エネルギーを引き出すことが可能になる。

図示されているように、フライホイールシステムは、比較的大きい。さらに具体的には、フライホイールシステムは、フライホイールロータ２が、少なくとも０．７５ｍ、好ましくは、少なくとも１ｍ、さらに好ましくは、少なくとも１．１０ｍの半径方向における内半径を有するようになっているとよい。さらに、フライホイールシステムは、フライホイールロータ２が、少なくとも０．８５ｍ、好ましくは、少なくとも１ｍ、さらに好ましくは、少なくとも１．３ｍの半径方向における外半径を有するようになっているとよい。さらに、フライホイールシステム１は、フライホイールロータ２が、少なくとも０．３ｍ、好ましくは、少なくとも０．４５ｍ、さらに好ましくは、少なくとも０．６０ｍの軸方向における厚みを有するようになっているとよい。特定の実施形態では、リング状フライホイールロータ２は、事実上、どのような材料から作製されていてもよく、好ましくは、比較的高質量密度を有する材料、例えば、金属から作製されているとよい。開示されている実施形態では、この材料は、鋼とすることができ、鉛などによって重みが加えられていてもよい。特に、フライホイールシステム１は、フライホイールロータ２が、少なくとも２．５トン、好ましくは、少なくとも４トン、さらに好ましくは、少なくとも５トンの重量を有するようになっているとよい。添付の図面による実施形態では、このようなフライホイールは、その重量が略５トンであり、最大１８００ｒｐｍまたはそれ以上の回転速度で回転することができるようになっている。極めて驚いたことに、このような極めて大きくかつ重いフライホイールロータ２は、７．５％またはそれ以下の損失で運転可能である。このような効率は、主としてよりコンパクトなフライホイールシステムを製造する方向、すなわち、比較的小さいフライホイールを有するフライホイールシステムを作製する方向にある先行術の発展の観点から、全く予期されないことである。しかし、当然のことではあるが、本開示および添付の請求項に記載されている保護の範囲は、このような使用時のパラメータに制限されるものではなく、代替的実施形態におけるフライホイールは、より低い回転速度、例えば、６００ｒｐｍまたは少なくとも１０００ｒｐｍ、好ましくは、少なくとも１４００ｒｐｍ、またはそれよりも高い回転速度で運転されるようになっていてもよい。フライホイールロータ２がカバー要素９，１０を介して軸３またはハブ８に接続された状態の継続を確実なものとするために、回転速度は、制限または拘束されるべきであり、そのために制御システムが用いられるとよい。例示にすぎないが、例えば、１８００ｒｐｍの速度で回転しているとき、１．３ｍの半径を有する実施形態のロータ２のその外半径の円周は、音速に近いかまたは音速を超えていることに留意されたい。速度の増加がそれでも望まれるなら、ハブ８または回転軸３との適切かつ頑強な接続を確保するさらなる手段が検討される必要がある。

図２は、図１によるフライホイールシステム１の分解図を示している。ここでは、少なくともポンプ６およびフライホイールロータ２を下ケーシング１５内に収容するハウジング５が示されている。下ケーシング１５は、本質的に駆動装置／発生器４のための円筒状収容部１６も備えている。本実施形態では、ハウジング５は、フライホイールロータ２をより緊密に収容する上ケーシング１１も組み入れており、その上に蓋１２が配置されているとよい。図２の斜視図では、上ケーシング１１は、明らかにリング状であり、その中心開口は、空気リング１４を備えるキャリア構造１３を収容するのに用いられるようになっている。また、キャリア構造１３は、駆動装置／発電機４を（フライホイールロータ２にも接続される）駆動シャフト３に取り付けるのに用いられるようになっている。

図３は、図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図であり、組立状態にあるフライホイールシステム１のさらなる詳細、例えば、導管１７を示している。導管１７は、（以下にさらに詳細に説明する）付随的な排気接続部の位置に対応してポンプ６の選択された１つに接続されており（図示せず）、これらの排気接続部において、空気がフライホイール２のごく周辺から排気されるようになっている。ここでも、空気浮上および空気浮上に関連する全ての特徴は、本開示に関して任意選択的であることに留意されたい。

図５は、図２および図３のキャリア構造１３の斜視図を示している。キャリア構造１３は、ベースプレート１８を備えている。ベースプレート１８は、ハウジング５のアセンブリの一部を構成するかまたは少なくとも該アセンブリに取り付けられている。同時にまたは代替的に、ベースプレート１８は、そのキャリア構造１３の一部を構成しているとよい。図５は、空気リング１４をさらに詳細に示している。空気リング１４は、いくつかの同心の空気リング要素１９，２０，２１を備えている。個々のリング要素の上面は、緊急停止した場合、すなわち、空気がこのような状況下でチャンバ内に導かれる可能性があるとき、空気流の通過を遅くするために、可能な限り大きい空気抵抗をもたらすように特に設計されているとよい。例えば、上面内または上面上に輪郭部が配置されているとよい。付加的または代替的に、このような空気ブレーキは、正常な操作中に可能な限り小さい空気抵抗をもたらすために、特に非真空チャンバ内まで拡張可能になっていてもよい。図７の上面図にも示されているが、最内リング要素１９と中心リング要素２０との間の排気接続部２２が導管１７の選択された１つに接続されており、中心リング要素２０と外側リング要素２１との間の排気接続部２３が残りの導管１７の選択された１つに接続されている。さらに、充填要素２４が最内リング要素１９と中心リング要素２０との間に設けられており、充填要素２５が中心リング要素２０と最外リング要素２１との間に設けられている。これによって、同心のリング要素１９〜２１間の空間からの排気の効率が最適化されるようになっている。図６に示されているように、充填要素２４，２５の上縁は、排気接続部２２，２３に向かって下方に延在すると共に同心のリング要素１９〜２１の上領域に向かって上方に延在するように湾曲しており、これによって、同心のリング要素１９〜２１間の開空間を可能な限り小さくし、その結果、このような開区間から排気される空気の量を可能な限り小さくし、排気効率を最適化することになる。充填要素は、金属または任意の他の手軽なまたは適切な材料から作製されているとよい。３Ｄ印刷によるインサート４０が排気接続部２２の近くに付設されるとよいことにさらに留意されたい。これは、「空気／ガス」を排気接続部からポンプに送る理想的なパイプ直径が空気リングの上面に適合していないという事実に起因して、可能な限り効率的な空気の放出を促進するために、組み込まれた充填要素２４，２５，４０の極めて良好な所定の湾曲をもたらすためである。

距離センサ２６が、ベースプレート１８上に設けられているとよく、またはリング要素１９〜２１のいずれか１つ、例えば、最外リング要素２１に接触して設けられているとよい。また、図１０に示されているように、振動センサが、駆動シャフトまたはフライホイールシステム１内の任意の箇所に接触して設けられているとよい。振動センサの機能は、特にフライホイールロータ２の高質量の観点から、フライホイールに有害になることがある望ましくない振動を検出することができることである。制御装置（図示せず）が、距離検出器２６または振動検出器から測定信号を受信し、もし振動がフライホイール２の（システムが共鳴を開始する固有振動数に近似する）特定の回転速度において生じたなら、フライホイールロータ２の回転速度を調整するようになっている。

図８は、図７の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った断面図を示している。図７は、図５の矢印ＶＩＩの方向における上面図である。ここでは、リング要素１９〜２１の各々は、駆動シャフト３に対して同心に配置された同心形状にある突起２７および凹部２８からなる最上部を有することが示されている。最内リング要素１９と中心リング要素２０との間の空間から排気接続部２２、導管１７、および関連するポンプ６を介して取り出される空気は、図８の矢印Ａの方向において最内リング要素１９を超えて引き込まれる。中心リング要素２０と最外リング要素２１との間の空間から排気接続部２３、導管１７、および関連するポンプ６を介して取り出される空気は、図８の矢印Ａの方向において中心リング要素２０を超えて引き込まれる。例えば、図３に示されているように、フライホイール２は、空気リング１４の直上に空気リング１４と接触せずに配置されている。空気リング１４とフライホイール２との間の距離は、短く、それらの間の間隙は、測定によれば、例えば、わずかに５０μｍである。好ましくは、空気リング１４とフライホイールロータ２との間の空気間隙は、５０μｍ未満であってもよいが、本開示の多くの実施形態は、より大きい空気間隙であっても機能することができるようになっている。空気リング１４の上面に対する凹部２８は、最内リング要素１９または中心リング要素１９，２０を超えて引き込まれる空気の一部を捕捉するのに役立つことになる。これらの空気ポケットおよび矢印Ａ，Ｂの方向における空気の流れによって、フライホイールロータ２を空気リング１４の上方に前述の短い距離だけ空気上昇させることが可能になる。

空気リング１４の外側においても、ポンプ６が図３の空間３１に接続されているとよく、これによって、空気の流れを図８の矢印Ｃの方向に引き込むことができる。また、ポンプ６は、図６に示されているように、ベースプレート１８の孔３５を通ってフライホイールの下方のシャフト３の近傍における図３の空間３２の内部を排気する導管１７にも接続されているとよい。ここで、空気が内部空間３２から空気リング１４を超えて流れることを可能にするために、チャンバまたは空間３２内の空気圧は、チャンバまたは空間３１の空気圧に対して、（大気圧未満であるが）比較的高く維持されるべきである。例えば、空間３２内の圧力は、３００ｍｂから３５０ｍｂの近くであるとよく、空間３１は、略１ｍｂの値に減圧されるとよい。

前述したように、カバー要素９，１０およびフライホイールロータ２は、（曲げは、特に非回転状態において、可能な限り回避されるべきであるが）、休止時または低回転速度において、下方に曲がる可能性があることに留意されたい。その結果、フライホイール２が空気リング１４上に載る可能性があるが、これは、望ましくない状況である。フライホイールロータ２とリング１４とが接触するこのような非回転状態から、特に極めて重いフライホイールシステムの回転運動を開始することができない。フライホイールロータ２が運転可能な回転速度に達すると、遠心力がカバー要素９，１０およびフライホピール２を真っ直ぐに延ばすことになるが、このような運転可能な回転状態が最初に得られる必要がある。この課題に対処するために、例えば、図３に示されているように、特定の特徴部が本実施形態に組み入れられている。

第１の手段として、空気リング１４は、例えば、油圧または空圧式のシリンダーからなる昇降構造２９上に配置されている。昇降構造２９は、ハウジング５に対して空気リング１４を昇降させ、これによって、フライホイールロータ２が静止しているかまたは低速度で回転しているとき、空気リング１４を降下させることによって、カバー要素９，１０および／または重いフライホイールロータ２の曲がった状態に対して空気リング１４の位置を適合させ、または空気リング１４を持ち上げることによって、カバー要素９，１０および／または重いフライホイールローラ２の真っ直ぐに延びた状態に対して空気リング１４の位置を適合させることができる。これによって、全ての状況下において、内側リング１４とフライホイール２との間の間隙を維持することができる。前述した距離検出器２６がこのような間隙の大きさを決定するように機能し、制御装置が昇降構造２９を駆動し、空気リング１４とフライホイール２との間の空気間隙の大きさを、例えば、５０μｍに維持するようになっているとよい。ここに開示されている実施形態における空気リング１４は、フライホイール２をカバー要素９，１０の真っ直ぐな位置まで積極的に持ち上げるように設計されていなくてもよいし、またはそのように意図されていなくてもよく、このような真直性は、フライホイール２の運転速度が得られたときに遠心力によって自動的に達成されることに留意されたい。しかし、代替的実施形態において、空気リング１４は、フライホイール２を積極的に持ち上げるために、用いられてもよい。

さらに、第２の手段として、図３にも示されているように、滑動軸受３０が上ケーシング１１の内側の上面に設けられていてもよく、これによって、静止状態または低速で回転しているときの下側カバー要素９および／またはフライホイールロータ２を支持することができる。また、このような滑動軸受３０は、例えば、駆動装置／発電機４の駆動機能を用いて、フライホイールロータ２の起動を容易にする。下側カバー要素９および／またはフライホイール２と滑動軸受３０との間の接触は、フライホイールロータ２の回転速度が増大して運転可能な回転速度に達する前に、遠心力によってカバー要素９，１０および／またはフライホイールロータ２の真直効果が生じると、減少かつ消失する。

図９は、空気リング１４を上端に有するキャリア構造１３と図３にも示されている第１の取付プレート３３および第２の取付プレート３６とのアセンブリを斜視図で示しており、図１０は、該アセンブリを側断面図で示している。キャリア構造１３と（該キャリア構造が設置され、かつ導管１７などの組込みを可能にする）取付プレート３３とのこのアセンブリは、リング状の上ケーシング１１の中心通路内に配置されている。フライホイールロータ２は、前記中心通路内において、前述した上ケーシング１１の内側の上面３４の上に配置されている。さらに具体的には、前述したように、フライホイール２は、前記上面３４上または空気リング１４上に載らないようになっている。その結果、キャリア構造１３は、フライホイールロータ２の重量を実際には支持せず、フライホイールロータ２は、空気リング１４の上方に極めてわずかな距離を隔てて空気浮上されると考えられる。にもかかわらず、キャリア構造１３は、事実上、駆動装置／発電機４を支持している。

図１０は、支持ポスト３９の孔３８内にピストン３７を備える昇降構造のさらに詳細な構成を示している。ピストン３７を孔３８から延出させることによって、空気リング１４が持ち上げられるようになっている。

前述の実施形態が、添付の請求項による本開示の実施形態に対する保護の限度および制限内における唯一の可能なものではないことは、当輪者にとって自明であろう。例えば、空気浮上は、省略されてもよい。フライホイールロータ２は、塊状、すなわち、中実であってもよいが、回転軸から距離を隔てた箇所における重力の集中を最大化させるには、開中心を有するリング状であるべきである。フライホイール２およびカバー要素９，１０は、一体ユニットを構成してもよいしまたはアセンブリを構成してもよい。フライホイールロータの寸法および接続要素をなす付随的なカバー要素の寸法、および運転速度および圧力値は、前述したものと異なっていてもよい。ポンプおよび導管の数は、本明細書に記載され、図示され、かつ開示されている実施形態に対して最小限度に抑えられてもよい。上ケーシングの構成は、ハウジングの構造によっては省略されてもよい。他の代替例および適用例が検討されてもよく、このような追加的および／または代替的実施形態が請求項の具体的に規定された特徴の基礎をなす単一の発明概念から逸脱しない限り、添付の請求項に規定された保護の範囲内に含まれることになる。

Claims (17)

1. 回転軸を形成する駆動シャフトと、
   前記駆動シャフト上のリング状フライホイールロータと、
   前記リング状フライホイールロータを前記回転軸を形成する前記駆動シャフトに接続する少なくとも１つの接続要素と、
   前記フライホイールロータに接続された駆動装置および／または発電機と、
   を備え、
   前記フライホイールロータは、
   少なくとも０．８５ｍの半径方向における外半径と、
   少なくとも０．３ｍの軸方向における厚みと、
   少なくとも２．５トンの重量と、
   を有している、フライホイールシステムであって、
   前記少なくとも１つの接続要素は、ディスク状であり、前記リング状フライホイールロータの第１の軸端の上にまたは該第１の軸端に対して配置され、前記リング状フライホイールロータと前記回転軸を形成する前記駆動シャフトとは前記ディスク状接続要素を介して固定して接続されており、前記駆動シャフトは前記フライホイールロータから前記駆動装置および／または発電機に延在してリング状フライホイールロータの回転運動と前記駆動装置および／または発電機とを結び付け、前記ディスク状接続要素と前記回転軸を形成する前記駆動シャフトとの間の接続は締り嵌め接続であることを特徴とする、フライホイールシステム。
2. 前記駆動装置および／または発電機は、前記フライホイールシステムの使用時に、前記フライホイールロータが少なくとも６００ｒｐｍから１８００ｒｐｍの間で回転することを可能にするように構成されている、請求項１に記載のフライホイールシステム。
3. 前記駆動装置および／または発電機は、前記フライホイールシステムの使用時に、前記フライホイールロータが最大１８００ｒｐｍの速度で回転することを可能にするように構成されている、請求項１に記載のフライホイールシステム。
4. 前記フライホイールロータは、少なくとも０．７５ｍの半径方向における内半径を有している、請求項１、２、または３に記載のフライホイールシステム。
5. 少なくとも１つの追加的な接続要素が、前記フライホイールロータの軸方向において反対側の軸端と前記回転軸との間に配置されている、請求項１〜４のいずれか１つに記載のフライホイールシステム。
6. 前記追加的な接続要素は、ディスク状である、請求項５に記載のフライホイールシステム。
7. 前記ディスク状接続要素は、前記リング状フライホイールロータを柔軟に支持するようになっている、請求項６に記載のフライホイールシステム。
8. 前記ディスク状の接続要素および／または追加的な接続要素は、前記回転軸において、前記リング状フライホイールロータにおける前記ディスク状接続要素および／または追加的な接続要素の厚さよりも厚くなっている、請求項１〜７のいずれか１つに記載のフライホイールシステム。
9. 前記回転軸における前記厚みは、１３ｍｍ超である、請求項８に記載のフライホイールシステム。
10. 前記リング状フライホイールロータにおける前記厚みは、１９ｍｍ未満である、請求項８または９に記載のフライホイールシステム。
11. ハブが前記回転軸の一部の上に配置されているかまたは前記回転軸の一部を形成しており、前記ハブに対して少なくとも１つの接続要素が接続され、前記ハブから前記リング状フライホイールロータまで延在している、請求項１〜１０のいずれか１つに記載のフライホイールシステム。
12. 前記少なくとも１つの接続要素は、前記ハブとの接続に関連して予応力付与されている、請求項１１に記載のフライホイールシステム。
13. 前記回転軸または前記ハブは、前記少なくとも１つの接続要素との組立前に冷却されるようになっており、前記少なくとも１つの接続要素は、前記回転軸または前記ハブとの組立前に加熱されるようになっている、請求項１１に記載のフライホイールシステム。
14. 前記回転軸またはハブのための前記少なくとも１つの接続要素の受容部は、等温の状態において、前記回転軸またはハブの過大寸法部分よりも小さくなっている、請求項１３に記載のフライホイールシステム。
15. 前記リング状フライホイールロータと前記少なくとも１つの接続要素とのアセンブリの１８００ｒｐｍ以下の回転速度における前記少なくとも１つの接続要素の０．３５ｍｍの伸長を可能にするために、前記回転軸またはハブは、前記受容部に対して０．６ｍｍから１．２ｍｍの間の大きさだけ過大寸法になっている、請求項１４に記載のフライホイールシステム。
16. 少なくとも１つの圧縮要素または伸長要素が、前記ハブと前記接続要素との間に配置されている、請求項１１に記載のフライホイールシステム。
17. 前記圧縮要素または伸長要素はバネである、請求項１６に記載のフライホイールシステム。

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