JPH04178127A - エネルギー貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ５産業上の利用分野〕 この発明は、発電所等における夜間の余剰エネルギー等
を回転運動エネルギーとして一時的に保存・貯蔵してお
き、必要時にその回転運動エネルギーを取出してきて各
種エネルギーに変換し使用することができるエネルギー
貯蔵装置に関するものである。

〔従来の技術〕

例えば、発電所等において発電される電力は、季節や昼
夜等の時間帯によってその消費量が太きく変化しており
、このため発電方式によってはその発電量を需要量に応
じて随時き約細かく変更・調整する等、各種の手段・方
法によりその対応が試みられている。即ち、このような
電力量の調節手段としては、例えば昼間にダムから放出
した水を、夜間に余剰電力を利用して再びくみ上げて電
気エネルギーを一旦水のポテンシャルエネルギーに変換
させておき、再度発電に利用する揚水式発電等が知られ
ている。

しかしながら、このような揚水式発電は、揚水時のエネ
ルギーロス等を考慮すると、必ずしもエネルギーの変換
効率が高いものではなく、又建設場所等の制限も有り間
頚となっている。

そこで、例えば軸受けで支持されるフライホイールを余
剰電気エネルギーを利用して回転させ、そのフライホイ
ールを長時間永続的に回転させることによりエネルギー
を貯蔵させようとする試みがなされている。

〔解決しようとする課頌〕

ところが、このようなフライホイールにあっては、気体
との摩擦を排除してエネルギー効率を高めるため、かり
に高真空雰囲気中で回転させたとしても、フライホイー
ルの荷重が下品側に設けた回転中心の軸や軸受けに作用
して大きな摩擦力を生じるので、長時間効率よく回転さ
せるのは現実上困難である。また、このようなフライホ
イールにあっては、全荷重を下部側の軸や軸受は等で支
持する場合、これらの材料の強度との関係上、大型で大
重量のものを製造するのが困難である。しかも、またこ
のようなフライホイールの場合、下部側の軸や軸受けに
接触した状態で支持されているので、地震等の際の異常
振動により回転むらを生じたり、バランスを崩して軸受
は等を損傷し、これが原因して所定の回転位置から飛出
し、大きな事故を招く等の虞れもある。

そこで、この発明は、上記した事情に鑑み、フライホイ
ールを構成する回転体を空中に浮遊させた状態のまま回
転させることにより、外部エネルギーを回転エネルギー
に変換させて永続的に回転動作を行い、長時間に亙り回
転エネルギーとじて保存することができるとともに、重
量的な制約が小さく、しかも大型化・大容量化が容易な
エネルギー貯蔵装置を提供することを目的とするもので
ある。

２課題を解決するだめの手段］ 即ち、この発明の請求項１のエネルギー貯蔵装置は、酸
化物高温超電導体を収納配列する断熱容器と、この断熱
容器内を前記酸化物高温超電導体の臨界温度以下に保持
するための冷媒となる液体窒素を冷却する冷却装置と、
リング状或いは円盤状に形成され、同心円状の磁力線分
布を有する永久磁石或いは電磁石及びこの磁石に取付は
慣性力を高める重量物を有する回転体と、少なくとも前
記断熱容器を収納するとともに前記回転体を回転自在に
収納し、内部を減圧装置によって高真空状態に保持する
真空槽と、この真空槽内の回転体へ外部エネルギーによ
り回転力を付与して回転体の永続的な回転運動を行なわ
しめ外部エネルギーを回転エネルギーとして貯蔵すると
ともに、その回転体の回転エネルギーを外部へ取出す入
出力装置とを備えたものである。

また、この発明の請求項２のエネルギー貯蔵装置は、断
熱容器内に収容する酸化物高温超電導体に対向配置して
回転体に同心円状に設けた磁石が形成する磁界の磁気勾
配が高まるように、前記磁石が配設される回転体の半径
方向について各磁石を細分割したものである。

また、この発明の請求項３のエネルギー貯蔵装置は、断
熱容器内に収容する酸化物高温超電導体が、互いに異な
る半径で同心円状に形成され、互いに異なる半径で同心
円状に多数層に形成された各磁石間に配設されたもので
ある。

また、この発明の請求項４のエネルギー貯蔵装置は、断
熱容器内の酸化物高温超電導体が液体窒素で浸漬される
ようにその液体窒素を容器内で常時一定深さに維持する
液面一定制御装置を備えたものである。

また、この発明の請求項５のエネルギー貯蔵装置は、外
部エネルギーを用いて回転体を回転させる入出力装置の
人力部として、回転体との間にクラッチ機構を介在させ
た電動機を用いたものである。

また、この発明の請求項６のエネルギー貯蔵装置は、入
出力装置の出力部として、回転体との間にクラッチ機構
を介在させた発電装置を用いたものである。

５作用〕 この発明の請求項１に係るエネルギー貯蔵装置は、回転
体が超電導状態にある酸化物高温超電導体の大きなピン
止め力（フィッシング効果）によって高真空中の真空槽
内で空中に浮上することができ、かつその酸化物高温超
電導体の各ピン止め中心に拘束された状態でそこを貫通
する磁石の各磁力線の磁界分布が同心円状になっており
、回転体が中心位置を中心として回転しても超電導体に
対し磁界の変化が生じないので、その回転体が浮上した
状態のまま中心位置を回転中心として自由に回転するこ
とができる。従って、外部から入出力手段を介して作用
する回転体の回転力により回転体が一旦回転を開始する
と、無接触状態で長時間に亙り永続的に回転状態を保持
し、換言すればその回転体に回転エネルギーとしてエネ
ルギーを効率的に貯蔵させることができる。また、必要
時にはこの回転中の回転体から入出力手段を介して外部
へ回転力を取り出すことにより、いつでも自由にその貯
蔵中のエネルギーを取り出して使用することができる。

また、この発明の請求項２に係るエネルギー貯蔵装置は
、回転体に取付けた磁石が形成する磁界の磁気勾配を高
齢るために各磁石を細分化させており、これによって酸
化物高温超電導体がもたらすピン止め力（浮上刃）（Ｆ
）が次式で示すように、 Ｆ＝Ｍ−ｄＨ／ｄＺ （ｄＨ／ｄＺ：ｉ！！＃ｆｆｉ　　　　’の関係にあり
、つまりピン止め力（浮上刃）と磁気勾配とは比例関係
にあることから、磁気勾配の急峻化に伴ってピン止め力
、換言すれば浮上刃が大幅に増大する。

〔実施例〕

第１図は、本発明に係る第１実施例のエネルギー貯蔵装
置を示すものであり、本実施例のエネルギー貯蔵装置は
、酸化物高温超電導体ｌと、円住型の重量物２の下部の
面に固定した円盤状永久磁石３と、断熱容器４と、液体
窒素５と、真空槽６と、液体窒素冷却装置７と、減圧装
置８と、シャフト９と、電動機１０（人力部）及び発電
装置１１　（出力部）を用いた入出力装置と、液体窒素
液面一定制御装置１２とからなっている。

すなわち、酸化物高温超電導体１は、液体窒素５の入っ
た断熱容器４の中にバルク（塊）状のブロックとして配
置固定され、液体窒素の沸点温度（７７ｋ）以下におい
ては超電導状態になっている。

真空槽６の中にある重量物２は、下面に円盤状永久磁石
３が固定されて回転体１３を構成しており、これが断熱
容器４の上に置かれている。この状態で、つまり高温超
電導体１が超電導状態では円盤状永久磁石３が固定され
た重量物２は浮上しており、中心軸（開路）を中心とし
て断熱容器４に無接触状態で回転できるようになってい
る。なお、この真空槽６は、内部の気体が減圧装置８に
よって外部へ排出され高真空状態に保持されており、気
体による摩擦で回転体１３の回転力が減衰されるのを有
効に防止するようになっている。

液体窒素５は、外部の熱を吸収することにより気化或い
は温度が上昇するおそれがあるので、液体窒素冷却装置
７で所定温度まで冷却し少なくとも断熱容器４内では一
定深さまで液相状態を保持するようになっている。この
ため、断熱容器４と連通して液面一定制御装置１２が設
けられている。

即ち、この液面一定制御装置１２は、断熱容器４内の液
体窒素５量が減少し、液面が低下すると、これを検知し
て自動的に冷却装置７側から断熱容器４内へ液体窒素５
を補給し、酸化物高温超電導体１を常時液体窒素５内に
浸漬させ超電導状態を保持するようになっている。

次に、本発明に係る第１実施例の酸化物高温超電導体１
の作用について説明を行う。

第２図の超電導体による磁力線ピン止約図に示すように
、酸化物高温超電導体１は永久磁石３等を近づけると、
磁力線１４が超電導体１の内部に入り込み、超電導結晶
内にある不純物相１ａによって磁力線１４がピンを刺す
ようにピン止め固定される、所謂ピン止め効果によりそ
の位置に拘束される。そしてこのピン止めされた状態に
ある磁力線１４が逆に永久磁石３に対してピン止め力と
して働き、例えばその永久磁石３がこの超電導体中の磁
力線１４に変化を与えるような動作を行う場合にはこれ
を妨げる力が働き、つまり磁石を近づけた場合には反発
力、遠ざけた場合には吸引力が働くのである。

また、特にこの実施例の円盤状永久磁石３のように同心
円状に磁束分布を形成したものを使用すると、円盤状永
久磁石３のセンタにある回転軸９を中心に回転させても
超電導体を貫く磁束分布には変化がないので、回転を阻
むような抵抗力や横ずれ等をおこす反発力や吸引力は働
かない。つまり、永久磁石３がそのセンタ位置にピン止
めされた状態のまま、換言すれば横ずれをおこさずその
位置に浮上した状態で無接触無抵抗のまま、永続的回転
が可能な回転体が得られるのである。

従って、この第１実施例によれば、外部から供給する電
力により電動機１０を一定時間回転させたのちその給電
を停止すると、シャフト９と重量物２及びこれに取付け
た円盤状永久磁石３が長時間に亙り回転を続け、回転運
動エネルギーとして貯蔵することができる。この場合、
空気中では気体との摩擦抵抗があるため先に説明した減
圧装置８により真空槽６内を高真空状態に減圧し、摩擦
抵抗を極力減少させである。これにより、電力を極めて
高効率に貯蔵することができるのである。

また電力が必要な場合には、電動機１０を兼ねる発電装
置１１により回転運動エネルギーを電気エネルギーに変
換することができる。

この場合の電力貯蔵量Ｅはほぼ下記の計算式により一義
的に決定される。

Ｅ＝　（１，３ＸＩＯ−７）ρＤ’ｈＲ’（ＫＷＨ）〔
ただし、ここで 例えばＤ＝５．　　ｈ＝４．　　ρ＝５．Ｒ＝３６００
の場合の電力貯蔵量は約２゜ｌＸ１０’ＫＷＨになる。

つまりこの装置で８７７ＫＷの発電機の１日分の電気エ
ネルギーを貯蔵することができる。なお、この酸化物高
温超電導体１は、実験により少なくとも７７にで２ｋｇ
／ｃｄ以上の浮上刃を有することが確認されており、こ
れにより上記条件下の重量物２を浮上させることが十分
可能である。又温度を冷却装置によって６０に程度に下
げた場合には、さらにピン止め力は飛躍的に向上し、浮
上刃は２〜１０倍程向上程向上 次に、この発明に係る第２実施例のエネルギー貯蔵装置
について第３図及び第４図を参照しながら説明する。プ
；お、この実施例において第１実施例と同一部分ｊこは
同一符号を付して重複説明を避ける。

第３図に示す第２実施例のエネルギー貯蔵装置は、真空
槽６と、断熱容器４．４′に夫々収納された酸化物高温
超電導体１．１′と、液体窒素冷却装置７と、液面一定
制御装置１５と、重量物１６と、リング状永久磁石１７
．１７’　と、入出力装置（開路）とを備えている。

断熱容器４′は、円筒状の真空槽６の内周面上全体に固
着した中空リング状のものから構成されており、連通管
を介して冷却装置７と連結されている。この断熱容器４
′内に収納する酸化物高温超電導体ビは、リング状に形
成されており、断熱容器４′内にて液体窒素５に浸漬さ
れて超電導状態が保持されている。なお、この超電導体
及びこれを収める断熱容器の取付部位としては、特に真
空槽床面及び内周面に限定されるものではなく、例えば
天面側等へ取付けてもよい。なお、その場合磁石は真空
槽６内天面と対向する上部に取付ければよい。

この実施例の液面一定制御装置１５には、圧力センサ若
しくは温度センサが使用されており、酸化物高温超電導
体１．１′が完全に浸漬する深さまで液体窒素で満たさ
れてない場合にこれを検知するとともに、図示外の電磁
弁及びポンプ等を作動させ所定深さまで液体窒素を補給
・充填させるようになっている。

重量物１６は、一定の慣性モーメントを得ることができ
るように所定の重量を有する物質を用いて略円柱状に形
成されており、外周面全体に亙り刻設した溝１６ａにリ
ング状の永久磁石１７′が嵌着されているとともに、下
面にリング状の永久磁石１７が固着されて回転体１８を
構成している。

リング状或いは円盤状永久磁石１７は、同心円状に四層
密着させたもの１７ａ〜１７ｄから構成されており、こ
れらは夫々上下方向に磁極が形成されているとともに互
いに隣接するものの磁極どうしが異なるように配設させ
ている。

入出力装置は、第４図に示すクラッチ機構１９を介して
外部と回転体１８との間でエネルギーの伝達を行うもの
であり、この実施例では電動機（入力部）が発電機（出
力部）としての機能を兼ねた第１実施例の構成のものと
は異なり、人力部と出力部とを別々にしたものから構成
されている。

クラッチ機構１９は、回転体１８の回転効率、つまりエ
ネルギーの保存効率を高めるため、外部との間でエネル
ギーの伝達を行う場合にのみ作動させ、電動機（発電機
）側の回転軸２０と伝達軸２２との間の接続を図るよう
になっている。二のだ約、この実施例のクラッチ機構１
９は、下端面に重量物１６のセンタ位置に固着した下歯
１６ｂと噛合する上歯２２ａを有し、軸受２３を介して
上下動自在に支軸されるとともに、回転自在に支持され
た伝達軸２２と、この伝達軸２２を軸受２３を介して上
方に弾性力で押上げるスプリング２４と、伝達軸２２の
上端に固着し、回転軸２０側のバベルギア２０ａに噛合
可能なバベルギア２２ｂをスプリング２４の弾性力に抗
して押下するプランジャ２５とを備えている。そして、
このプランジャ２５が作動し、伝達軸２２を一定ストロ
ーク押下すると、バベルギア２０ａと２？ｂとが噛合し
、同時に２２ａと１６ｂとが噛合し、回転軸２０側の回
転力を重量物１６側に伝達し、若しくは重量物１６側の
回転力を回転軸２０側に取出すことができるようになっ
ている。なお、このクラッチ機構としては、各種のもの
が可能である。

次に、この発明に係る第３実施例のエネルギー貯蔵装置
について第５図を参照しながら説明する。

なお、この実施例において第２実施例と同一部分には同
一符号を付して重複説明を避ける。

第５図に示す第３実施例のエネルギー貯蔵装置は、断熱
容器４に収納された酸化物高温超電導体２６ａ、２６ｂ
・・・が、互いに径の異なる円柱状（中心部のみ）及び
リング状に形成されて所定間隔を保持した同心円状に多
層に配置されている。

また、同心円状の各酸化物高温超電導体２６ａ。

２６ｂ−・・の間には、浮上刃の増大を図るとともに回
転体１８の質量ｊ＝応じて浮上刃を調節するだめの電磁
石２７ａ、２７ｂ・・・が配設されており、この電磁石
２７ａ、２？ｂ・・・に通電する電流量等でその浮上刃
の調節を図るようになって−・）る。即ち、この実施例
の各電磁石２７ａ、２７ｂ・・・には、夫々コア部分に
１５００回程度二線材等を巻装して形成したコイル（囲
路）に２０アンペア（Ａ）前後進電流を流すようになっ
ており、これによって電磁石を使用しない場合に比べ浮
上刃が１０倍程度向上するようになっている。

なお、これらの各電磁石２７ａ、２７ｂ・・・は夫々各
対応する同一部分、つまり例えば上面部分に同一極（こ
の実施例ではＳ極）が形成されるように構成されている
。また、これらの電磁石２７ａ。

２７ｂ・・・、及び酸化物高温超電導体２６ａ、２６ｂ
・・・は、断熱容器４内に充填された液体ヘリウム２９
に浸漬され、所定の温度まで冷却されるようになってい
る。

また、この実施例のエネルギー貯蔵装置には、回転体１
８を構成する重量物１６の下面に、これと対向する断熱
容器４内の酸化物高温超電導体２６ａ、２６ｂ・・・及
び電磁石２７ａ、２７ｂ・・・と同一パターンで細分割
された円柱状（山心部のもののみ）及びリング状の永久
磁石２８ａ、２８ｂ・・・が同心円状に間着されて一ハ
る。即ち、これらの永久磁石は、配設される半径方向に
つｔｌで磁極を細分化させることにより磁気勾配（ｄ　
Ｈ／ｄ　Ｚ）を高め、これによって次式で示すように超
電導体によってもたらすピン止め力（浮上刃）（Ｆ）Ｆ
＝Ｍ−ｄＨ／ｄＺ の大幅アップを図る二きができるようになっており、ま
た、ピン止め力が横ぶれを防止する力としても働くよう
になっている。

従って、この実施例によれば、多層に分割し、磁気勾配
を高めた永久磁石２８ａ、２８ｂ・・・とともに、酸化
物高温超電導体２６ａ、２６ｂ・・・の間に配設した電
磁石２７ａ、２７ｂ・・・によって回転体１８に対する
大幅な浮上刃アップを図ることができ、従って大重量の
回転体が適用可能となる。

これによって、貯蔵装置の大型化・大容量化を図ること
ができるようになり、エネルギーの大量貯蔵が可能とな
るものである。

以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明したが、
本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であること
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上、説明したように、本発明の請求項１に係るエネル
ギー貯蔵装置によれば、電気エネルギー等の貯蔵ができ
、また任意の時間に電気エネルギーとして取り出すこと
ができる。また、この発明の請求項１に係るエネルギー
貯蔵装置によれば、回転体が無接触、つまり支軸による
摩擦等のない無抵抗状態での回転が可能であるので、エ
ネルギー変換損失の少ない極めて高効率のエネルギー貯
蔵が実現できるとともに回収効率が高いので、夜間の余
剰電力或いは宇宙ステーション等のエネルギーの貯蔵等
に好適である。

さらに、この請求項１の発明によれば、回転体が無接触
状態で回転し、回転体の荷重は磁石全面で支える事が出
来るので、高浮上刃を発揮する酸化物高温超電導体を用
いることにより、簡単かつ確実に大容量タイプのものが
提供できる。

また、この発明の請求項２に係るエネルギー貯蔵装置に
よれば、回転体に取付ける磁石が細分化されて磁気勾配
が高められているので、この磁気勾配に比例するピン止
め力（浮上刃）の大幅な増大を図ることができる。

また、この請求項５の発明によれば、酸化物高温超電導
体によるピン止め力（フィッシング効果）により回転体
が無接触で空中に浮上し、しかも回転体がその回転方向
について磁束分布が同心円状に配列するようにリング状
若しくは円盤状の磁石を用いることにより、無軸無接触
状態で、換言すれば無抵抗で自由に回転できるように支
持されているので、入出力装置を介して例えば電動機等
により一旦回転エネルギーを付与すれば、その後長時間
に亙り回転状態を持続させることができ、エネルギーの
長期的な貯蔵が可能である。

またこの請求項６の発明によれば、その貯蔵中のエネル
ギーは、入出力装置を介して発電機等に回転力を伝達す
ることにより、電気エネルギー等として随時回収するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明ｊこ係る第１実施例のエネルギー貯蔵
装置を示す構成図、第２図はこの発明に係る酸化物高温
超電導体中での円盤状永久磁石の磁力線が結晶中の不純
物によりピン正６された状態を示す説明図、第３図はこ
の発明に係る第２実施例のエネルギー貯蔵装置を示す構
成図、第４図はこの第２実施例に係るクラッチ機構を示
す概略構成図、第５図：ｉこの発明に係る第３実施例の
エネルギー貯ａ装置の要部を示す断面図である。 １、ビ、　２７ａ、　２７ｂ−・ ・・・酸化物高温超電導体、 ４．４′・・・断熱容器、 ５・・・液体窒素、 ７・・・冷却手段、 ３．１７．１７’、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ・・・・・
・永久磁石（或いは電磁石）、 １６・・・重量物、 １３．１８・・・回転体、 ６・・・真空槽、 １２．１５・・・液面一定制御装置、 １９・・・クラッチ機構、 工０・・・電動機、 ２９・・・液体ヘリウム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸化物高温超電導体を収納配列する断熱容器と、 この断熱容器内を前記酸化物高温超電導体の臨界温度以
   下に保持するための液体窒素や液体ヘリウム等の冷媒を
   冷却する冷却装置と、 リング状或いは円盤状に形成され、同心円状の磁力線分
   布を有する永久磁石或いは電磁石及びこの磁石に取付け
   慣性力を高める重量物を有する回転体と、 少なくとも前記断熱容器を収納するとともに前記回転体
   を回転自在に収納し、内部を減圧装置によって高真空状
   態に保持する真空槽と、 この真空槽内の回転体へ外部エネルギーにより回転力を
   付与して回転体の永続的な回転運動を行なわしめ前記外
   部エネルギーを回転エネルギーとして貯蔵するとともに
   、その回転体の回転エネルギーを外部へ取出す入出力装
   置と を備えたことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。 ２、断熱容器内の酸化物高温超電導体に対向配置して回
   転体に同心円状に設けた磁石により形成する磁界の磁気
   勾配が高まるように、前記磁石が配設される回転体の半
   径方向について各磁石を細分割したことを特徴とする請
   求項１に記載のエネルギー貯蔵装置。 ３、断熱容器内に収容する酸化物高温超電導体が互いに
   異なる半径で同心円状に形成され、かつ互いに異なる半
   径で同心円状に多数層に形成された各磁石間に前記酸化
   物高温超電導体が配設されたことを特徴とする請求項１
   又は２に記載のエネルギー貯蔵装置。 ４、断熱容器内の酸化物高温超電導体が液体窒素若しく
   は液体ヘリウムで浸漬されるようにその液体窒素若しく
   は液体ヘリウムを容器内で常時一定深さに維持する液面
   一定制御装置を備えたことを特徴とする請求項１〜３に
   記載のエネルギー貯蔵装置。 ５、外部エネルギーを用いて回転体を回転させる入出力
   装置の入力部として、前記回転体との間にクラッチ機構
   を介在させた電動機を用いたことを特徴とする請求項１
   〜４に記載のエネルギー貯蔵装置。 ６、入出力装置の出力部として、回転体との間にクラッ
   チ機構を介在させた発電装置を用いたことを特徴とする
   請求項１〜５に記載のエネルギー貯蔵装置。