JPH0715300B2 - エネルギ蓄積ホイール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ハイブリツドタイプ、即ち複合材料により形
成された部分と非複合材料により形成された部分とを備
えるエネルギ蓄積ホイール又は慣性フライホイールに関
する。

従来の技術及びその問題点 リング（又はフープもしくはリム）をスポークによりハ
ブに結合して形成され全体が金属製の従来の慣性フライ
ホイール（第１図）は、本発明の対象外である。何故な
らこのようなホイールは、リングとハブとを直線的に結
合する形状のため複合フアイバー材料を使用するのに適
さないからである。複合材料製フライホイールは、例え
ばエポキシ樹脂に基づく材料を含浸させたフアイバーを
ホイール周部に巻回して形成される。

金属製フライホイールに代え、複合材料を使用したフラ
イホイールとすることにより次のような利点が得られ
る。

−金属製フライホイールに比し、フアイバーのより高い
抗張力に基づきフライホイールの単体体積についてより
大きな蓄積エネルギが得られる。

−フアイバの破断点に相当する引張り強さを偶発的に越
えた時における、フアイバーの破壊挙動を改善すること
ができる。実際、フアイバーが破断強さを越える力を受
けた場合は、金属のように大きな破片に破壊されるので
はなく、小さな破片、場合によりパウダー状に破壊す
る。このことは、特に宇宙用途の場合に重要である。

更に、従来の複合材料製フライホイールにはリムの無い
独特の星型に形成されたもの（第２図）があった（サイ
エンテイフイツク アメリカン 第229巻第６号 1973
年12月、17頁から23頁）。該ホイールは、複数のスポー
クのみを備え、各スポークはスポーク長手方向に平行に
延びるフアイバーを有した複合材料から成っていた、従
って、遠心力はホイール半径方向に延びるフアイバーの
長手方向にのみ作用し最適の応力状態が得られた。

従って、フアイバーがその長手方向に垂直な力を受ける
ことにより、またフアイバーの剪断力により前記垂直方
向に移動するという問題は回避されたが、次のような問
題を有していた。

−前記スポークは、その自由端で確定する体積の一部を
占めるに過ぎないため有効な材料の体積は小さく、従っ
て所定量のエネルギを蓄積するためには有効体積を増や
さねばならず、これに従ってコストが増加し、利用分野
が限られることになる。

−前記スポークは長手方向に不均一な応力状態となる。
すなわち、高い応力を受ける部分はハブに最も近い部分
であり、この部分はフライホイールが回転する時に大き
なモーメントを受けることになるためフアイバーの性質
を最良に生かすことができない。

−スポークをハブに固定するには、該スポークの端部に
貫通孔を設けねばならないが、これにより最も高い応力
を受ける部分において断面積が減少するという重大な問
題が生じる。

他の公知のフライホイールとしては、複合材料で形成さ
れ、相互に間隔をおいて同心状に配置された複数のリン
グを備えたもの（第３図）があった（前述のサイエンテ
イフイツク アメリカン）。

この同心状リングは、中心に向かう程その密度を大きく
されて応力分布の改善が図られている。またリング相互
間の間隙は、柔軟性を以て接着されたバンドにより満た
され、リングの膨脹が許容されている。

しかしながら、第３図のフライホイールはフイラメント
を使用して厚いフアイバー層を形成することを必要とす
るため、製造工程における困難を、特に接着層の硬化工
程における困難を生じた。更に、この構造のフライホイ
ールは、リングの部分において剥離を生じ易い。

最近の複合フライホイールの設計においては、遠心力に
より生じる応力を全てのフアイバーにおいて最良の状態
とすることを目的としている。このようなフライホイー
ルの形状は、高い機械的強度を有した材料を最良の状態
で使用するために殆んどのフアイバーに対しホイール半
径方向に極めて強い応力を作用させるようなものとなっ
ている。即ち、遠心力によって生じる応力はフアイバー
の長手方向に沿う方向に作用する。

このような要求を満たす複合材料製フライホイール（第
４図）［フライホイールテクノロジー シンポジウム、
1980年10月、４頁から18頁］は、エポキシ樹脂基材に埋
め込まれたカーボンフアイバー層により構成された外部
リングと、エポキシ樹脂基材に埋め込まれた高い機械的
強度を有するスチールフアイバーの巻回体により構成さ
れた内部リングとを備えており、これら２つのリングは
適当な接着剤により相互に結合されている。

この二重構造リングは、外部リングを囲むカーボンフア
イバー／エポキシ樹脂製ウエブによりハブに固定されて
いる。該ウエブは外部リングを取囲み、結合のための
「ホイール」の役割をなす。

このような設計思想に基づく他のフライホイール（第５
図）［前述のフライホイールテクノロジー シンポジウ
ム、1980年10月、168頁から173頁］は、接線方向の速度
が最大となる径方向の外側部分に「ケブラー（KEVLA
R）」デュポン社の商品名）を備え、内側部分により密
度の高い「Ｓ」ガラス繊維を備えた二重リングを有して
いる。

この二重リングは複数のループによりフライホイールの
ハブに結合されている。該ループは二重リングの内側部
分とハブとの間に設けられ、両者を結合するスポークの
役割をなす。該ループにおける先端部分は懸垂線形状と
なっている。

このようなループは、低い密度と低い弾性係数とを有し
た複合材料から形成される。該弾性係数は、ループにお
ける引張り応力がリングにおける引張り応力より低くな
るように選ばれる。

以上のフライホイールのうち最後の２つ（第４図、第５
図）において、リングの内部及び外部を構成する材料の
密度及び弾性係数を相互に異ならせるのは、遠心力下に
おいてリングの内側部分が外側部分より膨脹自由な条件
下でより大きく膨脹し、これら両部分の相互接触によ
り、外側部分が内側部分を圧縮して該内側部分に生じる
応力を制限するためである。これと同じ技術思想は、前
記最後の２つのフライホイールのハブの設計に適用され
ており、該ハブはアルミニウム製内側部分とこれを補強
する「ケブラー」／エポキシ樹脂複合材料からなるーバ
ーラップ部とを備えている。前記最後の２つのフライホ
イールにおいては、「スポーク」は、フライホイール作
動時に（二重）リングにより生じせしめられる負荷のか
なりの部分を支持するため、蓄積可能なエネルギ量の最
大値はこの「スポーク」の強度により制限される。更
に、フライホイールは加速及び減速の際に不安定な状態
となるため、宇宙用途においては特に問題となる。

本発明の目的は、実際上の要求を従来のフライホイール
以上に満足する慣性フライホイール、即ちエネルギ蓄積
ホイールを提供することにあり、特に、フライホイール
の単位重量当たりに蓄積される最大エネルギ量、即ちフ
ライホイールの特定エネルギ量がホイールの「スポー
ク」の強度から実質上独立して決められること、すなわ
ち、「スポーク」を形成する材料固有の抵抗値により制
限されないようにすること、及び、所定の直径のフライ
ホイールにおいて多量のエネルギを蓄積すること、を可
能にするフライホイールを提供することにある。

問題を解決するための手段 本発明によれば、前記目的を達成するため、高密度且つ
低熱膨脹係数の材料から形成された複数の固体周部セグ
メントをホイール周部に沿って相互に隣り合うように配
置し、全ての周部セグメントを周方向に相互に結合する
第１の巻回体と、ホイールのハブ及び前記各周部セグメ
ントを結合する第２の巻回体と、前記周部各セグメント
の外側をホイール周方向に巻回する第の巻回体とを備え
たエネルギ蓄積ホイールであって、前記巻回体が全て、
前記周部セグメントの形成材料より低い密度のフイラメ
ント材料より形成され、前記第１の巻回体のフイラメン
トは、前記ホイール周方向の各巻回毎に、１つの周部セ
グメントのホイール径方向の外面及び該セグメントに対
し周方向に隣合う周部セグントのホイール径方向の内面
に交互に沿うように設けられ、該フイラメントは、或は
１周の巻回と次の１周の巻回とで各１つの周部セグメン
トの外面及び内面の双方を囲むように延び、各１周の巻
回における最初の周部セグメント及びこれに続く周部セ
グメントが次の１周の巻回によって順次隣合う次の周部
セグメントに結合され、各１周の巻回における最後の周
部セグメントは次の１周の巻回によって前記最初の周部
セグメントに結合されていることを特徴とするエネルギ
蓄積ホイールが提供される。

本発明の好ましい実施態様によれば、前記第２の巻回体
が連続して延びる巻回体であり、そのフイラメントは相
互に隣り合う周部セグメントのホイール半径方向の外面
にのみ設けられ、１つのセグメントから次のセグメント
へ進む際にホイールのハブの接線方向に延びるように設
けられている。

本発明の他の好ましい実施態様によれば、前記第３の巻
回体が連続して延びる巻回体であり、そのフイラメント
は、前記第１及び第２の巻回体が設けられた後に、相互
に隣り合うセグメントのホイール半径方向の外面上に設
けられホイール周部を巻回して一端から他端まで延びて
いる。

本発明のさらに他の好ましい実施態様によれば、前記各
セグメントが、凸状の断面形状を備えている。

本発明のさらに他の好ましい実施態様によれば、前記各
セグメントが、楕円形断面の柱状形状を備えている。

本発明のさらに他の好ましい実施態様によれば、前記セ
グメントの楕円形断面における短軸がホイール半径方向
に配置されている。

本発明のさらに他の好ましい実施態様によれば、相互に
隣り合う前記セグメントの数が奇数である。

本発明のさらに他の好ましい実施態様によれば、前記巻
回体を構成するフイラメントが複合材料であり、ミリメ
ートルオーダーの厚さをなしている。

本発明のさらに他の好ましい実施態様によれば、前記巻
回体を構成するフイラメントが非複合材料により形成さ
れている。

実施例 従来提案されてきたフライホイールを第１図から第５図
に示す。これらは既に説明したように、第１図は複合材
料を使用することなく形成されたフライホイールを示
し、第２図から第５図は複合材料により形成されたフラ
イホイールを示している。特に、第２図は「リムレス」
フライホイールを示し、第３図は「同心円リング」フラ
イホイールを示し、第４図及び第５図は、以上の例と異
なって、殆んどのフアイバーに対しその長手方向に応力
が作用するように形成された最近のフライホイールであ
る。これらすべての例は、可能な限り応力／密度の割合
を高くすることを目的としている。これは特定のエネル
ギ、即ち所定のフライホイールにおける単位質量につい
て理論的に蓄えられるエネルギの量は前記割合に比例す
るからである。この特定のエネルギとして400wh/kgの理
論値を得ることを目的とする傾向にある。

しかしながら実際上は、フライホイールはその構成上蓄
積エネルギが通常は約60wh/kgであり、最大120wh/kgと
なることが報告されている。前記最大蓄積エネルギを得
ようとする基本的原理に従つたフライホイールの設計標
準は、したがつて疑わしくなる。何故なら、前述のデー
タが示すように前記複合材料はその性質上の限界まで使
用されていないからである。

本発明に係るフライホイール又はエネルギ蓄積ホイール
は第６図に示されている。

該ホイールは、複数の固体の周部セグメント（２）を備
えている。該周部セグメント（２）は、ホイールの周方
向に相互に隣り合うように配置され、各々は高密度にし
て熱膨脹係数の低い材料で形成されている。該材料とし
ては、ステンレス鋼、熱膨脹係数が無視しうる程度であ
るニツケル−鉄合金である「インバール」、及びセラミ
ツクスを例示できる。

セグメント（２）は以下のようにして相互に結合されて
いる。すなわち、 −１つのセグメントを次のセグメントに固定する第１の
連続的巻回体Ａ、 −セグメントをホイールのハブ（３）に結合する第２の
連続的巻回体Ｂ、及び −前記セグメント（２）を全体としてまとめて結合する
第３の連続的巻回体Ｃ、 を用いて結合されている。

これらの３つの巻回体Ａ、Ｂ、Ｃは、フイラメントから
構成されおり、該フイラメントは複合材料から構成さ
れ、セグメント（２）より密度が小さいのが望ましい。
巻回体Ａ、Ｂ、Ｃを構成する材料より高い密度を有する
エレメント［セグメント（２）］を使用することは、フ
ライホイールの質量を増加し通常は蓄積エネルギが減少
すると思われているが、この点は従来のフライホイール
構造と明らかに対比される。

フライホイールの周部リング（１）全体が複合材料の巻
回体により構成される場合に比し、蓄積されるエネルギ
の最大値は減少するが、周部リング（１）を複合材料と
非複合材料を使用して構成することにより次の効果が得
られる。即ち、蓄積されるエネルギの最大値は、従来の
フライホイール、及び複合材料のみを使用したフライホ
イールの場合に相当する値、120Wk/kgを容易に越えるこ
とができる。これは後述する具体的適用例により説明さ
れるとおりである。

このように従来見られなかつた結果を得ることができる
理由は、巻回体、特に第３の巻回体Ｃを構成するフイラ
メントが、半径方向負荷発生源であるセグメント（２）
により作用せしめられる均一な遠心力の下にその性質上
の最大値まで負荷されるという点にある。

このため、巻回体、特に第３の巻回体Ｃの半径方向厚さ
は、比較的小さい方が望ましい。この点は従来技術と異
なる他の重要な相違点であり、これにより剥離を防止す
るという効果が得られる。

第６図に示す実施例においては、好ましいセグメントの
数は９であり、各セグメント間の角度はこれに対応して
40°が望ましい。

各セグメント（２）は、断面が凸状外径を有するのが望
ましく、例えば短軸が半径方向に延びた楕円形断面を有
する柱状外形とすることができる。これにより、異なる
フイラメントが各々一定の張力を維持し、フライホイー
ル回転時における周方向（又は接線方向）に滑るのを防
止することができる。

各セグメント（２）の半径方向における最大厚さは数mm
である。

巻回体Ａは、連続的に延びたフイラメント（例えばカー
ボンフアイバを使用したもの）を備えており、その太さ
はミリメートルオーダーとなつている。該巻回体Ａは、
周方向に巻かれる各巻回において、セグメント（２）の
外面（５）の全体及び巻回方向に隣り合うセグメント
（２）の内面（６）全体に交互に沿つて延びるように設
けられている（第６図及び第８図参照）。

セグメント（ａ）によつて例示されている第１セグメン
トは、第２のターンの始めにおいては第２セグメント、
即ちセグメントｂにのみ結合され、第３セグメント、即
ちセグメントｃは２回目の巻回の終りにおいて第１セグ
メントに結合される。従つてセグメント相互間の完全な
結合は巻回体Ａのフイラメントを以上説明した如く完全
に２回巻回することにより得られる（第６図においてＸ
及びは各々１回目及び２回目の巻回を示している。） セグメント（２）に巻回体Ａを巻回した後に、同様の連
続したフイラメントを有する巻回体Ｂが設けられる。巻
回体Ｂは、１つのセグメントから次のセグメントに移る
際に隣り合うセグメント（２）の外面のみに沿つて延
び、さらにホイールのハブ（３）の接線方向に延びるよ
うに設けられる（第６図及び第８図参照）。

巻回体Ｂをハブ（３）の接線方向に設けることにより、
該巻回体のフイラメントに圧縮力が作用するのを防止す
ることができる。

巻回体Ｂは、周部リング（１）を自転車の車輪のスポー
クのようにホイールのハブ（３）に結合するものであ
る。但しこの周部リングに基づく負荷により応力が発生
するということはない。

この状態は極めて重要である。何故なら、得られる最大
蓄積エネルギは本発明に斯かるホイールにおいてはハブ
（３）と周部リング（１）を結合する巻回体Ｂ固有の耐
力による制限を受けない。これは従来のホイール、特に
第４図及び第５図に示すものと対照的である。

この効果は次の点から得られる。

−巻回体Ｂのフイラメントとして巻回体Ｃのフイラメン
トより弾性係数の低いものを使用すること、及び −巻数を減らすこと、即ちホイール周部の回りにより少
ない数の巻回をなすこと、 巻回体Ｂは、交叉部（４）（第８図参照）において巻回
体Ａとの相互作用に基づき該巻回体Ａの強度を補う。巻
回体Ｃは連続的なフイラメントであり、隣り合うセグメ
ント（２）の外面（５）に沿うように、ホイールの周部
においてなす巻回の始点から終点へ数回巻回される。こ
の巻回は巻回体Ａ及びＢが設けられた後に行なわれる。
ホイール周部において、巻回体Ｃの半径方向厚さは、巻
回体Ａ及びＢの半径方向厚さより大きいが、比較的薄く
保たれ、フイラメントに均一な負荷が作用し前述の如く
剥離を防止するようにされている。

巻回体Ｃは、ホイールの半径方向の膨脹に対して補強を
なすとともに、負荷を実質上全面的に支持するために設
けられている。これは遠心力に基づく応力の殆んどが巻
回体Ｃに作用するということである。従つて、弾性係数
／引つ張り強さの比が極めて高いフアイバーを使用する
のが望ましい。巻回体Ｃは、巻回体Ａ及びＣが同じ弾性
係数のフアイバーを備えている場合にも負荷支持の役割
をなす。これは前述の巻回方式に基づき巻回体Ｃが巻回
体Ａより短くされているからである。

しかし、周部リング（１）に相当する位置における半径
方向の応力を避けるために、巻回体Ｃの弾性係数を巻回
体Ｂの弾性係数より大きくするのが望ましい。

既に述べたように、巻回体Ｂについて巻数を減らし他の
巻回体Ａ、Ｃより低い弾性係数のフアイバーを使用する
ことにより、巻回体Ｂは実質上負荷をうけることなく、
ホイールのハブ（３）に周部リング（１）を結合する役
割をなすことができるという重要な効果が得られる。従
つて一旦巻回体Ｃの半径方向厚さを決める巻き数が決定
された際は巻回体Ａ及びＢの巻き数は構造上の要求、例
えば巻回体Ａ、Ｂに過度の半径方向応力が生じないよう
にし、あるいは半径方向及び接線方向の応力をバランス
させるという要求に応じて決められる。

本発明に斯かるハイブリツド構造のフライホイールは、
前述の如き構成に基づき従来のフライホイールに比べ、
フライホイールの大きさを実質上減少させうるという重
要な特徴を有する。これを明らかにする例を挙げれば、
直径50cmの従来のフライホイールは直径20cmのフライホ
イールに置換えられ、しかも同じ量のエネルギを蓄積す
ることができる。このことは同じ直径のフライホイール
によれば、より大きなエネルギが蓄積されることを意味
している。

本発明は、第６図に示した例に限定されるものではな
く、エネルギ蓄積ホイールの周部セグメント及び巻回体
の材質は例示したもの以外のものとすることもできる。
巻回体は、セグメントと同様の非複合材料のフイラメン
トによつても構成することができるが、実際上これによ
り大きな利点は得られない。

周部セグメントの数は奇数とするのが望ましいが、これ
に限定されるものではない。

周部セグメントの密度と巻回体Ａ、Ｂ、Ｃの密度との比
は８から12の間の値とするのが望ましい。

発明の効果 本願発明のエネルギ蓄積ホイールは、高密度及び低熱膨
脹係数の材料から形成されホイール周部に沿って相互に
隣り合うように配置された複数の固体周部セグメントを
備え、フライホイール周部に発生する熱膨張を抑制する
と共に、ホイール周部の高密度化が図られているから、
所定の直径のフライホイールにおいて多量のエネルギを
蓄積することができる。

更に、本願発明のフライホイールは、全ての周部セグメ
ントを周方向に相互に結合する第１の巻回体と、ホイー
ルのハブ及び各周部セグメントを結合する第２の巻回体
と、各セグメントの外側をホイール周方向に巻回する第
３の巻回体とを備え、それら巻回体が全て周部セグメン
トの形成材料より低い密度のフイラメント材料であるた
め、フライホイール全体が軽量化されている。

また、第１の巻回体のフイラメントは、ホイール周方向
の各巻回毎に、１つの周部セグメントのホイール径方向
の外面及び該セグメントに対し周方向に隣合う周部セグ
ントのホイール径方向の内面に交互に沿うように設けら
れ、該フイラメントは、或る１周の巻回と次の１周の巻
回とで各１つの周部セグメントの外面及び内面の双方を
囲むように延び、各１周の巻回における最初の周部セグ
メント及びこれに続く周部セグメントが次の１周の巻回
によって順次隣合う次の周部セグメントに結合され、各
１周の巻回における最後の周部セグメントは次の１周の
巻回によって前記最初の周部セグメントに結合されてい
る。

本願発明のフライホイールは、このようにフライホイー
ル周方向に巻回体により複数の周部セグメントが結合さ
れて蜜の配置され、しかも、回転時において、そのよう
に配置された複数の周部セグメントにより遠心力がホイ
ール周部において均一に分布するので、巻回体を構成す
るフイラメントへの負荷は偏らず均一なものとなり、フ
イラメント材質の有する強度を最大限まで利用すること
ができる。

更に、本発明では、ホイールのハブ及び各周部セグメン
トとの結合が第２の巻回体による巻回によりなされ、従
来フライホイールのハブ側で固定された「スポーク」の
ようにモーメントを支持するものでなく強度的に有利で
あり、フライホイールの単位重量当たりに蓄積される最
大エネルギ量、即ちフライホイールの特定エネルギ量が
ホイールの「スポーク」、即ちホイールと該ホイールの
ハブとを結合する巻回体の強度から実質上独立して決め
られ、該巻回体を形成する材料固有の抵抗値により制限
されない。

具体的適用例 本適用例は以下に述べるような推定に基づいている。

−フライホイールが公称角速度ωで回転する時、遠心力
は一定の半径方向力として作用する。

−この半径方向力は主としてフライホイール外側部分の
巻回体即ち、ホイールの非複合材料セグメントを囲む複
合材料部分により支持される。これは、ホイールの「ス
ポーク」に相当する部分に表われる応力が、外側の複合
材料部分に表われる応力より小さいことに基づく。この
半径方向力は、複合材料により形成されたホイール外側
の支持部エレメントに対し応力Ｔを発生せしめる。この
応力Ｔは接線方向に作用し、ホイールの対称性に基づき
前記支持部エレメントの各サイドについて同じ強さとな
る。

このエレメントの動的バランスのために、次の関係が満
足されなければならない。

2T・sinα＝ｐ・２αｒ・Ｌ ここでＬはエネルギ蓄積ホイールの軸線方向の幅であ
る。

微小角αについてはsinα≒αとみなされるので、 2T・α≒ｐ・２αｒ・Ｌ したがつて、 Ｔ≒ｐ・ｒ・Ｌ 半径方向力ｐは遠心力に対応して ｆ＝Δｍ・ω^２ｒ＝ｐ・Δｓ＝ｐ・２αｒ・Ｌ ここでΔｓはエレメントの表面積であり、 Δｍ＝Δm_c＋Δm_nc である。すなわち、Δｍは、複合材料エレメントの質量
Δm_c及びホイールのセグメントにより形成される非複合
材料部分の質量Δm_ncの和である。各々の質量は密度ρ
_ｃ及びρ_ncに基づいている。したがつて、 Δm_c＝ρ_ｃ・Δｓ・t_c Δm_nc＝ρ_nc・Δｓ・t_nc ここでt_c及びt_ncは各々複合材料及び非複合材料の厚さ
を示している（第10a図及び第10b図参照）。

これにより ｆ＝（ρ_ｃ・Δｓ・t_c＋ρ_nc・Δｓ・t_nc）・ω^２ｒ すなわち、 ここでρ_ｃ及びρ_ncは、エネルギ蓄積ホイールの周部に
おける複合材料及び非複合材料に作用する遠心力を各々
圧力として示している。すなわち、 ρ_c＝ρ_c・t_c・ω^２ｒ ρ_nc＝ρ_nc・t_nc・ω^２ｒ 複合材料の断面に作用する単位面積当りの応力σ′
_ｃは、 で表わされる。ホイールの軸線に沿う単位長さについて
は で表わされ、 次に、以上の各変数に以下の値を適用した例について説
明する。

（簡単のため、周部リングの半径ｒは複合材料部分及び
非複合材料部分において全て同じであると仮定する。） Ｌ＝6cm＝６×10^-2m ρ_ｃ＝1.5×10³kg/m³ ρ_nc＝８×10³kg/m³ t_nc＝1cm＝10^-2m 応力σ_ｃを、支持部における複合材料の種々の厚さt_cに
ついて求めるのは興味ある所である。

例えば、 t_c＝1cm＝10^-2mのとき、 次にt_c＝2cm＝２×10^-2mのとき、 次にt_c＝3cm＝３×10^-2mのとき、 t_cの値を例えば4cm（＝４×10^-2m）までというように、
増加させることにより、σ_ｃが実質上減少されうるのは
勿論である（半径方向については以下を参照のこと）。
しかし、最後に掲げた値σ_ｃ＝2.57×10⁹N/m²は、複合
材料の安全性に関して十分な余裕を保証するものであ
る。特に、限界強さσ_ｃmax＝４×10⁹N/m²であるカーボ
ンフアイバに基づき材料の場合にこの余裕は大きい（こ
の場合σ_ｃはσ_ｃ maxのほぼ64.25％である）。

以下、ホイールの周部複合材料部分に作用する遠心力
（半径方向力）R_crを該ホイールの「スポーク」相当部
分に作用する半径方向力R_csと比較して説明する。

R_cr及びR_csの計算は、本発明エネルギー蓄積ホイールの
軸方向幅Ｌにおける単位長さについて行なうこととす
る。

R_crの計算値は、２πｒ・Ｌの面積について半径方向力
ｐ＝p_c＋p_ncとなり、軸線方向幅Ｌの単位長さについて
も同様である。したがつて（t_c＝３×10^-2mのとき）、 である。

R_csの計算を次に行なう。

ホイールのカーボンフアイバ製周部のヤング率は、 ここで、ιは周部の長さであり、ι＝２πｒ、Διは遠
心力作用下にフアイバーが伸びる際の伸び量である。

したがつて、前述のデータに基き、 となる。

ホイールの半径ｒの変化量Δｒを用いて前記膨張を表わ
せば、前記Διは、 Δι＝２π・（ｒ＋Δｒ）−２πｒ＝1.34×10^-2m となり、これからΔｒは と表わされる。またこれから、ホイールの「スポーク」
相当部分（周部セグメントが９個の場合、「スポーク」
相当部分も９対となる）のヤング率E_csに関連する が求められる。E_cs＝1.5×10¹¹N/m²と推測される。

以上に基づき、 これより、 t_sが「スポーク」相当部分の厚さである場合は、t_s・Ｌ
は各「スポーク」相当部分の抵抗値であり、９・t_s・Ｌ
はホイールの「スポーク」相当部分全体の抵抗値を示
す。したがつて、軸線方向の幅Ｌにおける単位長さにつ
いては、９対の「スポーク」相当部分に作用する半径方
向力R_csは、t_s＝1mm＝10^-3mとして、 したがつて、 このようにR_cr＞＞R_csであるから、既に予見したよう
に、本発明に係るホイールの「スポーク」相当部分は半
径方向の剛性に実質的に認められる程には寄与していな
いと言える。

ホイールの半径ｒの相対的変化は、その微小さゆえに特
に問題を生じないことを認識する必要がある。事実、前
記データより となる。

E_cr＝２×10¹¹N/m²のときにR_cs＝1.74×10⁷N/mとなり、
したがつて本発明ホイールの「スポーク」相当部分は複
合材料製周部支持部の作用を制限しないことは容易に確
められる。

以下の説明において、角速度ω＝3000rpmのときに蓄積
される機械的エネルギＵを幅Ｌ＝6cm＝６×10^-2ｍのホ
イールについて算出する。同様に機械的エネルギの最大
値Umaxを最大角速度ωmaxに対応して算出する。

ここで質量ｍは、軸線方向の幅Ｌの単位長さ当りの質量
Δm_c及びΔm_ncに対し、このホイールの「スポーク」相
当部分が９対、α＝πとしたときの寄与量を加算して求
められる。すなわち、 Δm_s＝２αｒ・ρ_ｃ・２αｒ・９・t_s α＝πであるから、軸線方向幅Ｌの単位長さについて、 したがつて、Ｌ＝6cm＝６×10^-2mのとき、 ｍ＝217.5×６×10^-2kg≒13kg となる。

さらに、 Umaxの計算に関する限り、 の関係式においてσ_ｃ＝σ_ｃmax＝４×10⁹N/m²とみなす
ことは十分可能である。すなわち、ホイールの軸線方向
幅Ｌにおける単位長さについて、 Tmax＝pmax・ｒ＝σ_ｃmax・t_c とし得る。したがつて、 （ρ_nc・t_nc＋ρ_ｃ・t_c）・ω^２max・r²＝４×10⁹・t_c
となる。これから、ω^２maxは、 と計算され、これより ωmax＝37425rad/s、また 本発明ホイールの単位質量当りの蓄積エネルギは、これ
より容易に算出される。すなわち、その最大蓄積エネル
ギU_smaxは限界応力σ_ｓmax＝４×10⁹N/m²に応じて求め
られ、 となる。この値は従来技術において言及されていた理論
上の最大値120Wh/kgより大きい。

本発明ホイールの周部リングにおける複合材料部分は、
その最大引張り強さσ_ｃmaxの64.25％の力を受ける、す
なわちσ_ｃ＝2.57×10⁹N/m²を越えないとすると、この
例においては最終的な蓄積エネルギとして u_s＝64.25％×u_smax≒86Wh/kg を得る。この値も、フライホイール全体を複合材料で構
成していた従来技術における60Wh/kgより大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図は各々異なる従来のフライホイールを
示す正面図、第６図は本発明に斯かるフライホイールの
一例を概略的に示す正面図、第７図及び第８図は第６図
のフライホイールにおける相互に異なる部分の詳細を示
す縦断面図、第９図、第10a図及び第10b図は本発明に斯
かるフライホイールの作用を説明するための説明図であ
る。 （１）…周部リング （２）…セグメント （３）…ハブ （５）…セグメントの外面 （６）…セグメントの内面 Ａ…第１の巻回体 Ｂ…第２の巻回体 Ｃ…第３の巻回体

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高密度且つ低熱膨脹係数の材料から形成さ
   れた複数の固体周部セグメントをホイール周部に沿って
   相互に隣り合うように配置し、全ての周部セグメントを
   周方向に相互に結合する第１の巻回体と、ホイールのハ
   ブ及び前記各周部セグメントを結合する第２の巻回体
   と、前記周部各セグメントの外側をホイール周方向に巻
   回する第３の巻回体とを備えたエネルギ蓄積ホイールで
   あって、 前記巻回体が全て、前記周部セグメントの形成材料より
   低い密度のフイラメント材料より形成され、前記第１の
   巻回体のフイラメントは、前記ホイール周方向の各巻回
   毎に、１つの周部セグメントのホイール径方向の外面及
   び該セグメントに対し周方向に隣合う周部セグントのホ
   イール径方向の内面に交互に沿うように設けられ、該フ
   イラメントは、或る１周の巻回と次の１周の巻回とで各
   １つの周部セグメントの外面及び内面の双方を囲むよう
   に延び、各１周の巻回における最初の周部セグメント及
   びこれに続く周部セグメントが次の１周の巻回によって
   順次隣合う次の周部セグメントに結合され、各１周の巻
   回における最後の周部セグメントは次の１周の巻回によ
   って前記最初の周部セグメントに結合されていることを
   特徴とするエネルギ蓄積ホイール。
2. 【請求項２】前記第２の巻回体が連続して延びる巻回体
   であり、そのフイラメントは相互に隣り合う周部セグメ
   ントのホイール半径方向の外面にのみ設けられ、１つの
   セグメントから次のセグメントへ進む際にホイールのハ
   ブの接線方向に延びるように設けられていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載のエネルギ蓄積ホイ
   ール。
3. 【請求項３】前記第３の巻回体が連続して延びる巻回体
   であり、そのフイラメントは、前記第１及び第２の巻回
   体が設けられた後に、相互に隣り合うセグメントのホイ
   ール半径方向の外面上に設けられホイール周部を巻回し
   て一端から他端まで延びていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載のエネルギ蓄積ホイール。
4. 【請求項４】前記各セグメントが、凸状の断面形状を備
   えていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   のエネルギ蓄積ホイール。
5. 【請求項５】前記各セグメントが、楕円形断面の柱状形
   状を備えていることを特徴とする特許請求の範囲第４項
   に記載のエネルギ蓄積ホイール。
6. 【請求項６】前記セグメントの楕円状断面における短軸
   がホイール半径方向に配置されている特許請求の範囲第
   ５項に記載のエネルギ蓄積ホイール。
7. 【請求項７】相互に隣り合う前記セグメントの数が奇数
   である特許請求の範囲第１項に記載のエネルギ蓄積ホイ
   ール。
8. 【請求項８】前記巻回体を構成するフイラメントが複合
   材料であり、ミリメートルオーダーの厚さをなしている
   特許請求の範囲第１項に記載のエネルギ蓄積ホイール。
9. 【請求項９】前記巻回体を構成するフイラメントが非複
   合材料により形成されている特許請求の範囲第１項に記
   載のエネルギ蓄積ホイール。
10. 【請求項１０】フライホイール周部において、前記巻回
    体及びセグメントのホイール半径方向の厚さが薄く、前
    記第３の巻回体の厚さは前記第１及び第２の巻回体の厚
    さより大きくされている特許請求の範囲第１項に記載の
    エネルギ蓄積ホイール。
11. 【請求項１１】前記セグメントのホイール半径方向厚さ
    が数mmであり、前記第３の巻回体の半径方向の厚さが数
    cmである特許請求の範囲第10項に記載のエネルギ蓄積ホ
    イール。
12. 【請求項１２】前記第２の巻回体が、巻数及び弾性係数
    において他の巻回体より小さくされている特許請求の範
    囲第１項に記載のエネルギ蓄積ホイール。
13. 【請求項１３】前記第３の巻回体の弾性係数が前記第１
    の巻回体の弾性係数より大きいか又は等しくされている
    特許請求の範囲第１項に記載のエネルギ蓄積ホイール。
14. 【請求項１４】前記周部セグメントの密度と前記巻回体
    の密度との比が８と12の間である特許請求の範囲第１項
    に記載のエネルギ蓄積ホイール。