JPH10504439A - エネルギー貯蔵および変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 減圧室（７）を規定する収納（５）、減圧室（７）内で実質的に垂直なシャフト、シャフト（９）上のステーター（１１）および使用時に、ローター（１３）の運動エネルギーとしてエネルギーを貯蔵するためにステーター（１１）によって駆動され、そして発電器としてエネルギーを解放するためにステーター（１１）とともに作動する円筒ローター（１３）から成り、そして上記ローター（１３）が、円筒ローター（１３）の上端に位置し、シャフト（９）と係合している、エンドキャップ（２９）を介してシャフト（９）によって支持されている、エネルギー貯蔵および変換装置（１）。ローター（１３）はエンドキャップ（２９）に取り付けられているピン軸受（３１）から懸架されている。ピン軸受（３１）は、シャフト（９）の端でダンパー（３９）に取り付けられた軸受カップ（３７）に座している。磁気軸受（４３）はステーター（１１）に対してローター（１３）を位置させるのを補助するためローター（１３）の下方端に与えられる。

Description

【発明の詳細な説明】 エネルギー貯蔵および変換装置 本発明はエネルギー貯蔵および変換装置に関するものであり、特に円筒ロータ ーが、ローターの運動エネルギーとしてエネルギーが貯蔵されるためにローター 内でステーターによって駆動され、そしてステーターとローターが発電器として 動作するときにエネルギーがローターから取り出される装置に関するものである 。 前述のタイプのエネルギー貯蔵および変換装置は、本願出願人の以前の特許明 細書のいくつかの中ですでに説明されている。しかしながら、本願出願人はエネ ルギー貯蔵および変換装置の開発を続け、その結果、本発明による装置を設計し た。 本発明の第１の側面によると、減圧室を規定する収納、減圧室内で実質的に垂 直なシャフト、シャフト上のステーターおよび使用時に、ローターの運動エネル ギーとしてエネルギーを貯蔵するためにステーターによって駆動され、そして発 電器としてエネルギーを解放するためにステーターとともに作動する円筒ロータ ーから成り、そして上記ローターが、円筒ローターの上端に位置し、シャフトと 係合している、エンドキャップを介してシャフトによって支持されている、エネ ルギー貯蔵および変換装置が提供される。 シャフトのローターをステーターまわりに懸架させることによって、非常にき れいで、コンパクト、且つ、信頼性のあるエネルギー貯蔵および変換装置が生ま れる。 好ましい実施態様において、エンドキャップはシャフトの上端で作用する中央 ピン軸受を有する。ピン軸受は好ましくは実質的に球状の頭部を持つ。 さらに好ましくは、ピン軸受が球状で螺旋状の溝がある流体力学的な軸受であ る。ピン軸受はスチールから形成されてもよく、その 球状頭部の表面に螺旋状の溝がエッチングされているものである。 球状で螺旋状の溝があるピン軸受を使用することによって、高い軸荷重が、極 小さな摩擦が失われるだけで供給される。対照的に、通常の慣用の技術のエネル ギー貯蔵および変換装置は、高い摩擦消耗を生じる慣用のローラー軸受か或いは 複雑で、高価で且つ信頼性のない電磁気軸受のいずれかである。 ピン軸受は好ましくはシャフトの末端のダンパーに据え付けられている軸受カ ップに受け入れられる。さらに好ましくは、ダンパーがピン軸受を潤滑させるよ うにも作用するオイルを有する。 エンドキャップは炭素繊維コンポジットのようなコンポジット材料、アルミニ ウム、超硬度鋼、或いは他のいかなる適切な物質から形成されてもよい。 一つの実施態様において、エンドキャップが摩擦嵌合によって円筒ローターの 上端部に受けられる。或いは、何らかの適切な手段によって、エンドキャップが 円筒ローターに物理的に接続されてもよい。 磁石軸受は、好ましくは、ステーターに対するローターの位置調整を補助する ために、ローターの下端に向けて与えられている。磁石軸受は、好ましくは、シ ャフトとローターの間で作用する永久磁石軸受である。或いはまた、磁石軸受は 電磁気軸受でもよい。 もし永久磁石軸受が使用された場合、Ｎ極とＳ極の環状リングが、好ましくは その異極同志が反発し合うように、シャフト上とローターの内表面上に提供され る。もしそのような配置が使用された場合、ローターはステーターとの接触から 離され、且つ、もし両極の配置、数および位置が注意深く選択されるなら、ピン 軸受の圧力を下げるためにわずかにローターを上昇させるのを補助してもよい。 もう一つの実施態様においては、磁石軸受はローターの上昇を補助するために 、円筒ローターの下端に下方から作用してもよい。 本発明の第２の側面によると、基底部材、減圧室を規定する基底 部材に据え付けられた収納、減圧室内の実質的に垂直なシャフト、シャフト上の ステーターおよび使用時に、ローターの運動エネルギーとしてエネルギーを貯蔵 するためにステーターによって駆動され、そして発電器としてエネルギーを解放 するためにステーターと一緒に作動する、円筒ローターから成り、そして上記シ ャフトが、装置の故障の際にローターに保存されているエネルギーが収納よりも シャフトに優先的に移動されるように基底部材に据え付けられているエネルギー 貯蔵および変換装置が提供される。 この種の装置を提供することによって、クラッシングローターによるトルク力 は、多数の慣用の技術のフライホイルエネルギー貯蔵および変換システムの場合 のように、機械収納に対して、そのすべてが衝撃を与えるわけではない。代わり に、トルク力は、ステーターを介して中央シャフトに、そしてシャフトから機械 基板に直接伝達されるか、或いはシャフト上の摩擦接合部で消耗される（例えば モーター／発電器とシャフトの間で）。それゆえに、収納は、通常はそのような 高いエネルギーの散逸に耐え得るのに必要なものよりも薄い壁の厚さを有してい てもよい。 好ましくは、ローターとシャフト上のステーターの間の間隔は、実質的に、ロ ーターと収納の間の間隔よりも小さい。この配置は、もしローターが故障した際 に、収納壁よりもステーター／シャフトユニットの中に先ず破損が起ることを確 実にする。それゆえにエネルギーは装置の故障の発生とともに基底部材に伝達さ れるか、或いはシャフト上の摩擦接合部で消耗される。 基底部材は、シャフトの末端を受け入れるくぼみを有してもよい。このシャフ トは、このくぼみに締り嵌めで受け入れられる。シャフトを基底部材と係合する 他の方法ももちろんその代わりに使用されてもよい（例えば、エネルギー消耗の ための摩擦接合部）。 好ましくはシャフトは高強度アルミニウムから形成される。他のいかなる適切 な物質も代わりに使用できる。 好ましくはシャフトがローターを支持するためのピン軸受およびダンパーを収 容するために中空となっている。しかしながらシャフトは、完全に中空であるよ りも、単にその上端にピン軸受を受け入れるためのくぼみを有していてもよい。 基底部材は、必要であれば、ローターからエネルギーを安全に分散させるに有 意な質量を持つ支持体に取り付けられるに適している。 本発明の実行においては不可欠ではないが、ローターの長さは好ましくはロー ターの外径の少なくとも２倍である。しかしながら、もしこの要求が満たされる のであれば、ローターの質量当りのシャフトの有意な長さを含む、高く、比較的 細いユニットが提供される。ゆえに、より安全な装置が生まれる。さらに、高く 、比較的細いユニットを形成することによって、公知の慣用技術の装置を利用し た場合よりも、多くのユニットが所与の床面積内に収容できる。 本発明の第３の側面によると、減圧室を規定する収納、減圧室内の実質的に垂 直なシャフト、シャフト上のステーターおよび使用時に、ローターの運動エネル ギーとしてエネルギーを貯蔵するためにステーターによって駆動され、そして発 電器としてエネルギーを解放するためにステーターと一緒に作動する、円筒ロー ターから成り、そしてローターがガラス繊維の内層と炭素繊維の外層から成る、 エネルギー貯蔵および変換装置が提供される。 さらに好ましくは、内層はガラス繊維コンポジットであり、外層は炭素繊維コ ンポジットである。好ましい実施態様において、ガラス繊維コンポジットはＥガ ラスである。 本願出願人の装置以外の慣用の技術の装置のほとんどに対して著しく対照的で ある、ローター内にいかなる固体の金属成分も含まないことによって、ローター の故障および必従する飛び散る破片が装置収納の破裂を生じさせる可能性が低く なる。実際に、中央シャフトの周囲を近接して回転するガラス／炭素繊維コンポ ジットローターと炭素繊維エンドキャップデザインを使用することによって、ロ ーターは破損状況にある間にも実質的にそのままである。 好ましくは、ローターの内層は、使用中に、ステーターとの相互作用のために 複極性磁化を形成するために磁化した物質を含有する。とりわけ、その内層は、 好ましくは、ステーターコアーとその上の巻線とによって作られる多数の極を有 するステーターが、エネルギーを貯蔵するためにローターを駆動することを可能 とする、交互するＮ極とＳ極の環を含有する。 さらにまた、ローターの内層は、ローターの軸受を作るためにシャフト上に据 え付けられた磁石との相互作用のために少なくとも一つの同一極性の軸方向磁化 を形成するために磁化した物質を含有していてもよい。上記に示されるように、 それによってローターにある程度の上昇を与える改良された軸受を生じさせる、 多数の同一極性の軸方向磁化が提供される。その配置には、ローターに対する上 昇の度合いをさらに改善させる、ローターの底面に対して作用する軸方向磁石ス ラスト軸受を含有してもよい。 磁化した物質は好ましくは製造時にローターの内層に導入される粉末である。 その粉末はフェライト或いはNdFeBであることができる。もちろん、他のいかな る適切な物質も代わりに使用できる。 使用中の分離を防ぐために、内層と外層は好ましくは歪嵌めされる。 内層の厚さは、好ましくはローター全体の厚さの約２／３である。これらの寸 法を有するローターを作ることによって、ローターがガラスコンポジットによっ て提供される有意質量を有し、しかしながら炭素繊維コンポジットの堅固な外層 によって、ローターの回転中、一緒に保持される。このことを考慮して、ロータ ーは、例えば、約１，２００Ｈｚと１，８００Ｈｚの間で回転する。 磁化された物質は、好ましくは内層の約半分まで内層の内表面から伸びている 。磁化された物質の深さは、もちろん、特定のローター／ステーターの構成にお ける要求に合うように変更することがで きる。 上記に示されるように、好ましくはピン軸受を包含する、ローターのエンドキ ャップがシャフト上にローターを懸架するのを補助する。 本発明の第４の側面によると、複数のステーター、ステーターの周りに回転す るように配置された対応する複数の円筒ローターおよび使用時に、ローターの運 動エネルギーとしてエネルギーを貯蔵するためにローターを駆動し、そしてエネ ルギーを解放するために発電器として作動するためにローターと相互作用する複 数のステーターと複数のローターを有するための手段からなり、そして上記収納 手段が複数のステーターと複数のローターが収容されている単一構造内に複数の 室を規定している、エネルギー貯蔵および変換装置が提供される。 本出願人の知る限り、複数のエネルギー貯蔵および変換装置ユニットを収容す る単一構造は未だかつて提案されたことはない。 単一構造は、好ましくは複数の円筒室が規則的に配置されたハネカム型構造か ら成る。 好ましくは、個々の室は単一のステーターおよび対応するローターを収容する 。しかしながら、ある状況において、一つの室が一つ以上のステーター／ロータ ーユニットを収容してもよい。 単一ユニットにおけるそのようなハネカム型配置の利点は、複数のローターが 共通する収納壁を共有するので最小限の面積内により多くのローターが収容され るということと、一つのローター室から次へのブリーチが作業員を危険にさらす ことにならないので、その構造に対して内部的なそれらの壁は、単一機械におい て要求されるのと同じ厚さである必要はないということである。さらにまた、こ のサイズの単一構造の共通質量は、いかなる特別なポルト締め配置もなしに、ク ラッシングローターの運動エネルギーを吸収するのに充分である。 単一構造は、アプリケーションの全体のエネルギー貯蔵の要件に依存して、い かなる数のローターを包含するように組立られてもよい。図解目的で示された配 置には３７室含まれている。 単一構造は適当な長さに切断され、そして一緒に接合された複数の押出し物か ら形成されることができる。もし単一構造がこのように形成されるのであれば、 好ましくは最小数の異形態の押出物が、完全な単一構造を作り出すために使用さ れる。実施例では、３つの異なった押出型だけを用いた構造が図解されている。 好ましくは、個々の室が逆止め弁を組み込んでいるエンドフランジによって閉 じられる。個々の室には別々の真空ポンプが与えられてもよいが、共通の減圧室 が減圧されることによって、個々のローター室に真空が生じるように、単一構造 が共通の減圧室に納められるのが好ましい。単一構造において単一ローターのい ずれかで破損が発生した場合、ローター物質からの軽質ガスの瞬間解放と続いて 起こるローター室内での圧力上昇が逆止め弁を閉じさせ、それによってその構造 の他の室から、該当する室を隔離し、残りのローターの本来の形を保全する。 単一構造はアルミニウムから製造してもよいが、他のいかなる適切な物質もも ちろん代わりに使用できる。 共通の冷却システムが完全な装置のすべてのステーターとローターに提供され てもよい。これは個々のステーター／ローターユニットに対して別々の冷却シス テムを有するよりも明らかに好ましい。 好ましくは、収納手段は、真空状態を改善するために室からガスを除去するた めのゲッターを含有する。シリコン或いは炭素をベースとしたゲッターがこの場 合好ましい選択である。 個々のステーターおよびローターユニットは好ましくは２０ＫＷｈｒ、さらに 好ましくは、５ＫＷｈｒまでのエネルギーを貯蔵できる。 現在までに特に述べられてはいないが、ここに説明された本発明 の様々な側面のいかなる特徴も公知の慣用技術に対して新規であり且つ進歩性を 持つエネルギー貯蔵および変換装置を製造するための他のいかなる側面と組み合 わされてもよいということが認識されるべきである。 さらには、本発明によるエネルギー貯蔵および変換装置において、それによっ て収納内の真空状態を改善させる、ガスを除去するための装置を含み、そして差 圧によって収納内のガスが動かされる外部回路が提供されてもよい。 さらにその上、ローターの速度はローターに貯蔵されているエネルギーを示す アウトプットを提供するために測定されてもよい。さらに好ましくは、リアルタ イムで装置から入手できるエネルギーを与える可視アウトプットが提供される。 特定の実施態様において、モーター／発電器電力エレクトロニクスの交換周波 数を監視することによってローターの速度が測定されてもよい。 本発明の特定の実施態様は、実施例によって、添付図面を参照してこれから説 明される。 図１は、本発明によるエネルギー貯蔵および変換装置の断面側面図である。 図２は、図１に示される装置において使用できる、幾分短くされた、ローター の内層の概略横断側面図である。 図３は、図２のローターのＡ−Ａの方向の図である。 図４は、図３におけると同じ図であるが、しかしローターを磁化するための磁 化取付器の巻線が示されている。 図５は、複数のステーター／ローターユニットを収容するため収納の平面図で ある。 図６Ａは、エネルギー貯蔵および変換装置の収納壁の側面に据え付けられたゲ ッターハウジングアセンブリのための保全ベルの概略側面図である。 図６Ｂは、図６Ａの保全ベルに示されるゲッターハウジングアセンブリの拡大 された側面図であり、そして、図７は、装置の減圧室からガスを取り除くための 外部回路が組み込まれている本発明によるエネルギー貯蔵および変換装置の概略 側面図である。 図１に関して、エネルギー貯蔵および変換装置１は、基底部材３、減圧室７を 規定する基底部材３上に据え付けられている収納５、減圧室７中の実質的に垂直 なシャフト９、シャフト９上に据え付けられたステーター１１、および使用中に エネルギーをローター１３の運動エネルギーとして貯蔵するためにステーター１ １によって駆動され、そして発電器としてエネルギーを解放するためにステータ ー１１と連動する円筒ローター１３から成る。（ローター１３を駆動するために ステーター１１を加勢するために）ステーター１１への電気的接触は添付図の中 には示されていないが、しかしシャフト９の中空孔９ａに沿って通過することが できる。 ステーター１１は図１の中に詳細には示されていないが、ローター１３が回転 するようにポールによってローター１３に向けて磁束を生じさせるためにコイル が巻きつけられている複数のポール、例えば４つのポール、を規定する巻心を組 み込んでいる、いかなる適切なタイプのものでもよい。この方法によって、エネ ルギーはローター１３の運動エネルギーとして貯蔵され得る。逆に、もしエネル ギーが装置１から引き出されるべきであるならば、ローター１３とステーター１ １は発電器として、或いは装置の電力エレクトロニクス（図示されていない）を 介して電気的アウトプットを生み出す発電器として動作できる。 装置１の基底部材３は、それ自身の厚さと、例えばアルミニウムのような、そ れが作られている物質によって有意な強度を有する。基底部材３を通過する孔１ ５はかなりの質量と強度を有するフロアー１９等に対して基底部材３を固定する ためのボルト１７を受け入れるために示されている。その結果、エネルギー貯蔵 および変換装 置１は、たとえ装置１が故障しても、しっかりと定位置に保持される。 装置１の故障の際には、ローター１３に貯蔵されているエネルギーは、基底部 材３にしっかりと据え付けられているシャフト９のために収納５を破損すること から妨げられている。さらにとりわけ、シャフト９の下端２１は締り嵌めによっ て基底部材３のくぼみ２３に受け入れられている。シャフト９と基底部材３の間 の接合を強化するための手段（図示されていない）もまた使用できる。さらにま た、装置１の故障の間ローター１３によって与えられるトルク力とエネルギーが 基底部材３に、そして堅固な支持体１９にシャフト９を介して伝達されるために アルミニウムのような高強度な物質からシャフト９は製造されている。 ローター１３は、背の高く、かなり細い装置１が生じるように、その外径の少 なくとも２倍の長さを有することも注目されるべきである。この配置は装置１の 故障の際にローター１３からトルク力とエネルギーを吸収するためにシャフト９ の有意の長さが存在することも意味する。それゆえに、より安全な装置１が提供 され、そして収納５は特別に大きな壁厚を有する必要はない。もちろん実際問題 として、収納５はローターの故障に対して有為な保護を提供するように設計され ている。 図１からわかるように、ローター１３は、Ｅガラスの内層２５と炭素繊維コン ポジットの外層２７で形成されている。しかしながら他の適切な物質が、それら が要求される特性をローターに提供するという前提で、代わりに使用できる。こ の点に関して、Ｅガラスの内層２５は比較的安価であり、そしてローター１３に 合理的な量の質量を提供する。Ｅガラスはまた、Ｅガラス内のガラス繊維の繊維 間或いはトウの間に、粒子或いは粉末の形で磁化可能な物質を受けることができ る。ローター１３の内層２５のみを示している図２からわかるように、磁化可能 な物質は、好ましくはローター１３の内 層２５の内側半分２５ａの中へ導入されるだけである。ローター１３の外層２７ は主に内層２５を支持するために包含され、それゆえに、１，２００から１，８ ００Ｈｚのような高速度で回転するときに、有意な長さを有する物質から形成さ れる。炭素繊維コンポジットが特にこの場合適している。 ローター１３は、図１に示されるように、ピン軸受３１を据え付ける、超硬度 鋼、アルミニウム或いは炭素繊維コンポジットから成るエンドキャップ２９を包 含する。ピン軸受は、その自由端に球状ボール３５を有するシャフト３３から成 る。球状ボール３５は、製造時に、その表面に螺旋状の溝が形成されるようにエ ッチングされる。ピン軸受３１の球状ボール３５すなわちヘッドは、シャフト９ の末端に位置するダンパー３９に据え付けられているカップ３７に受け入れられ る。ダンパー３９はシャフトの孔９ａの中に延びており、シャフト９の上端に接 しているサイドフランジ４１によって、そこに保持される。ダンパー３９は、ロ ーター１３が作動するときにカップ３７の半径方向および軸方向の運動を弱める よう作用し、それによって完全なるエネルギー貯蔵および変換装置１の衰弱が生 じるオイルを有する。ダンパー３９内のオイルはまたピン軸受３１のヘッド３５ とカップ３７の表面との間でピン軸受３１のための潤滑油としても作用する。後 に理解されるように、ローター１３が回転するときには、オイルの膜の上にロー ター１３を僅かに持ち上げるために、ピン軸受３１のヘッドの螺旋状の溝はヘッ ド３５とカップ３７の間でオイルを動かす。それゆえに、ローター１３は、無視 しうる摩擦を伴うだけで自由に回転でき、軸受を通って失われるエネルギーを最 小限にする。これは明らかに望ましい。 ローター１３の下端では永久磁石軸受４３が、ピン軸受３１との組み合わせで 、ローター１３がステーター１１と衝突しないことを保証するために提供される 。さらに詳しくは、永久磁石４５は、ローター１３の内面に面している磁石４５ のＮ極で、この場合、シャ フト９上に据え付けられている。図２にみられるように、ローター１３の内層２ ５内の磁化可能な物質は、環状に形成されたＮ極４７とＳ極４９で磁化される。 磁石４５のＮ極とローター１３のＮ極４７は互いに向かい合っており、ゆえに反 発力を生じ、ローター１３のＳ極４９が磁石４５のＮ極に向かって引きつけられ る。この配置によって、ローター１３はステーター１１から離されたままになっ ていて、ローター１３はピン軸受３１とカップ３７の間の摩擦を下げるのを補助 するためのわずかな上昇を伴って提供される。 ローター１３と反発し、それによってローター１３を持ち上げるためにロータ ー１３の末端の磁化された領域とともに作用するための他の永久磁石５１（図１ を参照）から成る追加の軸方向の軸受が提供されてもよい。 図２から４に関して、本発明によるエネルギー貯蔵および変換装置において使 用できるローター１３の内層２５が示されている。しかしながら図２には、ロー ター１３がかなり短く示されている。認識できるように、ローターをモーター／ 発電器として作動させるための、半径方向の複極性磁化５１がローター１３の中 央領域に示されている。ローター１３の下端において、（上記に説明したような ）永久磁石、或いはステーター１１周囲のローター１３の懸架を補助するために シャフト９上に据え付けられている電磁石と相互作用できる同一極性半径方向磁 化が示されている。ローター１３上の一つのＮ極４７と一つのＳ極４９のみが示 されているが、要求されている磁力に依存して、ローター１３とシャフト９上に 据え付けられた磁石／電磁石との間の相互作用を強化するために追加の極および 追加の永久磁石／電磁石が使用できる。 ローター１３の磁化された領域４７、４９、５１はローター１３の製造時にロ ーター１３の内層２５の内側半分２５ａに含まれる未使用の磁性物質に作用する ことによって作り出される。ローター１３に予め磁化された物質を導入し、そし てローター１３の製造中に 要求されるようにその物質を配列させることは可能であるが、ここに説明される ようなローター１３は、ローター１３のコンポジット物質が硬化した後に、ロー ター１３に適用させた磁化を持つのが好ましい。これは、磁石に要求される形態 の磁場（図４参照）を、励磁したときに、作り出す一連のコイル５３から成る取 付具を用いる磁化を、ローター内の未使用の磁性物質に付与することによって達 成される。 フェライト、NdFeb或いは他のいかなる適切な物質のような磁性物質を磁化す るために要求される場は物質のタイプに依存する。例えば４テスラがNdFebに要 求されるのに対し、フェライトには１．５テスラが要求される。場は、電流が３ ０，０００アンペアの領域内にあるコンデンサー放電ユニットからの、単一の高 電流パルスによって作り出される。一旦場がローター１３に適用されると、取付 具は例えば図２および３に示されるように永久磁化を残して取り除かれる。後に 理解されるように、特定のアプリケーションがローター１３において所望の磁化 を達成するためには取付具を設計することが必要なだけである。 今まで単一のローター１３とともに単一のステーター１１が組み込まれている エネルギー貯蔵および変換装置１が説明されてきたが、本発明はさらに、複数の ステーター１１、ステーター１１の回りを回転するように配置された、対応する 複数の円筒ローター１３およびステーター１１とローター１３が収容されている 単一構造内に複数の室１０２を規定する収納手段１００から成るエネルギー貯蔵 および変換装置を提供する。そのような収納１００は図５に示されている。 図５に示されるエネルギー貯蔵および変換装置は単一構造の円筒室１０２の配 置によって、非常に無駄がなくコンパクトになっている。その結果、図１に示さ れるような装置３７個の動力貯蔵および変換能力を有する装置が不合理な量の空 間を要求せずに提供される。 図５から理解されるように、隣接する減圧室１０２は共通の収納壁１０４を共有 する。 図５に示されるハネカム型構造は３つの異形態の押出品１０６、１０８、１１ ０から形成される（図５の陰影部分参照）。押出品はアルミニウム或いは他のい かなる適切な物質から作られ、単純にある一定の長さに切り出される。隣接する 押出品は、図５に示されるように、溶接継手１１２によって溶接接合される。し かしながら、押出品の形態の選択および単一構造を組立てるために使用される異 形態の数は、純粋に、組立て費を最小限にするための商業的理由に基づくもので あり、また押出品の形態の選択および使用される異形態の数は最終構造の有効性 に影響しないということが理解されるであろう。 理論的には、各室１０２はエンドフランジをどちら端にでも有すことができ、 および室１０２内に真空状態を保存するための分離手段を有することができるが 、本発明による装置は理想的には、完全なる単一構造の周りに外部ケーシング（ 図示されていない）か或いは、単一構造の少なくとも一端を被覆するエンドキャ ップを有する。どちらの場合でも、個々の室１０２は、それ自身のエンドフラン ジ（図示されていない）を有するべきである。その後に逆止め弁が外部キャップ 或いはケーシングによって保護されている個々のエンドキャップに提供される。 そのような配置において、単一真空ポンプ装置が完全なる単一構造のために提供 される。主真空ポンプによって取り除かれるために個室１０２内のガスは逆止め 弁を通して取り出される。さらにまた、ローター室への分子の解放を生じる、単 一ステーター１１／ローター１３ユニットの故障した場合、逆止め弁の閉鎖によ って提供される保護によって残りのユニットは影響を受けない。 図６Ａおよび６Ｂを参照すると、ゲッターハウジングアセンブリ６１と保全ベ ル６３が示されている。ゲッターハウジングアセンブ リ６１は、シリカゲルや活性炭（可能なら、熱分解によって形成された布あるい は織物の形状にある）のような、減圧室７および１０２内の真空状態を改善する ためにガス分子を吸収する、ゲッター物質６５のためのマウントを提供する。こ の点に関して、後ほど認識されるように、減圧室７、１０２の真空状態がよいほ ど、摩擦が少なくなり、よってローター１３から失われるエネルギーも少なくな る。ゆえに、より高い真空状態が本発明によるエネルギー貯蔵および変換装置の 運転の成功には不可欠である。 図６Ｂを特に参照すると、ゲッター物質６５は、それ自身がローター１３に隣 接して位置するようにゲッターハウジングアセンブリ６１のエンドキャップ６７ 上に据え付けられる。 ゲッターハウジング６１の円筒壁６９はエネルギー貯蔵および変換装置１の収 納５に取り付けられている。シール７１はゲッターハウジング６１と収納５との 間、およびエンドキャップ６７とハウジング６１の円筒壁６９との間に提供され る。ゲッター６５が提供され、或いは交換されるのを可能とするために、保全ベ ル６３（図６Ａ）が用いられる。これはゲッターハウジング６１を囲むための壁 ７３、保全ベル６３内で高真空状態を作り出すための真空ポンプへのアクセス７ ５、およびゲッターハウジング６１と相互作用するためのロボット仕様の、或い は他の保全工具７７を組み入れる。ゆえに、保全ベル６３が収納５に取り付けら れ、保全ベル６３内に真空状態が作り出されたとき、工具７７は、ゲッターハウ ジング６１からエンドキャップ６７と取り付けられたゲッター物質６５を取り除 くために使用できる。ゲッター物質６５の交換はエネルギー貯蔵および変換装置 １の減圧室７および１０２内のローター１３の周りの真空状態を損なわないで達 成できる。一旦ゲッター物質６５の交換が行われると、保全ベル６３が取り除か れる前にゲッターハウジング６１のエンドキャップ６７が交換される。 本発明によるエネルギー貯蔵および変換装置１の減圧室７に存在 するガスを除去するための、もう一つの形態の装置が図７に示されている。この 図において、複数の螺旋溝８１から成る分子ポンプ７９はローター１３の外面に 面している。ローター１３が回転すると、ローターからの脱ガス効果によって生 じるガス、或いは収納５内の他のガスは、図７において分子ポンプ７９によって 上方に移動される。これによって減圧室７の底に向かって低圧力領域が成形され 、減圧室の上部に向かって高圧力領域が成形される。 イオン化ポンプ或いはゲッター物質であるガス除去装置８５が組み込まれてい る外部パイプ回路８３が示されている。ゆえに減圧室７の高圧力領域と低圧力領 域との差圧によって、ガスは除去装置８５を通じて移動され、それによってシス テムから除去される。それゆえに減圧室７内に改善された真空状態が達成される 。 除去装置８５の運転を補助するために、バルブ８７が除去装置８５の片側に与 えられている。これらのバルブ８７が閉鎖された時、除去装置８５は運転のため にパイプ回路８３から切り離すことができる。その後、除去装置８５は単純に回 路８３へと復旧される必要があり、バルブ８７が再び開かれる前に真空状態を作 り出すために、バルブ８７の間の回路８３のその部分がポンプ吸引される必要が ある。ゆえに、とても単純で使い勝手のよい配置がエネルギー貯蔵および変換装 置１の減圧室７内の真空状態を改善するために提供される。 図には示されていないが、ある特定の時間にローター１３に貯蔵されているエ ネルギーを示すアウトプットを提供するために、例えばモーター／発電器電力エ レクトロニクスの交換周波数を監視することによって、ローター１３の速度が測 定できる。さらに好ましくは、リアルタイムでエネルギー貯蔵および交換装置１ から入手できるエネルギーを与える可視アウトプットが提供される。 以上、本発明は実施例を用いて説明されたが、本発明の範囲内において、詳細 の変更は有り得ることはもちろん理解されるであろう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年１０月２２日 【補正内容】 請求の範囲 １．減圧室を規定する収納、減圧室内で実質的に垂直なシャフト、シャフト上の ステーターおよび使用時に、ローターの運動エネルギーとしてエネルギーを貯蔵 するためにステーターによって駆動され、そして発電器としてエネルギーを解放 するためにステーターとともに作動する円筒ローターから成り、そして上記ロー ターが、円筒ローターの上端に位置し、シャフトと係合している、エンドキャッ プを介してシャフトによって支持されている、エネルギー貯蔵および変換装置で あって、ローターがその外径の少なくとも２倍の長さを持つことを特徴とする装 置。 ２．エンドキャップが、シャフトの上端で作用する中央ピン軸受を有する、請求 項１に記載の装置。 ３．ピン軸受が実質的に球状頭部を有する、請求項２に記載の装置。 ４．ピン軸受が螺旋状の溝を有するピン軸受である、請求項２または３に記載の 装置。 ５．ピン軸受がスチールから形成されており、そして球状頭部の表面に螺旋状の 溝がエッチングされている、請求項４に記載の装置。 ６．ピン軸受がシャフトの末端のダンパー内に据え付けられている軸受カップ内 に受けられている請求項２〜５のいずれかに記載の装置。 ７．ダンパーが、ピン軸受を潤滑させるように作用するオイルを含有する、請求 項６に記載の装置。 ８．エンドキャップが炭素繊維、アルミニウム、或いは超硬度鋼から形成されて いる、上記の請求項のいずれかに記載の装置。 ９．エンドキャップが摩擦嵌合によって円筒ローターの上端部に受け入れられて いる、上記請求項のいずれかに記載の装置。 １０．ステーターに対するローターの位置調整を補助するために、磁石軸受がロ ーターの下端に対して提供されている、上記請求項のいずれかに記載の装置。 １１．磁石軸受がシャフトとローターの間で作用する永久磁石軸受である、請求 項１０に記載の装置。 １２．磁石軸受が電磁石軸受（能動）である、請求項１０に記載の装置。 １３．ローターを上昇させるのを補助するために磁石軸受けが円筒ローターの下 端で作用する、請求項１０〜１２のいずれかに記載の装置。 １４．基底部材、減圧室を規定する基底部材に据え付けられた収納、減圧室内の 実質的に垂直なシャフト、シャフト上のステーターおよび使用時に、ローターの 運動エネルギーとしてエネルギーを貯蔵するためにステーターによって駆動され 、そして発電器としてエネルギーを解放するためにステーターと一緒に作動する 、円筒ローターから成るエネルギー貯蔵および変換装置であって、上記シャフト が、装置の故障の際にローターに保存されているエネルギーが収納よりもシャフ トに優先的に移動されるように基底部材に据え付けられていることを特徴とする 装置。 １５．ローターとシャフト上のステーターの間の間隔が実質的にローターと収納 の間の間隔よりも小さい、請求項１４に記載の装置。 １６．基底部材が、くぼみに締り嵌めで受け入れられているシャフトの末端を受 け入れるためのくぼみを有する、請求項１４または１５に記載の装置。 １７．シャフトが高強度アルミニウムから形成されている、請求項１４〜１６の いずれかに記載の装置。 １８．シャフトがローターを支持するためのピン軸受およびダンパーを収容する ために中空となっている、請求項１４〜１７のいずれかに記載の装置。 １９．基底部材が、必要であれば、ローターからエネルギーを安全に分散させる ことのできる有意質量の支持体に取り付けられるのに適している、請求項１４〜 １８のいずれかに記載の装置。 ２０．ローターの長さが、その外径の少なくとも２倍である請求項１４〜１９の いずれかに記載の装置。 ２１．請求項１４〜２０のいずれかおよび請求項１〜１３のいずれかに記載の装 置。 ２２．減圧室を規定する収納、減圧室内の実質的に垂直なシャフト、シャフト上 のステーターおよび使用時に、ローターの運動エネルギーとしてエネルギーを貯 蔵するためにステーターによって駆動され、そして発電器としてエネルギーを解 放するためにステーターと一緒に作動する、円筒ローターから成るエネルギー貯 蔵および変換装置であって、ローターがガラス繊維の内層と炭素繊維の外層から 成り、そして内層の厚さが全ローターの厚さの約２／３であることを特徴とする 装置。 ２３．内層が、使用中に、ステーターとの相互作用に対して複極性磁化を形成す るために磁化された物質を含有する、請求項２２に記載の装置。 ２４．内層が、ローターのための軸受を作るためにシャフト上に据え付けられた 磁石との相互作用に対して少なくとも一つの同一極性の軸方向磁化を形成するた めに磁化された物質を含有する、請求項２２または２３に記載の装置。 ２５．磁化した物質は製造時に内層に導入された粉末である、請求項２３または ２４に記載の装置。 ２６．磁化された物質がフェライト或いはNdFebである、請求項２２〜２５のい ずれかに記載の装置。 ２７．使用中の分離を防ぐために内層と外層が歪嵌めされている、請求項２２〜 ２６のいずれかに記載の装置。 ２８．磁化された物質が、中間層の内面から内層の約半分まで伸び ている、請求項２２〜２７のいずれかに記載の装置。 ２９．ローターのエンドキャップがシャフト上にローターが懸架するのを補助す る、請求項２２〜２８のいずれかに記載の装置。 ３０．請求項２２から２９および請求項１から２１に記載される装置。 ３１．複数のステーター、ステーターの周りに回転するように配置された対応す る複数の円筒ローターおよび使用時に、ローターの運動エネルギーとしてエネル ギーを貯蔵するためにローターを駆動し、そしてエネルギーを解放するために発 電器として作動するためにローターと相互作用する複数のステーターと複数のロ ーターを有するための手段からなり、そして上記収納手段が複数のステーターと 複数のローターが収容されている単一構造内に複数の室を規定している、エネル ギー貯蔵および変換装置。 ３２．個々の室が単一のステーター、および対応するローターを収容する、請求 項３１に記載の装置。 ３３．単一構造が、複数の円筒室が規則的に配置されたハネカム型構造から成る 、請求項３１または３２に記載の装置。 ３４．単一構造が、ある一定の長さに切り出され、そして互いに溶接合された複 数の押出品から形成されている、請求項３１〜３３のいずれかに記載の装置。 ３５．３種類の異なる形態の押出品だけが完全なる単一構造を作るのに使用され る、請求項３４に記載の装置。 ３６．いずれかの室で破損が発生した場合、隣接するローターを保護するために 逆止め弁が組み込まれているエンドフランジによって閉じられる、請求項３１〜 ３５のいずれかに記載の装置。 ３７．単一構造が減圧室内に包含される、請求項３１〜３６のいずれかに記載の 装置。 ３８．単一構造がアルミニウムから製造される、請求項３１〜３７のいずれかに 記載の装置。 ３９．共通の冷却システムが、完全なる装置のすべてのステーターおよびロータ ーに提供される、請求項３１〜３８のいずれかに記載されている装置。 ４０．収納手段が真空状態を改善するために室からガスを除去するためのゲッタ ーを含有する、請求項３１〜３９のいずれかに記載の装置。 ４１．個々のステーターおよびローターユニットが１０ＫＷｈｒ、好ましくは５ ＫＷｈｒまでのエネルギーを貯蔵できる請求項３１〜４０のいずれかに記載の装 置。 ４２．単一構造が３０から４０まで、好ましくは３７までの間の室を有する、請 求項３１〜４１のいずれかに記載の装置。 ４３．請求項３１〜４２のいずれかおよび請求項１〜３０のいずれかに記載の装 置。 ４４．それによって収納内の真空状態を改善する、ガスを除去する装置を含む、 差圧によって収納内のガスが動かされる外部回路が提供されている、上記請求項 のいずれかに記載の装置。 ４５．ローターの速度が、ローターに貯蔵されているエネルギーを示すアウトプ ットを提供するために測定される、上記請求項のいずれかに記載の装置。 ４６．リアルタイムで装置から入手できるエネルギーを与える可視アウトプット が提供されている、請求項４５に記載の装置。 ４７．モーター／発電器電力エレクトロニクスの交換周波数を監視することによ ってローターの速度が測定される、請求項４５または４６に記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 タラント、コリン・デビッド イギリス国 チェシャイア ダヴリュエイ ３ ６エイエス、ウォーリントン、リスレ イ（番地なし） ブリティッシュ・ヌクレ ア・フュエルズ・ピー・エル・シー内 (72)発明者 クロンビー、イアン イギリス国 チェシャイア ダヴリュエイ ３ ６エイエス、ウォーリントン、リスレ イ（番地なし） ブリティッシュ・ヌクレ ア・フュエルズ・ピー・エル・シー内 (72)発明者 バーカー、ジェオフリー・マーチン イギリス国 チェシャイア ダヴリュエイ ３ ６エイエス、ウォーリントン、リスレ イ（番地なし） ブリティッシュ・ヌクレ ア・フュエルズ・ピー・エル・シー内 (72)発明者 ヘイワード、デビッド・ステファン イギリス国 チェシャイア ダヴリュエイ ３ ６エイエス、ウォーリントン、リスレ イ（番地なし） ブリティッシュ・ヌクレ ア・フュエルズ・ピー・エル・シー内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．減圧室を規定する収納、減圧室内で実質的に垂直なシャフト、シャフト上の ステーターおよび使用時に、ローターの運動エネルギーとしてエネルギーを貯蔵 するためにステーターによって駆動され、そして発電器としてエネルギーを解放 するためにステーターとともに作動する円筒ローターから成り、そして上記ロー ターが、円筒ローターの上端に位置し、シャフトと係合している、エンドキャッ プを介してシャフトによって支持されている、エネルギー貯蔵および変換装置。 ２．エンドキャップが、シャフトの上端で作用する中央ピン軸受を有する、請求 項１に記載の装置。 ３．ピン軸受が実質的に球状頭部を有する、請求項２に記載の装置。 ４．ピン軸受が螺旋状の溝を有するピン軸受である、請求項２または３に記載の 装置。 ５．ピン軸受がスチールから形成されており、そして球状頭部の表面に螺旋状の 溝がエッチングされている、請求項４に記載の装置。 ６．ピン軸受がシャフトの末端のダンパー内に据え付けられている軸受カップ内 に受けられている請求項２〜５のいずれかに記載の装置。 ７．ダンパーが、ピン軸受を潤滑させるように作用するオイルを含有する、請求 項６に記載の装置。 ８．エンドキャップが炭素繊維、アルミニウム、或いは超硬度鋼から形成されて いる、上記の請求項のいずれかに記載の装置。 ９．エンドキャップが摩擦嵌合によって円筒ローターの上端部に受け入れられて いる、上記請求項のいずれかに記載の装置。 １０．ステーターに対するローターの位置調整を補助するために、磁石軸受がロ ーターの下端に対して提供されている、上記請求項のいずれかに記載の装置。 １１．磁石軸受がシャフトとローターの間で作用する永久磁石軸受である、請求 項１０に記載の装置。 １２．磁石軸受が電磁石軸受（能動）である、請求項１０に記載の装置。 １３．ローターを上昇させるのを補助するために磁石軸受けが円筒ローターの下 端で作用する、請求項１０〜１２のいずれかに記載の装置。 １４．基底部材、減圧室を規定する基底部材に据え付けられた収納、減圧室内の 実質的に垂直なシャフト、シャフト上のステーターおよび使用時に、ローターの 運動エネルギーとしてエネルギーを貯蔵するためにステーターによって駆動され 、そして発電器としてエネルギーを解放するためにステーターと一緒に作動する 、円筒ローターから成り、そして上記シャフトが、装置の故障の際にローターに 保存されているエネルギーが収納よりもシャフトに優先的に移動されるように基 底部材に据え付けられている、エネルギー貯蔵および変換装置。 １５．ローターとシャフト上のステーターの間の間隔が実質的にローターと収納 の間の間隔よりも小さい、請求項１４に記載の装置。 １６．基底部材が、くぼみに締り嵌めで受け入れられているシャフトの末端を受 け入れるためのくぼみを有する、請求項１４または１５に記載の装置。 １７．シャフトが高強度アルミニウムから形成されている、請求項１４〜１６の いずれかに記載の装置。 １８．シャフトがローターを支持するためのピン軸受およびダンパーを収容する ために中空となっている、請求項１４〜１７のいずれかに記載の装置。 １９．基底部材が、必要であれば、ローターからエネルギーを安全に分散させる ことのできる有意質量の支持体に取り付けられるのに適している、請求項１４〜 １８のいずれかに記載の装置。 ２０．ローターの長さが、その外径の少なくとも２倍である請求項１４〜１９の いずれかに記載の装置。 ２１．請求項１４〜２０のいずれかおよび請求項１〜１３のいずれかに記載の装 置。 ２２．減圧室を規定する収納、減圧室内の実質的に垂直なシャフト、シャフト上 のステーターおよび使用時に、ローターの運動エネルギーとしてエネルギーを貯 蔵するためにステーターによって駆動され、そして発電器としてエネルギーを解 放するためにステーターと一緒に作動する、円筒ローターから成り、そしてロー ターがガラス繊維の内層と炭素繊維の外層から成る、エネルギー貯蔵および変換 装置。 ２３．内層が、使用中に、ステーターとの相互作用に対して複極性磁化を形成す るために磁化された物質を含有する、請求項２２に記載の装置。 ２４．内層が、ローターのための軸受を作るためにシャフト上に据え付けられた 磁石との相互作用に対して少なくとも一つの同一極性の軸方向磁化を形成するた めに磁化された物質を含有する、請求項２２または２３に記載の装置。 ２５．磁化した物質は製造時に内層に導入された粉末である、請求項２３または ２４に記載の装置。 ２６．磁化された物質がフェライト或いはNdFebである、請求項２２〜２５のい ずれかに記載の装置。 ２７．使用中の分離を防ぐために内層と外層が歪嵌めされている、請求項２２〜 ２６のいずれかに記載の装置。 ２８．内層の厚さがローター全体の厚さの約２／３である、請求項２２〜２７の いずれかに記載の装置。 ２９．磁化された物質が、中間層の内面から内層の約半分まで伸びている、請求 項２２〜２８のいずれかに記載の装置。 ３０．ローターのエンドキャップがシャフト上にローターが懸架するのを補助す る、請求項２２〜２９のいずれかに記載の装置。 ３１．請求項２２から３０および請求項１から２１に記載される装置。 ３２．複数のステーター、ステーターの周りに回転するように配置された対応す る複数の円筒ローターおよび使用時に、ローターの運動エネルギーとしてエネル ギーを貯蔵するためにローターを駆動し、そしてエネルギーを解放するために発 電器として作動するためにローターと相互作用する複数のステーターと複数のロ ーターを有するための手段からなり、そして上記収納手段が複数のステーターと 複数のローターが収容されている単一構造内に複数の室を規定している、エネル ギー貯蔵および変換装置。 ３３．個々の室が単一のステーター、および対応するローターを収容する、請求 項３２に記載の装置。 ３４．単一構造が、複数の円筒室が規則的に配置されたハネカム型構造から成る 、請求項３２または３３に記載の装置。 ３５．単一構造が、ある一定の長さに切り出され、そして互いに溶接合された複 数の押出品から形成されている、請求項３１〜３３のいずれかに記載の装置。 ３６．３種類の異なる形態の押出品だけが完全なる単一構造を作るのに使用され る、請求項３５に記載の装置。 ３７．いずれかの室で破損が発生した場合、隣接するローターを保護するために 逆止め弁が組み込まれているエンドフランジによって閉じられる、請求項３２〜 ３６のいずれかに記載の装置。 ３８．単一構造が減圧室内に包含される、請求項３２〜３７のいずれかに記載の 装置。 ３９．単一構造がアルミニウムから製造される、請求項３２〜３８のいずれかに 記載の装置。 ４０．共通の冷却システムが、完全なる装置のすべてのステーターおよびロータ ーに提供される、請求項３２〜３８のいずれかに記載されている装置。 ４１．収納手段が真空状態を改善するために室からガスを除去するためのゲッタ ーを含有する、請求項３２〜４０のいずれかに記載の装置。 ４２．個々のステーターおよびローターユニットが１０ＫＷｈｒ、好ましくは５ ＫＷｈｒまでのエネルギーを貯蔵できる請求項３２〜４１のいずれかに記載の装 置。 ４３．単一構造が３０から４０まで、好ましくは３７までの間の室を有する、請 求項３２〜４２のいずれかに記載の装置。 ４４．請求項３２〜４３のいずれかおよび請求項１〜３１のいずれかに記載の装 置。 ４５．それによって収納内の真空状態を改善する、ガスを除去する装置を含む、 差圧によって収納内のガスが動かされる外部回路が提供されている、上記請求項 のいずれかに記載の装置。 ４６．ローターの速度が、ローターに貯蔵されているエネルギーを示すアウトプ ットを提供するために測定される、上記請求項のいずれかに記載の装置。 ４７．リアルタイムで装置から入手できるエネルギーを与える可視アウトプット が提供されている、請求項４６に記載の装置。 ４８．モーター／発電器電力エレクトロニクスの交換周波数を監視することによ ってローターの速度が測定される、請求項４６または４７に記載の装置。 ４９．実質的に付属の図への参照とともに説明されている、また付属の図の中で 示されているエネルギー貯蔵および変換装置。