JPWO2011002017A1

JPWO2011002017A1 - フライホイールエネルギー貯蔵装置

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Publication number: JPWO2011002017A1
Application number: JP2011520954A
Authority: JP
Inventors: 修身古賀
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: JP5602732B2; WO2011002017A1; JP2012072660A

Abstract

本発明では、フライホイールエネルギー貯蔵装置の回転損失を低減させ、フライホイールエネルギー貯蔵装置のエネルギーの貯蔵時間や貯蔵量を増大させることを目的とする。本発明では、フライホイール（５、４０）を接続した回転軸（３、３８）を超伝導スラスト軸受（４、３９）で回動自在に支持したフライホイールエネルギー貯蔵装置（１、３６）において、回転軸（３、３８）の中途部にフライホイール（５、４０）を接続し、フライホイール（５、４０）の前後で回転軸（３、３８）を超伝導スラスト軸受（４、４、３９、３９）で回動自在に支持するとともに、フライホイール（５、４０）を超伝導スラスト軸受（６、４１、４１）で回動自在に支持することにした。

Description

本発明は、フライホイールを接続した回転軸を超伝導スラスト軸受で回動自在に支持したフライホイールエネルギー貯蔵装置に関するものである。

近年、エネルギーを一時的に貯蔵しておき必要時に取出せるようにしたフライホイールエネルギー貯蔵装置が開発されている。

このフライホイールエネルギー貯蔵装置は、回転軸を超伝導スラスト軸受で回動自在に支持するとともに、回転軸にフライホイールを接続した構成となっている（たとえば、特許文献１参照。）。

そして、余剰エネルギーなどを利用して回転軸を回転させ、フライホイールに作用する遠心力を利用して長時間にわたって回転軸を回転させ続け、これによりエネルギーを貯蔵し、その後、必要となったときに回転軸からエネルギーを取出すようにしていた。

特開２００６−３０００１７号公報

従来のフライホイールエネルギー貯蔵装置にあっては、回転損失を低減させることによってエネルギーの貯蔵時間や貯蔵量を増大させることが課題となっていた。

特に、従来のフライホイールエネルギー貯蔵装置では、フライホイールの遠心力によって回転軸が撓み、回転損失が生じてしまうおそれがあった。

そこで、請求項１に係る本発明では、フライホイールを接続した回転軸を超伝導スラスト軸受で回動自在に支持したフライホイールエネルギー貯蔵装置において、回転軸の中途部にフライホイールを接続し、フライホイールの前後で回転軸を超伝導スラスト軸受で回動自在に支持するとともに、フライホイールを超伝導スラスト軸受で回動自在に支持することにした。

また、請求項２に係る本発明では、前記請求項１に係る本発明において、前記フライホイールは、回転軸の回転中心から偏芯させた位置に円環体を配置するとともに、円環体と回転軸との間に円周方向に向けて等間隔に配置したスポークを介設し、回転軸にスポークを半径方向に向けて摺動自在に接続する一方、円環体にスポークを円周方向に向けて移動可能かつ係止可能に接続することにした。

また、請求項３に係る本発明では、前記請求項２に係る本発明において、前記円環体にガイドレールを形成するとともにガイドレールの所定位置にストッパーを形成する一方、前記スポークにガイドレールに沿って滑動する車輪を設け、車輪がガイドレールに沿って滑動することでスポークを円周方向に向けて移動可能とし、車輪とストッパーとが当接することでスポークを係止可能とすることにした。

そして、本発明では、以下に記載する効果を奏する。

すなわち、本発明では、フライホイールを接続した回転軸を超伝導スラスト軸受で回動自在に支持したフライホイールエネルギー貯蔵装置において、回転軸の中途部にフライホイールを接続し、フライホイールの前後で回転軸を超伝導スラスト軸受で回動自在に支持するとともに、フライホイールを超伝導スラスト軸受で回動自在に支持することにしているために、フライホイールの遠心力によって回転軸が撓んでしまうのを防止することができ、回転損失を低減させることができ、フライホイールエネルギー貯蔵装置のエネルギーの貯蔵時間や貯蔵量を増大させることができる。

また、本発明では、回転軸の回転中心から偏芯させた位置に円環体を配置するとともに、円環体と回転軸との間に円周方向に向けて等間隔に配置したスポークを介設し、回転軸にスポークを半径方向に向けて摺動自在に接続する一方、円環体にスポークを円周方向に向けて移動可能かつ係止可能に接続することにしているために、回転軸とフライホイールとの回転差を吸収しながら回転軸を撓ませることなく回転軸とフライホイールとを連動連結させることができる。

また、本発明では、円環体にガイドレールを形成するとともにガイドレールの所定位置にストッパーを形成する一方、スポークにガイドレールに沿って滑動する車輪を設け、車輪がガイドレールに沿って滑動することでスポークを円周方向に向けて移動可能とし、車輪とストッパーとが当接することでスポークを係止可能とすることにしているために、回転軸とフライホイールとの連動機構を組立容易な構造とすることができる。

実施例１に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置を示す正面図。同右側面図。同中央端面図。同前側端面図。同後側断面図。同軸周り展開側面図。実施例２に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置を示す正面図。同右側面図。同中央端面図。同前側端面図。同後側断面図。同軸周り展開側面図。

以下に、本発明に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置の具体的な構造を実施例１及び実施例２に分けて図面を参照しながら説明する。

［実施例１］
図１〜図６に示すように、実施例１に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置１は、ケーシング２に前後に伸延する回転軸３を前後一対の超伝導スラスト軸受4,4を介して回動自在に取付けるとともに、回転軸３の中央部にフライホイール５を接続し、フライホイール５をケーシング２に超伝導スラスト軸受６を介して回動自在に取付けている。

ケーシング２は、矩形板状の基台７の前後端左側部に前後一対の板状の支持台8.9を立設して支持台8,9で超伝導スラスト軸受4,4を支持するとともに、基台７の中央部に板状の支持台10を立設して支持台10で超伝導スラスト軸受６を支持している。

回転軸３は、中空円筒状に形成しており、フライホイール５よりも前方位置及び後方位置でケーシング２に取付けた超伝導スラスト軸受4,4で回動自在に支持されている。

超伝導スラスト軸受4,4は、回転軸３の外周部に円環状のローター側の永久磁石11を取付ける一方、ケーシング２の支持台8,9の上部に中空円環状のケース12を取付け、ケース12の内周面に超伝導物質からなるステーター側の超伝導体13を円周方向に間隔をあけて複数個埋設している。なお、ここではケース12と超伝導体13とを別体で形成しているが、一体的に形成するようにしてもよい。

また、超伝導スラスト軸受4,4は、ケース12の左側部に中空部へ連通する注入口14と排出口15とを形成しており、超伝導体13を冷却するための液体窒素等の冷媒をケース12の注入口14から中空部に注入したり、冷媒をケース12の中空部から排出口15に排出できるようにしている。

これにより、超伝導スラスト軸受4,4は、ケース12の中空部に充填した冷媒の作用で超伝導現象を生起させ、回転軸３を超伝導ピン止め効果現象により軸線方向に移動させることなく回動自在に支持するようにしている。

フライホイール５は、回転軸３の回転中心から偏芯させた位置で円環状の円環体16を超伝導スラスト軸受６によって回動自在に支持し、円環体16の外側（前側及び後側）と回転軸３との間に円周方向に向けて等間隔に配置した前後一対の８個のスポーク17を介設している。

ここで、円環体16は、前後面に円環状のガイド体18を取付け、各ガイド体18の内外周面に溝状のガイドレール19,20を形成するとともに、外側のガイドレール20に２個のストッパー21を円周方向に間隔をあけて形成している。なお、ストッパー21は、１個でもよく、また、複数個でもよい。

一方、スポーク17は、回転軸３に左右一対の棒体22をベアリング23を介して半径方向に向けて摺動自在に取付け、棒体22の一端部に錘24をダンパー25を介して棒体22に沿って摺動自在に取付けるとともに、棒体22の他端部に錘26を棒体22に沿って摺動自在に取付け、各錘24,26に回転軸３と平行に伸延させた棒状の支持体27の基端部を取付け、支持体27の先端部に略三角板状のフレーム28を回転軸３と直交する方向に回動自在に取付け、フレーム28の内周側に内側のガイドレール19に沿って滑動する車輪29を回動自在に取付け、フレーム28の外周側に外側のガイドレール20に沿って滑動する車輪30,30を回動自在に取付けている。

これにより、フライホイール５は、回転軸３にスポーク17を半径方向に向けて摺動自在に接続するとともに、車輪29,30がガイドレール19,20に沿って滑動することでスポーク17を円周方向に向けて移動可能とし、車輪30とストッパー21とが当接することでスポーク17を係止可能として、円環体16にスポーク17を円周方向に向けて移動可能かつ係止可能に接続している。

超伝導スラスト軸受６は、円環体16の外周部に円環状のローター側の永久磁石31を取付ける一方、ケーシング２の支持台10の上部に中空円環状のケース32を取付け、ケース32の内周面にステーター側の超伝導体33を円周方向に間隔をあけて複数個埋設している。なお、ここでは、円環体16と永久磁石31とを別体で形成しているが、一体的に形成するようにしてもよい。また、ケース32と超伝導体33も一体的に形成するようにしてもよい。

また、超伝導スラスト軸受６は、ケース32の左側部に中空部へ連通する注入口34と排出口35とを形成しており、超伝導体33を冷却するための液体窒素等の冷媒をケース32の注入口34から中空部に注入したり、冷媒をケース32の中空部から排出口35に排出できるようにしている。

これにより、超伝導スラスト軸受６は、ケース32の中空部に充填した冷媒の作用で超伝導現象を生起させ、フライホイール５を超伝導ピン止め効果現象により軸線方向に移動させることなく回動自在に支持するようにしている。

以上に説明したように、実施例１に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置１では、回転軸３の中途部（中央部）にフライホイール５を接続し、フライホイール５の前後で回転軸３を超伝導スラスト軸受4,4で回動自在に支持するとともに、フライホイール５を超伝導スラスト軸受６で回動自在に支持した構成となっている。

また、上記フライホイールエネルギー貯蔵装置１では、回転軸３の回転中心から偏芯させた位置に円環体16を配置するとともに、円環体16の外側（前側及び後側）と回転軸３との間に円周方向に向けて等間隔に配置した前後一対のスポーク17を介設し、回転軸３にスポーク17を半径方向に向けて摺動自在に接続する一方、円環体16にスポーク17を円周方向に向けて移動可能かつ係止可能に接続している。

さらに、上記フライホイールエネルギー貯蔵装置１では、円環体16にガイドレール20を形成するとともにガイドレール20の所定位置にストッパー21を形成する一方、スポーク17にガイドレール20に沿って滑動する車輪30を設け、車輪30がガイドレール20に沿って滑動することでスポーク17を円周方向に向けて移動可能とし、車輪30とストッパー21とが当接することでスポーク17を係止可能としている。

［実施例２］
図１〜図６に示すように、実施例２に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置36は、ケーシング37に前後に伸延する回転軸38を前後一対の超伝導スラスト軸受39,39を介して回動自在に取付けるとともに、回転軸38の中央部にフライホイール40を接続し、フライホイール40をケーシング37に前後一対の超伝導スラスト軸受41,41を介して回動自在に取付けている。

ケーシング37は、矩形板状の基台42の前後端左側部に前後一対の板状の支持台43,44を立設して支持台43,44で超伝導スラスト軸受39,39を支持するとともに、基台42の中央部に前後一対の板状の支持台45,46を前後に間隔をあけて立設して支持台45,46で超伝導スラスト軸受41,41を支持している。

回転軸38は、中空円筒状に形成しており、フライホイール40よりも前方位置及び後方位置でケーシング37に取付けた超伝導スラスト軸受39,39で回動自在に支持されている。

超伝導スラスト軸受39,39は、回転軸38の外周部に円環状のローター側の永久磁石47を取付ける一方、ケーシング37の支持台43,44の上部に中空円環状のケース48を取付け、ケース48の内周面に超伝導物質からなるステーター側の超伝導体49を円周方向に間隔をあけて複数個埋設している。なお、ここではケース48と超伝導体49とを別体で形成しているが、一体的に形成するようにしてもよい。

また、超伝導スラスト軸受39,39は、ケース48の左側部に中空部へ連通する注入口50と排出口51とを形成しており、超伝導体49を冷却するための液体窒素等の冷媒をケース48の注入口50から中空部に注入したり、冷媒をケース48の中空部から排出口51に排出できるようにしている。

これにより、超伝導スラスト軸受39,39は、ケース48の中空部に充填した冷媒の作用で超伝導現象を生起させ、回転軸38を超伝導ピン止め効果現象により軸線方向に移動させることなく回動自在に支持するようにしている。

フライホイール40は、回転軸38の回転中心から偏芯させた位置で前後一対の円環状の円環体52,52を超伝導スラスト軸受41,41によって回動自在に支持し、前後一対の円環体52,52の内側（前側の円環体52の後側及び後側の円環体52の前側）と回転軸38との間に円周方向に向けて等間隔に配置した前後一対の８個のスポーク53を介設している。

ここで、前後一対の円環体52,52は、内側面（前側の円環体52の後面及び後側の円環体52の前面）に円環状のガイド体54を取付け、各ガイド体54の内外周面に溝状のガイドレール55,56を形成するとともに、外側のガイドレール56に２個のストッパー57を円周方向に間隔をあけて形成している。なお、ストッパー21は、１個でもよく、また、複数個でもよい。

一方、スポーク53は、回転軸38に棒体58をベアリング59を介して半径方向に向けて摺動自在に取付け、棒体58の一端部に前後に伸延する矩形箱型状の錘60をダンパー61を介して棒体58に沿って摺動自在に取付けるとともに、棒体58の他端部に前後に伸延する矩形箱型状の錘62を棒体58に沿って摺動自在に取付け、各錘60,62の前後端部に回転軸38と平行に伸延させた棒状の支持体63,63の基端部を取付け、各支持体63の先端部に略三角板状のフレーム64を回転軸38と直交する方向に回動自在にそれぞれ取付け、各フレーム64の内周側に内側のガイドレール55に沿って滑動する車輪65を回動自在にそれぞれ取付け、各フレーム64の外周側に外側のガイドレール56に沿って滑動する車輪66,66を回動自在にそれぞれ取付けている。

これにより、フライホイール40は、回転軸38にスポーク53を半径方向に向けて摺動自在に接続するとともに、車輪65,66がガイドレール55,56に沿って滑動することでスポーク53を円周方向に向けて移動可能とし、車輪66とストッパー57とが当接することでスポーク53を係止可能として、前後一対の円環体52,52にスポーク53を円周方向に向けて移動可能かつ係止可能に接続している。

超伝導スラスト軸受41,41は、円環体52,52の外周部に円環状のローター側の永久磁石67を取付ける一方、ケーシング37の支持台45,46の上部に中空円環状のケース68,68を取付け、各ケース68の内周面にステーター側の超伝導体69を円周方向に間隔をあけてそれぞれ複数個埋設している。なお、ここでは、円環体52と永久磁石67とを別体で形成しているが、一体的に形成するようにしてもよい。また、ケース68と超伝導体69も一体的に形成するようにしてもよい。

また、超伝導スラスト軸受41,41は、ケース68の左側部に中空部へ連通する注入口70と排出口71とを形成しており、超伝導体69を冷却するための液体窒素等の冷媒をケース68の注入口70から中空部に注入したり、冷媒をケース68の中空部から排出口71に排出できるようにしている。

これにより、超伝導スラスト軸受41,41は、ケース68の中空部に充填した冷媒の作用で超伝導現象を生起させ、フライホイール40を超伝導ピン止め効果現象により軸線方向に移動させることなく回動自在に支持するようにしている。

以上に説明したように、実施例２に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置36では、回転軸38の中途部（中央部）にフライホイール40を接続し、フライホイール40の前後で回転軸38を超伝導スラスト軸受39,39で回動自在に支持するとともに、フライホイール40を前後一対の超伝導スラスト軸受41,41で回動自在に支持した構成となっている。

また、上記フライホイールエネルギー貯蔵装置36では、回転軸38の回転中心から偏芯させた位置に前後一対の円環体52,52を間隔をあけて配置するとともに、各円環体52の内側（前側の円環体52の後側及び後側の円環体52の前側）と回転軸38との間に円周方向に向けて等間隔に配置したスポーク53を介設し、回転軸38にスポーク53を半径方向に向けて摺動自在に接続する一方、各円環体52にスポーク53を円周方向に向けて移動可能かつ係止可能に接続している。

さらに、上記フライホイールエネルギー貯蔵装置36では、各円環体52にガイドレール56を形成するとともにガイドレール56の所定位置にストッパー57を形成する一方、スポーク53にガイドレール56に沿って滑動する車輪66を設け、車輪66がガイドレール56に沿って滑動することでスポーク53を円周方向に向けて移動可能とし、車輪66とストッパー57とが当接することでスポーク53を係止可能としている。

実施例１及び実施例２に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置1,36は、以上に説明したように構成しており、回転軸3,38を回転させることで、フライホイール5,40に作用する遠心力を利用して長時間にわたって回転軸3,38を回転させ続け、これによりエネルギーを貯蔵し、その後、必要となったときに回転軸3,38からエネルギーを取出すようにしている。

なお、回転軸3,38を回転させる機構は特に限定されるものではなく、クラッチ等の動力断続機構を介して接続したモータなどを用いてもよく、或いは、回転軸3,38を振動や風力などを利用して回転させるようにしてもよい。

また、回転軸3,38からエネルギーを取出す機構も特に限定されるものではなく、クラッチ等の動力断続機構を介して接続した発電機などを用いてもよく、或いは、フライホイールエネルギー貯蔵装置１を動力源とし回転軸3,38から直接動力を取出すように構成してもよい。

以上に説明したように、上記フライホイールエネルギー貯蔵装置1,36では、回転軸3,38の中途部（中央部）にフライホイール5,40を接続し、フライホイール5,40の前後で回転軸3,38を超伝導スラスト軸受4,4,39,39で回動自在に支持するとともに、フライホイール5,40を超伝導スラスト軸受6,41,41で回動自在に支持した構成となっている。

そのため、上記構成のフライホイールエネルギー貯蔵装置1,36では、超伝導スラスト軸受6,41,41でフライホイール5,40を支持することでフライホイール5,40の遠心力によって回転軸3,38が撓んでしまうのを防止することができ、これにより、フライホイールエネルギー貯蔵装置1,36の回転損失を低減させることができ、フライホイールエネルギー貯蔵装置1,36のエネルギーの貯蔵時間や貯蔵量を増大させることができる。

また、上記フライホイールエネルギー貯蔵装置1,36では、回転軸3,38の回転中心から偏芯させた位置に円環体16,52,52を配置するとともに、円環体16,52,52と回転軸3,38との間に円周方向に向けて等間隔に配置したスポーク17,53を介設し、回転軸3,38にスポーク17,53を半径方向に向けて摺動自在に接続する一方、円環体16,52,52にスポーク17,53を円周方向に向けて移動可能かつ係止可能に接続している。

そのため、上記構成のフライホイールエネルギー貯蔵装置1,36では、回転軸3,38とフライホイール5,40との回転差を吸収しながら回転軸3,38を撓ませることなく回転軸3,38とフライホイール5,40とを連動連結させることができる。

さらに、上記フライホイールエネルギー貯蔵装置1,36では、円環体16,52,52にガイドレール20,56を形成するとともにガイドレール20,56の所定位置にストッパー21,57を形成する一方、スポーク17,53にガイドレール20,56に沿って滑動する車輪30,66を設け、車輪30,66がガイドレール20,56に沿って滑動することでスポーク17,53を円周方向に向けて移動可能とし、車輪30,66とストッパー21,57とが当接することでスポーク17,53を係止可能としている。

そのため、上記構成のフライホイールエネルギー貯蔵装置1,36では、回転軸3,38とフライホイール5,40との連動機構を組立容易な構造とすることができる。

1,36 フライホイールエネルギー貯蔵装置 2,37 ケーシング
3,38 回転軸 4,39 超伝導スラスト軸受
5,40 フライホイール 6,41 超伝導スラスト軸受
7,42 基台 8〜10,43〜46 支持台
11,47 永久磁石 12,48 ケース
13,49 超伝導体 14,50 注入口
15,51 排出口 16,52 円環体
17,53 スポーク 18,54 ガイド体
19,20,55,56 ガイドレール 21,57 ストッパー
22,58 棒体 23,59 ベアリング
24,60 錘 25,61 ダンパー
26,62 錘 27,63 支持体
28,64 フレーム 29,30,65,66 車輪
31,67 永久磁石 32,68 ケース
33,69 超伝導体 34,70 注入口
35,71 排出口

Claims

フライホイールを接続した回転軸を超伝導スラスト軸受で回動自在に支持したフライホイールエネルギー貯蔵装置において、
回転軸の中途部にフライホイールを接続し、フライホイールの前後で回転軸を超伝導スラスト軸受で回動自在に支持するとともに、フライホイールを超伝導スラスト軸受で回動自在に支持したことを特徴とするフライホイールエネルギー貯蔵装置。
前記フライホイールは、回転軸の回転中心から偏芯させた位置に円環体を配置するとともに、円環体と回転軸との間に円周方向に向けて等間隔に配置したスポークを介設し、回転軸にスポークを半径方向に向けて摺動自在に接続する一方、円環体にスポークを円周方向に向けて移動可能かつ係止可能に接続したことを特徴とする請求項１に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。
前記円環体にガイドレールを形成するとともにガイドレールの所定位置にストッパーを形成する一方、前記スポークにガイドレールに沿って滑動する車輪を設け、車輪がガイドレールに沿って滑動することでスポークを円周方向に向けて移動可能とし、車輪とストッパーとが当接することでスポークを係止可能としたことを特徴とする請求項２に記載のフライホイールエネルギー貯蔵装置。