(57)【要約】      （修正有）【課題】装置内の空気摩擦の影響が最小限にされることによって、高い効率を呈し、外付けされた高真空ポンプが省略され得る、又は排気時に追加の高真空ポンプ段が省略され得る、運動エネルギーを蓄積するための装置を提供する。【解決手段】本発明は、電動モード及び／又は発電モードで運転可能な電気機器８を有する、電気エネルギーを蓄積するための装置に関する。少なくとも１つのエネルギー回生システムが、発生する回転運動エネルギーを一時的に蓄積するために設けられている。このエネルギー回生システムは、回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。このエネルギー回生システムは、回転子として形成されている少なくとも１つのはずみ車５と、ハウジング２内に配置された固定子とを有する。前記回転子及び／又は前記固定子は、少なくとも１つの真空ポンプ段１３ａ，１３ｂとして形成されている。【選択図】図１
2014095378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動モード及び／又は発電モードで運転可能な電気機器を有する、電気エネルギーを蓄積するための装置であって、少なくとも１つのエネルギー回生システムが、発生する回転運動エネルギーを一時的に蓄積するために設けられていて、このエネルギー回生システムは、回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、このエネルギー回生システムは、回転子として形成されている少なくとも１つのはずみ車と、ハウジング内に配置された固定子とを有する当該装置において、
前記回転子（２５）及び／又は前記固定子（２８）は、少なくとも１つの真空ポンプ段（１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６，１９，２０）として形成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記回転子（２５）及び／又は前記固定子（２８）は、ホルベック式真空ポンプ段（１６，１９）として形成されている、及び／又はジークバーン式真空ポンプ段（１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ）として形成されている、及び／又は交差流路式真空ポンプ段（２０）として形成されている、及び／又はねじ溝式真空ポンプ段（１６，１９）として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記はずみ車（５）は、ホルベック式のシースとして又はホルベック式の円柱として又はねじ溝式真空ポンプ段のシース若しくは円柱として形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記はずみ車（５）は、ハブ（４）に固定されていること、及び、このハブ（４）は、回転子軸（３）に配置されていること、及び、少なくとも１つのジークバーン式真空ポンプ段（１５ａ，１５ｂ）、ホルベック式真空ポンプ段（１９）、ねじ溝式真空ポンプ段及び／又は交差流路式真空ポンプ段（２０）が、前記ハブ（４）及び／又は前記回転子軸（３）にさらに配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記はずみ車（５）は、真空ポンプとして稼働する面を有し、当該真空ポンプとして稼働する面は、回転子軸に対して平行に、ねじ溝式真空ポンプ段として又は交差流路式真空ポンプ段として形成されている、及び／又は回転子軸に対して垂直に、同様にジークバーン式真空ポンプ段として形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記ハウジングの少なくとも１つの内壁が、真空ポンプとして稼働する面を有し、当該真空ポンプとして稼働する面は、回転子軸に対して平行に、ホルベック式真空ポンプ段として又は交差流路式真空ポンプ段として形成されている、及び／又は回転子軸に対して垂直に、ジークバーン式真空ポンプ段として形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記はずみ車（５）は、回転するシースとして又は回転する円柱として形成されていて、当該シース又は当該円柱は、前記ハブ（４）に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記はずみ車（５）は、外側に向かって放射状に拡大している横断面を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記はずみ車（５）は、前記回転子軸（３）に直に固定されている、回転する固体円柱として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記回転するシース（５）又は前記固体円柱（５）又は前記固定子（２８）は、ねじ溝式真空ポンプ段又はホルベック式真空ポンプ段（１６，１９）に相当する流路（１１ａ，１１ｂ）を有することを特徴とする請求項７又は９に記載の装置。
【請求項１１】
前記はずみ車（５）は、金属及び／又は炭素繊維強化プラスチックから形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動エネルギーを蓄積するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
運動エネルギー蓄積要素によるスマートグリッド制御のための装置が、従来の技術（独国特許出願公開第１０２０１００２３５３６号明細書）から公知である。
【０００３】
この装置は、電動機付きのはずみ車エネルギー蓄積装置を有する。この装置の欠点は、運動エネルギーを蓄積するための、従来の技術に属するこの装置の効率が、比較的低い効率を呈することである。何故なら、この装置は、大気圧の下で稼働するからである。
【０００４】
エネルギー回生システムを有する装置が、従来の技術（独国実用新案出願公開第２０２０１１１０８０３３号明細書）から公知である。当該従来の技術では、少なくとも１つのエネルギー回生システムが、発生する回転運動エネルギーを一時的に蓄積するために設けられている。このエネルギー回生システムは、回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。そして当該従来の技術では、少なくとも１つのエネルギー回生システムが、磁気抵抗の原理にしたがって制御される、はずみ車として形成された回転子とハウジングに固定接続されている固定子とを有する電気機器から構成されている。
【０００５】
空気摩擦の影響を最小限にするため、従来の技術に属するこの装置は、実際には、真空にされた空間を有する。はずみ車が、当該真空にされた空間内に配置されている。しかしながら、外部の真空ポンプが、真空を発生させるために設けられている。さらに、この装置は、必要な真空をはずみ車付きのハウジング内で発生させるために、経験上知っているように、高真空ポンプ及び補助ポンプを必要とする。補助ポンプだけで間に合う、例えば二段式のロータリーベーン式真空ポンプで間に合う装置も考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１００２３５３６号明細書
【特許文献２】独国実用新案出願公開第２０２０１１１０８０３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、一方では、装置内の空気摩擦の影響が最小限にされることによって、高い効率を呈し、他方では、外付けされた高真空ポンプが省略され得る、又は排気時に追加の高真空ポンプ段なしに改良される、運動エネルギーを蓄積するための装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この技術的課題は、請求項１に記載の特徴を有する装置によって解決される。
【０００９】
電動モード及び／又は発電モードで運転可能な電気機器を有する、電気エネルギーを蓄積するための本発明の装置は、回転子及び／又は固定子が、少なくとも１つの真空ポンプ段として形成されていることを特徴とする。この場合、少なくとも１つのエネルギー回生システムが、発生する回転運動エネルギーを一時的に蓄積するために設けられている。このエネルギー回生システムは、回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。この場合、このエネルギー回生システムは、回転子として形成されている少なくとも１つのはずみ車と、ハウジング内に配置された固定子とを有する。
【００１０】
高速回転するはずみ車と適切な幾何学構造との当該組み合わせは、はずみ車の稼働に対して理想的である圧力になるまで残留気体分子を排気することを可能にし、当該気体による摩擦を著しく減少させる。
【００１１】
本発明の装置は、例えば無停電電力供給システムで使用され得る、又は、自動車及びその他の応用分野のための運動エネルギー蓄積装置として使用されてもよい。風力発電所又は太陽光発電所において、これらの施設が、電力を供給しない期間を埋め合わせるため、当該風力発電所又は太陽光発電所も、応用分野として可能である。
【００１２】
エネルギー回生システム自体が、真空ポンプとして構成されていることによって、本発明の装置には、はずみ車が回転運動するハウジング内で、真空が、このはずみ車自体によって発生されるという利点がある。当該装置は、大気圧を排除することが可能である。しかしながら、必要であるならば、安価な補助ポンプを設けることも可能である。
【００１３】
この本発明の構造によって、はずみ車が回転運動するハウジング内で、真空が発生される。このため、エネルギー蓄積装置の効率が上昇する。他方では、高価な高真空ポンプ、例えばターボ分子ポンプを外付けする必要がない。この場合には、追加の、すなわち外付けの真空ポンプが、完全に省略され得る。必要であるならば、説明したように、ターボ真空ポンプにも設けられている、本発明の装置の補助ポンプが外付けされてもよい。
【００１４】
本発明の好適な実施の形態によれば、回転子及び／又は固定子が、ホルベック式真空ポンプ段として形成されている、及び／又はジークバーン式真空ポンプ段として形成されている、及び／又は交差流路式真空ポンプ段として形成されている、及び／又はねじ溝式真空ポンプ段として形成されている。
【００１５】
この本発明の真空ポンプ段の構造には、はずみ車の回転軸に対して平行に、真空ポンプとして稼働する面が、少なくとも１つのホルベック式真空ポンプ段又はジークバーン式真空ポンプ段として形成されているように、且つ、当該回転軸に対して垂直に、真空ポンプとして稼働する面が、ジークバーン式真空ポンプ段として形成されているように、当該はずみ車が、固定子と一緒に形成され得るという利点がある。さらに、少なくとも１つの交差流路式真空ポンプ段が設けられてもよい。
【００１６】
様々な真空ポンプ段を組み合わせることによって、装置内の、真空ポンプに適した全ての表面を、真空ポンプとして稼働するように利用することが可能である。
【００１７】
別の好適な実施に形態によれば、回転子が、ホルベック式のシースとして、又はホルベック式の円柱として形成されている。真空ポンプとして稼働する流路が、回転子内に配置され得る、又は固定子の対応する側壁内に配置され得る。
【００１８】
本発明の別の好適な実施の形態は、はずみ車が、ハブに固定されていること、及び、このハブが、回転子軸に配置されていること、及び、少なくとも１つのジークバーン式真空ポンプ段、ホルベック式真空ポンプ段、ねじ溝式真空ポンプ段及び／又は交差流路式真空ポンプ段が、当該ハブ及び／又は当該回転子軸にさらに配置されていることを提唱する。このため、当該ハブ及び／又は当該回転子軸も、真空ポンプとして稼働する面として利用することが可能である。
【００１９】
本発明の別の好適な実施の形態は、はずみ車又はハウジングが、回転子軸に対して平行に、ホルベック式真空ポンプ段又はねじ溝式真空ポンプ段又は交差流路式真空ポンプ段として形成されている真空ポンプとして稼働する面を有すること、及び、当該回転子軸に対して垂直に、真空ポンプとして稼働する面が、ジークバーン式真空ポンプ段として形成されていることを提唱する。このため、本発明の装置の効率が著しく上昇する。
【００２０】
本発明の別の好適な実施の形態によれば、はずみ車が、回転するシースとして又は回転する中空円柱として形成されている。当該シース又は当該円柱が、ハブに配置されている。この実施の形態には、当該シース又は当該円柱が、簡単に、それ故に安価に製造できる構成要素から形成されているという利点がある。
【００２１】
本発明の別の実施の形態は、ハブが、その横断面においてはずみ車に向かって拡大しているハブとして形成されていることを提唱する。この実施の形態によって、ハブと円柱とから成る当該はずみ車の質量が著しく増大され得る。このため、効率が、同様に上昇する。
【００２２】
本発明の別の好適な実施の形態は、はずみ車が、回転子に直に固定されている、回転する固体円柱として形成されていることを提唱する。この実施の形態によって、当該はずみ車は、非常に大きい質量を有する。このため、効率が著しく上昇する。
【００２３】
本発明の別の好適な実施の形態は、はずみ車が、金属及び／又は炭素繊維強化プラスチックから形成されていることを提唱する。金属から成る構造では、はずみ車が、非常に大きい質量を有する。このため、エネルギーの蓄積が最適化される。炭素繊維強化プラスチックから成る構造には、はずみ車が、簡単に且つ安価に製造され得るという利点がある。
【００２４】
本発明の装置は、１つ又は複数の流出口を有し得る。
【００２５】
ころ軸受及び／又は能動型磁気軸受及び／又は受動型磁気軸受が、回転子軸用の軸受として設けられ得る。
【００２６】
本発明のさらなる特徴及び利点を、添付の図面に基づいて説明する。当該図面には、本発明の装置の複数の実施の形態が、専ら例示的に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の装置の縦断面図である。
【図２】変更された実施の形態である。
【図３】変更された実施の形態である。
【図４】ジークバーン式真空ポンプ段の平面図である。
【図５】本発明の装置の変更された実施の形態である。
【図６】変更された実施の形態である。
【図７】変更された実施の形態である。
【図８】変更された実施の形態である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、運動エネルギーを蓄積するための、ハウジング２とハブ４が固定されている回転子軸３とを有する装置１を示す。中空円柱の形を成すはずみ車５が、このハブ４に対して配置されている。回転子軸３が、軸受６，７に回転可能に軸支されている。電動モード又は発電モードで運転可能な電気機器８が、電気接続部１０まで及ぶ電線管路９を有する。
【００２９】
はずみ車５が、流路１１ａを有する。これらの流路１１ａは、ハウジング２の内壁１２ａと一緒にねじ溝式真空ポンプ段１６を形成する。このねじ溝式真空ポンプ段１６は、これらの内壁１２ａと協働する。
【００３０】
図中の表記は、例示的に示されている。ホルベック式真空ポンプ段の場合は、真空ポンプとして稼働する面が、ハウジング２内に配置されていて、回転子の表面が、平坦に形成されている。ねじ溝式真空ポンプ段１６の場合は、真空ポンプとして稼働する面が、回転子の表面に配置されていて、ハウジングの内面が、平坦に形成されている。一般に、ジークバーン式真空ポンプ段の場合は、真空ポンプとして稼働する面が、ハウジング内に配置されていて、回転子が、平坦に形成されている。しかしながら、以下の図では、真空ポンプとして稼働する面が、回転子に配置されていて、ハウジングの内壁が、平坦に形成されている。
【００３１】
流路１１ｂが、内壁１２ｂと協働し、ねじ溝式真空ポンプ段を形成する。
【００３２】
ジークバーン式真空ポンプ段１３ａ，１３ｂが、内壁１４ａ，１４ｂと協働する。ここでは、シークバーン式真空ポンプ段に対応する溝を固定子の表面内に有し、且つ平坦に形成されている、回転子の対応する表面１３ａ，１３ｂと協働する図示されなかった実施の形態も、当然に可能である。
【００３３】
別のジークバーン式真空ポンプ段１５ａ，１５ｂが、ハブ４上にさらに設けられている。回転子軸３が、ハブ４及びはずみ車５と一緒に回転運動させられると、ねじ溝式真空ポンプ段１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂ及びシークバーン式真空ポンプ段１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂが、流出口１８を通じてハウジング２の中空空間１７を真空にする。当該真空ポンプ段によって送られる気体分子の方向が、矢印Ａによって示されている。したがって、はずみ車５が、真空にされた中空空間１７内で空気摩擦なしに回転運動できる。装置１の回転子２５が、回転子軸３とハブ４とはずみ車５とから構成される。
【００３４】
気体分子が、ジークバーン式真空ポンプ段１５ａによって回転子軸３に対して外側に向かって放射状に送られる。さらなる排気が、内壁１２ｂと協働するねじ溝式真空ポンプ段によって実施される。引き続き、気体分子が、ジークバーン式真空ポンプ段１３ａから別のねじ溝式真空ポンプ段の流路１１ａに向かって送られる。
【００３５】
気体分子が、流出口１８に供給される前に、当該気体分子が、ジークバーン式真空ポンプ段１３ｂによってねじ溝式真空ポンプ段１１ｂの方向にさらに送られ、このねじ溝式真空ポンプ段１１ｂからジークバーン式真空ポンプ段１５ｂの方向にさらに送られる。
【００３６】
図２は、図１による装置の構造にほぼ一致する装置を示す。図１と一致する構成要素は、同じ符号を有し、詳しく説明しないものの、重要な変更部分だけを詳しく説明する。
【００３７】
図２によれば、追加のねじ溝式真空ポンプ段１９が、回転子軸３上に配置されている。装置１のポンプ出力が、このねじ溝式真空ポンプ段１９によって上昇する。また、複数の流路を有するホルベック式真空ポンプ段を固定子内に配置すること、又は、逆方向の複数の流路を有する交差流路式真空ポンプ段を固定子内と回転子内とに配置することも可能である。
【００３８】
図３は、装置１をさらに示す。この装置１では、図１と一致する構成要素は、詳しく説明しないで、重要な変更部分だけを詳しく説明する。
【００３９】
図３によれば、別の真空ポンプ段２０が、交差流路式真空ポンプ段として形成されている回転子軸３上に配置されている。この交差流路式真空ポンプ段２０では、真空ポンプとして稼働する面が、回転子上とハウジングの内壁上とに配置されている。当該ハウジングの内壁上の真空ポンプとして稼働する面が、より良好に見やすくするために図示されていない。
【００４０】
図３による装置１では、電気機器８が、ハウジング２の外側で、独立したハウジング部材２１内に配置されている。回転子軸３が、ハウジング２から突出して、好ましくはシールを有するメカニカルスリーブ２２を貫通して敷設されている。したがって、電気機器８が、ハウジング２の外側に存在する。
【００４１】
流出口１８が、図１及び２の実施の形態とは違って回転子軸の近くに設けられている。
【００４２】
図４は、ジークバーン式真空ポンプ段１３を示す。図１〜３によれば、当該ジークバーン式真空ポンプ段１３，１５は、回転子の回転軸に対して垂直に指向されている真空ポンプとして稼働する面を成して形成されている。
【００４３】
図５は、ハウジング２と回転子軸３と軸受６及び７と電気機器８とを有する装置１を示す。
【００４４】
電気接続部１０を有する電気管路９及び流出口１８が、図１による実施の形態と同様に設けられている。
【００４５】
はずみ車５が、回転子軸３に直に固定されている。さらに、このはずみ車５は、回転子軸３から外側に向かって放射状に拡大している横断面を有する。回転子軸３からジークバーン真空ポンプ段１３ａまで延在する、回転子と固定子との間のギャップ内には、さらなる真空ポンプ段が、当該回転子及び／又は対応する固定子面内に溝を形成することによって組み込まれ得る。はずみ車５が、同様に流路１１を有する。当該流路１１は、ハウジング２の内壁１２と一緒にねじ溝式真空ポンプ段を形成する。さらに、ジークバーン式真空ポンプ段１３ａ，１３ｂが設けられている。ねじ溝式真空ポンプ段１９が、回転子軸３上にさらに配置されている。この実施の形態には、はずみ車５が、非常に大きい質量を有するという利点がある。
【００４６】
図６は、装置１を示す。図１，２，３，５と一致する構成要素は、詳しく説明しないで、重要な変更部分だけを詳しく説明する。
【００４７】
図６によれば、装置１が、流出口１８に加えてもう１つの流出口２３をさらに有する。気体の送り方向が、ねじ溝式真空ポンプ段／ホルベック式真空ポンプ段１６の中心から開始し、気体を、ジークバーン式真空ポンプ段１３ａとジークバーン式真空ポンプ段１３ｂとに向けて送り、引き続き流出口１８，２３の方向に送る。
【００４８】
図７は、ハウジング２を有する装置１を示す。中空空間１７が、ハウジング２内に配置されている。この装置は、軸受６，７内に軸支されている回転子軸３を有する。
【００４９】
さらに、電気機器８が、電気接続部１０に向かう電線管路９と一緒に設けられている。はずみ車５が、固体円柱として形成されている。このため、この固体円柱は、非常に大きい質量を有する。この固体円柱は、その外面に流路１１を有する。当該流路１１は、ねじ溝式真空ポンプ段を形成する。当該はずみ車５が、流出口１８を通じて中空空間１７内に真空を発生させる。
【００５０】
当該流出口１８は、別の場所に配置されてもよい。電気機器８及び軸受７をハウジング２の外側に配置することも可能である。さらに、ジークバーン式真空ポンプ段１３ａ、３ｂが、はずみ車５上に配置されている。
【００５１】
図８は、ハウジング２と、このハウジング２内に回転するように軸支された、ハブ４が配置されている回転子軸３とを有する装置１のための別の実施の形態を示す。当該回転子軸は、磁気軸受２４内と軸受７内とに軸支されている。さらに、電気機器８と流出口１８とが設けられている。回転子２５が、装置１内に設けられている。この回転子２５は、回転子軸３とハブ４とシース５とから形成されている。
【００５２】
磁気軸受２４と玉軸受７とから成る軸受配置には、潤滑剤のない軸受が中空空間１７内で使用されるという利点がある。永久磁石２６が、回転子軸３上に設けられている。この永久磁石２６は、通電された励磁巻線２７と協働する。このため、回転子２５は、十分に速い回転数にさせ得る。固定子２８が、この固定子２８の、回転子２５に面した表面上に１つ又は複数のねじ溝状の流路１１を有する。この実施の形態は、はずみ車５が流路を有するのではなくて、固定子２８が流路を有するように構成されている。したがって、ここでは、ホルベック真空ポンプ段が図示されている。
【符号の説明】
【００５３】
１    装置
２    ハウジング
３    回転子軸
４    ハブ
５    はずみ車
６    軸受
７    軸受
８    電気機器
９    電線管路
１０    電気接続部
１１    流路
１１ａ  流路
１１ｂ  流路
１２    内壁
１２ａ  内壁
１２ｂ  内壁
１３ａ  ジークバーン式真空ポンプ段
１３ｂ  ジークバーン式真空ポンプ段
１４ａ  内壁
１４ｂ  内壁
１５ａ  ジークバーン式真空ポンプ段
１５ｂ  ジークバーン式真空ポンプ段
１６    ホルベック式真空ポンプ段／ねじ溝式真空ポンプ段
１７    中空空間
１８    流出口
１９    ホルベック式真空ポンプ段／ねじ溝式真空ポンプ段
２０    交差流路式真空ポンプ段（Ｃｒｏｓｓ−Ｃｈａｎｎｅｌ−Ｐｕｍｐｓｔｕｆｅ）
２１    ハウジング部材
２２    メカニカルスリーブ及びメカニカルシール
２３    流出口
２４    磁気軸受
２５    回転子
２６    永久磁石
２７    励磁巻線
２８    固定子
Ａ      矢印
【図１】
2014095378.tif 000003
【図２】
2014095378.tif 000004
【図３】
2014095378.tif 000005
【図４】
2014095378.tif 000006
【図５】
2014095378.tif 000007
【図６】
2014095378.tif 000008
【図７】
2014095378.tif 000009
【図８】
2014095378.tif 000010