(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ室（１６）を画定するハウジング（１２）と、下端面（２６）および実質的に反対側の上端面（２４）を有する少なくとも１つのロータ（１８）とを備える、慣性エネルギーを蓄積するための装置であって、前記ロータ（１８）が、前記ハウジング（１２）に対して垂直回転軸（２０）を中心に回転可能となるように、フリーギャップ（３２）を残して前記ロータ室（１６）内に取り付けられ、シール（３６）が、前記フリーギャップ（３２）中に設けられて、前記ロータ室（１６）の上部（３４）と前記ロータ室（１６）の底部（３８）とを切り離し、当該装置が、前記ロータ（１８）のうち前記底部（３８）内の少なくとも前記下端面（２６）を、前記上部（３４）内の前記実質的に反対側の上端面（２４）に加えられる圧力と比較して、前記ロータ（１８）の重量を少なくとも部分的に補償する上方への差圧力を発生させるガス圧力にさらすための手段（４０）をさらに備え、当該装置に前記上部（３４）内の圧力を下げるための手段（４０）が設けられる、装置。
【請求項２】
前記ロータ（１８）の少なくとも前記下端面（２６）をさらすための前記手段（４０）が、前記下端面（２６）を１気圧未満のガス圧力にさらすようになされる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記上部（３４）内の圧力を下げるための前記手段（４０）が、少なくとも前記シール（３６）に連結される吸引側を備える、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記ロータ室（１６）の底に、隆起したプラットホーム（４２）が設けられ、前記ロータ（１８）の前記下端面（２６）に、対応する凹所（４４）が設けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記隆起したプラットホーム（４２）が円錐形状を有する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記シール（３６）が、前記隆起したプラットホーム（４２）の外周面と前記ロータ（１８）の前記対応する凹所（４４）の内周面との間の前記フリーギャップ（３２）中に設けられる、請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
前記ロータ室（１６）の前記底部（３８）に連結され前記ロータ（１８）の前記下端面（２６）にガスを相対超過圧力で供給するためのガス供給導管（５４）と、前記底部（３８）に連結されガスを除去するための吸込み導管（５６）と、をさらに備え、前記導管（５４、５６）が、前記ロータ（１８）の前記下端面（２６）にある小さな通路を通じて互いに流体連通する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
中心ガス供給導管（５４）と、前記中心ガス供給導管（５４）の周囲に同心状に配置された吸込み導管とを備える、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記上部（３４）内の圧力を下げるための前記手段（４０）が、前記底部（３８）に連結される供給側を備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば風力タービンなどのエネルギーを生成するユニットに付随しエネルギーの生成および／または消費の変動を吸収することを可能にする慣性エネルギー蓄積装置に関する。このタイプの装置は、制動出力および／または減速出力（ｒｅｔａｒｄｉｎｇ  ａｎｄ／ｏｒ  ｓｌｏｗｉｎｇ  ｐｏｗｅｒ）を取り戻し、次いで回復させるかまたは何か他の方法で使用するために使用されることもできる。装置は、回転速度を安定化するために使用されることもできる。
【背景技術】
【０００２】
様々なタイプのエネルギー貯蔵システムが知られている。１つのタイプは、はずみ車（ｆｌｙｗｈｅｅｌｓ）、すなわちエネルギーの入力により回転状態に設定される少なくとも１つの質量体（ｍａｓｓ）をベースとしており、はずみ車は、エネルギーの入力が終わった後、慣性で回転し続けることになる。回転する質量体は、エネルギー貯蔵期間中にエネルギーを入力する手段を構成するモータに連結され、またはエネルギー回復期間中に発電機に連結される。はずみ車が重くなりかつはずみ車ができる限り低い摩擦ですぐに回転できるようになるほど、貯蔵されうるエネルギー量は大きくなる。したがって、はずみ車の軸受に関する問題、より一般的には、はずみ車の枢着方法に関する問題は決定的に重要である。
【０００３】
はずみ車のいくつかのタイプでは、軸受は、電磁力を加えることによりはずみ車の重量を部分的に軽減される。
【０００４】
別のタイプが、ＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＮＬ２００９／０００２４８号の明細書に記述されている。この慣性エネルギー蓄積装置は、フレームと、フレームに対して回転軸を中心に回転できるように取り付けられた少なくとも１つのはずみ車とを備えるとともに、はずみ車の少なくとも１つの面を、はずみ車の実質的に反対側の面に加えられる圧力と比較して、例えば、ガス圧力にさらされるはずみ車の面を取り囲むいわゆるガス流減速手段を用いて、はずみ車の重量を少なくとも部分的に補償する上方への差圧力を発生させるガス圧力にさらすための手段も備える。この装置では、はずみ車の軸受は、はずみ車の重量を少なくとも部分的に軽減され、したがって軸受の寿命を延ばすだけでなく、ｋＷｈ当たりのコストも大きく低減されることが記述されている。これらのガス流減速手段は、漏れ空間中の圧力ヘッドの降下を作り出すことを可能にする。ガス流減速手段は通常、フレームと一体になった面とはずみ車との間に形成される。一実施形態では、これらのガス流減速手段はラビリンスシールを備える。この種のシールでは、ガス流路は、圧力ヘッドの降下（「ヘッドドロップ」）を発生させる一連の特別な特徴を備える。例えば、ガスが通過する横断面は交互に減少したり拡大したりしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
次に、上記ＰＣＴ出願による装置のパイロット規模のモデルでは、総エネルギー損失が予想外に高く、その結果、はずみ車により例えば１つまたは複数の他の機器を充電するためのエネルギーを供給することができる時間周期が比較的短いことが明らかである。したがって、この装置は、経済的な実施可能性のある態様で運転されることができない。
【０００６】
本発明は、ロータをベースとする慣性エネルギー蓄積装置のさらなる改善を対象とする。
【０００７】
本発明の一般的目的は、かかる装置の効率を高めることである。
【０００８】
本発明の別の目的は、かかる装置のエネルギー損失を減少させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、慣性エネルギー蓄積装置は、ロータ室を画定するハウジングと、下端面および実質的に反対側の上端面を有する少なくとも１つのロータとを備え、ロータは、ロータがハウジングに対して垂直回転軸を中心に回転可能となるように、フリーギャップを残して回転チャンバ内に取り付けられ、シールは、ギャップ中に設けられて、ロータ室の上部とロータ室の底部とを切り離し、ロータのうち底部内の少なくとも下端面を、上部内の実質的に反対側の上端面に加えられる圧力と比較して、ロータの重量を少なくとも部分的に補償する上方への差圧力を発生させるガス圧力にさらすための手段をさらに備え、装置には、上部内の圧力を下げるための手段が設けられる。
【００１０】
本発明による慣性エネルギー蓄積装置は、後述する必要な連結部を除いて環境に対して全体的に封止されるハウジングを有する。ハウジングの内壁はロータ室の境界を定める。このロータ室内にはロータが取り付けられる。ロータの外形は、上端面および上端面の反対側の下端面、ならびに上端面と下端面との間の直立壁によって画定される。ロータは、垂直回転軸を中心に回転することができる。通常は、回転シャフトが、ロータの両端面からハウジングの最上部および底部内に設けられた適切な軸受の中へ延びる。少なくとも使用中、ハウジングの内壁とロータの外周面との間にギャップが存在する。このギャップ中にはシールが存在しており、シールの位置について以下により詳細に論じる。このシールは、ロータ室の下方部分から上方部分を切り離す。ロータの上面は上部内に含まれ、底面は下方部分内に含まれる。装置には、上方部分内の圧力を、例えば１００ｍｂａｒ未満、例えば５０ｍｂａｒ、１０ｍｂａｒまたは５ｍｂａｒに低下させるための手段（以後、真空手段または第２の手段とも称される）が設けられる。ロータを持ち上げるために、ロータ室の上方部分内の圧力に相対して超過圧力、例えば１００ｍｂａｒでロータの下端面にガスを噴出し、それによってロータの重量を補償し、したがって軸受にかかる荷重を軽減する手段（第１の手段とも称される）もある。上方部分内が低圧であるため、ロータ室内に入れられたガスとロータとの間の摩擦は小さい。ＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＮＬ２００９／０００２４８号の明細書による装置と比べると、摩擦損失は本質的に低減されるので、経済的に実施可能な態様で装置を運転することができる。
【００１１】
好適には、第１の手段は、ロータの下端面に作用する絶対ガス圧力が大気圧未満、例えば１００〜２００ｍｂａｒの範囲内になるように設計される。
【００１２】
ロータは直円柱とすることができる。あるいは、ロータはテーパ形状を有することができ、好適には、ロータは上側を下にして取り付けられた円錐台であり、したがって直径の大きい方が頂部にある。この構成の効果は、装置が自己調整浮揚を有することである。ロータ室の底のガス圧力が（一時的に）上昇すると、ロータを上方へさらに持ち上げるが、同時に、シール内のガスの通路が増大し、それによって圧力降下を減少させ、したがって底と上面との間の差圧が減少し、その結果、浮揚が減じられ、ロータ浮揚がほとんど変化しないという、全体的な効果が得られる。同様に、ガス流の（一時的）減少が補償される。これにより、使用中、ロータは自動的に一定の浮揚レベルにとどまることができる。好適には、ロータの円周壁とロータの垂直回転軸との間の角度は、０．２５〜１０°の範囲内であり、より好ましくは最大で３°、例えば１°である。
【００１３】
ハウジングの内壁とロータの表面との間のギャップのシールにより、ロータ室の底部からロータ室の上部へのガスの流れを制限することができる。好適には、ギャップ中のシールは、供給されるかまたは吸い取られるガスの流れの方向に見られるように、圧力ヘッドの降下を引き起こす一連の突出部および／または溝を備えるラビリンスシールである。一般に、ギャップ中をガスが通過する横断面が交互に減少したり拡大したりする。ラビリンスに含まれている突出部は、少なくとも部分的に丸い先端部を有することが好ましい。突出部の丸い先端部は、突出部の高圧側から他方の側への比較的滑らかなガスの流れをもたらし、それによって、ロータの回転安定性に悪影響を及ぼすことになる乱流を減らす。好適には、突出部の先端部は翼の形をしている。ラビリンスはセミラビリンス（ｓｅｍｉ−ｌａｂｙｒｉｎｔｈ）であることがより好ましい。本出願の文脈では、この表現は、ハウジングおよびロータの一方には垂直方向に離間された一連の突出部（または凹所）、例えば回転軸と同心のリングなどが設けられ、他方は平坦であることを意味する。一般に、ラビリンスの突出部または凹所は、ハウジングと一体であろうとなかろうと、別個の要素から組み立てられようとなかろうと、本発明による装置の固定ハウジング内に設けられる。
【００１４】
好ましい一実施形態では、真空手段の吸引側は、シールの位置で、例えば（セミ）ラビリンスの隣接する突出部相互間の凹所内でロータに連結される。この実施形態では、ロータ室の上方部分内の低圧が維持され、同時に、ロータを持ち上げるために下方部分に連続的に供給されるガスが除去されもする。
【００１５】
固定ハウジングに設けられたシール、特にセミラビリンスシールの突出部の別の好ましい実施形態では、突出部の先端はロータの傾斜した直立壁に平行な線上に位置するのが有効である。言い換えると、同心突出部の内径は、ロータの直径の増大に比例して下方部分から上方部分にかけて増大する。
【００１６】
別の好ましい実施形態では、ロータ室の底壁に、隆起した中心プラットホームが設けられ、ロータの下端面は、中心プラットホームと対をなす凹形状を有する。第１の手段は、ロータの下端面の凹所内のガス流を方向付ける。プラットホームは円錐台形状を有し、ロータの下端面は対をなす円錐凹所を含むことが好ましい。ロータの円錐形に凹設された下端面は、ラビリンスシールへのガスの安定した流れ、ならびにセルフセンタリング効果を確実にし、それによってロータの安定性を高める。円錐の角度は小さく、例えば２〜３°から２０°の範囲内であることが有効である。
【００１７】
この実施形態では、シールは、好ましくは、隆起したプラットホームの外周面と凹所の内周面との間のギャップ中に配置される。
【００１８】
別の実施形態では、装置は、ロータ室の下部に連結されロータの底面にガスを相対超過圧力で供給するためのガス供給導管と、同様に下部に連結されガスを除去するための吸込み導管と、を備え、両導管は、ロータの下端面にある小ギャップを通じて互いに流体連通する。装置の別の実施形態では、装置は、中心ガス供給導管および外側の同心状の吸込み導管を備える。
【００１９】
上部内の圧力を下げるための手段、典型的にはコンプレッサまたは真空ポンプの供給側は、ロータの下端面を相対超過圧力にさらすために下部に連結されることが好ましい。この実施形態では、本発明による装置は、吸引側および供給側を有するコンプレッサまたは真空ポンプを備え、供給側は、ロータの下端面にガスを供給するためにロータ室の下部に連結され、吸引側は、好ましくは少なくともシールのところでハウジングに連結され、上部が、比較的低い圧力に、例えば、例えば１０ｍｂａｒ未満に維持されるようにする。通常の貯蔵期間中にコンプレッサによって消費されるエネルギーは、ロータ内に貯蔵されうるエネルギーのわずかな比率にしか相当しない。これにより、経済的に許容できるエネルギー損失で、ガスを循環させるとともに、ロータの下端面のところでガスを所望の圧力でハウジング内に再び供給することが可能になる。好適には、コンプレッサの吸引力は、コンプレッサがロータ室の上方部分内に存在する圧力よりも低い真空を適用できるようなものである。このような場合、ロータ室の上方部分と下方部分との間の密封効率は改善される。
【００２０】
有利な一実施形態では、ラビリンスシールには、ハウジングもしくはロータと一体であろうとなかろうと、または別個の要素から製作されていようといなかろうと、ガス流動摩擦を低減するためのコーティングが設けられる。次いで、圧力降下の大部分は、ラビリンスシールの寸法および形状によって決定される。ラビリンスはハウジングの内壁に設けられるセミラビリンスであることが好ましい。セミラビリンスのコーティングに加えて、ロータは、例えば鋼鉄、プラスチックおよびカーボンで製作された外側の滑らかな殻を有することができる。
【００２１】
本発明による装置のさらに別の実施形態では、装置は、ロータに対する所定の持ち上げ条件、特にロータの２つの反対面間の所定の圧力差および／または転がり軸受や滑り軸受などの軸受にかかる所定の荷重を維持する目的で、コンプレッサの流量を制御するための制御手段を備える。したがって、軸受の過負荷およびロータの不安定化が効果的に防止されうる。
【００２２】
装置は、ガスを冷却するためにガス吸引側とガス供給側との間に熱交換器を備えることができる。使用中、ガスは、ガスとロータとの間の圧縮および／または摩擦のせいで温度が上昇する。装置の熱的損傷を防止するために、熱交換器は、ロータと接触していないときにガスを冷却する。
【００２３】
吸い込まれかつ／または供給されるガスは、主に空気、水素またはヘリウムで構成されることが好ましい。というのはこれらのガスの摩擦係数および粘度が低いからである。一般に、ヘリウムは、ヘリウムが安定しておりかつヘリウムの摩擦係数が低いという理由で好ましい。
【００２４】
一般に、ロータは、軸受内に取り付けられたシャフトに固着される。ピニオンが回転に関してロータに連結されるが、ロータから軸方向に切り離される。したがって、ロータシャフトにより、ロータはロータおよびシャフトの共通軸線を中心に回転することが可能になる。ピニオンは、ロータの外部の機器への連結を可能にする。ピニオンとロータとの間の軸線方向の切り離しにより、存在するかもしれない高い軸方向応力および／または半径方向応力がギヤセットに伝達されるのを防止する。ピニオンは、動力源および／またはエネルギーを消費する外部機器に連結されるべきロータの回転を可能にする。連結は、特に複数のロータが互いに連結される場合に間接的な連結とすることができる。
【００２５】
ロータは、質量体が外壁および外面の中に集中している中空円錐体とすることができる。これは、特に産業用途に適用可能である。好ましい一実施形態では、例えば比較的小さい国内用途の場合、ロータは、例えば鉄筋コンクリートまたは金属から製作された固体である。必要なら、ロータは、交差したスポークのような強化要素によって強化されうる。
【００２６】
有利な一実施形態によれば、複数のロータが、例えば適切なギヤセットおよび伝達歯車を使用して、互いにマトリックスを形成するように接合されるので、すべて同じモータおよび／または同じ機器に直接的にまたはその他の方法で連結されることができる。それぞれのロータにはロータ自体のピニオンおよび軸受が設けられる。その場合、ロータは、中心ロータおよび複数の周囲ロータと共に、同心リングのラインに沿って組み立てられることが好ましい。別の構成では、複数のピニオンが、２つの接触点によってそれぞれ互いに連結される。この構成は、伝達歯車のうちの少なくともいくつかが重ねられることを伴う。具体的には、一方が外歯付きであり他方が内歯付きであり外歯付きの方を取り囲む、２つの同心歯車で構成された複数対の伝達歯車が使用されることが好ましい。各対は、好ましくは３つのピニオンを２つの接触点でそれぞれ駆動し、一方の接触点が対の内歯車とのものであり、他方の接触点が対の外歯車とのものである。このタイプの構成は、ロータ相互間のエネルギー伝達のはるかに高い安定性を与える。機械的応力は低くなり、ピニオン相互間のエネルギー分布がより良くなる。
【００２７】
本発明による装置の特定の使用は、エネルギー、特に電気エネルギーを特に風力タービンを使用して生成するユニットに付随しエネルギーの生成および／または消費の変動を吸収することを対象とする。
【００２８】
一般に、本発明による装置は、ロータを充電するために、風力タービンまたは太陽エネルギーによって電力供給されるモータなどの動力源に連結される。放電は通常、ロータの回転速度を電気に変換するために、発電機を通じて行われる。
【００２９】
本発明のいくつかの態様を添付図面でさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による装置の一実施形態の概略図である。
【図２】本発明による装置の別の実施形態の概略図である。
【図３】本発明による装置のさらに別の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１〜図３に示されている様々な実施形態の以下の詳細な考察では、類似部品は同じ参照番号で示されている。
【００３２】
本発明による慣性エネルギー蓄積装置１０はハウジング１２を備える。ハウジング１２は、図１に示されているように、最上部に蓋またはカバー１４を有するトレイタイプのタンク１３を備えることができる。ハウジング１２は、全体的に１６で示されているロータ室を画定する。ロータ室１６内には、ハウジング１２を貫通して延びる垂直回転シャフト２０を有するはずみ車などのロータ１８が、軸受２２を使用して回転可能に取り付けられる。一般に、回転シャフト２０の他端部は、ブラインド穴（図示せず）の中に、必要なら適切な軸受（やはり図示せず）を使用して取り付けられる。固体ロータ１８は、上端面２４および反対側の下端面２６を有する。直立壁２８は、２つの面２４、２６を連結するとともに、少なくとも使用中にフリー小ギャップ３２を残してハウジング１２の直立内壁３０とほぼ平行である。使用中、ロータ室１６内に２つの部分が区別される。上部３４が下部３８からシール３６によって切り離される。ガスが、真空ポンプまたはコンプレッサ４０によって所定の圧力（例えば１００ｍｂａｒの相対ゲージ圧）で下部３８に供給され、下端面２６に、この場合はシール３６の上流側の凹設中心領域４６に向けられる。上部３４は、低圧、例えば５ｍｂａｒに維持される。２つの部分間の圧力差により、ロータ１８の重量は部分的に補償され、ロータ１８は持ち上げられる。２つの部分３４および３８は気密密閉されないが、その代わりに、２つの部分３４および３８はシール３６を介して互いに流体連通する。
【００３３】
図１に示されている実施形態では、ハウジング１２の底に円錐プラットホーム４２が設けられ、円錐プラットホーム４２の上面４４には小凹所４５がある。ロータ１８の下端面２６には、プラットホーム４２と対をなす凹所４６が設けられる。プラットホーム４２の直立面４８には複数の円周溝５０が設けられ、円周溝５０は、凹所４６の対向平壁５２と共に、先に定義されたセミラビリンスシール３６をもたらす。凹所４５は、コンプレッサ４０のガス供給導管５４に連結される。コンプレッサ４０の吸引側は、吸込み導管５６を介して溝５０のうちの１つまたは複数に連結される。使用中、下部３８に供給されたガスはコンプレッサによって吸い取られ、上部３４内の真空が維持される。上部３４内の真空は、ロータ１８と上部内の媒体との間の摩擦の軽減に寄与する。図示されている実施形態では、凹所４６内のガスの速度は、ロータ１８の直立壁とハウジング１２の直立壁との間のギャップ３２中に存在する任意のガスに比べて比較的小さい。この構成は、総摩擦低減へのさらなる寄与を提供する。
【００３４】
図２に示されている実施形態では、ロータ１８は、平らな下端面２６を有する逆円錐台である。この場合、シール３６は、ハウジング１２の内側直立壁に垂直方向に離間して取り付けられた一連の水平翼の形をした突出部または薄板６０から組み立てられる。吸込み導管５６は、６２のところにあるハウジング１２の下方縁部分と２つ以上の薄板６０の間のシール３６とに連結される。装置内では、ガス供給導管５４およびガス吸込み導管５６が小さいギャップまたは通路７６を通じて流体連通する。
【００３５】
図３の実施形態では、仕切り７２を有する管７０が垂直回転シャフト２０を取り囲む。管７０は下端面２６内の環状凹所７４の中に延びていて、真空上部３４と下部３８との間にシール３６を形成する。仕切り７２の自由端７４は、フリー小ギャップまたは通路７６を残して下端面２６付近に配置される。ガス流が矢印で示されている。
【００３６】
本発明による装置は、通常、ロータに対する所定の持ち上げ条件、特に上部内の１０ｍｂａｒ未満の圧力および２つの反対端面間の所定の圧力差および／またははずみ車の軸受にかかる所定の垂直荷重を維持する目的で、コンプレッサの動作を調整するための圧力センサを使用する制御手段を備える。センサは、通常、上部および下部内に配置される。
【図１】
0005916022.tif 000002
【図２】
0005916022.tif 000003
【図３】
0005916022.tif 000004