(57)【要約】  ジャイロスコープ式ロールスタビライザは、周囲圧力未満を維持するように構成された支持フレームおよびエンクロージャを有するジンバルと、フライホイールおよびフライホイールシャフトを含むフライホイールアセンブリと、前記エンクロージャ内に前記フライホイールを回転可能に取り付けるための１つまたは複数のベアリングと、前記フライホイールを回転させるためのモータと、前記フライホイールを支持する前記ベアリングを冷却するためのベアリング冷却システムとを備える。前記ベアリング冷却システムは、前記ベアリングによって生成された熱が前記フライホイールシャフトを介して、前記フライホイールシャフトの端部のキャビティ内に配置されたヒートシンクに、または前記キャビティ内を循環する液体冷却剤に伝達されることを可能にする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボートのためのジャイロスコープ式ロールスタビライザであって、前記ジャイロスコープ式のスタビライザは、
ジンバル軸を中心に回転するためにジンバルに取り付けられ、周囲圧力未満を維持するように構成されたエンクロージャと、
フライホイールおよびフライホイールシャフトを含むフライホイールアセンブリと、
前記エンクロージャ内に前記フライホイールアセンブリを回転可能に取り付けるための１つまたは複数のベアリングと、
前記フライホイールアセンブリを回転させるためのモータと、
前記フライホイールシャフトの端部に形成された開口端キャビティと、
前記フライホイールシャフトから前記エンクロージャの外部に熱を伝達するために前記キャビティ内に延びる熱伝達部材と、
を備える、ジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項２】
前記熱伝達部材は、固体伝導によって前記フライホイールシャフトから前記熱伝達部材に熱が伝達されるように、前記キャビティの壁と表面接触する回転部材である、請求項１に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項３】
前記回転する熱伝達部材から前記静止する熱伝達部材への熱伝達を可能にするための前記回転する熱伝達部材の端部に隣接する第１の端部と、前記エンクロージャの外側の熱交換プレートに接続される第２の端部とを有する静止した熱伝達部材を更に備える、請求項２に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項４】
前記熱伝達部材の前記回転する構成要素と静止する構成要素との間にグリース膜をさらに備える、請求項２に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項５】
前記熱伝達部材は、前記キャビティの前記壁から離間している、請求項１に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項６】
前記熱伝達部材と前記キャビティの前記壁との間の隙間に含まれる液体熱伝達媒体を更に含み、前記液体熱伝達媒体を通じた伝導によって前記フライホイールシャフトから前記熱伝達部材に熱が伝達される、請求項５に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項７】
前記熱伝達媒体は、低蒸気オイルを含む、請求項６に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項８】
前記熱伝達部材は、前記エンクロージャの外側の熱交換プレートと接続し、前記熱交換プレートに固体によって熱を伝達する、請求項６または７に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項９】
前記モータは、前記フライホイールアセンブリが２０分以下の休止から加速される場合に、前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザと係合する時間を提供するように構成される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項１０】
前記モータは、前記フライホイールアセンブリが１０分以下の休止から加速される場合に、前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザと係合する時間を提供するように構成される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項１１】
前記モータは、前記フライホイールアセンブリが５分以下の休止から加速される場合に、前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザと係合する時間を提供するように構成される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項１２】
前記モータは、前記フライホイールアセンブリがその通常の動作速度の５０％以下に達した場合に、前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザと係合する時間を提供するように構成される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項１３】
前記モータは、前記フライホイールアセンブリがその通常の動作速度の２５％以下に達した場合に、前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザと係合する時間を提供するように構成される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項１４】
ボートのためのジャイロスコープ式ロールスタビライザであって、前記ジャイロスコープ式のスタビライザは、
ジンバル軸を中心に回転するためにジンバルに取り付けられ、周囲圧力未満を維持するように構成されたエンクロージャと、
フライホイールおよびフライホイールシャフトを含むフライホイールアセンブリと、
前記エンクロージャ内に前記フライホイールアセンブリを回転可能に取り付けるための１つまたは複数のベアリングと、
前記フライホイールアセンブリを回転させるためのモータと、
前記フライホイールシャフトの端部に形成された開放端キャビティと、
液体冷却剤を前記キャビティに送達するための冷却剤送達システムと、
前記フライホイールシャフトの前記キャビティに送達された前記液体冷却剤を収集するための前記フライホイールシャフトの前記端部に隣接して配置された収集システムと、
を備える、ジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項１５】
前記キャビティは、前記キャビティの底部から前記フライホイールシャフトの前記端部に向かって外向きに先細りすることにより、前記供給管を介して前記キャビティに送達された液体冷却剤が、前記液体冷却剤収集システムに向かう遠心力によって流れる、請求項１４に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項１６】
前記供給管に取り付けられ、前記キャビティ内の前記液体冷却剤の流れを制限するように構成された１つまたは複数のディスクをさらに備える、請求項１４に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項１７】
前記液体冷却剤の流れは、前記ディスクの外面と前記キャビティの内面との間の空間に制限される、請求項１６に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項１８】
前記キャビティ内の前記液体冷却剤の流れを制限するために、前記キャビティ内に配置された多孔質金属発泡体をさらに備える、請求項１４に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項１９】
前記モータは、前記フライホイールアセンブリが休止から加速される場合に、前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザと係合する２０分以下の時間を提供するように構成される、請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項２０】
前記モータは、前記フライホイールアセンブリが休止から加速される場合に、前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザと係合する１０分以下の時間を提供するように構成される、請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項２１】
前記モータは、前記フライホイールアセンブリが休止から加速される場合に、前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザと係合する５分以下の時間を提供するように構成される、請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項２２】
前記モータは、前記フライホイールアセンブリがその通常の動作速度の５０％以下に達した場合に、前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザと係合する時間を提供するように構成される、請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項２３】
前記モータは、前記フライホイールアセンブリがその通常の動作速度の２５％以下に達した場合に、前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザと係合する時間を提供するように構成される、請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項２４】
ジャイロスコープ式ボートロールスタビライザ内のベアリングを冷却する方法であって、前記方法は、
ジンバル軸を中心に回転するためにジンバル内に取り付けられ、且つ、ロール安定化のための逆トルクを提供するために周囲圧力未満に維持されたエンクロージャ内で、フライホイールおよびフライホイールシャフトを含むフライホイールアセンブリを回転させることと、
前記フライホイールアセンブリを支持するベアリングによって生成された熱を、前記フライホイールシャフトの一端のキャビティ内に延在する熱伝達部材に前記フライホイールシャフトを介して伝達することと、
前記熱伝達部材を介して固体伝導によって前記熱を前記エンクロージャの外部に伝達することと、
を含む方法。
【請求項２５】
前記熱伝達部材は、前記フライホイールアセンブリと共に回転し、且つ、固体伝導によって前記フライホイールシャフトから前記熱伝達部材に熱が伝達されるように前記キャビティの壁と表面接触している、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記熱伝達部材を介して前記エンクロージャの外部に前記熱を固体伝導によって伝達することは、
前記熱を静止した熱伝達部材に伝達することと、
前記静止した熱伝達部材から前記筐体の外部に配置された熱交換プレートに前記熱を伝達することと、
を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記熱を静止した熱伝達部材に伝達することは、前記回転する熱伝達部材と前記静止した熱伝達部材との間のグリース膜を介して前記熱を伝達することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記フライホイールアセンブリを支持するベアリングによって生成された熱を前記フライホイールシャフトを介して熱伝達部材に伝達することは、前記フライホイールシャフトと前記熱伝達部材との間の隙間を介して前記熱を伝達することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記隙間は熱伝達媒体を含み、前記熱は、液体伝導によって前記フライホイールシャフトから前記熱伝達部材に伝達される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記熱伝達媒体は低蒸気オイルである、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記熱伝達部材は、熱交換プレートと接続し、前記熱交換プレートに固体伝導によって熱を伝達する、請求項２８乃至３０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３２】
前記フライホイールアセンブリを休止から加速させることと、
加速開始から２０分未満で前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザを係合させることと、
をさらに含む、請求項２４乃至３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
前記フライホイールアセンブリを休止から加速させることと、
加速開始から１０分未満で前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザを係合させることと、
をさらに含む、請求項３４乃至３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３４】
前記フライホイールアセンブリを休止から加速させることと、
加速開始から５分未満で前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザを係合させることと、
をさらに含む、請求項２４乃至３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３５】
前記フライホイールアセンブリを休止から加速させることと、
前記フライホイールアセンブリが通常の動作速度の５０５以下に達した場合に前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザを係合させることと、
をさらに含む、請求項２４乃至３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３６】
前記フライホイールアセンブリを休止から加速させることと、
前記フライホイールアセンブリが通常の動作速度の５０５以下に達した場合に前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザを係合させることと、
をさらに含む、請求項２４乃至３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３７】
ジャイロスコープ式ボートロールスタビライザ内のベアリングを冷却する方法であって、前記方法は、
ジンバル軸を中心に回転するためにジンバル内に取り付けられ、且つ、ロール安定化のための逆トルクを提供するために周囲圧力未満に維持されたエンクロージャ内で、フライホイールおよびフライホイールシャフトを含むフライホイールアセンブリを回転させることと、
前記フライホイールシャフトの一端に形成されたキャビティを通して液体冷却剤を循環させることと、
前記フライホイールアセンブリを支持するベアリングによって生成された熱を前記フライホイールシャフトを通して前記液体冷却剤に伝達することと、
を含む、方法。
【請求項３８】
前記フライホイールシャフトの一端に形成された前記キャビティを通して前記液体冷却剤を循環させることは、
前記キャビティの開放端を介して前記キャビティに前記液体冷却剤を送達することと、
前記フライホイールシャフトから前記液体冷却剤に熱が伝達されるように、前記キャビティの底端から前記開放端に向かって前記キャビティの壁に沿って前記液体冷却剤を流すことと、
を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記キャビティの前記開放端から流れる前記液体冷却剤を収集し、再循環させることをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記キャビティの前記壁は前記底端から前記開放端に向かって外向きに先細りしており、前記キャビティの壁に沿って前記液体冷却剤を流すことは、前記液体冷却剤に遠心力を加えて、前記底端から前記開放端に向かって前記キャビティの前記壁に沿って前記液体冷却剤を流すことを含む、請求項３８または３９に記載の方法。
【請求項４１】
液体冷却剤を前記キャビティに送達することは、前記液体冷却剤を、前記フライホイールシャフトの長手方向軸に沿って延在する供給管を通して前記キャビティの底端に送達することを含む、請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４２】
前記キャビティ内の前記液体冷却剤の流れを遅くすることをさらに含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記キャビティ内の前記液体冷却剤の流れを遅くすることは、前記供給管に取り付けられた１つ以上のディスクの外縁と前記キャビティの前記壁との間の隙間に液体冷却剤の流れを制限することを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記キャビティ内の前記液体冷却剤の流れを遅くすることは、前記キャビティ内に配置された多孔質材料を通して前記液体冷却剤を流すことを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記多孔質材料は、多孔質金属発泡体を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４６】
前記フライホイールアセンブリを休止から加速させることと、
加速開始から２０分未満で前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザを係合させることと、
を含む、請求項３７乃至４６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４７】
前記フライホイールアセンブリを休止から加速させることと、
加速開始から１０分未満で前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザ係合させることと、
を含む、請求項３７乃至４６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４８】
前記フライホイールアセンブリを休止から加速させることと、
加速開始から５分未満で前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザを係合させることと、
を含む、請求項３７乃至４６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４９】
前記フライホイールアセンブリを休止から加速させることと、
前記フライホイールアセンブリが通常の動作速度の５０５以下に達した場合に前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザを係合させることと、
を含む、請求項３７乃至４６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５０】
前記フライホイールアセンブリを休止から加速させることと、
前記フライホイールアセンブリが通常の動作速度の５０５以下に達した場合に前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザを係合させることと、
を含む、請求項３７乃至４６のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１８年５月３１日に出願された米国仮特許出願第６２／６７８，４２２号、および２０１８年１１月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／７６８，３５６号の優先権を主張し、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、概して、ボートの横転運動（横方向のローリング運動）を減少させるためのボートロールスタビライザに関し、より詳細には、ジャイロ効果に基づいてボートのロールを減少させるための制御されたモーメントジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００３】
ボートの横転運動は、ボートの乗客及び乗組員に安全上の問題を生じさせ、ボートの横転運動に慣れていない乗客に不快感を生じさせる。ボートの横転運動を低減する多くの技術が現在存在する。現在使用されている１つの技術は、能動的なフィン安定化である。スタビライザフィンは、喫水線下のボートの船体に取り付けられ、風や波によるボートのロール（横揺れ）を軽減するために揚力を発生させる。アクティブフィン安定化の場合、ボートの運動を感知し、ボートの運動に基づいてフィンの角度を制御してロールに対抗する力を発生させる。フィン安定化は、大型ボートで最も一般的に使用され、ボートが進行中の場合に有効である。フィン安定化技術は、より小型のボートでは頻繁に使用されず、ボートが静止している場合には一般に効果がない。スタビライザフィンはまた、船体の抵抗を増大させ、損傷を受けやすい。
【０００４】
ジャイロスコープ式ボート安定化は、ジャイロスコープ効果に基づくロール抑制のためのもう一つの技術である。制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）をボートに搭載し、ボートのローリング運動を打ち消すために使用できるトルクを発生させる。ＣＭＧは高速で回転するフライホイールを含む。コントローラはボートの姿勢を感知し、フライホイールに蓄積されたエネルギーを使用して、ボートのローリング運動に対抗するトルクを船体に加えることによって、ボートの姿勢を「補正」する。ＣＭＧは、ボートが進行中であるときだけでなく、ボートが静止しているときにも機能する。ＣＭＧはまた、スタビライザフィンよりも安価であり、船体の抵抗を増大させず、損傷の危険にさらされない。
【０００５】
ＣＭＧは特に、より小型の漁船及びヨットのために人気が高まっているが、この技術には幾つかの限界がある。ボートのローリング運動を打ち消すのに使用されるエネルギーは、高速でフライホイールが回転することからくる。その結果、フライホイールを支持するベアリングに熱が蓄積され、ベアリングが故障する可能性があり、フライホイールに蓄積されるエネルギー量のために、ボートに極端な危険をもたらす。高いスピンレートを得るために、フライホイールは典型的には真空エンクロージャ内に収容され、これは放熱の問題をもたらす。
【０００６】
ＣＭＧに存在する別の問題は、フライホイールの所望の動作速度を得るための「スピンアップ」に著しく時間がかかることである。また、現在市販されているＣＭＧの中にはＣＭＧの使用準備が整うまでに７０分もかかるものもある。長時間の「スピンアップ」期間は、ボートに乗る機会のほとんどを占める短時間の移動のためには使用できないことを意味している。また、フライホイールが「スピンダウン」するまでには通常数時間程度の長い時間がかかる。フライホイールがスピンダウンしている間、フライホイールはうなり音を発生し続け、それにより、ボートが水上の目的地に到着した後、またはボートに乗った後にドックに戻った後、乗員の楽しみを妨げる可能性がある。
【発明の概要】
【０００７】
本開示は、ボート用のジャイロスコープ式ロールスタビライザに関する。前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザは、ジンバルに取り付けられ、且つ、周囲圧力未満の圧力を維持するように構成されたエンクロージャと、フライホイールおよびフライホイールシャフトを含むフライホイールアセンブリと、前記エンクロージャ内に前記フライホイールアセンブリを回転可能に取り付けるための１つまたは複数のベアリングと、前記フライホイールを回転させるためのモータと、前記フライホイールを支持する前記ベアリングを冷却するためのベアリング冷却システムとを含む。一実施形態では、前記ベアリング冷却システムは、前記フライホイールシャフトの端部内に形成されたキャビティ内に配置されたヒートシンクを備える。熱は、前記フライホイールシャフトから前記ヒートシンクに伝達され、次いで、固体伝導および／または液体伝導によって前記熱交換器に伝達される。別の実施形態では、液体冷却剤を前記フライホイールシャフトの端部のテーパ状キャビティ内に送達することによって冷却が達成される。前記キャビティは、遠心力によって前記液体冷却剤が前記シャフトの開放端に向かって流れるように成形され、そこで前記液体冷却剤は流体収集システムによって収集される。
【０００８】
本開示の一態様は、ボート用のロールスタビライザとして機能するように構成されたＣＭＧを動作させる方法を含む。ＣＭＧは、ジンバル軸を中心とした回転のためにジンバル内に取り付けられ、且つ、ロール安定化のための逆トルクを提供するために周囲圧力以下に維持されたエンクロージャ内において、フライホイールアセンブリを含む。前記フライホイールアセンブリは、フライホイールおよびフライホイールシャフトを含む。一実施形態では、前記方法は、前記フライホイールアセンブリを回転させることと、前記フライホイールアセンブリを支持するベアリングによって生成された熱を前記フライホイールシャフトを介して前記フライホイールシャフトの一端のキャビティ内に延びる熱伝達部材に伝達することと、前記熱伝達部材を介して固体伝導によって前記熱をエンクロージャの前記外部に伝達することとを含む。
【０００９】
別の実施形態では、前記方法は、前記フライホイールアセンブリを回転させることと、前記フライホイールシャフトの一端に形成されたキャビティを通して液体冷却剤を循環させることと、前記フライホイールアセンブリを支持するベアリングによって生成された熱を前記フライホイールシャフトを通して前記液体冷却剤に伝達することとを含む。
【００１０】
本開示の別の態様は、ボート用のジャイロスコープ式ロールスタビライザを含む。一実施形態では、前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザは、ジンバル軸を中心に回転するようにジンバルに取り付けられ、且つ、周囲圧力未満に維持するように構成されたエンクロージャと、フライホイールおよびフライホイールシャフトを含むフライホイールアセンブリと、前記エンクロージャ内に前記フライホイールアセンブリを回転可能に取り付けるための１つまたは複数のベアリングと、前記フライホイールアセンブリを回転させるためのモータと、前記フライホイールシャフトの端部に形成された開放端キャビティと、前記フライホイールシャフトから前記エンクロージャの外部に熱を伝達するために前記キャビティ内に延在する熱伝達部材とを備える。
【００１１】
別の実施形態では、前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザは、ジンバル軸を中心に回転するようにジンバルに取り付けられ、且つ、周囲圧力未満の圧力を維持するように構成されたエンクロージャと、フライホイールおよびフライホイールシャフトを含むフライホイールアセンブリと、前記エンクロージャ内に前記フライホイールアセンブリを回転可能に取り付けるための１つまたは複数のベアリングと、前記フライホイールアセンブリを回転させるためのモータと、前記フライホイールシャフトの端部に形成された開放端キャビティと、前記キャビティに液体冷却剤を送達するための冷却剤送達システムと、前記フライホイールシャフトの前記キャビティに送達された前記液体冷却剤を収集するために前記フライホイールシャフトの前記端部に隣接して配置された収集システムとを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】、
【図１Ｂ】図１Ａおよび図１Ｂは、本明細書に記載のＣＭＧを備えるボートを示す。
【図２】図２は、第１の実施形態に係るボートロールスタビライザとして構成されたＣＭＧの立面図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係るＣＭＧのエンクロージャの断面図である。
【図４】図４は、第１の実施形態に係るベアリング冷却システムを示す部分断面図である。
【図５】図５は、ＣＭＧ用の冷却回路を示す図である。
【図６】図６は、ＣＭＧのためのトルク制御システムを示す。
【図７】図７は、第２の実施の形態に係るベアリング冷却システムを示す部分断面図である。
【図８】図８は、第３の実施の形態に係るベアリング冷却システムを示す部分断面図である。
【図９】図９は、第４の実施の形態に係るベアリング冷却システムを示す部分断面図である。
【図１０】図１０は、第５の実施の形態に係るベアリング冷却システムを示す部分断面図である。
【図１１】図１１は、第６の実施の形態に係るベアリング冷却システムを示す部分断面図である。
【図１２】図１２は、第７実施形態のベアリング冷却システムを示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、図面を参照すると、図１Ａ及び図１Ｂは、ロール安定化のためにボート５に取り付けられたＣＭＧ１０を示す。ＣＭＧ１０の複数の実施形態について説明する。便宜上、以下の実施形態の説明では、同様の参照番号を使用して、各実施形態における同様の要素を示す。
【００１４】
次に図２および図３を参照すると、ＣＭＧ１０の主要な機能要素は、単軸ジンバル２０と、ジンバル軸Ｇを中心として（ジンバル軸Ｇの周りで）回転するためにジンバル２０に取り付けられたエンクロージャ３０と、エンクロージャ内部のベアリング５０によって取り付けられたフライホイールアセンブリ４０と、フライホイールアセンブリ４０を回転させるためのモータ６０と、フライホイールアセンブリ４０の歳差運動を制御するためのトルク制御システム７０（図５）とを備え、フライホイールアセンブリ４０のエネルギーがボート５の船体に伝達されてロール（横揺れ）運動を打ち消すようにする。実施形態の各々は、フライホイールベアリング４６を冷却するためのベアリング冷却システム１００をさらに備える。ベアリング冷却システム１００の種々のデザインが、図４および図７〜図１２に示されている。
【００１５】
ジンバル２０は、ボート５にしっかりと取り付けられるように構成された支持フレーム２２を備える。好ましくは、ジンバル２０は、ジンバル軸Ｇが長手方向軸（縦軸）Ｌに対して横方向に延びる状態でボート５の長手方向軸Ｌに沿って取り付けられる。従来、ジンバル２０は、ボート５の船体内に取り付けられるが、任意の場所に取り付けることができる。ジンバル２０の支持フレーム２２は、ベース２４と、２つの離間した支持体２６とを備えている。エンクロージャ３０を支持体２６に回転可能に取り付けるために、ベアリング２８が各支持体２６に取り付けられている。この目的のために、エンクロージャ３０は、エンクロージャ３０の直径方向に対向する側面から突出する２つのジンバルシャフト３２を含む。ジンバルシャフト３２は、ジンバルベアリング２８内で回転可能に軸支され、エンクロージャ３０およびフライホイールアセンブリ４０がジンバル軸Ｇを中心として前後方向に回転または前進できるようにする。
【００１６】
エンクロージャ３０の基本要素は、本明細書に記載される様々な実施形態において同じであるが、ベアリング冷却システム１００のデザインに応じて、いくつかの詳細が異なる。エンクロージャ３０はほぼ球形であり、２つの主ハウジングセクション（収容部）３４と、２つのカバープレート３６とを備えている。２つの主ハウジングセクション３４は、球形エンクロージャ３０を二分する平面に沿って接合する。カバープレート３６は、球形エンクロージャ３０の「極」により近いそれぞれの平面に沿って主ハウジングセクション３４を接合する。エンクロージャ３０内の全ての接合部（ジョイント）は、フライホイールアセンブリ４０上の空気抵抗を低減するために、エンクロージャ３０内で周囲圧力未満を維持するようにシール（封止、密封）されている。エンクロージャ３０の構造（構成）は本明細書に記載される実施形態では一般に同じであるが、ハウジングセクション３４およびカバープレート３５の詳細は、使用されるベアリング冷却システムのデザインに応じて、以下でさらに完全に説明されるように変化する。
【００１７】
図３を参照すると、フライホイールアセンブリ４０は、フライホイールアセンブリ４０の回転軸Ｆがジンバル軸Ｇに対して垂直になるように、ジンバル２０のエンクロージャ３０の内側で回転するために取り付けられたフライホイール４２とフライホイールシャフト４４とを備える。したがって、ボート５が水平であるとき、フライホイールシャフト４４の軸は垂直方向、すなわちボートのデッキに対して垂直方向になる。フライホイール４２およびシャフト４４は、一体のピースとして形成されてもよく、または２つの別個の構成要素を含んでもよい。１つの例示的な実施形態では、直径およびフライホイール４２は約２０．５インチであり、フライホイールアセンブリ４０は約６１４ポンド（ｌｂｓ）の総重量を有する。フライホイールアセンブリ４０は、約３２２７３重量ポンド毎平方インチ（ｌｂｉｎ２）の慣性モーメントを有する。９０００ｒｐｍの速度で回転すると、フライホイールアセンブリ４０の角運動量は、約２１１２２５ｌｂｍ  ｆｔ２／ｓである。
【００１８】
フライホイールアセンブリ４０は、エンクロージャ３０内部の上部および下部ベアリングアセンブリによって支持される。各ベアリングアセンブリは、ベアリングブロック５８内に取り付けられたベアリング５０を備える。各ベアリング５０は、フライホイールシャフト４４と接触して回転する内側レース５２と、ベアリングブロック５８の内部に取り付けられた外側レース５４と、内側レース５２と外側レース５４との間に配置されたボール５６とを備える。ベアリングブロック５８は、エンクロージャの内部に固定される。ベアリング５０の上部および下部には、ベアリング５０内に潤滑剤を収容するためのシール（図示せず）が配置されている。
【００１９】
モータ６０は高速度（例えば、９０００ｒｐｍ）でフライホイールアセンブリ４０を回転させる。モータ６０は、フライホイールシャフト４４に接続するロータ６２と、任意の適切な取り付けシステムによってエンクロージャ３０に固定されるステータ６４とを含む。モータ６０はエンクロージャ３０の内側に取り付けられて示されているが、モータ６０をエンクロージャ３０の外側に取り付けることも可能である。一実施形態では、モータ６０は２３０ボルトの単相交流電力で動作し、慣性モーメントが約３２，２７３ｌｂ  ｉｎ２のフライホイールを用いて、静止（休止）時から約９０００ｒｐｍの回転速度まで、好ましくは約５ｒｐｍ／ｓの平均加速度に対して約３０分以下で、より好ましくは約７．７５ｒｐｍ／ｓの平均加速度に対して約２０分以下で、さらに好ましくは約１５ｒｐｍ／ｓ（または１．５７ラジアン／ｓ２）の平均加速度に対して約１０分以下で、フライホイールアセンブリを加速することができる。
【００２０】
図５に示すトルク制御システム７０は、ジンバル軸Ｇを中心としたフライホイールアセンブリ４０の歳差運動の速度を制御する。波の作用によって生じるボート５のロール（横揺れ）運動は、ロール角とロール速度によって特徴付けることができる。ローリング運動は、フライホイール４２をジンバル軸Ｇを中心に歳差運動させる。センサ７４、７６はそれぞれ、ロール角度およびロール速度を測定し、これらはコントローラ７２に供給される。コントローラ１０２は、フライホイールアセンブリ４０の歳差運動の速度を制御するアクティブブレーキシステム又は他のトルク印加装置７８を制御するための制御信号を生成する。歳差運動の速度を制御することによって、フライホイールアセンブリ４０は、ローリング運動に対抗してトルクを生成する。このトルクは、ジンバル２０を通してボート５に伝達され、ボート５のロールを減衰させる。アクティブブレーキシステム７８の一例は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、「BrakingSystemForGyroscopicBoatRollStabilizer」という名称の、２０１９年４月３日に出願された米国仮出願第６２／８２８８４５号に記載されている。
【００２１】
フライホイールアセンブリ４０が高速で回転すると、ベアリング５０及びモータ６０は相当量の熱を生成し、これは危険なベアリングの故障につながる可能性がある。従来の空気および液体冷却技術は、ベアリング５０または真空環境内に収容される他の熱発生構成要素には適していない。ベアリング冷却システム１００の様々な実施形態がここに開示されており、ベアリング５０及びエンクロージャ内に収容された他の熱発生構成要素を、高い摩擦損失をもたらすベアリング５０又は他の熱発生構成要素とオイル又は液体冷却材との直接接触なしに、冷却することができる。一般に、熱は、固体伝導および／または液体伝導によって、オイル、グリコールまたは他の液体冷却剤によって冷却されるヒートシンクに伝達される。オイル冷却または液体冷却は、空冷または気体対流および伝導と比較して、より多くの熱を放散させることを可能にする。既存のＣＭＧにおける気体対流および伝導に依存することは、エンクロージャ３０の内部が典型的には周囲圧力以下に維持されるので、放散され得る熱量に厳しい制限を課す。従来技術のＣＭＧ１０における制限された熱伝達容量は、使用される電気モータのサイズに厳しい制限を課し、これは、ＣＭＧ１０を係合して使用する時間を制限する。従来のＣＭＧにおける電気モータは熱発生を避けるために小型であるため、従来のＣＭＧはフライホイールアセンブリ４０を所望の逆トルクおよびロール安定化を提供する速度まで加速するためにかなりの時間を必要とする。本明細書に記載されるように、ベアリング５０のより効率的な冷却を提供することは、ＣＭＧ１０を使用することの利益を著しく短い期間で得ることができるように、より大きくてより強力なモータ６０の使用およびフライホイールアセンブリ４０のより速い加速を可能にする。
【００２２】
図６は、液体冷却剤を循環させるための冷却回路８０の概略図である。流体リザーバ８２は、流体ポンプ８４によって「閉じた」回路で循環される液体冷却剤を含む。流体リザーバ８２は、流体リザーバ８２内の液体冷却剤を冷却するための熱交換器８３を含んでもよい。ベアリング５０によって放散された熱を収集した後、液体冷却剤は熱交換器８６を通過し、そこでベアリング５０によって生成された熱を以下でさらに完全に説明するように吸着して運び去る。いくつかの実施形態では、熱はフライホイールシャフト４４からヒートシンクに伝達され、次いで、熱交換器８６に固体伝導および液体伝導によって伝達される。他の実施形態では、フライホイールシャフト４４からフライホイールシャフト４４内のキャビティ４６を通して循環される液体冷却剤に熱が伝達される。この実施形態では、液体冷却剤への熱伝達がフライホイールシャフト４４のキャビティ４６内で起こるので、熱交換器８６は不要である。いくつかの実施形態では、エンクロージャ３０の内部に浸透する液体冷却剤を収集し、液体冷却剤を流体リザーバ８２に戻すために、掃気回路８８が設けられる。
【００２３】
図４は、ベアリング５０および／またはモータ６０によって生成された熱を放散するためにヒートシンクを使用するベアリング冷却システム１００の一実施形態を示す。フライホイールシャフト４４の上部は、今度はエンクロージャ３０内に固定されるベアリング５０内に固定される。各ベアリング５０は、外側レース５４と、ボール５６と、フライホイールシャフト４４と係合し、それと共に回転する内側レース５２とを含む。フライホイールシャフト４４は、その各端部にキャビティ４６を含む。フライホイールシャフト４４の各端部のキャビティ４６は、一端が開口しており、側壁と底壁とを含んでいる。
【００２４】
キャビティ４６内には、後述するように、ヒートシンクとして機能する熱伝達部材１０２が吊り下げられている（サスペンドされる）。熱伝達部材１０２は、キャビティ４６の側壁又は底壁と直接係合しない。むしろ、熱伝達部材１０２の外面は、キャビティ４６の側壁及び底壁から離間している。一実施形態では、熱伝達部材１０２とキャビティ４６の壁との間の間隔が約０．０６２”である。本明細書で論じる熱伝達部材１０２には、様々な材料を使用することができる。好ましくは、銅、アルミニウム、またはそれらの合金がそれらの比較的高い熱伝導率のために使用される。
【００２５】
熱伝達媒体は、熱伝達部材１０２とキャビティ４６の壁との間の隙間（ギャップ）に収容される。一例として、熱伝達媒体は、エンクロージャ３０内の低圧環境に適した低蒸気流体を含む。低蒸気流体は、水と比較して比較的低い沸点を有し、真空環境での使用に適した、オイル（油）などの液体である。例えば、真空環境用にデザインされたペルフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）潤滑剤などの航空宇宙潤滑剤を熱交換媒体として使用することができる。低蒸気流体は、液体伝導および液体対流によって、フライホイールシャフト４４から熱伝達部材１０２への熱の伝達を可能にする。ラビリンスシール１１０は、熱伝達部材１０２の周囲に延在し、キャビティ４６を効果的にシール（密封、封止）して、熱伝達媒体がキャビティ４６内に維持されるようにする。ラビリンスシール１１０は好ましくは熱伝達部材１０２に固定され、それは、フライホイールシャフト４４がラビリンスシール１１０の周りを回転することを意味する。
【００２６】
図４に見られるように、熱伝達部材１０２は、キャビティ４６から、エンクロージャ３０の一部を形成するカバープレート３６の開口を通って、熱交換器８６に突出する。カバープレート３６内の対応する溝内に配置されたシール１０８は、エンクロージャ３０内の真空を維持する。熱交換器８６は、カバープレート３６の外面に取り付けられる。熱交換器８６は、ハウジング１０６と、ハウジング１０６内に閉じ込められた熱交換プレート１０４とを備える。熱伝達部材１０２は、ファスナ１０３によって熱交換プレート１０４に固定され、その結果、熱伝達部材１０２はフライホイールシャフト４４内に形成されたキャビティ４６内に効果的に吊り下げされる（サスペンドされる）。より具体的には、熱交換プレート１０４がその底面に、熱伝達部材１０２の端部を受け入れる凹部を含む。熱伝達部材１０２の端部と熱交換プレート１０４との間の表面接触は、熱伝達部材１０２から熱交換プレート１０４への固体伝導による熱の効率的な伝達を容易にする。
【００２７】
図５に示すように、熱交換プレート１０４から熱を吸収して運び去るために、グリコール冷却剤のような液体冷却剤が熱交換器８６を通して循環される。熱交換プレート１０４の上面には、流体チャネルおよび／または冷却フィンを設けることができ、熱交換プレート１０４の表面積を増やし、熱交換プレート１０４から液体冷却剤への熱伝達を容易にする。
【００２８】
エンクロージャ３０がジンバル軸Ｇを中心に回転するとき、ＣＭＧのトルクから発生する高い側面荷重によって、ベアリングアセンブリ５０の内側レースおよび外側レースに熱が発生する。外側レース５４はエンクロージャ３０を通る連続的な熱伝導経路を有し、これにより、外側レース５４に関連する熱を大気中に排除することができる。内側レース５２は、エンクロージャ３０の部分を通るヒートシンク経路を必要とする。この実施形態では、ベアリングアセンブリ５０の内側レース５２からの熱が、固体伝導によってフライホイールシャフト４４に伝達される。次いで、熱は、フライホイールシャフト４４から熱伝達部材１０２への液体伝導によって伝達され、熱伝達部材１０２を通る熱交換プレート１０４への固体伝導によって伝達され、この熱は周囲の液体冷却剤へと連続的に排除される。いくつかの実施形態では、熱交換器８６は、液体冷却ではなく空気冷却またはガス冷却を採用することができる。
【００２９】
図７は、同じくヒートシンクを使用する別のベアリング冷却システム１００を示す。図７のこのベアリング冷却システム１００は、図４に示すデザインに類似している。主な違いは、熱伝達部材１０２、ラビリンスシール１１０、および熱交換プレート１０４の形状にある。この実施形態では、熱伝達部材１０２は、熱伝達媒体に曝される表面積を増大させるチャネルを含む。熱交換プレート１０４は、前の実施形態とは対照的に、溝又は羽根のない滑らかな上面を有する。しかし、熱伝達経路は本質的に同じである。すなわち、内部レース５２に関連する熱は、固体伝導によってフライホイールシャフト４４に伝達される。フライホイールシャフト４４に形成されたキャビティ４６は、上記のデザインと同様に、熱がフライホイールシャフト４４から低蒸気流体を通って熱伝達部材１０２の下部へ液体伝導によって伝達されるように、低蒸気流体を保持するように構成されている。その後、熱伝達部材１０２内の熱は、固体伝導によって熱交換プレート１０４に伝達される。液体冷却剤は、熱交換器８６内に入り、通過し、そして排出されて循環される。そうすることにより、液体冷却剤が熱交換プレート１０４に接触し、熱交換プレート１０４に関連する熱が循環液体冷却剤に伝達される。
【００３０】
図８は、ヒートシンクを用いたジャイロスコープ式ボート安定化のためのベアリング冷却システム１００の別の代替デザインである。このデザインは概念的には前述のデザインと同様であるが、数点で異なる。第１に、２つの熱伝達部材１０２Ａおよび１０２Ｂがある。熱伝達部材１０２Ａは、フライホイールシャフト４４内のキャビティ４６に挿入され、フライホイールシャフト４４と共に回転する。キャビティ４６の壁と熱伝達部材１０２Ａとの間の密接な表面収縮は、フライホイールシャフト４４から熱伝達部材１０２Ａへの固体伝導による熱伝達を容易にする。熱伝達部材１０２Ｂは、カバープレート３６の開口を通り、第１の熱伝達部材１０２Ａと軸方向に整列している（位置合わせされている）。熱伝達部材１０２Ｂの一端は、熱交換プレート１０４に接続している。後述するように、熱伝達部材１０２Ａ、１０２Ｂの当接端部間には小さな隙間が維持される。導電性の低い気体グリースの光膜が熱伝達部材１０２Ａ及び１０２Ｂの当接端間のインターフェースに適用され、摩損を防止し、熱伝達部材１０２Ａ及び熱伝達部材１０２Ｂからの熱伝達を容易にする。グリースは、ラビリンスシール１１４によって漏れ出ることが防止される。ベアリングアセンブリ５０の内側レース５２から熱を放散する過程で、熱は、内側熱伝達部材１０２Ａからグリースの薄膜を介して外側熱伝達部材１０２Ｂに伝達される。
【００３１】
予め負荷されたバネ１１２が、熱交換プレート１０４とエンクロージャ３０のカバープレート３６との間に介在している。この理由は、エンクロージャ３０内の真空が外側熱伝達部材１０２Ｂを内側に引っ張る傾向があるからである。したがって、バネ１１２が、真空力のバランスをとり、熱伝達部材１０２Ａと１０２Ｂとの間の所望の間隔を維持するために採用される。
【００３２】
このデザインにおける熱伝達経路は、前述の２つの実施形態と本質的に同じである。ベアリングアセンブリ５０の内側レース５２に関連する熱は、内側レース５２からフライホイールシャフト４４へ、およびフライホイールシャフト４４から第１の熱伝達部材１０２Ａへの固体伝導によって伝達される。第１の熱伝達部材１０２Ａ内の熱は、グリースの薄膜を介して第２の熱伝達部材１０２Ｂに伝達され、熱伝達部材１０２Ｂから熱交換プレート１０４に固体伝導することによって伝達される。熱交換器８６内を循環する液体冷却剤は、熱交換プレート１０４内の熱を吸着して運び去る。
【００３３】
図９〜図１４は、フライホイールシャフト４４の端部のキャビティ４６内で循環される液体冷却剤に熱が伝達されるベアリング冷却システム１００の実施形態を示す。この場合、液体冷却剤への熱伝達は、フライホイールシャフト４４内のキャビティ４６内で生じる。以下の議論は、主として、熱伝達に関与する要素に焦点を当てる。以下に述べる場合を除いて、ジンバル２０、エンクロージャ３０、フライホイール４０、ベアリングアセンブリ５０及びモータ６０（図示せず）の基本的なデザインは、上述したものと本質的に同じである。したがって、以下の説明は、これらの要素の詳細のすべてを繰り返さない。図９及び図１０に示す実施形態では、フライホイールシャフト４４の端部は、特別に形成されたキャビティ４６を含み、そこに液体冷却剤が送達又は注入される。各キャビティ４６は、フライホイールシャフト４４の長手方向軸に沿って延び、キャビティ４６の底部または閉鎖端部がベアリング５０に隣接するようになっている。キャビティ４６は、フライホイールシャフト４４の端部に向かって延びるにつれて、外側に向かって先細りしている（テーパを付けている）。供給管８５は、液体冷却剤をキャビティ４６の底端部に送達する。キャビティ４６の形状は、シャフト４４が高速で回転するとき、液体冷却剤を、キャビティ４６の側壁に沿ってフライホイールシャフト４４の端部に向かって流れさせる。流体リザーバ８２の入力側に接続された収集マニホールド９０が、キャビティ４６の開放端に隣接して配置され、フライホイールシャフト４４内のキャビティ４６の開放端から流れる液体冷却剤を収集し、再循環させる。ラビリンスシールは、フライホイールシャフト４４の端部と収集マニホールド９０との間に非接触シールを提供する。
【００３４】
収集マニホールド９０は、その底壁に開口部９２を備えた概ね円形のマニホールドと、オイルまたは液体の冷却剤が再循環されるマニホールド９０の側壁に沿った１つ以上の流体出口９３とを備える。供給管８５は、マニホールド９０の上壁の開口部９６を通過し、この開口部は、ｏリングシール９８によってシールされる。加えて、弾性偏向器シールド９５が供給管８５に取り付けられて、流体を収集マニホールド９０の上壁の開口部９６から偏向させる。マニホールド９０の底壁の内部側の開口部９２の周囲には、丸みを帯びた突出部９４が形成されている。以下により詳細に説明するように、丸みを帯びた突出部９４は、オイルがエンクロージャ３０の内部に浸透するのを防止するためにラビリンスシールの一部を形成する。
【００３５】
図９に示す実施形態では、ベル形状のライナ１２０がフライホイールシャフト４４内の各キャビティ４６に挿入される。ライナ１２０は、ラビリンスシールを形成するために、１／１２８インチ〜１／３２インチの範囲のフレア端部１２２と丸みを帯びた突出部９４との間の隙間を有して、収集マニホールド９０の底部の開口部９２を取り囲む丸みを帯びた突出部９４上を半径方向外側に延びるフレア端部１２２を含む。隙間の大きさと、フライホイールシャフト４４と共にライナ１２０が回転することとにより、流体がエンクロージャ３０の内部に移動するのを防止する。液体冷却剤がラビリンスシールを通過して漏れた場合には、掃気回路８８によって収集され、戻されることができる。
【００３６】
図１０は、ラビリンスシールを形成するための代替システムを示す図である。この実施形態では、フライホイールシャフト４４の開放端に隣接する流体キャビティ４６の側壁にショルダ４８が形成される。図１０に最もよく示されている環状シール部材１２４が、キャビティ４６の開放端に挿入される。シール部材１２４の内面は、フライホイールシャフト４４の回転軸に向かって内側に膨らむ。液体冷却剤がキャビティ４６の開放端に向かって流れると、流体はその膨張に遭遇し、この膨張は、流体の流れをフライホイールシャフト４４の回転軸に向かって導き、流体の流速を減少させる。その結果、液体冷却剤はフライホイールシャフト４４に長時間接触したままであり、より大量の熱を吸収する。シール部材１２４の外側端部は、ラビリンスシールを形成するために、１／１２８インチ〜１／３２インチの範囲の指状要素１２６と丸みを帯びた突出部９４との間に隙間を有して、収集マニホールド９０内の開口部を取り囲む丸みを帯びた突出部９２上に延在する指状要素１２６を含む。前述の実施形態と同様に、隙間の大きさおよびシール部材１２４の回転によって、液体冷却剤がエンクロージャ３０の内部に移動するのを防止する。
【００３７】
図１１および図１２は、シャフト４４の端部のキャビティ４６からの液体冷却剤の流れを制御するための追加の流れ制御特徴を備えた、図９および図１０の実施形態と同様の実施形態を示す。一般に、流れ制御特徴は、熱交換のための、すなわちシャフト４４からオイルまたは液体冷却剤への熱の伝達のための十分な時間を提供するために、オイルまたは液体冷却剤の流れを減速するように設計される。図１１に示す実施形態では、一連の固体ディスク１３０が供給管８５に取り付けられ、ライナ１２０に向かって半径方向外側に延びている。オイル又は液体冷却剤の流れは、ディスク１３０の外縁又は外周とライナ１２０との間の小さな隙間に制限される。図１２に示す実施形態では、金属発泡体のような多孔質材料１３２が、供給管８５の中心を下るボアと共に、フライホイールシャフト４４内のキャビティ４６内に配置されている。供給管８５を介して供給されたオイルまたは液体冷却剤は、多孔質金属発泡体または他の多孔質材料１３２を通って逆流し、この多孔質金属発泡体または他の多孔質材料は、オイルまたは液体冷却剤に熱を伝達する。また、熱伝達のための時間を提供するために、オイルまたは液体冷却剤の流れを減速するための他の同様の技術を使用してもよい。
【００３８】
別の実施形態では、ベアリング冷却システム１００は、フライホイールベアリング５０の内側レース５２に接触するフライホイールシャフト４４の端部に取り付けられた導電性金属キャップ（図示せず）を備える。一実施形態では、金属キャップは、フライホイールシャフト４４内に同様に形成された溝に延びてフライホイールシャフト４４から金属キャップに熱を伝導する細長い導電性要素をさらに含む。液体冷却剤が、金属キャップに噴霧される。フライホイールシャフト４４の回転によって、液体冷却剤が外側に流れ、そこで流体収集システムによって収集される。ラビリンスシールは、金属キャップと流体収集システムとの間に非接触シールを提供し、フライホイールシャフト４４に作用する摩擦力を低減する。
【００３９】
本明細書に記載されるベアリング冷却システム１００は、現在の技術と比較して、より大きなモータ６０を用いても、はるかに大きな熱放散を可能にし、より大きなモータ６０の使用およびより低い動作温度を可能にするより大きなモータおよびより低い動作温度は、フライホイールアセンブリ４０の迅速なスピンアップおよびスピンダウン、ならびにはるかに少ない係合時間を可能にする。
【００４０】
使用時には、ジンバル２０は、通常、スピンアップ中に、すなわちフライホイールアセンブリ４０が加速されている間にロックされ、所定の回転速度が達成されるまでフライホイール４２の歳差運動を防止する。従来のＣＭＧでは、通常、ジンバル２０はフライホイールアセンブリ４０が最大回転速度の７５〜８０％以上に達するまでロックされる。フライホイールアセンブリ４０が加速されている間は摩擦による損失を防止するために、ジンバル２０をロックすることが必要である。従来のＣＭＧ内のジンバル２０があまりにも早くロック解除される場合、摩擦損失は、より小さなモータがフライホイールアセンブリ４０を加速するのを妨げるか、または、フライホイールアセンブリ４０の加速を大幅に減少させ、結果として、はるかに長いスピンアップ期間をもたらすことになる。
【００４１】
真空環境内に維持されるＣＭＧ１０のためのベアリング冷却における現況の技術は、交互織りフィン（織り合わせフィン（interwovenfin））を使用し、熱を放散させるために交互織りフィン間の気体伝導に主に依存している。例えば、米国特許７５４６７８２号、米国特許８１１７９３０号を参照されたい。熱伝達の一次モードとしての気体伝導への依存は、気体伝導が液体伝導または固体伝導より効率が低いので、放散され得る熱量を厳しく制限する。また、交互織りフィンの熱伝達能力は、交互織りフィンの表面積によって制限される。より小さい表面積は、より小さい熱伝達能力を意味する。ＣＭＧ１０のエンクロージャ３０が収縮することにつれて、交互織りフィンのために利用可能なスペースが少なくなる。これらの要因は、ＣＭＧ１０のための熱バジェットに厳しい制限を課す。
【００４２】
ＣＭＧ１０内には、エンクロージャ３０内部のモータ６０によって生成される熱と、ベアリングの摩擦によって生成される熱との２つの主要な熱源が存在する。ベアリングの故障を防止するために、ベアリング５０からの熱を放散させるためには、熱バジェットの大きなパーセンテージが必要である。ベアリング冷却を説明した後の熱バジェットの残りの部分は、エンクロージャ３０の内部で使用することができるモータ６０のサイズを決定する。したがって、熱放散のために交互織りフィンを使用する従来のＣＭＧ１０は、モータ６０のサイズに制限される。モータ６０が大きすぎる場合、交互織りフィンの熱伝達能力を超えてしまう。
【００４３】
モータの大きさに制限があると、ＣＭＧ１０のフライホイール４２の加速プロファイルが悪くなり、ＣＭＧ１０を使用できるまでの待ち時間が長くなることを意味する。ボート乗りは通常、開始後にできるだけ早くＣＭＧ１０を使用したいと考えている。前述したように、ＣＭＧ１０は、通常、フライホイールアセンブリ４０を垂直位置にして、フライホイール４２が最低動作速度（通常、その通常動作速度の約７５％〜８０％）に達するまでロックされる。現在市販されているＣＭＧ１０はフライホイール４２を係合させることができる最低動作速度に達するのに３０分以上かかることがあり、一方、多くのボート移動、特に小型ボートでは３０分以下である。これは、係合（フライホイールアセンブリ４０のロック解除）までの待ち時間が、多くのボート移動よりも長くなることを意味する。
【００４４】
従来のＣＭＧ１０におけるモータ６０のサイズは、ＣＭＧ１０が係合することができる（すなわち、ロック解除される）最低動作速度に歯止めをかけてしまう。ＣＭＧ１０は、通常、フライホイールアセンブリ４０が加速されているときに歳差運動を防止するためにロックされる。ＣＭＧ１００は、アクティブブレーキシステム７８によってエンクロージャ３０の回転を防止するためにロックすることができる。ＣＭＧ１０がロック解除されると、フライホイール４２の歳差運動は、ベアリング５０に大きな側方荷重を与えることになる。モータ６０によって克服されなければならない、ベアリング５０の側方荷重からのベアリング摩擦は、すでに遅い加速率を劇的に減少させるのであろう。低加速率は、通常の動作速度に達するまでの時間が１０分ではなく数時間程度であることを意味し、それは通常のボート乗りには受け入れられないであろう。場合によっては、モータ６０が克服するには摩擦負荷が大き過ぎて、フライホイールアセンブリ４０のさらなる加速が不可能となり、通常の動作速度に到達することができなくなる可能性がある。
【００４５】
別の考慮点は、フライホイールアセンブリ４０が加速されているときにはモータ６０への電力が最大であり、フライホイールアセンブリ４０がその通常の動作速度に達すると減少することである。これにより、モータ６０が加速しているときにモータ６０によってより多くの熱が発生する。また、モータ６０によって生成される追加の熱は、モータ６０からの追加の熱がベアリング冷却システムの設計限界を超えることがあるので、係合するための時間を制限する。
【００４６】
本明細書に記載されるベアリング冷却システム１００は、より効率的な熱伝達を可能にし、これにより、はるかに大きな熱伝達容量および大幅に増加した熱バジェットを可能にする。増加した熱バジェットは、より多くの熱を生成する、より大きく且つより強力なモータ６０を、ベアリングの故障の恐れなしに使用することができることを意味する。より大きく且つより強力なモータ６０により、ＣＭＧ１０は、フライホイールアセンブリ４０のより大きな加速、及び従来のＣＭＧ１０よりもはるかに少ない係合時間を達成することができる。同じ最小動作速度を仮定して係合する時間が自然に短くなるより大きな加速度に加えて、より大きなモータ６０はフライホイールアセンブリ４０をより低い動作速度にすること可能にし、これは、より大きなモータ６０がベアリング５０の負荷からの付加的な摩擦を克服することができるので、係合する時間をさらに短縮する。例えば、１００００〜１５０００ワットの定格のモータ６０は潜在的に、数分のオーダーで係合する時間を達成することができる。
【００４７】
一例として、約３２２７３ｌｂ  ｉｎ２に等しい慣性モーメントを有する上述のフライホイールアセンブリ４０は、約３０分以下で休止から９０００ｒｐｍに加速することができ、これは約５ｒｐｍ／ｓ以上の平均加速度に等しく、好ましくは約２０分以下であり、これは約７．５ｒｐｍ／ｓ以上の平均加速度に等しく、さらに好ましくは約１０分以下であり、これは約１５ｒｐｍ／ｓ以上の平均加速度に等しい。加えて、本明細書で説明するように、ＣＭＧ１０が係合する時間は、ジンバル２０がロック解除されたときの摩擦による損失を克服するのに十分にモータ６０が強力であるので、はるかにより短い。例えば、約３２２７３ｌｂ  ｉｎ２に等しい慣性モーメントを有するフライホイールアセンブリ４０では、係合する時間（動作速度の７５％と仮定する）が約２０分未満、より好ましくは約１０分未満、さらにより好ましくは５分未満である。迅速なスピンアップ及びより短い係合時間は、ボート移動の大部分を構成する短い移動時間であってもＣＭＧ１０の有益な使用を可能にする。したがって、迅速なスピンアップは、ＣＭＧ１０がはるかに多くのボート機会に使用されることを可能にする。
【００４８】
同様に、スピンダウンは、現在の技術と比較して、数時間ではなく数分のオーダーである。気体伝導と対流に依存する交互織りフィンを有する冷却システムは、高温（例えば、華氏４００度）で動作し、熱を比較的ゆっくり放散する。このようなシステムでは、フライホイールがあまりにも速く停止されると、熱は構成要素にあまりにも反りを生じさせ、その結果、ベアリング寿命が数年ではなく数ヶ月または数日に短縮されることがある。本明細書に記載される冷却システムは、ＣＭＧ１０をより低い温度（例えば、華氏２００度）で動作させることを可能にし、熱を除去するのに極めて効率的である。その結果、スピンダウン時間は３〜５時間からほんの数分に短縮される。急速なクールダウン期間と同様に、この減少したランニング温度は、極めてバランスの取れた回転構成要素の反りを防止し、従って、スピンダウン時間は大幅に減少する。スピンダウン時間が短いため、スピンしているフライホイールからの煩わしい騒音や振動が排除され、ボート乗りから戻った後の平和と穏やかさを享受することができる。
【００４９】
一般に、比較的小さなフライホイールを有するＣＭＧ１０は、より大きなフライホイールを有するＣＭＧ１０よりも高い回転速度で動作する。より小さいＣＭＧ１０は、典型的には９０００ｒｐｍ以上で回転し、４００００ｌｂｉｎ２未満の慣性モーメントを有する、重量が７００ｌｂ以下のフライホイールを含む。より小さいＣＭＧ１０は、典型的には９０００ｒｐｍ以上で回転し、４００００ｌｂｉｎ２未満の慣性モーメントを有する、重量が７００ｌｂ以下のフライホイール４２を含む。より大きなＣＭＧ１０は、通常、９０００ｒｐｍ未満で回転し、４００００ｌｂｉｎ２よりも大きな慣性モーメントを有する、重量が７００ｌｂを超える重量のフライホイール４２を含む。
【００５０】
以下の表１は、８つの異なるＣＭＧ１００についてのスピンアップ時間および係合する時間を示し、ここで、加速度は、より小さいＣＭＧ１０については５ｒｐｍ／ｓであり、より大きいＣＭＧ１０については２．５ｒｐｍ／ｓである。係合する時間は、フライホイールアセンブリ４０がその通常動作速度の７５％に達する時点であると仮定される。
【００５１】
【表１】
2021526102.tif 000003
【００５２】
以下の表２は、８つの異なるＣＭＧ１００についてのスピンアップ時間および係合する時間を示し、ここで、加速度は、より小さいＣＭＧ１０については１０ｒｐｍ／ｓであり、より大きいＣＭＧ１０については５ｒｐｍ／ｓである。係合する時間は、フライホイールアセンブリ４０がその通常動作速度の７５％に達する時点であると仮定される。
【００５３】
【表２】
2021526102.tif 000004
【００５４】
以下の表３は、８つの異なるＣＭＧ１００についてのスピンアップ時間および係合する時間を示し、ここで、加速度は、より小さいＣＭＧ１０については５ｒｐｍ／ｓであり、より大きいＣＭＧ１０については７．５ｒｐｍ／ｓである。係合する時間は、フライホイールアセンブリ４０がその通常動作速度の７５％に達する時点であると仮定される。
【００５５】
【表３】
2021526102.tif 000005
【００５６】
以下の表４は、８つの異なるＣＭＧ１００についてのスピンアップ時間および係合する時間を示し、ここで、加速度は、より小さいＣＭＧ１０については２．５ｒｐｍ／ｓであり、より大きいＣＭＧ１０については５ｒｐｍ／ｓである。係合する時間は、フライホイールアセンブリ４０がその通常動作速度の７５％に達する時点であると仮定される。
【００５７】
【表４】
2021526102.tif 000006
【００５８】
表１〜４に示す例では、フライホイールアセンブリ４０がその通常動作速度の７５％に達したときに、ＣＭＧ１０が係合、すなわちロック解除されていると仮定している。本開示の利点の１つは、ＣＭＧ１０がロック解除されたときに、ベアリング５０内の摩擦損失を克服することができる、より大きなモータ６０を使用できることである。従って、フライホイールアセンブリがその通常動作速度の５０％、又はその通常動作速度の２５％にさえ達したときにＣＭＧ１０のロックを解除することによって、係合する時間を更に減少させることができる。
【００５９】
表５〜８は、ＣＭＧ１０が通常の動作速度の５０％でロック解除されるシナリオでの係合時間を示す。
【００６０】
【表５】
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【００６１】
【表６】
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【００６２】
【表７】
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【００６３】
【表８】
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【００６４】
【表９】
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【００６５】
【表１０】
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【００６６】
【表１１】
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【００６７】
【表１２】
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【００６８】
本明細書に記載されるベアリング冷却システム１００は、フライホイールアセンブリ４０に対するより速い加速度を可能にし、これは、ＣＭＧ１０と係合するためのより短い時間に変換する。係合する時間がより短いことは、短期間の移動においてもＣＭＧ１０の有益な使用を可能にする。より小型のユニットでは、ベアリング冷却システム１００は、４００００ｌｂ  ｉｎ２未満の慣性モーメントを有するフライホイールアセンブリ４０を５ｒｐｍ／ｓ以上の速度で加速できるようにするのに効果的である。より小さいユニットに対して３０ｒｐｍ／ｓより大きい加速度が達成可能である。より大きなユニットの場合、ベアリング冷却装置は、４００００ｌｂ  ｉｎ２より大きい慣性モーメントを有するフライホイールアセンブリ４０を２．５ｒｐｍ／ｓ以上の速度で加速することを可能にするのに効果的である。より大きなユニットに対して１５ｒｐｍ／ｓを超える加速度が達成可能である。また、ベアリング冷却システムは、ボートの静かな楽しみが、フライホイールアセンブリ４０が静まる際に発生する騒音によって妨げられることがないように、高速スピンダウン時間を可能にする。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年1月26日(2021.1.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボートのためのジャイロスコープ式ロールスタビライザであって、前記ジャイロスコープ式のスタビライザは、
ジンバル軸を中心に回転するためにジンバルに取り付けられ、周囲圧力未満を維持するように構成されたエンクロージャと、
フライホイールおよびフライホイールシャフトを含むフライホイールアセンブリと、
前記エンクロージャ内に前記フライホイールアセンブリを回転可能に取り付けるための１つまたは複数のベアリングと、
前記フライホイールアセンブリを回転させるためのモータと、
前記フライホイールシャフトの端部に形成された開口端キャビティと、
前記フライホイールシャフトから前記エンクロージャの外部に熱を伝達するために前記キャビティ内に延びる熱伝達部材と、
を備える、ジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項２】
前記熱伝達部材は、前記キャビティの前記壁から離間している、請求項１に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項３】
前記熱伝達部材と前記キャビティの前記壁との間の隙間に含まれる液体熱伝達媒体を更に含み、前記液体熱伝達媒体を通じた伝導によって前記フライホイールシャフトから前記熱伝達部材に熱が伝達される、請求項２に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項４】
前記熱伝達媒体は、低蒸気オイルを含む、請求項３に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項５】
前記モータは、前記フライホイールアセンブリが休止から加速される場合に、前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザと係合する１０分以下の時間を提供するように構成される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のジャイロスコープ式ロールスタビライザ。
【請求項６】
ジャイロスコープ式ボートロールスタビライザ内のベアリングを冷却する方法であって、前記方法は、
ジンバル軸を中心に回転するためにジンバル内に取り付けられ、且つ、ロール安定化のための逆トルクを提供するために周囲圧力未満に維持されたエンクロージャ内で、フライホイールおよびフライホイールシャフトを含むフライホイールアセンブリを回転させることと、
前記フライホイールアセンブリを支持するベアリングによって生成された熱を、前記フライホイールシャフトの一端のキャビティ内に延在する熱伝達部材に前記フライホイールシャフトを介して伝達することと、
前記熱伝達部材を介して固体伝導によって前記熱を前記エンクロージャの外部に伝達することと、
を含む方法。
【請求項７】
前記フライホイールアセンブリを支持するベアリングによって生成された熱を前記フライホイールシャフトを介して熱伝達部材に伝達することは、前記フライホイールシャフトと前記熱伝達部材との間の隙間を介して前記熱を伝達することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記隙間は熱伝達媒体を含み、前記熱は、液体伝導によって前記フライホイールシャフトから前記熱伝達部材に伝達される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記熱伝達媒体は低蒸気オイルである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記フライホイールアセンブリを休止から加速させることと、
加速開始から１０分未満で前記ジャイロスコープ式ロールスタビライザを係合させることと、
をさらに含む、請求項６乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【国際調査報告】
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