(57)【要約】【課題】  フライホイールの回転体がスラスト力を失い、軸受で接触回転する場合においても、接触回転により発生した熱を効果的に冷却することのできる超電導コイルを利用した超電導フライホイールシステムを提供することにある。【解決手段】  超電導を利用して、回転エネルギーを貯蔵するための回転体１１を浮上させる超電導フライホイールシステム１において、回転体１１を真空中に維持する外槽容器７と、回転体１１の接触回転を維持するスラスト軸受４と、回転体１１が浮上しているか否かを判定するための位置センサ９と、位置センサ９の測定結果に基づいて、外槽容器７内に大気を導入する真空バルブ８とを備えている。【選択図】      図１
2008304045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導を利用して、回転エネルギーを貯蔵するための回転体を浮上させる超電導フライホイールシステムにおいて、
前記回転体を真空中に維持するための容器と、
前記回転体が浮上していない場合、前記回転体を接触させ、前記回転体の回転を維持するスラスト軸受手段と、
前記回転体が浮上しているか否かを判定するための判定手段と、
前記判定手段に基づく判定結果が否の場合、前記容器に大気を導入する大気導入手段と
を備えたことを特徴とする超電導フライホイールシステム。
【請求項２】
前記大気導入手段により導入された大気を、前記スラスト軸受手段に誘導するための誘導手段と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の超電導フライホイールシステム。
【請求項３】
前記回転体を接触させ、前記回転体の回転軸の径方向の位置を制御するラジアル軸受手段と、
前記大気導入手段により導入された大気を、前記ラジアル軸受手段に誘導するための誘導手段と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の超電導フライホイールシステム。
【請求項４】
前記誘導手段は、前記大気導入手段により導入された大気の通過する経路を流速が早くなるように狭くしたこと
を特徴とする請求項３に記載の超電導フライホイールシステム。
【請求項５】
前記大気導入手段は、予め予想した前記回転体が停止するまでの時間よりも大気の導入時間が長くなるように調整したこと
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導フライホイールシステム。
【請求項６】
前記大気導入手段は、予め予想した前記回転体が停止するまでの時間よりも長く、前記回転体の停止直後も大気による冷却効果を得られるような大気の導入時間に調整したこと
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導フライホイールシステム。
【請求項７】
前記回転体の回転速度に基づいて、前記大気導入手段による前記容器への導入量を変化させること
を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導フライホイールシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導を利用した超電導フライホイールシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、超電導フライホイールシステムと呼ばれているものには、高温超電導バルク材と永久磁石の間に働く磁力によりスラスト力（浮上力）を出すもの（例えば、特許文献１参照）、超電導コイルによる電磁力によりスラスト力（浮上力）を出すもの（例えば、特許文献２参照）あるいは、その両方を活用したもの（例えば、特許文献３参照）がある。いずれの場合も、超電導の技術を応用して、回転体を非接触で浮上させ、回転させている。このようにして、超電導フライホイールシステムは、エネルギー損失を最小化し、エネルギーを効率的に貯蔵させるシステムである。このようにして貯蔵されたエネルギーは、電力の負荷調整や停電時の電力補償など電力供給の安定化に活用される。
【特許文献１】特開２００３−０４９８３６号公報
【特許文献２】特開２００２−００５１６５号公報
【特許文献３】特開２００３−２１９５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述したように、超電導フライホイールシステムにおいては、超電導技術を応用して、回転体を浮上させている。このため、使用されている超電導材料の超電導状態を維持するために、小型冷凍機などを用いて該当部位を、極低温に冷却する必要がある。
【０００４】
一方、超電導フライホイールシステムは、停電等にて系統電力を喪失した際には、フライホイールの回転エネルギーを電気エネルギーに変換して放出する。この変換された電気エネルギーを用いて、電力の補償を行う。
【０００５】
ここで、電力を補償している間に系統電力が回復しない場合には、いずれ超電導フライホイールシステムは次第に発電能力が低減する。これに伴い、冷凍システムも停止することになる。冷凍システムが停止すると、超電導部位の温度が次第に上昇する。超電導部位の温度が上昇し続けると、超電導状態が破れる（クエンチ）ことになる。その結果、回転体は、浮上力を失う。浮上力を失うと、回転体はスラスト補助軸受に着地する。着地後は、外部へのエネルギー放出が完了するまでは、スラスト補助軸受上で接触回転をする。このような現象は、停電時だけでなく、超電導コイル電源や冷凍機システムのトラブル時等にも起こりうる。
【０００６】
スラスト補助軸受は、転がり摩擦が小さくなるように設計されている。しかし、一般にフライホイールの回転体は重量物である（例えば、５０ｋＷｈの貯蔵エネルギーを持つシステムの一設計例では２５ｔｏｎ程度）。このため、転がり摩擦と重量の積に比例して発生する摩擦発熱は無視できない量になる。さらに、フライホイールシステムは、エネルギー貯蔵時（回転時）の風損を低減するために真空中に回転体を配置する。このため、ヒートシンクの役割を果すような大気もない。従って、スラスト補助軸受の冷却は容易ではない。
【０００７】
これらの要因により、回転体がスラスト補助軸受上で接触回転を続けると、スラスト補助軸受の設計許容温度を超え、スラスト補助軸受が焼きつく恐れがある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、フライホイールの回転体がスラスト力を失い、軸受で接触回転する場合においても、接触回転により発生した熱を効果的に冷却することのできる超電導コイルを利用した超電導フライホイールシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の観点に従った超電導フライホイールシステムは、超電導を利用して、回転エネルギーを貯蔵するための回転体を浮上させる超電導フライホイールシステムにおいて、前記回転体を真空中に維持するための容器と、前記回転体が浮上していない場合、前記回転体を接触させ、前記回転体の回転を維持するスラスト軸受手段と、前記回転体が浮上しているか否かを判定するための判定手段と、前記判定手段に基づく判定結果が否の場合、前記容器に大気を導入する大気導入手段とを備えている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、フライホイールの回転体がスラスト力を失い、軸受で接触回転する場合においても、接触回転により発生した熱を効果的に冷却することのできる超電導コイルを利用した超電導フライホイールシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超電導フライホイールシステム１の構成を示す構成図である。なお、図において、同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複した説明を省略する。
【００１３】
超電導フライホイールシステム１は、回転体（フライホイール）１１と、超電導スラスト軸受２と、ラジアル軸受３と、スラスト補助軸受４と、ラジアル補助軸受５と、発電電動機６と、外槽容器７と、真空バルブ８と、位置センサ９とを備えている。
【００１４】
回転体１１は、フライホイール本体１１ａ及びロータ軸１１ｂにより構成されている。フライホイール本体１１ａは、ロータ軸１１ｂに取り付けられている。回転体１１は、回転エネルギーを貯蔵する。
【００１５】
超電導スラスト軸受２は、超電導コイル２ａと、固定側スラスト軸受磁性体２ｂと、回転側スラスト軸受磁性体２ｃと、小型冷凍機２ｄとを備えている。超電導スラスト軸受２は、回転体１１に浮上力を与える。
【００１６】
超電導コイル２ａは、回転体１１に浮上力を与えるための電磁力を発生する。固定側スラスト軸受磁性体２ｂ及び回転側スラスト軸受磁性体２ｃは、超電導コイルにより発生した電磁力を浮上力にするための磁性体である。固定側スラスト軸受磁性体２ｂは、外槽容器７側に設置されている。回転側スラスト軸受磁性体２ｃは、回転体１１側に設置されている。小型冷凍機２ｄは、超電導コイル２ａを冷却するための機器である。
【００１７】
ラジアル軸受３は、回転体１１の回転軸の径方向の位置を制御するための構成部品である。
【００１８】
超電導スラスト軸受２及びラジアル軸受３により、回転体１１は、非接触に回転を維持している。これにより、回転体１１の回転損失を低減できる。
【００１９】
スラスト補助軸受４及びラジアル補助軸受５は、回転体１１の非接触浮上の維持できなくなるような異常時に、安全に接触回転が維持できるように設けられている。スラスト補助軸受４は、回転体１１の主に垂直方向の接触回転を維持するために設けられている。ラジアル補助軸受５は、回転体１１の主に径方向の接触回転を維持するために設けられている。スラスト補助軸受４及びラジアル補助軸受５は、例えば、ボールベアリングである。
【００２０】
発電電動機６は、回転体１１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換するための機器である。
【００２１】
位置センサ９は、回転体１１の垂直方向（軸方向）の位置を測定している。位置センサ９は、回転体１１の非接触浮上を維持できないような異常状態を検出するための測定器である。位置センサ９は、回転体１１が浮上力を失うことにより、回転体１１にスラスト補助軸受４上に着地すると、異常を検出する。位置センサ９は、回転体１１の位置の変化により、回転体１１が浮上しているか否か（又は、スラスト補助軸受４に接触しているか否か）を判定する。
【００２２】
外槽容器７は、回転体１１を真空状態の中に維持するための容器である。これにより、回転体１１は、エネルギー貯蔵時（回転時）の風損を低減できる。外槽容器７は、真空状態の内部に、回転体１１、超電導スラスト軸受２、ラジアル軸受３、スラスト補助軸受４、ラジアル補助軸受５、発電電動機６、及び位置センサ９などを配置している。
【００２３】
真空バルブ８は、真空状態に保たれている外槽容器７に大気等を導入するためのバルブである。真空バルブ８は、外槽容器７の下部に設けられている。
【００２４】
真空バルブ８から導入された大気等は、スラスト補助軸受４に向かって流れるような経路が外槽容器７の内側に形成されている。従って、真空バルブ８から導入された大気等は、流れｆ１に沿って、スラスト補助軸受４の近傍まで誘導される。これにより、大気は、スラスト補助軸受４に吹き付けられるように流れる。
【００２５】
次に、上述のように構成された超電導フライホイールシステム１において、回転体１１の非接触浮上を維持できないような異常時の動作について説明する。
【００２６】
回転体１１は、停電時、又は超電導コイル電源若しくは冷凍機システムのトラブル時等により、浮上力を失う。回転体１１は、浮上力を失うと、スラスト補助軸受４に着地する。その後、回転体１１は、スラスト補助軸受４上で、接触回転を維持する。このとき、スラスト補助軸受４は、回転体１１との摩擦発熱により過熱される。
【００２７】
位置センサ９は、回転体１１が浮上していないと判定すると、異常を検出する。
【００２８】
位置センサ９の検出により、真空バルブ８が開かれる。真空バルブ８が開かれることにより、外部から外槽容器７に大気が導入される。
【００２９】
外槽容器７に導入された大気は、ヒートシンクとしての役割により、加熱されたスラスト補助軸受４を放熱する。また、外槽容器７に導入された大気は、断熱膨張による効果で、外気温度以下に冷却される。さらに、外槽容器７に導入された大気は、流れｆ１に沿って流れることにより、スラスト補助軸受４を強制空冷する。
【００３０】
本実施形態によれば、回転体１１のスラスト補助軸受４上での接触回転により発生した熱を効率よく冷却することができる。これにより、スラスト補助軸受４の温度上昇を抑えることができるため、回転体１１の接触回転時においても、スラスト補助軸受４の焼きつきなどを防止することができる。従って、信頼性の高い超電導フライホイールシステム１を提供することができる。
【００３１】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る超電導フライホイールシステム１は、第１の実施形態の変形形態であり、真空バルブ８の大気を導入する量を調節している点以外は同様である。
【００３２】
真空バルブ８の大気を導入する量の調節方法について説明する。
【００３３】
超電導フライホイールシステム１において、回転体１１がスラスト補助軸受４に着地した後の発熱は、回転体１１の回転が停止するまで継続する。そこで、回転体１１が浮上力を得られなくなってから（又は、回転体１１がスラスト補助軸受４上で接触回転を開始してから）、回転体１１が回転を停止するまでの時間ｔ１を推定する。
【００３４】
真空バルブ８は、大気を導入し続けている状態を、時間ｔ１よりも少し長めの時間ｔ２になるように、コンダクタンスを調節する。時間ｔ２は、外層容器７の内部が真空状態から大気状態になるまでの時間である。これは、回転体１１が回転している状態時に、スラスト補助軸受４の冷却効果を得られるようにするためである。即ち、スラスト補助軸受４の発熱時に、断熱膨張による冷却効果を得るためである。また、真空バルブ８から導入された大気により、スラスト補助軸受４を強制空冷するためである。
【００３５】
強制空冷は、導入する大気等の量が多いほど冷却効率が高い。これは、外層容器７に大気を導入し終わる直前（外層容器７の内部が大気圧に近い状態）では、真空バルブ８から導入される大気の風速が弱くなるためである。従って、大気の導入時間ｔ２は、回転体１１の回転時間ｔ１よりも少し長めにした方が冷却効果が高い。
【００３６】
本実施形態によれば、第１の実施形態の作用効果に加え、真空バルブ８の大気等を導入する量を調整することで、より効率的に特にスラスト補助軸受４の温度上昇を抑えることができる。従って、より信頼性の高い超電導フライホイールシステム１を提供することができる。
【００３７】
（第３の実施形態）
図２は、第３の実施形態に係る超電導フライホイールシステム１Ａの構成を示す構成図である。
【００３８】
超電導フライホイールシステム１Ａは、図１に示す超電導フライホイールシステム１において、熱交換器（冷却器）１０を設けている点以外は同様の構成である。
【００３９】
熱交換器１０は、真空バルブ８と外槽容器７との間に取り付けられている。真空バルブ８から導入される大気は、熱交換器１０により冷却される。これにより、スラスト補助軸受４は、流れｆ２に沿って、冷却された大気により強制空冷される。
【００４０】
本実施形態によれば、第１の実施形態の作用効果に加え、導入する大気等の温度を熱交換器１０により下げることで、冷却された大気等により、スラスト補助軸受４を冷却することができる。これにより、特にスラスト補助軸受４の温度上昇をより効率的に抑えることができる。従って、より信頼性の高い超電導フライホイールシステム１Ａを提供することができる。
【００４１】
各実施形態において、真空バルブ８から導入された大気をスラスト補助軸受４に向かって流すための経路は、どのように形成されていてもよい。例えば、図３に示すように、スラスト補助軸受４に直接吹き付けるようなノズル２１を設けてもよい。ノズル等のように、細い経路を設けることにより、大気等の流速を速くすることができる。これにより、スラスト補助軸受４の冷却効果をより高くすることができる。また、図４に示すように、真空バルブ８の外層容器７側の出口近傍に、皿形状のものを積み重ねたような部材２２を配置してもよい。このとき、真空バルブ８から導入された大気は、部材２２の皿形状の間を経路として、吹き抜ける。部材２２による狭い経路を通り抜けることにより、大気等の流速を速くすることができる。
【００４２】
第２の実施形態において、第３の実施形態に係る熱交換器１０を設けてもよい。このような構成により、第２の実施形態及び第３の実施形態を併せた作用効果を得ることができる。
【００４３】
第２の実施形態において、真空バルブ８による大気の導入量は、予め調整されたものとしたが、時間及び状況に応じて変化してもよい。スラスト補助軸受４に設けられたボールの回転速度に応じて、真空バルブ８のコンダクタンスを自動的に調節する構成としてもよい。この回転速度によるコンダクタンスの自動調節は、機械的に行ってもよいし、電気的に行ってもよい。電気的に行う場合は、ボールの回転速度を測定するための測定器を設け、この測定器による測定結果に基づいて、コンダクタンスの調整をコンピュータ制御してもよい。
【００４４】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超電導フライホイールシステムの構成を示す構成図。
【図２】本発明の第３の実施形態に係る超電導フライホイールシステムの構成を示す構成図。
【図３】本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係る超電導フライホイールシステムの構成を示す構成図。
【図４】本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係る超電導フライホイールシステムの構成を示す構成図。
【符号の説明】
【００４６】
１…超電導フライホイールシステム、２…超電導スラスト軸受、２ａ…超電導コイル、２ｂ…固定側スラスト軸受磁性体、２ｃ…回転側スラスト軸受磁性体、２ｄ…小型冷凍機、３…ラジアル軸受、４…スラスト補助軸受、５…ラジアル補助軸受、６…発電電動機、７…外槽容器、８…真空バルブ、９…位置センサ、１０…熱交換器、１１…回転体、１１ａ…フライホイール本体、１１ｂ…ロータ軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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