(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通の竪形金属製中空回転軸に外嵌可能な上部中空円柱、フライホイール及び下部中空円柱の各部から成る繊維強化プラスチック製構造体において、各部の三次元織り強化繊維基材を前記記載の順序で一連のものに編成した、一体の繊維強化プラスチック製構造体に成形加工の上、前記竪形金属製中空回転軸に外嵌する事を特徴とするフライホイール体。
【請求項２】
請求項１に記載のフライホイール体のフライホイール部は、算盤珠に類似の形状となる事を特徴とするフライホイール部を有するフライホイール体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、繊維強化プラスチックを用いたフライホイール体における製法と機械力学の協調を考慮した高エネルギー密度設計製作法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、金属製回転軸に締結したフライホイールの高外周速回転が広く試みられているが、ハブ、スポーク、リムに夫々、工夫を凝らし、高い外周速を目指した設計例はあっても長時間運転に成功した例は少なく、わが国の平成７〜１１年度通産省工技院・高温超電導フライホイール電力貯蔵研究開発プロジェクトにおいて試作の最高外周速６２８ｍ／ｓ（延べ回転試験１１００時間余）が、目下の世界記録と思われる。
【０００３】
近年の高性能二次電池の研究開発は、そのエネルギー密度に長足の進歩をもたらし、前記フライホイールの外周速ではエネルギー密度及びコストにおいて、優位な市場競争力は、とても期待できない。環境に優しいフライホイールエネルギー貯蔵応用による、負荷平準化、移動体回生エネルギーの利用、間歇的電源の出力平準化、並びに燃料電池出力調整の補完などの省エネルギー、二酸化炭素ガス排出量削減兼備の効果を考える時、早急にフライホイールの外周速：１４００ｍ／ｓ級の目標達成が望まれる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これを阻む要因を排除するには、フライホイールのみならず組立ロータを構成する総ての要素に、設計上の協調的配慮が前提的に必要である。分けても金属製回転軸の遠心破壊強度の強化並びにフライホイールの回転軸締結の締結力強化は、前記の目標達成上、根幹となる不可避な課題である。
【０００５】
本発明は、フライホイールの上下に、中空円柱を配し一体化した繊維強化プラスチック製構造体を金属製中空回転軸に外嵌する事によって、前記二課題などの総てを解決できる、繊維強化プラスチック製構造体の設計製作法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載のフライホイール体は、共通の竪形金属製中空回転軸に外嵌可能な上部中空円柱、フライホイール及び下部中空円柱の各部から成る繊維強化プラスチック製構造体において、各部の三次元織り強化繊維基材を前記記載の順序で一連のものに編成した、一体の繊維強化プラスチック製構造体に成形加工の上、前記竪形金属製中空回転軸に外嵌する事を特徴とするフライホイール体を提供する。
【０００７】
上記の課題を解決するため、請求項２に記載のフライホイール体のフライホイール部は、算盤珠に類似の形状となる事を特徴とするフライホイール部を有するフライホイール体を提供する。
【０００８】
本発明に係る、フライホイール体の設計製作法によれば、前記外周速の目標は、実現可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明が適用されるフライホイール体の縦断面図を示している。この図１において、１、２並びに３は、夫々、フライホイール体の上部中空円柱部、フライホイール部並びに下部中空円柱部である。これらフライホイール体の上部中空円柱部１、フライホイール部２、並びに下部中空円柱部３の各部は、各部に内在する三次元織り強化繊維基材の、主として縦方向繊維成分によって互いに編み上げ、一連の三次元織り強化繊維基材に編成した後、一体の繊維強化プラスチックに成形加工の上、竪形金属製中空回転軸に外嵌して用いる。
【００１０】
フライホイール体の上部中空円柱部１及び下部中空円柱部３は、内嵌する竪形金属製中空回転軸の金属材料よりも高弾性高引張強度の繊維を使用した、円周方向繊維成分、半径方向繊維成分並びに縦方向繊維成分からなる三次元織り強化繊維基材を用いる事に依り、フライホイール体が回転する時に前記竪形金属製中空回転軸において発生する遠心力による竪形金属製中空回転軸の膨張を抑制する作用がある。
【００１１】
この作用により、上部中空円柱部１及び下部中空円柱部３と竪形金属製中空回転軸の締結面の接圧は保たれ、且つ金属製中空回転軸の遠心破壊強度は強化され、当該部位の周速が向上する。
【００１２】
前記、締結面の接圧は、フライホイール体のフライホイール部２が内嵌する竪形金属製中空回転軸に対する締結力を補強し、フライホイール部２の外周速の向上に効果がある。
【００１３】
フライホイール体の締結機能を有するフライホイール部２は、回転時の応力分布に加えて、内嵌する金属製中空回転軸に対する締結力及び遠心破壊強度の強化を、繊維の選択及び配向に反映した算盤珠に類似の形状の三次元織り強化繊維基材を用いる事により、設計製作を容易化し、且つ、コスト低減に効果を上げる事ができる。
【００１４】
図２及び図３は、中空円盤形フライホイールにおいて、（内径／外径）比を変えた時の周方向応力並びに半径方向応力分布を示している。（内径／外径）比の0.1,0.3,0.5及び0.7に曲線F1,F3,F5及びF7が夫々対応する。これらの図において、横軸の半径（P.U）目盛の1.0は、フライホイールの最外周の位置を表している。図２によれば、周方向応力は、全般的に最内周にピークがあり、そこから外周に向かってなだらかな傾斜で下がっている。図３に依れば、半径方向応力は、半径の中点から、やや内周よりの位置にピークがあり、そこから最内周及び最外周の応力ゼロに向かって比較的急傾斜をつけて下がっている。
【００１５】
このような応力分布を強化繊維基材に配慮すれば、周方向繊維成分では、内周から外周に向けて使用する繊維の引張強度は漸減可能である。生産性を考慮する場合は、外周の応力分布を基準に繊維の引張強度と繊維体積率を調整して、内周に向かっての応力分布との整合調整、強度不足は、積層によりカバーし強化繊維基材に不連続点のない様にする事が設計製作を容易にし且つコスト低減に効果がある。
【００１６】
半径方向繊維成分では、応力のピーク位置で、繊維の引張強度と繊維体積率を決めれば、外周に向かって途中で繊維を追加しない限り繊維体積率は幾何学的に漸減するが、逆に外周で繊維の引張強度と繊維体積率を決めれば、内周に向かって途中で繊維を間引かない限り繊維体積率は幾何学的に漸増する。生産性を考慮する場合は、繊維の追加、間引きは、そこに強化繊維基材の不連続点を生じ弱点となり易いので、外周の応力分布を基準に繊維の引張強度と繊維体積率を調整して、内周に向かっての応力分布との整合調整、強度不足を積層に依りカバーし、強化繊維基材に不連続点のない様にする事が設計製作を容易にし且つコスト低減に効果がある。半径方向繊維成分は、半径の途中で繊維を変更出来ないので注意する。
【００１７】
半径方向応力のピーク位置から内周の周方向繊維成分及び半径方向繊維成分にあっては、最内周部分には、内嵌する金属製中空回転軸に対する締結力並びに遠心破壊強度の強化のための更になる高弾性高引張強度が求められる事を考慮し、強化繊維基材に不連続点が生じない設計製作法とする。
【００１８】
以上の結果として、フライホイール部２は、算盤珠に類似の形状になる。
【００１９】
フライホイール体の上部中空円柱部１、フライホイール部２並びに下部中空円柱部３の外嵌による竪軸金属製中空回転軸の遠心破壊強度の強化は、竪形金属製中空回転軸の中空部に内接する様に嵌挿される、例えば磁気軸受等の補機回転子の遠心破壊強度を強化する効果がある。この様な効果は、フライホイールシステム設計製作の成功に大きく貢献し不可欠である。
【００２０】
【発明の効果】
本発明に係る、フライホイールの上下に、中空円柱を配し一体化した繊維強化プラスチック製構造体を金属製中空回転軸に外嵌する事によって、目標とするフライホイールの外周速：１４００ｍ／ｓは、システム的に達成され、小型軽量の高エネルギー密度・低コストなフライホイールエネルギー貯蔵装置は実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る、フライホイール体の縦断面図である。
【図２】フライホイールの周方向応力計算例
【図３】フライホイールの半径方向応力計算例
【符号の説明】
１ 上部中空円柱部
２ フライホイール部
３ 下部中空円柱部
【図１】
0004620281.tif 000002
【図２】
0004620281.tif 000003
【図３】
0004620281.tif 000004