(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を備える装置：
垂直軸を有し、頂部及び底部を備えるエンクロージャ；
前記エンクロージャの前記頂部に固定された板、ここで、前記板は開口を含む；
頂側及び底側を備えるキャップであって、前記板の頂部に固定されたとき前記板の前記開口を覆ってキャップ底側と前記板との間に封止を形成し、前記キャップ底側は、以下を備える：
Ｏリングを保持するように構成されたＯリング溝；
前記Ｏリング溝と同心で、グリースを保持するように構成されて気体の前記エンクロージャへの透過を低減するグリースチャネル；
前記キャップの前記頂側を前記グリースチャネルに接続し、グリースが前記グリースチャネルに注入されることを可能にする入口ポート；
前記キャップの前記頂側を前記グリースチャネルに接続し、気体が前記グリースチャネルから出ることを可能にする出口ポート。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、ここで、前記キャップが前記板の前記頂部に固定されてグリースが前記入口ポートを通って注入された後、前記グリースチャネルがグリースによって完全に満たされる。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、ここで、前記Ｏリング溝と前記グリースチャネルが円形である。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、ここで、前記グリースチャネルは前記Ｏリング溝の外側にある。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、ここで、前記グリースチャネルは前記Ｏリング溝の内側にある。
【請求項６】
請求項１に記載の装置であって、ここで、前記Ｏリングはエラストマーである。
【請求項７】
請求項１に記載の装置であって、ここで、前記Ｏリングは鋼である。
【請求項８】
請求項１に記載の装置であって、ここで、前記グリースチャネルの深さは、前記Ｏリング溝の深さの１０％〜５０％の範囲である。
【請求項９】
請求項１に記載の装置であって、ここで、前記板は鋼製である。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置であって、ここで、前記エンクロージャ、板及びキャップは、相互固定されたとき、内気圧を外気圧未満に維持するように構成された真空チャンバを形成する。
【請求項１１】
請求項１に記載の装置であって、ここで、前記装置は、ロータを含む、エネルギー貯蔵用のフライホイール装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１７年７月６日に提出された米国仮出願第６２／５２９，４０７号及び２０１８年６月２５日に提出された米国出願第１６／０１７，１１５号を優先権とする。前述の出願は、全文が本願に援用されている。
【０００２】
１．技術分野
本願は、一般的にフライホイールを用いるエネルギー貯蔵に関する。ただし、本発明は、真空チャンバへの気体透過を最小化することが望まれる他の用途にも適用可能である。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術の説明
多くのエネルギー源、特に風力タービンや太陽電池パネルなどのクリーンエネルギー源は、受けている負荷とは時間的に合致しないエネルギーを生成する。多くの先進国では、エネルギー生産は、受けている負荷に追従し、エネルギーが必要に応じて供給されるようにする。負荷が高い状況下においては、尖頭負荷発電機の使用及び熱発電機の瞬動予備力及び非瞬動予備力といった技術を用いて、高い可変的な負荷に適する発電を可能にする。しかしながら、上記のような技術の利用可能性に関わらず、エネルギー貯蔵がエネルギー負荷を満たすため重要となる場合が多い。
【０００４】
従来のエネルギー貯蔵システムは、全て様々な問題を抱えている。エネルギー貯蔵システムの設計においては、大きさ、コスト、貯蔵効率、効力、安全性の全てを考慮しなければならない。一般的には、エネルギー貯蔵システムに所望される特徴として、小型化、低コスト、分配のためのエネルギーの貯蔵・抽出における低損失率、連続運転における低損失率、廃棄の容易性などが挙げられる。
【０００５】
フライホイールは、回転運動エネルギーとしてエネルギーを貯蔵するエネルギー貯蔵システムの一種である。フライホイールロータは、バックツーバック（ＢＴＢ）インバータシステムなど、ＡＣ−ＡＣ変換サブシステムを構成するコンバータと電気結合されるモータ／オルタネータと、直接又は間接的に物理結合してスピンする、対称状の回転質量体である。電力がストレージに供給されると、ロータが駆動され、フライホイールロータの回転速度が上がる。電力を抽出するときは、フライホイールロータがモータ／オルタネータを駆動する。フライホイールロータの回転速度が速ければ速いほど大量のエネルギーを貯蔵できるが、スピン速度が速ければ、空力抵抗による回転損失率も高くなる。空力抵抗を低減するために、大気の極一部に相当する作動圧力まで空気が抜かれたチャンバ、つまり真空チャンバでフライホイールが運転される。例えば、一部の実施形態では、作動圧力は０．０００１Ｔｏｒｒ〜０．１００Ｔｏｒｒ（１ＡＴＭ＝７６０Ｔｏｒｒ）である。
【０００６】
真空チャンバのフランジの封止には、Ｏリングなどのエラストマー封止を通常用いる。エラストマー材を用いることの欠点は、金属封止より気体透過率が高いことである。小さいフランジには金属封止を用いるのが一般的であるが、封止の直径や全長が大きくなると、それも難しくなる上に、コストも高い。また、この類の封止は、通常、使い捨てになってしまうという短所もある。
【０００７】
グリースは、エラストマー封止の封止特性を改善し、酸化や硬化による劣化から封止を保護するために一般的に用いられる。通常、グリースをエラストマー封止全体に薄く塗布し、表面仕上げにおける僅かな欠陥を補完できる薄層を形成する。当該グリース層は封止断面より薄いので、透過防止にはあまり役立たない。
【０００８】
ステンレス鋼を用いて金属製の真空チャンバを製造すると、封止表面の腐食を防止することができる。しかしながら、ステンレス鋼は一般の鋼合金より高価であるため、より安価の鋼を真空チャンバに使用できるようにする、封止表面腐食防止技術が望まれる。
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、Ｏリングと共にグリースチャネルを採用し、隣接するする２つの平面間の封止を改善する。グリースチャネルを使用すると、気体透過、特に水蒸気の透過を低減して腐食を減少させる。本発明は主に２つの平面の少なくとも１つが金属製であるため腐食の恐れがある場合に用いられるが、他に応用することも可能である。
【００１０】
一部の実施形態では、本発明はフライホイール装置における隣接する素子間の封止を改善するために用いられる。封止を介する気体の透過を低減すると、封止の改善に繋がる。特に、一部の実施形態では、本発明を用いて（１）頂板と真空キャップとの間、及び／又は（２）頂板とエンクロージャとの間にある封止を通過する気体の透過を低減する。
【００１１】
実施形態は、エンクロージャと；第１開口を含み、エンクロージャに固定される頂板と；頂側及び底側を備え、第１開口に固定されたとき底側と第１開口との間に封止を形成するキャップと、を備え、底側は、Ｏリングを保持するように構成されたＯリング溝と；Ｏリング溝と同心のグリースチャネルと；グリースがグリースチャネルに流入可能となるように構成された入口ポートと、を備える、フライホイール装置に関する。
【００１２】
実施形態はさらに、平面を有する板又は物体と、板に固定される頂側を備えるエンクロージャと、を含み、頂側はＯリングを保持するように構成されたＯリング溝と、Ｏリング溝と同心のグリースチャネルと、を含む装置に関する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
下記の図面を参照とし、本発明の実施形態を説明するが、本発明は当該実施形態に限定されない。図面では、別途の定めがない限り、同様の構成要素には同じ参照符号を与える。
【００１４】
【図１Ａ】一実施形態による、フライホイールエネルギー貯蔵システムの例のブロック図である。
【００１５】
【図１Ｂ】一実施形態による、真空チャンバを含むフライホイール装置の例のブロック図である。
【００１６】
【図２Ａ】一実施形態による、Ｏリング溝を含むがグリースチャネルを含まない真空キャップの底面等角図である。
【００１７】
【図２Ｂ】一実施形態による、Ｏリング溝とＯリング溝に対するグリースチャネルとを含む真空キャップの底面等角図である。
【００１８】
【図３Ａ】一実施形態による真空キャップの頂部の頂面等角図である。
【００１９】
【図３Ｂ】一実施形態による真空キャップの底部の図である。
【００２０】
【図３Ｃ】一実施形態による、Ｏリング溝に嵌込されたＯリングとグリースチャネルとを示す真空キャップの断面である。
【００２１】
【図４Ａ】一実施形態による、比較的に少量のグリースを注入したときのグリースチャネルの図である。
【００２２】
【図４Ｂ】一実施形態による、グリースでほぼ満たされたグリースチャネルの図である。
【００２３】
【図５】頂板とエンクロージャとの間の封止を改善するために本発明が適用された実施形態の断面図である。
【００２４】
図面における本発明の実施形態は説明のみを目的とする。当業者であれば、本明細書に記載の発明の原理から逸脱することなく構造及び方法の他の実施形態が可能であることを理解するはずである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態の特定の例を図示する添付の図面を参照として、下記に本発明の内容をより詳しく説明する。ただし、本発明は様々な形で実現することができるので、本明細書に記載の実施形態に限られるものと理解されてはならない。これらの実施形態は、本開示を徹底し、かつ完全にし、発明の範囲を当業者に完全に理解させるためのものである。本発明は、方法、プロセス、システム、装置の形態で具現化することができる。発明の詳細な説明は、本発明を制限するものと解釈されてはならない。
【００２６】
本明細書で用いられる用語の定義は次の通りである。
【００２７】
真空チャンバ又は単にチャンバとは、密閉容器、又は、完全に若しくは部分的に気体が抜かれた容器を指す。本質的に、チャンバの内部は、チャンバの外部の大気圧より低く維持される。
【００２８】
グリースとは、機械装備部品の潤滑に用いられる油系の半固体又は固体物質である。グリースは通常、グリースガンで潤滑すべき部品に塗布される。本明細書では、グリースとは、真空油を含む油系のグリース、並びにグリースチャネルに注入、成形、その他挿入可能な他の腐食防止物質を指す。
Ｉ．フライホイールエネルギー貯蔵システム
【００２９】
図１Ａは、一実施形態による、真空チャンバを含むフライホイールエネルギー貯蔵システム１００の例のブロック図である。エネルギー貯蔵システムは、フライホイールロータ１３０、モータ／オルタネータ１４０、第１インバータ１５０、キャパシタ１６０、第２インバータ１７０及びＡＣライン１８０を含む。エネルギーは、３相の６０ＨｚラインなどであるＡＣライン１８０から引き出され、又はそこに送られる。第１インバータ１５０及び第２インバータ１７０、キャパシタ１６０が、モータ／オルタネータ１４０が受容できる交流電流に入力交流電流を変換するＢＴＢコンバータシステムの例を図示する。モータ／オルタネータ１４０は、電気エネルギーと機械エネルギーを相互変換し、フライホイールロータ１３０にエネルギーを貯蔵し、又はフライホイールロータ１３０からエネルギーを抽出する。モータ／オルタネータ１４０は、シャフトを用いてフライホイールロータ１３０と直接又は間接的に物理結合している。モータ／オルタネータ１４０は、ワイヤや他の電気結合を介してシステム１００の残りの部分と結合される。概して、図面では部品をそれぞれ一つのみ図示しているが、実際のフライホイールエネルギー貯蔵システム１００は、各部品を複数含んでもよい。図１はＡＣ−ＡＣ変換システムの一例である。本発明は一般的に、より広範囲のＡＣ−ＡＣ変換トポロジーや、直流（ｄｃ）ラインに直接接続するシステムに関する。後者は、その中でも特にｄｃマイクログリッドや太陽光発電アプリケーションに関連する。
【００３０】
フライホイールエネルギー貯蔵システム１００は、図１Ｂに示されるフライホイール装置１１０を含む。フライホイール装置１１０は、気体や空気が完全に又は部分的に抜かれた真空チャンバ１１２（又はチャンバ１１２）を含む。フライホイール装置１１０は、フライホイールロータ１３０を含み、システム１００の他の素子をさらに含んでもよい。チャンバ１１２は、フライホイールエンクロージャ１１４、頂板１１６、真空キャップ１２０により形成される。頂板１１６はエンクロージャ１１４に固定され、真空キャップ１２０は頂板１１６の中央部に固定される。一般的に、中央部はフライホイール装置１１０の中央垂直軸１１８に対して円対称である、切り取られた円形領域である。
【００３１】
一部の実施形態では、フライホイール装置１１０はさらに底板及び底部真空キャップを有する。一般的に、本発明は頂板及び頂部真空キャップを封止する方法と同様の方法で底板及び底部真空キャップを封止するために用いられ得る。それについては後述する。
【００３２】
チャンバ１１２の内部が外部に対して真空状態又は低気圧状態となることを維持するために、フライホイール装置１１０の隣接する素子の間を封止してチャンバ１１２の外部から内部に流入する気体をできるだけ遮蔽することが望ましい。よって、各種の実施形態において、頂板１１６とエンクロージャ１１４との間にある封止は、様々な制約、例えば材料の性質、コスト、製造効率などを考慮して可能な範囲まで気体透過を遮蔽するように構成される。同様に、真空キャップ１２０と頂板１１６との間にある封止も、この制約を考慮して可能な範囲まで気体透過を遮蔽するように構成される。一部の実施形態では、真空キャップ１２０は、図２Ｂに示されたように頂側開口を有する。この場合、真空キャップ１２０の頂側開口と真空キャップ１２０の頂部との間にある封止も、この制約を考慮して可能な範囲まで気体透過を遮蔽する封止を形成するように構成される。
ＩＩ．グリースチャネル
【００３３】
本発明は、完全に又は部分的に気体が抜かれてもよい真空チャンバの外部から内部へ気体、通常は大気が透過することを低減する。グリースで満たされ、又は実質的に満たされたチャネル、溝、ダクト、経路などのグリースチャネルを導入することで実現される。グリースチャネルを用いて封止を形成すると、外部気体がチャンバまで到達するためには、まずグリースチャネルとＯリングに透過しなければならない。
【００３４】
本明細書は、エラストマー材製の円形Ｏリングを含む実施形態に焦点を合わせているが、本発明はそれに限定されない。例えば、本発明は、Ｏリングがない実施形態、又はＯリングが金属製やプラスチック製のものである実施形態に適用することができる。さらに本発明は、Ｏリングが円形でない実施形態に適用されてもよい。例えば、Ｏリングは、正方形、長方形、又は他の形状であってもよい。また本発明は、チャンバが標準大気圧よりも低い大気圧を維持する場合、つまりチャンバが完全真空状態である場合や、部分真空状態である場合に適用されてもよい。
【００３５】
本発明は、気体の流れを遮断することが望まれる、隣接する任意の部品に適用することができる。従って本発明は、完全真空状態又は部分真空状態にチャンバを維持すべきエンジン、電子アセンブリ、機械などに適用可能である。
【００３６】
図２Ａは、一実施形態による、Ｏリング溝２１０を含むがグリースチャネルを含まない真空キャップ２００の底面等角図である。図２Ｂは、Ｏリング溝２１０及びグリースチャネル２２０を含む真空キャップ１２０の底面等角図を示す。本実施形態において、グリースチャネル２２０はＯリング溝２１０の外側にある。Ｏリング溝２１０の外側にグリースチャネル２２０を配置すると、Ｏリング溝の錆や腐食を防ぐことができるが、一部の実施形態では、グリースチャネル２２０をＯリング溝２１０の内側に配置する方がより有利である。一般的に、グリースチャネル２２０は、Ｏリング溝２１０と同心、近接、隣接しているが、必ずしもこれに限定されない。
【００３７】
グリースチャネル２２０は、真空キャップ１２０の底側円形部分に作り上げたチャネル又は溝である。一部の実施形態では、グリースチャネル２２０はＯリング溝２１０より実質的に浅い。例えば、グリースチャネル２２０の深さは、Ｏリング溝２１０の深さの１０％〜５０％の範囲であってもよく、好ましくは２０％である。一実施形態では、Ｏリング溝２１０の深さは０．２０６インチ、幅は０．３１インチである。このサイズによって、高さ０．２５インチ、幅０．２５インチのＯリングが収容される。通常、Ｏリング溝はＯリングそのものより僅かに短く且つ広いので、真空キャップ１２０を頂板１１６に固定したとき、Ｏリングに加えられる圧縮力によりＯリングがある程度平らになる余地、つまり、垂直方向に圧縮され、水平方向に拡張される余地がある。Ｏリングの圧縮により、ＯリングはＯリング溝２１０の側面に押し付けられ、封止を形成する。本実施形態では、グリースチャネル２２０は、幅０．３５インチ、深さ０．０５インチである。
【００３８】
チャネル全体、実質的に全てのチャネルにグリースを確実に充填するため、フライホイール装置１１０の外側からグリースチャネル２２０へグリースを流入させて戻す２つのポート２３０、２３５を設ける。本実施形態では、ポート２３０及び２３５は、互いに１８０°離隔して位置している。入口ポート２３０と称される一方のポートは、グリースの入口として用いられ、出口ポート２３５は、溢れたグリースを外へ出す出口として用いられる。
【００３９】
運転中、真空キャップ１２０が頂板１１６に取り付けられて固定されると、加圧グリースが、例えばグリースガンから入口ポート２３０に注がれる。グリースは入口ポート２３０を通ってグリースチャネル２２０に注入され、グリースチャネル２２０の内部で両方向に実質的に均等に流れる。通常、グリースは、出口ポート２３５から溢れ出るまで注入される。これによりグリースチャネル２２０が完全に満たされていることが分かる。
【００４０】
真空キャップ１２０は、内壁２４０を有する。一部の実施形態では、真空キャップ１２０は、例えばサービスアクセスやセンサ回路に使用され得る頂側開口２４５をさらに有する。
【００４１】
図３Ａは、真空キャップ頂部３００と称される、真空キャップ１２０の頂部の頂面等角図である。本実施形態では、ボルト３０５のリングが真空キャップ１２０を頂板１１６に固定するために用いられる。該図には、出口ポート２３５が図示されている。
【００４２】
図３Ｂは、真空キャップ１２０の底部、つまり真空キャップ底部３１０を示す図である。本実施形態では、真空キャップ底部３１０は、Ｏリング溝２１０、グリースチャネル２２０、入口ポート２３０、出口ポート２３５を含む。各ポート２３０は、開口又は孔を真空キャップ頂部３００に１つ、真空キャップ底部３１０に１つ有し、それらを介してグリースが流れることになる。
【００４３】
図３Ｃは、Ｏリング溝２１０に嵌込されたＯリング３２０とグリースチャネル２２０とを示す真空キャップ１２０の断面図である。図示された実施形態において、Ｏリング溝２３０の左側には僅かな隙間があり、そのまた左側には真空チャンバ１１２の内壁２４０がある。Ｏリング３２０の右側にはグリースチャネル２２０がある。通常の運転中、グリースチャネル２２０はグリースで満たされ、Ｏリング３２０とチャンバ１１２を横切る気体の透過を遮蔽する。
【００４４】
図４Ａ〜４Ｂは、グリースチャネル２２０が満たされたときのグリースの進行を示す図である。この例では、真空キャップ１２０の底部を描き、グリースチャネル２２０の満たされ方を示している。
【００４５】
図４Ａは、比較的に少量のグリースを注入したときのグリースチャネル２２０を示している。グリースが入口ポート２３０を介してグリースチャネル２２０へ流入するため、当該ポートはグリースに隠れて見えない。グリースチャネル２２０に入ったグリースは、十分な圧力がかけられ、入口ポート２３０から両方向に均等に流れる。
【００４６】
次に、図４Ｂは、グリースでほぼ満たされたグリースチャネル２２０を示す。この時点では、出口ポート２３５のみが見える。つまり、グリースはグリースチャネル２２０の他の部分を全て覆い隠している。通常、グリースチャネル２２０は、出口ポート２３５からグリースが押し出されグリースの注入が止まる時点まで充填される。
【００４７】
一般的に、グリースチャネルは腐食を防止する障壁として機能する。この障壁を設けることにより、製造業者は安価の鋼で真空チャンバを製造することができる。グリースチャネル２２０は、グリースチャネル２２０の内側にある頂板１１６の表面を含み、グリースチャネルの内側の腐食をよく阻害する。グリースチャネル２２０は、損傷を与える水蒸気など気体の流れを低減することもできる。
【００４８】
図５は、頂板１１６とエンクロージャ１１４との間にある封止を改善するために本発明が適用された実施形態５００の断面図である。実施形態５００では、Ｏリング溝５２０とグリースチャネル５１０を、頂板１１６の底側と接触するエンクロージャ１１４の頂部に形成する。Ｏリング５３０はＯリング溝５２０の内側に位置する。実施形態５００は、入口ポートや出口ポートを含んでいても含んでいなくてもよい。本実施形態では、頂板１１６の位置付けや固定の前に、グリースチャネル５１０にグリースを塗布することができる。入口ポート及び／又は出口ポートは一部の実施形態で付加されてもよい。
【００４９】
実施形態５００は、本発明の汎用性を示す。グリースチャネルとＯリング溝は、２つの隣接するする平面間の水平接合部の頂部や底部に形成されてもよい。２つの平面のそれぞれは、板、バー、レール、エンクロージャ、又は他の物体であってもよい。一般的に、本発明により形成された封止の防食値のために２つの表面のうちの一方は金属であり、したがって腐食又は錆が発生しやすい。さらに本発明は、２つの隣接するする表面が垂直や斜めの接合部又は接触部を有する場合にも適用され得る。
【００５０】
本明細書に接した当業者であれば、本明細書に開示の原理を適用して追加又は代替の構造的・機能的設計ができることを理解するはずである。従って、一部の実施形態や用途を図示して説明しているが、開示された実施形態は、本明細書に開示された特定の構造や構成要素に限定されない。添付の請求の範囲に定義された思想又は範囲から逸脱しない限り、本明細書に開示された方法や装置の配置、動作、詳細について、当業者は様々な修正、変更、変形を行うことができる。
【図１Ａ】
0006970272.tif 000002
【図１Ｂ】
0006970272.tif 000003
【図２Ａ】
0006970272.tif 000004
【図２Ｂ】
0006970272.tif 000005
【図３Ａ】
0006970272.tif 000006
【図３Ｂ】
0006970272.tif 000007
【図３Ｃ】
0006970272.tif 000008
【図４Ａ】
0006970272.tif 000009
【図４Ｂ】
0006970272.tif 000010
【図５】
0006970272.tif 000011