特許 6963716 フライホイール、フライホイールの設計方法、及び、フライホイール蓄電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6963716

(24)【登録日】2021年10月20日

(45)【発行日】2021年11月10日

(54)【発明の名称】フライホイール、フライホイールの設計方法、及び、フライホイール蓄電システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 15/00 20060101AFI20211028BHJP

   H02J 3/30 20060101ALI20211028BHJP

【ＦＩ】

   H02J15/00 A

   H02J3/30

【請求項の数】9

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2020-573066(P2020-573066)

(86)(22)【出願日】2020年10月2日

(86)【国際出願番号】JP2020037583

(87)【国際公開番号】WO2021070749

(87)【国際公開日】20210415

【審査請求日】2020年12月25日

(31)【優先権主張番号】62/913295

(32)【優先日】2019年10月10日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】521344607

【氏名又は名称】ネクスファイ・テクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】特許業務法人創成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中村 孝

(72)【発明者】

【氏名】谷本 智

【審査官】 佐藤 卓馬

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１２−５２２１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１０６４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１９０５０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ １５／００

Ｈ０２Ｊ ３／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フライホイール蓄電システムのフライホイールであって、
相対的に平均密度が低い低密度円盤部と、該低密度円盤部の外周に設けられ、該低密度円盤部より平均密度が高い高密度外縁部とからなり、
前記高密度外縁部は、重金属を埋設した炭素繊維プラスチック、又は、重金属を埋設した炭化ケイ素繊維強化プラスチックにより形成され、
前記重金属は、超高強度鋼、又は、高融点金属、又は、高融点金属合金であり、
前記炭素繊維プラスチックに埋設する重金属、或いは、前記炭化ケイ素繊維強化プラスチックに埋設する重金属は、超高強度鋼、又は、高融点金属、又は、高融点金属合金であって、更に、粉体、又は、ワイヤー、又は、周回等角対称に配置された素片であることを特徴とするフライホイール。

【請求項2】

請求項１記載のフライホイールにおいて、
前記低密度円盤部の平均密度をρ_ｉ、半径をＲ_ｉ、前記高密度外縁部の平均密度をρ_ｏ、半径をＲ_ｏとするとき、Ｒ_ｉ／Ｒ_ｏは０．４以上１未満、かつ、ρ_ｉ／ρ_ｏは０．６以下であることを特徴とするフライホイール。

【請求項3】

請求項１記載のフライホイールにおいて、
前記低密度円盤部の平均密度をρ_ｉ、半径をＲ_ｉ、前記高密度外縁部の平均密度をρ_ｏ、半径をＲ_ｏとするとき、Ｒ_ｉ／Ｒ_ｏは０．８以上１未満、かつ、ρ_ｉ／ρ_ｏは０．１以下であることを特徴とするフライホイール。

【請求項4】

相対的に平均密度が低い低密度円盤部と、該低密度円盤部の外周に設けられ、該低密度円盤部より平均密度が高い高密度外縁部とからなる、フライホイール蓄電システム用フライホイールを設計するための設計方法であって、
前記低密度円盤部の平均密度をρ_ｉ、半径をＲ_ｉ、前記高密度外縁部の平均密度をρ_ｏ、半径をＲ_ｏとするとき、下記式（１）で定義された値Ｚを増大させるように、Ｒ_ｉ／Ｒ_ｏとρ_ｉ／ρ_ｏとを適正化することを特徴とするフライホイールの設計方法。

【数1】

【請求項5】

請求項４記載のフライホイールの設計方法において、
前記値Ｚを最大化させるように前記Ｒ_ｉ／Ｒ_ｏと前記ρ_ｉ／ρ_ｏとを決定することを特徴とするフライホイールの設計方法。

【請求項6】

請求項４記載のフライホイールの設計方法において、
変数Ｒ_ｉ／Ｒ_ｏと変数ρ_ｉ／ρ_ｏとの交点に前記値Ｚが記録されたマトリクス表を用いて、前記値Ｚの増大領域を視覚的に探索することを特徴とするフライホイールの設計方法。

【請求項7】

請求項１記載のフライホイールにおいて、
前記低密度円盤部は、炭素繊維プラスチック、炭化ケイ素繊維強化プラスチック、及び、軽金属のうちの何れか１つの材料により形成され、又は、複数の前記材料を選択的に組み合わせて形成されていることを特徴とするフライホイール。

【請求項8】

請求項１記載のフライホイールにおいて、
前記周回等角対称に配置された重金属の素片は、前記高密度外縁部の回転軸線に向かって突出する形状であることを特徴とするフライホイール。

【請求項9】

発電電動機と、該発電電動機が備える入出力軸と同軸に設けられた回転軸と、該回転軸に設けられたフライホイールとを備えるフライホイール蓄電システムであって、
前記フライホイールは、相対的に平均密度が低い低密度円盤部と、該低密度円盤部の外周に密着外接され、該低密度円盤部より平均密度が相対的に高い高密度外縁部とからなり、
前記高密度外縁部は、重金属を埋設した炭素繊維プラスチック、又は、重金属を埋設した炭化ケイ素繊維強化プラスチックにより形成され、
前記重金属は、超高強度鋼、又は、高融点金属、又は、高融点金属合金であり、
前記炭素繊維プラスチックに埋設する重金属、或いは、前記炭化ケイ素繊維強化プラスチックに埋設する重金属は、超高強度鋼、又は、高融点金属、又は、高融点金属合金であって、更に、粉体、又は、ワイヤー、又は、周回等角対称に配置された素片であることを特徴とするフライホイール蓄電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フライホイール、フライホイールの設計方法、及び、フライホイール蓄電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、フライホイールを回転動作させることにより、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵するフライホイール蓄電システムが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

【0003】

フライホイール蓄電システムのフライホイールとして一般的には、下記特許文献１のように一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤によるもの、或いは、円盤の外周縁部に当該円盤よりも低密度の材料で形成した外縁部を設けたものが用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許６３２３６４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、上記従来の構成では、同じ体格（体積）のフライホイールを同じ回転角速度で回転させようとしたとき、十分な質量エネルギー密度が得られないという問題がある。

【0006】

上記の点に鑑み、本発明は、高いエネルギー密度を有するフライホイール、そのフライホイールの設計を容易とする設計方法、及び、そのフライホイールを採用して蓄電エネルギーの増大と軽量化を両立させることができる蓄電システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、フライホイール蓄電システムのフライホイールであって、相対的に平均密度が低い低密度円盤部と、該低密度円盤部の外周に設けられ、該低密度円盤部より平均密度が高い高密度外縁部とからなり、前記高密度外縁部は、重金属を埋設した炭素繊維プラスチック、又は、重金属を埋設した炭化ケイ素繊維強化プラスチックにより形成され、前記重金属は、超高強度鋼、又は、高融点金属、又は、高融点金属合金であり、前記炭素繊維プラスチックに埋設する重金属、或いは、前記炭化ケイ素繊維強化プラスチックに埋設する重金属は、超高強度鋼、又は、高融点金属、又は、高融点金属合金であって、更に、粉体、又は、ワイヤー、又は、周回等角対称に配置された素片であることを特徴とする。

【0008】

本発明のフライホイールは、低密度円盤部と高密度外縁部とで構成されていることにより、同じ体積として同じ角速度で回転するとき、従来のフライホイール（一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤によるもの、或いは、円盤の外周縁部に当該円盤よりも低密度の材料で形成した外縁部を設けたもの）に比べて、高い質量エネルギー密度を達成することができる。

【0009】

また、本発明のフライホイールにおいては、一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤による従来のフライホイールよりも１０％以上の質量エネルギー密度の改善を得る場合には、前記低密度円盤部の平均密度をρ_ｉ、半径をＲ_ｉ、前記高密度外縁部の平均密度をρ_ｏ、半径をＲ_ｏとするとき、Ｒ_ｉ／Ｒ_ｏは０．４以上１未満、かつ、ρ_ｉ／ρ_ｏは０．６以下とすればよい。

【0010】

また、本発明のフライホイールにおいては、一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤による従来のフライホイールよりも５０％以上の質量エネルギー密度の改善を得る場合には、前記低密度円盤部の平均密度をρ_ｉ、半径をＲ_ｉ、前記高密度外縁部の平均密度をρ_ｏ、半径をＲ_ｏとするとき、Ｒ_ｉ／Ｒ_ｏは０．８以上１未満、かつ、ρ_ｉ／ρ_ｏは０．１以下とすればよい。

【0011】

また、本発明は、前記フライホイールを設計するための、フライホイールの設計方法であって、前記低密度円盤部の平均密度をρ_ｉ、半径をＲ_ｉ、前記高密度外縁部の平均密度をρ_ｏ、半径をＲ_ｏとするとき、下記式（１）で定義された値Ｚを増大させるように、Ｒ_ｉ／Ｒ_ｏとρ_ｉ／ρ_ｏとを適正化することを特徴とする。

【0012】

【数1】

【0013】

式（１）は、本発明フライホイールと一種類の材料で全体が均一な密度に形成された円盤による従来のフライホイール（以下、単に従来のフライホイールという）とのエネルギー密度比である。

【0014】

即ち、式（１）は、次のようにして求められる。従来のフライホイールの質量Ｍと、慣性モーメントＪと、エネルギＥとの関係から、従来のフライホイールのエネルギー密度は、式（２）となる。

【0015】

【数2】

【0016】

一方、本発明のフライホイールの前記低密度円盤部の質量Ｍ_ｉ、慣性モーメントをＪ_ｉ、エネルギをＥ_ｉとの関係と、

【0017】

【数3】

【0018】

及び、本発明のフライホイールの前記低密度円盤部の質量Ｍ_ｏ、慣性モーメントをＪ_ｏ、エネルギをＥ_ｏとの関係と、

【0019】

【数4】

により、本発明のフライホイールのエネルギー密度は、式（３）となる。

【0020】

【数5】

【0021】

そして、式（２）と式（３）とから、本発明フライホイールと従来のフライホイールとのエネルギー密度比を示す式（４）を得ることができる。なお、式（４）により、エネルギー密度比はＲ_ｉ／Ｒ_ｏとρ_ｉ／ρ_ｏにのみ依存しており、回転角速度ωは無関係となることが明らかである。

【0022】

【数6】

【0023】

式（１）は、式（４）に基づくものである。よって式（１）からエネルギー密度比の値Ｚを求めることができる。このように、式（１）を用いることにより、所望のエネルギー密度比を容易に算出することができる。

【0024】

このことから明らかなように、本発明のフライホイールの設計方法においては、前記値Ｚを最大化させるように前記Ｒ_ｉ／Ｒ_ｏと前記ρ_ｉ／ρ_ｏとを決定することが好ましい。

【0025】

更に、本発明のフライホイールの設計方法においては、変数Ｒ_ｉ／Ｒ_ｏと変数ρ_ｉ／ρ_ｏとの交点に前記値Ｚが記録されたマトリクス表を用いて、前記値Ｚの増大領域を視覚的に探索することが好ましい。前記マトリクス表は、例えば、図１２に示すように、横方向にＲ_ｉ／Ｒ_ｏの値を配し、縦方向にρ_ｉ／ρ_ｏの値を配し、Ｒ_ｉ／Ｒ_ｏの値とρ_ｉ／ρ_ｏの値との交差位置に式（１）によって算出したエネルギー密度比の値Ｚを記録したものが挙げられる。

【0026】

前記マトリクス表を用いることにより、目標とするエネルギー密度比（改善比）を達成するＲ_ｉ／Ｒ_ｏとρ_ｉ／ρ_ｏの組み合わせ候補を複数提示することができる。よって、極めて容易且つ迅速に前記Ｒ_ｉ／Ｒ_ｏと前記ρ_ｉ／ρ_ｏとを決定することができる。

【0027】

即ち、従来のフライホイールよりも１０％以上の質量エネルギー密度の改善を得る場合、図１２に示すマトリクス表を用いれば、Ｒ_ｉ／Ｒ_ｏは０．４以上１未満、かつ、ρ_ｉ／ρ_ｏは０．６以下とすればよいことが容易に決定でき、従来のフライホイールよりも５０％以上の質量エネルギー密度の改善を得る場合、前記マトリクス表を用いれば、Ｒ_ｉ／Ｒ_ｏは０．８以上１未満、かつ、ρ_ｉ／ρ_ｏは０．１以下とすればよいことが容易に決定できる。

【0028】

また、本発明のフライホイールにおいて、前記低密度円盤部は、炭素繊維プラスチック、炭化ケイ素繊維強化プラスチック、及び、軽金属のうちの何れか１つの材料により形成され、又は、複数の前記材料を選択的に組み合わせて形成されていることが好ましい。

【0031】

このうち、前記周回等角対称に配置された重金属の素片は、前記高密度外縁部の回転軸線に向かって突出する形状であることが好ましい。

【0032】

また、本発明は、発電電動機と、該発電電動機が備える入出力軸と同軸に設けられた回転軸と、該回転軸に設けられたフライホイールとを備えるフライホイール蓄電システムであって、前記フライホイールは、相対的に平均密度が低い低密度円盤部と、該低密度円盤部の外周に密着外接され、該低密度円盤部より平均密度が相対的に高い高密度外縁部とからなり、前記高密度外縁部は、重金属を埋設した炭素繊維プラスチック、又は、重金属を埋設した炭化ケイ素繊維強化プラスチックにより形成され、前記重金属は、超高強度鋼、又は、高融点金属、又は、高融点金属合金であり、前記炭素繊維プラスチックに埋設する重金属、或いは、前記炭化ケイ素繊維強化プラスチックに埋設する重金属は、超高強度鋼、又は、高融点金属、又は、高融点金属合金であって、更に、粉体、又は、ワイヤー、又は、周回等角対称に配置された素片であることを特徴とする。

【0033】

本発明のフライホイール蓄電システムは、質量エネルギー密度の高いフライホイールを備えている。従って、軽量化されたフライホイールを用いて、フライホイール蓄電システム全体の軽量化を図ることができ、高効率のフライホイール蓄電システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】第１及び第２実施形態のフライホイールを示す斜視図。

【図2】第３実施形態のフライホイールを示す斜視図。

【図3】第３実施形態のフライホイールの説明的断面図。

【図4】第４実施形態のフライホイールの説明的断面図。

【図5】第５実施形態のフライホイールの説明的断面図。

【図6】第６、第７及び第８実施形態のフライホイールの説明的断面図。

【図7】第９実施形態のフライホイールの説明的断面図。

【図8】第９実施形態のフライホイールの高密度外縁部の構成を模式的に示す図。

【図9】第９実施形態のフライホイールにおける金属素片の形状を示す図。

【図10】第９実施形態のフライホイールの一部の変形例を示す説明的断面図。

【図11】フライホイール蓄電システムの構成を示す説明的断面図。

【図12】マトリクス表の一例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0035】

本発明の設計方向に基づく実施形態を図面に基づいて説明する。図１を参照して第１及び第２実施形態のフライホイールＡ，Ｂについて説明する。第１実施形態のフライホイールＡは、円柱状の低密度円盤部１０と、円筒状の高密度外縁部１１とを備えている。

【0036】

低密度円盤部１０と高密度外縁部１１とは同じ厚み寸法ｔ_ｏに形成され、高密度外縁部１１は、低密度円盤部１０の外周に一体に設けらている。高密度外縁部１１と低密度円盤部１０とは中心である回転軸線ｘが一致している。

【0037】

第１実施形態のフライホイールＡにおいては、低密度円盤部１０は、半径Ｒ_ｉが１２ｃｍ、平均質量密度ρ_ｉが１．６ｇ／ｃｍ^３である炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を材料として形成され、高密度外縁部１１は、半径Ｒ_ｏが１５ｃｍ、平均質量密度ρ_ｏが１９．２５ｇ／ｃｍ^３である高融点金属、例えばタングステンを材料として形成されている。厚み寸法ｔ_ｏは２０ｃｍで形成されている。

【0038】

なお、低密度円盤部１０は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）以外に、炭化ケイ素繊維強化プラスチック（ＳｉＣＦＲＰ）を材料として形成してもよい。

【0039】

第１実施形態のフライホイールＡによれば、下記式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．５１となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて５１％向上する。

【0040】

【数7】

【0041】

第２実施形態のフライホイールＢは、第１実施形態のフライホイールＡと同様に、円柱状の低密度円盤部２０と、円筒状の高密度外縁部２１とを備えている。

【0042】

低密度円盤部２０は、半径Ｒ_ｉが１３ｃｍ、平均質量密度ρ_ｉが１．６ｇ／ｃｍ^３である炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を材料として形成され、高密度外縁部２１は、半径Ｒ_ｏが１５ｃｍ、平均質量密度ρ_ｏが１４．２ｇ／ｃｍ^３である高硬度鋼、例えばＷＣ−Ｃｏサーメット合金を材料として形成されている。厚み寸法ｔ_ｏは２０ｃｍである。

【0043】

第２実施形態のフライホイールＢによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．４９となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて４９％向上する。

【0044】

次に、第３実施形態のフライホイールＣについて説明する。第３実施形態のフライホイールＣは、図２及び図３に示すように、円盤状の低密度円盤部３０と、円筒状の高密度外縁部３１とを備えている。低密度円盤部３０の厚み寸法ｔ_ｉは、高密度外縁部３１の厚み寸法ｔ_ｏよりも小さい。

【0045】

低密度円盤部３０は、厚み寸法ｔ_ｉが３ｃｍ、半径Ｒ_ｉが１３．５ｃｍ、平均質量密度ρ_ｉが４．５ｇ／ｃｍ^３であるチタンを材料として形成され、高密度外縁部３１は、厚み寸法ｔ_ｏが２０ｃｍ、半径Ｒ_ｏが１５ｃｍ、平均質量密度ρ_ｏが１９．２５ｇ／ｃｍ^３である高融点金属、例えばタングステンを材料として形成されている。

【0046】

第３実施形態のフライホイールＣによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．６８となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて６８％向上する。

【0047】

次に、第４実施形態のフライホイールＤについて説明する。第４実施形態のフライホイールＤは、図４に示すように、円盤状の低密度円盤部４０と、円筒状の高密度外縁部４１とを備えている。低密度円盤部４０は、チタン円盤４０１と、このチタン円盤４０１を挟む一対の炭素繊維強化プラスチック円盤４０２とで構成されている。高密度外縁部４１は低密度円盤部４０の外周に設けられている。

【0048】

チタン円盤４０１は、厚み寸法ｔ_ｉ１が３ｃｍ、半径Ｒ_ｉが１３ｃｍ、平均質量密度ρ_ｉ１が４．５ｇ／ｃｍ^３であり、炭素繊維強化プラスチック円盤４０２は、夫々、厚み寸法ｔ_ｉ２が８．５ｃｍ、半径Ｒ_ｉが１３ｃｍ、平均質量密度ρ_ｉ２が１．６ｇ／ｃｍ^３である。

【0049】

チタン円盤４０１と一対の炭素繊維強化プラスチック円盤４０２とからなる低密度円盤部４０の平均質量密度ρ_ｉは、４．５×（３／２０）＋１．６×（１７／２０）＝１．６ｇ／ｃｍ^３である。

【0050】

高密度外縁部４１は、厚み寸法ｔ_ｏが２０ｃｍ、半径Ｒ_ｏが１５ｃｍ、平均質量密度ρ_ｏが１９．２５ｇ／ｃｍ^３である高融点金属、例えばタングステンを材料として形成されている。

【0051】

第４実施形態のフライホイールＤによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．５１となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて５１％向上する。

【0052】

次に、第５実施形態のフライホイールＥについて説明する。第５実施形態のフライホイールＥは、図５に示すように、第１実施形態のフライホイールＡと同様に、円柱状の低密度円盤部５０と、円筒状の高密度外縁部５１とを備えている。低密度円盤部５０と高密度外縁部５１とは同じ厚みでその寸法ｔ_ｏは２０ｃｍである。

【0053】

低密度円盤部５０は、半径Ｒ_ｉが１３ｃｍ、平均質量密度ρ_ｉが１．６ｇ／ｃｍ^３の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を材料として形成されており、高密度外縁部５１は、半径Ｒ_ｏが１５ｃｍ、平均質量密度ρ_ｏが１３．８２ｇ／ｃｍ^３である金属繊維強化プラスチック（ＭＦＲＰ）を材料として形成されている。金属繊維強化プラスチック（ＭＦＲＰ）は、直径５μｍのＷ微細線バンドルを円周方向に巻いて強化したものが採用されている。

【0054】

第５実施形態のフライホイールＥによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．４９となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて４９％向上する。

【0055】

次に、図６を参照して第６、第７及び第８実施形態のフライホイールＦ，Ｇ，Ｈについて説明する。

【0056】

第６実施形態のフライホイールＦは、中空の低密度円盤部６０と、円筒状の高密度外縁部６１とを備えている。

【0057】

低密度円盤部６０は、空隙６０２を存して軸線方向に互いに対向する２つの円盤６０１によって構成されている。低密度円盤部６０を構成する円盤６０１は、夫々、厚み寸法ｔ_ｉが２ｃｍ、半径Ｒ_ｉが１３．５ｃｍ、平均質量密度ρ_ｉ２が１．６ｇ／ｃｍ^３の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を材料として形成されている。

【0058】

２つの円盤６０２による低密度円盤部６０の平均質量密度ρ_ｉは、１．６×（（２＋２）／２０）＝０．３２ｇ／ｃｍ^３である。

【0059】

高密度外縁部６１は、半径Ｒ_ｏが１５ｃｍ、平均質量密度ρ_ｏが５．８４ｇ／ｃｍ^３の超硬金属微細繊維強化プラスチック（ＭＦＲＰ）により形成されている。厚み寸法ｔ_ｏは２０ｃｍである。超硬金属微細繊維強化プラスチック（ＭＦＲＰ）は、直径１０μｍのピアノ微細線バンドルを円周方向に巻いて強化したものが採用されている。

【0060】

第６実施形態のフライホイールＦによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．６２となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて６２％向上する。

【0061】

なお、第６実施形態のフライホイールＦにおける低密度円盤部６０の両円盤６０１の位置は、高密度外縁部６１の内部に収容された状態であれば、図６に示す位置に限定されない。例えば、図示しないが、両円盤６０１間が図６に示したものより近接していてもよい。また、第６実施形態では厚み寸法ｔ_ｉが２ｃｍの円盤６０２を２つ用いた例を示したが、それ以外に、厚み寸法ｔ_ｉの小さい円盤を３つ以上用いて低密度円盤部６０を形成してもよい。

【0062】

第７実施形態のフライホイールＧは、第６実施形態と同じ材料で同じ構造の低密度円盤部７０と、第６実施形態と同じ形状で同じ寸法であって材料が異なる高密度外縁部７１とで構成されている。

【0063】

低密度円盤部７０については第６実施形態の低密度円盤部６０と同じであるため、その平均質量密度ρ_ｉは、１．６×（（２＋２）／２０）＝０．３２ｇ／ｃｍ^３である。

【0064】

第７実施形態の高密度外縁部７１は、炭素繊維（ＣＦ）と超硬金属微細繊維（ＭＦ）とで強化したプラスチック（ＣＭＦＲＰ樹脂）で構成されている。高密度外縁部７１に採用したＣＭＦＲＰ樹脂は、Ｗ微細線（ワイヤー）と炭素繊維線（共に直径約５〜１０μｍ）からなる複合バンドルを円周方向に巻いて強化したものであり、その平均質量密度ρ_ｏは６．８４ｇ／ｃｍ^３である。

【0065】

第７実施形態のフライホイールＧによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．６４となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて６４％向上する。なお、高密度外縁部７１に採用するＣＭＦＲＰ樹脂としては、Ｗ微細線に替えてピアノ線のような超硬金属微細線を用いてもよい。

【0066】

第８実施形態のフライホイールＨは、第６実施形態と同じ材料で同じ構造の低密度円盤部８０と、第６実施形態と同じ形状で同じ寸法であるあって材料が異なる高密度外縁部８１とで構成されている。

【0067】

低密度円盤部８０については第６実施形態の低密度円盤部６０と同じであるため、その平均質量密度ρ_ｉは、１．６×（（２＋２）／２０）＝０．３２ｇ／ｃｍ^３である。

【0068】

第８実施形態の高密度外縁部８１は、超硬金属Ｍ粉末を分散させたプラスチック（エポキシ樹脂）を炭素繊維（ＣＦ）で強化した固体であるＣＦＲＰ：Ｍ材料によって形成されている。

【0069】

超硬金属Ｍ粉末は、Ｗ粉末（密度ρ_ｏ２＝１９．２５ｇ／ｃｍ^３、粒径０．７μｍ、充填率Ｖ_ｆ２＝０．２５）である。プラスチックは、エポキシ樹脂（密度ρ_ｏ３＝１．１５ｇ／ｃｍ^３）である。炭素繊維は、密度ρ_ｏ１＝１．８０ｇ／ｃｍ^３、線径５〜１０μｍ、充填率Ｖ_ｆ１＝０．４５であり、炭素繊維束を円周方向に巻くことにより強化されている。この構成において、高密度外縁部８１の平均質量密度ρ_ｏは６．８４ｇ／ｃｍ^３となる。

【0070】

第８実施形態のフライホイールＨによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．６２となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて６２％向上する。なお、高密度外縁部８１に採用するＣＦＲＰ：Ｍ材料では、Ｗ粉末に替えて他の金属の微細粉末を用いてもよい。

【0071】

次に、第９実施形態のフライホイールＩについて説明する。図７及び図８に示すように、第９実施形態のフライホイールＩは、第６実施形態と同じ材料で同じ構造の低密度円盤部９０と、第６実施形態と同じ形状で同じ寸法の高密度外縁部９１とで構成されている。

【0072】

低密度円盤部９０については第６実施形態の低密度円盤部６０と同じであるため、その平均質量密度ρ_ｉは、１．６×（（２＋２）／２０）＝０．３２ｇ／ｃｍ^３である。

【0073】

第９実施形態のフライホイールＩにおける高密度外縁部９１は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）によって円筒状に形成されているが、その内部には、周方向に互いに所定間隔を存して周回等角対称に配置された複数の金属素片９１１が埋設されている。

【0074】

各金属素片９１１は、全て同一形状であり、重金属で形成され、回転軸線に向かって突出するように、突出形状の先端を回転軸線に向けた姿勢で設けられている。

【0075】

金属素片９１１は、超硬合金の平均質量密度ρ_ｏ１が１４．２ｇ／ｃｍ^３であり、充填率Ｖ_ｆ１が０．２５であり、プラスチックであるエポキシ樹脂の平均質量密度ρ_ｏ２が１．１５ｇ／ｃｍ^３である。よって、この構成による高密度外縁部９１の平均質量密度ρ_ｏは４．４１ｇ／ｃｍ^３となる。

【0076】

第９実施形態のフライホイールＩによれば、式（１）によって求められたエネルギー密度比の値Ｚが１．５７となり、エネルギー密度が従来のフライホイールに比べて５７％向上する。

【0077】

なお、金属素片９１１は、図９に示すように、各種形状（図９において金属素片９１１、９１１ａ〜９１１ｆ）のものを選択的に用いることができる。このとき、高密度外縁部９１には、同じ形状の金属素片を用い、金属素片９１１、９１１ａ〜９１１ｆの何れの形状を採用した場合であってもその突出形状の先端（図において上方に示した側の端）を回転軸線に向ける。

【0078】

また、金属素片９１１は、図７に示すように、回転軸線に沿って長さを有する形状とする以外に、図１０に示すように、短い長さ寸法の金属素片９１１を回転軸線に沿った方向に間隔を存して複数配列して設けてもよい。

【0079】

上記各実施形態で示したフライホイールは、フライホイール蓄電システムに好適に採用することができる。即ち、図１１に示すように、フライホイール蓄電システム１００は、発電電動機部１０１と、フライホイール部１０２とを備えている。

【0080】

フライホイール部１０２は、フライホイール１０２ａと、このフライホイール１０２ａを収容する筐体１０２ｂとを備えている。フライホイール１０２ａは回転軸１０２ｃに設けられて回転軸１０２ｃと一体に回転する。

【0081】

回転軸１０２ｃは、発電電動機部１０１の入出力軸１０１ａに連結されている。フライホイール１０２の回転軸１０２ｃは、筐体１０２ｂに設けられた一対の軸受け１０２ｄに回転自在に支持されている。

【0082】

フライホイール１０２ａは、上述した各実施形態で示した構成のもの（フライホイールＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉの何れか）が採用される。蓄電エネルギーの増大はフライホイール１０２ａの厚み寸法や直径を増加させることで容易に達成することができる。

【0083】

フライホイール１０２ａが上述した各実施形態で示した構成であることにより、エネルギー密度が高く、従来のフライホイールと比べて軽量となる。よって、フライホイール蓄電システム１００を軽量に構成することができる。

【0084】

また、フライホイール１０２ａの軽量化により、従来のフライホイール蓄電システムに比べてシステムレベルでのエネルギー密度を向上させることができる。

【産業上の利用可能性】

【0085】

本発明は、高い質量エネルギー密度が得られるフライホイール、及び、このフライホイールを回転動作させることにより、電気エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵するフライホイール蓄電システムが得られ、余剰電力の貯蔵及び利用のために好適な装置を提供することができる。

【符号の説明】

【0086】

１００…フライホイール蓄電システム
１０１…発電電動機
１０１ａ…入出力軸
１０２ｃ…回転軸
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，１０２ａ…フライホイール
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０…低密度円盤部
１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１…高密度外縁部
９１１，９１１ａ，９１１ｂ，９１１ｃ，９１１ｄ，９１１ｅ，９１１ｆ…素片

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】