冷却および電力を供給する方法およびシステム
【課題】冷却および電力を供給するシステム（２００）を提供すること。
【解決手段】本システムは、第１の軸（２５２）によって発電機（２５０）に回転可能に結合される第１のタービン（２４８）を具備する冷却ユニット（２２６）を含むタービンアセンブリ（２０４）を備える。電力アセンブリは、第２の軸（２３６）によって圧縮機に回転可能に結合される第２のタービン（２３４）を具備する電力ユニット（２２８）をさらに含み、電力ユニットは、第１の軸および第２の軸が相互に対して独立して回転可能であるように冷却ユニットに流れ連通状態で結合される。
【解決手段】本システムは、第１の軸（２５２）によって発電機（２５０）に回転可能に結合される第１のタービン（２４８）を具備する冷却ユニット（２２６）を含むタービンアセンブリ（２０４）を備える。電力アセンブリは、第２の軸（２３６）によって圧縮機に回転可能に結合される第２のタービン（２３４）を具備する電力ユニット（２２８）をさらに含み、電力ユニットは、第１の軸および第２の軸が相互に対して独立して回転可能であるように冷却ユニットに流れ連通状態で結合される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野は、一般に冷却および電力を供給する方法およびシステムに関し、より詳細には航空機用の統合型冷却および電力システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの知られた航空機冷却および電力システムは、冷却または電力を航空機に供給する数多くの独立したサブシステムを駆動するために、航空機の推進機関からの抽気を必要とする。しかし、抽気を使用すると、機関燃料消費および負荷の増大によって機関効率が低下する。加えて、多数の独立したサブシステムを使用することによって航空機に重量および体積が加わり、これも燃料消費の増大をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、推進機関からの抽気を多用することなく、冷却および電力の両方を航空機に供給する統合型システムが、機関効率を高めかつ燃料消費を減らすために有益であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一態様では、冷却および電力を供給する方法が提供される。本方法は、第１の軸によって発電機に回転可能に結合される第１のタービンを具備する冷却ユニットを提供するステップと、第２の軸によって圧縮機に回転可能に結合される第２のタービンを具備する電力ユニットを提供するステップとを含む。本方法は、タービンアセンブリを形成するために電力ユニットを冷却ユニットに流れ連通状態で結合するステップをさらに含み、第１の軸および第２の軸は、相互に対して独立して回転可能である。
【０００５】
別の態様では、冷却および電力を供給するシステムが提供される。本システムは、第１の軸によって発電機に回転可能に結合される第１のタービンを具備する冷却ユニットを備えるタービンアセンブリを含む。本システムは、第２の軸によって圧縮機に回転可能に結合される第２のタービンを具備する電力ユニットをさらに備える。電力ユニットは、第１の軸および第２の軸が相互に対して独立して回転可能であるように冷却ユニットに流れ連通状態で結合される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】ガスタービン機関の模式図である。
【図２】図１に示したガスタービン機関に使用するための冷却および電力システムの模式的な流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の詳細な説明は、限定によってではなく、例を挙げることによって典型的な冷却および電力システムを例示するものである。本明細書は、当業者が本開示を製作しかつ使用することを可能にし、本明細書は、本開示を実施する最良の様式であると現時点で思われているものを含めて、本開示の幾つかの実施形態、改造、変更、別法、および利用を説明するものである。本開示は、本明細書では、好ましい実施形態、すなわち、航空機上で使用するための冷却および電力システムに応用されるものとして説明される。しかし、本開示は一般に、広範なシステムでかつ多様な産業および／または一般消費者向け用途における冷却および電力の供給に応用されることが企図されている。「空気」という言葉は、本明細書で使用されるように、任意のガスまたはガスの組合せを指し、一般に「空気」と呼ばれる地球の大気ガスの組合せに限定されるものではない。
【０００８】
図１は、航空機の推進に使用される典型的なコアエンジン１００（すなわち、ガスタービン機関）の模式図を示す。コアエンジンは、ファンアセンブリ１０２、高圧圧縮機１０４、および燃焼器１０６を具備する。またコアエンジン１００は、高圧タービン１０８および低圧タービン１１０を具備する。動作に際して、空気の流れがファンアセンブリ１０２を通過して、圧縮空気がファンアセンブリ１０２から高圧圧縮機１０４に供給される。この高度に圧縮された空気は、燃焼器１０６に送出される。燃焼器１０６からの空気流が、タービン１０８および１１０を駆動し、排気システム１１８を通り抜けてコアエンジン１００から流出する。典型的な実施形態では、コアエンジン１００（例えば、高圧圧縮機１０４）が、下で説明されるように、統合型冷却および電力システム２００（図２に示す）に流れ連通状態で結合される。
【０００９】
図２は、冷却および電力システム２００の模式的な流れ図である。システム２００は、始動器アセンブリ２０２、タービンアセンブリ２０４、冷却アセンブリ２０６、および電気アセンブリ２０８を具備する。始動器アセンブリ２０２は、コアエンジン１００とタービンアセンブリ２０４との間に、第１の供給弁２１０を横切って流れ連通状態で結合され、かつ／または圧縮空気源２１２とタービンアセンブリ２０４との間に、第２の供給弁２１４を横切って流れ連通状態で結合される。典型的な実施形態では、圧縮空気源２１２が空圧容器（例えば、可搬式カート上に搭載された空気タンク）である。別法として、圧縮空気源２１２は、システム２００が本明細書の説明のように機能することを可能にする任意適切な圧縮空気源でよい。典型的な実施形態では、第１の供給弁２１０および第２の供給弁２１４は、圧縮空気がコアエンジン１００および／または圧縮空気源２１２からそれぞれ始動器アセンブリ２０２に向かう流れを許容することを容易にする「入／切」弁（すなわち、玉弁）である。
【００１０】
典型的な実施形態では、始動器アセンブリ２０２が圧力制御装置２１６、方向性流量弁２１８、燃焼器２２０、および質量流制御装置２２２を具備するが、これらはコアエンジン１００および／または圧縮空気源２１２からタービンアセンブリ２０４に至る流路に沿って相互に流れ連通状態で順次に結合されている。一実施形態では、圧力制御装置２１６が、圧縮空気流の圧力調整を容易にする空圧弁である。一実施形態では、方向性流量弁２１８が、一方向（すなわち、第１の供給弁２１０および／または第２の供給弁２１４からタービンアセンブリ２０４に至る方向）のみに空気の流れを許容することを容易にする逆止め弁である。一実施形態では、燃焼器２２０が燃料噴射器（図示せず）および燃焼室（図示せず）を具備するが、これらは、高温の燃焼ガスの流れをタービンアセンブリ２０４にもたらすために、燃料（すなわち、プロパン、自然ガス等）をコアエンジン１００および／または圧縮空気源２１２からの圧縮空気流と混合しかつこの混合気を点火することを容易にする。一実施形態では、質量流制御装置２２２が、燃焼器２２０および／または圧力制御装置２１６からタービンアセンブリ２０４に向かう燃料流の量の調整を容易にする可変面積流量ノズルを具備する。別法として、圧力制御装置２１６、方向性流量弁２１８、燃焼器２２０、および／または質量流制御装置２２２は、始動器アセンブリ２０２が本明細書の説明のように機能することを可能にする任意適切な装置でよい。
【００１１】
典型的な実施形態では、タービンアセンブリ２０４が冷却ユニット２２６および電力ユニット２２８を具備するが、これらは筐体２３０の内部に搭載される。電力ユニット２２８は、第１の軸２３６によって電力タービン２３４に回転可能に結合された圧縮機２３２（すなわち、ターボ圧縮機）を具備する。電力タービン２３４は、燃焼器２２０に流れ連通状態で結合された入口２３８と、環境に流れ連通状態で結合された出口２４０とを具備する。圧縮機２３２は、冷却アセンブリ２０６にかつ／または第１の入口弁２４４を横切って環境に流れ連通状態で結合された入口２４２と、冷却アセンブリ２０６に流れ連通状態で結合された出口２４６とを具備する。冷却ユニット２２６は、第２の軸２５２によって発電機２５０（例えば、永久磁石発電機）（すなわち、ターボ発電機）に回転可能に結合された冷却タービン２４８を具備する。冷却タービン２４８は入口２５４および出口２５６を具備するが、これらは冷却アセンブリ２０６に流れ連通状態で結合される。
【００１２】
典型的な実施形態では、第１の軸２３６および／または第２の軸２５２が、磁気軸受２５８によって回転可能に支持され、相互に軸方向へ一線に揃って、かつ／または、電力ユニット２２８の動作効率と冷却ユニット２２６の動作効率とを同時に容易に最適化するために、電力ユニット２２８が第１の速度で回転可能であり、他方では冷却ユニット２２６が第１の速度とは異なる第２の速度で動作するように、相互に対して独立して回転可能である。別の実施形態では、第１の軸２３６および第２の軸２５２が、相互に対して任意の方向へ配向されてよく、かつ／または同じ速度で動作してよい。
【００１３】
典型的な実施形態では、冷却アセンブリ２０６が、タービンアセンブリ２０４（すなわち、圧縮機２３２）に、圧縮機２３２から放出された空気流の圧力を制御する可変圧力調整弁２６２（ＶＰＲＶ）を横切って流れ連通状態で結合された第１の熱交換機２６０を具備する。第１の熱交換機２６０は、ＶＰＲＶ２６２からの圧縮空気流の温度を低下させかつその圧力を維持する予冷用熱交換機である。一実施形態では、第１の熱交換機２６０が、ＶＰＲＶ２６２から放出された圧縮空気流の温度を低下させるために環境から抽出した空気を活用するラムダクト熱交換機（すなわち、「空気対空気」熱交換機）である。別の実施形態では、第１の熱交換機２６０が、ＶＰＲＶ２６２から放出された圧縮空気流の温度を低下させるためにコアエンジン１００（図１に示す）内部の高圧圧縮機１０４から抽出した環境空気を活用するファンダクト熱交換機（すなわち、「空気対空気」熱交換機）である。一実施形態では、ＶＰＲＶ２６２が、圧縮空気流をＶＰＲＶ２６２から再び燃焼器２２０に通すように再誘導する第１の迂回弁２６４を横切って燃焼器２２０に結合される。
【００１４】
典型的な実施形態では、冷却アセンブリ２０６が、第１の熱交換機２６０に第２の迂回弁２６８を横切って流れ連通状態で結合された第２の熱交換機２６６も具備する。第２の熱交換機２６６は、第１の熱交換機２６０からの圧縮空気流の温度を低下させかつその圧力を維持する予冷用熱交換機である。一実施形態では、第２の熱交換機２６６が、第１の熱交換機２６０からの圧縮空気流の温度を低下させるために、第２の入口弁２７２を横切る、空気入力装置２７０からの環境空気流を活用し、かつ／または第３の迂回弁２７６を横切る、第３の熱交換機２７４からの冷却空気流を活用する復熱式熱交換機（すなわち、「空気対空気」熱交換機）である。別の実施形態では、第２の熱交換機２６６が、圧縮空気流をＶＰＲＶ２６２から第２の熱交換機２６６に直接誘導するために、ＶＰＲＶ２６２に第４の迂回弁２７８を横切って流れ連通状態で結合される。別法の実施形態では、ＶＰＲＶ２６２が、冷却タービン２４８に流入する圧縮空気の温度を上昇させるために（すなわち、第３の熱交換機２７４の凍結防止を容易にするために）、一定量の圧縮空気が第１の熱交換機２６０および第２の熱交換機２６６を迂回することを選択的に許容するように、冷却ユニット２２６に第５の迂回弁２８０および混合弁２８２を横切って直接結合される。
【００１５】
典型的な実施形態では、第３の熱交換機２７４が、タービンアセンブリ２０４（すなわち、冷却タービン出口２５６）と第２の熱交換機２６６の間に第３の迂回弁２７６を横切って、かつ／またはタービンアセンブリ２０４と環境との間に第１の放出弁２８４を横切って流れ連通状態で結合される。第３の熱交換機２７４は、冷却回路２８６を通過し、少なくとも一部が第３の熱交換機２７４を通過する液体の温度を低下させるために、冷却タービン２４８からの空気流を使用する「液体対空気」熱交換機（例えば、ポリアルファオレフィン（ＰＯＡ）熱交換機）である。別法として、冷却回路２８６を通り抜けてガスが流れてよく、したがって第３の熱交換機２７４は「空気対空気」熱交換機でよい。一実施形態では、冷却回路２８６の一部が、熱エネルギーを電気アセンブリ２０８から液体に容易に移転するために電気アセンブリ２０８の近傍に位置決めされる。別の実施形態では、冷却回路２８６が、液体を冷却回路２８６に通して（すなわち、第３の熱交換機２７４に通して）循環させる際に使用するためのポンプ２８８および貯槽２９０を具備する。
【００１６】
典型的な実施形態では、電気アセンブリ２０８が、発電機２５０に配線２９２を介して電気的に結合される。一実施形態では、電気アセンブリ２０８が、システム制御装置２９４、電力調整装置２９６、少なくとも１つの航空電子装置２９８（例えば、レーダ）、電力変換器３００、および抵抗加熱器３０２を具備する。電力調整装置２９６は、発電機２５０によって電力の供給を受けるべき構成要素の所定の電気的要件を満たすために発電機２５０の出力を調整する電気装置であり、電力変換器３００は、一定量の電力を発電機２５０から航空機母線３０４に分流する電気装置である。一実施形態では、電力調整装置２９６および／または電力変換器３００が、発電機２５０からの交流（ＡＣ）出力を直流（ＤＣ）に変換する装置を具備してよい。一実施形態では、電力調整装置２９６および／または電力変換器３００が、発電機２５０からの３相ＡＣ電力を、例えば、４００ヘルツで実効値１１５ボルトにある米軍規格７０４Ｄ／Ｅ調整済み電力に変換する。
【００１７】
典型的な実施形態では、抵抗加熱器３０２が、第２の熱交換機２６６からタービンアセンブリ２０４（すなわち、冷却タービン入口２５４）に至る流路に沿って位置決めされる。一実施形態では、抵抗加熱器３０２が、発電機２５０の回転速度を維持するために、第２の放出弁３０６を横切って第３の熱交換機２７４からタービンアセンブリ２０４に向かって（すなわち、圧縮機入口２４２に向かって）流れ、かつ／または第３の放出弁３０８を横切って環境の中へ流れる冷却空気流に熱エネルギーを移転することによって、発電機２５０からの電力を熱エネルギーに変換するトリム負荷モジュール（ＴＬＭ）である（すなわち、ＴＬＭは、定負荷を発電機２５０に供給することを容易にするために、電気アセンブリ２０８の要件を超える発電機２５０からの一定量の電力を熱エネルギーの形態で放散する）。
【００１８】
典型的な実施形態では、システム制御装置２９４が、マイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、および本明細書に説明の機能を実行できる任意の他の回路またはプロセッサを含む、コンピュータシステムのような、任意のプロセッサを基本とするかもしくはマイクロプロセッサを基本とするシステムを包含しうる。「プロセッサ」という言葉は、本明細書で使用されるように、当業でプロセッサと呼ぶ集積回路のみに限定されるものではなく、広くコンピュータ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理コントローラ、特定用途向け集積回路、および任意の他のプログラマブル回路を指す。さらには、システム制御装置２９４は、例えば、２メガビットの読出し専用メモリ（ＲＯＭ）および６４キロビットの等速呼出し記憶装置（ＲＡＭ）を有する３２ビットのマイクロコンピュータのような、ＲＯＭおよび／またはＲＡＭを含むマイクロプロセッサでよい。典型的な実施形態では、システム制御装置２９４は、メモリ３１０、システム２００全体を通して位置決めされた複数のセンサ、ならびに／またはシステム２００（例えば、機上コンピュータ）内部にかつ／またはシステム２００から遠隔に（例えば、航行制御装置に）配置された様々な他の装置と通信する（すなわち、これらの装置からの信号を受けかつ／またはこれらの装置に信号を送る）。
【００１９】
コアエンジン１００の第１の動作様式では、十分な量の圧縮空気が、コアエンジン１００の動作効率特徴を実質的に低下させることなく、システム２００を始動するためにコアエンジン１００から抽出可能である（例えば、航空機が巡航しているとき）。この第１の動作様式では、システム２００は、所定量の圧縮空気がコアエンジン１００から（例えば、高圧圧縮機１０４から）、圧力制御装置２１６を通り、方向性流量弁２１８を通り抜けて、燃焼器２２０に流入することを許容するために、第１の供給弁２１０を開放することによって始動される。燃焼器２２０は、質量流制御装置２２２を通りかつ電力タービン入口２３８を通り抜ける燃焼ガスの流れを生成するために、圧縮空気を燃料と混合してこの混合気を点火する。燃焼ガスは、電力タービン２３４を駆動し、引き続いて電力タービン出口２４０に通して環境の中へ排出される。電力タービン２３４は、第１の軸２３６を回転させて圧縮機２３２を駆動する。圧縮機２３２が電力タービン２３４によって駆動されている間に、第１の入口弁２４４は、圧縮機２３２が所定量の環境空気をこの入口弁に通して引き込むように開放される。引き続いて第１の入口弁２４４は閉鎖される。
【００２０】
圧縮機２３２は、第１の入口弁２４４からの環境空気を圧縮して、圧縮空気流を圧縮機出口２４６に通してＶＰＲＶ２６２に向かって放出する。ＶＰＲＶ２６２からの圧縮空気流の第１の部分が、第２の軸２５２を回転させ、かつ発電機２５０を駆動することを容易にするために、第１の熱交換機２６０を通り、第２の熱交換機２６６を通り抜けて冷却タービン２４８の中へ誘導される。ＶＰＲＶ２６２からの圧縮空気流の第２の部分が、第１の迂回弁２６４を横切って誘導されて再び燃焼器２２０に通される。圧縮空気の第２の部分が燃料器２２０を通過すると、第１の供給弁２１０が閉鎖されて、システム２００は閉ループシステムになる。
【００２１】
一実施形態では、第２の熱交換機２６６からの圧縮空気流が、混合弁２８２を通って冷却タービン２４８の中へ誘導される。冷却タービン２４８に流入する圧縮空気の温度および圧力が、冷却タービン２４８を横切って低下し、冷却空気流が、冷却タービン２４８から第３の熱交換機２７４に向かって放出される。混合弁２８２は、冷却タービン２４８から放出された冷却空気の温度調整を容易にするように、冷却タービン２４８の中へ誘導された圧縮空気流の温度を上げるために、第２の熱交換機２６６からの圧縮空気流と第５の迂回弁２８０を横切る圧縮空気流とを混合する。第３の熱交換機２７４は、冷却タービン２４８からの冷却空気流を使用して、冷却回路２８６を通過する液体の温度を下げる。第３の熱交換機２７４を通過する冷却空気は、第１の熱交換機２６０から第２の熱交換機２６６を通過する圧縮空気の温度を下げる際に使用するために、第２の熱交換機２６６に向かって誘導される。第３の熱交換機２７４から第２の熱交換機２６６を通過する冷却空気は、抵抗加熱器３０２を越えて圧縮機入口２４２の中へ誘導され、かつ、閉ループシステムに通して再利用されるために、圧縮機出口２４６を通って冷却アセンブリ２０６の中へ誘導される。
【００２２】
コアエンジン１００の第２の動作様式では、十分な量の圧縮空気が、システム２００を始動するためにコアエンジン１００から抽出されるわけではない（例えば、航空機が地上にあるとき）。この第２の動作様式では、システム２００は、所定量の圧縮空気が、圧縮空気源２１２から圧力制御装置２１６を通り、方向性流量弁２１８を通り抜けて、燃焼器２２０に流入するのを許容するために、第２の供給弁２１４を開放することによって始動される。燃焼器２２０は、質量流制御装置２２２を通りかつ電力タービン入口２３８を通り抜ける燃焼ガスの流れを生成するために、圧縮空気を燃料と混合してこの混合気を点火する。燃焼ガスは、電力タービン２３４を駆動し、引き続いて電力タービン出口２４０に通して環境の中へ排出される。電力タービン２３４は、第１の軸２３６を回転させて圧縮機２３２を駆動する。圧縮機２３２が電力タービン２３４によって駆動されている間に、第１の入口弁２４４は、圧縮機２３２が所定量の環境空気をこの入口弁に通して引き込むように開放される。引き続いて第１の入口弁２４４は閉鎖される。
【００２３】
圧縮機２３２は、第１の入口弁２４４からの環境空気を圧縮して、圧縮空気流を圧縮機出口２４６に通してＶＰＲＶ２６２に向かって放出する。ＶＰＲＶ２６２からの圧縮空気流の第１の部分が、第２の軸２５２を回転させ、かつ発電機２５０を駆動することを容易にするために、第１の熱交換機２６０を通り、第２の熱交換機２６６を通り抜けて冷却タービン２４８の中へ誘導される。ＶＰＲＶ２６２からの圧縮空気流の第２の部分が、第１の迂回弁２６４を横切って誘導されて再び燃焼器２２０に通される。圧縮空気の第２の部分が燃料器２２０を通過すると、第２の供給弁２１４が閉鎖されて、システム２００は閉ループシステムになる。
【００２４】
一実施形態では、第２の熱交換機２６６からの圧縮空気流が、混合弁２８２を通って冷却タービン２４８の中へ誘導される。冷却タービン２４８に流入する圧縮空気の温度および圧力が、冷却タービン２４８を横切って低下し、冷却空気流が、冷却タービン２４８から第３の熱交換機２７４に向かって放出される。混合弁２８２は、冷却タービン２４８から放出された冷却空気の温度調整を容易にするように、冷却タービン２４８の中へ誘導された圧縮空気流の温度を上げるために、第２の熱交換機２６６からの圧縮空気流と第５の迂回弁２８０を横切る圧縮空気流とを混合する。第３の熱交換機２７４は、冷却タービン２４８からの冷却空気流を使用して、冷却回路２８６を通過する液体の温度を下げる。第３の熱交換機２７４を通過する冷却空気は、第１の熱交換機２６０から第２の熱交換機２６６を通過する圧縮空気の温度を下げる際に使用するために、第２の熱交換機２６６に向かって誘導される。第３の熱交換機２７４から第２の熱交換機２６６を通過する冷却空気は、抵抗加熱器３０２を越えて圧縮機入口２４２の中へ誘導され、かつ、閉ループシステムに通して再利用されるために、圧縮機出口２４６を通って冷却システム２０６の中へ誘導される。
【００２５】
別法の実施形態では、コアエンジン１００および／または圧縮空気源２１２からの圧縮空気が、方向性流量弁２１８および燃焼器２２０を迂回することによって質量流制御装置２２２の中へ誘導されてよい。他の実施形態では、圧縮機２３２からの圧縮空気が、第４の迂回弁２７８を通って第２の熱交換機２６６に誘導されてよく、それによって第１の熱交換機２６０を迂回する。他の実施形態では、空気入力装置２７０からの環境空気が、第２の熱交換機２６６を横切って抵抗加熱器３０２を越えて環境の中へ誘導され、かつ／または第３の熱交換機２７４を通過する冷却空気が、環境の中へ排出されるように、第１の放出弁２８４、第３の放出弁３０８、および第２の入口弁２７２が開放されてよく、他方では第３の迂回弁２７６および第２の放出弁３０６が閉鎖される。
【００２６】
他の別法による実施形態では、タービンアセンブリ２０４が、コアエンジン１００および／または圧縮空気源２１２からの圧縮空気を使用することなく、システム２００を容易に始動するために選択的に動作可能である磁気継手３１４を具備してよい。具体的には、コアエンジン１００および／または圧縮空気源２１２からの圧縮空気が利用できないかもしくは望ましくないときに、第１の軸２３６および第２の軸２５２を回転可能に一体に結合するために、磁気継手３１４が、第１の軸２３６と第２の軸２５２との間で励磁される。磁気継手３１４が励磁されると、発電機２５０は、外部電源３１６および／または航空機母線３０４からの電力を使用して第１の軸２３６および第２の軸２５２を回転させ、それによってシステム２００を始動する際に利用するために環境空気を圧縮機２３２の中へ吸い込むためのモータとして動作する。
【００２７】
典型的な実施形態では、システム制御装置２９４が、以下の仕事、すなわち、（１）コアエンジン１００の効率特徴を最適化することを容易にするために圧縮空気源２１２および／またはコアエンジン１００から圧縮空気流を選択的に解放すること、（２）タービンアセンブリ２０４の少なくとも１つの動作特徴を調整すること（例えば、質量流制御装置２２２に通して空気の流量を調節することによって圧縮機２３２および／または電力タービン２３４の動作速度を調整すること）、（３）コアエンジン１００の非動作時間の間に電力ユニット２２８を動作させること（例えば、電力がコアエンジン１００の始動動作を実施するために必要とされるときおよび／または非常用電力が航空機の構成要素に電力を供給するために必要とされるときに、電力ユニット２２８を動作させること）、（４）定負荷を発電機２５０に与えることを容易にするために、電力を発電機２５０から抵抗加熱器３０２に分流すること、ならびに／あるいは（５）システムエラー検出を実行しかつ／または航空機に配置されている主航空機制御システムおよび／もしくは航空機から遠隔に配置されている航行制御装置に知らせることを実行するようにプログラミングされる。別法として、システム制御装置２９４は、本明細書に説明のシステム２００の任意の動作を容易にするようにプログラミングされてよい。
【００２８】
一実施形態では、システム制御装置２９４が、所望量の圧縮空気をコアエンジン１００からタービンアセンブリ２０４に所望の圧力および／または温度で供給するために、抵抗加熱器３０２内部の複数の高速電力切換回路（図示せず）を調整することによって、かつ／または圧力制御装置２１６を動作させることによって、システム２００のエネルギー均衡を制御する。別の実施形態では、システム２００用の初期電力が、航空機母線３０４から入手され、一旦システム２００が安定動作状態に達すると（すなわち、一旦閉ループが確立されると）、システム制御装置２９４は、電力を磁気軸受２５８から、かつ／または他の電力要件を航空機母線３０４から、発電機２５０からの出力電力に切り換える。
【００２９】
別の実施形態では、過剰な電力が発電機２５０によって生成されるとき（すなわち、電気アセンブリ２０８が電力よりも冷却を多く必要とするとき）、システム制御装置２９４は、実質的に電力品質を損なうことなく、発電機２５０からの高周波ＡＣ電力を航空機母線３０４に分流し、それによって発電機２５０の負荷を除去してシステム２００を航空機母線３０４から隔離し、かつ電力変換器３００は、航空機母線３０４に伝送するために発電機２５０によって生成された高周波電力の調整および／または同期を行って、抵抗加熱器３０２に分流される電力の削減、コアエンジン１００から抽出される圧縮空気のより効率的な利用、システム２００から排出される空気の温度の低減、および／または航空機の主発電機（図示せず）に対する電気負荷の軽減をもたらす。
【００３０】
別の実施形態では、システム制御装置２９４が、発電機２５０の回転速度に基づいて抵抗加熱器３０２に分流される電力を調節する。一実施形態では、システム制御装置２９４が、抵抗加熱器３０２に分流される電力の量を監視してシステム２００に対する最小バイアス電力水準を維持する。航空機の主発電機の負荷除去を防止するために、システム制御装置２９４は、航空機母線３０４に設定されうる最大電力量を測定するために、主発電機によって供給される電力量を絶えず監視しかつ主発電機によって供給される電力を最小電力量設定点と比較する。主発電機の電力が、この電力量設定点を下回れば、システム制御装置２９４は、追加的な電力を発電機２５０から航空機母線３０４に分流することを防止する。
【００３１】
当業者が理解するようにかつ以上の明細書に基づいて、本発明の上記説明の実施形態は、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはこれらの任意の組合せもしくはサブセットを含むコンピュータプログラミングまたは工学技術を使用して実施可能であり、その場合の１つの技術的効果は、冷却および電力の供給を容易にすることである。コンピュータ可読符号手段を有する、得られるプログラムはいずれも、１つまたは複数のコンピュータ可読媒体の中で具現または実現可能であり、それによって本発明の論じられた実施形態にしたがってコンピュータプログラム製造物、すなわち、製品を製作するものである。コンピュータ可読媒体とは、例えば、限定するものではないが、固定（ハード）ドライブ、ディスケット、光ディスク、磁気テープ、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）のような半導体メモリ、および／あるいはインターネットまたは他の通信ネットワークもしくはリンクのような任意の送信／受信媒体でよい。コンピュータ符号を含む製品は、１つの媒体から直接符号を実行することによって、媒体から媒体に符号を複写することによって、かつ／またはネットワーク上で符号を伝送することによって製作および／または使用可能である。
【００３２】
本明細書に説明の方法およびシステムは、航空機上における冷却および電力の供給を容易にする。具体的には、本明細書に説明の方法およびシステムは、航空機の推進機関による燃料消費を最小化するために、電力タービンのおよび圧縮機の速度を最適化することを容易にする。さらには、本明細書に説明の方法およびシステムは、冷却効率を最大化しかつ発電機の所望の出力を維持するために、冷却タービンの速度を最適化することを容易にする。加えて、本明細書に説明の方法およびシステムは、航空機上に冷却および電力システムを収容するために必要な空間要件を最小化することを容易にし、かつ航空機上で冷却および電力システムを動作させることに関連する燃料費を最小化することを容易にする。
【００３３】
冷却および電力を供給するための方法およびシステムの典型的な実施形態が、以上に詳細に説明されている。本明細書に説明の冷却および電力を供給する方法およびシステムは、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、これらの方法およびシステムの構成要素が、本明細書で説明した他の構成要素とは独立してかつ別個に活用されてもよい。例えば、本明細書で説明した方法およびシステムは、他の産業および／または一般消費者向け用途を有することが可能であり、本明細書で説明した航空機に実施することに限定されるものではない。さらに正確に言えば、本発明は、他の産業に関連して実施されかつ活用されうるものである。
【００３４】
本発明を具体的な実施形態で説明してきたが、当業者は、本発明には特許請求の趣旨および範囲内で変更が実施可能であることを認識しよう。
【符号の説明】
【００３５】
１００ コアエンジン
１０２ ファンアセンブリ
１０４ 高圧圧縮機
１０６ 燃焼器
１０８ 高圧タービン
１１０ 低圧タービン
１１８ 排気システム
２００ 本システム
２０２ 始動器アセンブリ
２０４ タービンアセンブリ
２０６ 冷却アセンブリ
２０８ 電気アセンブリ
２１０ 第１の供給弁
２１２ 圧縮空気源
２１４ 第２の供給弁
２１６ 圧力制御装置
２１８ 方向性流量弁
２２０ 燃焼器
２２２ 質量流制御装置
２２６ 冷却ユニット
２２８ 電力ユニット
２３０ 筐体
２３２ 圧縮機
２３４ 電力タービン
２３６ 電力ユニット軸
２３８ 電力タービン入口
２４０ 電力タービン出口
２４２ 圧縮機入口
２４４ 第１の入口弁
２４６ 圧縮機出口
２４８ 冷却タービン
２５０ 発電機
２５２ 冷却ユニット軸
２５４ 冷却タービン入口
２５６ 冷却タービン出口
２５８ 磁気軸受
２６０ 第１の熱交換機
２６２ 可変圧力調整弁（ＶＰＲＶ）
２６４ 第１の迂回弁
２６６ 第２の熱交換機
２６８ 第２の迂回弁
２７０ 空気入力装置
２７２ 第２の入口弁
２７４ 第３の熱交換機
２７６ 第３の迂回弁
２７８ 第４の迂回弁
２８０ 第５の迂回弁
２８２ 混合弁
２８４ 第１の放出弁
２８６ 冷却回路
２８８ ポンプ
２９０ 貯槽
２９２ 配線
２９４ システム制御装置
２９６ 電力調整装置
２９８ 航空電子装置
３００ 電力変換器
３０２ 抵抗加熱器
３０４ 航空機母線
３０６ 第２の放出弁
３０８ 第３の放出弁
３１０ メモリ
３１４ 磁気継手
３１６ 外部電源
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野は、一般に冷却および電力を供給する方法およびシステムに関し、より詳細には航空機用の統合型冷却および電力システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの知られた航空機冷却および電力システムは、冷却または電力を航空機に供給する数多くの独立したサブシステムを駆動するために、航空機の推進機関からの抽気を必要とする。しかし、抽気を使用すると、機関燃料消費および負荷の増大によって機関効率が低下する。加えて、多数の独立したサブシステムを使用することによって航空機に重量および体積が加わり、これも燃料消費の増大をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、推進機関からの抽気を多用することなく、冷却および電力の両方を航空機に供給する統合型システムが、機関効率を高めかつ燃料消費を減らすために有益であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一態様では、冷却および電力を供給する方法が提供される。本方法は、第１の軸によって発電機に回転可能に結合される第１のタービンを具備する冷却ユニットを提供するステップと、第２の軸によって圧縮機に回転可能に結合される第２のタービンを具備する電力ユニットを提供するステップとを含む。本方法は、タービンアセンブリを形成するために電力ユニットを冷却ユニットに流れ連通状態で結合するステップをさらに含み、第１の軸および第２の軸は、相互に対して独立して回転可能である。
【０００５】
別の態様では、冷却および電力を供給するシステムが提供される。本システムは、第１の軸によって発電機に回転可能に結合される第１のタービンを具備する冷却ユニットを備えるタービンアセンブリを含む。本システムは、第２の軸によって圧縮機に回転可能に結合される第２のタービンを具備する電力ユニットをさらに備える。電力ユニットは、第１の軸および第２の軸が相互に対して独立して回転可能であるように冷却ユニットに流れ連通状態で結合される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】ガスタービン機関の模式図である。
【図２】図１に示したガスタービン機関に使用するための冷却および電力システムの模式的な流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の詳細な説明は、限定によってではなく、例を挙げることによって典型的な冷却および電力システムを例示するものである。本明細書は、当業者が本開示を製作しかつ使用することを可能にし、本明細書は、本開示を実施する最良の様式であると現時点で思われているものを含めて、本開示の幾つかの実施形態、改造、変更、別法、および利用を説明するものである。本開示は、本明細書では、好ましい実施形態、すなわち、航空機上で使用するための冷却および電力システムに応用されるものとして説明される。しかし、本開示は一般に、広範なシステムでかつ多様な産業および／または一般消費者向け用途における冷却および電力の供給に応用されることが企図されている。「空気」という言葉は、本明細書で使用されるように、任意のガスまたはガスの組合せを指し、一般に「空気」と呼ばれる地球の大気ガスの組合せに限定されるものではない。
【０００８】
図１は、航空機の推進に使用される典型的なコアエンジン１００（すなわち、ガスタービン機関）の模式図を示す。コアエンジンは、ファンアセンブリ１０２、高圧圧縮機１０４、および燃焼器１０６を具備する。またコアエンジン１００は、高圧タービン１０８および低圧タービン１１０を具備する。動作に際して、空気の流れがファンアセンブリ１０２を通過して、圧縮空気がファンアセンブリ１０２から高圧圧縮機１０４に供給される。この高度に圧縮された空気は、燃焼器１０６に送出される。燃焼器１０６からの空気流が、タービン１０８および１１０を駆動し、排気システム１１８を通り抜けてコアエンジン１００から流出する。典型的な実施形態では、コアエンジン１００（例えば、高圧圧縮機１０４）が、下で説明されるように、統合型冷却および電力システム２００（図２に示す）に流れ連通状態で結合される。
【０００９】
図２は、冷却および電力システム２００の模式的な流れ図である。システム２００は、始動器アセンブリ２０２、タービンアセンブリ２０４、冷却アセンブリ２０６、および電気アセンブリ２０８を具備する。始動器アセンブリ２０２は、コアエンジン１００とタービンアセンブリ２０４との間に、第１の供給弁２１０を横切って流れ連通状態で結合され、かつ／または圧縮空気源２１２とタービンアセンブリ２０４との間に、第２の供給弁２１４を横切って流れ連通状態で結合される。典型的な実施形態では、圧縮空気源２１２が空圧容器（例えば、可搬式カート上に搭載された空気タンク）である。別法として、圧縮空気源２１２は、システム２００が本明細書の説明のように機能することを可能にする任意適切な圧縮空気源でよい。典型的な実施形態では、第１の供給弁２１０および第２の供給弁２１４は、圧縮空気がコアエンジン１００および／または圧縮空気源２１２からそれぞれ始動器アセンブリ２０２に向かう流れを許容することを容易にする「入／切」弁（すなわち、玉弁）である。
【００１０】
典型的な実施形態では、始動器アセンブリ２０２が圧力制御装置２１６、方向性流量弁２１８、燃焼器２２０、および質量流制御装置２２２を具備するが、これらはコアエンジン１００および／または圧縮空気源２１２からタービンアセンブリ２０４に至る流路に沿って相互に流れ連通状態で順次に結合されている。一実施形態では、圧力制御装置２１６が、圧縮空気流の圧力調整を容易にする空圧弁である。一実施形態では、方向性流量弁２１８が、一方向（すなわち、第１の供給弁２１０および／または第２の供給弁２１４からタービンアセンブリ２０４に至る方向）のみに空気の流れを許容することを容易にする逆止め弁である。一実施形態では、燃焼器２２０が燃料噴射器（図示せず）および燃焼室（図示せず）を具備するが、これらは、高温の燃焼ガスの流れをタービンアセンブリ２０４にもたらすために、燃料（すなわち、プロパン、自然ガス等）をコアエンジン１００および／または圧縮空気源２１２からの圧縮空気流と混合しかつこの混合気を点火することを容易にする。一実施形態では、質量流制御装置２２２が、燃焼器２２０および／または圧力制御装置２１６からタービンアセンブリ２０４に向かう燃料流の量の調整を容易にする可変面積流量ノズルを具備する。別法として、圧力制御装置２１６、方向性流量弁２１８、燃焼器２２０、および／または質量流制御装置２２２は、始動器アセンブリ２０２が本明細書の説明のように機能することを可能にする任意適切な装置でよい。
【００１１】
典型的な実施形態では、タービンアセンブリ２０４が冷却ユニット２２６および電力ユニット２２８を具備するが、これらは筐体２３０の内部に搭載される。電力ユニット２２８は、第１の軸２３６によって電力タービン２３４に回転可能に結合された圧縮機２３２（すなわち、ターボ圧縮機）を具備する。電力タービン２３４は、燃焼器２２０に流れ連通状態で結合された入口２３８と、環境に流れ連通状態で結合された出口２４０とを具備する。圧縮機２３２は、冷却アセンブリ２０６にかつ／または第１の入口弁２４４を横切って環境に流れ連通状態で結合された入口２４２と、冷却アセンブリ２０６に流れ連通状態で結合された出口２４６とを具備する。冷却ユニット２２６は、第２の軸２５２によって発電機２５０（例えば、永久磁石発電機）（すなわち、ターボ発電機）に回転可能に結合された冷却タービン２４８を具備する。冷却タービン２４８は入口２５４および出口２５６を具備するが、これらは冷却アセンブリ２０６に流れ連通状態で結合される。
【００１２】
典型的な実施形態では、第１の軸２３６および／または第２の軸２５２が、磁気軸受２５８によって回転可能に支持され、相互に軸方向へ一線に揃って、かつ／または、電力ユニット２２８の動作効率と冷却ユニット２２６の動作効率とを同時に容易に最適化するために、電力ユニット２２８が第１の速度で回転可能であり、他方では冷却ユニット２２６が第１の速度とは異なる第２の速度で動作するように、相互に対して独立して回転可能である。別の実施形態では、第１の軸２３６および第２の軸２５２が、相互に対して任意の方向へ配向されてよく、かつ／または同じ速度で動作してよい。
【００１３】
典型的な実施形態では、冷却アセンブリ２０６が、タービンアセンブリ２０４（すなわち、圧縮機２３２）に、圧縮機２３２から放出された空気流の圧力を制御する可変圧力調整弁２６２（ＶＰＲＶ）を横切って流れ連通状態で結合された第１の熱交換機２６０を具備する。第１の熱交換機２６０は、ＶＰＲＶ２６２からの圧縮空気流の温度を低下させかつその圧力を維持する予冷用熱交換機である。一実施形態では、第１の熱交換機２６０が、ＶＰＲＶ２６２から放出された圧縮空気流の温度を低下させるために環境から抽出した空気を活用するラムダクト熱交換機（すなわち、「空気対空気」熱交換機）である。別の実施形態では、第１の熱交換機２６０が、ＶＰＲＶ２６２から放出された圧縮空気流の温度を低下させるためにコアエンジン１００（図１に示す）内部の高圧圧縮機１０４から抽出した環境空気を活用するファンダクト熱交換機（すなわち、「空気対空気」熱交換機）である。一実施形態では、ＶＰＲＶ２６２が、圧縮空気流をＶＰＲＶ２６２から再び燃焼器２２０に通すように再誘導する第１の迂回弁２６４を横切って燃焼器２２０に結合される。
【００１４】
典型的な実施形態では、冷却アセンブリ２０６が、第１の熱交換機２６０に第２の迂回弁２６８を横切って流れ連通状態で結合された第２の熱交換機２６６も具備する。第２の熱交換機２６６は、第１の熱交換機２６０からの圧縮空気流の温度を低下させかつその圧力を維持する予冷用熱交換機である。一実施形態では、第２の熱交換機２６６が、第１の熱交換機２６０からの圧縮空気流の温度を低下させるために、第２の入口弁２７２を横切る、空気入力装置２７０からの環境空気流を活用し、かつ／または第３の迂回弁２７６を横切る、第３の熱交換機２７４からの冷却空気流を活用する復熱式熱交換機（すなわち、「空気対空気」熱交換機）である。別の実施形態では、第２の熱交換機２６６が、圧縮空気流をＶＰＲＶ２６２から第２の熱交換機２６６に直接誘導するために、ＶＰＲＶ２６２に第４の迂回弁２７８を横切って流れ連通状態で結合される。別法の実施形態では、ＶＰＲＶ２６２が、冷却タービン２４８に流入する圧縮空気の温度を上昇させるために（すなわち、第３の熱交換機２７４の凍結防止を容易にするために）、一定量の圧縮空気が第１の熱交換機２６０および第２の熱交換機２６６を迂回することを選択的に許容するように、冷却ユニット２２６に第５の迂回弁２８０および混合弁２８２を横切って直接結合される。
【００１５】
典型的な実施形態では、第３の熱交換機２７４が、タービンアセンブリ２０４（すなわち、冷却タービン出口２５６）と第２の熱交換機２６６の間に第３の迂回弁２７６を横切って、かつ／またはタービンアセンブリ２０４と環境との間に第１の放出弁２８４を横切って流れ連通状態で結合される。第３の熱交換機２７４は、冷却回路２８６を通過し、少なくとも一部が第３の熱交換機２７４を通過する液体の温度を低下させるために、冷却タービン２４８からの空気流を使用する「液体対空気」熱交換機（例えば、ポリアルファオレフィン（ＰＯＡ）熱交換機）である。別法として、冷却回路２８６を通り抜けてガスが流れてよく、したがって第３の熱交換機２７４は「空気対空気」熱交換機でよい。一実施形態では、冷却回路２８６の一部が、熱エネルギーを電気アセンブリ２０８から液体に容易に移転するために電気アセンブリ２０８の近傍に位置決めされる。別の実施形態では、冷却回路２８６が、液体を冷却回路２８６に通して（すなわち、第３の熱交換機２７４に通して）循環させる際に使用するためのポンプ２８８および貯槽２９０を具備する。
【００１６】
典型的な実施形態では、電気アセンブリ２０８が、発電機２５０に配線２９２を介して電気的に結合される。一実施形態では、電気アセンブリ２０８が、システム制御装置２９４、電力調整装置２９６、少なくとも１つの航空電子装置２９８（例えば、レーダ）、電力変換器３００、および抵抗加熱器３０２を具備する。電力調整装置２９６は、発電機２５０によって電力の供給を受けるべき構成要素の所定の電気的要件を満たすために発電機２５０の出力を調整する電気装置であり、電力変換器３００は、一定量の電力を発電機２５０から航空機母線３０４に分流する電気装置である。一実施形態では、電力調整装置２９６および／または電力変換器３００が、発電機２５０からの交流（ＡＣ）出力を直流（ＤＣ）に変換する装置を具備してよい。一実施形態では、電力調整装置２９６および／または電力変換器３００が、発電機２５０からの３相ＡＣ電力を、例えば、４００ヘルツで実効値１１５ボルトにある米軍規格７０４Ｄ／Ｅ調整済み電力に変換する。
【００１７】
典型的な実施形態では、抵抗加熱器３０２が、第２の熱交換機２６６からタービンアセンブリ２０４（すなわち、冷却タービン入口２５４）に至る流路に沿って位置決めされる。一実施形態では、抵抗加熱器３０２が、発電機２５０の回転速度を維持するために、第２の放出弁３０６を横切って第３の熱交換機２７４からタービンアセンブリ２０４に向かって（すなわち、圧縮機入口２４２に向かって）流れ、かつ／または第３の放出弁３０８を横切って環境の中へ流れる冷却空気流に熱エネルギーを移転することによって、発電機２５０からの電力を熱エネルギーに変換するトリム負荷モジュール（ＴＬＭ）である（すなわち、ＴＬＭは、定負荷を発電機２５０に供給することを容易にするために、電気アセンブリ２０８の要件を超える発電機２５０からの一定量の電力を熱エネルギーの形態で放散する）。
【００１８】
典型的な実施形態では、システム制御装置２９４が、マイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、および本明細書に説明の機能を実行できる任意の他の回路またはプロセッサを含む、コンピュータシステムのような、任意のプロセッサを基本とするかもしくはマイクロプロセッサを基本とするシステムを包含しうる。「プロセッサ」という言葉は、本明細書で使用されるように、当業でプロセッサと呼ぶ集積回路のみに限定されるものではなく、広くコンピュータ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理コントローラ、特定用途向け集積回路、および任意の他のプログラマブル回路を指す。さらには、システム制御装置２９４は、例えば、２メガビットの読出し専用メモリ（ＲＯＭ）および６４キロビットの等速呼出し記憶装置（ＲＡＭ）を有する３２ビットのマイクロコンピュータのような、ＲＯＭおよび／またはＲＡＭを含むマイクロプロセッサでよい。典型的な実施形態では、システム制御装置２９４は、メモリ３１０、システム２００全体を通して位置決めされた複数のセンサ、ならびに／またはシステム２００（例えば、機上コンピュータ）内部にかつ／またはシステム２００から遠隔に（例えば、航行制御装置に）配置された様々な他の装置と通信する（すなわち、これらの装置からの信号を受けかつ／またはこれらの装置に信号を送る）。
【００１９】
コアエンジン１００の第１の動作様式では、十分な量の圧縮空気が、コアエンジン１００の動作効率特徴を実質的に低下させることなく、システム２００を始動するためにコアエンジン１００から抽出可能である（例えば、航空機が巡航しているとき）。この第１の動作様式では、システム２００は、所定量の圧縮空気がコアエンジン１００から（例えば、高圧圧縮機１０４から）、圧力制御装置２１６を通り、方向性流量弁２１８を通り抜けて、燃焼器２２０に流入することを許容するために、第１の供給弁２１０を開放することによって始動される。燃焼器２２０は、質量流制御装置２２２を通りかつ電力タービン入口２３８を通り抜ける燃焼ガスの流れを生成するために、圧縮空気を燃料と混合してこの混合気を点火する。燃焼ガスは、電力タービン２３４を駆動し、引き続いて電力タービン出口２４０に通して環境の中へ排出される。電力タービン２３４は、第１の軸２３６を回転させて圧縮機２３２を駆動する。圧縮機２３２が電力タービン２３４によって駆動されている間に、第１の入口弁２４４は、圧縮機２３２が所定量の環境空気をこの入口弁に通して引き込むように開放される。引き続いて第１の入口弁２４４は閉鎖される。
【００２０】
圧縮機２３２は、第１の入口弁２４４からの環境空気を圧縮して、圧縮空気流を圧縮機出口２４６に通してＶＰＲＶ２６２に向かって放出する。ＶＰＲＶ２６２からの圧縮空気流の第１の部分が、第２の軸２５２を回転させ、かつ発電機２５０を駆動することを容易にするために、第１の熱交換機２６０を通り、第２の熱交換機２６６を通り抜けて冷却タービン２４８の中へ誘導される。ＶＰＲＶ２６２からの圧縮空気流の第２の部分が、第１の迂回弁２６４を横切って誘導されて再び燃焼器２２０に通される。圧縮空気の第２の部分が燃料器２２０を通過すると、第１の供給弁２１０が閉鎖されて、システム２００は閉ループシステムになる。
【００２１】
一実施形態では、第２の熱交換機２６６からの圧縮空気流が、混合弁２８２を通って冷却タービン２４８の中へ誘導される。冷却タービン２４８に流入する圧縮空気の温度および圧力が、冷却タービン２４８を横切って低下し、冷却空気流が、冷却タービン２４８から第３の熱交換機２７４に向かって放出される。混合弁２８２は、冷却タービン２４８から放出された冷却空気の温度調整を容易にするように、冷却タービン２４８の中へ誘導された圧縮空気流の温度を上げるために、第２の熱交換機２６６からの圧縮空気流と第５の迂回弁２８０を横切る圧縮空気流とを混合する。第３の熱交換機２７４は、冷却タービン２４８からの冷却空気流を使用して、冷却回路２８６を通過する液体の温度を下げる。第３の熱交換機２７４を通過する冷却空気は、第１の熱交換機２６０から第２の熱交換機２６６を通過する圧縮空気の温度を下げる際に使用するために、第２の熱交換機２６６に向かって誘導される。第３の熱交換機２７４から第２の熱交換機２６６を通過する冷却空気は、抵抗加熱器３０２を越えて圧縮機入口２４２の中へ誘導され、かつ、閉ループシステムに通して再利用されるために、圧縮機出口２４６を通って冷却アセンブリ２０６の中へ誘導される。
【００２２】
コアエンジン１００の第２の動作様式では、十分な量の圧縮空気が、システム２００を始動するためにコアエンジン１００から抽出されるわけではない（例えば、航空機が地上にあるとき）。この第２の動作様式では、システム２００は、所定量の圧縮空気が、圧縮空気源２１２から圧力制御装置２１６を通り、方向性流量弁２１８を通り抜けて、燃焼器２２０に流入するのを許容するために、第２の供給弁２１４を開放することによって始動される。燃焼器２２０は、質量流制御装置２２２を通りかつ電力タービン入口２３８を通り抜ける燃焼ガスの流れを生成するために、圧縮空気を燃料と混合してこの混合気を点火する。燃焼ガスは、電力タービン２３４を駆動し、引き続いて電力タービン出口２４０に通して環境の中へ排出される。電力タービン２３４は、第１の軸２３６を回転させて圧縮機２３２を駆動する。圧縮機２３２が電力タービン２３４によって駆動されている間に、第１の入口弁２４４は、圧縮機２３２が所定量の環境空気をこの入口弁に通して引き込むように開放される。引き続いて第１の入口弁２４４は閉鎖される。
【００２３】
圧縮機２３２は、第１の入口弁２４４からの環境空気を圧縮して、圧縮空気流を圧縮機出口２４６に通してＶＰＲＶ２６２に向かって放出する。ＶＰＲＶ２６２からの圧縮空気流の第１の部分が、第２の軸２５２を回転させ、かつ発電機２５０を駆動することを容易にするために、第１の熱交換機２６０を通り、第２の熱交換機２６６を通り抜けて冷却タービン２４８の中へ誘導される。ＶＰＲＶ２６２からの圧縮空気流の第２の部分が、第１の迂回弁２６４を横切って誘導されて再び燃焼器２２０に通される。圧縮空気の第２の部分が燃料器２２０を通過すると、第２の供給弁２１４が閉鎖されて、システム２００は閉ループシステムになる。
【００２４】
一実施形態では、第２の熱交換機２６６からの圧縮空気流が、混合弁２８２を通って冷却タービン２４８の中へ誘導される。冷却タービン２４８に流入する圧縮空気の温度および圧力が、冷却タービン２４８を横切って低下し、冷却空気流が、冷却タービン２４８から第３の熱交換機２７４に向かって放出される。混合弁２８２は、冷却タービン２４８から放出された冷却空気の温度調整を容易にするように、冷却タービン２４８の中へ誘導された圧縮空気流の温度を上げるために、第２の熱交換機２６６からの圧縮空気流と第５の迂回弁２８０を横切る圧縮空気流とを混合する。第３の熱交換機２７４は、冷却タービン２４８からの冷却空気流を使用して、冷却回路２８６を通過する液体の温度を下げる。第３の熱交換機２７４を通過する冷却空気は、第１の熱交換機２６０から第２の熱交換機２６６を通過する圧縮空気の温度を下げる際に使用するために、第２の熱交換機２６６に向かって誘導される。第３の熱交換機２７４から第２の熱交換機２６６を通過する冷却空気は、抵抗加熱器３０２を越えて圧縮機入口２４２の中へ誘導され、かつ、閉ループシステムに通して再利用されるために、圧縮機出口２４６を通って冷却システム２０６の中へ誘導される。
【００２５】
別法の実施形態では、コアエンジン１００および／または圧縮空気源２１２からの圧縮空気が、方向性流量弁２１８および燃焼器２２０を迂回することによって質量流制御装置２２２の中へ誘導されてよい。他の実施形態では、圧縮機２３２からの圧縮空気が、第４の迂回弁２７８を通って第２の熱交換機２６６に誘導されてよく、それによって第１の熱交換機２６０を迂回する。他の実施形態では、空気入力装置２７０からの環境空気が、第２の熱交換機２６６を横切って抵抗加熱器３０２を越えて環境の中へ誘導され、かつ／または第３の熱交換機２７４を通過する冷却空気が、環境の中へ排出されるように、第１の放出弁２８４、第３の放出弁３０８、および第２の入口弁２７２が開放されてよく、他方では第３の迂回弁２７６および第２の放出弁３０６が閉鎖される。
【００２６】
他の別法による実施形態では、タービンアセンブリ２０４が、コアエンジン１００および／または圧縮空気源２１２からの圧縮空気を使用することなく、システム２００を容易に始動するために選択的に動作可能である磁気継手３１４を具備してよい。具体的には、コアエンジン１００および／または圧縮空気源２１２からの圧縮空気が利用できないかもしくは望ましくないときに、第１の軸２３６および第２の軸２５２を回転可能に一体に結合するために、磁気継手３１４が、第１の軸２３６と第２の軸２５２との間で励磁される。磁気継手３１４が励磁されると、発電機２５０は、外部電源３１６および／または航空機母線３０４からの電力を使用して第１の軸２３６および第２の軸２５２を回転させ、それによってシステム２００を始動する際に利用するために環境空気を圧縮機２３２の中へ吸い込むためのモータとして動作する。
【００２７】
典型的な実施形態では、システム制御装置２９４が、以下の仕事、すなわち、（１）コアエンジン１００の効率特徴を最適化することを容易にするために圧縮空気源２１２および／またはコアエンジン１００から圧縮空気流を選択的に解放すること、（２）タービンアセンブリ２０４の少なくとも１つの動作特徴を調整すること（例えば、質量流制御装置２２２に通して空気の流量を調節することによって圧縮機２３２および／または電力タービン２３４の動作速度を調整すること）、（３）コアエンジン１００の非動作時間の間に電力ユニット２２８を動作させること（例えば、電力がコアエンジン１００の始動動作を実施するために必要とされるときおよび／または非常用電力が航空機の構成要素に電力を供給するために必要とされるときに、電力ユニット２２８を動作させること）、（４）定負荷を発電機２５０に与えることを容易にするために、電力を発電機２５０から抵抗加熱器３０２に分流すること、ならびに／あるいは（５）システムエラー検出を実行しかつ／または航空機に配置されている主航空機制御システムおよび／もしくは航空機から遠隔に配置されている航行制御装置に知らせることを実行するようにプログラミングされる。別法として、システム制御装置２９４は、本明細書に説明のシステム２００の任意の動作を容易にするようにプログラミングされてよい。
【００２８】
一実施形態では、システム制御装置２９４が、所望量の圧縮空気をコアエンジン１００からタービンアセンブリ２０４に所望の圧力および／または温度で供給するために、抵抗加熱器３０２内部の複数の高速電力切換回路（図示せず）を調整することによって、かつ／または圧力制御装置２１６を動作させることによって、システム２００のエネルギー均衡を制御する。別の実施形態では、システム２００用の初期電力が、航空機母線３０４から入手され、一旦システム２００が安定動作状態に達すると（すなわち、一旦閉ループが確立されると）、システム制御装置２９４は、電力を磁気軸受２５８から、かつ／または他の電力要件を航空機母線３０４から、発電機２５０からの出力電力に切り換える。
【００２９】
別の実施形態では、過剰な電力が発電機２５０によって生成されるとき（すなわち、電気アセンブリ２０８が電力よりも冷却を多く必要とするとき）、システム制御装置２９４は、実質的に電力品質を損なうことなく、発電機２５０からの高周波ＡＣ電力を航空機母線３０４に分流し、それによって発電機２５０の負荷を除去してシステム２００を航空機母線３０４から隔離し、かつ電力変換器３００は、航空機母線３０４に伝送するために発電機２５０によって生成された高周波電力の調整および／または同期を行って、抵抗加熱器３０２に分流される電力の削減、コアエンジン１００から抽出される圧縮空気のより効率的な利用、システム２００から排出される空気の温度の低減、および／または航空機の主発電機（図示せず）に対する電気負荷の軽減をもたらす。
【００３０】
別の実施形態では、システム制御装置２９４が、発電機２５０の回転速度に基づいて抵抗加熱器３０２に分流される電力を調節する。一実施形態では、システム制御装置２９４が、抵抗加熱器３０２に分流される電力の量を監視してシステム２００に対する最小バイアス電力水準を維持する。航空機の主発電機の負荷除去を防止するために、システム制御装置２９４は、航空機母線３０４に設定されうる最大電力量を測定するために、主発電機によって供給される電力量を絶えず監視しかつ主発電機によって供給される電力を最小電力量設定点と比較する。主発電機の電力が、この電力量設定点を下回れば、システム制御装置２９４は、追加的な電力を発電機２５０から航空機母線３０４に分流することを防止する。
【００３１】
当業者が理解するようにかつ以上の明細書に基づいて、本発明の上記説明の実施形態は、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはこれらの任意の組合せもしくはサブセットを含むコンピュータプログラミングまたは工学技術を使用して実施可能であり、その場合の１つの技術的効果は、冷却および電力の供給を容易にすることである。コンピュータ可読符号手段を有する、得られるプログラムはいずれも、１つまたは複数のコンピュータ可読媒体の中で具現または実現可能であり、それによって本発明の論じられた実施形態にしたがってコンピュータプログラム製造物、すなわち、製品を製作するものである。コンピュータ可読媒体とは、例えば、限定するものではないが、固定（ハード）ドライブ、ディスケット、光ディスク、磁気テープ、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）のような半導体メモリ、および／あるいはインターネットまたは他の通信ネットワークもしくはリンクのような任意の送信／受信媒体でよい。コンピュータ符号を含む製品は、１つの媒体から直接符号を実行することによって、媒体から媒体に符号を複写することによって、かつ／またはネットワーク上で符号を伝送することによって製作および／または使用可能である。
【００３２】
本明細書に説明の方法およびシステムは、航空機上における冷却および電力の供給を容易にする。具体的には、本明細書に説明の方法およびシステムは、航空機の推進機関による燃料消費を最小化するために、電力タービンのおよび圧縮機の速度を最適化することを容易にする。さらには、本明細書に説明の方法およびシステムは、冷却効率を最大化しかつ発電機の所望の出力を維持するために、冷却タービンの速度を最適化することを容易にする。加えて、本明細書に説明の方法およびシステムは、航空機上に冷却および電力システムを収容するために必要な空間要件を最小化することを容易にし、かつ航空機上で冷却および電力システムを動作させることに関連する燃料費を最小化することを容易にする。
【００３３】
冷却および電力を供給するための方法およびシステムの典型的な実施形態が、以上に詳細に説明されている。本明細書に説明の冷却および電力を供給する方法およびシステムは、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、これらの方法およびシステムの構成要素が、本明細書で説明した他の構成要素とは独立してかつ別個に活用されてもよい。例えば、本明細書で説明した方法およびシステムは、他の産業および／または一般消費者向け用途を有することが可能であり、本明細書で説明した航空機に実施することに限定されるものではない。さらに正確に言えば、本発明は、他の産業に関連して実施されかつ活用されうるものである。
【００３４】
本発明を具体的な実施形態で説明してきたが、当業者は、本発明には特許請求の趣旨および範囲内で変更が実施可能であることを認識しよう。
【符号の説明】
【００３５】
１００ コアエンジン
１０２ ファンアセンブリ
１０４ 高圧圧縮機
１０６ 燃焼器
１０８ 高圧タービン
１１０ 低圧タービン
１１８ 排気システム
２００ 本システム
２０２ 始動器アセンブリ
２０４ タービンアセンブリ
２０６ 冷却アセンブリ
２０８ 電気アセンブリ
２１０ 第１の供給弁
２１２ 圧縮空気源
２１４ 第２の供給弁
２１６ 圧力制御装置
２１８ 方向性流量弁
２２０ 燃焼器
２２２ 質量流制御装置
２２６ 冷却ユニット
２２８ 電力ユニット
２３０ 筐体
２３２ 圧縮機
２３４ 電力タービン
２３６ 電力ユニット軸
２３８ 電力タービン入口
２４０ 電力タービン出口
２４２ 圧縮機入口
２４４ 第１の入口弁
２４６ 圧縮機出口
２４８ 冷却タービン
２５０ 発電機
２５２ 冷却ユニット軸
２５４ 冷却タービン入口
２５６ 冷却タービン出口
２５８ 磁気軸受
２６０ 第１の熱交換機
２６２ 可変圧力調整弁（ＶＰＲＶ）
２６４ 第１の迂回弁
２６６ 第２の熱交換機
２６８ 第２の迂回弁
２７０ 空気入力装置
２７２ 第２の入口弁
２７４ 第３の熱交換機
２７６ 第３の迂回弁
２７８ 第４の迂回弁
２８０ 第５の迂回弁
２８２ 混合弁
２８４ 第１の放出弁
２８６ 冷却回路
２８８ ポンプ
２９０ 貯槽
２９２ 配線
２９４ システム制御装置
２９６ 電力調整装置
２９８ 航空電子装置
３００ 電力変換器
３０２ 抵抗加熱器
３０４ 航空機母線
３０６ 第２の放出弁
３０８ 第３の放出弁
３１０ メモリ
３１４ 磁気継手
３１６ 外部電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却および電力を供給するシステム（２００）であって、
第１の軸（２５２）によって発電機（２５０）に回転可能に結合される第１のタービン（２４８）を具備する冷却ユニット（２２６）と、
第２の軸（２３６）によって圧縮機に回転可能に結合される第２のタービン（２３４）を具備する電力ユニット（２２８）とを備え、前記電力ユニットは、前記第１の軸および前記第２の軸が相互に対して独立して回転可能であるように前記冷却ユニットに流れ連通状態で結合されるタービンアセンブリ（２０４）を備える、冷却および電力を供給するシステム（２００）。
【請求項２】
前記発電機（２５０）に電気的に結合されるシステム制御装置（２９４）を含む電気アセンブリ（２０８）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項３】
前記タービンアセンブリ（２０４）は、複数の磁気軸受（２５８）をさらに備え、前記第１の軸（２５２）および前記第２の軸（２３６）は、前記磁気軸受によって磁気的に浮上されることを特徴とする請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項４】
前記タービンアセンブリ（２０４）は、前記第１の軸（２５２）と前記第２の軸（２３６）との間に位置決めされる磁気継手（３１４）をさらに備え、前記磁気継手は、前記第１の軸および前記第２の軸が一体に回転可能であるように、前記第１の軸を前記第２の軸に結合するために選択的に駆動可能であることを特徴とする請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項５】
前記タービンアセンブリ（２０４）と圧縮空気源（２１２）との間に流れ連通状態で結合される始動器アセンブリ（２０２）をさらに備え、前記始動器アセンブリは燃焼器（２２０）を備えることを特徴とする請求項２記載のシステム（２００）。
【請求項６】
前記始動器アセンブリ（２０２）は、前記電力タービン（２３４）を通る質量流を調整するように構成される質量流装置（２２２）をさらに備えることを特徴とする請求項５記載のシステム（２００）。
【請求項７】
前記タービンアセンブリ（２０４）に流れ連通状態で結合される冷却アセンブリ（２０６）をさらに備え、前記冷却アセンブリは、第１の空気対空気熱交換機（２６０）と液体対空気熱交換機とを備えることを特徴とする請求項５記載のシステム（２００）。
【請求項８】
前記冷却アセンブリ（２０６）は、前記第１の空気対空気熱交換機（２６０）および前記液体対空気熱交換機に流れ連通状態で結合される第２の空気対空気熱交換機（２６６）をさらに備えることを特徴とする請求項７記載のシステム（２００）。
【請求項９】
前記冷却アセンブリ（２０６）は、前記液体対空気熱交換機を通って延びる冷却回路（２８６）をさらに備え、前記冷却回路の少なくとも一部が、前記電気アセンブリ（２０８）の近傍に位置決めされることを特徴とする請求項７記載のシステム（２００）。
【請求項１０】
前記電気アセンブリ（２０８）は、前記発電機（２５０）に電気的に結合される抵抗加熱器（３０２）を備え、前記抵抗加熱器は、前記冷却アセンブリ（２０６）の流路に沿って位置決めされることを特徴とする請求項９記載のシステム（２００）。
【請求項１】
冷却および電力を供給するシステム（２００）であって、
第１の軸（２５２）によって発電機（２５０）に回転可能に結合される第１のタービン（２４８）を具備する冷却ユニット（２２６）と、
第２の軸（２３６）によって圧縮機に回転可能に結合される第２のタービン（２３４）を具備する電力ユニット（２２８）とを備え、前記電力ユニットは、前記第１の軸および前記第２の軸が相互に対して独立して回転可能であるように前記冷却ユニットに流れ連通状態で結合されるタービンアセンブリ（２０４）を備える、冷却および電力を供給するシステム（２００）。
【請求項２】
前記発電機（２５０）に電気的に結合されるシステム制御装置（２９４）を含む電気アセンブリ（２０８）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項３】
前記タービンアセンブリ（２０４）は、複数の磁気軸受（２５８）をさらに備え、前記第１の軸（２５２）および前記第２の軸（２３６）は、前記磁気軸受によって磁気的に浮上されることを特徴とする請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項４】
前記タービンアセンブリ（２０４）は、前記第１の軸（２５２）と前記第２の軸（２３６）との間に位置決めされる磁気継手（３１４）をさらに備え、前記磁気継手は、前記第１の軸および前記第２の軸が一体に回転可能であるように、前記第１の軸を前記第２の軸に結合するために選択的に駆動可能であることを特徴とする請求項１記載のシステム（２００）。
【請求項５】
前記タービンアセンブリ（２０４）と圧縮空気源（２１２）との間に流れ連通状態で結合される始動器アセンブリ（２０２）をさらに備え、前記始動器アセンブリは燃焼器（２２０）を備えることを特徴とする請求項２記載のシステム（２００）。
【請求項６】
前記始動器アセンブリ（２０２）は、前記電力タービン（２３４）を通る質量流を調整するように構成される質量流装置（２２２）をさらに備えることを特徴とする請求項５記載のシステム（２００）。
【請求項７】
前記タービンアセンブリ（２０４）に流れ連通状態で結合される冷却アセンブリ（２０６）をさらに備え、前記冷却アセンブリは、第１の空気対空気熱交換機（２６０）と液体対空気熱交換機とを備えることを特徴とする請求項５記載のシステム（２００）。
【請求項８】
前記冷却アセンブリ（２０６）は、前記第１の空気対空気熱交換機（２６０）および前記液体対空気熱交換機に流れ連通状態で結合される第２の空気対空気熱交換機（２６６）をさらに備えることを特徴とする請求項７記載のシステム（２００）。
【請求項９】
前記冷却アセンブリ（２０６）は、前記液体対空気熱交換機を通って延びる冷却回路（２８６）をさらに備え、前記冷却回路の少なくとも一部が、前記電気アセンブリ（２０８）の近傍に位置決めされることを特徴とする請求項７記載のシステム（２００）。
【請求項１０】
前記電気アセンブリ（２０８）は、前記発電機（２５０）に電気的に結合される抵抗加熱器（３０２）を備え、前記抵抗加熱器は、前記冷却アセンブリ（２０６）の流路に沿って位置決めされることを特徴とする請求項９記載のシステム（２００）。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−８４７６７（Ｐ２０１０−８４７６７Ａ）
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２３６１１（Ｐ２００９−２２３６１１）
【出願日】平成２１年９月２９日（２００９．９．２９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２９日（２００９．９．２９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
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