JP2018500234A - エネルギー回収システムを使用する航空機 - Google Patents

Abstract

航空機は、廃棄エネルギーを出力するエネルギー出力構成要素（ＥＯＣ）を備える。廃棄エネルギーを電気エネルギーまたは機械エネルギーのうちの一方に変換するためにエネルギー回収ユニット（ＥＲＵ）がＥＯＣに対して作用可能に結合される。廃棄エネルギーから回収された電気エネルギーまたは機械エネルギーのうちの一方を蓄えるためにエネルギー蓄積ユニット（ＥＳＵ）がＥＲＵに対して作用可能に結合される。【選択図】図１

Description

本開示は、エネルギー回収システムを使用する航空機に関する。

飛行のために航空機に給電することに加えて、最近の航空機エンジンは、電気システム、油圧システム、または、空気圧システムであってもよい航空機補助システムに電力も供給し、航空機補助システムとしては、多くの用途の中で、環境システム、飛行制御システム、および、乗客娯楽システムを挙げることができる。これらのシステムに付加的な電力を供給する必要性は、補助ギアボックス、ポンプ、発電機、および、チューブ、ホース、バルブ、および、配線ハーネスを含むそれらの関連する供給システムのための付加的な容積／サイズをもたらす場合がある。従来から、特に緊急状況および悪天候条件におけるより短い停止距離によって安全性を高める航空機の逆推力装置が、短期の高出力需要に伴う補助システムのうちの１つである。この要件は、必要な油圧流量を供給するための油圧ポンプのサイズ増大、または、電力を供給するための発電機サイズの増大、並びに、他の場合には、逆推力装置および他の補助システムの動作中に利用できるエンジンブリード出力の注意深い設計配慮およびスケジューリングの必要性をもたらしてきた。

独国特許第２４４７３３３号

１つの態様において、本発明の一実施形態は、廃棄エネルギーを出力するエネルギー出力構成要素（ＥＯＣ）を備える航空機に関する。廃棄エネルギーを電気エネルギーまたは機械エネルギーのうちの一方に変換するためにエネルギー回収ユニット（ＥＲＵ）がＥＯＣに対して作用可能に結合される。廃棄エネルギーから回収された電気エネルギーまたは機械エネルギーのうちの一方を蓄えるためにエネルギー蓄積ユニット（ＥＳＵ）がＥＲＵに対して作用可能に結合される。一時的エネルギー消費構成要素（ＴＥＣＣ）が、このＴＥＣＣの動作中にＥＳＵから電気エネルギーまたは機械エネルギーのうちの一方を受けるためにＥＳＵに対して作用可能に結合される。

本発明の一実施形態に係る航空機を描くブロック図である。 複数のエネルギー出力構成要素と複数のエネルギー消費構成要素とを伴う本発明の一実施形態に係る図１の航空機の側面図である。 エネルギー回収システムを使用する本発明の１つの実施形態に係る図２の航空機を描くフローチャートである。 エネルギー回収システムを使用する本発明の他の実施形態に係る図２の航空機を描くフローチャートである。

図１は、本発明の一実施形態に係る航空機２を示す。航空機２は、廃棄エネルギーを出力する少なくとも１つのエネルギー出力構成要素（ＥＯＣ）４を含む。廃棄エネルギーを電気エネルギーまたは機械エネルギーのうちの一方へ変換するためにエネルギー回収ユニット（ＥＲＵ）６がＥＯＣ４に対して作用可能に結合される。廃棄エネルギーから回収される電気エネルギーまたは機械エネルギーのうちの一方を蓄えるためにエネルギー蓄積ユニット（ＥＳＵ）８がＥＲＵ６に対して作用可能に結合される。一時的エネルギー消費構成要素（ＴＥＣＣ）１０が、ＴＥＣＣ１０の動作中にＥＳＵ８から電気エネルギーまたは機械エネルギーのうちの一方を受けるためにＥＳＵ８に対して作用可能に結合される。

航空機２は、ＥＯＣ４およびＴＥＣＣ１０としての機能を果たす複数の構成要素またはシステムを有し得る。図２に見られるように、航空機２０は機体２２を含み、機体２２は、この機体２２から外側に延びる翼アセンブリ２４を有する。推進力を与えるために１つ以上のターボファンジェットエンジンアセンブリ２６が航空機２０に結合されてもよい。ターボファンジェットエンジンアセンブリ２６を有する民間航空機２０が例示されているが、本発明の実施形態が、任意のタイプの航空機、例えば、制限なく、固定翼航空機、回転翼航空機、および、軍用機で使用されてもよく、また、任意のタイプのエンジン、例えば、制限なく、ターボシャフトエンジン、ターボジェットエンジン、ターボプロップエンジン、および、レシプロエンジンのために使用されてもよいと考えられる。

エネルギー出力構成要素は、航空機ブレーキ３２を有する車輪３１を備える航空機ランディングギア３０、エンジンアセンブリ２６に対して作用可能に結合されるエンジン排気システム出力３８および防氷システムブリード３４、機体２２に対して作用可能に結合される環境制御システムブリード３６、または、航空機２０に位置される任意の他のブリードポートを含んでもよい。ブレーキ３２は、着陸中に航空機２０を減速するために使用され、また、車輪３１およびブレーキ３２は、ランディングギア３０が着陸面と接触する着陸中に回転し、それにより、無駄な機械エネルギーが出力される。エンジン排気システムは、エンジンアセンブリ２６内で燃焼中に生成されたガスを排出し、また、エンジン排気システム出力３８はガスを大気へ排出し、それにより、無駄な機械エネルギーが出力される。防氷システムは、エンジンアセンブリ２６により生成されたガスをエンジンアセンブリ２６内および翼アセンブリ２４内で循環させて、飛行中の氷の蓄積を防止し、また、防氷システムブリード３４はガスを大気へ解放し、それにより、無駄な機械エネルギーが出力される。環境制御システムは、機体２２内の酸素などのガスを制御し、また、環境制御システムブリード３６はガスを大気へ解放し、それにより、無駄な機械エネルギーが出力される。

一時的エネルギー消費構成要素は、短い持続時間にわたって動作され、それにより、短い持続時間にわたってエネルギーを要して消費する、逆推力作動システム（ＴＲＡＳ）４２を含む逆推力装置４０、可変面積ノズル作動システム４６を有する可変面積ノズル４４、補助空力装置および操向システム４８を含んでもよい。この発明に係る「短い」という用語は、一般に、３分未満であると見なされることが理解される。逆推力装置４０は、エンジン排ガスをこの生成排ガスが後方ではなく前方へ方向付けられるように一時的にそらすために逆推力作動システム（ＴＲＡＳ）４２により制御されるエンジンアセンブリ２６の可動部である。この逆推力装置は、航空機２０の前進に逆らって作用し、それにより、着陸直後に航空機２０の速度を落とすのに役立つべく減速を行なって、ブレーキ３２の摩耗を減らし、より短い着陸距離を可能にする。可変面積ノズル４４は、エンジンアセンブリ２６の動作中に生成される排ガスがエンジンアセンブリ２６から抜け出る出口面積を規定する。出口面積は、離陸や巡航などの特定の飛行状態中にエンジンアセンブリ２６の最適な性能を得るために可変面積ノズル作動システム４６によって変えられる。操向システム４８は、地上走行中に航空機２０を操向するためにランディングギア３０に対して作用可能に結合される。逆推力作動システム（ＴＲＡＳ）４２、可変面積ノズル作動システム４６、および、操向システム４８は、動作中にアクチュエータモータまたはポンプを利用して、短い持続時間にわたって動作され、それにより、短い持続時間にわたってエネルギーを要して消費する。他の一時的エネルギー消費構成要素としては、推力偏向ノズル、アフターバーナー、スピードブレーキ、スポイラー、および、他の空力装置を挙げることができる。

無駄な機械エネルギーを回収するために少なくとも１つのＥＲＵ６０がエネルギー出力構成要素のうちの少なくとも１つに対して作用可能に結合されてもよい。ＥＲＵ６０が、航空機ブレーキ３２、エンジン排気システム出力３８および防氷システムブリード３４、並びに、環境制御システムブリード３６のそれぞれに対して作用可能に結合されてもよいことが想起される。また、少なくとも１つのＥＲＵ６０は、航空機内に収容されるＥＳＵ８０に対しても作用可能に結合される。ＥＳＵ８０は機体２２内に搭載されるように概略的に示されるが、ＥＳＵ８０は航空機２０内の任意の場所に搭載されてもよい。例えば、ＥＳＵ８０は、例えばファンカウルドアの下側など、エンジンアセンブリ２６をカウル内に支持するためのパイロン構造体内に搭載されてもよい。

また、航空機２０にはシステム制御モジュール５２およびエンジン制御モジュール５０が設けられてもよい。システム制御モジュール５２およびエンジン制御モジュール５０は、エネルギー出力構成要素、一時的エネルギー消費構成要素、少なくとも１つのＥＲＵ６０、および、ＥＳＵ８０に対して作用可能に結合されて、これらの動作を制御するように構成されてもよい。システム制御モジュール５２およびエンジン制御モジュール５０は、他の航空機システムを制御するように構成されてもよく、他の航空機システムとしては、電気システム、酸素システム、油圧および／または空気圧システム、燃料システム、推進システム、ナビゲーションシステム、飛行制御、オーディオ／ビデオシステム、統合機体ヘルスマネジメント（ＩＶＨＭ）システム、機内メンテナンスシステム、中央メンテナンスコンピュータ、クルー警告システム（ＣＡＳ）、機内メンテナンスシステム（ＯＭＳ）、および、航空機２０の機械的構造と関連付けられるシステムを挙げることができるが、これらに限定されない。システム制御モジュール５２およびエンジン制御モジュール５０がそのような構成要素およびシステムの動作を最適化して構成要素およびシステムを自動的に制御するように構成されてもよいことが理解される。

ここで、図３を参照すると、ＥＲＵ６０は、航空機ブレーキ３２に結合されるときには、ブレーキ搭載発電機６２、クラッチ６５および変速機６６と組み合わせたブレーキ搭載フライホイール６４、または、ブレーキ搭載フライホイールエネルギー蓄積装置（ＦＥＳ）６８を備えてもよい。ブレーキ搭載発電機６２は、航空機ブレーキ３２からの機械エネルギーを電気エネルギー出力６３に変換するように航空機ブレーキ３２に対して作用可能に結合される。

ブレーキ搭載フライホイール６４は、航空機ブレーキ３２からの機械エネルギーがブレーキ搭載フライホイール６４に伝えられるように航空機ブレーキ３２に対して作用可能に結合される。クラッチ６５は、変速機６６とブレーキ搭載フライホイール６４とを選択的に結合して機械エネルギーを変速機６６に伝えるために変速機６６に対して作用可能に結合され、それにより、機械エネルギー出力６７が与えられる。変速機６６は、無段変速機（ＣＶＴ）などの任意の一般的なタイプの変速機であってもよい。

ブレーキ搭載ＦＥＳ６８は、航空機ブレーキ３２からの機械エネルギーがブレーキ搭載ＦＥＳ６８に伝えられるように航空機ブレーキ３２に対して作用可能に結合される。ブレーキ搭載ＦＥＳ６８内のフライホイールは、フライホイールの機械エネルギーがブレーキ搭載ＦＥＳ６８によって蓄えられるように航空機ブレーキ３２によって回転される。ブレーキ搭載ＦＥＳ６８は、磁性材料を含んでもよく、また、ブレーキ搭載ＦＥＳ６８が電気機械バッテリとして作用するように永久磁石発電機として構成されてもよく、それにより、フライホイールの回転で機械エネルギーを蓄えるとともに、電気エネルギー出力６９を選択的に与える。

ＥＳＵ８０は、リチウムイオンバッテリなどのバッテリ８２、スーパーキャパシタ８４、油圧アキュムレータ８６またはその複合体を備えてもよい。ブレーキ搭載発電機６２からの電気エネルギー出力６３は、化学エネルギーまたは電気エネルギーとしてそれぞれバッテリ８２内またはスーパーキャパシタ８４内に蓄えられる。バッテリ８２またはスーパーキャパシタ８４は、その後、電気エネルギー８８をＴＥＣＣ１００に対して選択的に出力してもよい。

油圧アキュムレータ８６は、ブレーキ搭載発電機６２からの電気エネルギー出力６３により給電される小型モータおよびポンプ８５を含み、この場合、電気エネルギー出力６３は、油圧アキュムレータ８６内の流体を加圧するようにモータおよびポンプ８５に給電する。このようにすると、モータおよびポンプ８５に給電するために使用される電気エネルギー出力６３は、流体圧の形態の機械エネルギーとして油圧アキュムレータ８６内に蓄えられる。油圧アキュムレータ８６は、その後、機械エネルギー８８をＴＥＣＣ１００に対して選択的に出力してもよい。エネルギーが油圧アキュムレータ８６内に更に蓄えられるようにモータおよびポンプ８５に給電するためにバッテリ８２内またはスーパーキャパシタ８４内に蓄えられるエネルギーが使用されてもよいと考えられる。

ブレーキ搭載フライホイール６４、クラッチ６５、および、変速機６６からの機械エネルギー出力６７は、機械エネルギー出力６７が流体圧の形態の機械エネルギーとして油圧アキュムレータ８６内に蓄えられるように油圧アキュムレータ８６に設けられるモータおよび／またはポンプに給電するために使用されてもよい。油圧アキュムレータ８６は、その後、機械エネルギー８８をＴＥＣＣ１００に対して選択的に出力してもよい。あるいは、ブレーキ搭載フライホイール６４、クラッチ６５、および、変速機６６は、ＥＳＵ８０を必要とすることなく機械エネルギー出力６７をＴＥＣＣ１００に対して選択的に供給できるようにＴＥＣＣ１００に対して作用可能に結合されてもよい。

ブレーキ搭載ＦＥＳ６８の場合にはＥＳＵ８０は必要とされない。これは、ブレーキ搭載ＦＥＳ６８が航空機ブレーキ３２により生成される機械エネルギーを蓄えて電気エネルギー８８をＴＥＣＣ１００に出力できるからである。本質的に、ブレーキ搭載ＦＥＳ６８はＥＲＵ６およびＥＳＵ８０としての機能を果たす。

前述したように、エネルギー８８は、モータ、アクチュエータ、または、ポンプ１０２に給電するために使用され、また、モータ、アクチュエータ、または、ポンプ１０２は、可変面積ノズル４４、逆推力装置４０、操向システム４８、または、他の別のＴＥＣＣ１００を動作させる。

ここで、図４を参照すると、ＥＲＵ６０は、防氷システムブリード３４、エンジン排気システム出力３８、または、環境制御システムブリード３６に結合されるときには、タービン駆動発電機７２を備えてもよい。タービン駆動発電機７２は、発電機入力によって発電機に作用可能に結合されるタービンを備える。タービン駆動発電機７２は、ガスからの熱エネルギーおよび機械エネルギーを電気エネルギー出力７３に変換するように、防氷システムブリード３４、エンジン排気システム出力３８、または、環境制御システムブリード３６に対して作用可能に結合される。ガスはタービンを回転させ、また、タービンは、発電機入力を回転させて、発電機に給電し、電気エネルギー出力７３を生成する。

電気エネルギー出力７３は、前述したように、化学エネルギーまたは電気エネルギーとしてバッテリ８２内またはスーパーキャパシタ８４内にそれぞれ蓄えられ、あるいは、流体圧の形態の機械エネルギーとして油圧アキュムレータ８６内に蓄えられる。バッテリ８２、スーパーキャパシタ８４、または、油圧アキュムレータ８６は、その後、電気エネルギーまたは機械エネルギー８８をＴＥＣＣ１００に対して選択的に供給してもよい。エネルギー８８は、モータ、アクチュエータ、または、ポンプ１０２に給電するために使用され、また、モータ、アクチュエータ、または、ポンプ１０２は、可変面積ノズル４４、逆推力装置４０、操向システム４８、または、他の別のＴＥＣＣ１００を動作させる。

再び図１を参照すると、１つの非限定的な例では、所要の持続時間にわたってＴＥＣＣ１０に適切に給電するために、ＥＳＵ８は、蓄えられたエネルギーを最大３０キロワットの出力レートで出力するとともに３０〜１８０秒間にわたってその出力レートを出力するために最大で５４００キロジュールのエネルギーを蓄えるように構成されてもよい。ＥＳＵ８は、所要の持続時間にわたってＴＥＣＣ１０に適切に給電するとともにＥＳＵ８が航空機２に加える重量を最小限に抑えるように設定される特定のエネルギーを有してもよい。ＥＳＵ８は、ＴＥＣＣ１０が動作しなければならない所要の持続時間にわたってＴＥＣＣ１０に給電するのに適したレートでＥＳＵ８がＥＳＵ８内に蓄えられるエネルギーの全てを放出するように所要の持続時間にわたってＴＥＣＣ１０に供給するのに十分なエネルギーのみを蓄えるべく構成されてもよい。このようにすると、ＥＳＵ８の重量を最小限に抑えることができる。１つの例において、逆推力装置は、３０〜６０秒動作しなければならない場合があり、また、動作するために特定量の電力を必要とする。したがって、ＥＳＵ８は、３０〜６０秒にわたって特定量の電力を逆推力装置に供給するのに十分なエネルギーを蓄えるように、かつ、ＥＳＵ８に蓄えられるエネルギーの全てが３０〜６０秒後に放出されるように構成される。ＴＥＣＣ１０を動作させるために必要なこれらの電力とＴＥＣＣ１０が動作しなければならない持続時間とが航空機２のモデルに基づいて変化してもよく、また、それに応じてＥＲＵ６およびＥＳＵ８の構成が変化してもよいことが理解される。

前述の実施形態は、一時的エネルギー消費構成要素に給電するために廃棄エネルギーが回収されて利用されることを含む様々な利点をもたらす。エンジン搭載発電機または油圧ポンプおよびそれらの分配システムは、短い持続時間のみにわたって電力を必要とし得るシステムを含むピーク電力需要を受け入れるように寸法付けられる。また、これは、この電力生成をサポートするためのエンジン性能も必要とする。既存の廃棄エネルギーの使用は、より小さい発電システムを可能にするとともに、エンジン性能要件を減らすことができ、それにより、重量および／または燃料消費量を減少させる。一時的な短い持続時間にわたって動作される給電構成要素は、給電構成要素が動作される短い持続時間にわたってこの構成要素により必要とされるエネルギーのみを蓄えて電力を供給するようにエネルギー蓄積ユニットを寸法付けて構成できるようにし、それにより、航空機に付加される重量が最小限に抑えられる。

未だ説明されない範囲まで、様々な実施形態の異なる特徴および構造が望み通りに互いと組み合わせて使用されてもよい。１つの特徴が実施形態の全てにおいて示されない場合があることは、それがそうではないと解釈されるように意図されておらず、説明を簡単にするために行なわれる。したがって、異なる実施形態の様々な特徴は、新たな実施形態が明示的に記載されるか否かにかかわらず、新たな実施形態を形成するべく望み通りに混ぜ合わされて適合されてもよい。本明細書中に記載される特徴の全ての組み合わせまたは置換は、この開示によって網羅される。

この書かれた説明は、実施例を使用して、最良の態様を含む発明を開示するとともに、任意の装置またはシステムを形成して使用すること、および、任意の組み入れられた方法を実行することを含めて、任意の当業者が発明を実施できるようにする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、また、当業者が想起する他の実施例を含んでもよい。そのような他の実施例は、それらが特許請求項の文字通りの言葉とは異ならない構造的要素を有する場合には、あるいは、それらが特許請求項の文字通りの言葉と実質的に異ならない等価な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内に入るべく意図される。

２ 航空機
４ エネルギー出力構成要素（ＥＯＣ）
６ エネルギー回収ユニット（ＥＲＵ）
８ エネルギー蓄積ユニット（ＥＳＵ）
１０ 一時的エネルギー消費構成要素（ＴＥＣＣ）
２０ 航空機
２２ 機体
２４ 翼アセンブリ
２６ ジェットエンジンアセンブリ
３０ ランディングギア
３２ ブレーキ
３４ 防氷システムブリード
３６ 環境制御システムブリード
３８ エンジン排気システム出力
４０ 逆推力装置
４２ 逆推力作動システム
４４ 可変面積ノズル
４６ 可変面積ノズル作動システム
４８ 操向システム
５０ エンジン制御モジュール
５２ システム制御モジュール
６０ ＥＲＵ
６２ ブレーキ搭載発電機
６３ 電気エネルギー出力
６４ ブレーキ搭載フライホイール
６５ クラッチ
６６ 変速機
６７ 機械エネルギー出力
６８ ブレーキ搭載フライホイールエネルギー蓄積装置（ＦＥＳ）
６９ 電気エネルギー出力
７２ タービン駆動発電機
７３ 電気エネルギー出力
８０ ＥＳＵ
８２ バッテリ
８４ スーパーキャパシタ
８５ モータおよびポンプ
８６ 油圧アキュムレータ
８８ 電気エネルギーまたは機械エネルギー
１００ ＴＥＣＣ
１０２ パワーモータ、アクチュエータ、または、ポンプ

Claims (15)

1. 廃棄エネルギーを出力するエネルギー出力構成要素（ＥＯＣ）（４）と、
   前記ＥＯＣ（４）に対して作用可能に結合されるとともに、前記廃棄エネルギーを電気エネルギーまたは機械エネルギーのうちの一方に変換するエネルギー回収ユニット（ＥＲＵ）（６、６０）と、
   前記ＥＲＵ（６、６０）に対して作用可能に結合されるとともに、前記廃棄エネルギーから回収された前記電気エネルギーまたは機械エネルギーのうちの一方を蓄えるエネルギー蓄積ユニット（ＥＳＵ）（８、８０）と、
   前記ＥＳＵ（８、８０）に対して作用可能に結合される一時的エネルギー消費構成要素（ＴＥＣＣ）（１０、１００）であって、前記ＴＥＣＣ（１０、１００）の動作中に前記ＥＳＵ（８、８０）から電気エネルギーまたは機械エネルギーのうちの一方を受ける一時的エネルギー消費構成要素（ＴＥＣＣ）（１０、１００）と、
   を備える航空機（２、２０）。
2. 前記ＥＳＵ（８、８０）は、蓄えられた電気エネルギーを最大３０キロワットの出力レートで出力できる請求項１記載の航空機（２、２０）。
3. 前記ＥＳＵ（８、８０）は、３０〜１８０秒にわたって前記出力レートで出力できる請求項２記載の航空機（２、２０）。
4. 前記ＥＳＵ（８、８０）が最大で５４００キロジュールを蓄えることができる請求項３記載の航空機（２、２０）。
5. 前記ＥＳＵ（８、８０）は、前記廃棄エネルギーから回収された前記電気エネルギーまたは機械エネルギーのうちの一方から蓄えられるほぼ全てのエネルギーを前記ＴＥＣＣ（１０、１００）の動作中に放出する請求項１記載の航空機（２、２０）。
6. 前記構成要素が機械的な廃棄エネルギーを出力する請求項１記載の航空機（２、２０）。
7. 車輪を有するランディングギア（３０）を更に備え、前記ＥＯＣ（４）が前記車輪を備え、前記車輪の回転が前記機械的な廃棄エネルギーを出力する請求項６記載の航空機（２、２０）。
8. 前記ＥＲＵ（６、６０）は、前記車輪の前記回転から電気を生成するために前記車輪に結合される発電機を更に備える請求項７記載の航空機（２、２０）。
9. 前記ＥＲＵ（６、６０）は、前記車輪の回転から前記機械的な廃棄エネルギーを蓄積して電気を生成するために前記車輪に結合されるフライホイールエネルギー蓄積装置を更に備える請求項７記載の航空機（２、２０）。
10. 前記ＥＳＵ（８、８０）がフライホイールエネルギー蓄積装置を更に備える請求項９記載の航空機（２、２０）。
11. 前記ＥＯＣ（４）が熱的および機械的な廃棄エネルギーを出力する請求項１記載の航空機（２、２０）。
12. 排ガスを放出して前記熱的および機械的な廃棄エネルギーを形成するタービンエンジンを更に備える請求項１１記載の航空機（２、２０）。
13. 前記ＥＲＵ（６、６０）は、前記熱的および機械的な廃棄エネルギーから電気を生成するためにタービン駆動発電機を備える請求項１２記載の航空機（２、２０）。
14. 前記ＴＥＣＣ（１０、１００）は、逆推力装置（４０）、可変面積ノズル（４４）、補助空力装置、または、操向システム（４８）のうちの少なくとも１つを備える請求項１記載の航空機（２、２０）。
15. 前記ＥＯＣ（４）は、航空機ブレーキ（３２）、エンジン排気システム出力（３８）、防氷システムブリード（３４）、または、環境制御システムブリード（３６）のうちの少なくとも１つを備える請求項１記載の航空機（２、２０）。