特開 2024-50515 熱電発電機システムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024050515

(43)【公開日】2024-04-10

(54)【発明の名称】熱電発電機システムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/04 20060101AFI20240403BHJP

   G01K 13/024 20210101ALI20240403BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20240403BHJP

   F02C 6/10 20060101ALN20240403BHJP

【ＦＩ】

H02P9/04 F

G01K13/024

H02N11/00 A

F02C6/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023169212

(22)【出願日】2023-09-29

(31)【優先権主張番号】2214251.7

(32)【優先日】2022-09-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(71)【出願人】

【識別番号】591005785

【氏名又は名称】ロールス・ロイス・ピーエルシー

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＬＬＳ－ＲＯＹＣＥ ＰＵＢＬＩＣ ＬＩＭＩＴＥＤ ＣＯＭＰＡＮＹ

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100172041

【弁理士】

【氏名又は名称】小畑 統照

(72)【発明者】

【氏名】ジア・リー

(72)【発明者】

【氏名】ソク・ウー・リー

(72)【発明者】

【氏名】ビンセント・ビー・ジル

【テーマコード（参考）】

2F056

5H590

【Ｆターム（参考）】

2F056WF01

2F056WF05

5H590AA30

5H590CA08

5H590CC40

5H590CE05

5H590FC26

5H590HA15

5H590HA18

5H590HA19

(57)【要約】      （修正有）

【課題】熱電発電機システム、熱電発電機システムの制御方法、およびガスタービンエンジンを提供する。
【解決手段】熱電発電機、圧縮ガスの流入を受け取り、圧縮ガスをボルテックスチューブの第１の流出口から排出される高温流と、ボルテックスチューブの第２の流出口から排出される低温流とに分離するように構成された、流入口を備えるボルテックスチューブ、センサシステム、ならびに熱電発電機の両側に配置された、第１の熱交換器および第２の熱交換器と、高温流、低温流、および第３の流体流を、スイッチ構成部に向けて別個に導くよう構成されたチューブシステムであり、低温流が第２の熱交換器に導かれ、高温流が第１の熱交換器に導かれる、第１の構成、低温流が第２の熱交換器に導かれ、第３の流体流が第１の熱交換器に導かれる、各構成の間を移行できるよう構成された、チューブシステムとを備える、ラジエータシステムを具備する。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱電発電機と、
ボルテックスチューブであって、圧縮ガスの流入を受け取り、前記圧縮ガスをボルテックスチューブの第１の流出口から排出される高温流と、前記ボルテックスチューブの第２の流出口から排出される低温流とに分離するよう構成された、流入口を備えるボルテックスチューブと、
前記高温流の温度を示す第１のパラメータ、前記低温流の温度を示す第２のパラメータ、および第３の流体流の温度を示す第３のパラメータを判定するよう構成された、センサシステムと、
ラジエータシステムであって、
前記熱電発電機の両側に配置された、第１の熱交換器および第２の熱交換器、および
前記高温流、前記低温流、および前記第３の流体流を、スイッチ構成部に向けて別個に導くよう構成されたチューブシステムであって、前記スイッチ構成部が、前記高温流、前記低温流、および前記第３の流体流のそれぞれを受け取り、
前記低温流が前記第２の熱交換器に導かれ、前記高温流が前記第１の熱交換器に導かれる、第１の構成、
前記低温流が前記第２の熱交換器に導かれ、前記第３の流体流が前記第１の熱交換器に導かれる、第２の構成、および
前記第３の流体流が前記第２の熱交換器に導かれ、前記高温流が前記第１の熱交換器に導かれる、第３の構成
の間を移行できるよう構成された、チューブシステム
を備える、ラジエータシステムと、
を具備する、熱電発電機システムであって、
前記熱電発電機システムが、前記第１のパラメータ、前記第２のパラメータ、および前記第３のパラメータに基づいて、前記スイッチ構成部の前記構成を制御するよう構成された制御ユニットをさらに具備する、熱電発電機システム。

【請求項2】

前記熱電発電機が、前記制御ユニットに電気的に接続され、これにより前記制御ユニットが前記熱電発電機から給電される、請求項１に記載の熱電発電機システム。

【請求項3】

前記熱電発電機によって生成された、すぐには消費され得ないエネルギーを貯蔵するための、前記熱電発電機に電気的に接続されたエネルギー貯蔵部品をさらに備える、請求項１に記載の熱電発電機システム。

【請求項4】

前記第３の構成において、前記スイッチ構成部が、前記低温流を、前記熱電発電機から給電される電子部品の部品用熱交換器に向けて、前記電子部品を冷却するよう構成される、請求項１に記載の熱電発電機システム。

【請求項5】

前記第２の熱交換器を通って導かれる流体が、前記熱電発電機から給電される電子部品の部品用熱交換器に向けられて、前記電子部品を冷却するように、前記ラジエータシステムが構成される、請求項１に記載の熱電発電機システム。

【請求項6】

前記制御ユニットが、前記低温流が前記第３の流体流よりも温度が低い場合に、前記スイッチ構成部を制御して前記第１の構成に移行させるよう構成される、請求項１に記載の熱電発電機システム。

【請求項7】

前記制御ユニットが、前記第３の流体流が前記高温流よりも温度が低い場合に、前記スイッチ構成部を制御して前記第１の構成に移行させるよう構成される、請求項６に記載の熱電発電機システム。

【請求項8】

前記制御ユニットが、前記高温流が前記第３の流体流よりも温度が低い場合に、前記スイッチ構成部を制御して前記第２の構成に移行させるよう構成される、請求項１に記載の熱電発電機システム。

【請求項9】

前記制御ユニットが、前記第３の流体流が前記低温流よりも温度が高い場合に、前記スイッチ構成部を制御して前記第２の構成に移行させるよう構成される、請求項８に記載の熱電発電機システム。

【請求項10】

前記制御ユニットが、前記第３の流体流が前記低温流よりも温度が低い場合に、前記スイッチ構成部を制御して前記第３の構成に移行させるよう構成される、請求項１に記載の熱電発電機システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、熱電発電機システム、熱電発電機システムの制御方法、およびガスタービンエンジンを提供する。

【背景技術】

【0002】

熱電発電機システムは、熱勾配が存在するときに電圧を生成することが知られている。熱電発電機を、ガスタービンエンジンの圧縮機の筐体などの熱勾配の大きい場所に設置すると、たとえば推力の損失が生じ得る。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

第１の態様によれば、
熱電発電機と、
圧縮ガスの流入を受け取り、圧縮ガスをボルテックスチューブの第１の流出口から排出される高温流と、ボルテックスチューブの第２の流出口から排出される低温流とに分離するよう構成された、流入口を備えるボルテックスチューブと、
高温流の温度を示す第１のパラメータ、低温流の温度を示す第２のパラメータ、および第３の流体流の温度を示す第３のパラメータを判定するよう構成された、センサシステムと、
ラジエータシステムであって、
熱電発電機の両側に配置された、第１の熱交換器および第２の熱交換器、および
高温流、低温流、および第３の流体流を、スイッチ構成部に向けて別個に導くよう構成されたチューブシステムであって、スイッチ構成部が、高温流、低温流、および第３の流体流のそれぞれを受け取り、
低温流が第２の熱交換器に導かれ、高温流が第１の熱交換器に導かれる、第１の構成、
低温流が第２の熱交換器に導かれ、第３の流体流が第１の熱交換器に導かれる、第２の構成、および
第３の流体流が第２の熱交換器に導かれ、高温流が第１の熱交換器に導かれる、第３の構成
の間を移行できるよう構成された、チューブシステム
を備える、ラジエータシステムと、
を具備する、熱電発電機システムであって、
熱電発電機システムが、第１のパラメータ、第２のパラメータ、および第３のパラメータに基づいて、スイッチ構成部の構成を制御するよう構成された制御ユニットをさらに具備する、熱電発電機システムが提供される。

【0004】

ボルテックスチューブの第１の流出口は、ボルテックスチューブの第２の流出口から排出される流れよりも高温の流れを排出するよう設計されている。したがって、高温流および低温流への言及は、互いに比べて高温および低温ということである。言い換えると、低温流は高温流より温度が低く、高温流は冷温流より温度が高い。

【0005】

ラジエータシステムは、ボルテックスチューブと熱電発電機との間に配置され得る。
第３の流体流は、熱電発電機の周囲、ボルテックスチューブの周囲、センサシステムの周囲、ラジエータシステムの周囲、またはガスタービンエンジンの圧縮機段からの抽気など、他の任意の好適な場所からの、周囲流体流であってもよい。

【0006】

熱電発電機が、制御ユニットに電気的に接続され、これにより制御ユニットが、熱電発電機から給電されてもよい。

【0007】

熱電発電機システムは、熱電発電機によって生成された、すぐには消費され得ないエネルギーを貯蔵するための、熱電発電機に電気的に接続されたエネルギー貯蔵部品をさらに備えてもよい。

【0008】

第３の構成において、スイッチ構成部は、低温流を、熱電発電機から給電される電子部品の部品用熱交換器に向けて、電子部品を冷却するよう構成されてもよい。

【0009】

第２の熱交換器を通って導かれる流体が、熱電発電機から給電される電子部品の部品用熱交換器に向けられ、電子部品を冷却するように、ラジエータシステムが構成されてもよい。

【0010】

電子部品は、センサであってもよい。センサは、加速度計、温度センサ、圧力センサ、位置検出センサ、方位センサ、湿度センサ、振動センサ、空気質センサ、および／またはガスセンサの、いずれでも含み得る。電子部品は、追加的または代替的に、電池、制御電子機器、データ記録電子機器、および無線通信電子機器を含み得る。電子部品は、ｍＷから最大約１０Ｗ程度の電力を必要とする可能性がある。たとえば、圧力センサは、約１５ｍＷの電力を必要とする可能性があるのに対し、データロガーは、４～５Ｗの電力を必要とする可能性がある。

【0011】

熱電発電機は、ｐ／ｎ型熱電発電機であってもよい。熱電発電機は、複数のｐ／ｎ型熱電モジュールを備えてもよい。ｐ／ｎ型熱電モジュールは、直列に接続されてもよい。これにより、熱電発電機の電圧出力を高めることができる。

【0012】

制御ユニットは、低温流が第３の流体流よりも温度が低い場合、および任意選択で、第３の流体流が高温流よりも温度が低い場合に、スイッチ構成部を制御して第１の構成に移行させるよう構成されてもよい

【0013】

制御ユニットは、高温流が第３の流体流よりも温度が低い場合、および任意選択で、第３の流体流が低温流よりも温度が高い場合に、スイッチ構成部を制御して第２の構成に移行させるよう構成されてもよい。

【0014】

制御ユニットは、第３の流体流が低温流よりも温度が低い場合に、スイッチ構成部を制御して第３の構成に移行させるよう構成されてもよい。

【0015】

第２の態様によれば、第１の態様による熱電発電機システムを備える、ガスタービンエンジンが提供される。
ガスタービンエンジンは、
圧縮機段と、
圧縮機段から分岐された抽気管（ｂｌｅｅｄ ａｉｒ ｌｉｎｅ）と
を備えてもよく、ボルテックスチューブの流入口は、抽気管に流体連結され、抽気管から圧縮流体を受け取る。
高温流および／または低温流は、ラジエータシステムを通過した後、抽気管からの抽気と合流するように戻されてもよい。高温流もしくは両方の流れが合わせられると、これにより抽気の温度が上昇し、したがってたとえば翼を除氷するための、エンジンの加熱能力が向上する。または、低温流が合わせられると、これにより抽気の温度が低下し、したがってたとえば客室の空気を調整する場合に、空気を冷却する必要性が軽減される。

【0016】

高温流が、第１の熱交換器に向けられてもよく、低温流が、第２の熱交換器に向けられてもよい。

【0017】

第３の態様によれば、前述の態様のうちのいずれかによる、ガスタービンエンジンを備える航空機が提供される。

【0018】

第４の態様によれば、第１の態様による熱電発電機システムを制御する方法が提供され、この方法は、
高温流、低温流、および第３の流体流の温度を示すパラメータを、センサシステムを用いて監視して、第１のパラメータ、第２のパラメータ、および第３のパラメータをそれぞれ判定するステップ、ならびに
第１のパラメータ、第２のパラメータ、および第３のパラメータに基づいて、スイッチ構成部の構成を制御するステップ、
を含む。

【0019】

この方法は、熱電発電機を用いて制御ユニットに給電するステップを含んでもよい。
この方法は、熱電発電機によって生成された、すぐには消費され得ないエネルギーを、エネルギー貯蔵部品に向けるステップを、さらに含んでもよい。

【0020】

第３の構成において、低温流が、熱電発電機から給電される電子部品の部品用熱交換器へ向けられて、電子部品を冷却してもよい。

【0021】

第２の熱交換器を通過した流体が、熱電発電機から給電される電子部品の部品用熱交換器に向けられて、電子部品を冷却してもよい。

【0022】

この方法は、低温流が第３の流体流よりも温度が低い場合、および任意選択で、第３の流体流が高温流よりも温度が低い場合に、スイッチ構成部を制御して第１の構成に移行させるステップを、含んでもよい。

【0023】

この方法は、高温流が第３の流体流よりも温度が低い場合、および任意選択で、第３の流体流が低温流よりも温度が高い場合に、スイッチ構成部を制御して第２の構成に移行させるステップを、含んでもよい。

【0024】

この方法は、第３の流体流が低温流よりも温度が低い場合に、スイッチ構成部を制御して第３の構成に移行させるステップを、含んでもよい。

【0025】

当業者であれば、相互に排他的な場合を除き、上記の態様のうちのいずれか１つに関して説明された特徴が、必要な変更を加えれば、他のどの態様にも当てはまり得ることを理解されよう。さらに、相互に排他的な場合を除き、本明細書で説明されているどの特徴も、どの態様にも当てはまり得、かつ／または本明細書で説明されている他のどの特徴とも組み合わされ得る。
次に、実施形態が、以下の図を参照して、ただ単に例として説明される。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】ガスタービンエンジンの側断面図である。

【図2】ガスタービンエンジンの第１の例示的な熱電発電機システムを概略的に示す図である。

【図3】ガスタービンエンジンの第２の例示的な熱電発電機システムを概略的に示す図である。

【図4】ガスタービンエンジンの第３の例示的な熱電発電機システムを概略的に示す図である。

【図5】図４の第３の例示的な熱電発電機システムのスイッチ構成部の３つの構成を概略的に示す図である。

【図6】図４の第３の例示的な熱電発電機システムを制御する方法のステップを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0027】

図１を参照すると、航空機用ガスタービンエンジンの全体が、１０で示されており、主軸である回転軸１１を備える。エンジン１０は、軸流に直列に、吸気口１２、推進ファン１３、中圧圧縮機１４を備える圧縮機段、高圧圧縮機１５、燃焼装置１６、高圧タービン１７、中圧タービン１８、低圧タービン１９、および排気ノズル２０を具備する。ナセル２１は、エンジン１０を全体的に囲繞し、吸込口１２と排気ノズル２０との両方を画定する。

【0028】

ガスタービンエンジン１０は、従来のやり方で動作し、これにより、吸込口１２に入る空気が、ファン１３によって加速され、２つの空気流、すなわち、中圧圧縮機１４に入る第１の空気流と、バイパスダクト２２を通過し、推進力をもたらす、第２の空気流とを作り出す。中圧圧縮機１４が、中圧圧縮機内に導かれた空気流を圧縮した後、その空気を高圧圧縮機１５に供給し、そこでさらなる圧縮が行われる。

【0029】

高圧圧縮機１５から排気された圧縮空気は、燃焼装置１６内に導かれ、そこで燃料と混合され、混合物が燃焼される。生じた高温燃焼生成物は、次いで、高圧、中圧、および低圧タービン１７、１８、１９を通って膨張し、それにより高圧、中圧、および低圧タービンを駆動した後、ノズル２０を通って排気され、さらなる推進力をもたらす。高圧タービン１７、中圧タービン１８、および低圧タービン１９は、それぞれが好適な相互連結シャフトによって、それぞれ高圧圧縮機１５、中圧圧縮機１４、およびファン１３を駆動する。

【0030】

本開示が当てはまり得る他のガスタービンエンジンは、代替構成を有してもよい。かかるエンジンは、例として、別の数の相互接続シャフト（たとえば２本）、ならびに／または別の数の圧縮機および／もしくはタービンを備えてもよい。エンジンは、さらに、タービンから圧縮機および／またはファンまでの駆動列に設けられる、歯車箱を備えてもよい。

【0031】

図２は、ガスタービンエンジン１０の圧縮機段から分岐された抽気管５０を介して圧縮機段に連結された、第１の例示的な熱電発電機システム１００を備える、ガスタービンエンジン１０の概略図を示す。

【0032】

この例では、抽気管５０は、２本の導管に分かれており、第１の導管５２は、熱電発電機システム１００に圧縮空気を供給するよう構成され、第２の導管５４は、熱電発電機システム１００から圧縮空気を受け取るよう構成される。抽気管は、いくつかの例では、２股に分かれていなくてもよく、戻る圧縮空気を再び受け取ることなく、熱電発電機システムへ、ただ単に圧縮空気を供給するよう構成されてもよい。他の例では、圧縮空気が、他の手段によって熱電発電機システム１００に供給され、抽気管は、熱電発電機システムから圧縮空気を受け取るよう構成されてもよい。さらに他の例では、熱電発電機システムは、空気を抽気管から受け取ることも、抽気管へ供給することもなく、圧縮機段から分岐される抽気とは完全に別個であってもよい。

【0033】

第１の例示的な熱電発電機システム１００は、熱電発電機１０２、ボルテックスチューブ１０４、ならびにボルテックスチューブ１０４と熱電発電機１０２との間に配置され得る、ラジエータシステム１０６を備える。

【0034】

熱電発電機１０２は、熱電発電機１０２の両端間の温度勾配によって、電位差を生成する。熱電発電機１０２は、この例では、複数のｐ／ｎ型熱電モジュールを備える、ｐ／ｎ型熱電発電機である。各熱電モジュールは、約０．０５～１Ｗを生じさせることができ得る。ｐ／ｎ型熱電モジュールは、直列に接続することができ、直列に接続された各熱電モジュールのワット数を合わせることにより、熱電発電機１０２の電圧出力（およびワット数）を増やすことができる。

【0035】

熱電発電機１０２は、この例では、電子部品に電気的に結合され、電子部品に給電する。電子部品は、この例では、センサ１０８と、熱電発電機１０２によって生成された、すぐには消費され得ない、エネルギーを貯蔵するための電池またはコンデンサなどの、エネルギー貯蔵部品１１０とを含む。熱電発電機１０２は、いくつかの例では、どんな部品にも接続されなくてもよいが、かかる部品に接続されるよう構成されてもよい。熱電発電機は、他の例では、単一の電気部品もしくは３つ以上の電気部品に結合されるよう構成されてもよく、またはそれらに結合されてもよい。

【0036】

センサは、加速度計、温度センサ、圧力センサ、位置検出センサ、方位センサ、湿度センサ、振動センサ、空気質センサ、および／またはガスセンサの、いずれでも含み得る。電子部品は、追加的または代替的に、制御電子機器、データ記録電子機器、および／または無線通信電子機器を含み得る。電子部品は、ｍＷから最大約１０Ｗ程度の電力を必要とする可能性がある。たとえば、圧力センサは、約１５ｍＷの電力を必要とする可能性があるのに対し、データロガーは、４～５Ｗの電力を必要とする可能性がある。

【0037】

ボルテックスチューブ１０４は、圧縮ガスの流入を受け入れるよう構成された、流入口１１２を備える。流入口１１２は、この例では、ガスタービンエンジン１０の圧縮機段から圧縮ガスを受け取るように、抽気管５０の第１の導管５２に流体連結されている。ボルテックスチューブ１０４は、圧縮ガスを高温流と低温流とに分離するよう構成されており、高温流および低温流は、互いに比べて高温および低温である。言い換えると、低温流は高温流より温度が低く、高温流は冷温流より温度が高い。ボルテックスチューブ１０４は、追加のエネルギー入力なしに、この分離を実現させるよう構成される。高温流は、ボルテックスチューブ１０４の第１の流出口１１４から排出され、冷温流は，ボルテックスチューブ１０４の第２の流出口１１６から排出される。

【0038】

この例のラジエータシステム１０６は、熱電発電機１０２の両側に配置された、第１の熱交換器１２０および第２の熱交換器１１８を備える。この例では、冷温流は、第２の熱交換器１１８に導かれ、高温流は、第１の熱交換器１２０に導かれる。熱電発電機１０２は、熱電発電機１０２の両端間の温度勾配によって、電位差および電流を生成するので、圧縮空気を、ボルテックスチューブ１０４で高温流と低温流とに分けることにより、追加の電力入力を必要とすることなく、熱電発電機１０２の両端間の熱勾配を大きくすることができ、したがって、熱電発電機１０２の電力出力が増加する。特に、これにより、熱電発電機を、それ以外は等温の環境で動作させることが可能になる。これは、環境発電システムの、より自由度の高い配置を可能にする。

【0039】

他の例では、冷温流だけが第２の熱交換器１１８に向けられてもよく、または高温流だけが第１の熱交換器１２０に向けられてもよい。かかる例では、周囲環境が、熱電発電機１０２の両端間に電圧を生じさせるために必要な温度勾配を、第２の熱交換器または第１の熱交換器の他方にもたらすのに十分であり得る。

【0040】

この例では、低温流および高温流は、第２の熱交換器１１８および第１の熱交換器１２０を通過した後、抽気管５０の第２の導管５４で、圧縮機段からの抽気と合流するように戻される。高温流は、第１の熱交換器１２０を通過する間に、熱電発電機が設置されているガスタービンエンジンの周囲環境のために、より高温またはより低温になる可能性がある。低温流も、同じ理由で、より高温になる可能性がある。したがって、抽気に高温流および低温流を戻して合わせると、エンジンの加熱能力、たとえば航空機の翼を除氷する能力が、向上する可能性がある。他の例では、高温流だけが抽気に戻され、抽気の温度を上昇させてもよい。さらに別の例では、低温流だけが抽気に戻され、抽気を冷却してもよく、これにより、たとえば航空機の客室の空気を調整するために抽気を使用する場合に、空気を冷却する必要性が軽減される。

【0041】

図３は、ガスタービンエンジン１０の圧縮機段から分岐された抽気管５０を介して圧縮機段に連結された、第２の例示的な熱電発電機システム２００を備える、ガスタービンエンジン１０を示す。

【0042】

第２の例示的な熱電発電機システム２００は、図２を参照しながら説明された第１の例示的な熱電発電機システム１００と類似しており、同様の参照番号は同様の部品を示す。第２の例示的な熱電発電機システム２００は、相異なるラジエータシステム２０６を備えるという点で、第１の例示的な熱電発電機システム１００とは異なる。

【0043】

この例のラジエータシステム２０６は、やはり熱電発電機１０２の両側に配置された、第１の熱交換器１２０および第２の熱交換器１１８を備えるが、この例では、低温流は、第２の熱交換器１１８を通過すると、電子部品のうちの少なくとも１つに向けられ、電子部品を冷却する。この例では、図３は、第２の熱交換器１１８から低温流を受け取るよう構成された、センサ１０８の部品用熱交換器２０８を示す。低温流を、第２の熱交換器１１８を通過した後に、部品用熱交換器２０８へ供給することにより、熱電発電機１０２の発電能力が高まる。というのは、低温流は、別の熱交換器を通過することによって加熱されていないので、可能な限り冷たいからである。

【0044】

他の例では、低温流は、第２の熱交換器１１８に供給される前に、センサ１０８または他の電子部品を冷却するように、導かれてもよい。

【0045】

この第２の例示的な熱電発電機システム２００では、低温流は、熱電発電機１０２によって給電される同じ電子部品を冷却するのに使用されるため、電子部品は、追加のエネルギー入力または追加の熱交換器もしくは冷却流の必要なしに、たとえば単に抽気または周囲空気を使用するよりも効率的かつ効果的に冷却される。

【0046】

図４は、ガスタービンエンジン１０の圧縮機段から分岐された抽気管５０を介して圧縮機段に連結された、第３の例示的な熱電発電機システム３００を備える、ガスタービンエンジン１０を示す。

【0047】

第３の例示的な熱電発電機システム３００は、図２を参照しながら説明された第１の例示的な熱電発電機システム１００、および図３を参照しながら説明された第２の例示的な熱電発電機システム２００と類似しており、同様の参照番号は同様の部品を示す。

【0048】

第３の例示的な熱電発電機システム３００は、電子部品が、第１のパラメータＴ_Ｈ、第２のパラメータＴ_Ｃ、および第３のパラメータＴ_３を判定するよう構成された、センサシステム３０８を含むという点で、第１の例示的な熱電発電機システム１００および第２の例示的な熱電発電機システム２００とは異なる。第１のパラメータは、ボルテックスチューブ１０４の第１の流出口１１４、または第１の流出口の上流における、高温流の温度を示し、第２のパラメータは、ボルテックスチューブ１０４の第２の流出口１１６における低温流の温度を示し、第３パラメータは、第３流体流の温度を示す。１つまたは複数の部品用熱交換器２０８は、第２の例示的な熱電発電機システム２００における部品用熱交換器２０８およびセンサ１０８と同様のやり方で、センサシステム３０８に結合されている。他の例では、第１および第２の例示的な熱電発電機システム１００、２００のように、他の任意のセンサ１０８がさらに存在してもよい。

【0049】

第３の例示的な熱電発電機システム３００も、相異なるラジエータシステム３０６を備えるという点で、第１の例示的な熱電発電機システム１００および第２の例示的な熱電発電機システム２００とは異なる。

【0050】

この例のラジエータシステム３０６は、やはり熱電発電機１０２の両側に配置された、第１の熱交換器１２０および第２の熱交換器１１８を備える。ラジエータシステム３０６は、この例では、第２の熱交換器１１８および第１の熱交換器１２０の上流にあるスイッチ構成部３１２に向かって、高温流、低温流、および第３の流体流を別個に導くよう構成された、チューブシステムをさらに備える。

【0051】

第３の流体流は、この例では、ボルテックスチューブ１０４の周囲、センサシステム３０８の周囲、ラジエータシステム３０６の周囲などの周囲から、または他の任意の好適な場所から、直接供給され得る周囲空気である。第３の流体流は、他の例では、抽気管から供給される抽気流であってもよい。

【0052】

スイッチ構成部３１２は、高温流、低温流、および第３の流体流のそれぞれを受け取り、図５を参照しながらより詳細に示される、第１の構成と、第２の構成と、第３の構成との間を移行可能となるよう構成される。

【0053】

熱電発電機システム３００は、第１のパラメータ、第２のパラメータ、および第３のパラメータに基づいて、第１の構成、第２の構成、および第３の構成のうちのいずれか１つに移行させるように、スイッチ構成部３１２を制御するよう構成された制御ユニット３１４を備え、制御ユニット３１４は、センサシステム３０８からパラメータを受信するよう構成される。第１のパラメータ、第２のパラメータ、および第３のパラメータは、制御ユニット３１４に無線で、または有線接続を通じて伝達され得る。

【0054】

制御ユニット３１４は、本明細書で説明され、図６に示される方法を実行させるための、任意の好適な回路を備え得る。制御ユニット３１４は、この方法を実行するために、制御回路、プロセッサ回路、少なくとも１つの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、少なくとも１つのフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）、単一プロセッサまたは多重プロセッサアーキテクチャ、順次／並列アーキテクチャ、少なくとも１つのプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、少なくとも１つのマイクロプロセッサ、少なくとも１つのマイクロコントローラ、中央処理装置（ＣＰＵ：ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）、および／またはグラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ：ｇｒａｐｈｉｃｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）を備え得る。

【0055】

制御ユニット３１４は、様々な例において、少なくとも１つのプロセッサおよび少なくとも１つのメモリを備え得る。メモリは、プロセッサによって読み取られると、本明細書で説明され、図６に示される方法を実行させる、コンピュータ可読命令を含むコンピュータプログラムを記憶することができる。コンピュータプログラムは、ソフトウェアもしくはファームウェアであってもよく、またはソフトウェアとファームウェアとの組合せであってもよい。

【0056】

制御ユニット３１４は、熱電発電機システム１００または遠隔コンピュータ（「クラウド」内の高性能コンピュータ処理クラスタなど）の一部であってもよい。制御ユニット３１４は、別法として、複数のデバイスおよび複数の場所に分散されてもよい。制御ユニット３１４は、たとえば、熱電発電機システム１００および「クラウド」内の高性能コンピュータ処理クラスタに、分散されてもよい。

【0057】

プロセッサは、少なくとも１つのマイクロプロセッサを含んでもよく、単一コアのプロセッサを含んでもよく、複数のプロセッサコア（デュアルコアプロセッサもしくはクアッドコアプロセッサなど）を含んでもよく、または複数のプロセッサを含んでもよい（プロセッサのうちの少なくとも１つは、複数のプロセッサコアを含んでもよい）。メモリは、任意の好適な非一時的コンピュータ可読記憶媒体、１つまたは複数のデータ記憶デバイスであってもよく、ハードディスクおよび／または固体メモリ（フラッシュメモリなど）を含んでもよい。メモリは、恒久的に取外し不可能なメモリであってもよく、または取外し可能なメモリ（ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ：ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｓｅｒｉａｌ ｂｕｓ）フラッシュドライブまたはセキュアデジタルカードなど）であってもよい。メモリは、コンピュータプログラムの実際の実行中に使用される、ローカルメモリ、大容量記憶装置、およびコードの実行中に、大容量記憶装置からコードが読み出され得る回数を減らすために、少なくとも一部のコンピュータ可読プログラムコードまたはコンピュータが使用可能なプログラムコードの一時的な記憶を可能にする、キャッシュメモリを含んでもよい。

【0058】

コンピュータプログラムは、非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶され得る。コンピュータプログラムは、非一時的コンピュータ可読記憶媒体からメモリへ転送され得る。非一時的コンピュータ可読記憶媒体は、たとえば、ＵＳＢフラッシュドライブ、外づけハードディスクドライブ、外づけ固体ドライブ、セキュアデジタル（ＳＤ：ｓｅｃｕｒｅ ｄｉｇｉｔａｌ）カード、光ディスク（コンパクトディスク（ＣＤ：ｃｏｍｐａｃｔ ｄｉｓｃ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ：ｄｉｇｉｔａｌ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｄｉｓｃ）、またはブルーレイディスクなど）であってもよい。コンピュータプログラムは、いくつかの例では、信号（無線信号であっても、有線信号であってもよい）によって、メモリに転送され得る。入／出力デバイスは、直接的に、または介在する入／出力コントローラを介して、コントローラ１４に結合され得る。装置１０が、介在する私設網または公衆網を介して、他の装置、遠隔プリンタ、または記憶デバイスと結合されることを可能にするために、様々な通信アダプタも、コントローラ１４に結合され得る。非限定的な例は、モデム、およびかかる通信アダプタのネットワークアダプタを含む。

【0059】

熱電発電機１０２は、この例では、制御ユニット３１４、センサシステム３０８、およびエネルギー貯蔵部品１１０に電気的に接続されており、これにより、制御ユニット３１４、センサシステム３０８、およびエネルギー貯蔵部品１１０が、熱電発電機１０２によって給電される。他の例では、センサシステム３０８、エネルギー貯蔵部品１１０、および制御ユニット３１４は、他の手段によって給電されてもよく、かつ／または熱電発電機１０２によって給電される、追加的または代替的な電子部品が存在してもよい。

【0060】

図５は、第１の構成４１０、第２の構成４２０、および第３の構成４３０における、スイッチ構成部を示す。

【0061】

第１の構成では、ボルテックスチューブ１０４からの温度Ｔ_Ｃの低温流は、第２の熱交換器１１８に導かれ、ボルテックスチューブ１０４からの温度Ｔ_Ｈの高温流は、第１の熱交換器１２０に導かれる。温度Ｔ_３の第３の流体流、および／または第２の熱交換器１１８を通過した後の低温流は、センサシステム３０８を冷却するために、部品用熱交換器２０８に導かれ得る。他の例では、第３の流体流は、弁を用いて止められてもよく、したがって使用されないか、またはセンサシステム３０８および他の任意の電子部品を冷却した後に、供給源に戻されてもよい。

【0062】

第２の構成では、ボルテックスチューブ１０４からの温度Ｔ_Ｃの低温流は、第２の熱交換器１１８に導かれ、ボルテックスチューブ１０４からの温度Ｔ_３の第３の流体流は、第１の熱交換器１２０に導かれる。温度Ｔ_Ｈの高温流は、抽気管５０に戻され得る。いくつかの例では、冷温流は、第２の熱交換器１１８を通過した後、センサシステム３０８を冷却するために使用されてもよく、かつ／または抽気管５０に戻されてもよい。

【0063】

第３の構成では、温度Ｔ_３の第３の流体流は、第２の熱交換器１１８に導かれ、ボルテックスチューブ１０４からの温度Ｔ_Ｈの高温流は、第１の熱交換器１２０に導かれる。温度Ｔ_Ｃの低温流、および／または低温熱交換器１１８を通過した後の第３の流体流は、センサシステム３０８を冷却するために、部品用熱交換器２０８に導かれ得る。他の例では、低温流は、抽気管５０へ戻されてもよく、または低温流は、弁を用いて止められてもよい。

【0064】

スイッチ構成部３１２は、この例では、３種類の構成での流れを管理できる単一の電磁弁であってもよく、または３種類の構成での流れの管理を実現させるために、複数の弁を備えてもよい。

【0065】

図６は、熱電発電機システム３００を制御する方法５００のステップを示すフローチャートである。

【0066】

方法５００は、ブロック５０２において、たとえばセンサシステム３０８を用いて、第１のパラメータＴ_Ｈ、第２のパラメータＴ_Ｃ、および第３のパラメータＴ_３を監視するステップを含む。パラメータＴ_Ｈ、Ｔ_Ｃ、Ｔ_３は、制御ユニット３１４に送信されてもよく、またはセンサシステム３０８内のプロセッサで処理されてもよい。

【0067】

方法５００は、ブロック５０４において、第３のパラメータＴ_３および第２のパラメータＴ_Ｃが、第３の流体流の温度が低温流の温度よりも高いことを示しているかどうかを判定するステップを含む。高温流の温度Ｔ_Ｈは低温流の温度Ｔ_Ｃよりも常に高くなるので、ブロック５０４がノーを返す場合、
Ｔ_Ｈ＞Ｔ_Ｃ＞Ｔ_３
である。

【0068】

方法５００は、ブロック５０４がノーを返す場合、ブロック５０６に進み、制御ユニット３１４が、スイッチ構成部３１２を制御して第３の構成に移行させ、それにより（最高温度である）高温流が第１の熱交換器１２０に供給され、（最低温度である）第３の流れが第２の熱交換器１１８に供給され、その結果、熱電発電機１０２の両端間に起こり得る熱勾配が最大化され、これにより、熱電発電機１０２によって生成される電位差を最大化する。

【0069】

この構成における低温流は、熱電発電機１０２から給電される、センサシステム３０８および／または他の任意の電子部品を冷却するために、部品用熱交換器２０８に向けられ得る。低温流は、他の例では、他の手段によって給電される任意の好適な部品、および給電されない任意の好適な部品を冷却するために、熱交換器に向けられてもよい。低温流は、さらに他の例では、ガスタービンエンジン１０の抽気管５０に戻されてもよい。いくつかの例では、圧縮空気が抽気管５０からボルテックスチューブ１０４に供給される場合、低温流および高温流は、抽気管５０に戻されてもよい。

【0070】

方法５００は、ブロック５０４がイエスを返す場合、ブロック５０８に進み、方法５００は、第３のパラメータＴ_３および第１のパラメータＴ_Ｈが、第３の流体流の温度が高温流の温度よりも高いことを示しているかどうかを判定するステップを含む。高温流の温度Ｔ_Ｈは低温流の温度Ｔ_Ｃよりも常に高くなるので、ブロック５０６がノーを返す場合、
Ｔ_Ｈ＞Ｔ_３＞Ｔ_Ｃ
である。

【0071】

方法５００は、ブロック５０６がノーを返す場合、ブロック５１０に進み、制御ユニット３１４が、スイッチ構成部３１２を制御して第１の構成に移行させ、それにより（最高温度である）高温流が第１の熱交換器１２０に供給され、（最低温度である）低温流が第２の熱交換器１１８に供給され、その結果、熱電発電機１０２の両端間に起こり得る熱勾配が最大化され、これにより、熱電発電機１０２によって生成される電位差を最大化する。

【0072】

この構成における第３の流体流は、熱電発電機１０２から給電される、センサシステム３０８および／または他の任意の電子部品を冷却するために、部品用熱交換器２０８に向けられ得る。第３の流体流は、他の例では、他の手段によって給電される任意の好適な部品、および給電されない任意の好適な部品を冷却するために、熱交換器に向けられてもよい。第３の流体流は、さらに他の例では、ガスタービンエンジン１０の抽気管５０に向けられてもよく、または第３の流体流が、抽気管５０からの空気である場合には、抽気管５０から出ないように、弁を用いて止められてもよい。低温流はまた、第２の熱交換器１１８を通過した後、部品用熱交換器２０８に向けられてもよい。いくつかの例では、圧縮空気が抽気管５０からボルテックスチューブ１０４に供給される場合、低温流および高温流は、抽気管５０に戻されてもよい。

【0073】

高温流の温度Ｔ_Ｈは低温流の温度Ｔ_Ｃよりも常に高くなるので、ブロック５０６がイエスを返す場合、
Ｔ_３＞Ｔ_Ｈ＞Ｔ_Ｃ
である。

【0074】

方法５００は、ブロック５０６がイエスを返す場合、ブロック５１２に進み、制御ユニット３１４が、スイッチ構成部３１２を制御して第２の構成に移行させ、それにより（最高温度である）第３の流れが第１の熱交換器１２０に供給され、（最低温度である）低温流が第２熱交換器１１８に供給され、その結果、熱電発電機１０２の両端間に起こり得る熱勾配が最大化され、これにより、熱電発電機１０２によって生成される電位差を最大化する。

【0075】

高温流は、この構成では、ガスタービンエンジン１０の抽気管５０に戻されてもよい。高温流は、他の例では、熱電発電機１０２から給電される、センサシステム３０８および／または他の任意の電子部品を冷却するために、部品用熱交換器２０８に向けられ得る。低温流は、追加的または代替的に、第２の熱交換器１１８を通過した後、部品用熱交換器２０８に向けられてもよい。いくつかの例では、圧縮空気が抽気管５０からボルテックスチューブ１０４に供給される場合、低温流および高温流は、抽気管５０に戻されてもよい。

【0076】

方法５００は、したがって、第１のパラメータ、第２のパラメータ、および第３のパラメータに基づいて、スイッチ構成部３１２の構成を制御することが分かる。この方法では、熱電発電機１０２の両端間で確実に、最大の電位差が実現できるようにするために、第１の熱交換器１２０および第２の熱交換器１１８を通る流れにおける最も大きい温度差が、確実に使用されるようにする。

【0077】

方法５００はまた、熱電発電機１０２によって生成されたエネルギーを、制御ユニット３１４、センサシステム３０８、およびエネルギー貯蔵部品１１０に向けるステップを含み得る。

【0078】

熱電発電機システム１００、２００、３００は、ガスタービンエンジン１０の圧縮機段に結合されていると説明されたが、他の例では、熱電発電機システム１００には、任意の好適な供給源から圧縮空気が供給されてもよく、抽気管への言及が、任意の空気源の導管に置き換えられてもよい。熱電発電機システムは、たとえば、任意の好適な圧縮空気の供給を受けて、ガスタービンエンジンの外側で使用されてもよく、ガスタービンエンジンなしに使用されてもよい。

【0079】

ラジエータシステム１０６の第２の熱交換器１１８および第１の熱交換器１２０は、ボルテックスチューブ１０４からそれぞれ、低温流および高温流を受け取るよう構成されると説明されてきたが、第１の熱交換器および第２の熱交換器のうちの一方は、それぞれ単に、高温面または低温面であってもよい。

【0080】

本発明は、上記で説明された実施形態に限定されるものではなく、本明細書で説明されている概念から逸脱することなく、様々な修正および改良が加えられ得ることが理解されよう。いずれの特徴も、相互に排他的である場合を除き、別個に、または他の任意の特徴と組み合わせて使用されてもよく、本開示は、本明細書で説明されている１つまたは複数の特徴の、すべての組合せおよび部分的組合せにまで及び、それらを含む。

【符号の説明】

【0081】

１０ 航空機用ガスタービンエンジン
１１ 回転軸
１２ 吸気口
１３ 推進ファン
１４ 中圧圧縮機
１５ 高圧圧縮機
１６ 燃焼装置
１７ 高圧タービン
１８ 中圧タービン
１９ 低圧タービン
２０ 排気ノズル
２１ ナセル
２２ バイパスダクト
５０ 抽気管
５２ 第１の導管
５４ 第２の導管
１００ 第１の例示的な熱電発電機システム
１０２ 熱電発電機
１０４ ボルテックスチューブ
１０６ ラジエータシステム
１０８ センサ
１１０ エネルギー貯蔵部品
１１２ 流入口
１１４ 第１の流出口
１１６ 第２の流出口
１１８ 第２の熱交換器
１２０ 第１の熱交換器
２００ 第２の例示的な熱電発電機システム
２０６ ラジエータシステム
２０８ 部品用熱交換器
３００ 第３の例示的な熱電発電機システム
３０６ ラジエータシステム
３０８ センサシステム
３１２ スイッチ構成部
３１４ 制御ユニット
４１０ 第１の構成
４２０ 第２の構成
４３０ 第３の構成
５００ 熱電発電機システム３００を制御する方法

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【外国語明細書】