特許 7305336 水中環境発電ドローンおよび運転方法

(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】

(24)【登録日】2023-06-30

(45)【発行日】2023-07-10

(54)【発明の名称】水中環境発電ドローンおよび運転方法

(51)【国際特許分類】

   B63C 11/00 20060101AFI20230703BHJP

   B63C 11/48 20060101ALI20230703BHJP

   B63B 35/00 20200101ALI20230703BHJP

【ＦＩ】

B63C11/00 E

B63C11/00 B

B63C11/48 D

B63B35/00 T

【請求項の数】 13

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2018217215

(22)【出願日】2018-11-20

(65)【公開番号】P2019137386

(43)【公開日】2019-08-22

【審査請求日】2021-11-19

(31)【優先権主張番号】15/894,613

(32)【優先日】2018-02-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500520743

【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(74)【代理人】

【識別番号】100163522

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 晋平

(74)【代理人】

【識別番号】100154922

【弁理士】

【氏名又は名称】崔 允辰

(72)【発明者】

【氏名】ネイサン・ディー・ヒラー

【審査官】宇佐美 琴

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０７２６２３６０（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１７９９８８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭６０－０４２６９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６３Ｃ １１／００，１１／４８

Ｂ６３Ｂ ３５／００

Ｂ６３Ｇ ８／００－ ８／４２

Ｈ０１Ｌ ３５／００－３５／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

海洋水中に潜水可能に受容されるべき主船体（１２、１１２、２１２）と、
複数の熱電モジュール（１８、１１８、２１８）であって、前記複数の熱電モジュールの各モジュールが前記主船体と熱接触する第１の動作インタフェース（２０、１２０、２２０）を有する、複数の熱電モジュール（１８、１１８、２１８）と、
前記複数の熱電モジュール（１８、１１８、２１８）上の第２の動作インタフェース（２２、１２２、２２２）と接触する熱移送要素（１６、１１６、２１２ａ）と、
前記複数の熱電モジュールに接続される電力貯蔵装置（２８、１２８、２２８）と、
前記電力貯蔵装置から電力を受けるように接続された電気モーター（２４、１２４、２２４）と、
前記電気モーターによって駆動される推進機（１３、１１３）と、
前記主船体に係合された制御プレーン（１４、１１４）と、
航行プロファイルに従って前記電気モーターおよび前記制御プレーンに制御信号を与えるようになされた制御システム（２６、１２６、２２６）と
を備える水中環境発電ドローン（１０、１１０、２１０）であって、
前記主船体と前記熱移送要素との間に温度勾配をつくるように前記主船体を配置することで前記熱電モジュールによる発電を誘起し、それによって前記電力貯蔵装置を充電し、
前記熱移送要素が、内部貯蔵タンク（１６）を備え、前記内部貯蔵タンクが、前記内部貯蔵タンクの第１の位置であって、前記内部貯蔵タンク（１６）を前記主船体（１２、１１２、２１２）の外側の海洋水に接続する手段が開放位置にある、第１の位置にあるときに、冷海洋水を受け入れ、前記内部貯蔵タンクの第２の位置であって、前記手段が閉鎖位置にある、第２の位置にあるときに、前記冷海洋水を貯蔵するようになされており、前記航行プロファイルが、前記主船体を熱水噴出孔のホットプルーム内に配置する、水中環境発電ドローン。

【請求項2】

前記電力貯蔵装置が、再充電可能電池およびコンデンサの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の水中環境発電ドローン。

【請求項3】

前記再充電可能電池が、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、または鉛蓄電池のうちの１つである、請求項２に記載の水中環境発電ドローン。

【請求項4】

前記コンデンサがナノテクノロジースーパーキャパシタを含む、請求項２に記載の水中環境発電ドローン。

【請求項5】

前記熱電モジュールがペルチェ接合装置およびスターリングエンジンの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の水中環境発電ドローン。

【請求項6】

前記手段が入口スクープ（３２）およびベント（３４）を含み、前記入口スクープおよび前記ベントが、前記内部貯蔵タンクの前記第１の位置のための前記開放位置と前記内部貯蔵タンクを前記第２の位置に配置する前記閉鎖位置とを有する、請求項１に記載の水中環境発電ドローン。

【請求項7】

前記主船体のポゴ位置を選択的に誘導するようになされたバラストタンク（３８）をさらに備える、請求項１に記載の水中環境発電ドローン。

【請求項8】

前記内部貯蔵タンクは、前記航行プロファイルが前記主船体をホットプルーム中に配置するときに前記熱水噴出孔の前記ホットプルームから熱水を前記第１の位置で受け入れ、前記航行プロファイルが前記主船体を冷海洋水中に配置するときに前記熱水を前記第２の位置で貯蔵し、それによって前記熱電モジュールが動作するための逆温度勾配を誘起して発電し、それによって前記電力貯蔵装置を充電するようにさらになされ、変圧器回路（３０）が、前記逆温度勾配に基づいて前記熱電モジュールによって生成される逆電流を検出し、前記電力貯蔵装置を充電するための整流を行うようになされる、請求項１に記載の水中環境発電ドローン。

【請求項9】

前記熱移送要素が、前記主船体の上面（１１７）に取り付けられかつ前記上面（１１７）から延伸する熱放散器（１１６）を備え、前記航行プロファイルが、前記海洋水から前記熱放散器を露出させる前記主船体の選択的浮上を引き起こす、請求項１に記載の水中環境発電ドローン。

【請求項10】

前記主船体が上部（２１２ａ）および下部（２１２ｂ）を備え、前記上部および前記下部は絶縁バリア（２１３）によって分離され、前記上部が前記熱移送要素を備え、前記航行プロファイルが、前記海洋水から前記上部を露出させる前記主船体の選択的浮上を引き起こす、請求項１に記載の水中環境発電ドローン。

【請求項11】

無人水中ビークル（ＵＵＶ）を運転する方法であって、
冷海洋水を内部貯蔵タンク内に引き込むステップ（９０４）であって、前記内部貯蔵タンクが、前記内部貯蔵タンク（１６）の第１の位置であって、前記ＵＵＶの主船体（１２、１１２、２１２）の外側の海洋水に接続する手段が開放位置にある、第１の位置にある、ステップと、
前記冷海洋水を貯蔵するために前記内部貯蔵タンクを前記内部貯蔵タンクの第２の位置であって、前記手段が閉鎖位置にある、第２の位置に配置するステップ（９０６）と、
前記ＵＵＶを熱水噴出孔箇所までナビゲートして主船体を周囲海洋水に比べて噴出孔プルーム「ホットゾーン」内に配置するステップ（９０８）と、
電力貯蔵装置を充電するために前記主船体と前記内部貯蔵タンクとの間の温度勾配に基づいて熱電モジュールで発電するステップ（９１２）と
を含む方法。

【請求項12】

前記ＵＵＶの向きをポゴ位置にするために定位バラストタンクを満たすステップ（９１０）、および
前記ＵＵＶを所望のミッションプロファイルで運転するステップ（９１６）
の少なくとも一方をさらに含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

開水域内にまで操縦するステップ（９１４）と、
前記内部貯蔵タンクを空にするステップ（９０４）と、
入口およびベントの動作により前記内部貯蔵タンクを再び満たすステップ（９０４）と
をさらに含む、請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示に示されている実施形態は、一般に水中無人ビークル（ＵＵＶ）に関し、より詳細には、ＵＵＶが動作する環境における温度差を使用して電力を発生させるために熱電システムを使用するＵＵＶに関する。

【背景技術】

【0002】

ＵＵＶは、海底探索、環境モニタリングおよびセキュリティオペレーションにおける様々な仕事に使用される。ＵＵＶの動作プロファイル(operational profiles)は、燃料補給要件が制限されている広範な運転能力を魅力的なものにする。深海は内密の軍事オペレーションにとって理想的な環境である。そのようなオペレーションは戦闘および偵察任務をＵＵＶに頼ることが多い。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

従来技術のいくつかのＵＵＶは、エネルギー生成または推進効果のために海洋の水温躍層の温度勾配を使用する。しかしながら、この水温躍層は、水深約１０００メートル以下で摂氏約３．５度の温度に近づく。したがって、水温躍層の温度勾配に依存するＵＵＶは深海環境ではエネルギーが不足する。したがって、ＵＵＶは、燃料補給するために、ＵＵＶの視界を増大させために、およびＵＵＶを水上艦船との衝突もしくは進路中断の潜在的リスクに置くために頻繁に浮上しなければならない。

【課題を解決するための手段】

【0004】

例示的な諸実施形態は、海洋水中に潜水可能に受容されるべき主船体(primary hull)と、複数の熱電モジュールであって、前記複数の熱電モジュールの各モジュールが主船体と熱接触する第１の動作インタフェースを有する、複数の電熱モジュールと、を有する水中環境発電ドローン(underwater energy harvesting drone)を提供する。熱移送要素(thermal transfer element)が複数の熱電モジュール上の第２の動作インタフェースと接触しており、電力貯蔵装置が複数の熱電モジュールに接続される。主船体と熱移送要素との間に温度勾配をつくるように水中に沈め得る主船体を配置することで熱電モジュールによる発電を誘起し、それによって電力貯蔵装置を充電する。

【0005】

例示的な実施形態は、無人水中ビークル（ＵＵＶ）を運転する第１の方法を可能にするものであり、この方法では、冷海洋水が第１の位置で内部貯蔵タンク内に引き込まれる。次いで、内部貯蔵タンクは、冷海洋水を貯蔵するために第２の位置に配置される。ＵＵＶは熱水噴出孔箇所(hydrothermal vent location)までナビゲートされて主船体を周囲海洋水に比べて「ホットゾーン」内に配置する。電力貯蔵部を充電するために主船体と内部貯蔵タンクとの間の温度勾配に基づいて熱電モジュールで発電される。

【0006】

例示的な実施形態は、無人水中ビークル（ＵＵＶ）を運転する第２の方法を可能にするものであり、この方法では、水中に沈められたＵＵＶは熱放散器を空気にさらすために浮上させられる。熱電モジュールは、海洋水中に浸された主船体と空気と対流接触する熱放散器との間の温度差を使用して電力貯蔵装置を充電するための電気エネルギー生成を行うために動作する。

【0007】

論じられている形態、機能、および利点は、様々な実施形態で独立に実現することができる、あるいは他の実施形態では組み合わされてもよく、かかる形態、機能、および利点のさらなる詳細は、下記の説明および図面を参照して理解することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1A】本明細書に記載されている第１の例示的な実施形態を使用したＵＵＶの絵画的表現図である。

【図1B】本明細書に記載されている第２の例示的な実施形態を使用したＵＵＶの絵画的表現図である。

【図2A】図１Ａの実施形態の正面断面図である。

【図2B】矩形輪郭部を有する第１の実施形態の構造的代替実施形態の正面断面図である。

【図3】第１の実施形態の概略側面切取図である。

【図4】「ポゴ(pogo)」向きの第１の実施形態の側面図である。

【図5】ナビゲーションおよび検出構成要素を有する例示的な制御システムのブロック図である。

【図6】第２の実施形態の概略側面切取図である。

【図7】図７Ａが第２の実施形態の動作順序の第１の絵画的表現図、図７Ｂが第２の絵画的表現図、図７Ｃが第３の絵画的表現図である。

【図8A】第２の実施形態の構造的代替実施形態の側面図である。

【図8B】第２の実施形態の代替実施形態の概略側面切取図である。

【図9】第１の実施形態の第１の発電方法を示す流れ図である。

【図10】第２の実施形態の第２の発電方法を示す流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本明細書に記載されているＵＵＶの例示的な諸実施形態は、複数の熱電モジュール上の第１の動作インタフェースと熱接触する水中に沈め得る主船体と、複数の熱電モジュール上の第２の動作インタフェースと接触する熱移送要素と、を有する、より一般的には環境発電水中ビークルと呼ばれる水中環境発電ドローン（ＵＥＨＤ）であって、主船体と熱移送要素との間に温度勾配を形成するようにＵＥＨＤを配置することで熱電モジュールによる発電を誘起する、水中環境発電ドローン（ＵＥＨＤ）を提供する。

【0010】

図面を参照すると、図１ＡはＵＥＨＤ１０の第１の実施形態を示す。ＵＥＨＤ１０は主船体１２を有し、推進機１３（例示的に標準的な複数羽根付きスクリューとして示されている）とＵＥＨＤ１０の方向制御用の、主船体１２に枢動可能に連結された制御プレーン(control planes)１４（例えば、制御フィンまたは流体力学的制御面）とを用いて海洋環境の中で操縦される（例えば、ナビゲートされる）。図２Ａに見られるように、内部貯蔵タンク１６は、後で説明するように冷海洋水で満たすことができるものであり、熱移送要素として使用される。内部貯蔵タンク１６は、図示の実施形態では主船体１２内で実質的に同心であり、複数の熱電モジュール１８が内部貯蔵タンク１６と主船体１２との間に、各熱電モジュール１８上の第１の動作面２０が主船体１２と熱接触しかつ第２の動作面２２が内部貯蔵タンク１６と熱接触した状態で取り付けられる。熱電モジュールは、ペルチェ接合装置（ゼーベック効果、トムソン効果）およびスターリングエンジンの少なくとも一方から選択され得る。主船体１２と内部貯蔵タンク１６との間の温度差は、熱電モジュール１８が動作するための温度勾配をもたらす。

【0011】

図２ＡのＵＥＨＤは、図示の中心断面において実質的に同心である。例示的な代替実施形態が図２Ｂに示されており、中心断面は矩形形状であり、主船体１２’および内部貯蔵タンク１６’は共に矩形断面を有する。熱電モジュール１８は、所望の温度勾配を達成するために貯蔵タンク１６’の平坦側面１７と主船体１２’の平坦内側面１９の中間に取り付けられる。

【0012】

図３に見られるように、主船体１２は、推進機１３用の電気モーター２４とＵＥＨＤ１０を運転しナビゲートするための制御システム２６とを収容する。特に、制御システム２６は、水中でＵＥＨＤ１０を推進させかつナビゲートするために推進機１３と制御プレーン１４のうちの１つまたは複数の両方を操作する。電力貯蔵装置２８は、単一電池要素、リチウムイオン、リチウムイオンポリマー、ニッケルカドミウム、ニッケル水素、鉛などの蓄電池群、またはナノテクノロジースーパーキャパシタなどの容量性貯蔵システム(capacitive storage system)を含む再充電可能電池とすることができ、電圧変成器回路３０を介して熱電モジュール１８およびモーター２４に接続される。制御システム２６用の電力は電力貯蔵装置２８から供給されてもよい。

【0013】

図３に示されている例示的な実施形態は、内部貯蔵タンク１６を主船体１２の外側の海洋水に接続する入口スクープ３２およびベント３４を有する。入口スクープ３２およびベント３４は、外部海洋水との選択的流体流通を可能にするために、開閉位置のための引込み式または組込み式扉閉鎖とすることができる。電力貯蔵装置２８によって電力供給されるポンプ３６を使用して水を入口スクープ３２から内部貯蔵タンク１６の中にかつベント３４の外へ圧送し、それによって内部貯蔵タンク内の水を交換することができる。あるいは、入口スクープ３２およびベント３４は航行中のＵＥＨＤ１０で外部海洋水に対して開放されてもよく、これにより海洋水の動圧が内部貯蔵タンク１６を通る流れを作り出すことが可能になる。入口スクープ３２およびベント３４が閉鎖位置にあると、内部貯蔵タンク１６内に引き込まれる冷海洋水が貯蔵される。

【0014】

運転中、ＵＥＨＤ１０は、制御システム２６により、海洋底付近の熱水噴出孔の箇所までの航行プロファイル（ミッション／運航プロファイルの一部として含まれる）に従って自律的にも遠隔的にもナビゲートされる。熱水噴出孔フィールドの世界分布が世界の海洋の至る所に存在する。この種のサーマルベント(thermal vents)は、温度の範囲が６０℃～６４６℃の熱水プルーム(hot water plumes)を生じさせる。開水域におけるＵＥＨＤ１０の場合、入口スクープ３２およびベント３４は、内部貯蔵タンク１６の第１の位置で展開または開放され、冷海洋水が内部貯蔵タンク１６内に引き込まれ、次いで入口スクープ３２およびベント３４を閉鎖することによって保持されて内部貯蔵タンク１６を第２の位置に配置し、それによって冷海洋水を貯蔵する。ＵＥＨＤ１０が水深５００メートル以下にある場合、１２℃～４℃以下の水温が利用可能である。次いで、ＵＥＨＤ１０は、主船体１２を熱水噴出孔内に配置するように制御システム２６によってナビゲートされ、主船体１２が周囲海洋水および内部貯蔵タンク１６内に貯蔵された海洋水の初期温度に比べて「ホットゾーン」内に配置された状態を維持するために噴出孔ホットプルーム内をうろうろするか噴出孔プルーム流動をたどるかのどちらかである。主船体１２と対流伝導接触するホットプルームと熱キャパシタとして働く内部貯蔵タンク１６で貯蔵された冷水との温度差は熱電モジュール１８が動作するための温度勾配をもたらし、熱電モジュール１８は発電して電力貯蔵装置２８を充電する。熱電モジュールの動作は内部貯蔵タンク１６内の水の温度上昇を引き起こす。外部噴出孔プルームと内部貯蔵タンクとの間の温度差が、熱電モジュールによる有効発電が停止する段階まで減少すると、ＵＥＨＤ１０は制御システム２６によって開水域内にまで操縦され、内部貯蔵タンク１６は入口スクープ３２およびベント３４の動作によって放出され再び満たされる。次いで、ＵＥＨＤ１０は、電力貯蔵装置２８の再充電のために必要に応じて噴出孔プルーム内に再配置され得るまたは別の噴出孔プルームまで移動され得る。充電サイクル相互間に、ＵＥＨＤ１０は、制御システム２６によってＵＥＨＤ１０の所期のミッションプロファイルで運転され得る。

【0015】

あるいは、温度勾配は、ＵＥＨＤ１０をサーマルベントのプルームの中にまで操縦し入口スクープ３２およびベント３４を開放してプルームから熱水を引き込むことによって逆向きにされ得る。次いで、ＵＥＨＤ１０は、制御システム２６によって冷外洋水の中にまでナビゲートされ、主船体１２と対流伝導接触する冷海洋水と熱キャパシタとして働く内部貯蔵タンク１６で貯蔵されたプルームからの熱水との温度差は熱電モジュール１８が動作するための逆温度勾配をもたらし、熱電モジュール１８は発電して電力貯蔵装置２８を充電する。電圧変成器回路３０は、逆温度勾配に基づいて熱電モジュールによって生成される逆電流を検出するとともに電力貯蔵装置２８を充電するための整流を可能にするようになされ得る。熱電モジュールの動作は内部貯蔵タンク１６内の水の冷却を引き起こす。内部貯蔵タンクと主船体１２と接触する外部海洋水との間の温度差が、熱電モジュールによる有効発電が停止する段階まで減少すると、ＵＥＨＤ１０は制御システム２６によって操縦されてサーマルベントに戻され、内部貯蔵タンク１６は入口スクープ３２およびベント３４の動作によって放出され再び満たされる。

【0016】

ＵＥＨＤ１０内に各システムが設けられることにより、ミッションプロファイルでの実質的に途切れない運航のために熱水噴出孔相互間の「サーフィン(surfing)」で電力貯蔵装置２８の再充電を行うことが可能になる。既述のように、ミッション（例えば運航）プロファイルは、探査、環境モニタリング、セキュリティオペレーションなどの活動を含むことができる。

【0017】

ＵＥＨＤ１０のサイズおよび他の考慮事項に応じて、定位バラストタンク(orienting ballast tank)３８が、ＵＥＨＤ１０のバラストを変化させて、図４に示されているように垂直向き、すなわち「ポゴ」向きを選択的に誘導するために、適切な制御弁４０およびポンプもしくは他の通気システム（ポンプ３６の例示的な実施使用など）と共に使用され得る。ＵＥＨＤ１０は、熱水噴出孔プルーム４２の中にまで操縦され、内部貯蔵タンク１６が冷海洋水で満たされた場合はバラストタンク３８を満たして噴出孔プルームへの主船体１２の暴露を増大させることによりポゴ位置に向きを変えることができる。熱電充電サイクルが完了するかまたは内部貯蔵タンク１６内の温度差がなくなると、バラストタンク３８から水が放出され、ＵＥＨＤ１０は、通常の巡航能力を与えるためにＵＥＨＤ１０の通常の運転方向に向きを変えられる。ポゴ向きは、主船体１２と内部貯蔵タンク１６との間の負温度差が充電サイクルに使用される場合、内部貯蔵タンク１６をプルームからの水で満たすのを支援するために使用されてもよい。

【0018】

図５に見られるように、制御システム２６はナビゲーションシステム５０２を実装しており、ナビゲーションシステム５０２は、全地球測位システム（ＧＰＳ）５０４もしくはＧＰＳセンサ、慣性航法（ガイダンス）システム５０６または同等のナビゲーション要素からの入力を使用して自律運転用の特定のミッション（例えば、運航）プロファイル５０３をプレインストールしてもよく、あるいは通信モジュール５０８および遠隔制御システム５０９で遠隔制御されてもよい。人工知能（ＡＩ）が、ミッションプロファイルの指定パラメータで操縦またはうろうろするために制御プロセッサ５１０内に実装されてもよい。制御システム２６がＵＥＨＤ１０を物理的に制御するための制御信号が、モーター２４に接続されるモーターコントローラ５１２および制御プレーン１４に接続される制御プレーン作動システム５１４によって与えられる。

【0019】

図１ＢはＵＥＨＤ１１０の第２の実施形態を示す。第１の実施形態と同様に、ＵＥＨＤ１１０は主船体１１２を有し、推進機１１３（例示的に標準複数羽根スクリューとして示されている）および制御プレーン１１４で海洋環境の中で操縦される。第２の実施形態の熱移送要素は、主船体１１２の上面１１７に取り付けられ上面１１７から延伸するする熱放散器１１６である。熱放散器１１６は、表面積を増大させるために入れ子式に延伸可能であり得る。図６に見られるように、主船体１１２は、推進機１１３用の電気モーター１２４とＵＥＨＤ１１０を運転するための制御システム１２６とを収容する。電力貯蔵装置１２８は、単一電池要素、リチウムイオン、リチウムイオンポリマー、ニッケルカドミウム、ニッケル水素、鉛などの蓄電池群、またはナノテクノロジースーパーキャパシタなどの容量性貯蔵システムとすることができ、電圧変成器回路１３０を介して熱電モジュール１１８およびモーター１２４に接続される。制御システム１２６用の電力は電力貯蔵装置１２８から供給されてもよい。熱電モジュール１１８は、各熱電モジュール１１８上の第１の動作面１２０が主船体１１２と熱接触し第２の動作面１２２が熱放散器１１６と熱接触した状態で接続される。

【0020】

図７Ａ～図７Ｃに示されている第２の実施形態の運転で、ＵＥＨＤ１１０は、制御システム１２６によって設定されたミッションプロファイルに従って図７Ａに示されているように水中に沈められた状態で巡航する。第２の実施形態の予想される運転は北極海で行われ、北極海では、海洋水温度が比較的一定であり、少なくとも－２℃以上であるのに対して、特に夜の空気温度は著しく冷たい（約－２０℃、ただし約－６０℃～－１０℃の範囲である）。電力貯蔵装置１２８の充電が必要になると、制御システム１２６は、図７Ｂに示されているようにＵＥＨＤ１１０を浮上させて熱放散器１１６を海洋水から空気に選択的にさらす。海洋水１４０中に浸された主船体１１２と周囲空気１４２と対流接触する熱放散器１１６との間の温度差は、熱電モジュール１１８の動作が電力貯蔵装置を充電するための電気エネルギーを生成するのに重要かつ十分である。充電が完了するとまたはそうでなければ動作上望ましいときに、制御システム１２６は、図７Ｃに見られるように運転を継続するためにＵＥＨＤ１１０を水中に沈めさせる。

【0021】

潜水、浮上および所望の動作深度のためにＵＥＨＤの開示済み実施形態の深度制御を行うための様々なバラストタンクおよび関連する動作システムが当技術分野でよく知られており、本明細書では説明しない。

【0022】

第２の実施形態の代替構造的配置が図８Ａおよび図８Ｂに示されている。図８Ａに見られるように、ＵＥＨＤ２１０は、絶縁バリア２１３によって分離された上部２１２ａおよび下部２１２ｂを有する主船体２１２を実装している。船体部分２１２ａ、２１２ｂは絶縁バリア２１３の上下に対称に示されているが、非対称配置が使用されてもよい。図８Ｂに見られるように、熱電モジュール２１８は、各熱電モジュール２１８上の第１の動作面２２０が上部２１２ａと熱接触し第２の動作面２２２が下部２１２ｂと熱接触した状態で係合される。伝達板２１４または他の熱伝導要素が、第２の動作面２２２と下部２１２ｂとの間または逆に第１の動作面２２０と上部２１２ａとの間の有効接触に使用され得る。第１の構造的配置と同様に、ＵＥＨＤ２１０は、電力貯蔵装置２２８、電圧変成器回路２３０、モーター２２４、および制御システム２２６を実装している。ＵＥＨＤ２１０は、ＵＥＨＤ１１０と同様に、主船体２１２の上部２１２ａを空気にさらすために浮上して動作し、上部２１２ａは熱放散器である。

【0023】

第２の実施形態のいずれの構造的配置でも、ＵＥＨＤ１１０、２１０の熱電モジュール１１８、２１８を通る熱移送は、気温が水温よりも暖かい場合に逆向きにされ、それによって逆温度勾配をもたらすことができる。逆温度勾配が起こると、熱電モジュール１１８、２１８によって生成される電流の方向は逆向きになる。逆電流を取り込み、次いで電力貯蔵装置１２８、２２８に電荷を蓄えるために電圧変成器回路１３０、２３０のダイオード回路が使用される。

【0024】

開示されるＵＥＨＤの実施形態はＵＵＶを運転する方法を提供する。図９に示されているように（図１Ａおよび図３参照）、ＵＥＨＤ１０は、制御システム２６により海洋底付近の熱水噴出孔の箇所相互間で自律的にも遠隔的にもナビゲートされる（ステップ９０２）。

【0025】

第１の順序では、ＵＥＨＤ１０は開水域内にあり、入口スクープ３２およびベント３４は開放位置で展開または配置され、冷海洋水が第１の位置で圧送または動圧によって内部貯蔵タンク１６内に引き込まれ（ステップ９０４）、次いで入口スクープ３２およびベント３４が閉鎖され（ステップ９０６）、冷海洋水を貯蔵するために内部貯蔵タンク１６を第２の位置に配置する。ＵＥＨＤ１０は、制御システム２６によって熱水噴出孔箇所までナビゲートされ、主船体１２が周囲海洋水および内部貯蔵タンク１６内に貯蔵された海洋水の初期温度に比べて「ホットゾーン」内にある状態を維持するために熱水噴出孔のホットプルーム内を主船体１２でうろうろするか熱水噴出孔プルーム流動をたどるかのどちらかである（ステップ９０８）。定位バラストタンク３８は満たされて（ステップ９１０）、ＵＥＨＤ１０の向きをポゴ位置にすることができる。このようにして、定位バラストタンク３８は、ＵＥＨＤ１０の向きをポゴ位置にするために満たされる。主船体１２と対流伝導接触するホットプルームと熱キャパシタとして働く内部貯蔵タンク１６で貯蔵された冷水との温度差は熱電モジュール１８に温度勾配をもたらし、熱電モジュール１８は、主船体と内部貯蔵タンクとの間の温度勾配に基づいて発電して電力貯蔵装置２８を充電するために動作する（ステップ９１２）。ＵＥＨＤ１０は制御システム２６によって開水域内にまで操縦され（ステップ９１４）、内部貯蔵タンク１６は、第１の順序のプロセスを繰り返すために、入口スクープ３２およびベント３４の動作によって放出され再び満たされる（ステップ９０４）。

【0026】

第２の順序では、ＵＥＨＤ１０は噴出孔プルーム内にあり、定位バラストタンク３８は満たされ（ステップ９１１）、ＵＥＨＤ１０の向きをポゴ位置にすることができる。入口スクープ３２およびベント３４は展開または開放され、プルームからの熱水が第１の位置で圧送または動圧によって内部貯蔵タンク１６内に引き込まれ（ステップ９０５）、次いで入口スクープ３２およびベント３４が閉鎖され（ステップ９０７）、熱水を貯蔵するために内部貯蔵タンク１６を第２の位置（例えば、ポゴ位置に対して回転した位置）に配置する。ＵＥＨＤ１０は、制御システム２６によって噴出孔プルームから外洋の中へナビゲートされ、そこで冷水が内部貯蔵タンク１６内の熱水の内部温度に対する負温度差をもたらす（ステップ９０９）。主船体１２と対流伝導接触する冷外洋水と熱キャパシタとして働く内部貯蔵タンク１６で貯蔵された熱水との温度差は温度勾配をもたらし、熱電モジュール１８は、主船体と内部貯蔵タンクとの間の温度勾配に基づいて発電して電力貯蔵装置２８を充電するために動作する（ステップ９１３）。ＵＥＨＤ１０は制御システム２６によって操縦されて熱水噴出孔プルームに戻され（ステップ９１５）、内部貯蔵タンク１６は、第２の順序のプロセスを繰り返すために、入口スクープ３２およびベント３４の動作によって放出され再び満たされる（ステップ９０５）。どちらの順序でも、次いで、ＵＥＨＤ１０は、電力貯蔵装置（２８、１２８、２２８）を充電するために熱電モジュール（１８、１１８、２１８）をナビゲートし動作させるのに合わせて、所望のミッションプロファイルで運転され得る（ステップ９１６）。ＵＥＨＤ１０は、ステップ９０４、９０５で始まる電力貯蔵装置２８の再充電のために必要に応じて噴出孔プルーム内に再配置され得るまたは別の噴出孔プルームまで移動され得る。

【0027】

図１０に示されているように（図１Ｂ、図６、図８Ａおよび図８Ｂ参照）、ＵＥＨＤ１１０、２１０は、制御システム１２６によって指示されたミッションプロファイルで水中に沈められて運転される（ステップ１００２）。電力貯蔵装置１２８の充電が必要になると、制御システム１２６は、ＵＥＨＤ１１０、２１０を浮上させて（ステップ１００４）、熱放散器１１６、２１２ａを空気に選択的にさらす。熱電モジュール１１８は、海洋水１４０中に浸された主船体１１２（または２１２ｂ）と周囲空気１４２と対流接触する熱放散器１１６、２１２ａとの間の温度差を使用して電力貯蔵装置を充電するための電気エネルギー生成を行うために動作する（ステップ１００６）。充電が完了するとまたはそうでなければ動作上望ましいときに、制御システム１２６は、運転を継続するためにＵＥＨＤ１１０を水中に沈めさせる（ステップ１００８）。

【0028】

さらに、本開示は下記付記項による例を含む。

【0029】

付記項１．海洋水中に潜水可能に受容されるべき主船体と、複数の熱電モジュールであって、前記複数の熱電モジュールの各モジュールが主船体と熱接触する第１の動作インタフェースを有する、複数の熱電モジュールと、複数の熱電モジュール上の第２の動作インタフェースと接触する熱移送要素と、複数の熱電モジュールに接続される電力貯蔵装置と、を備える水中環境発電ドローンであって、主船体と熱移送要素との間に温度勾配をつくるように船体を配置することで熱電モジュールによる発電を誘起し、それによって電力貯蔵装置を充電する、水中環境発電ドローン。

【0030】

付記項２．電力貯蔵装置が、再充電可能電池およびコンデンサの少なくとも一方を含む、付記項１に記載の水中環境発電ドローン。

【0031】

付記項３．再充電可能電池が、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、または鉛蓄電池のうちの１つである、付記項２に記載の水中環境発電ドローン。

【0032】

付記項４．コンデンサがナノテクノロジースーパーキャパシタを含む、付記項２に記載の水中環境発電ドローン。

【0033】

付記項５．熱電モジュールがペルチェ接合装置およびスターリングエンジンの少なくとも一方を含む、付記項１に記載の水中環境発電ドローン。

【0034】

付記項６．電力貯蔵装置から電力を受けるように接続された電気モーターと、上記電気モーターによって駆動される推進機と、主船体に係合された制御プレーンと、航行プロファイルに従って電気モーターおよび制御プレーンに制御信号を与えるようになされた制御システムと、をさらに備える、付記項１に記載の水中環境発電ドローン。

【0035】

付記項７．熱移送要素が、冷海洋水を第１の位置で受け入れ冷海洋水を第２の位置で貯蔵するようになされた内部貯蔵タンクを備え、航行プロファイルが、主船体を熱水噴出孔のホットプルーム内に配置する、付記項６に記載の水中環境発電ドローン。

【0036】

付記項８．内部貯蔵タンクが入口スクープおよびベントを含み、上記入口スクープおよびベントが、内部貯蔵タンクの第１の位置用の開放位置と内部貯蔵タンクを第２の位置に配置する閉鎖位置とを有する、付記項７に記載の水中環境発電ドローン。

【0037】

付記項９．主船体のポゴ位置を選択的に誘導するようになされたバラストタンクをさらに備える、付記項７に記載の水中環境発電ドローン。

【0038】

付記項１０．熱の内部貯蔵タンクは、航行プロファイルが主船体をホットプルーム中に配置するときに熱水噴出孔のホットプルームから熱水を第１の位置で受け入れ、航行プロファイルが主船体を冷海洋水中に配置するときに熱水を第２の位置で貯蔵し、それによって熱電モジュールが動作するための逆温度勾配を誘起して発電し、それによって電力貯蔵装置を充電するようにさらになされ、変圧器回路が、逆温度勾配に基づいて熱電モジュールによって生成される逆電流を検出し、電力貯蔵装置を充電するための整流を行うようになされる、付記項７に記載の水中環境発電ドローン。

【0039】

付記項１１．熱移送要素が、主船体の上面に取り付けられかつ上面から延伸する熱放散器を備え、航行プロファイルが、海洋水から熱放散器を露出させる主船体の選択的浮上を引き起こす、付記項６に記載の水中環境発電ドローン。

【0040】

付記項１２．主船体が上部および下部を備え、上記上部および下部は絶縁バリアによって分離され、上部が熱移送要素を備え、航行プロファイルが、海洋水から上部を露出させる主船体の選択的浮上を引き起こす、付記項６に記載の水中環境発電ドローン。

【0041】

付記項１３．無人水中ビークル（ＵＵＶ）を運転する方法であって、冷海洋水を第１の位置で内部貯蔵タンク内に引き込むステップと、冷海洋水を貯蔵するために内部貯蔵タンクを第２の位置に配置するステップと、ＵＵＶを熱水噴出孔箇所までナビゲートして主船体を周囲海洋水に比べて噴出孔プルーム「ホットゾーン」内に配置するステップと、電力貯蔵装置を充電するために主船体と内部貯蔵タンクとの間の温度勾配に基づいて熱電モジュールで発電するステップと、を含む方法。

【0042】

付記項１４．ＵＵＶの向きをポゴ位置にするために定位バラストタンクを満たすステップをさらに含む、付記項１３に記載の方法。

【0043】

付記項１５．開水域内にまで操縦するステップと、内部貯蔵タンクを空にするステップと、入口スクープおよびベントの動作により内部貯蔵タンクを再び満たすステップと、をさらに含む、付記項１３に記載の方法。

【0044】

付記項１６．ＵＵＶを所望のミッションプロファイルで運転するステップをさらに含む、付記項１３に記載の方法。

【0045】

付記項１７．電力貯蔵装置を再充電するために噴出孔プルーム内に再配置するステップまたは別の噴出孔プルームまで移動させるステップをさらに含む、付記項１６に記載の方法。

【0046】

付記項１８．無人水中ビークル（ＵＵＶ）を運転する方法であって、熱放散器を開放空気にさらすために浮上するステップと、海洋水中に浸された主船体と開放空気と対流接触する熱放散器との間の温度差を使用して電力貯蔵装置を充電するための電気エネルギー生成を行うために熱電モジュールを動作させるステップと、を含む方法。

【0047】

付記項１９．充電が完了するとＵＵＶを水中に沈めるステップをさらに含む、付記項１８に記載の方法。

【0048】

付記項２０．制御システムによって指示されたミッションプロファイルで水中に沈められて運転するステップをさらに含む、付記項１８に記載の方法。

【0049】

ここで、特許法で求められるように様々な実施形態を詳細に説明してきたが、当業者なら、本明細書で開示される特定の実施形態に対する変更および置換を認識するであろう。かかる変更は、下記の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲および意図内である。

【符号の説明】

【0050】

１０ 水中環境発電ドローン、１２ 主船体、１２’ 主船体、１３ 推進機、１４ 制御プレーン、１６ 内部貯蔵タンク、１６’ 内部貯蔵タンク、１７ 平坦側面、１８ 熱電モジュール、１９ 平坦内側面、２０ 第１の動作面，第１の動作インタフェース、２２ 第２の動作面，第２の動作インタフェース、２４ 電気モーター、２６ 制御システム、２８ 電力貯蔵装置、３０ 電圧変成器回路、３２ 入口スクープ、３４ ベント、３６ ポンプ、３８ 定位バラストタンク、４０ 制御弁、４２ 熱水噴出孔プルーム、１１０ 水中環境発電ドローン、１１２ 主船体、１１３ 推進機、１１４ 制御プレーン、１１６ 熱放散器、１１７ 上面、１１８ 熱電モジュール、１２０ 第１の動作面，第１の動作インタフェース、１２２ 第２の動作面，第２の動作インタフェース、１２４ モーター、１２６ 制御システム、１２８ 電力貯蔵装置、１３０ 電圧変成器回路、１４０ 海洋水、１４２ 周囲空気、２１０ 水中環境発電ドローン、２１２ 主船体、２１２ａ 上部，船体部分，熱放散器、２１２ｂ 下部，船体部分、２１３ 絶縁バリア、２１４ 伝達板、２１８ 熱電モジュール、２２０ 第１の動作面，第１の動作インタフェース、２２２ 第２の動作面，第２の動作インタフェース、２２４ モーター、２２６ 制御システム、２２８ 電力貯蔵装置，２３０ 電圧変成器回路、５０２ ナビゲーションシステム、５０３ 特定のミッションプロファイル、５０４ 全地球測位システム、５０６ 慣性航法（ガイダンス）システム、５０８ 通信モジュール、５０９ 遠隔制御システム、５１０ 制御プロセッサ、５１２ モーターコントローラ、５１４ 制御プレーン作動システム、９０２ ステップ、９０４ ステップ、９０５ ステップ、９０６ ステップ、９０７ ステップ、９０８ ステップ、９０９ ステップ、９１０ ステップ、９１１ ステップ、９１２ ステップ、９１３ ステップ、９１４ ステップ、９１５ ステップ、９１６ ステップ、１００２ ステップ、１００４ ステップ、１００６ ステップ、１００８ ステップ

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】