(57)【要約】      （修正有）【課題】航空機に搭載された燃料電池モジュールによって産生された熱を伝達する方法を提供する。【解決手段】航空機に搭載された発電システムは、熱を産生するように構成された燃料電池モジュールを含む。ループヒートパイプモジュール２１８が燃料電池モジュール２０２に連結される。ループヒートパイプモジュール２１８は、燃料電池モジュール２０２から熱を吸収してループヒートパイプモジュール２１８を通って流れる第１の流体を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機に搭載された燃料電池モジュールによって産生される熱を伝達する方法であって、
第１の流体を含むループヒートパイプ（ＬＨＰ）モジュール２１８を、燃料電池モジュール２０２に連結することと、
第１の流体をＬＨＰモジュール２１８を通して流し、第１の流体が燃料電池モジュール２０２から熱を吸収することと
を含む方法。
【請求項２】
熱を外部負荷に伝達することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第２の流体を含む熱伝達モジュール２３２を、ＬＨＰモジュールに連結することと、
第２の流体を熱伝達モジュールを通して流し、第２の流体がＬＨＰモジュール２１８から熱を吸収することと
をさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
第２の流体を流すことが、熱伝達モジュールを通して第２の流体を選択的にポンピングすることをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
航空機１００と、
前記航空機に搭載される電子デバイスと、
前記電子デバイスに連結される燃料電池モジュール２０２であって、前記電子デバイスに送られる電気と、熱とを産生するように構成されている燃料電池モジュール２０２と、
前記燃料電池モジュール２０２に連結されたループヒートパイプ（ＬＨＰ）モジュール２１８であって、前記燃料電池モジュール２０２から熱を吸収して前記ＬＨＰモジュール２１８を通って流れる第１の流体を含むＬＨＰモジュールと
を備えるシステム。
【請求項６】
前記ＬＨＰモジュールに連結された外部負荷をさらに備え、熱が前記外部負荷に伝達される、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記ＬＨＰモジュールが、外部負荷への熱の伝達を促進する熱スプレッダを備えている、請求項５又は６に記載のシステム。
【請求項８】
前記ＬＨＰモジュールに連結された熱伝達モジュールをさらに備えており、前記熱伝達モジュールが、前記ＬＨＰモジュールから熱を吸収して熱伝達モジュールを通って流れる第２の流体を含む、請求項５ないし７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記熱伝達モジュールが、前記熱伝達モジュールを通して第２の流体を選択的に流すように構成されたポンプをさらに備えている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記熱交換モジュールがさらに放熱器を備えている、請求項８又は９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記燃料電池モジュールに連結された浄水器を含む流体輸送モジュールをさらに備えており、前記燃料電池モジュールが、前記流体輸送モジュールを通して水を放出するように構成されている、請求項５ないし１０のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、概して熱伝達系統に関し、具体的には、航空機に搭載された燃料電池モジュールによって産生された熱を伝達するための方法とシステムに関する。
【０００２】
既知の航空機には、揚力を生成する複数のエンジンが含まれている。少なくとも幾つかの既知の航空機には、動作するために電気を必要とする電気的コンポーネントが含まれている。このような電気的コンポーネントに電気を供給するために、少なくとも幾つかの既知の航空機は、エンジンから電力を抽出する。しかしながら、エンジンから電気的コンポーネントに電気を供給することは、エンジンの全体的な燃料消費を増加させる。エンジンの電力需要の低減を促進するために、少なくとも幾つかの既知の航空機は、搭載されている電気的コンポーネントに給電するために使用される電力を生成する燃料電池を含んでいる。しかしながら、少なくとも幾つかの既知の航空機は、燃料電池によって生成される電気及び／又は副産物を効率よく利用していない。
【発明の概要】
【０００３】
一態様において、航空機に搭載された燃料電池モジュールによって産生された熱を伝達する方法が提供される。この方法は、ループヒートパイプ（ＬＨＰ）を燃料電池モジュールに連結することを含む。ＬＨＰモジュールは、燃料電池モジュールから熱を吸収してＬＨＰモジュールを通って流れる第１の流体を含む。
【０００４】
別の態様では、航空機上で使用される発電システムが提供される。この発電システムは、熱を産生するように構成された燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールに連結されたＬＨＰモジュールとを含む。ＬＨＰモジュールは、燃料電池モジュールから熱を吸収してＬＨＰモジュールを通って流れる第１の流体を含む。
【０００５】
また別の態様では、システムが提供される。このシステムは、航空機と、航空機に搭載された電子デバイスとを含む。燃料電池モジュールが電子デバイスに連結される。燃料電池モジュールは、電気と熱を産生するように構成される。電気は電子デバイスに送られる。ＬＨＰモジュールは燃料電池モジュールに連結される。ＬＨＰモジュールは、燃料電池モジュールから熱を吸収してＬＨＰモジュールを通る第１の流体を含む。
【０００６】
本発明のさらなる態様によれば、航空機に搭載された燃料電池モジュールによって産生される熱を伝達する方法が提供される。この方法は、第１の流体を含むループヒートパイプ（ＬＨＰ）モジュールを燃料電池モジュールに連結することと、ＬＨＰモジュールを通して第１の流体を流し、第１の流体が燃料電池モジュールから熱を吸収することとを含む。有利には、この方法は、熱を外部負荷に伝達することをさらに含む。有利には、この方法は、第２の流体を含む熱伝達モジュールをＬＨＰモジュールに連結することと、熱伝達モジュールを通して第２の流体を流し、第２の流体がＬＨＰモジュールから熱を吸収することとをさらに含む。好ましくは、第２の流体を流すステップは、熱伝達モジュールを通して第２の流体を選択的にポンピングすることをさらに含む。
【０００７】
本発明のさらなる態様によれば、航空機上で使用される発電システムが提供される。前記発電システムは、熱を産生するように構成された燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに連結されたループヒートパイプ（ＬＨＰ）モジュールとを備え、前記ＬＨＰモジュールは、前記燃料電池モジュールから熱を吸収して前記ＬＨＰモジュールを通って流れる第１の流体を含んでいる。有利には、このシステムは、前記ＬＨＰモジュールに連結された外部負荷をさらに備え、熱が前記外部負荷に伝達される。有利には、ＬＨＰモジュールは、外部負荷への熱伝達を促進する熱スプレッダをさらに備える。有利には、このシステムは、ＬＨＰモジュールに連結された熱伝達モジュールをさらに備え、前記熱伝達モジュールは、前記ＬＨＰモジュールから熱を吸収して熱伝達モジュールを通って流れる第２の流体を含む。好ましくは、熱伝達モジュールは、前記熱伝達モジュールを通して第２の流体を選択的に流すように構成されたポンプをさらに備える。好ましくは、熱伝達モジュールは放熱器をさらに備える。有利には、このシステムは、前記燃料電池モジュールに連結された浄水器を含む流体輸送モジュールをさらに備え、燃料電池モジュールは、前記流体輸送モジュールを通して放水するように構成されている。
【０００８】
本発明のさらなる態様によれば、航空機と、前記航空機に搭載される電子デバイスと、前記電子デバイスに連結される燃料電池モジュールであって、前記電子デバイスに送られる電気と、熱とを産生するように構成された燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに連結されたループヒートパイプ（ＬＨＰ）モジュールであって、前記燃料電池モジュールから熱を吸収して前記ＬＨＰモジュールを通って流れる第１の流体を含むＬＨＰモジュールとを備えるシステムが提供される。有利には、このシステムは、前記ＬＨＰモジュールに連結された外部負荷をさらに備え、熱が前記外部負荷に伝達される。好ましくは、ＬＨＰモジュールは、外部負荷への熱伝達を促進する熱スプレッダをさらに備える。有利には、このシステムは、前記ＬＨＰモジュールに連結された熱伝達モジュールをさらに備え、前記熱伝達モジュールは、前記ＬＨＰモジュールから熱を吸収して熱伝達モジュールを通って流れる第２の流体を含む。好ましくは、熱伝達モジュールは、前記熱伝達モジュールを通して第２の流体を選択的に流すように構成されたポンプをさらに備える。好ましくは、熱伝達モジュールは、放熱器をさらに備える。有利には、このシステムは、前記燃料電池モジュールに連結された浄水器を含む流体輸送モジュールをさらに備え、前記燃料電池モジュールは、前記流体輸送モジュールを通して放水するように構成されている。
【０００９】
本明細書に記載されるフィーチャ、機能及び利点は、本発明の種々の実施形態において独立に実現することが可能であるか、又は他の実施形態において組み合わせることができる。それら実施形態のさらに詳細な説明は、後述及び添付図面にみることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的な航空機の平面図である。
【図２】図１に示された航空機に搭載されて使用されうる例示的な燃料電池の熱電併給システムの概略図である。
【図３】図２に示された燃料電池の熱電併給システムに使用されうる例示的な熱伝達システムの斜視図である。
【図４】図１に示された航空機に搭載されて使用されうる他の燃料電池の熱電併給システムの概略図である。
【図５】図１に示された航空機に搭載されて使用されうる他の燃料電池の熱電併給システムの概略図である。
【図６】図１に示された航空機に搭載されて使用されうる他の燃料電池の熱電併給システムの概略図である。
【００１１】
種々の実施形態の具体的なフィーチャが一部の図面には示されて他の図面には示されないことがあるが、このような図解は便宜的に行われているにすぎない。任意の図面の任意のフィーチャは、他の任意の図面のフィーチャと組み合わせて参照及び／又は特許請求されうる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書に記載される主題は、概して熱伝達系統に関し、具体的には、航空機に搭載された燃料電池モジュールによって産生された熱を伝達するための方法とシステムに関する。一実施形態では、航空機に搭載された発電システムは、熱と電気を産生するように構成された燃料電池モジュールを含む。ループヒートパイプ（ＬＨＰ）モジュールが燃料電池モジュールに連結される。ＬＨＰモジュールは、燃料電池モジュールから熱を吸収してＬＨＰモジュールを通って流れる第１の流体（例えば、作動油）を含む。したがって、ＬＨＰモジュールは、燃料電池モジュールの冷却を促進する。
【００１３】
本明細書で使用される「負荷」又は「外部負荷」という用語は、電気、熱、水、並びに／或いは別の装置及び／又はマシンによって産生、生成、及び／又は生産される他の副産物を利用する任意の装置及び／又はマシンを意味する。「一つの」という語から始まる単数形の要素又はステップは、複数の要素又はステップを除外することが明示的に記載されていない限り、複数の要素又はステップを除外しないと理解すべきである。さらに、「一つの」という語から始まる単数形の要素又はステップは、複数の要素又はステップを除外することが明示的に記載されていない限り、複数の要素又はステップを除外しないと理解すべきである。さらに、本発明の「一実施形態」及び／又は「例示的実施形態」への言及は、記載されているフィーチャをやはり取り込む他の実施形態の存在を除外するものではない。
【実施例】
【００１４】
図１は、例示的な航空機１００の平面図である。この例示的な実施形態では、航空機１００は、胴体１２０と胴体１２０から延びる一対の翼１３０とを含む本体１１０を含んでいる。この例示的な実施形態では、少なくとも一つのエンジン１４０が各翼１３０に連結されて航空機１００に推力を供給している。航空機１００は、本明細書に記載されているように航空機１００を機能させる任意の数のエンジン１４０を含むことができる。この例示的な実施形態では、航空機１００は、複合材料から作製された少なくとも一つのコンポーネント及び／又は構造を含んでいる。
【００１５】
図２は、航空機１００（図１に示す）に搭載されて使用されうる例示的な燃料電池の熱電併給システムの概略図である。この例示的な実施形態では、システム２００は、電気、熱、及び水のシステムを単一のシステムに統合している。この例示的な実施形態では、システム２００は、燃料２０４と空気２０６を、航空機１００内部で使用されうる電気２０８に変換する燃料電池モジュール２０２を含んでいる。この例示的な実施形態では、燃料電池モジュール２０２の副産物には、水２１０、空気２１２、及び熱エネルギー又は熱（図示しない）が含まれる。この例示的な実施形態では、システム２００は、燃料電池モジュール２０２と流体連通する導管２１４と、導管２１４に連結された浄水器２１６とを含んでいる。この例示的な実施形態では、浄水器２１６は、水２１０が飲用に適するように、浄水器を通って流れる水２１０の飲用水としての質を向上させることを助ける。
【００１６】
この例示的な実施形態では、システム２００は、熱伝達モジュール又はループヒートパイプ(ＬＨＰ)モジュール２１８を含む。この例示的な実施形態では、ＬＨＰモジュール２１８は、蒸発器２２０、コンデンサ２２２、及び熱伝達ループ２２４を含んでいる。この例示的な実施形態では、蒸発器２２０は、ＬＨＰモジュール２１８内部の循環及び流体の毛管ポンピングのための細孔芯構造を含んでいる。この例示的な実施形態では、蒸発器２２０は、燃料電池モジュール２０２に直接連結されており、燃料電池モジュール２０２によって産生される熱を吸収する。別の構成では、蒸発器２２０は、任意の構成を有することができる、並びに／或いは、本明細書に記載のようにシステム２００を機能させることができる任意の装置及び／又は要素に連結することができる。
【００１７】
例示的な実施形態では、熱伝達ループ２２４は、蒸発器２２０からコンデンサ２２２に向かって蒸気を流す気相ライン２２６と、コンデンサ２２２から蒸発器２２０に向かって液体を流す液相ライン２２８とを含んでいる。すなわち、この例示的な実施形態では、ＬＨＰモジュール２１８は、毛管作用を使用して燃料電池モジュール２０２から熱を取り除き、受動的に熱をコンデンサ２２２へ伝達する二相熱伝達装置である。
【００１８】
この例示的な実施形態では、負荷２３０は、航空機１００上で熱が使用されるようにコンデンサ２２２に連結されている。例えば、負荷２３０は、限定しないが、コーヒーメーカー、器具湯栓、及び／又はオーブンを含む器具である。代替的には、負荷２３０は本明細書に記載のようにシステム２００を機能させることができる他の任意の器具及び／又は装置でもよい。
【００１９】
この例示的な実施形態では、第２の熱伝達モジュール２３２がＬＨＰモジュール２１８に連結されている。この例示的な実施形態では、第２の熱伝達モジュール２３２は、熱スプレッダ２３４、放熱器２３６、及びそれらの間に延びる流体ライン２３８を含んでいる。この例示的な実施形態では、熱スプレッダ２３４は、コンデンサ２２２から熱を吸収し、この熱を、流体ライン２３８を通って流れる流体に伝達するように構成されている。この例示的な実施形態では、第２の熱伝達モジュール２３２はポンプ２４０を含むので、流体は能動的に流体ライン２３８を通って流される。別の構成では、第２の熱伝達システム２３２は受動的システムで、熱は熱スプレッダ２３４と放熱器２３６との間で受動的に伝達される。この例示的な実施形態では、放熱器２３６は、熱が周囲環境に伝達されるように配置されている。
【００２０】
動作中、燃料電池モジュール２０２は、燃料２０４と空気２０６を受け取って、電気２０８、水２１０、空気２１２、及び／又は熱を生成及び／又は産生する。この例示的な実施形態では、水２１０は導管２１４を通って流れ、浄水器２１６が水２１０を飲用可能にする。
【００２１】
この例示的な実施形態では、蒸発器２２０は、流体が熱伝達ループ２２４を通って流れる際に燃料電池モジュール２０２から熱を吸収する。具体的には、この例示的な実施形態では、蒸発器２２０を通って流れる液体が燃料電池モジュール２０２から熱を吸収し、液体が蒸気に変化することを可能にする。すなわち、この例示的な実施形態では、蒸発器２２０において吸収された熱により、位相変化プロセスを経て液体は蒸気に変換される。この例示的な実施形態では、蒸気は蒸発器２２０から放出され、蒸気ライン２２６を通ってコンデンサ２２２に向かって流れる。したがって、この例示的な実施形態では、熱はコンデンサ２２２に運ばれる。この例示的な実施形態では、熱はコンデンサ２２２から負荷２３０及び／又は熱スプレッダ２３４に向かって伝達され、これによって蒸気が液体に変化できる。すなわち、この例示的な実施形態では、位相変化プロセスは、蒸気がその潜熱を放った後に起こる。この例示的な実施形態では、液体はコンデンサ２２２から放出され、液相ライン２２８を通って蒸発器２２０に向かって流れる。
【００２２】
この例示的な実施形態では、第２の熱伝達モジュール２３２は、選択的に動作して、ＬＨＰモジュール２１８から周囲環境へと熱を伝達する。すなわち、この例示的な実施形態では、ポンプ２４０は、負荷２３０が熱を使用しているときには作動されず、負荷２３０が熱を使用していないときに作動される。
【００２３】
図３は、燃料電池モジュール２０２及びＬＨＰモジュール２１８の斜視図である。この例示的な実施形態では、ＬＨＰモジュール２１８は、燃料電池モジュール２０２に直接連結された熱スプレッダ２４２と、熱スプレッダ２４２及び蒸発器２２０に連結されたヒートパイプ２４４とを含んでいる。この例示的な実施形態では、熱スプレッダ２４２及び／又はヒートパイプ２４４により、燃料電池モジュール２０２とＬＨＰモジュール２１８との間での熱伝達速度が上昇する。したがって、熱は、燃料電池モジュール２０２から蒸発器２２０へと伝達されて、毛管ポンピングが行われる。この例示的な実施形態では、熱スプレッダ２４２及び／又はヒートパイプ２４４は、ワイヤ芯及び／又は焼結された芯を含んでいる。別の構成では、熱スプレッダ２４２及び／又はヒートパイプ２４４は、任意の構成を有することができる、並びに／或いは、本明細書に記載のようにシステム２００を機能させることができる任意の材料から作製することができる。
【００２４】
この例示的な実施形態では、コンデンサ２２２は、水を通過させるように構成されている容器２４６内部に配置されている。具体的には、この例示的な実施形態では、容器２４６は、水を受け入れるように構成された入口２４８と、水を放出するように構成された出口２５０とを含んでいる。この例示的な実施形態では、水が容器２４６を通って流れることによりコンデンサ２２２が冷却される、及び／又は流体がＬＨＰモジュール２１８を通って流れる。
【００２５】
図４〜６は、航空機１００に搭載されて使用されうる他の燃料電池熱電併給システム４００、５００、及び６００の概略図である。システム４００は、概ねシステム２００に類似しているが、ＬＨＰモジュール２１８が、燃料電池モジュール２０２に直接連結しているのではなく導管２１４に直接連結していることにより、燃料電池モジュール２０２によって発生した熱の吸収、使用、及び／又は分散が促進される。
【００２６】
システム５００は、概ねシステム２００に類似しているが、ＬＨＰモジュール２１８の代わりに、液体−液体間熱交換器５０２が導管２１４に連結されていることにより、燃料電池モジュール２０２によって発生した熱の吸収、使用、及び／又は分散が促進される。この例示的な実施形態では、熱交換器５０２は、熱交換器を通って延びる導管５０４を含む。この導管５０４は、冷水を熱交換器５０２に導き、ここで水が導管２１４及び／又は導管２１４内部の水２１０から熱を吸収することにより、導管５０４を通して熱交換器５０２から温水が放出される。
【００２７】
システム６００は、概ねシステム２００に類似しているが、ＬＨＰモジュール２１８の代わりに、液体−気体間熱交換器６０２が導管２１４に連結されていることにより、燃料電池モジュール２０２によって発生した熱の吸収、使用、及び／又は分散が促進される。この例示的な実施形態では、熱交換器６０２は、熱交換器を通って延びる導管６０４を含む。この導管６０４は、冷気を熱交換器６０２に導き、ここで空気が導管２１４及び／又は導管２１４内部の水２１０から熱を吸収することにより、導管６０４を通して熱交換器６０２から温風が放出される。
【００２８】
本明細書に記載される実施形態は、概して熱伝達系統に関し、具体的には、航空機に搭載された燃料電池モジュールによって産生された熱を伝達するための方法とシステムに関する。本明細書に記載される実施形態は、航空機のガレーでの使用における燃料電池効率を上昇させること、及び／又はフライト中に航空機を動作させるために必要な、航空機による発電電力量を低減させることを助ける。したがって、本明細書に記載の実施形態は、エネルギーを蓄積すること、燃料電池から得られる熱と電力とを組み合わせて使用すること、及び燃料電池からガレー導入負荷への熱伝達を効率化することにより、ガレーによって使用される電力量の低減を助ける。
【００２９】
上述では、航空機環境における熱伝達の方法及びシステムの例示的実施形態について詳細に説明した。この方法及びシステムは、本明細書に記載されている具体的な実施形態に限定されることはなく、むしろ、システムのコンポーネント及び／又は方法のステップは、本明細書に記載されている他のコンポーネント及び／又はステップから分離されて独立に使用可能である。方法の各ステップ及び各コンポーネントは、他の方法ステップ及び／又はコンポーネントと組み合わせて使用されてもよい。種々の実施形態の具体的なフィーチャが一部の図面には示されて他の図面には示されないことがあるが、このような図解は便宜的に行われているにすぎない。図面の任意のフィーチャは、他の任意の図面の任意のフィーチャと組み合わせて参照及び／又は特許請求されることがある。
【００３０】
ここに記載した説明では、ベストモードを含む実施形態を開示するため、並びに、当業者が任意の機器やシステムの作製及び使用、並びに組込まれた任意の方法の実施を含め、これらの実施形態を実行することを可能にするために実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義されるもので、当業者であれば想起する他の実施例も含みうる。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文字言語から逸脱しない構造要素を有する場合、或いは、それらが特許請求の範囲の文字言語との有意でない相違を有する等価な構造要素を含んでいる場合は、特許請求の範囲の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００３１】
１００    航空機
１１０    本体
１２０    胴体
１３０    翼
１４０    エンジン
２００、４００、５００、６００    燃料電池の熱電併給システム
２０２    燃料電池モジュール
２０４    燃料
２０６    空気
２０８    電気
２１０    水
２１２    空気
２１４    導管
２１６    浄水器
２１８    ループヒートパイプモジュール
２２０    蒸発器
２２２    コンデンサ
２２４    熱伝達ループ
２２６    気相ライン
２２８    液相ライン
２３０    負荷
２３２    熱伝達モジュール
２３４    熱スプレッダ
２３６    放熱器
２３８    流体ライン
２４０    ポンプ
２４２    熱スプレッダ
２４４    ヒートパイプ
２４６    容器
２４８    入口
２５０    出口
５０２、６０２    熱交換器
５０４、６０４    導管
【図１】
2013168358.tif 000003
【図２】
2013168358.tif 000004
【図３】
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【図４】
2013168358.tif 000006
【図５】
2013168358.tif 000007
【図６】
2013168358.tif 000008
【外国語明細書】
2013168358000001.pdf
2013168358000002.pdf
2013168358000003.pdf
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