(57)【要約】【課題】従来の密封ＲＡＴシステムに比べて、より高い出力密度または効率、かつより低い作動温度で動作するより小さな発電機を含むように構成されたＲＡＴシステムを提供すること。【解決手段】ラムエアタービンシステムは、回転可能な軸と、内部を画定する本体を有するハウジングと、内部の中に配置され、ステータおよびロータを有する発電機と、回転可能な軸と動作可能に結合された第１のブレードの組を有し、第１のブレードの組を通過する空気流が軸を回転させるように構成されたタービンとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能な熱伝導軸（３４、１３４）と、
内部（４０）を画定する本体を有するハウジング（２０）と、
前記内部（４０）の中に配置され、ステータ（５５）およびロータ（５６）を有する発電機（２２）であって、前記ロータ（５６）が前記軸（３４、１３４）と動作可能に、かつ熱的に結合される、発電機（２２）と、
前記回転可能な軸（３４、１３４）と動作可能に結合された第１のブレード（２６）の組を有し、前記第１のブレード（２６）の組を通過する空気流が前記軸（３４、１３４）を回転させるように構成されたタービン（１４、１１４）と、
前記ハウジング（２０）の下流で、前記ハウジングの外側にある第２のブレード（７６）の組であって、前記軸（３４、１３４）と熱的に結合され、空気流が前記第２のブレード（７６）の組を通過することによって前記空気流に熱伝達するように構成された第２のブレード（７６）の組と
を備えるラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項２】
前記回転可能な熱伝導軸（１３４）がヒートパイプ（１９０）をさらに含む、請求項１記載のラムエアタービンシステム（１１２、２１２、３１２）。
【請求項３】
外部の細片が前記内部（４０）に入ることを防ぐように前記ハウジング（２０）が密封される、請求項１記載のラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項４】
火山灰が前記内部（４０）に入ることを防ぐように前記ハウジング（２０）が密封される、請求項３記載のラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項５】
前記第２のブレード（７６）の組が前記回転可能な軸（３４、１３４）とともに回転する、請求項１記載のラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項６】
前記第２のブレード（７６）の組が前記回転可能な軸（３４，１３４）によって支持され、前記回転可能な軸（３４、１３４）の一部分が前記ハウジング（２０）の外側にある、請求項５記載のラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項７】
前記第２のブレード（７６）の組が、前記第２のブレード（７６）の組を通過する前記空気流に対してスキューを付けられて、前記第２のブレード（７６）の組の熱伝達係数がスキューの付いていないブレードの組よりも高い、請求項１記載のラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項８】
前記ハウジング本体が、空気流を前記第２のブレード（７６）の組を通るように向けるように構成される、請求項１記載のラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項９】
前記ハウジング本体が、前記第２のブレード（７６）の組を通る空気流の渦を生成すようにさらに構成される、請求項８記載のラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項１０】
前記第２のブレード（７６）の組の周りに構成され、前記第２のブレード（７６）の組の周りに半径方向に配置された一組のポート（８０、２８０、３８０）を有する遮蔽体（７２、２７２、３７２）をさらに含み、空気流が前記遮蔽体（７２、２７２、３７２）を通過して前記第２のブレード（７６）の組に流れることができるように前記一組のポート（８０、２８０、３８０）が配置され、構成される、請求項１記載のラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項１１】
ラムエアタービン発電機用の熱交換器であって、
一組の巻線（５７）を有するステータ（５５）と、
一組の永久磁石（５４）を有し、前記ステータ（５５）に対して回転して、前記一組の巻線（５７）に電流を発生させるように構成されたロータ（５６）と、
熱伝導軸（３４、１３４）によって前記ステータ（５５）または前記ロータ（５６）のうちの少なくとも１つと熱的に結合され、前記ラムエアタービン（１４、１１４）を通る空気流に曝されるように構成される一組のブレード（７６）と
を備える熱交換器において、
前記熱交換器が、前記ステータ（５５）または前記ロータ（５６）のうちの少なくとも１つから前記熱伝導軸（３４、１３４）を通って前記一組のブレード（７６）に熱を伝導し、それによって、前記一組のブレード（７６）が前記空気流に曝されると前記空気流に熱伝達することができる、熱交換器。
【請求項１２】
前記ロータ（５６）が前記ステータ（５５）の外側で回転する、請求項１１記載の熱交換器。
【請求項１３】
前記一組のブレード（７６）が前記熱伝導軸（３４、１３４）によって前記ロータ（５６）と回転可能に結合され、それによって、前記一組のブレード（７６）が回転して前記空気流に曝されると前記ロータ（５６）から前記空気流に熱伝達することができる、請求項１２記載の熱交換器。
【請求項１４】
前記一組のブレード（７６）が前記熱伝導軸（３４、１３４）によって前記ステータ（５５）と熱的に結合され、それによって、前記一組のブレード（７６）が前記空気流に曝されると前記ステータ（５５）から前記空気流に熱伝達することができる、請求項１２記載の熱交換器。
【請求項１５】
前記一組のブレード（７６）が前記空気流中で回転するように構成される、請求項１４記載の熱交換器。
【請求項１６】
内部（４０）を画定する本体を有するハウジング（２０）をさらに含み、前記ステータ（５５）、および前記ロータ（５６）の一部分が前記内部（４０）の中に配置され、外部の細片が前記内部（４０）に入ることを防ぐように前記ハウジング（２０）が密封される、請求項１１記載の熱交換器。
【請求項１７】
回転可能な熱伝導軸（３４、１３４）と、
内部（４０）を画定する本体を有するハウジング（２０）と、
前記内部（４０）の中に配置され、ステータ（５５）およびロータ（５６）を有する発電機（２２）であって、前記ロータ（５６）が前記軸（３４、１３４）と動作可能に、かつ熱的に結合される、発電機（２２）と、
前記回転可能な軸（３４、１３４）と動作可能に結合された第１のブレード（２６）の組を有し、前記第１のブレード（２６）の組を通過する空気流が前記軸（３４、１３４）を回転させるように構成されたタービン（１４、１１４）と、
前記ハウジング（２０）の下流で、前記ハウジングの外側にある第２のブレード（７６）の組であって、前記軸（３４、１３４）と熱的に結合された第２のブレード（７６）の組と
を含むラムエアタービン発電機であって、
前記ラムエアタービン発電機の周りを流れて前記第２のブレード（７６）の組を通過する空気流によって前記第２のブレード（７６）の組から前記空気流に熱伝達することができる、ラムエアタービン発電機を
備える航空機（１０）。
【請求項１８】
前記回転可能な熱伝導軸（１３４）がヒートパイプ（１９０）をさらに含む、請求項１７記載の航空機（１０）。
【請求項１９】
前記第２のブレード（７６）の組が、前記第２のブレード（７６）の組を通過する空気流に対してスキューを付けられて、前記第２のブレード（７６）の組の熱伝達係数がスキューの付いていないブレードの組よりも高い、請求項１７記載の航空機（１０）。
【請求項２０】
前記ハウジング本体が、空気流を前記第２のブレード（７６）の組を通るように向けるように構成される、請求項１７記載の航空機（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、は、非常用動力システムまたは補助動力システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ラムエアタービン（ＲＡＴ：Ｒａｍ  Ａｉｒ  Ｔｕｒｂｉｎｅ）システムは、非常用動力システムまたは補助動力システムとして現代の航空機で使用されている。これらは典型的には、回転ハブおよび複数のブレードを備えたタービンを有し、タービンは、発電機に動作可能に結合されて発電機の駆動源となる。飛行中、これらは最初、航空機胴体の区画内に収容され、格納ドアで覆われている。ＲＡＴシステムは、非常用動力源または補助動力源として必要となったとき、胴体から周囲の空気流内に展開され、それによってブレードが駆動されて発電機が回転し、空気流からエネルギーを取り出す。航空機システムにおける電力需要が増えるにつれて、ＲＡＴシステムの発電能力は増え続けている。
【０００３】
ＲＡＴシステムはまた、火山灰など環境中の細片に曝されるときなど、所定の条件で動作するように構成することができる。そのような構成では、ＲＡＴシステムは完全に密閉または密封されて、細片が発電機に入って機械の性能悪化または故障を引き起こさないようにすることができる。しかしながら、このように密閉または密封すると、従来の冷却または除熱経路がこのように密封することによって妨げられる、抑制される、または邪魔されかねないので、液体冷媒システムなどの能動的または受動的な冷却システムの邪魔になりかねない。具体的には、ロータを冷却することが困難となって、発電機の性能の低下、または発電機の故障がもたらされる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０３６８０６４号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様では、ラムエアタービンシステムは、回転可能な熱伝導軸と、内部を画定する本体を有するハウジングと、内部の中に配置され、ステータおよびロータを有する発電機であって、ロータが軸と動作可能に、かつ熱的に結合される、発電機と、回転可能な軸と動作可能に結合された第１のブレードの組を有し、第１のブレードの組を通過する空気流が軸を回転させるように構成されたタービンと、ハウジングの下流で、ハウジングの外側にある第２のブレードの組であって、軸と熱的に結合され、空気流が第２のブレードの組を通過することによって空気流に熱伝達するように構成された第２のブレードの組とを含む。
【０００６】
別の態様では、ラムエアタービン発電機用の熱交換器は、第１の巻線の組を有するステータと、第２の巻線の組を有し、熱伝導軸の周りをステータに対して回転するように構成されたロータであって、第１の巻線の組に電流を発生させるように構成されたロータと、熱伝導軸によってロータと熱的に、かつ回転可能に結合され、ブレードがラムエアタービンを通る空気流に曝されるように構成される一組のブレードとを含む。熱交換器は、ロータから熱伝導軸を通って一組のブレードに熱を伝導し、それによって、一組のブレードが回転して空気流に曝されると空気流に熱伝達することができる。
【０００７】
さらに別の態様では、航空機はラムエアタービン発電機を含み、ラムエアタービン発電機は、回転可能な熱伝導軸と、内部を画定する本体を有するハウジングと、内部の中に配置され、ステータおよびロータを有する発電機であって、ロータが軸と動作可能に、かつ熱的に結合される、発電機と、回転可能な軸と動作可能に結合された第１のブレードの組を有し、第１のブレードの組を通過する空気流が軸を回転させるように構成されたタービンと、ハウジングの下流で、ハウジングの外側にある第２のブレードの組であって、軸と熱的に結合された第２のブレードの組とをさらに含む。ラムエアタービン発電機の周りを流れて第２のブレードの組を通過する空気によって第２のブレードの組から空気に熱伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態によるラムエアタービンを有する航空機の一部分の側面図である。
【図２】図１のラムエアタービンの概略断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による、ヒートパイプを組み入れたラムエアタービンの概略断面図である。
【図４】代替の遮蔽体構成を有するラムエアタービンの部分側面図である。
【図５】さらに別の代替の遮蔽体構成を有するラムエアタービンの部分側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態は、発電機を使用するいかなる環境でも実施することができる。本明細書は主に、電力を発生する発電機を対象とするが、駆動力または電力を発生する任意の電気機械にもまた適用可能である。さらに、本明細書は主に航空機の環境を対象とするが、本発明の実施形態は電気機械を使用するいかなる環境にも適用可能である。
【００１０】
図１に示すように、航空機１０はＲＡＴシステム１２を含み、ＲＡＴシステム１２は、航空機１０およびＲＡＴシステム１２の外側の空気流に曝されたときに航空機１０への電力を発生することができる。ＲＡＴシステム１２は、非限定的な一例では、パイロン１６および取付組立体１８によって航空機１０から懸下することができるＲＡＴ１４を含むことができる。ＲＡＴシステム１２はさらに、本体を有し内部を画定するハウジング２０を含むことができ、ハウジングはさらに、一組の放熱フィン５０または冷却ブレードとして示された、ＲＡＴ１４のための冷却システムまたは熱交換器を含むことができ、冷却システムまたは熱交換器はハウジング２０の周りに配置され、フィン５０を流れ過ぎる空気流が、ＲＡＴシステム１２から熱を空気流に伝達するように構成される。一組のフィン５０は、ＲＡＴシステム１２を冷却するため、または放熱するために任意の適切な態様で形成することができる。図示の例では、一組のフィン５０は、ハウジング２０の外周から外向きに突出することができ、ハウジング２０の外周の周りに間隔を置いて配置することができる。一組のフィン５０の大きさおよび数は、例えば、ＲＡＴシステム１２の特定の放熱要求に関係づけることができる。
【００１１】
ＲＡＴシステム１２はさらに、ハウジング２０の外側にあるプロペラ２８から突出する第１の複数のブレード２６の組の形態のタービンを含み、ブレード２６が、ブレード２６、プロペラ２８、またはＲＡＴシステム１２を流れ過ぎる、または通る空気流に曝されているとき、それによってプロペラ２８が回転運動を発生するように構成される。ＲＡＴシステム１２はさらに、プロペラ２８およびＲＡＴ１４の下流（すなわち、空気流の方向にＲＡＴ１４の後方）に第２の冷却システム７０または熱交換器を含むことができ、第２の冷却システム７０はその一部分を遮蔽するための遮蔽要素７２を含むことができる。第２の冷却システム７０については下記で説明する。
【００１２】
ＲＡＴ１４は、航空機１０の胴体または翼の適切な区画内に格納することができ、また、取付組立体１８に対してパイロン１６を動かすことによって迅速かつ容易に展開することができる。これによってＲＡＴシステム１２を、航空機１０を流れ過ぎる空気流内に露出される位置まで動かす。図示の実施形態ではブレード２６は２枚だけが示されているが、任意の数のブレード２６を使用することができることが企図される。さらに、ブレード２６の図示の実施形態は、ブレード２６、プロペラ２８、またはＲＡＴシステム１２の構成の単なる非限定的な一例であり代替の構成も想定される。例えば、ＲＡＴシステム１２が常に空気流に曝されるような航空機１０またはＲＡＴシステム１２も想定される。
【００１３】
別の例では、例えば、ブレード２６は、飛行中の航空機１０の作動環境によって定まる所定の空気流に曝されたときに、上記の相互作用を与えるように、代替の形状、設計、またはスキューを有して構成することができる。飛行中の航空機１０の作動環境の非限定的な一例としては、空気流の空気密度が海面に比べて２０％の空気密度になり得る高度４５，０００フィートの場合が含まれる。
【００１４】
図２に示すように、ＲＡＴ１４は、ハウジング２０の内部４０の中に配置された発電機２２を含む。ハウジング２０はさらに、ＲＡＴシステム１２を、例えばパイロン１６の通路５９によって、航空機１０の一部分に取り付けるように構成された取付板２１を含むことができる。
【００１５】
タービンまたはプロペラ２８はさらにタービン出力軸３０を含むことができ、タービン出力軸３０は第１の端部３２でブレード２６に動作可能に結合することができ、その結果、ブレード２６が回転するとタービン出力軸３０が回転する。タービン出力軸３０は任意の適切な態様でブレード２６に動作可能に結合することができ、またタービン出力軸３０はブレード２６から後方に突出して、発電機２２などの補助動力装置を駆動するために回転出力を与えることができる。非限定的な例として、タービン出力軸３０は回転可能なロータ軸３４を含むことができる、あるいは、例えばスプライン関係によって、または他の適切な機械的な継手によって、回転可能なロータ軸３４と回転可能に結合することができ、その結果、ブレード２６の回転がタービン出力軸３０を通じてロータ軸３４に伝達される。本開示の実施形態は、ロータ軸３４が熱伝導性材料から形成される、機械加工される、または製造されることが想定される。非限定的な熱伝導性材料の例としては、炭素鋼またはアルミニウム合金が含まれる。熱電導性材料またはロータ軸３４の追加の形態も含まれる。
【００１６】
発電機２２は、ハウジングの内部４０の中に配置され、ロータ軸３４と回転可能にかつ熱的に結合されたロータ５６を含み、さらに、例えば一組の永久磁石５４を含むことができる。一組の永久磁石５４は、発電機２２の一組の磁極または回転子極を定めることができる。ハウジング２０または回転可能なロータ５６に対して固定され、一組の導電性巻線５７を含むステータ５５を発電機２２はさらに含むことができる。ステータ５５は任意の適切な構造体から形成することができ、例えば、鉄心は、巻線が巻かれた積層体を含み、この積層体には多数の導電性巻線５７を受け入れる溝付き構造体が形成され、巻線５７は鉄心の周りに半径方向にまたは均等に間隔を置いて配置される。
【００１７】
組み立てると、ロータ５６は、回転中に機械的な隙間ができるように、ステータ５５、ハウジング２０、および取付板２１から間隔を置いて配置される。ロータ軸３４は、例えば、間隔を空けた軸受３８上でハウジングに対して回転可能に支持され、その結果、プロペラ２８が回転すると、ロータ軸３４およびロータ５６はそれに応じて回転駆動されるように構成される。ロータ５６および永久磁石５４の組がステータ５５および巻線５７の組に対して回転すると、巻線５７の組に電流が発生するように構成され、それは最終的には航空機１０に供給され、例えば一組の電気負荷またはシステムに電力が供給される。
【００１８】
ＲＡＴシステム１２の作動中、ＲＡＴ１４は航空機１０を取り囲む空気流の中に延在し、ブレード２６の上を流れる空気流によってプロペラ２８またはブレード２６が回転させられる。ブレード２６が回転することによって、タービン出力軸３０およびロータ軸３４はそれに応じて回転する。ロータ軸３４およびロータ５６がステータ５５に対して回転すると、航空機１０への電気が発生する。発電機２２の実施形態は、例えば、交流（ＡＣ：ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｃｕｒｒｅｎｔ）電力または直流（ＤＣ：ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）電力を発生するように構成することができる。
【００１９】
発電機２２が発電している間、非限定的な例として、渦電流損、銅損、または磁気損失によってステータ５５またはロータ５６で熱を発生する場合がある。熱がステータ５５またはロータ５６から取り除かれなければ、発電機２２の性能が悪化する、または、発電機が故障する場合がある。熱の懸念のため、いくつかの発電機２２は受動的または能動的な冷却機構を含む場合がある。
【００２０】
受動的な冷却システムは、エネルギーを使用しないで、または追加するエネルギー量を極めて少なくしながら、熱制御または熱管理することに焦点を合わせている。例えば、ステータ５５または巻線５７の組で発生する熱は、ステータ５５またはハウジング２０がその周りに構成された放熱フィン５０と熱伝導するように結合することによって、ステータ５５または巻線５７から取り除かれるように熱伝導することができる。フィン５０の組を空気流（点線の矢印５８で示す）に曝すことは、熱対流または熱ふく射によって、ある程度の熱を受動的に周囲の環境に放散する働きをする。
【００２１】
受動的な冷却とは対照的に、能動的な冷却は、エンタルピ差を用いて発熱構成部品を冷却するために追加のエネルギー量を使用する。例えば、いくつかの発電機２２は、ロータ５６またはロータ軸３４の一部分に熱的に近接する、あるいはそれを通って流れる、流体（液体または空気）冷却回路を含むことができ、また、その回路を通って動作可能に流体（液体または空気）を分配するように構成することができ、流体はロータ５６に発生した熱の一部分を吸収してそのモジュールから熱を運び出す。この形態の冷却は、動いている流体のエンタルピを増大させることによってある程度の熱を能動的に放散する。
【００２２】
しかしながら、ＲＡＴシステム１２の特定の実施形態は、能動的な冷却システムには適していない。例えば、大陸を横断する航空機１０は、ＲＡＴシステム１２に細片または汚染物質が入らないように、または発電機２２の邪魔にならないように、完全に密閉または密封されるＲＡＴシステム１２を含むように構成される、または含むことが必要な場合がある。例えば、火山灰などの外部の細片によって発電機２２の性能の悪化、または故障が生じかねない。このように密閉または密封すると、従来の冷却回路または除熱経路がこのように密封することによって妨げられる、抑制される、または邪魔されかねないので、上記の液体冷媒システムなどの能動的または受動的な冷却システムの邪魔になりかねない。前述したように冷却システムの邪魔になるのは、ロータ５６上で、またはロータ５６において、またはロータ５６の周りで発生する熱の放熱または除熱を限定的にしか行うことができない密閉または密封発電機２２では特に関係する。
【００２３】
開示の実施形態は、図２に示すように、第２の冷却システム７０を備えることによって、ロータ５６で発生した熱を限定的にしか放熱または除去しないことに対処することができる。図示のように、ＲＡＴシステム１２が密閉または密封された構成としながら、熱伝導ロータ軸３４は、延在し、または後方に延在してＲＡＴシステム１２、ＲＡＴ１４、またはハウジング２０の外側に少なくとも部分的に延在する別の軸と熱的に結合されるように構成することができる。外側のロータ軸７４は、ハウジング２０の下流かつ外側で、第２の熱伝導ブレード７６の組を含む、または支持することができる。第２のブレード７６の組は熱伝導ロータ軸３４、７４と熱的に結合され、ロータ５６からロータ軸３４、７４を通ってハウジング２０の外側に、さらに第２のブレード７６の組の中へ熱伝導または熱伝達する経路を動作可能に定める。第２のブレード７６の組は、ＲＡＴシステム１２を通る空気流（点線の矢印７８で示す）がまた、第２のブレード７６の組も通って、ブレード７６から空気流７８に熱伝達するように構成される。
【００２４】
第２のブレード７６の組は、本明細書で説明するように空気流に曝されるときに、ブレード７６から空気流７８に熱伝達するように、例えば空気流７８に対してブレードの形状、設計、またはスキューを含むように構成することができる。非限定的な一例では、第２のブレード７６の組は、第２の冷却システム７０または第２のブレード７６の組の熱伝達係数が、スキューの付いていないブレードの組の熱伝達係数より高くなるように、または大きくなるように、第２のブレード７６の組を通過する空気流７８に対してスキューを付けて構成することができる。別の非限定的な構成の例では、ブレードの形状、設計、またはスキューは、上記のように飛行中の航空機１０の作動環境によって定まる空気流７８にブレード７６から熱伝達するように構成される。さらに、ブレード７６またはロータ軸３４がＲＡＴシステム１２から後方に延在する長さが、ロータ軸３４が受ける振動量またはロータ軸３４に生じる振動量を低減することができるように、空気流７８に曝される第２のブレード７６の組を構成することができる。
【００２５】
ＲＡＴシステム１２、ＲＡＴ１４、またはハウジング２０はさらに、空気流７８が第２のブレード７６の組を通るように方向を付け、または構成して、空気流７８をこのように構成しないＲＡＴシステム１２、ＲＡＴ１４、またはハウジング２０に比べて多くの空気流が第２のブレード７６の組を通るように構成することができる。例えば、図示のように、空気流７８は、第２のブレード７６の組の周りを横切るように、または十字形に横切るように構成することができる。非限定的な一例では、放熱フィン５０は空気流５８、７８を望むように向けるように構成することができる。第２のブレード７６の組を細片から保護するように構成された遮蔽体７２は一組のポート８０またはスロットを含みことができ、一組のポート８０またはスロットは第２のブレード７６の組の周りに半径方向に配置され、空気流７８が遮蔽体７２を通過して第２のブレード７６の組を横切ることができるように構成される。さらに、遮蔽体７２はオプションの後壁８２を有して示されているが、本開示の実施形態は後壁８２なしの遮蔽体も想定する。
【００２６】
ＲＡＴシステム１２、ＲＡＴ１４、および第２のブレード７６の組の非限定的な実施形態の例では、例えば、第２のブレード７６の組がロータ軸３４と回転可能に結合され、その結果、第２のブレード７６の組がロータ軸３４とともに回転することが想定される。この場合、第２のブレード７６の組は空気流７８の中を回転して曝されることによって、ブレード７６から空気流７８に熱伝達することができる。これに代えて、ロータ軸３４は第１の歯車装置を含むことができ、第１の歯車装置は、軸３４と結合する入力、および第２のブレード７６の組と結合する出力を有し、入力から出力に熱伝導することができるように構成される。この代替の構成では、歯車装置は、第２のブレード７６の組をロータ軸３４より速いまたは遅い回転速度で動作可能に回転させることができる。さらに別の構成では、第２のブレード７６の組がロータ軸３４と非回転で結合され、軸３４に対して静止する（すなわち回転しない）ように、第２のブレード７６の組を構成することができる。
【００２７】
さらに、図示していないが、ＲＡＴ１４またはハウジング２０は、プロペラ２８またはタービン出力軸３０とロータ軸３４との間に一直線状で構成された一組の変速歯車を有する第２の歯車装置をさらに含むことができる。第２の歯車装置は、プロペラ２８より速いまたは遅い回転速度でロータ軸３４またはロータ５６を駆動するように構成することができ、その結果、発電機２２は航空機１０への電力を所定の量または形態で発生する。非限定的な一例では、第２の歯車装置は増速歯車列を含んで、少なくとも１０キロボルトアンペア（ｋＶＡ）を、６，０００ｒｐｍのタービン出力軸の所定の回転速度に対応して２０，０００ｒｐｍで発生することができる。
【００２８】
発電機２２のさらなる実施形態は、パンケーキ型の構造とすることができ、ここでは、ステータ５５およびロータ５６の両方が、典型的なＲＡＴシステムに比べて直径が大きく軸方向長さが短くなっている。パンケーキ型の構造は、増速歯車装置を必要とすることなく、典型的なＲＡＴシステムと等しい電力量をより遅いプロペラ２８およびロータ５６の回転速度で発生することが知られている。非限定的な例として、パンケーキ型発電機２２は少なくとも３０ｋＷを６，０００ｒｐｍで発生するように構成することができる。
【００２９】
図３は本発明の第２の実施形態による代替のＲＡＴシステム１１２を示す。第２の実施形態は第１の実施形態と同様であり、したがって、同様の部品は、１００を加えた同様の番号で認識され、特記なければ、第１の実施形態の同様な部品の説明は第２の実施形態に適用されることは理解される。第１の実施形態と第２の実施形態との間の違いは、軸１３４の長さに沿って延在し、ロータ５６またはロータ軸１３４の少なくとも一部分を第２のブレード７６の組と熱的に結合するヒートパイプ１９０をロータ軸１３４がさらに含むことである。ヒートパイプ１９０の実施形態は、ロータ軸１３４と同じか、または異なる熱伝導性材料からロータ軸１３４として機械加工する、または製造することができ、または、その代わりに、ヒートパイプ１９０がロータ軸１３４と一体化するように機械加工する、または製造することができる。ヒートパイプ１９０はさらに、任意の機械的な取付け、摩擦取付け、接着取付けなどによってロータ軸１３４内に取り外し可能に、または永久的に取り付けることができる。
【００３０】
ヒートパイプ１９０は、細長い形状、例えば、限定するものではないが、円筒状に構成することができ、プロペラ２８に近接する第１の閉止端部１９２、およびその反対側で、プロペラ２８から遠位にある、例えば、第２のブレード７６の組の少なくともサブセットを通り過ぎて延在する第２の閉止端部１９４を含むことができる。ヒートパイプ１９０は、第１の相から第２の相に相変化する流体または物質（図示せず）を含む流体溜りを画定する内部１９６を有することができる。例えば、相変化流体は液体から気体に相変化することができる。
【００３１】
所与の圧力で流体の所与の量を液体から気体に変換するのに必要な内部エネルギーおよびエンタルピの変化が組み合わさったものである特定の蒸発熱または蒸発エンタルピを与えるように相変化流体を選択または構成することができる。この場合、相変化流体の蒸発熱は、ロータ５６からロータ軸１３４を経て熱伝達して流体の相を液体から気体に変化させることによって、流体によって吸収される熱量を決め、逆に、第２の端部１９４で気体が凝縮して液体に戻るときに流体から放出されて第２のブレード７６の組の中に入る熱量を決める。さらに、本発明の実施形態は密封されたヒートパイプ１９０の構成を含むことができ、その結果、ヒートパイプ内部１９６の圧力を変えて蒸発熱を選ぶことができる。
【００３２】
内部１９６の中の特定の相変化流体または圧力は、ＲＡＴシステム１１２またはＲＡＴ１１４の作動中に予想する温度に基づいて選んで確実に相変化を生じさせることができる。例えば、溜りの中の圧力の非限定的な一例は、１標準大気圧（１ａｔｍ）より低い圧力を含むことができる。利用することができる相変化流体の非限定的な例としては、水、アンモニア、メタノール、アセトン、フレオン、またはこれらの任意の混合物が含まれる。相変化流体はさらに、ヒートパイプ１９０の材料または構造への適合性または不適合性に基づいて選ぶことができる。
【００３３】
本開示の実施形態は、比較的小さな断面積または直径で構成されたヒートパイプ１９０または一組のヒートパイプを含むことができる。ヒートパイプ内での作動流体の循環は、ロータ軸１３４およびヒートパイプ１９０の回転によって生じる遠心力に依存し、ここでは、遠心力は、液体流または液体膜として凝縮物を分布させる。液体流の深さ、または液体膜の厚さは、液体の流れる方向に各円筒壁部分に沿って減少する。凝縮物の分布は、限定するものではないが、パターン付の側壁の毛細管作用を利用することを含む追加または代替の手段で促進することができる。ヒートパイプ１９０は、円筒形として説明したが、本開示の実施形態は、円形、四角形、三角形、楕円形などの任意の数の断面のヒートパイプ１９０の形状を含むことができる。
【００３４】
ヒートパイプ１９０は、１つの例示的なシナリオでは、ロータ５６によって発生した熱は、熱伝導ロータ軸１３４によってヒートパイプ１９０に伝導的に伝わるように働く。次いで、ヒートパイプ１９０に伝導された熱は、相変化流体に伝導的に伝わる、または相変化流体内に吸収され、伝わった熱または吸収された熱に応じて液体から気体に相変化させることができる。相変化流体のガスは、ヒートパイプ１９０の少なくとも一部分に沿ってロータ５６から離れるように移動して、第２の端部１９４において、またはその近くで、ヒートパイプ１９０の内側のパターン付の側壁に沿って凝縮し（すなわち、相が変化して液体に戻って）、蓄えられた熱の一部分をヒートパイプ１９０の側壁内に放出することができ、ロータ軸１３４を経由して第２のブレード７６の組へ伝導的に伝えることができる。次いで、本明細書で説明したように、熱を、例えば、空気流７８に放出することができる。再び液体の形態になった相変化流体は、ヒートパイプの内部１９６の側壁に沿って分散してロータ５６に向かって戻るが、例えば、それは戻っていく液体流（または液体膜）に働く遠心力によるものであり、その厚さは液体流れ方向に円筒状側壁に沿って減少し、さらなる熱を吸収するようになる。
【００３５】
上記の図で示したものに加え、本開示によって多くの他の可能な実施形態および構成が企図される。例えば、図４は、ＲＡＴシステム２１２の第３の実施形態による第２の冷却システム２７０および遮蔽体２７２の部分斜視図を示す。第３の実施形態は前の実施形態と同様であり、同様の部品は、２００を加えた同様の番号で認識され、特記なければ、前の実施形態の同様な部品の説明は第３の実施形態に適用されることは理解される。第３の実施形態は、第３の実施形態の遮蔽体２７２が、第２のブレード７６の組の周りに半径方向に配置されたポート２８０またはスロットの組の異なる構成を有する点で、前の実施形態と異なる。さらに、図５は、ＲＡＴシステム３１２の第４の実施形態による第２の冷却システム３７０および遮蔽体３７２の部分斜視図を示す。第４の実施形態は前の実施形態と同様であり、同様の部品は、３００を加えた同様の番号で認識され、特記なければ、前の実施形態の同様な部品の説明は第４の実施形態に適用されることは理解される。第４の実施形態は、第４の実施形態の遮蔽体３７２が、第２のブレード７６の組の周りに半径方向に配置されたポート３８０またはスロットの組の異なる構成を有する点で、前の実施形態と異なる。本明細書で説明したように、第３および第４の実施形態に示したポート２８０、３８０の組は、航空機１０の飛行中に第２のブレード７６の組が空気流７８に曝されるように構成することができる。
【００３６】
上記の図で示したものに加え、本開示によってさらなる可能な実施形態および構成が企図される。例えば、本開示の１つの実施形態は、第２のブレード７６の組を曝すために空気流７８を特定のパターンでＲＡＴシステム１２の周りに向けるようにＲＡＴシステム１２、ＲＡＴ１４、ハウジング２０、またはプロペラ２８を構成することを企図する。例えば、非限定的な一例では、ハウジング２０または放熱フィン５０は、空気流７８をサイクロンまたは渦のパターンでＲＡＴシステム１２の周りに向けるように構成することができ、その結果、空気流７８はＲＡＴシステム１２および第２のブレード７６の組の周りを旋回し、それによって、空気流を方向付けるようには構成されていないＲＡＴシステムに比べて、第２のブレード７６の組の熱伝達係数をさらに増大させることができる。この例の構成では、ブレード７６またはロータ軸３４がＲＡＴシステム１２から後方に延在する長さが、ロータ軸３４が受ける振動量またはロータ軸３４に生じる振動量を低減することができるように、渦の空気流パターンに曝される第２のブレード７６の組を構成することができる。
【００３７】
別の可能な実施形態は、内側と外側が逆の構造、すなわち、ロータ５６がステータ５５の外側にあってステータ５５の周りを回転する構造を有するＲＡＴシステム１２を含むことができる。この実施形態では、外側ロータ５６はハウジング２０内に配置され、熱伝導軸３４によって第２のブレード７６の組と熱的に、かつ回転可能に結合することができる。ステータ５５はまた、回転しない第２の軸によって支持することができる。あるいは、別の可能な実施形態は、内側と外側が逆の構造を有するＲＡＴシステム１２を含み、ここでは、ステータ５５は第２のブレード７６の組と熱的に結合され、それによって、第２のブレード７６の組が空気流７８に曝されるとステータ５５から空気流７８に熱伝達することができる。第２のブレード７６の組は、空気流７８に曝されることに反応して自由に回転することができる、または空気流７８に対しては静止して（すなわち、回転しないで）曝されて熱伝達するように設計することができる。さらに別の可能な実施形態は、ロータ５６およびステータ５５の両方が第２のブレード７６の組に熱的に結合されるＲＡＴシステム１２を含むことができ、その結果、第２のブレード７６の組はステータ５５およびロータ５６から空気流７８に熱伝達することができる。
【００３８】
さらなる空気流の構成、または空気流を向けるパターンが想定される。さらに、様々な構成部品の設計および配置を、いくつかの異なる一直線状の構成を実現するように再配置することができる。
【００３９】
本明細書で開示する実施形態は、ロータによって発生する熱に対する第２の下流の冷却システムを有するＲＡＴシステムを提供する。上記の実施形態で実現することができる１つの利点は、上記で説明した実施形態が、発電機の動作中にロータによって発生する熱に対して、従来のタイプのＲＡＴシステムより優れた冷却能力を有することである。さらに、細片を防ぐ構造（例えば、防灰構造）のために密封することが好ましい、または必要とする特定の発電機またはＲＡＴ構成では、伝統的なロータ冷却方法は、（例えば、液体冷却に対して）十分には実施できない、または全く実施することができない。従来のシステムで熱が蓄積すると、発電機性能が低下する、発電機が故障する、または密封または絶縁材料が破損する可能性が高くなる。
【００４０】
ロータを後方で冷却する解決策を提案したが、ここでは、ロータで発生した熱は、ロータ軸の長さに沿って伝達され、第２のブレードの組によって空気流中で放散することができ、上記で説明したように、ロータおよびロータ軸を冷却するように構成することができる。ヒートパイプを含む本開示の実施形態はさらに、ロータの長さに沿って熱の伝達を増大させることができる。さらに、本ＲＡＴシステムの構成は、第２のブレードの組を曝して、第２の冷却システムの熱伝達係数を高くするように、空気流を、十字形、サイクロン、渦のパターンなどの所定のパターンで向けることができる。
【００４１】
航空機の構成部品を設計する際に扱う重要な要素としては、サイズ、重量、および信頼性がある。上記で説明したＲＡＴシステムは、従来の密封ＲＡＴシステムに比べて、より高い出力密度または効率、かつより低い作動温度で動作するより小さな発電機を含むように構成することができる。これによって、重量がより軽く、サイズがより小さく、性能が向上し、かつ信頼性が向上したシステムとなる。部品数がより少なく、保守作業が軽減されることにより、製造コストが下がり、運転コストが下がる。重量およびサイズが小さいことは、飛行中での競争優位性に関係する。
【００４２】
本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるように本発明を開示している。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。
【符号の説明】
【００４３】
１０  航空機
１２  ラムエアタービン（ＲＡＴ）システム
１４  ラムエアタービン（ＲＡＴ）
１６  パイロン
１８  取付組立体
２０  ハウジング
２１  取付板
２２  発電機
２６  ブレード
２８  プロペラ
３０  タービン出力軸
３２  第１の端部
３４  ロータ軸
３８  軸受
４０  ハウジングの内部
５０  フィン
５４  永久磁石
５５  ステータ
５６  ロータ
５７  巻線
５８  空気流
５９  通路
７０  第２の冷却システム
７２  遮蔽体
７４  ロータ軸
７６  ブレード
７８  空気流
８０  ポート
８２  後壁
１１２  ＲＡＴシステム
１１４  ＲＡＴ
１３４  ロータ軸
１９０  ヒートパイプ
１９２  第１の閉止端部
１９４  第２の端部
１９６  ヒートパイプ内部
２１２  ＲＡＴシステム
２７０  第２の冷却システム
２７２  遮蔽体
２８０  ポート
３１２  ＲＡＴシステム
３７０  第２の冷却システム
３７２  遮蔽体
３８０  ポート
【図１】
2017047889.tif 000003
【図２】
2017047889.tif 000004
【図３】
2017047889.tif 000005
【図４】
2017047889.tif 000006
【図５】
2017047889.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月24日(2016.10.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能な熱伝導軸（３４、１３４）と、
内部（４０）を画定する本体を有するハウジング（２０）と、
前記内部（４０）の中に配置され、ステータ（５５）およびロータ（５６）を有する発電機（２２）であって、前記ロータ（５６）が前記軸（３４、１３４）と動作可能に、かつ熱的に結合される、発電機（２２）と、
前記回転可能な軸（３４、１３４）と動作可能に結合された第１のブレード（２６）の組を有し、前記第１のブレード（２６）の組を通過する空気流が前記軸（３４、１３４）を回転させるように構成されたタービン（１４、１１４）と、
前記ハウジング（２０）の下流で、前記ハウジングの外側にある第２のブレード（７６）の組であって、前記軸（３４、１３４）と熱的に結合され、空気流が前記第２のブレード（７６）の組を通過することによって前記空気流に熱伝達するように構成された第２のブレード（７６）の組と
を備えるラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項２】
前記回転可能な熱伝導軸（１３４）がヒートパイプ（１９０）をさらに含む、請求項１記載のラムエアタービンシステム（１１２、２１２、３１２）。
【請求項３】
外部の細片が前記内部（４０）に入ることを防ぐように前記ハウジング（２０）が密封され、
火山灰が前記内部（４０）に入ることを防ぐように前記ハウジング（２０）が密封される、請求項１または２に記載のラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項４】
前記第２のブレード（７６）の組が前記回転可能な軸（３４、１３４）とともに回転し、
前記第２のブレード（７６）の組が前記回転可能な軸（３４，１３４）によって支持され、前記回転可能な軸（３４、１３４）の一部分が前記ハウジング（２０）の外側にある、請求項１乃至３のいずれかに記載のラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項５】
前記第２のブレード（７６）の組が、前記第２のブレード（７６）の組を通過する前記空気流に対してスキューを付けられて、前記第２のブレード（７６）の組の熱伝達係数がスキューの付いていないブレードの組よりも高い、請求項１乃至４のいずれかに記載のラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項６】
前記ハウジング本体が、空気流を前記第２のブレード（７６）の組を通るように向けるように構成され、
前記ハウジング本体が、前記第２のブレード（７６）の組を通る空気流の渦を生成すようにさらに構成される、請求項１乃至５のいずれかに記載のラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項７】
前記第２のブレード（７６）の組の周りに構成され、前記第２のブレード（７６）の組の周りに半径方向に配置された一組のポート（８０、２８０、３８０）を有する遮蔽体（７２、２７２、３７２）をさらに含み、空気流が前記遮蔽体（７２、２７２、３７２）を通過して前記第２のブレード（７６）の組に流れることができるように前記一組のポート（８０、２８０、３８０）が配置され、構成される、請求項１乃至６のいずれかに記載のラムエアタービンシステム（１２、１１２、２１２、３１２）。
【請求項８】
ラムエアタービン発電機用の熱交換器であって、
一組の巻線（５７）を有するステータ（５５）と、
一組の永久磁石（５４）を有し、前記ステータ（５５）に対して回転して、前記一組の巻線（５７）に電流を発生させるように構成されたロータ（５６）と、
熱伝導軸（３４、１３４）によって前記ステータ（５５）または前記ロータ（５６）のうちの少なくとも１つと熱的に結合され、前記ラムエアタービン（１４、１１４）を通る空気流に曝されるように構成される一組のブレード（７６）と
を備える熱交換器において、
前記熱交換器が、前記ステータ（５５）または前記ロータ（５６）のうちの少なくとも１つから前記熱伝導軸（３４、１３４）を通って前記一組のブレード（７６）に熱を伝導し、それによって、前記一組のブレード（７６）が前記空気流に曝されると前記空気流に熱伝達することができる、熱交換器。
【請求項９】
前記ロータ（５６）が前記ステータ（５５）の外側で回転する、請求項１１記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記一組のブレード（７６）が前記熱伝導軸（３４、１３４）によって前記ロータ（５６）と回転可能に結合され、それによって、前記一組のブレード（７６）が回転して前記空気流に曝されると前記ロータ（５６）から前記空気流に熱伝達することができる、請求項９記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記一組のブレード（７６）が前記熱伝導軸（３４、１３４）によって前記ステータ（５５）と熱的に結合され、それによって、前記一組のブレード（７６）が前記空気流に曝されると前記ステータ（５５）から前記空気流に熱伝達することができ、
前記一組のブレード（７６）が前記空気流中で回転するように構成される、請求項９記載の熱交換器。
【請求項１２】
内部（４０）を画定する本体を有するハウジング（２０）をさらに含み、前記ステータ（５５）、および前記ロータ（５６）の一部分が前記内部（４０）の中に配置され、外部の細片が前記内部（４０）に入ることを防ぐように前記ハウジング（２０）が密封される、請求項８乃至１１のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項１３】
回転可能な熱伝導軸（３４、１３４）と、
内部（４０）を画定する本体を有するハウジング（２０）と、
前記内部（４０）の中に配置され、ステータ（５５）およびロータ（５６）を有する発電機（２２）であって、前記ロータ（５６）が前記軸（３４、１３４）と動作可能に、かつ熱的に結合される、発電機（２２）と、
前記回転可能な軸（３４、１３４）と動作可能に結合された第１のブレード（２６）の組を有し、前記第１のブレード（２６）の組を通過する空気流が前記軸（３４、１３４）を回転させるように構成されたタービン（１４、１１４）と、
前記ハウジング（２０）の下流で、前記ハウジングの外側にある第２のブレード（７６）の組であって、前記軸（３４、１３４）と熱的に結合された第２のブレード（７６）の組と
を含むラムエアタービン発電機であって、
前記ラムエアタービン発電機の周りを流れて前記第２のブレード（７６）の組を通過する空気流によって前記第２のブレード（７６）の組から前記空気流に熱伝達することができる、ラムエアタービン発電機を
備える航空機（１０）。
【請求項１４】
前記回転可能な熱伝導軸（１３４）がヒートパイプ（１９０）をさらに含み、
前記第２のブレード（７６）の組が、前記第２のブレード（７６）の組を通過する空気流に対してスキューを付けられて、前記第２のブレード（７６）の組の熱伝達係数がスキューの付いていないブレードの組よりも高く、
前記ハウジング本体が、空気流を前記第２のブレード（７６）の組を通るように向けるように構成される、請求項１３記載の航空機（１０）。
【外国語明細書】
2017047889000001.pdf