(57)【要約】      （修正有）【課題】飛行船気嚢のための圧電性及び集電気性の電力発生ラミネートを提供する。【解決手段】飛行船のための電力発生ラミネート１００は、基部織物層１１０、織物層上に配置されたバリヤー層２００、バリヤー層上に配置された内側金属フィルム層３００、内側金属層上に配置された圧電性/焦電気性の層４００、圧電性/焦電気性の層上に配置された外側金属層５００、及び外側金属層上に配置されたカバー層６００を包含する。電力発生ラミネートは、揚力ガス及び空気を内部に保持するためにガス不浸透性の気嚢を形成し、気嚢が構造的歪みや温度の変化を受けた場合に、飛行船に搭載の様々な電気システムに電力を供給するのに使用される電力を発生するように構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス不浸透性の気嚢を形成するように構成されたラミネートを包含しており、前記ラミネートが、
バリヤー層、
前記バリヤー層上に配置され、第１の端子を有する内側金属層、
前記第１の金属層上に配置された電圧発生圧電層、及び、
前記圧電層上に配置され、第２の端子を有する外側金属層、
を含み、前記圧電層の歪みが第１及び第２の端子に電力を発生する、飛行船。
【請求項２】
前記電圧発生圧電層の温度の変化が前記端子に電力を発生する、請求項１記載の飛行船。
【請求項３】
前記バリヤー層を支持し、ストレートプライ織物及びバイアスプライ織物を含む基部層をさらに包含する、請求項１記載の飛行船。
【請求項４】
前記バリヤー層がポリイミドフィルムを含む、請求項１記載の飛行船。
【請求項５】
前記電圧発生圧電層がポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムを含む、請求項１記載の飛行船。
【請求項６】
前記第２の金属層上に配置されたカバー層をさらに包含する、請求項１記載の飛行船。
【請求項７】
前記カバー層がポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムを含む、請求項６記載の飛行船。
【請求項８】
前記電圧発生層が圧電性フィルムである、請求項１記載の飛行船。
【請求項９】
前記電圧発生層が焦電気性フィルムである、請求項１記載の飛行船。
【請求項１０】
前記電圧発生層が圧電性且つ焦電気性のフィルムである、請求項１記載の飛行船。
【請求項１１】
飛行船に搭載する電力を発生する方法において、
電力発生ラミネートを含むガス不浸透性の気嚢を提供し、
前記気嚢の構造的歪みを変化させ、
前記気嚢変化の物理的特性が変化する際に前記電力発生ラミネートから電力を発生させる、
方法。
【請求項１２】
前記発生ステップが、前記電力発生ラミネートを歪ませることを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記ラミネートを提供することが、
基部層を備え、
前記基部層上にバリヤー層を配置し、
前記バリヤー層上に内側金属層を配置して、前記基部層、前記バリヤー層及び前記内側金属層が、少なくとも揚力ガスを内部に保持するためにガス不浸透性の内部容積を形成し、
前記第１の金属層上に圧電層を配置し、及び、
前記圧電層上に外側金属層を配置する、
ことを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記基部層がストレートプライ織物及びバイアスプライ織物を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記バリヤー層がポリイミドフィルムを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記圧電層がポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の金属層上にカバー層を配置することをさらに包含する、請求項１３記載の方法。
【請求項１８】
前記カバー層がポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムを含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記発生ステップが、前記電力発生ラミネートの温度を変化させることを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項２０】
前記ラミネートを提供することが、
基部層を備え、
前記基部層上にバリヤー層を配置し、
前記バリヤー層上に内側金属層を配置して、前記基部層、前記バリヤー層及び前記内側金属層が、少なくとも揚力ガスを内部に保持するためにガス不浸透性の内部容積を形成し、
前記第１の金属層上に圧電層を配置し、及び、
前記圧電層上に外側金属層を配置する、
ことを含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記基部層がストレートプライ織物及びバイアスプライ織物を含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記バリヤー層がポリイミドフィルムを含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
前記圧電層がポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムを含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２４】
前記外側金属層上に配置されたカバー層をさらに包含する、請求項２０記載の方法。
【請求項２５】
前記カバー層がポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムを含む、請求項２４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的に、圧電特性及び焦電気特性の両方を有する積層フィルムに関する。特に、本発明は、飛行船気嚢に一体化するのに適した圧電特性及び焦電気特性の両方を有する薄膜に関する。より詳細には、本発明は、飛行中に飛行船で被る構造的変化及び熱変動に基づいて電力を発生するように構成された、圧電特性及び焦電気特性の両方を有する薄膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型軟式飛行船、飛行船、軽航空機、あるいは高高度飛行船を含む他の空気より軽いプラットホームのような飛行船は、空気とヘリウム又は水素のような揚力ガスとを別々に収容する様々な別個の領域を備えたガス不浸透性の気嚢を保持する。電気制御の送風機及びバルブの組合せを介して気嚢内の空気の量を変えることにより、飛行船の高度を制御することができる。所望の方向あるいは機首方位に飛行船を航行させるため、例えばプロペラユニットのような複数の電動式の推進装置が、気嚢の外周のまわりに配置されている。飛行中に飛行船が機動的な飛行をするのに使用されるシステムに加え、飛行船は、そのペイロードを収容するゴンドラ又は他の構造体を含んでいてよく、このペイロードは、その内部に収容された様々な電子航行制御システムに加え、飛行船の飛行中に使用され得る様々な電子部品のための貯蔵区域として働く。特に、ペイロードは、研究用計測器、ＲＦ送受信装置、解析ツールあるいは他の所望の装置部品のような様々な電子装置のための置き場として働く。さらに、飛行船の役割は発展し続け、例えば、研究、娯楽及び他の活動に益々使用され、それにより、多数のコンピュータ、センサ、トランシーバー及び他の電子部品が飛行船に搭載され、そのための電源を必要としている。そのため、飛行船に搭載される電力の要件は重要であり、飛行船の役割が単に飛行の役割を越えて発展するにつれて、増加し続けることは明白である。
【０００３】
従って、バルブ、送風機及び推進装置に加え、ペイロードの一部として保持される他の電子部品により要求されるエネルギー需要を満たすため、充電式バッテリー、再生燃料電池及び太陽電池パネルの組合せが、飛行船に搭載される電源として使用され得る。従って、昼間の期間には、太陽からの太陽放射線が利用可能な時に、飛行船に搭載される電力は、太陽電池パネルから導き出され、飛行船の気嚢上に入射の太陽エネルギーを取り入れる。飛行船に搭載される電装品に積極的に電力を供給することに加えて、未使用の太陽エネルギーの一部は、燃料電池からの廃水の電解により水素ガスと酸素ガスを生成するために使用されるか、あるいは、飛行船のペイロードの一部として保持される充電式バッテリーに蓄積される。夜間の期間、あるいは、太陽からの太陽エネルギーを取り入れることができない期間には、飛行船は、充電式バッテリーに蓄積された電力及び／又は蓄積された水素及び酸素の消費により燃料電池で発生される電力で作動することを制限される。
【０００４】
太陽電池パネル、バッテリー及び燃料電池の組合せは、許容レベルのエネルギー容量を提供しているが、様々な欠点がある。特に、充電式バッテリーは典型的に大きく、重く、飛行船のペイロードの相当量を使う。例えば、低高度からの降下中に飛行船に十分に電力を供給するのに必要な電力を提供するためには、典型的に、約１,８１２ｋｇ（４,０００ｌｂ）のバッテリーが必要である。その上、太陽電池パネルは、重い傾向があり、容易に壊れるか破損し易い。そのため、飛行船で現在利用されているバッテリーと太陽電池パネルにより与えられる重量は、飛行船の運動性、所望の高度に到達する能力及び航続距離に負の影響を与え、従って、飛行船の総合性能を著しく制限することとなる。さらに、飛行船がその作動中に最適の電力容量を有することを確保するために、保守、充電及び故障したバッテリー又は燃料電池の定期的な交換を行うのに相当の費用がかかる。
【０００５】
従って、飛行船の作動に関連して気嚢の構造的変化及び熱変動から電力を取り入れることができる、飛行船の気嚢に一体化されるように構成された電力発生ラミネートの必要性がある。その上、作動中に飛行船の気嚢に課せられる構造的膨張、収縮あるいは他の歪みから電力を取り入れることができる電力発生ラミネートの必要性がある。さらに、作動中に飛行船の気嚢で受ける熱変動から電力を取り入れることができる電力発生ラミネートの必要性がある。さらにまた、飛行船のペイロード内のスペースを占めることなく、電力を発生することができる電力発生フィルムの必要性がある。その上、圧電特性及び焦電気特性の両方を有する電力発生ラミネートの必要性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記に照らし、飛行船気嚢のための圧電性及び焦電気性の電力発生ラミネートを提供することが、本発明の第１の様相である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の他の様相は、ガス不浸透性の気嚢を形成するように構成されたラミネートを包含しており、前記ラミネートが、バリヤー層、前記バリヤー層上に配置され、第１の端子を有する内側金属層、前記第１の金属層上に配置された電圧発生圧電層、及び、前記圧電層上に配置され、第２の端子を有する外側金属層を含み、前記圧電層の歪みが第１及び第２の端子に電力を発生する、飛行船を提供することである。
【０００８】
本発明のさらに他の様相は、飛行船に搭載する電力を発生する方法において、電力発生ラミネートを含むガス不浸透性の気嚢を提供し、前記気嚢の構造的歪みを変化させ、前記気嚢変化の物理的特性が変化する際に前記電力発生ラミネートから電力を発生させる、方法を提供することである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の概念に従って圧電性及び焦電気性電力発生ラミネートを利用する飛行船の斜視図である。
【図２】図２は、本発明の概念に従って圧電性及び焦電気性電力発生ラミネートを含む多数の層の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のこれら及び他の特徴及び利点は、下記の説明、特許請求の範囲及び添付図面に関して一層理解されるであろう。
【００１１】
本発明の構造及び機能的な様相について説明する前に、読者が本発明を理解するのを助けるために、図１に符号１０で総括的に指す飛行船に組み込まれる構成要素を簡単に説明する。また、以下の説明は、高高度飛行船のような飛行船の説明に向けられているが、小型軟式飛行船、飛行船及び軽航空機を含むいかなる空気より軽いプラットホームにも、これらに限定されずに、同様に適用されることが認識されるべきである。
【００１２】
特に、飛行船１０はガス不浸透性の気嚢１２を包含しており、この気嚢は、上昇及び降下中に飛行船１０が遭う圧力及び温度変化に耐えるとともに、その運航中に遭う太陽放射線にも耐えるように作られた撓み可能なラミネート材又は織物から形成される。気嚢１２内には、空気とヘリウムのような揚力ガスとを別々に収容する様々な別個の領域が存在する。空気とヘリウムの組合せは、上昇及び降下中に飛行船１０を有効に制御できるようにする。飛行中に飛行船１０を安定させるために、複数のフィン１４が飛行船１０の後部に取り付けられていてよい。飛行船１０の下側には、あらゆる所望の装備品あるいは要員を必要に応じて運ぶために形成された貨物ペイロード１６が支持されている。１つの様相では、ペイロード１６は、他の動力源が利用不可能な場合に飛行船１０の様々な推進システムに動力を供給するのに使用される複数の充電式バッテリー（図示しない）を保持する役目をしていてよい。当業者には、ペイロードが気嚢１２の内部に支持され得ることが認識されるであろう。
【００１３】
飛行船１０が低高度に上昇することを可能にするために、気嚢１２内の空気収容領域は、飛行船１０の外周のまわりに配置された多数のバルブ２０を介して排気される。気嚢１２内のヘリウムが膨張する一方、飛行船１０は所望の高度に上昇する。代わりに、低高度から飛行船１０を降下させるために、空気は、１つ以上の送風機３０の作動によって各空気収容領域へ押し込まれる。飛行中、飛行船１０は、推進システムによって航行されるか、そうでなければ機動的な飛行をされる。推進システムは、典型的には、気嚢１２の外部に装着された複数の電動式プロペラユニット４０を含む。
【００１４】
このように、飛行船１０の重要な構成要素が示され、以下の説明は、気嚢１２の構造的内容に向けられる。特に、気嚢１２は、圧電特性及び焦電気特性の両方を備える気嚢ラミネート１００から形成されており、この結果、飛行船１０の運航中にラミネート１００が様々な構造的歪み変化や熱変動を受けると、電力を発生する。従って、運航中に飛行船１０の気嚢１２が振動する際、また、昼間及び夜間の連続サイクルによる熱運動のために気嚢１２が膨張及び収縮すると、気嚢ラミネート１００の圧電特性は、電力の発生を可能にする。また、飛行船１０は太陽の昼間及び夜間の熱変動にさらされているので、気嚢１２は交互に加熱及び冷却される。気嚢ラミネート１００の焦電気特性の結果として、飛行船１０の気嚢１２で受ける周期的な熱変動は、電力の発生をもたらす。
【００１５】
続いて図２において、気嚢ラミネート１００は、飛行船１０の内部容積１２０を形成する基部織物層１１０を含む。基部織物層１１０は、例えば熱可塑性ポリウレタン樹脂（ＴＰＵ）あるいは熱硬化性接着剤のような適切な接着剤層１６０によって一緒に接合される、ストレートプライ織物１４０及びバイアスプライ織物１５０で構成される。そのため、ストレートプライ織物１４０は、接着剤層１６０をもつ表面とは反対側に、内部容積１２０の内面を形成する内側表面を備える。以下の説明のため、用語「ストレートプライ」の使用は、互いに略垂直をなすたて糸及びよこ糸で構成される織物を指すのに対し、使用される用語「バイアスプライ」は、互いに垂直をなすが、バイアスプライのたて糸及びよこ糸がストレートプライの糸に対して約４５度の角度をなすようにストレートプライ織物に積層されるたて糸及びよこ糸で構成される織物を指す。しかしながら、織ったファイバ又は不織ファイバを使用する織物及びバイアス方向を備える又は備えない織物が使用できることが認識されるであろう。基部織物層１１０は、気嚢ラミネート１００による電力の発生を最適化する膨張及び収縮の量を気嚢１２が持つことを可能にするように、高伸度のファイバで構成されてよいことが認識されるべきである。
【００１６】
バイアスプライ織物１５０上には、接着剤層１６２によってバリヤー層２００が接合される。バリヤー層２００は、ＫＡＰＴＯＮＯ（登録商標）のブランド材料のようなポリアミド材料から成っていてよく、飛行船の内部容積１２０内に保持された空気及び揚力ガスの漏れに対して不浸透性又は略不浸透性のバリヤーを提供する役目をする。さらに、バリヤー層２００は、その上に配置される他の層から電気的に織物層１１０を隔離する誘電材料で構成される。
【００１７】
バリヤー層２００上には、接着剤層２１０によって内側金属層３００が接合される。内側金属層３００は、ニッケル、アルミニウム、銅あるいはそれらの合金のようなあらゆる適切な導電材料から成っていてよい。ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような圧電性材料で作られた圧電層４００は、内側金属層３００上に配置される。１つの様相では、圧電層４００は、ヴァージニア州ハミルトンの Measurement Specialties, Inc. により「Ｓｅｎｓｏｒ  Ｓｅｌｅｃｔ」（登録商標）として販売されているような圧電性フィルムから成っていてよい。圧電層４００上には、ニッケル、アルミニウム、銅あるいはそれらの合金のようなあらゆる適切な導電材料から形成された外側金属層５００が配置される。内側金属層３００及び外側金属層５００は、薄膜のようなフィルムを形成する様々なプロセスを介して、圧電層４００に積層されるか接合されることが認識されるべきである。例えば、内側金属層３００及び外側金属層５００は、薄膜を形成するのに適切なスパッタリング、物理蒸着法及び化学蒸着法を含むが、これらに制限されないプロセスを介して、圧電層４００上に配置されてよい。
【００１８】
さらに、バリヤー層２００は、気嚢１２の表面を通る揚力ガス及び空気の漏れに対する主要な障壁として働く一方、内側金属層３００及び外側金属層５００は、気嚢１２の不浸透性をさらに高め、揚力ガス及び空気が気嚢１２内に保持される期間を延長させる効果がある。言い換えれば、内側金属層３００及び外側金属層５００は、飛行船１０のようなガス収容船の性質により本質的に生じる、飛行船１０の内部容積１２０からの空気及び揚力ガスの緩やかな漏れをさらに遅くするように働く。
【００１９】
外側金属層５００を覆い保護するために、カバー層６００が接着剤層６１０によって外側金属層に接合される。カバー層６００は、特にポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）で作られてよく、外側金属層５００を外部環境から電気的に隔離するために誘電体として働く。
【００２０】
圧電層４００を形成するるＰＶＤＦフィルムは、典型的に、圧電特性及び／又は焦電気特性をフィルムに持たせることを可能にするようにフィルムの結晶構造を修正し整列させるために、フィルムを圧延し、引伸し、アニーリングし、高電圧場にさらすプロセスによって形成されることが認識されるべきである。そのため、圧電性ＰＶＤＦ層４００は構造的歪みを受けた場合、この層は、それが受ける歪みの量に比例する圧電効果により、電圧を発生する。すなわち、圧電層４００及び組み合わされる内側金属層３００と外側金属層５００は、飛行船１０の気嚢１２が歪んだ場合に、電力を発生することができる圧電性装置を形成する。その後、この電力は、それぞれの電気端子７００及び７１０を介して金属層３００及び５００に接続された電力処理システム（図示しない）に供給されてよく、飛行船１０に搭載保持された様々な電装品に電力を供給する。
【００２１】
気嚢１２が構造的に歪んだ場合に電力を発生することに加え、圧電層４００はさらに焦電気特性を保持していて、圧電層が加熱されそして冷却され、あるいはその逆にされた場合に、電力を発生することができる。従って、気嚢１２は昼間の期間に加熱され、そして夜間の期間に冷却されるので、圧電層４００は電力を発生することができる。
【００２２】
ラミネート１００の圧電効果及び焦電気効果により生成された電流は、典型的に、ラミネート１００がその既存の形状や温度を維持する場合には素早くゼロに戻る一時的な電圧スパイクによって特徴づけられており、そのような制限は、揚力ガスが太陽の周期的な昼間の加熱及び夜間の冷却効果から生じる熱変動に応答する際に、気嚢１２の緩やかで比較的一定の膨張及び収縮により克服される。言い換えれば、気嚢１２は、日中の間に太陽エネルギーにより加熱されたときに膨張し、夜間に太陽エネルギーがない状態で収縮する傾向があり、それにより、気嚢１２の膨張及び収縮の連続サイクルを生じる。その結果、飛行船１０が運航中であるとき、圧電層４００は連続的あるいは略連続的な構造的歪みを受け、電力の連続的あるいは略連続的な発生を生じる。さらに、飛行中のプロペラユニット４０の作動は、飛行船１０の気嚢１２に振動を引き起こし、さらに電力を発生するように圧電層４００に変動する量の歪みを与える。
【００２３】
同様に、飛行船１０がさらされる周期的な昼間及び夜間のサイクルのため、飛行船１０の加熱及び冷却は長い期間にわたって起こる。そのため、圧電層４００で受ける温度の変化は、連続的か略連続的であり、従って、焦電気効果により圧電層４００に生成されるエネルギーも、同様に連続的か略連続的である。
【００２４】
その上、気嚢ラミネート１００は昼間と夜間の両方で電源としても働くので、夜間の期間に飛行船に電力を供給するのに使用され飛行船１０のペイロード１６に搭載保持されたバッテリーの数は、低減することができる。そのため、飛行船１０の有効範囲、運動性及び総合性能は向上される。さらに、ラミネート１００は、飛行船１０の気嚢１２に一体化されるので、飛行船１０のペイロード１６内の貴重なスペースを使わない電源を提供する。
【００２５】
従って、本発明の１つ以上の実施例の利点は、電力発生ラミネートが飛行船の気嚢を形成するのに使用できることであることが認識されるであろう。本発明の他の利点は、電力発生ラミネートが気嚢の構造的歪み及び温度の変化に応じて電力を発生できる圧電特性及び焦電気特性を提供することである。本発明のさらに他の利点は、電力発生ラミネートが空気及び揚力ガスを保持する期間を延長させるように飛行船の不浸透性を増強する圧電特性及び焦電気特性を提供することである。そのようなラミネートの使用は、圧電性及び／又は焦電気性の材料が飛行船のペイロード内のスペースを使わず、そのため、飛行船に電力を供給するのに必要とされる充電式バッテリーの量が低減されるので、飛行船の運航において有利である。従って、飛行船の全重量は軽減され、それにより、飛行船の最大到達高度を高め、航続距離を延ばすとともに、飛行船におけるエネルギー使用量の今後の要件を満たすのに使用できる追加の電力を提供する一方で、飛行船の総合性能を改善することができる。
【００２６】
本発明を特定の実施例に関して相当詳細に説明したが、他の実施例も可能である。従って、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲は、ここに含まれた実施例の記載に制限されるべきではない。
【図１】
2009173280.tif 000003
【図２】
2009173280.tif 000004
【外国語明細書】
2009173280000001.pdf
2009173280000002.pdf
2009173280000003.pdf
2009173280000004.pdf