(57)【要約】  エンジンと、中間冷却器及び後部冷却器を持つ２段階のターボチャージャーと、極低温水素燃料源と、そして、水素熱交換器を含む冷却システムとを含む高高度の航空機パワープラント。雰囲気温度近くまで冷却剤を冷却するラムエア冷却器により補助されて、熱交換器は、冷却剤を使用する水素を加熱し、高高度の飛行の間に雰囲気温度よりもかなり低い温度に冷却剤を冷却するように構成されている。分離したセンサがそうするように、中間冷却器及び後部冷却器は、準雰囲気温度の冷却剤を使用する。ラムエア冷却器は、前面の部分及び後部の部分を含む。冷却システムは、ラムエア冷却器の前面の部分のみ、後部の部分のみ、そして、両方の部分をそれぞれ取り込む３つの冷却ループを含む。【選択図】図１
2012503733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行条件の範囲において用いられるパワープラントであって、
燃料及び酸化剤からエネルギーを生成するように構成されるパワー・コンバータと、
飛行条件の前記範囲にわたって雰囲気温度より低い温度で燃料を供給するように構成されるものであって、前記パワー・コンバータによる使用のための極低温の燃料の源と、
前記パワー・コンバータによる使用のための所望の圧力より低い圧力で酸化剤を供給するように構成されるものであって、前記パワー・コンバータによる使用のための酸化剤の源と、
前記パワー・コンバータによる使用のための酸化剤の源からの酸化剤を圧縮するように構成される第１の圧縮器と、
燃料の源からの燃料を加熱し、そして、雰囲気温度よりも低い第１の温度に第１の冷却剤を冷却するように構成される燃料熱交換器と、
酸化剤の流れ経路に沿って、前記第１の圧縮器及び前記パワー・コンバータの中間にあって酸化剤を冷却する第１の温度に実質的にある燃料熱交換器からの第１の冷却剤を使用するように構成される第１の圧縮器熱交換器とを含むことを特徴とするパワープラント。
【請求項２】
更に、酸化剤の流れ経路に沿って第１の圧縮器熱交換器及びパワー・コンバータの間にあり、パワー・コンバータにより使用されるための第１の圧縮器熱交換器からの酸化剤を圧縮するように構成される第２の圧縮器と、
酸化剤の流れ経路に沿って、第２の圧縮器及びパワー・コンバータの相賀にある酸化剤を冷却する実質的に第１の温度にある燃料熱交換器からの第１の冷却剤を使用するように構成される第２の圧縮器熱交換器とを含むことを特徴とする請求項１に記載のパワープラント。
【請求項３】
冷却剤の流れ経路に沿って、燃料熱交換器の上流側のラムエア熱交換器を更に含み、およそ雰囲気温度にある第２の温度に第１の冷却剤を冷却するように構成されることを特徴とする請求項２に記載のパワープラント
【請求項４】
冷却剤の流れ経路に沿って、燃料熱交換器の上流側のラムエア熱交換器を更に含み、およそ雰囲気温度にある第２の温度に第１の冷却剤を冷却するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のパワープラント
【請求項５】
請求項１のパワープラントと、及び
冷却要件を備えるペイロード装置と、を備え、
航空機は、ペイロード装置を冷却する第１の温度に実質的にある燃料熱交換器からの第１の冷却剤を使用するように構成されるペイロード熱交換器を備えるように構成されることを特徴とする航空機。
【請求項６】
ペイロード熱交換器が第１の圧縮器熱交換器から分離することを特徴とする請求項５に記載の航空機。
【請求項７】
第１の冷却剤で作動する航空機パワープラント冷却システムであって、
ラムエア通路に沿っており、前記冷却剤を冷却するように構成される前面ラムエア熱交換器と、
前面のラムエア熱交換器が後方ラムエア熱交換器から受け取った冷却剤を更に冷却するように構成され、熱交換器冷却剤通路に沿って前面ラムエア熱交換器は後方ラムエア熱交換器の下流側にあり、ラムエア通路に沿って前面ラムエア熱交換器の下流側にある後方ラムエア熱交換器と、
後方ラムエア熱交換器へと下流側に加温された冷却剤を通過させ、受け取った冷却剤を加温するように構成され、前面のラムエア熱交換器からの冷却された冷却剤を受け取るように構成され、前面のラムエア熱交換器の下流側にある第１の熱負荷と、
第２の熱負荷と、及び、
第２の熱負荷に向かう第２の流れ及び前面ラムエア熱交換器に向かう第１の流れの中に後方のラムエア熱交換器から受け取った冷却剤を分割するように構成され、前面のラムエア熱交換器から上流側であって後方ラムエア熱交換器から下流側にある冷却剤マニホールドと、を備え、
第２の熱負荷が、後方ラムエア熱交換器へと下流側に加温された冷却剤を通過させ、受け取った冷却剤を加温するように、及び、マニホールドからの冷却された冷却剤を受け取るように構成されることを特徴とする航空機パワープラント冷却システム。
【請求項８】
前面のラムエア熱交換器から冷却された冷却剤を受け取るように、及び、受け取った冷却剤を加温し、加温された冷却剤をマニホールドへと下流側に通過させるように構成される第３の熱負荷を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の航空機パワープラント冷却システム。
【請求項９】
第２の負荷が、燃料及び酸化剤からエネルギーを生成するように構成されたパワー・コンバータのためのパワー−コンバータ冷却システムのための熱交換器であることを特徴とする請求項７に記載の航空機パワープラント冷却システム。
【請求項１０】
パワー−コンバータ冷却システムが第１の冷却剤より高い融点を備える第２の冷却剤を使用して作動することを特徴とする請求項９に記載のパワープラント冷却システム。
【請求項１１】
飛行条件の範囲における使用のためのパワープラントであって、
燃料及び酸化剤からエネルギーを生成するように構成されるパワー・コンバータと、
飛行条件の範囲にわたって雰囲気温度よりも低い温度で燃料を提供するように構成されるものであって、パワー・コンバータによって使用されるための極低温燃料の源と、
第１の熱源を含む第１の冷却ループからの熱を使用する燃料の源からの燃料を加熱するように構成される第１の燃料熱交換器と、
第２の熱源を含む第２の冷却ループからの熱を使用するものであって、第１の燃料熱交換器から連続的に受け取る燃料を加熱するように構成される第２の燃料熱交換器と、そして、
パワー・コンバータによって受け取られる燃料の温度に基づいて、第２の冷却ループの作動を制御するように構成される制御システムと、を備え、
第２の熱源が第１の冷却ループになく、第１の熱源が第２の冷却ループにないことを特徴とするパワープラント。
【請求項１２】
第１の熱源が、圧縮されたガスからの熱を引き出し、第２の熱源がパワー・コンバータからの熱を引き出すことを特徴とする請求項１１に記載のパワープラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００８年９月２３日に出願した米国特許仮出願番号第６１／１９４，１０３号の利益を主張し、その仮出願は、すべての目的のために、参照され、ここにおいて組み込まれる。
【０００２】
本発明は一般に航空機のパワープラントの熱管理システムに関し、より詳細には、周囲温度未満の冷却剤を使用する種々の構成部品を冷やすため、気化された低温液体燃料を使用するように構成された航空機のパワープラントに関する。
【背景技術】
【０００３】
［発明の背景］
航空機のパワープラントは、典型的に、水素燃料と反応するための酸素のために周囲空気を消費する必要がある。高高度では、空気は圧力と密度において非常に低く、そしてパワープラントにおいて使用できるようにするために、一般に圧縮されなければならない。この圧縮のために必要とされる動力（パワー）は、パワープラントの総出力パワーのかなりの割合であり得るので、全体のシステムの効率への影響を最少にするように圧縮に必要なパワーを最少にすることが重要である。
【０００４】
内燃エンジンのための空気の高圧化は、１又はそれ以上のターボ過給機（ターボチャージャー）を使って、最も効率的に達成される。ターボチャージャーは、エンジン排気ガスによって駆動されるタービン及びそのタービンによって駆動される流入空気圧縮器の組合せである。
【０００５】
パワープラントが水素内燃エンジンに基づく場合には、空気−水素の質量流れの比が典型的に約７０：１である。エンジン・トルクは、エンジン回転毎に燃焼される水素の量におよそ比例する。エンジンによって取り入れられる空気の量は、インテーク・マニホールドへと供給される空気の密度と比例する。このように、望ましいトルク・レベルを達成するには、特定の流入空気密度を達成することが必要である。
【０００６】
空気の密度は、温度で除された圧力に比例する。必要な密度は、圧力及び温度の適切な如何なる組合せでも達成できる。より高い温度では、望ましい密度を達成するためにより高い圧力が必要であることを意味し、従って、第１の圧縮の後で空気を冷やすための中間冷却器（インタークーラ）（例えば、２つのうち第１圧縮器の後の熱交換器）を使用し、第２の圧縮の後でそれを再び冷やすために後部冷却器（アフタークーラ）（例えば、第２の圧縮器の後の熱交換器）を使用することが知られている。
【０００７】
これらの冷却器が冷却においてより効果的であるほど、空気を圧縮することにおけるエネルギーは少なくて済む。しかし、大規模な空気冷却装置は圧力の低下を引き起こすかもしれず、圧縮器の利益を打ち消してしまう。このように、その圧力の低下を最少にしつつ、冷却器の冷却能力を最大にすることが望まれる。典型的に、中間冷却器又は後部冷却器を冷却するために用いられる冷却剤の温度は、周囲の空気の雰囲気温度に限られる。
【０００８】
従って、圧縮された空気に、及び、効果的な冷却を必要とする他の装置に、非常に効果的な冷却を提供することができる航空機パワープラントに対する必要性が存在してきた。本発明の好ましい実施例は、これら及び他の要求を満たし、更に関連する有利な点を提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
［発明の要約］
種々の実施例において、本発明は、上記の要求の一部若しくは全部を解決し、非常に効率的な冷却システムを持つパワープラントを提供する。
【００１０】
本発明のパワープラントは、飛行条件の範囲で使用するために構成され、典型的に、パワー−コンバータ、使用可能なエネルギーを生成するため、パワー・コンバータによる使用のための燃料の低温源、燃料熱交換器、パワー・コンバータによる使用のための低圧の酸化剤の源、酸化剤のための第１の圧縮器、そして、第１の圧縮器熱交換器を含む。燃料の源は、飛行条件の範囲にわたって雰囲気温度より下の温度で燃料を提供するように構成される。燃料熱交換器は、燃料の源から燃料を加熱して、それによって雰囲気温度より下の温度に冷却剤を冷却するように、構成される。
【００１１】
より良い中間冷却器及び後部冷却器の冷却を効率的に達成する１つの方法は、より低温の冷却剤を使用することによる。都合のよいことに、第１の圧縮器熱交換器は、酸化剤の流れ通路に沿ってパワー・コンバータ及び第１の圧縮器の中間で、酸化剤を冷却する燃料熱交換器から準雰囲気温度（雰囲気温度より下の温度）で冷却剤を使用するように構成される。これは、液体水素タンクから沸騰して蒸発した水素ガスを燃焼させるもののように、高高度のエンジンに対する空気の圧縮システムにより消費される動力（パワー）における減少を提供する。更に、続く高圧コンプレッサーがまた使用されるならば、より低温の空気は、その修正質量流量を減少させ、その動力要件及び／又はそのサイズ及び重量を減少させる。このようにして、中間冷却器の冷却の必要性及び水素燃料の加温の必要性の間に、独特の相乗効果が存在する。
【００１２】
パワープラントは、典型的に更に、酸化剤の流れ経路に沿って、パワー・コンバータ及び第１の圧縮器熱交換器の間の第２の圧縮器を含む。第２の圧縮器は、パワー・コンバータによる使用の前に第１の圧縮器熱交換器からの酸化剤を更に圧縮するように構成される。第２の圧縮器熱交換器はまた、準雰囲気温度で燃料熱交換器からの冷却剤を使うように構成される。それは、酸化剤の流れ経路に沿って、第２の圧縮器及びパワー・コンバータの中間にある酸化剤を冷却する。これは、エンジンに供給される空気の望ましい密度を達成するために要求される圧力を減少させ、それにより、必要とされる圧縮仕事を減少させる。このようにして、後部冷却器の冷却の必要性及び水素燃料の加温の必要性の間に、独特の相乗効果が存在する。
【００１３】
冷却剤の温度を低下させる点で補助するために、燃料熱交換器の上流側にあるラムエア熱交換器は、雰囲気温度を丁度超えた温度に冷却剤を冷却するように構成される。
【００１４】
ラムエア熱交換器は、前面のラムエア熱交換器と、ラムエア通路に沿って前面のラムエア熱交換器の下流側にある後部のラムエア熱交換器と、を含む。この前面のラムエア熱交換器が後部のラムエア熱交換器から受け取った冷却剤を更に冷却するように構成されるように、熱交換器の冷却剤の通路に沿って、後部のラムエア熱交換器の下流側に前面のラムエア熱交換器は存在する。
【００１５】
冷却システムは、熱負荷に関し３つの冷却ループを含む。これらの３つのループは、ラムエア冷却器の前の部分のみ、その後ろの部分のみ、及び、その両方の部分をそれぞれ組み込む。有利なことに、これは、ヒートシンク及び源がそれぞれの最も良い温度範囲において、同様な温度の冷却剤の流れに対する仕事を共有しながら、作用することを効率的に許す。
【００１６】
本発明の他の特徴及び長所は、例として本発明の原理を説明する、以下の好ましい実施例の詳細な説明及び添付の図面によって、明らかになるであろう。以下に記載した、本発明の実施例の構築及び使用を可能にする、特に好ましい実施例の詳細な説明は、列挙されたクレームを限定するものではなく、クレームされる発明の特定の例として挙げたものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明下でのパワープラントの第１の実施例のためのパワープラントの２段階エア圧縮システムのシステム・レイアウトである。
【００１８】
【図２】図２は、図１に部分的に描かれた実施例のための冷却システムのシステム・レイアウトである。
【００１９】
【図３】図３は、本発明下でのパワープラントの第２の実施例のためのパワープラントの２段階エア圧縮システムのシステム・レイアウトである。
【００２０】
【図４】図４は、本発明下でのパワープラントの第４の実施例のための冷却システムのシステム・レイアウトである。
【００２１】
【図５】図５は、本発明下でのパワープラントの第５の実施例のための冷却システムの一部のシステム・レイアウトである。
【００２２】
【図６】図６は、図５に部分的に描かれたパワープラントの第５の実施例のバリエーションのための冷却システムの一部のシステム・レイアウトである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［好ましい実施例の詳細な説明］
上記において要約された、そして、列挙されるクレームによって規定された本発明は、添付される図面とともに読まれるべき、以下の詳細な説明に言及することによってよりよく理解されかもしれない。この本発明の特定の実施の構築及び使用を可能にする、本発明の特定の好ましい実施例の詳細な説明は、列挙された請求項を限定するものではなく、それらの特定の例示として挙げたものである。
【００２４】
本発明の典型的な実施例は、燃料及び酸化剤からエネルギーを生成するように構成される、内燃エンジンのような、パワー・コンバータを含む航空機パワープラントに属する。パワープラントは、中間冷却器と後部冷却器を含む２段階ターボ過給システムを使用する。パワープラントは、周囲温度より下の温度でエンジンに燃料を供給する極低温の燃料の源（例えば、低温水素タンク）を備える。
【００２５】
パワープラント冷却システムは、雰囲気温度より低い温度に冷却剤を冷却するように、また、燃料の源からの燃料を加熱するように、構成された熱交換器の形態において、燃料加熱器を含む。これは、重大な圧力低下と、それによる２つのターボチャージャー段階の圧縮器により必要とされる圧縮動力の減少を引き起こすことなく、大きな冷却のための中間冷却器及び後部冷却器により使用されるべき冷却剤を提供する。
【００２６】
必要とされる圧縮動力を減らす利点は、間接的に実現される。エネルギーは、ターボチャージャーのタービン段階を通して、高温排気ガスを流すことによって、エンジン排気から抽出される。これは、圧縮段階を駆動する動力を提供する。必要とされる圧縮動力が減少するならば、より少ない動力が、タービン段階により抽出される必要がある。これは、つまり、タービン圧力比がより低く、その結果、エンジンへの背圧がより低くなるであろうことを意味する。典型的に、４−５ｐｓｉａ低い吸気圧が予想される。
【００２７】
減少した背圧は、エンジンの吸気及び排気圧の間の増加する差を意味する。吸気及び排気圧の差は、ポンプ損失（排気圧が吸気圧より大きいとき、トルク損失となる）又はポンプ・ゲイン（吸気圧力が排気圧より大きいとき、トルク増加となる）の原因となる。このように、水素−冷却された冷却剤の使用により必要な圧縮器の動力の減少は、結果として減少した背圧となり、それによるエンジンのトルクのゲインになる。
【００２８】
［パワープラント２段階エア圧縮システム］
【００２９】
図１を参照すると、第１の実施例のパワープラントは、発電機２１２を駆動する内燃ピストンエンジン２０１を含む電力発生システムを含む。代替の実施例において、電力発電機は、プロペラシステム又は燃料電池のような、機械的なシステムを直接的に駆動するエンジンであり得る。パワープラントはまた、作動条件の安全運行範囲にわたって（例えば、電力発生要件の範囲にわたって）、パワープラントの作動を制御するように、作動条件の範囲（例えば、パワープラントを通した温度及び圧力）にわたって、そして、海水面温度及び圧力から成層圏の条件までの範囲の周囲条件の範囲にわたって、パワープラントの作動を制御するように構成される制御システム５５を含む。
【００３０】
酸化剤として、エンジンは、第１のエアスクープ３０１において受け取られる周囲空気を使い、そして、それは第１のターボチャージャーの圧縮器２０２において最初に圧縮され、中間冷却器２０３で冷却され、そして、第２のターボチャージャーの圧縮器２０４で圧縮され、後部冷却器２０５で冷却される。エンジン排気は、第１及び第２のターボチャージャーに動力を与えるために用いられる。より詳しくは、第２のターボチャージャーの圧縮器２０４を駆動する、第２のターボチャージャーのタービン７１にエネルギーを与えるためにまず用いられ、そして、それから、大気７５に排気される前に、第１のターボチャージャーの圧縮器２０２を駆動する、第１のターボチャージャーのタービン７３にエネルギーを与えるために用いられる。オプションとして、アフタバーナ７７は、排気の流れにエネルギーを加えるために、そして、それによってタービンにエネルギーを加えるために用いられてよい。
【００３１】
エンジン２０１、第１の圧縮器２０２、及び、第２の圧縮器２０４は、全てかなりの熱源である。圧縮された空気の流れは、圧縮器から中間冷却器２０３及び後部冷却器２０５へと熱をもたらし、その熱のかなりの部分は取り去るが、順次冷却されなければならない。これらのパワープラント部品を効率的に冷却するために、冷却を必要とする他の要素と共に、パワープラントは、冷却の効率的なレベルで異なる装置を冷却するように個別対応された冷却システムを有する。
【００３２】
［冷却システム］
【００３３】
以下の記述において、連続的な参照番号は、類似するタイプのシステムの要素を表すために用いられる。例えば、参照番号１１１−１１３は、水素の経路の種々な部分を表す。１００番台の参照番号は、種々の経路を表す。２００番台の参照番号は、種々の熱源及びヒートシンクを表す。３００番台の参照番号は、例えば、空気又は水素のような、物質の源及びシンクを表す。
【００３４】
この実施例のエンジン２０１は、以前に述べたように酸化剤として周囲空気を及び水素燃料を使用する。図２に関して、以前に示されたように、第１のエアスクープ３０１から入って来る周囲空気は、第１のターボチャージャーの圧縮器２０２の圧縮器の入口１０１において受け取られる。第１のターボチャージャーの圧縮器は、中間冷却器２０３へと導く、１度圧縮された空気通路１０２の中へと、１度圧縮された空気を注入する。中間冷却器は、パワープラントが作動する周囲空気よりも実質的に冷たい冷却剤を使用して、１度圧縮した空気を冷却する。この極端に冷たい冷却剤は、かなりの圧力低下を引き起こすことなく、十分な冷却能力を提供する。
【００３５】
１度冷却された空気は、中間冷却器２０３から出てきて、１度冷却された空気の通路１０３を通り、第２のターボチャージャーの圧縮器２０４へと通過する。第２のターボチャージャーの圧縮器は、後部冷却器２０５へと導く、２度圧縮された空気の通路１０４の中に２度圧縮された空気を注入する。中間冷却器と同様に、後部冷却器は、再び、かなりの圧力低下を引き起こすことなく、パワープラントが作動する周囲空気よりも実質的に低温の冷却剤を用いて２度圧縮された空気を冷却する。２度冷却された空気は、後部冷却器２０５から出てきて、エンジン２０１の入口へと２度冷却された空気の通路１０５を通過する。
【００３６】
本実施例のための水素燃料は、極低温水素タンク内の液体水素から蒸発して気化し、極めて低温である（−２２０℃のオーダー）。典型的な水素燃料の注入器との適合性を担保するために、水素の温度は、約２００℃上げて、約−２０℃までにしなければならない。水素を加温するために必要な熱は、エンジンからの廃熱から直ちにもってくることができる。この廃熱は、システムにおいて、いくつかの異なる位置に、注がれることができる。廃熱を抽出するためのいくつかのポイントは、廃熱の源の１つから水素への熱の移動の結果から生じる相乗的な利益を有する。これらの利益は、パワープラントの総合な効率を改善することができる。
【００３７】
極低温タンクのような水素源３０２から入って来る沸騰して蒸発された極低温水素は、第１の水素ヒーター２０６に、水素流入ライン１１１を通り通過する。第１の水素ヒーターは、冷たい水素ガスを加熱する。１度加熱された水素は、第１の水素ヒーター２０６から出てきて、第２の水素ヒーター２０７へと、１度加熱された水素のライン１１２を通り通過する。第２の水素ヒーターは、１度加熱された水素ガスを再び加熱する。有利なことに、第２の水素ヒーターは、中間冷却器及び後部冷却器が水素を十分に加熱するだけの十分な熱を供給しない状況において、十分な水素の加熱（これにより注入器は適切に作動する）を提供するために、制御システムによって使用され得る。２度加熱された水素は、第２の水素ヒーターから出てきて、エンジン２０１へと導く（図示しない）、２度加熱した水素ライン１１３を通って通過する。
【００３８】
パワープラントの作動の間、エンジン２０１（エンジン冷却剤の熱交換器２０８を介して）、第１のターボチャージャーの圧縮器２０２（中間冷却器２０３を介して）、及び、第２のターボチャージャーの圧縮器２０４（後部冷却器２０５を介して）は、すべての潜在的に相当な熱源である。追加の熱源は、発電機２１２、及び、航空機が運んでいるかもしれない種々のペイロード２１３を含んでよい。
【００３９】
第１の水素ヒーター２０６及び第２の水素ヒーター２０７に加えて、他の重要なヒートシンクは、前面のラムエア熱交換器２１１及び後部のラムエア熱交換器２１０を含む。第２のラムエアスクープ３０３からの流入する周囲ラムエアは、前面のラムエア熱交換器２１１のラムエア入口１２１において受け取られる。１度加熱された空気は、前面のラムエア熱交換器２１１から出てきて、後部のラムエア熱交換器２１０へと１度加熱されたラムエア通路１２２を通って通過する。２度加熱された空気は、後部のラムエア熱交換器２１０から出てきて、大気３０４へと航空機によって排気される、又は、暖められた空気を必要とする航空機の他の部分によって使用される、排気空気となるように、２度加熱されたラムエア通路１２３を通って通過する。
【００４０】
冷却システムは、冷却流体通路の３つの分離した異なるネットワークを含む。各ネットワークは、そのそれぞれのネットワークの熱的要件に対して適切な異なる冷却流体を使用して作動する。第１のネットワークは、ＤＹＮＡＬＥＮＥ（登録商標）のような、低温で作動することができる冷却流体を用いて作動する、主要なパワープラント冷却ネットワークである。第２のネットワークは、グリコールのような適切な冷却流体を用いる、エンジン冷却ループである。第３のネットワークは、その冷却流体としてエンジンオイルを使用する、エンジンオイル冷却ループである。これらの３つのネットワークは、熱的に相互作用し、そして、制御システム５５は、パワープラントの効率的な作動を最大にするために各ネットワークの作動を制御する。
【００４１】
エンジン冷却ループに関して、エンジン２０１が作動中であるとき、それは、加熱されたエンジン冷却剤の通路１３１を通って、エンジン冷却剤の熱交換器２０８に注入される冷却流体にかなりの熱量を消散させる。エンジン冷却剤の熱交換器２０８は、加熱されたエンジンのエンジン冷却剤を冷却し、そして、エンジンオイルの冷却ループからの熱を引っ張るように使用されているところのオイル冷却剤の熱交換器２０９へと、冷却されたエンジン冷却剤の通路１３２を通って、それを通過させる。オイル冷却剤の熱交換器２０９は、加温されたオイルエンジン冷却剤を加温されたオイル通路１３３を通って通過させ、そして、エンジン２０１に戻す。
【００４２】
エンジンオイルの冷却ループに関して、エンジン２０１もまた、そのオイルに熱を消散させ、そして、それは、以前に論じたオイル冷却剤の熱交換器２０９へと加熱されたエンジンオイルの通路１４１を通って、加熱されたエンジンオイルを注入する。オイル冷却剤の熱交換器は、加熱されたエンジンオイルを冷却し、第２の水素ヒーター２０７へと１度冷却されたオイル通路１４２を通して、１度冷却されたオイルを通過させる。１度冷却されたオイルにおいて残存するエンジンの熱は、上で論じたように、エンジンによる使用のための１度加熱された水素を暖めるために第２の水素ヒーター２０７によって使用される熱である。第２の水素ヒーター２０７は、２度冷却されたオイルを、２度冷却されたオイルの通路１４３を通過させ、そして、エンジン２０１へと戻す。
【００４３】
第２及び第３のネットワークの冷却流体の通路とは異なり、主要なネットワークは、全ての要素が直列になった単純な冷却ループではない。その代わり、主要なネットワークは、部分的に重なる一連の冷却ループである。その結果、冷却流体が２以上の熱的に異なった源から受け取られる場所が存在する。システムは、異なる源から組み合わされる冷却剤流が同じ温度近くになるように、典型的に設計される。
【００４４】
主要な冷却ネットワークの記述を単純化するために、３つの分離した冷却ループの複合物として記述されるであろう。その３つの冷却ループは、別のループと混合され、そして、また分離されたときであったとしても、同じループに実際の流体が残っているかのように、以下に論じられるが、これはそのようなケースではないことは理解されるべきである。
【００４５】
第１の主要なネットワークの冷却ループは、エンジン−熱の冷却ループである。エンジン−熱の冷却ループにおいて、エンジン−冷却剤の熱交換器２０８は、主要なネットワーク冷却剤を加熱して、後述するように、別の冷却ループと部分的に重なって、後部のラムエア熱交換器２１０に及ぶ高温エンジン−熱冷却剤の通路１５１へとそれを通過させる。後部のラムエア熱交換器２１０は、エンジン−冷却剤の熱交換器２０８から高温のエンジン−熱冷却剤を冷却し、そして、以下に記述するように、他の冷却ループと一部重なり合う、冷却されたエンジン−熱冷却剤の通路１５２へと、それを渡す。冷却されたエンジン−熱冷却剤の通路１５２は、エンジン−冷却剤の熱交換器２０８へと冷却されたエンジン−熱冷却剤を供給し、後部のラムエア熱交換器２１０からエンジン−冷却剤の熱交換器２０８へと延びる。
【００４６】
第２の主要なネットワーク冷却ループは、圧縮器−冷却器の冷却ループである。技術的に、圧縮器−冷却器の冷却ループは、中間冷却器２０３及び後部冷却器２０５を除いて完全に重なり合う２つの別々の冷却ループである。しかしながら、２つの別々の冷却器が並行に冷却される単一のループとして、それらは論じられるであろう。
【００４７】
圧縮器−冷却器の冷却ループでは、中間冷却器２０３は高温中間冷却器の冷却剤を高温中間冷却器の冷却剤の通路１６１に通す、そして、後部冷却器２０５は高温後部冷却器の冷却剤を高温後部冷却器の冷却剤の通路１６２に通す。高温中間冷却器の通路１６１及び高温後部冷却器の通路１６２は、結合し、それぞれの中身を混ぜ、高温圧縮器−冷却器の通路１６３を形成する。そして、高温圧縮器−冷却器の通路１６３は、高温エンジン−熱冷却剤の通路１５１と結合し混ざり（上記のように）、後部ラムエア熱交換器２１０へと導く後部ラムエア熱交換器の入力通路１６４に重なり合って、それを形成する。
【００４８】
後部ラムエア熱交換器２１０は、中間冷却器２０３及び後部冷却器２０５からの高温圧縮器−冷却器の冷却剤を冷却し、後述するように、冷却されたエンジン−熱の冷却剤の通路１５２に最初重なりあい、そして、前面のラムエア熱交換器２１１に導くように部分的に複数の冷却ループの組合せと重なり合う、１度冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤の通路１６５に、１度冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤を通過させる。前面のラムエア熱交換器２１１は、後部ラムエア熱交換器２１０を冷却する空気よりも冷たい空気によって、冷却される。後部ラムエア熱交換器２１０の冷却効果に加えて、正面のラムエア熱交換器２１１は、雰囲気温度に比較的近いが、上述する温度に１度冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤を冷却し、そして、以下に記述するように、別の冷却ループと最初重なり合う、２度冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤の通路１６６へと、２度冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤を通過させる。
【００４９】
２度冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤の通路１６６は、雰囲気温度よりも十分低い温度に、２度冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤を冷却するように、蒸発気化した水素の非常に低い温度を使用する第１の水素ヒータ２０６へと導く。冷却剤は、通常のラムエア・ラジエーター冷却で成し遂げ得るよりも低温になるであろう。
【００５０】
第１の水素ヒーター２０６は、それぞれ、中間冷却器２０３及び後部冷却器２０５に導く中間冷却器の入力ライン１６８及び後部冷却器の入力ライン１６９へと分岐する、超冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤の通路１６７に超冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤を通過させる。このようにして、中間冷却器と後部冷却器はこのループで平行である、そして、両方とも室温の下でよい超冷却した冷却剤を受ける。
【００５１】
第３の主要なネットワークの冷却ループは、追加の熱源の冷却ループである。前面のラムエア熱交換器２１１からの低温冷却剤は、発電機２１２へと導く発電機入口の通路１７２を形成するように、（制御システム５５によって制御されるポンプを含む又は含まないかもしれない）第３のループ・マニホールド１８３で分岐するもので、２度冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤の通路１６６と共有される、前面のラムエア熱交換器出口の通路１７１を通過する。発電機２１２は、前面のラムエア熱交換器２１１からの低温冷却剤によって冷却されて、そして、冷却を必要とする航空機ペイロード装置２１３へ、１度加熱された追加の源の通路１７３を介して、１度加熱された追加の源の冷却流体を通過させる
【００５２】
航空機ペイロード装置２１３は、１度加熱された追加の源の冷却流体によって冷却され、そして、完全な重なり合い通路部分１７５を形成する冷却されたエンジン−熱の冷却剤の通路１５２及び１度冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤の通路１６５に結合する２度加熱された追加の源の通路１７４を通る過去に２度加熱された追加の源の冷却流体によって冷却される。マニホールドを形成する（そして、制御システム５５で制御可能である又はないかもしれない）ポンプ１８１を使って、冷却されたエンジン−熱の冷却剤の通路１５２は、分岐し、２度加熱された追加の源の通路１７４は、１度冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤の通路１６５だけと重なり合いつつ、前面のラムエア熱交換器２１１へと通路部分１７６を通って続く。
【００５３】
完全な重なり合い通路部分１７５が、各主要なネットワークの冷却ループの通る主要な冷却ネットワークの唯一の部分である点に留意されるかもしれない。従って、１台のポンプ１８１だけが、主要な冷却ネットワークにより冷却剤を循環させるのに用いられるならば、そのポンプにとって良い位置はここである。然しながら、一部又は全てが制御システム５５によって典型的に制御可能であるような、追加のポンプの設置は、パワープラントの効率性が最大化できるように全ての３つのネットワークを通して熱流れを調整する制御システムを提供するであろう。明示的にここに特定されるマニホールドに加えて、２以上の冷却剤の通路が結合又は分岐するような各位置にマニホールド１８２（ポンプ圧送されるか否かにかかわらず）が存在すること、そして、ポンプ（制御の有無によらず）がマニホールドを持っていない通路に沿って位置するかもしれないことに留意されるかもしれない。
【００５４】
より一般でない状況においては、中間冷却器２０３及び後部冷却器２０５によって要求される冷却剤の流れ速度は、比較的低い。そのような場合、第１の水素ヒーター２０６を通る水素の流れは、中間冷却器及び後部冷却器から第１の水素ヒーターへと熱を通過させる遅い流れの冷却剤を凍らせることができるかもしれない。このような状況においてこの冷却剤が凍るのを防ぐために、空気圧縮システムは、典型的に、後部冷却器２０５及びエンジン２０１の中間にある、ブローオフバルブ３０５を備える（図１及び図２参照）。ブローオフバルブが開けられると、かなりの圧力低下をもたらし、その補償として、圧縮器は追加の圧縮を提供しなければならない。追加の圧縮は、追加の熱を引き起こし、それによって、中間冷却器及び後部冷却器が冷却剤の流れを増加させることを引き起こし、それによって冷却剤が第１の水素ヒーター内で凍ることを防止する。ブローオフバルブは、２度冷却された空気の通路１０５に沿って存在する。
【００５５】
［代替の実施例］
【００５６】
本発明の第２の実施例において、２段階の空気圧縮システムは、第１の実施例のブローオフバルブ３０５を１以上のウエストゲート及び／又はバイパス弁と交換してもよい。より詳しくは、図３を参照すると、本発明の第２の実施例は、ブローオフバルブ以外は第１の実施例の要素の全てを備えている。それは、第２のターボチャージャーの圧縮器２０４からアフタバーナ７７の上流側にあるエンジン排気へ空気を流すように構成されたエンジン・バイパス・ポート８１を更に備える。それはまた、アフタバーナ７７の上流側から、アフタバーナ及び第２のターボチャージャーのタービン７１を迂回して、第１のターボチャージャーのタービン７３へとエンジン排気を流すように構成された高圧ウエストゲート８３を有する。最後に、それは、第１のターボチャージャーのタービン７３をバイパスして、大気に空気を流すように構成されたウエストゲート８５を追加的に有する。
【００５７】
本発明の第３の実施例において、２段階の空気圧縮システムは、高圧ウエストゲート８３が、第１のターボチャージャーのタービン７３に空気を通過させるよりはむしろ大気８７に空気を流すように構成されている点を除いて、本発明の第２の実施例と同一である。第２及び第３の実施例のバリエーションのいくつかは、上で論じたブローオフバルブ３０５、エンジン・バイパス・ポート８１、及び種々のウエストゲートの他の組み合わせを備えてよい。上述されたブローオフバルブ３０５が比較的低温の空気用に構成されているので、それは、信頼できる軽量装置として構成されることができる。第２及び第３の実施例は、それらのバリエーションと共に、かなり高温の空気の温度で作用しなければならず、信頼性の高いサービスを提供するためにより重い装置が一般に必要とされるであろう、圧力逃がし装置を有する。
【００５８】
本発明の第４の実施例において、第２の水素ヒーターは、主要な冷却ネットワークに統合され、そして、第３の冷却ネットワークは、主要な冷却ネットワーク及び第２の冷却ネットワークから熱的に隔離される。より詳しくは、図４を参照すると、第２の水素ヒーター２０７は、後部ラムエア熱交換器の入力の通路１６４に統合され、そして、それによって、中間冷却器２０３、後部冷却器２０５、及びエンジン冷却液熱交換器２０８からの冷却剤を冷却する第１の水素ヒーター２０６によって１度冷却された水素を使用するように適合される。更に、冷却剤−オイルの熱交換器２０９は、除かれた。また、中間冷却器２０３及び後部冷却器２０５が冷却剤の遅い流れを必要とするだけであるとき、バイパス１９１は、第１の水素ヒーター２０６で十分な水素の加熱を許すことを提供してきた。
【００５９】
図５を参照すると、本発明の第５の実施例において、低温センサのような非常に冷却されたペイロード装置２１４は、周囲温度より低い冷却流体を用いる冷却を必要とする。超冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤の通路１６７は、その装置を冷却するように構成される統合熱交換器を含む、非常に冷却されたペイロード装置２１４を通って、高温圧縮器−冷却器の通路１６３のような、温度が適切な通路のある位置に存在する通路の中に戻るように、超冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤を通過させる、分離した冷却剤ループのための分離点となる。この実施例のバリエーションにおいて、分離した冷却剤ループは、超冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤が非常に冷却されたペイロード装置２１４を通過するようにし、そして、１度加熱された追加の源の通路１７３のような、冷却器位置に存在する通路の中に戻す（図６参照）。
【００６０】
［本実施例のいくつかの面］
【００６１】
図１−６を参照すると、第１の水素ヒーターは、雰囲気温度よりかなり下の準雰囲気温度に２度冷却された圧縮器−冷却器の冷却剤を冷却するために、蒸発気化された水素の非常に低い温度を使用するように適合されている。実質的に準雰囲気温度である超冷却した冷却剤は、中間冷却器２０３及び後部冷却器２０５の間で分岐し、そして、圧縮ガスに著しい圧力低下を引き起こすことなく、第１のターボチャージャーの圧縮器２０２及び第２のターボチャージャーの圧縮器２０４によって圧縮される空気をかなり冷却するようにそれらを提供する。
【００６２】
第１の水素ヒーター２０６の上流側にある、前面のラムエア熱交換器２１１は、雰囲気温度に近いが、それより上である温度に冷却剤を冷却するように構成され、これによって、雰囲気温度よりもかなり低く冷却剤温度を低下させることにおいて第１の水素ヒーター２０６を補助する状態を提供する。
【００６３】
かなりの冷却必要性を有する、非常に冷却されたペイロード装置２１４を含む航空機の場合には、航空機は、非常に冷却されたペイロード装置を冷却するために実質的に準雰囲気温度で第１の水素ヒーター２０６から超冷却された冷却剤をまた使用するように構成される非常に冷却されたペイロード熱交換機で構成される。非常に冷却されたペイロード熱交換機は、中間冷却器２０３及び後部冷却器２０５から典型的に分離され、上で論じたように、非常に冷却されたペイロード装置と一体であってよい。或いは、それは、それ自身の冷却ループを備える、（非常に冷却されたペイロード装置から）完全に分離した熱交換器であってよい。
【００６４】
本発明の別の面において、パワープラント冷却システムは、前面のラムエア熱交換器２１１と、及び、ラムエア通路に沿って前面のラムエア熱交換器の下流側にある後部のラムエア熱交換器２１０とを使用する。前面のラムエア熱交換器は、前面のラムエア熱交換器が後部のラムエア熱交換器から受け取る冷却剤を更に冷却するように構成されるように、熱交換器の冷却剤の通路に沿って、後部のラムエア熱交換器の下流側にある。
【００６５】
冷却剤の通路に沿って、後部のラムエア熱交換器から下流の、そして、前面のラムエア熱交換器から上流の冷却剤マニホールド１８１は、第１の流れ及び第２の流れの中に後部のラムエア熱交換器から受け取る冷却剤を分離する。第１の流れは、前面のラムエア熱交換器へと向けられ、そして、ついに、中間冷却器２０３のような熱負荷に向かい、後部のラムエア熱交換器に戻る前に、このように前面のラムエア熱交換器２１１及び後部のラムエア熱交換器２１０の両方を含む冷却剤ループを形成する。
【００６６】
第２の流れは、最初に前面のラムエア熱交換器を通過することなく、エンジン−冷却剤の熱交換器２０８（もう１つの熱負荷）に向けられる。エンジン−冷却剤の熱交換器２０８から、冷却剤は、後部のラムエア熱交換器２１０に戻り、そのようにして、前面のラムエア熱交換器２１１を除外するループを形成する。エンジン−冷却剤の熱交換器２０８は、異なる冷却剤を用いるエンジン２０１を冷却するように作用する。
【００６７】
第３のループ・マニホールド１８３もまた、前面のラムエア熱交換器２１１から第１の流れ及び第２の流れの中へと受け取られる冷却剤を分割する。第１の流れは、第１の水素ヒーター２０６に向けられ、そして、結局、後部のラムエア熱交換器２１０に戻る前に、中間冷却器２０３のような熱負荷に向けられ、そして、冷却剤マニホールド１８１の第１の流れに関して上で論じた冷却剤ループの一部となる。そのループは、前面のラムエア熱交換器２１１及び後部のラムエア熱交換器２１０の両方を含む。
【００６８】
第３のループ・マニホールドからの第２の流れは、発電機２１２（もう１つの熱負荷）に向けられ、そして、冷却剤は、後部のラムエア熱交換器２１０を通過することなく前面のラムエア熱交換器２１１に戻り、このようにして、後部のラムエア熱交換器２１０を除外するループをつくる。
【００６９】
本発明の更にもう１つの面において、第１の水素ヒーター２０６は、中間冷却器２０３及び後部冷却器２０５を含む、圧縮器−冷却器の冷却ループからの熱を用い、燃料源３０２からの水素燃料を加熱する。第２の水素ヒーター２０７は、何れもエンジン２０１を（少なくとも間接的にエンジン−冷却剤の熱交換器２０８を介して）含む、エンジン−オイルの冷却ループからの、又は代替の実施例において、エンジン冷却ループからの、熱を使って第１の水素ヒーター２０６からの水素燃料を加熱する。この２つのループは、中間冷却器２０３及び後部冷却器２０５がエンジン又はエンジン−オイルの冷却剤ループに載っておらず、エンジン又はエンジン−オイルの何れも圧縮器−冷却器の冷却ループに載っていないため、部分的な熱的な独立性を有する。
【００７０】
制御システム５５は、種々の冷却ループの作動を制御するように構成され、そして、燃料注入器によって使用できるレベルに燃料の温度を調整するようにエンジンによって受け取られる燃料の温度に基づいてそのようにする。このようにして、冷却剤で水素を十分に暖めるために中間冷却器及び後部冷却器によって発生する十分な熱がないパワープラントの数回の作動において状況が生じるならば、エンジン又はエンジン−オイル冷却ループは、更に燃料を熱するために用いられてよい。
【００７１】
［燃料電池パワープラント］
【００７２】
上述された実施例は、全て、内燃エンジンに基づくものである。本発明の複数の面はまた、燃料電池システムにも適用でき、そして、圧縮された酸化剤を冷却する低温の水素の蒸発気化ガス缶からの類似する利益は、実現されるかもしれない。
【００７３】
燃料電池の場合、燃料電池の性能は、内燃エンジンと同様に、特定の密度よりもむしろ燃料電池の入口で特定の空気圧を必要とする点に留意すべきである。燃料電池システムは、燃料電池に入ってくる空気の温度を低下させるよりむしろ、高圧圧縮機に入ってくる空気の温度を低下させることに、より多くの強調が置かれるであろう。このように、１つの予期される燃料電池の実施例は、中間冷却器を備えるが、後部冷却器を備えない２つの直列の圧縮器を含むであろう。中間冷却器は、雰囲気温度より低温に燃料ヒーターにおいて冷却される冷却剤によって冷却される。
【００７４】
本発明は、パワープラント自体の装置及び方法だけでなく、パワープラントを設計する、及び、パワープラントを生産する装置及び方法を含むことが理解されるべきである。更に、本発明の種々な実施例は、上述の特徴の種々の組合せを組み込む。更に、請求項は、記述された実施例よりも範囲が広いと考慮される。
【００７５】
本発明の特定の形態を説明し、記載したが、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り、種々の変更が可能であることは明らかであろう。したがって、本発明を、好ましい実施例に関してのみで詳細に記載したが、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り、種々の変更が可能であることを当業者は理解するであろう。したがって、本発明は、上記の説明に限定されるものではなく、以下の請求項を参考にして規定されるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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