JP2013513518A - ウルトラ・キャパシタレイを用いた電気アキュムレータ - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの航空機デバイスを選択的に作動させるための電気アキュムレータが開示される。前記電気アキュムレータは電気的エネルギーを蓄えるためのウルトラ・キャパシタアレイを含み、それは後で航空機デバイスに動力を供給するために用いられる。前記蓄えられた電気的エネルギーはまた緊急用バックアップエネルギー源として用いられる。前記電気的エネルギーの配分は電力配分コントローラによって制御される。前記電気アキュムレータは、航空機上の電力源によって充電されても構わないし、または、外部電力源によってプリチャージされても構わない。

Description

この発明は、航空機デバイス（aircraft devices）の作動、そして、特に、航空機デバイスに電力を提供するためのウルトラ・キャパシタ（ultra-capacitors）を用いた電気アキュムレータ（electrical accumulator）に関する。

ブレーキ、ステアリングシステムおよび着陸装置アクチュエータを含む多くの航空機デバイスは、例えば、典型的な飛行中には限られた作動を有するが、動作時には高い電力消費を有する。これらのデバイスによって消費される飛行中の総エネルギーは比較的低いが、電力需要は高い。

油圧システムは、しばしば、そのような瞬間負荷（momentary-load）航空機デバイスを作動するために用いられる。油圧システムは、航空機全体の大量の電力を、油圧力を機械的な力に簡単に変換することができる複数の単純なデバイスに分配することができる。同様のパワーおよび力出力を持つ同等の既知の電気デバイスは、一般的に、より重く、より複雑で、そして、必要な力を発生するためにしばしばギアシステムを必要とする。

瞬間的負荷航空機デバイスを作動するために、油圧システムの代わりに電気システムを用いることができるであろう。電気システムは、同等の油圧システムに比べて、より小さく、そして、より軽いであろう。しかし、このような電気システムは、比較的高い電圧で動作しなければならないであろう。これは、ショックハザード（shock hazards）やアーク放電のリスク増大などの他の問題を導く。

アップロック（uplocks）およびアクチュエータを含む着陸装置デバイス（landing gear devices）は、間欠ベース（intermittent basis）で必要とされるハイパワーデバイスのカテゴリに分類されるが、航空機の飛行（すなわち、それらは瞬間負荷装置である）で平均したときに低エネルギー消費を有する。安全性およびパフォーマンスの問題により、着陸装置は、短期間で後退（retract）および延長（extend）しなければならない。

油圧アキュムレータはまた、非常用電源を提供し、ピークシステム負荷を低減し、そして、システム内の他のコンポーネントとの直接的な相互作用から油圧装置を分離するために、航空機で用いられている。これらのアキュムレータは、ライン損失を最小限にし、負荷要求に対する迅速な応答を提供し、そして、アキュムレータとデバイスとの間のライン破裂の確率を小さくするために、作業デバイスの近くに配置されている。油圧アキュムレータは、デバイス内のエネルギー貯蔵メカニズムとしてしばしば用いられるガスチャージ（gas charge）を主因として、保守が激しい（maintenance intensive）である。

バッテリは、しばしば、航空機にエネルギーを蓄積するために用いられる。しかし、バッテリは、危険な化学物質を含むこともあり、そして、温度変化によって破壊することもある。航空機にエネルギーを蓄えるために用いられるバッテリの重量は法外に重いこともある。

本内容は、上記問題の少なくとも一つを扱う。

本事項は、航空機デバイスを選択的に作動させるための電気アキュムレータであって、電気的エネルギーを蓄えるためのウルトラ・キャパシタ、前記ウルトラ・キャパシタを電力源に結合するように構成された入力コネクタ、前記ウルトラ・キャパシタを前記航空機デバイスに結合するように構成された出力コネクタ、および電気的エネルギーを前記入力接続を介して前記ウルトラ・キャパシタに流すことを可能とするための、前記ウルトラ・キャパシタに動作可能に（operatively）接続された電力分配コントローラを具備してなる電気アキュムレータを提供する。

一実施形態において、前記電気アキュムレータは、電気的エネルギーを蓄えるための少なくとも１つの追加のウルトラ・キャパシタを含み、前記少なくとも１つの追加の電気アキュムレータは、前記電気アキュムレータの前記電圧を高めるために、前記ウルトラ・キャパシタと伴に直列に配置される。

別の実施形態において、前記電気アキュムレータは、電気的エネルギーを蓄えるための少なくとも１つの追加のウルトラ・キャパシタを含み、前記少なくとも１つの追加の電気アキュムレータは、前記電気アキュムレータの前記電力出力を増すために、前記ウルトラ・キャパシタと伴に並列に配置される。

航空機デバイスに電力を供給する方法であって、ここにて規定される電気アキュムレータは前記電気アキュムレータを電力源に選択的に接続することを提供すること、前記電気アキュムレータの前記ウルトラ・キャパシタ内に蓄えるために、前記電力源から前記電気アキュムレータに電力を向けること、前記電気アキュムレータを航空機デバイスに選択的に動作可能に結合すること、および前記航空機デバイスに電気的エネルギーを提供するために、前記電気アキュムレータから前記航空機デバイスに電力を向けることを具備してなる方法もまた提供される。

発明の詳細な説明は添付の図を参照して以下に提示され、ここにおいて、

図１は、開放位置で示される充電制御リレーを伴う本明細書に記載の電気アキュムレータの一実施形態のブロック図を示す。 図２は、閉鎖位置で示される充電制御リレーを伴う電気アキュムレータの一実施形態を示す。 図３は、直列および並列配列されたウルトラ・キャパシタを伴う電気アキュムレータの別の実施形態を示す。 図４は、二つの航空機デバイスに動作可能のように接続された電気アキュムレータのさらなる実施形態を示す。 図５は、航空機デバイスに電気的エネルギーを提供することの方法を示すフローチャートである。 図６は、アクティブ電流制限回路を伴う電気アキュムレータの別の実施形態を示す。 図７は、分離された航空機デバイスに接続された電気アキュムレータの別の実施形態を示す。

本明細書には、航空機に緊急バックアップ電力を提供することができ、そして、航空機電気システムの電気需要を減らすために電気負荷レベリング（electrical load levelling）を提供することができる、航空機電気アキュムレータ（aircraft electric accumulator）が記載される。

電気アキュムレータは、航空機の主動力源から分離し得る電力の独立源（separate source）を提供する。したがって、航空機の主電源からの電力の損失は、航空機の電気アキュムレータの電力を危うくしないであろう。

電気アキュムレータは、電力源から電力を受け、その電力を蓄え、そして、その後、必要なときに航空機デバイスに電力を分配するように動作可能である。航空機デバイスは、例えば、電気アキュムレータに蓄えられたエネルギーによってもっぱら電力が完全に供給されることがある。電力源は、航空機上に配置することができ、または、航空機が離陸する前に、航空機の電気アキュムレータを充電するために、航空機の外部の地上に置くことができる。

電気アキュムレータは、航空機デバイスによって後で使用するための電気的エネルギーを蓄えるための手段を含む。電気アキュムレータはまた、蓄えるための電気的エネルギーを提供し、そして、航空機デバイスに電気的エネルギーを分配するための手段を含む。電気アキュムレータはまた、航空機デバイスへの蓄えられた電気的エネルギーの分布を制御するための手段を含む。

図１を参照すると、航空機デバイス（aircraft device）１０２を選択的に動作させるための電気アキュムレータ１０６が開示されている。言い換えれば、航空機デバイス１０２は、電気アキュムレータ１０６によって、間欠的に、または、必要なときに、動作することができる。例示的な実施形態では、航空機デバイス１０２は、電気的エネルギーによって、少なくとも部分的に動作可能である、電気的または電気機械式の負荷デバイスである。例えば、航空機デバイス１０２は、着陸装置、アップロック（uplocks）、着陸装置用アクチュエータ、ブレーキシステム、ステアリングシステムなどでも構わない。電気アキュムレータ１０６は、電気回路１５０上に存在する。電気回路１５０は、例えば、航空機回路の一部として存在しても構わない。図１に示すように、航空機デバイス１０２は回路１５０に接続されている。航空機デバイス１０２はまた、回路を介して電気的エネルギーを受け取らなくなる時点で、回路１５０から接続を断たれても構わない。航空機電力源１０４と同様に航空機電力分配コントローラ１２６もまた、回路１５０に接続することができる。当業者に知られている他の電気コンポーネントも回路１５０に接続されても構わない。

ここでは、単一のウルトラ・キャパシタ１１４を参照して本発明を説明するが、好ましい実施形態は、以下に示され、そして、詳細に記載される、ウルトラ・キャパシタ１３３のアレイを用いることが理解される。

図１に示される一実施形態では、入力接続（input connection）１１０は、ウルトラ・キャパシタ１１４を電力源１０４に結合するように構成されている。電力源１０４は、例えば、航空機電力源（aircraft power）１０４を含んでも構わない。入力接続１１０は、充電制御リレー１１０（図に示されるように）を含んでも構わない。航空機電力源１０４は、回路１５０を介して、航空機デバイス１０２、ウルトラ・キャパシタ１１４およびウルトラ・キャパシタ充電回路１１２のそれぞれに接続されても構わない。航空機電力分配コントローラ１２６は、回路１５０を介して、ウルトラ・キャパシタ充電回路１１２へと、そして、充電制御リレー１１０へと接続されても構わなく、以下にさらに説明される。

（図１では破線で示される）電気アキュムレータ１０６は、電気的エネルギーを蓄えるためのウルトラ・キャパシタ１１４（またはウルトラ・キャパシタレイ１３３）を含む。ウルトラ・キャパシタレイ１３３は、個別のウルトラ・キャパシタ１１４を具備する。出力コネクタ１２９は、ウルトラ・キャパシタを航空機デバイス１０２に結合するように構成されている。図に示される実施形態では、出力コネクタ１２９はリレー１２９であり、以下により詳細に説明される。ウルトラ・キャパシタ１１４に蓄えられた電気的エネルギーは、航空機デバイス１０２に電力を供給するために、リレー１２９を介して航空機デバイス１０２へと、回路１５０に沿って後で向けられる（directed）ことができる。

電気アキュムレータ１０６の動作電圧は、ウルトラ・キャパシタレイ１３３を形成するように多数のウルトラ・キャパシタ１１４を直列に接続することによって、増加させることができる。例えば、典型的な航空機の電気システムは、２８Ｖ（ＤＣ）で動作する。商業的に入手可能なウルトラ・キャパシタ１１４は、２から３Ｖ（ＤＣ）のポテンシャルのみが可能なので、航空機の電気システムの動作電圧を達成するために、１２のキャパシタを直列に接続する必要があるかもしれない。しかし、これはウルトラ・キャパシタレイ１３３の抵抗を増加させ、最大電力出力を減らす結果となる可能性がある。追加のエネルギー貯蔵能力と同様に電力出力は、複数のウルトラ・キャパシタ１１４を並列に配置することによって増加させることができる。並列行の数と個々のウルトラ・キャパシタ114のキャパシタンスは、作動されている航空機デバイス１０２の負荷特性に基づいて決定され得る。これらの特性は、例えば、電力要件、動作電圧範囲または使用期間を含み得る。

キャパシタは電荷を蓄えることができる電子デバイスであることが知られている。Ｑクーロン蓄える電荷は、方程式Ｑ＝ＣＶによって、容量Ｃファラッドおよびキャパシタを横切る電圧Ｖボルトに関係する。本明細書内で言及されるスーパーまたはウルトラ・キャパシタ・アレイは、推進力、フライトコントロール、着陸装置およびブレーキシステムのための部品を含むが、それには限定されない、電気機械式および／または少なくとも部分的に電子的な航空機部品を、動作するために十分なエネルギー貯蔵および電力供給の能力を有するキャパシタ・アレイである。

当分野で知られているように、ウルトラ・キャパシタは、異なる材料、幾何学的構造、および多孔質炭素の電気二重層キャパシタなどの製造技術を使用し得る。多孔質炭素の電気二重層キャパシタは、電解質系のイオン（代表的には、アセトニトリル（ＡＮ）およびテトラエチルアンモニウムテトラフルオロホウ酸（tetraethylammonium tetrafluoroborate）（ＴＥＡＴＦＢ））を介して電荷を蓄えるために多孔質炭素構造を形成する活性炭粉末からなる。このタイプのキャパシタは、ヘルムホルツ二重層効果を用いた誘電体バリアとして機能すためには電解質の分子に依存する。これらの分子の絶縁耐力（dielectric strength）は比較的低いので、電圧ポテンシャルは２ボルトと３ボルトとの間に制限される。さらに、液体電解質の使用は、上記の電解質が低温でより粘性になることができ、そして、摂氏−４０度よりも低い温度で凍るので、ウルトラ・キャパシタ１１４の動作範囲を制限することがある。より低い動作温度は、電解質に他の共溶媒（co-solvents）を加えることによって、達成することが可能である。

既存の電気二重層を改良する可能性がある多くの新たな技術がある。例えば、活性炭粉末を蒸着技術を用いて作成された垂直に配列されたカーボンナノチューブで置き換えることができる。この技術は、内部抵抗を大幅に低減し、そして、単位体積当たりの表面積を大幅に増加することができこともあり得り、より高い出力および増大されたエネルギー貯蔵容量の両方をもとらす結果となる。

電気二重層ウルトラ・キャパシタの能力を超え、そして、最終的には、それに取って代わることができるであろう新たなウルトラ・キャパシタ技術もある。例えば、一つの技術は、基板上の平方センチメートル当たりに何十億の“静電キャパシタ（electrostatic capacitors）”を作成するために、アルミニウム基板上でのナノ製造技術および原子層堆積（atomic layer deposition）を用いることを提案する。アルミニウムの陽極酸化（anodizing）は、酸化アルミニウムの表面を伴うナノ細孔（nano - pores）を開け、そして、続いて、単一基板上で広大な配列になるようにナノキャパシタ（nano-capacitors）を作成して接続するために、窒化チタンの薄い層と酸化アルミニウ層が堆積される。酸化アルミニウムの高絶縁耐力は高い動作電圧を可能にし、そして、デバイスが固体であるために、“多孔質炭素の電気二重層キャパシタ”上での動作温度範囲は大幅に広がる。この技術は、本明細書に記載される電気航空機アキュムレータ（electric aircraft accumulator）１０６に容易に利用することができ、そして、航空機胴体（aircraft fuselage）の加圧された領域外、および、宇宙ベース用途（space based applications）内において、機能する。

“航空機電気アキュムレータ（aircraft electric accumulator）”は、上記の任意のキャパシタ技術だけではなく、現在または将来的に開発される同様のキャパシタ技術を利用できることもあり得ることが認められる。

入力コネクタ１１０（例えば、充電制御リレー１１０）は、ウルトラ・キャパシタ１１４が電気的エネルギーを受け取ることができるように、ウルトラ・キャパシタ１１４を電力源に結合するように構成されている。例えば、航空機電力源１０４から充電制御リレー１１０を通り、回路１５０を介して、および、ウルトラ・キャパシタ充電回路１１２を介して、ウルトラ・キャパシタ１１４に電気を流すことができるように、充電制御リレー１１０は閉じても構わない。さらなる例として、回路１５０およびウルトラ・キャパシタ充電回路１１２を介してウルトラ・キャパシタ１１４に電気が流れることを制限するために、充電制御リレー１１０は開いても構わない。言い換えれば、入力コネクタ１１０は、電力源に接続されるように構成され、よって、電力が必要なときにはウルトラ・キャパシタ１１４に電気的エネルギーが流れ込むことができ、および、もはや電力が必要でなくなったときには接続を断たれるように構成されている。

出力コネクタ１２９は、ウルトラ・キャパシタ１１４を航空機デバイス１０２に結合するように構成されている。出力コネクタ１２９は、例えば、リレー１２９でも構わない。例えば、リレー１２９は閉じられても構わなく、よって、ウルトラ・キャパシタ１１４から航空機デバイス１０２に電気が流れることを可能とする。同様に、前記リレーは開かれても構わなく、よって、ウルトラ・キャパシタ１１４から航空機デバイス１０２に電気が流れることを制限する。言い換えれば、出力コネクタ１２９は、航空機デバイスを作動するなどのように電力が必要となるときに、航空機デバイス１０２に接続される（そして、電流が流れることを可能とする）ように、および、もはや電力が必要でないときには接続を断たれるように、構成されている。しかしながら、好ましい実施形態においては、航空機デバイス１０２によって電力が必要とされるとき、および、必要とされないときの両方で、前記出力接続は航空機デバイス１０２に接続されたままである。

図１を参照すると、アキュムレータ入力分離ダイオード（accumulator input isolation diode）１２８は、ウルトラ・キャパシタ１１４から流れる電流および航空機電力源１０４中への電流をブロックするように、ウルトラ・キャパシタ１１４に動作可能に接続されている。電気的エネルギーはまた、航空機電気電源（aircraft electrical supply）１０４から、回路１５０上にも存在するアキュムレータ入力分離ダイオード１２８を介して、回路１５０に沿って流れることができる。アキュムレータ入力分離ダイオード１２８は、例えば、本明細書に記載されるように、回路１５０での使用に適した任意のタイプのダイオードとすることができる。ダイオード１２８の出力側に、回路１５０上に、回路１５０に沿って電気の流れを制御するための充電制御リレー１１０が存在している。アキュムレータ入力分離ダイオード１２８は、充電制御リレー１１０が閉じられたときに、電気アキュムレータ１０６から回路１５０に沿って航空機電力源に向かって電気が逆流することを防ぐ。充電制御リレー１１０が開いているとき、回路１５０に沿って電気が流れることが防止される。図１は充電制御リレー１１０が開かれているとして示し、図２は充電制御リレー１１０が閉じられているとして示している。充電制御リレー１１０は、好ましくは、充電制御ソリッドステートリレーであり、そして、航空機電力分配コントローラ１２６によって制御される。

さらに、航空機電力分配コントローラ１２６は、他の航空機システムおよびメイン航空機コントローラと通信するために、航空機データバス（図示せず）上で情報を受信および送信できる。データバスは、例えば、民間航空機用のデュアルチャネルＡＲＮＩＣ４２９バスでも構わない。代替の実施形態では、航空機電力分配コントローラ１２６は、ディスクリート信号（discreet signals）を介して情報を送信または通信する。ディスクリート信号は、例えば、ハード配線（hard wiring）を用いて、他のコントローラまたはデバイスに送信されても構わない。

図１を参照すると、航空機電力分配コントローラ１２６は、航空機用電力源１０４からウルトラ・キャパシタ充電回路１１２が使用または消費する電力量を調整または制御することができる。したがって、他の航空機システムからの電力需要が高いと、航空機電力分配コントローラ１２６は、ウルトラ・キャパシタ充電回路１１２に流れる電力の量を減らすことができる。さらに、航空機電力分配コントローラ１２６は、電気アキュムレータ１０６が航空機用電力源１０４を決して消費または使用しないように、充電制御リレー１１０を開位置に切り替えることにより、航空機電力源１０４から電気アキュムレータ１０６を完全に分離することができる。

航空機電力分配コントローラ１２６はまた回路１５０上に存在し、そして、充電制御リレー１１０に動作可能に接続されている。言い換えれば、航空機電力分配コントローラ１２６は、充電制御リレー１１０を開いたり閉じたりでき、そして、それにより、回路１５０に沿ってエネルギーの流れおよび分配を制御し、そして特に、電気アキュムレータ１０６の中にへおよび電気アキュムレータ１０６から外へである。

航空機電力分配コントローラ１２６は、例えば、いつ電気アキュムレータ１０６が充電され得るか決定し得る。例えば、航空機上のセンサ（図示せず）は、航空機の電力需要が一般的に低いと検出し得る。そのため、航空機電力分配コントローラ１２６は、次に、例えば、航空機の一般的な電源供給１０４からの過剰な電気的エネルギーを用いて電気アキュムレータ１０６を充電するために適切な時期であることを決定し得る。そうするために、航空機電力分配コントローラ１２６は、動力源（この例では航空機の電力供給である）からウルトラ・キャパシタに電気的エネルギーが流れ込むことを可能にするために、充電制御リレー１１０を閉じる。

航空機電力分配コントローラ１２６は、適切なときに（例えば、ウルトラ・キャパシタ・アレイ１３３が容量を有し、そして、電力源から十分な電気的エネルギーをリダイレクトできるときに）、充電制御リレー１１０を自動的に開いたり閉じたりするために自動化されても構わない。代替的には、充電制御リレー１１０は、ウルトラ・キャパシタ１１４のフル充電レベルを維持するために、閉じたままでも構わない。

電気航空機アキュムレータ１０６はウルトラ・キャパシタ充電回路１１２を含む。ウルトラ・キャパシタ充電回路１１２は、例えば、単一の抵抗器、または、当業者に知られている定電流電力源または他の制御された充電回路からなる、より複雑な配置とすることができる。ウルトラ・キャパシタ充電回路１１２は、回路１５０を介して、航空機電力源１０４に接続されている。

回路１５０は、ワイヤまたは他の適当な導電性材料から製造されても構わない。

ウルトラ・キャパシタ１１４は、電荷の蓄えのために利用できる表面積を増大するために、当業者にはよく知られているであろう泡状炭素構造（carbon foam structure）を用いても構わない。個々のコンデンサは、例えば、エネルギー貯蔵の１１０００ジュールを伴う３０００ファラッドの範囲内のキャパシタンス、０．５５キロの質量を伴う最大出力電力７５９０ワットを有しても構わない。ウルトラ・キャパシタ１１４中に電気的エネルギーが流れ込むと、ウルトラ・キャパシタ１１４は後で使用するために電気的エネルギー（つまり、電荷）を有害作用（detrimental effect）を伴わずに事実上瞬時に蓄える。ウルトラ・キャパシタ１１４は、比較的低電圧（例えば２．５ボルト）で動作するが、以下に記載されるように、電圧を上げるために直列に配列され、そして、電力出力を増すために並列に配列されることができる。

上記のように、電気アキュムレータ１０６は、エネルギー貯蔵容量を増加させ、そして、所望の電気特性を得るために、複数のウルトラ・キャパシタ１１４を具備しても構わない。例えば、図１に示されるように、１２個の直列接続されたウルトラ・キャパシタ１１４のカラムの三並列が、回路１５０上にアレイ状に接続されても構わない。これは、図３に示されるように、３６個のキャパシタ１１４を含む、ウルトラ・キャパシタレイ１３３を形成する。ウルトラ・キャパシタ１１４は、電圧を上げるために直列に配置され、そして、電気アキュムレータ１０６の電力出力能力を増すために、並列に配置されている。

代替の実施形態では、電力源は外部電力源（図示せず）である。ウルトラ・キャパシタ１１４は、外部レセプタクル１２４を介して、電気的エネルギーを受け取り、および、それによって外部レセプタクル１２４を介して充電される。外部レセプタクル１２４は、その中に外部電力源が動作可能に接続できるレシーバである。外部レセプタクル１２４に動作可能に接続されるとき、電気的エネルギーは外部電源からウルトラ・キャパシタ１１４に流れることができる。ウルトラ・キャパシタ１１４は、後で使用または放電するための電気的エネルギーを蓄える。

図１に示されるように、外部レセプタクル１２４を通って入力してくる電力はウルトラ・キャパシタ充電回路１１２によってモニタおよび制御される。

外部電力源は、外部レセプタクル１２４に一時的に動作可能に接続することができる。ウルトラ・キャパシタ１１４は、外部電力源が外部レセプタクル１２４に動作可能に接続されている時間の期間中は電力を受け入れて蓄えるだけであり、そして、電気的エネルギーは外部電力源から外部レセプタクル１２４を通ってウルトラ・キャパシタ１１４に流れている。

別の実施形態では、電気航空機アキュムレータを充電するための電力は、第２の航空機の電力源から来るものでも構わない。

別の実施形態では、電気アキュムレータ１０６内のウルトラ・キャパシタ１１４に電気的エネルギーを供給するために、第２の電源は（例えば、回路１５０を介して）電気アキュムレータ１０６に動作可能に接続される。電力供給源の各々は、（以下に記載されるように）航空機電力分配コントローラ１２６によって独立に動作されても構わなく、そして、したがって、電気アキュムレータ１０６に独立的に電気を提供しても構わない。同様に、回路１５０を介して電気アキュムレータ１０６に接続された追加の電力供給があっても構わないことは認められる。

メンテナンス放電抵抗１１６およびメンテナンス放電スイッチ１１８は回路１５０上に存在し、そして、ウルトラ・キャパシタ１１４から蓄えられた電気的エネルギーを消散して、電気アキュムレータ１０６を放電するために使用され得る。

より詳細には、メンテナンス放電スイッチ１１８は、二つの位置の一つ、“アーム（arm）”または“ディスアーム（disarm）”になることができる。（図１に示されるように）アーム位置のときには、回路１５０はウルトラ・キャパシタ１１４に接続され、それによってウルトラ・キャパシタ１１４に電気が流れることを可能とする。ディスアーム位置（不図示）のときには、ウルトラ・キャパシタ１１４は、回路とウルトラ・キャパシタ１１４との間に電気が流れることができないように、充電回路１５０から完全に接続を断たれる。ディスアーム位置では、メンテナンス放電抵抗１１６はウルトラ・キャパシタ１１４から電気を消散する。これは、例えば、追加の安全を提供し得る。

必要により、外部レセプタクル１２４の出力側の回路１５０内に逆流防止ダイオード１２０を含めることができる。逆流防止ダイオード１２０は、外部レセプタクル１２４を介しての偶然の放電を防止する。さらに、逆流防止ダイオード１２０は、逆極性充電を防止する。

アキュムレータ出力分離ダイオード（accumulator output isolation diode）１０８は、電気アキュムレータ１０６の出力部上に存在する。アキュムレータ出力分離ダイオード１０８は、それによって電気アキュムレータ１０６の出力側からの電気流（electrical flow）が航空機電気系統に逆流することを防止する。

同様に、電気アキュムレータ１０６の出力部上に逆流防止ダイオード１２２が存在する。逆流防止ダイオード１２２は、航空機電気系統からの流れが電気アキュムレータ１０６の出力側に流れることを防止する。

ダイオードの作製および構造は当業者によく知られている。同様に、まもなく開示される本発明のダイオードの機能は、当業者に理解されるであろう。例えば、ダイオードは、効率を改善するために、（整流器など）パワー用途のための一般に入手可能な典型的なｐｎ半導体接合ダイオードや特殊半導体ダイオードであることができるあろう。一つの代替は、同様のサージ処理能力と通常のｐｎ接合ダイオードの低逆リーク電流とを有するが低い順方向電圧降下を持つスーパー・バリア・ダイオードでも構わない。

図３を参照すると、ウルトラ・キャパシタ１１４は、直列並列配列でも構わない。ウルトラ・キャパシタ１１４は、２から３ボルトの電位の能力だけで差し支えない。直列のウルトラ・キャパシタ１１４を有することは、２８ボルトの作動電位（working potential）を達成し得る。

図３は、孤立のウルトラ・キャパシタ・アレイ１３３を示している。ウルトラ・キャパシタ１１４の３個の並列のカラムがあり、各カラムは１２個の直列のウルトラ・キャパシタ１１４を有する。電力出力能力を増すために、追加の並列のウルトラ・キャパシタ１１４のカラムを回路１５０に加えても構わない。カラム内に直列接続されたウルトラ・キャパシタ１１４の数は、使用電位（working voltage potential）を高めるために、増やすことができる。このようなウルトラ・キャパシタレイの性質は、当業者に知られている。

航空機デバイス１０２は、電気デバイスまたは電気機械デバイスでも構わない。例えば、航空機デバイス１０２は、着陸装置の下降と上昇を制御するためのアクチュエータなどの着陸装置デバイス（landing gear device）でも構わなく、航空機デバイス１０２は、上昇位置（ascended position）での着陸装置を安全にするためのアップロックでも構わなく、航空機デバイス１０２は、航空機のステアリングシステムまたはステアリングシステムの電気機械コンポーネントでも構わなく、または、航空機デバイス１０２は、航空機のブレーキシステムまたはブレーキシステムの電気機械コンポーネントでも構わない。航空機デバイス１０２は、当業者にはよく知られている他の電気機械または電動のデバイスであっても構わない。

代替的な実施形態では、図４に示すように、２つの航空機デバイス１０２が回路１５０に動作可能に接続されている。各航空機デバイス１０２は回路１５０上に並列に接続されている。航空機デバイス１０２の各々は回路１５０を介して電気アキュムレータ１０６に動作可能に接続されている。電気アキュムレータ１０６のウルトラ・キャパシタ１１４は、航空機デバイス１０２に動力を供給するために、２つの航空機デバイス１０２の各々に蓄えられた電気的エネルギーを提供する。

追加の航空機デバイス１０２は上述の回路１５０と同様にして単一の電気アキュムレータ１０６に同様に接続され得ることが認められる。

サブシステムコントローラ１３０は、サブシステムコントローラ１３０が２つの航空機デバイス１０２への電力分配を独立して制御するように、２つの航空機デバイス１０２のそれぞれに動作可能に接続されている。

航空機デバイス１０２は、前述したように、リレー１２９によって回路１５０に接続されてもまたは回路１５０から接続が断たれるように構成されても構わなく、それは今度はサブシステムコントローラ１３０によって作動される。このサブシステムコントローラ１３０は、特定の航空機サブシステム（例えば、着陸装置システム）の制御に対して責任がある。このサブシステムコントローラ１３０はまた、航空機データバスに接続されており、そして、他のシステムコントローラおよび航空機中央コントローラと通信できる。したがって、航空機中央コントローラに組み込まれた中央ロジックまたはソフトウェアは、航空機電力分配コントローラ１２６から電気アキュムレータ１０６の充電状態に関するデータを受信することができ、そして、航空機デバイス１０２を作動するために十分な電力が利用できることを示しているサブシステムコントローラ１３０に信号を送ることができる。

航空機電力分配コントローラ１２６は、コンピュータプロセッサ（ＣＰＵ）を含んでいても構わなく、そして、（ＡＲＮＩＣ４２９などの）データバスまたはハード配線を介して、航空機中央コントローラ（コンピュータ）、サブシステムコントローラ１３０など他のサブシステム・コントローラおよびウルトラ・キャパシタ充電制御回路１１２と通信（データの送受信）を行っても構わない。航空機電力分配コントローラ１２６はまた、メモリを含んでも構わない。メモリは、データバスまたはハード配線を介して受信した入力データに基づいて、プロセッサによって実行可能な命令（instructions）でプログラムされても構わない。命令を実行すると、プロセッサ（ＣＰＵ）は、ウルトラ・キャパシタ１１４を充電するために、電気的エネルギーが電気アキュムレータ１０６に流れ込むことが可能になるように、充電制御リレー１１０が動作するように、航空機電力分配コントローラ１２６を制御および指示する。同様に、ウルトラ・キャパシタ１１４への電気の流量（flow rate）を制御するための出力信号をウルトラ・キャパシタ充電制御回路１１２に提供するために、プロセッサによって命令（instructions）が実行されるように、命令（すなわちコンピュータコード）は、メモリに格納されれても構わない。

航空機電力分配コントローラ１２６は、さらに、電気アキュムレータ１０６内の現在の電気的エネルギーを示す電気アキュムレータ充電状態を入力として受け取っても構わない。一実施形態では、航空機電力分配コントローラ１２６内のプロセッサは、充電制御回路１１２から充電池充電状態を受け取り、そして、電気アキュムレータ１０６のウルトラ・キャパシタ１１４により多くの電気的エネルギーを提供するために、充電制御リレー１１０を自動的に（メモリに格納された命令に従って）動作させる。充電制御リレー１１０の動作は、航空機分配コントローラから充電制御リレー１１０に送られた出力信号によって制御されても構わない。例えば、もし電気アキュムレータ充電状態が、ウルトラ・キャパシタ１１４内にさらなる電気的エネルギーの容量があることを示すならば、航空機電力分配コントローラ１２６は、電気的エネルギーが電力源からウルトラ・キャパシタ１１４に流れることを可能にするために充電制御リレーが閉じるように、電気アキュムレータ充電コマンドとも呼ばれる出力信号を充電制御リレーを送っても構わない。さらに、航空機分配コントローラ１２６内のプロセッサ（ＣＰＵ）は、データバス（例えば、ＡＲＮＩＣ４２９など）またはハード配線を介して、１３０または充電池充電状態を示す航空機中央コントローラ（コンピュータ）などの他のサブシステムコントローラに、出力信号を送っても構わない。

ユーザー・インターフェース（例えば、着陸装置の上昇/下降を制御するスイッチ）は、サブシステムコントローラ１３０内のプロセッサ（ＣＰＵ）に接続されても構わない。ユーザーインターフェースは、ユーザーが、プロセッサ上に格納されたある命令を実行するコマンドを入力することを可能とする。そのような命令は、メモリ内に保存またはプログラムされても構わない。受け入れ可能な入力信号が受信されると、例えば、航空機分配コントローラ１２６から受け入れ可能なアキュムレータ充電状態信号が受信されると、航空機デバイス１０２が電気アキュムレータ１０６から電気的エネルギーを受け入れて動作することを可能とするデバイスオン／オフリレー１２９を閉じるために、サブシステムコントローラ１３０内のプロセッサ（ＣＰＵ）によって命令が実行される。例えば、ユーザーインターフェースを介してユーザから要求されたメモリからのある命令をプロセッサが実行するとき、航空機電力分配コントローラ１２６は、着陸装置が降りるように、電気アキュムレータから着陸装置アクチュエータ（航空機デバイス１０２の一例）に電気的エネルギーを向け（direct）得る。

別の実施形態では、アキュムレータ出力分離ダイオード１０８は、電気アキュムレータ１０６出力が航空機電力源システムに直接的に送られることを可能とするために、除去されることができ、よって、全システムのバックアップ電力を供給する。

サブシステムコントローラ１３０は、回路１５０に取り付けられた複数の航空機デバイス１０２の各々を独立に作動しても構わない。言い換えれば、サブシステムコントローラ１３０は、電気的エネルギーが電気アキュムレータ１０６から複数の航空機デバイス１０２のうちの一つに流れ、残りの航空機デバイス１０２には流れないことを可能しても構わなく、逆もまた同様である。

電気アキュムレータ１０６内のウルトラ・キャパシタ１１４によって提供される電力は、航空機の通常の電力供給の電力供給能力よりも上でも構わないことは認められる。これはより小型かつ軽量な航空機発電機（aircraft generators）を許し、それはこれらの発電機のピーク出力電力は電気アキュムレータ１０６を用いて低減できるからである。これはまた前記発電機に電力を供給する航空機のエンジンの負荷を軽減する。電気アキュムレータ１０６は航空機デバイス１０２の近くに配置することができるので、前記発電機と航空機デバイス１０２との間の航空機電気配線は、より低い電流フロー要件によってサイズを小さくできる。正味の結果は、より良い航空機の性能とより低い燃費であり得る。

本明細書に開示された電気アキュムレータ１０６を用いて、航空機運搬システム電圧は、従来の２８ボルトＤＣよりも高くできる。

開示されたような電気アキュムレータ１０６はまた、例えば、非常用電力または電力平滑化に使用することができるであろうことは認められる。

図５は、航空機デバイス１０２に電力を供給するための方法のフローチャートである。ステップ１００２で、電気アキュムレータ１０６が（上述したように）提供される。ステップ１００４で、電気アキュムレータ１０６は電力源に接続または結合される。例えば、充電制御リレー１１０は、電気が回路１５０を介してウルトラ・キャパシタ１１４に流れることを可能にするために閉じられ得る。ステップ１００６で、電力は電力源から電気アキュムレータ１０６に向けられる。ステップ１００８で、電気アキュムレータ１０６は航空機デバイス１０２に接続または結合される。例えば、リレー１２９が閉じられ得る。

航空機デバイス１０２に電気アキュムレータ１０６を接続するステップ１００８は、電力を電力源から電気アキュムレータ１０６に向けるステップ１００６の前に着手することができる。同様に、航空機デバイス１０２に電気アキュムレータ１０６を接続するステップ１００８は、電気アキュムレータ１０６を航空機デバイス１０２に接続するステップ１００４の前に着手することができる。最後に、ステップ１０１０で、電力は、電気アキュムレータ１０６から航空機デバイス１０２に向けられる。

好ましくは、電気アキュムレータ１０６は、非常用電源のバックアップの効率および電気アキュムレータ１０６の負荷平準化能力（load leveling capabilities）を高めるために、航空機デバイス１０２の近くにマウントされる。例えば、もし航空機デバイスが電気ブレーキまたは電動ステアリングシステムであれば、電気アキュムレータ１０６は着陸脚（landing gear leg）または着陸ベイ（landing gear bay）に取り付けることができ得る。

（図６に示される）一実施形態において、アキュムレータ出力分離ダイオード１０８は、アクティブ電流制限回路１３２に置き換えられる。そのような設計では、航空機電力源１０４からの電流の流れは、ウルトラ・キャパシタ１１４によってもたらされる航空機デバイス１０２に必要な電力の余りに伴う設定値に制限される。この変更は、油圧回路（hydraulic circuit）内の限定的な流通装置に類似する。航空機デバイス１０２は、低負荷運転の間中は、その電力のすべてを航空機電力源１０４から引き出す能力があり得るが、高負荷が航空機デバイス１０２によって遭遇されたときには、電力は電気アキュムレータ１０６から優先的に流れる。この構成は、ピーク電力需要時に航空機電力源１０４を過負荷から保護するが、依然として航空機デバイス１０２が断続的に高い電力レベルで動作することを可能とする。

これから説明するさらに別の実施形態は、図７に示される。航空機デバイス１０２は、航空機電力源１０４から如何なる電力も直接的に受けることはできない。これは、航空機デバイス１０２が短い持続バースト（short duration bursts）の間に非常に高い電力レベルで動作するという特性を有するときに、有益であり得る。このような用途においては、航空機電力源１０４は、航空機デバイス１０２を作動したり、または、その作動を支援するために意味のある電力を加えことは、できない可能性がある。このような航空機デバイス１０２は、例えば、ハイパワーリニアモーターやレーザーを含んでも構わない。航空機電力源１０４は、航空機デバイス１０２が動作するために、電気アキュムレータ１０６内に容認可能なレベルのエネルギーが蓄えられるまで、電気アキュムレータ１０６をゆっくりと充電することができる。いったん航空機デバイス１０２が作動され、そして、電気アキュムレータ１０６内のエネルギーが使い果たされると、航空機電力源１０４は、再び、電気アキュムレータ１０６を徐々に充電することができる。

ウルトラ・キャパシタ１１４は、好ましくは、航空機の加圧された領域内などのように、摂氏−４０度から摂氏７０度の温度範囲の領域内で動作する。

一実施形態においては、低温粘度を向上させ、凝固点を下げるために、電解質（electrolyte）に共溶媒（co-solvents）を添加することにより、多孔質炭素の電気二重層キャパシタを用いること。動作温度を下げることによって、動作温度要件が通常摂氏−５４度である航空機の加圧されていない領域内で、キャパシタを使用することが潜在的に可能となる。このような実施形態では、電気アキュムレータ１０６は、着陸装置などのある航空機デバイス１０２の近くに配置することができるあろう。

本発明の特定の実施形態について説明してきたが、本発明の精神を逸脱しない範囲内、または、添付の特許請求の範囲内において、それは変更できることは当業者であれば理解できるであろう。

Claims (20)

1. 航空機デバイスを選択的に作動させるための電気アキュムレータ（electric accumulator）であって、
   電気的エネルギーを蓄えるためのウルトラ・キャパシタ（ultra-capacitor）；
   前記ウルトラ・キャパシタを電力源に結合するように構成された入力コネクタ；
   前記ウルトラ・キャパシタを前記航空機デバイスに結合するように構成された出力コネクタ；および
   電気的エネルギーを前記入力接続を介して前記ウルトラ・キャパシタに流すことを可能とするための、前記ウルトラ・キャパシタに動作可能に接続された電力分配コントローラ（power distribution controller）
   を具備してなる電気アキュムレータ。
2. 請求項１の電気アキュムレータにおいて、電気的エネルギーを蓄えるための少なくとも１つの追加のウルトラ・キャパシタをさらに具備してなり、前記少なくとも１つの追加の電気アキュムレータは、前記電気アキュムレータの前記電圧を高めるために、前記ウルトラ・キャパシタと伴に直列に配置される。
3. 請求項１の電気アキュムレータにおいて、電気的エネルギーを蓄えるための少なくとも１つの追加のウルトラ・キャパシタをさらに具備してなり、前記少なくとも１つの追加の電気アキュムレータは、前記電気アキュムレータの前記電力出力を増すために、前記ウルトラ・キャパシタと伴に並列に配置される。
4. 請求項１の電気アキュムレータにおいて、前記航空機デバイスは、少なくとも部分的に電気的エネルギーによって動作可能な電気的または電気機械的な負荷デバイスである。
5. 請求項１の電気アキュムレータにおいて、前記航空機デバイスは、着陸装置デバイス、アンロック、着陸装置アクチュエータ、ステアリングシステムおよびブレーキシステムからなるグループから選択される。
6. 請求項１の電気アキュムレータは、少なくとも１つの第２の航空機デバイスをさらに具備してなり、前記少なくとも１つの第２の航空機デバイスは前記ウルトラ・キャパシタに接続され、前記航空機デバイスに動力を供給するために、前記ウルトラ・キャパシタは蓄えられた電気的エネルギーを前記少なくとも１つの第２の航空機デバイスに提供すること。
7. 請求項１の電気アキュムレータにおいて、前記電力源は前記航空機の電力供給（the aircraft electrical supply）である。
8. 請求項１の電気アキュムレータにおいて、前記電力源は外部の電力供給である。
9. 請求項１の電気アキュムレータにおいて、前記航空機デバイスは、その必要な電力の全てを前記電気アキュムレータから受け取る。
10. 請求項１の電気アキュムレータは、前記ウルトラ・キャパシタに動作可能に接続されたダイオードをさらに具備してなり、前記ダイオードは前記ウルトラ・キャパシタから前記電力源に電流が流れることをブロックするためのものである。
11. 請求項１の電気アキュムレータは、前記ウルトラ・キャパシタに動作可能に接続された第２のダイオードをさらに具備してなり、前記第２のダイオードは電流が前記出力接続中に流れる込むことをブロックするためのものである。
12. 請求項１０の電気アキュムレータにおいて、前記電力分配コントローラは、電気的エネルギーが前記航空機の電源供給に逆流にすることを選択的に可能にするようにさらに動作可能である。
13. 航空機デバイスに電力を提供する方法であって、
    請求項１にて規定される電気アキュムレータを提供すること；
    前記電気アキュムレータを電力源に結合すること；
    前記電気アキュムレータの前記ウルトラ・キャパシタ内に蓄えるために、前記電力源から前記電気アキュムレータに電力を向けること（directing）；
    前記電気アキュムレータを航空機デバイスに結合すること；および
    前記航空機デバイスに電気的エネルギーを提供するために、前記電気アキュムレータから前記航空機デバイスに電力を向けること
    を具備してなる方法。
14. 請求項１３の方法において、前記電力供給は、前記航空機デバイスの電力供給（the aircraft electrical supply）である。
15. 請求項１３の方法において、前記電力供給は前記航空機の外部にあり、そして、前記電気アキュムレータは、前記航空機が着陸される（grounded）ときに選択的に動作可能に接続される。
16. 請求項１３の方法において、前記航空機デバイスは、少なくとも部分的に電気的エネルギーによって動作可能な電気的または電気機械的な負荷デバイスである。
17. 請求項１３の方法において、前記航空機デバイスは、着陸装置デバイス、アンロック、着陸装置アクチュエータ、ステアリングシステムおよびブレーキシステムからなるグループから選択される。
18. 請求項１３の方法において、前記電力原は、前記航空機デバイスの電力供給（the aircraft electrical supply）である。
19. 請求項１３の方法において、前記電力原は、外部の電力供給である。
20. 請求項１３の方法において、前記航空機デバイスは、その必要な電力の全てを前記電気アキュムレータから受け取る。

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