JP2020511350A - 無人航空車両のための電力システムの冷却 - Google Patents
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Abstract
無人航空車両は、回転するように少なくとも1つのプロペラを駆動するように構成される、少なくとも1つのロータモータと、電力を少なくとも1つのロータモータに提供するように構成される、マイクロハイブリッド発電機システムとを含む。マイクロハイブリッド発電機システムは、電力を少なくとも1つのロータモータに提供するように構成される、再充電可能バッテリと、機械的動力を生成するように構成される、小型エンジンと、小型エンジンに結合され、小型エンジンによって生成される機械的動力から電力を生成するように構成される、発電機モータとを含む。無人航空車両はまた、マイクロハイブリッド発電機システムに結合するように構成される、冷却システムを含む。冷却システムは、1つ以上の板と、1つ以上の板のそれぞれから延在する、複数のフィンとを含む。冷却システムは、マイクロハイブリッド発電機システムから熱を放散するように構成される。
Description
(関連出願)
本願は、2017年3月10日に出願され“COOLING A POWER SYSTEM FOR AN UNMANNED AERIAL VEHICLE”と題された米国仮特許出願第62/469,840号に対する優先権を主張するものであり、該出願は、その全体が参照により本明細書中に援用される。
本願は、2017年3月10日に出願され“COOLING A POWER SYSTEM FOR AN UNMANNED AERIAL VEHICLE”と題された米国仮特許出願第62/469,840号に対する優先権を主張するものであり、該出願は、その全体が参照により本明細書中に援用される。
本説明は、電力システムを冷却することに関する。
マルチロータ無人航空車両(UAV)は、ロータモータと、各ロータモータに結合される、1つ以上のプロペラと、電子速度コントローラと、飛行制御システム(オートパイロット)と、遠隔制御(RC)無線制御装置と、フレームと、1つ以上の電力システムと、リチウムポリマー(LiPo)または類似するタイプの再充電可能バッテリ等のバッテリとを含み得る。マルチロータUAVは、垂直離着陸(VTOL)を実施することができ、単一ロータ航空車両と類似する操縦性を伴う空中制御が可能である。
本明細書に説明されるものは、無人航空車両(UAV)によって採用される熱管理方略である。例えば、UAVは、能動的冷却および受動的冷却のうちの一方または両方をUAVの電力システムの1つ以上の構成要素に提供するように構成される、1つ以上の冷却システムを含んでもよい。冷却システムは、相当な量の熱を生成する傾向がある、マイクロハイブリッド発電機システムの構成要素から熱を放散するように構成されてもよい。
一側面では、無人航空車両は、回転するように少なくとも1つのプロペラを駆動するように構成される、少なくとも1つのロータモータと、電力を少なくとも1つのロータモータに提供するように構成される、マイクロハイブリッド発電機システムとを含む。マイクロハイブリッド発電機システムは、電力を少なくとも1つのロータモータに提供するように構成される、再充電可能バッテリと、機械的動力を生成するように構成される、小型エンジンと、小型エンジンに結合され、小型エンジンによって生成される機械的動力から電力を生成するように構成される、発電機モータとを含む。無人航空車両はまた、マイクロハイブリッド発電機システムに結合するように構成される、冷却システムを含む。冷却システムは、1つ以上の板と、1つ以上の板のそれぞれから延在する、複数のフィンとを含む。冷却システムは、マイクロハイブリッド発電機システムから熱を放散するように構成される。
実装は、以下の特徴のうちの1つ以上のものを含むことができる。
いくつかの実装では、1つ以上の板は、小型エンジンに結合するように構成される。
いくつかの実装では、板のうちの少なくとも1つおよび対応する複数のフィンは、プロペラのうちの1つの実質的に下に位置付けられる。
いくつかの実装では、複数のフィンは、1つ以上の板から垂直方向に延在する。
いくつかの実装では、板は、小型エンジンに物理的に結合される。
いくつかの実装では、板は、発電機モータに結合される。
いくつかの実装では、冷却システムは、インペラを備える。
いくつかの実装では、インペラは、小型エンジンに結合される。
いくつかの実装では、インペラは、ロータモータに結合される。
いくつかの実装では、板は、小型エンジンの1つ以上の排気パイプに結合される。
いくつかの実装では、板は、金属から形成される。
いくつかの実装では、フィンは、フィンの複数の群を備え、フィンの各群は、板のうちの1つの対応する表面から延在する。
いくつかの実装では、フィンは、等しく離間される。
いくつかの実装では、各板の外周に位置するフィンは、板の表面の内部領域内に位置するフィンから離れるように扇形に広げられる。
いくつかの実装では、1つ以上の板は、少なくとも1つのプロペラの下方に位置付けられる。
一般的側面では、方法は、無人航空車両のプロペラの回転を駆動するように構成されるロータモータに電気エネルギーを提供するようにハイブリッドエネルギー生成システムを動作させることであって、ハイブリッド電気エネルギー生成システムのエンジン内で機械的エネルギーを生成することと、ハイブリッドエネルギー生成システムの発電機内で、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することと、発電機によって生産された電気エネルギーの少なくとも一部をハイブリッドエネルギー生成システムの再充電可能バッテリに提供することと、(i)発電機によって生産された電気エネルギーの少なくとも一部をハイブリッドエネルギー生成システムのロータモータに提供することおよび(ii)ハイブリッドエネルギー生成システムの再充電可能バッテリからの電気エネルギーをロータモータに提供することのうちの1つ以上と、を含む、ことと、冷却システムへの熱の放散によってハイブリッドエネルギー生成を冷却することであって、冷却システムは、1つ以上の板と、1つ以上の板のそれぞれから延在する、複数のフィンとを備える、こととを含む。
本明細書に説明される主題の1つ以上の実施形態の詳細が、付随の図面および下記の説明に記載される。主題の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面および請求項から明白となるであろう。
本明細書に説明されるものは、1つ以上の熱管理方略を採用する無人航空車両(UAV)である。例えば、UAVは、能動的冷却および受動的冷却のうちの一方または両方をUAVの電力システムの1つ以上の構成要素に提供するように構成される、1つ以上の冷却システムを含む。冷却システムは、UAVが飛行中である、および/またはUAVが地上に位置する間(例えば、飛行前、飛行後、および/または地上ベースの動作を実施している間等)に動作するように構成されてもよい。
いくつかの実装では、UAVは、マイクロハイブリッド発電機システムによって給電されてもよい。マイクロハイブリッド発電機システムは、小型ポータブルマイクロハイブリッド発電機電源にエネルギー変換効率を提供することができる。マイクロハイブリッド発電機システムは、車両、マイクロハイブリッド発電機駆動装置、および使用される燃料の重量を克服し、UAV用途において拡張された耐久性および有効荷重能力を提供するために使用されることができる。
マイクロハイブリッド発電機システムは、2つの別個の電力システムを含むことができる。マイクロハイブリッド発電機システムの一部として含まれる第1の電力システムは、発電機モータに結合される、小型かつ効率的なガソリン動力エンジンであり得る。第1の電力システムは、マイクロハイブリッド発電機システムの一次電源としての役割を果たすことができる。マイクロハイブリッド発電機システムの一部として含まれる第2の電力システムは、高比エネルギー再充電可能バッテリであり得る。ともに、第1の電力システムおよび第2の電力システムは、組み合わされ、高エネルギー連続電源を形成し、UAVのための高ピーク電力可用性を伴う。いくつかの実施例では、第1の電力システムおよび第2の電力システムのうちの一方は、他方の電力システムが故障を被る場合、マイクロハイブリッド発電機システムのバックアップ電源としての役割を果たすことができる。
図1は、例示的マイクロハイブリッド発電機システム100の図を示す。マイクロハイブリッド発電機システム100は、ガソリン、ガソリンおよび油混合物の混合物、または類似するタイプの燃料または混合物を貯蔵するための燃料源102(例えば、容器)を含む。燃料源102は、燃料を第1の電力システムの小型エンジン104に提供する。小型エンジン104は、燃料源102によって提供される燃料を使用し、機械的エネルギーを生成することができる。いくつかの実施例では、小型エンジン104は、約12インチ×11インチ×6インチの寸法および約3.5ポンドの重量を有し、UAV内への統合を可能にすることができる。いくつかの実施例では、小型エンジン104は、Zenoah(1−9 Minamidai Kawagoe, Saitama 350−2025,Japan)から入手可能なHWC/Zenoah G29 RCE 3D Extremeであってもよい。マイクロハイブリッド発電機システム100はまた、小型エンジン104に結合される発電機モータ106を含む。発電機モータ106は、小型エンジン104によって生成された機械的動力を使用して、AC出力電力を生成するように機能する。いくつかの実施例では、小型エンジン104のシャフトは、小型エンジン104から離れるように熱を放散するファンを含む。いくつかの実施例では、発電機モータ106は、ポリウレタン結合具を通して小型エンジン104に結合される。
いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100は、1.8kWの電力を提供することができる。マイクロハイブリッド発電機システム100は、最大2.25kWを提供し得、約1.5kgの重量である小型エンジン104を含むことができる。いくつかの実施例では、小型エンジン104は、Zenoah(R) G29RC Extremeエンジンであってもよい。マイクロハイブリッド発電機システム100は、Scorpion Precision Industry(R)から入手可能なブラシレスモータ(380Kv、8mmシャフト、部品番号5035−380)である、発電機モータ106を含むことができる。
いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100は、10kWの電力を提供することができる。マイクロハイブリッド発電機システム100は、約11〜12.25kWを提供し、約3.2kgの重量である小型エンジン104を含むことができる。いくつかの実施例では、小型エンジン104は、Desert Aircraft(R) D−150である。マイクロハイブリッド発電機システム100は、Joby Motors(R) JM1モータ等の発電機モータ106を含むことができる。
マイクロハイブリッド発電機システム100は、ブリッジ整流器108と、再充電可能バッテリ110とを含む。ブリッジ整流器108は、発電機モータ106と再充電可能バッテリ110との間に結合され、発電機モータ106のAC出力をDC電力に変換し、再充電可能バッテリ110を充電する、またはDC電力をライン120によって負荷118に提供する、または電力をライン124によってDC/ACインバータ122に提供し、AC電力を負荷126に提供する。再充電可能バッテリ110は、DC電力をライン130によって負荷128に提供する、またはライン134によってDC/ACインバータ132に提供し、AC電力を負荷136に提供してもよい。いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100のブリッジ整流器108および/または再充電可能バッテリ110の出力は、ライン138によって、UAVの一部として1つ以上のロータモータ116内に統合される1つ以上の電子速度制御デバイス(ESC)114に提供される。ESC114は、発電機モータ106によって提供される1つ以上のロータモータにブリッジ整流器108および/または再充電可能バッテリ110によって提供されるDC電力を制御することができる。いくつかの実施例では、ESC114は、SimonKを伴うT−Motor(R) ESC 45A(2−6S)であり得る。いくつかの実施例では、ブリッジ整流器108は、Microsemi Power Products Group(R)から入手可能なモデル番号MSD100−08のダイオードブリッジ800V 100A SM3であり得る。いくつかの実施例では、能動整流が、マイクロハイブリッド発電機システムの効率を改良するために適用されることができる。
いくつかの実施例では、ESC114は、オペレータから受信される入力に応答して、1つ以上のロータモータ116に提供される電力量を制御することができる。例えば、オペレータが、UAVを右に移動させる入力を提供する場合、ESC114は、UAVの右側のロータモータ116により少ない電力を提供し、ロータモータに、UAVの左側のプロペラよりもUAVの右側のプロペラをより遅くスピンさせることができる。電力が種々のレベルにおいて1つ以上のロータモータ116に提供されるため、負荷(例えば、1つ以上のロータモータ116に提供される電力量)は、オペレータから受信される入力に応答して変化することができる。
いくつかの実施例では、再充電可能バッテリ110は、Pulse Ultra Lipo(R)(China)から入手可能であり、3,000mAh、22.2V 65Cを提供する、LiPoバッテリ(Model PLU65−30006)であってもよい。いくつかの実施例では、再充電可能バッテリ110は、リチウム硫黄(LiSu)再充電可能バッテリまたは類似するタイプの再充電可能バッテリであってもよい。
マイクロハイブリッド発電機システム100は、電子制御ユニット(ECU)112を含む。ECU112および本明細書に説明される他の適用可能なシステムは、コンピュータシステム、複数のコンピュータシステム、またはコンピュータシステムまたは複数のコンピュータシステムの一部として実装されることができる。コンピュータシステムは、プロセッサと、メモリと、不揮発性記憶装置と、インターフェースとを含んでもよい。典型的なコンピュータシステムは、通常、少なくともプロセッサ、メモリ、およびメモリをプロセッサに結合するデバイス(例えば、バス)を含むであろう。いくつかの実施例では、プロセッサは、マイクロプロセッサ等の汎用中央処理ユニット(CPU)またはマイクロコントローラ等の専用プロセッサであってもよい。
いくつかの実施例では、メモリは、ダイナミックRAM(DRAM)およびスタティックRAM(SRAM)等のランダムアクセスメモリ(RAM)を含むことができる。メモリは、ローカルである、遠隔である、または分散されることができる。バスはまた、プロセッサを不揮発性記憶装置に結合することができる。不揮発性記憶装置は、多くの場合、磁気フロッピー(登録商標)またはハードディスク、磁気光学ディスク、光学ディスク、CD−ROM、EPROM、またはEEPROM等の読取専用メモリ(ROM)、磁気または光学カード、または大量のデータのための別の形態の記憶装置である。本データの一部は、ダイレクトメモリアクセスプロセスによって、コンピュータシステム上のソフトウェアの実行の間にメモリに書き込まれてもよい。不揮発性記憶装置は、ローカルである、遠隔である、または分散されることができる。不揮発性記憶装置は、システムがメモリ内で利用可能な全ての適用可能なデータを用いて作成され得るため、随意であってもよい。
ソフトウェアは、典型的には、不揮発性記憶装置内に記憶される。いくつかの実施例では(例えば、大きいプログラムに関して)、プログラム全体をメモリ内に記憶することは、実践的ではない場合がある。それにもかかわらず、ソフトウェアが、処理のために適切なコンピュータ可読場所に移動され得、例証の目的のために、その場所は、本明細書ではメモリと称されることを理解されたい。ソフトウェアが実行のためにメモリに移動されているときであっても、プロセッサは、典型的には、ソフトウェアと関連付けられる値を記憶するためのハードウェアレジスタと、いくつかの実施例では、実行を高速化する役割を果たすローカルキャッシュとを利用するであろう。本明細書で使用されるように、ソフトウェアプログラムが、「コンピュータ可読記憶媒体内に実装される」と称されるとき、ソフトウェアプログラムは、適用可能な公知の、または便宜的な場所に(例えば、不揮発性記憶装置からハードウェアレジスタに)記憶されてもよい。プログラムと関連付けられる少なくとも1つの値が、プロセッサによって可読であるレジスタ内に記憶されるとき、プロセッサは、「プログラムを実行するように構成される」と見なされる。
動作のいくつかの実施例では、コンピュータシステムが、ディスクオペレーティングシステム等のファイル管理システムを含む、ソフトウェアプログラム等のオペレーティングシステムソフトウェアによって制御されることができる。関連付けられるファイル管理システムソフトウェアを伴うオペレーティングシステムソフトウェアの一実施例は、Microsoft Corporation(Redmond, Washington)からのWindows(登録商標)として公知の一連のオペレーティングシステムおよびそれらの関連付けられるファイル管理システムである。その関連付けられるファイル管理システムソフトウェアを伴うオペレーティングシステムソフトウェアの別の実施例は、Linux(登録商標)オペレーティングシステムおよびその関連付けられるファイル管理システムである。ファイル管理システムは、典型的には、不揮発性記憶装置内に記憶され、プロセッサに、オペレーティングシステムによって要求される種々の行為を実行させ、データを入出力し、不揮発性記憶装置上にファイルを記憶することを含め、データをメモリ内に記憶する。
バスはまた、プロセッサをインターフェースに結合することができる。インターフェースは、1つ以上の入力および/または出力(I/O)デバイスを含むことができる。いくつかの実施例では、I/Oデバイスは、キーボード、マウスまたは他のポインティングデバイス、ディスクドライブ、プリンタ、走査装置、およびディスプレイデバイスを含む他のI/Oデバイスを含むことができる。いくつかの実施例では、ディスプレイデバイスは、ブラウン管(CRT)、液晶ディスプレイ(LCD)、またはいくつかの他の適用可能な公知の、または便宜的なディスプレイデバイスを含むことができる。インターフェースは、モデムまたはネットワークインターフェースのうちの1つ以上のものを含むことができる。モデムまたはネットワークインターフェースは、コンピュータシステムの一部であると見なされ得ることを理解されたい。インターフェースは、アナログモデム、isdnモデム、ケーブルモデム、トークンリングインターフェース、イーサネット(登録商標)インターフェース、衛星伝送インターフェース(例えば、「ダイレクトPC」)、またはコンピュータシステムを他のコンピュータシステムに結合するための他のインターフェースのうちの1つ以上のものを含むことができる。インターフェースは、コンピュータシステムおよび他のデバイスが、ネットワーク内でともに結合されることを可能にする。
コンピュータシステムが、モジュールとして、モジュールの一部として、または複数のモジュールを通して実装されることができる。本明細書で使用されるように、モジュールは、1つ以上のプロセッサまたはその一部を含むことができる。1つ以上のプロセッサの一部は、レジスタのサブセット、マルチスレッドプロセッサの1つ以上のスレッドの専用であるプロセッサの一部、その間にプロセッサがモジュールの機能性の一部を実行することに完全に、または部分的に専用であるタイムスライス、または同等物等の任意の所与の1つ以上のプロセッサを備えるハードウェアの全てよりも少ないハードウェアの一部を含むことができる。したがって、第1のモジュールおよび第2のモジュールが、1つ以上の専用プロセッサを有することができる、または第1のモジュールおよび第2のモジュールが、相互に、または他のモジュールと1つ以上のプロセッサを共有することができる。実装特有または他の考慮事項に応じて、いくつかの実施例では、モジュールは、集中される、またはその機能性は、分散されることができる。モジュールは、ハードウェア、ファームウェア、またはプロセッサによる実行のためにコンピュータ可読媒体内で具現化されるソフトウェアを含むことができる。プロセッサは、本明細書に含まれる図を参照して説明されるもの等の実装されるデータ構造および方法を使用して、データを新しいデータに変換することができる。
ECU112は、ブリッジ整流器108および再充電可能バッテリ110に結合される。ECU112は、小型エンジン104の1分あたり回転数(RPM)に正比例する、発電機モータ106の出力のAC電圧を測定するように構成されることができ、これをブリッジ整流器108のDC電力出力と比較する。ECU112は、小型エンジン104のスロットルを制御し、負荷(例えば、1つ以上の電気モータ116の負荷または負荷118、126、128、および136のうちの1つ以上のもの)が変化するにつれて、ブリッジ整流器108のDC電力出力を増加または減少させることができる。いくつかの実施例では、ECU112は、Chinaから入手可能なArduino(R) MEGA 2560 Board R3であり得る。種々の実施形態では、1つ以上の電気モータ116の負荷は、ESC114が電気モータ116に提供される電力量を変化させるにつれて変化することができる。例えば、ユーザが、電気モータ116に提供される電力を増加させるように入力し、続けて、ESC114に、より多くの電力を電気モータ116に提供させる場合、ECU112は、小型エンジン104のスロットルを増加させ、より多くの電力の生産物を電気モータ116に提供させることができる。
ECU112は、感知されたアナログ電圧を読み取り、感知されたアナログ電圧をADCカウントに変換し、カウントを所望の電圧に対応するものと比較し、結果が不感帯外である場合、プログラムされた利得に従って小型エンジン104のスロットルを増加または減少させることによって、負荷の電圧出力を維持するように機能することができる。
いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100は、約1,800ワットの連続電力、10,000ワットの瞬間電力(例えば、16,000mAhパルスバッテリで6S)を提供することができ、1,500Wh/kgのガソリン変換率を有する。いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100は、約12インチ×12インチ×12インチの寸法および約8ポンドの重量を有する。
図2は、マイクロハイブリッド発電機システム100の側面斜視図を示す。図3Aは、マイクロハイブリッド発電機100の側面図を示す。図3Bは、マイクロハイブリッド発電機100の分解側面図を示す。マイクロハイブリッド発電機システム100は、発電機モータ106に結合される、小型エンジン104を含む。
いくつかの実施例では、1つ以上の熱管理方略は、能動的冷却、受動的冷却、または両方をマイクロハイブリッド発電機システム100の1つ以上の構成要素に提供するために採用されることができる。高比電力構成要素は、時として、(例えば、熱放散は、通常、表面積に比例するため)過熱を受けやすい。加えて、内部燃焼は、熱を生成する本質的に非効率的なプロセスであり得る。
能動的冷却システムは、任意のものを冷却するためにエネルギーの使用を伴うものである。例えば、能動的冷却システムは、遠心ファン等の1つ以上のファンを採用してもよい。遠心ファンは、ファンがエンジンと同一のRPMでスピンするように小型エンジン104のエンジンシャフトに結合され、したがって、有意な空気流を生産することができる。遠心ファンは、空気流が小型エンジン104のシリンダヘッド等のエンジンのある構成要素(例えば、エンジンの最も高温の部分)にわたって指向されるように位置付けられることができる。UAVの飛行運動によって生成される空気流もまた、マイクロハイブリッド発電機システム100を冷却するために使用されることができる。例えば、UAVのロータによって押動される空気(例えば、プロペラ後流と称される)が、マイクロハイブリッド発電機システム100の構成要素を冷却するために使用されることができる。
いくつかの実装では、受動的冷却方略が、マイクロハイブリッド発電機システム100の構成要素を冷却するために、単独で、または能動的冷却方略と組み合わせて使用されることができる。受動的冷却システムは、熱を1つの場所(例えば、冷却される構成要素)から別の場所(例えば、熱が経時的に放散され得る場所)に伝達するための熱放散技法を利用するものである。いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100の1つ以上の構成要素は、熱伝導性熱シンクと接触して位置付けられ、したがって、構成要素の動作温度を低減させることができる。例えば、UAVのフレームは、熱シンクとして作用し得る、アルミニウム等の熱伝導性材料から形成されることができる。
一実施形態では、小型エンジン104は、小型エンジン104のシャフトへの発電機モータ106のシャフトの結合を提供し、シンクフィン204を用いて冷却もまた提供する、結合具/冷却デバイス202を含む。例えば、図3Aおよび3Bは、発電機モータ106のシャフト306および小型エンジン104のシャフト308を結合する止めねじ304を伴う結合具/ファン302を含む、結合具/冷却デバイス202の一実施形態をさらに詳細に示す。結合具/冷却デバイス202はまた、ゴム結合リング(図22Aの2202)を含んでもよい。
いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100は、マイクロハイブリッド発電機システム100から離れるような熱の伝達を促進するための構成要素を含む、および/または熱を生産する構成要素にわたって空気流を増加させるために、UAV内に統合される。例えば、ハイブリッド発電機システム100は、マイクロハイブリッド発電機システム100から離れるように熱を伝達させるために、具体的構成要素(例えば、整流器)上に冷却フィンを含むことができる。いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100は、熱がUAVの外部に向かって伝達されるようにするための構成要素を含み、UAV内に統合される。
いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100および/またはマイクロハイブリッド発電機システム100を統合するUAVは、マイクロハイブリッド発電機システム100の少なくとも1つの構成要素を横断する1分あたり406立方フィートの空気流を可能にするように構成される。マイクロハイブリッド発電機システム100の小型エンジン104は、動作温度150℃において起動されることができ、マイクロハイブリッド発電機システム100の周囲温度にある場合、小型エンジン104によって生成される熱を除去するために、1分あたり406立方フィートの空気流が、少なくとも小型エンジン104を横断して達成される。さらに、いくつかの実施例では、小型エンジン104は、12kW力において動作され、49kWの廃熱を生成する(例えば、小型エンジンの各ヘッドは、24.5kWの廃熱を生産する)。いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100の小型エンジン104のエンジンヘッドは、エンジンヘッドにわたって空気流を集中させるために、電気ダクテッドファンに結合される。例えば、1分あたり406立方フィートの空気流が、電気ダクテッドファンを使用して、小型エンジン104のエンジンヘッドにわたって達成されることができる。
いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100は、二重振動減衰システムを使用して、UAVの一部として統合される。マイクロハイブリッド発電機システムの小型エンジン104は、二重振動減衰システムとしての役割を果たすための結合具を利用することができる。いくつかの実施例では、小型エンジン104は、10,000RPMで1.68Nmの平均トルクを生産する。いくつかの実施例では、ウレタン結合具が、マイクロハイブリッド発電機システム100の少なくとも一部をUAVに結合するために使用される。さらに、いくつかの実施例では、ウレタン結合具は、90A〜75Dのデュロメータ値を有することができる。マイクロハイブリッド発電機システム100の少なくとも一部をUAVに固着させるために使用される例示的ウレタン結合具は、L42ウレタン、L100ウレタン、L167ウレタン、およびL315ウレタンを含む。マイクロハイブリッド発電機システム100の少なくとも一部をUAVに固着させるために使用されるウレタン結合具は、20MPa〜62.0MPaの引張強度、270〜800%の破壊時の伸び率、2.8MPa〜32MPaの弾性率、110%〜435%の摩耗指数、および12.2kN/m〜192.2kN/mの引裂き強度を有することができる。
小型エンジン104はまた、機械的騒音および/またはエンジン振動を低減させ得る、はずみ車206を含む。いくつかの実施例では、小型エンジン104は、ホール効果センサ(図3Aの310)と、示されるようにはずみ車206に結合されるホール効果磁石とを含む。いくつかの実施例では、ホール効果センサ310は、RCexl Min Tachometer(R)(Zhejiang Province, China)から入手可能であり得る。
小型エンジン104が動作するとき、はずみ車206は、スピンし、はずみ車206の1分あたり回転数に正比例する電圧を生成する。本電圧は、ホール効果センサ310によって測定され、ECU112に入力される。ECU112は、測定された電圧を発電機モータ106によって出力された電圧と比較する。ECU112は、次いで、発電機モータ106および小型エンジン104の一方または両方のスロットルを制御し、必要に応じて電圧を増加または減少させ、電力を負荷118、126、128、および/または136のうちの1つ以上のものまたは1つ以上のロータモータ116に供給するであろう。
小型エンジン104はまた、スタータモータ208と、サーボ210と、マフラ212と、振動マウント214とを含んでもよい。
図4−7は、電力システムと、電力システムを冷却するための冷却システム402とを含む、UAV400の実施例を示す。図示される実施例では、UAV400は、UAV400に給電するためのマイクロハイブリッド発電機システム(例えば、図1のマイクロハイブリッド発電機システム100)を採用するが、いくつかの実装では、冷却システム402は、冷却を他のタイプの電力システム(例えば、下記により詳細に説明されるように、発電機モータに結合されるガソリンタービン等)に提供するために使用され得ることを理解されたい。本実施例では、冷却システム402は、熱放散技法を利用することによって、マイクロハイブリッド発電機システム100の1つ以上の構成要素を冷却するように構成される。
図示される実施例では、冷却システム402は、第1の板404と、第2の板406とを含み、各板404、406は、フィン408を含む。各板404、406のフィン408は、個別の板404、406の第1の表面412から延在するフィンの第1の群410および個別の板404、406の第2の表面(図6の416)から延在するフィンの第2の群(図6の414)において配列される。フィン408は、外向きに、例えば、それらが取り付けられる個別の板404、406から垂直方向に延在する。
フィン408は、対流を増加させる(例えば、対流表面積を増加させる)ことによって、個別の板404、406から離れるような熱伝達の速度を増加させるように設計および配列される。対流表面積は、付加的フィン408が含まれるため、増加し得る。したがって、熱伝達は、概して、付加的フィン408が含まれるため、増加する。
冷却システム402は、相当な量の熱を生成する傾向がある、マイクロハイブリッド発電機システム100の構成要素(例えば、最も多くの熱を生成する構成要素)またはその近傍に位置付けられてもよい。このように、冷却システム402によって提供される冷却は、最も必要とされる場所において利用されることができる。図示される実施例では、板404、406は、小型エンジン104、特に、小型エンジン104のシリンダヘッドに結合されるが、いくつかの実装では、板404、406は、小型エンジン104の他の構成要素に結合/搭載されてもよい。いくつかの実装では、板404、406は、1つ以上の締結具(例えば、ねじ、ボルト、定位置に溶接等)によって小型エンジン104に物理的に結合される。いくつかの実装では、板404、406は、小型エンジン104に物理的に結合されず、むしろ、熱伝達の観点から結合される。例えば、板404、406は、板404、406の表面および小型エンジン104が相互に物理的に接触する、または相互に近接近し、それによって、その間の熱の伝達を可能にするように、小型エンジン104のそばに存在してもよい。シリンダヘッドは、エンジンピストンがシリンダの内容物を圧縮し、それによって、燃焼を起こさせる場所である。そのような圧縮および燃焼は、大量の熱を生産する。熱は、対流によってシリンダヘッドが結合される板404、406の一部に伝達される。順に、熱は、対流によって板404、406に沿って個別のフィン408に伝達される。熱の少なくとも一部は、これが板404、406に沿ってフィン408に向かって伝達されるにつれて放散され得る。残りの熱は、フィン408に伝達され、フィン408の比較的に広い集合的表面積は、熱が(例えば、フィン408の不在下で起こるであろう放散の速度と比較して)比較的に迅速に放散することを可能にする。放散の速度はまた、単純に、フィン408がマイクロハイブリッド発電機システム100の熱生成構成要素から離れた場所において熱を放散することを可能にすることによって改良される。
いくつかの実装では、冷却システム402は、小型エンジン104以外のマイクロハイブリッド発電機システム100の構成要素またはその近傍に位置付けられてもよい。例えば、いくつかの実装では、板404、406は、発電機モータ106に結合されてもよい。いくつかの実装では、フィンは、小型エンジン104および/または発電機106上に直接配置されてもよい。そのようなフィンは、板404、406のフィン408の代わり、またはそれに加えたものであってもよい。
いくつかの実装では、インペラもまた、マイクロハイブリッド発電機システム100の構成要素を冷却することを補助するために使用される。インペラは、別個の構成要素等として提供される冷却システム402の一部であってもよい。インペラは、小型エンジン104および/または発電機モータ106等の冷却されるマイクロハイブリッド発電機システム100の構成要素またはその近傍に位置付けられる、回転構成要素であってもよい。インペラは、小型エンジン104および/または発電機モータ106から離れるように空気(例えば、高温周囲空気)を吹送し、熱が他のより低温の面積において放散されることを可能にするように構成されてもよい。
マイクロハイブリッド発電機システム100の排気パイプ418もまた、板404、406が結合される場所の近傍に位置することができる。小型エンジン104からの排気は、大量の熱を生成する傾向がある。したがって、排気によって引き起こされる熱もまた、冷却システム402によって、板404、406に、次いで、フィン408に向かって伝達されることができる。
板404、406およびフィン408は、適切な速度で熱を放散するために好適な1つ以上の材料から作製されてもよい。物体内の熱伝達の程度および速度は、少なくとも部分的に、物体の伝導の量に基づき得る。比較的に高い熱伝導率を伴う材料は、熱が迅速に通過することを可能にし、それによって、熱放散の速度を最大限にすることができる。いくつかの実装では、複数の材料タイプが、熱の伝達を補助するために使用されてもよい。図示される実施例では、板404、406は、1つの金属材料(例えば、銅)から作製され、フィン408は、別のタイプの金属材料(例えば、アルミニウム)から作製され、その両方が、比較的に高い熱伝導率を有する。
図4−7に図示される冷却システム402は、100個を上回るフィン408(例えば、第1の表面412から延在する約85個のフィン408および第2の表面416から延在する約85個のフィン408)を含むものとしてフィンの各群410、414を示すが、任意の数のフィン408が、含まれてもよい。いくつかの実装では、フィン408の付加的またはより少ない群が、採用され得る。いくつかの実装では、採用される特定の数のフィン408は、熱伝達の程度を増加させる(例えば、最大限にする)ように、実験に基づいてもよい。いくつかの実装では、フィン408の特定の構成(例えば、間隔、群化、配向、傾斜、または他の構成)は、熱伝達が増加される、または最大限にされるようなものであってもよい。採用される特定の構成は、採用される特定の電力システムに関する適切な構成を決定するための計算および/または実験に基づいてもよい。
図4−7に示される実施例では、板404、406は、約200mm×100mmの寸法を有してもよく、フィン408は、約100mmの長さであってもよい。しかしながら、板404、406および/またはフィン408のサイズは、UAV400の特定の特性および/またはUAV400が使用される特定の用途に依存してもよい。同様に、板404、406および/またはフィン408の配列および冷却システム402内に採用される板および/またはフィンの数も、同様に、UAV400の特定の特性および/またはUAV400が使用される特定の用途に依存してもよい。
図5および6を参照すると、図示される実施例では、各板404、406は、板404、406の第1の表面412から延在するフィンの第1の群410(例えば、図5に示されるフィン408)と、板404、406の第2の表面416(例えば、図5に図示されないが、第1の表面412と対向する表面)から延在するフィンの第2の群414とを含む。フィンの第1の群410は、2つの部分群、すなわち、約50個のフィン408を含む第1の部分群410aと、約35個のフィン408を含む第2の部分群410bとに分割される。各部分群410a、410bのフィン408は、行および列の行列パターンにおいて配列される。第1の部分群410aのフィン408は、それぞれ10個のフィン408の5つの行(例えば、10×5行列)において配列され、第2の部分群410bのフィン408は、それぞれ7つのフィン408の5つの行(例えば、7×5行列)において配列される。
各行のフィン408は、相互に離間され、フィン408の行もまた、相互に離間される。そのような間隔は、熱が空気中に放散するために十分な周囲空間を提供するように選定されてもよい。一般に、各行のフィン408は、ほぼ等距離に離間される。しかしながら、いくつかの実装では、フィン408のうちの1つ以上のものは、その間に付加的空間を提供するために(例えば、熱伝達の有効性を最大限にするために)、相互に対して扇形構成を有してもよい。例えば、外周フィン(例えば、図5の板404の外縁に最も近接するフィン408および板404の中間に最も近接するフィン408)は、周囲空間を増加させ、熱伝達を最大限にするために、個別の部分群410a、410bの他のフィン408から離れるように扇形になってもよい。
冷却システム402は、熱生成構成要素から離れるような熱の放散を改良することによって、マイクロハイブリッド発電機システム100を冷却するものとして主に説明されたが、冷却システム402はまた、他のタイプの冷却を採用してもよい。上記に説明されるように、熱放散の速度は、マイクロハイブリッド発電機システム100の熱生成構成要素(例えば、小型エンジン104)から離れた場所にフィン408を位置させることによって改良される。冷却システム402が位置付けられる特定の場所は、冷却を最大限にするように方略的に選定されてもよい。
図7に図示されるように、板404、406のうちの一方または両方および対応するフィン408は、プロペラ420のうちの個別のものの実質的に下に位置してもよい。プロペラ420のスピンは、空気の流れ(例えば、時として、プロペラ後流と称される)を生成させる。プロペラ後流は、プロペラ420に対して略下向き方向に発生し、それによって、UAV400を空中に上昇させる対向力をもたらす。板404、406のうちの一方または両方および対応するフィン408を個別のプロペラ420の実質的に下に位置付けることによって、プロペラ420は、冷却システム402の構成要素を冷却するファンとして作用することができる。このように、UAV400によって本質的に生成されるプロペラ後流は、冷却目的のために利用されることができる。
冷却システム402の精密な位置付けは、UAV400の特定のプロペラ420の特性に依存してもよい。いくつかの実施例では、プロペラ420の寸法は、プロペラ後流をプロペラ420の真下の特定の場所に向かって集中させてもよい。いくつかの実施例では、板404、406および対応するフィン408は、空気流の速度が最大限にされる場所に位置付けられることができる。いくつかの実施例では、最も多くの冷却補助を要求する冷却システム402の構成要素、プロペラ後流から最も利益を享受し得る冷却システム402の構成要素等が、そのような高空気流場所に位置付けられてもよい。例えば、冷却システム402のフィン408は、(例えば、図7に示されるように)スピンするプロペラ420によって画定される円周の実質的に下に位置付けられてもよい。そのような場所は、最も高い程度のプロペラ後流を被り得る。フィン408は、フィン408の間の空間が放散された熱を取り除くことができるため、(例えば、そのように位置する板404、406と比較して)そのような場所に位置することから特に利益を享受し得る。
冷却システム402は、冷却がUAV400の飛行能力および/または飛行効率に悪影響を及ぼすことなく最大限にされるように位置付けられてもよい。例えば、冷却システム402は、冷却性能および上昇への悪影響の好ましいバランスが達成され得る場所に位置付けられてもよい。いくつかの実装では、プロペラと個別の板404、406およびフィン408との間の距離は、そのようなバランスを維持するように選定されることができる。
図4−7に図示される冷却システム402は、それぞれ、複数のフィン408を含む2つの板404、406を有するものとして示されるが、任意の数の板が、使用されてもよい。いくつかの実装では、冷却システム402は、UAV400のプロペラ420の数に等しいいくつかの板を含んでもよい。例えば、冷却システム402は、それぞれ、複数のフィン408を含む6つの板を含んでもよい。
図示される板404、406は、実質的に類似する構成を有するものとして示される(例えば、各板404、406は、実質的に同一の構成を伴うほぼ同数のフィン408を有するものとして図示される)が、いくつかの実装では、種々の板404、406が、異なる板構成および/またはフィン構成を有してもよい。いくつかの実装では、冷却システム402は、マイクロハイブリッド発電機システム100の他の部分に添着される付加的板およびフィン408を含んでもよい。比較的に少ない熱(例えば、小型エンジン104が生成するものよりも比較的に少ない熱)を生成する構成要素に添着される板およびフィン408は、特定の冷却要件に応じて構成されてもよい。例えば、付加的板が、図4−7に示される板404、406と異なる(例えば、より小さい)寸法を有してもよい、および/または異なる数の(例えば、より少ない)フィン408を含んでもよい。そのような付加的板およびフィン408の構成は、許容不可能な程度までUAV400の効率および/または範囲に影響を及ぼすことなく、マイクロハイブリッド発電機システム100に提供される冷却を最大限にするように選定されてもよい。
図8は、マイクロハイブリッド発電機システム100の斜視図を示す。マイクロハイブリッド発電機システム100は、小型エンジン104と、ブリッジ整流器108に結合される発電機モータ106とを含む。
図9は、マイクロハイブリッド発電機システム100と統合されるUAV900の斜視図を示す。UAV900は、それぞれ、プロペラ902に結合される6つのロータモータ116を含むが、しかしながら、マイクロハイブリッド発電機システム100と統合されるUAVは、より多くのまたはより少ないロータモータおよびプロペラを含み得ることを理解されたい。UAV900は、Pixhawk(R)によって製造されるPx4飛行コントローラを含むことができる。
いくつかの実施例では、小型エンジン104は、電気スタータ(図2および9の216)を使用して始動されてもよい。燃料源102が、(例えば、図3に示されるような)発電機モータ106に直接結合されるそのロータシャフトをスピンさせるために燃料を小型エンジン104に送達し、力を発電機モータ106に印加することができる。発電機モータ106のスピンは、電気を生成し、モータ発電機106によって生成される電力は、小型エンジン104のシャフトによって印加される動力に比例する。いくつかの実施例では、発電機モータ106の標的回転速度は、発電機モータ106のKV(rpm/V)に基づいて決定される。例えば、25ボルトDCの標的電圧が所望される場合、発電機モータ106の定格は、約400KVであり得る。小型エンジン104の回転速度は、以下の方程式によって決定され得る。
RPM=KV(RPM/ボルト)×標的電圧(VDC) (1)
RPM=400KV×25VDC (2)
RPM=10,000 (3)
RPM=KV(RPM/ボルト)×標的電圧(VDC) (1)
RPM=400KV×25VDC (2)
RPM=10,000 (3)
本実施例では、発電機モータ106が25VDC出力を生成するために、小型エンジン104のシャフトに結合される発電機モータ106のシャフトは、約10,000RPMにおいてスピンする必要がある。
負荷(例えば、1つ以上のモータ116または負荷118、126、128、および/または136のうちの1つ以上のもの)が、発電機モータ106の出力に印加されるにつれて、マイクロハイブリッド発電機システム100の電圧出力は、降下し、それによって、小型エンジン104および発電機モータ106の速度を低減させるであろう。いくつかの実施例では、ECU112が、小型エンジン104のスロットルを調整し、負荷とともに変動する一貫した出力電圧を維持するように役立てるために使用されることができる。ECU112は、ガソリンエンジンのための標準ガバナのものと類似する様式で作用することができるが、RPMを調整する代わりに、ECU112は、閉ループフィードバックコントローラに基づいて、ブリッジ整流器および発電機モータ106の一方または両方の標的電圧出力を調整することができる。
発電機モータ106からの電力出力は、ブリッジ整流器108によって整流される必要があり得る、交流(AC)の形態であり得る。ブリッジ整流器108は、上記に議論されるように、AC電力を直流(DC)電力に変換することができる。いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100の出力電力は、「直列ハイブリッド」構成において設置されることができ、発電機モータ106によって出力される発電機電力が、再充電可能バッテリ110を充電する、または電力を別の外部負荷に提供するために利用可能であってもよい。
動作時、マイクロハイブリッド発電機システム100が機能しているとき、少なくとも2つの利用可能な電源が存在し得る。一次電源は、発電機モータ106から、ブリッジ整流器を通して直接であり得、二次電源は、再充電可能バッテリ110からであり得る。したがって、連続電力可用性および高ピーク電力可用性の組み合わせが、提供され、これは、UAV用途またはポータブル発電機用途に対して特に非常に好適であり得る。一方の一次電源(例えば、発電機モータ106)が利用可能ではない場合では、システム100は、依然として、再充電可能バッテリ110からの電力を使用して、短い時間周期にわたって動作し続け、それによって、UAVが緊急着陸等の安全方略を持続することを可能にすることができる。
マイクロハイブリッド発電機システム100がUAVのために使用されるとき、以下の条件が、UAVを効果的かつ効率的に動作させるために満たされることができる。1)合計連続電力(ワット)は、UAV飛行を持続するために要求される電力を上回り得、2)UAV飛行を持続するために要求される電力は、車両の合計重量、ハイブリッドエンジンの合計重量、燃料の合計重量、および有効荷重の合計重量の関数であり、
合計重量(グラム)=車両乾燥重量+小型エンジン104重量+燃料重量+有効荷重 (4)
であり、3)車両構成および空気力学に基づいて、特定の車両が、11の効率定格(グラム/ワット)を有し、
飛行するために要求される合計電力=ηx重量(グラム) (5)
である。
合計重量(グラム)=車両乾燥重量+小型エンジン104重量+燃料重量+有効荷重 (4)
であり、3)車両構成および空気力学に基づいて、特定の車両が、11の効率定格(グラム/ワット)を有し、
飛行するために要求される合計電力=ηx重量(グラム) (5)
である。
飛行を持続するために要求される電力が、利用可能な連続電力を上回る実施例では、利用可能な電力または合計エネルギーは、再充電可能バッテリ110のサイズおよび構成に基づいてもよい。再充電可能バッテリ110の構成は、再充電可能バッテリ110のセル構成、再充電可能バッテリ110のセル定格、および/または再充電可能バッテリ110の合計mAhに基づくことができる。いくつかの実施例では、6S、16,000mAh、25Cのバッテリパックに関して、合計エネルギーは、以下の方程式によって決定される。
合計エネルギー=電圧×mAh=25VDC(6S)×16,000mAh=400ワット時
(6)
ピーク電力可用性=電圧×mAh×C定格=
25VDC×16,000mAh×25C 10,400ワット (7)
合計ピーク時間=400ワット時/10,400ワット=138.4秒 (8)
合計エネルギー=電圧×mAh=25VDC(6S)×16,000mAh=400ワット時
(6)
ピーク電力可用性=電圧×mAh×C定格=
25VDC×16,000mAh×25C 10,400ワット (7)
合計ピーク時間=400ワット時/10,400ワット=138.4秒 (8)
さらに、いくつかの実施例では、再充電可能バッテリ110は、小型エンジン104からの一次電力故障の場合では、138.4秒にわたって10,400ワットの電力を提供することが可能であってもよい。加えて、再充電可能バッテリ110は、飛行のために最大10,400ワットの利用可能な電力を提供することが可能であってもよい、または有効荷重は、積極的な操縦のために必要とされる短い時間周期にわたって瞬間ピーク電力を必要とする。
結果として、UAVに結合されているときのマイクロハイブリッド発電機システム100は、従来のマルチロータUAVよりも多い有効荷重とともに、長い時間周期にわたってUAVを飛行させ、操縦するための電力を効率的かつ効果的に提供する。いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100は、最大約2時間5分の装填(例えば、3ポンドの負荷)飛行時間および約2時間35分の非装填飛行時間を提供することができる。さらに、燃料源が不足する、または小型エンジン104および/または発電機モータ106が誤動作する場合では、マイクロハイブリッド発電機システム100は、再充電可能バッテリ110を使用し、UAVが安全な着陸を実施することを可能にするために十分な電力を提供することができる。いくつかの実施例では、再充電可能バッテリ110は、物体、または脅威、および同等物を回避するための積極的な操縦のために、瞬間ピーク電力をUAVに提供することができる。
いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100は、商業用途および住宅用途の両方において使用され得る、信頼性のある、効率的、軽量、ポータブルな発電機システムを提供し、電力グリッドから離れた遠隔場所において電力を提供し、マイクログリッド発電機または超マイクログリッド発電機を提供することができる。
いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100は、効率的な高比エネルギー電源が要求され、燃料源が炭化水素燃料を使用可能な電力に変換するために容易に利用可能である、適用可能な用途(例えば、ロボット工学、ポータブル発電機、マイクログリッドおよび超マイクログリッド、および同等物)のために使用されることができる。マイクロハイブリッド発電機システム100は、種々の形態の再充電可能バッテリ(リチウムイオン、リチウムポリマー、リチウム硫黄)およびさらには、典型的には、従来のUAVにおいて使用される燃料セル技術よりも有意にエネルギー効率的であることが示されている。
図10は、異なるUAV電源の比エネルギーを比較するグラフを示す。いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100は、低コストで容易に利用可能である従来のガソリンを使用し、図2の1002に示されるように、UAV用途のために約1,500Wh/kgの電力を提供することができる。完全にバッテリに依拠する従来のUAVは、高比エネルギー燃料セル技術を使用するとき、1004に示されるような約1,000Wh/kg、リチウム硫黄バッテリを使用するとき、1006に示されるような約400Wh/kg、およびLiPoバッテリを使用するとき、1008に示されるような約200Wh/kgの最大比エネルギーを提供することができる。
図11は、UAVの市場潜在性対UAVに結合されたときのマイクロハイブリッド発電機システム100が達成することが可能である例示的な2時間+の飛行時間に関する飛行時間と、UAVのためのマイクロハイブリッド発電機システム100に関する総合的市場潜在性対耐久性の実施例とのグラフ1104を示す。
いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機電力システム100は、UAVまたは類似するタイプの航空ロボット車両の一部として統合され、UAVの飛行を持続するための一次電源を使用して、ポータブル飛行発電機として機能し、次いで、UAVがその目的地に到達し、飛行中ではないとき、電力の一次電源として作用することができる。例えば、マイクロハイブリッド発電機電力システム100を組み込むUAV(例えば、図9のUAV900)が、飛行中ではないとき、マイクロハイブリッドシステムによって生成される利用可能な電力は、マイクロハイブリッド発電機システム100がポータブル発電機として動作するように、外部負荷118、126、128、および/または136のうちの1つ以上のものに伝達されることができる。マイクロハイブリッドシステム発電機100は、連続ピーク電力生成能力を提供し、遠隔かつ多くの場合到達することが困難な場所において電力を提供することができる。「非飛行ポータブル発電機モード」では、マイクロハイブリッドシステム100は、利用可能な電力生成能力を、負荷118、126、128、および/または136のうちの外部の1つ以上のものに向かって迂回させることができる。電力要件に応じて、DC/ACインバータ122、132のうちの1つ以上のものが、DC電圧を標準AC電力(120VACまたは240VAC)に変換するために使用されてもよい。
いくつかの実施例では、UAV(例えば、図9のUAV900)に結合されるマイクロハイブリッド発電機システム100は、空中飛行を使用して場所から場所に横断し、着陸し、燃料を電力に変換するように発電機のスイッチをオンにすることが可能であろう。
図12は、マイクロハイブリッド発電機システム100を伴うUAVの例示的飛行パターンを示す。図12に示される例示的飛行パターンでは、それに結合されるマイクロハイブリッドシステム100を伴うUAV900は、飛行できる状態の燃料を搭載される場所Aにおいて始動する。UAV900は、次いで、場所Aから場所Bに進行し、場所Bに着陸する。UAV900は、次いで、マイクロハイブリッドシステム100を使用し、場所Bにおけるローカル使用のための電力を生成し、それによって、ポータブル飛行発電機として作用する。電力がもはや必要とされないとき、UAV900は、場所Aに戻り、次のタスクに関する命令を待機する。
いくつかの実施例では、UAV900は、マイクロハイブリッド発電機システム100によって提供される電力を使用し、初期場所から遠隔場所に進行し、飛行し、着陸し、次いで、遠隔場所において電力を生成する。タスクの完了に応じて、UAV900は、その新しいタスクに関するコマンドを受け取る状態となる。この全ては、手動で、または自律的/自動化プロセスを通して実施されることができる。いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100を伴うUAV900は、燃料の搬送およびローカル発電機が必要とされる適用可能な用途において使用されることができる。したがって、マイクロハイブリッド発電機システム100を伴うUAV900は、遠隔場所に燃料および発電機の両方を搬送する必要性を排除する。マイクロハイブリッド発電機システム100を伴うUAV900は、飛行中であるときおよび飛行中ではないときの両方において車両に給電することが可能であり、同量の利用可能な電力を外部負荷に提供することができる。これは、いくつか例を挙げると、電力が現場における軍隊に対して必要とされる状況、発電機および燃料の輸送が厳しい人道または災害救助状況、またはもはや利用可能ではない電力に関する要求が存在する状況において有用であり得る。
図13は、取外可能サブシステムを伴うマイクロハイブリッド発電機システム100に関する別のシステムの図を示す。図14Aは、UAVの一部として統合される取外可能サブシステムを伴うマイクロハイブリッド発電機システム100の図を示す。図14Bは、地上ロボットの一部として統合される取外可能サブシステムを伴う、マイクロハイブリッド発電機システム100の図を示す。いくつかの実施例では、テザーライン1302が、マイクロハイブリッド制御システム100のブリッジ整流器108および再充電可能バッテリ110のDC出力に結合される。テザーライン1302は、DC電力出力をテザーコントローラ1304に提供することができる。テザーコントローラ1304は、テザーケーブル1306と地上または航空ロボット1308との間に結合される。動作時、下記にさらに詳細に議論されるように、マイクロハイブリッド発電機システム100は、本明細書に含まれる図のうちの1つ以上のものとともに上記に議論されたのと類似する出力能力を用いて、テザー上の電力を地上または航空ロボット1308に提供する。
図13に示されるシステムは、本システムの一部として統合される、付加的取外可能構成要素1310を含むことができる。例えば、本システムは、データ記憶機器1312、通信機器1314、外部負荷センサ1316、付加的ハードウェア1318、およびデータテザー1322を介してテザーコントローラ1304に結合され得る種々の多方面の機器1320を含むことができる。
図13に示されるシステムの動作のいくつかの実施例では、本システムは、飛行ロボットまたはUAV(図14の1402)等の飛行ロボットまたはUAVまたは地上ロボット1404の一部として構成されてもよい。ポータブルテザリング式ロボットシステム1408が、場所Aにおいてミッションを開始してもよい。サブシステムおよび地上、テザーコントローラ、地上/航空ロボット1308の全てまたは適用可能な組み合わせが、マイクロハイブリッド発電機システム100によって給電されることができる。ポータブルテザリング式ロボットシステム1408は、所望の遠隔場所Bまで、(例えば、マイクロハイブリッド発電機システム100によって給電される地上ロボット1404を使用して)地上を進行するか、または(例えば、マイクロハイブリッド発電機システム100によって給電される飛行ロボットまたはUAV1402を使用して)空中を進行するかのいずれかであり得る。場所Bにおいて、飛行ロボット1402または地上ロボット1404として構成されるポータブルテザリング式ロボットシステム1408は、1406に示されるマイクロハイブリッド発電機システム100および/または取外可能サブシステム1310を自律的に結合解除することができ、これは、地上ロボット1404または飛行ロボットまたはUAV1402が動作している間、取り外されたままである。1412に示されるように、飛行ロボットまたはUAV1402が、場所Bにおいて必要とされるとき、飛行ロボットまたはUAV1402は、テザーケーブル1306に結合されるマイクロハイブリッド発電機システムによって提供される電力を使用して動作されることができる。飛行ロボットまたはUAV1402が、もはやマイクロハイブリッド発電機システム100および/またはそれに取り付けられる付加的構成要素1310を有していないとき、これは、有意により軽く、より長い時間周期にわたって飛行することができる。いくつかの実施例では、飛行ロボットまたはUAV1402は、マイクロハイブリッド発電機システム100によって提供される電力を使用して、離陸し、長い時間周期にわたってホバリング位置に遠隔で留まることができる。
同様に、1410に示されるように、地上ロボット1404が、場所Bにおいて必要とされるとき、これは、テザーライン1306に結合されるマイクロハイブリッド発電機システム100によって給電されてもよく、また、マイクロハイブリッド発電機システム100および/またはそれに取り付けられる付加的構成要素1310を伴わないことで有意により軽くあり得る。地上ロボット1404もまた、マイクロハイブリッド発電機システム100によって提供される電力を使用して、長い時間周期にわたって使用されることができる。
図15は、動作時の取外可能飛行パック1504を伴う、地上ロボット1502を示す。取外可能飛行パック1504は、マイクロハイブリッド発電機システム100を含む。取外可能飛行パック1504は、1つ以上の実施形態の地上ロボット1502に結合される。マイクロハイブリッド発電機システム100は、地上ロボット1502内に埋設される。地上ロボット1502は、飛行パック1504から取外可能である。そのような設計では、能力の大部分は、地上ロボット1502内の深くに埋設されてもよく、これは、飛行パック1504から100%独立して動作することができる。地上ロボット1502が飛行パック1504に取り付けられると、飛行パック1504は、地上ロボット1502内に埋設されるマイクロハイブリッド発電機システム100から給電されてもよく、飛行パック1504は、飛行を提供する。地上ロボット1502のプラットフォームは、脚車輪またはねじ山付き基部運動であり得る。
いくつかの実施例では、地上ロボット1502は、取外可能飛行パック1504と、図15に示されるようにそれに結合されるマイクロハイブリッド発電機システム100とを含んでもよい。図示される実施例では、地上ロボット1502は、車輪1506によって示されるような車輪ベースのロボットである。本実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100は、本明細書に含まれる1つ以上の図を参照して上記に議論されるように、燃料源102と、小型エンジン104と、発電機モータ106と、ブリッジ整流器108と、再充電可能バッテリ110と、ECU112と、随意のインバータ122および132とを含む。マイクロハイブリッド発電機システム100はまた、好ましくは、データ記憶機器1312と、通信機器1314と、外部負荷センサ1316と、付加的ハードウェア1318と、示されるようにデータライン1322に結合される多方面の通信1320とを含む。飛行パック1504は、好ましくは、固定翼、単一ロータまたはマルチロータ、航空デバイス、または類似するタイプの航空デバイス等の航空ロボットプラットフォームである。
いくつかの実施例では、地上ロボット1502および航空飛行パック1504は、単一ユニットとして構成される。地上ロボット1502および飛行パック1504が、場所Aから場所Bに飛行し得るように、電力が、マイクロハイブリッド発電機システム100から送達され、電力を飛行パック1504に提供するために使用される。場所Bにおいて、地上ロボット1506は、1508に示されるように飛行パック1504から取り外され、飛行パック1504から独立して操縦および動作することが可能である。マイクロハイブリッド発電機システム100は、地上ロボット1506が飛行パック1504から独立して給電されることが可能であるように、地上ロボット1502内に埋設される。地上ミッションの完了に応じて、地上ロボット1502は、それ自体を飛行パック1504に再取り付けし、場所Aに戻ることが可能である。上記の動作は全て、手動である、半自律的である、または完全に自律的であり得る。
いくつかの実施例では、飛行パック1504は、遠隔場所に横断し、地上ロボット1502を送達することができる。所望の場所において、飛行パック1504のいかなる必要性も存在し得ない。したがって、これは、地上ロボット1502がその有効荷重として飛行パック1504を搬送する必要性なくそのミッションを完了し得るように、後方に残されることができる。これは、困難かつ厳しい地形、遠隔場所を横断するために、および地上ロボット1502をその場所に輸送することが厳しい状況において有用であり得る。例示的用途は、遠隔地雷目的地、遠隔監視および偵察、および飛行パック1504が意図された目的地の近傍に着陸することができない荷物送達サービスを含んでもよい。これらの実施例では、飛行パックのための指定された安全降下区域が、使用されることができ、ローカル送達が、目的地まで地上ロボット1502によって完了される。
いくつかの実施例では、ミッションが完了されることに応じて、地上ロボット1404または飛行ロボットまたはUAV1402は、マイクロハイブリッド発電機システム100に戻るように自律的に結合されることができる。いくつかの実装では、そのような結合は、ミッションが完了されることに応じて自動的に実施される。付加的取外可能構成要素1310が、マイクロハイブリッド発電機システム100に戻るように自律的に結合されることができる。飛行ロボットまたはUAV1402または地上ロボット1404として構成される、マイクロハイブリッド発電機システム100を伴うポータブルテザリング式ロボットシステム1408は、次いで、マイクロハイブリッド発電機システム100によって提供される電力を使用して、場所Aに戻る。
結果として、マイクロハイブリッド発電機システム100を伴うポータブルテザリング式ロボットシステム1408は、地上ロボット1404または飛行ロボットまたはUAV1402を遠隔場所に効率的に輸送し、地上ロボット1404または飛行ロボットまたはUAV1402を自動的に結合解除し、地上ロボット1402または飛行ロボットまたはUAV1404の動作時間を最大限にすることが有益であり得る場合、テザー電力を使用して、飛行ロボット1402または地上ロボット1404を効果的に動作させることが可能である。システム1408は、テザリング式地上または航空ロボットの重量を削減し、それによって、その電力要件を有意に低減させる際に効果的であり得る、モジュール式取外可能テザリングを提供する。これは、車両構成要素が取り付けられ、車両が運動を持続する必要がある元々の能力と比較すると、航空ロボットまたはUAVまたは地上ロボットが、有意により長い時間周期にわたって動作することを可能にする。システム1408は、遠隔場所において発電機、ロボット、およびテザーを組み立てる必要性を排除し、したがって、時間、リソース、および費用を節約する。システム1408の有用な用途は、特に、遠隔感知、攻撃または守備的軍事用途および/または通信ネットワーキング、複数車両協働環境、および同等物を含んでもよい。
図16は、マイクロハイブリッド発電機システムの制御システムを示す。マイクロハイブリッド発電機システムは、点火モジュール1604に結合される、発電装置1602を含む。点火モジュール1604は、物理的スパークを発電装置1604に提供することによって、発電装置1602を始動するように機能する。点火モジュール1604は、点火バッテリエリミネータ回路(IBEC)1606に結合される。IBEC1606は、点火モジュール1604に給電するように機能する。
発電装置1602は、電力を提供するように構成される。発電装置1602は、小型エンジンと、発電機とを含む。発電装置は、ECU1608によって制御される。ECU1608は、スロットルサーボを通して発電装置に結合される。ECU1608は、小型エンジンのスロットルを制御するようにスロットルサーボを動作させ、発電装置1602に、生産される電力量を増加させるか、または減少させるかのいずれかであり得る。ECU1608は、分圧器1610に結合される。分圧器1610を通して、ECUは、ECU1608が生成している電力量を決定し、小型エンジンのスロットルを増加させるか、減少させるか、または一定に保つかを決定することができる。
発電装置は、分電盤1612に結合される。分電盤1612は、発電装置1602によって生成される電力をバッテリパック1614および負荷/車両1616の一方または両方に分配することができる。分電盤1612は、バッテリエリミネータ回路(BEC)1618に結合される。BEC1618は、電力をECU1608および受信機1620に提供する。受信機1620は、IBEC1606を制御し、IBEC1606に点火モジュール1604に給電させるように機能する。受信機1620はまた、発電装置1602の小型エンジンのスロットルを制御する際に使用される情報をECU1608に送信する。受信機1620は、小型エンジンのスロットルのスロットル位置およびマイクロハイブリッド生成システムが動作しているモードに関連する情報をECUに送信する。
図17は、マイクロハイブリッド発電機システムを通して給電される、ドローンの上部部分1700の上面斜視図を示す。図13に示されるドローンの上部部分1700は、6つのロータ1702−1から1702−6(以降、「ロータ1702」)を含む。ロータ1702は、対応するモータ1704−1から1704−6(以降、「モータ1704」)によってスピンさせられる。モータ1704は、マイクロハイブリッド発電機システムを通して給電されることができる。ドローンの上部部分1700は、上面1706を含む。上面1706の縁は、空気抗力を低減させ、ドローンの空気力学的性能を改良するように湾曲されることができる。上面は、それを通して空気が流動し、マイクロハイブリッド発電機システムの少なくとも一部から離れるように熱を放散することを補助し得る、開口部1708を含む。種々の実施形態では、空気フィルタの少なくとも一部が、開口部1708を通して暴露される。
図18は、マイクロハイブリッド発電機システム100を通して給電されるドローンの底部部分1800の上面斜視図を示す。マイクロハイブリッド発電機システム100は、電力をモータ1704に提供するために、小型エンジン104と、発電機モータ106とを含む。ロータモータ1704および対応するロータ1702は、アーム1802−1から1802−6(以降、「アーム1802」)を通して、ドローンの底部部分1800の主要本体から離れるように位置付けられる。ドローンの底部部分1800の底部部分の外面および/またはアーム1802は、空気抗力を低減させ、ドローンの空気力学的性能を改良するために湾曲される縁を有することができる。
図19は、マイクロハイブリッド発電機システム100を通して給電される、ドローンの底部部分1800の上面図を示す。ロータモータ1704および対応するロータ1702は、アーム1802を通して、ドローンの底部部分1800の主要本体から離れるように位置付けられる。ドローンの底部部分1800の底部部分の外面および/またはアーム1802は、空気抗力を低減させ、ドローンの空気力学的性能を改良するために湾曲される縁を有することができる。
図20は、マイクロハイブリッド発電機システム100の側面斜視図を示す。図20に示されるマイクロハイブリッド発電機システム100は、1.8kWの電力を提供することが可能である。マイクロハイブリッド発電機システム100は、発電機モータ106に結合される小型エンジン104を含む。小型エンジン104は、約3馬力を提供することができる。発電機モータ106は、小型エンジン104によって生成される機械的動力を使用して、AC出力電力を生成するように機能する。
図21は、マイクロハイブリッド発電機システム100の側面斜視図を示す。図21に示されるマイクロハイブリッド発電機システム100は、10kWの電力を提供することが可能である。マイクロハイブリッド発電機システム100は、発電機モータに結合される小型エンジン104を含む。小型エンジン104は、約15〜16.5馬力を提供することができる。発電機モータは、小型エンジン104によって生成される機械的動力を使用して、AC出力電力を生成するように機能する。
UAVおよびマイクロハイブリッド発電機システムのさらなる説明が、2015年11月16日に出願された米国出願第14/942,600号(その内容が、参照することによってその全体としてここに組み込まれる)に見出されることができる。
いくつかの実施例では、小型エンジン104は、エンジンが高比電力で動作することを可能にする特徴を含むことができる。小型エンジン104は、高い電力対重量比出力を有する2ストロークエンジンであり得る。小型エンジン104は、エンジンが小型かつ軽く、したがって、エンジンの高い電力対重量比出力に寄与するように少数の可動部分を伴う、単純設計を具現化することができる。いくつかの実施例では、小型エンジンは、1kW/kg(キログラムあたりキロワット)の比エネルギーを有し、小型エンジンによって生成される電力の1キロワット毎に約10kgの揚力を生成してもよい。いくつかの実施例では、小型エンジン104は、ブラシレスモータであり得、これは、エンジンの高比電力の達成に寄与することができる。ブラシレスモータは、効率的かつ信頼性があり、概して、スパークしにくく、したがって、エンジンからの電磁干渉(EMI)のリスクを低減させる。
いくつかの実施例では、小型エンジン104は、UAVの感受性構成要素がエンジンによって生成される振動から絶縁されることを可能にする、振動絶縁システムを介してUAV上に搭載される。UAVの感受性構成要素は、例えば、Pixhawk、コンパス、全地球測位システム(GPS)、または他の構成要素等の慣性測定ユニットを含むことができる。
いくつかの実施例では、振動絶縁システムは、小型エンジンをUAVのフレームに取り付ける、振動減衰マウントを含むことができる。振動減衰マウントは、エンジン104が、UAVのフレームから独立して発振することを可能にし、したがって、振動がエンジンからUAVの他の構成要素に伝送されることを防止する。振動減衰マウントは、引裂きまたは断裂を伴わずに、エンジンの運動によって生成される機械的エネルギーを吸収し、したがって、機械的エネルギーがUAVの残りに伝達されることを防止し得る、ゴム等のロバストなエネルギー吸収材料から形成されることができる。いくつかの実施例では、振動減衰マウントは、スペーサを用いてともに堅く継合される2つの層のゴムダンパから形成されることができる。スペーサの長さは、マウントに関する所望の堅性を達成するように調節されることができる。ゴムの硬度は、振動エネルギーを吸収するために、所望の減衰特性を達成するように調節されることができる。
図22Aを参照すると、いくつかの実施例では、小型エンジン104および発電機モータ106は、精密かつロバストな接続を通して(例えば、ウレタン結合具304を通して)直接結合される。特に、発電機モータ106は、発電機本体2202内に格納される発電機ロータ306および発電機ステータ308を含む。発電機ロータ306は、発電機軸受2204によって発電機本体2202に取り付けられる。発電機ロータ306は、結合具304を介してエンジンシャフト206に結合される。小型エンジン104と発電機モータ106との間の精密結合は、精密に機械加工された部分を使用し、発電機モータ106の回転構成要素の重量および支持を平衡させることによって達成されることができ、これは、ひいては、内部応力を低減させる。発電機ロータ306のエンジンシャフト206との整合もまた、精密結合を達成するために役立つことができる。ロータ306とエンジンシャフト206との間の不整合は、効率を低減させ、早期の故障に潜在的につながり得る不平衡を引き起こし得る。いくつかの実施例では、ロータ306のエンジンシャフト206との整合は、精密なインジケータおよび固定具を使用して達成されることができる。精密結合は、可能な範囲において、小型エンジン104および発電機モータ106を冷却することによって、外部応力を低減させることによって、および小型エンジン104および発電機モータ106を定常条件下で起動することによって維持されることができる。例えば、振動絶縁マウントは、小型エンジン104への外部応力が低減される、または実質的に排除されることを可能にし、精密直接結合を達成することを補助する。
直接結合は、第1の電力システムの信頼性に寄与することができ、これは、ひいては、マイクロハイブリッド発電機システムが、高電力において長い時間周期にわたって連続的に動作することを可能にする。加えて、直接結合は、第1の電力システムの耐久性に寄与し、したがって、多くのエンジンサイクル(例えば、数百万のエンジンサイクル)にわたってでも機械的クリープおよび疲労を低減させるように役立つことができる。いくつかの実施例では、エンジンは、振動絶縁システムによってUAVのフレームから機械的に絶縁され、したがって、最小の外力を被り、したがって、エンジンと発電機モータとの間の直接結合は、内部応力のみを考慮することによって実装されることができる。
小型エンジン104と発電機モータ106との間の直接結合は、第1の電力システムが、小型形状因子を有するコンパクトな軽量電力システムであることを可能にすることができる。コンパクトかつ軽量電力システムは、UAVに容易に統合されることができる。
図22Bを参照すると、いくつかの実施例では、フレームレスまたは軸受レス発電機208が、発電機モータ106と小型エンジン104との間のウレタン結合具の代わりに使用されることができる。例えば、発電機上の軸受(図22Aの2204)は、除去されることができ、発電機ロータ306は、エンジンシャフト206に直接噛合されることができる。発電機ステータ308は、エンジン116のフレーム210に固定されることができる。本構成は、結合具で発電機を過剰に拘束することを防止する一方、小型形状因子および低減された重量および複雑性を提供する。
いくつかの実施例では、発電機モータ106は、大きい回転慣性モーメントを提供するはずみ車を含む。大きい回転慣性は、低減されたトルクスパイクおよび平滑な電力出力をもたらし、したがって、小型エンジン104と発電機モータ106との間の結合具上の摩損を低減させ、第1の電力システムの信頼性に寄与することができる。いくつかの実施例では、発電機は、小型エンジン104に直接噛合されると、はずみ車として作用する。いくつかの実施例では、はずみ車は、(例えば、発電機が十分な回転慣性を提供しない場合)明確に異なる構成要素である。
いくつかの実施例では、設計基準が、小型エンジン104と発電機モータ106との間の良好な対合を提供するように設定される。モータの電力帯域は、典型的には、狭い範囲に限定される。本電力帯域は、その中で殆どの飛行条件下で動作するRPM(1分あたり回転数)範囲を識別するために使用されることができる。識別されたRPM範囲に基づいて、推進システム(例えば、ロータ)に対して適切な電圧を提供することが可能であるモータ定数(kV)を有する発電機が、選択されることができる。適切な発電機の選択は、負荷が増加するにつれて、発電機からの電圧が降下しないであろうことを確実にするために役立つ。例えば、エンジンが6,500RPMにおいて最大電力を有し、50Vシステムが推進のために所望される場合、130のkVを有する発電機が、選択されることができる。
いくつかの実施例では、排気パイプが、小型エンジン104の効率に好影響を及ぼすように設計されることができる。排気パイプは、エンジンからの排気のための膨張チャンバとしての役割を果たし、したがって、エンジンの容積効率を改良する。排気パイプの形状は、本システムの共振に基づいて、空気を燃焼チャンバの中に戻すように誘導するように調整されることができる。いくつかの実施例では、気化器もまた、温度または他のパラメータ等、エンジンの動作パラメータに基づいて調整されることができる。例えば、気化器は、エンジン内の良好な燃焼反応を達成するために、エンジンの中に所望の燃料量を許容し、したがって、標的燃料対空気比が到達されることを可能にするように調整されることができる。加えて、スロットル本体は、エンジン出力をさらに改良するために、燃料噴射および/またはタイミングを制御するように設計されることができる。
いくつかの実施例では、エンジンのスロットルは、所望のエンジン性能を達成するために調整されることができる。例えば、本システムの電圧が負荷下で降下すると、スロットルは、増加され、本システムの電圧が高くなりすぎると、スロットルは、減少される。バス電圧は、調整され、フィードバック制御ループが、使用され、スロットル位置を制御することができる。いくつかの実施例では、バッテリへの電流は、バッテリの充電および推進電圧を制御する目的で監視されることができる。いくつかの実施例では、フィードフォワード制御が、エンジンが(例えば、ミッション計画に基づいて、および/またはモータによって引き込まれる負荷に基づいて)負荷の次回の変化を予測し、予測された変化をプリエンプティブに補償し得るように提供されることができる。フィードフォワード制御は、エンジンがより少ない遅れで負荷の変化に応答することを可能にすることができる。いくつかの実施例では、エンジンは、例えば、負荷を見込んで(例えば、ミッション計画における負荷予報)バッテリ寿命を最大限にする、または別の目標を最大限にするために、事前規定されたスケジュールに従ってバッテリを充電するように制御されることができる。スロットル調整は、バッテリを完全に充電された状態に保つことに役立ち、本システムが所望の電圧において起動し得ることを確実にすることに役立ち、バックアップ電力が利用可能であることを確実にすることに役立つことができる。
いくつかの実施例では、ウルトラキャパシタが、マイクロハイブリッド発電機システムが変化する電力要求に迅速に応答すること可能にするために、マイクロハイブリッド発電機システムの中に組み込まれることができる。例えば、ウルトラキャパシタは、急速な応答および平滑な信頼性のある電力が可能な軽量システムを提供するために、1つ以上の再充電可能バッテリと併用されることができる。
図23は、マイクロハイブリッド発電機システムの例示的小型エンジン104の図を示す。本実施例では、小型エンジン104は、エンジン上(例えば、エンジンのシリンダヘッドのうちの1つ以上のものの上)に形成される、複数のフィン2302を含み、エンジンの対流表面積を増加させ、それによって、増加された熱伝達を可能にすることができる。いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システムは、構成要素をさらに冷却するために、ある構成要素が周囲空気またはUAVの飛行運動によって生成される空気流に選択的に暴露されるように構成されることができる。
冷却システム(例えば、能動的冷却システムおよび受動的冷却システム)は、UAVの一部として採用されるマイクロハイブリッド発電機システムの中に組み込まれるものとして主に説明されたが、いくつかの実装では、そのような冷却システムは、他のタイプの航空車両の一部として採用されるマイクロハイブリッド発電機システムの中に組み込まれてもよい。同様に、いくつかの実装では、そのような冷却システムは、UAVに給電するために使用される他のタイプの電力システムの中に組み込まれてもよい。
いくつかの実施例では、マイクロハイブリッド発電機システム100および/またはUAVの材料は、軽量であり得る。例えば、高強度重量比を伴う材料が、重量を削減するために使用されることができる。例示的材料は、アルミニウムまたは高強度アルミニウム合金(例えば、7075合金)、炭素繊維ベースの材料、または他の材料を含むことができる。構成要素設計もまた、重量削減に寄与することができる。例えば、構成要素は、構成要素のために使用される材料の堅性を増加させ、その量を削減するように設計されることができる。いくつかの実施例では、構成要素は、構成要素の機能に関連しない材料が除去され、したがって、構成要素の重量をさらに削減するように設計されることができる。
UAVが、発電機モータに結合されるガソリン動力エンジンを含むマイクロハイブリッド発電機システムによって給電されるものとして主に説明されたが、他のタイプの電力システムもまた、使用されてもよい。いくつかの実装では、UAVは、少なくとも部分的に、ガソリンタービン等のタービンによって給電されてもよい。例えば、ガソリンタービンが、ガソリン動力エンジンの代わりに使用されることができる。ガソリンタービンは、マイクロハイブリッド発電機システムの一部として含まれる2つの別個の電力システムのうちの1つであってもよい。すなわち、マイクロハイブリッド発電機システムは、ガソリンタービンの形態における第1の電力システムと、発電機モータの形態における第2の電力システムとを含むことができる。ガソリンタービンは、発電機モータに結合されてもよい。
ガソリンタービンは、ガソリン動力エンジン(例えば、上記に説明される小型エンジン104)によって提供されるものよりも高いRPMレベルを提供してもよい。そのようなより高いRPM能力は、第2の電力システム(例えば、上記に説明される発電機モータ106)が(例えば、上記に説明されるバッテリ110を充電するために)電気をより迅速かつ効率的に生成することを可能にし得る。
時として、燃焼タービンと称される、ガソリンタービンは、その間に燃焼チャンバを伴う下流タービンに結合される上流回転圧縮機を含んでもよい。ガソリンタービンは、大気空気が圧縮機を通して流動することを可能にし、それによって、空気の圧力を増加させるように構成されてもよい。エネルギーが、次いで、高温流を生成するために、ガソリン等の燃料を空気中に適用(例えば、噴霧)し、燃料に点火することによって追加されてもよい。高温および高圧ガス流は、次いで、タービンに進入し得、ガス流は、排気圧まで膨張し、それによって、軸仕事出力を生産することができる。タービン軸仕事は、次いで、圧縮機およびシャフトに結合され得る発電機(例えば、発電機モータ504)等の他のデバイスを駆動するために使用される。軸仕事のために使用されないエネルギーは、高温および高速のうちの一方または両方を有する排気ガスとして排出されることができる。ガスタービン設計の1つ以上の性質および/または寸法は、最も望ましいエネルギー形態が最大限にされるように選定されることができる。UAVとの併用の場合では、ガスタービンは、典型的には、排気ガスから、またはガスタービンに接続されるダクテッドファンから推力を生産するように最適化されるであろう。
ガソリンタービンは、部分的に、ガソリンタービンのより高いRPM能力に起因して、(例えば、ガソリン動力エンジンによって生成される熱と比較して)比較的に大量の熱を生成し得る。本明細書に説明される冷却システムは、ガソリンタービンが許容可能な温度限界を超えないことを確実にするために使用されてもよい。そのような冷却は、タービンの寿命を延長する、タービンの効率を維持する等のために、ガソリンタービンを使用する実装のために特に重要であり得る。
いくつかの実装では、1つ以上のタービン入口空気冷却技法もまた、ガソリンタービンの動作温度をさらに低減させるために採用されてもよい。そのような技法は、ガソリンタービンの吸気を冷却するために使用されてもよく、その直接的結果は、電力出力増強、改良されたエネルギー効率等を含むことができる。ガソリンタービンの性能、効率、生成される電力出力等は、気候条件(例えば、周囲空気および吸気の温度、密度、圧力等)に依存し得る。タービン入口空気冷却方略は、空気を改良されたガソリンタービン性能のための条件において投入するために、空気の1つ以上の特性を調節する役割を果たすことができる。そのような冷却技法は、高い周囲温度を伴う気候において特に有用であり得る。
いくつかの実装では、霧化技法が、採用されてもよい。入口空気霧化は、微細に霧状化された水(例えば、霧)を入口空気流中に噴霧することを含み得る。水は、迅速に蒸発し、それによって、空気を冷却し、タービンの電力出力を増加させる。例えば、脱塩水が、加圧され、空気入口に(例えば、1つ以上の霧ノズルを通して)注入されてもよい。脱塩水の使用は、鉱物含有量を伴う水が空気流中で蒸発した場合に起こり得る、ガソリンタービンの構成要素の汚れを防止することができる。いくつかの実装では、過剰な霧(例えば、入口空気を完全に飽和させるために要求されるものよりも多い霧)が、提供されてもよく、過剰な霧の液滴が、ガソリンタービンの圧縮機の中に搬送されることができ、それらは、蒸発し、中間冷却効果を生産し、それによって、さらなる電力増大をもたらすことができる。
いくつかの実装では、蒸発冷却技法が、採用されてもよい。水がヘッダ全体を通して分配され得、空気が湿潤多孔面を通過する湿潤剛性媒体(例えば、時として、蒸発冷却器と呼ばれる)が、ガソリンタービンに近接して位置付けられることができる。空気が通過するにつれて、水の一部が、蒸発し、空気から顕熱を吸収し、その相対湿度を増加させる。空気乾球温度は、減少され得る一方、湿球温度は、影響を受けない。
いくつかの実装では、蒸気圧縮チラーおよび蒸気吸収チラーのうちの一方または両方が、ガソリンタービンにおいて採用されてもよい。蒸気圧縮チラー技術では、冷却剤が、チル化コイル熱交換器を通して循環されることができる。液滴キャッチャが、水分および水滴を収集するために、コイルの下流に配設されることができる。機械的チラーは、気象条件にかかわらず、入口空気が湿球温度を下回ってチル化される能力に起因して、ガソリンタービンの出力電力および性能を(例えば、湿潤技術よりも)増加させることができる。いくつかの実装では、複数のチル化コイルおよび液滴キャッチャ(例えば、時として、集合的に、「チラーユニット」と称される)が、使用されることができる。
蒸気吸収チラー技術では、熱エネルギーが、機械的エネルギーの代わりに、冷却を生産するために使用されることができる。例えば、ガソリンタービンによって生産される残りの熱は、冷却システムを駆動するための熱源としての役割を果たしてもよい。
いくつかの実装では、熱エネルギー貯蔵タンクが、上記に説明される冷却技法のうちの1つ以上のものと併用されてもよい。熱エネルギー貯蔵タンクは、オフピーク時間(例えば、気象条件が最適であるときの時間、最大性能および効率が必要とされないときの時間、UAVが短距離飛行に関与するときの時間等)の間に生産され得るチル化水の貯蔵を可能にしてもよい。エネルギーは、タービン入口空気をチル化し、電力出力を改良するために、オンピーク時間(例えば、気象条件が最適ではないときの時間、最大性能および効率が要求されるときの時間、UAVが比較的に長い距離を進行する必要があるときの時間等)の間等、後で使用されてもよい。例えば、ガソリンタービンからの過剰な電力は、UAVが比較的に長い行程に出発する前の暖機飛行の間にチル化水を生産するために使用されることができ、チル化水は、行程の間の性能、効率、および電力出力を改良するために、後で使用されることができる。
いくつかの実装では、タービンのブレードは、比較的に低い熱を維持するように設計されてもよい、および/または1つ以上のブレード冷却技法を採用してもよい。いくつかの実施例では、タービンブレードは、耐熱材料を含んでもよい。例えば、ブレードは、耐熱材料から作製されたシェルを有してもよく、シェルは、ブレード合金で充填されてもよい。
いくつかの実装では、対流冷却技法が、ブレードにおいて採用されてもよい。低温空気が、ブレードの内部の通路を通過されることができる。熱が、伝導によってブレードを通して、次いで、対流によってブレードの内側で流動する空気中に伝達される。ブレードの増加された表面積は、冷却を改良し得る。したがって、冷却経路は、蛇行し、複数の小型フィンを含んでもよい。いくつかの実装では、ブレード内の内部通路は、形状が円形または楕円形であってもよい。冷却は、そのような通路を通してハブからブレード先端に向かって空気を通過させることによって達成されることができる。冷却空気は、空気圧縮機によって提供されてもよい。
いくつかの実装では、衝突冷却技法が、ブレードにおいて採用されてもよい。時として、比較的に高速を有する空気が、ブレードの内面に提供され、それによって、通常の対流冷却と比較して、より多くの熱が対流によって伝達されることを可能にし得る。衝突冷却は、最も大きい熱負荷を有するブレードの領域(例えば、前縁)において採用されてもよい。
いくつかの実装では、フィルム冷却技法が、ブレードにおいて採用されてもよい。ブレードは、小孔を含んでもよく、冷却空気が、そのような孔を通してブレードから圧送されてもよい。冷却空気の薄層が、次いで、ブレードの外面上に生成され、それによって、主流からの熱伝達を低減させる。空気孔は、ブレードの種々の場所に位置付けられてもよい。いくつかの実装では、空気孔は、主として、最も大きい熱負荷が典型的には見出される、ブレードの前縁に位置付けられる。
いくつかの実装では、冷却流出技法が、ブレードにおいて採用されてもよい。ブレードの表面は、表面上に複数の小さいオリフィスを有する多孔性材料から作製されてもよい。冷却空気は、オリフィスを通して押進され、それによって、フィルムまたは冷却境界層を生成することができる。
いくつかの実装では、ピンフィン冷却技法が、ブレードにおいて採用されてもよい。ブレードは、ブレード表面上にピンフィンのアレイを含んでもよい。熱伝達が、アレイから、ブレードの側壁を通して起こることができる。冷却剤がピンフィンを横断して(例えば、高速で)流動するにつれて、空気流は、分離し、それによって、後流を生成する。そのような技法は、ブレードの狭い後縁において採用されてもよい。
いくつかの実装では、蒸散冷却技法が、ブレードにおいて採用されてもよい。そのような技法は、これがブレード上に冷却空気の薄フィルムを生成する点においてフィルム冷却と類似するが、空気が孔を通して注入されるのではなく、多孔性シェルを通して漏出される点において異なる。そのような技法は、低温空気を用いてブレード全体を均一に被覆し、これを比較的に高い温度において特に効果的にし得る。蒸散冷却を採用するブレードは、多孔性シェルを伴う剛性支柱を含んでもよい。空気は、支柱の内部チャネルを通して流動し、多孔性シェルを通過し、ブレードを冷却することができる。
いくつかの冷却技法が、個別に上記に説明されたが、本明細書に説明される冷却技法の任意の組み合わせが、電力システムおよび/またはUAVの特定の実装のために要求されるように、電力システムに冷却を提供するために採用され得ることを理解されたい。
いくつかの実施形態が、説明された。但し、種々の修正が、本明細書に説明される主題の精神および範囲から逸脱することなく行われ得ることを理解されたい。他のそのような実施形態も、以下の請求項の範囲内である。
Claims (16)
- 無人航空車両であって、
回転するように少なくとも1つのプロペラを駆動するように構成される少なくとも1つのロータモータと、
電力を前記少なくとも1つのロータモータに提供するように構成されるマイクロハイブリッド発電機システムであって、前記マイクロハイブリッド発電機システムは、
電力を前記少なくとも1つのロータモータに提供するように構成される再充電可能バッテリと、
機械的動力を生成するように構成される小型エンジンと、
前記小型エンジンに結合され、前記小型エンジンによって生成される前記機械的動力から電力を生成するように構成される発電機モータと
を備える、マイクロハイブリッド発電機システムと、
前記マイクロハイブリッド発電機システムに結合するように構成される冷却システムであって、前記冷却システムは、
1つ以上の板と、
前記1つ以上の板のそれぞれから延在する複数のフィンと
を備える、冷却システムと
備え、
前記冷却システムは、前記マイクロハイブリッド発電機システムから熱を放散するように構成される、無人航空車両。 - 前記1つ以上の板は、前記小型エンジンに結合するように構成される、請求項1に記載の無人航空車両。
- 前記板のうちの少なくとも1つおよび対応する複数のフィンは、前記プロペラのうちの1つの実質的に下に位置付けられる、請求項1に記載の無人航空車両。
- 前記複数のフィンは、前記1つ以上の板から垂直方向に延在する、請求項1に記載の無人航空車両。
- 前記板は、前記小型エンジンに物理的に結合される、請求項1に記載の無人航空車両。
- 前記板は、前記発電機モータに結合される、請求項1に記載の無人航空車両。
- 前記冷却システムは、インペラを備える、請求項1に記載の無人航空車両。
- 前記インペラは、前記小型エンジンに結合される、請求項7に記載の無人航空車両。
- 前記インペラは、前記ロータモータに結合される、請求項7に記載の無人航空車両。
- 前記板は、前記小型エンジンの1つ以上の排気パイプに結合される、請求項1に記載の無人航空車両。
- 前記板は、金属から形成される、請求項1に記載の無人航空車両。
- 前記フィンは、フィンの複数の群を備え、フィンの各群は、前記板のうちの1つの対応する表面から延在する、請求項1に記載の無人航空車両。
- 前記フィンは、等しく離間される、請求項1に記載の無人航空車両。
- 各板の外周に位置するフィンは、前記板の表面の内部領域内に位置するフィンから離れるように扇形に広げられる、請求項1に記載の無人航空車両。
- 前記1つ以上の板は、前記少なくとも1つのプロペラの下方に位置付けられる、請求項1に記載の無人航空車両。
- 方法であって、
無人航空車両のプロペラの回転を駆動するように構成されるロータモータに電気エネルギーを提供するようにハイブリッドエネルギー生成システムを動作させることであって、
前記ハイブリッド電気エネルギー生成システムのエンジン内で機械的エネルギーを生成することと、
前記ハイブリッドエネルギー生成システムの発電機内で、前記機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することと、
前記発電機によって生産された前記電気エネルギーの少なくとも一部を前記ハイブリッドエネルギー生成システムの再充電可能バッテリに提供することと、
(i)前記発電機によって生産された前記電気エネルギーの少なくとも一部を前記ハイブリッドエネルギー生成システムのロータモータに提供することおよび(ii)前記ハイブリッドエネルギー生成システムの再充電可能バッテリからの電気エネルギーを前記ロータモータに提供することのうちの1つ以上と
を含む、ことと
冷却システムへの熱の放散によって前記ハイブリッドエネルギー生成を冷却することであって、前記冷却システムは、
1つ以上の板と、
前記1つ以上の板のそれぞれから延在する複数のフィンと
を備える、ことと
を含む、方法。
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