JP2005501498A - タービン発電機用バラスト負荷を提供するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

適切なタービン負荷が達成されるように、タービン発電機により供給される出力電力を調節する、バラスト負荷制御システムと方法が提示される。かくして、制御された要求冷却量を熱制御システムへ供給するのに用いられる膨張タービンを有するタービン発電機の使用が可能となる。接続された電気負荷を効果的に変化させることにより、膨張タービンに供給される負荷が制御され、一方、接続された電気利用装置への出力電力要求を維持する。本発明での冷却システムとバラスト調節負荷システムとの双方の共通システムコントローラの使用により、要求冷却量と接続された利用装置へ供給される電力品質との間の調整された動作を確かなものとする。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にタービン発電機に関し、より詳細には、タービン発電機のタービン用バラスト負荷を提供する制御機構および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最新の航空機、および特に最新ジェット戦闘機で用いるエレクトロニクスおよび電子装置の使用は拡大の一途である。飛行制御コンピュータ、通信装置、レーダー装置、電子防衛システム、電子標的システムなどすべては動作させるのに電力が必要である。実際、これらのシステムによっては、その機能を働かせるのに極めて大量の電力を必要とする。残念なことに、電力消費が大きくなるのに伴って大量の熱の発生と損失が生ずる。
【０００３】
大量の熱の発生の扱いはどのシステムにとっても厄介であるが、航空機用途では、この問題に対し更なる独特な挑戦がなされている。特に、最新の航空機の制御の複雑さ、およびエレクトロニクスの精巧さは、高い動作温度に影響されやすく、従って、これらの精巧なエレクトロニクスを高い信頼性をもって動作させる冷却法を提供することが重要となる。更に、付加される重量は直ちに消費燃料の増加につながって航続距離が減少するので、電子サブシステムは可能な限り小型かつ軽量となるよう設計される。かかる小型軽量設計は、結果として電子構成部品群の電力密度を増加させることになる。残念ながら、電力密度が増加したこうした装置では、熱を発散させる表面積が大幅に減少するのが普通である。これら構成部品の処理速度が速くなると、そのスイッチング速度の高速化によって装置本来のスイッチング損失が増加するので、より低速の処理部品と同一時間で比較すると温度上昇が顕著になる。残念ながら、これらの要素すべてが、高能力冷却システムを必要とするように組み合わされているのが実態であるにもかかわらず、冷却能力がもっと高いシステムの追加が望ましいことは、航空機に対する重量増加と航続距離減少の関係と対極を成す。
【０００４】
最新電子装置の精巧さ、サイズ、および電力密度により求められる冷却能力増加要件を満たそうとして、システムによってはラム空気を用いて電子部品を冷却する方法に戻っている。残念ながら、航空機内へラム空気を導入すると航空機の抗力が増加するのでそれに応じて実効航続距離が低下してしまう。冷却システム自体に液体を含む方法を用いて、電子部品の発生熱を十分に除去することもできるが、かかるシステムは、それを使用する意欲を失ってしまうほど重く、複雑である。しかし、精巧なエレクトロニクスを運転し続けるには、航続距離と燃料消費に影響があるとはいえ、かかるシステムを用いるのが一般的である。しかし、これらのシステムでも、液体冷却剤から熱を除去するのに幾種類かの冷却空気を必要とすることが多い。
【０００５】
最新の航空機を最初に設計するときは、必要な冷却システムを考慮して、その航空機に含まれる最新かつ精巧な電子サブシステムの発生熱を除去することもできるが、既存の旧式機体に対しては、かかる最新エレクトロニクスが独特な問題を提起することになる。つまり、航空機体は長い年数すなわち数十年の実用サービス寿命を持つので、その後の開発による高度に精巧な電子サブシステムが既存機体に後付けされて、強化された機能と精巧さを与えられる機会が多い。残念ながら、旧式の航空機用の当初に設計された冷却システムは、より新しい電子サブシステムの発生熱を分散させる能力を持っていないこともある。後付け作業が、既存冷却システムおよび／または電力発電システムの後付けも含まなければならないような場合は、コストが著しく嵩み、かかる後付けの導入希望を断念せざるを得ないことが多い。最初の設計検討と同様に、ラム空気冷却、液体冷却、または幾つかのその他冷却システムを考慮しなければならない。かかる後付けにより既存機体の航続距離が著しく減少してしまうのは好ましいことではないので、かかる冷却システムが航空機に著しい抗力を追加したり、航空機に不必要な重量と複雑さを加えたりしてはならない。かかる設計検討では、ラム空気使用を避けるのが一般的である。
【０００６】
最新で精巧なエレクトロニクスおよび電子サブシステムを用いるときに要求される追加冷却を提供できる冷却システムの一つは、航空機の主エンジンからの抽気などの気体源により駆動される膨張タービンを用いたものである。かかる冷却システムは、エンジンからの抽気を膨張タービンを通じて導くことにより動作し、抽気を著しく冷却する。次に、膨張タービンからのこの冷気出力は、電子部品およびサブシステムからの熱を除去して適切に動作させる熱交換器を通過する。残念ながら、吸入抽気を必要なだけ冷却する膨張タービンに対して、そのタービンには負荷を加えなければならない。かかるタービン負荷を提供する公知の方法の一つは、電力発電機を膨張タービンのシャフトに接続し、電力出力を利用装置に接続して電力を供給することである。残念ながら、タービンに加えられる必要負荷は、冷却要件により主として決定され、利用装置が必要とする電力には依らない。
【０００７】
しかし、タービン駆動発電機制御システムは、発電機出力の増減を制御して、タービンに加える必要負荷量を供給し、タービンが要求冷却量を提供できるようにする動作をしないのが普通である。事実、典型的な発電機制御システムでは、増加する熱需要を満たすようタービンが回転速度を上昇させると、発電機の励起を減少させることによって出力電気規定を維持するためタービンの負荷を軽減する傾向がある。しかしこれは、膨張タービンを介する冷却能力強化の達成に完全に反する。すなわち、冷却システムが流量増加を要求すると、タービンの回転速度が増加することになる。発電機入力回転速度のこの増加は、発電機制御システムが、接続利用装置に同一出力電力を維持するよう発電機励起を減少させて補正されることになる。更に、利用装置が動作すると、膨張タービンが定常状態の冷却要件すら満たすことができない結果となる。すなわち、タービン駆動発電機から電力を供給される利用装置が、利用装置動作プロファイルに基づいて減少すると、これは次いで、膨張タービンの負荷を減少させ、それに比例してエンジン抽気を冷却する膨張タービンの能力低下を招くことになる。これは次いで、設計された要求冷却量を提供する膨張タービンの能力を低下させることになる。
【０００８】
これらの重要な問題の観点から、タービン発電機としても知られる膨張タービン駆動発電機は、その大きさ、重量に関して他のシステムを超える明白な利点を有しているにもかかわらず、冷却を提供するために用いられないのが普通である。
【０００９】
従って、発電機が提供するタービン負荷を、システムを備える目的である冷却要件と調整するシステム技術の必要性が存在している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記観点から、本発明の目的は新規の改良バラスト負荷システムおよびその方法を提供することにある。より詳細には、本発明の目的は、タービンに加える比較的一貫性のあるバランスのとれた負荷を提供するタービン発電機の新規の改良バラスト負荷システムおよびその方法を提供することにある。本発明により提供されるかかるシステムを、タービンを介しての冷却と、発電機の電力とを供給するタービン発電機を必要とする用途で利用する場合、冷却要件を満たす一貫性のあるタービン負荷を、本発電機バラスト負荷システムが提供する。このシステムはまた、バラストシステムからのかかる電力の流れを需要に応じて利用装置に切り換える。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
バラスト負荷制御システムは、バラスト負荷を調整して、利用装置の電力要件と調整してシステムの冷却要件を満たすことが好ましい。一実施の形態では、バラスト電気負荷の調整も、タービン吸入空気流制御システムに基づいて維持される。主エンジンタービンからの抽気を用いる実施では、調整は抽気制御弁で達成される。別の気体源を用いる実施では、調整はタービンへの気体流を制御する気体制御弁またはその他の機構により達成される。
【００１２】
バラスト負荷制御システムおよびその方法は、一実施の形態において、利用装置への一貫した出力電圧を維持するよう動作する。この制御機能は、最低回転速度を超えると、タービンが発電機を駆動する回転速度に無関係に達成される。発電機が、無負荷出力電圧特性が回転速度と直接比例する永久磁石機である実施の形態では、バラスト負荷制御システムは、回転速度が上昇すると発電機に加わる電気負荷の量を増加させるよう動作し、回転速度が低下すると電気負荷の量を減少させるよう動作する。こうして利用装置から見た電圧は、比較的一定となる。
【００１３】
バラスト電気負荷の制御は、用いるバラスト負荷の形式に依存する。本発明の一実施の形態では、バラスト負荷は単一抵抗負荷であり、その抵抗に対して電力流をパルス幅変調（ＰＷＭ）様式で制御する。代替の実施の形態では、バラスト負荷素子は一列の抵抗素子を含み、必要に応じて回路に組み入れるか外すかを切り換えて、必要なバラスト負荷を供給する。トリム素子（バラスト負荷素子）のインピーダンスは、利用装置のリアクティブ素子の補償に要求されるように、リアクティブ成分を含んでもよい。さらに、発電機からの電力は、バッテリ充電、補機負荷駆動、主電気系統補助などの有用な役割を果たすようにしてもよい。
【００１４】
一実施の形態における制御方法では、必要なバラスト負荷の量を決定するために発電機の出力電圧だけを観察する。代替の実施の形態では、バラスト負荷の気体流制御弁との調整がなされる。さらに、バラスト負荷制御の代替の実施の形態では、タービン駆動発電機により電力供給される他の電気負荷の動作と調整して、要求に応じて他の電気負荷が電力を自由に利用できるようにする。すなわち、他の電気負荷が電力を必要とするとき、バラスト制御システムは、他の電気負荷需要の増大に比例してバラスト負荷を減少させて、発電機の出力電圧を比較的一定値に保つようにする。
【００１５】
本発明の一実施の形態では、タービン発電機をベースとする冷却システムにおけるタービン負荷制御を与える方法を提供する。本方法は、タービン発電機の出力電圧を監視するステップ、所定レベルの出力電圧を維持するようタービン発電機の電気出力にバラスト負荷を選択的に接続するステップを含む。好ましくは、バラスト負荷を選択的に接続するステップは、タービン発電機の出力電圧上昇に応じてバラスト負荷を増加させるステップを含む。バラスト負荷が複数の並列接続バラスト負荷素子を含む実施の形態では、バラスト負荷を増加させるステップは、少なくとも一個の追加バラスト負荷素子を、タービン発電機の電気出力へ接続するステップを含む。代替として、バラスト負荷を選択的に接続するステップが、電気出力へのバラスト負荷接続をデューティサイクルでパルス幅変調するステップを含む実施の形態では、バラスト負荷を増加させるステップは、パルス幅変調された接続のデューティサイクルを増加させるステップを含む。
【００１６】
一実施の形態では、バラスト負荷を選択的に接続するステップは、タービン発電機の出力電圧低下に応じてバラスト負荷を減少させるステップを含む。バラスト負荷が複数の並列接続バラスト負荷素子を含む本発明によるシステムでは、バラスト負荷を減少させるステップは、少なくとも一個のバラスト負荷素子を電気出力から外すステップを含む。バラスト負荷を選択的に接続するステップが、電気出力へのバラスト負荷接続をデューティサイクルでパルス幅変調するステップを含む実施の形態では、バラスト負荷を減少させるステップは、パルス幅変調された接続のデューティサイクルを減少させるステップを含む。
【００１７】
代替の実施の形態に従ってバラスト負荷を選択的に接続するステップは、タービン発電機に接続される利用装置によるタービン発電機からの電力需要増加に応じてバラスト負荷を減少させるステップを含む。代替として、バラスト負荷を選択的に接続するステップは、利用装置によるタービン発電機からの電力需要減少に応じてバラスト負荷を増加させるステップを含む。
【００１８】
本発明の方法のさらに別の実施の形態では、バラスト負荷を選択的に接続するステップは、タービン発電機のタービンへの空気流増加に応じてバラスト負荷を増加させるステップを含む。代りに、バラスト負荷を選択的に接続するステップは、タービン発電機のタービンへの空気流減少に応じてバラスト負荷を減少させるステップを含む。
【００１９】
タービンの動作により電気出力を生ずる発電機に接続してそれを駆動する気体駆動タービンを有するタービン発電機とともに用いるバラスト負荷システムが、さらに提示される。本発明のこの実施の形態では、システムは、バラスト負荷モジュール、および発電機の電気出力を受電するための入力とバラスト負荷モジュールに接続された出力とを有する制御モジュールを備える。また、発電機の電気出力を感知する第１感知入力を有するシステムコントローラも含む。このシステムコントローラは制御モジュールに命令して、バラスト負荷モジュールを入力に選択的に接続し、発電機の電気出力を所定レベルに維持するために発電機に接続された電気負荷を変化させる。
【００２０】
本発明のバラスト負荷システムの一実施の形態では、バラスト負荷モジュールは、複数の並列負荷素子を備える。この実施の形態では、制御モジュールは、複数の並列負荷素子と関連する複数の並列スイッチング素子を備える。動作中、システムコントローラは、電気出力の電圧レベル上昇に応じて、少なくとも一個の追加スイッチング素子を閉じるように制御モジュールに命令する。代りに、システムコントローラは、電気出力の電圧レベル低下に応じて、少なくとも一個のスイッチング素子を開くように制御モジュールに命令する。
【００２１】
本発明のバラスト負荷システムの代替の実施の形態では、バラスト負荷モジュールは単一の負荷素子を備える。この実施の形態では、制御モジュールは、システムコントローラがパルス幅変調して発電機に接続された電気負荷を効率良く変化させる制御可能なスイッチング素子を備える。動作中、システムコントローラは、電気出力の電圧レベル上昇に応じて制御可能なスイッチング素子のパルス幅変調のデューティサイクルを増加させる。代りに、システムコントローラは、電気出力の電圧レベル低下に応じて制御可能なスイッチング素子のパルス幅変調のデューティサイクルを減少させる。
【００２２】
本発明のさらなる実施の形態では、システムコントローラは、さらに、タービンへの気体量を感知する感知入力を含む。本実施の形態では、システムコントローラは制御モジュールに命令して、バラスト負荷モジュールを入力に選択的に接続させ、発電機に接続された電気負荷をタービンの気体量に比例して変化させる。代替の実施の形態では、制御モジュールは更に、利用装置へ電力を供給するよう適合した出力を含む。本実施の形態のシステムコントローラは制御モジュールに命令して、利用装置へ供給する電力に反比例させて電気負荷を変化させる。
【００２３】
本発明の実施の形態は更に、冷却システムと電力発生システムを提示する。本システムは、発電機に接続してそれを駆動する気体駆動タービンを有するタービン発電機を備える。発電機はタービンが動作すると電気出力を発生し、気体温度はタービンにより低下する。システムは、バラスト負荷モジュール、ならびに発電機の電気出力を受電するための入力、バラスト負荷モジュールと接続された出力、および利用装置に接続されるよう適合された出力を有する制御モジュールを含む。システムはまた、発電機の電気出力を感知する感知入力を有するシステムコントローラを含む。このシステムコントローラは制御モジュールに命令して、バラスト負荷モジュールを入力に選択的に接続し、発電機に接続された電気負荷を変化させ、発電機の電気出力を所定のレベルで維持させる。
【００２４】
本システムの一実施の形態には、入力気体変調弁も含む。システムコントローラは、この変調弁を制御して、タービンにより提供された冷却量を変化させるとともに、制御モジュールに命令してタービンにより提供された冷却量の変動に比例して電気負荷を変化させる。
【００２５】
本発明の実施の形態によれば、システムコントローラは、制御モジュールに命令して、利用装置により引き出された電力量に反比例して電気負荷を変化させる。バラスト負荷モジュールが複数の並列負荷素子を備える実施の形態では、制御モジュールは、複数の並列負荷素子と関連する複数の並列スイッチング素子を備える。バラスト負荷モジュールが単一の負荷素子を備える実施の形態では、制御モジュールは制御可能なスイッチング素子を備える。本実施の形態のシステムコントローラは、制御可能なスイッチング素子をパルス幅変調して、発電機に接続された電気負荷を効率良く変化させる。
【００２６】
本発明の他の目的および利点は、添付の図面を一緒に考慮して以下の説明により明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
明細書に組み込まれ、明細書の一部を形成する添付の図面により、本明細書の幾つかの局面を説明し、その説明と併せて、本発明の原理を解説する。図面では、
【図１】図１は、本発明のバラスト負荷制御システムを含む冷却システムおよび電力システムのシステムレベルブロック要図である。
【図２】図２は、本発明のバラスト制御システムの実施の形態の単線結線要図である。
【図３】図３は、本発明のバラスト負荷制御システムの代替の実施の形態の単線結線要図である。
【図４】図４は、航空機用の冷却システムおよび電力システムに適用した本発明のバラスト負荷制御システムを説明する拡張した単線結線ブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明を特定の好適な実施の形態と関連して説明するが、これらの実施の形態に限定する意図はない。逆に、その意図は、付帯の請求範囲により定義される、本発明の趣旨と範囲に含まれるすべての代替、改変および同等のものを範囲に含めることにある。
【００２９】
本発明の実施の形態におけるバラスト負荷システムおよびその方法は、戦闘機に用いる航空機用冷却システムおよび電力システムに特に適用性が見出される。しかし、当業者には言うまでもないが、本発明が克服する大きな技術的挑戦をかかる用途が示しているが、本発明のシステムには、他の航空機用、地上用、および船舶用の応用が見出されるということである。従って、以下の説明では、本発明のシステムの検討を簡潔かつ明瞭にするために唯一つの用途について提示する。しかし、それに関連して検討されるかかる用途および実施の形態は、例示のためだけと受け取るべきであり、限定するためではない。
【００３０】
戦闘機用に応用する場合のように、図１に説明する本発明のシステムは、必要な冷却量の発生を可能にして電子装置を適正に作動させる。この基本的な冷却システム１０は、エネルギー源としてエンジン（不図示）からの抽気１２を用いて、一実施例では、少なくとも１４ｋＷの冷却を提供する。しかし、注意すべきは、当業者に理解されるように、例えば、ボトル入気体、ヒドラジン分解物、圧縮気体などの他の気体源を適切にあるいは所望するように、使用してもよい。従って、以下の検討では、この気体源をエンジンからの抽気として引用しているが、かかる気体源は単なる例示であり、検討を簡潔にするものとして受け取られるべきである。好ましくは、膨張タービン１４を用いてエンジンからの抽気１２の温度低下を要求に応じて提供する。この膨張タービンにかかる適正な負荷を保証するために、システムは、膨張タービン１４により駆動される永久磁石発電機１６を利用する。これは、膨張タービン１４に加えられる要求負荷を提供して、要求冷却量の供給を可能にする機構である。かかるアセンブリは、当業者には言うまでもなく、普通にはタービン発電機１８と称される。
【００３１】
本発明のバラスト負荷制御システムが、冷却システムおよび電力システムと相互作用しているときの動作の全体的理解を助けるために、先ず図１の簡略化した図に移る。この要図に示されるように、吸入気体１２は、本冷却システム１０の出力冷却要件に基づいてシステムコントローラ２２により制御される変調弁２０を介して制御される。この気体１２を用いて、膨張タービン１４を駆動し、膨張タービンはシャフト２４を介して発電機１６を駆動する。気体１２は、膨張タービン１４を通過すると温度損失を被るので、温度プローブ２６により感知される温度は気体１２の温度より低くなる。この冷気２８は、熱交換器３０を貫流し、熱交換器から熱を除去する。
【００３２】
図１の要図には示されていないが、熱交換器３０は、熱を除去すべき電子装置と機能的に接続されている。当業者には言うまでもないが、この熱交換器３０は、熱を除去すべき部品と熱媒体を介して連通している精巧な熱交換システムは無論のこと、熱を除去すべき単一または複数の個別部品を表してもいる。かかるシステムは、複数部品を連通する熱循環路を貫流する液体冷却システムを含む。空気は、熱交換器３０を一旦貫流すると矢印３２で示すようにシステムから排出される。
【００３３】
上記のように、タービン発電機アセンブリ１８の発電機１６を、膨張タービン１４に接続して、抽気がタービン１４を横切ることにより温度低下を被るようにタービン１４に必要な負荷を提供する。本発明の一実施の形態では、発電機１６は、永久磁石型であり、その出力電圧特性は駆動される入力回転速度に比例する。動作中、出力電力３４は、制御モジュール３６を介してシステムコントローラ２２により制御される。この制御モジュール３６は、出力３４をバラスト負荷３８および利用装置４０に接続して制御する。注意すべきは、出力電力３４を制御モジュール３６を介して利用装置４０へ接続する制御は、システムコントローラ２２が行うので、この電力が許容できる電力品質基準内である限り、負荷４０は出力電力３４を常に利用できるということである。すなわち、タービン発電機１８が最低動作回転速度に達すると、制御モジュール３６は、システムコントローラ２２に命令されて出力電力３４を利用装置４０に接続する。タービン発電機１８が停止するまで、あるいはこの出力電力３４の電力品質が許容範囲を超えて外れるまで、動作中はこの接続が維持される。
【００３４】
しかし、電力３４をバラスト負荷３８へ接続する制御は、利用負荷４０への電力の制御とは著しく異なる。すなわち、システムコントローラ２２は、出力電力３４の動作およびバラスト負荷３８への接続を、制御モジュール３６を介して、全体システム１０のシステム冷却要件と調整する。この調整により、システム１０の冷却要件を満たすのに必要な膨張タービン１４の必要負荷量は、発電機１６により確実に提供される。動作中は、システムコントローラ２２は、発電機１６へ接続された負荷の総量を、システムに接続されたバラスト負荷３８の量を効率良く増減することにより変化させる。この効率的なバラスト負荷３８の増減も、利用装置４０の出力要件と調整しているので、タービン１４のための必要負荷とは無関係に、利用装置４０への出力電力品質は常に許容限界内に収まる。
【００３５】
例として、制御モジュール３６を介して、熱交換器３０に要求される冷却量が発電機１６に接続された所与の電気負荷量（バラスト負荷３８および利用装置負荷４０）により提供されているような定常状態がシステム１０で達成されていると仮定する。ここで冷却量の増加が必要になったと仮定する。システムコントローラ２２は、変調弁２０に命令して、増加した気体流１２を膨張タービン１４へ供給するように弁を開く。この増加した気体流１２は、結果としてタービン１４の回転速度を増加させるとともに、シャフト２４を介して永久磁石発電機１６の回転速度を増加させる。永久磁石発電機の出力電力発電は、入力回転速度に直接比例するので出力電圧３４は上昇し始める。放置しておくと、この増加した回転速度は、利用装置４０に過電圧を供給する状態となる。しかし、上で検討したように、システムコントローラ２２は、かかる許容誤差外の電圧が利用装置４０に供給されるのを許さないので、制御モジュール３６に命令して利用装置４０から出力電力を解放し、あるいは接続を外す。しかし、この電気負荷の減少はタービン負荷の減少を生じ、従って、増加した冷却必要量に対する膨張タービンの冷却供給能力が減少してしまう。
【００３６】
かかる事態が発生するのを防ぐために、システムコントローラ２２は、制御モジュール３６に命令してバラスト負荷３８により供給される実効的電気負荷を増加させる。この様にして、バラスト負荷３８への増加した電流が、発電機１６からの出力電圧を抑える。発電機１６から引き出された電力を増大させることにより、膨張タービン１４にかかる適切な負荷が維持でき、その結果、増加した気体流は、熱交換器３０に供給する冷却量を増加させる。
【００３７】
逆に、要求冷却量が低下しているとシステムコントローラ２２が判断すると、膨張タービン１４に供給する気体１２の量を減少させるよう変調弁２０を制御する。接続されている電気負荷の調整が行われないないとすると、タービンにかかる負荷は、要求されている冷却量に対して過大となり、この場合もシステム１０の動作に悪影響を与えることになる。さらに、膨張タービン１４の回転速度低下により、発電機１６の出力電圧は、接続された電気負荷のもとで下がり始める。これは結果的に利用装置４０の供給電圧低下状態を生じ、この場合も、システムコントローラ２２の保護機能が働いて、発電機１６から利用装置４０が完全に切り離されてしまう。このことにより利用装置４０に好ましくない電力損失が発生するのは無論のことである。この事態が発生するのを避けるために、この場合も、システムコントローラ２２は制御モジュール３６を能動的に制御して、発電機１６に接続されたバラスト負荷３８の量を減少させる。この様にして、システム１０の冷却必要量減少による入力回転速度の低下にもかかわらず、３４での出力電圧を許容範囲内に維持する。
【００３８】
さらに、任意の冷却レベルでも、利用装置が要求する電力の増減も、冷却要件を満たすための冷却システムの能力に影響を与える。また、回転速度の増減が達成されるまでの間、電気負荷を変化させるとＰＭＧの出力電圧が許容限界を越えて上下することがある。これを防ぐために、システムコントローラ２２は制御モジュール３６に命令して、利用装置４０からの電力需要に反比例させてバラスト負荷３８の電力の引き抜きを増減させる。
【００３９】
制御モジュール３６の構成は、本発明のシステムに用いるバラスト負荷３８の形式に応じて変更できる。制御モジュール３６およびバラスト負荷３８の一実施の形態を図２で説明する。本実施の形態では、バラスト負荷３８は、互いに並列に接続された複数の抵抗素子４２_１、４２_２、．．．４２_ｎを含む。かかるバラスト負荷３８では、一連の制御スイッチ４４_１、４４_２、．．．４４_ｎを制御モジュール３６に実装し、それぞれをバラスト負荷３８の個々の抵抗素子に接続して、それを流れる電力を制御する。これら個々のスイッチの制御は、上記で示したようにシステムコントローラ２２からもたらされる。追加の電気負荷が必要なときは、システムコントローラ２２は追加の制御スイッチを閉じるよう命令して、それによりバラスト負荷３８のインピーダンスを実効的に低下させ、それにより発電機１６からの電流を増加させる。逆に、システムコントローラ２２が電気負荷を減少させる必要がある場合には、システムコントローラは適切な数の制御スイッチ３４に開くよう命令して、バラスト負荷３８の実効的なインピーダンスを増加させ、それにより、発電機１６がもたらす電流を減少させる。抵抗素子の値は同一でよく、あるいは出力電力のより正確な制御を可能にするよう大きさを定めてもよい。
【００４０】
制御モジュール３６は、利用装置負荷４０への電力流３４の接続と分離を、システムコントローラ２２が感知する電力品質と動作プロファイルに基づいて行うための制御スイッチ４６も含む。当業者には言うまでもないが、図２は、抵抗素子だけを含むとしてバラスト負荷３８を説明しているが、利用装置負荷４０のインピーダンスを補うため要求された場合、もしくは要求の他の理由、または適切な理由がある場合には、これら素子の実質インピーダンスはリアクティブ成分を含んでもよい。同様に、図２は、制御モジュール３６の制御スイッチ４４を絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）として説明しているが、当業者には周知の如く、これらの制御スイッチは、ＧＴＯ、ＭＯＦＳＦＥＴ、バックツーバック型シリコン制御整流器（ＳＣＲ）などを含む適切な、または要求の他の形式を採用してもよい。さらに、当業者には周知であるが、遠隔制御回路遮断機（ＲＣＣＢ）またはリレーなどの遠隔制御された電気機械装置を、そのスイッチング速度が電力品質基準を維持するのに十分であれば、本実施の形態で用いてもよい。しかし、かかる機械式の低速スイッチ装置を用いるのは、利用装置負荷４０が例えばレーダーのようなスイッチ型負荷である場合には、適切でないであろう。かかる負荷では、利用装置負荷のオンオフ切替えに応じて、提供されるバラスト負荷の量の調整を高速で行う必要がある。
【００４１】
制御モジュール３６およびバラスト負荷３８の代替の実施の形態を図３に図示する。本発明のこの実施の形態の単線結線の要図から判るように、制御モジュール３６は、バラスト負荷３８の単一素子５０に電力３４を選択的に接続または分離する単一の制御スイッチング素子４８だけを含む。本実施の形態では、システムコントローラ２２からの制御は、発電機１６へ接続された電気負荷量を効率良く増減するパルス幅変調（ＰＷＭ）された制御信号である。すなわち、電気負荷量を増加させる必要があるとき、システムコントローラ２２は、スイッチング素子４８のＰＷＭ制御信号のデューティサイクルを増加させて、発電機１６が供給する負荷量を効率良く増加させる。逆に、発電機１６に接続された電気負荷量を減少させる必要があるとシステムコントローラ２２が判断した場合、システムコントローラ２２からのＰＷＭ制御信号のデューティサイクルを減少させて、発電機１６が供給する接続負荷を効率良く減少させる。当業者には言うまでもなく、上記のようにスイッチング素子４８はＩＧＢＴとして説明しているが、スイッチング特性および電流容量がシステムの実際の負荷要件に対して許容できるなら、他の電子スイッチング要素を用いてもよい。
【００４２】
本発明のバラスト負荷制御システムのより詳細な例示用途に目を向けて、図４で、本発明例を組み込んだ冷却システムおよび電力システム全体を説明する。この例示用途のシステム１０は、高速で動作してシステムの総重量を軽減する。本例示システムが不可欠なものであるので、本システムは、最低限の保守ですむという要件を満たす信頼性の高いものでなければならない。従って、好適な実施の形態では磁気軸受５２を用いて、タービン機械シャフト２４を支持する。磁気軸受は、システム１０全体の信頼性を高め、高回転速度のタービン機械用途にとって理想的だからである。これらの磁気軸受用の電力も、膨張タービン１４が一旦最低動作回転速度に達すると、発電機１６により駆動される。これらの磁気軸受５２の構造および制御は、本願と同一日付で出願された同時係属中の出願第＿＿＿号、発明の名称「磁気軸受を有する永久磁石タービン発電機」に記載されている。その教示と開示を引用して全体を本明細書に組み込む。
【００４３】
本例示用途において、システム１０は、レーダーのＰＡＯ冷却ループ３０用冷気、およびレーダー４０用電力を提供する。本システムは、気体接続１２、起動／停止の電力接続、および高温空気排気を除いて基本的に自己充足型である。タービン発電機システムは、５台の別々のライン置換可能ユニット（ＬＲＵ）、すなわち、タービン発電機１８、磁気軸受コントローラ５４、システムコントローラ２２、バラスト負荷制御モジュール３６、およびバラスト負荷モジュール３８を含む。
【００４４】
タービン発電機１８は、永久磁石発電機１６を有する半径流タービン１４である。タービン１４および発電機１６は磁気軸受５２に支持される単一のシャフト２４に搭載されている。機械１８は、高エネルギーローター用のローター収容器を含む。磁気軸受中心部分は、軸方向に分割された特徴を有し、普通のハンドツールでシャフトとホイールのアセンブリを置き換えできるようになっているので、高度な保守性を有している。これはサービスが要求された場合のオーバーホール時間を劇的に減少させる。タービン発電機１８は、需要冷却量および気体条件さえ許せば、デュアル領域ノズルタービンを用いて気体消費量を低下させる。
【００４５】
発電機１６は、一実施の形態では永久磁石型の設計である。このブラシレスＡＣ発電機は、永久磁石ローター、およびステータに巻かれた３０°ずらした２つの３相巻線を含む。ＰＭＧローターからの磁束は、その磁束がステータを横切るとき、ステータ巻線に電圧を誘起する。そのＡＣ電圧の大きさは、ローターとステータの幾何条件、材質、および回転速度に依存する。ローターとステータの幾何条件、および材質が選択されると、ＡＣ電圧はローター回転速度に直接比例する。発電機のエアギャップは、磁気軸受のエアギャップと調整して始動および全負荷動作中の安定動作を提供する。
【００４６】
タービン発電機のシャフト２４は、能動的磁気軸受５２に支持されて、全ての運転回転速度、および停止から最大設計回転速度までの特定の環境条件で、要求されたローター動的応答に最適な剛性および減衰特性を与える。磁気軸受５２は、メンテナンスフリーの長期寿命と全体の効率改良をもたらす。磁気軸受の初期電力は航空機の電力システムから供給される。しかし、タービン発電機システムが一旦運転回転速度に達すると、この電力は永久磁石発電機１６により供給される。また、バックアップ軸受（不図示）を組み込んで、停止後、および電力供給やコントローラが誤動作する場合には運転中の限られた時間の間、シャフトを支える。
【００４７】
システムコントローラ２２は必要な電子回路構成を収納して、電力調整の位相角発射、およびバラスト負荷制御ユニットのスイッチを制御するとともに、先に説明したように過電圧／不足電圧、過負荷保護などのシステム保護機能を提供する。システムコントローラは、発電機の出力を調整し、レーダーに電力を提供し、そして磁気軸受および制御電力を提供する。他の実施の形態では、その他の負荷を、必要に応じて、または要求に応じて供給してもよい。システムコントローラ２２を用いて、弁動作、発電機動作、磁気軸受動作、ＰＡＯ温度制御、および故障検出と報告とを含むシステム全体の動作を制御する。コントローラハードウエアはデジタルシステムコントローラを利用するのが好ましい。
【００４８】
特許、特許出願、および出版物を含む本明細書で引用した文献はすべて本明細書に引用してその全体を組み込む。
【００４９】
以上の本発明の多様な実施の形態の記載は、説明と記述のために提示したものである。開示した正確な実施の形態により、本発明を網羅したり、あるいは限定したりする意図はない。数多くの改変または変形が上記教示に照らして可能である。検討した実施の形態を選択かつ説明して、本発明の原理についての最上の説明、およびその実践的適用を提供し、それにより、目的とする特定の使用に適した多様な実施の形態および多様な改変により、当業者が本発明を利用することを可能にした。公正に、法的に、そして公平に権利を有する範囲に従って解釈した場合、かかる改変および変形はすべて付帯する請求範囲により決定される本発明の範囲内にある。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 冷却システム
１２ 気体（抽気）
１４ 膨張タービン
１６ 発電機
１８ タービン発電機
２０ 変調弁
２２ システムコントローラ
２４ シャフト
２６ 温度プローブ
２８ 冷気
３０ 熱交換器（ＨＸ）
３４ 出力電力
３６ 制御モジュール
３８ バラスト負荷
４０ 負荷
４２ 抵抗素子
４４ 制御スイッチ
４６ 制御スイッチ
４８ 制御スイッチング素子
５０ バラスト負荷の単一素子
５２ 磁気軸受
５４ 磁気軸受コントローラ

Claims (25)

1. タービン発電機に基づく冷却システムに、制御されたタービン負荷を提供する方法であって、
   タービン発電機の出力電圧を監視するステップと、
   前記出力電圧を所定レベルに維持するよう前記タービン発電機の電気出力にバラスト負荷を選択的に接続するステップとを含む方法。
2. 前記バラスト負荷を選択的に接続する前記ステップは、前記タービン発電機の前記出力電圧の上昇に応じて前記バラスト負荷を増加させるステップを含む、
   請求項１の方法。
3. 前記バラスト負荷は、複数の並列接続バラスト負荷素子を備え、前記バラスト負荷を増加させる前記ステップは、少なくとも一個の追加バラスト負荷素子を前記タービン発電機の前記電気出力に接続するステップを含む、
   請求項２の方法。
4. 前記バラスト負荷を選択的に接続する前記ステップは、前記バラスト負荷の前記電気出力への接続をデューティサイクルでパルス幅変調するステップを含み、前記バラスト負荷を増加させる前記ステップは、前記パルス幅変調された接続のデューティサイクルを増加させるステップを含む、
   請求項２の方法。
5. バラスト負荷を選択的に接続する前記ステップは、前記タービン発電機の出力電圧の上昇に応じて前記バラスト負荷を減少させるステップを含む、
   請求項１の方法。
6. 前記バラスト負荷は複数の並列接続バラスト負荷素子を備え、前記バラスト負荷を減少させる前記ステップは、前記電気出力から少なくとも一個の前記バラスト負荷を外すステップを含む、
   請求項５の方法。
7. 前記バラスト負荷を選択的に接続する前記ステップは、前記バラスト負荷の前記電気出力への接続をデューティサイクルでパルス幅変調するステップを含み、前記バラスト負荷を減少させる前記ステップは、パルス幅変調された接続のデューティサイクルを減少させるステップを含む、
   請求項５の方法。
8. 前記バラスト負荷を選択的に接続する前記ステップは、接続された利用装置による前記タービン発電機からの電力需要の増加に応じて前記バラスト負荷を減少させるステップを含む、
   請求項１の方法。
9. 前記バラスト負荷を選択的に接続する前記ステップは、接続された利用装置による前記タービン発電機からの電力需要の減少に応じて前記バラスト負荷を増加させるステップを含む、
   請求項１の方法。
10. 前記バラスト負荷を選択的に接続する前記ステップは、前記タービン発電機のタービンへの空気流の増加に応じて前記バラスト負荷を増加させるステップを含む、
    請求項１の方法。
11. 前記バラスト負荷を選択的に接続する前記ステップは、前記タービン発電機のタービンへの空気流の減少に応じて前記バラスト負荷を減少させるステップを含む、
    請求項１の方法。
12. 発電機に接続して駆動する気体駆動タービンを有するタービン発電機とともに用いるバラスト負荷システムであって、前記発電機は、前記タービンが動作すると電気出力を発生し：
    バラスト負荷モジュール；
    前記発電機の電気出力を受電するための入力、および前記バラスト負荷モジュールに接続された出力を有する制御モジュール；および、
    前記発電機の電気出力を感知する第１感知入力を有するシステムコントローラであって、前記制御モジュールに命令して、前記バラスト負荷モジュールを前記入力に選択的に接続させ、それにより、前記発電機の電気出力を所定レベルに維持するように前記発電機に接続された電気負荷を変化させる、前記システムコントローラ；
    を備えるシステム。
13. 前記バラスト負荷モジュールは、複数の並列負荷素子を備え、前記制御モジュールは、前記複数の並列負荷素子と関連する複数の並列スイッチング素子を備える、
    請求項１２のバラスト負荷システム。
14. 前記システムコントローラは、前記制御モジュールに命令して前記電気出力の電圧レベル上昇に応じて少なくとも一個の補助スイッチング素子を閉じる、
    請求項１３のバラスト負荷システム。
15. 前記システムコントローラは、前記制御モジュールに命令して前記電気出力の電圧レベル低下に応じて少なくとも一個のスイッチング素子を開く、
    請求項１３のバラスト負荷システム。
16. 前記バラスト負荷モジュールは単一の負荷素子を備え、前記制御モジュールは制御可能なスイッチング素子を備え、そして前記システムコントローラは、前記制御可能なスイッチング素子をパルス幅変調して、前記発電機へ接続された前記電気負荷を効率良く変化させる、
    請求項１２のバラスト負荷システム。
17. 前記システムコントローラは、前記電気出力の電圧レベル上昇に応じて前記制御可能なスイッチング素子の前記パルス幅変調のデューティサイクルを増加させる、
    請求項１６のバラスト負荷システム。
18. 前記システムコントローラは、前記電気出力の電圧レベル低下に応じて前記制御可能なスイッチング素子の前記パルス幅変調のデューティサイクルを減少させる、請求項１６のバラスト負荷システム。
19. 前記システムコントローラは更に前記タービンへの気体量を制御し、前記システムコントローラは、前記制御モジュールに命令して、前記バラスト負荷モジュールを前記入力へ選択的に接続させ、それにより、前記タービンへの前記気体量に比例させて前記発電機に接続された前記電気負荷を変化させる、
    請求項１２のバラスト負荷システム。
20. 前記制御モジュールは更に、接続された利用装置へ電力を供給するよう適合された第２出力を含み、前記システムコントローラは、前記制御モジュールに命令して、前記利用装置に供給される前記電力に反比例させて前記電気負荷を変化させる、
    請求項１２のバラスト負荷システム。
21. 冷却システムおよび電力発生システムであって：
    発電機に接続して駆動する気体駆動タービンを有し、前記発電機が、前記タービンが動作すると電気出力を発生し、前記タービンが前記気体の温度を低下させるようになしたタービン発電機と；
    バラスト負荷モジュールと；
    前記発電機の電気出力を受電するための入力、前記バラスト負荷モジュールに接続された第１出力、および利用装置に接続するよう適合された第２出力を有する制御モジュールと；
    前記発電機の電気出力を感知する第１感知入力を有し、前記システムコントローラが前記制御モジュールに命令して、前記バラスト負荷モジュールを前記入力に選択的に接続させ、それにより、前記発電機の電気出力を所定レベルに維持するように前記発電機に接続された電気負荷を変化させる、前記システムコントローラと；
    を備えるシステム。
22. 入力気体変調弁を更に備え、前記システムコントローラは、前記変調弁を制御して前記タービンにより提供される冷却量を変化させ、前記システムコントローラは、前記制御モジュールに命令して前記タービンにより供給される前記冷却量の変動に比例して前記電気負荷を変化させる、
    請求項２１のシステム。
23. 前記システムコントローラは、前記制御モジュールに命令して前記利用装置により引き出される電力量に反比例させて前記電気負荷を変化させる、
    請求項２１のシステム。
24. 前記バラスト負荷モジュールは複数の並列負荷素子を備え、前記制御モジュールは、前記複数の並列負荷素子に関連した複数の並列スイッチング素子を備える、
    請求項２１のシステム。
25. 前記バラスト負荷モジュールは単一の負荷素子を備え、前記制御モジュールは、制御可能なスイッチング素子を備え、前記システムコントローラは、前記制御可能なスイッチング素子をパルス幅変調して、前記発電機に接続された前記電気負荷を効率良く変化させる、
    請求項２１のシステム。

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