使用热电容器对飞机传感器进行供电的制作方法

本公开的示例总体涉及用于飞机的电力生成的领域，并且更具体地涉及用于采用热电发电机对诸如传感器的飞机辅助系统供电系统，该热电发电机基于温差使用已经存在于交通工具中并且具有除了作为热电容器之外的主要功能的热电容器产生电力。

背景技术：

现代飞机针对大量机载系统采用电力。用于此类用途的常规的电生成通过位于飞机中的发动机或辅助动力装置(APU)驱动的发电机来完成。然后来自发电机的动力(power)通大量线束中的标准电气布线被路由通过飞机以便使用。大量布线系统的重量问题以及电路系统内可能的不期望的放电已经促进可替换的动力路由技术(alternative power routing techniques)的检查。

热电发电机已经被用于飞机和其他交通工具以提供电力生成替换物。然而，这些使用通常与燃烧燃料产生的热相关联。在这些应用中，热源的位置限制了热电发电机的位置，并且因此即使在可替换电源的情况下也可能出现布线距离问题。此外，只有当燃烧燃料时才产生动力。

飞机和其他交通工具通常具有可以提供对温差做出反应以用作热电容器的系统。因为此类系统主要用于不同于热电容能力的目的，因此，该能力被浪费并且在一些情况下不被加强。

因此期望的是提供一种采用交通工具中的已有热电容器来为辅助系统提供动力的电力生成系统。

技术实现要素：

本文中公开的示例提供一种发电系统，其包含具有主要功能并且具有提供热电容器的相关联的块体(associated mass)的主系统。示例提供一种热电发电机，其被放置于热电容器和外部环境之间。热电发电机被配置为利用热电容器和外部环境之间的热差来产生电流。与主系统相关联的辅助系统被连接以使用由热电发电机产生的电流来操作。

示例提一种用于从存在于主系统中的热电容器为辅助系统产生电力的方法，所述辅助系统诸如与飞机上的主系统相关联的传感器。热电发电机被安装以接收飞机上的主系统中的热电容器和热沉(thermal sink)之间的热流。飞机以提供该飞机外部的低温空气的巡航高度来操作。随后热电发电机基于热电容器和作为热沉的外部空气之间的温度差来产生电力。然后辅助系统可以使用该电力来操作。

应讨论的特点、功能和优点可以在本公开的各种示例中被独立地实现，或者在一些其他示例中被组合，其进一步的细节可以参考以下描述和附图来了解。

附图说明

图1是作为带有处了其正常功能之外还可以用作热电容器的多个内部系统的示例交通工具的飞机的示意图；

图2是燃料箱热电容器设置的示例；

图3是盥洗室储水箱热电容器设置的示例；

图4是货物集装箱热电容器设置的示例；

图5是使用热电容器和电池存储单元来操作以便动力调配(power leveling)的热电发电机的示意性表示；

图6是用于使用热电容器操作的热电发电机的温度监控应用的示意性表示；

图7是用于为辅助系统或传感器使用分配电力的热电发电机的操作的流程图。

具体实施方式

本文中公开的示例使用从热电容器中获得动力的热电发电机为交通工具中的辅助系统提供电力，该热电容器作为主系统的一部分而存在，该主系统具有不同于作为热电容器的交通工具上的主要功能。热电发电机能够使用存在于热电容器和外部冷空气或该交通工具的其他外部环境的温度之间的势能来产生电力。

使用商用飞机作为用所公开的示例可以在其中被采用的示例交通工具，例如以在对流层之上并且良好地扩展至平流层的高度巡航的飞机。大气的该区域的空气温度通常在-20°到-60℃之间。即使在上升和下降期间，操作高度也经常提供明显更低的空气温度。此外，飞机通常具有作为主系统的大型燃料箱，该主系统具为飞机发动机供应燃料的主要功能，但是其也提供具有热惯性的大的燃料容量，即，它趋向于保持在初始温度并且仅缓慢地与新的环境温度相符合。该热惯性允许燃料或者存储燃料的燃料箱作为热电容器。此外，具有与电力生成不相关联的主要功能的其他机载系统(例如用于盥洗室的水系统)也可以提供具有大容量和/或质量的材料以提供高热惯性从而作为热电容器。在飞机中，货物集装箱或者货物本身也可以提供热惯性，其可以被用来作为热电容器。这些主系统中的每一个在飞机中具有主要功能；燃料箱为飞机发动机的操作供应燃料，水箱为厨房或盥洗室使用供应水，并且货物集装箱被指定用于包含在其中的货物的装运。然而，由每一个系统供给的热电容都可以提供次要功能。

如图1中针对示例性飞机系统所示的，所述飞机10具有围绕机舱14的机身12。发动机16(对于本示例中其被示为被安装在机翼18上，但在可替换的配置中，其被安装在飞机的尾翼上)通常从安装在机翼18内部的燃料箱20中汲取燃料。该机翼箱可以容纳3900kg或更多的喷射燃料，该喷射燃料提供相对于机翼18的外部温度的显著的热电容，当飞机在高空飞行时，该机翼18的外部温度可以作为热沉。作为热电容器的燃料箱可以连同热电发电机被采用，以提供电力。

此外，大部分飞机包含盥洗室、厨房或者需要储水的其他系统，并且一个或多个水箱22通常存在于飞机的机身14内。水箱22也提供可以连同热电发电机被采用以便生成电力的热电容器。

由飞机运输的货物通常位于机身14中并且在很多情况下货物集装箱24提供可以被用作与外部空气(或者对于未加热/未加压的货仓而言，是货舱内的空气)的热电容器的大的块体(mass)。可替换地，如果货物集装箱的环境中的某些温度限制被超过，则该可用块体可以仅充当(act)热电容，该热电容随后可以提供热电发电机的操作以对用于该温度偏离(temperature excursion)的传感器或记录器进行供电。

第一示例性发电系统在图2中被示出，其中热电发电机30在第一表面32上与作为主系统的燃料箱20的壁34热接触。箱20中的燃料(总体标记为36)除了向发动机提供燃料的其主要功能外还提供块体作为热电容器。热电发电机30的第二表面38与机翼18的表面上的机翼蒙皮40热接触。外部空气(总体标记为42)的温度提供在机翼蒙皮40处的温度作为参考元素，其提供了热电发电机30的第一表面32和第二表面38之间的温差，该温差产生热流(总体由箭头43标记)的热电梯度(thermoelectric gradient)，从而向连接到辅助系统(诸如传感器46)的引线44提供电力。作为示例，传感器46可以是燃油量计、燃料温度计或者爆炸蒸汽探测器，以测量与燃料箱相关联的期望的物理现象，将该现象转化为仪表信号并且可以提供冗余来备份飞机中的主系统。来自传感器的输出可以通过输出端48被路由至显示器或者用于其他处理。虽然被示为物理引线，然而输出端48可以是有线通信通道或者无线通信通道。热电发电机30在作为热电容器的燃料箱20和接触具有与热电容器不同的温度的外部空气的机翼蒙皮40之间的操作性接合提供用于期望的电流生成的热电梯度。

在图3中示出与作为主系统的水箱22一起使用的相似的结构设置。热电发电机30被定位为第一表面32与水箱22的壁50热接触，其中水箱中的水(总体标记为51)除了提供水以便在厨房或盥洗室中使用的其主要功能之外，还提供作为热电容器的块体。热电发电机30的第二表面38与机身14的表面上的蒙皮52热接触。外部空气42的温度同样为热流43提供热电发电机30的第一表面32和第二表面38之间的温差，以向连接到作为辅助系统的传感器54的引线44提供电力。作为示例，传感器54可以是用于水箱的电容性水位计或量计。来自传感器54的输出可以通过输出引线56被路由至显示器58，该显示器58邻近水箱位置或者远离水箱位置。

图4示出采用货物集装箱24的示例。热电发电机30被定位为第一表面32与货物集装箱24的壁60热接触，集装箱24带有在集装箱中的大量货物和闭塞空气体积，除了提供货物的货运的其主要功能之外，该集装箱24还提供作为热电容器的块体。热电发电机30的第二表面38与集装箱24周围的环境(总体标记为62)热接触。环境62的温度可以为热流43提供热电发电机30的第一表面32和第二表面38之间的温差，以向连接到辅助系统66的引线64提供电力相连。作为示例，辅助系统66可以是温度传感器或者GPS位置传感器/发射器。

尽管在本文中主要被描述为在热电容器的较高温度和较低的外部或者环境温度之间操作，所公开的示例也可以在主系统的热电容处于较低温度而外部环境处于较高温度的情况下操作。在这些示例中，辅助系统可以是所描述的传感器或者可以是用来在外部温度超过期望值的情况下循环冷却运输集装箱中的空气的如风扇一样的工具(implementation)。辅助系统可以被连接以对温度的变化进行负补偿(即，提供负反馈)(例如，定向于或应用于货物或交通工具的具体敏感部分的风扇或冷却装置，或者加热装置，以避免损坏物品或平衡该物品的温度)。该功能将额外地加快或延迟热电容器中的热惯性。此外，当热电容器的温度和参考元素和/或环境冷源(environment sink)较高或者较低时都可以操作热电发电机。虽然在本文中的主要示例中被描述为飞机，然而作为可替换的示例，该交通工具可以是宇宙飞船、飞机、直升机、轻于空气的飞行器(lighter-than-air craft)、水下交通工具和导弹。

示例性热电发电机30的操作元件如图5所示。冷板72和热板74由可以被金属化的氧化铝陶瓷或相似材料制成。热板72和冷板74被安装在热电堆76的相对侧上，该热电堆76可以采用塞贝克效应(Seebeck effect)、珀尔帖效应(Peltier effect)或汤姆逊效应(Thomson effect)来产生电流。在一个示例中，该堆由碲化铋((Bi2Te3)半导体p-n结制成，该Bi2Te3半导体p-n结被串联电连接或并联电连接或两者的组合。由堆76产生的电力接下来通过引线78a和78b被提供。作为示例，可以使用一个单级操作元件77(例如由德克萨斯州的达拉斯的Marlow Industries Inc.(马洛工业公司)生产的模型NL 1010T)或者单级操作元件77的阵列来形成热电发生器30。热板和冷板72，74直接或者在使用热油脂(例如，由Marlow Industries生产的用于优化热传导性的部件no.#860-3079-001)的传导性扩展物(conductive extension)上被热结合至热电容器的块体和参考物或者冷源(诸如之前描述的提供温差的外部环境或者邻近外部环境的冷源或者壁)。冷板72在其外表面38传导性地接合机翼的外蒙皮，或者接合燃料箱和水箱示例中的机身，或者在货物集装箱示例中接合环境空气，以便热传递，并且热板74通过壁40、52或者60的直接传导性接合使其表面32与热电容器块体相互作用。

如图5所示，热电发电机30可以将产生的动力提供给动力调节模块80，该动力调节模块80将发电机输出转换为期望的电流和电压值(例如12伏特或者28伏特直流电或者110伏特交流电)，以便操作相关联的辅助系统(例如所述传感器46、54、66)。诸如电池82的电能存储设备可以通过动力调节系统连接到热电发电机，以便存储电力以在可能不存在用于热电发电机30的操作的热梯度时允许对相关联的传感器或其他辅助系统供电，或者在温差小时补充由热电发电机提供的动力。在可替换的示例中，可以采用电容性存储系统。在充分的热梯度的情况下，动力调节模块80可以对电池82进行充电。

具体应用在图6中被示出，其中热电发电机30被附连以在诸如集装箱24的外部84的环境和作为热电容器的集装箱的内部86之间操作。只有当在外部环境84和内部86之间存在预定量的温差时，热电发电机才将被激活。如果超过温差，则构成辅助系统的传感器88(例如，温度传感器)将只接收来自热电发电机的电流。然后该传感器将激活以指示温度。可以不需要来自温度传感器的实际温度值，而仅仅需要阈值温度已经被超过的指示。用于对温差超过阈值量的时间量进行计数的计数器90可以被连接到传感器88并且由热电发电机30供电，以提供对集装箱86中的产品的记录(例如，乳制品、酒瓶/酒柜或者如果暴露在极端温度下可能被劣化的其他产品)。计数器90可以是启动-停止计时器，其能够根据需要以秒、分、小时或者天来测量累积的时间量。计数器90可以基于操作周期被初始化。例如，如果热电发电机30、传感器88和/或计数器90是可附连至集装箱86的自包含系统，则当系统被附连至集装箱时计数器可以被初始化。可替换地，在热电发电机30、传感器88和/或计数器90被永久性地附于集装箱86的情况下，计数器90可以在集装箱被装载和密封时被手动重置。

辅助系统也可以是或者包含诸如熔断器或断路器的脱扣元件(tripping element)91，其在温差被超过时断开辅助系统，或者仅用作指示器。

热电发电机30、传感器88和计数器90可以由低成本材料制造，以提供与集装箱直接相关联或者被包含作为集装箱一部分的一次性使用系统。可替换地，热电发电机30、传感器88和计数器90可以是可移除地附连到集装箱24的自包含设备。

如图7所示，所公开的示例提供一种用于从存在于主系统中的热电容器为辅助系统产生电力的方法，该辅助系统诸如与飞机上的主系统相关联的传感器。在步骤702，热电发电机被安装以接收热电容器和热沉之间的热流。在步骤704，随后以提供飞机外部的低温的巡航高度操作该飞机。接下来，在步骤706，由热电发电机通过热电容器和作为热沉的外部空气之间的温差来产生电力。在步骤708，从热电发电机产生的电力随后能够针对合适的电压被调节，并且在步骤710被提供以操作诸如传感器的辅助系统，或者在步骤712对动力存储系统(诸如用于动力存储的电池或电容器)进行充电以操作传感器系统。在步骤714，如果对于热电发电机不存在足够的热梯度来提供足够的电力，则电池随后可以被用于辅助系统的操作。在步骤716，当热电发电机操作时，计数器可以被操作以记录高于阈值的温差。

进一步，本公开包含根据以下条款的示例。

条款1.一种发电系统，其包含：具有主要功能的主系统，所述主系统具有提供热电容器的相关联的块体；热电发电机，其被放置以便在所述热电容器和外部环境之间操作性地接合，所述热电发电机被配置为利用所述热电容器和所述外部环境之间的温差来产生电流；以及与所述主系统相关联的辅助系统，所述辅助系统被连接以利用由所述热电发电机产生的所述电流来操作。

条款2.如条款1所限定的发电系统，其中所述热电发电机包含用于与所述热电容器接触的第一部分，和被设置与交通工具中的参考元件接触的第二部分，所述参考元件处于与所述热电容器不同的温度，热电梯度形成于所述第一部分和所述第二部分之间以产生所述电流。

条款3.如条款2所限定的发电系统，其中所述第一部分是热接触飞机外蒙皮的冷板，并且所述第二部分是与所述热电容器热接触的热板；并且其进一步包含，在所述冷板和热板中间用于产生电力的热电堆。

条款4.如条款3所限定的发电系统，其中所述热电堆利用塞贝克效应(Seebeck effect)，珀尔帖效应(Peltier effect)或汤姆逊效应(Thomson)中的至少一种来操作以便产生电流。

条款5.如条款4所限定的发电系统，其中所述热电堆包含碲化铋(Bi2Te3)半导体p-n结。

条款6.如条款1所限定的发电系统，其中所述主系统被包含在交通工具中，所述交通工具选自宇宙飞船、飞机、直升机、轻于空气的飞行器(lighter-than-air craft)、水下交通工具和导弹的组。

条款7.如条款6所限定的发电系统，其中所述交通工具是飞机，并且其中所述飞机上的主系统是水箱、燃料箱以及货物集装箱中的一种。

条款8.如条款1所限定的发电系统，其中所述辅助系统是由所述热电发电机供电的传感器，所述传感器将物理现象转换为信号，所述传感器将所述信号呈现(assert)在有线通信信道或无线通信通道中的一者上。

条款9.如条款1所限定的发电系统，进一步包含电能存储设备，其操作性地连接至所述热电发电机，当所述热电发电机提供动力时，所述存储设备用于存储电力，当所述热电发电机不提供动力时，所述存储设备用来提供电力。

条款10.如条款9所限定的发电系统，其中所述存储设备是电池和电容器性存储系统中的一种。

条款11.如条款1所限定的发电系统，其中所述热电发电机可移除地附连到所述热电容器。

条款12.如条款1所限定的发电系统，其中所述辅助系统是温度传感器。

条款13.如条款12所限定的发电系统，进一步包含用于计算所述温差超过阈值量的时间量的计数器。

条款14.如条款1所限定的发电系统，其中所述辅助系统包含熔断器或断路器中的一种。

条款15.如条款1所限定的发电系统，其中所述辅助系统包含冷却设备和加热设备中的一种，所述冷却设备和所述加热设备中的所述一种被连接以便由所述热电发电机供电，从而对所述温差进行负补偿。

条款16.一种用于从存在于主系统中的热电容器为辅助系统产生电力的方法，所述辅助系统诸如与飞机上的所述主系统相关联的传感器，所述方法包括：安装热电发电机以接收飞机上的主系统内的热电容器和热沉之间的热流；以提供所述飞机外部的低温空气的巡航高度操作所述飞机；由所述热电发电机基于所述热电容器和作为热沉的外部空气之间的温差来产生电力；以及利用所述电力操作辅助系统。

条款17.如条款16所限定的方法，其进一步包括调节由所述热电发电机产生的动力以便由所述辅助系统使用。

条款18.如条款16所限定的方法，其进一步包含用所产生的电力对储能系统进行充电。

条款19.如条款18所限定的方法，其进一步包含如果没有足够的热梯度以便所述热电发电机提供足够的动力，则利用所述储能系统操作所述辅助系统。

20.如条款16所限定的方法，其中操作所述辅助系统的步骤进一步包括当所述热电发电机操作时操作计数器以记录高于阈值的温差。

现在已经按照专利法规的要求详细描述了本公开的各种示例，本领域的技术人员将意识到对本文公开的具体示例的修改和替换。这些修改在所附的权利要求限定的本申请的范围和意图之内。