(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
システム内で動力を発生させる方法であって、当該システム内を通って流れる超臨界流体を有する超臨界流体サイクルと、前記超臨界流体の流れと混合せずに当該システム内を通って流れる空気を有する空気吸込サイクルとを含むものであり、この方法は、
前記空気吸込サイクルに沿って空気を方向付け、当該空気を複数の熱交換器を通して流動させる、第１の流動させる工程と、
前記超臨界流体サイクルに沿って配置された超臨界流体コンプレッサー内で前記超臨界流体を圧縮する工程と、
第１の圧縮超臨界流体の放出流が回収熱交換器を通って流れるように、前記超臨界流体コンプレッサーから放出された超臨界流体を第１および第２の圧縮超臨界流体の放出流に分割する工程と、
前記回収熱交換器から放出された超臨界流体を前記第２の圧縮超臨界流体の放出流と混合する、第１の混合する工程と、
圧縮超臨界流体の混合物を、配置された複数の熱交換器のうちの１つを通って超臨界流体タービンの入口に流動させる工程であって、それにより、前記空気吸込サイクルに沿った空気からの熱が当該圧縮超臨界流体の混合物に移動するものである、第２の流動させる工程と、
前記超臨界流体タービンから放出された超臨界流体を第１および第２の膨張超臨界流体の放出流に分割する工程であって、それにより当該第１の膨張超臨界流体の放出流は前記回収熱交換器を通って流れ、前記第１の圧縮超臨界流体の放出流が加熱されるものである、前記第１および第２の膨張超臨界流体の放出流に分割する工程と、
前記回収熱交換器から放出された膨張超臨界流体を前記第２の膨張超臨界流体の放出流と混合する、第２の混合する工程と、
膨張超臨界流体の混合物を前記超臨界流体コンプレッサーの入口に流動させる、第３の流動させる工程と
を有し、
前記膨張超臨界流体の混合物からの熱が前記空気吸込サイクルの前記空気に移動することにより、前記膨張超臨界流体の混合物がほぼその臨界点まで冷却されるものである、
方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記第３の流動させる工程は、膨張超臨界流体の混合物を前記複数の熱交換器のうちの別の１つを通って前記超臨界流体コンプレッサーの入口へと流動させる工程を含むものである方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、前記複数の熱交換器は、第１の熱交換器と、第２の熱交換器と、第３の熱交換器と、第４の熱交換器とを含み、前記第１の熱交換器から順番に前記第２、第３、および第４の熱交換器の方向に前記空気が流れるものである方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、前記第２の流動させる工程は、前記圧縮超臨界流体の混合物を、前記超臨界流体タービンの入口に対して供給するように配置された前記第３の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、前記第１の混合する工程の前に、前記第２の圧縮超臨界流体の放出流を前記第４の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
【請求項６】
請求項３記載の方法において、前記第３の流動させる工程は、前記膨張超臨界流体の混合物を前記第１の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、前記第２の混合する工程の前に、前記第２の膨張超臨界流体の放出流を前記第２の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、前記複数の熱交換器は、第１の熱交換器と、第２の熱交換器と、第３の熱交換器とを含み、前記第１の熱交換器から順番に前記第２および第３の熱交換器の方向に前記空気が流れるものである方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法において、前記第２の流動させる工程は、前記圧縮超臨界流体の混合物を前記超臨界流体タービンの入口に対して供給するように配置された前記第２の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
【請求項１０】
請求項９記載の方法において、前記第１の混合する工程の前に、前記第２の圧縮超臨界流体の放出流を前記第３の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
【請求項１１】
請求項８記載の方法において、前記第３の流動させる工程は、前記膨張超臨界流体の混合物を前記第１の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
【請求項１２】
請求項８記載の方法において、前記第２の混合する工程の前に、前記第２の膨張超臨界流体の放出流を前記第１の熱交換器を通って流動させる工程を含むものである方法。
【請求項１３】
請求項１記載の方法において、前記第１の流動させる工程は、
空気サイクルコンプレッサー内で前記空気の流れを圧縮する工程と、
空気サイクルタービンを通る前記空気を膨張させる工程と
を含むものである方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法において、前記複数の熱交換器は、第１の熱交換器と、第２の熱交換器と、第３の熱交換器とを含み、前記第１の熱交換器から順番に前記第２および第３の熱交換器の方向に前記空気が流れ、前記膨張させる工程は、前記空気が前記第３の熱交換器を通って流れる前に起こるものである方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、前記第１の流動させる工程は、前記空気が前記第２の熱交換器を通って流れる前に前記空気を燃焼させる工程を有するものである方法。
【請求項１６】
請求項１３記載の方法において、この方法は、さらに、前記空気の流れを排気する工程を有するものである方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の方法において、空気流は、前記熱交換器のうちの１つから排気されるものである方法。
【請求項１８】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、１もしくはそれ以上の冷却器を介して前記超臨界流体を冷却する工程を有するものである方法。
【請求項１９】
動力を発生させるように構成されたシステムであって、
超臨界流体を受け取って圧縮するように構成された超臨界流体コンプレッサーと、前記超臨界流体を受け取って膨張させるように構成された超臨界流体タービンと、前記超臨界流体コンプレッサーおよび前記超臨界流体タービンから放出流を受け取るように構成された回収熱交換器とを含む超臨界流体サイクルと、
空気吸込サイクルであって、当該サイクルに沿って流れる空気を加熱するように構成されているものである、前記空気吸込サイクルと、
前記超臨界流体サイクルからの超臨界流体および前記空気吸込サイクルからの空気が相互に混合せずに通過するように配置された複数の熱交換器と
を有し、
前記システムは、
１）ａ）第１の圧縮超臨界流体の放出流が前記回収熱交換器を通って流れ、ｂ）第２の圧縮超臨界流体の放出流が前記複数の熱交換器のうちの１つを通って流れるように、前記超臨界流体コンプレッサーから放出される超臨界流体を第１および第２の圧縮超臨界流体の放出流に分割し、
２）ａ）第１の膨張超臨界流体の放出流が前記回収熱交換器を通って流れ、ｂ）第２の膨張超臨界流体の放出流が前記複数の熱交換器のうちの異なる１つの熱交換器を通って流れるように、前記超臨界流体タービンから放出された超臨界流体を第１および前記第２の膨張超臨界流体の放出流に分割するように構成されており、
前記回収熱交換器内で前記第１の膨張超臨界流体の放出流からの熱は、前記圧縮超臨界流体の前記第１の放出流に移動するものである
システム。
【請求項２０】
請求項１９記載のシステムにおいて、前記複数の熱交換器は、第１の熱交換器と、第２の熱交換器と、第３の熱交換器とを含み、前記第１の熱交換器から順番に前記第２および第３の熱交換器の方向に前記空気が流れるものであるシステム。
【請求項２１】
請求項２０記載のシステムにおいて、前記システムは、前記第２の圧縮超臨界流体の放出流が前記第３の熱交換器を通って流れ、次に、前記流れを前記超臨界流体タービンの入口に対して供給するように配置された前記第２の熱交換器へと流動させるように構成されているものであるシステム。
【請求項２２】
請求項２１記載のシステムにおいて、前記システムは、Ａ）前記第３の熱交換器からの放出物を前記回収熱交換器からの前記圧縮超臨界流体の放出物と混合し、Ｂ）前記圧縮超臨界流体の混合物を前記第２の熱交換器を通って前記超臨界流体タービンの入口に流動させるように構成されているものであるシステム。
【請求項２３】
請求項２２記載のシステムにおいて、前記システムは、前記第２の膨張超臨界流体の放出流が前記第１の熱交換器を通って流れ、次に、前記流れを前記超臨界流体コンプレッサーの入口へと流動させるように構成されているものであるシステム。
【請求項２４】
請求項２３記載のシステムにおいて、前記システムは、Ａ）前記第１の熱交換器からの放出物を前記回収熱交換器からの前記膨張超臨界流体の放出物と混合し、Ｂ）前記膨張超臨界流体の混合物を前記超臨界流体コンプレッサーの入口へと流動させるように構成されているものであるシステム。
【請求項２５】
請求項１９記載のシステムにおいて、前記複数の熱交換器は、第１の熱交換器と、第２の熱交換器と、第３の熱交換器と、第４の熱交換器とを含み、前記第１の熱交換器から順番に前記第２、第３、および第４の熱交換器の方向に前記空気が流れるものであるシステム。
【請求項２６】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記システムは、前記第２の圧縮超臨界流体の放出流が前記第４の熱交換器を通って流れ、次に、前記流れを前記第３の熱交換器へと流動させるように構成されているものであるシステム。
【請求項２７】
請求項２６記載のシステムにおいて、前記システムは、Ａ）前記第４の熱交換器からの放出物を前記回収熱交換器からの前記圧縮超臨界流体の放出物と混合し、Ｂ）前記圧縮超臨界流体の混合物を前記第３の熱交換器を通って前記超臨界流体タービンの入口に流動させるように構成されているものであるシステム。
【請求項２８】
請求項２７記載のシステムにおいて、前記システムは、前記第２の膨張超臨界流体の放出流が前記第２の熱交換器を通って流れ、次に、前記流れを前記第１の熱交換器に流動させるように構成されているものであるシステム。
【請求項２９】
請求項２８記載のシステムにおいて、前記システムは、Ａ）前記第２の熱交換器からの放出物を前記回収熱交換器からの膨張超臨界流体の放出物と混合し、Ｂ）前記膨張超臨界流体の混合物を前記第１の熱交換器を通って前記超臨界流体コンプレッサーの入口へと流動させるように構成されているものであるシステム。
【請求項３０】
請求項１９記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、
前記超臨界流体コンプレッサーから放出された前記超臨界流体を前記第１および第２の圧縮超臨界流体の放出流に分割するように構成された第１のバルブと、
前記超臨界流体タービンから放出された前記超臨界流体を前記第１および第２の膨張超臨界流体の放出流に分割するように構成された第２のバルブと
を有するものであるシステム。
【請求項３１】
請求項１９記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、前記超臨界流体が前記超臨界流体コンプレッサー内に入る前にその温度を低下させる冷却器を有するものであるシステム。
【請求項３２】
請求項１９記載のシステムにおいて、前記空気吸込サイクルは、少なくとも１つの空気サイクルコンプレッサーと、少なくとも１つの空気サイクルタービンと、少なくとも１つの燃焼器とを含むものであるシステム。
【請求項３３】
請求項１９記載のシステムにおいて、前記空気吸込サイクルは、少なくとも１つの誘引通風機と、少なくとも１つの押込送風機と、少なくとも１つの燃焼器とを含むものであるシステム。
【請求項３４】
請求項３３記載のシステムにおいて、前記誘引通風機は第１の動力源を含み、前記押込送風機は第２の動力源を含むものであるシステム。
【請求項３５】
動力を発生させるように構成されたシステムであって、
超臨界流体を受け取って圧縮するように構成された超臨界流体コンプレッサーと、前記超臨界流体を受け取って膨張させるように構成された超臨界流体タービンと、前記超臨界流体コンプレッサーおよび前記超臨界流体タービンから放出流を受け取るように構成された回収熱交換器とを含む超臨界流体サイクルと、
空気吸込サイクルであって、当該空気吸込サイクルに沿って流れる空気を加熱するように構成されているものである、前記空気吸込サイクルと、
前記超臨界流体サイクルからの超臨界流体および前記空気吸込サイクルからの空気が相互に混合せずに通過するように配置された複数の熱交換器であって、前記複数の熱交換器のうちの第１の熱交換器は前記超臨界流体タービンの入口に対して供給するように配置され、前記複数の熱交換器のうちの第２の熱交換器は前記超臨界流体コンプレッサーの入口に対して供給するように配置されおり、前記第１の熱交換器は第１の熱容量を有し、前記第２の熱交換器は前記第１の熱容量とは実質的に異なる第２の熱容量を有するものである、前記複数の熱交換器と
を有し、
前記システムは、
１）ａ）第１の圧縮超臨界流体の放出流が前記回収熱交換器を通って流れ、ｂ）第２の圧縮超臨界流体の放出流が前記複数の熱交換器のうちの前記第１の熱交換器を通って流れるように、前記超臨界流体コンプレッサーから放出される超臨界流体を第１および第２の圧縮超臨界流体の放出流に分割し、
２）ａ）第１の膨張超臨界流体の放出流が前記回収熱交換器を通って流れ、ｂ）第２の膨張超臨界流体の放出流が前記複数の熱交換器のうちの前記第２の熱交換器を通って流れるように、前記超臨界流体タービンから放出される超臨界流体を第１および第２の膨張超臨界流体の放出流に分割するように構成されているものである
システム。
【請求項３６】
請求項３５記載のシステムにおいて、前記第１および第２の熱交換器は、相互に対して実質的に異なる温度範囲でそれぞれの流れを受け取るように構成されているものであるシステム。
【請求項３７】
請求項３５記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、１もしくはそれ以上のバルブを有するものであるシステム。
【請求項３８】
請求項３７記載のシステムにおいて、前記１もしくはそれ以上のバルブは、Ａ）前記超臨界流体コンプレッサーから放出された超臨界流体を前記第１および第２の圧縮超臨界流体の放出流に分割するように構成された第１のバルブ、ならびに、Ｂ）前記超臨界流体タービンから放出された超臨界流体を前記第１および第２の膨張超臨界流体の放出流に分割するように構成された第２のバルブであるシステム。
【請求項３９】
請求項３５記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、前記超臨界流体が前記超臨界流体コンプレッサー内に入る前にその温度を低下させる冷却器を有するものであるシステム。
【請求項４０】
請求項３５記載のシステムにおいて、前記空気吸込サイクルは、少なくとも１つの空気サイクルコンプレッサーと、少なくとも１つの空気サイクルタービンと、少なくとも１つの燃焼器とを含むものであるシステム。
【請求項４１】
請求項３５記載のシステムにおいて、前記空気吸込サイクルは、少なくとも１つの誘引通風機と、少なくとも１つの押込送風機と、少なくとも１つの燃焼器とを含むものであるシステム。
【請求項４２】
請求項４１記載のシステムにおいて、前記誘引通風機は第１の動力源を含み、前記押込送風機は第２の動力源を含むものであるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１４年２月２６日付で出願され、この参照によりその内容の全部が本出願に組み込まれる、米国特許仮出願第６１／９６６，５７４号に対する優先権およびその利益を主張するものである。
【０００２】
本開示は、超臨界流体を使用する動力発生システムおよびそれに関連する方法に関し、特に、前記超臨界流体の一部が回収される動力発生システム（ｐｏｗｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）およびそれに関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ブレイトンサイクルのような熱力学的動力発生サイクルは、従来から、大気などの理想気体を用いている。このようなサイクルは、通常、空気がサイクルの構成要素を通って流れた後、比較的高温で大気に排気されるという意味において開放されているので、燃料の燃焼によって発生したかなりの量の熱がサイクルから消失する。ブレイトンサイクル内の排熱を捕捉し利用するための一般的な方法としては、復熱器を使用してタービンの排気から熱を抽出し、熱交換器を介して熱をコンプレッサーから放出される空気に移すことである。このような熱移動は燃焼装置に入る空気の温度を上昇させるので、所望のタービン入口温度を実現するためにより少量の燃料を要する。その結果、全体的な熱力学サイクルの熱効率が改善される。しかし、熱は高温熱源から低温シンクへとしか流れることができないので、このような回収サイクルにおいてさえ、熱効率は、タービンの排気温度は決してコンプレッサーからの放出空気の温度未満には冷却できないという事実によって制約される。近年になって、閉鎖型熱力学的動力発生サイクルにおける、超臨界二酸化炭素（ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃａｒｂｏｎ  ｄｉｏｘｉｄｅ：ＳＣＯ２）のような超臨界流体の使用に関する関心が高まっている。そのような一従来技術のシステム１を図１に図示する。
【０００４】
図１に示すように、前記従来技術の動力発生システム１は、コンプレッサーと、タービンと、作動流体が超臨界流体である第１のブレイトンサイクル４０２内に配置された燃焼器および熱交換器と、作動流体が周囲空気である第２のブレイトンサイクル４０４とを含んでいる。したがって、前記システム１は、相互から分離されていてもよいＳＣＯ２サイクル流路４０６と空気吸込サイクル流路４２３とを含んでいる。
【０００５】
図１において、流路４０６に沿ったＳＣＯ２の流れは以下のとおりである。最初に、超臨界流体の流れＡがコンプレッサー４０８の入口に供給される。前記超臨界流体は、その臨界点に近い温度および圧力に冷却され膨張した後に前記コンプレッサー４０８の入口に入る。前記超臨界流体は、超臨界流体供給源４３１によって補充される。コンプレッサー４０８内での圧縮後、ＳＣＯ２の流れＢが、前記ＳＣＯ２流路４０６および空気吸込流路４２３に接続されているクロスサイクル熱交換器４１０内で加熱される。次に、前記加熱されたＳＣＯ２の前記熱交換器４１０からの流れＣがタービン４１２の入口へと向かい、そこでＳＣＯ２が膨張し、シャフト４１７によって前記ＳＣＯ２コンプレッサー４０８および出力装置４１６の双方を駆動するシャフト動力を生じさせる。前記出力装置４１６は、ターボプロップ、ターボファン、ギアボックス、または発電機であることができる。ＳＣＯ２の流れＤが、タービン４１２内で膨張した後、同様に前記ＳＣＯ２流路４０６および空気吸込流路４２３に接続されている第２のクロスサイクル熱交換器４１８内で冷却される。冷却されたＳＣＯ２の流れＡが、前記流路４０６を経由して前記コンプレッサー４０８の入口に戻る。前記空気吸込ブレイトンサイクル４０４では、最初に、周囲空気４１１がコンプレッサー４２０に供給される。次に、前記ＳＣＯ２が前記タービン４１２内で膨張した後のＳＣＯ２からの熱の移動によって、前記コンプレッサー４２０からの圧縮空気の流れＥが前記熱交換器４１８内で加熱される。次に、加熱された圧縮空気の流れＦが、燃焼器４２４へと向かう。前記燃焼器４２４は、燃料制御装置４２８によって導入され空気中で燃焼して高温燃焼ガスを生じさせる、ジェット燃料、ディーゼル燃料、天然ガス、またはバイオ燃料などの燃料の流れ４２７を受け取る。前記燃焼器４２４からの燃焼ガスの流れＧが前記熱交換器４１０へと向かい、上述のように、熱が当該熱交換器で前記ＳＣＯ２に移動する。燃焼ガスの流れＨが、前記熱交換器４１０を出た後にタービン４２６内で膨張し、シャフト４２１を介してエアコンプレッサー４２０を駆動するための動力を生じさせる。前記タービン４２６内での膨張後、燃焼ガスＩが大気に排出される。
【０００６】
図１に示す超臨界周囲流体サイクル型動力発生システム１は有利である一方、前記超臨界流体サイクルと前記周囲サイクルとの間で熱を移動させるために必要な熱交換器は大型で、高価であり、実施するうえで実際的ではない場合がある。流れのサイクルをより効果的に管理することにより、超臨界流体サイクルを用いた動力発生システムにおける熱移動効率を改善することができる。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
（先行技術文献）
（特許文献）
（特許文献１）  米国特許出願公開第２０１３／０１８０２５９号明細書
（特許文献２）  米国特許第７，６８５，８２０号明細書
（特許文献３）  米国特許第３，９７１，２１１号明細書
（特許文献４）  米国特許出願公開第２０１２／０２１６５３６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様は、システム内で動力を発生させる方法であり、当該システム内を流れる超臨界流体を有する超臨界流体サイクルと、前記超臨界流体の流れと混合せずに当該システムを通って流れる空気を有する空気吸込サイクルとを含む。前記方法は、前記空気吸込サイクルに沿って空気を方向付け、当該空気を複数の熱交換器を通して流動させる工程を含む。前記方法は、前記超臨界流体サイクルに沿って配置された超臨界流体コンプレッサー内で前記超臨界流体を圧縮する工程と、第１の圧縮超臨界流体の放出流が回収熱交換器を通って流れるように、前記超臨界流体コンプレッサーから放出される前記超臨界流体を第１および第２の圧縮超臨界流体の放出流に分割する工程とを含む。前記方法は、前記回収熱交換器から放出された超臨界流体を前記第２の圧縮超臨界流体の放出流と混合する工程と、圧縮超臨界流体の混合物を、配置された前記複数の熱交換器のうちの１つを通って超臨界流体タービンの入口に流動させる工程であって、それにより、前記空気吸込サイクルに沿った空気からの熱が当該圧縮超臨界流体の混合物に移動するものである、前記流動させる工程とを含む。前記方法は、前記超臨界流体タービンから放出された超臨界流体を第１および第２の膨張超臨界流体の放出流に分割する工程であって、それにより、当該第１の膨張超臨界流体の放出流は前記回収熱交換器を通って流れ、前記第１の圧縮超臨界流体の放出流を加熱されるものである、前記第１および第２の膨張超臨界流体の放出流に分割するを含む。さらに、前記方法は、前記回収熱交換器から放出された前記膨張超臨界流体を前記第２の膨張超臨界流体の放出流と混合する工程を含む。膨張超臨界流体の混合物は前記超臨界流体コンプレッサーの入口に流動され、前記膨張超臨界流体の混合物からの熱が前記空気吸込サイクルの空気に移動することにより、前記膨張超臨界流体の混合物がほぼその臨界点まで冷却される。
【０００８】
本開示の別の態様は、動力を発生させるように構成されたシステムである。前記システムは、超臨界流体サイクルを含む。前記超臨界流体サイクルは、超臨界流体を受け取って圧縮するように構成された超臨界流体コンプレッサーと、前記超臨界流体を受け取って膨張させるように構成された超臨界流体タービンと、前記超臨界流体コンプレッサーおよび前記超臨界流体タービンから放出流を受け取るように構成された回収熱交換器とを含む。また、前記システムは、空気吸込サイクルに沿って流れる空気を加熱するように構成された空気吸込サイクルをも含む。前記システムは、さらに、前記超臨界流体サイクルからの超臨界流体および前記空気吸込サイクルからの空気が相互に混合せずに通過するように配置された複数の熱交換器を含む。前記システムは、１）ａ）第１の圧縮超臨界流体の放出流が前記回収熱交換器を通って流れ、ｂ）第２の圧縮超臨界流体の放出流が前記複数の熱交換器のうちの１つを通って流れるように、前記超臨界流体コンプレッサーから放出される前記超臨界流体を第１および前記第２の圧縮超臨界流体の放出流に分割し、２）ａ）第１の膨張超臨界流体の放出流が前記回収熱交換器を通って流れ、ｂ）第２の膨張超臨界流体の放出流が前記複数の熱交換器のうちの異なる１つを通って流れるように、前記超臨界流体タービンから放出された超臨界流体を第１および前記第２の膨張超臨界流体の放出流に分割するように構成されている。前記第１の膨張超臨界流体の放出流からの熱は、前記回収熱交換器内で前記第１の圧縮超臨界流体の放出流に移動する。
【０００９】
本開示の別の態様は、動力を発生させるように構成されたシステムである。前記システムは、超臨界流体サイクルを含む。前記超臨界流体サイクルは、超臨界流体を受け取って圧縮するように構成された超臨界流体コンプレッサーと、前記超臨界流体を受け取って膨張させるように構成された超臨界流体タービンと、前記超臨界流体コンプレッサーおよび前記超臨界流体タービンから放出流を受け取るように構成された回収熱交換器とを含む。また、前記システムは、空気吸込サイクルに沿って流れる空気を加熱するように構成された空気吸込サイクルも含む。また、前記システムは、前記超臨界流体サイクルからの超臨界流体および前記空気吸込サイクルからの空気が相互に混合せずに通過するように配置された複数の熱交換器を含み、前記複数の熱交換器のうちの第１の熱交換器は前記超臨界流体タービンの入口に対して供給するように配置され、前記複数の熱交換器のうちの第２の熱交換器は前記超臨界流体コンプレッサーの入口に対して供給するように配置されている。前記第１の熱交換器は第１の熱容量を有し、前記第２の熱交換器は前記第１の熱容量とは実質的に異なる第２の熱容量を有する。前記システムは、さらに、１）ａ）第１の圧縮超臨界流体の放出流が前記回収熱交換器を通って流れ、ｂ）第２の圧縮超臨界流体の放出流が前記複数の熱交換器のうちの前記第１の熱交換器を通って流れるように、前記超臨界流体コンプレッサーから放出される超臨界流体を第１および第２の圧縮超臨界流体の放出流に分割し、２）ａ）第１の膨張超臨界流体の放出流が前記回収熱交換器を通って流れ、ｂ）第２の膨張超臨界流体の放出流が前記複数の熱交換器のうちの前記第２の熱交換器を通って流れるように、前記超臨界流体タービンから放出される超臨界流体を第１および第２の膨張超臨界流体の放出流に分割するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、超臨界流体を組み入れた従来技術による動力発生システムの概略図である。
【図２】図２は、本開示の一態様に係る動力発生システムの概略図である。
【図３】図３は、本開示の別の態様に係る動力発生システムの概略図である。
【図４】図４は、本開示の別の態様に係る動力発生システムの概略図である。
【図５】図５は、図１に図示した従来技術による動力発生システムに係る超臨界流体および空気の熱交換器の容量率の比を図示したグラフである。
【図６】図６は、図１に図示した従来技術によるシステムに係る熱交換器に沿って入口から出口までの超臨界流体と空気流との温度差をフィンの位置の関数として示すグラフである。
【図７】図７は、本開示の一態様に係る第１の熱交換器内の温度をフィンの位置関数として図示したグラフである。
【図８】図８は、本開示の一態様に係る部分的に回収されるサイクルに沿った第３の熱交換器内の温度をフィンの位置関数として図示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図２は、本開示の一態様に係る動力発生システム１００の概略図である。前記動力発生システム１００は、内部の作動流体が超臨界流体である第１の閉鎖ブレイトンサイクル１０２と、内部の作動流体が周囲空気である第２の開放ブレイトンサイクル１０４とを含んでいる。前記第１のブレイトンサイクル１０２および前記第２のブレイトンサイクル１０４は、それぞれ、超臨界流体流路１０６および空気流体流路１０８を含んでいる。前記流路１０６および１０８は、一態様において、前記２つの流路１０６と１０８との間で前記超臨界流体と空気との間の混合が発生しないかまたはほとんど発生しないように、分離されている。
【００１２】
前記動力発生システム１００は、コンプレッサーと、タービンと、１もしくはそれ以上の燃焼器と、前記流路１０６および１０８に沿って接続されている複数の熱交換器とを含んでいる。前記熱交換器には、複数のクロスサイクル熱交換器１３２、１３４、１３６、および１３８が含まれている。本明細書内で使用される場合、「クロスサイクル熱交換器」という用語は、前記空気吸込サイクル１０４からの空気または空気および燃焼ガスならびに前記超臨界流体サイクル１０２からの超臨界流体を受け取り、前記２つのサイクル内の流体間で熱を移動させる熱交換器を指す。さらに、前記動力発生システム１００は、前記超臨界流体流路１０６に沿って回収熱交換器１３０を含んでいる。本明細書内で使用される場合、「回収熱交換器（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｉｎｇ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）」という用語は、前記超臨界流体サイクル１０２内での前記ＳＣＯ２タービンから放出された超臨界流体と前記ＳＣＯ２コンプレッサーから放出された超臨界流体との間の熱移動を指す。また、前記動力発生システム１００は、バルブ１２２と、流量計１４０と、混合合流部１２４と、前記システム１００の動作を制御するように構成された１もしくはそれ以上の制御装置とを含むこともできる。
【００１３】
最初に、超臨界流体の流れ２が、軸流コンプレッサー、遠心コンプレッサー、往復動コンプレッサー、または同様の種類のコンプレッサーであってもよいコンプレッサー１１０の入口に供給される。前記コンプレッサー１１０を、第１のＳＣＯ２コンプレッサー１１０と呼ぶこともある。前記コンプレッサー１１０は、タービン１１４に動作可能に接続されたシャフト１１２を含んでいる。前記タービン１１４を、第１のＳＣＯ２タービン１１４と呼ぶこともある。前記流れ２に沿った流量計１４０が、前記コンプレッサーの入口に供給される前記超臨界流体の流量を測定する。前記流量計１４０は、前記超臨界流体サイクル１０２内のＳＣＯ２の総質量ならびに過渡流の挙動の制御を円滑にする。一態様において、前記超臨界流体は、下記のようにその臨界点に近い温度および圧力に冷却され膨張した後に前記ＳＣＯ２コンプレッサー１１０の入口に入る。「超臨界流体」という用語は、明確な液相および気相が存在しない流体を指し、超臨界流体の「臨界点」という用語は、物質が超臨界状態にあると言うことのできる最低温度および最低圧力を指す。「臨界温度」および「臨界圧力」という用語は、臨界点における温度および圧力を指す。二酸化炭素の臨界点は約３０４．２Ｋおよび７．３５ＭＰａである。一態様において、前記コンプレッサー１１０に入る前記超臨界流体は、その臨界点の少なくとも±２Ｋ以内に冷却される。さらなる一態様において、前記コンプレッサー１１０に入る前記超臨界流体は、その臨界点の±１Ｋ以内に冷却される。さらに別の態様において、前記コンプレッサー１１０に入る前記超臨界流体は、その臨界点の±０．２Ｋ以内に冷却される。
【００１４】
前記超臨界流体の放出流４は、前記ＳＣＯ２コンプレッサー１１０内で圧縮された後、第１および第２の放出流６および８として第１および第２の部分に分割される。本明細書内では、前記流れ６および８をコンプレッサー放出流６および８と呼ぶことがある。前記分割により、前記コンプレッサー１１０からの前記放出流４の第１の部分を回収し、前記流路１０８を経由して循環する空気流体によって、残りの部分を一連の熱交換器１３４および１３２によって直接加熱することができる。図示のとおり、前記放出流４は、制御装置（図示せず）と電気的に通信することのできるバルブ１２２ａを経て分割される。前記制御装置は、必要に応じて、前記バルブ１２２ａを操作しまたは作動することにより、流れを前記流路１０６を通るように方向付ける。一態様において、前記バルブ１２２ａは、前記放出流４の５５％〜７５％を前記第１の放出流６に流動させるように構成されている。前記放出流４の残りは、前記第２の放出流８へと向かう。別の態様において、前記バルブ１２２ａは、前記放出流４の約６７％を前記第１の放出流６に流動させるように構成されている。
【００１５】
前記超臨界流体の第１の放出流６は前記回収熱交換器１３０へと向かい、そこで、タービン１１６を出る加熱されたＳＣＯ２から第１の放出流６に熱が移動する。前記回収熱交換器１３０から放出された加熱されたＳＣＯ２の流れ１９は前記合流部１２４ａへと向かい、前記クロスサイクル熱交換器１３４を出る加熱されたＳＣＯ２の流れ１０と混合される。
【００１６】
前記ＳＣＯ２コンプレッサー１１０からの前記第２の放出流８は、前記クロスサイクル熱交換器１３４へと向かう。前記クロスサイクル熱交換器１３４では、流路１０８内の燃焼ガスからの熱がＳＣＯ２の前記第２の放出流８に移動する。前記熱交換器１３４から放出された前記流れ１０は、上述のように、合流部１２４ａで回収熱交換器１３０からのＳＣＯ２の流れ１９と混合される。前記合流部１２４ａは、導管に接続している継手であってもよく、または混合装置を含んでいてもよい。
【００１７】
混合流１２は、前記クロスサイクル熱交換器１３２に供給される。前記クロスサイクル熱交換器１３２では、流路１０８内の燃焼ガスからＳＣＯ２の前記混合流へと熱が移動する。前記クロスサイクル熱交換器１３２が、前記加熱されたＳＣＯ２の流れ１４を放出する。
【００１８】
前記熱交換器１３２からの加熱されたＳＣＯ２の流れ１４が、前記第１のＳＣＯ２タービン１１４の入口へと向かう。前記第１のＳＣＯ２タービン１１４は、軸流タービン、遠心タービン、混流タービン、または同様な種類のタービンであってよい。前記第１のＳＣＯ２タービン１１４は前記ＳＣＯ２を膨張させ、シャフト１１２を介して前記ＳＣＯ２コンプレッサー１１０を駆動する軸動力を生じさせる。前記第１のＳＣＯ２タービン１１４内での膨張後、流れ１５が、シャフト１１８を介して発電機１２０の軸動力を生じさせる第２のＳＣＯ２タービン１１６を経て循環する。前記発電機１２０は、前記システム１００の出力電力を提供することができる。代替的な態様において、前記サイクル１０２は、前記シャフト１１８が前記タービン１１４および前記発電機１２０に接続されている１つのタービン１１４を含むこともできる。このような態様では、前記放出流１６は、前記タービン１１４からバルブ１２２ｂに放出される。
【００１９】
前記第２のＳＣＯ２タービン１１６からの前記放出流１６は、放出流１８および放出流２２として第２および第１の部分に分割することができる。前記放出流１８および前記放出流２２を第２の放出流１８および第１の放出流２２と呼ぶことがある。図示のように、前記バルブ１２２ｂは、前記放出流１６を前記第２の放出流１８および第１の放出流２２に分割することができる。前記制御装置が、前記バルブ１２２ｂを操作しまたは作動させる。一態様において、前記バルブ１２２ｂは、前記放出流１６の７０％〜約９０％を前記第１の放出流２２内に流動させるように構成されている。前記放出流１６の流れの残りは、前記第２の放出流１８へと向かう。別の態様において、前記バルブ１２２ｂは、前記放出流１６の約８０％を前記第１の放出流２２内に流動させるように構成されている。前記ＳＣＯ２タービンの放出流１６がどのように分割されるかに拘わらず、前記第２の放出流１８は前記クロスサイクル熱交換器１３６へと向かい、前記流路１０８に沿って前記熱交換器１３６を通過する空気の流れによって冷却される。
【００２０】
前記第１の放出流２２が前記回収熱交換器１３０へと向かい、そこで、前記放出流２２からの熱が前記ＳＣＯ２コンプレッサー１１０からの第１の放出流６に移動する。換言すれば、前記回収熱交換器１３０が、前記ＳＣＯ２の放出流２２を冷却する。前記回収熱交換器１３０からの前記冷却されたＳＣＯ２の放出流２４が、合流部１２４ｂで前記熱交換器１３６から入ってくる流れ２０と混合される。前記合流部１２４ｂから、前記混合流２６がクロスサイクル熱交換器１３８（これは任意選択的に実施することができる）へと向かう。例えば、混合流２６を前記コンプレッサー１１０に直接向かわせてもよい。上述のように、前記クロスサイクル熱交換器１３８内で、前記ＳＣＯ２の混合流２６からの熱が、前記空気サイクル１０４の流路１０８に移動する。前記冷却されたＳＣＯ２の流れ２８が、冷却器１２６（これは任意選択的に実施することができる）を通って向かい、流れ２として前記ＳＣＯ２コンプレッサー１１０の入口に戻る。供給部１０９からの追加的ＳＣＯ２を前記ＳＣＯ２コンプレッサー１１０に向かう前記ＳＣＯ２の流れ２に導入して前記システムからのＳＣＯ２の漏れがあればこれを補うことができる。いずれにせよ、前記ＳＣＯ２の流れ２は前記コンプレッサー１１０の入口に戻り、圧縮−加熱−膨張−冷却の工程が繰り返される。
【００２１】
図２について継続すると、前記全体システム１００の前記空気吸込サイクル１０４の部分は開放流路１０８を形成している。最初に、軸流コンプレッサー、遠心コンプレッサー、往復動コンプレッサー、または同様の種類のコンプレッサーであってもよい空気吸込コンプレッサー１５０に、周囲空気１０１が供給される。前記コンプレッサー１５０は、タービン１５４に動作可能に接続されたシャフト１５２を含んでいる。次に、上述のように、前記タービン１１６から前記熱交換器１３０および１３６を経由して放出された前記ＳＣＯ２の混合流２６からの熱の移動により、前記コンプレッサー１５０からの圧縮空気の流れ３０が、前記熱交換器１３８（これは任意選択的に実施することができる）内で加熱される。次に、加熱圧縮空気の流れ３２が前記熱交換器１３６へと向かい、そこで、（ＳＣＯ２タービン１１６からの）前記ＳＣＯ２の流れ１８からの熱が前記圧縮空気の流れ３２に移動する。放出流３４が、前記燃焼器１５８へと向かう。前記燃焼器１５８は、前記圧縮空気の流れ３４の温度をタービン１５４のタービン入口で必要とされる温度よりも高くまで上昇させる。前記コンプレッサー１５０は、タービン１５４によって動力を供給されるシャフト１５２を介して動作することができる。前記燃焼器１５８は、化石燃料またはその他の種類の燃料のような燃料１０３の流れを受け取ることができる。前記燃焼器１５８は、システムの熱を生成するために太陽熱集熱器または原子炉によって動作することができ、中には、廃棄物、バイオマス、またはバイオ由来燃料の燃焼などその他の熱源によって動作できるものもある。前記燃焼器１５８からの燃焼ガスの放出流３６を前記タービン１５４へと流動させることができ、そこで、前記放出流３６が膨張する。膨張した高温燃焼ガスの流れ４０が前記熱交換器１３２へと向かい、そこで、上述のように、前記高温燃焼ガスから前記ＳＣＯ２の混合流１２に熱が移動する。高温燃焼ガスの流れ４１が、前記熱交換器１３２を出た後、前記熱交換器１３４へと向かい、そこで、上述のように、前記高温燃焼ガスから前記ＳＣＯ２コンプレッサー１１０からのＳＣＯ２の放出流８に熱が移動する。前記熱交換器１３４の放出流１０７を大気中に排気することができる。
【００２２】
動作時の前記動力発生システム１００について、予測される結果を参照しながら説明する。例えば、熱容量は、質量流量に比熱Ｃｐを乗じることにより、即ち、ｍｄｏｔ＊Ｃｐにより決定することができる。前記熱交換器１３６および１３４は、ＳＣＯ２のような超臨界流体がより直線的で平坦な比熱Ｃｐ曲線を有する温度レジーム内で動作するので、不一致な熱容量を有する。例えば、図４を参照されたい。これらの場所における熱容量はよく一致していないので、前記空気吸込サイクル１０４内の空気の質量流量は、図１に示す従来技術によるシステム１よりも低くすることができる。本開示の一態様は、前記２つの流れの温度範囲に大きな差を生じさせ、熱容量を不一致とすることにより熱を蓄える方法を含んでいるので、従来技術によるシステムに関連づけられる熱のピンチポイント問題を回避することができる。一例において、前記動力発生システム１００内の超臨界流体サイクル１０２は、約３０〜３５Ｋｇ／秒の質量流量を有することができる。前記動力発生システム１００内の空気サイクル１０４は、約７．５〜約１６．０Ｋｇ／秒の質量流量を有することができる。しかし、本明細書内で述べる質量流量は、限定的であるとはみなされない。これらは、提示されている範囲よりも高くても低くてもよい。さらに、前記動力発生システム１００は、超臨界流体の質量流量に対して約０．２５〜０．５０の空気の質量流量の比を有するように構成されている。一態様において、質量流量の比は約０．３０である。したがって、前記空気吸込サイクル１０４内の空気の質量流量は、一般的な動力発生システムと比較して概ね低い。ほんの一例において、空気の質量流量は、図１に示し上述した態様のような従来技術による動力発生システム１における空気の質量流量よりも約７５％低い。空気の質量流量を低減することにより、熱交換器のサイズ、設置面積、コスト、重量、寄生電力要件などを実質的に低減することができる。
【００２３】
図３を参照すると、これは動力および熱を発生させるように構成された別の開示の態様に係る動力発生システム２００の概略図である。前記動力発生システム２００は、図２に示す態様と同様に、第１のサイクル即ち超臨界流体サイクル２０２と第２のサイクル即ち空気吸込サイクル２０４とを含んでいる。前記第１および第２のサイクル２０２および２０４は、それぞれ、一態様において超臨界流体と空気とが互いに混合されないように相互に分離されている超臨界流体流路２０６と空気流体流路２０８とを含んでいる。さらに、前記動力発生システム２００は、コンプレッサーと、タービンと、１もしくはそれ以上の燃焼器と、少なくとも１つの回収熱交換器２３０と、複数のクロスサイクル熱交換器２３２、２３４、２３６および２３８と、ならびにバルブ２２２と、流量計と、混合合流部２２４と、前記システムの動作を制御するように構成された１もしくはそれ以上の制御装置とを含んでいる。
【００２４】
最初に、超臨界流体の流れ４２がコンプレッサー２１０の入口に供給される。第１のＳＣＯ２コンプレッサー２１０と呼ぶこともある前記コンプレッサー２１０は、これも第１のＳＣＯ２タービン２１４と呼ぶことのある第１のタービン２１４に動作可能に接続されたシャフト２１２を含んでいる。任意選択的に実施できる流量計（図示せず）を使用してコンプレッサーの入口に供給される流体の流量を測定することができる。前記超臨界流体の流れ４２は、その臨界点に近い温度および圧力に冷却され膨張した後に前記コンプレッサー１１０の入口に入る。
【００２５】
超臨界流体の流れ４４は、前記コンプレッサー２１０内で圧縮された後、流れ４６および４８として第１および第２の部分に分割される。前記流れ４６および４８を、それぞれ第１および第２の放出流４６および４８と呼ぶことがある。バルブ２２２ａは、前記流れ４４を前記第１および第２の放出流４６および４８に分割することができる。前記超臨界流体の第１の放出流４６が、前記回収熱交換器２３０に供給される。前記回収熱交換器２３０において、タービン２１６からの加熱されたＳＣＯ２の放出物から前記ＳＣＯ２コンプレッサー２１０からの第１の放出流４６へと熱が移動する。前記回収熱交換器２３０から放出された加熱されたＳＣＯ２の流れ５０は合流部２２４ａへと向かい、クロスサイクル熱交換器２３４からの加熱されたＳＣＯ２の流れ７４と混合される。
【００２６】
前記第２の放出流４８がバルブ２２２ｂへと向かい、前記バルブ２２２ｂが流れ７０を任意選択的に実施することのできる熱交換器２３３を経由して前記クロスサイクル熱交換器２３４内へと流動させる。熱交換器２３３は、航空機、水上艦艇などのような移動体プラットフォームに搭載された航空電子機器システムおよび武器システムからの排熱を捕捉するために使用することができる。前記システム２００は、すべての用途または実施に熱交換器２３３を含まない場合もある。前記クロスサイクル熱交換器２３４では、前記流路２０８内の燃焼ガスから前記ＳＣＯ２の放出流７０へと熱が移動する。熱交換器２３４から放出された流れ７４が、合流部２２４ａで流れ５０と混合される。前記合流部２２４ａは、継手であってもよく、または混合装置を含んでいてもよい。流れ５１が別の合流部２２４ｂに供給され、冷却器２１９からの放出流７２と合流する。また、前記バルブ２２２ｂは、第２の放出流４８の一部をシャフト２１８に沿って配置された前記冷却器２１９へと流動させることができる。前記冷却器２１９からの放出流７２は、前記合流部２２４ｂへと送られ、前記流れ５１と合流して流れ５２として混合される。前記混合流５２は、前記クロスサイクル熱交換器２３２に供給される。前記クロスサイクル熱交換器２３２では、前記流路１０８内の燃焼ガスからの熱が前記混合流５２へと移動する。前記クロスサイクル熱交換器２３２からの加熱されたＳＣＯ２の放出流５４が、前記第１のＳＣＯ２タービン２１４の入口へと向かう。
【００２７】
前記第１のＳＣＯ２タービン２１４は前記ＳＣＯ２を膨張させ、シャフト２１２を介して前記ＳＣＯ２コンプレッサー２１０を駆動する軸動力を生じさせる。前記第１のＳＣＯ２タービン２１４内での膨張後、流れ５６が、シャフト２１８を介して発電機２２０の軸動力を生じさせる第２のＳＣＯ２タービン２１６を経て循環する。前記発電機２２０は、前記システム２００の出力電力を提供することができる。あるいは、前記流れ５６は、前記タービン２１６を迂回することもできる。図示のように、バルブ２２２ｃは、前記流れ５６を前記タービン２１６へと向かう流れ５７と前記熱交換器１３０および２３６へと向かう流れ５８とに分割する。前記タービン２１６から放出された流れ５９が合流部２２４ｃに流れ、前記流れ５８と合流して放出流６０となる。
【００２８】
前記放出流６０がバルブ２２２ｄへと向かい、このバルブ２２２ｄが前記タービン２１６からの前記放出流６０を第２の放出流６２および第１の放出流６６に分割する。前記第２の放出流６２がクロスサイクル熱交換器２３６へと向かい、流路２０８に沿って前記熱交換器２３６を通る空気の流れによって加熱される。前記熱交換器２３６から放出された放出流６４が、前記熱交換器２３８に向かう。前記ＳＣＯ２の第１の放出流６６が前記回収熱交換器２３０へと向かい、そこで、その熱が前記ＳＣＯ２コンプレッサー２１０からの前記ＳＣＯ２の第１の放出流４へと移動する。前記回収熱交換器２３０からの放出流６８が、合流部２２４ｄで前記熱交換器２３６から放出流６４と混合され、混合流６９を形成する。前記ＳＣＯ２の混合流６９が前記熱交換器２３８へと向かい、そこで、前記ＳＣＯ２流体からの熱が前記空気サイクル２０４の流路２０８に沿った圧縮空気へと移動する。前記冷却されたＳＣＯ２の流れ２８が、冷却器２２６（これは任意選択的に実施することができる）を通って向かい、前記流路２０６を経由して前記ＳＣＯ２コンプレッサー２１０の入口に戻る。水入力２２５ａは、冷却器２２６に水を供給することができる。前記冷却器２２６の出力流２２５ｂは、加熱された水であって、熱源として使用することができる。供給部２０７からの追加的ＳＣＯ２を前記コンプレッサー２１０に向かう前記ＳＣＯ２の前記流れ４２内に導入して前記システムからのＳＣＯ２の漏れがあればこれを補うことができる。いずれにせよ、前記ＳＣＯ２の流れ２０２は前記コンプレッサー２１０の入口に戻り、圧縮−加熱−膨張−冷却の工程が繰り返される。代替的な一態様では、さらに別の熱交換器２３９ａが流れ６８に沿って配置されている。水入力２３９ｂは、熱交換器２３９ａに水を供給することができる。前記熱交換器２３９ａの出力流２３９ｃは、加熱された水であって、地域暖房として使用することができる。地域暖房には一般的に１８０°Ｆ以上の水温が必要となるが、前記冷却器２２６のみを含むシステム２００とは対照的に、熱交換器２３９ａを含めることにより出力流温度を確実に約１８０°Ｆ以上とするために役立てることができる。したがって、前記システム２００は、冷却器２２６または熱交換器２３９ａを含むことができる。さらに他の代替案では、前記システム２００は、冷却器２２６および熱交換器２３９ａの両方を含むことができる。
【００２９】
図３について継続すると、前記全体システム２００の前記空気吸込サイクル１０４の部分は開放流路２０８を形成している。最初に、軸流コンプレッサー、遠心コンプレッサー、往復動コンプレッサー、または同様の種類のコンプレッサーであってもよい押込送風機２５０に、周囲空気２０１が供給される。前記押込送風機２５０は、動力源２５４によって動力を供給されるシャフト２５２によって駆動される。前記動力源２５４は、モーターであってもよい。次に、（タービン２１６から放出され前記熱交換器２３０および２３６内で冷却された）前記ＳＣＯ２の混合流６９からの熱の移動により、前記押込送風機２５０からの圧縮空気の流れ８０が、前記熱交換器２３８内で加熱される。次に、加熱された圧縮空気の空気流８２が前記熱交換器２３６へと向かい、前記熱交換器２３６で加熱されたＳＣＯ２の第２の放出流６２からの熱が前記空気流８２へと移動する。空気流８４が燃焼器２５８に供給され、この燃焼器２５８には燃料制御装置によって燃料２０３が導入され（化石燃料、ソーラーコンダクター（ｓｏｌａｒ  ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、原子炉などからの熱が供給され）、空気中で燃焼して高温燃焼ガスを生じさせる。燃焼器２５８からの燃焼ガスの流れ８６が熱交換器２３２へと向かい、そこで、前記高温燃焼ガスの流れ８６から上述のＳＣＯ２の混合流５２に熱が移動する。高温燃焼ガスの流れ８８が前記熱交換器２３４へと向かい、そこで、上述のように、前記高温燃焼ガスから圧縮ＳＣＯ２の流れ７４に熱が移動する。前記熱交換器２３４の放出流９０を、コンプレッサーであってもよい誘引通風機２６０へと流動させることができる。前記誘引通風機２６０は、モーターなどの動力源２６４によって動力が供給されるシャフト２６２に接続することができる。前記ガスの流れを前記誘引通風機２６０から大気へと排気することができる。押込送風機２５０および誘引通風機２６０の両方の目的は、前記熱交換器および燃焼器を通じて流れを駆動し、これらに関連付けられる気圧低下を克服することである。前記燃焼器内で燃焼する燃料の種類に基づいて、前記押込送風機２５０は必要ではない場合もあることが理解されるべきである。例えば、押込送風機２５０は、燃料が開放されたドアを通じて導入されるバイオマスを燃焼させる場合に、燃焼ゾーンの気圧が大気圧よりも低いことが望ましいときに有用である。しかし、化石燃料を燃焼させる場合のように前記燃焼器を加圧することができる場合は、前記誘引通風機２６０は不要である。
【００３０】
動作時、および前記システム１００に関して上述したように、前記熱交換器２３６および２３４は共に前記超臨界流体がより直線的で平坦な熱容量曲線を有する温度レジームで動作するので、これらは不一致な熱容量を有する。これらの場所における熱容量はよく一致していないので、前記空気吸込サイクル２０４内の空気の質量流量は、図１に示す従来技術によるシステム１よりも低くすることができる。本開示の一態様は、前記２つの流れの温度範囲に大きな差を生じさせ、熱容量を不一致とすることにより熱を蓄える方法を含んでいるので、従来技術によるシステムに関連づけられる熱のピンチポイント問題を回避することができる。一例において、前記動力発生システム２００内の超臨界流体サイクル２０２は、約３０〜３５Ｋｇ／秒の質量流量を有することができる。前記動力発生システム２００内の空気サイクル２０４は、約７．５〜約１６．０Ｋｇ／秒の質量流量を有することができる。しかし、本明細書内で述べる質量流量は、限定的であるとはみなされない。これらは、提示されている範囲よりも高くても低くてもよい。さらに、前記動力発生システム２００は、超臨界流体の質量流量に対して約０．２５〜０．５０の空気の質量流量の比を有するように構成されている。一態様において、質量流量の比は約０．３０である。したがって、前記空気吸込サイクル２０４内の空気の質量流量は、一般的な動力発生システムと比較して概ね低い。ほんの一例において、前記空気の質量流量は、従来技術による動力発生システム１における空気の質量流量よりも約７５％低い。
【００３１】
図４を参照すると、これは別の開示の態様に係る動力発生システム３００の概略図である。前記動力発生システム４００は、図２に示し上述した動力発生システム１００と実質的に同様である。下記の説明では、動力発生システム１００と動力発生システム３００との間で共通の要素を同定するために、同一の参照番号を使用する。したがって、前記動力発生システム３００は、超臨界流体サイクル４０２と空気吸込サイクル４０４とを含んでいる。さらに、前記動力発生システム３００は、コンプレッサーと、タービンと、１もしくはそれ以上の燃焼器と、流路３０６および３０８に沿って接続されている複数の熱交換器とを含んでいる。前記熱交換器は、前記流路３０８に沿って複数のクロスサイクル熱交換器１３２、１３４、および１３６と、前記超臨界流体流路３０６に沿って回収熱交換器１３０とを含んでいる。また、前記動力発生システム３００は、バルブ１２２と、流量計１４０と、混合合流部１２４と、前記システム３００の動作を制御するように構成された１もしくはそれ以上の制御装置とを含むこともできる。上述のように、前記動力発生システム３００は、前記動力発生システム１００と実質的に同様に動作する。
【００３２】
しかし、本開示の代替的な態様によれば、前記動力発生システム３００は、前記コンプレッサー１１０の入口に向かって流れ２８を放出する末端の熱交換器１３８を含んでいない（図２を参照）。前記動力発生システム３００によれば、前記バルブ１２２ｂは、前記第２のＳＣＯ２タービン１１６からの放出流１６を第２の放出流３１８および第１の放出流３２２に分割する。一態様において、前記制御装置は、前記放出流１６の７０％〜約９０％を前記第１の放出流３２２内に流動させるように、バルブ１１２ｂを操縦しまたは作動させる。前記放出流１６の流れの残りは、前記第２の放出流３１８へと向かう。別の態様において、前記バルブ１２２ｂは、前記放出流１６の約８０％を前記第１の放出流３２２内に流動させるように構成されている。前記ＳＣＯ２タービンの放出流１６がどのように分割されるかに拘わらず、前記第２の放出流３１８は前記クロスサイクル熱交換器１３６へと向かい、流路４０８に沿って前記熱交換器１３６を通過する空気の流れによって冷却される。
【００３３】
前記第１の放出流３２２が前記回収熱交換器１３０へと向かい、そこで、前記放出流３２２からの熱が前記ＳＣＯ２コンプレッサー１１０からの第１の放出流６に移動する。前記回収熱交換器１３０からの前記冷却されたＳＣＯ２の放出流３２４が、合流部１２４ｂで前記熱交換器１３６から入ってくる流れ２０と混合される。前記合流部１２４ｂから、前記混合流３２８が前記コンプレッサー１１０へと向かう。図示のように、前記冷却されたＳＣＯ２の流れ３２８が、冷却器１２６（これは任意選択的に実施することができる）を通って向かい、流れ２として前記ＳＣＯ２コンプレッサー１１０の入口に戻る。いずれにせよ、前記ＳＣＯ２の流れ２は前記コンプレッサー１１０の入口に戻り、圧縮−加熱−膨張−冷却の工程が繰り返される。
【００３４】
図４について継続すると、前記全体システム３００の前記空気吸込サイクル３０４の部分は開放流路４０８を形成している。最初に、周囲空気１０１が空気吸込コンプレッサー１５０に供給される。次に、前記コンプレッサー１５０からの圧縮空気の流れ３０が熱交換器１３６へと向かい、前記タービン１１６から放出されたＳＣＯ２の流れ３１８からの熱の移動によって加熱される。放出流３４が、前記燃焼器１５８へと向かう。前記燃焼器１５８からの燃焼ガスの放出流３６を前記タービン１５４へと流動させることができ、前記放出流３６はそこで膨張する。膨張した高温燃焼ガスの流れ４０が前記熱交換器１３２へと向かい、そこで、上述のように、前記高温燃焼ガスから前記ＳＣＯ２の混合流１２に熱が移動する。高温燃焼ガスの流れ４１が、前記熱交換器１３２を出た後、前記熱交換器１３４へと向かい、そこで、上述のように、前記高温燃焼ガスから前記ＳＣＯ２コンプレッサー１１０からのＳＣＯ２の放出流８に熱が移動する。前記熱交換器１３４の放出流１０７は、大気中に排気することができる。
【００３５】
前記動力発生システム３００は、本開示のその他の態様と比較して、必要となるクロスサイクル熱交換器が少なくて済む。さらに、前記動力発生システム２００は、熱交換器２３８を必要とせずに実施できることが理解されるべきである。このような例において、前記流れ６９は、任意選択的に実施することのできる冷却器へと直接向かい、次にコンプレッサー２１０の入口へと向かう。さらに、前記空気吸込サイクル２０４上で、前記放出流８０は、熱交換器２３６内へと向かい、前記サイクルは上述のように継続する。
【００３６】
上述の動力発生システム１００、２００、および３００は、一般的な超臨界動力発生システムおよび／またはその他の非超臨界流体型システムに対していくつかの優位性を有している。顕著な改善点のいくつかとして、熱交換器の小型化、熱効率の改善、および排気における熱シグネチャの低下が挙げられる。ＳＣＯ２コンプレッサーおよびＳＣＯ２タービンからのＳＣＯ２放出流を分割する、代替的な熱交換器の流れ戦略は、従来技術によるシステム１における、所謂熱交換器の「ピンチポイント」を緩和する。より具体的には、従来技術によるシステム１は、熱交換器４１８（図１）の低圧力側に変動する熱容量の不一致を有する。前記変動する不一致は、前記熱交換器４１８内で熱を交換する空気流の熱容量とＳＣＯ２流の熱容量との間の不一致に基づく。例えば、図４に示すように、前記熱交換器４１８内の空気は、その動作温度全体にわたってかなり直線的な熱容量曲線を有する。しかし、超臨界流体は、前記熱交換器４１８のＳＣＯ２放出端部が動作するより低い温度範囲で熱容量にスパイクを有する。この熱容量のスパイクの影響を図６に図示する。図６は、ＳＣＯ２流および空気流の両方に関して前記熱交換器４１８の入口端部と出口端部との間の温度差（ΔＴ）を前記ＳＣＯ２の入口からのＳフィン数の関数として表示している。異なる曲線は異なるサイズの熱交換器である。例えば、「１００ＳフィンＨｘ」曲線は、「５０ＳフィンＨｘ」曲線に関連付けられる熱交換器と比較してより大きな熱交換器を示すこととなる。上述のように、前記ＳＣＯ２の放出端部におけるより低い温度でのＳＣＯ２のスパイク熱容量は、効率的な熱移動を生じさせるためには熱交換器の長さを長くするべきであることを示している。しかし、図６に示すように、前記１００ＳフィンＨＸ曲線の熱交換器のＳＣＯ２入口端部に対する５０フィンの位置から約１００フィンの位置まで、比較的低いΔＴが観察される。このことは、実際には、熱交換器の最も少量の熱移動を行っている区画が長いことを示唆している。結果として、従来技術によるシステム１は、限定的な性能の、または性能の低い、かつときには圧力の損失の大きい、かなり大型の熱交換器を必要とし、このことがシステムの性能に不利をもたらす場合がある。さらに、前記熱交換器４１８の両端部における大きなアプローチ温度は、著しい量の熱が移動せずに残ることを図示している。
【００３７】
上述のように、前記動力発生システム１００、２００、３００は、前記ＳＣＯ２コンプレッサー１１０、２１０および前記ＳＣＯ２タービン１１６、２１６からのＳＣＯ２の放出流を、Ａ）前記回収熱交換器１３０、２３０とＢ）前記ＳＣＯ２タービンおよびＳＣＯ２コンプレッサーのそれぞれの入口に対して供給する熱交換器との間で分割する。この分割は、前記空気吸込サイクル１０４、２０４、３０４の配置と協働して、前記ＳＣＯ２タービンの入口側にＳＣＯ２タービン１１４、２１４の入口におけるＳＣＯ２の流れの所望の温度よりも高い温度の空気流の流れ（図２および４中の流れ４０ならびに図３中の流れ８６を参照）を生じさせる。さらに、ＳＣＯ２タービン放出流およびＳＣＯ２コンプレッサー放出流を分割することにより、図２および３にあるような熱交換器１３８、２３８および熱交換器１３２、２３２における熱容量の意図的な不一致が可能となる。図４に示す動力発生システム３００について、この熱容量の意図的な不一致は、熱交換器１３６と熱交換器１３２との間となるであろう。このことは、次に、図２および３の中の熱交換器１３２、２３２の高温端部および熱交換器１３８、２３８の低温端部ならびに図４中の熱交換器１３６の低温端部におけるいくぶん大きなアプローチ温度を可能とする。前記大きなアプローチ温度は、これら特定の熱交換器が従来技術によるシステム内で使用されるときの「ピンチポイント」問題を緩和する。しかし、図２および３に示す動力発生システム１００および２００について、前記熱交換器１３４、２３４、および１３６、２３６は、ＳＣＯ２がより直線的なＣｐ曲線を有する範囲で動作するので、かなりよく一致した熱容量を有する。いずれにせよ、熱交換器１３２、２３２および熱交換器１３８、２３８における高いアプローチ温度により、熱交換器の単位面積当たりで交換される熱の量が増加し、熱交換器のサイズがさらに小さくなる。そして少なくともいくつかの例において、図４に示す動力発生システム３００にあるような熱交換器１３８、２３８を削除することができる。
【００３８】
化石燃料の燃焼、太陽熱集熱器、原子炉、および／または同様な熱源によってシステムに熱を加えることができ、これにより、バルブへの空気流の温度を前記ＳＣＯ２タービンの入口で必要となる高温よりも高くまで上昇させることができる。さらに、前記加熱された燃焼ガスは前記熱交換器１３４、２３４、および１３２、２３２を介してＳＣＯ２の流れにその熱の大部分を渡すので、排気ガスの温度が非常に低くなり、したがって、例えば軍事用途のように、このことが重要である用途での熱シグネチャが低減する。そして超臨界流体に関連付けられる低圧縮係数の故に、前記ＳＣＯ２コンプレッサーからの放出物の温度は比較的低く、したがって、前記熱交換器１３４、２３４における加熱された燃焼ガスおよび前記回収熱交換器１３０、２３０におけるＳＣＯ２放出流から熱エネルギーを受け取るために理想的である。これらの特質の結果、システムの高い熱効率が得られる。
【００３９】
代替的な態様において、動力発生システムは、複数の超臨界流体サイクルを含んでいる。一例において、前記動力発生システムは、第１および第２の超臨界流体サイクルを含むことができるので、前記第１および第２の超臨界流体サイクルの一方または両方が、Ａ）１３０、２３０のような回収熱交換器とＢ）ＳＣＯ２タービンおよびＳＣＯ２コンプレッサーの入口とそれぞれ一列に並んだ回収熱交換器との間で前記ＳＣＯ２タービンおよびＳＣＯ２コンプレッサーからのＳＣＯ２放出物を分割する。さらに他の代替的な態様において、動力発生システムは、１もしくはそれ以上の空気吸込サイクルを含んでいる。さらに他の態様において、前記空気吸込サイクルは、１もしくはそれ以上の再加熱サイクルを含むことができる。さらに他の態様において、動力発生システムは、１もしくはそれ以上のＳＣＯ２サイクルを有する真空サイクルを含んでいる。さらに他の態様において、動力発生システムは、蒸気噴射を含んでいる。さらに他の態様において、動力発生システムは、熱交換器１３０、２３０の低圧放出流を熱源として使用するボトミングサイクルを含んでいる。
【００４０】
さらに、前記動力発生システム１００、２００、３００は、本明細書内で説明した代替的な流れ戦略と組み合わされた、米国公開特許公報第２０１３／０１８０２５９号（２５９公報）内で開示されている様々なＳＣＯ２および空気吸込サイクルを含んでいる。前記２５９公報内の上述の流れ戦略と矛盾しないＳＣＯ２および空気吸込サイクルの開示は、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００４１】
別の代替的な態様において、本明細書内で説明した前記動力発生システム１００、２００は、前記２５９公報に開示されている渦電流トルクカップリングを含むＳＣＯ２タービンアッセンブリーを含んでいる。前記２５９公報内の渦電流トルクカップリングの開示は、この参照によりその全体が本出願に組み込まれる。
【００４２】
前記動力発生システム１００、２００、３００の用途としては、航空機エンジン（ターボ・ファン・エンジン、ターボ・プロップ・エンジン、またはターボ・シャフト・エンジンなど）、陸上発電機、船舶用推進システム、陸上輸送用エンジンなどが挙げられるが、これらに限定されない。さらに、その他の用途として、蒸気および熱水などの動力および熱の生成を挙げることができる。前記システムは、軸動力が必要なその他任意の用途に使用することができる。
【００４３】
前述の記述は説明を目的として提供されており、本発明を限定するものとは解釈されない。好適な態様または好適な方法を参照しながら本発明を説明してきたが、本明細書内で使用された用語は限定の用語ではなく、説明および例証の用語であることが分かる。さらに、本明細書内では特定の構造、方法、および態様を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明は本明細書内で開示された詳細に限定されることは意図されておらず、本発明は、添付の請求項の範囲内であるすべての構造、方法、および用途に及ぶ。本明細書の教示の利益を有する当業者であれば、本明細書内で説明した本発明に数多の修正を施すことができ、また添付の請求項によって規定されている本発明の範囲および趣旨から逸脱せずに変更を行うことができる。
【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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【図７】
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【図８】
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