(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界流体が流れる超臨界流体サイクルと、前記超臨界流体の流れと混合されない空気が流れる空気吸入（ａｉｒ−ｂｒｅａｔｈｉｎｇ）サイクルとを含むシステムで動力を発生させるための方法であって、
前記超臨界流体サイクルに沿って配置されている複数のコアのうちの第１のコアを通じて前記超臨界流体を誘導する工程であって、各コアは、圧縮機と、タービンとを含むものである、前記誘導する工程と、
前記第１のコアの前記圧縮機内で前記超臨界流体を圧縮して、前記超臨界流体を圧縮超臨界流体として前記第１のコアの前記圧縮機から放出する工程と、
前記空気吸入サイクルを流れる空気を加熱する工程と、
少なくとも１つの熱交換器内で前記空気吸入サイクル内の空気から前記圧縮超臨界流体に熱を伝達し、前記圧縮超臨界流体を加熱超臨界流体として前記少なくとも１つの熱交換器から放出する工程と、
前記加熱超臨界流体の少なくとも一部分を、前記少なくとも１つの熱交換器から前記第１のコアの前記タービンに誘導する工程と、
前記第１のコアの前記タービン内で前記加熱超臨界流体を膨張させ、前記第１のコアにより、出力装置において第１のレベルの動力を発生させる工程と、
複数のコアのうちの少なくとも第２のコアを起動して、前記出力装置において発生する前記第１のレベルの動力を、前記第１のレベルの動力よりも大きい第２のレベルの動力に増加させる工程と
を有し、
前記起動する工程は、さらに、
前記超臨界流体を、第２のコアの圧縮機、前記少なくとも１つの熱交換器、および、前記第２のコアのタービンへと流すことにより、前記第２のコアのタービンが、前記出力装置における前記第１のレベルの動力を第２のレベルの動力に増加させる工程を含むものである、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記
起動する工程は、前記システムに対する動力の需要に応答するものである方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、前記流す工程は、さらに、
超臨界流体を前記超臨界流体サイクルに沿って前記複数のコアのうちの前記第２のコアの前記圧縮機に誘導する工程と、
前記第２のコアの前記圧縮機内で前記超臨界流体を圧縮して、前記超臨界流体を圧縮超臨界流体として前記第２のコアの前記圧縮機から放出する工程と、
前記第２のコアの前記圧縮機から放出された前記圧縮超臨界流体を前記第１のコアの前記圧縮機から放出される前記圧縮超臨界流体と混合して、超臨界流体の混合物を規定する工程と、
前記超臨界流体の混合物の少なくとも一部分を前記第２のコアの前記タービンに誘導する工程と、
前記第２のコアの前記タービン内で前記超臨界流体の混合物の前記少なくとも一部分を膨張させ、前記第２のコアにより、前記出力装置の前記第１のレベルの動力を前記第２のレベルの動力に増加させる工程と
を含むものである方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、前記起動する工程は、さらに、
前記超臨界流体を、第３のコアの圧縮機、前記少なくとも１つの熱交換器、および、前記第３のコアのタービンへと流すことにより、前記第３のコアのタービンが、前記出力装置における前記第２のレベルの動力を第３のレベルの動力に増加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、前記流す工程は、さらに、
超臨界流体を前記超臨界流体サイクルに沿って前記複数のコアのうちの前記第３のコアの前記圧縮機に誘導する工程と、
前記第３のコアの前記圧縮機内で前記超臨界流体を圧縮して、前記超臨界流体を圧縮超臨界流体として前記第３のコアの前記圧縮機から放出する工程と、
前記第３のコアの前記圧縮機から放出された前記圧縮超臨界流体を前記超臨界流体の混合物と混合する工程と、
前記超臨界流体の混合物の少なくとも一部分を前記第３のコアの前記タービンに誘導する工程と、
前記第３のコアの前記タービン内で前記超臨界流体の前記混合物の前記少なくとも一部分を膨張させ、前記第３のコアにより、前記出力装置の前記第２のレベルの動力を前記第３のレベルの動力に増加させる工程と
を含むものである方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、前記超臨界流体は二酸化炭素を有するものである方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、前記膨張した超臨界流体の混合物が前記超臨界流体の略臨界点まで冷却されるのに十分な熱が前記膨張した超臨界流体から移動されるものである方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、前記起動する工程は、さらに、
前記超臨界流体を前記複数のコアのうちの前記少なくとも１つの追加のコアの圧縮機、前記少なくとも１つの熱交換器、および前記複数のコアのうちの前記少なくとも１つの追加のコアの前記タービンへと流し、前記複数のコアのうちの少なくとも１つのコアのタービンが、前記出力装置における前記第２のレベルの動力を起動されたコアの総数に等しいレベルの動力に増加させる工程を含むものである方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法において、前記流す工程は、さらに、
超臨界流体を前記超臨界流体サイクルに沿って前記複数のコアのうちの前記少なくとも１つの追加のコアの前記圧縮機に誘導する工程と、
前記少なくとも１つの追加のコアの前記圧縮機内で前記超臨界流体を圧縮して、前記超臨界流体を圧縮超臨界流体として前記少なくとも１つの追加のコアの前記圧縮機から放出する工程と、
前記少なくとも１つの追加のコアの前記圧縮機から放出された前記圧縮超臨界流体を前記超臨界流体の混合物と混合する工程と、
前記超臨界流体の混合物の少なくとも一部分を前記少なくとも１つの追加のコアの前記タービンに誘導する工程と、
前記少なくとも１つの追加のコアの前記タービン内で前記超臨界流体の混合物の前記少なくとも一部分を膨張させ、前記少なくとも１つの追加のコアにより、前記出力装置の前記第２のレベルの動力を前記起動されるコアの総数に等しいレベルの動力に増加させる工程と
を含むものである方法。
【請求項１０】
超臨界流体が流れる超臨界流体サイクルと空気が流れる空気吸入サイクルを含み、動力を発生させるように構成されているシステムであって、
前記超臨界流体サイクルに沿って配置されている複数のコアであって、各コアは圧縮機とタービンとを含み、選択的に動作されて動力の出力を発生させるように構成されているものである、前記複数のコアと、
前記空気吸入サイクルを流れる空気を加熱するように構成された燃焼器と、
前記超臨界流体サイクルに沿って配置されている複数の熱交換器であって、前記複数の熱交換器のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つのクロスサイクル熱交換機を有し、前記少なくとも１つのクロスサイクル熱交換機は前記超臨界流体サイクルからの臨界流体及び前記空気吸入サイクルの空気が通過するが混合されないように構成され、前記少なくとも１つのクロスサイクル熱交換機は前記複数のコアの各々と流体連通するように構成されているものである、前記複数の熱交換器と
を有し、
前記複数のコアのうちの第１のコアは、動作時に第１のレベルの動力を発生させるように構成されており、前記複数のコアのうちの第２のコアは、前記第１のコアおよび前記第２のコアの動作時に、前記第１のレベルの動力を前記第１のレベルの動力よりも大きい第２のレベルの動力に増加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１１】
請求項１０記載のシステムにおいて、各コアの前記圧縮機は超臨界流体を受け入れて圧縮するように構成されており、各コアの前記タービンは超臨界流体を受け入れて膨張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１２】
請求項１１記載のシステムにおいて、前記複数の熱交換器のうちの別の少なくとも１つは、超臨界流体サイクル伝熱式熱交換器を有し、前記超臨界流体サイクル伝熱式熱交換器は、前記複数のコアのうちの少なくとも１つのコアの前記タービン内で膨張された前記超臨界流体の少なくとも一部、および、前記複数のコアのうちの少なくとも１つのコアの前記圧縮機内で圧縮された前記超臨界流体の少なくとも一部を受け入れるように構成されているものであるシステム。
【請求項１３】
請求項１０記載のシステムにおいて、さらに、
前記第１のコア、および前記複数のコアのうちの少なくとも前記第２のコアを通る前記超臨界流体の流れを選択的に誘導して動作しているコアの数を調整するように構成されているコントローラを有するものであるシステム。
【請求項１４】
請求項１３記載のシステムにおいて、さらに、
前記コントローラに動作可能に接続され、前記複数のコアを通る前記超臨界流体の流れを制御するように構成されている１若しくはそれ以上の弁を有するものであるシステム。
【請求項１５】
請求項１４記載のシステムにおいて、前記複数のコアの各々は、さらに、
前記圧縮機に流入する前記超臨界流体の流れを制御するように構成されている圧縮機入力弁と、前記圧縮機からの前記超臨界流体の流れを制御するように構成されている圧縮機放出弁とを有するものであるシステム。
【請求項１６】
請求項１４記載のシステムにおいて、前記複数のコアの各々は、さらに、
前記タービンに流入する前記超臨界流体の流れを制御するように構成されているタービン入力弁と、前記超臨界流体タービンからの超臨界流体の流れを制御するように構成されているタービン放出弁とをさらに有するものであるシステム。
【請求項１７】
請求項１０記載のシステムにおいて、さらに、
前記複数のコアの各コアに動作可能に結合されている少なくとも１つの動力装置を有するものであるシステム。
【請求項１８】
請求項１７記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの動力装置はさらに、
複数の動力装置を有し、前記複数の動力装置の各々は前記複数のコアのそれぞれの１つに動作可能に結合されているものであるシステム。
【請求項１９】
請求項１７記載のシステムにおいて、前記動力装置は、発動機、ターボプロップ、ターボファン、またはギアボックスのうちの１つであるシステム。
【請求項２０】
請求項１０記載のシステムにおいて、さらに、
前記超臨界流体の温度を低下するように構成されている少なくとも１つの冷却器を有するものであるシステム。
【請求項２１】
超臨界流体サイクルと、空気吸入サイクルとを含むエンジンであって、複数のレベルの動力の出力を発生させるように構成されており、
前記超臨界流体サイクルに沿って配置されている複数のコアであって、各コアは圧縮機と、タービンとを含み、選択的に動作されて動力の出力を発生させるように構成されているものである、前記複数のコアと、
前記空気吸入サイクルを流れる空気を加熱するように構成された燃焼器と、
前記超臨界流体サイクルに沿って配置されている複数の熱交換器であって、前記複数の熱交換器のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つのクロスサイクル熱交換機を有し、前記少なくとも１つのクロスサイクル熱交換機は前記超臨界流体サイクルからの臨界流体及び前記空気吸入サイクルの空気が通過するが混合されないように構成され、前記少なくとも１つのクロスサイクル熱交換機は前記複数のコアの各々と流体連通するように構成されているものである、前記複数の熱交換器と
を有し、
前記エンジンは、前記複数のコアのうち動作中のコアの数を調整して動力の出力のレベルを調整するように構成されているものである、
エンジン。
【請求項２２】
請求項２１記載のエンジンにおいて、前記複数のコアのうちの第１のコアは第１のレベルの動力を発生させるように構成されており、前記複数のコアのうちの第２のコアは、前記第１のコアおよび前記第２のコアの動作時に、前記第１のレベルの動力を前記第１のレベルの動力よりも大きい第２のレベルの動力に増加させるように構成されているものであるエンジン。
【請求項２３】
請求項２１記載のエンジンにおいて、前記複数のコアの前記圧縮機および前記タービンの各々は入口と出口とを含み、前記エンジンは、さらに、
各コア内の前記圧縮機の入口に接続されている第１の入力導管と、
各コア内の前記圧縮機の出口に接続されている第１の放出導管と、
各コア内の前記タービンの入口に接続されている第２の入力導管と、
各コア内の前記タービンの出口に接続されている第２の放出導管と、
を有し
前記複数の熱交換器は、ａ）前記第１の放出導管および前記第２の放出導管から超臨界流体を受け入れ、ｂ）前記エンジンの動作中に前記第１の入力導管および前記第２の入力導管に超臨界流体を放出するように構成されているものであるエンジン。
【請求項２４】
請求項２３記載のエンジンにおいて、前記少なくとも１つのクロスサイクル熱交換機は、前記空気吸入サイクル内の空気から、前記第１の放出導管から放出される前記超臨界流体の少なくとも一部分に熱を伝達するように構成されている第１のクロスサイクル熱交換機と、前記第２の放出導管から放出される前記超臨界流体の少なくとも一部分から、前記空気吸入サイクル内の前記空気に熱を伝達するように構成されている第２のクロスサイクル熱交換機とを有するものであるエンジン。
【請求項２５】
請求項２１記載のエンジンにおいて、前記複数の熱交換器は、複数のコアのうちの１つのコアのみが作動している時に最も効果的に熱交換するように構成されているものであるエンジン。
【請求項２６】
請求項１０記載のシステムにおいて、前記複数の熱交換器は、複数のコアのうちの１つのコアのみが作動している時に最も効果的に熱交換するように構成されている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８月２２日付で出願された米国仮特許出願第６２／０４０，９８８号に対する優先権およびその利益を主張し、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、超臨界流体を使用する動力発生システム（ｐｏｗｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）および関連する方法に関し、特に、複数のコアを選択的に起動または停止して発生する動力の量を調整することができる、動力発生システムおよび関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来、ブレイトンサイクルのような熱力学的発電サイクルは、大気のような理想気体を使用している。そのようなサイクルは、空気がサイクルの構成要素を通じて流れた後に、相対的に高い温度で大気へと排出し戻され、それによって、燃料の燃焼によって発生する相当量の熱が、サイクルから失われるという点においてオープンである。ブレイトンサイクルにおいて廃熱を捕捉し、利用するための一般的な手法は、復熱装置を使用して、タービン排出ガスから熱を抽出し、この熱を、熱交換器を介して、圧縮機から排気へと伝達することである。そのような熱伝達は、燃焼器に入る空気の温度を上昇させるため、所望のタービン入口温度を達成するために必要とされる燃料が少なくなる。結果として、全体的な熱力学的サイクルの熱効率が改善され、一般的に、約４０％の高さの効率が提供される。ブレード空力設計がより進歩したより大型のタービンであれば、さらにより高い効率を達成することができる。しかしながら、そのような復熱サイクルにおいてさえ、熱は高温源から低温シンクへの方向にしか流れることができないため、タービン排出ガス温度は決して、圧縮機排気の温度を下回って冷却させることができないという事実によって、熱効率は限定される。これは、タービン全体の効率を改善するより高い圧力比を利用する結果として、圧縮機排出温度がより高くなり、それゆえ、復熱装置における熱回収がより少なくなるという事実によって悪化する。加えて、圧縮機は一般的に、より高い圧力比を達成するために複数の圧縮機段を必要とする。また、タービンの部品は多くの場合、発電サイクルが最大効率で動作するために、非常に高い温度に耐えることが可能な、高価な材料から製造されなければならない。したがって、効率および動力の出力が増加すると、発電ターボ機械の費用が劇的に増加する。
【０００４】
最近、密閉熱力学的発電サイクルにおいて、超臨界二酸化炭素（「ＳＣＯ２」）のような超臨界流体を使用することについて、関心が高まっている。有利には、超臨界流体、すなわち、液相と気相とが平衡する「臨界点」にあるか、または、それを上回っている流体は、液体のそれに迫る密度および圧縮率を有し、それによって、流体を所望の圧力比まで圧縮するのに必要とされる仕事が、空気のような理想気体のものよりもはるかに低い。結果として、超臨界流体発電サイクルは、それほど高価でない単段圧縮機およびタービンターボ機械を利用する。
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２０１３／１８０２５９号明細書
（特許文献２）  米国特許第４，５３７，０３２号明細書
（特許文献３）  米国特許第５，７９９，４８４号明細書
（特許文献４）  米国特許第５，８１３，２１５号明細書
（特許文献５）  仏国特許発明第８１０３７９号明細書
（特許文献６）  米国特許第５，０６９，２７６号明細書
（特許文献７）  米国特許第８，１９６，６４４号明細書
（特許文献８）  米国特許出願公開第２００７／０１０７８８９号明細書
（特許文献９）  米国特許第３，０５８，０１８号明細書
（特許文献１０）  米国特許第３，５８３，１５６号明細書
（特許文献１１）  米国特許第３，９７１，２１１号明細書
（特許文献１２）  米国特許第４，１３８，６１８号明細書
（特許文献１３）  米国特許第４，１６６，３６２号明細書
（特許文献１４）  米国特許第４，２６７，６９２号明細書
（特許文献１５）  米国特許第４，３４７，７１１号明細書
（特許文献１６）  米国特許第４，３７５，７４５号明細書
（特許文献１７）  米国特許第４，４９８，２８９号明細書
（特許文献１８）  米国特許第４，５２０，２８４号明細書
（特許文献１９）  米国特許第４，６８３，３９２号明細書
（特許文献２０）  米国特許第４，７８０，６３７号明細書
（特許文献２１）  米国特許第５，３２３，６０３号明細書
（特許文献２２）  米国特許第６，１９１，５６１号明細書
（特許文献２３）  米国特許第６，３１８，０６６号明細書
（特許文献２４）  米国特許第６，４３０，９１６号明細書
（特許文献２５）  米国特許第６，６０６，８６４号明細書
（特許文献２６）  米国特許第６，８４８，２４９号明細書
（特許文献２７）  米国特許第６，９４５，０５２号明細書
（特許文献２８）  米国特許第６，９９１，０２６号明細書
（特許文献２９）  米国特許第７，０３７，４３０号明細書
（特許文献３０）  米国特許第７，６６９，４２３号明細書
（特許文献３１）  米国特許第７，６８５，８２０号明細書
（特許文献３２）  米国特許第７，７２６，１１４号明細書
（特許文献３３）  米国特許第７，８８０，３５５号明細書
（特許文献３４）  米国特許第７，９６６，８６８号明細書
（特許文献３５）  米国特許出願公開第２００１／００２３５８０号明細書
（特許文献３６）  米国特許出願公開第２００７／０１２５０６３号明細書
（特許文献３７）  米国特許出願公開第２０１０／０１０１２３１号明細書
（特許文献３８）  米国特許出願公開第２０１０／０２４２４２９号明細書
（特許文献３９）  米国特許出願公開第２０１１／０１７９７９９号明細書
（特許文献４０）  米国特許出願公開第２０１１／０２０６１７３号明細書
（特許文献４１）  米国特許出願公開第２０１２／０２１６５３６号明細書
（特許文献４２）  国際公開第１９９５／２４８２２号
（特許文献４３）  国際公開第２０１０／１５１５６０号
（特許文献４４）  国際公開第２０１５／１３０８９８号
（特許文献４５）  米国特許第４，２６３，９６４号明細書
（特許文献４６）  欧州特許出願公開第２４０２６９７号明細書
（特許文献４７）  仏国特許発明第１３９１５１４号明細書
（特許文献４８）  米国特許出願公開第２００２／００６３４７９号明細書
（特許文献４９）  米国特許出願公開第２００７／０１３７２１１号明細書
（特許文献５０）  米国特許出願公開第２００９／０２１１２６０号明細書
（特許文献５１）  米国特許出願公開第２０１１／００９４２３１号明細書
（特許文献５２）  米国特許出願公開第２０１２／００００２０４号明細書
（特許文献５３）  米国特許出願公開第２０１２／００９６８６９号明細書
（特許文献５４）  米国特許第９，５４０，９９９号明細書
（特許文献５５）  米国特許第２，６２１，４７５号明細書
（特許文献５６）  米国特許第５，７７８，６７５号明細書
（特許文献５７）  米国特許第３，７８８，０６６号明細書
（特許文献５８）  米国特許第３，７９１，１３７号明細書
（特許文献５９）  米国特許第３，９１３，３１５号明細書
（特許文献６０）  米国特許第４，６４０，６６５号明細書
（特許文献６１）  米国特許第５，２３１，８３５号明細書
（特許文献６２）  米国特許第５，３４７，８０６号明細書
（特許文献６３）  米国特許第６，１４１，９５３号明細書
（特許文献６４）  米国特許第６，１６１，３９２号明細書
（特許文献６５）  米国特許第６，２２０，０５３号明細書
（特許文献６６）  米国特許出願公開第２０１３／００４２６０１号明細書
（非特許文献）
（非特許文献１）  Ｅｎｇｌｉｓｈ  ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｈｉｎｅｓｅ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｎｏ．２０１５８００４４３６７．６：  Ｎｏｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｆｉｒｓｔ  Ｏｆｆｉｃｅ  Ａｃｔｉｏｎ  ｄａｔｅｄ  Ａｕｇｕｓｔ  ２８，２０１７，８  ｐａｇｅｓ
（非特許文献２）  Ｄｏｓｔａｌ，Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ  Ｃｙｃｌｅ  ｆｏｒ  Ｎｅｘｔ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｒｅａｃｔｏｒ，Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｐｒｏｇｒａｍ，Ｍａｒｃｈ  ２００４，３２６  ｐｇｓ
（非特許文献３）  Ｗｒｉｇｈｔ，Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ａ  Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ  ＣＯ２  Ｂｒａｙｔｏｎ  Ｃｙｃｌｅ，Ｓａｎｄｉａ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，ＳＡＮＤ２０１０．０１７１，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２０１０，１０１  ｐｇｓ
（非特許文献４）  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｐａｔｅｎｔ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｎｏ．ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０４６４１５：  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅａｒｃｈ  Ｒｅｐｏｒｔ  ａｎｄ  Ｗｒｉｔｔｅｎ  Ｏｐｉｎｉｏｎ  ｄａｔｅｄ  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ３，２０１５，１３  ｐａｇｅｓ
（非特許文献５）  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｐａｔｅｎｔ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｎｏ．ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０４６４００：  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅａｒｃｈ  Ｒｅｐｏｒｔ  ａｎｄ  Ｗｒｉｔｔｅｎ  ｄａｔｅｄ  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ４，２０１５，１１  ｐａｇｅｓ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
動力を増加させ、用途の最大動力要件を満たすことも同時に可能にしながら、用途の通常の動作動力負荷を満たすために熱力学的サイクルにおいて超臨界流体を使用して、十分な動力を効率的に発生させるためのシステムおよび方法が必要とされている。  
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一実施形態は、超臨界流体が流動する超臨界流体サイクルと、超臨界流体の流れと混合されない空気が流動する動力発生システムとを含むシステムで動力を発生させるための方法である。方法は、超臨界流体サイクルに沿って配置されている複数のコアのうちの第１のコアを通じて前記超臨界流体を誘導する工程を含み、各コアは、圧縮機と、タービンとを含む。方法は、前記第１のコアの圧縮機内で超臨界流体を圧縮して、前記超臨界流体を圧縮超臨界流体として第１のコアの圧縮機から放出する工程を含む。方法は、少なくとも１つの熱交換器内で動力発生システム内の空気から前記圧縮超臨界流体に熱を伝達し、前記圧縮超臨界流体を加熱超臨界流体として前記少なくとも１つの熱交換器から放出する工程を含む。方法は、前記加熱超臨界流体の少なくとも一部分を、前記少なくとも１つの熱交換器から前記第１のコアの前記タービンに誘導する工程を含む。方法は、前記第１のコアの前記タービン内で前記加熱超臨界流体の少なくとも一部分を膨張させ、前記第１のコアにより、出力装置において第１のレベルの動力を発生させる工程と、複数のコアのうちの少なくとも第２のコアを起動して、出力装置において発生する第１のレベルの動力を第１のレベルの動力よりも大きい第２のレベルの動力に増加させる工程とを含む。
【０００７】
本開示の別の実施形態は、超臨界流体が流動する超臨界流体サイクルを少なくとも含み、動力を発生させるように構成されているシステムである。このシステムは、超臨界流体サイクルに沿って配置されている複数のコアを含み、各コアは、圧縮機と、タービンとを含む。各コアは、選択的に動作されて動力の出力を発生させるように構成されている。システムはまた、超臨界流体サイクルに沿って配置されている複数の熱交換器も含み、前記複数の熱交換器のうちの少なくとも１つは、前記複数のコアの各々と流体連通するように構成されている。前記複数のコアのうちの第１のコアは、第１のコアの動作時に第１のレベルの動力を発生させるように構成されており、前記複数のコアのうちの第２のコアは、第１のコアおよび第２のコアの動作時に、第１のレベルの動力を第１のレベルの動力よりも大きい第２のレベルの動力に増加させるように構成されている。
【０００８】
本開示の別の実施形態は、超臨界流体サイクルと、空気吸入サイクルとを含むエンジンである。前記エンジンは、複数のレベルの動力の出力を発生させるように構成されている。エンジンは、超臨界流体サイクルに沿って配置されている複数のコアを含み、各コアは、圧縮機と、タービンとを含む。各コアは、選択的に動作されて動力の出力を発生させるように構成されている。エンジンはまた、前記超臨界流体サイクルに沿って配置されている複数の熱交換器をも含み、複数の熱交換器のうちの少なくとも１つは、複数のコアの各々と流体連通するように構成されている。前記エンジンは、前記複数のコアのうち動作中のコアの数を調整して動力の出力を調整するように構成されている。
【０００９】
上記の概要、および以下の実施形態の詳細な説明は、添付の図面とともに読まれるとよりよく理解される。本発明を図示する目的のために、図面は、現在好ましい実施形態を示す。しかしながら、本発明は、図面において開示されている特定の手段に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本開示の一実施形態による動力発生システムの概略図である。
【図２】図２は、本開示の別の実施形態による動力発生システムの概略図である。
【図３】図３は、本開示の別の実施形態による動力発生システムの概略図である。
【図４】図４は、本開示の別の実施形態による動力発生システムの概略図である。
【図５】図５は、動作しているコアの数に対する熱交換器効率を図示しているグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示の実施形態は、圧縮機とタービンとを含む１若しくはそれ以上のコアを選択的に起動することによって、動力の出力を選択的に増加させるように構成されているシステム、方法、およびエンジンを含む。一般的な熱力学的動力サイクルは、通常必要とされる動力の出力が、動力サイクルの最大動力の出力の１５〜２０％である、船舶推進のような用途において頻繁に使用されている。それにもかかわらず、一般的な熱力学的動力サイクルは、１００％の容量における最大効率向けに設計されており、これは、サイクルがより低い負荷において動作されるときは非効率的になる。したがって、選択的に起動または停止されることが可能である複数のコアを含む超臨界流体サイクルが、効率を最大化することが可能である。説明されるシステムは、通常の負荷条件下では単一コアで動作するように設計することができ、追加のコアを加えることによって動力の出力を増加させて、必要なときに追加の動力を発生させるように構成することができる。本明細書において開示されているような、複数のコアを利用するシステムは、米国特許出願公開第２０１３／０１８０２５９号（「２５９号公報」）および国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０１７６７９号（「６７９号出願」）に開示されているような動力発生システムを含んでもよく、この参照によりその開示が本明細書に組み込まれる。
【００１２】
図１は、内部の作動流体が超臨界流体である第１の閉鎖型ブレイトンサイクル９２と、内部の作動流体が外気である第２の開放型ブレイトンサイクル９４とを含む、動力発生システム１０を図示する。第１のブレイトンサイクル９２および第２のブレイトンサイクル９４は、それぞれ超臨界流体流路９６および空気流体流路９８を含む。流路９６および９８は、一実施形態において、２つの流路９６と９８との間で超臨界流体と空気との間にほとんどまたはまったく混合が発生しないように、分離している。
【００１３】
動力発生システム１０は、超臨界流体流路９６に沿って配置されている複数のコア６０、７０、８０を含む。各コアは、圧縮機６２、７２、８２と、タービン６４、７４、８４とを含む。加えて、各コアは、動力発生システム１０が、動作しているコアの数に応じて異なるレベルの動力を発生させるように、選択的に動作されるように構成されている。動力発生システム１０はまた、１若しくはそれ以上の熱源５８と、流路９６および９８に沿って接続されている複数の熱交換器とをも含む。熱交換器は、複数のクロスサイクル熱交換器３２、３６を含む。本明細書において使用される場合、「クロスサイクル熱交換器」という用語は、空気吸入（ａｉｒ−ｂｒｅａｔｈｉｎｇ）サイクル９４からの空気、または、空気と燃焼ガス／熱の両方、および、超臨界流体サイクル９２からの超臨界流体を受け取り、２つのサイクル内の流体の間で熱を伝達する熱交換器を指す。動力発生システム１０はまた、弁と、流量計と、混合合流点と、システム１０の動作を制御するように構成されている１若しくはそれ以上のコントローラとをも含んでもよい。
【００１４】
最初に、超臨界流体の流れ１が、超臨界流体流路９６に沿って第１のコア６０へと誘導される。超臨界流体は、第１のコアの圧縮機６２の入口へと供給され、第１のコアの圧縮機６２は、軸流圧縮機、ラジアル圧縮機、復熱圧縮機などのタイプの圧縮機であってもよい。圧縮機６２は、第１のＳＣＯ２圧縮機６２と称される場合がある。圧縮機６２は、タービン６４に動作可能に接続されているシャフトを含む。タービン６４は、第１のＳＣＯ２タービン６４と称される場合がある。流れ１に沿った流量計が実装されて、第１のＳＣＯ２圧縮機６２の入口に供給される超臨界流体の流速が測定されてもよい。流量計は、超臨界流体サイクル９２中の総ＳＣＯ２質量、および、過渡流れ挙動の制御を容易にする。一実施形態において、超臨界流体は、下記に論述するように、その臨界点に近い温度および圧力まで冷却および膨張された後に、第１のＳＣＯ２圧縮機６２の入口に入る。「超臨界流体」という用語は、明確に区別できる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ができる最低の温度および圧力を指す。「臨界温度」および「臨界圧」という用語は、臨界点における温度および圧力を指す。二酸化炭素について、臨界点はおよそ３０４．２°Ｋおよび７．３５ＭＰａである。一実施形態において、圧縮機１１０に入る超臨界流体は、その臨界点の少なくとも±２°Ｋ以内まで冷却される。さらなる実施形態において、第１のＳＣＯ２圧縮機６２に入る超臨界流体は、その臨界点の少なくとも±１°Ｋ以内まで冷却される。また別の実施形態において、第１のＳＣＯ２圧縮機６２に入る超臨界流体は、その臨界点の少なくとも±０．２°Ｋ以内まで冷却される。
【００１５】
第１のＳＣＯ２圧縮機６２における圧縮後、圧縮超臨界流体の放出流４は、クロスサイクル熱交換器３２へと誘導される。クロスサイクル熱交換器３２において、流路９８内の空気から、圧縮超臨界流体へと熱が伝達される。加熱超臨界流体流１４が、クロスサイクル熱交換器３２から放出される。
【００１６】
サイクル熱交換器３２からの加熱超臨界流体の流れ１４は、第１のＳＣＯ２タービン６４の入口へと誘導される。第１のＳＣＯ２タービン６４は、軸流タービン、ラジアルタービン、混合流タービンなどのタイプのタービンであってもよい。第１のＳＣＯ２タービン６４は、超臨界流体を膨張させ、連結シャフトを介して第１のＳＣＯ２圧縮機６２を駆動する軸動力を発生させる。加えて、第１のＳＣＯ２タービン６４は、システム１０の第１のレベルの出力動力を提供するための発動機（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）に、動作可能に結合することができる。
【００１７】
膨張した超臨界流体は、第１のＳＣＯ２タービン６４から放出され、膨張した超臨界流体の放出流１７へと誘導される。膨張した超臨界流体の放出流１７は、クロスサイクル熱交換器３６へと誘導される。クロスサイクル熱交換器３６において、膨張した超臨界流体は、流路９８に沿ってクロスサイクル熱交換器３６を通過する空気の流れによって冷却される。
【００１８】
冷却された超臨界流体の流れは、クロスサイクル熱交換器３６から放出され、流れ１として、第１のＳＣＯ２圧縮機６４の入口へと誘導される。代替の実施形態において、クロスサイクル熱交換器３６から放出される、冷却された超臨界流体の流れは、少なくとも１つの冷却器へと誘導されて、第１のＳＣＯ２圧縮機６４の入口へと戻される前に、超臨界流体の温度がさらに低下されてもよい。追加の超臨界流体が流れ１へと導入されて、システムからの超臨界流体の任意の漏れを埋め合わせてもよい。いずれにせよ、超臨界流体流１は第１のＳＣＯ２圧縮機６４の入口へと誘導されて、圧縮−加熱−膨張−冷却の工程が繰り返される。
【００１９】
動力発生システム１０に対する動力の需要が増加した場合、超臨界流路９６に沿った第２のコア７０が起動されて、第１のコア６０のみが動作しているときに発生する第１のレベルの動力よりも大きい第２のレベルの動力が生成され得る。
【００２０】
第２のレベルの動力を発生させるために、超臨界流体の流れ１の少なくとも一部分が、超臨界流路９６に沿って第２のコア７０へと誘導される。超臨界流体は、第２のＳＣＯ２圧縮機７２と称される場合がある、第２のコアの圧縮機７２の入口へと供給される。
【００２１】
第２のＳＣＯ２圧縮機７２における圧縮の後、圧縮超臨界流体が放出されて、圧縮超臨界流体の流れ４において第１のＳＣＯ２圧縮機６２から放出される圧縮超臨界流体と混合する。圧縮超臨界流体がクロスサイクル熱交換器３２において加熱された後、加熱超臨界流体の流れ１４の少なくとも一部分が、第２のＳＣＯ２タービン７４の入口へと誘導される。
【００２２】
第２のＳＣＯ２タービン７４は、超臨界流体を膨張させ、連結シャフトを介して第２のＳＣＯ２圧縮機７２を駆動する軸動力を発生させる。加えて、第２のＳＣＯ２タービン７４は、発動機に動作可能に結合することができ、それによって、第２のＳＣＯ２タービン７４は、システム１０の出力動力を、第１のレベルから第２のレベルへと増加させる。
【００２３】
膨張した超臨界流体は、第２のＳＣＯ２タービン７４から放出され、膨張した超臨界流体の放出流１７において第１のＳＣＯ２タービン６４から放出されている膨張した超臨界流体と混合する。膨張した超臨界流体の放出流１７は、クロスサイクル熱交換器３６において冷却され、冷却された超臨界流体の少なくとも一部分が、流れ１として、第２のＳＣＯ２圧縮機７４の入口へと誘導される。
【００２４】
動力発生システム１０に対する動力の需要がさらに増加した場合、超臨界流路９６に沿った第３のコア８０が起動されて、第１のコア６０および第２のコア７０が動作しているときに発生する第２のレベルの動力よりも大きい第３のレベルの動力が生成され得る。
【００２５】
第３のレベルの動力を発生させるために、超臨界流体の流れ１の少なくとも一部分が、超臨界流路９６に沿って第３のコア８０へと誘導される。超臨界流体は、第３のＳＣＯ２圧縮機８２と称される場合がある、第３のコアの圧縮機８２の入口へと供給される。
【００２６】
第３のＳＣＯ２圧縮機８２における圧縮の後、圧縮超臨界流体が放出されて、圧縮超臨界流体の流れ４において、第１のＳＣＯ２圧縮機６２および第２のＳＣＯ２圧縮機７２から放出される圧縮超臨界流体と混合する。圧縮超臨界流体がクロスサイクル熱交換器３２において加熱された後、加熱超臨界流体の流れ１４の少なくとも一部分が、第３のＳＣＯ２タービン８４の入口へと誘導される。
【００２７】
第３のＳＣＯ２タービン８４は、超臨界流体を膨張させ、連結シャフトを介して第３のＳＣＯ２圧縮機８２を駆動する軸動力を発生させる。加えて、第３のＳＣＯ２タービン８４は、発動機に動作可能に結合することができ、それによって、第３のＳＣＯ２タービン８４は、システム１０の出力動力を、第２のレベルから第３のレベルへと増加させる。
【００２８】
膨張した超臨界流体は、第３のＳＣＯ２タービン８４から放出され、膨張した超臨界流体の放出流１７において第１のＳＣＯ２タービン６４および第２のＳＣＯ２タービン７４から放出されている膨張した超臨界流体と混合する。膨張した超臨界流体の放出流１７は、クロスサイクル熱交換器３６において冷却され、冷却された超臨界流体の少なくとも一部分が、流れ１として、第３のＳＣＯ２圧縮機８４の入口へと誘導される。
【００２９】
引き続き図１を参照すると、システム１０の空気吸入サイクル９４部分は、開放流路９８を形成する。最初に、外気が、流路９８に沿ってクロスサイクル熱交換器３６へと供給される。その後、空気は、熱源５８において加熱され、クロスサイクル熱交換器３２を通じて流路９８に沿って誘導される。熱源５８は、化石燃料または他の燃料タイプのような燃料の流れを受け入れるように構成されている燃焼器である。熱源５８はまた、システム熱を発生させるための太陽熱収集器若しくは原子炉、または、廃棄物、バイオマス、またはバイオ由来の燃料の燃焼を含む、何らかの他の熱源によって動作することもできる。
【００３０】
３つのコアのみが本開示の上記の実施形態において説明されているが、動力発生システム１０は、３つのコアには限定されない。動力発生システム１０は、４つのコア、５つのコア、６つのコア、または追加のコアを含んで、動力発生システム１０に必要とされる最大動力の出力を生成してもよい。
【００３１】
本開示の別の実施形態による動力発生システム１００の概略図である、図２に移って参照する。動力発生システム１００は、第１の超臨界流体サイクル１０２および第２のサイクルまたは空気吸入サイクル１０４を含むという点においては、動力発生システム１０と同様である。第１のサイクル１０２および第２のサイクル１０４はそれぞれ、一実施形態において、超臨界流体と空気とが混合されないように、互いから分離している超臨界流体流路１０６および空気流体流路１０８を含む。
【００３２】
動力発生システム１００は、超臨界流体流路１０６に沿って配置されている複数のコアを含む。各コアは、タービンに動作可能に接続されているシャフトを有する圧縮機を含む。一実施形態において、タービンはまた、出力装置に動作可能に接続されているシャフトをも含む。代替的な実施形態において、コアは、出力装置に動作可能に接続されている第２のタービンを含み、圧縮機に動作可能に接続されているタービンから放出される膨張した超臨界流体が、第２のタービンを通じて循環され、これによって、出力装置のための軸動力が発生する。いずれの実施形態においても、出力装置は、システム１００の出力動力を提供することができる。加えて、各コアは、動力発生システム１００が、動作しているコアの数に応じて異なるレベルの動力を発生させるように、選択的に動作されるように構成することができる。本明細書において説明されているものとしては、出力装置は、ターボプロップ、またはターボシャフト、ギアボックス、または発動機であってもよい。
【００３３】
図２に示すように、超臨界流体流路１０６に沿って配置されている複数のコアのうちの第１のコアは、シャフト１１２ａを介してタービン１１４ａに動作可能に接続されている圧縮機１１０ａを含む。タービン１１４ａは、動力発生システム１００の第１のレベルの出力動力を提供する出力装置１２０ａに動作可能に接続されているシャフト１１７ａをさらに含む。超臨界流体流路１０６に沿って配置されている複数のコアのうちの第２のコアは、シャフト１１２ｂを介してタービン１１４ｂに動作可能に接続されている圧縮機１１０ｂを含む。タービン１１４ｂは、第１のコアおよび第２のコアが動作しているときに、第１のコアのみが動作しているときの第１のレベルの出力動力よりも大きい、動力発生システム１００の第２のレベルの出力動力を提供する出力装置１２０ｂに動作可能に接続されているシャフト１１７ｂをさらに含む。動力発生システム１００の設計において、超臨界流体流路１０６に沿って配置されている複数のコアにおけるコアの総数は、いかなる特定のコア数にも限定されない。
【００３４】
図２に示すように、特定の用途に基づいて、所望のコアの総数に達するまで、追加のコアが加えられてもよい。コアの総数は、図２において、シャフト１１２ｘを介してタービン１１４ｘに動作可能に接続されている圧縮機１１０ｘを含む、超臨界流体流路１０６に沿って配置されている「最後のコア」によって表されている。「最後のコア」という用語は、参照を容易にするために使用されており、コアの総数、すなわち、超臨界流体流路１０６に沿って配置されている複数のコアのうちのコアのすべてが動作している状態または状況を指す。タービン１１４ｘは、動力発生システム１００の追加のレベルの出力動力を提供する出力装置１２０ｘに動作可能に接続されているシャフト１１７ｘをさらに含む。それゆえ、動力発生システム１００のコアの総数が、動力発生システム１００の出力動力のレベルの数を規定する。したがって、動力発生システム１００の出力動力は、動力発生システム１００において超臨界流体流路１０６に沿って動作しているコアの数を選択的に起動および停止することによって調整することができる。
【００３５】
超臨界サイクル１０２中の各コアはまた、圧縮機入力弁１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｘと、圧縮機放出弁１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｘと、タービン入力弁１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｘと、タービン出力弁１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｘとをも含み、超臨界流体流路１０６に沿った各コアを出入りする超臨界流体の流れを制御することができる。
【００３６】
動力発生システム１００は、空気流路１０４に沿って配置されている１若しくはそれ以上の圧縮機と、１若しくはそれ以上のタービンと、１若しくはそれ以上の燃焼器と、流路１０６および１０８に沿って配置されている複数の熱交換器とをさらに含む。熱交換器は、複数のクロスサイクル熱交換器１３２、１３４、１３６、および１３８を含む。
【００３７】
動力発生システム１００はまた、超臨界流体流路１０６に沿った伝熱式熱交換器１３０をも含む。本明細書において使用される場合、「伝熱式熱交換器」という用語は、複数のコア内の少なくとも１つのタービン１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｘから放出されるタービン放出流１７中の膨張した超臨界流体と、超臨界流体流路１０６に沿って配置されている複数のコア内の少なくとも１つの圧縮機１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｘから放出される圧縮機放出流４中の圧縮超臨界流体との間の熱伝達を参照する。動力発生システム１００はまた、弁１２２と、流量計（図示せず）と、混合合流点１２４と、システム１００の動作を制御するように構成されている１若しくはそれ以上のコントローラ（図示せず）とをも含んでもよい。
【００３８】
最初に、超臨界流体の流れ１が、超臨界流体流路１０６に沿って第１のコアへと誘導される。超臨界流体は、第１のコアの圧縮機１１０ａの入口へと供給される。圧縮機１１０ａにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体は、圧縮機放出流４へと放出される。代替的な実施形態において、流れ１は圧縮機入力弁１４２ａへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ２ａを、第１のコアの圧縮機１１０ａの入口へと誘導する。圧縮機１１０ａにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体は流れ３ａによって圧縮機放出弁１４４ａへと放出され、当該弁は、圧縮超臨界流体を圧縮機放出流４へと誘導する。
【００３９】
圧縮機放出流４は、放出流６および放出流８として、第１の部分および第２の部分へと分割され得る。放出流６および放出流８は、第１の放出流６および第２の放出流８と称される場合がある。代替的に、放出流６および放出流８は、第１の圧縮機放出流６および第２の圧縮機放出流８と称される場合がある。分割は、一連の熱交換器１３４および１３２によって、圧縮機放出流４の第１の部分が復熱されることを可能にし、流路１０８を通じた空気流体循環によって、残りの部分が直接的に加熱されることを可能にする。図示されているように、圧縮機放出流４は、コントローラ（図示せず）と電子的に通信することができる弁１２２ａを介して分割される。コントローラは、弁１２２ａを動作または起動させて、必要に応じて流路１０６を通る流れを誘導する。一実施形態において、弁１２２ａは、圧縮機放出流４の５５％〜約７５％を、第１の放出流６へと誘導するように構成されている。圧縮機放出流４の流れの余りは、第２の放出流８へと誘導される。別の実施形態において、弁１２２ａは、圧縮機放出流４の約６７％を、第１の放出流６へと誘導するように構成されている。
【００４０】
超臨界流体の第１の放出流６は伝熱式熱交換器１３０へと誘導され、当該熱交換器において、第２のタービン放出流２２中の加熱超臨界流体から、第１の圧縮機放出流６へと熱が伝達される。伝熱式熱交換器１３０から放出される加熱超臨界流体の流れ１９は、合流点１２４ａへと誘導され、クロスサイクル熱交換器１３４を出る加熱超臨界流体の流れ１０と混合される。
【００４１】
第２の放出流８は、クロスサイクル熱交換器１３４へと誘導される。クロスサイクル熱交換器１３４において、流路１０８内の燃焼ガスからの熱が、超臨界流体の第２の放出流８へと伝達される。熱交換器１３４から放出される流れ１０は、上述したように、合流点１２４ａにおいて伝熱式熱交換器１３０からの超臨界流体の流れ１９と混合する。合流点１２４ａは、導管に接続されている接合部であってもよく、または、混合装置を含んでもよい。
【００４２】
混合流１２は、クロスサイクル熱交換器１３２へと供給される。クロスサイクル熱交換器１３２において、流路１０８内の燃焼ガスから、超臨界流体の混合流へと熱が伝達される。クロスサイクル熱交換器１３２は、タービン入力流１４中に加熱超臨界流体を放出する。
【００４３】
タービン入力流１４中の加熱超臨界流体は、第１のコアのタービン１１４ａの入口へと誘導される。タービン１１４ａは、超臨界流体を膨張させ、シャフト１１２ａを介して圧縮機１１０ａを駆動する軸動力を発生させる。タービン１１４ａはさらに、出力装置１２０ａを駆動して、動力発生システム１００の第１のレベルの出力動力を提供する。タービン１１４ａにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は、タービン放出流１７へと放出される。代替的な実施形態において、タービン入力流１４中の加熱超臨界流体はタービン入力弁１４６ａへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ１５ａを第１のコアのタービン１１４ａの入口へと誘導する。タービン１１４ａは、超臨界流体を膨張させ、シャフト１１２ａを介して圧縮機１１０ａを駆動する軸動力を発生させる。タービン１１４ａはさらに、出力装置１２０ａを駆動して、動力発生システム１００の第１のレベルの出力動力を提供する。タービン１１４ａにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は流れ１６ａによってタービン放出弁１４８ａへと放出され、当該弁は、超臨界流体をタービン放出流１７へと誘導する。
【００４４】
タービン放出流１７は、放出流１８および放出流２２として、第１の部分および第２の部分へと分割され得る。放出流１８および放出流２２は、第１の放出流１８および第２の放出流２２と称される場合がある。代替的に、放出流１８および放出流２２は、第１のタービン放出流１８および第２のタービン放出流２２と称される場合がある。図示されているように、弁１２２ｂは、タービン放出流１７を第１の放出流１８および第２の放出流２２へと分割することができる。コントローラが、弁１２２ｂを動作または起動させる。一実施形態において、弁１２２ｂは、タービン放出流１７の７０％〜約９０％を、第２の放出流２２へと誘導するように構成されている。タービン放出流１７の流れの余りは、第１の放出流１８へと誘導される。別の実施形態において、弁１２２ｂは、タービン放出流１７の約８０％を、第２の放出流２２へと誘導するように構成されている。タービン放出流１７がどのように分割されるかにかかわらず、第１の放出流１８はクロスサイクル熱交換器１３６へと誘導され、流路１０８に沿って熱交換器１３６を通過する空気の流れによって冷却される。
【００４５】
第２の放出流２２は伝熱式熱交換器１３０へと誘導され、当該熱交換器において、第２のタービン放出流２２中の超臨界流体からの熱が、第１の圧縮機放出流６中の圧縮超臨界流体へと伝達される。言い換えれば、伝熱式熱交換器１３０は、超臨界流体のタービン放出流２２を冷却する。伝熱式熱交換器１３０からの冷却された超臨界流体の放出流２４は、合流点１２４ｂにおいて熱交換器１３６からの入来する流れ２０と混合する。合流点１２４ｂから、混合流２６は、クロスサイクル熱交換器１３８（選択的であってもよい）へと誘導される。たとえば、混合流２６は、冷却された超臨界流体の流れ２８へと直接的に誘導され得る。上記で言及したように、クロスサイクル熱交換器１３８において、超臨界流体の混合流２６からの熱が、空気サイクル１０４の流路１０８へと伝達される。冷却された超臨界流体の流れ２８は、冷却器１２６（選択的であってもよい）を通じて誘導され、超臨界流体の流れ１へと戻される。供給源１０９からの追加の超臨界流体が超臨界流体の流れ１へと導入されて、システムからの超臨界流体の任意の漏れを埋め合わせることができる。いずれにせよ、超臨界流体流１は第１のコアの圧縮機１１０ａの入口へと戻されて、圧縮−加熱−膨張−冷却の工程が繰り返される。
【００４６】
動力発生システム１００に対する動力の需要が増加した場合、超臨界流路１０６に沿った第２のコアが起動されて、第１のコアのみが動作しているときに発生する第１のレベルの動力よりも大きい第２のレベルの動力が生成され得る。
【００４７】
第２のレベルの動力を発生させるために、超臨界流体の流れ１の少なくとも一部分が、超臨界流路１０６に沿って第２のコアへと誘導される。超臨界流体は、第２のコアの圧縮機１１０ｂの入口へと供給される。圧縮機１１０ｂにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体の放出は、圧縮機放出流４へと誘導され、そこで、流体は、圧縮機１１０ａから放出される圧縮超臨界流体と混合する。代替的な実施形態において、流れ１の少なくとも一部分は圧縮機入力弁１４２ｂへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ２ｂを、第２のコアの圧縮機１１０ｂの入口へと誘導する。圧縮機１１０ｂにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体は流れ３ｂによって圧縮機放出弁１４４ａへと放出され、当該弁は、圧縮超臨界流体を圧縮機放出流４へと誘導し、そこで、流体は、圧縮機１１０ａから放出される圧縮超臨界流体と混合する。
【００４８】
圧縮機放出流４は上述したように分割されて伝熱式熱交換器１３０およびクロスサイクル熱交換器１３２、１３４へと誘導され、当該熱交換器において、超臨界流体は加熱され、タービン入力流１４として放出される。
【００４９】
タービン入力流１４中の加熱超臨界流体のうちの少なくとも一部分は、第２のコアのタービン１１４ｂの入口へと誘導される。タービン１１４ｂは、超臨界流体を膨張させ、シャフト１１２ｂを介して圧縮機１１０ｂを駆動する軸動力を発生させる。タービン１１４ｂはさらに、出力装置１２０ｂを駆動して、第１のコアのみが動作しているときの第１のレベルの動力よりも大きい、動力発生システム１００の第２のレベルの出力動力を提供する。タービン１１４ｂにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は、タービン放出流１７へと放出され、そこで、流体は、タービン１１４ａから放出される膨張した超臨界流体と混合する。代替的な実施形態において、タービン入力流１４中の加熱超臨界流体はタービン入力弁１４６ｂへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ１５ｂを第２のコアのタービン１１４ｂの入口へと誘導する。タービン１１４ｂは、超臨界流体を膨張させ、シャフト１１２ｂを介して圧縮機１１０ｂを駆動する軸動力を発生させる。タービン１１４ｂはさらに、出力装置１２０ｂを駆動して、第１のコアのみが動作しているときの第１のレベルの動力よりも大きい、動力発生システム１００の第２のレベルの出力動力を提供する。タービン１１４ｂにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は流れ１６ｂによってタービン放出弁１４８ｂへと放出され、当該弁は、超臨界流体をタービン放出流１７へと誘導し、そこで、流体は、タービン１１４ａから放出される膨張した超臨界流体と混合する。
【００５０】
タービン放出流１７は上述したように分割されて伝熱式熱交換器１３０およびクロスサイクル熱交換器１３６、１３８へと誘導され、当該熱交換器において、膨張した超臨界流体は冷却され、流れ１中の冷却された超臨界流体のうちの少なくとも一部分は、第２のコアの圧縮機１１０ｂの入口へと誘導される。
【００５１】
動力発生システム１００に対する動力の需要がさらに増加した場合、超臨界流路１０６に沿った追加のコアが起動されて、第１のコアおよび第２のコアが動作しているときに発生する第２のレベルの動力よりも大きい追加のレベルの動力が生成され得る。追加のレベルの動力は、上述したように追加のコアを通じて超臨界流体を流すことによって発生する。超臨界流路１０６に沿って配置されているコアのすべてが動作しているときに、動力発生システム１００の最大レベルの出力動力が発生する。
【００５２】
最大レベルの動力を発生させるために、超臨界流体の流れ１の少なくとも一部分が、超臨界流路１０６に沿って最後のコアへと誘導される。超臨界流体は、最後のコアの圧縮機１１０ｘの入口へと供給される。圧縮機１１０ｘにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体の放出は、圧縮機放出流４へと誘導され、そこで、流体は、圧縮機１１０ａ、圧縮機１１０ｂ、および追加のコアの圧縮機から放出される圧縮超臨界流体と混合する。代替的な実施形態において、流れ１の少なくとも一部分は圧縮機入力弁１４２ｘへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ２ｘを、最後のコアの圧縮機１１０ｘの入口へと誘導する。圧縮機１１０ｘにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体は流れ３ｘによって圧縮機放出弁１４４ｘへと放出され、当該弁は、圧縮超臨界流体を圧縮機放出流４へと誘導し、そこで、流体は、圧縮機１１０ａ、圧縮機１１０ｂ、および追加のコアの圧縮機から放出される圧縮超臨界流体と混合する。
【００５３】
圧縮機放出流４は上述したように分割されて伝熱式熱交換器１３０およびクロスサイクル熱交換器１３２、１３４へと誘導され、当該熱交換器において、超臨界流体は加熱され、タービン入力流１４として放出される。
【００５４】
タービン入力流１４中の加熱超臨界流体のうちの少なくとも一部分は、最後のコアのタービン１１４ｘの入口へと誘導される。タービン１１４ｘは、超臨界流体を膨張させ、シャフト１１２ｘを介して圧縮機１１０ｘを駆動する軸動力を発生させる。タービン１１４ｘはさらに、出力装置１２０ｘを駆動して、すべてのコアが動作しているときに動力発生システム１００の最大レベルの出力動力を提供する。タービン１１４ｘにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は、タービン放出流１７へと放出され、そこで、流体は、タービン１１４ａ、タービン１１４ｂ、および追加のコアのタービンから放出される膨張した超臨界流体と混合する。代替的な実施形態において、タービン入力流１４中の加熱超臨界流体はタービン入力弁１４６ｘへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ１５ｘを最後のコアのタービン１１４ｘの入口へと誘導する。タービン１１４ｘは、超臨界流体を膨張させ、シャフト１１２ｘを介して圧縮機１１０ｘを駆動する軸動力を発生させる。タービン１１４ｘはさらに、出力装置１２０ｘを駆動して、すべてのコアが動作しているときに動力発生システム１００の最大レベルの出力動力を提供する。タービン１１４ｘにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は流れ１６ｘによってタービン放出弁１４８ｘへと放出され、当該弁は、超臨界流体をタービン放出流１７へと誘導し、そこで、流体は、タービン１１４ａ、タービン１１４ｂ、および追加のコアのタービンから放出される膨張した超臨界流体と混合する。
【００５５】
タービン放出流１７は上述したように分割されて伝熱式熱交換器１３０およびクロスサイクル熱交換器１３６、１３８へと誘導され、当該熱交換器において、膨張した超臨界流体は冷却され、流れ１中の冷却された超臨界流体のうちの少なくとも一部分は、最後のコアの圧縮機１１０ｘの入口へと誘導される。
【００５６】
引き続き図２を参照すると、システム１００の空気吸入サイクル１０４部分は、開放流路１０８を形成する。最初に、外気１０１が、軸流圧縮機、ラジアル復熱圧縮機などのタイプの圧縮機であってもよいエアブリージング圧縮機１５０へと供給される。圧縮機１５０は、タービン１５４に動作可能に接続されているシャフト１５２を含む。圧縮機１５０からの圧縮された空気の流れ３０はその後、上述したように、熱交換器１３０および１３６から放出される超臨界流体の混合流２６から熱を伝達することによって、熱交換器１３８（選択的であってもよい）内で加熱される。加熱された圧縮空気の流れ３２はその後、熱交換器１３６へと誘導され、当該熱交換器において、第１のタービン放出流１８中の超臨界流体からの熱が、圧縮空気の流れ３２へと伝達される。放出流３４は、燃焼器１５８へと誘導される。燃焼器１５８は、圧縮空気流３４の温度を、タービン１５４のタービン入口において必要とされる温度を上回って上昇させる。圧縮機１５０は、タービン１５４によって動力供給されるシャフト１５２を介して動作することができる。燃焼器１５８は、化石燃料または他の燃料タイプのような燃料の流れ１０３を受け入れることができる。燃焼器１５８は、システム熱を発生させるための太陽熱収集器若しくは原子炉、または、廃棄物燃料、バイオマス燃料、またはバイオ由来の燃料の燃焼を含む、何らかの他の熱源によって動作することができる。燃焼器１５８からの燃焼ガスの放出流３６は、タービン１５４へと誘導することができ、当該タービンにおいて、当該放出流は膨張する。膨張した高温燃焼ガスの流れ４０は、熱交換器１３２へと誘導され、当該熱交換器において、高温燃焼ガスから、上述した超臨界流体の混合流１２へと熱が伝達される。熱交換器１３２を出た後、高温燃焼ガスの流れ４１は、熱交換器１３４へと誘導され、当該熱交換器において、上述したように、高温燃焼ガスから、第２の圧縮機放出流８中の圧縮超臨界流体へと熱が伝達される。熱交換器１３４の放出流１０７は、大気中に排出され得る。
【００５７】
本開示の別の実施形態による動力発生システム２００の概略図である、図３に移って参照する。動力発生システム２００は、動力発生システム１００とほぼ同一であり、したがって、同様の参照符号を使用して同様の構成要素を識別する。動力発生システム２００における１つの差異は、動力発生システム２００内の各コアが出力装置を有しないという点である。そうではなく、動力発生システム２００は、シャフト１１８を介して出力装置２２０に動作可能に接続されている出力タービン１１６を含み、各コア内のタービンから放出される膨張した超臨界流体が、出力タービン１１６を通じて循環され、これによって、出力装置２２０の軸動力が発生する。出力タービン１１６における膨張の後、膨張した超臨界流体は、伝熱式熱交換器および複数のクロスサイクル熱交換器に向けて放出される。
【００５８】
動力発生システム２００は、第１の超臨界流体サイクル２０２と、第２のサイクルまたは空気吸入サイクル２０４とを含む。第１のサイクル２０２および第２のサイクル２０４はそれぞれ、一実施形態において、超臨界流体と空気とが混合されないように、互いから分離している超臨界流体流路１０６および空気流体流路１０８を含む。
【００５９】
動力発生システム２００は、超臨界流体流路１０６に沿って配置されている複数のコアを含む。各コアは、タービンに動作可能に接続されているシャフトを有する圧縮機を含む。加えて、各コアは、動力発生システム２００が、動作しているコアの数に応じて異なるレベルの動力を発生させるように、選択的に動作されるように構成することができる。
【００６０】
図３に示すように、超臨界流体流路１０６に沿って配置されている複数のコアのうちの第１のコアは、シャフト１１２ａを介してタービン１１４ａに動作可能に接続されている圧縮機１１０ａを含む。第１のコアのタービン１１４ａは、動力発生システム２００の出力装置２２０において第１のレベルの出力動力を提供する。出力装置２２０は、ターボプロップ、またはターボシャフト、ギアボックス、または発動機であってもよい。超臨界流体流路１０６に沿って配置されている複数のコアのうちの第２のコアは、シャフト１１２ｂを介してタービン１１４ｂに動作可能に接続されている圧縮機１１０ｂを含む。第２のコアのタービン１１４ｂは、動力発生システム２００の出力装置２２０において、第１のコアおよび第２のコアが動作しているときに、第１のコアのみが動作しているときの第１のレベルの出力動力よりも大きい、第２のレベルの出力動力を提供する。動力発生システム２００の設計において、超臨界流体流路１０６に沿って配置されている複数のコアにおけるコアの総数は、いかなる特定のコア数にも限定されない。図３に示すように、特定の用途に基づいて、所望のコアの総数に達するまで、追加のコアが加えられてもよい。コアの総数は、図３において、シャフト１１２ｘを介してタービン１１４ｘに動作可能に接続されている圧縮機１１０ｘを含む、超臨界流体流路１０６に沿って配置されている最後のコアによって表されている。最後のコアのタービン１１４ｘは、すべてのコアが動作しているときに、動力発生システム２００の出力装置２２０において最大レベルの出力動力を提供する。それゆえ、動力発生システム２００のコアの総数が、動力発生システム２００の出力動力のレベルの数を規定する。したがって、動力発生システム２００の出力動力は、動力発生システム２００において超臨界流路１０６に沿って配置されている、第１のコアから総数のコア／最後のコアまでの動作しているコアの数を選択的に起動および／または停止することによって、動的に調整することができる。
【００６１】
超臨界サイクル２０２中の各コアはまた、圧縮機入力弁１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｘと、圧縮機放出弁１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｘと、タービン入力弁１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｘと、タービン出力弁１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｘとをも含み、超臨界流体流路１０６に沿った各コアを出入りする超臨界流体の流れを制御することができる。
【００６２】
動力発生システム２００は、空気流路２０４に沿って配置されている１若しくはそれ以上の圧縮機と、１若しくはそれ以上のタービンと、１若しくはそれ以上の燃焼器と、流路１０６および１０８に沿って配置されている複数の熱交換器とをさらに含む。熱交換器は、複数のクロスサイクル熱交換器１３２、１３４、１３６、および１３８を含む。
【００６３】
動力発生システム２００はまた、超臨界流体流路１０６に沿った伝熱式熱交換器１３０をも含む。動力発生システム２００はまた、弁１２２と、流量計（図示せず）と、混合合流点１２４と、システム２００の動作を制御するように構成されている１若しくはそれ以上のコントローラ（図示せず）とをも含んでもよい。
【００６４】
最初に、超臨界流体の流れ１が、超臨界流体流路１０６に沿って第１のコアへと誘導される。超臨界流体は、第１のコアの圧縮機１１０ａの入口へと供給される。圧縮機１１０ａにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体は、圧縮機放出流４へと放出される。代替的な実施形態において、流れ１は圧縮機入力弁１４２ａへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ２ａを、第１のコアの圧縮機１１０ａの入口へと誘導する。圧縮機１１０ａにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体は流れ３ａによって圧縮機放出弁１４４ａへと放出され、当該弁は、圧縮超臨界流体を圧縮機放出流４へと誘導する。
【００６５】
圧縮機放出流４は、放出流６および放出流８として、第１の部分および第２の部分へと分割され得る。放出流６および放出流８は、第１の放出流６および第２の放出流８と称される場合がある。代替的に、放出流６および放出流８は、第１の圧縮機放出流６および第２の圧縮機放出流８と称される場合がある。分割は、一連の熱交換器１３４および１３２によって、圧縮機放出流４の第１の部分が復熱されることを可能にし、流路１０８を通じた空気流体循環によって、残りの部分が直接的に加熱されることを可能にする。図示されているように、圧縮機放出流４は、コントローラ（図示せず）と電子的に通信することができる弁１２２ａを介して分割される。コントローラは、弁１２２ａを動作または起動させて、必要に応じて流路１０６を通る流れを誘導する。一実施形態において、弁１２２ａは、圧縮機放出流４の５５％〜約７５％を、第１の放出流６へと誘導するように構成されている。圧縮機放出流４の流れの余りは、第２の放出流８へと誘導される。別の実施形態において、弁１２２ａは、圧縮機放出流４の約６７％を、第１の放出流６へと誘導するように構成されている。
【００６６】
超臨界流体の第１の放出流６は伝熱式熱交換器１３０へと誘導され、当該熱交換器において、第２のタービン放出流２２中の加熱超臨界流体から、第１の圧縮機放出流６へと熱が伝達される。伝熱式熱交換器１３０から放出される加熱超臨界流体の流れ１９は、合流点１２４ａへと誘導され、クロスサイクル熱交換器１３４を出る加熱超臨界流体の流れ１０と混合される。
【００６７】
第２の放出流８は、クロスサイクル熱交換器１３４へと誘導される。クロスサイクル熱交換器１３４において、流路１０８内の燃焼ガスからの熱が、超臨界流体の第２の放出流８へと伝達される。熱交換器１３４から放出される流れ１０は、上述したように、合流点１２４ａにおいて伝熱式熱交換器１３０からの超臨界流体の流れ１９と混合する。合流点１２４ａは、導管に接続されている接合部であってもよく、または、混合装置を含んでもよい。
【００６８】
混合流１２は、クロスサイクル熱交換器１３２へと供給される。クロスサイクル熱交換器１３２において、流路１０８内の燃焼ガスから、超臨界流体の混合流へと熱が伝達される。クロスサイクル熱交換器１３２は、タービン入力流１４中に加熱超臨界流体を放出する。
【００６９】
タービン入力流１４中の加熱超臨界流体は、第１のコアのタービン１１４ａの入口へと誘導される。タービン１１４ａは、超臨界流体を膨張させ、シャフト１１２ａを介して圧縮機１１０ａを駆動する軸動力を発生させる。タービン１１４ａにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は、タービン放出流１７へと放出される。代替的な実施形態において、タービン入力流１４中の加熱超臨界流体はタービン入力弁１４６ａへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ１５ａを第１のコアのタービン１１４ａの入口へと誘導する。タービン１１４ａは、超臨界流体を膨張させ、シャフト１１２ａを介して圧縮機１１０ａを駆動する軸動力を発生させる。タービン１１４ａにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は流れ１６ａによってタービン放出弁１４８ａへと放出され、当該弁は、超臨界流体をタービン放出流１７へと誘導する。
【００７０】
タービン放出流１７は出力タービン１１６の入口へと誘導され、そこで、放出流は膨張されて、シャフト１１８を介して出力装置２２０を駆動する軸動力が生成され、動力発生システム２００の第１のレベルの出力動力が提供される。出力タービン１１６における膨張の後、膨張した超臨界流体は、タービン放出流１７ａへと誘導される。
【００７１】
タービン放出流１７ａは、放出流１８および放出流２２として、第１の部分および第２の部分へと分割され得る。放出流１８および放出流２２は、第１の放出流１８および第２の放出流２２と称される場合がある。代替的に、放出流１８および放出流２２は、第１のタービン放出流１８および第２のタービン放出流２２と称される場合がある。図示されているように、弁１２２ｂは、タービン放出流１７ａを第１の放出流１８および第２の放出流２２へと分割することができる。コントローラが、弁１２２ｂを動作または起動させる。一実施形態において、弁１２２ｂは、タービン放出流１７ａの７０％〜約９０％を、第２の放出流２２へと誘導するように構成されている。タービン放出流１７ａの流れの余りは、第１の放出流１８へと誘導される。別の実施形態において、弁１２２ｂは、タービン放出流１７ａの約８０％を、第２の放出流２２へと誘導するように構成されている。タービン放出流１７ａがどのように分割されるかにかかわらず、第１の放出流１８はクロスサイクル熱交換器１３６へと誘導され、流路１０８に沿って熱交換器１３６を通過する空気の流れによって冷却される。
【００７２】
第２の放出流２２は伝熱式熱交換器１３０へと誘導され、当該熱交換器において、第２のタービン放出流２２中の超臨界流体からの熱が、第１の圧縮機放出流６中の圧縮超臨界流体へと伝達される。言い換えれば、伝熱式熱交換器１３０は、超臨界流体のタービン放出流２２を冷却する。伝熱式熱交換器１３０からの冷却された超臨界流体の放出流２４は、合流点１２４ｂにおいて熱交換器１３６からの入来する流れ２０と混合する。合流点１２４ｂから、混合流２６は、クロスサイクル熱交換器１３８（選択的であってもよい）へと誘導される。たとえば、混合流２６は、冷却された超臨界流体の流れ２８へと直接的に誘導され得る。上記で言及したように、クロスサイクル熱交換器１３８において、超臨界流体の混合流２６からの熱が、空気サイクル２０４の流路１０８へと伝達される。冷却された超臨界流体の流れ２８は、冷却器１２６（選択的であってもよい）を通じて誘導され、超臨界流体の流れ１へと戻される。供給源１０９からの追加の超臨界流体が超臨界流体の流れ１へと導入されて、システムからの超臨界流体の任意の漏れを埋め合わせることができる。いずれにせよ、超臨界流体流１は第１のコアの圧縮機１１０ａの入口へと戻されて、圧縮−加熱−膨張−冷却の工程が繰り返される。
【００７３】
動力発生システム２００に対する動力の需要が増加した場合、超臨界流路１０６に沿った第２のコアが起動されて、出力装置２２０において、第１のコアのみが動作しているときに発生する第１のレベルの動力よりも大きい第２のレベルの動力が生成され得る。
【００７４】
第２のレベルの動力を発生させるために、超臨界流体の流れ１の少なくとも一部分が、超臨界流路１０６に沿って第２のコアへと誘導される。超臨界流体は、第２のコアの圧縮機１１０ｂの入口へと供給される。圧縮機１１０ｂにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体の放出は、圧縮機放出流４へと誘導され、そこで、流体は、圧縮機１１０ａから放出される圧縮超臨界流体と混合する。代替的な実施形態において、流れ１の少なくとも一部分は圧縮機入力弁１４２ｂへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ２ｂを、第２のコアの圧縮機１１０ｂの入口へと誘導する。圧縮機１１０ｂにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体は流れ３ｂによって圧縮機放出弁１４４ａへと放出され、当該弁は、圧縮超臨界流体を圧縮機放出流４へと誘導し、そこで、流体は、圧縮機１１０ａから放出される圧縮超臨界流体と混合する。
【００７５】
圧縮機放出流４は上述したように分割されて伝熱式熱交換器１３０およびクロスサイクル熱交換器１３２、１３４へと誘導され、当該熱交換器において、超臨界流体は加熱され、タービン入力流１４として放出される。
【００７６】
タービン入力流１４中の加熱超臨界流体のうちの少なくとも一部分は、第２のコアのタービン１１４ｂの入口へと誘導される。タービン１１４ｂは、超臨界流体を膨張させ、シャフト１１２ｂを介して圧縮機１１０ｂを駆動する軸動力を発生させる。タービン１１４ｂにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は、タービン放出流１７へと放出され、そこで、流体は、タービン１１４ａから放出される膨張した超臨界流体と混合する。代替的な実施形態において、タービン入力流１４中の加熱超臨界流体はタービン入力弁１４６ｂへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ１５ｂを第２のコアのタービン１１４ｂの入口へと誘導する。タービン１１４ｂは、超臨界流体を膨張させ、シャフト１１２ｂを介して圧縮機１１０ｂを駆動する軸動力を発生させる。タービン１１４ｂにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は流れ１６ｂによってタービン放出弁１４８ｂへと放出され、当該弁は、超臨界流体をタービン放出流１７へと誘導し、そこで、流体は、タービン１１４ａから放出される膨張した超臨界流体と混合する。
【００７７】
タービン放出流１７は出力タービン１１６の入口へと誘導され、そこで、放出流は膨張されて、シャフト１１８を介して出力装置２２０を駆動する軸動力が生成され、第１のコアのみが動作しているときの第１のレベルの動力よりも大きい、動力発生システム２００の第２のレベルの出力動力が提供される。出力タービン１１６における膨張の後、膨張した超臨界流体は、タービン放出流１７ａへと誘導される。
【００７８】
タービン放出流１７ａは上述したように分割されて伝熱式熱交換器１３０およびクロスサイクル熱交換器１３６、１３８へと誘導され、当該熱交換器において、膨張した超臨界流体は冷却され、流れ１中の冷却された超臨界流体のうちの少なくとも一部分は、第２のコアの圧縮機１１０ｂの入口へと誘導される。
【００７９】
動力発生システム２００に対する動力の需要がさらに増加した場合、超臨界流路１０６に沿った追加のコアが起動されて、第１のコアおよび第２のコアが動作しているときに発生する第２のレベルの動力よりも大きい追加のレベルの動力が生成され得る。追加のレベルの動力は、上述したように追加のコアを通じて超臨界流体を流すことによって発生する。超臨界流路１０６に沿って配置されているコアのすべてが動作しているときに、動力発生システム２００の最大レベルの出力動力が発生する。
【００８０】
最大レベルの動力を発生させるために、超臨界流体の流れ１の少なくとも一部分が、超臨界流路１０６に沿って最後のコアへと誘導される。超臨界流体は、最後のコアの圧縮機１１０ｘの入口へと供給される。圧縮機１１０ｘにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体の放出は、圧縮機放出流４へと誘導され、そこで、流体は、圧縮機１１０ａ、圧縮機１１０ｂ、および追加のコアの圧縮機から放出される圧縮超臨界流体と混合する。代替的な実施形態において、流れ１の少なくとも一部分は圧縮機入力弁１４２ｘへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ２ｘを、最後のコアの圧縮機１１０ｘの入口へと誘導する。圧縮機１１０ｘにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体は流れ３ｘによって圧縮機放出弁１４４ｘへと放出され、当該弁は、圧縮超臨界流体を圧縮機放出流４へと誘導し、そこで、流体は、圧縮機１１０ａ、圧縮機１１０ｂ、および追加のコアの圧縮機から放出される圧縮超臨界流体と混合する。
【００８１】
圧縮機放出流４は上述したように分割されて伝熱式熱交換器１３０およびクロスサイクル熱交換器１３２、１３４へと誘導され、当該熱交換器において、超臨界流体は加熱され、タービン入力流１４として放出される。
【００８２】
タービン入力流１４中の加熱超臨界流体のうちの少なくとも一部分は、最後のコアのタービン１１４ｘの入口へと誘導される。タービン１１４ｘは、超臨界流体を膨張させ、シャフト１１２ｘを介して圧縮機１１０ｘを駆動する軸動力を発生させる。タービン１１４ｘにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は、タービン放出流１７へと放出され、そこで、流体は、タービン１１４ａ、タービン１１４ｂ、および追加のコアのタービンから放出される膨張した超臨界流体と混合する。代替的な実施形態において、タービン入力流１４中の加熱超臨界流体はタービン入力弁１４６ｘへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ１５ｘを最後のコアのタービン１１４ｘの入口へと誘導する。タービン１１４ｘは、超臨界流体を膨張させ、シャフト１１２ｘを介して圧縮機１１０ｘを駆動する軸動力を発生させる。タービン１１４ｘにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は流れ１６ｘによってタービン放出弁１４８ｘへと放出され、当該弁は、超臨界流体をタービン放出流１７へと誘導し、そこで、流体は、タービン１１４ａ、タービン１１４ｂ、および追加のコアのタービンから放出される膨張した超臨界流体と混合する。
【００８３】
タービン放出流１７は出力タービン１１６の入口へと誘導され、そこで、放出流は膨張されて、シャフト１１８を介して出力装置２２０を駆動する軸動力が生成され、すべてのコアが動作しているときに動力発生システム２００の最大レベルの出力動力が提供される。出力タービン１１６における膨張の後、膨張した超臨界流体は、タービン放出流１７ａへと誘導される。
【００８４】
タービン放出流１７ａは上述したように分割されて伝熱式熱交換器１３０およびクロスサイクル熱交換器１３６、１３８へと誘導され、当該熱交換器において、膨張した超臨界流体は冷却され、流れ１中の冷却された超臨界流体のうちの少なくとも一部分は、最後のコアの圧縮機１１０ｘの入口へと誘導される。
【００８５】
引き続き図３を参照すると、システム２００の空気吸入サイクル２０４部分の動作および構成は、上述した全体的な動力発生システム１００の空気吸入サイクル１０４部分と同一である。
【００８６】
本開示の別の実施形態による動力発生システム３００の概略図である、図４を参照する。動力発生システム３００は、第１の超臨界流体サイクル３０２および第２のサイクルまたは空気吸入サイクル３０４を含むという点においては、動力発生システム１００と同様である。第１のサイクル３０２および第２のサイクル３０４はそれぞれ、一実施形態において、超臨界流体と空気とが混合されないように、互いから分離している超臨界流体流路３０６および空気流体流路４２３を含む。しかしながら、動力発生システム１００とは異なり、動力発生システム３００は、超臨界流体サイクル３０２内に伝熱式熱交換器を組み込んでいない。
【００８７】
動力発生システム３００は、超臨界流体流路３０６に沿って配置されている複数のコアを含む。各コアは、タービンに動作可能に接続されているシャフトを有する圧縮機を含む。一実施形態において、タービンはまた、出力装置に動作可能に接続されているシャフトをも含む。代替的な実施形態において、コアは、出力装置に動作可能に接続されている第２のタービンを含み、圧縮機に動作可能に接続されているタービンから放出される膨張した超臨界流体が、第２のタービンを通じて循環され、これによって、出力装置の軸動力が発生する。いずれの実施形態においても、出力装置は、システム３００の出力動力を提供することができる。加えて、各コアは、動力発生システム３００が、動作しているコアの数に応じて異なるレベルの動力を発生させるように、選択的に動作されるように構成することができる。本明細書において論述されているものとしては、出力装置は、ターボプロップ、ターボファン、ギアボックス、または発動機であってもよい。
【００８８】
図４に示すように、超臨界流体流路３０６に沿って配置されている複数のコアのうちの第１のコアは、シャフト３１２ａを介してタービン３１４ａに動作可能に接続されている圧縮機３１０ａを含む。タービン３１４ａは、動力発生システム３００の第１のレベルの出力動力を提供する出力装置３２０ａに動作可能に接続されているシャフト３１７ａをさらに含む。超臨界流体流路３０６に沿って配置されている複数のコアのうちの第２のコアは、シャフト３１２ｂを介してタービン３１４ｂに動作可能に接続されている圧縮機３１０ｂを含む。タービン３１４ｂは、第１のコアおよび第２のコアが動作しているときに、第１のコアのみが動作しているときの第１のレベルの出力動力よりも大きい、動力発生システム３００の第２のレベルの出力動力を提供する出力装置３２０ｂに動作可能に接続されているシャフト３１７ｂをさらに含む。動力発生システム３００の設計において、超臨界流体流路３０６に沿って配置されている複数のコアにおけるコアの総数は、いかなる特定のコア数にも限定されない。
【００８９】
図４に示すように、特定の用途に基づいて、所望のコアの総数に達するまで、追加のコアが加えられてもよい。コアの総数は、図４において、シャフト３１２ｘを介してタービン３１４ｘに動作可能に接続されている圧縮機３１０ｘを含む、超臨界流体流路３０６に沿って配置されている最後のコアによって表されている。タービン３１４ｘは、すべてのコアが動作しているときに動力発生システム３００の最大レベルの出力動力を提供する出力装置３２０ｘに動作可能に接続されているシャフト３１７ｘをさらに含む。それゆえ、動力発生システム３００のコアの総数が、動力発生システム３００の出力動力のレベルの数を規定する。したがって、動力発生システム３００の出力動力は、動力発生システム３００において超臨界流路３０６に沿って配置されている、第１のコアから総数のコア／最後のコアまでの動作しているコアの数を選択的に起動および／または停止することによって、動的に調整することができる。
【００９０】
超臨界サイクル３０２中の各コアはまた、圧縮機入力弁３４２ａ、３４２ｂ、３４２ｘと、圧縮機放出弁３４４ａ、３４４ｂ、３４４ｘと、タービン入力弁３４６ａ、３４６ｂ、３４６ｘと、タービン出力弁３４８ａ、３４８ｂ、３４８ｘとをも含み、超臨界流体流路３０６に沿った各コアを出入りする超臨界流体の流れを制御することができる。
【００９１】
動力発生システム３００は、空気流路４２３に沿って配置されている１若しくはそれ以上の圧縮機と、１若しくはそれ以上のタービンと、１若しくはそれ以上の燃焼器と、流路３０６および４２３に沿って配置されている複数の熱交換器とをさらに含む。熱交換器は、複数のクロスサイクル熱交換器４１０および４１８を含む。
【００９２】
最初に、超臨界流体の流れ１が、超臨界流体流路３０６に沿って第１のコアへと誘導される。超臨界流体は、第１のコアの圧縮機３１０ａの入口へと供給される。圧縮機３１０ａにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体は、圧縮機放出流４へと放出される。代替的な実施形態において、流れ１は圧縮機入力弁３４２ａへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ２ａを、第１のコアの圧縮機３１０ａの入口へと誘導する。圧縮機３１０ａにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体は流れ３ａによって圧縮機放出弁３４４ａへと放出され、当該弁は、圧縮超臨界流体を圧縮機放出流４へと誘導する。
【００９３】
圧縮機放出流４はクロスサイクル熱交換器４１０において加熱され、当該熱交換器は、超臨界流路３０６およびエアブリージング流路４２３に接続されている。クロスサイクル熱交換器は、タービン入力流１４中に加熱超臨界流体を放出する。
【００９４】
タービン入力流１４中の加熱超臨界流体は、第１のコアのタービン３１４ａの入口へと誘導される。タービン３１４ａは、超臨界流体を膨張させ、シャフト３１２ａを介して圧縮機３１０ａを駆動する軸動力を発生させる。タービン３１４ａはさらに、出力装置３２０ａを駆動して、動力発生システム３００の第１のレベルの出力動力を提供する。タービン３１４ａにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は、タービン放出流１７へと放出される。代替的な実施形態において、タービン入力流１４中の加熱超臨界流体はタービン入力弁３４６ａへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ１５ａを第１のコアのタービン３１４ａの入口へと誘導する。タービン３１４ａは、超臨界流体を膨張させ、シャフト３１２ａを介して圧縮機３１０ａを駆動する軸動力を発生させる。タービン３１４ａはさらに、出力装置３２０ａを駆動して、動力発生システム３００の第１のレベルの出力動力を提供する。タービン３１４ａにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は流れ１６ａによってタービン放出弁３４８ａへと放出され、当該弁は、超臨界流体をタービン放出流１７へと誘導する。
【００９５】
タービン放出流１７はクロスサイクル熱交換器４１８へと誘導され、当該熱交換器において、膨張した超臨界流体は、エアブリージング流路４２３に沿って熱交換器４１８を通過する空気の流れによって冷却される。
【００９６】
冷却された超臨界流体の流れは、冷却器（図示せず）（選択的であってもよい）を通じて誘導され得、超臨界流体の流れ１へと戻される。供給源３３１からの追加の超臨界流体が超臨界流体の流れ１へと導入されて、システムからの超臨界流体の任意の漏れを埋め合わせることができる。いずれにせよ、超臨界流体流１は第１のコアの圧縮機３１０ａの入口へと戻されて、圧縮−加熱−膨張−冷却の工程が繰り返される。
【００９７】
動力発生システム３００に対する動力の需要が増加した場合、超臨界流路３０６に沿った第２のコアが起動されて、第１のコアのみが動作しているときに発生する第１のレベルの動力よりも大きい第２のレベルの動力が生成され得る。
【００９８】
第２のレベルの動力を発生させるために、超臨界流体の流れ１の少なくとも一部分が、超臨界流路３０６に沿って第２のコアへと誘導される。超臨界流体は、第２のコアの圧縮機３１０ｂの入口へと供給される。圧縮機３１０ｂにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体の放出は、圧縮機放出流４へと誘導され、そこで、流体は、圧縮機３１０ａから放出される圧縮超臨界流体と混合する。代替的な実施形態において、流れ１の少なくとも一部分は圧縮機入力弁３４２ｂへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ２ｂを、第２のコアの圧縮機３１０ｂの入口へと誘導する。圧縮機３１０ｂにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体は流れ３ｂによって圧縮機放出弁３４４ａへと放出され、当該弁は、圧縮超臨界流体を圧縮機放出流４へと誘導し、そこで、流体は、圧縮機３１０ａから放出される圧縮超臨界流体と混合する。
【００９９】
圧縮機放出流４は上述したようにクロスサイクル熱交換器４１０へと誘導され、当該熱交換器において、超臨界流体は加熱され、タービン入力流１４として放出される。
【０１００】
タービン入力流１４中の加熱超臨界流体のうちの少なくとも一部分は、第２のコアのタービン３１４ｂの入口へと誘導される。タービン３１４ｂは、超臨界流体を膨張させ、シャフト３１２ｂを介して圧縮機３１０ｂを駆動する軸動力を発生させる。タービン３１４ｂはさらに、出力装置３２０ｂを駆動して、第１のコアのみが動作しているときの第１のレベルの動力よりも大きい、動力発生システム３００の第２のレベルの出力動力を提供する。タービン３１４ｂにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は、タービン放出流１７へと放出され、そこで、流体は、タービン３１４ａから放出される膨張した超臨界流体と混合する。代替的な実施形態において、タービン入力流１４中の加熱超臨界流体はタービン入力弁３４６ｂへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ１５ｂを第２のコアのタービン３１４ｂの入口へと誘導する。タービン３１４ｂは、超臨界流体を膨張させ、シャフト３１２ｂを介して圧縮機３１０ｂを駆動する軸動力を発生させる。タービン３１４ｂはさらに、出力装置３２０ｂを駆動して、第１のコアのみが動作しているときの第１のレベルの動力よりも大きい、動力発生システム３００の第２のレベルの出力動力を提供する。タービン３１４ｂにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は流れ１６ｂによってタービン放出弁３４８ｂへと放出され、当該弁は、超臨界流体をタービン放出流１７へと誘導し、そこで、流体は、タービン３１４ａから放出される膨張した超臨界流体と混合する。
【０１０１】
タービン放出流１７は上述したようにクロスサイクル熱交換器４１８へと誘導され、当該熱交換器において、膨張した超臨界流体は冷却され、流れ１中の冷却された超臨界流体のうちの少なくとも一部分は、第２のコアの圧縮機３１０ｂの入口へと誘導される。
【０１０２】
動力発生システム３００に対する動力の需要がさらに増加した場合、超臨界流路３０６に沿った追加のコアが起動されて、第１のコアおよび第２のコアが動作しているときに発生する第２のレベルの動力よりも大きい追加のレベルの動力が生成され得る。追加のレベルの動力は、上述したように追加のコアを通じて超臨界流体を流すことによって発生する。超臨界流路３０６に沿って配置されているコアのすべてが動作しているときに、動力発生システム３００の最大レベルの出力動力が発生する。
【０１０３】
最大レベルの動力を発生させるために、超臨界流体の流れ１の少なくとも一部分が、超臨界流路３０６に沿って最後のコアへと誘導される。超臨界流体は、最後のコアの圧縮機３１０ｘの入口へと供給される。圧縮機３１０ｘにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体の放出は、圧縮機放出流４へと誘導され、そこで、流体は、圧縮機３１０ａ、圧縮機３１０ｂ、および追加のコアの圧縮機から放出される圧縮超臨界流体と混合する。代替的な実施形態において、流れ１の少なくとも一部分は圧縮機入力弁３４２ｘへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ２ｘを、最後のコアの圧縮機３１０ｘの入口へと誘導する。圧縮機３１０ｘにおける圧縮の後、圧縮超臨界流体は流れ３ｘによって圧縮機放出弁３４４ｘへと放出され、当該弁は、圧縮超臨界流体を圧縮機放出流４へと誘導し、そこで、流体は、圧縮機３１０ａ、圧縮機３１０ｂ、および追加のコアの圧縮機から放出される圧縮超臨界流体と混合する。
【０１０４】
圧縮機放出流４は上述したようにクロスサイクル熱交換器４１０へと誘導され、当該熱交換器において、超臨界流体は加熱され、タービン入力流１４として放出される。
【０１０５】
タービン入力流１４中の加熱超臨界流体のうちの少なくとも一部分は、最後のコアのタービン３１４ｘの入口へと誘導される。タービン３１４ｘは、超臨界流体を膨張させ、シャフト３１２ｘを介して圧縮機３１０ｘを駆動する軸動力を発生させる。タービン３１４ｘはさらに、出力装置３２０ｘを駆動して、すべてのコアが動作しているときに動力発生システム３００の最大レベルの出力動力を提供する。タービン３１４ｘにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は、タービン放出流１７へと誘導され、そこで、流体は、タービン３１４ａ、タービン３１４ｂ、および追加のコアのタービンから放出される膨張した超臨界流体と混合する。代替的な実施形態において、タービン入力流１４中の加熱超臨界流体はタービン入力弁３４６ｘへと誘導され、当該弁は、超臨界流体の流れ１５ｘを最後のコアのタービン３１４ｘの入口へと誘導する。タービン３１４ｘは、超臨界流体を膨張させ、シャフト３１２ｘを介して圧縮機３１０ｘを駆動する軸動力を発生させる。タービン３１４ｘはさらに、出力装置３２０ｘを駆動して、すべてのコアが動作しているときに動力発生システム３００の最大レベルの出力動力を提供する。タービン３１４ｘにおける膨張の後、膨張した超臨界流体は流れ１６ｘによってタービン放出弁３４８ｘへと放出され、当該弁は、超臨界流体をタービン放出流１７へと誘導し、そこで、流体は、タービン３１４ａ、タービン３１４ｂ、および追加のコアのタービンから放出される膨張した超臨界流体と混合する。
【０１０６】
タービン放出流１７は上述したようにクロスサイクル熱交換器４１８へと誘導され、当該熱交換器において、膨張した超臨界流体は冷却され、流れ１中の冷却された超臨界流体のうちの少なくとも一部分は、最後のコアの圧縮機３１０ｘの入口へと誘導される。
【０１０７】
空気吸入サイクル３０４において、最初に、外気４１１が圧縮機４２０へと供給される。圧縮機４２０からの圧縮された空気の流れＥはその後、上述したように、タービン出力流１７中の超臨界流体から熱を伝達することによって、熱交換器４１８内で加熱される。加熱された圧縮空気の流れＦはその後、燃焼器４２４へと誘導される。燃焼器４２４は、ジェット燃料、ディーゼル燃料、天然ガス、またはバイオ燃料のような燃料の流れ４２７を受け入れ、当該燃料は、燃料コントローラ４２８によって導入され、空気中で燃焼され、それによって、高温燃焼ガスを発生させる。燃焼器４２４からの燃焼ガスの流れＧは、熱交換器４１０へと誘導され、当該熱交換器において、上述したように、圧縮機放出流４中の圧縮超臨界流体へと熱が伝達される。熱交換器４１０を出た後、燃焼ガスの流れＨはタービン４２６において膨張され、当該タービンは、シャフト４２１を介して空気圧縮機４２０を駆動するための動力を発生させる。タービン４２６における膨張の後、燃焼ガスＩが大気へと排出される。
【０１０８】
図５を参照すると、この図は、６つのコアを含むシステム内の熱交換器の有効性をプロットしたグラフであり、ここで、熱交換器は、１つのコアが動作しているときはピーク性能向けに設計されている（１５〜２０％の動力の需要）。図５に示すように、熱交換器は、システム内の６つすべてのコアが動作しているとき、最小限の効率の劣化しか受けない（約３％）。したがって、これによって、動力発生システムが最大容量において動作しているときに、性能を大幅に犠牲にすることなく、経済的な熱交換器設計が可能になる。そのため、通常、部分出力下で動作する動力発生システムが、最大動力の出力を犠牲にすることなく、通常動作条件において燃料消費を低下する可能性を有する。
【０１０９】
本開示の別の実施形態において、クロスサイクル熱交換器１３２、１３４、１３６、および１３８は、超臨界流体サイクルに沿って配置されている複数のコアのうちの１つのみのコアが動作しているときは、ピーク性能向けに設計されている。
【０１１０】
別の実施形態において、伝熱式熱交換器１３０は、超臨界流体サイクルに沿って配置されている複数のコアのうちの１つのみのコアが動作しているときは、ピーク性能向けに設計されている。
【０１１１】
別の代替的な実施形態において、本明細書において説明されているような動力発生システム１００、２００、３００は、２５９号公報において開示されているような渦電流トルク結合を含む超臨界流体タービンアセンブリを含む。２５９号公報における渦電流トルク結合の開示は、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０１１２】
動力発生システム１００、２００、３００の用途は、これに限定されるものではないが、航空機エンジン（ターボファン、ターボプロップ、またはターボシャフトエンジンなど）、地上ベースの発動機、船舶推進システム、地上輸送機関などを含む。加えて、動力発生システム１００、２００、３００は、指向性エネルギー兵器（ＤＥＷ）の発電に使用されてもよい。さらに、他の用途は、他の用途は、蒸気および熱水のような、動力および熱生成を含むことができる。システムは、軸動力が必要とされる任意の他の用途に使用することができる。
【０１１３】
上記の記載は説明を目的として与えられており、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。本発明は、好ましい実施形態または好ましい方法を参照して記載されているが、本明細書において使用されている文言は、限定の文言ではなく、説明および例示の文言であることは理解されたい。さらに、本発明は、本明細書において、特定の構造、方法、および実施形態を参照して記載されているが、本発明は、添付の特許請求項の範囲内にあるすべての構造、方法および使用に及ぶため、本発明は、本明細書において開示されている事項に限定されるようには意図されていない。本明細書の教示の利益を享受する当業者は、本明細書に記載されているものとして本発明に多数の変更を実行することができ、添付の特許請求の範囲によって規定されるものとしての本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく変更が行われてもよい。
【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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