JP6162147B2 - 超臨界流体を使用して出力を生成するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本出願は、２０１２年１１月１６日付の米国特許出願第１３／６７９，８５６号、２０１２年１月１７日付の米国特許仮出願第６１／６３２，０３０号、２０１２年３月２９日付の米国特許仮出願第６１／６８６，０４３号、２０１２年５月１１日付の米国特許仮出願第６１／６８８，３１０号、および２０１２年７月１７日付の米国特許仮出願第６１／７４１，３０３号の優先権を主張し、これらの各々の開示は、その全体がここでの言及によって本明細書に援用される。

本発明は、軸動力を発生させるためのシステムおよび方法に関し、特に化石燃料および超臨界流体の密閉されたサイクルを使用するシステムおよび方法に関する。

伝統的に、ブレイトンサイクルなどの熱力学的な出力生成サイクルは、大気などの理想気体を使用する。そのようなサイクルは、空気がサイクルの構成要素を通って流れた後で再び大気に比較的高い温度で排気され、結果として燃料の燃焼によって生成されたかなりの量の熱がサイクルから失われてしまうという意味で、開放サイクルである。ブレイトンサイクルにおいて廃熱を捕らえて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の排気ガスから熱を取り出し、熱交換器を介して圧縮機から吐出される空気に伝達することである。そのような熱の伝達によって燃焼装置に流入する空気の温度が高められるため、所望のタービン入口温度を達成するために必要な燃料が少なくなる。結果として、全体としての熱力学的サイクルの熱効率が改善され、一般に約４０％という高い効率がもたらされる。より進歩したブレードの空気力学的設計を有するより大型のタービンは、さらに高い効率を達成することができる。しかしながら、そのような復熱のサイクルにおいても、熱は高温の熱源から低温のシンクに流れることしかできず、タービンの排気ガスの温度を圧縮機から吐出される空気の温度よりも低く冷却することが不可能であるため、熱効率が制限される。これは、より高い圧力比（全体としてのタービンの効率の改善をもたらす）を使用することで、圧縮機の吐出の温度が高くなり、したがって復熱装置における熱の回収が少なくなるということによって深刻化する。

最近では、熱力学的な出力生成の密閉サイクルにおいて超臨界二酸化炭素などの超臨界流体を使用することについて、関心が生まれている。好都合なことに、超臨界流体、すなわち液相と気相とが平衡状態にある「臨界点」以上の流体は、液体に近い密度および圧縮性を有し、したがって流体を所望の圧力比に圧縮するために必要な仕事が、空気などの理想気体と比べてはるかに小さい。

残念ながら、超臨界流体サイクルはいくつかの欠点があり、それにより利用が制限されている。第１に、超臨界流体サイクルは、超臨界流体が出力を生み出した後でサイクルの入口に戻されるという意味で、通常は密閉サイクルであるが、超臨界流体を圧縮機への再導入に先立って臨界点の近くまで戻すために必要なすべての熱を出力に効率的に変換できるわけではなく、したがって圧縮機への再導入に先立って、超臨界流体を外部のヒートシンクへの熱の伝達によって冷却しなければならない。この冷却が、サイクルからの熱の喪失および熱効率の低下につながる。

第２に、空気にもとづく開放サイクルにおいて典型的に行われている態様とは異なり、化石燃料は、酸化剤の添加および事後の密閉サイクルからの燃焼の副生成物が除去されないと超臨界流体中で燃焼させることができない。結果として、超臨界流体は、最も頻繁には、核反応が熱源をもたらす原子力発電所における使用について提案されている。従来の化石燃料を燃料とするガスタービンから燃焼ガスが供給される熱交換器において超臨界流体を加熱することが可能であるが、復熱による圧縮機の高い吐出温度に関連した上述の非効率性、および燃焼生成物からサイクルへの熱伝達能力の限界ゆえに、比較的高価な化石燃料を超臨界流体の加熱に使用することが、そのような燃料の使用を非現実的にしている。

第３に、例えば７．０ＭＰａを超える超臨界流体の高い圧力ゆえに、超臨界流体タービンによって発生するトルクを伝達する軸系のシールに、困難が生じる。超臨界流体サイクルが電力を発生させるために使用される場合、１つの手法は、出力軸が圧力容器を貫通しなくてもよいように、発電機をタービンと一緒に圧力容器に収めることである。しかしながら、この手法は、いくつかの欠点を抱える。例えば、発電機における風損が大きくなり、オイルレスベアリングが必要になる。さらに、発電機の保守および修理が、より困難になる。さらに、大型の発電機は、格納のために大型の圧力容器を必要とすると考えられ、コストが多大になり、さらなる破損点を発生させることになる。また、そのような手法は、あらゆる種類の乗り物の推進（すなわち、ターボプロップ／ターボファンの用途、自動車および長距離トラックの駆動、舶用推進）など、目標が電力の生成ではない用途、ならびにガス配管のブースタ圧縮機を含む、石油およびガス業界の用途などの他の用途には、使用することができない。

第４に、超臨界流体サイクルの効率は、臨界温度の近傍における超臨界流体の温度のわずかなずれによって大きく影響される。しかしながら、流体の温度を、最大の効率での動作を保証するために必要な精度で測定することは、困難である。

最後に、従来技術の超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクルは、典型的には上述のとおりの復熱を利用しており、その理由は、ＳＣＯ２サイクルにおけるタービン排気温度が依然としてきわめて高く、圧縮機の吐出温度がきわめて低く、復熱にとって理想的な取り合わせが生まれているからである。これは、ＳＣＯ２ブレイトンサイクルが原子力および太陽利用の用途において非常に効率的であるもう１つの理由である。残念ながら、化石燃料が熱源として使用されるならば、復熱による圧縮機の吐出を熱交換器に通すことは、到来の温度がすでにきわめて高いがゆえに、ＳＣＯ２の流れへの熱の受け渡しを困難にすると考えられる。

したがって、化石燃料にて動作し、軸動力および／または高温水を生成する熱力学的なサイクルにおいて超臨界流体を効率的に使用するためのシステムおよび方法について、ニーズが存在する。また、超臨界流体タービンの軸からトルクを効果的に伝達するための装置および方法について、ニーズが存在する。さらに、臨界点の近傍の超臨界流体の温度を測定する正確な方法について、ニーズが存在する。
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） 米国特許第３，０５８，０１８号明細書
（特許文献２） 米国特許第３，５８３，１５６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） 米国特許第４，１３８，６１８号明細書
（特許文献５） 米国特許第４，１６６，３６２号明細書
（特許文献６） 米国特許第４，２６７，６９２号明細書
（特許文献７） 米国特許第４，３４７，７１１号明細書
（特許文献８） 米国特許第４，３７５，７４５号明細書
（特許文献９） 米国特許第４，４９８，２８９号明細書
（特許文献１０） 米国特許第４，５２０，２８４号明細書
（特許文献１１） 米国特許第４，６８３，３９２号明細書
（特許文献１２） 米国特許第４，７８０，６３７号明細書
（特許文献１３） 米国特許第５，３２３，６０３号明細書
（特許文献１４） 米国特許第６，１９１，５６１号明細書
（特許文献１５） 米国特許第６，３１８，０６６号明細書
（特許文献１６） 米国特許第６，４３０，９１６号明細書
（特許文献１７） 米国特許第６，６０６，８６４号明細書
（特許文献１８） 米国特許第６，８４８，２４９号明細書
（特許文献１９） 米国特許第６，９４５，０５２号明細書
（特許文献２０） 米国特許第６，９９１，０２６号明細書
（特許文献２１） 米国特許第７，０３７，４３０号明細書
（特許文献２２） 米国特許第７，６６９，４２３号明細書
（特許文献２３） 米国特許第７，６８５，８２０号明細書
（特許文献２４） 米国特許第７，７２６，１１４号明細書
（特許文献２５） 米国特許第７，８８０，３５５号明細書
（特許文献２６） 米国特許第７，９６６，８６８号明細書
（特許文献２７） 米国特許出願公開第２００１／００２３５８０号明細書
（特許文献２８） 米国特許出願公開第２００７／０１２５０６３号明細書
（特許文献２９） 米国特許出願公開第２０１０／０１０１２３１号明細書
（特許文献３０） 米国特許出願公開第２０１０／０２４２４２９号明細書
（特許文献３１） 米国特許出願公開第２０１１／０１７９７９９号明細書
（特許文献３２） 米国特許出願公開第２０１１／０２０６１７３号明細書
（特許文献３３） 米国特許出願公開第２０１２／０２１６５３６号明細書
（特許文献３４） 米国特許出願公開第２０１３／０１８０２５９号明細書
（特許文献３５） 国際公開第１９９５／２４８２２号
（特許文献３６） 国際公開第２０１０／１５１５６０号
（特許文献３７） 国際公開第２０１５／１３０８９８号
（非特許文献）
（非特許文献１） Ｄｏｓｔａｌ，Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｃｙｃｌｅ ｆｏｒ Ｎｅｘｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｒｅａｃｔｏｒ，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｏｇｒａｍ，Ｍａｒｃｈ ２００４，３２６ ｐｇｓ
（非特許文献２） Ｗｒｉｇｈｔ，Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ＣＯ _２ Ｂｒａｙｔｏｎ Ｃｙｃｌｅ，Ｓａｎｄｉａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，ＳＡＮＤ２０１０．０１７１，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１０，１０１ ｐｇｓ

本発明は、空気サイクルと超臨界流体サイクルとを有するシステムにおいて軸動力を生成する方法を包含する。本方法は、ａ）化石燃料を空気中で燃焼させて燃焼ガスを生成する工程と、ｂ）前記燃焼ガスを少なくとも第１のタービン内で膨張させて膨張燃焼ガスを生成する工程であって、前記燃焼ガスの膨張によって軸動力が発生するものである、前記膨張燃焼ガスを生成する工程と、ｃ）超臨界流体を第１の圧縮機内で圧縮する工程と、ｄ）前記圧縮された超臨界流体の少なくとも一部分および前記燃焼ガスを第１のサイクル間熱交換器を通過するように流動させることにより、前記燃焼ガスから発生する熱を前記圧縮された超臨界流体に伝達して加熱され圧縮された超臨界流体を生成する工程と、ｅ）前記加熱され圧縮された超臨界流体の少なくとも一部分を第２のタービン内で膨張させて膨張超臨界流体を生成する工程であって、前記超臨界流体の膨張によってさらなる軸動力が発生するものである、前記膨張超臨界流体を生成する工程と、ｆ）前記空気中での前記化石燃料の燃焼に先立って、前記膨張超臨界流体の少なくとも一部分および前記空気を第２のサイクル間熱交換器を通過するように流動させ、前記膨張超臨界流体から発生する熱を前記空気に伝達する工程とを有する。本発明の一実施形態によれば、本方法は、さらに、前記空気中での前記化石燃料の燃焼に先立って前記空気を第２の圧縮機内で圧縮し、圧縮された空気を生成する工程を有し、前記化石燃料は前記圧縮された空気中で燃焼され、前記圧縮された空気を前記第２のサイクル間熱交換器を通過して流動させることにより、前記膨張超臨界流体から発生した熱が該圧縮された空気に伝達される。

さらに、本発明は、超臨界流体サイクルと空気サイクルとを有するシステムにおいて軸動力を生成するための方法であって、ａ）化石燃料を空気中で燃焼させて燃焼ガスを生成する工程と、ｂ）超臨界流体を第１の圧縮機内で圧縮する工程と、ｃ）前記燃焼ガスから発生する熱を前記圧縮された超臨界流体に伝達して、冷却された燃焼ガスと、加熱され圧縮された超臨界流体とを生成する工程と、ｄ）前記加熱され圧縮された超臨界流体の少なくとも一部分を第１のタービン内で膨張超臨界流体を生成する工程であって、前記超臨界流体の膨張によって軸動力が発生するものである、前記膨張超臨界流体を生成する工程と、ｅ）前記膨張超臨界流体を前記第１の圧縮機に戻す工程と、ｆ）前記膨張超臨界流体から発生する熱を前記空気に伝達することにより前記超臨界流体を前記超臨界流体の略臨界温度に冷却する工程であって、該工程は、前記化石燃料を前記空気中で燃焼させる工程の前かつ前記超臨界流体を前記第１の圧縮機に戻す工程の前に実行されるものである、前記冷却する工程とを有する方法を包含する。本発明の一実施形態において、本方法は、さらに、前記冷却された燃焼ガスから発生する熱を水の流れに伝達し、加熱された水の流れを生成する工程を有する。

また、本発明は、２つの超臨界流体サイクルと１つの空気サイクルとを有するシステムにおいて軸動力を生成するための方法であって、ａ）化石燃料を空気中で燃焼させて燃焼ガスを生成する工程と、ｂ）超臨界流体の第１の流れを第１の圧縮機内で圧縮し、圧縮された超臨界流体の第１の流れを生成する工程と、ｃ）前記燃焼ガスから発生する熱を前記圧縮された超臨界流体の前記第１の流れに伝達し、冷却された燃焼ガスと、加熱され圧縮された超臨界流体の第１の流れとを生成する工程と、ｄ）前記加熱され圧縮された超臨界流体の前記第１の流れの少なくとも一部分を第１のタービン内で膨張させて膨張超臨界流体の第１の流れを生成する工程であって、超臨界流体の前記第１の流れの前記膨張によって軸動力が発生するものである、前記膨張超臨界流体の第１の流れを生成する工程と、ｅ）前記膨張超臨界流体の前記第１の流れを前記第１の圧縮機に戻す工程と、ｆ）前記超臨界流体の前記第１の流れを前記第１の圧縮機に戻す前に、前記膨張超臨界流体の前記第１の流れから発生する熱を前記空気に伝達する工程と、ｇ）超臨界流体の第２の流れを第２の圧縮機内で圧縮し、圧縮された超臨界流体の第２の流れを生成する工程と、ｈ）前記冷却された燃焼ガスから発生する圧縮された熱を超臨界流体の前記第２の流れに伝達し、加熱され圧縮された超臨界流体の第２の流れを生成する工程と、ｉ）前記加熱され圧縮された超臨界流体の前記第２の流れを第２のタービン内で膨張させて膨張超臨界流体の第２の流れを生成し且つ追加の軸動力を発生させる工程とを有する方法を包含する。

さらに、本発明は、第１および第２の流路を有する、超臨界流体サイクルと空気サイクルとを使用して軸動力を発生させるためのシステムを包含する。第１の流路は、空気を有する第１の流体の流れを案内し、（ｉ）前記第１の流路に接続され、前記空気の少なくとも一部分を受け取るようになっている燃焼装置であって、前記空気中での燃焼のために該燃焼装置に化石燃料が供給され、前記空気中での前記化石燃料の燃焼によって加熱された燃焼ガスが生成されるものである、前記燃焼装置と、（ｉｉ）前記第１の流路に接続された第１のタービンとを有している。第２の流路は、超臨界流体を有する第２の流体の流れを案内し、前記空気と前記超臨界流体との混合を防止するために前記第２の流路は前記第１の流路とは独立している。前記第２の流路は、（ｉ）該第２の流路に接続され、前記超臨界流体を受け取って圧縮し、該圧縮された超臨界流体を該第２の流路に吐出する第１の圧縮機と、（ｉｉ）前記超臨界流体を膨張させる第２のタービンであって、前記第２の流路に接続され、前記膨張超臨界流体を該第２の流路に排出するものである、前記第２のタービンとを有している。さらに、本システムは、（ｉ）前記空気の少なくとも一部分を受け取り、該空気の一部分が前記燃焼装置によって受け取られる前に、該空気の該一部分に熱を伝達して該空気の該一部分を加熱し、（ｉｉ）該加熱された空気を前記第１の流路に排出するように前記第１および第２の流路に接続された第１のサイクル間熱交換器を有する。前記第１のサイクル間熱交換器は、前記第２のタービンから排出される前記膨張超臨界流体の少なくとも一部分を受け取り、該膨張超臨界流体の該一部分から前記空気に熱を伝達して、該膨張超臨界流体の少なくとも該一部分を冷却し、該冷却され膨張超臨界流体を前記第２の流路に排出するように前記第２の流路に接続されている。さらに、本システムは、前記第１および第２の流路に接続された第２のサイクル間熱交換器であって、前記燃焼装置によって生成された前記燃焼ガスの少なくとも一部分を受け取り、該燃焼ガスの少なくとも該一部分からの熱の伝達によって該燃焼ガスを冷却し、該冷却された燃焼ガスを前記第１の流路に排出するとともに、前記第１の圧縮機からの前記圧縮された超臨界流体の少なくとも一部分を受け取り、前記燃焼ガスから該圧縮された超臨界流体に熱を伝達することによって、該圧縮された超臨界流体の少なくとも該一部分を加熱し、該加熱された超臨界流体を前記第２の流路に排出するものである、前記第２のサイクル間熱交換器を有する。本システムにおいて、前記第１のタービンは、前記燃焼装置によって生成された前記燃焼ガスの少なくとも一部分を受け取って膨張させ、該膨張させた燃焼ガスを前記第１の流路に排出するように前記第１の流路に接続され、一方、前記第２のタービンは、前記第２のサイクル間熱交換器から排出される前記加熱された超臨界流体を受け取るように前記第２の流路に接続され、前記第２のタービンは、第２の軸を有しており、前記圧縮された超臨界流体の前記第２のタービンにおける前記膨張により、前記第２の軸が回転駆動する。

また、本発明は、超臨界流体サイクルと空気サイクルとを使用して軸動力を生成するためのシステムであって、ａ）化石燃料を空気中で燃焼させて、燃焼ガスを生成する燃焼装置と、ｂ）超臨界流体を圧縮し、圧縮された超臨界流体を生成する第１の圧縮機と、ｃ）前記燃焼ガスから発生する熱を前記圧縮された超臨界流体に伝達して、冷却された燃焼ガスと、加熱され圧縮された超臨界流体とを生成する第１のサイクル間熱交換器と、ｄ）前記加熱され圧縮された超臨界流体の少なくとも一部分を膨張させて、膨張超臨界流体を生成する第１のタービンであって、該超臨界流体の前記膨張によって軸動力が生成されるものである、前記第１のタービンと、ｅ）前記膨張超臨界流体を前記第１の圧縮機に戻す流路と、ｆ）前記燃焼装置において前記空気中で前記化石燃料を燃焼させる前、かつ前記超臨界流体を前記第１の圧縮機に戻す前に、前記膨張超臨界流体から発生する熱を前記空気に伝達して、前記超臨界流体を前記超臨界流体の略臨界温度まで冷却する第２のサイクル間熱交換器とを有するシステムを包含する。

さらに、本発明は、超臨界流体サイクルと空気サイクルとを使用して軸動力を発生させるためのシステムであって、ａ）化石燃料を空気中で燃焼させて、燃焼ガスを生成する燃焼装置と、ｂ）超臨界流体の第１の流れを圧縮し、圧縮された超臨界流体の第１の流れを生成する第１の圧縮機と、ｃ）前記燃焼ガスから発生する熱を前記圧縮された超臨界流体の前記第１の流れに伝達して、冷却された燃焼ガスと、加熱され圧縮された超臨界流体の第１の流れとを生成する第１の熱交換器と、ｄ）前記加熱され圧縮された超臨界流体の第１の流れの少なくとも一部分を膨張させて、膨張超臨界流体の第１の流れを生成する第１のタービンであって、該超臨界流体の第１の流れの前記膨張によって軸動力が生成されるものである、前記第１のタービンと、ｅ）前記膨張超臨界流体の第１の流れを前記第１の圧縮機に戻す流路と、ｆ）前記超臨界流体の第１の流れを前記第１の圧縮機に戻す前に、前記膨張超臨界流体の第１の流れから発生する熱を前記空気に伝達する第２の熱交換器と、ｇ）超臨界流体の第２の流れを圧縮し、圧縮された超臨界流体の第２の流れを生成するの第２の圧縮機と、ｈ）前記冷却された燃焼ガスから発生する熱を前記圧縮された超臨界流体の第２の流れに伝達して、加熱され圧縮された超臨界流体の第２の流れを生成する第３の熱交換器と、ｉ）前記加熱され圧縮された超臨界流体の第２の流れを膨張させて、膨張超臨界流体の第２の流れを生成するとともに、追加の軸動力を生成する第２のタービンとを有するシステムを包含する。

また、本発明は、タービン内で超臨界流体を膨張させることによって軸動力を発生させるためのシステムにおいて、タービンの軸から駆動軸にトルクを伝達するための継手を包含する。本継手は、ａ）前記タービンの軸に接続されて該タービンの軸と共に回転するように構成された誘導ロータと、ｂ）前記駆動軸に接続されて該駆動軸と共に回転するように構成された第１および第２の電機子と、ｃ）該継手内に磁束を生成する磁石であって、前記電機子に接続されて前記第１および第２の電機子と共に回転するものであり、前記誘導ロータの回転によって前記第１および第２の電機子にトルクがもたらされ前記駆動軸が回転するものである、前記磁石と、ｄ）前記超臨界流体の一部分を前記誘導ロータに案内して前記誘導ロータを冷却する第１の流路であって、これにより前記超臨界流体の前記一部分が加熱されるものである、前記第１の流路と、ｅ）前記加熱された超臨界流体を前記タービンに案内して前記タービン内で膨張させる第２の流路とを有する。本発明の一実施形態においては、本継手が、前記誘導ロータと前記第１および第２の電機子との間に配置され、略球状の表面を有している圧力膜をさらに有する。

軸動力によってターボプロップを駆動する、本発明による動力生成システムの一実施形態の概略図である。 超臨界二酸化炭素についての圧力−温度の相平衡状態図であり、Ｘ軸が温度Ｔであり、Ｙ軸が圧力Ｐの対数である。 本発明による動力生成システムの別の実施形態の概略図である。 本発明による動力生成システムの別の代案の実施形態の概略図である。 本発明による動力生成システムの別の代案の実施形態の一部分の概略図である。 超臨界流体の再加熱を使用する、本発明による動力生成システムの別の代案の実施形態の概略図である。 超臨界流体の再加熱を使用する、本発明による動力生成システムの別の代案の実施形態の概略図である。 燃焼ガスの再加熱を使用する、本発明による動力生成システムの別の代案の実施形態の概略図である。 燃焼ガスの再加熱を使用する、本発明による動力生成システムの別の代案の実施形態の概略図である。 蒸気の注入を備える、本発明による動力生成システムの別の代案の実施形態の概略図である。 高温水も生成する、本発明による動力生成システムの別の代案の実施形態の概略図である。 真空サイクルを使用し、高温水も生成する本発明による動力生成システムの別の代案の実施形態の概略図である。 第２の超臨界流体サイクルを備える、本発明による動力生成システムの別の代案の実施形態の概略図である。 第２の超臨界流体サイクルを備える、本発明による動力生成システムの別の代案の実施形態の概略図である。 臨界温度Ｔ_Ｃの近傍における温度の関数としてのＳＣＯ２の比熱ｃ_ｐの変化を示すグラフである。 ＳＣＯ２圧縮機の入口に流れるＳＣＯ２の温度を測定するための装置を示している、或る程度概略的な図である。 ７．４ＭＰａにおける温度（単位は、°Ｋ）の関数としてのＳＣＯ２中での音速（単位は、ｍ／ｓ）のグラフである。 ＳＣＯ２圧縮機の入口に流れるＳＣＯ２の温度を測定するための別の装置を示している、或る程度概略的な図である。 本発明による動力生成システムのタービン継手部分の縦断面図である。 図１９に示したタービン継手の線ＸＸ−ＸＸに沿って得た横断面図である。 図１９に示したタービン継手の断面の斜視図である。 図１９に示したタービン継手の断面の斜視図である。 図１９に示したタービン継手の一部分の断面図である。

本発明による軸動力の生成のための化石燃料を燃料とする二連サイクル超臨界流体−空気システムの一実施形態が、図１に示されている。システムは、作動流体が、超臨界二酸化炭素（ＳＣＯ２）などの超臨界流体である第１のブレイトンサイクルシステム２と、作動流体が大気である第２のブレイトンサイクルシステム４とを有している。これらのサイクルの各々が、圧縮機、タービン、燃焼装置、および熱交換器などの種々の構成要素が接続される配管、管路、または他の適切な導管によって形成できる流路６および２３を有している。ＳＣＯ２サイクルの流路６および空気吸入サイクルの流路２３は、好ましくは、２つの流路の流体間の混合がほとんど、またはまったく生じないように、分離されている。

超臨界ブレイトンサイクルシステム２は、超臨界流体が流れる密閉サイクルの流路６を形成している。最初に、超臨界流体の流れ３が、軸流式、遠心式、または往復運動式であってよい圧縮機８の入口に供給される。流量計３２が、圧縮機の入口に供給される流体の流量を測定する。これは、ＳＣＯ２の総量のマス管理ならびに過渡的な流れの挙動の制御のための手段をもたらす。好ましくは、超臨界流体は、後述のように臨界点に近い温度および圧力に冷却および膨張された後で、圧縮機８の入口に流入する。この臨界点が、この場合には二酸化炭素である超臨界流体についての圧力−温度の相平衡状態図である図２に示されている。二酸化炭素は、領域Ａにおいて固体であり、領域Ｂにおいて液体であり、領域Ｃにおいて気体である。臨界点Ｅにおける温度および圧力を上回る領域Ｄにおいて、二酸化炭素は、超臨界流体として存在する。したがって、本明細書において使用されるとき、「超臨界流体」という用語は、別個の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、物質を超臨界状態にあると称する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。二酸化炭素については、臨界点は、およそ３０４．２°Ｋおよび７．３５ＭＰａである。好ましくは、圧縮機８に流入する超臨界流体は、臨界点の少なくとも±２°Ｋの範囲内、より好ましくは臨界点の±１°Ｋの範囲内、最も好ましくは臨界点の±０．２°Ｋの範囲内に冷却される。

圧縮機８における圧縮の後で、ＳＣＯ２の流れ５は、ＳＣＯ２および空気の両方のサイクルの流路６および２３に接続されるサイクル間熱交換器１０内で加熱される。このサイクル間熱交換器はプリント回路型熱交換器（ＰＣＨＥ）または他の適切な種類の熱交換器であってよい。本明細書において使用されるとき、用語「サイクル間熱交換器」は、空気吸入サイクルからの空気または燃焼ガス、ならびに超臨界流体サイクルからの超臨界流体の両方を受け取り、これら２つのサイクルの流体間で熱を移動させる熱交換器を指す。次いで、熱交換器１０からの加熱後のＳＣＯ２の流れ７が、軸流式、ラジアル式、または混流式であってよいタービン１２の入口に案内され、タービン１２内でＳＣＯ２が膨張され、ＳＣＯ２圧縮機８（軸９を介する）およびターボプロップ１４（軸１７および減速装置１６を介する）の両方を駆動する軸動力を発生させる。タービン１２における膨張の後に、ＳＣＯ２の流れ９は、ＰＣＨＥ方式であってよく、ＳＣＯ２および空気吸入の両サイクルの流路６および２３に接続される第２のサイクル間熱交換器１８内で冷却される。冷却されたＳＣＯ２の流れ３が、流路６を介して圧縮機８の入口に戻される。好ましくは、サイクル間熱交換器１８が、圧縮機８に戻されるＳＣＯ２を上述のとおりの臨界温度に近い温度に冷却するために充分な表面積を有する。系からのＳＣＯ２の漏れを補うために、供給源３１からの追加のＳＣＯ２を、圧縮機８に向かうＳＣＯ２の流れ３に導入することができる。さらに、系への追加のＳＣＯ２の導入を、過渡時の系の動態を減衰させるために調節することができる。いずれにせよ、ＳＣＯ２の流れ３が圧縮機８の入口に戻され、圧縮−加熱−膨張−冷却の工程が繰り返される。

図１に示されるとおり、全体としてのシステムのうちの空気吸入ブレイトンシステム４の部分は、開放流路２３を形成している。最初に、大気１１が、軸流式、遠心式、または往復運動式であってよい圧縮機２０に供給される。次いで、圧縮機２０からの圧縮された空気の流れ１３が、熱交換器１８内で、タービン１２における膨張の後のＳＣＯ２からの熱の伝達によって加熱される。次いで、加熱され圧縮された空気の流れ１５が燃焼装置２４に案内され、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化石燃料２７が、燃料コントローラ２８によって燃焼装置２４に導入されて空気中で燃やされ、高温の燃焼ガスが生成される。燃焼装置２４からの燃焼ガスの流れ３７が、熱交換器１０に案内され、熱交換器１０内で上述のようにＳＣＯ２に熱が伝達される。熱交換器１０を出た後で、燃焼ガスの流れ１９は、軸流式、ラジアル式、または混流式であってよいタービン２６内で膨張させられ、タービン２６が、軸２１を介して空気圧縮機２０を駆動するための力を発生させる。タービン２６における膨張の後で、燃焼ガス４７は、大気に排出される。

次に、図１に示したシステムの動作を、予測される結果の一例によって説明する。このターボプロップ／ターボファンの用途に関する例では、９０００ｍにおいて標準的な日中の条件にある大気が、２２９．７°Ｋおよび３２ＫＰａで圧縮機２０の入口に供給される。空気圧縮機２０は、わずかに約２．０の圧縮比で運転され、したがって圧縮機から排出されて熱交換器１８に案内される圧縮後の空気は、約２９５°Ｋおよび６５ＫＰａの温度および圧力にすぎない。タービン１２から排出されて熱交換器１８に案内されるＳＣＯ２は、約９３５°Ｋおよび７．５ＭＰａの温度および圧力にある。熱交換器１８は、圧縮された空気が約２９５°Ｋから約９２３°Ｋに加熱され、ＳＣＯ２が約９３５°Ｋから臨界温度に近い約３０５°Ｋに冷却されるように、充分な熱伝達の表面積を有している。圧縮機８に流入するＳＣＯ２の温度を、臨界温度の近くに保つべく制御するために、圧縮機２０から排出される圧縮された空気を、冷却用流体が供給される熱交換器（図示せず）に案内することができる。冷却用流体の流量および／または温度を変化させることで、熱交換器１８における熱伝達によってＳＣＯ２が臨界温度に近い温度に冷却されるように、熱交換器１８に流入する圧縮された空気の温度を調節することができる。

この例では、熱交換器１８から排出される圧縮された空気を約８８６°Ｋから熱交換器１０への流入時の温度である約１１２１°Ｋに加熱するために充分な燃料が、燃焼装置２４において燃やされる。ＳＣＯ２の圧縮機８は、空気吸入の圧縮機２０よりもはるかに高い圧縮比で動作し、ＳＣＯ２を臨界圧力に近い７．４ＭＰａという到来時の圧力から圧縮し、熱交換器１０への供給時のＳＣＯ２の温度および圧力である約２５．９ＭＰａの圧力および約３８３°Ｋの温度にする。熱交換器１０は、ＳＣＯ２が約３８３°Ｋから約１１０３°Ｋに加熱され、燃焼ガスが約１１２１°Ｋから約３９９°Ｋに冷却されるように、充分な熱伝達の表面積を含んでいる。燃焼ガスは、タービン２６における膨張の後で、約３４１°Ｋで大気に排出される。加熱されたＳＣＯ２は、タービン１２における膨張の後で、約９３５°Ｋで熱交換器１８に排気され、熱交換器１８内で、上述のようにＳＣＯ２の圧縮機８の入口に戻される前に約３０５°Ｋに冷却される。

図１に示したシステムは、いくつかの重要な利点を有している。ＳＣＯ２などの超臨界流体は、所与のサイズおよび重量において圧力降下が小さくかつ有効性が大きい熱交換器の使用を容易にするきわめて低い動粘性係数および高い比熱を有する。さらに、ＳＣＯ２などの超臨界流体は、液体に近い密度および圧縮性を有し、流体を所望の圧力比に圧縮するために必要な仕事が、空気などの理想気体の場合よりもはるかに小さいと考えられる。これは、ＳＣＯ２タービン１２から得られる正味の仕事を増加させるだけでなく、ＳＣＯ２圧縮機からの圧縮機吐出温度を低くし、結果として熱交換器１０において達成される、燃焼ガスから圧縮機８によって吐出されたＳＣＯ２への熱の伝達を増加させる。

さらに、空気圧縮機２０は、空気圧縮機から吐出される空気を比較的低い温度（上述の例では２９５°Ｋ）にすることで、熱交換器１８においてＳＣＯ２から回収できる熱をより多くするように、比較的小さい圧力比で動作する。熱交換器１８における大きな熱伝達の結果として、タービン１２から排出されるＳＣＯ２を圧縮機８の入口に戻すための適切な温度（好ましくは、臨界温度に近い温度）に冷却するための「外部」の冷却装置の使用が、不要になるかもしれない。したがって、本来であればサイクルからタービン１２における膨張後のＳＣＯ２を冷却するための外部のヒートシンク（冷却塔からの冷却水など）に失われてしまうと考えられるサイクルの排熱を、系内に保つことができる。

タービン１２および２６について８７％の効率を仮定し、ＳＣＯ２圧縮機８および空気圧縮機２０についてそれぞれ８５％および８７％の効率を仮定すると、図１に示され、上述のように作動システムの全体としてのサイクル効率は、約５４％になると計算される。

本発明の利点を実現するために必ずしも以下の特徴のすべてを取り入れる必要はないが、高い熱効率に貢献する図１に示したシステムの特徴は、（ｉ）一方（システム２）が超臨界流体（好ましくは、ＳＣＯ２）にて動作し、他方（システム４）が理想気体と同様に振る舞う大気にて動作する並列動作の２つのブレイトンサイクル、（ｉｉ）通常であればＳＣＯ２の所望の圧縮機入口温度（好ましくは、臨界温度に近い温度）への冷却において失われてしまうサイクルの排熱を、ＳＣＯ２サイクルのタービン１２から排出されるＳＣＯ２から、空気吸入サイクルの圧縮機２０から吐出される空気に伝達する第１のサイクル間熱交換器（熱交換器１８）、（ｉｉｉ）空気吸入サイクルの燃焼ガスからＳＣＯ２サイクルの圧縮機の吐出に熱を伝達する第２のサイクル間熱交換器（熱交換器１０）、および（ｉｖ）従来の考え方では最適でないと見なされると思われるが、本発明においてはタービンから排気されたＳＣＯ２の、所望の圧縮機入口温度への冷却において大量の熱を系に戻すことを可能にする空気吸入圧縮機２０における比較的低い圧力比、の使用である。

上述のシステムは、ターボプロップのための軸動力をもたらすものとして説明されているが、本発明が、これらに限定されるものではないが発電、船舶の推進システム、鉄道機関車の駆動装置、自動車およびトラックのハイブリッド駆動装置、石油およびガス産業におけるガス昇圧ポンプ、農業用ポンプの用途、ならびに建設用機器の駆動装置など、軸動力を利用する任意の他の用途にも適用可能であることを、理解すべきである。

最適な効果は、本発明によれば、超臨界のブレイトンサイクルシステムおよび空気吸入のブレイトンサイクルシステムの両方を直列に使用することによって得られるが、特定の利益は、図１に示した両方のシステムを大気にて動作させても達成することができる。そのような実施形態は、低品質の化石燃料を含む種々の燃料、バイオマス、および太陽エネルギーを使用する能力を提供する。そのようなシステムにおいては、灰を含む燃焼生成物が、より高温のタービン１２を通過することがなく、したがってタービン空冷部品の汚損を引き起こすことがないと考えられる。灰および燃焼の副生成物が、はるかに低い温度で低膨張のタービン２６を通過すると考えられ、したがって冷却通路が不要になり、粒子状物質に耐えるタービンをきわめて単純にする。下流の熱交換器１０における粒子状物質の蓄積は、所定の停止の際に行うことができる定期的な洗浄または清掃のサイクルによって対処可能である。

図１の実施形態は、燃焼装置２４からの燃焼ガス３７を熱交換器１０に導き、次いでタービン２６に導くものとして示されているが、本発明を、例えば図４に示される実施形態に関連して後述されるように、燃焼装置からの燃焼ガスを最初にタービン２６に導いて膨張させ、次いで膨張後のガスを熱交換器１０に導くことによって、実行することも可能である。

本発明の別の実施形態が、図３に示されており、類似の構成要素は、類似の参照番号によって指し示されている。この実施形態においては、陸上の用途においては冷却塔からもたらされ、航空の用途においてはエアクーラからもたらされる水などの冷却用流体３０が供給される冷却装置２２が、ＳＣＯ２圧縮機８に流入するＳＣＯ２の温度を制御すべく空気圧縮機２０から吐出される空気１３'の温度を熱交換器１８への導入に先立って制御するために使用される。すでに述べたように、好ましくは、圧縮機８に流入するＳＣＯ２の温度が、臨界温度に近付くように制御される。この温度制御を、冷却装置２２に供給される冷却用流体の流量および／または温度を制御することによって達成することができる。

図３の実施形態においては、２つのＳＣＯ２タービンが利用される。ｊ第１のタービン１２'が、ＳＣＯ２圧縮機８を駆動するＳＣＯ２圧縮機タービンであり、一方、第２のタービン１２''は、系の出力をもたらす出力タービンである。さらに、この実施形態においては、ＳＣＯ２圧縮機タービン１２'から排出されるＳＣＯ２の流れ４１を、弁３８によって２つの流れに分割することができる。第１の流れ４２を、出力タービン１２''内で膨張するように案内でき、一方、第２の流れ４４を、ＳＣＯ２の圧力を下げてＳＣＯ２圧縮機８の入口圧力に近づける等エンタルピ膨張ノズル３４に案内することができる。これら２つの流れは、合流点４０において合流し、合流後の流れが上述のように熱交換器１８に案内される。図３においては、ＳＣＯ２の一部分が第２のＳＣＯ２タービン１２''を迂回するようにノズル３４が利用されるものとして示されているが、ノズル３４を、ただ１つのＳＣＯ２タービンが利用される図１に示したような実施形態に、ＳＣＯ２の一部分がこのただ１つのＳＣＯ２タービンを迂回してノズルに案内されるように組み込むことも可能である。

効率の低下につながるかもしれないが、ＳＣＯ２圧縮機タービン１２'から排出されるＳＣＯ２の一部分４４を出力タービン１２''を迂回するように向けることで、システムが、出力タービン１２''への負荷が軽く、あるいは皆無である場合に、タービン１２'を設計点の入口温度および圧力比に保つことによって最適な効率を維持することができる。これは、出力タービン１２''の効率を高めるだけでなく、「高温」のタービン部品の耐用年数への熱サイクルの悪影響を低減する。さらに、弁３８の動作により、出力タービン１２''が出力の需要の増加に迅速に応答でき、出力の需要の移り変わりに直面するときの系の安定性が向上する。好都合なことに、ＳＣＯ２の圧力が等エンタルピ膨張ノズル３４において下げられるが、温度は高いままであり、したがって未使用の熱が熱交換器１８において系に返され、燃焼装置２４に向かう空気の温度を高め、したがって所望の燃焼装置出口温度を達成するために燃やさなければならない燃料が少なくなる。図３においては、膨張ノズル３４が、２つのＳＣＯ２タービン１２'および１２''を使用するシステムの第１のタービン１２'からの或る程度膨張したＳＣＯ２の流れ４２を受け取るものとして示されているが、膨張ノズル３４を、図１に示したシステムなどのただ１つのＳＣＯ２タービン１２を使用するシステムに、熱交換器１０からのＳＣＯ２の一部分がタービン１２を迂回し、膨張後に熱交換器１８に案内されるように、組み込むことも可能である。

図３に示したシステムにおける別の改良は、燃焼ガスからの熱をＳＣＯ２圧縮機８から吐出されるＳＣＯ２に伝えるために２つの熱交換器１０'および１０''を使用することである。熱交換器１０''におけるＳＣＯ２および燃焼ガスの温度が、熱交換器１０'における温度よりも低いため、この構成は、熱交換器１０''においてより安価な材料を用いることを可能にする。

さらに後述されるとおり、本発明の一実施形態によれば、出力タービンの軸１７から、例えばターボプロップまたは発電機の軸であってよい被駆動軸５８に出力を伝達するために、渦電流継手３６が使用される。したがって、ＳＣＯ２圧縮機８から吐出されるＳＣＯ２の流れ４８の一部分５２が、弁５１によって冷却の目的で渦電流継手に案内される一方で、ＳＣＯ２の流れ４８の残りの部分５０が、熱交換器１０''に案内される。好ましくは、渦電流継手３６において熱を吸収した後に、継手から吸収された熱が系から失われることがないように、加熱されたＳＣＯ２の流れ５４が、さらなる加熱およびその後のＳＣＯ２タービンにおける膨張のために、熱交換器１０'に案内され、熱交換器１０'において流れ５３と混合される。

図４が、熱交換器１８における最大の熱伝達を達成すべくより低い圧縮機吐出温度を維持するために空気圧縮機２０における圧縮比を低く保たなければならない陸上の用途において特に有用となりうる図３の実施形態の変種を示している。この実施形態においては、燃焼装置２４から排出される燃焼ガスが、まずは空気タービン２６内で膨張させられ、次いで熱をＳＣＯ２圧縮機８から排出されるＳＣＯ２に伝達するために熱交換器１０'および１０''に案内される。熱交換器１０'および１０''を通って流れた後で、冷却された燃焼ガスが大気に排出される。

図５が、図３および４の実施形態と同様のシステムの一部分を示しており、システムのうちの図３および４における部分と同様の部分は、図５には示されていない。図５に示される実施形態は、高高度または海面のどちらにおいても最大の性能を促進するために、図３または図４の実施形態あるいはこれら２つの実施形態の組み合わせのいずれかによる動作の柔軟性を可能にする。この実施形態においては、第１の弁６２が、燃焼装置２４の下流の流路に組み込まれ、第２の弁６８が、空気タービン２６の下流に組み込まれ、第３の弁７７が、熱交換器１０''の下流に組み込まれる。弁６２の動作によって、燃焼装置２４から排出される燃焼ガス１９のすべてまたは一部分を、最初に空気タービン２６（流れ６４）または熱交換器１０'（流れ７４）のいずれかに案内することができる。弁６８の動作によって、空気タービン２６から排出されるガス６６のすべてまたは一部分を、熱交換器１０'（流れ７２）に案内することができ、あるいは大気（流れ７０）に排出することができる。弁７７の動作によって、熱交換器１０''から排出されるガスのすべてまたは一部分を、空気タービン２６（流れ８０）に案内することができ、あるいは大気（流れ７８）に排出することができる。弁６２、６８、および７４によってもたらされる流れの分割を、大気の状態に応じてピーク効率を達成するために連続的に調節することができる。

一般に、燃焼ガスをサイクル間熱交換器１０'および１０''における冷却に先立ってタービン２６内で膨張させると、陸上の用途ならびに航空の用途における海面または低高度において、性能の改善がもたらされる一方で、燃焼ガスをタービンにおける膨張に先立ってサイクル間熱交換器内で冷却することは、高所においてより良好な結果をもたらす。

図６が、図４によく似ているが、ＳＣＯ２の再加熱を取り入れている本発明の実施形態を示している。この実施形態においては、ＳＣＯ２圧縮機８から吐出される圧縮されたＳＣＯ２の流れ５が、熱交換器１００および１０１に案内され、熱交換器１００および１０１において空気タービン２６から排出された燃焼ガス１０４からの熱の伝達によって加熱され、次いで上述のようにＳＣＯ２圧縮機タービン１２'内で膨張させられる。しかしながら、ＳＣＯ２圧縮機タービン１２'における膨張の後で、或る程度膨張させられたＳＣＯ２の流れ１０２は、熱交換器１００に再び案内され、熱交換器１００において空気タービン２６から排出された燃焼ガス１０４からの熱の伝達によって再び加熱されることで、ＳＣＯ２が再加熱される。熱交換器１００から、再加熱されたＳＣＯ２の流れ１０６は、必要に応じて流れを出力タービン１２''内で膨張させられる第１の流れ１０８と、等エンタルピ膨張ノズル３４内で膨張させられる第２の流れ１１０との間で分割できるよう、上述のように分割弁３８に案内される。次いで、膨張後のＳＣＯ２の流れ１１２および１１４が、流れ１１６として組み合わせられ、熱交換器１８に案内され、熱交換器１８においてＳＣＯ２が空気圧縮機２０から排出される空気に熱を伝達することによって冷却される。この実施形態において、ＳＣＯ２をＳＣＯ２圧縮機タービン１２'における膨張後かつ出力タービン１２''における膨張前に再加熱することは、系の全体としての熱効率の約２％（予想値）の向上という利点を有する。この実施形態においては、出力タービンの軸１７からの動力が発電機９０を駆動する。しかしながら、このシステムならびに後述されるシステムを、軸動力の使用を必要とする任意の用途に使用できることを理解すべきである。

図７に示される実施形態は、燃焼装置２４からの燃焼ガス１２０が図６の実施形態のように熱交換器１００において、ＳＣＯ２圧縮機８からの圧縮されたＳＣＯ２の加熱およびＳＣＯ２圧縮機タービン１２'から排気されるＳＣＯ２の流れ１２４の再加熱の両方を行う点を除き、図３の実施形態によく似ている。

図５に示した実施形態に関連して述べたとおり、燃焼ガスが熱交換器１００および１０１に案内される前に空気タービン２６内で膨張させられる図６の動作から、燃焼ガスが空気タービン２６における膨張に先立って熱交換器１００および１０１に案内される図７の動作に動作を移行させることができるよう、弁を図６または７に示した実施形態の流路に組み込むことができる。あるいは、システムが両方のモードで同時に動作するように、２つのモードの間の分割を最適な性能が達成されるように必要に応じて変化させつつ、弁を動作させることができる。

図６の実施形態との類似性を有している図８に示した実施形態においては、ＳＣＯ２圧縮機８から吐出される圧縮されたＳＣＯ２の流れ５が、熱交換器１５０および１３０内で順に加熱され、加熱後のＳＣＯ２が、上述のようにＳＣＯ２圧縮機タービン１２'内で膨張させられる。熱交換器１３０においては、熱が、上述のように空気タービン２６から排気される燃焼ガス１４８からＳＣＯ２に伝達される。しかしながら、この実施形態においては、熱交換器１３０から出る或る程度冷却された燃焼ガス１５２が、再加熱燃焼装置１４０において燃料制御部１４２の動作のもとで燃焼ガス中で追加の燃料を燃焼させることによって再加熱される。次いで、再加熱燃焼装置１４０からの再加熱後の燃焼ガス１４６が、ＳＣＯ２圧縮機タービン１２'から排出されるＳＣＯ２を出力タービン１２''における膨張（あるいは、ノズル３４における膨張）に先立って加熱する熱交換器１４４に案内される。次いで、熱交換器１４４から排出される燃焼ガス１５４は、熱交換器１５０に案内されてＳＣＯ２圧縮機の吐出５に熱を伝達し、その後に燃焼ガス１５６は、大気に排出される。この構成は、再加熱のないシステムの全体としての熱効率を約２％（予想値）向上させるという利点をやはり有する。

図７の実施形態との類似性を有する図９に示される実施形態においては、ＳＣＯ２圧縮機８から吐出される圧縮されたＳＣＯ２の流れ５が、熱交換器１５０および１３０内で順に加熱され、加熱されたＳＣＯ２が、上述のようにＳＣＯ２圧縮機タービン１２'内で膨張させられる。熱交換器１３０において、熱が、上述のように燃焼装置２４からの燃焼ガス１７６からＳＣＯ２に伝達される。しかしながら、熱交換器１３０から出る或る程度冷却された燃焼ガス１７８は、再加熱燃焼装置１４０において燃料制御部１４２の動作のもとで燃焼ガス中で追加の燃料を燃焼させることによって再加熱される。再加熱燃焼装置１４０からの再加熱後の燃焼ガス１８０が、ＳＣＯ２圧縮機タービン１２'から排出されるＳＣＯ２を、出力タービン１２''における膨張（あるいは、ノズル３４における膨張）に先立って加熱する熱交換器１４４に案内される。次いで、燃焼ガス１８２は、熱交換器１５０に案内されてＳＣＯ２圧縮機の吐出５に熱を伝達し、その後に燃焼ガス１８４は、空気タービン２６内で膨張させられ、その後に燃焼ガス１８６が大気に排出される。この構成は、再加熱のないシステムの全体としての熱効率を約２％（予想値）向上させるという利点を有する。

図５に示した実施形態に関連して説明したとおり、動作を図８の動作から図９の動作に移行させることができるように、弁を図８または９に示した実施形態の流路に組み込むことができる。あるいは、システムが両方のモードで同時に動作するように、２つのモード間の分割を最適な性能が達成されるように必要に応じて変化させつつ弁を動作させることができる。

図１０に示される実施形態は、空気タービン２６内で膨張させられた燃焼ガス２０２が大気に排出される前に水ボイラ２００に案内される点を除き、図９に示した実施形態によく似ている。水ボイラ２００は、燃焼ガスから水２０６に熱を伝達することによって蒸気２０８を生成する。蒸気２０８は、熱交換器２１０に案内され、熱交換器２１０において、熱交換器１８への導入に先立って、出力タービン１２''（または、膨張ノズル３４）によって膨張させられたＳＣＯ２の流れ２０４からの熱の伝達によって過熱される。次いで、過熱された蒸気２１２が燃料とともに燃焼装置２４に注入されることで、熱交換器１３０、１４４、および１５０、ならびに空気タービン２６を通って案内される燃焼ガス２１６の質量流量が増やされる。蒸気２１２を燃焼装置２４に注入することで、所与の燃焼装置出口温度を達成するために必要な燃料が多くなるが、水ボイラ２００によって空気タービンの排ガス２０２から回収される追加の熱がサイクルに戻されるがゆえに、効率は向上する。燃焼装置への蒸気の注入により、汚染物質であるＮＯｘの生成を減らすこともできる。

図１１が、電力および、例えば地域暖房のための高温水の両方が生成される本発明の実施形態を示している。この実施形態においては、熱が、すでに述べたように空気圧縮機２０から吐出される圧縮された空気１３'の温度を、熱交換器１８への導入に先立って下げるための空気側冷却装置２２に供給される周囲水２２８に伝達される。次いで、空気側冷却装置２２から排出されるわずかに加熱された水２３０が、直列に接続された第１および第２のＳＣＯ２圧縮機８'および８''の間に配置されたＳＣＯ２中間冷却装置２２０に案内される。或る程度まで圧縮されたＳＣＯ２の流れ２２２が、第１の圧縮機８'からＳＣＯ２中間冷却装置２２０に案内され、中間冷却装置２２０において、熱が、或る程度まで圧縮されたＳＣＯ２から到来する水２３０に伝達される。冷却後に、第１の圧縮機８'から吐出された冷却後のＳＣＯ２の流れ２２４は、第２の圧縮機８''に案内され、圧縮機８''において所望の値に圧縮される。この実施形態においては、ＳＣＯ２中間冷却装置２２０から排出された加熱後の水２３２を、好都合に暖房の目的に使用することができる。

圧縮機段間の冷却の利点は、圧縮機の吐出において所望の圧力比を達成するために必要な仕事の量が少なくて済むがゆえに、周知であることに注意すべきである。図１１に示した実施形態においては、ＳＣＯ２中間冷却装置２２０が、圧縮機段間のＳＣＯ２の流れ２２２の温度を超臨界温度のすぐ上まで下げるように設計され、これは所望の圧力を達成するために必要な力のほぼ２５％の削減をもたらすと予想される。さらに、ＳＣＯ２の特徴的な中間冷却装置の入口および出口温度が、熱および動力の組み合わせの実施の一部としての水の加熱に役立つ。空気側冷却装置２２における水２２８の加熱は、例えば一実施形態において空気側冷却装置２２において伝達される熱が１Ｋｇ／ｓのＳＣＯ２の質量流量につき約１３ｋＷにすぎないため、水の温度をわずかに上昇させるにすぎない。ＳＣＯ２圧縮機８'および８''によって行われる仕事の割合を変える（換言すると、圧力比の比を変える）ことによって、ＳＣＯ２中間冷却装置２２０において引き出される熱の量を、例えば１Ｋｇ／ｓにつき２０ＫＷから１Ｋｇ／ｓにつき約１５０ＫＷに変化させることができる。したがって、水に伝達される熱の量を、熱伝達生成動力とほぼ同じにすることができる。これは、伝統的な熱および動力の組み合わせのシステムと大きく異なる。なぜならば、伝統的な熱および動力の組み合わせのシステムは、一般に電気の約２倍の熱を生成するからである。図１１に示したシステムの一実施形態においては、空気側冷却装置２２から排出された水２３０がＳＣＯ２中間冷却装置２２０に流れ、ＳＣＯ２中間冷却装置２２０においてＳＣＯ２の温度を約３０５°Ｋの臨界温度の近くまで下げるために最大約１５０ＫＷが引き出される。ＳＣＯ２中間冷却装置２２０における熱伝達により、ＳＣＯ２中間冷却装置２２０から排出される水２３２の温度が、暖房および冷房（トリジェネレーション）の用途にきわめて適した約１６０°Ｆに高められる。

ＳＣＯ２中間冷却装置２２０が圧縮機８''から吐出されるＳＣＯ２の流れ２２６の温度の低下を引き起こし、したがってＳＣＯ２タービン１２'における所望の入口温度を達成するために、圧縮機の吐出の流れに入力される熱の量を増やす必要が生じ、必然的に燃焼装置２４内で燃やされる燃料の量を増やす必要が生じることにも、注意すべきである。しかしながら、この場合には、ＳＣＯ２のための熱源が燃焼装置２４からの燃焼ガスの流れであり、したがってＳＣＯ２圧縮機の吐出の温度が下がっても、単に空気タービン２６から大気に排気される燃焼ガスの温度が下がるだけであり、燃焼装置２４への燃料の流れをほとんどまたはまったく増やす必要がない。図１１に示される実施形態は、高い効率で暖房用の高温水および電気を同時に提供することができ、したがって９０％程度の全体としての熱効率が期待される。

図１１の実施形態は、燃焼装置２４からの燃焼ガスが最初に膨張のためにタービン２６に案内され、その後に熱交換器１３０に案内されるシステムにおいて説明されているが、本発明は、例えば図３に示した実施形態において示されているように、燃焼装置からの燃焼ガスを最初に熱交換器１３０に案内し、その後に燃焼ガスをタービン２６に案内することによっても実施することができる。

図１２が、真空サイクルを使用する熱および動力の組み合わせのシステムに適用された本発明の別の実施形態を示している。大気、すなわち周囲温度および周囲圧力の空気３００が、サイクル間熱交換器３１６に引き込まれ、サイクル間熱交換器３１６においてＳＣＯ２出力タービン１２''から排出された膨張後のＳＣＯ２の流れ３１８から熱を吸収することで、ＳＣＯ２圧縮機８に案内されるＳＣＯ２の流れ３１７を臨界温度に近付くように冷却する。次いで、熱交換器３１６からの加熱された空気３０１は、燃焼装置３０２内で化石燃料（図示せず）を燃焼させることによってさらに加熱される。次いで、得られた燃焼ガス３０３が、タービン３０４内で周囲圧力未満に膨張させられ、膨張後のガス３０５が、サイクル間熱交換器３０６および３０８に案内され、サイクル間熱交換器３０６および３０８内でＳＣＯ２圧縮機８から吐出された圧縮されたＳＣＯ２の流れ３２２に熱を伝達する。図１２においては直列な２つのサイクル間熱交換器が示されているが、本発明を、ただ１つの熱交換器または直列な３つ以上の熱交換器を使用して実施してもよい。次いで、加熱されたＳＣＯ２の流れ３２０が、すでに述べたようにタービン１２'および１２''内で膨張させられ、ＳＣＯ２圧縮機８および、例えば発電機９０を駆動するための軸動力を発生させる。この実施形態ならびに後述される図１３に示される実施形態は、圧縮機入口に戻されるＳＣＯ２の流れ３１７を冷却するために、サイクル間熱交換器３１６における冷却用流体として圧縮機の吐出空気ではなくて大気３００を使用するため、サイクル間熱交換器に案内される空気を冷却するために図１１に示される冷却装置２２などの冷却装置を使用する必要がなく、したがってサイクルからの熱の喪失が回避される。

熱交換器３０６および３０８から、冷却された燃焼ガス３０９が、周囲温度であってよい水３１１が供給される水加熱装置３１０に導かれる。水加熱装置３１０において、熱が燃焼ガス３０９から水３１１に伝達され、加熱された水３１５が排出される。好都合には、加熱された水を、例えば地域暖房または加熱された水を利用する任意の用途に使用することができる。水加熱装置３１０から排出される冷却された燃焼ガス３１２は、燃焼ガス３１４を大気に排出できるよう、燃焼ガスの圧力を周囲圧力よりも高くする圧縮機３１３に案内される。

図１３は、真空サイクルを２つのＳＣＯ２サイクルとともに使用する熱および動力の組み合わせのシステムに適用された本発明の別の実施形態を示している。上述のように、大気３００がサイクル間熱交換器３１６に引き込まれ、サイクル間熱交換器３１６においてＳＣＯ２出力タービン１２''から排出された膨張後のＳＣＯ２の流れ３１８から熱を吸収することで、ＳＣＯ２圧縮機８に案内されるＳＣＯ２の流れ３１７を臨界温度に近付くように冷却する。次いで、熱交換器３１６からの加熱された空気３０１は、上述のように燃焼装置３０２内で化石燃料（図示せず）を燃焼させることによってさらに加熱される。次いで、得られた燃焼ガス３０３は、図１２の実施形態のようにタービンに導かれるのではなく、サイクル間熱交換器３０６および３０８に導かれる。サイクル間熱交換器３０６および３０８において、燃焼ガス３０３から、ＳＣＯ２圧縮機８から吐出された圧縮されたＳＣＯ２の流れ３２２に熱が伝達される。次いで、加熱されたＳＣＯ２の流れ３２０が、すでに述べたようにタービン１２'および１２''内で膨張させられ、ＳＣＯ２圧縮機８および、例えば発電機９０を駆動するための軸動力を発生させる。

サイクル間熱交換器３０６および３０８からの或る程度冷却された燃焼ガス３４１が、ＳＣＯ２の第２の流れが流れる第２のＳＣＯ２サイクルに熱を伝達する。具体的には、燃焼ガス３４１が、第２のサイクル間熱交換器３３６に案内され、第２のサイクル間熱交換器３３６において熱を第２のＳＣＯ２圧縮機３３４から吐出されるＳＣＯ２の流れ３３５に伝達することによってさらに冷却される。次いで、このさらに冷却された燃焼ガス３４２が、圧縮機３１３に導かれる。熱交換器における圧力降下の結果として、圧縮機の入口における燃焼ガスは、大気圧未満であると考えられる。圧縮機３１３が、燃焼ガス３１４を大気に排出できるよう、燃焼ガスの圧力を高め、大気圧よりも高くする。

第２のサイクル間熱交換器３３６から吐出される加熱されたＳＣＯ２の流れ３３７が、第２のＳＣＯ２圧縮機３３４を駆動するための軸動力を生成する第２のＳＣＯ２タービン３３０において膨張させられる。次いで、タービン３３０から排出される膨張後のＳＣＯ２の流れ３３１が、水加熱装置３９５に案内されて水３１１に熱を伝達することで、ＳＣＯ２の流れ３３３が第２のＳＣＯ２圧縮機３３４に戻される前に臨界温度の近くに冷却される。加熱された水３１５を、すでに述べたように、例えば地域暖房に好都合に使用することができる。

図１４は、真空サイクルを２つのＳＣＯ２サイクルとともに使用する熱および動力の組み合わせのシステムに適用された本発明のさらに別の実施形態を示している。大気３００が圧縮機３７０に引き込まれ、圧縮後の空気が、図１１の実施形態のように冷却装置２２において熱を水（図示せず）に伝達することによって冷却される。圧縮および冷却された空気３７３は、サイクル間熱交換器３１６に案内され、サイクル間熱交換器３１６において熱がＳＣＯ２から圧縮および冷却された空気３７３に伝達されることで、ＳＣＯ２圧縮機８に案内されるＳＣＯ２の流れ３１７が臨界温度近付くように冷却される。

次いで、熱交換器３１６からの加熱された空気３０１が、上述のように燃焼装置３０２内で化石燃料（図示せず）を燃焼させることによってさらに加熱される。次いで、得られた燃焼ガス３０３が、図１３の実施形態のようにサイクル間熱交換器３０６および３０８に案内され、サイクル間熱交換器３０６および３０８において熱が、燃焼ガス３０３から、ＳＣＯ２圧縮機８から吐出される圧縮されたＳＣＯ２の流れ３２２に伝達される。次いで、加熱されたＳＣＯ２の流れ３２０が、すでに述べたようにタービン１２'および１２''内で膨張させられ、ＳＣＯ２圧縮機８および、例えば発電機９０を駆動するための軸動力を発生させる。

サイクル間熱交換器３０６および３０８からの或る程度冷却された燃焼ガス３４１が、図１３の実施形態のように第２のＳＣＯ２サイクルに熱を伝達する。具体的には、燃焼ガス３４１が、第２のサイクル間熱交換器３３６に案内され、第２のサイクル間熱交換器３３６において熱を第２のＳＣＯ２圧縮機３３４から吐出されるＳＣＯ２の流れ３３５に伝達することによってさらに冷却される。次いで、このさらに冷却された燃焼ガス３４２が、大気に排出される。

第２のサイクル間熱交換器３３６から吐出される加熱されたＳＣＯ２の流れ３３７が、第２のＳＣＯ２圧縮機３３４および空気圧縮機３７０を駆動するための軸動力を生成する第２のＳＣＯ２タービン３３０内で膨張させられる。次いで、タービン３３０から排出される膨張後のＳＣＯ２の流れ３３１が、水加熱装置３９５に案内されて水３１１に熱を伝達することで、ＳＣＯ２の流れ３３３が第２のＳＣＯ２圧縮機３３４に戻される前に臨界温度の近くに冷却される。加熱された水３１５を、すでに述べたように、例えば地域暖房に好都合に使用することができる。

図１３の実施形態においては、空気圧縮機３１３が空気をシステムを通って「引っ張る」一方で、図１４の実施形態においては、空気圧縮機３７０が空気をシステムを通って「押す」ことを理解できるであろう。また、図１３および１４の両方の実施形態において、システムのうちの空気サイクル部分が圧縮機および燃焼装置を含むが、タービンを含まないことに注意すべきである。

図１５に示されるとおり、超臨界流体において典型的であるように、ＳＣＯ２の比熱は、臨界温度の付近で劇的に変化する。したがって、すでに述べたように、ＳＣＯ２圧縮機の入口におけるＳＣＯ２の温度を臨界温度に可能な限り近く保つことが重要である。実際、本明細書に記載の化石燃料を燃料とする二連サイクル超臨界流体−空気システムの熱効率が、ＳＣＯ２圧縮機への入口におけるＳＣＯ２の温度がわずか数ケルビン変化するだけで数％程度も変化しうることが、明らかになっている。残念ながら、ガスタービンシステムにおいて温度を測定するために典型的に使用される熱電対の確度は、典型的には数ケルビンにすぎない。したがって、本発明の一態様によれば、ＳＣＯ２圧縮機の入口におけるＳＣＯ２の温度をより正確に測定するための方法が提供される。

図１６が、ＳＣＯ２圧縮機の入口に流入するＳＣＯ２の温度を測定するための本発明による装置の一実施形態を示している。バイパス導管４０２が、ＳＣＯ２の流れ４１２をＳＣＯ２圧縮機の入口に導く主導管４００に接続される。ＳＣＯ２のバイパス流４１４が、バイパス導管４０２を通過して流動する。圧電式または他の適切な形式などの圧力センサ４０４が、バイパス導管４０２に組み込まれて、バイパス導管におけるＳＣＯ２の静圧を測定する。熱電対または他の種類の温度センサであってよい上流および下流のそれぞれの温度センサ４０６および４０８が、熱源４１０の各側に設置される。電気コイルまたはセラミックヒータなどの熱源４１０が、既知の量の熱をＳＣＯ２のバイパス流４１４に導入する。好ましくは、温度センサ４０６および４０８が、約１／２ｍ離れている。

両方のセンサが同じ全温度を測定するように、熱源４１０が熱を生成していないときに両方の温度センサ４０６および４０８において同時にＳＣＯ２の温度を測定することによって、温度センサを、２つの温度センサ間のずれを補償すべく補正することができる。次いで、温度の測定が、熱源４１０によってＳＣＯ２の流れに既知の量の熱を導入しながら繰り返される。ＳＣＯ２の比熱を、分析によって推論できる、導管４０２を通るＳＣＯ２の質量流量を考慮に入れつつ、温度センサ４０６および４０８の間で温度の上昇を比較することによって割り出すことができる。次いで、この比熱を、センサ４０４によって測定される静圧における比熱−温度のデータと比較することによって、主導管４００を流れるＳＣＯ２の温度を正確に割り出すことができる。

図１７に示されるように、ＳＣＯ２における音速は、臨界点の付近で劇的に変化する。結果として、流体における音速を計算し、測定された音速を圧力および音速の関数としてのＳＣＯ２の温度と相互参照することによって、ＳＣＯ２の温度を割り出すこともできる。したがって、ＳＣＯ２圧縮機の入口に向けられるＳＣＯ２の温度を測定するための別の装置が、図１８に示される。導管５００が、ＳＣＯ２圧縮機の入口に向けられたＳＣＯ２の流れ５０２を運んでいる。図１６に示した圧力センサ４０４などの圧力センサが、導管５００におけるＳＣＯ２の圧力を測定するために使用される。圧電トランスデューサなどの２つのトランスデューサ５０４および５０６が、互いに向かい合わせに導管５００に取り付けられる。トランスデューサ５０４が、送信トランスデューサであり、トランスデューサ５０６が、受信トランスデューサである。本発明によれば、トランスデューサ５０４が、ＳＣＯ２の流れ５０２を通って伝わってトランスデューサ５０６によって受信される音波パルス５０８を生成する。トランスデューサ５０４による音波パルス５０８の送信とトランスデューサ５０６によるパルスの受信との間の経過時間を測定し、トランスデューサ間の距離を考慮に入れることによって、ＳＣＯ２の音速を割り出すことができる。さらに、音波の横断距離が、管の直径および信号の期間の間に流れが管を下って移動しなければならない距離の平方和に等しいという事実を考慮することによって、導管５００を通るＳＣＯ２の速度を補償する調節を行うことができる。具体的には、流速を、例えば図１に示される流量計３２を使用してＳＣＯ２の流量を測定し、測定された流量を導管の内径によって割り算することによって割り出すことができる。測定されたＳＣＯ２の圧力および計算された音速を、図１７に示されるような測定された圧力における音速−温度のデータと相互参照することにより、ＳＣＯ２の温度を正確に割り出すことができる。

使用される方法にかかわらず、好ましくは、ＳＣＯ２の温度は、圧縮機２０の入口の１／２ｍの範囲内で測定される。

温度の測定方法を、軸動力を発生させるための化石燃料を燃料とする二連サイクル超臨界流体−空気システムに関連して上述したが、この方法が、原子力または太陽エネルギーによる熱源と併せて使用されるＳＣＯ２システムなどの他の超臨界流体システムにも同様に適用可能であることを理解すべきである。

すでに述べたように、あらゆるＳＣＯ２サイクルの実現への一課題は、超臨界の状態を達成するためにきわめて高い圧力（例えば、７．０ＭＰａ超）が必要であるがゆえに生じる。ＳＣＯ２タービンにおけるそのような高い圧力は、タービンから被駆動の負荷に延びる軸のシールを困難にする。すでに述べたように、１つの手法は、被駆動の負荷をＳＣＯ２タービンの圧力容器に組み込むことである。例えば、図６の実施形態における発電機９０を、シールが困難な回転軸を圧力容器の壁を貫いて延ばす必要がないように、ＳＣＯ２出力タービンの圧力容器の内部に備えることが可能である。しかしながら、上述のように、このような手法は、ターボプロップなどの被駆動の負荷をＳＣＯ２圧力容器の内部に備えることができない状況には適用することができない。さらに、この手法は、たとえ適用可能であっても、発電機の場合のように、欠点を抱えている。

本発明の一態様によれば、圧力容器を貫く軸をシールする必要なくＳＣＯ２タービンの圧力容器の境界を超えて軸動力を伝達するための手段が提供される。図１９〜図２３に示されるとおり、渦電流トルク継手または誘導継手３６が、ＳＣＯ２出力タービン１２''によって駆動される軸１７から、例えば発電機またはターボプロップを駆動する軸５８に力を伝えるために使用される。トルク継手３６の入力軸である軸１７が、軸受６２２に支持されてＳＣＯ２出力タービンのハウジング６１８内で回転する。誘導ロータ６１４が軸１７に取り付けられ、軸１７と一緒に回転する。誘導ロータ６１４は、銅またはアルミニウムなどの透磁性材料から作られている。

ハウジング６１８に取り付けられた圧力膜６１２が、ＳＣＯ２をハウジング内に封じている。本発明の好ましい実施形態においては、圧力膜６１２が球状の湾曲を有しており、ハウジング６１８内のＳＣＯ２の高圧が球面の外側に存在している。これにより、膜６１２は圧縮下に置かれ、したがって引張強度よりも大幅に大きい圧縮強度を有する材料を使用することができ、したがって膜を比較的薄くすることができる。膜６１２が薄いことで、電機子６２４、６２６と誘導ロータ６１４との間のすき間が最小限になり、したがってより大きいトルクを伝達することができる。本発明の特に好ましい実施形態においては、圧力膜６１２が、例えば優秀な圧縮強度を有するチッ化ケイ素などのセラミック材料から作られる。

ハウジング６１８は、入口マニホールド６０４に連通した入口ポート６０２と、出口マニホールド６０８に連通した出口ポート６１０とを有している。通路６０６が、入口および出口マニホールド６０４および６０８をつないでいる。

トルク継手３６の出力軸である軸５８が、軸受６３０および６３２によって支持された電機子ハウジング６１６内で回転する。電機子アセンブリが、軸５８に接続されている。電機子アセンブリは、南向きの磁極を有する第１の電機子６２４と、第１の電機子の南向きの極と交互配置される北向きの磁極を有する第２の電機子６２６とを支持するボルト６４０を有している。第１および第２の電機子６２４および６２６は、好ましくは、例えばスーパーマロイなどの任意の適切な常磁性体から作製される。ネオジム磁石などの永久磁石６２８が、電機子６２４および６２６の径方向内側においてボルト６４０上に支持されている。磁石６２８は、電機子６２４および６２６の交番する極間を延びる磁束を生成する。

出力軸５８に接続された永久磁石６２８と、入力軸１７に接続された誘導ロータ６１４の透磁性材料との間の相対回転が、磁束の変化率を生じさせ、誘導ロータに渦電流をもたらす。この電流が、磁束の変化に対抗する対向磁束を生み出し、したがって圧力膜６１２を横切って電機子６２４および６２６にトルクを伝達するように機能する。しかしながら、２つの軸の間には滑りが存在し、出力軸５８が入力軸１７よりもゆっくりと回転する。入力軸１７から出力軸５６に圧力膜を横切って伝達されるトルクは、ロータの速度の差が約８０〜１００ＲＰＭであるときにピークに達する。

あるいは、誘導ロータの中実材料の代わりに、コイルを使用することができ、その場合には、ステータおよびロータの両方が回転すると考えられる。結果として、滑りに関する損失を電流として捕まえることができる。この手法は、電流を非回転の構造体に伝えるためにブラシシステムを必要とすると考えられる。さらに、コイルを使用し、コイル回路における抵抗を変化させることによって、伝えられるトルクを変化させることができ、これは動的な制御に有用となりうる。

誘導ロータ６１４に生じる渦電流は、熱を発生させる。図３に示した実施形態に関連して上述したように、本発明の一実施形態においては、弁５１が、ＳＣＯ２圧縮機の吐出４８のうちの一部分５２を、冷却の目的で渦電流継手３６に案内する。特に、図１９〜図２３に示されるように、冷却用のＳＣＯ２の流れ５２が、ハウジング６１８の入口ポート６０２を通って導かれ、環状のマニホールド６０４を通過して流動する。マニホールド６０４から、ＳＣＯ２の流れ５２は、入口マニホールド６０４を出口マニホールド６０８に接続するハウジング６１８を巡って周方向に間隔を開けつつ並べられた一連の通路６０６を通過して流動する。一連の羽根６５０が、誘導ロータ６１４からＳＣＯ２の流れ５２への熱の伝達を助けるために、通路６０６の周囲に分布している。冷却用のＳＣＯ２の流れ５２が、通路６０６を通過して流動するときに熱を吸収し、これによって誘導ロータ６１４を冷却する。出口マニホールド６０８を出た後で、今や加熱された冷却用のＳＣＯ２の流れ５４は、出口ポート６１０を介してハウジング６１８を出る。図３に示されるように、渦電流トルク継手３６から排出されたＳＣＯ２の流れ５４は、熱交換器１０'を通って流れ、熱交換器１０'において、ＳＣＯ２出力タービン１２'において膨張させられるＳＣＯ２の流れ５６に熱を伝達する。

渦電流継手３６を冷却すべくもたらされる冷却用のＳＣＯ２の量を制御する図３に示されている弁５１を、制御のフィードバックのために熱交換器１０''を出るＳＣＯ２の流れ５３の温度、および渦電流継手３６を出る加熱された冷却用のＳＣＯ２の流れ５４の温度を測定する温度プローブを使用してリアルタイムで制御することができる。目的は、組み合わせられたときに熱交換器１０'の適切な動作を可能にする適切な「混合された」温度を有するように、適切な温度の２つの流れを発生させることにある。

このように、本発明の一実施形態によれば、渦電流継手３６から取り除かれなければならない、渦電流によって生じた熱が、系から失われることなく、ＳＣＯ２出力タービン１２'において膨張させられる圧縮機から吐出されたＳＣＯ２の一部分を予熱するために用いられる。出力タービン１２'を、渦電流継手３６における動力の損失を補うようなサイズにしなければならないが、そのような動力の損失は熱の発生をもたらし、発生した熱はシステムによって完全に回収される。

トルクの伝達方法を、軸動力を発生させるための化石燃料を燃料とする二連サイクル超臨界流体−空気システムに関連して上述したが、この方法が、原子力または太陽エネルギーによる熱源と併せて使用されるＳＣＯ２システムなどの他の超臨界流体システムにも同様に適用可能であることを理解すべきである。

このように、本発明を、特定の具体的な実施形態を参照することによって説明したが、当業者であれば、以上の開示から、多数の変種も採用できることを理解できるであろう。したがって、本発明を、本発明の技術的思想または本質的特性から外れることなく、他の具体的形態にて具現化でき、したがって本発明の技術的範囲を示すものとして、以上の明細書よりはむしろ添付の特許請求の範囲を参照しなければならないことを理解すべきである。

Claims (21)

1. 空気サイクルと超臨界流体サイクルとを有するシステムにおいて軸動力を生成する方法であって、
   ａ）化石燃料を空気中で燃焼させて燃焼ガスを生成する工程と、
   ｂ）前記燃焼ガスを少なくとも第１のタービン内で膨張させて膨張燃焼ガスを生成する工程であって、前記燃焼ガスの前記膨張によって軸動力が発生するものである、前記膨張燃焼ガスを生成する工程と、
   ｃ）超臨界流体を第１の圧縮機内で圧縮する工程と、
   ｄ）前記圧縮された超臨界流体の少なくとも一部分を第１のサイクル間熱交換器を通過するように流動させるとともに、前記燃焼ガスを前記第１のサイクル間熱交換器を通過するように流動させることにより、前記燃焼ガスから発生する熱を前記圧縮された超臨界流体に伝達して加熱され圧縮された超臨界流体を生成する工程と、
   ｅ）前記加熱され圧縮された超臨界流体の少なくとも一部分を第２のタービン内で膨張させて膨張超臨界流体を生成する工程であって、前記超臨界流体の前記膨張によってさらなる軸動力が発生するものである、前記膨張超臨界流体を生成する工程と、
   ｆ）前記膨張臨界流体の少なくとも第１の部分を第３のタービン内でさらに膨張させる工程であって、前記膨張臨界流体の前記さらなる膨張により、さらなる軸動力が発生するものであって、前記第３のタービンは第１の軸を駆動するものである、前記さらに膨張した超臨界流体を生成する工程と、
   ｇ）前記第１の軸から発生するトルクを該第１の軸と第２の軸との間の接触なしに渦電流継手を介して該第２の軸に伝達する工程と、
   ｈ）前記圧縮された超臨界流体の一部分を前記渦電流継手に対して流動させることにより、前記継手を冷却し、前記圧縮された超臨界流体の前記一部分を加熱する工程と、
   ｉ）前記圧縮され、加熱された超臨界流体の前記一部分を前記渦電流継手から前記第１のサイクル間熱交換器に流動させる工程と、
   ｊ）前記空気中での前記化石燃料の燃焼に先立って前記膨張超臨界流体の少なくとも一部分を第２のサイクル間熱交換器を通過するように流動させるとともに、前記空気を前記第２のサイクル間熱交換器を通過するように流動させることにより、前記膨張超臨界流体から発生する熱を前記空気に伝達する工程と
   を有する方法。
2. 請求項１記載の方法において、前記燃焼ガスを前記第１のサイクル間熱交換器を通過するように流動させる工程は、１）前記燃焼ガスを前記第１のタービン内で膨張させる工程の後で実行されるか、または、２）前記燃焼ガスを前記第１のタービン内で膨張させる工程よりも前に実行されるものである方法。
3. 請求項１記載の方法において、前記燃焼ガスの第１の部分は、前記燃焼ガスを前記第１のタービン内で膨張させる工程よりも前に前記第１のサイクル間熱交換器を通過して流動し、前記燃焼ガスの第２の部分は、前記燃焼ガスを前記第１のタービン内で膨張させる工程の後で前記第１のサイクル間熱交換器を通過して流動するものである方法。
4. 請求項１記載の方法において、前記超臨界流体は、超臨界二酸化炭素を有するものである方法。
5. 請求項１記載の方法において、さらに、
   水を供給する工程と、
   前記膨張燃焼ガスから発生する熱を前記水に伝達して蒸気を生成する工程と
   を有するものである方法。
6. 請求項１記載の方法において、さらに、
   前記超臨界流体を前記第１の圧縮機内で圧縮する工程の間、中間冷却する工程を有するものである方法。
7. 請求項６記載の方法において、前記超臨界流体を前記第１の圧縮機内で圧縮する工程の間、中間冷却する工程は、前記超臨界流体を中間冷却熱交換器を通過するように流動させるとともに、水を前記中間冷却熱交換器を通過するように流動させることにより、前記超臨界流体から発生する熱を前記水に伝達して、前記超臨界流体を冷却し、前記水を加熱する工程を有するものである方法。
8. 請求項１記載の方法において、さらに、
   前記工程（ｃ）において、前記第１の圧縮機に対して前記超臨界流体を流動させて前記超臨界流体を前記第１の圧縮機内に流入させ、前記第１の圧縮機内で圧縮する工程を有するものである方法。
9. 請求項８記載の方法において、さらに、
   前記第１の圧縮機内に流入する前記超臨界流体の温度を制御する工程を有するものである方法。
10. 請求項８記載の方法において、前記第１の圧縮器は前記超臨界流体を受け入れるための入口を有し、さらに、
    前記第１の圧縮機の前記入口の付近において前記超臨界流体の流体温度を測定する工程を有するものである方法。
11. 請求項１０記載の方法において、前記超臨界流体の前記流体温度を測定する工程は、前記超臨界流体の音速を決定する工程を有するものである方法。
12. 請求項１記載の方法において、前記燃焼ガスを前記第１のサイクル間熱交換器を通過するように流動させることにより、前記燃焼ガスから発生する熱を前記圧縮された超臨界流体に伝達する工程により前記燃焼ガスが冷却され、冷却された燃焼ガスが生成され、
    該方法は、さらに、
    前記冷却された燃焼ガスから発生する熱を水の流れに伝達して前記水の流れを加熱する工程を有するものである方法。
13. 請求項１記載の方法において、前記超臨界流体の前記膨張による前記軸動力の少なくとも一部分が前記第１の圧縮機を駆動するものである方法。
14. 請求項１記載の方法において、前記膨張臨界流体の少なくとも前記第１の部分を前記第３のタービン内でさらに膨張させる工程は、前記超臨界流体に対して、該超臨界流体を前記第２のサイクル間熱交換器に流動させる前に実行されるものである方法。
15. 請求項１記載の方法において、さらに、
    前記膨張超臨界流体の第２の部分をノズル内で膨張させる工程を有し、前記膨張超臨界流体の前記第２の部分は、前記第３のタービンを迂回するものである方法。
16. 請求項９記載の方法において、前記第１の圧縮機に流入する前記超臨界流体の前記温度を制御する工程は、前記第２のサイクル間熱交換器に対して流動する前記空気の温度を制御する工程を有するものである方法。
17. 請求項１６記載の方法において、前記第２のサイクル間熱交換器に対して流動する前記空気の温度を制御する工程は、前記空気を冷却装置を通過するように流動させる工程を有するものである方法。
18. 超臨界流体サイクルと空気サイクルとを有するシステムにおいて軸動力を生成するための方法であって、
    ａ）化石燃料を空気中で燃焼させて燃焼ガスを生成する工程と、
    ｂ）超臨界流体を第１の圧縮機内で圧縮する工程と、
    ｃ）前記燃焼ガスから発生する熱を前記圧縮された超臨界流体に伝達して、冷却された燃焼ガスと、加熱され圧縮された超臨界流体とを生成する工程と、
    ｄ）前記加熱され圧縮された超臨界流体の少なくとも一部分を第１のタービン内で膨張させて膨張超臨界流体を生成する工程であって、前記超臨界流体の前記膨張によって軸動力が発生するものである、前記膨張超臨界流体を生成する工程と、
    ｅ）前記膨張超臨界流体を前記第１の圧縮機に戻す工程と、
    ｆ）前記膨張超臨界流体から発生する熱を前記空気に伝達することにより前記超臨界流体を前記超臨界流体の臨界温度の±２°Ｋの範囲内に冷却する工程であって、該工程は、前記化石燃料を前記空気中で燃焼させる工程の前かつ前記超臨界流体を前記第１の圧縮機に戻す工程の前に実行されるものである、前記冷却する工程と
    を有する方法。
19. 請求項１８記載の方法において、さらに、
    前記燃焼ガスを第２のタービン内で膨張させてさらなる軸動力を発生させる工程を有するものである方法。
20. 請求項１９記載の方法において、前記燃焼ガスを第２のタービン内で膨張させてさらなる軸動力を発生させる工程は、前記燃焼ガスから発生する熱を前記圧縮された超臨界流体に伝達する工程よりも前に実行されるものである方法。
21. 請求項１９記載の方法において、前記燃焼ガスを第２のタービン内で膨張させてさらなる軸動力を発生させる工程は、前記燃焼ガスから発生する熱を前記圧縮された超臨界流体に伝達する工程の後で実行されるものである方法。

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