特許 6865764 長航続時間無人潜水機用の改良ＣＯ２サイクル、及びそれにより得られるチャープ音響機能

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6865764

(24)【登録日】2021年4月8日

(45)【発行日】2021年4月28日

(54)【発明の名称】長航続時間無人潜水機用の改良ＣＯ２サイクル、及びそれにより得られるチャープ音響機能

(51)【国際特許分類】

   F01K 25/10 20060101AFI20210419BHJP

   B63C 11/00 20060101ALI20210419BHJP

   B63C 11/48 20060101ALI20210419BHJP

   F01D 15/10 20060101ALI20210419BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20210419BHJP

【ＦＩ】

   F01K25/10 E

   B63C11/00 B

   B63C11/48 D

   F01D15/10 B

   F01D25/00 V

【請求項の数】24

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2018-546519(P2018-546519)

(86)(22)【出願日】2016年11月17日

(65)【公表番号】特表2019-512636(P2019-512636A)

(43)【公表日】2019年5月16日

(86)【国際出願番号】US2016062518

(87)【国際公開番号】WO2017176316

(87)【国際公開日】20171012

【審査請求日】2018年9月3日

(31)【優先権主張番号】15/091,415

(32)【優先日】2016年4月5日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】503455363

【氏名又は名称】レイセオン カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100091214

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 進介

(72)【発明者】

【氏名】ヘイネン，グレゴリー ダブリュ．

【審査官】 中村 大輔

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００９１９４２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００１３６９１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｋ ２５／１０

Ｆ０１Ｄ １５／１０

Ｆ０１Ｄ ２５／００

Ｂ６３Ｃ １１／００

Ｂ６３Ｃ １１／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

二酸化炭素サイクル発電システムであって、
二酸化炭素の第１の部分を貯蔵するように構成された第１の二酸化炭素貯蔵部と、
前記二酸化炭素の第２の部分を貯蔵するように構成された第２の二酸化炭素貯蔵部と、
タービンを通るように前記二酸化炭素の少なくとも一部の流れを選択的に導くように構成された二酸化炭素移送接続と
を有し、
当該二酸化炭素サイクル発電システムは、前記タービンを通る前記二酸化炭素の前記少なくとも一部の前記流れを作り出す際に、水圧及び水温の一方又は双方を使用するために、異なる水深の間を循環するとともに前記二酸化炭素移送接続を制御するように構成され、
前記第１及び第２の二酸化炭素貯蔵部の各々が、
可動ピストンを含んだ可変容積水圧シリンダと、
前記可変容積水圧シリンダの一部に対して水が入る又は出て行くことを選択的に可能にするように構成された注水口／排水口制御バルブと
を有する、
二酸化炭素サイクル発電システム。

【請求項2】

当該二酸化炭素サイクル発電システムは、
当該二酸化炭素サイクル発電システムが指定の水深にあるときに、前記可変容積水圧シリンダの一方の前記一部に入ることを許された水が、前記二酸化炭素の前記第１及び第２の部分のうちの一方を、前記二酸化炭素の前記第１及び第２の部分のうちの他方よりも加圧するように、
構成される、請求項１に記載の二酸化炭素サイクル発電システム。

【請求項3】

前記二酸化炭素移送接続は、２つの移送制御バルブを有し、前記可変容積水圧シリンダの上端同士を接続する、請求項１に記載の二酸化炭素サイクル発電システム。

【請求項4】

前記第１及び第２の二酸化炭素貯蔵部のうちの少なくとも一方は、前記二酸化炭素の前記第１及び第２の部分の少なくとも一方と周囲の水との間の熱伝達を抑制するように構成された断熱ウォータージャケット付きタンクを有する、請求項１に記載の二酸化炭素サイクル発電システム。

【請求項5】

前記二酸化炭素の前記第１及び第２の部分のうちの一方又は双方が、二酸化炭素の液体及び二酸化炭素の気体を有する、請求項１に記載の二酸化炭素サイクル発電システム。

【請求項6】

請求項１に記載の二酸化炭素サイクル発電システムを含んだ無人潜水機（ＵＵＶ）であって、前記二酸化炭素サイクル発電システムは、当該ＵＵＶの動作に電力供給するために当該ＵＵＶ内の１つ以上のバッテリに貯蔵される電力を生成するように構成される、ＵＵＶ。

【請求項7】

前記注水口／排水口制御バルブは、前記可動ピストンより下に位置し、
前記注水口／排水口制御バルブは、前記可動ピストンより下の前記可変容積水圧シリンダの下部に対して水が入る又は出て行くことを選択的に可能にするように構成される、
請求項１に記載の二酸化炭素サイクル発電システム。

【請求項8】

二酸化炭素サイクル発電システムであって、
二酸化炭素の第１の部分を貯蔵するように構成された第１の二酸化炭素貯蔵部と、
前記二酸化炭素の第２の部分を貯蔵するように構成された第２の二酸化炭素貯蔵部と、
タービンを通るように前記二酸化炭素の少なくとも一部の流れを選択的に導くように構成された二酸化炭素移送接続であり、当該二酸化炭素サイクル発電システムが、前記タービンを通る前記二酸化炭素の前記少なくとも一部の前記流れを作り出す際に、水圧及び水温の一方又は双方を使用するために、異なる水深の間を循環するとともに当該二酸化炭素移送接続を制御するように構成される、二酸化炭素移送接続と、
前記二酸化炭素移送接続に結合された２キャリアチャープ通信システムであり、当該２キャリアチャープ通信システムは、前記タービンを通る前記二酸化炭素の前記少なくとも一部の前記流れのパルス波を第１のキャリアとして使用し、且つ、前記第１のキャリアと結合されるか前記第１のキャリアとインターリーブされるかの一方であるチャープ信号を第２のキャリア上に生成して、出力圧力パルス通信信号を生成するように構成される、２キャリアチャープ通信システムと、
を有する二酸化炭素サイクル発電システム。

【請求項9】

前記２キャリアチャープ通信システムは、前記タービンを通る前記二酸化炭素の前記少なくとも一部の前記流れに結合される圧力パルス共振器と、該圧力パルス共振器に隣接した周波数共振器の環状アレイと、該周波数共振器の環状アレイの外部のヘルムホルツ共振器とを有する、請求項８に記載の二酸化炭素サイクル発電システム。

【請求項10】

請求項８に記載の二酸化炭素サイクル発電システムを含んだ無人潜水機（ＵＵＶ）であって、１つ以上の遠隔受信器にデータを送信するために前記２キャリアチャープ通信システムを使用するように構成されたＵＵＶ。

【請求項11】

当該ＵＵＶは、ロープで繋がれて、複数の異なる深さサイクルのうちの選択された深さサイクルに従った深さ間を循環するように構成される、請求項１０に記載のＵＵＶ。

【請求項12】

二酸化炭素サイクル発電システムを動作させる方法であって、
二酸化炭素の第１の部分を第１の二酸化炭素貯蔵部内に貯蔵することと、
前記二酸化炭素の第２の部分を第２の二酸化炭素貯蔵部内に貯蔵することと、
タービンを通るように前記二酸化炭素の少なくとも一部の流れを選択的に導くよう、前記第１の二酸化炭素貯蔵部と前記第２の二酸化炭素貯蔵部との間の移送接続を動作させることと
を有し、
前記二酸化炭素サイクル発電システムは、前記タービンを通る前記二酸化炭素の前記少なくとも一部の前記流れを作り出す際に、異なる水深の間を循環して水圧及び水温の一方又は双方を使用し、
前記第１及び第２の二酸化炭素貯蔵部の各々が、
可動ピストンを含んだ可変容積水圧シリンダと、
前記可変容積水圧シリンダの一部に対して水が入る又は出て行くことを選択的に可能にするように構成された注水口／排水口制御バルブと
を有する、
方法。

【請求項13】

前記二酸化炭素サイクル発電システムは、
前記二酸化炭素サイクル発電システムが指定の水深にあるときに、前記可変容積水圧シリンダの一方の前記一部に入ることを許された水が、前記二酸化炭素の前記第１及び第２の部分のうちの一方を、前記二酸化炭素の前記第１及び第２の部分のうちの他方よりも加圧するように、
構成される、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記移送接続は、２つの移送制御バルブを有し、前記可変容積水圧シリンダの上端同士を接続する、請求項１２に記載の方法。

【請求項15】

前記第１及び第２の二酸化炭素貯蔵部のうちの少なくとも一方は、前記二酸化炭素の前記第１及び第２の部分のうちの少なくとも一方と周囲の水との間の熱伝達を抑制するように構成された断熱ウォータージャケット付きタンクを有する、請求項１２に記載の方法。

【請求項16】

前記二酸化炭素の前記第１及び第２の部分のうちの一方又は双方が、二酸化炭素の液体及び二酸化炭素の気体を有する、請求項１２に記載の方法。

【請求項17】

前記二酸化炭素サイクル発電システムは、前記二酸化炭素サイクル発電システムを含んだ無人潜水機（ＵＵＶ）内の１つ以上のバッテリに貯蔵される電力を生成し、前記１つ以上のバッテリが、前記ＵＵＶの動作に電力供給する、請求項１２に記載の方法。

【請求項18】

前記注水口／排水口制御バルブは、前記可動ピストンより下に位置し、
前記注水口／排水口制御バルブは、前記可動ピストンより下の前記可変容積水圧シリンダの下部に対して水が入る又は出て行くことを選択的に可能にするように構成される、
請求項１２に記載の方法。

【請求項19】

二酸化炭素サイクル発電システムを動作させる方法であって、
二酸化炭素の第１の部分を第１の二酸化炭素貯蔵部内に貯蔵することと、
前記二酸化炭素の第２の部分を第２の二酸化炭素貯蔵部内に貯蔵することと、
タービンを通るように前記二酸化炭素の少なくとも一部の流れを選択的に導くよう、前記第１の二酸化炭素貯蔵部と前記第２の二酸化炭素貯蔵部との間の移送接続を動作させることであり、前記二酸化炭素サイクル発電システムは、前記タービンを通る前記二酸化炭素の前記少なくとも一部の前記流れを作り出す際に、異なる水深の間を循環して水圧及び水温の一方又は双方を使用する、動作させることと、
前記移送接続に結合された２キャリアチャープ通信システムを動作させることであり、当該２キャリアチャープ通信システムは、前記タービンを通る前記二酸化炭素の前記少なくとも一部の前記流れのパルス波を第１のキャリアとして使用し、且つ、前記第１のキャリアと結合されるか前記第１のキャリアとインターリーブされるかの一方であるチャープ信号を第２のキャリア上に生成して、出力圧力パルス通信信号を生成する、動作させることと、
を有する方法。

【請求項20】

前記２キャリアチャープ通信システムは、前記タービンを通る前記二酸化炭素の前記少なくとも一部の前記流れに結合される圧力パルス共振器と、該圧力パルス共振器に隣接した周波数共振器の環状アレイと、前記周波数共振器の環状アレイの外部のヘルムホルツ共振器とを有する、請求項１９に記載の方法。

【請求項21】

前記二酸化炭素サイクル発電システムを含んだ無人潜水機（ＵＵＶ）が、１つ以上の遠隔受信器にデータを送信するために前記２キャリアチャープ通信システムを使用する、請求項１９に記載の方法。

【請求項22】

前記ＵＵＶは、ロープで繋がれて、複数の異なる深さサイクルのうちの選択された深さサイクルに従った深さ間を循環する、請求項２１に記載の方法。

【請求項23】

二酸化炭素サイクル発電システムであって、
二酸化炭素の第１の部分を貯蔵するように構成された第１の二酸化炭素貯蔵部と、
前記二酸化炭素の第２の部分を貯蔵するように構成された第２の二酸化炭素貯蔵部と、
前記第１の二酸化炭素貯蔵部と前記第２の二酸化炭素貯蔵部との間での前記二酸化炭素の少なくとも一部の流れに基づいて電力を生成するように構成された発電機と
を有し、
当該二酸化炭素サイクル発電システムは、前記発電機を通る前記二酸化炭素の前記少なくとも一部の前記流れを作り出す際に、水圧及び水温の一方又は双方を使用するために、異なる水深の間を循環するように構成され、
前記第２の二酸化炭素貯蔵部は、中心領域を取り囲む環状領域を有し、該環状領域は、前記二酸化炭素の前記第２の部分の少なくとも一部を受け入れるように構成された可変の内容積を有し、
前記第１の二酸化炭素貯蔵部は、前記二酸化炭素の前記第１の部分と周囲の水との間の熱伝達を抑制する断熱ウォータージャケット付きタンクを有する、
二酸化炭素サイクル発電システム。

【請求項24】

二酸化炭素サイクル発電システムを動作させる方法であって、
二酸化炭素の第１の部分を第１の二酸化炭素貯蔵部内に貯蔵することと、
前記二酸化炭素の第２の部分を第２の二酸化炭素貯蔵部内に貯蔵することと、
発電機を通るように前記第１の二酸化炭素貯蔵部と前記第２の二酸化炭素貯蔵部との間で前記二酸化炭素の少なくとも一部の流れを選択的に導くことと
を有し、
前記二酸化炭素サイクル発電システムは、前記発電機を通る前記二酸化炭素の前記少なくとも一部の前記流れを作り出す際に、異なる水深の間を循環して水圧及び水温の一方又は双方を使用し、
前記第２の二酸化炭素貯蔵部は、中心領域を取り囲む環状領域を有し、該環状領域は、前記二酸化炭素の前記第２の部分の少なくとも一部を受け入れるように構成された可変の内容積を有し、
前記第１の二酸化炭素貯蔵部は、前記二酸化炭素の前記第１の部分と周囲の水との間の熱伝達を抑制する断熱ウォータージャケット付きタンクを有する、
方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、概して、無人潜水機（ＵＵＶ）へのエネルギー供給に関し、より具体的には、現場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）海洋資源を使用してＵＵＶに電力供給するためのエネルギー導出に関する。

【背景技術】

【0002】

無人潜水機（Unmanned Underwater Vehicle；ＵＵＶ）内でのエネルギー供給に関する様々な提案は、実用的でないことが判明しているか、２．２ワット時（ＷＨｒ）容量で約２００ワット（Ｗ）未満に限られた量で電力を供給するのみである。燃料電池は、水素貯蔵の要求と共に、大きいパッケージと、電池貯蔵のためのかなりのスペースとを必要とする。中央発電所からの電力ロープは、機体の範囲及び配備を制限する。

【発明の概要】

【0003】

二酸化炭素サイクル発電システムは、各々が、二酸化炭素の一部を貯蔵するように構成され、且つ二酸化炭素移送接続を含んだ、第１及び第２の二酸化炭素貯蔵部と、流体オリフィスとしての役割を果たすロータベーンタービンを通るように二酸化炭素の少なくとも一部の流れを選択的に導くように構成された、２つの二酸化炭素移送接続の間の二酸化炭素移送路とを含む。当該二酸化炭素サイクル発電システムは、異なる海水深さの間を循環し、流体オリフィスとしての役割を果たすロータベーンタービンを通る二酸化炭素の少なくとも一部の流れを作り出す際に、海水圧力及び海水温度の一方又は双方を使用する。一実装において、第１及び第２の二酸化炭素貯蔵部は各々、可動ピストンを備えた可変容積水圧シリンダと該可動ピストンより下に位置する注水口／排水口制御バルブとを有し、注水口／排水口制御バルブは、可動ピストンより下のそれぞれの可変容積タンクの下部に対して海水が入る又は出て行くことを選択的に可能にし、当該二酸化炭素サイクル発電システムが第１の深さにあるとき、二酸化炭素の第１又は第２の部分のうちのそれぞれの一方を他方よりも加圧する。他の一実装において、二酸化炭素の第１の部分が、中心領域を取り囲む環状領域内に収容されて、二酸化炭素の第１の部分と海水との間の熱伝達が抑制されない一方で、第２の二酸化炭素貯蔵部は、二酸化炭素の第２の部分と海水との間の熱伝達を抑制する断熱ウォータージャケット付きタンクを有する。二酸化炭素の第１及び第２の部分のうちの一方又は双方は、二酸化炭素の液体及び二酸化炭素の気体の双方を有し得る。当該二酸化炭素サイクル発電システムを含んだ無人潜水機（ＵＵＶ）が、当該二酸化炭素サイクル発電システムによって生成されて当該ＵＵＶ内の１つ以上のバッテリに貯蔵される電力で動作される。２キャリアチャープ通信システムが、二酸化炭素移送路に結合され、タービンを通る二酸化炭素の液体又は蒸気の流れの少なくとも一部のパルス波を第１のキャリアとして使用し、且つ、第１のキャリアと結合されるか第１のキャリアとインターリーブされるかの一方であるチャープ信号を第２のキャリア上に生成して、出力圧力パルス通信信号を生成する。２キャリアチャープ通信システムは、タービンを通る二酸化炭素の液体又は蒸気の少なくとも一部の流れに結合される圧力パルス共振器と、該圧力パルス共振器に隣接した周波数共振器の環状アレイと、該周波数共振器の環状アレイの外部のヘルムホルツ共振器とを有する。ＵＵＶは、この２キャリアチャープ通信システムを使用して遠隔受信器にデータを送信し、及び／又は、ロープ（テザー）で繋がれて、複数の異なる深さサイクルのうちの選択された深さサイクルに従った深さ間を循環するように構成され得る。

【0004】

上で具体的な利点を列挙したが、様々な実施形態は、列挙した利点のうち、全て又は一部を含むこともあるし、それらの何れをも含まないこともある。また、その他の技術的利点が、以下の図及び説明の検討後に当業者に容易に明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0005】

本開示及びその利点のいっそう完全なる理解のため、ここでは、以下の図を含む添付図面とともに以下の説明を参照する。図面において、似通った参照符号は似通った部分を表す。

【図1】本開示の実施形態に従った可変内部・外部容積二酸化炭素（ＣＯ_２）サイクル発電システムを例示する図である。

【図1A】図１Ａ−１Ｈは、図１の二酸化炭素サイクル発電システムの動作中に圧力がどのように利用されるかを例示している。

【図1B】図１Ａ−１Ｈは、図１の二酸化炭素サイクル発電システムの動作中に圧力がどのように利用されるかを例示している。

【図1C】図１Ａ−１Ｈは、図１の二酸化炭素サイクル発電システムの動作中に圧力がどのように利用されるかを例示している。

【図1D】図１Ａ−１Ｈは、図１の二酸化炭素サイクル発電システムの動作中に圧力がどのように利用されるかを例示している。

【図1E】図１Ａ−１Ｈは、図１の二酸化炭素サイクル発電システムの動作中に圧力がどのように利用されるかを例示している。

【図1F】図１Ａ−１Ｈは、図１の二酸化炭素サイクル発電システムの動作中に圧力がどのように利用されるかを例示している。

【図1G】図１Ａ−１Ｈは、図１の二酸化炭素サイクル発電システムの動作中に圧力がどのように利用されるかを例示している。

【図1H】図１Ａ−１Ｈは、図１の二酸化炭素サイクル発電システムの動作中に圧力がどのように利用されるかを例示している。

【図2】図１の二酸化炭素サイクル発電システムの動作中に生じる二酸化炭素ガスサイクルについての圧力（Ｐ）対体積（Ｖ）プロットである。

【図3】本開示の一実施形態に従った、固定外部容積・可変内部容積二酸化炭素サイクル発電システムの一実装に関する構造を例示している。

【図4】図３の二酸化炭素サイクル発電システム実装についての、動作点を指し示す温度を注記した、定格充填率のパーセントに対する二酸化炭素ガス圧力のプロットである。

【図5A】図５Ａ−図５Ｄは各々、図４によって例示される状態遷移中の動作点における図３の二酸化炭素サイクル発電システム実装の環状タンク及びメインタンクの内部の状態を図式的に例示している。

【図5B】図５Ａ−図５Ｄは各々、図４によって例示される状態遷移中の動作点における図３の二酸化炭素サイクル発電システム実装の環状タンク及びメインタンクの内部の状態を図式的に例示している。

【図5C】図５Ａ−図５Ｄは各々、図４によって例示される状態遷移中の動作点における図３の二酸化炭素サイクル発電システム実装の環状タンク及びメインタンクの内部の状態を図式的に例示している。

【図5D】図５Ａ−図５Ｄは各々、図４によって例示される状態遷移中の動作点における図３の二酸化炭素サイクル発電システム実装の環状タンク及びメインタンクの内部の状態を図式的に例示している。

【図6】図３−４及び５Ａ−５Ｄに関連して説明した実装についての二酸化炭素発電サイクルを例示している。

【図7A】本開示の実施形態に従った二酸化炭素サイクル発電システムの動作中の通信のための２サイクルチャープシフトキーイングの一実装を示している。

【図7B】本開示の実施形態に従った二酸化炭素サイクル発電システムの動作中の通信のための２キャリア共振器の一実装を示している。

【図8】本開示の実施形態に従った二酸化炭素サイクル発電システムの動作中の通信のための２サイクルチャープシフトキーイングに関する信号トレースを例示している。

【図9】本開示の実施形態に従った深度可変ナビゲーションシステムにおける２サイクルチャープシフトキーイング通信の使用を例示している。

【発明を実施するための形態】

【0006】

最初に理解されるべきことには、例示的な実施形態が図面に示されて以下に説明されるが、本開示の原理は、現在知られているか否かにかかわらず、数多の技術を用いて実装され得る。本開示は、決して、図面に示されて以下に説明されるこれらの例示的な実装及び技術に限定されるべきでない。また、特に断らない限り、図面に描かれた物品は必ずしも縮尺通りに描かれていない。

【0007】

本開示は、ＵＵＶに電力を供給しながら、そのタービン電力変換器を通じて長距離水中通信能力を提供する革新的アプローチを提示する。本開示のアプローチは、延長された航続時間の水中ミッションのための電力を提供し、約２０ポンド（ｌｂ）の二酸化炭素を用いて３３分間の動力サイクルにわたって５００ワット（Ｗ）に至る又はそれを上回る電力を提供する。二酸化炭素は、典型的な空気圧モータを通る空気の密度の６倍で使用され、密度と温度の利点をもたらす。開示される発電システムはまた、通信のための現場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）電力を提供し、燃料電池に使用される物質に対して要求されるものよりも低い圧力での二酸化炭素の輸送のみを必要とする。さらに、容器から、燃料電池の場合よりもかなり低い圧力が要求され、燃料電池の場合の少なくとも８０００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）に対して、約１２００ｐｓｉ程度である。

【0008】

本開示に従った電力変換は多用途であり、ベーンロータと、流体オリフィスを有するインパルスタービンと、全てのケースで（オリフィスを介する）チョーク流れ入力を有し、オプションで複数のステージを有する軸流タービンという、３つのアプローチの各々が何れも、使用される二酸化炭素発電サイクルに適している。本開示の主要な動力サイクルは、海洋熱と、トランスクリティカルな二酸化炭素気体／液体圧力−体積サイクルでの圧縮（圧縮仕事）とを使用して、発電機を駆動し、バッテリを充電することができる。使用される二酸化炭素発電サイクルの一バージョンは、ランキン（Ｒａｎｋｉｎｅ）サイクルとオットー（Ｏｔｔｏ）サイクルとの複合サイクルである。記載される二酸化炭素サイクル発電システムは、持続可能であり、保守管理又は修理なしで推定２年にわたって稼働し得るものであり、これは、主としてバッテリによって制限され、また、大抵の冷凍システムに匹敵する。

【0009】

遠隔ＵＵＶの動作のために生成された電力は、余剰エネルギーを生み出し、オプションで、ＵＵＶ通信のための通信キャリアを提供する音響共振器の（貯蔵損失前の）直接電力駆動の使用を可能にする。高密度の（二酸化炭素）流体及び水圧によって音響アクチュエータが動作され得る。音響発振器上に圧力パルスが作り出されるデュアルキャリア音響通信方式が使用され得る。必要な通信基盤は、二酸化炭素サイクルによって駆動される主キャリア連続波（ＣＷ）と圧電駆動デジタルチャープとの、２キャリアシステムを必要とするのみである。６００メートル（ｍ）に至る周期的な潜水により、通信システムは、音響深度及びチャネルの範囲内で動作することができる。

【0010】

図１は、本開示の実施形態に従った可変内部・外部容積二酸化炭素（ＣＯ_２）サイクル発電システムを例示する図である。当業者が認識するように、簡潔さ及び明瞭さのために、後の図に関連して示されるものを含めて、一部の機構及びコンポーネントについては明示していない。二酸化炭素サイクル発電システム１００は好ましくは、例えば水中グライダーなどのＵＵＶ内に組み込まれる。ＵＵＶの構造は、簡潔さ及び明瞭さのために、図１には示していない。二酸化炭素サイクル発電システム１００は、２つの可変容積水圧シリンダ１０１及び１０２を使用し、これらの各々が、シールされるとともに、図示のように上側容積を変える可動ピストンをその中に含んでいる。２つの移送制御バルブ１０４、１０５を有する移送接続１０３が、これら２つの水圧シリンダ１０１、１０２の上端に接続しており、２つの水圧シリンダ１０１と１０２との間での二酸化炭素ガスの通行を選択的に可能にする。また、移送接続１０３には、更に詳細に後述するタービン及びチャープ発生器１０６も接続されている。水圧シリンダ１０１、１０２各々の底付近に、ピストンより下で、流体注入口／排出口ポータル（図１では見えない）が設けられ、それぞれ、注水口／排水口制御バルブ１０７、１０８によって選択的に開閉される。

【0011】

少なくとも水圧シリンダ１０１、１０２及び制御バルブ１０４、１０５、１０７、１０８は各々、民生品（commercial off-the-shelf；ＣＯＴＳ）を使用し得る。必要とされる最大圧力は典型的に約１５００ｐｓｉに過ぎないが、水圧シリンダ１０１及び１０２は好ましくは３０００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）定格にされる。本開示の原理は、２つの水圧シリンダを参照して例示されるが、実施形態は、例えば、図１に示される２つの水圧シリンダ１０１又は１０２のうちの１つの代わりに、協調動作する２つの別々の水圧シリンダを使用してもよい。

【0012】

図１Ａ−図１Ｈは、図１の二酸化炭素サイクル発電システムの動作中に圧力がどのように利用されるかを例示している。動作中、一方の水圧シリンダ１０１内のピストンの上方の上側容積は二酸化炭素ガス１０９を含み、ピストンの下方の下側容積は海水１１０を含む。同様に、他方の水圧シリンダ１０２内のピストンの上方の上側容積は二酸化炭素ガス１１１を含み、ピストンの下方の下側容積は海水１１２を含む。各シリンダ１０１、１０２内の二酸化炭素ガス１０９、１１１の量は、標準温度及び圧力で、およそ１０キログラム（ｋｇ）とし得る。動作中、二酸化炭素サイクル発電システム１００によって使用される海熱エネルギーカルノーブレイトン（Ｃａｒｎｏｔ−Ｂｒａｙｔｏｎ）サイクルは、０．２５キロワット時（ｋＷｈｒ）の二酸化炭素サイクル発電システムで、各水圧シリンダ１０１、１０２内の１０ｋｇの二酸化炭素を用いて５００Ｗのエネルギーを生成し得る。

【0013】

図示した二酸化炭素サイクル発電システム１００の動作サイクルは、外部圧力又は１０−２０ｂａｒに対応する水深で始まり、そこでは、海水温度は典型的に摂氏５−８度（℃）である。図１Ａに示すように、水圧シリンダ１０１の注水口／排水口制御バルブ１０７が開かれ、深みの海水が水圧シリンダ１０１の下側容積に入ることを可能にする。外部の海水の圧力が、水圧シリンダ１０１内のピストンを上に駆動し、水圧シリンダ１０１内のピストンより上の二酸化炭素ガスの圧力を上昇させる。斯くして、水圧シリンダ１０１内の二酸化炭素ガス１０９（例えば、約４００ｐｓｉ）と水圧シリンダ１０２内の二酸化炭素ガス１１１（例えば、約３５０ｐｓｉ）との間の約２５−５０ｐｓｉの圧力差が作り出される。同じ深さにある間に、注水口／排水口制御バルブ１０７がなおも開いたままで、移送制御バルブ１０４及び１０５が開かれる。圧力差により、二酸化炭素ガスが水圧シリンダ１０１から移送接続１０３とタービン及びチャープ発生器１０６とを通って水圧シリンダ１０２内に流れる。このガス流が、タービン及びチャープ発生器１０６に動力を供給し、それが代わって、バッテリ又はそれに類するものに貯蔵される電力を生み出し得る。二酸化炭素サイクル発電システム１００を含んだＵＵＶは、図１Ｂに示すように、差圧がゼロに近づくまでその深さ（１０−２０ｂａｒ、５−８℃）にとどまる。圧力平衡化は、二酸化炭素ガスが移送接続１０３を通って第１の水圧シリンダ１０１から第２の水圧シリンダ１０２へと流れて、タービン及びチャープ発生器１０６に動力を供給することをもたらす。

【0014】

なおも深みにある間に、図１Ｃに示すように、移送制御バルブ１０４、１０５が閉じられ、水圧シリンダ１０１内の二酸化炭素ガス１０９を、実質的には又は完全には奪われないとしても、少なくとも部分的に奪われたままにする。図１Ｃに示すように注水口／排水口制御バルブ１０７をなおも開いたままにして、二酸化炭素サイクル発電システム１００を含んだＵＵＶが水面に浮上し、水圧シリンダ１０１内の二酸化炭素ガス１０９が体積増加することを可能にし、その時点で、図１Ｄに示すように、注水口／排水口制御バルブ１０７が閉じられる。表面又はその近くでは、外圧は１−２ｂａｒであり、温度は約２５−２８℃である。水圧シリンダ１０１内のピストンより上の二酸化炭素ガスは、水圧シリンダ１０１のほぼ全容積を占めるが、二酸化炭素ガス全体のうちの大部分は、他方の水圧シリンダ１０２内に収容されている。

【0015】

二酸化炭素サイクル発電システム１００を含んだＵＵＶは、次いで、先ほどの深さ（１０−２０ｂａｒの圧力に対応する）まで潜水する。その深さで、二酸化炭素サイクル発電システム１００は、図１Ｅに示すように、水圧シリンダ１０２の注水口／排水口制御バルブ１０８を開き、続いて、図１Ｆに示すように、移送制御バルブ１０４及び１０５を開く。上述した圧力差及びガス流が、ここでは逆に起こり、二酸化炭素ガスが水圧シリンダ１０２から移送接続１０３とタービン及びチャープ発生器１０６とを通って水圧シリンダ１０１内に流れ、タービン及びチャープ発生器１０６に動力を供給する。タービン及びチャープ発生器１０６は、先ほどのガス移送中の回転方向とは逆に回転してもよいし、あるいは、バルブを設けて、タービン及びチャープ発生器１０６が同じ回転方向で回転するように流れを自動的に経路変更してもよい。

【0016】

なおもその深さにある間に、図１Ｇに示すように、移送制御バルブ１０４及び１０５が再び閉じられ、水圧シリンダ１０２内の二酸化炭素ガス１１１を、実質的には又は完全には奪われないとしても、少なくとも部分的に奪われたままにする。図１Ｇに示すように注水口／排水口制御バルブ１０８をなおも開いたままにして、二酸化炭素サイクル発電システム１００を含んだＵＵＶが再び水面に浮上し、水圧シリンダ１０２内の二酸化炭素ガス１１１が体積増加することを可能にし、その時点で、図１Ｈに示すように、注水口／排水口制御バルブ１０８が閉じられる。二酸化炭素サイクル発電システム１００を含んだＵＵＶが前回水面浮上した時とは対照的に、水圧シリンダ１０２内のピストンより上の二酸化炭素ガスは、水圧シリンダ１０２のほぼ全容積を占めるが、二酸化炭素ガス全体のうちの大部分は水圧シリンダ１０１内に収容されている。二酸化炭素サイクル発電システム１００を含んだＵＵＶは、その後、先ほどの深さまで潜水し、図１Ａに示したように注水口／排水口制御バルブ１０７を開くことによって、このサイクルを再始動することになる。

【0017】

図２は、図１の二酸化炭素サイクル発電システムの動作中に生じる二酸化炭素ガスサイクルについての圧力（Ｐ）対体積（Ｖ）プロットである。比較のため、蒸気に関する周知のＰ−Ｖ図は、比較的高い温度Ｔ_ｈにある水蒸気が、比較的高い圧力にもあって、ボイラー内で比較的小さい体積状態を占める初期状態又は第１状態から進行するサイクルを含む。エネルギー（熱）が加えられ、水蒸気が、温度Ｔ_ｈでの等温膨張を受けて、より低い圧力及びより大きい体積の第２状態にされる。得られた高温蒸気は、タービンを通るように経路付けられ、そこで、水蒸気は、比較的高い温度Ｔｈから、更に低い圧力及び僅かに大きい体積にあるが比較的低い温度Ｔｌにある第３状態へと、断熱膨張を受け、同時に仕事又は動力出力を生み出す。蒸気は、次いで、凝縮器又はそれに類するものの中で等温圧縮を受け、より小さい体積及び僅かに高い圧力を持つ第４状態へと収縮しながら熱を出力する。最後に、蒸気は、（例えば、ポンプで送り込まれることによって）断熱圧縮を受け、元の第１状態の圧力、体積及び温度に戻る。

【0018】

改良二酸化炭素ガス動力サイクルは、上述した蒸気サイクルに類似した閉じたシステムである。改良二酸化炭素ガス動力サイクルにおいては、蒸気サイクルに関する上述の初期状態に概ね対応する初期状態２０１が、ＵＵＶが水面又はその付近にあるときに生じ、二酸化炭素ガスのうちの大部分が水圧シリンダ１０１内にある。水面近くの比較的温かい海水が、水圧シリンダ１０１、１０２内の二酸化炭素ガスに熱を伝達する。移送制御バルブ１０４、１０５が開かれて、二酸化炭素ガスが水圧シリンダ１０１からタービン及びチャープ発生器１０６を通って水圧シリンダ１０２に移動するとき、状態が、低下された圧力及び増加された体積の第２状態２０２に変化する。その後、ＵＵＶが降下して深みにある（すなわち、水面付近になく、その代わりに、記載される二酸化炭素発電サイクルの最も低い深さ付近にある）とき、水圧シリンダ１０２に関する注水口／排水口制御バルブ１０８を開くことが、状態２０３まで圧力を上昇させる（深みの海水の水圧による）。移送制御バルブ１０４及び１０５が開かれて、二酸化炭素ガスが水圧シリンダ１０２からタービン及びチャープ発生器１０６を通って水圧シリンダ１０１に移動すると、最も低い圧力と最も大きい体積とを持つ状態２０４が得られ、そこで、二酸化炭素ガスから周囲の比較的冷たい海水に熱が伝達される。深みにおいて、水圧シリンダ１０１上の注水口／排水口制御バルブ１０７が開かれるときの海水圧が、僅かに高い圧力及び遥かに小さい体積にある状態２０５への遷移を引き起こす。ＵＵＶが水面深さに戻ると、状態２０１に戻るように状態遷移する。

【0019】

図１、１Ａ−１Ｇ、及び２は、トッピングサイクルを実装する可変容積二酸化炭素サイクル発電システムに関する。水圧シリンダ１０１と１０２との間での二酸化炭素の移送は、蒸気又は流体（蒸気と液体の組合せ）の何れかを伴い得る。実際、水圧シリンダ１０１と１０２との間での流体の移送に合わせて設計されるシステムは、コールド（受容）サイドへの蒸発とタービン内への膨張を可能にする。発電は、蒸気及び／又は液体の移送が存在するトッピングサイクルを使用するので、可変容積アプローチは、浮力変化に対処するのに十分な余剰電力がある場合に好ましくあり得る。他の例では、可変容積は、バラスト作業の大部分を自動化する方法として好ましくあり得る。水面では、完全な所望深さまで潜水するには不十分な少量の潜水バラストが別個のバラストポンプによって吐出される。潜水においては、或る深さに達したときに可変容積シリンダのうちの一方が変化することが可能にされ、その静水圧で双方が同時ではなく水圧シリンダ１０１又は１０２のうちの一方が圧力に応答することが可能にされて、所望の深さまで潜水し続けるために中立浮力を低下させる。ピストン１０１又は１０２は、機械的ストップを用いて動作を停止させる又は底を打つように制御され、それにより、内側方向に動いているピストン１０１又は１０２のバラスト低減動作が停止され、それを受けて、中立浮力に達し、潜水運動の浮力が中立になる。上昇するためには、別個のバラストポンプが少量のバラスト水を吐出し、システムが静水圧を低下させることによって上昇を開始し、低下していく動圧に応答して空（エンプティ）のシリンダピストン（１０１又は１０２）が動くことが可能にされ、ピストン１０１又は１０２が停止して中立浮力の点に達する深さに到達するまで、バラスト荷重が更に低減され、バラストの自動応答によって上昇する。

【0020】

図３は、本開示の一実施形態に従った、固定外部容積・可変内部容積二酸化炭素サイクル発電システムの一実装に関する構造を例示している。上述した（内部の二酸化炭素に関する）可変容積アプローチはバルブを用いて実行されるが、バルブは、一部の状況において実施に支障をきたすことがある。二酸化炭素サイクル発電システム３００は、浮力に関して固定容積アプローチを実装する。二酸化炭素サイクル発電システム３００は、５つのメインコンポーネントを含んでおり、すなわち、充電フェーズ中に深み（例えば、４０°Ｆ）で二酸化炭素ガスを凝縮させ、そして、水面（例えば、６０−７０°Ｆ）で海洋熱を吸収する環状の可変容積二酸化炭素タンク３０１及び３０２（その中で、中央の空間の周りの外側環状ジャケット内に二酸化炭素ガスが貯蔵される）と、断熱されたメインの二酸化炭素ガスタンク３０３と、その中を亜臨界の二酸化炭素ガスが通り抜けて発電機負荷を駆動するベーンロータ型空気圧モータ“タービン”と、水面で循環的に取り入れられる温かめの海水を収容するバラストタンク（図示せず）内の一組の熱交換器であって、膨張フェーズ（充電）中に取り除かれた熱を交換する一組の熱交換器と、環状タンク３０１、３０２及びメインタンク３０３内の一組のバルブであり、これらのタンク間の各クロスピース３０４内に配置され、これらのクロスピースを介してタンク同士を選択的に接続する一組のバルブと、を含んでいる。タンク３０１、３０２及び３０３は、縦方向ミッションのために縦向きにされるとともに、図１の水圧シリンダ１０１及び１０２と同様の対応部分を実装するが、移送接続１０３並びに移送制御バルブ１０４及び１０５の対応部分は、バルブ及びクロスピースにて且つこれらによって実装される。上述したアプローチとは対照的に、二酸化炭素サイクル発電システム３００は、圧力差ではなく、水面付近の海水と深みの海水との間の温度差を利用する。

【0021】

二酸化炭素サイクル発電システム３００の動作における１つの検討事項は、図４に例示するような、非理想的（すなわち、二酸化炭素）ガスについての定格充填率に対する割合であり、図４は、二酸化炭素ガスに関する圧力、温度及び定格充填パーセンテージを示している。二酸化炭素ガスの所与のタンクについて、圧力は、それ以外は全て等しいとして、％定格充填率に応じて変化する。典型的に、産業用の二酸化炭素ガスタンクは、収容物を予期される温度変化で臨界領域の外に維持するために、容積で３０％まで液体で充たされる。

【0022】

図５Ａ−図５Ｄは各々、図４に示される状態遷移中の環状タンク及びメインタンクの内部の状態を、それに対応する、二酸化炭素サイクル発電システムを含んだＵＵＶの位置とともに、図式的に例示している。図５Ａ−５Ｄは各々、二酸化炭素サイクル発電システム３００を含んだＵＵＶの環状タンク３０１、３０２及びメインタンク３０３の状態５０１と、相対位置５０２とを例示している。

【0023】

図４を参照するに、図５Ａ−５Ｄにおける配置によって示される状態及び遷移に対応する点（１）から（６）にて一例が与えられる。初期の蒸気サイクルとは異なり、二酸化炭素サイクル発電システム３００は、２つのタンクタイプのうちの一方を凝縮及び加圧の双方に用いる閉じたサイクルを使用する。図４における大部分の動作は、この図の下側の部分である亜臨界領域にあり、海洋熱は７５°Ｆより低い（しかし、必要なときに、バルブを用いて、臨界領域まで圧力が高められる）。図５Ａの配置５００にて、サイクルが、６７°Ｆ付近の水面深さで始まり、そこで、３−４時間、１００％定格充填の環状タンクが海水に直に晒されて表面熱を吸収し、環状タンク３０１、３０２内の二酸化炭素ガスの温度を６７°Ｆまで至らせる。環状タンク内の全てのバルブが開いており、パーセント充填を１００％に維持する。メインタンク３０３は、先行する潜水から冷えたバラストジャケットを有しており、故に、５−７°Ｆでの低いパーセント充填にあって、中心タンク圧を低下させるのを助けるので、中心タンク３０３は、環状タンク３０１、３０２からの、より温かい二酸化炭素ガスの移送を受け入れることができる。環状タンク３０１、３０２内の二酸化炭素ガスは図４の点（１）にあり、メインタンク３０３内の二酸化炭素ガスは点（２）にある。

【0024】

図５Ｂの配置５１０にて、二酸化炭素ガスの移送を生じさせるために、環状タンク３０１、３０２内で頂部から底部へとバルブを徐々に閉じ、且つ中心タンク３０３内で完全に開け、環状タンク３０１、３０２を中心タンク３０３よりも高い圧力に維持し、環状タンクパーセント充填を１００％超の領域まで高めて強制的に圧力を上げることによって、点（１）及び（２）に関する図４のパーセント充填特性の差を用いて、環状タンク３０１、３０２内の温かい二酸化炭素ガスが、冷たい断熱された中心（メイン）タンク３０３に移動する。タンク３０１−３０３、二酸化炭素ガス体積、及びバルブは、非常に小さいパーセント充填率を１００％超まで生み出すことができ、従って移送に必要な圧力を作り出す。環状タンク３０１、３０２内の圧力スティンガが、高速液体移送ポンプを使用して、遷移臨界領域への加圧を補助する。移送は、環状タンク３０１、３０２の底部から中心タンク３０３に吸い上げる液体移送であり、これは、環状タンク３０１、３０２から幾らかの熱を除去するが、それらのタンクは６７°Ｆの海水で熱的に復元される。パーセント充填は、環状タンク３０１、３０２が殆ど空になるまで、より高い圧力を環状タンク３０１、３０２内に確保するように制御される。メインタンク３０３を取り囲むコールドジャケット水は、中心タンク圧力をフルまで下げるのを助け、そして、潜水前に温水とやりとりして宿らされ、中心タンク及びジャケットを可能な限り温かくする。環状タンク３０１、３０２内の二酸化炭素ガスは、図４の点（１）から点（５）に遷移し、メインタンク３０３内の二酸化炭素ガスは点（２）から点（１）に遷移する。

【0025】

図５Ｃの配置５２０にて、二酸化炭素サイクル発電システム３００を含んだＵＵＶが、例えば１０００メートル（ｍ）などの更に冷たい深さまで降下し、そこで、環状タンク３０１、３０２の収容物は、これら環状タンクの中及び周りの対流（例えば、５℃の海水温度）によって冷やされるが、中心タンク３０３の収容物は、温かいジャケット水及び断熱により温かいままである。深みにて、中心タンクバルブが、パーセント充填率を１００％に調節するように頂部から底部へと閉じる一方で、環状タンクバルブは開き、最大化された体積及び最小化されたパーセント充填率をコールドウォール内に作り出す。中心タンク３０３内の圧力は８００−９００ｐｓｉに調節され、もはや冷やされた環状タンク３０１、３０２内の圧力は（バルブが全て開いている状態で）約３００ｐｓｉに低下する。二酸化炭素サイクル発電システム３００は、この段階で、ジャケット水を用いて蒸発に必要な追加の熱を供給し、タービンを通るチョーク流れを介して圧力差を使用して、温かい二酸化炭素ガスをタービン中に送る用意ができている。環状タンク３０１、３０２内の二酸化炭素ガスは図４の点（２）に遷移し、メインタンク３０３内の二酸化炭素ガスは点（１）に留まる。

【0026】

図５Ｄの配置５３０にて、中心タンク３０３内の上部バルブが閉じて、パーセント充填及び圧力を上昇させる。中心タンク３０３が空になるにつれて、中心タンクのバルブが頂部から底部へと徐々に閉じ、パーセント充填及び圧力を高く保つ。環状タンクは、低いパーセント充填で且つ低い圧力で充填されて冷えている。中心タンク圧力スティンガは、環状タンクに対する圧力差を継続する。中心のメインタンク３０３からの温かい二酸化炭素ガスは、ベーンモータタービンに入ってその中を動く直前に冷却効果及び圧力降下を制御するために、（温かい水面バラスト水からの）熱交換器を通過させられる。タービンの下側は、低めのパーセント充填率のままであって圧力を低く保つものである冷たい低圧環状タンク３０１、３０２に対して開いている。タービンはＵＵＶのバッテリを充電し、約４時間の充電時間で０．５−２ｋＷの電力を生成する。タービンは、１段のギアを取り付けられて、毎分回転数（ＲＰＭ）を１５００−２０００ＲＰＭという発電機レベルまで低下させ得る。脈動する出口ベーン容積部を圧力タップすることで、１５００−２５００ヘルツ（Ｈｚ）の間の周波数での通信又はソナーのための比較的高出力の音響アクチュエータとして機能するものである外部のヘルムホルツ共振器及びハンマー／ベルチャープ発生器を駆動することができる。環状タンク３０１、３０２内の二酸化炭素ガスは、図４の点（２）から点（３）を通って点（４）に遷移し、メインタンク３０３内の二酸化炭素ガスは、点（１）から、点（３）を通り、次いで点（４）を通って点（６）に遷移する。

【0027】

中心タンク３０３が使い果たされるときには、ＵＵＶ内のバッテリは完全に充電されているはずであり、通信が行われている。その後、ＵＵＶは、冷たいバラストの一部を吹き出して水面に上昇し、偵察及び／又はＵＵＶへの誘導電力伝送を実行する。二酸化炭素サイクル発電システム３００のベースライン実施は、１００ｋｇの二酸化炭素を収容し、海洋熱から、典型的な中緯度から低緯度の地帯で充電サイクル当たり１０−７０キロジュール（ｋＪ）の量のエネルギーである全デルタヘッド（Ｑ）を利用する。このように構成されて、二酸化炭素サイクル発電システム３００は、１．７５時間にわたって１．５ｋＷの充電、又は０．８７５時間にわたって３ｋＷの充電を生み出す。生成された電力を貯蔵するのに必要なバッテリ容量は、例えば、８５％の発電効率及び７５％のタービン効率を仮定して、０．８７５時間にわたって３０アンペア（Ａ）で１０ボルト（Ｖ）など、５ｋＷＨｒである。このベースラインは、約２５ガロンの二酸化炭素であり、これは、体積で３４％を液体二酸化炭素で充填したままとして、１００％充填率で直径１．５フィート×１１フィートのタンクを必要とする。環状タンク３０１、３０２の各々は個々に、図３に示すように、メインタンク３０３よりも僅かに小さい大きさにされる。

【0028】

二酸化炭素サイクル発電システム３００は、使用され得る変換システムに関して融通が利く。複数の非常に小さいステージを有して、より高速で動作する軸流空気タービンは、高電圧巻線を直接駆動する発電機と共に使用され得るとともに、同時に圧電アクチュエータを駆動し得る。圧電アクチュエータは、直接的に動作してもよいし、貯蔵されたエネルギーを介して動作してもよい。インパルスタービンの選択肢は、より大きい直径を必要とし、より遅い速度で作動するが、製造が容易であり、シールされることができ、多段にされることができ（多段で実装する方が単純である）、チョーク流の二酸化炭素ガスインジェクタから動作することができ、高圧でいっそう良好に動作する。上述したベーンロータの選択肢は、１００ｐｓｉでは確立された技術であるが１０００ｐｓｉでは未だ開発されておらず、シール可能であり、ＣＯＴＳコンポーネントで実装されることができ、チョーク流として作用し、より低い圧力又は小型化（大きめの半径も開発され得るが）にいっそう適しており、また、圧力パルスをタップして発振器を駆動し得る。ベーンロータの一実施形態では、バルブスプリングを備えたヘルムホルツ共振器が、二酸化炭素ガス又は水圧ラインによって駆動され得る。

【0029】

図６は、図３−４及び５Ａ−５Ｄに関連して説明した実装についての二酸化炭素発電サイクルを例示している。図示の二酸化炭素発電サイクルにおいては、ＵＵＶは、約２００ｍよりも浅い深度で完全に充電された状態６０１にある。降下中、ＵＵＶ内の二酸化炭素サイクル発電システムは電力取り出し状態６０２にある。電力フェーズ６０３の終了は、ＵＵＶが深みに達すると発生する。深みにおいて、二酸化炭素サイクル発電システムは熱交換６０４を受け、発電サイクルを再始動するための条件６０５が確立される。そして、ＵＵＶは上昇してエネルギー貯蔵庫を再充電し、このサイクルを繰り返す。

【0030】

より単純な固定容積二酸化炭素サイクル発電システムの実装は、内部バルブの使用さえも必要とせず、代わりに、変化する温度を頼りにして、オリフィス又は精密ガスニードルバルブを用いてタンク間で行ったり来たり二酸化炭素を送る。図６に示すウォータージャケットは、そのようなオリフィスを含む。また、図６のウォータージャケットは、熱バラストに使用されることにも留意すべきである。図３−４、５Ａ−５Ｄ及び６を用いて上述した固定容積二酸化炭素サイクル発電システムにおいて、送出側のタンク内での蒸発は、タービンセクション内での蒸発、又は受入側（冷たい側）のタンクの方に近いそれ以外のところでの蒸発よりも望ましくない。

【0031】

図６は、二酸化炭素サイクルの説明に関連して記述されているが、この図はまた、二酸化炭素サイクル発電システムが、以下にさらに詳細に説明する音響センシングシステム及びミッションに電力を供給する使用事例をも示している。通信又は検出に使用される音響は、様々な深さを通して感知されなければならず、このことが、上述の二酸化炭素サイクル発電システムの双方の異形を、そのような音響シグナリングに良く適したものにする。何故なら、ＵＵＢが、設計された潜水レートで定期的（例えば、４、６又は８時間ごと）に潜水及び上昇を行うからである。

【0032】

図７Ａは、本開示の実施形態に従った二酸化炭素サイクル発電システムの動作中の通信のための２サイクルチャープシフトキーイングの一実装を示している。この構造は、図１及び図１Ａ−１Ｇに見られる一般的な概念図及び説明に関連して示されるが、当業者であれば、図３−４、５Ａ−５Ｄ及び６に関して図示して説明した二酸化炭素サイクル発電システムでの実施のための必要な調整を容易に認識することになる。使用される構造は、図１の例における水圧シリンダ１０１に収容されるとして例示された、二酸化炭素ガス及び／又は液体のウォーム側ボディと、水圧シリンダ１０２に収容されるとして例示された、二酸化炭素ガス及び／又は液体のコールド側ボディとを含む。タービン及びチャープ発生器１０６のタービン部分７０１から、圧力タップ７０２が、水圧シリンダ間を流れる加圧された二酸化炭素ガスの一部を引き出す。加圧されたガスは、リングヘルムホルツ共振器７０５によって囲まれた高周波共振器の環状アレイ７０４内に収容されたものであるパルス圧力共振器７０３を駆動するために使用される。図７Ａの構造は、８００ｍの深さまで動作可能な（バッテリ駆動）圧電デバイスを使用することに対して電力節減を達成し得る直接駆動式の二酸化炭素流体音響変調器を提供する。高圧では、二酸化炭素は密度的に液体に近く、それ故に、タービンにおけるアクチュエータへの水圧出力が、アクチュエータに対する“より剛性の”リンクと、ラインをアクチュエータに引き回すことの容易さとの一方又は双方に使用され得る。ＣＷキャリアに対して５００−２５００Ｈｚのパルス周波数が生成され得る。

【0033】

図７Ｂは、本開示の実施形態に従った二酸化炭素サイクル発電システムの動作中の通信のための２キャリア共振器の一実装を示している。構造において図７Ａの例と同様に、図７Ｂの実施形態は、より高い周波数の共振器のアレイ７０４が圧電デバイスとして実装されることを明示している。図７Ｂはまた、ハンマーヘッド７０６を有する環状ベルによって実装されるリングヘルムホルツ共振器７０５を示す。図７Ｂの設計は、音響結合を提供し、深い動作又は無指向性方位に関係せず、シングルキャリアチャープではなくデュアルキャリアを使用し、また、単一の高出力圧電デバイスではなく圧電デバイスのアレイを使用する。

【0034】

図８は、本開示の実施形態に従った二酸化炭素サイクル発電システムの動作中の通信のための２サイクルチャープシフトキーイングに関する信号トレースを例示している。ヘルムホルツ共振器及びヤヌス−ハマーベル（Ｊａｎｕｓ−Ｈａｍｍｅｒ Ｂｅｌｌ）を駆動するためのデュアル周波数のキャリア周波数として、タービン圧力パルスが利用される。２サイクルチャープシフトキーイングは、図８の一番上の信号トレースに例示される電力サイクルの２ｋＨｚ圧力波形を第１のキャリアとして使用して、ＵＵＶのために二酸化炭素電力サイクルを使用する。図８の（上から下に）２番目のトレースとして示される第２の変調された１０ＫＨｚキャリアが、第１のＣＷキャリア上で位相ロックループ（ＰＬＬ）を用いて生成され、シフトキーイングが、第２のキャリア上のデジタル制御アップチャープ又はダウンチャープを識別する。デジタル情報は、１００ビット／秒（ＢＰＳ）及び５００Ｈｚで通信され得る。得られた合成チャープ信号が、図８の３番目のトレースとして示され、対応する出力圧力パルスが、図８の一番下のトレースとして示されている。受信プロセスは、時間反転法を使用してデュアルキャリア（インターリーブされている）を分析する。チャープ通信システムは、１０００ｍに至る深さで、１０００海里（ｎｍｉ）の距離にわたって、水中での信号伝送を可能にする。チャープパルス長に関する信号範囲及び帯域幅を以下の表１に示す。

【0035】

【表1】

二酸化炭素サイクルは５ｋＷに至る電力レベルを生成するので、ＵＵＶに電力供給した後にも、第２のキャリアを駆動するのに十分な電力が（１ｋＷまで）が残る。この通信システムは、ソナーモードのパルスチャープにも適している。記載された通信システムにより、ＵＵＶは、効率的な二酸化炭素サイクルを電源として用いて、広帯域ジャミング又は電荷ノイズ自己キャンセルのための広帯域共振器と共に使用することが可能な、５００ｎｍｉまでの安全な通信を行うことができる。

【0036】

図９は、本開示の実施形態に従った深度可変ナビゲーションシステムにおける２サイクルチャープシフトキーイング通信の使用を例示している。図９は、深度可変ナビゲーションソース又は検出システムを提供する部分として、二酸化炭素発電サイクルがどのように利用され得るかを例示している。二酸化炭素サイクル発電システムを含んだＵＵＶ９１０は、底９１１にロープ（テザー）で繋がれ、水面９１２付近の浅い位置と深みとの間を循環する。異なる深さサイクル９１５、９１６及び９１７が、ＵＵＶ９１０によって使用され得る。ＵＵＶは、定期的に又は間欠的に深さサイクル９１５、９１６と９１７の間で切り替えることができ、あるいは、ＵＵＶ９１０によって実行されるべき特定の通信機能又は偵察機能に基づいて、異なる深さサイクル９１５、９１６及び９１７のうちの１つを選択することができる。深さを変えることができることは、より高い環境サンプリング密度、３次元でのより良いトモグラフィ推定、検出された物体のより良い群速度推定、より良い幾何学的距離測定、及びより良い物体位置三角測量を提供する。

【0037】

本開示の海洋熱エネルギー変換（ocean thermal energy conversion；ＯＴＥＣ）アプローチは、閉じた二酸化炭素温度−圧力システムによる長寿命の水中発電を可能にして、長航続時間ミッションを可能にし、延長されたＵＵＶグライダーミッション、１０００ｎｍｉ以上の監視フェンスの構築、視程を超えた（beyond line of sight；ＢＬＯＳ）水中通信、及び水中測位システムシグナリング用の戦術的に配備可能な擬似音源、のうちの何れか１つ以上を可能にする。本開示の設計イノベーションは、最適なタービン動作を可能にする圧力平衡化のチョーク流制御、エネルギーを節約するポンプレスディスチャージ、信頼性があり且つ製造が容易な小型の回転ベーンタービン、及びより高効率のトッピングサイクルを含む。電力システムとして、本開示の二酸化炭素ベースのＯＴＥＣ電力ハーベスティングは、他の長航続時間方式を遥かに超える総エネルギー（ｋＷＨｒ）を、より小さいパッケージで送り届ける。ランキンサイクル二酸化炭素アプローチは、発電システムの中での柔軟な選択を可能にする。本開示の二酸化炭素サイクル発電システム内では、可変容積を用いた効率的なトッピングサイクルによる低電力フラッディングが使用される。

【0038】

本開示の通信システムは、二酸化炭素サイクル駆動による音響アクチュエータが二酸化炭素電力サイクルの一部として動作する高調波発振器である。５００−２５００Ｈｚの周波数帯域にチューニングされたベーンロータ及びヘルムホルツ共振器が、音響通信用に２つのキャリアを使用し、高電圧の圧電セラミックドライバの代わりに音響発振器上に圧力パルスを生成する。５００Ｈｚで５４０ｎｍｉ及び７５０Ｈｚで２５０ｎｍｉの範囲で、２つのキャリア（ＣＷ及びチャープ）を結合又はインターリーブして用いるマルチパス信号を用いて、海洋熱及び圧縮の直接変換が通信に活用される。この通信シグナリングは、受動的な時間反転受信法に適しており、効率的に（例えば、貯蔵されたエネルギーによってではなく直接的に駆動されるとき）、多用途性をもって（直接的に駆動される、又は貯蔵エネルギーを使用する、の何れでもよい）動作する。

【0039】

ここに記載されたシステム、装置及び方法には、開示の範囲を逸脱することなく、変更、付加又は省略が為され得る。例えば、システム及び装置の構成要素は、集積されてもよいし、別々であってもよい。また、ここに開示されたシステム及び装置の動作は、より多数の、より少数の、あるいはその他の構成要素によって実行されてもよく、記載された方法は、より多数の、より少数の、あるいはその他のステップを含んでもよい。さらに、ステップ群は如何なる好適順序で実行されてもよい。この文書で使用されるとき、“各”は、セットの各メンバー、又はセットのサブセットの各メンバーを意味する。

【0040】

本出願における記載は、特定の要素、ステップ、又は機能がクレーム範囲に含まれていなければならない必須又は重要な要素であることを意味するものとして読まれるべきでなく、特許される事項の範囲は、許可されたクレームによってのみ定められる。また、これらのクレームは何れも、その特定のクレーム中で“する手段”又は“するステップ”なるそのままの語が、機能を特定する特定の言い回しに続かれて、明示的に使用されない限り、添付のクレーム又はクレーム要素に関して３５ＵＳＣ第１１２節（ｆ）を行使することを意図していない。クレーム内での、例えば（以下に限られないが）“機構”、“モジュール”、“デバイス”、“ユニット”、“コンポーネント”、“要素”、“部材”、“装置”、“機械”、“システム”、“プロセッサ”又は“コントローラ”などの用語の使用は、クレームの特徴自体によって更に改良又は強化されるような、当業者に知られた構造を指すものと理解及び意図されるものであり、３５ＵＳＣ第１１２節（ｆ）を行使することを意図するものではない。

【図1】

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図1F】

【図1G】

【図1H】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】