JP2004058205A - レーザー駆動マイクロタービン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザー光照射装置6からタービン羽根1に直接レーザー光5を照射して、タービン羽根1に運動量を与える。すなわち、レーザー光を金属片からなるタービン羽根1の表面にタービン羽根1の回転による遠心力により液体4を供給しておき、レーザー光照射装置6から液体4を有するタービン羽根1に直接レーザー光5を照射すると蒸発が起こる。その蒸発による蒸気7はレーザー光5側に飛んで行くので、この反作用としてタービン羽根1は光の入射方向に加速される。この反力を利用してタービン羽根1を回転させる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー駆動マイクロタービンに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
通常のタービンでは、空気または蒸気を高温にし、それにより発生する高速流をタービンに導入して回転を行うようにしている。
【0003】
かかる従来のタービンの中でも、特にマイクロメカニズムのマイクロタービンとしては以下に開示されるようなものがあった。
【0004】
図8は従来のマイクロメカニズムのマイクロタービンの概略構成図である。
【0005】
この図において、101はシリコン基板、102は半導体レーザー発光チップ、103は熱吸収体、104は加熱室、105は冷却器、106はタービン、107は密封板、108は熱媒体、109は圧力弁、110は連結溝、111はタービン室である。
【0006】
半導体レーザー発光チップ102からレーザーを発光すると、熱吸収体103は光エネルギーを吸収し発熱する。この発熱により加熱室104内に封入された熱媒体108は、気化し体積膨張する。体積膨張した熱媒体108は連結溝110を経てタービン室111に流れ込み、タービン室111内に設けられたタービン106を回転させる。次に、気化した熱媒体108は連結溝110を経て冷却器105に流れ込む。この冷却器105を通過する過程において、気化した熱媒体108は冷却され液化する。次に、液化した熱媒体108は加熱室104、タービン室111からの圧力により、圧力弁109によって逐次、加熱室104に噴射される。
【0007】
一方、本願発明者らは、レーザーを金属または液体に照射すると、蒸発が起こり、この蒸気はレーザー光側に飛んで行くので、この反作用として金属等は光の入射方向に加速されることに着目して、繰り返し推進装置及びそれを用いた軽量小型飛行機を開発した(例えば、特願2001−380312)。ここでは、金属または液体にレーザーを照射して、繰り返し推進させる原理と、それを用いた推進装置が開示されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、タービンの場合には、タービンが小さくなればなるほど表面積の占める割合が大きくなるため、熱するよりも表面からの冷却が支配的になる。また、このような作動流体(熱媒体)をタービンまでどのように導くかも大きな問題であり、熱効率が悪いといった問題がある。また、導入管の占める割合がタービンより大きくなり、使用を制限される。
【0009】
本発明は、上記状況に鑑みて、タービン羽根をレーザー光で照射し、羽根に運動量を与えることにより、簡単な機構で効率よく、駆動を継続することができるレーザー駆動マイクロタービンを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕レーザー駆動マイクロタービンにおいて、タービン羽根と、このタービン羽根の表面に透明体を付与する手段と、前記表面に透明体を有するタービン羽根にレーザー光を照射するレーザー照射装置とを具備することを特徴とする。
【0011】
〔2〕上記〔1〕記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記透明体を付与する手段は、タービン羽根基部に配置される、遠心力によって前記タービン羽根に液体を供給する液体供給機構であることを特徴とする。
【0012】
〔3〕上記〔1〕記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記透明体を付与する手段は、前記タービン羽根の表面に液体を噴霧する液体噴霧装置であることを特徴とする。
【0013】
〔4〕上記〔1〕記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー照射装置はレーザー光を前記タービン羽根に直接照射することを特徴とする。
【0014】
〔5〕上記〔1〕記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー照射装置はレーザー光をガイド手段を介して前記タービン羽根に照射することを特徴とする。
【0015】
〔6〕上記〔5〕記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記ガイド手段はファイバーであることを特徴とする。
【0016】
〔7〕上記〔1〕記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー照射装置はレーザー光強度調整手段を有することを特徴とする。
【0017】
〔8〕上記〔7〕記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー光強度調整手段は、パルスレーザー光の間欠パルス幅を変調して前記タービン羽根の回転速度を可変にすることを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0019】
図1は本発明の第1実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの模式図、図2はそのレーザー駆動マイクロタービンの斜視図である。
【0020】
この図において、1はタービン羽根、2はタービン羽根1の基部に配置される液体供給装置、例えば、図示しないが、タービン羽根1の基部内の湿潤性を有する繊維に側面から水を供給する機構を備えておく。3は液体供給装置2に空けられたタービン羽根1の表面へ液体を供給する穴、4はタービン羽根1の表面に供給される液体、6はそのタービン羽根1にレーザー光5を照射するレーザー光照射装置、7はそのレーザー光照射によって発生する蒸気である。
【0021】
この実施例では、レーザー光照射装置6からタービン羽根1に直接レーザー光5を照射して、タービン羽根1に運動量を与える。すなわち、金属片からなるタービン羽根1の表面にタービン羽根1の回転による遠心力により液体供給装置2により液体4を供給しておき、レーザー光照射装置6から表面に液体4を有するタービン羽根1に直接レーザー光5を照射すると蒸発が起こる。その蒸発による蒸気7はレーザー光5側に飛んで行くので、この反作用としてタービン羽根1は光の入射方向に加速される。この反力を利用してタービン羽根1を回転させる。
【0022】
上記実施例では、タービン羽根1の表面へ液体を供給する方式によっているが、図3に示すように、噴霧装置8をタービン羽根1の近傍に配置して、タービン羽根1の表面へ液体を噴霧して供給するようにしてもよい。
【0023】
このような透明体としての膜の形成は、回転軸と一体となった液体供給装置2に蓄えられた液が遠心力によってタービン羽根方向に薄く広がる効果を利用したり、噴霧機構により羽根に液体を噴霧して付着させる上記の方法以外にも色々な方法が考えられる。
【0024】
また、第1実施例では、タービン羽根1にレーザー光照射装置6から直接レーザー光照射を行いようにしているが、以下のように変形することができる。
【0025】
図4は本発明の第2実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの模式図である。
【0026】
この図において、11はタービン羽根、12はタービン羽根11の基部に配置される液体供給装置、13は液体供給装置12に空けられたタービン羽根11の表面へ液体を供給する穴、14はタービン羽根11の表面に供給される液体、16はレーザー光照射装置、17はタービン羽根11にレーザー光15を照射するガイド手段としてのファイバーである。なお、このファイバー17に代えて、ミラーによる反射を行わせてガイドするようにしてもよい。
【0027】
このように構成することにより、レーザー光照射装置16を任意の個所に配置しておき、ファイバー17を用いて、タービン羽根11の所望の位置にレーザー光15を照射させることにより、タービン羽根11の回転を行わせることができる。
【0028】
その場合、ファイバー17中でのレーザー光15の損失はほとんどないので、どのような細いところでもレーザーを導入することができる。
【0029】
図5は本発明の第3実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの模式図である。なお、図1と同じ部分には図1と同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【0030】
この実施例では、レーザー光照射装置21はレーザー強度調整装置22によってレーザー強度を調整可能にする。例えば、パルスレーザーのパルス幅を変調することにより、レーザー強度を可変にすることができる。
【0031】
これによって、タービン羽根1に照射されるレーザー強度を可変にすることができるので、タービン羽根1の反力を可変にすることができる。
【0032】
したがって、タービン羽根1の回転数を可変にすることができる。
【0033】
以下、具体例(実験例)について説明する。
【0034】
このマイクロタービンを検証するため、下記のような実証実験を行った。
【0035】
図6は本発明のレーザー駆動マイクロタービンの実験装置を示す拡大図であり、6枚の5mm×5mm×0.2mmのアルミニウム板32を、外径2.1mm、内径1.5mm、長さ5mmの中空アルミニウム軸33に溶接したタービン羽根31を示している。
【0036】
この中空アルミニウム軸33中に細線34を通し、図6のように水平に支持した。
【0037】
これに、出力205mJでパルス幅5ナノ秒のYAGレーザー35を、1秒間に10パルスの間隔で下部から照射した。この照射により、アルミニウム羽根31が高速で回転することがわかり、回転数の実測値は474rpmであった。
【0038】
図7は本発明の第4実施例を示す平板のアルミニウムにレーザーを照射したときに得られる運動量を照射したレーザーの強度とパルス幅の関係として表したものである。図の線はシミュレーション結果であり、記号は実験結果を表す。STが図6で使用された平板のアルミニウムに相当する実験である。
【0039】
図6の実験のパラメータが104 MW.sec1/2 /m2 であるので、Cm=10N− sec/MJで、すなわち、一枚の羽根は2×10−6Nsecの運動量を得ていることになる。
【0040】
この羽根の大きさを、例えば5分の1にすると、運動量は125分の1で済むことになり、レーザーの出力も2mJ以下で済むことになる。
【0041】
図6の実験では液体の供給を行わず、直接金属にレーザー照射を行い蒸発させたが、この加速効率を上げるために、レーザーを照射して蒸発させる部分に特殊な構造を持たせることも可能である。例えば、金属の上に透明体をコーティングすることによって、効率が桁違いに上昇する。
【0042】
また、第1〜第3実施例では、蒸発する部分に透明体として水など液体を供給する例を示したが、金属の上に透明な物質(ガラスやアクリル等)をコーティングするようにしてもよい。ただし、繰り返し、長時間駆動する場合には、継続的に水などの液体を供給する機構を備えることが望ましい。
【0043】
本発明によれば、以下のような利点を有する。
【0044】
(1)レーザーによる加速時間は非常に短く、従来にない高速の起動を行うことができる。
【0045】
(2)レーザー強度を調整することによってタービンの回転数の制御を行うことができる。
【0046】
(3)構造を非常に小さくでき、マイクロマシンに好適な駆動系を提供することができる。
【0047】
(4)従来装置に用いられるような蒸気発生装置が不要である。
【0048】
このように構成することにより、コンパクトで、しかも駆動効率が桁違いに高いタービンを実現することができる。
【0049】
本発明はマイクロロボットのマイクロ・マシンの駆動系に活用することができ、応用範囲は広い。
【0050】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0051】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0052】
(A)レーザーによる加速時間は非常に短く、従来にない高速の起動を行うことができる。
【0053】
(B)レーザー強度を調整することによってタービンの回転数の制御を行うことができる。
【0054】
(C)構造を非常に小さくでき、マイクロマシンに好適な駆動系を提供することができる。
【0055】
(D)従来装置に用いられるような蒸気発生装置が不要である。
【0056】
このように構成することにより、コンパクトで、しかも駆動効率が桁違いに高いタービンを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの模式図である。
【図2】本発明の第1実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの斜視図である。
【図3】本発明の第1実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの変形例の模式図である。
【図4】本発明の第2実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの模式図である。
【図5】本発明の第3実施例を示すレーザー駆動マイクロタービンの模式図である。
【図6】本発明のレーザー駆動マイクロタービンの実験装置を示す拡大図である。
【図7】本発明の第4実施例を示す平板のアルミニウムにレーザーを照射したときに得られる運動量を照射したレーザーの強度とパルス幅の関係として表した図である。
【図8】従来のマイクロメカニズムのマイクロタービンの概略構成図である。
【符号の説明】
1,11,31 タービン羽根
2,12 タービン羽根の基部に配置される液体供給装置
3,13 タービン羽根の表面へ液体を供給する穴
4,14 タービン羽根の表面に供給される液体(例えば、水)
5,15 レーザー光
6,16,21 レーザー光照射装置
7 蒸気
8 噴霧装置
17 ガイド手段(ファイバー)
22 レーザー強度調整装置
32 アルミニウム板
33 中空のアルミニウム軸
34 細線
35 YAGレーザー
Claims (8)
- (a)タービン羽根と、
(b)該タービン羽根の表面に透明体を付与する手段と、
(c)前記表面に透明体を有するタービン羽根にレーザー光を照射するレーザー照射装置とを具備することを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。 - 請求項1記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記透明体を付与する手段は、タービン羽根基部に配置される、遠心力によって前記タービン羽根に液体を供給する液体供給機構であることを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
- 請求項1記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記透明体を付与する手段は、前記タービン羽根の表面に液体を噴霧する液体噴霧装置であることを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
- 請求項1記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー照射装置はレーザー光を前記タービン羽根に直接照射することを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
- 請求項1記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー照射装置はレーザー光をガイド手段を介して前記タービン羽根に照射することを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
- 請求項5記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記ガイド手段はファイバーであることを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
- 請求項1記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー照射装置はレーザー光強度調整手段を有することを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
- 請求項7記載のレーザー駆動マイクロタービンにおいて、前記レーザー光強度調整手段は、パルスレーザー光の間欠パルス幅を変調して前記タービン羽根の回転速度を可変にすることを特徴とするレーザー駆動マイクロタービン。
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2010104503A1 (en) * | 2009-03-10 | 2010-09-16 | Bastian Family Holdings, Inc. | Laser for steam turbine system |
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CN110293536A (zh) * | 2019-07-12 | 2019-10-01 | 哈尔滨工业大学 | 一种微纳机器人控制系统 |
-
2002
- 2002-07-29 JP JP2002219793A patent/JP2004058205A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2010104503A1 (en) * | 2009-03-10 | 2010-09-16 | Bastian Family Holdings, Inc. | Laser for steam turbine system |
US8881526B2 (en) | 2009-03-10 | 2014-11-11 | Bastian Family Holdings, Inc. | Laser for steam turbine system |
US20150033745A1 (en) * | 2009-03-10 | 2015-02-05 | Bastian Family Holdings, Inc. | Laser for steam turbine system |
US9810423B2 (en) | 2009-03-10 | 2017-11-07 | Bastian Family Holdings, Inc. | Laser for steam turbine system |
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CN110293536B (zh) * | 2019-07-12 | 2020-09-18 | 哈尔滨工业大学 | 一种微纳机器人控制系统 |
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