JP2020518977A - 液体ライナを内破させる方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ圧縮システムにおいて使用することができる内破する液体ライナを提供する。【解決手段】液体ライナを内破させるシステムの実施例が記載される。内破システムは、容器と、容器内に位置決めされた回転部材とを備える。回転部材は、内面に内側開口部と外面に外側端部とを有する複数の湾曲通路を形成する複数の成形ブレードを有する。回転部材は、少なくとも部分的に液体媒体で満たされる。回転部材が回転する時に液体媒体が通路に押し込まれて、回転軸に対して湾曲し空洞を定める界面を備えた液体ライナを形成するように、駆動装置を用いて回転部材を回転させる。本システムは、液体ライナが内方へ内破して空洞を崩壊させるように回転部材の回転速度を変化させる内破駆動装置を更に備える。【選択図】図１

Description

本開示は一般に、液体媒体内に空洞を形成して、空洞の液体ライナを内破させることによりこのような空洞を崩壊させる方法及びシステムに関する。

内破型液体ライナシステムは、従来技術で公知のように、円筒形状の液体ライナを半径方向に内破させることにより崩壊する円筒空洞を形成する。このような従来技術の内破型液体ライナシステムの例は、１９７０年代に米国海軍研究所で開発されたＬＩＮＵＳシステムである。ＬＩＮＵＳシステムでは、回転する円筒形の液体金属ライナが自由ピストンによって半径方向に駆動される。自由ピストンは、高圧ガスによって軸方向に駆動されて、回転する液体ライナの自由表面の半径方向運動を引き起こす。液体金属の初期の回転は、その液体媒体が収容される円筒容器を回転させることによって提供される。容器全体が縦軸の周りに回転するので、円筒空洞が回転軸に沿って同軸に形成される。

一態様において、液体ライナ内に空洞を形成し、液体ライナを内破させることにより空洞を崩壊させるための液体ライナ内破システムが提供される。このシステムは、外壁を有する容器と、容器の内側に配置されて回転軸の周りに回転可能な回転部材と、回転部材を回転させるために回転部材に動作可能に連結された回転駆動装置と、回転部材が回転している時に液体ライナを形成し、回転部材において流動する液体媒体と、回転部材の加速度を変化させ、液体ライナを回転部材の内部容積の中央領域に向かって内破させて空洞を崩壊させるために、回転部材と係合可能な内破駆動装置と、を備える。回転部材は、回転軸に沿って形成された第１の端部及び第２の端部と、回転軸に対して湾曲する内面と、複数の湾曲通路とを備える。湾曲通路の各々は、内面にある内側開口部と外側端部とを有する。通路の各々の曲率は、通路の外側端部と、第１又は第２の端部との間の距離の関数であり、第１又は第２の端部の近傍に外側端部を有する通路が中央領域に向かう方向で外側端部から内側開口部まで３次元的に湾曲するようになる。

回転部材は、離間して配置されて複数の湾曲通路を形成する複数の成形ブレードを更に備える。複数の成形ブレードの少なくとも一部は、内側開口部にテーパ付き壁を有する。

一態様において、回転部材の外側端部が開口され、回転部材の外面は、次式に従って成形される：

ここで、Ｐ_out（_top）は回転部材の第１の端部における外面での圧力であり、Ｐ_inは回転部材の内面での圧力であり、ｚ₀は内面の基準点であり、ｚは回転軸に沿う可変距離であり、ρは液体媒体の密度であり、ｇは、回転部材の回転軸に沿う重力による加速度であり、ωは回転部材の回転速度（ｒａｄ／ｓ）であり、ｒは回転軸からの可変垂直距離であり、ｒ_o（ｚ）は、回転軸から通路の各々の外側開口部の半径を定義する関数であり、ｒ_i（ｚ）は、回転軸から通路の各々の内側開口部の半径を定義する関数である。

一態様において、内破駆動装置は、歯付き中空歯車リングと、その周囲に複数の歯を各々が有する複数の遊星歯車とを有する偏心歯車組立体を備えた減速装置である。複数の遊星歯車は、回転部材と歯車リングとの間に位置決めされる。回転部材はまた、遊星歯車に向かって突出する歯を備えて、遊星歯車の歯の少なくとも一部が回転部材の歯の少なくとも一部及び歯車リングの歯の少なくとも一部と係合するようにする。遊星歯車の各々は偏心質量を更に備える。ロック部は、動作の開始時に遊星歯車を回転部材に対するロック位置にロックするように構成され、ロック位置にある時に各遊星歯車の偏心質量が回転部材に対してオフセットするようにする。ロック部が開放された時に遊星歯車は回転方向に自転し、それによって回転部材を減速させ、中空歯車リングを加速させる。

別の態様では、内破駆動装置は、化学的駆動装置、電磁駆動装置、空気圧駆動装置、油圧駆動装置、又はそれらの組み合わせからなる群から選択された加速装置を含む。

一態様において、液体ライナ内破システムを備えたプラズマ圧縮システムが提供される。容器及び回転部材は、内部容積、及び複数の湾曲通路の前記内側開口部と位置合わせされて流体連通する開口部を更に有する。プラズマ圧縮システムは、プラズマを発生させるように構成され、容器の開口部に接続された出口を有するプラズマ生成器を備え、プラズマ生成器によって発生したプラズマが空洞に注入されるようにする。液体ライナは、内破して空洞を崩壊させる時に空洞内のプラズマを圧縮する。

上記の態様及び実施形態に加えて、図面の参照並びに以下の詳細な説明の検討により、更なる態様及び実施形態が明らかにされる。

図面全体を通じて、参照する要素間の対応関係を示すために同じ参照番号を利用する場合がある。図面は、本明細書に記載する例示的な実施形態を示すために提供され、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。図面における要素のサイズ及び相対位置は、必ずしも縮尺どおりに描かれている訳ではない。例えば、様々な要素及び角度の形状は縮尺どおりに描かれておらず、これらの要素の一部は、図面の判読し易さを改善するために、恣意的に拡大され配置される。

回転する内部界面が回転軸に向かって内方に湾曲した液体ライナを形成し、並びに液体ライナを内破させるための液体ライナ内破システムの一例の概略側断面図である。 湾曲した流路／通路を形成する複数の成形ブレードを示す、液体ライナ内破システムの回転部材の上部断面図である。 回転部材の一端におけるブレードの配置及び幾何形状を示す、球面形状の内面と円筒形状の外面とを備えた回転部材の一実施形態の下側部分の部分側断面図である。 偏球面形状の外面と球面形状の内面とを備えた回転部材の別の実施形態の部分側断面図である。 円筒形状の内面及び外面を有する、回転部材の別の実施形態を備えた液体内破システムの実験モデルの斜視断面図である。 液体ライナの内破の前に回転部材のブレードの内部先端から半径方向内向きの距離にて形成された液体ライナを示す、液体ライナ内破システムの実験モデルの上面図である。 液体ライナの内破の後に回転部材の内部容積を満たす液体を示す、図６Ａの実験モデルの上面図である。 回転部材を減速するための偏心ギア組立体を有する液体ライナ内破システムの斜視断面図である。 偏心ギア組立体の偏心ギアの一部の詳細断面図である。 回転部材の急激な減速／加速のための制動システムの一例を示す、液体ライナ内破システムの一例の上部概略断面図である。 プラズマを圧縮するために液体ライナ内破システムを用いるプラズマ圧縮システムの一例の概略断面図である。

図１は、液体で覆われた空洞１３を形成し内破させるための液体ライナ内破システム１０の一例を示す。システム１０は、壁１１を有する容器１２と、容器１２の内側に配置されて回転軸の周りに回転可能な回転部材１４とを備える。回転部材１４は、多数の湾曲した流路／通路１６がブレード１５（図２参照）の間に形成され、内部容積が回転部材１４の内側に定められるように、複数の成形ブレード１５を備える。回転部材１４は、回転する時に液体媒体が通路１６を少なくとも部分的に満たせるように、液体媒体で部分的に満たすことができる。液体媒体は、液体リチウム又は液体鉛／リチウム合金などの液体金属、或いは回転部材１４が回転する時に液体ライナを形成するのに適した何れか他の流体、合金又はそれらの組み合わせとすることができる。回転駆動装置が回転部材１４に連結されて回転部材１４を回転させるので、液体媒体は周方向に駆動され、緯度方向に束縛されて、回転する内部界面１９を備えた液体ライナ１８を形成する。液体ライナ１８は、空洞１３を定める。回転駆動装置は、例えば、回転部材１４の少なくとも一部に接続されたロッド１７と、ロッド１７と接続して回転部材１４を回転させる動力源（図示せず）とを含むことができる。代替実施形態では、回転駆動装置は、容器１２を回転させるように構成することができるので、回転駆動装置を起動させて容器１２を自転させると、容器１２と回転部材１４との間の液体媒体の流体摩擦により、回転部材１４は容器１２と同じ速度で自転することになる。

システム１０内で液体媒体の流れを方向付けるために、液体循環システム２０を設けることができる。循環システム２０は、回転部材１４内で液体媒体の望ましい流れを得るために、複数のバルブ、ノズル、管網、及び１又は２以上のポンプを備えることができる。循環システム２０は、液体媒体を回転部材１４に注入するための１又は２以上の注入ポート２１と、回転媒体１４及び容器１２から外へ液体媒体を排出するための１又は２以上の排出ポート２２とを更に備える。例えば、注入ポート２１は、容器１２の極に近接して形成することができ、一方で排出ポート２２は、容器１２の赤道に又は赤道近くの様々な緯度に位置することができる。一実施形態では、注入／排出ポート２１、２２に流れ制御部を設けて、ポートを通る流体流れを制御することができる。

回転部材１４は、容器１２内に配置することができる。図２は回転部材１４の赤道断面を図解し、複数の成形ブレード１５が流路／通路１６を形成することを示している。通路１６の各々は、回転部材１４の内面２７に内側端部２６と、回転部材１４の背面（外面）２８に外側端部２５とを有する。回転部材１４の内面２７は、回転軸と同軸であって回転軸からの回転部材の内半径ｒ_iを規定し、一方で外面２８は、回転軸からの回転部材１４の外半径ｒｏを規定する。少なくとも回転部材１４の内面２７に複数の通路１６を開口して、通路の出口を形成することができる。ブレード１５の少なくとも一部は、内側端部２６にテーパ付き／面取り付きの壁を有することができる。回転部材１４は、回転部材１４の上部極に第１の端部２３（図７Ａ参照）と、下部極に第２の端部２４とを有することができる。回転部材１４の内面２７は、内面２７の一部分（又は複数の部分）が回転軸に向かって内方に湾曲できる一方で、他の部分（複数可）が回転軸に対して外方に（回転軸から更に離れる方向に）湾曲できるように、回転軸に対して湾曲する。これらの図は、内面２７が第１及び第２の端部２３、２４の各々に向かって内方に湾曲する回転部材１４の実施形態（球面形状の内面２７）を示すが、当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、内面が凸形状（第１の端部２３及び第２の端部２４の各々で外方に湾曲する）又は他の波形状などの他の湾曲形状を有することができることを理解しよう。通路１６は、内側端部２６が外側端部２５に対して所定の角度になるように湾曲させることができる。一実施態様では、通路１６を外側端部２５で閉じることができる、つまりは通路１６の背面が固体壁で閉じられて、注入及び排出ポート２１／２２をこのような固体壁に形成して液体媒体が回転部材１４に流入すること、及びこれから流出することを可能にする。例えば、容器１２の壁１１が回転部材１４の外壁を形成するように、ブレード１５の後端を容器１２の壁１１に接続させることができる。このような実施態様では、容器１２は回転部材１４と共に回転することになる。一実施形態では、回転部材１４の外壁は容器１２の壁１１から分離しているとすることができ、容器１２は回転部材１２の回転中、静止しているとすることができる。別の実施態様では、流路／通路１６を両端部２５及び２６で開くことができるので、このような回転部材１４は外壁を持たないことになる。回転部材１４は、静止して回転部材１４を取り囲むステータ内に位置決めすることができる。本出願において、ステータとは、その内部で回転部材１４が回転して空洞１３及び液体ライナ１８を形成する非回転部品を意味する。ステータは、回転部材１４を取り囲むステータの組立体を容器１２内に位置決めできるように、容器１２から分離しているとすることができる。一実施形態では、ステータを容器１２に接続して単一の構造要素を形成することができ、回転部材１４を容器１２内に位置決めすることができるので、容器１２がステータとなる。

回転部材１４は、単一の部材とすることができ、或いは、組み合わされて回転部材１４を形成する２又は３以上の部品で作製することができる。例えば、回転部材１４は、回転軸に沿って離間して配置され、互いに積層及び入れ子にされて回転部材１４を形成できる複数の緯度方向部品を有することができる。緯度方向部品の各々は、部品を組み合わせた時に１つの部品のブレードの曲率が隣接部品のブレード内に組み合わされるように、成形ブレード１５の全長を含む。従って、緯度方向部品の各々は複数の成形ブレードを備え、各緯度方向部品における各成形ブレードは途切れない長さを有する。各部品は独立して回転し、液体ライナ１８のパラメータを調整することができる。複数の組み合わされる部品が異なる速度で回転して、液体ライナ１８の幾何形状又は液体ライナ１８の崩壊の幾何形状を調整することができる。

回転部材１４によって回される液体は、回転部材１４の閉じた外壁に、或いは一部の実施態様では、容器１２の壁１１（又はステータの壁）に押し付けられ、空洞１３と液体ライナ１８とを作り出す。ブレード１５は、回転するブレードの停止、減速、急加速、又は回転方向の反転が生じる場合に、液体の運動量が液体を内方に運ぶように傾斜させることができる。ブレード１５の形状及び傾斜は可変であり、例えば、通路１６の内側端部２６は、本発明の範囲から逸脱することなく、内部空洞１３に向かってより大きく又はより小さく傾斜させることができる。ブレード１５は、本発明の範囲から逸脱することなく、反時計回り又は時計回りの回転用に配置することができる。回転部材１４を短時間で減速／加速できるようにするため、回転部材１４の質量を低く抑えてその慣性を小さくすることができる。例えば、外壁のない回転部材１４（外側端部２５が開いている）、或いはより薄い壁のブレードを備えた回転部材は、回転部材１４の質量、ひいては回転部材１４の慣性を減らすことになるので、このような回転部材はより速く減速させることができる。

図３は、球面形状の内面と円筒形状の外面とを有する回転部材１４の一実施形態を示し、特に、回転部材１４の極におけるブレードの配置及び幾何形状を示す。球形の内部形状を生成するために、ブレードの形状と通路の曲率は緯度位置と共に変化し、ブレード１５及び通路１６は、回転部材１４の極に近づくにつれてより大きく捩れるようにすることができる。通路１６の曲率は、第１及び第２の端部２３、２４の近傍における通路１６の曲率が内部容積の中央領域２９に向かって外側端部２５から内側端部２６まで３次元的に湾曲するような、第１又は第２の端部２３、２４から外側端部２５までの距離の関数である。例えば、回転部材１４の赤道におけるブレード１５及び通路１６は、２次元（例えば、Ｘ及びＹ）で湾曲するが、赤道から離れた（例えば、端部２３、２４で）ブレード１５及び通路１６は、回転部材１４の内面２７が第１及び第２の端部２３、２４向かって内方へ湾曲するように、３次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で湾曲する。加えて、通路１６の曲線の長さ、幅、高さ、及び／又は角度は、例えば、第１及び第２の端部２３、２４に近い通路１６が、第１及び第２の端部２３、２４から離れた通路１６よりも狭く、長く及び／又は捩れているとすることができるなど、変えることができる。

回転部材１４は、回転部材１４の第１の端部２３又は第２の端部２４に形成された入口開口部３０（図７Ａ参照）を更に備えることができる。入口開口部３０は、本発明の範囲から逸脱することなく、回転部材１４の端部２３、２４の一方又は両方に形成することができる。ブレード１５の数、形状、サイズ、長さ、半径方向深さと共に通路１６の容積は、回転部材１４のサイズ及び形状、容器１２の形状及びサイズ（又は、一部の実施態様ではステータ）並びに液体ライナ１８の所望のパラメータに応じて変えることができる。その内面及び外面など、回転部材１４の形状を湾曲させることができ、例えば、本発明の範囲から逸脱することなく、内面は球面又は偏球面（卵形）又は何れか他の適切な形状或いはそれらの組み合わせとすることができ、外面は円筒又は偏球面又は何れか他の適切な形状或いはそれらの組み合わせとすることができる。

図４は、偏球面外壁５６と湾曲した（球面の）内面５４とを有する回転部材１４の別の実施形態の下部の断面図を示す。通路１６は、外壁５６を形成する後端で閉じられ、内面５４で開かれるとすることができる。回転部材１４は液体媒体で部分的に満たされ、回転部材１４が自転すると、液体は、回転部材１４の閉じた外壁５６に向かって通路１６に押し込まれ、通路１６を満たす。回転部材１４の背面が閉じているので、液体ライナは各通路１６で界面５８を形成する。多数の界面５８は、空洞１３を定める液体ライナ１８の階段状の湾曲界面を形成する。液体ライナ界面の湾曲は、通路１６の数を増やし、それによって各階段のサイズを小さくするすことによって滑らかにすることができる。また、通路１６の直径が小さくなるので、液体ライナ界面５８の湾曲を滑らかにするために表面張力も利用することができる（回転部材１４を構築するのに使用される材料に依存する）。

一部の実施態様では、通路１６の外側端部が回転部材１４の外面５６に開いているので、通路１６が両端で開口する。このような実施態様では、液体ライナ界面１９／５８の形状は、回転部材１４の背面（外面）５６で圧力を制御することにより制御及び調整することができる。動作中、外面５６に沿う圧力は、所望の内部界面１９を備えた液体ライナ１８を形成するために、均一に近い状態に保たれる。回転部材の外面５６が開口する実施形態では、次式に従って外面５６の形状を決定することができる：

ここで、Ｐ_out(top)は第１（上側）の端部２３における外面５６での圧力であって設計入力であり、Ｐ_inは回転部材１４の内面５４での圧力であり、空洞１３に収容される物質、すなわちガス、プラズマ、磁場などによって規定され、ｚ₀は内面５４の基準点であり、ｚは回転軸に沿う可変距離であり、ρは液体媒体の密度であり、ｇは、回転部材１４の回転軸に沿う重力による加速度であり、ωは回転部材１４の回転速度（ｒａｄ／ｓ）であり、ｒは回転軸からの可変垂直距離であり、ｒ_o（ｚ）は、回転軸から通路１６の外側端部２５の半径を定義する関数であり、ｒ_i（ｚ）は、回転軸から通路１６の内側端部２５の半径を定義する関数である。当業者は、垂直向きではない（例えば、傾斜した、水平向きの）システムの場合、回転軸からの重力ベクトルのオフセットを考慮するように式（１）を適合させる必要があることは理解されるであろう。

式（１）によれば、外面５６（通路１６が外側端部で開口する場合）は、端部２３、２４での流路／通路１６の半径変化Δｒが、赤道での通路１６の半径変化Δｒよりも大きくなるように形づくられる。Δｒは、通路１６の外側端部２５の回転軸からの半径と、通路１６の内側端部２６の回転軸からの半径との差として定義される。従って、Δｒは、回転部材１４の端部２３、２４から赤道に向かって徐々に減少する。重力に起因して回転部材１４の外面５６に小さな圧力勾配が存在する可能性があることに注意する必要がある。しかしながら、回転系では、重力加速度は角加速度よりも遥かに小さいので、このような圧力勾配は小さくなる。このように、圧力がより小さいより小サイズのシステムでは、僅かな圧力勾配が液体ライナ界面の曲率に影響を与える可能性がある。重力による圧力勾配を補償するために、第１の端部２３が第２の端部２４の上方にある回転部材１４は、例えば、球面形状内面の場合に第１（上側）の端部２３でのΔｒが第２（下側）の端部２４でのΔｒよりも小さくなるように、赤道面を中心として非対称とすることができる。

液体ライナは、内破駆動装置によって内方へ内破させることができる。例えば、内破駆動装置によりブレード１５が停止する、又は急速に減速する、又は急速に加速する場合に、流路／通路１６内の液体の運動量が、空洞１３の中央領域２９に向かって内方へ液体を押し込むように、ブレード１５を配置することができる。結果として、自転する液体の回転運動エネルギは、液体ライナ１８を内破させる有用な仕事に部分的に変換される。ブレード１５の配置、その形状、長さ、半径方向深さ、並びに通路１６の容積は、内破を規定し形づくり、空洞１３に収容された何れかの物質（例えば、ガス、プラズマ、磁場など）を圧縮する。例えば、ブレード１５の角度を変えることで、最終的な圧縮半径及び圧縮時間を変えることができる。通路１６の均一な壁厚を維持するために、ブレードの角度を変える際に通路の直径を変えることができる。一部の実施形態では、ブレードの角度は、ｋ＝０．０８５・ｄ（Ｒ_iｂｌａｄｅｓ）／ｄθとすることができ、ここで、ｋは半径方向の勾配、ｄは微分演算子、Ｒ_iはブレード１５の内半径、ｄθはラジアン単位でのブレードの角度である。

圧縮比に影響を及ぼす別の要因は、回転部材１４の外半径と内半径との比ｒ_o／ｒ_iである。外半径ｒ_oを大きくすると総圧縮は大きくなるが、それは回転部材１４の慣性を大きくすることになる。一部の実施形態で、並びにこの実施形態の回転部材１４の内面の球面形状に起因して、端部２３、２４の近くの液体ライナ区画がより速く崩壊し、崩壊／圧縮中の液体ライナ界面１９の対称性及び／又は平滑性を減少させる場合がある。回転部材１４の外半径を回転部材１４の内半径の定数倍となるように変えることにより、回転部材１４は、赤道流路（通路１６）内の液体媒体が端部２３、２４に近い流路内の液体媒体と同時に崩壊する幾何学形状を有することになる。一部の実施形態では、回転部材１４には容積が変化する通路が設けられる。例えば、外側端部が極（端部２３、２４）に近い通路１６の容積は、外側端が端部２３、２４から離れて赤道に近い通路１６の容積よりも小さくすることができるので、液体ライナ１８の崩壊中、液体ライナ界面の形状が維持される。一部の実施態様では、圧縮中の液体ライナ１８の形状は、回転部材１４に別々に回転可能な多数の緯度方向部品を設け、次に緯度方向部品が異なる所定の速度で回転するようにシステムを操作することによって調整することができる。例えば、回転部材１４が２又は３以上の緯度方向部品で作製される場合、各部品は、他部品（複数可）とは別々に独立して回転させることができる。崩壊する時の液体ライナの所望の形状は、回転部材１４の各緯度部分の速度を調整することにより、或いは、外半径と内半径との必要とされる比と、流路／通路１６の必要とされる体積とを有する幾何形状を回転部材１４に設けることにより実現することができる。その必要とされる比は、回転部材１４の所望のサイズと所定の圧縮比とに依存することになる。

図５は、液体ライナ内破システム８０の実験用小型モデルを示す。このシステム８０は別の実施形態による回転部材８４を備え、回転部材８４の内面及び外面は円筒形である（「円筒形回転部材」）。円筒形回転部材８４は液体を収容し、回転して界面８９を備えた液体ライナ８８を形成することができる（図６Ａ参照）。回転部材８４は、容器８２内に配置することができる。図示のモデルでは、容器８２は、モータ８４（例えば、電気モータ）で駆動される駆動ロッド１７に接続される。モータを起動させて容器８２を自転させると、容器８２と回転部材８４との間の液体媒体の流体摩擦により、回転部材８４は容器８２と同じ速度で自転することになる。回転部材８４は、モータを起動して容器８２を自転させる前に、所定量の液体媒体で満たされる。回転部材８４を停止させるために、シャフト８６を用いて減速力を加えて回転部材を減速させる。ほんの一例として、シャフト８６の一端を回転部材８４に接続でき、一方で反対側の端は２歯ラチェット８７にすることができる。回転部材８４を停止／減速させるために、ガス作動ピンをラチェット８７に押し込んでラチェット８７を停止させることができ、シャフト８６の下部は回転部材８４のエネルギを吸収するために捩れる捩りバネとして機能する。実験用モデルには透明な上部窓８８を設けて、液体ライナ８８の形成と、内破中のその挙動とを高速度カメラで記録できるようにする。青色の染料を液体媒体に添加して、内面の視認性を高めた。

図６Ａは、回転界面８９がブレード１５の先端から内方に形成された液体ライナ８８を示す。液体ライナ８８のサイズ、すなわち回転部材８４の内面に対する液体ライナ８８の層の半径方向深さは、容器８２内の液体媒体の量に依存する。図６Ａに示すように、形成された液体ライナ８８は、滑らかな回転界面８９を有する。回転部材８４を減速させることにより、拘束された通路１６間の液体の運動量が空洞８３の中央領域に向かって内方へ液体を送り出し、液体ライナを空洞８３内に崩壊させる。図６Ｂは、内破（圧縮）後に液体媒体で満たされた回転部材８４の内部を示す。液体ライナが内破するとライナはシャフト８６に当たり、圧縮は半径方向圧縮比７．７でシャフト８６により停止する。液体層界面８９は、崩壊の間、滑らかであった。図６Ａ及び６Ｂに示すように、円筒形回転部材８４を用いて滑らかな回転界面８９を備えた液体ライナ８８を得ることができ、このようなライナを、界面８９の滑らかさを乱すことなく高い半径方向圧縮比まで圧縮することができる。

図７Ａ及び７Ｂは、１０４として参照する回転部材の実施形態を減速するための手段を備える内破駆動装置の一例を示す。回転部材１０４は、図３の回転部材のように円筒形外壁を有することができる、又は僅かに湾曲した（偏球面の）外壁を有することができる。図示の例では、減速手段は、偏心歯車組立体１００を備える。偏心歯車組立体１００は、各々が偏心質量１１２を備えた複数の遊星歯車１１０と、歯１１８を備えた歯付き中空歯車リング１１４とを備えている。回転部材１０４には、その外面の周りに歯１１６が設けられる。遊星歯車１１０は、その歯の一部が回転部材１０４の歯１１６の一部、及び歯車リング１１４の歯１１８の一部と係合するように、回転部材１０４と中空歯車リング１１４との間に位置決めされる。偏心歯車組立体１００は、少なくとも動作の開始時に各遊星歯車１１０をロック位置にロックするように構成されたロック部（図示せず）を更に備えることができる。遊星歯車１１０がロック位置にある時、回転中の歯車組立体１００への応力が最小限となるように、偏心質量１１２は回転部材１０４の歯１１６に近接し偏心している。図示のように、遊星歯車１１０がロック位置にある時に偏心質量１１２は僅かにシステムの回転方向（この例では反時計回り）へ揃えられるので、遊星歯車１１０がロック解除されると反時計回りに揺動する。遊星歯車１１０がロック位置にある時、歯車リング１１４と遊星歯車１１２は、回転部材１０４と共に回転する。回転部材の減速が望まれる時には、遊星歯車１１０へのロックが解除され、遊星歯車１１０は、偏心質量１１２に加えられる向心力により自転し、それによって中空歯車リング１１４を遊星歯車の回転方向に加速する一方で、回転部材１０４を減速させる。回転部材１０４に由来する角運動量は、このようにして中空歯車リング１１４に移される。このような回転部材１０４の減速により、回転中に形成された液体ライナが内破する。これが、遊星歯車１１０が揺れ戻る時に歯車リング１１４を減速させながら回転部材１０４を加速させるようなエネルギ回収を提供する。遊星歯車１１０が揺れ戻る時に、それらをラッチ部（図示せず）で捕らえることができ、その初期位置に再びロックすることができる。遊星歯車１１０は、ラッチしてロック位置にロックする前に、揺動して歯１１６との接触を過ぎる。従って、遊星歯車１１０が解放されるとそれらは外方へ揺動し、それによって回転部材１０４を遅くしてリング１１４を加速させる（回転部材１０４の減速）。偏心質量１１２が歯車リング１１４の傍の点を越えて揺動する時に、遊星歯車１１０は回転部材１０４を加速し、歯車リング１１４を減速させる（回転部材１０４の加速）。遊星歯車は、揺れ戻り時に減速し始め、最終的に回転部材１０４の傍の点に到達する前に停止する。遊星歯車１１０が回転部材１０４の傍の点に到達すると、それらは、補助モータ（図示せず）を用いて押し込まれて歯１１６との接触を過ぎ、ロックすることができる。さもなければ、向心力により、遊星歯車１１０は逆の進路へ揺れ戻る（時計周りに）ことができる一方で、歯車リング１１４の傍の点を通過するまで回転部材１０４を加速させて歯車リング１１４を減速させ、次いでロックする回転部材１０４の傍の点で停止するまで回転部材１０４を減速させて歯車リング１１４を加速させる。遊星歯車１１０のサイズ、回転部材１０４のサイズ、及び歯車リング１１４のサイズは、遊星歯車が揺れ戻って回転部材１０４を加速させる時間が液体ライナの最も望ましい内破と合致するように調整し予め決定することができる。遊星歯車１１０の数とこのような歯車のサイズ、並びに回転部材１０４及び歯車リング１１４のサイズは、所望の減速と対応する圧縮とを達成しつつ構造体への応力を低減するように予め決定される。例えば、より大きな歯を備えたより小さな直径の遊星歯車１１０は、歩留り及び減速時間に関してより良い結果を与えることが期待される。

図８は、回転部材２０４を減速させる手段の別の例を概略的に示す。例えば、回転部材２０４は、何らかの所定の速度で自転して、回転界面２０９を備えたライナ２０８を形成することができる。その後、回転部材２０４を急加速させ、次いで減速させて、液体ライナ２０８を内方へ送り出し、空洞２０３を崩壊させることができる。例えば、回転部材２０４の急な（急激な）加速は、化学的駆動装置、空気圧／油圧駆動装置、電磁駆動装置、又は加速用の何れか他の適切な手段を用いることによって行うことができる。加速フェーズは回転部材２０４に運動量を付加し、液体ライナを内方に内破させるために減速フェーズが続く。図示のように、回転部材２０４が容器５０２内に配置されるので、容器５０２は、液体ライナ２０８を形成するための形成速度で回転部材２０４と共に回転することができる。容器５０２にはその内壁に多数のタブ５０３が接続され、タブ５０３が容器５０２の壁から回転部材２０４に向かって内方に延びるようにする。回転部材２０４は、その外壁で接続され、容器５０２に向かって外方へ延びる対応するタブ５０１を備え、タブ５０１及び５０３の各々が、それらの間に間隙５０４を持つ一対の対面タブを形成するようにする。加速手段５０７は、間隙５０４に圧力を加えて２つの対面タブ５０１、５０３を押し離し、それにより容器５０２と回転部材２０４を反対方向に加速させるように構成することができる。例えば、加速手段は、圧縮ガスを間隙５０４に注入して容器５０３及び回転部材２０４を急加速させるために、加圧ガス源と高速バルブとを備えることができる。容器５０２と回転部材２０４が反対方向に加速すると、それぞれのタブ５０１、５０３は、それぞれの近づいてくる近接タブに接近する／衝突することになる。タブ５０１、５０３の衝突を回避するために、減速手段５０８を用いて容器５０２及び回転部材２０４を減速させることができる。減速手段５０８は、例えば、２つの隣接する間隙５０４の間に形成された空間５０５に流体を注入するための別の流体源及び高速バルブとすることができるので、容器５０２と回転部材２０４が反対方向に加速する時に、それらは空間５０５に注入された流体を圧縮して減速し、液体ライナ２０８を内方へ送り出して中央空洞２０３を崩壊させる。

一実施態様では、内破駆動装置は、迅速な（急激な）加速用の手段だけを備えることができ、減速手段を省くことができる。回転部材の急激な加速により、液体媒体は、ブレード１５の形状（方向）によって決まる方向に押されることになる。当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、回転部材を加速又は減速させる何れか他の手段を使用できることを理解しよう。例えば、パンケーキコイルを回転部材の高速加速に使用することができ、或いは１又は２以上の付加的なコイルを用いて、回転部材を減速させる磁場を与えることができる。一実施態様では、加速／減速用の１又は２以上の手段を使用することができる。例えば、通路１６に閉じ込められた液体媒体が回転部材の内面から僅かに内方へ動いて液体ライナの階段状界面を滑らかにすることができるように、１つの減速装置／加速装置を用いて回転部材の速度を僅かに変えることができる。次に、第２の減速装置／加速装置を適用して、液体ライナを中央領域に向かって完全に内破させ、空洞を崩壊させることができる。

一実施態様では、内破駆動装置は、回転部材の外面に流体を注入して回転部材を減速させるために流体源を備えることができる。例えば、圧縮ガス又は圧力下の液体媒体などの流体を複数のバルブを介して回転部材の外面に注入することができる。複数の弁は流体源（図示せず）と流体連通することができるので、バルブを開放すると、流体（例えば、圧縮ガス）が回転部材の外面に注入されて、それを減速させることができる。別の実施態様では、加圧流体を用いて、回転部材を加速させ、液体ライナを内方へ押し付けることができる。例えば、ブレード１５の外側端部を成形してカップを形成して、このカップに加圧流体が注入されると加圧流体の力が回転部材を加速させ、液体を羽根／通路１６の下方に押し付けるようにすることができる。液体ライナは、回転部材の急加速と、加圧ガスによって羽根／通路１６内の液体に加えられた力とによって、内方へ送り出されることになる。当業者は、加圧流体をその中に注入することにより回転部材が減速するようにブレードを成形できる（例えば、逆さのカップ）ことを理解しよう。従って、ブレード形状に応じて、回転方向と比べて回転部材を減速又は加速させるために、加圧流体を用いることができる。

本明細書で上述したように、軸方向と半径方向の両方に液体ライナを内破させるシステムは、プラズマを圧縮するためにプラズマ圧縮システムで使用することができる。プラズマ圧縮システムは、プラズマを発生させ、このプラズマを液体ライナ内に形成された真空キャビティに注入するためのプラズマ発生器と、液体ライナを真空キャビティの中央領域に向かって内方へ内破させて、閉じ込められたプラズマを圧縮するための液体ライナ内破システムとを備える。当業者は、本明細書に記載する液体ライナを形成し内破させるシステムの実施形態の何れか、又はそれらの何れかの組み合わせが、液体ライナを半径方向及び軸方向に内破させるため、並びに内破する液体ライナ内に閉じ込められたプラズマを圧縮するために使用できることを理解しよう。図９は、プラズマを発生させ、このプラズマを回転部材１４内に形成された空洞１３に注入するように構成されたプラズマ発生器１１００を備えるプラズマ圧縮システム１０００の例を示す。回転部材１４は、本明細書で上述した実施形態の何れか、又はそれらの組み合わせとすることができる。プラズマは、例えばコンパクトトロイド（ＣＴ）などの磁化プラズマとすることができる。プラズマ発生器１１００の出口１１１０は、容器１２の壁１１に形成された環状開口部１１２０、並びに回転部材１４の入口開口部３０（図７Ａ参照）と位置合わせされるので、プラズマが真空空洞１３に注入される。回転部材１４が急激に減速／加速すると、液体ライナは内破して空洞１３を崩壊させ、それにより中に閉じ込められたプラズマを圧縮する。

図１〜９の何れかに示す液体ライナを内破するシステムは垂直向きであるが、当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、このようなシステムを水平向きにする、又は或る角度に傾斜させることができると理解しよう。

本開示の特定の要素、実施形態、及び適用例を示し説明したが、本開示の範囲から逸脱することなく、特に上記の教示に照らして、当業者により変更が可能なため、本開示の範囲はそれらに限定されないことを理解されたい。従って、例えば、本明細書に開示する何れかの方法又はプロセスにおいて、方法／プロセスを構成する行為又は動作は、何れかの適切な順序で実行することができ、何れか特定の開示する順序には必ずしも限定されない。要素及び構成部品は、様々な実施形態において、別様に構成又は配置し、組み合わせ、及び／又は削除することができる。上述の様々な特徴及びプロセスは、互いに独立して使用することができ、又は様々な方法で組み合わせることができる。全ての可能な組み合わせ及び部分的組み合わせが本開示の範囲に入るものとする。本開示を通して「一部の実施形態」、「一実施形態」などへの言及は、その実施形態に関連して記載する特定の特徴、構造、ステップ、プロセス、又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本開示を通して「一部の実施形態では」、「一実施形態では」などの語句の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態を指すのではなく、同じ又は異なる実施形態の内の１又は２以上を指すとすることができる。実際、本明細書に記載する新規の方法及びシステムは、様々な他の形態で具体化することができ、更に、本明細書に記載する本発明の趣旨から逸脱することなく、本明細書に記載する実施形態の形態における様々な省略、追加、置換、等価物、再配置、及び変更が可能である。

該当する場合には、本実施形態の様々な態様及び利点を記載した。何れか特定の実施形態に従って、このような態様又は利点が全て達成されるとは限らないことを理解されたい。従って、例えば、様々な実施形態は、本明細書に教示又は示唆することのできる他の態様又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書に教示する１つの利点又は利点群を達成又は最適化するやり方で実行できることを認識すべきである。

本明細書で使用する条件用語、中でも「可能である（ｃａｎ）」、「可能であろう（ｃｏｕｌｄ）」、「かもしれない（ｍｉｇｈｔ）」、「できる（ｍａｙ）」、「例えば」などは、特に明記しない限り又は使用される文脈内で別様に理解されない限り、一般に、特定の実施形態は特定の特徴、要素及び／又はステップを含むが他の実施形態は含まないということを伝えるように意図する。従って、このような条件用語は一般に、特徴、要素及び／又はステップが１又は２以上の実施形態に何らかの形で必要とされること、或いは１又は２以上の実施形態が、オペレータ入力又はプロンプティングの有無を問わず、これらの特徴、要素及び／又はステップが何れか特定の実施形態に含まれるのか、そこで実行されることになっているのかを決定するためのロジックを必ず含むことを暗示するように意図したものではない。どの単一特徴又は特徴群も、何れか特定の実施形態には必要とされない、又は不可欠ではない。「備える」、「含む」、「有する」などの用語は同義語であり、包括的に制限なく使用し、付加的な要素、特徴、行為、動作などを排除するものではない。また、用語「又は」は包括的な意味で（且つ、排他的な意味ではなく）使用するので、例えば要素のリストを繋ぐために使用する場合、用語「又は」はリスト内の要素の一部又は全てを意味する。

本明細書に記載する実施形態の例示的な計算、シミュレーション、結果、グラフ、値、及びパラメータは、開示する実施形態の説明を意図するものであり、限定するものではない。本明細書に記載する説明例とは別様に、別の実施形態を構成及び／又は動作させることができる。

１０ 液体ライナ内破システム
１１ 壁
１２ 容器
１３ 空洞
１４ 回転部材
１７ ロッド
１８ 液体ライナ
１９ 回転する内部界面
２０ 液体循環システム
２１ 注入ポート
２２ 排出ポート
２９ 中央領域

Claims (19)

1. 液体ライナ内に空洞を形成し、前記液体ライナを内破させることにより前記空洞を崩壊させるための液体ライナ内破システムであって、前記システムは、
   （ａ）外壁を有する容器と、
   （ｂ）前記容器の内側にあり、回転軸の周りに回転可能な回転部材であって、前記回転部材が、
   前記回転軸に沿う第１の端部及び第２の端部と、
   内部容積を定めて前記回転軸に対して湾曲する内面と、
   前記内面にある内側開口部と外側端部とを各々が有する複数の湾曲通路であって、この湾曲通路の各々の曲率は、前記通路の前記外側端部と前記第１又は第２の端部との間の距離の関数であり、前記通路の内の１又は２以上は、前記第１又は第２の端部の近傍に外側端部を有し、前記内部容積の中央領域に向かう方向で前記外側端部から前記内側開口部まで３次元的に湾曲する複数の湾曲通路と、
   を含む、回転部材と、
   （ｃ）前記回転部材を回転させるために前記回転部材に動作可能に連結された回転駆動装置と、
   （ｄ）前記回転部材内の液体媒体であって、前記液体媒体が前記湾曲通路を少なくとも部分的に満たし、前記回転部材が回転している時に液体ライナを形成し、前記液体ライナの内面は前記回転軸と同軸の空洞を定める液体媒体と、
   （ｅ）前記回転部材の加速度を変化させて、前記液体ライナを前記内部容積の中央領域に向かって内破させ、これによって前記空洞を崩壊させるために、前記回転部材と係合可能な内破駆動装置と、
   を備えるシステム。
2. 前記回転部材は、離間して配置されて前記複数の湾曲通路を形成する複数の成形ブレードを備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記複数の成形ブレードの少なくとも一部は、前記内側開口部にテーパ付き壁を有する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記回転部材の前記内面は、前記第１の端部及び前記第２の端部の各々に向かって内方に湾曲する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記複数の湾曲通路の内の少なくとも２つの湾曲通路の容積が異なり、外側端部が前記第１又は第２の端部に近い前記湾曲通路の内の１又は２以上の湾曲通路の容積が、外側端部が前記第１又は第２の端部から離れている前記湾曲通路の内の１又は２以上の湾曲通路の容積よりも小さい、請求項４に記載のシステム。
6. 前記各通路の前記容積は、その外側端部が前記第１及び前記第２の端部から離れて位置するにつれて増加する、請求項５に記載のシステム。
7. 前記第１又は第２の端部に近い外側端部を有する前記通路は、前記第１又は第２の端部から離れた外側端部を有する前記通路よりも狭く、長く、且つより捩れている、請求項４に記載のシステム。
8. 前記複数の湾曲通路の前記外側端部は各々、前記回転部材の外面に外側開口部を更に備える、請求項１に記載のシステム。
9. 前記回転部材の前記外面の形状は、次式に従って決定され、
   

   

   ここで、Ｐ_out（_top）は前記回転部材の前記第１の端部における前記外面での圧力であり、Ｐ_inは前記回転部材の前記内面での圧力であり、ｚ₀は前記内面の基準点であり、ｚは前記回転軸に沿う可変距離であり、ρは前記液体媒体の密度であり、ｇは、前記回転部材の前記回転軸に沿う重力による加速度であり、ωは前記回転部材の回転速度（ｒａｄ／ｓ）であり、ｒは前記回転軸からの可変垂直距離であり、ｒ_o（ｚ）は、前記回転軸から前記通路の各々の前記外側開口部の半径を定義する関数であり、ｒ_i（ｚ）は、前記回転軸から前記通路の各々の前記内側開口部の半径を定義する関数である、請求項８に記載のシステム。
10. 前記回転部材の前記第１の端部が前記第２の端部の上方にある場合、前記回転部材は、前記第１の端部における前記回転軸からの外側開口部の半径と前記回転軸からの前記内側開口部の半径との間の差（Δｒ）が、前記第２の端部における前記Δｒよりも小さくなるように、赤道面を中心として非対称である、請求項４に記載のシステム。
11. 前記回転部材は、前記回転軸に沿って離間し互いに組み合わされる２又は３以上の部品を備える、請求項１に記載のシステム。
12. 前記回転部材の前記部品の各々は、前記回転駆動装置及び前記内破駆動装置に独立して連結される、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記内破駆動装置は、歯付き中空歯車リングとその周囲に複数の歯を各々が有する複数の遊星歯車とを有する偏心歯車組立体を備えた減速装置を含み、前記複数の遊星歯車は、前記回転部材と前記歯付き中空歯車リングとの間に位置決めされ、前記回転部材は、前記遊星歯車に向かって突出する歯を備えて、前記遊星歯車の前記歯の少なくとも一部が、前記回転部材の前記歯の少なくとも一部及び前記歯付き中空歯車リングの前記歯の少なくとも一部と係合するようにし、前記遊星歯車の各々は偏心質量を更に備え、前記偏心歯車組立体は、動作の開始時に前記遊星歯車を前記回転部材に対するロック位置にロックするように構成されたロック部を更に備え、前記各遊星歯車の前記偏心質量は、前記ロック位置にある時に前記回転部材に対してオフセットしており、これによって前記ロック部が開放された時に、前記遊星歯車が回転方向に自転し、前記回転部材を減速させ、並びに前記歯付き中空歯車リングを加速させる、請求項１に記載のシステム。
14. 前記各遊星歯車の前記偏心質量を初期位置にもたらすように前記複数の遊星歯車を駆動するために、前記遊星歯車に動作可能に連結された遊星歯車駆動装置を更に備える、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記内破駆動装置は、化学的駆動装置、電磁駆動装置、空気圧駆動装置、油圧駆動装置、又はそれらの組み合わせからなる群から選択された加速装置を含む、請求項１に記載のシステム。
16. 前記容器は、前記外壁から前記回転部材に向かって内方へ延びるタブを備え、前記回転部材は、前記回転部材の閉じた外壁から前記容器に向かって外方へ延びる対応するタブを備え、前記容器の前記タブ及び前記回転部材の前記対応するタブは、これらの間に間隙を備えた対面タブの対を形成し、前記加速装置は、前記間隙に押圧力を加えて前記対面タブを押し離し、これによって前記回転部材と前記容器を反対方向に加速させるように構成される、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記加速装置は、少なくとも１つのバルブと、前記少なくとも１つのバルブと連通する加圧流体の供給源とを備え、前記加圧流体は、前記少なくとも１つのバルブを介して前記間隙に注入可能である、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記複数の湾曲通路の前記外側端部は各々、前記回転部材の外面に外側開口部を更に備え、前記回転部材の前記外側開口部における前記成形ブレードは、カップ状であり、前記内破駆動装置は、加圧流体の供給源と、前記加圧流体の供給源と連通するバルブとを備え、前記バルブが開放された時に、加圧流体が前記ブレードのカップ状外側端部に注入され、これによって前記回転部材の回転速度を変化させるようにする、請求項２に記載のシステム。
19. プラズマ圧縮システムであって、
    請求項１〜１８の何れかに記載の液体ライナ内破システムを備え、前記容器が前記外壁に開口部を更に備え、前記回転部材が、前記第１の端部又は前記第２の端部の一方に入口開口部を更に備え、この入口開口部は、前記内部容積及び前記複数の湾曲通路の前記内側開口部と流体連通しており、
    前記プラズマ圧縮システムが更に、
    プラズマを発生させるように構成され、発生したプラズマが前記空洞に注入可能であり、これにより前記内破する液体ライナが前記空洞を崩壊させて、内部に閉じ込められた前記プラズマを圧縮するように、前記容器の前記外壁における前記開口部に連結されて前記回転部材の前記入口開口部と位置合わせされた出口を有するプラズマ発生器を備える、ことを特徴とするプラズマ圧縮システム。

Images