JP7204671B2 - 空洞の液体ライナを形成するシステム - Google Patents

Description

本開示は一般に、液体媒体内に空洞を形成する方法及びシステムに関する。

液体ライナ内に空洞を形成するシステム、並びにその液体ライナを内破させるためのシステムは、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って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、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。容器全体がその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、空洞の液体ライナを形成するシステムが提供される。本システムは、外壁を有する容器と、容器の内側に位置決めされ、回転軸の周りに回転可能な回転部材とを備える。回転部材は、回転軸に沿う第１の端部及び第２の端部と、内部容積を定めて回転軸に対して湾曲する内面と、内面形状の関数である形状を有する外面と、内面に内側開口部と外面に外側端部とを備えた複数の流体通路と、を備える。回転駆動装置は、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る。液体媒体が、流体通路を少なくとも部分的に満たし、液体ライナを形成し、液体ライナの内部界面が回転軸に対して湾曲して、空洞を定めるように容器内に設けられる。

別の態様において、回転部材は非対称であり、回転部材の第１の端部のΔｒが第２の端部のΔｒよりも小さくなる。

一態様において、回転部材の外面の形状は、次式に従って決定され、

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、回転軸に沿う重力による加速度であり、ωはｒａｄ／ｓ単位での回転速度であり、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、第１の端部が第２の端部の上方にある場合、回転部材は、第１の端部における回転軸からの外側開口部の半径と回転軸からの内側開口部の半径との間の差（Δｒ）が、第２の端部における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。

一態様において、容器は、回転部材を取り囲むステータを備える。ステータは、回転部材の第１の端部と軸方向に整列した第１の端部と、回転部材の第２の端部と軸方向に整列した第２の端部と、回転部材の外面に面してこれから離間した内壁と、ステータの内部で発達してステータ内部の流れと回転部材の通路との間で運動量の交換を低減する可能性のある強い渦を破壊するために内壁と外壁との間に延びるセルとを備える。セルは、ステータの内壁及び外壁で開口する。

複数の軸方向に離間した棚部と半径方向に離間した仕切り部が配置されて、ステータのセルを定める。棚部の少なくとも一部が、液体媒体の流れを可能にする少なくとも１つの孔を備えるので、回転部材が回転している時に、液体媒体は回転部材の第１の端部及び第２の端部に向かって流動することができる。

別の態様において、ステータの内壁にあるセルの開口部の断面形状は、回転部材の外側開口部の断面形状とは異なる。外側開口部の断面形状は、回転部材の回転中に回転部材内の複数の流体通路がステータのセルの内側開口部と完全には整列しないように選択される。

一態様において、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。液体ライナ内破システムは、空洞の液体ライナを形成するためのシステムと、回転部材と流体連通し、並びに回転部材の外側開口部を通して流体流れを供給して、回転部材の内側開口部を通して流体通路内の液体媒体を移動させ、液体ライナを空洞の中央領域に向かって内破させるように動作可能な内破駆動装置と、を備える。

一態様において、内破駆動装置は、容器の外壁に接続されて外壁の周囲に対称的に配置された複数のピストン組立体を備える。ピストン組立体の各々は、開放端及び閉鎖端を備えた内部ボアを定めるハウジングと、内部ボア内で開放端と閉鎖端の間に滑動可能に位置決めされるピストンと、ピストンを開放端に向かって駆動するように動作可能な駆動装置とを備える。容器内の液体媒体はピストン組立体の内部ボアを部分的に満たすので、ピストンが内部ボアの開放端に向かって駆動される時に内部ボア内の液体媒体が回転部材の外側開口部を介して注入され、これによって回転部材の内側開口部を介して流体通路内の液体媒体を移動させる。

別の態様において、流体は加圧流体であり、内破駆動装置は、容器の外壁に接続されて回転部材の外側開口部の少なくとも一部と流体連通可能な複数のバルブを備える。複数のバルブは加圧流体の供給源と流体連通しているので、バルブが開くと、外側開口部を介して回転部材の複数の流体通路に加圧流体を注入する。

一態様において、プラズマ圧縮システムが提供される。プラズマ圧縮システムは、液体ライナ内破システムと、プラズマを発生させるように構成されたプラズマ発生器とを備える。プラズマ発生器は、その出口が容器の外壁に形成された開口部に挿入されるように容器に接続される。容器の開口部は、発生したプラズマを空洞に注入できるように、回転部材の第１又は第２の端部の一方に形成された入口開口部と位置合わせされる。液体ライナ内破システムは、液体ライナを中央領域に向かって内方に内破させる時に空洞を崩壊させ、その中に閉じ込められた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となろう。

図面全体を通じて、参照する要素間の対応を示すために参照番号を再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。

回転軸に向かって内方に湾曲した回転する内部界面を備えた、空洞の液体ライナを形成するシステムの一例の概略側断面図である。 複数の流体通路を備えた回転部材の一例の斜視断面図である。 回転部材の内面の形状及び外面の形状を示す、空洞の液体ライナを形成する回転部材の一例の部分側断面図である。 複数の流体通路を形成するために、複数の軸方向リングと、リング間に延びる複数の半径方向ポストとを備えた回転部材の一例の斜視断面図である。 図４Ａの回転部材のポートの詳細断面図である。 ステータ内に位置決めされた図２の回転部材を示す、液体ライナ形成システムの斜視断面図である。 ステータの一例の斜視部分断面図である。 ステータのセル／バッフルを形成する複数の棚部及び仕切り部を示す、ステータの一例の斜視断面図である。 ステータと回転部材との組立体に関する数値モデルの一例の上部部分断面図である。 液体ライナを内破させる内破駆動装置として複数のピストン組立体を示す、液体ライナを形成するシステムを使用する液体ライナ内破システムの一例の概略側断面図である。 液体ライナを内破させる内破駆動装置として加圧流体を注入する複数のバルブを示す、液体ライナを形成するシステムを使用する液体ライナ内破システムの一例の概略側断面図である。 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側断面図である。 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水平向きプラズマ圧縮システムの側断面図である。

図１は、液体ライナ１８が空洞１３を囲むように空洞１３を液体媒体内に形成するシステム１０の一例を示す。システム１０は、外壁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は複数の流路（通路）１６（図２参照）を備え、内部容積が回転部材１４の内側に定められる。回転部材１４は、回転する時に液体媒体が流路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されるとすることができる。液体媒体は、例えば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、横方向に束縛されて流路１６を満たし、回転軸に向かって内方に湾曲した回転する内部界面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を備え、回転部材１４を回転させるためにロッド１７と接続する動力源（図示せず）が設けられる。別の実施態様において、ロッド１７を省くことができ、回転部材は液体媒体の流れを用いて回転することができる。

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達成ために、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形成することができる。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。一実施態様において、液体流循環システム２０は、容器１２を囲む拡張管網を用いることなく、例えば磁気システムを用いて液体流を方向付け、ポート２１／２２を形づくるように、容器１２内に完全に又は部分的に位置決めすることができる。一実施態様において、循環システムを用いて回転部材を満たし、空にすることができる。例えば、所定量の液体媒体をポート２１／２２のうちの１又は２以上を通して注入することができる。次いでポートを閉じ、回転部材１４を回転させてライナ１８を形成することができる。容器を空にする必要がある場合には、同じ又は異なるポートを通して行うことができる。

回転部材１４は、容器１２内に配置することができる、或いは静止して回転部材１４を取り囲むステータ１００（図５参照）内に位置決めすることができる。本出願のために、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１００は容器１２から分離しているとすることができるので、回転部材１４を取り囲むステータ１００の組立体を容器１２内に位置決めすることができる、或いは、ステータ１００を容器１２に接続して容器１２と共に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。

図２は回転部材１４の断面を図解し、複数の流路／通路１６を示している。通路１６の各々は、回転部材１４の内面２６に内側開口部１５と、回転部材１４の背面（外面）３６に外側開口部２５とを有する。内面２６は回転軸２７と同軸である。回転部材１４は、第１の端部２３（上部極）と第２の端部２４（下部極）とを有することができる。回転部材１４の内面２６は、内面２６の一部分（又は複数の部分）が回転軸２７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２７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２７に対して湾曲する。これらの図は、内面２６が第１及び第２の端部２３、２４の各々で内方に湾曲する回転部材１４（球面形状の内面２６）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２６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）又は波形状などの別の湾曲形状を有することができることを理解しよう。 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２８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。通路１６は、液体媒体が回転部材１４を通り流れることができるように、内側開口部１５及び外側開口部２５で開口する。開口部１５、２５の形状及び通路／流路１６の断面は、本発明の範囲から逸脱することなく、矩形、円形、菱形又は別の適切な形状とすることができる。通路１６の各々は、通路の断面を定める外側開口部２５と内側開口部１５との間に延びる壁、例えば矩形、円形、菱形又は何れか他の適切な断面を有することができる。図２は例えば、菱形断面の流路１６を備えた回転部材１４を示すが、これは例示のみを目的としており、流路１６の断面は、本発明の範囲から逸脱することなく別の適切な形状を有することができる。通路１６の少なくとも一部の断面は、外側開口部２５から内側開口部１５に向かって内方へテーパーが付けられ、空洞１３の中央領域２９に向かって収束することができる。通路１６の内側開口部１５は、空洞１３の中央領域２９に向かって方向付けられ収束する。通路１６の一部は、内側開口部が空洞１３の中央領域１３に向けられる（収束する）ように傾斜する及び／又は湾曲することができる。一実施態様において、内側開口部１５における通路１６の一部の壁は、テーパー付け／面取り付けとすることができる。通路１６のアスペクト比は、回転部材１４の外面３６と静止壁（例えば、容器１２の壁１１又はステータの壁）との間の界面に又は通路１６の内側に発達する可能性のあるあらゆる流れパターンが液体ライナ１８の内部界面１９まで伝搬しないようになっている。例えば、各通路１６の深さ（長さ）と断面（幅）の比は３：１以上とすることができる。通路１６の長さ、幅及び／又は高さは、例えば、第１及び第２の端部２３、２４に近接した通路１６が、第１及び第２の端部２３、２４から離れた通路１６よりも狭い及び／又は長い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によって回される液体は、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。その内面２６及び／又は外面３６など、回転部材１４の形状を湾曲させることができるので、本発明の範囲から逸脱することなく、回転部材１４は、球形又は偏球形（卵形）又は何れか他の適切な形状又はそれらの組み合わせであるとすることができる。 液体ライナ界面１９の形状は、回転部材１４の外面３６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３６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。外面３６の形状は内面２６の形状の関数であり、予め設定された内面２６の場合には、外面に沿う圧力が均一に近くなるように外面の形状が決定されるようにする。図３は、次式に従って決定できる形状を有する外面３６を備えた回転部材１４の部分断面図を示す：

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２６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、図３に示すように内面２６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ｒａｄ／ｓ単位での回転速度であり、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１５の半径を定義する関数である。当業者は、垂直方向ではないシステム（例えば、傾斜した又は水平方向のシステム）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を理解しよう。

式（１）によれば、図３の回転部材１４の外面３６は、端部２３、２４における流路／通路１６の半径変化Δｒ（Δｒ＝ｒ_o－ｒ_i）が、端部２３、２４から離れた流路１６の半径変化Δｒよりも大きくなるように形づくられる。従って、Δｒは、端部２３、２４から回転部材１４の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３６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相対的に小さくなる。そうは言っても、圧力がより小さいより小サイズのシステムでは、重力による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２６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。

回転部材１４は、単一の部材とすることができる、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、互いに積層され入れ子にされて回転部材１４を形成できる複数の緯度部品を有することができる。部品の各々は独立して回転し、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。

図４Ａ及び４Ｂは、空洞と、湾曲した内部界面を備えた液体ライナとを形成するシステムで使用することのできる回転部材１１４の別の実施形態を示す。回転部材１１４は、回転軸と同軸の内面１２５及び外面１２６を有する。回転部材１１４の内面１２５は、回転軸に向かって内方に湾曲する。内面１２５に複数の内側開口部が形成され、外面１２６に複数の外側開口部が形成される。回転部材１１４は、複数の軸方向に離間したリング１１１と、複数のリング１１１の間に延びる複数の半径方向に離間したポスト１１２とを備えるので、複数のポスト１１２と複数のリング１１１は、複数の可能な流体通路１１６を定める。リング１１１は、その焦点が空洞の中央領域にある水平方向に整列した円錐断面とすることができ、つまり、リング１１１により形成される緯度流路が中央領域に向かって収束することを意味する。複数のリング１１１は、回転部材を緯度区域１１０に分割し、ポスト１１２は、各緯度区域１１０に複数の可能な流体流動通路１１６を形成する。回転部材１１４の回転中、各緯度区域１１０内の流体は、ポスト１１２の配列によって形成された通路１１６を通って半径方向及びトロイダル方向に流れることができる。例えば、ポスト１１２は、図２の流路１６と同様の真っ直ぐな構成の通路を形成する幾何形状に配列することができる。一実施形態では、１つの緯度区域１１０内のポスト１１２を別の緯度区域内のポスト１１２と垂直方向に整列させることができる。回転部材１１４の内面１２５と外面１２６との間の流体流れを緯度方向に束縛することができるが、１つの緯度区域１１０内で、流体流れは、半径方向及びトロイダル方向に変化する経路（通路１１６の形状及び経路が変化する）を有することができる。

図５は、（図２の）回転部材１４と、回転部材１４を取り囲むステータ１００との組立体４０の一例を示す。組立体４０を容器１２内に位置決めすることができる。先に示したように、本発明の範囲から逸脱することなく、ステータ１００を容器１２に接続することができる。回転部材１４の入口開口部２８と整列する開口部４８が、ステータ１００に形成される。ステータ１００は、回転部材の第１の端部２３と軸方向に整列した第１の端部と、回転部材の第２の端部２４と軸方向に整列した第２の端部と、回転部材の外面３６に面してこれから離間した内壁４５と、ステータ１００の内壁４５及び外壁４７で開口する複数のセル４６とを備える。セル４６は、ステータの空洞の内部で発達し、ステータ１００の内部の流れと回転部材１４の通路１６との間で運動量の交換を低減する可能性のある強い渦を破壊するように構成される。セル４６は、図６及び７により明瞭に示されている。ステータ１００の外壁４７は、一部の実施態様では容器１２の外壁１１と同一とすることができ、セル４６は、容器１２の外壁１１で開口することができる。セル４６の少なくとも一部は、外壁４７／１１から内壁４５に向かって内方にテーパーが付けられる／収束する断面を有することができる。一実施態様において、セル４６を外壁４７で閉じる（又は部分的に閉じる）ことができる（図７を参照）。セル４６は、複数の軸方向に離間した棚部５０と、ステータ１００の外側壁４７と内壁４５との間に延びる複数の半径方向に離間した仕切り部５２とによって形成することができる。ステータ１００の内壁４５は、回転部材１４の外面３６の形状と一致するように形づくられ、一方、外壁４７は、容器１２の形状と一致するように形づくることができる。各セル４６の深さ（長さ）と断面（幅）のアスペクト比は、セル４６内に又はステータ１００と回転部材との間に発達する可能性があり、液体ライナ１８の内部界面１９に影響を及ぼす可能性のあるあらゆる流体運動を軽減し防止するために、少なくとも３：１にすることができる。一実施態様において、セル４６を組み合わせて複数のセルクラスタ１４６にし、容器１２の外壁１１に形成される場合のあるあらゆるポート（図１０のポート９４を参照）に嵌まる（整列する）ようにセル４６の外端を適合させることができる。例えば、ステータ１００は、セルクラスタ１４６を含み、単一部品又は複数の相互接続部品（互いに相互接続された複数のセルクラスタ１４６）とすることのできる外殻１０２を備えることができる。外殻１０２の外面は、容器１２の壁１１に接触することができる。セルクラスタ１４６は、セル４６と整列したフローセルを備える矩形内面１４７と、円形外面１４８とを有することができる（図５参照）。セルクラスタ１４６の内面１４７及び外面１４８は、本発明の範囲から逸脱することなく、あらゆる形状とすることができる。各セルクラスタ１４６の少なくとも一部のセルは、円形面１４８に向かってテーパーが付けられた構成を有し、矩形内面１４７から円形外面１４８への移行に適応することができる。

図７は更に、棚部５０が１又は２以上の孔５４を有することができることを示しており、そのため、垂直向きのシステムにおいて液体媒体がこのような孔５４を通って一方の緯度区域から他方の区域へ流動できる。セル４６と孔５４は、回転部材１４が回転する時に液体媒体が一方向にだけ（例えば、垂直向きのシステムでは赤道と極の間の垂直方向に、或いは水平向きのシステムでは水平方向に）流動できるようにする。これにより、ステータ１００内の流体が自転して回転部材１４の外面３６に圧力勾配が発生するのを防ぐ。自転する液体媒体の赤道における圧力は、液体媒体をセル４６から極（端部２３、２４）に向かって押し下げることができ、セルフポンピング式遠心ポンプとして機能するので、外部液体循環システム２０の必要性が回避される。垂直向きのシステムでは、回転部材１４の回転による向心力を用いて、液体媒体が赤道から上部極（第１の端部２３）に向かって、並びに赤道から下部極（第２の端部２４）に向かって流れることになる。

図８は、ステータ１００と回転部材１１４との組立体に関する数値モデルの赤道断面図の一例である。ステータ／回転部材組立体の流れ場と、複数の回転速度及び水の粘度における液体ライナの内部界面に対するその影響を研究するために、ステータ／回転部材組立体の多くの異なる幾何形状をモデル化した。モデル化した幾何形状は、ステータのセルの断面積と回転部材のセルの断面積とのいくつかの比を考察するものであり、一部の結果を図８に示す。図８の上段２つの図に示す第１のシミュレート幾何形状は、ステータ１００のセル４６の断面（例えば、幅）が、回転部材１４とステータ１００との間の界面で回転部材１４の通路１６の断面（幅）の２倍である、ステータ１００と回転部材１４との組立体を表す。第２のシミュレート幾何形状（中段の図）は、ステータ１００のセル４６の断面（幅）が、回転部材１４とステータ１００との間の界面で回転部材１４の通路１６の断面（幅）と同じである、ステータ１００と回転部材１４との組立体を表す。図８の下段２つの図に示す第３のシミュレート幾何形状は、ステータ１００のセル４６の断面（幅）が、回転部材１４とステータ１００との間の界面で回転部材１４の通路１６の断面（幅）サイズの半分である、ステータ１００と回転部材１４との組立体を表す。第１のモデル化幾何形状に見られるように、ステータ１００のセル４６及び回転部材１４の通路１６の内側に発達する流体の動き（渦）７０が存在し、それは液体ライナ１８の内部界面１９に伝搬し、この内部界面は乱される（滑らかでない）。ステータ１００にセル４６を付加することは、第２及び第３のシミュレート幾何形状に対する右側の図によって示されるように、より滑らかな内部界面を備えた液体ライナを形成するのに役立つ。第２及び第３のモデル化幾何形状に関して、セル４６及び通路１６内でいくらかの流体運動（渦）が依然として発達する可能性があるが、このような渦は液体ライナ１８の内部界面１９に伝搬しないことが分かる。それゆえ、通路１６の外側端部２５の断面よりも小さいセル断面を内壁４５に備えたステータ１００を有することにより、回転部材１４とステータ１００との間の流体運動を防ぐことができる。

通路１６及びセル４６のサイズ（幅／長さ／深さ）と数は、通路１６及びセル４６の内部で生じる可能性のある何れの流体運動も、容器１２又はステータ１００の静止壁と回転部材１４／１１４との間の相互作用の結果として、液体ライナ１８の内部界面１９に影響を与えないように構成される。例えば、通路１６、４６の幅は、流体運動が内部界面１９に伝搬するのを防ぐ流体通路の長さと幅のアスペクト比を与えるために、長さよりも小さくする必要がある。加えて、回転部材の通路１６の外側開口部２５の断面形状は、回転部材１４／１１４と静止容器１２／１００との間に周期的な不安定性が発達するのを防ぐために、ステータの内壁４５におけるセル４６の断面形状とは異なることができる。例えば、本発明の範囲から逸脱することなく、セル４６の断面形状は矩形とすることができるのに対して、通路１６の断面形状は菱形（図５参照）とすることができ、或いはその逆とすることができる。ステータ及び／又は回転部材内の流体運動の周期的な励起を防ぐために、通路１６及び／又はセル４６は、回転部材１４／１１４の回転中、ステータのセル４６が回転部材１４／１１４の通路１６と完全には整列しない限り、何れか他の断面形状を有することができる。加えて、特定の緯度に内側開口部を備えたセル４６の数と、このような特定の緯度に外側開口部を備えた通路１６の数は、周期性を防止するために最大公約数が小さくなるように予め選択される。一部の実施形態では、ステータ及び／又は回転部材内の流体運動の周期的な励起を防ぐために、その小さい最大公約数は１～１０とすることができる。一実施形態では、特定の緯度におけるセル４６の数と通路１６の数の最大公約数は１である。緯度は、回転軸に垂直な平面として定義される。

一実施形態では、セル４６の内壁及び／又は流路１６の内壁に、セル／流路４６／１６の長手方向軸に沿って整列した小さな長手方向の隆起部（スケール）で襞付きにされ、抗力を低減することによって及び／又は渦を束縛してセル／流路４６／１６の特定領域に付着したままにすることによって内部に発達するあらゆる不安定性又は渦を減らすことができる。

空洞１３及び液体ライナ１８を形成するシステムは、液体ライナを半径方向及び軸方向に内破させるための液体ライナ内破システムで使用することができる。液体ライナ内破システムは、空洞の液体ライナを形成するためのシステムと、内破駆動装置とを備える。内破駆動装置は回転部材１４／１１４と流体連通して、通路１６／１１６の外側開口部２５を通して流体流れを供給し、内側開口部１５を通して流体通路１６／１１６内の液体媒体を移動させ、これによって液体ライナを空洞の中央領域に向かって内破させるようにする。一実施形態では、内破駆動装置は、外側開口部２５を通して液体媒体を注入することにより、液体ライナ１８を内破させることができる。図９は、容器１２の外壁１１に取り付けられ、容器１２の外周に対称的に配置された複数のピストン組立体８２を備える液体ライナ内破システム８０を示す。回転部材１４／１１４、或いは回転部材１４／１１４と回転部材を取り囲むステータ１００との組立体は、容器１２に挿入することができる。一実施態様において、ステータ１００は容器１２に接続され、回転部材はステータの内壁に面し且つこれから離間して内側に配置される。ピストン組立体８２の各々は、閉鎖端８４と、通路１６の外側開口部２５及び回転部材の内部との流体連通を提供する開放端８５とを備えた内部ボアを定めるハウジングを含む。例えば、ピストン組立体アセンブリ８２の開放端８５は、容器１２の壁に形成されたポート（例えば、図１０のポート９４を参照）に挿入することができるので、内部ボアの開口部８５はセルクラスタ１４６の円形外面１４８（図５及び６参照）と整列する。ピストン８６は、ピストン組立体８２の内部ボアに挿入することができる。ピストン８６は、閉鎖端８４と開放端８５との間の内部ボア内に滑動可能に位置決めされ、圧力がその背面に加えられた時にピストン８６が開放端８５に向かって滑動できるようにする。駆動装置を設けてピストン８６をその開放端８５に向かって加速させることができる。駆動装置は、空気圧式、油圧式、電磁式、機械式又は何れか他の適切な駆動装置、或いはそれらの組み合わせとすることができる。例えば、駆動装置は、ピストン８６をボア内に（ピストン８６と閉鎖端８４との間）に圧力（押圧力）を与えてピストン８６を開放端８５に向かって加速させるために使用できる加圧流体（例えば、圧縮ガス）注入システムを備えることができる。ピストン組立体８２の動作及びタイミングは、コントローラを用いて同期させることができる。回転部材１４内を流れる液体媒体は、開放端８５を通してピストン組立体８２の内部ボアに押し込まれ、これによってピストン８６の前面と開放端８５との間で内部ボアを部分的に満たす。内部ボアに入る液体は、静止した液体層を形成する。従って、ステータ１００のセル４６／１４６を満たす液体層とピストン組立体８２の内部ボア内の液体部分は静止している。注入システムが加圧流体（例えば、圧縮ガス）を内部ボアの上側部分に注入すると、加圧流体はピストン８６を開放端８５に向かって前方へ加速させ、静止液体層を内部ボアから外へ、並びにステータ１００のセル４６／１４６から外へ移動させるので、次には回転部材１４／１１４内に形成された回転する液体ライナ１８を押し進め、この液体ライナ１８を内破させて、空洞を内方に崩壊させることができる。内破の方向は、回転部材１４／１１４の流体通路１６／１１６の向きによって決定される。例えば、回転部材の第１及び第２の端部２３、２４に近い通路１６／１１６から移動した流体は、軸方向及び半径方向の方向ベクトルで進んで空洞１３の中央領域２９に向かい、一方で赤道の流体通路１６／１１６から移動した流体は、中央領域２９に向かって半径方向に進むことになる。従って、液体ライナ１８は、空洞１３の中央領域２９に向かって半径方向及び軸方向に内破することになる。ピストン８６が内部ボアから出るのを防ぐために、例えば保持リング（図示せず）などのストッパを開口端８５に近接して設けることができる。保持リングは、ピストン組立体８２の１又は２以上が残りのピストン組立体８２よりもかなり先に発射される場合に備えて、安全ストッパとして設けることができる。保持リングは、ピストン組立体８２のハウジングに形成されたシート内に配置することができる。代替的に及び付加的に、このような保持リングへのピストン８６の高速度衝突を防ぐために減衰手段を設けることができる。液体ライナ１８が内破した後、復帰システム（図示せず）を用いて、ピストン８６を開始位置に戻すことができる。ピストン８６をその開始位置に戻すためのシステムは、機械式、空気圧式又は油圧式のシステム、或いはそれらの組み合わせとすることができる。一実施形態では、内破の終わりに跳ね返る液体媒体の圧力及び／又は加熱されて気化した液体媒体により発生する圧力は、ピストン８６を開始位置に戻すことができる。

一実施態様において、加圧流体（例えば、圧縮ガス）を用いて、ステータ１００のセル４６内の液体媒体を直接押し進めることができる。このような事例では、複数のピストン組立体８２をノズルに置き換えることができ、加圧流体は、容器１２の外周に対称的に配置された複数のバルブを通して供給することができる。加圧流体は、バルブのハウジング内に形成できる静止液体層及び／又はステータ１００のセル４６／１４６を満たす静止液体層を押して移動させ、回転する液体ライナ１８を押し進めて、空洞の中央領域に向かって内方へ内破させることができる。図１０は、容器１２の周囲に配置された複数のバルブ９２を備える液体ライナ内破システムの部分断面図である。容器１２は、その周囲に配置された複数のポート９４を備え、そこにバルブ９２を取り付けることができる。加圧流体（例えば、圧縮ガス）が各バルブ９２を通して注入されてステータ内の液体媒体を押し進め（本明細書で上述したように）、液体ライナ１８を内方へ内破させる。 内破中の液体ライナ１８のパラメータ及び形状は、バルブ９２のタイミングと各バルブ９２を介した圧力とを制御することで制御することができる。当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、図１０に関して説明したバルブ９２を図９のピストン組立体８２に置き換えることができることを理解しよう。

一実施態様において、内破駆動装置は、複数のバルブ９２と複数のピストン組立体８２を備えることができる。例えば、複数のバルブ９２はより小さい押圧力を与えて、液体ライナ１８の界面１９を回転部材の内面２６から内方に動かすことができる。従って、ピストン組立体８２を起動させる前に、内部界面１９の湾曲を滑らかにすることができる。複数のピストン組立体８２が起動すると、液体ライナ１８が内方へ内破し、空洞１３を崩壊させる。複数のピストン組立体８２は付加的な押圧力を与えて、液体ライナ１８を中央領域に向かって完全に内破させ、空洞１３を崩壊させる。バルブ９２は、ピストン組立体８２のポートとは別個のポートを介して回転部材１４と流体連通させることができる。コントローラ（図示せず）を設けて、ピストン組立体８２及びバルブ９２の起動時間を制御することができる。例えば、コントローラは内破駆動装置（ピストン８２及びバルブ９２）と通信することができるので、液体ライナの界面を回転部材の内面２６から内方へ動かす（界面を滑らかにする）ために第１段内破を与える第１起動信号を送信することができ、次いで、完全な液体ライナの内破及び空洞の崩壊のために第２段内破を与える第２起動信号を提供することができる。一実施態様において、ピストン組立体８２を調整して２段階で押圧力を与えることができ、第１段階では、ピストン８６は内部ボアの下方へ僅かに移動して、液体ライナの内部界面１９を内面２６から内方へ移動させることができ、次いで第２段階では、ピストン８６は開放端８５までずっと加速して、液体ライナ１８を完全に内破させ、空洞１３を崩壊させることができる。

本明細書で上述した液体ライナ内破システムは、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空洞に注入するためのプラズマ発生器と、液体ライナを真空空洞の中央領域に向かって内方へ内破させて、その中に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。図１１は、プラズマを発生させ、このプラズマを回転部材１４内に形成された真空空洞１２１３に注入するように構成されたプラズマ発生器１２２０を備えるプラズマ圧縮システム１２００の例を示す。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１２２０は、プラズマ発生器１２２０の出口が、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２８と位置合わせされるように容器１２に接続されるので、プラズマ発生器１２２０内に発生したプラズマは、回転部材１４内部の真空空洞１２１３に注入される。内破駆動装置が起動すると、例えばピストン組立体８２のピストン８６が加速して液体層を内部ボアから外へ、並びにセル４６又はステータ１００から外へ移動させると、回転部材１４内に形成された回転する液体ライナ１８が内方へ内破して空洞１２１３を崩壊させ、その中に閉じ込められたプラズマを圧縮する。

図１～１１の何れかに示す液体ライナを内破させるシステムは垂直向きであるが、このようなシステムが、本発明の範囲から逸脱することなく、水平向きである又は或る角度で傾斜することができることを当業者は理解しよう。例えば、図１２は水平向きのプラズマ圧縮システムを示している。システムを水平方向にする又は傾斜させる理由の１つは、水平向きシステムにおける回転部材の軸受けの方がより安価な設計にできるからである。

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うちの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する及び／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 (22)

1. 空洞の液体ライナを形成するためのシステムであって、前記システムは、
   外壁を有する容器と、
   前記容器の内側に位置決めされ、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、
   （ｉ）前記回転軸に沿う第１の端部及び第２の端部と、
   （ｉｉ）内部容積を定めて前記回転軸に対して湾曲する内面と、
   （ｉｉｉ）前記内面の形状の関数である形状を有する外面と、
   （ｉｖ）前記内面に内側開口部と、前記外面に外側開口部とを各々が有する複数の流体通路と、
   を含む回転部材と、
   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、
   前記容器内の液体媒体であって、前記液体媒体が前記流体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部界面は前記回転軸と同軸の空洞を定め、前記内部界面は前記回転軸に対して湾曲している液体媒体と、
   を備えるシステム。
2. 前記回転部材の前記外面の前記形状は、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、前記回転軸に沿う重力による加速度であり、ωはｒａｄ／ｓ単位での回転速度であり、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流体通路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流体通路の前記内側開口部の半径を定義する関数である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記回転部材の前記内面は、前記第１の端部及び第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。
4. 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前記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３に記載のシステム。
5. 各通路の深さと幅とのアスペクト比は少なくとも３：１である、請求項１に記載のシステム。
6. 前記流体通路の前記内側開口部は、前記空洞の中央領域に向かって方向付けられ収束する、請求項１に記載のシステム。
7. 前記複数の流体通路の各々は、前記外側開口部と前記内側開口部との間に延びる壁を備え、前記複数の流体通路の少なくとも１つは、前記流体通路の前記外側開口部から前記内側開口部に向かって内方へテーパーが付けられた断面を有し、前記液体媒体は、前記流体通路の長手方向軸に沿って前記内側開口部と前記外側開口部との間を流動することができる、請求項１に記載のシステム。
8. 前記複数の流体通路のうちの少なくとも１つの流体通路の前記壁は、前記内側開口部でテーパーが付けられている、請求項７に記載のシステム。
9. 前記回転部材は、複数の軸方向に離間したリングと、前記複数のリングの間に延びる複数の半径方向に離間したポストとを更に備え、前記複数のポスト及び前記複数のリングが、前記複数の流体通路を定める、請求項１に記載のシステム。
10. 前記容器は、前記回転部材を取り囲むステータを更に備え、前記ステータは、前記回転部材の前記第１の端部と軸方向に整列した第１の端部と、前記回転部材の前記第２の端部と軸方向に整列した第２の端部と、前記回転部材の外面に面してこれから離間した内壁と、前記内壁と前記外壁との間のセルと、を備え、前記セルが前記内壁及び前記外壁にて開口している、請求項１に記載のシステム。
11. 前記ステータは、軸方向に離間した棚部と半径方向に離間した仕切り部とを更に備え、前記棚部及び仕切り部は、前記外壁と前記内壁との間に延び、セル深さとセル幅とのアスペクト比が少なくとも３：１で前記セルを定めるように配置される、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記セルの少なくとも一部における前記棚部の少なくとも一部は、前記液体媒体の流動を可能にする少なくとも１つの孔を備え、前記少なくとも一部の棚部は、前記回転部材が回転している時に前記液体媒体が前記第１の端部及び前記第２の端部に向かって流動するように配置された少なくとも１つの孔を備える、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記ステータの前記内壁にある前記セルの開口部の断面形状は、前記回転部材の前記外側開口部の断面形状とは異なり、前記外側開口部の前記断面形状は、前記回転部材の回転中に前記回転部材内の前記複数の流体通路が前記ステータの前記セルの前記内側開口部と完全には整列しないように選択される、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記ステータの前記内壁における前記セルの断面積は、前記回転部材の前記外面における前記流体通路の断面積よりも小さい、請求項１０に記載のシステム。
15. 前記回転軸に垂直な平面に内側開口部を有するセルの数と、同じ平面に前記外側開口部を有する通路の数との最大公約数が１～１０である、請求項１０に記載のシステム。
16. 前記セルの数と前記通路の数との前記最大公約数が１である、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記セル及び前記流体通路のうちの少なくとも１つは、その内壁が長手方向に延びる隆起部で襞付きにされる、請求項１０に記載のシステム。
18. 空洞の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、
    請求項１～１７の何れかに記載される液体ライナを形成するためのシステムと、
    前記回転部材と流体連通し、前記回転部材の前記外側開口部を通して流体流れを供給することによって前記回転部材の前記内側開口部を通して前記流体通路内の前記液体媒体を移動させ、前記液体ライナを前記空洞の中央領域に向かって内破させるように動作可能な内破駆動装置と、
    を備える、液体ライナ内破システム。
19. 流体は液体媒体であり、前記内破駆動装置は、前記容器の前記外壁に接続されて前記外壁の周囲に対称的に配置された複数のピストン組立体を備え、
    前記ピストン組立体の各々は、
    内部ボアを定め、前記液体媒体が前記内部ボアを部分的に満たすように前記回転部材の前記外側開口部の少なくとも一部と流体連通可能な開放端と、閉鎖端とを有するハウジングと、
    前記内部ボア内で前記開放端と前記閉鎖端の間に滑動可能に位置決めされるピストンと、
    前記ピストンを前記開放端に向かって駆動するように動作可能な駆動装置と、
    を備え、前記内部ボア内の前記液体媒体が前記回転部材の前記外側開口部を介して注入され、これによって前記回転部材の前記内側開口部を介して前記流体通路内の前記液体媒体を移動させる、請求項１８に記載の液体ライナ内破システム。
20. 流体は加圧流体であり、前記液体ライナ内破システムは、
    前記容器の前記外壁に接続され前記容器の周囲に対称的に配置され、前記回転部材の前記外側開口部の少なくとも一部と流体連通可能な複数のバルブと、
    前記複数のバルブと流体連通する前記加圧流体の供給源と、
    を備え、
    前記バルブは、前記回転部材の前記外側開口部を介して前記回転部材の前記複数の流体通路に前記加圧流体を注入するように動作可能である、請求項１８に記載のシステム。
21. 前記内破駆動装置と通信可能なコントローラを更に備え、該コントローラが、前記内部界面を前記回転部材の前記内面から内方へ動かすために第１段内破を与える第１起動信号と、前記空洞を崩壊させるために第２段内破を与える第２起動信号とを前記内破駆動装置に送信するようにプログラムされる、請求項１８に記載のシステム。
22. 請求項１８～２１の何れかに記載の液体ライナ内破システムと、
    プラズマを発生させるように構成されて出口を有するプラズマ発生器と、
    を備えるプラズマ圧縮システムであって、
    前記プラズマ発生器は、前記プラズマ発生器の前記出口が前記容器の前記外壁に形成された開口部に挿入されるように前記容器に接続され、前記容器の開口部は、前記回転部材の前記第１の端部又は前記第２の端部の一方に形成された入口開口部と位置合わせされ、前記発生したプラズマは前記空洞に注入可能であり、これによって内破する前記液体ライナが前記空洞を崩壊させ、その中に閉じ込められた前記プラズマを圧縮する、プラズマ圧縮システム。

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