JPH06509635A - 凝縮装置及び作動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 凝縮装置及び作動方法 背景 古典熱力学におい”て、最も効率的な閉サイクル熱機関は、可逆「カルノー号イ クルＪで作動する［カルノー機関ｊである。Ｔ、及びＴ、がそれぞれカルノー機 関の高温熱だめ及び低温熱だめの温度を示すとすると、理論出力仕事Ｗは、 Ｗ＝Ｑ　（（Ｔｈ−Ｔｔ　）／Ｔｂ　）　（１）で与えられる。ここでＱは、高 温熱だめから受け取る入力の熱エネルギを示ｔ、　ｌも効率的な冷却装置（すな わち冷凍ＩＩＩＪ）は、「カルノー冷２１！Ｗ＋と＋−，て知られている。それ は単に、逆に作動するカルノー機関であるや、：の場合、１式のＱは、低温熱だ めから受け取られて高温熱だめに移動される熱量を示し、Ｗは、この移動の達成 に要する入力のイ１事菫を示す。（冷凍機の場合、上式〇Ｔあと１゛、とが入れ 替わる。） 大気温度での自然環境は、熱力学の理論構成の範囲内で作動流体が純粋な熱力学 的過程を受けるサイクル形式の熱機関や冷凍機において、重要な役割を果たす。 それは、サイクル形式の熱機関及び冷凍機の作動温度の型を分類する温度区域を 示す。すなわち、大気温度での環境は、大気温度以上の高温熱だめがら熱エネル ギを吸収して機械仕事を生しることによって作動するサイクル熱機関の低温熱だ めを示すとともに、大気温度以下の低温熱だめがら熱エネルギを吸収して機械仕 事を消費することにょゲて作動する冷凍機においては高温熱だめを示すのである 。 閉サイクル凝縮熱機関が大気温度以上で作動せざるを得ない理由は、熱力学の原 理に従って、凝縮装置に必要な作動流体のエントロピを低減して機関のサイクル 的作動を可能にできる方法が１つしがないことにある。この方法は、凝縮器内部 の作動流体から熱エネルギを取り出して低温のヒートシンクに移すことを含む、 大気温度での自然環境はこのヒートシンクとして利用され、かつ低温熱だめとな る。理論的過程による通常の方法でヒートシンクへ熱伝達することなく、作動流 体のエントロピを減少させることはできないので、純粋な熱力学の原理及び過程 のもとで作動する従来技術による全ての閉サイクル凝縮熱機関は、大気温度以下 トで作動しなければならない。 機械仕事と冷凍との双方を生じることができる大気温度以下で作動可能な熱機関 が１種類ある。この機関は「極低温機関」である。 この機関では、極低温の液化作動流体（例えば極低温機関における通常の作動流 体である７７°にの液化窒素）が、油圧式圧縮機によって超高圧（例えば３００ バール）に圧縮され、大気温度の自然環境との熱的接触を維持しつつ連続的に接 続された複数の熱交換器と、隣接する熱交換器の間に配置された同様に複数の膨 張機とを通して送られる。最初の熱交換器に入る高圧の液化作動流体は、熱表面 を横切る大きな温度勾配を生起させ、大量の自然熱エネルギが、大気温度の環境 から取り出されて、極低温の再循環作動流体によって迅速に吸収される。これに より強力な冷凍効果が生じる。液化作動流体は、その臨界温度（窒素作動流体の 場合は１２６．３°Ｋ）以上に等圧加熱され、超高圧ガスへと完全に気化される 。 極低温作動流体は、最初の熱交換器から略大気温度の超高圧過熱ガスとして排出 される。次いで作動流体は、最初の断熱膨張機に送られ、最初の熱交換器にて自 然環境から取り出された熱エネルギがそこで機械仕事に変換される。最初の膨張 機の圧力比は、膨張機から出る膨張ガスの吐出し圧力がまだ充分に高いように設 定される。 このように、膨張過程が排出ガスの温度を大気温度よりもかなり低く下げるので 、より多くの自然熱エネルギを取り出して一層の冷凍をもたらすために、作動流 体は、自然環境との熱的接触を保持するもう１つの大気熱交換器に送られる。こ の第２の等圧加熱過程の後に、加圧ガスは第２の大気熱交換器から略大気温度で 取り出され、第２の断熱膨張機に送られて、第２の熱交換器を循環する間に環境 から取り出された自然熱エネルギが、そこでさらなる機械仕事に変換される。環 境から自然熱エネルギを吸収してそれを機械仕事に変換しつつ同時に冷凍を行な う上記の過程は、最後の膨張機から排出されるガスの排出圧力が大気圧に等しく なってガスが外気に放出されるまで続けられる。この極低温機関の作動の詳細は 、Ｅ、Ｈ，シュワルツマン（Ｅ、Ｈ，Ｓｃｈｗａｒｔｚａａｎ）によりｒ極低温 機関の装置と方法１の名称で１９６５年１０月２４日に出願された米国特許３， ４５１゜３４２号に見出すことができる。 この熱機関は、自然環境の大気温度以下で作動して機械仕事と冷凍との両方を生 じるが、これはサイクル熱機関ではない。極低温の液化作動流体の供給が消費さ れると、機関（及び冷凍機）は作動を停止する。この機関は熱力学の原理に従っ た厳密な熱力学的過程によって作動するので、膨張した作動流体を極低温の液体 に再凝縮することは、熱エネルギを吸収するために極低温で作用し得る自然のヒ ートシンクが無いからできない。したがって、この機関のサイクル作動を可能に する目的でエントロピを減少させることに適用できる熱力学的方法は無い。しか しながら、作動流体が常磁性の場合に、熱エネルギをヒートシンクに移動させる ことなく熱機関の作動流体のエントロピを減少させることに通用できる非熱力学 的方法はある。 この方法は、ここに開示する本発明の基礎となる作動原理を示す。 冷凍機に関するカルノーの等式から、Ｔ、→０のときは必要な入力仕事はＷ−＋ ωとなる。したがって、厳密な熱力学的過程を用いて約０．４”Ｋ以下の温度を 達成することは、物理的に不可能である。 長年の間、この温度（０，４°Ｋ）は、熱力学の基本法則を根拠として突破不能 な「温度障壁」であると考えられていた。しかしながら１９２６年に、デバイ（ Ｄｅｂｙｅ）が、この熱力学的障壁を突破しかつ０．４°Ｋを１かに下回る温度 を達成するために、古典熱力学の理論構成から逸脱した（すなわち熱力学的過程 ではない）電磁過程の使用を提案した。この過程は「断熱消磁」又は「磁気冷却 」と呼ばれる。基本的にこの過程は、低温の常磁性材料（一般に固形常磁性塩） を極めて強い磁界内に置くことによって、エントロピを一定に保ちつつこの材料 を冷却することを含む。磁化の熱が極低温ヒートシンク（例えばビにの液体ヘリ ウム）によって取り出されると、磁化された材料のエントロピは減少する。材料 を熱的に絶縁して磁界を取り去ると、材料のエントロピは一定に保たれるが、温 度はヒートシンクの温度以下に降下するだろう。この非熱力学的な電磁過程（「 磁気熱量効果Ｊとして知られている）を使用することにより、０．０００１°に の低温を達成できる。 指摘かつ強調すべき重要なことは、磁気熱量効果等の電磁過程を熱力学的過程と の協働の下に用いる場合、結果をもはや古典熱力学の理論構成の範囲内で予言し 得ないことである。例えば、常磁性物体を磁界内に置くと、物体の温度は上昇す るがそのエントロピ（すなわち無作為の分子運動の程度）は磁気的調心によって 一定に保たれる。これは熱力学的には不可能である。熱力学によれば、加熱され る物体は常にエントロピが増加する。これは、熱力学の原理を非熱力学的過程に 適用できないことを示す。（１９６４年、アデイソン・ウニズレ−公団（＾ｄｄ ｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ　Ｐｕｂ、Ｃｏ、）、Ｒ，フエインマン（Ｒ，Ｆｅｙｒ ｖａｎ）著、−スｓ４７７７（７）　”　ｆｉ−、セクシ３ン３４−６、ページ ３４−８、ｒ古典物理学は反磁性及び常磁性のいずれをも提示しない１を参照の こと。〕 本発明の目的は磁熱効果を利用することにより低温ヒートシンクを不要にした凝 縮装置を提供することである。かかる装置そのものは機械的仕事と冷却の双方を 行うための閉鎖系の凝縮用極低温機関を構成するのに用いられる。 本文に開示される凝縮装置を設計するにあたっては、近年の技術進歩により発見 された液体窒素の沸点より高い臨界温度を有する超伝導が利用される。アニル・ クラナ（Ａｎｉｌ　Ｋｈｕｒａｎａ）著「現代の物理（Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｔｏｄ ａｙ）」１９Ｂ７年４月発行第１７−２３頁「窒素の沸点以上で現れる超伝導１ の記事を参照されたい。極低温機関はその基本動作においては極低温でこれらの 液体（液化窒素、等）を使用するので、この技術進歩の御陰で超伝導磁石用極低 温冷媒として非常に高価な液体ヘリウムの代わりに極低温機関の作動流体を利用 することが出来るようになった。超伝導電池はエネルギを消費することなく強力 な磁場を発生するので、かかる強力な磁場を利用して超伝導磁石用の外部冷却装 置を必要としない凝縮装置を構成することができる。これが可能となったのは、 極低温機関における作動流体として用いられ得る通常の酸素ガスが高い常磁性を 有するからである。有用な極低温ヒートシンクが存在しないため、凝縮は熱絶縁 された非常に低圧の凝縮室内で低温蒸気を等エントロピー的に膨張させることに よってのみ達成される。しかしながら、（過飽和蒸気の自動的凝縮を介した）こ の膨張作用によっては蒸気の一部のみしか凝縮されないので、凝縮作用が継続し 得るように非凝縮部分を絶えず除去して凝縮室内に所望の負圧環境を維持しなけ ればならない、このことは機関の極低温作動流体として酸素を利用することによ り機械的仕事をそれほど伴わずに磁気的に達成される。高エントロピの非凝縮酸 素蒸気は超伝導ソレノイドにより生ぜしめられる磁力により低圧の凝縮室から絶 えず取り除くことができる。この蒸気は凝縮室からソレノイドのボアに導出され 、磁化されると共に磁気的に圧縮される。蒸気は極低温なので、充分に強い磁場 を用いて常磁性飽和状態に近づけることが出来る。 磁力は気体分子を加速しながら磁場内に向けて動かし、それによりその運動エネ ルギが高まる。この運動エネルギの上昇は磁化の熱を表す、低圧、非磁性回転タ ービンを加速気流内に取りっりることにより、この指向された磁気的運動エネル ギは分子から抽出され、回転タービンに伝達され、そして略１００％の変換効率 で機械的仕事に変換される。気体分子は運動エネルギの大幅な上昇を伴わずに磁 場の最も強い領域に到達する。このように、この凝縮系は等温磁化と木質的に等 価である。気体分子の大部分はその磁気双極子モーメントが外部磁界と同一方向 に位置するから蒸気のエントロピは減少する。この磁気的に圧縮された低エント ロピ蒸気は更に、蒸気がソレノイドから押し出され、減磁されて予圧縮状態に相 当する熱力学的状態にされ、すでに凝縮された蒸気と混合され、凝縮膨張器を介 して再循環され凝縮作用を続は得るようにソレノイドのボア内部に取りつけられ た非磁性ターボ再圧縮器により圧縮される。ソレノイド内の非凝縮蒸気のエント ロピは磁界がない場合よりも小さいので、再圧縮器により消費される機械的仕事 は減少される。従って、凝縮装置内を真空環境に維持するのに必要な機械的仕事 は減少される。＃縮装置から取り出された液化酸素は超伝導ソレノイドを極低温 に維持するのに利用できのみならず、極低温サイクル機関用作動流体としても利 用することが出来る。以上が本文で開示される本発明の基本的物理原理ならびに 作用の特徴である。 見叫ｍケ 本発明の実施例によれば、低温ヒートシンクを必要としない極低温凝縮装置並び にその作動方法が提供される。これは、常磁性作動流体を用いると共に磁界によ りエントロピを減少することにより達成される。凝縮は低温の、特に圧縮蒸気を 断熱真空内に向けて、膨張タービンにより、蒸気を過飽和にしその一部が自動的 に過飽和されるような充分大きな膨張比で等エンドＩ７ビー圧縮するごとにより 得ら４する。この凝縮されない膨張蒸気部分は磁気吸引力により凝縮室から超伝 導ソレノイドのボア内に引き出され、それにより凝縮室を所要の負圧環境に維持 する。この非凝縮蒸気は磁化され、ソレノイド内で磁気的に圧縮され、そのエン トロピを減少する。［気吸引力によりソレノイド内に向かって加速される結呆と して起こる気体分子の運動エネルギの上昇として表れる蒸気の磁化の熱は、加速 気流内に取り付けられる非磁性、低圧の回転タービンにより蒸気から抽出される 。このようにして、磁化の熱は直接機械的仕事に変換され、それにより蒸気を断 熱磁化できる。これにより、蒸気のエントロピは熱をヒートシンクに一切伝達す ることなく低減せしめられる。 低エントロピの蒸気は蒸気の熱力学的状態を磁場の外で予膨張状態に戻すように ボア内に取りつけられた非磁性再圧縮タービンによりソレノイドから除去される 。この蒸気は同一の熱力学的状態を有しかつ一定量の凝縮作動流体を生し得るよ うに凝縮用膨張器を介して再循環されるすでに凝縮済みの蒸気と混合される。ソ レノイド内の非凝縮蒸気のエントロピは磁界により減少されるので、また、非凝 縮蒸気の量は膨張タービンにより膨張された蒸気の量より少ないので、再圧縮タ ービンにより消費される機械的仕事量は少なくて済み、それにより、再圧縮ター ビンは磁気エネルギタービンとタンデムに作動する膨張タービンにより駆動する ことが出来る。作動流体として極低温で強い常磁性を示す酸素を利用することに より、本装置を用いて閉サイクルの凝縮用極低温機関を構成することが出来る。 凝縮装置により得られる凝縮酸素作動流体は超伝導ソレノイドの極低温を維持す るための極低温冷却剤として利用することが出来る。 顕一 本発明の以」二の並びに他の利点及び特徴は明細書、請求の範囲、並びに添付図 面を含む開示内容がら明らかになろう。図面ζこおいて、図１は凝縮装置の最も 簡単な実施例の基本的作動原理を示すブ１７ソク図、 図２は図１に対応する凝縮装置の基本的磁熱／′熱カ学的作動原理を示す酸素の 温度−エントロピ線図、 図３は凝縮装置用の凝縮比Ｒと対磁界の強さＢとの関係をしめずグラフ、 図４は凝縮装置の好ましい実施例を用いた極低温機関のブロック図、 図５は低圧凝縮用膨張器の設計、構造、及び作動原理を示す縦方向の図解的斜視 図、 図６は凝縮用膨張器の設計及び構造、並びにそのら線膨張羽根の一つを示す図解 的横断面図、 図７は非凝縮酸素蒸気を凝縮室から除去、断熱磁化して凝縮室を負圧環境に維持 しつつそれと同時に非凝縮蒸気のエントロピを低下させるように設計される超伝 導ソレノイド及び磁気エネルギタービンの設計及び構造を示す縦方向の図解的斜 視図、図８はボア内部に取りつけた非磁性ターボ再圧縮器、並びに強力な磁界を 発生し得るようにソレノイドを支持する周囲の封し込め容器とを示す超伝導ソレ ノイドの図解的横断面図、図９は凝縮用チューブの設計及び構造を示す凝縮器の 図解的横断面図、 図１０は凝縮流体及び真空室内に排出される非凝縮蒸気用の排出通路の設計及び 構造を示す−・っの凝縮（−ニー・グの端部での拡大縦断面図、 図１１は工不ル４！貯藏、９荷均−化、並びに瞬間パワー用の圧力容器が熱交換 器とその１丁流の膨張器どの間に挿置された凝縮用極低温機関の別の実施例を示 すブロック図、及び、図１２は凝縮比を高めるよ′Ｊに設計されＡ′：極低温機 関の凝縮装置の別の実施例を示ずブ１コック図。 好適な実施例の記述 熱力学の理論的な骨格に基＃＝ｆ　＜従来技術の凝縮装置の作動において、エン １ヘロビの減少は、常に、ヒー　トシンク（すなわち、低温の熱だめ）への作動 流体からの熱エネルギの移動によって達成される。 しか（−ながら、常磁性体の作動流体を選択４−るごとにより、非熱力学的な方 法が作動流体のエントロピを減少させるのに使用可能であある。これは、常磁１ ・：を体の気体を強磁界にさらし１、尖峨性体の回転タービンにより結果的な磁 化熱台機械的仕事に変換することによって達成することができる。これは、気体 分−４−のζｎ磁気的双極了千−メン！・を磁界と整列させることによって気体 を磁化し、それにより、エントロピの減少がもたらされる。これは、ヒートシン クへのいかなる熱エネルギの移動もなく、いかなる機鉱的仕事も消費されず′に 作動流体の一部を凝縮することを可能にする。これらの作動原理は、熱力学の理 論的な骨格内で実現することはできないが、非熱力学のＮＮ的処理を使用するこ とによって可能となる。 ここで述べる凝縮装置の作動原理及び特徴は、熱力学の理論的な骨格内の純粋な 熱力学的処理によって作動する従来技術の装置と非常に異なるものであるために 、最初に、本発明の基本的な作動可能性を立証することが重要である。この凝縮 装置の最も簡単な実施例は、図１に示す流れ図に従って作動する。対応する熱− エントロピのグラフが図２に示されている。図１に示されているように、凝縮装 置ｌＯは三つの基本的な二次的装置を具備している。第一の二次的装置１２は、 極低温で磁気を過飽和させるために、非常に大きな膨張比（２００の単位）を発 生することができる断熱膨張等エントロピ方式の低圧膨張装置である。膨張した 過飽和蒸気は、極低圧に維持された極低温ｍ槽室である第二の二次的装置１４へ 排出される。 この−次的装置１４は、準安定性の過飽和蒸気が通過する非常に多数の凝縮管１ ５を具備している。この管１５は、予め凝縮された作動流体１６のタンク内に埋 没されており、それにより極低温度に維持される。準安定性の過飽和蒸気の一部 Ｒ（凝縮比）は、凝縮管を通過中において内壁上に液状に自然凝縮する。このよ うに、等エントロピの膨張装置１２は、部分的に圧縮された蒸気を、その一部が 任意のヒートシンクによる凝縮における任意の潜熱の除去を必要とせずに液状へ の直接的な自然凝縮を受けるような極低温の非常に過飽和とされた準安定性の蒸 気に格下げする。その液化がもたらされるために蒸気から除去される熱エネルギ は、膨張装置Ｗ１２によって抽出されて機械的仕事に変換される。この熱抽出及 び液化処理（等エントロピ膨張による）は、従来技術において良く知られており 、空気の液化に使用される。 もし、事前に膨張した蒸気の最初の温度及びエントロピが、Ｔ。 及びＳ（Ｔ、）によってそれぞれ表されるならば（図２の点Ａ）、凝縮比Ｒは次 式により与えられる。 ここで、Ｓ＋（Ｔｚ）及びＳｖ（Ｔ、）は、それぞれ、飽和液体の対応するエン トロピ及び点Ｃ及びＤに対応する作動流体の飽和齋気曲線を表している（１９Ｂ ２年発行のマグロ−ヒル科学技術大辞典の７３１〜７３６頁の”気体の液化”参 照）。この等エントロピ膨張処理は、図２に示された垂直線分子Ｎによって表さ れている。明確化のために、作動流体は酸素に仮定する。 液状へ凝縮する膨張蒸気（図２の温度−エントロピのグラフ上に点Ｃによって表 されている）は、非常に低いエントロピを有し、図１の点Ｃにおいて凝縮室１４ から除去される。凝縮装置１４を通過中に凝縮されない点Ｂにおける膨張過飽和 蒸気は、比較的高いエントロピを有して点りにおいて出現する。それは、凝縮室 から除去され、図１に相当する最も簡単な実施例において、図１に示されている ように、再圧縮されて凝縮膨張器１２へ再循環される。これは、第三の二次的装 置！ｆ　１７によって実現される。上述された凝縮処理は凝縮室１４内の真空環 境を維持することに依存するために、第三の二次的装置１７は重要な役割を演じ る。 機械的な膨張仕事により非常に損失の大きい機械的な再圧縮器（すなわち、真空 ポンプ）を使用する通常の手段によって膨張装置から排出される＃縮されない高 エントロピの蒸気を除去する代わりに、この蒸気は、酸素の異常に高い常磁性を 利用する凝縮室１４の端部に取り付けられた超伝導性のソレノイド１８によって 発生される強磁界により磁気的に除去される。この磁気的な除去装置は、凝縮装 置１０の最も重要な二次的装置となっている。ソレノイド１日の幾何学的な形状 及び構造は、そのボアが、磁界の強さが比較的低い凝縮室１４の端部を取り囲む 入口部において比較的大きな断面積を有し、磁界が最も強くなる狭い断面積へ徐 々に狭まるように作られている。磁界の勾配は、凝縮されない酸素蒸気分子を凝 縮室から引き出して、それが磁化されて磁気的に圧縮されるソレノイドのボアへ それを押し込むように形成されている。酸素蒸気は極低温度で常磁性が高いため に、この蒸気が極めて強い磁界を使用することによってソレノイドのボア内の常 磁性飽和状態に近づくことを可能にする。 この分子が凝縮室からソレノイドのボア内へ自由に移動可能であれば、磁力はそ れらを比較的高速度に加速し、それにより、それらの運動エネルギを増加させる 。この運動エネルギの増加は、分子の衝突により磁界が最も強い場所で不規則と なり、気体はこの場所で磁気的に圧縮される。気体のエントロピは増加され、こ れは結果的に温度を上昇させる。このエントロピの増加は”磁化熱”ΔＨ１と呼 ばれる。 磁界は、気体分子の大部分にそれらの双極子モーメントを磁界に整列させること を引き起こすが、磁化熱が酸素から抽出されるまでエントロピを減少させること はできない。”磁気冷却”の従来技術において、磁化された物質は、通常、常磁 性の固体の塩である。従って、磁化熱を抽出するための唯一の方法は、液体ヘリ ウムのような極低温ヒートシンクへこの熱エネルギを移動することである。しか しながら、ここで開示した装置において、常磁性物質は気体である。それにより 、磁化熱は、酸素から抽出され、加速気体通路に取り付けられた低圧非磁性体回 転タービンによって機械的仕事へ変換され、そこで運動エネルギに充てられる。 低圧タービンは非常に高い効率で作動するように作られているために、充てられ た気体の磁気運動エネルギ（磁化熱）のほぼ１００％を機械的仕事へ変換するこ とを可能にする。この熱抽出技術により、気体分子は、運動エネルギのいかなる 増加もなく、磁界の最も強い場所に到達する。その温度は実質的にＴ２と等しく 一定に維持される。従って、この処理は、Ｓｖ　（Ｔｚ　）　Ｓ　（Ｔｔ　）と 等しい大きさΔＳだけエントロピの減少を結果として生じる等温磁化と本質的に 同等となる。このように、この等温磁化処理は、非凝縮蒸気が図２の温度−エン トロピのグラフ上を線分ｍに沿って点りから点Ｂへ効果的に戻ることをもたらす 、対応する磁化熱ΔＨ５は１　／２　ＭＢに等しく、このＭは、最大磁界強さＢ のソレノイドのボア内の常磁性作動流体の磁化程度を表している。このように、 磁気エネルギタービンによって発生さ磁気気的に圧縮された低エントロピ蒸気は 、磁界が最少と成っている超電導ソレノイドのボア内に取着され、帯磁率が略ゼ ロであるターボ形再圧縮機より、同超電導ソレノイドから除去される。このター ボ形圧縮機は等エントロピ的に磁気圧縮されたガスの圧力を増加させ、蒸気は熱 絶縁された管路を介してＢ点から初期のＡ点へ戻される。初期膨張■と異なって 点Ｂから点Ａへ戻る道のりには、２つのステップを要する。 第１のステップはソレノイド内部におけるターボ再圧縮機による再圧縮に相当し 、第２図の温度−エントロピ線図では垂直線−［として表示されている。このと き、ターボ再圧縮機で消費される比佳き、同ガスは線分ｍで表示される断熱消磁 作用を受ける。 再圧縮プロセスは、等エントロピプロセスであるから、予膨張状態と等価な熱力 学的状態でガスは点Ａに戻される０点Ｅは点Ａの上消費され、線１丁に沿うエキ スパンダによって発生される比仕事よりも大きい。これは、ソレノイドを離れる ガスは磁界を克服しなければならないからであり、これにはΔＨ’、＝１／２８ Ｍ’（Ｍ’　は再圧縮後のソレノイド内におＬする酸素の磁化を表す）に等しい 仕事量を消費する。 駆動軸は再圧縮機の駆動軸に結合されている。ここで　Ｍ＞Ｍ’　の関係がある から、ソレノ・イドの磁界を克服するために再圧縮機によって使用される機械的 な仕事の追加量は磁気エネルギタービンによって供給される。 同様に、＃縮エキスパンダのの駆動軸は磁気エネルギタービンに結合され、両者 はタンデム状に作動して再圧縮タービンを駆動する。 もし磁界がゼロ磁界であると、再圧縮機により消費される比仕事然しなから、膨 張蒸気の一部Ｒは凝縮するから、凝縮しないで磁気エネルギタービンと再圧縮機 とをを通過して初期点Ａに戻される蒸気の部分量は、ｌ−Ｒに等しい。こうして 、磁気エネルギタービンなる式で表される。 このことから、凝縮システムによって発生する正味の出力仕事磁気エネルギター ビンにより機械的な仕事に変換される磁化熱ΔＨ，は、ソレノイドの誘導エネル ギの僅かな減少を代償としている。 この誘導エネルギの多くは、磁化ガスがソレノイドから誘導結合により追い出さ れる時にソ［ツノイドに戻される。然しなから、ソレノイド内部におりる再圧縮 ガスの点Ｅでの温度は、温度１”、（点Ｂにおける）より高く、再圧縮ガスの磁 化（磁気モ・−＝−メント）Ｍ′は減少する。その結果、ソレノイド内磁界から 再圧縮ガスを排除するために必要とされるエネルギＩ　（１／２Ｍ’　Ｂ）は、 ΔＨ１より少ない。かくして、誘導継手を介して磁化ガスを除去することにより ソレノイド内戻されるｇｌＥエネルギ量はΔＨ，より少ない。 １／２Ｂ　（１−Ｒ）（Ｍ−Ｍ’）に等しい差値が、磁気エネルギタービンによ り駆動される小磁束ポンプによって形成されて、その結果ソレノイドの誘導エネ ルギは一定のままでいるのである。従って、凝縮システムによって発生ずる実際 の正味仕事は、ソレノイドの誘導エネルギが一定に維持されると言う条件の下で 、下記の式（３）斯くして、上記の式（３）で規定される凝縮システムにより発 生する出力仕事量は磁気エネルギタービンによって発生する機械的仕事量とは独 立しているのである。磁気エネルギタービンの主目的は、磁化熱を奪取すること で、その結果として常磁性酸素蒸気が、超電導ソレノイドにより等温的に磁化さ れてそのエントロピを低減させることにある。これは、本凝縮システムにおける 最も重要な諸特徴の１つである。つまり、それは、熱を熱シンクに移送すること なく、エントロピを低減させるからである。 このＩｋｗ１システムは外部の熱源とは熱的に絶縁されているので、凝縮機の出 力仕事Ｗ□、を発生するために使用される熱エネルギの全てが作動流体から抽出 され、成る部分量Ｒの正味液化を生ずるのである。ａ＃ｉＭシステムを、このよ うに作動せしめる主たる原理は、常磁性の作動流体を利用することと、熱シンク に代わってエントロピを低減させるために磁界を用いることとに基づいている。 何らかの常磁性ガスを温度Ｔで強さＢの磁界に露呈させ、かつその結果の磁化熱 ΔＨ，（＝１／２　ＭＢ）を抽出することにより得られるエントロピの低減量Δ Ｓは、次式（４）によって与えられる。 ＴΔＳ＝１／２ＭＢ　・・・　（４） （ｒＦｌ想常磁性ガス（Ｔｈｅ　Ｉｄｅａｌ　Ｐａｒａｍａｇｎｅｔｒｉｃ　Ｇ ａｓ　）、セクシゴン３．４、頁２１〜２３の媛敦阿希亙、バーバート大学出版 、ケンブリッジ、マサヂューセンッ州、１９５４年刊、Ｃ，Ｇ、Ｂ、　Ｇａｒｒ ｅｔｔ著を参照のこと） ここに開示した凝縮システム、において、ΔＳ＝Ｓ、（Ｔｚ）−ｓ（Ｔ−）であ る。従って、Ｔ＝Ｔ、である条件を有した式（１）と（４）に鑑みて、凝縮率Ｒ は、次式（５）で表すことができる。 上記の式は凝縮システム、の基本的な理論的可能性を確立している式である。 凝縮量Ｒは磁界１３の強さに比例しており圧縮温度Ｔ２に逆比例するから、超伝 導ソレノイド内イドて強い磁界を形成するように設８１されなければならない。 また作動流体の凝縮温度Ｔオは、可能な限り、三重点に近いことが必要である。 耐応力起電導体によりソレノイドを構成し、かつ、それをおおきな因襲融合形シ リカ繊維のブロック内に装入して超強度堅牢包納構造とすることにより、ソレノ イドは、１００Ｔ（テスラ）のオーダーの磁界を形成することができる。 上記の１００Ｔの磁界は、不当に高い値のようであるが、数年前、従来の超電導 体は、４０〜５０Ｔの磁気強度帯のものが開発され、使用されている。これに就 いては、ｒＮｂＮフィルムの極めて高磁場超電導マグネットの開発への応用Ｊ　 ＬＥＥＥ会報、　ｊｌＧＪｌｎ　７−の１１ＡＧ−２１刊、ＮＯ，２１９８５年 ３月号、４５９〜４６２頁、Ｒ，Ｔ、　Ｋａｍｐｗｉｒｔｈ、　その他著を参照 すると良い。 然１．なから、このような高強度の磁界の実現を可能とした近時の最も重要な研 究、開発成果としては、境界温度、境界磁界、電流密度方式の「１超電導体Ｊ　 （ｗａｒｖ　５ｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）の発見であり、以前は不可能と 考えられていた限界を越えているものである。この発見から数カ月以内に６０７ 超電導体が開発され、１００Ｔ超電導体が近い将来、開発されることが期待でき るのである。これに就いて、（「超電導性」事実と空想）」ペタ↓ｉム、１９８ ８年５月、Ｋ、　Ｆｉｔｚｇｅｒａｌｄ著、と「ワイヤおよびケーブル用の高Ｔ ｃ超電導体の製造方法の６１能性ＪＩＥ犀−１１Ｊｌ、　７７刊、１９８９年８ 月）を参照すると良い。 ｉ　ｆ）　ＯＴソレノイドにより発生ずる高応力を収納するために、同ソレノイ ］゛は極めて高厚壁の収納構造体の内部に取付けられ、この構造体は、その構成 に用いる材料の容積係数に等しい外部応力を支持できる構造体である。純溶融水 晶ではこの係数は１０日Ｎ／ｍ”のオーダーごある。このよ−）に、原理的には 、３００Ｔのオーダーの磁界を形成できる超す導体ソレノイじを、上記の収納構 造体で支持することができよう。 磁性の作動流体として酸素を使用し、Ｂ＝ｌＯＯＴとした場合において式（５） から凝縮比Ｒを正確に計算するために、この１００Ｔの磁場における酸素につい ての磁力Ｍを決定する必要がある。凝縮熱Ｔ、は華氏５６度と推定され、これは トリプル点である華氏５４゜４度のちょうど上である。磁性物質の磁力の計算は 通常キューリ法を使用した近似値により得られるものであるが、ここでは量子力 学からの正確な式を使用して正確に得ることができるであろう。 る、量子力学において、スカラー磁気２極モーメントは８８℃＋ｔｙμ。で表さ れる。ここで、ｇはｇ−ファクターと呼ばれている定数であり、μ。はボア（Ｂ ｏｈｒ）−マグネトロンと呼ばれている定数である。（１ボアーマグネトロンは ９．２７３　Ｘｌ０−”　ジュール／テスラ）と相当する０通常の分子式の酸素 （Ｏｔ）では、ｇｍ２、μｍ１である。ここで、μｍ２．８２８μ。である、ガ スが磁場の存在しない空間領域にある場合は、個々の全ての分子の磁気２極モー メントμの方向は熱的な作用によってランダムとなり、この場合はガスは全体と してネントーマグネテイズムを呈しない、しかしながら、外部磁場が存在する場 合は、個々の２極（即ち、分子）のあるフラクションｒが外部磁場に対して整列 するようになる０Ｍｉ場が強力であればある程、そしてガス温度が低ければ低い 程、整合性は大きくなる。すべての２極が磁場に対して整合した場合はガスは　 磁気的に飽和したと言われる。従来の電磁理論によると、常磁性の飽和状態に相 当する磁力Ｍ０はＭ、＝Ｎμで与えられる、ここで、Ｎは単位体積（又は単位質 量）当たりの分離数を表す、しかしながら量子力学ではすべての２極に対して外 部磁場に整列させるのは、空間量子化のために不可能である。ここで量子力学は 可能な最大の磁力Ｍ。 は従来の７４Ｎ理論から推定した値よりも幾らか少ない。量子力学では、Ｍ、＝ ＮｇＪμ。である。Ｎをアボガドロ数６，０２２１６９ｘ　ｌ　Ｑ　２３分子数 １モルに設定し、且つ酸素の分子１３２によって分割すれば、Ｍはジュール（ｇ ｍ／テスラ）の単位で得られる。 寞際上、完全な並行磁気飽和状態を達成することは不可能である。 ここで、部分的な整合から得られる磁力ＭはＭ＝ｆＭ、で与えられる。端数を省 略すると、次の弐で表される。 二二でパラメータａ＝ｇｊμ。Ｂ／ＫＴ、に＝ポルツマン定数であって、１．３ ８０６２Ｘ１０−”ジュール／’　Ｋに等しい、外部磁場の強度はＢ（テスラ） で表すことができる。式（６）の右側のファンクションは「ブリロウイン（Ｂｒ ｉｌｌｏｕｉｎ）　Ｊファンクションと呼ばれている。（Ｌ、　Ｆ、　Ｂａｔｅ ｓによる「現代磁気学（Ｍｏｄｅｒｎ　Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ）。 ケンブリッジ大学出版部、　１９６３．４３−４４頁、及びエム・ダービー（Ｍ 。 Ｄａｒｂｙ）による’Ｔａｂｌｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｂｒ１ｌｌｏｕｉｎ　Ｆｕ ｎｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒｅｆａｔｅｄ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｆ ｏｒ　ｔｈｅ　５ｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　ＭａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎＪ、　Ｂ ｒ１ｔｉｓｈＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、第１８ 巻、　１９６７、１４１５−１４１７頁を参照のこと） パラメータ（ｉＢ　＝１００Ｔ、　ｇ　＝２．　μｍ１．及びＴ　＝５６”　Ｋ が式（６）に置き換えられる場合は、ａ　＝２．３９８７６４．　ｆ　＝０．９ ０２３４５である。従って、Ｍ　＝０．３１４９５６ジエール／　（ｇｍ　−テ スラ）である。５ｖ（Ｔｘ’）の値＝６．４５５　ジュール／　（ｇｍ　・テス ラ）　、ＳＬ　（Ｔｚ　）　＝２．１４７　ジュール／　ｇｍ’　Ｋである。　 （これらのエントロピーイ直はｒ　Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃａｎｄ　Ｒｅ１ ａｔｅｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　Ｏｆ　Ｏｘｙｇｅｎ　Ｆｒｏ＋ｗ　Ｔｈｅ　 Ｔｒｉｐｌｅ　Ｐｏ１ｎｔ　ｔｏ　３００”　Ｋ　Ａｔ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ　 ｔｏ　１＋０００　Ｂａｒ」＋　ＮＡＳＡ　Ｒｅｆ、　Ｐｕｂ、　１０１１＋　 ＮＢ５ｌＲ７７〜８６５．１９７７年１２月、ｂｙ　Ｌ、　Ａ、　Ｗｅｂｅｒ、 によりめることができる。 ｒｇ＝５６°にとして、これらの値を式（５）に置き換えると、凝縮比Ｒ＝０． ０６５２７６が得られる。かくして、図１において点Ａにおける凝縮システムに ６．５％を越える酸素蒸気が流入すると、５６°Ｋにて点Ｃにおいて液化する。 式（２）によって計算される磁化の熱ΔＨ−は、１５．７４７８ジユ一ル／ｇｙ ｌである。式（４）によって計算されるエントロピーの減少量ΔＳは、０．２８ １２ジユ一ル／ｇｍ　’　ｋである。従って、点Ａ及びＢにおけるエントロピー は５ｖ（Ｔｚ）　−ΔＳ　＝６．１７４　ジュール７ｇｅｅ　’　ｋに等しい。 点Ａにおける蒸気は１．０バールの圧力であると仮定すると、対応する温度Ｔ及 びエントロピー１１は上述したウェーハ（Ｗｅｂｅｒ）による本から計算するこ とができる。その結果、ＴＩ　＝　２３０．０００°に、　Ｈ。 ＝２０８．５８０ジユ一ル７ｇｍである。（Ｗｅｂｅｒによる上述の本によって 得られる酸素の実験蓄積データに一致させるために、計算は小数点３位までにつ いて行われる。）膨張後の点ＢにおけるエントロピーはＨｔ＝３４．８５２ジ□ −ル／ｇｍである。点Ｂにおける圧力はＰ、＝０．００２４２バールである。点 Ａ及び点Ｂにおける比体積はそれぞれＶ　＋　＝５９６．５１９ｃｗａ１′／ｚ ｔａ及びＶ！　−１１５，０８０ｃｍ’　７ｇ−である。ここで膨張比はｒ−Ｖ 　ｔ　／　Ｖ　＋　−１９２，９０８である。 凝縮膨張Ａ−１によって発生ずる出力値−〇は、勧−Ｈ＋　Ｈｚ＝１７３．７２ ８ジ１−ル／ｇｌＩによゲて与えられる。従って上述の分析により、式（３）に よって与えられる１ｇ＋ｍの膨張により凝縮システムによって得られる正味出力 値−ｎｅ４は、０．０６５２７６　ｘ　１７３．７２８ジュール−１１，３４０ ジユールである。 点じ（図１）における凝縮酸素の熱力学的な状態のパラメータは上述の−ｅｂｅ ｒＯ本によって得ることができる。これらのパラメータは、Ｔ、＝５６．０００ °に、　Ｐ、、０．００２４２バール、ｕｚ＝−１９０，７００ジユ一ル７ｇｍ 、Ｓ、　＝　２．１４７ジヱ一ル／ｇｍ　’にである。従って、凝縮システムに よって酸素からほぼ液化の状態の抽出される熱エネルギの全量は、Ｒ（Ｈ。 −Ｂ３）−・０．０６５２７６　ｘ　（２０８，５８０＋　１９０．７００）ジ ュール＝２６．０６３ジュールである。凝縮システムは周囲から熱的に絶縁され ており、熱エネルギの交換を行わないので、エネルギ変換の原理に従う。即ちこ の抽出された熱エネルギＱ（凝縮システムへの入力熱）は正味出力作業量ｗ−− ｔ　＋　（ｔ　−Ｒ）ΔＨ’　、（図２におけるＥ−＋Ａによって表わされる常 磁性による熱損失）　＋１／２（１−Ｒ）　Ｂ　（Ｍ−Ｍ’　）（導入エネルギ を一定に保つように磁気エネルギ・タービンを介してソレノイドに送られるエネ ルギの量）に等しい。 ΔＨ’　、＝１／２８Ｍ”であるので、（１−Ｒ）ΔＨ’　、　＋１／２（ｉ− Ｒ）　Ｂ　（Ｍ−Ｍ’　）　＝１／２（１−Ｒ）　ＢＭ’　＋１／２（１−Ｒ） 　Ｂ　（Ｍ−Ｍ’　）＝１／２（１−Ｒ）ＢＭに従う。したがって、酸素から抽 出された熱エネルギＱの全量はＷ７．、モ１／２（１−Ｒ）ＢＭに等しく、これ は１１．３４０＋　１４．９２０＝２６．０６０ジユールであり、これはＱに等 しい。 これらの計算は既存の凝縮システムの作用原理に基づく数値チェックを示す。 図３はＴ！＝５６°にの場合の磁化作動流体として酸素を使用した凝縮システム についての、凝縮比Ｒと磁界強度Ｂとの関係を示す図である。（１０Ｔ台程度の ）比較的弱い磁界においては、凝縮比はｏ、ｏｏｉ（０，１％）と非常に小さい 。しかしながら、３００Ｔ台程度の超強力磁界においては、凝縮比は０．２２（ ２２％）を越えるであろう。 凝縮を行う凝縮システムを通過する蒸気の時間当たりの量が一定であるので、凝 縮システムはすべての作動流体を凝縮する能力を有する。これは、凝縮されるす べての蒸気を単に蓄積することにより達成することができる。図１に示すように 、非凝縮部分は以前に凝縮された蒸気を何んら加えなくても凝縮システムにより 連続的に循環される。凝縮される蒸気の単位時間あたりの量が一定である限り、 システムを通過する流量はすべての蒸気が凝縮されるまで徐々に減少する。それ の、凝縮をもたらす蒸気から抽出されたエントロピーは膨張の過程で機械的な作 動に変換される。このような凝縮器は純粋な熱力学的プロセス及び作動原理を用 いることか不可能であるが、非熱力学的的、電磁気的なプロセスを用いることは 可能である。 物質のエントロピーを減少するために磁界を使用することは新規な概念ではない 。事実、これは６０年以上のものである。これは「断熱消磁］（ａｄｉａｂａｔ ｉｃ　ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）又は「磁気冷却Ｊ　（ｍａｇｎｅｔｉ ｃｃｏｏｌｉｎｇ）と呼ばれている。（アール・ビー・スコツト）（Ｒ，Ｂ、　 ５ｃｏｔｔ）による１９５９年、極低温技術（Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎ ｅｅｒｉｎｇ）、デ・パンツストランド社（Ｄ、　Ｖａｎ　Ｎｏ５ｔｒａｎｔ　 Ｃｏ−＋　Ｉｎｃ、）の「断熱消磁による冷却Ｊ　（Ｃｏｏｌｉｎｇ　ｂｙ　Ａ ｄｉａｂａｔｉｃ　Ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）、　９９３１０８頁、及 び上述のギヤＬ／ツ１〜（Ｇａｒｒｅｔｔ）による本を参照のこと）、シかしな がら、従来技術においては、この方法は基礎物理における理論的な研究にて絶対 温度ゼロに近い温度を達成するために、常磁気的な固体の温度を下げるために実 験室内で用いられるものであり、（この発明のように）極低温機関における常磁 気的ガス作動流体のエン［ロビーを下げるためのものではない。このように、本 発明は、作動流体における物理的変化を達成するために工業的な規模で極低温機 関に完全に新規かつ画期的な磁界の適用を行うものであり、そして通常の熱力学 的の方法の使用では不可能な作動特性を得ようとするものである。臨界温度をも った超伝導の開発、及び従来信じられていた限界値を越える臨界的な磁界の方法 により本発明は実用上の可能性をなし得たのである。 本発明の好ましい実施例においては、凝縮装置１０は、常磁性の作動流体として 酸素を用いるクローズドサイクル凝縮極低温機関に使用することを目的としてい る。図４は凝縮装置１０の動作を示す極低温機関のブロック図である。凝縮装置 の詳細な作動パラメータは上述のものと同様である。本凝縮装置をクローズドサ イクルでの作動用に使用した場合の性能を評価するために上記極低温機関の詳細 な熱力学的解析を示す。 本凝縮装置の個々の作動パラメータは以下の通りである。 Ｂ＝　１００Ｔ、膨張比ｒ−１９２，９０８、ジュール／（膨張後ダラム）　（ Ｊｏｕｌｅｓ／　（ｇｍ　ｅｘｐａｎｄｅｄ）　）　：初期膨張前熱力学的パラ メータＴ、＝２３０．０００’　Ｋ、Ｐ、＝１．０００バール、１１□−２０８ ，５８０ジユール／グラム、Ｓ、＝６．１７４ジユール／グラム°Ｋ、（図２、 Ａ点）；Ｔ、＝５６．０００″に、ｐｇ　＝０．０００２４２バール、Ｈｚ　＝ ３４．　８５２ジユール／グラム、５ｚ＝６．１７４ジニール／グラム°Ｋ（図 ２、Ｂ点）；Ｔ３　＝５６．０００″に、Ｐｓ　＝０．０００２４２バール、Ｈ ，＝−１９０，７００シユ・−ル／グラム、５−＝２．１４７ジユール／グラム °Ｋ（図２．０点）；Ｔ、＝５６．０００°に、、Ｐ、＝０．０００２４２バー ル、Ｈ，＝５０．６００ジユール／グラム、Ｓ、＝６．４５５ジユール／グラム °Ｋ（図２、Ｄ点） ０点で凝縮装置から出てくる液化酸素はｉ、ｏｏｏバールに圧縮されて、上述し たように最初に凝縮装置の極低温冷加削として使用される。上記等エントロピ圧 縮の後、熱力学的状態パラメータは以下のようになる。 Ｔｓ−５６，００３°に、Ｐ、＝１．０００バール、Ｈｌ−−１９０，６２０ジ ユール／グラム、Ｓ、＝２．１４７ジユール／グラム″′に 上記圧縮に消費された機械的仕事は、 この、凝縮装置で生成した液化酸素を作動流体として使用する極低温機関の熱力 学的パラメータは、最終の膨張器２０（図４）から排出される蒸気が、Ａ点（図 ２）における凝縮装置の初期膨張前と同一の熱力学的状態になるように設計され ている。従って、最終膨張器２０から排出された英気は、凝縮装置から排出され た非凝縮蒸気と混合器２２内で初期熱力学的状態で混合して凝縮装置１ｏに再循 環される。凝縮比Ｒは一定であるので、従っ−ζ凝縮装置内を流れる質量流！ｒ ｉｑ（ダラム／秒）は一定のままであり、凝縮装置で生成される液化酸素の質Ｍ 流量Ｒ苗も一定のままである。 凝縮装置１０で生成した液化酸素２４は凝縮装置１０から抽出されて断熱された 極低温貯留容器２６に供給され、次いで極低温液体圧縮１！２８ｃ供給され、５ ００　バール（４９３，４６気圧マタハ７２３９Ｌｂｓ／ｉｎｔ　）まで等エン トロピ圧縮される。圧縮された液化酸素は上記圧縮［９２Ｂから以下に示す熱力 学的パラメータを持って吐出される：Ｔ、＝６０．２２２’　Ｋ、Ｐ、＝５００ バール、Ｈ，−−１５２，７０６ジエール／グラム、Ｓｈ　＝　２．　１４７＝ ３７，９１４ジエール／グラムで表される。圧縮機２８から出た圧縮液化酸素は 、直ちに第１の常温熱交換器３０に供給される。この常温熱交換器３０は、自然 外部環境と熱的に接触しており、この常温熱交換機内で上記圧縮液化酸素は等圧 加熱される。この熱交換器３０は大量の水の中に浸漬するようにしてもよいし、 大気の流れの中に配置するようにしてもよい。また、この熱交換器３０は太陽の 輻射熱で直接加熱するようにしてもよい。 熱交換機３０に流入する圧縮液化酸素の温度は加熱媒体の温度より非常に低くな っているので、伝熱面の熱勾配は非常に大きい。このため、極低温酸素は加熱媒 体の熱エネルギを急速に取り入れる。 従って、圧縮酸素は２、速に臨界温度（１５４，８°Ｋ）以上に加熱され、浪発 して２９０°Ｋに仮定した温度まで過熱された圧縮ガスとなる。この圧縮過熱酸 素は熱交換器３０から以下の熱力学状態パラメータを持って排出される；Ｔ、− ２９０，０００’　Ｋ、Ｐ、＝５００．０００バール、Ｈ，＝１９３．４１０ジ ユール／グラム、Ｓ、＝４．５５７ジユール／グラム°に熱交換器３０（図４） から排出される際に、過熱圧縮酸素は第１の多段等エントロピ膨張器３２に流入 １２、第１の熱交換機３０内で加熱媒体から取り出された自然熱エネルギの大部 分が、機械的仕事と仮定すると、膨張器３０の圧力比はＰ、／Ｐ、＝５００／４ ０＝１２．５となる。また、膨張器３２の出口におりる熱力学的状態パラメータ は：Ｔｅ””’１５０．２４４’　Ｋ、Ｐ、＝４０．０００バール、Ｈ，＝８２ ．３３８ジユール／グラム、Ｓ−＝４．５５７ジユール／グラム°にとなる。第 １の膨張器３２が発生ずる機械的仕事りかなり大きい。 膨張した酸素は５、第１の膨張器３２から１５０．２４４°にで排出され５、同 様に加熱媒体と接触している第２の熱交換器３４に供給される。４０バールに圧 縮された酸素はこの第２の熱交換器３４内を循環され、加熱媒体から大量の追加 熱エネルギを抽出し、吸収する。従って、酸素は再廣２９０°Ｋまで等田的に再 熱され第２の熱交換器３４から過熱圧縮ガスとして流出する。Ｌ記過熱圧縮ガス の熱力学的状態パラメータは：Ｔ、＝２９０．０００’　Ｋ、Ｐ、＝４０．００ ０バール、Ｈ，＝２５３．４２０ジユール／グラム、Ｓ、＝５．４００ジユール ／グラム″に１である。 第２の常温熱交換器３４を出たあと、過熱圧縮酸素は第２の等エントロピ膨張器 ３６に流入し、第２の加熱段階で加熱媒体から抽出、れる。 前述のように、本極低温機関の最終の膨張器２０は、凝縮器Ｗ１０の、図２の温 度＝エントロピ線図のＡ点に相当する初期膨張前と等（７い熱力学的状態の酸素 を吐出するように設計される。上記を達成するためには、第３の膨張器２０の入 口圧力は１．５８６バールに等し２くなければならない。このため、第２の膨張 器３６の出１１圧力は１．５８６ハールとする必要がある。従って、第２の膨張 器３６から吐出される酸素の熱力学的パラメータは：Ｔ、、＝１１２．３５３＠ に、Ｐ、、＝　１．５８６バール、［１，。−９９，６６９ジユール／グラム、 Ｓ、。−５，４００ジユール／グラム°にとなる。また、第２の膨張器３６によ り発生する機械的仕事はＷ、＝Ｈ，−Ｈ，。−１５３，７５１ジヱール／グラム となる。 第２の膨張器３６を１１２゜３５３°にで出た膨張後の酸素は、同様に加熱媒体 と接触している第３の熱交換器３８に流入する。これにより、酸素は加熱媒体か ら追加の熱エネルギを抽出、吸収することにより２９０°Ｋまで等圧的に再熱さ れ、１．５８６ハールの圧縮ガスとして第３の熱交換器３８から流出する。この 熱力学的状態パラメータは：Ｔ、、＝２９０．０００”　Ｋ、Ｐ、、＝１．５８ ６バール、Ｉ−（、、＝２６３．１７４ジユール／グラム、Ｓ＋＋＝６．１７４ ジユール／グラム°にである。この酸素は、次いで最終の膨張器２０に流入し、 第３の熱交換器３８内で抽出した追加の熱エネルギが追加の機械的仕事に変換さ れる。第３の膨張器２０から吐出される酸素の熱力学的パラメータは：Ｔ、ｔ＝ ２３０．０００°に、Ｐ、□＝１．０００バール、Ｈ，□＝２０８．５８０ジュ ール／グラム、Ｓ１□＝６．１７４ジユール／グラム°Ｋ、である。上記熱力学 的状態は要求通りに、凝縮装置１０に流入する酸素の、図２のＡ点で表される初 期熱力学的状態と正確に等しくなっている。 ＝５４．５９４ジユール／グラムに等しい。従って、３つの膨張器全体で発生す る機械的仕事の合計はＷ＝Ｗ＋　＋Ｗｔ　＋Ｗ３　＝　３１９゜ムとなる。凝縮 装置ＩＯに流入する蒸気１グラム当たりのこの極低温機関が発生する実際の機械 的出力仕事は、Ｗ−ｔｚ−ＲＷ□ｔｚ−ｉ８．３７４ジユール／（膨張後ダラム ）となる、これにより、本機ジュール／（膨張後ダラム）　（７） である。 Ａ点（図２）で凝縮装置に流入する蒸気の質量流量ホ（ダラム／秒）当たりの正 味工率Ｐ、、は次のようになる。 Ｐ　、、−ｔ　＝　２９．　７１４　ｍ　（ワット）　（８）詳細な構造を考慮 する前に、凝縮装置を除けば、上述の熱力学計算には新規なものは無いというこ とを指摘しかつ強調することは重要である。機械的な出力仕事を発生させるのに 用いられる入力熱エネルギは、従来技術の極低温機関の場合のように何らかの交 換媒体を介して周囲環境から天然の熱エネルギを吸収することから得られる。し かしながら、凝縮装置は新規なものである。この装置は、熱力学的でなく且つ熱 力学の基本的な理論的枠組外にある作動原理およびプロセスを含むので、この凝 縮装置、従ってまた機関は、熱力学の原理および法則に従って作動する熱力学装 置と見なされることはできない。むしろこの機関は、熱力学原理によって限界を 定められない熱効率を有して作動することができる「磁気熱Ｊｌｌ関である。 （もちろん、エネルギ保存のような基本的な物理原則には従わなければならない 。） 本発明の好ましい実施例による凝縮装置を製造する上での実際的なエフ技術上の 問題を名えると、まず最初に重大な機械的問題がある２所望の凝縮比を達成する ために凝縮エキスパンダは、１回の膨張ステップで２００のオーダの膨張比を発 生させることができなげ１１ばならない。しかしながら、この大きさの膨張比を 生み出すことがごきるユ不ルギ引き出し用の等エントロピの低圧エキスパンダは 存４しない。従って本発明の重要な構造−トの新規性の一つは、極低温かつ低圧 か一つ仕事を発生する低温ガスエキスパンダであって、等エン（・Ｉ−７ビ性に 非常に近くかつ可変の質量流量を有する本質的に制限されない膨張比を提供する ことができるエキスパンダを開示するり、Ｉ　Ｊ　ｂ、−ある。好ましい実施例 では、このエキスパンダは連続流れ回転タービンである。 Ｕ’４　痕、、ｔ、制限されずかつ＝１変の膨張比および圧力比を有する熱的に 絶縁された低圧軸流ターボエキスパンダ４０の構成および構造をｒ？　３−　＃ ＊方向斜視図である。図６は、図５に示ず低圧ターボエ率スノぐ・ダ・１０の螺 旋状に延びる膨張羽根４２の−・・つの構成および構造を小ず概略的／７横断面 図である。図７は、凝縮されていない酸素蒸気４８’Ｅ凝縮室４Ｇから磁気的に 取り除くと共にこの酸素蒸気を等温的Ｖ磁化ｔ−２１、そ−れにより酸素蒸気の エン（・電コピを低減させるために凝縮室４６の端部に取り（・１けられた収束 する超伝導ソレノイド４４の構成お、■、７．ト構造を示す概略的な縦方向斜視 図である。図８は図７の横断面図であ−、て、この図８は、超伝導ソレノイド４ ４と、ツレ７　イドによゲこ発生せしめられる応力を支持するためのソレノイド の内部構造との構成およびＩ造を更に示している。 凝縮ターボエキスパンダ４０を離れる膨張されかつ過飽和された酸素蒸気５０は 、極く低圧に維持された極低温真空室５２内に直接的に放出される。この真空室 ５２は凝縮器５８によって二つの分離した領域５４．５６に分割され、この凝縮 器５８はこれらの領域間に取り付けられる。第１の領域５４は、ターボエキスパ ンダ４０の放出端部で始まり、かつ凝縮器５Ｂの入口部で終わっている。第２の 領域５６は、凝縮器５８の茶気放出端部で始まり、かつ超伝導ソレノイド４４０ 入口部で終わっている。膨張された酸素蒸気が真空室５２の第２の半分領域５６ に到達することができる唯一の経路は、凝縮器５８を通過することである。 図７に示されるように、大きな低圧の非磁性タービン５９（低圧膨張タービン４ ０と構成ト似ている）が凝縮室５６の端部に取り付けられ、このタービン５９は 、超伝導ソレノイドのボア内に延び、か・つ場が静も強いターボ形再圧縮４１９ ６０の開始部の近くで終わっている。夕・−ビン５９は、超伝導ソレノイドによ って発生せしめらネＬる磁気吸引力によ−、て凝縮室から引き出される凝縮して いな（為酸素蒸気のｉ！動エネルギを機械的仕事に変換するようになっており、 その結果蒸気は運動工フルギの大きな増加なしにソレノイドのボア内ｊ、こ移動 する。これは本発明の重要な作動上の特徴である。なぜならば、これは〜常磁性 酸素ガスが等点的に磁化されることを可能に１−１、このことはエン１−ロビの 低減をもたらすからである。このタービン５９は磁化熱Δ１１、を機械的仕事に 変換する。このタービンは中央駆動軸に連結され、かつこのタービンは凝縮エキ スノくンダ４０とタンデム式に作動されて再圧縮タービン６０を駆軸するように する。 再圧縮タービン６０（図７）はソレノイド４４のボアの中央領域内に取り付けら れる。この再圧縮タービン６０は、ソレノイドのボア内の磁気的に圧縮された低 エントロピの蒸気の圧力を少量（１゜０バール）だけ増大させるようになってお り、その結果蒸気は、熱的に絶縁された導管を介してソレノイドから外へ移動さ れかつ凝縮エキスパンダ内に再循環されることができる。中央駆動軸６４番ま真 空室５２を通過ずる。この中央駆動軸６４は、ターボエキスパンダ４０の駆動ロ ータ６６および磁気エネルギタービン５９をターボ形再圧［１１６０の駆動ロー タ６８に直接的に連結し、その結果回転ターボエキスパンダ４０および磁気エネ ルギタービン５９は、ターボ形再圧縮機６０を回転させるように直接的な機械力 を供給する。エキスパンダ４０、磁気エネルギタービン５９および再圧縮機６ｏ の各ロータは連結駆動軸６４によって互いに結合されて単一の剛固なユニ・７ト を形成するので、この回転装置は唯一の移動部分を有する。 従ってこの装置は、非常に小さな摩擦しか伴わずに滑らか且つ連続的に作動する ように構成されることができる。（摩擦の無い磁気軸受上に中央駆動軸を取り付 けることによって、本質的に零の摩擦熱が得られるであろう、） 三つのタービンの各ロータを異なる回転速度で作動させることが望ましい場合が あり得る。この場合には種々の減速歯車が必要とされる。きっちりと嵌合する二 つの同軸スリーブとして構成された多数の駆動軸を用いることにより、凝縮装置 の外側に減速歯車を取り付けることが可能である。これにより、減速歯車によっ て発生される摩擦熱が凝縮装置に侵入しないようにされる。 図５および図７に示されるように、ターボエキスパンダ４０、真空室５２、凝縮 器５日、磁気エネルギタービン５９、超伝導ソレノイド４４、およびターボ形再 圧縮機６０はすべて互いに結合され、熱的に絶縁された弔−のコンパクトなユニ ット又はモジュール７０内に取り付けられ、このモジトルア０は凝縮装置を具備 する。従ってこのコンパクトなモジヱール構造は、もしこれらの構成要素が別々 のユニット内に構成されかつ取り付けられる場合に必要とされるであろう多量の 導管、熱シールド及び関連装置の必要性をなくする。更に、このコンパクトなユ ニットモジュール構造特徴はまた、理想的な断熱流れ条件に近い非常に効率的か つ連続的なプロセスで、入って来る酸素が膨張され、凝縮され、および再圧縮さ れることを可能にする。 ターボエキスパンダ４０は、低圧作動用に特別に設計された三つの螺旋状に延び る回転膨張羽１７２を具備する。羽１Ｉ７２は、可変のスロート半径Ｒ５を有す る環状のガス入口ダクト７４の端部で始まっており、ロータの駆動軸６６はガス 入口ダクトの中心を貫通ずる。図５および図６に示されるように、螺旋状に延び る膨張羽根７２の半径は、ターボエキスパンダ４０の下？ＩＬ端部における最大 値Ｒｘまで軸に沿って着実に増大してい゛く。ターボエキスパンダ４０の内壁７ ８と回転羽１７２との間のクリアランスは極めて小さく、２０ミクロンから６０ ミクロンのオーダである。タービンの内壁７８に隣接して移動する羽根７２の側 方端部８０はロータ軸６６の近傍の羽根の主本体より厚くなっており、かつ入口 近傍の約３枚羽根厚みから出口近傍の約６枚羽根厚みまで変化し、その結果回転 羽根７２とタービン内壁７８間の境界部は本質的に気密になっている。エキスパ ンダの開始部と終端部間での望ましくない熱伝達を最小化するために、膨張ロー タ６６と膨張室８２の内壁７日と真空室５２とはテフロン（登録商標）またはガ ラス複合材料のような非常に近い熱伝達率を有する材料で構成される。 螺旋状に延びる膨張羽根７２とタービン壁７８とロータ軸６６との間の境界部は 、断面積が増大していく三つの螺旋状の気密な通路８４を形成する。その結果こ れらの通路は、ロータ軸６６の周りを螺旋状に延びる螺旋状の膨張室８２を呈す る。もし羽根７２の端部８６（即ち真空室５２の内部）において低圧Ｐ２の負圧 が連続的に維持されるならば、螺旋状の膨張室８２内に流入する圧力Ｐ、の酸素 は、通路８４を流通するにつれてその膨張のために圧力が徐々に低下する。この 低下する圧力は、すべての羽根７２の両側間で羽根の全表面積に沿−って圧力差 を発生させる。これらの圧力差は羽根７２上に不釣合い力を発生させ、その結果 ロータ軸６６上で滑らか１１つ連続的な回転トルクが得られる。 温度がＴ、で圧力が１）１の酸素ガスは径が可変の環状ガス入口ダクト７４を介 し７て一定の速度でもってターボ膨張機４０に供給され、ターヘビンを通過する 際に一様に膨張せしめられる。ターボ膨張機の壁面内の熱の流れは基本的には低 温断熱体により遮断されるのでほとんど等温膨張が行われる。ブレードのピンチ はタービン全体を通して入［コにおける軸流速度と同じ一定の軸流速度に維持さ れるように形成されているので酸素は により定まる膨張比「でも、ってタービンの端部で合流する。ここでＲ１はロー タ駆動シャフト６６の半径を表わしている。 のど部半径Ｒ９は可変でありかつＲ，−Ｒ，から初期のブ１／−ド下径に等しい 成る最大値までの範囲をとり得るのでこの膨張比は無限大から成る最小値（はぼ ５０）までとり得る。入口温度および入口圧力が夫々２３０．００°におよび１ ．０バール（エントロピＳはＳ＝６，１７４ジｊ−ル／ｇａ＋”Ｋ）であるとす るとｒ＝１９２．９１の膨張比によっ〔膨張した酸素が真空室５２（図５）内に 排出されるにつれて準安定の過飽和英気にされ、その結果凝縮比Ｒが０゜０６５ ２７となるように上述のものでは定められている。従ってこれらの人口条件にお いてはＲｏ　＝０．５０ｃｍでＲｚ＝５０ｃｍとするとのど部半径をＲ１＝３． ６３３ｃｍにすることによって膨張比が１９２．９１となり、真空室５２内に流 入する膨張酸素８８は５６°にの過飽和版気となる。ターボ膨張機４０の運転中 に膨張比を変え得るか否かはどのようにも変えられる設計上の問題である。とい うのは流入する酸素の質量流量ホを制限を制限するための、従って機関の出力を 制御するための手段を設ければよいからである。 機械式アクチュエータ９０はＲ，＝Ｒ，の最小値から成る最大値Ｒｌ　−Ｒｗａ ｍｘまで半径を増大減少しうる径が可変の環状酸素入口ダクト７４に連結されて いる。Ｒ＋＝Ｒｅの場合には入口ダクト７４は完全に閉鎖され、酸素は全くター ボ膨張機４０内に流れない（この場合の膨張比ｒは無限大である）。Ｒｌ　＝Ｒ ＩＩＩＩＩＸの場合には入口ダクト７４は全開されており、ターボ膨張機４０に 流入する酸素量は最大となっている（この場合、膨張比は最小となる）。アクチ ヱエータ９０は電気式サーボモータ９２により制御され、この号−ボモータ９２ は外部電源からの駆動電流により作動せしめられる。 図４および図５を参照すると、断熱された酸素入口導管９４は径が可変の環状酸 素入口ダクト７４に連結されかつＲ０１８よりも大きな内半径を存する。この酸 素入口導管９４の他端は断熱された低温混合容器２２に連結される。第３の膨張 機２０から排出された再利用酸素は断熱導管９８を介して断熱混合容器２２に供 給される。超電導ソレノイド１８から排出された再圧縮された非凝縮酸素蒸気は 別の断熱導管１００によって混合容器２２に供給される。 図９は多数の凝縮管１０２の形状および構造を示す、凝縮器５８の図解的な横断 面を示している。図１０は凝縮管１０２を通過しても凝縮しなかったガス状の膨 張酸素ガス用の排出通路の形状および構造を示す、凝縮管端部の拡大断面図を示 している。これらの図面および図５を参照すると、凝縮器５８は高い熱伝導率を 有する複数個の平行をなす円筒状凝縮管１０２を具備する。この装置は二つの横 方向に延びる隔壁９６間に設けられる。これら隔壁９６間の空間１０４はほぼ５ ６°にの液体酸素によって常時溝たされている。従っで各凝縮管１０２の外壁は 冷たい液体酸素１０６の浴槽内に浸漬されており、斯（してほぼ６０°Ｋに維持 されている。この内部の液体酸素だめ１０６によ−て機関を再始動しうるように 機関の運転が停ｄｌされている間、導管１０２の内壁１０８（凝縮表面）は低温 度に保持さス１．る。機関の運転が開始された後、低温凝縮管１０２を通過（７ た準安定の過飽和酸素は凝縮して液体酸素の液滴となり、これら液滴は凝縮管１ ０２の内壁１０８の全体に沿う凝縮層１１０を形成する。温度勾配が極めて小さ いので機関の運転中、準安定の凝縮酸素暑気と液体酸素１０６との間でほとんど 熱伝導が生しない。 ｍ縮膨張器４０から排出された膨張した酸素蒸気１１２は隔壁９６によって凝縮 管１０２の外側を流通するのが阻止されるので凝縮膨張器４０を離れた膨張過飽 和蒸気１１２は全て冷たい凝縮管１０２内に流入せしめられる。 低温ターボ膨張器４０を通過して（膨張比が１９２．９１でもって）等温膨張せ しめられた後、膨張した酸素は極低温の準安定過飽和蒸気の形で真空室５２の第 １領域５４内に排出される。過飽和酸素蒸気は凝縮管１０２内に流入して小さな 液滴に液化しはしめる。凝縮管１０２は実質的に全ての準安定過飽和酸素蒸気が 凝縮管１０２の端部に達するまでに凝縮管１０２において凝縮するのに十分な長 さを有する。１！安定となっていない（ただし過飽和状態にある）蒸気は凝縮管 を通過して複数個のガス状酸素排出通路１１４（図１０）を通って逃げる。これ ら排出通路１１４は真空室５２の第２の領域５６に直接導びかれる。凝縮してい ない酸素蒸気は強力な常磁性を呈しているのでこの酸素蒸気は超電導ソレノイド ４４（図７）により発生せしめられる磁気吸引力により部屋５６から引き抜かれ る。従って真空室５６は常時真空状態に維持されることになる。 凝縮壁１０８Ｆにおいて凝縮する酸素蒸気の質量流量宿。はほぼ次式で与えられ る。 ホ。＝ＫＡＰ　（Ｍ／Ｔ）　■　（１０）ここでＰは室内圧、Ｔは壁温、Ｍは酸 素の分子量（３２）を夫々示している。凝縮管１０Ｂの総面積はＡによって表わ され、Ｋは定数である、Ａ、ＰおよびＴの単位が夫々Ｃ鵬２、トール（即ちＨｇ ｍｍ　）および°にである場合にはに＝０．０５８３となる（ラインホールド出 版会社（Ｒｅｉｎｈｏｌｄ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｒ＋ ）、ニューヨーク、１９６３年発行、シュタインヘルツ（Ｓｔｅｉｎｈｅｒｚ） 著、迫真：工？吾乞エブンク（Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｈｉｇｂ　Ｖａｅｕｕ ｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）、７２頁から７６７６頁参照）、例えばＴ＝５６ ’にであり、Ｐ＝Ｐ、　＝　１．、　８１５ト−１１／　（、ＯＯ２バール）テ ア’）、Ａ＝１０．０００ｃｉ＊”　（１，０ｃｍ２）の場合には電。＝　８０ ０　ｇｍ／ｓｅｃとなる。従って比較的小さな凝縮器でもってかなり速い凝縮速 度を得ることができる。 凝縮管１０２　（図５）内の凝縮表面１０８　Ｊ二で凝縮した液体酸素１１６が （重力により）下降して蒸発排出通路１１４を通過し、液体酸素が貯留される集 合管部分１１８に流入するよ・うに各凝縮管１０２（図５）は凝縮装置内におい て垂直に取付けられている。集合管部分１１Ｂおよび蒸気排出通路１１４は蒸気 が排出される真空室５６の第２の部分内に配置されている。中央のピックアップ 供給導管１２０は全ての管部分１１Ｂに連結されて液体酸素１１６を小型のコン プレッサ１２２に運ぶ。このコンプレッサ１２２において液体酸素１１６は１． 　０バールまで圧縮される。液体酸素１１６はコンプレッサ１２２から導管１２ ４を介して排出される。液体酸素はこの導管１２４によって超電導ソレノイド装 置に供給され、この超電導ソレノイド装置において冷媒として使用される。圧力 作動型一方向リリーフ弁１２６が導管１２４に設けられており、圧力変動により 液体酸素が逆流して凝縮管内に再流入するのがこのリリーフ弁１２６に、よって 阻止される。液体酸素はルノイド用の冷媒として使用された後別の導管１２Ｂを 介して内部の液体酸素容器１０４に一供給される。上述したように各凝縮管１０ ２が常時完全に液体酸素内に浸漬するように内部液体酸素容器１０４は常に液体 酸素１０６ムニよって満たされ続ける。斯くして液体酸素が導管１２８を介し“ Ｃ容器１０４内に供給されるにつれて同じ量の液体酸素が別の導管ｌ；３０を介 して容器１０４から引き抜かれる。この導管１３０によって液体酸素は二重壁の 低温ジュツ（Ｄｅｗａｒ）ジャケット１３２に運ばれる。このジャケント１３２ は全凝縮装置を完全に包囲し。て凝縮装置が運転されていないときであってもほ ぼ５６’Ｋに維持された低温状態を作り上げる。 凝縮システムの最も重要な部分は超伝導ソレノイド４４（図７）である。Ｆ記の ように、ソレノイド４４は凝縮室５６の端部に装着されていると共に、酸素が高 度の常磁性を示すガスであるということを利用して、磁気吸引力によって室５６ から圧縮していない気体Ｍｌを取り除くように設計されている。従って、図７に 示されるよ−）に、非凝縮気体１３４は強い磁界１３　Ｂによりタービン５９を 通って゛ルノ・イド４・１のボア１３６の中へ引きこまれ、等ＩＪ１．ｍ気圧縮 を受ける。ソＬ・２ノイド４４は磁界が最も強くなる最も狭い部分１４０−・− 収斂しているボア１３６を有するように設計されている。これは酸素分子１３４ に作用する磁気吸引力を最適の状態にする磁界における緩やかな勾配をもたらす 。 々−ボ圧縮機６０は、磁気吸引力が最も強いボア１３６の最も狭い部分１４０に 装着されている。ターボ圧縮機６０は、凝縮システムの中心軸線に沿って延びて 膨張器４０及びタービン５９のロータ６６に連結されている中心の回転軸６８に よって駆動される。回転駆動軸６８は、複数個の装着支持材１４４によって固定 されることによりその位置を保持している保護チューブ１４２（筒軸）の中に装 着されている。ターボ圧縮機６０は、１．０バールの残余ガス圧力と共にボアか らガスを取り除くため（Ｘ、磁気的に圧縮された酸素１４６の圧力を少しだけ（ １，０バール）増加させる。酸素１４Ｇのエントロピーが磁界によって減少する ので、〃−ボ圧縮４１１６０によって消費される仕事は意味のある程度に減少（ ７、ターボ圧縮機６０を作動させるために必要な仕事の全てが、膨張器６０及び 駆動軸６８を介して連結するタービン５９によって発生ずる機械的な仕事によっ てまかなわれる。 再圧縮された酸素はソレノイド４４及び熱的に絶縁された導管１４８を通って凝 縮ンステＪ、から排出される、この導管１４８はその中心軸線に沿−７で延びて いる駆動軸６８がある円形の横断面を有する。導管１４Ｂは再圧縮された酸素１ ５０凛混合容器２２へ運ふｆり導管１００に連結されている。再圧縮された酸素 １５０は混合容器２２において第３のカスケード膨張器２０（図４）から排出さ れた酸素ガスに混合される。導管１４８は、ソレノイドを離れた後に酸素が逆流 するのと導管１４８を通ってソレノイド４４へ戻るのを防止するためムニ、圧力 作動式の一方向すリーフ弁１５２を装備している。液体酸素リリーフ弁１２６の 設計におけるが如＜５．このリリーフ弁１５２はターボ圧縮機６０によって作り 出される圧力庖自動的に調整する。ターボ圧縮［６０、タービン５９、駆動軸６ ８、保護チューブ１４２、及び導管１４日は全てきわめて低い磁気感受性を有す るガラス繊維又はプラスチックのような材料から構成されているので、磁界１３ ８を掻き乱すことはない。同様に、凝縮室５２及び種々の導管もまた、きわめて 低い磁気感受性を有する材料から構成されている。（凝縮チューブ１０２は、き わめて低い磁気感受性を有する反面、きわめて高い熱伝導性を有する銅から構成 されることができる、） 図７及び８に示されているように、ソレノイドの磁界によって発生する非常に大 きな応力を支持するために、ソレノイド４４は溶融シリカ繊維又は溶融水晶の固 形ブロックからなる超高密度鋳物１５４の中に収容される。この容器構造１５４ がないと、たとえソレノイドの超伝導体が応力支持材料によ、って構成されてい たとしても、ソレノイド４４は破裂してばらばらになる。 ソレノイドの構造に使用されている超伝導ケーブルの応力支持の詳細な設計や構 造は、私が１９７５年の６月２日に出願した米国特許第４．０７８，７４７号に おいて開示されているものと本質的に同一である。ソレノイドによって発生する 外向きの力に耐えるように（設計により）十分に大きく作られている不動の超強 力容器構造１５４を用いてソレノイド４４の外壁を包囲することにより、ケーブ ル（及び容器構造）の容積率が限界に達して容積の圧縮が始まる前に、ソレノイ ドによって３００Ｔのような高い磁界を発生させることは可能である。 １００Ｔの磁界を発生させるために必要な誘導エネルギーに見合うＩＩ′ｆｔに よってソレノイドを付勢する過程は、数日に及ぶような長時間の期間にわたって 徐々に達成される。この処置は、ソレノイドの内部のケーブルが磁界によってそ れらに作用するきわめて高い応力に対して僅かに変形することにより、それら自 体を調整することを可能にするように計画される。この長時間の期間は、ソレノ イドのための低温の環境を維持する間に変形を起こす応力によって発生する大量 の熱を除去するための時間をもたらす。従って、ソレノイドは、付勢期間の間に 容器構造１５４の周囲の不動の内壁に対してそれが圧縮されるように徐々にその 形を変える。容器構造１５４の強度は、ソレノイドがその構造に使用されている 材料の容積率の限界まで発生することができる応力を本質的に支持するように任 意の高さに作られることができ、その大きさはｌ　Ｑ　ＩＩ　Ｎ／ｍＺ程度にも なる。従って、好適な実施例においては、超伝導ソレノイドは、エンジンが回転 していない時でも、応力の場を乱すことがないように常に一杯に付勢された状態 のままになっている。（これもまた、磁界の変動に起因する熱の発生を除去する ことになる。）しかしながら、より大きいエンジン制御に備えるために、その磁 界における成る程度の小さな変動は許されるべきである。 ソレノイドは、容器構造１５４の外壁を低温に維持することによって、低温まで 冷却される。これは容器構造１５４を低温の冷却剤１５８を満たした低温の魔法 瓶１５６の中に装着することによって達成される。従って、容器構造１５４の外 壁１６０は低温の冷却剤１５８に直接に熱的接触をしている。 より高い臨界温度を有する超伝導材料の発見によって、環境温度において作動可 能な超伝導体からなるソレノイド４４を構成することが可能になるかも知れない 。この場合には、何らの冷却システムも必要ではなくなる。環境温度以上の超伝 導臨界温度を有する材料が間もな（開発されるだろうという強い兆しがある。「 高いＴｃに不必要なフォノン：超電流の増加」というＰｈ１ｓｉｃｓ　Ｔ。 ｄａｙ”誌の１９８７年７月号１７〜２１頁に掲載されたＡｎｉｌＫｈｕｒａｎ ａによる記事を参照されたい。 図７及び８に示すように、超伝導ソレノイド４４及びその容器構造１５４と、魔 法瓶１５６は、強磁性のハウジング１６２の中に装着される。このハウジング１ ６２は、凝縮システムの範囲内にソレノイドの磁界を収容するように設計される 。凝縮システム全体の重量を減らすために、強磁性のハウジング１６２は超伝導 シールドコイルによって置き換えることができる。「積層Ｎｂ、Ｓｎ超伝導シー ルド−１というＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　Ｏｎ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓのＭＡＧ−２１巻、第２号、１９８５年３月発行の３２０〜３２３頁に掲載さ れたり、Ｖ、Ｇｕｂｓｅｒ等による記事を参照されたい。 小型の発電機１６４（即ち、フラックスポンプ）が排出導管１４８に近接して装 着されており、機械的な連動機構１６６を介して中心の駆動軸６日により駆動さ れる。ソレノイドから出る酸素の磁化Ｍ′が入るもののそれよりも少ないことか ら、この発電機１６４は１／２　（＋−Ｒ）Ｂ　（Ｍ−Ｍ″）に等しい量のエネ ルギーを、接続された電線１６８を介して供給し、その結果、ソレノイドの誘導 エネルギーは一定にとどまる。 凝縮膨張器、１０の中−１酸素を供給する前に凝縮室５２を排気する必要があれ ば１．排気のための電気的な等エントロピー真空ポンプ１７０が発電機１６４の 近くに装着される。このポンプ１７０は蓄電池のような外部の動力源によって駆 動される、室５２から除去されたガスは液化酸素によって冷却されることができ ると共に、エンジンが再起動される前に凝縮システムを通って再循環するように 混合容器２２へ供給される。 また、大型の外部の液体酸素の容器２６（回４）は、凝縮装置の作動を必要とす ることなく機械的動力を発生させるために用いられ得る別の大型のエネルギ貯蔵 容器を代表する、ということが留意されるべきである。それは、単にこの容器か ら液化酸素を回収し、それを作動圧力（５００ｂａｒ）まで圧縮し、それを第１ の熱交換器３０及び隣の膨張器３２に供給することによって達成され得る。膨張 器３２から排出される蒸気は、それを第２の熱交換器３４及び第２の膨張器３６ に供給する前に、大型の断熱性の圧力容器内に（低温度で）！積され得る。集積 されるガスは、凝縮装置の作動時に、第２熱交換器３４及び第２膨張器３６に供 給され得る。貯蔵ガス圧力容器を用いることによって機関が冷却及び機械的動力 を生じさせ得るような多くの異なる作動モードが存在する。 図４に示された機関の基本的な実施例の更に別の変更例においては、再加熱され る前に、膨張した作動流体を高圧に再圧縮するために、連続的に接続された次の 熱交換器３４の入口ダクトと第１のカスケード式膨張器３２の出口ダクトとの間 に、付加的な圧縮器が効果的に挿設され得る。それは、機関の正味の出力を増大 させるであろう。 機関の優れた制御を得るために、圧縮器２８（図４）は、可変の排出圧力を具え るように設計され得るし、総てのカスケード式膨張器は、可変の膨張比を具える ように設計され得る。 膨張室に入る酸素は、機関の全体性能を最適化するために、多くの異なる値Ｔ、 及びＰ、を有し得る、ということが指摘されるべきである。圧縮器２８（図４） から回収される液化酸素の圧力は、好適実施例において悲定される５００ｂａｒ という圧力よりも高くされ得るか、あるいは低くされ得る。 ５００ｂａｒ（７，２５２１ｂｓ／ｉｎ”）という作動圧力が、機関の幾つかの 適用に関して実際的ではないこともあり得るので、３つの加熱ステップの代わり に２つのみの加熱ステップを用いる、より低い作動圧力を有する機関を設計する ことが可能である。 図１２は、高い凝縮比Ｒを生じさせるように設計される更に別の実施例である。 基本的に、それは、凝縮装置に回収される前に、非凝縮酸素のエントロピを低減 するための低温のクーラントのような、圧縮器２日から回収される圧縮された液 化酸素を利用することにより達成される。低温で圧縮器２８から出て行く圧縮さ れた液化酸素は、周囲温度において周りから自然の熱エネルギを抽出することに より周囲温度まで戻るように加熱されるべきであるので、この循環される酸素が 混合容器２２内に供給される前に、そのエントロピを低減するように非凝縮状態 の酸素から熱エネルギを抽出することが先ず利用される。同様に、第１の高圧膨 張器３２　（１５０，２４，４”Ｋ）及び第２の高圧膨張器３６　（１１２，３ ５３＠Ｋ）から排出される極めて低温の圧縮された酸素は、混合容器２２のガス を冷却するためのクーラントとして、このガスが循環されて凝縮装置に戻る前に 、利用される６それは１．１ｍ装置に入る蒸気のエン１−ロビを減少させ、従っ て凝縮比を増大させる。この実施例において、凝縮装置内の磁界は、戻りの非凝 縮性の蒸気のエントロピを再膨張エンド１１ピまで減少させ得ないので、再圧縮 は、２つのステージで起きる。二とになる。第１のステージは、凝縮装置１０の 超伝導ソレノイド１８の内部に取り付けられる再圧縮器６０によって達成されよ う。 この再圧縮器は、非凝縮性の蒸気を再度圧縮し、これにより、それは、初期の予 備膨張圧力の約２分の１の圧力において（断熱的な消・ｆｉｌの後で）凝縮装置 から去って行く。しかしながら、この部分的に圧縮された蒸気のエントロピがか なり高いので、その温度は（断熱的な消・ｉ％！磁の後でも）、かなり高いであ ろう。（それは、初期の予備膨張温度を越え得る。）従って、この高い温度の、 部分的に再圧縮された蒸気は、熱的に独立した低温熱交換器２０８内に供給され 、そこにおいて、それは、６０．２２２°にで圧縮器２８から去った後に熱交換 器２０日を通して流通される圧縮された液化作動流体に熱を伝達することにより 冷却される。この低温熱交換器２０８を通した循環の後において、部分的に圧縮 された非凝縮性の蒸気は、非常に低い温度まで（そして低いエントロピまで）冷 却され且つ他の等エントロピ圧縮器２１０内に供給され、そこにおいて、それは 、初期の予備膨張圧力まで加圧される。冷却ステップにより分離される、２つの ステージの非凝縮性の蒸気を予備圧縮することにより、完全な再圧縮に要求され る機械的な仕事の量は、著しく減少される。 非凝縮性の蒸気が再圧縮されて初期の圧力まで戻った後において７、それは、第 ２圧縮器２１０から回収され且つ混合容器２２内に供給される。最終の膨張器２ ０（所定の予備膨張圧力−で）から排出されたガスが、再圧縮された非凝縮性の ガスのそれよりも低い温度を有し、これにより、２つの要素が相互に混合される 際に非凝縮性のガスが更に冷却される（そしてエントロピが減少される）ように 、設計が為される。生した混合物は、別の熱的に独立した低温の熱交換器２１２ 内に供給され、そこにおいて、低い温度で第１の高圧膨張器３２及び第２の高圧 膨張器３６から排出される排出ガスは、エントロピを更に減少させるように、か なり低い予備膨張温度まで総ての循環ガスを冷却するためのクーラントとして循 環される。この第３の冷却ステップの後で、このガスは、循環されて凝縮装置に 戻される。 この実施例の詳細な量的な分析を現出することは、この開示の意図的な範囲を越 えているが、それは、著しく高い凝縮比Ｒ２従って増大した動力を生じさせるこ との可能な設計を意味し得る。 性能を向上させるために用いられ得る凝縮装置の他の多くの修正例や変更例が存 在する。また、装置は、低温機関の代わりに多（の異なる適用に用いられ得る。 例えば、図１に示された凝縮装置は、周囲の雰囲気から直接に液体酸素を製造す るために用いられ得る。 強い磁界は、雰囲気の他の反磁性の分子から酸素分子を分離するのに用いられ得 る。次いで、酸素は、低い温度及び圧力まで膨張され、凝縮装置内に供給され得 る。（また凝縮は、より低い温度で固体相に生じ得る。） 基本的な本発明の史に別の実施例及び変更例が可能である。窒素酸化物（ＮＯ） ＋、４、一般的に常磁性である他のガスであるので、磁性凝縮装置及び低！ＩＮ ！間は、酸素の代わりに作＊浦体と１．てこのガスを用いるよ）に設計され得る 。従って、この設計は、本発明の基一本：的ｔ（実施例の別の変更例を意味して いる。１−２かしながら、酸素が、窒素酸化物よりも高い磁性許容性を有するの ご、酸素は、好適な作りＪ流体−（７鳥る。酸素が本発明？２こ用いられ（ｌる 噌　の実際的な常磁性作ａｈン々体どある１七思われるが、本発明の実用ン、こ 供するため（二強い當（１任り′ｔを有する他の無機的又は有機的なガスを人工 的に創成するこ乏が可能である。 Ｊ′発明の更に別の変更例は、融解の代わり？、乙Ｊ２゛、λの凝固によ−、て 凝縮が置き換夫−られるように、凝縮温産Ｔ２イー作＃Ｊ流体の三重点よりも低 くする、：と（、こまって得られ得る。それは、より高い凝縮比を帰結す乙。本 発明に、Ｊ、、−，７教示されるよ・）に磁界の利用により膨張した作動流体の エントロピを減少させる方法は、低温において大きなり３里を′↓しさＶるであ ろ−）、超伝導ソ１／・′イ１′の必要な磁界強度■３が比率Ｂ、／Ｔ、（約０ ．７Ｔｅ　ｓ　Ｉ　ａ／に’である（こちがいない）１５′３よ−１，て１１７ ｎ的に決定されるので、より低い温度で作動し、得る。！−う４、Ｔ凝縮器を設 計す−る、二点により、所定の磁界強度を減少することが１ｉＴｉＣ亨）る６　 （１，かしながＧ：）１、これらの利点は、極めて高い膨張比（１０，０００を 越える）及び凝結された作動流体の組成を帰結する不都合に対して評価されるべ きである。 凝縮装置の別の変更例は、全エントロピの減少が幾つかのステージで達成され得 るように、多数のソレノイドを相互に一列に連結することによりエントロピを減 少させることに関係する。平行に設計された多重ソレノイドの採用は、別の実施 例において利用され得る。 それは、動力増大のためにＱ縮膨張器を貫流する流れ量を増大させるであろう。 本発明の思えべないし範囲から逸脱することなく、凝縮性の作動流体のための上 記方法及び装置によって、他の様々の変化例及びｇｆ例が為され得るように、添 付図面に示されたが先の記載に包含される総ての主題が制限的でなく図解的に解 釈されるべきである７、ということが意図される。 好適なア施熊樺においでは、液体酸素を極（Ｋ１、す冷却朋に使用すｒ８ことが できる梯ｒ、こツ！・ノイドは酸素の一二軍１浪（５４，４°［（１，ビり高い 臨界温度を有する超伝導１７２によって作らＪｌている。この梯に、４ｆ縮管１ ０２の内部で製造された液体酸素が入口導管１７４炙経由して冷却ジーＦ７ワー （Ｄｅｗａｒ）　１５６を通って循環するが、擾低温冷媒１５８として循環する 、そして別の導管１７６を経由し−Ｃ回収される。 、てこで、ソレノイドが酸素の三重点（，５４゜４°Ｋ）より高い臨界温度を有 する超伝導１７２によって作られていることは本発明の実施ζこおい一ζは必ず しも必要な形状あるいはｉ空転条件ではないシ゛いうことに注意を向け、強調し 、でおかねばならない。もし、ソ１／ノイドが液体−・すうムの擾（、こ非常に 低い温度の冷媒を必要とするｌぴ伝導によって作られている場合には、液体・＼ リウムが液体酸素の代わりに冷却ジ１ワー（Ｄｅｗａｒ）　１５６を通って循環 する。；ａｍ器の内部で作られる非常に低い温度であるということ七、ソレノイ ドはその誘導１ネルギの無視できる様な変化によって運転されるであろうという 事実と、ソレノイドは外部環境から、また、ボア内部の磁気的に圧縮された酸素 から熱的に絶縁されていることから、冷媒１５８に伝達される熱量は非常に低い 。この様に、もし液体ヘリウムが冷媒として使用された場合には、非常に少量の 補給が必要となるであろう、しかし、この補給のための手段は、明らかに外部の 原因から必要になるであろう０本発明のこの実施態様においては外部の液体ヘリ ウム貯蔵槽１７８を備える（図７参照）。 凝縮システム内部の各種構成要素はすべて多層極低温真空断熱１８０（図５．７ ．８参照）の分厚い内側包皮によって保護されている。この包皮１８０は比較的 大量の液体酸素１８２を入れられる分厚いジュワー（Ｄｅｗａｒ）包皮槽１３２ の内部に完全に納められている。 ジュワー（Ｄｅｗａｒ）包皮槽１３２を通って循環した後、液体酸素１８２は熱 的に絶縁された極低温導管１８３を経由して外部液体酸素槽２６（図４参照）の 中に供給される。最後に、極低温結露槽１３２それ自体が分厚い多層極低温真空 断熱の外側包皮１８４の内部に完全に納められている。 直列接続された膨張器３２．３６．２０は１９６５年１０月２４日に出願された シュワルツマン（Ｅ、）１．Ｓｃｈｉｙａｒｚｍａｎ）の”極低温機関システム と方法”という名称の米国特許第３，４５１，３４２号において開示されている ものと同じである。したがって、これらの直列接続された膨張器の細部構造は従 来技術の範囲にあると考えられるので、ここでは詳細な説明は省略する。 ターボ膨張器に入ってくる酸素の質量流量ｍ　（ｋｇ／５ｅｅ）は、入口管の横 方向の断面積をＡＩ、管を通過する酸素の密度と流速をそれぞれρとＵとした時 に帛＝ρＡ、ｕによって４えられ、全体のネ・ソト出力発生量Ｐ、、、ｔは下記 の様に現される。 Ｐ、、、、　＝２９．　７１４　ｐＡ、　ｕ　（ＫＷ）　−（１１）入口管の内 部を流動する酸素の温度Ｔ１と圧力Ｐ＋　は、それぞれ２３０．００＠にと１． ０００８ａｒである。したがって、対応する密度ρ−１／Ｖ’＝　１　、　６７ ６　ｋｇ／ｍ’である（これは熱力学の特性データから得られる）。 膨張比ｒ＝１９２．９１は一定であると仮定されるので、酸素が膨張器を通って 膨張する間流速Ｕが一定であるとすれば（これは設計によって得られる）、膨張 比ｒ＝Ａ、／Ａ、である。 ここで、Ａ、＝π（Ｒ１”−Ｒ１”）は凝縮膨張器の出口管の断面積を現してい る。 したがって、Ｒ２の値が機関の出力発生量を決定する。凝縮器の直径は、はぼ２ Ｒｔに等しいことと、凝縮システムの長さ対直径の比は、はぼ２．５に等しいこ とから、機関の出力発生量は凝縮システムの大きさによって決まる。この様に、 全体のネット出力発生量Ｐ７．．を上記のＴ＋　、Ｐ＋　、ｒを一定のままにし てＲ，の関数として現すのは便利である。比較的低い流速ｕ　＝　１０　ｍ７ｓ ｅｃを仮定すると、この表現は下記の様になる。 Ｐ□ｔ　＝１３．　８２９Ｒｔ”　（ＫＷ）　・・・（１２）ここで、Ｒ８はメ ートル（輪）で与えられる。 この様に、機関内部のネット出力発生量Ｐ７．．は、凝縮膨張器の出口半径Ｒ２ の２乗に比例して増大する。これは機関の基本的な比例関係を現し、機関はＲ２ を比較的少量大きくするだけで、顕著な出力発生量と冷却能力を得る様に拡大す ることができることを示している０例えば、Ｒ，＝１０−　とすれば、Ｐ、、、 　＝２．　４　１−である。 圧力槽を大気熱交換機とそれに隣接する下流膨張器との間に介装することが可能 であって、圧縮ガスエネルギ貯蔵槽の役を成し、それは隣接する膨張器に供給さ れる。図１１はこの重要な設計要点を示している。同図に示される様に、圧力槽 １８６は大気熱交換機１８Ｂとその下流の膨張器１９０の間に有効的に中間配置 されている。加圧された酸素ガス１９２は圧力導管１９４によって熱交換機１８ 日から出て圧力槽１８６に移送される。圧力槽１８６の内部の圧縮された酸素ガ スは別の圧力導管１９６によって膨張器１９０に供給される。ワンウェイチェッ クバルブ１９Ｂが熱交換器１８８と圧力槽１８６の間の圧力導管１９４に装着さ れていて既に圧力槽１８６の内部に在るガスが熱交換器１８８の内部の圧力変動 によって熱交換器１８８に逆流することを防止している。この圧力槽１８６は、 膨張！Ｓ　１９０のためにかなりの量の加圧されたガス（大気温度）を貯留する ための圧縮ガスを負荷調整したエネルギだめを表している。この圧縮ガスエネル ギだめは、凝縮システムを流通する酸素の質量流量ｍの大きく、２、速な変化を 必要とせずに、膨張器の出力を広い範囲にわたって迅速に変化させることを可能 にしている。機関が停止されると、圧力槽１８６と膨張器１９０との間の圧力導 管１９６に装着されたバルブ２００が閉しられ、機関停止後に圧力槽１８６内部 の加圧されたガスが逃げることを防止している。機関が再始動されると、初めに 液体酸素を圧縮して、それからそれを熱交換機を通して循環させることなく瞬間 的な出力を発生するために、膨張器は圧力槽１８６内部に貯留されている圧縮ガ スを使用する。このシステムにより、機関は充分に長い中断時間にわたって機械 的な出力を発生することが可能であって、それは式（８）によって凝縮システム に流入する質量流量糸によって現されるものよりもはるかに大きいものである。 分厚い壁状にされた超高強度ガラス繊維あるいは複合材料で、且つトロイダル形 状を用いて圧力槽１８６を構成することによって５００Ｂａｒ程度の圧力が可能 であろう。圧力Ｐにおける圧縮ガスの体積エネルギ密度は、Ｐ／（ｒ−１）、こ こでγζ■、５０、に等しいので、圧力５００Ｂａｒに対応する貯留された体積 エネルギ密度は、なお１０　”　Ｊｏｕｌｅ／ｓ３の程度にしかならない。した がって、これらの圧力槽は大量の貯留エネルギを内封することが可能である。し かしながら、凝縮器が停止した状態で機関が運転される時は、第３の直列接続さ れた膨張器もまた停止することが恐らく必要となる、それによって上流の膨張器 から放出されて膨張した酸素ガスを第２の圧力槽に貯留することができる。この 様に、第２の圧力槽は上流の圧力槽よりも大きな容量に作られる。複数の圧力変 換器２０２が圧力槽内部の圧力を検出する。圧力が成る下限値以下に下がった時 には、凝縮システム１０と圧縮機２８（図４参照）は圧力を貯めるために自動的 に発動する。（しかしながら、以下のことに注意しなければならない、すなわち 、機関の本実施態様が重要であるとしても、図４に示された基本的な実施態様の 大気熱交換機３０．３４．３８は、その構造に固有のいくらかの比較的大量の内 部ガス体積を有し、それもまた、この有効な貯留された圧縮ガスのエネルギだめ 効果を発揮するということである。） エントロピ（Ｊ／ｇＫ） 磁界強度（Ｔ） 手続補正書（方式） 平成６年３月２日

Claims (60)

【特許請求の範囲】
1. １．凝縮室内の作動流体を低圧に維持する方法であって、該方法が、 常磁性の作動流体を用いる段階と、 凝縮されていない気相の作動流体を磁界によって上記凝縮室から除去し、それに よって上記凝縮室を低圧に維持する段階と、を具備する方法。
2. ２．上記常磁性作動流体が酸素である請求項１に記載の方法。
3. ３．上記磁界が超伝導磁石によって発生される請求項１に記載の方法。
4. ４．上記超伝導磁石が中央ボアを有するソレノイドであり、該ボアが上記凝縮室 と連通される請求項３に記載の方法。
5. ５．上記方法が、 上記凝縮されていない気相作動流体であって上記凝縮室から除去された気相作動 流体の一部を上記ボア内において上記磁界により磁化する段階と、 磁化熱を除去してそのエントロピを低下させる段階と、をさらに具備する請求項 ４に記載の方法。
6. ６．上記磁化熱除去段階が、上記ソレノイド内へ流通する常磁性気体流内にター ビン手段を設ける段階によって達成される請求項５に記載の方法。
7. ７．上記方法が、 上記ボア内に圧縮器手段を設ける段階と、上記ボアと連通する導管手段を設ける 段階と、上記ボア内の上記気相作動流体の圧力を上記圧縮器手段により増大させ 、それによって上記気相作動流体を上記導管手段を介し上記ボア外に流出させる ようにする段階と、上記凝縮されない気相作動流体を或る初期圧において十分高 い膨張比でもって上記低圧の凝縮室内に膨張させて上記気相作動流体の一部を上 記凝縮室内において凝縮させるようにする段階と、をさらに具備する請求項５に 記載の方法。
8. ８．上記圧縮器手段および上記導管手段が、磁化率が低い材料から構成される請 求項７に記載の方法。
9. ９．上記超伝導磁石が、凝縮された作動流体の温度よりも高い臨界温度を有する 超伝導体から構成されており、上記方法が、上記凝縮された作動流体を上記超伝 導体の温度を上記臨界温度よりも低く維持するための冷媒として用いる段階をさ らに具備する請求項３に記載の方法。
10. １０．上記ボア内の上記磁界が２０Ｔよりも高くなっている請求項４に記載の方 法。
11. １１．上記超伝導磁石の一部を包囲する手段を設けて上記磁界を制限するように する段階をさらに具備する請求項３に記載の方法。
12. １２．上記方法が、 凝縮された作動流体を上記凝縮室から導出させる段階と、上記凝縮された作動流 体を上記凝縮室内の圧力よりも十分に高い圧力まで圧縮する段階と、 少なくとも１度だけ一連の段階を実行する段階と、をさらに具備し、該一連の段 階が、熱だめとの熱接触が維持されている熱交換器手段内に上記圧縮された作動 流体を通過させ、それによって該圧縮された作動液体が上記熱だめから熱を抽出 および吸収することにより加熱される段階と、該加熱されかつ圧縮された作動流 体を膨張器手段内において膨張させ、それによって上記作動流体に吸収された上 記熱エネルギの一部を機械的仕事に変換する段階と、からなる請求項１に記載の 方法。
13. １３．上記一連の段階によって膨張された作動流体が十分に高い膨張比でもって 上記低圧の凝縮室内へさらに膨張されて上記作動流体の一部が再凝縮されるよう にする請求項１２に記載の方法。
14. １４．上記凝縮室および上記超伝導磁石を周囲環境から断熱する段階をさらに具 備する請求項３に記載の方法。
15. １５．上記熱だめが周囲温度の自然環境である請求項１３に記載の方法。
16. １６．熱機関の作動流体のエントロピを周囲温度よりも低い温度において減少さ せる方法であって、該方法が、常磁性の作動流体を用いる段階と、 周囲温度よりも低い温度において上記作動流体に磁界を適用する段階と、 磁化熱を除去する段階と、 を具備する方法。
17. １７．上記常磁性作動流体が酸素である請求項１６に記載の方法。
18. １８．上記磁界が超伝導磁石によって発生される請求項１６に記載の方法。
19. １９．上記超伝導磁石が中央ボアを有するソレノイドであり、該ボアにおいて上 記作動流体が磁気吸引力により吸引されると共に磁化される請求項１８に記載の 方法。
20. ２０．上記磁化熱除去段階が、上記ソレノイド内へ流通する常磁性気体流内にタ ービン手段を設ける段階によって達成される請求項１９に記載の方法。
21. ２１．上記方法が、 気相状態にある上記作動流体を低圧室手段内において十分大きな膨張比でもって 膨張させて上記作動流体の一部の自発的な凝縮を生じさせる段階と、 上記超伝導ソレノイドのボアと連通された通路手段によって、凝縮されていない 作動流体を上記室手段から磁気的に除去し、それによって上記室手段の低圧環境 を維持する段階と、上記凝縮されていない作動液体を上記ソレノイドから除去す る段階と、 上記凝縮されていない作動流体を上記室手段へ再膨張させる段階と、 をさらに具備する請求項２０に記載の方法。
22. ２２．上記熱機関が極低温機関であり、上記方法が、凝縮された作動流体を上記 室手段から導出させると共に上記液体を上記極低温機関用の作動液体として用い る段階をさらに具備する請求項２１に記載の方法。
23. ２３．周囲温度よりも低い温度において凝縮装置を作動する方法であって、該方 法が、 常磁性の作動流体を用いる段階と、 上記作動流体に磁界を適用する段階と、磁化熱を除去する段階と、 を具備する方法。
24. ２４．クローズドサイクル式の極低温機関を作動する方法であって、該方法が、 常磁性の作動流体を用いる段階と、 上記作動流体に磁界を適用しかつ磁化熱を除去することによって凝縮装置におい てエントロピを減少させる段階と、を具備する方法。
25. ２５．周囲温度よりも低い温度においてサイクリック熱機関の作動流体のエント ロピを減少させる装置であって、該装置が、常磁性の作動流体と、 周囲温度よりも低い温度において上記常磁性作動流体を磁界によって磁化する手 段と、 磁化熱を除去する手段と、 を具備する装置。
26. ２６．上記作動流体が酸素である請求項２５に記載の装置。
27. ２７．上記磁界が超伝導磁石によって発生され、上記超伝導磁石が磁界を含んで いるボアを有するソレノイドであり、上記磁化手段が、上記常磁性作動流体の一 部を上記ボア内に磁気吸引力によって導くための手段を具備し、上記磁化熱除去 手段が、上記ボア内へ流通するガス流内に設けられたタービン手段を具備する請 求項２５に記載の装置。
28. ２８．上記ボア内に設けられ、上記磁化された常磁性作動流体を圧縮するための 圧縮器手段と、 上記ボアに連結され、圧縮された作動流体を上記ソレノイドから流出させる導管 手段と、 を具備する請求項２７に記載の装置。
29. ２９．上記ソレノイドが、上記作動流体の三重点よりも高い臨界温度を有する超 伝導体から構成され、上記装置が、液化された作動流体を上記超伝導体を上記臨 界温度よりも低く維持するための冷媒として用いる手段をさらに具備する請求項 ２７に記載の装置。
30. ３０．上記熱機関が熱だめ内において熱エネルギを機械的仕事に変換し、上記装 置が、周囲温度における環境内の自然熱エネルギを上記熱だめとして用いるため の、自然環境と熱接触して設けられた熱交換器手段をさらに具備する請求項２５ に記載の装置。
31. ３１．更に、前記常磁性体の作動流体を周囲温度よりも低い温度で初期圧力に圧 縮する手段と、 前記圧縮された作動流体を前記熱交換器手段を通して循環させ、前記作動流体を 周囲から自然熱エネルギを吸収することにより加熱するための導管手段と、 前記加熱された作動流体を膨張させて、前記吸収された自然熱エネルギの一部を 機械的仕事に変換する手段と、前記膨張した作動流体の一部を凝縮手段内で凝縮 させる手段と、前記凝縮された作動流体を前記初期圧力に再び圧縮するための手 段と、 膨張した作動流体の一部であって凝縮されていない作動流体を磁化し、磁化熱を 除去してエントロピを低下させる手段と、前記磁化された作動流体を圧縮する手 段とを具備する請求項３０に記載の装置。
32. ３２．前記凝縮手段が、 周囲温度よりも低い温度において前記作動流体を低圧室手段内に充分高い膨張比 で過飽和蒸気に膨張させ、前記室手段内で膨張した蒸気の一部を凝縮させる手段 と、 前記凝縮した作動流体を前記室手段から除去する手段と、凝縮していない気体蒸 気を磁界により生じた磁気吸引力により前記室から除去する手段と、 磁界により前記室手段から除去された前記凝縮していない蒸気を磁化する手段と 、 磁化熱を除去してそのエントロピを低下させる手段と、前記磁化された作動液体 を圧縮する手段と、前記圧縮された作動流体を前記凝縮手段に回収する手段とを 具備する請求項３１に記載の装置。
33. ３３．更に、前記凝縮手段を周囲から断熱する手段を具備する請求項３２に記載 の装置。
34. ３４．前記膨張比が５０よりも大きい請求項３２に記載の装置。
35. ３５．極低温機関の作業流体の圧縮する装置において、常磁性の作動流体と、 断熱された凝縮室内で前記蒸気の一部が極低温において凝縮するように、前記作 動流体を初期の圧力から、所定の低温の断熱された凝縮室内において、充分高い 膨張比で過飽和の膨張蒸気に膨張させる手段と、 凝縮していない蒸気を磁界により前記室内から除去することにより、前記凝縮室 を低温に維持する手段と、前記室から除去された凝縮していない蒸気を磁化する 手段と、前記蒸気から磁化熱を除去してエントロピを低下させる手段と、前記磁 化され前記凝縮室から除去された蒸気を再び圧縮する手段と、 前記再び圧縮された蒸気を前記凝縮室に再び膨張させる手段とを具備する装置。
36. ３６．膨張し凝縮していない蒸気を磁力により前記凝縮室から除去し、前記蒸気 を磁化する手段が、磁界が前記凝縮室と連通する中心ボアを有する超伝導ソレノ イドを具備しており、凝縮されていない蒸気が磁化されると、前記室から磁気吸 引力により前記ボアに吸引される請求項３５に記載の装置。
37. ３７．前記磁化熱を除去する手段が、前記ボアに移動するガスシステムに取り付 けられた回転タービンを具備し、前記磁気吸引力により発生した前記気体の運動 エネルギが機械的仕事に変換される請求項３６に記載の装置。
38. ３８．前記磁化され凝縮されていない作動流体を圧縮するための手段は、 前記ボア内部に設けられ、前記磁化された作動流体を圧縮する圧縮器手段と、 前記ボアに連結され、前記超伝導ソレノイドから前記圧縮された作動法体を導出 させる導管手段とを具備する請求項３６に記載の装置。
39. ３９．更に、前記ソレノイド内部に設けられた前記圧縮器手段を、前記凝縮室に 流入する前記作動流体により発生した機械的仕事により駆動する手段を具備する 請求項３８に記載の装置。
40. ４０．前記超伝導ソレノイドが、凝縮した作動流体の温度よりも高い臨界温度を 有し電流を運ぶ超伝導体より成り、前記装置は、更に、前記凝縮室から導出され 前記凝縮した作動流体を、前記超伝導体を前記臨界温度よりも低い温度に維持す るために利用する手段を具備する請求項３６に記載の装置。
41. ４１．更に、前記超伝導ソレノイドの一部の周囲に設けられ前記磁界を制限する 手段を具備する請求項３６に記載の装置。
42. ４２．更に、前記凝縮膨張器と、凝縮室と、超伝導ソレノイドとを周囲温度の自 然環境から断熱する手段を具備する請求項３６に記載の装置。
43. ４３．前記ボア内部の磁界が２０Ｔより大きく、前記装置は、更に、前記ソレノ イドの一部の周囲に設けられ、前記ソレノイドの外部を支持する支持構造を具備 する請求項３６に記載の装置。
44. ４４．前記ボアの内部に設けられた圧縮器手段が、低い磁化率を有する材料によ り構成されている請求項３８に記載の装置。
45. ４５．前記常磁性の作動流体は酸素である請求項３５に記載の装置。
46. ４６．前記常磁性の作動流体が周囲温度において気化され、前記装置が、更に、 前記凝縮された作動流体を極低温で、前記初期圧力よりも充分高い圧力に圧縮す る手段と、 前記周囲環境と熱的に接触を維持して、前記極低温作動流体を加熱する熱交換器 手段と、 圧縮された極低温作動流体を前記熱交換器手段に導入し、自然熱エネルギを周囲 環境から吸収することにより、前記作動流体を加熱して圧縮された気体に気化さ せる手段と、加熱された極低温作動流体を機械的仕事に変化する膨張手段と、前 記加熱された極低温作動流体を前記膨張手段に導入し、自然環境から吸収した前 記自然熱エネルギの一部を機械的仕事に変換する手段とを具備する請求項３５に 記載の装置。
47. ４７．更に、閉じたサイクルにおいて、前記膨張した作動流体を前記凝縮室に回 収する手段を具備する請求項４６に記載の装置。
48. ４８．サイクリック熱機関の凝縮室内部の低圧を維持する装置において、 常磁性の作動液体と、 磁界を形成する手段と、 前記作動流体を前記凝縮室から前記磁界手段により磁気的に除去する手段とを具 備する装置。
49. ４９．前記上磁性の作動流体が酸素である請求項４８に記載の装置。
50. ５０．前記磁界が超伝導磁石により形成される請求項４９に記載の装置。
51. ５１．前記超伝導磁石が、前記凝縮室に連通する中心ボアを有するソレノイドで あり、 前記凝縮室内で凝縮していない作動流体が、磁気吸引力により前記ボア内に吸引 され、磁界により磁化され、前記装置が、更に、前記作動流体から磁化熱を吸熱 してエントロピを低下させる手段を具備する請求項５０に記載の装置。
52. ５２．前記磁化熱を吸熱する手段が、前記ボア内を移動する気流に設けられたタ ービを具備しており、前記磁気吸引力が機械的仕事に変換することにより前記気 体の運動エネルギが発生する請求項５１に記載の装置。
53. ５３．更に、前記ボア内において凝縮していない作動液体の圧力を増加させるた めに、前記ボア内に設けられた圧縮器手段と、前記気体作動流体の一部が前記凝 縮室内において凝縮するように、前記気体の作動流体を充分に高い膨張比を以て 前記凝縮室内に膨張させる膨張手段と、 前記ボアと前記膨張手段とに連通する導管手段とを具備し、前記圧縮器手段によ り前記ボアから排出された凝縮していない気体の作動流体が、前記膨張手段に導 入される請求項５１に記載の装置。
54. ５４．前記超伝導磁石が、凝縮した作動流体の温度よりも高い臨界温度を有する 超伝導体により構成され、更に、前記超伝導体と熱的な接触を維持された熱交換 器手段と、前記凝縮して作動流体を前記熱交換器手段を通して循環させ、前記超 伝導体を前記臨界温度よりも低い温度に維持するための導管手段とを具備する請 求項５０に記載の装置。
55. ５５．前記ボアは２０Ｔよりも高い磁界を有する請求項５１に記載の装置。
56. ５６．更に、前記超伝導磁石の一部の周囲に設けられ前記磁界を制限する手段を 具備する請求項５０に記載の装置。
57. ５７．更に、蓄熱器と、 前記蓄熱器と熱的な接触を維持された熱交換器手段と、前記凝縮室から凝縮され た作動流体を導出する手段と、凝縮した作動流体を前記凝縮室内の圧力よりも充 分に高い初期圧力に圧縮する手段と、 圧縮された作動流体を前記熱交換器手段に導入し、前記蓄熱器から熱エネルギを 吸収することにより、前記作動流体を加熱して圧縮された気体に気化させる手段 と、 前記加熱された作動流体の熱エネルギを機械的仕事に変換する膨張手段と、 前記加熱された作動流体を前記膨張手段に導入し、前記吸収された熱エネルギを 機械的仕事に変換するための手段と、前記膨張され前記仕事を発生させる膨張手 段から排気された気体の作動流体を前記凝縮室に回収する手段とを具備する請求 項４８に記載の装置。
58. ５８．前記蓄熱器は周囲温度の自然環境である請求項５７に記載の装置。
59. ５９．更に、前記凝縮室を周囲環境から断熱する手段を具備する請求項５８に記 載の装置。
60. ６０．常磁性の作動流体と、 磁界により前記作動流体のエントロピを低下させる手段とを具備する凝縮装置。