WO1990000084A1 - Material generation method and apparatus utilizing non-gravitational effect - Google Patents

Description

明 細

力効果を利用 した物質生成方法 と 装置 技術分野

本発明は、 無重力効果を利用 した物質生成方法 と 装置と に 闋 し、 特に、 人工衛星ゃ大深度縦穴を利用 した微小重力環境 を用 い る こ と に代えて、 地上で重力効果を消去 して得 られる 無重力環境を利用 して比重の異な る複数の元素か ら成る 均一 組織の合金等の物質を生成す る方法 と 装置に関 し、 合金生成 以外に も無重力を利用す る種々 の産業用途に適用する こ と が でき る。 背景技術

無重力環境を実現す る に は、 人工衛星や航空機に よ っ て無 重力圏を作 る か、 廃坑等を利用 し た深い縦穴で対象物、 例え ば、 合金生成用 の各種元素物質を落下 さ せ る 以外 に は無い と さ れ、 多額の開発費用が投ぜ られてい る 。 しか し なが ら、 こ のよ う な多額の開発費用 は、 そ のま ま 生成製品等の製造 コ ス ト に反映 し、 コ ス ト 高を招 く 等の問題が有 り 、 よ り 経済的に 無重力環境を実現す る方法 と装置の提供が要望 さ れてい る。 発明の開示

依 っ て、 本発明の目的 は、 上述 した要望を充足 し得 る方法 と 装置と を提供せんと する も のであ る。

本発明の他の 目的 は、 重力の影響を相殺す る と 共に、 それ に伴 っ て新た に発生す る別種の力 の影響を評価 して、 適正な 範囲の無重力環境を提供する こ と にあ る。

本発明 によれば、 対象物質を収納 した容器を、 少な く と も 該物質に加える変化が進行する間、 水平軸の回 り に回転する も の と し、 その角速度の絶封値 i ω i が、 サ イ ク ル毎に前記 物質に発生する残留遠心力の中心か ら' r m m の距離の部分に おいて、 前記対象物質に働 く 残留遠心力 と地上重力 （重力の 加速度 g ) と の比の上限を X とする と き、

I ω I ≤ Λ x g / r r a d i a n / s e c

によ っ て限定さ れる 回耘を与え る こ と を特徴と した無重力効 果を利用 した物質の生成方法が提供さ れる。

上述 した方法の実施に当た り 、 本発明の 1 つの了 ス ぺ ク ト によれば、 地上に固定さ れた軸受ハ ウ ジ ング上で水平に支え られた回転軸に、 収納 した対象物質の中心を回転軸中心線が 通る よ う に容器を取付け、 該回転軸に一方向回転を与え る も のと し、 上記の方法に定義 した角 速度を与え る機構を備えた 無重力効果を利用 した物質の生成装置が提供さ れる。

更に、 本発明の他の了 ス ぺ ク ト によれば、 互いに並行な二 水平軸の回 り に互いに反対の方向に回転する二回転体に設け たス テ ー シ ョ ン に、 対象物容器を着脱可能に搭載 し、 雨回転 体の周速度の一致する箇所 （ ピ ッ チ点） に該対象物の中心が 来た と き、 対象物容器の受渡 しを行 う 機構を備え、 該対象物 の中心を残留遠心力の中心と見な して、 上記方法に定義 した' 回転角速度を与え る構造を有 した無重力効果を利用 した物質 の生成装置が提供される。

こ こ で一例と して、 上記物質が合金であ る場合を考察する と 、 成分元素の粉末を混合 して電気誘導炉で加熱する と、 元 素は溶け る が、 粘度が高いので重い成分で も沈降す る の に時 間を要す る。 従 っ て短い時間内 に対象物を永平軸の回 り に旋 回すれば、 比重差によ る 不均一沈降は ほ と ん ど生 じ な い。 こ れを利用 して、 水平軸の回 り に旋回する 回転体に、 合金材料 を対象物 と して充塡 した容器を固定 し'、 実用上許 さ れる 限 り の高速で回転する。 そ の際、 該対象物 に発生す る遠心力 に対 しては、 遠心力が反対方向に作用す る別の回転体に移 して、 遠心力が互い に打ち消 し合 う よ う にす る 。 上記のよ う に水平 軸の回 り に対象物を旋回 さ せ る と 、 該対象物は垂直面内で重 力の方向に対 し 3 6 0 ° と あ ら ゆ る方向の姿勢を と る か ら、 時 遅れを問題に しな けれれば、 重力の効果は消去 さ れ、 合金 材料か ら均一な合金製品を得 る こ と ができ る のであ る。

なお、 回転に よ っ て回転中心か ら半径 r の点に あ る質量 m の粒子に働 く 遠心力 は、 角速度を ω と すれば、 m r ² であ る。 従 っ て、 上記対象物を、 回転中心が反射側に あ る他の回 転体に移 して、 遠心力が互い に打ち消 し合 う よ う にすれば、 遠心力 の影響を除去 も し く は軽減す る こ と ができ る と 考え ら れる。 こ の と き 、 回転中心 0 , ， 0 ₂ を結ぶ中心線 〇 ！ 〇 2 を二等分する点 F は ピ ッ チ点で、 両回転体間の相対運動の瞬 間中心であ り 、 対象物の中心が点 Ρ に来た瞬間に対象物の移 転を行 う よ う にす る と 、 移転が円滑に行われ、 封象物の中心 では遠心力 は完全に相殺さ れて 0 と な り 、 そ の近傍に点では' 該中心の回 り の 自 転によ る遠心力効果が残る が、 そ の値が実 用上、 差支えな い程度に小 さ い範囲 （炉の場合、 炉心付近の 細長部） を利用すればよ い。 なお、 一回 の無重力効果処理で 得 ら れる 良質の製品材料の量は少量で も、 多数回分の材料を 真空加熱等の処理を して煉 り 合わせれば、 大塊に して利用す る こ と も で き る 。 図面の簡単な説明

本発明の上記及ぴ他の目的、 特徽、 利点は、 添付図面に示 す実施例に基づ く 記載か ら 明 らかにな るが、 同添付図面にお いて、

第 1 図は本発明の実施例によ る無重力効果を利用 した物質 の生成装置の正面図、

第 2 図は第 1 図に Π — Π 線で示す方向か ら見た側面図、 第 3 図は、 本発明の他の実施例 によ る無重力効果を利用 し た物質の生成装置の略示正面図、

第 4 図は、 同装置の IV— IV線によ る断面図、

第 5 図は、 第 3 図、 第 4 図に示 した装置を細長い材料の生 成用 に改変 した装置の略示正面図、

第 6 図は、 第 5 図の ¹ VI— VI線に沿 う 断面図。 発明を実施する ための最良の態様

先ず、 本発明の第 1 の実施例を示す第 1 、 第 2 図を参照す る と、 同実施例は、 夫々 1 ス テ ー シ ョ ンを持ち、 反対方向に 等速回転する上下二回耘体 1 、 2 間に対象物 3 を授受する場 合の実施例であ り 、 上記回転体 1 の主要部は、 回転中心 0 , ' を有 した回転体 1 0 、 同回転軸 1 0 に取付け られた回転円盤 1 1 、 対象物の右側主支持部 1 2 、 ク ラ ンプ爪 1 3 a を有 して 例えば流体作動力 によ り 作動する平形主ク ラ ン プ装置 1 3 、 対象物右側補助支持部 1 4 、 テ ー パ ビ ン 1 5 a を備えて流体 を有 して例えば流体作動'力 に作動力 によ り 作動す る補助 ク ラ ン プ装置 1 5 、 駆動歯車 1 6 及びバ ラ ン ス ゥ ヱ イ ト 1 7 か ら 成 り 、 下回転体 2 の主要部は、 回転中心 〇 ₂ を有 した回転軸 2 0 、 同回転軸 2 0 に取付け ら れた回転円盤 2 1 、 対象物左 側主支持部 2 2 、 ク ラ ン プ爪 23 a よ り '作動す る平形主ク ラ ン プ装置 2 3 、 对象物左側補助支持部 2 4 、 テ ―パ ピ ン 2 5 a を用 いた補助 ク ラ ン プ装置 2 5 、 駆動歯車 2 6 及びバ ラ ン ス ウ ェ ー ト 2 7 か ら成 り 、 上記対象物 3 は 内部に合金材料を溶 融処理 して合金を生成す る合金溶融炉を持つ と 共に、 両円盤 上の各支持部に対応 して、 L 型張出部 3 1 、 3 2 と 平形張出 部 3 3 、 3 4 を持ち、 回転中心 0 , と 〇 ₂ と を結ぶ直線を二 等分する ピ ッ チ点 P の近傍で両回転体 1 、 2 間で受渡 し さ れ る合金生成装置であ り 、 同対象物 3 は空間 に 「 8 」 字形を描 く よ う に動作す る 。 両回転軸 1 0 、 2 0 の回転は、 例えば、 回転軸 2 0 の一端を適宜の減速装置 （図示な し） を介 して電 動機 3 5 に結合 してお けば良い c

こ こ で 、 回転体 1 か ら 回転体 2 への対象物 3 の受渡 しの手 順を述べ る と 、 回転体 1 に保持 さ れて 回転す る对象物 3 の中 心が ピ ッ チ点 P に到達す る直前に補助 ク ラ ン プ装置 1 5 を解 除 し、 ピ ッ チ P に到達 した瞬間に主 ク ラ ン プ装置 1 3 を解除 する と 同時に主 ク ラ ン プ装置 2 3 を作動 さ せ、 そ の直後に補 助 ク ラ ン プ装置 2 5 を作動 さ せる。 作動途中の補助 ク ラ ン プ' 装置 1 5 のテ ー パ ピ ン 1 5 a と 対応のテ ー パ穴 と の間の隙間 が受渡 し途中の位置ずれに よ る干渉を防 ぐ効果があ る。 バ ラ ンス ウ ェ イ ト 1 7 、 2 7 は いずれ も対象物 3 の概ね 1 / 2 の 質量を持ち、 移転にお いて、 常に不平衡質量を半減する効果 があ る。

上述の実施例において、 簡単な場合に就いて残留遠心力效 果を試算す る と 、 ピ ッ チ点か ら r p 離れた中心線上の点 Qに あ る質量 mの粒子に働 く 残留遠心力 は、 m r p ω ² にな る。

いま、 1 サ イ ク ルを 4 秒とする と、 ω = π ラ ジ ア ン /秒に な る。 r ρ = 1 m m とする と、 残留遠心力効果は、 重力 ( = m g ) の約 0 . 0 0 1 倍にな り 、 充分、 実用 に堪える も の と 言 う こ と がで き る 。 各回転体のス テ ー シ ョ ン及び対象物を複 数に して角速度を小さ く する こ と も可能であ るが、 各対象物 の 1 サ イ ク ルが長 く な り 、 制御 も複雑にな り 、 必ず し も有利 と は言えない。 但 し、 各回転体のス テ ー シ ョ ン及び対象物を 複数に して も、 当該対象物の寸法が小さ く 、 公転半径 0 i P

( = 0 ₂ P ) が増大せず、 従っ て角速度 が増大 しなけれれ ば、 1 サ イ ク ルに変化がないか ら、 同時に複数個の対象物の 作動が行われる だけ、 作業能率が向上する。 何れの場合も、 氷平軸線 0 , 又は 0 ₂ 回 り の旋回一回毎に対象物 3 は一回 自 転 し、 十 3 6 0 ° 回転と 一 3 6 0 ° 回転と が交互に繰 り 返さ れて 对象物の姿勢が元に戻る ので、 ス リ ツ プ リ ン グ等を用 いずに フ レキ シ ブルな導電線によ っ てタ 部か ら物質生成に必要な電 流を供給する こ どができ る o

なお、 既述のよ う に、 一回に得 られる良質の製品材料は僅 かで も、 多数回分を真空加熱 して燥 り 合わせれば、 大塊に し. て利用する こ と も可能 とな る。

上述 した本発明の実施例によれば、 比較的簡単で安価な装 置を用いて、 実用的許容の範囲内で重力の影響を消去する こ とができ 、 莫大な費用を要する人工衛星ゃ大深度縦穴な どに よ る無重力環境 と概ね同程度の無重力環境を得 る効果があ る 。 故に、 無重力を利用 した合金 と 略同等の合金な ど、 無重力環 境を利用 して合金材料等の製品物質を安価に生成する こ と が でき る。

第 3 図、 第 4 図に示す第 2 の実施例 'を参照する と 、 こ の実 施例の装置は、 基台 5 1 上に は軸受箱 5 2 が設け られ、 こ の 軸受箱 5 2 に保持さ れた回転軸受 5 3 に よ り 、 水平軸 5 4 が 回転自 在に保持 さ れてい る。 こ の氷平軸 5 4 の左端に は収納 箱 5 5 が取付け られ、 こ の収納箱 5 5 内 に対象物 5 0 を入れ た容器 5 8 が収納 さ れる 。 こ こ で、 収納箱 5 5 は、 図示 さ れ ていな いが、 加熱 · 冷却装置を内蔵 して容器 5 8 内の素材元 素等の材料物質か ら合金等の製品物質を生成す る箱形装置を 言 う も のであ り 、 例えば、 金属元素を溶融 して合金を生成す る溶融炉等であ る。

水平軸 5 4 の右端に は ウ ォ ー ム ギヤ 装置 5 6 の ウ ォ ー 厶 ホ ィ 一 ルが取付け られ、 ま た、 同 ウ ォ ー ムギヤ 装置 5 6 の ゥ ォ ー ム が電動機 5 7 に結合 さ れる こ と に よ り 、 電動機 5 7 か ら ウ ォ ー ムギヤ装置 5 6 を介 して永平軸 5 4 に 回転駆動力が供 給さ れ、 故に、 収納箱 5 5 を回転作動 さ せ得 る構成に な つ' て い る。 なお、 収納箱 5 5 は、 そ の中心を水平軸 5 4 の中心線 が通る よ う に水平軸 5 4 の軸端に取付け られてお り 、 水平軸 5 4 の回転に従 っ て同水平軸 5 4 の中心線の回 り に収納箱 5 ' 5 が回転す る構成に成 っ て い る。

上述 した第 3 図 と第 4 図の実施例で は、 対象物質を収納す る収納箱 5 5 が方形形状を有 した典型的な形状の例を示 して い るが、 例えば、 細長い材料製品を生成す る場合等に は、 第 5 図と第 6 図に示す改変例のよ う に、 2 つの基合 61a 、 61b の夫々 の回転軸受 6 2 a、 6 2 b によ り 2 つの水平回転軸 6 a . 6 4 b を回転可能に支持 し、 これ ら の両水平回転軸 6 a . 6 4 b の間に対象物容器を収納 し得る細長形状の収 納箱 6 5 を保持 して回転可能に した構^にすれば良い。

なお、 永平回転軸 6 4 a 、 6 4 b はその何れか一方、 例え ば、 水平回転軸 6 4 b を図示の如 く 、 ウ ォ ー ムギヤ装置 6 6 を介 して電動機 6 ？ に結合させた構成にすれば、 両氷平回転 軸 6 4 a 、 6 4 b 及び収納箱 6 5 に所望の回転を与え る こ と ができ る。 第 6 図は収納箱 6 5 の断面を示 し、 同収納箱 6 5 内に は容器 6 8 が保持さ れ、 該容器 6 8 内に は対象物 6 0 が 入 つ い

こ の場合に も、 収納箱 6 5 の中心が両氷平回転軸 6 4 a、 6 4 b の中心線に略一致する よ う に取 り 付け られてい る こ と は言 う まで も ない。

こ こで第 3 図、 第 4 図ま たは第 5 図、 第 6 図に示 した実施 例の装置において、 収納箱 5 5 ま た は 6 5 内に対象物容器を 収納 して回転さ せる場合に、 回転中心か ら半径 r の点に有る 対象物質の粒子 （質量 m ) に働 く 遠心力は、 角速度を ω とす れば、 m ω であ る。 こ の質量 mの粒子に働 く 重力は m g であ るか ら、 遠心力が重力の X 倍以下であ る ために は、

m r ω ² ≤ χ m g · * · ( 1 ) こ こ に g =重力加速度 （ mm/ s e c ² ) でな ければな ら ない。 従っ て、 回転を τι r. p s. とすれば、

n ≤ ( 1/2 π ) χ g/ r · · · ( 2 ) によ っ て回転速度の範囲が定ま る。 例えば、 r = 1 mm で、 x = 0. 001 とす る と 、 n ≤ 0. 5 r. p. s. と な る 。 か く して回 耘速度が定ま る。

上述 した本発明の実施例 に よ る無重力効果を利用 した物質 生成装置によれば、 比較的簡単な構造で安価な装置を用 いて、 多額の費用を要す る 人工衛星ゃ大深度铖穴等に よ る無重力環 境と概ね同程度の無重力効果が得 られ、 無重力の環境を利用 した物質の生成に適用でき る。

Claims

請求の範囲

1 . 対象物質を収納 した容器を、 少な く と も該物質に加え る変化が進行する間、 永平軸の回 り に回転する も のと し、 そ の角速度の絶封値 I ω I が、 サイ ク ル毎に前記物質に発生す る残留遠心力の中心か ら r mm の距雜の部分において、 前記 対象物質に働 く 残留遠心力 と地上重力 （重力の加速度 g ) と の比の上限を X とする と き、

I ω \ ≤ X g /^r r ( r ad l an/sec)

によ つ て限定さ れる 回転を与え る こ とを特徵と した無重力劲 果を利用 した物質の生成方法。

2 . 地上に固定さ れた軸受ハ ウ ジ ン グ上で水平に支え られ た回転軸に、 収納 した対象物質の中心を回転軸中心線が通る よ う に容器を取付け、 該回転軸に一方向回転を与え、 かつ、 こ の と き 、 回転の角速度 と して、

I ω \ ≤ " g / r { radian / sec)

(なお、 x はサ イ ク ル毎に前記物質に発生する残留遠心力 の中心か ら r mm の距離の部分において、 前記対象物質に働 く 残留遠心力 と地上重力 （重力の加速度 g ) と の比の上限を 表す。 ） の関係を満たす角速度を与え る機構を具備 した こ と を特徵と した無重力効果を利用 した物質の生成装置。

3 . 互いに並行な二永平軸の回 り に互いに反対の方向に回' 転する二回転体に設けたス テ ー シ ョ ン に、 对象物容器を着脱 可能に搭載 し、 両回転体の周速度の一致する箇所 （ ピ ッ チ点） に該封象物の中心が来た と き、 射象物容器の受渡 しを行 う 機 構を備え、 該対象物の中心を残留遠心力の中心 と見な して、 前記両回転体に、 回転の角速度 と して、

I a) I ≤ J~ X g / τ ( r ad i an/sec;

(なお、 x はサ イ ク ル毎に前記物質 に発生す る残留遠心力 の中心か ら r mm の距離の部分にお いて、 前記対象物質に働 く 残留遠心力 と地上重力 （重力の加速度 g ) と の比の上限を 表す。 ） の関係を満たす角速度を与え る構造を具備 した こ と を特徴と した無重力効果を利用 した物質の生成装置。