(57)【要約】      （修正有）【課題】機械仕事を生み出すための方法を提供する。【解決手段】本発明は、電力工学の分野に関するものであり、且つ、作動媒体の運動エネルギー及び熱的エネルギーを機械仕事に変換するために適用することが可能である。方法は、事前圧縮された作動媒体を旋回させることと、シャフト（３）の回転の形態の機械仕事を生み出すために作動デバイスの中で作動媒体が膨張することと、作動デバイスから作動媒体を排出することとを含む。作動媒体は、円錐螺旋の形態の空間的な軌跡に沿って、作動デバイスの中を旋回させられ、回転の軸線に対して所定の角度で位置付けされている平面の上のその投影は、少なくとも二つの切断点を有する曲線である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械仕事を生み出すための方法であって、前記方法は、事前圧縮された作動媒体を旋回させることと、シャフトの回転の形態の機械仕事を生み出すために作動デバイスの中で前記作動媒体が膨張することと、前記デバイスから前記作動媒体を排出することとを含む、方法であって、前記作動媒体は、円錐螺旋の形態の空間的な軌跡に沿って、前記作動デバイスの中を旋回させられ、回転の軸線に対して所定の角度で位置付けされている平面の上のその投影は、少なくとも二つの切断点を有する曲線であることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記曲線のセグメントは、双曲らせんとして形状付けされている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
回転の前記軸線を通過する前頭面の中の前記円錐螺旋のリードが、可変にさせられる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記作動デバイスから前記作動媒体を排出することが、少なくとも二つのジェットによって達成される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記作動媒体が、閉じたシェルへ排出される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記シェルが、ブレードタービンの形態で作製され、且つ、回転する能力を備えて装着されている、請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電プラントエンジニアリング（電力工学）の分野に関するものであり、作動媒体の運動エネルギー及び熱エネルギーを機械仕事へ変換するために適用することが可能である。
【背景技術】
【０００２】
作動エレメントの回転運動を伴うエンジンの中で、作動媒体の運動エネルギーを機械的なエネルギーへ変換するための既知の方法が存在する。例えば、米国特許第３，２８２，５６０号（１９６６年１月１１日）、ＣＨ６６９４２８（１９８９年３月１５日）、及びＲＵ２２００８４８（２００３年３月２０日）は、ガスタービンの中で機械的なエネルギーを生み出すための方法をカバーしており、そこでは、圧縮されたガスエネルギーが、ブレードシステムの中で、シャフトの機械仕事へ変換される。同時に、作動媒体は、タービンローターのチャネルの中へ給送され、且つ、チャネルからの流出において加速され、ローターの回転が提供される。
【０００３】
作動媒体の内部エネルギーを熱エネルギーへ変換する効率が低いこと、及び、圧縮された作動媒体の熱エネルギーを機械的なエネルギーへ変換する効率が低いことは、既知の方法の共通の欠点である。圧縮された作動媒体の熱エネルギーを機械的なエネルギーへ変換する効率が低いことは、とりわけ、（熱機関の動作の既知の原理の枠組みの中で）熱力学第２の法則にしたがって、熱機関の効率因子が、その設計、及び、作動媒体のタイプに依存せず、むしろ、それは、熱機関の内側の、及び、その流出における、作動媒体の温度差によって決定されるという事実によって説明されている。
【０００４】
作動媒体の熱エネルギーを最大限利用する、実行可能且つ効果的な技法のうちの一つは、発電タービンの中で使用された後にそれを再生することである。しかし、従来の設計のガスタービンエンジンでは、熱エネルギーの再生は、熱交換器の中で起こり、結果として、有意な効果を生じさせない。
【０００５】
作動媒体の内部熱を、その運動エネルギーへ、及び、さらに機械的なエネルギーへ追加的に変換することを基礎とする、熱エネルギーを機械仕事に変換するための既知の方法が存在する。この場合において、補足運動エネルギーは、既知の熱力学サイクルの間に熱レシーバーへ除去される熱の一部分から発生させられる。
【０００６】
他の既知の方法では、作動媒体の補足運動エネルギーは、その微小体積の方向性のある空間的な配向の手段によって取り出される（特許ＲＵ２１３４３５４、１９９９年８月１０日）。特許ＲＵ２００６５８９（１９９４年１月３０日）及びＲＵ２０３１２３０（１９９５年３月２０日）によってカバーされる方法によれば、作動媒体の熱力学状態は、作動媒体がタービンの中へ導入される前に変化させられ、回転運動が、タービンローターシャフトに対して異なる角度で作動媒体に与えられる。この場合において、作動媒体に関して生成されるフロー条件（とりわけ、作動媒体の微小体積の周速度の特定分布が、ローターシャフトまでの距離に応じて提供される）は、その熱の一部分が、作動媒体自身の回転運動に対する増分を自発的に発生させることとなるようになっている。
【０００７】
特許ＲＵ２０８４６４５（１９９７年７月２０日）によってカバーされる、作動媒体の熱エネルギー及び運動エネルギーを機械仕事へ変換するための既知の方法は、求心タービンのブレードに到達する前に、事前圧縮された作動媒体が、ガイドアッセンブリの中をらせん状に旋回し、次いで、加速度チャンバーへ方向付けされ、膨張及び冷却され、動圧がタービンブレードに作用した後で、作動媒体が、圧縮されるという事実を基礎とする。この場合において、ガイドアッセンブリの中の作動媒体フローに対するスワールの最適な角度を選択することによって、より高い変換の効率因子が実現され、回転の軸線に接近する作動媒体の単位質量の速度の増加を確実にするようになっている。本発明者によれば、これは、作動媒体の体積を拡大することなく部分的な熱を回転運動へ移行するための、及び、したがって、より高い変換の効率因子のための、本質的な条件である。
【０００８】
説明されている方法における効率因子ゲイン（ｇａｉｎ）は、ガイドアッセンブリ及びタービンのブレード形状を適合させる必要の故に、重要でないことが分かり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が目的とする技術的な結果は、その比較的に容易な実施によって、機械的なエネルギーを生み出すための経済的な方法の開発にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
機械仕事を生み出すための方法であって、その方法は、事前圧縮された作動媒体を旋回させることと、作動デバイスのシャフトの回転の形態の機械仕事を生み出すために作動デバイスの中で作動媒体が膨張することと、前記デバイスから作動媒体を排出することとを含む、方法において、作動媒体は、円錐螺旋の形態の空間的な軌跡に沿って、直接的に、作動デバイスの中を旋回させられ、回転の軸線に対して所定の角度で位置付けされている平面の上のその投影は、少なくとも二つの切断点を有する曲線であるという事実によって、定義されている技術的な結果が実現される。曲線のセグメントは、双曲らせんとして形状付けされ得る。回転の軸線を通過する前頭面（ｆｒｏｎｔａｌ  ｐｌａｎｅ）の中の円錐螺旋のリード（ｌｅａｄ）が、可変にさせられ得る。作動媒体は、液体又はガスであることが可能である。作動デバイスから作動媒体を排出することが、少なくとも二つのジェットによって達成され得る。特定の場合には、作動媒体が、閉じたシェルへ排出される。特定の場合には、シェルが、ブレードタービンの形態で作製され、且つ、回転する能力を備えて装着されている。
【００１１】
正準相関分析の幾何形状にしたがって、任意の二次の３Ｄ曲線としての作動媒体の空間軌跡を、回転軸線に対する角度で、その平面投影によって、一意的に表すことが可能であり、平面の上の曲線のすべての点が、空間曲線の点に対応している。このため、公表されている軌跡の実行のアルゴリズムを作製するために、回転軸線に対する角度でのその投影として、とりわけ、図１に示されているその直交投影（回転の軸線に対して直角である）として、空間曲線を表すことが都合がよい。
【００１２】
少なくとも二つの切断点を有する円錐形状の螺旋は、三つの部分から構成される区分的に滑らかな曲線を表しており、三つの部分は、以下の正準パラメーターの等式を用いてそれぞれ記載される。
【００１３】
第１の部分：円錐形状の螺旋のセグメント（０＜ｔ＜ｔ１）
【数１】
2018048640.tif 000003
【００１４】
x=at cos t、y=at sin t、z=bt、
ここで、
【数２】
2018048640.tif 000004
【００１５】
、
【数３】
2018048640.tif 000005
【００１６】
、
【数４】
2018048640.tif 000006
【００１７】
は、基底ベクトルであり、
ｘ、ｙ、ｚ、ｔは、変数（ｔｅｍｐｏｒａｒｉｅｓ）であり、
ａ、ｂは、最大効率のために選択される定数である。
【００１８】
ｔ１、ｔ２は、円錐形状のらせん切断点である。
【００１９】
第２の部分：変曲点同士の間の直線のセグメント（ｔ１≦ｔ≦ｔ２）
【数５】
2018048640.tif 000007
【００２０】
第３の部分：（１）と同じ等式による円錐形状のらせんのセグメント（ｔ＞ｔ２）
上記に述べられている曲線の任意のセグメントは、双曲らせんの形状で作製することが可能である。作動媒体が、双曲らせんに沿って移動するとき、かなりのエネルギーポテンシャルを有する追加的な「ボルテックス供給源」が生成される。結果として、軌跡の最後尾（ｔａｉｌ  ｅｎｄｓ）をこのようにすることが適当であり、旋回翼の作動媒体ジェットの結果（ｏｕｔｃｏｍｅ）が起こる。
【００２１】
この場合に、曲線のセグメントは、以下の等式を用いて記載される。
【数６】
2018048640.tif 000008
【００２２】
ここで、α、βは、最大効率のために選択される定数である。
【００２３】
提案されている方法の顕著な特徴は、作動媒体移動の軌跡が切断点を有しているという事実である。円錐形状のらせんの上の切断点は、（本出願人が合理的に確認しているように）作動環境が表すシステムの量子力学的な状態における不連続的な変化に関与している。この変化は、上記に述べられているプロセスを開始させ、プロセスは、ボルテックスの中の追加的な熱放出を与え、且つ、提案されている技術的な結果をもたらす。
【００２４】
提案されている方法の本質は、既知の熱力学サイクルの実施の間に熱レシーバーに除去された熱の一部分から、回転運動を発生させることによって、回転運動の増分速度（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）が提供されるという事実である。
【００２５】
方法は、ガスボルテックスの中の熱放出が、大規模な方位角運動を誘発し、全循環流量を増加させることが可能であるという記述（科学的に及び実験的に証明されている）に基づいている（Ｙｕｓｕｐａｌｉｙｅｖ  Ｕ．らによる「Ｈｅａｔ  Ｒｅｌｅａｓｅ  ａｓ  ａ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｏｆ  Ｓｅｌｆ−Ｓｕｓｔａｉｎｉｎｇ  ｏｆ  Ｇａｓ  Ｖｏｒｔｅｘ  Ｆｌｏｗ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、２０００、第１号、第５〜１０頁）［１］。この研究は、潜熱エネルギーをボルテックスフローの運動エネルギーに変換するメカニズムを分析し、フローの回転速度、及び、熱源の作動領域のサイズ（幾何形状）との換算係数の関係を論証している。
【００２６】
熱エネルギーを方位角運動の運動エネルギーへ変換する効率は、下式として表現される。
【数７】
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【００２７】
ここで、ΔΚ−運動エネルギー増分
ΔＱ−熱エネルギー増分
Ｑ−熱エネルギー
ｒ１、ｒ２−熱源境界（すなわち、Ｔ０ρ０ｃｐｆ（ｒ）体積密度の熱源が、ｒ１＜ｒ＜ｒ２によって制限された領域の中で作用している）
Ｔ０−熱レシーバーの温度
ｃｐ−作動媒体の熱容量
また、ボルテックスコアの回転速度の空間的なスペクトルが、関数ｆ（ｒ）によって決定され、関数ｆ（ｒ）の中で、ｒは、熱撹乱領域の極座標であるということが示されている。
【００２８】
提案されているモデルは、ボルテックス（トルネード）の中に起こるプロセスの良い説明を与え、ここで、分子の再結合及び集合の結果として、熱が放出される。
【００２９】
一方では、Ａｋｈｉｙｅｚｅｒ  Ａ．Ｉ．及びＢｅｒｅｓｔｅｔｓｋｙ  Ｖ．Ｖ．「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ」、Ｍｏｓｃｏｗ、Ｎａｕｋａ、１９６９［２］による研究は、ディラックの物質（Ｄｉｒａｃ’ｓ  ｍａｔｔｅｒ）の陽電子状態との量子力学的な共鳴の生成のプロセスの中で起こる電子−陽電子、又は、他の素粒子の対の生産及び破壊の結果として、補足エネルギーが熱の形態で放出され得るということを論証している。作動媒体を含有するシステムを、述べられている量子力学的な共鳴へ移すことを目的するトリガー作用として、作動媒体の単位体積当たりに必要なエネルギー密度が生成され、及び、モーメントの必要な密度、又は、そのモーメントが生成される。これは、述べられているシステムの量子力学的な状態におけるステップ変化の提供によって、作動媒体の微小体積の運動の方向性のある空間的な配向によって実現される。この概念の量子力学的な意味において、規定された軌跡に沿った、そのような作動媒体の強制的な運動は、軌跡切断点の近くの作動媒体の微小体積の中に、相変化を提供する。
【００３０】
したがって、ボルテックスの中の熱放出は、作動媒体の微小体積の回転運動へ転換され、その転換点において、追加的な熱放出につながる。アバランシェ（ａｖａｌａｎｃｈｅ）プロセスが発達し、それは、追加的なトルクをシャフトに与えることを結果として生じさせ、したがって、機械仕事を生み出す効率を上昇させる。
【００３１】
追加的なトルクが、同様に、シャフトの回転の軸線に対して垂直である平面において、外周部に対して接線方向の少なくとも二つのジェットの作動デバイスからの作動媒体流出によって、シャフトに与えられる。ジェットの動圧は、作動媒体の内部エネルギーが、最大限に使用されることを可能にする。
【００３２】
作動デバイスは、環状スペースの形成を伴って回転可能に装着されたシェルの中に囲まれており、環状スペースは、そのさらなる再生の目的のために最大の体積で作動媒体を維持し、機械仕事を生み出す閉じた作動サイクルを配置させる。同じシャフトの上に装着されているシェル及び作動メカニズムが、強固に連結されている場合には、角運動量保存の法則にしたがって、使用される作動媒体の減速によって生み出されるシェルの内側表面の上の逆（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ）モーメントによって、ローターの上に生成される正味トルクが補償されるという事実によって、エネルギー損失が引き起こされ得る。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】任意の二次の３Ｄ曲線としての作動媒体の空間軌跡。
【図２】装置の機能的なダイアグラム。
【図３】シャフトの回転の軸線に沿って断面で示されている作動デバイス設計の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
機械仕事を生み出すための方法は、所定の装置の中で実施することが可能であり、所定の装置の最良の実施形態が、この節で説明されている。図２は、装置の機能的なダイアグラムを表している。図３は、シャフトの回転の軸線に沿って断面で示されている作動デバイス設計の概略図を表している。
【００３５】
装置の基本的なエレメントは、ガイドアッセンブリ（「旋回翼」）２を含有する作動デバイス１であり、ガイドアッセンブリ（「旋回翼」）２は、作動媒体のための空間軌跡を形成している。旋回翼は、その本体部の中にいくつかのチャネル（この特定のデバイスでは二つ）を備えるリニアブッシングであり、それぞれは、二つの切断点を有する円錐形状のらせんを表している。
【００３６】
上記に述べられてきたように、チャネルのそれぞれの形態は、所定の定数の値、旋回翼寸法仕様、及び、最高の効率要素に到達する必要性を前提として、式（１）、（２）、及び（３）によって説明されている。
【００３７】
同じ理由から、円錐螺旋のステップを変数として選択することが可能である。
【００３８】
上記に述べられている作動公式に基づいて、本出願人は、プログラムを生成し、そのプログラムの下で、数値制御を備えるデバイスが、ワークピースの上に機械仕事を生み出し、必要とされる形態のチャネルをその本体部の中に作製する。
【００３９】
旋回翼２は、シャフト３の上に強固に固定されており、シャフト３は、装置の軸線であり、且つ、回転可能に装着されたシェル４の中に囲まれている。特定の場合では、作動デバイスのシェルは、ブレードタービンの形態で作製されている。
【００４０】
旋回翼とシェルとの間にクリアランスが存在しており、作動媒体が、そのチャネルから流出することを可能にしている。作動デバイスは、作動媒体のための入口パイプ分岐５と、作動デバイスから作動媒体を排出するための出口ノズル６とを装備している。
【００４１】
作動デバイスのシャフトに機械的に連結されているのは、機械的なエネルギーシンク（ｓｉｎｋ）シャフト７（例えば、電気機械のローターシャフト）、及び圧縮機シャフト８である。圧縮機出口部は、作動デバイスの入口パイプ分岐の上で閉じており、一方、その入口部は、機械的なエネルギーを生み出す閉じたサイクルを提供するために、出口パイプ分岐の上で閉じている。
【００４２】
ワークピース本体部の中のチャネル９の実施のプロセスを簡単化するために、ワークピース本体部は、二つのパーツから構成することが可能である。
【００４３】
機械仕事を生み出すための方法は、以下のように実施される。
【００４４】
圧縮機８の中で事前圧縮された作動媒体（水、粘性流体、ガス）は、作動デバイスの入口パイプ分岐５を介して、旋回翼２に供給され、旋回翼２において、それは、その本体部の中のチャネル９の形状によって決定された軌跡に沿って、旋回させられる。作動媒体は、シャフトの回転の軸線に対して垂直な平面に存在する円に対して接線方向に、チャネルのそれぞれを通って流出し、作動デバイスにトルクを与える反力を発生させる。
【００４５】
切断を伴う円錐形状のらせんを表す計算された経路の上の作動モーメントの移動に起因して放出された熱が、追加的なトルクを作動デバイスに与える。
【００４６】
流れが、シェルの中に囲まれているキャビティーに高速で進入し、且つ、摩擦を通して、シェルと相互作用する。シェルを回転可能にすることによって、又は、シェルをブレードタービンの形態にすることによって、より低い摩擦損失が実現される。
【００４７】
作動デバイスシャフトの回転は、電気モーターなどの機械的なユーザーシンクのシャフトの回転を引き起こす。
【００４８】
使用された作動媒体は、リサイクルのために、出口ノズル６から圧縮機の入口部へ戻る。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
方法は、熱機関の効率が重要な役割を果たす、電力工学、輸送、及び、他の産業において、機械的なエネルギーを生み出すように、産業的に適用することが可能である。
【図１】
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【図２】
2018048640.tif 000011
【図３】
2018048640.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成29年11月22日(2017.11.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械仕事を生み出すための方法であって、前記方法は、事前圧縮された作動媒体を旋回させることと、シャフトの回転の形態の機械仕事を生み出すために作動デバイスの中で前記作動媒体が膨張することと、前記デバイスから前記作動媒体を排出することとを含む、方法であって、前記作動媒体は、円錐螺旋の形態の空間的な軌跡に沿って、前記作動デバイスの中を旋回させられ、回転の軸線に対して所定の角度で位置付けされている平面の上のその投影は、少なくとも二つの切断点を有する曲線であり、
前記円錐螺旋の形態の前記空間的な軌跡のうち、前記二つの切断点の間を除く部分の曲線に沿った軌跡ｆ１（ｔ）は、以下の数式１を満たし、かつ、前記二つの切断点間の軌跡ｆ２（ｔ）は、以下の数式２を満たすことを特徴とする方法。
【数１】
2018048640.tif 000013
【数２】
2018048640.tif 000014
【請求項２】
前記曲線のセグメントは、双曲らせんとして形状付けされている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
回転の前記軸線を通過する前頭面の中の前記円錐螺旋のリードが、可変にさせられる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記作動デバイスから前記作動媒体を排出することが、少なくとも二つのジェットによって達成される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記作動媒体が、閉じたシェルへ排出される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記シェルが、ブレードタービンの形態で作製され、且つ、回転する能力を備えて装着されている、請求項５に記載の方法。
【外国語明細書】
2018048640000001.pdf