(57)【要約】本発明は、パルス状の超音速ガス流束を噴射するために、第１チャンバ（２）を含む装置（１００）に関し、該第１チャンバの内部には自由ピストン（４）のどちらの側にも被噴射ガスが加圧下で存在し、前記装置は、この自由ピストンの運動を開始させるため、前記第１チャンバに結合されると共に前記自由ピストン（４）の推進を引き起こすことができる手段（１２）を備えており、前記装置は更に、開口（８）を介して前記第１チャンバと連通できる超音速ノズル（６）を含み、また、前記開口（８）を閉めきると共に、前記自由ピストン（４）の打撃により作動されうるバルブ（１０）も含んでいる。
2006518038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状の超音速ガス流束を噴射するための装置（１，１００）において、該装置が第１チャンバ（２）を含み、その内部には自由ピストン（４）のどちらの側にも被噴射ガスが加圧下で存在し、前記装置（１，１００）は、この自由ピストンの運動を開始させるため、前記第１チャンバ（２）に結合されると共に前記自由ピストン（４）の推進を引き起こすことができる手段（１２）を備えており、前記装置（１，１００）は更に、ガスを噴射するため、前記第１チャンバ（２）に設けられた開口（８）を介してこの第１チャンバ（２）と連通できる超音速ノズル（６）を含み、また、前記開口（８）を閉めきると共に、前記自由ピストン（４）の打撃により作動されうるバルブ（１０）も含む、ことを特徴とする噴射装置（１，１００）。
【請求項２】
前記自由ピストンの運動を開始させるための前記手段（１２）は、前記自由ピストン（４）の両側にある前記被噴射ガスに圧力差を生じさせることができる、請求項１に記載の噴射装置（１００）。
【請求項３】
前記自由ピストンの運動を開始させるための前記手段（１２）は第２チャンバ（１４）を備えており、その内部には制御ピストン（１６）のどちらの側にも被噴射ガスが加圧下で存在する、請求項１又は２に記載の噴射装置（１００）。
【請求項４】
前記第２チャンバ（１４）は、前記第１チャンバ（２）の第１端部分（２ａ）を前記第２チャンバ（１４）の第２端部分（１４ｂ）に連通せしめる第１結合導管（１８）を介して、また、前記第２チャンバ（１４）の第１端部分（１４ａ）を前記第１チャンバ（２）の第２端部分（２ｂ）に連通せしめる第２結合導管２０を介して前記第１チャンバ（２）に結合されていて、前記第２チャンバ（１４）の前記第２端部分（１４ｂ）から前記第１端部分（１４ａ）への方向の前記制御ピストン（１６）の運動により前記自由ピストン（４）を前記第１チャンバ（２）の前記第２端部分（２ｂ）から前記第１端部分（２ａ）への方向に推進せしめ、また、逆の場合も同様に推進せしめるようになっている、請求項３に記載の噴射装置（１００）。
【請求項５】
前記第１及び第２チャンバ（２，１４）の前記第２端部分（２ｂ、１４ｂ）は、それぞれ前記装置（１００）の前記第１及び第２チャンバ（２，１４）の下端部に対応している、請求項４に記載の噴射装置（１００）。
【請求項６】
前記装置（１００）の前記第２チャンバ（１４）の前記第１端部分（１４ａ）は、被噴射ガスの供給源に結合されるよう企図されたガス入口（２２）を含んでいる、請求項４又は５に記載の噴射装置（１００）。
【請求項７】
前記制御ピストン（１６）は、離間した２つのコイル（２８，３０）を含むと共に、前記装置（１００）の前記第２チャンバ（１４）を囲むよう設けられた磁気アセンブリ（２６）により作動されることができる、請求項３〜６のいずれか１項に記載の噴射装置（１００）。
【請求項８】
前記第２チャンバ（１４）は、この第２チャンバ（１４）の前記第１及び第２端部分（１４ａ，１４ｂ）間の前記被噴射ガスの流れを可能とする調節可能のバイパス（２４）を備えている、請求項４〜７のいずれか１項に記載の噴射装置（１００）。
【請求項９】
前記自由ピストン（４）及び前記制御ピストン（１６）から選ばれた諸要素のうちの少なくとも１つは、それを画成する前記チャンバの両区画室の間に前記ガスのための狭い通路を形成するべく、その関連チャンバ（２，１４）内に収容されている、請求項４〜８のいずれか１項に記載の噴射装置（１００）。
【請求項１０】
前記第１チャンバ（２）は、その第２端部分（２ｂ）で、第１ポート（４２）及び第２ポート（４４）を備える閉止ブロック（４０）によって閉めきられており、前記第１ポート（４２）は、前記第１結合導管（１８）と協働すると共に、前記第１チャンバ（２）に隣接してこの第１チャンバ（２）の前記第１端部分（２ａ）と連通するチャンネル（３４）に開放しており、前記第２ポート（４４）は、前記第２結合導管（２０）と協働すると共に、前記装置（１００）の前記第１チャンバ（２）に直接に開放している、請求項４〜９のいずれか１項に記載の噴射装置（１００）。
【請求項１１】
前記装置（１００）の前記第１チャンバ（２）に設けられた前記開口（８）を閉める前記バルブ（１０）は、この開口（８）を通り抜けると共に、前記第１端部分（２ａ）に設けられた噴射囲い体（４６）中に突き出るヘッド（４８）を有しており、前記噴射囲い体（４６）は前記自由ピストン（４）により閉じることができる、請求項４〜１０のいずれか１項に記載の噴射装置（１００）。
【請求項１２】
前記自由ピストン（４）は、外側要素（６０）に加えて、該外側要素（６０）内で滑動する内側要素（６４）を含んでおり、前記内側要素（６４）は、前記バルブ（１０）を作動するためにその前記ヘッド（４８）を打撃するよう企図されており、前記外側要素（６０）は前記噴射囲い体（４６）を閉じるよう企図されている、請求項１１に記載の噴射装置（１００）。
【請求項１３】
前記バルブ（１０）は、前記装置（１００）の前記第１チャンバ（２）に設けられた前記開口（８）の周りに配置されたガスケットシール（５２）を潰すようにスプリング（５０）を介して張力が加えられている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の噴射装置（１００）。
【請求項１４】
前記スプリング（５０）は、前記第１チャンバ（２）と一緒に単一部材として製作されたハウジング（５４）内に配置されており、該ハウジング（５４）及び第１チャンバ（２）は、実質的に円筒形且つ同軸状であると共に、前記装置（１００）の前記第１チャンバ（２）に設けられた前記開口（８）により隔てられている、請求項１３に記載の噴射装置（１００）。
【請求項１５】
前記スプリング（５０）の前記ハウジング（５４）は、このハウジング（５４）の内部スペースを前記装置（１００）の前記超音速ノズル（６）と連通せしめるポート（５８）を有している、請求項１４に記載の噴射装置（１００）。
【請求項１６】
前記被噴射ガスは約３〜１０バールの圧力で前記装置（１００）に注入される、請求項１〜１５のうちのいずれか１項に記載の噴射装置（１，１００）。
【請求項１７】
前記自由ピストンの運動を開始させるための前記手段（１２）は、少なくとも１０Ｈｚの作動周波数で、約０.５ｍｓの期間にわたり０.５Ｐａ.ｍ３程の量の前記超音速ノズル（６）からのガスの噴出と、約２ｍｓの期間にわたる前記バルブの開放とを引き起こすことができる、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の噴射装置（１，１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には、パルス状ガス流束を噴射するための装置に関するものである。
【０００２】
特に、本発明は、熱核融合プラズマを研究するための設備内に物質を注入することを可能にする装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
熱核融合設備において、使用しうる燃料は、例えばジュウテリウム及び／又はトリチウムである。それは、数百万度まで加熱すると同時に、可能な限り長い期間にわたりその温度に閉じ込めたままにしておく必要がある。そうするために、今まで考えられてきた最も実行可能な解決策は、約３００万ケルヴィン絶対温度のイオン化ガスを含め、核融合プラズマが閉じ込め容器の壁から分離されるのを可能にする強力な磁界の使用に関係している。
【０００４】
そのようなことで、良質の閉じ込めは、設備を運転するためには重大な欠点に変わることが分かる。実際に、磁界が、高放射性粒子がプラズマにあることを防止すれば、それはまた燃料の交換も防止する。しかしながら、これらのリスクは、完全な閉じ込めは無いこと、乱流、又はプラズマの粒子間の均等な連続的衝突のような種々のファクターによりもたらされるある一定の拡散レベルの存在のため、プラズマの外側及びコア間の交換が効果的に起こる程度まで比較的に最小に留まっている。
【０００５】
従って、プラズマ中に含まれる物質の量の制御は、プラズマに存在する粒子の壁に向かってのポンピングと新燃料の噴射との間のバランスにより達成される。この点に関し、指摘しておくが、超真空チャンバに水素又はヘリウムのような軽いガスを供給する特別な問題は、非常に良好な封止及び非常に良好な制御を必要とすることである。
【０００６】
先行技術からは、熱核融合設備のプラズマ中に物質の噴射を行なうため、現在２つの明確な解決策が知られている。
【０００７】
第１の解決策は、室温で燃料をガスとして噴射することからなる。
【０００８】
このガス噴射は、一般的に、１つ以上の圧電バルブを使用して０.１〜３Ｐａ.ｍ３/ｓ程の流量で行われる。目安として、物質の量に使用される単位、また、核融合プラズマについて通常使用される単位は、２０℃の室温で測定される、１パスカルの圧力での立方メートル中に含まれる物質の量に対応していることに留意されたい。更に、目安として、この量は２.７・１０２０個の分子に匹敵しており、また、“トア・スープラ(Tore Supra)”設備の標準プラズマに含まれる粒子の量は約１〜２Ｐａ.ｍ３であり、１〜３個の圧電バルブを使用して１秒毎に入れ替えられる。
【０００９】
他方、使用されたバルブは、プラズマの制御された給送を行なうのに全く適当な５〜１０ｍｓの反応時間を有している。
【００１０】
しかしながら、このような場合、チャンバの壁とプラズマの表面との間にこれらのバルブを介して噴射されるガスは、続いて拡散によりプラズマのコアに向かい搬送されるように、数ｃｍだけその中に貫入すると直ぐにイオン化される。だから、この解決策を適用している間、噴射された物質は比較的に迅速にプラズマのコアから出て、この現象を極度に効果的ではなくすることが分かった。
【００１１】
そのようなことで、プラズマの中央領域に到達する粒子の数とチャンバ内に噴射された粒子の数との間の比により定義されるようなこの解決策の有効性は、１０〜２０％を越えないこともまた観察された。従って、使用された圧電バルブはプラズマの制御された給送の要求と両立しうることが実証されたが、この第１の解決策の有効性は設備に対し使用されるガス量の処理を最適化するには低いままである。
【００１２】
次に、第２の解決策が先行技術において提案された。これは、燃料を固体として極低温技術により噴射することにある。ジュウテリウム及び／又はトリチウムはアイスキューブを形成するために４°Ｋで固化され、続いて、ブローパイプ式の空圧インジェクタを使用して、或いは振り回し(sling）式の遠心インジェクタを使用して、毎秒百米程又は数百米の速度で設備に噴射される。
【００１３】
これらのインジェクタは、約１０ヘルツまでで作動し、形成されたアイスキューブの各々は、２〜５ｍｍ３の値に対応する０.２〜０.５Ｐａ.ｍ３程の物質の量を有している。
【００１４】
この形式の噴射の場合、過熱現象に基づく各アイスキューブの周りの非常に濃いガス雲の形成によりこれらアイスキューブがプラズマのコア中に行きわたっている高温から保護されているので、物質はこのプラズマ中に深く貫入する。実際に、アイスキューブがプラズマ中に貫入するときに、物質は、部分的に蒸発して保護雲を形成し、その温度は保護雲がプラズマのコアに近づくにつれて上昇する。次いで“小滴（globule)”が発生して、噴射された物質が主プラズマのそれと均質化されるまで、磁界の勾配内でドリフトする。
【００１５】
このような解決策を適用すると、有効性は１００％に近いことが実証された。更に、前述したように、磁界勾配中をドリフトする、形成されたプラズマ小滴は、プラズマのコアに向かうこの物質の貫入を更に増大させることが確認された。
【００１６】
しかしながら、この第２の噴射解決策の優れた有効性にもかかわらず、その適用の複雑さは、第１の解決策についてのコストよりも１０〜１００倍も大きくなるコストで直接に表わされている。
【００１７】
更に、現在の熱核融合設備において、過半数で使用されている燃料はジュウテリウム及び／又はトリチウムであることを明記しておく。ここで、ガスのより低コストの適用が比較的に低い有効性の解決策に残っていると考えられれば、それは、使用される燃料が将来の設備の主燃料と考えられるトリチウムのようにかなり高い価格であるような場合ではない。更に、トリチウムは、それが放射性であり、且つＨｅ３元素の存在のため凝固が難しいので、前述した第２の噴射解決策は、ついでに言えば、熱核融合施設においてそのような燃料を使用する観点から完全に十分ではない。
【発明の開示】
【００１８】
従って、本発明の目的は、ガスパルス間の良好な封止を保証しながら、非常に高圧で、激しい瞬間流束をもつガスの迅速な噴射を可能とする、簡単ではあるが、そのために非常に低廉な適用の装置を提案することである。
【００１９】
この装置は、熱核融合プラズマの研究用に考えられた設備への適用に特に向いている。更に、この装置は、エンジンの燃焼室や、物理化学反応器のような閉じたチャンバ内へのガスの噴射に一般的に適用しうることを明記しておく。
【００２０】
そうするために、本発明の対象は、熱核融合プラズマを研究するための設備内に燃料を送り込むよう、非限定的ではあるが特別に企図されたパルス状の超音速ガス流束を噴射するための装置である。本発明によると、噴射装置は、第１チャンバを含み、その内部には、自由ピストンのどちらの側にも被噴射ガスが加圧下で存在し、前記装置は、この自由ピストンの運動を開始させるため、前記第１チャンバに結合されると共に前記自由ピストンの推進を引き起こすことができる手段を備えている。この装置は更に、ガスを噴射するため、前記第１チャンバに設けられた開口を介してこの第１チャンバと連通できる超音速ノズルを含み、また、前記開口を閉めきると共に、前記自由ピストンの打撃により作動されうるバルブも含んでいる。
【００２１】
本発明による噴射装置が有利であるのは、簡単な設計のものであり、熱核融合プラズマを研究するための設備に特に適していることである。
【００２２】
従って、本発明の原理は、迅速で且つ濃いガスを噴射することにあるので、この特別な特徴で、ガス噴射が圧電バルブにより行なわれたときに先行技術の第１の解決策において遭遇されるのと同様に、適用の簡単さを保持することが可能である。更に、提示した特定の構造は、燃料の噴射がアイスキューブの形で行なわれたときに先行技術において説明した第２の解決策に関するものに非常に近い特徴のガス噴射もまた可能にする。
【００２３】
本発明による装置は、先行技術の第１の解決策で得られるよりももっと高い５０〜６０％程の効率を好適に実現するにもかかわらず、そのコストが先行技術の第２の解決策よりも小さい少なくとも１０倍であるように設計されている。
【００２４】
トア・スープラ(Tore Supra)設備について行なわれた試験は、一方では、図示の噴射装置が少なくとも１０ヘルツに等しい作動周波数で約０.５ｍｓにわたり０.５Ｐａ.ｍ３程の量でガスパルスの噴射を可能としたことを実証しており、これらのバルブでは、設備への燃料の非常に満足すべき給送が行なわれうる。
【００２５】
自由ピストンの運動を開始させるための前記手段は、前記自由ピストンの両側にある前記被噴射ガスに圧力差を生じさせることができることが有利である。これを行なうために、運動を開始させるためのこれらの手段が第２チャンバを備えており、その内部には制御ピストンのどちらの側にも被噴射ガスが加圧下で存在するような対策を講じることができる。
【００２６】
このような場合、第２チャンバは、前記第１チャンバの第１端部分を前記第２チャンバの第２端部分に連通せしめる第１結合導管を介して、また、前記第２チャンバの第１端部分を前記第１チャンバの第２端部分に連通せしめる第２結合導管を介して前記第１チャンバに結合されていてよい。従って、前記第２チャンバの前記第２端部分から前記第１端部分への方向の前記制御ピストンの制御された運動により前記自由ピストンを前記第１チャンバの前記第２端部分から前記第１端部分への方向に推進せしめ、また、逆の場合も同様に推進せしめるようになっている。
【００２７】
このような構成では、前記制御ピストンが離間した２つのコイルを含むと共に前記装置の前記第２チャンバを囲むよう設けられた磁気アセンブリにより作動されるように対策を講じることができる。
【００２８】
更に、前記第２チャンバの前記第１端部分は、被噴射ガスの供給源に結合されるよう企図されたガス入口を含んでいることが有利である。この点に関し、装置全体に被噴射ガスの充填を行うために、第２チャンバは、この第２チャンバの前記第１及び第２端部分間の前記被噴射ガスの流れを可能とする調節可能のバイパスを備えることができる。この機能は、自由ピストン及び制御ピストンから選ばれた諸要素のうちの少なくとも１つが、それを画成する前記チャンバの２つの区画室の間に前記ガスのための狭い通路を形成するべく、その関連チャンバ内に収容されているようにすることにより、提供することが可能である。
【００２９】
本発明による装置の好適な実施形態において、前記第１チャンバは、その第２端部分で、第１ポート及び第２ポートを備える閉止ブロックによって閉めきられており、前記第１ポートは、前記第１結合導管と協働すると共に、前記第１チャンバに隣接してこの第１チャンバの前記第１端部分と連通するチャンネルに開放しており、前記第２ポートは、前記第２結合導管と協働すると共に、前記装置の前記第１チャンバに直接に開放している。
【００３０】
更に、前記装置の前記第１チャンバに設けられた前記開口を閉める前記バルブは、この開口を通り抜けると共に、前記第１端部分に設けられた噴射囲い体中に突き出るヘッドを有しており、前記噴射囲い体は前記自由ピストンにより閉じることができる。そうするために、前記自由ピストンは、外側要素に加えて、該外側要素内で滑動する内側要素を含んでいることが有利であり、前記内側要素は、前記バルブを作動するためにその前記ヘッドを打撃するよう企図されており、前記外側要素は前記噴射囲い体を閉じるよう企図されている。
【００３１】
この好適な実施形態において、前記バルブは、前記装置の前記第１チャンバに設けられた前記開口の周りに配置されたガスケットシールを潰すようにスプリングを介して張力が加えられている。前記スプリングは、前記第１チャンバと一緒に単一部材として製作されたハウジング内に配置されており、該ハウジング及び第１チャンバは、実質的に円筒形且つ同軸状であると共に、前記装置の前記第１チャンバに設けられた前記開口により隔てられている。他方、前記スプリングの前記ハウジングは、このハウジングの内部スペースを前記装置の前記超音速ノズルと連通せしめるポートを有している。
【００３２】
最後に、留意されたいことは、前記自由ピストンの運動を開始させるための前記手段は、少なくとも１０Ｈｚの作動周波数で約０.５ｍｓの期間にわたり０.５Ｐａ.ｍ３程の量の前記超音速ノズルからのガスの噴出と、約２ｍｓの期間にわたる前記バルブの開放とを引き起こすことができることである。
【００３３】
本発明のその他の利点及び特徴は、以下の非限定的な詳細な説明から明らかとなるであろう。
【００３４】
この説明は添付図面を参照してなされるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１を参照すると、パルス状の超音速ガス流束を噴射するための装置１が、本発明の原理を図式化して、例示されている。
【００３６】
この噴射装置１は、内部に自由ピストン４がある第１チャンバ２を含んでおり、被噴射ガスはこの自由ピストン４のどちらの側においても圧力下にある。
【００３７】
装置１は更に超音速ノズル６を含んでおり、そこからパルス状の超音速流束を発生するためガスを噴出させることができる。
【００３８】
図１から分かるように、第１チャンバ２は、特に、装置１のこの第１チャンバ２に設けられていてバルブ１０により閉め切られる開口８により、超音速ノズル６と連通することができる。
【００３９】
パルス状の超音速ガス流束を発生するため、装置１は、第１チャンバに結合されて自由ピストン４を噴射装置１のこの第１チャンバ２内で推進せしめる、自由ピストン４の運動を開始させるための手段１２を備えている。
【００４０】
従って、このような構成では、第１チャンバ２内に移動する自由ピストン４は、決定期間中、開口８を開けて被噴射ガスが第１チャンバ２及び超音速ノズル６の間を通過できるようにするため、バルブ１０を打撃することができる。
【００４１】
図２は、本発明の好適な実施形態に基づいてパルス状の超音速ガス流束を噴射するための装置１００を例示している。
【００４２】
本発明の原理に関して前に述べたように、噴射装置１００は、第１チャンバ２と、この第１チャンバ２の内方に動き始めることができる自由ピストン４と、超音速ノズル６と、第１チャンバ２にある開口８とを含むことはもちろんのこと、この開口を閉めきるバルブ１０を含んでいる。
【００４３】
本発明のこの好適な実施形態において、自由ピストン４の運動を開始させるための手段１２は、内部に制御ピストン１６がある第２チャンバ１４を含んでおり、被噴射ガスは、この自由ピストン１６のどちらの側でも圧力下にある。
【００４４】
噴射装置１００の第１チャンバ２及び第２チャンバ１４間の結合を行なうために、噴射装置は、第１チャンバ２の第１端部分２ａを第２チャンバ１４の第２端部分１４ｂに連通せしめる第１結合導管１８を備えている。更に、装置１００はまた、第２チャンバ１４の第１端部分１４ａを第１チャンバ２の第２端部分２ｂに連通せしめる第２結合導管２０も備えている。
【００４５】
従って、結合導管１８及び２０は、被噴射ガスで満たされていると共に、第２端部分１４ｂから第２チャンバ２の第１端部分１４ａに向かう方向への制御ピストン１６の運動が自由ピストン４のどちら側にも圧力／負圧を発生させ、それにより該自由ピストン４を第２端部分２ｂから第１チャンバ２の第１端部分２ａに向かう方向へ推進せしめるように構成されている。
【００４６】
同様に、第１端部分１４ａから第２チャンバ２の第１端部分１４ｂに向かう方向への制御ピストン１６の運動は、第１チャンバ２の第１端部分２ａから第２端部分２ｂに向かう方向への自由ピストン４の推進を引き起こすことが分かる。
【００４７】
更に記しておくと、第１及び第２チャンバ２，４の第１端部分２ａ，１４ａは高い端部分に特に相当しているのに対して、第１及び第２チャンバ２，４の第２端部分２ｂ，１４ｂは下方の端部分に相当している。従って、第１及び第２チャンバ２，１４が実質的に垂直姿勢であるため、噴射装置１００が図２に示す位置であるような休止位置にあるとき、被噴射ガスの圧力は装置１００の全構造的要素において実質的に同一であり、その結果、自由ピストン４及び制御ピストン１６が重力によりそれぞれチャンバ２及び１４の下方の第２端部分２ｂ及び１４ｂに位置付けられるのを可能にする。
【００４８】
噴射装置１００は、被噴射ガスを装置１００内に導入させることができる、例えば３〜１０バールの圧力、好ましくは約５バールの圧力下にあるガス源（図示せず）に接続されている。そうするために、接続されるべきガス源のために、第２チャンバ１４の第１端部分１４ａに連通するガス入口２２の対策が講じられている。
【００４９】
他方、装置１００の全構造的要素におけるガスの存在及び実質的に同一圧力を確実にするために、第２チャンバ１４は、調節可能のバイパス２２に接続されていて、ガスが制御ピストンのどちらの側でも第１端部分１４ａ及び第２端部分１４ｂの間に流れることを可能としている。このようにして、バルブ１０の作動の後毎に、第１チャンバ２に設けられた開口８が開けられ、超音速ノズル６から逃げた量のガスがガス入口２２から装置１００に再導入されうると共に、調節可能のバイパス２４によりこの装置内に一様に分散され、１秒に近い時間の尺度で圧力の平衡化を可能にする。
【００５０】
バイパス２２の１つに対する付加的もしくは代替的な解決策は、これらピストン並びにそれらの関連チャンバ２及び１４の間に通路を設けることにより、自由ピストン４及び制御ピストン１６における漏れの存在を可能とすることからなる。この通路は、簡単に言えば、これら異なる要素間の遊びの形態をとりうることに留意されたい。
【００５１】
制御ピストン１６を制御する幾つかの技術が、自由ピストン４での圧力／負圧はもちろんのこと、噴射装置１００の構造的要素内への被噴射ガスの吐出を生じさせるために、考えられうる。
【００５２】
この点に関し、液圧シリンダを備えたベローズ形圧縮技術について言及しておく。しかしながら、記載された本発明の好適な実施形態において、それは、制御ピストン１６が第２チャンバ１４の内方に変位するのを可能にする磁気アセンブリ２６である。この解決策は、他の提案されている解決策と比較して被噴射ガスの残留量が強く制限なれない限りにおいて特に有利であることに留意されたい。
【００５３】
やはり図２を参照すると、磁気アセンブリ２６は、装置１００の第２チャンバ１４を囲む２つの垂直方向に離間したコイル２８及び３０を含むことが分かる。磁気レンズ式のこの特別な構造は、関係したチャンバ１４における制御ピストン１６の迅速な運動のほかに、装置１００のバルブ１０に作用する自由ピストン４の大きな衝撃力を得る可能性を与える。
【００５４】
典型的には、コイル２８及び３０は、８００巻きの２.５ｍｍ直径のワイヤから構成されると共に、３０〜４０アンペア程の電流を供給される。抵抗は約１Ωであり、自己インダクタンスは０.１Ｈ程である。次に、測定値を得ることにより、制御ピストン１６のところに生じ磁界は２５ｍＴ／Ａであることを知ることが可能になる。
【００５５】
目安として、コイル２８及び３０に電流を引き起こすことは、これらコイルの自己インダクタンスを超克しうるために特に高い初期電圧で、多量の電力を必要とするということに留意すべきである。従って、電圧５００Ｖ及び強度４０Ａは、コイル２８及び３０の適切な初期電力供給をもたらす値であろう。更に、これらのコイルを制御するために、コイル２８及び３０のインダクタンスと例えば５３０μＦのキャパシタンス列（図示せず）との間に共鳴抵抗−コイル−コンデンサ（ＲＬＣ）回路を形成することを図る簡単で安価な方法を使用することが可能である。キャパシタンス列は、高速サイリスタによりコイル２８，３０の一方に接続される前に予め充電され、その後、電流反転の瞬間に他方のコイルに接続される。従って、このようにして、約１００ｍｓの期間中に、１００〜１５０Ｖの電圧で、３０〜４０Ａの強度で作動する電源により、関連の第２チャンバ１４における制御ピストン１６の往復運動を比較的に容易に生じさせるようになる。
【００５６】
本発明のこの好適な実施形態において、第１チャンバ２は、自由ピストン４が推進され入ることができる、円形断面を有する実質的に円筒形のスペース３２を画成するために、好ましくはステンレス鋼の材料のブロック３１になって製作されている。第１チャンバ２に隣接するチャンネル３４は、材料ブロック３１の側壁に溝３６を設けることにより得られるが、この溝３６はプレート３８により閉じられている。図２に見られるように、この隣接チャンネル３４は、側方の開口３９を介して、第１チャンバ２の上端部分に対応する第１端部分２ａと連通している。更に、隣接チャンネル３４は、この第１チャンバ２の下端部分に対応する第２端部分２ｂまで延びるように、同じチャンバ２に沿って垂直方向に延びている。
【００５７】
第１チャンバ２及び隣接チャンネル３４は、閉止ブロック４０により、それらの下方部分で閉鎖されている。
【００５８】
閉止ブロック４０が材料ブロック３１に組み付けられたときに、第１ポート４２は、被噴射ガスが第１チャンバ２の第１端部分２ａと第２チャンバ１４の第２端部分１４ｂとの間を流れるように、隣接チャンネル３４に開放すると共に第１結合導管１８と協働している。更に、閉止ブロック４０はまた、被噴射ガスが第１チャンバ２の第２端部分２ｂと第２チャンバ１４の第１端部分１４ａとの間を流れるように、第２結合導管２０と協働すると共に第１チャンバ２の第２端部分２ｂに直接に開放する第２ポート４４も備えている。
【００５９】
閉止ブロック４０は、材料ブロック３１に捩じ込むことにより組み付けることができ、その後、完全な封止を提供するために、材料ブロックに溶接してもよいことに留意されたい。
【００６０】
第１チャンバ２の第１端部分２ａにおいて、噴射囲い体４６が設けられており、これはその上方部において、装置１００のバルブ１０により閉め切られる開口８で明白に限界を定められている。これについては後から特別に説明するように、噴射囲い体４６はその下方部においても、自由ピストン４が到達してバルブ１０に衝突するときに、自由ピストン４により限界を定められることができる。この噴射囲い体４６の容積は、もちろん、パルス毎に超音速ノズル６から噴出したいガスの量に基づいて決定される。例えば、それはほぼ０.６５ｃｍ３程度である。
【００６１】
装置１００の第１チャンバ２に設けられた開口８を閉めきるバルブ１０は、この開口８を通り抜けて噴射囲い体４６の内方に突き出るヘッド４８を有している。更に、このバルブ１０は、スプリング５０により張力が加えられていて、該スプリングがバルブをして第１チャンバ２に設けられた開口８の周りにあるガスケットシール５２を圧潰せしめている。このガスケットシール５２は、ほぼ２５０℃の温度まで第１チャンバ２の封止を維持することができるフッ化プラスチックのガスケットタイプであることが有利である。それに関して、スプリング５０は、バルブ１０の最大開口が２５ｄａＮほどのスプリングの圧縮を必要とするように、例えば適応している。
【００６２】
本発明のこの好適な実施形態において、スプリング５０はハウジング５４内に配置されており、そこでスプリングは、該ハウジング５４の上端にあるスクリュー５６によって、例えば５ｍｍでよい数ミリだけプレストレスされている。このハウジング５４は、装置１００の第１チャンバ２及び隣接チャンネル３４を形成したものと同じ材料ブロック３１で製作されている。従って、ハウジング５４は、円形断面をもつ実質的に円筒形のものであると共に、第１チャンバ２と同軸であり、開口８を介して該第１チャンバから分離されている。なお、開口８もまたこれら２つの要素２及び５４と同軸である。
【００６３】
スプリング５０のハウジング５４は、第１チャンバ２の開口８の近くに、ハウジング５４の内部スペースを装置１００の超音速ノズル６と連通せしめる側方ポート５８を備えている。噴射装置１００が休止位置にあるとき、バルブ１０が有する閉止部５９は、その下方壁が開口８を閉めきり、その側方壁がハウジング５４に設けられた側方ポート５８を完全に閉めきる。
【００６４】
超音速ノズル６は、バルブ１０の作動と同時に、噴射囲い体４６内にある加圧ガスが徐々に開けられる開口８と側方ポート５８とを通って逃げると共に、装置１００の超音速ノズル６から噴射されるように、例えば溶接によりハウジング５４に外部から組み付けられている。
【００６５】
図２に例示した実施形態において、超音速ノズル６は、スプリング５０のハウジング５４に対して実質的に垂直であるように、後者に組み付けられている。もちろん、超音速ノズル６は、本発明の範囲から逸脱することなく、噴射装置１００の適用例に応じて決定される例えば特定の傾斜角に基づいて、様々に位置決めしてもよい。
【００６６】
ハウジング５４に装着された超音速ノズル６は、ガスの軸方向分散を制限するよう企図されていると共に出合う必要性に基づいて適応する超音速ラバル管(Laval nozzle)式のものであることが有利である。実際に、所定のマッハ数を得るためにノズル６の入口及び出口断面積を所要寸法にすることが可能である。例として、０.８ｍｍ２の入口断面積及び０.５ｃｍ２の出口断面積であれば、少なくとも１０バールに達しうる噴射装置１００の作動圧力では、４に等しいマッハ数を得ることが可能である。従って、ノズル６の断面積の値は、本発明の範囲から逸脱することなく、より大きなマッハ数を得るために変更することができる。しかしながら、超音速ノズル６の寸法決めは、噴射装置１００の適用例の分野を、この適用例と両立しうる最終的な大きさを得ることを目的として、考慮すべきであることに留意されたい。
【００６７】
第１チャンバ２内で運動を始めるよう企図された自由ピストン４は、２つの要素からなることが好ましい。これら要素の双方の中でも、先ず最初にそれらの一方は、外側青銅製要素６０であり、この材料は、第１チャンバ２内での自由ピストン４の比較的に容易な滑動を可能にする。自由ピストン４がチャンバ２の第１端部分２ａに向かって推進されるときに、その並進的な変位は、内部に第１チャンバ２が形成された特別な材料ブロック３１に設けられた肩部６２により停止される。更に、肩部６２に当接するこの停止位置において、外側要素６０は、第１チャンバ２の第１端部分２ａに設けられた噴射囲い体４６を下端部において閉じるように、隣接チャンネル３４と連通する側方開口３９を閉めきる。
【００６８】
他方、自由ピストン４はまた、外側要素６０に対して滑動するために配設された内側要素６４も含んでいる。この内側要素６４の主な機能は、自由ピストン４が第１チャンバ２内で運動を開始して、内側要素６０が肩部６２により並進を停止される若干前に、バルブ１０に衝突することである。噴射装置１００の適正な作動を確保するために、バルブ６の衝撃中に生じる自由ピストン４の内側要素６０の跳ねかえりは最大に制限されることが好ましい。従って、噴射囲い体４６の強力な封止はもちろんのこと跳ねかえりを弱くするために、この内側要素６４には上側に銅製又はアルミニウム製コーティングを設けることが可能である。
【００６９】
非限定的な例として、また、既に上に述べた適用と組み合わせて、図２に示した好適な実施形態に基づいてパルス状の超音速ガス流束を噴射するための装置１００は、以下のパラメータを遵守することにより設計することができる。
−自由ピストン４の外側要素６０の外径        ：  １６ｍｍ
−自由ピストン４の総質量                    ：  ４０ｇ
−第１チャンバ２内の自由ピストン４の行程    ：  ８５ｍｍ
−第１チャンバ２の容積                      ：  １７ｃｍ３
−結合導管１８，２０の各々の内径            ：    ６ｍｍ
−結合導管１８，２０の各々の長さ            ：    ５ｍ
−結合導管１８，２０の各々の容積            ：１４０ｃｍ３
−制御ピストン１６の外径                    ：  ３２ｍｍ
−制御ピストン１６の長さ                    ：  ５０ｍｍ
−制御ピストン１６の質量                    ：３２０ｇ
−第２チャンバ１４内の制御ピストン１６の行程：  ２０〜４０ｍｍ
−第２チャンバ１４の容積                    ：  ８０ｃｍ３
【００７０】
このような噴射装置１００により、熱核融合プラズマの研究設備に関して行なわれた試験は、最大で少なくとも１０ヘルツに等しい試験周波数で約０.４〜０.５ｍｓにわたり、０.２〜０.５Ｐａ.ｍ３程の量のガスパルスを噴射可能であり、そしてこれは１〜３ｍｓの期間にわたりバルブ１０の開放を行なうことにより可能であることを実証した。前に言及したように、使用される、核融合プラズマに現在使用される物質の量の単位Ｐａ.ｍ３は、２０℃の室温で測定した、１パスカルの圧力で１立方メートルに含まれる物質の量に対応していることが想起される。
【００７１】
従って、噴射装置１００は、約４００Ｐａ.ｍ３/ｓの高速且つ高濃度ガスパルスの量を可能とする。
【００７２】
図３ａ〜図３ｇは、制御ピストン（これらの図には示していない）が運動中であり、第２チャンバ１４の第１端部分１４ａに向かい第２端部分１４ｂの方向に移動しているときの、噴射装置１００の作動を図式化している。
【００７３】
図３ａの矢印により表わしているように、結合導管１８及び２０を使用して上に説明した制御ピストン１６の運動は、自由ピストン４を第１チャンバ２の第２端部分２ｂから第１端部分２ａに向かう方向に推進させる。自由ピストン４のどちらかの側に起こる圧力／負圧現象のために推進される自由ピストン４は、約５〜８ｍ／ｓの速度で第１チャンバ２の第１端部分２ａに到達することが有利である。
【００７４】
自由ピストン４の内側要素６４は、その後、図３ｂに示すように、バルブ１０のヘッド４８に当たるであろう。従って、バルブ１０の閉止部５９は、ガスケットシール５２から離され、比較的に狭い通路は、噴射囲い体４６内にある圧力下のガスが徐々に開けられる開口８及び側方ポート５８を通り超音速ノズル６に向かい逃げ始めるのを可能にする。
【００７５】
図３ｃにおいて、内側要素６４によるバルブ１０の打撃の開始後、自由ピストン４の外側要素６０は、材料ブロック３１に停止目的のために設けられた肩部６２により停止されるまで、第１チャンバ２の第１端部分２ａの方向への並進を依然として行なっている。この状態において、第１チャンバ２及び隣接チャンネル３４の間にある側方開口３９は外側要素６０の外側壁により閉じられているので、噴射囲い体４６はその下方部で閉じられている。次に、この噴射囲い体４６は第１チャンバ２の残りの部分から封止可能に隔離されており、従って、加圧ガスはこの噴射囲い体４６から超音速ノズル６に向かって移る。更に、噴射囲い体４６中に生じた負圧もまた外側要素６０を肩部６２との当接状態に維持することに注目すべきである。
【００７６】
次に、図３ｄに示すように、内側要素６４は、バルブ１０をなおさら著しく開かせ、従って、超音速ノズル６に向かう加圧ガスの流れをより必然的にするために自由ピストン４の外側要素６０内で滑動する。次いで、ガス流は、このノズル６の入口区域により比較的に迅速に制御されることを明確に述べておく。
【００７７】
図３ｅは、バルブ１０が最大限度で作動している状態を図式化している。このような状態においては、スプリング５０のハウジング５４に設けられた側方ポート５８は完全に開いており、これに対して後者は、これまではバルブ１０の閉止部５９の側壁により少なくとも部分的に閉じられていた。このようなので、前に述べたように、スプリング５０は２５ｄａＮ程の力でこのハウジング５４内で圧縮されている。更に、この状態において、超音速ノズル６からのガスパルスの噴射は完了していることを明確に述べておく。
【００７８】
圧縮スプリング５０の作用により、バルブ１０は、第１チャンバ２に設けられた開口８を再び閉めきるであろう。これは図３ｆにおいて目視できるように、バルブ１０を元に戻すことは、第２端部分２ｂに向かう自由ピストン４の外側要素６０及び内側要素６４の運動を接触により生じさせて、肩部６２に関する外側要素６０の分離を発生させる。バルブ１０の閉止部５９は、次いで、それを去った後の１〜３ｍｓ、開口８を囲むガスケットシール５２との接触を再開し、図３ｇに示すようにそれを完全に圧潰する。被噴射ガスの圧力が自由ピストン４のどちらかの側と実質的に同一であると考えられうるこの最後の図において、バルブ１０のヘッド４８と自由ピストン４の内側要素６４との間にはもはや接触は存在しないことが分かる。しかしながら、磁気アセンブリ２６のコイル２８及び３０における電流を反転することにより、第２端部分２ｂの方向への自由ピストン４の推進力を発生することが可能であるから、それは再び噴射装置１００の第１チャンバ２の底部にあるその休止位置に達する。
【００７９】
超音速ガスパルスの噴射中における装置１００の種々のパラメータの時間的経過は、前述したものと同様の技術的特徴を有する噴射装置１００について行なった試験の後に曲線で表した図４のグラフにもまた例示されている。
【００８０】
このグラフで、横座標軸はミリセカンドの時間軸であるのに対し、縦座標軸は各曲線の種類に応じて異なっており、該曲線において、
−曲線（ａ）は噴射囲い体４６内の圧力をバールで表わし、
−曲線（ｂ）は超音速ノズル６から噴射されたガスの量をＰａ.ｍ３×１０で表わし、
−曲線（ｃ）は超音速ノズル６から流出するガスの流速を任意の単位で表わし、
−曲線（ｄ）はバルブ１０の行程をｍｍで表わし、
−曲線（ｅ）は自由ピストン４の内側要素６０の行程をｍｍで表わしている。
【００８１】
このグラフにおいて、曲線（ｅ）は、磁気アセンブリ２６のコイル２８及び３０を励磁してから５０ｍｓよりも若干短い期間の後、外側要素６０が肩部６２にきてそこに当接し、そして若干後者で跳ねかえってから、バルブ１０の開放の殆ど全時間をこの位置に留まることを示している。曲線（ｄ）を参照すると、バルブ１０は、図３ｂに例示し前述したように、自由ピストン４の内側要素６４によるそれの打撃のため、外側要素６０が肩部６２にきてそこに当接する前に作動されることが分かる。
【００８２】
バルブ１０が開き始めると直ぐに、ノズル６から噴射されるガス流速の値は、外側要素６０が肩部６２により停止される前であっても最大になり、次いで曲線（ｃ）により示すように指数関数的に著しく減少する。同じようにして、バルブ１０の開放は、曲線（ａ）に見ることができるように、噴射囲い体４６内の圧力の急激な低下を生じさせる。
【００８３】
曲線（ｂ）については、バルブ１０の上昇局面の始めから終わりまで、ノズル６から噴射されたガスの量は、バルブ１０の作動開始後約０.５ｍｓで０.４Ｐａ.ｍ３程の総量に達するべく、時間とともに増加していることが分かり、しかしバルブ１０は２ｍｓに近い期間にわたり開いたままである。換言すれば、開口８に向かうバルブ１０の下方運動中、超音速ノズル６から噴射されたガスの量はゼロに準ずることが分かった。
【００８４】
図５を参照すると、噴射装置１００は、トーラス形真空チャンバ２００に据え付けられている。なお、この真空チャンバはトア・スープラ(Tore Supra)熱核融合に存在するものに類似しており、本発明はそれに関して開発されてきた。
【００８５】
この図５において、噴射装置１００の自由ピストン４を収容する第１チャンバ２を特に形成する材料ブロック３１は、チャンバ２００の内表面に固定的に装着されていることが分かる。更に、装置１００の超音速ノズル６は、このノズル６から噴射されたガスパルスがプラズマと一緒になるよう、カバータイル２１０同士の間に位置決めされ配設されている。
【００８６】
材料ブロック３１は、噴射装置１００が休止位置にあるときに、自由ピストン４を重力により第１チャンバ２の底部に位置決めすることを常に目的として、第１チャンバ２が図１、図２及び図３ａ〜図３ｇに例示した姿勢のような実質的に垂直な姿勢をもつように固定されている。
【００８７】
噴射装置１００の作動を確実にするため、第１チャンバ２に結合された結合導管１８及び２０は、前述したもののような、自由ピストン４の駆動を開始させるための手段１２に結合されるように真空チャンバ２００から出てくる。従って、第２チャンバ１４及び磁気アセンブリ２６は、真空チャンバ２００からある距離を置いて位置決めしうるので、それらの作動はプラズマ２０８の存在により変化を受けることは決してない。他方、上述したように、第２チャンバ１４は、装置１００が休止位置にあるときに制御ピストン１６が重力により第２端部分１４ｂに位置決めされるよう、真空チャンバ２００からある距離を置いて位置決めされるのが有利である。
【００８８】
燃料と共にプラズマ２０８を給送するためにかかる技術的解決策を実行し続けることにより、噴射装置１００は、真空チャンネル２００の環境的制約に対応するのに全く適切であることが分かる。
【００８９】
実際に、装置１００の作動モード及び設計の単純性は、１ＭＷ／ｍ３に達しうるプラズマ２０８により放射されるパワーに対応しながら、約６Ｔの強い磁場において且つ２００〜２５０℃程の温度においてプラズマ２０８から数１０ｃｍのところに装置１００を置くことを可能にする。更に、提案した噴射装置１００は、チャンバ２００内に行きわたった超真空と両立できることを指摘しておくが、この超真空は、良い質のプラズマ２０８を得るのに必要とされる約１０−５Ｐａの残留圧力を発生するものである。
【００９０】
もちろん、真空チャンバ２００に対する噴射装置１００の数は、直面する必要性に応じて、特にプラズマ２０８の容積に応じて決定される。一例として、それらが３つあってもよい。
【００９１】
もちろん、当業者は、もっぱら非限定的な例として上に述べてきた噴射装置１及び１００に対して種々の変更を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の原理を図式化して、パルス状の超音速ガス流束を噴射するための装置の概略図を例示している。
【図２】本発明の好適な実施形態による、パルス状の超音速ガス流束を噴射するための装置の断面図を例示している。
【図３ａ】図２に例示した噴射装置の作動を図式化している。
【図３ｂ】図２に例示した噴射装置の作動を図式化している。
【図３ｃ】図２に例示した噴射装置の作動を図式化している。
【図３ｄ】図２に例示した噴射装置の作動を図式化している。
【図３ｅ】図２に例示した噴射装置の作動を図式化している。
【図３ｆ】図２に例示した噴射装置の作動を図式化している。
【図３ｇ】図２に例示した噴射装置の作動を図式化している。
【図４】図２に例示した噴射装置が作動しているときの該噴射装置の種々のパラメータの時間経過を例示するグラフである。
【図５】図２〜図４に例示した噴射装置が装着されている熱核融合プラズマの研究設備についての断面、概略断面図である。
【図１】
2006518038.tif 000003
【図２】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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