CN100390385C - 风扇室的排气口 - Google Patents

Abstract

应用于风扇室的排气口，该风扇室界定了由连接水平底壁和相对的水平出口壁的至少一个的大体连续垂直壁形成的容积。在该容积中有一个可在大体平行于各水平壁中至少一个壁的平面内旋转的风扇。排气口由位于出口壁中心和所述壁的外边缘之间的内侧，位于内侧和出口壁的外边缘之间的外侧，和将外侧的相应端连接至内侧的二个相对的割线侧形成。内侧的形状形成相对于出口壁中心的一条直线或凸形线。

Description

风扇室的排气口

技术领域

本发明涉及风扇室的排气口，更具体说，涉及利用风扇室的燃烧动力紧固件驱动工具，其中，风扇室有一个压缩气体通过它从风扇室向室外低压空间排出的排气口。

背景技术

燃气设备是本领域中所公知的。这种技术在燃烧动力紧固件驱动工具中也取得了实际应用。在授予Nikolich的美国共同转让专利U.S.Pat.Re.No.32,452和U.S.Pat.Nos.4,522,162，4,483,473，4,483,474，4,403,722，5,197,646和5,263,439中描述了这类工具的一种型式，也就是可用来将紧固件驱入工件内的

品牌工具，以上专利均在此引作参考。类似的以燃烧为动力的铁钉和U形钉驱动工具可以从Vernon Hills，Illinois的ITW-Paslode以品牌购买到，也可从法国Bourg-Les-Valence的ITW-S.P.I.T.以品牌

购买到。

图1中给出一种公知的燃烧动力紧固件驱动工具。工具10有大体为手枪形的工具外壳12，外壳内有一小型内燃机14。内燃机14以也被称为燃料电池的压缩燃料罐(未示出)为动力。以蓄电池为动力的电子配电单元(未示出)产生点火用的火花，燃烧室18内的风扇16既保障燃烧室18内的有效燃烧，同时还促进了该装置燃烧作业的各项辅助过程。

这些辅助过程包括：将燃料引入燃烧室18中；混合燃烧室18内的燃料和空气；清除或吹扫燃烧副产品。除这些辅助过程外，风扇还起到冷却工具和提高燃烧能量输出的作用。内燃机14包括往复运动的活塞20，活塞20有一个布置在单缸体24中的细长的刚性驱动板22。

阀套26沿缸体24作轴向往复运动，并当工件接触件28在连杆(未示出)终端紧压工件30时关闭燃烧室14。这个压紧动作还将打开燃料测量阀(未示出)，将一定量的燃料引入封闭的燃烧室18中。

拉动扳机开关32时，将产生用来点燃内燃机14燃烧室18中一次用量燃气的火花，于是，活塞20和驱动板22向下冲击并撞击已就位的紧固件(未示出)并将紧固件驱入工件30中。随后，活塞20因缸体24内的气压差而返回至其原始或“准备”位置。紧固件以匣仓方式进给至端头34内，紧固件在该处按恰当的朝向固定，以接受驱动板22的撞击。

燃料/空气气体混合物点燃时，燃烧室18中的燃烧通过燃烧室18内的排气口36传递点燃的气体，这导致了活塞/驱动板组合件20/22的加速，如果此时端头34内有紧固件，则还将造成紧固件穿入工件30内。燃烧室18中的燃烧压力是一个需要重点考虑的因素，因为这个压力会影响活塞20驱动紧固件的力量。其他重要因素有通过排气口36送出的点燃气体驱动活塞和完成内燃机两次燃烧过程之间的辅助过程所需的时间。

在燃烧期间，大量燃气必须在短时间内从燃烧室18输送至缸体24。风扇16可通过其旋转加速这一过程。风扇16的效率在很大程度上受燃烧室18和缸体24设计和连接方式的影响。风扇16还有若干其他功能。风扇16混合空气和燃料，吹除废气，冷却工具10，还能提高燃烧能量输出。

现在参见图2和4，图中说明了燃烧室18内风扇16旋转的作用。风扇16旋转时，燃烧室18内会生成沿方向A的漩涡。漩涡的速度在旋转中心处为零，而在最靠近燃烧室18的外壁38处为最大。通常将燃烧室18做成圆筒形，以使漩涡沿圆周方向的效率达到最大。漩涡从旋转中心到外壁38的速度分布变化一般可认为是线性增长的，在图2中可看得最清楚，它是燃烧室18圆筒壁38圆形截面半径的函数。

漩涡流通过位于连接外壁38的盘形顶板40上的排气口36向燃烧室18外面传播。板40上至少有一个口。为使大量气体快速通过口36，排气口36应尽可能大，并布置在远离板40中心和靠近漩涡速度最大的外壁38的地方。板40的中心部分常常是实心的，它可作为安装阀和限流器组合件42的合适位置，这在图3中看得最清楚。

排气口36的形状和阀/限流器42决定了气体通过口36的最终断面气流的分布。本发明人发现，当口36是圆形时，所得到的断面气流是椭圆形，并且横穿和通过口36时是会变的，这在图4中可看得最清楚。这种不一致性会使通过口36的气流变得不稳定，因而可能熄灭穿过口36的已点燃气体的火焰。虽然这种熄火是不希望发生的，但是，即使气体接触活塞20时已经不再燃烧，它仍能传递燃烧室18中的点燃气体的足够压力，以充分加速驱动板22。但是，避免火焰熄灭可实现较高的燃烧能量。

在这种类型的燃烧室中采用圆形排气口有若干明显的缺点。圆形口无法利用风扇16所生成的气流自然速度分布。如前所述，气流的速度分布随远离旋转中心而线性增大。然而，按定义，圆形口总有一半面积是随远离旋转中心而递减的。相应地，圆形口36离旋转中心最远的线性面积趋近于零，而该处的气流速度分布却为最大。因此，圆形口36不可能使通过它的气流有最大的能量，这也是不希望有的结果。

为从燃烧中获取更多能量，人们在类似的工具结构中采用了多燃烧室系统。在待审批的，共同转让美国专利申请(代理人摘要编号No13696)中描述了一种这类优选系统，该专利申请在此引为参考。如果有多个燃烧室共用一个电扇，则电扇的效率也会受多燃烧室设计和连接方式的影响。

在这种多燃烧室构造中，通过排气口的气流最大输出是通过形成气体从一个燃烧室至另一个燃烧室的受约束通道达到的。这种受约束通道由阀，限流器，排气口，和遮板的组合形成。连接二个燃烧室的排气口通常包括一个针阀，针阀保持为常闭的，以防止从第二燃烧室返回至第一燃烧室的压力倒流。限流器实际限制了运动气体打开阀的程度。

但是，在具有圆形排气口的这类工具中采用受约束更强的通道来提取更多的燃烧功率也会在燃烧初期对工具将气体从一个燃烧室正常传送至下一个燃烧室的能力有负面影响。此外，在只有一个风扇的多容积燃烧室中利用遮板，排气口，阀，和阀限流器来连接各室时，能提供稳定性能的运行环境的范围会明显变窄。这种增高的不稳定可能性也会增高燃烧气体的火焰通过受约束通道从一个室流至另一室时的熄灭可能性。

多燃烧室结构中的火焰熄灭可以是一个严重问题。当从第一个室流出的气体不能点燃下一室中的气体时，第一室内的燃烧气体建立的压力会被下一室中的气体大量吸收。换言之，火焰熄灭后到达活塞的气体压力将低于进入室接触活塞的空气流的压力。燃烧室越多，火焰熄灭造成的驱动活塞的压力损失会变得越明显。

气流通过受约束通道的不稳定性还可能缩短通道中阀门的寿命。此外，结构的复杂性，以及它所要求的部件数量，两者均会随室间通道的限制和复杂程度的提高而不希望有地提高。因此，希望有一种可克服上述诸问题的改进结构。

发明内容

上面列出的各种问题可由用于风扇室的本排气口来解决。本风扇室以最好包含可燃气体的整体室结构为特点。室内的风扇起着涡动室内气体的作用，并形成可使气体更快通过排气口的涡流。

更具体说，本发明为风扇室提供一个排气口，该风扇室由连接水平底壁和对面水平出口壁的至少一面总体连续的垂直壁所形成的容积构成。在该容积中布置有一风扇，风扇可在与由上述水平壁中至少一个壁界定的平面平行的平面中旋转。排气口构造成有一个布置在出口壁中心和出口壁外边缘之间的内侧，位于内侧和出口壁外边缘之间的外侧，位于外侧和出口壁中心之间的内边缘，和将外侧相应端与内侧连接的两个相对的割线侧。内侧可形成相对于出口壁中心的一条直线或一条凸形线。通过设计，排气口构造成可利用旋转风扇所形成的自然气流，因而可更有效地推动容积外的气体。

在另一实施例中，本发明的排气口实际上可用作以气体燃烧为动力的多室设备二个容积之间的连通口。这种设备包括至少二个室和一个可导致设备内燃气打旋的风扇。二个室中的第一室界定第一容积，第二室界定第二容积。二个容积之间的连通口构造和布置成可使燃烧气流从第一容积进入第二容积。连通口的形状与横向于连通口所观察到的涡旋燃气的速度分布及燃烧的气流相符合。

本发明的排气口能更好地适应旋转风扇所形成的气体和其他物料流过口的自然速度分布。因为更适应于这种速度分布，本发明可以在更短的时间内使更多的气体和物料通过排气口，从而用在燃气动力设备中时能有更高能量的燃烧。

附图说明

图1是采用风扇室的传统工具的示意图；

图2给出传统风扇室内的气体漩涡速度分布；

图3是利用传统排气口的风扇室的一个板的斜视图；

图4是传统排气口的斜视放大图，展示了排气口的横向断面气流；

图5是本发明一个实施例的顶视图；

图6是图5所示本发明实施例沿线6-6和大体所示方向获取的垂直示意剖面图；

图7是本发明另一实施例的顶视图。

具体实施方式

现在参见图5和6，风扇室总体表示为50，它包括布置在盘54上的排气口52。盘54形成室50的大体水平的壁，并与大体垂直的室壁56的形状相符，以在一端密封壁56。盘54和壁56最好是刚性的金属体，但也可用本领域中所公知的其它坚固，刚性，和阻燃材料制造。盘54和壁56最好分别形成为扁平盘和圆筒，但本领域技术人员知道，也可以在不偏离本发明的情况下采用可在压力下将室内的气体漩涡通过排出口传送至外部容积中的许多其他形状。

室内的风扇58在大体平行于盘54的一个平面内旋转，并形成沿方向B的气体涡漩。可燃燃料被馈送至室50中，最好送至风扇58上游，室50的低压区内。可用于以燃烧为动力的紧固件驱动工具的MAPP气体是一种适用的燃料，但也可使用本领域中常使用的很多公知可燃燃料。燃料在室50中与空气混合而形成可燃燃料。旋转的风扇58快速，均匀地对室50内的燃料与空气进行混合。

与室50成可操作关系的点火源(未示出)最好布置在风扇58的上游，并且产生点燃室50内可燃燃料/空气混合物的火花，所形成的火焰从点火源朝风扇下游向盘54传播，盘54最好布置在风扇的下游。燃料产生的压力使通过排风口52从室50中推出的火焰成为高能量的火焰喷射。在给定时间内能通过排气口52的燃烧气体越多，所产生的火焰喷射的能量就越高。本发明人发现，排气口52的形状可明显影响在给定时间内通过排气口的气体量。

燃烧之后，希望能迅速清除/吹扫燃烧室中的燃烧副产品。旋转的风扇58也有利于更快地清扫室50。本发明人还发现，排气口52的形状也影响可被吹扫，或用其方法通过排气口52从室50排出的不可燃气体量。在这方面，本发明具有除仅用作燃烧的可燃气体排气口之外的其他用途。

现在参见图5，如前面所讨论的，本发明人已发现，可利用风扇58所产生的漩涡自然速度分布的排气口52形状是非常有用的。一种此类优选形状是对漩涡流速度分布提供较恒定断面面积的形状。排气口52的这种优选形状基于大体矩形或正方的形状。因为最靠近外垂直室壁56处流过的物料比靠近旋转中心60处流过的多，所以，与气流速度分布更一致的断面在室50内建立起压力时，允许有更多的物料更稳定地通过排气口。

依照本实施例，排气口52是内侧62和相对的外侧64在盘54中形成的孔。内侧62离旋转中心60较近，外侧64离垂直壁56较近。在一个更好的实施例中，图6中看得最清楚，外侧64布置在外垂直壁56的最内线度66处，以收集最大量的以最大速度分布流动的物料。内、外侧62，64可形成为一些大体的直线，但更优选的是形成与漩涡方向相符的弧形。在这方面，弧线的弯曲应相对于旋转中心60为凸形的。在这个实施例中，内侧62的长度接近于外侧64的长度。

两个相对的割线侧68，70将内，外侧62，64的相应末端连接在一起。割线侧68，70最好形成沿圆盘54的交叉割线的直线。在这个实施例中，割线68，70大体上相互平行并平行于圆盘54的直径D，并以近似相同的距离相隔在直径D的相对两侧。

在图5中可看得最清楚，圆盘54面向室50的侧面可看成是沿有X轴和Y轴的二维平面布置的。对于这种示例，圆盘54的直径D定义为Y轴，图中示出漩涡的速度分布正切于漩涡旋转方向B运动(在图5中，相对于直径D，在X方向)。因此，速度分布的强度随着沿Y轴离旋转中心距离的增大而从零开始线性增大，并且是盘54半径R的函数。相应地，整个排气口52应处于中心60和外垂直壁56之间。换言之，排气口52的任何部分都不应跨过或与中心60搭接。

本发明的这个优选实施例实现了多项优于本领域中公知的圆形排气孔的优点。因为排气口52的横截面更接近于由风扇58所形成的自然流，通过排气口的气流因扰动更小而变得更稳定，从而气流通过口52的稳定范围就更宽，因此，火焰熄灭的可能性也就更明显地降低。这样就有更多的气体更快地通过排气口52，这又增加了最大燃烧能量的输出。不论排气口52是应用在如图1中所示的单燃烧室系统中，还是应用于多容积系统中，本发明的这些优点都可实现。当本发明的排气口与沿连续垂直壁56布置的进气口(未示出)和/或再循环口(未示出)一起使用时，以上优点也仍可实现。

现在参见图6，如前所述，多容积燃烧系统，和某些单燃烧室系统，在采用燃烧气体被推过的排气口的同时，还可采用阀，阀限流器，和遮板。依照本发明的一种优选实施例，采用了位于排气口52上方的阀72和阀限流器74。阀72最好是本领域中公知的针阀，它是常闭的，以防止压力流从外部容积返回至燃烧室56内。虽然针阀是优选的，但本发明人还预期，依照本发明的这个实施例，也可采用本领域中所公知的其他阀而不会偏离本发明。限流器74可用本领域中已知的任何坚固的阻燃材料制造。

如前所述，横跨排气口52的气流的速度分布，沿X方向，随Y方向离中心60距离的增大而增大。本发明人还发现，风扇58的漩涡造成通过排气口52，沿Z方向，的物料分布将随离中心60距离的增大而增大。已知这种关系，则针阀最适宜作为阀72，因为，由于铰接或斜坡作用，它可布置成朝向排气口52的外侧64时打开得更多，这在图6中可看得最清楚。

因此，阀72和限流器74最好布置得使所得到的Y-Z轴截面也可与被风扇所引发的通过排气口的气体自然速度分布协调一致。相应地，阀72和限流器74最好是扁平的，并沿径向线(未示出)布置，该径向线沿Z方向从中心60至外壁56递增。阀72的枢轴/铰链76最好布置在盘54靠近中心60的区域中，并向下绕枢轴转动，使限流器74(或打开的阀72)的倾斜部分和排气口52之间的间隙在靠近外壁56处较大和靠近中心60处较小。限流器74面向排气口52的内表面78因而最可取地符合于大体平坦的斜坡形状。

这个优选的阀/限流器构造最好在从阀72封闭排气口52的“阀关闭”位置到阀72与限流器74完全接触的“阀完全打开”位置的整个范围内都符合于气流打旋地通过排气口52的截面速度分布。阀72的这二个位置之间的每个中间位置还可增加沿靠近外壁56的Z方向的空气流量。将排气口52布置在远离中心60处的另一优点是盘54中围绕中心60的区域可保持为实心的，因而可安装限流器74和阀72的铰链/枢轴76。阀72和限流器74最好用螺杆装配在盘54上，但也可利用本领域所公知的其他安装机构。

这种简化的阀和限流器结构还使限流器74可保护排气口不受周围环境的影响，因此，如所希望的，可不需要附加的遮板。如前所述，这种遮板用于形成气流的受约束通道，以增加燃烧能量输出。在这个优选实施例中，阀72和限流器74可以提供通常是与使用附加遮板一起才能实现的充分约束的通道，而且同时仍能改善从风扇室至外部容积的气体传输。相应地，本发明可避免不得不面对的现有排气口和阀结构所遭遇的在高能量受约束通道和正常气体与火焰传送之间的很多权衡和折衷。

这个在三维空间也有优势的优选实施例比图5中所示的二维分布所能实现的速度分布具有更多的好处。此外，虽然本阀的构造是按应用于单燃烧室的排气口来描述的，但本领域技术人员都会知道，本发明的排气口和阀结构也可与另一室一起用于多容积系统中，所述另一个室位于包含旋转风扇的室的下游，或甚至可应用于不要求燃烧气体通过排气口传播的系统中。

现在参见图7，图中的风扇室总体表示为80，它具有燃烧室50的很多零件，为方便起见，这些零件将用相同的数字表示。室80以依照另一优选实施方案的排气口82为特色。

除割线侧68和70的形状外，排气口82类似于口52。在这个优选实施例中，割线侧68和70不再彼此平行，或不再平行于直径D，而是沿盘84的二个半径R布置。通过沿盘84的二个半径R布置割线侧68，70，割线侧68，70将自动等距相隔于直径D的两侧。在这个实施例中，排气口82在最靠近，或最好在，垂直室壁56处的开口宽度最大，而在渐近旋转中心60时，开口宽度逐渐变窄。排气口82的这个结构类似于一楔形馅饼块，而且有利于排气口82最符合于由风扇58打旋所造成的通过排气口的自然气流。

本发明人已发现，受约束通道中未使用阀或阀流器时，或者当使用的阀在跨越排气口82的开口(沿Z方向平行于排气口82和盘84)某一固定距离处开启时，这个实施例是特别有利的。通过排气口82的空气流的速度分布可仅由在X-Y平面的排气口的形状来近似。本领域技术人员都知道，在不偏离本发明的情况下，排气口和阀形状的其他组合也可以接近通过和横过排气口82的三维空气流的速度分布。

虽然最好能有本实施例中沿二个半径R形成的二个割线侧68，70，但本发明人也预期到，二个相对侧中的一侧也可以平行于直径D，或甚至平行于沿半径R形成的另一相对侧。但是，优选的形状是，割线侧68距离割线侧70的距离至少应该和在两割线侧68，70与外侧64相遇处与内侧62相遇处是相等的。割线侧68在外侧64处比在内侧62处离割线侧70更远甚至是更好的。

相应地，前面讨论的各实施例的排气口越符合于风扇室中由风扇旋转形成的自然漩涡，就越能在更短的时间内有更多气体通过排气口，因而可增加从燃烧室输出的最大能量。这种改进的结构能使气流通过排气口的稳定范围更宽，而其结果是大大降低了当气体是可燃的并已经点火时过早发生熄火的危险。本发明还可使用更简单的阀和受约束通道设计来盖住排气口，如前面所讨论的，这需要较少的零部件。

本领域技术人员还可看到，可应用于燃烧设备的排气口，例如本发明，也可有效地应用在其他利用风扇将气体从一个容积快速传送至另一容积的其他设备，驱动活塞的设备，或一般以燃烧装置为动力的设备中。虽然图中给出并在文中描述的是本发明燃烧机构的若干具体实施例，但本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明更广泛方面和下述权利要求的前提下，仍可对其作出许多变更和改进。

Claims (8)

1.用于界定一定容积的风扇室的排气口，所述容积由至少一个大致连续的垂直壁形成，该至少一个大致连续的垂直壁把一个水平底壁与一个相对的水平出口壁连接起来，并且在所述容积内有一风扇，风扇可在大体上平行于水平壁中至少一个壁的平面的平面内旋转，所述排气口包括：

位于出口壁的中心和出口壁外边缘之间的内侧；

位于所述内侧和所述出口壁外边缘之间的外侧，内边缘位于所述外侧和所述中心之间；

将所述外侧的相应端连接至所述内侧的二个相对的割线侧；

其中，所述内侧形成相对于所述出口壁中心的一条直线或一条凸形线。

2.如权利要求1中的排气口，其中，水平出口壁是大体为圆形的盘。

3.如权利要求2中的排气口，其中，所述相对的二个割线侧是沿所述大体圆形的半径形成的。

4.如权利要求2中的排气口，其中，所述相对的二割线侧平行于所述圆的直径。

5.如权利要求2中的排气口，其中，所述内侧和外侧与圆的弧相符。

6.如权利要求2中的排气口，其中，所述内侧平行于所述外侧。

7.如权利要求1中的排气口，其中，排气口大体上形成为一矩形。

8.如权利要求1中的排气口，其中，所述二相对的割线侧之间的距离逐渐增大以适应于由旋转风扇造成的气体打旋通过排气口的相对速度分布。

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