JP2004074396A - 火炎ジェットを生成するための燃焼機構 - Google Patents
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Abstract
【課題】速い燃焼サイクルを有する、火炎ジェットを生成するための燃焼機構を提供する。
【解決手段】火炎ジェットを生成するための機構が、少なくとも一つの垂直構造部材14と二つの対向する水平構造部材16,18とから形成された容積を有している。回転ファン34が、容積の中に設けられて、水平構造部材16,18の平面に対して概ね平行な平面で回転する。この機構は、火炎ジェットを容積の外に推進するために、容積の中に収容されている可燃性ガスを発火させるための手段36も含んでいる。
【選択図】 図1
【解決手段】火炎ジェットを生成するための機構が、少なくとも一つの垂直構造部材14と二つの対向する水平構造部材16,18とから形成された容積を有している。回転ファン34が、容積の中に設けられて、水平構造部材16,18の平面に対して概ね平行な平面で回転する。この機構は、火炎ジェットを容積の外に推進するために、容積の中に収容されている可燃性ガスを発火させるための手段36も含んでいる。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火炎ジェットを生成するための機構に関するものであり、より具体的には、火炎ジェットが生成されて一方の容積から他方の容積に送られるところの二容積燃焼装置に関するものであって、特に燃焼駆動式ファスナ発射工具に関連している。
【0002】
【従来の技術】
ガス燃焼装置は、当該技術分野では公知である。この技術の実際的な用途は燃焼駆動式ファスナ発射工具に見出される。ファスナを加工材に打ち込むために使用されるIMPULSE(登録商標)ブランドの工具としても知られているそのような工具の一つのタイプは、ニコリッチ(Nikolich)に対して与えられた特許の、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5、特許文献6、及び特許文献7に記載されており、これら全ての特許文献は、ここに引用することをもって添付に代える。同様な燃焼駆動式の釘/ステープル発射工具は、IMPULSE(登録商標)ブランドでイリノイ州バーノンヒルズのITW−Paslodeから市販されて入手可能である。
【0003】
通常そのような工具は、小さな内燃機関を収容しているピストル形の工具ハウジングを含んでいる。機関は、燃料セルとも呼ばれている、加圧燃料ガスの缶によって駆動される。電池式の電子パワー分配ユニットが、点火のためのスパークを生み出し、燃焼チャンバに配置されたファンが、チャンバ内の効率的な燃焼を提供し、同時に装置の燃焼動作に対する補助的な工程を円滑にする。そのような補助的な工程は、燃焼チャンバに燃料を投入すること、及び燃料と空気をチャンバ内で混合すること、及び燃焼副生成物を除去若しくは掃気することが含まれる。機関は往復ピストンを含んでおり、このピストンは、単一シリンダ本体の中に配設された細長い剛性駆動ブレードをもっている。
【0004】
弁スリーブが、シリンダの周りで軸方向に往復可能であり、又連動機構の末端の加工物接触要素が加工物に押し付けられたとき、弁スリーブは連動機構を介して移動して燃焼チャンバを閉じる。この押し付ける動作は、燃料計量弁が規定の容量の燃料を閉じられた燃焼チャンバの中に導くことを引き起こす。
【0005】
引き金スイッチを引いたとき、引き金を引くことは、スパークに機関の燃焼チャンバにおける装填ガスを発火させ、ピストンと駆動ブレードとが下方に発射されて位置決めされているファスナに衝突しこのファスナを加工材の中に打ち込む。次にピストンは、シリンダの中のガス圧力差によって、ピストンの元の位置もしくは“準備”位置に戻る。ファスナは、マガジン形式でノーズピースの中に供給されており、そこではファスナは、駆動ブレードの衝撃を受けるように適切に位置決めされた姿勢で保持されている。
【0006】
可燃性の燃料/空気混合気が発火されると、チャンバにおける燃焼が、ピストン/駆動ブレード組立体の加速と、ファスナがあればファスナの加工材の中への貫入とを引き起こす。チャンバ内の燃焼圧力は、ピストンがファスナを駆動するのに使う力の大きさに影響するので、重要な考慮すべき事項である。他の重要な考慮すべき事項は、ピストンを駆動するため、及び機関の燃焼サイクル間の補助的工程を実行するために必要な時間の長さである。燃焼駆動式工具の一般的操作者は通常、引き金を引いた後ファスナを発射するために要する時間が約35〜50ミリ秒より長い場合に遅いと感じるであろう。燃焼チャンバにファンを組み込んでいない在来の他のタイプの燃焼駆動式工具がある。
【0007】
単一チャンバ燃焼システムは、速い燃焼サイクル時間を達成することにおいては有効である。しかしながら、このタイプのシステムは、他のガス燃焼駆動式工具に見られるピーク燃焼圧力と同じほど高い、ピストンを駆動するためのピーク燃焼圧力を通常は実現しない。
【0008】
優れたピーク燃焼圧力を生み出す一つのそのような在来の燃焼駆動式工具は二チャンバシステムであり、そこでは少なくとも一つのチャンバが、管形状を有しており、そして第二のチャンバに接続されている。管状の第一のチャンバは、管の全長Lと直径Dとを有しており、そしてL/D比率は、大であることが知られていて,即ち2から20の間にあり,また好ましくは10である。スパークプラグが第一のチャンバの閉じた一方の端部に設けられており、この管状チャンバのもう一方の端部はポートを介して第二のチャンバと連通している。二つのチャンバを接続するポートは一般的にリード弁を含んでおり、前記リード弁は、第二チャンバから第一チャンバへの圧力の逆流を防ぐために通常は閉じられた状態になっている。
【0009】
容積V1を有する第一管状チャンバは、圧縮器として機能する。容積V1内の燃料/空気混合気は、管状チャンバの閉じられた端部でスパークプラグによって点火されて、火炎の前線を管のポート端部の方に前進させる。火炎の前線が前進するとき、火炎の前線より先に進んだ未燃焼の燃料/空気が、第二チャンバ若しくは容積V2の中に押し込められることによって容積V2内の燃料/空気混合気を圧縮する。火炎が、容積V1からポートとリード弁とを通って容積V2の中へ伝播されるとき、容積V2内の空気/燃料混合気が発火する。こうして容積V2内の発火されたガスが容積V2内に圧力を急速に立ち上げ、そして容積V1へ戻る圧力損失を回避するためにリード弁を閉じる。容積V2内のより高い圧力が、システムの最終的燃焼圧力であり、より高い圧力は望ましいことである。より長い管が容積V2内へのより大きな予備圧縮を生み出すことが知られているので、従ってより長い管状チャンバが容積V1として通常は好ましい。
【0010】
しかしながら容積V1の長い管は、容積V1の閉鎖された端部におけるスパークと容積V2内の空気/燃料混合気の発火との間のより長い時間を結果として招き、これは望ましくないことである。ピストン駆動工具システムでは容積V2の長い発火時間が、ピストン遅延機構に対する必要性も生み出し、その結果容積V2内の圧力が、得ることが可能な最大圧力まで増大する直前に、ピストンの運動が開始される。典型的な二チャンバシステムは、容積V2内のピーク圧力に到達してピストンを発射するために35ミリ秒を要しており(補助的工程の完了時間を含まないで)、この時間は、工具操作者が工具操作における遅さを通常感じるところの時間量である。
【0011】
これら二チャンバシステム工具についての補助的工程を完了するために必要な時間は、工具操作者が経験する顕著な遅延を付加するであろう。補助的工程時間は、単一チャンバシステムにおけるよりも二チャンバシステムに関して長いことも知られている。補助的工程を完了するための時間は、管状第一チャンバV1の全長が増加するとき更に長くなる。
【0012】
第三の公知のガス燃焼システムは、単一管状容積内に配置された“加速プレート”を利用して、容積を二つに効果的に分割している。加速プレートそれ自身が、二つの容積間の連通のための多数の穴を含んでおり、そして燃料の分配が、二つの開口を持った共通の燃料供給ラインを通して両方の容積に対して個別に行われる。このシステムを採用している装置の操作者は、76.2mm(three−inch)の作動を介して燃料混合を引き起こす。このタイプの装置は、繰返し燃焼サイクルを可能にするように示されている。しかしながら加速プレートに対する欠点は、それらが操作するにはかさばって扱い難いという傾向を有していることである。又、加速プレートの一方の側の容積は、他方の容積を必然的に減少させることなしには増加されない。
【0013】
【特許文献1】
米国再発行特許発明第32452号明細書
【特許文献2】
米国特許第4522162号明細書
【特許文献3】
米国特許第4483473号明細書
【特許文献4】
米国特許第4483474号明細書
【特許文献5】
米国特許第4403722号明細書
【特許文献6】
米国特許第5197646号明細書
【特許文献7】
米国特許第5263439号明細書
【0014】
【課題を解決するための手段】
上述された関心事は、火炎ジェットを生成するための本機構により取り扱われており、前記機構は、可燃性ガスを収容している硬いチャンバ構造体を特徴としている。発火装置が、チャンバの一方の端部で可燃性ガスを発火させて火炎の前線を生み出し、前記火炎の前線がチャンバの中を急速に移動して反対側の端部でチャンバから火炎ジェットとして推進される。チャンバ内のファンは、チャンバ内のガスを混合するように働くことはもとより、乱流も生み出し、この乱流は、火炎の前線がより速くチャンバを横断できるようにする。
【0015】
より具体的には、本発明は、少なくとも一つの垂直構造部材と二つの対向している水平構造部材とから形成される容積を有する、火炎ジェットを生み出すための機構を提供する。回転ファンが、容積の中に設けられ、水平構造部材の平面に対してほぼ平行な平面で回転する。機構は容積内に含まれる可燃性ガスを発火させるために点火源も包含しており、また機構は火炎ジェットを容積の外に推進するように構成されている。
【0016】
別の好適な実施例では、本発明の機構は、二チャンバ燃焼駆動式装置の燃焼チャンバとしても働く。機構によって生み出された火炎ジェットは、燃焼チャンバと連通している第二チャンバの中に推進される。そして第二チャンバの中で生み出された圧力が、第二チャンバに接続されているピストン装置を駆動する。
【0017】
二チャンバシステムでは、この機構は速い燃焼サイクルと、分離されたチャンバにおける高い圧力とを生み出すことに対して有効である。機構は特に、一般的には大きくて扱い難い装置で見られる速い燃焼と高圧力とを、比較的コンパクトな外形で生み出すことに関して有用である。
【0018】
【発明の実施の形態】
ここで図1a及び2を参照すると、高エネルギ火炎生成機構が、全体を参照符号10で指定されて、燃焼チャンバ本体12を含んでおり、この燃焼チャンバ本体12は、垂直構造部材14と、対向している二つの水平構造部材16及び18とによって形成される容積を取り囲んでいる。構造部材14、16、及び18は剛性金属体であることが好ましいが、本技術分野で知られている、強度、剛性、及び燃焼耐性を有する他の材料から形成されてもよい。垂直構造部材14の一方の端部は、ジョイント20において水平構造部材16に固定的に接続されており、垂直構造部材14の反対側の端部は、ジョイント22において水平構造部材18に固定的に接続されている。ジョイント20及び22は、構造部材14及び16を含んだ一つの連続した構造部材であることが好ましいが、繰返し圧力に耐えることができる、溶接、接着、圧縮ガスケット、若しくは他の燃焼耐性ジョイントであってもよい。
【0019】
垂直構造部材14は、円筒状若しくは管状に形作られることが好ましいが、水平構造部材16及び18の外径寸法に一致する、どのような連続した構造部材若しくは一連の構造部材であってもよい。水平構造部材16は、直径Dと外周縁26とをもった円盤24の形を好ましく有している。例えば、垂直構造部材14が円筒である場合、円筒の直径は円盤24の直径Dに一致するであろう。
【0020】
円筒/円盤構造が好適であるとはいえ、垂直構造部材14及び水平構造部材16は、他方に対して直角である必要はなく、あるいは平坦な構造体であることさえ必要としない。水平構造部材16は、例えば半球状であってもよく、そして水平構造部材18の外径とは異なる外径Dを有していてもよい。そのような場合には、垂直構造部材14と水平構造部材16とによって形作られる連続的本体が図1bに示されるように半球状若しくは放物線状になるように、垂直構造部材14は湾曲してよい。本技術分野に知識を有するものは、多数の変則的な三次元形状も又、垂直構造部材14並びに水平構造部材16及び18に使用できて、本発明から逸脱することなしに燃焼チャンバ本体12の容積を形成することに気付くであろう。
【0021】
好適な実施例では、ジョイント20は水平構造部材16の外周縁26を接続し、そこでは外周縁26が垂直構造部材14の一方の端部における円筒直径に接触する。この好適な実施例では、水平構造部材18は、水平構造部材16と同じ寸法を有しており、また同様に垂直構造部材14の反対側の端部の円筒直径をジョイント22において接続している。円筒の垂直構造部材14は、縦横比L/Dが好ましくは2未満であるように全長Lを有している。機構10を採用する工具若しくはシステムでは、コンパクトな構造が好適であるので、1若しくは1/2の縦横比が、なお更望ましい。
【0022】
可燃性燃料が、燃料ライン28から燃料開口30を通ってチャンバ12の中へ供給され、前記燃料開口30は、垂直構造部材14の壁32に配置されていて、ファン34の上流の、チャンバ12の低圧領域に配置されることが好ましい。適切な燃料の一つが、燃焼駆動式ファスナ発射工具に使用されるタイプのガスであるMAPPガスであるのに対して、燃料が、本技術分野で使用されているいくつかの公知の可燃性燃料のいずれであってもよい。燃料は、チャンバ12の中で空気と混合されて可燃性ガスを生成する。ファン34は、チャンバ12の中に配置され、水平構造部材16又は18のどちらかによって形成される平面に対して概ね平行な平面で回転する。ファン34の回転が、チャンバ12内で燃料と空気を急速且つ一様に混合する。機構10の安定していて予測し得る動作を提供するために、均一な燃料/空気混合気が望ましいものである。より速く均一な燃料/空気混合気が得られ、その時より短い時間が反復サイクル間又は本機構の使用中に必要とされ、そのことも望ましいことである。
【0023】
燃料/空気混合気を発火させるための点火源36が、チャンバ12の中に備えられており、また水平構造部材18に好ましく配置されている。点火源36は、スパークプラグであることが好ましいが、可燃性ガスの急速且つ制御された発火を可能にする、本技術分野で知られたどのような装置であってもよい。操作者からの信号を受けると、点火源36はスパークを発生させ、このスパークが、チャンバ12の点火源36の領域において可燃性燃料/空気混合気を発火させ、そのために火炎の前線が生成されて、この火炎の前線が点火源36からチャンバ12の反対側の端まで進む。火炎の前線は、球面波面に類似の表面積を有して、点火源36から外側に移動する。燃料をチャンバ12の中で燃焼させるために必要な時間は、火炎の前線の表面積に依存している。本発明の発明者は、ファン34によって生み出される乱流が、移動する火炎の前線の表面積を著しく増大させることを見出した。それ故火炎の前線のより大きな表面積は、チャンバ12における燃料/空気混合気のより速い燃焼を可能にし、このことは望ましいことである。
【0024】
燃焼による圧力は、火炎を高エネルギ火炎ジェットとして火炎ジェットポート38を通ってチャンバ12の外へ推進させ、前記高エネルギ火炎ジェットは、Aで示された概略の方向でチャンバ12の外に進行する。火炎ジェットポート38は、火炎を加速するために、点火源36から十分な距離を置いて水平構造部材16に設けられることが好ましい。一つの実施例では、火炎ジェットポート38は、点火源36を0度としたとき、点火源36から270度で垂直面に位置決めされている。
【0025】
燃焼後に、燃焼副生成物がチャンバ12から迅速に掃気/除去されることが望ましい。ファン34は、チャンバ12のより速い掃気も促進する。好適な実施例では、掃気工程が、ファン34の回転面と点火源36との間の垂直構造部材14に設けられている少なくとも一つの再循環ポート40によってさらに助長される。再循環ポート40は、補助的な工程の一つである燃料混合も促進する。
【0026】
ここで図3〜5を参照すると、別の燃焼装置が、全体を参照符号50で指定されており、そして二チャンバ構成に火炎生成機構10を組み込んでいる。燃焼チャンバ12は装置50の第一チャンバとして働いている。第二チャンバ52も備えられて、二チャンバ装置50の他方のチャンバとして機能している。好適な実施例では、第二チャンバ52は、燃焼チャンバ12の全体形状構造と同様の全体形状構造を有しており、そして、同一の硬く剛性を有し燃焼耐性のある材料から形作られている。
【0027】
第二チャンバ52は、概ね垂直な壁54と二つの対向する上部水平壁56及び下部水平壁58とをもっているが、それら壁の寸法は、燃焼チャンバ12の同等な構造部材の形状と必ずしも一致している必要はない。壁54の正確な形状が、個々の装置や用途に適するように変化すること、及び丸み若しくは他の非直線形状を含むことがあることが予想される。燃焼チャンバ12の形状が、個々の装置や用途に適するように非直線形状であることも同様に予想される。チャンバ12及び52は、火炎が燃焼チャンバ12の中で生み出されて火炎の高速ジェットとして火炎ジェットポート38から第二チャンバ52の中に前進的に移動するように、構成されている。
【0028】
容積V1が燃焼チャンバ12によって形成され、容積V2が第二チャンバ52によって形成される。好適な実施例では、燃焼チャンバ12は、第二チャンバ52の中に部分的に若しくは全体的に配置される。図4は、第二チャンバ52の中に部分的に配置された燃焼チャンバ12をもつ装置50を示している。両方の構成で、容積V2は、燃焼チャンバ12によって占められた容積をマイナスした、第二チャンバ52の形状の中の全容積によって形成されている。この点で、容積V2は、容積V1若しくは第二チャンバ52の形状を変化させることなしに、燃焼チャンバ12の配置に応じて変化することができる。
【0029】
好適な実施例では、燃焼チャンバ12の、第二の若しくは上の水平構造部材18が、第二チャンバ52の上部水平壁56の一部から形作られることさえ可能であり、その時垂直構造部材14及び水平構造部材16が、容積V1およびV2の間のカップ状仕切りを形成する。代替実施例では、図5に示されるように、第一水平構造部材16が替わりに上部水平壁56の一部分から形作られている。両方の実施例において、チャンバ12及び52は、容積V1及びV2が火炎ジェットポート38を介して連通するように、並びに機構10が燃焼圧力を容積V2の中に生み出すように、相対的に配置されている。
【0030】
本発明の発明者は、ファン34の回転が燃焼チャンバ12の中に渦を導入すること、及び火炎ジェットポート38が火炎ジェットポート38からのスパークの下流に配置されるとき、容積V2の中の燃焼圧力が渦の方向で増大することを見出した。点火源36から火炎ジェットポート38までの好適な角度αは、燃焼チャンバ12の寸法とファン34の回転速度とによって変わる。好適な実施例では、火炎ジェットポート38は、火炎ジェットポート38と点火源36との間の間隔を最大にする位置であるジョイント20に設けられている。設計の目標は、点火源36から火炎ジェットポート38まで火炎が移動するために必要とする時間を大きく増大させることなしに、燃焼チャンバ12の中で火炎の最大限の加速を可能にするために、火炎ジェットポート38を点火源36からある距離を置いて転置することである。これら二つの要素は調和されなければならず、また個別の構成若しくは用途に応じて変えることのできる重みを有していなければならない。
【0031】
ここで図6を参照すると、別の火炎生成機構が、全体を参照符号60で指定されている。この実施例では、火炎ジェットポート38が水平構造部材16の中央に配置されている。いくつかの実施例では、スペースの要件が中央ポート配置を望ましい配置にする。しかしながら、そのようないくつかの構成では、最大限の火炎の加速を達成するために火炎が点火源36から移動するのに十分な距離を燃焼チャンバ12の中で得ることができない。本発明の発明者は、遮壁62が、火炎ジェットポート38を覆って燃焼チャンバ12の内側に配置されて、前記遮壁62が、遮壁62の周りを火炎が移動する追加的距離を有効に生み出すことを見出した。火炎は、ポート38から好適な距離だけ離れて設けられた、遮壁62の開口64の中に進行する。遮壁62は、火炎が好適な距離を移動することを必要にするチャンネルを提供するどのような形状のものであってもよい。同様の遮壁構造が、中央に配置されていない火炎ジェットポート、若しくは複数の火炎ジェットポートを採用している、より長い火炎移動距離が望ましいところの機構に組み入れられてもよいことも予想される。
【0032】
本発明の前述の構成によると、音速に至り音速を超える火炎ジェット速度が実現されて火炎ジェットポート38を通過する。火炎の速度は一般的に温度に依存している。例えばある火炎温度では、本発明は、毎秒1000メートル(m/s)に至る火炎ジェット速度を実現することができる。本発明の発明者は、前述の構成に関して300m/sを越える平均火炎ジェット速度を観測した。この平均火炎ジェット速度は、在来の二チャンバシステムで期待できる火炎ジェット速度の約5から10倍である。この改良は、ファンシステムを持った在来の単一チャンバにおける平均20〜30m/sの平均火炎速度と比較したとき更に注目に値する。
【0033】
ポート38を通る火炎ジェットの速度が音速に達するとき、“チョーク流れ”状態がポート38に現れ、このことは、火炎ジェット速度は、一旦“チョーク”されると音速の壁を超えて増大することがないことを意味する。チョーク流れは目的を達するためには望ましい状態である。なぜなら本発明の発明者は、火炎ジェットがポート38から容積V2に入るとき火炎ジェットにエネルギーを与える衝撃波及び/又は定在波を前記状態が生み出すことを見出した。この高速の、エネルギを与えられた火炎ジェットは、容積V2内の燃料/空気混合気の急速な発火と燃焼とを可能にする。本発明の発明者は、チョーク流れ状態に達した場合、容積V2内の圧力が急速に増加し始めることも見出した。チョーク流れを得るために必要な時間は、容積V1の燃焼時間に影響される。チョーク流れは、容積V1の燃焼時間が減少するほど早く到達される。
【0034】
火炎ジェットポートにおけるチョーク流れ状態は、本発明の通常の構成に関しては、火炎ジェットの速度を音速に制限している。しかしながら、本発明の発明者は、音速より速い容積V2の中への火炎ジェット速度が、超音速ノズルを火炎ジェットポート38の場所に使用することによって得られることを見出した。容積V2内の火炎ジェット速度が音速を超えて増大するとき、更に強力な燃焼が容積V2内で得られ、次に前記強力な燃焼が、より急速な燃焼とより大きな燃焼圧力とに帰着する。
【0035】
ここで図7a〜7dを参照すると、“収束/発散”断面形状を有しているいくつかの超音速ノズル65a〜dが示されている。このように超音速ノズルは、容積V1と容積V2との間の燃焼連通路になる。超音速ノズルの収束/発散形状は、容積V2の中に入る火炎ジェットに更にエネルギを与え、そしてそれと共に容積V2内の空気/燃料混合気の燃焼速度を増加させる。超音速ノズルに対する収束/発散構造は好ましいものであるが、音速より速い速度を有する火炎ジェットの通過を可能にする他の構造も考えられる。
【0036】
容積V2内の燃焼からの圧力増加が、火炎ジェットポート38若しくは再循環ポート40を通して、容積V1の中への逆流をもたらすことがある。リード弁は、ポートを通過する一方向だけの流れを可能にすることに関して有用である。リード弁は通常は閉じているが、弁の一方の側の圧力が十分な閾値に達したときだけ開く。リード弁は、容積V2から容積V1への逆流を防ぐ一方、リード弁は、通常は閉じていて一方向の流れだけを可能にするので、高圧燃焼事象の間の非燃焼補助的工程の迅速な完了に対して逆効果を有することがある。
【0037】
ここで図8を参照すると、ルーバー66及び68が、再循環ポート40及び火炎ジェットポート38にそれぞれ設けられており、またルーバー66および68は、燃焼チャンバ12と同じ、硬くて剛性を有した燃焼耐性のある材料から作られていることが好ましい。ルーバー66及び68は、開いているようにスプリング付勢されていて、燃焼チャンバ12の中へ又は燃焼チャンバ12から外への空気の流れを可能にする。リード弁とは異なって、ルーバー66及び68は通常は開いていて、ルーバーの一方の側の圧力が閾値に到達したときにだけ閉じる。ルーバー66及び68は通常は開いているので、より多量の空気の流れが、燃焼事象の間において燃焼チャンバ12を通して可能になり、そのことによって補助的工程を完了するのに必要な時間が短縮される。
【0038】
しかし燃焼事象の間に、圧力が容積V2内で急速に高まるので、容積V2内の圧力による力がスプリング付勢力より大きくなったとき、ルーバー66及び68は閉じる。しかしながら、本発明の発明者は、燃焼中に再循環ポート40が開いていて、たとえ容積V2内の圧力がリード弁又はルーバー66を使ったとき見られるほど高くはないとしても、容積V2内の十分な圧力がまだ得られることを見出した。垂直構造部材14と垂直壁54との間の隙間から、再循環ポート40を通る逆流は、したがって本発明の改良された構成の使用に対する有意な関心事ではない。
【0039】
ここで図9を参照すると、ガス燃焼駆動式ピストン工具が、全体を参照符号70で指定されており、そして二チャンバ装置50をその構成に組み入れている。装置50は、シリンダ72と接触しており、シリンダ72は、下部水平壁58の開口76を介してピストン74を滑動可能に収容している。好適な実施例では、ピストン74と、ピストン室72の完全に突き出た端部78とが、水平壁58の一部分を形作っている。容積V2内の燃焼圧力の急速な増大が、ピストン74を装置50から離れる方向でピストン室72の下方に移動させる。
【0040】
ここで図10及び11を参照すると、別の工具が、全体を参照符号80で指定されており、又装置50を組み込んでいるが、ここでは複数の火炎ジェットポート38と複数の再循環ポート40とを採用している。追加のポートは、燃焼サイクル中だけでなく、チャンバ内の燃焼副生成物が除去されて清浄な空気が入るところの掃気中にも、燃焼チャンバ12と第二チャンバ52とを通る空気のより多量の流れを促進する。
【0041】
図11は、掃気状態の工具80を示しており、そこでは第二チャンバ52が、燃焼チャンバ12とピストン室72とから可動的に切り離されて、容積V2に第一開口82と第二開口84とを提供している。清浄な空気は、第一開口82を通って容積V2の中に好ましく流れ込み、次いで再循環ポート40を通って容積V1の中に流れ込む。燃焼副生成物は、火炎ジェットポート38を通って容積V1から流し出され、次いで第二開口84を通って容積V2から流し出される。掃気の後、第二チャンバ52は、容積V2を密封して次の燃焼サイクルのための燃料注入を可能にするために、燃焼チャンバ12とピストン室72とに可動的に再係合する。
【0042】
ここで図12を参照すると、更に別の工具が、全体を参照符号90で指定されており、又装置50を組み込んでいて、そして図11に示されるように第二チャンバ52を可動的に切り離している。しかしこの実施例では、燃焼チャンバ12の垂直構造部材14が、水平構造部材18から可動的に切り離されて、ジョイント24に開口92を形成している。切り離し中に、開口92は燃焼チャンバの中への空気の流れを可能にして、前述された再循環ポートの機能を果たす。好適な実施例では、水平構造部材16は固定されていて、垂直構造部材14が水平構造部材16から可動的に切り離されてジョイント20に開口94を形成し、容積V1及びV2を掃気する間に燃焼チャンバ12を通る更に多量の空気の流れを可能にする。
【0043】
この実施例によると、チャンバ12及び52は、共に若しくは独立して開口しそして閉じるために切り離されてよい。第二チャンバ52は保持部材96により燃焼チャンバ12に好ましく接続されている。保持部材96は、空気の流れと燃料混合気とを可能にする、燃焼耐性を有した可撓性網組み材であるが、本技術分野で知られた、可撓性と燃焼耐性とを有するどのような材料から作られてもよい。保持部材96は、チャンバ12及び52を共に開口させそして閉じるために押しやるのに十分剛であるか、あるいはチャンバ12及び52を独立して動かすことが可能なほど十分に可撓性を有している。好適な実施例では、第二チャンバ52は、垂直構造部材14が再係合して開口92及び開口94を閉じて容積V1を密封する前に、再係合して開口82及び開口84を閉じて容積V2を密封する。従って容積V1は、少しの時間開口したままであり、容積V1と容積V2との間のより多量の燃料の移動と混合とを可能にする。次に垂直構造部材14が、再係合して容積V1を密封した後、工具90は点火される。
【0044】
装置50のコンパクトな構造は、その改良された燃焼速度特性により、工具80におけるピストン遅延化装置に対する必要性を免れさせる。本発明の改良された構成は、工具80を形成するために必要な材料の量を減少させもする。本発明により経験された短縮された燃焼時間は、チャンバ壁への熱損失の減少を追加的に引き起こす。熱損失によって引き起こされるマイナスの効果は、ファン34の作動によってなお更に改善され、前記ファン34は工具80の内部構成部品を追加的に冷却する。装置50の改良された流れと循環は、使用者がチャンバ12の中にスパークを生み出すことなく工具80を作動させた場合、燃焼チャンバ12のあふれを防ぐように働く。
【0045】
本技術分野に知識を有するものは、本発明におけるような燃焼装置が、ピストンを駆動する他の機器、もしくは燃焼装置によって駆動される装置一般に有効に採用され得ることを知らされる。本発明の燃焼機構の詳細な実施例が示されそして説明されてきたが、より広い態様にありかつ特許請求の範囲に記載した本発明から逸脱することなく変更及び修正が行われてもよいことが、本技術分野に知識を有する者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1aは、本機構の好適な実施例の概略縦断面図である。
図1bは、本機構の別の実施例の概略縦断面図である。
【図2】図2は、本発明の水平構造部材の平面図である。
【図3】図3は、本発明の機構を採用している二チャンバシステムの概略縦断面図である。
【図4】図4は、本発明の他の実施例の断面図である。
【図5】図5は、本発明の更なる実施例の断面図である。
【図6】図6は、本発明の燃焼チャンバの部分断面図であり、中央に配置された火炎ジェットポートの特徴を示している。
【図7】図7a〜dは、本発明の超音速ノズルの部分概略断面図である。
【図8】図8は、図2で示された二チャンバシステムの部分断面図であり、本発明の再循環の特徴を示している。
【図9】図9は、本発明の二チャンバ装置を採用している工具の概略縦断面図である。
【図10】図10は、図9に示された工具の他の実施例の概略縦断面図である。
【図11】図11は、図10に示された工具の概略縦断面図であり、本発明の掃気の特徴を示している。
【図12】図12は、図11に示された工具の他の実施例の概略縦断面図である。
【符号の説明】
14…垂直構造部材
16…水平構造部材
18…水平構造部材
34…ファン
36…点火源
38…火炎ジェットポート
40…再循環ポート
【発明の属する技術分野】
本発明は、火炎ジェットを生成するための機構に関するものであり、より具体的には、火炎ジェットが生成されて一方の容積から他方の容積に送られるところの二容積燃焼装置に関するものであって、特に燃焼駆動式ファスナ発射工具に関連している。
【0002】
【従来の技術】
ガス燃焼装置は、当該技術分野では公知である。この技術の実際的な用途は燃焼駆動式ファスナ発射工具に見出される。ファスナを加工材に打ち込むために使用されるIMPULSE(登録商標)ブランドの工具としても知られているそのような工具の一つのタイプは、ニコリッチ(Nikolich)に対して与えられた特許の、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5、特許文献6、及び特許文献7に記載されており、これら全ての特許文献は、ここに引用することをもって添付に代える。同様な燃焼駆動式の釘/ステープル発射工具は、IMPULSE(登録商標)ブランドでイリノイ州バーノンヒルズのITW−Paslodeから市販されて入手可能である。
【0003】
通常そのような工具は、小さな内燃機関を収容しているピストル形の工具ハウジングを含んでいる。機関は、燃料セルとも呼ばれている、加圧燃料ガスの缶によって駆動される。電池式の電子パワー分配ユニットが、点火のためのスパークを生み出し、燃焼チャンバに配置されたファンが、チャンバ内の効率的な燃焼を提供し、同時に装置の燃焼動作に対する補助的な工程を円滑にする。そのような補助的な工程は、燃焼チャンバに燃料を投入すること、及び燃料と空気をチャンバ内で混合すること、及び燃焼副生成物を除去若しくは掃気することが含まれる。機関は往復ピストンを含んでおり、このピストンは、単一シリンダ本体の中に配設された細長い剛性駆動ブレードをもっている。
【0004】
弁スリーブが、シリンダの周りで軸方向に往復可能であり、又連動機構の末端の加工物接触要素が加工物に押し付けられたとき、弁スリーブは連動機構を介して移動して燃焼チャンバを閉じる。この押し付ける動作は、燃料計量弁が規定の容量の燃料を閉じられた燃焼チャンバの中に導くことを引き起こす。
【0005】
引き金スイッチを引いたとき、引き金を引くことは、スパークに機関の燃焼チャンバにおける装填ガスを発火させ、ピストンと駆動ブレードとが下方に発射されて位置決めされているファスナに衝突しこのファスナを加工材の中に打ち込む。次にピストンは、シリンダの中のガス圧力差によって、ピストンの元の位置もしくは“準備”位置に戻る。ファスナは、マガジン形式でノーズピースの中に供給されており、そこではファスナは、駆動ブレードの衝撃を受けるように適切に位置決めされた姿勢で保持されている。
【0006】
可燃性の燃料/空気混合気が発火されると、チャンバにおける燃焼が、ピストン/駆動ブレード組立体の加速と、ファスナがあればファスナの加工材の中への貫入とを引き起こす。チャンバ内の燃焼圧力は、ピストンがファスナを駆動するのに使う力の大きさに影響するので、重要な考慮すべき事項である。他の重要な考慮すべき事項は、ピストンを駆動するため、及び機関の燃焼サイクル間の補助的工程を実行するために必要な時間の長さである。燃焼駆動式工具の一般的操作者は通常、引き金を引いた後ファスナを発射するために要する時間が約35〜50ミリ秒より長い場合に遅いと感じるであろう。燃焼チャンバにファンを組み込んでいない在来の他のタイプの燃焼駆動式工具がある。
【0007】
単一チャンバ燃焼システムは、速い燃焼サイクル時間を達成することにおいては有効である。しかしながら、このタイプのシステムは、他のガス燃焼駆動式工具に見られるピーク燃焼圧力と同じほど高い、ピストンを駆動するためのピーク燃焼圧力を通常は実現しない。
【0008】
優れたピーク燃焼圧力を生み出す一つのそのような在来の燃焼駆動式工具は二チャンバシステムであり、そこでは少なくとも一つのチャンバが、管形状を有しており、そして第二のチャンバに接続されている。管状の第一のチャンバは、管の全長Lと直径Dとを有しており、そしてL/D比率は、大であることが知られていて,即ち2から20の間にあり,また好ましくは10である。スパークプラグが第一のチャンバの閉じた一方の端部に設けられており、この管状チャンバのもう一方の端部はポートを介して第二のチャンバと連通している。二つのチャンバを接続するポートは一般的にリード弁を含んでおり、前記リード弁は、第二チャンバから第一チャンバへの圧力の逆流を防ぐために通常は閉じられた状態になっている。
【0009】
容積V1を有する第一管状チャンバは、圧縮器として機能する。容積V1内の燃料/空気混合気は、管状チャンバの閉じられた端部でスパークプラグによって点火されて、火炎の前線を管のポート端部の方に前進させる。火炎の前線が前進するとき、火炎の前線より先に進んだ未燃焼の燃料/空気が、第二チャンバ若しくは容積V2の中に押し込められることによって容積V2内の燃料/空気混合気を圧縮する。火炎が、容積V1からポートとリード弁とを通って容積V2の中へ伝播されるとき、容積V2内の空気/燃料混合気が発火する。こうして容積V2内の発火されたガスが容積V2内に圧力を急速に立ち上げ、そして容積V1へ戻る圧力損失を回避するためにリード弁を閉じる。容積V2内のより高い圧力が、システムの最終的燃焼圧力であり、より高い圧力は望ましいことである。より長い管が容積V2内へのより大きな予備圧縮を生み出すことが知られているので、従ってより長い管状チャンバが容積V1として通常は好ましい。
【0010】
しかしながら容積V1の長い管は、容積V1の閉鎖された端部におけるスパークと容積V2内の空気/燃料混合気の発火との間のより長い時間を結果として招き、これは望ましくないことである。ピストン駆動工具システムでは容積V2の長い発火時間が、ピストン遅延機構に対する必要性も生み出し、その結果容積V2内の圧力が、得ることが可能な最大圧力まで増大する直前に、ピストンの運動が開始される。典型的な二チャンバシステムは、容積V2内のピーク圧力に到達してピストンを発射するために35ミリ秒を要しており(補助的工程の完了時間を含まないで)、この時間は、工具操作者が工具操作における遅さを通常感じるところの時間量である。
【0011】
これら二チャンバシステム工具についての補助的工程を完了するために必要な時間は、工具操作者が経験する顕著な遅延を付加するであろう。補助的工程時間は、単一チャンバシステムにおけるよりも二チャンバシステムに関して長いことも知られている。補助的工程を完了するための時間は、管状第一チャンバV1の全長が増加するとき更に長くなる。
【0012】
第三の公知のガス燃焼システムは、単一管状容積内に配置された“加速プレート”を利用して、容積を二つに効果的に分割している。加速プレートそれ自身が、二つの容積間の連通のための多数の穴を含んでおり、そして燃料の分配が、二つの開口を持った共通の燃料供給ラインを通して両方の容積に対して個別に行われる。このシステムを採用している装置の操作者は、76.2mm(three−inch)の作動を介して燃料混合を引き起こす。このタイプの装置は、繰返し燃焼サイクルを可能にするように示されている。しかしながら加速プレートに対する欠点は、それらが操作するにはかさばって扱い難いという傾向を有していることである。又、加速プレートの一方の側の容積は、他方の容積を必然的に減少させることなしには増加されない。
【0013】
【特許文献1】
米国再発行特許発明第32452号明細書
【特許文献2】
米国特許第4522162号明細書
【特許文献3】
米国特許第4483473号明細書
【特許文献4】
米国特許第4483474号明細書
【特許文献5】
米国特許第4403722号明細書
【特許文献6】
米国特許第5197646号明細書
【特許文献7】
米国特許第5263439号明細書
【0014】
【課題を解決するための手段】
上述された関心事は、火炎ジェットを生成するための本機構により取り扱われており、前記機構は、可燃性ガスを収容している硬いチャンバ構造体を特徴としている。発火装置が、チャンバの一方の端部で可燃性ガスを発火させて火炎の前線を生み出し、前記火炎の前線がチャンバの中を急速に移動して反対側の端部でチャンバから火炎ジェットとして推進される。チャンバ内のファンは、チャンバ内のガスを混合するように働くことはもとより、乱流も生み出し、この乱流は、火炎の前線がより速くチャンバを横断できるようにする。
【0015】
より具体的には、本発明は、少なくとも一つの垂直構造部材と二つの対向している水平構造部材とから形成される容積を有する、火炎ジェットを生み出すための機構を提供する。回転ファンが、容積の中に設けられ、水平構造部材の平面に対してほぼ平行な平面で回転する。機構は容積内に含まれる可燃性ガスを発火させるために点火源も包含しており、また機構は火炎ジェットを容積の外に推進するように構成されている。
【0016】
別の好適な実施例では、本発明の機構は、二チャンバ燃焼駆動式装置の燃焼チャンバとしても働く。機構によって生み出された火炎ジェットは、燃焼チャンバと連通している第二チャンバの中に推進される。そして第二チャンバの中で生み出された圧力が、第二チャンバに接続されているピストン装置を駆動する。
【0017】
二チャンバシステムでは、この機構は速い燃焼サイクルと、分離されたチャンバにおける高い圧力とを生み出すことに対して有効である。機構は特に、一般的には大きくて扱い難い装置で見られる速い燃焼と高圧力とを、比較的コンパクトな外形で生み出すことに関して有用である。
【0018】
【発明の実施の形態】
ここで図1a及び2を参照すると、高エネルギ火炎生成機構が、全体を参照符号10で指定されて、燃焼チャンバ本体12を含んでおり、この燃焼チャンバ本体12は、垂直構造部材14と、対向している二つの水平構造部材16及び18とによって形成される容積を取り囲んでいる。構造部材14、16、及び18は剛性金属体であることが好ましいが、本技術分野で知られている、強度、剛性、及び燃焼耐性を有する他の材料から形成されてもよい。垂直構造部材14の一方の端部は、ジョイント20において水平構造部材16に固定的に接続されており、垂直構造部材14の反対側の端部は、ジョイント22において水平構造部材18に固定的に接続されている。ジョイント20及び22は、構造部材14及び16を含んだ一つの連続した構造部材であることが好ましいが、繰返し圧力に耐えることができる、溶接、接着、圧縮ガスケット、若しくは他の燃焼耐性ジョイントであってもよい。
【0019】
垂直構造部材14は、円筒状若しくは管状に形作られることが好ましいが、水平構造部材16及び18の外径寸法に一致する、どのような連続した構造部材若しくは一連の構造部材であってもよい。水平構造部材16は、直径Dと外周縁26とをもった円盤24の形を好ましく有している。例えば、垂直構造部材14が円筒である場合、円筒の直径は円盤24の直径Dに一致するであろう。
【0020】
円筒/円盤構造が好適であるとはいえ、垂直構造部材14及び水平構造部材16は、他方に対して直角である必要はなく、あるいは平坦な構造体であることさえ必要としない。水平構造部材16は、例えば半球状であってもよく、そして水平構造部材18の外径とは異なる外径Dを有していてもよい。そのような場合には、垂直構造部材14と水平構造部材16とによって形作られる連続的本体が図1bに示されるように半球状若しくは放物線状になるように、垂直構造部材14は湾曲してよい。本技術分野に知識を有するものは、多数の変則的な三次元形状も又、垂直構造部材14並びに水平構造部材16及び18に使用できて、本発明から逸脱することなしに燃焼チャンバ本体12の容積を形成することに気付くであろう。
【0021】
好適な実施例では、ジョイント20は水平構造部材16の外周縁26を接続し、そこでは外周縁26が垂直構造部材14の一方の端部における円筒直径に接触する。この好適な実施例では、水平構造部材18は、水平構造部材16と同じ寸法を有しており、また同様に垂直構造部材14の反対側の端部の円筒直径をジョイント22において接続している。円筒の垂直構造部材14は、縦横比L/Dが好ましくは2未満であるように全長Lを有している。機構10を採用する工具若しくはシステムでは、コンパクトな構造が好適であるので、1若しくは1/2の縦横比が、なお更望ましい。
【0022】
可燃性燃料が、燃料ライン28から燃料開口30を通ってチャンバ12の中へ供給され、前記燃料開口30は、垂直構造部材14の壁32に配置されていて、ファン34の上流の、チャンバ12の低圧領域に配置されることが好ましい。適切な燃料の一つが、燃焼駆動式ファスナ発射工具に使用されるタイプのガスであるMAPPガスであるのに対して、燃料が、本技術分野で使用されているいくつかの公知の可燃性燃料のいずれであってもよい。燃料は、チャンバ12の中で空気と混合されて可燃性ガスを生成する。ファン34は、チャンバ12の中に配置され、水平構造部材16又は18のどちらかによって形成される平面に対して概ね平行な平面で回転する。ファン34の回転が、チャンバ12内で燃料と空気を急速且つ一様に混合する。機構10の安定していて予測し得る動作を提供するために、均一な燃料/空気混合気が望ましいものである。より速く均一な燃料/空気混合気が得られ、その時より短い時間が反復サイクル間又は本機構の使用中に必要とされ、そのことも望ましいことである。
【0023】
燃料/空気混合気を発火させるための点火源36が、チャンバ12の中に備えられており、また水平構造部材18に好ましく配置されている。点火源36は、スパークプラグであることが好ましいが、可燃性ガスの急速且つ制御された発火を可能にする、本技術分野で知られたどのような装置であってもよい。操作者からの信号を受けると、点火源36はスパークを発生させ、このスパークが、チャンバ12の点火源36の領域において可燃性燃料/空気混合気を発火させ、そのために火炎の前線が生成されて、この火炎の前線が点火源36からチャンバ12の反対側の端まで進む。火炎の前線は、球面波面に類似の表面積を有して、点火源36から外側に移動する。燃料をチャンバ12の中で燃焼させるために必要な時間は、火炎の前線の表面積に依存している。本発明の発明者は、ファン34によって生み出される乱流が、移動する火炎の前線の表面積を著しく増大させることを見出した。それ故火炎の前線のより大きな表面積は、チャンバ12における燃料/空気混合気のより速い燃焼を可能にし、このことは望ましいことである。
【0024】
燃焼による圧力は、火炎を高エネルギ火炎ジェットとして火炎ジェットポート38を通ってチャンバ12の外へ推進させ、前記高エネルギ火炎ジェットは、Aで示された概略の方向でチャンバ12の外に進行する。火炎ジェットポート38は、火炎を加速するために、点火源36から十分な距離を置いて水平構造部材16に設けられることが好ましい。一つの実施例では、火炎ジェットポート38は、点火源36を0度としたとき、点火源36から270度で垂直面に位置決めされている。
【0025】
燃焼後に、燃焼副生成物がチャンバ12から迅速に掃気/除去されることが望ましい。ファン34は、チャンバ12のより速い掃気も促進する。好適な実施例では、掃気工程が、ファン34の回転面と点火源36との間の垂直構造部材14に設けられている少なくとも一つの再循環ポート40によってさらに助長される。再循環ポート40は、補助的な工程の一つである燃料混合も促進する。
【0026】
ここで図3〜5を参照すると、別の燃焼装置が、全体を参照符号50で指定されており、そして二チャンバ構成に火炎生成機構10を組み込んでいる。燃焼チャンバ12は装置50の第一チャンバとして働いている。第二チャンバ52も備えられて、二チャンバ装置50の他方のチャンバとして機能している。好適な実施例では、第二チャンバ52は、燃焼チャンバ12の全体形状構造と同様の全体形状構造を有しており、そして、同一の硬く剛性を有し燃焼耐性のある材料から形作られている。
【0027】
第二チャンバ52は、概ね垂直な壁54と二つの対向する上部水平壁56及び下部水平壁58とをもっているが、それら壁の寸法は、燃焼チャンバ12の同等な構造部材の形状と必ずしも一致している必要はない。壁54の正確な形状が、個々の装置や用途に適するように変化すること、及び丸み若しくは他の非直線形状を含むことがあることが予想される。燃焼チャンバ12の形状が、個々の装置や用途に適するように非直線形状であることも同様に予想される。チャンバ12及び52は、火炎が燃焼チャンバ12の中で生み出されて火炎の高速ジェットとして火炎ジェットポート38から第二チャンバ52の中に前進的に移動するように、構成されている。
【0028】
容積V1が燃焼チャンバ12によって形成され、容積V2が第二チャンバ52によって形成される。好適な実施例では、燃焼チャンバ12は、第二チャンバ52の中に部分的に若しくは全体的に配置される。図4は、第二チャンバ52の中に部分的に配置された燃焼チャンバ12をもつ装置50を示している。両方の構成で、容積V2は、燃焼チャンバ12によって占められた容積をマイナスした、第二チャンバ52の形状の中の全容積によって形成されている。この点で、容積V2は、容積V1若しくは第二チャンバ52の形状を変化させることなしに、燃焼チャンバ12の配置に応じて変化することができる。
【0029】
好適な実施例では、燃焼チャンバ12の、第二の若しくは上の水平構造部材18が、第二チャンバ52の上部水平壁56の一部から形作られることさえ可能であり、その時垂直構造部材14及び水平構造部材16が、容積V1およびV2の間のカップ状仕切りを形成する。代替実施例では、図5に示されるように、第一水平構造部材16が替わりに上部水平壁56の一部分から形作られている。両方の実施例において、チャンバ12及び52は、容積V1及びV2が火炎ジェットポート38を介して連通するように、並びに機構10が燃焼圧力を容積V2の中に生み出すように、相対的に配置されている。
【0030】
本発明の発明者は、ファン34の回転が燃焼チャンバ12の中に渦を導入すること、及び火炎ジェットポート38が火炎ジェットポート38からのスパークの下流に配置されるとき、容積V2の中の燃焼圧力が渦の方向で増大することを見出した。点火源36から火炎ジェットポート38までの好適な角度αは、燃焼チャンバ12の寸法とファン34の回転速度とによって変わる。好適な実施例では、火炎ジェットポート38は、火炎ジェットポート38と点火源36との間の間隔を最大にする位置であるジョイント20に設けられている。設計の目標は、点火源36から火炎ジェットポート38まで火炎が移動するために必要とする時間を大きく増大させることなしに、燃焼チャンバ12の中で火炎の最大限の加速を可能にするために、火炎ジェットポート38を点火源36からある距離を置いて転置することである。これら二つの要素は調和されなければならず、また個別の構成若しくは用途に応じて変えることのできる重みを有していなければならない。
【0031】
ここで図6を参照すると、別の火炎生成機構が、全体を参照符号60で指定されている。この実施例では、火炎ジェットポート38が水平構造部材16の中央に配置されている。いくつかの実施例では、スペースの要件が中央ポート配置を望ましい配置にする。しかしながら、そのようないくつかの構成では、最大限の火炎の加速を達成するために火炎が点火源36から移動するのに十分な距離を燃焼チャンバ12の中で得ることができない。本発明の発明者は、遮壁62が、火炎ジェットポート38を覆って燃焼チャンバ12の内側に配置されて、前記遮壁62が、遮壁62の周りを火炎が移動する追加的距離を有効に生み出すことを見出した。火炎は、ポート38から好適な距離だけ離れて設けられた、遮壁62の開口64の中に進行する。遮壁62は、火炎が好適な距離を移動することを必要にするチャンネルを提供するどのような形状のものであってもよい。同様の遮壁構造が、中央に配置されていない火炎ジェットポート、若しくは複数の火炎ジェットポートを採用している、より長い火炎移動距離が望ましいところの機構に組み入れられてもよいことも予想される。
【0032】
本発明の前述の構成によると、音速に至り音速を超える火炎ジェット速度が実現されて火炎ジェットポート38を通過する。火炎の速度は一般的に温度に依存している。例えばある火炎温度では、本発明は、毎秒1000メートル(m/s)に至る火炎ジェット速度を実現することができる。本発明の発明者は、前述の構成に関して300m/sを越える平均火炎ジェット速度を観測した。この平均火炎ジェット速度は、在来の二チャンバシステムで期待できる火炎ジェット速度の約5から10倍である。この改良は、ファンシステムを持った在来の単一チャンバにおける平均20〜30m/sの平均火炎速度と比較したとき更に注目に値する。
【0033】
ポート38を通る火炎ジェットの速度が音速に達するとき、“チョーク流れ”状態がポート38に現れ、このことは、火炎ジェット速度は、一旦“チョーク”されると音速の壁を超えて増大することがないことを意味する。チョーク流れは目的を達するためには望ましい状態である。なぜなら本発明の発明者は、火炎ジェットがポート38から容積V2に入るとき火炎ジェットにエネルギーを与える衝撃波及び/又は定在波を前記状態が生み出すことを見出した。この高速の、エネルギを与えられた火炎ジェットは、容積V2内の燃料/空気混合気の急速な発火と燃焼とを可能にする。本発明の発明者は、チョーク流れ状態に達した場合、容積V2内の圧力が急速に増加し始めることも見出した。チョーク流れを得るために必要な時間は、容積V1の燃焼時間に影響される。チョーク流れは、容積V1の燃焼時間が減少するほど早く到達される。
【0034】
火炎ジェットポートにおけるチョーク流れ状態は、本発明の通常の構成に関しては、火炎ジェットの速度を音速に制限している。しかしながら、本発明の発明者は、音速より速い容積V2の中への火炎ジェット速度が、超音速ノズルを火炎ジェットポート38の場所に使用することによって得られることを見出した。容積V2内の火炎ジェット速度が音速を超えて増大するとき、更に強力な燃焼が容積V2内で得られ、次に前記強力な燃焼が、より急速な燃焼とより大きな燃焼圧力とに帰着する。
【0035】
ここで図7a〜7dを参照すると、“収束/発散”断面形状を有しているいくつかの超音速ノズル65a〜dが示されている。このように超音速ノズルは、容積V1と容積V2との間の燃焼連通路になる。超音速ノズルの収束/発散形状は、容積V2の中に入る火炎ジェットに更にエネルギを与え、そしてそれと共に容積V2内の空気/燃料混合気の燃焼速度を増加させる。超音速ノズルに対する収束/発散構造は好ましいものであるが、音速より速い速度を有する火炎ジェットの通過を可能にする他の構造も考えられる。
【0036】
容積V2内の燃焼からの圧力増加が、火炎ジェットポート38若しくは再循環ポート40を通して、容積V1の中への逆流をもたらすことがある。リード弁は、ポートを通過する一方向だけの流れを可能にすることに関して有用である。リード弁は通常は閉じているが、弁の一方の側の圧力が十分な閾値に達したときだけ開く。リード弁は、容積V2から容積V1への逆流を防ぐ一方、リード弁は、通常は閉じていて一方向の流れだけを可能にするので、高圧燃焼事象の間の非燃焼補助的工程の迅速な完了に対して逆効果を有することがある。
【0037】
ここで図8を参照すると、ルーバー66及び68が、再循環ポート40及び火炎ジェットポート38にそれぞれ設けられており、またルーバー66および68は、燃焼チャンバ12と同じ、硬くて剛性を有した燃焼耐性のある材料から作られていることが好ましい。ルーバー66及び68は、開いているようにスプリング付勢されていて、燃焼チャンバ12の中へ又は燃焼チャンバ12から外への空気の流れを可能にする。リード弁とは異なって、ルーバー66及び68は通常は開いていて、ルーバーの一方の側の圧力が閾値に到達したときにだけ閉じる。ルーバー66及び68は通常は開いているので、より多量の空気の流れが、燃焼事象の間において燃焼チャンバ12を通して可能になり、そのことによって補助的工程を完了するのに必要な時間が短縮される。
【0038】
しかし燃焼事象の間に、圧力が容積V2内で急速に高まるので、容積V2内の圧力による力がスプリング付勢力より大きくなったとき、ルーバー66及び68は閉じる。しかしながら、本発明の発明者は、燃焼中に再循環ポート40が開いていて、たとえ容積V2内の圧力がリード弁又はルーバー66を使ったとき見られるほど高くはないとしても、容積V2内の十分な圧力がまだ得られることを見出した。垂直構造部材14と垂直壁54との間の隙間から、再循環ポート40を通る逆流は、したがって本発明の改良された構成の使用に対する有意な関心事ではない。
【0039】
ここで図9を参照すると、ガス燃焼駆動式ピストン工具が、全体を参照符号70で指定されており、そして二チャンバ装置50をその構成に組み入れている。装置50は、シリンダ72と接触しており、シリンダ72は、下部水平壁58の開口76を介してピストン74を滑動可能に収容している。好適な実施例では、ピストン74と、ピストン室72の完全に突き出た端部78とが、水平壁58の一部分を形作っている。容積V2内の燃焼圧力の急速な増大が、ピストン74を装置50から離れる方向でピストン室72の下方に移動させる。
【0040】
ここで図10及び11を参照すると、別の工具が、全体を参照符号80で指定されており、又装置50を組み込んでいるが、ここでは複数の火炎ジェットポート38と複数の再循環ポート40とを採用している。追加のポートは、燃焼サイクル中だけでなく、チャンバ内の燃焼副生成物が除去されて清浄な空気が入るところの掃気中にも、燃焼チャンバ12と第二チャンバ52とを通る空気のより多量の流れを促進する。
【0041】
図11は、掃気状態の工具80を示しており、そこでは第二チャンバ52が、燃焼チャンバ12とピストン室72とから可動的に切り離されて、容積V2に第一開口82と第二開口84とを提供している。清浄な空気は、第一開口82を通って容積V2の中に好ましく流れ込み、次いで再循環ポート40を通って容積V1の中に流れ込む。燃焼副生成物は、火炎ジェットポート38を通って容積V1から流し出され、次いで第二開口84を通って容積V2から流し出される。掃気の後、第二チャンバ52は、容積V2を密封して次の燃焼サイクルのための燃料注入を可能にするために、燃焼チャンバ12とピストン室72とに可動的に再係合する。
【0042】
ここで図12を参照すると、更に別の工具が、全体を参照符号90で指定されており、又装置50を組み込んでいて、そして図11に示されるように第二チャンバ52を可動的に切り離している。しかしこの実施例では、燃焼チャンバ12の垂直構造部材14が、水平構造部材18から可動的に切り離されて、ジョイント24に開口92を形成している。切り離し中に、開口92は燃焼チャンバの中への空気の流れを可能にして、前述された再循環ポートの機能を果たす。好適な実施例では、水平構造部材16は固定されていて、垂直構造部材14が水平構造部材16から可動的に切り離されてジョイント20に開口94を形成し、容積V1及びV2を掃気する間に燃焼チャンバ12を通る更に多量の空気の流れを可能にする。
【0043】
この実施例によると、チャンバ12及び52は、共に若しくは独立して開口しそして閉じるために切り離されてよい。第二チャンバ52は保持部材96により燃焼チャンバ12に好ましく接続されている。保持部材96は、空気の流れと燃料混合気とを可能にする、燃焼耐性を有した可撓性網組み材であるが、本技術分野で知られた、可撓性と燃焼耐性とを有するどのような材料から作られてもよい。保持部材96は、チャンバ12及び52を共に開口させそして閉じるために押しやるのに十分剛であるか、あるいはチャンバ12及び52を独立して動かすことが可能なほど十分に可撓性を有している。好適な実施例では、第二チャンバ52は、垂直構造部材14が再係合して開口92及び開口94を閉じて容積V1を密封する前に、再係合して開口82及び開口84を閉じて容積V2を密封する。従って容積V1は、少しの時間開口したままであり、容積V1と容積V2との間のより多量の燃料の移動と混合とを可能にする。次に垂直構造部材14が、再係合して容積V1を密封した後、工具90は点火される。
【0044】
装置50のコンパクトな構造は、その改良された燃焼速度特性により、工具80におけるピストン遅延化装置に対する必要性を免れさせる。本発明の改良された構成は、工具80を形成するために必要な材料の量を減少させもする。本発明により経験された短縮された燃焼時間は、チャンバ壁への熱損失の減少を追加的に引き起こす。熱損失によって引き起こされるマイナスの効果は、ファン34の作動によってなお更に改善され、前記ファン34は工具80の内部構成部品を追加的に冷却する。装置50の改良された流れと循環は、使用者がチャンバ12の中にスパークを生み出すことなく工具80を作動させた場合、燃焼チャンバ12のあふれを防ぐように働く。
【0045】
本技術分野に知識を有するものは、本発明におけるような燃焼装置が、ピストンを駆動する他の機器、もしくは燃焼装置によって駆動される装置一般に有効に採用され得ることを知らされる。本発明の燃焼機構の詳細な実施例が示されそして説明されてきたが、より広い態様にありかつ特許請求の範囲に記載した本発明から逸脱することなく変更及び修正が行われてもよいことが、本技術分野に知識を有する者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1aは、本機構の好適な実施例の概略縦断面図である。
図1bは、本機構の別の実施例の概略縦断面図である。
【図2】図2は、本発明の水平構造部材の平面図である。
【図3】図3は、本発明の機構を採用している二チャンバシステムの概略縦断面図である。
【図4】図4は、本発明の他の実施例の断面図である。
【図5】図5は、本発明の更なる実施例の断面図である。
【図6】図6は、本発明の燃焼チャンバの部分断面図であり、中央に配置された火炎ジェットポートの特徴を示している。
【図7】図7a〜dは、本発明の超音速ノズルの部分概略断面図である。
【図8】図8は、図2で示された二チャンバシステムの部分断面図であり、本発明の再循環の特徴を示している。
【図9】図9は、本発明の二チャンバ装置を採用している工具の概略縦断面図である。
【図10】図10は、図9に示された工具の他の実施例の概略縦断面図である。
【図11】図11は、図10に示された工具の概略縦断面図であり、本発明の掃気の特徴を示している。
【図12】図12は、図11に示された工具の他の実施例の概略縦断面図である。
【符号の説明】
14…垂直構造部材
16…水平構造部材
18…水平構造部材
34…ファン
36…点火源
38…火炎ジェットポート
40…再循環ポート
Claims (9)
- 少なくとも一つの高エネルギの火炎ジェットを生成するための機構であって:
少なくとも一つの垂直構造部材と二つの対向している水平構造部材とから形成される容積と;
前記容積の中の回転ファンであって、前記水平構造部材の平面に対して概ね平行な平面で回転する回転ファンと;
前記容積の中に収容された可燃性ガスを発火させるための点火手段と;を具備していて、前記容積の外に火炎ジェットを推進するように構成されている、少なくとも一つの高エネルギの火炎ジェットを生成するための機構。 - 前記垂直構造部材が全長Lを、前記水平構造部材が直径Dを有していて、前記容積の比率L/Dが2未満であるところの、請求項1に記載の機構。
- 前記水平構造部材のうちの第一水平構造部材が少なくとも一つの火炎ジェットポートを含んでいて、前記火炎ジェットポートを通して火炎が推進されるところの、請求項1に記載の機構。
- 前記火炎ジェットポートが、前記点火手段の下流でかつ前記ファンの回転によって生み出される渦の方向に設けられるところの、請求項3に記載の機構。
- 前記容積の中へ向いている前記火炎ジェットポートの開口を覆う遮壁を更に具備していて、前記遮壁が、第一開口と、第二開口と、前記第一開口と第二開口とを接続しているチャンネルとを有していて、前記第一開口が前記火炎ジェットポートを範囲に含んでいて、前記第二開口が前記火炎ジェットポートから離れて前記容積の中に設けられている、請求項3に記載の機構。
- 前記少なくとも一つの垂直構造部材が、少なくとも一つの再循環ポートを包含しているところの、請求項3に記載の機構。
- 前記火炎ジェットポートが超音速ノズルを包含しているところの、請求項3に記載の機構。
- 前記ファンの回転面が前記再循環ポートと前記第一水平構造部材との間に配設されるように、前記少なくとも一つの再循環ポートが前記垂直構造部材に設けられていて、前記点火手段が前記第一水平構造部材に設けられているところの、請求項6に記載の機構。
- 前記火炎ジェットポートと再循環ポートとに配設されたルーバーであって、通常は開いた状態であるが、前記容積の外側の圧力が圧力閾値より高くなったとき閉じるルーバーをさらに具備している、請求項6に記載の機構。
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