JP2004345080A - ファンチャンバ用のポート、ファンチャンバ、および多重チャンバ・ガス燃焼動力式装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 火炎の失火等の問題を克服する改善された構成を有するファンチャンバ用のポートを提供することにある。
【解決手段】 ポート５２は、水平基壁をこれと対向する水平出口壁５４と連結する実質的に連続的な少なくとも一つの鉛直壁５６によって形成されるボリュームを画成するファンチャンバ５０に使用される。ボリューム内に水平壁の少なくとも一方の平面とほぼ平行な平面内で回転可能なファン５８が設けられる。ポートは、出口壁の中心と出口壁の外縁との間に配置された内側部６２と、内側部と出口壁の外縁との間に配置された一つの外側部６４と、外側部の端部と上記内側部の端部とをそれぞれ連結する対向する二つの正割側部６８、７０とから形成される。内側部は出口壁の中心に対して直線または凸状線を形成する。
【選択図】 図５

Description

本発明はファンチャンバ用のポートに関し、より詳細にはチャンバボリュームから圧縮ガス（圧縮気体）が低圧の外部ボリュームへと放出されるポートを用いた燃焼動力式締結具打込み工具に関する。

当業界においてガス燃焼装置(gas combustion device)は公知である。この技術の実用的用途は、燃焼動力式締結具打込み工具に見られる。被加工材へと締結具を打ち込む上で用いられるIMPULSE(登録商標)の名称の工具としても知られた斯かる工具のひとつの形式は、本発明と同様に本出願人に譲渡されると共にそれらの全ての開示内容は言及したことにより本明細書中に援用されるニコリッチ(Nikolich)に対する米国再発行特許の明細書（特許文献１）、ならびに、特許文献２から７に記述されている。同様の燃焼動力式の釘およびステープル打込み工具は、イリノイ州、バーノンヒルのアイティーダブリュ−パスロード社(ITW-Paslode of Vernon Hills, Illinois)からIMPULSE(登録商標)の名称で且つフランス、ヴァランス市のイテドゥブルヴェ−エスペイテ社(ITW-S.P.I.T. of Bourg-les-Valence, France)からPULSA(登録商標)の名称で市販されている。

公知の燃焼動力式締結具打込み工具が図１に示されている。工具１０は小型の内燃機関１４を包囲するほぼピストル形状の工具ハウジング１２を有する。上記機関は、燃料セル(fuel cell)とも称される加圧燃料ガスの収容缶（canister;図示せず）により動力供給される。バッテリにより給電される電子式配電ユニット（図示せず）は点火のための火花を生成すると共に、燃焼チャンバ１８内に配置されたファン１６は、該燃焼チャンバ１８内における効率的な燃焼を提供する一方で、当該装置の燃焼動作に付随するプロセスを促進する。

斯かる付随的プロセスとしては、燃焼チャンバ１８内への燃料の投入、上記燃焼チャンバ１８内における燃料と空気の混合、および燃焼副生成物の除去もしくは排出が挙げられる。これら付随的プロセスに加え、上記ファンは更に上記工具を冷却し且つ燃焼エネルギの出力を増大させる役割を果たす。上記機関１４は、シリンダ本体２４内に配設された長寸の剛性ドライバブレード２２を備えた往復ピストン２０を有する。

シリンダ本体２４回りにおいてバルブスリーブ２６は軸線方向に往復動可能であると共に、該バルブスリーブ２６は、該リンク機構の端部における被加工物接触要素２８が被加工材３０に対して押圧されたときに、リンク機構（図示せず）を介して上記燃焼チャンバ１４を閉じるように移動する。この押圧作用によって燃料計量供給バルブも起動され、閉じられた燃焼チャンバ１８内へと特定体積の燃料が導入される。

また、火花を引き起こすトリガスィッチ３２が引かれることで、上記機関１４の燃焼チャンバ１８内におけるガスの充填物が点火される。ピストン２０およびドライバブレード２２が下方へと発射され、位置決めされた締結具を衝撃して該締結具を被加工材３０内へと打込む。次にピストン２０はシリンダ本体２４内における差分的なガス圧力(differential gas pressures)により、その元の位置もしくは「準備」位置へと戻る。各締結具はマガジン形式でノーズピース（nosepiece）３４内に供給され、そこでそれらは上記ドライバブレード２２の衝撃を受けるべく適切に位置決めされた配向で保持される。

可燃な燃料／空気混合気が点火されることで、チャンバ１８内での燃焼により点火済ガスが燃焼チャンバ１８内のポート３６を介して移送され、これによりピストン／ドライバブレードの組立体２０／２２が加速され、締結具がノーズピース３４内に存在するならば被加工材３０内へ締結具が貫通せしめられる。燃焼チャンバ１８内の燃焼圧は、ピストン２０が締結具を打込む力の大きさに影響を及ぼすので重要な考慮事項である。他の重要な考慮事項は、ポート３６を介して送られた点火済ガスによってピストンを打ち込むのに、および機関の燃焼工程間に付随的なプロセスを完了するのに必要な時間である。

燃焼中に、短時間に燃焼チャンバ１８からシリンダ本体２４へかなり多量のガスが移送されることが必要である。ファン１６はその回転によりこのプロセスを加速させる。ファン１６の効率は燃焼チャンバ１８およびシリンダ本体２４の設計形態およびこれらの接続形態によってかなり影響を受ける。また、ファン１６は幾つかの他の機能を果たす。すなわち、ファン１６は、空気と燃料とを混合し、排気ガスを排出し、工具１０を冷却し、且つ燃焼エネルギの出力を増大させる。

ここで図２〜図４を参照すると、チャンバ１８内におけるファン１６の回転の効果が図示されている。ファン１６が回転すると、チャンバ１８内に方向Ａに渦巻（swirl）が発生する。渦巻の速度は、回転中心において零に等しく、チャンバ１８の外壁３８の最も近傍で最大となる。チャンバ１８は典型的には円周方向の渦巻の効率を最大にするように円筒として形成される。渦巻の速度分布は、図２に明示したように、回転中心から外壁３８まで概して直線的に、チャンバ１８の円筒壁３８の円形断面の半径の関数として増大するように変化すると考えられる。

渦巻流はチャンバ１８からポート３６を介して移送される。ポート３６は外壁３８と連結したディスク状の頂部プレート４０上に位置する。該プレート４０は少なくとも一つのポートを有する。ポート３６を介して多量のガスを迅速に移送するために、ポートはできるだけ大きく作られ、プレート４０の中心から離れて且つ渦巻が最速となる外壁３８の方に位置決めされる。プレート４０の中央領域は、通常中実であり、図３に明示したようにバルブ／リミッタ組立体を取付けるのに便利な位置として役目を果たす。

ポート３６およびバルブ／リミッタ４２の形状は、結果として生じるポート３６を通るガスの断面流れ（cross-sectional flow）の分布を決定する。本発明者は、ポート３６が円形であると、現れる断面流れは長円形であり、図４に明示したように、ポート３６を横断しておよび通って一致しない。この不一致は、ポート３６を介したガスの流れを不安定にすると共に、ポートを介して移動する点火済ガスの火炎を失火させる。この失火は望ましくないものであるが、ピストン２０と接触するガスが点火されていなくても、チャンバ１８内の点火済ガスからドライバブレード２２を完全に加速させるのに十分な圧力を伝播させることができる。しかしながら、火炎の失火を回避すれば高いエネルギでの燃焼が実現される。

米国再発行特許発明第32,452号明細書 米国特許第4,522,162号明細書 米国特許第4,483,473号明細書 米国特許第4,483,474号明細書 米国特許第4,403,722号明細書 米国特許第5,197,646号明細書 米国特許第5,263,439号明細書

この種の燃焼チャンバにおける円形ポートの使用には幾つかの重大な欠点が存在する。円形ポートはファン１６によって生成される流れの自然な速度分布を利用することができない。上述したように、流れの速度分布は回転中心から離れるにつれて直線的に増大すると考えられる。しかしながら、回転ポートでは当然常にその面積のうちの半分が回転中心から離れるにつれて減少する。よって、回転中心から最も離れた円形ポート３６の直線的な面積は流れの速度分布が最大になる場所で零に近づく。したがって、円形ポート３６では最大のエネルギをもつガスが該円形ポートを介して流れることができず、このことは望ましくない結果である。

燃焼からより大きなエネルギを取り出すために同様な構成にある多重燃焼チャンバシステムが利用される。このような好適なシステムの一つが、本出願人に譲渡されると共にその全ての開示内容は言及したことにより本明細書中に援用される係続中の米国特許出願（代理人整理番号１３６９６）に記述されている。一つ以上のチャンバが一つのファンのみと使用されると、ファンの効率は多重チャンバが設計され連結された態様によって同様な影響を受ける。

このような多重チャンバ構成においては、ポートを介したガスの流れの最大出力は、チャンバからチャンバへガスが移動する狭窄的通路（restrictive path）を生成することにより達成される。狭窄的通路はバルブ、リミッタ、ポートおよびシュラウド（shroud）を組み合わせることによって完成せしめられる。二つのチャンバを連結するポートは典型的にはリードバルブを有し、リードバルブは第二チャンバから第一チャンバへの圧力の逆流を防止するために通常閉じられている。リミッタは移動するガスがバルブを開くのを物理的に制限する。

しかしながら、円形ポートを有するこの種の工具では、より大きな燃焼動力を取り出すのにより狭窄的な通路を利用することは、燃焼の速い段階で或るチャンバから次のチャンバに適切にガスを移送する工具の能力に否定的に影響を及ぼす。加えて、ファンと共に多重ボリューム燃焼チャンバにおいてチャンバを連結するのにシュラウド、ポート、バルブおよびバルブリミッタを用いると、安定的な性能を発揮するシステムの作動環境は非常に狭いものとなる。この不安定さが増大すると、狭窄的通路を介して或るチャンバから次のチャンバへ通過する点火済ガスの火炎が失火する可能性を増大させる。

多重チャンバ構成における火炎の失火は重大な問題である。或るチャンバから流れるガスが次のチャンバ内のガスを点火することができないとき、上記或るチャンバにおいて点火済ガスから生じた圧力は次のチャンバ内のガスによって大部分が吸収される。換言すると、火炎が失火したあとにピストンに到達したガスの圧力は、ピストンと接触するチャンバに流入する空気流からの圧力よりも小さい。火炎の失火により生じたピストンを打込むための圧力の損失はチャンバの数が増大するにつれてより顕著になる。

また、狭窄的通路を介した流れの不安定さは、通路において使用されるバルブの使用寿命を減少させる。さらに、チャンバ間の空気流通路がより狭窄的および複雑になると、構成が複雑になると共に必要な構成要素の数が増大する。よって、上述した問題を克服する改善された構成を有することが望まれている。

上述した問題は、ファンチャンバ用の本発明のポートによって解決される。ファンチャンバは、好ましくは可燃ガスを収容する中実なチャンバ構造を特徴とする。チャンバ内のファンは、チャンバ内のガスに渦巻を発生させるように作用し、ガスがより迅速にポートを横断して且つ通って移動することができるような乱気流を生成する。

より詳細には、本発明は、水平基壁をこれと対面する水平出口壁に連結する少なくとも一つのほぼ連続的な鉛直壁から形成されるボリューム（空間）から成るファンチャンバ用のポートを提供する。ボリューム内には、水平基壁の少なくとも一つによって画成される平面とほぼ平行な平面上に回転可能なファンが配置される。ポートは、出口壁の中心と出口壁の外縁部との間に配置された内側部と、該内側部と出口壁の外縁部との間に配置された一つの外側部とを有するように構成され、内縁部が外側部と出口壁中央との間に配置され、二つの対向する正割側部（secant side）が外側部と内側部との各端部を連結する。内側部は直線または出口壁の中央に対して凸状線を形成する。設計により、ポートは回転ファンによって発生せしめられる自然流の利益を受けるように、そしてより効率的にボリュームの外部にガスを進行させることができるように構成される。

別の実施形態によれば、上記水平な出口壁はほぼ円形状のプレートである。別の実施形態によれば、上記対向する正割側部は上記ほぼ円形状の半径に沿って形成される。別の実施形態によれば、上記対向する正割側部は上記円の直径と平行である。別の実施形態によれば、上記内側部および外側部は円弧と一致する。別の実施形態によれば、上記内側部は上記外側部と平行である。別の実施形態によれば、当該ポートは概して矩形を形成する。別の実施形態によれば、上記対向する正割側部間の距離は上記回転ファンによってポートを横断する渦巻に生じるガスの相対速度分布に対応して増大する。

また、本発明は、ほぼ水平な基壁と、ほぼ水平な出口壁と、上記基壁と上記出口壁とを連結する連続的な鉛直壁と、上記基壁および出口壁の少なくとも一方とほぼ平行な平面で回転可能な当該チャンバ内のファンと、上記水平な出口壁上に配置されると共に、内側部と該内側部に対向する外側部とこれら内側部および外側部を連結する対向する二つの正割側部とを有するポートとを具備し、上記内側部が直線または上記水平な出口壁の中央領域に対して凸状の線を形成し、上記外側部の長さが上記内側部の長さと等しいかまたはそれよりも長いファンチャンバを提供する。

別の実施形態では、上記チャンバ外で上記ポートを覆うように配置されたバルブをさらに具備し、該バルブは通常閉じられているが上記チャンバ内の圧力が該チャンバ外の圧力よりも大きいときに開く。別の実施形態によれば、上記バルブおよびポートを覆うように上記チャンバ外に配置されたバルブリミッタをさらに具備する。別の実施形態によれば、上記バルブリミッタの一方の端部は上記水平な出口壁の中央領域に取付けられ、該バルブリミッタの別の端部は上記鉛直壁の最も近くにおいて上記出口壁から離れるように開いている。別の実施形態によれば、上記バルブリミッタの形状は傾斜部を形成し、該傾斜部の角度は回転可能ファンによってポートを介してチャンバから流出せしめられるガスの速度分布に対応する。別の実施形態によれば、上記鉛直壁に沿って配置されたインテーク開口および再循環開口のうちの少なくとも一方をさらに具備する。

別の実施形態では、本発明のポートは燃焼動力式装置の多重チャンバの二つのボリューム間の連通ポートとして効率的に使用される。当該装置は、少なくとも二つのチャンバと、当該装置内の可燃ガスにスワールを発生させる回転可能ファンとを有する。二つのチャンバのうち第一のチャンバは第一ボリュームを画成し、第二チャンバは第二ボリュームを画成する。二つのボリューム間の連通ポートは、第一ボリュームから第二ボリュームまでの点火済ガスジェットの通過を可能とすべく構成され且つ配設される。また、連通ボリュームは、連通ポートを横断するように見て、渦巻いている可燃ガスの速度分布、および点火済ガスジェットに対応するような形状を有する。

別の実施形態では、上記第一チャンバ内に配置されて可燃ガスに点火する点火手段をさらに具備し、上記回転可能ファンが該点火手段の下流側で上記第一チャンバ内に配置される。別の実施形態では、上記点火手段と上記ファンの回転平面との間であって該ファンの回転平面に垂直な第一チャンバの壁上に配置されたインテーク開口と、上記ファンの回転平面と上記連通ポートとの間に上記垂直な壁上に配置された再循環開口との少なくとも一方をさらに具備する。別の実施形態では、上記第二チャンバ内の開口と、上記第二チャンバ内の開口を介して上記第二チャンバと連通するピストンチャンバと、上記ピストンチャンバ内に配置されるピストンであって、第二ボリューム内の燃焼圧ピストンが上記第二チャンバから離れる方向に上記ピストンを駆動することができるように構成および配設されたピストンとをさらに具備する。別の実施形態では、上記点火済ガスジェットの下流に上記ポートを覆うように配置されたリードバルブとバルブリミッタとをさらに具備し、上記バルブは通常閉じているが上記第二ボリューム内の圧力が第一ボリューム内の圧力よりも小さくなると開く。別の実施形態では、上記第一チャンバと対向する上記バルブリミッタの外形は上記連通ポートを介して通過する上記点火済ガスジェットの速度分布に対応する。

また、本発明は、第一チャンバから該第一チャンバと連通する第二チャンバにガスを移送する方法において、上記第一チャンバ内のガスに渦巻を発生させる工程と、上記第一チャンバ内の移動中ボリュームの累進的な速度分布に比例して、上記第一チャンバと第二チャンバとを連結する連通手段を介して上記第一チャンバから上記第二チャンバに渦巻いているガスの移動中ボリュームを連通させる工程とを具備する方法を提供する。上記連通手段は上記累進的な速度分布を収容するように構成される。

本発明のポートは、回転ファンによってポートを横断して流れるガスおよび物質の自然な速度分布と密に整合する。この速度分布を密に整合させることにより、本発明ではポートを介してより短時間により多くのガスおよび材料を移送することができ、これによりより燃焼装置で使用されたときにエネルギの高い燃焼を行うことができる。

図５および図６を参照すると、概して参照番号５０で示されたファンチャンバは、プレート５４上に配置されたポート５２を有する。プレート５４は、チャンバ５０のほぼ水平な壁を形成し、その形状はほぼ鉛直なチャンバ壁５６の形状と一致し、一方の端部で壁５６をシールする。プレート５４および壁５６は剛性的な金属製ボディであるのが好ましいが、別の強度のある剛性的な耐燃焼性の当業界には公知の材料から形成されてもよい。プレート５４および壁５６は、それぞれ平坦なディスクおよびシリンダを形成するのが好ましいが、本発明を逸脱することなく、チャンバ内でのガスの渦巻が圧力下でポートを介して外部ボリュームへ搬送され得るさまざまな別の形状も使用され得ることは当業者には分かるであろう。

チャンバ内のファン５８はプレート５４とほぼ平行な平面内で回転し、方向Ｂにガスの渦巻を生成する。可燃の燃料がファン５８の上流のチャンバ５０の低圧領域においてチャンバ５０内に供給される。適切な燃料の一つは燃焼動力式締結具打込み工具において使用される種類のＭＡＰＰガスであるが、燃料は当業界において慣用されている複数の公知の可燃燃料のいずれであってもよい。燃料はチャンバ５０内で空気等と混合され、可燃ガスが生成される。回転ファン５８は迅速に且つ均一に燃料を空気と混合させる。

ファン５８の上流に、チャンバ５０と作動上の関係をもった点火源（図示せず）が配置されるのが好ましく、この点下源はチャンバ５０内の可燃な燃料／空気混合気を点火する火花を生成し、これにより点火源からファンの下流へ、好ましくはファンの下流に配置されるプレート５４に向かって移動する火炎面が生成される。燃焼による圧力は高エネルギの火炎ジェットとしてポート５２を介してチャンバ５０の外へ火炎を進行させる。所定時間内にポート５２を介して移動できる点火済ガスの量が増大すると、生産される火炎ジェットのエネルギが大きくなる。本発明者はポート５２の形状が、所定時間内にポートを介してガスがどれだけ移送されるかに重大な影響を及ぼすことを発見した。

また、燃焼後には、迅速にチャンバ５０から燃焼副産物を掃気／浄化することが望ましい。回転ファン５８は、チャンバ５０のより迅速な掃気をも容易にする。本発明者はポート５０の形状が掃気され得る非可燃ガスの量、またはポート５２を介してチャンバ５０から送り出される非可燃ガスの量に影響を及ぼすことを発見した。このことについて、本発明は、点火済可燃ガス用のポートとしての使用のみを超えて有用な用途を有する。

図５を参照すると、上述したように、本発明者は、ファン５８によって発生せしめられた渦巻の自然な速度分布の利益を得られるポート５２の形状が最も有用であることを発見した。このような好適な形状の一つは、渦巻流の速度分布に対して比較的一定な断面積を提供するような形状である。ポート５２のこの好適な形状は、ほぼ矩形または正方形を基にしている。多くの物質が回転中心６０に向かうよりも外側鉛直チャンバ壁５６近傍を流れると考えられるので、断面積をガス流の速度分布により調和させることによりチャンバ５０内で生じる圧力においてポートを介して物質がより多く且つより安定して通過することができるようになる。

本実施形態によれば、ポート５２は内側部６２およびその反対側の外側部６４から形成されるプレート５４内の開口である。内側部６２は回転中心６０に近く、外側部６４は鉛直壁５６に近い。より好適な実施形態では、図６に明示したように外側部６４は外側鉛直壁５６の最も内側の寸法部分６６に配置され、これにより最も高速度で流れる物質を最大量捕らえられる。内側部６２および外側部６４は、ほぼ直線を形成するが、渦巻の方向と整合する弧を形成するように湾曲せしめられるのが好ましい。この場合、弧の湾曲は回転中心６０に対して凸状であるべきである。本実施形態では、内側部６２は外側部６４とほぼ同一の長さである。

対向する正割側部６８、７０は内側部６２および外側部６４の各端部を連結する。正割側部６８、７０は、円形プレート５４を横切る割線に沿ってほぼ直線を形成するのが好ましい。本実施形態では、正割側部６８、７０は互いに対しておよび円形プレート５４の直径Ｄにほぼ平行であり、直径Ｄの両側でほぼ等しい距離だけ離間される。

図５に明示したように、チャンバ５０と対面するプレート５４の側面はｘ軸およびｙ軸を有する二次元平面に沿って位置決めされていることが判る。例として、円形プレート５４の直径Ｄはｙ軸を画成し、スワールの速度分布は、スワール回転の方向Ｂに接線方向に移動するように示されている（図５に示したように直径Ｄに対してｘ方向）。したがって、速度分布の強さは、回転中心６０からｙ軸に沿った距離が長くなるにつれて、およびプレート５４の半径Ｒの関数として、零から直線的に増大する。よって、ポート５２全体は中心６０と外側鉛直壁５６との間に配置されるべきである。換言すると、ポート５２は中心６０を横断したり中心６０に重なったりするべきではない。

本発明の好適な実施形態は、当業界で公知の円形ポートを超えた幾つかの利益を実現する。ポート５２の断面積はファン５８によって生成される自然流とより密接に整合するので、ポートを横断する流れは乱れが少なく安定し、これにより広い範囲でポート５２を介した安定した流れが生じ、火炎の失火の可能性が極めて低減される。そして、より多量のガスがポート５２を介して迅速に移送され、燃焼エネルギの最大出力が増大する。本発明のこれら利益は、図１に示したように単一チャンバ式燃焼システムに用いられても多重ボリュームシステムに用いられても実現される。これら利益は、本発明のポートが連続した鉛直壁５６に沿って配置されたインテークポート（図示せず）および／または再循環ポート（図示せず）に使用されたときでも実現される。

ここで図６を参照すると、上述したように多重ボリュームシステムおよび幾つかの単一チャンバ式システムは、点火済ガスが進行せしめられるポートと共にバルブ、バルブリミッタおよびシュラウドを用いる。バルブ７２およびバルブリミッタ７４は本発明の好適な実施形態のポート５２を覆うように使用される。バルブ７２、好ましくは当業界で公知なようなリードバルブは、外部ボリュームからチャンバ５６への圧力の逆流を防止するために通常閉じられている。リードバルブが好ましいが、本発明者は、本発明を逸脱することなく本発明の好適な実施形態における当業者に公知の別のバルブを使用してもよいと考えている。リミッタ７４は、当業界で公知の固体の耐燃焼性材料であれば如何なる材料から形成されてもよい。

上述したように、ポート５２を横断する流速のｘ方向における分布は、中心６０からｙ方向への距離が増大するにつれて増大する。本発明者は、ファン５８による渦巻により、ｚ方向におけるポート５２を介した物質の分布量が中心６０からの距離が増大するにつれて増大することを発見した。この関係を考えると、図６に明示したようにバルブがヒンジ効果または傾斜効果でポート５２の外側部６４に向かうにつれて次第に開くように位置決めされているので、バルブ７２としてはリードバルブが好ましい。

バルブ７２およびリミッタ７４は、ｙ−ｚ軸断面積が、ファンによって生じるようなポートを介したガスの自然な速度分布に一致するように配置されるのが好ましい。よって、バルブ７２およびリミッタ７４は平坦であり、且つ中心６０から外壁５６へ向かってｚ方向に大きくなる径方向線（図示せず）に沿って配置されるのが好ましい。バルブ７２の揺動部／ヒンジ７６は、中心６０の近傍のプレート５４の領域に配置されるのが好ましく、リミッタ７４の傾斜部分（または開いているバルブ）とポート５２との間の間隙が外壁５６付近で大きく且つ中心６０近傍で小さくなるように下方に揺動させる。

この好適なバルブ／リミッタ構成は、バルブ７２がポート５２をシールする「バルブ閉鎖」位置から、バルブ７２がリミッタ７４と完全に接触する「バルブ全開」位置まで、ポート５２を介して渦巻くガス流の断面速度分布に最良に一致する。さらに、これら二つの位置の間におけるバルブ７２の各中間位置は、外壁５６に近づくにつれてｚ方向の空気流を増大させることができる。ポート５２を中心６０から離れて配置することの別の利点は、中心６０周りのプレート５４の領域が中実のままであり、これがリミッタ７４の取付け部およびバルブ７２のヒンジ／揺動部７６となるということである。バルブ７２およびリミッタ７４は、ネジによってプレート５４に取付けられるのが好ましいが、当業界には公知の別の取付け手段によって取付けられてもよい。

この単純化されたバルブおよびリミッタの構成により、リミッタ７４はポート５２を周囲環境から保護することができ、これにより上述したように燃焼エネルギの出力を増大させるために流れの狭窄的通路を形成するのに使用される付加的なシュラウドの必要性がなくなる。この好適な構成において、バルブ７２およびリミッタ７４は、ファンチャンバから外側ボリュームへのガスの移送が改善されながらも、通常付加的なシュラウドの使用により実現される十分な狭窄的通路を提供することができる。よって、本発明によれば、現在のポート・バルブ構成から生じることが知られているような高エネルギの狭窄的通路と適切なガスおよび火炎伝搬との間での妥協にほとんど直面しなくてもよくなる。

この好適な構成は、有利には三次元において、図５に示した二次元の分布構成から実現される速度分布の利益を増大させる。加えて、本バルブ構成は燃焼チャンバのポートの使用について説明されているが、本発明のポートおよびバルブ構成は多重ボリュームシステムの異なるチャンバについて、すなわち回転ファンを収容するチャンバの下流に配置されたチャンバについて使用され得ること、またはポートを介して移送されたガスの燃焼が必要とされないシステムにおいて使用され得ることが当業者には分かるであろう。

ここで図７を参照すると、概して参照番号８０で示されたファンチャンバは、チャンバ５０の多くの特徴が組み込まれており、これら特徴は便宜上同じ参照番号で示されている。チャンバ８０は別の好適な実施形態のポート８２を特徴とする。

ポート８２は、正割側部６８および７０の構成を除いてポート５２と同様である。この好適な実施形態では、正割側部６８および７０は互いにおよび直径Ｄに平行ではなく、プレート８４の経線Ｒに沿って配置される。プレート８４の経線Ｒに沿って正割側部６８、７０を位置決めすることにより、正割側部６８、７０は自動的に直径Ｄの両側に等しい間隔を開けていることになる。この実施形態は、鉛直チャンバ壁５６に近接してまたは好ましくは鉛直チャンバ壁５６において最も幅広い開口を有すると共に、回転中心６０に近づくにつれて次第に狭い開口となる。このポート８２の構成は、パイのくさびの部分（扇形）と類似しており、有利には、ポート８２がファン５８からの渦巻によって生じるポートを横断する自然なガス流と最も正確に一致することができるようになる。

また、本発明者は、バルブまたはバルブリミッタが狭窄的通路において使用されないとき、またはバルブが（ｚ方向においてポート８２およびプレート８４と平行に）ポート８２の開口を横断して一定の距離で開くバルブが使用されたときに、本実施形態が特に有利であることを発見した。ポート８２を介した空気流の速度分布は全体的にｘ−ｙ平面のみにおけるポートの形状に近いものである。当業者は、本発明から逸脱することなくポートおよびバルブ構成の異なる組合せがポート８２を介する三次元空気流の速度分布に近づき得ることに気づくであろう。

本実施形態においては半径Ｒに沿って形成される正割側部６８、７０の両方を有するのが好ましいが、本発明者は、二つの対向する側部のうちの一方が直径Ｄに平行に形成されてもよくまたは半径Ｒに沿って形成される他の対向する側部と平行であってもよいことも考慮している。しかしながら、好適な構成は、少なくとも、正割側部６８および７０が外側部６４と交差するときに、これらが内側部６２と交差するときと少なくとも同程度に正割側部６８が正割側部７０から離間されていることである。正割側部６８は、内側部６２におけるよりも外側部６４において正割側部７０から離れていることが好ましい。

よって、上述した実施形態のポートは、ファンチャンバ内でのファンの回転によって発生せしめられる自然な渦巻と組み合わされ、したがって短時間でポートを介してより多量のガスが流れることができるようにし、このことはチャンバからのエネルギ出力の最大値を増大させる。この改善された構成は、ポートを介した流れを広範囲に亘って安定させることができ、その結果、ガスが可燃で点火されているときに早期に火炎が失火する危険性が極めて低いものとなる。また、本発明は、上述したようにポートを覆うバルブおよび狭窄的通路の設計を、少ない部品のみを必要とする単純なものとすることができるようにする。

当業者には、本発明のような燃焼装置に使用されるポートが、概して、ファンを用いてガスを或るボリュームから別のボリュームへ迅速に移送する他の装置、ピストンを駆動する装置、燃焼装置によって動力化される装置にも効率的に使用されることが分かる。本発明の燃焼機構の特定の実施形態が図示かつ記述されたが、当業者であれば、本発明の更に広範囲な見地において本発明から逸脱せずに且つ添付の特許請求の範囲に示されたように変更および改変が為され得ることも理解し得よう。

ファンチャンバを利用した従来の工具の概略図である。 従来のファンチャンバにおけるガスの渦巻の速度分布を示す。 従来のポートを用いたファンチャンバ用のプレートの斜視図である。 従来のポートの拡大斜視図であり、ポートを横断した断面流を示す。 本発明の一つの実施形態の上面図である。 ６−６線に沿った且つ図示方向における図５に示した本発明の実施形態の鉛直断面図である。 本発明の別の実施形態の上面図である。

符号の説明

５０…ファンチャンバ
５２…ポート
５４…プレート
５６…鉛直壁
５８…ファン
６２…内側部
６４…外側部
６８、７０…正割側部
７２…バルブ
７４…バルブリミッタ

Claims (22)

1. 水平な基壁をこれと対向する水平な出口壁と連結する実質的に連続的な少なくとも一つの鉛直壁によって形成されるボリュームを画成すると共に、該ボリューム内に上記水平な壁の少なくとも一方の平面とほぼ平行な平面内で回転可能なファンを有するファンチャンバ用のポートにおいて、
   上記出口壁の中心と上記出口壁の外縁との間に配置された一つの内側部と、
   上記内側部と上記出口壁の外縁との間に配置された一つの外側部であって、上記内縁部が上記外側部と上記中心との間に配置される外側部と、
   上記外側部の端部と上記内側部の端部とをそれぞれ連結する二つの対向する正割側部とを具備し、
   上記内側部は直線および上記出口壁の中心に対して凸状の線の少なくともいずれか一方を形成するポート。
2. 上記水平な出口壁はほぼ円形状のプレートである請求項１に記載のポート。
3. 上記対向する正割側部は上記ほぼ円形状の半径に沿って形成される請求項２に記載のポート。
4. 上記対向する正割側部は上記円の直径と平行である請求項２に記載のポート。
5. 上記内側部および外側部は円弧と一致する請求項２に記載のポート。
6. 上記内側部は上記外側部と平行である請求項２に記載のポート。
7. 当該ポートは概して矩形を形成する請求項１に記載のポート。
8. 上記対向する正割側部間の距離は上記回転ファンによってポートを横断する渦巻に生じるガスの相対速度分布に対応して増大する請求項１に記載のポート。
9. ファンチャンバにおいて、
   ほぼ水平な基壁と、
   ほぼ水平な出口壁と、
   上記基壁と上記出口壁とを連結する連続的な鉛直壁と、
   上記基壁および出口壁の少なくとも一方とほぼ平行な平面で回転可能な当該チャンバ内のファンと、
   上記水平な出口壁上に配置されると共に、内側部と該内側部に対向する外側部とこれら内側部および外側部を連結する対向する二つの正割側部とを有するポートとを具備し、
   上記内側部が直線または上記水平な出口壁の中央領域に対して凸状の線を形成し、
   上記外側部の長さが上記内側部の長さと等しいかまたはそれよりも長いファンチャンバ。
10. 上記チャンバ外で上記ポートを覆うように配置されたバルブをさらに具備し、該バルブは通常閉じられているが上記チャンバ内の圧力が該チャンバ外の圧力よりも大きいときに開く請求項９に記載のファンチャンバ。
11. 上記バルブおよびポートを覆うように上記チャンバ外に配置されたバルブリミッタをさらに具備する請求項１０に記載のファンチャンバ。
12. 上記バルブリミッタの一方の端部は上記水平な出口壁の中央領域に取付けられ、該バルブリミッタの別の端部は上記鉛直壁の最も近くにおいて上記出口壁から離れるように開いている請求項１１に記載のファンチャンバ。
13. 上記バルブリミッタの形状は傾斜部を形成し、該傾斜部の角度は回転可能ファンによってポートを介してチャンバから流出せしめられるガスの速度分布に対応する請求項１２に記載のファンチャンバ。
14. 上記鉛直壁に沿って配置されたインテーク開口および再循環開口のうちの少なくとも一方をさらに具備する請求項９に記載のファンチャンバ。
15. 多重チャンバ・ガス燃焼動力式装置において、
    当該装置内の可燃ガスに渦巻を生じさせる回転可能ファンと、
    第一ボリュームを画成する第一チャンバと、
    第二ボリュームを画成する第二チャンバと、
    上記第一チャンバと第二チャンバとの間の連通ポートとを具備し、
    上記連通ポートは点火済ガスジェットが上記第一ボリュームから上記第二ボリュームへと通過することができるように構成および配設され、該連通ポートの形状は渦巻いている可燃ガスおよび当該連通ポートを横断する点火済ガスジェットの速度分布に対応した形状である多重チャンバ・ガス燃焼動力式装置。
16. 上記第一チャンバ内に配置されて可燃ガスに点火する点火手段をさらに具備し、上記回転可能ファンが該点火手段の下流側で上記第一チャンバ内に配置される請求項１５に記載の多重チャンバ・ガス燃焼動力式装置。
17. 上記点火手段と上記ファンの回転平面との間であって該ファンの回転平面に垂直な第一チャンバの壁上に配置されたインテーク開口と、上記ファンの回転平面と上記連通ポートとの間に上記垂直な壁上に配置された再循環開口との少なくとも一方をさらに具備する請求項１６に記載の多重チャンバ・ガス燃焼動力式装置。
18. 上記第二チャンバ内の開口と、
    上記第二チャンバ内の開口を介して上記第二チャンバと連通するピストンチャンバと、
    上記ピストンチャンバ内に配置されるピストンであって、第二ボリューム内の燃焼圧ピストンが上記第二チャンバから離れる方向に上記ピストンを駆動することができるように構成および配設されたピストンとをさらに具備する請求項１５に記載の多重チャンバ・ガス燃焼動力式装置。
19. 上記点火済ガスジェットの下流に上記ポートを覆うように配置されたリードバルブとバルブリミッタとをさらに具備し、上記バルブは通常閉じているが上記第二ボリューム内の圧力が第一ボリューム内の圧力よりも小さくなると開く請求項１５に記載の多重チャンバ・ガス燃焼動力式装置。
20. 上記第一チャンバと対向する上記バルブリミッタの外形は上記連通ポートを介して通過する上記点火済ガスジェットの速度分布に対応する請求項１９に記載の多重チャンバ・ガス燃焼動力式装置。
21. 第一チャンバから該第一チャンバと連通する第二チャンバにガスを移送する方法において、
    上記第一チャンバ内のガスに渦巻を発生させる工程と、
    上記第一チャンバ内の移動中ボリュームの累進的な速度分布に比例して、上記第一チャンバと第二チャンバとを連結する連通手段を介して上記第一チャンバから上記第二チャンバに渦巻いているガスの移動中ボリュームを連通させる工程とを具備する方法。
22. 上記連通手段は上記累進的な速度分布を収容するように構成される請求項２１に記載の方法。

Images