JP4511233B2 - 気体燃焼動力式装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気流が改善された燃焼装置に関し、より詳細には、燃焼動力式締結具打込み工具(combustion-powered fastener driving tool)と組み合わせて用いられる当該複数チャンバ燃焼装置を通る空気流が改善された複数チャンバ燃焼装置に関する。

当業界において気体燃焼デバイス(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。

斯かる工具は、小型の内燃機関を囲繞する概略的にピストル形状のハウジングを取入れている。上記機関は、燃料セル(fuel cell)とも称される加圧燃料気体の収容缶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は点火のための火花を生成すると共に、燃焼チャンバ内に配置されたファンは、該チャンバ内における効率的な燃焼を提供する一方で、当該デバイス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：燃焼チャンバ内への燃料の投入；上記チャンバ内における燃料および空気の混合；および、燃焼副生成物の除去もしくは排出（すなわち、パージ）が挙げられる。これらの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出力を増大する役割を果たす。

上記燃焼機関は、シリンダ本体内に配設された長寸の剛性ドライバ・ブレードを備えた往復ピストンを含んでいる。上記シリンダの回りにおいてバルブ・スリーブは軸心方向に往復動可能であると共に、該バルブ・スリーブはリンク機構を介し、該リンク機構の端部における被加工物接触要素が被加工材に対して押圧されたときに、上記燃焼チャンバを閉成すべく移動する。この押圧作用によって燃料計量供給バルブもトリガされ、閉成された上記燃焼チャンバ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・スィッチが引かれることで、上記機関の燃焼チャンバ内における気体の充填物が点火される。燃焼可能な燃料／空気混合物の点火時に、上記チャンバ内における燃焼により上記ピストン／ドライバ・ブレードのアセンブリは加速されて該アセンブリは下方へと発射され、もし締結具が存在するならば、位置決めされた締結具を衝撃して該締結具を被加工材内へと打ち込む。次に上記ピストンは上記シリンダ内における差分的な気体圧力(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)内に供給され、そこでそれらは上記ドライバ・ブレード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。

単一チャンバ式燃焼装置は、高速の燃焼サイクル時間を達成する上で有効である。単一チャンバ式装置はまた、上述の付随的プロセス、特に単一チャンバ内における空気および燃料の混合、および、燃焼副生成物のパージを実行する上でも有効である。しかし単一チャンバ式装置は一般的に、他の気体燃焼動力式工具で見られるほどに高いピーク燃焼圧を実現しない。

２つ以上のチャンバを有する燃焼工具も公知である。これらの工具は単一チャンバ式装置と比較して、相当に高い燃焼圧を生成することから更に多くの燃焼エネルギを生成する。複数チャンバ式工具は典型的に、第2チャンバに接続された第1チャンバを有する。上記第1チャンバは多くの場合に管形状を有するが、業界公知の如く種々の形状ともされ得る。上記第1チャンバ内には、または該第1チャンバと作用可能関係にて、典型的には点火プラグである点火源が配置される。上記第1チャンバの一端はポートまたは他の開口を介して上記第2チャンバとも連通し、両チャンバ間の連通が許容される。２つのチャンバを接続する上記ポートは典型的にリード・バルブ(reed valve)を含み、該リード・バルブは常閉とされることで、上記第2チャンバから上記第1チャンバ内への圧力の逆流を防止する。

上記第1チャンバ内における燃料／空気混合物は該第1チャンバの一方の閉成端部にて点火され、上記ポートを有する該チャンバの他端に向けて火炎面(flame front)を前進させる。火炎面が前進するとき、該火炎面に先駆ける未燃焼の燃料／空気は上記第2チャンバ内へと押圧されることから、該燃料／空気混合物は第2チャンバ内で圧縮される。上記火炎が上記ポートおよびリード・バルブを通り伝播するとき、上記第2チャンバ内の空気／燃料混合物も点火される。故にこの点火済ガスは上記第2チャンバ内において急速に圧力を確立すると共に上記リード・バルブを閉成することで、上記第1チャンバ内へと戻る圧力の損失が防止される。上記第2チャンバ内の圧縮が大きいほど上記工具の最終的燃焼圧は大きく、これは好適である。上記燃焼圧は更に増大される、と言うのも、点火済ガスが上記第1および第2チャンバの間の上記ポートを通り進行する経路は更に狭窄的(restrictive)にされるからである。

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

しかし、２つのチャンバ間の狭窄的経路によれば、上記第1チャンバから上記第2チャンバ内への空気／燃料混合物の短時間での連通は困難となる。故に複数チャンバ式工具は典型的には、２つのオリフィスを備えた共通の燃料供給ラインを通して両チャンバへと別個に燃料分配を行う。しかし斯かる形態は工具の複雑さ及びコストを増大する傾向があり、これは不都合である。両チャンバ間の狭窄流によって、両チャンバから燃焼副生成物をパージする工具の機能が低下する一方、各チャンバに対して燃料を噴射する前に工具の外部からの新気(fresh air)で各チャンバを満たす工具の機能も阻害される。また、工具の各チャンバ内における燃焼副生成物の蓄積により、一貫した反復可能な燃焼サイクルを実現する工具の機能が低下し得る。あるいは、２つのチャンバ間における狭窄的空気流は、各チャンバ内で燃料を混合するために且つ燃焼事象の間において各チャンバをパージするために付加的な時間を必要とする。この余計な時間は、工具の操作者が工具を使用している間に非常に不都合となり得る。

故に、各チャンバ間における狭窄的経路の使用から帰着する大きな燃焼動力を犠牲にせず且つ当該装置において一本より多い燃料ラインを採用することを要せずに、複数チャンバ式燃焼工具装置においてひとつのチャンバから別のチャンバへの効率的な空気流を達成することが望ましい。

上記に列挙された問題は、一方のチャンバにおいてファンを利用する複数チャンバ構造を特徴とする本発明の気体燃焼動力式装置により対処される。燃焼事象の間においては各チャンバ間に空気流の狭窄的経路が提供されるが、燃焼サイクルの混合、パージおよび冷却の各事象の間において各チャンバ間の空気流は上記狭窄的経路をバイパスする。上記各チャンバを相互に接続すべくバイパス・ポートが配備されると共に、該バイパス・ポートは燃焼事象の間は空気流を上記狭窄的経路に限るべく閉成され得るが、その他の場合には、各燃焼事象間で生ずる混合、パージおよび冷却事象に対して開成され得る。

より詳細には本発明は、第1チャンバと、該第1チャンバ内に配置された回転可能ファンと、上記第1チャンバと作用可能関係にあって可燃ガスを点火する点火源と、第2チャンバとを含む気体燃焼動力式装置を提供する。上記第1チャンバおよび上記第2チャンバの間であり且つ上記ファンの下流の第1連通路は、上記第1チャンバから上記第2チャンバへの点火済ガスの通過を可能とすべく構成かつ配置される。上記第1連通路からは、上記ファンの上流にて上記第1チャンバの壁部上に配置された取入ポートと、上記ファンの下流にて上記第1チャンバの上記壁部上に配置されたバイパス・ポートとが離間される。

別実施形態において気体燃焼動力式装置は、燃焼チャンバと、移動可能ピストンを収容するピストン・チャンバと、上記燃焼チャンバおよび上記ピストン・チャンバに対して移動可能なスリーブ・チャンバとを含む。上記スリーブ・チャンバは、上記第1および第2チャンバ間の自由な空気流、および、上記装置の外部から上記第1および第2チャンバの少なくとも一方内への自由な空気流を許容する第1摺動位置を有する。上記スリーブ・チャンバはまた、上記第1および第2チャンバ間の自由な空気流を許容する第2摺動位置であって上記装置の外部から上記第1および第2チャンバ内への空気流は遮断する第2摺動位置も有する。上記スリーブ・チャンバは更に、上記第1および第2チャンバ間の空気流を制限する第3摺動位置であって上記装置の外部から上記第1および第2チャンバ内への空気流を遮断する第3摺動位置を有する。

更なる別実施形態においては、燃焼チャンバと、摺動チャンバと、ピストン・チャンバとを有する燃焼動力式装置を作動させる方法が、上記燃焼チャンバ内に空気を供給して燃料を噴射する段階と、上記燃焼チャンバ内の回転ファンを作動させて上記燃焼チャンバおよび上記摺動チャンバの両者内の空気および燃料を混合する段階とを含む。上記ファンの上流において上記燃焼チャンバの壁部上には少なくとも一個の上流ポートが配置されると共に上記摺動チャンバと連通され、且つ、上記ファンの下流において上記壁部上には少なくとも一個の下流ポートが配置されると共に同様に上記摺動チャンバと連通される。混合の後、混合済み空気および燃料は上記燃焼チャンバ内で点火されると共に、該燃焼チャンバ内の火炎ジェット・ポートを通して上記摺動チャンバへと連通される。次に上記摺動チャンバ内の燃焼圧は上記ピストン・チャンバ内のピストンを駆動する。次に、上記燃焼チャンバおよび上記摺動チャンバを通して上記装置の外部から新気を送ることで、上記燃焼チャンバおよび上記摺動チャンバから燃焼副生成物がパージされる。

図１および図２を参照すると、本発明と同様に本出願人に譲渡されると共にそ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同時係属の米国特許出願(代理人処理番号:13696)におけるのと同様に、好適な複数チャンバ式装置の設計態様が示されている。二重チャンバ式装置は全体として10で示されると共に、第1チャンバ16の一方の閉成端部14に配置された典型的には点火プラグである点火源12を含む。第1チャンバ16の他端18は、火炎ジェット・ポート22を介して第2チャンバ20と連通する。好適には、火炎ジェット・ポート22を覆うように、第1チャンバ16の外側には、第2チャンバ20から第1チャンバ16内への圧力の逆流を防止すべく常閉であるリード・バルブ23(図１)、および、上記第1チャンバの逆側にて該バルブの側部を覆うべく配設されたバルブ・リミッタ23aが配設される。

第1チャンバ16は、第2チャンバ20内の可燃ガスに対する圧縮機として作用する。第1チャンバ16内の燃料および空気は、該第1チャンバ内の回転ファン24により混合され、且つ、チャンバ16の閉成端部14における点火源12により点火される。点火された混合気は、火炎ジェット・ポート22を含む第1チャンバ16の端部18に向けて火炎面を前進させる。火炎面が前進するにつれ、該火炎面に先駆ける未燃焼燃料／空気は第2チャンバ20内へと押圧されることから、該第2チャンバ内の燃料／空気混合物は圧縮される。火炎が第1チャンバ16から火炎ジェット・ポート22を通り第2チャンバ20内へと伝播するにつれ、第2チャンバ内の空気／燃料混合物も点火される。故に第2チャンバ20内におけるこの点火済ガスは、該第2チャンバ内における相当に大きな圧力を迅速に確立すると共にリード・バルブ23を閉成することで、上記第1チャンバ内に戻る圧力の損失を防止する。第2チャンバ20内において良好に混合された空気／燃料混合物は、更に高速、高エネルギで更に効率的な燃焼に寄与する。

第2チャンバ20は、第1チャンバ16とほぼ円筒状のピストン・チャンバ28との両者を摺動可能に収容するほぼ円筒状のスリーブ本体26を含む。ピストン・チャンバ28は該ピストン・チャンバ内における往復動のためにピストン30を収容すると共に、スリーブ本体26が方向Yにおける所定位置へと摺動したときに、ピストン・チャンバ28の拡開端部32はスリーブ本体26の端部34に接触することで、第2チャンバ20とピストン・チャンバ28との間に配置された開口36を装置10の外側の空気に対して効率的にシールする。スリーブ本体26の他端38は第1チャンバ16の閉成端部14に接触することで、ファン24の回転の上流の位置にて第1チャンバ16の壁部42上に配置された取入ポート40を通る装置10の外部からの空気流を効率的に遮断する。両方のスリーブ端34、38において当該装置の外部からの空気流を遮断すべくスリーブ本体26が位置された後、第2チャンバ20内における燃焼圧の急激な増大により、ピストン30はピストン・チャンバ28内において第1チャンバ16から離間する方向へと駆動される。

斯かる形態において、一個より多いチャンバが一個のファンと共に使用されたときにファン24の効率は、チャンバ16および20が設計かつ接続される様式により大きく左右され得る。複数チャンバ式装置においては、点火済ガス混合物が第1チャンバ16から第2チャンバ20内へと流れるための狭窄的経路を確立することで更に大きな燃焼エネルギが達成され得る。燃焼エネルギは、第1チャンバ16と第2チャンバ20との間の上記経路が更に狭窄的とされることで更に増大する。斯かる狭窄的経路44は、チャンバ16の内部における火炎ジェット・ポート22の全体に亙り配設されるものとして示されている。

この例における狭窄的経路44は、火炎ジェット・ポート22の一側上で該火炎ジェット・ポートの全体に亙り覆い板(shroud)46を載置し、且つ、他側上にバルブ23およびバルブ・リミッタ23aの組合わせ物を載置することで形成される。尚、狭窄的経路は、一個以上の覆い板、ポート、バルブ、バルブ・リミッタなどの任意の組合せにより作成され得ることが企図される。また当業界で公知である如く、火炎ジェット・ポート22自体としてまたは上述の全ての特徴の任意のものとの組み合わせとして、該火炎ジェット・ポートを通る燃焼エネルギを増大すべく超音速ノズルが代替的に用いられ得ることも企図される。

高度に狭窄的な経路(highly restrictive paths)は燃焼事象の間において第1チャンバ16から第2チャンバ20内へと伝達される燃焼エネルギを好適に増大し得るが、上述された如く狭窄的経路はまた、各燃焼事象間における付随的プロセスを完了するための２つのチャンバの間における空気流を不都合に制限するものでもある。故に、燃焼から更なるパワーを抽出すべく構成される狭窄的経路と、空気、燃料および燃焼副生成物を一個のファンにより適切に再循環もしくは“吸排気”するという複数チャンバ式装置の機能との間には、不都合なトレードオフ(tradeoff)が存在し得る。このトレードオフは、単一チャンバ式燃焼形態ではそれほど重大ではない。上記第1チャンバ内におけるファン24の存在および作用は、各チャンバを混合、冷却かつパージすると共に次の燃焼サイクルに対して当該装置を再設定するという装置10の機能に大きく寄与する。しかし、狭窄的経路を利用する場合には各チャンバ間における効率的な空気流は依然として達成困難である。

次に図２を参照すると、燃焼事象の後で第1チャンバ16および第2チャンバ20の両者における燃焼副生成物のパージ事象の間に実際に生ずるものとして本発明者により発見された空気流Aの経路が示される。パージの間においてスリーブ本体26は方向Xに摺動することで、ピストン・チャンバ28から係合解除されると共に、装置10の外部からの新気に対して取入ポート40を露出する。ファン24が回転すると、装置10の外部からの新気は理想的には、取入ポート40を通って第1チャンバ16内に進入し、火炎ジェット・ポート22を通り第2チャンバ20内へとファン24の下流に移動し、更に、開口36を介して第2チャンバを出ることから、先行する燃焼事象により残置された燃焼副生成物が両チャンバからパージされる一方で両チャンバに清浄空気が充填される。

しかし、示された様にチャンバ16、20間の狭窄的経路44は、各取入ポート40から開口36へと空気流Aが均一に進行する機能を大きく阻害する。斯かる理想的な空気流経路は、燃焼動力を増大すべく更に高度に狭窄的である経路を利用する構成によれば達成するのが更に困難である。図２に最も良く示される如く空気流Aの殆どは実際には第1チャンバ16内に留まると共に、火炎ジェット・ポート22の代わりに各取入ポート40の幾つかを通して第1チャンバを出る結果、第1チャンバのパージは非効率的となる。第2チャンバ20をパージする機能は、更に非効率的となる。第1チャンバ16から第2チャンバ20を通り開口36にて上記装置を退出すべく進行する空気流の代わりに、ベルヌーイの原理により、空気流Aの幾分かは実際に第2チャンバ20から第1チャンバ16内へと逆方向に吸引される。この逆空気流は、第2チャンバ20をパージするのにそれほど寄与しない。第2チャンバ20をパージする機能に関するこの逆空気流の効果は、第2チャンバから第1チャンバ16内への逆流を防止すべくバルブが採用されたときには、実用的にはゼロまで更に減少される。

第1チャンバ16内の回転ファン24は両チャンバ16、20を混合かつパージするという装置10の機能を改善するが、依然として上述のトレードオフが或る程度まで存在する。本発明者は、上述された如く第2チャンバ20内への別体の燃料ラインを利用しなければ、効率的な狭窄的経路は、燃焼事象に先立ち第2チャンバ20ならびに第1チャンバ16内で効率的に空気および燃料を相互に混合するというファン24の機能を制限することを発見した。ファン24の回転により改善されるのではあるが、第2チャンバ20を通る幾分か制限された空気流によれば、各燃焼事象間において第2チャンバを冷却するというファン24の機能も低下する。故に本発明者は、第1チャンバ内においてファンを採用するという独特の性質を利用する一方で、各チャンバ間における狭窄的経路の使用から帰着する大きな燃焼動力を犠牲にせず且つ一本より多い燃料ラインを使用する必要なしで、複数チャンバ式装置においてひとつのチャンバから次のチャンバへの効率的な空気流を達成することが望ましいことを見出した。

次に図３乃至図４を参照すると、燃焼動力式装置は全体として50で表されるが、図１および図２に関して上述されたのと同一である装置50の特徴もしくは構成は同一の参照番号で表される。

装置50の重要な特徴は、好適な第1チャンバ54の壁部53上に少なくとも一個のバイパス・ポート52が配置されることであるが、好適には、幾つかのバイパス・ポート52が好適に連続的円筒状である壁部53の回りに均等に分布される。好適実施形態において各バイパス・ポート52は、ファン24により生成される第1チャンバ54のより高圧な領域に最接近して該ファンの流れの下流に配置される。故に、ファン24の上流に配置された各取入ポート40は、第1チャンバ54のより低圧な領域に最接近して位置せしめられる。故に各バイパス・ポート52は、狭窄的経路44の火炎ジェット・ポート22以外の、各チャンバ間の第2連通手段を構成する。

バイパス・ポート52は常開とされるが、好適には、第2チャンバ58を画成するバルブ・スリーブ26の内部に配置されたバイパス・シール56により遮断され得る。燃焼事象に先立ちバルブ・スリーブ26が方向Yにおいて第1チャンバ54およびピストン・チャンバ28に対して摺動可能に係合したときにバイパス・ポート52を完全に覆うべく、バイパス・シール56はバルブ・スリーブ26上に好適に配置される。図３および図４に最も良く見られる如く、バルブ・スリーブ26が、パージを行なうために第1チャンバ54および第2チャンバ58の両者を外気に露出すべく摺動されたときに、各バイパス・ポート52を通る空気流の遮断を回避すべく、バイパス・シール56は好適にはバルブ・スリーブ26上に配置されるべきである。

バイパス・シール56は好適には第2チャンバ58と同一である固体構造の耐燃焼材料で構成されるが、斯かる材料は業界公知である。またバイパス・シール56は好適にはバルブ・スリーブ26の内側部と一体的な構造として一体形成され得るが、代替的に溶接、結合、ネジまたは業界公知の他の取付方法により上記バルブ・スリーブに固定的に取付けられても良い。

バイパス・シール56と同様に、バルブ・スリーブ26の内側部上には少なくとも一個の取入口シール60も好適に配置され、該取入口シールは、各燃焼事象の間において各取入ポート40と摺動可能に係合して該取入ポートを通る空気流を遮断するが、パージを促進すべく上記バルブ・スリーブが摺動して開成されたときには各取入ポートを外気に開放する。取入口シール60は好適にはバイパス・シール56と同一の材料で形成されると共に、類似の様式でバルブ・スリーブ26に取付けられる。

好適実施形態においてバイパス・シール56および取入口シール60の両者は、バルブ・スリーブ26の内側部全体の回りにおける単一の連続体であるか、または、燃焼事象のために上記バルブ・スリーブが摺動して装置50内への外気流を遮断するときにバイパス・ポート52および取入ポート40の夫々を覆うべく位置されて離間された一連の別体部材である。故にバイパス・シール56および取入口シール60は、各シールとバルブ・スリーブ26自体の内部との間の空気流を許容すべく構成される必要はない。

次に図４を参照すると、バイパス・ポート52を利用する装置50に対するパージ事象の間における空気流経路Bが示されている。この実施形態において経路Bは、取入ポート40からバイパス・ポート52を出て、第2チャンバ58を通り、第2チャンバ58の端部34とピストン・チャンバ28の好適には拡開された端部32との間の開口36から退出する如く、円滑且つ効率的に進行する。バイパス・ポート52の非狭窄的開口の別の利点は、(図２におけるのと異なり) 狭窄的経路44を効率的に回避するように経路Bの空気流が促進されることで、ファン24からの流れの所望方向において相当な量の清浄空気が第1チャンバ54および第2チャンバ58を通り迅速に移動し得ることである。故に、パージ事象の間において第2チャンバ58が開成されて第1チャンバ54とピストン・チャンバ28を解放したときに、本発明の複数チャンバ式装置50からは燃焼副生成物が迅速かつ効率的にパージされ得る。

更に、この好適形態に依れば、チャンバ54、58の両者を通るファン24からの空気流は実用上、ファンを用いる典型的な単一チャンバ式装置により実現されるのと同じほど効率的となる。燃焼事象の後に第1チャンバ54および第2チャンバ58は両者ともに熱くなるが、この有利に効率的な空気流によれば第2チャンバ58に加えて第1チャンバ54の冷却が改善される。これに加え、ポート40、52およびシール56、60は好適に位置されることで、第1チャンバ54と第2チャンバ58との間の空気および燃料の混合を促進し得る。

次に図５（ａ）乃至図５（ｃ）を参照すると、別の代替的な複数チャンバ燃焼動力式装置が全体として70で表されており、同装置70が第2チャンバ74のバルブ・スリーブ72の種々の摺動位置の効果を示すべく簡素化形態で示されている。装置10、50により共有される各構成要素は、同一の参照番号で示される。第2チャンバ74は純粋な円筒状である必要はなく、ピストン・チャンバ28に加えて第1チャンバ80の閉成端部78の縁部76をシールすべく該第2チャンバが方向Yに移動し得る限りにおいて、所望のサイズに対処すべく種々の形状を取り得る。業界公知である如く当該装置の動作の間において(不図示の)被加工物接触要素に接続されたリンク機構により関連装置70が被加工材に対して押圧されまたは被加工材から揚動されたとき、第2チャンバ74が第1チャンバ80およびピストン・チャンバ28の両者に対して摺動可能に係合し且つそれらから係合解除するのも許容する構成が好適である。

図５（ａ）に最も良く見られる如く、バルブ・スリーブ72の通気端部82が開口36にてピストン・チャンバ28から完全に係合解除され、且つ、上記バルブ・スリーブの取入端部84が第1チャンバ80から完全に係合解除されることで上記取入端部と上記第1チャンバの閉成端部78の縁部76との間に開口86が生成されたとき、装置70のパージおよび冷却が行われる。この実施形態に対し、第1チャンバ80およびピストン・チャンバ28は最も好適には相互に対して固定され、且つ、第1摺動位置にて第2チャンバ74が他のチャンバから完全に係合解除されたときにパージおよび冷却が行われる。この形態において装置70を通る空気流は次に、図４に示されたのと同一の経路Bを辿ると共に、火炎ジェット・ポート22を覆うべく(不図示の)狭窄的経路が利用されるか否かにより実用的には影響されない方向を取る。この代替的な好適実施形態において火炎ジェット・ポート22を通る一切の空気流は、回転ファン24からの所望の流れ方向で実現されると共に、第1チャンバ80および第2チャンバ74からの燃焼副生成物のパージを改善する役割さえも果たす。

図５（ｂ）を参照すると、装置70が被加工材に対して載置されるとバルブ・スリーブ72は第2摺動位置へと移動することで、装置70の構造に対する更なる改変を一切必要とせずに第1チャンバ80と第2チャンバ74との間における空気および燃料の混合が促進される。代替的に、操作者が(不図示の)トリガを引く結果として、バルブ・スリーブ72が移動すべく起動され得る。この実施形態に依れば、バルブ・スリーブ72の第2摺動位置は開口36および86にて夫々ピストン・チャンバ28および第1チャンバ80を上記装置の外側の環境からシールするが、ポート40、52は露出されたままとすることで第1チャンバ80と第2チャンバ74との間における空気流が許容される如く、通気端部82および取入端部84は夫々好適にはピストン・チャンバの拡開端部32および第1チャンバの縁部76に臨むに十分な長さとされるべきである。

ピストン・チャンバ28および第1チャンバ80が外気に対して閉じられると、回転ファン24は、該ファンの上流に配置された取入ポート40を介して空気流を方向Cにおいて第2チャンバ74から第1チャンバ80内へと吸引する。故にファン24は該ファンの下流に配置されたバイパス・ポート52を介し、空気流Cを第1チャンバ80から出して第2チャンバ74へと戻すべく導向する。この好適な形態によれば空気および燃料は両チャンバ内において且つ両チャンバ間で迅速かつ効率的に混合され得る。換言すると、上記装置の外部に対する空気流の接続は封鎖されるが上記装置の内側における各チャンバ間の再循環は維持され乍ら、燃料は第1チャンバ80内へと噴射される。この効率的な混合プロセスによれば第1チャンバ80内における結果的な空気／燃料混合物は迅速に第2チャンバ74へと連通されることから、別体の燃料ラインを介して両チャンバ内へと燃料を噴射する必要性は全く無くなる。同様に、燃料は代替的に第2チャンバ74の内部に対してのみ噴射されても依然として同一のプロセスおよび形態により第1チャンバ80内へと効率的に混合され得る。この実施形態に依れば、チャンバ74、80の一方に対してのみ燃料を噴射する単一の燃料ラインが装置70全体に対して適切に且つ確実に機能する。

装置70上には燃料噴射を起動する(不図示の)燃料トリガも配置されることで、摺動バルブ・スリーブ72による機械的起動も可能とされ得る。上記燃料トリガは好適には、第1チャンバ80および第2チャンバ74を装置70の外部の環境からシールすべく上記バルブ・スリーブが移動する後まで、バルブ・スリーブ72と接触しない。この実施形態の別の好適な特徴は、上記取入口シールと上記バルブ・スリーブ72の内部との間に代替的な取入口シール90の開口部分88を含むことである。開口部分88によれば空気流Cは、第1チャンバ80の壁部53とバルブ・スリーブ72との間において第2チャンバ74内を通り、取入ポート40を介して上記第1チャンバに戻るべく循環し得る。図５（ｂ）に最も良く見られる如く、第1チャンバ80と第2チャンバ74との間における開口86をバルブ・スリーブ72が封鎖したときでさえも第1チャンバ80と第2チャンバ74との間には依然として、空気流経路Cを通る再循環が生じ得る。バイパス・シール92もまた、取入口シール90と同様にバルブ・スリーブ72に沿い好適に離間配置され、該バイパス・シール92は、該バイパス・シールと上記バルブ・スリーブとの間において該バイパス・シールの一部を通る空気流を許容する同様の開口部分94を含む。

次に図５（ｃ）を参照すると、バルブ・スリーブ72は被加工材と連続的に接触したまま又はトリガ作用により第3摺動位置へと更に移動され、これにより、燃焼事象の間において火炎ジェット・ポート22および狭窄的経路44(図４)を除き、第2チャンバ74に対する第1チャンバ80の遮断が完了され得る。バルブ・スリーブ72の通気端部82および取入端部84は(図５（ｂ）に最適に見られる)上記第2摺動位置と同様に第1チャンバ80および第2チャンバ74を外部環境からシールし続けるが、今や取入口シール90、および好適にはバイパス・シール92もまたポート40および52を通る全ての空気流を遮断する位置へと移動される。故に、この第3摺動位置に対し、第1チャンバ80と第2チャンバ74との間の連通は火炎ジェット・ポート22および狭窄的経路44に限定される。上記連通は好適には、方向Dにおいて火炎ジェット・ポート22を通って一方向だけ(one-way direction)に進行する点火済ガスの火炎ジェットの形態を取る。単一の火炎ジェット・ポート22および狭窄的経路44は好適な形態であるが、付加的な火炎ジェット・ポート22が企図される。本発明者は更に、付加的な火炎ジェット・ポートを用いずにバイパス・ポート52もまた第1チャンバ80から第2チャンバ74内への火炎面(flame front)の連通を許容することを企図する。

装置70には(不図示の)点火トリガも配置されることから、バルブ・スリーブ72は自身の移動により、点火源12(図４)に対するトリガを機械的に起動して、図５（ｃ）に示された完全係合の第3摺動位置に到達する際に、第1チャンバ80内の空気／燃料混合物を点火し得る。結果的な点火済ガスジェット(ignited gas jet)は第2チャンバ74内へと進行する燃焼圧を確立する一方、上述された如く上記第2チャンバ内における空気／燃料混合物を点火してピストン・チャンバ28内のピストン30(図４)を駆動する。この燃焼事象の完了時にバルブ・スリーブ72は図５（ａ）に示された第1摺動位置に戻り、チャンバ74、80内における燃焼副生成物をパージし、両チャンバを冷却し、且つ、燃焼サイクルを再開する。

次に図６を参照すると、装置70を通る空気流はバルブ・スリーブ72のストローク全長Sの関数として示される。ストローク長Sは、バルブ・スリーブ72がその完全係合位置(燃焼事象)からその完全係合解除位置(パージ事象)まで方向Yにおいて進行する距離により決定される。本発明のこの実施形態においては、ストローク長Sの大部分に沿い混合が生じ得る如く通気端部82および取入端部84の夫々の長さを設定するのが好適である。

ストローク全長Sは好適には、第2チャンバ74の摺動バルブ・スリーブ72の起動および閉成の両方を行うべく設定される。方向Yにおけるストローク長Sの第1部分S1は開口36および86を封鎖することで第1チャンバ80および第2チャンバ74を外部環境からシールする一方、混合のために空気流が装置70内で経路Cに沿い循環し続けるのを許容する。同様に方向Yにおけるストローク長Sの第2部分S2は、取入ポート40上に取入口シール90を且つバイパス・ポート52上にバイパス・シール92を閉じることで、燃焼のための火炎ジェット・ポート22および狭窄的経路44を除き第1チャンバ80および第2チャンバ74をシールする。故に、第1チャンバ80およびピストン・チャンバ28に対してバルブ・スリーブ72が移動する距離は次式を満足する：S≧S1+S2。

この好適実施形態において混合が生ずるときのストロークSの長さ(S2)は好適にはストローク全長Sに関して比較的に長寸とされ、第1チャンバ80および第2チャンバ74の両者における空気および燃料の最大量の混合が可能とされる。故にS2は、バルブ・スリーブ72の通気端部82および取入端部84の夫々の長さに従い設定され得る。取入口シール90とバイパス・シール56の相対位置もまた、混合のために好適に長寸であるストローク部分S2の設定に寄与し得る。故にこの更に長寸のストローク部分S2の長さによれば、第1チャンバ80と第2チャンバ74との間における狭窄的経路44が如何に高度に狭窄的とされるかに関わりなく、両チャンバにおける燃料および空気の混合は増進され得る。

次に図７を参照すると、更なる代替的な装置が全体として100で表されており、先の実施形態と共通の構成要素は同一の参照番号で表されている。装置100は図４に示された装置50と類似しているが、第1チャンバ106の代わりに、移動可能な第2チャンバ104内に燃焼のためにファン102を配置している。この実施形態においてファン102に対するモータ108は公知方法により、第1チャンバ106の外側面110に対し、または、スリーブ本体26自体の内部に取付けられ得る。業界公知である如く、モータ108は第2チャンバ104の外側にさえ配置されると共に第2チャンバ内への回転シャフト112により動きをファン102へと伝達し得る。

図４に示された実施形態と同様に、ファン102が第2チャンバ内に位置された場合において第2チャンバ104が該装置の外側からチャンバ104、106内への空気流を許容すべく位置されたとき、装置100を通る空気流は方向Bに進行する。故にチャンバ104、106からの燃焼副生成物のパージは、第1チャンバの代わりに第2チャンバ内のファンにより殆ど効率的に実行され得る。代替的に、第2チャンバ104内におけるファン102に加えてファン24(図４)が第1チャンバ106内に配置されることで、方向Bにおいて両チャンバを通る更に大きな空気流が提供され得る。当業者であれば、チャンバ104、106に対して付加的に構成されたチャンバ内のみにおけるファンの配置、または、上記第2チャンバおよび／または第1チャンバ内のファンと組み合わされたファンの配置により、斯かる付加的チャンバを通って空気流が更に促進され得ることを理解し得よう。

上述の各実施形態は、複数チャンバ燃焼動力式装置に対して実現されるべき重要な利点を提供する。本発明の構成によれば斯かる装置は、燃焼事象の間において空気流の狭窄的経路を使用することで高エネルギの燃焼を達成し得る一方、各燃焼事象間における付随的事象に対しては空気流が上記狭窄的経路をバイパスするのを許容する。故に上記各チャンバの少なくともひとつにおけるファンは、ひとつのチャンバから次のチャンバへの経路が如何に狭窄とされるかに関わらず、一貫して大量(significant)で効率的な流れを達成し得る。本発明はまた、燃料が一方のチャンバ内のみに噴射されたときでさえも各チャンバ間における優れた循環／再循環も提供することで、混合を改善する。

本発明により実現される更なる利点は、複数チャンバを接続する火炎ジェット・ポートおよび狭窄的経路を通しての各チャンバ間の連通に関する他の設計検討事項に関わりなく、本発明のこれらの好適な構成においてファンの回転流が作用し得ることである。故に、高エネルギ燃焼と効率的に実行される付随的プロセスとの間における上述の不都合なトレードオフは、本発明の燃焼装置の実施形態により効率的に排除される。一貫して効率的なファン機能もまた、上記装置の燃焼機関の内部部品に関する一定の長期損耗(long-term wear)を防止する。二重チャンバ式燃焼装置に関して記述されたが、当業者であれば、本発明から逸脱せずに上述の各実施形態は２個より多いチャンバを利用するデバイスに適合され得ることを理解し得よう。当業者であれば、ピストンもしくは点火機構を駆動する他の複数チャンバ式の燃焼デバイスもしくは空気圧デバイス、ならびに、一般的に燃焼により動力供給されるデバイスにおいても本発明の空気流形態は効率的に採用され得ることを理解し得よう。

本発明の燃焼機構の特定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如く変更および改変が為され得ることも理解し得よう。

図１は、複数チャンバ燃焼動力式装置の略示断面図である。 図２は、図１に示された燃焼動力式装置を通る空気流を示す略示断面図である。 図３は、本発明の空気流形態を特徴とする複数チャンバ燃焼動力式装置の略示断面図である。 図４は、図３に示された装置を通る空気流を示す略示断面図である。 図５（ａ）乃至図５（ｃ）は、好適な空気流の特徴を示す本発明の装置の別実施形態の略示断面図である。 図６は、図５（ａ）乃至図５（ｃ）に示された実施形態のストローク運動の関数としての空気流を示す部分的略示断面図である。 図７は、本発明の装置の更なる別実施形態を通る空気流を示す略示断面図である。

符号の説明

１２…点火源
２４…ファン
２６…バルブ・スリーブ
２８…ピストン・チャンバ
４０…取入ポート
４４…狭窄的経路
５２…バイパス・ポート
５４…第1チャンバ
５８…第2チャンバ

Claims (10)

1. 第1チャンバと、
   上記第1チャンバ内に配置された回転可能ファンと、
   上記第1チャンバと作用可能関係にあって可燃ガスを点火する点火手段と、
   第2チャンバと、
   上記第1チャンバと上記第2チャンバの間であり且つ上記ファンの下流の第1連通手段であって、上記第1チャンバから上記第2チャンバへの点火済ガスジェットの通過を可能とすべく構成かつ配置された第1連通手段と、
   上記回転可能ファンの上流において上記第1チャンバの壁部上に配置された少なくとも一個の取入ポートと、
   上記第1連通手段から離間されると共に、上記回転可能ファンの下流において上記第1チャンバの上記壁部上に配置されており、第1チャンバを第2チャンバに接続し、燃焼事象の後で燃焼副生成物をパージするように第1の連通手段を迂回した空気流を形成する少なくとも一個のバイパス・ポートとを備える、気体燃焼動力式装置。
2. 当該ピストン・チャンバ内に配設されたピストンを含むピストン・チャンバと、
   前記第2チャンバと上記ピストン・チャンバとの間の第2連通手段であって、上記第2チャンバ内の燃焼圧が上記ピストンを該第2チャンバから離間する方向に駆動するのを可能とすべく構成かつ配置された第2連通手段とを更に備えて成る、請求項１記載の装置。
3. 前記第2チャンバは対向する第1および第2端部を含み、該第2チャンバは、上記第1および第2端部にて前記第1チャンバおよび前記ピストン・チャンバから夫々移動可能に係合解除されるべく構成かつ配置される、請求項２記載の装置。
4. 前記第1チャンバと前記ピストン・チャンバとの間の距離はほぼ一定であり、且つ、前記第1および第2端部において当該装置の外部から上記第1および第2チャンバ内への空気流は前記第2チャンバの移動可能な係合により制限される、請求項３記載の装置。
5. 前記取入ポートを覆うべく且つ該取入ポートを通る前記第1および第2チャンバ間の空気流を制限すべく移動可能な少なくとも一個の取入口シールを更に備えて成る、請求項１記載の装置。
6. 前記バイパス・ポートを覆うべく且つ該バイパス・ポートを通る前記第1および第2チャンバ間の空気流を制限すべく移動可能な少なくとも一個のバイパス・シールを更に備えて成る、請求項５記載の装置。
7. 前記少なくとも一個の取入口シールおよびバイパス・シールは前記第1チャンバに対して移動可能であるが前記第2チャンバに対しては固定される、請求項６記載の装置。
8. 前記少なくとも一個の取入口シールは、該取入口シールと前記第2チャンバの内部壁との間の空気流を許容する少なくとも一個の開口を含む、請求項７記載の装置。
9. 前記少なくとも一個のバイパス・シールは、該バイパス・シールと前記第2チャンバの内部壁との間の空気流を許容する少なくとも一個の開口を含む、請求項７記載の装置。
10. 前記第1連通手段は火炎ジェット・ポートであり、且つ、該第1連通手段は、前記第1および第2チャンバの間における狭窄的空気流経路であって上記火炎ジェット・ポートを覆うべく配設されたバルブ、覆い板およびリミッタの少なくともひとつを含む狭窄的空気流経路を含む、請求項１記載の装置。

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