KR20040100885A - 팬챔버용 포트 - Google Patents

Abstract

포트는 수평방향의 기본 벽과 이에 대향하는 수평방향 출구 벽을 연결하는 대체로 연속적인 적어도 하나의 수직방향 벽으로 형성된 볼륨에 의해 한정되는 팬챔버에 사용된다. 상기 볼륨 내에는 수평방향의 벽들 중에 적어도 하나의 평면에 대체로 평행한 평면에서 회전하는 팬이 위치해 있다. 상기 포트는 상기 출구 벽의 중심과 상기 벽의 외부 에지 사이에 위치한 하나의 내부 측면, 상기 내부 측면과 상기 출구 벽의 외부 에지 사이에 위치한 하나의 외부 측면, 및 상기 외부 측면의 각 단부를 상기 내부 측면에 연결하는 두개의 대향하는 시컨트(secant) 측면으로 형성된다. 상기 내부 측면은 직선 또는 상기 출구 벽 중심에 대하여 볼록한 선을 형성한다.

Description

팬챔버용 포트{PORT FOR A FAN CHAMBER}

본 발명은 팬 챔버(fan chamber)용 포트(port), 보다 구체적으로는 압축 가스가 챔버 볼륨으로부터 더 낮은 압력을 갖는 외부 볼륨으로 배출되는 포트를 갖는, 팬 챔버를 사용하는 연소 동력 파스너 구동 툴(combustion-powered fastener driving tools)에 관한 것이다.

가스 연소 장치들은 당해 기술분야에서 알려져 있다. 이 기술의 실제적인 응용예는 연소 동력 파스너 구동 툴에서 발견된다. 그러한 툴의 한 형태는, 또한 나사를 작업 물에 박는데 사용하기 위한 IMPULSE®상표로 알려져 있으며, 본 발명의 미국 대응출원 명세서의 참고문헌으로서 포함되고, 니콜리히(Nikolich)에게 양도된 미국특허 정정등록 번호 32,452; 등록 번호 4,522,162; 4,483,473; 4,483,474; 4,403,722; 5,197,646 및 5,263,439에 기술되어 있다. 유사한 연소 동력 못(nail) 및 꺽쇠(staple) 구동 툴은 IMPULSE®상표로 일리노이즈의 버논힐의 ITW-Paslode에서, 그리고 PULSA®상표로 프랑스의 Bourg-les-Valence의 ITW S.P.I.T.에서 상업적으로 구매할 수 있다.

알려진 연소 동력 파스너 구동 툴이 도1에 도시되어 있다. 상기 툴(10)은 작은 내연기관(14)을 감싸는 전체적으로 권총 모양의 툴 하우징(12)을 포함한다. 상기 기관은 연료셀 이라고도 하는 압축 연료 가스통(미도시)에 의해 동력이 공급된다. 배터리 동력의 전자 동력 분배 유닛(미도시)은 점화를 위한 스파크를 생성하고, 연소챔버(18) 내에 위치한 팬(fan)(16)은, 상기 장치의 연소 작동에 부수적인 과정들을 촉진하면서 동시에 상기 챔버(18) 내의 효율적인 연소를 위해 제공된다.

그런 부수적인 과정들은, 상기 챔버(18)에 연료를 주입하는 과정; 상기 챔버(18) 내에서 연료와 공기를 혼합하는 과정; 그리고 연소 부산물을 제거 또는 배출하는 과정을 포함한다. 이러한 부수적 과정들에 더하여, 상기 팬은 더 나아가 상기 툴을 냉각시키고 연소 에너지 출력을 높이는데도 기여한다. 상기 기관(14)은 단일 실린더바디(24) 내에 위치한 길고 강체인 구동기 블레이드(22)를 가진 왕복피스톤(20)을 포함한다.

밸브슬리브(valve sleeve)(26)는 상기 실린더바디(24)에 축 상으로 왕복 가능하고, 연동장치(미도시)를 통해서, 상기 연동장치의 단부에 있는 작업접촉요소(work contact element)(28)가 작업물(30)에 대해서 가압될 때 상기 연소챔버(14) 가까이로 이동한다. 이 가압하는 동작은 또한 연료-미터링밸브(미도시)가 특정한 볼륨의 연료를 상기 닫힌 연소챔버(18)안으로 주입하는 것을 트리거 한다.

상기 기관(14)의 상기 연소챔버(18) 내의 충전된 가스를 점화시키는 스파크를 유발하는 방아쇠 스위치(32)를 당기면, 상기 피스톤(20) 및 구동기 블레이드(22)는 위치를 잡은 파스너(미도시)에 충격을 가하여 상기 파스너를 작업물(30)에 박기 위해 아래 방향으로 발사된다. 그리고 나면 상기 피스톤(20)은 상기 실린더바디(24) 내의 차이가 나는 가스 압력을 통해서 그것의 원래, 또는 "준비" 위치로 돌아온다. 파스너는, 상기 파스너가 상기 구동기블레이드(22)의 충격을 받아 내기 위해 적절하게 위치한 방향으로 유지되는, 주둥이(34)에 탄창 형태(magazine-style)로 제공된다.

연소성 연료/공기 가스 혼합물이 점화하면, 상기 챔버(18) 내의 연소는 점화된 가스를 상기 챔버(18)내의 포트(36)를 통해서 전달하는데, 이는 피스톤(20) 및 구동기블레이드(22)의 조립체의 가속과, 상기 파스너가 상기 주둥이(34) 내에 존재한다면 상기 파스너의 상기 작업물(30)로의 침투를 유발한다. 상기 챔버(18)내의 연소 압력은 상기 피스톤(20)이 상기 파스너를 박는 힘의 세기에 영향을 미치기에 중요한 고려사항이다. 다른 중요한 고려사항은 상기 포트(36)를 통해 전달되는 상기 점화된 가스에 의해 상기 피스톤을 구동하기에 필요하고, 상기 기관의 연소 사이클들 사이에 상기 부수적인 과정들을 완료하기 위해 필요한 시간이다.

연소 중에는, 짧은 시간 내에 상기 연소챔버(18)로부터 상기 실린더바디(24)로 막대한 양의 가스가 전달될 필요가 있다. 상기 팬(16)은 회전함으로써 이 과정을 가속시킨다. 상기 팬(16)의 효율은 상기 챔버(18) 및 상기 실린더바디(24)가 설계되고 연결된 방식에 크게 영향을 받는다. 상기 팬(16)은 또한 몇 가지 다른 기능을 한다. 상기 팬(16)은 공기와 연료를 혼합하고, 배출가스를 배기하며, 상기 툴(10)을 냉각시키고, 또한 연소 에너지 출력을 높인다.

이제 도2 내지 도4를 참조하면, 상기 챔버(18)내의 상기 팬(16)의 회전의 영향이 예시되어 있다. 상기 팬(16)이 회전함에 따라, A방향으로 상기 챔버(18)내에 소용돌이가 발생한다. 상기 소용돌이의 속도는 회전 중심에서는 0이고, 상기 챔버(18)의 외벽(38)과 가장 가까운 곳에서 최대가 된다. 상기 챔버(18)는 대체로 원주방향으로 상기 소용돌이의 효율을 극대화하기 위하여 실린더 모양으로 만들어진다. 회전중심으로부터 상기 외벽(38)을 향해 상기 소용돌이의 속도분포에 있어서의 변화는, 대체로 도2에 잘 나타난 바대로 상기 챔버(18)의 상기 실린더형의 벽(38)의 원형 단면의 반경의 함수로서, 선형적으로 증가한다고 생각할 수 있다.

상기 소용돌이치는 유동은, 상기 외벽(38)에 접하는 디스크모양의 상판(40)에 위치한, 상기 포트(36)를 통하여 상기 챔버(18)의 밖으로 전달된다. 상기 판(40)은 적어도 하나의 포트를 가진다. 신속하게 막대한 양의 가스를 상기 포트(36)를 통해서 전달하기 위하여, 상기 포트는 가능한 한 크게 만들어지고, 상기 판(40)의 중심에서 떨어져 상기 소용돌이의 속도가 최대가 되는 상기 외벽(38)을 향하여 위치한다. 상기 판(40)의 중심 지역은 종종 고체여서, 윤곽이 돋보이게 도시된 도3에서 가장 잘 볼 수 있는, 밸브 및 리미터 결합체(42)를 장착하기에 편리한 위치가 될 수 있다.

상기 포트(36)와 밸브/리미터(42)의 모양은 상기 포트(36)를 통한 가스의 결과적인 단면 유동분포를 결정한다. 본 발명자는, 도4에서 잘 볼 수 있는 바대로, 상기 포트(36)가 원형일 때 상기 결과적인 단면 유동이 타원형이고, 상기 포트(36)를 가로질러서 및 통하여 일치하지 않는다는 것을 발견했다. 이 불일치는 상기 포트(36)를 통한 가스의 유동을 불안정하게 만들 수 있고, 그리하여 상기 포트를 통하여 이동하는 점화된 가스의 화염을 소멸시킬 수 있다. 비록 이 소멸(quenching)이 바람직하지는 않지만, 상기 피스톤(20)과 접촉하는 가스가 더 이상 점화되지 않는다 하더라도, 상기 챔버(18)내의 점화된 가스로부터 상기 구동기블레이드(22)를 완전히 가속시키기 위한 충분한 압력을 전달하는 것은 여전히 가능할 것이다. 그러나, 보다 높은 에너지 연소는 화염 소멸을 피함으로써 실현될 수 있다.

이 형태의 연소챔버에서 원형의 포트를 사용하는 것은 몇 가지 중요한 단점이 있다. 원형의 포트는 상기 팬(16)에 의해 발생한 유동의 자연적 속도분포를 이용하지 못한다. 위에서 논의된 바대로, 상기 유동의 속도분포는 회전중심에서부터 선형적으로 증가한다고 생각된다. 그러나, 원형의 포트는 그 정의에 의해 회전중심으로부터 떨어져 감소하는 영역의 반을 항상 가질 것이다. 그에 따라, 유동의 속도분포는 최대인, 회전중심에서 가장 멀리 떨어진 상기 포트(36)의 선형 영역은 0에근접한다. 그리하여 상기 원형의 포트(36)는 가장 큰 에너지를 갖는 가스의 유동이 통과하는 것을 허용하지 못하게 되는데, 이는 또한 바람직하지 못한 결과이다.

다중 연소챔버 시스템은 연소로부터 더 많은 에너지를 이끌어내기 위하여 유사한 툴 구조에서 사용된다. 그러한 바람직한 시스템의 하나는, 본 출원의 미국 명세서에서 또한 참고자료로서 통합되어 있고, 본 출원인에게 양도된 미국특허출원(대리인 명부 번호 13696)에 기술되어 있다. 하나 이상의 챔버에 오직 하나의 팬만을 사용하면, 팬 효율은 유사하게 상기 다중 챔버가 설계되고 연결된 방식에 의하여 영향을 받는다.

그러한 다중 챔버 구조에서, 상기 포트를 통한 가스 유동의 최대 양은 가스가 하나의 챔버에서 다른 챔버로 이동할 수 있는 제한 통로(restrictive path)를 만들어서 달성할 수 있다. 상기 제한 통로는 밸브, 리미터, 포트, 및 측판(shroud)의 조합에 의해 만들어진다. 두 개의 챔버를 연결하는 포트는 대체로, 제2 챔버로부터 제1 챔버로의 압력의 역류를 방지하기 위하여 통상은 닫혀있는, 리드 밸브(reed valve)를 포함한다. 리미터는 상기 이동하는 가스가 상기 밸브를 얼마나 많이 열리게 할지를 물리적으로 제한한다.

그러나, 하나의 원형의 포트를 갖는 이러한 타입의 툴에 있어서, 보다 높은 연소 동력을 이끌어내기 위하여 보다 많은 제한 통로를 사용하는 것은, 연소의 초기단계 동안에 한 챔버에서 다음 챔버로 가스를 적절하게 전달하는 상기 툴의 능력에 차례로 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 게다가, 측편, 포트, 밸브, 및 밸브 리미터를 다중 볼륨 연소 챔버 내의 챔버들늘 하나의 팬과 연결시키기 위하여 사용시에는, 안정적인 기능을 가능케 하는 시스템 작동환경은 심각하게 제한될 것이다. 이러한 증가된 불안정 경향은 또한 상기 제한 통로를 통해서 하나의 챔버에서 다음 챔버로 지나가는 점화된 가스의 화염이 소멸될 수 있는 경향을 증가시킨다.

다중 챔버 구조에서의 화염 소멸은 중대한 문제가 될 수 있다. 하나의 챔버에서 점화된 가스로부터 생성된 압력은 이 처음 챔버로부터 나오는 가스가 다음 챔버에 있는 가스를 점화시키지 못할 때는 이 다음 챔버에 있는 가스에 의해 대부분이 흡수될 수 있다. 다른 말로 하면, 화염이 꺼지고 나서 피스톤에 도달하는 가스압력은 피스톤에 접촉하는 챔버에 들어가는 기류로부터의 압력보다 작아질 것이다. 화염 소멸에 의하여 초래된 피스톤을 구동하는 압력의 손실은 챔버의 수가 증가함에 따라서 더 많이 나타나게 된다.

상기 제한 통로를 통한 유동의 불안정성은 또한 상기 통로에 사용된 밸브의 사용수명을 감소시킬 수 있다. 또한, 필요한 구성 품의 숫자뿐 아니라 구조의 복잡성은 둘 다 챔버들 간의 기류 통로가 보다 제한되고 복잡해짐에 따라 바람직하지 못하게도 증가하게 된다. 그리하여, 상기 챔버는 이러한 상기 열거된 문제점들을 극복하는 개선된 구조를 갖는 것이 바람직하다.

상기 열거된 문제점들은 본 발명의 팬챔버용 포트에 의해 해결된다. 상기 팬챔버는 바람직하게는 연소성 가스를 함유하는, 고체 챔버 구조물 형태를 한다. 상기 챔버 내의 팬은 상기 챔버 내의 가스를 소용돌이치도록 동작하고, 상기 가스가 보다 빨리 상기 포트를 가로지르고 통과하도록 하는 난류를 만들어 낸다.

보다 구체적으로, 본 발명은, 수평방향의 기본 벽과 이에 대향하는 수평방향 출구 벽을 연결하는 대체로 연속적인 적어도 하나의 수직방향 벽으로 형성된 볼륨에 의해 만들어진, 팬챔버 용 포트를 제공한다. 상기 볼륨 내에는 수평방향의 벽들 중에 적어도 하나에 의하여 한정된 평면에 대체로 평행한 평면에서 회전하는 팬이 위치해 있다. 상기 포트는 상기 출구 벽의 중심과 상기 출구 벽의 외부 에지 사이에 위치한 하나의 내부 측면; 상기 내부 측면과 상기 출구 벽의 외부 에지 사이에 위치한 하나의 외부 측면으로서, 상기 내부 측면은 상기 외부 측면과 상기 출구 벽의 중심 사이에 위치한, 하나의 외부 측면; 및 상기 외부 측면의 각 단부를 상기 내부 측면에 연결하는 두개의 대응하는 시컨트(secant) 측면을 갖도록 구성된다. 상기 내부 측면은 직선 또는 상기 출구 벽 중심을 기준으로 볼록한 선 중에 하나를 형성할 수 있다. 설계에 의하여, 상기 포트는 상기 회전하는 팬에 의해 발생한 자연적 유동을 이용하도록 설계되고, 그래서 가스를 상기 볼륨 밖으로 보다 효율적으로 몰아낼 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명의 상기 포트는 다중 챔버 가스 연소 동력 장치의 두 개의 볼륨 사이의 연락 포트(communication port)로서 효율적으로 사용될 수 있다. 상기 장치는 적어도 두 개의 챔버 및 상기 장치 내에서 연소성 가스가 소용돌이치게 하는 하나의 회전 팬을 포함한다. 상기 두 개의 챔버 중에서 제1 챔버는 제1 볼륨을 한정하고, 제2 챔버는 제2 볼륨을 한정한다. 상기 두개의 볼륨간의 상기 연락 포트는 상기 제1 볼륨에서 상기 제2 볼륨으로의 점화된 가스 제트의 통과를 가능케 하기 위하여 설계되고 배치된다. 상기 연락 포트는 또한 소용돌이치는연소성 가스의 속도분포 및 상기 연락 포트를 가로질러 보여지는 상기 점화된 가스 제트에 대응하는 형상을 갖는다.

본 발명의 상기 포트는 상기 회전 팬에 의하여 상기 포트를 가로질러 흐르는 가스 및 물질의 자연적인 속도분포에 보다 근접하기에 적합한 모양을 한다. 이러한 속도분포에 보다 근접하게 일치시킴으로 해서, 본 발명은 짧은 시간 내에 보다 많은 가스와 물질을 상기 포트를 통해서 이동시킬 수 있어서, 연소 장치에 사용될 때에 보다 고에너지 연소를 가능케 한다.

도1: 팬챔버를 사용하는 종래의 툴에 대한 개략도.

도2: 종래의 팬챔버에서의 가스 소용돌이의 속도분포의 도시.

도3: 종래의 포트를 사용하는 팬챔버용 판에 대한 경사도.

도4: 상기 포트를 가로지르는 단면 유동을 나타내는, 종래의 포트에 대한 확대된 경사도.

도5: 본 발명의 일실시예에 대한 평면도.

도6: 도5에서 임의로 표시된, 라인(6-6)을 따라 취한, 본 발명의 상기 실시예에 대한 수직방향의 개략적인 단면도.

도7: 본 발명의 다른 실시예에 대한 평면도.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 연소동력 파스너 구동툴(combustion-powered fastener driving tools)

12: 하우징 14: 내연기관

16: 팬(fan) 18: 연소챔버(combustion chamber)

20: 왕복피스톤 22: 구동기 블레이드

24: 실린더바디 26: 밸브슬리브(valve sleeve)

28: 작업접촉요소(work contact element) 30: 작업물

32: 방아쇠 스위치 34: 주둥이

36: 포트 38: 외벽, 실린더형의 벽

40: 디스크모양의 상판 42: 밸브 및 리미터 결합체

50: 팬챔버(fan chamber) 52: 포트

54: 판 56: 수직방향의 벽

58: 팬 60: 회전중심

62: 내부 측면 64: 외부 측면

66: 수직방향의 벽의 최 내면(innermost dimension)

68, 70: 시컨트 측면 72: 밸브

74: 밸브 리미터 76: 피봇/힌지

78: 리미터의 내부 면 80: 팬챔버

82: 포트 84: 판

이제 도5 및 6을 참조하면, 팬챔버는 전체적으로 50으로 지정되어 있고, 판(54)위에 위치한 포트(52)를 포함한다. 상기 판(54)은 상기 챔버(50)의 대체적으로 수평방향인 벽을 형성하고, 상기 벽(56)의 일 단부를 밀봉(seal)하도록 대체로 수직방향인 챔버 벽(56)의 형상에 따라 적합한 모양이다. 상기 판(54) 및 상기 벽(56)은 바람직하게는 강체의 금속 바디이지만, 또한 당해 기술분야에서 알려진 다른 강하고, 고체이며, 내연소성 물질로 형성될 수도 있다. 상기 판(54) 및 상기 벽(56)은 바람직하게는 각각 평면 디스크 및 실린더를 형성하나, 상기 챔버 내의 가스의 소용돌이가 포트를 통하여 외부 볼륨으로 압력을 받으며 전달되도록 허용하는, 본 발명에서 벗어나지 않는, 많은 다른 형상들이 사용될 수 있음을 당업자는 알고 있다.

상기 챔버 내의 팬(58)은 상기 판(54)에 대체로 평행한 평면 내에서 회전하고, B 방향으로 가스 소용돌이를 일으킨다. 연소성 연료는 상기 챔버(50)안으로 공급되며, 바람직하게는 상기 팬(58)의 상류인 상기 챔버(50)의 저압 구역으로 공급된다. 하나의 적합한 연료는 연소 동력 파스너 구동 툴에서 사용되는 형태의 MAPP 가스이지만, 상기 연료는 당해 기술분야에서 사용되는 수많은 알려진 연소성 연료 중에 어떤 것이라도 될 것이다. 상기 연료는 연소성 가스를 생성하기 위하여 상기 챔버(50) 내에서 공기와 혼합된다. 상기 회전 팬(58)은 상기 챔버(50) 내에서 빠르고 균일하게 연료와 공기를 혼합한다.

상기 챔버(50)에 작동상 연관되는 점화 소스(미도시)는 바람직하게는 상기 팬(58)의 상류에 위치하여, 상기 챔버(50) 내의 상기 연소성 연료/공기 혼합물을 점화시키는 스파크를 발생시키고, 그에 따라 상기 점화 소스로부터 상기 팬의 하류를 거쳐서, 바람직하게는 상기 팬의 하류에 위치한, 상기 판(54)으로 이동하는 화염의 전단부가 형성된다. 연소로 인한 압력은, 고에너지 화염 제트로서 상기 포트(52)를 통하여 상기 챔버(50)의 밖으로 추진되는 화염을 만들어 낸다. 주어진 시간동안에 상기 포트(52)를 통하여 이동할 수 있는 점화된 가스의 양이 많으면 많을수록, 생성된 상기 화염 제트의 에너지는 더 커진다. 본 발명자는 상기 포트(52)의 형상이 얼마나 많은 가스가 주어진 시간동안에 상기 포트를 통해서 전달될 수 있는지에 중대한 영향을 미친다는 것을 발견했다.

연소 후에, 상기 챔버(50)로부터 신속하게 연소 부산물을 배출 또는 청소하는 것이 바람직하다. 상기 회전 팬(58)은 또한 상기 챔버(50)의 보다 신속한 청소를 가능케 한다. 본 발명자는 또한 상기 포트(50)의 형상이, 청소될 수 있는, 또는 다르게는 상기 포트(52)를 통해서 상기 챔버(50)의 밖으로 전달될 수 있는, 비 연소성 가스의 양에 중대한 영향을 미친다는 것을 발견했다. 이러한 점에서, 본 발명은 오직 점화된 연소성 가스용 포트로만 사용되는 것을 넘어서서 유용한 응용예들을 가진다.

이제 도5를 참조하면, 위에 논의된 바대로, 본 발명자는 상기 팬(58)에 의해 발생한 소용돌이의 자연적 속도분포를 이용할 수 있는 상기 포트(52)의 형상이 가장 유용하다는 것을 발견했다. 그러한 바람직한 형상의 하나는 상기 소용돌이 유동의 속도분포에 대하여 상대적으로 일정한 단면 영역을 제공하는 형상이다. 상기 포트(52)의 이 바람직한 형상은 대략적으로 직사각형 또는 정사각형 형상에 근거한다. 더 많은 물질이 회전중심(60)을 향하기보다는 상기 외부의 수직방향 챔버 벽(56)근처에서 유동할 것으로 예상되기 때문에, 상기 가스 유동의 속도분포에 대하여 일치하는 단면 영역은 상기 챔버(50)내에 형성된 압력에 대하여 상기 포트를 통하여 상기 물질들이 더 많이 그리고 더 안정적으로 통과하는 것이 가능케 한다.

본 실시예에 따르면, 상기 포트(52)는 상기 판(54) 내의 개구로서, 내부 측면(62)과 대향하는 외부 측면(64)에 의하여 형성된다. 상기 내부 측면(62)은 상기 회전중심(60)에 더 가깝고, 상기 외부 측면(64)은 상기 수직방향의 벽(56)에 더 가깝다. 보다 바람직한 실시예에서, 상기 외부 측면(64)은, 최대의 속도분포로 유동하는 물질의 최대의 양을 포착하기 위하여, 도6에서 보여지는 바대로, 상기 외부 수직방향의 벽(56)의 최 내면(innermost dimension)(66)에 위치한다. 상기 내부 및 외부 측면(62, 64)은 대체로 직선 형태일 것이나, 보다 바람직하게는 상기 소용돌이 방향과 일치하는 아크(arc)를 형성하도록 커브질 수 있다. 이러한 점에서, 상기아크의 커브는 상기 회전중심(60)에 대하여 볼록해야 한다. 이 실시예에서, 상기 내부 측면(62)은 상기 외부 측면(64)과 거의 동일한 길이를 가진다.

두 개의 대향하는 시컨트 측면(68, 70)은 상기 내부 및 외부 측면(62, 64)의 각 단부를 연결한다. 상기 시컨트 측면(68, 70)은 바람직하게는 원형의 판(54)의 교차하는 시컨트들을 따라서 대체적으로 직선을 형성한다. 이 실시예에서, 상기 시컨트 측면(68, 70)은 서로에 대해, 그리고 상기 원형의 판(54)의 직경(D)에 대해서 대체로 평행하고, 상기 직경(D)의 대향하는 쪽에서 근사적으로 동일한 거리만큼 떨어진 곳에 위치한다.

도5에서 잘 볼 수 있듯이, 상기 챔버(50)를 접하고 있는 상기 판(54)의 측면은 x축과 y축을 갖는 2차원 평면을 따라 위치한 것처럼 보여질 수 있다. 그러한 예에 대하여, 상기 원형의 판(54)의 상기 직경(D)은 y축을 정의하고, 상기 소용돌이의 속도분포는 소용돌이 회전방향(B)에 접하는 방향으로 이동하는 것으로 보여진다(도5에서 볼 수 있듯이, x방향에서 직경(D)에 대하여). 그래서 속도분포의 세기는 회전중심(60)으로부터 y방향을 따라서 멀어질수록, 그리고 상기 판(54)의 반지름(R)의 함수로서, 0에서부터 선형적으로 증가한다고 생각된다. 그에 따라, 전체 포트(52)는 상기 중심(60)과 상기 외부 수직방향의 벽(56) 사이에 위치해야만 한다. 다른 말로하면, 상기 포트(52)의 어느 부분도 상기 중심(60)을 걸치거나 덮어서는 안 된다.

본 발명의 이러한 바람직한 실시예는 당해 기술분야에서 알려진 상기 원형의 포트에 대한 몇 가지 장점을 실현한다. 상기 포트(52)의 단면 영역이 상기 팬(58)에 의해 발생되는 자연적인 유동과 보다 근접하게 일치하게 때문에, 상기 포트를 가로지르는 유동은 보다 안정되어서 난류 유동은 보다 작아지며, 그에 따라 상기 포트(52)를 통과하는 유동의 보다 넓은 범위의 안정성을 가져오고, 이는 화염 소멸의 경향이 상당히 낮아지는 결과를 가져온다. 그래서 보다 많은 양의 가스가 상기 포트(52)를 통해서 매우 신속하게 전달되고, 이는 또한 최대 연소 에너지 출력을 증가시킨다. 본 발명의 이러한 장점은 상기 포트(52)가 도1에 도시된 것과 같은 단일 챔버의 연소용 시스템에 사용되든지, 다중 볼륨 시스템에 사용되든지 관계없이 실현된다. 이러한 장점은 또한 본 발명의 상기 포트가, 상기 연속된 수직방향의 벽(56)을 따라서 위치한, 흡기 포트(미도시) 및/또는 재 순환 포트(미도시)와 함께 사용될 때에도 실현될 수 있다.

이제 도6을 참조하면, 위에서 논의된 바대로, 다중 볼륨 연소 시스템, 및 몇 가지 단일 챔버 시스템은 점화된 가스가 추진되는 포트와 함께 밸브, 밸브 리미터, 및 측판을 사용할 수 있다. 밸브(72) 및 밸브 리미터(74)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 상기 포트(52)에 겹쳐 사용된다. 바람직하게는 리드 밸브인, 당해 기술분야에 알려진 바와 같은, 상기 밸브(72)는 외부 볼륨으로부터 챔버(56)로의 압력의 역 유동을 방지하기 위하여 보통은 닫힌 채로 있다. 리드 밸브가 바람직하기는 하지만, 본 발명자는 또한 당해 기술분야에서 알려진 다른 밸브들도 본 발명에서 벗어남이 없이 본 발명의 이 실시예에 따라 사용될 수 있다고 생각하고 있다. 상기 리미터(74)는 당해 기술분야에서 알려진, 고체이며 내연소성인 어떠한 물질로도 형성될 수 있다.

위에서 논의된 바대로, 상기 포트(52)를 가로지르는 유동의 속도분포는, 상기 중심(60)으로부터 y방향으로의 거리가 증가함에 따라, x방향으로 증가한다. 본 발명자는 또한 상기 팬(58)의 소용돌이는, 상기 중심(60)으로부터 거리가 증가함에 따라서, z방향으로 증가하는, 상기 포트(52)를 통한 물질의 분포를 유발한다는 것을 발견했다. 이러한 관계가 주어진다면, 리드 밸브가 상기 밸브(72)로서 바람직한데, 이는, 도6에서 잘 볼 수 있듯이, 상기 포트(52)의 상기 외부 측면(64)을 향한 힌지 또는 램핑 효과(hinging or ramping effect)로서 점차적으로 개방되도록 위치될 수 있기 때문이다.

따라서 상기 밸브(72) 및 상기 리미터(74)는, 결과적인 y-z 축 단면 영역이 또한 상기 팬에 의해 발생한 것과 같은 상기 포트를 통한 가스의 자연적인 속도분포에 합치되기 위해 바람직한 곳에 위치해야 한다. 그에 따라, 상기 밸브(72) 및 상기 리미터(74)는 바람직하게는 평면 형상이고, z방향으로 상기 중심(60)에서 상기 외벽(56)으로 갈수록 증가하는 방사상의 선(radial line, 미도시)을 따라서 위치해야 한다. 상기 밸브(72)의 피봇/힌지(76)는 바람직하게는 상기 중심(60)에 가까운 상기 판(54)의 일 구역에 위치하고, 상기 리미터(74)의 경사진 부분(또는 열린 밸브(72)) 및 상기 포트(52) 사이의 간격이 상기 외부의 벽(56)에서는 더 크고 상기 중심(60)근처에서는 더 작도록 아래로 피봇 한다(pivot). 다음으로 상기 포트(52)를 마주하고 있는 상기 리미터(74)의 내부 면(78)은 대체로 평면의 경사로(ramp)의 형상에 적합한 모양을 하는 것이 가장 바람직하다.

이 바람직한 밸브/리미터 구조는, 상기 밸브(72)가 상기 포트(52)가 닫히도록 밀봉할 때의 "밸브 닫힘" 위치에서부터, 상기 밸브(72)가 상기 리미터(74)와 완전히 접촉해 있는 "밸브 완전 개방" 위치까지, 상기 포트(52)를 통한 가스 유동의 소용돌이의 단면 속도분포에 가장 적합한 모양이다. 상기 두 위치간의 상기 밸브(72)의 각각의 중간 위치는 더욱이 상기 외부의 벽(56)에 접근하는 z방향의 기류의 증가를 가능케 한다. 상기 포트(52)를 상기 중심(60)으로부터 떨어진 채 위치시켰을 때의 또 하나의 이점은 상기 판(54)의 상기 중심(60)을 둘러싸는 구역이 강체로 존재하여 상기 밸브(72)의 상기 리미터(74) 및 힌지/피봇(76)의 장착할 수 있다는 것이다. 상기 밸브(72) 및 리미터(74)는 바람직하게는 상기 판(54)에 나사로 부착되나, 또한 당해 기술분야에서 알려진 다른 장착 수단으로 부착될 수도 있을 것이다.

이렇게 단순화된 밸브 및 리미터 구조는 또한 상기 리미터(74)가 외부 환경으로부터 상기 포트(52)를 보호할 수 있게 하고, 그에 따라 바람직하게도, 위에서 논의된 바와 같이 유동이 연소 에너지 출력을 증가시키도록 제한된 통로를 생성하기 위하여 사용되는, 추가적인 측판(shroud)에 대한 필요를 제거한다. 이 바람직한 구조에서, 상기 밸브(72) 및 상기 리미터(74)는, 여전히 상기 팬챔버로부터 외부 볼륨으로의 가스의 향상된 이동을 허용하면서도, 통상적으로 추가적인 측판의 사용으로 구현되는 제한 통로를 충분히 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명은 고에너지의 제한된 통로와, 현재의 포트 및 밸브 구조에 의해 경험된 적절한 가스 및 화염의 전달 사이에, 알려진 많은 트레이드오프(tradeoff)를 직면해야 하는 것을 피할 수 있게 한다.

이 바람직한 구조는 또한, 도5에 도시된 2차원 분포 형태로부터 얻게 되는 속도분포 이득을 3차원으로 증가시키는 것이 장점이다. 추가적으로, 본 밸브 구조는 하나의 연소챔버의 하나의 포트용으로 사용할 경우에 관련하여 기술되어 있지만, 당해 기술분야에서 숙련된 사람은 본 발명의 상기 포트 및 밸브 구조는 역시 다중 볼륨 시스템에서 회전 팬을 갖는 챔버의 하류에 위치해 있는 다른 하나의 챔버와 함께 사용될 수 있고, 심지어 포트를 통해서 전달되는 가스의 연소를 요구하지 않는 시스템에도 사용될 수 있음을 알 것이다.

이제 도7을 참조하면, 팬챔버는 전체적으로 80으로 지정되어 있고, 상기 챔버(50)의 특징적인 형태를 많이 갖고 있는데, 그러한 형태들은 편의상 동일한 숫자로 지정된다. 상기 챔버(80)는 다른 바람직한 실시예에 따르는 포트(82)를 특징으로 한다.

상기 포트(82)는 시컨트 측면(68, 70)의 구조만 제외하면, 상기 포트(52)와 유사하다. 이 바람직한 실시예에서, 상기 시컨트 측면(68, 70)은 더 이상 서로에게 평행하지 않고, 또한 직경(D)에도 평행하지 않으나, 이제는 판(84)의 반경(R)을 따라 위치하고 있다. 상기 시컨트 측면(68, 70)을 판(84)의 반경(R)을 따라 위치시킴으로써, 상기 시컨트 측면(68, 70)은 자동적으로 직경(D)의 양 측면에서 동일하게 떨어진 채로 위치하게 된다. 이 실시예는 상기 수직방향의 챔버 벽(56)에 가까이에, 또는 바람직하게는 상기 벽(56)에서 가장 넓은 개구를 갖고, 상기 회전중심(60)으로 접근할수록 점진적으로 더 좁아진다. 상기 포트(82)의 이 구조는 쐐기 모양으로 자른 파이 조각의 일 부분을 닮았으며, 또한 상기 포트(82)가 상기팬(58)으로부터의 소용돌이에 의해 유발되어 상기 포트를 가로지르는 가스의 자연적 유동에 가장 근접하게 부합하는 모양이 되도록 한다는 장점이 있다.

본 발명의 발명자는 상기 제한된 통로에 밸브나 밸브 리미터가 사용되지 않을 때나, 상기 포트(82)의 개구(상기 포트(82) 및 판(84)과 z방향으로 평행한)를 가로질러 일치하는 거리에서 개방된 밸브가 사용될 때에 본 실시예가 특히 유용하다는 것을 발견했다. 상시 포트(82)를 통한 기류의 속도분포는 오직 x-y평면에서만 상기 포트의 형상에 의해서 전체적으로 근사화할 수 있다. 당해 기술분야에서 숙련된 자들은 포트와 밸브 구조의 다른 조합들은 또한, 본 발명에서 벗어남 없이, 상기 포트(82)를 통과하거나 가로지르는 3차원 기류의 속도분포를 근사화할 수 있다는 것을 알 것이다.

본 실시예에서는 반경(R)을 따라 형성된 양 시컨트 측면(68, 70)을 갖는 것이 바람직하지만, 본 발명자는 두 개의 대응하는 측면 중에 하나는 또한 직경(D)에 평행하게 형성되거나, 심지어 반경(R)을 따라 형성된 다른 대응하는 측면에 평행하게 형성될 수 있다고 생각하고 있다. 그러나, 상기 바람직한 구조는, 상기 시컨트 측면(68)이 적어도 내부 측면(62)에서 만날 때만큼 외부 측면(64)에서 만날 때도 상기 시컨트 측면(70)으로부터 떨어져 있는 경우이다. 상기 시컨트 측면(68)은 상기 내부 측면(62)보다 상기 외부 측면(64)에서 시컨트 측면(70)으로부터 훨씬 더 떨어져 있는 것이 바람직하다.

따라서, 위에서 논의된 실시예들의 상기 포트들은 팬챔버의 팬의 회전에 의해 발생한 자연적 소용돌이를 더 잘 유입할 수 있고, 그리하여 짧은 시간 동안에포트를 통해서 보다 많은 가스 유동이 더 잘 통과할 수 있도록 하는데, 이는 결과적으로 상기 챔버의 최대 에너지 출력을 증가시킨다. 이 개선된 구조는 상기 포트를 통한 유동의 안정성을 보다 넓은 범위까지 보장하고, 이러한 점은 가스가 연소성이고 점화되었을 때에 너무 때이른 화염 소멸의 위험을 상당히 낮추는 결과를 가져온다. 본 발명은 또한 상기 포트를 덮는 보다 단순화된 밸브 및 제한 통로 디자인을 가능하게 하는데, 이는 위에서 논의된 바대로, 더 적은 수의 부품을 요구할 것이다.

본 발명과 같은 연소 장치에 사용될 수 있는 포트는 또한 하나의 볼륨에서 다른 볼륨으로 신속하게 가스를 전달하기 위한 팬을 사용하는 다른 장치들, 피스톤을 구동하는 장치들, 일반적으로 연소 장치에 의해 동력을 제공받을 장치들에서 효과적으로 사용될 수 있음은 당해 기술분야에서 숙련된 자들에게 알려져 있다. 본 발명의 연소 메커니즘의 특정한 실시예가 보여지고 기술되어 있지만, 수정 및 변경은 본 발명의 보다 넓은 관점, 그리고 아래 특허청구범위에 나타난 본 발명에서 벗어남이 없이도 그 안에서 만들어질 수 있음은 당해 기술분야에서 숙련된 자들은 또한 잘 이해할 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명의 팬챔버용 포트에 의하면, 상기 포트는 회전 팬에 의하여 상기 포트를 가로질러 흐르는 가스 및 물질의 자연적인 속도분포에 보다 근접하기에 적합한 모양을 하여, 짧은 시간 내에 보다 많은 가스와 물질을 상기 포트를 통해서 이동시킬 수 있어서, 연소 장치에 사용될 때에 보다 고에너지 연소를가능케 하는 등의 효과가 있다.

Claims (22)

1. 하나의 수평방향의 기본 벽(base wall)과 이에 대향하는 하나의 수평방향 출구 벽(exit wall)을 연결하는 대체로 연속적인 적어도 하나의 수직방향 벽으로 형성된 볼륨을 한정하고, 상기 볼륨 내에는 상기 수평방향의 벽들 중에 적어도 하나의 평면에 대체로 평행한 평면에서 회전 가능한 팬을 구비한 팬챔버(fan chamber) 용 포트(port)에 있어서, 상기 포트는,

   상기 출구 벽의 중심과 상기 출구 벽의 외부 에지 사이에 위치한 하나의 내부 측면;

   상기 내부 측면과 상기 출구 벽의 상기 외부 에지 사이에 위치한 하나의 외부 측면으로서, 상기 내부 측면은 상기 외부 측면과 상기 중심 사이에 위치하는, 하나의 외부 측면: 및

   상기 외부 측면의 각 단부를 상기 내부 측면에 연결하는 두개의 대향하는 시컨트(secant) 측면들을 포함하며,

   여기서 상기 내부 측면은 상기 출구 벽의 상기 중심에 대하여 직선 또는 볼록한 선 중에 적어도 하나를 형성하는, 팬챔버 용 포트.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 수평방향의 출구 벽은 대체로 원형 형상을 갖는 판인, 팬챔버 용 포트.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 대향하는 시컨트 측면은 상기 대체로 원형 형상의 반지름들을 따라 형성된, 팬챔버 용 포트.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 대향하는 시컨트 측면은 상기 원형 형상의 일 직경에 평행한, 팬챔버 용 포트.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 내부 및 외부 측면은 원의 아크(arc)에 부합하는 형상인, 팬챔버 용 포트.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 내부 측면은 상기 외부 측면에 평행한, 팬챔버 용 포트.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 포트는 일반적으로 직사각형을 형성하는, 팬챔버 용 포트.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 대향하는 시컨트 측면들 사이의 거리는 상기 회전 팬에 의해 상기 포트를 가로질러 소용돌이치게 유발된 가스의 상대적인 속도분포에 대응해서 증가하는, 팬챔버 용 포트.
9. 팬챔버로서,

   대체로 수평방향인 기본 벽:

   대체로 수평방향인 출구 벽;

   상기 기본 벽을 상기 출구 벽에 연결하는 연속적인 수직방향의 벽; 및

   상기 챔버 내에 있으며, 상기 기본 및 출구 벽들 중에 적어도 하나에 대체로 평행한 평면에서 회전 가능한 팬;

   상기 수평방향의 출구벽에 위치하며, 하나의 내부 측면, 상기 내부 측면에 대향하는 하나의 외부 측면, 및 상기 내부 측면을 상기 외부 측면에 연결하는 두개의 대향하는 시컨트 측면;

   을 포함하고,

   상기 내부 측면은 상기 수평방향의 출구 벽의 중심 구역에 대하여 직선 또는 볼록한 선을 형성하는며; 그리고

   상기 외부 측면은 상기 내부 측면의 길이와 같거나 큰 길이를 갖는, 팬챔버.
10. 제 9 항에 있어서, 밸브를 더 포함하며, 상기 밸브는 상기 챔버 밖에서 상기 포트를 덮기 위하여 위치하며 보통은 닫힌 상태를 유지하나, 상기 챔버 내의 압력이 상기 챔버의 외부 압력보다 커지면 열리는, 팬챔버
11. 제 10 항에 있어서, 상기 밸브와 상기 포트를 덮기 위하여 상기 챔버의 외부에 위치한 밸브 리미터를 더 포함하는, 팬챔버.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 밸브 리미터의 일단은 상기 수평방향의 출구 벽의 상기 중심 구역에 장착되고, 상기 밸브 리미터의 타단은 상기 수직방향의 벽에 가장 인접한 상기 출구 벽으로부터 떨어져서 열리는, 팬챔버.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 밸브 리미터의 형상은 경사로 모양이고, 상기 경사로의 각은 상기 회전 팬에 의해 상기 포트를 통해서 상기 챔버를 빠져나가도록 만들어진 가스의 속도분포에 대응하는, 팬챔버.
14. 제 9 항에 있어서, 상기 수직방향의 벽을 따라서 위치한 흡기 개구 및 재순환 개구 중에서 적어도 하나를 더 포함하는, 팬 챔버.
15. 다중 챔버 가스 연소 동력 장치로서,

    연소성 가스가 상기 장치 내에서 소용돌이치게 하는 하나의 회전 팬;

    제1 볼륨을 한정하는 제1 챔버;

    제2 볼륨을 한정하는 제2 챔버; 및

    상기 제1 볼륨 및 상기 제2 볼륨간의 연락 포트(communication port)로서, 상기 연락 포트는 상기 제1 볼륨에서 상기 제2 볼륨으로의 점화된 가스 제트의 통과를 가능케 하기 위하여 구성되고 배치되며, 상기 연락 포트를 가로지르는 소용돌이치는 연소성 가스 및 상기 점화된 가스 제트의 속도분포에 대응하는 형상을 갖는, 연락 포트를 포함하는, 다중 챔버 가스 연소 동력 장치.
16. 제 15 항에 있어서, 연소성 가스를 점화하기 위해 상기 제1 챔버 내에 위치하는 점화 수단을 더 포함하고, 상기 회전 팬은 상기 제1 챔버 내의 상기 점화 수단의 하류에 위치한, 다중 챔버 가스 연소 동력 장치.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 점화 수단 및 상기 팬 회전면에 수직인 상기 제1 챔버의 벽 상의 팬 회전면 사이에 위치하는 흡기 개구, 및 상기 팬 회전면 및 상기 연락 포트 사이의 상기 수직한 벽 상에 위치한 재순환 개구 중에서 적어도 하나를 더 포함하는, 다중 챔버 가스 연소 동력 장치.
18. 제 15 항에 있어서,

    상기 제2 챔버 내의 하나의 개구;

    상기 제2 챔버 내의 상기 개구를 통하여 상기 제2챔버와 통해있는 하나의 피스톤 챔버; 및

    상기 피스톤 챔버 내에 위치하고, 상기 제2 볼륨 내의 연소 압력이 상기 제2 챔버로부터 멀어지는 방향으로 상기 피스톤을 구동할 수 있도록 구성되고 배치된 피스톤;

    을 더 포함하여 이루어지는, 다중 챔버 가스 연소 동력 장치.
19. 제 15 항에 있어서, 상기 점화된 가스 제트의 하류이고 상기 포트 위에 위치한 리드 밸브 및 밸브 리미터를 더 포함하고, 상기 밸브는 통상은 닫혀있으나, 상기 제2 볼륨 내의 압력이 상기 제1 볼륨 내의 압력보다 낮을 때는 열리는, 다중 챔버 가스 연소 동력 장치.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 제1 챔버에 마주하는 상기 밸브 리미터의 윤곽은 상기 연락 포트를 통과하는 상기 점화된 가스 제트의 속도분포에 대응하는, 다중 챔버 가스 연소 동력 장치.
21. 제1 챔버로부터 상기 제1 챔버와 통해있는 제2 챔버로 가스를 전달하는 방법으로서,

    상기 제1 챔버 내의 상기 가스를 소용돌이치게 하는 단계; 및

    상기 제1 및 제2 챔버를 연결하는 전달 수단을 통하여, 상기 제1 챔버 내의 이동하는 볼륨의 점진적인 속도분포에 비례하여, 상기 소용돌이치는 가스의 이동하는 볼륨을 상기 제1 챔버로부터 상기 제2 챔버 내로 전달시키는 단계를 포함하여 이루어지는, 제1 챔버로부터 상기 제1 챔버와 통해있는 제2 챔버로 가스를 전달하는 방법.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 전달 수단은 상기 점진적인 속도분포를 수용할 수 있도록 구성된, 제1 챔버로부터 상기 제1 챔버와 교류하는 제2 챔버로 가스를 전달하는 방법.