KR20060106830A - 수축가능 부피를 갖는 연소 장치 - Google Patents

Abstract

가스 연소 동력식 장치는, 구동가능 피스톤을 수용하는 피스톤 챔버와, 그 사이에 적어도 하나의 연소 부피를 한정하는 컵-형태 벽 및 일반적으로 평평한 벽 조립체를 갖는 연소 챔버를 포함한다. 컵-형태 벽은 피스톤 챔버에 대해 이동가능하고, 일반적으로 평평한 벽 조립체에 마주보고 이에 일반적으로 평행한 일반적으로 평평한 부분을 갖는다. 점화 소스는 연소 부피에 동작가능한 관계에 있고, 이것은 연소 부피 내에서 연소 가스를 점화시킬 수 있다. 피스톤은 피스톤이 비구동 상태에 있을 때 일반적으로 평평한 벽 조립체의 적어도 일부분을 형성한다.

Description

수축가능 부피를 갖는 연소 장치{COMBUSTION APPARATUS HAVING COLLAPSIBLE VOLUME}

본 발명은 가스 연소-동력식 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 연소 챔버 내에 일정 가스 부피를 변위시키는 수축가능(collapsible) 연소 부피를 갖는 가스 연소-동력 방식의 패스너-구동 장치에 관한 것이다.

가스 연소 디바이스는 종래 기술에 알려져 있다. 이러한 기술의 실제적인 응용은 연소-동력 방식의 패스너 구동 툴에서 발견된다. 또한 소재(workpiece)로의 구동 패스너에 사용하기 위한 IMPULSE 상표의 툴로 알려져 있는 그러한 툴의 한가지 유형은, Nikolich에 공동으로 양도된 특허, 즉 미국 특허 등록 번호 32,452와, 미국 특허 번호 제 4,522,162호와, 제4,483,473호와, 제 4,483,474호와, 제 4,403,722호와, 제 5,197,646호와, 제 5,263,439호에 기재되어 있으며, 이들 특허 전체는 본 명세서에 참고용으로 병합되어 있다. 유사한 연소 동력 방식의 네일(nail) 및 스테이플(staple) 구동 툴은 IMPULSE 상표를 갖는, 일리노이즈, 버논 힐스에 위치한 ITW-Paslode로부터 상업적으로 이용가능하다.

그러한 툴은 소형 내부 연소 엔진을 수용하는 일반적으로 권총-형태의 툴 하우징을 병합한다. 이 엔진은 또한 연료통이라 불리는 가압 연료 가스통에 의해 동 력이 공급된다. 배터리-동력 방식의 전원 분배 유닛은 점화용 스파크를 발생시키고, 엔진은 또한 단일 실린더 바디 내에 배치된 연장된 강성 구동기 블레이드를 갖는 왕복 피스톤을 포함한다. 공작물 접촉 요소(work contact element)가 소재에 대해 눌러질 때, 연료-측정 밸브는 규정된 부피의 연료를 엔진의 연소 챔버에 주입한다.

스파크가 연소 챔버 내의 가스 전하를 점화시키도록 하는 방아쇠 스위치를 당기면, 피스톤 및 구동기 블레이드는 아래로 발사되어, 배치된 패스너에 충격을 주고 이 패스너를 소재쪽으로 구동시킨다. 그 다음에, 피스톤은 실린더 내부의 차이나는 가스 압력을 통해 본래 위치, 또는 "준비 위치"로 복귀한다. 패스너는 노즈피스(nosepiece)쪽으로 매거진-형태(magazine-style)로 공급되는데, 여기서 패스너는 구동기 블레이드의 충격을 수용하기 위해 적절히 배치된 배향으로 유지된다. 가스 전하는 연소가능한 연료/공기 혼합물이고, 챔버 내의 연소로 인해 피스톤/구동기 블레이드 조립체는 가속하게 되고, 그 결과 만약 패스너가 노즈피스에 존재하면 패스너는 소재쪽으로 관통하게 된다.

챔버 내의 연소 압력은 중요한 고려사항인데, 이는 그러한 압력이, 피스톤이 패스너를 구동시킬 수 있는 힘의 양에 영향을 미치기 때문이다. 연소 압력은 연소 챔버가 점화될 수 있는 연료/공기 혼합물을 더 빠르게 증가시킨다. 연소 챔버 내의 연료/공기 혼합물은 이 혼합물이 난류 상태(turbulent state)에 있을 때 더 빠르게 점화될 수 있다. 툴의 이러한 연소 동작에 부수적인 빠른 완료 프로세스에 대한 능력은 다른 중요한 고려사항이다. 그러한 부수 프로세스는, 연료를 연소 챔버 에 삽입하는 것과, 챔버 내에서 연료와 공기를 혼합하는 것과, 연소 사건 이후에 챔버에 남아있는 연소 부산물(combustion by-product)을 제거하거나 배기(scavenge)하는 것을 포함한다.

연소 사건 사이의 잔류 연소 부산물을 배기하는 한가지 알려진 방법은 희석(dilution)이다. 희석 배기는 연소 부산물을 변위하기 위해 연소 사건 사이에서 연소 챔버를 통해 흐르는 신선한 공기를 전달함으로써 수행된다. 희석 배기의 일례는 본 명세서에 참고용으로 병합된, 공동 양도된 공동 계류 중인 출원(출원인 관리 번호 13696)에 기재되어 있다. 더 빠른 더 높은 에너지 연소를 위한 난류를 생성하고 또한 연소 사건 사이에서 연소 챔버를 통해 신선한 공기를 주입하기 위해 팬이 연소 챔버 내에 위치한다. 이러한 프로세스가 빠른 고-에너지 연소 및 배기를 달성하는데 효과가 있지만, 배기는 항상 효과적으로 수행되는 것은 아니다. 일반적으로, 연소 사건 이후에 연소 부산물을 배기하는데 필요한 공기의 부피는 연소 챔버 자체 부피의 대략 2와 1/2배가 된다.

희석 방법보다 더 효과적인 다른 알려진 배기 방법은 변위 방법이다. 변위 배기는 연소 챔버 자체 내의 부피를 제거하거나, 그렇지 않으면 효과적으로 0으로 감소시킴으로써 수행되어, 이를 통해 연소 부산물을 포함하는 모든 공기를 상기 부피 내에서 제거하게 된다. 변위 배기의 예는 코타(Cotta)의 미국 특허 번호 제 4,721,240호 및 Gschwend의 미국 특허 번호 5,181,495호에 기재되어 있다.

코타의 특허는 연소 챔버의 전면에서 챔버의 배면 벽쪽으로 이동가능 부품의 변위를 필요로 한다. 이에 따라 연소 챔버를 통해 제 2 피스톤 조립체를 피스톤 챔 버 내의 피스톤에 반대 방향으로 이동시킴으로써 변위가 수행된다. 제 2 피스톤은 연소 챔버로부터 가스의 전체 부피를 변위시키지만, 부피가 실제로 0으로 감소하지는 않는다. 상당히 효과적일지라도, 이러한 구성의 복잡도는 일반적으로 툴의 비용을 증가시킨다. 비용 및 복잡도 모두는, 제 2 피스톤 조립체에 필요한 여분의 다수의 구성요소 뿐 아니라 복잡한 구조를 동작시키기 위한 호스트 추가 전기 구성요소(모터, 배터리, 제어 회로 등)에 의해 크게 증가한다.

Gschwend의 특허는, 연소 챔버의 배면에 있는 이동가능 섹션이 챔버를 뒤에서 대부분 무너뜨리고 그 부피를 거의 0으로 감소시키기 위해 챔버의 전면쪽으로 이동하는 것을 요구함으로써 연소 챔버 부피를 변위시킨다. 툴의 뒤에 있는 오퍼레이터(operator)로부터의 힘은 이동가능 섹션을 연소 챔버의 전면쪽으로 이동시켜, 이동가능 섹션이 코타 특허의 피스톤과 같이 동작시키지만, 반대 방향으로 동작시킬 수 있다. Gschwend의 특허는, 연소 에너지를 증가시키기 위해 종래 기술에 알려진 바와 같이 다중-부피 시스템으로서 구성된 구동기 플레이트의 이용을 통해 연소 챔버를 제 1 부피 및 제 2 부피로 또한 분리시킨다.

다중 부피 시스템으로서 툴을 동작시키기 위해, Gschwend의 특허는 이동가능 섹션 전체의 가이드 로드와, 부피 사이의 구동기 플레이트를 수축시킬 수 있는 복잡한 시스템을 필요로 한다. 툴의 방아쇠는, 오퍼레이터가 이동가능 섹션을 툴의 전면쪽으로 누르도록 위치시켜야 하는 툴의 배면에 불편한 위치에 위치해야 하므로, 툴 자체를 동작시키기에 불편하게 만든다. 그리고 코타의 특허에서의 툴도 마찬가지로, 이러한 툴은 상당히 복잡하고, 적절한 타이밍에 연소 챔버의 대향 구조 를 함께 그리고 떨어지게 안내하도록 다수의 추가 전기 및 기계 구성요소를 필요로 한다.

그러므로, 구조에서 고가의 기계 및 전기 구성요소에 대한 필요성을 감소시키는 간략화된 구조를 갖는 상업상 이용가능한 연소 가스 패스너-구동 툴이 필요하다. 그러한 고가의 구성요소는 무선 연소 가스 기술의 이용가능성을 고비용의 응용 범위에만 한정시킨다. 더 높은 비용의 툴과 실질적으로 동일한 성능을 달성시킬 수 있는, 간략화된 단일 또는 다중 연소 부피 구조는 연소 가스 기술의 이용가능성을 더 알맞고 더 낮은 비용의 응용으로 크게 확장된다.

전술한 고려사항은 피스톤을 구동시키기 위해 연소 가스를 연소시키기 위한 간략화된 고체 챔버 구조를 특징으로 하는 본 가스 연소-동력식 장치에 의해 다루어진다. 연소 부피는 연소 챔버의 피스톤과 이동가능 벽 사이에 한정되고, 연소 디바이스는 피스톤을 구동시키기 위해 연소 가스를 연소 부피 안에서 또는 안으로 연소시킨다. 난류는, 이동가능 벽의 이동, 또는 연소 바로 직전에 연소 챔버에 주입된 고속의 연료에 의해 단일 부피에서, 또는 제 1 부피를 빠져나가는 고속 화염 제트에 의해 제 2 부피에서 연소의 속도 및 에너지를 증가시키기 위해 연소 부피 내에서 생성된다.

더 구체적으로, 본 발명은, 그 사이에 적어도 하나의 연소 부피를 한정하는 컵-형태 벽 및 일반적으로 평평한 벽 조립체를 구비한 연소 챔버 및 피스톤을 수용하는 구동가능 피스톤 챔버를 포함하는 가스 연소-동력식 장치를 제공한다. 컵-형태 벽은 피스톤 챔버에 대해 이동가능하고, 일반적으로 평평한 벽 조립체에 대향하고 이에 일반적으로 평행한 일반적으로 평평한 부분을 갖는다. 연소 소스는 연소 부피에 동작가능한 관계에 있는데, 이 연소 부피는 연소 부피 내에서 연소가능 가스를 점화시킬 수 있다. 피스톤은 피스톤이 비구동(undriven) 상태에 있을 때 일반적으로 평평한 벽 조립체의 적어도 일부분을 형성한다.

가스 연소-동력식 장치에서, 본 발명의 간략화된 구조는, 피스톤을 구동시키기 위해 고-에너지 연소를 생성시키기 위해, 그리고 다른 유형의 연소-동력 디바이스보다 더 넓은 가격 범위의 응용에 효과적이다. 본 발명은 단일의, 또는 다중-부피 연소 장치에 또한 효과적이다.

도 1은 본 가스 연소-동력식 장치의 일실시예를 도시한 개략적인 횡단면도.

도 2는 도 1에 도시된 장치의 동작을 도시한 개략적인 횡단면도.

도 3은 도 1에 도시된 장치의 개략적인 부분 단면도.

도 4는 도 1에 도시된 장치의 대안적인 구성을 도시한 도면.

도 5는 본 가스 연소-동력식 장치의 다른 실시예를 도시한 개략적인 횡단면도.

도 6은 도 5에 도시된 장치의 동작을 도시하는 개략적인 횡단면도.

도 7은 도 5에 도시된 실시예의 이동가능 플러그 구조를 도시한 부분 확대 단면도.

도 8은 도 5에 도시된 장치의 대안적인 구성을 도시한 도면.

도 9는 본 가스 연소-동력식 장치의 다른 실시예를 도시한 개략적인 횡단면도.

도 10은 도 9에 도시된 장치의 동작을 도시한 도면.

도 11은 도 9에 도시된 장치의 다른 동작을 도시한 도면.

이제 도 1 내지 도 4를 참조하면, 연소-동력식 장치는 일반적으로 참조 번호가 10이고, 피스톤 챔버(14)와 연결되는 연소 챔버(12)를 포함한다. 그러한 장치(10)는, 본 명세서에 참고용으로 병합된 특허에 기재되고 전술한 유형의 연소-동력 툴에 사용하도록 의도되는 것이 바람직하다. 양쪽 챔버(12 및 14)는 강성 금속 바디인 것이 바람직하지만, 또한 특히 종래 기술에 알려진 내연 고체 물질로 형성될 수 있다. 피스톤 챔버(14)는 일반적으로 원통형이 바람직한 주요 바디(20)내에 피스톤(16) 및 구동기 블레이드(18)를 수용한다.

피스톤(16)이 도 1에서 가장 잘 알 수 있듯이 발사 이전에 "준비" 위치에 있을 때, 피스톤의 일반적으로 평평한 표면(22)은 실질적으로 연속적이고 일반적으로 평평한 벽 조립체(28)를 생성하기 위해 피스톤 챔버(14)의 플랜지 단부(26)의 외부 표면(24)과 실질적으로 정렬한다. 피스톤 챔버(14)의 주요 바디(20)의 내부 표면(32) 주위에 하나 이상의 돌출부 또는 연속 링인 것이 바람직한 피스톤 스톱(stop)(30)은 피스톤(16)이 정렬하는 플랜지 외부 표면(24) 근처에 위치하는 것이 바람직하다. 피스톤 실(seal)(34)에 의해 피스톤(16)과 피스톤 챔버 내부 표면(32) 사이에 공기가 흐르지 못하게 하는 것이 바람직하다. 피스톤 실은 피스 톤(16)의 외부 외주(36) 주위에 오-링(o-ring)인 것이 바람직하지만, 또한 종래 기술에 알려진 임의의 유형의 내연 실일 수 있다.

컵-형태 벽(38)과 함께 평평한 벽 조립체(28)는 연소 챔버(12)를 한정한다. 이제 도 1을 참조하면, 연소 챔버(12)는 완전히 밀폐되거나, "수축된" 피스톤에 보여진다. 컵-형태 벽(38)은 평평한 벽 조립체(28)에 대향하고 이에 일반적으로 평행한 일반적으로 평평한 배면 표면(40)과, 평평한 배면 표면의 외부 주변(44)에 결합된 연속 슬리브 바디(42)를 포함한다. 컵-형태 벽(38)은 단일 부품, 또는 함께 견고히 결합된 여러 개의 부품으로 형성되는 것이 바람직하고, 피스톤 챔버 플랜지 단부(26)에 대해 A 방향으로 슬라이딩 방식으로 이동가능하다. 챔버 실(46)은, 도 3에서 잘 알 수 있듯이 컵-형태 벽(38)이 완전한 개방된 위치에 있을 때 플랜지 단부(26)와 슬리브 바디(42)의 내부적으로 연장 부분(48) 사이에 공기가 흐르지 못하게 하는 것이 바람직하다. 슬리브 바디(42)는 원통형인 것이 바람직하지만, 플랜지 단부(26), 및 평평한 배면 표면(40)의 형태에 따르도록 임의의 형태일 수 있다.

이동가능하더라도, 컵-형태 벽(38)은 제 1 멈춤쇠(pawl)(50)에 의해 완전한 밀폐 위치에 유지되는 것이 바람직하다. 제 1 멈춤쇠(50)는 전술한 툴의 하우징(미도시)과 연관하여 직접, 또는 연동기(linkage)에 의해 위치되는 것이 바람직하도록 종래 기술에 잘 알려져 있듯이 구성된다. 제 1 멈춤쇠(50)는 경사형 로드, 또는 컵-형태 벽(38)을 견고히 유지시키도록 이동가능한 종래 기술에 알려진 임의의 고체 형태인 것이 바람직하다. 완전한 밀폐 위치에 있을 때, 컵-형태 벽(38)의 평평한 배면 표면(40)은 평평한 벽 조립체(28) 바로 가까이에 도달하거나, 이에 접촉하는 데, 상기 평평한 벽 조립체는 플랜지 외부 표면(24) 및 피스톤 평평한 표면(22)을 포함한다. 그러므로, 컵-형태 벽(38)이 완전한 밀폐 위치에 있을 때, 평평한 배면 표면(40)과 평평한 벽 조립체(28) 사이에 공기 부피에 어떠한 효과도 없다.

이제 도 2를 참조하면, 공작물 접촉 요소(52)는 소재(미도시)에 대해 눌러져서, A 방향으로 공작물 접촉 요소를 누른다. 공작물 접촉 요소(52)는 컵-형태 벽(38)에 직접 연결되지만, 더 바람직하게 제 1 스프링(54)에 의해 컵-형태 벽에 동작가능하게 결합된다. 제 1 스프링(54)의 제 1 단부(56)는 공작물 접촉 요소(52) 상에 위치한 제 1 스톱(58)에 연결되고, 제 1 스프링의 제 2 단부(60)는 컵-형태 벽(38)의 연장부(62)에 연결된다. 공작물 소재 요소(52) 및 제 1 스톱(58)을 A 방향으로 이동시킴으로써 제 1 스프링(54)을 압축하여, 제 1 멈춤쇠(50)에 의해 적소에 여전히 유지되는, 컵-형태 벽(38)에 대한 압력을 생성하게 된다. 제 2 스프링(64)은 피스톤 챔버(14)의 연장부(68)와 제 2 스톱(66) 사이에 유사하게 압축된다. 제 2 스프링(64)의 압축은 소재로부터 떨어질 때 공작물 접촉 요소(52)를 본래 준비 위치로 다시 이동시킨다. 연장부(68)는 또한 이동 공작물 접촉 요소(52)를 위한 가이드의 역할을 하는 것이 바람직하다.

이제 도 3을 참조하면, 방아쇠(미도시)가 작동될 때, 멈춤쇠(50)는 B 방향으로 수축하여, 이를 통해 압축된 제 1 스프링(54)으로부터의 압력이 컵-형태 벽(38)을 A 방향으로 완전한 개방 위치로 빠르게 이동시키도록 하고, 이에 의해 평평한 벽 조립체(28)와 개방된 컵-형태 벽 사이에 연소 부피를 생성한다. 이 실시예에서, 방아쇠가 제 1 멈춤쇠(50)에서 떨어질 때, 연료는 연료 포트(72)를 통해 연료 라 인(70)으로부터 연소 부피로 주입되는 것이 바람직하다. 그러나, 연료는, 평평한 벽 조립체(28) 및 컵-형태 벽의 배면 표면(40)이 여전히 떨어져 이동하는 동안 언제라도 주입될 수 있다. 적합한 연료는 연소-동력 패스너 구동 툴에 사용된 유형의 MAPP 가스이지만, 종래 기술에 실행된 알려진 다수의 연소가능 연료 중 임의의 것일 수 있다. 컵-형태 벽(38)이 A 방향으로 이동할 때, 개방 연소 부피로부터의 진공 압력은 컵-형태 벽(38)과 피스톤 챔버(14) 사이에 밀봉되지 않은 주변(74)을 따라 그리고 이를 통해 연소 챔버(12)에 공기를 흐르게 한다. 진공 압력은 피스톤 스톱(30)에 대해 피스톤(16)을 고정시키는 것을 또한 용이하게 한다.

컵-형태 벽(38)이 완전한 개방 위치로 빠르게 이동하는 것은 연소 챔버(12) 및 그 안의 개방 연소 부피 내에서 난류를 생성한다. 난류는 다시 부피에서 연료와 공기를 혼합시킨다. 이상적으로, 컵-형태 이동 벽(38)이 완전한 개방 위치에 도달할 때이지만, 부피와의 난류가 감소되기 전에, 점화 소스(76)(바람직하게는 스파크 플러그)는 연소 챔버(12) 내에서 난류 공기/연료 혼합물을 연소시킨다. 연소 챔버(12) 내의 난류는 또한 공기/연료 혼합물이 연소하는 속도를 증가시켜, 연소 압력을 또한 증가시킨다. 연소 압력에서의 급격한 증가는 피스톤(16)을 C 방향으로 구동시키고, 이것은 다시 패스너를 소재로 구동시키기 위해 구동기 블레이드(18)를 구동시킨다.

피스톤 챔버(14)에서의 과도 연소 압력은 배출 포트(78)를 통해 방출되고, 피스톤(16)은 피스톤이 C 방향으로 배출 포트를 통과시킨 후에 탄성 부재(80)에 대해 스톱에 이르게 된다. 탄성 부재(80)가 피스톤(16)을 위한 브레이크의 역할을 하 는 것이 바람직하지만, 피스톤과 피스톤 챔버(14)의 일반적으로 밀폐 단부(82) 사이의 공기 압력은 또한 피스톤을 위한 제동력을 제공하도록 이용될 수 있다. 더욱이, 컵-형태 벽(38)이 제 1 멈춤쇠(50)와 유사한 툴 하우징 및 방아쇠(미도시)를 갖는 연동기에 의해 완전한 개방 위치에 도달할 때, 제 2 멈춤쇠(84)는, 컵-형태 벽에 접촉하고 이 벽을 완전한 개방 위치로 단단히 고정시키도록 D 방향으로 이동하여, 따라서 챔버 실(46)에서 피스톤 챔버 플랜지 단부(26)를 내부적으로 확장하는 슬리브 부분(48)에 단단히 밀봉시킨다.

연소 챔버(12) 및 피스톤 챔버(14) 내의 잔류 가스가 냉각될 때, 진공이 챔버에서 나타나는데, 이것은 배출 포트(78)를 통해 밸브(86)를 차단하고, 플랜지 외부 표면(24)(도 1)과 정렬하는 초기 준비 위치로 피스톤(16)을 다시 잡아당긴다. 방아쇠가 떨어질 때, 제 2 멈춤쇠(84)는 B 방향으로 수축되어, 진공이 컵-형태 벽(38)을 초기의 완전한 밀폐 위치로 끌어당기게 한다. 컵-형태 벽(38)이 차단될 때, 연소 챔버(12) 내의 부피는 효과적으로 0으로 감소되고, 부피로부터의 모든 잔류 연소 가스는 밀봉되지 않은 주변(74)(도 1)을 통해 방출된다. 더욱이, 압축된 제 2 스프링(64)으로부터의 힘은, 제 2 멈춤쇠(84)가 수축되고 공작물 접촉 요소가 소재로부터 제거된 후에, 공작물 접촉 요소(52)의 일단부(90) 상의 캐치(catch)(88)로 하여금 컵-형태 벽(38)을 초기의 완전한 밀폐 위치로 잡아당기게 한다.

이제 도 4를 참조하면, 장치(10)의 대안적인 구성은 제 1 멈춤쇠(50) 없이 구성된다. 이러한 대안적인 구성은, 다른 점에서 피스톤 챔버(14)의 플랜지 단 부(26)를 따라 연료 라인(70) 및 연료 포트(72)의 위치 지정을 제외하고 도 1에 도시된 구성과 동일하다. 이러한 구성에 따라, 연소 챔버(12)에서의 난류는 고속 연료 제트(fuel jet)로서 연료를 연소 부피에 주입시킴으로써 생성된다. 본 발명자는, 연소 부피 내에서 적절히 구성될 때, 고속 연료 제트가 빠른 고-에너지 연소를 발생시키기 위해 필요한 난류를 생성시킬 정도로 충분한 에너지를 가질 것임을 발견하였다. 이에 따라 연료 제트 자체는 연료 및 공기를 위한 혼합 요소의 역할을 한다. 공기는 컵-형태 벽(38)이 개방 상태로 눌러질 때 밀봉되지 않은 주변(74)을 통해 연소 챔버(12)에 유입된다. 제트가 개방 연소 챔버(12)를 순환하기 때문에 공기가 제트 내로 들어갈 때 혼합이 발생한다.

혼합 효과를 극대화시키기 위해, 연료 라인(70) 및 연료 포트(72)는, 연료 제트를 E 방향으로 개방된 컵-형태 벽(38)의 평평한 배면 표면(40)쪽으로, 더 바람직하게는 평평한 배면 표면의 중심점(92)쪽으로 발사시키도록 피스톤 챔버(14)의 플랜지 단부(26)에 위치해야 한다. 연소 소스(76)는 또한 이상적으로 플랜지 단부(26) 상에, 일반적으로 연료 포트(72) 및 피스톤 표면(22)과 동일 평면에 위치해야 하지만, 플랜지 단부를 따라 연료 포트로부터 최대 거리에 위치해야 한다. 이러한 바람직한 구성에 의해, 연료 제트는 연료 포트(72)로부터 배면 표면(40)의 중심(92)쪽으로, 그 다음에 점화 전에 점화 소스(76)쪽으로 최대 거리를 이동한다. 이러한 연장된 거리는 연소 부피에서 공기와 연료의 혼합을 더 잘 허용한다.

또한 이러한 구성에 따라, 제 1 스프링(54)은 제거되는 것이 바람직하고, 컵-형태 벽(38)은 공작물 접촉 요소(52)에 바로 고정될 수 있어서, 공작물 접촉 요소 가 소재에 반대로 위치할 때 즉시 완전한 개방 위치로 이동한다. 연료는 연소 챔버(12)가 개방할 때 주입될 필요가 없고, 그 대신 발사를 원할 때마다 이미-개방된 챔버에 주입되는 것이 바람직하다. 그 다음에 이상적으로, 방아쇠가 작동될 때, 제 2 멈춤쇠(84)는 전술한 바와 같이(도 3) 컵-형태 벽(38)을 완전한 개방 위치로 고정시키기 위해 D 방향으로 이동하고, 연료 제트는 연소 부피에 주입되고, 점화 소스(76)는 결과적인 연료/공기 혼합물을 점화시킨다. 점화 소스(76)는, 점화가 발생하기 전에 연료 제트를 연소 부피에 걸쳐 이동하는데 충분한 시간으로 타이밍이 맞춰지는 것이 바람직하다. 이러한 대안적인 구성을 위한 동작의 나머지 시퀀스는 도 1 내지 3에 대해 전술한 바와 같다.

본 발명의 이러한 실시예에 따라, 연소 부피는 챔버의 2개의 일반적으로 대향 벽을 떨어지게 이동시킴으로써 확장 수축 챔버의 간략화된 구조로부터 생성된다. 이에 따라 빠른 연소를 위한 난류는 전술한 2가지 방법 중 하나에 의해 생성된다. 제 1 방법에 따라, 챔버의 구성요소는 연료/공기 혼합물을 점화하기 바로 전에 떨어져 이동하여, 연소 부피를 확장한다. 이동 구성요소에 의해 생성된 난류는, 점화가 충분히 일찍 발생하는 경우 실제 툴에 필요한 빠른 연소를 발생시키는데 적합하다. 제 2 방법에 따라, 연료 제트 모두는 난류를 생성하고, 또한 공기 및 연료에 대한 혼합 요소이다. 양쪽 난류 생성 방법은 빠른 고-에너지 연소를 위한 적합한 연료/공기 혼합물을 발생시킨다.

이제 도 5 내지 도 8을 참조하면, 연소-동력식 장치는 일반적으로 참조 번호가 100이지만, 도 1 내지 도 4를 참조하여 전술한 것과 동일한 장치(100)의 특징은 동일한 참조 번호로 나타난다.

장치(100)는 피스톤 챔버(104)와 연결하여 연소 챔버(102)를 포함하고, 장치(10)에 대해 전술한 물질로 형성된다. 피스톤 챔버(104)는 원통형인 것이 바람직하고, 연소 챔버(102) 내에 부분적으로 위치하는데, 이 연소 챔버는 또한 원통형인 것이 바람직하고, 피스톤 챔버보다 더 큰 외부 직경을 갖지만, 또한 비-원통형 형태가 구상된다. 이동가능 플러그(106)는 연소 챔버(102) 내에 위치한다. 이 실시예에서, 연소 챔버(102)는 강성 구조인 것이 바람직하고, 피스톤 챔버(104)에 대해 이동하지 않는다.

이동가능 플러그(106)는 일반적으로 평평한 베이스 부분(108)을 포함하고, 이 베이스 부분은 외부 주변(110)을 갖는 둥근 디스크의 형태인 것이 바람직하고, 이것은 일반적으로 연소 챔버(102)의 내부 벽(112)에 대응한다. 일반적으로 링-형태 벽(114)은 베이스 부분(108)에 연결되고, 상기 링-형태 벽은 피스톤 챔버(104)의 외부 벽(118)에 대응하는 것이 바람직한 링 내부 벽(116), 및 일반적으로 연소 챔버(102)의 내부 벽(112)에 대응하는 링 외부 벽(120)을 구비한다. 도 7에서 잘 알 수 있듯이, 링-형태 벽(114)은 연소 챔버(102) 내에 위치하는 피스톤 챔버(104)의 피스톤(122)의 길이(L)에 대응하는 것이 바람직한 높이(H)를 갖는다. 이 실시예에서, 평평한 베이스 부분(108) 및 링-형태 벽(114)은 장치(10)의 컵-형태 벽(38)과 유사한 컵 형태를 함께 형성하는 것이 바람직하다(도 1 내지 도 4). 그러므로, 플러그(106)의 컵-형태 부분(108, 114)은, 피스톤 챔버(104)의 부분(122)에 대해, 장치(10)의 피스톤 챔버(14)에 대해 컵-형태 벽(38)의 기능과 유사한 기능을 한다 (도 1 내지 도 4).

스템 부분(stem portion)(126)은 베이스 부분(108)과, 링-형태 벽(114)과 마주보는 베이스 부분의 측면(124)에 연결된다. 스템 부분(126)은 베이스 부분(108)에 대해 중심을 갖는 것이 바람직하고, 일반적으로 피스톤(16)의 구동기 블레이드(18)와 정렬되는 것이 바람직하다. 스템 부분은 연소 챔버(102)의 배면 벽(130)에서 개구부(128)를 통해 연장하는 것이 바람직하고, 부착 부재(132)에 단단히 부착되는데, 이러한 부착 부재는 다시 스프링 장력, 또는 종래 기술에 알려진 다른 연결 방법에 의해 직접 공작물 접촉 요소(52)에 동작가능하게 연결된다. 이동가능 플러그(106)가 개별적이고 및/또는 중공 부분으로부터 형성되는 것이 바람직하지만, 베이스 부분(108), 링-형태 벽(114), 및 스템 부분(126)은 단일의 고체 부분, 및 종래 기술에 알려진 일반적으로 강성 내연 물질로 형성되는 것이 더 바람직하다.

베이스 부분(108) 및 링-형태 벽(114)은 컵-형태를 갖고, 전술한 바와 같이 컵-형태 벽(38)이 장치(10)의 피스톤 챔버(14)에 대해 이동하고 기능하는 방식과 유사하게 피스톤 챔버(104)에 대해 이동하고 기능한다. 도 5에서 잘 알 수 있듯이, 이동가능 플러그(106)는 멈춤쇠(134)에 의해 완전한 밀폐 위치 또는 준비 위치에 견고히 유지되는데, 이 멈춤쇠(134)는 전술한 멈춤쇠(50, 84)와 유사한 툴 하우징(미도시)과 연관되거나 연결된다. 이 실시예에서, 이동가능 플러그(106)가 완전히 밀폐될 때, 단일 혼합 부피(Vm)는 베이스 부분(108)의 측면(124)과 연소 챔버의 배면 벽(130) 사이에 연소 챔버(102) 내에서 한정된다. 연소 챔버(102) 내부이지만, 혼합 부피(Vm)의 치수 외부에 공기의 모든 다른 부피는 효과적으로 0으로 감소된다. 공작물 접촉 요소(52)가 소재에 대해 눌러질 때, 제 1 스프링 스톱(138)에서 부착 부재(132)를 공작물 접촉 요소에 연결시키는 제 1 스프링(136)은 A 방향으로 부착 부재에 대해 풀링 장력(pulling tension)을 생성하도록 신장된다.

이제 도 6을 참조하면, 방아쇠의 작동은 B 방향으로 멈춤쇠(134)를 떨어지게 하고, 제 1 스프링(136)으로부터의 풀링 장력은 연소 챔버(102)의 배면 벽(130)쪽으로 A 방향으로 플러그(106)를 빠르게 이동시킨다. 플러그(106)의 이러한 이동은, 베이스 부분(108)의 측면(124)이 플러그의 완전한 개방 위치에서 탄성 스톱(140)과 접촉할 때 종료되는 것이 바람직하다. 플러그(106)의 이동을 위한 브레이크의 역할을 하는 것 외에, 탄성 스톱(140)은 중공 실린더인 것이 바람직하고, 이 중공 실린더는 또한 중공 실린더를 통해 스템 부분(126)의 이동을 위한 가이드, 뿐 아니라 개구부(128)를 통해 혼합 부피(Vm)로의 잠재적 기류에 대한 실의 역할을 하는 것이 바람직하다. 이동가능 플러그(106)가 완전한 개방 위치에 도달할 때, 혼합 부피(Vm)는 부분적으로 수축되고, 제 1 및 제 2 연소 부피(V1 및 V2)는 각각 연소 챔버(102) 내에서 생성되고, 이 연소 챔버는 이제 적어도 3개의 개별적이고 분리된 부피를 포함한다.

플러그(106)가 완전히 개방될 때, 제 1 및 제 2 연소 부피(V1 및 V2)는 대략 혼합 부피(Vm)가 감소되는 부피의 양을 함께 포함한다. 즉, 연소 챔버(102) 내의 별도의 부피는 일반적으로 수학식 V1+V2+Vm_open=Vm_closed를 충족시키는 것이 바람직하 다. 혼합 부피(Vm)가 이러한 구성에서 반드시 수축되지 않더라도, 본 발명자는, 이동가능 플러그(106) 및 챔버(102, 104)가, 탄성 스톱(140)이 대안적으로 제거되도록 구성될 수 있고, 베이스 부분(108)이 연소 챔버(102)의 배면 벽(130)에 모든 방식으로 개방한다는 것을 구상하였다. 전술한 수학식은 이 때 Vm_open이 0과 동일하기 때문에 충족된다.

제 1 연소 챔버 부피(V1)는 고리형인 것이 바람직하고, 제 2 연소 부피(V2)는 원통형이다. 원통형 부피(V2)의 직경은 이 때 고리형 부피(V1)의 내부 직경에 대략 동일한 것이 바람직할 것이다. 원통형 부피(V2)는 연소 챔버(102) 내에 위치한 피스톤 챔버(104)의 원통형 부분(122)의 형태에 이상적으로 따른다. 혼합 부피(Vm)는 기본적으로 원통형이지만, 또한 플러그(106)의 이동이 혼합 부피(Vm)를 통해 스템 부분(126)의 중심 포함에 의해 달성될 때 고리형인 것으로 간주될 수 있다. 그러나, 그 대신 플러그(106)의 이동이, 본 발명에서 벗어나지 않고도, 스템 부분(126)의 포함 없이 종래 기술에 알려진 많은 다른 연결 방법을 통해 공작물 접촉 요소(52)의 이동에 동작가능하게 연결될 수 있다는 것이 당업자가 인식할 것이다.

도 5에서 잘 알 수 있듯이, 공작물 접촉 요소(52)가 소재에 대해 눌러질 때, 연료는 제 1 연료 포트(142)를 통해 연소 챔버(102)의 혼합 부피(Vm)에 주입되어, 혼합 부피에서 공기와 혼합되는 것이 바람직하다. 연료가 이 때 주입되는 것이 바람직하더라도, 방아쇠의 작동과 협력하는 것과 같이 이동가능 플러그의 이동 이전 에 언제라도 주입될 수 있다. 전술한 바와 같이, 방아쇠 작동은, A 방향으로 이동가능 플러그의 빠른 이동을 시작하기 위해 부착 부재(132)를 떨어지게 하도록 멈춤쇠(134)를 B 방향으로 이동시키는 것이 바람직할 것이다.

이제 도 6을 참조하면, 제 1 연소 부피(V1) 및 제 2 연소 부피(V2)가 개방 및 확장하기 시작할 때, 혼합 부피(Vm)에서의 연료/공기 혼합물은 베이스 부분(108)에 위치한 연료 밸브(144)를 통해 연소 부피(V2)에 유입되고, 그 다음에 링-형태 벽(114)에 위치한 적어도 하나의 연소 포트(146)를 통해 연소 부피(V2)로부터 연소 부피(V1)로 유입된다. 연료 밸브(144)는 리드 밸브(reed valve)인 것이 바람직하지만, 혼합 부피(Vm)로부터 연소 부피(V2)로의 한 방향 전달을 허용하는 당업자에게 알려진 임의의 유형의 밸브일 수 있다. 연소 포트(146)는 이상적으로 점화 소스(76)로부터 벽(114) 상의 최대 거리에 있는 위치에서 링-형태 벽(114) 상에 위치한다. 연소 부피(V1 및 V2)의 확장에 의해 야기된 진공 압력은 그 다음에 연료/공기 혼합물로 2개의 연소 부피를 채울 것이다. 연소 부피(V1 및 V2)의 진공 및 빠른 확장은, 또한 연료/공기 혼합물이 점화될 때 빠른 고-에너지 연소를 제공하기 위해 양쪽 연소 부피(V1 및 V2) 내에서 충분한 난류를 생성할 것이다.

이제 도 7을 참조하면, 챔버(102, 104) 및 링-형태 벽(114)은 연소 챔버 내의 여러 부피 사이에서 심지어 더 큰 기류를 허용하여, 여러 부피에 대한 추가적인 충전, 혼합 및 난류 특성을 제공하도록 구성가능하다. 링-형태 벽(114)은, 연소 챔버(102) 내부의 피스톤 챔버(104)의 부분(122)에 도달하지만 접촉하지 않는 링 내부 벽(116) 상의 연장부(148)를 포함하도록 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 바 람직한 구성에서, 플러그(106)가 완전한 개방 위치에 도달할 때, 연장부(148)는 연소 실(150)에 접촉하여, 연소 포트(146)를 제외하고 2개의 연소 부피(V1 및 V2) 사이의 기류를 밀봉한다. 연소 실(150)은 피스톤 챔버 부분(122)의 최외각 주변(152) 주위에 오-링인 것이 바람직하지만, 종래 기술에 알려진 임의의 유형의 내연 실일 수 있다. 그 다음에, 제 2 연소 챔버(V2)에서의 공기/연료 혼합물은 플러그(106)가 이동하는 동안 연소 실(150) 및 링 내부 벽(116) 주위에서 제 1 연소 챔버(V1)로 흐르지만, 플러그가 완전한 개방 위치에 도달할 때 차단된다. 이러한 증가된 기류는 점화 바로 직전에 제 1 연소 부피(V1)에서의 난류를 더 증가시킨다.

이동 플러그(106)의 구조에 의해 야기된 V1에서의 난류를 더 증가시키기 위해, 오목부(154)는 바람직하게 연소 챔버(102)의 내부 벽(112) 상에 제공되고, 플러그(106)가 완전한 밀폐 위치에 있을 때 링-형태 벽(114)의 근처에 위치하는 것이 바람직하다. 이에 따라 오목부(154)는 연소 챔버 내부 벽(112)과 링-형태 벽(114)의 외부 벽(120) 사이에 추가 기류를 허용한다. 제 1 링 실(156)은 링 내부 벽(116)의 연장부(148)에 마주보게 링 외부 벽(120) 상에 위치하는 것이 바람직하다. 그 다음에, 기류는, 제 1 링 실(156)이 오목부(154)를 지나 이동하고 플러그(106)가 완전한 개방 위치에 도달할 때 링 외부 벽과 연소 챔버 내부 벽(112) 사이에서 밀폐된다.

그러나, 제 1 링 실(156)이 오목부(154) 근처에서 통과하기 전에, 링 외부 벽(120) 및 연소 챔버 내부 벽(112)은, 플러그(106)가 이동하는 동안, 그러나 제 1 링 실이 연소 챔버 내부 벽에 접촉하기 전에 혼합 부피(Vm)와 제 1 연소 부피(V1) 사이의 추가 기류를 허용하도록 구성가능하다. 제 2 링 실(158)은 링 외부 벽(120) 상에 그리고 베이스 부분(108) 근처에 선택적으로 포함되어, 플러그(106)가 완전한 개방 위치 또는 완전한 밀폐 위치에 있는 지와 상관없이 제 2 링 실이 오목부(154)로부터 멀리 떨어진 연소 챔버 내부 벽(112)과 항상 접촉하도록 함으로써 혼합 부피(Vm)와 제 1 연소 부피(V1) 사이의 임의의 직접적인 기류를 방지한다. 본 발명자는, 몇몇 경우에 혼합 부피(Vm)로부터 제 1 연소 부피(V1)로의 직접적인 기류를 방지하는 것이 바람직할 수 있음을 구상하였다.

이제 도 6을 참조하면, 방아쇠의 작동은 멈춤쇠(134)로 하여금 B 방향으로 이동하도록 하여, 플러그(106)가 A 방향으로 빠르게 이동하게 된다. 이동 플러그(106)는 혼합 부피(Vm)를 감소시키고, 각각 제 1 및 제 2 연소 부피(V1 및 V2)를 개방한다. 혼합 부피(Vm)에서의 연료/공기 혼합물은 연소 부피(V1 및 V2)로 흐르고, 점화 소스(76)로부터의 스파크는 제 1 연소 부피(V1)에서의 연료/공기 혼합물을 점화시키고, 바람직하게 플러그(106)가 완전한 개방 위치에 도달할 때, 연소 부피(V1) 내부의 난류는 여전히 플러그의 이동으로부터 존재한다. 그 다음에, 점화된 연료/공기 혼합물의 화염 전면은, 연소 포트(126)에 도달할 때까지 고리형 연소 부피(V1)의 이중 아크를 통해 진행한다. 이동 화염 전면은 연소 포트(126)를 통과하고, 점화된 가스 제트로서 제 2 연소 부피(V2)로 통과하여, 또한 부피(V2) 내부에서 연료/공기 혼합물을 점화시킨다. 점화된 가스 제트는 또한 플러그(106)의 이동에 의해 야기된 난류 이외에 부피(V2)에서의 난류를 생성한다.

제 2 연소 부피(V2)에서의 공기/연료 혼합물이 점화될 때, 부피(V2)에서의 증가된 압력은 패스너를 소재쪽으로 구동시키기 위해 피스톤(16) 및 구동기 블레이드(18)를 빠르게 누른다. 전술한 장치(10)의 동작과 유사하게, 피스톤 챔버(104)에서의 과도 압력은, 피스톤(16)이 배출 포트를 통과할 때 그리고 통과한 후에 배출 포트(78)를 통해 배출된다. 피스톤 챔버(104) 및 연소 부피(V1 및 V2) 내에 남아있는 가스가 냉각될 때, 피스톤(16)을 초기 준비 위치로 다시 당기도록 작동하는 진공이 나타난다. 툴(100)이 소재로부터 제거될 때, 공작물 접촉 요소(52)는, 공작물 접촉 요소(52) 상에 위치한 제 2 스프링 스톱(162) 사이에 이상적으로 압축되는 제 2 스프링(160)과, 연소 챔버(102) 또는 피스톤 챔버(104)의 압축력에 의해 또한 본래 준비 위치로 복귀한다.

냉각 가스로부터 연소 부피(V1 및 V2)에서 생성된 진공과 함께 준비 위치로의 공작물 접촉 요소(52)의 복귀 이동의 조합은 플러그(106)가 본래 밀폐 위치로 이동하도록 하여, 연소 부피(V1 및 V2) 모두를 수축시키는 한편, 또한 양쪽 연소 부피로부터 나머지 연소 가스를 효과적으로 배기한다. 완전한 밀폐 위치로의 플러그(106)의 이동은 또한 혼합 부피(Vm)에서의 압력을 감소시키고, 이러한 혼합 부피는 다시 공기 체크 밸브(164)를 통해 신선한 공기를 부피(Vm)로 흐른다. 공기 체크 밸브(164)는 리드 밸브인 것이 바람직하지만, 종래 기술에서와 같이 임의의 내연 1방향 밸브일 수 있다. 방아쇠가 떨어질 때, 멈춤쇠(134)는 다음 연소/발사 주기에 대비하여 연소 챔버(102)(도 5) 근처에서 부착 부재(132)를 고정하기 위해 D 방향으로 이동한다.

혼합 부피(Vm)가 실제 연소에서 이용되지 않기 때문에{부피(Vm)에서의 공기/ 연료 혼합물이 점화되지 않기 때문에), 전체 부피(Vm)를 변위시키거나 점화되지 않은 내용을 배기하기 위해 연소 목적을 위한 중요한 고려사항이 아니다. 그러나, 본 발명자는, 다른 고려사항이 혼합 부피(Vm)를 완전히 변위시키는 것이 바람직할 수 있음을 구상하였다(아래의 도 9 내지 도 11). 본 발명자는, 또한 다음 주기에 대비할 수 있는, 이 때(방아쇠가 떨어짐) 혼합 챔버(Vm)에 연료를 주입하는 것이 몇몇 경우에 바람직할 수 있음을 구상하였다.

이제 도 8을 참조하면, 장치(100)의 대안적인 구성은 툴(10)(도 4)에 대해 전술한 것과 유사한 연료 제트를 이용하여, 점화 바로 직전에 연소 부피(V1)에서의 난류를 생성한다. 본 발명자는, 이러한 구성에 대해, 적당량의 난류가 부피에 유입된 공기/연료 혼합물을 빠르고 충분히 점화시키기 위해 제 1 연소 부피(V1)에 필요하다는 것을 발견하였다. 제 2 연료 포트(166)는 연소 챔버(102)에 따라 위치하는 것이 바람직하여, 고속의 연료 제트가 제 1 연소 부피(V1)에 직접 주입되도록 한다. 제 2 연료 포트(166)는, 점화 소스(76)와 동일 평면에, 하지만 이 점화 소스로부터 최대 거리에서 연소 챔버(102)에 바람직하게 위치하여, 연료/공기 혼합물이 점화 소스에 도달하기 전에 부피(V1) 전체에 최대량의 공기 및 가스 혼합을 허용한다. 제 2 연료 포트(166) 추가, 멈춤쇠(134) 및 스프링(136)의 제거를 제외하고, 이러한 대안적인 구성은 도 5 내지 도 7에 도시된 것과 동일한 것이 바람직하다.

이러한 구성에 대해, 부착 부재(132)는 공작물 접촉 요소(52)에 직접 연결되어, 공작물 접촉 요소(52)가 소재에 대해 눌러질 때 제 1 및 제 2 연소 부피를 완전한 개방 위치로 개방시킨다. 그 다음에 이러한 특정한 구성에 대해, 연료 제트는 방아쇠의 작동시 주입되는 것이 바람직하고, 점화 소스(76)는 짧은 지연 이후에 스파크를 발생하도록 타이밍이 맞춰져서, 공기 및 연료가 연소 부피 모두에서 충전되고 혼합되도록 한다. 공기/연료 혼합물은 제 1 연소 부피(V1)로부터 연소 포트(146)를 통해, 또는 혼합 부피(Vm)로부터 연료 밸브(144)를 통해, 또는 양쪽 모두로 제 2 연소 부피(V2)에 들어간다.

혼합 부피(Vm)가 제 2 연소 부피(V2)를 위한 공기/연료 혼합물 소스로 사용될 때, 연료는, 공작물 접촉 요소(52)가 플러그(106)를 완전한 개방 위치로 개방할 때 제 1 연료 포트(142)를 통해 혼합 부피(Vm)에 주입되는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명자는, 어떠한 연료도 연소를 위해 혼합 챔버(Vm)에 실제로 필요하지 않기 때문에, 제 1 연료 포트(142)가 그 구조로부터 완전히 제거되어, 연소 부피(V1, V2)로 만의 신선한 공기를 위한 소스로서 혼합 부피(Vm), 및 3개의 부피를 위한 유일한 연료 소스로서 제 2 연료 포트(166)를 남기는 것을 구상하였다. 이 구성에서, 연소 부피(V1)가 확장하는 동안 혼합 부피(Vm)와 제 1 연소 부피(V1) 사이의 직접적인 기류를 허용하기 위해 그 구조로부터 제 2 링 실(158)을 제거하는 것이 또한 바람직하다.

이러한 구성에서, 연료가 주입되는 제 1 연소 부피(V1)는 링-형태 벽(114)의 바람직하게 평평한 부분(168)과 연소 챔버(102)의 대향 영역(170) 사이에 한정된다. 평평한 부분(168)은 바람직하게 베이스 부분(108) 및 대향 영역(170) 모두에 일반적으로 평행하고, 베이스 부분(108)에 마주보는 링-형태 벽(114)의 일단부 상에 위치한다. 대향 영역(170)은 또한 점화 소스(76) 및 연료 포트(166)가 위치되는 것이 바람직한 평면을 한정하는 것이 바람직하다. 이에 따라 이동가능 평평한 부분(168)은, 대향 영역(170)에 대해, 평평한 배면 표면(40)(도 4)이 장치(10)의 평평한 벽 조립체(28)에 대해 어떻게 수행되는 지와 유사하게 수행된다. 도 4에 도시된 구성과 유사한 방식으로 점화되지 않은 연료 제트에 의해 연소 부피(V1)에서 난류가 생성된다.

일단 제 1 연소 부피(V1)에서의 공기/연료 혼합물이 점화되면, 화염 전면은 고리형 부피(V1)에 걸쳐 고-에너지 화염 제트로서 연소 포트(146)를 통해 제 2 연소 부피(V2)로 빠르게 이동한다. 개별적인 점화되지 않은 연료 제트를 제 2 연소 부피(V2)로 향하게 하는 것은 중요한 고려사항이 아닌데, 이는 제 1 연소 부피(V1)로부터의 고-에너지 화염 제트 자체가 부피(V2)에서 적절한 고-에너지 연소를 발생시킬 정도로 충분한 난류의 소스가 되어, 결과적으로 피스톤(16)을 발사하기 때문이다. 그러므로, 제 2 연소 부피(V2)에 대해, 점화된 고-에너지 화염 제트는 제 1 연소 부피(V1)로의 점화되지 않은 연료 제트의 난류 기능을 수행한다. 이 실시예의 이러한 구성에서의 나머지 동작은 도 5 내지 도 7에 대해 전술한 바와 같다(난류 소스로서 연료 제트의 이용 없이).

이제 도 9 내지 도 11을 참조하면, 연소-동력식 장치는 일반적으로 참조 번호가 170이지만, 도 1 내지 도 8을 참조하여 전술한 것과 동일한 장치(170)의 특징은 동일한 참조 번호로 표시된다.

장치(170)는 피스톤 챔버(104)와 연결된 연소 챔버(172)를 포함한다. 장치(170)의 피스톤 챔버는 전술한 장치(100)(도 5 내지 도 8)와 동일한 것이 바람직 하다. 바람직하게, 피스톤 챔버(104)의 어떠한 부분도 연소 챔버(172) 내에 위치하지 않고, 피스톤(16)의 평평한 표면(22)은 준비 위치에 있을 때 연소 챔버의 고리형 벽(174)의 일반적인 평면에 있는 것이 바람직하다. 연소 챔버(172)는 원통형인 것이 바람직하고, 피스톤 챔버(104)에 대해 이동하지 않는다.

이동가능 컵(176)은 연소 챔버(172) 및 피스톤 챔버(104) 모두에 대해 이동한다. 이동가능 컵은 링 벽의 하나의 전체 에지(182)를 따라 평평한 부분에 부착된 링 벽(180) 및 일반적으로 평평한 플레이트(178)를 포함한다. 링 벽(180)은 관형(tubular)인 것이 바람직하고, 피스톤 챔버(104)의 외부 벽(118)보다 약간 더 큰 원통형 직경을 갖는다. 평평한 플레이트(178)는 고리형 벽(174)에 일반적으로 평행하고, 링 벽(180)으로부터 연소 챔버(172)의 내부 벽(186)쪽으로 연장하는 고리형 부분(184)을 포함한다. 내부 벽(186)은 또한 튜브인 것이 바람직하고, 고리형 부분(184)은 내부 벽의 직경보다 약간 더 작은 외부 주변(188)을 갖도록 구성된다. 내연 오-링인 것이 바람직한 혼합 실(190)은 평평한 플레이트(178)의 외부 주변(188)과 내부 벽(186) 사이의 기류를 방지한다.

도 9에서 잘 알 수 있듯이, 준비 위치에 있을 때, 평평한 플레이트(178)와 고리형 벽(174) 및 피스톤 평평한 표면(22) 사이의 공기의 부피는 실제적으로 0이다. 그러므로, 혼합 부피(Vm)는 연소 챔버의 배면 벽(192)과 평평한 플레이트(178) 사이의 연소 챔버(172) 내에 한정된다. 배면 벽(192)은 바람직하게 일반적으로 평평하고, 고리형 벽(174) 및 플레이트(178) 모두에 평행하다. 이동가능 컵(176)은 장치(170)의 고정부(196)와 링 벽(180)의 확장부(198) 모두에 부착된 스프링(194) 에 의해 준비 위치에 유지되는 것이 바람직하다. 링 벽 확장부(198)는 링 벽(180)과 함께 형성되거나, 링 벽에 부착된 튜브인 것이 바람직하지만, 또한 단일 로드, 또는 복수의 로드일 수 있다.

준비 위치에 있을 때, 연료는 바람직하게 연소 챔버(172)의 내부 벽(186)에 위치한 연료 밸브(200)를 통해 혼합 부피(Vm)에 주입되어, 제 1 공기 통풍 포트(202)를 통해 혼합 부피(Vm)에 들어가는 공기와 혼합한다. 제 1 공기 체크 밸브(204)는 공기 통풍 포트(202)를 통하는 역류를 방지한다.

이제 도 10을 참조하면, 공작물 접촉 요소(206)가 소재에 대해 눌러질 때, 공작물 접촉 요소는 A 방향으로 링 벽 확장부(198)를 눌러서, 연소 챔버(172)의 배면 벽(192)쪽으로 이동가능 컵(176)을 이동시키고, 완전한 개방 위치에 있을 때 혼합 부피(Vm)를 0으로 효과적으로 감소시킨다. 혼합 부피(Vm)로부터의 연료/공기 혼합물은, 제 2 공기 통풍 포트(208) 및 1방향 제 2 공기 체크 밸브(210)를 통해 제 1 연소 부피(V1)에 들어가고, 제 3 공기 통풍 포트(212) 및 1방향 제 3 공기 체크 밸브(214)를 통해 제 2 연소 부피(V2)로 들어간다.

플랜지(216)는 링 벽과 링 벽 확장부(198) 사이의 링 벽(180)에 위치하고, 일반적으로 링 벽의 형태에 따르지만, 링 벽의 어느 한 측면으로부터 바깥으로 연장한다. 이동가능 컵(176)이 완전한 개방 위치에 있을 때, 플랜지(216)는 제 1 정화(purging) 실(218) 및 제 2 정화 실(220)과 접촉하여, 연소 챔버(172)의 고리형 벽(174)과 링 벽(180) 사이의 제 1 정화 개구부(222)를 통해, 그리고 피스톤 챔버(104)의 외부 벽(118)과 링 벽 사이의 제 2 정화 개구부(224)를 통해 각각 기류 를 차단한다. 제 1 및 제 2 정화 실(218, 220)은 전술한 실들과 유사하게 구성되는 것이 바람직하다.

이 실시예에서, 이동가능 컵이 완전한 개방 위치에 있을 때, 연소 챔버는 2개의 효과적인 연소 부피(V1 및 V2)로 나누어지고, 제 3 혼합 부피(Vm)는 효과적으로 제거된다. 또한 이 실시예에서, 고리형 제 1 연소 부피(V1)는 피스톤 챔버(104) 대신에 원통형 제 2 연소 부피(V2)를 둘러싸는 것이 바람직하고, 연소 부피 모두는 연소 챔버(172)의 배면 벽(192) 및 고리형 벽(174)에 평행한 각 평평한 경계를 따라 정렬한다. 이러한 상이한 구조적 배치를 제외하고, 다른 경우 연소 부피(V1 및 V2)는 장치(100)에 대해 전술한 것과 동일한 기능을 한다.

완전한 개방 위치에 있을 때, 방아쇠(미도시)의 작동은 제 1 연소 부피(V1)에서 연료/공기 혼합물을 점화시키기 위해 점화 소스(76)로부터 스파크를 야기한다. 점화 소스는 연소 챔버(172)의 고리형 벽(174) 상에 위치하는 것이 바람직하다. 점화 화염 전면은 연소 포트(226)에 도달하고 이를 통해 배출할 때까지 제 1 연소 부피(V1)를 통해 이동한다. 연소 포트(226)는 제 1 및 제 2 연소 부피(V1 및 V2)와 직접 연결하기 위해 링 벽(180) 상에 위치할 수 있지만, 더 바람직하게 연소 포트는 연소 챔버(172)의 배면 벽(192)에 접하는 평평한 플레이트(178)의 고리형 부분(184) 상에 위치한다. 본 발명자는, 몇몇 상황에서, 특히 이동가능 컵을 완전한 개방 위치로 이동하는 것과 방아쇠의 작동 사이에 상당한 지연이 있는 경우, 연료 밸브(200)로부터 제 1 연소 부피(V1)에 직접 연료를 주입하는 것이 또한 바람직할 수 있다는 것을 추가로 구상하였다.

연소 포트(226)가 고리형 부분(184) 상에 위치할 때, 연소 오목부(228)는 고-에너지 화염 제트가 이동할 경로를 생성하기 위해 연소 챔버(172)의 배면 벽(192)에 형성되는 것이 바람직하다. 그러므로, 제 3 공기 통풍 포트(212)는 연소 오목부(228) 및 연소 포트(226) 근처에 위치하여, 연소 오목부는, 화염 제트가 연소 포트(226)를 통해 제 1 연소 부피(V1)로부터 연소 오목부(228)로, 그 다음에 그 부피를 점화시키기 위해 제 3 공기 통풍 포트(212)를 통해 연소 오목부(228)로부터 제 2 연소 부피(V2)로 이동할 연속적인 경로를 제공할 수 있는 것이 바람직하다. 화염 전면이 이동할 최대 거리를 허용하기 위해, 연소 포트(226), 연소 오목부(228), 및 제 3 공기 통풍 포트(212)가 점화 소스(76)로부터 가장 멀리 떨어진 거리에 위치하는 것이 바람직하다. 본 발명자는, 또한 대부분의 기류 난류가 생성되는 제 2 공기 통풍 포트(208)를 점화 소스(76)에 가장 가까운 고리형 부분(184) 상에 위치시키고, 혼합 부피(Vm)의 최대 변위를 허용하도록 연소 오목부(228) 내의 제 1 공기 체크 밸브(204)를 위치시키는 것이 유리할 수 있음을 구상하였다.

전술한 장치(100)에서와 유사하게, 제 2 연소 부피(V2)로의 화염 제트는 고-에너지 연소를 생성하기 위해 원하는 상기 부피 내의 공기/연료 혼합물의 연소 및 원하는 난류 모두를 제공한다. 그 다음에, 제 2 연소 부피(V2)에서의 이러한 연소는 도 11에서 잘 알 수 있듯이 C 방향으로 피스톤(16)을 구동시킨다.

이제 도 11을 참조하면, 과도 점화 가스는 배출 포트(78)를 통해 피스톤 챔버(104)를 빠져나가고, 피스톤 챔버 및 연소 부피(V1 및 V2) 내의 연소 부산물은 냉각된다. 장치(170) 내의 냉각 가스는 연소 챔버(172)쪽으로 피스톤(16)을 다시 당기는 진공 효과를 생성한다. 피스톤 챔버(104) 및 제 2 연소 부피(V2)의 상대적 부피는, 피스톤 상의 개별적인 기계적 장력을 필요로 하지 않고도 진공 효과가 피스톤(16)을 본래 준비 위치(도 10에서 잘 알 수 있음)로 완전히 복귀하도록 구성되는 것이 바람직하다. 공작물 접촉 요소(206)가 소재로부터 제거되기 때문에, 스프링(194)으로부터의 장력은 다음 연소 사건 동안 이동가능 컵(176)을 본래 준비 위치(도 9에서 잘 알 수 있음)로 다시 이동한다. 2개의 연소 부피 내의 잔류 연소 부산물은 C 방향으로 플랜지(216)가 이동할 때 다시 나타나는 제 1 및 제 2 정화 개구부(222 및 224)를 통해 정화된다.

본 발명의 이러한 실시예에 따라, 멈춤쇠에 대한 필요성 및 최소로 감소된 스프링에 대한 필요성이 완전히 제거될 수 있다. 이 실시예는 다중-부피 장치에 대해 전술한 모든 장점을 제공하는 "컵 내의 컵(cup within a cup)"(연소 챔버 내의 이동가능 컵)을 제공하지만, 동시에, 또한 단일 부피 장치에 더 가까운 상당히 더 컴팩트한 기하학적 구조(geometry)를 허용한다.

그러므로, 이동가능 플러그 및/또는 컵-형태 벽의 이용은, 단일-부피 연소 챔버에 대해 전술한 난류 생성 방법을 다중-부피 연소 장치에 적응시키도록 본 발명에 따른 연소-동력 툴을 허용한다. 본 발명은 이에 따라 낮은-에너지 및 높은-에너지 연소-동력 방식의 패스너-구동 동작 모두에 적응될 수 있다. 더욱이, 본 발명이 단일-, 이중, 및 3중-부피 연소 장치에 관해 설명되었지만, 본 발명의 기본 원리가 본 발명에서 벗어나지 않고도 그 구조에서 임의의 수의 부피를 이용하는 연소 장치에 사용될 수 있음을 당업자는 알 것이다.

본 발명에서와 같은 연소 장치가 또한 피스톤을 구동시키는 다른 디바이스, 또는 일반적으로 연소에 의해 동력 공급될 수 있는 디바이스에 효과적으로 사용될 수 있음을 당업자는 추가로 이해할 것이다. 본 발명의 연소-동력식 장치의 특정 실시예가 도시되고 설명되었지만, 또한 더 넓은 양상에서 다음 청구항에서 설명된 바와 같이 본 발명에서 벗어나지 않고도 변화 및 변형이 이루어질 수 있음을 당업자는 또한 이해할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 가스 연소-동력식 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 연소 챔버 내에 일정 가스 부피를 변위시키는 수축가능(collapsible) 연소 부피를 갖는 가스 연소-동력 방식의 패스너-구동 장치 등에 이용된다.

Claims (28)

1. 가스 연소 동력식 장치로서,

   구동가능 피스톤을 수용하는 피스톤 챔버와;

   사이에 적어도 하나의 연소 부피를 한정하는 일반적으로 평평한 벽 조립체 및 컵-형태 벽을 갖는 연소 챔버로서, 상기 컵-형태 벽은 상기 피스톤 챔버에 대해 이동가능하고, 일반적으로 평평한 부분이 상기 일반적으로 평평한 벽 조립체에 마주보고 일반적으로 이에 평행한, 연소 챔버와;

   상기 적어도 하나의 연소 부피 내에서 연소가능 가스를 점화시키기 위해 상기 적어도 하나의 연소 부피에 동작가능한 관계에 있는 점화 소스를 포함하고,

   상기 피스톤은 상기 피스톤이 구동되지 않은 상태에 있을 때 상기 일반적으로 평평한 벽 조립체의 적어도 일부분을 형성하고,

   상기 구동가능한 피스톤은 상기 연소 챔버 내의 진공 압력에 의해 상기 구동되지 않은 상태로 복귀가능한, 가스 연소 동력식 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 이동가능 컵-형태 벽은 완전한 밀폐 위치 및 완전한 개방 위치를 갖고, 상기 적어도 하나의 연소 부피는 상기 완전한 밀폐 위치에서 대략 0으로 감소되는, 가소 연소 동력식 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 컵-형태 벽의 상기 일반적으로 평평한 부분의 적어도 제 2 부분은 상기 완전한 밀폐 위치에 있을 때 상기 일반적으로 평평한 벽 조립체의 적어도 일부분에 접촉하는, 가스 연소 동력식 장치.
4. 제 2항에 있어서, 상기 완전한 밀폐 위치로부터 상기 완전한 개방 위치로의 상기 이동가능 컵-형태 벽의 이동은 상기 적어도 하나의 연소 부피 내에서 공기 난류(air turbulence)를 생성하는, 가스 연소 동력식 장치.
5. 제 2항에 있어서, 상기 컵-형태 벽의 상기 일반적으로 평평한 부분의 영역은 상기 일반적으로 평평한 벽 조립체의 영역에 대략 동일한, 가스 연소 동력식 장치.
6. 제 2항에 있어서,

   소재(workpiece)와 맞물리기 위한 이동가능 공작물 접촉 요소(moveable work contact element)를 더 포함하며,

   상기 이동가능 컵-형태 벽의 상기 이동은 상기 공작물 접촉 요소의 이동에 동작가능하게 연결되는, 가스 연소 동력식 장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 컵-형태 벽은 상기 공작물 접촉 요소의 상기 이동에 따라 직접 이동하도록 고정되는, 가스 연소 동력식 장치.
8. 제 7항에 있어서, 주입된 고속의 연료 제트에 의해 상기 점화 소스의 근처에 서 생성되는, 가스 연소 동력식 장치.
9. 제 8항에 있어서, 상기 연료 제트는 상기 연소 챔버의 벽 상에 위치한 연료 포트를 통해 주입되고, 상기 연료 포트 및 상기 점화 소스는 상기 일반적으로 평평한 벽 조립체의 평면에 일반적으로 구성되는, 가스 연소 동력식 장치.
10. 제 9항에 있어서, 상기 연료 포트 및 상기 점화 소스는 상기 평평한 벽 조립체의 중심에 대해 상기 평평한 벽 조립체를 따라 대향 위치에 위치하는, 가스 연소 동력식 장치.
11. 제 10항에 있어서, 상기 연료 제트는 상기 평평한 벽 조립체의 상기 중심과 마주보는 상기 컵-형태 벽의 상기 일반적으로 평평한 부분의 중심쪽의 방향으로 상기 연소 챔버에 주입되는, 가스 연소 동력식 장치.
12. 제 6항에 있어서, 상기 컵-형태 벽은 스프링 장력에 의해 상기 공작물 접촉 요소에 동작가능하게 연결되는, 가스 연소 동력식 장치.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 컵-형태 벽을 상기 완전한 밀폐 위치에 고정시킬 수 있는 제 1 이동가능 멈춤쇠(pawl)를 더 포함하고,

    상기 공작물 접촉 요소의 상기 이동은 상기 스프링에서 장력을 생성하고,

    방아쇠의 작동은 상기 제 1 멈춤쇠로 하여금 이동가능하게 하여 상기 컵-형태 벽을 고정 해제하도록 하여, 상기 스프링 장력이 상기 컵-형태 벽을 상기 완전한 개방 위치로 이동시키도록 하는, 가스 연소 동력식 장치.
14. 제 13항에 있어서, 상기 컵-형태 벽을 상기 완전한 개방 위치로 고정할 수 있는 제 2 멈춤쇠를 더 포함하는, 가스 연소 동력식 장치.
15. 제 2항에 있어서, 상기 컵-형태 벽은 상기 연소 챔버 구조의 일부분을 형성하고, 상기 연소 부피가 상기 완전한 개방 위치에 있을 때 상기 연소 챔버는 개방하고, 상기 연소 부피가 상기 완전한 밀폐 위치에 있을 때 밀폐되는, 가스 연소 동력식 장치.
16. 제 2항에 있어서, 상기 컵-형태 벽은 상기 연소 챔버의 내부 내에 위치한 이동가능 플러그인, 가스 연소 동력식 장치.
17. 제 16항에 있어서, 상기 이동가능 플러그의 외부 주변(periphery)은 일반적으로 상기 연소 챔버의 내부 벽에 따르는, 가스 연소 동력식 장치.
18. 제 17항에 있어서, 상기 연소 챔버 내의 상기 이동가능 플러그의 일부분은, 상기 완전한 밀폐 위치에 있을 때 상기 연소 챔버에서의 단일 혼합 부피를 한정하고, 상기 완전한 개방 위치에 있을 때 상기 연소 챔버 내의 적어도 제 1 연소 부피 및 제 2 연소 부피를 한정하는, 가스 연소 동력식 장치.
19. 제 18항에 있어서, 상기 연소 부피는 V1으로 표시되고, 상기 제 2 연소 부피는 V2로 표시되고, 상기 혼합 부피는 Vm으로 표시되고, 수학식은,

    Vm(완전한 밀폐 위치)=Vm(완전한 밀폐 위치가 아님)+V1+V2일 때

    일반적으로 충족되는, 가스 연소 동력식 장치.
20. 제 18항에 있어서, 상기 제 2 연소 부피는 상기 피스톤 챔버의 적어도 일부분의 상기 연소 챔버 내의 위치로 변위된 상기 연소 챔버 내의 부피와 실질적으로 동일한, 가스 연소 동력식 장치.
21. 제 20항에 있어서, 상기 제 1 연소 부피는 고리형이고, 상기 제 2 연소 부피는 원통형인, 가스 연소 동력식 장치.
22. 제 21항에 있어서, 상기 고리형 제 1 연소 부피의 내부 직경은 상기 원통형 제 2 연소 부피의 외부 직경과 실질적으로 동일한, 가스 연소 동력식 장치.
23. 제 18항에 있어서,

    상기 이동가능 플러그의 상기 일반적으로 평평한 부분 상에 위치하고, 상기 완전한 밀폐 위치에 있지 않을 때 상기 혼합 부피로부터 상기 제 2 연소 부피로의 전달을 허용하는, 연료 포트와;

    상기 이동가능 플러그의 링-형태 부분 상에 위치하고, 상기 완전한 밀폐 위치에 있지 않을 때 상기 제 1 및 제 2 연소 부피 사이의 전달을 허용하는, 연소 포트를

    더 포함하는, 가스 연소 동력식 장치.
24. 제 23항에 있어서, 상기 완전한 개방 위치에 있지 않을 때, 기류는 상기 연소 포트와 상이한 상기 연소 부피 사이의 개구부를 통해 상기 제 1 및 제 2 연소 부피 사이에 허용가능하고, 기류는 상기 제 1 연소 부피와 상기 혼합 부피 사이에 차단되는, 가스 연소 동력식 장치.
25. 제 23항에 있어서, 상기 완전한 개방 위치에 있지 않을 때, 기류는 상기 연소 포트와 상이한 상기 연소 부피 사이의 개구부를 통해 상기 제 1 및 제 2 연소 부피 사이에 허용가능하고, 기류는 상기 혼합 및 제 1 연소 부피 사이의 개구부를 통해 상기 제 1 연소 부피와 상기 혼합 부피 사이에 허용가능한, 가스 연소 동력식 장치.
26. 제 23항에 있어서, 상기 연료 포트 및 상기 연소 포트는 상기 혼합, 제 1 연 소 및 제 2 연소 부피 사이에 유일한 기류 전달 수단인, 가스 연소 동력식 장치.
27. 제 16항에 있어서,

    소재와 맞물리기 위한 이동가능 공작물 접촉 요소와;

    상기 이동가능 플러그에 부착되고, 상기 공작물 접촉 요소와의 동작가능한 연동 장치(linkage)를 위해 상기 연소 챔버에서의 개구부를 통해 연장하는 스템(stem) 부분을

    더 포함하는 가스 연소 동력식 장치.
28. 가스 연소 동력식 장치로서,

    제 1 벽과 제 2 벽 사이의 부피를 한정하는 제 1 수축 위치와 제 2 확장 위치 사이의 상기 제 1 벽에 대해 이동가능한 제 1 벽 및 제 2 벽을 포함하는, 연소 챔버와;

    상기 부피 내에서 연소가능 가스의 점화를 야기하기 위해 상기 연소 챔버에 대해 동작가능한 관계에 있는 점화 소스와;

    기계적 도움 없이 상기 부피에서 난류(turbulence)를 생성하기 위해 상기 점화 이전에 충분한 압력으로 가압된 연료를 상기 부피에 주입하기 위해 구성되고 배치된 연료 보급(fueling) 장치를

    포함하는, 가스 연소 동력식 장치.

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