KR20140049504A - 매질 내에서 압력파를 생성하기 위하여 이동식 제어 로드를 갖는 압력파 생성기 - Google Patents

매질 내에서 압력파를 생성하기 위하여 이동식 제어 로드를 갖는 압력파 생성기 Download PDF

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리안 진드러
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Abstract

매질 내에서 고에너지 압력파를 생성하도록 구성된 압력파 생성기의 예시가 개시된다. 압력파 생성기는 피스톤 제어 로드가 이동하거나 또는 슬라이딩할 수있는 가이드를 포함한 이동식 피스톤을 가질 수 있다. 압력파 생성기는 매질에 결합된 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 트랜스듀서 상에서 피스톤의 충돌 중에, 제어 로드는 가이드 내에서 슬라이딩할 수 있으며, 이에 따라 로드 상에 응력이 감소될 수 있다. 압력파 생성기는 피스톤과는 독립적으로 제어 로드를 감속시키기 위한 댐퍼를 포함할 수 있다. 트랜스듀서 상에서 피스톤의 충돌은 피스톤의 운동 에너지의 일부를 매질 내로 전달시키고 이에 따라 매질 내에서 압력파가 생성된다. 피스톤 구동 시스템은 피스톤의 정밀하고 제어된 라운칭 또는 움직임을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 압력파 생성기를 작동시키는 방법의 예시가 개시된다.

Description

매질 내에서 압력파를 생성하기 위하여 이동식 제어 로드를 갖는 압력파 생성기{PRESSURE WAVE GENERATOR WITH MOVABLE CONTROL ROD FOR GENERATING A PRESSURE WAVE IN A MEDIUM}
이 출원은 그 전체가 본 명세서에서 참조로 인용되고, "매질 내에서 압력파를 생성하기 위하여 이동식 제어 로드를 갖는 압력파 생성기"라는 명징의 미국 가특허 출원 제61/446,965호에 대해 35 U.S.C. § 119(e) 하에서 우선권의 이득을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 매질 내에서 압력파를 생성하기 위한 압력파 생성기에 관한 것이다.
저온 또는 저압에서 이뤄지기가 어려운 다양한 화학적 반응이 더 높은 온도와 압력에서 신속하고 효과적으로 이뤄질 수 있다. 압력파 생성기는 매질을 압축하고 압력파 에너지의 일부를 그 매질에 전달하며, 압력파 에너지의 집중으로 인해 매질 내에서 에너지가 생성되고 및/또는 매질 내에서 물리적 변화 또는 화학적 반응을 개시하기 위하여 사용될 수 있는 압력파를 생성하는데 사용될 수 있다. 매질은 고체, 액체 또는 기체일 수 있다.
압력파 생성기 및 압력파 생성기를 사용하기 위한 방법의 다양한 예시가 제공된다. 다양한 응용에서, 방법 및 생성기는 반응 챔버 내로 유도된 고강도 압력파를 생성, 증가 및/또는 이용하기 위하여 사용될 수 있으며, 이에 따라 챔버 내의 매질 내에서 화학적 또는 물리적 반응의 효율이 개시 또는 증가된다. 예를 들어, 방법 및 생성기의 실시 형태는 매질의 온도, 압력, 에너지 및/또는 밀도를 증가시키기 위하여 사용될 수 있고 이에 따라 더 낮은 온도, 압력, 에너지 및/또는 밀도에서 수득되기에 곤란하거나 비경제적인 반응이 본 명세서에서 기재된 방법 및 생성기의 실시 형태에 의해 제공되는 더 높은 온도, 압력, 에너지 및/또는 밀도에서 신속 및/또는 효율적으로 이뤄질 수 있다.
일 양태에서, 피스톤을 갖는 압력파 생성기는 매질 내에 결합된 트랜스듀서와 피스톤의 충돌 동안에 피스톤 내로 전진 이동하는 제어 로드가 제공된다.
또 다른 양태에서, 압력파 생성기는 피스톤 내의 가이드 내에서 이동 또는 슬라이딩할 수 있는 제어 로드를 포함한다. 압력파 생성기는 피스톤과 독립적으로 제어 로드를 감속시키기 위한 댐퍼 시스템을 포함한다.
또 다른 양태에서, 압력파 생성기는 피스톤의 움직임을 개시하기 위하여 피스톤 뒤에서 고압 기체를 직접 주입하는 일련의 밸브를 포함하는 피스톤 라운칭 및 구동 기구가 제공된다. 피스톤은 압력파 생성기 하우징의 내부 보어를 따라 이동함에 따라, 피스톤은 하우징 내의 기체 포트를 개방하고, 이에 따라 추가 고압 기체가 주입되어 피스톤에 추가 추진력이 인가되어 매질에 결합된 트랜스듀서를 향하여 피스톤이 가속된다.
일 양태에서, 압력파 생성기는 제1 표면과 제2 표면 및 제1 표면과 제2 표면 사이의 종방향 축을 갖는 이동식 피스톤을 포함한다. 피스톤은 적어도 부분적으로 제2 표면을 향하여 제1 표면으로부터 피스톤의 종방향 축을 따라 연장되는 가이드를 포함한다. 압력파 생성기는 또한 내부 보어, 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 하우징을 포함하고 피스톤은 하우징의 내부 보어 내에 적어도 부분적으로 배열된다. 피스톤은 피스톤의 종방향 축에 대해 평행한 방향을 따라 제1 단부로부터 제2 단부를 향하여 하우징의 내부 보어 내에서 이동가능하다. 압력파 생성기는 또한 제1 단부로부터 제2 단부로 종방향으로 연장되는 제어 로드를 포함하고, 제어 로드의 제2 단부는 가이드 내에 삽입되도록 구성되고 내부 보어 내에서 피스톤이 이동하는 동안에 가이드로부터 이동되지 않고 가이드 내에서 이동될 수 있다. 압력파 생성기는 또한 하우징의 제2 단부 내에 슬라이딩가능하게 수용되는 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 트랜스듀서는 매질에 결합되고 트랜스듀서와 피스톤의 충돌 시에 매질 내에서 압력파 내로 피스톤의 운동 에너지의 일부를 변환시키도록 구성될 수 있다. 압력파 생성기는 또한 트랜스듀서를 향하여 이동식 피스톤을 가속하도록 구성된 추진력 생성기(motive force generator)를 포함하고, 트랜스듀서와 피스톤의 충돌 시에, 제어 로드의 제2 단부는 피스톤의 제2 표면을 향하여 가이드 내에서 이동된다.
또 다른 양태에서, 가이드는 피스톤의 제2 표면으로부터 이격된 내부 단부로 피스톤의 제1 표면으로부터 종방향으로 연장된다. 가이드는 피스톤의 제1 표면에서의 입구로부터 제2 캐비티로 연장되는 제1 캐비티를 포함한다. 제2 캐비티는 가이드의 제1 캐비티로부터 연장되고, 제1 캐비티의 단면적은 제1 캐비티의 단면적은 제2 캐비티의 단면적보다 좁다. 가이드는 제2 캐비티와 제1 캐비티 사이에 잘록한 부분을 추가로 포함하고 잘록한 부분의 단면적은 제2 캐비티의 단면적보다 좁고 제1 캐비티의 단면적보다 넓다.
일 양태에서, 압력파 생성기는 제어 로드의 제2 단부에 탈착가능하게 부착될 수 있는 리테이너를 추가로 포함할 수 있다. 리테이너는 리테이너가 가이드 내로 삽입될 수 있도록 하는 제1 배향(first orientation)을 가지며, 리테이너는 가이드 내에 배열된 때에 제2 배향(second orientation)으로 이동될 수 있고, 제2 배향에서 리테이너는 가이드로부터 이동되는 것이 방지된다. 리테이너는 제1 배향일 때 제1 단면적 제2 배향일 때 제2 단면적을 갖는다. 가이드는 피스톤의 제1 표면에 입구를 가지며, 입구는 단면 입구 영역을 갖는다. 리테이너의 제1 단면적은 입구 면적보다 좁고 리테이너의 제2 단면적은 입구 면적보다 넓을 수 있다. 압력파 생성기는 리테이너에 제어 로드의 제2 단부의 위치를 고정하도록 구성된 잠금부를 추가로 포함할 수 있다. 잠금부는 잠금 핀을 포함할 수 있다.
일 양태에서, 압력파 생성기는 또한 피스톤과 독립적으로 제어 로드를 감속시키는 댐퍼 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 댐퍼 시스템은 개구를 갖는 챔버를 포함할 수 있고, 챔버는 유체를 포함한다. 제어 로드의 제1 단부는 트랜스듀서를 향하여 피스톤이 이동하는 중에 개구를 통하여 챔버에 유입되도록 구성된 댐퍼 요소를 포함할 수 있고, 챔버 내의 유체는 피스톤이 트랜스듀서를 향하여 이동함에 따라 댐퍼 요소 상에 저항력을 제공한다. 댐퍼 요소는 댐퍼 요소가 챔버 내에서 이동함에 따라 챔버 내의 유체가 챔버로부터 외부로 유체를 흐르할 수 있도록 챔버에 대한 개구의 단면적보다 좁은 단면적을 갖는다. 댐퍼 시스템은 챔버 내에서 댐퍼 요소가 이동함에 따라 챔버로부터 외부로 유체를 흐르게 하는 하나 이상의 개구를 포함할 수 있다. 하나 이상의 개구는 제어 로드 상에서 원하는 크기의 감속 또는 저항력을 제공하도록 구성될 수 있다.
또 다른 양태에서, 추진력 생성기는 트랜스듀서를 향하여 피스톤을 이동시키기 위한 초기 추진력을 인가하도록 구성된 제1 추진력 생성기를 포함한다. 추진력 생성기는 또한 제2 추진력 생성기를 포함할 수 있다. 상기 제2 추진력 생성기는 유체 압력을 이동식 피스톤에 인가하기 위하여 유체를 저장하고 하우징에 연결된 압력 용기를 포함할 수 있고, 하우징은 하우징의 제1 단부 근처에 배열된 하나 이상의 유체 포트를 포함한다. 피스톤은 피스톤이 하우징의 제1 단부에 배열될 때 유체 포트를 차단하고 피스톤이 제1 추진력 생성기의 추진력으로 인해 하우징의 제1 단부로부터 트랜스듀서를 향하여 이동함에 따라 제2 추진력 생성기와 연통되는 유체를 제공하기 위해 유체 포트를 개방하도록 구성될 수 있다.
일 양태에서, 트랜스듀서는 하우징의 내부 보어 내로 매질의 흐름을 차단하는 밀봉부를 형성하기 위하여 하우징의 일부와 접촉하도록 구성된 테이퍼진 부분을 포함한다.
또 다른 양태에서, 압력파 생성기는 트랜스듀서의 위치와 트랜스듀서와 피스톤의 충돌을 감지하고 하우징의 제2 단부에 위치된 충돌 감시 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 충돌 감시 시스템은 트랜스듀서의 위치와 핀 내의 움직임을 감지하기 위한 센서 및 트랜스듀서의 표면에 대해 편향된 원위 단부를 갖는 핀을 포함할 수 있다.
일 양태에서, 피스톤 시스템이 개시된다. 피스톤 시스템은 압력파 생성기의 실시 형태와 함께 사용될 수 있다. 피스톤 시스템은 제1 표면과 제2 표면 및 제1 표면으로부터 제2 표면으로 연장되는 피스톤 축을 갖는 피스톤을 포함할 수 있다. 피스톤은 적어도 부분적으로 제2 표면을 향하여 제1 표면으로부터 피스톤 축을 따라 종방향으로 연장되는 가이드를 추가로 포함할 수 있다. 피스톤 시스템은 또한 제1 단부와 제2 단부를 갖는 로드를 포함할 수 있다. 로드의 제2 단부는 가이드 내에 배열되고 가이드 내에서 이동되며, 로드의 제1 단부는 가이드의 외부에 배열된다. 피스톤 시스템은 또한 가이드로부터 로드의 제2 단부의 이동을 방지하고 가이드 내에서 로드의 제2 단부를 보유하는 리테이너를 포함할 수 있다.
일 양태에서, 가이드는 가이드의 제1 캐비티로부터 내부 단부로 연장되는 제2 캐비티로 피스톤의 제1 표면에서의 입구로부터 연장되는 제1 캐비티를 포함한다. 내부 단부는 피스톤의 제2 표면으로부터 이격될 수 있고 제1 캐비티의 단면적은 제2 캐비티의 단면적보다 좁다.
또 다른 양태에서, 리테이너는 로드의 제2 단부에 탈착가능하게 부착될 수 있다. 리테이너는 리테이너가 가이드 내로 삽입될 수 있는 제1 배향을 가지며, 리테이너는 가이드 내에 배열된 때 제2 배향으로 이동될 수 있다. 제2 배향에서 로드에 부착 시에 리테이너는 가이드로부터 로드의 제2 단부의 이동을 방지할 수 있다.
또 다른 양태에서, 가이드는 피스톤의 제1 표면에 입구를 가지며, 입구는 단면 입구 영역을 갖는다. 리테이너는 제1 배향일 때 제1 단면적 제2 배향일 때 제2 단면적을 갖는다. 리테이너의 제1 단면적은 입구 면적보다 좁고 리테이너의 제2 단면적은 입구 면적보다 넓을 수 있다. 피스톤 시스템은 제2 배향의 리테이너와 로드를 잠그도록 구성된 잠금부를 추가로 포함할 수 있다.
일 양태에서, 압력파 생성기는 피스톤 내에서 내부 단부를 포함한 가이드 캐비티를 갖는 이동식 피스톤 및 매질에 결합되는 트랜스듀서를 포함한다. 제어 로드는 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장될 수 있으며, 제2 단부는 이동식 피스톤 내의 가이드 캐비티 내에 배열되고 이 내에서 이동될 수 있다. 제어 로드의 제2 다부는 피스톤이 이동하는 중에 가이드 캐비티 내에 수용되도록 구성될 수 있다. 압력파 생성기는 트랜스듀서를 향하여 이동식 피스톤을 가속하도록 구성된 추진력 생성기를 포함할 수 있다. 트랜스듀서와 피스톤의 충돌 시에, 제어 로드의 제2 단부는 가이드 캐비티의 내부 단부를 향하여 이동된다.
또 다른 양태에서, 제어 로드의 제2 단부는 배향가능한 리테이너를 포함하고, 리테이너는 리테이너가 가이드 캐비니 내로 삽입될 수 있는 제1 배향 및 리테이너가 가이드 캐비티로부터 제거되는 것이 방지되는 제2 배향을 갖는다.
또 다른 양태에서, 추진력 생성기는 유체 압력을 이동식 피스톤에 인가하기 위하여 유체를 저장하도록 구성된 제1 캐비티를 포함하는 제2 추진력 생성기를 포함하고, 제1 캐비티로부터 유체를 수용하며 적어도 부분적으로 배출시키도록 구성된 제2 캐비티를 포함한다. 이동식 피스톤은 수용된 유체의 유체 압력에 응답하여 트랜스듀서를 향하여 제2 캐비티 내에서 가속하도록 구성될 수 있다. 추진력 생성기는 피스톤의 움직임을 개시하기 위하여 추진력을 인가하도록 구성된 제1 추진력 생성기를 추가로 포함한다.
일 양태에서, 압력파 생성기는 트랜스듀서를 향하여 피스톤의 움직임의 적어도 일부 동안에 제어 로드를 감속시키기 위해 감쇠력을 인가하도록 구성된 댐퍼 시스템을 추가로 포함한다. 댐퍼 시스템은 유체를 수용하는 캐비티를 포함할 수 있고, 제어 로드는 피스톤의 움직임의 적어도 일부 동안에 캐비티에 유입되도록 구성된 하나 이상의 댐퍼 요소를 포함할 수 있다. 캐비티 내에서 댐퍼 요소에 대한 유체 저항이 감쇠력을 제공할 수 있다.
전술된 양태 및 실시 형태에 추가로, 추가 양태 및 실시 형태가 하기 상세한 설명과 도면에 따라 명확해질 것이다.
도 1은 가이드 내에서 슬라이딩 가능한 제어 로드 및 가이드를 포함하는 이동식 피스톤을 갖는 압력파 생성기의 실시 형태의 도식적 단면도이며, 압력파 생성기는 피스톤 라운칭 시스템 및 제어 로드 댐퍼 시스템을 포함한다.
도 1a는 리테이너가 피스톤 가이드 내로 삽입되기 전의 피스톤 가이드를 도시하고 리테이너와 피스톤 가이드의 실시 형태를 도식적으로 도시하는 단면도.
도 1b는 피스톤 가이드 내에서 리테이너에 부착된 제어 로드의 실시 형태의 도식적인 단면도.
도 2는 피스톤이 개시 위치에 있는, 리테이너에 부착된 제어 로드의 실시 형태의 도식적 단면도.
도 3은 추가 원동력을 피스톤에 제공할 수 있는 개방 기체 포트를 도시하며, 피스톤이 전방을 향하여 이동되고(예를 들어, 도 2의 개시 위치로부터 떨어짐) 압력파 생성기의 실시 형태를 도식적으로 도시하는 단면도.
도 4는 트랜스듀서의 실시 형태를 도식적으로 도시하는 단면도.
개요
예컨대, 매질(medium)의 표면 상에서 직접 기계적 충돌, 폭음, 전기 스파크, 강렬한 방사선 빔, 진동 및 증폭 기구, 등을 적용하는 것과 같이 매질 내에 압력파를 발사를 위해 다양한 방법이 사용될 수 있다.
압력파 생성기의 예시가 본 명세서에 전체가 참조로 인용되는 공동 소유의 미국 특허 공보 제2010/0163130호에 기재된다. 이 공보는 매질 내에서 압력파(또는 복수의 압력파)를 생성하기 위한 압력파 생성기의 예시를 기재한다. 임의의 예시적인 압력파 생성기, 이의 구성요소 및 이 공보에 기재된 생성기를 작동시키기 위한 방법이 본 명세서에 기재된 압력파 생성 장치와 방법의 실시 형태와 함께 사용될 수 있다. 압력파는 매질을 압축시키기 위하여 사용될 수 있으며, 이의 온도, 압력, 에너지 및/또는 밀도를 증가시키는데 사용될 수 있다. 압력파는 매질에 결합된 트랜스듀서 상에서 가속 피스톤(accelerated piston)의 기계적 충돌에 의해 생성될 수 있다. 트랜스듀서는 이동식 피스톤의 운동 에너지를 매질 내에서 압력파로 적어도 부분적으로 변환시킬 수 있다. 수렴하는 매질 내에서 재료를 둘러싸고 압축할 수 있는 고에너지 압력파를 구현하기 위하여 충돌 시간 및 피스톤 위치의 실질적으로 정확한 타이밍과 제어가 일부 경우에 사용될 수 있다.
일부 응용에서, 타이밍 및 피스톤 충돌의 제어는 피스톤 위치를 모니터링하고 추진력 및 구속력을 피스톤에 인가함으로써 제공될 수 있다. 충돌 타이밍을 제어하기 위한 일 가능한 방법은 피스톤에 부착된 강성 로드를 사용하는 것이다. 로드는 예컨대, 브레이크에 의해 제공되는 바와 같이 구속력이 인가될 수 있는 표면을 제공한다. 추가로, 피스톤 로드는 피스톤 위치를 모니터하기 위해 사용될 수 있다. 일부 응용에서, 트랜스듀서에 대한 충돌 동안에 피스톤의 비교적 갑작스러운 감속에 따라 로드의 버클링(buckling), 이의 부착 지점의 전단, 또는 리바운드(rebound)로 인한 인장 실패와 같이 로드에 대해 손상이 야기될 수 있다.
따라서, 본 개시는 일부 응용에서 충돌 중에 제어 로드에 손상을 야기할 수 있는 압력파 생성기 및 피스톤의 실시 형태를 제공한다.
압력파 생성기의 실시예
도면들을 참조하면, 압력파 생성기(10)의 실시 형태의 예시적인 단면도가 도 1에 도시된다. 압력파 생성기(10)는 하우징(15)에 의해 형성된 내부 보어(15a), 제1 단부(16) 및 제2 단부(17)를 갖는 원통형 하우징(15), 하우징의 내부 보어(15a) 내에서 이동가능한 피스톤(11), 및 하우징의 제2 단부(17)에 위치된 트랜스듀서(14)를 포함한다. 하우징(15)의 제2 단부(17)는 트랜스듀서(17)가 슬라이딩가능하게 수용되는 개방 단부일 수 있다. 하우징(15)의 제1 단부(16)는 적어도 부분적으로 폐쇄될 수 있다. 내부 보어(15a)는 보어 축(15b)을 따라 종방향으로 연장될 수 있다. 피스톤(11)은 제1 표면(11a)으로부터 제2 표면(11c)으로의 방향을 따라 연장되는 종방향 피스톤 축(11b)을 가질 수 있다. 제2 표면(11)은 트랜스듀서(14)를 향한다. 피스톤(11)은 보어 축(15b)을 따라 제2 단부(17)에서 트랜스듀서(14)를 향하여 제1 단부(16)로부터 내부 보어(15a) 내에서 이동가능하다. 피스톤 종방향 축(11b)은 보어 축(15b)과 일반적으로 동일 직선 상에 있을 수 있어서 피스톤(11)은 피스톤 축(11b)에 대해 평행한 방향을 따라 내부 보어(15a) 내에서 이동된다.
하우징(15)의 내부 보어(15a)는 적어도 부분적인 진공 영역을 형성하는 펌핑 시스템(도시되지 않음)을 이용하여 비워질 수 있다. 일부 응용에서, 내부 보어는 펌핑 시스템에 의해 적어도 부분적으로 비워질 수 있으며, 이에 따라 내부 보어 내의 압력이 주변 압력에 비해 감소된다. 트랜스듀서(14)는 피스톤(11)에 의해 충돌 동안에 하우징의 제2 단부(17)에 대해 축방향으로 다소 이동할 수 있다. 트랜스듀서(14)는 하우징 내부 봉(15a)를 대향하는 내부 충돌 표면(14a)과 예컨대, 고체, 액체, 기체 또는 플라스마와 같은 매질에 접촉할 수 있는 외부 표면(14b)을 포함ㅎ나다. 트랜스듀서(14)는 피스톤에 의한 충돌 시에 매질 내로 트랜스듀서(또한, 도 4에 도시된 예시 트랜스듀서)의 이탈을 방지하는 보유 기구(18)를 추가로 포함한다. 하우징(15)은 또한 제1 단부(16)에 인접한 원통형 하우징(15) 주위에 형성된 복수의 유체 포트(19)를 포함할 수 있으며, 이 유체 포트를 통하여 피스톤의 내부 보어(15a)가 압력 용기(20)와 연통한다. 압력 용기(20)는 트랜스듀서(14)를 향하여 보어 축(15b)(또는 피스톤의 종방향 축(11b))을 따라 피스톤(11)을 가속시키고 포트(19)를 통하여 유동할 수 있는 가압된 유체(예를 들어, 기체)를 저장할 수 있으며, 이에 따라 피스톤의 제2 표면(11c)은 트랜스듀서(14)의 충돌 표면(14a)과 충돌한다. 트랜스듀서(14)와 피스톤(11)의 충돌에 따라 트랜스듀서(14)는 매질 내로 보어 축(15b)을 따라 이동할 수 있고, 이에 따라 매질 내에 압력파가 생성된다.
도시된 실시 형태에서, 피스톤(11)과 트랜스듀서(14)는 실질적으로 원통형이며, 원통형 보어(15a) 내에 끼워맞춤된다. 이는 제한점이 아니고 다른 실시 형태에서, 피스톤(11), 트랜스듀서(14) 및/또는 보어(15a)는 소정 형상(예를 들어, 다각형과 같은 상이한 단면 형상)을 가질 수 있다.
피스톤(11)은 제어 로드(13)가 가이드(12) 내로 적어도 부분적으로 삽입될 수 있도록 구성될 수 있는 가이드(12)를 포함할 수 있다. 도시된 실시 형태에서, 가이드(12)는 제2 표면(11c)을 향하여 제1 표면(11a)으로부터 피스톤의 몸체를 통하여 부분적으로 연장되는 중앙 신장된 캐비티를 포함한다. 피스톤 가이드(12)는 제어 로드(13)의 원위 (또는 제2) 단부(13a)를 수용하고 제어 로드(13)가 가이드(12) 내에서 이동 및 슬라이딩되도록 한다. 제어 로드의 근위 (또는 제1) 단부(13b)는 가이드(12)의 외측에 배치된다. 가이드(12)는 피스톤의 몸체 내에서 소정 길이로 연장될 수 있다. 일부 응용에서, 가이드(12)는 피스톤(11)의 전체 몸체(예를 들어, 전체적으로 제2 표면(11c)에 대해)에 걸쳐서 실질적으로 연장될 수 있다. 다른 응용에서, 가이드(12)는 전체 피스톤의 몸체의 길이보다 짧게 피스톤 몸체 내의 다양한 깊이로 연장될 수 있다. 가이드(12)의 길이는 내부 보어(15a) 내에서 피스톤(11)이 이동하는 동안 가이드(12)로부터 이동되지 않고 트랜스듀서(14)와 피스톤(11)이 충돌하는 중에 내부에서 슬라이딩하거나 또는 이동되도록 로드(13)에 대한 충분한 경로를 제공하도록 선택될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 피스톤(11)은 약 300 mm의 직경, 약 100 kg의 중량 및 약 180 mm의 길이를 갖는 실질적으로 원통형 몸체를 가질 수 있다. 피스톤(11)은 금속과 같은 강성 재료로 형성될 수 있다. 가이드(12)는 피스톤의 원통형 몸체 내에 동심을 이루어 배열된 신장된 캐비티일 수 있으며, 가이드 개구의 직경은 약 50 mm이고 이의 길이는 약 140 mm이다. 가이드(12)는 원통형, 원뿔형 또는 임의의 다른 단면을 가질 수 있다. 도시된 실시 형태에서, 가이드(12)는 가이드(12)의 내부 단부(21) 상에서 응력 응축을 감소 또는 최소화하기 위하여 실질적으로 구형(예를 들어, 반구형)의 일부인 형상을 갖는 내부 단부(21)를 갖는다. 가이드의 다른 단부 형상은 다각형과 같이 사용될 수 있고, 내부 단부(또는 가이드의 다른 부분)는 도 1에 도시된 것과 상이하게 형성될 수 있다(예를 들어, 평평한 형상, 원뿔형 형상, 등).
도 1a는 리테이너(22)를 갖는 피스톤 가이드(12)의 실시 형태를 도식적으로 도시하는 단면도이다. 도 1a에는 피스톤 가이드(12) 내로 리테이너(22)가 삽입되기 전의 피스톤 가이드(12)가 도시된다. 도 1b는 피스톤 가이드(12) 내에서 리테이너(22a)에 부착된 제어 로드(13)의 원위 단부(13a)를 갖는 피스톤(11)의 실시 형태의 도식적 단면도이다. 도 1a 및 도 1b에 도식적으로 도시된 실시 형태에서, 가이드(12)는 제1 캐비티(12a)에 인접한 제2 캐비티(12b)를 포함한다. 가이드(12)의 내부 단부(21)는 제2 캐비티(12b)의 원위 단부에 배열된다. 제2 캐비티(12b)는 제2 캐비티(12b)보다 좁은 단면적을 갖는 제1 캐비티(12a)에 접하도록 잘록한 부분(waist, 12c)에서 좁아진다. 제1 캐비티(12a)는 피스톤(11)의 표면(11a)에서 유입 개구(104)를 갖는다. 도시된 실시 형태에서, 입구(104)는 원형 형상을 갖지만 제어 로드(13)를 수용하도록 구성된 임의의 다른 형상이 사용될 수 있다.
일 실시 형태에서, 입구(104)는 약 30 mm의 직경을 갖도록 원형으로 형성될 수 있다. 제2 캐비티(12b)는 약 120 mm의 길이와 약 50 mm의 직경을 가질 수 있는 반면 제1 캐비티(12a)는 약 15 mm의 길이와 약 30 mm의 직경을 가질 수 있다. 잘록한 부분(12c)은 날카로운 에지의 형성을 방지하기 위하여 만곡된 표면을 가질 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 압력파 생성기(10)는 가이드(12) 내에 제어 로드(13)의 위치를 유지시키기 위한 리테이너(22)를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 리테이너는 가이드(12) 내에서 로드(13)의 위치를 유지시키는 성형된 너트(22a)일 수 있으며, 이에 따라 로드의 위치는 가이드(12)로부터, 이에 따라 로드의 일부는 피스톤(11)으로부터 로드(13)의 원위 단부(13a)의 이동을 방지하며 가이드 내에서 실질적으로 자유롭게 이동할 수 있다.
리테이너(22)의 실시 형태는 도 1a 및 도 1b에 도식적으로 도시된다. 도 1a에서, 리테이너(22)는 제어 로드(13)가 삽입되고 고정될 수 있는 개구(103)를 갖는 반-구형 몸체(101)를 포함하는 성형된 너트(22a)를 포함한다. 성형된 너트(22a)는 제거된 2개의 섹션을 가질 수 있으며, 이에 따라 2개의 마주보는 평평한 표면(102)이 형성된다. 성형된 너트(22a)는 입구(104) 및 가이드(12)에 대해 성형된 너트(22a)의 배향에 따라 2개의 상이한 단면을 가질 수 있다. 제1 배향에서(예를 들어 도 1a 참조), 성형된 너트(22a)는 가이드(12)의 벽을 대향하는 개구(103)를 갖는 측면이고, 이에 따라 성형된 너트의 단면은 제1 캐비티(12a)(및 입구 개구(104))보다 좁고, 이에 따라 너트(22a)는 입구 개구(104)와 제1 캐비티(12a)(제1 배향일지라도)를 통하여 삽입될 수 있고 그 뒤에 제2 캐비티(12b) 내로 삽입될 수 있다. 성형된 너트(22a)가 제2 캐비티(12b) 내에 있을 때, 너트(22a)는 개구(103)가 입구(104)(예를 들어 도 1b 참조)를 대향하는 제2 배향으로 회전할 수 있으며, 이에 따라 이의 단면은 입구 개구(104)와 제1 캐비티(12a)의 단면보다 크다. 따라서, 성형된 너트(22a)가 제2 캐비티(12b) 내에서 제2 배향일 때, 너트(22a)는 입구 개구(104)를 통하여 가이드(12)로부터 빠져나가는 것이 방지된다.
도 1a에는 성형된 너트(22a)가 입구(104)를 통하여 가이드(12) 내로 삽입되기 전에 가이드(12)에 대한 리테이너(22)의 배향이 도식적으로 도시된다. 2개의 마주보는 평평한 표면(102)에 따라 입구(104)를 통하여 성형된 너트(22a)를 제1 캐비티(12a)와 제2 캐비티(12b) 내로 삽입하기 위한 간격을 형성하는데 도움이 된다. 너트(22a)가 가이드(12)의 제2 캐비티(12b) 내에 있을 경우에, 너트는 개구(103)가 입구(104)를 대향하여 이에 따라 제어 로드가 리테이너(22)에 연결될 수 있도록 회전할 수 있다. 성형된 너트(22a)는 너터의 원위 단부의 형상이 실질적으로 가이드의 내부 단부(21)의 형상과 일치되도록(도 1b 참조) 성형될 수 있다.
도 1b에는 피스톤 가이드(12) 내에 삽입되고 너트(22a)에 부착된 제어 로드(13)의 원위 단부(13a)와 성형된 너트(22a)가 도시된다. 너트(22a)가 도 1b에 도시된 위치에 있을 때, 너트(22a)의 단면은 제2 캐비티(12b)의 단면보다 다소 좁아서 너트(22a)는 제2 캐비티(12b) 내에서 실질적으로 자유롭게 이동할 수 있다. 너트(22a)의 단면은 제1 캐비티(12a)(및/또는 개구(104))의 단면보다 넓어서 너트(22a)는 압력파 생성기가 작동 중에 가이드(12)에서 빠져나가는 것이 방지된다. 보수 작업을 위해, 너트(22a)는 너트(22a)로부터 제어 로드(13)를 분리하고 너트(22a)를 회전시킴으로써 가이드(12)로부터 제거될 수 있으며, 이에 따라 이 너트는 입구(104)를 통하여 캐비티(12b, 12a)로부터 제거될 수 있다. 일 실시 형태에서, 너트(22a)는 개구(104)와 캐비티(12b, 12a)를 통하여 너트(22a)를 삽입 또는 제거하기 위해 너트(22a)를 회전시키도록 설계된 공구를 이용하여 회전될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 리테이너(22)는 제어 로드(13)와 리테이너(22)를 고정된 위치에 고정하기 위한 잠금부(lock)를 추가로 포함할 수 있다. 잠금부는 제어 로드(13)(도 1b 참조) 상의 좁은 슬롯 내에 배열된 잠금 핀(예를 들어, 잠금 와이어)(106)를 포함할 수 있다. 잠금 핀(106)은 성형된 너트(22a)(예를 들어, 도 1a 참조)의 개구(103)에 근접하게 리테이너(22) 내에 형성된 개구(105)를 통과하도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 제어 로드(13)가 리테이너(22)에 체결될 때 잠금 핀(106)은 개구(105)와 정렬될 수 있다. 잠금 핀(106)은 개구(105)를 통과할 수 있으며, 이에 따라 너트(22a)에 대해 실질적으로 정해진 위치에 제어 로드(13)가 고정된다. 예를 들어, 리테이너(22)가 로드의 제2 단부(13a) 상에 체결(예를 들어, 나사산 체결)되면, 잠금 핀(106)은 개구(105)를 통과하고, 이에 따라 로드(13)와 리테이너(22)의 위치가 고정되며, 이에 따라 리테이너(22)가 로드(13)로부터 풀리고 분리되는 것이 방지된다. 일부 실시 형태에서, 복수의 잠금부가 이용될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 상이한 잠금 기구가 실질적으로 정해진 위치에 제어 로드(13)와 리테이너(22)를 고정하기 위하여 사용될 수 있다.
일부 부착 방법에서, 리테이너(22)는 피스톤 가이드(12) 내에 삽입되고, 그 뒤 개구(103)가 입구 홀(104)을 향할 때까지 약 90°만큼 회전한다. 제어 로드(13)는 그 뒤에 개구(103) 내로 삽입되고 리테이너(22)(예를 들어, 나사산을 이용하여)에 체결되며, 잠금 핀(106)은 개구(105)와 정렬되고 이 내에 삽입되어 리테이너(22)와 제어 로드(13)의 위치가 고정된다. 로드(13)가 리테이너에 고정될 때, 로드(13)(리테이너(22))는 가이드(12)의 제2 캐비티(12b) 내에서 이동하거나 또는 슬라이딩할 수 있지만 리테이너(22)의 단면 크기는 실질적으로 개구(104) 또는 제1 캐비티(12a)를 통하여 가이드(12)로부터 리테이너(22)와 제어 로드(13)의 원위 단부(13a)가 빠져나가는 것을 방지한다. 따라서, 제어 로드(13)의 원위 단부(13a)는 가이드(12)의 길이를 따라 이동할 수 있지만 가이드(12)로부터 이동 또는 이탈되는 것이 방지된다.
도 1에 도시된 예시적인 압력파 생성기를 추가로 참조하면, 피스톤 가이드(12) 내의 원위 단부(13a)에 마주보는 제어 로드(13)의 근위 단부(13b)는 댐퍼 시스템(damper system, 24) 내로 이동될 때 피스톤과 같이 기능을 하도록 구성되는 디스크(23)에 연결될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 하나 이상의 댐퍼 요소(예컨대 디스크)는 댐퍼 시스템(24) 내에서 로드(13)를 감속시키기 위하여 가이드(12)의 외측에서 제어 로드(13)의 길이를 따라 배열될 수 있다(디스크(23)에 추가로 또는 이에 대해 대안으로). 댐퍼 시스템(24)은 피스톤(11)의 운동과 독립적으로 제어 로드(13)를 감속시킬 수 있으며, 이에 따라 로드(13) 상의 응력을 감소시키거나 또는 최소화시킬 수 있다. 댐퍼 시스템(24)은 공압 댐퍼(에를 들오, 도 1에 도식적으로 도시된 바와 같이), 유압 댐퍼, 및/또는 전자기 댐퍼/브레이크를 포함할 수 있다. 공압 또는 유압 댐퍼는 로드(13) 상에서 응력을 감소 또는 최소화시키기 위하여 제어 로드의 감속을 조절하기 위해 사용될 수 있는 조절식 밸브(25)가 설치될 수 있다. 일부 응용에서, 댐퍼 시스템(24)은 입구 개구를 갖는 원통형 몸체를 포함할 수 있고, 이를 통하여 디스크(24)가 댐퍼 시스템에 유입된다. 또 다른 실시 형태에서, 댐퍼 시스템(24)은 원뿔형으로 형성될 수 있다(도 1 참조). 댐퍼 시스템(24)의 길이 및/또는 단면적은 제어 로드(13) 상에서 원하는 감속 또는 감쇠력(damping force)을 제공하도록 선택될 수 있다(디스크(23) 크기와 같은 다른 인자들 중에서).
일부 응용에서, 댐퍼 시스템(24)은 댐퍼 시스템(24)의 길이를 따라 변화하는 프로파일을 가질 수 있다. 예를 들어, 댐퍼 시스템(24)은 벨 형상을 갖는 제1 부분과 접한 제2 부분 및 실질적으로 원통형인 제1 부분을 갖는 몸체를 가질 수 있다. 댐퍼 시스템(24)의 제1 부분은 탄성중합체, 플라스틱, 또는 강성 고무 재료 또는 임의의 다른 충돌 저항 재료로 제조되는 입구를 가질 수 있다. 이러한 재료의 사용은 디스크(23)가 댐퍼 시스템(24)의 입구와 충돌할 때 선호될 수 있으며, 이에 따라 입구는 제공 없이 견딜 것이다. 디스크(23)는 이 디스크가 댐퍼 시스템(24)의 입구에 있을 때 디스크가 댐퍼 시스템(예를 들어, 공압 댐퍼 시스템의 경우)으로부터 유동할 수 있는 간격을 제공한다. 예를 들어, 디스크(23)는 댐퍼 시스템(24)에 대한 입구의 단면적보다 다소 좁은 단면적을 가질 수 있다. 일부 경우에, 댐퍼 시스템(24)은 댐퍼 시스템(24)의 길이를 따라 배열된 하나 이상의 추가 개구를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 추가 개구를 통하여 기체로부터 댐퍼 시스템(24)이 이동할 수 있다. 일 실시 형태에서, 상이한 개수 또는 크기의 개구가 댐퍼 시스템(24) 내의 상이한 위치에 배치 또는 형성될 수 있으며, 이에 따라 댐퍼(24)로부터 유동하는 기체가 인가된 감쇠력을 제어 또는 조절하여 제어 로드(13)가 감속된다.
일 예시적인 작동 방법에서, 보어의 폐쇄된 단부(16) 근처에서 피스톤(11)의 개시 위치에서, 리테이너(22)와 제어 로드(13)가 이의 자체 개시 위치에 배열된다. 제어 로드(13)의 원위 단부(13a)와 리테이너(22)는 가이드(12)이 내부 단부(21)로부터 이격될 수 있다. 피스톤(11)은 트랜스듀서(14)와 충돌하돌고 전방으로 가속할 수 있다. 트랜스듀서(14)와 피스톤(11)이 충돌 시에, 리테이너(22)를 갖는 제어 로드(13)의 원위 단부(13a)는 가이드(12) 내에서 전방을 향하여 이동할 수 있으며, 이에 따라 로드(13)에 대한 응력이 감소된다. 제어 로드(13)의 원위 단부(13a)는 가이드(12) 내에서 전진 이동하고, 디스크(23)는 댐퍼 시스템(24) 내에서 전진 이동한다. 기압 댐퍼 시스템 내에서, 디스크(23)가 움직임에 따라 댐퍼 시스템(24) 내에서 기체(예를 들어, 공기)가 압축되고, 제어 로드(13)는 감속된다. 따라서, 댐퍼 시스템(24)은 로드(13)를 감속하는 기능을 하며, 이에 따라 로드 상에서의 응력이 감소 또는 최소화된다.
일 실시 형태에서, 댐퍼 시스템(24)은 예컨대, 충돌 타이밍 제어 기구(29)의 일부로서 사용될 수 있는 압전 조절식 밸브와 같이 고속 조절식 밸브가 장착될 수 있다. 고속 조절식 밸브는 트랜스듀서와의 충돌 전에 로드(13) 상에서 힘을 조절하기 위하여 사용될 수 있고, 이에 따라 트랜스듀서(14)와 충돌하기 전에(예를 들어, 디스크(23)가 댐퍼 시스템(24)에 유입될 때의 이동하는 일부 중에) 이동의 종료 시에 피스톤의 속도가 변화한다.
피스톤(11)이 보어의 단부(16) 근처의 이의 시작 위치로 복귀되면, 제어 로드(13)는 로드(13)에 힘을 인가함으로써 가이드(12) 내에서 이의 시작 위치로 복귀될 수 있으며, 이에 따라 이는 재차 시작 위치로 이동되어 리테이너(22)와 로드(13)의 원위 단부(13a)가 가이드(12)의 내부 단부(21)로부터 이격된다.
일부 응용에서, 트랜스듀서(14) 상에서 피스톤(11)의 충돌의 타이밍은 제어 시스템(29)에 의해 제어될 수 있다. 제어 시스템(29)은 하나 이상의 프로세서, 컨트롤러, 생성기 또는 특수 목적의 연산 하드웨어를 포함할 수 있다. 압력파 생성기(10)는 제어 로드(13)에 구속력을 인가하기 위한 브레이크(26)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 브레이크(26)는 자성 와전류 브레이크, 마찰 브레이크, 압전 제어식 브레이크, 등을 포함할 수 있다. 제어 로드(13)는 제어 시스템(29)이 위치 엔코더(position encoder, 28)를 사용하여 로드의 마킹(27)을 판독하기 위해 광학 시스템을 사용함으로써 피스톤의 위치를 모니터링할 수 있도록 마킹(27)을 추가로 포함할 수 있다. 엔코더(28)는 제어 시스템(29)에 대해 피스톤의 위치와 관련된 신호를 전송할 수 있다.
다양한 응용에서, 제어 시스템(29)은 생성기(10) 내에서 피스톤의 움직임의 적어도 일부 동안에 피스톤(11)의 속도 및/또는 위치를 제어할 수 있고 및/또는 피스톤(11)과 트랜스듀서(14) 사이의 충돌 타이밍을 제어할 수 있다. 일 응용에서, 제어 시스템(29)은 피스톤 라운칭 시스템(200)의 일부인 밸브(30) 및/또는 브레이크(26)에 대한 출력 신호를 전송할 수 있고(예를 들어, 도 2 참조), 엔코더(28)로부터 피스톤의 위치의 신호를 수신할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(29)은 피스톤(11)의 하나 이상의 이전의 발사(shot)로부터의 제어 정보에 접근할 수 있고, 피스톤(11)의 후속 발사(들)에 대한 파라미터를 제어하기 위하여 조절을 수행하는 이러한 제어 정보를 사용할 수 있다. 제어 정보는 예를 들어, 피스톤의 경로, 라운칭 시스템 딜레이, 생성기(10) 내의 기체 압력(들), 하우징(15) 내에서 마찰의 측정치 또는 결정, 충돌 시간에서 트랜스듀서(14)에 대한 피스톤(11)의 위치, 등을 포함할 수 있다. 제어 시스템(29)은 충돌력 및/또는 충돌 시간을 조절하기 위해 예를 들어, 라운칭 타이밍, 기체 압력(들), 트랜스듀서/피스톤의 위치, 등을 조절할 수 있다. 제어 시스템(29)은 지속적으로 또는 이와는 달리 제어 정보를 저장하기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 컴퓨터-판독가능한 저장 매질을 포함하거나 또는 이와 연통될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(29)은 제어 정보를 저장하는 휘발성 또는 비-휘발성 저장 장치와 연통되는 물리적 연산 장치를 포함할 수 있다.
다양한 유형의 브레이크 시스템이 로드(13)에 구속력을 인가하기 위하여 사용될 수 있다. 그 전체가 본 명세서에 참조로 인용된 공동 소유의 미국 특허 공보 제2010/0163130호는 압력파 생성기(10)의 실시 형태와 사용될 수 있는 브레이크 시스템의 일부 실시 형태를 기재한다. 예를 들어, 브레이크(26)는 압전 작동식 마찰 브레이크, 솔레노이드 작동식 마찰 브레이크, 전자기 브레이크(예를 들어, 와전류를 사용함), 등을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 브레이크(26)는 원하는 제동력이 프리로딩될 수 있다. 다은 응용에서, 브레이크(26)의 프리-로딩력은 에를 들어, 로드 셀(load cell)(도시되지 않음)에 의해 정확히 측정 및 제어될 수 있다. 일 응용에서, 로드 셀은 브레이스 슈에 연결될 수 있으며 전압 드라이버(voltage driver)와 전기 연통될 수 있는 압전 액추에이터를 포함할 수 있다. 볼트는 볼트를 체결함으로써 브레이크를 프리로딩하기 위해 액추에이터에 연결될 수 있다. 압전 액추에이터가 압착 또는 압축될 때, 액추에이터는 전류(전압)를 생성한다. 액추에이터에 의해 생성된 전압을 측정함에 따라 제동 프리로딩력의 측정을 제공할 수 있다. 피스톤 위치 및 제동력의 정확한 측정에 따라 제어 시스템에 의한 충돌 타이밍 및/또는 충돌력의 정확한 제어가 가능할 수 있다. 일부 응용에서, 제어 시스템은 약 ± 10 μs의 정확도에 따라 충돌 타이밍을 제어할 수 있다.
압력파 생성기(10)의 일부 작동 방법에서, 피스톤(11)은 연속적인 "발사" 시에 트랜스듀서(14)에 반복적으로 충돌된다. 발사의 타이밍, 피스톤의 속도(또는 운동 에너지 또는 모멘텀), 등의 교정이 선호될 수 있다. 일부 경우에, 트랜스듀서(14) 상으로 피스톤(11)의 연속적인 발사를 교정하기 위하여, 피스톤(11)이 트랜스듀서(14)와 충돌하는 순간이 정확히 결정될 수 있다. 충돌력은 피스톤의 하우징 또는 피스톤의 하나 이상의 표면 상으로 인가되는 상당한 로드를 야기할 수 있다. 이러한 로드는 변위 또는 가속 측정을 통하여 충돌 타이밍을 감지하기 위하여 사용될 수 있다. 일부 경우에, 측정 정확도는 음향 경로 내에서의 변수에 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 충돌 센서가 피스톤 하우징(15)의 상부 부분 상에 배열되고 충돌력이 피스톤 하우징의 하부 부분에 의해 초기에 인가되거나 또는 수용되는 경우, 하우징(15)의 상부 부분 상의 충돌 센서는 압력 신호가 하우징(15) 또는 피스톤(11)을 가로질러 전파될 때까지 충돌로부터의 신호를 수신하지 않을 것이다. 일 예시적인 실시예로서, 스틸 내에서 5 km/s의 음속을 가정하고 300 mm의 직경을 갖는 스틸 피스톤의 경우, 하우징(15)의 상부 부분에서 판독되는 센서 내의 딜레이는 약 60 μs일 수 있다. 따라서, 압력파 생성기(10)의 일부 실시 형태는 충돌 시에 트랜스듀서(14)의 반경방향 팽창을 감지할 수 있는 충돌 감지 센서(31)를 사용한다. 이러한 충돌 감시 센서(31)는 피소튼의 충돌 시에 트랜스듀서 위치 및 초기 위치(충돌 전의 위치)에 대한 이의 복귀를 모니터링하기 위한 위치설정 센서로서 사용되도록 추가로 구성될 수 있다. 다수의 충돌 감지 센서(31)가 일부 실시 형태에서 사용될 수 있다. 충돌 감지 센서(31)는 예를 들어, 트랜스듀서 시트(400)(예를 들어, 도 4 참조)와 같이 트랜스듀서(14)를 수용하는 하우징(15)의 위치 상에 배열될 수 있고, 트랜스듀서(14)와 연통될 수 있다. 도 1에는 하우징(15)의 상부 부분 상에 있는 충돌 감지 센서(31)의 예시적인 배열이 도식적으로 도시된다. 충돌 감지 센서(31)는 핀 및 핀 내에서 움직임을 감지할 수 있는 가속도계 또는 임의의 다른 센서를 포함할 수 있다. 핀은 예를 들어, 스프링과 같은 편향 요소에 의해 트랜스듀서(14)에 대해 프리로딩될 수 있다. 기계식 스프링, 차동 기체 압력 또는 기체 스트럿이 편향 요소로서 사용될 수 있다. 충돌 감지 센서(31)는 대기로부터 트랜스듀서(14)를 실질적으로 밀봉하기 위한 밀봉부를 추가로 포함할 수 있다. 편향 부재가 차동 기체 압력 센서를 포함하는 실시 형태에서, 밀봉부는 선택적일 수 있다. 충돌 감지 센서(31)는 트랜스듀서(14)의 위치를 나타내기 위한 스위치를 추가로 포함할 수 있다(예를 들어, 트랜스듀서(14)가 시트(400) 내에서 이의 초기 위치로 복귀될 때). 일부 응용에서, 충돌 감지기는 센서(31)(가속도계 및/또는 위치 스위치)가 과열되는 것을 방지하기 위한 냉각 시스템을 포함할 수 있다.
충돌 감지 센서(31) 내의 핀은 금속 또는 생성된 응력을 견디는 능력과 충분히 높은 음속을 갖는 임의의 다른 재료로부터 형성될 수 있고, 가속도계에 대한 트랜스듀서(14)의 반경방향 팽창을 전달할 수 있다. 핀은 피스톤(11)의 충돌 시에 트랜스듀서(14)를 통하여 가로지르는 압력파를 감지하기 위하여 트랜스듀서(14)를 향하여 연장될 수 있거나 핀의 원위 단부가 이와 접촉할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 충돌 감지 센서(31)는 트랜스듀서의 반경방향 팽창을 감지할 수 있는 센서를 포함할 수 있다. 충돌 감지 센서(31)는 트랜스듀서 표면 상에 직접 배치될 수 있는 광학 또는 용량성 센서를 포함할 수 있다.
도 2에는 피스톤 하우징(15)에 부착된 압력 용기(20)를 포함하는 압력파 생성기(10)의 실시 형태의 단면도가 예시적으로 도시된다. 도 2에서, 피스톤(11)은 내부 보어(15a)이 제1 단부(16) 근처의 이의 개시 위치에 있는 것으로 도시된다. 압력 용기(20)는 체결 기구(202)(예를 들어, 볼트)를 통하여 이의 제1 단부(16)에서 피스톤 하우징에 체결될 수 있고, 압력 용기(20) 내의 유체는 포트(19)(또한, 도 1 및 도 3 참조)를 통하여 피스톤의 내부 보어와 유체 연통될 수 있다. 압축 기체 리저버(203)와 제어 밸브(208)는 압력 용기(20) 내로 압축된 기체를 공급할 수 있다. 트랜스듀서(14)를 향하여 피스톤(11)을 라운칭하기 위한 다양한 가능한 방법이 그 전체가 본 명세서에서 참조로 인용되는 공동 소유의 미국 특허 공보 제2010/0163130호에 기재된다.
압력파 생성기(10)의 일부 응용에서, 피스톤 동작(라운치)의 개시 타이밍이 트랜스듀서(14)와의 충돌 타이밍의 개선된 제어를 제공하도록 정밀하게 측정 또는 제어될 수 있다. 일부 이러한 예시에서, 피스톤에 추진력을 제공하는 비용 효율적이고 용이하게 제어가능한 방법은 압축된 기체를 이용함으로써 구현된다. 트랜스듀서(14)를 향하여 피스톤(11)을 가속하고 라운칭하기 위한 일 예시 방법에 있어서, 압력 용기(20)는 초기 압력으로 보내지며, 반면 피스톤은 제어 로드(13)에 제동력을 인가함으로써(예를 들어, 브레이크(26)에 의해) 정지 위치에 유지된다. 라운칭 시에, 제동력은 용이하게 방출될 수 있으며(일부 실시 형태에서 압전 브레이크 액추에이터를 사용할 때 몇몇의 마이크로-초), 압축된 기체의 힘은 트랜스듀서(14)를 향하여 피스톤(11)을 가속시킬 수 있다. 특정의 이러한 실시 형태에서, 압축 기체 드라이버에 따라 제동 파라미터가 정확히 예견되지 않을 경우 조기 라운칭(premature launch)이 야기될 수 있다. 또한, 일부 이러한 실시 형태는 피스톤을 가압하는 압력을 용이하게 낮추기 위해 라운칭 시에 피스톤 뒤의 부피를 증가시키기 때문에 피스톤 모션을 다소 지연시키는 경향이 있을 수 있다.
따라서, 압력파 생성기(10)의 특정 실시 형태는 피스톤(11)에 인가된 초기 추진력을 조절하기 위하여 피스톤(예를 들어, 도 1 및 도 2) 뒤의 비교적 작은 부피(36) 내로 고압 기체를 직접 주입하기 위해 사용될 수 있는 기압(퍼프) 밸브(30)와 같이 일련의 타이밍된 밸브를 포함하는 라운칭 시스템(200)을 이용한다. 밸브(30)는 독립적으로 조절된 기체 공급원(205)(예를 들어, 압축된 공기)과 연통될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 기체 공급원(205)은 일차 기체 공급원(예컨대, 압축된 기체 리저버(203)일 수 있다. 일 실시 형태에서, 압력 용기(20) 내의 압축 기체는 부피(36) 내로 고압 기체를 공급하기 위하여 사용될 수 있다. 독립 기체 공급원(205)은 일부 응용에서 수십 마이크로초 내에 개방 동조를 구현하기 위해 각각의 버프 밸브(30)에 대해 조절될 수 있다. 버프 밸브(30)는 피스톤 뒤에서 작은 부피(36) 내로 채널(210)을 통하여 압축 기체를 주입할 수 있다. 도 1 및 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, 부피(36)는 하우징의 제1 단부(16)와 피스톤의 후방 표면(11a) 사이에 형성된 비교적 작은 간격일 수 있다. 일 작동 방법에서, 초기 라운칭 기체 압력이 부피(36) 내로 유입될 수 있는 반면 피스톤은 제어 로드(도 2에 도시되지 않음) 상에 제동력을 인가함으로써 정지 위치에 유지된다. 라운칭 시에, 제동력은 해제될 수 있으며, 부피(36) 내의 압축 기체는 피스톤(11)을 움직이기 시작하는 개시 추진력을 제공할 수 있다. 부피(36)의 압축된 기체는 피스톤(11)에 최기 추진력을 인가하여 일련의 기체 포트(19)(예를 들어, 도 3 참조)를 지나 이동하며, 이를 통해 압력 용기(20) 내에 저장된 추가 압축된 기체가 피스톤(11)에 인가되어 트랜스듀서(14)를 향하여 이를 가속시킬 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 피스톤(11)은 압력 용기(20)를 개방하기 위해 기체 포트(19) 상의 밸브와 같이 기능을 하고 피스톤(11)이 기체 포트(19)를 지나간 후에 피스톤(11)의 후방에 추가 추진력을 적용한다.
예를 들어, 라운칭 시스템(200)은 약 2 m/s의 속도로 피스톤의 보어 아래에서 전방을 향하여 피스톤(11)을 이동시키기 시작하기 위하여 부피(36) 내에서 약 100 psi(1 psi = 제곱 인치당 1 파운드 ~ 6,895 파스칼)의 기체를 주입하는 4개의 밸브(30)를 포함할 수 있다. 피스톤(11)이 기체 포트(19)를 지나가면, 압력 용기(20)로부터 약 350 psi 초과의 고도의 압축된 기체가 피스톤(11) 뒤의 부피 내로 유입되고 피스톤을 약 30 m/s 내지 100 m/s의 속도로 가속시킨다.
일 실시 형태에서, 라운칭 시스템(200)은 초기 추진력을 피스톤(11)에 제공하기 위하여 몇몇의 밸브(300)를 포함할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 밸브(30)는 피스톤(11) 뒤에서 각각의 밸브(30)의 기체 주입 양을 제어하는 독립 밸브 타이밍 컨트롤러(209)에 연결될 수 있다. 주입된 압축된 기체는 도 3에 도시된 바와 같이 원통형 보어 아래로 전진 이동하여 기체 포트(19)를 통과하도록 피스톤(11) 상에 충분한 추진력을 제공한다.
다양한 응용에서, 상이한 유형의 밸브 또는 라운칭 기구가 상이한 압력에서 초기 추진력을 피스톤(11)에 인가하기 위해 적용될 수 있다. 다른 실시 형태는 직접-적동식 압전기, 스프링-구동식 기구, 관성-구동식 기구(예를 들어, 플라이휠 또는 유사 장치), 또는 열 액추에이터를 사용하여 라운치 제어(launch control)를 제공할 수 있다.
일부 작동 방법에서, 압력파 생성기(10)가 개시 위치에 있을 때, 피스톤(11)은 피스톤(11)이 기체 포트(19)를 덮는 도 1 및 도 2에 예시적으로 도시된 위치에 있을 수 있다. 개시 위치에 있을지라도, 피스톤(11)은 이에 따라 기체가 기체 포트(19)를 통하여 하우징(15)의 내부 보어 내로 유입되는 것을 방지한다. 제어 시스템(29)은 제어 로드(13)에 제동력을 인가하기 위하여 브레이크(26)에 신호를 전송할 수 있다. 제어 시스템(29)은 밸브 컨트롤러(209)에 신호를 전송할 수 있으며, 이에 따라 밸브(30)가 개방되도록 시그널링된다. 원하는 시간에, 제어 시스템(29)은 제동력을 감소(또는 제거)시키기 위하여 브레이크(26)를 시그널링할 수 있다. 피스톤(11)은 도 3에 도시된 바와 같이 기체 포트(19)를 이동시키도록 움직이기 시작하여 압력 용기(20) 내에 저장된 압축 기체가 기체 포트(19)를 통과할 수 있으며 피스톤(11)이 트랜스듀서(14)를 향하여 가속될 수 있다. 피스톤(11)이 트랜스듀서(14)와 충돌 시에, 이는 운동 에너지의 적어도 일부를 트랜스듀서에 전달한다. 충돌 시에, 트랜스듀서는 탄성적으로 압축되고 매질 내로 적어도 부분적으로 축방향으로 이동되며, 이에 따라 피스톤의 운동 에너지가 매질 내의 압력파로 적어도 부분적으로 변환된다. 피스톤(11)의 충돌 중에, 제어 로드(13)(및/또는 리테이너(22))의 원위 단부는 가이드(12) 내에서 전방을 향하여 이동 또는 슬라이딩되며, 이에 따라 충돌 중에 생성된 로드 상의 응력이 감소될 수 있다. 댐퍼 시스템(24)은 피스톤(11)과는 독립적으로 제어 로드(13)를 감속시킬 수 있고 로드 상의 응력을 감소 또는 최소화시킬 수 있다.
고상 구성요소(예를 들어, 피스톤(11) 및 트랜스듀서(14))로부터 매질 내로의 응력파의 전파는 매질 내에서 압력파를 제공할 수 있다. 이러한 응력파가 트랜스듀서 상에서 피스톤의 큰 충돌 속도와 연계될 때(예를 들어, 일부 경우에 약 10 m/s 초과의 속도), 이러한 파는 생성기(10)의 일부 응용에서 1 GPa를 초과할 수 있는 국부적 압력을 생성할 수 있다. 이러한 압력은 매질 내로의 트랜스듀서(14)의 움직임뿐만 아니라 압력파가 트랜스듀서를 가로지름에 따르 트랜스듀서의 반경방향 팽창에 의해 야기될 수 있다. 반경방향 팽창에 따라 트랜스듀서의 측면을 따라 배열될 수 있는 매질의 일부가 "제트"와 같이 방출될 수 있다. 이러한 "제트"는 트랜스듀서(14) 근처의 생성기(10) 내에서 밀봉부를 손상시킬 수 있다. 또한, 밀봉부는 특정 실시 형태에서 생성된 높은 압력 하에서 손상될 수 있다.
도 4에는 압력파 생성기(10)의 하우징(15)의 내부 보어의 단부(17)에 대한 일차 밀봉부로서 기능을 할 수 있도록 성형되는 트랜스듀서(14)의 실시 형태의 단면도가 도시된다. 트랜스듀서(14)는 하우징(15) 내에서 트랜스듀서의 시트 벽(400)의 일부로서 형성되는 면(402)을 대향하는 표면(401)을 포함한다. 트랜스듀서(14)의 표면(401)은 모가난 표면(하나 이상의 모가난 부분을 가짐) 또는 둥글거나 또는 만곡된 표면을 포함할 수 있다. 시트 밸브(400)의 표면(402)은 해당 테이퍼진 평평한 표면 또는 궁글거나 만곡된 표면을 포함할 수 있다. 트랜스듀서(14)의 표면(401)은 시트 벽의 표면(402)과 실질적으로 정합되도록 설계될 수 있다. 일 실시 형태에서 표면(402)는 피스톤 하우징 벽의 일부일 수 있다. 표면(402)과 표면(401)의 형상은 특성 생성기 실시 형태의 작동 중에 트랜스듀서(14)와 이의 시트(400) 사이의 공간 내에 가둬질 수 있는 매질의 적어도 일부를 외부로 압착 또는 배출시킬 수 있는 일차 밀봉부를 제공할 수 있다. 매질의 일부는 트랜스듀서가 피스톤에 의한 충돌 이후에 시트(400) 내의 이의 개시 위치로 복귀될 때 외부로 압착 또는 배출될 수 있다.
또 다른 실시 형태에서, 이차 밀봉부(403)가 추가로 이용될 수 있다. 이차 밀봉부는 매질, 고온, 고압 및 트랜스듀서(14)의 약간의 움직임에 의해 발생되는 마찰력에 대한 노출을 처리할 수 있는 재료로 제조될 수 있다. 일 응용에서, 밀봉부(403)는 추가로 윤활제와 같이 기능을 할 수 있다. 일차 및 이차 밀봉부 모두를 사용하는 실시 형태의 가능한 이점은 이차 밀봉부의 압력 노출을 제한할 수 있으며, 이에 따라 이차 밀봉부가 일차 밀봉부를 사용하지 않는 실시 형태에 비해 더 낮은 압력에 노출된다. 따라서, 더 넓은 범위의 밀봉 재료는 밀봉 재료가 이러한 실시 형태에서 더 낮은 압력에 노출되기 때문에 이차 밀봉부에 대해 사용될 수 있다. 예를 들어, 이차 밀봉부(403)는 예컨대, 미국 오하이오 차든 소재의 이지씨 엔터프라이지스 인코포레이티드(EGC Enterprises Inc)로부터 입수가능한 GRAFOIL® 밀봉부 또는 GRAFOIL® 다이-형성 링과 같은 그래파이트 밀봉부를 포함할 수 있다.
또한, 특정의 이러한 실시 형태에서, 트랜스듀서(14)는 이차 주변방향 밀봉부(403)와 시트(400)의 표면 상의 트랜스듀서의 외부 표면(401)에 의해 형성된 일차 금속-대-금속 밀봉부를 제공할 수 있다. 특정의 이러한 실시 형태는 2개의 실질적으로 강성으 구성요소(예를 들어, 금속 트랜스듀서 및 이의 금속 시트)들 사이에 일차 밀봉부를 형성하는 몇몇의 기능부를 제공할 수 있으며 이에 따라 수득된 밀봉 기하학적 형상은 증가된 압력 하에서 원하는 밀봉을 제공한다. 또한, 트랜스듀서 상의 매질의 압력은 밀봉부를 에너자이징할 수 있어서 증가된 압력에 따른 밀봉의 안정성이 증가될 수 있다.
도 4에 도시된 트랜스듀서(14)의 실시 형태는 또한 전방을 향하여 이동함에 따라(예를 들어, 피스톤(11)의 충돌 시에) 트랜스듀서(14)의 측면 상에 팽창되는 부피를 제공할 수 있으며, 이에 따라 트랜스듀서의 측면들을 따라 매질이 서서히 침투될 수 있다. 일 응용에서, 배출 시스템(draining system)(도시되지 않음)은 이차 밀봉부(403) 및/또는 일차 밀봉부(예를 들어, 표면(401, 402)에 의해 형성된 금속-대-금속 밀봉부)를 통하여 침투되는 임의의 매질을 제거하기 위하여 제공될 수 있다. 배출 시스템은 배출 시스템 내의 임의의 매질, 이에 따라 일차 및/또는 이차 밀봉부의 누츨을 나타내기 위한 센서를 추가로 포함할 수 있다. 도 4에 예시적으로 도시된 형상은 또한 매질의 제트 형성을 방지할 수 있는, 이차 밀봉부(403)에 대한 매질의 경로 내에서 하나 이상의 턴(turn) 또는 앵글을 제공할 수 있다.
트랜스듀서(14)는 피스톤(11)과 충돌 시에 매질 내로 트랜스듀서의 이탈을 방지하는 홀딩 기구(18)를 통해 트랜스듀서 시트(400) 내에 고정될 수 있다. 홀딩 기구(18)는 도 4에 도시된 바와 같이 트랜스듀서 몸체에 연결된 리테이닝 링을 포함할 수 있다. 리테이닝 링의 외부 변부는 시트(400) 내에 형성된 원통형 요홈 내에 배열될 수 있다. 트랜스듀서(14)가 시트(400) 내에 삽입될 때, 리테이닝 링의 외부 변부는 요홈(18a) 내에 유입되어 피스톤에 의한 충돌 이후에 시트(400)로부터 트랜스듀서의 이탈을 방지 또는 저지하는 요홈(18a) 내에 삽입된다. 일부 응용에서, 리테이닝 링은 트랜스듀서의 외부 직경 내에 형성된 언더컷 내에 배열된다. 일 실시 형태에서, 적어도 2개의 세그먼트를 갖는 분할 리테이닝 링(split retaining ring)이 홀딩 기구(18) 내의 구성요소로서 사용될 수 있다. 추가로, 하나 이상의 밀봉부 및/또는 베어링이 시트(400) 내에 트랜스듀서(14)를 고정하기 위하여 홀딩 기구(18)에 제공될 수 있다.
트랜스듀서(14)와 매질이 전형적으로 상이한 재료(또는 상이한 상의 재료, 예를 들어, 고상 및 액상)를 포함하기 때문에, 매질을 대향하는 트랜스듀서의 표면(14b)에서 음향 임피던스 부조화(acoustic impedance mismatch)가 발생될 수 있다. 임피던스 부조화에 따라 피스톤 충돌 표면(11c)을 향하여 음향 에너지의 반사가 야기될 수 있어서 트랜스듀서(14)는 매질로부터 적어도 부분적으로 되튀길 수 있다. 트랜스듀서(14)의 실시 형태는 매질에 대한 개선된 음향 임피던스 조화를 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도식적으로 도시된 트랜스듀서(14)의 실시 형태는 매질와 상호작용하는 더 넓은 영역을 제공하는 테이퍼진 단부(405)를 포함하며, 이에 따라 압력파 전달의 효율이 개선될 수 있고 반사된 음향 에너지가 감소될 수 있다. 도 4에 도시된 실시 형태는 또한 다양한 강성의 표면(401, 402, 400, 18)을 제공하며, 이에 대해 트랜스듀서(14)는 압력파 생성기(10)의 작동 중에 정확한 타이밍 제어를 위해 위치될 수 있다.
본 명세서에 개시된 압력파 생성기(10)와 함께 사용될 수 있는 트랜스듀서의 추가 실시 형태는 그 전체가 본 명세서에 참조로 인용되는 공동 소유의 미국 특허 공보 제2010/0163130호에 기재된다. 표면(401 또는 402)의 다양한 곡률이 사용될 수 있다. 또한, 다양한 재료가 트랜스듀서 및/또는 트랜스듀서의 시트를 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 충돌을 견디기에 충분한 강도를 갖는 임의의 단조 스틸이 피스톤(11)과 트랜스듀서(14)를 제조하는데 사용될 수 있다.
압력파 생성기 사용의 실시예
압력파 생성기의 실시 형태가 임의의 적합한 매질(예를 들어, 고체, 액체, 기체 및/또는 플라스마) 내로 압력파를 전달하기 위하여 사용될 수 있다. 일부 응용에서, 압력파 생성기는 예를 들어, 금속(예를 들어, 금속 가공물)과 같은 재료를 스탬핑, 엠보싱, 벤딩, 플랜징(flanging), 코이닝(coining), 블랭킹(blanking), 펀칭, 또는 가공하기 위한 프레스로서 사용될 수 있다. 일부 응용에서, 매질은 액체, 기체 또는 액체와 기체의 혼합물을 포함한다. 일부 이러한 응용에서, 매질은 예컨대, 액체 납 또는 액체 납과 리튬의 혼합물과 같은 액체 금속을 포함한다. 압력 생성기는 매질의 압력, 온도, 에너지 및/또는 밀도를 상승시킬 수 있는, 매질 내에 압력파를 생성하기 위하여 사용될 수 있으며, 매질 내의 화학적 반응의 속도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 압력파 생성기의 실시 형태는 기체-동력식 엔진(예를 들어, 증기 기관) 내에서 피스톤을 제어하기 위하여 사용될 수 있다.
본 명세서에 개시된 압력파 생성기의 실시 형태는 음향 에너지의 집중으로부터 야기될 수 있는 다른 에너지 형태의 생성을 위해 사용될 수 있다. 이러한 에너지 형태는 국부화된 핫 스팟(localized hot spot), 자외선 (UV) 방사선, x-레이, 의료 동위원소(medical isotope), 중성자, 융합 및 이러한 음향 에너지 변환 및 집중의 부산물의 생성을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 압력파 생성기의 일부 실시 형태는 핵 반응 속도가 중성자 생성 또는 융합 반응을 제공하기에 충분히 증가되도록 매질(예컨대, 액체 납 또는 액체 납-리튬)을 함유하는 핵 반응 챔버 내에서 압력을 증가시키기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 특정 요소, 실시예, 및 적용이 도시되고 설명되었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 이는 전술한 설명에 비추어, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 당 업자에 의해 변형이 가능하기 때문이다. 따라서, 예를 들어, 여기서 개시되는 방법 또는 공정에서, 방법/공정을 구성하는 단계 또는 작용은 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있고, 개시되는 특정 순서로 제한되지 않는다. 요소 및 구성요소들은 다양한 실시예에서, 서로 다르게 구성되거나 배열될 수 있고, 조합되거나, 및/또는 제거될 수 있다. 전술된 다양한 특징과 공정이 서로 독립적으로 사용될 수 있거나 또는 다양한 방식으로 조합될 수 있다. 모든 가능한 조합 및 서브조합들은 본 발명의 범위 내에 머루른다. "일부 실시 형태", "일 실시 형태와 같은 표현들은 해당 실시예와 연계하여 설명되는 특정 특징, 구조, 단계, 프로세스, 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, "일부 실시 형태에서", "일 실시 형태에서"'라는 표현은 이러한 개시 내용이 반드시 동일 실시예를 의미하는 것이 아니라, 동일한 실시예 또는 서로 다른 실시예 중 하나 이상을 의미하는 것이다. 게다가, 여기서 설명되는 신규한 방법 및 시스템은 다양한 다른 형태로 실시될 수 있고, 더욱이, 여기서 설명되는 실시예의 형태에서 다양한 생략, 추가, 대체, 등가물, 재배열, 및 변화가 여기서 설명되는 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다.
실시예의 다양한 형태 및 장점이 설명되었다. 이러한 모든 형태 또는 장점이 반드시 어떤 특정 실시예에 따라 달성되는 것은 아니다. 따라서, 예를 들어, 여기서 설명되거나 암시되는 다른 형태 또는 장점을 반드시 달성할 필요없이 여기서 설명되는 한가지 장점 또는 여러가지 장점을 달성하거나 최적화시키는 방식으로 다양한 실시예가 실행될 수 있다.
"할 수 있다", "가능하다", "예를 들어", "가령", "등"과 같은 여기서 사용되는 조건 표현 언어들은 소정의 실시예가 포함하는, 그러나 다른 실시예는 포함하지 않는 소정의 특징, 요소, 및/또는 단계들을 제시한다. 따라서, 이러한 조건 표현 언어는 특징, 요소 및/또는 단계가 임의의 특정 실시 형태에 포함되거나 또는 이 실시 형태에서 수행될지라도, 일반적으로 작동자 입력 또는 유발이 있거나 또는 없이 결정을 위한 논리를 필수적으로 포함하는 하나 이상의 실시 형태 또는 하나 이상의 실시 형태에 대해 필요한 임의의 방식으로 특징, 요소 및/또는 단계를 내포하는 것으로 의도되지 않는다. 단일의 특징부 또는 그룹을 이루는 특징부가 임의의 특정 실시 형태에 대해 필요하거나 또는 필수적이지는 않다. 용어 "포함하다", "구성된다", "갖는다", 등은 유의어이고 확장 방식으로 포괄적으로 사용되며, 추가 요소, 특징, 동작, 작동, 등을 배제하지 않는다. 또한, 용어 "또는"는 포괄적으로 사용되며(독점적이지 않음), 예를 들어, 일련의 요소를 연결하기 위해 사용될 때 용어 "또는"는 요소들 중 하나, 일부, 또는 모두를 의미한다.
달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 구 "X, Y 및 Z들 중 적어도 하나"와 같은 연결 용어는 물품, 기간, 등을 전달하기 위해 일반적으로 사용되는 문맥이 X, Y, 또는 Z인 것으로 이해된다. 따라서, 이러한 연결 용어는 특정 실시 형태가 각각 존재하는 적어도 하나의 X, 적어도 하나의 Y 및 적어도 하나의 Z를 필요로 하는 것을 의미하지 않는다. 여기서 설명되는 실시예의 예시적인 연산, 시뮬레이션, 결과, 그래프, 값, 및 파라미터는 예시적인 것으로서, 개시되는 실시예를 제한하고자 하는 것이 아니다. 여기서 설명되는 예시적 예와는 다르게 다른 실시예도 구성되거나 작동할 수 있다. 게다가, 본 명세서에 기재된 신규한 방법 및 장치는 다양한 다른 형태로 구성될 수 있으며, 본 명세서에 기재된 방법 및 시스템의 형태에 있어서 다양한 생략, 대체 및 변경이 본 명세서에 개시된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 구성될 수 있다.

Claims (18)

  1. 매질 내에서 압력파를 생성하기 위한 압력파 생성기로서, 압력파 생성기는
    -제1 표면과 제2 표면 및 제1 표면과 제2 표면 사이의 종방향 축을 갖는 이동식 피스톤 - 피스톤은 적어도 부분적으로 제2 표면을 향하여 제1 표면으로부터 피스톤의 종방향 축을 따라 연장되는 가이드를 포함함 - ,
    -내부 보어, 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 하우징 - 피스톤은 하우징의 내부 보어 내에 적어도 부분적으로 배열되고 피스톤은 피스톤의 종방향 축에 대해 평행한 방향을 따라 제1 단부로부터 제2 단부를 향하여 하우징의 내부 보어 내에서 이동가능함 - ,
    -제1 단부로부터 제2 단부로 종방향으로 연장되는 제어 로드 - 제어 로드의 제2 단부는 가이드 내에 삽입되도록 구성되고 내부 보어 내에서 피스톤이 이동하는 동안에 가이드로부터 이동되지 않고 가이드 내에서 이동될 수 있음 - ,
    -하우징의 제2 단부 내에 슬라이딩가능하게 수용되는 트랜스듀서 - 트랜스듀서는 매질에 결합되고 트랜스듀서와 피스톤의 충돌 시에 매질 내에서 압력파 내로 피스톤의 운동 에너지의 일부를 변환시킴 - , 및
    -트랜스듀서를 향하여 이동식 피스톤을 가속하도록 구성된 추진력 생성기를 포함하고,
    트랜스듀서와 피스톤의 충돌 시에, 제어 로드의 제2 단부는 피스톤의 제2 표면을 향하여 가이드 내에서 이동되는 압력파 생성기.
  2. 제1항에 있어서, 가이드는 피스톤의 제2 표면으로부터 이격된 내부 단부로 피스톤의 제1 표면으로부터 종방향으로 연장되는 압력파 생성기.
  3. 제1항에 있어서, 가이드는 가이드의 제1 캐비티로부터 연장되는 제2 캐비티로 피스톤의 제1 표면에서의 입구로부터 연장되는 제1 캐비티를 포함하고, 제1 캐비티의 단면적은 제2 캐비티의 단면적보다 좁은 압력파 생성기.
  4. 제3항에 있어서, 가이드는 제2 캐비티와 제1 캐비티 사이에 잘록한 부분을 포함하고 잘록한 부분의 단면적은 제2 캐비티의 단면적보다 좁고 제1 캐비티의 단면적보다 넓은 압력파 생성기.
  5. 제1항에 있어서, 제어 로드의 제2 단부에 탈착가능하게 부착될 수 있는 리테이너를 추가로 포함하고, 리테이너는 리테이너가 가이드 내로 삽입될 수 있도록 하는 제1 배향을 가지며, 리테이너는 가이드 내에 배열된 때에 제2 배향으로 이동될 수 있고, 제2 배향에서 리테이너는 가이드로부터 이동되는 것이 방지되는 압력파 생성기.
  6. 제5항에 있어서, 가이드는 피스톤의 제1 표면에 입구를 가지며, 입구는 단면 입구 영역을 가지며, 리테이너는 제1 배향일 때 제1 단면적 제2 배향일 때 제2 단면적을 가지며, 리테이너의 제1 단면적은 입구 면적보다 좁고 리테이너의 제2 단면적은 입구 면적보다 넓은 압력파 생성기.
  7. 제5항에 있어서, 리테이너에 제어 로드의 제2 단부의 위치를 고정하도록 구성된 잠금부를 추가로 포함하는 압력파 생성기.
  8. 제1항에 있어서, 피스톤과 독립적으로 제어 로드를 감속시키는 댐퍼 시스템을 추가로 포함하는 압력파 생성기.
  9. 제8항에 있어서, 댐퍼 시스템은 개구를 갖는 챔버를 포함하고, 챔버는 유체를 포함하며, 제어 로드의 제1 단부는 트랜스듀서를 향하여 피스톤이 이동하는 중에 개구를 통하여 챔버에 유입되고, 챔버 내의 유체는 피스톤이 트랜스듀서를 향하여 이동함에 따라 댐퍼 요소 상에 저항력을 제공하고, 하나 이상의 개구는 댐퍼 요소가 챔버 내에서 이동함에 따라 챔버로부터 외부로 유체를 흐르게 하는 압력파 생성기.
  10. 제1항에 있어서, 추진력 생성기는 트랜스듀서를 향하여 피스톤을 이동시키기 위한 초기 추진력을 인가하도록 구성된 제1 추진력 생성기를 포함하는 압력파 생성기.
  11. 제10항에 있어서, 추진력 생성기는 제2 추진력 생성기를 포함하고, 상기 제2 추진력 생성기는 유체 압력을 이동식 피스톤에 인가하기 위하여 유체를 저장하고 하우징에 연결된 압력 용기를 포함하며, 하우징은 하우징의 제1 단부 근처에 배열된 하나 이상의 유체 포트를 포함하며, 피스톤은 피스톤이 하우징의 제1 단부에 배열될 때 유체 포트를 차단하고 피스톤이 제1 추진력 생성기의 추진력으로 인해 하우징의 제1 단부로부터 트랜스듀서를 향하여 이동함에 따라 제2 추진력 생성기와 연통되는 유체를 제공하기 위해 유체 포트를 개방하는 압력파 생성기.
  12. 제1항에 있어서, 트랜스듀서는 하우징의 내부 보어 내로 매질의 흐름을 차단하는 밀봉부를 형성하기 위하여 하우징의 일부와 접촉하도록 구성된 테이퍼진 부분을 포함하는 압력파 생성기.
  13. 제1항에 있어서, 트랜스듀서의 위치와 트랜스듀서와 피스톤의 충돌을 감지하고 하우징의 제2 단부에 위치된 충돌 감시 시스템을 추가로 포함하고, 충돌 감시 시스템은 트랜스듀서의 위치와 핀 내의 움직임을 감지하기 위한 센서 및 트랜스듀서의 표면에 대해 편향된 원위 단부를 갖는 핀을 포함하는 압력파 생성기.
  14. 피스톤 시스템으로서,
    -제1 표면과 제2 표면 및 제1 표면으로부터 제2 표면으로 연장되는 피스톤 축을 갖는 피스톤 - 피스톤은 적어도 부분적으로 제2 표면을 향하여 제1 표면으로부터 피스톤 축을 따라 연장되는 가이드를 포함함 - ,
    -제1 단부와 제2 단부를 갖는 로드 - 로드의 제2 단부는 가이드 내에 배열되고 가이드 내에서 이동되며, 로드의 제1 단부는 가이드의 외부에 배열됨 - , 및
    -가이드로부터 로드의 제2 단부의 이동을 방지하고 가이드 내에서 로드의 제2 단부를 보유하는 리테이너를 포함하는 피스톤 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 가이드는 가이드의 제1 캐비티로부터 내부 단부로 연장되는 제2 캐비티로 피스톤의 제1 표면에서의 입구로부터 연장되는 제1 캐비티를 포함하고, 내부 단부는 피스톤의 제2 표면으로부터 이격되며 제1 캐비티의 단면적은 제2 캐비티의 단면적보다 좁은 피스톤 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 리테이너는 로드의 제2 단부에 탈착가능하게 부착될 수 있고, 리테이너는 리테이너가 가이드 내로 삽입될 수 있는 제1 배향을 가지며, 리테이너는 가이드 내에 배열된 때 제2 배향으로 이동될 수 있으며, 제2 배향에서 로드에 부착 시에 리테이너는 가이드로부터 로드의 제2 단부의 이동을 방지하는 피스톤 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 가이드는 피스톤의 제1 표면에 입구를 가지며, 입구는 단면 입구 영역을 가지며, 리테이너는 제1 배향일 때 제1 단면적 제2 배향일 때 제2 단면적을 가지며, 리테이너의 제1 단면적은 입구 면적보다 좁고 리테이너의 제2 단면적은 입구 면적보다 넓은 피스톤 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 제2 배향의 리테이너와 로드를 잠그도록 구성된 잠금부를 추가로 포함하는 피스톤 시스템.
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