PL201302B1 - Mechanizm do wytwarzania co najmniej jednego strumienia płomieniowego o wysokiej energii - Google Patents

Abstract

1. Mechanizm do wytwarzania co najmniej jednego strumienia p lomieniowego o wysokiej energii, zawieraj acy pojemno sc uformowan a z co najmniej jednej pionowej struktury oraz przez pierwsz a i drug a przeciwleg le do siebie struktury poziome, przy czym wi ekszo sc po- szczególnych obszarów powierzchniowych tych dwóch przeciwleg lych poziomych struktur jest zamkni eta w tej pojemno sci, obrotowy wentyla- tor w tej pojemno sci, przy czym ten wentylator obraca si e w p laszczy znie zasadniczo równole- g lej do p laszczyzny struktur poziomych, uk lad do zap lonu palnego gazu zawartego wewn atrz wymienionej pojemno sci przy czym ukszta lto- wanie tego mechanizmu powoduje wypychanie strumienia p lomieniowego na zewn atrz wymie- nionej pojemno sci, znamienny tym, ze stosu- nek L/D pionowej struktury (14) o d lugo sci L do struktury poziomej (16, 18) o srednicy D, tej po- jemno sci jest mniejszy ni z 2. PL PL PL PL

Description

^{(21) Numer zgłoszenia: 360637} _{(51) Int.Cl.}

F23D 14/34 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 11.06.2003

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej

Mechanizm do wytwarzania co najmniej jednego strumienia płomieniowego o wysokiej energii

	(73) Uprawniony z patentu: Illinois Tool Works, Inc.,Cook County,US
(30) Pierwszeństwo: 13.06.2002,US,10/170,736	(72) Twórca(y) wynalazku:
James E. Doherty,Barrington,US
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	Joseph E. Fabin,Elmwood Park,US Larry M. Moeller,Mundelein,US James W. Robinson,Mundelein,US
15.12.2003 BUP 25/03	Christian Paul Andre Ricordi,
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	Bourg-Les-Valence,FR Richard Urban,Prospect Heights,US Donald L. Van Erden,Wildwood,US Bruno Toulouse,Tain L'Hermitage,FR
31.03.2009 WUP 03/09	(74) Pełnomocnik: Szalkiewicz Tadeusz, PATPOL Sp.z o.o.

⁽⁵⁷⁾ 1. Mechanizm do wytwarzania co najmniej jednego strumienia płomieniowego o wysokiej energii, zawierający pojemność uformowaną z co najmniej jednej pionowej struktury oraz przez pierwszą i drugą przeciwległe do siebie struktury poziome, przy czym większość poszczególnych obszarów powierzchniowych tych dwóch przeciwległych poziomych struktur jest zamknięta w tej pojemności, obrotowy wentylator w tej pojemności, przy czym ten wentylator obraca się w płaszczyźnie zasadniczo równoległej do płaszczyzny struktur poziomych, układ do zapłonu palnego gazu zawartego wewnątrz wymienionej pojemności przy czym ukształtowanie tego mechanizmu powoduje wypychanie strumienia płomieniowego na zewnątrz wymienionej pojemności, znamienny tym, że stosunek L/D pionowej struktury (14) o długości L do struktury poziomej (16, 18) o średnicy D, tej pojemności jest mniejszy niż 2.

PL 201 302 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest mechanizm do wytwarzania co najmniej jednego strumienia płomieniowego o wysokiej energii.

Niniejszy wynalazek odnosi się do mechanizmu spalania generującego strumień płomieniowy, a zwłaszcza do dwupojemnościowego urządzenia spalania, w którym strumień płomieniowy jest generowany i przenoszony z jednej pojemności spalania do drugiej, w szczególności w związku z narzędziami o napędzie spalinowym, służącymi do wbijania elementów złącznych.

Urządzenia napędzane spalanym gazem są w technice znane. Zastosowanie tej technologii w praktyce wystę puje w narzę dziach o napę dzie spalinowym, przeznaczonych do wbijania elementów złącznych. Jeden rodzaj takich narzędzi, znanych także jako narzędzia typu IMPULSE' ', służących do wbijania elementów złącznych w przedmioty obrabiane, jest opisywany w następujących amerykańskich dokumentach patentowych patentów udzielanych zwykle dla Nikolich: U.S. Pat. Re. numer 32,452, oraz U.S. Pat. o numerach: 4,522,162; 4,483,473; 4,483,474; 4,403,722; 5,197,646 i 5,263,439, z których wszystkie są tutaj włączone na zasadzie odniesienia. Narzędzia o podobnym napędzie spalinowym, służące do wbijania gwoździ i klamer, dostępne są w handlu z ITW-Paslode of Vernon Hills, Illinois, i występują pod znakiem firmowym IMPULSE''.

Takie narzędzia zawierają obudowę narzędzia, ukształtowaną ogólnie w formę pistoletu, osłaniającą niewielki silnik wewnętrznego spalania. Silnik jest napędzany przez sprężone paliwo gazowe pochodzące z kanistra, zwanego także ogniwem paliwowym. Jednostka elektronicznego rozrządu zasilania, napędzana baterią, wytwarza iskrę zapłonową, a wentylator znajdujący się w komorze spalania dostarcza zarówno warunków do efektywnego spalania wewnątrz komory jak i ułatwia też przeprowadzanie pomocniczych procesów, przy operacji spalania zachodzącej w urządzeniu. Takie pomocnicze procesy obejmują następujące czynności: wprowadzenie paliwa do komory spalania; wymieszanie paliwa z powietrzem wewnątrz komory; oraz usuwanie, lub przepłukiwanie, produktów ubocznych spalania. Silnik zawiera tłok przemieszczający się ruchem posuwisto-zwrotnym, z wydłużoną, sztywną łopatką członu napędowego, umieszczony wewnątrz korpusu pojedynczego cylindra.

Tuleja zaworowa ma zdolność osiowego przemieszczania się, ruchem posuwisto-zwrotnym, wokół cylindra i, poprzez układ przenoszący ruch, porusza się zamykając komorę spalania kiedy roboczy element kontaktowy, znajdujący się przy końcu układu przenoszącego ruch, jest dociskany do przedmiotu obrabianego. To działanie dociskowe powoduje także uruchomienie zaworu dozowania paliwa, wprowadzając wymaganą ilość paliwa do zamkniętej komory spalania.

Przy odciąganiu przełącznika spustowego, co powoduje iskrę zapalającą ładunek gazu w komorze spalania silnika, tłok i łopatka członu napędowego są wyrzucane w dół, a uderzając w ustalony we właściwym położeniu element złączny, wbijają go w przedmiot obrabiany. Tłok następnie powraca do swej zwykłej, lub gotowej do działania, pozycji, co jest powodowane zróżnicowanym ciśnieniem gazu wewnątrz cylindra. Elementy złączne są podawane z magazynka do części dziobowej i tam są one utrzymywane we właściwym położeniu, i odpowiednio ukierunkowane, tak by mogły przyjmować na siebie uderzenia łopatki członu napędowego.

Przy zapłonie palnej mieszanki paliwo/powietrze, proces spalania zachodzący w komorze wyzwala ruch przyspieszony układu tłok/łopatka członu napędowego i, jeśli element złączny występuje, powoduje wnikanie tego elementu złącznego w przedmiot obrabiany. Ciśnienie spalania powstające w komorze odgrywa ważną rolę, ponieważ wpływa na wielkość siły, z którą tłok może wbijać element złączny. Inną ważną rolę odgrywa wielkość czasu wymaganego do napędu tłoka i czasu do spełnienia czynności pomocniczych pomiędzy cyklami procesu spalania zachodzącego w silniku. Zwykły operator, narzędzia o napędzie spalinowym, będzie miał ogólnie poczucie opóźniania się, jeśli czas wymagany do wbicia elementu złącznego, po odciągnięciu spustu, jest większy niż w przybliżeniu od 35 do 50 milisekund. Są też i inne rodzaje konwencjonalnych narzędzi z napędem spalinowym, w których nie występuje wentylator w komorze spalania.

Układy z pojedynczą komorą spalania są efektywne przy osiąganiu szybkości następowania po sobie cyklów spalania. Jednakże, ten typ układu na ogół nie daje szczytowych wartości ciśnień spalania przy napędzie tłoka, które są tak wysokie jak obserwuje się to w innych narzędziach o napędzie spalinowym.

Jednym z takich konwencjonalnych narzędzi o napędzie spalinowym, które daje przyzwoite wartości szczytowe ciśnień spalania, jest układ dwukomorowy, gdzie przynajmniej jedna komora ma kształt rurowy i jest połączona z drugą komorą. Komora pierwsza o kształcie rurowym ma długość rury L

PL 201 302 B1 i ś rednicę D, i wiadomo jest, ż e stosunek L/D powinien być wysoki, to jest, powinien zawierać się pomiędzy dwa i dwadzieścia, a korzystnie jest gdy wynosi dziesięć. Przy końcu zamkniętym, pierwszej komory, jest umiejscowiona świeca zapłonowa, a drugi koniec tej rurowej komory ma, poprzez okno, połączenie komunikacyjne z drugą komorą. Okno, łączące dwie komory, typowo zawiera w sobie zawór języczkowy, który normalnie pozostaje zamknięty, zabezpieczając przed zwrotnym przepływem ciśnienia, z komory drugiej, do pierwszej komory rurowej.

Pierwsza komora rurowa, posiadająca pojemność V1, działa jako kompresor. Mieszanka paliwo/powietrze, w pojemności V1, jest zapalana przez świecę zapłonową przy zamkniętym końcu komory rurowej, a czoło płomienia postępuje naprzód ku końcowi rury z oknem. Podczas przemieszczania się do przodu czoła płomienia, niezapalona mieszanka paliwo/powietrze znajdująca się z przodu czoła płomienia, jest wpychana do drugiej komory, lub do pojemności V2, i przez to następuje sprężenie mieszanki paliwo/powietrze w pojemności V2. Jak płomień przenika, z pojemności V1 przez okno i przez zawór języczkowy, i wnika do pojemności V2, mieszanka powietrze/paliwo zapala się w pojemności V2. Tym samym, płonący gaz w pojemności V2, szybko podnosi ciśnienie w pojemności V2 i zamyka zawór języczkowy, zapobiegając stracie ciśnienia przy powrocie do pojemności V1. Wię kszy stopień sprężenia w pojemności V2 będzie dawał większe końcowe ciśnienie spalania występujące w układzie, co jest pożądane. Dłuż sze komory rurowe są zatem generalnie preferowane jako komory z pojemnoś cią V1, ponieważ jest wiadomo, ż e dł u ż sze ich rury wytwarzają wię ksze wstę pne sprężanie występujące w pojemności V2.

Długie rury o pojemności V1 dają w rezultacie jednak dłuższe czasy występujące pomiędzy iskrą, przy zamkniętym końcu pojemności V1, i zapłonem mieszanki powietrze/paliwo w pojemności V2, co nie jest pożądane. W układzie narzędzia napędzanego tłokiem, dłuższy czas zapłonu pojemności V2 tworzy też potrzebę dla występowania mechanizmu opóźniania tłoka, tak żeby ruch tłoka rozpoczynał się bezpośrednio przedtem zanim ciśnienie w pojemności V2 wzrośnie do maksymalnej możliwej do uzyskania wartości. Typowy układ dwukomorowy może potrzebować 35 milisekund do osiągnięcia szczytowej wartości ciśnienia w pojemności V2 napędzającego tłok (nie włączając w to czasu wypełnienie czynności pomocniczych), co jest bliskie wielkości czasu, przy której operator narzędzia będzie na ogół odczuwał opóźnianie się działania narzędzia.

Czas wymagany do spełnienia czynności pomocniczych, występujących w tych narzędziach z dwukomorowym układem, będzie dodawał się do zauważalnego opóźniania działania narzędzia, doświadczanego przez operatora. Wiadomo jest, że czas czynności pomocniczych powinien być większy w układach dwukomorowych niż w układach z komorą pojedynczą. Czas ten, potrzebny do spełniania czynności pomocniczych, staje się nawet wtedy większy jak wzrasta długość pierwszej komory rurowej V1.

Trzeci znany układ spalania gazu wykorzystuje płytę przyspieszacza, umieszczoną w pojedynczej rurowej pojemności, dla skutecznego podzielenia pojedynczej pojemności na dwie. Sama płyta przyspieszacza zawiera w sobie wielokrotnie powtórzone otwory, służące jako połączenie komunikacyjne pomiędzy dwiema pojemnościami, a rozdział paliwa jest dokonywany do obu pojemności oddzielnie, przez zwykły przewód zasilania paliwem z dwoma otworami. Operator urządzenia, stosującego ten układ, powoduje wymieszanie paliwa przez działanie pobudzające na długości 76,2 mm. Ten typ urządzenia został przedstawiony jako pozwalający na powtarzalną cykliczność spalania. Jednakże wadą układów z płytą przyspieszacza jest to, że one mają tendencję do stawania się masywnymi i niewygodnymi w stosowaniu. A także to, że pojemność po jednej stronie płyty przyspieszacza nie może być powiększana bez koniecznego zmniejszenia pojemności po drugiej stronie.

Mechanizm do wytwarzania co najmniej jednego strumienia płomieniowego o wysokiej energii, zawierający pojemność uformowaną z co najmniej jednej pionowej struktury oraz przez pierwszą i drugą przeciwległe do siebie struktury poziome, przy czym większość poszczególnych wymienionych przeciwległych poziomych struktur jest zamknięta w tej pojemności, obrotowy wentylator w tej pojemności, przy czym ten wentylator obraca się w płaszczyźnie zasadniczo równoległej do płaszczyzny struktur poziomych, układ do zapłonu palnego gazu zawartego wewnątrz wymienionej pojemności przy czym ukształtowanie tego mechanizmu powoduje napędzanie strumienia płomieniowego na zewnątrz wymienionej pojemności, według wynalazku charakteryzuje się tym, że stosunek L/D pionowej struktury o długości L, do struktury poziomej o średnicy D, tej pojemności jest mniejszy niż 2.

Pierwsza struktura pozioma zawiera co najmniej jedno okno strumienia płomieniowego, przez które jest wypychany strumień płomieniowy.

PL 201 302 B1

Okno strumienia płomieniowego jest umieszczone poniżej układu zapłonowego, w kierunku wiru wytwarzanego przez ruch obrotowy wentylatora.

Ponadto zawiera osłonę przykrywającą otwór okna strumienia płomieniowego, w tej pojemności przy czym osłona posiada pierwsze i drugie położenie otwarcia, oraz ma kanał łączący pierwsze i drugie położenie otwarcia, przy czym pierwsze położenie otwarcia przykrywa otwór okna strumienia płomieniowego, a drugie położenie otwarcia usytuowane jest wewnątrz pojemności, w miejscu oddalonym od okna strumienia płomieniowego.

Co najmniej jedna pionowa struktura zawiera w sobie przynajmniej jedno okno recyrkulacyjne.

Okno strumienia płomieniowego zawiera dyszę przepływu naddźwiękowego.

Okno strumienia płomieniowego jest umiejscowione w odległości kątowej 270 stopni, od układu zapłonowego, w płaszczyźnie pionowej, w której układ zapłonowy jest umieszczony przy kącie zero stopni.

Drugie położenie otwarcia osłony jest umiejscowione w odległości kątowej 270 stopni, od układu zapłonowego, w płaszczyźnie pionowej, w której ten układ zapłonowy jest umieszczony przy kącie zero stopni.

Co najmniej jedno okno recyrkulacyjne, jest tak umiejscowione w pionowej strukturze że płaszczyzna ruchu obrotowego wentylatora jest usytuowana pomiędzy oknem recyrkulacyjnym i pierwszą strukturą poziomą, przy czym układ zapłonowy jest umieszczony na drugiej strukturze poziomej.

Mechanizm ponadto zawiera żaluzje, przy czym żaluzje te rozmieszczone są na oknie strumienia płomieniowego i na oknie recyrkulacyjnym i pozostają normalnie otwarte a zamykają się wówczas jak ciśnienie na zewnątrz pojemności jest większe niż ciśnienie progowe.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie przekrój pionowy zalecanej postaci niniejszego mechanizmu, fig. 1A schematyczny przekrój pionowy innej postaci niniejszego mechanizmu, fig. 2 - widok poziomy z góry, postaci konstrukcyjnej zgodnej z niniejszym wynalazkiem, fig. 3 - schematyczny przekrój pionowego układu dwukomorowego wykorzystującego mechanizm według niniejszego wynalazku, fig. 4 - przekrój innej postaci według niniejszego wynalazku, fig. 5 - przekrój dalszej postaci według niniejszego wynalazku, fig. 6 - częściowy przekrój komory spalania według niniejszego wynalazku, ilustrujący właściwości centralnie umiejscowionego okna dla strumienia płomieniowego, figury od 7A do 7D - schematyczne częściowe przekroje postaci dyszy przepływu naddźwiękowego, według niniejszego wynalazku, fig. 8 - częściowy przekrój układu dwukomorowego, przedstawionego na fig. 2, ilustrującego właściwości recyrkulacyjne, według niniejszego wynalazku, fig. 9 - schematyczny przekrój pionowego narzędzia, wykorzystującego dwukomorowe urządzenie, według niniejszego wynalazku, fig. 10 - schematyczny przekrój pionowy innej postaci narzędzia, przedstawionego na fig. 9, fig. 11 - schematyczny przekrój pionowego narzędzia, przedstawionego na fig. 10, ilustrujący właściwości czyszczenia, według niniejszego wynalazku, fig. 12 - schematyczny przekrój pionowy innej postaci narzędzia, przedstawionego na fig. 11.

Na figurach 1 - 2, mechanizm generujący płomień o wysokiej energii jest oznaczony odnośnikiem 10 i zawiera w sobie korpus komory spalania 12 z pojemnością, która jest ograniczona strukturą pionową 14 oraz dwiema poziomymi strukturami 16 i 18. Struktury 14, 16, 18 są korzystnie sztywnymi metalowymi częściami korpusu, ale mogą być również uformowane z innych mocnych, sztywnych, i żaroodpornych materiałów znanych w technice. Jeden koniec struktury pionowej 14 jest połączony nieruchomo na stałe z poziomą strukturą 16 złączem 20, a przeciwległy koniec struktury pionowej 14 jest połączony nieruchomo na stałe z poziomą strukturą 18 złączem 22. Złącza 20 i 22 korzystnie stanowią fragmenty jednolitej ciągłej konstrukcji, zawierającej w sobie struktury 14 i 16, ale mogą być także złączami spawanymi lub klejonymi, złączami w postaci zaciskanych uszczelnień, albo też innymi żaroodpornymi złączami, mającymi zdolność przeciwstawiania się działaniu wielokrotnie powtarzających się ciśnień.

Struktura pionowa 14 jest korzystnie ukształtowana w formie cylindra lub rury, ale może być też uformowana jako inna ciągła konstrukcja, lub ciąg konstrukcji, która odpowiada wymiarom zewnętrznym poziomych struktur 16 i 18. Pozioma struktura 16 korzystnie posiada kształt okrągłej tarczy 24 o średnicy D i ma zewnętrzny obwód 26. W przypadku cylindrycznego kształtu struktury pionowej 14 średnica cylindra będzie dopasowywana do średnicy D tarczy 24.

Chociaż układ cylinder/tarcza jest zalecany, struktura pionowa 14, oraz pozioma struktura 16, nie wymagają ustawienia wzajemnego pod kątem prostym względem siebie, lub żeby były konstrukcjami leżącymi na płaszczyźnie. Pozioma struktura 16 może, na przykład, być uformowana w postać czaszy, oraz może mieć średnicę zewnętrzną D, która różni się od średnicy, poziomej struktury 18.

PL 201 302 B1

W takim przypadku struktura pionowa 14 może być zaokrąglona łukiem, tak żeby ciągły korpus uformowany przez strukturę pionową 14 i poziomą strukturę 16 był kształtu półkulistego lub parabolicznego, tak jak to przedstawiono na fig. 1A. Specjalista będzie miał świadomość, że każda ilość nieregularnych trójwymiarowych kształtów może także być użyta dla uformowania struktury pionowej 14 i struktur poziomych 16 i 18, przy kształtowaniu pojemności korpusu komory 12, bez odstępowania od niniejszego wynalazku.

W postaci zalecanej, złącze 20 łączy zewnętrzny obwód 26 poziomej struktury 16, tam gdzie on styka się ze średnicą cylindra, przy jednym końcu struktury pionowej 14. W tej zalecanej postaci, struktura pozioma 18 ma te same wymiary co i struktura pozioma 16, i w podobny sposób jest połączona ze średnicą cylindra, przy przeciwległym końcu struktury pionowej 14, złączem 22. Cylinder struktury pionowej 14 ma taką długość L żeby stosunek L/D był korzystnie mniejszy niż 2. Ponieważ zwarta konstrukcja jest zalecana w narzędziach, lub w układach, wykorzystujących mechanizm 10, bardziej pożądane jest nawet ustanowienie tego stosunku na poziomie 1, lub 1/2.

Paliwo, nadające się do spalenia, jest podawane do komory 12 z przewodu paliwowego 28, otworem paliwa 30, który jest umiejscowiony na ściance 32 struktury pionowej 14, i korzystnie do obszaru niskiego ciśnienia komory 12 od strony dopływu do wentylatora 34. Chociaż jednym z nadających się paliw jest paliwo gazowe MAPP, typu stosowanego w narzędziach o napędzie spalinowym, służących do wbijania elementów złącznych, paliwem może być każde z jakiejś ilości znanych, nadających się do spalania paliw, mających praktyczne zastosowanie w technice. Paliwo miesza się z powietrzem w komorze 12, tak żeby utworzyć palny gaz. Wewnątrz komory 12 jest umieszczony wentylator 34 i obraca się on w płaszczyźnie ogólnie równoległej do płaszczyzny, która jest wyznaczona przez którąkolwiek ze struktur poziomych, 16 lub 18. Wirujący wentylator 34 szybko i równomiernie miesza, w komorze 12, paliwo z powietrzem. Równomiernie wymieszana mieszanka paliwo/powietrze jest pożądana po to, by dawać pracę mechanizmu 10 w sposób konsekwentny i przewidywalny. Równomiernie wymieszana mieszanka paliwo/powietrze, wpływa na zmniejszenie czasu pomiędzy powtarzającymi się cyklami, lub użyciami mechanizmu, co również jest pożądane.

W komorze 12 znajduje się urządzenie zapłonowe 36, służące do zapalania mieszanki paliwo/powietrze, i jest ono korzystnie umiejscowione na poziomej strukturze 18. Urządzenie zapłonowe 36 jest korzystnie świecą zapłonową iskrową, ale może być także każdym znanym w technice urządzeniem umożliwiającym szybki i kontrolowany zapłon palnego gazu. Na sygnał, pochodzący od operatora, źródło zapłonu 36 wytwarza iskrę, która powoduje zapłon palnej mieszanki paliwo/powietrze w komorze 12, w obszarze występowania urządzenia zapłonowego 36, gdzie przez to jest utworzone czoło płomienia, które przenosi się od urządzenia zapłonowego 36 do przeciwległego końca komory 12. Czoło płomienia, posiadające obszar powierzchniowy podobny do czoła fali kulistej, przenosi się w kierunku na zewnątrz od urządzenia zapłonowego 36. Czas wymagany do zapłonu paliwa w komorze 12 jest zależny od obszaru powierzchniowego czoła płomienia. Obecni wynalazcy odkryli, że turbulencja wytwarzana przez wentylator 34 znacznie powiększa obszar powierzchniowy przemieszczającego się czoła płomienia. Zatem większy obszar powierzchniowy czoła płomienia pozwala na dużo szybsze spalanie mieszanki paliwo/powietrze w komorze 12, co jest pożądane.

Ciśnienie, wywołane procesem spalania, podczas gdy występuje strumień płomieniowy o wysokiej energii, który przenosi się na zewnątrz komory 12 ogólnie w kierunku oznaczonym literą A, powoduje przemieszczanie płomienia na zewnątrz komory spalania 12 przez okno 38 strumienia płomieniowego. Okno 38 strumienia płomieniowego jest korzystnie umiejscowione w poziomej strukturze 16 w wystarczającej odległości od urządzenia zapłonowego 36 dla przyspieszania płomienia. W jednym z zalecanych przykładów, okno 38 strumienia płomieniowego jest umiejscowione w odległości kątowej 270 stopni, od płaszczyzny pionowej ze urządzeniem zapłonowym 36, znajdującej się w miejscu przy kącie 0 stopni.

Po zakończeniu spalania pożądane jest szybkie płukanie/oczyszczanie komory 12, usuwające produkty uboczne spalania. Wirujący wentylator 34 ułatwia także szybkie przepłukiwanie komory 12. W zalecanym przykładzie proces przepłukiwania jest dalej wspomagany przez przynajmniej jedno okno recyrkulacyjne 40, które jest korzystnie umiejscowione w strukturze pionowej 14 pomiędzy płaszczyzną wirowania wentylatora 34 i źródłem zapłonu 36. Okno recyrkulacyjne 40 wspomaga również mieszanie paliwa - jeden z procesów pomocniczych.

Nawiązując teraz do figur od 3 do 5, na nich jest oznaczone odnośnikiem 50 alternatywne urządzenie spalinowe i w skład jego wchodzi mechanizm 10, generujący płomień do dwukomorowego układu. Komora spalania 12 służy jako pierwsza komora w urządzeniu 50. Przewidziana jest także

PL 201 302 B1 druga komora 52 spełniająca rolę drugiej komory w dwukomorowym urządzeniu 50. W postaci zalecanej, druga komora 52 ma kształt geometryczny podobny do komory spalania 12, i jest również uformowana tak samo z mocnych, sztywnych i żaroodpornych materiałów.

Druga komora 52 ma pionową ściankę 54 i dwie przeciwległe sobie, górną i dolną, poziome ścianki 56, 58, których wymiary niekoniecznie jednak odpowiadają wymiarom podobnych struktur komory spalania 12. Uznaje się, że dokładny kształt ścianki 54 może różnie być dopasowywany do poszczególnego urządzenia, lub przy poszczególnych zastosowaniach, i może zawierać w sobie okrągłe lub inne nieliniowe wielkości geometryczne. Podobnie uznaje się, że wielkości geometryczne komory 12 także mogą być nieliniowe, dopasowywane do poszczególnego urządzenia, lub do konkretnego zastosowania. Komory 12 i 52 są tak ukształtowane, że płomień może być wytwarzany w komorze spalania 12, i stopniowo będzie się przemieszczał, przechodząc do drugiej komory 52, jako strumień płomienia o wysokiej prędkości, przez okno 38 strumienia płomieniowego.

Pojemność V1 jest wyznaczona przez komorę spalania 12, a pojemność V2 jest zdefiniowana przez drugą komorę 52. Fig. 4 przedstawia urządzenie 50 z komorą 12 umieszczoną częściowo wewnątrz komory 52. W każdym układzie, pojemność V2 jest definiowana przez całkowitą pojemność zawartą w rozmiarach drugiej komory 52, minus jakaś wielkość pojemności zajmowana przez komorę spalania 12. Ze względu na to, pojemność komory V2 może różnić się zależnie od umieszczenia komory 12, bez jakiegokolwiek zmieniania pojemności V1 lub rozmiarów drugiej komory 52.

W przykładzie zalecanym, druga, lub górna, struktura pozioma 18 komory spalania 12 może nawet być uformowana z części górnej poziomej ścianki 56 komory 52, z pionową strukturą 14 i pierwszą strukturą poziomą 16 formującymi wtedy przegrodę rozdzielającą w kształcie miski, pomiędzy pojemnościami V1 i V2. W przykładzie alternatywnym, jaki pokazano na fig. 5, pierwsza struktura pozioma 16 może natomiast być uformowana z części poziomej ścianki 56. W każdej postaci, komory 12 i 52 są względem siebie umiejscowione tak, że pojemności V1 i V2 znajdują się ze sobą w połączeniu komunikacyjnym poprzez okno 38 strumienia płomieniowego, oraz tak, żeby mechanizm 10 wytwarzał w pojemności V2 ciśnienie pochodzące od procesu spalania.

Obecni wynalazcy odkryli, że ruch obrotowy wentylatora 34 wywołuje zawirowanie w komorze spalania 12, oraz to, że ciśnienia spalania w pojemności V2 polepszają się kiedy okno 38 strumienia płomieniowego jest umieszczone po stronie odpływu od iskry pochodzącej od urządzenia zapłonowego 36, w kierunku powstającego wiru. Zalecany kąt α, od urządzenia zapłonowego 36 do okna 38 strumienia płomieniowego, zmienia się w zależności od rozmiarów komory spalania 12 i prędkości obrotowej wentylatora 34. W przykładzie zalecanym okno, 38 strumienia płomieniowego jest umiejscowione na złączu 20, w punkcie maksymalnej odległości pomiędzy oknem 38 strumienia płomieniowego i urządzenia zapłonowego 36. Celem, do którego się dąży, jest przemieszczanie okna 38 strumienia płomieniowego na pewną odległość od urządzenia zapłonowego 36, taką żeby pozwalać na maksymalne przyspieszanie płomienia w komorze 12, ale bez nadmiernego zwiększania czasu wymaganego na przenoszenie się płomienia od źródła zapłonu 35 do okna 38 strumienia płomieniowego. Te dwa czynniki muszą być wyważone i mają one zmienne znaczenie zależnie od poszczególnego układu lub zastosowania.

Na fig. 6, jest oznaczony odnośnikiem 60, alternatywny mechanizm generujący płomień. W tym przykładzie okno 38 strumienia płomieniowego jest umieszczone pośrodku, na pierwszej strukturze poziomej 16. W niektórych postaciach pożądane jest wzięcie pod uwagę przestrzeni, w której występuje centralna lokalizacja okna. Jednakże, w niektórych takich układach, nie jest osiągalna wystarczająca odległość od urządzenia zapłonowego 36 w komorze 12, dla przenoszenia się strumienia płomieniowego, taka by uzyskiwać maksymalne przyspieszenie płomienia. Obecni wynalazcy odkryli, że nad oknem strumienia płomieniowego 38, we wnętrzu komory spalania 12, można umieścić osłonę 62, która skutecznie stwarza dodatkowy dystans do pokonania przez płomień obiegający wtedy dookoła osłonę 62. Płomień przenosi się do otworu 64 osłony 62, usytuowanego w zalecanej odległości, z dala od okna 38. Osłona 62 może być każdego kształtu, w którym występuje kanał wymagający przebycia go przez płomień, na zalecanej odległości. Uznaje się także, że podobna konstrukcja osłonowa może być włączona do mechanizmów wykorzystujących okna strumienia płomieniowego umieszczone w położeniach innych niż pośrodku, albo wykorzystujące wielokrotnie powtórzone okna strumienia płomieniowego, gdzie jest także pożądany zwiększony dystans do przebycia przez płomień.

W układach zgodnych z powyższymi konfiguracjami, według niniejszego wynalazku, przy przechodzeniu przez okno 38 strumienia płomieniowego uzyskiwane były szybkości strumienia płomieniowego aż do szybkości dźwięku i większe niż szybkość dźwięku. Prędkość strumienia płomieniowego

PL 201 302 B1 zależy zwykle od temperatury. Na przykład, niniejszy wynalazek, przy temperaturze płomienia, może realizować szybkości strumienia płomieniowego aż do 1000 metrów na sekundę (m/s). Obecni wynalazcy mierzyli przeciętne szybkości strumienia płomieniowego wynoszące dla powyższych układów więcej niż 300 m/s. Ta przeciętna szybkość strumienia płomieniowego jest w przybliżeniu od 5 do 10 razy, lub więcej, większa niż prędkość strumienia płomieniowego, która mogłaby być oczekiwana w konwencjonalnych ukł adach dwukomorowych. To udoskonalenie jest nawet jeszcze bardziej wyraziste kiedy porównywane jest z przeciętną szybkością płomienia, występującą w konwencjonalnym układzie jednokomorowym z wentylatorem, wynoszącą od 20 do 30 m/s.

Kiedy szybkość przechodzenia strumienia płomieniowego przez okno 38 osiąga wielkość szybkości dźwięku, w oknie 38 istnieją warunki niedrożnego przepływu, co oznacza, że szybkość, jak tylko wystąpiła niedrożność, nie wzrasta ponad barierę szybkości dźwięku. Uzyskanie niedrożnego przepływu jest warunkiem pożądanym, ponieważ obecni wynalazcy odkryli, że ten warunek tworzy fale uderzeniowe i/lub fale stojące, które zasilają energią strumień płomieniowy jak on wchodzi przez okno 38 do pojemności V2. Ten zasilony energią strumień płomieniowy, o wysokiej szybkości, umożliwia szybki zapłon i spalanie mieszanki paliwo/powietrze w pojemności V2. Obecni wynalazcy odkryli także, że ciśnienie w pojemności V2 szybko zaczyna wzrastać kiedy zostają osiągnięte warunki przepływu niedrożnego. Na czas wymagany do uzyskania przepływu niedrożnego wpływa czas spalania pojemności V1. Przepływ niedrożny jest szybciej osiągany jak czas spalania pojemności V1 zmniejsza się.

Przy normalnych układach, według niniejszego wynalazku, warunki przepływu niedrożnego występujące w oknie strumienia płomieniowego ograniczają prędkość strumienia płomieniowego do wielkości szybkości dźwięku. Jednakże, obecni wynalazcy odkryli, że większe od szybkości dźwięku prędkości strumienia płomieniowego w pojemności V2 mogą być uzyskiwane przy użyciu dysz przepływu naddźwiękowego, w miejsce okna 38 strumienia płomieniowego. Jeśli prędkość strumienia płomieniowego w pojemności V2 wzrasta ponad prędkość dźwięku, w pojemności V2 będzie uzyskiwany jeszcze nawet mocniejszy zapłon, co z kolei da w rezultacie szybsze spalanie i większe ciśnienie spalania.

Na figurach od 7A do 7D, jest pokazane kilka dysz naddźwiękowych, 65a, 65b, 65c, 65d, posiadających w płaszczyźnie przekroju wzdłużnego układ zbieżno-rozbieżny. Zatem te dysze naddźwiękowe stają się przejściem komunikacyjnym pomiędzy pojemnościami V1 i V2, którym przechodzi proces spalania. Kształt zbieżno-rozbieżny dysz naddźwiękowych dalej zasila energią strumień płomieniowy wchodzący do pojemności V2 i w ten sposób powiększa się szybkość spalania mieszanki powietrze/paliwo w pojemności V2. Pomimo, że dla dyszy naddźwiękowej konstrukcja zbieżno-rozbieżna jest zalecana, uznawane są też inne ukształtowania, które mogłyby pozwalać na przechodzenie strumienia płomieniowego z prędkością większą niż prędkość dźwięku.

Narastanie ciśnienia, pochodzące od procesu spalania w pojemności V2, może prowadzić do przepływu wstecznego, przez okno 38 strumienia płomieniowego lub przez okno recyrkulacyjne 40, z powrotem do pojemności V1. Dla pozwalania tylko na jednokierunkowy przepływ przez okna, przydatne są zawory języczkowe. Zawory języczkowe pozostają normalnie zamknięte, natomiast otwierają się tylko wtedy, gdy ciśnienie po jednej ze stron zaworu osiąga dostatecznie wysoki próg. Chociaż zawory języczkowe są skuteczne przy zapobieganiu przepływowi wstecznemu z pojemności V2 do pojemności V1, ponieważ one są normalnie zamknięte i tylko pozwalają na przepływ w jednym kierunku, ich działanie może być udaremnione przy szybkim wypełnianiu się procesów dodatkowych, niezwiązanych bezpośrednio ze spalaniem, pomiędzy przypadkami spalania przy podwyższonym ciśnieniu.

Na fig. 8, są odpowiednio umieszczone, na oknie recyrkulacyjnym 40 i na oknie 38 strumienia płomieniowego, żaluzje 66 i 68, i są one korzystnie uformowane z materiałów mocnych, sztywnych i żaroodpornych, takich jakie są stosowane w komorze 12. Żaluzje 66 i 68 są sprężyste i odchylone, tak by pozostawały otwarte i pozwalały na przepływ powietrza do, i z, komory 12. Odmiennie niż zawory języczkowe, żaluzje 66, 68 są normalnie otwarte, a tylko wtedy się zamykają kiedy ciśnienie po jednej ze stron żaluzji osiąga wartość progową. Ponieważ żaluzje 66, 68 są normalnie otwarte, pozwalają na większy przepływ powietrza przez komorę 12 w czasie pomiędzy przypadkami zachodzenia procesu spalania, obniżając tym samym czas wymagany do wypełniania się procesów dodatkowych.

Jednakże podczas przypadków zachodzenia procesu spalania, wtedy jak ciśnienie szybko narasta w pojemności V2, żaluzje 66, 68 zamykają się kiedy siła pochodząca od ciśnienia w pojemności V2 jest większa niż siła sprężynowania przy odchylaniu żaluzji. Obecni wynalazcy odkryli jednak, że wystarczające ciśnienie może być ciągle uzyskiwane w pojemności V2, jeżeli okno recyrkulacyjne 40 pozostaje otwarte podczas zachodzenia spalania, chociażby nawet ciśnienie w pojemności V2 nie było tak wysokie, jak byłoby to dostrzegane przy użyciu zaworu języczkowego lub żaluzji 66. Używając

PL 201 302 B1 udoskonalonego układu według niniejszego wynalazku, przepływ wsteczny przez okno 40, ze szczeliny pomiędzy pionową strukturą 14 i pionową ścianką 54, nie ma więc istotnego znaczenia.

Na fig. 9, jest pokazane narzędzie z tłokiem o napędzie spalinowym, oznaczone odnośnikiem 70, i w jego układ włączone jest dwukomorowe urządzenie 50. Urządzenie 50, poprzez otwór 76 w dolnej poziomej ściance 58, styka się z cylindrem 72 mieszczącym w sobie suwliwy tłok 74. W zalecanym przykładzie tłok 74 i mocno wywinięty koniec 78 komory tłokowej 72 formują część poziomej ścianki 58. Szybki przyrost ciśnienia spalania w pojemności V2 napędza tłok 74, wpychając go w dół do komory tłokowej 72, w kierunku oddalającym go od urządzenia 50.

Na figurach 10 i 11, jest pokazane alternatywne narzędzie z tłokiem o napędzie spalinowym, oznaczone odnośnikiem 80, i w jego układ włączone jest urządzenie 50, ale tym razem wykorzystujące wielokrotnie powtórzone okna 38 strumienia płomieniowego i okna recyrkulacyjne 40. Dodatkowe okna ułatwiają większy przepływ powietrza, przez komorę spalania 12 i przez drugą komorę 52, podczas cyklu spalania, jak również podczas czyszczenia kiedy to produkty uboczne procesu spalania są z komór usuwane i wchodzi do nich czyste powietrze.

Fig. 11 przedstawia narzędzie 80 w warunkach czyszczenia, kiedy to druga komora 52 rozłącza się ruchomo z komorą spalania 12 i z komorą tłokową 72, dając odpowiednie otwarcia, pierwsze 82 i drugie 84, pojemności V2. Czyste powietrze korzystnie wpływa do pojemności V2 przez pierwsze otwarcie 82 i wtedy płynie do pojemności V1 poprzez okna recyrkulacyjne 40. Produkty uboczne procesu spalania są korzystnie wypłukiwane z pojemności V1 poprzez okna 38 strumienia płomieniowego i następnie są usuwane na zewnątrz z pojemności V2 przez drugie otwarcie 84. Po oczyszczeniu, druga komora 52 łączy się ponownie ruchomo z komorą spalania 12 i z komorą tłokową 72, uszczelniając pojemność V2, by pozwolić na wtrysk paliwa dla następnego cyklu spalania.

Na fig. 12, jest pokazane dalsze alternatywne narzędzie, oznaczone odnośnikiem 90, w jego układ też jest włączone urządzenie 50, i też druga komora 52 jest rozłączona ruchomo, tak jak pokazano na fig. 11. W tym przykładzie jednak, pionowa struktura 14 komory spalania 12 jest ruchomo odłączona od struktury poziomej 18 dla uformowania otwarcia 92 przy złączu 24. Podczas gdy występuje rozłączenie, otwarcie 92 pozwala na wpływanie powietrza do komory spalania, spełniając rolę omawianych wyżej okien recyrkulacyjnych. W zalecanym przypadku pozioma struktura 16 jest unieruchomiona, a pionowa struktura 14 może również odłączać się ruchomo od struktury poziomej 16, dla uformowania otwarcia 94 przy złączu 20, by pozwalać nawet na większy jeszcze przepływ powietrza poprzez komorę spalania 12, podczas czyszczenia pojemności V1 i V2.

Zgodnie z tym przykładem, komory 12 i 52 mogą razem rozłączać się dla otwarcia i zamykać, albo mogą to robić niezależnie od siebie. Druga komora 52 jest korzystnie połączona z komorą spalania 12 przez człon powstrzymujący 96. Człon powstrzymujący 96 jest korzystnie żaroodpornym elastycznym mostkiem z tkaniny sieciowej, która pozwala na przepływ powietrza i mieszanki paliwowej, ale może być także wykonany z jakiegokolwiek sprężystego żaroodpornego materiału znanego w technice. Człon powstrzymujący 96 może być dość sztywny, po to by wymuszać otwieranie i zamykanie się razem komór 12 i 52, albo wystarczająco elastyczny, po to by pozwalać na niezależne od siebie ruchy komór 12 i 52. W zalecanym przykładzie, druga komora 52 łączy się ponownie, zamykając otwarcia 82 i 84, po to by uszczelnić pojemność V2, zanim ponownie połączy się struktura pionowa 14, dla zamknięcia otwarć 92 i 94 i uszczelnienia pojemności V1. Zatem pojemność V1, by pozwolić na większy ruch paliwa i mieszanki pomiędzy pojemnościami V1 i V2, pozostaje otwarta krótko. Narzędzie 90 powinno być więc odpalane po ponownym połączeniu się struktury pionowej 14 uszczelniającym pojemność V1.

Zwarta postać geometryczna urządzenia 50, z jego udoskonaloną charakterystyką szybkości procesu spalania, pozwala na uniknięcie potrzeby stosowania w narzędziu 80 urządzenia opóźniającego ruch tłoka. Udoskonalony układ, według niniejszego wynalazku, zmniejsza także ilość materiału potrzebnego do wykonania obudowy narzędzia 80. Zredukowany czas procesu spalania, występujący w niniejszym wynalazku, da dodatkowe zmniejszenie strat ciepła przez ścianki komór. Negatywne efekty powodowane stratami ciepła są nawet jeszcze dalej zmniejszane przez działanie wentylatora 34, który dodatkowo chłodzi wewnętrzne części składowe narzędzia 80. Polepszone, w urządzeniu 50, przepływ i cyrkulacja, mają także działanie zapobiegające zalewaniu komory spalania 12, jeśli użytkownik uruchamia narzędzie 80 bez wytworzenia iskry w komorze 12.

Informuje się specjalistów, że aparatury spalinowe, takie jak w niniejszym wynalazku, mogą być efektywnie wykorzystywane w innych urządzeniach, które napędzają tłok, albo w ogólności w urządzeniach, które są napędzane aparaturami spalinowymi. Pomimo że zostały przedstawione i opisane

PL 201 302 B1 poszczególne przykłady mechanizmu spalania, według niniejszego wynalazku, docenione też zostanie przez specjalistów, że mogą być w nich wprowadzane zmiany, i modyfikacje, bez wychodzenia poza wynalazek, w jego rozszerzonych postaciach i takich jak najpierw je zestawiono w następujących dalej zastrzeżeniach patentowych.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Mechanizm do wytwarzania co najmniej jednego strumienia płomieniowego o wysokiej energii, zawierający pojemność uformowaną z co najmniej jednej pionowej struktury oraz przez pierwszą i drugą przeciwległe do siebie struktury poziome, przy czym większość poszczególnych obszarów powierzchniowych tych dwóch przeciwległych poziomych struktur jest zamknięta w tej pojemności, obrotowy wentylator w tej pojemności, przy czym ten wentylator obraca się w płaszczyźnie zasadniczo równoległej do płaszczyzny struktur poziomych, układ do zapłonu palnego gazu zawartego wewnątrz wymienionej pojemności przy czym ukształtowanie tego mechanizmu powoduje wypychanie strumienia płomieniowego na zewnątrz wymienionej pojemności, znamienny tym, że stosunek L/D pionowej struktury (14) o długości L do struktury poziomej (16, 18) o średnicy D, tej pojemności jest mniejszy niż 2.
2. 2. Mechanizm według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwsza struktura pozioma (16) zawiera co najmniej jedno okno strumienia płomieniowego (38), przez które jest wypychany strumień płomieniowy.
3. 3. Mechanizm według zastrz. 2, znamienny tym, że okno strumienia płomieniowego (38) jest umieszczone poniżej układu zapłonowego (36) i w kierunku wiru wytwarzanego przez ruch obrotowy wentylatora (34).
4. 4. Mechanizm według zastrz. 2, znamienny tym, że ponadto zawiera osłonę (62) przykrywającą otwór okna strumienia płomieniowego (38) w tej pojemności, przy czym osłona (62) posiada pierwsze i drugie położenie otwarcia, oraz ma kanał łączący pierwsze i drugie położenie otwarcia, przy czym pierwsze położenie otwarcia przykrywa otwór okna strumienia płomieniowego, (38) a drugie położenie otwarcia usytuowane jest wewnątrz pojemności, w miejscu oddalonym od okna strumienia płomieniowego (38).
5. 5. Mechanizm według zastrz. 2, znamienny tym, że przynajmniej jedna pionowa struktura (14) zawiera przynajmniej jedno okno recyrkulacyjne (40).
6. 6. Mechanizm według zastrz. 2, znamienny tym, że okno strumienia płomieniowego (38) zawiera dyszę przepływu naddźwiękowego (65a, 65b, 65c, 65d).
7. 7. Mechanizm według zastrz. 3, znamienny tym, że okno strumienia płomieniowego (38) jest umiejscowione w odległości kątowej 270 stopni, od układu zapłonowego (36), w płaszczyźnie pionowej w której układ zapłonowy (36) jest umieszczony przy kącie zero stopni.
8. 8. Mechanizm według zastrz. 4, znamienny tym, że drugie położenie otwarcia osłony (62) jest umiejscowione w odległości kątowej 270 stopni, od układu zapłonowego, w płaszczyźnie pionowej w której ten układ zapłonowy jest umieszczony przy kącie zero stopni.
9. 9. Mechanizm według zastrz. 5, znamienny tym, że przynajmniej jedno okno recyrkulacyjne (40) jest tak umiejscowione w pionowej strukturze (14), że płaszczyzna ruchu obrotowego wentylatora (34) jest usytuowana pomiędzy tym oknem recyrkulacyjnym (40) i pierwszą strukturą poziomą (16), przy czym układ zapłonowy (36) jest umieszczony na drugiej strukturze poziomej (18).
10. 10. Mechanizm według zastrz. 5, znamienny tym, że ponadto zawiera żaluzje (66, 68), przy czym żaluzje te rozmieszczone są na oknie strumienia płomieniowego (38) i na oknie recyrkulacyjnym (40), i pozostają normalnie otwarte, a zamykają się wówczas jak ciśnienie na zewnątrz pojemności jest większe niż ciśnienie progowe.