(57)【要約】　　　（修正有）【課題】速い燃焼サイクルを有する、火炎ジェットを生成するための燃焼機構を提供する。【解決手段】火炎ジェットを生成するための機構が、少なくとも一つの垂直構造部材１４と二つの対向する水平構造部材１６，１８とから形成された容積を有している。回転ファン３４が、容積の中に設けられて、水平構造部材１６，１８の平面に対して概ね平行な平面で回転する。この機構は、火炎ジェットを容積の外に推進するために、容積の中に収容されている可燃性ガスを発火させるための手段３６も含んでいる。【選択図】　　　図１
2004074396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの高エネルギの火炎ジェットを生成するための機構であって：
少なくとも一つの垂直構造部材と二つの対向している水平構造部材とから形成される容積と；
前記容積の中の回転ファンであって、前記水平構造部材の平面に対して概ね平行な平面で回転する回転ファンと；
前記容積の中に収容された可燃性ガスを発火させるための点火手段と；を具備していて、前記容積の外に火炎ジェットを推進するように構成されている、少なくとも一つの高エネルギの火炎ジェットを生成するための機構。
【請求項２】
前記垂直構造部材が全長Ｌを、前記水平構造部材が直径Ｄを有していて、前記容積の比率Ｌ／Ｄが２未満であるところの、請求項１に記載の機構。
【請求項３】
前記水平構造部材のうちの第一水平構造部材が少なくとも一つの火炎ジェットポートを含んでいて、前記火炎ジェットポートを通して火炎が推進されるところの、請求項１に記載の機構。
【請求項４】
前記火炎ジェットポートが、前記点火手段の下流でかつ前記ファンの回転によって生み出される渦の方向に設けられるところの、請求項３に記載の機構。
【請求項５】
前記容積の中へ向いている前記火炎ジェットポートの開口を覆う遮壁を更に具備していて、前記遮壁が、第一開口と、第二開口と、前記第一開口と第二開口とを接続しているチャンネルとを有していて、前記第一開口が前記火炎ジェットポートを範囲に含んでいて、前記第二開口が前記火炎ジェットポートから離れて前記容積の中に設けられている、請求項３に記載の機構。
【請求項６】
前記少なくとも一つの垂直構造部材が、少なくとも一つの再循環ポートを包含しているところの、請求項３に記載の機構。
【請求項７】
前記火炎ジェットポートが超音速ノズルを包含しているところの、請求項３に記載の機構。
【請求項８】
前記ファンの回転面が前記再循環ポートと前記第一水平構造部材との間に配設されるように、前記少なくとも一つの再循環ポートが前記垂直構造部材に設けられていて、前記点火手段が前記第一水平構造部材に設けられているところの、請求項６に記載の機構。
【請求項９】
前記火炎ジェットポートと再循環ポートとに配設されたルーバーであって、通常は開いた状態であるが、前記容積の外側の圧力が圧力閾値より高くなったとき閉じるルーバーをさらに具備している、請求項６に記載の機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火炎ジェットを生成するための機構に関するものであり、より具体的には、火炎ジェットが生成されて一方の容積から他方の容積に送られるところの二容積燃焼装置に関するものであって、特に燃焼駆動式ファスナ発射工具に関連している。
【０００２】
【従来の技術】
ガス燃焼装置は、当該技術分野では公知である。この技術の実際的な用途は燃焼駆動式ファスナ発射工具に見出される。ファスナを加工材に打ち込むために使用されるＩＭＰＵＬＳＥ（登録商標）ブランドの工具としても知られているそのような工具の一つのタイプは、ニコリッチ（Ｎｉｋｏｌｉｃｈ）に対して与えられた特許の、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、及び特許文献７に記載されており、これら全ての特許文献は、ここに引用することをもって添付に代える。同様な燃焼駆動式の釘／ステープル発射工具は、ＩＭＰＵＬＳＥ（登録商標）ブランドでイリノイ州バーノンヒルズのＩＴＷ−Ｐａｓｌｏｄｅから市販されて入手可能である。
【０００３】
通常そのような工具は、小さな内燃機関を収容しているピストル形の工具ハウジングを含んでいる。機関は、燃料セルとも呼ばれている、加圧燃料ガスの缶によって駆動される。電池式の電子パワー分配ユニットが、点火のためのスパークを生み出し、燃焼チャンバに配置されたファンが、チャンバ内の効率的な燃焼を提供し、同時に装置の燃焼動作に対する補助的な工程を円滑にする。そのような補助的な工程は、燃焼チャンバに燃料を投入すること、及び燃料と空気をチャンバ内で混合すること、及び燃焼副生成物を除去若しくは掃気することが含まれる。機関は往復ピストンを含んでおり、このピストンは、単一シリンダ本体の中に配設された細長い剛性駆動ブレードをもっている。
【０００４】
弁スリーブが、シリンダの周りで軸方向に往復可能であり、又連動機構の末端の加工物接触要素が加工物に押し付けられたとき、弁スリーブは連動機構を介して移動して燃焼チャンバを閉じる。この押し付ける動作は、燃料計量弁が規定の容量の燃料を閉じられた燃焼チャンバの中に導くことを引き起こす。
【０００５】
引き金スイッチを引いたとき、引き金を引くことは、スパークに機関の燃焼チャンバにおける装填ガスを発火させ、ピストンと駆動ブレードとが下方に発射されて位置決めされているファスナに衝突しこのファスナを加工材の中に打ち込む。次にピストンは、シリンダの中のガス圧力差によって、ピストンの元の位置もしくは“準備”位置に戻る。ファスナは、マガジン形式でノーズピースの中に供給されており、そこではファスナは、駆動ブレードの衝撃を受けるように適切に位置決めされた姿勢で保持されている。
【０００６】
可燃性の燃料／空気混合気が発火されると、チャンバにおける燃焼が、ピストン／駆動ブレード組立体の加速と、ファスナがあればファスナの加工材の中への貫入とを引き起こす。チャンバ内の燃焼圧力は、ピストンがファスナを駆動するのに使う力の大きさに影響するので、重要な考慮すべき事項である。他の重要な考慮すべき事項は、ピストンを駆動するため、及び機関の燃焼サイクル間の補助的工程を実行するために必要な時間の長さである。燃焼駆動式工具の一般的操作者は通常、引き金を引いた後ファスナを発射するために要する時間が約３５〜５０ミリ秒より長い場合に遅いと感じるであろう。燃焼チャンバにファンを組み込んでいない在来の他のタイプの燃焼駆動式工具がある。
【０００７】
単一チャンバ燃焼システムは、速い燃焼サイクル時間を達成することにおいては有効である。しかしながら、このタイプのシステムは、他のガス燃焼駆動式工具に見られるピーク燃焼圧力と同じほど高い、ピストンを駆動するためのピーク燃焼圧力を通常は実現しない。
【０００８】
優れたピーク燃焼圧力を生み出す一つのそのような在来の燃焼駆動式工具は二チャンバシステムであり、そこでは少なくとも一つのチャンバが、管形状を有しており、そして第二のチャンバに接続されている。管状の第一のチャンバは、管の全長Ｌと直径Ｄとを有しており、そしてＬ／Ｄ比率は、大であることが知られていて，即ち２から２０の間にあり，また好ましくは１０である。スパークプラグが第一のチャンバの閉じた一方の端部に設けられており、この管状チャンバのもう一方の端部はポートを介して第二のチャンバと連通している。二つのチャンバを接続するポートは一般的にリード弁を含んでおり、前記リード弁は、第二チャンバから第一チャンバへの圧力の逆流を防ぐために通常は閉じられた状態になっている。
【０００９】
容積Ｖ１を有する第一管状チャンバは、圧縮器として機能する。容積Ｖ１内の燃料／空気混合気は、管状チャンバの閉じられた端部でスパークプラグによって点火されて、火炎の前線を管のポート端部の方に前進させる。火炎の前線が前進するとき、火炎の前線より先に進んだ未燃焼の燃料／空気が、第二チャンバ若しくは容積Ｖ２の中に押し込められることによって容積Ｖ２内の燃料／空気混合気を圧縮する。火炎が、容積Ｖ１からポートとリード弁とを通って容積Ｖ２の中へ伝播されるとき、容積Ｖ２内の空気／燃料混合気が発火する。こうして容積Ｖ２内の発火されたガスが容積Ｖ２内に圧力を急速に立ち上げ、そして容積Ｖ１へ戻る圧力損失を回避するためにリード弁を閉じる。容積Ｖ２内のより高い圧力が、システムの最終的燃焼圧力であり、より高い圧力は望ましいことである。より長い管が容積Ｖ２内へのより大きな予備圧縮を生み出すことが知られているので、従ってより長い管状チャンバが容積Ｖ１として通常は好ましい。
【００１０】
しかしながら容積Ｖ１の長い管は、容積Ｖ１の閉鎖された端部におけるスパークと容積Ｖ２内の空気／燃料混合気の発火との間のより長い時間を結果として招き、これは望ましくないことである。ピストン駆動工具システムでは容積Ｖ２の長い発火時間が、ピストン遅延機構に対する必要性も生み出し、その結果容積Ｖ２内の圧力が、得ることが可能な最大圧力まで増大する直前に、ピストンの運動が開始される。典型的な二チャンバシステムは、容積Ｖ２内のピーク圧力に到達してピストンを発射するために３５ミリ秒を要しており（補助的工程の完了時間を含まないで）、この時間は、工具操作者が工具操作における遅さを通常感じるところの時間量である。
【００１１】
これら二チャンバシステム工具についての補助的工程を完了するために必要な時間は、工具操作者が経験する顕著な遅延を付加するであろう。補助的工程時間は、単一チャンバシステムにおけるよりも二チャンバシステムに関して長いことも知られている。補助的工程を完了するための時間は、管状第一チャンバＶ１の全長が増加するとき更に長くなる。
【００１２】
第三の公知のガス燃焼システムは、単一管状容積内に配置された“加速プレート”を利用して、容積を二つに効果的に分割している。加速プレートそれ自身が、二つの容積間の連通のための多数の穴を含んでおり、そして燃料の分配が、二つの開口を持った共通の燃料供給ラインを通して両方の容積に対して個別に行われる。このシステムを採用している装置の操作者は、７６．２ｍｍ（ｔｈｒｅｅ−ｉｎｃｈ）の作動を介して燃料混合を引き起こす。このタイプの装置は、繰返し燃焼サイクルを可能にするように示されている。しかしながら加速プレートに対する欠点は、それらが操作するにはかさばって扱い難いという傾向を有していることである。又、加速プレートの一方の側の容積は、他方の容積を必然的に減少させることなしには増加されない。
【００１３】
【特許文献１】
米国再発行特許発明第３２４５２号明細書
【特許文献２】
米国特許第４５２２１６２号明細書
【特許文献３】
米国特許第４４８３４７３号明細書
【特許文献４】
米国特許第４４８３４７４号明細書
【特許文献５】
米国特許第４４０３７２２号明細書
【特許文献６】
米国特許第５１９７６４６号明細書
【特許文献７】
米国特許第５２６３４３９号明細書
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述された関心事は、火炎ジェットを生成するための本機構により取り扱われており、前記機構は、可燃性ガスを収容している硬いチャンバ構造体を特徴としている。発火装置が、チャンバの一方の端部で可燃性ガスを発火させて火炎の前線を生み出し、前記火炎の前線がチャンバの中を急速に移動して反対側の端部でチャンバから火炎ジェットとして推進される。チャンバ内のファンは、チャンバ内のガスを混合するように働くことはもとより、乱流も生み出し、この乱流は、火炎の前線がより速くチャンバを横断できるようにする。
【００１５】
より具体的には、本発明は、少なくとも一つの垂直構造部材と二つの対向している水平構造部材とから形成される容積を有する、火炎ジェットを生み出すための機構を提供する。回転ファンが、容積の中に設けられ、水平構造部材の平面に対してほぼ平行な平面で回転する。機構は容積内に含まれる可燃性ガスを発火させるために点火源も包含しており、また機構は火炎ジェットを容積の外に推進するように構成されている。
【００１６】
別の好適な実施例では、本発明の機構は、二チャンバ燃焼駆動式装置の燃焼チャンバとしても働く。機構によって生み出された火炎ジェットは、燃焼チャンバと連通している第二チャンバの中に推進される。そして第二チャンバの中で生み出された圧力が、第二チャンバに接続されているピストン装置を駆動する。
【００１７】
二チャンバシステムでは、この機構は速い燃焼サイクルと、分離されたチャンバにおける高い圧力とを生み出すことに対して有効である。機構は特に、一般的には大きくて扱い難い装置で見られる速い燃焼と高圧力とを、比較的コンパクトな外形で生み出すことに関して有用である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
ここで図１ａ及び２を参照すると、高エネルギ火炎生成機構が、全体を参照符号１０で指定されて、燃焼チャンバ本体１２を含んでおり、この燃焼チャンバ本体１２は、垂直構造部材１４と、対向している二つの水平構造部材１６及び１８とによって形成される容積を取り囲んでいる。構造部材１４、１６、及び１８は剛性金属体であることが好ましいが、本技術分野で知られている、強度、剛性、及び燃焼耐性を有する他の材料から形成されてもよい。垂直構造部材１４の一方の端部は、ジョイント２０において水平構造部材１６に固定的に接続されており、垂直構造部材１４の反対側の端部は、ジョイント２２において水平構造部材１８に固定的に接続されている。ジョイント２０及び２２は、構造部材１４及び１６を含んだ一つの連続した構造部材であることが好ましいが、繰返し圧力に耐えることができる、溶接、接着、圧縮ガスケット、若しくは他の燃焼耐性ジョイントであってもよい。
【００１９】
垂直構造部材１４は、円筒状若しくは管状に形作られることが好ましいが、水平構造部材１６及び１８の外径寸法に一致する、どのような連続した構造部材若しくは一連の構造部材であってもよい。水平構造部材１６は、直径Ｄと外周縁２６とをもった円盤２４の形を好ましく有している。例えば、垂直構造部材１４が円筒である場合、円筒の直径は円盤２４の直径Ｄに一致するであろう。
【００２０】
円筒／円盤構造が好適であるとはいえ、垂直構造部材１４及び水平構造部材１６は、他方に対して直角である必要はなく、あるいは平坦な構造体であることさえ必要としない。水平構造部材１６は、例えば半球状であってもよく、そして水平構造部材１８の外径とは異なる外径Ｄを有していてもよい。そのような場合には、垂直構造部材１４と水平構造部材１６とによって形作られる連続的本体が図１ｂに示されるように半球状若しくは放物線状になるように、垂直構造部材１４は湾曲してよい。本技術分野に知識を有するものは、多数の変則的な三次元形状も又、垂直構造部材１４並びに水平構造部材１６及び１８に使用できて、本発明から逸脱することなしに燃焼チャンバ本体１２の容積を形成することに気付くであろう。
【００２１】
好適な実施例では、ジョイント２０は水平構造部材１６の外周縁２６を接続し、そこでは外周縁２６が垂直構造部材１４の一方の端部における円筒直径に接触する。この好適な実施例では、水平構造部材１８は、水平構造部材１６と同じ寸法を有しており、また同様に垂直構造部材１４の反対側の端部の円筒直径をジョイント２２において接続している。円筒の垂直構造部材１４は、縦横比Ｌ／Ｄが好ましくは２未満であるように全長Ｌを有している。機構１０を採用する工具若しくはシステムでは、コンパクトな構造が好適であるので、１若しくは１／２の縦横比が、なお更望ましい。
【００２２】
可燃性燃料が、燃料ライン２８から燃料開口３０を通ってチャンバ１２の中へ供給され、前記燃料開口３０は、垂直構造部材１４の壁３２に配置されていて、ファン３４の上流の、チャンバ１２の低圧領域に配置されることが好ましい。適切な燃料の一つが、燃焼駆動式ファスナ発射工具に使用されるタイプのガスであるＭＡＰＰガスであるのに対して、燃料が、本技術分野で使用されているいくつかの公知の可燃性燃料のいずれであってもよい。燃料は、チャンバ１２の中で空気と混合されて可燃性ガスを生成する。ファン３４は、チャンバ１２の中に配置され、水平構造部材１６又は１８のどちらかによって形成される平面に対して概ね平行な平面で回転する。ファン３４の回転が、チャンバ１２内で燃料と空気を急速且つ一様に混合する。機構１０の安定していて予測し得る動作を提供するために、均一な燃料／空気混合気が望ましいものである。より速く均一な燃料／空気混合気が得られ、その時より短い時間が反復サイクル間又は本機構の使用中に必要とされ、そのことも望ましいことである。
【００２３】
燃料／空気混合気を発火させるための点火源３６が、チャンバ１２の中に備えられており、また水平構造部材１８に好ましく配置されている。点火源３６は、スパークプラグであることが好ましいが、可燃性ガスの急速且つ制御された発火を可能にする、本技術分野で知られたどのような装置であってもよい。操作者からの信号を受けると、点火源３６はスパークを発生させ、このスパークが、チャンバ１２の点火源３６の領域において可燃性燃料／空気混合気を発火させ、そのために火炎の前線が生成されて、この火炎の前線が点火源３６からチャンバ１２の反対側の端まで進む。火炎の前線は、球面波面に類似の表面積を有して、点火源３６から外側に移動する。燃料をチャンバ１２の中で燃焼させるために必要な時間は、火炎の前線の表面積に依存している。本発明の発明者は、ファン３４によって生み出される乱流が、移動する火炎の前線の表面積を著しく増大させることを見出した。それ故火炎の前線のより大きな表面積は、チャンバ１２における燃料／空気混合気のより速い燃焼を可能にし、このことは望ましいことである。
【００２４】
燃焼による圧力は、火炎を高エネルギ火炎ジェットとして火炎ジェットポート３８を通ってチャンバ１２の外へ推進させ、前記高エネルギ火炎ジェットは、Ａで示された概略の方向でチャンバ１２の外に進行する。火炎ジェットポート３８は、火炎を加速するために、点火源３６から十分な距離を置いて水平構造部材１６に設けられることが好ましい。一つの実施例では、火炎ジェットポート３８は、点火源３６を０度としたとき、点火源３６から２７０度で垂直面に位置決めされている。
【００２５】
燃焼後に、燃焼副生成物がチャンバ１２から迅速に掃気／除去されることが望ましい。ファン３４は、チャンバ１２のより速い掃気も促進する。好適な実施例では、掃気工程が、ファン３４の回転面と点火源３６との間の垂直構造部材１４に設けられている少なくとも一つの再循環ポート４０によってさらに助長される。再循環ポート４０は、補助的な工程の一つである燃料混合も促進する。
【００２６】
ここで図３〜５を参照すると、別の燃焼装置が、全体を参照符号５０で指定されており、そして二チャンバ構成に火炎生成機構１０を組み込んでいる。燃焼チャンバ１２は装置５０の第一チャンバとして働いている。第二チャンバ５２も備えられて、二チャンバ装置５０の他方のチャンバとして機能している。好適な実施例では、第二チャンバ５２は、燃焼チャンバ１２の全体形状構造と同様の全体形状構造を有しており、そして、同一の硬く剛性を有し燃焼耐性のある材料から形作られている。
【００２７】
第二チャンバ５２は、概ね垂直な壁５４と二つの対向する上部水平壁５６及び下部水平壁５８とをもっているが、それら壁の寸法は、燃焼チャンバ１２の同等な構造部材の形状と必ずしも一致している必要はない。壁５４の正確な形状が、個々の装置や用途に適するように変化すること、及び丸み若しくは他の非直線形状を含むことがあることが予想される。燃焼チャンバ１２の形状が、個々の装置や用途に適するように非直線形状であることも同様に予想される。チャンバ１２及び５２は、火炎が燃焼チャンバ１２の中で生み出されて火炎の高速ジェットとして火炎ジェットポート３８から第二チャンバ５２の中に前進的に移動するように、構成されている。
【００２８】
容積Ｖ１が燃焼チャンバ１２によって形成され、容積Ｖ２が第二チャンバ５２によって形成される。好適な実施例では、燃焼チャンバ１２は、第二チャンバ５２の中に部分的に若しくは全体的に配置される。図４は、第二チャンバ５２の中に部分的に配置された燃焼チャンバ１２をもつ装置５０を示している。両方の構成で、容積Ｖ２は、燃焼チャンバ１２によって占められた容積をマイナスした、第二チャンバ５２の形状の中の全容積によって形成されている。この点で、容積Ｖ２は、容積Ｖ１若しくは第二チャンバ５２の形状を変化させることなしに、燃焼チャンバ１２の配置に応じて変化することができる。
【００２９】
好適な実施例では、燃焼チャンバ１２の、第二の若しくは上の水平構造部材１８が、第二チャンバ５２の上部水平壁５６の一部から形作られることさえ可能であり、その時垂直構造部材１４及び水平構造部材１６が、容積Ｖ１およびＶ２の間のカップ状仕切りを形成する。代替実施例では、図５に示されるように、第一水平構造部材１６が替わりに上部水平壁５６の一部分から形作られている。両方の実施例において、チャンバ１２及び５２は、容積Ｖ１及びＶ２が火炎ジェットポート３８を介して連通するように、並びに機構１０が燃焼圧力を容積Ｖ２の中に生み出すように、相対的に配置されている。
【００３０】
本発明の発明者は、ファン３４の回転が燃焼チャンバ１２の中に渦を導入すること、及び火炎ジェットポート３８が火炎ジェットポート３８からのスパークの下流に配置されるとき、容積Ｖ２の中の燃焼圧力が渦の方向で増大することを見出した。点火源３６から火炎ジェットポート３８までの好適な角度αは、燃焼チャンバ１２の寸法とファン３４の回転速度とによって変わる。好適な実施例では、火炎ジェットポート３８は、火炎ジェットポート３８と点火源３６との間の間隔を最大にする位置であるジョイント２０に設けられている。設計の目標は、点火源３６から火炎ジェットポート３８まで火炎が移動するために必要とする時間を大きく増大させることなしに、燃焼チャンバ１２の中で火炎の最大限の加速を可能にするために、火炎ジェットポート３８を点火源３６からある距離を置いて転置することである。これら二つの要素は調和されなければならず、また個別の構成若しくは用途に応じて変えることのできる重みを有していなければならない。
【００３１】
ここで図６を参照すると、別の火炎生成機構が、全体を参照符号６０で指定されている。この実施例では、火炎ジェットポート３８が水平構造部材１６の中央に配置されている。いくつかの実施例では、スペースの要件が中央ポート配置を望ましい配置にする。しかしながら、そのようないくつかの構成では、最大限の火炎の加速を達成するために火炎が点火源３６から移動するのに十分な距離を燃焼チャンバ１２の中で得ることができない。本発明の発明者は、遮壁６２が、火炎ジェットポート３８を覆って燃焼チャンバ１２の内側に配置されて、前記遮壁６２が、遮壁６２の周りを火炎が移動する追加的距離を有効に生み出すことを見出した。火炎は、ポート３８から好適な距離だけ離れて設けられた、遮壁６２の開口６４の中に進行する。遮壁６２は、火炎が好適な距離を移動することを必要にするチャンネルを提供するどのような形状のものであってもよい。同様の遮壁構造が、中央に配置されていない火炎ジェットポート、若しくは複数の火炎ジェットポートを採用している、より長い火炎移動距離が望ましいところの機構に組み入れられてもよいことも予想される。
【００３２】
本発明の前述の構成によると、音速に至り音速を超える火炎ジェット速度が実現されて火炎ジェットポート３８を通過する。火炎の速度は一般的に温度に依存している。例えばある火炎温度では、本発明は、毎秒１０００メートル（ｍ／ｓ）に至る火炎ジェット速度を実現することができる。本発明の発明者は、前述の構成に関して３００ｍ／ｓを越える平均火炎ジェット速度を観測した。この平均火炎ジェット速度は、在来の二チャンバシステムで期待できる火炎ジェット速度の約５から１０倍である。この改良は、ファンシステムを持った在来の単一チャンバにおける平均２０〜３０ｍ／ｓの平均火炎速度と比較したとき更に注目に値する。
【００３３】
ポート３８を通る火炎ジェットの速度が音速に達するとき、“チョーク流れ”状態がポート３８に現れ、このことは、火炎ジェット速度は、一旦“チョーク”されると音速の壁を超えて増大することがないことを意味する。チョーク流れは目的を達するためには望ましい状態である。なぜなら本発明の発明者は、火炎ジェットがポート３８から容積Ｖ２に入るとき火炎ジェットにエネルギーを与える衝撃波及び／又は定在波を前記状態が生み出すことを見出した。この高速の、エネルギを与えられた火炎ジェットは、容積Ｖ２内の燃料／空気混合気の急速な発火と燃焼とを可能にする。本発明の発明者は、チョーク流れ状態に達した場合、容積Ｖ２内の圧力が急速に増加し始めることも見出した。チョーク流れを得るために必要な時間は、容積Ｖ１の燃焼時間に影響される。チョーク流れは、容積Ｖ１の燃焼時間が減少するほど早く到達される。
【００３４】
火炎ジェットポートにおけるチョーク流れ状態は、本発明の通常の構成に関しては、火炎ジェットの速度を音速に制限している。しかしながら、本発明の発明者は、音速より速い容積Ｖ２の中への火炎ジェット速度が、超音速ノズルを火炎ジェットポート３８の場所に使用することによって得られることを見出した。容積Ｖ２内の火炎ジェット速度が音速を超えて増大するとき、更に強力な燃焼が容積Ｖ２内で得られ、次に前記強力な燃焼が、より急速な燃焼とより大きな燃焼圧力とに帰着する。
【００３５】
ここで図７ａ〜７ｄを参照すると、“収束／発散”断面形状を有しているいくつかの超音速ノズル６５ａ〜ｄが示されている。このように超音速ノズルは、容積Ｖ１と容積Ｖ２との間の燃焼連通路になる。超音速ノズルの収束／発散形状は、容積Ｖ２の中に入る火炎ジェットに更にエネルギを与え、そしてそれと共に容積Ｖ２内の空気／燃料混合気の燃焼速度を増加させる。超音速ノズルに対する収束／発散構造は好ましいものであるが、音速より速い速度を有する火炎ジェットの通過を可能にする他の構造も考えられる。
【００３６】
容積Ｖ２内の燃焼からの圧力増加が、火炎ジェットポート３８若しくは再循環ポート４０を通して、容積Ｖ１の中への逆流をもたらすことがある。リード弁は、ポートを通過する一方向だけの流れを可能にすることに関して有用である。リード弁は通常は閉じているが、弁の一方の側の圧力が十分な閾値に達したときだけ開く。リード弁は、容積Ｖ２から容積Ｖ１への逆流を防ぐ一方、リード弁は、通常は閉じていて一方向の流れだけを可能にするので、高圧燃焼事象の間の非燃焼補助的工程の迅速な完了に対して逆効果を有することがある。
【００３７】
ここで図８を参照すると、ルーバー６６及び６８が、再循環ポート４０及び火炎ジェットポート３８にそれぞれ設けられており、またルーバー６６および６８は、燃焼チャンバ１２と同じ、硬くて剛性を有した燃焼耐性のある材料から作られていることが好ましい。ルーバー６６及び６８は、開いているようにスプリング付勢されていて、燃焼チャンバ１２の中へ又は燃焼チャンバ１２から外への空気の流れを可能にする。リード弁とは異なって、ルーバー６６及び６８は通常は開いていて、ルーバーの一方の側の圧力が閾値に到達したときにだけ閉じる。ルーバー６６及び６８は通常は開いているので、より多量の空気の流れが、燃焼事象の間において燃焼チャンバ１２を通して可能になり、そのことによって補助的工程を完了するのに必要な時間が短縮される。
【００３８】
しかし燃焼事象の間に、圧力が容積Ｖ２内で急速に高まるので、容積Ｖ２内の圧力による力がスプリング付勢力より大きくなったとき、ルーバー６６及び６８は閉じる。しかしながら、本発明の発明者は、燃焼中に再循環ポート４０が開いていて、たとえ容積Ｖ２内の圧力がリード弁又はルーバー６６を使ったとき見られるほど高くはないとしても、容積Ｖ２内の十分な圧力がまだ得られることを見出した。垂直構造部材１４と垂直壁５４との間の隙間から、再循環ポート４０を通る逆流は、したがって本発明の改良された構成の使用に対する有意な関心事ではない。
【００３９】
ここで図９を参照すると、ガス燃焼駆動式ピストン工具が、全体を参照符号７０で指定されており、そして二チャンバ装置５０をその構成に組み入れている。装置５０は、シリンダ７２と接触しており、シリンダ７２は、下部水平壁５８の開口７６を介してピストン７４を滑動可能に収容している。好適な実施例では、ピストン７４と、ピストン室７２の完全に突き出た端部７８とが、水平壁５８の一部分を形作っている。容積Ｖ２内の燃焼圧力の急速な増大が、ピストン７４を装置５０から離れる方向でピストン室７２の下方に移動させる。
【００４０】
ここで図１０及び１１を参照すると、別の工具が、全体を参照符号８０で指定されており、又装置５０を組み込んでいるが、ここでは複数の火炎ジェットポート３８と複数の再循環ポート４０とを採用している。追加のポートは、燃焼サイクル中だけでなく、チャンバ内の燃焼副生成物が除去されて清浄な空気が入るところの掃気中にも、燃焼チャンバ１２と第二チャンバ５２とを通る空気のより多量の流れを促進する。
【００４１】
図１１は、掃気状態の工具８０を示しており、そこでは第二チャンバ５２が、燃焼チャンバ１２とピストン室７２とから可動的に切り離されて、容積Ｖ２に第一開口８２と第二開口８４とを提供している。清浄な空気は、第一開口８２を通って容積Ｖ２の中に好ましく流れ込み、次いで再循環ポート４０を通って容積Ｖ１の中に流れ込む。燃焼副生成物は、火炎ジェットポート３８を通って容積Ｖ１から流し出され、次いで第二開口８４を通って容積Ｖ２から流し出される。掃気の後、第二チャンバ５２は、容積Ｖ２を密封して次の燃焼サイクルのための燃料注入を可能にするために、燃焼チャンバ１２とピストン室７２とに可動的に再係合する。
【００４２】
ここで図１２を参照すると、更に別の工具が、全体を参照符号９０で指定されており、又装置５０を組み込んでいて、そして図１１に示されるように第二チャンバ５２を可動的に切り離している。しかしこの実施例では、燃焼チャンバ１２の垂直構造部材１４が、水平構造部材１８から可動的に切り離されて、ジョイント２４に開口９２を形成している。切り離し中に、開口９２は燃焼チャンバの中への空気の流れを可能にして、前述された再循環ポートの機能を果たす。好適な実施例では、水平構造部材１６は固定されていて、垂直構造部材１４が水平構造部材１６から可動的に切り離されてジョイント２０に開口９４を形成し、容積Ｖ１及びＶ２を掃気する間に燃焼チャンバ１２を通る更に多量の空気の流れを可能にする。
【００４３】
この実施例によると、チャンバ１２及び５２は、共に若しくは独立して開口しそして閉じるために切り離されてよい。第二チャンバ５２は保持部材９６により燃焼チャンバ１２に好ましく接続されている。保持部材９６は、空気の流れと燃料混合気とを可能にする、燃焼耐性を有した可撓性網組み材であるが、本技術分野で知られた、可撓性と燃焼耐性とを有するどのような材料から作られてもよい。保持部材９６は、チャンバ１２及び５２を共に開口させそして閉じるために押しやるのに十分剛であるか、あるいはチャンバ１２及び５２を独立して動かすことが可能なほど十分に可撓性を有している。好適な実施例では、第二チャンバ５２は、垂直構造部材１４が再係合して開口９２及び開口９４を閉じて容積Ｖ１を密封する前に、再係合して開口８２及び開口８４を閉じて容積Ｖ２を密封する。従って容積Ｖ１は、少しの時間開口したままであり、容積Ｖ１と容積Ｖ２との間のより多量の燃料の移動と混合とを可能にする。次に垂直構造部材１４が、再係合して容積Ｖ１を密封した後、工具９０は点火される。
【００４４】
装置５０のコンパクトな構造は、その改良された燃焼速度特性により、工具８０におけるピストン遅延化装置に対する必要性を免れさせる。本発明の改良された構成は、工具８０を形成するために必要な材料の量を減少させもする。本発明により経験された短縮された燃焼時間は、チャンバ壁への熱損失の減少を追加的に引き起こす。熱損失によって引き起こされるマイナスの効果は、ファン３４の作動によってなお更に改善され、前記ファン３４は工具８０の内部構成部品を追加的に冷却する。装置５０の改良された流れと循環は、使用者がチャンバ１２の中にスパークを生み出すことなく工具８０を作動させた場合、燃焼チャンバ１２のあふれを防ぐように働く。
【００４５】
本技術分野に知識を有するものは、本発明におけるような燃焼装置が、ピストンを駆動する他の機器、もしくは燃焼装置によって駆動される装置一般に有効に採用され得ることを知らされる。本発明の燃焼機構の詳細な実施例が示されそして説明されてきたが、より広い態様にありかつ特許請求の範囲に記載した本発明から逸脱することなく変更及び修正が行われてもよいことが、本技術分野に知識を有する者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ａは、本機構の好適な実施例の概略縦断面図である。
図１ｂは、本機構の別の実施例の概略縦断面図である。
【図２】図２は、本発明の水平構造部材の平面図である。
【図３】図３は、本発明の機構を採用している二チャンバシステムの概略縦断面図である。
【図４】図４は、本発明の他の実施例の断面図である。
【図５】図５は、本発明の更なる実施例の断面図である。
【図６】図６は、本発明の燃焼チャンバの部分断面図であり、中央に配置された火炎ジェットポートの特徴を示している。
【図７】図７ａ〜ｄは、本発明の超音速ノズルの部分概略断面図である。
【図８】図８は、図２で示された二チャンバシステムの部分断面図であり、本発明の再循環の特徴を示している。
【図９】図９は、本発明の二チャンバ装置を採用している工具の概略縦断面図である。
【図１０】図１０は、図９に示された工具の他の実施例の概略縦断面図である。
【図１１】図１１は、図１０に示された工具の概略縦断面図であり、本発明の掃気の特徴を示している。
【図１２】図１２は、図１１に示された工具の他の実施例の概略縦断面図である。
【符号の説明】
１４…垂直構造部材
１６…水平構造部材
１８…水平構造部材
３４…ファン
３６…点火源
３８…火炎ジェットポート
４０…再循環ポート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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