JPH08178092A

JPH08178092A - 自由ピストン衝撃管／トンネル用のピストン解放弁

Info

Publication number: JPH08178092A
Application number: JP7235447A
Authority: JP
Inventors: Jr John J Lacey; ジョン・ジェイ・ラーシー・ジュニアー; Bruce C Lindahl; ブルース・シー・リンダール
Original assignee: Aero Systems Engineering Inc
Current assignee: Calspan Aero Systems Engineering Inc
Priority date: 1994-09-13
Filing date: 1995-09-13
Publication date: 1996-07-12
Also published as: US5505081A; FR2724456B1; FR2724456A1

Abstract

(57)【要約】【課題】ピストンを解放する高速度のピストン解放弁
を備える、改良に係る自由ピストン衝撃管／トンネルを
提供すること。【解決手段】ピストン１１を解放してピストンショッ
トを開始させる高速度弁を備える自由ピストン衝撃管／
トンネル１２である。本発明の更に別の特徴は、圧縮管
１０から衝撃管内に圧力を解放する高速度弁を備える自
由ピストン衝撃管／トンネル１２である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、全体として、自由
ピストン衝撃管／トンネルに関し、より具体的には、シ
ョットを開始するときにピストンを解放する、改良に係
る高速度の弁組立体を備える自由ピストン衝撃管／トン
ネルに関する。本発明の更なる特徴は、ピストンの下流
にて高圧のガスを解放し得るように設計され、また、従
来のダイヤフラムを不要にし得るように設計された高速
度の弁組立体である。

【０００２】

【従来の技術】自由ピストン管／トンネルは、１９５０
年代以降から存在している。かかる衝撃管／トンネル
は、その作動中、所望の時間又は試験時間に亙って試験
箇所で極めて高温度及び高圧力の衝撃波を発生させるこ
とが出来る。自由ピストン衝撃／トンネルは、主とし
て、ロケットの先端コーン、スペースに再突入する乗
物、超音速旅客機等に対する空気力学的試験状態を発生
させるために使用される。

【０００３】一般に、自由ピストン衝撃管／トンネル
は、ヘリウムのような圧縮ガス又は駆動ガスを保持する
細長で略円筒状の圧縮管を備えている。この圧縮管は、
通常、所定の破断圧力を有するダイヤフラムによってそ
の一端が閉鎖されている。圧縮ピストンがこの圧縮管内
に保持されており、また、該圧縮ピストンは、管のピス
トン端部からダイヤフラムの端部に向けて動き得るよう
にされている。ダイヤフラムから離れた試験端部を有
し、また、大気のような低圧の被動ガスが装荷された細
長の衝撃管がこの圧縮管のダイヤフラム端部に接続され
る。ピストンが圧縮管のピストン開始端部からダイヤフ
ラム端部に向けて動くと、圧縮管内のガスが圧縮されて
圧力を発生させ、その結果、ダイヤフラムを破断させ
る。このダイヤフラムの破断により、圧縮ガスは、その
破断したダイヤフラムを通って進み、接続した衝撃管内
に入って衝撃波を発生させる。この衝撃波は、衝撃管内
を動く間に、被動ガスを圧縮することにより、試験箇所
で所望の試験状態を発生させる。この試験トンネルの場
合、圧縮されたガスは、最終的な試験箇所に設けられた
ノズルによって更に処理される。

【０００４】従来の自由ピストン衝撃管／トンネル内の
ピストンは、ピストンの後方に導入された圧縮ガスによ
って駆動される。このピストンがダイヤフラムに向けて
圧縮動作する間に、圧縮管内のガスを２，０００ａｔｍ
以上の圧力まで圧縮することが出来る。その結果、衝撃
管内に衝撃波が生じ、この衝撃波のため、温度１２，０
００Ｋ、圧力３，０００ａｔｍの被動ガスの試験状態を
発生させることが出来る。

【０００５】４０年以上に亙って自由ピストン衝撃管／
トンネルが使用されていること、また、その作用をより
完全に理解し、更に、自由ピストン衝撃管／トンネルの
性能を最適にすることを目的とする不断の研究が為され
るにも拘わらず、その全体的な構造は、大きく変更され
ていない。典型的な自由衝撃トンネルは、レイモンド・
ストーカー（ＲａｙｍｏｎｄＳｔａｌｋｅｒ）によ
る、ＰＣＴ国際公開第Ｗ０８９／０２０７１号に開示さ
れている。自由ピストン衝撃管／トンネルの性能及び作
用に関する公開された研究には、次のものがある。即
ち、１９８３年８月の第１４回衝撃管及び衝撃波に関す
る国際シンポジウム（１４ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏ
ｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍＯｎＳｈｏｃｋＴｕ
ｂｅｓＡｎｄＳｈｏｃｋＷａｖｅｓ）にてＮ．
Ｗ．ページ（Ｐａｇｅ）及びＲ．Ｊ．ストーカー（Ｓｔ
ａｌｋｅｒ）が報告書第１１８頁に発表した、「自由ピ
ストン駆動衝撃管における圧力損失（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ＬｏｓｓｅｓＩｎＦｒｅｅＰｉｓｔｏｎＤｒｉ
ｖｅＳｈｏｃｋＴｕｂｅｓ）」という表題の論文、
及び、１９８８年カリフォルニア技術協会（Ｃａｌｉｆ
ｒｏｎｉａＩｎｓｔｉｔｕｔｅＯｆＴｅｃｈｎｏ
ｌｏｇｙ）のＧＡＬＣＩＴにてハンズ・Ｇ・ホルナン
（ＨａｎｓＧ．Ｈｏｒｎｕｎｇ）が発表した「衝撃管
及びトンネル用の自由ピストンを駆動するときのピスト
ンの動作（ＴｈｅＰｉｓｔｏｎＭｏｔｉｏｎＩｎ
ＡＦｒｅｅＰｉｓｔｏｎＤｒｉｖｅＦｏｒ
ＳｈｏｃｋＴｕｂｅｓＡｎｄＴｕｎｎｅｌｓ）」と
いう表題の論文がある。また、自由衝撃管／トンネルの
技術は、レイシー（Ｌａｃｅｙ）その他の者に付与され
た米国特許第５，１１５，６６５号及び同第５，２４
５，８６８号に開示されたものがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】装置が機能する上で重
要である自由ピストン衝撃管／トンネルの二つの部分に
は、ピストンを解放してショットを開始するため圧縮管
のピストン端部に設けられる機構と、ピストンの下流に
て高圧ガスを解放するためダイヤフラム端部に設けられ
る従来のダイヤフラムの形態による機構とがある。

【０００７】ショットを開始するためにピストンを解放
することは、通常、ピストンの上流側に圧力を加えて、
ピストンが僅かに下流に動くようにすることで行われ
る。かかる動きにより、多数の穴が露出され、その結
果、高圧リザーバからの高圧の空気がピストンの上流の
スペースに急激に流動することが可能となり、これによ
り、ピストンの速度を加速し、ピストンに高速度が付与
される。かかる従来の機構の実施例は、ピストンの一部
を多数の穴の上方に配置し、その穴上流及び下流の双方
にシールを提供し、これにより、高圧リザーバのガス
が、これらの穴を通って流れないようにしてある。これ
らの穴は、組立体に設ける場合、圧縮管よりも小さくし
て、ピストンの密封面がピストンの内側となるように
し、又は、これらの穴は、ピストンの上流伸長部に設け
る場合も圧縮管の直径よりも小さくてよい。更に、これ
らの穴は、圧縮管自体の直径部分に形成することも出来
る。その何れの場合でも、絞り開口部を通って流れると
き、流動圧力は低下し、その結果、性能が低下する。こ
の組立体は、流れを促進し得るように圧縮管と少なくと
も同じ大きさとすることが有利である。更に、従来の構
造体のピストンは、一方が上流端付近にあり、駆動シー
ルが下流端付近にある二つのシールで密封される。下流
の駆動シールは、ピストンと共に動いて、ピストンが動
く間に、圧縮管の内径部分に押し付けられる。その結
果、シールが摩耗し、ピストンの上流側に塵埃が付着す
る。その結果、従来の衝撃管／トンネルの場合、高圧リ
ザーバの装荷中にシールには高圧が作用するため、各シ
ョットの後にシールを交換しなければならない。故に、
高圧リザーバ内の圧力を完全に活用し、また、駆動シー
ルを反復的に使用することを可能にして、ショットを開
始するときにピストンを解放する、改良に係る機構が、
当該技術分野で課題とされている。

【０００８】装置の作用を決める上で重要である自由ピ
ストン衝撃管／トンネルの第二の部分は、圧縮管から高
圧を衝撃管内に解放するため圧縮管のダイヤフラムに設
けられた機構である。これは、従来、所定の破断圧力に
て破断し得るような設計とした金属製ダイヤフラムを提
供することで行われていた。かかる破断が生ずると、高
圧ガスは、空気圧の衝撃過程を経て、圧縮管から加速さ
れて破断したダイヤフラムの開口部を通って衝撃管に入
る。現在、使用されている金属製ダイヤフラムには、幾
つかの欠点がある。その第一は、これらダイヤフラム
は、極めて高価格であり、しかも一回しか使えないこと
である。その第二は、殆どの場合、ダイヤフラムの破断
は比較的ゆっくりとした速度で生じ、また、最初に破断
する部分は比較的小さい部分である。この最初の破断に
より、弱い衝撃となり、完全な強さの衝撃は、衝撃管の
下方部分でしか生じない。ダイヤフラム端部に設けた機
構の全体が瞬間的に破断し、これにより、直ちに完全な
強さの衝撃を発生させることが理想的である。その第三
は、ダイヤフラムが完全に破断する場合でも、衝撃管の
破断部の面積は小さいことである。上記の理想を実現す
るためには、より高圧の破断圧力を作用させ且つ／又は
より大きい衝撃管の破断部となるようにしなければなら
ない。その他の代替的な形態によれば、ダイヤフラムの
問題点はより複雑化し、取扱いが難しくなる、また、第
四は、ダイヤフラムが破断するとき、その破断したダイ
ヤフラムの小さい破片が放出されて、衝撃管の端部まで
下流に動く可能性があることである。大形の高圧衝撃管
／トンネルの場合、これらの破片によって著しく損傷す
る虞れがある。

【０００９】故に、改良に係る自由ピストン衝撃管／ト
ンネル、特に、ピストンを解放して、ショットを開始さ
せる、改良に係る機構、及び高圧ガスを圧縮管から解放
して、衝撃管内に流れるようにする、改良に係る機構の
開発が課題とされている。

【００１０】故に、本発明の一つの目的は、ピストンを
解放する高速度のピストン解放弁を備える、改良に係る
自由ピストン衝撃管／トンネルを提供することである。

【００１１】本発明のもう一つの目的は、装荷工程中、
ピストン駆動シールを高圧リザーバから隔離する、衝撃
管／トンネル用のピストン解放弁を提供することであ
る。

【００１２】本発明のもう一つの目的は、弁が開放した
とき、高圧リザーバをピストンの後端に直ちに露出させ
る、高速度のピストン解放弁を提供することである。

【００１３】本発明の更に別の目的は、自由ピストン衝
撃管／トンネル内で従来のダイヤフラムに取って替わる
べき高速度の弁を提供することである。

【００１４】本発明のもう一つ別の目的は、ダイヤフラ
ムの使用を不要にし、また、多数回のショットのため繰
り返して使用することの出来る高速度の弁を圧縮管のダ
イヤフラム端部に提供することである。

【００１５】本発明の更に別の目的は、改良に係る高速
度のピストン解放弁及び改良に係る高速度のダイヤフラ
ム弁を備える、自由ピストン衝撃管／トンネルを提供す
ることである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】従来の技術と異なり、本
発明は、ピストンに設けられたシール、即ち、ピストン
を密封するシールに代えて、ピストンの上流側に設けら
れた高速度弁組立体を提供する。この高速度弁は、高圧
チャンバの装荷中、高圧リザーバ内の圧力に対抗する、
弁制御チャンバ内の圧力によって、その閉位置に保持さ
れている。本発明によるピストン解放弁の構造におい
て、かかる弁の開放により、直ちに、高圧チャンバとピ
ストンの後端とが連通する。更に、本発明のピストン解
放弁の構造は、装填工程中にピストンと圧縮管との間の
駆動シールが高圧リザーバに露呈されないように構成さ
れている。このため、この弁は、ピストンが圧縮管に沿
って動くことに起因する悪影響に耐えることが出来、ま
た、これにより、その反復的な使用を促進する。また、
そのため、各ショットの後に、ピストンを取り外すこと
が不要となる。それと反対に、再使用のため、圧力又は
負圧によってピストンを圧縮管の内側に沿ってピストン
端部まで動かすことが出来る。

【００１７】本発明の更に別の特徴は、従来のダイヤフ
ラムに取って替わり、また、ダイヤフラムの使用に伴う
上述の欠点の多くを解消し得る設計とした高速度の弁組
立体を圧縮管のダイヤフラム端部に設けることである。
その利点の第一は、本発明によるダイヤフラム弁は、交
換せずに繰り返し使用することが出来、このため、各シ
ョット後に交換しなければならないダイヤフラムを使用
する場合と比べて、コストの著しい削減が可能となる点
である。第二に、本発明のダイヤフラム弁は、従来のダ
イヤフラム機構よりも速くはないにしても、少なくとも
同程度の速さの開放速度を提供する。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の上記及びその他の目的
は、添付図面を参照し、また、好適な実施例に関する以
下の詳細な説明及び特許請求の範囲の記載を読むことに
より明らかになるであろう。

【００１９】先ず、本発明の細長の自由ピストン衝撃管
／トンネルの側面図を示す図１の全体について説明す
る。図示するように、この衝撃管／トンネルは、細長の
圧縮チャンバ１０と、適宜の接続カラー１６を介して圧
縮管１０と端部同士が接続された細長の衝撃管１２とを
備えている。自由ピストン１１は、管１０内のガスを圧
縮する目的にて、圧縮管１０の一端からその他端まで動
き得るようにしてある。

【００２０】好適な実施例において、該圧縮管１０は、
略円筒状の形状であり、第一の端部即ちピストン端部１
８から第二の端部、即ちダイヤフラム端部１９まで伸長
している。即ち、該圧縮管１０は、高強度鋼で形成さ
れ、また、必要とされる短時間、２，０００大気圧の圧
力及び７，０００Ｋの温度に耐えるのに十分である。ピ
ストン端部１８付近の圧縮管１０の一部は、ピストン１
１をその限界速度まで加速する圧縮ガスを保持する目的
のため高圧リザーバ２０により囲繞されている。圧縮管
１０の実際の長さは、衝撃管／トンネルの設計により決
まる。一般に、本発明の構造体における圧縮管の長さ
は、少なくとも３３ｍであると考えられる。好適な実施
例において、該圧縮管１０は、複数の圧縮管部分２１で
形成される状態で示してある。これらの部分は、当該技
術分野で公知の方法にて、対応する割型ハブクランプ２
２により相互に接続されている。該圧縮管１０には、ピ
ストンの移動中、略半一定の断熱膨張が可能なヘリウム
のような駆動ガスが充填されている。しかしながら、各
種のその他のガスを使用することが出来る。ピストンの
開放前、圧縮管内のヘリウムの圧力は、約３０ｐｓｉに
保たれる。

【００２１】圧縮管１０のピストン端部１８には、閉鎖
ヘッド２４と、ピストン１１を解放してショットを開始
する高速度の弁組立体２５の形態による機構とが設けら
れている。弁組立体２５の好適な構造の詳細は、図２、
図３及び図４に最も良く示してある。図示するように、
閉鎖ヘッド２４は、その一端が高圧リザーバ２０に接続
され、また、その他端がカラー２８を介して終端ヘッド
２６に接続されている。Ｏ−リング２９の形態による密
封手段が閉鎖ヘッド２４と終端ヘッド２６との間に設け
られており、これら要素間のシールを形成する。

【００２２】弁組立体２５は、閉鎖ヘッド２４内に取り
付けられた弁スリーブ組立体２７と、圧縮管１０の端部
１８と弁スリーブ組立体２７との間を伸長する、協働可
能な弁体組立体３３とを備えている。弁スリーブ２７及
び弁体３３は、高圧リザーバ２０からピストン１１の後
部領域４１までの高圧力の流れを促進することにより、
ピストンを解放してピストンのショットを開始させる働
きをする。

【００２３】弁スリーブ組立体２７は、略管状の形状で
あり、また、該弁スリーブ組立体は、閉鎖ヘッドの内面
と箇所２４で緊密に嵌り係合する円筒状外面３１を有す
る、環状の外側スリーブ部分３０を備えている。該表面
３１の後端は、Ｏ−リング２９を介して閉鎖ヘッド２４
及び終端ヘッド２６に対し密封されている。環状の外側
シール部分３０は、第一の円筒状内面３２と、該内面３
２の後方に位置し、より小径である、第二の円筒状内面
３４とを備えている。以下に更に詳細に説明するよう、
これらの内面３２、３４は、弁体３３の対応する部分を
受け入れ得る寸法としてある。これらの内面３２、３４
は、弁体３３の後方への最大移動距離を規定する肩部３
５により分離されている。

【００２４】また、弁組立体２７は、円筒状外面３８
と、円筒状内面４４とを有する環状の内側スリーブ部分
３６を備えている。該外面３８は、弁体３３の一部と密
封係合するＯ−リングシール４８をその前端付近に備え
ている。また、該外面３８には、弁体３３の後方部分と
密封し得るように外面３８の外周に沿って伸長する一対
のＯ−リングシール４９、４９が設けられている。これ
らのＯ−リングシール４９、４９は、面３８、４４の間
を伸長し且つチャンバ３７、４０を接続する、複数の絞
りポート３９の両側部に配置されている。

【００２５】弁スリーブ組立体２７の前端には、閉鎖壁
５０が設けられており、該閉鎖壁はＯ−リングシール５
１により環状スリーブ３６の前端に密封状態に接続され
ている。弁スリーブ組立体２７の後端には、後部閉鎖壁
５２が設けられている。該後部閉鎖壁５２は、スリーブ
３６の内面４４及び前部閉鎖壁５０の内面と共に、空気
排出容積、即ちチャンバ４０を形成して、以下に更に詳
細に説明するように、弁体３３の後方への動きを緩衝す
るのに役立つ。

【００２６】後部閉鎖壁５２及び終端ヘッド２６には、
それぞれチャンバ３７、４０と連通する通気口４５、４
６が設けられている。具体的には、通気口４５は、チャ
ンバ３７から圧力を選択的に解放し、これにより、弁体
３３が後方に動くのを可能にし、また、これに対応して
高圧リザーバ２０とピストン１１の後部領域４１とを連
通させる働きをする、ピストンの作動通気口である。該
通気口４５には、チャンバ３７からの圧力の解放を選択
的に制御する適当な弁が設けられている。また、高圧リ
ザーバ２０に装荷する前に、この通気口４５を使用して
チャンバを所定の圧力まで装荷することも出来る。該通
気口４６は、空気排出チャンバ４０内で所望の圧力を設
定する制御通気口である。所望であれば、チャンバ４０
内に圧力を提供し、更に、所望であれば、チャンバ４０
から圧力を解放する圧力制御手段５５が通気口４６に接
続されている。一般に、空気排出チャンバ４０内の初期
圧力は、略大気圧である。

【００２７】弁体組立体３３は、環状の中央弁体部分５
６と、略環状の後方弁体部分５７と、略環状の前方弁体
部分５８とを備えている。該中央弁体部分５６は、円筒
状外面５９を備えている。該外面５９には、スリーブ３
０の円筒状内面３２と密封係合するＯ−リングシール４
２が設けられている。また、中央弁体部分５６は、スリ
ーブ３６のＯ−リングシール４８と密封係合し得るよう
にした円筒状内面６０を備えている。

【００２８】前方弁体部分５８は、中央弁体部分５６と
一体に形成されており、該前方弁体部分は、該中央弁体
部分から前方に伸長している。該前方弁体部分５８は、
円筒状外面部分６２と、中央弁体部分５６の円筒状内面
部分６０の伸長部である円筒状内面部分とを備えてい
る。円筒状外面６２には、圧縮管１０の円筒状内面に対
して密封するＯ−リングシール６４が設けられている。
前方弁体部分５８は、前端６５を有し、該前端の表面領
域には、ピストン１１の後部領域４１内の圧力が作用し
て、弁体組立体３３を後方に付勢する。円筒状外面６２
と円筒状外面５９との間を肩部６１が伸長する。該肩部
６１の表面領域は、弁体組立体３３を図４に示した開放
位置に向けて後方に付勢する傾向の高圧リザーバ２０内
の圧力に応答する。

【００２９】後方弁体部分５７は、中央弁体部分５６と
一体に形成されており、また、該後方弁体部分は中央弁
体部分から後方に伸長する。後方弁体部分５７は、円筒
状外面６６と、一対の円筒状内面６７、６８とを備えて
いる。図３及び図４に最も良く示すように、円筒状内面
６７は、スリーブ３６の外面３８から外方に離間されて
いる一方、円筒状内面６８は、外面３８に近接する位置
にあり、該円筒状内面は、Ｏ−リングシール４９と密封
係合可能である。

【００３０】絞りポート３９よりも大きい複数の連通ポ
ート６９が、弁体部分５７の外周に沿って形成されてい
る。これらの連通ポート６９は、面６７、３８間にてチ
ャンバ３７と領域４３とを連通させ、また、弁が図４に
示した開放位置にあるとき、最終的にポート３９を介し
てチャンバ４０と連通させる働きをする。弁体部分５７
の後端には、端部壁７０が設けられており、チャンバ３
７内の圧力がこの端部壁に作用して、弁体組立体３３を
閉位置に向けて前方に付勢する。肩部７１は、中央弁体
部分５６の円筒状外面５９及び後方弁体部分５７の円筒
状外面６６を接続する。作動中、チャンバ３７内の圧力
が肩部７１に作用して、弁体組立体３３を閉位置に向け
て付勢する。

【００３１】図３及び図４に最も良く図示するように、
圧縮管１０の円筒状内面は、半径Ｒ₁を有する一方、円
筒状内面６０、６８は半径Ｒ₂を、また、円筒状外面５
９は半径Ｒ₃を有する。これらの特定の半径Ｒ₁、Ｒ₂、
Ｒ₃は、チャンバ３７、４０及びリザーバ２０内の圧力
が弁体組立体３３に作用する箇所である、該弁体組立体
３３の各種の表面領域を画成する点で、本発明の弁組立
体２７の機能上、重要である。

【００３２】従って、図２、図３及び図４に示した弁組
立体は、管１０の内面１７から成る第一の密封面と、面
３２の形態による第二の密封面とを備えている。この面
３２は、第一の密封面から離間されており、第一の密封
面と第二の密封面との間の通路、即ち、圧縮管の端部１
８とスリーブ３０の前端との間の領域を画成する。弁体
３３は、面５９、６２の形態の第三の密封面と、それぞ
れ面１７、６２間、及び面３２、５９間に密封係合する
第一の密封部材６４及び第二の密封部材４２とを備えて
いる。

【００３３】弁体３３は、図３に示した閉位置と図４に
示した開放位置との間で移動可能である。この閉位置に
あるとき、密封部材６４は、面１７、６２間に密封係合
する位置にあり、また、密封部材４２は、面３２、５９
間に密封係合する位置にある。密封部材６４は、開放位
置にあるとき、面１７、６２と密封係合しない状態とな
る。

【００３４】図２、図３及び図４に示した弁組立体の詳
細な構造体について説明したが、次に、その作用につい
て以下に説明する。上述のように、弁体組立体は、図３
に示した閉位置と図４に示した開放位置との間で移動可
能である。この閉位置にあるとき、Ｏ−リング６４は、
圧縮管１０の内面１７に密封される一方、Ｏ−リングシ
ール４２、４８は、中央弁体部分５６の円筒状面３２、
６０にそれぞれ密封される。従って、弁体組立体３３が
その閉位置にあるとき、弁体組立体３３を開放位置に向
けて付勢する圧力は、完全に装荷したとき、３，０００
ｐｓｉ以上ともなる高圧リザーバ２０内の圧力、及びチ
ャンバ４０内の圧力を含む。リザーバ２０内の圧力は、
肩部６１の表面領域に作用する一方、一般的に、約３０
ｐｓｉであるチャンバ４０内の圧力は、端部６５の表面
領域に作用する。弁がその閉位置にあるとき、該弁を閉
鎖状態に保つ作用をする圧力は、弁体の背面、即ち、壁
面７０及び肩部７１に作用するチャンバ３７内の圧力を
含む。即ち、装荷工程中に弁体組立体３３をその閉位置
に保つべくチャンバ３７内に保持される圧力は、少なく
とも約１，５００ｐｓｉである。

【００３５】高圧リザーバ２０が所望の圧力まで完全に
装荷され、ピストンがショットの用意が整った後、弁体
３３を後方に動かすことで弁スリーブ組立体２７を開放
し、Ｏ−リング６４が圧縮管１０の後端１８から後方に
動くようにする。この後方への動きは、弁５４を開放
し、チャンバ３７の内部から圧力が解放されるようにし
て行われる。この場合、肩部６１及び壁６５に作用する
圧力は、面７０、７１に作用するチャンバ３７内の圧力
を上廻り、その結果、弁組立体３３をその開放位置に向
けて後方に動かす。Ｏ−リング６４が圧縮管１０の後端
１８を通過すると直ちに、リザーバ２０からの高圧力
は、チャンバ４０内で膨張してピストンの後部に達す
る。このチャンバ４０内の圧力は、ピストンを加速し始
めるが、これと同時に面６５の全体に作用して、弁体組
立体３３を急速に図４に示したその完全な開放位置まで
動かし、これにより、略瞬間的に、高圧リザーバ２０と
ピストンの後部の領域４１とを連通させる。

【００３６】弁体３３が後方に動くと、内面６８がシー
ル４９を経て移動し、これにより、チャンバ４０から空
所領域４３への絞りポート３９を開放し、これにより、
連通ポート６９を介して、チャンバ３７を開放する。こ
れらのポート３９、６９は、空気排出チャンバ４０が存
在することと相俟って、弁組立体３３が肩部３５から閉
位置に向けて急激に動くことがないように弁体組立体の
後方への移動を緩衝するのに役立つ。

【００３７】高圧リザーバ２０を装荷する工程の全体に
て、ピストン１１と圧縮管１０の内面１７との間の駆動
シール４７は、高圧リザーバ２０内の圧力の作用を受け
ないことに留意すべきである。このため、ピストンが反
復的にショットするとき、ピストンが圧縮管１０に沿っ
て移動する間に、顕著に摩耗するのも拘わらず、このシ
ールを使用することが可能である。

【００３８】ピストンのショットが完了した後、本発明
の弁組立体は、図３に示した位置までピストン１１を圧
縮管１０に沿って後方に移動させることにより、該ピス
トン１１がその最初の開始位置に戻ることを可能にす
る。これは、各種の方法で行うことが出来る。その一つ
の方法は、チャンバ４０内に負圧を作用させ、ピストン
１１がダイヤフラム端部からその開始位置に戻るように
することである。図５及び図６に図示し且つこれらの図
面に示した実施例に関して説明したように、負圧は、負
圧ポートを通じて付与することが出来る。チャンバ３７
内の圧力は、所望のレベルまで上昇させ、また次のショ
ットのため、高圧リザーバ２０の装荷を繰り返すことが
出来る。

【００３９】本発明の改良に係るピストン開放弁の更に
別の実施例が図５及び図６に示してある。この更なる実
施例の構造体は幾つかの点で図２、図３及び図４の構造
体とは異なるが、その作用は極めて類似している。図５
及び図６の構造体は、中央に配置された円筒状開口部７
５を有する端部閉鎖体７４を備えている。図５及び図６
の弁組立体は、高圧リザーバ２０の後端の円筒状内面７
６から成る外側スリーブ部分を備えている。内側弁スリ
ーブは、閉鎖体７４の開口部７５の円筒状内面により形
成される。

【００４０】弁体組立体は、前方弁体部分７８と、後方
弁体部分７９とを備えている。前方弁体部分７８は、ス
リーブ面７６と密封係合するＯ−リングシール８１を有
する円筒状外面８４を備えている。また、前方弁体部分
７８には、圧縮管１０の円筒状内面に対して密封するＯ
−リングシール８２が設けられた環状のリセス領域８５
が設けられている。また、弁体部分７８には、圧縮管１
０の内側の断面表面領域の略全体から成る圧力受け取り
前面８０が設けられている。後方弁体部分７９には、ス
リーブ７５の円筒状内面に対して密封するＯ−リングシ
ール８６が設けられている。弁体部分７８の背面８８
は、閉鎖体７４の前壁部分及びスリーブ内面７６と共
に、チャンバ８９を画成する。チャンバ８９内の圧力
は、面８８に作用して、弁体組立体を図５に示した閉位
置に向けて付勢する。高圧リザーバ２０を装荷する前
に、通気口９０を介してチャンバ８９内に圧力を導入
し、リザーバ２０を装荷する間に弁体７８をその閉位置
に保つ。リザーバ２０が完全に装荷され、ピストン１１
がショットを行う用意が整ったならば、通気口９０から
圧力を解放する。弁体部分７８の前端の表面部分９３に
作用する圧力リザーバ内の圧力が、特定の時点で、面８
８に作用するチャンバ８９内の圧力を上廻り、その結
果、弁体組立体は、図６に示した開放位置に向けて後方
に移動する。Ｏ−リングシール８２が圧縮管１０の後端
１８の後方に動くと、直ちに、高圧リザーバ２０内の圧
力が弁体７８の前面８０の全体に作用する。その結果、
弁体７８が瞬間的に後方に動いて、弁は完全に開放す
る。そのため、高圧リザーバ２０内の圧力は、完全に且
つ直ちにピストン１１の背面に作用する。

【００４１】また、ピストンがその所望の開始位置に達
したことを判断するピストン感知手段９１と、及びショ
ットの完了後に、選択的に作動させて、ピストン１１を
圧縮管１０に沿って後方に引き寄せ、ピストン１１をそ
の開始位置にすることの出来る負圧通気口９２とが図５
及び図６の実施例に示してある。

【００４２】本発明の更に別の特徴は、高圧力を圧縮管
１０の内部から衝撃管１２内に解放すべく圧縮管１０の
ダイヤフラム端部に高速度弁を提供することである。こ
の高速度弁は、図７及び図８に最も良く示してあり、通
常、圧縮管１０の端部と衝撃管１２との間に配置され
る、従来のダイヤフラムに取って代わり得るように設計
されている。かかるダイヤフラムは、通常、所定の圧力
にて破断し、圧縮管１０内の圧力が衝撃管１２内に解放
される。

【００４３】図示するように、該弁は、ハウジング後部
壁９４と、該後部壁９４から前方に伸長する略円筒状の
弁スリーブ９５とを有する弁ハウジング９３を備えてい
る。該弁ハウジング９３は、該ハウジング９３の外周に
沿って配置された複数の支柱９６により圧縮管１０内の
中央に懸架されている。また、この高速度弁は、前方弁
体部分９９と、後方弁体部分１００とから成る弁体９８
を備えている。前方弁体部分９９は、衝撃管１２の円筒
状内面と密封係合し得るようにしたＯ−リング１０１を
備える一方、後方弁体部分１００は、スリーブ９５の円
筒状内面１０４と密封係合するＯ−リング１０２を備え
ている。前方弁体部分９９には、前部壁１０５が設けら
れる一方、後方弁体部分１００には、後部壁１０６が設
けられる。該後部壁１０６は、壁９４の内面及びスリー
ブ９５の内面１０４と共に、弁制御チャンバ１０８を画
成する。圧力供給又は排出ポート１０９は、チャンバ１
０８への圧力の提供、又はチャンバからの圧力の排出を
選択的に行う手段１１０までスリーブ９５から圧縮チャ
ンバを通って伸長している。

【００４４】図７の弁体９８は、Ｏ−リング１０１が衝
撃管の伸長部１１１の端部１０３の下流に位置する図７
に示した閉位置と、Ｏ−リング１０１が衝撃管の伸長部
１１１の端部１０３の後方に移動する開放位置との間で
移動可能である。最初に、ピストンのショット前に、弁
体９８に作用する力は、弁を閉じる傾向の面１０６に作
用するチャンバ１０８内の圧力と、面１１２に作用する
圧縮管１０内の圧力と、更に、弁を開放する傾向の面１
０５に作用する衝撃管１２内の圧力とを含む。ピストン
のショット前に、チャンバ１０８内の圧力は、約１，５
００ｐｓｉまで装荷される一方、圧縮管１０内の圧力は
約３０ｐｓｉであり、また、衝撃管内の圧力は約大気圧
である。

【００４５】図７に示した高速度ダイヤフラム弁の構造
について説明したが、次に、その作用について説明す
る。ピストンのショット前に、チャンバ１０８は、所望
のレベルまで加圧される。上述のように、これは、一般
に１，５００ｐｓｉ以内又はそれ以上の範囲である。ピ
ストンが解放されると、ピストンがダイヤフラム端部に
向けて動くのに伴い、圧縮管１０内の圧力が急激に上昇
する。この圧縮管１０内の圧力は、面１１２に作用して
チャンバ１０８内の圧力に抗して弁体９８を開放位置に
向けて後方に動かす傾向となる。弁体９８が後方に動く
距離が長ければ長い程、チャンバ１０８内の圧力は高圧
となり、また、弁体９８を更に動かすために必要な力が
一層、増大する。弁を開放させるのを必要な弁体９８の
移動距離は、Ｏ−リング１０１と衝撃管の伸長部１１１
の内端１０３との間の距離「ｘ」により決まる。適正な
距離「ｘ」を選択し且つチャンバ１０８内の適正な初期
圧力を選択することにより、弁を開放させるのに必要な
圧縮チャンバ１０内の圧力及び該弁を開放させるのに必
要な時間を設定することが可能となる。このように、特
定の距離「ｘ」、チャンバ１０８の寸法及び該チャンバ
１０８内の初期圧力は、弁を開放させるのに必要な時間
及び弁を開放させるのに必要な圧力を制御するパラメー
タである。

【００４６】上記の好適な実施例の説明は極めて具体的
ではあるが、本発明の精神から逸脱せずに、この好適な
実施例に各種の変更を加えることが可能である。従っ
て、本発明の範囲は、上記の好適な実施例の説明ではな
くて、特許請求の範囲の記載によって判断されるべきで
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】１ａは、本発明による自由ピストン衝撃管／ト
ンネルの一部断面図とした側面図である。１ｂは、図１
ａと同様の一部断面図とした側面図である。１ｃは、図
１ａと同様の一部断面図とした側面図である。

【図２】一部を切り欠いた、本発明によるピストン解放
弁組立体の斜視図である。

【図３】弁の外面から対称中心まで垂直面によって切断
した、弁が閉位置にあるときの図２のピストン解放弁の
部分断面図である。

【図４】弁が開放位置にあるときの図３と同様の図であ
る。

【図５】中心対称に沿って垂直面により切断した、ピス
トン解放弁の別の実施例の部分断面図である。

【図６】弁が開放位置にあるときの、図５と同様の断面
図である。

【図７】弁が閉位置にあるときの圧縮管のダイヤフラム
端部に設けられた本発明による高速度弁の断面図であ
る。

【図８】弁が開放位置にあるときの、図７と同様の断面
図である。

【符号の説明】

１０圧縮管１１ピストン１２衝撃管１６接続カラー１７内面１８ピストン端
部１９ダイヤフラム端部２０高圧リザー
バ２１圧縮管部分２２割型ハブク
ランプ２４閉鎖ヘッド２５弁組立体２６終端ヘッド２７弁スリーブ
組立体２８カラー２９Ｏリング３０環状の外側スリーブ部分３１円筒状外面３２第一の円筒状内面３３弁体組立体３４第二の円筒状内面３５肩部３６環状の内側スリーブ部分３７チャンバ３８円筒状外面３９絞りポート４０空気排出チャンバ４１ピストンの
後部領域４２Ｏリングシール４３空所領域４４円筒状内面４５、４６通気
口４７駆動シール５４弁５５圧力制御手段５６中央弁体部
分５７後方弁体部分５８前方弁体部
分５９円筒状外面６０円筒状内面６１肩部６２円筒状外面６４Ｏリングシール６５端部壁６６円筒状外面６７、６８円筒
状内面６９連通ポート７０端部壁７１肩部７４端部閉鎖体７５円筒状開口部７６スリーブ内
面７８前方弁体部分７９後方弁体部
分

フロントページの続き (72)発明者ジョン・ジェイ・ラーシー・ジュニアーアメリカ合衆国ミネソタ州55345，ミネトンカ，クリアー・スプリング・ドライブ 5105 (72)発明者ブルース・シー・リンダールアメリカ合衆国ミネソタ州55416，セント・ルイス・パーク，ゼンウッド・アベニュー 2801

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮管と、該圧縮管内に配置されたピス
トンと、高圧リザーバとを備える、自由ピストン衝撃管
／トンネル用のピストン解放弁にして、該ピストン解放
弁が、前記圧縮管及前記ピストンと連通した第一の密封面と、前記第一の密封面から離間された第二の密封面であっ
て、前記第一の密封面と該第二の密封面との間に高圧路
を画成する前記第二の密封面と、前記第一及び第二の密封面の間を伸長する第三の密封面
を有する弁体と、前記第二及び第三の密封面と密封係合し得るように該第
二及び第三の密封面の間に配置された第一密封部材と、前記第一及び第三の密封面と選択的に密封係合し得るよ
うに該第一及び第三の密封面の間に配置可能な第二の密
封部材とを備え、前記弁体が、前記第二の密封部材が前記第一及び第三の
密封面と密封係合し得るように該第一及び第三の密封面
の間に配置される閉位置と、前記第二の密封部材が前記
第一及び第三の密封面の間が非密封係合状態となる開放
位置との間で移動可能であることを特徴とするピストン
解放弁。
【請求項２】請求項１に記載のピストン解放弁にし
て、前記第二の密封面が第一の弁スリーブ部分の円筒状
内面を備えることを特徴とするピストン解放弁。
【請求項３】請求項２に記載のピストン解放弁にし
て、前記第一の弁スリーブ部分が前記圧縮管に関して固
定されることを特徴とするピストン解放弁。
【請求項４】請求項２に記載のピストン解放弁にし
て、前記第三の密封面が前記弁体の円筒状外面を備える
ことを特徴とするピストン解放弁。
【請求項５】請求項４に記載のピストン解放弁にし
て、前記第一及び第二の密封部材の少なくとも一方が前
記弁体の前記円筒状外面により支持され且つ該円筒状外
面と共に移動可能であることを特徴とするピストン解放
弁。
【請求項６】請求項１に記載のピストン解放弁にし
て、前記高圧路が前記高圧リザーバと前記ピストンとの
間を伸長し、これにより、前記弁体がその開放位置にあ
るとき、前記高圧リザーバが前記高圧路を通じて前記ピ
ストンと連通し、前記弁体がその閉位置にあるとき、前
記高圧路が閉じられるようにしたことを特徴とするピス
トン解放弁。
【請求項７】請求項２に記載のピストン解放弁にし
て、前記第一の弁スリーブ部分の前記円筒状内面から離
間され且つ第四の密封面を画成する、円筒状外面を有す
る第二の弁スリーブ部分を備えることを特徴とするピス
トン解放弁。
【請求項８】請求項７に記載のピストン解放弁にし
て、前記弁体が、前記第三の密封面を画成する円筒状外
面と、第五の密封面を画成する円筒状内面とを備え、該
弁が前記第四及び第五の密封面と密封係合し得るように
該第四及び第五の密封面の間に配置された第三の密封部
材を更に備えることを特徴とするピストン解放弁。
【請求項９】請求項８に記載のピストン解放弁にし
て、前記第一のスリーブ部分の前記円筒状内面、及び前
記第二のスリーブ部分の前記円筒状外面と連通したピス
トンの解放制御チャンバを備えることを特徴とするピス
トン解放弁。
【請求項１０】請求項９に記載のピストン解放弁にし
て、前記ピストンの解放制御チャンバ内の圧力を選択的
に制御する手段を備えることを特徴とするピストン解放
弁。
【請求項１１】請求項１０に記載のピストン解放弁に
して、前記ピストンの解放制御チャンバと選択的に連通
し得るようにした空気排出チャンバを備えることを特徴
とするピストン解放弁。
【請求項１２】請求項１に記載のピストン解放弁にし
て、前記第一及び第二の密封部材がＯ−リングシールで
あることを特徴とするピストン解放弁。
【請求項１３】圧縮管と、該圧縮管内に設けられたピ
ストンと、該ピストンの下流にて前記圧縮管に接続され
た衝撃管とを備える型式の自由ピストン衝撃管／トンネ
ル内で使用される高速度弁であって、圧縮されたガスを
前記圧縮管から前記衝撃管内に解放し得るようにした前
記高速度弁にして、該高速度弁が、前記衝撃管と連通した第一の密封面と、前記第一の密封面から離間された第二の密封面であっ
て、前記第一の密封面と該第二の密封面との間に高圧路
を画成する前記第二の密封面と、前記第一及び第二の密封面の間を伸長する第三の密封面
を有する弁体と、前記第二及び第三の密封面と密封係合し得るように該第
二及び第三の密封面の間に配置された第一の密封部材
と、前記第一及び第三の密封面と選択的に密封係合し得るよ
うに該第一及び第三の密封面の間に配置可能な第二の密
封部材とを備え、前記弁体が、前記第二の密封部材が前記第一及び第三の
密封面と密封係合し得るように該第一及び第三の密封面
の間に配置される閉位置と、前記第二の密封部材が前記
第一及び第三の密封面の間が非密封係合状態となる開放
位置との間で移動可能であることを特徴とするピストン
解放弁。
【請求項１４】請求項１３に記載のピストン解放弁に
して、前記第二の密封面が弁スリーブの円筒状内面を備
えることを特徴とするピストン解放弁。
【請求項１５】請求項１４に記載のピストン解放弁に
して、前記弁スリーブが前記衝撃管に関して固定される
ことを特徴とするピストン解放弁。
【請求項１６】請求項１４に記載のピストン解放弁に
して、前記第三の密封面が前記弁体の円筒状外面を備え
ることを特徴とするピストン解放弁。
【請求項１７】請求項１４に記載のピストン解放弁に
して、前記第一及び第二の密封部材の少なくとも一方が
前記弁体の前記円筒状外面により支持され且つ該円筒状
外面と共に移動可能であることを特徴とするピストン解
放弁。
【請求項１８】請求項１３に記載のピストン解放弁に
して、前記弁体の開放位置に向けた動きに抵抗する、選
択的に加圧されたチャンバを備えることを特徴とするピ
ストン解放弁。
【請求項１９】請求項１８に記載のピストン解放弁に
して、前記選択的に加圧されたチャンバ内への圧力の導
入及び該加圧チャンバから圧力の排出を選択的に行う手
段を備えることを特徴とするピストン解放弁。
【請求項２０】請求項１３に記載のピストン解放弁に
して、前記圧縮管内の所定の圧力に応答して前記弁を開
放させる手段を備えることを特徴とするピストン解放
弁。