JP5965082B2 - 装弾筒発射型ピストンを備えた圧力波発生器 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、圧力波を媒体中に発生させる圧力波発生器に関する。

２００年以上にもわたり、火砲又はミサイル発射機には装弾筒（サボー）発射型発射体又は飛翔体が用いられている。装弾筒の使用により、発射体を砲身から発射することができる。装弾筒は、いったん用いられると、破棄され、次に装弾筒が砲身から出るやいなや破壊され、その時点で、その機能が終わり、装弾筒発射型発射体は放出されてその軌道を進み続ける。

圧力波発生器は、圧力波を生じさせるために用いることができ、かかる圧力波は、媒体を圧縮し、この媒体に圧力波エネルギーの一部を伝え、圧力波エネルギーの集中に起因して媒体中にエネルギーを生じさせると共に／或いは媒体中に化学反応又は物理的変化を開始させるよう使用可能である。媒体は、固体であっても良く、液体であっても良く、気体であっても良く且つ／或いはプラズマであっても良い。

圧力波を媒体中に発射するために種々の方法を用いることができ、例えば媒体に連結された表面に直接的な機械的衝撃、例えばデトネーション（爆発的燃焼）、爆発、電気スパーク、強力な放射線ビーム、振動及び増幅機構体等が加えられる。

圧力波発生器の例が共通所有者の米国特許出願公開第２０１０／０１６３１３０号明細書及び国際出願（ＰＣＴ）の国際公開第２０１２／１１３０５７号パンフレットに記載されており、これら特許文献を参照により引用し、これらの記載内容全体を本明細書の一部とする。これら２つの特許文献は、１つの圧力波（又は複数個の圧力波）を媒体中に発生させる圧力波発生器の例を記載している。これら特許文献のうちの任意のものに記載されたこれら例示の圧力波発生器、発生器のコンポーネント又は発生器を作動させる方法のうちの任意のものを本明細書において説明する圧力波発生装置及び方法の実施形態に利用することができる。圧力波は、媒体を圧縮し、その温度、圧力、エネルギー、及び／又は密度を増大させるよう使用できる。媒体に連結された変換器への加速ピストンの機械的衝突によって圧力波を発生させることができる。変換器は、可動ピストンの運動エネルギーを媒体中の圧力波に少なくとも部分的に変換することができる。

圧力波発生器内のピストンは、軸受リング、シール、制御ロッド、制御ロッド取り付け具及び他の器具のための特徴が機械加工により施された調質鋼で作られるのが良い。これら特徴は、作るのに複雑である場合があり、ピストンの一様性を乱す場合があり、しかもピストンの使用の際に時期尚早な破損を招く応力集中をコーナー部及び空洞内に生じさせる場合がある。これら特徴は又、ピストンの熱処理を複雑にする場合があり、その結果、ピストンの破損、例えばピストンの熱亀裂が生じる場合がある。

米国特許出願公開第２０１０／０１６３１３０号明細書 国際公開第２０１２／１１３０５７号パンフレット

一観点では、圧力波を媒体中に発生させる圧力波発生器が提供される。圧力波発生器は、ハウジングと、ピストンと、装弾筒と、衝撃面と、装弾筒を加速する手段と、装弾筒を減速する手段とを有する。ハウジングは、内側ボア、第１の端部及び第２の端部を有する。装弾筒は、ピストンを解放可能に運搬し、この装弾筒は、ハウジングの内側ボア内で第１の端部から第２の端部に向かって動くことができる。衝突面は、媒体に連結され、この衝突面は、ハウジングの第２の端部のところに配置されると共に内側ボアと連通状態にある。装弾筒を加速する手段は、ピストンを運搬する装弾筒を衝突面に向かって加速するよう構成されている。装弾筒を減速する手段は、拘束力を装弾筒に加えることによって装弾筒を減速するよう構成され、装弾筒を減速すると、ピストンが装弾筒の先へ前方に発射され、その結果、ピストンが衝突面に衝突すると、ピストンが装弾筒から少なくとも部分的に分離されるようになる。

一観点では、ピストンの質量は、装弾筒の質量よりも大きく、その結果、加速中、ピストンに加えられた起動力は、ピストンを装弾筒の先へ加速することはなく、他方、装弾筒を減速すると、ピストンに加えられた起動力がピストンを装弾筒の先へ発射するようになる。

別の観点では、装弾筒は、キャップ形状であり、基部及びピストンを挿入させる内側空洞を構成するよう基部から延びる側壁を備えている。装弾筒の内側空洞は、ピストンを受け入れるような形状及び寸法のものであり、その結果、ピストンの第１の表面が装弾筒の基部に接触することができるようになっている。

一観点では、ピストンを運搬する装弾筒を加速する手段は、加圧流体源を含む。圧力波発生器のハウジングは、加圧流体源及び第１の端部と装弾筒との間に位置した内側ボアの一部と流体連通状態にある１つ又は２つ以上の流体ポートを有し、加圧流体を内側ボア中に送り込むことができ、この加圧流体がピストンを運搬する装弾筒をハウジングの第２の端部に向かって加速することができるようになっている。

装弾筒は、この装弾筒に形成された１つ又は２つ以上のポートを更に有し、それにより加圧流体がポートを通って流れてピストンに接触することができ、その結果、加圧流体は、装弾筒が減速しているときにピストンの加速を続行することができる。

一観点では、ロック手段が設けられ、ロック手段は、ロック手段がピストンに係合すると、ピストンを装弾筒に対してロックし、ロック手段がピストンから離脱すると、ピストンを装弾筒から解除する。

ロック手段は、装弾筒に取り付けられた電磁石及び電磁石と電気的連絡状態にある電力源を含むのが良い。電力源をターンオンすると、電磁石が励磁されてピストンを装弾筒に固定する磁界が生じる。電力源をターンオフすると、電磁石が消磁されてピストンが装弾筒から解放されるようになる。

電力源は、電力線によって電磁石に電気的に結合されるのが良い。圧力波発生器は、装弾筒に結合された制御ロッドを有するのが良い。制御ロッドは、電力線を収容するよう構成されている。

さらに別の観点では、ロック手段は、装弾筒の空洞内に真空を生じさせるよう装弾筒に設けられたポートに流体結合された真空源を含み、それにより、真空源がターンオンされると、ピストンが装弾筒に向かって吸引される。

一観点では、圧力波発生器は、ロック手段、装弾筒を加速する手段、及び装弾筒を減速する手段を制御する制御ユニットを有する。制御ユニットは、加速手段及び減速手段を作動させるよう構成されており、拘束力が装弾筒に加えられてピストンが装弾筒から少なくとも部分的に分離された後、装弾筒は、前方への運動を続行してピストンに衝突箇所のところで再び係合するようになっている。制御ユニットは、衝突面に向かって減速している装弾筒の速度が衝突面に向かって加速しているピストンの速度よりも低くなるよう加速手段及び減速手段を作動させるよう構成されている。制御ユニットは更に、ピストンを運搬する装弾筒を再発射のためにハウジングの第１の端部に戻す手段を作動させる。

別の観点では、装置がピストン及びピストンを経路に沿って解除可能に運搬するよう構成された装弾筒を備えている。本装置は、ロック手段を更に有し、ロック手段は、ロック手段がピストンに係合すると、ピストンを装弾筒に対してロックし、ロック手段がピストンから離脱すると、ピストンを装弾筒から解除し、本装置は、ピストンを運搬する装弾筒を加速する手段と、装弾筒を減速してピストンを装弾筒の先へ前方に発射し、その結果、ピストンが装弾筒から少なくとも部分的に分離されるようにする手段と、経路内の装弾筒の位置を検出する位置センサと、ピストンの発射を制御する制御ユニットとを有する。制御ユニットは、位置センサ、ロック手段、及び装弾筒を減速する手段と連絡状態にあり、制御ユニットは、制御ユニットが位置センサから受け取った位置信号から装弾筒の位置を判定するよう構成されている。装弾筒が指定された位置に達すると、制御ユニットと、信号をロック手段に送ってピストンを解除すると共に信号を装弾筒を減速する手段に送って拘束力を装弾筒に加え、ピストンが前方に発射されると共に装弾筒が減速しているときにピストンが装弾筒から少なくとも部分的に分離されるようになっている。

装弾筒は、ピストンに衝突箇所のところで再係合するよう前方への運動を続ける。制御ユニットは、ピストンを運搬する装弾筒を再発射のために開始位置に戻す手段を作動させるよう更に構成されている。

一観点では、圧力波を媒体中に発生させる方法が提供される。この方法は、ピストンを解除可能に運搬する装弾筒を媒体に連結された衝突面に向かって加速するステップと、装弾筒を衝突面に達する前に減速し、それによりピストンが装弾筒から分離して衝突面の方へ進み、ついには、ピストンが衝突面に衝突するようにするステップと、装弾筒を衝突箇所に向かって駆動して装弾筒がピストンに再係合するようにするステップと、ピストンを運搬する装弾筒を再発射のために開始位置に戻すステップとを含む。

本方法は、装弾筒の加速中、ピストンを装弾筒に対してロックし、装弾筒の減速中、ピストンを装弾筒からロック解除するステップを更に含む。

上述の観点及び実施形態に加えて、別の観点及び実施形態が図面を参照すると共に以下の詳細な説明を検討すると、明らかになろう。

図面全体を通じ、参照符号は、参照符号を付けた要素相互間の対応関係を示すために再使用されるのが良い。図面は、本明細書において説明する例示の実施形態を示すために提供されており、本発明の範囲を限定するものではない。図中の要素のサイズ及び相対位置は、必ずしも縮尺通りには描かれていない。例えば、種々の要素の形状及び角度は、縮尺通りには描かれておらず、これら要素のうちの幾つかは、図面の分かりやすさを向上させるよう恣意的に拡大されると共に位置決めされている。

圧力波発生器の一例の部分断面図であり、装弾筒及び装弾筒の空洞内に挿入されたピストンを概略的に示す図である。 図１の圧力発生器の一例の断面図であり、ピストンを運搬する装弾筒を開始位置にある状態で概略的に示す図である。 図１の圧力発生器の一例の断面図であり、ピストンを運搬する装弾筒が衝突面に向かって加速している状態を示す図である。 図１の圧力発生器の一例の断面図であり、装弾筒が減速され、他方、ピストンが衝突面に向かって前方に発射されている状態を示す図である。 図１の圧力発生器の一例の断面図であり、ピストンが衝突箇所のところで衝突面に衝突している状態及び装弾筒がピストンに向かってゆっくりと減速している状態を示す図である。 図１の圧力発生器の一例の断面図であり、装弾筒が衝突箇所のところでピストンに再び係合している状態を示す図である。 図１の圧力発生器の一例の断面図であり、ピストンが装弾筒内でロックされ、ピストンを運搬する装弾筒が衝突位置から開始位置に向かって後退している状態を示す図である。

本開示内容は、ピストン１に関しており、ピストン１は、このピストンのキャリヤとして使用できる別個の装弾筒２を備えている。或る特定の特徴、例えば、軸受、シール、ロッド取り付け具及び／又は任意他の特徴を機械加工により装弾筒２に設けることができ、その結果、ピストン１は、製造費を安価にすることができ、容易に熱処理でき、しかもより耐久性のある（ピストン内にはコーナー部又は空洞が存在しないので、コーナー部及び空洞内に応力集中が生じない）単純な幾何学的形状であることができる。加うるに、なんらかの損傷がある場合、装弾筒又は装弾筒に取り付けられた器具を邪魔しないで、ピストンを迅速且つ容易に交換することができる。装弾筒２を用いると、ピストンを管又は砲身沿いに下方へ衝突面に向かって発射することができる。衝突の手前でピストンを装弾筒２から解放又は切り離すことができ、ピストン１は、衝突までその運動を続けることができる。装弾筒２は、破棄されず、この装弾筒２を次のピストン引き込み及び次の発射／引き込みサイクルのために使用することができる。

装弾筒２により加速されると共に発射されるピストン１の一例が図１に示されている。ピストン１は、特徴が機械加工によりなんら設けられていない単純な円筒形の形状を有するのが良い。ピストン１は、第１の前側の表面６及び第２の後側の表面７を有するのが良い。例えば、ピストン１は、円筒形の本体を有するのが良く又はそれに関して任意他の適当な形状を有しても良く、直径は、約５０〜５００ｍｍであり、質量は、約５〜２００ｋｇであり、高さは、約５０〜５００ｍｍである。当業者であれば理解されるように、ピストン１は、装弾筒２によって運搬されるよう構成されるのが良い任意他の形状及び／又は寸法を有していても良い。ピストン１は、硬質材料、例えば金属で形成されるのが良い。ピストン１及び／又は装弾筒２を製作するために多様な材料を用いることができる。例えば、衝突に耐えるのに十分な強度を備えた任意の鍛造用鋼をピストン１及び／又は装弾筒２の製作のために用いることができる。装弾筒２は、衝突しないコンポーネントなので、装弾筒２は、別の安価な材料で作られても良い。

一具体化例では、装弾筒２は、薄く且つ軽量であるのが良く、その結果、装弾筒２の質量は、ピストン１の質量よりも小さいのが良い。装弾筒２は、基部３、基部３から延びる環状側壁４、及び開放頂部を備えたカップ形状の本体を有するのが良い。基部３及び側壁４は、ピストン１を挿入すると共に位置決めすることができる内側空洞又はキャビティ５を形成するのが良い。空洞５は、ピストン１をこの空洞内に位置決めしてピストンの後面７が基部３に圧接することができるよう構成されているのが良い。ピストン１をいったん空洞５内に挿入すると、ピストンは、装弾筒２を前方に駆動する加速力に起因して、装弾筒２の加速中、空洞５内に留まったままでいることができる。装弾筒２をいったん減速すると、ピストン１をその慣性に起因して前方に発射することができる。

装弾筒２は、ピストン１を空洞５内に解放可能に固定する手段を更に有するのが良い。図１〜図７に示された具体化例では、電磁石８がピストン１を装弾筒２の空洞５内の固定された位置にロックするために使用されるのが良い。電磁石８は、装弾筒２の基部３のところに設けられるのが良い。電力源（図示せず）により電力導管、例えば電力線９を介して電磁石８を励磁することができる。電力源をターンオンすると、電磁石８を励磁することができ、それによりピストン１を装弾筒の空洞５内の固定位置にロックすることができる磁界が生じる。電力源をターンオフすると、電磁石８が消磁し、ピストン１を解放してこれを装弾筒２から出すことができる。一具体化例では、ピストン１は、真空を空洞内に提供することによって空洞５内の固定位置に固定されるのが良く、その結果、ピストン１を吸引して底壁３の内面にしっかりと押し付けることができるようになっている。例えば、真空ポンプ（図示せず）を基部３のところに設けるのが良く、装弾筒２は、１つ又は２つ以上のポートを有するのが良く、その結果、真空ポンプは、かかるポートを介して内側空洞５と連絡関係をなす。真空ポンプをターンオンすると、ピストン１を吸引力によって空洞５内の固定位置に保つことができ、その他方、真空ポンプをターンオフすると、ピストンを解除して空洞５から出すことができる。別の具体化例では、ピストン１は、ピストン１を装弾筒２に取り外し可能に固定するよう構成されたフック、保持リング、ピン又は任意他の締結具若しくは締結具の組み合わせを利用して装弾筒２に機械的に固定されるのが良い。

この装弾筒は、装弾筒２の加速を制御するための制御ロッド１０を更に有するのが良い。制御ロッド１０は、装弾筒２の基部３に連結されるのが良い。ブレーキ機構体（図示せず）が拘束力を制御ロッド１０に加えるよう構成されているのが良い。したがって、制御ロッド１０は、例えばブレーキにより提供される拘束力を加えることができる表面を提供するのが良い。ブレーキ機構体は、磁気渦電流ブレーキ、摩擦ブレーキ等から成るのが良い。制御ロッド１０は、中空であるのが良く、この制御ロッドは、電磁石８への電力線９を収容するようになっているのが良い。加うるに、制御ロッド１０は、例えば米国特許出願公開第２０１０／０１６３１３０号明細書に記載されているような光リニアエンコーダを採用することによって装弾筒の位置をモニタするために使用可能であり、なお、この米国特許出願公開を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。装弾筒２及び／又はピストン１の位置を測定するために他の装置、例えば光干渉計、マイクロ波干渉計、磁気リニアエンコーダを用いることができ、これは、本発明の範囲を限定することはない。

一具体化例では、制御ロッド１０を省くことができる。かかる場合、磁力を装弾筒２に直接加えることにより（例えば、装弾筒の周りに永久磁石を設けることにより）装弾筒を減速することができる。

装弾筒２は、環状壁４の外面及び／又は内面のところに設けられた１つ又は２つ以上の軸受リング１１及び１つ又は２つ以上の密封リング１２を更に有するのが良い。装弾筒２及びピストン１を圧力波発生器のハウジング１６のボア１４内に挿入することができる。圧力波発生器２０（図２）のハウジング１６は、内側ボア１４を画定する円筒形の形状のものであるのが良い。これは、例示に過ぎず、しかも本発明を限定するものではなく、ハウジング１６、内側ボア１４、装弾筒２及びピストン１は、任意他の適当な形状（例えば、互いに異なる断面形状）を取ることができる。

図２は、部分的に図１に示された圧力波発生器２０の一実施形態の断面図である。ハウジング１６は、第１の端部２１及び第２の端部２２を有するのが良い。ハウジング１６の第１の端部２１は、少なくとも部分的に閉鎖されるのが良く、制御ロッド１０は、ハウジング１６の第１の端部２１の外側に少なくとも部分的に突き出るのが良い。ハウジング１６の第２の端部２２は、変換器２４を収納することができる開口端部であるのが良い。変換器２４は、前面２５及び衝突面（後面）２６を有するのが良い。変換器２４の前面２５は、媒体、例えば固体、液体、気体及び／又はプラズマに連結されるのが良く、圧力波をかかる媒体中に発生させることができる。変換器２４の衝突面２６は、ハウジングの内側ボア１４及びピストンの前面６に向いている。一具体化例では、変換器２４をハウジングの第２の端部２２中に摺動可能に収納するのが良く、その結果、変換器２４は、ピストン１による衝突の際、ハウジング１６の第２の端部２２に対して軸方向に僅かに変位可能であるのが良い。変換器２４は、ピストン１による衝突時、媒体中への変換器２４の脱落を阻止することができる保持機構体（図示せず）を更に有する。別の具体化例では、変換器２４を省いても良く、衝突面２６は、壁、例えば、圧力波を発生させることができる媒体を有するチャンバの壁又はかかる媒体の壁であるのが良い。

装弾筒２及びピストン１を第１の端部２１から変換器２４に向かってボア軸線１５に沿って内側ボア１４内で加速することができる。装弾筒を例えば圧縮流体によって又は電気的に、例えばレールガン、リニアモータ又はリニア誘導モータによって加速することができる。図２に示されている圧力波発生器２０の例では、駆動力として圧縮流体を用いてピストン１を運搬する装弾筒２を加速することができる。これは、例示であるに過ぎず、本発明を限定するものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく任意他の適当な電気的、空気圧及び／又は油圧駆動力を用いることができる。

図２に示された圧力波発生器２０の例は、ハウジング１６の第１の端部２１のところに形成された１つ又は２つ以上の流体ポート２８を有するのが良く、内側ボア１４は、かかる流体ポートを通って加圧流体源、例えば圧力容器（図示せず）と連通する。圧力容器は、加圧流体（例えば、気体）を貯蔵することができ、かかる加圧流体は、ポート２８を通って装弾筒２の後ろに位置した空間中に流入してピストン１を運搬する装弾筒２をボア軸線１５に沿って変換器２４に向かって加速することができる。駆動力として圧縮流体を用いた圧力波発生器２０の実施形態では、１つ又は２つ以上のポート１７を装弾筒２の基部３に形成するのが良く、その結果、加圧流体がポート１７を通って流れてピストン１に接触することができるようになる。拘束力を装弾筒２に加えてこれを減速するとき、装弾筒２がいったん減速されると、加圧流体はピストン１の加速を続けることができる。ポート１７は、基部３の中央部分に沿って、例えば電磁石８の周りに形成されても良い。基部３のエッジリムには、ポート又は凹部がないのが良く、それにより中実リム３ａが形成される。装弾筒２は、装弾筒２の所望の減速量及びピストンの所望の発射量を提供することができる拘束力が小さいものであるよう薄く且つ軽量であるのが良い。幾つかの実施形態では、装弾筒２の質量は、ピストン１の質量よりも小さいのが良い。装弾筒の後ろのポート２８を通って圧縮流体を提供すると、ピストンを運搬する装弾筒は、加えられた駆動力に比例した速度で加速することになる。装弾筒の質量がピストンの質量よりも小さいので、ポート１７を介してピストンに加えられる力は、装弾筒２の先へピストン１を加速することはない。ピストン１は、装弾筒２の加速中、装弾筒２の空洞５内に位置したままでいることができる。例えばブレーキをロッド１０又は装弾筒２にかけることによって拘束力を装弾筒２に加えると、装弾筒２は、減速を開始し、ピストン１を前方に発射することができ、その結果、その第２の表面７が基部３から分離するようになる（図４参照）。装弾筒２は、停止することはなく、それどころか、ハウジングの第２の端部２２に向かってゆっくりと前方に動き続けることができる。減速中に前方に動く装弾筒の速度は、ピストン１の速度よりも非常に低く、その結果、ピストン１が衝突面２６に衝突するとき、装弾筒２は、衝突面２６及びハウジング１６の第２の端部２２から分離し離されている。

圧力波発生器２０の幾つかの具体化例では、ピストン発射のタイミングを制御するために制御ユニット（図示せず）が設けられるのが良い。ピストン発射のタイミングを正確に測定すると共に制御して変換器２４との衝突のタイミングの制御を向上させるのが良い。ピストン１を変換器２４に向かって発射する方法の一例では、拘束力を装弾筒２又は制御ロッド１０に加えることによって装弾筒２を定常位置に保った状態で加圧流体を装弾筒２の後ろにもたらすのが良い。発射時、拘束力を迅速に解除するのが良く、加圧流体の力がピストン１を運搬する装弾筒２を変換器２４に向かって加速することができる。一実施形態では、加えられた拘束力によって装弾筒を定位置に安定して保った状態で、加圧流体を装弾筒の後ろの容積部（基部３とハウジング１６の第１の端部２１との間に位置する）中に送り込むのが良い。電磁石８を動作状態にすることによってピストン１を空洞５内にロックするのが良い。次に、拘束力を解除するのが良く、装弾筒の後ろの容積部内の加圧流体は、起動力をもたらして装弾筒２を加速することができる。ポート２８及び／又は装弾筒の後ろの容積部のサイズ及び位置は、ハウジング１６、装弾筒２、ピストン１の寸法形状及び所望の駆動力に応じて様々であって良い。例えば、ポート２８のうちの幾つかは、国際出願（ＰＣＴ）の国際公開第２０１２／１１３０５７号パンフレットに詳細に記載されているようにハウジングの第１の端部２１の近くでハウジング１６周りに位置決めするのが良く、なお、この国際公開を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。

図２に示された実施形態では、ピストン１を運搬する装弾筒２は、初期の開始位置にある。初期位置では、電力源をトリガし、電力源をトリガすることによって電磁石８を励磁するのが良く、かくして、ピストン１を装弾筒２の空洞５内にロックする。ポンプ排気システム（例えば、ハウジング１６の第２の端部２２の近くに位置決めされた１つ又は２つ以上のポート２９を用いて）がピストン１の先にボア１４内に少なくとも部分真空領域を形成することによりハウジング１６の内側ボア１４を排気するのが良い。幾つかの具体化例では、ポンプ排気システムによって内側ボア１４を少なくとも部分的に排気するのが良く、その結果、内側ボア内の圧力が周囲圧力に対して減圧されるようになる。

図３は、装弾筒２及びピストン１が変換器２４に向かって加速された状態の圧力波発生器２０の一例を概略的に示している。駆動力、例えば圧縮流体を装弾筒の後ろに印加するのが良く、それによりピストン１を運搬する装弾筒２を変換器２４に向かって加速する。電磁石装置８を依然として励磁しておくのが良く、それによりピストン１が装弾筒２内に固定される。一具体化例では、装弾筒２をいったん加速すると、電力源をターンオフすることによって電磁石８を消磁するのが良い。前方加速に起因して、ピストン１を運搬する装弾筒２は、変換器２４に向かって加速する。装弾筒２がボア１４内の指定された場所、例えば、ボア１４の長さの２／３のところ又は衝突面２６の前の或る程度の距離（図４参照）のところに位置すると、例えばブレーキ力を制御ロッド／装弾筒に加えることによってブレーキを装弾筒に利かせて装弾筒２を減速するのが良い。装弾筒２が減速すると、ピストン１をその慣性及びポート１７を通過する圧縮空気によって変換器２４に向かって前方に発射することができ、ついには、ピストン１は、変換器２４に衝突する（図５参照）。ピストン１が変換器２４に衝突すると、ピストン１は、その運動エネルギーの少なくとも一部を変換器２４に伝える。衝突時、変換器を弾性的に圧縮することができ、この変換器は、ピストンの運動エネルギーを媒体中の圧力波に少なくとも部分的に変換することができる。圧力波が変換器に対するピストンの大きな衝突速度（例えば、幾つかの場合、約１０ｍ／ｓよりも大きい速度）と関連した場合、かかる圧力波は、発生器２０の幾つかの具体化例では１ＧＰａを超える場合のある局所圧力を生じさせることができる。一具体化例では、変換器２４を媒体中に少なくとも部分的に軸方向に変位させるのが良い。装弾筒２は引き続きゆっくりと前方に動き、ついには、装弾筒は、ピストン１に再び係合するようになる（図６参照）。

装弾筒２の加速手段及び減速手段、例えばブレーキ及び駆動システム（例えば、圧縮流体）を制御することにより、幾つかの具体化例では、ロック手段（例えば、電磁石８の電力駆動部）を制御することによってピストン１の加速及び発射を正確に制御することができる。制御システムは、１つ又は２つ以上のプロセッサ、コントローラ、又は汎用若しくは専用コンピュータ処理ハードウェアを含むのが良い。種々の具体化例では、制御システムは、装弾筒２の加速、ピストン１の発射、ピストン１と変換器２４との衝突のタイミングを制御することができると共に／或いは発生器２０内における装弾筒／ピストンの運動の少なくとも一部分を可能にするよう装弾筒２及び／又はピストン１の速度及び／又は存在場所を制御することができる。一具体化例では、制御システムは、入力として位置センサ（例えば、エンコーダ）から装弾筒の位置を表す信号を受け取ることができ、そして出力信号をブレーキに送って装弾筒２を減速することができ、又、かかる出力信号をロック手段に送ってピストン１を離脱させてピストン１を衝突面２６に向かって発射することができる。制御システムは、例えば加えられた駆動力、かけられたブレーキ力等に対する調節を行うことができ、その目的は、発射時間、衝突力及び／又は衝突時間を調整することにある。制御システムは、１つ又は２つ以上のコンピュータ可読記憶媒体を含むのが良く又は１つ又は２つ以上のコンピュータ可読記憶媒体と連絡状態にあるのが良く、かかるコンピュータ可読記憶媒体は、制御情報を持続的に又は違ったやり方で記憶するために使用可能である。制御ユニットは、ピストンを運搬する装弾筒を再発射のために開始位置に戻す手段を更に制御することができる。例えば、戻し手段は、加圧流体源及び１つ又は２つ以上の流体ポート、例えばハウジング１６の第２の端部２２のところに形成されたポート２９を含むのが良い。一動作モードでは、ポート２９は、加圧流体源と流体連絡状態にあるのが良く、別の動作モードでは、ポート２９は、本明細書において上述したように内側ボア１４を排気するためにポンプ排気システムと流体連通状態にあるのが良い。加圧流体を変換器２４と装弾筒との間の内側ボア内に送り込んでピストンを運搬する装弾筒を駆動してこれをハウジング１６の第１の端部の近くの開始位置に戻すのが良い。制御ユニットは、信号を戻し手段に送ってポート２９と加圧流体源との連絡を可能にする（例えば、弁を開く）のが良く、それにより加圧流体の流れがピストンを運搬する装弾筒をその開始位置に押すことができる。戻し手段を動作開始させると、ポート２８（第１の端部のところに形成されている）を用いて装弾筒の加速中に先に注入された加圧流体を抜き出すのが良い。ピストン１を運搬する装弾筒２がいったん開始位置に存在すると、制御ユニットは、ポート２９と加圧流体源との間の弁を閉鎖するのが良い。次に、制御ユニットは、信号をポンプ排気システムに送って圧力波発生器２０の内側ボア１４を排気するのが良い。幾つかの具体化例では、戻し手段は、モータと連絡状態にある機械的ハンド／フックを含むのが良く、その結果、ハンドは、装弾筒に係合することができ、そして装弾筒を開始位置に引き戻したり押し戻したりすることができるようになっている。別の具体化例では、戻し手段は、ピストンを運搬する装弾筒を開始位置に引っ込めるためのレールガンを含むのが良い。

幾つかの作動方法では、圧力波発生器２０が開始位置にあるとき、ピストン１を運搬する装弾筒２は、図２に概略的に示された位置にあるのが良く、この位置では、ピストン１は、装弾筒２内に配置されている。開始位置にある間、制御システムは、信号をロック手段、例えば電磁石８及びブレーキに送ってそれぞれピストン１を装弾筒２に対してロックしたりブレーキ力を装弾筒２に加えたりすることができる。次に、制御システムは、信号を駆動システム、例えば１つ又は２つ以上の弁に送って弁を開き、それにより圧力容器から加圧流体を供給することができる。変換器２４とピストン１との間のボア１４の空間は、例えばハウジング１６の第２の端部２２の近くに位置決めされた１つ又は２つ以上のポート２９を通って少なくとも部分的に排気可能である。所望の時点で、制御システムは、信号をブレーキに送って拘束力を減少させ又はなくすことができ、ピストンを運搬する装弾筒は、ボア１４に沿って変換器２４に向かって加速することができる。位置センサは、ボア１４内における装弾筒の位置に関する信号を制御システムに送ることができる。ボア内における装弾筒の或る特定の位置では、制御システムは、信号をブレーキに送って拘束力を装弾筒２又は制御ロッド１０に加えるのが良く、そして電磁石の電力源をターンオフして電磁石８を消磁するのが良い。ブレーキ力を加えるタイミングは、装弾筒の速度、拘束力、衝突面からの装弾筒の距離等で決まり、かかるタイミングを制御ユニットによって決定することができる。幾つかの具体化例では、制御ユニットは、発射パラメータ（タイミング、速度軌跡）の決定をリアルタイムで行うことができる。装弾筒２が加えられた拘束力に起因して減速しているとき、ピストン１は、引き続き変換器２４に向かって動き続けることができ、ついには、ピストン１は、変換器２４の衝突面２６に衝突し、その運動エネルギーを変換器２４に伝えると共に変換器２４に連結された媒体中に圧力波を発生させる。拘束力が装弾筒２に加えられ、その結果、装弾筒２が減速を開始すると、ピストン１は、変換器２４に衝突するまで、装弾筒２の基部３から少なくとも部分的に遠ざかる動きを続けることができる（図５参照）。

衝突時、減速中の装弾筒２は、引き続き軸線１５に沿って変換器に向かってゆっくりと減速し続けることができ、ついには、ピストンは、再び空洞５内に完全に挿入され、そしてピストンの後面７が基部３に圧接される（図６参照）。ピストン１がいったん空洞５内に配置されると、制御ユニットは、ロック手段及びピストンを運搬する装弾筒をハウジング１６の第１の端部２１の近くの初期開始位置に戻す手段を作動させるのが良い。駆動力を装弾筒２及び／又はピストン１に加えることによってピストンを運搬する装弾筒を開始位置に戻すことができる。駆動力は、装弾筒２及び／又は制御ロッド１０に加えられる機械的力、空気圧による力、油圧による力又は電気的な力であるのが良い。図７に示されている例では、１つ又は２つ以上のポート２９を通って圧縮流体を適用することによってピストンを運搬する装弾筒を開始位置に戻すことができ、他方、ポート２８を用いて装弾筒の後ろに先に注入された圧縮流体を抜き出すのが良い。ピストンを運搬する装弾筒２が開始位置にいったん戻ると、圧力波発生器２０の内側ボア１４を排気するのが良い。一具体化例では、何らかの種類の機械的装置（図示せず）を用いてピストン１を運搬する装弾筒２を引き戻し又は押すことによってピストン１を運搬する装弾筒２をハウジング１６の第１の端部２１の近くに位置するその開始位置に戻すのが良い。任意他の機械的、電気的又は空気圧装置を用いてピストンを運搬する装弾筒をその開始位置に戻すことができ、これは、本発明の範囲から逸脱しない。

圧力波発生器２０の幾つかの作動方法では、ピストン１を連続した「ショット」の状態で変換器２４に繰り返し衝突させるのが良い。ピストンのショット、速度（又は運動エネルギー若しくは運動量）等のタイミングの較正が望ましい場合がある。幾つかの場合、変換器２４に対するピストン１の連続ショットを較正するため、変換器２４へのピストン１の衝突モーメント、ピストンの発射時刻、装弾筒及び／又はピストンの速度軌跡を正確に求めることができる。

装弾筒発射型ピストンシステムの実施形態が開示される。装弾筒発射型ピストンシステムの実施形態のうちのどれも圧力波発生器の実施形態に使用することができる。圧力波発生器の実施形態を用いると、圧力波を任意適当な媒体（例えば、固体、液体、気体、及び／又はプラズマ）中に伝えることができる。幾つかの具体化例では、圧力波発生器は、材料、例えば金属のスタンピング、エンボス加工、曲げ加工、フランジング、コイニング、ブランキング、穴あけ又は加工（例えば、金属加工）のためのプレスとして使用できる。幾つかの具体化例では、媒体は、液体、気体、又は液体と気体の混合物から成る。幾つかのかかる具体化例では、媒体は、液体金属、例えば液体鉛又は液体鉛とリチウムの混合物から成る。圧力波発生器は、圧力波を媒体中に発生させるために使用でき、圧力波は、媒体の圧力、温度、エネルギー、及び／又は密度を高めることができ、しかも媒体中の化学反応速度を増大させることができる。例えば、圧力波発生器の実施形態は、ガス動力式エンジン（例えば、蒸気エンジン）内のピストンを制御するために使用できる。本明細書において開示する圧力波発生器の実施形態は、音響エネルギーの集中の結果として生じる他のエネルギー形態の発生のために使用できる。かかるエネルギー形態は、局所化ホットスポット、紫外（ＵＶ）線、Ｘ線、医療同位体、中性子、融合、及びかかる音響エネルギー変換及び集中の副生物の発生のために使用できる。例えば、圧力波発生器の幾つかの実施形態は、媒体（例えば、液体鉛又は液体鉛‐リチウム）を収容した核反応チャンバ内の圧力を増大させるよう使用でき、その結果、融合反応による中性子発生又はエネルギー発生を提供するのに十分核反応速度を増大させる。

本発明の特定の要素、特定の実施形態及び特定の用途を図示すると共に説明したが、本発明の範囲は、これらには限定されないことは理解されよう。というのは、特に上述の教示に照らして本発明の範囲から逸脱しないで改造を行うことができるからである。かくして、例えば、本明細書において開示する任意の方法又はプロセスでは、かかる方法／プロセスを構成する行為又は作業を任意適当な順序で実施することができ、従って、必ずしも任意特定の開示した順序に限定されない。要素及びコンポーネントを種々の実施形態において異なる仕方で構成し又は配置し、組み合わせると共に／或いはなくすことができる。上述の種々の特徴及びプロセスを互いに別個独立に使用することができ又は種々の仕方で組み合わせることができる。全ての考えられるコンビネーション及びサブコンビネーションは、本発明の範囲に含まれるものである。本明細書全体を通じて「幾つかの実施形態」、「一実施形態」等と言った場合、これは、この実施形態と組み合わせて記載された特定の特徴、構造、ステップ、プロセス、又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれるということを意味している。かくして、本明細書全体を通じて「幾つかの実施形態では」、「一実施形態では」等という表現が表われても、これらは、必ずしも、全てが同一の実施形態を指し示すわけではなく、同一の又は異なる実施形態のうちの１つ又は２つ以上を指し示す場合がある。確かに、本明細書において説明する新規な方法及びシステムは、種々の他の形態で実施でき、更に、本明細書において説明した実施形態の形態に関し種々の省略例、追加例、置換例、均等例、再構成例、及び変更例を本明細書において説明した本発明の精神から逸脱することなく、実施できる。

実施形態の種々の観点及び利点を適宜説明した。理解されるべきこととして、かかる観点又は利点の全てが必ずしも任意特定の実施形態に従って達成できるとは限らない。かくして、例えば、種々の実施形態を本明細書において教示し又は示唆した他の観点又は利点を必ずしも達成しないで、本明細書において教示した一利点又は一群の利点を達成し又は最適化する仕方で実施できることは理解されるべきである。

原文明細書において用いられる条件を表す用語、例えばとりわけ、“can”（「〜することができる」、「〜をするのが良い」と訳している場合が多い）、“could”（「〜しても良い」と訳している場合が多い）、“might”（「〜かもしれない」と訳している場合が多い）、“may”（「〜する場合がある」と訳している場合が多い）、“e.g.,”（「例えば」と訳している場合が多い）等は、別段の指定がなければ又は使用されている内容の範囲内で違った内容に理解されなければ、一般に、或る特定の実施形態が或る特定の特徴、要素及び／又はステップを含み、他方、他の実施形態が或る特定の特徴、要素及び／又はステップを含まないことを意味するものである。かくして、かかる条件を表す用語は、一般に、特徴、要素及び／又はステップが１つ又は２つ以上の実施形態に必要な任意の仕方にあること又は１つ又は２つ以上の実施形態が必然的にオペレータの入力又はプロンプティングの有無にかかわらず、これら特徴、要素及び／又はステップが含まれるかどうか或いは任意特定の実施形態で実施されるべきであるかどうかを決定するための論理を含むことを示唆するものではない。任意特定の実施形態に必要な又は欠かせない単一の特徴又は群をなす特徴はない。“comprising”（「〜を有する」と訳している場合が多い）、“including”（「〜を含む」と訳している場合が多い）、“having”（「〜を有する」又は「〜を備えている」と訳している場合が多い）等という用語は、同義語であり、かかる用語は、包括的に非限定方式で用いられ、追加の要素、特徴、行為、作業等を排除することはない。また、“or”（「又は」）という用語は、その包括的意味で用いられており（その排他的意味では用いられていない）、従って、これが用いられた場合、例えば、要素のリストを関係づけるために用いられた場合、“or”という用語は、このリスト中の一要素、幾つかの要素、又は要素の全てを意味する。

連言的な用語、例えば「Ｘ、Ｙ及びＺのうちの少なくとも１つ」という表現は、別段の指定がなければ、一般に一項目、一用語等がＸ、Ｙ又はＺのいずれかであって良いということを意味するよう用いられた文脈について別様に理解される。かくして、かかる連言的用語は、一般に、或る特定の実施形態がＸのうちの少なくとも１つ、Ｙのうちの少なくとも１つ、Ｚのうちの少なくとも１つが互いに存在することを必要とすることを示唆するものではない。

本明細書において説明した実施形態の例示の計算、シミュレーション、結果、グラフ、値、及びパラメータは、開示した実施形態を説明するものであって、これを制限するものではない。他の実施形態は、本明細書において説明した例示の実施例とは異なる仕方で構成されると共に／或いは異なる構成及び／又は作用を取ることができる。確かに、本明細書において説明した新規の方法及び装置は、種々の他の形態で実施でき、更に、本明細書において説明した方法及びシステムの形態における種々の省略例、置換例及び変更例は、本明細書において説明した本発明の精神から逸脱することなく実施できる。

Claims (21)

1. 圧力波を媒体中に発生させる圧力波発生器であって、前記圧力波発生器は、
   第１の表面、第２の表面、及び前記第１の表面と前記第２の表面との間の長手方向軸線を備えた本体を有するピストンと、
   内側ボア、第１の端部、及び第２の端部を備えたハウジングと、
   前記内側ボア内で動くことができ、且つ、前記内側ボア内で前記第１の端部から前記第２の端部に向かって前記内側ボアの長手方向軸線に沿って前記ピストンを解放可能に運搬するよう構成された装弾筒と、
   前記媒体に連結されると共に、前記内側ボアと連絡関係をなした状態で前記ハウジングの前記第２の端部に配置された衝突面と、
   前記ピストンを運搬する前記装弾筒を前記衝突面に向かって加速する加速手段と、
   拘束力を前記装弾筒に与えることによって前記装弾筒を減速し、それにより前記ピストンを前記装弾筒の先へ前方に発射し、前記ピストンが前記衝突面に衝突したときに、前記ピストンが前記装弾筒から少なくとも部分的に分離されるようにする減速手段と、
   を有する圧力波発生器。
2. 前記装弾筒の質量は、前記ピストンの質量よりも小さい、請求項１記載の圧力波発生器。
3. 前記装弾筒は、基部及び前記ピストンが挿入される内側空洞を構成するよう前記基部から延びる側壁を備えたカップ形状のハウジングを有し、前記内側空洞は、前記ピストンの前記第２の表面が前記装弾筒の前記基部に接触することができるように前記ピストンを受け入れる形状及び寸法に形成されている、請求項１記載の圧力波発生器。
4. 前記装弾筒を加速する前記加速手段は、加圧流体源を含み、
   前記ハウジングは、加圧流体を前記内側ボア中に送り込むことができ且つ該加圧流体が前記ピストンを運搬する前記装弾筒を前記ハウジングの前記第２の端部に向かって加速することができるように、前記加圧流体源及び前記第１の端部と前記装弾筒との間に位置する前記内側ボアの一部と流体連通状態にある１つ又は２つ以上の流体ポートを有する、請求項２記載の圧力波発生器。
5. 前記装弾筒は、該装弾筒に形成された１つ又は２つ以上のポートを更に有し、前記装弾筒がいったん減速されたときに前記ピストンの加速を続行させるように、前記加圧流体が前記ポートを通って流れて前記ピストンに接触することを可能にする、請求項４記載の圧力波発生器。
6. 前記装弾筒を加速する前記加速手段は、複数本の導通レール及び前記導通レールと電気的連絡状態にある電力源を含み、前記ピストンを運搬する前記装弾筒は、前記導通レール相互間のスライド式のアーマチュアである、請求項１記載の圧力波発生器。
7. ロック手段を更に有し、前記ロック手段は、前記ロック手段が前記ピストンに係合すると、前記ピストンを前記装弾筒に対してロックし、前記ロック手段が前記ピストンから離脱すると、前記ピストンを前記装弾筒から解放する、請求項１記載の圧力波発生器。
8. 前記ロック手段は、前記装弾筒に取り付けられた電磁石及び前記電磁石と電気的連絡状態にある電力源を含み、前記電力源がターンオンされると、前記ロック手段は前記ピストンに係合し、前記電力源がターンオフされると、前記ロック手段は前記ピストンから離脱する、請求項７記載の圧力波発生器。
9. 前記電力源は、電力線によって前記電磁石に電気的に結合され、前記圧力波発生器は、前記装弾筒に結合された制御ロッドを更に有し、前記制御ロッドの少なくとも一部分は、前記ハウジングの前記内側ボア内に配置され、前記制御ロッドは、前記電力線を収容するように構成されている、請求項８記載の圧力波発生器。
10. 前記装弾筒は、前記ピストンが挿入される内側空洞を有し、前記装弾筒は、前記内側空洞と連絡状態にあるポートを有し、前記ロック手段は、前記装弾筒の前記ポートに流体結合されると共に真空を前記内側空洞内に生じさせるよう動作できる真空源を含み、それにより、真空源がターンオンされると、前記ピストンが前記装弾筒に向かって吸引される、請求項７記載の圧力波発生器。
11. 前記装弾筒を減速する前記減速手段は、前記制御ロッドと係合可能なブレーキを含む、請求項９記載の圧力波発生器。
12. 前記衝突面と前記ピストンとの間の前記ハウジングの前記内側ボアの一部と流体連通状態にあり且つ前記内側ボア内の圧力を減少させるよう動作可能なポンプ排気システムを更に有する、請求項１記載の圧力波発生器。
13. 前記ロック手段、前記装弾筒を加速する前記加速手段、及び前記装弾筒を減速する前記減速手段を制御する制御ユニットを更に有し、
    前記制御ユニットは、前記拘束力が前記装弾筒に加えられて前記ピストンが前記装弾筒から少なくとも部分的に分離された後、前記衝突面に向かって減速している前記装弾筒の速度は、前記衝突面に向かって発射された前記ピストンの速度よりも小さいが、前記装弾筒が衝突箇所のところで前記ピストンに再び係合するように前記装弾筒が前方への運動を続行するように前記加速手段及び前記減速手段を作動させ、又、前記ピストンを運搬する前記装弾筒を再発射のために前記ハウジングの前記第１の端部に戻す手段を作動させるように構成されている、請求項７記載の圧力波発生器。
14. 装置であって、
    ピストンと、
    前記ピストンを経路に沿って解放可能に運搬するよう構成された装弾筒と、
    ロック手段と、を有し、
    前記ロック手段は、前記ロック手段が前記ピストンに係合すると、前記ピストンを前記装弾筒に対してロックし、前記ロック手段が前記ピストンから離脱すると、前記ピストンを前記装弾筒から解放し、
    前記装置は、更に、
    前記ピストンを運搬する前記装弾筒を加速する加速手段と、
    拘束力を前記装弾筒に加えることによって前記装弾筒を減速して、前記ピストンが前記装弾筒から少なくとも部分的に分離されるように、前記ピストンを前記装弾筒の先へ前方に発射する減速手段と、
    前記経路内の前記装弾筒の位置を検出するように構成されると共に前記装弾筒の位置を表す位置信号を発生するように構成された位置センサと、
    前記ピストンの発射を制御する制御ユニットと、を有し、
    前記制御ユニットは、前記位置センサ、前記ロック手段、及び前記装弾筒を減速する前記減速手段と連絡状態にあり、前記位置信号から前記装弾筒の位置を判定し、前記装弾筒が指定された位置に達すると、前記ピストンが前方に発射されると共に前記ピストンが減速中の装弾筒から少なくとも部分的に分離されるように、信号を前記ロック手段に送って前記ピストンを解放すると共に信号を前記装弾筒を減速する前記減速手段に送って拘束力を前記装弾筒に加えるように構成されている、装置。
15. 前記制御ユニットは、前記装弾筒が衝突箇所のところで前記ピストンに再係合するように前記装弾筒が前方への運動を続行するように、前記加速手段及び前記減速手段を作動させるように構成され、前記制御ユニットは、前記ピストンを運搬する前記装弾筒を再発射のために開始位置に戻す手段を作動させるよう更に構成されている、請求項１４記載の装置。
16. 前記装弾筒の質量は、前記ピストンの質量よりも小さい、請求項１４記載の装置。
17. 前記装弾筒は、基部及び前記ピストンが挿入される内側空洞を構成するよう前記基部から延びる側壁を備えたカップ形状のハウジングを有し、前記内側空洞は、前記ピストンが前記装弾筒の前記基部に接触することができるように前記ピストンを受け入れる形状及び寸法に形成されている、請求項１４記載の装置。
18. 前記ロック手段は、前記装弾筒に取り付けられた電磁石及び前記電磁石と電気的連絡状態にある電力源を含み、前記電力源がターンオンされると、前記ロック手段は前記ピストンに係合し、前記電力源がターンオフされると、前記ロック手段は前記ピストンから離脱する、請求項１４記載の装置。
19. 前記装弾筒は、前記ピストンが挿入される内側空洞と、前記内側空洞と連絡状態にあるポートとを有し、
    前記ロック手段は、真空を前記内側空洞内に生じさせるよう前記装弾筒の前記ポートに流体結合された真空源を含み、それにより、前記真空源がターンオンされると、前記ピストンが前記装弾筒に向かって吸引される、請求項１４記載の装置。
20. 圧力波を媒体中に発生させる方法であって、前記方法は、
    ピストンを解放可能に運搬する装弾筒を媒体に連結された衝突面に向かって加速するステップと、
    前記装弾筒が前記衝突面に達する前に前記装弾筒を減速し、それにより前記ピストンを前記装弾筒から分離させ、前記衝突面との接触が行われるまで前記ピストンを前記衝突面の方へ進ませるステップと、
    前記装弾筒を衝突箇所に向かって駆動して前記装弾筒を前記ピストンに再係合させるステップと、
    前記ピストンを運搬する前記装弾筒を再発射のために開始位置に戻すステップと、を含む方法。
21. 前記装弾筒の加速中に前記ピストンを前記装弾筒に対してロックし、減速中に前記ピストンを前記装弾筒からロック解除するステップを更に含む、請求項２０記載の方法。

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