特許 5662594 媒体中に圧力波を発生させるための可動制御ロッドを有する圧力波発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5662594

(24)【登録日】2014年12月12日

(45)【発行日】2015年2月4日

(54)【発明の名称】媒体中に圧力波を発生させるための可動制御ロッドを有する圧力波発生装置

(51)【国際特許分類】

   B01J 3/08 20060101AFI20150115BHJP

   B06B 1/06 20060101ALI20150115BHJP

   F42B 6/00 20060101ALI20150115BHJP

   F15C 3/16 20060101ALI20150115BHJP

【ＦＩ】

   B01J3/08 H

   B06B1/06 Z

   F42B6/00

   F15C3/16

【請求項の数】13

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2013-554758(P2013-554758)

(86)(22)【出願日】2012年2月8日

(65)【公表番号】特表2014-518527(P2014-518527A)

(43)【公表日】2014年7月31日

(86)【国際出願番号】CA2012000133

(87)【国際公開番号】WO2012113057

(87)【国際公開日】20120830

【審査請求日】2014年4月9日

(31)【優先権主張番号】61/446,965

(32)【優先日】2011年2月25日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】511190568

【氏名又は名称】ジェネラル フュージョン インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100092093

【弁理士】

【氏名又は名称】辻居 幸一

(74)【代理人】

【識別番号】100082005

【弁理士】

【氏名又は名称】熊倉 禎男

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100103609

【弁理士】

【氏名又は名称】井野 砂里

(74)【代理人】

【識別番号】100095898

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(72)【発明者】

【氏名】マキルレイス ロン

(72)【発明者】

【氏名】センガー ジョン

(72)【発明者】

【氏名】モンゴメリー ダーシー

(72)【発明者】

【氏名】リチャードソン ダグラス エイチ

(72)【発明者】

【氏名】コストカ ピーター

(72)【発明者】

【氏名】ベル クリスティン

(72)【発明者】

【氏名】ジンドラー ライアン

(72)【発明者】

【氏名】ラベルジュ ミッシェル ジョルジュ

【審査官】 神田 和輝

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５８−０２２６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−１２０１００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０１９８４８６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｊ ３／０８

Ｂ０６Ｂ １／０６

Ｂ０１Ｊ １９／００−１９／３２

Ｂ２５Ｄ １／００−１７／３２

Ｆ１５Ｃ ３／１６

Ｆ１６Ｊ １／００−１／２４

Ｆ１６Ｊ ７／００−１０／０４

Ｆ４２Ｂ ６／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

媒体において圧力波を発生するための圧力波発生装置であって、
第１の表面と、第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面の間の長手方向軸を有する可動ピストンであって、前記ピストンの前記長手方向軸に沿って、前記第１の表面から少なくとも部分的に前記第２の表面に向かって延びるガイドを備えた、可動ピストンと、
内腔、第１の端部、及び第２の端部を有する筐体であって、前記ピストンが前記筐体の前記内腔の内部に少なくとも部分的に配置され、前記ピストンが前記筐体の前記内腔の内部を前記第１の端部から前記第２の端部に向かって前記ピストンの前記長手方向軸に平行な方向に沿って可動である、筐体と、
第１の端部から第２の端部まで長手方向に延びる制御ロッドであって、前記制御ロッドの前記第２の端部は、前記ガイド内に挿入され、前記ガイド内を移動することができるように構成された、制御ロッドと、
前記内腔内における前記ピストンの移動中、前記ガイドから前記制御ロッドの前記第２の端部が外れることを阻止するように、前記ガイド内で前記制御ロッドの前記第２の端部を保持する手段と、
前記筐体の前記第２の端部に摺動可能に収容される変換器であって、前記ピストンと前記変換器の衝突の際に、前記ピストンの動きの運動エネルギーの一部を前記媒体における圧力波に変換するように構成された、変換器と、
前記可動ピストンを前記変換器に向かって加速するように構成された推進力発生装置と、を備え、
前記ピストンと前記変換器の衝突の際、前記制御ロッドの前記第２の端部が前記ガイド内を前記ピストンの前記第２の表面に向かって移動する、
ことを特徴とする圧力波発生装置。

【請求項2】

前記ガイドは、前記ピストンの前記長手方向軸に沿って前記第１の表面から前記第２の表面に向けて部分的に延びることを特徴とする、請求項１に記載の圧力波発生装置。

【請求項3】

前記ガイドは、前記ピストンの前記第１の表面における入口から第２の空洞まで延びる第１の空洞を備え、前記第２の空洞は、前記ガイドの前記第１の空洞から延びており、前記ガイドの長手方向に直交する方向における前記第１の空洞の断面積は、前記ガイドの長手方向に直交する方向における前記第２の空洞の断面積より小さいことを特徴とする、請求項１に記載の圧力波発生装置。

【請求項4】

前記ガイドは、前記第１の空洞と前記第２の空洞の間に腰部をさらに備え、前記ガイドの長手方向に直交する方向における前記腰部の断面積は、前記第１の空洞の断面積より大きく、前記第２の空洞の断面積より小さいことを特徴とする、請求項３に記載の圧力波発生装置。

【請求項5】

前記制御ロッドの前記第２の端部を保持する手段は、
前記制御ロッドの前記第２の端部に取外し可能に取付けられる保持具を備え、
前記保持具は、前記保持具を前記ガイド内に挿入することを可能にする第１の向きを有し、前記保持具は、前記ガイド内に配置されたとき、第２の向きに回転することができ、
前記保持具は、前記第２の向きにあるとき、前記ガイドから外れないように阻止される、
ことを特徴とする、請求項１に記載の圧力波発生装置。

【請求項6】

前記ガイドは、前記ピストンの前記第１の表面において入口を有し、前記入口は入口断面積を有し、前記保持具は、前記第１の向きにあるとき前記ガイドの長手方向に直交する方向における第１の断面積及び前記第２の向きにあるとき前記ガイドの長手方向に直交する方向における第２の断面積を有し、前記保持具の前記第１の断面積は、前記入口面積より小さく、前記保持具の前記第２の断面積は、前記入口面積より大きいことを特徴とする、請求項５に記載の圧力波発生装置。

【請求項7】

前記制御ロッドの前記第２の端部と前記保持具との位置を固定するように構成されたロックをさらに備えることを特徴とする、請求項５に記載の圧力波発生装置。

【請求項8】

前記ピストンとは独立して前記制御ロッドを減速するように構成された緩衝器システムをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の圧力波発生装置。

【請求項9】

前記緩衝器システムは、
開口部を有しかつ流体を含むチャンバを備え、
前記制御ロッドの前記第１の端部は、前記変換器に向かう前記ピストンの移動中に、前記開口部を通して前記チャンバに入るように構成された緩衝器要素を備え、前記チャンバ内の前記流体は、前記ピストンが前記変換器に向かって移動すると前記緩衝器要素に抵抗力を与え、
前記緩衝器要素が前記チャンバ内で移動すると、前記チャンバから前記流体を流出させる１つ又はそれ以上の開口部を備える、
ことを特徴とする、請求項８に記載の圧力波発生装置。

【請求項10】

前記推進力発生装置は、前記ピストンを静止状態から前記変換器に向かって移動させるための初期推進力を印加するように構成された第１の動力発生装置と、前記ピストンを前記変換器に向けて加速するための付加的な推進力を印加するように構成された第２の動力発生装置を備えることを特徴とする、請求項１に記載の圧力波発生装置。

【請求項11】

前記第２の動力発生装置は、前記筐体に接続され前記可動ピストンに流体圧力を印加するための流体を貯留するように構成された圧力容器を備え、
前記筐体は、前記筐体の前記第１の端部の近くに配置された１つ又はそれ以上の流体ポートを備え、
前記ピストンは、前記ピストンが前記筐体の前記第１の端部に配置されると前記流体ポートを閉鎖し、前記ピストンが前記第１の動力発生装置の推進力によって前記筐体の前記第１の端部から離れて前記変換器に向かって移動すると前記流体ポートを開いて前記第２の動力発生装置との流体連通を提供する、
ことを特徴とする、請求項１０に記載の圧力波発生装置。

【請求項12】

前記変換器は、前記筐体の一部と接触して前記筐体の前記内腔内部への前記媒体の流入を阻止するシールを形成するように構成されたテーパ部を備えることを特徴とする、請求項１に記載の圧力波発生装置。

【請求項13】

前記筐体の前記第２の端部に配置され、前記ピストンと前記変換器との衝突及び前記変換器の位置を検知するように構成された衝突検知システムをさらに備え、
前記衝突検知システムは、前記変換器の表面に対して付勢された遠位端を有するピンと、前記ピンにおける運動及び前記変換器の前記位置を検知するためのセンサとを備える、ことを特徴とする、請求項１に記載の圧力波発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は一般に、媒体中に圧力波を発生させるための圧力波発生装置に関する。
本出願は、２０１１年２月２５日出願の「ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＷＡＶＥ ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ ＷＩＴＨ ＭＯＶＡＢＬＥ ＣＯＮＴＲＯＬ ＲＯＤ ＦＯＲ ＧＥＮＥＲＡＴＩＮＧ Ａ ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＷＡＶＥ ＩＮ Ａ ＭＥＤＩＵＭ」と題する米国特許仮出願第６１／４４６，９６５号に対する３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づく優先権の利益を主張するものであり、その全体が引用により本明細書に組み入れられる。

【背景技術】

【0002】

低温又は低圧力において引き起こすことが困難な種々の化学反応を、高温高圧下では迅速且つ効率的に生成することができる。圧力波発生装置を用いて圧力波を生成し、これを用いて媒体を圧縮し、圧力波エネルギーの一部分を媒体に移転し、圧力波エネルギーの集中により媒体中にエネルギーを生成し、及び／又は媒体において化学反応若しくは物理変化を引き起すことができる。媒体は、固体でも液体でも気体でもよい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１０／０１６３１３０号

【発明の概要】

【0004】

圧力波発生装置の種々の実施例及び圧力波発生装置を使用する種々の方法が提供される。種々の実施形態において、本方法及び発生装置を用いて、反応チャンバ内へ向けられる高強度圧力波を発生させ、増幅し、及び／又は使用して、チャンバ内の媒体における化学反応又は物理反応を開始し又は効率を高めることができる。例えば、本方法及び発生装置の実施形態を用いて、媒体の温度、圧力、エネルギー、及び／又は密度を高めることができるので、低い温度、圧力、エネルギー、及び／又は密度において達成することが困難又は不経済である反応を、本明細書で説明する方法及び発生装置の実施形態によってもたらされる高い温度、圧力、エネルギー、及び／又は密度において、より迅速及び／又は効率的に行うことができる。

【0005】

一態様において、媒体に結合された変換器とピストンの衝突中、ピストン内を前方に移動する制御ロッドを備えた、ピストンを有する圧力波発生装置が提供される。

【0006】

別の態様において、圧力波発生装置は、ピストン内のガイド内を移動又は摺動することができる制御ロッドを含む。圧力波発生装置は、ピストンと独立して制御ロッドを減速するように構成された緩衝器システムを含む。

【0007】

さらに別の態様において、圧力波発生装置には、高圧気体を直接ピストンの背後に噴射してピストンの移動を開始するための一連のバルブを備えた、ピストン発射及び駆動機構を備える。ピストンが圧力波発生装置筐体の内腔に沿って移動すると、ピストンは筐体内の気体ポートを露出又は開放し、これにより、付加的な高圧気体が噴射され、ピストンに付加的な運動力が印加され、媒体に結合された変換器に向かってピストンが加速される。

【0008】

一態様において、圧力波発生装置は、第１の表面及び第２の表面、並びに第１の表面と第２の表面の間の長手方向軸を有する可動ピストンを備える。ピストンは、ピストンの長手方向軸に沿って第１の表面から少なくとも部分的に第２の表面に向かって延びるガイドを備える。圧力波発生装置は、内腔、第１の端部、及び第２の端部を有する筐体も備え、ピストンは、少なくとも部分的に筐体の内腔の中に配置される。ピストンは、筐体の内腔の中を、第１の端部から第２の端部に向かって、ピストンの長手方向軸に平行な方向に移動することができる。圧力波発生装置は、第１の端部から第２の端部まで長手方向に延びる制御ロッドも備え、制御ロッドの第２の端部は、ガイド内に挿入され、内腔中のピストンの移動中にガイドから外れずにガイド内を移動できるように構成される。圧力波発生装置は、筐体の第２の端部に摺動可能に収容された変換器も備えることができる。変換器は、媒体と結合するよう構成し、変換器とピストンの衝突の際にピストンの運動エネルギーの一部分を媒体における圧力波に変換するように適合させることができる。圧力波発生装置は、可動ピストンを変換器に向かって加速するように構成された推進力発生装置も備えることができ、ピストンと変換器が衝突すると、制御ロッドの第２の端部がガイド内をピストンの第２の表面に向かって移動する。

【0009】

別の態様において、ガイドは、ピストンの第１の表面から、ピストンの第２の表面から離間された内側端まで長手方向に延びる。ガイドは、ピストンの第１の表面の入口から第２の空洞まで延びる第１の空洞を備える。第２の空洞は，ガイドの第１の空洞から延び、第１の空洞の断面積は、第２の空洞の断面積より小さい。ガイドは、第１の空洞と第２の空洞の間の腰部をさらに備えることができ、腰部の断面積は、第１の空洞の断面積より大きく、第２の空洞の断面積より小さい。

【0010】

一態様において、圧力波発生装置は、制御ロッドの第２の端部に取外し可能に取付けることができる保持具をさらに備えることができる。保持具は、保持具をガイド内に挿入することを可能にする第１の配向を有することができ、保持具は、ガイド内に配置されると、第２の配向に移動することができ、保持具は、第２の配向にあると、ガイドから外れないようにされる。保持具は、第１の配向にあるとき第１の断面積を有し、第２の配向にあるとき第２の断面積を有する。ガイドは、ピストンの第１の表面に入口を有し、入口は入口断面積を有する。保持具の第１の断面積は、入口面積より小さく、保持具の第２の断面積は、入口面積より大きいものとすることができる。圧力波発生装置は、制御ロッドの第２の端部を保持具に固定するように構成されたロックをさらに備える。ロックは、ロックピンを備えることができる。

【0011】

一態様において、圧力波発生装置は、ピストンと独立して制御ロッドを減速するように構成された緩衝器システムも含むことができる。緩衝器システムは、開口部を有するチャンバを備えることができ、チャンバは流体を含む。制御ロッドの第１の端部は、変換器に向かうピストンの移動中、開口部を通してチャンバに入るように構成された緩衝器要素を備えることができ、チャンバ内の流体は、ピストンが変換器に向かって移動すると、緩衝器要素に抵抗力を与える。緩衝器要素は、チャンバへの開口部の断面積より小さい断面積を有し、チャンバ内の流体は、緩衝器要素がチャンバ内で移動すると、チャンバから流出することができる。緩衝器システムは、緩衝器要素がチャンバ内で移動すると流体がチャンバから流出できるように、１つ又はそれ以上の開口部を含むことができる。１つ又はそれ以上の開口部は、制御ロッドに所望量の減速又は抵抗力を与えるように構成することができる。

【0012】

別の態様において、推進力発生装置は、ピストンを静止状態から変換器に向かって移動させる初期推進力を印加するように構成された第１の動力発生装置を備える。推進力発生装置は、第２の動力発生装置も備えることができる。第２の動力発生装置は、筐体に接続され、可動ピストンに流体圧力を印加するための流体を貯留するように構成された圧力容器を備えることができ、筐体は、筐体の第１の端部の近くに配置された１つ又はそれ以上の流体ポートを備える。ピストンは、ピストンが筐体の第１の端部に配置されると流体ポートを閉じ、ピストンが第１の動力発生装置の推進力によって筐体の第１の端部から離れて変換器に向かって移動すると、流体ポートを開いて第２の動力発生装置との流体連通を提供するように構成することができる。

【0013】

一態様において、変換器は、筐体の一部と接触して媒体が筐体の内腔に流入するのを阻止するシールを形成するように構成されたテーパ部分を含む。

【0014】

さらに別の態様において、圧力波発生装置は、筐体の第２の端部に配置され、変換器とピストンの衝突を検知するように構成された衝突検知システムをさらに備えることができる。衝突検知システムは、変換器の表面に対して偏向された遠位端を有するピンと、ピンの移動を検知するセンサとを備えることができる。

【0015】

一態様において、ピストンシステムが開示される。ピストンシステムは、圧力波発生装置の実施形態と共に使用することができる。ピストンシステムは、第１の表面及び第２の表面、並びに第１の表面から第２の表面まで延びるピストン軸を有するピストンを備えることができる。ピストンは、ピストン軸に沿って第１の表面から少なくとも部分的に第２の表面に向かって長手方向に延びるガイドをさらに備えることができる。ピストンシステムは、第１の端部及び第２の端部を有するロッドも含むことができる。ロッドの第２の端部は、ガイド内に配置し、ロッドの第１の端部がガイドの外にとどまる間、ガイド内を移動するように適合させることができる。ピストンシステムは、ロッドの第２の端部をガイド内に保持し、ロッドの第２の端部がガイドから外れるのを阻止するように適合された保持具も含むことができる。

【0016】

一態様において、ガイドは、ピストンの第１の表面にある入口から、第２の空洞まで延びる第１の空洞を備え、第２の空洞は第１の空洞からガイドの内側端まで延びる。内側端はピストンの第２の表面から離間することができ、第１の空洞の断面積は、第２の空洞の断面積より小さい。

【0017】

別の態様において、保持具は、ロッドの第２の端部に取外し可能に取付けることができる。保持具は、保持具をガイド内に挿入することを可能にする第１の配向を有することができ、ガイド内に配置されると第２の配向に移動することができる。保持具は、第２の配向にあって、かつロッドに取付けられると、ロッドの第２の端部がガイドから外れるのを阻止又は防止することができる。

【0018】

さらに別の態様において、ガイドは、ピストンの第１の表面に入口を有し、入口は入口断面積を有する。保持具は、第１の配向にあるとき第１の断面積、及び第２の配向にあるとき第２の断面積を有する。保持具の第１の断面積は、入口面積より小さく、保持具の第２の断面積は、入口面積より大きいとすることができる。ピストンシステムは、ロッド及び保持具を第２の配向に固定するように構成されたロックをさらに備えることができる。

【0019】

一態様において、圧力波発生装置は、媒体に結合されるように構成された変換器と、ピストン内に内側端を有するガイド空洞を有する可動ピストンとを備える。制御ロッドは、第１の端部と第２の端部の間を延び、第２の端部は、可動ピストン内のガイド空洞内に配置されて可動である。制御ロッドの第２の端部は、ピストンの移動中、ガイド空洞内に保持されるように構成することができる。圧力波発生装置は、可動ピストンを変換器に向けて加速するように構成された推進力発生装置を含むことができる。ピストンと変換器が衝突すると、制御ロッドの第２の端部はガイド空洞の内側端に向かって移動する。

【0020】

別の態様において、制御ロッドの第２の端部は、配向可能な保持具を備え、保持具は、保持具をガイド空洞内に挿入することを可能にする第１の配向と、保持具がガイド空洞から外れることを阻止する第２の配向とを有する。

【0021】

別の態様において、推進力発生装置は、可動ピストンに流体圧力を印加する流体を貯留するように構成された第１の空洞と、少なくとも部分的に真空にされて第１の空洞から流体を受入れるように構成された第２の空洞とを備えた、第２の動力発生装置を備える。可動ピストンは、受入れられた流体の流体圧力に応じて第２の空洞内を変換器に向かって加速するように構成することができる。推進力発生装置は、静止状態からピストンの移動を開始するための推進力を印加するように構成された第１の動力発生装置をさらに備える。

【0022】

一態様において、圧力波発生装置は、変換器に向かうピストンの移動の少なくとも一部分に対して制御ロッドを減速する減衰力を印加するように構成された緩衝器システムをさらに備える。緩衝器システムは、流体を含有する空洞を備え、制御ロッドは、ピストンの移動の少なくとも一部分の間、空洞に入るように構成された１つ又はそれ以上の緩衝器要素を備えることができる。空洞内の緩衝器要素にかかる流体抵抗が減衰力を提供することができる。

【0023】

上述の態様及び実施形態に加えて、図面の参照及び以下の詳細な説明の検討により、さらに別の態様及び実施形態が明らかとなるであろう。

【0024】

図面を通して、言及される要素の対応関係を示すために参照数字が再使用される可能性がある。図面は、本明細書において説明される例示的実施形態を図示するために提供され、本開示の範囲を限定することを意図しない。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】ガイドとガイド内を摺動可能な制御ロッドとを有する可動ピストンを有する圧力波発生装置の一つの実施形態の概略断面図である。例示の圧力波発生装置は、制御ロッド緩衝器システム及びピストン発射システムを含む。

【図1A】保持具を有するピストンガイドの一つの実施形態を概略的に示す断面図である。この図は、保持具がピストンガイド内に挿入される前のピストンガイドを示す。

【図1B】ピストンガイド内の保持具に取付けられた制御ロッドの一つの実施形態の概略断面図である。

【図2】ピストンが始動位置にある圧力波発生装置の一つの実施形態を概略的に示す断面図である。

【図3】ピストンが前方に移動し（例えば、図２の始動位置から離れて）、ピストンに付加的推進力を印加することができる開放した気体ポートを示す、圧力波発生装置の一つの実施形態を概略的に示す断面図である。

【図4】変換器の一つの実施形態を概略的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

概要
媒体に圧力波を発射するためには、例えば、媒体表面に対する直接機械的衝撃の印加、デトネーション、爆発、電気火花、強力放射ビーム、振動及び増幅機構など種々の方法を用いることができる。

【0027】

圧力波発生装置の例は、同一出願人による特許文献１に記載され、同文献の全体が引用により本明細書に組み入れられる。同文献は、媒体に圧力波（又は複数の圧力波）を発生させるための圧力波発生装置の例について記載する。同文献に記載されている例示的な圧力波発生装置、発生装置の構成要素、又は発生装置を動作させる方法のいずれかを、本明細書で説明する圧力波発生装置及び方法の実施形態において使用することができる。圧力波を用いて媒体を圧縮し、媒体の温度、圧力、エネルギー、及び／又は密度を上昇させることができる。圧力波は、媒体に結合された変換器に対する加速したピストンの機械的衝突によって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少なくとも部分的に媒体における圧力波に変換することができる。集束する媒体内の材料を密封し圧縮することができる高エネルギー圧力波を得るために、場合によりピストン位置及び衝突時間の相当に正確なタイミング及び制御を用いる必要がある。

【0028】

幾つかの実施において、ピストン衝突及びタイミングの制御は、ピストンに推進力及び制動力を印加すること、及びピストン位置を監視することによって行うことができる。衝突タイミングを制御する１つの可能な方法は、ピストンに取付けられた剛性ロッドを用いることである。ロッドは、例えばブレーキによって与えられる制動力を印加することができる表面を与える。さらに、ピストンロッドを用いてピストン位置を監視することができる。幾つかの実施において、変換器に衝突する際のピストンの比較的急激な減速は、例えば、ロッドの座屈、取付け位置の剪断、又は反発による張力破壊などロッドの損傷を引き起す可能性がある。

【0029】

従って、本開示は、幾つかの実施において、衝突の際の制御ロッドの損傷を減少させることができる圧力波発生装置及びピストンの実施形態を提供する。

【0030】

圧力波発生装置の実施例
図面を参照すると、図１に圧力波発生装置１０の一つの実施形態の概略断面図を示す。圧力波発生装置１０は、円筒型筐体１５、第１の端部１６及び第２の端部１７により定まる内腔１５ａを有する円筒型筐体１５と、筐体の内腔１５ａ内で可動のピストン１１と、筐体の第２の端部１７に配置された変換器１４とを含む。筐体１５の第２の端部１７は、開放端部として、その中に変換器１４を摺動可能に収容することができる。筐体１５の第１の端部１６は、少なくとも部分的に閉じることができる。内腔１５ａは内腔軸１５ｂに沿って長手方向に延びることができる。ピストン１１は、第１の表面１１ａから第２の表面１１ｃへの方向に沿って延びる長手方向ピストン軸１１ｂを有することができる。第２の表面１１ｃは、変換器１４に面する。ピストン１１は、内腔１５ａ内を第１の端部１６から第２の端部１７の変換器１４に向かって、内腔軸１５ｂに沿って可動である。ピストンの長手方向軸１１ｂは、ピストン１１が内腔１５ａ内をピストン軸１１ｂに平行な方向に沿って移動するように、内腔軸１５ｂと概ね同一直線とすることができる。

【0031】

筐体１５の内腔１５ａは、ポンプシステム（図示せず）で排気して少なくとも部分的に真空領域を形成することができる。幾つかの実施において、内腔は、ポンプシステムで少なくとも部分的に排気して、内腔内の圧力を周囲圧力に比べて低減させることができる。変換器１４は、ピストン１１による衝突の際に筐体の第２の端部１７に対して軸方向に僅かに移動させることができる。変換器１４は、筐体の内腔１５ａに面する内側衝突表面１４ａと、固体、液体、気体、又はプラズマなどの媒体に結合することができる外側表面１４ｂとを備える。変換器１４は、ピストン１１が衝突した際に変換器が媒体内に外れることを防止する保持機構１８をさらに含む（図４に示す例示的変換器も参照）。筐体１５は、第１の端部１６の近傍において円筒型筐体１５の周りに形成され、ピストンの内腔１５ａがそれを通して圧力容器２０と連通する、複数の流体ポート１９を含むことができる。圧力容器２０は、加圧流体（例えば、気体）を貯留することができ、この流体がポート１９を通って流れ、ピストン１１を内腔軸１５ｂ（又はピストン長手方向軸１１ｂ）に沿って変換器１４に向かって加速して、ピストンの第２の表面１１ｃを変換器１４の衝突表面１４ａに衝突させることができる。ピストン１１と変換器１４の衝突が、変換器１４を内腔軸１５ｂに沿って媒体内へ移動させ、それにより媒体において圧力波が生成される。

【0032】

図示した実施形態において、ピストン１１及び変換器１４は略円筒型であり、円筒型内腔１５ａ内に嵌合する。これは限定事項ではなく、他の実施形態においては、ピストン１１、変換器１４、及び／又は内腔１５ａは他の形状（例えば、多角形等の他の断面形状）を有することができる。

【0033】

ピストン１１は、制御ロッド１３を少なくとも部分的にガイド１２内に挿入できるように構成できる、ガイド１２を備えることができる。図示した実施形態において、ガイド１２は、第１の表面１１ａから第２の表面１１ｃに向かってピストン本体を部分的に貫通し延びる中央の細長い空洞を備える。ピストンガイド１２は、制御ロッド１３の遠位（又は第２の）端１３ａを受け、制御ロッド１３をガイド１２内で移動又は摺動できるようにする。制御ロッド１３の近位（又は第１の）端１３ｂは、ガイド１２の外に留まる。ガイド１２は、ピストン本体内で一定の長さまで延びることができる。幾つかの実施において、ガイド１２は、ピストン１１本体の略全体を通って（例えば、第２の表面１１ｃまで完全に）延びることができる。他の実施において、ガイド１２は、ピストン本体内で、ピストン本体全体の長さよりは小さいが、種々の深さまで延びることができる。ガイド１２の長さは、ピストン１１が変換器１４と衝突する際に、ピストン１１が内腔１５ａ内部を移動する間ガイド１２から外れずに、ロッド１３がガイド内を摺動又は移動するのに十分な経路を提供するように、選択することができる。

【0034】

幾つかの実施において、ピストン１１は、直径約３００ｍｍ、質量約１００ｋｇ、及び長さ約１８０ｍｍの略円筒型の本体を有することができる。ピストン１１は、金属等の剛性材料から形成することができる。ガイド１２は、ピストンの円筒型本体内に同心状に配置され、ガイド開口部の直径約５０ｍｍ及び長さ約１４０ｍｍの細長い空洞とすることができる。ガイド１２は、円筒型、円錐型又は任意の他の断面を有することができる。図示した実施形態において、ガイド１２は、略球状の部分（例えば、半球状）である形状を有する内側端２１を有し、ガイド１２の内側端２１への応力集中を削減する又は最小化する。例えば、多角形等の他の断面形状のガイドを用いることができ、内側端（又はガイドの他の部分）は、図１に示したものとは異なる形状（例えば、平坦、円錐など）とすることができる。

【0035】

図１Ａは、保持具２２を有するピストンガイド１２の一つの実施形態を概略的に示す断面図である。図１Ａは、保持具２２がピストンガイド１２の中に挿入される前のピストンガイド１２を示す。図１Ｂは、制御ロッド１３の遠位端１３ａがピストンガイド１２内部の保持具２２ａに取付けられた、ピストン１１の一つの実施形態の略断面図である。図１Ａ及び図１Ｂに概略的に示した実施形態において、ガイド１２は，第１の空洞１２ａに隣接する第２の空洞１２ｂを備える。ガイド１２の内側端２１は第２の空洞１２ｂの遠位端に配置される。第２の空洞１２ｂは、腰部１２ｃで狭くなり、第２の空洞１２ｂより小さい断面積を有する第１の空洞１２ａに隣接する。第１の空洞１２ａは、ピストン１１の表面１１ａにおいて入口開口部１０４を有する。図示した実施形態において、入口１０４は円形状を有するが、制御ロッド１３を受けるように構成された任意の他の形状を用いることができる。

【0036】

一つの実施において、入口１０４は、直径約３０ｍｍの円形とすることができる。第２の空洞１２ｂは、約５０ｍｍの直径及び約１２０ｍｍの長さを有し、一方、第１の空洞１２ａは、約３０ｍｍの直径及び約１５ｍｍの長さを有することができる。腰部１２ｃは、鋭角を避けるように湾曲面を有することができる。

【0037】

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、圧力波発生装置１０は、制御ロッド１３の一部をガイド１２内に保持するための保持具２２をさらに備えることができる。一つの実施形態において、保持具は、ロッド１３の一部をガイド１２内に保持し、ロッドの一部がガイド内を略自由に移動できるようにするが、ロッド１３の遠位端１３ａがガイド１２の外に、すなわちピストン１１から外れることを防ぐ、成形ナット２２ａとすることができる。

【0038】

保持具２２の実施形態を図１Ａ及び図１Ｂに概略的に示す。図１Ａにおいて、保持具２２は、制御ロッド１３を挿入して固定することができる開口部１０３を有する半球状本体１０１を備えた成形ナット２２ａを備える。成形ナット２２ａは、取り外され、それにより２つの対向する平坦面１０２を形成する、２つの部分を有することができる。成形ナット２２ａは、ガイド２２及び入口１０４に対する成形ナット２２ａの配向に応じて２つの異なる断面を有することができる。第１の配向（例えば、図１Ａを参照）において、成形ナット２２ａは、ガイド１２の壁に面する開口部１０３を有する横向きであり、そのため成形ナットの断面は第１の空洞１２ａ（及び入口開口部１０４）の断面より小さく、ナット２２ａを、入口開口部１０４及び第１の空洞１２ａを通して挿入し（第１の配向にあるとき）次いで第２の空洞１２ｂに挿入することができる。成形ナット２２ａが第２の空洞１２ｂ内にあると、ナット２２ａを、開口部１０３が入口１０４に面する（例えば、図１Ｂを参照）第２の配向に回転させて、その断面が第１の空洞１２ａ及び入口開口部１０４の断面より大きくすることができる。従って、成形ナット２２ａが、第２の空洞１２ｂ内で第２の配向にあるとき、ナット２２ａは、入口開口部１０４を通ってガイド１２から出ないよう防止される。

【0039】

図１Ａは、成形ナット２２ａが入口１０４を通してガイド１２内部に挿入される前のガイド１２に対する保持具２２の配向を概略的に示す。二つの対向する平坦面１０２が、成形ナット２２ａを、入口１０４を通して第１の空洞１２ａさらに第２の空洞１２ｂに挿入するための隙間を得る助けとなる。ひとたびナット２２ａがガイド１２の第２の空洞１２ｂに入ると、ナットを回転させて、開口部１０３を入口１０４に向けて、制御ロッドを保持具２２に接続することができる。成形ナット２２ａは、ナットの遠位端の形状がガイドの内側端２１の形状に略一致するように成形することができる（図１Ｂを参照）。

【0040】

図１Ｂは、成形ナット２２ａ、及び、ナット２２ａに取付けられ、かつピストンガイド１２内に挿入された制御ロッド１３の遠位端１３ａを概略的に示す。ナット２２ａが図１Ｂに示す位置にあるとき、ナット２２ａの断面は、第２の空洞１２ｂの断面より僅かに小さいため、ナット２２ａは、第２の空洞１２ｂ内で略自由に移動することができる。ナット２２ａの断面は、第１の空洞１２ａの断面（及び／又は開口部１０４）より大きいので、圧力波発生装置の動作中、ナット２２ａはガイド１２から出ないように阻止される。保守作業のために、ナット２２ａから制御ロッドを取り外すことによりガイド１２からナット２２ａを取り外し、ナット２２ａを回転させて、入口１０４を通して空洞１２ｂ、空洞１２ａから取り外すことができる。一つの実施において、ナット２２ａを空洞１２ｂ、１２ａ及び開口部１０４を通して挿入又は取り出すために、ナット２２ａを回転させるように設計された工具を用いてナット２２ａを回転させることができる。

【0041】

幾つかの実施形態において、保持具２２は、制御ロッド１３及び保持具２２を固定位置に固定するためのロックをさらに備えることができる。ロックは、制御ロッド１３上の狭い溝に配置されるロックピン（例えば、ロックワイヤ）１０６を含むことができる（例えば、図１Ｂを参照）。ロックピン１０６は、成形ナット２２ａの開口部１０３の近傍において保持具２２に形成された開口部１０５を貫通する（例えば、図１Ａを参照）ように適合させて、制御ロッド１３が保持具２２に締結されると、ロックピン１０６を開口部１０５と位置合せすることができる。ロックピン１０６は、開口部１０５を貫通することができ、それにより制御ロッド１３をナット２２ａに対して略固定位置に固定することができる。例えば、ひとたび保持具２２がロッドの第２の端部１３ａに締結（例えば、ねじ止め）されると、ロックピン１０６は開口部１０５を貫通し、それにより、保持具２２及びロッド１３の位置を固定するので、保持具２２が緩んでロッド１３から外れるのが防止される。幾つかの実施形態において、複数のロックを用いることができる。他の実施形態において、異なるロック機構を用いて、制御ロッド１３及び保持具２２を略固定位置に固定することができる。

【0042】

幾つかの取付け方法において、保持具２２は、ピストンガイド１２内に挿入され、次いで開口部１０３が入口開口部１０４に面するまで約９０度回転される。次に制御ロッド１３が開口部１０３内に挿入され保持具２２に締結され（例えば、ねじで）、ロックピン１０６が開口部１０５と位置合せされてその中に挿入され、制御ロッド１３及び保持具２２の位置を固定する。ロッド１３が固定され保持具にロックされると、ロッド１３（及び保持具２２）は、ガイド１２の第２の空洞１２ｂ内で移動又は摺動できるが、保持具２２の断面サイズにより、保持具２２及び制御ロッド１３の遠位端１３ａが、第１の空洞又は開口部１０４を通ってガイド１２から出ることが実質的に防止される。従って、制御ロッド１３の遠位端１３ａは、ガイド１２の長さに沿って移動できるが、ガイド１２からずれるか又は外れることは阻止される。

【0043】

図１に示す例示的な圧力波発生装置をさらに参照すると、ピストンガイド１２内で遠位端１３ａと対向する、制御ロッド１３の近位端１３ｂは、緩衝器システム２４内へ移動するとピストンとして作用するように構成された円板２３に接続することができる。他の実施形態において、１つ又はそれ以上の（円板等の）緩衝器要素を制御ロッド１３の長さに沿ってガイド１２の外部に（円板２３に加えて又は代替として）配置して、緩衝器システム２４においてロッド１３を減速させることができる。緩衝器システム２４は、ピストン１１の移動とは独立して制御ロッド１３を減速することができ、それにより、ロッド１３にかかる応力を低減する又は最小化することができる。緩衝器システム２４は、（例えば、図１に概略的に示すような）空気圧緩衝器、油圧緩衝器、及び／又は電磁緩衝器／ブレーキを含むことができる。空気圧又は油圧緩衝器には、制御ロッドの減速を調整してロッド１３にかかる応力を低減する又は最小化することができる、調整可能バルブ２５を取付けることができる。幾つかの実施において、緩衝器システム２４は、円板２３が緩衝器システムに入る入口開口部を有する円筒型本体を含むことができる。別の実施形態において、緩衝器システム２４は、円錐形に成形することができる（図１を参照）。緩衝器システム２４の長さ及び／又は断面積は、制御ロッド１３に所望の減速又は減衰力を提供するように（円板２３のサイズ等の他の要因の中で）選択することができる。

【0044】

幾つかの実施において、緩衝器システム２４は、緩衝器システム２４の長さに沿って変化するプロファイルを有することができる。例えば、緩衝器システム２４は、第１の部分が略円筒型で、第１の部分に隣接する第２の部分がベル形状を有する本体を有することができる。緩衝器システム２４の第１の部分は、エラストマー材料、可塑性材料、又は剛性ゴム材料、又は任意の他の耐衝撃材料で作成された入口を有することができる。かかる材料の使用は、円板２３が緩衝器システム２４の入口に衝突すると、入口は壊れずに降伏するという点で有利であり得る。円板２３は、緩衝器システム２４の入口にあると、気体が緩衝器システム２４（例えば空気圧緩衝器システム）から流出することができる隙間を提供するサイズ及び形状にすることができる。例えば、円板２３は、緩衝器システム２４への入口の断面積より僅かに小さい断面積を有することができる。緩衝器システム２４は、幾つかの場合、緩衝器システム２４の長さに沿って配置された少なくとも１つの付加的な開口部をさらに備え、それを通って気体が緩衝器システム２４から流出することができる。一つの実施において、異なる数又はサイズの開口部を緩衝器システム２４内の種々の位置に配置又は形成し、緩衝器システム２４から気体を流出させて、制御ロッド１３を減速するために印加される減衰力を制御又は加減することができる。

【0045】

１つの例示的な操作方法において、内腔の閉止端１６に近いピストン１１の始動位置において、保持具２２及び制御ロッド１３は、それ自体の始動位置にある。保持具２２及び制御ロッド１３の遠位端１３ａは、ガイド１２の内側端２１から離間することができる。ピストン１１を前方に加速して変換器１４に衝突させることができる。ピストン１１と変換器１４の衝突の際、保持具２２を有する制御ロッド１３の遠位端１３ａは、ガイド１２内部を前方に移動し、それにより、ロッド１３に対する応力を減らすことができる。制御ロッド１３の遠位端１３ａがガイド１２内で前方に移動すると、円板２３は、緩衝器システム２４内を前方に移動する。空気圧緩衝器システムにおいて、円板２３の移動が緩衝器システム２４内の気体（例えば，空気）を圧縮し、制御ロッド１１を減速させる。従って、緩衝器システム２４は、ロッド１３を減速するように機能し、ロッドにかかる応力を低減又は最小化する。

【0046】

一つの実施形態において、緩衝器システム２４は、例えば、圧電調整可能バルブ等の高速調整可能バルブを備え、これを衝突タイミング制御機構２９の一部分として用いることができる。高速調整可能バルブを用いて、変換器と衝突する前にロッド１３に対する力を調整し、それにより、変換器１４と衝突する前のピストンの移動の最終部分（例えば、円板２３が緩衝器システム２４に入るときの移動の部分の間）のピストン速度を変えることができる。

【0047】

ひとたび、ピストン１１が内腔の端部１６に近い始動位置に戻ると、制御ロッド１３は、その始動位置に戻るための力を印加することによってガイド１２内の始動位置に戻すことができ、ロッド１３の遠位端１３ａ及び保持具２２は、ガイド１２の内側端２１から離間される。

【0048】

幾つかの実施において、ピストン１１の変換器１４への衝突のタイミングは、制御システム２９によって制御することができる。制御システム２９は、１つ又はそれ以上のプロセッサ、コントローラ、又は汎用若しくは専用コンピューティングハードウェアを含むことができる。圧力波発生装置１０は、制御ロッド１３に制動力を印加するためのブレーキ２６を備えることができる。例えば、ブレーキ２６は、磁気渦電流ブレーキ、摩擦ブレーキ、圧電制御可能ブレーキなどを含むことができる。制御ロッド１３は、制御システム２９が、光学システムを用いて位置エンコーダ２８によりロッドのマーキング２７を読み取ることにより、ピストンの位置を監視することができるように、マーキング２７をさらに含むことができる。エンコーダ２８は、ピストンの位置に関する信号を制御システム２９に送ることができる。

【0049】

種々の実施において、制御システム２９は、ピストン１１と変換器１４の間の衝突のタイミングを制御すること及び／又は発生装置１０内部のピストンの移動の少なくとも一部に対するピストン１１の速度及び／又は位置を制御することができる。一つの実施において、制御システム２９は、エンコーダ２８からピストン位置の信号を入力として受取ることができ、出力信号を、ブレーキ２６及び／又はピストン発射システム２００（例えば、図２を参照）の一部であるバルブ３０に送ることができる。例えば、制御システム２９は、ピストン１１の１つ又はそれ以上の以前の発射の制御情報にアクセスすることができ、かかる制御情報を用いてピストン１１の続く発射の制御パラメータを調整することができる。制御情報は、例えば、ピストンの軌道、発射システムの遅延、発生装置１０内部の気体圧力、筐体１５内の摩擦の測定値又は決定値、衝突時における変換器１４に対するピストン１１の位置などを含むことができる。制御システム２９は、例えば、発射タイミング、気体圧力、変換器／ピストンの位置などを調整して、衝突力及び／又は衝突時間を調整することができる。制御システム２９は、制御情報を恒久的に又は他の方式で格納するために用いることができる１つ又はそれ以上のコンピュータ可読記憶媒体を含むか又はそれらと連通することができる。例えば、制御システム２９は、制御情報を格納する揮発性又は不揮発性記憶デバイスと連通する物理的コンピューティングデバイスを含むことができる。

【0050】

種々の型式のブレーキシステムを用いて、ロッド１３に制動力を印加することができる。引用によりその全体が本明細書に組み入れられる同一出願人による特許文献１は、圧力波発生装置１０の実施形態において用いることができるブレーキシステムの幾つかの実施形態について記載している。例えば、ブレーキ２６は、圧電作動摩擦ブレーキ、ソレノイド作動摩擦ブレーキ、（例えば、渦電流を用いる）電磁ブレーキなどを含むことができる。幾つかの実施形態において、ブレーキ２６には、所望の制動力を予荷重することができる。他の実施形態において、ブレーキ２６の予荷重力は、例えば、ロードセル（図示せず）によって正確に測定し制御することができる。一つの実施において、ロードセルは、ブレーキシューに接続しかつ電圧駆動装置と電気的に連通することができる圧電アクチュエータを備えることができる。ボルトをアクチュエータに接続し、ボルトを締めることによってブレーキに予荷重することができる。圧電アクチュエータが圧搾又は圧縮されると、アクチュエータは、電流（電圧）を発生する。アクチュエータによって発生した電圧の測定は、ブレーキの予荷重力の測定値を提供ことができる。ピストン位置及び制動力の正確な測定及び制御により、制御システム２９による衝突タイミング及び／又は衝突力の正確な制御を可能にできる。幾つかの実施において、制御システムは、衝突タイミングを約±１０μｓの精度で制御することができる。

【0051】

圧力波発生装置１０を操作する幾つかの方法において、連続する「発射」においてピストン１１が変換器に繰返し衝突させられる。発射のタイミング、ピストンの速度（又は運動エネルギー又は運動量）などの較正が望ましい場合がある。幾つかの場合、ピストン１１の変換器１４に対する連続する発射を較正するために、ピストン１１が変換器１４に衝突する瞬間を正確に決定することができる。衝突の力は、ピストン又はピストン筐体の１つ又はそれ以上の表面に対して相当の負荷を発生させる場合がある。かかる負荷を用いて、変位又は加速の測定により衝突タイミングを検知することができる。幾つかの場合、測定精度は、音響経路のばらつきによって影響される場合がある。例えば、衝突センサがピストン筐体１５の上部に配置され、衝突力がピストン筐体の下部に初めに印加され又は受けられる場合、筐体１５の上部にある衝突センサは、圧力信号がピストン１１又は筐体１５を横切って伝搬するまで衝突による信号を受取らない。例証的な一つの例として、直径３００ｍｍの鋼製ピストン及び鋼体内で５ｋｍ／ｓの音速においては、筐体１５の上部のセンサ表示の遅れは約６０μｓとなり得る。従って、圧力波発生装置１０の幾つかの実施形態では、衝突の際に変換器１４の半径方向の拡張を検知することができる衝突検知センサ３１が用いられる。かかる衝突検知センサ３１は、ピストンの衝突時の変換器の位置、及びその初期位置（衝突前の位置）への復帰を監視するための位置センサとして用いられるようにさらに構成できる。幾つかの実施形態においては、複数の衝突検知センサ３１を用いることができる。

【0052】

衝突検知センサ３１は、変換器１４を収容する筐体１５の一部、例えば変換器座４００（例えば、図４を参照）上に配置して、変換器１４と連通することができる。図１は、筐体１５の上部への、衝突検知センサ３１の例示的な配置を概略的に示す。衝突検知センサ３１は、ピン及び加速度計又はピンにおける移動を検知することができる任意の他のセンサを含むことができる。ピンは、例えばバネ等の付勢要素により変換器１４に対して予荷重することができる。機械的バネ、気体差圧、又は気体ストラットを付勢要素として用いることができる。衝突検知センサ３１は、変換器１４を大気から略密封するためのシールをさらに含むことができる。付勢要素が気体差圧センサを備える実施形態において、シールはオプションとすることができる。衝突検知センサ３１は、変換器１４の（例えば、変換器１４が座４００の初期位置に戻る際）位置を示すためのスイッチをさらに含むことができる。幾つかの実施において、衝突検知器は、センサ３１（加速度計及び／又は位置スイッチ）が過熱するのを防ぐための冷却システムを備えることができる。

【0053】

衝突検知センサ３１内のピンは、十分に高い音速と、生じる応力に耐える能力とを有し、変換器１４の半径方向の拡張を加速度計に伝達することができる金属又は任意の他の材料から形成することができる。ピストン１１の衝突の際に、変換器１４を横断する圧力波を検知するために、ピンは、変換器１４に向かって延び、ピンの遠位端は変換器１４に接触する必要がある。他の実施形態において、衝突検知センサ３１は、変換器１４の半径方向の拡張を検知できるセンサを備えることができる。衝突検知センサ３１は、変換器の表面上に直接配置できる、光センサ又は容量性センサを含むことができる。

【0054】

図２は，ピストン筐体１５に取付けられた圧力容器２０を備える圧力波発生装置１０の一つの実施形態の断面図を概略的に示す。図２において、ピストン１１は内腔１５ａの第１の端部近傍の始動位置に示される。圧力容器２０は、締結機構２０２（例えば、ボルト）を用いてピストン筐体の第１の端部１６に締結することができ、圧力容器２０内の流体（例えば、気体）は、ポート１９を通してピストンの内腔１５ａと流体連通することができる（例えば、図１及び図３を参照）。加圧気体貯留槽２０３及び制御バルブ２０８は、加圧気体を圧力容器２０内に供給することができる。ピストン１１を変換器１４に向かって発射するための種々の可能な方法は、引用によりその全体が本明細書に組み入れられる同一出願人による特許文献１に記載されている。

【0055】

圧力波発生装置１０の幾つかの実施において、ピストン動作（発射）の開始のタイミングを正確に測定又は制御して変換器１４との衝突のタイミング（衝突）の制御を改善することができる。幾つかのかかる実施において、ピストンに推進力を与えるための高費用効率かつ容易な制御方法は、加圧気体を用いることによる。ピストン１１を変換器１４に向かって発射及び加速する１つの例示的な方法において、圧力容器２０が初期圧力にする一方、ピストンは、制御ロッドに制動力を印加する（例えば、ブレーキ２６により）ことにより静止位置に保たれる。発射時に、制動力は急速に（幾つかの実施形態において圧電ブレーキアクチュエータを用いる場合、数マイクロ秒の単位）解放され、加圧気体の力がピストン１１を変換器１４に向かって加速することができる。かかる特定の実施形態において、ブレーキパラメータが正確に予測されないと、加圧気体駆動装置が時期尚早の発射を引き起す場合がある。また、幾つかのかかる実施形態は、発射時のピストン背後の容積の増加がピストンを押す圧力を急速に低下させる傾向があるので、ピストンの運動を僅かに減速させる傾向があり得る。

【0056】

従って、圧力波発生装置１０の特定の実施形態では、空気圧（パフ）バルブ３０等の一連の時限式バルブを備え、高圧気体をピストン背後の比較的小さい容積３６（例えば、図１及び図２を参照）に直接噴射し、ピストン１１に印加する初期推進力を調整するために用いることができる、発射システム２００を採用する。バルブ３０は、独立して調整される気体供給源２０５（例えば、加圧空気）と連通することができる。他の実施形態において、気体供給源２０５は、一次気体供給源（加圧気体貯留槽２０３など）とすることができる。一つの実施形態において、圧力容器２０内の加圧気体を用いて容積３６に高圧気体を供給することができる。独立した気体供給源２０５を各パフバルブ３０に対して調整し、幾つかの実施において数十マイクロ秒以内での開放同期を達成することができる。パフバルブ３０は、チャネル２１０を通して加圧気体をピストン背後の小容積３６内に噴射することができる。図１及び図２に概略的に示すように、容積３６は、ピストンの背面１１ａと筐体の第１の端部１６との間に形成された比較的小さな隙間とすることができる。操作の一つの方法において、最初の発射気体圧力を容積３６内に導入することができる一方、ピストンは、制御ロッド（図２には示さず）に制動力を印加することによって静止位置に保持される。発射の際、制動力を解放すると、容積３６内の加圧気体は、ピストン１１の移動を開始するための初期推進力を提供することができる。容積３６の加圧気体は、ピストン１１に初期推進力を印加して一組の気体ポート１９（例えば、図３を参照）を通過させ、このポートを通して圧力容器２０内に貯留された追加の加圧気体をピストン１１に印加してピストン１１を変換器１４に向かって加速することができる。かかる実施形態において、ピストン１１は、気体ポート１９のバルブとして作用して圧力容器２０を開き、ピストン１１が気体ポート１９を通過した後にピストン１１の背面に追加の推進力を導入する。

【0057】

例えば、発射システム２００は、気体を約１００ｐｓｉ（１ｐｓｉ＝１ポンド毎平方インチ≒６，８９５パスカル）で容積３６内に噴射し、ピストン１１を速度約２ｍ／ｓでピストンの内腔を通って前方へ移動させ始めるための、４つのバルブ３０を含むことができる。ひとたびピストン１１が気体ポート１９を通過すると、圧力容器２０から約３５０ｐｓｉ又はそれ以上の高圧気体がピストン１１の背後の容積に入り、ピストンを約３０乃至１００ｍ／ｓの速度に加速する。

【0058】

一つの実施形態において、発射システム２００は、ピストン１１に初期推進力を提供するための、より少数又はより多数のバルブ３０を備えることができる。別の実施形態において、バルブ３０は、各々のバルブ３０がピストン１１の背後に噴射する気体の量を制御する独立バルブタイミングコントローラ２０９に接続することができる。噴射された加圧気体は、図３に示すように、ピストン１１が円筒型内腔を前方に移動して気体ポート１９を通過するのに十分な推進力を提供する。

【0059】

異なる実施において、異なる型式のバルブ又は発射機構を、異なる圧力で利用してピストン１１に初期推進力を印加することができる。他の実施形態において、直接作動圧電装置、バネ駆動機構、慣性駆動機構（例えば、はずみ車又は類似のデバイス）、又は熱アクチュエータを用いて発射制御を行うことができる。

【0060】

幾つかの操作方法において、圧力波発生装置１０が始動位置にあると、ピストン１１は、図１及び図２に概略的に示す、ピストン１１が気体ポート１９を覆う位置にあることができる。従って、始動位置にある間、ピストン１１は、気体が気体ポート１９を通って筐体１５の内腔に入ることを阻止する。制御システム２９は、信号をブレーキ２６に送信して、制御ロッド１３に制動力を印加することができる。制御システム２９は、信号をバルブコントローラ２０９に送信して、バルブ３０を開くように指令することができる。所望の時間において、制御システム２９は、ブレーキ２６に信号を送信して制動力を減少（又は除去）させることができる。ピストン１１は、図３に示すように、気体ポート１９を通過して移動を開始し、圧力容器２０内に貯留された加圧気体が気体ポート１９を通過してピストン１１を変換器１４に向かって加速させることを可能にする。ピストン１１が変換器１４に衝突すると、その運動エネルギーの少なくとも一部を変換器に移行する。衝突の際、変換器は弾性的に圧縮され、少なくとも部分的に媒体内に軸方向に移動し、従って、ピストンの運動エネルギーを少なくとも部分的に媒体における圧力波に変換する。ピストン１１の衝突中、制御ロッド１３（及び／又は保持具２２）の遠位端は、ガイド１２内を前方に移動又は摺動して、衝突中に発生するロッドに対する応力を減らすことができる。緩衝器システム２４は、ピストン１１と独立して制御ロッド１３を減速し、ロッドに対する応力を低減又は最小化することができる。

【0061】

固体構成要素（例えば、ピストン１１及び変換器１４）からの応力波の媒体への伝搬は、媒体における圧力波を提供することができる。かかる応力波が変換器へのピストンの大きな衝突速度（例えば、場合により約１０ｍ／ｓより大きい速度）に関連づけられると、かかる波は、発生装置１０の幾つかの実施において１ＧＰａを越える場合がある局所圧力を発生させることができる。かかる圧力は、変換器１４の媒体内への移動、並びに圧力波が変換器を横切る際の変換器の半径方向の拡張によって発生し得る。半径方向の拡張は、変換器の側面に沿って配置された媒体の一部が「ジェット」として射出させることができる。かかる「ジェット」は、発生装置１０内の変換器１４の近傍に用いられたシールを損傷する場合がある。また、シールは、特定の実施形態において生成される高圧により劣化する場合がある。

【0062】

図４は、圧力波発生装置１０の筐体１５の内腔の端部１７に対する一次シールとして作用することができるように成形された変換器１４の一つの実施形態の断面図を示す。変換器１４は、筐体１５において変換器の座壁４００の一部として形成された表面４０２に面する表面４０１を備える。変換器１４の表面４０１は、傾斜表面（１つ又はそれ以上の傾斜部分）又は丸みを付けた若しくは湾曲した表面を含むことができる。座壁４００の表面４０２は、対応するテーパ平坦表面又は丸みを付けた若しくは湾曲した表面を含むことができる。変換器１４の表面４０１は、座壁の表面４０２に略係合するように設計することができる。一つの実施形態において、表面４０２は、ピストン筐体壁の一部とすることができる。表面４０１と表面４０２の構成は、特定の実施形態の発生装置の動作中、変換器１４とその座面４００との間の空間に閉じ込められる、媒体の少なくとも一部を押し出し又は射出できる、一次シールを提供することができる。ピストンによる衝突に続いて、変換器が座面４００における始動位置に戻ると、媒体の一部を押し出され又は射出することができる。

【0063】

別の実施形態において、さらに二次シール４０３を用いることができる。二次シールは、媒体への曝露、高温、高圧及び変換器１４の僅かな動きによって生じる摩擦力に対応できる材料で作成することができる。一つの実施において、シール４０３は、追加的に潤滑装置として機能することができる。一次及び二次シールの両方を用いる実施形態の可能性のある利点とは、一次シールを使用しない実施形態と比較して、二次シールがより低い圧力に曝されるように、一次シールは、二次シールが曝される圧力を制限できることである。従って、かかる実施形態においては、シール材料がより低い圧力に曝されるので、二次シール用に広範なシール材料を用いることができる。例えば、二次シール４０３は、例えば、ＥＧＣＥｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ社（オハイオ州チャードン）から入手可能なＧＲＡＦＯＩＬ（登録商標）シール、又はＧＲＡＦＯＩＬ（登録商標）金型形成リングなどの、可撓性グラファイトシールを含むことができる。

【0064】

また、かかる特定の実施形態において、変換器１４は、座４００の表面４０２上の変換器の外側表面４０１によって形成される一次の金属対金属シールと、二次の円周シール４０３を提供することができる。かかる特定の実施形態は、得られたシール形状が圧力を増加させても所望のシーリングを提供するように、例えば、二つの相当に硬い構成要素（例えば、金属の変換器及びその金属座）の間の一次シールを作成する等の、幾つかの機能を提供することができる。また、変換器に対する媒体の圧力が、シールに付勢して、圧力が上昇してもシールの安定性を増すことができる。

【0065】

図４に示す変換器１４の実施形態は、変換器１４が（例えば、ピストン１１の衝突の際）前方に移動すると、その側部容積を拡張させて、変換器の側部に沿った媒体の貫入を遅くすることができる。一つの実施において、排出システム（図示せず）を設けて一次シール（例えば、表面４０１と４０２によって形成される金属対金属シール）及び／又は二次シールを通って貫入する任意の媒体を除去することができる。排出システムは、排出システム内の任意の媒体を示し、従って一次及び／又は二次シールの漏れを示すセンサをさらに備えることができる。図４に概略的に示した構成は、媒体のジェットの形成を妨げることができる、二次シール４０３への媒体経路における１つ又はそれ以上の曲がり又は角度を設けることができる。

【0066】

変換器１４は、ピストン１１が衝突する際に、変換器が媒体内に外れることを防ぐ保持機構１８により変換器の座４００内に固定することができる。保持機構１８は、図４に示すように変換器本体に接続された保持リングを含むことができる。保持リングの外縁部を座４００に形成された管状溝の中に配置することができる。変換器１４が座４００内に挿入されると、保持リングの外縁部は溝１８ａに入り、ピストンによる衝突後に座４００から変換器が外れることが阻止又は防止される。幾つかの実施において、保持リングは、変換器の外径内に形成された逃げ溝内に配置することができる。一つの実施形態において、少なくとも２つの部分を有する分割保持リングを保持機構１８の構成要素として用いることができる。さらに、１つ又はそれ以上のシール及び／又は軸受を保持機構１８に設けて変換器１４を座４００内に固定することができる。

【0067】

変換器１４及び媒体は、通常異なる材料（又は、例えば、固体及び液体など異なる材料の相）を含むので、媒体に面する変換器の表面１４ｂにおける音響インピーダンスの不整合が起こり得る。インピーダンス不整合は、ピストン衝突表面１１ｃに向かって戻る音響エネルギーの反射を引き起しかねず、これにより変換器１４が少なくとも部分的に媒体から跳ね返される場合がある。変換器１４の実施形態は、媒体に対する音響インピーダンス整合を改善することができる。例えば、図４に概略的に示す変換器１４の実施形態は、媒体と相互作用する大きな面積を与えるテーパ端部４０５を備え、これにより圧力波伝達の効率を改善し、反射音響エネルギーを減らすことができる。図４に示す実施形態は、種々の硬質表面４０１、４０２、４００、及び１８を備え、これらに対して変換器１４を、圧力波発生装置１０の動作中の正確なタイミング制御のために、配置することができる。本明細書で開示する圧力波発生装置１０において用いることができる変換器の追加的な実施形態は、引用によりその全体が本明細書に組み入れられる同一出願人による特許文献１に記載されている。種々の曲率の表面４０１又は４０２を用いることができる。また、広範な材料を用いて変換器及び／又は変換器の座を作成することができる。例えば、衝突に耐えるのに十分な強度を有する任意の鍛造鋼を用いて変換器１４及びピストン１１を作成することができる。

【0068】

圧力波発生装置の使用例
圧力波発生装置の実施形態を用いて、圧力波を任意の（例えば、固体、液体、気体及び／又はプラズマ等）好適な媒体に伝達することができる。幾つかの実施において、圧力波発生装置は、刻印、型押し、屈曲、フランジ成形、圧印、打抜き、穴あけ、又は例えば金属などの作業物質（例えば、金属加工）のためのプレス機として使用することができる。幾つかの実施において、媒体は、液体、気体、又は液体と気体の混合物を含むことができる。かかる幾つかの実施において、媒体は、液体鉛又は液体鉛とリチウムの混合物などの液体金属を含む。圧力波発生装置を用いて媒体において圧力波を発生させ、圧力波は、媒体の圧力、温度、エネルギー、及び／又は密度を上昇させ、媒体における化学反応速度を上昇させることができる。例えば、圧力波発生装置の実施形態を用いて、気体動力のエンジン（例えば、蒸気エンジン）のピストンを制御することができる。

【0069】

本明細書で開示する圧力波発生装置の実施形態を用いて、音響エネルギーの集中により生じ得る他のエネルギー形態を生成することができる。かかるエネルギー形態は、局所的ホットスポット、紫外線（ＵＶ）放射、Ｘ線、医療用同位体、中性子、核融合及び音響エネルギー変換及び集中の副生成物を生成するために用いることができる。例えば、圧力波発生装置の幾つかの実施形態を使用して、媒体（液体鉛又は液体鉛リチウムなど）を含む核反応チャンバ内の圧力を上昇させて、核反応速度を十分に上昇させ、中性子生成又は核融合反応を行わせることができる。

【0070】

本開示の具体的な要素、実施形態及び用途を示し説明したが、特に前述の教示に鑑み、本開示の範囲から逸脱することなく改変を行うことができるので、本開示の範囲はそれらに限定されないことを理解されたい。従って、例えば、本明細書で開示したいずれの方法又はプロセスにおいても、方法／プロセスを構成する行為又は操作は、任意の好適な順序で実行することができ、必ずしも開示されたいずれかの特定の順序に限定されない。要素及び構成要素は、種々の実施形態において、さまざまに構成又は配置し、組み合せ、及び／又は削除することができる。上述の種々の特徴及びプロセスは、互いに独立して用いる又は種々に組み合せることができる。可能な組合せ及び副組合せの全てが本開示の範囲に入ることを意図する。本開示全体における「幾つかの実施形態」、「一つの実施形態」などに対する言及は、その実施形態に関連して説明された具体的特徴、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ことを意味する。従って、本開示全体における「幾つかの実施形態において」、「一つの実施形態において」などの語句の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態について言及するものではなく、１つ又はそれ以上の同じ又は異なる実施形態について言及する場合がある。実際に、本明細書で説明した新規の方法及びシステムは、他の様々な形態で具体化することができ、さらに、本明細書で説明した本発明の趣旨から逸脱することなく、本明細書で説明した実施形態の形態に、様々な削除、追加、置換、等価物、再構成、及び変更を行うことができる。

【0071】

実施形態の種々の態様及び利点を適切な所で説明した。かかる態様又は利点の全てをいずれかの特定の実施形態において達成することができるとは限らないことを理解されたい。従って、例えば、種々の実施形態は、本明細書で教示した利点又は一群の利点を達成又は最適化する様式で実行できるが、本明細書で教示又は示唆したような他の態様又は利点を必ずしも達成するとは限らないことを認識されたい。

【0072】

具体的に明記されない限り又は使用される文脈において別に理解されない限り、本明細書で用いる条件付き用語、例えば、とりわけ「できる（ｃａｎ）」、「あり得る（ｃｏｕｌｄ）」、「可能性がある（ｍｉｇｈｔ）」、「場合がある（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．）」などは、一般的に、特定の特徴、要素及び／又はステップを、特定の実施形態は含むが、他の実施形態は含まないことを意味することを意図する。従って、かかる条件付き言語は、一般的に、特徴、要素及び／又はステップが１つ又はそれ以上の実施形態に対して多少なりとも必要とされること、又は、１つ又はそれ以上の実施形態が、オペレータ入力又はプロンプティングの有無に関わらず、これらの特徴、要素及び／又はステップがいずれかの特定の実施形態内に含まれるか又はそこにおいて実行されるかを判断するための論理を必ず含むことを意味することを意図するものではない。いずれの単一の特徴又は一群の特徴も、いずれかの具体的な実施形態に対して必要又は必須というわけではない。「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有している（ｈａｖｉｎｇ）」などの用語は、同義であり包括的に拡張可能な様式で用いられ、付加的な要素、特徴、行為、操作などを排除するものではない。また、「又は（ｏｒ）」という用語は包括的意味（排他的意味ではない）で用いられ、例えば要素のリストを接続するように用いられるとき、この「又は」という用語は、リスト内の１つ、幾つか、又は全ての要素を表す。

【0073】

例えば、語句「Ｘ、Ｙ及びＺの少なくとも１つ」等の接続語は、一般的に、具体的に明記されない限り、項目、項などがＸ、Ｙ又はＺのいずれかであり得ることを伝えるために用いられるような文脈で理解される。従って、かかる接続語は、特定の実施形態が少なくとも１つのＸ、少なくとも１つのＹ、及び少なくとも１つのＺがそれぞれ存在することを要件とすることを意味することを一般的に意図しない。

【0074】

本明細書で説明した実施形態の例示的な計算、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例証することを意図し、限定することは意図しない。本明細書で説明した例証的実施例とは異なる他の実施形態を構成し、及び／又は、操作することができる。実際に、本明細書で説明した新規の方法及び装置は、様々な他の形態で具体化することができ、さらに、本明細書で開示した本発明の趣旨から逸脱することなく、本明細書で説明した方法及びシステムの形態に、様々な省略、代替及び変更を行うことができる。

【符号の説明】

【0075】

１０：圧力波発生装置
１１：ピストン
１１ａ：ピストンの第１の表面（背面）
１１ｂ：長手方向ピストン軸
１１ｃ：ピストンの第２の表面（衝突表面）
１２：ガイド（ピストンガイド）
１２ａ：ガイドの第１の空洞
１２ｂ：ガイドの第２の空洞
１２ｃ：ガイドの腰部
１３：制御ロッド
１３ａ：制御ロッドの遠位（又は第２の）端
１３ｂ：制御ロッドの近位（又は第１の）端
１４：変換器
１４ａ：変換器の衝突表面
１４ｂ：変換器の外表面
１５：円筒形筐体（ピストン筐体）
１５ａ：筐体の内腔
１５ｂ：内腔軸
１６：筐体の第１の端部（内腔の閉鎖端）
１７：筐体の第２の端部
１８：保持機構
１８ａ：溝
１９：流体ポート（気体ポート）
２０：圧力容器
２１：ガイドの内側端
２２：保持具
２２ａ：保持具（成形ナット）
２３：円板
２４：緩衝器システム
２５：調整可能バルブ
２６：ブレーキ
２７：マーキング
２８：位置エンコーダ
２９：衝突タイミング制御機構（制御システム）
３０：空気圧パフバルブ
３１：衝突検知センサ
３６：ピストン背後の容積
１０１：成形ナットの半球状本体
１０２：成形ナットの平坦表面
１０３：成形ナットの開口部
１０４：入口開口部
１０５：保持具内の開口部
１０６：ロックピン
２００：ピストン発射システム
２０２：締結機構
２０３：加圧気体貯留槽
２０５：気体供給源
２０８：制御バルブ
２０９：バルブタイミングコントローラ
２１０：チャネル
４００：変換器座
４０１：変換器の表面
４０２：変換器座壁の表面
４０３：二次シール
４０５：テーパ端部

【図1】

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】