Gun using a sealing mechanism and a liquid propellant

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、液体推進剤を用いた銃のような液体高圧システムに対するシールに関する。

［従来の技術］ 環状シールは周知であり、例えば米国特許番号第211788
5号、同第1376130号、同第539733号、同第3006254号、
西独特許番号第1096697号、米国特許番号第3783737号及び同第3996837号に記載されている。 これらのシールの各々は、中孔と突き合わせにリングを押し込めて、閉じた面の連続体を形成することによって作用し、程度の差はあるが、限られた数の発射に対して有効である。 1977
年９月27日に付与された米国特許番号第4050352号には、液体推進剤を用いた銃の発射室に対する液体包囲シールが記載されている。 このシールは毎回の発射を開始するときに更新される。

［発明の要約］ これに限らないが、液体推進剤を用いた銃のような超高圧流体圧システムでは、システムの動作中に、液体が失われるのを減少させるためにシールが必要である。 ある用途では、分離したシール機構は用いることができないが、液体の少量の漏れは許容し得るか又は望ましい。

本発明の目的は、極くわずかで且つ制御されている液体の漏れにより、分離していないシールを達成する機構を提供することにある。

本発明の特徴は、例えばピストン面及びシリンダ面のような２つの合わさっている面の間に、液体の漏れの流れに対する、必ずしも一様ではないが次第に減少するすき間を設け、このすき間が流れの圧力の関数として変化し得るようにすることにより、シール機構を提供することにある。

本発明の上述、並びにその他の目的、特徴及び利点は、
以下図面について説明するところから明らかになろう。

［実施例］ 高圧流体圧システムが適正に機能するためには、シールが重要である。 作業流体の漏れの流れを減少させるためにシールが必要である。 このような漏れの流れは多くの有害な結果を招くことがあり、そのうち最も重大な結果は、閉じた系で起こり、この場合には、失われた液体を入れ替えなければらない。 このような場合、漏れの流れはできるだけ最小限に減少させなければならない。 単一通過（シングル・パス）システムのような他のシステムでは、若干の液体の損失は受け入れることができるが、
漏れの流れによってシステム内に起こる動力損失を最小限に抑えるためには、漏れの流れを最小限に抑えることが依然として望ましい。

漏れの流れを最小限に抑えるために、多くの形式の分離形のシール機構が開発されている。 通常用いられているシール機構はエラストマ形、例えばＯリング・シールであり、このシールは静止シール、及び中くらいの圧力の下での摺動シールの両方として、適当な性能を有している。 このようなシール機構は、それが露出する環境にとって適切な材料で作成することができる。 しかしながら、このようなシール機構は、しばしばその両方が存在するような比較的高い圧力又は比較的大きなすき間では、性能が不適切である。 比較的高い圧力では、Ｌ字形シールを用いることができるが、このシールの足部の先端は、合わさっている面に膠着して、その面に刻み目を付ける傾向がある。

本発明は、通常の分離したシールを利用していないシール機構を対象とする。 分離したシール機構を用いている液体推進剤を用いた銃を発射するとき、このような分離したシール機構の周囲で単一推進剤の不所望の点火が起こることがあることがわかった。 点火の原因が分離したシール機構、即ちＯリング・シールであるのか、又はそのシールが配設されている環状溝であるのかは確かではない。 このような点火を回避するために、分離したシール又は分離した溝のいずれをも有していないシール機構を提供することが望ましい。 本発明は、動作中、即ち発射の際、合わさっている面の間のすき間を従来のやり方よりも大幅に縮小するが、それでも尚、合わさっている面の間の物理的な接触を許容しないようにし、これら合わさっている面の限られた程度の疲労に対処するように自己補償するシール機構を提供する。

第１図は1983年11月２日に出願され特許された米国特許番号第4523507号に記載されている発明の再掲である。
液体推進剤を用いた銃がハウジング10を含んでいる。 ハウジング10は、中孔14と、室16とを有している銃身12を含んでおり、室16内に発射体18を挿入することができる。 不動の（静止）ボルト20が充填ピストン又は弁22を支持しており、充填ピストン又は弁22は差動ピストン24
を支持している。 充填ピストンの外面28に設けられている溝26が、差動ピストンの内面32に対してＯリング・シール30を担持しており、Ｏリング・シール30は、すき間
33を密封する従来技術の例である。 液体推進剤は、２つのピストン22及び24のそれぞれの頭部の間に画定されている圧送室34に圧送される。 燃焼室36が発射体の底部と差動ピストン24の前面との間に画定されている。 点火器
38が、静止（固定の）ボルト20に対する差動ピストン24
の最初の後向きの変位を生じさせるのに適切な初期圧力を燃焼室36内に発生して、ボルトとピストンとの間に、
圧送室34から燃焼室36に液体推進剤を噴射するための環状開口又はすき間を形成している。 第1A図に示すように、差動ピストン24の頭部の前面及び後面の断面積に違いがあるため、圧送室内の圧力Ｐ _ｐは燃焼室内の圧力Ｐ
_ｃよりも高い。 例えば、Ｐ _ｐ ＝1.4P _ｃである。 Ｐ _ｃは40
000psiから60000psi程度である。 差動ピストン24の円筒形外面28にかかる圧力もＰ _ｃに等しい。 1.4P _ｃの圧力が圧送室34内の液体推進剤に作用しているとき、Ｏリング・シール機構30は面28と面32との間のすき間に押し出される。 このように押し出されることにより、シールが損傷して、漏れの起こる可能性がある。 中空差動ピストン
24内の圧力はピストンの外側の圧力（Ｐ _ｃ ）よりもかなり高く、ピストン28のスカート部を外向きに撓める傾向を有するので、Ｐ _ｐが増加するにつれて、すき間33は増加する。

第２図に示す本発明の第１の実施例では、その相互作用によってすき間33を限定している、充填ピストン及び差動ピストンのそれぞれの面28及び32の間の従来の分離したＯリング・シール機構を省略し、その代わりに受動形のすき間制御シール機構に置き換えられている。 ２つの面28と面32との間の初期の静止状態のすき間33は、差動ピストンの膠着のおそれを招かない範囲で可能な限り小さく形成されている。 例えば、半径を0.001インチにする。 発射の際、圧送室の圧力Ｐ _ｐは、差動ピストンのスカート部の外側の燃焼室の圧力Ｐ _ｃよりも大きな値に増加する。 例えばＰ _ｐ ＝1.4P _ｃである。 妨げがなければ、
この一層高い内部圧力Ｐ _ｐによって、すき間33は大幅に増加する。 例えば、半径は0.002インチになる。 このような大きさのすき間33は、推進剤の10％から30％の漏れ損失を招くが、許容し得る損失は１％未満である。 このような漏れの割合を減少させるためには、静止状態よりも、発射の際に、すき間33の寸法を一層小さくすることが必要である。 このために、発射の際に、差動ピストンのスカート部を内向きに引っ張って、こうしてすき間の寸法を縮小させるような比較的低い圧力の領域をすき間
33内に発生させる。 この低い圧力の領域の範囲は、合わさっている面のそれぞれの形状によって制御される。 これらの面は、すき間の寸法がゼロに近付き、それに伴って膠着のおそれがある場合に、すき間の寸法を増加させる傾向を有する力が発生されるような形状にする。 こうして、安定で小さいが膠着をしないすき間の寸法を維持することができる。

液体推進剤の漏れの流れがすき間を通過するときに、流体圧が比較的低いこの領域が形成される。 圧力は２つの効果によって制御される。 流れが通過するすき間の断面積が減少したときに、流れの速度は増加するはずであり、従って、流れの圧力は、流体力学のダニエル・ベルヌーイの定理によって減少するはずである。 流れが長くて狭い通路を通過するときにも、摩擦損失のため圧力は低下する。 流れの通路の形状は、それぞれの合わさっている面28及び32によって形成されている環体又はすき間
33の形状によって決定される。 断面積における所望の変化は、流れのかなりの長さにわたって面積を1/2から1/3
に減少することである。

ピストンのスカート部に作用する正味の外部圧力及び内部圧力によって、ピストンのスカート部の撓みが起こる。 第2A図に示すように、差動ピストン24の内面32は、
比較的連続的な一様な直径の円筒面であってもよく、充填ピストン22の外面28は、次第に直径が拡大する先頭の円筒面28aと、直径が急速に拡大する中間の面又は不連続部28bと、一定に拡大する直径を有する終わりの円筒面28cとで構成することができる。 差動ピストン24とハウジング10との間のすき間は、面32に設けられている溝
42に適当なシール40を配設して、シール40を面38に接するようにすることによって閉じることができる。 燃焼室内の圧力Ｐ _ｃは40kpsiから60kpsi程度にすることができ、圧送室内の圧力Ｐ _ｐは1.4P _ｃ程度であり、漏れの流れの吐出端の圧力Ｐ _ａは実質的に大気圧である。 すき間の半径が0.002インチであることがあるような、不連続部28bより前方の平面Ａでは、圧力は0.7P _Cにすることができる。 不連続部より十分後方の平面Ｂでは、すき間の半径は、外部圧力及び内部圧力の釣合いによって制御され、0.001インチの平衡値を有することができる。 このすき間を通過する液体推進剤の漏れの流れが極く少ないことが、すき間を形成している面32及び28cを冷却すると共に潤滑するように作用する。

第３図は本発明の第２の実施例を示しており、この場合、不連続部28bを省略し、面28がピストンのスカート部の内面32に向かって後向きに徐々に弯曲しており、次第に小さくなる環状すき間33を形成している。 この場合にも、シール機構はベルヌーイの定理に従う。 すき間内の流体圧力は流体の流れの方向に減少する。 ピストンのスカート部にかかる内部圧力が外部圧力よりも小さいときに、スカート部は内向きに押されて、すき間を閉じて流れを停止させ、内部圧力及び外部圧力が安定に平衡するまで、内部圧力を高める傾向を有する。

第４図は第３図と同様であるが、初期のすき間が大き過ぎて、漏れの流れが大き過ぎ、速度の高い流れの領域が大き過ぎる状態を示している。 圧力によって発生される力の和は求心方向であり、安定状態に向かってすき間を閉じるように作用する。

第５図は第３図と同様であるが、初期のすき間が小さ過ぎて、漏れの流れが小さ過ぎる状態を示しており、圧力によって発生される力の和は遠心方向であって、安定状態に向かってすき間を拡大するように作用する。

第６図は1984年11月30日に出願された係属中の米国特許出願番号第677151号に記載されている形式の液体推進剤を用いた銃に取り入れられた本発明の第３の実施例を示す。 この銃はハウジング100を含んでおり、ハウジング1
00は、銃身102を固定する内部空所を有している。 押さえリンク106と、環状可撓性シール108と、撃発バンド11
0とを有している発射体104が、銃身の中孔112に配設されている。 往復動可能な弁114が前後に移動するように、銃身に軸支されている。 往復動可能な差動ピストン
116が、頭部（ヘッド）118と、弁の頭部114Aに軸支されているスカート部120とを有している。 ピストン・ヘッド118の後面118a及びハウジングの前側内面100aが、燃焼室122を画定している。 燃焼室122は、ハウジング100
とピストン116のスカート部120との間の環状すき間124
と連通している。 すき間124の前端は、一連の適当なシール124a及び124bによって閉じられている。 ピストン・
ヘッド118の前面118b及び弁の頭部の後面114aが、圧送室126を画定している。 圧送室126は二重噴射ポート128
及び130を介して、銃身の中孔112と連通している。 燃焼室122はポート132を介して、銃身の中孔112と連通している。 ピストンのスカート部120と弁の頭部114との間に環状すき間140が形成されている。

静止状態では、スカート部120は２つの同心の円筒によって囲まれている実質的に環体である。 しかしながら、
第７図に示すように、発射のとき、燃焼室は内部圧力Ｐ
_ｃを発生し、この内部圧力Ｐ _ｃは差動ピストン・ヘッド
118の後面118aに加えられ、それによって圧送室126内にある液体推進剤には、Ｐ _ｐ ＝1.4P _ｃの増加した圧力が加えられ、圧送室を取り巻いているスカート部120の後側領域の遠心方向の拡大を招き、それに伴って、すき間14
0の後側領域の半径が増加する。 このとき、すき間140は第３図に見られるくさび形状の縦断面を有しており、スカート部120の前側領域は更に内向きに撓む。 この場合にも、すき間を通る漏れの流れの速度が高ければ高いほど（更に摩擦損失があれば）、圧力は一層低くなり、その圧力はＰ _ｃよりも低くなり、スカート部を求心方向に撓めてすき間を閉じる傾向を有する。 しかしながら、すき間を閉じる状態に近付いて、流れを停止させる傾向を有すると共に、1.4P _ｃの一杯の圧送圧力を呈するようになると、スカート部を遠心方向に撓めて、小さな平衡すき間及び漏れで、すき間を開いた状態に維持する傾向がある。

この機構の一例では、すき間の軸長は、少なくとも１インチにするべきであり、すき間の横方向の寸法は、半径で0.001インチ又はそれ未満であって、比は1000:1又はそれ以上になり、これに対して、ピストンのスカート部の末端部は、長さが少なくとも１インチであり、末端部の厚さ及び材料は、関連する燃焼圧力（例えば、40000p
si）の下で半径が実質的に0.001インチの片持ちばりとして求心方向の変形ができるようにすべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は1982年７月27日に付与された米国特許番号第43
41147号、1985年７月18日に付与された同第4523507号、
1985年７月18日に付与された同第4523508号、1984年４
月10日に出願された係属中の米国特許出願番号第598783
号に記載されている形式の液体推進剤を用いた銃の一例の詳細図であって、いずれも高い圧力の下にある通常のＯリング形シール機構を示している先行技術を示す図である。 第1A図は第１図の詳細図であって、差動ピストンのスカート部に対する相対的な圧力を示す図である。 第２図は第１図と同様な銃の詳細図であるが、外側の環状差動ピストンと内側の充填ピストンとの間にある本発明を実施した受動形すき間制御シール機構を示す図である。 第2A図は第２図の詳細図であって、差動ピストンのスカート部に対する相対的な圧力を示す図である。 第３図は第２図と同様な銃の詳細図であって、本発明を実施した受動形すき間制御シール機構の他の形式を示す図である。 第４図は第３図と同様な銃の詳細図であって、すき間が大き過ぎる場合を示す図である。 第５図は第３図と同様な銃の詳細図であって、すき間が小さ過ぎる場合を示す図である。 第６図は1984年11月30日に出願された係属中の米国特許出願番号第677151号に記載されている形式と同様な銃の詳細図である。 第７図は差動ピストンのスカート部に対する相対的な圧力を示す第６図の詳細図である。 ［主な符号の説明］ 22……充填ピストン、24……差動ピストン、33……すき間、34……圧送室、36……燃焼室。