ここでは青色を大気圧状態の空気、オレンジ色を圧縮空気とし、黄色の矢印を圧縮空気の流れ、赤色の矢印を圧力とします。右端の空気導入部分から圧縮空気を導入すると、上図のようにピストンユニットに左向きの圧力がかかり、左向きの駆動力が発生します。

圧縮空気によって左側へ駆動されたピストンユニットは内シリンダーに接触し停止、内シリンダーをシールします。

上図のようにピストンユニットは内シリンダーの入り口をシールした状態で停止しています。

ここで更に圧縮空気を送り込むと、シリンダーとメインピストンの隙間から圧縮空気が黄色矢印に示すように外シリンダーと内シリンダーの間の空間に充填されていきます。冒頭でゴム板部分は圧縮空気をシールすると記載しましたが、わずかに空気が通れる程度の密着にしておくのがポイントです。

またピストンユニットの左端部分では、圧力差により左向きの荷重がかかり、ピストンユニット左端は内シリンダーにより強力に押さえつけられ、この部分は高圧になればなるほど、そのシール性は高まります。

エグゾーストキャノンを発射するということは、内部のピストンユニットを高速で後退させることで実現します。上図のようにピストンユニット後部の領域の圧縮空気を高速で抜き去ると、メインピストンに右向きの圧力が発生します。

ピストンユニットには左右それぞれに大気圧と圧縮空気との差圧がかかっていますが、右端のメインピストンの面積が左端のそれよりも大きいため、全体では右側に駆動力が発生します。この駆動力を受けてピストンユニットが右側に移動し始めます。

上図はピストンユニットが右側へやや後退した時の状態です。この時ピストンユニット左端部と内シリンダーのシールは解除されるため、左向きの圧力もなくなり、右向きの圧力のみとなります。この圧力によって発生する駆動力は大変大きく、ピストンユニットは高速で右側へ後退します。(シリンダー直径Φ40mm、圧縮空気の圧力をゲージ圧で0.8MPaとした時、ピストンユニットにかかる右向きの荷重は約100kgにもなります)

このようにピストンユニットが後退することで内シリンダーが開放され、そこから圧縮空気が排気され始めます。

強力な駆動力を受けて右端へ高速でピストンユニットが後退することにより、内シリンダーはすさまじい速度で開放されます。こうして形成された流路を通って、圧縮空気もすさまじい速度で排気されます。これがエグゾーストキャノンにおける発射ということになります。この発射シーケンスをイラストで順に説明しましたが、実際にはこれらは一瞬(数ms)の内に完了するため、圧縮空気はほぼ塊として、ズバンと打ち出されるのです。

二重筒式のデメリット

1.製作難易度が非常に高い

特殊な構造のため、水道管の様な規格品で作ることができず、すべて自分で部品を作る必要があります。実際には外筒に消火器などを用いることになりますが、大径のシリンダーで圧力容器を製作するのは、個人では極めて難易度、そして危険性の高い工作になります。実際に製作するにあたっては、TIG溶接の様な高性能な溶接方法を用いてフランジとシリンダーを溶接したりなど、とてもハードルが高くなってしまいます。

2.充填容量が稼げない

構造上、内部に内シリンダーを通す必要が有るため、この分当然充填容量が減少します。充填容量を稼ぐには内シリンダーより更に大径の外シリンダーを用いる必要が有り、結果として装置の大型化、そして1で述べた製作難易度上昇につながってしまいます。