二重筒式の問題点であった、「製作難易度の高さ」と「バレルの存在による充填容量の少なさ」の解消を目的とすべく筆者が考案したのがこの単管式です。

上図のように、二重筒式からバレルと内部のシリンダーを廃し、一本のシリンダーで圧縮空気の充填領域とピストンユニットのシリンダーを兼ねます。そしてその代わりにピストンユニットを全体にわたって延長するのがこの単管式の特徴です。

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、上図のようにメインピストンに左向きの圧力がかかり、左向きの駆動力が発生します。

圧縮空気の圧力によって生じる駆動力により、ピストンユニットは左側へ移動。ピストンユニットの左端にあるゴム板がノズルをシールします。

上図のようにピストンユニットはノズルをシールした状態で停止します。さら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、圧縮空気が黄色の矢印に示すようにシリンダー全体に充填されていきます。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。

ピストンユニットの左端部では、圧力差により左向きの荷重がかかり、ピストンユニットはノズルへ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。

ピストンユニット後部の空間の圧縮空気を高速で抜き去ると、ピストンユニット右端のメインピストンに右向きの圧力が発生します。この時ノズルをシールするピストン左端部にも左向きの圧力がかかっていますが、ノズルの面積よりピストンの面積のほうが大きいため、ピストンユニットには全体として右向きの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とノズル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ノズルが開放され、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、ノズル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。