JPS6347099A - 液体ジエツト装置並びにこれを用いた固体材料の切断、侵食及び断片化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、高速液体ジェットを用いて、材料の切断、
腐食又は断片化を容易にするための空洞化現象を利用し
た液体ジェッ装置に関する。

この技術はジェット液体中の蒸気空洞の発生に依存する
。この蒸気空洞は加工すべき材料上又はそれに隣接する
位置で消滅又は内破し、非加工物から除去されるべき材
料を分解することを助ける強力な局部的衝撃波を与える
。どのような操作システムにおいても、第１に空洞を発
生させ、第２にその消滅か所望の加工領域中に集中する
ことか確保されなければならない。

この技術の現状は、米国特許筒４，１９３，６３５号（
チルベンガダムら）及び米国特許筒４，３８９，０７１
号（ジョンソン・ジュニアら）に広範囲に議論されてい
る。これらの特許の研究か示しているように、液体ジェ
ット中に空洞を誘起するために、２つの主な技術か独立
で又は組み合わされて採用されている。第１の技術ては
特殊な形状のジェットノズルを用いて渦を発生させ、こ
の渦が空洞を誘起する。この効果はおそらく、ノズル構
造体中ての共鳴現象を利用することによって高められる
であろう。このアプローチは、上述のシＨンソン特許及
び同発明者のより先願の特許に代表される。

出現するジェットを比較的動きの少ない液体て囲包する
ことにより、加工φ域に達するまて空洞を保持すること
か助長され、ジェットと囲包液体との間の剪断効果によ
り空洞化効果か助長されることか認められている。この
ような剪断効果か、液体ジェット中に空洞を誘起するた
めに用いられる第２の主たる技術の基礎であり、これは
チルベンガタムらの特許に詳細に記載されている。簡単
に説明すると、この議論は次のようにまとめられる。

空洞は、非常に高速の液体ジェットが、比較的静かな液
体を介して発射された時に発生する。

空洞は極めて高速て移動するジェットを囲包する遊離の
液体か回転して渦になる結果発生する。渦の内部は、遠
心力のために、その大部分か液体の蒸気圧よりも低くな
り、従って泡又は空洞を形成し、これらは通常、高速ジ
ェットのモーメントによって下流にまて運ばれる。最初
からいくらか下流に下ったところて、泡は消滅し、非常
に大きな１時的なエネルギーを発生する。もし、この消
滅か標的」−又はその近傍で起きたならば、標的構造の
損傷が起き得る。

この発明は、このような剪断により誘起される空洞を利
用した装置に関する。

上記文献から明らかなように、ジェットノズルと標的と
の距離はかなり重要である。さらに、標的自体は液体中
に埋もれた位置にある６蟹はないか、シェ・ントか液体
中に沈んだ位置で操作された際の液体剪断効果を利用す
ることが基本であることが理解されるてあろう。これら
の問題は両方とも従来技術において名慮され、チルベン
ガタムらによって提案された解決方法か典型的である。

すなわち、第８図に、チルベンガタムは管１５２を介し
て水か供給される可撓性の囲い板を開示している。囲い
板中の水の深さは、オーバーフローオリフィス！５３に
よって制御される。ジェット及び外部の供給源からの水
は囲い板と被加圧物との間（そして図示の実施例では明
らかに被加工物を介して）から逃げる。標的の位置を感
知するセンサー１段を提供し、それに従ってジェットノ
ズルの位置を制御することも提案されている。

上記した種類の装置の１つの貴重な町飽な用途として、
鉱物採取操作における岩石の断片化を挙げることかでき
る。このような操作中に岩と接触するいずれの機構もか
なりの摩耗及び破損にさらされることは明らかである。

他の多くの可能な用途においても、困難な加工環境及び
不規則て研摩的な標的が典型的である。ヂルベンガダム
に示されるような配置は、このような用途には十分であ
りそうにない。さらに、岩石のように荒く不規則な表面
ては、囲い板に多量の水を供給し、他方て囲い板と岩石
との間の漏れ速度か変化することに起因する囲い板中で
の水圧の変化の危険を冒して囲い板中を水で満たし続け
ることは困難である。

米国特許第４，３４３，４７５号（ビカーズ）には、堅
固な構造の囲い板を用いて低圧水流を囲包し、空洞化ジ
ェットの人為的な水没をもたらすことか開示されている
。しかしなから、１９８０年６月２１１から４目に西独
ハノーハーて行なわれたジェット切断技術の第５回国際
シンポジウムにおいて提出された論文ては、その発明者
及び共著者は、「空洞化ジェットの回りの管状の囲い板
によっては空洞化は改善されず、積極的に表面を接触さ
せる必要か生じることと操作者に対する反動が大きくな
ることという明確な不利益を有する」と述へている。こ
の場合の囲い板には水か逃げることを許すための開口部
か標的に隣接して設けられていた。

なお、ビカーズの特許及びビカーズらの論文は、空洞化
かジェットノズルの形状によって誘起される型の空洞化
ジェット技術に関する。

米国特許第４，１２４，１６２号（シュワラ）もまた、
高速液体切断シェラ１への回りの「囲い板」の使用を開
示している。この囲い板の１つの機能は、膨張室として
働くことによってジェッ１〜中に空洞を誘起することに
あるように思える。そして、囲い板の寸法は明らかにか
なり重要である。

なぜなら、ジェットは開口端部の蒸留の壁に折衝するよ
うに大きく膨張して、囲い板空間中の残余の部分を真空
にしなければならないからである。

このように、囲い板はより正確に、ノズルアセンブリー
の一部を形成するとみなすことかてき、有効なジェット
オリフィスは囲い板の下流端にある。この下流端は切断
効果を最適化するように標的表面から離れている。

ビカーズ及びシュワラの教示に鑑みかなり驚くべきこと
に、私は、特定の条性が満たされるならば、被加工、物
に接触し、シェラ１へを囲包する室を規定する堅固な囲
い板を用いることによって、非常に有効な空洞化ジェッ
１へ装置を構築することかできることを発見した。

私の発明によると、加工表面を右する開［１端を有する
空洞化室の壁を規定する本体てあって、該空洞化室の開
口側を囲包する環状の加工表面に接触するように形づく
られたものと、高圧液体の供給源と、前記供給源に接続
され、空洞化室の開［−１端とは反対側に支持され、ノ
ズルから発射される高圧液体が前記環状領域から離れた
領域中にある加］二表面に衝撃を与えるように開「１端
に向けられたジェットノズルと、前記空洞化室の壁中に
前記開口端から離れた位置に設けられた少なくとも１つ
の排出開口てあって、その流通容量が前記環状領域と加
工表面との間の漏れよりも犬きく、空洞化室中の空洞を
抑圧するのに十分な大きさの圧力を生ぜしめることのな
いように空洞化室中の液体を補出Ｊ−ることかてきる程
度に１゛分大きく、かつ、液体ジェットを水没させる十
分量の液体を保持するのに十分な程度に小さなものとを
具備し、高圧液体供給源の圧力と、ジェットノズルの寸
法と、ノズルと空洞化室の開口端との距離とが、液体ジ
ェットと空洞化室中に保持される液体との間の剪断か空
洞化渦を誘起し、加工表面に衝撃を与えるまてこれが保
持される、処理すべき加工表面に適用される液体ジェッ
ト装置か提供される。

この発明のこれら及びさらなる特徴か、図面を参照した
以下の好ましい具体例の説明により理解されるであろう
。

図面には、肩面Ｒと接触したこの発明の衝撃工具゛Ｔの
末端部分か示されている。工具は槌頭を有するハンマー
を形成し、実質的な面積を有する前面２を有する円筒状
の林として示されている。

前面２は肩面Ｒに対して保持され、図示しない、そして
それ自体この発明の部分を構成しない機構によって繰り
返し衝撃か与えられる。前面２は、その中央に棒と共軸
的に形成される円筒状の空洞化室４を囲包する環状の領
域中て肩面Ｒと接触す１す る。工具Ｔには、高圧水の供給源１２への連結部材１０
と、肩面Ｒの位置にある空洞化室の開口側とは反対側に
棒と共軸的に開けられた孔に螺着されたノズル１４との
間の通路を形成する切削孔６及び８か設けられている。

ノズル１４は、ここから発射される高圧液体のジェット
か、肩面と接触する前面２の環状の領域から離れた領域
中の肩面に衝撃を与えるように形づくられかつ向けられ
ている。空洞化室４の壁中の開口を形成する１又は２以
上のさらなる切削孔１６（２つが図示）が、空洞化室の
開口端から離れた位置に設けられている。この開口の寸
法は、過度の圧力」二昇か生しることを避けることがで
きるか、ノズル１４からのジェットか水没されるように
空洞化室内を水で満たし続けることかできる程度に室か
ら水が透げることかてきるように設定される。ノズル１
４及び切削孔１６は１通常の操作環境下において、前面
２と肩面Ｒとの間の漏れか、切削孔１６を介しての流量
に比較して十分に小さく、その結果、室４の圧力を決定
する支配的な要素か孔１６の流量てあるように選択され
る。供給源１２の圧力及び能力は、ノズル１４に関し、
液体ジェットと室に保持された液体との間の剪断により
、空洞渦が誘起されこれか加工表面に衝撃を与えるまで
保持されるように選択される。

この発明は、ハンマーのような衝撃装置に具体化される
必要はなく、非衝撃工具に組み込むこともてきるか、液
体ジェットて処理すべき加工表面と接触する環状の接触
領域を有する本体中に空洞化室が規定され、かつ、この
本体は、それがさらされる摩耗及び破壊に対して耐える
のに必要な程度に堅固であるということがこの発明の特
徴である。本体と加工表面との間が水密であることも必
要てはないし、また、この間から水か逃げることがてき
るということも必要てはない。なぜなら、開口１６が、
室から水か逸げろ主たる経路になるからである。本体あ
るいは工具は、ノズル１４と加工表面との距離が正確に
維持されるように加工表面に対して十分近くに保持され
る必要がある。

開目１６の寸法を設定する際には、室４中てのある程度
の圧力増加か、空洞化現象の強度を増加するのに有利で
あることを心に止めておくべきである。空洞を誘起する
ためには、誘起された渦中の局部的圧力が、室温ては極
めて小さな水の蒸気圧よりも低くならなければならない
。もし室４中の圧力が大気圧に近いならば、渦中の局部
圧力の低下の最大値は約１気圧である。しかしなから、
もし室４中の圧力か約２気圧であるならば、室中の局部
圧力の低下の最大値は２倍になり、空洞化の強度か増す
。空洞を誘起するためにはもちろんより大きいジェット
速度か必要となるが、室中の圧力増加か２．３気圧以下
である場合には、これは容易に得ることがてきる。いず
れにせよ、この圧力は、ノズル１４に供給される液体の
圧力に比較してはるかに小さい。供給圧力は通常２００
ないし８００気圧であるが、要求される空洞が得られる
のであればこれよりも多くても少なくてもよい。

試験のため、図に断面を示したものと類似の装置を製造
した。この装置は端面か円形て、その最大直径は１５ｃ
ｍであった。切削孔６及び８の直径は１３１１１［１１
であった。室４の直径は１９ＩＤＩｌ］であり、その長
さは７．５ｃｍてあった。ノズルは単純なネジ切りプラ
つてそのオリフィスば２■てあった。４つの開口１６の
直径は６．３５１１１ｍであり、その外端には、取りは
ずし可能のプラグを収容するためのネジか切られていた
。これらはノズルから２５ｎ＋ｎ＋のところて室と交差
していた。

排出孔の効果を調べるために、試験装置を厚さ約７．５
ｃｍのコンクリート骨材スラブ」二に置いて試験した。

水は、供給源１２を構成するボジテイフ置換ポンプによ
って流速９０リットル／分て供給され、その最大圧力は
約７ＭＰａてあった。開口１６か開いた状態における３
回の実験では、圧力か約４０ＱＫＰａに達してから３秒
以内にコンクリ−１〜を貫通する孔が開けられた。開口
１６を閉して同し実験を３回行なったところ、同じ孔を
あけるのに４５ないし９０秒かかった。

さらなる試験において、装置を回し標的材料上に置き、
標的と装置との間に良好な界面力）観察された。水の供
給圧力は６．９ＭＰａであり、供給速度は毎分１１３．
６５リツ１ヘルてあった。標的材料を貫通ずるのに要し
た時間を次の５回の試験のそれぞれにおいて記録した。

試験１：４つの開［」１６を全部間いた。貫通時間は１
．５秒であった。

試験２：開口を１つ閉した。貫通時間は２なし１し３秒
てあった。

試験３：開［１を２つ閉じた。貫通時間は９秒てあった
。

試験４：開口を３つ閉じた。貫通時間は１１秒であった
。

試験５：４つの開口全てを閉した。貫通時間ζよ３０秒
てあった。

標的から７．５ｃｍの距離てノズルを囲い板で囲まずに
さらなる比較試験を行なった。」−述と同し圧力及び流
速て試験した。数分間作動させた力５穴は全く開かなか
った。

室中ての廃棄物及び使用済水の過度の圧力増加は、空洞
の発生にとってマイナスの効果を有することがわかる。

」１記試験に加え、この装置を、吹き付はエネルギーか
約２７００ジユールて吹き付は回数が１分間当たり１２
０回の水衝撃機に取り伺けて用いた。水圧は約７ないし
８１Ｐａであり、流速は１分光たり約８０分であった。

衝撃機をキャリヤーに取り付（Ｊ、この装置を用いて、
ニッケル鉱か散在した約４メートルＸ６メートルの固い
肩面を切削した。約５分間連続的に衝撃を与えたところ
、約８００Ｋｇのすりが生した。水を用いない対照試験
ては、破片とほこりのみが得られ、すりは得られなかっ
た。

水圧及び流速、装置並びに室、ノズル及び切削孔の寸法
、室の開口端からのノズルまての距離は、処理すべき材
料に応じて異なる。もちろん、水ジェットの圧力、流量
及び速度は互いに関連している。圧力が増加すると、一
般的に水ジェッ）〜の速度及び流量も増加する。用いら
れる液体は必ずしも水である必要はないか、水かおそら
く最も安価でかつ用いるのに便利な液体てあろう。水以
外の液体を用いる場合には、所望の効果を得るために、
操作パラメーターを変える必要があるかもしれない。さ
らに、開口１６及び他の出口の正確な位置及び形状、輪
及びノズルの位置及び形状は、重要てはないが、経験に
基づいて有利に最適化するととかてきる。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の装置の縦断面を示す図である。 Ｔ・・・本体、Ｒ・・・肩面、４・・・空洞化室、１２
・・・供給源、１４・・・ノズル、１６・・・開口 ：Ｂ願人代理人升理土鈴江武彦

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）高圧液体の供給源と、該供給源に接続されたジェ
   ットノズルと、加工表面に対して前記ジェットノズルを
   支持する本体とを有する、非処理加工表面に適用される
   液体ジェット装置において、前記本体（Ｔ）は、加工表
   面に面する開口端を有する空洞化室（４）の壁を規定し
   、かつ該空洞化室（４）の開口側を囲包する環状の領域
   中の加工表面に接触するように形づくられ、前記ジェッ
   トノズル（１４）は、空洞化室の開口端とは反対側に支
   持され、該ジェットノズルから発射される高圧液体が前
   記環状領域から離れた領域中にある加工表面に衝撃を与
   えるように開口端に向けられており、前記空洞化室の壁
   中に前記開口端から離れた位置に設けられた少なくとも
   １つの排出開口（１６）であって、その流通容量が前記
   環状領域と加工表面との間の漏れよりも大きく、空洞化
   室中の空洞を抑圧するのに十分な大きさの圧力を生ぜし
   めることのないように空洞化室中の液体を排出すること
   ができる程度に十分大きく、かつ、液体ジェットを水没
   させる十分量の液体を保持するのに十分な程度に小さな
   ものが設けられており、高圧液体供給源（１２）の圧力
   と、ジェットノズルの寸法と、ノズルと空洞化室の開口
   端との距離とが、液体ジェットと空洞化室中に保持され
   る液体との間の剪断が空洞化渦を誘起し、加工表面に衝
   撃を与えるまでこれが保持されることを特徴とする液体
   ジェット装置。
2. （２）本体（Ｔ）は棒の末端部分であり、空洞化室（４
   ）はその末端から共軸に延びる円筒状の穴から成り、ジ
   ェットノズル（１４）は、前記棒と共軸な空洞化室の内
   端部に位置し、前記排出孔（１６）は前記棒の縦表面と
   前記円筒状の穴との間に延びる切削孔により形成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置
   。
3. （３）液体供給源の圧力は約２００ないし約８００気圧
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２
   項記載の装置。
4. （４）加工表面に面する開口端を有する空洞化室の壁を
   規定し、かつ該空洞化室の開口側を囲包する環状の領域
   中の加工表面に接触するように形づくられた本体を、処
   理すべき材料の加工表面と緊密に接触させて置く工程と
   、空洞化室の開口端とは反対側に支持され、それから発
   射される高圧液体が前記環状領域から離れた領域中にあ
   る加工表面に衝撃を与えるように開口端に向けられたジ
   ェットノズルに高圧液体を供給する工程と、前記空洞化
   室の壁中に前記開口端から離れた位置に設けられた少な
   くとも１つの排出開口から、その流通量が前記環状領域
   と加工表面との間の漏れよりも大きく、空洞化室中の空
   洞を抑圧するのに十分な大きさの圧力を生ぜしめること
   のないように空洞化室中の液体を排出することができる
   程度に十分大きく、かつ、液体ジェットを水没させる十
   分量の液体を保持するのに十分な程度に小さくなるよう
   に前記空洞化室中の液体を排出する工程とを含み、前記
   高圧液体の圧力はジェットノズルの寸法及びジェットノ
   ズルと前記空洞化室の開口端との距離に対して十分なレ
   ベルに維持され、液体ジェットと空洞化室中に保持され
   た液体との間の剪断力により空洞渦が誘起され、これが
   加工表面に衝撃を与えるまで維持されることを特徴とす
   る、固体材料の切断、侵食及び断片化方法。
5. （５）前記高圧液体の圧力は２００ないし８００気圧で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の方法
   。