JP3208934B2 - 爆轟による衝撃圧発生方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、材料加工・材料合成、
焼結、食品加工等の分野において、簡便かつ効率よく所
望の到達圧力分布及び加圧範囲設定機能を有する爆轟に
よる衝撃高圧を得るための方法およびそのための装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本発明が対象とする技術に比較的近い衝
撃高圧発生法として衝撃液圧発生技術が知られている。
例えば、加圧用の水等の液体中に弾丸を打ち込んで液体
中に衝撃液圧を発生させ、その圧力を板材等の部材に印
加して該部材を金型へ圧して三次元成形せんとする特開
平０１−１５７７２５号にて提案されているような衝撃
液圧発生装置、水中で爆薬を燃焼させることによって衝
撃水圧を発生せしめ、その圧力で薄板の三次元成形を行
う成形装置、さらには、容器に収容された加圧用の液体
の液面に、ガス圧等により高速に加速されたピストンを
衝突させることにより衝撃液圧を発生させることとした
装置がある。

【０００３】しかしながら、これらの装置にあっては、
液圧室の形状または寸法はエネルギー源（爆薬，高速飛
翔体）の挙動を考慮して決定する必要があり、自由度が
かなり小さいこと、圧力の持続時間が長く、かつ液圧室
内の比較的広い範囲にわたって同時に衝撃圧力が加わる
こと、危険性を伴うために、設置場所の制約または安全
性の配慮が必要であること、等の共通の問題の他、さら
には固有の問題をもかかえている。

【０００４】そこで、これらの問題を解決するものとし
て、出願人は特開平０４−３５１２９９に開示されてい
る爆轟液圧発生方法及び装置を提案した。

【０００５】この装置にあっては、燃焼室は逆円錐状を
なしていて火炎の進行につれて断面積が一端部から次第
に小さくなるように設定され、他端部では最小断面積を
もつ収束部が形成され、他端部の開口に、液圧室の液面
が臨んでいる。燃焼室内の火炎は進行と共に該燃焼室の
断面積が小さくなるので圧力が上昇し、他端部ではきわ
めて高い圧力となる。この高圧は液圧室内の液体の液圧
に変換される。そして液圧室に型を有する加工室を設
け、該型の上に板材等の被加工部材を配することとすれ
ば、上記液圧によって型に沿った所定形状に加工を行う
ことができる。また、上記液圧室は液体に代えてゴム状
の弾性体を有する弾圧室とすることもできる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記爆轟液圧発生装置
では、液圧室は被加工部材の大きさに対応する受圧面積
を得るために上記収束部から受圧部に向け断面積が増大
する円錐状をなしている。また液圧室内を受圧部に向け
伝播される圧力波は上記液圧室の円錐内壁面に対し直角
をなすので球面波となる。したがって、上記受圧部にお
ける被加工部材には中央部に圧力が到達した後に周囲に
向け拡がるように圧力が作用する。そして、上記被加工
部材には、中央部で最高圧が得られ、外周部に近づくほ
ど圧力が単調に低下する（波の伝播距離が長くなるた
め）。

【０００７】したがって、大きな被加工部材の一部を加
工したり、あるいは、加工度が被加工部材の部位により
変わる場合には上記爆轟液圧発生装置は不向きである。
この場合、最大加工度の部位に合わせて爆圧を定める
と、他の部位に不必要に過大な圧力を加えることとな
り、エネルギーの無駄となり、かつ過大な圧力が加わっ
た部位で割れが発生しやすい。

【０００８】また、逆円錐状の燃焼室と円錐状の液圧室
を同一軸線上に連結する形をなすので、所定の大きさの
受圧部を得るには装置の上記軸線方向の寸法（通常、装
置の高さ）はきわめて大きくなってしまうという問題も
ある。

【０００９】本発明は、かかる従来装置の問題を解決
し、被加工部材の各部位の加工度に適合した圧力分布を
得られ、装置の小型化を図る爆轟による衝撃圧発生方法
及び装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、燃焼室
における収束デトネーションによる衝撃高圧を直接、も
しくは交換可能な膜体及び流体を介して弾圧室内のゴム
状の弾性体に伝達して弾圧に変換する衝撃圧発生方法に
おいて、弾性体内に音響レンズを配して到達弾圧分布を
制御することにより達成される。

【００１１】また、その装置に関しては、一端部から他
端部に向け断面積が小さくなる燃焼室と、燃料の供給を
受け点火栓が配設された着火室と、着火室から分岐して
延び上記燃焼室の一端部へ連通する路程の等しい複数の
誘導路と、上記燃焼室の最小通路断面積部たる他端部の
開口に接続されかつ内部に液体又はゴム状の弾性体を収
容せる弾圧室とを備えた衝撃圧発生装置において、弾圧
体内に音響レンズが設けられていることにより達成され
る。

【００１２】上記音響レンズとは、光における光学レン
ズと同様に、周囲媒質に対して音速が異なる物質を適当
な曲率を有する表面形状に仕上げた媒体であり、これを
透過する際に音波が屈折する効果を利用して、音波を一
点に収束させたりする目的で使用される。このレンズを
衝撃波に対して用いる場合、衝撃波は通常の音波と異な
り非線形の波であるため、音波に対する屈折の理論は厳
密には適用できないが、定性的には同様の現象が起き
る。特に、本発明で用いる衝撃波は比較的非線形性の弱
いものであるため、ほぼ音波ど同様の挙動を示すものと
考えて良い。 （参考文献） M.Kuwahara: Extracorporeal shock wave lithotripsy,
Recent advanced strategy using piezoceramic shock
wave generator, Proceedings of the Intern.Worksho
p on Shock Wave Focusing (1989),65-89, Institute o
f High Speed Mechanics, Sendai, Japan.

【００１３】

【作用】かかる本発明の爆轟による衝撃圧の発生装置に
あっては、燃焼室で生じた爆轟圧は他端部にて収束され
高圧となり弾性室にて次第にその面積が拡大されながら
伝播される。弾圧室の弾性体中には、所定位置に所定の
音響レンズが配置されており、上記高圧はここで収束あ
るいは拡散され、例えば弾圧室の下流に配された加工室
に到達するときには、所定の圧力分布をもった高衝撃圧
となって被加工部材に印加される。

【００１４】

【実施例】以下、添付図面にもとづき本発明の実施例を
説明する。

【００１５】図１は本発明の第一実施例装置の縦断面図
である。本実施例装置は燃焼室１を有し、該燃焼室１は
下方に向け狭くなる逆円錐状をなし横断面における通路
断面積は上端部１Ａで最大で、下端部１Ｂにて最小とな
って収束部を形成するようになっている。

【００１６】上記燃焼室１の上端部１Ａの内壁はやや上
方に弯曲形成せられ、ここに複数の孔状の誘導路２が連
通している。該複数の誘導路２は上方にて、円板空間状
の分散室３に収束せられている。該分散室３には上方に
延びる着火室４が連通接続されている。そして、該着火
室４の上部には、着火装置６により作動する点火栓５が
設けられていると共に、流量計７，８を経て燃料供給源
９、酸化剤供給源１０がそれぞれ接続されている。な
お、１１は着火室４内の充填圧力を確認するための圧力
計である。

【００１７】上記燃焼室１の下端部１Ｂは開口されてお
り、ここに弾圧室１２が接続され、そしてその直下に弾
圧使用の一例として成形装置１３が設けられている。上
記弾圧室１２には圧力媒体としてのゴム状の弾性体Ｇが
収容されており、該弾性体Ｇの内部に所定形状・寸法の
音響レンズＬが配設されている。また該弾性体１９の上
端面は、図示のごとく上記燃焼室１の下端部１Ｂに直接
面していても、強靱かつ変形自在な膜体で界面を形成し
ていてもよい。

【００１８】成形装置１３は上記主弾圧室１２の直下に
配設されており、該成形装置１３は内部に、上面が成形
用の三次元形状をもった金型１６を交換可能に収容して
いる。該成形装置１３は必要に応じ、上記主弾圧室１２
との間にて、例えば両者のフランジの間で成形を受ける
べき板材等Ｐの周縁を保持されている。上記成形装置１
３には、上記金型１６を貫通してその上部空間に連通し
て該空間を真空とするための真空ポンプ装置１７が接続
されている。該真空ポンプ装置１７は既述の着火室４に
も接続されている。

【００１９】かかる本実施例装置において、高圧弾圧の
発生そしてこれを利用した成形は次のごとくなされる。

【００２０】先ず、成形すべき板材Ｐを金型１６上に
セットする。

【００２１】次に、真空ポンプ装置１７によって着火
室４、分散室３、誘導路２そして燃焼室１内が所定の真
空度とされる。また、これと同時に金型１６と板材Ｐと
の間の空間も同様に所定の真空度となるように吸引され
る。

【００２２】しかる後、着火室４、分散室３、誘導路
２そして燃焼室１内に、ほぼ理論混合比の可燃性ガス
が、燃料供給源９、酸化剤供給源１０により充填され
る。

【００２３】かかる設定の完了後、着火装置６によっ
て点火栓５を作動させる。着火室４内では着火により爆
轟が起こりその火炎が分散室３そして誘導路２を経て燃
焼室１の上端部１Ａに伝播される。その際、複数の誘導
路２の路程はそれぞれ等しく設定されているので、複数
の誘導路２の火炎は同時に上記上端部１Ａに達する。

【００２４】燃焼室１内では火炎は上端部１Ａから下
端部１Ｂへと進行するが、燃焼室１の断面積は下方に向
け次第に小さくなっているために、その圧力は上昇し下
端部１Ｂではきわめて高圧となる。

【００２５】上記燃焼室１の下端部１Ｂの開口部に
は、交換可能なノズル１２’がセットされ弾圧室１２内
の弾性体Ｇの上端面が臨んでいるため、上記高圧は該上
端面から弾性体Ｇの内部へと伝播される。

【００２６】上記高圧は衝撃波として上記弾性体Ｇ中
を伝播するが、該弾性体Ｇ中に設置された音響レンズＬ
を通過することにより該衝撃波は屈折し、所定の圧力分
布となって成形装置１３に達する。

【００２７】上記圧力分布を形成する高圧は成形装置
１３において板材を金型１６に圧して所定の成形が行わ
れる。

【００２８】しかる後、成形品としての板材をとり出
すと共に、上記〜の工程を繰り返すことによって、
次々と製品の成形を行うことができる。

【００２９】次に、図２に基づき本発明の第二実施例装
置を説明する。なお、図において図１に示した前実施装
置と共通部分には同一符号を付してその説明は省略す
る。

【００３０】本実施例では燃焼室１’は半径方向に広が
る横型に形成されている。該燃焼室１’は下方にふくら
む略球面の一部の上壁面によって中心に向かってその伝
播方向通路の断面積が減ずる形になっている。燃焼室１
は中心部にて弾圧室１２に連通している。

【００３１】かかる本実施装置によれば、装置寸法を高
くできない場合又は圧力持続時間を短くしたい場合に都
合が良い。作用に関しては、前実施例の場合と同様であ
り、火炎は誘導路２から燃焼室１’の一端部たる周囲部
１’Ａに到達した後、他端部たる中心部１’Ｂに向かっ
て進行する。その進行の際、断面積の減少に伴い、圧力
は極めて高くなる。そして、その高圧は弾圧室１２内の
弾性体Ｇに伝播され、該弾性体Ｇ中に設置された音響レ
ンズＬにより分布パターンを制御された後、成形装置１
３にて板材Ｐを金型１６に圧して成形が行われる。

【００３２】本発明においては、音響レンズの形状・寸
法あるいは物性値を変更することにより、該圧力分布を
被加工物に適したパターンに制御することができる。以
下、この点について説明する。

【００３３】図３は音響レンズを凸レンズとした場合の
衝撃波の屈折方向を示す図である。この場合、図に示す
ごとく衝撃波は屈折により中央に収束するので加工面の
中央部の圧力が上昇する。したがって、材料中央部の成
形力を高めたい場合に適した圧力分布が得られる。一
方、図４に示すごとく凹レンズ状の音響レンズを用いた
場合は、衝撃波は屈折により周囲に発散するが、発散し
た衝撃波が弾圧室の壁面で反射することにより加工面の
比較的外周部の圧力が上昇する。したがって、材料外周
部の成形力を高めるのに適した圧力分布が得られる。ま
た、レンズの寸法あるいは物性値を変更することによ
り、圧力分布をより精密に調整することができる。な
お、図３及び図４の例は、音響レンズが周囲媒質よりも
音速が小さい物質で構成されている場合を図示してい
る。

【００３４】図示の例の場合、音響レンズＬは一枚のも
のを用いているが、圧力伝播方向に各種の音響レンズを
組み合わせて構成することもでき、また、各種の音響レ
ンズを横方向に配して、各部位にての屈折率を変化せし
めて、所望の圧力分布を形成することも可能となる。

【００３５】本発明では、かかる音響レンズを用いるこ
とにより、装置全体を交換しなくとも、弾圧室内の圧力
媒体のみを適当な音響レンズを設置したものに交換する
ことにより、到達弾圧分布を被加工物の加工性状に適す
るよう変更できる。

【００３６】さらに、音響レンズを周囲が弾性体に囲ま
れた流体で構成するようにすれば、圧力調整装置を用い
て弾圧室外部から該流体を注入あるいは抜き出すことに
より、圧力媒体を交換することなく音響レンズの形状の
調整、すなわち圧力分布の調整が可能となる。

【００３７】なお、予め音響レンズを設置しなくとも、
ゴム状弾性体の一部分に外力を加えて該部分の密度また
は音速の値を局所的に変更することにより、該部分を音
響レンズとして用いることができる。

【００３８】以上の実施例では高圧弾圧の利用方法とし
て金型による成形を挙げたが、他の種の加圧、あるいは
駆動源等としの他の分野においても広く利用可能であ
る。

【００３９】

【発明の効果】本発明は以上のごとく弾圧室の弾性体内
に音響レンズを備えるように構成されるので、その方法
にあっては、従来の方法に比して、安価、かつ容易に立
ち上がりが急峻で特性の優れた衝撃弾圧が得られると共
に、音響レンズの形状・寸法あるいは物性値を変更する
ことにより、弾圧を被加工物に適合した圧力分布に制御
できるという効果を得る。

【００４０】また、本発明装置によれば、音響レンズに
より広い加工域を得ることが可能であり装置は高さ寸法
が大きくならないので、衝撃圧発生装置の小型化を図
れ、また、従来の弾丸打ち込み式、爆発方式のように火
薬を用いないため、設定上の制約を受けない装置とな
り、さらには、連続的に種々の分布パターンを有する衝
撃弾圧を発生させることができるようになるという効果
を得る。そして、容易かつ安全に衝撃弾圧を得ることが
できるので、加工分野等の広い工業分野での本格的な応
用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例装置の縦断面図である。

【図２】第二実施例装置の縦断面図である。

【図３】第１装置及び図２装置に使用可能な音響レンズ
の断面図である。

【図４】第一装置及び図２装置に使用可能な他の音響レ
ンズの断面図である。

【符号の説明】

１ 燃焼室 １Ａ 一端部 １Ｂ 他端部 ２ 誘導路 ４ 着火室 ５ 点火栓 １２ 弾圧室 Ｇ 弾性体 Ｌ 音響レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B21D 26/08 B30B 5/00

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室における収束デトネーションによ
   る衝撃高圧を直接、もしくは交換可能な膜体及び流体を
   介して弾圧室内のゴム状の弾性体に伝達して弾圧に変換
   する衝撃圧発生方法において、弾性体内に音響レンズを
   配して到達弾圧分布を制御することを特徴とする爆轟に
   よる衝撃圧発生方法。
2. 【請求項２】 弾圧室内の弾性体を交換することにより
   到達弾圧分布を変更することとする請求項１に記載の爆
   轟による衝撃圧発生方法。
3. 【請求項３】 音響レンズを流体で構成し、圧力調整装
   置を用いて該流体を注入または引き抜いて該音響レンズ
   の形状を変更することとする請求項１に記載の爆轟によ
   る衝撃圧発生方法。
4. 【請求項４】 弾圧室内の弾性体の一部に外力を加えて
   該弾性体の密度または音速を局部的に変更して該部分を
   音響レンズとして使用することとする請求項１に記載の
   爆轟衝撃圧発生方法。
5. 【請求項５】 一端部から他端部に向け断面積が小さく
   なる燃焼室と、燃料の供給を受け点火栓が配設された着
   火室と、着火室から分岐して延び上記燃焼室の一端部へ
   連通する路程の等しい複数の誘導路と、上記燃焼室の最
   小通路断面積部たる他端部の開口に接続されかつ内部に
   ゴム状の弾性体を収容せる弾圧室とを備えた衝撃圧発生
   装置において、弾性体内に音響レンズが設けられている
   ことを特徴とする爆轟による衝撃圧発生装置。
6. 【請求項６】 弾圧室内の弾性体が交換可能となってい
   ることとする請求項５に記載の爆轟による衝撃圧発生装
   置。
7. 【請求項７】 音響レンズが流体で構成され、該流体を
   注入または引き抜くための圧力調整装置を備えているこ
   ととする請求項５に記載の爆轟による衝撃圧発生装置。
8. 【請求項８】 弾圧室内の弾性体の一部に外力を加えて
   該弾性体の密度または音速を局部的に変更可能とする加
   圧装置を備えていることとする請求項５に記載の爆轟衝
   撃圧発生装置。