JP4511704B2 - 破砕方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、岩石などを破壊する破砕方法に関し、より特定的には、放電に伴って発生する圧力波を利用する破砕方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
岩石などを破壊するための従来の破砕方法としては、たとえば特開平４−２２２７９４号公報に開示されているものがある。図２５は、従来の破砕装置を示す模式図である。図２５を参照して、上記特開平４−２２２７９４号公報に開示された破砕方法を実施するための破砕装置の構造および動作原理について説明する。
【０００３】
図２５を参照して、まず、従来の破砕装置の構造を簡単に説明する。パルスパワー源１０６は、コンデンサ１０８、スイッチ１０７などを含む回路からなっている。このパルスパワー源１０６には電源１０９が接続されている。パルスパワー源１０６の回路、この回路を含む筐体および車体は接地されている。
【０００４】
岩石などを破壊するための破壊電極としての同軸電極１０１は、パルスパワー源１０６と同軸ケーブル１０５によって接続されている。同軸電極１０１の先端には、接地された接地電極と、パルスパワー源１０６のスイッチ１０７が閉じられたときにコンデンサ１０８に蓄えられた電荷が導かれる電極とが配置されている（図示省略）。
【０００５】
次に従来の破砕方法を説明する。破壊対象となる岩石などに、ドリルなどを用いてあらかじめ下孔を形成する。この下孔の中に水などの電解液を注入する。この下孔に同軸電極１０１を挿入する。
【０００６】
そして、電源１０９で電荷を発生させ、この電荷をコンデンサ１０８に蓄積する。ただし、コンデンサ１０８の片側の極は接地されている。
【０００７】
コンデンサ１０８に十分に電荷が蓄積された後にスイッチ１０７を閉じることによって、同軸ケーブル１０５を介して同軸電極１０１に電荷が供給される。そして、同軸電極１０１の先端において、電極と接地電極との間に電位差が生じることにより放電が起こる。このとき、同軸電極１０１の先端付近の電解液が放電エネルギーによってプラズマ化することにより、衝撃波（衝撃圧力）が発生する。この衝撃波により、同軸電極１０１の周囲の岩石などを破壊する。
【０００８】
上記特開平４−２２２７９４号公報では、岩石などの破砕の際には、１マイクロ秒あたり少なくとも１００ＭＷの割合で、少なくとも３ＧＷのピーク値のパワーが破砕すべき物質の閉じ込めた領域の電解液の中に浸漬された同軸電極の２電極間を横切って得られるまで、電気エネルギーを同軸電極に供給するとしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平４−２２２７９４号公報に開示された技術では、上述のような莫大なエネルギーを必要とする。しかし、発明者らが検討した結果、実際に岩石などの破砕に用いられるエネルギー量は、下孔の形状にもよるが電力投入開始後２０マイクロ秒（μｓ）程度までに供給されたエネルギーの積分値であった。つまり、特開平４−２２２７９４号公報の図２に示されているような投入電力波形の場合、２０μｓ以降のエネルギーが大部分を占めているため、投入されたエネルギーが岩石の破砕に有効に利用されているとは言えなかった。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、岩石などの破砕において投入エネルギーを効率良く利用することができる破砕方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の１の局面における破砕方法は、電極に電流を供給することにより発生する放電によって形成された圧力波を、媒体を介して破砕対象物に到達させてこの破砕対象物を破壊する破砕方法であって、圧力波の圧力の上昇に伴って、媒体中での圧力波の伝播速度が上昇することを利用して、第１の時刻において発生する第１の圧力波と前記第１の時刻より後の第２の時刻において発生する第２の圧力波とが重なって破砕対象物に到達するように、第１および第２の時刻において前記電極に供給される電流の値を決定することを特徴とする。
【００１２】
発明者らは、従来あまり検討されていなかった破砕に用いる衝撃波の形成過程について研究し、本発明を完成するに至った。つまり、電極に電流を供給して放電を発生させる場合、第１および第２の時刻において電極に供給される電流の値（電流値）によりそれぞれの時刻における放電の際の放出エネルギーは決定される。そして、この放出エネルギーにより第１および第２の圧力波の圧力が決定される。また、媒体中での圧力波の伝播速度は、基本的に媒体の材質と圧力波の圧力とにより決定される。したがって、第２の時刻における電流値を第１の時刻における電流値より大きくして、第２の圧力波の圧力を第１の圧力波の圧力より充分大きくすることにより、第２の圧力波の伝播速度は第１の圧力波の伝播速度より速くなる。また、圧力波が発生してから破砕対象物に到達するまでの時間（到達時間）は、電極と破砕対象物との間の距離と圧力波の伝播速度とにより決定される。圧力波の圧力が高いほど伝播速度は上昇するので、圧力波の圧力が高くなれば到達時間は短くなる。そのため、第２の圧力波の圧力を第１の圧力波の圧力より十分高くしておけば、先に発生した第１の圧力波が破砕対象物に到達する前に、第２の圧力波が第１の圧力波に追いつくことができる。その結果、第１および第２の圧力波が重なり合うことによって衝撃波を形成できる。
【００１３】
このようにすれば、破砕対象物の表面に、第１および第２の圧力波が重なることにより形成される衝撃波を到達させることができる。この結果、破砕対象物を破砕するために必要な急峻な圧力の立ち上りを容易に得ることができる。
【００１４】
また、破砕に必要な圧力を得るためには、衝撃波を形成する第１および第２の圧力波の圧力を加算した結果が破砕対象物の破砕に必要な圧力となるように、第１および第２の時刻における電流値を決定すればよい。つまり、従来のようにやみくもに大きなエネルギーを投入することなく、必要最小限のエネルギーを投入することで破砕対象物の破砕を実施することが可能になる。この結果、投入エネルギーを最適化できるので、従来余分に投入され、破砕に寄与していなかったエネルギーを削減できる。
【００１５】
この発明の他の局面における破砕方法は、電極に電流を供給することにより発生する放電によって形成された圧力波を、媒体を介して電極と距離を隔てて位置する破砕対象物に到達させて前記破砕対象物を破壊する破砕方法であって、圧力波の圧力の上昇に伴って、媒体中での圧力波の伝播速度が上昇することを利用して、第１の時刻において発生する第１の圧力波と第１の時刻より後の第２の時刻において発生する第２の圧力波とが重なって前記破砕対象物に到達するように、破砕対象物と電極との間の距離と、媒体の材質と、第１および第２の時刻において電極に供給される電流の値とを決定することを特徴とする。
【００１６】
ここで、第１の圧力波と第２の圧力波とが重なることにより（第２の圧力波が第１の圧力波に追いつくことにより）衝撃波が形成されるかどうかは、第１および第２の時刻が規定されている場合、第１および第２の圧力波の媒体中の伝播速度と、破砕対象物と電極との間の距離とにより決定される。そして、圧力波の媒体中での伝播速度は、上述のように基本的に媒体の材質と圧力波の圧力とにより決定される。第１および第２の圧力波の圧力は、第１および第２の時刻に供給される電流の値により決定される。つまり、破砕対象物と電極との間の距離と、媒体の材質と、電流の値とを調整することで、第１および第２の圧力波が重なることにより形成される衝撃波を破砕対象物に到達させることができる。したがって、破砕対象物を破壊するために必要な急峻な圧力増加を容易に得ることができる。たとえば、破砕対象物と電極との間の距離を十分に確保できず、媒体として水などを用いては第２の圧力波が第１の圧力波に追いつく前に第１の圧力波が破砕対象物に到達してしまう場合（第１および第２の圧力波を重ね合わせて衝撃波（急峻な圧力の立ち上り）を形成することができないような場合）を考える。このとき、媒体の材質を変更することにより媒体中での圧力波の伝搬速度を遅くすることで、電流値などの条件を変えずに第１および第２の圧力波を重ね合わせて衝撃波を形成することができる。あるいは、第１および第２の時刻における電流値を変更してもよい（たとえば第２の時刻における電流値をより大きくして、第２の圧力波の圧力をより高くすることにより、第２の圧力波の伝播速度を速くしてもよい）。
【００１７】
上記１の局面または他の局面における破砕方法では、第１の時刻から第２の時刻まで、電極に供給される電流の値は連続的に大きくなっていることが好ましい。
【００１８】
この場合、第１の時刻から第２の時刻までの間に発生する圧力波の圧力を徐々に大きくする事ができる。そのため、第１の時刻から第２の時刻までの間に発生する圧力波の伝搬速度を徐々に速くすることができるので、電極から破砕対象物への圧力波の到達時間を徐々に短くすることができる。したがって、電流の値を媒体の材質や電極と破砕対象物との間の距離などに基づいて所定の値に決定する事で、第１の時刻から第２の時刻までの間に発生する圧力波を、破砕対象物に到達する前に重ね合わせて衝撃波を形成することができる。
【００１９】
上記１の局面または他の局面における破砕方法では、電流の値は、第１の時刻から第２の時刻までの間に電極に８ｋＪ以上の電力を供給するように決定されていることが好ましい。第１の時刻から第２の時刻までの間の時間は、第１の時刻において発生した圧力波が破砕対象物に到達するのに必要な時間の約２／３以下であることが好ましい。
【００２０】
この場合、上記のように電力量を供給することにより、第１および第２の圧力波により形成される衝撃波の圧力を、破砕対象物を破壊するのに十分な大きさにすることができる。
【００２１】
また、電極に投入される電流が正弦波の半波であり、第１の時刻とは電流投入開始時である場合を考えると、上記のように第１および第２の時刻の間の時間を設定すれば、第１の時刻から第２の時刻の間に発生する圧力波を重ね合せて確実に衝撃波を形成できる。したがって、破砕対象物をこの衝撃波により確実に破壊できる。
【００２２】
上記１の局面または他の局面における破砕方法では、媒体は液体であることが好ましい。媒体として水を用いてもよい。また、媒体として電解質などの溶質を水などの溶媒に溶解した溶液を用いてもよい。
【００２３】
この場合、媒体として一般的に入手が容易で比較的安価な水を用いれば、破砕方法のランニングコストを低減できる。
【００２４】
なお、破砕対象物と電極との間の距離は、第２の圧力波が第１の圧力波に追いついて衝撃波を形成するためにある程度の長さが必要である。その距離は、電極に供給される電流の値や立ち上りの条件、また媒体の材質などのより変化する。さらに、完全な衝撃波を形成しなくても、ある程度の圧力波の重畳が起これば、破砕対象物を十分に破砕できる場合もある。したがって、破砕対象物と電極との間の距離は、一般的には２０ｍｍ以上、少なくとも１０ｍｍは必要である。
【００２５】
また、この破砕対象物と電極との間の距離があまり大きくなると、破砕対象物に到達した際の圧力波が広がっているため、破砕対象物を破壊するのに必要な圧力（衝撃力）を確保する事が難しくなる。
【００２６】
上記１の局面または他の局面における破砕方法は、媒体での音速を変更する工程をさらに備えることが好ましい。
【００２７】
この場合、電極と破砕対象物との間の距離を十分確保できない時などに、媒体での音速（すなわち圧力波の伝搬速度）を遅くすれば、第１の圧力波が破砕対象物に到達するまでの時間（到達時間）を実質的に延長することができる。そのため、第２の圧力波が第１の圧力波に確実に重なる（追いつく）ようにすることができる。したがって、第１および第２の圧力波から衝撃波を確実に形成できるので、破砕対象物を確実に破壊できる。
【００２８】
上記１の局面または他の局面における破砕方法では、媒体での音速を変更する工程が、媒体の温度を変更することを含んでいてもよい。
【００２９】
ここで、媒体としてその音速が温度依存性を有する材料を用いている場合、媒体の温度を変更するという比較的簡単な工程により、媒体の材質を変更することなく媒体中の音速を変更できる。したがって、第１および第２の圧力波を重ね合せて衝撃波を形成できるように、プロセス条件をより詳細に設定できる。
【００３０】
上記１の局面または他の局面における破砕方法では、媒体中に、媒体の材料とは異なる材料からなる部材を混入してもよい。
【００３１】
この場合、媒体の音速はそのままであっても、第１および第２の圧力波が電極から破砕対象物まで媒体中を伝搬する際、上記のような部材により圧力波の進路が変更されることになる。したがって、電極から破砕対象物まで圧力波が進む経路の実効的な長さ（実効距離）を長くする事ができる。この結果、電極と破砕対象物との間の距離を十分確保できないような場合でも、上述した実効距離を長くする事により、第１および第２の圧力波が重なって衝撃波が形成されるようにすることができる。
【００３２】
上記１の局面または他の局面における破砕方法では、媒体はシリコンオイルであってもよい。
【００３３】
この場合、シリコンオイルにおける音速は水における音速の約２／３程度であるので、電極と破砕対象物との間の距離を十分確保できないような場合にシリコンオイルを媒体として用いれば、確実に第１および第２の圧力波を重ね合せて衝撃波を形成できる。
【００３４】
上記１の局面または他の局面における破砕方法では、媒体に導電体が混入されていてもよい。
【００３５】
この場合、導電体を混入する事で電極における放電を容易に発生させることができる。したがって、本発明による破砕方法を容易に実施できるようになる。また、媒体が絶縁体である場合など、この導電体により電極における放電を容易に発生させることができるので効果的である。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００３７】
（実施の形態１）
図１は、本発明による破砕方法の実施の形態１を説明するための模式図である。図１を参照して、本発明による破砕方法を説明する。
【００３８】
図１を参照して、本発明による破砕方法では、同軸電極１とパルスパワー源６と電源９と同軸ケーブル５とを備える破砕装置を用いる。パルスパワー源６はコンデンサ８、スイッチ７などを含む回路からなる。パルスパワー源６には電源９が接続されている。パルスパワー源６の回路は接地されている。同軸電極１はパルスパワー源６と同軸ケーブル５により接続されている。同軸電極１の先端には、接地された接地電極と、パルスパワー源６のスイッチ７が閉じられたときにコンデンサ８に蓄えられた電荷が導かれる電極とが配置されている。
【００３９】
図１に示した本発明による破砕方法では、まず、岩などの破砕対象物２に同軸電極１を挿入するための孔１０を形成する。孔１０の内部は媒体としての水１１により満たされている。この孔１０の内部に、水１１に先端部が浸漬するように同軸電極１を挿入する。同軸電極１の中心と破砕対象物２の壁面とは距離Ｌを隔てて位置する。距離Ｌは５０ｍｍとする。
【００４０】
この場合、媒体として一般的に入手が容易で比較的安価な水１１を用いる事で、破砕方法のランニングコストを低減できる。なお、媒体として水に電解質などを溶解した水溶液やその他の液体を用いてもよい。
【００４１】
また、同軸電極１と破砕対象物２との間の距離Ｌを、後述する電流条件を用いる場合上記のように５０ｍｍとすれば、同軸電極１の放電点４において発生する圧力波を重ね合せて確実に衝撃波を形成することができる。なお、この距離Ｌがあまり大きくなると、破砕対象物２に到達する衝撃波の力の大きさが小さくなるため、破砕対象物２を破壊する力を確保する事が難しくなる。一方、この距離２があまり小さいと、後から発生した圧力の高い圧力波が、先に発生した圧力波に追いつく前に、先に発生した圧力波が破砕対象物２の壁面に到達するため、圧力波を重ねあわせて衝撃波を形成することが困難になる。
【００４２】
パルスパワー源６のコンデンサ８は電源９から供給される電荷を蓄積する。コンデンサ８に十分電荷が蓄積された後、ギャップスイッチなどを用いたスイッチ７を閉じることにより、同軸ケーブル５を介して同軸電極１に電流が供給される。同軸電極１の先端において、電極と接地電極との間に電位差が生じることにより放電点４において放電が起こる。この放電により、急激なジュール加熱によって水１１がガス化し、膨張することによって水１１中において圧力波が発生する。圧力波の圧力は、水１１中において消費されるエネルギーに比例する。このエネルギーは、投入電流の２乗×放電抵抗に比例する。すなわち、発生する圧力波の圧力は同軸電極１に供給される電流の値の２乗に比例する。また、媒体中での圧力波の伝播速度は、基本的に媒体の材質と圧力波の圧力とにより決定される。
【００４３】
たとえば、同軸電極１に供給される電流の波形が以下に説明するように正弦波の場合、電流の供給開始時から供給された電流の値は徐々に大きくなる。このため、第１の時刻としての電流の供給開始時に発生した第１の圧力波より、その後の第２の時刻としての所定の時刻に発生する第２の圧力波の圧力はだんだん大きくなる。そのため、第２の圧力波の伝播速度を第１の圧力波の伝播速度より速くできる。
【００４４】
また、圧力波が放電点４において発生してから破砕対象物２に到達するまでの時間（到達時間）は、同軸電極１と破砕対象物２との間の距離Ｌと圧力波の伝播速度とにより決定される。圧力波の圧力が高いほど伝播速度は上昇するので、圧力波の圧力が高くなれば到達時間は短くなる。そのため、第２の圧力波の圧力を第１の圧力波の圧力より十分高くしておけば、先に発生した第１の圧力波が破砕対象物２に到達する前に、第２の圧力波が第１の圧力波に追いつくことができる。その結果、第１および第２の圧力波が重なり合うことによって衝撃波を形成できる。
【００４５】
このようにすれば、破砕対象物２の表面に、第１および第２の圧力波が重なることにより形成される衝撃波を到達させることができる。この結果、破砕対象物２を破砕するために必要な圧力を容易に得ることができる。
【００４６】
なお、図２に示すように、媒体としてゼリー状物質３など粘性のある材料を用いれば、図１に示したように破砕対象物２に孔１０を形成する必要はない。図２は、本発明による破砕方法の実施の形態１の変形例を説明するための模式図である。図２を参照して、媒体としてゼリー状物質３を用いれば、孔１０（図１参照）を形成することなく、破砕対象物２と同軸電極１とを距離Ｌを隔てて配置し、かつ、破砕対象物２と同軸電極１との間に媒体としてのゼリー状物質３を配置することができる。
【００４７】
以下、破砕対象物２と同軸電極１との間の距離Ｌを５０ｍｍとし、媒体として水１１を用い、同軸電極１に投入する電流を図３に示すようにその周期が０．２ミリ秒（ｍｓ）、最大電流値が３００ｋＡである正弦波の半波である場合について説明する。図３は、本発明による破砕方法の実施の形態１において同軸電極１に投入される電流の値（供給電流値）と供給開始後の時刻との関係を示すグラフである。
【００４８】
なお、上記のような条件下では、後から発生した圧力波が先に発生した圧力波に追いつくことにより衝撃波を発生させるためには、距離Ｌを４０ｍｍ以上６０ｍｍ以下とすることが好ましい。ただし、この距離Ｌの値は媒体の材質や同軸電極１への投入電流値などにより変化する。また、完全な衝撃波を形成しなくても、ある程度の圧力波の重畳が起これば、破砕対象物２を十分に破砕できる場合もある。したがって、破砕対象物２と同軸電極１との間の距離Ｌは、一般的には２０ｍｍ以上、少なくとも１０ｍｍが下限値と考えられる。一方、距離Ｌがあまり長いと、圧力波が広がって波高値の減少が著しくなるため、破壊力が小さくなる。また、同軸電極１の直径が４０ｍｍ〜７０ｍｍ程度であること、および孔１０（図１参照）のサイズなどを考慮すると、距離Ｌの最大値は１００ｍｍ程度とすることが好ましい。したがって、距離Ｌの範囲は、一般的には１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下、より好ましくは４０ｍｍ以上６０ｍｍ以下である。
【００４９】
図４は、本発明による破砕方法の実施の形態１における、同軸電極１に電流の投入を開始してからの時刻と発生圧力との関係を示すグラフである。図４を参照して、横軸が同軸電極１に電流の投入を開始してからの時刻であり、縦軸がそれぞれの時刻において発生した圧力波の圧力を示している。圧力波の圧力は同軸電極１に投入された電流の２乗×放電抵抗に比例する。図４では、時刻がほぼ０．５×１０-4秒の時に発生した圧力波の圧力が９×１０8Ｐａと最大値を示している。なお、放電抵抗は一定であると仮定している。
【００５０】
図５は、本発明による破砕方法の実施の形態１における、電極に電流の投入を開始してからの時刻と発生した圧力波の伝播速度との関係を示すグラフである。縦軸は圧力波の伝播速度を示し、横軸は同軸電極１に電流の投入を開始してからの時刻を示す。横軸方向にそれぞれの圧力波が発生した時刻をとり、縦軸方向にその圧力波の伝播速度をとった位置に点をプロットすることにより、図５の曲線は形成されている。なお、圧力波の圧力が極めて大きな領域については実測値が存在しないため、シミュレーションによる計算結果のデータを用いている。図４および５を参照して、圧力波の圧力が高くなればなるほど、圧力波の伝播速度（圧力波の速度）が速くなることがわかる。
【００５１】
図６は、本発明による破砕方法の実施の形態１における、電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。図６を参照して、横軸は同軸電極１に電流の投入を開始してからの時刻を表し、縦軸は圧力波が破砕対象物２の壁面に到達する時刻を表している。横軸において圧力波の発生した時刻をとり、その位置から縦軸方向において、当該圧力波が破砕対象物２の壁面に到達する時刻に該当する位置に点をプロットすることにより、図６の曲線は形成されている。
【００５２】
図３および６を参照して、第１の時刻としての投入開始直後から、第２の時刻としての０．２×１０-4秒までの間に発生した圧力波は、同軸電極１に電流の投入を開始してから約３．５×１０-5秒（０．３５×１０-4秒）後というほぼ同じタイミングで壁面に到達する。これは、同軸電極１と破砕対象物２との間の距離Ｌ、媒体の材質および供給電流の波形（第１および第２の時刻における電流値）を上記のように選択することにより可能になる。つまり、図５を参照して、電流の投入開始直後から０．２×１０-4秒までの間に連続的に発生する圧力波の伝播速度が徐々に大きくなっているので、圧力波が同軸電極１から破砕対象物２の壁面まで伝播する際、後から発生した圧力波が先に発生した圧力波に追いつくことになる。このようにして、複数の圧力波が重なって衝撃波が形成されている。この衝撃波が破砕対象物２の壁面に到達する。
【００５３】
圧力波が破砕対象物２の壁面に到達した際に、壁面が受ける圧力の計算結果を図７に示す。図７は、本発明による破砕方法の実施の形態１における、同軸電極１に電流の投入を開始してからのそれぞれの時刻で発生する圧力波が壁面に到達した際に壁面に与える圧力を、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻をＸ軸（横軸）とし、圧力波が壁面に与える圧力の値をＹ軸（縦軸）としたＸＹ平面にプロットしたグラフである。図７の曲線は、同軸電極１に電流の投入を開始してから１×１０-4秒後までに発生した圧力波について、それぞれの時刻で発生した圧力波が壁面に到達した際に与えるであろう圧力の計算値をプロットすることにより形成されている。
【００５４】
図６および７からもわかるように、同軸電極１に電流の投入を開始してから３．５×１０-5秒後において、電流の投入を開始後０．２×１０-4秒までに発生した複数の圧力波が重なって衝撃波として壁面に到達するので、実際に壁面が受ける圧力は、図８に示すように大きなピーク値を示す。なお、後にも述べるように、衝撃波形成時の実際に壁面が受ける圧力の計算は難しく、本発明の実施の形態では、先に発生した圧力波に後発の圧力波が追いついた場合の圧力波の音速変化を考慮していない簡易的なシミュレーション計算を行なっている。ここで、図８は、本発明による破砕方法の実施の形態１における、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフである。横軸は圧力波が破砕対象物２の壁面に到達する時刻を示し、その原点は同軸電極１に電流の投入を開始した時刻である。図８に示した同軸電極１に電流の投入を開始してから３．５×１０-5秒後における圧力のピークは、図６に示した同軸電極１に電流の投入を開始後０．２×１０-4秒までに発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する前に重なることにより衝撃波となっているために発生する。このような衝撃波の圧力はおよそ８×１０10Ｐａ程度となり、岩などの破砕対象物２を破壊するのに十分な圧力となる。
【００５５】
図３に示したように、第１の時刻としての電流の投入開始直後から第２の時刻としての０．２×１０-4秒まで、同軸電極１に供給される電流値を連続的に大きくなるようにしておけば、図４に示すように電流の投入開始直後から０．２×１０-4秒までの間に発生する圧力波の圧力を徐々に大きくする事ができる。そのため、図５に示すように、電流の投入開始直後から０．２×１０-4秒までの間に発生する圧力波の伝搬速度を徐々に速くすることができるので、同軸電極１から破砕対象物２への圧力波の到達時間を徐々に短くすることができる。したがって、本発明の実施の形態１においては、電流の投入開始直後から０．２×１０-4秒までの間に発生する圧力波を重ね合わせて衝撃波として破砕対象物２に到達させる事が可能になる。この結果、高い圧力を示す衝撃波により破砕対象物を破壊できる。
【００５６】
また、図６〜８を参照して、図８に示した０．３５×１０-4秒での衝撃波は、電流の投入開始直後から０．２×１０-4秒までに発生した圧力波が重なり合うことにより形成される。この０．３５×１０-4秒という時間は、図６からもわかるように、第１の時刻としての電流の投入開始直後に発生した圧力波が破砕対象物２に到達するのに必要な時間である。つまり、本発明の実施の形態１に示した体系では、電流の投入開始直後から０．２×１０-4秒、つまり、電流の投入開始直後に発生した圧力波が破砕対象物２に到達するのに必要な時間の２／３までに発生した圧力波が衝撃波を形成している。したがって、この時間内に破砕対象物を破壊することができる衝撃波を形成可能な圧力波を形成すればよい。具体的には、この時間内に８ｋＪ以上の電力を同軸電極１に供給することにより必要な圧力波を形成すれば、岩石などの破砕対象物を破壊するために十分な圧力を有する衝撃波を確実に形成できるという顕著な効果を得ることができる。なお、本発明の実施の形態１では、電流の投入開始直後から０．２×１０-4秒までの投入電力が同じであれば、それ以降の投入電力の大小が破砕の効果に影響を及ぼすことは少ない。
【００５７】
（実施の形態２）
本発明による破砕方法の実施の形態１において、同軸電極１と破砕対象物との距離Ｌを短くした場合、たとえばこの距離Ｌを約２５ｍｍとした場合を考える。その他の条件、たとえば媒体の材質や投入電力条件などは実施の形態１と同一とする。図９は、本発明による破砕方法の実施の形態１において、同軸電極１と破砕対象物２との距離を短くした場合の、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。図９は図６に対応する。
【００５８】
図９を参照して、同軸電極１と破砕対象物２との距離を短くした場合、先に発生した第１の圧力波（たとえば同軸電極１に電力を投入開始した直後に発生した圧力波）に後から発生した第２の圧力波（たとえば時刻０．２×１０-4秒において発生した圧力波）が追いつく前に、第１の圧力波は破砕対象物２に到達するため、異なるタイミングで発生した第１および第２の圧力波が、破砕対象物２に到達する前に重なることはない。つまり、このままでは本発明の実施の形態１で示したような衝撃波は形成されない。
【００５９】
このときのそれぞれの圧力波が破砕対象物２の壁面に与える圧力を図１０に示す。図１０は、本発明による破砕方法の実施の形態１において、同軸電極と破砕対象物との距離を短くした場合の、同軸電極に電流の投入を開始してからのそれぞれの時刻で発生する圧力波が壁面に到達した際に壁面に与える圧力を、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻をＸ軸とし、壁面に圧力波が与える圧力の値をＹ軸としたＸＹ平面にプロットしたグラフである。図１０は図７に対応する。
【００６０】
そして、この場合の破砕対象物２の壁面における実際の圧力を図１１に示す。図１１は、本発明による破砕方法の実施の形態１において、同軸電極と破砕対象物との距離を短くした場合の、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフであり、図８に対応する。図９〜１１を参照して、このように同軸電極１と破砕対象物２との距離Ｌを小さくしすぎた場合、圧力波が重ね合せられることにより形成される衝撃波は発生しない事がわかる。
【００６１】
そこで、このように同軸電極１と破砕対象物２との距離Ｌが小さい場合、媒体の材質を変更して、媒体中の圧力波の伝播速度を小さくすることが考えられる。たとえば、図１２に示すように、媒体での音速を変更する工程として、媒体としてシリコンオイル１２を選択することが考えられる。図１２は、本発明による破砕方法の実施の形態２を説明するための模式図である。
【００６２】
図１２を参照して、媒体としてのシリコンオイル１２はその音速が水の２／３程度であるため、媒体中の圧力波の伝播速度を確実に低減できる。したがって、同軸電極１と破砕対象物２との距離Ｌが小さく、媒体として水を用いると圧力波を重ね合せることが困難な場合に、シリコンオイル１２を用いることで圧力波を重ね合せて衝撃波を形成することができる。なお、シリコンオイル１２は環境への影響が小さいという点からも媒体として適した材料である。また、シリコンオイル１２は絶縁体であるが、高電圧を印加すれば絶縁破壊を起こし、放電の発生は可能である。さらに、このシリコンオイル１２に導電体からなる不純物を混入してもよい。この場合、同軸電極１における放電を容易に発生させることができる。
【００６３】
また、音速を変更する工程として、媒体としての水１１の温度を低下させてもよい。この場合、媒体をシリコンオイル１２に変更した場合と同様の効果を得ることができる。なお、媒体としてその音速が温度依存性を有する材料を用いる場合、このように媒体の音速を変更するために媒体の温度を変化させるという手段をとることができる。
【００６４】
また、図１３に示すように、媒体としてのゼリー状物質３に、ゼリー状物質とは異なる材質の部材、たとえば小石１３などを混入してもよい。図１３は、本発明による破砕方法の実施の形態２の変形例を説明するための模式図である。このように、ゼリー状物質３に小石１３を混入することで、媒体としてのゼリー状物質３の音速はそのままであっても、圧力波が同軸電極１から破砕対象物２までゼリー状物質３中を伝播する際、小石１３により圧力波の進路が変更されることになる。したがって、同軸電極１から破砕対象物２まで圧力波が進む経路の実効的な長さ（実効距離）を長くする事ができる。この結果、同軸電極１と破砕対象物２との間の距離Ｌを十分確保できないような場合、上述した実効距離を長くする事により、圧力波が重なって衝撃波が形成されるようにすることができる。なお、上記のような方策は、同軸電極１に供給される電流の立上りがあまり急激ではない場合（単位時間あたりの電流値の増加率が小さい場合）についても適用でき、上記のように媒体の材質などを変更することにより圧力波を重ね合わせて衝撃波を形成することが可能である。
【００６５】
上述のように、媒体の材質を変更する、あるいは媒体中の音速を変更する工程を実施することにより、本発明の実施の形態１と同様に衝撃波を形成することができる。たとえば、図１２に示した本発明の実施の形態２による破砕方法によれば、図１４に示すように、同軸電極１に電流を供給開始した直後から、時刻が０．２×１０-4秒までの間に発生した圧力波を重ね合わせて、破砕対象物２の壁面にほぼ同一タイミングで到達させる事ができる。
【００６６】
図１４は、本発明による破砕方法の実施の形態２における、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。図１４では、媒体中の音速を水中の音速の２／３とした。図１４は、図６に対応する。そして、この場合、図１５および１６に示すように、本発明の実施の形態１と同様に、圧力波を重ねあわせることにより衝撃波を形成する事ができる。ここで、図１５は、本発明による破砕方法の実施の形態２における、同軸電極に電流の投入を開始してからのそれぞれの時刻で発生する圧力波が壁面に到達した際に壁面に与える圧力を、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻をＸ軸とし、壁面に圧力波が与える圧力の値をＹ軸としたＸＹ平面にプロットしたグラフであり、図７に対応する。また、図１６は、本発明による破砕方法の実施の形態２における、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフであり、図８に対応する。
【００６７】
なお、同軸電極１に供給される電流の波形を、後述するように電流値の立上りの早い波形、たとえば最大電流値はほぼ同じで、より周期の短い正弦波などにすることにより、後から発生する圧力波の伝播速度を速くしてもよい。このようにすれば、圧力波を重ね合せて本発明の実施の形態１と同様に衝撃波を形成できる。
【００６８】
（実施の形態３）
圧力波が重ね合せられて形成される衝撃波の圧力を高めることができれば、より硬い岩盤などを破砕することができる。衝撃波の圧力を高める方法として、同軸電極１に投入する電流の立上がりを早くしてもよい。図１７は、本発明による破砕方法の実施の形態３において同軸電極１に投入される電流の値と供給開始後の時刻との関係を示すグラフである。図１７では、参考のため本発明の実施の形態１において同軸電極１に供給される電流の値も示している。図１７を参照して、本発明の実施の形態３では、投入する電流の周期を５０μ秒（０．５×１０-4秒）としている。このため、電流値のピーク値は実施の形態１における投入電流と同じにしているが、同軸電極１に供給される電力は実施の形態１の場合と比べて約１／４になっている。また、本発明の実施の形態３では、他の条件は基本的に本発明の実施の形態１における条件と同一とした。
【００６９】
このような条件において発生した圧力波が破砕対象物２に到達する時刻を図１８に示す。図１８は、本発明による破砕方法の実施の形態３における、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。図１８は図６に対応する。図１８を参照して、同軸電極１に電流の投入を開始した直後の圧力波より、同軸電極１に電流の投入を開始してから約１×１０-5秒（１０μ秒）後に発生した圧力波が計算上は先に破砕対象物２の壁面に到達する、つまり後から発生した圧力波が先に発生した圧力波に追いつくことができることがわかる。このため、圧力波を重ね合わせて衝撃波を形成できる。
【００７０】
なお、図１８は、先に発生した圧力波に後発の圧力波が追いついた場合の圧力波の音速変化を考慮していない簡易的なシミュレーション計算の結果であるため、同軸電極１に電流の投入を開始してから約１×１０-5秒（１０μ秒）後に発生した圧力波が、同軸電極１に電流の投入を開始した直後の圧力波より先に破砕対象物に到達するという計算結果となっている（なお、図７、８、１１、１５、１６および１９についても、同様の簡易的なシミュレーション計算を行なっている）。しかし、実際には、後から発生した圧力波が先行する圧力波に追いついた場合、これらの圧力波は重なり合い、一体となる（つまり、後発の圧力波が先行する圧力波を追い越すことは無い）。この結果、より圧力の高い圧力波が形成されることになる。すなわち、後発のより高い圧力を有する圧力波が先行する圧力波に順次追いついて一体となり、衝撃波が形成される。このような衝撃波が形成される現象を正確にシミュレーションで再現するためには、非線形計算を含む複雑な計算を行なう必要がある。そのため、ここでは現象をわかりやすく表現するために簡素化した計算式を用いて計算を行なっている。したがって、圧力波が重なって形成される衝撃波の波高値（圧力値）などは現実の衝撃波の波高値と異なる可能性がある。しかし、後発の圧力波が先行する圧力波に追いつくための、いわゆる助走距離（破砕対象物２と同軸電極１との間の距離）が一定の長さ必要であることは確かであり、圧力波を重ね合わせることのできる条件、さらに衝撃波の圧力の急峻な立ち上りを形成できる条件を検証するという意味において、このシミュレーション計算結果は正しい。
【００７１】
また、本発明の実施の形態３における破砕対象物の壁面に加えられる実際の圧力を図１９に示す。図１９は、本発明による破砕方法の実施の形態３における、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフである。図１９は図８に対応する。図１８および１９を参照して、後発の圧力波が先行する圧力波と重なることにより衝撃波が形成され、その衝撃波が破砕対象物２の壁面に到達して大きな圧力を壁面に加えていることがわかる。また、図８と図１９とを対比すると、図１９に示した本発明の実施の形態３における衝撃波の方が実施の形態１における衝撃波より高い圧力を示している（図１９に示した衝撃波の圧力の値（約６×１０9Ｐａ）は、図８に示した衝撃波の圧力の値（約２６×１０8Ｐａ）の３倍近くになっている）。つまり、本発明の実施の形態３では、図１７に示したように電流の立上がりを早くすることで、供給電力量を小さくできる一方、衝撃波の圧力を高めることができる。これは、電流の立上がりを早めることにより、投入される全電力に対する衝撃波の形成に寄与する電力の割合が増加したためである。したがって、同軸電極１に投入する電流の立上がりを早くすれば、より小さな投入電力で大きな圧力の衝撃波を形成できる。
【００７２】
【実施例】
本発明による破砕方法について、図２０に示すような回路を用いて検証試験を行なった。図２０は、本発明による破砕方法の実施例における検証装置の回路図である。図２０を参照して、回路はコンデンサＣ１、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、インダクタＬおよびスイッチＳ１を備える。コンデンサＣ１については静電容量が２ｍＦおよび０．３３３ｍＦという２種類のものを用意した。また、抵抗Ｒ１の抵抗値は２ｍΩ、抵抗Ｒ２およびＲ３の抵抗値は１０ｍΩ、インダクタＬのインダクタンスは２μＨである。なお、このインダクタＬは、ケーブルなどのインダクタンスを集中定数回路で表したものであり、抵抗Ｒ１、Ｒ２についても同様である。抵抗Ｒ３は同軸電極１における媒体中での放電時の放電抵抗を表わしている。図２０に示した回路では、コンデンサＣ１に蓄積した電荷を、スイッチＳ１を閉じることにより放出する。ここでは、コンデンサＣ１の静電容量を２ｍＦおよび０．３３３ｍＦと変え、他の条件は同一として、コンデンサＣ１に蓄積した電荷の放出実験を行なった。
【００７３】
コンデンサＣ１の静電容量を２ｍＦおよび０．３３３ｍＦとした場合の、抵抗Ｒ３における放電電流波形を図２１〜２４に示す。図２１は、図２０に示した検証装置においてコンデンサＣ１の静電容量を２ｍＦとした場合（以下、ケース１と呼ぶ）の放電時の放電開始からの時刻と電流値との関係を示すグラフである。また、図２２は、図２１に示したグラフの部分拡大図である。また、図２３は、図２０に示した検証装置においてコンデンサの静電容量を０．３３３ｍＦ（以下、ケース２と呼ぶ）とした場合の放電時の放電開始からの時刻と電流値との関係を示すグラフである。図２４は、図２３に示したグラフの部分拡大図である。
【００７４】
図２１〜２４を参照して、コンデンサに蓄積される電荷量についてケース１はケース２の約６倍となるが、放電電流波形については、特に放電開始から２０μ秒までの間、ケース１とケース２とはほとんど同様の電流波形となっている。つまり、実施の形態１などで示したように、水を媒体として用い、同軸電極１と破砕対象物２との間の距離を５０ｍｍとした条件下では、放電開始後２０μ秒までに発生する圧力波が衝撃波の圧力などを決定することを考えれば、実施の形態１に示した構成においてパルスパワー源としてケース１およびケース２に示した回路を用いた場合に発生する衝撃波の圧力はほとんど変わらないと考えられる。
【００７５】
このように、衝撃波の形成に寄与する圧力波が発生する期間（ここでは放電開始後２０μ秒まで）に供給される電力が衝撃波の圧力（強さ）を決定する。つまり、放電開始後２０μ秒以後に供給される電力は特に衝撃波の形成には寄与しないため、このような衝撃波の形成に寄与しない電力を削減することにより、同軸電極に供給される電力の無駄を省き、最適化することが可能になる。また、コンデンサに蓄積される電荷量を少なくできるので、破砕装置を小型化することも可能になる。
【００７６】
なお、放電開始後２０μ秒までに供給される電力は、ケース１およびケース２とも、その期間の電流値および抵抗Ｒ３の抵抗値から約８ｋＪと計算される。これだけの電力を放電開始後２０μ秒までに供給して、衝撃波を形成できれば、岩石などの破砕対象物を充分破壊できる。
【００７７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００７８】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、投入エネルギーを効率よく利用して、圧力波を重ね合わせることにより形成された衝撃波を用いて岩などの破砕対象物の破壊を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による破砕方法の実施の形態１を説明するための模式図である。
【図２】 本発明による破砕方法の実施の形態１の変形例を説明するための模式図である。
【図３】 本発明による破砕方法の実施の形態１において同軸電極１に投入される電流の値と供給開始後の時刻との関係を示すグラフである。
【図４】 本発明による破砕方法の実施の形態１における、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と発生圧力との関係を示すグラフである。
【図５】 本発明による破砕方法の実施の形態１における、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と発生した圧力波の伝播速度との関係を示すグラフである。
【図６】 本発明による破砕方法の実施の形態１における、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。
【図７】 本発明による破砕方法の実施の形態１における、同軸電極に電流の投入を開始してからのそれぞれの時刻で発生する圧力波が壁面に到達した際に壁面に与える圧力を、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻をＸ軸とし、壁面に圧力波が与える圧力の値をＹ軸としたＸＹ平面にプロットしたグラフである。
【図８】 本発明による破砕方法の実施の形態１における、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフである。
【図９】 本発明による破砕方法の実施の形態１において、同軸電極と破砕対象物との距離を短くした場合の、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。
【図１０】 本発明による破砕方法の実施の形態１において、同軸電極と破砕対象物との距離を短くした場合の、同軸電極に電流の投入を開始してからのそれぞれの時刻で発生する圧力波が壁面に到達した際に壁面に与える圧力を、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻をＸ軸とし、壁面に圧力波が与える圧力の値をＹ軸としたＸＹ平面にプロットしたグラフである。
【図１１】 本発明による破砕方法の実施の形態１において、同軸電極と破砕対象物との距離を短くした場合の、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフである。
【図１２】 本発明による破砕方法の実施の形態２を説明するための模式図である。
【図１３】 本発明による破砕方法の実施の形態２の変形例を説明するための模式図である。
【図１４】 本発明による破砕方法の実施の形態２における、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。
【図１５】 本発明による破砕方法の実施の形態２における、同軸電極に電流の投入を開始してからのそれぞれの時刻で発生する圧力波が壁面に到達した際に壁面に与える圧力を、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻をＸ軸とし、壁面に圧力波が与える圧力の値をＹ軸としたＸＹ平面にプロットしたグラフである。
【図１６】 本発明による破砕方法の実施の形態２における、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフである。
【図１７】 本発明による破砕方法の実施の形態３において同軸電極１に投入される電流の値と供給開始後の時刻との関係を示すグラフである。
【図１８】 本発明による破砕方法の実施の形態３における、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。
【図１９】 本発明による破砕方法の実施の形態３における、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフである。
【図２０】 本発明による破砕方法の実施例における検証装置の回路図である。
【図２１】 図２０に示した検証装置においてコンデンサの静電容量を２ｍＦとした場合の放電時の放電開始からの時刻と電流値との関係を示すグラフである。
【図２２】 図２１に示したグラフの部分拡大図である。
【図２３】 図２０に示した検証装置においてコンデンサの静電容量を０．３３３ｍＦとした場合の放電時の放電開始からの時刻と電流値との関係を示すグラフである。
【図２４】 図２３に示したグラフの部分拡大図である。
【図２５】 従来の破砕装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 同軸電極、２ 破砕対象物、３ ゼリー状物質、４ 放電点、５ 同軸ケーブル、６ パルスパワー源、７ スイッチ、８ コンデンサ、９ 電源、１０孔、１１ 水、１２ シリコンオイル、１３ 小石。
【発明の属する技術分野】
この発明は、岩石などを破壊する破砕方法に関し、より特定的には、放電に伴って発生する圧力波を利用する破砕方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
岩石などを破壊するための従来の破砕方法としては、たとえば特開平４−２２２７９４号公報に開示されているものがある。図２５は、従来の破砕装置を示す模式図である。図２５を参照して、上記特開平４−２２２７９４号公報に開示された破砕方法を実施するための破砕装置の構造および動作原理について説明する。
【０００３】
図２５を参照して、まず、従来の破砕装置の構造を簡単に説明する。パルスパワー源１０６は、コンデンサ１０８、スイッチ１０７などを含む回路からなっている。このパルスパワー源１０６には電源１０９が接続されている。パルスパワー源１０６の回路、この回路を含む筐体および車体は接地されている。
【０００４】
岩石などを破壊するための破壊電極としての同軸電極１０１は、パルスパワー源１０６と同軸ケーブル１０５によって接続されている。同軸電極１０１の先端には、接地された接地電極と、パルスパワー源１０６のスイッチ１０７が閉じられたときにコンデンサ１０８に蓄えられた電荷が導かれる電極とが配置されている（図示省略）。
【０００５】
次に従来の破砕方法を説明する。破壊対象となる岩石などに、ドリルなどを用いてあらかじめ下孔を形成する。この下孔の中に水などの電解液を注入する。この下孔に同軸電極１０１を挿入する。
【０００６】
そして、電源１０９で電荷を発生させ、この電荷をコンデンサ１０８に蓄積する。ただし、コンデンサ１０８の片側の極は接地されている。
【０００７】
コンデンサ１０８に十分に電荷が蓄積された後にスイッチ１０７を閉じることによって、同軸ケーブル１０５を介して同軸電極１０１に電荷が供給される。そして、同軸電極１０１の先端において、電極と接地電極との間に電位差が生じることにより放電が起こる。このとき、同軸電極１０１の先端付近の電解液が放電エネルギーによってプラズマ化することにより、衝撃波（衝撃圧力）が発生する。この衝撃波により、同軸電極１０１の周囲の岩石などを破壊する。
【０００８】
上記特開平４−２２２７９４号公報では、岩石などの破砕の際には、１マイクロ秒あたり少なくとも１００ＭＷの割合で、少なくとも３ＧＷのピーク値のパワーが破砕すべき物質の閉じ込めた領域の電解液の中に浸漬された同軸電極の２電極間を横切って得られるまで、電気エネルギーを同軸電極に供給するとしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平４−２２２７９４号公報に開示された技術では、上述のような莫大なエネルギーを必要とする。しかし、発明者らが検討した結果、実際に岩石などの破砕に用いられるエネルギー量は、下孔の形状にもよるが電力投入開始後２０マイクロ秒（μｓ）程度までに供給されたエネルギーの積分値であった。つまり、特開平４−２２２７９４号公報の図２に示されているような投入電力波形の場合、２０μｓ以降のエネルギーが大部分を占めているため、投入されたエネルギーが岩石の破砕に有効に利用されているとは言えなかった。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、岩石などの破砕において投入エネルギーを効率良く利用することができる破砕方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の１の局面における破砕方法は、電極に電流を供給することにより発生する放電によって形成された圧力波を、媒体を介して破砕対象物に到達させてこの破砕対象物を破壊する破砕方法であって、圧力波の圧力の上昇に伴って、媒体中での圧力波の伝播速度が上昇することを利用して、第１の時刻において発生する第１の圧力波と前記第１の時刻より後の第２の時刻において発生する第２の圧力波とが重なって破砕対象物に到達するように、第１および第２の時刻において前記電極に供給される電流の値を決定することを特徴とする。
【００１２】
発明者らは、従来あまり検討されていなかった破砕に用いる衝撃波の形成過程について研究し、本発明を完成するに至った。つまり、電極に電流を供給して放電を発生させる場合、第１および第２の時刻において電極に供給される電流の値（電流値）によりそれぞれの時刻における放電の際の放出エネルギーは決定される。そして、この放出エネルギーにより第１および第２の圧力波の圧力が決定される。また、媒体中での圧力波の伝播速度は、基本的に媒体の材質と圧力波の圧力とにより決定される。したがって、第２の時刻における電流値を第１の時刻における電流値より大きくして、第２の圧力波の圧力を第１の圧力波の圧力より充分大きくすることにより、第２の圧力波の伝播速度は第１の圧力波の伝播速度より速くなる。また、圧力波が発生してから破砕対象物に到達するまでの時間（到達時間）は、電極と破砕対象物との間の距離と圧力波の伝播速度とにより決定される。圧力波の圧力が高いほど伝播速度は上昇するので、圧力波の圧力が高くなれば到達時間は短くなる。そのため、第２の圧力波の圧力を第１の圧力波の圧力より十分高くしておけば、先に発生した第１の圧力波が破砕対象物に到達する前に、第２の圧力波が第１の圧力波に追いつくことができる。その結果、第１および第２の圧力波が重なり合うことによって衝撃波を形成できる。
【００１３】
このようにすれば、破砕対象物の表面に、第１および第２の圧力波が重なることにより形成される衝撃波を到達させることができる。この結果、破砕対象物を破砕するために必要な急峻な圧力の立ち上りを容易に得ることができる。
【００１４】
また、破砕に必要な圧力を得るためには、衝撃波を形成する第１および第２の圧力波の圧力を加算した結果が破砕対象物の破砕に必要な圧力となるように、第１および第２の時刻における電流値を決定すればよい。つまり、従来のようにやみくもに大きなエネルギーを投入することなく、必要最小限のエネルギーを投入することで破砕対象物の破砕を実施することが可能になる。この結果、投入エネルギーを最適化できるので、従来余分に投入され、破砕に寄与していなかったエネルギーを削減できる。
【００１５】
この発明の他の局面における破砕方法は、電極に電流を供給することにより発生する放電によって形成された圧力波を、媒体を介して電極と距離を隔てて位置する破砕対象物に到達させて前記破砕対象物を破壊する破砕方法であって、圧力波の圧力の上昇に伴って、媒体中での圧力波の伝播速度が上昇することを利用して、第１の時刻において発生する第１の圧力波と第１の時刻より後の第２の時刻において発生する第２の圧力波とが重なって前記破砕対象物に到達するように、破砕対象物と電極との間の距離と、媒体の材質と、第１および第２の時刻において電極に供給される電流の値とを決定することを特徴とする。
【００１６】
ここで、第１の圧力波と第２の圧力波とが重なることにより（第２の圧力波が第１の圧力波に追いつくことにより）衝撃波が形成されるかどうかは、第１および第２の時刻が規定されている場合、第１および第２の圧力波の媒体中の伝播速度と、破砕対象物と電極との間の距離とにより決定される。そして、圧力波の媒体中での伝播速度は、上述のように基本的に媒体の材質と圧力波の圧力とにより決定される。第１および第２の圧力波の圧力は、第１および第２の時刻に供給される電流の値により決定される。つまり、破砕対象物と電極との間の距離と、媒体の材質と、電流の値とを調整することで、第１および第２の圧力波が重なることにより形成される衝撃波を破砕対象物に到達させることができる。したがって、破砕対象物を破壊するために必要な急峻な圧力増加を容易に得ることができる。たとえば、破砕対象物と電極との間の距離を十分に確保できず、媒体として水などを用いては第２の圧力波が第１の圧力波に追いつく前に第１の圧力波が破砕対象物に到達してしまう場合（第１および第２の圧力波を重ね合わせて衝撃波（急峻な圧力の立ち上り）を形成することができないような場合）を考える。このとき、媒体の材質を変更することにより媒体中での圧力波の伝搬速度を遅くすることで、電流値などの条件を変えずに第１および第２の圧力波を重ね合わせて衝撃波を形成することができる。あるいは、第１および第２の時刻における電流値を変更してもよい（たとえば第２の時刻における電流値をより大きくして、第２の圧力波の圧力をより高くすることにより、第２の圧力波の伝播速度を速くしてもよい）。
【００１７】
上記１の局面または他の局面における破砕方法では、第１の時刻から第２の時刻まで、電極に供給される電流の値は連続的に大きくなっていることが好ましい。
【００１８】
この場合、第１の時刻から第２の時刻までの間に発生する圧力波の圧力を徐々に大きくする事ができる。そのため、第１の時刻から第２の時刻までの間に発生する圧力波の伝搬速度を徐々に速くすることができるので、電極から破砕対象物への圧力波の到達時間を徐々に短くすることができる。したがって、電流の値を媒体の材質や電極と破砕対象物との間の距離などに基づいて所定の値に決定する事で、第１の時刻から第２の時刻までの間に発生する圧力波を、破砕対象物に到達する前に重ね合わせて衝撃波を形成することができる。
【００１９】
上記１の局面または他の局面における破砕方法では、電流の値は、第１の時刻から第２の時刻までの間に電極に８ｋＪ以上の電力を供給するように決定されていることが好ましい。第１の時刻から第２の時刻までの間の時間は、第１の時刻において発生した圧力波が破砕対象物に到達するのに必要な時間の約２／３以下であることが好ましい。
【００２０】
この場合、上記のように電力量を供給することにより、第１および第２の圧力波により形成される衝撃波の圧力を、破砕対象物を破壊するのに十分な大きさにすることができる。
【００２１】
また、電極に投入される電流が正弦波の半波であり、第１の時刻とは電流投入開始時である場合を考えると、上記のように第１および第２の時刻の間の時間を設定すれば、第１の時刻から第２の時刻の間に発生する圧力波を重ね合せて確実に衝撃波を形成できる。したがって、破砕対象物をこの衝撃波により確実に破壊できる。
【００２２】
上記１の局面または他の局面における破砕方法では、媒体は液体であることが好ましい。媒体として水を用いてもよい。また、媒体として電解質などの溶質を水などの溶媒に溶解した溶液を用いてもよい。
【００２３】
この場合、媒体として一般的に入手が容易で比較的安価な水を用いれば、破砕方法のランニングコストを低減できる。
【００２４】
なお、破砕対象物と電極との間の距離は、第２の圧力波が第１の圧力波に追いついて衝撃波を形成するためにある程度の長さが必要である。その距離は、電極に供給される電流の値や立ち上りの条件、また媒体の材質などのより変化する。さらに、完全な衝撃波を形成しなくても、ある程度の圧力波の重畳が起これば、破砕対象物を十分に破砕できる場合もある。したがって、破砕対象物と電極との間の距離は、一般的には２０ｍｍ以上、少なくとも１０ｍｍは必要である。
【００２５】
また、この破砕対象物と電極との間の距離があまり大きくなると、破砕対象物に到達した際の圧力波が広がっているため、破砕対象物を破壊するのに必要な圧力（衝撃力）を確保する事が難しくなる。
【００２６】
上記１の局面または他の局面における破砕方法は、媒体での音速を変更する工程をさらに備えることが好ましい。
【００２７】
この場合、電極と破砕対象物との間の距離を十分確保できない時などに、媒体での音速（すなわち圧力波の伝搬速度）を遅くすれば、第１の圧力波が破砕対象物に到達するまでの時間（到達時間）を実質的に延長することができる。そのため、第２の圧力波が第１の圧力波に確実に重なる（追いつく）ようにすることができる。したがって、第１および第２の圧力波から衝撃波を確実に形成できるので、破砕対象物を確実に破壊できる。
【００２８】
上記１の局面または他の局面における破砕方法では、媒体での音速を変更する工程が、媒体の温度を変更することを含んでいてもよい。
【００２９】
ここで、媒体としてその音速が温度依存性を有する材料を用いている場合、媒体の温度を変更するという比較的簡単な工程により、媒体の材質を変更することなく媒体中の音速を変更できる。したがって、第１および第２の圧力波を重ね合せて衝撃波を形成できるように、プロセス条件をより詳細に設定できる。
【００３０】
上記１の局面または他の局面における破砕方法では、媒体中に、媒体の材料とは異なる材料からなる部材を混入してもよい。
【００３１】
この場合、媒体の音速はそのままであっても、第１および第２の圧力波が電極から破砕対象物まで媒体中を伝搬する際、上記のような部材により圧力波の進路が変更されることになる。したがって、電極から破砕対象物まで圧力波が進む経路の実効的な長さ（実効距離）を長くする事ができる。この結果、電極と破砕対象物との間の距離を十分確保できないような場合でも、上述した実効距離を長くする事により、第１および第２の圧力波が重なって衝撃波が形成されるようにすることができる。
【００３２】
上記１の局面または他の局面における破砕方法では、媒体はシリコンオイルであってもよい。
【００３３】
この場合、シリコンオイルにおける音速は水における音速の約２／３程度であるので、電極と破砕対象物との間の距離を十分確保できないような場合にシリコンオイルを媒体として用いれば、確実に第１および第２の圧力波を重ね合せて衝撃波を形成できる。
【００３４】
上記１の局面または他の局面における破砕方法では、媒体に導電体が混入されていてもよい。
【００３５】
この場合、導電体を混入する事で電極における放電を容易に発生させることができる。したがって、本発明による破砕方法を容易に実施できるようになる。また、媒体が絶縁体である場合など、この導電体により電極における放電を容易に発生させることができるので効果的である。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００３７】
（実施の形態１）
図１は、本発明による破砕方法の実施の形態１を説明するための模式図である。図１を参照して、本発明による破砕方法を説明する。
【００３８】
図１を参照して、本発明による破砕方法では、同軸電極１とパルスパワー源６と電源９と同軸ケーブル５とを備える破砕装置を用いる。パルスパワー源６はコンデンサ８、スイッチ７などを含む回路からなる。パルスパワー源６には電源９が接続されている。パルスパワー源６の回路は接地されている。同軸電極１はパルスパワー源６と同軸ケーブル５により接続されている。同軸電極１の先端には、接地された接地電極と、パルスパワー源６のスイッチ７が閉じられたときにコンデンサ８に蓄えられた電荷が導かれる電極とが配置されている。
【００３９】
図１に示した本発明による破砕方法では、まず、岩などの破砕対象物２に同軸電極１を挿入するための孔１０を形成する。孔１０の内部は媒体としての水１１により満たされている。この孔１０の内部に、水１１に先端部が浸漬するように同軸電極１を挿入する。同軸電極１の中心と破砕対象物２の壁面とは距離Ｌを隔てて位置する。距離Ｌは５０ｍｍとする。
【００４０】
この場合、媒体として一般的に入手が容易で比較的安価な水１１を用いる事で、破砕方法のランニングコストを低減できる。なお、媒体として水に電解質などを溶解した水溶液やその他の液体を用いてもよい。
【００４１】
また、同軸電極１と破砕対象物２との間の距離Ｌを、後述する電流条件を用いる場合上記のように５０ｍｍとすれば、同軸電極１の放電点４において発生する圧力波を重ね合せて確実に衝撃波を形成することができる。なお、この距離Ｌがあまり大きくなると、破砕対象物２に到達する衝撃波の力の大きさが小さくなるため、破砕対象物２を破壊する力を確保する事が難しくなる。一方、この距離２があまり小さいと、後から発生した圧力の高い圧力波が、先に発生した圧力波に追いつく前に、先に発生した圧力波が破砕対象物２の壁面に到達するため、圧力波を重ねあわせて衝撃波を形成することが困難になる。
【００４２】
パルスパワー源６のコンデンサ８は電源９から供給される電荷を蓄積する。コンデンサ８に十分電荷が蓄積された後、ギャップスイッチなどを用いたスイッチ７を閉じることにより、同軸ケーブル５を介して同軸電極１に電流が供給される。同軸電極１の先端において、電極と接地電極との間に電位差が生じることにより放電点４において放電が起こる。この放電により、急激なジュール加熱によって水１１がガス化し、膨張することによって水１１中において圧力波が発生する。圧力波の圧力は、水１１中において消費されるエネルギーに比例する。このエネルギーは、投入電流の２乗×放電抵抗に比例する。すなわち、発生する圧力波の圧力は同軸電極１に供給される電流の値の２乗に比例する。また、媒体中での圧力波の伝播速度は、基本的に媒体の材質と圧力波の圧力とにより決定される。
【００４３】
たとえば、同軸電極１に供給される電流の波形が以下に説明するように正弦波の場合、電流の供給開始時から供給された電流の値は徐々に大きくなる。このため、第１の時刻としての電流の供給開始時に発生した第１の圧力波より、その後の第２の時刻としての所定の時刻に発生する第２の圧力波の圧力はだんだん大きくなる。そのため、第２の圧力波の伝播速度を第１の圧力波の伝播速度より速くできる。
【００４４】
また、圧力波が放電点４において発生してから破砕対象物２に到達するまでの時間（到達時間）は、同軸電極１と破砕対象物２との間の距離Ｌと圧力波の伝播速度とにより決定される。圧力波の圧力が高いほど伝播速度は上昇するので、圧力波の圧力が高くなれば到達時間は短くなる。そのため、第２の圧力波の圧力を第１の圧力波の圧力より十分高くしておけば、先に発生した第１の圧力波が破砕対象物２に到達する前に、第２の圧力波が第１の圧力波に追いつくことができる。その結果、第１および第２の圧力波が重なり合うことによって衝撃波を形成できる。
【００４５】
このようにすれば、破砕対象物２の表面に、第１および第２の圧力波が重なることにより形成される衝撃波を到達させることができる。この結果、破砕対象物２を破砕するために必要な圧力を容易に得ることができる。
【００４６】
なお、図２に示すように、媒体としてゼリー状物質３など粘性のある材料を用いれば、図１に示したように破砕対象物２に孔１０を形成する必要はない。図２は、本発明による破砕方法の実施の形態１の変形例を説明するための模式図である。図２を参照して、媒体としてゼリー状物質３を用いれば、孔１０（図１参照）を形成することなく、破砕対象物２と同軸電極１とを距離Ｌを隔てて配置し、かつ、破砕対象物２と同軸電極１との間に媒体としてのゼリー状物質３を配置することができる。
【００４７】
以下、破砕対象物２と同軸電極１との間の距離Ｌを５０ｍｍとし、媒体として水１１を用い、同軸電極１に投入する電流を図３に示すようにその周期が０．２ミリ秒（ｍｓ）、最大電流値が３００ｋＡである正弦波の半波である場合について説明する。図３は、本発明による破砕方法の実施の形態１において同軸電極１に投入される電流の値（供給電流値）と供給開始後の時刻との関係を示すグラフである。
【００４８】
なお、上記のような条件下では、後から発生した圧力波が先に発生した圧力波に追いつくことにより衝撃波を発生させるためには、距離Ｌを４０ｍｍ以上６０ｍｍ以下とすることが好ましい。ただし、この距離Ｌの値は媒体の材質や同軸電極１への投入電流値などにより変化する。また、完全な衝撃波を形成しなくても、ある程度の圧力波の重畳が起これば、破砕対象物２を十分に破砕できる場合もある。したがって、破砕対象物２と同軸電極１との間の距離Ｌは、一般的には２０ｍｍ以上、少なくとも１０ｍｍが下限値と考えられる。一方、距離Ｌがあまり長いと、圧力波が広がって波高値の減少が著しくなるため、破壊力が小さくなる。また、同軸電極１の直径が４０ｍｍ〜７０ｍｍ程度であること、および孔１０（図１参照）のサイズなどを考慮すると、距離Ｌの最大値は１００ｍｍ程度とすることが好ましい。したがって、距離Ｌの範囲は、一般的には１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下、より好ましくは４０ｍｍ以上６０ｍｍ以下である。
【００４９】
図４は、本発明による破砕方法の実施の形態１における、同軸電極１に電流の投入を開始してからの時刻と発生圧力との関係を示すグラフである。図４を参照して、横軸が同軸電極１に電流の投入を開始してからの時刻であり、縦軸がそれぞれの時刻において発生した圧力波の圧力を示している。圧力波の圧力は同軸電極１に投入された電流の２乗×放電抵抗に比例する。図４では、時刻がほぼ０．５×１０-4秒の時に発生した圧力波の圧力が９×１０8Ｐａと最大値を示している。なお、放電抵抗は一定であると仮定している。
【００５０】
図５は、本発明による破砕方法の実施の形態１における、電極に電流の投入を開始してからの時刻と発生した圧力波の伝播速度との関係を示すグラフである。縦軸は圧力波の伝播速度を示し、横軸は同軸電極１に電流の投入を開始してからの時刻を示す。横軸方向にそれぞれの圧力波が発生した時刻をとり、縦軸方向にその圧力波の伝播速度をとった位置に点をプロットすることにより、図５の曲線は形成されている。なお、圧力波の圧力が極めて大きな領域については実測値が存在しないため、シミュレーションによる計算結果のデータを用いている。図４および５を参照して、圧力波の圧力が高くなればなるほど、圧力波の伝播速度（圧力波の速度）が速くなることがわかる。
【００５１】
図６は、本発明による破砕方法の実施の形態１における、電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。図６を参照して、横軸は同軸電極１に電流の投入を開始してからの時刻を表し、縦軸は圧力波が破砕対象物２の壁面に到達する時刻を表している。横軸において圧力波の発生した時刻をとり、その位置から縦軸方向において、当該圧力波が破砕対象物２の壁面に到達する時刻に該当する位置に点をプロットすることにより、図６の曲線は形成されている。
【００５２】
図３および６を参照して、第１の時刻としての投入開始直後から、第２の時刻としての０．２×１０-4秒までの間に発生した圧力波は、同軸電極１に電流の投入を開始してから約３．５×１０-5秒（０．３５×１０-4秒）後というほぼ同じタイミングで壁面に到達する。これは、同軸電極１と破砕対象物２との間の距離Ｌ、媒体の材質および供給電流の波形（第１および第２の時刻における電流値）を上記のように選択することにより可能になる。つまり、図５を参照して、電流の投入開始直後から０．２×１０-4秒までの間に連続的に発生する圧力波の伝播速度が徐々に大きくなっているので、圧力波が同軸電極１から破砕対象物２の壁面まで伝播する際、後から発生した圧力波が先に発生した圧力波に追いつくことになる。このようにして、複数の圧力波が重なって衝撃波が形成されている。この衝撃波が破砕対象物２の壁面に到達する。
【００５３】
圧力波が破砕対象物２の壁面に到達した際に、壁面が受ける圧力の計算結果を図７に示す。図７は、本発明による破砕方法の実施の形態１における、同軸電極１に電流の投入を開始してからのそれぞれの時刻で発生する圧力波が壁面に到達した際に壁面に与える圧力を、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻をＸ軸（横軸）とし、圧力波が壁面に与える圧力の値をＹ軸（縦軸）としたＸＹ平面にプロットしたグラフである。図７の曲線は、同軸電極１に電流の投入を開始してから１×１０-4秒後までに発生した圧力波について、それぞれの時刻で発生した圧力波が壁面に到達した際に与えるであろう圧力の計算値をプロットすることにより形成されている。
【００５４】
図６および７からもわかるように、同軸電極１に電流の投入を開始してから３．５×１０-5秒後において、電流の投入を開始後０．２×１０-4秒までに発生した複数の圧力波が重なって衝撃波として壁面に到達するので、実際に壁面が受ける圧力は、図８に示すように大きなピーク値を示す。なお、後にも述べるように、衝撃波形成時の実際に壁面が受ける圧力の計算は難しく、本発明の実施の形態では、先に発生した圧力波に後発の圧力波が追いついた場合の圧力波の音速変化を考慮していない簡易的なシミュレーション計算を行なっている。ここで、図８は、本発明による破砕方法の実施の形態１における、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフである。横軸は圧力波が破砕対象物２の壁面に到達する時刻を示し、その原点は同軸電極１に電流の投入を開始した時刻である。図８に示した同軸電極１に電流の投入を開始してから３．５×１０-5秒後における圧力のピークは、図６に示した同軸電極１に電流の投入を開始後０．２×１０-4秒までに発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する前に重なることにより衝撃波となっているために発生する。このような衝撃波の圧力はおよそ８×１０10Ｐａ程度となり、岩などの破砕対象物２を破壊するのに十分な圧力となる。
【００５５】
図３に示したように、第１の時刻としての電流の投入開始直後から第２の時刻としての０．２×１０-4秒まで、同軸電極１に供給される電流値を連続的に大きくなるようにしておけば、図４に示すように電流の投入開始直後から０．２×１０-4秒までの間に発生する圧力波の圧力を徐々に大きくする事ができる。そのため、図５に示すように、電流の投入開始直後から０．２×１０-4秒までの間に発生する圧力波の伝搬速度を徐々に速くすることができるので、同軸電極１から破砕対象物２への圧力波の到達時間を徐々に短くすることができる。したがって、本発明の実施の形態１においては、電流の投入開始直後から０．２×１０-4秒までの間に発生する圧力波を重ね合わせて衝撃波として破砕対象物２に到達させる事が可能になる。この結果、高い圧力を示す衝撃波により破砕対象物を破壊できる。
【００５６】
また、図６〜８を参照して、図８に示した０．３５×１０-4秒での衝撃波は、電流の投入開始直後から０．２×１０-4秒までに発生した圧力波が重なり合うことにより形成される。この０．３５×１０-4秒という時間は、図６からもわかるように、第１の時刻としての電流の投入開始直後に発生した圧力波が破砕対象物２に到達するのに必要な時間である。つまり、本発明の実施の形態１に示した体系では、電流の投入開始直後から０．２×１０-4秒、つまり、電流の投入開始直後に発生した圧力波が破砕対象物２に到達するのに必要な時間の２／３までに発生した圧力波が衝撃波を形成している。したがって、この時間内に破砕対象物を破壊することができる衝撃波を形成可能な圧力波を形成すればよい。具体的には、この時間内に８ｋＪ以上の電力を同軸電極１に供給することにより必要な圧力波を形成すれば、岩石などの破砕対象物を破壊するために十分な圧力を有する衝撃波を確実に形成できるという顕著な効果を得ることができる。なお、本発明の実施の形態１では、電流の投入開始直後から０．２×１０-4秒までの投入電力が同じであれば、それ以降の投入電力の大小が破砕の効果に影響を及ぼすことは少ない。
【００５７】
（実施の形態２）
本発明による破砕方法の実施の形態１において、同軸電極１と破砕対象物との距離Ｌを短くした場合、たとえばこの距離Ｌを約２５ｍｍとした場合を考える。その他の条件、たとえば媒体の材質や投入電力条件などは実施の形態１と同一とする。図９は、本発明による破砕方法の実施の形態１において、同軸電極１と破砕対象物２との距離を短くした場合の、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。図９は図６に対応する。
【００５８】
図９を参照して、同軸電極１と破砕対象物２との距離を短くした場合、先に発生した第１の圧力波（たとえば同軸電極１に電力を投入開始した直後に発生した圧力波）に後から発生した第２の圧力波（たとえば時刻０．２×１０-4秒において発生した圧力波）が追いつく前に、第１の圧力波は破砕対象物２に到達するため、異なるタイミングで発生した第１および第２の圧力波が、破砕対象物２に到達する前に重なることはない。つまり、このままでは本発明の実施の形態１で示したような衝撃波は形成されない。
【００５９】
このときのそれぞれの圧力波が破砕対象物２の壁面に与える圧力を図１０に示す。図１０は、本発明による破砕方法の実施の形態１において、同軸電極と破砕対象物との距離を短くした場合の、同軸電極に電流の投入を開始してからのそれぞれの時刻で発生する圧力波が壁面に到達した際に壁面に与える圧力を、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻をＸ軸とし、壁面に圧力波が与える圧力の値をＹ軸としたＸＹ平面にプロットしたグラフである。図１０は図７に対応する。
【００６０】
そして、この場合の破砕対象物２の壁面における実際の圧力を図１１に示す。図１１は、本発明による破砕方法の実施の形態１において、同軸電極と破砕対象物との距離を短くした場合の、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフであり、図８に対応する。図９〜１１を参照して、このように同軸電極１と破砕対象物２との距離Ｌを小さくしすぎた場合、圧力波が重ね合せられることにより形成される衝撃波は発生しない事がわかる。
【００６１】
そこで、このように同軸電極１と破砕対象物２との距離Ｌが小さい場合、媒体の材質を変更して、媒体中の圧力波の伝播速度を小さくすることが考えられる。たとえば、図１２に示すように、媒体での音速を変更する工程として、媒体としてシリコンオイル１２を選択することが考えられる。図１２は、本発明による破砕方法の実施の形態２を説明するための模式図である。
【００６２】
図１２を参照して、媒体としてのシリコンオイル１２はその音速が水の２／３程度であるため、媒体中の圧力波の伝播速度を確実に低減できる。したがって、同軸電極１と破砕対象物２との距離Ｌが小さく、媒体として水を用いると圧力波を重ね合せることが困難な場合に、シリコンオイル１２を用いることで圧力波を重ね合せて衝撃波を形成することができる。なお、シリコンオイル１２は環境への影響が小さいという点からも媒体として適した材料である。また、シリコンオイル１２は絶縁体であるが、高電圧を印加すれば絶縁破壊を起こし、放電の発生は可能である。さらに、このシリコンオイル１２に導電体からなる不純物を混入してもよい。この場合、同軸電極１における放電を容易に発生させることができる。
【００６３】
また、音速を変更する工程として、媒体としての水１１の温度を低下させてもよい。この場合、媒体をシリコンオイル１２に変更した場合と同様の効果を得ることができる。なお、媒体としてその音速が温度依存性を有する材料を用いる場合、このように媒体の音速を変更するために媒体の温度を変化させるという手段をとることができる。
【００６４】
また、図１３に示すように、媒体としてのゼリー状物質３に、ゼリー状物質とは異なる材質の部材、たとえば小石１３などを混入してもよい。図１３は、本発明による破砕方法の実施の形態２の変形例を説明するための模式図である。このように、ゼリー状物質３に小石１３を混入することで、媒体としてのゼリー状物質３の音速はそのままであっても、圧力波が同軸電極１から破砕対象物２までゼリー状物質３中を伝播する際、小石１３により圧力波の進路が変更されることになる。したがって、同軸電極１から破砕対象物２まで圧力波が進む経路の実効的な長さ（実効距離）を長くする事ができる。この結果、同軸電極１と破砕対象物２との間の距離Ｌを十分確保できないような場合、上述した実効距離を長くする事により、圧力波が重なって衝撃波が形成されるようにすることができる。なお、上記のような方策は、同軸電極１に供給される電流の立上りがあまり急激ではない場合（単位時間あたりの電流値の増加率が小さい場合）についても適用でき、上記のように媒体の材質などを変更することにより圧力波を重ね合わせて衝撃波を形成することが可能である。
【００６５】
上述のように、媒体の材質を変更する、あるいは媒体中の音速を変更する工程を実施することにより、本発明の実施の形態１と同様に衝撃波を形成することができる。たとえば、図１２に示した本発明の実施の形態２による破砕方法によれば、図１４に示すように、同軸電極１に電流を供給開始した直後から、時刻が０．２×１０-4秒までの間に発生した圧力波を重ね合わせて、破砕対象物２の壁面にほぼ同一タイミングで到達させる事ができる。
【００６６】
図１４は、本発明による破砕方法の実施の形態２における、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。図１４では、媒体中の音速を水中の音速の２／３とした。図１４は、図６に対応する。そして、この場合、図１５および１６に示すように、本発明の実施の形態１と同様に、圧力波を重ねあわせることにより衝撃波を形成する事ができる。ここで、図１５は、本発明による破砕方法の実施の形態２における、同軸電極に電流の投入を開始してからのそれぞれの時刻で発生する圧力波が壁面に到達した際に壁面に与える圧力を、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻をＸ軸とし、壁面に圧力波が与える圧力の値をＹ軸としたＸＹ平面にプロットしたグラフであり、図７に対応する。また、図１６は、本発明による破砕方法の実施の形態２における、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフであり、図８に対応する。
【００６７】
なお、同軸電極１に供給される電流の波形を、後述するように電流値の立上りの早い波形、たとえば最大電流値はほぼ同じで、より周期の短い正弦波などにすることにより、後から発生する圧力波の伝播速度を速くしてもよい。このようにすれば、圧力波を重ね合せて本発明の実施の形態１と同様に衝撃波を形成できる。
【００６８】
（実施の形態３）
圧力波が重ね合せられて形成される衝撃波の圧力を高めることができれば、より硬い岩盤などを破砕することができる。衝撃波の圧力を高める方法として、同軸電極１に投入する電流の立上がりを早くしてもよい。図１７は、本発明による破砕方法の実施の形態３において同軸電極１に投入される電流の値と供給開始後の時刻との関係を示すグラフである。図１７では、参考のため本発明の実施の形態１において同軸電極１に供給される電流の値も示している。図１７を参照して、本発明の実施の形態３では、投入する電流の周期を５０μ秒（０．５×１０-4秒）としている。このため、電流値のピーク値は実施の形態１における投入電流と同じにしているが、同軸電極１に供給される電力は実施の形態１の場合と比べて約１／４になっている。また、本発明の実施の形態３では、他の条件は基本的に本発明の実施の形態１における条件と同一とした。
【００６９】
このような条件において発生した圧力波が破砕対象物２に到達する時刻を図１８に示す。図１８は、本発明による破砕方法の実施の形態３における、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。図１８は図６に対応する。図１８を参照して、同軸電極１に電流の投入を開始した直後の圧力波より、同軸電極１に電流の投入を開始してから約１×１０-5秒（１０μ秒）後に発生した圧力波が計算上は先に破砕対象物２の壁面に到達する、つまり後から発生した圧力波が先に発生した圧力波に追いつくことができることがわかる。このため、圧力波を重ね合わせて衝撃波を形成できる。
【００７０】
なお、図１８は、先に発生した圧力波に後発の圧力波が追いついた場合の圧力波の音速変化を考慮していない簡易的なシミュレーション計算の結果であるため、同軸電極１に電流の投入を開始してから約１×１０-5秒（１０μ秒）後に発生した圧力波が、同軸電極１に電流の投入を開始した直後の圧力波より先に破砕対象物に到達するという計算結果となっている（なお、図７、８、１１、１５、１６および１９についても、同様の簡易的なシミュレーション計算を行なっている）。しかし、実際には、後から発生した圧力波が先行する圧力波に追いついた場合、これらの圧力波は重なり合い、一体となる（つまり、後発の圧力波が先行する圧力波を追い越すことは無い）。この結果、より圧力の高い圧力波が形成されることになる。すなわち、後発のより高い圧力を有する圧力波が先行する圧力波に順次追いついて一体となり、衝撃波が形成される。このような衝撃波が形成される現象を正確にシミュレーションで再現するためには、非線形計算を含む複雑な計算を行なう必要がある。そのため、ここでは現象をわかりやすく表現するために簡素化した計算式を用いて計算を行なっている。したがって、圧力波が重なって形成される衝撃波の波高値（圧力値）などは現実の衝撃波の波高値と異なる可能性がある。しかし、後発の圧力波が先行する圧力波に追いつくための、いわゆる助走距離（破砕対象物２と同軸電極１との間の距離）が一定の長さ必要であることは確かであり、圧力波を重ね合わせることのできる条件、さらに衝撃波の圧力の急峻な立ち上りを形成できる条件を検証するという意味において、このシミュレーション計算結果は正しい。
【００７１】
また、本発明の実施の形態３における破砕対象物の壁面に加えられる実際の圧力を図１９に示す。図１９は、本発明による破砕方法の実施の形態３における、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフである。図１９は図８に対応する。図１８および１９を参照して、後発の圧力波が先行する圧力波と重なることにより衝撃波が形成され、その衝撃波が破砕対象物２の壁面に到達して大きな圧力を壁面に加えていることがわかる。また、図８と図１９とを対比すると、図１９に示した本発明の実施の形態３における衝撃波の方が実施の形態１における衝撃波より高い圧力を示している（図１９に示した衝撃波の圧力の値（約６×１０9Ｐａ）は、図８に示した衝撃波の圧力の値（約２６×１０8Ｐａ）の３倍近くになっている）。つまり、本発明の実施の形態３では、図１７に示したように電流の立上がりを早くすることで、供給電力量を小さくできる一方、衝撃波の圧力を高めることができる。これは、電流の立上がりを早めることにより、投入される全電力に対する衝撃波の形成に寄与する電力の割合が増加したためである。したがって、同軸電極１に投入する電流の立上がりを早くすれば、より小さな投入電力で大きな圧力の衝撃波を形成できる。
【００７２】
【実施例】
本発明による破砕方法について、図２０に示すような回路を用いて検証試験を行なった。図２０は、本発明による破砕方法の実施例における検証装置の回路図である。図２０を参照して、回路はコンデンサＣ１、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、インダクタＬおよびスイッチＳ１を備える。コンデンサＣ１については静電容量が２ｍＦおよび０．３３３ｍＦという２種類のものを用意した。また、抵抗Ｒ１の抵抗値は２ｍΩ、抵抗Ｒ２およびＲ３の抵抗値は１０ｍΩ、インダクタＬのインダクタンスは２μＨである。なお、このインダクタＬは、ケーブルなどのインダクタンスを集中定数回路で表したものであり、抵抗Ｒ１、Ｒ２についても同様である。抵抗Ｒ３は同軸電極１における媒体中での放電時の放電抵抗を表わしている。図２０に示した回路では、コンデンサＣ１に蓄積した電荷を、スイッチＳ１を閉じることにより放出する。ここでは、コンデンサＣ１の静電容量を２ｍＦおよび０．３３３ｍＦと変え、他の条件は同一として、コンデンサＣ１に蓄積した電荷の放出実験を行なった。
【００７３】
コンデンサＣ１の静電容量を２ｍＦおよび０．３３３ｍＦとした場合の、抵抗Ｒ３における放電電流波形を図２１〜２４に示す。図２１は、図２０に示した検証装置においてコンデンサＣ１の静電容量を２ｍＦとした場合（以下、ケース１と呼ぶ）の放電時の放電開始からの時刻と電流値との関係を示すグラフである。また、図２２は、図２１に示したグラフの部分拡大図である。また、図２３は、図２０に示した検証装置においてコンデンサの静電容量を０．３３３ｍＦ（以下、ケース２と呼ぶ）とした場合の放電時の放電開始からの時刻と電流値との関係を示すグラフである。図２４は、図２３に示したグラフの部分拡大図である。
【００７４】
図２１〜２４を参照して、コンデンサに蓄積される電荷量についてケース１はケース２の約６倍となるが、放電電流波形については、特に放電開始から２０μ秒までの間、ケース１とケース２とはほとんど同様の電流波形となっている。つまり、実施の形態１などで示したように、水を媒体として用い、同軸電極１と破砕対象物２との間の距離を５０ｍｍとした条件下では、放電開始後２０μ秒までに発生する圧力波が衝撃波の圧力などを決定することを考えれば、実施の形態１に示した構成においてパルスパワー源としてケース１およびケース２に示した回路を用いた場合に発生する衝撃波の圧力はほとんど変わらないと考えられる。
【００７５】
このように、衝撃波の形成に寄与する圧力波が発生する期間（ここでは放電開始後２０μ秒まで）に供給される電力が衝撃波の圧力（強さ）を決定する。つまり、放電開始後２０μ秒以後に供給される電力は特に衝撃波の形成には寄与しないため、このような衝撃波の形成に寄与しない電力を削減することにより、同軸電極に供給される電力の無駄を省き、最適化することが可能になる。また、コンデンサに蓄積される電荷量を少なくできるので、破砕装置を小型化することも可能になる。
【００７６】
なお、放電開始後２０μ秒までに供給される電力は、ケース１およびケース２とも、その期間の電流値および抵抗Ｒ３の抵抗値から約８ｋＪと計算される。これだけの電力を放電開始後２０μ秒までに供給して、衝撃波を形成できれば、岩石などの破砕対象物を充分破壊できる。
【００７７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００７８】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、投入エネルギーを効率よく利用して、圧力波を重ね合わせることにより形成された衝撃波を用いて岩などの破砕対象物の破壊を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による破砕方法の実施の形態１を説明するための模式図である。
【図２】 本発明による破砕方法の実施の形態１の変形例を説明するための模式図である。
【図３】 本発明による破砕方法の実施の形態１において同軸電極１に投入される電流の値と供給開始後の時刻との関係を示すグラフである。
【図４】 本発明による破砕方法の実施の形態１における、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と発生圧力との関係を示すグラフである。
【図５】 本発明による破砕方法の実施の形態１における、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と発生した圧力波の伝播速度との関係を示すグラフである。
【図６】 本発明による破砕方法の実施の形態１における、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。
【図７】 本発明による破砕方法の実施の形態１における、同軸電極に電流の投入を開始してからのそれぞれの時刻で発生する圧力波が壁面に到達した際に壁面に与える圧力を、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻をＸ軸とし、壁面に圧力波が与える圧力の値をＹ軸としたＸＹ平面にプロットしたグラフである。
【図８】 本発明による破砕方法の実施の形態１における、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフである。
【図９】 本発明による破砕方法の実施の形態１において、同軸電極と破砕対象物との距離を短くした場合の、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。
【図１０】 本発明による破砕方法の実施の形態１において、同軸電極と破砕対象物との距離を短くした場合の、同軸電極に電流の投入を開始してからのそれぞれの時刻で発生する圧力波が壁面に到達した際に壁面に与える圧力を、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻をＸ軸とし、壁面に圧力波が与える圧力の値をＹ軸としたＸＹ平面にプロットしたグラフである。
【図１１】 本発明による破砕方法の実施の形態１において、同軸電極と破砕対象物との距離を短くした場合の、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフである。
【図１２】 本発明による破砕方法の実施の形態２を説明するための模式図である。
【図１３】 本発明による破砕方法の実施の形態２の変形例を説明するための模式図である。
【図１４】 本発明による破砕方法の実施の形態２における、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。
【図１５】 本発明による破砕方法の実施の形態２における、同軸電極に電流の投入を開始してからのそれぞれの時刻で発生する圧力波が壁面に到達した際に壁面に与える圧力を、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻をＸ軸とし、壁面に圧力波が与える圧力の値をＹ軸としたＸＹ平面にプロットしたグラフである。
【図１６】 本発明による破砕方法の実施の形態２における、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフである。
【図１７】 本発明による破砕方法の実施の形態３において同軸電極１に投入される電流の値と供給開始後の時刻との関係を示すグラフである。
【図１８】 本発明による破砕方法の実施の形態３における、同軸電極に電流の投入を開始してからの時刻と、それぞれの時刻で発生した圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻との関係を示すグラフである。
【図１９】 本発明による破砕方法の実施の形態３における、圧力波が破砕対象物の壁面に到達する時刻と、破砕対象物の壁面における実際の圧力との関係を示すグラフである。
【図２０】 本発明による破砕方法の実施例における検証装置の回路図である。
【図２１】 図２０に示した検証装置においてコンデンサの静電容量を２ｍＦとした場合の放電時の放電開始からの時刻と電流値との関係を示すグラフである。
【図２２】 図２１に示したグラフの部分拡大図である。
【図２３】 図２０に示した検証装置においてコンデンサの静電容量を０．３３３ｍＦとした場合の放電時の放電開始からの時刻と電流値との関係を示すグラフである。
【図２４】 図２３に示したグラフの部分拡大図である。
【図２５】 従来の破砕装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 同軸電極、２ 破砕対象物、３ ゼリー状物質、４ 放電点、５ 同軸ケーブル、６ パルスパワー源、７ スイッチ、８ コンデンサ、９ 電源、１０孔、１１ 水、１２ シリコンオイル、１３ 小石。
Claims (7)
- 電極に電流を供給することにより発生する放電によって形成された圧力波を、媒体を介して破砕対象物に到達させて前記破砕対象物を破壊する破砕方法であって、
圧力波の圧力の上昇に伴って、媒体中での圧力波の伝播速度が上昇することを利用して、第１の時刻において発生する第１の圧力波と前記第１の時刻より後の第２の時刻において発生する第２の圧力波とが重なって前記破砕対象物に到達するように、前記第１および第２の時刻において前記電極に供給される電流の値を決定することを特徴とする、破砕方法。 - 電極に電流を供給することにより発生する放電によって形成された圧力波を、媒体を介して前記電極と距離を隔てて位置する破砕対象物に到達させて前記破砕対象物を破壊する破砕方法であって、
圧力波の圧力の上昇に伴って、媒体中での圧力波の伝播速度が上昇することを利用して、第１の時刻において発生する第１の圧力波と前記第１の時刻より後の第２の時刻において発生する第２の圧力波とが重なって前記破砕対象物に到達するように、前記破砕対象物と前記電極との間の距離と、媒体の材質と、前記第１および第２の時刻において前記電極に供給される電流の値とを決定することを特徴とする、破砕方法。 - 前記第１の時刻から前記第２の時刻まで、前記電極に供給される電流の値は連続的に大きくなっている、請求項１または２に記載の破砕方法。
- 前記電流の値は、前記第１の時刻から前記第２の時刻までの間に前記電極に８ｋＪ以上の電力を供給するように決定され、前記第１の時刻から前記第２の時刻までの間の時間は、前記第１の時刻において発生した圧力波が前記破砕対象物に到達するのに必要な時間の２／３以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の破砕方法。
- 前記媒体での音速を変更する工程をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の破砕方法。
- 前記媒体での音速を変更する工程は、前記媒体の温度を変更することを含む、請求項５に記載の破砕方法。
- 前記媒体中に、前記媒体の材料とは異なる材料からなる部材を混入する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の破砕方法。
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