JP6211544B2 - 研磨剤ジェットシステム（ａｂｒａｓｉｖｅｊｅｔｓｙｓｔｅｍ） - Google Patents

Description

本発明は、水中に懸濁させた研磨粒子を研磨剤ウォータジェット装置（ａｂｒａｓｉｖｅ ｗａｔｅｒｊｅｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ）の切断ヘッドへ送出するシステムに関する。

同伴研磨剤ウォータジェット装置（ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ ａｂｒａｓｉｖｅ ｗａｔｅｒｊｅｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ）の切断ヘッド内では、超高圧水が高速ウォータジェットに変換される。ウォータジェットは、切断ヘッド内でチャンバを横切る。このチャンバは、通路化された連結部を有しており、キャリア流体中の研磨粒子はこの連結部を通ってチャンバに入る。ウォータジェットは、チャンバから出て、集束管（ｆｏｃｕｓ ｔｕｂｅ）の狭くなっている入口および孔に入り、研磨粒子およびキャリア流体を集束管孔内へ同伴する。集束管孔内では、ウォータジェットと研磨粒子との間で運動量が交換され、集束管の出口で研磨剤の切断ジェットを生成する。

話を簡潔にするために、以下、研磨剤の切断ジェットを切断ジェットと呼ぶ。集束管は、当技術分野では、混合管、研磨剤ウォータジェットノズル、およびノズルとしても知られている。

２００ミクロンを上回る直径を有する切断ジェットは、効果的に切断するために、約４０ミクロンより大きい平均直径を有する研磨粒子を必要とする。そのような粒子は、自由に流動しており、計量するのが、また配管内の空気流によって切断ヘッドへ動的に輸送するのが容易である。２００ミクロン未満の直径を有する切断ジェットを生成するには、約４０ミクロン未満の直径を有する研磨粒子が必要とされ、直径５０ミクロンの切断ジェットの場合、粒子の直径は、約１０ミクロンまで減少する。研磨粒子の直径が４０ミクロンを下回ると、微細な研磨剤が環境に露出されることによって湿気が急速に吸収されるため、粒子間の粒子間力および摩擦が急速に増大し、その結果、粒子はそれほど容易に流れなくなり、粒子の凝集が深刻な問題となる。空気流中で搬送されるとき、直径約４０ミクロン未満の粒子は、静電力の結果、管の壁および切断ヘッド通路の壁に付着する傾向がある。切断ヘッド通路の壁に付着した粒子は、特に水流の開始および停止中に濡れる可能性があり、これは、粒子の凝集と、それに続く閉塞とを招く可能性がある。これらの要因により、空気流中に研磨粒子を動的に懸濁させることによって平均直径約４０ミクロン未満の研磨粒子をホッパから切断ヘッドへ計量して送出することは、困難または不可能である。

粒径が空気流中で切断ヘッドへ動的にうまく計量して搬送することができないようなものであるとき、粒子のキャリア流体を水または別の液体に変更することが必要である。本特許出願の輸送方法は、研磨粒子を十分な水または他の液体中に一時的に懸濁させて切断ヘッドへ流すことを含む。水は好ましい液体であるため、本明細書全体にわたって水を参照する。本明細書全体にわたって、水中に一時的に懸濁させた研磨粒子を研磨剤懸濁液（ａｂｒａｓｉｖｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）と呼ぶ。本明細書では、研磨剤という用語は、研磨粒子を意味するものと解釈される。

研磨剤懸濁液を同伴する切断ヘッドは、当技術分野では３０年以上にわたって知られているが、精密機械加工に対して商業的には活用されていない。この理由には、空気流中に研磨剤を同伴する切断ヘッドに比べて切断性能が乏しいことや、研磨剤懸濁液送出システムを動作させるのが複雑、不確実、かつ困難であることが含まれる。

微細機械加工の多くの適用分野で、研磨剤ウォータジェットの独自の切断能力から利益が得られるはずである。研磨剤懸濁液を同伴する切断ヘッドの切断性能が乏しいことは、最近、特許出願の特許文献１および特許文献２で本発明者によって対処されている。具体的には、前記特許出願の切断ヘッドを使用して、約５０ミクロンまで小さい直径を有する切断ジェットを生成することができる。前記特許出願の切断ヘッドを活用するには、効果的で、容易に使用でき、かつ信頼性が高い研磨剤懸濁液送出システムの開発が必要とされる。

水中に一時的に懸濁させた研磨剤を切断ヘッドへ送出する際に必要とされるプロセスは、空気流中に動的に懸濁させた研磨剤を切断ヘッドへ搬送する際に必要とされるプロセスとは根本的に異なり、かなり複雑である。研磨剤を水中に一時的に懸濁させたとき、時間とせん断力の両方に依存する流動学的なプロセスが必要とされ、これらのプロセスは、計量、流動挙動、ならびに重力および水の移動による相分離に影響を与える。重要なのは、空気流中に動的に懸濁させた研磨剤が切断ヘッドへ流れるときには依存しないパラメータである複数の切断ヘッド研磨剤送出パラメータが、切断ヘッドが研磨剤懸濁液を同伴するときには依存性のパラメータになることである。依存しない切断ヘッドパラメータから依存性の切断ヘッドパラメータへ変化することで、空気中に動的に懸濁させた研磨剤を切断ヘッドへ送出する研磨剤ウォータジェット装置と比較すると、機械ツールの一部として研磨剤ウォータジェット装置を動作させるのに必要とされる制御および自動化のレベルがますます増大する。

特許文献３に記載されているものなどの従来技術では、微細な研磨剤懸濁液を切断ヘッドへ送出することができることが実証されているが、研磨剤懸濁液を用いた機械加工を商業的に実用的にする研磨剤送出システムをどのように設計するかは教示されていない。従来技術は、研磨剤ウォータジェット装置が機械ツールの一部であるときに満足させなければならない研磨剤懸濁液送出システムの設計および動作の複数の態様に対処していない。これらの態様には、粒子の目詰まりおよびそれに続く流路閉塞の回避、機械加工サイクル中の研磨剤懸濁液の沈殿の回避、研磨剤切断ジェット中の研磨剤濃度の制御、ならびに研磨剤懸濁液送出システムと機械ツールの自動化および一体化が含まれる。これらの態様はすべて、本発明によって対処される。

高い固体濃度を有する固体／液体混合物の流れは、特に粒子の目詰まりを起こしやすく、導管内および流れシステムの構成要素内で閉塞の形成を招く。目詰まりが起こると閉塞が生じ、液体が閉塞に浸透して追加の粒子が堆積されるにつれて閉塞は大きくなる。閉塞を一掃するために圧力を増大させると、閉塞を固める可能性がある。これは通常、システムを分解して閉塞を物理的に除去しなければならないことを意味する。固体／液体の流れシステム内で閉塞によって引き起こされる問題を最小にすることは、固体／液体の流れシステムの設計および動作において重要な役割がある。研磨剤ウォータジェット装置の切断ヘッド向けの研磨剤懸濁液送出システムに関係する従来技術は、目詰まりの問題に関して触れていない。

粒子の寸法が小さければ小さいほど、閉塞形成のリスクはより低くなる。他のパラメータが等しい場合、粒径が大きければ大きいほど、切断速度はより高くなる。効率的な切断を実現するには、切断ヘッド集束管の孔の中に生じる閉塞を招きうる直径に迫る平均直径を有する粒子で切断することが必要である。粒径は、望ましくは、集束管孔の直径の約２０％である。明示しないが、特許文献３に記載されているものなどの従来技術の研磨剤懸濁液送出システムは、集束管の直径に対して粒子寸法を最適化しておらず、効率的な切断には小さすぎる研磨粒子で動作していた。そのようなシステムは、効率的な切断に合わせて最適化された粒子寸法で動作するシステムより、閉塞をはるかに起こしにくい。

閉塞は、流量絞り（ｆｌｏｗ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）で、配管および流路内で研磨剤が沈殿した領域で、ならびに水の這い上がりまたは移動のために脱水が生じたときに、生じる可能性が最も高い。固体／液体の流れシステムの設計で認められている慣行は、流れが停止したときに固体の動きを最小にするために急傾斜の導管を回避することである。研磨剤ウォータジェット切断ヘッドへの連結部で使用されるプラスチック配管など、小さい孔の導管の急傾斜で垂直の区間内では、研磨粒子は、沈殿して一連のプラグを形成する傾向があり、これらのプラグ間には本質的に透明の水がたまる。いくつかの管径の距離のみにわたって粒子が沈殿するため、急傾斜の配管内では閉塞が迅速に形成する。従来技術は、急傾斜の小さい孔の配管内で研磨剤が沈殿する問題に関して言及していない。急傾斜の小さい孔の導管は、研磨剤懸濁液を研磨剤ウォータジェット装置の切断ヘッドへ送出する上で不可避であり、したがって研磨剤が急傾斜の配管内に沈殿することによって引き起こされる問題を防止するように、本特許出願に記載する研磨剤懸濁液送出システムは設計され、これらのシステムの動作は自動化される。

ＥＰ２０９７２２３Ｂ１ ＷＯ２０１１／０７０１５４Ａ１ 米国特許第４，８７２，２９３号

本発明の目的は、従来技術の上記その他の欠点を軽減することである。これは、添付の特許請求の範囲に記載の本発明によって実現される。

本発明は、研磨剤懸濁液源の圧力を制御することによって、研磨剤ジェットシステム内の導管および管を目詰まりのない状態で効率的に保つことができるという理解に基づいている。具体的には、本発明者は、切断ヘッドまたはその付近に変位流体（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｆｌｕｉｄ）を提供し、提供された変位流体の圧力を下回るように前記研磨剤懸濁液源の圧力を制御することによって、研磨剤懸濁液源の方へ流れる洗い流し／洗浄用の流れを生じさせることができると理解している。

したがって、本発明の少なくとも１つの態様によれば、研磨剤切断ジェットを生じさせる研磨剤ジェットシステムが提供され、この研磨剤ジェットシステムは、
加圧水を受けて高速ウォータジェットを生成するように適合された切断ヘッドと、
研磨剤懸濁液源と、
研磨剤懸濁液源を切断ヘッドと流体連通させる導管と、
前記導管内に設けられ、開状態および閉状態を有する研磨剤懸濁液開閉弁と、
前記導管のうち、切断ヘッドと研磨剤懸濁液開閉弁との間に位置する部分と流体連通する変位流体源とを備え、ここで、前記研磨剤懸濁液源の圧力は、前記変位流体源の圧力を下回るように制御可能であり、
前記研磨剤懸濁液開閉弁が開いており、かつ切断ヘッド内に前記高速ウォータジェットが存在するとき、研磨剤懸濁液は、前記導管を介して切断ヘッド内へ流れ、高速ウォータジェットによって同伴されて研磨剤切断ジェットを生じさせ、
切断ヘッドに高速ウォータジェットがなく、かつ研磨剤懸濁液源の前記圧力が前記変位流体源の圧力を下回り、ならびに前記研磨剤懸濁液開閉弁が開かれているとき、導管内に存在する研磨剤懸濁液は、前記研磨剤懸濁液源の方へ変位される。

研磨剤懸濁液源は、導管への入口など、懸濁研磨剤床（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ａｂｒａｓｉｖｅ ｂｅｄ）を収容するホッパ内に位置することができる。別法として、研磨剤懸濁液源は、ホッパとの間で水を循環させる流れ回路内など、ホッパの外側の点に位置することができる。

研磨剤懸濁液源の圧力は、様々な代替の方法で制御することができる。たとえば、この圧力は、ポンプ、可変絞り、および／または真空源に連結された制御手段によって制御することができる。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記研磨剤懸濁液源の前記圧力は、大気中より低い圧力である。したがって、変位流体源の圧力は、大気圧とすることができる。別法として、研磨剤懸濁液源が大気圧である場合、変位流体源の圧力を大気圧より高くしなければならない。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、研磨剤ジェットシステムは、前記研磨剤懸濁液開閉弁の開閉を制御する制御システムを備え、ここで、前記研磨剤懸濁液開閉弁が閉じており、かつ切断ヘッドに高速ウォータジェットがないとき、制御システムは、所定の期間内で、前記研磨剤懸濁液開閉弁を開いて、変位流体が導管内に存在する研磨剤懸濁液を前記研磨剤懸濁液源の方へ変位させることを可能にするように適合される。制御システムは、弁を開閉するように弁に動作可能に連結されたアクチュエータを制御することができることが好適である。さらに、別個の弁付きの変位流体源がシステム内に存在する場合、制御システムは、前記変位流体源に位置する弁の開閉も制御するように適合することができる。したがって、前記制御システムによって、導管から研磨剤を一掃することを自動化することができる。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、研磨剤ジェットシステムは、
研磨剤ジェットシステムの動作の際に懸濁される研磨粒子床を収容するホッパと、
前記ホッパと流体連通する入口端部および出口端部を有する流れ回路とを備え、
ここで、前記導管は、接続点で前記流れ回路に連結され、前記接続点は前記研磨剤懸濁液源に相当する。これにより、研磨剤懸濁液源は、切断ヘッドに近接して位置することが可能になる。また、これにより、切断ヘッドへの流量と比較すると、流れ回路内の研磨剤懸濁液の流量をより大きくすることが可能になり、流れ回路内の圧力は、切断ヘッドへの研磨剤懸濁液を開始および停止させるときにそれほど変化しない。

したがって、少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記流れ回路内の流量は、２倍、たとえば５倍など、切断ヘッドへの前記導管内の流量より大きい。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、研磨剤ジェットシステムは、
前記接続点の圧力を制御する制御ユニットと、
前記接続点付近で流れ回路内の圧力を監視して、前記圧力を示す信号を制御ユニットへ提供する感圧デバイスとを備える。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、研磨剤ジェットシステムは、流れ回路内で前記接続点の下流にポンプを備え、ここで、接続点の圧力は、ポンプを通る流量を制御することによって制御される。言い換えれば、ポンプは、前記接続点と流れ回路の出口端部との間に位置する。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記ポンプは、可変速駆動を有する蠕動ポンプの形態であり、ここで、接続点の圧力は、ポンプの速度を制御することによって制御される。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記制御ユニットは、ポンプに動作可能に連結されており、感圧デバイスからの前記信号に基づいてポンプの速度／流量を制御し、それによって前記接続点の圧力を制御するように適合される。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、研磨剤ジェットシステムは、流れ回路内で前記接続点の上流に可変絞りを備え、ここで、接続点の圧力は、絞りを通る流量を制御することによって制御される。言い換えれば、可変絞りは、流れ回路の入口端部と前記接続点との間に位置する。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記可変絞りは、可撓性の配管に作用して圧力降下を引き起こし、前記接続点の圧力を下げるアクチュエータの形態である。たとえば、アクチュエータは、クランプを備えることができる。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記制御ユニットは、可変絞りに動作可能に連結されており、感圧デバイスからの前記信号に基づいて絞りを変動させ、それによって前記接続点の圧力を制御するように適合される。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、研磨剤ジェットシステムは、
前記切断ジェットが放出される出口を有する集束管を備え、集束管は、周囲の流体中に浸漬されており、それによって、前記切断ジェットが放出されていないとき、周囲の流体は前記出口を通って集束管に入ることが可能であり、
ここで、前記切断ジェットが放出されていないとき、前記変位流体源は、集束管に入った周囲の流体である。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、弁付きの変位流体源が、弁付きの連結部を介して切断ヘッドに連結され、したがって、
切断ヘッド内にウォータジェットが存在しないとき、変位流体源弁を開き、かつ第１の導管内の研磨剤懸濁液開閉弁を開くことで、研磨剤懸濁液を導管から研磨剤懸濁液源の方へ変位させ、
切断ヘッド内に前記ウォータジェットが存在するとき、変位流体源弁を開くことで、変位流体を切断ヘッドへ流してウォータジェットによって同伴させる。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記ホッパは、研磨粒子床の上にカバー水（ｃｏｖｅｒ ｗａｔｅｒ）を含み、研磨剤ジェットシステムは、
制御システムと、
前記研磨粒子床を撹拌し、制御システムによって制御される撹拌器とをさらに備え、
ここで、前記ホッパの寸法は、カバー水の表面が本質的に静止するように、撹拌された研磨粒子床が床の上のカバー水の深さで維持されるような寸法である。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、流れ回路の入口端部は、撹拌された研磨粒子床内で、研磨剤濃度が切断ヘッドで必要とされる濃度になる場所に位置決めされ、またはそのような場所に位置決めすることができる。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記ホッパ内へ直接、または流れ回路内で前記接続点の下流へ、水が送出される。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記ホッパは排水路を備える。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記ホッパは、前記ホッパ内の研磨剤の量を判定する重量センサ上に取り付けられる。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記撹拌器は、前記研磨粒子床と前記カバー水との間で可動である。床とカバー水との間の撹拌器の動きは、相対的な変位と見なされるべきであることを理解されたい。したがって、いくつかの実施形態では、ホッパを静止した状態で保ちながら、撹拌器を上下させることができる。逆に、他の実施形態では、ホッパを上下させることができる。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、流れ回路の前記入口端部は、前記研磨粒子床と前記カバー水との間で可動である。この場合も、これは、入口端部とホッパとの間の相対的な変位と見なされるべきである。出口端部もホッパに対して可動とすることができ、したがって出口端部の位置を前記研磨粒子床と前記カバー水との間で変化させることができることが好適である。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、カバー水の表面の上に、乾燥研磨粒子源が設けられる。この源は、たとえば、サイロの形態とすることができる。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記制御システムは、重量センサおよび乾燥研磨粒子源に動作可能に連結され、重量センサからの入力信号に基づいて前記乾燥研磨粒子源からカバー水の表面上への乾燥研磨粒子の放出を制御する。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記撹拌器は、可変速モータによって駆動され、撹拌器にかかるトルクの信号を提供する。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記制御システムは、
撹拌器がカバー水内に位置決めされた状態で撹拌器を起動し、
撹拌器にかかるトルクを測定し、
撹拌器にかかる所定のトルクを超過しないような速度で、撹拌器の位置をホッパ内の研磨剤床内へ変えることによって、研磨剤送出システムを起動するようにプログラムされる。制御システムは、前記所定のトルクに対応する値を設定／記憶することができるコンピュータを備えることができることが好適である。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記制御システムは、
撹拌器がカバー水内に位置決めされた状態で撹拌器を起動し、
撹拌器にかかるトルクを測定し、
重量センサにかかる所定の負荷変化を超過しないような速度で、撹拌器の位置をホッパ内の研磨剤床内へ変えることによって、研磨剤送出システムを起動するようにプログラムされる。前記所定の負荷変化を表す値は、制御システム内に含まれるコンピュータ内に記憶することができることが好適である。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記起動中、前記制御システムは、
流れ回路の入口端部がカバー水内に位置決めされた状態でポンプを起動し、
流れ回路の入口端部の位置を研磨剤床内へ変えるようにさらにプログラムされる。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前記制御システムは、研磨剤送出システムを自動的に再起動させることができるような状態で研磨剤送出システムを遮断するようにプログラムされ、ここで、研磨剤送出システムを遮断するとき、制御システムは、
撹拌器を停止させ、
撹拌器および流れ回路の入口端部の位置をカバー水内へ変え、
研磨剤懸濁液開閉弁を開いて前記導管から研磨剤を一掃し、それに続いて研磨剤懸濁液開閉弁を閉じ、
流れ回路から研磨剤を一掃するのに十分な期間後、ポンプを停止させる。

本発明の少なくとも１つの他の態様によれば、研磨剤ジェットシステムのホッパ内に提供されて沈殿したまたは部分的に沈殿した研磨粒子床を懸濁させる方法が提供され、この方法は、
前記床の上にカバー水層を設ける工程と、
前記床を撹拌するのに適した撹拌器を設ける工程と、
撹拌器にかかるトルクに対する限界値を設定する工程と、
撹拌器をカバー水内に位置決めする工程と、
カバー水内に位置決めされたときに撹拌器を起動する工程と、
撹拌器にかかるトルクを測定する工程と、
前記限界値を超過しないような速度で撹拌器を前記床内へ動かす工程とを含む。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、この方法は、
重量センサ上にホッパを取り付けて前記ホッパ内の研磨粒子の量を判定する工程と、
重量センサにかかる負荷変化に対する限界値を設定する工程とをさらに含み、
ここで、撹拌器を前記床内へ動かす工程は、負荷変化に対する前記限界値を超過しないような速度で撹拌器を前記床内へ動かす工程を含む。

本発明の少なくとも１つのさらなる態様によれば、研磨剤ジェットシステムのホッパ内に提供されて沈殿したまたは部分的に沈殿した研磨粒子床を懸濁させる方法が提供され、この方法は、
前記床の上にカバー水層を設ける工程と、
重量センサ上にホッパを取り付けて前記ホッパ内の研磨粒子の量を判定する工程と、
重量センサにかかる負荷変化に対する限界値を設定する工程と、
前記床を撹拌するのに適した撹拌器を設ける工程と、
撹拌器をカバー水内に位置決めする工程と、
カバー水内に位置決めされたときに撹拌器を起動する工程と、
前記限界値を超過しないような速度で撹拌器を前記床内へ動かす工程とを含む。

少なくとも１つの例示的な実施形態によれば、前述の方法は、
撹拌器にかかるトルクに対する限界値を設定する工程と、
撹拌器にかかるトルクを測定する工程とをさらに含み、
ここで、撹拌器を前記床内へ動かす工程は、撹拌器にかかるトルクに対する前記限界値を超過しないような速度で撹拌器を前記床内へ動かす工程を含む。

少なくともいくつかの例示的な実施形態によれば、上記の方法は、
カバー水の表面の上に乾燥研磨粒子源を設ける工程と、
前記重量センサからの出力に基づいて、ホッパ内の研磨粒子の量を所定の範囲内で保つように、前記乾燥研磨粒子源からカバー水の表面の上へ乾燥研磨粒子を放出する工程とを含む。

少なくともいくつかの例示的な実施形態によれば、上記の方法は、
前記ホッパと流体連通する入口端部および出口端部を有する流れ回路、ならびに加圧水を受けて高速ウォータジェットを生成するように適合された切断ヘッドに流れ回路を連結する導管を設ける工程と、
カバー水内で前記入口端部および前記出口端部を位置決めする工程と、
適切には撹拌器を起動する前に流れ回路を通ってカバー水の流れをポンピングする工程と、
入口端部を前記床内へ動かして、懸濁させた研磨粒子を切断ヘッドへ送出することを有効にする工程とを含む。

少なくともいくつかの例示的な実施形態によれば、上記の方法は、
前記導管内に研磨剤懸濁液開閉弁を設ける工程と、
流れ回路の入口端部の場所の研磨粒子の濃度が切断ヘッドで必要とされる濃度になってからある期間後に前記開閉弁を開く工程とを含む。

少なくともいくつかの例示的な実施形態によれば、上記の方法は、
一時的な遮断を実行してから再起動を実行する工程を含み、
ここで、遮断を実行する工程は、
撹拌器を停止させる工程と、
撹拌器、および適切な場合は流れ回路の入口端部を、床から離してカバー水内へ動かす工程とを含み、
ここで、再起動を実行する工程は、上記で論じた方法の例示的な実施形態の工程を実行することを含む。

少なくともいくつかの例示的な実施形態によれば、上記の方法は、
前記開閉弁を開く工程と、
切断ヘッドから研磨剤懸濁液を一掃して流れ回路へ戻すことを可能にするための時間遅延後、前記開閉弁を閉じる工程と、
流れ回路を通ってカバー水をポンピング／循環させて、流れ回路から研磨剤を流し出す工程と、
さらなる時間遅延後、カバー水のポンピング／循環を停止させる工程とを含む。

本発明の少なくとも１つのさらなる別の態様によれば、研磨剤切断ジェットを生じさせる研磨剤ジェットシステムが提供され、この研磨剤ジェットシステムは、
加圧水を受けて高速ウォータジェットを生成するように適合された切断ヘッドと、
研磨剤ジェットシステムの動作の際に懸濁される研磨粒子床を収容し、研磨粒子床の上にカバー水を含むホッパと、
切断ヘッドへ研磨剤懸濁液を提供する導管と、
制御システムと、
前記研磨粒子床を撹拌し、制御システムによって制御される撹拌器とを備え、ここで、前記ホッパの寸法は、カバー水の表面が本質的に静止するように、撹拌された研磨粒子床が床の上のカバー水の深さで維持されるような寸法であり、
前記制御システムは、撹拌器がカバー水内に位置決めされたときは撹拌器を起動し、撹拌器にかかる所定のトルクを超過しないような速度で、または任意選択の重量センサにかかる所定の負荷変化を超過しないような速度で、起動した撹拌器を研磨剤床内へ動かすようにプログラムされる。

前述の研磨剤ジェットシステムの少なくともいくつかの例示的な実施形態によれば、前記制御システムは、
撹拌器を起動、停止、および位置決めする工程と、
乾燥研磨粒子源から研磨粒子を放出する工程と、
流れ回路の入口端部および出口端部を位置決めする工程と、
流れ回路を通ってカバー水の流れをポンピング／循環させる工程と、
開閉弁を制御する工程とを含む、本発明の前述の態様による方法に記載の項目の動作および位置決めを制御するように適合される。

固体／液体の流れシステムは通常、固体がシステムから流されてから流れが停止されるように設計および動作される。切断ヘッドへの研磨剤懸濁液の流れは、数分の１秒から、流れの再開時に閉塞を招きうる研磨剤の沈殿が生じるのに十分な時間までの期間にわたって、停止および再起動させることができる。本発明の実装形態では、研磨剤懸濁液は概して、切断ヘッドでの同伴に利用可能であるが、設定された期間内で、切断が行われない場合、または行われていない場合、送出システムの一部から押し流されるように、研磨剤懸濁液送出システムが設計され、制御システムが提供される。この期間は１分より短くすることができる。従来技術では、可変の不活動期間に挟まれた動的な切断サイクルにかけられる機械ツールの一部を形成する研磨剤ウォータジェット装置の切断ヘッドに送出する研磨剤送出システムをどのように設計するかについて考慮されておらず、または明らかにされていない。

切断ヘッド付近および切断ヘッド内の流路の寸法は制限されており、閉塞形成に対するリスクが最も高い場所である。所望の研磨剤濃度より高い研磨剤濃度を有する研磨剤懸濁液のスラグを生成する事象が切断ヘッドの上流で生じると、研磨剤を多く含む懸濁液が切断ヘッドに到達したときに、閉塞を招く可能性がある。本発明の実装形態では、研磨剤懸濁液が切断ヘッドの方へ流れている間に、研磨剤懸濁液源の点の研磨剤懸濁液の流動学的特性および濃度に関して、精密な制御が維持される。

本発明者は、圧力変動により微細な研磨剤懸濁液の水の移動が促進され、したがって変動が存在するときは、ポンプから、または薄い材料内に孔をあけるときの複数の短い切断サイクルなどからの脱水が、特に問題になることを見出した。脱水現象は、研磨剤濃度の高い懸濁液では水が懸濁液を通って圧力のより低い領域の方へ優先的に移動するというダイラタンシーによって引き起こされる。本発明の実装形態は、ダイラタンシー現象によって引き起こされる問題を最小にする。

接合脚部の１つに流れがないときは、導管間の接合部などの流れが再循環する領域が、通路内の空胴内に生じる。本発明者は、圧力変動による影響を著しく受ける速度で流れ接合部の空胴内に微細な研磨粒子が蓄積し、脱水することを見出した。数分以内に、研磨剤を多く含むプラグが形成される可能性があり、このプラグは、流れない接合脚部を完全に充填して成長し続け、５つ以上の通路直径にわたって接合部の流れない脚部内へ延びる。研磨剤を多く含むプラグが形成される前でも、十分な脱水が生じる可能性があり、切断が再開されると、脱水し始めた研磨剤懸濁液が、切断ヘッド内または切断ヘッド付近の直径の小さい通路に到達したときに閉塞を引き起こす可能性がある。本発明の実装形態は、主に、設定された時間より長い時間にわたって切断が停止されたときに流れない接合脚部から研磨剤を周期的に一掃することによって、脱水の影響を緩和する。

一般的な慣行は、制御弁などで、固体／液体の流れシステム内の絞り、特に実質的な圧力損失を引き起こす絞りを回避することである。この理由のため、固体／液体システムの流量制御は通常、可変のポンピングによって実現される。切断ヘッドへの研磨剤懸濁液送出システムに関係する米国特許第４，８７２，２９３号などの従来技術は、切断ヘッドへの研磨剤懸濁液の流量、したがって切断ジェット中の研磨剤濃度を制御するために、研磨剤懸濁液システム内に弁を含む。切断ヘッドへの研磨剤懸濁液の流量に関する効果的な制御を提供するには、制御弁内の流量絞り通路を、切断ヘッド内の流路を含む研磨剤送出システム内のあらゆる場所の流路よりかなり小さくする必要がある。米国特許第４，８７２，２９３号に記載のものなどの切断ヘッドへの送出導管内の弁が、効果的な切断のために集束管孔の直径に対して最適の寸法の研磨粒子を含有する研磨剤懸濁液の流量を制御するのに十分なほど閉じられると、直ちに閉塞が生じることを予期することができる。研磨剤懸濁液を切断ヘッドへ送出することに関係する従来技術では、制御弁の粒子の目詰まりに関して言及していない。

本発明の実施形態では、切断ヘッドへ流れる研磨剤懸濁液の圧力は、典型的には切断ヘッドによって同伴される量の約５倍である研磨剤懸濁液の流量で動作するポンプと制御弁との組合せを使用して制御される。研磨剤懸濁液の流量が切断ヘッドで同伴される流量より実質上大きいとき、制御弁内の流路の寸法は、閉塞を引き起こさない。別法として、他の実施形態では、研磨剤懸濁液送出容器内の圧力を制御することで、どのように圧力制御弁の必要性をなくし、またはその使用を低減させるかについて記載している。

研磨剤ウォータジェット装置によって使用される研磨粒子は、水より３〜４倍高密度であり、導管および通路内の懸濁液中で粒子を維持するように撹拌されたり流されたりしなければ、沈殿して床を形成する。堅く沈殿した微細な研磨剤は、固体のように作用し、触ると壊れて塊になる可能性がある。

研磨粒子の沈殿を遅延させ、または実質上防止するために添加剤を使用することは、当技術分野ではよく知られているが、研磨剤ウォータジェット装置向けの研磨剤懸濁液中で添加剤を使用することによって引き起こされる問題は、当技術分野で取り上げられていない。切断ヘッドを同伴する研磨剤送出システムの場合、添加剤を使用することで、追加の変動要素が導入され、本発明者は、切断ジェット中で予測可能な研磨剤濃度を実現するのは、実現不可能ではない場合でも困難であることを見出した。添加剤を使用して研磨剤を懸濁させる結果、粘性が実質的に増大し、複雑で時間に依存する非ニュートン性の流動挙動がもたらされる。また、本発明者は、添加剤が切断性能の損失を引き起こすことを見出したが、その理由は未知である。添加剤を使用することで、研磨剤懸濁液の調製プロセスの複雑さおよびコストがかなり増大する。本発明者は、研磨剤懸濁液送出システムが、研磨剤の沈殿を遅延させる添加剤なしで動作するが、特定の切断動作モードでダイラタンシーのための脱水を最小にするなどの利益が得られる場合、添加剤を使用するという選択肢を有することが望ましいことを見出した。

空気中に動的に懸濁させた研磨粒子が切断ヘッドへ搬送されるとき、空気の質量は、研磨剤の質量の約３重量％に過ぎない。研磨剤が水中に一時的に懸濁しているとき、この水は、典型的には、ウォータジェットによって加速される総質量の約３０重量％を占める。ウォータジェットによって加速されるキャリア水は、研磨粒子に伝達される運動量を低減させ、したがって切断性能を低減させる。したがって、可能な限り高い研磨剤濃度を使用することが望ましい。実際には、これは、研磨剤濃度がわずかに増大すると見掛け上の粘性および閉塞のリスクが急激に上昇するレベルをわずかに下回る研磨剤濃度で動作することを意味する。研磨材料および粒径に応じて、最適の研磨剤濃度は、典型的には６０〜７０重量％である。

せん断減粘性の添加剤を使用することによって、本発明者は、良好な流動性を維持しながら、約７０重量％を超えるように微細な研磨剤懸濁液の研磨剤含有率を増大させることが可能であることを見出した。しかし、研磨剤濃度を増大させることが可能な効果的な添加剤は、粒子沈殿時間を低減させ、沈殿した床は、非常に高密度になり、物理的な介入なしに再び懸濁させるのが困難になる。送出システム内で高密度の沈殿が生じないことを確実にするには、研磨剤濃度を最大にするために高分子アクリル分散剤などの添加剤が使用される研磨剤送出システムを精密に制御することが必要である。本特許出願の研磨剤懸濁液送出システムの実装形態は、せん断減粘性の添加剤を使用するために、またはより好ましくは使用しないために必要な制御を提供する。

米国特許第７９３４９７７号に記載されているように、ペーストの状態または発泡剤中に懸濁させた状態の研磨粒子を切断ヘッドへ送出することで、研磨剤懸濁液を同伴する場合と比較すると、研磨剤ウォータジェットによって加速されるキャリア水の量が低減される。ペーストは、切断ヘッドへ流すために押し出す必要があり、これには、研磨ペーストを切断ヘッドへ送出するための複雑なプロセスおよびシステムを必要とする。同伴研磨剤ウォータジェット装置の切断ヘッドへ研磨ペーストを確実に送出するシステムについては、まだ説明されていない。研磨粒子を切断ヘッドへ輸送するのに必要とされる水の量を低減させるために発泡性の添加剤を使用すると、多くのうまく制御できない変動要素が導入されるが、発泡剤中に懸濁させた研磨剤を機械ツールの一部である研磨剤ウォータジェット装置の切断ヘッドへ一貫して確実に送出する方法については、当技術分野で説明されていない。

通常、研磨剤ウォータジェット切断のための研磨粒子は、約４の特定の比重を有するガーネット、オリビン、または酸化アルミニウムの粒子である。これらの研磨剤の単離された粒子は、特定の切断ヘッド集束管の直径に適切な直径を有し、切断ヘッド付近および切断ヘッド内の通路内で約１秒以内に沈殿する。しかし、研磨剤濃度の高い懸濁液中の粒子間の干渉により、沈殿速度が大幅に低減し、したがって、流動的でない微細な研磨剤懸濁液は通常、研磨剤ウォータジェット送出システムの通路内に約１分間留まることができ、流れは問題なく再開することができる。通常の切断動作中の切断しない期間は、問題なく流れを再開できる時間を超過する可能性があり、したがって研磨剤を通路から一掃する手段が必要である。本発明の実装形態では、許容できないレベルの沈殿が生じる可能性が高いとき、研磨剤送出システムの部材から研磨粒子を除去する動作が、研磨剤ウォータジェット装置の制御システム内へプログラムされる。研磨粒子の沈殿に対応するための研磨剤懸濁液送出システムの動作を自動化する必要について、従来技術は言及していない。

空気流中に動的に懸濁させた研磨剤を切断ヘッドへ搬送する慣行は、バルクホッパから自動的に注入される切断ヘッドの運動システム上に取り付けられた局部ホッパを有することである。運動システム上の局部ホッパの容量は、好ましくは、数分間で切断ヘッドへ研磨剤を供給するのに十分な体積に制限される。空気流中で搬送される研磨粒子を送出する局部ホッパは、研磨剤遮断弁および研磨剤計量手段を含む。研磨剤計量手段は、切断ヘッドによって生成された空気流中へ研磨粒子を放出し、粒子は、空気流中で配管を通って切断ヘッドへ搬送される。切断ヘッドによって同伴される空気の量は、研磨粒子を切断ヘッドへ搬送するのに必要な量よりかなり多くなるような配置である。したがって、研磨剤の流量は、空気流量にも、切断ヘッドの空気同伴性能にも依存しない。

空気流中に搬送された研磨粒子を同伴する研磨剤ウォータジェットをうまく活用するには、切断ジェット中の研磨剤濃度がキャリア空気の流量および切断ヘッドの空気同伴性能に依存しないことが大いに役立つ。研磨剤を切断ヘッドへ搬送するのに最小限必要な量より実質上多くの空気が同伴されるとき、空気の密度が低ければ、切断性能の損失をほとんど引き起こさない。同伴される空気の量の精密な制御が必要とされないため、切断ヘッドの内部幾何形状の広い範囲内で良好な切断性能を実現することができるが、集束管孔および他の切断ヘッド構成要素の相当な摩耗を伴う。

空気中に動的に懸濁させるのではなく、水中に一時的に懸濁させた研磨剤を同伴する結果、切断ジェット中の研磨剤濃度がキャリア流体の流量および切断ヘッドの同伴性能に依存しないという利益が失われる。研磨剤懸濁液を同伴するとき、切断ジェット中の研磨剤濃度は、キャリア流体の流量、研磨剤懸濁液中の研磨剤濃度、および切断ヘッドの同伴性能に依存する。これは、空気流中に動的に懸濁させた研磨剤が切断ヘッドへ搬送されるときより、さらに多くの流体力学的プロセスおよび幾何学的パラメータが、切断ヘッドへの研磨剤懸濁液の送出に影響を与えることを意味する。

理論上、切断ヘッドへの研磨剤懸濁液の流量は、正確に計量されるはずである。しかし、高濃度の研磨剤懸濁液のわずかな流量を正確に計量することは極めて困難である。液体中の固体を計量するいかなる周知の技術も、研磨剤ウォータジェット装置の切断ヘッドへの研磨剤懸濁液の流量を測定するには実用的でない。これは、研磨剤濃度が高いこと、材
料の研磨性が高いこと、流量が少ないこと、粒子の目詰まり、１秒当たりの切断サイクルが複数であること、重量および空間の制限、ならびに切断プロセスに近接していることのうちのいくつかの組合せのためである。切断ヘッドへの研磨剤の流量を直接計量する手段がないため、本発明者によって他の手段が開発された。

研磨剤懸濁液を同伴するとき、切断ジェット中の研磨剤濃度は：
ａ）研磨剤懸濁液中の研磨剤の濃度、
ｂ）研磨剤懸濁液の流動学的特性、
ｃ）流動性に影響を与える研磨剤懸濁液の撹拌および流れ履歴、
ｄ）集束管孔の始端の直径が研磨剤懸濁液の同伴に関して重要な幾何学的パラメータであり、集束管が摩耗するにつれてこの寸法が変化する状態で、ウォータジェットの同伴特性に影響を与えるものを含む切断ヘッドの幾何学的パラメータに依存する切断ヘッドの同伴性能、
ｅ）切断ヘッドと、システム内で研磨剤混合物を切断ヘッドへ流すように圧力が作用する点との間の研磨剤送出システムの流れ特性、
ｆ）研磨剤混合物を切断ヘッドへ流すように作用する圧力に依存する。

懸濁液の一定の研磨剤濃度および流動学的特性は、懸濁液の調製によって制御することができる。一貫した撹拌および流れ履歴の研磨剤懸濁液が切断ヘッドに到達するようにすることは、切断ヘッドへ流れる研磨剤懸濁液が類似の撹拌および流れ状態を受け、これらの状態により懸濁液のこれまでの流れ履歴が取り消されることを確実にすることによって実現される。切断ヘッドの幾何学的パラメータは、切断ヘッド構成要素の限界寸法に関してミクロンレベルで許容することによって制御される。予測モデリングを使用して、集束管が摩耗するときの幾何形状の変化を相殺することができる。

複数のパラメータの変動性が制御されまたは予測可能であるため、切断ジェット中の研磨剤濃度を制御するために利用可能な変動要素は、切断ヘッド同伴チャンバと、送出システム内で研磨剤懸濁液の圧力の制御を実施できる点との間の差圧である。圧力制御点と切断ヘッドとの間で時間およびせん断力に依存する流れプロセスを有する研磨剤懸濁液の流れに与える影響を最小にするために、圧力制御点は切断ヘッドに可能な限り近接している必要がある。局部ホッパが使用される場合、駆動圧力は、研磨剤懸濁液がホッパから導管に入る点と切断ヘッドとの間の圧力差である。

研磨剤が空気流によって切断ヘッドへ搬送されるとき、局部ホッパが切断ヘッドに近接している主な理由は、切断サイクル間の時間を最小にすることである。ウォータジェットを停止させる前に、空気中に搬送された研磨剤を配管および切断ヘッドから一掃することは不可欠であり、そうでない場合、配管および切断ヘッド内に残っている研磨剤が沈殿し、切断ヘッド内の粒子が濡れることがある。沈殿した研磨剤が配管に存在するとき、または濡れた研磨剤が切断ヘッド内に存在するとき、切断ヘッドへの水の流れを再開する際に切断ヘッドの流路内または集束管孔内で閉塞が生じる可能性が非常に高い。

空気中で配管を通って切断ヘッドへ搬送される研磨粒子は、１０ｍ／秒超で進み、ホッパと切断ヘッドとの間を移動中の研磨剤の量は、１０分の１秒未満の切断時間の場合と同等である。切断ヘッドへの配管内の研磨剤懸濁液の速度は、典型的には１ｍ／秒未満であるが、切断ヘッドへの連結部内を移動中の研磨剤の量は、数秒の切断時間の場合に達する可能性がある。研磨剤懸濁液は、その流動学的特性が劣化して閉塞の問題を引き起こすまでに配管および切断ヘッドの通路内に約１分間残る可能性があるため、切断を停止させるたびに送出システムから切断ヘッドへ研磨剤懸濁液を一掃することは実用的ではなく、または必要ではない。

本発明の実装形態では、局部ホッパまたは他の形態の局部シンクが設けられており、１つの切断サイクルの終端と次のサイクルの始端との間の時間遅延が設定値を超過したとき、切断ヘッドの通路および配管からの研磨剤懸濁液は、局部ホッパまたは局部シンク内へ変位される。また、研磨剤懸濁液源の点は、研磨剤懸濁液が洗い流された後で送出システムをプライミングすることによって引き起こされる遅延を最小にするために、切断ヘッドに近接して位置することができるような配置である。本発明者は、研磨剤懸濁液源が切断ヘッドの運動システム上に取り付けられた局部ホッパではない場合に相当な利点があることを見出した。

本発明の実装形態では、切断ヘッドによって必要とされる量より実質上多い研磨剤懸濁液が流れている切断ヘッド付近を進んでいる研磨剤懸濁液を流れ回路から抜き出すことによって、本質的に一定の特性および流れ履歴を有する研磨剤懸濁液が切断ヘッドで提供される。一貫した流量によって誘発された流動学的特性を有する研磨剤懸濁液をそのような流れ回路内で維持するための手段が設けられる。切断ヘッドへの流量と比較すると約５倍の流量が回路内にあり、切断ヘッドへの研磨剤懸濁液の流れが開始および停止されるとき、流れ回路内の圧力はあまり変化しない。

本発明の実装形態では、切断ヘッドまたは切断ヘッド付近で研磨剤懸濁液が流れ回路から抜かれる点の圧力は、懸濁液の流動学的特性、流れ回路内のポンプの場所、およびポンピング速度、ならびに必要な場合、制御可能な絞りによって制御される。絞りは、切断ヘッドへの流量より大きい流量に作用し、これによって絞りの通路寸法は、切断ヘッドへの研磨剤懸濁液送出連結部内に絞りが位置する場合ほど、閉塞に寄与しなくなる。

ＥＰ２０９７２２３Ｂ１およびＷＯ２０１１／０７０１５４Ａ１に記載されている切断ヘッドは、大気圧から絶対真空までの範囲の８０％を超える真空を引き出すことが可能である。そのような真空を引き出すことが可能な切断ヘッドが大気圧の源から同伴する研磨剤懸濁液が多すぎることが、本発明者によって見出された。これは、研磨剤懸濁液が切断ヘッドによって同伴される速度を制限するために、研磨剤混合物が源から流れる点の圧力を大気圧より低くしなければならないことを意味する。真空源は、切断ジェット中で所望の研磨剤濃度を実現するために、４００ｍｍＨｇを超過することができる。

本発明の実装形態では、切断ヘッドおよび源の点と切断ヘッドとの間の導管から研磨剤混合物を一掃することを可能にするために、研磨剤混合物が研磨剤懸濁液源から抜き出される点の圧力は、大気圧を下回る圧力で維持される。ウォータジェットがないとき、切断ヘッドで導入される変位流体は、研磨剤懸濁液源の方へ流れる。変位流体は、集束管を通って引き出すことができ、この場合、変位流体は周囲の流体であり、空気、または集束管の出口が浸漬されている場合は水のいずれかである。別法として、本発明の実施形態では、弁付きの空気、水、または他の流体の源が、切断ヘッド同伴チャンバに連結され、または研磨剤懸濁液開閉弁と切断ヘッドとの間の導管に連結される。

切断を中断すると、研磨剤懸濁液源および切断ヘッドを連結する配管内の研磨剤懸濁液開閉弁が、ウォータジェット遮断弁が閉じられるのとほぼ同時に閉じられる。切断サイクルの開始時には、研磨剤懸濁液開閉弁は、ウォータジェット遮断弁を開くのとほぼ同時に開かれる。例外は、１秒当たり複数の切断または穿孔動作が実施されるときに、切断および穿孔サイクル間に研磨剤懸濁液開閉弁を閉じなくてもよいときである。

切断ヘッド同伴チャンバまたは研磨剤懸濁液遮断弁と同伴チャンバとの間の連結部に連結された変位流体源への弁を開く結果、研磨剤懸濁液ではなく変位流体が同伴される。これは、変位流体源への弁を開閉することによって、研磨剤による切断を開始および停止させることができることを意味する。本発明の実装形態では、変位水の流量を制御することによって、同伴される研磨剤懸濁液の量、したがって切断ジェット中の研磨剤濃度が変更される。

研磨剤懸濁液の特性が切断ヘッド内または研磨剤懸濁液源への連結部内で悪い方向に変化する前に切断が予定されていないとき、研磨剤懸濁液開閉弁は、変位流体が研磨剤懸濁液を本質的に一掃して源へ戻すのに十分な時間にわたって開かれる。研磨剤懸濁液を一掃してその点の源へ戻した後、その点付近で研磨剤の著しい脱水を防止するために、懸濁液開閉弁を周期的に瞬間的に開くことが予定される。変位流体を研磨剤懸濁液源の方へ流すために研磨剤懸濁液弁が開かれるタイミングおよび持続時間は、研磨剤ウォータジェット装置の制御システム内へプログラムされる。別法として、本発明の実装形態では、その点への連結部を弁で封止し、したがって研磨剤懸濁液が脱水しうるデッドスペースが存在しないような配置である。

特にポンプはかなりの量の空気ならびに研磨剤懸濁液を通すことが可能でなければならないため、約４００ｍｍＨｇまで下がりうるポンプ入口真空圧力で６０〜７０重量％の微細な研磨剤懸濁液をポンピングすることは、極めて困難な動作責務である。蠕動ポンプは、蠕動ポンプが相当な圧力脈動を生じさせる動作モードによって、その動作責務を満たすことができるが、減衰されていない場合、加工物切断面上に細い筋を付け、研磨剤懸濁液中の水の移動を促進する。本発明者は、切断ヘッドに到達する圧力脈動は、流れ回路の部材に対してシリコーンゴムなどの可撓性の高い配管を使用して十分に減衰することができることを見出した。しかし、研磨剤懸濁液の脱水に影響を与えるわずかな変動が残るが、これらは、本発明に対する研磨剤懸濁液送出システムの設計および動作で許容される。

可撓性の配管から形成される導管を使用することで、アクチュエータが配管に作用して研磨剤懸濁液開閉弁を提供し、制御可能なアクチュエータが配管に作用して可変の流れ弁作用を提供することが可能になる。そのような手段によって、懸濁液の研磨剤を多く含むスラグが形成されて切断ヘッドへ搬送されるために研磨剤が蓄積して問題を引き起こしうる流れ回路内への貫入が回避される。本発明の実装形態では、アクチュエータは、研磨剤懸濁液が切断ヘッドへ流れるように流れ回路から抜き出される点の上流で可撓性の配管に作用し、ポンプはその点の下流に位置する。本発明の実装形態では、弁およびポンプは、研磨剤懸濁液が流れ回路から切断ヘッドへ抜かれる点で所望の圧力を維持するように自動的に制御される。

本発明では、研磨剤懸濁液の圧力が大気圧未満まで実質上低減されるため、流れ回路内で水からガスを抜くことができる。本発明者は、溶液から取り出されたガスは、切断ヘッドに到達して切断面上に細い筋を付ける可能性があり、一方で、空気または他のガスの突然の解放によって引き起こされる圧力変動も切断面上に細い筋を付けることを見出した。水源に応じて、研磨剤懸濁液の調製の際、使用される水から部分的にガスを抜くことが必要になることがある。

研磨剤の特性に応じて、容器または送出ホッパ内の微細な研磨剤からなる研磨剤床の底部は、約１時間で堅く沈殿した状態に近づく可能性がある。この期間が長ければ長いほど床はより堅くなり、床は固体になったと見なすことができる。ホッパ内の微細な研磨剤が沈殿しうる場合、撹拌を再開するためのトルクは、定常状態の撹拌トルクの１０倍以上となる可能性があり、沈殿した微細な研磨剤中に撹拌器が埋まらないようにすることが不可欠である。沈殿した微細な研磨剤中に撹拌器が埋まらないように研磨剤ウォータジェット装置の送出システムをどのように設計することができるのかに関して、従来技術は言及していない。本発明の実装形態では、研磨剤ウォータジェット装置が遮断されて沈殿した床の中に撹拌デバイスが再び入ったときに、どのようにホッパ内の床から撹拌デバイスを制御された形で抜き出し、床を流動化させてから切断動作を始めるかについて説明している。

撹拌された微細な研磨粒子の容器内で撹拌器から離れる方向の流体運動は、急速に減衰する。急速な運動の減衰の結果、沈殿した微細な研磨剤床内へ導入された撹拌器は、撹拌器の直径よりわずかに大きい直径を有する空胴を作成する傾向がある。本発明者は、ホッパ内の研磨剤床の横断面全体を混合するには、ホッパ直径の７０％以上の直径を有する撹拌器が望ましいことを見出した。

研磨剤ウォータジェット切断のための微細な研磨剤の粉末は通常、適度に狭い粒子分布を有する粉末を生じさせるのに必要な最小限の分類にかけた比較的低コストの鉱物である。研磨剤の粉末は、容易に空気で運ばれる１ミクロン以下の粒子を含有し、濡れた粒子は表面に付着して乾き、粘着性の膜になる。研磨剤懸濁液はコンテナの壁に付着し、したがってコンテナを完全に空にすることは不可能であり、これによって廃棄物が生じる。したがって、研磨剤懸濁液の調製のための機器が、研磨剤ウォータジェット装置の一部を形成し、研磨剤が表面上で乾燥するのを防いで空気で運ばれる粒子を最小にするように乾燥粉末状の研磨剤を受けることが、非常に望ましい。

本発明の実装形態は、かき混ぜ式のホッパを有し、このホッパには、バルク収納容器から手動または自動で乾燥研磨剤が自動的に注入される。流体中の垂直方向の密度勾配による乱流抑制という物理的現象を活用して、かき混ぜ式のホッパ内のカバー水の下で、撹拌された研磨剤床から研磨剤懸濁液が抜き出される。適切な撹拌および床の厚さを使用して、撹拌した研磨剤床の上で、比較的静止したカバー水が維持される。ホッパ壁から離れてカバー水の表面上へ送出される乾燥研磨粒子は、密度流内で撹拌された研磨剤床へ下降し、カバー水とほとんど混合されない。制御された速度および適切な場所で研磨剤床内へ抜かれる水は、研磨剤懸濁液が床から抜き出される場所で、所望の研磨剤濃度を維持するのに役立つ。床を通って流れる余分な水は、カバー水の表面で排水され、カバー水の表面を濡らさずにその上に浮かぶ研磨剤送出物中の材料を運び去るような配置である。

重要なのは、本発明の研磨剤懸濁液調製方法が、研磨剤懸濁液がホッパから抜き出される点で所望の研磨剤濃度を実現するために、研磨剤懸濁液ホッパ内への水を正確に計量することを必要としないことである。

抜き出した場所での懸濁液中の研磨剤の所望の濃度は、撹拌強度、床の厚さ、カバー水の深さ、研磨剤懸濁液の流れを床の中へ戻す場所、ならびに床に入る水の流れの場所および速度の組合せによって実現される。ロードセル上にホッパを取り付けることで、バルク収納容器からの乾燥研磨剤によって、研磨剤床の厚さを維持するようにホッパ内の研磨剤を監視して自動で注入することを可能にする。

水を研磨剤床内へ抜くのではなく、研磨剤懸濁液が切断ヘッドへ流れるように抜き出される点とポンプとの間で研磨剤懸濁液流れ回路内へ水を抜くことが有利である。水は、ポンピングされている研磨剤濃度を低減させて、ポンピングの動作責務をより容易にする。また、ポンピング動作責務の重大度を低減させるために、ホッパからのカバー水がその点とポンプとの間で流れ回路内へ引き込まれるような配置とすることができる。

研磨剤懸濁液流れ回路内で蠕動ポンプまたは他の直接駆動式のポンプを使用しないことが望ましい場合、ホッパのカバー水を利用するジェットポンプを使用することができる。これが当てはまるとき、研磨剤の相当な沈殿を許容するために研磨剤床の上に十分な深さのカバー水を有するより大きい体積のホッパが必要とされる。

研磨剤懸濁液が切断台から再び利用される場合、適切なレベルでホッパ内へ送出することができる。ホッパ設計では、ホッパ内に研磨剤濃度が増大する沈殿区間を含むことによって、再利用された研磨剤が、切断ヘッドで所望されるよりはるかに低い研磨剤含有率で懸濁液としてホッパに入ることを可能にすることができる。

研磨剤懸濁液送出システムが長期間にわたって遮断されるとき、研磨剤懸濁液は流れ回路から洗い流される。カバー水が研磨剤床の上にある状態で動作するホッパの場合、研磨剤懸濁液流れ回路への入口は、好ましくは浸漬管の形態であり、この浸漬管をカバー水内へ持ち上げてから流れ回路を遮断し、したがってカバー水をポンピングして流れ回路から研磨剤を洗い流す。

機械ツール環境内で動作するために、本発明に対する撹拌されたホッパおよび研磨剤懸濁液流れ回路の起動および遮断手順が、機械ツールの制御装置内へプログラムされる。本発明の好ましい研磨剤懸濁液送出配置（ａｂｒａｓｉｖｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｆｅｅｄ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）を起動するには、研磨剤懸濁液流れ回路内のポンプが起動され、研磨剤懸濁液流れ回路内でホッパからのカバー水の流れが確立されてから、インペラの回転を開始してホッパを持ち上げ、したがってインペラが研磨剤床を再び懸濁させる。撹拌器が沈殿した床を再び懸濁させるときに撹拌器に負荷をかけすぎないように、インペラのトルクまたはホッパロードセル出力の変化を使用して、インペラが床の中へ貫入する速度を制御する。ホッパを動かすのではなく、インペラおよびその駆動を、流れ回路浸漬管とともに、ホッパに対して動かすことができる。研磨剤送出システムを遮断するには、撹拌器が停止され、ホッパが下げられて、撹拌器のインペラおよび入口ならびに戻り浸漬管がカバー水中に入る。次いで、研磨剤懸濁液遮断弁が開かれ、研磨剤懸濁液が切断ヘッドから一掃されて研磨剤懸濁液源の点に戻ることを可能にするための時間遅延後、弁が閉じられ、カバー水が流れ回路を循環して回路から研磨剤を洗い流すことを可能にするためのさらなる期間後、循環ポンプが停止される。

流れ回路から研磨剤懸濁液を一掃することは、流れ回路内の接合部に連結された加圧流体源によって実施することができることが、当業者には理解されよう。そのような接合連結部は、研磨剤懸濁液の脱水が生じるはずの箇所であり、研磨剤懸濁液流れ回路の動作中に問題を引き起こす可能性があり、そのため入口および戻り浸漬管をホッパカバー水中に再配置することができることは、好ましい選択肢である。流れ回路弁およびポンプのプログラムされた動作とともに、切断ヘッドで連結された変位流体源を使用して、研磨剤混合物を流れ回路から洗い流すこともできる。

以下、本発明の異なる態様について、異なる態様の可能な組合せともに概説する。

第１の態様では、研磨剤ウォータジェット装置の切断ヘッドに研磨剤懸濁液送出配置が提供され、この切断ヘッド内で高速ウォータジェットが研磨剤懸濁液を集束管内へ同伴し、集束管出口で切断ジェットを放出し、前記研磨剤懸濁液送出配置は、
点の研磨剤懸濁液源と、
入口端部がその点で研磨剤懸濁液源に連結され、出口端部で切断ヘッドに連結された導管と、
前記導管内の研磨剤懸濁液開閉弁と、
切断ヘッドに位置する変位流体源とからなり、
この研磨剤懸濁液送出配置は：
ａ）第１の導管の入口端部が研磨剤懸濁液源に連結される点の圧力は、変位流体源の圧力を下回り、
ｂ）前記導管内の研磨剤懸濁液開閉弁が開いており、かつ切断ヘッド内に高速ウォータジェットが存在するとき、研磨剤懸濁液は、点の研磨剤懸濁液源から導管を通って切断ヘッドへ流れ、
ｃ）導管内の研磨剤懸濁液開閉弁が開いており、かつ切断ヘッド内に高速ウォータジェットがないとき、研磨剤懸濁液は、切断ヘッドの変位流体源からの流体によって、その点で前記導管から入口端部の方へ変位されることを特徴とする。

第２の態様では、研磨剤懸濁液は、前記第１の導管が研磨剤懸濁液源に連結される点付近で動いている。

第３の態様では、態様２における点付近の研磨剤懸濁液の運動は、第２の導管内を研磨剤懸濁液が流れることによって引き起こされ、第１の導管は、第２の導管に点で連結される。

第４の態様では、態様２における点付近の研磨剤懸濁液の運動は、容器内の撹拌器によって引き起こされ、容器内で、導管１への入口が点で連結される。

第５の態様では、前記研磨剤懸濁液開閉弁向けのアクチュエータを有する第１の態様の研磨剤懸濁液送出配置が提供され、このアクチュエータは、
ａ）切断ヘッド内に高速ウォータジェットが存在するときは、切断ヘッドへの研磨剤懸濁液の流れを開始および停止させ、
ｂ）切断ヘッド内に高速ウォータジェットがないときは、研磨剤懸濁液開閉弁を開いて、変位流体が切断ヘッドで導管１に入り、研磨剤懸濁液源の点の方へ流れて第１の導管の一部またはすべてから研磨剤懸濁液を一掃することを可能にするように、研磨剤ウォータジェット装置の制御システムによって制御される。

第６の態様では、第５の態様の制御システムは、導管内で流れが停滞している期間後、次にウォータジェットが切断ヘッド内に存在し、かつ研磨剤懸濁液開閉弁が開いているとき、研磨剤懸濁液の流動学的特性が変化して導管または切断ヘッド内に流れの閉塞が形成される前に、ある期間にわたって第１の態様の研磨剤懸濁液開閉弁を開いて、研磨剤懸濁液を第１の導管から変位することを可能にするようにプログラムされる。

第７の態様では、第１の態様に記載の研磨剤送出配置が提供され、変位流体源は、集束管出口の周囲の流体である。

第８の態様では、第１の態様に記載の研磨剤送出配置が提供され、弁付きの変位流体源が、弁付きの連結部を介して切断ヘッドに連結され、したがって、切断ヘッド内にウォータジェットが存在しないとき、変位流体源弁を開き、かつ第１の導管内の研磨剤懸濁液開閉弁を開くことで、研磨剤懸濁液を導管から研磨剤懸濁液源の点の方へ変位させる。

第９の態様では、第１の態様に記載の研磨剤送出配置が提供され、変位流体源が、弁付きの連結部を介して切断ヘッドに連結され、したがって、切断ヘッド内にウォータジェットが存在するとき、変位流体源への弁を開くことで、変位流体が切断ヘッドへ流れてウォータジェットによって同伴される。

第１０の態様では、研磨剤ウォータジェット装置の一部を形成する第１の態様の切断ヘッドの同伴チャンバへの研磨剤懸濁液送出配置が提供され、前記切断ヘッド内で、高速ウォータジェットがチャンバを横切って、研磨剤懸濁液送出システムからチャンバ内および集束管内へ研磨剤懸濁液を同伴し、切断ヘッド出口で研磨剤切断ジェットを生じさせ、前記研磨剤懸濁液送出配置は、
研磨剤懸濁液源と、
入口端部が点で前記研磨剤懸濁液源に連結され、出口端部が切断ヘッド同伴チャンバに連結された導管と、
前記導管内の研磨剤懸濁液開閉弁と、
集束管出口に位置する周囲環境からの変位流体源、または同伴チャンバに連結された弁付きの変位流体源、または研磨剤懸濁液開閉弁と切断ヘッド同伴チャンバとの間で前記第１の導管に連結された弁付きの変位流体源とからなり、
この研磨剤懸濁液送出配置は：
ｄ）導管が研磨剤懸濁液源に連結される点で圧力が大気圧を下回り、
ｅ）第１の導管内の研磨剤懸濁液弁が開いており、かつ切断ヘッド内に高速ウォータジェットが存在するとき、ならびに弁付きの変位流体源が存在し、かつ変位流体弁が閉じている場合、研磨剤懸濁液は、点の研磨剤懸濁液源から導管を通って切断ヘッド同伴チャンバへ流れ、
ｆ）導管内の研磨剤懸濁液開閉弁が開いており、かつ切断ヘッド内に高速ウォータジェットがないとき、研磨剤懸濁液は、同伴チャンバおよび導管から変位流体によって変位され、この変位流体は：
ｉ）集束管出口で周囲から集束管出口に入り、集束管、同伴チャンバ、および導管を介して点で研磨剤懸濁液源の方へ流れ、
または
ｉｉ）開いた流体変位弁を介して同伴チャンバに入り、導管を介して点の研磨剤懸濁液源の方へ流れて、集束管を介して環境へ流れ、
または
ｉｉｉ）開いた流体変位弁を介して、導管内で研磨剤懸濁液開閉弁と切断ヘッド同伴チャンバとの間に位置する接合部へ流れ、導管内で点の研磨剤懸濁液源の方へ流れ、同伴チャンバの方へ集束管を介して環境へ流れ、
ｇ）変位流体弁が開いており、かつ研磨剤懸濁液開閉弁が開いており、ならびに変位流体の圧力が研磨剤懸濁液源の点の圧力以上であるとき、変位流体は高速ウォータジェット中へ同伴されることを特徴とする。

第１１の態様では、第１の態様に記載の同伴切断ヘッド（ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｈｅａｄ）への研磨剤懸濁液送出配置が提供され、研磨剤懸濁液源の点は、第１の態様の第１の導管と第２の導管との間の接続点にあり、第２の導管では、研磨剤懸濁液の流量は、接続点から第１の導管を通って切断ヘッドへ流れるのに必要とされる流量より実質上大きい。

第１２の態様では、第１１の態様の第２の導管は、入口端部および出口端部で研磨剤懸濁液ホッパに連結された流れ回路を形成し、この流れ回路には、態様１の第１の導管への接続点と、研磨剤懸濁液を前記第１の導管内に流すポンプとがある。

第１３の態様では、第１２の態様の研磨剤懸濁液流れ回路は、第２の導管内で第１の導管との接続点の下流にポンプを含む。

第１４の態様では、第１２の態様の研磨剤懸濁液流れ回路は、第２の導管内で第１の導管への接続点の上流に位置する可変絞りを含む。

第１５の態様では、第１４の態様の可変絞りは、好ましくは、可撓性の配管に作用して圧力降下を引き起こし、第１の導管と第２の導管の接続点の圧力を下げるアクチュエータによって提供される。

第１６の態様では、第１３の態様のポンプは、好ましくは、可変速駆動を有する蠕動ポンプである。

第１７の態様では、感圧デバイスが、第１１の態様の第２の導管内で第１の導管点との接合付近の圧力を監視し、信号を研磨剤ウォータジェット装置の制御システムへ提供し、第１５の態様の可変減圧絞り（ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）および第１３の態様のポンプの速度を設定して、第１の導管と第２の導管との間の接続点の圧力を制御するように作用する。

第１８の態様では、第１２の態様の研磨剤懸濁液循環回路は、流れ回路の一部として撹拌された研磨剤懸濁液ホッパを含む。

第１９の態様では、第１８の態様の撹拌された研磨剤懸濁液容器は、
ａ）ホッパと、
ｂ）撹拌器と、
ｃ）流れ回路への入口と、
ｄ）流れ回路からの復路と、
ｅ）研磨粒子床と、
ｆ）研磨粒子床の上のカバー水とからなり、
この撹拌された研磨剤懸濁液容器は、
ａ）ホッパは、撹拌された研磨粒子床を床の上のカバー水の深さで維持することを有効にする寸法を有し、したがってカバー水の表面が本質的に静止しており、
ｂ）流れ回路への入口連結部は、撹拌された研磨剤床内で、研磨剤濃度が切断ヘッドで必要とされる濃度である場所に位置することを特徴とする。

第２０の態様では、第１２の態様の研磨剤懸濁液容器内へ直接、または第１の導管と第２の導管が交わる点の下流かつ第１３の態様のポンプの上流で第１１の態様の第２の導管内へ、水が送出される。

第２１の態様では、第１９の態様のホッパは排水路を有する。

第２２の態様では、第１９の態様のホッパは重量センサ上に取り付けられ、ホッパ内の研磨剤の量の監視を可能にする。

第２３の態様では、研磨剤床内の場所とカバー水内の場所との間で第１９の態様の撹拌器を動かす手段が提供される。

第２４の態様では、研磨剤床内の場所とカバー水内の場所との間で第１２の態様の流れ回路への入口を動かす手段が提供される。

第２５の態様では、第１９の態様のホッパの水面の表面の上に、乾燥研磨粒子源が提供される。

第２６の態様では、第２２の態様の重量センサからの信号を使用して、第２５の態様の研磨粒子源からの研磨粒子を第１９の態様のホッパの表面の水の上へ放出させる制御システムが提供される。

第２７の態様では、第１９の態様の撹拌器は、可変速モータによって駆動され、撹拌器にかかるトルクの信号を提供する。

第２８の態様では、
ａ）第１９の態様の流れ回路への入口がカバー水内に位置決めされた状態で第１３の態様のポンプを起動し、
ｂ）第１９の態様の撹拌器がカバー水内に位置決めされた状態で撹拌器を起動し、
ｃ）撹拌器にかかるトルクを設定値に制限し、または第１５の態様の重量センサにかかる負荷変化を所定の値に制限することによって決定された速度で、流れ回路への入口および撹拌器の位置をホッパ内の研磨剤床内へ変えることによって、研磨剤送出システムを自動的に起動することができる制御システムが提供およびプログラムされる。

第２９の態様では、研磨剤送出システムを自動的に再起動させることができるような状態で研磨剤送出システムを自動的に遮断する制御システムが提供およびプログラムされ、この遮断手順は、
ａ）撹拌を停止させる工程と、
ｂ）撹拌器および流れ回路への入口の位置をカバー水内へ変える工程と、
ｃ）第１の態様の研磨剤懸濁液開閉弁を開いて第１の態様の導管から研磨剤を一掃し、それに続いて懸濁液開閉弁を閉じる工程と、
ｄ）流れ回路から研磨剤を一掃するのに十分な期間後、第１３の態様のポンプを停止する工程とを含む。

第３０の態様では、研磨剤懸濁液は、その流動学的特性を修正する添加剤を含有することができる。

本発明のさらなる特性および利点について、添付の図を参照しながら次に説明する。

同伴切断ヘッドを示す図である。 切断ヘッド向けの研磨剤懸濁液送出システムを示す図である。 切断ヘッド向けの研磨剤懸濁液送出システムを示す図である。 研磨剤懸濁液ホッパを示す図である。 研磨剤懸濁液送出システムの一部を示す図である。 研磨剤懸濁液送出システムを示す図である。

図１を第１に参照すると、図１は、切断ジェット１０８を生成する切断ヘッド１４を示す。源１５からの加圧水が、加圧水遮断弁１１０および視準管１０２を介してウォータジェットノズル１０３へ流れ、高速ウォータジェット１０４を生じさせる。ウォータジェット１０４は、同伴チャンバ１０５を横切り、集束管１０７の孔１０６に入る。同伴チャンバ１０５を横切る際、ウォータジェット１０４は、源１００から導管１９を通ってきた研磨剤懸濁液を同伴する。この研磨剤懸濁液は、研磨剤懸濁液開閉弁１３によって通路１１１へ進み、同伴チャンバ１０５および集束管孔１０６に入る。集束管孔１０６内では、ウォータジェット１０４と研磨剤懸濁液中の研磨粒子および水との間で運動量が交換され、集束管出口１１８で切断ジェット１０８が生成される。

弁１７、配管１１７、および通路１１２を通って同伴チャンバ１０５へ、大気圧を上回る変位流体源１６を設けることができ、または弁１８を通って研磨剤懸濁液開閉弁１３と切断ヘッド通路１１１との間の導管１９へ、変位流体源１６を設けることができる。通常、変位流体は水であるが、状況によっては加圧空気が好ましいことがある。

ＥＰ２０９７２２３Ｂ１およびＷＯ２０１１／０７０１５４Ａ１に記載されている切断ヘッドで効果的に切断するには、切断ジェット１０８中で所望の研磨剤濃度を実現するために、源１００からの研磨剤懸濁液の圧力を、大気圧を下回る圧力にする必要がある。加圧水遮断弁１１０が閉じており、かつ研磨剤懸濁液開閉弁１３が開いている場合、ならびに別個の変位流体源１６が設けられていない場合、または弁１７および１８が閉じている場合、１１８の周囲の流体は、集束管孔１０６内に引き込まれる。水が引き込まれるときに集束管１０７が浸漬されていない限り、１１８から引き込まれる周囲の流体は空気である。集束管孔１０６内へ引き込まれた流体は、同伴チャンバ１０５、通路１１１、および導管１９を通って研磨剤懸濁液源１００の方へ流れる。

加圧水遮断弁１１０が閉じており、かつ研磨剤懸濁液開閉弁１３が開いており、ならびに弁１７または弁１８のいずれかが開いている状態で、源１６からの変位流体は、研磨剤懸濁液源１００の方へ流れる。加圧された変位流体が弁１７を通って流れる場合、この変位流体は、配管１１７、通路１１２、同伴チャンバ１０５、通路１１１、および導管１９を通過し、研磨剤懸濁液開閉弁１３は、研磨剤懸濁液を研磨剤懸濁液源１００の方へ変位させる。同伴チャンバ１０５を通過する際、変位流体の一部はまた、集束管孔１０６を通って流れ、集束管出口１１８で放出される。源１６からの変位流体が弁１８を通って導管１９に入ると、この変位流体は、弁１３を通って研磨剤懸濁液源１００の方へ流れ、また、通路１１１、同伴チャンバ１０５、および集束管孔１０６を通って集束管出口１１８の方へ流れる。

加圧水遮断弁１１０および研磨剤懸濁液遮断弁１３が開いた状態で、研磨剤懸濁液源１００の圧力を上回る圧力の変位流体源１６への弁１７または弁１８のいずれかが開いている場合、源１６からの変位流体は、ウォータジェット１０４によって同伴される。変位流体はまた、研磨剤懸濁液源１００の方へも流れる。

加圧水遮断弁１１０が開いており、かつ研磨剤懸濁液遮断弁１３が閉じており、ならびに変位流体弁１７または１８が開いている状態で、源１６からの変位水の流れを変動させて、集束管１０７の出口１１８におけるウォータジェットの特性を変化させることができる。源１６から流れる水の量によって、集束管１０７の出口１１８付近の加工物上の空胴現象の強度を増大または低減させることができる。空胴現象の強度を変動させる能力は、加工物の表面をマーキングおよびエッチングする際に有用になる可能性がある。

研磨剤ウォータジェット１０４が研磨剤懸濁液を同伴しているとき、源１６から弁１７または１８を通って流れる変位水を計量することによって、切断ジェット１０８中の研磨剤の濃度を低減させることができる。弁１７を通って流れる変位水が計量される場合、エッチングおよびミリング中の材料除去の制御を提供するために、切断ジェット１０８中の研磨剤濃度の急速な変化が可能である。

図２を次に参照すると、図２は、同伴切断ヘッド１４向けの研磨剤懸濁液送出回路１を示す。ホッパ２は、スターラ５を備える撹拌器３を有し、典型的には６０〜７０重量％の研磨剤含有率を有する研磨剤／水混合物４で部分的に充填される。ホッパ２には、源１０からポンプ２２および導管９を通って流れる研磨剤懸濁液が注入される。ポンプ２２は、通常は可逆性の蠕動ポンプであり、導管９を通ってホッパ２との間で研磨剤懸濁液４を伝達する。ホッパ２は環境から封止され、空気空間２０が導管２３を介して真空源２１に連結される。

研磨剤懸濁液４は、点７で研磨剤懸濁液開閉弁１３を有する導管１９に入る。弁１１０が加圧水源１５に開いており、かつ弁１３が開いている状態で、切断ヘッド１４内のウォータジェット１０４は、７でホッパ２から導管１９を介して切断ヘッド１４の同伴チャンバ１０４へ研磨剤懸濁液を同伴する。研磨剤懸濁液の流量は、点７における研磨剤懸濁液の流動学的特性、点７と同伴チャンバ１０４との間の流れラインの圧力損失特性、および点７と同伴チャンバ１０４との間の差圧に依存する。点７の圧力は、真空源２１によって制御される。したがって、この例示的な実施形態では、点７は、研磨剤懸濁液源と見なすことができ、導管１９を介して切断ヘッド１４と流体連通するように配置することができる。

弁１７を介して切断ヘッド１４の同伴チャンバ１０５に、または弁１８を介して導管１９に、変位流体源１６を連結することができる。

加圧水弁１１０が閉じている状態で、研磨剤懸濁液遮断弁１３が開いており、かつ弁１８または１７が大気圧を上回る圧力の変位流体源１６に対して開いているとき、導管１９から研磨剤懸濁液を出して本質的に空にすることができる。また、変位流体の一部は、集束管１０７を通って流れる。

変位流体源１６が設けられていないとき、または存在する場合、弁１７もしくは１８が閉じているとき、弁１１０が閉じており、かつ弁１３が開いており、ならびにホッパ２内の空間２０内に真空があるとき、集束管１０７の出口１１８で、環境からの変位流体が集束管に入る。変位流体が水であるときに集束管１０７の出口が水中に浸漬されていない限り、変位流体は空気である。変位流体は、導管１９を通って流れ、点７でホッパ２内へ放出される。

点７でホッパ２に入った変位空気は、泡立って研磨剤懸濁液４を通り、導管２３を通って排気される。真空源２１がポンピングしなければならない空気の量を制限するために、弁１３は、望ましくは、研磨剤懸濁液を導管１９から一掃できるのに十分な時間だけ開くように予定される。変位流体が水であるとき、容器２内の研磨剤懸濁液４中の研磨剤濃度を変化させないように、弁１３は、望ましくは、変位水が導管１９から研磨剤懸濁液を一掃するのに十分な時間だけ開くように予定される。

導管１９から研磨剤懸濁液を最初に一掃した後、点７から導管１９に入って移動および脱水する研磨剤を洗い流すための弁１３の周期的な開閉をプログラムしないですむように、弁１３は点７で導管１９に位置することができる。

研磨剤懸濁液の特性および添加剤の添加に応じて、ホッパ２内の研磨剤懸濁液４は、撹拌器３およびスターラ５のなしで、適した状態で維持することができる。その代わりに、研磨剤懸濁液４を切断ヘッド１４へ供給するのに十分な研磨剤懸濁液４をホッパ２内で維持しながら、研磨剤懸濁液４がポンプ２２によってホッパ２との間で周期的にポンピングされるような配置にすることができる。

図３を次に参照すると、図３は、研磨剤懸濁液送出システム３０を示し、切断ヘッドによって必要とされる量より実質上多くの研磨剤懸濁液が流れ回路内でポンピングされて切断ヘッド１４付近を通過する。流れ回路は、入口７７および可変流量絞り３１を有する導管６、導管８、点７の接合部、導管３２、ポンプ３３、ならびにホッパ２内で流れ回路からの出口３５を有する導管３４によって形成される。この例示的な実施形態では、接続点７は、研磨剤懸濁液源と見なすことができ、導管１９を介して切断ヘッド１４と流体連通するように配置することができる。

流れ回路内の流れ方向を逆にすることができ、したがって接合部７の圧力は、ホッパ２内の表面２３に作用する圧力を上回ったり、下回ったりすることができる。流れ方向を逆にすることは、流れ回路内で閉塞が生じた場合に必要になることがある。

接続点７の圧力は、ポンプ３３の速度の変動、絞り３１の設定、切断ヘッド１４に対するホッパ２内の研磨剤懸濁液の表面レベル２３、および表面２３に作用する空気空間２０内の圧力によって制御される。空気空間２０内の圧力は、導管１１を通って連結される空気源の圧力２４であり、好ましくは大気圧である。

接続点７付近に位置する圧力センサ１８が、接続点７の圧力を設定するための信号を提供する。

図３のホッパ２の動作は、弁１３、１７、および１８の機能に関して、図２のホッパ２の場合とほぼ同様である。

図４を次に参照すると、図４は研磨剤懸濁液送出システム７０の一部を示し、研磨剤懸濁液送出システム７０の一部は、図５の研磨剤懸濁液送出システム４０の一部とともに、完全な研磨剤懸濁液送出システムを形成する。

図４は、懸濁研磨剤床７２の上にカバー水層７３が設けられることを示す。インペラ５０を有する撹拌器５１が、床７２をかき混ぜるように適合される。ロードセル２５を備える重量センサ５５が、ホッパ７１に取り付けられており、負荷の変化に応じて垂直方向に可動である（両方向の矢印５６）。この垂直運動は、乾燥研磨剤の粉末粒子を添加するために、または起動中にインペラ５０が床７２内へ下がる速度を制御するために、制御システム（図示せず）への出力として使用することができる。

乾燥研磨剤の粉末粒子は、ホルダ６１内に取り付けられたサイロ６０内に収容される。粉末が放出されるときは、放出パイプ６３内の弁６９が開かれ、振動子６２が作動されてホルダ６１に振動を提供し、それによって粉末粒子は、カバー水７３の表面５４に落ち、密度流中を撹拌された研磨剤床７２まで、カバー水７３と混合することなく下降する。水源６４から連結部６５を通ってくる水は、制御された速度および適切な場所で研磨剤床７２内へ抜くことができ、研磨剤懸濁液が床７２から抜き出される入口７７で所望の研磨剤濃度を維持するのに役立つことができる。

図４はまた、ホッパ７１の上部部分に位置する排水路５２を示す。床７２を通って上へ流れる余分な水は、設定された水レベルを維持するようにカバー水の表面５４で排水され、それによってホッパ７１内の研磨剤の重量の連続計算を可能にし、濡れずにカバー水の表面５４上に浮遊している研磨剤送出物中の材料を運び去る。

図５を次に参照すると、図５は、図３の研磨剤懸濁液送出システム３０の一部を示すが、追加の特性を有しており、したがって研磨剤懸濁液送出システム３０は、図４の研磨剤懸濁液ホッパ７１とともに使用するのに特に適している。

導管１９を通って切断ヘッド１４へ進む流れがないとき、接続点７で研磨剤の蓄積および脱水を防止するために、図３の研磨剤懸濁液弁１３は、接続点７に位置する弁４５に置き換えられる。

図４のホッパ７１が動作しているとき、ホッパ７１は、カバー水レベル５４を維持するための注入水の流れを必要とする。注入水は、ポンプ３３への入口の研磨剤濃度を低減させるために、導管３２内へ流れることが有益である。

４００ｍｍＨｇを下回る可能性がある研磨剤懸濁液の真空圧力の直接測定は、圧力ゲージまたは圧力変換器への連結部およびそれらの空間内に研磨剤が蓄積するため、困難である。導管３２に入る注入水の圧力を測定することによって、研磨剤懸濁液を圧力変換器に直接接触させることなく、接続点７の圧力を推論することができる。源４７からの注入水は、弁４６、導管３９を通って逆止め弁４８まで流れ、逆止め弁４８は、研磨剤懸濁液が導管３２から導管３９に入るのを防止する。逆止め弁４８は、ダックビル式とすることができ、または圧力降下の小さいポリマー材料から作られた類似の弁とすることができる。圧力センサ４９が、導管３９内の圧力を測定する。この圧力は本質的に、切断ヘッド１４への研磨剤懸濁液の流量を制御する接続点７の圧力である。

研磨剤濃度の測定値を提供するために、導管４４の１区間内の研磨剤懸濁液の重量を判定することができる。導管４４は、可撓性の接合部４１および４２によって導管８に取り付けられる。導管４４を通る水の流れと研磨剤懸濁液の流れとの間の重量の変化を判定するためにロードセル４３が使用され、それによって懸濁液の密度の計算が可能になる。

図３〜５では、１つの切断ヘッド１４が絞り３１とポンプ３３との間で流れ回路８、３２に連結されているが、研磨剤ウォータジェット切断装置の２つ以上の切断ヘッドを流れ回路８、３２に連結することもできる。

図６を参照すると、図６は、図１の送出システム１および図４のホッパ７１の特性を有する懸濁液送出システム８０を示す。乾燥研磨剤の粉末のサイロ８１がホッパ８９に連結されており、図４のホッパ７１への注入と同様であるが、カバー水７３の上の空気空間２０内に真空を有する状態で、乾燥研磨剤の粉末８３をホッパ８９に注入することが可能になる。サイロ８１は、封止可能な蓋８２を有し、研磨剤の粉末８３でサイロ８１を充填することを可能にする。隔離弁８５を有する導管８６により、サイロ８１内の空気空間９０内の圧力を、真空源２１によって導管２３を通って提供されるホッパ８９内の空気空間２０内の圧力と等しくすることが可能になる。空気空間２０および９０内の圧力が等しくなったとき、粉末弁８７が開かれる。粉末弁８７が開いている状態で、振動子６２を作動させることで、研磨剤の粉末８３はサイロ８１から連結部８８を通って流れ、カバー水７３の表面５４上に落ちる。

弁８５および８７が閉じており、かつ弁８４が開いている状態で、封止可能な蓋８２全体の圧力は等しく、蓋８２を開けてサイロ８１に研磨剤の粉末８３を注入することができる。

研磨剤床７２が沈殿するのに十分なほど長い期間にわたってスターラ５の回転を停止させるとき、床７２の大部分は、ポンプ１０によって、９３に入口を有する導管９２を通って収納源９１へ取り出すことができる。別法として、源９１から床７２内へ、または他の手段によって、研磨粒子が堅く沈殿するのを防止する添加剤を導入して、余分なトルクを使うことなく、沈殿した床７２の中でスターラ５が回転を開始することを可能にすることができる。

ロードセル２５からの出力とともにレベルセンサ９４からの信号を使用して、水源９６から連結部９７を通ってくるカバー水レベル５４を維持し、サイロ８１から研磨剤床７２への研磨剤の注入を制御することができる。

機械加工向けの研磨剤ウォータジェット装置は、機械ツールの一部を形成する。機械ツールは高度に自動化する必要があり、これは研磨剤送出システムを含む。バルクホッパに乾燥研磨剤の粉末を充填することを除いて、研磨剤懸濁液送出システムのすべての機能は、機械ツール制御システムによって研磨剤ウォータジェット装置の制御システムを通じて自動化および制御する必要がある。自動化は、切断ヘッド付近で指定の濃度の研磨剤懸濁液を利用可能にする起動動作を開始することから、後日システムの自動化された起動を可能にするような状態で長期間にわたって送出システムを遮断することにまで及ぶ。図４および図５に示す本発明の好ましい研磨剤懸濁液送出システムの実施形態は、自動化された動作に特に適している。

完全な自動化の例外は、研磨粒子のわずらわしい沈殿が生じるのに十分なほど長い期間にわたって電力が損失した場合であり、このときは、送出システムを再起動する際に閉塞を防止するために、加圧水または圧縮空気源を使用して配管および通路から研磨剤懸濁液を一掃する手動介入が必要とされる。研磨剤送出システムの配管は、電力の損失後に流れ回路から研磨剤懸濁液を洗い流すために蠕動ポンプが容易なアクセスを可能にするための配管を含む迅速に連結および連結解除できる連結部を有するように配置される。

Claims (18)

1. 研磨剤切断ジェットを生じさせる研磨剤ジェットシステムであって、
   加圧水を受けて高速ウォータジェットを生成するように適合された切断ヘッドと、
   研磨剤懸濁液源と、
   該研磨剤懸濁液源を該切断ヘッドと流体連通させる導管と、
   前記導管内に設けられ、開状態および閉状態を有する研磨剤懸濁液開閉弁と、
   前記導管のうち、該切断ヘッドと該研磨剤懸濁液開閉弁との間に位置する部分と流体連通する変位流体源とを備え、ここで、前記研磨剤懸濁液源の圧力は、前記変位流体源の圧力を下回るように制御可能であり、
   前記研磨剤懸濁液開閉弁が開いており、かつ該切断ヘッド内に前記高速ウォータジェットが存在するとき、該研磨剤懸濁液は、前記導管を介して該切断ヘッド内へ流れ、該高速ウォータジェットによって同伴されて研磨剤切断ジェットを生じさせ、
   該切断ヘッドに高速ウォータジェットがなく、かつ該研磨剤懸濁液源の前記圧力が前記変位流体源の圧力を下回り、ならびに前記研磨剤懸濁液開閉弁が開かれているとき、該導管内に存在する研磨剤懸濁液は、前記研磨剤懸濁液源の方へ変位される、前記研磨剤ジェットシステム。
2. 前記研磨剤懸濁液源の前記圧力は、大気中より低い圧力である、請求項１に記載の研磨剤ジェットシステム。
3. 前記研磨剤懸濁液開閉弁の開閉を制御する制御システムを備え、ここで、
   前記研磨剤懸濁液開閉弁が閉じており、かつ切断ヘッドに高速ウォータジェットがないとき、該制御システムは、所定の期間内で、前記研磨剤懸濁液開閉弁を開いて、変位流体が導管内に存在する研磨剤懸濁液を前記研磨剤懸濁液源の方へ変位させることを可能にするように適合される、請求項１または２に記載の研磨剤ジェットシステム。
4. 研磨剤ジェットシステムの動作の際に懸濁される研磨粒子床を収容するホッパと、
   前記ホッパと流体連通する入口端部および出口端部を有する流れ回路とを備え、
   ここで、前記導管は、接続点で前記流れ回路に連結され、前記接続点は前記研磨剤懸濁液源に相当する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の研磨剤ジェットシステム。
5. 前記接続点の圧力を制御する制御ユニットと、
   前記接続点付近で流れ回路内の圧力を監視して、前記圧力を示す信号を該制御ユニットへ提供する感圧デバイスとを備える、請求項４に記載の研磨剤ジェットシステム。
6. 流れ回路内で前記接続点の下流にポンプを備え、ここで、接続点の圧力は、該ポンプを通る流量を制御することによって制御される、請求項４または５に記載の研磨剤ジェットシステム。
7. 前記制御ユニットは、ポンプに動作可能に連結されており、感圧デバイスからの前記信号に基づいてポンプの速度／流量を制御し、それによって前記接続点の圧力を制御するように適合される、請求項５、または請求項５に従属するときの請求項６に記載の研磨剤ジェットシステム。
8. 流れ回路内で前記接続点の上流に可変絞りを備え、ここで、接続点の圧力は、該絞りを通る流量を制御することによって制御される、請求項４〜７のいずれか１項に記載の研磨剤ジェットシステム。
9. 前記制御ユニットは、可変絞りに動作可能に連結されており、感圧デバイスからの前記信号に基づいて絞りを変動させ、それによって前記接続点の圧力を制御するように適合される、請求項５に従属するときの請求項８に記載の研磨剤ジェットシステム。
10. 前記切断ジェットが放出される出口を有する集束管を備え、該集束管出口は、周囲の流体中に浸漬されており、それによって、前記切断ジェットが放出されていないとき、周囲の流体は出口を通って該集束管に入ることが可能であり、
    ここで、前記切断ジェットが放出されていないとき、前記変位流体源は、集束管に入った周囲の流体である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の研磨剤ジェットシステム。
11. 前記流れ回路内の流量は、２倍、より適切には５倍など、切断ヘッドへの前記導管内の流量より大きい、請求項４または請求項４に従属するときの請求項５〜１０のいずれか１項に記載の研磨剤ジェットシステム。
12. 前記ホッパは、研磨粒子床の上にカバー水を含み、研磨剤ジェットシステムは、
    制御システムと、
    前記研磨粒子床を撹拌し、該制御システムによって制御される撹拌器とをさらに備え、
    ここで、前記ホッパの寸法は、カバー水の表面が本質的に静止するように、撹拌された研磨粒子床が床の上のカバー水の深さで維持されるような寸法である、請求項４または請求項４に従属するときの請求項５〜１１のいずれか１項に記載の研磨剤ジェットシステム。
13. 流れ回路の入口端部は、撹拌された研磨粒子床内で、研磨剤濃度が切断ヘッドで必要とされる濃度になる場所に位置決めされ、またはそのような場所に位置決めすることができる、請求項１２に記載の研磨剤ジェットシステム。
14. 前記ホッパは、前記ホッパ内の研磨剤の量を判定する重量センサ上に取り付けられる、請求項１２または１３に記載の研磨剤ジェットシステム。
15. 前記撹拌器は、前記研磨粒子床と前記カバー水との間で可動である、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の研磨剤ジェットシステム。
16. 流れ回路の前記入口端部は、前記研磨粒子床と前記カバー水との間で可動である、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の研磨剤ジェットシステム。
17. カバー水の表面の上に、乾燥研磨粒子源が設けられる、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の研磨剤ジェットシステム。
18. 前記制御システムは、重量センサおよび乾燥研磨粒子源に動作可能に連結され、重量センサからの入力信号に基づいて前記乾燥研磨粒子源からカバー水の表面上への乾燥研磨粒子の放出を制御する、請求項１４に従属するときの請求項１７に記載の研磨剤ジェットシステム。

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