JPH0585600U - 減圧ウォ−タ−ジェット加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超高圧水をノズルから射出して高速の噴射流
を形成し、この噴射流を貫通させて被加工物の切断や孔
開けを行う場合、ノズルと被加工物の距離が大きいと、
噴射流が途中で散乱し、加工部のエッジが崩れて加工精
度が悪化する。本考案によれば、ノズルと被加工物の距
離が大きくても、良く収束した加工エネルギ−密度の高
い噴射流が得られ、加工部のエッジが急峻で加工精度も
高い。 【構成】 ノズルを減圧可能な処理室内に配置し、該処
理室に減圧用のポンプ手段を装備する。減圧した処理室
内で噴射流を形成することによって、大気による散乱、
減衰、巻込みの影響を軽減する。被加工物を貫通した後
の噴射流を処理室から速やかに排出するために、ノズル
に対向させてじょうご型の回収管路を開口させ、回収管
路にジェットポンプ等の回収手段を接続し、噴射流は液
体状態のままで大気圧下に戻して回収する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、超高圧水をノズルから噴射して高速の噴射流を形成し、この噴射流 を被加工物に衝突させて切削、切断、孔開け、凹凸または透かし彫りのパタ−ン 形成等を行う減圧ウォ−タ−ジェット加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

超高圧水をノズルから噴射して高速の噴射流を形成し、この噴射流を被加工物 に衝突させて切削、切断、孔開け等を行うウォ−タ−ジェット加工装置が多くの 分野で活発に実用化されている。例えば、清浄、非発火、オイルフリ−、低公害 性、良好な操作性、洗浄効果等の特徴を生かして、食肉、木材、皮革、軟質金属 板、プラスチック等の加工に応用されており、通常の機械加工に比較して優れた 実績を積んでいる。

【０００３】 一般的なウォ−タ−ジェット加工装置は、水の圧力を高めて超高圧水を製造す る超高圧ポンプ、高耐圧の導管で供給された超高圧水を噴射して高速の噴射流を 形成するノズル、被加工物の支持、搬送、送りのための機械機構、被加工物を含 む空間を遮断して、噴射流、切削屑、反射等を外部に飛散させない処理室、使用 済の水の回収と浄化を行う再処理装置等を含み、処理室内は大気圧の大気で満た されており、特殊な例としては、処理槽を満たした水中でノズルから噴射流を射 出し、水中に保持された被加工物を加工する場合もある。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

大気中でノズルから高速の噴射流を射出すると、噴射流が周囲の大気による減 衰と攪乱を受け、また、噴射流中に周囲の空気を巻込むため、ノズルから離れる に従って噴射流の加工エネルギ−が急速に減少し、噴射ノズルから余り離れない 位置で噴射流が拡散し始める。従って、ノズルと被加工物の間隔が大きいと、噴 射流の加工エネルギ−密度が不足して加工深さが減少するとともに、加工深さの 制御が困難になり、また、噴射流の拡散部分が加工の不必要な部分にまで衝突し て加工部のエッジを余分に削り落して加工精度を悪化させる。

【０００５】 本考案は、噴射ノズルから大きく離れた位置でも良く収束した加工エネルギ− 密度の高い噴射流が得られ、大きな加工深さが得られて制御性にも優れ、加工部 のエッジが急峻で加工精度も高いウォ−タ−ジェット加工装置を提供することを 目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

請求項１の減圧ウォ−タ−ジェット加工装置は、超高圧水をノズルから射出し て高速の噴射流を形成し、該噴射流を衝突させて被加工物を加工するウォ−タ− ジェット加工装置において、前記ノズルを減圧可能な処理室内に配置し、該処理 室に減圧用のポンプ手段を装備したものである。

【０００７】 請求項２の減圧ウォ−タ−ジェット加工装置は、超高圧水をノズルから射出し て高速の噴射流を形成し、該噴射流を貫通させて被加工物を加工するウォ−タ− ジェット加工装置において、前記ノズルを減圧可能な処理室内に配置し、該処理 室に減圧用のポンプ手段を接続し、被加工物を貫通した前記噴射流を回収する回 収管路を前記ノズルに対向させて開口させ、該回収管路に前記噴射流を前記処理 室の外に導く回収手段を接続したものである。

【０００８】 請求項３の減圧ウォ−タ−ジェット加工装置は、請求項２の減圧ウォ−タ−ジ ェット加工装置において、前記回収管路に前記噴射流により作動するジェットポ ンプを設け、該ジェットポンプの運転差圧が大気圧に対する前記減圧室の圧力差 の少なくとも一部を負担するものである。

【０００９】

【作用】

請求項１の減圧ウォ−タ−ジェット加工装置では、減圧して邪魔な気体分子を 減少させた処理室内で被加工物に高速の噴射流を衝突させて、剥離、切削、凹凸 パタ−ン形成等の加工を行う。減圧が処理室内の気体分子による噴射流の減衰と 攪乱を低減し、噴射流に巻込まれる気体量を減少させるから、ノズルから離れた 位置でも噴射流が拡散することなく、噴射流の収束状態が噴射直後の状態に保た れ、噴射流の加工エネルギ−およびその密度が維持され、超高圧水の圧力、およ び被加工物の加工点における噴射滞在時間を用いて、ノズルと被加工物の間隔と は無関係に加工深さを正確に制御でき、また、噴射流の拡散部分が加工の不必要 な部分に衝突しないので、加工部のエッジが余分に削り落されず、高い加工精度 と細密度が得られる。さらに、処理室内が減圧されるため、ノズル噴射音や噴射 流の衝突音が処理室外にあまり伝播されない。そして、被加工物から削り取られ た微細な加工粉は速やかに床面に落下するため、処理室内に加工粉を舞上げて粉 塵を形成することも少なくなり、この粉塵が内外の圧力差に逆らって外部に漏れ る心配もない。

【００１０】 処理室に装備されるポンプ手段としては、機械式の真空ポンプを処理室に配管 を介して接続してもよいが、必要な真空度のレベルが余り高くなく、処理中の負 荷がほとんど水蒸気であるため、処理前に処理室内の大気を水蒸気に置換し、そ の後は、専ら、壁面に配置した冷凍装置に水蒸気を凝結させて減圧を行うように してもよい。また、機械式の真空ポンプを接続する場合は、低温の水蒸気トラッ プを介して接続するのが好ましい。ただし、噴射流として処理室内に供給された 液体状態の水を水蒸気に変換し、その後、再度凝縮させると、水の相変化に伴な う熱負荷がまるまる減圧システム全体の無駄な損失になるため、噴射流は相変化 させずに、そのまま液体状態で処理室から排除するのが好ましい。ここで、水の 蒸気圧は、１００度Ｃで１気圧（１０⁵ Pa）、５０度Ｃで１．５×１０⁴ Pa、０ 度Ｃで８×１０² Pa程度であるため、処理室内に水が液体状態で存在しても、本 考案で使用される程度の減圧は十分可能である。

【００１１】 請求項２の減圧ウォ−タ−ジェット加工装置では、減圧して大気を減少させた 処理室内で高速の噴射流を被加工物に貫通させて、孔開け、切断、透かしパタ− ン形成等の加工を行う。減圧が大気による噴射流の減衰と攪乱を低減し、噴射流 に巻込まれる空気量を減少させるから、ノズルから離れた位置でも噴射流の加工 エネルギ−およびその密度が維持され、また、噴射ノズルから離れた位置でも噴 射流が拡散しないので、噴射流の拡散部分が加工の不必要な部分に衝突せず、急 峻な加工エッジが形成される。

【００１２】 また、減圧された処理室内に滞在する水は、さかんに蒸発して処理室内の圧力 上昇を起して、さらなる減圧や減圧状態の維持を困難にし、気化熱を奪われて被 加工物や被加工物の送り機構等に氷結すると加工の継続を困難にするが、ノズル から噴射されて被加工物を貫通した噴射流はそのまま回収管路に入射して、回収 管路を通じて回収手段に速やかに案内され、これにより、水の処理室内における 滞在時間を最小限にする。回収手段としては、加熱と減圧で水を蒸発させる蒸発 装置、減圧で氷結させる減圧槽、水の吸収吸着材、別の高圧水で駆動されるジェ ットポンプ、機械式の水ポンプ等を利用できる。

【００１３】 ノズルから射出した高速の噴射流は、周囲と噴射流内の圧力差、および沸騰に よる水蒸気圧力による拡散力を受けるが、沸騰速度が有限で、噴射流からの水蒸 気の離散速度に比較して噴射流速度が格段に大きく、この拡散力は噴射流の持つ 慣性力に比較して格段に小さいため、ノズルから射出した後、ほとんど拡散する ことなく被加工物を貫通して回収管路に入射し、瞬間的に処理室内空間から遠ざ かる。換言すれば、噴射流は処理室内における滞在時間が極めて短いため、ほと んど蒸発することなく回収管路を経て処理室の外に排出される。

【００１４】 本考案で必要とする減圧レベルは、噴射流に入射する分子の数が大気圧下と比 較して減れば良いという程度で、例えば、通常の大気圧の半分程度でも加工部の エッジの十分な改善が認められる。従って、常識的な真空プロセス装置に比較し て必要な真空度は小さく、一方、液体状態で処理室内に供給される水の蒸発によ る水蒸気を冷却または圧縮して凝縮させる負荷は相当に大きい。従って、処理室 に接続されるポンプ手段としては、到達圧力は小さいが排気容量が大きく、水蒸 気を吸入しても能力低下しない、安価なものを選択するのが好ましい。

【００１５】 請求項３の減圧ウォ−タ−ジェット加工装置では、被加工物を貫通した噴射流 そのものの残りの運動エネルギ−を利用してジェットポンプを作動させ、ジェッ トポンプの運転差圧で、ジェットポンプの上流側と下流側に圧力差を形成して下 流側の圧力を処理室内よりも高くし、処理室内の減圧レベルにおける液体状態の 水の滞在時間を減らして合計の蒸発割合いを低減させて、蒸発、凝縮に伴なう熱 負荷による損失（投入エネルギ−の消費）を抑制し、また、ジェットポンプの下 流側の液体状態の水を処理室のポンプ手段の直接的な負荷にしない。ジェットポ ンプの運転差圧は、大気圧に対する前記減圧室の圧力差の少なくとも一部を負担 し、ジェットポンプから出た水はより大気圧に近い圧力状態となる。

【００１６】

【実施例】

本考案の実施例を図面を参照して説明する。

【００１７】 図１は実施例の減圧ウォ−タジェット切断装置の模式図、図２は噴射流の形状 を比較する説明図、図３は切断エッジを比較する説明図である。これは、減圧さ れた処理室内に超高圧水を射出して高速の噴射流を形成し、この噴射流を貫通さ せて被加工物を切断する装置であって、図２、図３の(a) は減圧条件下、(b) は 大気圧条件下である。

【００１８】 図１において、減圧に耐える強度を有し、各隙間を密封された処理室Ｃは、配 管Ｅを介して水分離タンクに接続され、水分離タンクの上部には、フィルタＦを 介して機械式の真空ポンプが接続され、水分離タンクの下部には、接線方向の入 口Ｉから流入して内壁面で遠心分離されて滞留した水を排出するためのバルブＬ が設けられている。被加工物Ｗは処理室Ｃ内で左右方向に移動可能なテ−ブルＴ に固定され、処理室Ｃの側面には、可変速モ−タＭで駆動されてテ−ブルＴを左 右に駆動する送り装置Ｂが設けられる。圧力計Ｒは処理室Ｃ内の減圧レベルを計 測して表示し、処理室Ｃ内の状態を観察する正面の円形開口には、透明なアクリ ルＡが装着される。

【００１９】 超高圧水を射出して高速の噴射流を形成する超高圧水ノズルＮは処理室Ｃの天 井部に固定され、一方、超高圧水ノズルＮを射出し、被加工物Ｗを貫通した噴射 流を捕捉するキャッチャ−Ｎは、超高圧水ノズルＮに対向させて処理室Ｃの床部 に固定される。超高圧水ノズルに接続されて超高圧水の供給を断続する超高圧Ｏ Ｎ−ＯＦＦバルブＳは、水を圧縮して超高圧水を形成する超高圧ポンプに、超高 圧配管ＱＳを介して接続される。キャッチャ−Ｎは、超高圧水ノズルＮに対向す る円錐部、噴射流の予想される口径にほぼ等しい狭路部、狭路部に続く拡大部、 配管Ｅに接続される管路部からなり、噴射流を液体状態のまま処理室外に速やか に排出し、同時に、狭路部がジェットポンプを構成して、処理室内の気体分子を 噴射流とともに運び去ることで処理室内の減圧レベルを維持する。

【００２０】 このように構成された減圧ウォ−タジェット切断装置では、真空ポンプＶを用 いて減圧した処理室Ｃ内に超高圧水ノズルＮを通じて超高圧水を射出して高速の 噴射流を形成して被加工物Ｗに貫通させ、同時に送り装置Ｂで処理室Ｃ内の被加 工物Ｗを左右に移動して被加工物Ｗを切断する。これにより、大気圧のもとでは 図２(b) のように拡散していた噴射流が、図２(a) のように収束して長く安定化 され、整流部の長さｄ１、すなわち見掛け上噴射流が拡散を始める超高圧水ノズ ル先端からの距離が大気圧での整流部の長さｄ２よりも格段に大きくなり、大気 圧のもとでは図３(b) のように円弧状に余分に削り落されていた切断部のエッジ ｈ２が、図２(a) のように、急峻で加工しろの少ない（収束性の良好な）切断部 のエッジｈ１になった。

【００２１】 超高圧水ノズルＮの口径を０．２mm、超高圧水ポンプの吐出圧力を２０００kg /cm²と定めた実験において、吐出流量は０．９ l/minとなり、処理室Ｃ内の噴射 流の状態は、減圧のレベルに応じて次の表１のように変化した。

【００２２】

【表１】

【００２３】 図４は、図１の減圧ウォ−タジェット切断装置の部分的な変形例を説明する部 分的な模式図である。ここでは、図１のキャッチャ−部分のみが示され、被加工 物を貫通してキャッチャ−に捕捉された噴射流は、別の高圧ポンプで駆動される 追加のジェットポンプを用いて速やかに大気圧下に排出される。

【００２４】 図４において、図示しない超高圧水ノズルに対向させて処理室Ｃの床部に固定 したキャッチャ−Ｈの下部には、高圧ポンプＵから供給される高圧水をノズルＤ Ｎから狭路部に向かって射出し、周囲の液体粒子や気体分子を巻込んで狭路部か ら強制排出するジェットポンプＤが接続される。ジェットポンプＤの出口側には 排水槽Ｇが設けられ、大気圧である。ところで、キャッチャ−Ｈは、前述のよう に、超高圧水ノズルから射出された噴射流で作動するジェットポンプ部ＨＤを備 えており、結局、直列に接続されたジェットポンプ部ＨＤとジェットポンプＤが 処理室内の減圧レベルと大気圧の圧力差を分担しており、超高圧水ノズルから射 出された高速の噴射流は、被加工物を貫通した後に瞬時にして大気圧のもとに排 出されるから、蒸発や凝結の相変化に伴なう熱負荷が発生せず、図１の真空ポン プＶの容量を低減しても処理室内の減圧レベルを維持でき、より大量かつ多本数 の噴射流を処理室内に形成して、ブロック状態の被加工物を一気に複数枚に板加 工することも可能になる。

【００２５】 以上の実施例では、超高圧水ノズルから超高圧水を射出して水の噴射流を形成 する減圧ウォ−タジェット切断装置について説明したが、水を扱えない被加工物 （例えばナトリウム金属）の加工を行う場合、灯油やアルコ−ルを超高圧水ノズ ルから射出すればよい。また、真空ポンプに対する負荷を軽減するための変形例 としては、水の代りに蒸気圧の低い液体、例えば、真空ポンプの作動油に採用さ れるシリコンオイルで噴射流を形成してもよい。さらに、以上の実施例では超高 圧水ノズルを固定側、被加工物を移動側として切断加工を行ったが、被加工物を 処理室内に静止させて固定側とする一方、対向させた超高圧水ノズルとキャッチ ャ−で構成される「噴射流の糸ノコ」を処理室の外から遠隔操作して切断加工を 行うようにしてもよい。

【００２６】

【考案の効果】

請求項１の減圧ウォ−タ−ジェット加工装置では、ノズルと被加工物の間隔を 大きく（スタンドオフ距離を拡大）しても、収束性が良好でエネルギ−密度がノ ズル噴射直後の状態に維持された噴射流が得られ、複雑な突起を有する被加工物 の谷底部分でも突起の外側位置でノズルを平面状に走査して加工でき、ノズルと 被加工物の距離を一定に保つためのノズルまたは被加工物の複雑な送り機構は不 必要である。また、噴射流の収束状態が良好なため、加工部のエッジが急峻で、 微細なパタ−ンの形成も可能であり、超高圧水の圧力と加工点における噴射滞在 時間とを用いて、ノズルと被加工物の間隔とは無関係に、加工深さ（噴射流の加 工エネルギ−密度）を正確に制御できるから、深さ方向にも高い加工精度と細密 度が得られ、さらに、騒音や粉塵による公害の心配もない。

【００２７】 請求項２の減圧ウォ−タ−ジェット加工装置では、スタンドオフ距離を拡大し ても、収束性が良好でエネルギ−密度がノズル噴射直後の状態に維持された噴射 流が得られ、複雑な突起を有する被加工物の谷底部分でも、突起の外側位置でノ ズルを平面状に走査するだけで、正確な孔開けや切断が可能である。また、噴射 流の収束状態が良好なため、厚い被加工物でも加工部のエッジを崩すことなく薄 い加工しろで切断が可能で、被加工物の材料が節約され、厚い被加工物を切断す る場合、空気との相互作用によって狭い切断溝内で噴射流が振動し、切断面に波 打ちを起すこともなく、安定して円滑な切断面が形成される。また、被加工物を 貫通した噴射流は、回収管路に入射して処理室から速やかに排除されるから、処 理室内に滞在する水による処理室内の減圧レベルの悪化や、処理室内に滞在する 水の凍結による送り機構の動作不良の発生等が抑制される。

【００２８】 請求項３の減圧ウォ−タ−ジェット加工装置では、噴射流の運動エネルギ−を 利用して噴射流を処理室よりも圧力の高い場所に運搬し、同時に、処理室内の水 分粒子や気体分子を処理室から持ち去るから、噴射〜回収を通じた噴射流の蒸発 等の相変化が抑制され、処理室内の減圧レベルを維持するためのポンプ手段の負 荷も軽減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の減圧ウォ−タジェット切断装置の模式
図である。

【図２】図２は噴射流の形状を比較する説明図である。

【図３】図３は切断エッジを比較する説明図である。

【図４】図１の減圧ウォ−タジェット切断装置の部分的
な変形例を説明する部分的な模式図である。

【符号の説明】

Ａ アクリル Ｂ 送り装置 Ｃ 処理室 Ｅ 配管 Ｆ フィルタ− Ｈ キャッチャ− Ｉ 入口 Ｊ 噴射流 Ｋ 水分離タンク Ｌ バルブ Ｍ 可変速モ−タ Ｎ 超高圧水ノズル Ｐ 超高圧ポンプ Ｑ 超高圧配管 Ｒ 圧力計 Ｓ 超高圧ＯＮ−ＯＦＦバルブ Ｔ テ−ブル Ｖ 真空ポンプ Ｗ 被加工物

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 超高圧水をノズルから射出して高速の噴
   射流を形成し、該噴射流を衝突させて被加工物を加工す
   るウォ−タ−ジェット加工装置において、前記ノズルを
   減圧可能な処理室内に配置し、該処理室に減圧用のポン
   プ手段を装備したことを特徴とする減圧ウォ−タ−ジェ
   ット加工装置。
2. 【請求項２】 超高圧水をノズルから射出して高速の噴
   射流を形成し、該噴射流を貫通させて被加工物を加工す
   るウォ−タ−ジェット加工装置において、前記ノズルを
   減圧可能な処理室内に配置し、該処理室に減圧用のポン
   プ手段を接続し、被加工物を貫通した前記噴射流を回収
   する回収管路を前記ノズルに対向させて開口させ、該回
   収管路に前記噴射流を前記処理室の外に導く回収手段を
   接続したことを特徴とする減圧ウォ−タ−ジェット加工
   装置。
3. 【請求項３】 請求項２の減圧ウォ−タ−ジェット加工
   装置において、前記回収管路に前記噴射流により作動す
   るジェットポンプを設け、該ジェットポンプの運転差圧
   が大気圧に対する前記減圧室の圧力差の少なくとも一部
   を負担することを特徴とする減圧ウォ−タ−ジェット加
   工装置。