JPS6020556B2 - 比較的圧縮し難い流体の細長い塊りを発射するための装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 穿孔し装填し爆発させ破砕する技術を包含する普通の岩
石破砕方法はいくつかの欠点を持つ。

穿孔し装填し爆発させる技術は騒音、ガス、塵、飛散す
る破片が生じるという欠点を有し、これは人間および機
械の双方が作業区域から避難しなければならないという
ことを意味する。破砕技術は岩石を破砕するに大きな力
を要し、かつ工具の損耗が著しい。最近１世芋間のあい
だ、トンネル掘り、採掘などの作業のため穿孔爆発技術
に代わるものを見出すに真剣な注意を払われた。

代りとする１つの技術は水その他の液体の高速ジェット
を使用して岩石体または鉱石体を破砕することからなり
、最も硬い岩でも破砕するに充分な高速の脈動的または
断続的な液体ジェットを作ろうとする数多くの装置が提
案されて来た。しかしながな今までの所は「ジェットを
使用する技術は前進速度、ェネルギ消費および全経費の
点で穿孔および爆発のような普通の技術と競争すること
はまだ不可能である。さらに、１０または２０キロバー
ルのように高い圧力にさらされる部品の疲労および大き
過ぎる作業騒音のような重大な技術的問題が残る。岩を
破砕し石炭のような軟質の岩層を鰹あい泥状化用の水で
飽和するための第２のむしろ古い技術は、岩に孔を穿孔
しそののちに孔を静力学的または動力学的に水で加圧す
ることを包含する。

この方法は、普通の液圧ポンプで実現できるまたは有効
に実現できる作業圧力が限界が存するので、硬い岩層に
は適用できない。これは特にポンプ送りする液体を通す
ために孔の中に導入される管のまわりで孔を有効にシー
ルしなければならない欧質の崩壊する岩またはひどく割
れ目のある岩に実際に適用することは困難である。これ
らの制限はいずれも穿孔および爆発と比べて方法を著し
く融通性のになものにする。この発明は、比較的低に圧
力で作動する装置を使用して岩などの硬い密な材料を破
砕できるようにする液圧破砕技術の改良に関する。

この発明の目的は、スラスト荷重の作用に抗しながら貯
蔵室に流体を供給することによって破砕に必要な運動量
すなわち流体の質量とその速度の積を発生させそして貯
蔵室内の流体のスラスト荷重の作用によって材料に対し
て押出すようにする上述の形式装置を得ることにある。

別の目的は、流体の押し出しすなわち発射を流体それ自
身によって制御するようにした装置を得ることにある。
さらに別の目的は、１蓮の「発射物」を迅速に発射する
ための繰返し式の銃を得ることにある。例として２つの
実施例を図示した図面を参照しながらこの発明について
以下に詳細に説明する。これらの実施例が単なるこの発
明の例示でありその各種変形が特許請求の範囲に記載の
発明の要旨の中で達成できることは明らかである。第１
〜５図に総括的に符号１０で示される銃は、破砕すべき
材料の中に予め穿孔された円筒形の旨の孔１２の中に、
流体ピストンすなわち流体柱量１の形状の流体を発射す
るに用いられる。

この発明に従って破砕できる材料としてや例えば岩「金
属鉱石、コンクリートおよび石炭をあげることができる
。旨の孔１２は普通の技術を用いて穿孔される。図示の
実施例において流体ピストンは水からなるが、別の流体
も使用できる。銃１川まシリンダ１３を有し、これはそ
の後端で後方ヘッド１４によって閉じられる。

駆動ピストン１５はシリンダ１３の中で往復動できる。
駆動ピストン１５および後方ヘッド１５は後方シリンダ
室１６を囲む。シリンダｉ３の前端の中には前方ヘッド
１７が取り付けられる。

前方ヘッド１７はシリンダから押し出されないようにい
くつかのセグメントからある締付リンダ２１によって押
さえられる。駆動ピストン１５および前方ヘッド１７は
前方シリンダ室１８を囲む。前方ヘッド１７の中にブッ
シュ２０がはめられ、これの中だ銃身１９が往復勤可能
に案内される。銃身１９は運動は、銃身上の後方拡大部
分２２によってまた銃身の前端上にねじ取付けられる止
めリング２３によって制限される。前方シリンダ室１８
に面する駆動ピストン１５の側部は環状段付きくぼみを
持つ。

この環状段付きくぼみは、内方環状室２４を直径の大き
い外方環状室２５をもつ（第４図）。環状室２４，２５
は中央ピン２６を包囲する。ピン２６はその前端に斜め
側面２７をもつ。拡大部分２２から後方に突出する銃身
の部分２８は、この後端に斜め内側面２９および斜め外
側面３０をもつ。拡大部分２２は環状面３１に接するよ
うに室２５の中へ押し込みでき、同時に後方銃身部分２
８は室２４の中へ押み込みできる。前方シリンダ室１８
は銃身１９の中へ送られる以前に流体のための貯蔵室を
構成する。

銃身は通路３２を通して貯蔵室に供給される。通路３２
はホース３３を介して高圧ポンプ３４に連結される。前
方シリンダ室１８は環状室３７を備える。

環状室３７は拡大部分２２のための減速室として作動し
、よって銃身１０はその前向き運動の終りに液圧的に減
速される。後方シリンダ室１６には圧縮空気またはちつ
素などのような圧縮気体が装置される。圧縮気体は駆動
ピストン１５に作用し、これはこのスラスト荷重を貯蔵
室１８の中の流体に伝える。シリンダ室１６は後方ヘッ
ド１４の中の連結ニップル３５によって圧縮機などのよ
うな圧力源に連結できる。第１〜５図に示す銃の作動は
次の通りである。

第１図において、駆動ピストン１５および銃身１９は、
銃身の旨の孔１２に向けたときの位置にあるとして図示
される。調節が完了するとポンプ３４が始動され、それ
によって流体が通路３２に供給される。液体圧力が拡大
部分二２上の環状表面３６（第２図参照）に作用する。
次いで銃身１９および駆動ピストン１５が後方シリンダ
室１６の中の気体弾性体の作用し、抗しながら後向きに
押される。すなわち、液体が貯蔵室内の流体に作用する
スラスト荷重に効果に抗しながら貯蔵室１８へ連続的に
供給される。僅かに変位したのちに拡大部分２２が減速
室３７から離れ、これは流体圧力が駆動ピストン１５に
も直接作用するということを意味する。銃身１９および
駆動ピストン１５が後向きに押される際に、後方シリン
ダ室１６内で気体が圧縮され気体の中にェネルギが貯蔵
される。止めシリンダ２３が前方ヘッド１７で引きとめ
られると銃身は連続して後向きに移動しないように押さ
えられる（第２図）。その後は駆動ピストン１５だけが
後向きに押される。拡大部２２が室２５から離れると流
体はこれの中に流入できる。その後間もなく銃身の後方
部分２８が室２４から離れ、これによって流体はこの室
にも流入できる。しかしながらピン２６がまだ銃身を閉
じているので流体は銃身の中へ送られることはない。流
体が室２４の中へはいると銃身１９は前向きに押される
。銃身が僅かに移動したのちにピン２６が銃身の開孔か
ら離れる。第３図は流体が銃身の中へ送り始められたと
きの位置を示す。銃身１９は次いで迅速に前向きに駆動
され、かつ部分２２が減速室３７に達したときに減速さ
れる（第４図）。

かくして流体は貯蔵室１８の中の流体に作用するスラス
ト荷重によって銃身１９を通して押される。銃身１９の
中で流体は流体ピストン１１として形成される。流体ピ
ストンは、凝集した長目の塊状体として加速され、かつ
旨の孔１２に向けられこれの中へ発射されてこの孔の底
を衝撃する。第５図は駆動ピストン１５の減速が開始さ
れたことを意味するピン２６が銃身の開孔に達した位置
を示す。

シリンダ１８の中の残留流体は駆動ピストン１５を綾圧
的に減速させるに使用される。駆動ピストンｉ５のはね
返りを阻止するため「残留流体は環状室２４，２５を介
してピン２亀と銃身１９の関孔の間の環状間隙を通って
押し入れられるべきである。駆動ピストンの中に貯蔵さ
れるェネルギに対しておよびシリンダ室１８と環状室２
４，２５の中の残留流体の量に対して環状間隔を適当に
適応させることによって、駆動ピストンはおだやかに減
速される。第１図は発射ののちの最初の位置を示す。銃
身１９と駆動ピストン１５の間の間隙は銃の作動に対し
極めて重要である。

上述した作用を得るためには、ピン２６の斜め面２７と
銃身の斜め面２９の間の間隙は、銃身の斜め面３０と環
状室２４の外面の間隙より小でなければならない。さら
に後者の間隙は拡大部分２２と環状室２５の外面の間の
間隙より小でなければならない。これによって「流体の
流れ方向について流れの連続的に増大する絞りが得られ
る。例えばピン２６を短く作ることによってピン２６と
銃身の関孔の間の間隙を大きくすると「銃は２個の「発
射物」を発射するように設計でき、この際に第２発射物
は第１のそれのすぐあとに続く。

これは銃身が減速室３７内で減速される以前に駆動ピス
トン１５が銃身青９と達するという事実に困る。銃身に
達すると駆動ピストンはこれに衝撃を与え、よって駆動
ピストンと銃身はもう１度離れる。利点として銃は繰り
返し形式の銃として設計される。

その時にホース３３は連続運転ポンプに連結される。銃
身１９および駆動ピストン１５が第２図に示す位置に達
すると、次のポンプ行程が「発射物」を作る。ポンプは
次の「発射物」の発射またはそれの繰返しがすむまで連
続的に運転される。故に、前の「発射物」のすぐあとに
次の「発射物」が後続するような１蓮の「発射物」が孔
の中へ発射される。最初の「発射物」は孔の底を衝撃し
て割れ目を作り、つぎの「発射物」は割れ目を材料の自
由表面６蟹または５１まで広げるであろう（第富図参照
）、ポンプが運転されるあいだ１運の「発射物」が操作
者の作業ないこ自動的に発射されるということは、強調
すべき事柄である。発射される流体の量は「銃身亀９の
後方位置を決定する止めリンク２３によって容易に変え
ることができる。

第１１図は第１〜５図の実施例の前方部分の変形を示す
。

前方ヘッド１７′は銃身１９のほぼ最外方位層まで前向
きに延ばされる。延ばされた前方ヘッド１７′には延長
銃身６２がねじ取付けされる。延長銃身５２の内径は銃
身１９のそれに実質上等しい。延長銃身６２は、孔１２
に対する銃身の真直配層を容易し、し、かつ銃身１９と
岩石の接触を阻止することによって可動の銃身１９を機
械的破損かれ保護する保護部材の役をする。孔１２が水
で充たされる額向をもつ場合には、発射以前に関孔を排
水することが望ましいであろう。この目的のためフード
５３が前方ヘッド１７′にねじ取付けできる。圧縮空気
が入口５４を通ってフード５６の中へ送られ前方ヘッド
亀７′の中の通路５５および延長銃身５２を介して孔１
２の中へ吹き込まれる。総括的に符号４０で示され第６
〜９図に図示される銃の実施例において、銃身１９は前
方ヘッド１７に固く連結される。

棒４１は駆動ピストン１５に対して変位可能に案内され
る。棒４１と駆動ピストンも５の間の相対変位は、棒４
１にねじ取付けされた止めリング４２と棒４１の拡大部
分４３によって制限される。駆動ピストン１６は拡大部
分４３を収容する寸法をもつ環状室４４を備える。拡大
部分４３からピン４５が突出する。前方ヘッド１７は拡
大部分４３およびピン４５に対応するくぼみを備え、こ
のくぼみは環状室４６および円錐室４７を持つ。第６〜
９図に示す銃の作動は次の通りである。

第６図において、駆動ピストン１５において棒４１は銃
身１９を孔１２に対して真直配暦に調節した際の位置に
あるとして図示される。調節が完了すると「ポンプ３４
が始動されこれによって流体が通路３２の中へ送られる
。流体圧力は環状溝４８によって駆動ピストン１５の表
面にわたって一様に分布される。駆動ピストン１５が僅
かに変位したのち、流体圧力は駆動ピストン１５の全面
積に作用する。相続く流体の送入の際に駆動ピストン１
５は気体弾性体１６によって生じるスラスト荷重の作用
に抗しながら後向きに押される。棒＆薫を第６図の位置
にとどめるため、流体圧力が通路４９を介して伝えられ
て棒４１の拡大部分４３の環状後面に作用する。駆動ピ
ストン１５が止めＩＪング４２に到達すると（第７図）
、棒４１の部分４３，４５が流体の連続供給によってヘ
ッド１７のくぼみ４６，４７から引き出される（第８図
）。

次いて、貯蔵室１８の中の流体に作用するスラスト荷重
によって流体が室４６，４７を通って銃身１９の中へ押
し込まれる。榛４１は拡大部分４３における圧力差によ
って第８図に示す位置にとどまる。第９図は駆動ピスト
ンが棒４１の拡大部分４３に蓬した位置を示す。

駆動ピストン１５は減速室４４内の流体によってまた貯
蔵室１８内の残留流体によって減速される。駆動ピスト
ン１５のおだやかな減速を得るため、またこれのはね返
りを防止するため、環状室４４と拡大部分４３の間の間
隙は拡大部分４３と環状室４６の間の間隙より大にすべ
きである。さらに後者の間隙はピン４５の円筒丈前端と
銃身の開孔の間の間隙より大にすべきである。これによ
って流体の流れ方向における流体の連続的に増大する絞
りが得られる。必要な場合、駆動ピストン１５内に包ま
れる容積部分は棒４１内の通路（図示なし）を通して排
出できる。

かくする代りに駆動ピストン１５はこの中空部をもたな
いように設計できる。この場合圧縮気体は駆動ピストン
および榛４１に対して作用する。この出願人の出願に係
るスェーデン国特許出願第７５１０５５９−３号明細書
には、正確な破砕を得るに必要な条件が述べられている
。

しかしながらこの理論は液体柱と孔の底の間に包囲され
る空気の圧縮によって生じる効果を考してない。この効
果を調べるため模擬穿孔の中の圧力が調査された。第１
０図には線図上にとった圧力が示される。最目の塊状体
の形状をなす水が２３の仇の直径をもつ深さ５００ｍｍ
の鉄管の中に押し入れられた。管の底は閉じられている
。第１〜５図に示す形式の銃が使用された。流体柱が管
の底を衝撃したときの液体柱の全長は約８００ｍｍであ
った。底に対する衝撃速度は約１７０机／秒であった。
管の直径と管の内径の比は０．９５６であった。孔の底
に発生するいわゆる液体衝撃圧すなわちＰ＝ｐＣＶ（こ
こでｐは液体の密度、Ｃは液体の中の音速、Ｖは液体が
孔の底を衝撃するときのこの液体の速度）は約２．４ｋ
戊ｒ（第１０図におけるＰ，）になった。第１０図に示
すように実際の圧力はこの液体衝撃圧より高い。この差
はおそらくは、管の中の水柱によって圧縮される空気の
爆発的膨張によって起る。経過の高速撮影によれ‘よ、
水柱が孔の底を衝撃するときに圧縮された空気が水柱の
中に吸収され分布されることが示される。圧縮された空
気の膨張ェネルギは水柱の中に貯蔵されるェネルギに重
ね合めされる。かくして、穿孔の中の包囲された空気の
可能な圧縮が特に破砕に必要な割れ目の発生に関して破
砕処理に有効に作用することは明らかである。第１０図
に示した圧力の時間的経過において、管は水がこの管の
底に打ち当るときにこの管が破壊されない程度に強固な
ものあった。実際には圧力線図はさらに複雑である。特
に、材料における自然の割れ目の生起は空気の圧縮の効
果を低減させ時には実質上完全に打ち消す。さらにこの
効果は液体柱と孔の間の相対面積比が小さいときに多滅
する。この出願人の出願に係るスヱーデン国特許出願第
７５１０５５９−３号明細書には、指向性破砕効果を得
るために割れ目の進行を種種の方向で侵勢に生起させる
方法が記載されている。

この世願に係る銃はスェーデン国特許第７５１０５５９
−３号明細書に記載された形式のさく井装置の普通のさ
く岩機と共に有利に取付けできる。このようなさ〈井装
置において銃およびさく岩機は「送り棒のたて方向に移
動できるように或いは送り棒に平行な鯛線のまわりを回
転できるようにこの送り棒に配置できる。上述した装置
によってくつかの実験が行われた。

例えば約１の×１机×１凧の寸法の石灰岩および黒鉛の
ブロックが第１〜５図に示す銃によって破砕された。２
３ｍｍの直径をもつ深さ５００ｍｍの旨孔がブロックに
穿孔された。

銃身の長さは３００の凧であった。長さ約８００ｍｍの
凝集した水柱が孔の底に向けて押し出された。水柱の衝
撃速度は約１７０仇／秒、その運動ェネルギは約６キロ
ジュールであった。ブロックの不均質性に対する孔の方
向に依存して、ブロックを完全に破砕するまでの「発射
物」の個数が一般に１から３までの間で変化した。第１
の「発射物」によって生じる割れ目が自由表面に達しな
かったときには、後続の「発射物」によって割れ目がさ
れに進行させられた。図示の実施例において流体ピスト
ンすなわち流体柱は予め穿孔された孔の中へ押し込まれ
た。

この作業方式は最上の効力をもつ。しかしながら或る場
合には破砕はこれら孔なしに遂行できる。このような場
合、銃は望ましくは適当ら方法で材料の形状に対し指向
されるべきである。しかしながらこの作業方式は作業者
の熟練を大きく必要とする。貯蔵室から銃身の中への流
体の送りは、それ自身の制御回路を持つ普通の弁によっ
て制御されるようになっていてもよい。

別の実施例いおいては、銃身への流体の送りが貯蔵室内
の圧力によって制御される弁装置に調整され、この際に
圧力が或る値を越えると弁装置が作動しなくなる。

かかる弁装置は圧力によって裂ける破裂板でよい。特に
弁装置は爆薬を収容したカプセレで作られてもよい。こ
の発明による流体の運動量を発生する方法は流体の高速
ジェットご発生するための装置に一般に適用でき故にこ
の装置に使用できる。

図面の簡単な説賜 第１図から第５図は種種の作動段階におけるこの発明に
よる装置の縦断面図、第６図から第９図は種種の作動段
階におけるこの発明による別の実施例の縦断面図、第１
０図は模擬穿孔の中の圧力の時間的経過を示す図、第１
１図は第１図から第５図までの図に示す実施例の変形を
示す図である。

図面において、１１は流体の塊状体（流体ピストン、流
体柱）、１２は穿孔された孔（貢孔）、１５と１６はス
ラスト荷重を作用させる装置（１５は駆動ピストン、１
６は圧縮気体弾性体）、１９は銃身、２２はバルブ装置
の１部（拡大部分）、２３は止め装鷹（止めリング）、
２８はバルブ装置の１部（後方銃身部分）、４１は棒、
４２は限界止め（止めリング）、４３はバルブ装置の１
部（拡大部分）、４５はバルブ装置の１部（ピン）を示
す。

器’図 発ｚ図 第３図 発く図 第５図 兼６図 紫フ図 第８脚 嫌９図 弟’０図 糸’’図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加圧流体を貯蔵するための貯蔵室、貯蔵室に加圧流
   体源を連結させるための連結手段、貯蔵室から受けた流
   体を細長い凝集した流体の塊りに形成するための、貯蔵
   室に連結された銃身・貯蔵室と銃身の間に連結された、
   ２つの協同する部材を包含する弁装置・弁装置によつて
   貯蔵室と銃身の間の通路を急激に開かせるための弁作動
   手段および、貯蔵室からの流体を、細長い凝集した流体
   の塊りとして、銃身から吐出できるようにする吐出手段
   、を有し、弁作動手段が、弁装置の前記の２つの協同す
   る部材を相対的に加速させるための加速手段を備え、前
   記の協同する部材が予め定められた距離だけ相対的に動
   いたのちにだけ前記通略を開くように、弁装置が構成さ
   れている、ことを特徴とする比較的圧縮し難い流体の細
   長い塊りを発射するための装置。 ２ 予め定められた量の流体が貯蔵室に供給されたとき
   に弁装置を急激に開かせるため、弁作動手段が、貯蔵室
   に供給された予め定められた量の流体に感心する感心手
   段を、さらに包含する、特許請求の範囲第１項に記載の
   装置。 ３ 貯蔵室内の流体にスラスト負荷を作用させるための
   駆動ピストンと、駆動ピストンに偏倚負荷と作用させる
   ための偏倚負荷作用手段とを有する、特許請求の範囲第
   １項に記載の装置。 ４ 偏倚負荷作用手段が、気体の弾性からなる、特許請
   求の範囲第３項に記載の装置。 ５ 銃身が、流体の塊りの駆動方向に、貯蔵室に対して
   移動できる、特許請求の範囲第３項に記載の装置。 ６ 弁装置の前記の協同する部材が、銃身および駆動ピ
   ストンにそれぞれ組合わされる、特許請求の範囲第４項
   または第５項に記載の装置。 ７ 駆動ピストンおよび銃身が、貯蔵室へ流体を供給す
   る際に、駆動ピストンの作動方向と反対のうしろ向き方
   向に共に動くように、配備され、駆動ピストンが、この
   駆動ピストンと銃身の前記したうしろ向き方向への同期
   運動の際に銃身と流体密に協同するための、密閉手段を
   備え、銃身および駆動ピストンが、弁装置の前記の協同
   する部材を形成する。 特許請求の範囲第５項に記載の装置。８ 弁装置の開き
   を開始させるために、銃身のうしろ向き運動を阻止する
   ための、止め手段をさらに包含する、特許請求の範囲第
   ７項に記載の装置。 ９ 弁装置が開く以前に貯蔵室へ供給される流体の量を
   調節できるようにするため、止め手段が、銃身に対して
   軸線方向に調節できる、特許請求の範囲第８項に記載の
   装置。 １０ 流体の塊りの駆動方向に予め定められた距離だけ
   銃身が動かされたときに貯蔵室内の流体によつて銃身を
   液圧的に遅らせるため、銃身が、貯蔵室内の液体と協同
   する手段を包含する、特許請求の範囲第６項に記載の装
   置。 １１ 弁装置が、座弁形式であつて、弁座から後方へ突
   出する要素を有し、この要素が限定止めを備え、駆動ピ
   ストンが受け面を備え、限定止めおよび受け面が、弁座
   から弁装置を持上げるために、駆動ピストンに作用する
   偏倚負荷に坑する駆動ピストンの予め定めれた運動のの
   ちに協同するように、配備され、駆動ピストンの前記の
   予め定められた運動が、貯蔵室への流体の流入によつて
   達成される。 特許請求の範囲第１項に記載の装置。１２ 弁装置が、
   座弁形式であつて、弁座から後方へ突出する要素を有し
   、この要素が限定止めを備え、駆動ピストンが受け面を
   備え、限定止めおよび受け面が、弁座から弁装置を持上
   げるために、駆動ピストンに作する偏倚負荷に抗する駆
   動ピストンの予め定められた運動ののちに、協同するよ
   うに配備され、駆動ピストンの前記の予め定められた運
   動が、貯蔵室への流体の流入によつて達成される、特許
   請求の範囲第２項に記載の装置。