JPS609199B2 - 流体ジェット流切削装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、切削用の高速液体ジェットを供与する方法及
び装置に関する。

さらにくわしく言えば、切削作用を改良するために、液
体ジェットの集東を改善する手段に関している。種々の
材料を切削し穿孔し或は研磨する手段として液体ジェッ
トを使用することは、古くから知られている。

例えば水力採鉱を実施するとき、岩石層、石炭層等を切
削するために高圧液体ジェットが用いられる。の分野に
おける先行技術の代表的なものとしては、米国特許８７
８２０８号（キルシュニオク）、米国特許１５３０７６
８号（ハーク）、米国特許１８５６８３６号（ホーウェ
ル）、米国特許２０１８９２６号（シュレーパー）、米
国特許２３０４１４３号（ビゲロー）、米国特許２５１
８５９１号（アストン外）、米国特許３１０４１８６号
（リンドバーク）、米国特許３１１２８００号（ボボ）
、米国特許３２０３７８６号（アンデルセン）「米国特
許３３２６６０７号（ブック）、米国特許３３３１４５
６号（ビットマン）、米国特許３３７５８８７号（グッ
ドワイン外）「米国特許３４１９２２び号（グッドウィ
ン外）、米国特許３５２８７０４号（ジョンソン）、米
国特許３５３６１５１号（アーラップ入米国特許３５５
４６０２号（シャネィ）、米国特許３５７２８３叫号（
オカべ）、及び米国特許３７９９６１５号（タィラー外
）が挙げられる。又先行技術としては、超高速の脈動液
体ジェットを作り出す色々の装置が知られている。

脈動ジェットを供与する理由の一つは、安定した状態の
流れに関して同様の装置において得られるよりも比較的
高圧が得られるからである。このような装置の典型的な
ものは、米国特許２５１２７４３号（ハンセル）、米国
特許２６６５０５２号（スタントン）「米国特許３３４
３７９４号（ボィッェコフスキー）、米国特許３４９０
６９６号（クーレィ）、米国特許３５１４０３７号（マ
クドナルド）、米国特許３５２０４７７号（クーレイ）
、米国特許３５２１８２０号（クーレィ）、米国特許３
５３９１０４号（クーレィ）、米国特許３６５３５９６
号（アブラムス）、米国特許３７０４９６６号（ベツク
）、米国特許３７２９１３７号（コップ外）、米国特許
３７４６２５６号（ハール外）、米国特許３７４８９６
３号（ゴッドフリー）及び米国特許３７８４１０３号（
クーレィ）が挙げられる。別なノズル形状を示す先行技
術の特許の代表的なものとしては、米国特許３７０９６
１号（フランツ）がある。近年において、実質的に一秒
間３６６肌或は実質的にそれ以上の速度において液体ジ
ェット流を実質的に定常的に送出することのできる高圧
増強機に関する開発作業が行なわれた。

このような装置は米国特許３８１１７９５号に示されて
いる。このような装置の実際的な応用の一つとしてジェ
ット切削があり、これによれば数百分のーィンチ乃至実
に数千分のーィンチの間の微小な直径を有する液体ジェ
ットが用いられ、木材、織物、砂岩等の色々の材料につ
いて細い切片を切出すようにする。通常、このような比
較的小さい、非常な高速の液体ジェットを用いる形式の
液体ジェット切削は〜当然精密作業であるので、主な配
慮事項の一つは「液体ジェットの不適切な拡散を避ける
こと、すなわち積極的に言えばより多く整合され（ｃｏ
ｈｅｒｅｎｔ）或は集東されたジェット流を供与するこ
とである。このような集東されたジェット流の利点はい
くつかあるが「例えばより効率的に切削されること、よ
り細い切片を切削すること、切削面上によりよい仕上げ
状態が得られること、切削される材料がひどく濡れてし
まうことを避け得ること、等が挙げられる。出願人が知
っている限りにおいては「ジェットの拡散を避けようと
する怒力の大部分は、ノズルの形状を改善し、ノズルの
関口に至る、注意深く形取られた収数する表面を与える
ことに向けられてた。こような試みの一つは、米国特許
３７５６１０６号があり、これによれば、上述したよう
な、比較的精密な切削作用をする。超高圧液体ジェット
を作り出すことのできる、特殊な形状のコランダムの結
晶体が示されている。このように、先行技術としての液
体ジェットによる切削装置の主要な組成は、高圧液体源
と、液体を切削区域まで運ぶ導管装置と、この導管装置
から高圧液体を受入れて小直径の高速切削ジェットとし
てこの液体を排出させる、注意深く作り上げられ及び／
或は形取られたノズル集合体を含むものであった。本発
明は、前述したような、通常の液体ジェット切削装置に
対する改良を含むものであり「高圧液体源（例えば高圧
増強機）と、この液体を液体源から切削が行なわれる場
所まで運ぶようにする導管手段と、この液体を小直径の
高速ジェットとして送出するようにする適宜なノズルと
を有している。

この改良は、液体ジェットの集東（ｃｏｎｉｍａｔｉｏ
ｎ）及び整合（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）を強化し、それに
よって、切片の中を狭くすること、切削面の仕上げを改
善すること、濡れる度合いを少くすること〜生産性及び
切削速度において向上させること等の面において改善を
行なうものである。

この改良は、導管装置とノズルとの間に介在して連結さ
れるハウジング手段を含み、このハウジング手段が、ノ
ズルの直前の上流位置にあって導管手段から液体を受入
れてノズルに対して直接流体を送り込むようにする流れ
集東室を設定しており「 この流れ集東室は、ノズルの
排出閉口の断面積に対して少くとも１００倍以上の断面
積を有している。なるべくは集東室の断面積はノズルの
２０“音以上として方がよい。前記の割合が４０ぴ音或
はそれ以上となれば改良の程度はより大きく、１００の
音或は１４０Ｍ音となればさらに改良が進むことになる
。この割合が１４０Ｍ音以上になれば、流れの整合に関
する実質的な改良は見出されなかった。このような集東
室を使用してジェット流の改良された整合を達成すると
いう現象は、充分には理解されないかも知れないが、こ
の現象の少くとも部分的な説明として、次のような妥当
な仮説を樹て得る。しかしながらこの仮説の正確さ、或
は妥当性とは無関係に、本発明は、ジェット液中の集東
を改良して切削作用を大中に向上させる新規にして有用
な装置及び方法を実際上供与するものであることが理解
されるできである。この仮説によれば、液体ジェット流
の拡散に影響する要素の一つは、液体流中における乱流
であると考えられる。

この乱流は非常に小さな、液体中における渦流であって
、これがジェット流の表面における液体とジェット流に
隣接する空気の境界との間における、大きな相互作用を
作り出すということが考えられる。この結果として液体
はそれを取巻く空気中に拡散することになるのである。
乱流の主要な勢力源が、ノズルの形状及びノズルに至る
収数する壁面の輪郭にあることが認識されている。又ノ
ズルの上流にある液体の流れ特性が、液体の乱流に影響
し得るということもわかっている。従って、導管装置の
横断面積は、通常ノズルの排出閉口の横断面積に対して
数倍大きく、時にはもっと大きくされてきた。しかしな
がら先行技術においては、導管中の流れの断面積がノズ
ルの断面積の１０の音の大きさに近づけば、それ以上断
面積を大きくしても特別の利益は得られないものと思わ
れていた。さらに液体が非常に高圧になる場合（すなわ
ち３４７ｋ９／均或はそれ以上）には、導管中の流れ通
路の直径が適切な限度に維持され劉まならないという、
設計上配慮すべき問題がある。

高圧導管中における液体の力は、通常導管の長手方向中
心軸を含む平面に沿って導管を半分づつに割ってしまう
懐向があり、その力は導管中の液体の流れの断面積の直
接に比例するので、流れの通路の直径の増加は、導管を
強い力に抵抗させるために、対応して壁の厚さを増大さ
せる結果となる。別の言葉でいえば、導管通路の直径が
倍になれば、導管の壁の厚さを倍にするか、或はその代
りとして、導管が高圧液体の噴出力に抵抗し得るように
導管の能力を倍増する他の装置を設ける必要がある。本
発明の仮説に話を戻す。排出ノズルの直前の上流におい
て、液体がノズルの断面積に比して、先行技術の表示す
るところより実質的に大きい断面積を有する流れの室を
通って出るようにされるならば、この室を通ってノズル
にはいる液体中において乱流の減少が起り、この乱流の
減少が、液体ジェットの集東或は整合特性の実質的な改
良をもたらす。しかしながら上述したように、この仮説
の正確さとは無関係に、この現象は存在する。前に触れ
たように、本発明においてこの室は、上記の現象と関連
して「集束室」と呼ばれ、以下の詳細な説明においても
この言葉で言及される。他面本発明によれば、液体ジェ
ットの作動を強化する、特別のノズル形状が供与される
。このノズル集合体は、ノズル素子或はノズル口（すな
わち液体排出開口を有する素子）を収容する対向孔を有
している。このノズル素子を囲んで、プラスチック等の
適宜な、緩徐に変形される材料より成るリングが取付け
られている。このリングは、ノズル素子の周囲に付けら
れ、ノズルハウジングの対向孔中に押し付られ、リング
とノズル素子の液体に触れる表面が、作動液体の高圧に
さらされるようになっている。ノズル素子の反対側の表
面は、ノズルハウジングの凹所、すなわち対向孔の底部
に押し付けらる。この取付リングは三つの作用を行う。
第一にこれは、ノズル素子のまわりにおいて、半径方向
内側に向う均一な圧力を生じさせる。第二に、対向孔の
横方向表面と、ノズル素子の横方向表面との間において
、許容公差に対する要求を少なくさせる。第三には、こ
のリングは、超高圧の下において、ノズル素子と、ノズ
ル素子が設置される対向孔の底壁との間において適切な
密封体を供与する。ノズル集合体の後部の面は、後方に
傾斜する円錐面をなし、この円錐面は、集東室を限定す
る主ハウジングの、対応する円錐面に対して押し付けら
れ、その間において密封体を形成する。第１図を参照す
れば「 ジェット切削装置が数字１０で示されへ この
装置は電動機１２を有し、この電動機が水力ポンプ１４
を動かし、さらに高圧増強ユニット１６へ作動流体を供
給する。

この増強機１６は、貯槽１８のような適宜な流体源から
液体（すなわち水）を引寄せ、その水を超高圧で導管２
０を通って排出する。導管２０の排出端には、排出集合
体２２があり、これが超高速、小直径の液体切削ジェッ
トを供与する。この排出集合体２２は、第２図において
より詳細に示されており、一般的に円筒状の伸長する主
ハウジング２４を有し、このハウジングはノズル集合体
２６に連結される前部排出口と、連結子２８‘こよって
導管の排出端部に連結される後様部とを有している。

連結子２８は通常の設計に係り、従ってこ）では簡単に
述べるに止める。連結子２８は、導管２０の排出端部に
ねじ込まれている内側カラー３０を有している。このカ
ラーすなわちスリーブ３０を取囲んで、第二のスリーブ
素子３２があり、このスリーブ素子３２は、ハウジング
２４の後部に形成された凹所すなわちソケット３４中に
ねじ係合をする雄ねちを有している。内側スリーブ３０
の後端部と係合する、内側に伸長する唇状部３８を有す
る頭部分３８が、スリーブ３２の後端部に剛性的に連結
されている。外側スリーブ３２を凹所３４にねじ込むこ
とにより、導管２０の前部傾斜端部４０は、ソケット３
４の直前にある。ハウジング２４中の対応する円錐型傾
斜面４２に対してしっかり押し付けられる。この傾斜面
、すなわち傾斜凹部４２は、長手方向の流路４４中に開
かれる。流路４４は、導管２０中の流路４６と同じ大き
さで且つ整合するようになっており、従って導管２０の
前方伸長部をなしている。流路４４は、主ハウジング２
４１こよって限定される、伸長する円筒状集東室４８に
つながっている。

次にこの集東室は、ノズル集合体中に形成された、小直
径のノズル関口５０と直接に通稀せしめられている。既
述したように、ノズル閉口に対するこの室４８の関係は
、本発明において特別の重要性を有するものであり、従
って以下に述べる本発明の作用においてさらに詳細に討
議される。前述のノズル集合体２６は、長手方向に通る
閉口５３と後方の取付け部分５４とを有するノズルハウ
ジング５２と〜前部のキャップ部材５８中にゆるくはめ
込まれている、前部伸長杵５６とを有しいる。このキャ
ップ部材は、ハウジング２４の前方端部中にねじ込まれ
てノズルハウジング５２に対して押し付けられ、そのた
めノズルハウジング５２の後部傾斜円錐面６川ま、ハウ
ジング２４の対応する表面６２に対して密接し、ノズル
ハウジング５２とハウジング２４との間における密封体
を形成する。ノズルハウジングの後部中央部分には、円
筒状凹部すなわち対向孔６４が形成され、この対向孔中
にはノズル素子、すなわちオリフィス６６が取付けられ
、このオリフイス６６中に、ノズル排出開口５０が形成
されている。

ノズル素子６６は、それ自体は通常の設計によるもので
あり、円筒状の形状を有し、適宜な材料、例えばサファ
イアで作られる。ノズル関口５０の入口を限定する「
ノズル素子６６の後端部は、なるべくは堰を削るように
、ごく僅かだけ丸められた直角端部とした方がよい。ノ
ズル素子６６を囲み且つそれに接触して、緩徐に変形さ
れるプラスチック材料より成る取付リング６８がある。

このリング６８は、空所６４の側壁及びノズル素子６６
の側壁によって形成される環状凹部に押し付けて取付け
られる。ノズル集合体２６が集東室４８中の液体によっ
て非常な高圧にさらされると、ノズル素子６６とりング
６８の後部の、圧力にさらされる表面に対して圧力が加
えられ、その圧力により取付リング６８は実質的に均一
の圧力をもってノズル素子６６に対して半径方法に内側
に押し付けるようにし、そのため内部の圧力がノズル素
子６６を割るか、或いはそうでなくても損害を与る傾向
を減少させる。又ノズル素子６６の前面が、ノズルハウ
ジング５２中の対向孔６４の底部表面に押し付けられる
ので、取付リング６８は、ノズル素子６６とノズルハウ
ジング５２の係合面に対して、そのような係合面におい
てリングが突出することなしに密封体を供与する。次に
本発明の作用について述べる。

高圧増強機１６は、水等の液体を、充分な高圧（すなわ
ち１３８８〜６９４０ｋｇ／の）で、導管２０を通じて
排出集合体２２まで送り出し、比較的細い液体ジェット
を作る。すなわちジェットの直径は０．０２５〜０．０
０１７肌までのものが現在考えられている切削作業に用
いることができる。入力がより高い切削作業においては
、液体ジェットの直径は、それよりや）大きくすること
ができる。放射される液体ジェットは、充分な高速（少
なくとも一秒間略３０５の、さらに望ましくは一秒間１
０１５の程度）有し、所望の材料を切削する。液体は、
導管２０の通路４６を通って流れ、ハウジング２４の後
部にある連絡通路４４に入り、それから拡張された集東
室４８中に入る。

こ）で示される特別の実施態様においては、流れの室４
８の直径（第３図においてＱとして示されている）は、
流れの通路４６一４４の約２倍であり、従って流れの室
４８の断面積は、通路４６−４４の４倍となる。そのた
め、室４８を通って流れる液体の速度は、通路４６−４
４中の速度の４分の１である。液体は室４８の前端部か
ら直接にノズル関口５０中に入り、液体ジェット流とし
て排出される。このジェット流は第３図において７０と
して示されている。液体ジェット流はノズルハウジング
の閉口５３を通って自由に流れ、通路５３の側壁に接触
することがない程度まで集東される。ノズル関口５０の
藤線方向の長さは、前述した強大な集東室中の圧力に対
抗し得るノズル素子の材質、厚さによって制約される。
室４８の直径ａが、ノズル閉口５０の直径の１０倍以上
大きい時には、すなわち室４８の断面積がノズル関口５
０の１０ぴ音以・上となる時には、ジェット流の集東が
実質的に改善されることがわかった。

その結果として液体ジェット流の切削作用の実質的な強
化がなされた。前記の直径ａがそれ以上増大し、室４８
の断面積がノズル５０の４００倍以上、或は１００折音
から１４０の音‘こまで達すれば、ジェットの集東につ
いてさらに大きな改善が達成されるが、１４０の音を超
えれば実質的な改善は認められない。この現象は、冒頭
において詳細に論議したとおりである。上述したように
造られる装置の実例においては、ノズル５０が０．２５
肌の直径を有し、流路４４が３．２側の直径を有し、集
東室４８は、‘１１直径６．３５肋、（２’直径９．６
柳、糊直径の３種類のものが作られた。

集東室の直径が６．３５伽に形成されたもでは、先行技
術のものに比して大中な改善が得られた。集東室の直径
が８分の３インチのものではさらに大きな改善が達成さ
れた。しかしながら直径が１２．７側の場合には、この
特別の装置においては、直径が９．６側の場合に比して
大きな改善は得られなかった。前述した特別のノズルの
組合せにおいては、／ズル素子６６と取付リング６８と
が高い液体圧力の下で不均等に押し付けられる傾向があ
り、その結果として素子６６とＩＪング６８との接合線
において潜在的な乱流の源泉を生ずる。

しかしながら、ノズル素子６６の直径が、ノズル関口５
０の直径の少くとも７倍以上、望ましくは１Ｍ音以上で
あるならば、この潜在的な乱流の源泉は、ノズル開口５
０を通る液体ジェット流の集東には殆ど影響しないこと
がわかっている。上述した実施態様においては、第２図
においてｄとして表示される。室４８の長さは、室４８
の直径の約１ぴ音であって、このようにすれば、この集
東室の所期の機能を達成するに充分であることがわかっ
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による液体ジェット切削装置の側面図
である。 第２図は、本発明による集東ハウジング及びノズルを、
一部断面をもって横方向から見た図面である。第３図は
、本発明による集東ハウジング及びノズル集合体の前部
を拡大した断面図である。１０…・・・ジェット切削装
置、１６・・・・・・高圧増強機「 ２０・・…・導管
、２２・・・・・・排出集合体、３０・・・内側カラー
、３４……ソケット、４４，４６……流路、４８・・・
・・・集東室、５０・・・・・・ノズル関口、５２・・
・・・・ノズルハウジング、６６……ノズル素子、６８
……取付リング。 ｍＩＧ。 ｎ爪山Ｇ。 ２ 押山■９３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高速の定常流液体ジエツト切削装置において、高圧
   液体源と、前記の液体が高速の液体切削ジエツトとして
   指向せしめられる、予め定められた断面積のノズル開口
   を有する高速ノズルと、該液体を前記の液体源から前記
   のノズルに送るようにする、高圧導管装置とを有する切
   削装置であって、 切削作用を改善するために液体ジエ
   ツトの集束を強化する改良であり、この改良が、 前記
   の導管装置と前記のノズルとの間に介在して連結される
   ハウジング手段を含み、このハウジング手段が、前記の
   ノズルの直前の上流にある、所定の長さにおいて伸長す
   る流れ集束室を限定し、前記の導管装置から液体を受入
   れて該液体をノズルに送るようにし、前記の集束室がノ
   ズル開口の断面積の１００倍以上の断面積を有している
   切削装置。 ２ 前記１による切削装置において、前記のハウジング
   手段の排出端部に取付けられるノズル集合体を含み、前
   記のノズル集合体が（イ） 前記の流れ集束室の前端部
   に取付けられ、ノズル素子取付け凹所を有しているノズ
   ルハウジングと、（ロ） 前記の凹所に取付けられ、排
   出用開口を有して前記の凹所の前方表面に接触するノズ
   ル素子と、（ハ） 前記のノズル素子を取巻き、ノズル
   と接触し且つ前記の凹所に押付けて取付けられる、変形
   し得る材料より成る取付リングとを有し、前記の流れ集
   束室中の高圧流体により、前記の取付けリングが前記の
   ノズル素子と前記のノズルハウジングとの間において密
   封体を供与し、且つ前記のノズル素子に対して、半径方
   向内側に向う、実質的に均一な圧力を作用させるように
   なっている切削装置。