(57)【要約】ノズルから噴射されるウォータージェットを用いて固体材料を加工する方法に関し、ここで、ウォータージェットは氷結晶を含有し、固体材料に衝突する。この場合、標準状態では気体である媒体が、加圧下（１‐１５０ｂａｒ）、混合段階で水中に溶解され、次に、１０００‐４５００ｂａｒまで圧縮され、溶解した気体媒体がノズルから離れた後に気泡と化す条件下でノズルを押し通され、その時に、溶解熱が水から奪われ、氷結晶が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルから噴射され、氷結晶を含有し、固体材料に衝突するウォータージェットを用いて該固体材料を加工する方法であって、標準状態では気体である媒体が、１‐１５０ｂａｒの圧力で水中に溶解され、続いて、１０００‐４５００ｂａｒまで圧縮され、溶解した気体媒体がノズルから離れた後に気泡と化す条件下でノズルを押し通され、その時に、溶解熱が水から奪われて氷結晶が形成されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記気体媒体の水中への溶解が、混合段階において、ガスシリンダー又は圧力カートリッジから前記気体媒体を１‐１５０ｂａｒの圧力で水中へ通すことによって、又は、前記気体媒体を含有するドライアイスペレットを水中へ挿入することによって実施されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記気体媒体の溶液中濃度、及び前記水の温度を調整することによって
、前記ウォータージェット内で形成される前記氷結晶の粒子分画及び粒子サイズが決定されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記気体媒体が二酸化炭素であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
ノズル（１３）から噴射され、氷結晶を含有し、固体材料（１４）に衝突するウォータージェット（２）を用いて該固体材料（１４）を加工するための装置であって、導入バルブ（５）と混合セクション（３）へ水を送液するためのポンプ（６）とを有する供給管（４）を含み、さらに、ポンプ（１１）を通して該混合セクション（３）と接続された容器（１２）、並びに該容器（１２）と接続されたノズル（１３）を含み、気体媒体が、圧力下、該混合セクション（３）の前又はその中において、該供給管（４）を通して該混合セクション（３）へ供給される水の中へ導入可能であり、水に溶解可能であることを特徴とする、装置。
【請求項６】
前記気体媒体が、前記混合セクション（３）へ配置された注入器（ｄｏｕｃｈｅ  ｇａｄｇｅｔ）（７）を通して水中へ導入可能であり、該注入器（７）が、特に、複数の出口を有するシャワーヘッドの形状に設計されていることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記気体媒体が、１‐１５０ｂａｒの圧力下、前記混合セクション（３）に対して上流側で水中へ導入可能であることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記気体媒体が、１‐１５０ｂａｒの圧力下、前記混合セクション（３）に供給され、前記水が、噴霧化によって供給されることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記気体媒体が、前記気体媒体を含有するドライアイスペレット（１６）によって水中へ導入可能であること、及び、前記気体媒体が、圧力下で水に溶解可能であることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項１０】
前記気体媒体が、特にガスシリンダー又はガスカートリッジの形態に設計されるタンク（８）に供給され、そこから、前記気体媒体を、供給管（９）を通して装置（１）へ供給することが可能であることを特徴とする、請求項５乃至８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記混合セクション（３）が、戻り管（１０）と接続されており、それを通して過剰の気体媒体を前記供給管（９）へ戻すことが可能であることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記水が、１０００‐４５００ｂａｒの圧力下、前記ノズル（１３）を押し通されることを特徴とする、請求項５乃至１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記気体媒体が二酸化炭素であることを特徴とする、請求項５乃至１２のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ノズルから噴射されるウォータージェットを用いて固体材料を加工するための装置及び方法に関し、該ウォータージェットは氷結晶を含有し、該固体材料に衝突する。
【背景技術】
【０００２】
ウォータージェット又はエアージェット、特に高圧下のものは、種々の固体材料をマニホールドの様なものに加工するために利用される。前記ジェットは、通常、狭いノズルから環境圧力へ膨張し、一次クリーニング、研磨、トリミング／ばり取り、塗装若しくは積層物の除去、ラッカークリーニングなどの表面磨耗工程、又は、材料及び被加工物の切削若しくはドリル加工工程に各々用いられる。また、細いウォータージェット又はエアージェットで塗料を選択的に除去することによって描画するものである「ネガティブグラフィティ（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｇｒａｆｆｉｔｉ）」などの芸術的な作業も可能である。
【０００３】
材料を加工するための公知の装置の例としては、例えば、ＤＥ１９８４９８１４（Ａ１）並びにＤＥ１９８４９８１３（Ａ１）に開示されており、ここでは、研磨材が供給される。ＤＥ１０２００４０４６０３０（Ａ１）より、ウェブを切断するための方法及び装置が公知であり、ここでは、氷結晶がウォータージェット内で形成される。この氷結晶の形成は、ノズル前の高圧セクションで二酸化炭素を混合することによって補助することができ、該二酸化炭素は噴射後に気化して、その際に、二酸化炭素の気化熱が水からエネルギーを奪うことになる。
【０００４】
しかしながら、材料の切削又はドリル加工のための公知の方法及び装置は、軟質材料の加工にのみ適している。スチールなどの硬質材料は研磨材によってのみ加工することができ、すなわち、ウォータージェットは、例えば、砂、コランダム、又は類似の研磨材などのような固体粒子を含有していなければならない。従って、例えば、砂が表面又はクラック内に残留し、入念に取り除かなければならない場合など、研磨材によって被加工物が汚染される場合があることが特に不都合である。
【０００５】
さらに、エアージェット又はウォータージェット内に氷結晶を生成させることは公知であり、この場合、この氷結晶は、エアージェット若しくはウォータージェット内の砂又はその他の研磨材の代わりとなる。ウォータージェット内に氷結晶を生成させるために極低温液体を用いて水を予備冷却する装置が、例えば、ＵＳ５，３４１，６０８、に開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、この方法には、ノズルの前で氷結晶がすでに生成してしまい、それによって、ノズルが侵食若しくは閉塞したり、又は摩擦の増加によるノズルの過熱によって氷結晶が再度融解したりすることが頻繁に発生するという欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、本発明の目的は、ウォータージェットを用いて固体材料を加工するための方法及び装置を開示することであり、該方法は、ウォータージェットがノズルから噴射された後にウォータージェット内に氷結晶を形成させるための、簡便で費用対効果の高い可能性を提供するものである。
【０００８】
本発明によると、ノズルから噴射されるウォータージェットを用いて固体材料を加工するための方法が提供され、該ウォータージェットは氷結晶を含有して固体材料に衝突し、この方法は、標準条件下では気体である媒体が、好ましくは混合段階において、１‐１５０ｂａｒの圧力下で水中に溶解されることを特徴とする。この溶液は、続いて、例えば、市販のウォータージェット切削機内などの高圧段階において１０００‐４５００ｂａｒに圧縮され、そして、ノズルから離れた後に水と溶解した媒体とが分離される条件下でノズルを押し通され、その時に、溶解熱が水から奪われ、氷結晶が形成される。
【０００９】
このことは、それによって、氷結晶が、一方では容易に形成され、他方ではノズルを通過後に形成され、結果として、ノズルの磨耗、形成された氷結晶によるノズルの閉塞、及び高摩擦によるノズルの加熱とそれに続く氷結晶の融解を防ぐことができることから、有利である。
【００１０】
本発明のさらなる有利な実施形態は、従属する請求項から得られる。
【００１１】
有利に、気体媒体の水中への溶解は、ガスシリンダー又は圧力カートリッジから気体媒体を加圧下で水中に通すことにより、混合段階において、簡便で費用対効果の高い方法で実施される。
【００１２】
さらに、溶液中の気体媒体濃度、及び水の予備冷却の調整によって、ウォータージェット内で形成される氷結晶の粒子分画及び粒子サイズが決定されることが有利であり、それは、それによって、加工される材料に対してウォータージェットの物理的性質を簡便に適応させることが可能となるからである。
【００１３】
気体媒体は、二酸化炭素であることが特に有利であり、それは、これが簡便で費用対効果の高い方法で生産可能であり、特に、食品産業において適用可能であるからである。
【００１４】
ノズルから噴射されるウォータージェットを用い、該ウォータージェットが氷結晶を含有して固体材料に衝突する、固体材料の加工のための装置の好ましい実施形態は、有利に、導入バルブ及び圧力が１‐１５０ｂａｒである混合セクションへ水を送液するためのポンプを有する供給管、高圧ポンプを通して混合セクションと接続された高耐圧容器、並びにこの容器と接続されたノズルを有し、ここで、本実施形態が、気体を水へ溶解するための簡便で費用対効果の高い可能性を示すものであるため、気体媒体が、加圧下、混合セクション内において、供給管を通して混合セクションへ供給される水へ導入可能であり、水に溶解可能である。
【００１５】
さらに、気体媒体が、混合セクションに配置された注入器（ｄｏｕｃｈｅ  ｇａｄｇｅｔ）を通して水中に導入可能であることが有利であり、該注入器は、特に、複数の出口部を有するシャワーヘッド形状に設計されており、それは、これによって気体媒体を大容積中に均一に分布させることができるからである。
【００１６】
有利に、気体媒体は、１‐１５０ｂａｒの圧力下、混合セクションに対して上流側で水へ導入可能であり、それによって、水へ気体媒体を導入するためのさらなる装置を不要とすることができ、コストの低減に有利である。
【００１７】
本発明の有利な実施形態は、気体媒体が１‐１５０ｂａｒの圧力下、混合セクションへ供給され、水が噴霧化することによって供給されることを提供し、それは、これによって、非常に均一に混合することが可能となるからである。
【００１８】
さらなる本発明の非常に有利な実施形態は、気体媒体が、該気体媒体を含有するドライアイスペレットによって水へ導入可能であること、及び、その気体媒体が、加圧下で水中へ溶解可能であることを提供し、それは、このようにすることによって、気体媒体のためのタンク装置及び導入管を不要とすることができるからである。
【００１９】
さらに、気体媒体が、中程度の圧力の範囲（１‐１５０ｂａｒ）にて水と混合することを目的として、混合段階へ供給されることが有利である。このようにすることによって、気体媒体用に、特にガスシリンダー又はガスカートリッジの形態の市販の貯蔵タンクを簡便な方法で使用することが可能である。
【００２０】
さらに、混合セクションが、戻り管と接続され、それを通して過剰の気体媒体を供給管へ戻すことができることが有利であり、それは、それによって過剰の気体媒体をリサイクルすることができるからである。
【００２１】
さらに、水が、１０００‐４５００ｂａｒの加圧下でノズルを押し通されることが有利であり、それは、これによって大きな温度の低下が可能となり、それに応じて、ウォータージェットを環境圧力へ膨張する間に、氷結晶を確実に形成させることが可能となるからである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ウォータージェットを用いて固体材料を加工するための、本発明に従って設計された装置の好ましい典型的な実施形態の、非常に概略的な図である。
【図２Ａ】図１に示す本発明に従う装置の、混合セクションの４種類の典型的な実施形態を示す図である。
【図２Ｂ】図１に示す本発明に従う装置の、混合セクションの４種類の典型的な実施形態を示す図である。
【図２Ｃ】図１に示す本発明に従う装置の、混合セクションの４種類の典型的な実施形態を示す図である。
【図２Ｄ】図１に示す本発明に従う装置の、混合セクションの４種類の典型的な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、ウォータージェットを用いての固体材料の加工のために、本発明による方法を実施するのに適する装置の好ましい典型的な実施形態を、図面を用いてさらに詳細に説明する。
【００２４】
上記で既に述べたように、硬質の材料又は表面を加工する必要がある場合、固体材料の加工にはウォータージェットへ研磨材を添加することは不可欠であり、この場合、砂が好ましく用いられるが、しかし、一連の欠点を有する。砂、及びその他の固体研磨材は、処理された材料の表面に残留し、後工程で除去しなければならない。砂の代わりに氷結晶を研磨材として利用することによる主たる利点は、汚染の防止である。氷結晶は加工後に融解し、残留する水は、例えば、単に乾燥させることなどによって除去することができ、それによって、処理された材料はプロセス全体を通して清浄に維持される。さらに、この氷結晶の利用は、除去又はリサイクルの必要がある廃砂の蓄積がないことから、環境上の利点も有する。氷結晶を研磨材として搭載するウォータージェットは、従って、直ちに、電子、（生物）医学、食品、自動車用ラッカー、宇宙航空などの分野で使用することができる。さらに、砂のようなその他の研磨材とは対照的に、氷は、配達や貯蔵の必要がなく、例えば、電気を用いて水道水から作製することができるため、コストが抑えられる。
【００２５】
しかし、ウォータージェットへ氷を混合するための公知の方法は、一連の欠点を抱えている。特に、流れの方向に対してノズルの前で氷結晶が生成すると、ノズルの侵食若しくは閉塞、又は、摩擦の増加による、氷結晶が再度融解する程度までのノズルの加熱が生ずる。このような、いわゆる外部（ｅｘ‐ｓｉｔｕ）での混合手順のため、ウォータージェットの最小径が必要であり、それによって、最終的には、最大圧力及びエネルギー効率が制限される。高い氷結晶の製造コスト、並びにそれに応じて増加する技術的な複雑さ及び必要とする空間は、この方法のさらなる欠点である。
【００２６】
しかし、インシチュ（ｉｎ  ｓｉｔｕ）での氷結晶の形成のためには、例えば、圧力が２００ＭＰである水は２５３Ｋ（すなわち、大気圧よりも２０Ｋ低い温度）でしか凍結せず、さらに過冷却となる傾向にあることから、２４３Ｋ以下の温度での作業が必要となる。さらに、２４３Ｋより高い温度では、氷表面の薄い液膜（ナノメートルのオーダー）が焼結を誘発するため、２４３Ｋ以下でのみ、氷粒子の焼結が実質的に阻害される。過冷却を抑えるためには、原理上、核剤を添加することができる。これは、氷結晶の成長の種となる有機又は無機の固体物質である。しかし、核剤は、吸引口（ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ  ｐｏｒｔ）を通して連続的に供給しなければならず、その使用は、やはり、環境上の適合性が悪いという問題を生じ、そのため、食品産業で使用することはできない。
【００２７】
既述の欠点を避けるために、本発明が提供するのは、水の冷却、そしてそれによるウォータージェット内での氷粒子の形成の達成であり、ここで、例えば二酸化炭素などの気体媒体が、混合装置中、１‐１５０ｂａｒの圧力下で水に溶解され、次に、該混合物が、高圧ポンプを用いてノズルへ誘導される。ノズル後の圧力の低下により、偏析が生じる。気体媒体の放出により、膨張による冷却に加えて、気体媒体の溶解熱が水から奪われ、それによって自然発生的な冷却、及びノズル後のウォータージェット内での氷結晶の形成が誘発される。こうして達成される冷却は、セ氏で数度の範囲にあり、従って、装置の冷却システムに投入しなければならない労力は著しく減少する。さらに、ノズルの磨耗及び閉塞の問題も、これらの手段によって回避することができる。水への溶解性が非常に高い気体は多いため、ここで述べた解決手段は、原理的には多くの気体媒体で可能である。飲料水産業においての二酸化炭素（ＣＯ２）の利用の可能性、並びに水への溶解度、及び溶解熱など、物理的及び化学的性質に関する知識が包括的であることにより、以降、本発明を、ＣＯ２の例を用いて具体的に述べる。
【００２８】
図１は、ウォータージェット２を、好ましくは高圧ウォータージェットを用いて固体材料を加工するための装置１の典型的な実施形態を、非常に概略的な図で示すものであり、
前記ジェットは気体混合物を含有する。そのために、装置１は、混合セクション３を実質的に含み、そこで水と、前記典型的な実施形態では二酸化炭素である気体媒体とが互いに混合される。ここで、水が、導入バルブ５及びポンプ６を有する供給管４を通して、低圧力で（すなわち、たとえば、水道配水網の運転圧力）混合セクション３へ送られる。二酸化炭素は、例えば、注入器７を用いて、タンク８（例：ガスシリンダー）から供給管９を通して混合セクション３へ導入される。ここで、注入器７は、例えば、複数の出口部を有するシャワーヘッドの形状に設計され、それを通って気体媒体が混合セクション３の水中へ流入する。さらなるポンプ６を有する戻り管１０により、過剰の気体媒体を供給管９へ戻すことができる。そうすることにより、混合セクション３内の圧力はおよそ２００ｂａｒとなり、以下、これを中圧力とする。
【００２９】
気体媒体を水の中へ溶解させた後、該水は、ポンプ１１を通して、約４０００ｂａｒの圧力まで加圧され、以下、これを高圧力とし、そして容器１２へ送られ、そこからノズル１３へと流される。高圧力下、ノズル１３内を押し進められ、該ノズルから噴射されるウォータージェット２を用いることで、材料１４が加工される。水の圧力及び流速のモニタリングは、装置１の種々の適切な位置に配置することができる適切な測定装置１５によって実施される。
【００３０】
本発明によると、氷結晶の形成は、ノズル１３の後まで発生しない。結晶の形成は、ウォータージェット２の膨張、及びそれに呼応する噴霧化によって開始され、それにより、その時点で過飽和の状態である気体‐水溶液からの溶解した二酸化炭素の急激な気泡化と放出が誘発される。それによって、溶解熱量の−２０．５４ｋＪ／ｍｏｌが水から奪われる。水の初期圧力に応じて、これが、瞬間的で非常に急激な冷却、及び膨張したウォータージェット２内での自然発生的な氷結晶の形成を誘発する。結果として、ノズル１３の閉塞、磨耗、又は過熱といった問題を回避することができる。溶液中のＣＯ２濃度、及び予備冷却を適切に調整することにより、ウォータージェット２内の粒子分画及び粒子サイズの制御が可能となり、それによって、例えば、大面積表面の速やかでやや粗い洗浄の場合は大きな氷結晶を多くし、表面研磨の場合は小さい氷結晶を多くするなど、該ジェットを加工される材料１４の各々の要求に適応させることができる。さらに、硬質材料１４を、精密に加工することができる。
【００３１】
図２Ａの拡大図だけなく、すでに図１でも図示されているが、混合セクション３における二酸化炭素の混合は、切り抜き概略図である図２Ａ‐２Ｄに示すように、混合セクション３内で直接行うことができる
【００３２】
図２Ｃに図示するように、混合セクション３に約２００ｂａｒまで圧縮した気体媒体を供給し、続いて、水滴を噴霧化してそれをこのシステム内に注入することにより、効果的な混合と気体の溶解を達成することが可能である。
【００３３】
さらに、図２Ｄに概略的に図示するように、混合セクション３に水を供給し、次に、約−７８℃の温度であるドライアイスペレット１６（すなわち、凍結二酸化炭素ペレット１６）を混合セクション３内へ挿入し、続いて圧力を印加することが可能である。ペレット１６と比較して相対的に温かい水の中で、ペレット１６は即座に融解して激しい気泡を生成し、同時に、圧力によって二酸化炭素が溶解する。さらに、水の冷却も行われ、これは、後工程で氷結晶を形成するという点で有利である。
【００３４】
いずれの場合でも、水と二酸化炭素の飽和混合物が混合セクション３を出て、容器１２に向かう。
【００３５】
混合セクション３内で、例えば、図１に示す典型的な実施形態ではガスシリンダーの形態で設計されるタンク８からＣＯ２を通すことなどにより、ＣＯ２を水中へ溶解させることによってまず水と二酸化炭素とを混合する。炭酸水の場合に公知である圧力カートリッジを使用することも可能である。ＣＯ２／Ｈ２Ｏ及びＨＣＯ３−／Ｈ＋間の平衡反応のためにＣＯ２で飽和した溶液は酸性であるため、二酸化炭素の水中への溶解プロセスは、適切なセンサーによってｐＨ値をモニタリングすることによって監視することができ、例えば、２９８ＫにおいてｐＨ値は３．９となる。装置１の温度は、二酸化炭素の溶解熱によってわずかに上昇し、従って、例えば、水冷システムなどによって、混合セクション３からの熱の除去が推奨される。
【００３６】
ウォータージェット２は、水‐ＣＯ２混合物を、高圧力に適するように設計されていなければならないポンプ１１を用いて容器１２へ送液し、続いてノズル１３へ誘導して該ノズル内を押し進めることで作り出される。この目的のためには、現存のポンプ１１及びノズル１３を、さらなる技術的な改良を施すことなく使用することができる。外部からさらなる物質を供給する必要もなく、すなわち、追加的な吸引口は不要である。
【００３７】
以下に示す計算は、達成可能な冷却の度合いに関する概念として役立つであろう。達成可能な温度差は、溶解した二酸化炭素のモル数（ｎＣＯ２）、水のモル数（ｎＨ２Ｏ）、液体水の等圧熱容量（ｃｐＨ２Ｏ＝７５．３Ｊ／（Ｋ＊ｍｏｌ））、及び二酸化炭素の水中での溶解エンタルピー（ΔＨ＝−２０．５４ｋＪ／ｍｏｌ）から算出される。およそ３００ｂａｒＣＯ２の圧力まで、二酸化炭素のモル分率ｎＣＯ２／ｎｔｏｔａｌ（すなわち、水に溶解しているＣＯ２分子の比率）は、ヘンリーの法則により、ＣＯ２の分圧に対して直線で表すことができる。ヘンリーの法則の比例係数は、ＣＯ２に対してｋＣＯ２＝１６５０ｂａｒである。ＣＯ２の分圧ｐＣＯ２がｋＣＯ２よりも非常に小さい限りにおいて、冷却は、ｐＣＯ２との直線関係によって与えられ、その比例係数はΔＨ／（ｃｐＨ２Ｏ＊ｋＣＯ２）であり、これは、既知の値を代入することによって比例係数０．１６５Ｋ／ｂａｒとなる。従って、溶解ＣＯ２の１ｂａｒに対して、温度の低下は０．１６５Ｋであり、これに対応させると、１００ｂａｒに対しては１６．５Ｋもの値となる。
【００３８】
およそ１０℃の冷たい水道水から開始した場合、１００ｂａｒで溶解したＣＯ２が漏出することで既に氷点下の温度に到達するのに十分である。ここでは、容器１２からのウォータージェット２が、ノズル１３の後、４０００ｂａｒから１ｂａｒへ膨張することによる冷却は、まだ計算に入っていない。環境圧力下では、２７３Ｋにおいて、１リットルの水に３．４ｇのＣＯ２が溶解可能であり、同様に、２９８Ｋでは１．５ｇが溶解可能である。これは、水１リットルあたり１．９３リットルのＣＯ２に相当し、同様に、０．８５リットルのＣＯ２に相当する（すなわち、各々、０．０７７モル、及び０．０３４モル）。高圧下では、例えば炭酸入りミネラルウォーターなどのように、これよりも著しく大量に溶解可能である。
【００３９】
放出された二酸化炭素は、必要であれば、リサイクル又は吸引による回収を行うことができる。しかし、例えば、換気又は適度に大きな部屋を使用することなどにより、二酸化炭素と環境空気との混合が絶対に行き過ぎないようにしなければならず、それは、そうでなければ、窒息の危険性があるからである。
【００４０】
本発明は、上述の典型的な実施形態に限定されるものではなく、例えば、その他の気体媒体で実施することも可能である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【国際調査報告】
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2009541067.tif 000009
2009541067.tif 000010
2009541067.tif 000011
2009541067.tif 000012
2009541067.tif 000013
2009541067.tif 000014
2009541067.tif 000015