(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧切断装置用の切断工具であって、前記切断装置は、液体流れとスラリー流れとを備え、前記スラリーは、液体中に懸濁された研磨用粒子を備え、前記切断工具は混合チャンバを含み、前記混合チャンバは前記液体流れと前記スラリー流れとを受けるために配置された入口領域を有し、前記入口領域の圧力は前記液体流れの圧力により設定され、前記スラリー流れの圧力が前記混合チャンバの圧力をわずかに下回ると前記スラリー流れの前記混合チャンバへの流入が妨げられる、切断工具。
【請求項２】
前記切断工具は、前記混合チャンバ内部へのスラリーの流れを選択的に許容できまたは防げられるスラリー弁と、前記混合チャンバ内部への液体の流れを選択的に許容できまたは防げられる流体弁と、を含む、請求項１に記載の切断工具。
【請求項３】
高圧切断装置用のノズルであって、前記切断装置は液体流れとスラリー流れとを備え、前記スラリーは液体中に懸濁された研磨用粒子を備え、前記ノズルは混合チャンバを含み、前記混合チャンバは前記液体流れと前記スラリー流れとを受けるために配置された入口領域を有し、前記入口領域の圧力は前記液体流れの圧力により設定され、前記スラリー流れの圧力が前記混合チャンバの圧力をわずかに下回ると前記スラリー流れの前記混合チャンバへの流入が妨げられる、ノズル。
【請求項４】
前記ノズルは延在し、前記スラリー流れと前記液体流れとは前記延在の方向に方向付けられる、請求項３に記載のノズル。
【請求項５】
前記ノズルは中心軸を有し、前記スラリー流れは前記中心軸に沿って方向付けられ、前記液体流れは前記スラリー流れの周囲の環形に供給される、請求項４に記載のノズル。
【請求項６】
前記ノズルは、その外側の端部に直径が一定の集中部を有し、前記入口領域と前記集中部との間に直径が減少する円錐状の加速部を有する、請求項５に記載のノズル。
【請求項７】
円錐角が２７°よりも小さい、請求項６に記載のノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、流れに乗せて運ばれた研磨用粒子を含む液体の噴流による（たとえば金属の）切断に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
切断の目的のための、流れに乗せて運ばれた研磨用粒子を含む高速の水の噴流の使用は、１９８０年頃から知られている。公知の切断用の水噴出システムは、アブレシブウオータージェット（ＡＷＪ）システムとアブレシブサスペンションジェット（ＡＳＪ）システムとの、二つの範疇のうちの一つに分かれる。
【０００３】
ＡＷＪシステムは、典型的には、極めて高圧（約１５０〜６００ＭＰａ）の水をノズルへ供給する。典型的なＡＷＪノズル１０は、図１に示される。ノズル１０は、混合チャンバ１４内へ導く小径オリフィス１２（直径０．２〜０．４ｍｍ）を含む。そして水は、高速で混合チャンバ１４を通って流れる。
【０００４】
研磨用材料、典型的にはガーネットの小さい粒子は、一般的にはホッパ１６を経由する重力送りによって、チャンバへ供給される。高い水１８の速度はベンチュリ効果を発生させ、研磨用粒子は水の噴流内に引き込まれる。
【０００５】
水の噴流はその後、集中管２０として知られる長い管を通って流れる。集中管を通る水および研磨材の通路は、水の流れ方向において研磨用粒子を加速するように作用する。集中された水の噴流２２はその後、集中管の出口２４を経由して外へ出る。したがって水の噴流２２（または、より正確には、加速された研磨用粒子）は、金属のような材料を切断するために使用できる。
【０００６】
オリフィス１２と集中管２０の出口２４との間のノズル１０におけるエネルギー損失が大きい場合がある。研磨用材料を加速する必要性のため、およびベンチュリによって流れに乗せて運ばれる空気をもまた加速する必要性のために、水の運動エネルギーが失われる。研磨用粒子が管壁で「はね返る」ために、集中管２０内で著しい摩擦損失が発生する。このことが、熱の発生によるエネルギー損失をもたらす。余談として、この現象はまた、集中管の劣化をもたらし、典型的には約４０時間の運転後の交換が必要となる。
【０００７】
公知のＡＷＪシステムは、したがって、非常に非効率である。
ＡＳＪシステムは、二つの流体の流れ、すなわち液体（一般的には水）の流れとスラリーの流れとを混合する。スラリーは、研磨用粒子の懸濁物質を含む。両方の流体の流れは、約５０〜１００ＭＰａの圧力下に置かれ、混合されて一つの流れを形成する。混合された流れは、典型的には直径約１．０〜２．０ｍｍのオリフィスを経由して押し込まれ、流れに乗せて運ばれた研磨用粒子を有する水の噴流を生成する。
【０００８】
ＡＳＪシステムは、二つの加圧された流れの混合に伴うエネルギー損失がないので、ＡＷＪシステムと同じ非効率性に悩まされない。それでもなお、公知のＡＳＪシステムは、限られた商業的価値しか有しない。これは一つには、ＡＳＪシステムは、ＡＷＪシステムよりも非常に低い圧力および小さい噴流速度において運転され、材料を切断する能力が制限されているためである。
【０００９】
ＡＳＪシステムはまた、運転するのが非常に困難であることを明示する。これは主に、加圧された研磨用スラリーの存在のため、および、その流れ特性を制御するための有効な手段がないためである。研磨用スラリーの流れを送り込み、輸送し、制御することに関わるシステムの部分は、磨耗速度が極めて高くなりがちである。この磨耗速度は、圧力が高くなるにつれて増大し、ＡＳＪシステムが安全に運転できる圧力を制限する。
【００１０】
さらに重大で有り得るのは、加圧された研磨用流れの開始および停止に内在する実用上の困難性である。たとえば、機械加工のために使用されるとき、切断用の水の噴流は、要求に応じて頻繁に開始および停止できなければならない。ＡＳＪシステムにとって、このことは、加圧された研磨用の流れに逆らって弁を閉じることを必要とする。そのようにして使用される弁の磨耗速度は極めて高い。弁を閉じる間、流れの断面積はゼロにまで減少することが理解されよう。この流れ面積の減少は、弁を閉じる間に流速が対応して増加する原因となり、したがって、弁の局所的な磨耗を増加させる。
【００１１】
典型的な産業用のＣＮＣ環境では、切断装置は、極めて頻繁に起動停止する必要が有り得る。これは、加圧された研磨用流れに逆らって弁を頻繁に開閉することにつながり、これらの弁の急速な磨耗および劣化につながる。結果として、ＡＳＪシステムをＣＮＣ機械に使用することは、本質的に実用的でないと知られている。
【００１２】
ＡＳＪシステムは、たとえば原油およびガス用の設備や海中切断などの、必要とされる切断が主に連続的であるような、現場の環境において使用されてきている。ＡＳＪシステムはこれまで、産業用のＣＮＣ機械には、商業的に使用されていない。
【００１３】
図２ａおよび２ｂは、公知のＡＳＪシステムの模式的な代表例を示す。基本的な単一流れのシステム３０では、図２ａに示すように、高圧水ポンプ３２は浮動ピストン３４を進ませる。ピストン３４は、研磨用スラリー３６を加圧し、切断ノズル３８内へ送り込む。
【００１４】
簡単な二重流れシステム４０が図２ｂに示される。ポンプ３２からの水は二つの流れに分けられ、そのうちの一つは、単一流れのシステム３０と同様の方法で、浮動ピストン３４を用いてスラリー３６を加圧し送り込むために使用される。他の流れは、専用の水流れ３５であって、切断ノズル３８の前の合流点において加圧されたスラリー流れ３７と混合される。
【００１５】
これらの両方のシステムは、概要を上述した問題に悩まされており、結果として弁の磨耗速度が非常に高い。他の問題は、管およびノズル内の非常に厳しい磨耗のために切断速度が一貫しないことを含む。
【００１６】
クラスノフ（Krasnoff）に付与された米国特許第４７０７９５２号明細書には、代替の装置が提案されている。クラスノフシステム５０の模式的な装置が図３ａに示される。クラスノフシステムは、二重流れシステム４０と同様であり、切断ノズル３８内部の混合チャンバ５２で水流れ３５とスラリー流れ３７との混合が起こる点において相違する。
【００１７】
クラスノフシステムの混合チャンバ５２のさらなる詳細図が図３ｂに示される。ノズル３８は、二段階の加速を与える。第一に、水流れ３５とスラリー流れ３７とは、混合チャンバ５２内に導く別々のノズルを通って加速される。その後、混合された水と研磨用スラリーとは、最終の出口５４を通って加速される。
【００１８】
クラスノフシステムは、他のＡＳＪシステムよりも非常に低い、約１６ＭＰａの圧力で運転するように配置される。そのようにして、スラリー流れ３７の影響により、依然として弁が損傷されるが、より高い圧力のシステムよりも弁の磨耗速度が低減されている。当然の結果、クラスノフシステムの能力は他のＡＳＪシステムよりもさらに低く、そのため商業的な用途が小さい。本出願人は、クラスノフシステムがこれまでに商業的に利用されているという認識がない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、上記のＡＷＪシステムおよびＡＳＪシステムの上述したいくつかの欠点を少なくとも部分的に克服する、流れに乗せて運ばれた研磨用粒子を有する高圧の水の噴流を生成するためのシステムを提供することを求める。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本質において、本発明は、ＡＷＪシステムおよびＡＳＪシステムの多くの利点を結合し、一方、各々のシステムの欠点のいくつかを低減する、方法を提案する。
【００２１】
本発明の第一の局面に従えば、高圧切断装置用の切断工具が提供される。切断装置は、液体流れとスラリー流れとを備える。スラリーは、流体中に懸濁された研磨用粒子を備える。切断工具は混合チャンバを含み、混合チャンバは液体流れとスラリー流れとを受けるために配置された入口領域を有する。入口領域の圧力は液体流れの圧力により決定される。入口領域の圧力は、スラリー流れの圧力を調節するように、スラリー流れの圧力に作用する。
【００２２】
好ましくは、スラリー流れと液体流れとは、ノズルに入るように配置される。ノズルは延在する。スラリー流れと流体流れとは、延在方向に方向付けられる。これにより、特にスラリーの、流れ方向の変化に関連したエネルギー損失が低減される。
【００２３】
切断工具はハウジングを含み、ハウジングの内部にノズルが支持されてもよい。ハウジングは、混合流れのための出口を含んでもよい。出口は、約４５°の円錐角を有する出口面取りを有してもよい。
【００２４】
好ましくは、切断工具は、ノズル内部へのスラリーの流れを選択的に許容できまたは防げられるスラリー弁と、ノズル内部への液体の流れを選択的に許容できまたは防げられる液体弁と、を含む。
【００２５】
好ましくは、スラリー流れの混合チャンバに対する相対的な位置が調整可能である。
本発明の第二の局面に従えば、高圧切断装置用のノズルが提供される。切断装置は、液体流れとスラリー流れとを備える。スラリーは、流体中に懸濁された研磨用粒子を備える。ノズルは混合チャンバを含み、混合チャンバは液体流れとスラリー流れとを受けるために配置された入口領域を有する。入口領域の圧力は液体流れの圧力により決定される。入口領域の圧力は、スラリー流れの圧力を調節するように、スラリー流れの圧力に作用する。
【００２６】
好ましくは、ノズルは延在する。スラリー流れと液体流れとは、延在方向に方向付けられる。
【００２７】
好ましい装置では、ノズルは中心軸を有する。スラリー流れは、中心軸に沿って方向付けられる。液体流れは、スラリー流れの周囲の環形に供給される。このような装置は、液体流れの圧力にスラリー流れを曝す有効な手段を提供し、またノズルの側部が磨耗する傾向を低減する。
【００２８】
好ましくは、ノズルは、入口領域より直径の小さい出口を有する、加速ノズルである。これにより、流れ内の圧力が高速の出口流れへ変換される。
【００２９】
この効果は、スラリー流れのノズルへの入口の直径よりも出口の直径を小さくすることにより、さらに高められる。
【００３０】
好ましくは、ノズルは、その外側の端部に直径が一定の集中部を有し、入口領域と集中部との間に直径が減少する円錐状の加速部を有する。これにより、所望の速度および方向の出口流れが得られる。
【００３１】
加速部の円錐角は、２７°を超えないべきである。好ましくは、円錐角は約１３．５°であるべきである。これにより、効率的な加速と非乱流の維持との間の良好なバランスが設けられる。
【００３２】
好ましくは、ノズルの集中部は、５：１よりも、好ましくは約１０：１よりも大きい、長さ：直径の比を有するべきである。長さ：直径の比が約３０：１よりも小さいことがまた好ましい。
【００３３】
好ましくは、ノズルは二つの部分を有するノズルであって、第一の部分を規定する混合チャンバと、第二の部分の内部に含まれる集中部とを有する。
【００３４】
好ましくは、第二の部分は集中ノズルであって、混合チャンバの円錐角と等しいまたはより大きい円錐角を有する加速部を含む。第二の部分は、集中部の材料よりも硬い材料から形成された加速部を有する、複合ノズルであってもよい。
【００３５】
集中部は、乱流の導入を防ぐために、加速領域の最小の直径と等しいまたはわずかに小さい直径を有してもよい。
【００３６】
好ましくは、集中ノズルの加速部は、ダイヤモンドなどの耐磨耗性に優れる材料から構成される。
【００３７】
集中ノズルは、約４５°の円錐角を有する出口面取りを含む、出口を有してもよい。そのような角度は、出口における流れの分離を確実にするために十分である。
【００３８】
本発明の第三の局面に従えば、液体流れとスラリー流れとを受けるために配置された高圧切断装置用の集中ノズルが提供される。集中ノズルは、その外側の端部に直径が一定の集中部を有し、入口領域と集中部との間に直径が減少する円錐状の加速部を有する。
【００３９】
好ましくは、円錐角は２７°を超えるべきではなく、約１３．５°であってもよい。
好ましくは、ノズルの集中部は、５：１よりも、さらに１０：１よりも大きい、長さ：直径の比を有するべきである。
【００４０】
好ましくは、集中ノズルは、ダイヤモンド材料製であるべきである。
本発明の第四の局面に従えば、高圧切断装置用のノズルが提供される。切断装置は、液体流れとスラリー流れとを備える。スラリーは、流体中に懸濁された研磨用粒子を備える。ノズルは混合チャンバと集中部とを含む。混合チャンバは第一の材料から形成され、集中部は第二の材料から形成される。
【００４１】
好ましくは、集中部は、第二の材料から形成された集中ノズルの一部分である。集中ノズルは、使用中に混合チャンバに隣接する加速領域を含む。
【００４２】
好ましい実施の形態では、切断工具とノズルとは、液体流れとスラリー流れとを備える高圧切断装置とともに使用される。スラリーは、流体中に懸濁された研磨用粒子を備える。第一の作動手段によって液体流れにエネルギーが供給され、第二の作動手段によってスラリー流れにエネルギーが供給される。第一の作動手段と第二の作動手段との各々は選択的に運転可能である。液体流れとスラリー流れとは切断工具内で混合され、供給されたエネルギーの少なくとも一部は切断工具内で運動エネルギーに変換され、高速の液体と研磨材との混合流れを形成する。別々の作動手段を使用することにより、システム内での流れの制御が可能になる。
【００４３】
好ましくは、第一の作動手段によって供給されるエネルギーは、液体流れを加圧するポンプ、最も好ましくは定圧ポンプによって、供給される。同様に、第二の作動手段によって供給されるエネルギーは、好ましくはポンプ、最も好ましくは定量ポンプによって、供給される。この装置により、混合流れの速度および流量を、定圧ポンプの圧力の制御によって、調節することができる。一方、研磨用材料の流量は、定量ポンプの流量を制御することによって、別個に設定することができる。システムの能力、または流体：研磨材の比の調整は、このようにして容易に達成できる。代替的な装置では、一つのポンプが第一の作動手段と第二の作動手段との両方にエネルギーを供給してもよい。
【００４４】
好ましい実施の形態では、定量ポンプはピストンを作動させ、その結果、ピストンはスラリー流れを加圧する。この実施の形態において、ポンプとピストンとの間に、定量ポンプからピストンへの流体したがってエネルギーの流れが即座に防止され得るように、弁が設けられてもよい。都合のよいことに、この弁はまた、ピストンからの流体の逆流を妨げるように作用し得る。このようにして、スラリー流れの圧力および流量を変動させる一方、液体流れの一定圧力を維持することができる。弁は、たとえばポンプのタンクに流体を戻すことにより、一定の流体流れをピストンからそらすように、単純に作動してもよい。
【００４５】
好ましい形式では、切断工具により、スラリー流れの圧力が主として液体流れの圧力により支配されるように、流れが混合される。切断工具は混合チャンバを含み、液体流れは作動されたとき略一定の圧力で混合チャンバ内へ供給され、スラリー流れは作動されたとき略一定量で混合チャンバ内へ供給される。したがって、混合チャンバの入口領域の圧力は、液体流れの圧力により設定される。スラリー流れの混合チャンバへの入口の点は、スラリー流れの圧力が混合チャンバ入口点の圧力よりもわずかに高くなければスラリー流れの混合チャンバへの流入が妨げられるように、この圧力に曝される。スラリー流れの圧力がこの点に到達するまで、定量ポンプの作用によりスラリー流れの圧力が高められる。このようにして、スラリーが一定の流量および必要な圧力で混合チャンバ内に供給される、第一の平衡条件が得られる。この条件下で、定量ポンプは、定容量型の移送ポンプとして有効に作動する。
【００４６】
たとえば好ましい実施の形態においてポンプとピストンとの間の弁を閉じることにより、第二の作動手段がスラリー流れへのエネルギーの供給を停止するとき、混合チャンバ内の液体流れの圧力はスラリー流れに作用し続ける。スラリー流れの圧力が降下し混合チャンバ内の圧力よりもわずかに低くなるときまで、スラリー流れからスラリーが混合チャンバへ入り続ける。この点において、スラリーの流れが停止するが、スラリー流れの圧力は維持される。
【００４７】
第二の作動手段からのエネルギー供給を停止することにより、スラリーの流れている状態と静止した状態との間の微小な圧力差のために、ほとんど瞬間的にスラリーが停止されることが理解されよう。同様に、第二の作動手段が起動されるとき、混合チャンバへの所望のスラリー流れがほとんど瞬間的に得られる。
【００４８】
本発明の高圧切断装置の好ましい実施の形態を例示する添付の図面を参照して、さらに本発明を説明するのが有益であろう。他の実施の形態が可能であり、したがって、添付の図面の特殊性は、先述した本発明の説明の一般性に取って代わるものとして理解されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】先行技術のＡＷＪシステムの切断工具の模式的な断面図である。
【図２ａ】先行技術の単一流れのＡＳＪシステムの模式図である。
【図２ｂ】先行技術の二重流れのＡＳＪシステムの模式図である。
【図３ａ】先行技術の二重流れのＡＳＪシステムの、流体が切断ノズル内へ注入される箇所の模式図である。
【図３ｂ】図３ａの先行技術の切断ノズルの断面図である。
【図４】本発明の高圧切断装置の模式図である。
【図５】図４の切断装置の内部からの、切断工具である。
【図６】図５の切断工具の、ノズルを含む一部分の断面図である。
【図７】図５の切断工具内部の、集中ノズルの断面図である。
【図８】図５の切断工具内部で使用されるための集中ノズルの代替的な実施の形態の断面図である。
【図９】図４の切断装置内部で使用されるための切断工具の代替的な実施の形態である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
好ましい実施の形態の説明  図４は、高圧切断システム１００の模式的な装置を示す。切断システム１００は切断工具１１０を有し、二つの入力ライン、すなわち、流体または水流れ１１２とスラリー流れ１１４とが切断工具１１０に取り付けられる。水流れ１１２とスラリー流れ１１４との各々は、圧力をかけられて切断工具１１０に供給される。
【００５１】
定圧ポンプ１１６である第一の作動手段によって、水流れ１１２に圧力が加えられる。本実施の形態では、定圧ポンプ１１６は、増圧型のポンプである。定圧ポンプ１１６は、水流れ１１２内の圧力が一定の所望の圧力に保たれることを確実にする。所望の圧力は、定圧ポンプ１１６の制御によって変えられてもよい。利用可能な圧力の典型的な範囲は、１５０ＭＰａ〜６００ＭＰａであってもよい。典型的な運転では、約３００ＭＰａの水圧によって、有用な結果がもたらされる。
【００５２】
第二の作動手段によって、スラリー流れ１１４に圧力が加えられる。第二の作動手段は、定量の水ポンプ１２０によって動かされる浮動ピストン１１８を備える。本実施の形態では、定量の水ポンプ１２０は、多重ポンプである。浮動ピストン１１８は、高密度および低流量で、スラリー流れ１１４に沿って、水に含まれる研磨用粒子の懸濁物質を押す。スラリー流れ１１４の流量は、定量の水ポンプ１２０によって送り込まれる水１２２の流量によって支配される。所望のスラリーの流量は、定量ポンプ１２０の制御によって変えられてもよい。スラリーの典型的な流量は、一分間当たり約１リットルである。
【００５３】
第二の作動手段は、水流れ１２２に沿って、定量ポンプ１２０と浮動ピストン１１８との間に配置された、弁１２４を含む。弁１２４を閉じることによって、水流れ１２２は方向を変えられて、浮動ピストン１１８から離れ、定量ポンプ１２０へ戻される。そのため、弁１２４を閉じることにより、直ちにスラリー流れ１１４への圧力の供給が停止する。弁１２４はまた、浮動ピストン１１８から定量ポンプ１２０への水の逆流を防ぎ、浮動ピストン１１８を水圧で動かなくし、これによりスラリー流れ１１４からのスラリーの逆流もまた防ぐ。
【００５４】
切断工具１１０は、略円筒状の本体部１２６を含む。本体部１２６は、その外側の端部から延びる、略円筒状のノズル１２８を有する。本体部１２６の内側の端部は、二つの注入器、すなわち、軸形状のスラリー注入器１３０と環状の水注入器１３２とに連結される。水流れがスラリー流れの周りに環状に位置されて、水流れとスラリー流れとの両方が軸方向に本体部１２６に入るように、二つの注入器は配置される。水注入器１３２は、本体部１２６へ入る前に水流れから乱流を実質的に除去するための、整流器を含む。この図の実施の形態では、水流れは径方向に水注入器１３２へ入り、その後軸方向へ方向を変えられる。整流器は、複数の小管であって、この方向変換によって発生した乱流を除去する助けとなる。
【００５５】
切断工具１１０は、スラリー注入器１３０の上流に設置されたスラリー弁１３１と、水注入器１３２の上流に設置された水弁１３３とを含む。スラリー弁１３１と水弁１３３とは、各々別個に作動可能であり、流れを許容または妨げるために開閉され得る。
【００５６】
スラリー弁１３１とスラリー注入器１３０との間の軸形状連結器１３５は、長さを変化可能である。
【００５７】
ノズル１２８は、図６に最もよく示される。ノズルは、混合チャンバ１３４と集中領域１３６とを含む。混合チャンバは、入口領域１３８を含む。混合チャンバ１３４はまた、約１３．５°の円錐角を有する、円錐状の加速チャンバである。
【００５８】
集中領域１３６は、ノズル出口１４０に直接隣接する、直径が一定のノズルの一部分である。集中領域は、少なくとも５：１、好ましくは１０：１よりも大きい、長さ：直径の比を有する。
【００５９】
入口領域１３８は、実質的に一定の直径の軸方向入口管１４２を通るスラリー流れを受けるように配置される。入口領域はまた、入口管１４２の周りに軸方向に位置合わせされた環形１４４を通る水を受けるように配置される。環形１４４は、入口管１４２の直径の約３〜４倍の外径を有する。環形１４４は、連続的な形状で混合チャンバ１３４の内壁に結合し、これにより水流れへ乱流が導入される傾向を低減する。
【００６０】
入口管１４２の位置、したがって入口領域１３８の位置は、可変である。この位置は、軸形状連結器１３５の調整によって変えられてもよい。入口領域１３８の軸方向の位置決めにより、環形１４４を通って流れる水が入口領域１３８へ入る前に所望の速度に加速されることが可能になる。これにより、水およびスラリーの流れの調整が可能になり、操作者が磨耗または動力の損失を調整することが可能になる。
【００６１】
図の実施の形態では、集中領域１３６は、軸方向に混合チャンバ１３４に連結された、分離された集中ノズル１４６の内部に形成される。集中ノズル１４６は、図７に示すように、集中領域１３６の直ぐ前の加速領域１４８を含む。加速領域１４８は、混合チャンバ１３４の円錐角と等しいまたはより大きい、円錐角を有する。加速領域１４８は、混合チャンバ１３４の出口の直径と実質的に同一の、入口の直径を有する。乱流が導入される傾向を低減するために、加速領域１４８の入口の直径は、混合チャンバ１３４の出口の直径よりも著しく大きくないことが望ましいと考えられる。
【００６２】
集中ノズル１４６は、混合チャンバ１３４の材料よりも、より硬く、より耐磨耗性に優れた材料で形成されてもよい。そのようにして、流体／研磨材の流れが混合チャンバ内でたとえば秒速２５０メートルの第一速度に加速され、その後加速領域１４８内で最終速度にまで加速されるように、ノズル１２８のそれぞれの部分は設計されてもよい。それぞれの速度は、これら二つの部分で使用される材料の耐磨耗性に従って、設計され選択され得る。
【００６３】
代替的な実施の形態では、図８に示すように、集中ノズル１４６は、たとえばダイヤモンドなどの特に硬く耐磨耗性に優れる材料から形成された加速領域１４８と、たとえばセラミック材料などの他の適切な材料から形成された集中領域１３６とを有する、複合ノズルである。この実施の形態では、集中領域１３６の直径は、加速領域１４８の最小（出口）直径と等しくまたはわずかに小さく設計される。
【００６４】
両方の実施の形態において、ノズル１２８は、水／スラリー混合物の所望の速度、典型的には最大秒速６００メートルを達成できるように、十分な長さを有する。図の実施の形態では、スラリー入口管１４２の直径よりも小さい集中領域１３６の直径が必要とされることに注意されたい。
【００６５】
ノズルは、出口１４０において、面取りされた出口１５０を含む。面取りの円錐角は、出口１５０における流れの分離を確実にするために十分である。図の実施の形態では、この角度は４５°である。
【００６６】
さらなる代替的な実施の形態では、図９に示すように、集中ノズル１４６は外部ホルダ１５２の内部に含まれる。この実施の形態では、面取りされた出口１５０は、外部ホルダ１５２内に形成される。
【００６７】
使用中に、水は、定圧ポンプ１１６によって所望の圧力（たとえば３００ＭＰａ）にまで加圧される。水は、この圧力下で、環状の水注入器１３２を経由して切断工具１１０へ送り込まれ、その後環形１４４へ送り込まれる。水は環形から入口領域１３８に入り、入口領域１３８内において水が送り込まれた圧力に近い圧力を確立する。
【００６８】
浮動ピストン１１８によって作動されたスラリーは、切断工具１１０へ送り込まれ、スラリー注入器１３０を経由して入口管１４２内へ送り込まれる。
【００６９】
入口管１４２内の圧力が入口領域１３８内の圧力を超えるときにのみスラリーが入口領域１３８内へ進むことが理解されよう。スラリーが流れるとき、（定量ポンプ１２０によって動かされた）浮動ピストン１１８の動作が、スラリー流れの圧力を、混合チャンバ１３４の入口領域１３８へ入るために十分高くなるまで上昇させるように作用する。この圧力は、水流れにより入口領域１３８内に生成された圧力よりもわずかに高いことが理解されよう。スラリー流れ内でこの圧力（これもまた概して約３００ＭＰａである）が確立されるとき、ポンプ１２０の動作により、スラリーが一定の流量および圧力でチャンバ１３４へ連続的に供給されることになる。
【００７０】
水とスラリーとは急速に前進し、チャンバ１３４に沿って混合される。環状の水流れは主として、少なくともノズル１２８の内側部分において、スラリーの磨耗作用からチャンバ１３４の壁を保護する。
【００７１】
流れが集中ノズル１４６へ加速されるまでに、水とスラリーとは十分に混合される。したがって、少なくとも集中ノズルの一部は、たとえばダイヤモンドなどの耐磨耗性に優れる材料で構成されなければならない。
【００７２】
流れは、多くの金属および他の材料の切断のために適切な、非常に大きな速度で出口１４０を通って集中ノズル１４６を出る。
【００７３】
切断が停止されるとき、直ちに浮動ピストン１１８が動作を停止するように、弁１２４が稼働する。弁１２４は研磨用材料に逆らわず水のみに逆らって作動し、したがって極端な磨耗が起こりにくいことが理解されよう。
【００７４】
浮動ピストン１１８の停止が、スラリー流れ１１４へのエネルギーの付加を止める原因となる。これにより、スラリー流れ１１４および入口管１４２の圧力降下が生じる。
【００７５】
入口管１４２の圧力が降下して入口領域１３８内の水圧をわずかに下回るとすぐに、水圧により、スラリーの入口領域１３８への流れが妨げられる。これは、弁１２４が稼動すると事実上瞬間的に起こることが理解されよう。外部へ出る噴流は、水／スラリーの噴流から、水のみの噴流に変化する。
【００７６】
この時点では、スラリー流れ１１４は、高圧の速度ゼロ条件に保たれている。この条件において、弁１３１に極度の磨耗を発生させずに、スラリー弁１３１を閉じることができる。
【００７７】
スラリー弁１３１が閉じられると、水の流れを停止するために、水弁１３３が閉じられる。この弁閉止手順は、素早く制御されることができ、したがって、切断ヘッド１１０における切断を開始および停止するための便利な手段を提供する。
【００７８】
切断が再開されるとき、逆の弁制御手順が行なわれる。最初に水弁１３３が開かれ、スラリー弁１３１が続く。その後の弁１２４の開放により、事実上瞬間的に、混合チャンバ１３４内へのスラリー流れが再確立される。
【００７９】
ノズルは、出口１４０において、面取りされた出口１５０を含む。面取りの円錐角は、出口１５０における流れの分離を確実にするために十分である。図の実施の形態では、この角度は４５°である。
【００８０】
さらなる代替的な実施の形態では、図９に示すように、集中ノズル１４６は外部ホルダ１５２の内部に含まれる。この実施の形態では、面取りされた出口１５０は、外部ホルダ１５２内に形成される。
【００８１】
当業者に明白な修正および変更は、本発明の範囲内であるとみなされる。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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