(57)【要約】  レーザーエネルギで作られた穴をパージし、穴から屑を除去する方法であって、渦巻パージガス流が、除去すべき屑が入っている穴の中に供給され、渦流を屑に与えて屑を穴の底から持ち上げる。ある実施形態によれば、パージガスは、パージガスを穴に供給するパージガスノズル内で渦にされる。本発明の別の実施形態によれば、パージガスは、穴に直接渦巻かされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
除去すべき屑が入っている穴の中に、渦巻パージガス流を供給し、渦流を前記屑に与えて前記屑を前記穴の底から持ち上げる
ことを特徴とする、穴をパージし、穴から屑を除去する方法。
【請求項２】
前記穴は、直径の約５倍以上の深さを有する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記渦巻パージガス流の長手方向の軸線は、前記穴の穴軸線から離間されている
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記渦巻パージガス流は、少なくとも約１００ｐｓｉの圧力のパージガス源から作り出される
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記渦巻パージガス流の前記長手方向の軸線は、前記穴軸線と実質的に平行である
ことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記渦巻パージガス流の前記長手方向の軸線は、前記穴軸線に対して角度を成す
ことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項７】
複数の渦巻パージガス流が、前記穴に導入される
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記複数の渦巻パージガス流は、平行な流れで、前記穴に導入される
ことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記渦巻パージガス流は、非渦流パージガス流と組み合わされて、前記穴に導入される
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記渦巻パージガス流は、穴壁に関して接線に沿ったパージガスの前記穴への導入によって作り出される
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記渦巻パージガス流は、パージガスノズル内部で作られる
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記渦巻パージガス流は、前記穴内で直接作られる
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記渦巻パージガス流は、交互に流れ状態になったり非流れ状態になったりする
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記渦巻パージガス流は、交互に高流量になったり低流量になったりする
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記渦巻パージガス流は、液体の霧を含む
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の渦巻パージガス流は、複数のパージガスノズルを通して、前記穴に導入される
ことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１７】
前記屑は、前記穴の深さを増加させるためのレーザービームによって作り出される
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１８】
前記レーザービームは、連続して前記穴に導入される
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記レーザービームは、パルスで前記穴に導入される
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記レーザービームのパルスは、前記パージガスのパルスと同期される
ことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、穴を作る目的のためにレーザービームに当てられた表面をパージしてその表面から屑を除去する方法に関するものである。或る側面において、本発明は、レーザ掘削によって作り出された穴をパージしてその穴から屑を除去する方法に関する。或る側面において、本発明は、ドリルホール及びドリルホール穿孔をパージして屑を除去する方法。
【背景技術】
【０００２】
レーザービームが、熱的及び／又は化学的破砕、溶融又は物質軟化により固体材料に穴を作るのに使用される場合に、屑が作り出され、その屑は、レーザービームが当てられる新しい表面を露出させるために除去されなければならず、それによって、穴形成の実効性を増大させ、かつ、レーザービームによる穿孔速度を増加させる。図１は、レーザービーム１１によって作られた穴１０と、穴から除去されるべき生成屑１２を示す。穴壁又は穴底へのレーザービームの適用の結果として生じる物質又は屑は、蒸気、溶融物、固体粒子又は小塊である。物質又は屑の中には、穴壁表面及び／又は穴底表面に付着して留まるものもあり、また、それらから離れるものものある。屑は、かかる表面から離れていようと、かかる表面に付着していようと、レーザーエネルギの少なくとも幾らかを吸収し、それによって、レーザービームが当てられている下にある表面にレーザーエネルギが到達することを妨げて、レーザーエネルギの実効性を減ずる。物質又は屑が、継続的に或いは断続的に除去されなければ、それは、レーザーエネルギの一部分を吸収し続け、その結果、穴壁表面及び／又は穴底表面に付く溶融物質の形成部を生じ、さらに、穴形状、穴表面、及び穿孔速度に悪影響を与える。かくして、レーザービームが当てられている表面へのレーザーエネルギの伝達を最大化し、処理のために新しい表面を露出させるように、穴から屑を迅速に除去することが望ましい。レーザが当てられた表面に衝突するガスジェットのような、レーザーエネルギを吸収しない手段を使用して屑を除去することもまた望ましい。
【０００３】
普通に採用される一つの取り組み方法は、図２に示すように、パージガスノズル１３を使用して、十分な流量及び速度の直進ガスジェット１４を穴の中へ供給して、レーザが当てられた表面に衝突させて、付着している屑を離し、自然に離れた屑と共に、離された屑を穴から除去する。別の取り組み方法は、図３に示すように、レーザが当てられている表面を吸引する機械的なノズル１６を使用することである。第１の取り組み方法は、比較的浅い穴、及び、パージガスの少なくとも一部分を出すことを可能にする裏側近くの開口を有する穴においては効果的であるが、図４に示すように、実質的に閉じた一端を有する穴、及び、直径の５倍以上の深さを有する深い穴に対しては、本質的に広がるガスジェット１４が運動量を失うため、この技術はより小さい効果となり、ガスが穴の中に閉じこめられ、穴の一端に近いレーザが当てられた表面に達してこれを穿孔することができない。
【０００４】
試験は、ノズル出口でのジェット速度に関係なく、直径２インチの穴に約１４インチの最大パージガスジェット穿孔を示した。直径約２インチ深さ２４インチの、一端が閉じた穴は、細かい砂で満たされ、また、直径約１／２インチのエアノズルは、その軸線を穴の軸線と実質的に平行にして、穴の開口近くに配置された。試験は、１００ｐｓｉｇ迄のノズル圧力を有する空気を使用して実行された。試験は、１００ｐｓｉｇの圧力であっても、空気が細かい砂を初めの１４インチを超えて穴の外に持ち上げることができないことを示した。
【０００５】
比較的高いノズル圧力で実行された流体力学モデリングは、同様の結果を示した。最大達成深度を得るために、一つの取り組み方法は、穴が深くなるに従って、パージガスノズルを穴の中へ前進させることである。しかしながら、この取り組み方法は、レーザービームの遮蔽、ノズルの加熱、そして、全体的に非対称な穴という結果を生じる。吸引の先端を吸引されている表面に接近させて配置することを要求する吸引を使用しようとすると、同様の問題に遭遇する。周知のように、吸引されている表面と、ノズル先端との間の距離が増大するにつれて、吸引の実効性は急速に低下する。さらに、エネルギ取り出しドリルホールに穴を作るような場合に、遠隔操作応用技術を利用する困難において、ノズルをドリルホールの側壁の穴に、特にその穴の奥深くに誘導することは困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
かくして、本発明の一つの目的は、直径の５倍以上の深さを有する穴をパージして穴から屑を除去する方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の一つの目的は、レーザが当てられている表面へのレーザーエネルギの伝達を最大化し、レーザを当てるための新しい表面を露出させるように、実質的に屑が生成される際に屑を迅速に除去する、穴をパージして穴から屑を除去する方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、レーザーエネルギのかなりの量を吸収しない、穴をパージして穴から屑を除去する方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の別の目的は、穴をパージして屑を除去するために採用された従来のパージガスシステムを用いたときに生じる、レーザービームの遮蔽、パージガスノズルの加熱、及び非円筒形の穴の形成という問題を回避する、穴をパージして穴から屑を除去する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のこれらの及び他の目的は、除去すべき屑が入っている穴の中に、旋回しながら進む渦巻パージガス流を供給し、渦流を前記屑に与えて前記屑を前記穴の底から持ち上げる、穴をパージして穴から屑を除去する方法を提供することにある。パージガスの渦巻は、以下により詳細に説明するように、種々の手段によって成し遂げられる。
【００１１】
レーザ照射工程中に発生した屑は、顕微鏡によらなければ見えない粒子から、約０．５〜１インチの直径の球相当（同体積の球の直径）の小片まで、寸法がとても広い。粒子の濃度は、レーザービームが当てられている物質に依存し、霧が使用されようがされまいが、材料が破砕されようがされまいが、一般に元の物質の密度を保持し、物質が溶融されようがされまいが、密度を増加させるだろう。
【００１２】
本発明の方法を実施するためのパージガスの流量及び流速は、穴の直径に基づいて、標準井戸の確立された流動化計算を使用して計算されるのがよい。屑を効果的に除去するために、（穴の半分の断面積に分割された穴への全流れからの合計流量として定義された）パージガス流の流量は、除去されるべき最も大きな屑の粒子の終端速度と少なくとも等しく、好ましくは、終端速度より大きくあるべきである。半分の面積が使用される、というのは、約半分の断面を横切るパージガスの流れは、穴の終端で屑に向かい、残りの半分の断面を横切る流れは穴の終端で屑から離れるからである。
【００１３】
本発明のこれら及び他の目的及び特徴は、図面と共に以下の詳細な説明からより良く理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】穴を作るためのレーザーエネルギの使用を説明する図であり、穴では、レーザーエネルギを吸収するように振る舞う屑が、レーザ加工により形成される。
【図２】レーザ加工によって生成された屑を除去する目的のための、レーザ加工と共同したパージガスの従来の使用を説明する図である。
【図３】レーザ加工によって生成された屑を除去する手段としての、真空吸引の従来の使用を説明する図である。
【図４】従来のパージガス処理流がドリルホールの底から屑を除去できないことを説明する図である。
【図５】渦巻パージガス流が、レーザ加工中に生成された屑を除去する目的のために採用される本発明の全体的な概念を説明する図である。
【図６】本発明の実施形態によるパージガスノズル内に渦巻パージガス流を生成する一つの方法を説明する図である。
【図７】図６の線VII−VIIに沿ったパージガスノズルの図である。
【図８】本発明の実施形態によるパージガスノズル内に渦巻パージガス流を生成する別の方法を説明する図である。
【図９】図８の線IX−IXに沿ったパージガスノズルの図である。
【図１０】本発明の実施形態による多重平行渦巻パージガス流の使用を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態による渦巻パージガス流及び直線パージガス流の組合せの使用を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態によるパージガスノズルを通して穴の中での渦巻パージガス流の直接生成を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態による角度を成したパージガス注入器を使用して穴の中でのパージガス流の直接生成を示す図である。
【図１４】本発明の実施形態によるドリルホールとドリルホール穿孔との間でパージガスノズルの向きを変えるための機構を示す図である。
【図１５】本発明の実施形態による渦流ノズルを採用したレーザ材料加工具を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の方法は、穴の中へのパージガス流の侵入を増加させることによる比較的深くかつ実質的に閉端の穴に侵入するための上述した従来の取り組み方法の欠点に取り組む。侵入を増加させることは、図５に示すように、穴の中でガス流２０に或る程度の渦を与えて、流れの広がり及び流れパターンを制御することによって達成される。
【００１６】
パージガス流の渦流は、図６及び図７に示すように、プレナム３０から開口３１を通ってパージガスノズル内へ出るパージガスを導入することによって、本発明の実施形態によるパージガスノズル２５において達成される。図８及び図９に示すように、本発明の実施形態によれば、パージガスノズル２５内のパージガス流の渦流は、パージガスノズル内に配置された渦プレート３２を使用して達成される。かかる渦プレートは、当業者に良く知られている。当業者に知られた、流体流に渦流を与える他の如何なる方法を採用してもよい。
【００１７】
図１０に示すように平行なフローストリーム、及び図１１に示すように直進／渦流フローストリームの組合せを含む多重渦流パターンを、好ましいジェット侵入及び表面衝突を達成するために使用するのがよい。二つ以上の平行フローストリームは、同じ総流量及び流速の単一の流れよりも低いレイノルズ数（Ｒｅ）を有するであろう。かくして、本発明の実施形態による多重平行フローストリームの使用は、単一の流れに比べて、レイノルズ数及びフローストリームの乱れを減じ、同じレイノルズ数を維持しつつ、より高いフローストリームの流速、密度及び総流量を可能にし、穴の中への侵入及び屑の流動化を増大させる。多重フローストリームの使用によりまた、穴の内ゾーン及び外ゾーンにおいて生成された屑の特徴に基づいて異なる流体を使用することができ（より大きな屑にはより重い流体、より小さい屑にはより軽い流体）、外渦流により、内フローストリームの広がりを制限して、内フローストリームの侵入を増大させることができる。本発明の実施形態によれば、好ましい複数のパージガス渦フローストリームは、複数のパージガスノズルを使用して作り出される。
【００１８】
本発明の実施形態において、パージガスは、図１２に示すように、穴壁に実質的に平行な、穴壁に向いて／穴壁から離れて僅かに角度を成すように向けられたパージガス流軸を有するパージガスノズル３５を通して、穴軸線３３と穴壁との間の領域の穴１０内に導入され、それによって、穴の底近くに、微細屑粒子のサイクロンの／渦の流れを作り出す。本発明の実施形態によれば、パージガス流軸は、図１３に示すように、穴壁に対して９０°より小さい角度で向けられて、特定の条件で渦流の生成を強める。好ましいパージガスノズルの配向及び流れのパラメータは、穴の上部に渦流を作り出して、穴の底部で屑に渦を巻かせる。実質的に垂直な穴の配向において、屑の寸法に依存して、パージガスを流しつつ、屑が取れるかもしれない。
【００１９】
本発明の実施形態において、パージガスは、オン状態とオフ状態との間、又は高流量と低流量との間で脈動して、パージガスがオフ状態又は低流量であるときに、屑を落とすことを可能にする。この場合、レーザービームは、連続的でもよいし、パージガスの脈動と、好ましくは同期して、同位相又は異なる位相で脈動してもよい。
【００２０】
本発明の実施形態において、パージガスは、液体の霧で飽和されて、パージガス密度を増加させ、パージガス流の広がりを減じ、レーザが当てられた表面の熱冷ましを増加させ、かつ、屑生成速度及び穴侵入を増大させる。
【００２１】
本発明の方法用のパージガスノズル３５は、非使用期間中、ドリルホール３６内に配置され、図１３に概略的に示すように、簡単な機構、例えば、ヒンジ機構３７によって、必要とされたときに、ドリルホールの穿孔内に配置され、より限定された渦流、及び穴の外側に留まる流体に対する穴の中へ進む流体のパーセントによって、その実効性を増大させる。
【００２２】
本発明の方法に使用される好ましいパージガスは、不活性ガス、酸素含有ガス、炭化水素ガス、及びそれらの混合ガスからなるグループから選択されるのがよい。パージガスに混ぜるための適当な駅頭を形成する好ましい霧は、水、食塩水、炭化水素液、及びそれらの混合液からなるグループから選択されるのがよい。
【００２３】
図１５は、本発明の実施形態による、ドリルホールの穿孔内に渦流を作る出すための渦流ノズル４１を備えたレーザ用具４０を示す図である。
【００２４】
上述の実施形態では、本発明を特定の好適実施形態に関連して説明し、多くの詳細を、説明の目的で記載してきたが、本発明が実施形態の追加が可能であること、及び、ここに記載された詳細が、本発明の本質から逸脱することなく、かなり変更することができることが当業者に明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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