(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧流体噴流を発射するためのノズル（１）と、前記ノズル（１）の上流に接続されており、脈動高圧流体噴流を生成するための機器（２）とを備え、前記機器（２）が少なくとも１つの弁（３）を備えている、少なくとも１つの高圧流体噴流によって材料または被加工物表面を侵食加工および／または洗浄する装置であって、前記弁（３）は、サーボ弁として形成されており、かつ弁入口（５）を弁出口（６）と接続するための軸方向に摺動可能な弁ピストン（４）を具備し、それによって、前記弁（３）を通る流れを前記弁ピストン（４）の軸方向の位置により設定可能であり、前記ノズル（１）に前記脈動高圧流体噴流を供給するものであり、前記弁ピストン（４）は、パイロット弁（７）を介して圧力解放可能な制御空間（８）を区画し、前記制御空間（８）は前記弁入口（５）と液圧的に接続されており、それによって、パイロット弁（７）が閉じると前記制御空間（８）内の液圧が前記弁入口（５）と同じ液圧になることを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記弁ピストン（４）は、前記制御空間（８）を前記弁入口（５）と液圧的に接続するために少なくとも１つの通路（９）を具備し、前記少なくとも１つの通路（９）の有効流れ断面が全体として前記パイロット弁（７）によって開放可能な有効流れ断面よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記弁ピストン（４）は、段付きピストンとして形成されており、かつ前記弁入口（５）側にある第１端面（４．１）を具備し、前記第１端面は、前記弁入口（５）とは反対側にある前記制御空間（８）を区画するための第２端面（４．２）よりも小さいことを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記パイロット弁（７）は、電磁的または圧電的に作動可能であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記機器（２）は、前記弁（３）に流体を供給するための流体リザーバ（１０）を備えていることを特徴とする、前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
流体を高圧で搬送するために高圧ポンプ（１１）が設けられており、前記高圧ポンプ（１１）は、前記機器（２）の構成要素であるか、または前記機器（２）の上流に接続されており、前記高圧ポンプ（１１）が電気モータ（１２）を介して駆動可能であることを特徴とする、前記請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置を作動させる方法であって、脈動高圧流体噴流を生成するために、前記機器（２）の前記弁（３）をクロック制御して作動させ、前記クロック制御の周波数が４０〜２００Ｈｚであることを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部の特徴を有する少なくとも１つの高圧流体噴流によって材料または被加工物表面を侵食加工および／または洗浄する装置に関する。さらに、本発明は、このような装置を作動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１から、高圧ポンプとノズルとを備えた、例えば鋼、石材、ガラス、タイル、セラミックス、食品、またはプラスチックなどの材料を水噴流切断する装置が読み取れる。高圧ポンプは、ノズルから発射される高圧流体噴流、特に高圧水噴流を生成するために用いられる。この特許文献１において、高圧ポンプの駆動出力を小さく保つために、かつ高圧流体噴流によって材料内に複雑な三次元構造を作り出すことを可能にするために、装置がノズルから流出する流体パルス（Ｆｌｕｉｄｉｍｐｕｌｓｅ）を生成するための機器をさらに有しており、材料から所定量の小片を除去するように流体パルスを形成することが提案されている。記載された装置によって、高圧ポンプの吐出圧が比較的低いときに高い除去作用のある不連続な、すなわち、特に周期的に中断する流体噴流を生成することが可能であるということである。パルス衝撃（Ｐｕｌｓｓｔｏｅｓｓｅ）もしくは流体パルスを的確な頻度で生ぜしめることによって、流体噴流によって切断縁がふさがれる（ｖｅｒｓｔｏｐｆｔ）ことがないため自己強化効果（ｓｅｌｂｓｔｖｅｒｓｔａｅｒｋｅｎｄｅｒ  Ｅｆｆｅｋｔ）が生じ、すなわち切断縁における材料除去が改善される。それと同時に、流体パルスが材料への三次元ジオメトリの切削および／または作製を可能にする。この装置の好ましい一実施形態では、流体パルスを生成する機器が、内燃機関の噴射弁のように形成されているという少なくとも１つの弁を備えている。弁を作動させるために、好ましくは磁気アクチュエータまたは圧電アクチュエータが設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１３２０１７９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の従来技術を出発点として、本発明の課題は、エネルギー消費量がさらに少ない材料または被加工物表面を侵食加工および／または洗浄する装置を提供することである。さらに、この装置を省エネ的に作動させる方法が提供されるべきである。
【発明を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１の特徴を有する装置と請求項８の特徴を有する方法とが提案される。本発明の有利な展開形態は、それぞれの従属請求項から読み取ることができる。
【０００６】
提案される装置は、少なくとも１つの高圧流体噴流によって材料または被加工物表面を侵食加工および／または洗浄、特に脈動洗浄するために用いることができる。高圧流体噴流を発射するために、装置はノズルを備えており、このノズルの上流に、脈動高圧流体噴流を生成するために少なくとも１つの弁を有する機器が接続されている。本発明によると、この弁はサーボ弁として形成されており、かつ弁入口を弁出口と接続するための軸方向に摺動可能な弁ピストンを具備し、それによって、弁を通る流れを弁ピストンの軸方向の位置により設定可能である。
【０００７】
サーボ弁として実施した場合、脈動高圧流体噴流を生成する機器の弁は、特に内燃機関の噴射弁と比べて、必要とされる切り換えエネルギー（Ｓｃｈａｌｔｅｎｅｒｇｉｅ）が非常に小さい。このことによってもまた、装置と切断もしくは洗浄プロセスのエネルギー消費量がはるかに少なくなる。それと同時に、脈動高圧流体噴流により材料もしくは被加工物への複雑なジオメトリの作製および／またはそれぞれの表面の効果的な洗浄を達成することができる。
【０００８】
脈動高圧流体噴流は、連続的な生成される噴流分と不連続的に生成された噴流分とから構成されることが好ましい。このために、弁を通る流れが特定の時間間隔で増加もしくは低減される。これに代えて、連続的な噴流分なしに、不連続的に生成されただけの流体噴流を脈動高圧流体噴流として用いることもできる。
【０００９】
連続的な高圧流体噴流による切断とは異なり脈動高圧流体噴流による切断では、例えば炭素繊維強化またはガラス繊維強化プラスチックなどの材料であっても、非常にきれいな切断縁を達成できる。このことはこれまで難しいとされてきた。さらに、提案される装置は、例えば金属、セラミックス、石材、または木材などの他の多くの材料を切断するために用いることができる。流体パルスの自己強化効果によって、砥材（ａｂｒａｓｉｖｅ  Ｍｉｔｔｅｌ）の使用なしで済ませられる。このことによってもまた、結果としてノズルの領域の摩耗が低減され、装置の耐用年数が長くなり、運転コストが著しく低減される。
【００１０】
脈動高圧流体噴流を生成するための機器のサーボ弁として実施される弁は、弁ピストンが軸方向に摺動可能であることにもとづいて摺動弁をもなす。なぜなら弁を通る流れが弁ピストンの軸方向の位置によって設定されるからである。すなわち、弁ピストンの軸方向の位置に応じて特定の流れ断面が開放または閉鎖される。この場合、弁ピストンは、閉位置と最大開位置との間で任意の位置をとることができ、それによって流れを常時変化させることが可能であることが好ましい。
【００１１】
スライド弁として、機器の弁は、その密閉性に関して、例えばシート弁として形成される内燃機関の噴射弁ほど高い要求を満たすことができない。しかし、噴流の約９５％が遮断されれば十分であると考えられるのでその必要もない。
【００１２】
実験は、炭素繊維強化プラスチックの切断に提案される装置を用いることによって、エネルギーを８０％まで節約できることを示した。それに加えて、よりきれいな切断縁が達成される。
【００１３】
本発明の好ましい一実施形態では、弁ピストンは、バルブ入口と液圧的に接続されており、かつパイロット弁を介して圧力解放可能である制御空間を区画する。したがって、パイロット弁が閉じると、制御空間内の液圧が弁入口と同じ液圧になる。パイロット弁が開くと、制御空間内の圧力が低下し、それによって、弁入口内の圧力のほうが高くなることによって弁ピストンが制御空間の方向に摺動し、弁を通る流れが変化する。その場合、弁ピストンの軸方向の摺動は、好適にはそのときの液圧の比率のみによってもたらされるので、弁ピストンを開方向または閉方向に負荷するばねの使用なしで済ませられる。したがって、弁ピストンを軸方向に摺動させるために、ばねの弾撥力に打ち勝つためのアクチュエータを設ける必要がなく、それによって装置のエネルギー消費量がさらに低減される。
【００１４】
さらに、弁ピストンは、制御空間を弁入口と液圧的に接続するために少なくとも１つの通路を具備しているのが好ましい。少なくとも１つの通路は、例えば、弁ピストンにおける軸方向孔によって実現することができる。さらに、そのような孔を複数設けることもできる。少なくとも１つの通路の直径は、１つの通路または複数の通路の有効流れ断面が全体としてパイロット弁によって開放可能な有効流れ断面よりも小さくなるように選択されていることが好ましい。それによって、パイロット弁が開くと制御空間内の圧力が急速に低下し、弁を通る流れがパルス状に（ｉｍｐｕｌｓａｒｔｉｇ）増加することが保証されている。
【００１５】
弁ピストンが段付きピストンとして形成されており、かつ弁入口側にある第１端面を具備し、該第１端面が弁入口とは反対側にある制御空間を区画するための第２端面よりも小さいことが有利である。両方の端面は、液圧的に有効な制御面である。これらの制御面は、それぞれ選択された面積比率に応じて圧力増加を可能にする。したがって、弁ピストンを軸方向に摺動するために必要な力がその上さらに低減され、それによって高い動力性能の弁が提供される。
【００１６】
さらに、パイロット弁が電磁的または圧電的に作動可能であることが提案される。すなわち、パイロット弁は、磁気アクチュエータまたは圧電アクチュエータを備えている。パイロット弁は、簡単かつ低コストで製造できるため電磁弁として形成されていることが特に好ましい。
【００１７】
本発明の展開形態において、脈動高圧流体噴流を生成するための機器が弁に流体を供給するための流体リザーバを備えていることが提案される。機器に流体を連続的に供給して脈動高圧流体噴流の生成を可能にするために流体リザーバに流体を中間貯蔵することができる。このようにして機器の設計上の構造を簡易化することができる。
【００１８】
さらに、流体を高圧で搬送するために高圧ポンプが設けられており、この高圧ポンプが機器の構成要素であるか、または機器の上流に接続されていることが好ましい。高圧ポンプは、流体を圧縮する一方で、圧縮された流体をノズルの方向に搬送するために用いられる。高圧ポンプが電気モータを介して駆動可能であることが好ましい。そのような電気モータは小型の構造であり、高圧ポンプの搬送量の正確な調整を可能にする。
【００１９】
高圧で搬送される流体は水であることが好ましい。切断手段として水を用いることは、装置の高い環境保全性に寄与する。すなわち、装置を環境に配慮して作動させることが可能である。
【００２０】
さらに、本発明による装置を作動させる提案される方法では、脈動高圧流体噴流を生成するために、機器の弁をクロック制御して作動させる。クロック周波数は、４０〜２００Ｈｚであることが好ましい。流体パルスの周波数が比較的高いことによって、特に炭素繊維強化プラスチックの切断時の切断プロセスが改善される。実験は、同時にはるかに少ないエネルギー消費量できれいな切断縁を得ることができることを示した。上述したクロック周波数の場合、作動圧力は５００〜１５００ｂａｒであり得る。例えば、特に固体材料を切断する、および／または切断深さが深い場合など特殊な用途については、作動圧力は最大４０００ｂａｒであり得る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の好ましい実施形態に係る本発明による装置の模式図を示す。
【図２】図１の装置の弁の模式的縦断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面をもとにして詳しく説明する。
【００２３】
図１の図は、本発明による装置の主な構成部品のみを示す。これらの構成部品は、高圧流体噴流を発射するためのノズル１と、脈動高圧流体噴流を生成するための機器２である。機器２は、このためにサーボ弁として形成された弁３を備えている。次にこの弁を図２と関連付けて詳しく説明する。弁３の上流には流体リザーバ１０が接続されており、この流体リザーバに、高圧ポンプ１１を介して高圧下にある流体、この例では水を供給可能である。流体リザーバ１０と高圧ポンプ１１とは、弁３と同じように機器２の構成部品である。機器は、高圧ポンプ１１を駆動するための電気モータ１２をさらに備えている。高圧ポンプ１１は、電気モータ１２を介して連続的に駆動することができ、それによって流体リザーバ１０に流体が連続的に供給される。
【００２４】
図２に機器２の弁３の好ましい一実施形態が示されている。弁３はサーボ弁として形成されており、弁入口５を弁出口６と接続するための軸方向で往復摺動可能な弁ピストン４を備えている。弁ピストン４の運動方向は矢印１３で示されている。弁出口６は、この例では径方向に延びる対向する２つの孔によってなるが、弁入口５は軸方向に配置されている。それゆえ、弁ピストン４の軸方向の位置に応じて、弁出口６として用いられる孔が閉鎖されるか、または少なくとも部分的に開放され、それによって、このことにより弁３を通る流れを決定することが可能である。
【００２５】
弁ピストン４の軸方向の位置は液圧的に制御可能である。このために、弁ピストン４は、弁入口５側にあって入口圧力がかかる第１端面４．１を具備している。弁ピストン４の弁入口５とは反対側にある第２端面４．２は、パイロット弁７を介して圧力解放可能な制御空間８を区画する。制御空間８を弁入口５と液圧的に接続する通路９が弁ピストン４に形成されているので、パイロット弁７が閉じている間は制御空間８内も同様に入口圧力となる。通路９の直径Ｄ１は、パイロット弁７の弁閉鎖要素１４を介して閉鎖可能な出口開口１６の直径Ｄ２よりも小さく選択されている。それによって、パイロット弁７が開くと制御空間８内の圧力が確実かつ急速に低下する。補助的に、弁ピストン４の両方の端面４．１、４．２の面積比率は、弁ピストン４の軸方向の摺動をもたらす液圧の圧力の作用が強化されるように選択されている。このために、弁ピストン４は、段付きの形態となっており、直径Ｄ３を有する端面４．１は、直径Ｄ４を有する端面４．２よりもはるかに小さい。
【００２６】
パイロット弁７の作動はこの例では電磁的に行われる。このためにパイロット弁７が電磁石１５を備えており、この電磁石の磁力によって、弁閉鎖要素１４と結合された昇降運動し得るアーマチュア（図示せず）に作用を及ぼすことができる。アーマチュアが持ち上げられると弁閉鎖要素１４を開くことができる。その場合、流体は、制御空間８から出口開口１６を介して流出し、その結果、制御空間８内の圧力が低下する。したがって端面４．１に接している高いほうの入口圧力は、弁ピストン４をパイロット弁７の方向で軸方向に摺動させる。それによって、弁出口６の流れ断面がより大きく開放され、弁３を通る流れが増加する。このようにして流体パルスもしくは脈動高圧流体噴流が生成される。
【００２７】
本発明は、図示された実施例に限定されない。むしろ、特に弁３の具体的な形態に関する変形が可能である。さらに、作動圧力を様々に変更することができる。作動圧力は特に作動媒体に左右されるが、これは水であるのが好ましい。しかし油と水の乳濁液も作動媒体として用いることができる。
【符号の説明】
【００２８】
１  ノズル
２  機器
３  弁
４  弁ピストン
４．１  第１端面
４．２  第２端面
５  弁入口
６  弁出口
７  パイロット弁
８  制御空間
９  通路
１０  流体リザーバ
１１  高圧ポンプ
１２  電気モータ
１３  矢印
１４  弁閉鎖要素
１５  電磁石
１６  出口開口
Ｄ１  直径
Ｄ２  直径
Ｄ３  直径
Ｄ４  直径
【図１】
0006514327.tif 000002
【図２】
0006514327.tif 000003