(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨材粒子を含む高速流体を噴射ノズルから加工対象物に噴射して加工するに際し、
研磨材を搬送する流体を、ベース液に、当該ベース液よりも気化しやすい気相変換物質を混合した混合液とし、
混合液を、噴射ノズルからの噴射前に、気相変換物質の臨界圧力以上に加圧するとともに気相変換物質の臨界温度以上に加熱して、気相変換物質の一部または全部を気化させることにより気液混相状態とし、
噴射ノズルで混合液に供給された研磨材粒子を加速して噴射する
ことを特徴とするアブレーシブジェットによる加工方法。
【請求項２】
ベース液に研磨材粒子を含む高速流体を噴射ノズルから加工対象物に噴射して加工するに際し、
ベース液を臨界圧力以上に加圧するとともに臨界温度以上に加熱して超臨界状態とし、
噴射ノズル内で噴射前のベース液に反応物質を注入し、当該反応物質とベース液との化学反応による反応熱により、超臨界状態のベース液に急激な気化を誘発させ少なくとも一部を気化させて膨張させ、
噴射ノズル内のベース液に研磨材粒子を供給して加速し噴射する
ことを特徴とするアブレーシブジェットによる加工方法。
【請求項３】
請求項１記載のアブレーシブジェットによる加工方法を実施するためのアブレーシブジェットによる加工装置であって、
ベース液に、当該ベース液より気化しやすい気相変換物質を混合した混合液を貯留する投入タンクと、
混合液を気相変換物質の臨界圧力以上に加圧して圧送する加圧ポンプと、
加圧ポンプから噴射ノズルに接続されて混合液を案内する導管と、
導管の上流側に配置されて加圧と流動抵抗による混合液の昇温を防止する昇温防止装置と、
導管の下流側に配置されて気相変換物質の臨界温度以上に加熱し気化させて気液混相状態とする加熱装置と、
噴射ノズル内で混合液に研磨剤粒子を供給する研磨剤供給ユニットとを具備した
ことを特徴とするアブレーシブジェットによる加工装置。
【請求項４】
請求項２記載のアブレーシブジェットによる加工方法を実施するためのアブレーシブジェットによる加工装置であって、
ベース液を貯留する投入タンクと、
ベース液を臨界圧力以上に加圧し圧送する加圧ポンプと、
加圧ポンプから噴射ノズルに接続されてベース液を案内する導管と、
加圧ポンプから送り出されるベース液を供給する導管と、
導管の上流側に配置されて加圧と流動抵抗によるベース液の昇温を防止する昇温防止装置と、
導管の下流側に配置されてベース液を臨界温度以上に加熱する加熱装置と、
導管が接続されて流路断面が絞られた絞り部を有する噴射ノズルと、
噴射ノズルに研磨剤粒子を供給する研磨剤供給ユニットと、
噴射ノズルでベース液に反応物質を注入して反応物質とベース液との化学反応による反応熱により、超臨界状態のベース液に急激な気化を誘発させる反応物質供給ユニットとを具備した
ことを特徴とするアブレーシブジェットによる加工装置。
【請求項５】
加圧ポンプの出口側の導管に逆流を防止する逆止弁を設け、
噴射ノズルに、流路断面を絞る絞り部を形成した
請求項３または４記載のアブレーシブジェットによる加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧流体中に研磨材を混合してノズルから噴射し、被加工物を切断や研掃などの加工を行うアブレーシブジェットによる加工方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
研磨材を含む高速流体を使用して研掃、研磨、洗浄や穴あけ、切断などの加工を行うアブレーシブジェットによる加工は、発熱や方向性がないことや加工変質層の発生が少ないなどの多くのメリットから多方向の分野に広く利用されている。
【０００３】
従来のアブレーシブジェットによる加工装置は、高圧ポンプユニットから高圧水を高圧ホースを介して噴射ノズルに供給するとともに、前記高圧水に研磨材粒子を供給するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高速流体の流速は、圧力の１／２乗に比例するため、高能力の高圧ポンプが必要となり、また精密加工するためにノズル径が小さくなったり、高速流体を長い距離圧送する場合には、圧力損失が大きくなるため、高能力の高圧ポンプが必要となる。したがって、高能力を要求される装置は、大型化する傾向にある。
【０００５】
本発明は上記問題点を解決して、研磨材粒子をより高速で投射できるとともに、装置のコンパクト化が可能なアブレーシブジェットによる加工方法および装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、研磨材粒子を含む高速流体を噴射ノズルから加工対象物に噴射して加工するに際し、研磨材を搬送する流体を、ベース液に、当該ベース液よりも気化しやすい気相変換物質を混合した混合液とし、混合液を、噴射ノズルからの噴射前に、気相変換物質の臨界圧力以上に加圧するとともに気相変換物質の臨界温度以上に加熱して、気相変換物質の一部または全部を気化させることにより気液混相状態とし、噴射ノズルで混合液に供給された研磨材粒子を加速して噴射するものである。
【０００７】
請求項３記載の発明は、請求項１記載のアブレーシブジェットによる加工方法を実施するためのアブレーシブジェットによる加工装置であって、ベース液に、当該ベース液より気化しやすい気相変換物質を混合した混合液を貯留する投入タンクと、混合液を気相変換物質の臨界圧力以上に加圧して圧送する加圧ポンプと、加圧ポンプから噴射ノズルに接続されて混合液を案内する導管と、導管の上流側に配置されて加圧と流動抵抗による混合液の昇温を防止する昇温防止装置と、導管の下流側に配置されて気相変換物質の臨界温度以上に加熱し気化させて気液混相状態とする加熱装置と、噴射ノズル内で混合液に研磨剤粒子を供給する研磨剤供給ユニットとを具備したものである。
【０００８】
上記請求項１または３記載の構成によれば、ベース液に、当該ベース液よりも気化しやすい気相変換物質を混合した混合液中の気相変換物質を、より少ない熱エネルギーで気化させて、高速流体を気液混相状態とすることにより、供給通路や噴射ノズルの流動抵抗を軽減して圧力損失を大幅に減少させることができ、これにより流体の減速を防止することができる。また気化による膨張力を利用して、研磨材粒子をさらに加速することができる。したがって、少ない熱エネルギーで気化により生じる加圧力を有効に利用して研磨材粒子を十分に加速することができ、加工能力を大幅に向上させることができる。これにより、加圧ポンプの能力を増大させることなく、加工能力を向上させることができ、装置の小型化を促進することができる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、ベース液に研磨材粒子を含む高速流体を噴射ノズルから加工対象物に噴射して加工するに際し、ベース液を臨界圧力以上に加圧するとともに臨界温度以上に加熱して超臨界状態とし、噴射ノズル内で噴射前のベース液に反応物質を注入し、当該反応物質とベース液との化学反応による反応熱により、超臨界状態のベース液に急激な気化を誘発させ少なくとも一部を気化させて膨張させ、噴射ノズル内のベース液に研磨材粒子を供給して加速し噴射するものである。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項２記載のアブレーシブジェットによる加工方法を実施するためのアブレーシブジェットによる加工装置であって、ベース液を貯留する投入タンクと、ベース液を臨界圧力以上に加圧し圧送する加圧ポンプと、加圧ポンプから噴射ノズルに接続されてベース液を案内する導管と、加圧ポンプから送り出されるベース液を供給する導管と、導管の上流側に配置されて加圧と流動抵抗によるベース液の昇温を防止する昇温防止装置と、導管の下流側に配置されてベース液を臨界温度以上に加熱する加熱装置と、導管が接続されて流路断面が絞られた絞り部を有する噴射ノズルと、噴射ノズルに研磨剤粒子を供給する研磨剤供給ユニットと、噴射ノズルでベース液に反応物質を注入して反応物質とベース液との化学反応による反応熱により、超臨界状態のベース液に急激な気化を誘発させる反応物質供給ユニットとを具備したものである。
【００１１】
上記構成によれば、噴射ノズルにおいて、ベース液に注入された反応物質と、ベース液との間に生じる化学反応の熱エネルギーを、不安定な超臨界状態のベース液に作用させることにより、ベース液に瞬間的な気化を誘発し、その爆発的な膨張力を利用して、ベース液中の研磨材粒子を効果的に加速することができる。したがって、少ない熱エネルギーで気化により生じる加圧力を有効に利用して研磨材粒子を十分に加速することができ、研磨材粒子による加工能力を向上させることができる。また加圧ポンプの能力を増大させることなく、加工能力を向上させることができ、装置の小型化を図ることができる。
【００１２】
請求項５記載のアブレーシブジェットによる加工装置は、請求項３または４記載の構成において、加圧ポンプの出口側の導管に逆流を防止する逆止弁を設け、噴射ノズルに、流路断面を絞る絞り部を形成したものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係るアブレーシブジェットによる切断装置の第１の実施の形態を図１および図２に基づいて説明する。
【００１４】
この切断装置は、ベース液に研磨材粒子を含む高速流体を加工対象物に噴射して切断加工するもので、ベース液を貯留する投入タンク１と、投入タンク１のベース液を加圧して圧送する加圧ポンプ２と、加圧ポンプ２から送り出されるベース液を切断ノズル（噴射ノズル）に供給する圧送通路である導管３と、導管３の上流側で加圧や摩擦による昇温気化を防止する昇温防止装置５と、導管３の下流側でベース液を加熱してベース液の一部を気化可能な加熱装置６と、切断ノズル４に供給管７を介して研磨材粒子を供給する研磨材供給ユニット８とが具備されている。
【００１５】
ここでベース液として、たとえば水などが使用される。また加圧ポンプ２は、ベース液を臨界圧力以上に加圧可能な能力を有し、また加熱装置６は、ヒーターや高周波等の加熱装置により、ベース液等を臨界温度以上に加熱可能な能力を有している。
【００１６】
上記構成において、ベース液が投入タンク１から逆止弁付き供給管１ａから加圧ポンプ２に送られ、加圧ポンプ２から逆止弁３ａを介して導管３に圧送される。そして導管３の上流側で、昇温防止装置５によりベース液が冷却されることで、加圧ポンプ２による加圧と導管３の流動抵抗によるベース液の昇温による気化が防止されている。さらに導管３の下流側で加熱装置６によりベース液が加熱され、また切断ノズル４の入口側の絞り部４ｃで流路断面が絞られることにより加圧される。また加熱によりベース液に溶解しているガスやベース液の一部が気化されて気泡を発生し、気化膨張より生じる加圧力が逆止弁３ａにより切断ノズル４側に作用してベース液が加速される。さらにベース液が臨界温度以上に加熱されるとともに臨界圧力以上に加圧されて超臨界状態となり、体積膨張して増速する。この時、導管３内および切断ノズル４内では、ベース液が気液混相状態となることから、ベース液の流動抵抗が小さくなって圧力損失が大幅に軽減されるので、ベース液が減速されることがない。
【００１７】
さらに切断ノズル４では、圧送されて噴射されるベース液の負圧により、研磨材供給ユニット８から研磨材粒子が混合室４ａに吸引されてベース液に供給されるか、または圧力変動による吸引量の変動を防止するために、研磨材供給ユニット８から加圧供給された研磨材粒子が混合室４ａに送り込まれてベース液に混合され、ノズル口４ｂからベース液と共に研磨材粒子がワーク（加工対象物）９に投射される。
【００１８】
この時、減圧状態となることで、気液混相状態のベース液の液相部分の全部または大部分が瞬時に気化されて、その爆発的な膨張力によりベース液が加圧されることで研磨材粒子がさらに加速され、ワーク９をより効果的に切断加工することができる。
【００１９】
上記実施の形態によれば、加熱装置６によりベース液を加熱して一部を気化させ、ベース液を気液混相状態としたので、気化による膨張力により研磨材粒子を加速するとともに、導管３および切断ノズル４内での流動抵抗を軽減して圧力損失を大幅に減少させ、ベース液の減速を防止して切断能力を増大することができる。
【００２０】
またベース液を臨界温度以上に加熱するとともに臨界圧力以上に加圧して超臨界状態とすることにより、切断ノズル４の出口付近で減圧されて、ベース液の液相部分の気化が瞬時に拡大して爆発的な膨張力が生じ、これにより研磨材粒子をさらに加速してワーク９を効果的に切断することができる。
【００２１】
次に本発明に係るアブレーシブジェットによる切断装置の第２の実施の形態を図３および図４に基づいて説明する。なお、第１の実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００２２】
この第２の実施の形態では、高速流体を構成するベース液に、ベース液よりも気化しやすい気相変換物質を混合した混合液を使用し、加熱装置６により混合液のうちの気相変換物質を導管３および切断ノズル４内や切断ノズル４の出口で気化させて高速流体を加速するものである。
【００２３】
すなわち、省エネ対策として、気化に要する温度を下げるために、気相変換物液がベース液に対して容積比で約３０％以上添加される。この気相変換物質は、ベース液よりも気化しやすいものが選択され、たとえば水（ベースが水以外の場合）や二酸化炭素、エタノールなどが使用される。もちろん、気相変換物質をベース液として使用してもよい。表１に代表的な気相変換物質の例を示す。
【００２４】
【表１】
0004212282.tif 000002
気相変換物質として二酸化炭素などの気体を選択した場合には、ベース液中に混合させるか、または混合装置（図示せず）を投入タンク１や加圧ポンプ２の接液部に設置する。
【００２５】
上記構成において、ベース液と気相変換物質の混合液が投入タンク１から加圧ポンプ２により導管３に圧送され、導管３の上流側で、昇温防止装置５により混合液が冷却されて加圧ポンプ２による加圧と導管３の流動抵抗による混合液の昇温により、上流側で気化されるのが防止されている。そして導管３の下流側で加熱装置６により混合液が加熱され、さらに切断ノズル４の絞り部４ｃで流路断面が絞られることにより、気相変換物質が臨界圧以上に加圧されるとともに、臨界温度以上に加熱されて超臨界状態となる。超臨界状態となることで体積が膨張し、増速される。この時、導管３内および切断ノズル４内で混合液が気液混相状態となることから、混合液の流動抵抗が小さくなって圧力損失が大幅に軽減されることにより、混合液がさらに効果的に加速される。
【００２６】
さらに切断ノズル４では、圧送されて噴射される混合液の流速に伴う負圧により、研磨材供給ユニット８から研磨材粒子が切断ノズル４の混合室４ａに吸引されて混合液に供給されるか、または圧力変動による吸引量の変動を防止するために、研磨材供給ユニット８から加圧供給された研磨材粒子が混合室４ａに送り込まれてベース液に供給される。そして切断ノズル４のノズル口４ｂから混合液と共に研磨材粒子がワーク９に投射される。
【００２７】
この時、大気開放により減圧状態となることから、気相変換物質の液相部分の全部が瞬時に気化してその爆発的な膨張力により研磨材粒子がさらに加速され、ワーク９をより効果的に切断加工される。
【００２８】
上記実施の形態によれば、ベース液よりも気化しやすい気相変換物質を混合することにより、加熱装置６による熱エネルギーが少なくても、混合液を気液混相状態として、流動抵抗を軽減して圧力損失を大幅に減少させることができる。
【００２９】
またベース液よりも低圧、低温で超臨界状態とすることができ、第１の実施の形態に比較して、エネルギーコストを削減することができる。
さらに本発明に係るアブレーシブジェットによる切断装置の第３の実施の形態を図５および図６に基づいて説明する。なお、先の実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００３０】
第３の実施の形態は、超臨界状態の液体は、僅かな周辺雰囲気やエネルギー状態の変化により、瞬間的に気化されることに着目したもので、ベース液を加圧するとともに加熱して超臨界状態とし、切断ノズル４の出口の上流側近傍の混合室４ａで、ベース液中に反応物質を注入して化学反応させることにより、反応熱を利用して超臨界状態のベース液の急激な気化を誘発し、ベース液に混合された研磨材粒子を加速するものである。
【００３１】
すなわち、加圧ポンプ２によりベース液（たとえば水）を臨界圧力以上に加圧するとともに、加熱装置６により臨界温度以上に加熱してベース液を超臨界状態とし、反応物質供給ユニット１１から反応物質（たとえば酸素ガス）を切断ノズル４の混合室４ａに注入し、ベース液と反応物質との化学反応により生じる反応熱により、超臨界状態のベース液に急激な気化膨張を生じさせ、研磨材粒子を加速する。
【００３２】
たとえばベース液が超臨界状態の水で反応物質が酸素の場合には、
２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ２
となって、過酸化水素水が生成されると同時に反応熱が生じ、この反応熱が超臨界状態の水に作用する。
【００３３】
さらに切断ノズル４のノズル口４ｂから高速で噴射されたベース液は、減圧作用によりさらに気化が促進されて研磨材粒子が加速され、ワーク９を効果的に切断することができる。
【００３４】
上記実施の形態によれば、超臨界状態のベース液に反応物質を添加し、化学反応による熱エネルギーを利用してベース液を瞬時に気化膨張させ、この爆発的な膨張力を利用して、研磨剤粒子を加速しワーク９に衝突させるので、効果的にワークを切断することができ、ベース液を圧送するエネルギーを削減することができて微粒化に要するエネルギー効率を向上させることができる。また加圧ポンプ２を小型化できるので装置の小型化が可能となる。
【００３５】
なお、上記実施の形態は切断装置について説明したが、研掃装置や研磨装置、洗浄装置や穴あけ装置などに適用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上に述べたごとく請求項１または３記載の構成によれば、ベース液に、当該ベース液よりも気化しやすい気相変換物質を混合した混合液中の気相変換物質を、より少ない熱エネルギーで気化させて、高速流体を気液混相状態とすることにより、供給通路や噴射ノズルの流動抵抗を軽減して圧力損失を大幅に減少させることができ、これにより流体の減速を防止することができる。また気化による膨張力を利用して、研磨材粒子をさらに加速することができる。したがって、少ない熱エネルギーで気化により生じる加圧力を有効に利用して研磨材粒子を十分に加速することができ、加工能力を大幅に向上させることができる。このため加圧ポンプの能力を増大させることなく、加工能力を向上させることができ、装置の小型化を促進することができる。
【００３９】
請求項２または４記載の構成によれば、噴射ノズルにおいてベース液に注入された反応物質と、ベース液との間に生じる化学反応の熱エネルギーを、不安定な超臨界状態のベース液に作用させることにより、ベース液に瞬間的な気化を誘発し、その爆発的な膨張力を利用して、ベース液中の研磨材粒子を効果的に加速することができる。したがって、少ない熱エネルギーで気化により生じる加圧力を有効に利用して研磨材粒子を十分に加速することができ、研磨材粒子による加工能力を向上させることができる。また加圧ポンプの能力を増大させることなく、加工能力を向上させることができ、装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアブレーシブジェットによる加工装置の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】同切断ノズルの拡大断面図である。
【図３】本発明に係るアブレーシブジェットによる加工装置の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図４】同切断ノズルの拡大断面図である。
【図５】本発明に係るアブレーシブジェットによる加工装置の第３の実施の形態を示す構成図である。
【図６】同切断ノズルの拡大断面図である。
【符号の説明】
１    投入タンク
２    加圧ポンプ
３    導管
４    切断ノズル
４ａ  混合室
４ｂ  ノズル口
４ｃ  絞り部
５    昇温防止装置
６    加熱装置
７    供給管
８    研磨材供給ユニット
９    ワーク
１１    反応物質供給ユニット
【図１】
0004212282.tif 000003
【図２】
0004212282.tif 000004
【図３】
0004212282.tif 000005
【図４】
0004212282.tif 000006
【図５】
0004212282.tif 000007
【図６】
0004212282.tif 000008