JP2560591B2 - 爆轟液圧発生方法及びそのための装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は簡便に高圧で所望波形の
衝撃液圧を得られる爆轟液圧発生方法及びそのための装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、衝撃液圧発生技術として、次のご
とくの手法が知られている。

【０００３】例えば、先ず第一に、加圧用の水等の液体
中に弾丸を打ち込んで、衝撃液圧を液体中に発生させ、
その圧力を板材等の部材に印加して該部材を金型へ圧し
て三次元成形せんとする衝撃液圧発生装置が特開平０１
−１５７７２５号にて提案されている。

【０００４】また、第二には、水中で爆薬を燃焼させる
ことによって衝撃水圧を発生せしめ、その圧力で薄板の
三次元成形を行う爆発成形装置も知られている。この装
置は主として大型部品の成形に利用されている。

【０００５】さらには第三として、容器に収容された加
圧用の液体の液面に、ガス圧等により高速に加速された
ピストンを衝突させることにより衝撃液圧を発生させる
こととした装置も知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た第一ないし第三の装置による衝撃液圧発生の手法にあ
っては、共通のあるいはそれぞれ固有の問題を次のごと
く有している。

【０００７】液圧室の形状または寸法は、エネルギ源
（爆薬、高速飛翔体）の挙動を考慮して決定する必要が
あり、自由度がかなり小さいこと。

【０００８】圧力の持続時間が長く、かつ液圧室内の
比較的広い範囲にわたって同時に衝撃圧力が加わるこ
と。

【０００９】危険性を伴うために、設置場所の制約ま
たは安全性の配慮が必要であること。

【００１０】到達圧力の大幅な変更が難しいこと。

【００１１】液圧室内で発生した圧力波の一部しか有
効利用されないこと（エネルギの利用効率が低いこ
と）。

【００１２】液圧室内壁や被加工面で生成した反射波
を積極的に有効利用できる構造となっていないこと。

【００１３】圧力媒体としての液体の使用量が多いこ
と。圧力媒体としての液体自身の蒸気圧以下に真空引
きできないこと。

【００１４】加工物が圧力媒体としての液体と直接接
触すること。

【００１５】すなわち、上述の第一の手法にあっては、
，，，，そして、第二の手法では〜そ
して、第三の手法では〜，，そしての欠点
を有している。

【００１６】本発明は、上述の従来技術における諸問題
を解決し、安全でかつ確実に衝撃液圧の発生パターンを
制御するための方法及び及びそのための装置を提供する
ことを目的とするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記目
的は、爆轟液圧発生方法に関し、可燃性混合気を着火す
ることにより発生するデトネーション波をその進行と共
に収束し、収束部で得られる高圧を液体に伝達して液圧
に変換する方法において、液体を収容せる液圧室の形状
・寸法または液体の物性を変更することにより異なるパ
ターンの液圧を発生させることにより達成される。

【００１８】また、上記方法を実施するための装置は、
一端部から他端部へ向け断面積が小さくなる燃焼室と、
燃料の供給を受け点火栓が配設された着火室と、着火室
から分岐して延び上記燃焼室の一端部へ連通する路程の
等しい複数の誘導路と、上記燃焼室の最小断面積部たる
他端部の開口に接続される液圧室とを備え、該最小断面
積部に交換可能なノズルが設置されていることにより得
られる。

【００１９】かかる本願発明では、上記液圧室におい
て、燃焼室と接続される開口部のノズル径を変更できる
構造とし、液体を収納する容器の形状・寸法を被加工物
に合った形状（例えば円錐・角錘等）にし、かつ容器内
の液体の物性値を変更することにより用途に適合する種
々の液圧発生パターンが得られる。

【００２０】一方、上記液圧室内の液体が膜体を介して
燃焼室内のガスと接しているようにするならば、該燃焼
室内を液体自身の蒸気圧以下に真空引きすることが可能
となる。

【００２１】また、最小断面積部と液面位置とを一致さ
せるためのドレーン手段が設けられているようにする
と、常時、燃焼室内の最高圧力発生部と該液面とが一致
することになり、その結果、燃焼ガスから液体への圧力
波の透過率を最大に維持することが可能となる（燃焼ガ
スの圧力が高いほど該透過率が高くなる）。

【００２２】また、該最小断面積部から下流における通
路断面積が連続的に増加または一定となる側壁が設置さ
れているようにすると、内壁面の不連続部（エッジ部）
での新たな衝撃波の生成等の現象が起こらず、衝撃波の
伝播に伴う壁面でのエネルギ損失を小さく抑えることが
可能となる。

【００２３】また、該通路断面積の増加率が単調に増加
するように液圧室の壁面形状を設定した場合（例えば、
液圧室形状を下流に向け拡がる円錐形に設定した場
合）、液圧室内を伝播する衝撃波前面はほぼ球面形状を
維持したまま伝播することになる。そして、例えば、液
圧室の加工位置に水平に被加工用薄板を設置すると、衝
撃波が球面波であるために、この板に対して、中央部か
ら外周部に移動する衝撃荷重を付加することが可能とな
る。一方、衝撃波の伝播方向に対して該通路断面積を連
続的に増加後に該断面積が一定値となるように設定した
場合には、断面積が一定な部分において、壁面との干
渉、衝撃波面内でのエネルギ交換などが起こり、衝撃波
は球面状から平面状に交換される。そして、この場合、
例えば液圧室の加工位置に水平に設置された被加工板に
対しては、板全面に同時に衝撃荷重を付加することが可
能となる。

【００２４】さらに、液圧室内の液体が膜体を介して被
加工物と接するようにすると、該液体が加工物に直接接
触することはなく、かつ液圧室内への該液体の注入作業
を加圧下で実施可能となる。したがって、加工物のハン
ドリングが容易となる。

【００２５】なお、上で述べた液圧室を設置した場合、
衝撃波が加工面に衝突した際に生成された反射波は逆戻
りしてノズル部まで収束したのち燃焼室側の開放端（ノ
ズル部）で反射し、再度加工面に向かって伝播するた
め、反射波を有効利用することが可能となる。すなわ
ち、加工物からの不均一な反射波を一箇所に集めること
によって、新たな衝撃波を再生し、これを加工用の波と
して利用することが可能となる。

【００２６】

【作用】かかる本発明において、爆轟液圧は次の要領で
得られる。

【００２７】先ず、互いに連通せる燃焼室、誘導路そ
して着火室にほぼ理論混合比の可燃性混合ガスを充填す
る。

【００２８】次に、着火室にて着火を行う。

【００２９】着火すると火炎は爆轟（デトネーショ
ン）により誘導路を経て燃焼室内を進行する。その際、
各誘導路は等しい路程となっているので、燃焼室の一端
部には各誘導路火炎が同時に到達する。

【００３０】燃焼室では、上記火炎は他端部に向け伝
播するが、燃焼室はその断面積が他端部に向け減少する
ので、火炎の圧力は上昇し他端部にて最大値になる。該
他端部の開口には液圧室が接続されて液面が該開口に臨
んでいるので、上記圧力は液圧室内の液体に伝達され
る。その場合、最小断面積部となる他端部より下流に形
成される液圧室の形状・寸法そして液体の物性の変更等
により上記液圧のパターンを被加工物に適した形に変え
ることができる。

【００３１】上記液圧室内の液体の圧力は直接あるい
は膜体を介して金型上の被加工部材を金型に圧して加工
がなされる。

【００３２】

【実施例】以下、添付図面にもとづいて本発明の実施例
を説明する。

【００３３】図１は本発明の一実施例装置の縦断面図で
ある。図において、１は燃焼室で、下方に向け円錐状を
なし横断面における断面積は上端部１Ａで最大、下端部
１Ｂで最小となって収束部を形成するようになってい
る。

【００３４】上記燃焼室１の上端部１Ａの内壁はやや上
方に弯曲形成せられ、ここに複数の孔状の誘導路２が連
通している。該複数の誘導路２は上方にて、円板空間状
の分散室３に集束せられている。該分散室３には上方に
延びる着火室４が連通接続されている。そして、該着火
室４の上部には、着火装置６により作動する点火栓５が
設けられていると共に、流量計７，８を経て燃料供給源
９、酸化剤供給源１０がそれぞれ接続されている。な
お、１１は着火室４内の圧力を確認するための圧力計で
ある。

【００３５】上記燃焼室１の下端部１Ｂは開口されてお
り、ここに液圧室１２が接続され、そしてその直下に液
圧使用の一例として成形装置１３が設けられている。上
記液圧室１２には圧力媒体としての水等の液体が収容さ
れているが、その液面は図のごとく上記燃焼室１の下端
部１Ｂに直接面していても、強靭かつ変形容易な膜体で
介面を形成していてもよい。上記液圧室１２には弁を介
して空気抜き用の管１４、そして弁を介して液圧用の水
等の液体供給装置１５が接続されている。

【００３６】上記成形装置１３は内部に、上面が成形用
の三次元形状をもった金型１６を交換可能に収容してい
る。該成形装置１３は必要に応じ、上記液圧室１２との
間にて、例えば両者のフランジの間で成形を受けるべき
板材等Ｐの周縁を保持することもできる。上記成形装置
１３には、上記金型１６を貫通してその上部空間に連通
して該空間を真空とするための真空ポンプ装置１７が接
続さている。該真空ポンプ装置１７は既述の着火室４に
も接続されている。

【００３７】かかる本実施例装置において、高圧液圧の
発生そしてこれを利用した成形は次のごとくになされ
る。

【００３８】先ず、成形すべき板材Ｐが金型１６上に
セットされる。

【００３９】次に、真空ポンプ装置１７によって着火
室４、分散室３、誘導路２そして燃焼室１内が所定の真
空度とされる。また、これと同時に金型１６と板材Ｐと
の間の空間も同様に所定の真空度となるように吸引され
る。

【００４０】しかる後、液圧室１２内には水が充填さ
れ、着火室４、分散室３、誘導路２そして燃焼室１内に
は、ほぼ理論混合比の可燃性ガスが、燃料供給源９、酸
化剤供給源１０により充填される。

【００４１】かかる設定の完了後、着火装置６によっ
て点火栓５を作動させる。着火室４内では着火により爆
轟が起こりその火炎が分散室３そして誘導路２を経て燃
焼室１の上端部１Ａに伝播される。その際、複数の誘導
路２の路程はそれぞれ等しく設定されているので、複数
の誘導路２の火炎は同時に上記上端部１Ａに達する。

【００４２】燃焼室１内では火炎は上端部１Ａから下
端部１Ｂへと進行するが、燃焼室１の断面積は下方に向
け次第に小さくなっているために、その圧力は上昇し下
端部１Ｂではきわめて高圧となる。

【００４３】上記燃焼室１の下端部１Ｂの開口部に
は、交換可能なノズル１２’がセットされ液圧室１２内
の液体の液面が臨んでいるため、上記高圧は該液面から
液体中へと伝播され、板材Ｐを金型１６に対して等圧で
圧し成形が行われる。

【００４４】しかる後、成形品としての板材をとり出
すと共に、上記〜の工程を繰り返すことによって、
次々と成形を行うことができる。

【００４５】なお、本実施例では高圧液圧の利用方法と
して金型による成形を挙げたが、他の種の加圧、あるい
は駆動源等としての他の分野においても広く利用可能で
ある。

【００４６】本発明においては、燃焼室に充填する可燃
性混合ガスの充填圧（量）または混合比によって衝撃圧
力の変更が可能であるが、液圧室内でも液圧の発生パタ
ーンを制御することができることは既述の通りである。
例えば、液圧室の形状・寸法（例えば上述のにおける
ノズルの交換）そして液体の物性の変更によって種々の
パターンが被加工材に適合するように変えられる。これ
らの変更要因のうち代表的なものに関しその影響につい
て以下、詳述する。

【００４７】（Ａ）開口部のノズル径の影響 燃焼室におけるデトネーション波は性質上、数回収束を
繰り返しており、収束するごとに収束中心部で衝撃超高
圧が発生する。このときの圧力の値は収束中心に近づく
ほど高い値を値を示すため、液圧室内で発生する衝撃圧
の値は、ノズル径が小さい程高い圧力が得られる。図２
はノズル径が比較的小さい場合の液圧波形を示す図であ
る。ノズル径を小さく設定することによって、ピーク圧
が高くかつ持続時間の短い波形となり、高圧が数回繰り
返し発生する。逆にノズル径を大きくすると、図３に示
すように、ピーク圧が低く持続時間の長い波形が発生す
る。なお、この場合には、圧力波の繰り返し回数は図２
の場合より少なくなる。

【００４８】（Ｂ）開口部から被加工物までの距離の影
響 衝撃波が液体中を伝播する場合、到達圧力は到達距離
（図１中のＬ）の関数となる。例えば、液体が水の場
合、従来の研究によると、次式のように到達圧力は到達
距離の１．１５乗に反比例する。

【００４９】Ｐｍａｘ ∝１／Ｌ^1.15 ここでＰｍａｘ は到達圧力、Ｌは到達距離である。し
たがって、開口部から被加工物の距離を任意に変更可能
な構造を採用することにより、加工面での到達圧力を任
意に設定可能となる。

【００５０】（Ｃ）液圧室内の液体の物性の影響 液圧室内の加工面で得られる衝撃波の性状は、圧力媒体
としての液体の物性に強く依存する。すなわち、密度ま
たは音速の値が高い液体を用いるとピーク圧が高く、持
続時間が比較的短い波が得られ、密度または音速の値が
低い液体を用いるとピーク圧が低く、持続時間が比較的
長い波が得られる。

【００５１】（Ｄ）液圧室の形状の影響 衝撃液圧発生部（本実施例の場合、ノズル部となる）の
形状や寸法については、従来の液圧発生法では自由度が
殆どないのが実状であり、これに伴って、衝撃液圧の発
生パターン（ピーク圧、持続時間など）の選択の自由度
もかなり狭い。

【００５２】本発明の場合、従来の衝撃液圧発生法と異
なり、弾丸やピストン、あるいは爆薬などを使用しない
ため、液圧室の形状の選択の自由度が大きい。

【００５３】かくして、前述の液圧室形状を採用するこ
とにより、以下の利点を得る。

【００５４】液圧室を末広形状に設定し、かつ末端に
被加工物を設置することにより、加工に関与しない衝撃
波の発生を最小限に抑えることができる（例えば、従来
の水中爆発成形では、爆薬の爆発エネルギが３６０°方
向に分散するため、エネルギの利用効率がかなり低
い）。

【００５５】被加工面で発生した反射波が一箇所に集
まるように液圧室形状を設定することにより、反射波を
再生・強化し、加工用として再度伝播させることが可能
となる（乱れた波であっても、一箇所に集めると、高強
度の波として再生可能）。

【００５６】液圧室を円錐状に設定することにより、
均一な球面衝撃波を生成可能となる。

【００５７】円錐状の液圧室の下流側に厚みを任意に
変更可能な円筒状の液圧室を追設することにより、球面
波から平面波に至る任意の曲率からなる衝撃波が生成可
能となる（従来技術では一つの装置では一種類の衝撃波
（液圧）発生パターンしか選択できない）。

【００５８】液圧室内において、衝撃波伝播方向に垂
直な壁面がない（加工部を除く）ため、衝撃波による液
圧室関連部品のダメージを小さく抑えることができる。

【００５９】

【発明の効果】本発明は以上のごとく構成されるので、
その方法にあっては、従来の方法に比して、安価、かつ
容易に立上りが急峻で特性の優れた衝撃液圧が得られる
と共に、液圧室の形状・寸法及び収容する液体の物性値
を変更することにより、液圧を被加工物に適合した種々
のパターンに制御できるという効果を得る。

【００６０】また、本発明装置によれば、従来の弾丸打
込式、爆発方式のように火薬を用いないため、設定上の
制約を受けない装置となり、また、連続的に衝撃液圧を
発生させることができるようになるという効果を得る。
そして、容易かつ安全に衝撃液圧を得ることができるの
で、加工分野等の広い工業分野での本格的な応用が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例装置の縦断面図であ
る。

【図２】図１装置における一つのノズルによる液圧波形
図である。

【図３】図１装置における他のノズルによる液圧波形図
である。

【符号の説明】

１ 燃焼室 １Ａ 一端部（上端部） １Ｂ 他端部（下端部） ２ 誘導路 ４ 着火室 ５ 点火栓 １２ 液圧室 １２’ ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−371327（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−57359（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−285548（ＪＰ，Ａ) 特公 昭57−17574（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可燃性混合気を着火することにより発生
   するデトネーション波をその進行と共に収束し、収束部
   で得られる高圧を液体に伝達して液圧に変換する方法に
   おいて、液体を収容せる液圧室の形状・寸法または液体
   の物性を変更することにより異なるパターンの液圧を発
   生させることを特徴とした爆轟液圧発生方法。
2. 【請求項２】 一端部から他端部へ向け断面積が小さく
   なる燃焼室と、燃料の供給を受け点火栓が配設された着
   火室と、着火室から分岐して延び上記燃焼室の一端部へ
   連通する路程の等しい複数の誘導路と、上記燃焼室の最
   小断面積部たる他端部の開口に接続される液圧室とを備
   え、該最小断面積部に交換可能なノズルが設置されてい
   ることとした爆轟液圧発生装置。
3. 【請求項３】 液圧室内の液体が膜体を介して燃焼室内
   のガスと接していることとする請求項２に記載の爆轟液
   圧発生装置。
4. 【請求項４】 最小断面積部と液面位置とを一致させる
   ためのドレーン手段を有していることとする請求項２に
   記載の爆轟液圧発生装置。
5. 【請求項５】 最小断面積部から下流における壁面は、
   断面積が連続的に増加もしくは一定であることとする請
   求項２に記載の爆轟液圧発生装置。
6. 【請求項６】 液圧室内の液体が膜体を介して被加工物
   と接していることとする請求項２に記載の爆轟液圧発生
   装置。