JPS6338215B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、液体、特に所定量の液体を密閉さ
れた容器に加圧状態に保持し、これによつて蓄積
されたエネルギによつて前記液体を噴射するよう
にした液体の噴射方法と装置に関するものであ
る。

岩や舗装道路、氷結体などの固く、堅固な物体
を切断または破砕する方法としては、これらの物
体に孔をドリルなどであけ、これに爆薬をしかけ
て行う方法がある。この方法は、騒音が高く、危
険であり、連続的に作業が行えない欠点がある。
また、他の方法は、ジヤツクハンマーや空気圧ド
リルを用いて行う方法があり、この方法は、広く
利用されているが、機具が重く、作業者の負担が
大きく、作業速度もおそい。

さらに、他の方法としては、液体を間欠的に反
復して噴射する方法が、あまり一般的ではないが
行われている。この方法は、毎秒数千フイート
（毎秒千メータ台）の速度で液体が噴射され、数
百MN／m²の圧力に達する。実験では、舗装道路
や岩石の破砕にきわめて効果があることが示され
ている。

このような液体のパルスジエツト噴射を行う装
置は、例えば、米国特許第3343794号などに開示
されており、ノズルにエネルギを蓄えた液体が供
給されるようになつている。また、米国特許第
3343794号、同第3412554号、同第3921915号など
にも液体のパルスジエツト噴射の機構が開示され
ている。

また、米国特許第3647137号には、多量の電気
エネルギを使う装置が示されている。

さらに、米国特許第3883075号にも、この種の
装置が示されている。

しかしながら、前記の公知技術は、いずれも重
量が重く、機構が複雑で、噴射圧も低いといつた
欠点がある。

そこで、この発明は、前記の欠点を改良した液
体の噴射方法と装置とを提供することを目的とす
る。

この目的において、この発明の要旨は、特許請
求の範囲に記載された方法と装置の構成にある。

この発明によると、所定量の液体は、密閉され
た容器内における液体の加圧圧縮によるエネルギ
によつて高速度に加速される。液体は、すべに液
体が充満している密閉の容器内へ圧入され、加圧
されてエネルギを蓄積し、このエネルギによつて
液体を噴射する。

この発明の装置は、チヤンバとノズルとを備
え、両者は、バルブにより分離されている。チヤ
ンバは、高耐圧容器からなるものであり、圧力ポ
ンプなどにより液体は、該チヤンバ内へ圧入され
る。噴射のエネルギは、主として圧縮される液体
によるものであるが、前記容器の変形と原形復帰
によるエネルギも補助的に作用する。前記チヤン
バにおける必要な圧力は、チヤンバの容積と、パ
ルスエネルギの希望値およびパルス量により定ま
るが、実際的には、必要な圧力は、下限が約
35MN／m²程度でよく、上限は、約280MN／m²
または、これより高い圧力である。

チヤンバの圧力が所定値になり、エネルギの蓄
積が完了すると、バルブが開き、加圧された液体
は、圧力をしぼる構造のノズル内へ圧送される。
圧送される液体の量は、チヤンバ容量のごく一部
であり、バルブは、きわめて高速で作用し、ノズ
ルからの噴射圧を高める作用をなす。

つぎに、この発明を図示の実施例により詳細に
説明する。

第１図は、この発明による液体をパルス状に噴
射する噴射装置１を示す。図示のように、該装置
は、ハウジング３として示されている耐圧容器か
らなるもので、ハウジング３内には、チヤンバ５
が設けてあり、これに液体を導入する入口７が前
記ハウジングの側面に設けてある。図示のハウジ
ング３は、球形になつているが、その形状は、球
形に限らず、その他の形状のものであつてもよ
い。上流端がポンプなどの圧送手段に接続のホー
スなどのパイプ９により、液体が入口７を介して
チヤンバ５内に圧送される。ホースは、フレキシ
ブルであつても、またフレキシブルでなくてもよ
く、その中間の任意の位置にアキユムレータ（図
示せず）が設置され、圧力変動をコントロールす
るようになつている。流路１３が貫通しているノ
ズル１１がハウジング３に固定されており、流路
１３は、出口１５に向けて内径が徐々に細くなる
ようになつていて、該流路を介して出口１５とチ
ヤンバ５内とが連通している。ノズル１１は、ハ
ウジング３と一体構造になつていてもよく、第１
図の例では、着脱自由に取付けられている。ノズ
ル１１を別体とし、着脱自由にハウジング３へ取
付ける場合には、ねじこみ式またはフランジをつ
けてボルト、ネジなどで止着してもよい。ノズル
１１をハウジング３に取付ける場合、その接合部
にシール１２が取付けられ、液密処理がなされ
る。ノズル１１の基端部には、流路１３を囲むよ
うに弁座１７が設けられ、流路１３への入口と対
向するハウジング３の側壁には、開口１９が設け
られている。

スライド機構のバルブ２１が付勢装置２３によ
り付勢されて弁座１７に圧接しており、チヤンバ
５側からノズル１１の流路１３をシールしてい
る。バルブ２１は、チヤンバ５内を貫通してお
り、断面積が段階的に増える第一部分、第二部
分、第三部分を備えている。すなわち、バルブ２
１の第一部分２５は、ノズル１１の流路１３の上
流部２７にスライド可能に密着し、その端部２９
から複数枚の案内翼３１が第２図に示すような状
態で流路１３にそつて突出し、流路１３の壁面に
そつてスライドできるようになつている。第２図
に示すように、案内翼３１により、チヤンネル３
３が形成され、前記バルブが開くと、液体がチヤ
ンバ５からノズルの流路１３へ圧送される構造に
なつている。

バルブ２１の第二部分３５は、肩部３７を備
え、該肩部が弁座１７に合致し、バルブ２１の第
三部分３９は、開口１９からハウジング３の外部
へ突出している。前記した第一部分２５、第二部
分３５および第三部分３９は、図示のとおり、断
面積がそれぞれ異なり、第一部分２５の直径Ｄ１
＜第二部分３５の直径Ｄ２＜第三部分３９の直径
Ｄ３の関係になつて、Ｄ３が最も大径になつてお
り、Ｄ１が最も小径になつている。

バルブ２１に対する付勢装置２３は、ボルト４
３とナツト４５によりハウジング３に取付けられ
ているカバー４１内に設置され、バルブ２１を付
勢する。この付勢装置は、バルブ２１の第二部分
３５の肩部３７を弾圧して弁座１７に着座させ
る。図示のように、付勢装置２３には、バルブ２
１が弁座１７から離れるにつれ、付勢力を弱める
機構を備えている。すなわち、図示の付勢装置２
３は、一種のトグル機構になつており、コイルス
プリング４７とピボツト結合の二対のアームを備
えており、一方の一対のアーム４９のそれぞれの
一端は、ハウジング３の座部５３にピン５１を介
して連結し、自由端は、それぞれ孔にテンシヨン
スプリング４７がかけられている。また、他方の
一対のアーム６１それぞれの一端は、共通ピン５
７を介してバルブ２１の突出部５９にピン結合
し、他端は、それぞれピボツトピン６３によりア
ーム４９に結合している。

バルブが開弁位置に近づくと、付勢装置は、付
勢力を弱め、このような機構によりエネルギ蓄積
が最小となつて、バルブ開弁作用は、すみやかに
行われ、開閉時には、バルブはソフトな状態で閉
弁する。

バルブ２１の第三部分３９は、開口１９から外
部へ突出しており、第三部分３９が開口１９を内
外方向へスライドするため、シール６５が設けて
ある。このシール６５は、フランド６９つきの取
付部材６７により取付けられており、フランジ６
９がボルト７１にむりハウジング３に固定され
る。

後記するように、バルブ２１は、急速に開い
て、チヤンバ５からある量の液体を放出する。急
速に動くバルブ２１をストツプさせ、全開位置に
近づくときの運動エネルギを吸収するために、エ
ネルギ吸収減速装置が設けられている。この装置
は、チヤンバ５内の液体をハイドロリツク・ダン
パとして利用するものであり、カツプ状部材７３
がバルブ２１の第二部分３５と共軸に設けてあ
り、該部材７３に設けた環状のフランジ７５がバ
ルブ２１の第三部分３９を外方から間隔をおいて
囲んでいる。このフランジ７５は、プランジヤを
構成し、開口１９を囲むハウジング３の凹部７９
に入りこむようになつている。フランジ７９が凹
部７９に入るときは、バルブ２１が全開位置にな
るときであり、フランジ７９と肩部８１との間に
は、スペースがある。環状の凹部７９の外壁８３
は、基部８５から鈍角度αをもつて外方へ開いて
おり、一方、フランジ７５は、同じ角度で内方へ
傾斜している。

カツプ状部材７３には、複数の孔７７が貫通
し、フランジ７５とバルブ２１の第三部分３９と
の間のスペース８７へ通じている。

ノズル１３のバキユーム遮断手段が通路８９と
して形成され、この通路は、バルブ２１内を軸方
向に貫通している。バルブ２１の第三部分３９に
おける通路８９の端部は、図示のように外気と連
通しており、残留液体が重力などによりノズル１
３から流出するようになつている。また、別構成
として、通路８９にバキユームを作用させてもよ
いが、ノズル内にくずを吸引するおそれがある。
好ましくは、通路８９は、ガス源に接続され、ノ
ズルの流路１３を液体噴射の合間に乾燥させると
よい。

つぎに、この発明の装置の作用について説明す
ると、ホース９をポンプなどの液体圧送源に接続
し、バルブ２１を第１図に示す閉弁位置にしてノ
ズルの流路１３を閉止する。チヤンバ５内に水な
どの液体が追加的に導入されると、液体は、圧縮
され、チヤンバ内の圧力は高まる。チヤンバ５内
の加圧された液体による圧力がバルブ２１に作用
すると、バルブの第三部分３９は、第二部分３５
よりも大径になつているため、付勢装置２３によ
る付勢力よりも前記圧力が強くなり、バルブ２１
は開弁方向へ動き、第二部分３５は、弁座１７か
ら離れる。バルブ２１の第一部分２５がノズルの
流路１３の上流部２７に密着しながらスライドす
るため、この部分では、チヤンバ５から液体は漏
出しない。しかしながら、第一部分２５と第二部
分３５との段部における肩部３７にチヤンバ５内
の加圧された液体によつて開放力が作用し、これ
によつてバルブの開弁作用は促進される。さら
に、前記のように、バルブが開くと、付勢装置が
開弁力に対抗する力を弱め、バルブ２１は、さら
に開弁が促進される。

バルブ２１の第一部分２５は、液体がノズルの
流路１３へ流入するものを防ぐものであつて、そ
の長さは、第一部分２５の端部２９がノズル流路
の上流部をこえ、バルブが完全に開く時間の方が
液体の先端がノズル出口１５へ達する時間よりも
短かくなるようにバルブが動くような長さのもの
が選ばれる。バルブは、その開口断面がノズルの
流路の上流部の開口断面と等しくなつたとき完全
に開く。このことは、ノズルの適正な操作に重要
であつて、チヤンバ５内にある加圧された液体に
蓄えられるポテンシヤルエネルギをノズル１１へ
の液体の噴出エネルギに効率よく変えることがで
きる。バルブ２１の全ストロークの間、案内翼３
１は、ノズル流路１３側にとどまり、バルブ全体
の正合状態を保つ。

バルブ２１は、液体をノズル１１内へ急速に圧
送するに必要な速度が与えられる十分な運動エネ
ルギを得る。バルブ２１を閉じるに当りストツプ
させるには、チヤンバ５内の液体によりバルブに
力が作用している間、このエネルギをすばやく吸
収しなければならない。バルブ２１が全開位置に
近づくと、カツプ状部材７３のフランジ７５は、
環状の凹部７９に進入する。凹部７９内の液体
は、フランジ７５と凹部の外壁８３の間から強制
的におし出され、バルブ２１の開放力に対する抵
抗力として作用する。凹部７９の外壁８３とフラ
ンジ７５の外面との間のテーパー部分により、フ
ランジが凹部に入るにつれ、フランジと凹部との
間の間げきは、せばまり、減速力が徐々に増大す
る。カツプ状部材７３の内側の環状のスペース８
７にある液体は、孔７７から流出し、シール６５
が押圧されないようになつている。

ノズル１１の流路１３への液体の噴出は、チヤ
ンバ圧力を変え、バルブ２１への開放力は、減少
する。この開放力が付勢装置２３の閉弁力よりも
低下すると、バルブ２１は閉弁方向へ動き、第一
部分２５は、ノズル流路１３と接触し、肩部３７
は、弁座１７に着座し、これによつてチヤンバ５
内の流体は、再加圧される状態となる。加圧され
た液体がホース９から供給される限り、サイクル
は自動的にくりかえされ、液体は、間隔をおいて
噴射される。ホース９によるチヤンバ５内への加
圧された液体の供給レートは、バルブ動作のレー
トを定め、ホース中に設けたバルブまたはオリフ
イス（図示せず）によりコントロールできる。こ
のような方法において、装置は、一定時間をこえ
てエネルギを蓄積し、間欠的に液体を噴射する運
動エネルギを放出する。かくして、装置は、液体
の高圧ジエツト噴射を間欠的に行うことができ
る。

よく知られているように、ノズル内に噴射され
た液体は、液体前部に運動エネルギをコンセント
レートすることにより、その先端流が勢よく流入
する。これによつて、バルブ２１が閉止位置にも
どつたとき、トラツプ状態の液体の背後に生ずる
バキユームによりノズル流路１３内に低エネルギ
の液体が残留する。このような残留液体は、つぎ
の噴射の前にノズル１１から放出されなければな
らない。通路８９がバキユーム作用を解除し、こ
の結果、流路１３に残る液体は放出され、液体が
ノズル内に噴射されるつぎのサイクルにおいて
は、ノズル内は、空になつている。

例えば、岩、コンクリートその他の固い物体を
ジヤツクハンマーや空気圧ドリルなどの通常の装
置のかわりに用いて、切断する、一人の作業者に
より操作される装置に本発明を実施したとする
と、一平方インチ当り約20000ポンド（140MN／
m²）の加圧された水が内径が約８インチ（20cm）
のチヤンバ内へ供給される。このような圧力によ
り、約５％加圧され、各噴射ごとに約13立方イン
チ（213m³）の水量の水がノズル内へ噴射され、
パルスエネルギは約10000フツト−ポンド
（13.56kJ）となる。圧力によつてチヤンバハウジ
ングは、伸長し、これによつて回復しうるエネル
ギを蓄える。チタン製の球形チヤンバ（スチール
に較べ弾性率が低い）の場合、壁に蓄えられるエ
ネルギは、1000フツト−ポンド（1.35kJ）をこ
え、水をさらに消費することなく、パルスエネル
ギを増大させることができる。そして、この球体
は、40ポンド（18Kg）より軽くでき、耐食性に富
むものである。

前記した数字は、例示であつて、限定的なもの
ではない。また、この発明は、図示の実施例に限
定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の
技術的範囲に含まれるものは、すべて本発明の技
術的範囲に属するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示す断面図、
第２図は、第１図−線矢視方向の拡大端面
図、第３図は、第１図−線矢視方向の断面図
である。 １……噴射装置、３……ハウジング、５……チ
ヤンバ、７……入口、９……ホース、１１……ノ
ズル、１３……流路、１５……出口、１７……弁
座、１９……開口、２１……バルブ、２３……付
勢装置、２５……バルブの第一部分、３５……第
二部分、３９……第三部分、４７……スプリン
グ、４９，６１……アーム、７３……カツプ状部
材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加圧状態の液体を、すでに液体が充満してい
   る密閉の容器に供給し、これによつてエネルギを
   蓄え、加圧圧縮された液体に蓄えられたエネルギ
   を用いて前記容器から液体を速やかに放出し、前
   記容器から高速度で液体を噴出させる液体の噴射
   方法。 ２ 容器からノズル内へ液体を放出して液体の速
   度をその先端流において加速させる工程を含む特
   許請求の範囲第１項記載の液体の噴射方法。 ３ 密閉された容器に液体を補助的に供給する工
   程を反復し、容器内で液体を加圧し、エネルギを
   蓄え、このエネルギにより前記容器から液体を反
   復して急速に噴射させる工程を含む特許請求の範
   囲第１項または第２項記載の液体の噴射方法。 ４ 容器内の圧力が加圧された液体に蓄えられた
   エネルギの選択されたレベルに対応する所定値に
   達したとき、密閉の容器から液体が噴射される工
   程を含む特許請求の範囲第３項記載の液体の噴射
   方法。 ５ 密閉容器への液体の補助供給流量を前記容器
   から放出される液体流量に合わせて調節する工程
   を含む特許請求の範囲第４項記載の液体の噴射方
   法。 ６ 密閉容器に液体を加圧状態で圧入し、液体を
   圧迫してエネルギを蓄積させ、前記容器を弾性変
   形させるに足る圧力で前記容器に液体を導入し、
   さらにエネルギを蓄積させるようにした工程を含
   む特許請求の範囲第１項から第５項いずれか１項
   に記載の液体の噴射方法。 ７ 加圧された液体を入れるチヤンバを形成する
   ハウジング；前記チヤンバに液体を圧入し、圧入
   液体にエネルギを蓄積させる手段；ハウジングに
   連通のノズル；前記チヤンバに連通の流路をもつ
   た前記ノズルを開閉するバルブとを備え、前記バ
   ルブの全開の開放速度が前記液体がノズル出口に
   達するよりも速く構成されている液体の噴射装
   置。 ８ 前記ノズルには、弁座に着座する肩部が設け
   てあり、この肩部により液体の漏出を防ぎ、前記
   ノズルは伸縮自由に合体する第一部分から第三部
   分により構成されている特許請求の範囲第７項記
   載の液体の噴射装置。 ９ 前記ノズルは、アキユムレータノズルである
   特許請求の範囲第７項記載の液体の噴射装置。 １０ 前記バルブには、閉弁方向に付勢する付勢
   装置が設けてある特許請求の範囲第７項から第９
   項いずれか１項に記載の液体の噴射装置。 １１ 前記付勢装置には、前記バルブを開放方向
   へ動かす機構が設けてある特許請求の範囲第１０
   項記載の液体の噴射装置。 １２ 容器内の加圧された液体の圧力に感応する
   手段でバルブを作動し、前記圧力が予定値をこえ
   ると、バルブが開き、前記容器内の圧力が予定値
   より低下すると付勢装置によりバルブが閉じ、こ
   のようなバルブの開閉が反復されることにより液
   体が噴射される特許請求の範囲第１０項または第
   １１項記載の液体の噴射装置。 １３ バルブを閉じる付勢装置と蓄積された液体
   の圧力によりバルブを開く手段を備え、前記バル
   ブは開閉動作を反復して液体を間欠的に噴射され
   る特許請求の範囲第７項から前項いずれか１項に
   記載の液体の噴射装置。 １４ 前記バルブは、前記チヤンバ内を貫通し、
   かつ、三つの部分から構成され、第一部分は、ス
   ライドしてノズル流路を開閉し、第二部分は、前
   記ノズルの弁座に着座する部分を備え、第三部分
   は、前記ノズルと対向するようにハウジングを貫
   通し、これらの部分は、第一部分から第三部分の
   径が段階的に太くなつており、すべて相対的にス
   ライドしてバルブが開放位置へ動くと、前記第一
   部分は、バルブの移動速度が加速されるまで前記
   ノズル流路に残るように構成されている特許請求
   の範囲第１３項記載の液体の噴射装置。 １５ 付勢位置がハウジングの外部に設けてあ
   り、バルブの第三部分に対し付勢する特許請求の
   範囲第１４項記載の液体の噴射装置。 １６ 付勢装置には、バルブが開弁位置になると
   バルブを減速させる手段が付設されている特許請
   求の範囲第１５項記載の液体の噴射装置。 １７ 前記減速手段は、前記密閉チヤンバ内の液
   体圧を利用する特許請求の範囲第７項から第１６
   項いずれか１項に記載の液体の噴射装置。 １８ 前記減速手段は、ハウジング内の凹部とバ
   ルブに付設のプランジヤとの組合せから構成さ
   れ、バルブが開放位置へ動くと、その速度を液圧
   により減速させる構成になつている特許請求の範
   囲第１７項記載の液体の噴射装置。 １９ 前記凹部とプランジヤとは、遊嵌状態に嵌
   合して、バルブの減速作用を行う特許請求の範囲
   第１８項記載の液体の噴射装置。 ２０ 前記バルブの第三部分には、液密シールが
   施され、前記プランジヤに対しては、カツプ状部
   材が組合わされ、液圧作用を受けてバルブの移動
   を減速させ、前記カツプ状部材には、通路が設け
   てあり、前記シールに過剰な液圧が作用しないよ
   うになつている特許請求の範囲第１９項記載の液
   体の噴射装置。 ２１ 前記ノズルにバキユームが生ずるのを防ぐ
   手段が設けられている特許請求の範囲第７項から
   前項いずれか１項に記載の液体の噴射装置。 ２２ 前記バキユーム発生防止手段は、前記バル
   ブを軸方向に貫通する通路によつて構成されてい
   る特許請求の範囲第２１項記載の液体の噴射装
   置。 ２３ 案内部材が前記ノズルの第三部分に設けて
   あり、バルブを正合位置に保持するように構成さ
   れている特許請求の範囲第１４項記載の液体の噴
   射装置。 ２４ ハウジングは、密閉のチヤンバから構成さ
   れ、これが内部の液圧により変形して液体の噴射
   圧に寄与するように構成されている特許請求の範
   囲第７項から前項いずれか１項に記載の液体の噴
   射装置。