JP2007185600A - キャビテーション水噴射ノズルおよび噴射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射ノズル内部のキャビテーションによる壊食を低減させ、ノズルの耐久性を簡便に向上させる。
【解決手段】キャビテーション水噴射ノズルの基本構成として、径縮小部１１、スロート流路部１２、ホーン部１３および保護水供給機構１４を備えている。そして、保護水供給機構１４は、スロート流路部１２にその内壁を周回し連通する隙間部１４ａ、該隙間部１４ａの外周に沿い連通した環状の空洞部１４ｂ、および保護水供給孔１４ｃを有している。ここで、隙間部１４ａは、例えば、径縮小部１１からスロート流路部１２への入口領域で該スロート流路部１２に連通する。そして、高圧水１５を高速水１６にし、スロート流路部１２の内壁を上記高速水１６から遮蔽し前記内壁に沿って流れる流路壁保護水１８を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、キャビテーション水噴射用ノズルおよび噴射方法に係り、詳しくはノズル内壁のキャビテーションによる壊食損傷を低減させるキャビテーション水噴射用ノズルおよび噴射方法に関する。

各種材料の加工、切断、表面の洗浄、あるいは残留応力の改善等に水噴流の作用を利用する技術が多く存在する。この水噴流は一般にウォータージェットとよばれるが、利用形態により多種類のものがある。そして、その中に、水中において噴射ノズルを用いた高速水流によりキャビテーションを生じさせ、キャビテーションが崩壊するときに発生する衝撃圧を利用するものがある。このキャビテーションを伴う噴流を一般にキャビテーション水噴流あるいはキャビテーションジェットという。

キャビテーションは、高速水流中の局所的な圧力低下により蒸気の相（以下、キャビテーション泡と呼称する）が発生する現象のことである。図１５は、キャビテーション水噴流に利用される噴射ノズルの構造の一般的な例の縦断面である。通常、噴射ノズル１００は、径縮小部１０１、スロート流路部１０２及びホーン部１０３を備えている。そして、ポンプ等（不図示）により押し出される高圧水１０４がノズルの径縮小部１０１からスロート流路部１０２へ流れ、ホーン部１０３からキャビテーションジェット１０５として周囲液１０６中に噴射される。このときスロート流路部１０２において流速が最大となり、ベルヌーイの定理から明らかにされるように、この部分での静圧は最小になる。このスロート流路部１０２での静圧が水の蒸気圧以下になることにより、キャビテーション泡１０７が生じる。

ここで、キャビテーション泡１０７は、スロート流路部１０２の内壁面から発生し、高速水流に伴いホーン部１０３下流の水中へ噴射され、さらに周囲水とのせん断力により発達し、無数のキャビテーション泡からなるキャビテーション雲を形成し、その後減衰して消滅する。

この発達したキャビテーション雲内に固体物が置かれると、この固体物の表面に高い衝撃圧が加わる。上記キャビテーション泡が消滅する際に局所的に非常に高い衝撃圧が生じることは理論的また実験的にも確かめられている。また、キャビテーション泡が固体物の表面に接し崩壊する際には、キャビテーション泡が変形を起こすことでマイクロジェットが形成され、これも衝撃圧を高める一因として考えられている。

このように高い衝撃圧を発生させるキャビテーション水噴流は、各種産業用プラントにおいて水中に存在する構造物の洗浄、衝撃圧によるピーニング効果を利用した材料表面の残留応力の改善等に利用される。特に後者は、ウォータージェットピーニングと呼ばれる。そして、例えば沸騰水型原子炉の炉心シュラウドやそのサポート構造、原子炉底部の制御棒駆動機構ハウジング等、切断等をしない限り取り替えることができない半永久的に用いる構造物の予防保全として利用される（例えば、特許文献１参照）。

このキャビテーション水噴流用の噴射ノズルに関しては、これまでに種々の構造のものが知られている。例えばキャビテーションの有効噴出距離を調整する構造のもの（例えば、特許文献２参照）や、キャビテーション発生を効果的に促進することができる構造のもの（例えば、特許文献３参照）がある。また、噴射ノズルの先端部を２重構造にし、噴射ノズルによりキャビテーションを生じさせ、それを低圧水で覆うようにして大気中の噴射利用ができるようにしたもの（例えば、特許文献４参照）がある。更に、同様な構造であって、高速水流中に空気あるいは環境水を注入し、そのエゼクタ効果を利用してキャビテーション泡核を増殖させキャビテーション泡の発生を活発化させるものがある（例えば、特許文献５，６参照）。

その他の噴射ノズルの構造改良に関するものとして、ノズル内部の耐壊食性を向上させるために、溶射皮膜によりノズル内面を被覆した構造のものが知られている（例えば、特許文献７参照）。
特許第２８４１９６３号公報 特開２００１−３００３６１号公報 特開２００４−５７９３６号公報 特開２００１−１６４８６２号公報 特開平０７−３２８８５６号公報 特開２００２−２４２９００号公報 特開平０９−２７９３２７号公報

ところで、長時間に亘りキャビテーション泡に接すると固体物の材料表面に壊食が生じてくる。洗浄、ウォータージェットピーニング等の処理対象となる構造物においては、その処理時間や噴射ノズルからの距離を適宜に調整することにより大きな壊食は防止される。そして、各種構造物の洗浄や予防保全にキャビテーション効果が発揮される。これに対して、キャビテーションを発生させる噴射ノズルは、キャビテーションを発生させる一方で、常にこのキャビテーション泡に接し影響を受けることになる。このために、噴射ノズルの内壁面において、壊食による欠損や変形等の損傷が発生するという問題があった。特に、キャビテーションが発生し噴射される噴射ノズルのスロート流路部の出口においては、上記損傷が大きくなる。

そして、キャビテーションの発生源である噴射ノズルのスロート流路部に欠損や変形が生じると、キャビテーションの発生の形態に大きな影響を及ぼし、洗浄あるいは予防保全に充分な効果が得られなくなるという問題が生じていた。更には、上記壊食により生じた噴射ノズルの破片や粉体が構造物に悪影響を及ぼし、例えば上記プラント機器に電気的あるいは物理的な種々の不具合を発生させる可能性がある。

しかし、上述した従来の技術は、特許文献７の他は、キャビテーション発生に伴う壊食から噴射ノズルの内壁面を保護することを目的としていない。このために、噴射ノズルの上記壊食による欠損や変形等の損傷を低減させることはできない。一方、特許文献７は、噴射ノズルの内面に特殊な溶射皮膜を形成することによってその耐壊食性を向上させようとするものである。しかし、この場合は、耐壊食性を保障するには上記内面に充分な溶射皮膜を形成することが必要となる。このため、上記技術は、簡素な構造の噴射ノズルに対応できるが、図１５で説明した構造の噴射ノズルの製作においてその適用が難しい。

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたもので、噴射ノズル内部のキャビテーションによる壊食を低減させノズルの耐久性を簡便に向上させることができるキャビテーション水噴射ノズルおよび噴射方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るキャビテーション水噴射ノズルは、キャビテーション水噴流用のノズルであって、高圧水の供給流路の断面を縮小する径縮小部と、前記径縮小部に連通し、前記高圧水が減圧加速し高速水になるスロート流路部と、前記スロート流路部の内壁を前記高速水から遮蔽し前記内壁に沿って流れる第１の流路壁保護水を供給する第１の保護水供給手段と、前記スロート流路部に連通し、前記高速水の流路の断面を拡大するホーン部と、を有する構成になっている。

あるいは、本発明に係るキャビテーション水噴射ノズルは、キャビテーション水噴流用のノズルであって、高圧水の供給流路の断面を縮小する径縮小部と、前記径縮小部に連通し、前記高圧水が減圧加速して高速水になるスロート流路部と、前記スロート流路部の内壁を前記高速水から遮蔽し前記内壁に沿って流れる第１の流路壁保護水を供給する第１の保護水供給手段と、前記スロート流路部で、前記第１の流路壁保護水の供給位置より下流側において、前記スロート流路部の内壁を前記高速水から遮蔽し前記内壁に沿って流れる第２の流路壁保護水を供給する第２の保護水供給手段と、前記スロート流路部に連通し、前記高速水の流路の断面を拡大するホーン部と、を有する構成になっている。

そして、本発明に係るキャビテーション水噴射方法は、キャビテーション水噴流用のノズルを用いたキャビテーション水の噴射方法であって、高圧水の供給流路より断面が縮小した流路を通して前記高圧水を高速水にすると共に、前記縮小した高速水の流路の内壁に沿って流れる流路壁保護水を供給して、前記高速水で発生するキャビテーションによる壊食から前記高速水の流路の内壁を保護する、という構成になっている。

本発明によれば、噴射ノズル内部のキャビテーションによる壊食を低減させノズルの耐久性を簡便に向上させるキャビテーション水噴射ノズルおよび噴射方法を提供することができる。

以下に本発明の好適な実施形態のいくつかについて図１ないし図１４を参照して説明する。ここで、キャビテーション水噴射ノズルの説明の中でその噴射方法も説明される。なお、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略される。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るキャビテーション水噴射ノズルについて初めに図１を参照して説明する。図１および図２はキャビテーション水噴射ノズルの概略図である。ここで、図１はキャビテーション水噴射ノズルの縦断面図であり、図２は図１に記すＸ−Ｘ矢視横断面図である。

図１に示すように、キャビテーション水噴射ノズル１０は、基本構成として、径縮小部１１、スロート流路部１２、ホーン部１３および保護水供給機構１４を備えている。そして、保護水供給機構１４は、例えば筒状のスロート流路部１２にその内壁を周回して連通する隙間部１４ａ、該隙間部１４ａの外周に沿い連通した環状の空洞部１４ｂ、および保護水供給孔１４ｃを有している。この隙間部１４ａは、径縮小部１１からスロート流路部１２への入口領域において該スロート流路部１２に連通していると好適である。

ここで、径縮小部１１は、ポンプにより送り出される高圧水１５の供給流路径が連続的に収束される部位であって、このキャビテーション水噴射ノズル１０に供給される高圧水１５の動圧を更に昇圧し加速させる。そして、スロート流路部１２は、径縮小部１１で昇圧、加速した高圧水を減圧加速し高速水１６にして後述するようにキャビテーション泡１７を生じさせる。

更に、本発明の特徴的技術事項である保護水供給機構１４は、上記高速水１６とスロート流路部１２の内壁面の間においてスロート流路部１２の内壁面の全面に沿い円筒状に流れる流路壁保護水１８を生成する。そして、この流路壁保護水１８が高速水１６から上記内壁面を遮蔽し保護する。

この保護水供給機構１４では、図２に示すように、１つの保護水供給孔１４ｃから供給される低圧水の保護水１９が空洞部１４ｂに流入し環流水１９ａとして空洞部１４ｂ全体において渦流のない安定した流れになる。そして、この安定した流れになった環流水１９ａは、隙間部１４ａを層状に流れその中心領域のスロート流路部１２に向かうカーテン流水１９ｂになる。そして、このカーテン流水１９ｂは高速水１６によりスロート流路部１２に吸い込まれ、上記スロート流路部１２の内壁面の全面を覆い例えば円筒状の層流として流れる流路壁保護水１８になる。

この流路壁保護水１８は、スロート流路部１２の内壁面を覆い円筒状に流れる流速が高速水１６に比べてはるかに小さなものである。このために、高速水１６と流路壁保護水１８の界面にせん断層が形成される。そして、上記せん断層から高速水１６流路の内部においてキャビテーション泡１７が生成するようになる。

そして、ホーン部１３は、スロート流路部１２から噴射された高速水１６によるジェット流により、この噴射ノズル１０の周りにある周囲液２０を巻き込み、これら両者の間で乱流を起こさせ、キャビテーションジェット２１を形成する。ここで、スロート流路部１２において高速水１６の周囲を覆っている流路壁保護水１８が存在することになる。

上記保護水供給機構１４では、高圧水１５よりも低圧であって低い温度になる保護水１９を供給するとよい。あるいは、高速水１６の流速が作り出す低静圧力とノズル周りの周囲液２０の圧力の差により、周囲液２０が保護水供給孔１９ｃから吸い込まれて保護水１９を供給するようにしてもよい。

また、第１の実施形態の変形例として、図３に示すように、例えば外形が円筒状のキャビテーション水噴射ノズル１０の側面に設けた複数の穿孔の保護水供給孔１４ｃを形成するようにしてもよい。ここで、図３はキャビテーション水噴射ノズル１０の概略斜視図である。この複数孔の保護水供給孔１４ｃは、上記周囲液２０が吸い込まれて保護水１９として均一に空洞部１４ｂに流入するようになることから好適である。

上記実施形態では、上記流路壁保護水１８は、スロート流路部１２の内壁面を覆い流れ、高速水１６と流路壁保護水１８の界面にせん断層を形成する。そして、キャビテーション泡１７がスロート流路部１２の内壁面で発生するのを防止するようになる。

また、この流路壁保護水１８は、その静圧が高速水１６よりも高くなる。そして、上記せん断層で生成したキャビテーション泡１７がスロート流路部１２の内壁面に接触し消滅するのを防止するようになる。このようにして、上記流路壁保護水１８は、スロート流路部１２において生成するキャビテーション泡１７により従来の技術で不可避的に生じていたスロート流路部１２内壁面の壊食を大幅に低減させる。そして、その内壁の欠損や変形等の損傷が防止され、キャビテーション水噴射ノズル１０の耐久性が大きく向上するようになる。

また、キャビテーションの発生源である噴射ノズル、特に上記スロート流路部における欠損あるいは変形等が防止されることにより、キャビテーションの発生状態が安定したものになる。そして、キャビテーション水噴流による洗浄あるいはそのピーニングによる予防保全における効果が安定的に得られるようになる。更に、従来の技術で説明した壊食による噴射ノズルの破片や粉体が構造物に悪影響を及ぼし、プラント機器に不具合を発生させるという問題は解消される。

上記実施形態の噴射ノズルは、そのスロート流路部において内壁面を高速水から遮蔽する流路壁保護水１８を生成する構造になっている。この構造は、上記特許文献７の場合と異なり、噴射ノズルの製作上の制約がなくなり、種々の形状の噴射ノズルに適用することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図４および図５を参照して説明する。この実施形態の特徴は、上述した周囲液２０をキャビテーション水噴射ノズル１０のスロート流路部１２に吸い込み、流路壁保護水１８を生成する好適な構造にある。図４および図５はキャビテーション水噴射ノズルの概略図である。ここで、図４はキャビテーション水噴射ノズルの縦断面図であり、図５はキャビテーション水噴射ノズルの概略斜視図である。

図４に示すように、キャビテーション水噴射ノズル１０は、基本構成として、図１で説明した径縮小部１１、スロート流路部１２、ホーン部１３、および保護水吸込み機構２２を備えている。ここで、保護水吸込み機構２２は、スロート流路部１２にその内壁を周回して連通する隙間部１４ａ、該隙間部１４ａの外周に沿い連通した環状の空洞部１４ｂ、およびメッシュ構造体２２ａを有している。そして、第１の実施形態と同様に隙間部１４ａは、径縮小部１１からスロート流路部１２への入口領域で該スロート流路部１２に連通している。

ここで、径縮小部１１、スロート流路部１２およびホーン部１３は、第１の実施形態で説明したのと全く同様な動作機構を有する。

そして、上記保護水吸込み機構２２は、上記高速水１６とスロート流路部１２の内壁面の間においてスロート流路部１２の内壁面の全面を覆い円筒状に流れる流路壁保護水１８を生成する。この保護水吸込み機構２２では、図５に示すように、例えば外形が円筒状のキャビテーション水噴射ノズルの側面に周回するメッシュ構造体２２ａが配設される。このメッシュ構造体２２ａを通して周囲液２０が保護水１９として空洞部１４ｂに一様に吸い込まれる。そして、この吸い込まれた保護水１９は、図２で説明したのと同様にして、隙間部１４ａを層状に流れその中心領域のスロート流路部１２に向かうカーテン流水１９ｂになる。更に、このカーテン流水１９ｂは高速水１６によりスロート流路部１２に吸い込まれ、上記スロート流路部１２の内壁面の全面に沿い円筒状に流れる流路壁保護水１８になる。

上記第２の実施形態の変形例として、図６に示すように、例えば外形が円筒状のキャビテーション水噴射ノズル１０の側面に周回してスリット構造体２２ｂを配設するようにしてもよい。あるいは、図７に示すように、外形が円筒状の噴射ノズル１０の側面に周回して多孔質構造体２２ｃを配設するようにしてもよい。ここで、多孔質構造体２２ｃは例えばセラミックス焼結体から成る。

この実施形態においても、流路壁保護水が高速水からスロート流路部１２の内壁面を遮蔽し保護することによって、キャビテーション水噴射ノズルの内壁の欠損や変形等の損傷が防止され、その耐久性が大きく向上する。また、上記スロート流路部１２における欠損あるいは変形等の防止により、キャビテーションの発生状態が安定し、キャビテーション水噴流の効果が安定的に得られる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について図８を参照して説明する。この実施形態の特徴は、上記第１の実施形態あるいは第２の実施形態において、キャビテーション水噴射ノズル１０のスロート流路部１２に２つの保護水供給機構１４あるいは保護水吸込み機構２２を併設するところにある。ここで、図８はキャビテーション水噴射ノズルの縦断面図である。

図８に示すように、キャビテーション水噴射ノズル１０は、基本構成として、図１で説明した径縮小部１１、スロート流路部１２、ホーン部１３、および第１の保護水供給機構２３と第２の保護水供給機構２４を備えている。

ここで、第１の保護水供給機構２３は、第１の実施形態で説明したのと同様に、スロート流路部１２にその内壁を周回して連通する隙間部１４ａ、該隙間部１４ａの外周に沿い連通した環状の空洞部１４ｂ、および保護水供給孔１４ｃを有する。そして、その隙間部１４ａは、高速水１６の上流領域、すなわち径縮小部１１からスロート流路部１２への入口領域において該スロート流路部１２に連通する。

また、第２の保護水供給機構２４は、第１の保護水供給機構２３と同様にスロート流路部１２にその内壁を周回して連通する隙間部１４ａ、該隙間部１４ａの外周に沿い連通した環状の空洞部１４ｂ、および保護水供給孔１４ｃを有する。そして、この場合の隙間部１４ａは、高速水１６の下流領域においてスロート流路部１２に連通する。

この第３の実施形態において、径縮小部１１、スロート流路部１２およびホーン部１３は、第１の実施形態で説明したのと全く同様な動作をする。

上記第１の保護水供給機構２３は、スロート流路部１２の入口領域において図２で説明したのと同様にして、保護水１９をカーテン流水１９ｂにしてスロート流路部１２内に流入させる。そして、高速水１６とスロート流路部１２の内壁面の間においてスロート流路部１２の内壁面の全面に沿い層流として流れる第１の流路壁保護水２５を生成する。このようにして、第１の流路壁保護水２５と高速水１６との界面にせん断層が形成される。

しかし、スロート流路部１２における流路が長い場合、流路径が小さい場合、あるいは高速水１６の流速が極めて大きくなる場合には、スロート流路部１２の流路の途中で上記第１の流路壁保護水２５の流れが高速水１６によりかき乱され易くなる。そして、上記せん断層がスロート流路部１２の流路の途中において弱まってしまう。

そこで、第２の保護水供給機構２４が、スロート流路部１２の下流領域において、第１の保護水供給機構２３と同様に保護水１９をカーテン流水１９ｂにしてスロート流路部１２内に流入させる。そして、高速水１６とスロート流路部１２の内壁面の間においてスロート流路部１２の内壁面の全面に沿う層流である新たな第２の流路壁保護水２６を生成する。このようにして、新たに生成した第２の流路壁保護水２６と高速水１６との界面にせん断層が形成されスロート流路部１２内において持続するようになる。

上記２つの保護水供給機構を併設することにより、上記スロート流路部１２の流路の全域に渡りその内壁面に沿う流路壁保護水の層流およびせん断層が安定して形成されるようになる。上述したようにキャビテーション泡が上記せん断層から高速水１６流路の内部において生成する。

図８では、キャビテーション水噴射ノズルのスロート流路部１２に２つの保護水供給機構が併設される場合について説明したが、上記スロート流路部１２に２つの保護水吸込み機構が併設される場合も同様になる。その他に、１つの保護水供給機構と１つの保護水吸込み機構がスロート流路部１２に併設される構造になるようにしてもよい。また、上記併設される保護水供給機構あるいは保護水吸込み機構において、空洞部１４ｂ、保護水供給孔、メッシュ構造体２２ａ、スリット構造体２２ｂ、多孔質構造体２２ｃが共通になる構造にしてもよい。さらに、保護水供給機構または保護水吸込み機構を３つ以上併設する構造としてもよい。

上記実施形態では、第１の実施形態あるいは第２の実施形態で説明したのと同様な作用効果が生じる。更に、スロート流路部がたとえ長くなったとしても、キャビテーション水噴射ノズルのスロート流路部の内壁面全域に沿った層流の流路壁保護水が形成されるようになる。このために、上記スロート流路部の流路長等の形状によらない安定なせん断層が形成され、上述した理由からその耐久性が大きく向上すると共に、キャビテーション発生およびその効果が安定的に得られるようになる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について図９および図１０を参照して説明する。この実施形態の特徴は、キャビテーション水噴射ノズルの側壁からスロート流路部の内壁に達する多孔質構造体が形設されるところにある。図７はキャビテーション水噴射ノズルの概略図である。ここで、図９はキャビテーション水噴射ノズルの縦断面図であり、図１０は図９に記すＹ−Ｙ矢視横断面図である。

図９および図１０に示すように、キャビテーション水噴射ノズル３０は、基本構成として、図１で説明した径縮小部１１、スロート流路部１２、ホーン部１３、および多孔質構造板３１を備えている。ここで、多孔質構造板３１は、キャビテーション水噴射ノズル３０の側壁からスロート流路部１２の内壁面に達し、その芯部のくり抜かれた板状の多孔質構造体である。そして、この多孔質構造板３１は、上記くり抜かれた芯部において、径縮小部１１からスロート流路部１２への入口領域で該スロート流路部１２に連通する構造になっている。ここで、上記芯部が円筒状でありスロート１２と同じ径になるように形成すると好適である。なお、上記径縮小部１１、スロート流路部１２、ホーン部１３は、第１の実施形態で説明したのと全く同様な動作機構を有する。

上記多孔質構造板３１は、キャビテーション水噴射ノズル３０の側壁から例えば周囲液２０から成る保護水１９を吸い込み、スロート流路部１２の上記入口領域において保護水１９をスロート流路部１２内に流入させる。そして、高速水１６とスロート流路部１２の内壁面の間においてスロート流路部１２の内壁面の全面に沿い層流となる流路壁保護水１８を生成する。ここで、周囲液２０は、上記高速水１６における低静圧により、多孔質構造板３１内部を通りスロート流路部１２へと吸い込まれる。このとき、吸い込まれる保護水１９は、多孔質構造板３１中を通過する間に全く乱流のない定常流となり、図１０に示すようにスロート流路部１２の内壁面に向かう極めて安定した層流３２になる。

そして、この層流３２は、そのまま一様にスロート流路部１２内に吸い込まれ、上記高速水１６とスロート流路部１２の内壁面の間においてスロート流路部１２の内壁面の全面に沿い極めて安定した層流の流路壁保護水１８となる。このようにして、流路壁保護水１８と高速水１６との界面に極めて安定的なせん断層が形成される。そして、上述したようにキャビテーション泡が上記せん断層から高速水１６流路の内部において生成する。

上記実施形態の変形例として、キャビテーション水噴射ノズル３０のスロート流路部１２に２つの多孔質構造板を併設するようにしてもよい。この場合、図１１の縦断面図に示すように、第１の多孔質構造板３３が、スロート流路部１２の入口領域において上述したように保護水１９を層流３２にしてスロート流路部１２内に流入させる。そして、高速水１６とスロート流路部１２の内壁面の間においてスロート流路部１２の内壁面を覆う層流として流れる第１の流路壁保護水２５を生成する。また、第２の多孔質構造板３４が、スロート流路部１２の下流領域において、第１の多孔質構造板３３と同様に保護水１９を層流３２にしてスロート流路部１２内に流入させる。そして、高速水１６とスロート流路部１２の内壁面の間においてスロート流路部１２の内壁面を覆う層流として流れる第２の流路壁保護水２６を生成する。

このようにして、上記スロート流路部１２の流路の全域に渡ってその内壁面に沿い極めて安定した流路壁保護水の層流およびせん断層が形成されるようになる。

上記実施形態では、第１の実施形態、第２の実施形態あるいは第３の実施形態で説明したのと同様な作用効果が生じる。更には、キャビテーション水噴射ノズルのスロート流路部の内壁面全域に沿った極めて安定した層流の流路壁保護水が形成され、上記スロート流路部の内壁面に沿い安定なせん断層が形成される。そして、この流路壁保護水が高速水から上記内壁面を完全に遮蔽し保護する。このようにして、キャビテーション水噴射ノズルの耐久性が大幅に向上し、キャビテーション発生およびその効果が安定して得られる。

また、上記実施形態では、第１の実施形態、第２の実施形態あるいは第３の実施形態の場合よりもキャビテーション水噴射ノズルの水圧に対する強度が向上し、高圧水１５の圧力を高くすることが可能になる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について図１２および図１３を参照して説明する。この実施形態の特徴は、キャビテーション水噴射ノズルにおいてスロート流路部の内壁面に達する保護水供給路が形設されるところにある。図１２および図１３はキャビテーション水噴射ノズルの概略図である。ここで、図１２はキャビテーション水噴射ノズルの縦断面図であり、図１３は図１２に記すＺ−Ｚ矢視横断面図である。

図１２に示すように、キャビテーション水噴射ノズル４０は、基本構成として、図１で説明した径縮小部１１、スロート流路部１２、ホーン部１３、および保護水供給路４１を備えている。ここで、保護水供給路４１は、キャビテーション水噴射ノズル４０の側壁からスロート流路部１２の内壁に連通する穿孔であり、前記スロート流路部１２の内壁面の接線方向に前記内壁を貫通している。更に、保護水供給路４１は、スロート流路部１２の垂直断面の円周の接線方向に前記内壁を貫通していると好適である。そして、上記径縮小部１１、スロート流路部１２およびホーン部１３は、第１の実施形態で説明したのと全く同様な動作機構を有している。

上記保護水供給路４１は、高速水１６とスロート流路部１２の内壁面の間においてスロート流路部１２の内壁面を覆った旋回流れの流路壁保護水４２を生成する。この保護水供給路４１では、図１３に示すように、１つの保護水供給路４１から供給される保護水１９がスロート流路部１２の内壁面に沿って流入する。そして、この保護水１９は、上記流入する辺りでは高速水１６によりスロート流路部１２の内壁面に沿うらせん状の流れにされ、下流に行くに従いスロート流路部１２の内壁の全面を覆う旋回流れになる。

上記実施形態の変形例として、キャビテーション水噴射ノズル４０のスロート流路部１２に２つの保護水供給路を形成するようにしてもよい。この場合、図１４の縦断面図に示すように、第１の保護水供給路４３が、スロート流路部１２の入口領域において上述したような保護水１９をスロート流路部１２内に流入させる。そして、高速水１６とスロート流路部１２の内壁面の間においてスロート流路部１２の内壁面の全面を覆う旋回流れの第１の流路壁保護水４４を生成する。また、第２の保護水供給路４５が、スロート流路部１２の下流領域において、第１の保護水供給路４３と同様にしてスロート流路部１２の内壁面の全面を覆う旋回流れの第２の流路壁保護水４６を流入させる。

このようにして、上記スロート流路部１２の流路の全域に渡ってその内壁面に沿い流路壁保護水およびせん断層が形成されるようになる。なお、上記実施形態において、上記保護水１９は、噴射ノズル４０にある周囲液２０が保護水供給路を通りスロート流路部１２に吸い込まれるものであっても構わない。

上記実施形態では、第１の実施形態、第２の実施形態あるいは第３の実施形態で説明したのとほぼ同様な作用効果が生じる。この場合には、上述した４つの実施形態の場合よりもスロート流路部の内壁面において流路壁保護水が少し安定性に欠けるが、その構造は極めて簡素なものになる。そして、噴射ノズルの耐久性が従来の場合より向上すると共に、キャビテーション発生およびその効果が安定的に得られるようになる。

キャビテーション水の噴射方法は、上記５つの実施形態において個々のキャビテーション水噴射ノズルの構造に沿い説明されているが、それ等の構造により制約を受けるものではない。いずれの構造であっても、本発明の上記噴射方法は、高圧水をその供給流路より断面が縮小した流路を通して高速水にすると共に、この高速水の流路の内壁面に沿って流れる流路壁保護水を供給する。このようにして、流路壁保護水により、高速水で発生するキャビテーションによる壊食から高速水の流路の内壁を保護するものである。

本発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲でいろいろの変形を採ることができる。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

例えば、上記第１ないし第５の実施形態に説明した特徴を任意に組み合わせた構造をとるキャビテーション水噴射ノズルであってもよい。第１の保護水供給手段および第２の保護水供給手段として、保護水供給機構１４または保護水吸込み機構２２と、多孔質構造板３１または保護水供給路４１とをそれぞれ組み合わせて併設する構造にしてもよい。あるいは、多孔質構造板３１および保護水供給路４１を併設する構造にしてもよい。また、併設する各保護水供給手段の数も２以上の任意としてよい。

そして、上記第１の保護水供給手段は、必ずしも、第１の流路壁保護水を径縮小部１１からスロート流路部１２への入口領域において第１の流路壁保護水を供給するものではない。その他に、径縮小部１１において第１の流路壁保護水を供給する構造になっていてもよい。あるいは、スロート流路部１２の中途において供給する構造になっていてもよい。

また、上記キャビテーション水噴射ノズルは、必ずしも周囲液中に配置される必要はなく、ノズルから噴射する高速水を囲むように周囲水が供給される構造をとり、大気中に配置され使用されてもよい。

そして、上記キャビテーション水噴射ノズルのスロート流路部１２は筒状でなくてもよい。その断面形状は、上記実施形態で説明したような円形の他に、楕円形、多角形、矩形等になっていても構わない。

更には、上記実施形態において説明した保護水あるいは周囲液は、工業用水等の通常の水であってもよいし、上記水以外の水溶液であっても構わない。

本発明の第１の実施形態に係るキャビテーション水噴射ノズルの概略縦断面図。 図１のＸ−Ｘ矢視横断面図。 本発明の第１の実施形態に係るキャビテーション水噴射ノズルの概略斜視図。 本発明の第２の実施形態に係るキャビテーション水噴射ノズルの概略縦断面図。 本発明の第２の実施形態に係るキャビテーション水噴射ノズルの概略斜視図。 上記第２の実施形態の変形例を示すキャビテーション水噴射ノズルの概略斜視図。 上記第２の実施形態の別の変形例を示すキャビテーション水噴射ノズルの概略斜視図。 本発明の第３の実施形態に係るキャビテーション水噴射ノズルの縦断面図。 本発明の第４の実施形態に係るキャビテーション水噴射ノズルの概略縦断面図。 図９のＹ−Ｙ矢視横断面図。 上記第４の実施形態の変形例を示すキャビテーション水噴射ノズルの縦断面図。 本発明の第５の実施形態に係るキャビテーション水噴射ノズルの概略縦断面図。 図１２のＺ−Ｚ矢視横断面図。 上記第５の実施形態の変形例を示すキャビテーション水噴射ノズルの縦断面図。 従来の技術に係るキャビテーション水噴射ノズルの縦断面図。

符号の説明

１０，３０，４０…キャビテーション水噴射ノズル，１１…径縮小部，１２…スロート流路部，１３…ホーン部，１４…保護水供給機構，１４ａ…隙間部，１４ｂ…空洞部，１４ｃ…保護水供給孔，１５…高圧水，１６…高速水，１７…キャビテーション泡，１８，４２…流路壁保護水，１９…保護水，１９ａ…環流水，１９ｂ…カーテン流水，２０…周囲液，２１…キャビテーションジェット，２２…保護水吸込み機構，２２ａ…メッシュ構造体，２２ｂ…スリット構造体，２２ｃ…多孔質構造体，２３…第１の保護水供給機構，２４…第２の保護水供給機構，２５，４４…第１の流路壁保護水，２６，４６…第２の流路壁保護水，３１…多孔質構造板，３２…層流，３３…第１の多孔質構造板，３４…第２の多孔質構造板，４１…保護水供給路，４３…第１の保護水供給路，４５…第２の保護水供給路

Claims (11)

1. キャビテーション水噴流用のノズルであって、
   高圧水の供給流路の断面を縮小する径縮小部と、
   前記径縮小部に連通し、前記高圧水が減圧加速し高速水になるスロート流路部と、
   前記スロート流路部の内壁を前記高速水から遮蔽し前記内壁に沿って流れる第１の流路壁保護水を供給する第１の保護水供給手段と、
   前記スロート流路部に連通し、前記高速水の流路の断面を拡大するホーン部と、
   を有することを特徴とするキャビテーション水噴射ノズル。
2. キャビテーション水噴流用のノズルであって、
   高圧水の供給流路の断面を縮小する径縮小部と、
   前記径縮小部に連通し、前記高圧水が減圧加速して高速水になるスロート流路部と、
   前記スロート流路部の内壁を前記高速水から遮蔽し前記内壁に沿って流れる第１の流路壁保護水を供給する第１の保護水供給手段と、
   前記スロート流路部で、前記第１の流路壁保護水の供給位置より下流側において、前記スロート流路部の内壁を前記高速水から遮蔽し前記内壁に沿って流れる第２の流路壁保護水を供給する第２の保護水供給手段と、
   前記スロート流路部に連通し、前記高速水の流路の断面を拡大するホーン部と、
   を有することを特徴とするキャビテーション水噴射ノズル。
3. 前記第１の保護水供給手段あるいは第２の保護水供給手段は、前記スロート流路部にその内壁を周回して連通する隙間部、該隙間部の外周に沿い連通した環状の空洞部、および該空洞部に連通する保護水供給孔を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のキャビテーション水噴射ノズル。
4. 周囲水中で使用されるキャビテーション水噴流用のノズルであって、
   前記第１の保護水供給手段あるいは第２の保護水供給手段は、前記スロート流路部にその内壁を周回して連通する隙間部、該隙間部の外周に沿い連通した環状の空洞部、および該空洞部に連通する前記周囲水の吸込み部を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のキャビテーション水噴射ノズル。
5. 前記周囲水の吸込み部は、前記キャビテーション水噴射ノズルの側部に設けられた複数の穿孔から成ることを特徴とする請求項４に記載のキャビテーション水噴射ノズル。
6. 前記周囲水の吸込み部は、前記キャビテーション水噴射ノズルの側部に設けられたメッシュ構造体から成ることを特徴とする請求項４に記載のキャビテーション水噴射ノズル。
7. 前記周囲水の吸込み部は、前記キャビテーション水噴射ノズルの側部に設けられたスリット構造体から成ることを特徴とする請求項４に記載のキャビテーション水噴射ノズル。
8. 前記周囲水の吸込み部は、前記キャビテーション水噴射ノズルの側部に設けられた多孔質構造体から成ることを特徴とする請求項４に記載のキャビテーション水噴射ノズル。
9. 周囲水中で使用されるキャビテーション水噴流用のノズルであって、
   前記第１の保護水供給手段あるいは第２の保護水供給手段は、前記スロート流路部にその内壁を周回して連通し、キャビテーション水噴射ノズルの側部で前記周囲水に連通する多孔質構造体を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のキャビテーション水噴射ノズル。
10. 周囲水中で使用されるキャビテーション水噴流用のノズルであって、
    前記第１の保護水供給手段あるいは第２の保護水供給手段は、前記スロート流路部の内壁面の接線方向に前記内壁を貫通し、前記キャビテーション水噴射ノズルの側部から前記周囲水に連通する該周囲水の吸い込み流路を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のキャビテーション水噴射ノズル。
11. キャビテーション水噴流用のノズルを用いたキャビテーション水の噴射方法であって、
    高圧水の供給流路より断面が縮小した流路を通して前記高圧水を高速水にすると共に、前記縮小した高速水の流路の内壁に沿って流れる流路壁保護水を供給して、前記高速水で発生するキャビテーションによる壊食から前記高速水の流路の内壁を保護することを特徴とするキャビテーション水噴射方法。

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