JP2008018511A

JP2008018511A - アイスブラスト用ノズル装置

Info

Publication number: JP2008018511A
Application number: JP2006193869A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Nishida; 信雄西田; Osamu Kaguma; 修鹿熊; Masayuki Otsubo; 雅之大坪; Masato Sawada; 昌人澤田
Original assignee: Sugino Machine Ltd
Current assignee: Sugino Machine Ltd
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】氷粒の高圧噴射を行うアブレーシブノズルにおいて最適なノズル設計を備えたアイスブラスト用ノズル装置の提供。
【解決手段】アイスブラスト用ノズル装置において、混合室から氷粒を含むウォータジェットを噴射するアブレーシブノズルのノズル長が、該ノズル口径の４倍以上、６倍以下の寸法範囲内にあるものとした。
【選択図】なし

Description

本発明は、アイスブラスト用ノズル装置に関するものであり、詳しくは、氷粒を高圧噴射するためのアブレーシブノズルに関するものである。

対象物の成形バリや加工時に発生するバリ、または汚れ等を除去するためにブラスト装置として、従来から、加圧高圧水をノズルから噴射するウォータージェットを利用したものがある。特に、切断や剥離などの大きなブラスト効果が必要とされる場合には、高圧水に研磨材を混入して噴射するアブレーシブジェット装置が用いられている。

このようなアブレーシブジェット装置の研磨材としては、アルミナ、炭化珪素、ガーネットが一般的である。しかしながら、このようなアブレーシブジェット装置では、噴射後の研磨材の回収や噴射用水との分離などの手間のかかる工程が必要であり、また、研磨材自体が細かくなって加工能力が低下する前に新しいものを補給するなど繰り返しの使用にも限度があり、さらに研磨材が高価な上に古いものの廃棄処理の問題もあってコスト高にならざるを得なかった。

そこで、研磨材として噴射後に残らない氷粒を利用して低コストでありながらも強力なブラスト効果が得られるアイスブラスト装置が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。このアイスブラスト装置では、研磨材としての氷粒の供給源である製氷装置を備えてはいるが、氷粒は噴射後に解けて水となってウォータージェットの一部として回収されるため、対象物から除去されたバリや切りくずの濾過をすればよく、研磨材分離回収装置や古い研磨材の廃棄処理のための工程は必要ない。回収された水は噴射用と製氷用の双方に利用されるため、従来の用に研磨材の補給は必要なくなり、実質的に噴射水と共に繰り返し循環利用される。

またノズル装置については従来のアブレーシブジェット装置と基本的構成が同様のものを用いることができる。即ち、このノズル装置は、混合室内に高圧水を供給する高圧水供給路と研磨材が導入される研磨材導入路とアブレーシブノズルとを有し、高圧水供給路から混合室へ供給される高圧水がウォーターノズルを通過することによってウォータージェットが形成され、このウォータージェットが混合室内の空気と共にアブレーシブノズルにより噴射されることによって負圧になる混合室内に研磨材としての氷粒が吸引され、ウォータージェットに混合されるものである。

特開２００４−１２２２９６公報

上記のようなアイスブラスト装置において、より効果的に切断や剥離などを行うには、従来のアブレーシブジェット装置と同様に、研磨材である氷粒の噴射速度を可能な限り早くする必要があり、そのための要因として、氷粒供給位置、混合室形状などの他にアブレーシブノズル長さが重要である。

即ち、アブレーシブノズルは研磨材を加速すると共に噴射後のジェットの拡散を防ぐものであるが、そのノズル長さが短すぎると加速が不充分で収束性が不良となって噴射流が拡がったり乱れてくるため加工精度が劣ってしまい、逆に長すぎるとノズル内での摩擦損失が増加して噴射速度が減少して必要なブラスト効果が得られなくなるため、最適な長さを設定する必要がある。

しかしながら、氷粒を噴射するアイスブラスト装置のアブレーシブノズルに関しては、従来から研磨材として用いられてきたガーネットの比重３〜４に対して氷粒は比重０．９１と非常に軽く、従来のアブレーシブジェット装置におけるデータや資料をそのまま参考にすることはできず、未だその特性は把握されていない。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、氷粒の高圧噴射を行うアブレーシブノズルにおいて最適なノズル設計を備えたアイスブラスト用ノズル装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係るアイスブラスト用ノズル装置は、高圧水供給路と、氷粒導入路と、高圧水供給路から供給されてくる高圧水を通過させることによってウォータージェットを形成するウォーターノズルと、該ウォータージェットにより生じる負圧によって前記氷粒導入路から氷粒が吸い込まれると共にこの氷粒と前記ウォータージェットとが混合される混合室と、該混合室から前記氷粒を含むウォータージェットを噴射するアブレーシブノズルと、を備えたアイスブラスト用ノズル装置において、前記アブレーシブノズルのノズル長が、該ノズル口径の４倍以上、６倍以下の寸法範囲内にあることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明に係るアイスブラスト装置は、請求項１に記載のアイスブラスト用ノズル装置において、前記ウォーターノズルの口径が１〜２ｍｍであるとき、前記アブレーシブノズルのノズル口径を１０〜１８ｍｍとしたことを特徴とするものである。

本発明においては、アブレーシブノズルの長さを、アブレーシブノズル口径の４倍以上、６倍以下という特定の寸法範囲に設定することにより、良好な収束性とブラスト効果を確保し得る速度で氷粒を噴射できるアイスブラスト用ノズル装置を得ることができるという効果がある。

本発明は、アイスブラスト用ノズル装置に最適なノズル設計について、本発明者等の種々検討の結果、フレーク状氷粒のウォータージェットによる噴射の場合、アブレーシブノズルのノズル長さを後述の実施例に示すように該アブレーシブノズル口径の４倍以上、６倍以下という特定の寸法範囲に設定することにより、良好な収束性とブラスト効果を確保し得る速度で氷粒を噴射できることを見出し、本アイスブラスト用ノズル装置の発明に至ったものである。

フレーク状氷粒のウォータージェットによる噴射において、アブレーシブノズル長さを該ノズル口径の４倍よりも短くすると、噴射時の加速が不充分で収束性が不良となり、また前記ノズル口径の６倍よりも長くなると、ノズル内での摩擦損失が噴射して速度が減少してしまう。より好ましくはアブレーシブノズル長さは該ノズル口径の約５倍とする。

また、アブレーシブノズルの口径はウォーターノズルの口径に適応した寸法とすることによって、ウォーターノズルを通過して形成されたウォータージェットの噴射力を良好に維持すると共に、氷片が充分に吸い込まれる吸込み流速を確保することができる。具体的にウォーターノズルの口径を、従来のウォータージェット装置の場合と同様に１〜２ｍｍとした場合、アブレーシブノズルの口径は１０〜１８ｍｍが好適である。なお、ウォータージェットの噴射圧力が２５ＭＰａまたは３０ＭＰａの場合、アブレーシブノズルに氷片が問題なく吸引されるための吸込み流速は１３ｍ／ｓであり、少なくともアブレーシブノズル口径が１０ｍｍあれば上記流速は確保できる。

なお、これらの条件は、氷粒が現況のアイスブラスト装置で良好なブラスト効果が確認されて、一般的となっているサイズ、即ち、厚み約１ｍｍ、表面積２５０ｍｍ^２程度のフレーク状氷片を用いる場合を前提に決定されたものである。これは、アイスブラストとして硬い氷粒の供給が必要とされるのに対して、氷はその温度が低いほど硬くなるが、現状の製氷装置においてフレーク状氷片は生成時の温度が−１５〜−２０℃と低く、しかも連続して生成できることから最も好適なブラスト材として用いられているためである。なお、他に大きさ約φ１０×１０ｍｍのチップアイスも供給可能であるが、この温度は０℃と高く、アイスブラスト用には軟らかい。

本発明の一実施例として、図１に示すように、互いに異なるノズル長さ（ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤ）のアブレーシブノズル（４Ａ、４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）を備えたノズル装置（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）について、フレーク状氷粒を含むアブレーシブウォータージェットの第１噴射試験を行い、氷粒の速度を測定してアイスブラストに好適なアブレーシブノズルのノズル長さの特定を以下の通り行った。

まず、本噴射試験において用いるブラスト装置は、基本構成は従来と同様に、高圧水供給路から供給される高圧水がウォーターノズル２を介してウォータージェットとして混合室１内に供給され、例えば内ドラム式製氷装置から供給される氷粒がウォータージェットによる負圧で氷粒導入路３から混合室１内に吸い込まれ、ウォータージェットに混合されてアブレーシブノズルから噴射されるものである。

また、全ノズル装置において、ウォーターノズル２の口径を１．３ｍｍ、アブレーシブノズル口径を１４ｍｍと揃え、各ノズル長さはＬＡ＝３０ｍｍ、ＬＢ＝５０ｍｍ、ＬＣ＝７５ｍｍ、ＬＤ＝１００ｍｍとした。氷粒は厚み１ｍｍ前後、表面積約２５０ｍｍ^２程度のものが製氷装置により生成されて氷粒導入路３へ供給される。また噴射圧力は３０ＭＰａとした。

氷粒速度は、高速度カメラ（ PHOTORON社製、FASTCAM-MAX 120K モノクロモデル）でそれぞれのノズル装置（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）から噴射される氷粒ジェットを撮影（記録速度87600fps）し、氷粒の進んだ距離と時間から速度を算出した。その結果を図２に示す。

図２の結果から明らかなように、ノズル長さが長くなるほど氷粒速度が早くなっていき、特にノズル長さが５０ｍｍ以上、即ちノズル口径の４倍以上で著しく速度の増大がみられ、ノズル長さがノズル口径の約５．３倍である７５ｍｍで最大となり、それより長くなると速度が低下する傾向が見られた。

従って、以上の結果から、良好な氷粒速度が得られるノズル長さは、ノズル口径の４倍以上、６倍以下と言え、約５倍程度で最大氷粒速度が得られることが確認された。

次いで、第２噴射試験として、ウォーターノズル口径を１．６ｍｍにした場合について、上記第１噴射試験と同じノズル口径１４ｍｍで、アブレーシブノズルのノズル長さがＬＡ＝３０ｍｍ、ＬＣ＝７５ｍｍのノズル装置Ａおよびノズル装置Ｃについて、噴射圧力を２０，２５，３０ＭＰａの３パターンで噴射試験を行い、上記試験と同様に氷粒速度をそれぞれの場合において測定した。その結果を図３に示す。

図３に示す結果から判るように、いずれの噴射圧力の場合も、ノズル長さＬＣ＝７５ｍｍのノズル装置Ｃの方がノズル長さＬＡ＝３０ｍｍのノズル装置Ａよりも氷粒速度が速く、平均して前者は後者の２０ＭＰａで約１．７倍、２５ＭＰａで約３倍、３０ＭＰａで約２．２倍であった。

なお、上記ノズル口径寸法に限らず、ウォーターノズル口径１〜２ｍｍとして、アブレーシブノズル口径が１０〜１８ｍｍの範囲内である場合において上記実施例で確認された傾向が同様にみられた。

即ち、以上の実施例では、ウォーターノズル口径およびアブレーシブノズル口径を、現在のアブレーシブウォータージェット装置で良好な噴流が得られるものとして採用されている寸法付近に設定して噴射試験を行うことにより、本発明の氷粒噴射に好適なアブレーシブノズル長さの設定条件が特定されたものである。

本発明の一実施例による噴射試験に用いた各ノズル装置の概略断面図である。第１噴射試験の結果を示す分布図（横軸：アブレーシブノズル長さ（ｍｍ），縦軸：氷粒速度（ｍ／ｓ））である。第１噴射試験の結果を示す分布図（横軸：噴射圧力（ＭＰａ），縦軸：氷粒速度（ｍ／ｓ））である。

符号の説明

１：混合室
２：ウォーターノズル
３：氷粒導入路
４Ａ、４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ：アブレーシブノズル
ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤ：アブレーシブノズル長さ

Claims

高圧水供給路と、氷粒導入路と、高圧水供給路から供給されてくる高圧水を通過させることによってウォータージェットを形成するウォーターノズルと、該ウォータージェットにより生じる負圧によって前記氷粒導入路から氷粒が吸い込まれると共にこの氷粒と前記ウォータージェットとが混合される混合室と、該混合室から前記氷粒を含むウォータージェットを噴射するアブレーシブノズルと、を備えたアイスブラスト用ノズル装置において、
前記アブレーシブノズルのノズル長が、該ノズル口径の４倍以上、６倍以下の寸法範囲内にあることを特徴とするアイスブラスト用ノズル装置。
前記ウォーターノズルの口径が１〜２ｍｍであるとき、前記アブレーシブノズルのノズル口径を１０〜１８ｍｍとしたことを特徴とする請求項１に記載のアイスブラスト用ノズル装置。