JP2008309028A - ジェット流による負圧形成方法及び負圧形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの負圧形成装置で、多量の負圧を形成したり、高い負圧を形成したりするのを自動的に切り換えることができ、且つ、高い負圧を形成するときは多量の負圧を形成する時よりも高圧流体供給源に作用する負荷を少なくできるようにした。
【解決手段】加圧ポンプで加圧された圧力水を小孔の噴射ノズルから、多量負圧形成用直管に噴射して大量の負圧を形成するとともに、高負圧形成用直管に噴射して高い負圧を形成し、この高い負圧を噴射ノズルに作用させ、噴射ノズルに対して吸出し効果を付与することにより、加圧ポンプへの負圧を多量の負圧を形成するときの負荷よりも軽減させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は例えば浚渫や脱水・濾過等、種々の作業における駆動源である負圧の形成装置に関し、特にジェット流による負圧形成方法及びジェット流による負圧形成装置に関するものである。

浚渫や脱水・濾過等の作業時における駆動源として使用される負圧の形成装置は、例えば吸込口と吹出口の中間にスロート部が形成された中細ノズル内に、スロート部の上流側から下流側に向かってジェット流を噴射して負圧を生じさせるジェット噴射孔を形成し、前記ジェット流によりスロート部に負圧を形成するようにしたものが知られている。

ところが、こうした負圧の形成装置では、小径に絞られたスロート部の周面に穿設した吹き出し孔から噴き出されるジェット流で、物品を吸込口から吸い込む負圧を形成する構造となっていることから、負圧度や負圧量はジェット流の流速に比例する。
したがって、高い負圧や多量の負圧を形成する場合、高圧流体供給源の負荷も負圧度や負圧量に比例して高くなってしまうという問題があった。
特開２００２−３５６２２４号公報

本発明は上記問題点に鑑みて提案されたもので、１つの負圧形成装置で、多量の負圧を形成したり、高い負圧を形成したりするのを自動的に切り換えることができるとともに、高い負圧を形成するときは多量の負圧を形成する時よりも高圧流体供給源に作用する負荷を少なくできるジェット流による負圧形成方法及び負圧形成装置を提供できるようにすることを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明に係るジェット流による負圧形成方法は、加圧ポンプで加圧された圧力水を小孔の噴射ノズルから、これよりも大径の高負圧形成用直管にジェット流として噴射し、高負圧形成用直管から当該高負圧形成用直管より大径の多量負圧形成用直管に噴射するように負圧形成装置を構成し、多量の負圧を形成する場合には、大径の多量負圧形成用直管内でジェット流を広げて当該多量負圧形成用直管内に仮想の連続ピストン部分を形成し、仮想の連続ピストン部分の上流側の多量負圧形成用直管内に多量の負圧を形成するとともに、高負圧を形成する場合には、流速の速い高負圧形成用直管で仮想の連続ピストン部分を形成し、当該仮想の連続ピストン部分の上流側に高い負圧を形成し、当該高い負圧を前記噴射ノズルに作用させ、噴射ノズルに対して吸出し効果を付与することにより、加圧ポンプへの負圧を多量の負圧を形成するときの負荷よりも軽減させるようにしたことを最も主要な特徴とするものである。

また、本発明にかかるジェット流による負圧形成装置では、加圧ポンプにより形成された圧力水をジェット流として噴射する小孔からなる噴射ノズルのジェット流の噴射方向の下流側に噴射ノズルより大径の高負圧形成用直管を噴射ノズルと同芯状に設け、高負圧形成用管の下流側に高負圧形成用直管より大径の多量負圧形成用直管を高負圧形成用直管と同芯状に設け、高負圧形成用直管と多量負圧形成用直管との境界部分を断面形状がベルマウス状に拡開された曲面若しくは直線状傾斜面で形成するとともに、小径の噴射ノズルの近傍に負圧取り出し口を設けたことを最も主要な特徴とするものである。

また、本発明にかかるジェット流による負圧形成装置では、多量負圧形成用直管のジェット流出口部分に仮想の連続ピストンの形成促進手段を設けたことも特徴とするものである。

さらに、本発明にかかるジェット流による負圧形成装置では、仮想の連続ピストンの形成促進手段の還流管若しくは多量負圧形成用直管の開口を加圧ポンプの吸水口に連通可能にして水を循環させるように構成したことも特徴とするものである。

加えて、本発明にかかるジェット流による負圧形成装置では、小径の噴射ノズルの噴口の近傍にキャビテーションを防止する空気導入用のオリフィスを形成し、当該オリフィスから吸引された空気で小径の噴射ノズルから噴射されたジェット流を混気ジェット流に高負圧形成用直管を流送させるようにしたことも特徴とするものである。

本発明によれば、ジェット流を形成する加圧ポンプで加圧された圧力水を小孔の噴射ノズルから大径の高負圧形成用直管に噴射し、高負圧形成用直管からさらに大径の多量負圧形成用直管に噴射するように負圧形成装置を構成し、多量の負圧を形成する場合には、多量負圧形成用直管内でジェット流を広げて仮想の連続ピストン部分を形成することにより多量の負圧を形成するとともに、高負圧を形成する場合には、流速の速い高負圧形成用直管で仮想の連続ピストン部分を形成して高い負圧を形成するようにしてあるので、１つの負圧形成装置で、多量の負圧を形成したり、多量負圧形成用直管の吐出口多量負圧形成用直管の吐出口高い負圧を形成したりすることができる。

また、高負圧形成用直管で仮想の連続ピストン部分を形成して高い負圧を形成するとき、この高い負圧が噴射ノズルの出口近傍に作用することから、噴射ノズルからのジェット流が吸い出されるように負圧が作用する。その結果、高い負圧になるほど噴射ノズルからのジェット流の吸い出し力も高まり、高負荷時の動力負荷が軽減される利点がある。

そして、多量負圧形成用直管のジェット流出口部分に連続ピストン部分の促進手段を設けたものでは、上記の利点を備えながらも多量負圧形成用直管の長さを短縮することができ装置のコンパクト化をはかることができる利点もある。

さらに、連続ピストン部分促進手段の吐出口若しくは多量負圧形成用直管の吐出口を加圧ポンプの吸水口に連通させて水を循環させるように構成したものでは、ジェット流形成用の水を循環させて使用することができ、節水が可能になるとともに、可搬式や車載用の装置にも最適のものにすることができる利点もある。

加えて、小径の噴射ノズルの吐出口の近傍にキャビテーションを防止する空気導入用のオリフィスを形成し、当該オリフィスから吸引された空気で小径の噴射ノズルから噴射されたジェット流を混気ジェット流に高負圧形成用直管を流送させるようにしたものでは、混入された空気が、高負圧形成用直管および高負圧形成用直管から多量負圧形成用直管を流れるジェット流の摩擦抵抗を軽減して流速の減衰を可及的に防止し、負圧形成装置の性能を高く維持することができる利点がある。

以下、本発明にかかるジェット流による負圧形成方法及び負圧形成装置のもっとも好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１はジェット流による負圧形成装置の概略の構成を示す縦断面図であって、図中符号１は負圧形成装置を全体的に示す。
この負圧形成装置１は貯水槽２に貯留された水３を吸引して加圧する加圧ポンプ４と、加圧ポンプ４で加圧された圧水を噴射して負圧形成用ジェットポンプMJPとを備えてなる。

加圧ポンプ４は、商用電源で駆動される電動モータ５の出力軸（図示せず）に直結され、加圧ポンプ４の吸水口６は、吸水管７を通じて貯水槽２の内方で底部８に向けて開口させてあり、吐水口９は後述する負圧形成用ジェットポンプMJPの噴射ノズル１０に圧力水給水管１１で連結されている。
貯水槽２は、密閉可能な箱状に形成され、上壁部分１２に上記負圧形成用ジェットポンプMJPと排気口１３が配設されるとともに、底部８の近傍の側壁部分には開閉弁１４付きの排水口１５が設けられており、貯水槽２の内部の一側部には板状の隔壁１６が側壁部分に形成されている。
そして、上記加圧ポンプ４の給水口６は隔壁１６の下方の水３中に開口させて、貯水槽２の水３を循環させて使用するようにしてある。これにより、水の少ない場所にも実施することができるし、車載式や可搬式の負圧形成装置にも適したものにすることができる。

負圧形成用ジェットポンプMJPは、図１及び図２に示すように、圧力水をジェット流として噴射する小孔からなる噴射ノズル１０と、噴射ノズル１０から噴射されるジェット流の噴射方向の下流側に、同芯状に設けられ、噴射ノズル１０より大径の高負圧形成用直管部分（高負圧形成用直管）１７と、高負圧形成用直管部分１７のさらに下流側に当該高負圧形成用直管部分１７と同芯状に設けられ、高負圧形成用直管部分１７より大径の多量負圧形成用直管部分（多量負圧形成用直管）１８とを、貯水槽２の上壁部分１２に支持されたケーシング１９に設けて構成されている。

高負圧形成用直管部分１７と多量負圧形成用直管１８との境界部分２０は、その断面形状がベルマウス状に拡開された曲面若しくは直線状傾斜面で形成されており、噴射ノズル１０の近傍（噴射ノズル１０の先端部分と高負圧形成用直管部分１７との間のケーシング１９部分）には負圧取り出し口２１が設けられている。
因みに、上記境界部分２０を急激に拡大する形状にしたときには当該隅部分に発生する乱流によりジェット流が攪乱されてその流勢が低下し、負圧形成用ジェットポンプMJPの性能を十分に発揮させることができない等の悪影響が発生するのを防止するためである。
また、多量負圧形成用直管部分１８の出口側の開口（ジェット流出口部分）２２は、貯水槽２の水３中に開口させてある。
ここで、高負圧形成用直管部分１７と多量負圧形成用直管部分１８とは図上一体に形成するようにしてあるが、これを別体に形成してケーシング１９に支持もしくはケーシング１９に内装させるように構成することができるのは言うまでもないことである。

上記噴射ノズル１０は混気ジェット用の噴射ノズルになっている。
すなわち、混気ジェット用の噴射ノズル１０は、特に図２に示すように加圧ポンプ４からの加圧水を噴射する第一噴射ノズル２３と、その第一噴射ノズル２３の噴口の近傍部分を覆い、第一噴射ノズル２３の噴口２４よりわずかに大径で短寸の混気部を形成した第二噴射ノズル２６を備え、第一噴射ノズル２３の噴口２４の近傍の第二噴射ノズル２６部分には吸気孔２７が穿設されている。
この吸気孔２７は、第一噴射ノズル２３の噴口２４の近傍部分を覆う第二噴射ノズル２６の外周とケーシング１９との間に環状に形成された空間２８を通じてケーシング１９に設けられたキャビテーションを防止するための空気導入用の吸気口（オリフィス）２９に連通しており、吸気口２９には調量弁３０が設けられている。
本例では、上記のように連通する吸気孔２７、空間２８、空気導入用の吸気口２９により吸気通路６０が形成される。

上記のように構成されたジェット流による負圧形成装置１の作用を次に説明する。
先ず、貯水槽２の水３が吸引され、加圧ポンプ４で加圧された圧力水が噴射ノズル１０の第一噴射ノズル２３から第二噴射ノズル２６の混気部２５に噴射される。
すると、この混気部２５に形成された負圧により調量弁３０で調量された外気が吸気通路６０から吸引されて混気部２５を流走するジェット流の周囲に空気層を形成するとともに、ジェット流に混入されて混気ジェット流が形成される。
こうして形成された混気ジェットが第二噴射ノズル２６から高負圧形成用直管部分１７乃至多量負圧形成用直管部分１８に噴射されて流走する。

このとき、負圧取り出し口２１の負圧が弱い時（負圧度が低い時）、ジェット流は多量負圧形成用直管部分１８に飛び、当該多量負圧形成用直管部分１８で管内一杯に広がる。
そして、負圧取り出し口２１の負圧が強い時（負圧度が高い時）、ジェット流は多量負圧形成用直管部分１８の手前の高負圧形成用直管部分１７の管内一杯に広がる。
斯くして高負圧形成用直管部分１７の管内一杯に広がった部分には後述するように多量負圧形成用直管部分１８の開口２２側に向けて連続して作用する仮想の連続ピストン３１が形成される。

ここで仮想の連続ピストン３１について図３に基づいて説明する。
この図３では上記噴射ノズル１０を説明の便宜上、加圧ポンプ４からの圧力水３２をジェット流３３として噴射するものにしてある。
図３において加圧ポンプ４からの圧力水３２が噴射ノズル１０から実線矢印で示す抵抗Rに打ち勝ちながら徐々に広がりながら流走してゆくのであるが、このジェット流３３の流走状態をミクロに見ると、無数の水滴が近接した状態で飛翔している。

そして、飛翔する水滴の下流側の空気は圧縮され、水滴の上流側には負圧が形成された状態になっている。
その結果、圧縮された空気は水滴の流勢で多量負圧形成用直管部分１８の開口２２側に押し出されここに多量負圧形成用直管部分１８の開口２２側に向けて連続して作用する仮想の連続ピストン３１が形成されることになる。

尚、図１及び図２に示すように噴射ノズル１０から噴射されるジェット流３３が混気ジェット流である場合、その周囲に形成された空気層により、ジェット流の外方の静止している空気層並びに高負圧形成用直管部分１７乃至多量負圧形成用直管部分１８の内周面部分との間の摩擦を減じるので周囲の空気層の厚みが徐々に薄くなりながらも、ジェット流３３の流勢が減衰するのを防止する。

また、仮想の連続ピストン３１が形成される位置は、この仮想の連続ピストン３１を形成する広がりが、加圧ポンプ４から供給される圧力水３２の圧力で発生するジェット流３３の流勢とこれに対抗する向きの実線矢印で示す抵抗Ｒとの相対的な力関係で形成される。
したがって、負圧取り出し口２１の負圧が弱い（負圧度が低い）時は噴射ノズル１０からのジェット流３３は遠くに飛び、多量負圧形成用直管部分１８で仮想の連続ピストン３１が形成され多量負圧形成用直管部分１８の断面積に相当した多量の負圧が形成される。

一方、負圧取り出し口２１の負圧が強い（負圧度が高い）時は噴射ノズル１０からのジェット流３３は当該強い負圧により、流勢が減衰されて仮想の連続ピストン３１が高負圧形成用直管部分１７に引き戻された状態になる。
しかして、仮想の連続ピストン３１が高負圧形成用直管部分１７に形成されるように負圧が強い時、その強い負圧は、噴射ノズル１０の噴口２４の近傍にも作用し、噴射ノズル１０からのジェット流３３が吸い出されるように作用する。
その結果、高い負圧になればなるほど、噴射ノズル１０からのジェット流３３の吸い出し力も高まり、高負荷時の加圧ポンプ４への動力負荷が軽減されることになる。

ちなみに、加圧ポンプの圧力が０．７５ｋｇ／平方ｃｍのものを用いて試験したところ、仮想の連続ピストンが多量負圧形成用直管部分１８で発生させたとき、大径の多量負圧形成用直管部分１８の断面積に相応した多量の負圧、すなわち、負圧取り出し口２１からの吸入量が多く得られた。
次に、仮想の連続ピストン３１が高負圧形成用直管部分１７で発生するように負圧取り出口２１を絞って、負圧取り出し口２１での負圧がゲージ圧で７００ｍｍＨｇにした時に、加圧ポンプ４の圧力を０．６ｋｇ／ｃｍ弱にまで下げることができたのが確認された。
これにより、高い負圧になるほど噴射ノズル１０からのジェット流の吸い出し力も高まり、高負荷時の加圧ポンプ４への動力負荷が軽減することができる。

なお、図４に示すものは負圧形成用ジェットポンプMJPを加圧ポンプ４の吐水口９に縦向きに直接取り付けるとともに、多量負圧形成用直管部分１８の開口２２部分に仮想の連続ピストン３１の形成促進手段３４が設けられている。
この仮想の連続ピストン３１の形成促進手段３４は、特に図５に示すように上端部分がドーム状に形成された外套３５を、多量負圧形成用直管部分１８に被せつけて密閉し、この外套３５部分の側壁部に多量負圧形成用直管部分１８から吐出されるジェット流を、還流管３６の開口から貯水槽２に還流させるように構成されている。

こうした構成のものでは、多量負圧形成用直管部分１８から吐出されるジェット流を外套３５のドーム状の内周面に吹き当てることにより、多量負圧形成用直管部分１８から吐出されるジェット流が直線的に飛翔する距離を物理的に短縮するとともに、ジェット流に作用する重力と、流勢に対抗する向きに作用する上気実線矢印で示す抵抗Ｒを増すことにより、仮想の連続ピストン３１の形成位置を噴射ノズル１０側に寄せて、負圧形成用ジェットポンプMJPの小型化をはかることができる。

尚、図４のように負圧形成用ジェットポンプMJPを加圧ポンプ４の吐水口９に縦向きに直接取り付けることにより、負圧取り出し口２１がドーム状に形成された外套３５より下に位置するものでは、負圧形成用ジェットポンプMJPを停止した時に外套３５内にある水が逆流して負圧取り出し口２１、及び負圧形成用ジェットポンプMJPの噴射ノズル１０が混気ジェット用の噴射ノズル１０になっている場合、吸気口２９から外部に漏出する虞がある。
負圧取り出し口２１からの水の漏出については、当該負圧取り出し口２１に接続される負圧供給管（図示せず）の少なくとも一部を外套３５より高く位置させることに防止することができるが、吸気口２９から外部への漏出防止には図６乃至図８に示すような逆止弁３７を設けることが望ましい。

この逆止弁３７は、ケーシング１９内に昇降可能に収納された弁体３８と、弁体３８を下方に押圧付勢するコイルスプリング（付勢手段）３９とを備えてなり、弁体３８には、上記混気ジェット用の噴射ノズル１０を構成する第一噴射ノズル２３と、第一噴射ノズル２３の噴口よりわずかに大径で短寸の混気部２５を形成した第二噴射ノズル２６が弁体３８の中心部分を貫通する状態で一連に形成されている。
また、弁体３８は、その中間部分が下窄まりテーパー状周面４０に形成され、その上部にコイルスプリング３９を収納する大径の円筒状部分４１が形成されるとともに、下部は小径の円筒状部分４２に形成されており、弁体３８の下端面部分は加圧ポンプ４からの圧力水の圧力を受ける受圧面４３になっている。

一方、上記弁体３８を収納するケーシング１９には、弁体３８の下部の小径の円筒状部分４２が上下摺動可能に収納される小径筒部４４と、弁体３８のテーパー状周面４０に面で当接するテーパー状内周面部４５と、弁体３８の大径の筒状部分４１が上下摺動可能に嵌合する大径筒部４５とが順に形成されており、当該テーパー状内周面部４５には後述する弁体側吸気通路４８とで吸気通路６０を形成するケーシング側吸気通路４７が穿設されている。
そして、弁体３８のテーパー状周面４０部分には弁体側吸気通路４８が形成されており、この弁体側吸気通路４８は、弁体３８のテーパー状周面４０がケーシング１９のテーパー状内周面部４５に当接した時に、ケーシング側吸気通路４７と連通しない位置、即ち高さ位置を異ならせて形成してある。
また、上記弁体側吸気通路４８は、弁体３８１３の下窄まりテーパー状周面４０部分に、第二噴射ノズル２６の軸心に対して鋭角θとなるように形成されている。
尚、図中符号４９はシール用のＯ−リングであり、符号５０はコイルスプリングの端部を受け止めるプレートである。

上記のように構成された逆止弁３７は、まず、弁体３８に加圧ポンプ４からの圧力水が供給されるまでは、図６及び図７に示すようにコイルスプリング３９により下方に押圧されて、弁体３８のテーパー状周面４０部分がケーシング１９のテーパー状内周面部４５に密着して、高さの異なるケーシング側吸気通路４７と弁体側給気通路４８とは遮断された状態になっている。

次に、加圧ポンプ４から圧力水が弁体３８部分に供給されると、その圧力が弁体３８の下端の受圧面４３に作用し、弁体３８をコイルスプリング３９の押圧力に抗して上昇させ、図８に示すように、弁体３８のテーパー状周面４０とケーシング１９のテーパー状内周面部４５と間に隙間５１が形成される。
この隙間５１を介して弁体側吸気通路４８とケーシング側吸気通路４７とが連通されるので、第一噴射ノズル２３からのジェット流により第二噴射ノズル２６に空気が吸引されて混気部２５で混気ジェットが形成される。

そして、加圧ポンプ４から圧力水の供給が停止されると、この供給停止により 弁体３８の下端面部分に形成された受圧面４３に作用する圧力が低下するため、弁体３８がコイルスプリング３９の押圧力で下降し、弁体３８のテーパー状周面４０とケーシング１９のテーパー状内周面部４５とが密着してこれまで連通していた吸気通路６０は弁体側吸気通路４８とケーシング側吸気通路４７とに分断される。
これにより、外套３５等に残留する混気ジェット流を形成していた水は、吸気通路６０が遮断されることにより外部への漏出が防止される。

ジェット流による負圧形成装置の概略の構成を示す縦断面図である。 ジェット流による負圧形成装置の噴射ノズル部分の縦断側面である。 ジェット流による負圧形成装置における仮想ピストンの作用説明図である。 ジェット流による負圧形成装置の変形例の縦断側面である。 ジェット流による負圧形成装置の変形例の噴射ノズル部分の縦断側面である。 ジェット流による負圧形成装置に付設された逆止弁部分の縦断側面である。 ジェット流による負圧形成装置に付設された逆止弁部分の作用説明図である。 ジェット流による負圧形成装置に付設された逆止弁部分の作用説明図である。

符号の説明

１・・・ジェット流による負圧形成装置
２・・・貯水槽
４・・・加圧ポンプ
１０・・・噴射ノズル
１７・・・高負圧形成用直管
１８・・・多量負圧形成用直管
２０・・・境界部分
２２・・・ジェット流出口部分（開口）
２９・・・吸気口（空気導入用のオリフィス）
３１・・・仮想の連続ピストン

Claims (5)

1. 加圧ポンプで加圧された圧力水を小孔の噴射ノズルから、これよりも大径の高負圧形成用直管にジェット流として噴射し、高負圧形成用直管から当該高負圧形成用直管より大径の多量負圧形成用直管に噴射するように負圧形成装置を構成し、多量の負圧を形成する場合には、大径の多量負圧形成用直管内でジェット流を広げて当該多量負圧形成用直管内に仮想の連続ピストン部分を形成し、仮想の連続ピストン部分の上流側の多量負圧形成用直管内に多量の負圧を形成するとともに、高負圧を形成する場合には、流速の速い高負圧形成用直管で仮想の連続ピストン部分を形成し、当該仮想の連続ピストン部分の上流側に高い負圧を形成し、当該高い負圧を前記噴射ノズルに作用させ、噴射ノズルに対して吸出し効果を付与することにより、加圧ポンプへの負圧を多量の負圧を形成するときの負荷よりも軽減させるようにしたことを特徴とするジェット流による負圧形成方法。
2. 加圧ポンプにより形成された圧力水をジェット流として噴射する小孔からなる噴射ノズルのジェット流の噴射方向の下流側に噴射ノズルより大径の高負圧形成用直管を噴射ノズルと同芯状に設け、高負圧形成用管の下流側に高負圧形成用直管より大径の多量負圧形成用直管を高負圧形成用直管と同芯状に設け、高負圧形成用直管と多量負圧形成用直管との境界部分を断面形状がベルマウス状に拡開された曲面若しくは直線状傾斜面で形成するとともに、小径の噴射ノズルの近傍に負圧取り出し口を設けたことを特徴とするジェット流による負圧形成装置。
3. 多量負圧形成用直管のジェット流出口部分に仮想の連続ピストンの形成促進手段を設けたことを特徴度する請求項２に記載のジェット流による負圧形成装置。
4. 仮想の連続ピストンの形成促進手段の還流管若しくは多量負圧形成用直管の開口を加圧ポンプの吸水口に連通可能にして水を循環させるように構成したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のジェット流による負圧形成装置。
5. 小径の噴射ノズルの噴口の近傍にキャビテーションを防止する空気導入用のオリフィスを形成し、当該オリフィスから吸引された空気で小径の噴射ノズルから噴射されたジェット流を混気ジェット流に高負圧形成用直管を流送させるようにしたことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載のジェット流による負圧形成装置。

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