JP2014018697A - 洗浄ノズル及び洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被洗浄物の洗浄に好適な洗浄ノズル及び洗浄装置を提供する。
【解決手段】内孔Ｒが洗浄水Ｗの圧送通路とされ、該圧送通路Ｒの基端部６ａ側から圧送する洗浄水Ｗにキャビテーション気泡を発生させて先端開口部６ｂから噴出させる洗浄ノズル５において、内孔Ｒを形成する内壁面６ｓには、内孔Ｒを流動する洗浄水Ｗを旋回させる１又は複数条の螺旋状の突条又は溝８，８・・が形成され、圧送通路Ｒ内には、洗浄水Ｗの圧送方向に突出するとともに先端に向かって漸次縮径した円錐状部７ｂを有する棒状体７が備えられていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、配管やタンクの内外壁面等、機械その他の物の洗浄に用いることのできる洗浄ノズル及び洗浄装置に関する。

食品製造業において、飲食料、特に乳製品等を製造する装置は、飲食料を貯蔵させるタンクや工程中の配管内に、油成分、蛋白質やカルシウム等の塩類を含んだ残留物が付着することから、定期的に洗浄し、タンク内や配管内を清潔に維持して飲食品の品質を確保することが必要とされている。
これら配管等の内部の洗浄においては、飲食品の各種成分を分解する洗浄剤を順次投入して洗浄するとともに、各洗浄剤を投入する前後に、その都度温水で配管等内をリンスする方法が採用されている。しかし、洗浄に大量の水を使用することによる用水費、水処理コスト、環境への負荷、及び洗浄に長時間掛かるという観点から、効率的な被洗浄物の洗浄として、従来より、キャビテーション噴流を利用して被洗浄物を洗浄する、例えば下記特許文献１に開示された装置が提案されている。

この洗浄装置のノズルは、水を低圧で噴出する低圧ノズルの中心部に水を高圧で噴出する高圧ノズルを設け、これら低圧ノズルと高圧ノズルのそれぞれから水を噴出することによりキャビテーション気泡を噴射させる構成となっている。
このノズルによると、高圧ノズルの先端から噴出したキャビテーション気泡を被洗浄面に至るまで低圧ノズルから噴出させた水で包み込むようになっており、被洗浄面においてキャビテーション気泡を集中させ、圧潰衝撃力による洗浄効果を増大させることができるとされている。

特開２００３−６２４９２号公報

しかし、上記従来の洗浄装置のノズルでは、高圧ノズルを設けてキャビテーションを発生させるものであるため、水流を圧送させた際に圧力損失が発生しており、キャビテーションを発生させる際のエネルギー効率が悪いという問題があった。また、高圧水を発生させる特殊な装置が必要であるという問題があった。
また、前記洗浄装置のノズルでは、キャビテーション気泡を被洗浄物に噴射する際に、該キャビテーション気泡を包み込み、かつ被洗浄面において噴流が拡散しないように一定の範囲に閉じ込められるだけの水圧を発生させる大量の水が必要となり、洗浄コストが嵩むとともに、環境への負荷が大きいという問題があった。

本発明は、内孔が洗浄水の圧送通路とされ、該圧送通路の基端部側から圧送する洗浄水にキャビテーション気泡を発生させて先端開口部から噴出させる洗浄ノズルにおいて、前記内孔を形成する内壁面には、前記内孔を流動する前記洗浄水を旋回させる１又は複数条の螺旋状の突条又は溝が形成され、前記圧送通路内には、洗浄水の圧送方向に突出するとともに先端に向かって漸次縮径した円錐状部を有する棒状体が備えられていることを特徴とする。
本発明によれば、内壁面に形成された螺旋状の突条又は溝に沿って洗浄水を流動させるため、圧送通路を通すだけで水流の圧力損失を可及的に少なくして簡便に洗浄水を突条又は溝に沿った旋回流としつつノズル先端方向に流動させることができる。
そして、圧送通路の内壁面に沿わせることで、洗浄水を可及的に大きな旋回流にすることができる。更に、円錐状部を有する棒状体によって圧送通路を絞り、洗浄水の流速を急激に上げることができるとともに、円錐状部によって旋回する洗浄水を縮径させて速度を高めつつ低圧にすることで、棒状体の先端近傍にキャビテーションを発生させることができる。
本発明は、前記棒状体の前記円錐状部の基端側に円筒状の胴部を備えていてもよい。
この場合、胴部により圧送通路が絞られるため、胴部の周囲を流動する洗浄水の流速を所定の速度まで高めることができる。そして、胴部の先端側が円錐状部とされているため、胴部の周囲を流動して速度が高められた洗浄水の旋回流を、円錐状部によって縮径させて発生した急速な速度変化（境界層）とともに、境界層内の渦が円錐部に沿って下流に流れ、先端部で非常に強い渦流となる。すなわち、胴部の先端側が円錐状部とされているため、速度が高められた洗浄水の旋回流を円錐状部によって縮径させて発生させた急速な速度変化（境界層）とともに、境界層内の渦が円錐部に沿って下流に流れ、先端部で非常に強い渦流となる。したがって、棒状体の先端近傍において強力なキャビテーションを発生させることができる。
本発明は、前記棒状体の前記円錐状部及び前記胴部の少なくともいずれか一方に、前記突条又は前記溝の螺旋形状と同方向に旋回する螺旋状の突条が形成されていてもよい。
本発明は、前記棒状体が、その支持部を介して前記内壁面に固定されていることを特徴とする。
このように棒状体を固定する場合、棒状体を任意の位置に形成することができる。
本発明は、洗浄装置であって、上記発明のいずれかの洗浄ノズルを備えていることを特徴とする。
本発明によれば、上記した作用を奏する洗浄装置とすることができる。

本発明に係る洗浄ノズルによれば、圧送される洗浄水の圧力損失を抑えつつ洗浄水を旋回流とし、旋回を可及的に大きく形成しておいてその後棒状体によって流速を高めることで旋回速度を高めることができる。したがって、洗浄水を圧送するためのポンプ等の機器を用いることなく、エネルギー効率良く高速化することができるとともに、旋回の中心を可及的に低圧にすることができる。よって、洗浄水の圧送におけるエネルギー効率良くキャビテーションを発生させることができるという効果を奏する。
また、本発明の洗浄ノズルによれば、圧力損失を抑えつつ効率良くキャビテーションを発生させることができるため、洗浄水を効率良く利用することができるという効果が得られる。
また、圧送通路の内壁面に突条又は溝を形成するとともに、洗浄水の流速を急激に高めるために圧送通路内に円錐状部を有する棒状体を配置するだけのシンプルな構成で洗浄水を旋回させることができるため、キャビテーションを発生させる洗浄ノズルを低コストで提供することができるという効果を奏する。

は、本発明の一実施形態として示した洗浄装置の構成を模式的に示した図である。 は、本発明の一実施形態として示した洗浄ノズルの側断面図である。 は、本発明の一実施形態として示した洗浄ノズルを軸線に直交する面で断面視した図である。 は、本発明の一実施形態として示した洗浄ノズルの変形例である。 は、本発明の一実施形態として示した洗浄ノズルに対する参考例を示した側断面図である。 は、本発明の一実施形態として示した洗浄ノズルと他の洗浄ノズルとの洗浄効果の差を示す写真である。 は、本発明の一実施形態として示した洗浄ノズルと他の洗浄ノズルとの洗浄効果の差を示す写真である。

以下、本発明に係る洗浄装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１から図３は、本発明の一実施形態を示した図であり、図１は、洗浄装置１の基本的な構成を模式的に示した図であり、図２、図３はこの洗浄装置１に用いられる洗浄ノズル５を示した図である。

図１に示すように、洗浄装置１は、飲料品等を流動又は保持させるタンクの内壁面等の被洗浄物Ｔを洗浄する又は配管等の内部に挿入して移動させつつ配管等の内部を洗浄する装置であり、不図示の水道管に接続され洗浄水Ｗを流動させる配管３と、配管３の管路を開閉するバルブ４、洗浄ノズル５を備えている。

配管３は、フレキシブル管により構成されており、不図示の水道管から洗浄ノズル５へ洗浄水Ｗを流動させるようになっている。
配管３には、その管路を開閉するバルブ４が備えられている。バルブ４は、不図示の弁の開口面積に応じて管路を開口し、所望の水量の洗浄水Ｗを圧送させるようになっている。

図２に示すように、洗浄ノズル５は、筒体６と、該筒体６の長手方向の中間部に配置された棒状体７とを備えている。
筒体６は、外周が断面円形に形成され、基端６ａから先端開口部６ｂに亘って軸線Ｌ１方向に貫通した内孔（すなわち圧送通路。以降「圧送通路」と称することもある）Ｒが形成された部材である。
内孔Ｒは、図３に示すように断面形状が五角形の内壁面６ｓにより形成され、図２に示すようにこの内壁面６ｓが軸線Ｌ１方向に一定ピッチの螺旋状に延在して形成されている。図３に示すように、この内壁面６ｓを形成する５つの平面ｔ，ｔ・・は、隣り合う平面ｔ，ｔ同士の間にＶ字状の溝８，８・・を形成しており、図２に示すようにこれらの平面ｔ，ｔ・・と溝８，８・・に沿って洗浄水Ｗを流動させ、洗浄水Ｗを旋回流とすることができるようになっている。

図２に示すように、筒体６の壁部には、開口部９が形成されており、この開口部９に棒状体７の基端側が液密に挿入及び固定されている。
棒状体７は、径が一定に形成された胴部７ａと、先端に向かって漸次縮径し先端が先鋭に形成された円錐状部７ｂと、胴部７ａから折曲するように形成された支持部７ｃとを備えている。
この棒状体７は、上述したように支持部７ｃが開口部９に固定され、内孔Ｒの軸線Ｌ１近傍まで延びた後垂直に折曲し、胴部７ａ及び円錐状部７ｂの軸線Ｌ２を内孔Ｒの軸線Ｌ１と共通にして、筒体６の先端開口部６ｂに向けて突出するように筒体６の圧送通路Ｒに設置されている。

次に、洗浄装置１の使用方法及びキャビテーション気泡の発生の作用について説明する。
まず、図１に示すように、バルブ４を備えた配管３を不図示の水道管に接続し、配管３の先端に洗浄ノズル５を装着させる。
バルブ４を開弁すると、洗浄水Ｗは、配管３を経由して、図２に示すように筒体６の基端６ａから筒体６内に進入する。

筒体６内に進入した洗浄水Ｗは、筒体６の先端開口部６ｂに向かって進行し、筒体６の内壁面６ｓの螺旋形状の平面ｔ，ｔ・及び溝８，８・・に沿って旋回を開始する。この際、洗浄水Ｗの旋回は、筒体６の内壁面６ｓ（すなわち、平面ｔ，ｔ・及び溝８，８・・）に沿って発生させられるもので、内孔Ｒの最も外側に形成される、すなわち、筒体６内で生じさせることができる最大の径の旋回となっている。
洗浄水Ｗが旋回しつつ棒状体７の胴部７ａの周囲ｒ１に達すると、洗浄水Ｗの圧送通路として形成された筒体６の内孔Ｒが棒状体７により絞られているため、洗浄水Ｗは、棒状体７の周囲ｒ１を通過する際に流速を急激に上げる。また、軸線Ｌ１付近を流動していた洗浄水Ｗが棒状体７の周囲ｒ１に合流して急激な速度変化（境界層）を発生させる。

急速に旋回する洗浄水Ｗが更に先端開口部６ｂ方向に進行すると、棒状体７の円錐状部７ｂにおいて棒状体７が漸次縮径しているため、洗浄水Ｗは、円錐状部７ｂの周囲ｒ２に沿って下流に流れるとともに、円錐状部７ｂの径に沿って旋回半径を漸次縮小させていく。
その結果、旋回する洗浄水Ｗの旋回速度が上昇するため、棒状体７の円錐状部７ｂにおいて洗浄水Ｗの圧力が低下し、圧力が飽和蒸気圧未満になった時点で、旋回流にキャビテーション気泡が発生する。

更に、棒状体７により生じたキャビテーション気泡は、棒状体７の先端よりも先端開口部６ｂ側の旋回流にトラップされ、消滅が抑制されながら筒体６の先端に向かって送出される。そして、図１に示す被洗浄物Ｔに可及的に多量のキャビテーション気泡を噴射し、その洗浄力を向上させる。

以上のように、本発明の洗浄装置１によれば、筒体６の内壁面６ｓ（すなわち、平面ｔ，t・・及び溝８，８・・）と棒状体７とにより、キャビテーション気泡を発生させることができるとともに、キャビテーション気泡をより遠くまで噴射させることができる。

特に、本発明の洗浄装置１によれば、筒体６の内壁面６ｓにより洗浄水Ｗを旋回させるため、水流の圧力損失を可及的に低減させて洗浄ノズル５の内孔（圧送通路）Ｒにおいて旋回流が発達し、その後棒状体７の円錐状部７ｂに沿って境界層が発達する。また、旋回を縮径させる間に旋回速度をより高め、棒状体７の円錐状部７ｂの周囲ｒ２においてより速やかに洗浄水Ｗを低圧にすることができる。

すなわち、旋回流の中心部が高速となり、円錐状部７ｂの周囲ｒ２において、キャビテーション気泡を発生させやすくなるという効果が得られる。

また、例えば、圧送通路Ｒ内に洗浄水Ｗを旋回させるためにプロペラ等の他の部材を配置させた場合には、旋回速度が高速になる旋回流の境界層は、前記他の部材の近傍で発生する。これに対し、洗浄ノズル５によれば、内壁面６ｓにより旋回流の境界層を発生させるため、境界層を圧送通路Ｒ内で常に最大径にして発生させることができる。したがって、圧送通路Ｒ内に旋回流を発生させる部材を設置する場合よりも、洗浄水を効率的に低圧にすることができ、洗浄水の流量を少なくして（すなわち低圧で）効率良く多量のキャビテーション気泡を発生させることが可能となるという効果が得られる。

また、筒体６の内壁面６ｓが、その基端６ａから先端開口部６ｂに亘って螺旋形状に形成されているため、筒体６内で一端発生した洗浄水Ｗの旋回を略一定に維持することが可能となる。したがって、発生したキャビテーション気泡が洗浄水Ｗの旋回流により維持されやすいという効果が得られる。
そして、上記の結果、洗剤を用いずに又は少量の洗剤で被洗浄物の壁面Ｔ１を効率よく洗浄することができることとなるため、大量の水を使用することを回避し、用水費、水処理コスト、環境への負荷を大幅に抑制し、洗浄作業の効率も高めることが可能となる。

また、圧送通路の内壁面６ｓに溝８，８・・を形成するとともに、洗浄水Ｗの流速を急激に高めるために圧送通路Ｒ内に棒状体７を配置するだけのシンプルな構成で洗浄水Ｗを旋回させることができるため、キャビテーション気泡を発生させる洗浄ノズル５を低コストで提供することができるという効果が得られる。また、洗浄ノズル５の構成がシンプルであるため、洗浄ノズル５自体の清掃を容易に行うことができるという効果が得られる。

なお、本実施形態において、筒体６には５つの平面ｔ，ｔ・・とこれらの平面ｔ，ｔ同士の間に形成された５条の溝８，８・・からなる断面五角形の螺旋状とされているが、内孔Ｒの形状は断面五角形に限られるものではなく、洗浄水Ｗを螺旋状に旋回させ得るものであれば三角形以上のどのような多角形の断面に形成されたものであってもよい。ただし、洗浄ノズル５の内孔Ｒを洗浄する際の容易性に鑑みると、五角形以上の多角形とされていることが望ましい。
また、内孔Ｒは円筒形状に形成された内壁面６ｓに１以上の螺旋状の突条又は凹条が形成され、洗浄水Ｗを旋回させるものであってもよい。

また、上記実施形態において、棒状体７は、胴部７ａの外形が円柱形とされ、円錐状部７ｂは円滑な円錐形とされているが、図４に示すように、棒状体７の胴体７ａ及び円錐状部７ｂに筒体６の内壁面６ｓの螺旋形状と同方向に旋回する螺旋状の突条１８又は溝が形成されたものであってもよい。なお、螺旋状の突条１８又は溝は、棒状体７の胴体７ａ及び円錐状部７ｂの少なくとも一方に形成されたものであってもよい。
このような構成としても、前述したように旋回流の速度を高速にしてキャビテーションを発生させることができる。

以下、本発明の実施例を示す。
本実施例においては、本発明の洗浄ノズルが、キャビテーションを発生させ始める洗浄水の流量（流速）（すなわち「臨界流量」）を測定した。また、参考例として、図５に模式的に示すような、内孔Ｒが断面円形で一定の径に形成された筒体１１の内部に、螺子形状の棒状体１２を有した洗浄ノズルの臨界流量を測定し、本発明の洗浄ノズルの臨界流量と比較した。

実施例として、外形が９ｍｍ，内孔の断面形状が１辺４ｍｍ，断面積が０．２８ｃｍ²の正五角形の内壁面を有し、ピッチを１７ｍｍとして内孔が螺旋状に旋回した、下記表１に示すパイプを用いた。なお、「内側五角形」として示す寸法は、図３で示すＰ１−Ｐ２間の寸法である。
棒状体としては、外径が２．６ｍｍで、円錐状部において漸次縮径した釘を用いた。
前記釘を、胴部及び円錐状部がパイプの軸線と軸線を共通するようにパイプの内孔に配置した。
［参考例１］
外形が９ｍｍ，内孔の断面形状が１辺４ｍｍ，断面積が０．２８ｃｍ²の正五角形の内壁面を有し、ピッチを１７ｍｍとして内孔が螺旋状に旋回した、下記表１に示すパイプを用いた。
パイプの内孔には、その内孔を縮径させ得る釘等の棒状体を何も配置しなかった。
［参考例２］
外形が１０ｍｍ，内径が８ｍｍ，断面積０．５ｃｍ²とされ、内壁面が円滑な周面を形成しているパイプを用いた。
棒状体としては、外径が３ｍｍ、ピッチが７ｍｍであって、溝深さを１ｍｍとする３条螺子を用いた。
前記釘を、胴部及び円錐状部がパイプの軸線と軸線を共通するようにパイプの内孔に配置した。
［参考例３］
外形が６ｍｍ，内径が４．５ｍｍ，断面積が０．１５ｃｍ²とされ、内壁面が円滑な周面を形成しているパイプを用いた。
棒状体としては、外径が３ｍｍ、ピッチが７ｍｍであって、溝深さを１ｍｍとする３条螺子を用いた。
前記釘を、胴部及び円錐状部がパイプの軸線と軸線を共通するようにパイプの内孔に配置した。
［参考例４］
外形が６ｍｍ，内径が４．５ｍｍ，断面積が０．１５ｃｍ²とされ、内壁面が円滑な周面を形成しているパイプを用いた。
棒状体としては、外径が２ｍｍ、ピッチが４ｍｍであって、溝深さを１ｍｍとする２条螺子を用いた。
前記釘を、胴部及び円錐状部がパイプの軸線と軸線を共通するようにパイプの内孔に配置した。
［参考例５］
外形が４．５ｍｍ，内径が３ｍｍ，断面積が０．０７ｃｍ²とされ、内壁面が円滑な周面を形成しているパイプを用いた。
パイプの内孔には、この内孔を縮径させ得る釘等の棒状体を何も配置しなかった。
［参考例６］
外形が４．５ｍｍ，内径が３ｍｍ，断面積が０．０７ｃｍ²とされ、内壁面が円滑な周面を形成しているパイプを用いた。
棒状体としては、外径が２ｍｍ、ピッチが４ｍｍであって、溝深さを１ｍｍとする２条螺子を用いた。
前記釘を、胴部及び円錐状部がパイプの軸線と軸線を共通するようにパイプの内孔に配置した。

（測定結果）
上記の実施例及び参考例１〜６の各洗浄ノズルについて、キャビテーションが生じる流量で、それ以上の流量では常にキャビテーションが生じるとする「臨界流量」は、表２に示すとおりとなった。
すなわち、実施例のノズルの場合に、最も少ない洗浄水の流量（すなわち、最も低圧の洗浄水）でキャビテーションが発生した。
参考例３，６のノズル場合にもキャビテーションが発生したが、臨界流量に至るまでに実施例の場合の２倍又は４倍の水量を必要とした。
なお、パイプ内に釘を配置しなかったノズルについては、内壁面が平滑な円周状に形成されているもの及び螺旋状に形成されているもののいずれについても、キャビテーションが発生しなかった。

次に、上記表１において示した実施例のノズルと参考例１のノズルを用いて、洗浄効果を確認した。
下記いずれの洗浄例においても、被洗浄物として、低発泡塩ビ板（厚さ２ｍｍ，縦横３００ｍｍ×２００ｍｍ，白色）を用いた。
［洗浄例１］
前記低発泡塩ビ板に、洗浄対象としてチョコレートシロップ（森永製菓製，主成分：水飴，ココアパウダー）を塗布したものを用いた。チョコレートシロップは、低発泡塩ビ板に塗布し、２４時間乾燥させた後に実験を行った。
［洗浄例２］
前記低発泡塩ビ板に、洗浄対象として油絵の具を塗布し、２４時間室温において乾燥させた後、実験を行った。

（評価結果）
洗浄例１に対して、実施例のノズル及び参考例１のノズルのそれぞれにより、同水量の洗浄水（水）を１５秒噴射させた結果を図６に示す。
図６より、洗浄水によるチョコレートシロップの除去面積は、実施例のノズルの場合が参考例１のノズルに比べてほぼ１．３倍大きいことが確認された。

また、洗浄例２に対して、実施例のノズル及び参考例１のノズルのそれぞれにより、同水量の洗浄水（水）を所定の洗浄時間噴射させた結果の画像を図７に示すとともに、図７の画像において、所定の輝度の閾値よりも明るい部分の全体に対する面積（ピクセル）の割合（％）を算出し表３に示した。
なお、図７に示した写真は、アドビ社「Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ Ｖｅｒ．４．０４」を用いて画像の２値化を行って表したものであり、左側が参考例１のノズルにより洗浄されたものであり、右側が実施例のノズルにより洗浄されたものである。２値化の閾値は、１〜２５５の範囲で適宜変更した。また、表３は、図７において表された洗浄域を中心に、６０ｍｍ×６０ｍｍの領域を取り出し、輝度の閾値を変えて調べたものである。

図７より、閾値が小さい場合は、洗浄域の面正規は実施例と参考例１との間で大きく異ならなかったが、閾値が大きくなる（洗浄の条件を厳しくしていくと）、実施例のノズルによる洗浄域が大きくなることが確認された。
また、下記表３より、閾値を上げていく（洗浄の条件を厳しくしていく）と実施例ノズルによる洗浄域の方が参考例１のノズルによる洗浄域よりも確実に洗浄されていることが確認された。

１ 洗浄装置
５ 洗浄ノズル
６ａ 基端部
６ｂ 先端開口部
６ｓ 内壁面
７ 棒状体
７ａ 胴部
７ｂ 円錐状部
７ｃ 支持部
８ 溝
１８ 突条
Ｒ 内孔（圧送通路）
Ｗ 洗浄水

Claims (5)

1. 内孔が洗浄水の圧送通路とされ、該圧送通路の基端部側から圧送する洗浄水にキャビテーション気泡を発生させて先端開口部から噴出させる洗浄ノズルにおいて、
   前記内孔を形成する内壁面には、前記内孔を流動する前記洗浄水を旋回させる１又は複数条の螺旋状の突条又は溝が形成され、
   前記圧送通路内には、洗浄水の圧送方向に突出するとともに先端に向かって漸次縮径した円錐状部を有する棒状体が備えられていることを特徴とする洗浄ノズル。
2. 前記棒状体は、前記円錐状部の基端側に円筒状の胴部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の洗浄ノズル。
3. 前記棒状体の前記円錐状部及び前記胴部の少なくともいずれか一方に、前記突条又は前記溝の螺旋形状と同方向に旋回する螺旋状の突条が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の洗浄ノズル。
4. 前記棒状体は、その支持部を介して前記内壁面に固定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の洗浄ノズル。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の洗浄ノズルを備えた洗浄装置。

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