JP2020146656A - ドライアイス洗浄機のノズル - Google Patents

Abstract

【課題】 ドライアイス洗浄する場合に、ノズル先端の内径を単に絞って細くするだけであると、逆流や発熱等の問題が起こるために洗浄力が落ちてしまい、使えないことがわかった。【解決手段】 ドライアイス洗浄機の噴射ノズルであって、その先端部分には、外筒、噴射筒、これらを接続する連結桿、及びエアコンプレッサーパイプが設けられており、該外筒の先端開口内に該噴射筒の後端が嵌り先端が突出する形で配置されており、該噴射筒の外周最大径は該外筒の内周最小径よりも小さく、該エアコンプレッサーパイプの内周径は該噴射筒の内周径よりも小さく、且つ、該噴射筒の後端と該エアコンプレッサーパイプ先端とは前後方向に離反している。【選択図】 図４

Description

本発明は、対象物にドライアイスを噴射することによって洗浄するドライアイス洗浄機に用いるノズルの構造に関するものである。なお本発明において採用される洗浄機は、破砕されたドライアイスをノズル先端に供給するためのブロアと、これとは別体のエアコンプレッサーとの双方を具備するものに限る。

ドライアイス洗浄装置は、洗浄対象物（母材）に付着した汚れやゴミ、バリ等に、所定粒度のドライアイス粒子を噴射することで洗浄するものであり、粒子衝突エネルギーで汚れ等を相当程度破壊できるが、更に、ドライアイスが固体から気体に昇華する際の膨張エネルギーが非常に大きくなることで汚れ等が剥離されやすくなること、粒子は衝突後母材及び付着物との熱交換によってすぐに気体になるので粒子回収が不要であるし粉塵公害も生じないこと、二酸化炭素に毒性はなく不燃性であるので安全に使用できること、等々の利点があり、小型の電子部品から大型のエアコンに亘るまで広く普及している。

洗浄作業は、広範囲を一様に洗浄するという状況もあれば、狭くて奥深い部分を集中的に洗浄するという場合もある。こうした場合一般には、付着物に厚みがあって広範囲を洗浄しなければならない油汚れ等に対してはペレット洗浄が適しており、付着物が薄く、且つ母材形状が複雑・精密な場合、例えば、径が小さく深さのある穴の内部の洗浄にはペレットではなくこれを破砕したものが適しているとされる。また「ペレット」の破砕は洗浄機の機内で行なわれることも多く、場合によってはその粒子サイズ（粒径）も調整制御できる。本発明においては、用いるドライアイス粒子の粒径に関しては限定しない。ペレットを細かく破砕したものもそうでないものも「ドライアイス粒子」と呼び区別しない。

洗浄能力自体に関しては基本的に噴射スピードの維持が重要である。ノズルの先端からドライアイス噴流を減速圧損させずに噴射させ洗浄対象物に到達させることが能力向上の課題となる。そこで、ブロアやエアコンプレッサーの能力を大きくすると共に、流路の断面積変化、方向転換、分岐、等々流体力学的に見て機能を低下させる事態も極力避けるように心掛ける、ということになる。

一方、ドライアイス洗浄に活用されているわけではないが、粉塵の吹き飛ばしや付着水滴の除去といったエアコンプレッサーを用いてのエア作業に、「エア増幅器」（エア増幅装置、空気増幅器等とも呼ばれる）が用いられることがある。

エア増幅器の一例を図５（ａ）で概略的に示す。エア増幅器Ｂには、エアコンプレッサーとの連結部である圧縮エア入口Ｂ１が設けられており、ここからエア増幅器Ｂの内部空間に圧縮エアが流入することになる。流入した圧縮エアは、内部空間の内壁周面に明けられた複数個の圧縮エア吐出口Ｂ２からエア出口Ｂ４に向かって噴射される形で流入する。この段階でエアは、狭い部分を通過することになるため外気入口Ｂ３から大量のエアを引き込むことになる。これによって、エア出口Ｂ４から大量のエアが噴出される。

ドライアイス洗浄機においてもこのエア増幅器Ｂ構造が利用できる。図５（ｂ）はその一例であり、洗浄機本体側にあるブロア３０と外気入口Ｂ３はブロアパイプ３１に連結されることになる。洗浄を司るドライアイス粒子Ｄは、ブロア３０から放出されるエアに交じって送られてくる、ということになる。これにより、エアコンプレッサー４０の能力を高めることなく大きな風量のエア噴出ができることになる。

しかし図５（ｂ）の構造の場合、母材によっては洗浄が困難、もしくは不可能な事態があり得る。例えばエア出口Ｂ４の口径よりもずっと小さい口径で開口している深さのある窪み内を洗浄することは非常に難しい。大量のエアがこの窪みに向かって噴射されるが、窪み内に入ったエアが排出される流路が形成されないからである。
一方、窪みの開口径がエア出口Ｂ４の口径よりもずっと大きい場合には窪みの中に、エア出口Ｂ４から噴射される流路と共にそれが排出される流路（気化して膨張した二酸化炭素ガスを含むエア流路）も確保されることで定常流化し、支障なく洗浄される。

そこで小さな径の窪み等に対して有効なノズル構造として、先ずは図５（ｂ）におけるエア出口Ｂ４の内径を単純に狭める方法が着想としてあり得る。
この着想に基づき、ブロアパイプ３１の内径が４０ｍｍであるとして、図５（ｂ）のエア出口Ｂ４の内径をどの程度まで絞れるかを実験したところ、概ね２２〜２３ｍｍが限界であってこれ以上狭めると、ブロアからのエアが逆流し、負担が掛かり、発熱する、風速が落ちる、等々の問題が生じて洗浄力が落ちてしまい、使えないことがわかった。

即ち、図５の構造を基本とし、その寸法を変更してゆくという方法を採っている限り、最終的に噴射される吐出開口の径には限界があってそれを超えられないことがわかった。一方で、吐出開口の径を、洗浄能力を損なわずに小さくできるのであれば、ドライアイス洗浄の適用場面が飛躍的に拡大することは明白である。
本発明の目的は、ドライアイス洗浄において、ノズル部分を改良することによって口径の小さいエア噴出を可能とする方策を提案することにある。

そこで本発明者はこうした点に鑑み鋭意研究の結果、遂に本発明をなしたものでありその特徴とするところは、洗浄対象物にドライアイス粒子を噴射することによって洗浄を図るドライアイス洗浄機の噴射ノズルであって、その先端部分には、外筒、噴射筒、これらを接続する連結桿、及びエアコンプレッサーパイプが設けられており、該外筒の先端開口内に該噴射筒の後端が嵌り先端が突出する形で配置されており、該噴射筒の外周最大径は該外筒の内周最小径よりも小さく、該エアコンプレッサーパイプの内周径は該噴射筒の内周径よりも小さく、且つ、該噴射筒の後端と該エアコンプレッサーパイプ先端とは前後方向に離反している点にある。

即ち本発明は、開口している外筒先端部の内側全周に隙間を設けて噴射筒が嵌め込まれており、この噴射筒後端の後方に離反するエアコンプレッサーからのエア、並びにブロアから送出されるエアによって、ドライアイス粒子を噴射筒内に引き込み、先端から噴射する、という機能を持つ。

本発明に係るノズルの先端部分には、外筒、噴射筒、これらを接続する連結桿、及びエアコンプレッサーパイプが配置されている。
またこれらは、該外筒の先端開口内に該噴射筒の後端が嵌り先端が突出する形で配置されており、該噴射筒の外周最大径は該外筒の内周最小径よりも小さく、該エアコンプレッサーパイプの内周径は該噴射筒の内周径よりも小さい、という構成にて配置される。

外筒は、ノズルの外殻を構成するものであってその先端周辺では、端面が開口となり開放されている。噴射筒は筒形（通常は円筒形）であって、この外筒の開口に嵌り込む構造となっている。嵌り込むものであるので当然、該噴射筒の外周最大径は該外筒の内周最小径よりも小さい。また嵌り込むとはいっても、噴射筒の先端が外筒の開口端面からノズル内部（即ち後方）に入り込むということはなく、一部は突出している。
そして、外筒内面と噴射筒外面との間に、リング状の隙間が形成されることになる。このリング状隙間の存在が、本発明の特徴の一つとなっている。

また噴射筒とエアコンプレッサーパイプとは前後に配置されている。外筒と噴射筒との位置関係が「一部嵌り込む」ものであるのに対し、エアコンプレッサーの先端は噴射筒の後端に「嵌り込まずに離反する」という位置関係で配置されている。
いずれにせよ、噴射筒後端とエアコンプレッサーパイプ先端が離反していること、及びエアコンプレッサー開口よりも大きな径の開口として噴射筒が存在していることが、本発明のもう一つの特徴となっている。なお、エアコンプレッサー開口よりも大きな径の開口として噴射筒が存在しているという意味で、エアコンプレッサーパイプと該噴射筒との内径同士を比較することでこれらの大小を述べたが、他方、ノズル内に存在するエアコンプレッサーパイプが噴射筒よりも太いことは好ましくない。そこで、噴射筒の内径をエアコンプレッサーパイプの外径よりも大きくなるよう設計されていることが好ましい。

本発明において採用されるドライアイス洗浄機本体は既述の如く、ドライアイス粒子をノズル位置まで案内するためのブロアと、風速は大きいがドライアイス粒子を伴っておらず風量も小さいエアコンプレッサーとによりなり、ドライアイス洗浄するためにはノズル部分で、ブロアからのエアとエアコンプレッサーからのエアとを混合させなければならないことになる。
事実こうしたタイプの洗浄機においてノズル先端付近の内部空間は、ブロアからのエア流路とエアコンプレッサーからのエア流路の集合箇所となって、ここでこれらのエアを混合させるのが普通である。

しかし本発明においてノズル先端付近の内部空間では、典型的な集合をしない。
まず、エアコンプレッサーからのエアは、その流速を維持したままエアコンプレッサーパイプ先端から噴出筒後端めがけて噴射される。エアコンプレッサーパイプ先端から噴射筒後端まで離反しているが距離は小さく、また噴射筒側の内径の方が大きいため、ほとんど流速を落とさずに噴射筒後端に達し、この噴射筒内を突き進むことになる。
そしてこれとは別に、ブロアから送られてきたドライアイス粒子混じりのエアもノズル先端に達し、この内部空間から端部に向かって流れてゆく。そしてその際、エアコンプレッサーパイプ先端から噴射筒に送入されるエアと、両パイプの間隙部分で接触することになるが移動方向は等しい。その際ドライアイス粒子は、噴射筒内に吸引される形で流入してゆく。

但しノズルからのエアの全量が噴射筒内に吸引されることはない。噴射筒内に流入できないエアがある程度の比率で存在する。こられあぶれたエアは、エアコンプレッサー内のエア風速による加速を受けないため、低速で外筒先端に向かう。
本発明では、あぶれたエアに関しては、既述したリング状隙間から速やかに排出するようにした。これにより、ノズル先端の内径を単純に狭めることによって生じる好ましくない現象を回避し、ブロアからの流速を落とすことなく洗浄ができることになる。

以上の構成によって本発明は目的を達成することができるが、更に好適な構造に関しても請求項２以下で提案する。

まず、ノズル先端部分の断面形状について、請求項１では特に限定しない。従って、断面形状が多角形状であっても、或いは楕円形状であっても本発明に含まれる。しかし、圧力損失を抑える点、ドーナツ状隙間からのエア排出の合理性、等々を勘案するとこれらの断面形状は、できるだけ円形（真円）であることが好ましいし、これらの円の中心がそろっていること（同軸であること）がより好ましい。この点を、請求項２で提案した。

離反距離、即ち、噴射筒の後端とエアコンプレッサーパイプの先端との前後方向の距離の詳細については請求項１では限定していない。しかし、この距離が小さすぎると噴射筒内に送り込めるドライアイス量が少なくなるし、大きすぎるとエアコンプレッサーパイプから噴射されるエアの全てを噴射筒に流入させることが難しくなる。従って離反距離には自ずと最適域が存在することになる。即ち、離反距離は５〜１０ｍｍであることが好ましい。この点を、請求項３で提案した。

外筒内面側と噴射筒外面側との間にリング状隙間を形成させるべく本発明においては、外筒と噴射筒を接続する連結桿が設けられる。即ち、リング状隙間はノズル先端の内部空間の低速のエアを排出するものではあるが、排出されるエアは程度の差はあれこの連結桿によって干渉されることになる。場合によっては、ノズル内のエア排出を大きく阻害するおそれもある。
一方で連結桿は、エア排出口に置かれる噴射筒を外筒側から支えてやり、相当の風圧を受けてもぶれることなく噴射筒内の流路が維持されていなければならない部材である。
そこで、ノズル内に悪影響を与えず、それでいながら噴射筒を確実に支持する構造として、外筒の前端部から前方向に延出した上で噴射筒周面に連結されており、等間隔で３本配置される、という構造を請求項４で提案した。

なお本発明に係るノズルは上述したように、複雑な凹凸があったり、深くて径が小さい穴のような箇所の洗浄に適したものであるが、実際の洗浄現場はこのような状況だけではない。そこで、ノズルの先端構造を変えて他の状況にも対応できるように、先端部分を取り換え容易とすることを請求項５で提案した。詳述すると、ネジ構造によって本体側と切り離される先端側部材を設け、この先端側部材には、外筒の一部と噴射筒及び連結桿とによって成る。

以上のように本発明は、洗浄対象物にドライアイス粒子を噴射することによって洗浄を図るドライアイス洗浄機の噴射ノズルであって、その先端部分には、外筒、噴射筒、これらを接続する連結桿、及びエアコンプレッサーパイプが設けられており、該外筒の先端開口内に該噴射筒の後端が嵌り先端が突出する形で配置されており、該噴射筒の外周最大径は該外筒の内周最小径よりも小さく、該エアコンプレッサーパイプの内周径は該噴射筒の内周径よりも小さく、且つ、該噴射筒の後端と該エアコンプレッサーパイプ先端とは前後方向に離反しているものであることを特徴とするドライアイス洗浄機のノズルであって、以下述べる如き効果を有する極めて高度な発明である。

（１）噴射筒の外周最大径は外筒の内周最小径よりも小さく、エアコンプレッサーパイプの内周径は噴射筒の内周径よりも小さいので、離反しているが、エアコンプレッサーから噴射されるエアがほぼそのまま噴射筒に入り、勢いを保ったまま噴射筒から噴射されることになる。
（２）更に、流速の小さいエアはノズル内に停滞することなくドーナツ状隙間から排出され、これにより、ノズル先端の内径を単純に狭めることによって生じる好ましくない現象が回避でき、ブロアからの流速を落とすことなく洗浄できる。
（３）ドーナツ状隙間から余分なエアを排出することによって、噴射筒の径を、例えば従来の限界値の半分以下にまで非常に小さいものとすることができ、狭くて奥深い部分などをストレスなく洗浄することができる。

本発明に係るドライアイス洗浄機のノズルを有する洗浄機全体の一例を概略的に示す斜視図である。 本発明に係るドライアイス洗浄機のノズルの一例を概略的に示す斜視図である。 図２の内部構造を概略的に示す断面図である。 ドライアイス粒子が本発明ノズルから噴射される様子を概略的に示す断面図である。 （ａ）はエア増幅器の一例を示す概略断面図、（ｂ）は（ａ）を利用したドライアイス洗浄機のノズル付近の構造を示す概略断面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、あくまで、本発明を実施するための具体的な一例を挙げるものであって、本発明を限定的に解釈させるものではない。

図１は、本発明に係るノズルが用いられるドライアイス洗浄機１０の一例を模式的に示す概要図である。ドライアイス洗浄機１０は、ドライアイス粒子供給部２０と、供給されたドライアイス粒子Ｄを送出するためのブロア３０と、圧縮気体（圧縮空気）を供給するエアコンプレッサー４０と、ノズル１、等々を具備している。本例において、ブロア３０とエアコンプレッサー４０は、いずれも非常に一般的なものであって特段高性能なものではない。

本例のドライアイス粒子供給部２０は、ドライアイスペレットを破砕するための破砕手段を備えており、この破砕装置に投入されたペレット状ドライアイスは破砕されたのち、ブロア３０とノズル１とを連結するブロアパイプ３１に投入される。投入されたドライアイス粒子Dは、ノズル１の内部空間まで送出される。

次に図２は本発明に係るノズル１の斜視図、図３はその概略断面図である。これらの図から明らかなように、本例の本発明ノズル１は、外筒２、噴射筒３、エアコンプレッサーパイプ４、連結桿５等を有している。また本発明ノズル１は全体としては「く」字状であって、後端側はブロアパイプ３１と連結され、先端側部分の長手方向中心軸になるように外筒２の周面を貫通している。これによって、先端側部分ではブロアパイプ３１から送出されるエアの方向と、エアコンプレッサーパイプ４から噴射されるエアの方向は等しくなる（ぶつからず揃うことになる）。なお採番はしないが、ブロア３０の作動スイッチや、エアコンプレッサーからのエア吐出量の調整弁、等々が本発明ノズル１の外表面に配置されている。

本例で用いたブロアパイプ３１は、ブロア３０位置からほぼ内径４０ｍｍを維持して本発明ノズル１の先端側部分まで達しているが、圧力損失が抑えられるように留意しながら内部口径を少しずつ絞り込んで、外筒２の出口付近では、２５ｍｍ程度になっている。既述の如く２２ｍｍ程度で限界を迎えることになるが、２５ｍｍでは絞り込みの限界に達していない。従って、ブロア３０からのエアは外筒２の出口付近で、口径を絞るという手法で得られる最大風速に近い状態にまで加速されている。
更に、４０ｍｍだった径を２５ｍｍまで絞り込んだことにより、ドライアイス粒子Ｄの密度が上がり、より多くのドライアイス粒子Ｄが噴射筒３内に送り込めることになる。

また本例の本発明ノズル１は、先端付近がネジによって取り外しできるように形成されている。即ち先端側部材Aと外筒２とが螺合する。先端側部材Aは、外筒２の先端側の一部を形成することとなる外筒部２１と、噴射筒３、連結桿５を有する部材である。（なお「外筒部２１」は定義としてはあくまで「外筒２」の一部であって螺合によって着脱自在に一体化されるものとする。外筒２の先端に外筒部２１という別部材が連結されるというものではない。）
取り外しできることにより、一般的なノズル（先端の口径が大きいもの）と交換できるようになったり、メンテナンスが容易になる、等々の利点がある。

外筒部２１の内周面（外筒２の内周面と連続する面）と噴射筒３の外周面とは、本例の場合断面が同軸な円形であって、径が異なっている。従って外筒２の先端箇所では円形開口の一部が噴射筒３によって遮蔽されることにより、リング状隙間６が形成されることになる。本例の本発明ノズル１の場合、噴射筒３は内径１０ｍｍ、外径１２ｍｍ、長さ３０ｍｍの円筒であって、外筒２の前端面から先端が約２５ｍｍ突出している（外筒２内部に後端が約５ｍｍ没入している）。

連結桿５は、外筒２（外筒部２１）前端面と噴射筒３の外周の上端付近を連結する３本にて形成されるものであり、リング状隙間６から排出されるエアが連結桿に衝突して渦流や反射流が生じたりそれがノズル内の流路に干渉することがないような流体力学的工夫、例えば、細くする、離反させる、湾曲させるといった工夫が凝らされている。

また、噴射筒３の後端側にはエアコンプレッサーパイプ４が、エアコンプレッサーパイプ４の先端付近が同軸となるように配置されているが、噴射筒３の後端とエアコンプレッサーパイプ４の先端とは前後方向に約７ｍｍ離反している。
本例のエアコンプレッサーパイプ４は、内径４ｍｍ・外径５ｍｍである。従って、エアコンプレッサーパイプ４先端からエアが噴射されると前方に、内径１０ｍｍ・外径１２ｍｍの噴射筒３が待ち構えている、ということになる。

図４は、本例のドライアイス洗浄機１０の駆動部分が作動することで、エアが移動し、ドライアイス粒子Dが生成され移送・噴射される状況における本発明ノズル１内部の様子を概略的に示すものである。
ドライアイス洗浄機１０が駆動すると、ドライアイスペレットが破砕されドライアイス粒子Dとなり、ブロアパイプ３１内に流入し、エアと共に流路内を移動して本発明ノズル１の内部に送られてくる。

また、エアコンプレッサーパイプ４内を移動するエアは、エアコンプレッサーパイプ４先端から噴射されて噴射筒３に到達することになるが、エアコンプレッサーパイプ４内移動中は、ドライアイス粒子Dを移送させることに貢献していない。
エアコンプレッサーパイプ４先端から噴射されて噴射筒３に到達する間に、本発明ノズル１の内部空間を先端に向かって移動してゆくエア内に存在するドライアイス粒子Dをエアと一緒に吸引する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが上記説明は、あくまで一実施形態の説明であって、本発明の範囲はこの一実施形態に留まらない。当然、当業者が把握可能な範囲にまで広く解釈されるものである。

本発明は、エアコンプレッサーとブロアを併用するタイプのドライアイス洗浄装置に利用可能であって、開口部の径が小さくて深さのある穴の中など、狭くて奥深い部分を集中的に洗浄する場合に有用である。

１ 本発明に係るドライアイス洗浄機のノズル
２ 外筒
２１ 外筒部
３ 噴射筒
４ エアコンプレッサーパイプ
５ 連結桿
６ リング状隙間
１０ ドライアイス洗浄機
２０ ドライアイス粒子供給部
３０ ブロア
３１ ブロアパイプ
４０ エアコンプレッサー
Ａ 先端側部材
Ｄ ドライアイス粒子
Ｂ エア増幅器
Ｂ１ 圧縮エア入口
Ｂ２ 圧縮エア吐出口
Ｂ３ 外気入口
Ｂ４ エア出口

Claims (5)

1. 洗浄対象物にドライアイス粒子を噴射することによって洗浄を図るドライアイス洗浄機の噴射ノズルであって、その先端部分には、外筒、噴射筒、これらを接続する連結桿、及びエアコンプレッサーパイプが設けられており、該外筒の先端開口内に該噴射筒の後端が嵌り先端が突出する形で配置されており、該噴射筒の外周最大径は該外筒の内周最小径よりも小さく、該エアコンプレッサーパイプの内周径は該噴射筒の内周径よりも小さく、且つ、該噴射筒の後端と該エアコンプレッサーパイプ先端とは前後方向に離反しているものであることを特徴とするドライアイス洗浄機のノズル。
2. 該先端部分を構成する、該エアコンプレッサーパイプ先端付近の内外周、該噴射筒の内外周、及び外筒の内周は、いずれも断面円形であって、同軸（それらの円の中心が重複）である請求項１記載のドライアイス洗浄機のノズル。
3. 前後方向に離反している該噴射筒の後端と該エアコンプレッサーパイプ先端との離反距離が５〜１０ｍｍである請求項１又は２記載のドライアイス洗浄機のノズル。
4. 連結桿は、外筒の前端部から前方向に延出した上で噴射筒周面に連結されており、且つ、周上に等間隔で３本配置されるものである請求項１、２又は３記載のドライアイス洗浄機のノズル。
5. 先端側部分がネジによって着脱自在に一体化し得るものであって、該先端側部分である先端側部材は、外筒の先端部と、噴射筒、及び連結桿を有するものである請求項１、２、３又は４記載のドライアイス洗浄機のノズル。
   
   

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