JP2020151697A - 噴射ノズル及び気液混合流体生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】洗浄効果が高い気液混合流体を生成する噴射ノズル及び気液混合流体生成方法を提供する。【解決手段】噴射ノズル３１は、加圧熱水を噴射する噴射口３１３を先端部に有するノズル３１１と、その先端部を覆って前記加圧熱水の噴射方向下流側に延び、当該噴射方向下流側に開口部３１５を有する筒部３１２とを備えている。筒部３１２の内部に形成される空間において、噴射口３１３から噴射される加圧熱水と、開口部３１５から筒部３１２の内壁に沿って前記噴射方向上流側に向かって流入した気体とが混合されることにより、前記加圧熱水が亜臨界状態で、前記気体が超臨界状態にある気液混合流体が生成され、開口部３１５から噴射される。【選択図】図２

Description

本発明は、気液混合流体を生成する噴射ノズル及び気液混合流体の生成方法に関する。

近年、洗浄等の用途に利用可能なマイクロバブル及びナノバブル等の微細気泡が注目されており、このような微細気泡を含む気液混合流体を生成するためのノズルが種々提案されている。

例えば、特許文献１には、流通路を流れる流体を整流する整流板と、流体の流れに対して上流側端部から下流側端部にかけて内径が漸次的に狭くなる第１の筒状体と、第１の筒状体との間に微小な隙間を設けて第１の筒状体の下流側に配置され、流体の流れに対して上流側端部から下流側端部にかけて内径の大きさが漸次的に広くなる第２の筒状体とを備えたノズルが開示されている。このノズルによれば、微細気泡を効率良く生成することが可能になる。

特開２０１７−１３１８０９号公報

しかしながら、微細気泡は高温下では消滅するため、上記の従来技術では常温以下程度の比較的低い温度の流体しか用いることができず、洗浄効果が十分ではない場合がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、上記課題を解決することができる噴射ノズル及び気液混合流体生成方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の噴射ノズルは、加圧熱水を噴射する噴射口を先端部に有するノズルと、前記先端部を覆って前記加圧熱水の噴射方向下流側に延び、当該噴射方向下流側に開口部を有する筒部とを備え、前記筒部の内部に形成される空間において、前記噴射口から噴射される前記加圧熱水と、前記開口部から前記筒部の内壁に沿って前記噴射方向上流側に向かって流入した気体とが混合されることにより、前記加圧熱水が亜臨界状態で、前記気体が超臨界状態にある気液混合流体を生成し、前記開口部から前記気液混合流体を噴射する。

上記態様において、前記筒部の内部に設けられ、前記噴射口よりも前記噴射方向上流側に前記流入した気体を溜める溜まり部をさらに備えていてもよい。

また、上記態様において、前記筒部の内部に設けられ、前記噴射口から前記開口部に至る流路の流路径を絞る絞り径部をさらに備えていてもよい。

また、上記態様において、前記筒部を加熱する加熱部をさらに備えていてもよい。

また、上記態様において、前記筒部の内壁に保温材が設けられていてもよい。

また、上記態様において、前記開口部が扁平形状であってもよい。

また、上記態様において、前記開口部から前記筒部の内壁に沿って前記噴射方向上流側に向かって気体を送り込む気体供給部をさらに備えていてもよい。

また、上記態様において、前記筒部が、外側カバーと内側カバーとを有する二重構造をなしていてもよい。

また、上記態様において、前記筒部が、前記外側カバーと前記内側カバーとの間の空間に気体を取り入れるための気体流入孔と、前記気体流入孔から取り入れられた気体を前記筒部の内部に形成される空間に流出させるための気体流出孔とを有していてもよい。

また、上記態様において、前記気体流入孔が、前記筒部の前記噴射方向下流側の端部の端面に設けられていてもよい。

また、上記態様において、前記気体流入孔が、前記端面に複数個周期的に配設されていてもよい。

また、上記態様において、前記気体流出孔が、前記噴射口よりも前記噴射方向上流側に設けられていてもよい。

また、上記態様において、前記筒部が、真空断熱二重構造であってもよい。

本発明の一の態様の気液混合流体生成方法は、加圧熱水を噴射する噴射口を先端部に有するノズルと、前記先端部を覆って前記加圧熱水の噴射方向下流側に延び、当該噴射方向下流側に開口部を有する筒部とを備える噴射ノズルを用いて気液混合流体を生成する気液混合流体生成方法であって、前記開口部から前記筒部の内壁に沿って前記噴射方向上流側に向かって流入させ、前記筒部の内部に形成される空間において、流入した気体と前記噴射口から噴射される前記加圧熱水とを混合させることにより、前記加圧熱水が亜臨界状態で、前記気体が超臨界状態にある気液混合流体を生成する。

本発明によれば、洗浄効果が高い気液混合流体を得ることができる。

実施の形態１の塗膜剥離装置の構成を模式的に示す図。 実施の形態１の噴射ノズルの構成を部分的に示す断面図。 実施の形態１の噴射ノズルの下流端の構成を示す端面図。 実施の形態１の噴射ノズルの変形例の構成を部分的に示す断面図。 実施の形態１の噴射ノズルの変形例の構成を部分的に示す断面図。 実施の形態１の噴射ノズルの変形例の構成を部分的に示す断面図。 実施の形態１の噴射ノズルの変形例の構成を部分的に示す断面図。 実施の形態１の噴射ノズルの変形例の構成を部分的に示す断面図。 実施の形態２の塗膜剥離装置が備える装置本体の主要な構成を示すブロック図。 実施の形態２の装置本体の変形例の主要な構成を示すブロック図。 実施の形態２の装置本体の変形例の主要な構成を示すブロック図。 実施の形態２の装置本体の変形例の主要な構成を示すブロック図。 実施の形態３の噴射ノズルの構成を部分的に示す断面図。 実施の形態３の噴射ノズルの下流端の構成を示す端面図。 実施の形態３の噴射ノズルの変形例の構成を部分的に示す断面図。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す各実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置及び方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は下記のものに限定されるわけではない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において種々の変更を加えることができる。

以下の各実施の形態の噴射ノズルを用いることによって、洗浄対象物の表面を洗浄したり、その表面に形成された塗膜を剥離したりすることができる。洗浄対象物としては、コンクリート構造物及び橋梁などの各種構造物、自動車等の各種車両、船舶、航空機、並びに食品機械等の各種機械を挙げることができるが、特定のものに限定されるわけではない。以下では、構造物の表面に形成された塗膜を剥離する場合を例に挙げて説明する。

（実施の形態１）
［塗膜剥離装置の構成］
図１は、実施の形態１の塗膜剥離装置の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、塗膜剥離装置１は、装置本体２と、噴射装置３と、装置本体２及び噴射装置３間を連結する連結ホース４とを備えている。この連結ホース４を介して、装置本体２から噴射装置３に対して加圧熱水が供給される。

噴射装置３は、ハンドガンタイプの噴射装置であって、噴射ノズル３１及び本体部３２を備えている。噴射ノズル３１は、本体部３２に装着されている。後述するように、噴射ノズル３１では気液混合流体が生成され、その気液混合流体が塗膜剥離の対象物である構造物１００に対して噴射される。この気液混合流体は、図１において符号１０１に示すように、噴射ノズル３１から放射状に広がるようにして噴射される。なお、噴射ノズル３１の構成の詳細については後述する。

本体部３２は、把持部３２ａと、本体部３２に回動自在に取り付けられたレバー３２ｂとを有している。本体部３２の内部には、レバー３２ｂによって操作される開閉弁（図示せず）が設けられており、この開閉弁の開閉により、装置本体２から供給される加圧熱水の噴射ノズル３１に対する供給を制御する。

装置本体２は、所定の内部空間を有する筐体内に収容されており、タンク２０ａ、加圧ポンプ２０ｂ、及びボイラー機能付きのリザーブタンク２０ｃを備えている。

タンク２０ａには、所定量の水が収容されている。このタンク２０ａに収容されている水は、加圧ポンプ２０ｂによって所定の圧力まで加圧され、耐圧容器で構成されたリザーブタンク２０ｃへ送り出される。リザーブタンク２０ｃは、加圧ポンプ２０ｂから供給された加圧水を、１００℃乃至２００℃程度の所定の温度まで加熱して貯蔵する。このようにして貯蔵されている加圧熱水は、加圧ポンプ２０ｂの作用により、連結ホース４を介してリザーブタンク２０ｃから噴射装置３へ供給される。

［噴射ノズルの構成］
以下、噴射ノズル３１の詳細な構成について説明する。
図２は、噴射ノズル３１の構成を部分的に示す断面図である。また、図３は、噴射ノズル３１の下流端の構成を示す端面図である。図２及び図３に示すように、噴射ノズル３１は、ノズル３１１と、ノズル３１１の先端部を覆う筒部３１２とを備えている。

ノズル３１１は、全体として円管状をなしており、円筒状の柱状部３１１ａと、その先端側（加圧熱水の噴射方向下流側）に設けられ、先端に向かうにしたがって径が小さくなる切頭錐体部３１１ｂとを有している。なお、ノズル３１１の形状は種々のものが採用可能であり、上記の形状に限定されないことは言うまでもない。

切頭錐体部３１１ｂの先端側には、円形状の噴射口３１３が設けられている。噴射口３１３は、柱状部３１１ａ及び切頭錐体部３１１ｂの内部に形成された流路３１４と連通している。装置本体２から噴射装置３に対して供給された加圧熱水は、流路３１４内を流通し、噴射口３１３から噴射される。

筒部３１２は、ノズル３１１の柱状部３１１ａよりも径が大きい有底の中空円筒形状をなしており、その底部は、柱状部３１１ａの外周面を覆って固着されている。この筒部３１２は、ノズル３１１の先端部分を覆って加圧熱水の噴射方向下流側に延びており、その下流側には円形状の開口部３１５が設けられている。

筒部３１２の内部において、噴射口３１３よりも加圧熱水の噴射方向上流側に位置する円盤状の凹部領域３１６は、後述するように、開口部３１５から流入した空気を溜める溜まり部として機能する。

［塗膜剥離装置の動作］
次に、上記のとおり構成された塗膜剥離装置１の動作について説明する。
本実施の形態では、噴射ノズル３１内において加圧熱水と空気とを混合させることによって、水が亜臨界状態にあり、且つ空気が超臨界状態にある気液混合流体を生成する。なお、本明細書において、超臨界状態とは、温度及び圧力のいずれもが臨界点以上である状態を意味し、亜臨界状態とは、温度及び圧力の少なくとも一方が臨界点未満ではあるものの、高温高圧下にある状態を意味する。

本実施の形態において用いられる気液混合流体の構成要素である水及び空気の臨界温度及び臨界圧力は、以下の表１のとおりである。

塗膜剥離装置１は、噴射装置３を用いることによって、上述した気液混合流体を生成し、その気液混合流体を常温常圧下にある構造物１００に対して噴射する。以下、これらの気液混合流体の生成及び噴射の各処理の詳細について説明する。

［気液混合流体の生成］
まず、装置本体２から噴射装置３に対して加圧熱水が供給される。上述したように、装置本体２のリザーブタンク２０ｃには、１００℃乃至２００℃程度の加圧熱水が貯蔵されている。この状態で加圧ポンプ２０ｂを作動させることにより、連結ホース４を介してリザーブタンク２０ｃから噴射装置３へ加圧熱水が供給される。なお、ここでは、リザーブタンク２０ｃに貯蔵されている加圧熱水の温度を１００℃乃至２００℃程度としているが、これに限定されるわけではない。但し、空気が超臨界状態にある気液混合流体を生成するために、１４０℃程度以上であることが好ましい。

上記のように噴射装置３に加圧熱水が供給されている状態において、噴射装置３の本体部３２のレバー３２ｂが操作されることによって開閉弁が開状態になると、ノズル３１１の流路３１４内を加圧熱水が流通し、噴射口３１３から噴射される。このように噴射口３１３から噴射された加圧熱水は、筒部３１２の開口部３１５に向かって、筒部３１２の内部に形成された空間を通過する。

筒部３１２内を流れる加圧熱水の流速によって筒部３１２内に負圧が発生する。その結果、開口部３１５から筒部３１２内に空気が流入する。このとき、空気は、図２における矢印で示すように、筒部３１２の内壁に沿って、加圧熱水の噴射方向上流側に向かって流入する。

上述したようにして筒部３１２内に流入した空気と、噴射口３１３から噴射される加圧熱水とが、筒部３１２の内部に形成される空間において混合される。その際、加圧熱水の熱によって空気が加熱される。その結果、水が亜臨界状態で、空気が超臨界状態にある気液混合流体が得られる。

なお、開口部３１５から筒部３１２内に流入した空気は、筒部３１２の内壁に沿って上流側に向かって進行する。その途中、一部の空気は加圧熱水と混合され、残りの空気は噴射口３１３を通過して溜まり部３１６内に進入する。このようにして溜まり部３１６内に空気が溜まることにより、筒部３１２内で一定の空気量を確保することができる。その結果、気液混合流体を安定して生成することが可能になる。

［気液混合流体の噴射］
上述したようにして生成された気液混合流体は、筒部３１２の開口部３１５から構造物１００の表面に対して噴射される。常温常圧下にある構造物１００に対して噴射された気液混合流体は、急速に温度及び圧力が降下し、水が気化して水蒸気になる。このときに相転移による急激な体積膨張が起こり、その圧力によって構造物１００の表面に形成されている塗膜が損傷又は剥離する。

また、常温下に放出された気液混合流体の温度が、空気の臨界温度である１４０．７℃未満になると、気液混合流体に溶解していた空気が分離してナノバブルが生じる。その結果、ナノバブルの圧壊による衝撃によって構造物１００の表面上の塗膜が損傷又は剥離する。

なお、空気が超臨界状態にあるとき、すなわち洗浄対象物の表面に達した時点の気液混合流体の温度が１４０．７℃以上であるときは、超臨界流体として利用することができる。超臨界流体は、表面張力が極めて小さいため、構造物１００の表面に形成されている微少な凹部まで浸透する。その結果、塗膜を損傷又は剥離する効果が向上する。

上述した効果はいずれも瞬間的なものであるが、気液混合流体を連続的に噴射することによって持続させることができる。これにより、十分な塗膜剥離効果が得られる。

なお、装置本体２から噴射装置３に供給される加圧熱水の温度が１００℃以上である場合、ノズル３１１の噴射口３１３から噴射されたときに気化が起こるため、加圧熱水は拡散しながら筒部３１２の開口部３１５に向かって進行することになる。しかしながら、上述したように空気が筒部３１２の内壁に沿って筒部３１２内に流入するため、その拡散は抑制される。これにより、エネルギーのロスを抑制することができる。

［噴射ノズル３１の変形例］
空気の臨界状態を維持するために、噴射ノズル３１の筒部３１２内での温度低下を抑制できることが好ましい。そのために、噴射ノズル３１が筒部３１２を加熱する加熱部を備えるようにしてもよい。図４は、そのような加熱部を備えた噴射ノズル３１の構成を部分的に示す断面図である。図４に示すとおり、筒部３１２の周囲に、シート状のヒーター３１７が巻回されている。上述したようにして筒部３１２において気液混合流体が生成される際、このヒーター３１７による加熱によって、筒部３１２内での温度低下が抑制される。その結果、塗膜剥離に適した気液混合流体を安定して生成することが可能になる。なお、加熱部はヒーター以外で構成されていてもよい。例えば、誘導加熱、誘電加熱、又はアーク放電加熱などの方式の加熱部であってもよい。

また、噴射ノズル３１の内側又は外側に保温材が設けられていてもよい。図５は、そのような保温材を備えた噴射ノズル３１の構成を部分的に示す断面図である。図５に示すとおり、筒部３１２の内壁に、シート状の保温材３１８が設けられている。保温材３１８は、耐熱性を有するシリコン又はテフロン（登録商標）などの材質によって構成される。この保温材３１８によっても、筒部３１２内での温度低下が抑制されるため、塗膜剥離に適した気液混合流体を安定して生成することが可能になる。なお、噴射ノズル３１が、上記のヒーター３１７及び保温材３１８の両方を備えていてもよい。

噴射ノズル３１の筒部３１２内に流入する気体は、空気に限定されるわけではない。例えば、オゾンなどの空気以外の気体を流入させる構成を採用することもできる。図６は、そのような構成を備えた噴射ノズル３１の構成を部分的に示す断面図である。図６に示すように、筒部３１２に沿って延びる円管状の気体供給管３１９が設けられており、その先端部は、筒部３１２の内壁に接して配設されている。この先端部には、気体供給管３１９内を流通する気体を放出するための開口部が設けられており、その開口部は筒部３１２内に向いている。

気体供給管３１９の開口部からは、例えばオゾンが放出される。その結果、オゾンが筒部３１２の内壁に沿って上流側に向かって送り込まれることになる。これにより、筒部３１２の内部では、オゾンを含む気液混合流体が生成され、開口部３１５から噴射される。この場合、塗膜剥離効果をより一層高めることができる。

気体供給管３１９によって筒部３１２内に送り込まれる気体は、オゾン以外にも様々なものがある。例えば、二酸化炭素を気体供給管３１９によって送り込むようにしてもよい。これにより、空気に加え、二酸化炭素が超臨界状態にある気液混合流体を生成することが可能になる。なお、二酸化炭素の臨界温度及び臨界圧力は、以下の表２のとおりである。

その他にも、窒素・酸素を気体供給管３１９によって送り込むようにしてもよい。

また、気体供給管３１９によって筒部３１２の内部に空気が送り込まれてもよい。その場合、より多くの空気量を確保することができるため、より十分な量のナノバブルを発生させることが可能になる。

本実施の形態の筒部３１２の内部領域は円筒状をなしているが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、噴射口３１３から開口部３１５に至る流路の流路径が途中で絞られるような構成であってもよい。図７は、そのような形状の流路を備えた噴射ノズル３１の構成を部分的に示す断面図である。図７に示すように、噴射ノズル３１の筒部３１２の内側において、噴射口３１３から下流側の領域には、第１テーパ部３１２ａと、第２テーパ部３１２ｂとがこの順に並んで設けられている。

第１テーパ部３１２ａは、下流に向かうにしたがって流路の内径が小さくなるように構成されており、他方、第２テーパ部３１２ｂは、開口部３１５に向かうにしたがって流路の内径が大きくなるように構成されている。第１テーパ部３１２ａ及び第２テーパ部３１２ｂは、流路径を絞る絞り経部３１２ｃで接合されている。これらの第１テーパ部３１２ａ、第２テーパ部３１２ｂ、及び絞り経部３１２ｃによってベンチュリ管が形成されている。

上記のとおりベンチュリ管となっている筒部３１２の流路内において、加圧熱水又は気液混合流体が通流すると、絞り経部３１２ｃにおける減圧によって負圧となる。この負圧に引っ張られて開口部３１５から空気が流入するため、より多くの空気量を確保することが可能になる。また、この負圧部分に向かって液体が流れることにより、加圧熱水と空気との混合が促進される。これにより、気液混合流体を効率良く生成することが可能になる。

また、本実施の形態では、開口部３１５が円形状をなしているが、本発明はこれに限定されるわけではない。図８は、噴射ノズル３１の下流端の変形例の構成を示す端面図である。図８に示すように、この変形例の場合、筒部３１２の開口部３１５は扁平形状をなしている。このように開口部３１５が扁平形状をなしている場合、円形状の場合と比べると開口面積が小さくなるため、同量の気液混合流体であれば、剥離対象の塗膜に対してより強い衝撃を与えることが可能になる。その一方で、幅広な形状であるため、一度に広範囲の塗膜に対して気液混合流体を噴射することができるため、効率良く作業を進めることが可能になる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、加圧熱水と混合させる空気を噴射装置３でのみ取り入れている。これに対し、実施の形態２では、噴射装置３のみではなく、装置本体２においても空気を取り入れる。なお、装置本体２以外の構成について実施の形態１の場合と同様であるので説明を省略する。以下、装置本体２の構成について説明する。

［装置本体の構成］
図９は、実施の形態２における装置本体２の主要な構成を示すブロック図である。図９に示すとおり、装置本体２は、貯水タンク２１、加圧ポンプ２２、第１タンク２３、第２タンク２４、空気タンク２５、及び二酸化炭素タンク２６を備えている。

貯水タンク２１は、外部の給水設備等から供給された水を貯留する。このようにして貯水タンク２１に貯留された水は、加圧ポンプ２２によって加圧され、第１タンク２３側に送り出される。

第１タンク２３及び第２タンク２４は、加圧水を貯留するタンクであり、耐圧容器で構成されている。これらの第１タンク２３及び第２タンク２４は、その内部にヒーターを有しており、そのヒーターを用いて貯留している加圧水を加熱することができる。

空気タンク２５及び二酸化炭素タンク２６はそれぞれ、空気及び二酸化炭素を貯留している。これらの空気及び二酸化炭素は、図示しない電磁弁等を介して、第１タンク２３と第２タンク２４との間の連結する配管内に圧入される。なお、このようにタンクから気体が供給されるのではなく、例えばボンベ等から気体が供給されるような構成であってもよい。

［塗膜剥離装置の動作］
本実施の形態では、装置本体２において、水を亜臨界状態とし、且つ空気及び二酸化炭素を超臨界状態とするために、装置本体２内で生成する気液混合流体の温度を２００℃程度にする。なお、この気液混合流体の圧力は、少なくとも空気の超臨界状態を維持するために、３．７７ＭＰａ程度以上とし、二酸化炭素の超臨界状態も維持するためには、７．３８ＭＰａ以上とする。

気液混合流体の生成手順の詳細は以下のとおりである。まず、貯水タンク２１に収容されている水が、加圧ポンプ２２によって所定の圧力まで加圧され、第１タンク２３へ送り出される。第１タンク２３は、加圧ポンプ２２から供給された加圧水を、例えば８０℃などの所定の温度まで加熱して貯留する。

第１タンク２３に貯留された加圧水は、加圧ポンプ２２の作用によって、第２タンク２４へ送り出される。その際、第１タンク２３と第２タンク２４との間を連結する配管内に、空気タンク２５及び二酸化炭素タンク２６のそれぞれから空気及び二酸化炭素が圧入される。その結果、第１タンク２３から第２タンク２４へ流入する加圧水に空気及び二酸化炭素が混合され、気液混合流体が生成される。

第２タンク２４は、上記のようにして生成された気液混合流体を、２００℃程度まで加熱して貯留する。また、第２タンク２４に貯留される気液混合流体の圧力は、加圧ポンプ２２の作用により、３．７７Ｍｐａ程度以上とされる。その結果、上述したような、水が亜臨界状態にあり、空気及び二酸化炭素が超臨界状態にある気液混合流体が得られる。

なお、上記のようにして空気及び二酸化炭素を水に混合する際は、キャビテーションの発生を可能な限り抑制することが好ましい。その手法は特に限定されないが、例えば、流体にせん断力を作用させながら混合することにより、気泡の超微細化を図る手法がある。この手法を実現するための混合装置としては、例えば株式会社ナノクス製のラモンドナノミキサー（登録商標）を挙げることができる。

装置本体２は、上記のようにして生成された気液混合流体を、噴射装置３に対して供給する。噴射装置３では、実施の形態１の場合と同様に、噴射ノズル３１の開口部３１５から空気が流入し、筒部３１２内において、その空気と、装置本体２から供給されて噴射口３１３から噴射された気液混合流体とが混合される。その結果、実施の形態１の場合と比べて、より多くの空気を気液混合流体に含ませることができるため、開口部３１５から外部へ噴射された後により多くのナノバブルを発生させることが可能になる。

なお、本実施の形態では、第１タンク２３と第２タンク２４との間を連結する配管内に空気及び二酸化炭素を圧入しているが、これらの気体を導入する位置はこれに限定されない。例えば、図１０に示すように、第１タンク２３の手前で空気及び二酸化炭素を導入してもよく、また、図１１に示すように、第２タンク２４の出口側で空気及び二酸化炭素を導入してもよい。ここで、空気及び二酸化炭素は同一箇所から導入しなくてもよく、別々の箇所から導入しても構わない。

また、本実施の形態では、貯水タンク２１と第１タンク２３との間に加圧ポンプ２２が設けられているが、その他の位置に加圧ポンプ２２が設けられていてもよい。例えば、第１タンク２３と第２タンク２４との間に加圧ポンプ２２が設けられていてもよい。また、加圧ポンプ２２の数も１つに限定されるわけではなく、例えば、貯水タンク２１と第１タンク２３との間、及び第１タンク２３と第２タンク２４との間の２箇所に加圧ポンプ２２が設けられていても構わない。

また、本実施の形態では、装置本体２が、加圧水を貯留するタンクとして、第１タンク２３及び第２タンク２４の２つを有しているが、これを１つにしてもよい。図１２は、そのような装置本体２の変形例の主要な構成を示すブロック図である。図１２に示すように、この装置本体２は、第１タンク２３を有しておらず、加圧ポンプ２２の作用によって、貯水タンク２１から第２タンク２４へ水が送り出される。加圧ポンプ２２と第２タンク２４との間の配管には、空気タンク２５及び二酸化炭素タンク２６が接続されており、これらの空気タンク２５及び二酸化炭素タンク２６のそれぞれから空気及び二酸化炭素が当該配管内に圧入される。その結果気液混合流体が得られ、上記の場合と同様にして第２タンク２４内で加圧され貯留される。なお、この構成においても、空気及び二酸化炭素を第２タンク２４の出口側で導入するようにしてもよい。

空気及び二酸化炭素等の気体は、第２タンク２４の手前の配管内ではなく、第２タンク２４内に直接供給するようにしてもよい。但し、その場合、第２タンク２４内でキャビテーションが生じて不具合が発生するおそれがあるため、上記のとおり第２タンク２４の手前の配管内に気体を供給することが好ましい。

また、本実施の形態では、空気及び二酸化炭素を水に溶解させて気液混合流体を生成しているが、空気及び二酸化炭素のいずれか一方のみを水に溶解させて気液混合流体を生成しても構わない。

（実施の形態３）
実施の形態３は、筒部が二重構造になっている噴射ノズルである。以下、その構成及び動作について説明する。

［噴射ノズルの構成］
図１３は、本実施の形態の噴射ノズルの構成を部分的に示す断面図である。また、図１４は、その噴射ノズルの下流端の構成を示す端面図である。以下において、実施の形態１と同様の構成については、対応する符号を付して説明を省略することがある。

噴射ノズル５１は、ノズル５１１と、ノズル５１１の先端部を覆う筒部５１２とを備えている。筒部５１２は、中空円筒形状の胴部と中空円錐台形状の底部とを有しており、その底部は、柱状部５１１ａの外周面を覆って固着されている。筒部５１２の胴部は、ノズル５１１の先端部分を覆って加圧熱水の噴射方向下流側に延びており、その下流側には円形状の開口部５１５が設けられている。

筒部５１２の内部において、噴射口５１３よりも加圧熱水の噴射方向上流側に位置する円盤状の凹部領域５１６は、開口部５１５から流入した空気を溜める溜まり部として機能する。

筒部５１２は、外側カバー５１２ａと内側カバー５１２ｂとを有する二重構造をなしている。外側カバー５１２ａと内側カバー５１２ｂとの間には空隙が形成されている。筒部５１２の先端側（加圧熱水の噴射方向下流側）の端部の端面には、この空隙に空気を取り入れるための複数の気体流入孔５２０ａが形成されている。本実施の形態の場合、図１４に示すとおり、６個の円形状の気体流入孔５２０ａが当該端面に周期的に配設されている。

また、筒部５１２の他方の端部側であって、噴射口５１３よりも加圧熱水の噴射方向上流側には、気体流入孔５２０ａから取り入れられた空気を筒部５１２内に流出させるための気体流出孔５２０ｂが形成されている。図示していないが、気体流入孔５２０ａの場合と同様に、６個の円形状の気体流出孔５２０ｂが周期的に配設されている。

なお、気体流入孔５２０ａ及び気体流出孔５２０ｂの個数・形状・形成位置は上記に限定されるわけではない。例えば、各孔の数は１個でも複数個でもよく、矩形状又は円形状などであってもよい。また、気体流入孔５２０ａが筒部５１２の先端側端部の端面の周辺などに形成されていてもよく、気体流出孔５２０ｂは噴射口５１３よりも加圧熱水の噴射方向下流側に形成されていてもよい。

［気液混合流体の生成］
実施の形態１及び２の場合と同様に、上記のように構成された噴射ノズル５１によって気液混合流体が生成される。すなわち、噴射ノズル５１を備える噴射装置３に加圧熱水が供給されている状態において、噴射装置３の開閉弁が開状態になると、ノズル５１１の流路５１４内を加圧熱水が流通し、噴射口５１３から噴射される。このように噴射口５１３から噴射された加圧熱水は、筒部５１２の開口部５１５に向かって、筒部５１２の内部に形成された空間を通過する。

筒部５１２内を流れる加圧熱水の流速によって筒部５１２内に負圧が発生する。その結果、開口部５１５から筒部５１２内に空気が流入する。このとき、空気は、図１３における矢印で示すように、筒部５１２の内壁に沿って、加圧熱水の噴射方向上流側に向かって流入する。

また、上記のように開口部５１５から筒部５１２内に空気が流入するとともに、気体流入孔５２０ａから外側カバー５１２ａ及び内側カバー５１２ｂ間の空隙に空気が流入する。この空気は、加圧熱水の噴射方向上流側に向かって当該空隙内を通過し、気体流出孔５２０ｂから筒部５１２内へ流出する。

上述したようにして筒部５１２内に流入した空気、及び気体流出孔５２０ｂから筒部５１２内に流出した空気と、噴射口５１３から噴射される加圧熱水とが、筒部５１２の内部に形成される空間において混合される。その際、加圧熱水の熱によって空気が加熱される。その結果、水が亜臨界状態で、空気が超臨界状態にある気液混合流体が得られる。

なお、本実施の形態の場合、気体流出孔５２０ｂが噴射口５１３よりも加圧熱水の噴射方向上流側に設けられているため、気体流出孔５２０ｂから筒部５１２内に流出した空気は、溜まり部５１６内に送り込まれることになる。また、実施の形態１の場合と同様に、開口部５１５から筒部５１２内に流入した空気の一部が溜まり部５１６内に送り込まれる。このようにして溜まり部５１６内に空気が溜まることにより、筒部５１２内で一定の空気量を確保することができる。その結果、気液混合流体を安定して生成することが可能になる。

また、本実施の形態では、気体流入孔５２０ａ及び気体流出孔５２０ｂが複数個周期的に配設されているため、外側カバー５１２ａと内側カバー５１２ｂとの間の空隙に外部から効率的に空気を取り込み、その空気を筒部５１２内に効率的に流出させることができる。

上述したように、本実施の形態では、開口部５１５から筒部５１２内に空気が流入するとともに、外側カバー５１２ａと内側カバー５１２ｂとの間の空隙を介して筒部５１２内に空気が流入するため、実施の形態１及び２の場合と比べて、筒部５１２内により多くの空気を取り込むことが可能になる。

上述したようにして生成された気液混合流体は、実施の形態１及び２の場合と同様に、筒部５１２の開口部５１５から構造物１００の表面に対して噴射され、構造物１００の表面に形成されている塗膜を損傷又は剥離させることができる。

［噴射ノズル５１の変形例］
図１５は、実施の形態３の噴射ノズルの変形例の構成を部分的に示す断面図である。図１５に示すように、この変形例の場合、噴射ノズル５１の筒部５１２に気体流入孔及び気体流出孔が設けられておらず、外側カバー５１２ａと内側カバー５１２ｂとの間に形成された空間は密閉され真空引きされている。このように、筒部５１２は真空断熱二重構造となっている。

上記のとおり、噴射ノズル５１の筒部５１２を真空断熱二重構造とすることにより、上述したようにして筒部５１２において気液混合流体が生成される際、筒部５１２内の温度低下を抑制することができる。これにより、空気の臨界状態の維持を図ることができ、塗膜剥離に適した気液混合流体を安定して生成することが可能になる。

（その他の実施の形態）
上記の各実施の形態において、気液混合流体に金属錯体を添加するようにしてもよい。例えば、気液混合流体にチタン錯体を添加した場合では、気液混合流体の噴射により洗浄対象物の表面の塗膜剥離及び洗浄が行われるとともに、その表面に酸化チタンを含有する保護層を形成することができる。そのため、洗浄のみではなく、洗浄対象物の表面の保護効果も期待できる。

気液混合流体に添加する金属錯体は、上記のチタン錯体以外であってもよい。ここで、金属錯体とは、錯体を構成する金属の析出ナノ粒子を含むものであって、重曹又はＮａＯＨなどの水溶性アルカリ成分も含むものをいう。具体的には、硅酸ナトリウム及び硅酸カリウム等の金属錯体を用いることが可能である。その他にも、Ｌｉ^＋，Ｎａ^＋，Ｋ^＋，Ｃａ^２＋，Ｓｒ^２＋，Ｂａ^２＋，Ｃｄ^２＋，Ｃｕ^２＋，Ｍｎ^２＋，Ｚｎ^２＋，Ｌａ^３＋，Ｎｉ^２＋，Ｍｇ^２＋，Ｃｏ^２＋，Ｆｅ^２＋等の置換活性な金属錯体、及びＣｒ^３＋，Ｃｏ^３＋，Ｒｕ^２＋，Ｒｈ^３＋，Ｉｒ^３＋，Ｐｔ^２＋等の置換不活性な金属錯体を用いることができる。

上述した各実施の形態を組み合わせることによって新たな形態を得ることが可能である。例えば、実施の形態１及び３を組み合わせることによって、実施の形態１の噴射ノズル３１を、実施の形態３の噴射ノズル５１と同様に底部が円錐台形状の筒部を有する構成とすることができる。また、実施の形態２及び３を組み合わせることによって、装置本体２から供給されて噴射口５１３から噴射された気液混合流体と、開口部５１５及び気体流出孔５２０ｂから筒部５１２内に流入した空気とを混合させるような構成を得ることもできる。

本発明の噴射ノズル及び気液混合流体生成方法は、塗膜剥離に適した気液混合流体を生成する噴射ノズル及び気液混合流体生成方法などとして有用である。

１ 塗膜剥離装置
２ 装置本体
２０ａ タンク
２０ｂ 加圧ポンプ
２０ｃ リザーブタンク
２０ｂ リザーブタンク
２１ 貯水タンク
２２ 加圧ポンプ
２３ 第１タンク
２４ 第２タンク
２５ 空気タンク
２６ 二酸化炭素タンク
３ 噴射装置
３１，５１ 噴射ノズル
３２ 本体部
３２ａ 把持部
３２ｂ レバー
３１１，５１１ ノズル
３１２，５１２ 筒部
３１３，５１３ 噴射口
３１４，５１４ 流路
３１５，５１５ 開口部
３１６，５１６ 溜まり部
３１７ ヒーター
３１８ 保温材
３１９ 気体供給管
４ 連結ホース
１００ 構造物
５１２ａ 外側カバー
５１２ｂ 内側カバー
５２０ａ 気体流入孔
５２０ｂ 気体流出孔

Claims (14)

1. 加圧熱水を噴射する噴射口を先端部に有するノズルと、
   前記先端部を覆って前記加圧熱水の噴射方向下流側に延び、当該噴射方向下流側に開口部を有する筒部と
   を備え、
   前記筒部の内部に形成される空間において、前記噴射口から噴射される前記加圧熱水と、前記開口部から前記筒部の内壁に沿って前記噴射方向上流側に向かって流入した気体とが混合されることにより、前記加圧熱水が亜臨界状態で、前記気体が超臨界状態にある気液混合流体を生成し、
   前記開口部から前記気液混合流体を噴射する、
   噴射ノズル。
2. 前記筒部の内部に設けられ、前記噴射口よりも前記噴射方向上流側に前記流入した気体を溜める溜まり部をさらに備える、
   請求項１に記載の噴射ノズル。
3. 前記筒部の内部に設けられ、前記噴射口から前記開口部に至る流路の流路径を絞る絞り径部をさらに備える、
   請求項１又は２に記載の噴射ノズル。
4. 前記筒部を加熱する加熱部をさらに備える、
   請求項１乃至３の何れかに記載の噴射ノズル。
5. 前記筒部の内壁に保温材が設けられている、
   請求項１乃至４の何れかに記載の噴射ノズル。
6. 前記開口部が扁平形状である、
   請求項１乃至５の何れかに記載の噴射ノズル。
7. 前記開口部から前記筒部の内壁に沿って前記噴射方向上流側に向かって気体を送り込む気体供給部をさらに備える、
   請求項１乃至６の何れかに記載の噴射ノズル。
8. 前記筒部が、外側カバーと内側カバーとを有する二重構造をなしている、
   請求項１乃至７の何れかに記載の噴射ノズル。
9. 前記筒部が、前記外側カバーと前記内側カバーとの間の空間に気体を取り入れるための気体流入孔と、前記気体流入孔から取り入れられた気体を前記筒部の内部に形成される空間に流出させるための気体流出孔とを有している、
   請求項８に記載の噴射ノズル。
10. 前記気体流入孔が、前記筒部の前記噴射方向下流側の端部の端面に設けられている、
    請求項９に記載の噴射ノズル。
11. 前記気体流入孔が、前記端面に複数個周期的に配設されている、
    請求項１０に記載の噴射ノズル。
12. 前記気体流出孔が、前記噴射口よりも前記噴射方向上流側に設けられている、
    請求項９乃至１１の何れかに記載の噴射ノズル。
13. 前記筒部が、真空断熱二重構造である、
    請求項８に記載の噴射ノズル。
14. 加圧熱水を噴射する噴射口を先端部に有するノズルと、
    前記先端部を覆って前記加圧熱水の噴射方向下流側に延び、当該噴射方向下流側に開口部を有する筒部と
    を備える噴射ノズルを用いて気液混合流体を生成する気液混合流体生成方法であって、
    前記開口部から前記筒部の内壁に沿って前記噴射方向上流側に向かって流入させ、
    前記筒部の内部に形成される空間において、流入した気体と前記噴射口から噴射される前記加圧熱水とを混合させることにより、前記加圧熱水が亜臨界状態で、前記気体が超臨界状態にある気液混合流体を生成する、
    気液混合流体生成方法。

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