JP2717241B2 - ハイドロジェットによる材料の処理方法 - Google Patents

ハイドロジェットによる材料の処理方法

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JP2717241B2
JP2717241B2 JP7069038A JP6903895A JP2717241B2 JP 2717241 B2 JP2717241 B2 JP 2717241B2 JP 7069038 A JP7069038 A JP 7069038A JP 6903895 A JP6903895 A JP 6903895A JP 2717241 B2 JP2717241 B2 JP 2717241B2
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啓二 半田
広 幾世橋
憲雄 山門
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工業技術院長
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  • Processing Of Stones Or Stones Resemblance Materials (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高圧に加圧して噴射し
た液体の噴流構造を人為的に崩壊することにより、液滴
化を促進させた崩壊流として対象物の表面に衝突させ、
材料の加工、切削あるいは洗浄等の処理を行うハイドロ
ジェットによる材料の処理方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】硬い岩石や金属、ガラス、セラミック
ス、鉄筋コンクリート等を切断する手段として、水噴流
中に研摩材(アブレシブ)を混合したアブレシブジェッ
トが実用化されている。しかし、従来のアブレシブジェ
ットでは、研摩材の価格が高いこと、研磨材によるノズ
ルの消耗が著しいこと、厚物を精度良く切断できないこ
となど、問題点も多い。さらに、廃原子炉の解体、放射
能を有する固体材料の切断等への利用も考えられている
が、その場合には、放射化された研摩材の再処理等にも
問題がある。
【0003】また、材料の表面処理あるいは洗浄を行う
方法としては、1個または複数個のノズルを回転させる
ロータリジェットが実用化され、その方法では、ノズル
部の回転により幅広い面の処理が可能であること、研摩
材を用いないので上記のアブレシブジェットに比較する
とコストダウンが図れること等の長所が認められるもの
の、高圧流体の流路に回転部を有するため機器の寿命や
信頼性等に問題が残されている。
【0004】一方、ウォータージェットに関する従来の
研究によれば、図1および図2に示すように、ジェット
による材料の切削が顕著になる(質量減少量Mが大きく
なる)位置は、ノズル近くより、むしろノズルからある
程度離れた位置であることが明らかにされている[日本
ウォータージェット学会編「ウォータージェット技術事
典」、p.73、丸善(1993)]。図1は、ノズルか
らの距離x/d(ノズルから試料片までの距離xをノズ
ル出口直径dで除した無次元距離)による質量減少量M
の変化を、吐出し圧P0 を変えて示したものであり、図
2は、同じく材質を変えてその影響を示したものであ
る。
【0005】また、同「ウォータージェット技術事
典」、p.7において柳井田らが明らかにしたウォーター
ジェットの構造(図3)と、質量減少量が最大となる位
置との関係をみると、その質量減少量が最大となる位置
は、ウォータージェットの流れが100μm程度の液滴
あるいは液塊となっている液滴流領域であり、そこでは
液滴あるいは液塊の衝突によって発生するウォーターハ
ンマー現象の衝撃圧により壊食が生じ、材料の切削が顕
著になることも明らかにされている[清野文雄・他:日
本機械学会論文集B編、Vol.60,No.573,
(1994)]。
【0006】しかしながら、図4からわかるように、こ
の領域では水噴流の中心軸上の圧力はノズル近傍の圧力
に比べて減衰が著しい。図4は、ノズルからの距離x/
dによる水噴流中心軸上の圧力Pm /P0 の変化を示す
ものである[柳井田勝哉・他:日本鉱業会誌、Vol.
93 No.1072(1977)]。したがって、水
噴流の圧力が減衰しない時点で液滴流領域に相当する状
態が得られるようにすれば、対象物表面に対する一層の
壊食作用を期待することができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、前記従来技術に採用されている研摩材や高圧流体の
流路に回転部を有する機構を用いず、水噴流の構造を改
変して、材料の加工、切削あるいは洗浄等を効率的に、
かつ廉価に行い得る手段を提供することにある。本発明
の他の技術的課題は、ノズルから噴射した水噴流の圧力
の減衰が小さい時点で前記液滴流領域に相当する状態が
得られるようにして、対象物表面に対する壊食作用を一
層高めた材料の加工、切削あるいは洗浄等のための処理
を行う方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段、作用】上記課題を解決す
るための本発明のハイドロジェットによる材料の処理方
法は、高圧に加圧した液体をノズルから噴射し噴流とな
し、該噴流に、上記ノズル出口直後において、高圧の気
体を混入させて上記ノズル出口直後における液体噴流核
域の噴流構造を崩壊し、該噴流が有する運動量が減衰し
ない状態で、滴状化を促進させた崩壊流となして、これ
を、対象物である材料に衝突させることにより、材料の
加工、切削あるいは洗浄を行うことである。上記高圧に
加圧した液体の噴流に混入させるものとしては、液体へ
の混入後に気化する液化ガスを用いることもできる。
【0009】さらに具体的に説明すると、本発明の方法
では、水等の液体を噴射するノズル出口の近傍で噴出圧
力の減衰が小さい領域において、噴射した液体の液滴化
を促進するため、その液体の噴射直後の噴流に高圧の気
体又は該噴流内へ混入後に早期に気化する液化ガスを
入することにより、噴流構造を崩壊し、上記圧力の減衰
が小さい領域で人為的に液滴あるいは液塊を発生させ
る。これら混入させる気体又は液化ガスは、コンプレッ
サーやボンベから加圧した流体として供給し、混入させ
る。
【0010】このようにしてノズルから噴出する液体に
他の流体を混入させ、噴出圧力の減衰が小さい領域にお
いて、前記液滴流領域に相当する状態すなわち崩壊流が
得られるようにして、その崩壊流を対象物に衝突させる
と、対象物表面に対する壊食作用を一層高めた材料の加
工、切削あるいは洗浄等のための処理を行うことができ
る。特に、液体炭酸ガスのように低温の流体を液体噴流
中に混入させると、液温の低下による対象物の表面処理
効果の向上も期待することができる。なお、水噴流中へ
の他流体の混入による切削効果向上の手段として、高分
子材(ポリマー)を水噴流に添加する方法もあり[前記
「ウォータージェット技術事典」、p.135および
p.146]、切削効率の向上が認められているが、ポ
リマー添加によっても巨視的な噴流構造に変化はないと
の報告があり、本発明のような上記崩壊流を得られるも
のではない。
【0011】図5は、本発明のハイドロジェットによる
材料の処理方法を実施するための装置の構成を示す。こ
の図5において、1は水槽であり、この水槽1には水を
高圧に加圧して噴出するための高圧ポンプ等の加圧手段
2が設けられ、この加圧手段2に耐圧ホース3によって
ノズル4が接続されている。ノズル4には、噴出する水
に対して高圧の気体又は液化ガスを混入するための混入
機構4aを具備させている。混入機構4aにおいて混入
させる高圧の気体又は液化ガスは、上記加圧2による加
圧で噴射する水の噴流中に気体とし混入するか又は混入
後気体となり噴流構造を崩壊させることにより液滴化を
促進させる。上記混入機構4aは混入させる高圧の気体
又は液化ガスをノズルから噴射した直後の噴流中に混入
させる。
【0012】ノズル4から高圧に加圧して噴射した水
は、気体の混入により噴流構造を崩壊させ、液滴化を促
進させた崩壊流として対象物5の表面に衝突させる。こ
れにより、対象物5の加工、切削あるいは洗浄等の処理
を行うことができる。噴射により対象物5に衝突させた
使用済みの水は、対象物5からの剥離物と共に受水槽6
に回収される。
【0013】
【実施例】図6および図7に、本発明者が行った実験結
果の一例を示す。図6は、ノズル近傍の噴流核域に圧縮
空気もしくは液体炭酸ガスを混入したとき、アルミ板試
料(JIS H4000、A1050P)の質量減少量
mが、ノズル出口から試料片までの距離xによってどの
ように変化するかを示したものである。また、図7は、
液体炭酸ガスの混入量を一定(0.6kg/min)と
したとき、混入位置の違い(噴流核域およびそれより下
流の連続流域)による質量減少量mの変化を示したもの
である。図中、横軸はノズルから試料片までの距離xを
ノズル出口直径d(ここでは、0.8mm)で除した無
次元距離x/dである。なお、噴射時間は30秒、噴射
環境は気中である。これらの図から、圧縮空気もしくは
液体炭酸ガスの混入により質量減少量が増加し、つまり
混入の効果が認められることがわかる。また、図7から
明らかなように、供給位置の違いにより混入の効果に差
異があり、噴流核域に混入した場合の方が効率が良くな
っている。
【0014】また、図8には、ポンプの吐出し圧力が4
00kgf/cm2 で、噴流核域に液体炭酸ガスを混入
したときの液体炭酸ガスの混入量と質量減少量との関係
を示している。図中、縦軸は質量減少量mを液体炭酸ガ
スを混入しないときの質量減少量m0 で除した無次元量
m/m0 である。これらの図および他の実験結果例を合
わせて評価すると、噴流核域に液体炭酸ガスを混入した
場合、混入なしの場合に比較して約1.5〜2倍の質量
減少量を示していることが明らかである。
【0015】
【発明の効果】以上に詳述したところから明らかなよう
に、本発明によれば、ノズルから噴射した水噴流の圧力
の減衰が小さい時点で崩壊流が得られるようにして、対
象物表面に対する壊食作用を一層高めることができるば
かりでなく、次のような利点もある。 (1)従来の研摩材によるアブレシブジェットに比較し
て低コストで操業が可能である。 (2)回転機構等がなく、機器構成が簡潔である。 (3)処理対象物への異物の付着がない。 (4)排水処理が容易となる。 (5)液滴化の促進により、通常噴流に比べ、一様な圧
力分布が得られるため、表面処理や洗浄に有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ノズルからの距離x/dによる質量減少量Mの
変化に対する吐出し圧P0 の影響を示すグラフである。
【図2】ノズルからの距離x/dによる質量減少量Mの
変化に対する材質の影響を示すグラフである。
【図3】既知の気中高速水噴流の構造概念図である。
【図4】ノズルからの距離x/dによる水噴流中心軸上
の圧力Pm /P0 の変化を示すグラフである。
【図5】本発明の方法を実施するための装置の構成図で
ある。
【図6】ノズルからの距離x/dによる質量減少量mの
変化(圧力および混入量の影響)についての発明者らの
実験例を示すグラフである。
【図7】ノズルからの距離x/dによる質量減少量mの
変化(圧力および混入位置の影響)についての発明者ら
の実験例を示すグラフである。
【図8】液体炭酸ガスの混入量による質量減少量m/m
o の変化についての発明者らの実験例を示すグラフであ
る。
【符号の説明】
2 加圧手段 4 ノズル 4a 混入機構 5 対象物 7 混入流体供給源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−262597(JP,A) 特開 平4−252763(JP,A) 特開 平2−311300(JP,A) 特開 平3−295236(JP,A) 特開 平6−328398(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高圧に加圧した液体をノズルから
    噴射し噴流となし、該噴流に、上記ノズル出口直後にお
    いて、高圧の気体を混入させて上記ノズル出口直後にお
    ける液体噴流核域の噴流構造を崩壊し、該噴流が有する
    運動量が減衰しない状態で、滴状化を促進させた崩壊流
    となして、これを、対象物である材料に衝突させること
    により、材料の加工、切削あるいは洗浄を行うことを特
    徴とするハイドロジェットによる材料の処理方法。
  2. 【請求項2】 高圧に加圧した液体をノズルから
    噴射し噴流となし、該噴流に、上記ノズル出口直後にお
    いて、該噴流内へ混入後に気化する液化ガスを混入させ
    て上記ノズル出口直後における液体噴流核域の噴流構造
    を崩壊し、該噴流が有する運動量が減衰しない状態で、
    滴状化を促進させた崩壊流となして、これを、対象物で
    ある材料に衝突させることにより、材料の加工、切削あ
    るいは洗浄を行うことを特徴とするハイドロジェットに
    よる材料の処理方法。
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