JP5529945B2 - ギアポンプを使用したショットブラスト装置 - Google Patents

Description

本発明は、ギアポンプとエアーコンプレッサーを使用した大型の被加工物（以下ワークとする。）に対するショットブラスト装置に関する。

ショットブラストは、単にブラストとも呼ばれ、投射材と呼ばれる粒体をワークに衝突させ、バリの除去、錆び取り、表面研削、梨地加工のような模様付け等ワーク表面の研削に用いられている
。また、「ショットピーニング」と言われ、金属表面近くに残留圧縮応力を付与させることにより、バネやギアなどの疲労強度の向上、耐応力腐食割れの向上をさせることにも用いられている。
投射材としては、金属ワイヤーを切断したカットワイヤーやその角を丸めた粒子、鋳鉄や鋳鋼の球形粒子が多く用いられ、再利用が可能なことからステンレス系粒子も使用される。また、砂を投射材に用いるものをサンドブラストといわれる。ここでは、ショットブラストには、サンドブラストも含まれるものとする（以下同じ）。

投射方法としては、先ず、インペラー又はブレードと呼ばれる耐磨耗合金製の羽根車の遠心力により投射材を投射する方法がある（以下、インペラー方式とする。）。比較的広範囲に大量の投射材を投射でき、大物の処理や大量のワークの連続処理に向いている。鋳物などの砂落し、金属熱処理後の酸化膜スケールの除去等に用いられ、ショットブラストといえば、この方法が主流である。次に、圧縮空気により投射材を投射する方法がある（以下圧縮空気方式とする。）。サンドブラストでは、この圧縮空気方法がよく用いられる。インペラー方式に比べ大量の投射材を広範囲に投射することはできないが、細かい粒子を投射材に使用することができ、小型のワークに適している。さらに、水に投射材を混合し、噴射して投射する方法がある（以下水混合方式とする。）。水混合方式では、粉塵の飛散はなく、作業環境に対する心配がない等の利点がある。

本発明者は、タンク、容器類、水処理設備、エレベータ部品等幅広い鉄鋼製品の生産販売をしている会社を経営している。そこでは、溶接機、塗装設備他多くの設備を有し、ショットブラスト装置２台も所有している。そして、構造用鋼材他多くの大型のワーク、例えば５ｍ〜１０ｍの鉄骨構造物についても、ショットブラストを行なっている。ショットブラストでは、投射材の粒度が粗過ぎると、仕上がりにムラが出たり、製品の肌が荒れてしまう。反対に投射材の粒度が細かすぎると、研削能力が低下し、ブラスト時間が長くなり、製品の仕上がりが不十分となる。そのため、１つのワークに対し、１種類の投射材だけでショットブラストが終了できる場合は少なく、表面状態により投射材の材質や粒度を交換してショットブラストしていく必要がある。投射材は比重が重く、ショットブラスト装置のタンク内に1トン以上入っている場合もあり、投射材の交換には時間がかかっている。また、ショットブラスト装置そのものも大型重量物であり工場内の移動にも手間を要している。そこで、本発明者は、小型で移動しやすく、かつ投射材の交換に手間がかからないショットブラスト装置がないか思案していた。

ショットブラスト装置に関する先行技術は数多く存在する。投射機構に関する先行技術としては、インペラーや投射材を損傷させることなく、耐久性の向上を図り、研削性の高い投射材や粒子の細かい比重の軽い投射材でも使用することができるようにするため、インペラーを高耐磨耗ゴムで形成されたものを用いるもの（特許文献１）、鋼板上面に圧縮空気を噴射して鋼板上のショットを吹き落としながら鋼板上面にショットを投射することを特徴とする鋼板のショットブラスト方法（特許文献２）、大型で高価なコンプレッサーを用いることなく、所要の圧力を有する気体で製品の所要個所をショットブラストすることができる方法として、可燃性ガスの燃焼により圧縮空気を加熱膨張させて高温・高圧の気体を得た後、製品の硬度と同等またはこれよりも硬度の高い投射材を高温・高圧の気体と一緒にノズルから噴射し製品に投射して製品を加熱しながらショットブラストする方法（特許文献３）、ワークの投入・排出用の開口部を閉じる蓋体のデッドスペースをなくすとともに、該蓋体の開閉を回転ドラムの公転（回動）と兼用できる新規な構成のショットブラスト装置として、キャビネットと、孔付きの回転ドラムと、遠心投射機とを備えたショットブラスト装置（特許文献４）等が見受けられる。しかし、ショットブラスト装置を小型軽量化しさらに投射材の交換を容易とする先行技術は調査した限りにおいては見当たらなかった。

特開２００７−２１６０１号公報 特開２０１１−７９１２１号公報 特開２００４−２９１１１９号公報 特開２０１１−１９４４８６公報

本発明者は、小型で軽量であり、投射材を交換しやすいショットブラスト装置とするには、これまでのショットブラスト装置の機構の考え方を否定し、新たな機構とする必要があると考えていた。そして、インペラー方式を採用せず、ギアポンプとコンプレッサーによる圧縮空気によりショットブラストができる、ショットブラスト装置を発明するに至った。

本発明の解決しようとする課題は、小型で移動しやすく、かつ投射材の交換に手間がかからないショットブラスト装置である。

すなわち、第１発明は、ギアポンプとギアポンプを回転させるモータ、投射材をワークに投射するための圧縮空気をつくるエアーコンプレッサー、及び投射材を保持するホッパーから構成され、ホッパー内の投射材をギアポンプに通して、エアーコンプレッサーからの圧縮空気に送り、投射材をエアーコンプレッサーからの圧縮空気に混合し、圧縮空気により投射材を被加工物に投射するギアポンプ付きショットブラスト装置である。

ギアポンプとは、各種形状の2枚の歯車をかみ合わせ、歯車が開くときに吸入、閉じるときに吐出するポンプであり、エネルギの変換効率がよく、装置等を小型化するには適していることに注目し、これをショットブラスト装置に採用するものである。ギアポンプは、歯車の回転速度に比例して吐出量を定量的に変えることができ、モータにて駆動される。なお、吐出量の変化には、同じギアポンプでの歯車の回転数による変化と、相異なるギアポンプ間において、大きさ言い換えれば容量による変化があるが、前者を回転による吐出量の変化、後者を容量による吐出量の変化とする。（以下同じ）

ホッパーはギアポンプに連結し、ホッパーに保持されている投射材はギアポンプにより定量的にエアーコンプレッサーからくる圧縮空気に送られる。送られた投射材は、この圧縮空気と混合され、圧縮空気により投射材は被加工物であるワークに衝突し、その表面が研削される。投射材は、ホッパー内で自然な形である安息角をもって保持されている。投射材は、ギアポンプ内を吸入口から突出口に流れるが、投射材をワークに投射するためのエアーコンプレッサーからの圧縮空気は、ギアポンプの突出口から吸入口への反対の圧力をかけることになる。このエアーコンプレッサーからのギアポンプへの反対の圧力を、ギアポンプへの逆圧とする。ギアポンプは、このギアポンプへの逆圧に勝って、投射材をエアーコンプレッサーからの圧縮空気に送る必要がある。

また、ギアポンプとギアポンプを回転させるモータ、投射材をワークに投射するためのエアーコンプレッサー、及び投射材を保持するホッパーから構成されるとあるが、これらは主要設備であり、エアホース、ブラストホース、開閉バルブ、ノズル他各種部品によりギアポンプ付きショットブラスト装置は構成される。

続いて、第２発明は、複数のギアポンプを使用し、その容量による吐出量をホッパー位置から離れるに従い大きくする第１発明のギアポンプ付きショットブラスト装置である。

複数のギアポンプを使用するのは、投射材を安定的にワークに送るためである。また、ギアポンプは歯車が回転しながら投射材を通すため、使用により歯車や歯車が入っている外枠が摩耗され隙間が生ずる。そうすると、ギアポンプへの逆圧により、エアーコンプレッサーからの圧縮空気がギアポンプに流れ込む恐れがあり、これを防ぐためにギアポンプを複数にして、ギアポンプへの逆圧に対処する必要があるためである。
ホッパーとエアーコンプレッサーからの圧縮空気の間に複数のギアポンプが設けられている。各ギアポンプの吐出量の容量をホッパーから離れるに従い段階的に大きくするのは、投射材をホッパーから最初ギアポンプへ、次の容量が大きいギアポンプへ、更に容量が大きい次のギアポンプへと流れやすくするためであり、途中で投射材が詰まることを防ぐためである。尚、重複するが、各ギアポンプの容量による吐出量とは、ギアポンプ毎の吐出量能力であり、回転数による吐出量の変化ではない。

続いて、第３発明は、複数のギアポンプの回転数を同一にする第１発明又は第２発明のいずれかのギアポンプ付きショットブラスト装置である。

複数のギアポンプの回転数を同一にするのは、投射材を定量的に安定して吐出するためである。

続いて、第４発明は、複数のギアポンプにおいて、投射材をワークに投射するためのエアーコンプレッサーからの圧縮空気が、ギアポンプ内に逆流しないように、ギアポンプの吸入口側に圧縮空気を送るようにする第１発明から第３発明のいずれかのギアポンプ付きショットブラスト装置である。

前述のように、ギアポンプは、歯車が回転しながら投射材を通すため、使用により歯車や歯車が入っている外枠が摩耗され隙間が生ずる。その隙間にエアーコンプレッサーからの圧縮空気、すなわちギアポンプへの逆圧により、ギアポンプの突出口から圧縮空気が流れ込み、投射材が停滞してしまい、投射材がギアポンプ内で詰まってしまう恐れがある。そこで、これを避けるため、ギアポンプの吸入口側に、ギアポンプへの逆圧を抑制するための圧縮空気を送るようにしたものである。ギアポンプの「吸入口側」としたのは、ギアポンプの吸入口は投射材が通る配管がされているため、この投射材が通る配管のギアポンプの吸入口近くにギアポンプの逆圧を抑制するための圧縮空気を送る配管を連結するものであり、直接ギアポンプの吸引口に付けるものではないことをいうためである。この圧縮空気は、投射材をワークに投射するための圧縮空気をつくるコンプレッサーからの圧縮空気を分岐して使用することもできるし、別のエアーコンプレッサーから送ることもできる。

続いて、第５発明は、投射材をワークに投射するためのエアーコンプレッサーとギアポンプを連動させ、投射材をワークに投射するためのエアーコンプレッサーが停止したときには、ギアポンプも即時に停止できる第１発明から第４発明のいずれかのギアポンプ付きショットブラスト装置である。

投射材をワークに投射するための圧縮空気をつくるエアーコンプレッサーが停止した場合、投射材がギアポンプ用配管やブラストホースに詰まってしまう恐れがある。こうした投射材の管内での詰まりを補修することはかなりの手間を要する。こうした事態を避けるため、投射材をワークに投射するためのエアーコンプレッサーが停止したときには、ギアポンプも即時に停止できることにするものである。ブラストホースとは、投射材を圧縮空気がワークに送るホースをいう。

続いて、第６発明は、被加工物の表面及び投射材の材質により、投射材の投射量及び投射材をワークに投射する圧縮空気を適合化するため、ギアポンプの歯車を回転させるモータ及びエアーコンプレッサーからの圧縮空気を制御できるようにする第１発明から第５発明のいずれかのギアポンプ付きショットブラスト装置である。

被加工物であるワークは、材質及び表面状態により、選択される投射材が決まり、単位時間当たりの投射材の投射量及び投射材をワークに投射するためのエアーコンプレッサーからの圧縮空気圧が決められる。こうしたデータは経験的に求められる。この経験により求められたデータを再現することにより、ショットブラスト作業時間は短縮され、一定の品質を維持することができる。
ギヤポンプは、渦巻きポンプに比べて、圧力上昇に伴う吐出量の変動が少なく、定量性があり、回転速度を変化させることにより、吐出量をコントロールすることができる。そこで、ギアポンプのモータにインバータや変速機付モータを付属させることにより、投射材の流量制御が可能となる。また、圧縮空気圧の制御は、圧力センサー、レギュレータの使用により可能となる。

第１発明は、ギアポンプを使用することにより、これまでのショットブラスト装置とは構造が異なる、小型で軽量ショットブラスト装置の提供が可能となる。第２発明では、投射材がギアポンプに詰まることなく、安定的に投射材を送ることができ、第３発明も同様に投射材を定量的に安定して送ることができる。第４発明は、エアーコンプレッサーからの圧縮空気がギアポンプ内へ流れ、ギアポンプ内で投射材が詰まることを回避でき、第５発明では、投射材がギアポンプ用配管やブラストホースに詰まることを回避するものである。第６発明は、ブラスト作業時間の短縮と一定の品質を維持するためである。

図１は、ギアポンプの回転と流れ方向の概略図である。 図２は、ギアポンプとこれを回転させるモータの概略図である。 図３は 請求項１のギアポンプ付きショットブラスト装置である。 図４は、複数のギアポンプを使用したギアポンプ付きショットブラスト装置である。 図５は、パソコンによるギアポンプの回転数と圧縮空気の制御の連絡図である。

本発明の代表的な実施例を以下に示す。

図１は、ギアポンプ２の回転と流れ方向の概略図である。左右（上下）の歯車２１が中央部でかみ合い、矢印方向に回転し、流動体（ここでは投射材）は歯車２１の外周と外枠２７の間を移動して、ギアポンプの吸入口２２からギアポンプの吐出口２３に送られる。図２は、ギアポンプ２とこれを回転させるギアポンプ用モータ３の外観図である。ネット上の資料を抜粋した。モータ直結式とＶベルト駆動式を例として挙げているが、駆動方式はこれらに限るものではない。

図３は、請求項１に係るギアポンプ付きショットブラスト装置の概略図である。図示しない投射材が入ったホッパー６がギアポンプ用配管２５を介してギアポンプ２に連結されている。ギアポンプ用モータ３によりギアポンプの歯車２１が回転し、投射材はホッパー６から、エアーコンプレッサー４からのエアホース４１とブラストホース５の接合箇所９（以下、単に接合点９とする。）に送られる。送られてきた投射材は、エアーコンプレッサー４からエアホース４１を介して接合点５３に送られてきた圧縮空気と混合され、ブラストホース５、ノズル５１を通りワーク７に投射される。

図４は、複数のギアポンプを使用したギアポンプ付きショットブラスト装置である。ホッパー６と１台目のギアポンプ２の間には投射材用開閉バルブ２６が設けられている。
ギアポンプ２は、ホッパー６から相対的に容量の低い順に、直列で３台ギアポンプ用配管２５にて連結されている。エアホース４１には、開閉バルブ（開閉スイッチ）８が設けられている。ホッパー６から数えて、１台目と２台目を結ぶギアポンプ用配管２５の中間、及び２台目と３台目を結ぶギアポンプ用配管２５の中間にエアーコンプレッサー４からのエアホース４１が連結され、ギアポンプ用配管２５内に圧縮空気を送れることができるようになっている。３台のギアポンプ２は、１つのギアポンプ用モータ３でその歯車は回転させ、回転数を同一にしている。

図５は、パソコンによるギアポンプの回転数と圧縮空気の制御の連絡図である。ギアポンプ用モータ３は、インバータや変速機付モータとして、ギアポンプの回転を制御し、開閉バルブ（開閉スイッチ）８に替えて、圧力センサーとレギュレータを使用し圧縮空気圧を制御するものであり、パソコンからの信号により行われる。この制御によりギアポンプへの逆圧も回避できることになる。

投射材の送りにギアポンプを使用するという新規な機構でのショットブラスト装置であり小型・軽量化でき、さらに投射材の交換も容易にできることから、需要が期待される。

１ ギアポンプ付きショットブラスト装置
２ ギアポンプ ２１ ギアポンプの歯車 ２２ ギアポンプの吸入口 ２３ ギアポンプの吐出口 ２４ 投射材の流れ ２５ ギアポンプ用配管
２６ 投射材用開閉バルブ ２７ ギアポンプ外枠
３ ギアポンプ用モータ ３２ ギアポンプ用Ｖベルト
４ エアーコンプレッサー ４１ エアホース ４２ 圧縮空気の流れ
５ ブラストホース ５１ ノズル ５２ 投射材と圧縮空気の混合体の流れ
５３ エアホースとブラストホースの接合箇所（接合点）
６ ホッパー
７ ワーク
８ 開閉バルブ（開閉スイッチ）
９ パソコン

Claims (5)

1. ギアポンプとギアポンプを回転させるモータ、投射材をワークに投射するための圧縮空気をつくるエアーコンプレッサー、及び投射材を保持するホッパーから構成され、ホッパー内の投射材をギアポンプに通して、エアーコンプレッサーからの圧縮空気に送り、投射材をエアーコンプレッサーからの圧縮空気に混合し、圧縮空気により投射材を被加工物に投射するギアポンプ付きショットブラスト装置において、複数のギアポンプを使用し、その容量による吐出量をホッパー位置から離れるに従い、大きくするギアポンプ付きショットブラスト装置。
2. 複数のギアポンプの回転数を同一にする請求項１のギアポンプ付きショットブラスト装置。
3. 複数のギアポンプにおいて、投射材をワークに投射するためのエアーコンプレッサーからの圧縮空気が、ギアポンプ内に逆流しないように、ギアポンプの吸入口側に圧縮空気を送るようにする請求項１又は請求項２のいずれかのギアポンプ付きショットブラスト装置。
4. 投射材をワークに投射するためのエアーコンプレッサーとギアポンプを連動させ、投射材をワークに投射するためのエアーコンプレッサーが停止したときには、ギアポンプも即時に停止できる請求項１から請求項３のいずれかのギアポンプ付きショットブラスト装置。
5. 被加工物の表面及び投射材の材質により、投射材の投射量及び投射材をワークに投射する圧縮空気を適合化するため、ギアポンプの歯車を回転させるモータ及びエアーコンプレッサーからの圧縮空気を制御できるようにする請求項１から請求項４のいずれかのギアポンプ付きショットブラスト装置。