JP5996348B2 - Cavitation nozzle - Google Patents

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Description

本発明は、高圧液体を液中で噴射してキャビテーション噴射流を発生させるノズルに関するものである。   The present invention relates to a nozzle that generates a cavitation jet by jetting a high-pressure liquid in the liquid.

従来、高加圧された液体を細径のオリフィスから噴射させることにより、高圧液体を高速の液体流に変換して、該高速液体流のエネルギーを加工に利用することで、対象物の洗浄、剥離、掘削などを効果的に行っていた。高圧液体のエネルギーを加工エネルギーに変換させる方式としては、主に気中において加工を行う方式と、液中において加工を行う方式がある。   Conventionally, by jetting a highly pressurized liquid from a small-diameter orifice, the high-pressure liquid is converted into a high-speed liquid flow, and the energy of the high-speed liquid flow is used for processing, thereby cleaning an object. Exfoliation and excavation were performed effectively. As a method of converting the energy of the high-pressure liquid into processing energy, there are a method of processing mainly in the air and a method of processing in the liquid.

液中加工方式としては、例えば、図3に示すようなオリフィス部12の下流端開口からテーパー状に拡径している円錐型の内部形状を有する噴射孔13を有する所謂ホーン型ノズル11を用いるもの(特許文献1参照)や、オリフィス部に続く噴射孔の導入部でその断面積を急拡大させると共に、入口部分に続く噴射孔開口端までの内部形状を円筒形としたノズルを用いるもの(特許文献2参照)などがある。   As the submerged processing method, for example, a so-called horn type nozzle 11 having an injection hole 13 having a conical internal shape whose diameter is increased in a tapered shape from the downstream end opening of the orifice portion 12 as shown in FIG. 3 is used. (See Patent Document 1), or a nozzle having a cylindrical shape in which the cross-sectional area is rapidly enlarged at the injection hole introduction part that follows the orifice part and the injection hole opening end that follows the inlet part (see FIG. Patent Document 2).

以上のような液中方式では、いずれも噴流のキャビテーションによる衝撃波を加工エネルギーとして利用している。キャビテーションは、液体流れの中での圧力差により短時間に微小気泡の発生と消滅とが起きる物理現象であり、対象物への衝突時の気泡消滅によって生じる衝撃が部材を壊食させるものである。このようなキャビテーション効果を加工に用いる場合、噴流体と周囲液体との混合領域における速度及び圧力の変動によって気泡が発生、成長することから、ホーン型ノズルでは、そのテーパー角度と距離設定によって、流体周囲の気泡を多く発生する速度勾配の大きい高剪断層に向かって適宜周囲液を流れ込ませるものである。   In any of the above-described submerged systems, shock waves caused by jet cavitation are used as machining energy. Cavitation is a physical phenomenon in which microbubbles are generated and disappeared in a short time due to a pressure difference in the liquid flow, and the impact caused by the disappearance of the bubbles when colliding with an object erodes the member. . When such a cavitation effect is used for processing, bubbles are generated and grow due to fluctuations in speed and pressure in the mixing region of the jet fluid and the surrounding liquid. The surrounding liquid is appropriately introduced toward the high shear layer having a large velocity gradient that generates many surrounding bubbles.

特開昭60−168554号公報JP-A-60-168554 特許第3277214号公報Japanese Patent No. 3277214

しかしながら、いずれの従来ノズルにおいても、噴射流がノズルの噴射孔内壁面に衝突することによってノズル部材にもキャビテーション効果による壊食で損傷が生じてしまうと同時に気泡の発生、成長も抑制されてしまうという問題があった。これにより、キャビテーション効果が低減して効率的に加工エネルギーが得られないだけでなく、ノズル自体の短寿命化が誘引され、結果としてノズル全体の頻繁な交換が必要になり、煩雑な手間とコスト高を伴うことになっていた。   However, in any of the conventional nozzles, when the jet flow collides with the inner wall surface of the nozzle hole, the nozzle member is also damaged by the erosion due to the cavitation effect, and the generation and growth of bubbles are also suppressed. There was a problem. As a result, the cavitation effect is reduced and processing energy cannot be obtained efficiently, and the life of the nozzle itself is shortened. As a result, frequent replacement of the entire nozzle is required, resulting in complicated labor and cost. Was supposed to accompany high.

そこで、ノズル自体を耐食性の合金で製作することも可能であるが、材料が高価であるため、やはりコストの上昇は避けられず、また材料の難加工性のために製作自体が困難であるといった課題もある。   Therefore, it is possible to manufacture the nozzle itself with a corrosion-resistant alloy, but since the material is expensive, an increase in cost is unavoidable, and the manufacturing itself is difficult due to the difficult workability of the material. There are also challenges.

また、掘削ほどの加工エネルギーを必要としないジェット洗浄においても、より効率的で確実な洗浄効果を確保するためには、ある程度強力なキャビテーション噴流の形成を安定的に維持する必要がある。しかし、ノズルまでの洗浄液供給流路途中には、配管のレイアウトによって流れ方向を変更するためのエルボ配管や、段差を得るための継ぎ手などの様々な配管要素が付属されることが多く、このような配管要素によりノズルへの液体導入前に乱流などの二次的流れが発生してキャビテーションが減衰するなど安定してキャビテーション効果が得られない場合もあった。   Even in jet cleaning that does not require processing energy as much as excavation, it is necessary to stably maintain the formation of a strong cavitation jet to some extent in order to ensure a more efficient and reliable cleaning effect. However, in the middle of the cleaning liquid supply channel to the nozzle, various piping elements such as elbow piping for changing the flow direction depending on the piping layout and joints for obtaining a step are often attached. In some cases, a secondary flow such as turbulent flow is generated before the liquid is introduced into the nozzle due to various piping elements, and the cavitation effect is attenuated.

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、キャビテーションを起こすための気泡の発生、成長をノズル内部で抑制することなく、効率的に加工エネルギーに変換できる強力なキャビテーションをより安定的に形成できると共に、従来より長寿命のキャビテーションノズルを提供することにある。   In view of the above problems, the object of the present invention is to stably form powerful cavitation that can be efficiently converted into processing energy without suppressing generation and growth of bubbles for causing cavitation inside the nozzle. An object of the present invention is to provide a cavitation nozzle having a longer life than conventional ones.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明に係るキャビテーションノズルは、高圧液体供給手段から供給される高圧液体が上流側の相対的に径の大きい流路から流入される円筒形状のオリフィス部と、前記オリフィス部の下流に連通され、前記オリフィス部を通過してその下流端から噴出される高速流体に気泡を発生、成長させてキャビテーション噴射流として第2の液中に噴射する噴射孔と、を備えたキャビテーションノズルにおいて、
前記噴射孔は、前記オリフィス部の下流端開口から外周方向にオリフィス中心軸と直交する平面上に円環状に延設された平坦部と、該平坦部の周縁から下流側に向かってテーパー状に60°〜120°のテーパー角度で拡径するホーン部と、該ホーン部の下流側周縁から噴射孔開口端側に亘ってオリフィス中心軸と同軸の円筒状に連設された平行部と、を備えているものである。
In order to achieve the above object, a cavitation nozzle according to the first aspect of the present invention is a cylindrical orifice into which high-pressure liquid supplied from a high-pressure liquid supply means flows from a flow path having a relatively large diameter on the upstream side. and parts, communicates with the downstream of the orifice, generating bubbles fast fluid ejected from the downstream end thereof through said orifice portion, the injection holes by growing injected into the second liquid as a cavitation jet In a cavitation nozzle equipped with
The injection hole has a flat part extending in an annular shape on a plane orthogonal to the orifice central axis in the outer circumferential direction from the downstream end opening of the orifice part, and is tapered from the periphery of the flat part toward the downstream side. A horn portion that expands at a taper angle of 60 ° to 120 ° , and a parallel portion that is connected in a cylindrical shape coaxial with the orifice central axis from the downstream peripheral edge of the horn portion to the injection hole opening end side, It is what it has.

請求項2に記載の発明の係るキャビテーションノズルは、請求項1に記載のキャビテーションノズルにおいて、前記平坦部は、前記オリフィス部の内径の2〜5倍の内径を有するものである。   A cavitation nozzle according to a second aspect of the present invention is the cavitation nozzle according to the first aspect, wherein the flat portion has an inner diameter 2 to 5 times the inner diameter of the orifice portion.

請求項3に記載の発明に係るキャビテーションノズルは、請求項1又は2に記載のキャビテーションノズルにおいて、前記平行部は、前記オリフィス部の内径が1〜4mmのとき、15〜30mmの内径を有するものである。   A cavitation nozzle according to a third aspect of the present invention is the cavitation nozzle according to the first or second aspect, wherein the parallel portion has an inner diameter of 15 to 30 mm when the inner diameter of the orifice portion is 1 to 4 mm. It is.

請求項4に記載の発明に係るキャビテーションノズルは、請求項1に記載のキャビテーションノズルにおいて、前記平行部の下流側周縁から噴射孔開口端に亘ってテーパー状に拡径する第2のホーン部を更に備えたものである。   A cavitation nozzle according to a fourth aspect of the present invention is the cavitation nozzle according to the first aspect, wherein the second horn portion that expands in a taper shape from the downstream peripheral edge of the parallel portion to the injection hole opening end is provided. In addition.

本発明は、オリフィス部の下流に連通された噴射孔が、オリフィス部の下流端開口から外周方向にオリフィス中心軸と直交する平面上に円環状に延設された平坦部と、該平坦部の周縁から下流側に向かってテーパー状に拡径するホーン部と、該ホーン部の下流側周縁から噴射孔開口端側に亘ってオリフィス中心軸と同軸の円筒状に連設された平行部と、を備えたキャビテーションノズルであるため、オリフィス部から噴出された高速流体が噴射孔の導入部に衝突してその衝撃で部材が損傷することも、続くホーン部での気泡の発生、成長が抑制されることも無く、加えて平行部による周囲液体のホーン部への導入効果と整流効果でより強力なキャビテーション噴流を形成できるため、従来より効率的に加工エネルギーとして変換される強力なキャビテーション効果を得ることができる。
従って、本発明のキャビテーションノズルによれば、従来よりも部材損傷が大幅に低減されるため、高価な部材を用いることなく部材の長寿命化を図ることができると共に、頻繁な部材交換に必要であった手間やコストを低減することができるという効果もある。
The present invention provides a flat portion in which an injection hole communicated downstream of the orifice portion extends in an annular shape on a plane perpendicular to the central axis of the orifice in the outer circumferential direction from the downstream end opening of the orifice portion, A horn portion that expands in a tapered shape from the periphery toward the downstream side, and a parallel portion that is connected in a cylindrical shape coaxial with the orifice central axis from the downstream periphery of the horn portion to the injection hole opening end side, Since the cavitation nozzle is equipped with a high-speed fluid ejected from the orifice part and collides with the introduction part of the injection hole, the impact may damage the member, and the generation and growth of bubbles in the subsequent horn part are suppressed. In addition, a powerful cavitation jet can be formed by introducing and rectifying the surrounding liquid into the horn part due to the parallel part. It is possible to obtain the Yabiteshon effect.
Therefore, according to the cavitation nozzle of the present invention, the damage to the member is greatly reduced as compared with the conventional case. Therefore, it is possible to extend the life of the member without using an expensive member, and it is necessary for frequent member replacement. There is also an effect of reducing the labor and cost.

本発明の実施例における実験で用いられるキャビテーションノズルの構成を示す概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the cavitation nozzle used in the experiment in the Example of this invention. 本発明の実施例1における従来型ホーンノズルを対照とした部材に対する壊食実験の結果を示す線グラフ(横軸:噴射時間(時間)、縦軸:壊食部最大深さ(mm))である。In the line graph which shows the result of the erosion experiment with respect to the member which contrasted the conventional horn nozzle in Example 1 of this invention (horizontal axis: injection time (hour), vertical axis: erosion part maximum depth (mm)). is there. 従来のホーンノズルの構成を示す概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the conventional horn nozzle. 本発明の実施例における加工実験を行った実験装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the experimental apparatus which performed the processing experiment in the Example of this invention. 本発明の実施例2における平行部の有無によるキャビテーション効果への影響を示す棒グラフ(縦軸:壊食量(g))である。It is a bar graph (vertical axis | shaft: erosion amount (g)) which shows the influence on the cavitation effect by the presence or absence of a parallel part in Example 2 of this invention. 本発明の実施例3における平行部内径によるキャビテーション効果への影響を示す線グラフ(横軸:平行部内径(mm)、縦軸:ピーク壊食量(g))である。It is a line graph (horizontal axis: parallel part internal diameter (mm), vertical axis: peak erosion amount (g)) which shows the influence on the cavitation effect by the parallel part internal diameter in Example 3 of this invention. 本発明の実施例4におけるホーン部のテーパー角度によるキャビテーション効果への影響を示す線グラフ(横軸:角度α(°)、縦軸:ピーク壊食量(g))である。It is a line graph (horizontal axis: angle (alpha) (degree), vertical axis: peak erosion amount (g)) which shows the influence on the cavitation effect by the taper angle of the horn part in Example 4 of this invention. 本発明の実施例5における平坦部の有無によるキャビテーション効果への影響を示す棒グラフ(縦軸:壊食量(g))である。It is a bar graph (vertical axis: erosion amount (g)) which shows the influence on the cavitation effect by the presence or absence of the flat part in Example 5 of this invention. 本発明の実施例6における従来型ホーンノズルを対照とした噴射圧領域に対するキャビテーション効果の変化を示す線グラフ(横軸:噴射圧(MPa)、縦軸:ピーク壊食量(g))である。It is a line graph (horizontal axis: injection pressure (MPa), vertical axis: peak erosion amount (g)) which shows the change of the cavitation effect with respect to the injection pressure area | region which contrasted the conventional horn nozzle in Example 6 of this invention. 本発明の別の実施例としての第2のホーン部を備えたキャビテーションノズルの構成を示す概略縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the cavitation nozzle provided with the 2nd horn part as another Example of this invention.

本発明のキャビテーションノズルにおいては、オリフィス部の下流に連通された噴射孔が、オリフィス部の下流端開口から外周方向にオリフィス中心軸と直交する平面上に円環状に延設された平坦部と、該平坦部の周縁から下流側に向かってテーパー状に拡径するホーン部と、該ホーン部の下流側周縁から噴射孔開口端側に亘ってオリフィス中心軸と同軸の円筒状に連設された平行部と、を備えたものであるため、オリフィス部から噴出された高速流体に噴射孔内でキャビテーションに寄与する気泡が発生、成長されて噴射孔開口端からキャビテーション噴射流として噴射される際に、この噴射孔内部形状によって、従来より強力なキャビテーション効果が発揮される噴射流が得られる。   In the cavitation nozzle of the present invention, the injection hole communicated downstream of the orifice portion, a flat portion extending annularly on a plane perpendicular to the orifice central axis in the outer peripheral direction from the downstream end opening of the orifice portion, A horn portion whose diameter increases in a taper shape from the peripheral edge of the flat portion toward the downstream side, and a cylindrical shape coaxial with the orifice central axis from the downstream peripheral edge of the horn portion to the injection hole opening end side. When the bubbles contributing to cavitation are generated and grown in the high-speed fluid ejected from the orifice portion and are grown and ejected from the opening end of the ejection hole as a cavitation jet flow. Thus, an injection flow that exhibits a stronger cavitation effect than before can be obtained by the internal shape of the injection hole.

即ち、まずオリフィス部の下流端に前記平坦部が設けられたことによって、高速流体は開けた周辺領域に噴出することになり、噴射孔導入部の内壁面が高速流体噴出直後の衝撃に曝されることなく、部材損傷が回避される。そして、その下流のホーン部は、前記平坦部の周縁から始まり、その上流側開口は従来より大口径であるため、ホーン部のテーパー角度と距離設定によって噴流体周囲の気泡を多く発生する速度勾配の大きい高剪断層に向けての周囲液の流れ込みが好適に行われ、噴射孔内壁面によって抑制されることなくキャビテーションに寄与する気泡の良好な成長が成される。加えて、良好な気泡の発生、成長がなされた噴射流は、更に下流側の円筒状平行部による気泡群をまとめて噴射させるような整流効果だけでなく周囲液をホーン部へ効果的に流れ込ませる導液効果を得てより強力なキャビテーション噴射流として噴射孔開口端から液中に噴射される。   That is, since the flat portion is first provided at the downstream end of the orifice portion, the high-speed fluid is ejected to the opened peripheral region, and the inner wall surface of the injection hole introducing portion is exposed to the impact immediately after the high-speed fluid ejection. Without damage, member damage is avoided. And since the downstream horn part starts from the periphery of the flat part and the upstream opening has a larger diameter than before, the velocity gradient that generates many bubbles around the jet fluid by setting the taper angle and distance of the horn part The surrounding liquid flows in toward the high shear layer having a large diameter, and the bubbles that contribute to cavitation are favorably grown without being suppressed by the inner wall surface of the injection hole. In addition, the jet flow in which good bubbles are generated and grown not only has a rectifying effect that causes a group of bubbles in the cylindrical parallel part on the downstream side to be jetted together, but also effectively flows the surrounding liquid into the horn part. The liquid is introduced into the liquid from the opening end of the injection hole as a stronger cavitation jet flow.

以上のような構成の噴射孔を備えた本発明のキャビテーションノズルにおいては、噴射孔内壁面への噴射流衝突による部材損傷もキャビテーションに寄与する気泡の発生、成長の抑制も回避され、従来より加工エネルギーに変換できる強力なキャビテーション効果を効率的に得られるキャビテーション噴射流を形成できると共に、部材の長寿命化も実現でき、部材交換に必要であった手間やコストを低減することもできる。   In the cavitation nozzle of the present invention having the injection hole configured as described above, the damage to the member due to the collision of the jet flow against the inner wall surface of the injection hole and the suppression of the generation and growth of bubbles contributing to cavitation are avoided. It is possible to form a cavitation jet that can efficiently obtain a powerful cavitation effect that can be converted into energy, to realize a long life of the member, and to reduce labor and cost required for member replacement.

またノズル上流の配管中にエルボ配管などの乱流が生じるような配管要素が配置されている場合においては、該配管要素で発生する二次的流れによってキャビテーションが減衰するとしても、本発明のキャビテーションノズルにおいては、オリフィス部出口領域の壊食によるキャビテーション減衰が前記平坦部によって回避される分、総合的には従来よりも強力なキャビテーション効果を有する噴射流が安定的に形成される。   Further, in the case where a piping element such as an elbow pipe is generated in the pipe upstream of the nozzle, even if the cavitation is attenuated by the secondary flow generated in the pipe element, the cavitation of the present invention In the nozzle, since the cavitation attenuation due to erosion in the exit area of the orifice is avoided by the flat portion, a jet flow having a stronger cavitation effect than the conventional one is stably formed.

本発明における噴射孔の好適な設計としては、前記平坦部は、オリフィス部の内径の2〜5倍の内径とするのが好適である。例えば、オリフィス部の内径が1〜4mmであるとき、平坦部の内径は2〜20mmとする。このオリフィス部に対する平坦部の内径の比率がこの条件より小さいと、噴射孔の導入部においてオリフィス部から高速流体が噴出された際の衝撃を良好に回避できずに部材の壊食を招く恐れがあり、前記条件より大きすぎると、前記衝撃波回避できるが、続くホーン部の導入部開口が大きすぎて良好な気泡の成長を促す高剪断層が形成し難くなると共に、必要以上にノズルが大型化して実用的でなくなる恐れもある。   As a preferred design of the injection hole in the present invention, the flat portion preferably has an inner diameter 2 to 5 times the inner diameter of the orifice portion. For example, when the inner diameter of the orifice portion is 1 to 4 mm, the inner diameter of the flat portion is 2 to 20 mm. If the ratio of the inner diameter of the flat part to the orifice part is smaller than this condition, the impact when the high-speed fluid is ejected from the orifice part at the introduction part of the injection hole cannot be satisfactorily avoided and the member may be eroded. Yes, if it is larger than the above condition, the shock wave can be avoided, but the introduction opening of the subsequent horn part is too large to form a high shear layer that promotes good bubble growth, and the nozzle becomes larger than necessary. May become impractical.

また、ホーン部に続く平行部は、後述の実施例で示すように、ある程度以上の噴射圧条件において、その内径が大きいほど噴射流による加工能力としてのキャビテーション効果も増大する。よって、任意の噴射圧において、平行部の内径を適宜設定することによって所望の加工能力に応じたキャビテーション効果を選択的に調整することができる。但し、このような調整が可能となる好適な平行部内径の範囲は、オリフィス部内径が1〜4mmのとき、15〜30mmである。   Further, as shown in the examples described later, the parallel portion following the horn portion increases the cavitation effect as the processing capability by the jet flow as the inner diameter increases under a certain level of injection pressure condition. Therefore, the cavitation effect corresponding to the desired processing capability can be selectively adjusted by appropriately setting the inner diameter of the parallel portion at an arbitrary injection pressure. However, the preferable range of the inner diameter of the parallel part that enables such adjustment is 15 to 30 mm when the inner diameter of the orifice part is 1 to 4 mm.

なお、本発明のキャビテーションノズルの噴射孔においては、前記平行部の下流にさらに第2のホーン部を設けても良い。この第2のホーン部によって、平行部からの噴射流に更なる気泡の発生、成長が生じ、より強いキャビテーション噴射流を得ることができる。この第2ホーン部を備えた構成は、例えば20MPa付近という比較的に低い噴射圧での噴射を行うノズルにおいて特に有効である。   In the injection hole of the cavitation nozzle of the present invention, a second horn part may be further provided downstream of the parallel part. Due to this second horn portion, further bubble generation and growth occur in the jet flow from the parallel portion, and a stronger cavitation jet flow can be obtained. The configuration including the second horn portion is particularly effective in a nozzle that performs injection at a relatively low injection pressure, for example, near 20 MPa.

本発明の第1の実施例として、図1に示すキャビテーションノズル1を用いた連続噴射による壊食実験を図3に示す従来のホーンノズル11を対照として行った結果を以下に示す。本実施例におけるキャビテーションノズル1は、内径1.5mmの円筒状オリフィス部2と、オリフィス部2の下流に連通する噴射孔3を備えたものであり、噴射孔3は、オリフィス部3の下流端開口から外周方向にオリフィス中心軸と直交する平面上に円環状に延設された平坦部5と、この平坦部5の周縁から下流側に向かってテーパー状に拡径するホーン部6と、該ホーン部6の下流側周縁から噴射孔開口端4側に亘ってオリフィス中心軸と同軸の円筒状に連設された平行部7と、を備えたものである。本実施例では、平坦部5の内径D1を8mmとし、平行部7については内径D2を28mm、オリフィス部中心軸方向に沿った距離Lを8mmとした。   As a first embodiment of the present invention, the results of an erosion experiment by continuous injection using the cavitation nozzle 1 shown in FIG. 1 using the conventional horn nozzle 11 shown in FIG. 3 as a control are shown below. The cavitation nozzle 1 in this embodiment includes a cylindrical orifice portion 2 having an inner diameter of 1.5 mm and an injection hole 3 communicating with the downstream of the orifice portion 2. The injection hole 3 is a downstream end of the orifice portion 3. A flat portion 5 extending annularly on a plane perpendicular to the central axis of the orifice in the outer peripheral direction from the opening, a horn portion 6 that expands in a tapered shape from the periphery of the flat portion 5 toward the downstream side, And a parallel portion 7 connected in a cylindrical shape coaxial with the central axis of the orifice from the downstream peripheral edge of the horn portion 6 to the injection hole opening end 4 side. In this embodiment, the inner diameter D1 of the flat portion 5 is 8 mm, the inner diameter D2 of the parallel portion 7 is 28 mm, and the distance L along the central axis direction of the orifice portion is 8 mm.

対照とするホーンノズル11の噴射孔13は、円筒状のオリフィス部12の下流端開口から噴射孔開口端14に亘ってテーパー状に拡径する略円錐形状のホーン部16からなるものであり、オリフィス部12は、内径1.5mmで本実施例におけるキャビテーションノズル1のオリフィス部2と同一の寸法を有するものである。   The injection hole 13 of the horn nozzle 11 as a control is composed of a substantially conical horn part 16 that expands in a taper shape from the downstream end opening of the cylindrical orifice part 12 to the injection hole opening end 14. The orifice portion 12 has an inner diameter of 1.5 mm and has the same dimensions as the orifice portion 2 of the cavitation nozzle 1 in this embodiment.

壊食実験は、各ノズルを用いてそれぞれ噴射圧48MPaで水を連続噴射し、壊食部最大深さの経時的変化を測定した。測定方法は、従来最も壊食の進行しやすいオリフィス部の出口領域を測定対象とし、レーザー変位径によって、レーザーを壊食部に横切らせてトラバースさせることにより壊食部断面形状を測定し、その形状の最大深さを求めた。   In the erosion experiment, water was continuously sprayed using each nozzle at an injection pressure of 48 MPa, and the change with time of the maximum depth of the erosion portion was measured. The measurement method is to measure the cross-sectional shape of the erosion part by traversing the laser by traversing the erosion part by the laser displacement diameter, and measuring the exit area of the orifice part where erosion is most likely to proceed. The maximum depth of the shape was determined.

測定結果は図2の線グラフ(横軸:噴射時間(時間)、縦軸:壊食部最大深さ(mm))に示した。具体的には、本実施例のキャビテーションノズル1においては、平坦部5(図2中において白四角:□)とホーン部6の入口付近(図2中において白三角:△)、対照のホーンノズル11においてはホーン部16の入口付近(図2中において白丸:○)を測定した。   The measurement results are shown in the line graph of FIG. 2 (horizontal axis: injection time (hour), vertical axis: maximum depth of erosion (mm)). Specifically, in the cavitation nozzle 1 of the present embodiment, the flat portion 5 (white square: □ in FIG. 2) and the vicinity of the entrance of the horn portion 6 (white triangle: Δ in FIG. 2), the control horn nozzle 11, the vicinity of the entrance of the horn part 16 (white circle in FIG. 2: ◯) was measured.

図2の結果から、従来のホーンノズル11では、連続噴射約5時間後から壊食部の深さが急激に増大していったのに対し、本実施例のキャビテーションノズル1では、平坦部5とホーン部6の入口付近ともに壊食部の進行が極めて緩やかであったことが判る。また、対象部分を観察してみると、連続噴射8時間後(図2中A時点)のホーンノズル11のホーン部16の入口付近には、局所的な壊食部が生じており、そこを起点に壊食部が拡大進行していたが、連続噴射11時間後(図2中B時点)の本キャビテーションノズル1では何れの場合も壊食領域は緩やかなものが一様に生じていた。   From the result of FIG. 2, in the conventional horn nozzle 11, the depth of the erosion portion suddenly increased after about 5 hours of continuous injection, whereas in the cavitation nozzle 1 of this embodiment, the flat portion 5 It can be seen that the progress of the erosion part was very slow in the vicinity of the entrance of the horn part 6. Further, when observing the target portion, a local erosion portion is generated near the entrance of the horn portion 16 of the horn nozzle 11 after 8 hours of continuous injection (time A in FIG. 2). Although the erosion part was expanding at the starting point, the erosion area was uniform in the cavitation nozzle 1 after 11 hours of continuous injection (time B in FIG. 2) in all cases.

以上の結果から、本実施例のキャビテーションノズル1においては、噴射孔3の入口に平坦部5を設けたことによって、従来のホーンノズルで問題となっていたオリフィス部から高圧液体が噴出された際の衝撃による部材の損傷が大幅に低減されており、部材の長寿命化が実現可能であることが判った。   From the above results, in the cavitation nozzle 1 of the present embodiment, when the flat portion 5 is provided at the inlet of the injection hole 3, the high pressure liquid is ejected from the orifice portion which has been a problem with the conventional horn nozzle. It has been found that the damage of the member due to the impact of this is greatly reduced, and that it is possible to extend the life of the member.

本発明の第2の実施例として、キャビテーションノズルの噴射孔の開口端側に平行部を設けることの有効性を、該平行部を持たないキャビテーションノズルを対照として水中噴射による対象物加工実験にて検討した結果を以下に示す。本実施例で用いたのは図1に示すキャビテーションノズル1であり、平行部7の内径D2が28mmで距離Lを8mmとしたものである。対照のノズルは、この平行部7を備えていないだけでオリフィス部からホーン部まで同じ寸法構成のノズルである。   As a second embodiment of the present invention, the effectiveness of providing a parallel portion on the opening end side of the injection hole of the cavitation nozzle is shown in an object processing experiment by underwater injection with a cavitation nozzle having no parallel portion as a control. The examination results are shown below. The cavitation nozzle 1 shown in FIG. 1 was used in this example, and the parallel portion 7 has an inner diameter D2 of 28 mm and a distance L of 8 mm. The control nozzle is a nozzle having the same dimensional configuration from the orifice part to the horn part only without the parallel part 7.

加工実験は、図4に概略構成を示した実験装置において行った。即ち、実験水槽20内に垂直に立てて固定した対象物、ここではアルミ板(A1050板)のワークWに対して、供給水タンク30からプランジャーポンプPを介して加圧供給される高圧水を噴射ノズルNからほぼ水平方向に水中噴射するものである。噴射ノズルNとして前記キャビテーションノズル1および対照ノズルを用いて噴射圧36MPaで30分間の連続噴射を行った。そしてその間のワーク欠損量を壊食量として噴射前後の質量変化から測定し、結果を図5の棒グラフ(縦軸:壊食量(g))に示した。壊食量が大きいノズルほど加工能力としてのキャビテーション効果が高いものとして評価できる。   The processing experiment was conducted in an experimental apparatus whose schematic configuration is shown in FIG. That is, high-pressure water that is pressurized and supplied from a supply water tank 30 via a plunger pump P to an object, which is vertically fixed in the experimental water tank 20, in this case, a work W made of an aluminum plate (A1050 plate). Is jetted underwater from the jet nozzle N in a substantially horizontal direction. Using the cavitation nozzle 1 and the control nozzle as the injection nozzle N, continuous injection was performed for 30 minutes at an injection pressure of 36 MPa. And the workpiece | work defect | deletion amount in the meantime was measured from the mass change before and behind injection as the amount of erosion, and the result was shown in the bar graph (vertical axis: amount of erosion (g)) of FIG. A nozzle with a larger amount of erosion can be evaluated as having a higher cavitation effect as processing capability.

図5の結果から、平行部7を備えたキャビテーションノズル1による壊食量は、平行部を持たないノズルの場合の約2倍であった。この結果から、平行部7を経てキャビテーション噴流が噴射されるノズルでは、平行部を持たないノズルに比較して、ホーン部6における気泡の発生、成長がより促進されると共に、その気泡が効率的にまとめて噴射され、より強力なキャビテーション噴射流として噴射されることが判った。   From the result of FIG. 5, the amount of erosion by the cavitation nozzle 1 having the parallel portion 7 was about twice that of the nozzle having no parallel portion. From this result, in the nozzle in which the cavitation jet is injected through the parallel portion 7, the generation and growth of bubbles in the horn portion 6 are further promoted and the bubbles are more efficient than the nozzle having no parallel portion. It was found that they were jetted together as a stronger cavitation jet.

次に、本発明の第3の実施例として、図1のキャビテーションノズル1における平行部7について、その内径D2のキャビテーション効果への影響を検討した結果を以下に示す。本実施例では、オリフィス部2と平坦部5の内径および平行部7、噴射孔3の距離を実施例1のノズル寸法と同じまま、平行部7の内径D2を7mmから28mmにわたって変更した各キャビテーションノズル1を用いて、上述の実施例2と同様の加工実験を行い、各ノズルにおけるワークWのピーク壊食量を測定した。その結果は図6の線グラフ(横軸:平行部内径(mm)、縦軸:ピーク壊食量(g))に示す。   Next, as a third embodiment of the present invention, the results of examining the influence of the inner diameter D2 on the cavitation effect of the parallel portion 7 in the cavitation nozzle 1 of FIG. 1 are shown below. In the present embodiment, the cavitations in which the inner diameter D2 of the parallel portion 7 is changed from 7 mm to 28 mm while the inner diameter of the orifice portion 2 and the flat portion 5 and the distance between the parallel portion 7 and the injection hole 3 are the same as the nozzle dimensions of the first embodiment. Using the nozzle 1, the same processing experiment as in Example 2 was performed, and the peak erosion amount of the workpiece W at each nozzle was measured. The results are shown in the line graph of FIG. 6 (horizontal axis: parallel part inner diameter (mm), vertical axis: peak erosion amount (g)).

本実施例では、異なる平行部内径の各ノズルにおいて噴射圧8MPa、20MPa、28MPaの3条件における噴射を行い、求めたピーク壊食量からそれぞれの加工能力としてのキャビテーション効果を評価した。ピーク壊食量は、ノズル先端とワークW表面との距離(スタンドオフ距離)に対する壊食量としての質量欠損量の分布をプロットして得られるピーク値である。なお、平行部7の内径の変更に伴ってホーン部6のテーパー角度も変更されることになるが、本実施例では、平行部内径を基準としてノズルを評価した。   In this example, injection was performed under three conditions of injection pressures of 8 MPa, 20 MPa, and 28 MPa with each nozzle having different inner diameters of parallel portions, and the cavitation effect as each processing ability was evaluated from the obtained peak erosion amount. The peak erosion amount is a peak value obtained by plotting the distribution of the mass defect amount as the erosion amount with respect to the distance between the nozzle tip and the surface of the workpiece W (standoff distance). In addition, although the taper angle of the horn part 6 will also be changed with the change of the internal diameter of the parallel part 7, in this Example, the nozzle was evaluated on the basis of the parallel part internal diameter.

図6の結果から、ある程度の噴射圧以上、本実施例では20MPa以上の条件であれば、平行部内径の増大、に伴って壊食量、即ちキャビテーション効果も増大していた。これにより、任意の噴射圧において、平行部の内径D2を、本実施例の条件においては実質的に15mmから30mmの範囲における調整を行えば、所望の加工能力を選択的に設定可能となることが判った。   From the results shown in FIG. 6, the amount of erosion, that is, the cavitation effect was increased with the increase in the inner diameter of the parallel portion under the condition of a certain injection pressure or more, in this embodiment, 20 MPa or more. As a result, if the inner diameter D2 of the parallel portion is adjusted within a range of substantially 15 mm to 30 mm under the conditions of the present embodiment at an arbitrary injection pressure, a desired processing capability can be selectively set. I understood.

さらに、本発明の第4の実施例として、図1のキャビテーションノズル1におけるホーン部6について、そのテーパー角度αのキャビテーション効果への影響を検討した結果を以下に示す。本実施例では、オリフィス部2と平坦部5の内径及び平行部7、噴射孔3の距離を実施例1のノズル寸法と同じまま、ホーン部6のテーパー角度αを60°から120°にわたって変更した各キャビテーションノズル1を用いて、上述の実施例2と同様の加工実験を行い、各ノズルにおけるワークWのピーク壊食量を測定した。   Furthermore, as a fourth embodiment of the present invention, the results of examining the influence of the taper angle α on the cavitation effect of the horn portion 6 in the cavitation nozzle 1 of FIG. 1 are shown below. In this embodiment, the taper angle α of the horn portion 6 is changed from 60 ° to 120 ° while the inner diameter of the orifice portion 2 and the flat portion 5 and the distance between the parallel portion 7 and the injection hole 3 are the same as the nozzle size of the first embodiment. Using each of the cavitation nozzles 1, the same processing experiment as in Example 2 was performed, and the peak erosion amount of the workpiece W at each nozzle was measured.

その結果は図7の線グラフ(横軸:ホーン部テーパー角度(°)、縦軸:ピーク壊食量(g))に示す。なお、このホーン部6のテーパー角度αの変更に伴って平行部7の内径も変更することになるが、本実施例ではホーン部6のテーパー角度αを基準としてノズルを評価した。図7の結果から、テーパー角度60°〜120°の範囲であれば、壊食量に大きな差はなく、キャビテーション効果への影響は殆ど無いことが判った。   The results are shown in the line graph of FIG. 7 (horizontal axis: horn taper angle (°), vertical axis: peak erosion amount (g)). In addition, although the internal diameter of the parallel part 7 will also be changed with the change of the taper angle (alpha) of this horn part 6, in the present Example, the nozzle was evaluated on the basis of the taper angle (alpha) of the horn part 6. FIG. From the results of FIG. 7, it was found that when the taper angle is in the range of 60 ° to 120 °, there is no significant difference in the amount of erosion and there is almost no influence on the cavitation effect.

本発明の第4の実施例として、図1のキャビテーションノズル1における平坦部5について、その平坦部の有無によるキャビテーション効果の影響を検討した結果を以下に示す。本実施例では、実施例1と同一ノズル寸法のキャビテーションノズル1に対して、該キャビテーションノズル1と同じオリフィス部内径、ホーン部テーパー角度、平行部距離でありながら、平坦部のないノズルを対照として、実施例2と同様の加工実験を行い、両ノズルにおけるワークWの壊食量を測定した。   As a fourth embodiment of the present invention, the results of examining the influence of the cavitation effect on the presence or absence of the flat portion of the flat portion 5 in the cavitation nozzle 1 of FIG. 1 are shown below. In the present embodiment, a cavitation nozzle 1 having the same nozzle size as in the first embodiment is compared with a nozzle having the same orifice inner diameter, horn taper angle, and parallel portion distance as the cavitation nozzle 1 but without a flat portion. The same processing experiment as in Example 2 was performed, and the amount of erosion of the workpiece W at both nozzles was measured.

その結果は図8の棒グラフ(縦軸:壊食量(g))に示す。図8の結果から、平坦部5があるノズルでは、平坦部のないノズルの6倍以上の壊食量であることから、オリフィス部から噴出した高圧液体が噴射孔入口部付近で部材に衝突することによってキャビテーション効果に起因する気泡の発生、成長が大きく阻害されていたことが判った。即ち、平坦部5の存在によって、このような阻害が回避され、効率的に加工エネルギーへ変換されるキャビテーション効果が得られることが確認された。   The results are shown in the bar graph (vertical axis: erosion amount (g)) in FIG. From the results of FIG. 8, the nozzle with the flat part 5 has an amount of erosion that is 6 times or more that of the nozzle without the flat part, so that the high-pressure liquid ejected from the orifice part collides with the member near the injection hole inlet part. It was found that the generation and growth of bubbles due to the cavitation effect were greatly inhibited. That is, it has been confirmed that the presence of the flat portion 5 avoids such obstruction and provides a cavitation effect that is efficiently converted into processing energy.

さらに、本発明の第5の実施例として、本発明によるキャビテーションノズルにおける噴射圧5〜60MPaに対するキャビテーション効果の変化ついて、従来のホーンノズルを対照として検討した結果を以下に示す。   Further, as a fifth embodiment of the present invention, the results of examination of the change of the cavitation effect with respect to the injection pressure of 5 to 60 MPa in the cavitation nozzle according to the present invention by using a conventional horn nozzle as a control are shown below.

本実施例では、図1に示したキャビテーションノズル1と基本的形状は共通するものの、いくつかの部位の寸法を変更することでそれぞれ高圧領域、低圧領域でキャビテーション効果が強力となるように最適化された2種のノズル(C1,C2)を用意し、対照となる従来型のホーンノズルについても互いに基本的形状は共通するもののいくつかの部位の寸法を変更することでキャビテーション効果を強めるように最適化した2種のホーンノズル(H1,H2)を用意した。   In this embodiment, although the basic shape is the same as that of the cavitation nozzle 1 shown in FIG. 1, it is optimized so that the cavitation effect becomes strong in the high-pressure region and the low-pressure region by changing the dimensions of some parts, respectively. The two types of nozzles (C1, C2) are prepared, and the conventional horn nozzle used as a reference also has the same basic shape as each other, but the dimensions of some parts are changed to enhance the cavitation effect. Two types of optimized horn nozzles (H1, H2) were prepared.

これら4種のノズルを用いて実施例2と同様の加工実験を行い、各ノズルにおける噴射圧に対するピーク壊食量を測定し、その結果を図9の線グラフ(横軸:噴射圧(MPa)、縦軸:ピーク壊食量(g))に示した。図9の結果から、従来のホーンノズルでは、いずれもキャビテーション効果が大きく落ち込む噴射領域が存在していたのに対して、本発明によるキャビテーションノズルにおいては、任意の噴射圧領域にて従来ホーンノズルよりもキャビテーション効果を強化できることが判った。特に高圧領域において大きな落ち込みなく従来より安定的にキャビテーション効果が得られることが確認された。   A processing experiment similar to that of Example 2 was performed using these four types of nozzles, the peak erosion amount with respect to the injection pressure at each nozzle was measured, and the result was plotted in the line graph of FIG. 9 (horizontal axis: injection pressure (MPa), Vertical axis: peak erosion amount (g)). From the results shown in FIG. 9, in the conventional horn nozzle, there was an injection region where the cavitation effect was greatly reduced, whereas in the cavitation nozzle according to the present invention, in the arbitrary injection pressure region, compared with the conventional horn nozzle. It was also found that the cavitation effect can be strengthened. In particular, it has been confirmed that the cavitation effect can be obtained more stably than in the past without significant drop in the high pressure region.

本発明のノズル構成によれば、例えば噴射圧が30〜60MPaの高圧領域で噴射を行うキャビテーションノズルにおいて充分強力なキャビテーション噴射流を安定して形成できるだけでなく、例えば噴射圧20MPa付近の低圧領域で噴射を行うノズルにおいても安定的にキャビテーション噴射流を形成できる。しかし、この低圧領域用のノズルによるキャビテーション噴射流においても、図10に示すように、平行部27の下流にさらに第2のホーン部28を設けることによってキャビテーション効果を強化することができる。   According to the nozzle configuration of the present invention, for example, in a cavitation nozzle that performs injection in a high pressure region where the injection pressure is 30 to 60 MPa, a sufficiently strong cavitation injection flow can be stably formed, for example, in a low pressure region around an injection pressure of 20 MPa. A cavitation jet can be stably formed even in a nozzle that performs jetting. However, also in the cavitation jet flow by the nozzle for the low pressure region, the cavitation effect can be enhanced by providing the second horn portion 28 further downstream of the parallel portion 27 as shown in FIG.

また、図1に示した本発明のキャビテーションノズル1を用いて、ストレート配管を介して高圧水を供給した場合と直前に配置されたエルボ配管を介して高圧水を供給した場合とで、壊食実験を行ったところ、エルボ配管を介した場合も、スタンドオフ距離を短くすればストレート配管を介した場合と同程度の壊食量が得られることが確認できた。これは、従来のホーンノズルでは、ストレート配管を介した場合に対してエルボ配管を介した場合には、スタンドオフ距離を短くしても壊食量が大幅に低下してしまうことから、ノズル直前の配管要素で生じた乱流等によってキャビテーション減衰が生じても、本発明のキャビテーションノズルを介した噴射によって、キャビテーション効果が強化されたことを示している。   In addition, when the high pressure water is supplied through the straight pipe and the high pressure water is supplied through the elbow pipe arranged immediately before using the cavitation nozzle 1 of the present invention shown in FIG. As a result of experiments, it was confirmed that the erosion amount similar to that obtained through the straight pipe can be obtained even when the elbow pipe is used. This is because in conventional horn nozzles, the amount of erosion is greatly reduced even when the standoff distance is shortened when the elbow pipe is used, compared to the case where the straight pipe is used. This shows that the cavitation effect is enhanced by the injection through the cavitation nozzle of the present invention even when cavitation attenuation occurs due to turbulent flow or the like generated in the piping element.

1,21:キャビテーションノズル
11:ホーンノズル
2,12,22:オリフィス部
3,13,23:噴射孔
4,14,24:噴射孔開口端
5,25:平坦部
6,16,26:ホーン部
7,27:平行部
28:第2のホーン部
L:平行部距離
D1:平坦部内径
D2:平行部内径
20:実験水槽
30:供給水タンク
1, 2: Cavitation nozzle 11: Horn nozzle 2, 12, 22: Orifice portion 3, 13, 23: Injection hole 4, 14, 24: Injection hole opening end 5, 25: Flat portion 6, 16, 26: Horn portion 7, 27: Parallel portion 28: Second horn portion L: Parallel portion distance D1: Flat portion inner diameter D2: Parallel portion inner diameter 20: Experimental water tank 30: Supply water tank

Claims (4)

高圧液体供給手段から供給される高圧液体が上流側の相対的に径の大きい流路から流入される円筒形状のオリフィス部と、前記オリフィス部の下流に連通され、前記オリフィス部を通過してその下流端から噴出される高速流体に気泡を発生、成長させてキャビテーション噴射流として第2の液中に噴射する噴射孔と、を備えたキャビテーションノズルにおいて、
前記噴射孔は、前記オリフィス部の下流端開口から外周方向にオリフィス中心軸と直交する平面上に円環状に延設された平坦部と、該平坦部の周縁から下流側に向かってテーパー状に60°〜120°のテーパー角度で拡径するホーン部と、該ホーン部の下流側周縁から噴射孔開口端側に亘ってオリフィス中心軸と同軸の円筒状に連設された平行部と、を備えていることを特徴とするキャビテーションノズル。
An orifice portion of the cylindrical high-pressure liquid supplied from the high-pressure liquid supply means is introduced from a large flow path of relatively diameters upstream, communicates with the downstream of the orifice, its through said orifice portion In a cavitation nozzle comprising: an injection hole that generates and grows a bubble in a high-speed fluid ejected from a downstream end and injects it into the second liquid as a cavitation jet flow;
The injection hole has a flat part extending in an annular shape on a plane orthogonal to the orifice central axis in the outer circumferential direction from the downstream end opening of the orifice part, and is tapered from the periphery of the flat part toward the downstream side. A horn portion that expands at a taper angle of 60 ° to 120 ° , and a parallel portion that is connected in a cylindrical shape coaxial with the orifice central axis from the downstream peripheral edge of the horn portion to the injection hole opening end side, Cavitation nozzle characterized by having.
前記平坦部は、前記オリフィス部の内径の2〜5倍の内径を有することを特徴とする請求項1に記載のキャビテーションノズル。   The cavitation nozzle according to claim 1, wherein the flat portion has an inner diameter that is 2 to 5 times an inner diameter of the orifice portion. 前記平行部は、前記オリフィス部の内径が1〜4mmのとき、15〜30mmの内径を有することを特徴とする請求項1又は2に記載のキャビテーションノズル。   3. The cavitation nozzle according to claim 1, wherein the parallel portion has an inner diameter of 15 to 30 mm when the inner diameter of the orifice portion is 1 to 4 mm. 前記平行部の下流側周縁から噴射孔開口端に亘ってテーパー状に拡径する第2のホーン部を更に備えたことを特徴とする請求項1に記載のキャビテーションノズル。   2. The cavitation nozzle according to claim 1, further comprising a second horn portion that expands in a tapered shape from a downstream peripheral edge of the parallel portion to an opening end of the injection hole.
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