JP6649304B2 - キャビテーションジェットノズル、及び流体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、キャビテーションジェットを発生するキャビテーションジェットノズル、及び流体噴射装置に関する。

従来からキャビテーションジェットノズルが知られている。この種のノズルでは、液体をオリフィスから高速で噴出させることで局所的な沸騰現象による泡を生じさせ、この泡が静圧増加にともなって押しつぶされた際に衝撃力が発生する。そして、この衝撃力をともなうキャビテーションジェットを構造物の洗浄や種々の加工に用いている。

このようなキャビテーションジェットノズルは、例えば特許文献１に記載されている。
特許文献１のノズルのように従来のキャビテーションジェットノズルでは、キャビテーションを十分に発生させるべく、流体の流通方向の下流に向かって徐々に拡径する円錐状の噴出孔が形成されている。

特開昭６０−１６８５５４号公報

例えば伝熱管群が小さな間隔で隣接して設置されたような蒸気発生器のスケール除去を行う際等には、狭小領域にキャビテーションジェットを噴射する必要がある。しかしながら特許文献１に記載のノズルのように噴出孔が円錐状となっていると、噴出孔の開口縁では、どうしてもノズルの外径寸法が大きくなってしまう。よって、狭小領域へのキャビテーションジェットの供給が困難となる問題がある。
ここで、狭小領域へのキャビテーションジェットの供給を可能とするため、単純に噴出孔の開口縁でノズルの外径寸法を小さくすることも考えられる。しかし、キャビテーションの発生量を確保するためには、噴射孔の中心軸に対する噴出孔の開き角度を小さくすることが難しい。従って、この噴出孔の開き角度を小さくすることなく噴出孔の開口縁でノズルの外径寸法を小さくしようとすると、今度は噴射孔の長さが短くなってしまい、やはり十分なキャビテーションの発生が期待できず、キャビテーションジェットノズルの性能を維持することが難しい。

そこで本発明は、十分な能力のキャビテーションジェットを噴射可能であるとともに、狭小領域へのキャビテーションジェットの供給が可能なキャビテーションジェットノズル、及び、これを備えた流体噴射装置を提供する。

本発明の第一の態様に係るキャビテーションジェットノズルは、軸線を中心として前記軸線の方向に延びる孔部と、前記孔部に連続し、前記軸線に直交する第一径方向に互いに対向する位置に設けられて前記軸線の方向に前記孔部から離れる一方に向かうにつれて漸次互いに離れるように設けられている一対の案内面と、が形成されたノズル本体と、前記軸線、及び前記第一径方向に直交する第二径方向の両端部で、前記一対の案内面同士の間にわたって流体膜を形成する膜形成ノズルと、を備え、前記一対の案内面の前記一方の縁部における前記第二径方向の寸法より、前記一方の縁部での前記一対の案内面同士の前記第一径方向の距離の方が大きくなっている。

このようなキャビテーションジェットノズルでは、軸線の方向の一方、即ち噴射方向の前方の案内面の縁部の第二径方向の寸法よりも、この縁部での案内面同士の第一径方向の距離の方が大きくなっている。従って、第一径方向には案内面同士の開き角度を大きく保ち、かつ、案内面の軸線の方向の長さ寸法をある程度保ちつつ、ノズル本体の第二径方向の幅を小さく抑えることが可能となる。即ち、案内面の軸線の方向の長さと、第一径方向の案内面同士の距離とを十分な性能のキャビテーションジェットを生成可能な必要十分な数値とすることができるとともに、ノズル本体の第二径方向の幅を小さく抑えることができる。
さらに、第二径方向にはキャビテーションジェットが接触して案内される面が設けられておらず、流体膜によってキャビテーションジェットの第二径方向への広がりを抑えることができる。従って、仮に第二径方向の両側に案内面が設けられている場合に生じ得るキャビテーションジェットによる案内面でのエロージョン発生を回避できる。

また、本発明の第二の態様に係るキャビテーションジェットノズルは、上記第一の態様における前記軸線を含み、かつ、前記第一径方向に広がる断面で前記一対の案内面を見た際に、該一対の案内面は、前記軸線に対して同じ角度をなして前記一方に向かって漸次互いに離れるように設けられていてもよい。

このように案内面同士が同じ開き角度で設けられているため、一方の案内面にキャビテーションジェットが引っ張られ、第一径方向の一方に偏ってキャビテーションジェットが噴出されることがない。従って、第一径方向の両側に均一なキャビテーションジェットの噴射が可能となる。

また、本発明の第三の態様に係る流体噴射装置は、上記第一又は第二の態様におけるキャビテーションジェットノズルと、前記キャビテーションジェットノズルの前記ノズル本体に接続されて前記ノズル本体に流体を供給する供給ラインと、前記供給ライン内の前記流体を圧送するポンプと、を備えていてもよい。

このような流体噴射装置によれば、上記のキャビテーションジェットノズルを備えることで、ノズル本体の軸線の方向の長さ寸法、及び第一径方向のキャビテーションジェットの開き角度をある程度に保ちつつ、ノズル本体の第二径方向の幅を小さく抑えることが可能となる。よって十分な性能のキャビテーションジェットを生成可能であるとともに、狭小領域にキャビテーションジェットを供給することが可能となる。

また、本発明の第四の態様に係る流体噴射装置は、上記第一又は第二の態様におけるキャビテーションジェットノズルと、前記ノズル本体に前記軸線の方向の他方に接続されて前記ノズル本体に流体を供給する第一供給ラインと、前記第一供給ラインから分岐し、前記膜形成ノズルに接続されて前記膜形成ノズルに前記流体を供給する第二供給ラインと、前記第二供給ラインを流通する前記流体の流量調整を行う弁装置と、前記第一供給ライン内及び前記第二供給ライン内の前記流体を圧送するポンプと、を備えていてもよい。

このような流体噴射装置によれば膜形成ノズルの供給される流体の流量を弁装置によって調整することで、ノズル本体と同じ圧力の流体が膜形成ノズルにそのまま供給されないようにでき、流体膜形成に最適な圧力の流体を供給することができる。よって、キャビテーションジェットとなる流体と、流体膜を形成する流体とを共通化することができ、流体噴射装置全体の省スペース化が可能となる。

上記のキャビテーションジェットノズル、及び流体噴射装置によれば、十分な能力のキャビテーションジェットを噴射可能であるとともに、狭小領域へのキャビテーションジェットの供給が可能である。

本発明の第一実施形態の流体噴射装置を示す概略図である。 本発明の第一実施形態の流体噴射装置によって、蒸気発生器を洗浄している様子を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態の流体噴射装置のキャビテーションジェットノズルの縦断面図である。 本発明の第一実施形態の流体噴射装置のキャビテーションジェットノズルを軸線の方向から見た図であって、図３のＡ−Ａ断面図を示す。 本発明の第一実施形態の流体噴射装置のキャビテーションジェットノズルを横断面図であって、図４のＢ−Ｂ断面図を示す。 本発明の第二実施形態の流体噴射装置を示す概略図である。 本発明の第二実施形態の流体噴射装置のキャビテーションジェットノズルの側面図である。 本発明の第二実施形態の流体噴射装置のキャビテーションジェットノズルを軸線の方向から見た図であって、図７のＣ−Ｃ断面図を示す。 本発明の第二実施形態の変形例に係る流体噴射装置を示す概略図である。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態の流体噴射装置１について説明する。
図１に示すように、本実施形態の流体噴射装置１は、水流のキャビテーションジェットを噴出するキャビテーションジェットノズル１０（以下、単にノズルとする）と、ノズル１０に水（流体）を供給する供給ライン３と、供給ライン３に設けられたポンプ２と、を備えている。

供給ライン３は例えば管路等であって、内部を水が流通する。
ポンプ２は供給ライン３上に設けられて、供給ライン３の水を圧送する。

ノズル１０は、図２に示すように、蒸気発生器１００における伝熱管群１０１の伝熱管１０２同士の間に挿入されてキャビテーションジェットを噴出し、これら伝熱管１０２に析出したスケール等を除去する。そしてノズル１０は、供給ライン３が接続される側の第一の孔部１５と、第一の孔部１５に連続してキャビテーションジェットが噴出される側の第二の孔部２５とが内部に形成されたノズル本体１１を備える。
ここで詳細な図示は省略するが、例えばノズル本体１１から噴出されたキャビテーションジェットの水は回収され、再び供給ライン３に導入される。

図３に示すように、第一の孔部１５は、軸線Ｏを中心として軸線Ｏの方向の一方に延びるとともに延在方向に一定の内径を有する。第一の孔部１５の軸線Ｏの一方側での開口部分には軸線Ｏに直交する平面である四角形状の開口面１６が形成されている。第一の孔部１５には供給ライン３からの水が導入される。

第二の孔部２５は、第一の孔部１５の開口面１６の各辺に連続し、軸線Ｏの方向に第一の孔部１５から離れる一方に向かうにつれて断面積が漸次拡大する。即ち、第二の孔部２５はホーン状をなしている。より詳しくは、図３に示すように軸線Ｏに直交する第一径方向Ｄ１（図３の紙面上下方向）に対向し、軸線Ｏの方向の一方に向かうに従って、漸次互いに離れるようにして延びる一対の案内面２６が、第二の孔部２５の内面としてノズル本体１１に形成されている。

一対の案内面２６は平面状をなしている。また、軸線Ｏを基準とした案内面２６同士の間の開き角度θ（軸線Ｏから第一径方向Ｄ１に向かう角度）は、４０度以上１２０度以下であるとよく、６０度であるとさらによい。

また本実施形態では、各案内面２６の軸線Ｏに対する開き角度はθ／２であり、即ち、各案内面２６の開き角度は同一である。

さらに、図４及び図５に示すように、第一径方向Ｄ１、及び軸線Ｏの方向に直交する第二径方向Ｄ２で対向し、かつ、一対の案内面２６同士を接続する側部案内面２７が第二の孔部２５の内面としてノズル本体１１に形成されている。各々の側部案内面２７は、軸線Ｏに沿っており、案内面２６に直交する平面状をなす。即ち、一対の側部案内面２７同士は、軸線Ｏの方向の一方に向かって一定の距離を空けて配置されている。

このようにして、図３及び図５に示すように案内面２６、及び側部案内面２７は、軸線Ｏの方向の一方側で第二の孔部２５の開口縁２９を形成している。開口縁２９は軸線Ｏの方向から見て長方形状をなしている。そして案内面２６が開口縁２９における第二径方向Ｄ２に延びる短辺３１を形成し、側部案内面２７が開口縁２９における第一径方向Ｄ１に延びる長辺３２を形成している。よって第二の孔部２５の開口縁２９での第一径方向Ｄ１の開口幅の方が第二径方向Ｄ２の開口幅よりも大きくなっている。即ち、開口縁２９の第一径方向Ｄ１の開口幅と第二径方向Ｄ２の開口幅とは異なっている。

そして、ノズル本体１１は直方体形状をなし、開口縁２９での第一径方向Ｄ１の肉厚と、第二径方向Ｄ２の肉厚とは同等である。よって、ノズル本体１１の第一径方向Ｄ１の幅寸法の方が、第二径方向Ｄ２の幅寸法よりも大きく、ノズル本体１１は縦長の形状を有している。

以上説明した本実施形態の流体噴射装置１によれば、上記のノズル１０を備えていることで、ノズル本体１１の第二の孔部２５の開口縁２９が周方向にわたって、径方向の開口幅が異なっている。即ち、第一径方向Ｄ１に縦長の第二の孔部２５が形成されていることになる。従って、第一径方向Ｄ１には第二の孔部２５の開き角度を大きく保ち、かつ、第二の孔部２５の軸線Ｏの方向の長さ寸法をある程度保ちつつも、ノズル本体１１の第二径方向Ｄ２の幅を小さく抑えることが可能となる。

即ち、第二の孔部２５の軸線Ｏの方向の長さと開口径とを、十分な性能のキャビテーションジェットを生成可能な必要十分な数値とすることができる。よって十分な能力のキャビテーションジェットを蒸気発生器１００に噴射可能である。

さらに、ノズル本体１１を縦長の形状に形成することができることで、狭小領域へノズル本体１１を挿入でき、狭小領域へのキャビテーションジェットの供給が可能である。

さらに案内面２６同士が同じ開き角度θ／２で設けられているため、一方の案内面２６にキャビテーションジェットが引っ張られ、第一径方向Ｄ１の一方に偏ってキャビテーションジェットが噴出されることがない。従って、第一径方向Ｄ１の両側に均一なキャビテーションジェットの噴射が可能となる。

ここで本実施形態では、開口縁２９は長方形状をなしていなくともよい。例えば、開口縁２９は楕円状等でもよく、少なくとも第一径方向Ｄ１の開口径を最も大きくできればよい。

〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態の流体噴射装置５１について説明する。以下に説明する第二実施形態においては、第一実施形態とノズルが異なっている。第一実施形態と同一部分には同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態の流体噴射装置５１は、水流のキャビテーションジェットを噴出するキャビテーションジェットノズル６０（以下、単にノズルとする）と、ノズル６０に水（流体）を供給する一対の供給ライン５３と、供給ライン５３に設けられた二つのポンプ５２とを備えている。

供給ライン５３は例えば管路等であって、内部を水が流通する。本実施形態では供給ライン５３として、互いに独立した第一供給ライン５３ａと第二供給ライン５３ｂとが設けられている。
ポンプ５２は供給ライン５３上に設けられて、供給ライン５３の水を圧送する。本実施形態では、ポンプ５２として、第一供給ライン５３ａ上の第一ポンプ５２ａと、第二供給ライン５３ｂ上の第二ポンプ５２ｂとが設けられている。

ノズル６０は、図７に示すように第一供給ライン５３ａが接続される側の孔部５５、及び、孔部５５に連続してキャビテーションジェットが噴出される側の一対の案内面６６が内部に形成されたノズル本体６１と、ノズル本体６１に併設された膜形成ノズル７０とを備える。

孔部５５は、軸線Ｏを中心として軸線Ｏの方向の一方に延びるとともに延在方向に一定の内径を有する。孔部５５の軸線Ｏの一方側での開口部分には軸線Ｏに直交する平面である四角形状の開口面５６が形成されている。孔部５５には第一供給ライン５３ａからの水が導入される。

一対の案内面６６は、軸線Ｏに直交する第一径方向Ｄ１（図７の紙面上下方向）に対向し、軸線Ｏの方向の一方に向かうに従って、漸次互いに離れるようにして延びる。一対の案内面６６は平面状をなしている。また、軸線Ｏを基準とした案内面６６同士の間の開き角度θ（軸線Ｏから第一径方向Ｄ１に向かう角度）は、４０度以上１２０度以下であるとよく、６０度であるとさらによい。また本実施形態でも第一実施形態と同様に、各案内面６６の軸線Ｏに対する開き角度はθ／２であり、つまり各案内面６６の開き角度は同一である。

そして、図８に示すように、一対の案内面６６の軸線Ｏの方向の一方における縁部６６ａの第二径方向Ｄ２の長さ寸法ｄ２よりも、縁部６６ａでの一対の案内面６６同士の第一径方向Ｄ１の距離ｄ１の方が大きい。

膜形成ノズル７０は、第二径方向Ｄ２から一対の案内面６６を挟み込むように一対が配置されている。各々の膜形成ノズル７０には、第二供給ライン５３ｂが接続されて第二ポンプ５２ｂによって圧送された水が供給されて噴出される。これにより一対の膜形成ノズル７０は一対の案内面６６の第二径方向Ｄ２の両端部で、一対の案内面６６同士の間にわたって流体膜（シート状の水膜）を形成する。

膜形成ノズル７０は軸線Ｏの方向から見て短辺８１が第二径方向Ｄ２に延び、長辺８２が第一径方向Ｄ１に延びる長方形状をなす開口縁７９を有している。また、膜形成ノズル７０の軸線Ｏの方向の一方の端部は、一対の案内面６６の縁部６６ａよりも軸線Ｏの方向の他方に位置している。

以上説明した本実施形態の流体噴射装置５１によれば、上記ノズル６０を備えることで、軸線Ｏの方向の一方、即ち噴射方向の前方の案内面６６の縁部６６ａの第二径方向Ｄ２の寸法ｄ２よりもこの縁部６６ａでの案内面６６同士の第一径方向Ｄ１の距離ｄ１の方が大きくなっている。従って、第一径方向Ｄ１には、案内面６６同士の開き角度を大きく保ち、かつ、案内面６６の軸線Ｏの方向の長さ寸法をある程度保ちつつ、ノズル本体６１の第二径方向Ｄ２の幅を小さく抑えることが可能となる。

よって十分な性能のキャビテーションジェットを生成可能であり、十分な性能のキャビテーションジェットを蒸気発生器１００に噴射可能である。

ここで、仮に第二径方向Ｄ２の両側にもキャビテーションジェットが接触して案内される案内面が設けられている場合、この案内面にはキャビテーションジェットによるエロージョンが生じ得る。しかし本実施形態では案内面６６における第二径方向Ｄ２の両側には案内面は設けられておらず、代わりに膜形成ノズル７０が設けられている。よって流体膜によってキャビテーションジェットの第二径方向Ｄ２への広がりを抑えつつ、上記エロージョンが生じることを回避できる。

さらに、案内面６６同士が同じ開き角度θ／２で設けられているため、一方の案内面６６にキャビテーションジェットが引っ張られて第一径方向Ｄ１の一方に偏ってキャビテーションジェットが噴出されることがない。従って、第一径方向Ｄ１の両側に均一なキャビテーションジェットの噴射が可能となる。

ここで、図９に示すように、本実施形態の流体噴射装置９１は、ポンプ５２を一つのみ備えていてもよい。第二供給ライン５３ｂは第一供給ライン５３ａから分岐し、第二供給ライン５３ｂ上には第二供給ライン５３ｂを流通する水の流量を調整する弁装置９２が設けられていてもよい。

このような流体噴射装置９１によれば膜形成ノズル７０に供給される水の流量を弁装置９２によって調整することで、ノズル本体６１と同じ圧力の水が膜形成ノズル７０にそのまま供給されないようにできる。よって、流体膜形成に最適な圧力の水を供給することができる。よって、キャビテーションジェットとなる水と、流体膜を形成する水とを共通化することができ、流体噴射装置９１全体の省スペース化が可能となる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

例えば、上記の実施形態では伝熱管１０２に析出したスケール等を除去するため流体噴射装置１（５１、９１）を用いたが、例えばショットピーニング等の加工に流体噴射装置１（５１、９１）を用いてもよい。

また、膜形成ノズル７０には水ではなく、その他の流体を供給することも可能である。

１…流体噴射装置
２…ポンプ
３…供給ライン
１０…キャビテーションジェットノズル
１１…ノズル本体
１５…第一の孔部
１６…開口面
２５…第二の孔部
２６…案内面
２７…側部案内面
２９…開口縁
３１…短辺
３２…長辺
５１…流体噴射装置
５２…ポンプ
５２ａ…第一ポンプ
５２ｂ…第二ポンプ
５３…供給ライン
５３ａ…第一供給ライン
５３ｂ…第二供給ライン
５５…孔部
５６…開口面
６０…キャビテーションジェットノズル
６１…ノズル本体
６６…案内面
６６ａ…縁部
７０…膜形成ノズル
７９…開口縁
８１…短辺
８２…長辺
９１…流体噴射装置
９２…弁装置
１００…蒸気発生器
１０１…伝熱管群
１０２…伝熱管
Ｏ…軸線
Ｄ１…第一径方向
Ｄ２…第二径方向

Claims (4)

1. 軸線を中心として前記軸線の方向に延びる孔部と、前記孔部に連続し、前記軸線に直交する第一径方向に互いに対向する位置に設けられて前記軸線の方向に前記孔部から離れる一方に向かうにつれて漸次互いに離れるように設けられている一対の案内面と、が形成されたノズル本体と、
   前記軸線、及び前記第一径方向に直交する第二径方向の両端部で、前記一対の案内面同士の間にわたって流体膜を形成する膜形成ノズルと、
   を備え、
   前記一対の案内面の前記一方の縁部における前記第二径方向の寸法より、前記一方の縁部での前記一対の案内面同士の前記第一径方向の距離の方が大きいキャビテーションジェットノズル。
2. 前記軸線を含み、かつ、前記第一径方向に広がる断面で前記一対の案内面を見た際に、該一対の案内面は、前記軸線に対して同じ角度をなして前記一方に向かって漸次互いに離れるように設けられている請求項１に記載のキャビテーションジェットノズル。
3. 請求項１又は２に記載のキャビテーションジェットノズルと、
   前記キャビテーションジェットノズルの前記ノズル本体に接続されて前記ノズル本体に流体を供給する供給ラインと、
   前記供給ライン内の前記流体を圧送するポンプと、
   を備える流体噴射装置。
4. 請求項１又は２に記載のキャビテーションジェットノズルと、
   前記ノズル本体に前記軸線の方向の他方に接続されて前記ノズル本体に流体を供給する第一供給ラインと、
   前記第一供給ラインから分岐し、前記膜形成ノズルに接続されて前記膜形成ノズルに前記流体を供給する第二供給ラインと、
   前記第二供給ラインを流通する前記流体の流量調整を行う弁装置と、
   前記第一供給ライン内及び前記第二供給ライン内の前記流体を圧送するポンプと、
   を備える流体噴射装置。

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