JPH09285744A - 液化ガスと高圧液体との２相噴流による表面処理 方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スタンドオフ距離を短くし、液体噴流のエネ
ルギーロスを少なくする。また、圧縮熱を除去し、液量
をも抑さえて、効率の良い洗浄、研削や切削等の表面処
理を可能とする。 【解決手段】 高圧力下で液体あるいは固体になる液化
ガスを高圧液体に混入して固体表面に噴出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、液化ガスと高圧
液体との２相噴流による表面処理方法とそのための装置
に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、食
品加工、材料加工、鉱業、土木建設業等の広範囲な技術
分野での固体表面の洗浄や切削に有用な、上記２相噴流
による新しい表面処理方法と、そのための装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来より、食品加工、材料加
工、鉱業、土木建築業等において、高圧液体を用いて固
体表面の洗浄や切削を行う方法が知られている。そして
その対象も、金属、コンクリート、セラミックス等の剛
体や、あるいは鮮魚やさらにはその他生物体等までの広
範囲のものに適用されている。

【０００３】これらの応用分野によって、高圧液体につ
いても、水、アルコール等の有機物、これらに固体粒子
やドライアイスを混合したもの等の各種のものが選択さ
れて使用されている。たとえばウォータージェット法と
して知られている以上の方法は、独自の技術領域を形成
し、今後もその応用が拡大していくものと期待されてい
る。

【０００４】しかしながら、一方で、以上のような高圧
流体の噴流を用いる洗浄や切削（研削）のための表面処
理方法には、解決されねばならない課題が残されてもい
た。それらは、たとえば、１）洗浄・切削におけるエネ
ルギーロスが非常に大きいことや、２）噴流の温度上昇
が避けられないこと、さらには、３）多量の液体が必要
であるといった問題がある。

【０００５】まず１）エネルギーロスの問題について
は、これまでの検討から、ノズルから洗浄・切削対象物
までのスタンドオフ距離がノズル噴出口から近い場合に
は切削・洗浄効率はさほど向上せず、むしろスタンドオ
フ距離がある程度の長さに達しないと、洗浄・切削効率
が良くならないという結果が得られている。その理由
は、スタンドオフ距離が短いと噴流が連続流体となるた
め、ノズルから噴出した液体噴流と対象物表面でバウン
ドした液体噴流との衝突により、スタグネイション（淀
み）領域ができてしまい、高圧液体噴流のエネルギーが
洗浄・切削対象物に効率よく伝播しないためである。

【０００６】したがって、従来の洗浄・切削方法におい
ては、あえて、高圧液体噴流が液滴になるスタンドオフ
距離まで離して、洗浄・切削を行っている。このため、
実際上、極めて非効率的な方法となっていた。また、
２）温度上昇の問題については、噴出した液体噴流は高
圧かつ高速であるために、圧縮熱が発生し、液体として
１５℃程度の水を用いた場合でも、噴流された高圧液体
の温度は５０〜６０℃にも上昇するという問題として深
刻である。そのため、従来の方法では、温度上昇によっ
て劣化する魚などの生鮮食料品等の切断が行えなかっ
た。

【０００７】さらに、３）多量の液体の使用の点につい
ては、高圧液体の液量が非常に多いため、洗浄・切削後
の水処理に非常に多くのコストがかかってしまうという
問題として切実であった。この発明は、上記の通りの課
題を解決するためになされたものであり、従来技術の欠
点を解消し、スタンドオフ距離を短くし、圧縮熱を除去
し、液量をも抑ええてより効率よく洗浄や切削という表
面処理が可能な新しい方法とそのための装置を提供する
ことを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、液化ガスと高圧液体とを混入し
て噴出させることで固体表面を洗浄もしくは切削処理す
ることを特徴とする液化ガスと高圧液体との２相（気液
相）噴流による表面処理方法を提供する。また、この発
明は、前記の方法において、スパイラルフローとして噴
出させる方法も提供する。

【０００９】さらに、この発明は、加圧された高圧液体
の導入手段と、液化ガスの導入手段と、高圧液体と液化
ガスとの混合部並びにこの混合部において混合された２
相流体の噴出部とを備え、対向する固体表面に対しての
噴出部の位置を可変とする位置変更手段を有する表面処
理装置であって、前記混合部には、液化ガスの導入手段
が挿入配置されていることを特徴とする液化ガスと高圧
液体との２相噴流による表面処理装置と、その一つの態
様としての、混合部から噴出部に向って流路断面積が漸
縮小されていることを特徴とする表面処理装置をも提供
する。

【００１０】

【発明の実施の形態】すなわち、この発明においては、
高圧力下で液体あるいは固体になる液化ガスを高圧液体
に混入してノズルから噴出する。この場合、液化ガス
は、液体窒素をはじめ各種のものが表面処理の目的に応
じて選択されることになる。高圧液体についても同様で
ある。

【００１１】たとえば、水をはじめ、各種の液体が、単
一物の液体として、あるいは混合液体として使用され
る。目的によっては有機物液体であってもよい。いずれ
の場合にも、この発明では、液化ガスは瞬時に体積膨張
し、液体を液滴化し、しかも従来方法ではまったく不可
能であった、短いスタンドフ距離、圧縮熱の除去、そし
て液量の抑制を実現して高効率の洗浄や切削、研削等の
表面処理を可能とする。

【００１２】また、この発明においては、単純な液体の
液滴化だけでなく、液滴化の促進ならびに液滴の加速化
をも可能とする。さらに説明すると、混相噴流の液化ガ
スによる加速については、一般的に、気体が液体に対し
て著しく異なる性質は圧縮性であり、この発明において
は、この圧縮性、すなわち、液化ガスの圧力変化に対す
る爆発的な体積膨張を利用して、流体を効率よく加速し
ている。

【００１３】一般的に、流体の断熱的過程において、圧
力の変化と単位質量あたりの体積の変化の関係は、

【００１４】

【数１】

【００１５】である。ここで、Ｋは弾性率、ｖは体積、
ｐは圧力である。一般的に、液体として水を考えた場
合、水の弾性率は１０¹⁰ｄｙｎ／ｃｍ² 、空気の弾性率
は１０⁶ｄｙｎ／ｃｍ² であり、空気は水に比べてその
弾性率が著しく小さく、圧縮性は非常に大きい。一般的
に、圧縮性を考慮しなければならないのは、圧力の変化
によって生じる流体の体積あるいは密度の変化が顕著な
場合である。一般的に、与えられた圧力変化に対して体
積変化が大きいことは、弾性率が小さいことである。

【００１６】ここで、流れの速さをＶとすれば、それに
伴う圧力変化はρＶ² ／２の程度であるので、圧力変化
と弾性率の関係は以下の通りとなる。

【００１７】

【数２】

【００１８】この式より弾性率が小さいことは、マッハ
数（Ｖ／ａ）が大きいことを示す。この圧縮性の影響は
マッハ数が１ないしそれ以上の時に顕著に現れる。した
がって、この発明においては、液体噴流が高圧、すなわ
ち、高速になればなるほど、液化ガスの爆発的体積膨張
に起因する混相噴流の効率的な加速が期待できる。一般
的に、流体の液滴化の境界条件は、Ｊｅ数で決定され
る。このＪｅ数は、

【００１９】

【数３】

【００２０】の通りである。ここで、ρは液体の密度、
Ｄはノズル径、Ｖは流速、ρ_a は空気密度、σは表面張
力である。そして、このＪｅ数が４００以上であれば流
体は液滴流となり、Ｊｅ数は流体密度、ノズル径、流体
速度に比例し、表面張力に反比例する。この式で水単相
流と混相流における大きな違いは表面張力の違いであ
る。例えば、水と空気の場合、その表面張力は０．０７
Ｎ／ｍであり、液体窒素と空気の場合、その表面張力は
０．００７Ｎ／ｍであり、液体窒素の混入によりトータ
ル値として表面張力の値を激減させることができる。

【００２１】その結果、この発明においては、液滴化を
促進し、スタンドオフ距離を短くすることができる。実
際にも、気体の体積弾性係数は、一般的に、液体の体積
弾性係数の約１／１０，０００であり、そのために、ノ
ズルから噴出した液体噴流は、高圧状態から大気圧状態
へと変化し、その過程で体積を約１０，０００倍にす
る。したがって、この体積膨張が液体を効率的に加速
し、さらには、液滴化を促進し、洗浄や切削の効率をい
っそう向上させる。

【００２２】またさらに、液滴化はノズル径と流速に依
存し、径が小さいほど、また、流速が速いほど、効率よ
く液滴化が行われる。たとえば、５ｍｍ径のノズルにお
いて、空気の密度２２５Ｋｇ／ｍ³ 、液体窒素の密度８
０８Ｋｇ／ｍ³ 、水の密度１０００Ｋｇ／ｍ³ とした場
合、液滴流となるための条件として、単相流では２６０
ｍの速度が要求されるが、たとえば、３０ｗ％液体窒素
を混入した混相噴流では、流速が１８０ｍで液滴化する
ことになる。この１８０ｍの流速は液体の圧力と窒素の
体積膨張による加速の複合速度になる。そして、効率的
な液滴化だけにとどまらず、液滴サイズの制御をも可能
とする。従来の技術においては、液滴サイズは液体噴流
の流速に依存し、すなわち、液体噴流の境界層の乱れの
噴流中心への伝播と深く関わっていた。したがって、こ
のような従来の技術においては、このような液滴サイズ
の積極的な制御は不可能であった。

【００２３】ところが、この発明においては、液体の圧
力と液化ガスの混入量を調整することにより、液滴サイ
ズ、および、液滴の速度を制御することが可能である。
またさらに、この発明においては、液体噴流の圧縮熱の
抑制だけにとどまらず、その圧縮熱の制御をも可能とす
る。従来の技術においては、たとえば、常圧で１５℃程
度の水を高圧にして、その高圧水を噴出すると、その噴
流の温度が１，０００Ｋｇ／ｃｍ² で５０〜６０℃に上
昇することがわかっている。

【００２４】ところが、この発明においては、液化ガス
の気化熱を利用して、液体の温度を制御することが可能
であり、液化ガスの流量を調整することにより、噴出し
た液体の温度を投入時の温度よりも下げることが可能と
なる。たとえば、液化ガスとして液体窒素を用いた場
合、その液体窒素の蒸発熱は４７．６ｃａｌ／ｇである
ので、この液体窒素をたとえば３０ｗ％の割合で、常圧
時で約１５℃の高圧水噴流に混入した場合、噴出した水
噴流は５℃程度になる。

【００２５】したがって、この水噴流を用いれば、生鮮
食料品の切断が可能となる。また、この発明において
は、ノズの中で高圧液体に液化ガスを注入することによ
り、従来の気泡添加水噴流に見られるポンプ内のキャビ
テーションの問題をも解決する。この発明の液化ガス・
高圧液体２相（気液相）噴流を用いた表面処理について
は、たとえば、図１に示したものをひとつの態様として
示すことができる。

【００２６】この図１の装置では、直管部（１）と、こ
の直管の先端に位置する漸縮小管部（２）とにより構成
される混合部、並びに漸縮小管の先端に位置する噴出部
としての直管部（３）とからなるコニカルノズル（１
０）の内部に、高圧力下で液体あるいは固体になる液化
ガス（６）を導入するための導入管部（４）を備えてい
る。

【００２７】そして、この発明においては、高圧力下で
液体あるいは固体になる液化ガス（６）を、高圧液体
（７）に混入してノズル（１０）から大気圧下に噴出さ
せる。液化ガスは、瞬時に体積膨張し、液滴（５）を固
体表面（８）に衝突させる。その結果、スタンドオフ距
離：Ｌを非常に短くでき、固体表面（８）上の液体噴流
のエネルギーロスを少なくすることがでぢる。そして、
圧縮熱の除去、および液量の抑制をも実現する。

【００２８】また、図２に例示したように、シリンドリ
カルノズル（１１）の内部に、高圧力下で液体あるいは
固体になる液化ガス（６）を導入するための導入管部
（４）を備えてもよい。さらに、この発明においては、
この発明の発明者が、各種の応用分野への適用について
積極的に検討を進めてきたコアンダスパイラルフロー
を、効率的な表面処理のために利用することもできる。

【００２９】このコアンダスパイラルフローは、流体の
流れる軸方向とその周囲との速度差、および密度差が大
きく、軸の流れが速く外側の流れが遅い、いわゆるステ
ィーパな速度分布を示す。さらに、たとえば乱れ度が通
常の乱流の０．２に対して０．０９と半分以下の値を示
し、通常の乱流とは異なる安定した状態を形成するとい
う特徴を有している。しかも、軸方向ベクトルと半径方
向ベクトルとの合成によって特有のスパイラル流を形成
するという特徴がある。

【００３０】図３は、このコアンダスパイラルフローに
よる液化ガス・高圧液体２相噴流装置を例示したもので
ある。噴出口（１２）と導入口（１３）との間に環状の
コアンダスリット（１４）を設け、その近傍の傾斜面
（１５）と、分配室（１６）とを有するノズル構造を一
つの典型例として示すことができる。

【００３１】このようなコアンダスパイラルノズル（２
０）には、環状のコアンダスリット（１４）を通じて噴
出口（１２）に向けて、ポンプなどにより高圧液体が供
給され、また、導入口（１３）からは、高圧力下で液体
あるいは固体になる液化ガスを導入してもよいし、ま
た、その逆に、環状のコアンダスリット（１４）を通じ
て噴出口（１２）に向けて、高圧力下で液体あるいは固
体になるガスを導入し、さらにまた、導入口（１３）か
らは、ポンプなどにより高圧液体を供給してもよい。

【００３２】そして、傾斜面（１５）の角度を例えば５
〜７０°程度とすることにより、このノズル内におい
て、コアンダスパイラルフローが形成され、このコアン
ダスパイラルノズル（１１）から噴出された高圧液体噴
流は、自由渦の領域が多い渦を形成し、非常に乱れが少
なく、したがって軸に収斂しながら固体表面に衝突し
て、高効率な洗浄や切削等を実現する。

【００３３】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明について説明する。

【００３４】

【実施例】図１に例示したコニカルノズルを用いた装置
と図２に例示したシリンドリカルノズルを用いた装置に
ついては、スタンドオフ距離と衝撃圧力との関係を評価
した。高圧液体としては、加圧水を、液化ガスとしては
液体窒素を用いた。噴流の衝撃圧力の計測では、衝撃圧
力測定板をスタンドオフ距離に設け、この衝撃圧力測定
板に付随した圧力変換器で検出された圧力を動歪み測定
器、デジタルストレージスコープを介してコンピュータ
に記録させた。

【００３５】コニカルノズルおよびシリンドリカルノズ
ルともに、高圧液体を導入する導入路の径は２０ｍｍ、
噴出口の径は５ｍｍ、ノズル噴出口付近の直管部の長さ
は１０ｍｍ、ノズルの外径は７０ｍｍであった。コニカ
ルノズルの場合、その絞り角度は２０°であった。各ノ
ズルに対して、圧力３０ＫＰａの液体窒素を、温度１５
℃の、圧力３０ＫＰａに加圧した高圧水に対して、３０
ｗ％の割合で、噴出させた。

【００３６】また、比較のために、高圧水１００ｗ％の
単相噴流も、同様の条件で噴出させた。その結果は図４
に例示したとおりであり、図中では、 Ａ：２相噴流コニカルノズル Ｂ：２相噴流シリンドリカルノズル ａ：単相噴流コニカルノズル ｂ：単相噴流シリンドリカルノズル を示している。この図４より明らかなように、コニカル
ノズル、シリンドリカルノズルともに、高圧水１００％
の単相噴流の場合と比較すると、約衝撃圧は５０％上昇
している。また、この発明の２相噴流で衝撃圧が最大と
なるスタンドオフ距離は、スタンドオフ距離の約半分と
なった。

【００３７】さらに、噴出した高圧水の温度を測定した
ところ、この発明の２相混相噴流では５℃であったが、
比較のための単相噴流では２５℃になっていた。実際、
以上の結果からも明らかなように、この発明のノズルに
よって、セラミックス、樹脂、コンクリート等の剛体は
もとより、魚などの生鮮食品の切断、清浄化等の表面処
理は、円滑に、効率的に可能とされることが確認され
た。

【００３８】

【発明の効果】以上詳しく述べたように、この発明によ
って、ノズルから大気圧下に噴出する液化ガスが瞬時に
体積膨張し液体を効率よく液滴化し、その結果、スタン
ドオフ距離を非常に短くでき、液体噴流のエネルギーロ
スを少なくすることができる。また、キャビテーション
の発生を抑制して、圧縮熱を除去し、液量をも押さえて
効率よく洗浄、研削や切削等の表面処理を行うことが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のノズル装置を例示した断面図であ
る。

【図２】この発明の別のノズル装置を例示した断面図で
ある。

【図３】この発明のさらに別のノズル装置を例示した断
面図である。

【図４】この発明の実施例を示したものであり、スタン
ドオフ距離と衝撃圧との関係を示した関係図である。

【符号の説明】

１ 直管部 ２ 漸縮小管部 ３ 直管部 ４ 導入管部 ５ 液滴 ６ 液化ガス ７ 高圧液体 ８ 固体表面 １１ シリンドリカルノズル １２ 噴出口 １３ 導入口 １４ コアンダスリット １５ 傾斜面 １６ 分配室 ２０ コアンダスパイラルノズル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液化ガスと高圧液体とを混合して噴出さ
   せることで固体表面を洗浄もしくは切削処理する液化ガ
   スと高圧液体との２相噴流による表面処理方法。
2. 【請求項２】 請求項１の方法において、スパイラルフ
   ローとして噴出させることを特徴とする表面処理方法。
3. 【請求項３】 加圧された高圧液体の導入手段と、液化
   ガスの導入手段と、高圧液体と液化ガスとの混合部並び
   にこの混合部において混合された２相流体の噴出部とを
   備え、対向する固体表面に対しての噴出部の位置を可変
   とする位置変更手段を有する表面処理装置であって、 前記混合部には、液化ガスの導入手段が挿入配置されて
   いることを特徴とする液化ガスと高圧液体との２相噴流
   による表面処理装置。
4. 【請求項４】 請求項３の装置において、混合部から噴
   出部に向って流路断面積が漸縮小されていることを特徴
   とする表面処理装置。