JPH1085634A - 噴流加工装置、噴流加工システムおよび噴流加工方法 - Google Patents

噴流加工装置、噴流加工システムおよび噴流加工方法

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JPH1085634A
JPH1085634A JP8263519A JP26351996A JPH1085634A JP H1085634 A JPH1085634 A JP H1085634A JP 8263519 A JP8263519 A JP 8263519A JP 26351996 A JP26351996 A JP 26351996A JP H1085634 A JPH1085634 A JP H1085634A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な構成で効率的に被加工表面における付
着物の除去や金属加工に伴うバリ取りや金属表面に応力
の改善を行うことができる噴流加工装置、噴流加工シス
テムおよび噴流加工方法を提供する。 【解決手段】 液噴流加工装置は、液相の水からなる水
噴流を噴出させる水ノズル（１）と、気相の水蒸気流
（４）を超音速化させて蒸気噴流（１１）を生成しこの
蒸気噴流を前記水噴流に対し熱バランスを越えて過剰に
混合するように噴出させる蒸気ノズル（３）と、水噴流
と蒸気噴流とを混合させ水噴流と蒸気噴流とからなる二
相噴流（１２）を被加工物（５）に向かって直接的に噴
射する混合ノズル（２）と、を備えたことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は噴流加工装置および
加工方法に係り、特に、自動車、電気、半導体、原子
力、航空宇宙産業などの製造業で一般的に行われる機械
加工の仕上げ加工工程や表面洗浄工程における金属表面
の付着物や機械加工に伴うバリを除去したり表面応力を
改善したりすることに使用する噴流加工装置，噴流加工
システムおよび噴流加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】旋盤、ボール盤あるいはフライス盤など
の加工機械、あるいは研削盤、グラインダ加工あるいは
バフ研磨などの表面加工機械を用いた場合、表面に機械
加工溝が残存し、これが精密機械部品や電機部品などで
は磨耗や異常放電の原因となる。このため、機会加工溝
等を除去することが必要となる。これに対し、電解研磨
などの電気化学的手段を用いることが多い。しかし、こ
の場合、酸やアルカリなどの電解質を多量に使用し、環
境保全上の問題となったり、加工時間がかかり過ぎて量
産品の加工に向かないなどの課題があった。
【０００３】そこで、近年、高圧水の噴流を用いたジェ
ット洗浄機が利用されるようになってきた。しかし、ジ
ェット洗浄機では、３００気圧（３０ＭＰａ）から３０
００気圧（３００ＭＰａ）もの高圧水を使用するため、
この高圧水を生成するための特殊な高圧ポンプや動力用
の電源および点検保守作業などが必要であった。
【０００４】そこで、米国では洗浄の分野でスチームイ
ンジェクタが開発され、例えば特開昭６３−２８９３０
０の公報にカール・ニコデマス氏の発明による「流体動
力学増幅装置」が記載されている。
【０００５】このスチームインジェクタは、図１０に示
す如く、水ノズル１０１と、混合ノズル１０２およびデ
ィフューザ１１２を備えている。このスチームインジェ
クタは、流体的動圧力増幅器（ＰＡＣ）と呼ばれ、米国
を中心として主に高圧温水供給機や吐出水フレキシブル
ホース１１４と噴射ガン１１５を取り付けて噴流洗浄機
として広く普及している。
【０００６】混合ノズル１０２から噴出する噴流の速度
エネルギーは、ディフューザ１１２中を流下する間に高
い吐出圧力に変換される。高い吐出圧力を有するこの噴
流は吐出水フレキシブルホース１１４で噴射ガン１１５
へ導かれ、噴射ガン１１５によって再び大きな速度エネ
ルギーを有する高速水噴流１１６に変換され、被加工物
１０５に噴射される。
【０００７】図１０に示すスチームインジェクタでは、
蒸気ノズル１０３から混合ノズル１０２へ供給される蒸
気は、水ノズル１０１から混合ノズル１０２へ供給され
る水と熱的バランス状態になるように供給される。すな
わち、蒸気ノズル１０３から混合ノズル１０２へ供給さ
れる蒸気は、この蒸気のすべてが混合ノズル１１０にお
いて水ノズル１０１から供給される水と一体化して単相
の水となるように、その温度や流量等が制御されて供給
される。
【０００８】また、高速二相噴流を用いた金属材料の表
面改質法として、例えば特開平６−４７６７０等に記載
されたものが知られている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】このように、図１０に
示すスチームインジェクタでは、混合ノズル１０２から
噴出する噴流は単相の噴流水であり、水と水蒸気とから
なる二相の噴流水を用いる本願発明における場合のよう
にキャビテーション現象を利用して表面加工等を行うこ
ととは、加工手法を全く異にする。
【００１０】また、図１０に示すスチームインジェクタ
では、混合ノズル１０２から流出する噴流はディフュー
ザ１１２に入力するようになっている。このため、混合
ノズル１０２から流出する噴流がたとえ二相の噴流水と
して形成されていたとしても、キャビテーション現象が
生じるのはディフューザ１１２内においてであり、被加
工物１０５へ噴射してキャビテーション現象を生じさせ
ることはできない。また、ディフューザ１１２内でキャ
ビテーションが生じてしまう結果、キャビテーションに
よりディフューザ１１２の壁面が破壊されるという問題
がある。
【００１１】また、図１０に示すスチームインジェクタ
では、ディフューザ１１２で速度エネルギーを吐出圧力
に変換し、さらに噴射ガン１１５において高吐出圧力の
噴流を高速度の噴流に変換しているので、すなわち、二
度に渡って速度エネルギーと吐出圧力との間の変換を行
っているので、噴流による加工圧力が低下するという問
題がある。
【００１２】また、特開平６−４７６７０等に記載され
たものは、液噴流に気流を吹き込むものの、この気流
は、超音速化されるように高速化されて噴射されたもの
ではなく、従って液噴流を加速させることは困難であっ
た。また、この気流を高速化しようとすれば非常に高圧
化させることが必要になり装置の複雑化が避けられない
ものであった。
【００１３】そこで、本発明は上記従来技術の有する問
題を解消し、簡易な構成で効率的に被加工表面における
付着物の除去や金属加工に伴うバリ取りや金属表面に応
力の改善を行うことができる噴流加工装置噴流加工シス
テムおよび噴流加工方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による噴流加工装置は、液相の水からなる水
噴流を噴出させる水ノズルと、気相の水蒸気流を超音速
化させて蒸気噴流を生成しこの蒸気噴流を前記水噴流に
対し熱バランスを越えて過剰に混合するように噴出させ
る蒸気ノズルと、前記蒸気噴流によって前記水噴流が加
速されるように前記蒸気噴流と前記水噴流とを混合させ
て前記水噴流と前記蒸気噴流とからなる二相噴流を生成
しこの二相噴流を被加工物に向かって直接的に噴出する
混合ノズルと、を備えたことを特徴とする。
【００１５】好適には、前記蒸気ノズルは前記水ノズル
に対し同心状に外嵌され、前記水ノズルの軸線方向直角
の環状断面は前記蒸気ノズルの噴射孔に至る前に最小面
積の最小断面部を有する。
【００１６】また、前記最小断面部の面積は、前記蒸気
噴流と前記水噴流とを熱バランスさせるように設定され
る値に比べて大きく設定される。
【００１７】また、前記水ノズルは前記蒸気ノズルに対
し軸線方向に移動可能に配設されており、前記最小断面
部の面積は、前記水ノズルと前記蒸気ノズルとの軸線方
向の相対位置を変えることにより調整可能である。
【００１８】また、前記水ノズルに供給される水蒸気流
の流量は、前記蒸気噴流と前記水噴流とを熱バランスさ
せるように設定される流量に比べて多量に供給される。
【００１９】また、前記混合ノズルにおいて前記蒸気噴
流は前記水噴流に、凝縮するとともに多数の小気泡状に
浸入するように混合される。
【００２０】また、前記混合ノズルの先端部には軸線方
向に平行に形成された噴射孔が形成されている。
【００２１】また、前記水および前記水蒸気流は純水か
ら生成される。
【００２２】また、本発明による噴流加工方法は、液相
の水からなる水噴流に、気相の水蒸気流を超音速化させ
て蒸気噴流を生成しこの蒸気噴流を前記水噴流に対し熱
バランスを越えて過剰に混合するように噴出させ、前記
蒸気噴流によって前記水噴流が加速されるように前記蒸
気噴流と前記水噴流とを混合させて前記水噴流と前記蒸
気噴流とからなる二相噴流を生成しこの二相噴流を被加
工物に向かって直接的に噴出させ、被加工物表面でキャ
ビテーションを生じさせて被加工物を加工することを特
徴とする。
【００２３】上述の本発明において、気相の水蒸気流を
超音速化させて高速化した蒸気噴流を生成し、この高速
化した蒸気噴流を熱バランスを越えて過剰に水噴流に混
合されるように蒸気ノズルから噴出させる。水噴流と蒸
気噴流は混合ノズルに入射し、水噴流は高速化された蒸
気噴流によって加速され、水噴流に蒸気噴流が噴流して
なる高速の二相噴流が形成され混合ノズルから噴射され
る。熱バランスを越えて蒸気噴流が水噴流に混合される
ため、この二層噴流中には水蒸気の多数の小泡が形成さ
れる。なお、本願で「熱バランスを越えて過剰に混合す
る」とは、「混合ノズルの出口（噴射孔）で飽和水とな
る場合の熱バランスを越えて過剰に混合する」という意
味である。この二相噴流が被加工物に噴射され、被加工
物の表面上で水噴流中に混合した水蒸気の泡が消失しキ
ャビテーション現象やエロージョン現象が発生し被加工
物の表面が加工される。
【００２４】本願発明における二相噴流は液相の水と気
相の水蒸気とによって形成されているので、水蒸気が水
に凝縮して超音速化されやすく従って蒸気噴流により水
噴流の加速が容易に可能になる。従って、例えば液相の
水と空気等の気相とから形成される二相噴流の場合と比
較して、水蒸気流を高圧にして供給することをせずに水
噴流の加速が可能であり、装置の構成の簡易化を図るこ
とができるのである。
【００２５】本発明によれば、被加工物表面上に付着し
た付着物や金属加工に伴うバリ等を効果的に除去したり
金属表面の応力の改善を効果的に行うことが可能にな
る。そして、グラインダ加工やバフ研磨などの機械的手
段や電解研磨などの電気化学的手段を用いることなし
に、従来よりも低い圧力の流体を用いて、金属表面の付
着物や機械加工に伴うバリを除去することや表面応力の
改善をすることができる。従来のスチームインジェクタ
の吐出圧力は高々、５ＭＰａから１０ＭＰａ程度で、噴
流加工機に必要な３０ＭＰａ以上の高い吐出圧力を得る
ことが困難であり、本発明はこの課題を解決するもので
ある。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明の
噴流加工装置、噴流加工方法および噴流加工システムの
実施の形態について説明する。
【００２７】図１は、本発明の噴流加工装置の噴射型ス
チームインジェクタの基本構成を示した概略断面図であ
る。図１において、符号１は液相の水の噴流を噴出する
水ノズル１であり、水ノズル１は円筒部に先端部に向か
って先細の円錐台筒部が接続された形状を有する。水ノ
ズル１の円筒部底面から水供給管８と水供給弁９を介し
て水が供給され、円錐台筒部の先端部の噴出孔１ａから
円柱状に水噴流１０が噴出するようになっている。
【００２８】水ノズル１の円筒部と円錐台筒部の側周外
部には、蒸気ノズル３が水ノズル１に対し同心状に外嵌
されている。蒸気ノズル３は円筒状部３ａと、円筒状部
３ａの下流方向に位置する曲線状部３ｂとを有する。曲
線状部３ｂは内側に窪んだ形状を有する。噴射ノズル３
の噴射孔３ｃは曲線状部３ｂの水ノズル１の噴射孔１ａ
のほぼ外側に位置する。水ノズル１と蒸気ノズル３とで
なす軸線方向に直角な断面は環状断面であり、この環状
断面は蒸気ノズル３の噴射孔３ｃに至る前に最小面積の
最小断面部３ｄを有する。最小断面部３ｄの面積は、蒸
気噴流と前記水噴流とを熱バランスさせるように設定さ
れる値に比べて大きく設定される。水ノズル１は蒸気ノ
ズル１に対し軸線方向に移動可能に配設されており、最
小断面部３ｄの面積は水ノズル１を軸線方向に移動する
ことによって可能である。
【００２９】蒸気ノズル３には、蒸気供給管６と蒸気供
給弁７を介して気相の水蒸気流４が供給される。水蒸気
流４は、最小断面部３ｄを通過すると超音速化されて高
速化された蒸気噴流（超音速流）１１となる。
【００３０】蒸気ノズル３の先端部の噴射孔３ｃには滑
らかに混合ノズル２が連結されており、混合ノズル２は
先細りの円錐台筒の形状を有し、先端部には軸線方向の
平行に噴射孔２ａが形成されている。超音速流１１は水
噴流１０に対し熱バランスを越えて過剰に供給されるの
で、混合ノズル２内では、円柱状の水噴流１０の外周面
から超音速流１１が噴入し、水噴流１０と水蒸気からな
る超音速流１１とから成る二相流が形成され、混合ノズ
ル２の噴射孔２ａから高速二相噴流１１として噴出され
る。混合ノズル２において蒸気噴流１１は水噴流１０に
凝縮するとともに多数の小気泡状に浸入するように混合
される。ここで、水噴流１０は例えば約１０ｍ／ｓｅｃ
の流速を有し、超音速流１１は約５００ｍ／ｓｅｃの流
速を有する。噴射孔２ａから噴出される高速二相流１２
は自由噴流として噴射孔２ａから一定距離にされる被加
工物５に直接的に噴射され、被加工物表面上で衝突噴流
１３が形成される。水および蒸気は純水によって生成さ
れている。
【００３１】蒸気供給管６と蒸気供給弁７を介して蒸気
ノズル３に供給される水蒸気は、混合ノズル２において
水噴流１０と熱バランスを越えて過剰に混合するように
供給される。このために、蒸気供給弁７は、蒸気噴流が
水噴流１０と熱バランスがとられる場合の供給の仕方に
比べて多量の蒸気噴流が蒸気ノズル３へ供給されるよう
に、大きく開口するように制御される。
【００３２】このように、混合ノズル２の噴射孔２ａか
ら噴射された高速二相噴流１２は被加工物５までの間を
自由噴流として空間を移動し、被加工物表面で衝突噴流
１３となる。この衝突噴流１３内では、加工物表面に高
い圧力を生じるため、衝突噴流１３中の蒸気泡が消滅し
てキャビテーション現象が発生する。このキャビテーシ
ョンは、金属板などの被加工物５表面で発生するため、
エロージョンとなる。被加工物表面はキャビテーション
・エロージョンにより削り取られる。
【００３３】図１０に示された場合と異なり、混合ノズ
ル２の噴射孔２ａは自由端に形成されており、ディフュ
ーザは結合されていない。このため、高速二相噴流１２
が被加工物に噴射されたときに効果的にキャビテーショ
ンやエロージョンを発生させることができる。また、デ
ィフューザを設けた場合に、その内部で生じ得るキャビ
テーション等によってディフューザ内壁が破壊されるよ
うなことも回避することができる。
【００３４】また、図１０に示す場合と異なり、ディフ
ューザ１１２で速度エネルギーを吐出圧力に変換しさら
に噴射ガン１１５において高吐出力の噴流を高速度の噴
流に変換するような二度に渡った変換をすることはせ
ず、高速二相噴流を自由噴流として直接的に被加工物に
噴射しているので、速度エネルギーと吐出力との間の変
換に伴うエネルギー変換損失を回避することができる。
【００３５】図１１は、溶接部の半分をグラインダ仕上
げしたアルミ板試験片１４の一部に高速二相噴流１２を
噴射して得た金属表面を示す写真である。図２は図１１
に示す金属表面の一部を示す写真である。図２に示され
ているように、１個の隆起した溶接部があり、この溶接
部の右端部を中心とする点線円１５内が衝突噴流１３が
形成されキャビテーション・エロージョン発生範囲であ
る。図１１において、銀色のキャビテーション・エロー
ジョン発生範囲１５を視認できる。
【００３６】また、図２における点線円１５の右半円の
部分には、図１１で視認できるようにグラインダ仕上げ
面１６が形成されている。図２に示す半円部分のグライ
ンダ仕上げ面１６を含む点線円１５内に高速二相噴流１
２が噴射される。
【００３７】図１２は、図２あるいは図１１に示すグラ
インダ仕上げ面１６に高速二相噴流１２を噴射する前の
金属表面状態を示す２００倍の顕微鏡写真であり、図１
３は、高速二相噴流１２を噴射した後の金属表面状態を
２００倍の顕微鏡写真である。図１２において、高速二
相流１２を噴射する前にはグラインダ仕上げ面１６の加
工溝に沿って多数のバリが観察される。これに対し、図
１３に示すように、高速二相噴流１２を噴射した後に
は、表面に多数のキャビテーションピット（小孔）が形
成され、バリが完全に除去されていることがわかる。
【００３８】図１４および図１５は、図１３に認められ
るキャビテーションピットを走査型電子顕微鏡を用いて
各々５００倍（図１４）および２０００倍（図１５）に
拡大した顕微鏡写真である。表面に数μｍから１０μｍ
の多数のキャビテーション孔が発生していることと金属
表面が剥離されバリが除去されていることが確認され
た。
【００３９】次に、噴流加工装置を用いた噴流加工シス
テムについて以下に説明する。図３は、平板状の被加工
物に代えて金属電極などの円柱状被加工物１８を加工す
るための噴流加工システムを示す。符号１７は図１に示
す噴流加工装置を表す。噴流加工装置１７は、高速二相
噴流１２が被加工物１８の所定位置に噴射されるように
するための噴射位置調節手段２０上に設置されている。
噴射位置調節手段２０は、被加工物１８を噴流加工装置
１７における混合ノズル２の噴射孔２ａから所定の一定
距離に設定するように前後の移動調整をするとともに、
高速二相噴流１２の加工物表面に対する噴射角度を調節
する。また、被加工物１８は加工面を高速二相噴流１２
に対して走査するための被加工物駆動手段１９によって
駆動される。被加工物駆動手段１９は円柱状の被加工物
１８の表面を均一に加工するため被加工物１８を回転さ
せるとともに被加工物１８を軸線方向に移動させる。
【００４０】この噴流加工システムによれば、噴射位置
調節手段２０を備えているので、自由噴流である高速二
相噴流１２を円柱状の被加工物１８の表面の適正な位置
で噴射させることができ、また、被加工物駆動手段１９
を設けているので高速二相噴流１２を被加工物１８に均
一に噴射させることができる。
【００４１】図４は、円柱状の被加工物１８の表面を効
率的に加工するための噴流加工システムである。この噴
流加工システムは複数の噴流加工装置１７が平行に配設
されて形成されている。各々の噴流加工装置１７には、
共通の蒸気供給管６によって蒸気が供給され、また共通
の水供給管８によって水が供給されるようになってい
る。被加工物１８は図示しない駆動手段によって回転駆
動される。
【００４２】図５は、複数の噴流加工装置１７を放射状
に配置した噴流加工システムを示す図である。各々の噴
流加工装置１７には、共通の蒸気供給管６および水供給
管８によって水および蒸気が供給される。各々の噴流加
工装置１７は、被加工物である大口径配管などの円筒状
被加工物１９内に配設されている。本システムは大口径
配管などの円筒状被加工物１９の内面を加工するのに適
している。
【００４３】図６に示す噴流加工システムは、４個の噴
流加工装置１７が４５°の角度をおいて放射状に軸線管
２５の周りに結合されて構成されている。軸線管２５は
軸線管駆動手段２４によって、４個の噴流加工装置１７
と一体に周方向２６に回転駆動されるとともに軸方向２
７に前後動駆動される。軸線管２５には、蒸気供給管６
が矢印ａの方向から接続され水供給管８が矢印ｂの方向
から接続されている。蒸気供給管６にはフレキシブルパ
イプ２３が接続されており、フレキシブルパイプ２３が
屈曲自在になることによって軸線管２５の周りの±４５
°の回転と軸方向１７の前後動とが支障なく行えるよう
になっている。
【００４４】本噴流加工システムによれば、軸線管駆動
手段２４によって４個の噴流加工装置１７を軸線管２５
の周りに±４５°円筒状被加工物２１の内面を効率的に
かつ均一に加工することができる。
【００４５】図７は、図６の場合に比べて比較的小口径
の配管や容器などの円筒状被加工物２２の内面を加工す
るための噴流加工システムを示す。
【００４６】この噴射加工システムでは、複数の噴流加
工装置１７が回転シャフトとしての軸線管２５の周りに
所定角度間隔で結合されている。噴流加工装置１７は仮
想的な円錐側面２５に沿って高速二相噴流２５を噴射す
るように放射状に配設されている。
【００４７】軸線管２５はスリップジョイント３３によ
って軸支されており、軸線管駆動手段２４によって移動
駆動されるようになっている。軸線管駆動手段２５は、
軸線管２５を噴流加工装置１７と一体に回転駆動制御す
るとともに軸方向に前後動駆動制御する。
【００４８】各々の噴流加工装置１７は、蒸気供給用フ
レキシブルパイプ３１と水供給用フレキシブルパイプ３
２を介してそれぞれ共通の蒸気供給管６と水供給管８に
接続されている。軸線管２５の内部は区画板３６によっ
て中央部で左右に区画されており、この区画板３６は、
蒸気供給用フレキシブルパイプ３１と軸線管２５との接
続部２５ａと、水供給用フレキシブルパイプ３２と軸線
管２５との接続部２５ｂとの間に位置している。軸線管
２５の区画板３６の右方の右半分部分が蒸気供給管６と
して機能し区画板３６の左方の左半分部分が水供給管８
として機能する。蒸気供給管６と水供給管７には、左右
のスリップジョイント３３、３３に接続されたフレキシ
ブルパイプ３４、３３を介して水蒸気と水が供給され
る。このため、軸線管２５とともに噴流加工装置１７が
回転することは、蒸気と水を供給する上で何ら支障がな
い。
【００４９】本噴流加工システムによれば、軸線管２５
をスリップジョイント３３によって軸支したので、軸線
管２５に円錐状結合体状に結合した複数の噴流加工装置
１７を３６０°の角度範囲に渡って回転することが可能
となる。また、回転と軸方向移動を同時に行うことによ
り、スパイラル状走査加工を行うことができる。
【００５０】図８は原子炉シュラウド４０の内面加工機
として本発明による噴流加工装置１７を適用した噴流加
工システムを示す図である。噴流加工装置１７は、燃料
交換機などの駆動機構４１のマストに取り付けられ、原
子力発電所に設置されたハウスボイラーからの蒸気の供
給を受けるように取りつけられている。水中に水没した
ままでも噴流加工が可能なように蒸気配管の外表面に防
水保温材４２が施工されている。
【００５１】図９は、本発明による噴流加工装置１７に
より、ステンレス製の原子炉内シュラウドの表面応力の
改善効果を示すグラフである。高速二相噴流１２による
噴流加工する前には表面応力が負（マイナス）となって
おり亀裂進展しやすかったのに比べ、高速二相噴流１２
による噴流加工後は、表面が正（プラス）の圧縮応力と
なり亀裂進展要因が除去されたことが認められる。本発
明による噴流加工装置１７を用いることにより、高速二
相噴流によるキャビテーション現象を利用し金属表面の
応力改善を図ることが可能になる。
【００５２】以上説明したように、混合ノズル２から噴
射される高速二相噴流１２を被加工物５等の表面での衝
突噴流１３による圧力上昇によりキャビテーションを発
生させて金属表面の付着物や機械加工によるバリを除去
したり、または表面応力の改善を図ることができる。
【００５３】従来のスチームインジェクタが具備してい
たディフューザを用いずに、混合ノズル２出口を噴射ノ
ズルとして形成し、この噴射ノズルから被加工物までの
間を自由噴流とし被加工物表面で衝突噴流１３としてキ
ャビテーション・エロージョン現象を発生させるように
したので噴流加工力を高めることができる。このため、
従来では３０ＭＰａから３００ＭＰａの高圧水を必要と
した噴流洗浄を、高々２ＭＰａ以下の水蒸気や水を用い
て行うことができ、噴射型スチームインジェクタとして
の作動する簡易な構成の噴流加工装置を提供することが
できる。
【００５４】また、噴流加工装置１７が簡易な構成であ
るため、噴流加工システムを容易に構築することができ
る。
【００５５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、水噴流とこの水噴流に熱バランスを越えて過剰に
蒸気噴流とを混合させて生成される二相噴流を直接的に
被加工物に噴射するようにしたので、被加工物表面でキ
ュビテーション現象を効果的に生じさせることができ、
簡易な構成で効果的に被加工物を加工できる噴流加工装
置と加工方法を提供することができる。
【００５６】また、噴流加工装置は簡易に構成されてい
るので、この噴流加工装置を用いて噴流加工システムを
容易に構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の噴流加工装置の基本構成を示す概略断
面図。
【図２】図１１に示す写真と同じ写真であり、アルミ試
験片の金属表面におけるグラインダ仕上げ面とキャビテ
ーション、エロージョンの発生箇所を示す写真。
【図３】円柱状被加工物に適用される噴流加工システム
の一例を示す図。
【図４】円柱状被加工物に適用される噴流加工システム
の他の例を示す図。
【図５】噴流加工装置を放射状に配置して構成した噴流
加工システムの一例を示す図。
【図６】円筒状容器の内面を加工することに適用される
噴流加工システムを示す図。
【図７】噴流加工装置を円錐状に配置して構成した噴流
加工システムの一例を示す図。
【図８】原子炉シュラウドの内面を加工することに適用
される噴流加工システムを示す図。
【図９】本発明による噴流加工装置を金属表面の応力改
善に適用した結果を示す図。
【図１０】従来のスチームインジェクタの概略構成を示
す図。
【図１１】溶接部の半分をグラインダ仕上げしたアルミ
板試験片の一部に高速二相噴流を噴射して得た金属表面
状態を示す写真。
【図１２】溶接部の半分をグラインダ仕上げしたアルミ
板試験片の一部に高速二相噴流を噴射する前の金属表面
状態を示す２００倍の顕微鏡写真。
【図１３】溶接部の半分をグラインダ仕上げしたアルミ
板試験片の一部に高速二相噴流を噴射した後の金属表面
状態を示す２００倍の顕微鏡写真。
【図１４】図１３に認められるキャビテーションピット
を走査型電子顕微鏡を用いて５００倍に拡大して示す顕
微鏡写真。
【図１５】図１３に認められるキャビテーションピット
を走査型電子顕微鏡を用いて２０００倍に拡大して示す
顕微鏡写真。
【符号の説明】
１ 水ノズル ２ 混合ノズル ２ａ 噴射孔 ３ 蒸気ノズル ３ａ 円筒状部 ３ｂ 曲線状部 ３ｃ 噴射孔 ３ｄ 最小断面部 ４ 水蒸気流 ５ 被加工物 ６ 蒸気供給管 ７ 蒸気供給弁 ８ 水供給管 ９ 水供給弁 １０ 水噴流 １１ 超音速噴流（蒸気噴流） １２ 高速二相噴流 １３ 衝突噴流 １７ 噴射型スチームインジェクタ（噴流加工装置） １８ 円柱状被加工物 １９ 被加工物駆動機構 ２４ 軸線管駆動手段 ２５ 軸線管 ３１ 蒸気供給用フレキシブルパイプ ３２ 水供給用フレキシブルパイプ ３３ スリップジョイント ４０ 原子炉シュラウド
【手続補正書】
【提出日】平成９年９月１１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】 噴流加工装置、噴流加工システムお
よび噴流加工方法
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は噴流加工装置および
加工方法に係り、特に、自動車、電気、半導体、原子
力、航空宇宙産業などの製造業で一般的に行われる機械
加工の仕上げ加工工程や表面洗浄工程における金属表面
の付着物や機械加工に伴うバリを除去したり表面応力を
改善したりすることに使用する噴流加工装置，噴流加工
システムおよび噴流加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】旋盤、ボール盤あるいはフライス盤など
の加工機械、あるいは研削盤、グラインダ加工あるいは
バフ研磨などの表面加工機械を用いた場合、表面に機械
加工溝が残存し、これが精密機械部品や電機部品などで
は磨耗や異常放電の原因となる。このため、機械加工溝
等を除去することが必要となる。これに対し、電解研磨
などの電気化学的手段を用いることが多い。しかし、こ
の場合、酸やアルカリなどの電解質を多量に使用し、環
境保全上の問題となったり、加工時間がかかり過ぎて量
産品の加工に向かないなどの課題があった。
【０００３】そこで、近年、高圧水の噴流を用いたジェ
ット洗浄機が利用されるようになってきた。しかし、ジ
ェット洗浄機では、３００気圧（３０ＭＰａ）から３０
００気圧（３００ＭＰａ）もの高圧水を使用するため、
この高圧水を生成するための特殊な高圧ポンプや動力用
の電源および点検保守作業などが必要であった。
【０００４】そこで、米国では洗浄の分野でスチームイ
ンジェクタが開発され、例えば特開昭６３−２８９３０
０の公報にカール・ニコデマス氏の発明による「流体動
力学増幅装置」が記載されている。
【０００５】このスチームインジェクタは、図１０に示
す如く、水ノズル１０１と、混合ノズル１０２およびデ
ィフューザ１１２を備えている。このスチームインジェ
クタは、流体的動圧力増幅器（ＰＡＣ）と呼ばれ、米国
を中心として主に高圧温水供給機や吐出水フレキシブル
ホース１１４と噴射ガン１１５を取り付けて噴流洗浄機
として広く普及している。
【０００６】混合ノズル１０２から噴出する噴流の速度
エネルギーは、ディフューザ１１２中を流下する間に高
い吐出圧力に変換される。高い吐出圧力を有するこの噴
流は吐出水フレキシブルホース１１４で噴射ガン１１５
へ導かれ、噴射ガン１１５によって再び大きな速度エネ
ルギーを有する高速水噴流１１６に変換され、被加工物
１０５に噴射される。
【０００７】図１０に示すスチームインジェクタでは、
蒸気ノズル１０３から混合ノズル１０２へ供給される蒸
気は、水ノズル１０１から混合ノズル１０２へ供給され
る水と熱的バランス状態になるように供給される。すな
わち、蒸気ノズル１０３から混合ノズル１０２へ供給さ
れる蒸気は、この蒸気のすべてが混合ノズル１１０にお
いて水ノズル１０１から供給される水と一体化して単相
の水となるように、その温度や流量等が制御されて供給
される。
【０００８】また、高速二相噴流を用いた金属材料の表
面改質法として、例えば特開平６−４７６７０等に記載
されたものが知られている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】このように、図１０に
示すスチームインジェクタでは、混合ノズル１０２から
噴出する噴流は単相の噴流水であり、水と水蒸気とから
なる二相の噴流水を用いる本願発明における場合のよう
にキャビテーション現象を利用して表面加工等を行うこ
ととは、加工手法を全く異にする。
【００１０】また、図１０に示すスチームインジェクタ
では、混合ノズル１０２から流出する噴流はディフュー
ザ１１２に入力するようになっている。このため、混合
ノズル１０２から流出する噴流がたとえ二相の噴流水と
して形成されていたとしても、キャビテーション現象が
生じるのはディフューザ１１２内においてであり、被加
工物１０５へ噴射してキャビテーション現象を生じさせ
ることはできない。また、ディフューザ１１２内でキャ
ビテーションが生じてしまう結果、キャビテーションに
よりディフューザ１１２の壁面が破壊されるという問題
がある。
【００１１】また、図１０に示すスチームインジェクタ
では、ディフューザ１１２で速度エネルギーを吐出圧力
に変換し、さらに噴射ガン１１５において高吐出圧力の
噴流を高速度の噴流に変換しているので、すなわち、二
度に渡って速度エネルギーと吐出圧力との間の変換を行
っているので、噴流による加工圧力が低下するという問
題がある。
【００１２】また、特開平６−４７６７０等に記載され
たものは、液噴流に気流を吹き込むものの、この気流
は、超音速化されるように高速化されて噴射されたもの
ではなく、従って液噴流を加速させることは困難であっ
た。また、この気流を高速化しようとすれば非常に高圧
化させることが必要になり装置の複雑化が避けられない
ものであった。
【００１３】そこで、本発明は上記従来技術の有する問
題を解消し、簡易な構成で効率的に被加工表面における
付着物の除去や金属加工に伴うバリ取りや金属表面に応
力の改善を行うことができる噴流加工装置噴流加工シス
テムおよび噴流加工方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による噴流加工装置は、液相の水からなる水
噴流を噴出させる水ノズルと、気相の水蒸気流を超音速
化させて蒸気噴流を生成しこの蒸気噴流を前記水噴流に
対し熱バランスを越えて過剰に混合するように噴出させ
る蒸気ノズルと、前記蒸気噴流によって前記水噴流が加
速されるように前記蒸気噴流と前記水噴流とを混合させ
て前記水噴流と前記蒸気噴流とからなる二相噴流を生成
しこの二相噴流を被加工物に向かって直接的に噴出する
混合ノズルと、を備えたことを特徴とする。
【００１５】また、前記蒸気ノズル内に存在する最小断
面部の流路面積は、前記蒸気噴流と前記水噴流とを熱バ
ランスさせるように設定される値に比べて大きく設定さ
れる。
【００１６】また、前記水ノズルに供給される水の流量
は、前記蒸気噴流と前記水噴流とを熱バランスさせるよ
うに設定される流量に比べて多量に供給される。
【００１７】また、前記混合ノズルにおいて前記蒸気噴
流は前記水噴流に、凝縮するとともに多数の小気泡状に
浸入するように混合される。
【００１８】また、前記混合ノズルの先端部には軸線方
向に平行に形成された噴射孔が形成されている。
【００１９】また、前記水および前記水蒸気流は純水か
ら生成される。
【００２０】また、本発明による噴流加工方法は、液相
の水からなる水噴流に、気相の水蒸気流を超音速化させ
て蒸気噴流を生成しこの蒸気噴流を前記水噴流に対し熱
バランスを越えて過剰に混合するように噴出させ、前記
蒸気噴流によって前記水噴流が加速されるように前記蒸
気噴流と前記水噴流とを混合させて前記水噴流と前記蒸
気噴流とからなる二相噴流を生成しこの二相噴流を被加
工物に向かって直接的に噴出させ、被加工物表面でキャ
ビテーションを生じさせて被加工物を加工することを特
徴とする。
【００２１】上述の本発明において、気相の水蒸気流を
超音速化させて高速化した蒸気噴流を生成し、この高速
化した蒸気噴流を熱バランスを越えて過剰に水噴流に混
合されるように蒸気ノズルから噴出させる。水噴流と蒸
気噴流は混合ノズルに入射し、水噴流は高速化された蒸
気噴流によって加速され、水噴流に蒸気噴流が噴流して
なる高速の二相噴流が形成され混合ノズルから噴射され
る。熱バランスを越えて蒸気噴流が水噴流に混合される
ため、この二層噴流中には水蒸気の多数の小泡が形成さ
れる。なお、本願で「熱バランスを越えて過剰に混合す
る」とは、「混合ノズルの出口（噴射孔）で飽和水とな
る場合の熱バランスを越えて過剰に混合する」という意
味である。この二相噴流が被加工物に噴射され、被加工
物の表面上で水噴流中に混合した水蒸気の泡が消失しキ
ャビテーション現象やエロージョン現象が発生し被加工
物の表面が加工される。
【００２２】本願発明における二相噴流は液相の水と気
相の水蒸気とによって形成されているので、水蒸気が水
に凝縮して超音速化されやすく従って蒸気噴流により水
噴流の加速が容易に可能になる。従って、例えば液相の
水と空気等の気相とから形成される二相噴流の場合と比
較して、水蒸気流を高圧にして供給することをせずに水
噴流の加速が可能であり、装置の構成の簡易化を図るこ
とができるのである。
【００２３】本発明によれば、被加工物表面上に付着し
た付着物や金属加工に伴うバリ等を効果的に除去したり
金属表面の応力の改善を効果的に行うことが可能にな
る。そして、グラインダ加工やバフ研磨などの機械的手
段や電解研磨などの電気化学的手段を用いることなし
に、従来よりも低い圧力の流体を用いて、金属表面の付
着物や機械加工に伴うバリを除去することや表面応力の
改善をすることができる。従来のスチームインジェクタ
の吐出圧力は高々、５ＭＰａから１０ＭＰａ程度で、噴
流加工機に必要な３０ＭＰａ以上の高い吐出圧力を得る
ことが困難であり、本発明はこの課題を解決するもので
ある。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明の
噴流加工装置、噴流加工方法および噴流加工システムの
実施の形態について説明する。
【００２５】図１は、本発明の噴流加工装置の噴射型ス
チームインジェクタの基本構成を示した概略断面図であ
る。図１において、符号１は液相の水の噴流を噴出する
水ノズル１であり、水ノズル１は円筒部に先端部に向か
って先細の円錐台筒部が接続された形状を有する。水ノ
ズル１の円筒部底面から水供給管８と水供給弁９を介し
て水が供給され、円錐台筒部の先端部の噴出孔１ａから
円柱状に水噴流１０が噴出するようになっている。
【００２６】水ノズル１の円筒部と円錐台筒部の側周外
部には、蒸気ノズル３が水ノズル１に対し同心状に外嵌
されている。蒸気ノズル３は円筒状部３ａと、円筒状部
３ａの下流方向に位置する曲線状部３ｂとを有する。曲
線状部３ｂは内側に窪んだ形状を有する。蒸気ノズル３
の噴射孔３ｃは曲線状部３ｂの水ノズル１の噴射孔１ａ
のほぼ外側に位置する。水ノズル１と蒸気ノズル３とで
なす軸線方向に直角な断面は環状断面であり、この環状
断面は蒸気ノズル３の噴射孔３ｃに至る前に最小面積の
最小断面部３ｄを有する。最小断面部３ｄの面積は、蒸
気噴流と前記水噴流とを熱バランスさせるように設定さ
れる値に比べて大きく設定される。水ノズル１は蒸気ノ
ズル３に対し軸線方向に移動可能に配設されており、最
小断面部３ｄの面積は水ノズル１を軸線方向に移動する
ことによって可能である。
【００２７】蒸気ノズル３には、蒸気供給管６と蒸気供
給弁７を介して気相の水蒸気流４が供給される。水蒸気
流４は、最小断面部３ｄを通過すると超音速化されて高
速化された蒸気噴流（超音速流）１１となる。
【００２８】蒸気ノズル３の先端部の噴射孔３ｃには滑
らかに混合ノズル２が連結されており、混合ノズル２は
先細りの円錐台筒の形状を有し、先端部には軸線方向に
平行に噴射孔２ａが形成されている。超音速流１１は水
噴流１０に対し熱バランスを越えて過剰に供給されるの
で、混合ノズル２内では、円柱状の水噴流１０の外周面
から超音速流１１が噴入し、水噴流１０と水蒸気からな
る超音速流１１とから成る二相流が形成され、混合ノズ
ル２の噴射孔２ａから高速二相噴流１１として噴出され
る。混合ノズル２において蒸気噴流１１は水噴流１０に
凝縮するとともに多数の小気泡状に浸入するように混合
される。ここで、水噴流１０は例えば約１０ｍ／ｓｅｃ
の流速を有し、超音速流１１は約５００ｍ／ｓｅｃの流
速を有する。噴射孔２ａから噴出される高速二相流１２
は自由噴流として噴射孔２ａから一定距離にされる被加
工物５に直接的に噴射され、被加工物表面上で衝突噴流
１３が形成される。水および蒸気は純水によって生成さ
れている。
【００２９】蒸気供給管６と蒸気供給弁７を介して蒸気
ノズル３に供給される水蒸気は、混合ノズル２において
水噴流１０と熱バランスを越えて過剰に混合するように
供給される。このために、蒸気供給弁７は、蒸気噴流が
水噴流１０と熱バランスがとられる場合の供給の仕方に
比べて多量の蒸気噴流が蒸気ノズル３へ供給されるよう
に、大きく開口するように制御される。
【００３０】このように、混合ノズル２の噴射孔２ａか
ら噴射された高速二相噴流１２は被加工物５までの間を
自由噴流として空間を移動し、被加工物表面で衝突噴流
１３となる。この衝突噴流１３内では、加工物表面に高
い圧力を生じるため、衝突噴流１３中の蒸気泡が消滅し
てキャビテーション現象が発生する。このキャビテーシ
ョンは、金属板などの被加工物５表面で発生するため、
エロージョンとなる。被加工物表面はキャビテーション
・エロージョンにより削り取られる。
【００３１】図１０に示された場合と異なり、混合ノズ
ル２の噴射孔２ａは自由端に形成されており、ディフュ
ーザは結合されていない。このため、高速二相噴流１２
が被加工物に噴射されたときに効果的にキャビテーショ
ンやエロージョンを発生させることができる。また、デ
ィフューザを設けた場合に、その内部で生じ得るキャビ
テーション等によってディフューザ内壁が破壊されるよ
うなことも回避することができる。
【００３２】また、図１０に示す場合と異なり、ディフ
ューザ１１２で速度エネルギーを吐出圧力に変換しさら
に噴射ガン１１５において高吐出力の噴流を高速度の噴
流に変換するような二度に渡った変換をすることはせ
ず、高速二相噴流を自由噴流として直接的に被加工物に
噴射しているので、速度エネルギーと吐出力との間の変
換に伴うエネルギー変換損失を回避することができる。
【００３３】図１１は、溶接部の半分をグラインダ仕上
げしたアルミ板試験片１４の一部に高速二相噴流１２を
噴射して得た金属表面を示す写真である。図２は図１１
に示す金属表面の一部を示す写真である。図２に示され
ているように、１個の隆起した溶接部があり、この溶接
部の上端部を中心とする点線円１５内が衝突噴流１３が
形成されキャビテーション・エロージョン発生範囲であ
る。図１１において、銀色のキャビテーション・エロー
ジョン発生範囲１５を視認できる。
【００３４】また、図２における点線円１５の上半円の
部分には、図１１で視認できるようにグラインダ仕上げ
面１６が形成されている。図２に示す半円部分のグライ
ンダ仕上げ面１６を含む点線円１５内に高速二相噴流１
２が噴射される。
【００３５】図１２は、図２あるいは図１１に示すグラ
インダ仕上げ面１６に高速二相噴流１２を噴射する前の
金属表面状態を示す顕微鏡写真であり、図１３は、高速
二相噴流１２を噴射した後の金属表面状態を示す顕微鏡
写真である。図１２において、高速二相流１２を噴射す
る前にはグラインダ仕上げ面１６の加工溝に沿って多数
のバリが観察される。これに対し、図１３に示すよう
に、高速二相噴流１２を噴射した後には、表面に多数の
キャビテーションピット（小孔）が形成され、バリが完
全に除去されていることがわかる。
【００３６】図１４および図１５は、図１３に認められ
るキャビテーションピットを走査型電子顕微鏡を用いて
拡大した顕微鏡写真である。表面に数μｍから１０μｍ
の多数のキャビテーション孔が発生していることと金属
表面が剥離されバリが除去されていることが確認され
た。
【００３７】次に、噴流加工装置を用いた噴流加工シス
テムについて以下に説明する。図３は、平板状の被加工
物に代えて金属電極などの円柱状被加工物１８を加工す
るための噴流加工システムを示す。符号１７は図１に示
す噴流加工装置を表す。噴流加工装置１７は、高速二相
噴流１２が被加工物１８の所定位置に噴射されるように
するための噴射位置調節手段２０上に設置されている。
噴射位置調節手段２０は、被加工物１８を噴流加工装置
１７における混合ノズル２の噴射孔２ａから所定の一定
距離に設定するように前後の移動調整をするとともに、
高速二相噴流１２の加工物表面に対する噴射角度を調節
する。また、被加工物１８は加工面を高速二相噴流１２
に対して走査するための被加工物駆動手段１９によって
駆動される。被加工物駆動手段１９は円柱状の被加工物
１８の表面を均一に加工するため被加工物１８を回転さ
せるとともに被加工物１８を軸線方向に移動させる。
【００３８】この噴流加工システムによれば、噴射位置
調節手段２０を備えているので、自由噴流である高速二
相噴流１２を円柱状の被加工物１８の表面の適正な位置
で噴射させることができ、また、被加工物駆動手段１９
を設けているので高速二相噴流１２を被加工物１８に均
一に噴射させることができる。
【００３９】図４は、円柱状の被加工物１８の表面を効
率的に加工するための噴流加工システムである。この噴
流加工システムは複数の噴流加工装置１７が平行に配設
されて形成されている。各々の噴流加工装置１７には、
共通の蒸気供給管６によって蒸気が供給され、また共通
の水供給管８によって水が供給されるようになってい
る。被加工物１８は図示しない駆動手段によって回転駆
動される。
【００４０】図５は、複数の噴流加工装置１７を放射状
に配置した噴流加工システムを示す図である。各々の噴
流加工装置１７には、共通の蒸気供給管６および水供給
管８によって水および蒸気が供給される。各々の噴流加
工装置１７は、被加工物である大口径配管などの円筒状
被加工物２１内に配設されている。本システムは大口径
配管などの円筒状被加工物２１の内面を加工するのに適
している。
【００４１】図６に示す噴流加工システムは、４個の噴
流加工装置１７が４５゜の角度をおいて放射状に軸線管
２５の周りに結合されて構成されている。軸線管２５は
軸線管駆動手段２４によって、４個の噴流加工装置１７
と一体に周方向２６に回転駆動されるとともに軸方向２
７に前後動駆動される。軸線管２５には、蒸気供給管６
が矢印ａの方向から接続され水供給管８が矢印ｂの方向
から接続されている。蒸気供給管６にはフレキシブルパ
イプ２３が接続されており、フレキシブルパイプ２３が
屈曲自在になることによって軸線管２５の周りの±４５
゜の回転と軸方向１７の前後動とが支障なく行えるよう
になっている。
【００４２】本噴流加工システムによれば、軸線管駆動
手段２４によって４個の噴流加工装置１７を軸線管２５
の周りに±４５゜円筒状被加工物２１の内面を効率的に
かつ均一に加工することができる。
【００４３】図７は、図６の場合に比べて比較的小口径
の配管や容器などの円筒状被加工物２２の内面を加工す
るための噴流加工システムを示す。
【００４４】この噴射加工システムでは、複数の噴流加
工装置１７が回転シャフトとしての軸線管２５の周りに
所定角度間隔で結合されている。噴流加工装置１７は仮
想的な円錐側面２５に沿って高速二相噴流２５を噴射す
るように放射状に配設されている。
【００４５】軸線管２５はスリップジョイント３３によ
って軸支されており、軸線管駆動手段２４によつて移動
駆動されるようになっている。軸線管駆動手段２５は、
軸線管２５を噴流加工装置１７と一体に回転駆動制御す
るとともに軸方向に前後動駆動制御する。
【００４６】各々の噴流加工装置１７は、蒸気供給用フ
レキシブルパイプ３１と水供給用フレキシブルパイプ３
２を介してそれぞれ共通の蒸気供給管６と水供給管８に
接続されている。軸線管２５の内部は区画板３６によっ
て中央部で左右に区画されており、この区画板３６は、
蒸気供給用フレキシブルパイプ３１と軸線管２５との接
続部２５ａと、水供給用フレキシブルパイプ３２と軸線
管２５との接続部２５ｂとの間に位置している。軸線管
２５の区画板３６の右方の右半分部分が蒸気供給管６と
して機能し区画板３６の左方の左半分部分が水供給管８
として機能する。蒸気供給管６と水供給管７には、左右
のスリップジョイント３３、３３に接続されたフレキシ
ブルパイプ３４、３５を介して水蒸気と水が供給され
る。このため、軸線管２５とともに噴流加工装置１７が
回転することは、蒸気と水を供給する上で何ら支障がな
い。
【００４７】本噴流加工システムによれば、軸線管２５
をスリップジョイント３３によって軸支したので、軸線
管２５に円錐状結合体状に結合した複数の噴流加工装置
１７を３６０゜の角度範囲に渡って回転することが可能
となる。また、回転と軸方向移動を同時に行うことによ
り、スパイラル状走査加工を行うことができる。
【００４８】図８は原子炉シュラウド４０の内面加工機
として本発明による噴流加工装置１７を適用した噴流加
工システムを示す図である。噴流加工装置１７は、燃料
交換機などの駆動機構４１のマストに取り付けられ、原
子力発電所に設置されたハウスボイラーからの蒸気の供
給を受けるように取りつけられている。水中に水没した
ままでも噴流加工が可能なように蒸気配管の外表面に防
水保温材４２が施工されている。
【００４９】図９は、本発明による噴流加工装置１７に
より、ステンレス製の原子炉内シュラウドの表面応力
（圧縮応力）の改善効果を示すグラフである。高速二相
噴流１２による噴流加工する前には表面応力が負（マイ
ナス）となっており亀裂進展しやすかったのに比べ、高
速二相噴流１２による噴流加工後は、表面が正（プラ
ス）の圧縮応力となり亀裂進展要因が除去されたことが
認められる。本発明による噴流加工装置１７を用いるこ
とにより、高速二相噴流によるキャビテーション現象を
利用し金属表面の応力改善を図ることが可能になる。
【００５０】以上説明したように、混合ノズル２から噴
射される高速二相噴流１２を被加工物５等の表面での衝
突噴流１３による圧力上昇によりキャビテーションを発
生させて金属表面の付着物や機械加工によるバリを除去
したり、または表面応力の改善を図ることができる。
【００５１】従来のスチームインジェクタが具備してい
たディフューザを用いずに、混合ノズル２出口を噴射ノ
ズルとして形成し、この噴射ノズルから被加工物までの
間を自由噴流とし被加工物表面で衝突噴流１３としてキ
ャビテーション・エロージョン現象を発生させるように
したので噴流加工力を高めることができる。このため、
従来では３０ＭＰａから３００ＭＰａの高圧水を必要と
した噴流洗浄を、高々２ＭＰａ以下の水蒸気や水を用い
て行うことができ、噴射型スチームインジェクタとして
の作動する簡易な構成の噴流加工装置を提供することが
できる。
【００５２】また、噴流加工装置１７が簡易な構成であ
るため、噴流加工システムを容易に構築することができ
る。
【００５３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、水噴流とこの水噴流に熱バランスを越えて過剰に
蒸気噴流とを混合させて生成される二相噴流を直接的に
被加工物に噴射するようにしたので、被加工物表面でキ
ュビテーション現象を効果的に生じさせることができ、
簡易な構成で効果的に被加工物を加工できる噴流加工装
置と加工方法を提供することができる。
【００５４】また、噴流加工装置は簡易に構成されてい
るので、この噴流加工装置を用いて噴流加工システムを
容易に構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の噴流加工装置の基本構成を示す概略断
面図。
【図２】アルミ試験片の金属表面におけるグラインダ仕
上げ面とキャビテーション、エロージョンの発生箇所を
示す写真。
【図３】円柱状被加工物に適用される噴流加工システム
の一例を示す図。
【図４】円柱状被加工物に適用される噴流加工システム
の他の例を示す図。
【図５】噴流加工装置を放射状に配置して構成した噴流
加工システムの一例を示す図。
【図６】円筒状容器の内面を加工することに適用される
噴流加工システムを示す図。
【図７】噴流加工装置を円錐状に配置して構成した噴流
加工システムの一例を示す図。
【図８】原子炉シュラウドの内面を加工することに適用
される噴流加工システムを示す図。
【図９】本発明による噴流加工装置を金属表面の応力改
善に適用した結果を示す図。
【図１０】従来のスチームインジェクタの概略構成を示
す図。
【図１１】図２に示す写真と同じであり、溶接部の半分
をグラインダ仕上げしたアルミ板試験片の一部に高速二
相噴流を噴射して得た金属表面状態を示す写真。
【図１２】溶接部の半分をグラインダ仕上げしたアルミ
板試験片の一部に高速二相噴流を噴射する前の金属表面
状態を示す２００倍の顕微鏡写真。
【図１３】溶接部の半分をグラインダ仕上げしたアルミ
板試験片の一部に高速二相噴流を噴射した後の金属表面
状態を示す２００倍の顕微鏡写真。
【図１４】図１３に認められるキャビテーションピット
を走査型電子顕微鏡を用いて５００倍に拡大して示す顕
微鏡写真。
【図１５】図１３に認められるキャビテーションピット
を走査型電子顕微鏡を用いて２０００倍に拡大して示す
顕微鏡写真。
【符号の説明】 １ 水ノズル ２ 混合ノズル ２ａ 噴射孔 ３ 蒸気ノズル ３ａ 円筒状部 ３ｂ 曲線状部 ３ｃ 噴射孔 ３ｄ 最小断面部 ４ 水蒸気流 ５ 被加工物 ６ 蒸気供給管 ７ 蒸気供給弁 ８ 水供給管 ９ 水供給弁 １０ 水噴流 １１ 超音速噴流（蒸気噴流） １２ 高速二相噴流 １３ 衝突噴流 １７ 噴射型スチームインジェクタ（噴流加工装置） １８ 円柱状被加工物 １９ 被加工物駆動機構 ２４ 軸線管駆動手段 ２５ 軸線管 ３１ 蒸気供給用フレキシブルパイプ ３２ 水供給用フレキシブルパイプ ３３ スリップジョイント ４０ 原子炉シュラウド
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１２】
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１３】
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１４】
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１５
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１５】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ // Ｂ０８Ｂ 3/02 Ｂ０８Ｂ 3/02 Ｇ

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】液相の水からなる水噴流を噴出させる水ノ
    ズルと、気相の水蒸気流を超音速化させて蒸気噴流を生
    成しこの蒸気噴流を前記水噴流に対し熱バランスを越え
    て過剰に混合するように噴出させる蒸気ノズルと、前記
    蒸気噴流によって前記水噴流が加速されるように前記蒸
    気噴流と前記水噴流とを混合させて前記水噴流と前記蒸
    気噴流とからなる二相噴流を生成しこの二相噴流を被加
    工物に向かって直接的に噴出する混合ノズルと、を備え
    たことを特徴とする噴流加工装置。
  2. 【請求項２】前記蒸気ノズルは前記水ノズルに対し同心
    状に外嵌され、前記水ノズルの軸線方向直角の環状断面
    は前記蒸気ノズルの噴射孔に至る前に最小面積の最小断
    面部を有することを特徴とする請求項１に記載の噴流加
    工装置。
  3. 【請求項３】前記最小断面部の面積は、前記蒸気噴流と
    前記水噴流とを熱バランスさせるように設定される値に
    比べて大きく設定されることを特徴とする請求項２に記
    載の噴流加工装置。
  4. 【請求項４】前記水ノズルは前記蒸気ノズルに対し軸線
    方向に移動可能に配設されており、前記最小断面部の面
    積は、前記水ノズルと前記蒸気ノズルとの軸線方向の相
    対位置を変えることにより調整可能であることを特徴と
    する請求項２に記載の噴流加工装置。
  5. 【請求項５】前記水ノズルに供給される水蒸気流の流量
    は、前記蒸気噴流と前記水噴流とを熱バランスさせるよ
    うに設定される流量に比べて多量に供給されることを特
    徴とする請求項１に記載の噴流加工装置。
  6. 【請求項６】前記混合ノズルにおいて前記蒸気噴流は前
    記水噴流に、凝縮するとともに多数の小気泡状に浸入す
    るように混合されることを特徴とする請求項１に記載の
    噴流加工装置。
  7. 【請求項７】前記混合ノズルの先端部には軸線方向に平
    行に形成された噴射孔が形成されていることを特徴とす
    る請求項１に記載の噴流加工装置。
  8. 【請求項８】前記水および前記水蒸気流は純水から生成
    されることを特徴とする請求項１に記載の噴流加工装
    置。
  9. 【請求項９】液相の水からなる水噴流に、気相の水蒸気
    流を超音速化させて蒸気噴流を生成しこの蒸気噴流を前
    記水噴流に対し熱バランスを越えて過剰に混合するよう
    に噴出させ、前記蒸気噴流によって前記水噴流が加速さ
    れるように前記蒸気噴流と前記水噴流とを混合させて前
    記水噴流と前記蒸気噴流とからなる二相噴流を生成しこ
    の二相噴流を被加工物に向かって直接的に噴出させ、被
    加工物表面でキャビテーションを生じさせて被加工物を
    加工することを特徴とする噴流加工方法。
  10. 【請求項１０】液相の水からなる水噴流を噴出させる水
    ノズルと、気相の水蒸気流を超音速化させて蒸気噴流を
    生成しこの蒸気噴流を前記水噴流に対し熱バランスを越
    えて過剰に混合するように噴出させる蒸気ノズルと、前
    記蒸気噴流によって前記水噴流が加速されるように前記
    蒸気噴流と前記水噴流とを混合させて前記水噴流と前記
    蒸気噴流とからなる二相噴流を生成しこの二相噴流を被
    加工物に向かって直接的に噴出する混合ノズルと、を備
    えた噴流加工装置と、前記混合ノズルの噴射孔から被加
    工物の表面までの距離が所定距離にあるように前記噴流
    加工装置の位置を移動調整する噴射位置調整手段とを備
    えたことを特徴とする噴流加工システム。
  11. 【請求項１１】液相の水からなる水噴流を噴出させる水
    ノズルと、気相の水蒸気流を超音速化させて蒸気噴流を
    生成しこの蒸気噴流を前記水噴流に対し熱バランスを越
    えて過剰に混合するように噴出させる蒸気ノズルと、前
    記蒸気噴流によって前記水噴流が加速されるように前記
    蒸気噴流と前記水噴流とを混合させて前記水噴流と前記
    蒸気噴流とからなる二相噴流を生成しこの二相噴流を被
    加工物に向かって直接的に噴出する混合ノズルと、を備
    えた噴流加工装置を、回転駆動される被加工物の回転軸
    に沿って列状に複数個配列してなり、前記複数の噴流加
    工装置は、各々の前記蒸気ノズルに蒸気を供給する蒸気
    供給管または各々の前記水ノズルに水を供給する水供給
    管によって支持されていることを特徴とする噴流加工シ
    ステム。
  12. 【請求項１２】液相の水からなる水噴流を噴出させる水
    ノズルと、気相の水蒸気流を超音速化させて蒸気噴流を
    生成しこの蒸気噴流を前記水噴流に対し熱バランスを越
    えて過剰に混合するように噴出させる蒸気ノズルと、前
    記蒸気噴流によって前記水噴流が加速されるように前記
    蒸気噴流と前記水噴流とを混合させて前記水噴流と前記
    蒸気噴流とからなる二相噴流を生成しこの二相噴流を被
    加工物に向かって直接的に噴出する混合ノズルと、を備
    えた噴流加工装置を、円筒状の被加工物の内壁面に前記
    二相噴流が噴射されるように放射状または円錐状に複数
    個配設してなり、前記複数の噴流加工装置は、各々の前
    記蒸気ノズルに蒸気を供給する蒸気供給管または各々の
    前記水ノズルに水を供給する水供給管からなるとともに
    前記被加工物の軸線に位置する軸線管に支持されている
    ことを特徴とする噴流加工システム。
  13. 【請求項１３】液相の水からなる水噴流を噴出させる水
    ノズルと、気相の水蒸気流を超音速化させて蒸気噴流を
    生成しこの蒸気噴流を前記水噴流に対し熱バランスを越
    えて過剰に混合するように噴出させる蒸気ノズルと、前
    記蒸気噴流によって前記水噴流が加速されるように前記
    蒸気噴流と前記水噴流とを混合させて前記水噴流と前記
    蒸気噴流とからなる二相噴流を生成しこの二相噴流を被
    加工物に向かって直接的に噴出する混合ノズルと、を備
    えた噴流加工装置を、円筒状の被加工物の内壁面に前記
    二相噴流が噴射されるように放射状または円錐状に複数
    個配設してなり、前記複数の噴流加工装置は、各々の前
    記蒸気ノズルに蒸気を供給する蒸気供給管または各々の
    前記水ノズルに水を供給する水供給管からなるとともに
    前記被加工物の軸線に位置する軸線管に支持されている
    とともに前記軸線管の軸線方向に並進移動可能であるこ
    とを特徴とする噴流加工システム。
  14. 【請求項１４】液相の水からなる水噴流を噴出させる水
    ノズルと、気相の水蒸気流を超音速化させて蒸気噴流を
    生成しこの蒸気噴流を前記水噴流に対し熱バランスを越
    えて過剰に混合するように噴出させる蒸気ノズルと、前
    記蒸気噴流によって前記水噴流が加速されるように前記
    蒸気噴流と前記水噴流とを混合させて前記水噴流と前記
    蒸気噴流とからなる二相噴流を生成しこの二相噴流を被
    加工物に向かって直接的に噴出する混合ノズルと、を備
    えた噴流加工装置を、円筒状の被加工物の内壁面に前記
    二相噴流が噴射されるように放射状または円錐状に複数
    個配設してなり、前記複数の噴流加工装置は、各々の前
    記蒸気ノズルに蒸気を供給する蒸気供給管または各々の
    前記水ノズルに水を供給する水供給管からなるとともに
    前記被加工物の軸線に位置する軸線管に支持されている
    とともに前記軸線管の周りに旋回可能でることを特徴と
    する噴流加工システム。
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