JP3511298B2

JP3511298B2 - ウォータジェットの発生方法及び装置

Info

Publication number: JP3511298B2
Application number: JP07765893A
Authority: JP
Inventors: 佳晴宮永; 孝治忍谷
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd; Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd; Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1993-03-11
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 2004-03-29
Anticipated expiration: 2019-03-29
Also published as: JPH06262597A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ウォータジェットの発
生方法及び装置に関するものである。ウォータジェット
は、水を加圧して、ノズルから噴出させることにより、
発生したジェットエネルギーを被加工物の洗浄、はつ
り、切断、掘削などの加工に利用する技術である。

【０００２】

【従来の技術】従来のウォータジェットの発生装置とし
ては、図５に示されるようなものがある。これに示され
るウォータジェットの発生装置は、ノズルヘッド５０の
出口側端部に円筒状のノズルホルダ５２がねじ込まれて
おり、ノズルホルダ５２の内径部にノズル５４が取り付
けられている。ノズル５４には、ノズル穴５４ａが形成
されている。ノズルヘッド５０は、これの入口側端部が
図示してないポンプと配管を介して接続されている。ポ
ンプからノズルヘッド５０に供給された加圧水５６は、
ノズル５４のノズル穴５４ａを通ってウォータジェット
５６ａとして出口から外部に噴射され、被加工物５８に
衝突する。この衝突エネルギーを単位面積当たり適宜な
大きさに設定することにより、被加工物５８に対して表
面の錆、異物などを取り除く洗浄、プラスチック・紙な
どの薄物の切断（衝突エネルギーが小さい場合）、表面
の劣化塗料、コンクリート劣化層を除去するはつり（衝
突エネルギーが大きい場合）などを行うことができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来のウォータジェットの発生装置には、ウォー
タジェットの持つエネルギーを有効に利用することが困
難であるという問題点があった。すなわち、ノズル穴５
４ａを通ったウォータジェット５６ａは、通路の形状な
どによる乱流の発生、通路内における水と空気との摩擦
などによって運動エネルギーが減少するとともにウォー
タジェットが図示するように広がり角度αをもって拡散
することになる。このため、ノズル５４及び被加工物５
８間の距離（スタンドオフ）Ｓが大きくなるほど縦断面
から見たウォータジェットの直径Ｄが大きくなる。この
ため、被加工物５８に作用する単位面積当たりのエネル
ギーが小さくなり、効率のよい加工を行うことができな
くなる。また、このようなウォータジェットが拡散する
現象は、ノズル穴５４ａが摩耗によって変形したりする
といっそう助長される傾向があるので、装置の寿命が短
いという別の問題点もあった。本発明はこのような課題
を解決することを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１ノズルか
ら噴射された超音速のジェット流れを、下流側に配置し
た第２ノズルを通過させて平行流れに整流し、第２ノズ
ルの長さＬが第１ノズルのノズル穴の長さＭよりも著し
く長く形成されており、第１ノズル及び第２ノズルの間
に、複数の空気吸い込み口を両ノズルの円周方向に等間
隔に設けるようにして、上記第１ノズルからジェット流
れを上記第２ノズル通路に連通させる際に、ジェット流
れ内にノズル外部から空気を吸い込ませるようにして上
記第２ノズル通路に連通させることにより上記課題を解
決する。すなわち本発明のウォータジェットの発生方法
は、加圧した水を第１ノズルから超音速で噴射させるこ
とによりジェット流れを発生させ、次にこれを第１ノズ
ルと同心状でこれよりもノズル穴径の大きくかつ長さの
長い下流側の第２ノズル通路内において平行流れに整流
した後、第２ノズルからウォータジェットとして被加工
物に噴射させることにより、被加工物の加工を行う。な
お、上記超音速のジェット流れ内にノズル外部から空気
を吸い込ませて、空気と水を混合させるようにするとよ
い。また、上記方法を実施する装置は、筒状のノズルヘ
ッド（１０）と、これに直接又はほかの部材を介して支
持されたノズルと、を有しており、ノズルヘッド（１
０）に供給された加圧水をノズルのノズル穴からジェッ
ト状に噴出させることにより被加工物（２０）を加工す
るものを対象にしており、上記ノズルが、第１ノズル
（１４）及び第２ノズル（１８）から構成されており、
第２ノズル（１８）は、第１ノズル（１４）と同心状
に、かつこれよりも下流側に配置されており、第２ノズ
ル（１８）のノズル穴（１８ａ）は、これの穴径が第１
ノズル（１４）のノズル穴（１４ａ）の穴径よりも大き
く形成されるとともにノズル穴（１８ａ）の穴長さがノ
ズル穴（１４ａ）の穴長さよりも著しく長く形成され、
上記第１ノズル（１４）及び上記第２ノズル（１８）
は、通路（１１）を隔てて配置されており、第２ノズル
（１８）には、これの第１ノズル（１４）と対向する側
に第１ノズル側ほど穴径の大きいテーパ面部（１８ｂ）
が形成されて、第２ノズル（１８）の長さＬが第１ノズ
ルのノズル穴の長さＭよりも著しく長く形成されてお
り、第１ノズル（１４）及び第２ノズル（１８）の間
に、複数の空気吸い込み口を両ノズルの円周方向に等間
隔に設けるようにして、上記第１ノズル（１４）からジ
ェット流れを上記第２ノズル通路に連通させる際に、ジ
ェット流れ内にノズル外部から空気を吸い込ませるよう
にして上記第２ノズル通路に連通させるようにしたこと
を特徴としている。なお、上記ノズルヘッド（１０）に
は、第１ノズルホルダ（１２）が取り付けられており、
上記第１ノズル（１４）は、第１ノズルホルダ（１２）
に取り付けるとよい。また、上記ノズルヘッド（１０）
には、第２ノズルホルダ（１６）が取り付けられており
上記第２ノズル（１８）は、第２ノズルホルダ（１６）
に取り付けるとよい。なお、かっこ内の符号は実施例の
対応する部材を示す。

【０００５】

【作用】加圧された水が第１ノズルを通過することによ
り発生した乱流状のジェット流れは、ノズル穴の形状・
寸法・穴表面の荒さ、加圧力などによって決定される広
がり角度をもって拡散しようとするが、第１ノズルの出
口側に配置された第２ノズルの長さＬが第１ノズルのノ
ズル穴の長さＭよりも著しく長く形成されているため、
第２ノズルによって整流されるとともに広がり角度が小
さいものに制限される。これにより、被加工物に作用す
る単位面積当たりのエネルギーを大きい状態に維持して
加工能率を向上させることができる。また、装置内のジ
ェット流れは、第１ノズルの摩耗によって広がり角度が
大きくなるが、装置内で整流された後、第２ノズルから
装置外に噴射されるので、被加工物に作用する単位面積
当たりのエネルギーがあまり小さくならずに済み、装置
の寿命を長くすることができる。さらに、第２ノズルの
長さＬが第１ノズルのノズル穴の長さＭよりも著しく長
く形成されており、上記第１ノズルからジェット流れを
上記第２ノズル通路に連通させる際に、ジェット流れ内
にノズル外部から空気を吸い込ませるようにして上記第
２ノズル通路に連通させるようにしたことにより、空気
をいれる時点が、第１ノズルと第２ノズルの間であり、
第１ノズルからのジェット流れを第２ノズル通路に連通
させる際に、図２に示すように、ノズル外部から空気を
吸い込ませるようにして上記第２ノズル通路に連通させ
るようにしたため、空気が入ることにより噴流の液滴以
外の空間部の圧力が増し、第２ノズルのある程度の長さ
のあるオリフィスの中で、加速されることにより、噴流
のコアを維持して噴射される。なお、ノズルを２つに分
けないで、太く長い１つのノズルにすることも原理的に
は可能であるが、工業的には、ノズルはダイアモンドの
ような超硬工具用材料を用いており、一体構造のノズル
では経済的に著しく不利になるので、あまり実用的では
ない。

【０００６】

【実施例】図１に本発明の第１実施例を示す。筒状のノ
ズルヘッド１０には、これの内径部に図中左から通路１
０ａ、ねじ穴１０ｂ、通路１０ａよりも大径の通路１
１、及びねじ穴１０ｂよりも大径のねじ穴１０ｄが同心
状に順次形成されている。両ねじ穴１０ｂ及び１０ｄに
は、第１ノズルホルダ１２及び第２ノズルホルダ１６が
それぞれねじ込まれている。両ノズルホルダ１２及び１
６には、第１ノズル１４及び第２ノズル１８がそれぞれ
取り付けられている。すなわち、両ノズル１４及び１８
は、通路１１を隔てて互いに対向するように配置されて
いる。第２ノズル１８のノズル穴１８ａは、これの直径
ｄ２が第１ノズル１４のノズル穴１４ａの直径ｄ１より
も大きいものとされている。またこれの長さＬが第１ノ
ズル１４のノズル穴１４ａの長さＭよりも著しく長いも
のとされている。これにより後述のように第１ノズル１
４から噴射された乱流状態のジェット流れを整流するこ
とが可能である。また第２ノズル１８のノズル穴１８ａ
の第２ノズル１８には、ノズル穴１８ａから第１ノズル
１４に向かってテーパ角度βをもって次第に直径が大き
くなるテーパ面部１８ｂが形成されている。テーパ面部
１８ｂは、ノズル穴１４ａから噴射されたジェット流れ
が外周方向に拡散しようとするのをノズル穴１８ａ軸心
方向に収束するように案内可能である。穴直径ｄ１及び
ｄ２の比率は、設定ジェット速度Ｖ、両ノズル穴１４ａ
及び１８ａ間の距離Ａなどから決定することができる。
第１ノズル１４は、これの内径を後述のように高速・高
圧のジェット流れが通過するので、摩耗しないように、
ダイアモンドのような超硬工具材料が使用されている。
なお、第２ノズル１８は、これを流れるジェット流れの
圧力が比較的小さいこと、また上述のように第１ノズル
１４より著しく大形のものとなること、などの理由か
ら、ダイアモンドよりは安価な耐摩耗性材料が使用され
ている。第２ノズル１８の図中右端部から距離（スタン
ドオフ）Ｓを隔てて被加工物２０が配置されている。ノ
ズルヘッド１０は、これの図示を省略した左端部（入口
側）が図示してない高圧ホースを介して図示してないポ
ンプと接続されている。ポンプからは、高圧ホースを介
してノズルヘッド１０に加圧水２２を供給可能である。
ノズルヘッド１０は、図示してないノズル移動装置によ
って支持されている。ノズル移動装置は、ノズルヘッド
１０などを図中左右方向及び上下方向に移動可能であ
る。ノズルヘッド１０に供給された加圧水２２は、第１
ノズル１４のノズル穴１４ａ、ノズルヘッド１０の通路
１１、及び第２ノズル１８のノズル穴１８ａを通ってウ
ォータジェット２４ｂとしてコンクリート製の被加工物
２０に向かって噴射可能である。

【０００７】次に、この実施例の作用を説明する。図示
してないポンプから、図示してない高圧ホースを介して
ノズルヘッド１０に供給された加圧水２２は、第１ノズ
ル１４のノズル穴１４ａを通って乱流状のウォータジェ
ット２４ａとしてノズルヘッド１０の通路１１内に噴射
されるので直径方向に拡散しようとするが、第２ノズル
１８のテーパ面部１８ｂによって直径方向の拡散を抑制
され、さらに第２ノズル１８の比較的長い寸法のノズル
穴１８ａを通過している間に整流されることにより直径
方向に拡散しにくいウォータジェット２４ｂとして被加
工物２０に向かって噴射される。これによって被加工物
２０表面のコンクリート劣化層Ｈを除去する、はつり作
業を効率よく行うことができる。いま、加圧水２２の圧
力をＰ、ウォータジェット２４の速度をＶ、ノズル形状
などによって決定される比例常数をｋ、水の動粘性係数
をνとすると、Ｖ＝ｋ√Ｐ（１）Ｒｅ＝Ｖ×ｄ／ν （２）となる。図１に示す装置について、次のような試験数値
を用いるものとする。ノズルヘッド１０の通路１０ａの内径：０．６０（ｃ
ｍ）第１ノズル１４のノズル穴１４ａの内径：０．１７（ｃ
ｍ）加圧水２２の流量：５０（ｌ／ｍ
ｉｎ）加圧水２２の圧力：１５０（ＭＰ
ａ）これらの数値を用いて（１）及び（２）式を計算する
と、ノズルヘッド１０の通路１０ａの水速度Ｖ１＝２
９．５ｍ／ｓｅｃ、第１ノズル１４のノズル穴１４ａ部
の水速度Ｖ２＝５４８ｍ／ｓｅｃノズルヘッド１０の通
路１０ａのレイノルズ数Ｒｅ１＝２．６×１０⁶ 、第１
ノズル１４のノズル穴１４ａ部のレイノルズ数Ｒｅ２＝
１．４×１０⁶ となり、それぞれ超乱流状態となってい
ることがわかる。加圧水２２は、第１ノズル１４の通路
１０ａを通ってノズル穴１４ａから乱流状のウォータジ
ェット２４ａとして噴出され、通路１１内の空気との摩
擦などにより直径方向に拡散しようとして角度α１で広
がる。この角度α１で円すい状に広がったウォータジェ
ット２４ａは、円すい外周側が下流側に位置している第
２ノズル１８のテーパ面部１８ｂによって中心に向かう
ように案内され、また第２ノズル１８のノズル穴１８ａ
の円筒内壁面によって平行な水流に整流され、ノズル穴
１８ａから直径ｄ２のウォータジェット２４ｂとして噴
出される。このウォータジェット２４ｂの広がり角α２
は、ノズル穴１８ａの整流作用によって角度α１よりも
著しく小さいものとされている。すなわち、ウォータジ
ェット２４ｂは、ウォータジェット２４ａに比べて外周
方向に拡散しにくいものとされている。したがって図５
に示す従来の装置と、図１に示す本発明の装置とをスタ
ンドオフＳを一定として被加工物表面におけるウォータ
ジェットの直径の大きさを比較すると、図５における直
径Ｄの大きさよりも、図１における直径Ｄの方が著しく
小さくなる。すなわち、本発明によって発生させたウォ
ータジェット２４ｂは、スタンドオフＳの大きさにはあ
まり影響されないで、ほぼ一定の単位面積当たりエネル
ギーをもった状態で被加工物２０に衝突することにな
る。これにより後述の試験例に示すように被加工物２０
に対してウォータジェットによる加工を従来の装置によ
る加工よりも効率よく行うことができる。

【０００８】図２に本発明の第２実施例を示す。この第
２実施例の第１実施例と異なるところは、第２ノズルホ
ルダ１６に円周上４つの空気吸い込み口２６が等間隔に
設けられていることと、第２ノズル１８のテーパ面部１
８ｂのテーパ角度βがより小さく形成されていることで
ある。空気吸い込み口２６は、外部の空気を通路１１内
に吸い込み可能である。これにより通路１１内に乱流状
のウォータジェット２４ａとして粒状に噴出された水
が、外部から空気吸い込み口２６を通って吸い込まれた
空気によって拡散を抑制されるとともに空気と混合され
ることにより粒状化がいっそう促進されるので、ウォー
タジェットによる被加工物２０の加工をさらに効率よく
行うことができる。

【０００９】図３に本発明の第３実施例を示す。この第
３実施例の第１実施例と異なるところは、ノズルヘッド
１０に通路１１に相当する通路が形成されていないで、
第１ノズルホルダ１２の図中右側の端面が第２ノズル１
８の図中左側の端面と接触するように配置されているこ
とと、第２ノズル１８にテーパ面部が形成されていない
ことである。これにより装置をより小形にすることがで
きるとともに簡単な構造にすることができる。第１ノズ
ル１４及び第２ノズル１８は、一体に成形することもで
きる。

【００１０】（試験結果）図１に示す本発明の装置と、
図５に示す従来の装置とを使用して次のような比較試験
を行った。試験数値としては、上記４つのデータを用い
たほか、スタンドオフＳは、被加工物２０の加工前の表
面から１．５ｃｍに固定し、図４に示すように加工面に
おけるウォータジェットの移動軌跡ａを相当回転直径Ｃ
＝８．５ｃｍとし、Ｂ方向（図１中紙面と直交する方
向）への移動成分速度＝１５ｃｍ／ｍｉｎとした。ま
た、本発明の装置については、第２ノズル１８のノズル
穴１８ａを、内径ｄ２＝０．４ｃｍ、長さＬ＝５ｃｍと
した。被加工物２０は、いずれも同じ材料組成のコンク
リート製のものとして、表面のはつり作業を行った。そ
の結果、従来の装置においては、はつり可能深さＨ＝
３．７ｃｍであった。これに対して図１の装置において
は、はつり可能深さＨ＝５．６ｃｍとなり、従来装置の
１．５倍のはつり能力が得られた。なお、加圧水２２の
流量については上記数値以外の流量についても比較試験
したが、流量が大きい場合ほどはつり能力比が大きくな
ることがわかった。すなわち、本発明の装置は、実用可
能な範囲内においては、流量が大きい場合ほど効率が向
上することになる。

【００１１】なお、上記各実施例の説明においては、両
ノズル１４及び１８は、両ノズルホルダ１２及び１６に
よってそれぞれ支持されるものとしたが、両ノズルホル
ダ１２及び１６は設けないで、ノズルヘッド１０に第１
ノズル支持部及び第２ノズル支持部をそれぞれ形成し、
両ノズル１４及び１８は、ノズルヘッド１０によってそ
れぞれ直接支持されるように構成することもできる。ま
た、上記第１実施例の説明においては、通路１１をノズ
ルヘッド１０に形成するものとしたが、通路１１は２実
施例に示すように第２ノズルホルダ１６に形成すること
もできる。さらに上記第２実施例の説明においては、空
気吸い込み口２６は、これの吸い込み部の断面積が固定
のものであるとしたが、空気吸い込み口２６を可変のも
のとして吸い込み空気量を調整することもできる。な
お、空気吸い込み口２６は、ノズルホルダ１６に形成す
るものとしたが、図１に示す構成の場合には、ノズルヘ
ッド１０に空気吸い込み口２６を形成することもでき
る。なお、上記各実施例の説明においては、両ノズル１
４及び１８を別体のものから構成するものとしたが、こ
れを一体的に構成することは原理的には可能である。し
かしながら第１ノズル１４は、耐摩耗性を必要とするた
め、ダイアモンドのような超硬工具材料を用いるように
しているので、上記のように一体的に構成することは、
ノズルが著しく高価なものになるので、工業的にはあま
り実用的でない。

【００１２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればウ
ォータジェットの外周方向への拡散を少なくすることが
できるので、ノズル及び被加工物間の距離に制限されず
にウォータジェットによる加工作業を効率よく行うこと
ができ、装置全体を小形化することができる。第１ノズ
ルが摩耗してこれからの噴流が乱れるようになっても第
２ノズルによって整流されるので、装置の寿命を長くす
ることができる。さらに、ジェット噴流に空気が混合す
ることによりジェット噴流自体の体積が増加させた混層
流ができるため、狭いノズル通路内において、混層流が
第２ノズル内で加速されて噴射することとなり、非常に
効果的に被加工物に噴射される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のノズル装置を示す図であ
る。

【図２】本発明の第２実施例のノズル装置を示す図であ
る。

【図３】本発明の第３実施例のノズル装置を示す図であ
る。

【図４】ノズルの加工軌跡を説明する図である。

【図５】従来のノズル装置を示す図である。

【符号の説明】

１０ノズルヘッド１１通路１２第１ノズルホルダ１４第１ノズル１４ａノズル穴１６第２ノズルホルダ１８第２ノズル１８ａノズル穴１８ｂテーパ面部２０被加工物２２加圧水２４ａジェット流れ２４ｂウォータジェット２６空気吸い込み口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 000184539 小山内裕神奈川県川崎市高津区諏訪342 (72)発明者宮永佳晴東京都中央区銀座六丁目15番１号電源開発株式会社内 (72)発明者忍谷孝治広島県広島市安芸区船越南１丁目６番１号株式会社日本製鋼所内 (56)参考文献特開平３−49899（ＪＰ，Ａ) 特開平２−311300（ＪＰ，Ａ) 実開平３−38163（ＪＰ，Ｕ) 実開昭64−50100（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B26F 3/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】加圧した水を第１ノズルから超音速で噴
射させることによりジェット流れを発生させ、次にこれ
を第１ノズルと同心円状でこれよりもノズル穴径の大き
くかつ長さの長い下流側の第２ノズル通路内において平
行流れに整流した後、第２ノズルからウオータジェット
として被加工物に噴射させることにより、被加工物の加
工を行うウォータジェットの発生方法であって、第２ノズルの長さＬが第１ノズルのノズル穴の長さＭよ
りも著しく長く形成されており、第１ノズル及び第２ノズルの間に、複数の空気吸い込み
口を両ノズルの円周方向に等間隔に設けるようにして、上記第１ノズルからジェット流れを上記第２ノズル通路
に連通させる際に、ジェット流れ内にノズル外部から空
気を吸い込ませるようにして、空気と水を混合させて、
上記第２ノズル通路に連通させるようにしたことを特徴
とするウォータジェットの発生方法。
【請求項２】筒状のノズルヘッド（１０）と、これに
直接又はほかの部材を介して支持されたノズルと、を有
しており、ノズルヘッド（１０）に供給された加圧水を
ノズルのノズル穴からジェット状に噴出させることによ
り被加工物（２０）を加工するウォータジェットの発生
装置において、上記ノズルが、第１ノズル（１４）及び第２ノズル（１
８）から構成されており、第２ノズル（１８）は、第１
ノズル（１４）と同心状に、かつこれよりも下流側に配
置されており、第２ノズル（１８）のノズル穴（１８
ａ）は、これの穴径が第１ノズル（１４）のノズル穴
（１４ａ）の穴径よりも大きく形成されるとともにノズ
ル穴（１８ａ）の穴長さがノズル穴（１４ａ）の穴長さ
よりも著しく長く形成されており、上記第１ノズル（１４）及び上記第２ノズル（１８）
は、通路（１１）を隔てて配置されており、第２ノズル
（１８）には、これの第１ノズル（１４）と対向する側
に第１ノズル（１４）側ほど穴径の大きいテーパ面部
（１８ｂ）が形成されており、第１ノズル（１４）及び第２ノズル（１８）の間に、複
数の空気吸い込み口を両ノズルの円周方向に等間隔に設
けるようにして、上記第１ノズル（１４）から噴射されたジェット流れを
上記第２ノズル通路に連通させるようにし、上記第１ノズル（１４）及び上記第２ノズル（１８）間
に通路（１１）を外部と連通させる空気吸い込み口（２
６）が形成されており、上記超音速のジェット流れ内に
ノズル外部から空気を吸い込ませるようにしたウォータ
ジェットの発生装置。
【請求項３】上記ノズルヘッド（１０）には、第１ノ
ズルホルダ（１２）が取り付けられており、上記第１ノ
ズル（１４）は、第１ノズルホルダ（１２）に取り付け
られている請求項２記載のウォータジェットの発生装
置。
【請求項４】上記ノズルヘッド（１０）には、第２ノ
ズルホルダ（１６）が取り付けられており上記第２ノズ
ル（１８）は、第２ノズルホルダ（１６）に取り付けら
れている請求項２又は３記載のウォータジェットの発生
装置。