JPH07241494A

JPH07241494A - ウォータージェット用ノズル

Info

Publication number: JPH07241494A
Application number: JP3443394A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Satou; 一教佐藤; Toshio Matsubara; 敏夫松原
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1994-03-04
Filing date: 1994-03-04
Publication date: 1995-09-19
Anticipated expiration: 2012-10-27
Also published as: JP2668056B2

Abstract

(57)【要約】【目的】水中においても定常的にキャビテーションを
続け、圧力損失の小さい処理効果の大きいウォータージ
ェット用ノズルを提供する。【構成】高圧水を噴出させる噴出孔と、この噴出孔の
出口から漸次拡大延設された拡大部とを備えたウォータ
ージェット用ノズルにおいて、拡大部の内壁に少なくと
も一つ以上の階段状段差を設け、更に拡大部の出口に絞
り部を設けて、噴出孔及び拡大部の中心軸に垂直な断面
形状は円形とし、拡大部の出口内径は、噴出孔内径の１
５〜２５倍にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水中での各種加工に使
用されるウォータージェット用ノズルに関し、特に水中
において激しいキャビテーションを伴う高速水噴流をつ
くり出すウォータージェット用ノズルに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】高速ウォータージェットの利用は、切
断、掘孔、洗浄、はつり及び金属強化等ユニークな加
工、採鉱あるいは洗浄技術として知られている。これを
材料の強化に利用する試みがウェスチングハウス・エレ
クトリック社により行われた。しかしこれは、水噴流の
軸動力を有効に利用できる大気中の作業であり、この技
術を水中水噴流としてそのまま展開できる保証は無い。
水中では、噴流軸動圧力の減衰がかなりはやい。これ
は、周囲水の抵抗と、同じ液相であるがために拡散速度
が大きいことに起因する。水中において、気相中水噴流
なみの軸動力を得るためには、超高圧装置が必要にな
り、コスト的に大変不利な技術になってしまう。

【０００３】一方、図１７に示すように、水中水噴流４
０には、噴流の乱れと、それと周囲水３９とのせん断作
用の複合効果により、激しいキャビテーションが発生す
る。キャビテーションを促進し、多量に発生する気泡の
崩壊衝撃圧力、特に図１７に描いたような渦キャビテー
ションの衝突による衝撃圧力を有効に利用できれば、気
相中水噴流なみのピーニング効果をさほど高くない噴射
圧力で達成できる可能性がある。尚、図１７中で、参照
番号４はノズル本体、８は噴出孔、３８は高圧水、９８
はキャビテーションの初生、９９はキャビテーションの
クラウド、１００はキャビテーションクラウドの***、
１０１は渦糸キャビテーション、１０２はキャビテーシ
ョンクラウドの消滅、１０３は微細気泡群である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１８に示したのは、
一般のウォータージェット用ノズル１′の断面図で、ウ
ォータージェット切断加工に用いられるノズルの典型的
な構造である。このノズルは、縮小部３７の絞り角度θ
を小さくすることにより気相中で水噴流をビーム状に絞
ることを目的としたものであり、そのまま水中水噴流に
利用してもキャビテーションの強度（Intensity）は十
分とはいえない。理由は、高圧水３８が流路３６より縮
小部３７、噴出孔８を介して噴出する水中水噴流の乱れ
が激しくなく、噴射水中にある気泡核が、活発なキャビ
テーションに至るまで励起されないことによる。尚、参
照番号５は中心軸である。図１９に示すウォータージェ
ット用ノズル１′の構造のように、θを大きくとって絞
りを鋭くすれば、縮小部３７における急激な縮流のため
にキャビテーションが活発に発生するが、噴出孔８内に
おいて気泡が発生するため、いわゆるバブルロックによ
って圧力損失が増大する。水中処理性能は向上するもの
の、より高圧のポンプが必要になりコスト的には不利に
なってしまう。

【０００５】図１８及び図１９のウォータージェット用
ノズル１′から噴射されるキャビテーション噴流は、と
もに単一噴出孔からつくり出されるため、そのひろがり
が乏しい。従って、処理対象面の広い領域を処理するた
めには、ウォータージェット用ノズルを複雑にトラバー
スさせたり、あるいは処理時間を長くしなければならな
いという問題が残る。処理時間を短縮し、ウォータージ
ェット用ノズルのマニュピレーション（位置決め操作）
を簡略化するためには、ひろがりの大きなキャビテーシ
ョン噴流を作り出さねばならない。

【０００６】図２０に示す先行技術の水中水噴流に使用
するウォータージェット用ノズル１′は、水中における
各種作業のために開発されたものであり、キャビテーシ
ョンの利用が示されている（特開昭６０−１６８５５４
号公報）。図２０に示すウォータージェット用ノズル
１′では、高圧噴出装置１０７より配管１０６、噴出孔
８を介して円錐形の拡大部１２内において発生する不安
定なはく離渦の作用によりキャビテーションが促進さ
れ、処理対象面４８の処理面を加工する。しかしなが
ら、図２１に示すように、水中水噴流４０のはく離渦１
１０の作用は非定常性が強く間欠的であり（図中では、
矢印１１１で示す出たり入ったりする不安定動作）、キ
ャビテーションを常時激しく活性化し続けるわけではな
い。

【０００７】本発明の目的は、このような問題点を解消
し、水中においても定常的に活発なキャビテーションを
続け、圧力損失の小さい、且つ処理効果の大きいウォー
タージェット用ノズルを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本第１発明は、高圧水を噴出させる噴出孔と、該噴
出孔の出口から漸次拡大延設された拡大部とを備えたウ
ォータージェット用ノズルにおいて、前記拡大部の内壁
に少なくとも一つ以上の階段状段差を設けたことであ
る。

【０００９】本第２発明は、高圧水を噴出させる噴出孔
と、該噴出孔の出口から漸次拡大延設された拡大部とを
備えたウォータージェット用ノズルにおいて、前記拡大
部の内壁に少なくとも一つ以上の環状溝を設けたことで
ある。

【００１０】本第３発明は、高圧水を噴出させる噴出孔
と、該噴出孔の出口から漸次拡大延設された拡大部とを
備えたウォータージェット用ノズルにおいて、前記拡大
部の出口に絞り部を設けたことである。

【００１１】本第４発明は、本第１発明又は第２発明に
おいて、前記拡大部の出口に絞り部を設けたことであ
る。

【００１２】本第５発明は、高圧水を噴出させる噴出孔
と、該噴出孔の出口から漸次拡大延設された拡大部とを
備えたウォータージェット用ノズルにおいて、前記噴出
孔及び前記拡大部の中心軸に垂直な断面形状は円形であ
り、前記拡大部の出口内径は、前記噴出孔内径の１５〜
２５倍であることである。

【００１３】本第６発明は、本第１発明〜第４発明のい
ずれかにおいて、前記噴出孔及び前記拡大部の中心軸に
垂直な断面形状は円形であり、前記拡大部の出口内径
は、前記噴出孔内径の１５〜２５倍であることである。

【００１４】

【作用】本発明によれば、高圧水を噴出させる噴出孔
と、この噴出孔の出口から漸次拡大延設された拡大部と
を備えたウォータージェット用ノズルにおいて、拡大部
の内壁に少なくとも一つ以上の階段状段差を設けたの
で、拡大部内壁に連続的に並ぶ階段状段差は、はく離渦
を連鎖的に生成する。このはく離渦は、拡大部と水噴流
の間に生じるせん断渦と複雑に干渉し合うために、微小
な低圧部が水中水噴流の界面に数多く発生し、キャビテ
ーションが大幅に促進される。

【００１５】更に、拡大部の内壁に少なくとも一つ以上
の環状溝を設けたので、拡大部の内壁上の環状溝には、
そこにトラップされている不凝縮性気体（例えば空気）
が次々と離脱して微小気泡となって噴流中に巻き込まれ
るため、いわゆる周囲核（Ａmbient nuclei）供給の作
用がある。すなわち、環状溝は、キャビテーション核を
供給するキャビテータとしての機能を有する。

【００１６】更に、拡大部の出口に絞り部を設けたの
で、絞り部によって生じるはく離泡が、水中水噴流と干
渉し、水中水噴流の界面を激しく乱す。このようにして
乱れた噴流界面にはせん断渦の生成が活発になり、材料
に対して強い影響を及ぼすパワフルな渦キャビテーショ
ンが発達する。

【００１７】更に、拡大部の内壁に少なくとも一つ以上
の階段状段差又は少なくとも一つ以上の環状溝と拡大部
の出口に絞り部とを設けたので、階段状段差におけるは
く離渦を連鎖的に生成する作用又は環状溝にトラップさ
れている不凝縮性気体（例えば空気）の離脱微小気泡の
噴流中への巻き込みと共に、拡大部の先端に取り付けた
絞り部によって生じるはく離泡が、水中水噴流と干渉
し、水中水噴流の界面を激しく乱す。このようにして乱
れた噴流界面にはせん断渦の生成が活発になり、キャビ
テーションが大幅に促進され、処理対象面に対して強い
影響を及ぼすパワフルな渦キャビテーションとして作用
する。

【００１８】そして、噴出孔及び拡大部の中心軸に垂直
な断面形状は円形であり、拡大部の出口内径は、前記噴
出孔内径の１５〜２５倍であるので、拡大部の噴流に発
生するキャビテーションは、この範囲で最も活発にな
り、処理対象面に対して強い影響を及ぼすパワフルな渦
キャビテーションとして作用する。

【００１９】又、拡大部の内壁に階段状段差又は環状溝
と拡大部の出口に絞り部とを設け、噴出孔及び拡大部の
中心軸に垂直な断面形状を円形とし、拡大部の出口内径
は、噴出孔内径の１５〜２５倍にすることにより、一層
確実に処理対象面に対して強い影響を及ぼすパワフルな
渦キャビテーションを発生する。

【００２０】噴出孔出口における末広がり形で円錐状の
拡大部と、噴出孔から噴射されてひろがる噴流の間に
は、せん断渦が発生し、この渦が噴流を乱すためキャビ
テーションが促進される。特に、噴流界面のせん断層で
は、渦キャビテーションの発生が活発になる。特に渦キ
ャビテーションは、他のキャビテーションに比べてパワ
フルであり、材料に対して強い影響を及ぼす。結果的
に、水中の高速水噴流に発生するキャビテーションのパ
ワーが著しく向上し、水中処理の効率が向上する。本発
明のウォータージェット用ノズルは、噴出孔から噴射さ
れた後に噴流の乱れを促進するために、ノズルの圧力損
失が上昇することが無い。

【００２１】以上述べた作用はいずれも、キャビテーシ
ョンを促進するものである。本発明になる手段を用いれ
ば、ノズルから噴射直後の水中水噴流の界面の乱れ、即
ち、せん断渦の生成を促進し、さらに噴流内部における
大規模な渦の生成をも増進する。これらの乱れの作用が
引き金となって、噴流界面の乱れを通じて気泡核が供給
されるようになる。結果的に、材料に対して強力に作用
する渦キャビテーションの生成が活発になる。拡大部に
おける内壁の階段状段差、環状溝及び拡大部出口におけ
る絞り部の寸法は、前述した最適範囲において、渦や乱
れあるいはキャビテーション核の供給を最も促進する。

【００２２】

【実施例】以下、本発明に係るウォータージェット用ノ
ズルの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１
は、本発明に係るウォータージェット用ノズルの第１の
実施例の断面図である。第１の実施例のウォータージェ
ット用ノズル１は、拡大部１２の内壁１５に階段状段差
２０が設けられたものである。高圧水３８は、流路３６
を通じて導かれ、噴出孔８へと絞られて減圧加速され、
その出口１０に拡大部１２が延設され、ここから周囲水
中へ噴射される。この拡大部１２の片振りひろがり角度
は３０°である。又、噴出孔８の内径９（Ｄｊ）に対し
て、拡大部１２の出口内径１４（Ｄｏ）は、Ｄｏ＝（１５〜２５）Ｄｊ ……（１）となる範囲内から選択する。この（１）式を満たす条件
において、拡大部１２内の噴流に発生するキャビテーシ
ョンが最も活発になる。Ｄｏがこの範囲外ではキャビテ
ーションが不活発である。本実施例では、拡大部１２の
内壁１５上に階段状段差２０を設けてあり、その段差の
数は５である。

【００２３】図２は、本発明に係るウォータージェット
用ノズルの第２の実施例の断面図である。このウォータ
ージェット用ノズル１の構造は、基本的には図１のそれ
と同じである。ただし、噴出孔の出口１０に延設された
略円錐形の拡大部１２の内壁１５は丸みをおびており、
回転楕円体に近い形状となっている。このノズルにおい
ても、噴出孔の内径９（Ｄｊ）と略円錐形の拡大部の出
口内径１４（Ｄｏ）は、上記（１）式を満足する範囲内
から選択設定される。本実施例において、略円錐形の拡
大部１２の内壁上における段差数は、図１の例と同様に
５である。図２中の参照番号の内、図１と同じ構造部分
は同じ参照番号を付して、その説明を省略する。

【００２４】図３は、本発明に係るウォータージェット
用ノズルの第３の実施例の断面図である。この構造のウ
ォータージェット用ノズル１は、円錐形の拡大部１２の
内壁１５に環状溝２４を設けたものである。この実施例
では、３列の環状溝２４を設けた。キャビテーションの
促進に対して、環状溝２４には、次のような好適範囲が
ある。環状溝２４の外径２６（Ｄｔ）と、内径２５（Ｄ
ｈ）の寸法関係は、

【００２５】

【数１】

【００２６】の範囲内で決定するのが好ましく、さら
に、より望ましくは、

【００２７】

【数２】

【００２８】から設定すればよい。又環状溝２４の幅２
７（ｌ）に関しては、

【００２９】

【数３】

【００３０】の範囲から選択するのが良いが、

【００３１】

【数４】

【００３２】の条件範囲内であれば、キャビテーション
の促進に対してより適切である。この実施例のノズルに
おいても、噴出孔の内径９（Ｄｊ）と円錐形の拡大部１
２の出口内径１４（Ｄｏ）は、前述（１）式の条件に合
わせて決定する。又、図１の実施例と同様に、円錐形の
拡大部１２の片振りひろがり角度は３０°である。図３
中の参照番号の内、図１と同じ構造部分は同じ参照番号
を付して、その説明を省略する。

【００３３】図４は、本発明に係るウォータージェット
用ノズルの第４の実施例の断面図である。このウォータ
ージェット用ノズル１は、図３に構造を示した環状溝付
きノズルの円錐形拡大部に丸みをもたせた回転楕円体構
造にしたものである。拡大部の形状は、円錐形よりも、
回転楕円体とする方が、内壁と噴流の間の空間が大きく
確保できるので、噴出直後の噴流外周の界面せん断渦が
より活発に生成しやすくなる。図４中の参照番号の内、
図３と同じ構造部分は同じ参照番号を付して、その説明
を省略する。

【００３４】図５は、本発明に係るウォータージェット
用ノズルの第５の実施例の断面図で、円錐形の拡大部１
２の出口に絞り部であるオリフィス３０′を設けたもの
である。オリフィス３０′の開口径３１（Ｄｃ）は、円
錐形拡大部の出口内径１４（Ｄｏ）に対して、

【００３５】

【数５】

【００３６】の範囲より選択するのが好ましい。さらに
望ましくは、

【００３７】

【数６】

【００３８】の範囲より選択すれば、圧力損失の増大を
抑えたまま、噴流に発生するキャビテーションを著しく
活発にすることができる。この第５の実施例のノズルに
おいても、噴出孔内径９（Ｄｊ）と円錐形の拡大部の出
口内径１４（Ｄｏ）の寸法は（１）式に示す通りであ
り、円錐形の拡大部１２の片振りひろがり角度は、他の
ノズルと同様に３０°である。図５中の参照番号の内、
図１と同じ構造部分は同じ参照番号を付して、その説明
を省略する。

【００３９】図６は、本発明に係るウォータージェット
用ノズルの第６の実施例の断面図である。このノズルの
基本的構造は図５のそれと同じであり、略円錐形をした
拡大部１２の内壁１５の形状を丸みのある略回転楕円体
にしたものである。図６中の参照番号の内、図５と同じ
構造部分は同じ参照番号を付して、その説明を省略す
る。

【００４０】図７は、水中水噴流と処理対象面の関係側
面図である。上記ノズル１から高圧水３８を水中へ噴射
された激しいキャビテーションを伴う水中水噴流４０を
処理対象面４８に衝突させると、跳ね返り噴流４７が発
生する。ノズル本体４の出口と処理対象面４８間のスタ
ンドオフ距離ｘは、キャビテーションが十分に発達して
パワフルになり、しかも材料に対して壊食（エロージョ
ン）を決して起こさない条件として選択する。ノズル本
体４における噴射圧力が、例えば７００ｋｇｆ／ｃｍ²
（７０ＭＰａ）の場合、好適なスタンドオフ距離は約８
０〜１５０ｍｍの範囲にある。参照番号４６は、噴流の
輪郭である。

【００４１】図８は、本発明第１の実施例における水中
水噴流を説明する側面図である。円錐形の拡大部１２に
階段状段差２０を設けた第１の実施例における水中水噴
流４０の状態を模式的に描いたものである。噴出孔８か
ら噴射された水噴流にはキャビテーションが発生し、円
錐形の拡大部１２内をひろがって噴出する。円錐形の拡
大部１２と水中水噴流４０の間には、噴流周囲の環状渦
流５５が発生する。この噴流周囲の環状渦流５５は、図
示するように比較的大きい。一方、本発明になる階段状
段差２０においても段差に生じる渦流５４が発生する。
この階段状段差２０に生じる渦流５４は、噴流周囲の環
状渦流５５と干渉することにより、以下の２つの効果を
生み出す。

【００４２】（ａ）噴流周囲の乱れを促進する。

【００４３】（ｂ）噴流中心にあるコア部５６を拡散さ
せる。

【００４４】（ａ）によれば、噴流界面のせん断層部５
７に強く影響を及ぼし、キャビテーションを促進する。
このせん断層部５７は、水中水噴流に発生する数種類の
タイプのキャビテーションの中でも、機能的に重要な渦
キャビテーションの生成領域である。一方、噴流中心の
コア部５６には、材料を壊食（エロージョン）させる問
題があるが、（ｂ）の作用によりこの危険性はかなり消
滅する。以上のような作用により、円錐形の拡大部に設
けた階段状段差２０は、発達したキャビテーション５９
をもたらすとともに水中水噴流４０の構造を改質する。
尚、参照番号５８は、周囲核の供給である。

【００４５】図９は、本発明第５の実施例における水中
水噴流を説明する側面図である。円錐形の拡大部の出口
１３先端にオリフィス３０′を設けた場合における水中
水噴流４０の状態を模式的に描いた場合である。オリフ
ィス３０′を設けることにより、噴出孔８から噴出直後
の噴流の外周に、すなわち安定な拡大部１２に生じる渦
流６５が形成される。この拡大部１２に生じる渦流６５
は、円錐形の拡大部の出口１３にオリフィス３０′が無
い場合に比べて、かなり安定であり、水中水噴流４０に
対して継続的な変動を与え続ける。オリフィス３０′の
外周には、オリフィス３０′に生じる渦流６４や、これ
に誘発される噴流周囲の環状渦流６６ａ及び６６ｂが形
成される。このようにして、水中水噴流４０のせん断層
部５７において、渦キャビテーションが活発に生成する
ようになる。せん断層部５７における活発な渦や気泡の
動きは、図中に白抜きの矢印で示したように、周囲の水
中からの周囲核の供給５８により一層活発になる。従っ
て、水中水噴流４０では、ノズル本体４に近い上流側の
せん断層部５７において渦キャビテーションが、更に、
水中水噴流４０の下流では発達したキャビテーション５
９が、噴流の内部に作り出される。

【００４６】次に、水中水噴流に発生するキャビテーシ
ョンの特性をもとに、本発明の効果を具体的に示してい
く。水中水噴流の軸方向に対する衝撃圧の分布には二つ
のピークが現れる。ノズル本体に近い最初のピークを
「第１ピーク」、一方下流の二番目のピークを「第２ピ
ーク」と称している。図１０は、水中水噴流の第１ピー
ク及び第２ピークの測定位置関係を示す側面図である。
それぞれ水中水噴流４０の第１ピーク及び第２ピークに
相当するスタンドオフ距離ｘ₁及びｘ₂における噴流の直
径Ｄ₁とＤ₂を測定した。水中水噴流４０に発生するキャ
ビテーションが噴流の輪郭４６を描き出す。この噴流の
輪郭４６は、次のような方法により求めた。

【００４７】図１１は、水中水噴流の輪郭撮影方法を説
明する側面図である。噴流の背後に暗幕７０を設置し、
連続光源７１からの光により噴流を光らせてカメラ７２
で噴流の輪郭４６を写真撮影をし、写真により測定し
た。

【００４８】図１２は、水中水噴流の第１ピークにおけ
る噴射圧力と噴射径との関係曲線図である。噴射圧力Ｐ
に対する第１ピーク相当のスタンドオフ距離Ｘ₁（図１
０）における噴流の直径Ｄ₁の変化を整理し、本発明の
実施例と従来技術における噴流の太さを比較したもので
ある。横軸の噴射圧力Ｐは、基準噴射圧力Ｐ＊を比較基
準として無次元化されている。一方縦軸の噴流直径Ｄ₁
も、Ｐ＝Ｐ＊条件下の「第１ピーク」における噴流の直
径Ｄ₁＊を比較基準として無次元化したものである。曲
線７６は、第１の実施例（第１ピーク）を表し、曲線７
８は、従来技術（第１ピーク）を表わす。両曲線ともＰ
／Ｐ＊の増加とともにＤ₁／Ｄ₁＊はゆるやかに増加する
が、同一のＰ／Ｐ＊で比較すると、本発明の曲線７６の
方が、従来技術の曲線７８よりも圧倒的にＤ₁／Ｄ₁＊が
大きい。この結果より、ノズルに近い領域においても、
本発明になるウォータージェット用ノズルのキャビテー
ションの促進の効果が実証されたものといえる。

【００４９】図１３は、水中水噴流の第２ピークにおけ
る噴射圧力と噴射径との関係曲線である。下流の第２ピ
ークにおける噴流径Ｄ₂を、無次元化した噴射圧力Ｐ／
Ｐ＊に対する変化として整理したものである。図１２と
同様に、Ｄ₂は、Ｐ＝Ｐ＊条件下の「第２ピーク」にお
ける噴流の直径Ｄ₂＊により割られて無次元表記されて
いる。曲線７７は、第１の実施例（第２ピーク）を表
し、曲線７９は、従来技術（第２ピーク）を表わす。第
２ピーク相当のスタンドオフ距離Ｘ₂（図１０）におけ
る噴流は、本発明の曲線７７の方が従来技術の曲線７９
よりもかなり大きくなっていることが、この結果からも
明らかである。

【００５０】図１４は、水中水噴流の衝撃圧力測定方法
を示す側面図である。感圧フィルム法を用いて、水中水
噴流４０のキャビテーションから発生する衝撃圧力８４
を、本発明の実施例になるウォータージェット用ノズル
１を用いた場合と従来技術のウォータージェット用ノズ
ル１′について比較した。キャビテーションを伴う水中
水噴流４０の中心軸５から半径方向へ５ｍｍ離した位置
において、中心軸５と平行に感圧フィルム７３を設置し
た。

【００５１】図１５は、スタンドオフ距離と衝撃圧力の
関係曲線図である。スタンドオフ距離ｘに対する衝撃圧
力Ｐｓｈの分布の結果をまとめたもので、曲線８６は、
第１の実施例の無次元化したスタンドオフ距離〜無次元
化した衝撃圧力の関係曲線を示し、曲線８７は従来技術
の無次元化したスタンドオフ距離〜無次元化した衝撃圧
力の関係曲線を示す。横軸のスタンドオフ距離ｘは、従
来技術における「第１ピーク」相当のスタンドオフ距離
ｘ＊で割り無次元化している。縦軸の衝撃圧力Ｐｓｈ
も、従来技術の「第１ピーク」における衝撃圧力Ｐｓｈ
＊を基準として無次元表記した。一般にＰｓｈ／Ｐｓｈ
＊の曲線は、図から明らかなように２つのピークを有す
る分布形状となり、ノズルに近い第１ピークは、ｘ／ｘ
＊の狭い範囲で鋭くとがった特性を示している。下流の
第２ピークは、逆にかなりなだらかな形状を示す。本発
明の実施例になるウォータージェット用ノズル１を用い
た場合には、全ｘ／ｘ＊の領域においてＰｓｈ／Ｐｓｈ
＊のレベルがかなり高く、且つ従来技術の曲線８７より
も全領域に渡ってキャビテーションがパワフルであるこ
とが分かる。又、第１ピーク相当のスタンドオフ距離ｘ
／ｘ＊は従来技術におけるそれと大差は無いが、第２ピ
ークに相当するｘ／ｘ＊は、下流へシフトしている。

【００５２】図１６は、処理対象面の付着物の除去効果
を説明する棒グラフで、付着物の除去効果を、従来技術
と比較して示す。初期条件としての付着物の質量ｍ₁に
対する処理後に残存した付着物の質量Δｍの比Δｍ／ｍ
₁として評価する。各棒は、処理対象面の付着物量を示
し、棒９０は、処理前付着物量、棒９１は、図１８のウ
ォータージェット用ノズル１′を使用した場合、棒９２
は、図１９のウォータージェット用ノズル１′を使用し
た場合、棒９３は、図２０のウォータージェット用ノズ
ル１′を使用した場合、棒９４は、本発明である図１の
ウォータージェット用ノズル１を使用した場合である。
尚、各棒の頭部にある値はそれそれの付着量Δｍ／ｍ₁
の値を示す。この試験結果から、図１８、図１９及び図
２０に示す従来技術においても付着量Δｍ／ｍ₁は大幅
に減少し、付着物を除去できる効果はあるが、本発明の
実施例によれば、付着量Δｍ／ｍ₁をさらに著しく減ら
すことが可能であることが確認された。本発明を適用し
た場合の付着量Δｍ／ｍ₁は、棒９１の場合の１／１０
以下である。

【００５３】以上述べた作用はいずれも、キャビテーシ
ョンを促進するものである。本発明になる手段を用いれ
ば、ウォータージェット用ノズルから噴射直後の水中水
噴流の界面の乱れ、即ちせん断渦の生成を促進し、さら
に噴流内部における大規模な渦の生成をも増進する。こ
れらの乱れの作用が引き金となって、噴流界面の乱れを
通じて気泡核が供給されるようになる。結果的に、材料
に対して強力に作用する渦キャビテーションの生成が活
発になる。拡大部におけるその内周壁上の階段状段差、
環状溝及び拡大部出口における絞り部であるオリフィス
の寸法は、前述した最適範囲において、渦や乱れあるい
はキャビテーション核の供給を最も促進する条件であ
る。

【００５４】他の実施例として、船舶関係にも適用する
ことができる。海水面下にある船舶の底部には、貝・藻
その他の生物が付着し、走航に際してかなりの走航抵抗
になる。本発明になるウォータージェット用ノズルは、
これらの付着物を海洋走航中において除去することを可
能にする。このように付着物の除去が海水中において可
能になれば、船をドックへ入れドックから海水を汲み出し付着物の混じる洗水を廃棄しさらにドックへ再び海水を入れるといった一連の操作がいっさい省略されることになり、
船舶の保守、保全がより経済的に行われるようになる。
付着物を防止するために用いる特殊な塗料の使用も削減
されれば、海洋の環境保護の観点からも好ましい。特
に、ドック付近の有機すず化合物による海洋汚染を防止
することができる。

【００５５】以上この発明を図示の実施例について詳し
く説明したが、それを以ってこの発明をそれらの実施例
のみに限定するものではなく、この発明の精神を逸脱せ
ずして種々改変を加えて多種多様の変形をなし得ること
は云うまでもない。

【００５６】

【発明の効果】本第１発明によれば、高圧水を噴出させ
る噴出孔と、この噴出孔の出口から漸次拡大延設された
拡大部とを備えたウォータージェット用ノズルにおい
て、拡大部の内壁に少なくとも一つ以上の階段状段差を
設けたので、拡大部内壁に連続的に並ぶ階段状段差は、
はく離渦を連鎖的に生成する。このはく離渦は、拡大部
と水噴流の間に生じるせん断渦と複雑に干渉し合うため
に、微小な低圧部が水中水噴流の界面に数多く発生し、
キャビテーションが大幅に促進される。その結果、次の
ような効果を奏する。

【００５７】（１）キャビテーションを伴う水中水噴流
の広がりが大きくなるため、処理対象面の広い部分の処
理が可能になる。

【００５８】（２）水中水噴流に発生するキャビテーシ
ョンが著しく発達したものであるので、短時間のうちに
処理を完了することが出来、処理効率が向上し、処理コ
ストが低減する。

【００５９】（３）ピーニング処理においては、衝撃圧
力が大きく激しいキャビテーションを利用出来るため、
処理対象面の強化が表層からより深い箇所まで及ぶ。従
って、処理対象面を効率良く強化出来る。

【００６０】（４）ノズル本体の噴出孔以降の流れにお
いてキャビテーションを促進するため、噴出孔がキャビ
テーション気泡により充満、閉塞するような圧力損失増
大による問題は発生しない。

【００６１】本第２発明によれば、拡大部の内壁に少な
くとも一つ以上の環状溝を設けたので、拡大部の内壁上
の環状溝には、そこにトラップされている不凝縮性気体
が次々と離脱して微小気泡となって噴流中に巻き込ま
れ、キャビテーションが大幅に促進される。従って、上
記第１発明の効果である（１）〜（４）項と同じ効果を
奏する。

【００６２】本第３発明によれば、拡大部の出口に絞り
部を設けたので、この絞り部によって生じたはく離泡
が、水中水噴流の界面を激しく乱し、せん断渦の生成を
活発にし、処理対象面に対して強い影響を及ぼすパワフ
ルな渦キャビテーションが発達し、本第２発明と同じ
く、上記第１発明の効果である（１）〜（４）項と同じ
効果を奏する。

【００６３】本第４発明によれば、本第１発明又は第２
発明において、拡大部の出口に絞り部を設けたので、階
段状段差におけるはく離渦の連鎖的生成又は環状溝にト
ラップされている不凝縮性気体の離脱微小気泡の噴流中
への巻き込みと共に、拡大部の先端に取り付けた絞り部
によって生じるはく離泡が、水中水噴流の界面を激しく
乱し、乱れた噴流界面にせん断渦の生成を活発にさせ、
キャビテーションが大幅に促進され、本第１発明又は第
２発明と同じ効果をより確実に奏する。

【００６４】本第５発明によれば、拡大部及び噴出孔の
中心軸に垂直な断面形状は円形であり、拡大部の出口内
径は、前記噴出孔内径の１５〜２５倍であるので、単純
な手段でキャビテーションを大幅に促進させることが可
能になる。

【００６５】本第６発明によれば、本第１発明〜第４発
明のいずれかにおいて、拡大部の内壁に階段状段差又は
環状溝と拡大部の出口に絞り部とを設け、拡大部及び噴
出孔の中心軸に垂直な断面形状を円形とし、拡大部の出
口内径は、噴出孔内径の１５〜２５倍にすることによ
り、本第１発明〜第４発明のいずれかの効果をより確実
に奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るウォータージェット用ノズルの第
１の実施例の断面図である。

【図２】本発明に係るウォータージェット用ノズルの第
２の実施例の断面図である。

【図３】本発明に係るウォータージェット用ノズルの第
３の実施例の断面図である。

【図４】本発明に係るウォータージェット用ノズルの第
４の実施例の断面図である。

【図５】本発明に係るウォータージェット用ノズルの第
５の実施例の断面図である。

【図６】本発明に係るウォータージェット用ノズルの第
６の実施例の断面図である。

【図７】水中水噴流と処理対象面の関係側面図である。

【図８】本発明第１の実施例における水中水噴流を説明
する側面図である。

【図９】本発明第５の実施例における水中水噴流を説明
する側面図である。

【図１０】水中水噴流の第１ピーク及び第２ピークの測
定位置関係を示す側面図である。

【図１１】水中水噴流の輪郭撮影方法を説明する側面図
である。

【図１２】水中水噴流の第１ピークにおける噴射圧力と
噴射径との関係曲線図である。

【図１３】水中水噴流の第２ピークにおける噴射圧力と
噴射径との関係曲線図である。

【図１４】水中水噴流の衝撃圧力測定方法を示す側面図
である。

【図１５】スタンドオフ距離と衝撃圧力の関係曲線図で
ある。

【図１６】処理対象面の付着物の除去効果を説明する棒
グラフである。

【図１７】水中水噴流のキャビテーションを説明する側
面図である。

【図１８】従来技術に係るウォータージェット用ノズル
の断面図である。

【図１９】従来技術に係る他のウォータージェット用ノ
ズルの断面図である。

【図２０】従来技術に係る水中水噴流に使用するウォー
タージェット用ノズルの断面図である。

【図２１】図２０における水中水噴流に使用するウォー
タージェット用ノズルの作用を説明する側面図である。

【符号の説明】

１ウォータージェット用ノズル５中心軸８噴出孔９噴出孔内径１０噴出孔の出口１２拡大部１３拡大部の出口１５内壁２０階段状段差２４環状溝３０′ オリフィス（絞り部）３８高圧水

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高圧水を噴出させる噴出孔と、該噴出孔
の出口から漸次拡大延設された拡大部とを備えたウォー
タージェット用ノズルにおいて、前記拡大部の内壁に少
なくとも一つ以上の階段状段差を設けたことを特徴とす
るウォータージェット用ノズル。
【請求項２】高圧水を噴出させる噴出孔と、該噴出孔
の出口から漸次拡大延設された拡大部とを備えたウォー
タージェット用ノズルにおいて、前記拡大部の内壁に少
なくとも一つ以上の環状溝を設けたことを特徴とするウ
ォータージェット用ノズル。
【請求項３】高圧水を噴出させる噴出孔と、該噴出孔
の出口から漸次拡大延設された拡大部とを備えたウォー
タージェット用ノズルにおいて、前記拡大部の出口に絞
り部を設けたことを特徴とするウォータージェット用ノ
ズル。
【請求項４】請求項１又は２において、前記拡大部の
出口に絞り部を設けたことを特徴とするウォータージェ
ット用ノズル。
【請求項５】高圧水を噴出させる噴出孔と、該噴出孔
の出口から漸次拡大延設された拡大部とを備えたウォー
タージェット用ノズルにおいて、前記噴出孔及び前記拡
大部の中心軸に垂直な断面形状は円形であり、前記拡大
部の出口内径は、前記噴出孔内径の１５〜２５倍である
ことを特徴とするウォータージェット用ノズル。
【請求項６】請求項１〜４のいずれかにおいて、前記
噴出孔及び前記拡大部の中心軸に垂直な断面形状は円形
であり、前記拡大部の出口内径は、前記噴出孔内径の１
５〜２５倍であることを特徴とするウォータージェット
用ノズル。