JP6512502B1

JP6512502B1 - ノズル、及びドライアイス噴射装置

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Publication number: JP6512502B1
Application number: JP2018220043A
Authority: JP
Inventors: 嘉之和田; 好史和田; 雄哉赤木
Original assignee: Iwatani Corp
Current assignee: Iwatani Corp
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2038-11-26
Also published as: JP2020082269A

Abstract

【課題】噴射口が長穴状に形成されたノズルにおいて、ドライアイス粒子が対象物に対して一定値以上の圧力で噴き付けられる範囲を従来よりも幅広く形成することのできるノズルを提供すること。
【解決手段】ドライアイス粒子を含む噴射体を対象物に向けて噴射するドライアイス噴射用のノズルであって、噴射体が導入される噴射体導入路２３と、噴射体導入路２３より下流側に形成された断面長穴状のスロート部２６と、スロート部２６より下流側に形成された、噴射体を噴射する長穴状の噴射口３０と、を備え、スロート部２６の長手方向と、噴射口３０の長手方向とが、軸線Ｘ方向から視て交差している。
【選択図】図３

Description

本発明は、ドライアイス粒子を対象物に向けて噴射することで対象物の表面の洗浄等を行うドライアイス噴射装置に関する。

従来より、液化二酸化炭素を断熱膨張させて生成したドライアイス粒子をキャリアガスの流れに導入して噴射するドライアイス噴射装置が知られている。

ドライアイス噴射装置では、液化炭酸ガス容器から供給される液化二酸化炭素をドライアイス生成管内で断熱膨張させてドライアイス粒子を生成し、生成したドライアイス粒子をドライアイス噴射用ノズルに供給されるキャリアガスの流れに導入して噴射する。

ドライアイス噴射装置では、噴射対象に合わせて噴射口の大きさや形状が設計される。例えば、特許文献１には、噴射口（同文献では「吐出口」と記載されている。）の形状を長穴状（同文献では「スリット口」と記載されている。）とした噴射ガンが開示されている。

ノズルの噴射口を長穴状にした場合、ドライアイス粒子が対象物に対して噴き付けられる範囲（以下単に「噴き付け範囲」ともいう。）を幅広く形成することができる。このため、噴き付け範囲の幅広方向と交差する方向へ、ノズルまたは対象物を移動させながら、ドライアイス粒子を対象物に噴き付けることで効率的に洗浄等の処理を行うことができる。

実開平０５−４９２５８号公報

特に、噴き付け範囲を幅広くするとともに、当該噴き付け範囲におけるドライアイス粒子の噴き付け圧力をある程度均等にすることができれば、噴き付け範囲の幅広方向のサイズが大きくなった分だけ、効率的に処理することができる。

しかし、特許文献１のノズルによれば、噴き付け範囲はある程度幅広く形成されるものの、ドライアイス粒子を広角に噴射することができないため、噴き付け範囲の幅広方向のサイズは、さほど大きくない。また、特許文献１のノズルの構造では、噴き付け範囲においてドライアイス粒子の噴き付け圧力が、一定値以上となる部分が、噴き付け範囲の中央部に集中することから、実際に洗浄等の処理に有効な噴き付け範囲は、さほど大きくない。

本発明は、噴射口が長穴状に形成されたノズルにおいて、ドライアイス粒子が対象物に対して一定値以上の圧力で噴き付けられる範囲を従来よりも幅広く形成することができるノズルを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明の一態様に係るノズルは、ドライアイス粒子を含む噴射体を対象物に向けて噴射するドライアイス噴射用のノズルであって、前記噴射体が導入される噴射体導入路と、前記噴射体導入路より下流側に形成された断面長穴状のスロート部と、前記スロート部より下流側に形成された、前記噴射体を噴射する長穴状の噴射口と、を備え、前記スロート部の長手方向と、前記噴射口の長手方向とが、軸線方向から視て交差している。

前記構成を備えるノズルにおいて、前記噴射体導入路と、前記スロート部との間に、前記噴射体導入路の断面形状から前記スロート部の断面形状へと断面形状が徐々に変化する第１の遷移部が形成され、前記スロート部と前記噴射口との間に、前記スロート部の断面形状から前記噴射口の形状へと断面形状が徐々に変化する第２の遷移部が形成され、前記スロート部の断面を軸線方向に投影して前記噴射体導入路の断面と重ね合わせた場合に、前記スロート部の断面が前記噴射体導入路の断面の内側に収まる、ことが望ましい。

本発明の一態様に係るドライアイス噴射装置は、上記何れかのノズルを備える。

本発明によれば、ドライアイス粒子が対象物に対して一定値以上の圧力で噴き付けられる範囲を従来よりも幅広く形成することができる。

本実施形態に係るドライアイス噴射装置の要部を示す断面図である。本実施形態に係るノズルを横から視た図である。本実施形態に係るノズルを軸線方向から視た図である。図２に示すノズルの縦断面図である。図２のＶ−Ｖ断面図である。図２のＶＩ−ＶＩ断面図である。図２のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。図２のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。試験において比較対象としたノズルを軸線方向から視た図である。図９のＸ−Ｘ断面図である。図９のＸＩ−ＸＩ断面図である。試験の様子を示す斜視図である。

＜ドライアイス噴射装置の全体構成について＞
以下、本実施形態に係るドライアイス噴射装置について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はノズルに特徴を有するものであるが、本実施形態に係るノズルの説明に先立って、ドライアイス噴射装置の全体構成について説明する。

図１に示すように、ドライアイス噴射装置１は、噴射装置本体２、液化二酸化炭素供給部３、キャリアガス供給部４等を備えている。

噴射装置本体２は、図１に示すように、合流部材８、ドライアイス生成管１０、ノズル２０等を備えている。ノズル２０の詳細については後に詳述する。

合流部材８は、内部に合流空間１１を有する。合流空間１１では、キャリアガス供給路７を通じて供給されるキャリアガスと、後述するドライアイス生成管１０から流出するドライアイス粒子とが合流する。本実施形態ではキャリアガスとしてドライエアが使用される。なお、キャリアガスには、露点温度の低いガスを使用することができ、上記ドライエアの他、窒素ガス、炭酸ガスなどを使用してもよい。

また、合流部材８内には、図１に示すように、２重管からなるドライアイス生成管１０が設けられている。ドライアイス生成管１０は、基端部がオリフィス板１３を介して液化二酸化炭素供給路６に接続されている。

オリフィス板１３は、１又は複数の噴出孔１６が形成された薄板で構成されている。例えば、オリフィス板１３には、内径０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの噴出孔１６が２〜５カ所形成されている。また、オリフィス板１３は、例えば板厚１ｍｍの円板が使用される。なお、オリフィス板１３は、液化二酸化炭素供給路６の下流端とドライアイス生成管１０との境界に設けられている。

オリフィス板１３に形成された噴出孔１６は、液化二酸化炭素供給路６から供給される液化二酸化炭素を噴出する。本実施形態では、液化に二酸化炭素供給路６からオリフィス板１３に供給される液化二酸化炭素は、低温の液化二酸化炭素である。

ドライアイス生成管１０は、内管１０１と、内管１０１の外側に隙間を介して設けられた外管１０２とを備えている。内管１０１の先端部１０１ａは、外管１０２の先端部１０２ａより所定の長さ先端側に位置している。本実施形態では、外管１０２の基端部は内管１０１の外周面に固定されている。

ドライアイス生成管１０の内管１０１は、その内部が膨張空間１０ａとして機能する。また、オリフィス板１３の噴出孔１６から膨張空間１０ａに噴出された液化二酸化炭素が断熱膨張して固いドライアイス粒子を形成するように、ドライアイス生成管１０内の上流部の断面積は、オリフィス板１３に形成された噴出孔１６の断面積に対してある程度大きく設定されている。

キャリアガス供給路７は、合流部材８の内部に形成された内部キャリアガス供給路７ａと、合流部材８の外部に形成された外部キャリアガス供給路７ｂとで構成されている。

内部キャリアガス供給路７ａは、ドライアイス生成管１０に向かってキャリアガスを供給するように形成されている。本実施形態では、内部キャリアガス供給路７ａは直線流路を形成し、直管状のドライアイス生成管１０に向かってキャリアガスを所定鋭角で供給する。換言すると、ドライアイス生成管１０の中心線に対する、内部キャリアガス供給路７ａの中心線の角度が所定鋭角（図２の例では３０度）となっている。なお、上記中心線同士のなす角度は所定鋭角であることが望ましいが、略９０度又は所定鈍角であってもよい。

合流空間１１では、キャリアガス供給路７から供給されるキャリアガスと、ドライアイス生成管１０の内管１０１内で生成されたドライアイス粒子とが合流する。この合流空間１１から、噴射装置本体２のノズル２０の先端の噴射口３０に至るまで合流部材８内およびノズル２０内に噴射路１８が形成されており、合流空間１１でキャリアガスに合流したドライアイス粒子はキャリアガスの流れに乗って加速され噴射口３０から対象物に向かって噴射される。

外部キャリアガス供給路７ｂは、空気圧源（図示を省略）から合流部材８に至るまで形成され、キャリアガスを噴射装置本体２の合流部材８内に供給するように形成されている。

以上の構成を備えるドライアイス噴射装置１において、運転開始のための所定操作がなされると、液化二酸化炭素供給路６を介して液化二酸化炭素がオリフィス板１３の噴出孔１６に送液され、液化二酸化炭素は、噴出孔１６からドライアイス生成管１０の内管１０１内の膨張空間１０ａに噴出される。そして、液化二酸化炭素は、膨張空間１０ａ内で断熱膨張してドライアイス粒子となる。また同時に、キャリアガス供給路７を介してキャリアガスがドライアイス生成管１０の外管１０２に向かって供給され、噴射路１８を通って噴射口３０から噴射される。ドライアイス生成管１０の内管１０１から流出するドライアイス粒子は、合流空間１１で噴射口３０に向かって流れるキャリアガスに混入し、そのキャリアガスの流れに乗って、噴射口３０から対象物に向かって噴射される。以下、ドライアイス粒子を含むキャリアガスを「噴射体」ともいう。

＜ノズルについて＞
続いて、ノズル２０について説明する。図２に示すように、ノズル２０は、外観が円柱状に形成された胴部２１と、胴部２１の先端側に形成された噴射口形成部２２とを有する。ノズル２０は、ナット等の着脱部材により噴射装置本体２に対して着脱可能に取り付けられている。本実施形態では、ナット等の着脱部材２８を用いて取り付けられている。ノズル２０を噴射装置本体２に対して取り付けるための構造は、種々選択可能である。例えば、ノズル２０は、噴射装置本体２の先端に直接形成されていてもよい。また、ノズル２０は、ナット等の着脱部材２０を用いず、噴射装置本体２に着脱可能なものであってもよい。

ノズル２０の内部には、図４〜図８に示すように、噴射体の流路として、上流側から順に、噴射体導入路２３、第１の遷移部２４、スロート部２６、第２の遷移部２７、噴射口３０が形成されている。

噴射体導入路２３には、噴射体が導入される。本実施形態では、噴射体導入路２３は、真直に延びた断面円形の流路を形成している。但し、噴射体導入路２３は、真直に延びた断面円形の流路に限定される訳ではない。例えば、噴射体導入路２３は湾曲した流路であってもよいし、断面非円形の流路であってもよい。

第１の遷移部２４は、噴射体導入路２３と後述するスロート部２６とを繋ぐ流路を形成している。この第１の遷移部２４の断面形状は、できるだけ圧力損失が生じないように、噴射体導入路２３の断面形状からスロート部２６の断面形状へと徐々に変化している。

スロート部２６は、断面長穴状に形成されている。本実施形態では、図７に示すように、スロート部２６の断面は楕円状に形成されている。スロート部２６の断面形状は、その他の長穴状、例えば長方形、後述する噴射口３０の形状と同じ形状等であってもよい。また、スロート部２６の断面を軸線Ｘ方向に投影して噴射体導入路２３の断面と重ね合わせると、図７に示すように、スロート部２６の断面が噴射体導入路２３の断面の内側に収まるように、スロート部２６および噴射体導入路２３が形成されている。従って、スロート部２６の長手方向の寸法Ｌは、噴射体導入路２３の直径Ｄより小さくなっている。

第２の遷移部２７は、スロート部２６と噴射口３０とを繋ぐ流路を形成している。この第２の遷移部２７の断面形状は、できるだけ圧力損失が生じないように、スロート部２６の断面形状から噴射口３０の断面形状へと徐々に変化している。

噴射口３０は、図３に示すように軸線Ｘ方向から視て、長穴状に形成されている。本実施形態では、噴射口３０の形状は、互いに平行な２本の線分と、これら２本の線分の両端にそれぞれ接続された半円とで構成されている。但し、噴射口３０の形状は前記形状に限定されず、その他の長穴状、例えば長方形、楕円等であってもよい。

噴射口３０の長手方向（以下「横方向」ともいう。）は、軸線Ｘ方向から視て、スロート部２６の長手方向に対して、交差する方向（以下「縦方向」ともいう。）を向いている。本実施形態では、前記「交差する方向」は、「直交する方向」とされている。なお、噴射口３０とスロート部２６とが交差する位置はそれぞれの長手方向中心部である。

本実施形態では、噴射口３０は、略四角錐台状の噴射口形成部２２に形成されている。別の言い方をすれば、噴射口３０の周囲の外表面が略四角錐台状に形成されている。

上記ノズル２０において、噴射体導入路２３に噴射体が導入されると、その噴射体は、第１の遷移部２４内を加速しながら噴射口３０側に向かって移動し、断面長穴状のスロート部２６を通過する。次に、断面が縦方向に長い形状から徐々に横方向に長い形状に遷移する第２の遷移部２７において噴射体に横方向に拡散する運動エネルギーが付与される。そして、当該噴射体は、噴射口３０から対象物に向かって広角に噴射される。

上記構成を備えた本実施形態に係るノズル２０によれば、スロート部２６の長手方向と、噴射口３０の長手方向とが、軸線Ｘ方向から視て交差しているため、スロート部２６の断面積を小さくすることなく、スロート部２６の横方向寸法を小さくすることができる。その結果、図５に示すように、第２の遷移部２７における両横方向への拡幅角θを容易に大きくすることができる。また、スロート部２６の断面積を小さくしなくて済むため、スロート部２６を高速で通過する噴射体の流量が十分に確保され、ドライアイス粒子の対象物に対する噴き付け圧力が拡幅角θ（噴射範囲の長手方向）の範囲の全体に亘って均等になり易い。

また、本実施形態に係るノズル２０によれば、スロート部２６の断面を軸線Ｘ方向に投影して噴射体導入路２３の断面と重ね合わせると、図７に示すように、スロート部２６の断面が噴射体導入路２３の断面の内側に収まるように、スロート部２６および噴射体導入路２３が形成されているため、図４に示すように、噴射体導入路２３から噴射口３０に至るまでの縦方向（図４において上下方向）の寸法の変化が緩やかになる。その結果、圧力損失が抑制され、ドライアイス粒子の対象物に対する噴き付け圧力を高めることができる。

＜比較試験＞
本実施形態に係るノズル２０と、他のノズル２０Ａを比較する試験を実施した。他のノズル２０Ａ（以下「比較対象に係るノズル２０Ａ」という。）は、噴射口３０Ａの長手方向とスロート部２６Ａの長手方向が軸線Ｘ方向から視て同じ方向を向いている。以下に試験内容を説明する。

図９〜図１１に比較対象に係るノズル２０Ａを示す。ノズル２０Ａは、図９に示すように、噴射口３０Ａの長手方向とスロート部２６Ａの長手方向とが軸線Ｘ方向から視て同じ方向を向いており、かつ、重複している。また、ノズル２０Ａの噴射口３０Ａとスロート部２６Ａは、形状および断面積が略一致しているため、本実施形態に係るノズル２０の第２の遷移部２７に相当する部分２７Ａは、断面が変化していない。

ノズル２０Ａとノズル２０は、上記以外の部分は同一である。すなわち、ノズル２０Ａの噴射体導入路２３Ａは、ノズル２０の噴射体導入路２３と同一の直径および長さを有する。また、ノズル２０Ａのスロート部２６Ａは、ノズル２０のスロート部２６と同一の形状および断面積を有する。また、ノズル２０Ａの噴射口３０Ａはノズル２０の噴射口３０と同一の形状および断面積を有する。

試験で使用したノズル２０，２０Ａの各部の寸法等は次の通りである。噴射体導入路２３，２３Ａの直径は何れも１０ｍｍであり、噴射体導入路２３，２３Ａの長さは何れも２０ｍｍである。第１の遷移部２４，２４Ａの長さは何れも６．４７ｍｍである。スロート部２６，２６Ａの長さは何れも１．２５ｍｍであり、スロート部２６，２６Ａの断面積は何れも１５．８９ｍｍ^２である。第２の遷移部２７および第２の遷移部２７に対応する部分２７Ａの長さは何れも２２．２ｍｍである。噴射口３０，３０Ａの断面積は何れも１５．９２ｍｍ^２であり、噴射口３０，３０Ａの長手方向（横方向）のサイズは何れも８ｍｍである。なお、上記「長さ」は何れも軸線Ｘ方向の長さである。

試験では、加えられた圧力に応じて発色する感圧紙を使用して、対象物に対する噴き付け範囲の長手方向の大きさを確認した。使用した感圧紙は、富士フイルム株式会社製、プレシート「高圧用」（ＨＳ）モノシートである。

試験では、図１２に示すように、ノズル２０，２０Ａを感圧紙４０に対して垂直に対向させ、ノズル２０，２０Ａの先端から感圧紙４０までの距離を一定の距離に維持しつつ、ドライアイス粒子を噴射しながら、一定速度でノズル２０，２０Ａを感圧紙４０に対して平行な方向に移動させた。もちろん、当該移動の方向は、噴射口３０，３０Ａの長手方向に直交する方向である。その後、感圧紙において所定以上の圧力値を示す色に発色した部分の幅Ｗ（図１２参照）を測定した。

上記の試験を行った結果、本実施形態に係るノズル２０を使用した場合は、幅Ｗは１５ｍｍであった。これに対し、比較対象に係るノズル２０Ａを使用した場合は、幅Ｗは１１．５ｍｍであった。この試験結果より、ドライアイス粒子が対象物に対して一定値以上の圧力で噴き付けられる範囲は、比較対象に係るノズル２０Ａを使用するよりも、本実施形態に係るノズル２０を使用した方が、格段に幅広くなるということができる。

本発明は、ドライアイス粒子を対象物に向けて噴射することで対象物の表面の洗浄等を行うドライアイス噴射装置のノズルに適用することができる。

１ドライアイス噴射装置
２０ノズル
２３噴射体導入路
２４第１の遷移部
２６スロート部
２７第２の遷移部
３０噴射口

Claims

ドライアイス粒子を含む噴射体を対象物に向けて噴射するドライアイス噴射用のノズルであって、
前記噴射体が導入される噴射体導入路と、
前記噴射体導入路より下流側に形成された断面長穴状のスロート部と、
前記スロート部より下流側に形成された、前記噴射体を噴射する長穴状の噴射口と、
を備え、
前記スロート部の長手方向と、前記噴射口の長手方向とが、軸線方向から視て交差している、
ことを特徴とするノズル。
請求項１に記載のノズルにおいて、
前記噴射体導入路と、前記スロート部との間に、前記噴射体導入路の断面形状から前記スロート部の断面形状へと断面形状が徐々に変化する第１の遷移部が形成され、
前記スロート部と前記噴射口との間に、前記スロート部の断面形状から前記噴射口の形状へと断面形状が徐々に変化する第２の遷移部が形成されており、
前記スロート部の断面を軸線方向に投影して前記噴射体導入路の断面と重ね合わせた場合に、前記スロート部の断面が前記噴射体導入路の断面の内側に収まる、
ことを特徴とするノズル。
請求項１又は２に記載のノズルを備えることを特徴とするドライアイス噴射装置。