(57)【要約】【課題】少ない水量で汚れを落とせる急冷洗浄ノズルおよび洗浄方法。【解決手段】内径をテーパー状に出口ｂへ向け広げてある疑似ラバル・ノズル１を利用し、このノズル１に圧搾空気流、水蒸気流、または圧搾空気と水蒸気の混合気流Aを送り込み、出口で蒸気流が減圧され、その時の断熱膨張により気流の温度が下がり過飽和水蒸気となって噴出し、汚れている被洗浄物に高速で当たることで瞬間的に微小な水滴となり、その時の凝縮力で水滴とオイルが混合されてエマルジョン状態になり、汚れを吹き飛ばす急冷洗浄ノズルおよび洗浄方法。【選択図】図１
2014069100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気の入り口側が大きい径であり、この径が絞られて小さい径ののど部となり、さらに出口側が大きい径であるようにテーパー状に形成された流路と、入り口側に蒸気流の供給用接続部と、そして出口側に被洗浄対象物への噴射口を有する疑似ラバル・ノズルであって、
蒸気流が流路内で加速減圧され、噴出口で断熱膨張することで蒸気流が急冷し過飽和水蒸気となって噴出することを特徴とする急冷洗浄ノズル。
【請求項２】
蒸気流が、圧搾空気流、水蒸気流、または圧搾空気と水蒸気の混合気流であることを特徴とする請求項１に記載の急冷洗浄ノズル。
【請求項３】
のど部の径とノズル出口噴出口の径との比が1.029倍〜1.265倍であることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の急冷洗浄ノズル。
【請求項４】
蒸気流の入力圧力が出口圧力に対し３倍以上であり、のど部の径が、蒸気流量により3.4mmから3.8mmの範囲であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の急冷洗浄ノズル。
【請求項５】
のど部が小さい径であり、噴出口側が大きい径であるようにテーパー状に形成された加速流路を有する疑似ラバル・ノズルの入り口側より蒸気流が供給され、その蒸気流が加速流路で減圧され、出口で断熱膨張して急冷されて過飽和水蒸気となって噴出して、汚れている被洗浄物に当たり、過飽和水蒸気が衝突した瞬間に微小な水滴となり、その時の凝縮力で水滴と汚れが混合されてエマルジョン状態になり、被洗浄物の汚れを吹き飛ばす洗浄方法。
【請求項６】
蒸気流が、圧搾空気流、水蒸気流、または圧搾空気と水蒸気の混合気流であることを特徴とする請求項５に記載の洗浄方法。
【請求項７】
蒸気流がノズル入口で１５０℃であり、ノズル出口で急冷され６０℃の過飽和水蒸気となって噴出することを特徴とする請求項５あるいは６に記載の洗浄方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、急冷ノズル及びその断熱膨張による過飽和水蒸気を利用する洗浄装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラバル・ノズル（Laval nozzle）またはドラバル・ノズル（De Laval nozzle）と称される特殊ノズルを利用して、圧縮空気を噴出させ、その時の断熱膨張により空気を急冷（数１０度下がる）させられることが知られている。これは熱接触のない状態で気体を圧縮すると、外部から仕事が行われることで、系の内部エネルギーが上昇し熱くなる現象（断熱圧縮）に対し、逆に断熱過程で気体の体積が増大した場合、系の温度が低下する現象（断熱膨張）を利用するものである。
【０００３】
しかし、既存の技術、あるいはその応用技術によって、空気流が通過するラバル・ノズルの内部構造を小径（のど部）から大径（噴射口）に理論通りに曲面加工して製作することは非常に困難である。
【０００４】
前記ノズルを利用した冷温ジェット空気流ノズルの前部に、超音波による霧状化または霧吹きノズルを配備して、水を霧状に噴出させ水の粒子を氷またはシャーベット状にして被洗浄物に当てて洗浄を行う応用技術は知られている。
また断熱膨張を利用する洗浄装置に減圧室を使用したものも既に存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０７３６１５号特許公開公報
【特許文献２】特開２０１１−１８９３３２号特許公開公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記した従来の洗浄装置に使用される冷温ジェット空気流ノズルは、ノズルの内径の構造ならびに洗浄装置の構造が複雑であるため、製造が難しく、またそのため製造費用が高価となるなどの欠点がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
空気流の温度を断熱膨張により低下させる効果を挙げるためだけであれば、ノズルの内径をのど部からテーパー状に噴射口部へ向け広げてあるノズルを利用し、圧縮空気を送り込めば、理論値では空気流の場合７０℃位温度を下げることができる。さらに，不足膨張により洗浄効果の高い振動を伴った流れが生じる。
そして蒸気流を用いることで、急速にノズル内で温度を下げることができ、洗浄効果の高い過飽和水蒸気が得られる。
【０００９】
本発明は、単に内径をのど部からテーパー状に噴射口部へ向け広げてある疑似ラバル・ノズルを利用し、このノズルに圧搾空気流、水蒸気流、または圧搾空気と水蒸気の混合流を送り込み、大気中において、噴射口で噴出流が減圧され、その時の断熱膨張により気流の温度が下がり、実験では１５０℃の水蒸気流が、ノズル出口で急冷され６０℃の過飽和水蒸気となって噴出し、オイルにて汚れている被洗浄物に高速で当たることで、汚れを吹き飛ばした。
これは被洗浄物に過飽和水蒸気が衝突した瞬間に微小な水滴となり、その時の凝縮力で水滴とオイルが混合されてエマルジョン状態になり、汚れを吹き飛ばすのである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のテーパー状気体加速流路構造を持つ急冷ノズルは、構造が簡易な割に低温化の性能が高く、また非平衡状態である過飽和蒸気が得られる。
さらに、ノズル内気体流路で徐々に下がる噴流圧力がノズル噴射口付近では急速に下がるため、不足膨張が起こり大気圧に比べ圧力が上下する（圧力振動）。この不足膨張による気流の振動が洗浄作用の効果を上げることに寄与している。
【００１１】
さらに、蒸気流を利用して洗浄するので、従来の高圧水流で洗浄するものに比べ水の使用量が極端に少なくて済む。すなわち水と水蒸気の体積比は100℃において1700倍であるので、いろいろな条件を考慮しても少なくとも、水の使用量を1000分の１以下に減少できる。
洗浄時の使用水量の少ないことは、例えば放射性物質の除去に使用すると、洗浄水が極端に少なくなるので、排水される汚染水量を大幅に減量でき非常に有利な洗浄方法となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の洗浄装置の一実施形態の全体図である。
【図２】本発明で使用される急冷ノズルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明を図１に示す実施形態に従って説明する。
【００１４】
中央に洗浄ノズルであるジェットノズル１が配置されており、このジェットノズル内に図の右方から、圧搾空気流、水蒸気流、または圧搾空気と水蒸気の混合流Ａを送入する。ノズルの手前には空気流等の切換え弁であるバルブ２が配置されている。ノズルの入り口には空気流等の送入管用の接続部３が構成されている。
【００１５】
ノズル１の形状は、ラバル・ノズル（Laval nozzle）またはドラバル・ノズル（De
Laval nozzle）と類似に設計されており、ノズルの入り口cから流路４の入り口(のど部)ａで径が絞られ、それから出口噴射口bに向かいテーパー状に広がるように設計されており、送入された蒸気流がノズル出口噴射口bで断熱膨張現象にて急速に冷却されて過飽和水蒸気流となって噴射されるようになっている。
【００１６】
１５０℃の水蒸気流の場合、ノズル噴射口bで急冷され６０℃の過飽和水蒸気となって噴出し、オイルにて汚れている被洗浄物５に当てると、過飽和水蒸気が衝突した瞬間に微小な水滴となり、その時の凝縮力で水滴とオイルが混合されてエマルジョン状態になり、汚れを吹き飛ばすのである。
【００１７】
図２に示すジェットノズル１について詳しく説明する。
流路４の長さは80mmとしてあり、入り口側cの大口径気流入口から急激に内径を絞ってあるのど部ａの直径を3.8mm、そして噴射口bの直径を4.2mmとしてある。のど部ａと噴射口b間の流路４は、ミクロン単位の放電加工による研磨で出口方向に広がるテーパー状に作成した疑似ラバル・ノズル状である。
なお流路長は80mmと150mmの２種を作成実験した。
【００１８】
前記数値は以下のように計算して設計される。
入口圧力（P1）0.4MPaと出口圧力（P0）0.1MPa間で断熱変化（膨張）する場合，
その温度（T）には，次の関係がある。
【数１】
2014069100.tif 000003
よって入口絶対温度T0= 300Kとすると，出口絶対温度T1= 202K (-71℃)となる。
ｋは、等エントロピー膨張係数である。
【００１９】
ノズル臨界圧力比ηは、
【数２】
2014069100.tif 000004
無次元臨界流束Ｇａは、
【数３】
2014069100.tif 000005
流束Ｇａは、
【数４】
2014069100.tif 000006
流量500NL/minとすれば，10.8/1000 kg/sであるので、
【００２０】
ノズルのど部最小面積は、
【数５】
2014069100.tif 000007
となる。
穴径であれば3.8mmである。
【００２１】
出口圧力が0.1MPa (圧力比0.25)であるので，
下表より出口面積は、
【表１】
2014069100.tif 000008
【数６】
2014069100.tif 000009
まで広げればよいことになる．したがって、穴径であれば4.2mmである。
【００２２】
出口圧力は0.1MPaと一定にし、入口圧力は、出口圧力の３倍（圧力比  0.33）以上ないと、温度差および入口口径と出口口径の差も少ないので、現実に使用できる0.3MPa〜0.6MPaの範囲の0.3MPa、0.5MPa、0.6MPa、そして流量400NL/min、500NL/min、600NL/minで計算した。出口温度は全て入口温度が300K（27℃）の場合です。
のど部径は、入口、出口の圧力差に関わらず、流量によってのみ決定される。流量400NL/minにてφ3.４mm、500NL/minにてφ3.8mm、600NL/minにてφ3.7mm、となる。出口径は、圧力比により決定され、のど部径に対し、1.029倍〜1.265倍になる。
同時に前記した入力圧力0.4MPa、流量500NL/minの例も以下に列挙した。
【００２３】
１  入口圧力  0.3MPa   出口圧力0.1MPa      出口温度  219K(−54℃)
1-1  流量500NL/min（10.8/1000kg/s）
のど部最小面積＝10.8/938・1000＝11.5mm2 
φ3.8mm
出口面積＝11.5・0.684/0.64＝12.3mm2     φ4.0mm
1-2  流量400NL/min（8.62/1000kg/s）
のど部最小面積＝8.62/938・1000＝9.2mm2 
φ3.4mm
出口面積＝9.2・0.684/0.64＝9.8mm2 
φ3.5mm
1-3  流量600NL/min（10/1000kg/s）
のど部最小面積＝10.0/938・1000＝10.7mm2 
φ3.7mm
出口面積＝10.7・0.684/0.64＝11.4mm2     φ3.8ｍｍ
【００２４】
２  入口圧力  0.4MPa   出口圧力0.1MPa      出口温度  202K(−71℃)
2-1  流量500NL/min（10.8/1000kg/s）
のど部最小面積＝10.8/938・1000＝11.5mm2 
φ3.8mm
出口面積＝11.5・0.684/0.568＝13.8mm2    φ4.2mm
2-2  流量400NL/min（8.62/1000kg/s）
のど部最小面積＝8.62/938・1000＝9.2mm2        φ3.4mm
出口面積＝9.19・0.684/0.568＝11.1mm2    φ3.8mm
2-3  流量600NL/min（10/1000kg/s）
のど部最小面積＝10.0/938・1000＝10.7mm2 
φ3.7mm
出口面積＝10.7・0.684/0.568＝12.9mm2    φ4.1mm
【００２５】
３  入口圧力  0.5MPa   出口圧力0.1MPa      出口温度  189K(−84℃)
3-1  流量500NL/min（10.8/1000kg/s）
のど部最小面積＝10.8/938・1000＝11.5mm2 
φ3.8mm
出口面積＝11.5・0.684/0.5＝15.7mm2 
φ4.5mm
3-2  流量400NL/min（8.62/1000kg/s）
のど部最小面積＝8.62/938・1000＝9.2mm2 
φ3.4mm
出口面積＝9.2・0.684/0.5＝12.6mm2 
φ4.0mm
3-3  流量600NL/min（10/1000kg/s）
のど部最小面積＝10.0/938・1000＝10.7mm2 
φ3.7mm
出口面積＝10.7・0.684/0.5＝14.6mm2 
φ4.3mm
【００２６】
４  入口圧力  0.6MPa   出口圧力0.1MPa      出口温度  180K(−93℃)
4-1  流量500NL/min（10.8/1000kg/s）
のど部最小面積＝10.8/938・1000＝11.5mm2      φ3.8mm
出口面積＝11.5・0.684/0.44＝17.9mm2     φ4.8mm
4-2  流量400NL/min（8.62/1000kg/s）
のど部最小面積＝8.62/938・1000＝9.2mm2 
φ3.4mm
出口面積＝9.2・0.684/0.44＝14.3mm2 
φ4.3mm
4-3  流量600NL/min（10/1000kg/s）
のど部最小面積＝10.0/938・1000＝10.7mm2 
φ3.7mm
出口面積＝10.7・0.684/0.44＝16.7mm2     φ4.6mm
【００２７】
上記計算により設計製作したジェットノズルを使用して、切削油に浸潤したボルト（M10 50mm長）を洗浄し残留油分を測定（紫外線法による油分測定）したところ0.025mgであった。洗浄を圧縮空気流（水蒸気の場合と同じく4気圧）のみで行った場合の残留油分は0.164mgであり、本発明による過飽和水蒸気による洗浄のほうが効果があることが実証された。洗浄試験は加速流路長150mmのものを使用。なお加速流路長80mmのものでも、同様の洗浄効果があった。
【符号の説明】
【００２８】
１      ジェットノズル
２      バルブ
３      接続部
４      流路
５      被洗浄対象物
A      蒸気流
ａ      入り口
ｂ      出口
【図１】
2014069100.tif 000010
【図２】
2014069100.tif 000011