(57)【要約】【課題】作業者が長時間のブラスト作業に絶え得る、軽量で安価な高速度のブラスト用ノズルを提供する。【解決手段】内部のスロート部２の終端から出口３の先端に向かって、ノズル長手方向に対し０．５〜１．５°の広がり角度θで内径が広がってテーパー状を成し、かつスロート部２の終端から出口３の先端までの長さＢとスロート部２のの径Ａとの比（Ｂ／Ａ）が１０以上である。広がり角度θは好適には１．０〜１．３°であり、比（Ｂ／Ａ）は１５〜２５とすることが好ましい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部のスロート部の終端から出口先端に向かって、ノズル長手方向に対し０．５〜１．５°の広がり角度θで内径が広がってテーパー状を成し、かつ前記スロート部終端から前記出口先端までの長さＢと前記スロート部の径Ａとの比（Ｂ／Ａ）が１０以上であることを特徴とするブラスト用ノズル。
【請求項２】
前記広がり角度θが１．０〜１．３°である請求項１記載のブラスト用ノズル。
【請求項３】
前記比（Ｂ／Ａ）が１５〜２５である請求項１または２記載のブラスト用ノズル。
【請求項４】
プラスチック研削材用である請求項１〜３のうちいずれか一項記載のブラスト用ノズル。
【請求項５】
前記プラスチック研削材の粒径が２０〜５０００μｍである請求項４記載のブラスト用ノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金型洗浄、塗装剥離、錆び落とし等の表面洗浄、コンクリートカス、バリ取り、基板のエッチングカス除去等、不純物・不用物の除去、塗装前の金属、プラスチック、木材等の表面処理、ガラス工芸用模様づけなどに使用されるブラスト処理のためのブラスト用ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属系、砂、ガラスビーズ等の投射材を用いるブラスト処理は、自動車、電気機器、建設、化学等、ほぼ全ての製造業における塗装、原材料の練り、撹拌、プレス、射出成型等の各工程で使用されている。また、かかるブラスト処理は、塗装不良品のリサイクル、塗装治具洗浄剥離、金型表面洗浄、バリ取り、スケール除去、装飾品の工芸などの用途にも利用されている。
【０００３】
このように幅広く利用されているブラスト処理に際し、産業界では様々なブラスト用ノズルが使用されているが、従来から使用されてきたブラスト用ノズルは主に砂やアルミナ、金属などの強固な研削材を対象として製作されたものである。
【０００４】
かかるブラスト用ノズルの構造は、内部スロート部（絞り部）Ｐから先端Ｔにかけて内径が広がっているベンチュリー型（図２参照）と、スロート部Ｐから先端Ｔにかけて内径がストレートになっているコンベンショナル型（図３参照）の２種に大別される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
強固な研削材を対象として製作された従来のブラスト用ノズルの場合、最も研磨されるおそれが高いブラスト用ノズルは、通常、必要以上に耐摩耗性を向上させた強固な重い構造となっている。しかも、耐摩耗性を向上させるために、高価な材料を使用しており、不必要に金額が高くなっていた。さらに、製作性や作業性を中心とした仕様になっているため、研削材の投射速度を効率的に加速させるものではなかった。従って、人間が行う手動ブラストにおいては、ノズルが大きく重いことにより、長時間のブラスト処理が行えず、作業者に多大な負担を強いるものであった。
【０００６】
そこで本発明の目的は、作業者が長時間のブラスト作業に絶え得る、軽量で安価な高速度のブラスト用ノズルを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、研削材を効率的にノズル内で加速させて噴射させるためには、内部のスロート部から出口先端までの形状が非常に重要となることを見出し、さらに鋭意検討した結果、内部のスロート部の終端から出口先端までの広がり角度、およびその長さとスロート部の径との比を所定の範囲内に設定することにより上記目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
即ち、本発明のブラスト用ノズルは、内部のスロート部の終端から出口先端に向かって、ノズル長手方向に対し０．５〜１．５°の広がり角度θで内径が広がってテーパー状を成し、かつ前記スロート部終端から前記出口先端までの長さＢと前記スロート部の径Ａとの比（Ｂ／Ａ）が１０以上であることを特徴とするものである。
【０００９】
前記広がり角度θは、好ましくは１．０〜１．３°であり、また前記比（Ｂ／Ａ）は、好ましくは１５〜２５である。
【００１０】
また、本発明のブラスト用ノズルは、プラスチック研削材に対し、好適に使用することができる。より好ましくは、前記プラスチック研削材の粒径が２０〜５０００μｍである。
【００１１】
本発明のブラスト用ノズルにおいては、従来のものに比べ切削力が大幅に向上し、エネルギー効率の良い塗装剥離や表面洗浄等のブラスト処理が可能となる。よって、重量および価格の低減が可能となるともに、人によるブラスト処理の作業性も向上する。
【００１２】
また、本発明のブラスト用ノズルのメカニズムは、圧縮性流体力学（ラバルノズル）より、以下で示す理論に基づきほぼ解明することができた。
即ち、内部スロート部の断面積Ａ＊、任意面積Ａ、任意速度Ｍ、比熱比κ（空気の場合：１．４）、任意圧力Ｐ、元圧Ｐ０とした場合、それぞれ以下の関係式が成り立つ。
【００１３】
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【００１４】
このラバルノズルの理論によると、元圧と背圧（通常は大気圧で０．１ＭＰａ）の差が十分にある場合には、スロート部以降で研削材は加速され、マッハ１以上となるが、上記式に適合するように各パラメータを設定した場合には、ノズル内部および出口付近、および噴射流で衝撃波の発生を防ぐことができる。このようにして不要な衝撃波の発生を防止することにより、ノズル出口からは最適膨張噴流を得ることが可能となる。但し、ブラストルーム等で行う場合は背圧が大気圧とならず、吸引力のレベルによってかなり低下することになる。
【００１５】
上記理論式にはスロート部終端から出口先端（円筒状噴出口先端）までの距離Ｂに関するパラメータが含まれていないが、本発明者は鋭意研究を重ねた結果、上記広がり角度θが０．５〜１．５°、好ましくは１．０〜１．３°の条件において、ノズル先端部で研削材を加速することができ、かつ、この広がり角度θの範囲内において、前記比（Ｂ／Ａ）が１０以上、好ましくは１５〜２５であるときに極めて優れた切削力を発揮することを見出したのである。この結果と上記理論式に基づき、他サイズのノズルの設計も可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
図１に、本発明のブラスト用ノズルを長手方向に沿って切断したときの内部断面形状を示す。図示するように、この内部構造は入口部１、スロート部２および出口部３により構成されている。本発明においては出口部３が、スロート部２の終端から出口先端に向かって、ノズル長手方向に対し０．５〜１．５°、好ましくは１．０〜１．３°の広がり角度θで内径が広がってテーパー状を成している。この広がり角度θが０．５°未満であるか、または１．５°を超えると許容しえない剥離能力の低下をきたすことになる。
【００１７】
また、本発明においては、スロート部２の終端から出口部３の先端までの長さＢとスロート部２の径Ａとの比（Ｂ／Ａ）が１０以上、好ましくは１５〜２５である。この比が１０未満であると許容しえない剥離能力の低下をきたし、一方、２５を超えてノズル設計することは実用上殆どありえない。
【００１８】
また、本発明のブラスト用ノズルは、軽量で安価なもの製造する上で、プラスチック研削材専用の高速ノズルとすることが好ましい。具体的にプラスチック研削材として、特に制限されないが、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を主成分とするものを用いることが好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えば、メラミン系樹脂、ユリア系樹脂、フェノール系樹脂、ケトン系樹脂、エポキシ系樹脂、グアナミン系樹脂、ゴム系エラストマーなどを挙げることができる。また、熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）系樹脂、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）系樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）系樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド（ＰＡＥ）系樹脂、オレフィン（ＴＰＯ）系樹脂、ゴム系樹脂などを挙げることができる。これらの樹脂は、単独でまたは２種以上混合して用いることができるが、特には、熱硬化性樹脂を主成分とするものが好ましく、より好ましくは、メラミン系樹脂、ユリア系樹脂およびフェノール系樹脂のうちの１種または２種以上の混合物を用いる。投射材の基材樹脂として２種以上の樹脂を用いる場合には、２種類以上の樹脂をブレンドしたものまたは共重合させたものを用いてもよく、２種類以上のモノマーを共重合させたものを用いてもよい。また、樹脂粒子の全てが同一種類の樹脂を基材とするものでなくてもよい。
【００１９】
上掲した樹脂はいずれも耐熱性、耐衝撃性に優れ、投射時に熱くなっても劣化せず、また、投射の衝撃によって粉化しにくいため、繰り返し使用することが可能である。また、粉塵が生じにくいことからブラスト処理の環境も良好なものとなる。特に、メラミン樹脂を主成分とする投射材は耐熱性および耐衝撃性に、尿素樹脂を主成分とする投射材は耐衝撃性に、フェノール樹脂を主成分とする投射材は耐熱性に、ケトン樹脂を主成分とする投射材は耐摩耗性に、エポキシ樹脂を主成分とする投射材は耐熱性および耐水性に、グアナミン樹脂を主成分とする投射材は耐衝撃性に、ポリカーボネートを主成分とする投射材は耐熱性および耐衝撃性に、夫々優れている。
【００２０】
投射材２１の粒径および形状としては、特に制限はされないが、好適には粒径が２０〜５０００μｍ、より好適には１００〜３０００μｍ、さらにより好適には１００〜１０００μｍ、さらに特に好適には１００〜８５０μｍ程度の大きさで、鋭利多角形状の粒状に加工したものを用いる。
【００２１】
本発明のブラスト用ノズルは、内部形状が重要であって外部形状はブラストのし易いようその都度変更が可能である。即ち、人が持ちやすいようにハンドルを付ける手法や、上部からぶら下げ可能とし、ブラストを効率的に行うことができるようにすることができる。なお、その材質については、高速ノズルを実現し得たことから、安価で軽量な材質、例えば、真ちゅう等の材質とすることができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。
実施例１〜１０，比較例１〜８
図１に示すノズルの各部分の長さ、広がり角度等の各パラメータを下記の表１に示すように変動させ、各種の供試ノズルを作製した。なお、ノズル長さＢについては、製作するのに現実的な長さ（スロート径Ａの２５倍程度まで）とし、広がり角度θについては０．５°〜約３．０°までとした。
【００２３】
試作した各種ノズルを用いて以下のブラスト条件で剥離威力確認試験を行った。
１）試験装置：直圧式ブラスト装置Ｅ−１０
２）投射圧力：０．５ＭＰａ（セット圧）
３）投射距離（ノズル先端から切削板Ｇまでの距離）：１００ｍｍ
４）噴射角度：４５°
５）ビーズ：ＭＧ−３（（株）ブリヂストン製：メラミン系樹脂）
６）試験材（アクリル切削板Ｇ）：Ａ５０５２Ｐ−Ｈ１１２（神戸製鋼所製：硬度バーコール硬さ７７）
７）噴射時間：連続１５分
【００２４】
上記条件に従うブラスト処理による試験材（アクリル切削板Ｇ）に対する理論噴射幅Ｙ、実測値噴射幅Ｚ、Ｙに対するＺの増加率（％）、最大切削深さ、および切削量（ｇ）を下記の表２に併記する。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【表２】
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【００２７】
表１および表２に示す結果より、広がり角度θが１．１４６°付近において最大の剥離力があることが分かる。また、ノズル長さＢについては、スロート部２の内径Ａの約２０倍程度で最大の切削深さが得られた。
【００２８】
上記表２に示す試験結果から、内径Ａが６ｍｍに対して、約２０倍のノズル長さＢのタイプが最も剥離力を発揮しており、このときのノズル広がり角度θが１．１４６°とすると、ノズル出口口径は１０．８ｍｍとなる。上記ラバルノズルの計算式（１）および（２）から、出口圧Ｐｅを求めると、およそ０．０１８ＭＰａとなる。この流体を上記の適正膨張噴流とすると、出口圧と背圧は等しくなるため、背圧も同等に０．０１８ＭＰａ付近と想定される。
【００２９】
上記計算式（１）および（２）の比熱比”κ”（＝１．４）は理想気体での値であるが、粒子が含まれた流体でもほぼ同じと見做すと、何れにしても、本試験ではブロワーにて約１４ｍ３／分の流量で排気しているため、本来であれば背圧は大気圧０．１ＭＰａであるところ、０．２ＭＰａ以下まで低下していたと考えられる。また、出口圧Ｐを０．０１８ＭＰａとして、それぞれのスロート部２の内径Ａにて出口面積（口径）を算出することができる。このようにして、他サイズのノズルの設計も可能となる。
【００３０】
次に、比較例２の従来タイプのノズルと実施例５の本発明のノズルとを取り出し、この２種のノズルに対し、（１）剥離力、（２）切削量および噴射量、および（３）消耗率を比較検討した。結果は以下の通りである。
【００３１】
（１）剥離力
図４に示す通り、実施例５のノズルと比較例２のノズルを比較した場合、アクリル切削板Ｇの切削深さは約８倍となっており、剥離力は大幅に向上していることが分かる。これは、ノズルの広がり角度θを狭めて集中的に噴射させると同時に、ノズル内部でビーズが加速するように最適設計が施されていることによる。
【００３２】
（２）切削量および噴射量
図５に示すように、アクリル切削板Ｇの切削量は明らかに実施例５のノズルの方が大きく、投射材が効率的に噴射されていることが分かる。また、このとき、図６に見られるように、投射材の噴射量にはあまり差がない。このことは、剥離力の違いはビーズ量によるものではなく、ビーズの投射速度の差によることを意味している。
【００３３】
（３）消耗率
図７に示すように、ビーズの消耗度は実施例５の高速ノズルの方が高くなる。これはビーズ速度が増加するために当然ではあるが、剥離効果を鑑みると、数％の消耗率が増加しても、トータル的には比較例２のノズルよりも実施例５のノズルの方が効率的に剥離できることが分かる。
【００３４】
以上の結果、本発明のノズル（実施例５）を従来のノズル（比較例２）と比較した場合、切削力が８倍程度向上したノズルの開発ができたことになる。また、消耗率を考慮しても、エネルギー効率の良い塗装剥離および表面洗浄が可能となる。さらに、本試験結果に基づき、ラバルノズルの理論により、他サイズのノズルの設計も可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、作業者が長時間のブラスト作業に絶え得る、軽量で安価な高速度のブラスト用ノズルの実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のブラスト用ノズルを長手方向に沿って切断したときの内部構造を示す断面図である。
【図２】従来のベンチュリー型ノズルの断面図である。
【図３】従来のコンベンショナル型ノズルの断面図である。
【図４】実施例５および比較例２のノズルの切削幅と切削深さとの関係を示すグラフである。
【図５】実施例５および比較例２のノズルの切削量を示すグラフである。
【図６】実施例５および比較例２のノズルの噴射量を示すグラフである。
【図７】実施例５および比較例２のノズルの投射回数と消耗率（％）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  入口部
２  スロート部
３  出口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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