(57)【要約】【課題】  杭打用の水ジェット装置を改良して、異常発生時に水ポンプの損傷を未然に防止する。【解決手段】  水ポンプ１１は水タンク１０内の水を吸入・加圧・吐出し、ホース９を経てノズル４に供給する。上記ノズル４は杭１に固着されたソケット２に装着されている。前記水ポンプ１１の吐出圧力は圧力センサ１４で検出され、その検出信号はタイマ機能付き自動制御装置（ＣＰＵ）１５に入力される。該自動制御装置１５は、入力された圧力信号の数値だけでなく、その変化の緩急を識別する機能を有している。水タンク内の水が無くなって水ポンプ１１が空気を吸入するとか、ノズル４がソケット２から脱出するとかいった異常が発生すると、ポンプ吐出圧力は異常状態特有のパターンで変動するから、自動制御装置１５は異常の内容を判別して水ポンプ１１の負荷を軽減させるように制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンまたは電気モータによって回転駆動され、水タンク内に貯えられている水を吸入する水ポンプと、
上記水ポンプから吐出される圧力水の送給を受けて、該圧力水をノズルに供給するホースと、
杭に取り付けられて、上記のノズルを保持するソケットとを具備しており、
かつ、前記のエンジン、電気モータ、及び水ポンプの内の少なくとも何れか一つを制御する自動制御装置を有するとともに、前記水ポンプの吐出圧力を検出する圧力センサを備えており、
かつ、前記自動制御装置はタイマ機能を有するものであって、前記圧力センサの検出信号値が、単位時間あたり所定値を超える割合で減少した後、所定値を超える割合で増加し、増減を各２回以上繰り返したとき、水ポンプが空気を吸入したものと判定して、前記エンジンもしくは電気モータの出力を減少させ、又は前記水ポンプの吐出量もしくは吐出圧を減少させる機能を有するものであることを特徴とする、杭打用の水ジェット装置。
【請求項２】
エンジンまたは電気モータによって回転駆動され、水タンク内に貯えられている水を吸入する水ポンプと、
上記水ポンプから吐出される圧力水の送給を受けて、該圧力水をノズルに供給するホースと、
杭に取り付けられて、上記のノズルを保持するソケットとを具備しており、
かつ、前記のエンジン、電気モータ、及び水ポンプの内の少なくとも何れか一つを制御する自動制御装置を有するとともに、前記水ポンプの吐出圧力を検出する圧力センサを備えており、
かつ、前記自動制御装置はタイマ機能を有するものであって、前記圧力センサの検出信号値が、単位時間あたり所定値を超える速さで、所定圧力よりも低下し、かつ、その後に検出信号値が復元上昇しなかった場合、ノズルに関して異常が発生したものと判定して、前記エンジンもしくは電気モータの出力を減少させ、又は前記水ポンプの吐出量もしくは吐出圧を減少させる機能を有するものであることを特徴とする、杭打用の水ジェット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、杭打ち作業を幇助するための水ジェット装置に係り、特に安全性を改良したものである。
【背景技術】
【０００２】  杭を地中へ打ち込む際、該杭の先端付近に水ジェットノズルを設けて圧力水を噴射することによって、該杭が地中に貫入することを幇助する技術は広く知られている。
図２は水ジェットノズルの従来例を描いた斜視図である。
符号９０はジェットノズルであって、ノズルソケット９１を介してホースに接続されている。【０００３】  上記のノズルソケット９１に、鋼製のベルト９２が巻き掛けられており、該ベルトの両端部９３は杭１に溶接されている。
上記の杭１が所定の深さまで打ち込まれると、ホースＨを地上へ引き抜いて回収し、再度の使用に供される。この際、ホース先端に接続されているジェットノズル９０およびノズルソケット９１は、ベルト９２の溶接部を引き千切って上昇し、ホースと一緒に回収され、再使用される。【０００４】  前述のごとく、ノズル付きのホースを引き抜く際、圧力水の供給を停止しておかなければならないが、何らかの手違いで圧力水の噴出を継続しつつホースを引き抜くと、噴出水の反動でノズルが跳ね回り、非常に危険である。
こうした危険を防止するために、特許文献１として挙げた特開平８−１００４２４号公報に記載された発明が提案されている。【０００５】  図３上記特許文献１に係るジェット装置の部分断面図である。
杭１に取付部材（ノズルソケット）２が溶接されている。このソケット２にノズル本体４が差し込まれ、シャーピン７で抜け止めされている。符号６は上記シャーピン７に係合する係合溝である。
上記ノズル本体４には、下向きの噴射孔４ａと、横向きの逃げ穴８とが設けられているが、図示の状態では上記逃げ穴８がソケット２で塞がれている。このため、送給された圧力水は矢印ａのように下方にだけ噴射される。【０００６】  ノズル本体４が、シャーピン７を剪断してソケット２から抜き出されると図４に示したようになり、該ソケット２で塞がれていた逃げ穴８が開放される。
このため、供給された圧力水は、下方にだけ（矢印ａ）でなく、矢印ｂのように側方へも噴射される。
このため、圧力水の通路４ｂ内の水圧が低下し、矢印ａ方向の噴射が弱められる。従って反動によるノズルの跳ね回りが弱くなり、危険性が減少する。【０００７】  上述のような構成（図３，図４）によって危険性が減少しても、未だ危険性が消失した訳ではない。
そこで、ノズルの反跳による危険性を更に減少させるため、特許文献２として挙げた特開平９−２０９３５７号公報に記載された改良発明が提案されている。
図５は、上記改良発明のノズルを示し、前記公知発明の図４に対応する断面図である。ただし、杭１とソケット２との図示を省略してある。【０００８】  図５の構造について、前記の図４と対比しつつ説明すると次のとおりである。
図４の逃げ穴８は側方に向けて開口しているが、これに対応する図５の逆噴射孔４ｃは斜め上方に向けて開口している。
上記の逆噴射孔４ｃから圧力水が矢印ｃ，ｃ′のように噴出する。
噴射孔４ａから矢印ａのように噴出する水の反力と、逆噴射孔４ｃから矢印ｃ，ｃ′のように噴出する水の反力の合力とが相殺され、反跳力はいっそう弱められる。
【特許文献１】特開平８−１００４２４号公報
【特許文献２】特開平９−２０９３５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  図５に示した改良発明についても、未だ次のイ，ロの事項に改良の余地が有る。
イ．ノズル本体４の通路４ｂを矢印ｄ方向に流れる圧力水が慣性を有しているため、矢印ａ方向の噴射量に比して矢印ｃ，ｃ′方向の噴射量が少なくなりがちであり、反動力を完全に相殺させることは難しい。
ロ．杭打用ジェットノズルの噴射流量は、例えば８００リットル／分というように大流量である。これだけの流量を定常的に供給し得る水源は容易には手に入らないので、水タンクに水を貯えておいて杭打作業に供せられる。
ところが、地盤内部の地質は均一でないから、１本の杭を打つための所要時間は一定でない。作業が永びくと水タンク内の水が吸い出し尽くされ、水ポンプが空気を吸い込んでしまう。
水ポンプが空気を吸い込むと、潤滑水膜が切れてポンプの焼付を招く。【００１０】  本発明は上述の事情に鑑みて為されたものであって、その目的とするところは次のとおりである。すなわち、
一つには、水タンク内の水を吸い尽くしても、水ポンプの焼付を防止し、
一つには、噴射水の反動によってノズルが跳ね回ることを完全に防止する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  上述の目的を達成するために創作した本発明の基本的原理を、その１実施形態に対応する図１を参照して略述すると次のとおりである。
ノズル４がソケット２から脱け出した場合も、水タンク１０内の水を吸い尽くして水ポンプ１１が空気を吸入した場合も、該水ポンプ１１の吐出圧が変動する。
しかし、これを単なる圧力変動としか認識しなかったならば、前記の課題を完全に解決することはできない。
本発明者が鋭意研究した結果、ノズル脱け出しの場合の圧力変動の様相と、ポンプが空気を吸い込んだときの圧力変動の様相とは、それぞれ特徴的なパターンを有していることを確認した。
上記の知見に基づいて本発明は、単なる圧力変動量のみに注目せず、その時間的要素を併せて考察する。つまり、圧力変動量と圧力変動速度とを併せて自動的に検出し、かつ、自動的に判定する。【００１２】  上述の原理に基づく具体的な構成として、請求項１に係る発明装置は（図１参照）、
エンジンまたは電気モータによって回転駆動され、水タンク内に貯えられている水を吸入する水ポンプと、
上記水ポンプから吐出される圧力水の送給を受けて、該圧力水をノズルに供給するホースと、
杭に取り付けられて、上記のノズルを保持するソケットとを具備しており、
かつ、前記のエンジン、電気モータ、及び水ポンプの内の少なくとも何れか一つを制御する自動制御装置を有するとともに、前記水ポンプの吐出圧力を検出する圧力センサを備えており、
かつ、前記自動制御装置はタイマ機能を有するものであって、前記圧力センサの検出信号値が、単位時間あたり所定値を超える割合で減少した後、所定値を超える割合で増力し、増減を各２回以上繰り返したとき、水ポンプが空気を吸入したものと判定して、前記エンジンもしくは電気モータの出力を減少させ、又は前記水ポンプの吐出量もしくは吐出圧を減少させる機能を有するものであることを特徴とする。【００１３】  また、請求項２に係る発明装置の構成は、
エンジンまたは電気モータによって回転駆動され、水タンク内に貯えられている水を吸入する水ポンプと、
上記水ポンプから吐出される圧力水の送給を受けて、該圧力水をノズルに供給するホースと、
杭に取り付けられて、上記のノズルを保持するソケットとを具備しており、
かつ、前記のエンジン、電気モータ、及び水ポンプの内の少なくとも何れか一つを制御する自動制御装置を有するとともに、前記水ポンプの吐出圧力を検出する圧力センサを備えており、
かつ、前記自動制御装置はタイマ機能を有するものであって、前記圧力センサの検出信号値が、単位時間あたり所定値を超える速さで、所定圧力よりも低下し、かつ、その後に検出信号値が復元上昇しなかった場合、ノズルに関して異常が発生したものと判定して、前記エンジンもしくは電気モータの出力を減少させ、又は前記水ポンプの吐出量もしくは吐出圧を減少させる機能を有するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】  請求項１の発明装置を適用すると、水ジェットを利用して杭を打ち込んでいる途中で、水源の給水容量が不足し、水タンク内の水位が低下して水ポンプが空気を吸い込んだ場合、空気吸入時に特有のポンプ吐出圧変動パターンを自動的に認識して、水ポンプの作動をスローダウンさせ、または停止させるので、該水ポンプが焼き付くという重大故障を防止することができる。【００１５】  請求項２の発明を適用すると、水ジェットを利用して杭を打ち込んでいる途中で、水ノズルがソケットから抜け出すなどして、該水ノズルの側噴孔もしくは逆噴射孔が開放されたとき、ノズル脱け時に特有のポンプ吐出圧変動パターンを自動的に認識して、水ポンプの作動をスローダウンさせ、または停止させるので、脱け出したノズルが跳ね回る危険性が無くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】  図１は、本発明の１実施形態を描いた模式的な系統図である。
杭１に対してソケット２が溶接され、該ソケット２に対して水ノズル４が挿入されている。１１は水ポンプであり、エンジン１２又は電気モータ１３で回転駆動される。
図外の水源から水タンク１０に、矢印Ｗのように水が供給され、一時的に貯えられる。
前記の水ポンプ１１は、水タンク１０内に貯えられた水を吸入し、加圧，吐出して、ホース９を介して前記の水ノズル４に供給する。
符号１５を付して示したのは、タイマ機能を備えた自動制御装置（ＣＰＵ）であって、エンジン１２もしくは電気モータ１３，及び／又は水ポンプ１１を制御している。【００１７】  水ポンプ１１の吐出側管路の圧力を検出する圧力センサ１４が設けられ、その出力信号は前記の自動制御装置１５に入力される。
該自動制御装置１５はタイマ機能を有しているから、単にポンプ吐出圧力の値（圧力センサの出力信号値）を認識するだけでなく、その時間的な速さ（圧力変化量／時間）を認識して、以下に述べるように情況を判定し、情況に応じて水ポンプ１１の出力（吐出圧力×吐出流量）を制御する。【００１８】  水ポンプ１１が水タンク１０から吸い込んでノズル４から噴射させる水の流量は、水タンクに補給される水（矢印Ｗ）の流量よりも著しく大きい。
このために水タンク１０が設けられているのであって、該水タンク１０に水を貯えてから、水を噴射しつつ杭１を打ち込む。
水の補給（矢印Ｗ）は連続的に行なわれ、水の使用（噴射）は間欠的に行なわれるので水の補給総量と水の消費総量とがバランスするようになっている。
ところが、１本の杭を打ち込むに要する時間は、地盤の状態によって変化する。このため、１本の杭の打設に消費される水の量は一定でない。
杭の打設時間が永びいて水の消費量が増えると、水タンク１０が空になって、水ポンプ１１が空気を吸い込む虞れが有る。【００１９】  水タンクが空になって水ポンプが空気を吸い込んだ場合、該水ポンプの吐出圧力が変動する１例について、横軸に時間をとったグラフで示すと図６（Ａ）のごとくであって、空気吸込時に特有のパターンを示している。
吐出圧力の様相は、水ポンプの仕様や該水ポンプ吸入側管路の状態によって変化するから、必ずしも一定ではないが、総べての場合に共通して、
イ．最初の急激な圧力降下を呈する。
これは、吸入・吐出された空気が圧力に反比例して収縮するからであると考えられる。
例えばホース９内の圧力が１５０Ｋｇ／ｃｍ２であれば、空気の体積は約１／１５０になるから、水ポンプは瞬時的に空振りしたような形になる。
ロ．次の瞬間、圧力は再び急上昇し、定格圧力を越える。
水タンク１０が空になっても、水の供給（矢印Ｗ）は継続しているから、直ちにこの水を吸入・吐出する。
この際、水撃作用（ウォーターハンマ）に類似する現象を呈し定格圧力（本例では１５０Ｋｇ／ｃｍ２）を越える（本例では約２００Ｋｇ／ｃｍ２）。
ハ．定格圧力を瞬時的に超えた吐出圧力は、次の瞬時には急激に降下する。
水の供給流量（矢印Ｗ）は、水ポンプ１１の吐出流量よりも少ないので、吐出圧力は直ちに降下する。
ニ．その後、圧力上昇・降下が繰り返される。【００２０】  図６（Ａ）の例では、時間０の時点で空気を吸い込んでから０．２秒の間に、約１０回の圧力変動を呈している。
このまま放置すると水ポンプが破損してしまうので、この実験は０．２秒で中止した。
具体的には、公知技術として設けられていた安全装置が作動して非常停止機能が働いたものである（この実験においては、本発明装置の作動を停止させておいた）。【００２１】  従来一般に用いられている杭打用の水ジェット装置においても、水ポンプ吐出圧の変動を圧力センサで検出し、吐出圧が所定の圧力まで降下したとき、水ポンプの負荷を自動的に軽減する手段が設けられている。
このため、従来例の水ジェット装置の水ポンプが空気を吸い込んで、図６（Ａ）のような吐出圧変動を生じたとき、
本図６（Ａ）の圧力変動カーブが、時間０に相当する箇所（点ａ）以降において、圧力平均値（鎖線）が低下しているので、定格圧力１５０Ｋｇ／ｃｍ２の２／３まで低下したとき安全装置が作動する。本例では、空気を吸い込んでから０．２秒後に異常圧を検知して自動停止している。
しかし、この０．２秒の間に水切れ状態が断続的に発生し、水ポンプ損耗の危険性が大きい。
そこで本実施形態においては、
点ａから点ｂまでの急激な圧力低下と、
点ｂから点ｃまでの、定格圧力（１５０Ｋｇ／ｃｍ２）を超える急激な圧力上昇と、
点ｃから点ｄ間での急激な圧力再低下と、
点ｄから点ｅまでの、定格圧力を超える急激な圧力再上昇とを、圧力センサ１４で検知したとき、タイマ機能を有する自動制御装置（ＣＰＵ）１５、すなわち、圧力変化の緩急を判定し得る自動制御装置によって、水ポンプが空気を吸入したものと判定し、
水ポンプ１１が可変ポンプであれば該水ポンプ１１を制御し、
水ポンプ１１が定量ポンプであれば、これを回転駆動しているエンジン１２もしくは電気モータ１３を制御して水ポンプの負荷を軽減する。
これにより、本実施形態においては、水ポンプが空気を吸入した後約０．０５秒で水ポンプの負荷を軽減し、該水ポンプの損耗を著しく軽減することができた。【００２２】  本実施形態における効果について考察すると、
従来例の安全装置であれば、断続的な水切れの状態を０．２秒間経過すべきところを、本発明の適用によって０．０５秒間に短縮することができた。
水切れ（空気吸入）による水ポンプの損耗は時間に正比例して進行するものではなく、
最初の微小時間（１０ミリ秒単位）は水膜が残っているので損耗せず、水膜が切れると加速度的に進行すると考えられるので、空気を吸い込んだ後０．０５秒で自動停止または自動負荷軽減されることの実用的効果は多大である。【００２３】  （図１参照）杭打用の水ジェット装置が正常に作動しているとき、水ポンプ１１の吐出圧力は略定格値（本例では１５０／ｋｇ／ｃｍ２）に保たれる。
何らかの事情で、ノズル４がソケット２から引き抜かれると、図６（Ｂ）に示したように約５０ｋｇ／ｃｍ２まで圧力が降下する。しかし、再上昇しないことが空気吸入時（図６（Ａ））との基本的な差異である。
何ｋｇ／ｃｍ２まで降下するかは水ポンプ１１の特性やノズル４の仕様などによって定まるので、予め実測しておくと良い。１度実測しておけば、そのデータはポンプ・ノズルの組合せが変わらない限り使用することができる。ホース９やエンジンもしくは電気モータの仕様によっても変わるが、その影響は僅小である。
突然の急激な圧力降下が１回限り発生し、再上昇しないことによってノズル脱出と判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】  本発明に係る杭打用の水ジェット装置の１実施形態を模式的に描いた配管・制御系統図
【図２】  従来例の杭打用の水ジェット装置におけるノズル取付部を描いた外観斜視図
【図３】  水ジェット装置に係る公知発明の１例を示し、取付部材に装着されたノズル本体付近の断面図
【図４】  前掲の図３に示した公知発明のノズル本体が取付部材から脱出した状態を描いた断面図
【図５】  前掲の図４および図５に描かれた発明装置を改良した公知発明におけるノズル本体（単品）の断面図
【図６】  杭打用の水ジェット装置に異常が発生したときの圧力変動を示し、（Ａ）はポンプが空気を吸い込んだときの圧力変化カーブ、（Ｂ）はノズルが脱出したときの圧力変化カーブ
【符号の説明】
【００２５】  １…杭
２…ソケット
４…ノズル
９…ホース
１０…水タンク
１１…水ポンプ
１２…ポンプ駆動用エンジン
１３…ポンプ駆動用電気モータ
１４…圧力センサ
１５…タイマ機能付自動制御装置（ＣＰＵ）
Ｗ…水源からの水の補給を表す矢印
【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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