(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心の噴出孔から高速水噴流を噴射し、中心噴出孔の先端に略カップ型の空洞部を設け、付着物の破壊除去、又は水中有害物の分解を行うウォータージェットノズルにおいて、
前記略カップ型空洞部の内壁に開口する複数の噴出孔または前記略カップ型空洞部の内壁に設けたスリット状の開口部を設け、
前記中心噴出孔からの高速水噴流に対して逆行するような角度で、前記複数噴出孔または前記スリット状開口部から低速水流を前記高速水噴流へ向けて、前記高速水噴流と同時に噴出させるように構成する
ことを特徴とするウォータージェットノズル。
【請求項２】
請求項１に記載のウォータージェットノズルにおいて、
前記低速水流の流速が、前記高速水噴流の流速の１／３以上４／５以下の範囲であって、前記低速水流の噴出流量が高速水噴流の流量の１．２倍以上３．０倍以下の範囲から選定することを特徴とするウォータージェットノズル。
【請求項３】
請求項１に記載のウォータージェットノズルにおいて、
前記ノズルで作り出される水噴流の軸方向における衝撃圧分布での最初のピーク位置に前記付着物が存すように、前記ノズル位置を設定することを特徴とするウォータージェットノズル。
【請求項４】
請求項１に記載のウォータージェットノズルにおいて、
前記ノズルで作り出される水噴流の軸方向における衝撃圧分布での第２番目のピーク位置に前記付着物が存すように、前記ノズル位置を設定することを特徴とするウォータージェットノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャビテーションを利用するウォータージェットノズルに関するもので、付着物除去・洗浄・有害物分解及び反応促進に応用できる技術に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
高強度付着物の代表例として燃焼炉の炉壁や伝熱管に付着して固化したクリンカ状灰を取り上げて説明する。石炭焚ボイラや重質油焚ボイラでは、灰粒子が高温で溶融し、伝熱面に付着する。ボイラ火炉の上部にある吊下げ型の過熱器（２次過熱器）に付着した灰は大きな塊状に成長し、ハードクリンカとなる。この付着ハードクリンカの一部は、ボイラ停止時に、熱衝撃のために伝熱管から剥離し、炉底ホッパへ落下するが、剥離・落下することなくそのまま伝熱管に付着して残るハードクリンカも多い。
【０００３】
このような付着ハードクリンカの成長は、ボイラ火炉の熱負荷、ガス温度や燃料種の性状（灰の融点）等の複合作用によるとされているが、詳細なメカニズムまでは未だ分かっていない。
【０００４】
付着ハードクリンカが著しく成長すると、ボイラが稼働中の場合は、炉内ガス流の流動抵抗となるし、炉底へ落下すればホッパ伝熱管に損傷を与えたり、あるいはクラッシャにとって過大な負担となる場合もある。さらにこのハードクリンカは、定期点検時の火炉保修作業の大きな支障となり、突然落下すれば炉内作業者にとって大変に危険である。したがって、この付着ハードクリンカを除去するために、これまでに多大な労力が費やされてきている。
【０００５】
このハードクリンカの除去法の一例は、ノーズの上部に簡易足場を組み、作業者が水洗用のガン（ノズルアーム）を操り、水噴流をハードクリンカに向けて吹きつける方法である。
【０００６】
この方法によれば、比較的脆弱なクリンカは除去できるが、ハードクリンカの全てを破壊することはかなり難しく、長大な水洗時間が必要になる。また、簡易足場を組むことはボイラ火炉内の高所作業であり、特殊な技能を有する作業者が必要である。しかしこの方法は、簡易足場の組立及び解体作業に多くの時間と費用を要するし、炉内足場上の作業は、狭いスペースにおいて、ダスト、湿気、暑さなどのために環境的に良いとはいえない。したがって、できるだけ短い時間で除去施工を完了させることのできる新しい技術が求められている。
【０００７】
このハードクリンカは著しく大きな塊状に成長し、さらにきわめて高強度になる場合もある。これは、灰の融点の低い石炭を長期にわたり使い続けた場合などによくあらわれる。融点が低いために、さほど高温でなくとも灰が融けて流れ出すが、これが冷えて固化した場合、高強度となる。また、いったんこのような溶融灰が伝熱管に付着し始めると、次々と付着して成長する。
【０００８】
吊下げ型伝熱管において、大きな塊状の高強度のクリンカを、ウォータージェットノズルで効率良く除去するために新しい工夫が必要である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術としてのウォータージェットは、図１１に示すように、気相中においてノズル１から高圧水２を噴射するものであって、ウォータージェット６による高圧の衝撃力がクリンカ７に作用する原理を利用するものである。このウォータージェット６には乱れがあるから、高圧の衝撃力が変動し、高強度付着物７に破壊痕（壊食部）８が生じるわけである。図１１で、３は噴出孔、４は高圧水供給流路、５は径収縮部（絞り部）、をそれぞれ表す。
【００１０】
一方、先行技術には、キャビテーションを利用する方法がある。図１２に構造を断面図として示すノズル１０は、高圧水２を噴射する中心噴出孔１２の先にカップ型の空洞部１１を設け、この空洞部１１の内部に水中高速水噴流を作り出し、中心噴出孔１２から噴出する噴流にキャビテーションを発生させようとするものである。中心噴出孔１２からいくら高圧で噴射しても空洞部１１の内部は水で充満しないので、このノズルでは、中心噴出孔１２の外周に環状開口部１３を設け、ここから比較的低速の水９を噴射し空洞部１１の内部を水で充満させようとするものである。
【００１１】
このノズルの空洞部１１の内部において生じる現象を図１３に模式的に示す。中心噴出孔１２から噴出する中心噴流１４と、環状開口部１３から噴出する周囲流１５の間には、これらの速度差に起因して小規模なせん断渦１６が生じる。このせん断渦１６が、中心噴流１４に気泡核を供給したり、あるいは圧力脈動を与えたりして、キャビテーションの発生に係るわけであるが、図１２に示す構造のノズルでは、せん断渦１６の作用が弱く不安定であって中心噴流１４に発生するキャビテーションは発達が不十分である。そのため、破壊対象物に衝突した際に生じる衝撃力も強いとはいえない。
【００１２】
本発明の目的は、高強度付着物を効率良く破壊除去するために、キャビテーションを利用するウォータージェットを活かすに際し、キャビテーションの強さを高めるための新しい構成、手法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
【００１４】
中心の噴出孔から高速水噴流を噴射し、中心噴出孔の先端に略カップ型の空洞部を設け、付着物の破壊除去、又は水中有害物の分解を行うウォータージェットノズルにおいて、
前記略カップ型空洞部の内壁に開口する複数の噴出孔または前記略カップ型空洞部の内壁に設けたスリット状の開口部を設け、
前記中心噴出孔からの高速水噴流に対して逆行するような角度で、前記複数噴出孔または前記スリット状開口部から低速水流を前記高速水噴流へ向けて、前記高速水噴流と同時に噴出させるように構成するウォータージェットノズル。
【００１６】
また、前記ウォータージェットノズルにおいて、
前記ノズルで作り出される水噴流の軸方向における衝撃圧分布での最初のピーク位置又は第２番目のピーク位置に前記付着物が存すように、前記ノズル位置を設定するウォータージェットノズル。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係るウォータージェット用ノズルを、燃焼炉内の伝熱管に付着する高強度付着物の除去へ適用した場合の全体系統を示す一例である。ウォータージェットとなる水３８は、水槽３９に貯えられている。この水は、２台のプランジャポンプ３６及び３７に送られ、所定の圧力まで昇圧され、それぞれの耐圧ホース３４及び３５を通じてノズル本体１７へと送給される。
【００１８】
プランジャポンプ３６からは、相対的な低圧水９が送り出される。一方、もう一台のプランジャポンプ３７からは、相対的な高圧水２が送り出される。２本の耐圧ホースは管体であるノズルアーム３１内を通り、ノズル本体１７に接続している。ノズル本体１７においては、後述するように高圧水と低圧水が混合してウォータージェットとなり、除去対象物である高強度付着物７に衝突する。ノズルアーム３１は、移動機構３２に取り付いていて、ノズル本体１７の位置を調整する。このノズルアーム３１は、燃焼炉２９に開口する検査孔３３から挿入し、ノズル本体１７を対象にアプローチできるようにしている。
【００１９】
図２には、本発明を具体化したウォータージェット用ノズルの構造を、軸方向の断面図、及び正面からの視図として示す。ノズル本体１７において、高圧水２は、中心の高圧水流路１８を通じて供給され、細い噴出孔１９において急減圧・急加速されて噴出し、中心噴流１４となる。噴出孔１９の先端には、ドーム状の空洞部１１が開口しているので、この中心噴流１４は、空洞部１１内に水が充満したときには、水中の高速水噴流となる。
【００２０】
一方、低圧水９は、ノズル本体１７における外周側の環状流通部である低圧水流路２０を通じて導かれ、前出の空洞部１１の出口において開口するスリット状の環状開口部２１を通じて噴出する。この環状開口部２１からは、低速水流２２が、噴出角度θで、中心噴流１４の噴出方向に逆らうように噴出する。中心に吹き出す中心噴流１４と低速水流２２は、このようにして、空洞部１１内において混合し、混合したまま空洞部１１の出口から吹き出して、後述するように複合的なウォータージェットとなる。低速水流を中心噴流に対して逆行させる外に直角方向に噴出しても良い。
【００２１】
図２に示す実施形態では、スリット状の環状開口部２１から低速水流２２が噴き出す。これに限らず、低速水流２２’は複数の噴出孔２３から吹き出させることもできる。図３は、その実施形態を示すものであって、低速水流２２’は、ノズル本体１７の円周方向に等間隔で６個開口する低速水流噴出孔２３から噴出する。空洞部１１の内部において、中心噴流１４と低速水流２２’が混合することは、図２に示した実施形態と同様である。
【００２２】
図４の（１）は、本発明の実施形態に係るノズル内の挙動を模式的に描いたものである。空洞部１１の出口端に開口する環状開口部２１より吹き出す低速水流２２は、中心噴流１４は流れの方向が逆であるため、相対速度も大きくなり、中心噴流１４の界面には、強力なせん断作用のためにせん断渦２４が生じる。
【００２３】
一方、低速水流２２の中には、キャビテーションの「種」となる気泡核が多量に含まれているので、中心噴流１４には周囲から気泡核が供給されることになる（２５）。
【００２４】
このように、本発明は、パワフルなせん断渦２４を作り出し、また強制的な気泡核供給２５によって、キャビテーションを促進させるものであって、従来技術並びに先行技術には無い特徴を有する。なお、空洞部１１の内部１２は低速水流２２によって水が充満するので、中心噴流１４は、水中高速水噴流となる。また、前記低速水流の流速が、前記高速水噴流の流速の１／３以上４／５以下の範囲であって、前記低速水流の噴出流量が高速水噴流の流量の１．２倍以上３．０倍以下の範囲から選定すると、キャビテーションを一層促進することが分かった。
【００２５】
図４の（２）は、中心噴流１４の挙動を模式的に描いたものである。噴出孔１９から噴出した直後は、水芯部２６があり、その周囲にはキャビテーション４０が発生する。上記したせん断渦２４とキャビテーション４０の作用によって、水芯部２６は分裂し、高速の水塊２７となって、高強度付着物７に断続的に衝突する。水塊２７は、マシンガンから弾丸のように次々と衝突し、高強度付着物７の内部に破壊しながらくい込み（α）、鋭いクレバスのような破壊部８’をつくり出す。
【００２６】
本発明を具体化した際の効果を、図５に示すように、ウォータージェットの衝突により破壊痕（壊食部）８の幅Ｗと深さｈをもって評価することにした。図６は、破壊対象の材料としてレンガを用いた実験結果であり、本発明実施形態、従来技術（図１１）ないし先行技術（図１２）の特性を比較したものである。スタンドオフ距離Ｘｓ（ノズル出口と対象材料との距離）を変化させて、ウォータージェットの衝突によって生じた壊食溝の深さを調べた。横軸のスタンドオフ距離Ｘｓは、噴出孔径Ｄで割ることにより無次元化した。一方、縦軸における壊食溝の深さｈは、従来技術における溝の深さｈo で割ることにより無次元化した。
【００２７】
従来技術（図１１）では、Ｘｓ／Ｄ≒６０において、ｈ／ｈo はピークを示すものの、そのレベルは、他の例による特性に比べるとはるかに低い。本発明になるウォータージェットノズル（図２）を用いた場合には、スタンドオフ距離が短い条件において、つまりノズル出口をレンガに近接させた場合、壊食溝が著しく深まることがわかる。このｈのレベルに関する結果は、類似の傾向を示す先行技術（図１２）の特性に比べても２倍以上あって圧倒的である。これは、本発明の実施形態に係るノズルにおいて、水塊２７の衝突（図４の（２））の威力が増強したからに他ならない。
【００２８】
図７には、同様にして破壊痕の幅Ｗを比較して示す。縦軸における壊食溝の幅Ｗは、従来技術における壊食溝の最大幅ＷO で割ることにより無次元化した。従来技術では、スタンドオフ距離Ｘｓ／Ｄ≒６０において、壊食溝の幅がピークとなる。これに対して、本発明実施形態では、ノズルをレンガに近づけた条件において壊食溝の幅Ｗがピークを示すが、従来技術における最大値に比べると明らかに低い。前出の図６の結果とともに考察すると、本発明になるウォータージェットノズルを用いた場合には、従来技術と比べて、要するに狭く深く切断したかのような壊食溝が生じるということになる。
【００２９】
これらの特徴を模式的に描いて比較したのが図８である。従来式のウォータージェット法により生じる破壊痕（壊食部）８は、浅く広がるようになり、結局硬質材の破壊には不向きである。これに対して、本発明になるウォータージェットノズルによる壊食痕１４は、狭く深く切断するかのようになるので、硬質材の破壊除去に適しているといえる。
【００３０】
また、本発明の実施形態である、例えば図２に示すノズルで作り出される水噴流の軸方向における衝撃圧の分布を観察すると、ノズルの開口端から破壊除去される付着物にかけて、衝撃圧は一様ではなくて大きなピーク値を示す第１番目と第２番目のピークが存在する。このような水噴流のピーク値を示す箇所に付着物が存するようにノズルの位置を設定すれば、付着物を効果的に破壊除去できる。
【００３１】
図９は、本発明のウォータージェットノズルを用いることによる効果を、高強度付着物除去の施工時間ｔを用いて、従来技術あるいは先行例と比較したものである。高強度付着物除去の施工時間ｔは、従来技術（図１１）における高強度付着物除去の施工時間ｔ*で割ることにより無次元化した。要するに、従来技術を適用した際の時間を「１」として比較する。図１２に示した先行例でも６割以下まで施工時間を短縮できるが、本発明を実施する場合には、１／５にまで施工時間を短くできることが分かる。
【００３２】
ウォータージェットによる施工時間を短縮できるということは、使用水量も低減できるということである。図１０には使用水量を比較した結果を示す。高強度付着物の除去に使用する水流量Ｑｗは、従来技術（図１１）において高強度付着物の除去に使用する水流量Ｑｗ*で割ることにより無次元化した。従来技術に対して、先行例と本発明実施形態では低速水流を使うために、前出の図９の施工時間と比例的に合致する関係にはならないが、本発明実施形態では、使用水量を１／３以下にまで著しく低減できることがわかる。この特性は、先行例（図１２）の使用水流量が従来技術とあまり違わないのに比べると対照的である。本発明になるウォータージェットノズルを用いれば、短い時間で少ない水流量で施工が完了するので、プラントの予防保全の効率化を図ることができるようになる。
【００３３】
本発明になるウォータージェットノズルは、ボイラ伝熱管に付着するクリンカ状アッシュの除去のみならず、全く異なる次のような分野へも直接適用することが可能である。
【００３４】
（１）半導体シリコンウェハの洗浄
特殊な薬品を用いる必要の無い洗浄法として、図１４に示すようにな水中水噴流に発生するキャビテーションの利用法がある。これによると、低圧水９のジェット中に、同軸並行に高圧水２を噴射する。キャビテーションの生じた水中水噴流をウェハ２８に衝突させて、キャビテーションの作用で洗浄する。しかしながらこの方法によると、高圧水２と低圧水９が並行に流れるために相対速度が小さく、せん断作用は乏しい。結果的に、キャビテーションも十分には発達しない。このようなシリコンウェハの洗浄に対しても、水中水噴流のキャビテーションを促進する本発明の適用は大変に有効である。
【００３５】
（２）有害物を含む水の浄化処理
キャビテーションを起こさせて有害物を分解・駆除する技術がある。本発明は、中心からの高速水噴流に加えて、その周囲の環状口から低圧水を噴射して多量の水の浄化処理に適している。
【００３６】
上記（１）、（２）ともに、図２あるいは図３になるウォータージェットノズルをほぼそのまま使用することが可能である。
【００３７】
以上説明したように、本発明の実施形態は、次のような構成と機能並びに作用を奏するものを含むものである。
【００３８】
ノズルにおいて高速水噴流を噴出する中心噴出孔の出口先端側に略カップ型の空洞部を設け、空洞部の外縁・出口端側から、中心噴出孔からの高速水噴流に逆行させるように低速の周囲流を噴出する。要するに、カップ型空洞部内は水で充満され、中心軸上を高速水噴流が噴出し、これに逆行するように周囲流が吹き出す、という状況を作り出す。
【００３９】
中心の高速水噴流とこれに逆行する周囲流の界面には、大きな速度勾配に起因して乱れの激しいせん断層が作り出され、キャビテーションが著しく促進される。また周囲流からは、中心の高速水噴流へ、キャビテーションの核（Ｎｕｃｌｅｉ）が多量に供給される。この核供給も、周囲から中心高速流に対し逆行するように流入させるのが効果的である。キャビテーションの核供給によっても、キャビテーションは大幅に促進される。
【００４０】
ノズルの噴出孔先端におけるカップ型空洞部内で、キャビテーションを促進させる新しい手段を提供するものである。そして、ノズルの先端に設けた略カップ型の空洞部内において、空洞出口開口端近くから上流側へ逆流する水流と、中心から高圧で吹き出す高速水噴流の界面には、強いせん断作用が生じて、キャビテーションが著しく活発になる。このようなキャビテーションの促進効果が、互いに連成し合う２つの作用、即ち、キャビテーション作用並びに水塊の分裂作用、の威力を自己増幅的に高めている。
【００４１】
空洞部の開口端の近くから、上流へ逆流する周囲流は、中心の高速水噴流へキャビテーション発生の核を多量に供給している。また、周囲流と中心の高速水噴流の間には大きな速度勾配が生じて、この作用もキャビテーションを促進する。キャビテーションの増幅によって、水流の乱れも強まるため、中心の高速水噴流が断続的に水塊に分裂する作用も強まる。
【００４２】
結果的に、キャビテーションと水塊の断続的分裂の作用が活発になるため、カップ型空洞部から噴出する水流が付着物に衝突すると、これまでの先行技術に比べて衝撃力が著しく強まり、付着物が用意に破壊しやすくなって、付着物除去の効率が高まる。なお、図１２の方法に比べると、本発明による方法の方が、ノズルにおける圧力損失が３〜６％ほど高くなる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の奏する効果をまとめると以下のようになる。
【００４４】
（１）特に曲げ強度が１５ＭＰａを超えて塊状に付着しているような高強度付着物に対しても、本発明になるノズルを用いれば容易に破壊して伝熱管から離脱させることができる。
【００４５】
（２）上記（１）の効果と関連し、高強度付着物の除去し残しが無くなるので、炉内作業時に高強度付着物が落下するようなトラブルは無くなる。したがって、安全対策上有効である。
【００４６】
（３）上記（１）の効果によって、高強度付着物除去の施工時間が短縮するので、コスト的に有利である。
【００４７】
（４）ウォータージェットを同一の水量で噴射しても、従来法に比べると短い時間で施工を終わらせることができる。使用水量を減らせるので、コスト的にも有利である。また、排水処理のコストも減らすことができる。
【００４８】
（５）特殊な超高圧水を用いないので、汎用のプランジャポンプや耐圧ホースの利用が可能であり、設備コスト的に有利である。
【００４９】
（６）カップ型空洞部材の内面を、例えば熱ＣＶＤ法によりダイヤモンドコーティングしておけば、キャビテーションによる損耗が無くなり、ノズルの交換が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るウォータージェットノズルを利用して高強度付着物を除去する場合の全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るウォータージェットノズルの構造を示す断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係るウォータージェットノズルの構造を示す断面図である。
【図４】本発明に係るウォータージェットノズル内のメカニズムを模式的に描いた図である。
【図５】高強度付着物に生じる破壊痕（壊食部）の形状と寸法を定義する図である。
【図６】本発明と従来技術並びに先行技術を比較した実験結果を示す図である。
【図７】本発明と従来技術並びに先行技術を比較した実験結果を示す図である。
【図８】本発明による高強度付着物の破壊部の形状を従来技術と比較した図である。
【図９】試験結果であり、本発明を実施することによる効果を実証した図である。
【図１０】試験結果であり、本考案を実施することによる効果を実証した図である。
【図１１】従来技術を示す図である。
【図１２】先行技術のノズルを示す図である。
【図１３】先行技術のノズルにおける現象を模式的に描いた図である。
【図１４】洗浄分野における先行技術の例である。
【符号の説明】
２  高圧水
７  高強度付着物
９  低圧水
１１  空洞部
１４  中心噴流
１７  ノズル本体
１８  高圧水流路
１９  噴出孔
２０  低圧水流路
２１  環状開口部
２２  低速水流
２４  せん断渦
２５  気泡核供給
２７  水塊
３０  伝熱管
３１  ノズルアーム
３６，３７  プランジャポンプ
３９  水槽
４０  キャビテーション
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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