平面水噴流による円筒形物の削皮技術
著者
門 久義, 松村 博久
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
37
ページ
19-25
別言語のタイトル
Peeling Technology for Circular Objects with
Plain Water Jets
著者
門 久義, 松村 博久
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
37
ページ
19-25
別言語のタイトル
Peeling Technology for Circular Objects with
Plain Water Jets
平面水噴流による円筒形物の削皮技術
門 久 義 ・ 松 村 博 久
（受理平成７年５月31日）PeelingTechnologyforCircularObjectswithPlainWaterJets
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requiredpowerforpeelingaburdockisestimated． １ ． は じ め に 近年，ウォータージェット技術は紙，布，ゴム，木 材からプラスチック，複合材料，金属，ガラス，岩石， コンクリートに至る各種材料の切断加工に広く利用さ れるようになってきた')。このようなウォータージェッ ト加工に使用する圧力は，通常100∼400MPa，極端 な場合には1,000ＭＰａに達し，ノズル直径が数mm程 度以下の円形ノズルを用いて行われる2)。この技術の 特徴は，レーザー加工機などと同じく単位面積当たり の加工エネルギーを大きく取れ，噴流の直径が小さい ため所要動力を少なくできることである。しかし，こ の技術は切断加工が目的であるため，比較的広い面に わたって表面から一定の深さを一様に加工することは 困難である。 本研究は，３ＭＰa程度以下の低圧水噴流を用いて， 農作物などの円筒状物体の表皮全面を削る方法につい て実験的に検討したものである3)。加工性能に係わる 主なパラメータとして，ノズル形状と出口直径，ノズ ルの吐出し圧力，ノズルと加工材料の距離，さらに加 工材料の種類とノズル送り速度を検討した。 本実験においては，まず，その供試円筒の軸を中心 とする同一円周上に等間隔で中心に向けて設置した平 面噴射ノズルから水噴流を供試円筒側面に噴きつけた。 そしてノズル吐出し圧力，ノズル間距離，供試円筒径 等を変化させ，供試円筒側面上の静圧測定孔によって 周方向の静圧分布を測定し，供試円筒表面における圧 力分布特性について調べた。つぎに，実際にごぼうを 例にとって削皮実験を行い，ごぼうの送り速度と最適 な削皮条件が得られるためのノズル吐出し圧力の関係 を調べた。最後に，ごぼう削皮機の所要動力特性を試 算し，その経済性について言及した。Ｃ 【】 ａ
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図１表面圧測定用実験装置の概略２．実験装置および方法
２ ． １ 表 面 圧 測 定 実 験 ‘ 水噴流による壊食作用は，噴流コア部の連続した流 体部分の衝突によって行われるのではなく，分散した 液滴の衝突によることがわかっている4)。したがって， 物体表面への液滴の衝突は圧力変動として検出され’ その変動の大きさが壊食量の目安になると考えられる。 しかし，円形ノズルの場合と異なり，本実験で用いた 平面噴射ノズルでは，流出後比較的短距離で水噴流は 全面的に液滴状になる。そのため噴流衝突面の圧力変 動値はその平均値と一意的な関係にあると考え，本実 験では水噴流衝突面の平均圧力を測定して考察を行っ た。 図１は供試円筒の表面圧を測定する実験装置の概略 図である。往復動ポンプ①により圧送された水は，高 圧タンク②で脈動を低減されてａ∼ｈの８本の圧力 ホースに分配され，装置③の平面噴射ノズルａ∼ｈ に送り込まれる。８本のノズルから噴出した平面噴流 は，各ノズル中心軸を含む面内，すなわち水平面内で 広がり，隣り合う噴流間で干渉しながら供試円筒側面 ④に衝突する。８本の平面噴射ノズルの先端は同一円 周上にあり，その直径をノズル間距離ｚ，ノズル吐 出し圧力を２，とする。 直径Ｄの供試円筒側面には，表面圧Ｒを測定する ために内径１mmの測圧孔が設けられ，供試円筒を回転 させることにより周方向の表面圧分布を測定した。圧 力測定位置は，各ノズルの中心軸を通る円周上とし， ブルドン管圧力計により測定した。供試円筒の直径， １ ４ ． ２ Ｐ Ｔ Ｉ ／ ８ 図 ２ 平 面 噴 射 ノ ズ ル の 詳 細 Iま１５，１８，２２，２６，３２，３８，４７．５ｍの７種類とした。実験に用いたノズルは，Sprayingsystems社製
のフラットスプレーノズルVV11003（オリフイス直 径1.1mm)，VV11010（同2.0mm)，VV65025（同１．０ mm)，ＶＶ６５０８（同1.8mm）の４種類である。ノズル VV11003とVV11010は広がり角度が110.程度，VV 65025とVV6508は約65.であり，前者は後者に比べ て衝撃効率が低く，本実験の目的には不適当であるこ とがわかった。さらに，ノズルVV65025はＶＶ６５０８ よりオリフイス直径が小さく速度への変換効率が少し 低かった。したがって，本報告はノズルVV6508に ついての実験結果について述べる。図２は平面噴射ノ ズルVV6508の詳細である。本報告では，このノズ ルをNozzleType65080と表示している。 ２．２ごぼう削皮実験 水噴流によりごぼうを削皮する場合，図１に示した 8本の平面噴射ノズルの中心にごぼうを保持して，上 方にワイヤで移動させた。ごぼうの移動速度はモーター により任意に設定できる。実験に際しては，ノズル設 置条件を２．１の結果から得られた最適設置条件にし，1 3 5 １ ８ ０ 2１ - 9 0 − ４ ５ ０ ４ s ８deg・ 図 ３ 単 一 水 噴 流 に よ る 表 面 圧 900 ● 750 9０ 120 100 600 500 ６００ ｇｄ ２２４５０ Ｇｎ 四 ３００
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150 ０ ０ ４ ５ ９０ ８deg． (a） 門・松村：平面水噴流による円筒形物の削皮技術 1 3 5 １ ８ ０ ９０ ８deg． (ｂ）ノズル中間圧Ｒ‘は漸増ののち減少に転じている。烏
とＲｂの曲線の交点は，供試円筒の表面圧が周方向に 一様になっている場合に相当する。 前 図 の 交 点 に よ り 求 め ら れ た 円 筒 直 径 Ｄ の 値 の 例 を図６に示す。これより，ノズル間距離Ｚを固定す ると，供試円筒の表面圧が一様になる場合の円筒直径 Ｄの値はノズル吐出し圧力Ｒの値に関わらずほぼ一 定となっていることがわかる。このＤの値に対する 図４ ごぼうの移動速度Ｕとノズル吐出し圧力２，を変化さ せて，削皮状態が最適となる圧力を求めた。３．実験結果および考察
３．１静圧分布と最適ノズル間距離 図３は供試円筒に１本のノズルから水噴流を吹き付 けた場合の例である。ノズル正面は８＝０．であり， ８＝±45.ではノズル吐出し圧力Ｅ,の値にかかわらず 非常に小さい値となっている。ノズル間距離ｚ，供 試円筒径Ｄを変化させてもこの傾向は変らない。 図４(ａ)∼(c)は供試円筒に８本のノズルから水噴 流を吹き付けた場合の例で，ノズル間距離Ｚ＝64ｍｍ とし，それぞれ供試円筒径Ｄ＝３８，２６，１８mmと変化 させた場合の表面圧Ｒの分布である。図中の各曲線 は，ノズル吐出し圧力Ｒ,が異なっている。いずれの 図においても８＝０，４５，９０，１３５，１８０｡がノズル正 面である。なお，隣り合う水噴流の相互干渉の様子を 示すために，この図では，８＝180.の位置にあるノズ ルには水を噴出させていない。これらの例から，ノズ ルを45.のピッチで取り付けた場合，隣接するノズル の中間位置において表面圧が上昇していることがわか る。さらに，Ｄ＝38mmの場合はノズル正面に圧力ピー クが表われているが，Ｄ＝18ｍの場合にはノズルの中 間位置に表面圧のピークが表われている。そして，Ｄ＝ 26mmの場合には表面圧が８方向にほぼ一様な値を示 している。このような傾向はノズル吐出し圧力の値に 関わりないことも明らかである。 図５はノズル正面圧をＲ/，ノズル中間圧をＲ‘と して供試円筒直径Ｄに対する変化を示している。ノ ズル正面圧烏はＤの増加とともに急激に大きくなり，００００
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画︽国的円 200 100 ０ ０ ４ ５ ０ ４ ５ ９ ０ １ ３ ５ １ ８ ０ ｅｄｅｇ． （c） 8方向水噴流による表面圧の例 600 500００００
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ただし，供試円筒径Ｄの単位は(、)，Ｒ,とＥ,の単位 は(kPa)である。 図９(a)，（ｂ)は実験値に対する式(2)の近似程度を 表している。同図(a)中の直線および同図(b)中の曲 線は式(2)の値である。これより，実験式(２)は，最 適設置条件におけるノズル吐出し圧力と表面圧の関係 をよく近似しているものと考えられる。 ３．３ごぼう削皮における送り速度と最適削皮表面 圧 の 関 係 図10は，実際にごぼうを用いて削皮を行った結果で ある。実験装置の都合で，ノズル間距離Ｚを54mmに 易＝2.21,＋０．０８（、）（１） この式によって円筒径，（、）に対するノズル間距離易(、)を計算し，ノズル間距離を設定することによ
り表面圧を一様にすることができる。以後，式（１）を 最適設置条件と呼ぶ。 ３．２最適設置条件における表面圧 円筒形物体の削皮を行うためには，水噴流の吹き付 けによって円筒表面圧を一様にすることは必要条件で あるが，十分条件ではない。したがって最適設置条件 の式(１）は必要条件である。ここでは最適設置条件に おいて一様となる供試円筒の表面圧を烏とし，ノズ ル吐出し圧力Ｅ,と表面圧烏との関係を調べる。 図８は凡の実験結果を表している。この結果より， 1０ 200 図８ 900 800 3０ 700 600 画四基︻巨四 Ｅ Ｅ２０ Ｑ 500 400 300 Ｄ ｍ 最適設置条件における表面圧と供試円筒径ｚの値を最適ノズル間距離亀と呼び，これらの関係
を図７に示す。図中の実線は，実験結果の近似直線を 表し，次式で与えられる。 100 ０ ０ ０ 図６ １ ０ ０ ０ ２ ０ ０ ０ ３ ０ ０ ０ ＰｎｋＰａ 一様な表面圧になる供試円筒直径 ０１ 0.02 0.03 0.04 0．０５ NC型cTypc＝65080(Ｚ＝64ｍｍ） ●Ｐ､＝1176ｋＰａ 一 − ＯＰｎ=1764ｋＰａ のＰ､=2156ｋＰａ ｅＰｎ=2548ｋＰａ ｆｂ 応応 一一 ／／
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(a） 2３ 1000 1000 3500 図 １ ０ ご ぼ う 削 皮 実 験 の 結 果 てごぼうを削皮するための最適設置条件と最適削皮表 面圧の条件が明らかになった。しかし，ごぼう削皮機 を開発する場合には，その経済性を検討しておくこと が重要である。ここでは，ごぼうを最適に削皮する場 合にノズルで消費される水動力を見積もる。 図12は，３．３節で得られた送り速度Ｕと最適削皮 表面圧Ｒ"の関係を用いて，式(2)からごぼう径Ｄと ノズル吐出し圧力Ｒの関係を示したものである。図 中の実線，破線，一点鎖線は，それぞれ送り速度Ｕ＝ 0.23,0.41,0.62ｍ/sのときに必要なノズル吐出し圧 力Ｅ,の値である。ごぼう径Ｄの増加とともに次式の ような関係に従って増加する。
Ｒ=』器(kPa）（３）
図13は，実験に用いた平面噴射ノズル１本の特'性， 900 800 3000 700 600§
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母 珂四呉︻巨四 500 400 300 2000 200 100 ０ 1500 ０ 500 1000 1500２０ 0０ 1000 PｎｋＰａ ０ 0.2 ０．４０．６ Ｕｍ/§ 0.8１．０ 門・松村：平面水噴流による円筒形物の削皮技術 ． Ｕ ｍ / Ｓ 図１１最適削皮表面圧とごぼう送り速度の関係=
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固定し，最適円筒径に近いＤ＝19∼22mmのごぼうを 選び，ごぼうの送り速度Ｕとノズル吐出し圧力Ｒを 変化させて削皮実験を行った。削皮の仕上り状態は目 視により判定した。図中の▲と△印は削れ過ぎを表し， ▼と▽印は表皮が一部残っていることを表している。 ○印はほぼ適切と思われる削皮結果を示し，このとき のＲの値は最適削皮が行えるノズル吐出し圧力であ る。 しかし，ごぼうを実際に削皮する条件はごぼうの表 面圧に直接関係しているものと考えられる。図１０の結 果から，最適な削皮状態における表面圧Ｅ"pを換算し， 送り速度Ｕとの関係を表わしたものが，図11である。 この最適削皮表面圧旦ゅは，基本的にごぼうの直径と は無関係に一定であり，送り速度Ｕにのみ依存する ものと考えられる。 ３．４ごぼう削皮機の経済性 前節までの結果から，８本の平面噴射ノズルを用い 900 800 700 700 600 500 400 200 飼四誤︻巨四 600 500 400 300 同四塁 ０１ 0.02 100 ０ 0.04 （ｂ） 図 ９ 最 適 設 置 条 件 に お け る 表 面 圧 の 近 似 式 ０．０３ Ｄ ｍ 0.05 ０ ０ ． ２ ０ ． ４ ０ ． ６ ０ ． ８ NC型cTypC■“０８０ − − ， ■ １ ３ ｐ ｍ ｍ ｏ Ｐ ｍ ｍ ｕ 雪 ７ P ｎ ｋ Ｐ ａ − −−．Ｄ■２ｑｐｍｍｏＰｍ■0.19010ｎｋＦ８ −．−．，■２６J０，８鵬Ｐｍ室0.144IＤｎｋＰａ 一 一 Ｄ ■ ” ｐ ｍ Ｉ Ｌ Ｐ ｍ 茸 O b l l 2 n k P a − …。Ｄロ４ｺ』、瓜Ｐｍ■ｑＯ８４ＰｎｋＰ８ −Ｄｍ４７ｐｍ域P､毎Om7PnkP8e｜ ｜ ｜ フ ァ
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１ 2000 ０ ０ 0.02 0.0 黒目○ 1.5 るが，Ｄ＝40m,nのごぼうでは11.8(kＷ)の動力を必要 とし，Ｄ＝50mmのごぼうでは，16.8(kＷ)となる。 表１に，式(5)による動力の試算例を示す。ごぼう 径Ｄの増加とともに所要動力が急激に増加すること がわかる。したがって，ごぼう削皮機を開発する際に は，この所要動力を目安として，ごぼう径の対象範囲 を限定する必要があると考えられる。 ４ ． 結 論 以上の実験結果について検討した結果，つぎのよう な結論が得られた。 (1)供試円筒側面の周方向圧力分布が一様になるため には，供試円筒径に対する最適なノズル間距離があ り，式(1)で与えられる。これを最適設置条件とい う。 (2)最適設置条件において，一様な表面圧はノズル吐 出し圧力と供試円筒径の関数で，式(2)のように表 される。 (3)ごぼうに対する最適な削皮条件を与える表面圧は， Ｄ ｍ 図１２最適削皮条件におけるノズル入口圧と ごぼう径の関係 図１４最適削皮条件における所要動力とごぼう径 表１ 所 要 動 力 の 試 算 ×１０−４ Ｌ＝８辺E， ＝24.3×106Pﾘﾉ掴＝0.141黒鈎L58(kＷ）（５）
この式よりごぼう削皮機に必要な動力を見積もると， 図14のようになる。図中の実線，破線，一点鎖線は， それぞれごぼうの送り速度Ｕ＝0.23,0.41,0.62ｍ/ｓ の場合に相当し，ごぼう径Ｄによって必要な水動力 Ｌを表している。例えば，Ｕ＝0.62ｍ/sの場合，Ｄ＝ 201mnのごぼうを削皮するためにはZ,＝3.96(kＷ)であ 2.0 ノズル吐出し圧力Ｅ,(kPa)と流量Ｑの関係を示して いる。図中の近似曲線は，次のように与えられる。Ｑ＝3.04×10 61/耳（㎡/s）（４）
したがって，８本のノズルにより消費される水動力Ｌ (kＷ)は，式(3)，（４）より次のように与えられる。 Ｄ伽一Ⅲ｜川一川一Ⅷ｜Ⅷ｜Ⅷ｜Ⅲ｜Ⅲ 11.81 Ｕ＝0.62ｍ/ｓ 1.34 0.5 3.96 7.50 1.0 28.57 16.80 22.40 ０ ５ ０ ０ １ ０ ０ ０ １ ５ ０ ０ ２ ０ ０ ０ ２ ５ ０ ０ ３ ０ ０ ０ 35.27 ０ ＰｎｋＰａ 図１３平面噴射ノズルの流量特性 00 Noz副cTypc画“０８０ ＯＮｏｚ率１●ＮＣＥｴｌｃ５ ｅ‘Noz副ｃ２△Ｎｃｚｚ,c６ ＝ ① Ｎ Ｃ 型 c ． ▲ N o z z j c 7 一 ｏＮｏｚｚ】c4pNoEzjc8｜｜』
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.（ .,．ラン 〆 鐸ﾝ〆門・松村：平面水噴流による円筒形物の削皮技術 ごぼうの送り速度に依存して一意的に定まる。 (4)８本の水噴流で削皮を行う場合に，ごぼう径の増 加とともに所要動力は急激に増加する。この所要動 力の見積もりは，式(5)により概算できる。
