JP2022079414A - 液体処理ノズル - Google Patents
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Abstract
Description
・整流エレメントがキャビテーションコアの下流側にのみ設けられているため、整流エレメントが担う効果は、キャビテーションコアの衝突部で成長停止した微細気泡の衝突による合一抑制にとどまる。
・配管系側のねじ継手との取り合いの関係により、液体処理ノズルの配管系への装着方向が正規の装着方向から逆転することがあり得る。この場合、液体の流れが整流エレメント→キャビテーションコアとなり、整流エレメントを意図通りに機能させることができない。
・液体処理ノズルの組立時において、ノズルケーシングに対し整流エレメントとキャビテーションコアとを順次的に装着しなければならず、工数が増大する。
特許文献1、2においては、液体処理ノズルにおいて断面内に形成される谷点のうち、キャビテーションポイントとして顕著に機能するのは、液体流速が高くなる断面中心領域、特に中心軸線から流路断面の半径70%までの領域に位置する谷点(70%谷点)である点について言及されている。例えば、特許文献2においては、その図8等に開示されているごとく、流路断面内にて同一平面上に複数のねじ部材を中心軸線の周りに配置することで、断面内の谷点密度を向上させる提案を行なっている。また、同文献においては、液体流路の軸線方向(流れ方向)にて複数のねじ部材を互いにずれた位置に配置することが可能であり、それによってキャビテーションポイントとなる谷部に液体の流れを繰り返し接触させることができ、微細気泡の発生効率やガス溶解効率の更なる向上に寄与できる旨も開示されている(第5ページ9行~13行)。
・各ねじ配置面において、液体流路の全断面積に占める液体流通領域の割合として定められる面内流通面積率が40%以上に確保され、液体流路の液体流通領域の面積(全流通断面積)が3.8mm2以上に確保される。
・中心軸線と直交する平面への投影にて液体流路の中心軸線から該液体流路の半径の70%以内の領域に位置する谷点を全ねじ配置面について合計した総数を、液体流路の断面積で除した値を70%谷点面積密度と定義したとき、70%谷点面積密度の値が2.0個/mm2以上に確保される。
・中心軸線方向に互いに隣接するねじ配置面の間隔が公称ねじ径以上に確保される。
(実施形態1)
図1は、本発明の液体処理ノズルを組み込んだ水道配管システムの一例を示す斜視図である。この水道配管システム1200は、上水道に直結される冷水供給部1203と、図示しない給湯器につながる温水供給部1204とのそれぞれが、止水栓1211と配管系1205、1206を介して湯水混合栓1201に接続される。湯水混合栓1201は、冷水供給部1203からの冷水と温水供給部1204からの温水とを、レバー1202の操作状態に応じた混合比および流量にて混合し、流出口1201から流出させる周知の構成のものである。配管系1205及び1206はいずれも同一の構成であり、止水栓1211の流出側継手部(本実施形態では雄ねじ継ぎ手部1212(図13))と給水フレキ配管1213との間に本発明の一実施形態である液体処理ノズル100が組み込まれた構成となっている。なお、液体処理ノズル100は冷水供給部1203と温水供給部1204とのどちらか一方、例えば冷水供給部1203側にのみ設けるようにしてもよい。
md-mtd≦hd2<md
の範囲となるように定められている。図6Aに示す如く、ねじ部材10の脚部10fはコア本体1Mの脚部挿通部19fに対しセルフタッピング形態にてねじ込まれる。符号10eはドライバー等の工具を係合させるための工具係合凹部である。
md≦hd1<hd3
の範囲となるように定められ、図6Bの左に示すように、ねじ部材10の脚部10fは該第一部分19f1に対し隙間嵌め形態にて挿入される。一方、第二部分19f2の第二内径hd2は、
md-mtd≦hd2<md
の範囲となるように定められ、図6Bの右に示すように、ねじ部材10の脚部10fは該第二部分19f2に対しセルフタッピング形態にてねじ込まれる。第二部分19f2の内径hd2は、望ましくはmd-0.8mtd以上、より望ましくはmd-0.7mtd以上である。部挿通部の内径hdがmd-mtd未満では、セルフタッピングにより、脚部挿通部内に雌ねじ部を刻設することが難しくなる。また、雌ねじ部を刻設する効果を確実にするには、脚部挿通部の内径hdはmd-0.2mtd以下、より望ましくはmd-0.4mtd以下に設定するのがよい。すなわち、前述のラップ長ftdを0.1mtd以上、より望ましくは0.2mtd以上確保するのがよい。なお、ねじ部材10の脚部10fを第一部分19f1により安定的に隙間嵌め保持させる観点において、hd1≦md+mtd、より望ましくはhd1≦md+0.5mtdとなっているのがよい。また、ねじ頭部10hの座面を頭部収容部19hと脚部挿通部19fとの間に形成される段付き面に確実に当て止めできるようにする観点から、hd1≦0.9hd3(より望ましくはhd1≦0.8hd3)を充足しているのがよい。
a=S1-S2 (単位:mm2)
として定義する。この実施形態では、主流通領域21と液体流通ギャップ15との合計面積が全流通断面積aに相当する。図2に示すごとく、流入側開口部55及び流出側開口部54の開口径は、絞り部9の内径よりも大きい。すなわち、流入側開口部55及び流出側開口部54の開口断面積は全流通断面積aよりも大きく設定されている。そして、各ねじ配置面LP1~LP5において、全流通断面積aは3.8mm2以上確保され、液体流路の全断面積S1に占める液体流通領域の割合(すなわち、a/S1×100(%))として定められる面内流通面積率は40%以上に確保されている。
例えば図2の液体処理ノズル100のキャビテーションコア1において、ねじ装着孔19を図6Aの構成のものから図15の構成のものに置き換えることにより実現可能である(ねじ装着孔19の構造を除くその余の構成は実施形態1と同じであるため、詳細な説明は略する)。
md≦hd1<hd3
の範囲となるように定められ、ねじ部材10の脚部10fは該第一部分19f1に対し隙間嵌め形態にて挿入される。一方、第二部分19f3の第二内径hd2は、
md-mtd≦hd2<md
の範囲となるように定められる。脚部10fに形成されているねじ山のピッチをPとしたとき、第二部分19f3の長さが1P以上2P以下に設定されている。ねじ部材10の脚部10fは該第二部分19f3に対しセルフタッピングではなく、図16の右に示すように、第二部分19f3の内周面に圧入されつつ先端を液体流路3内に突出させる形となっている。
図17の液体処理ノズル200においては、複数のキャビテーションコア1をノズルケーシング50に組み込んでいる。また、キャビテーションコア1の外周面とノズルケーシング50の収容通路部56の内周面との間には空間が形成されている。以下、主に実施形態1の液体処理ノズルとの相違点を中心に説明し、概念的に共通する部分については同一の符号を付与して詳細な説明を略する場合がある。
(実施形態4)
図21の液体処理ノズル300においてはノズルケーシング50が、付加機能部をなす流路調整バルブ50D、ケーシング本体50B’、コア押え部50Aからなり、コア押え部50Aに袋ナット50Cが回転自在に嵌着されている。以下、主に実施形態1の液体処理ノズルとの相違点を中心に説明する(概念的に共通する部分については同一の符号を付与して詳細な説明を略する場合がある)。
図22の液体処理ノズル400は、液体流路から液体を分岐流通させるための分岐配管31を付加機能部として設けた例を示すものである。液体処理ノズル400においてはノズルケーシング450が、ケーシング本体50B’、コア押え部50A’及び袋ナット50C’からなる。袋ナット50C’はケーシング本体の第一側端部に、図11と同様の構成にて回転自在に嵌着されている。また、ノズル側ねじ継手部51’はコア押え部50A’の第二側端部に雄ねじ部として形成されている。以下、主に実施形態1の液体処理ノズルとの相違点を中心に説明する(概念的に共通する部分については同一の符号を付与して詳細な説明を略する場合がある)。
図23の液体処理ノズル500は、ノズルケーシング550がケーシング本体550B、コア押え部550A及び袋ナット550Cからなり、コア押え部550Aの第二側端部には、液体流路3の一部をなすとともにコア押え部550Aの組立用雄ねじ部50dをケーシング本体550Bの組立用雌ねじ部50gに螺合締結させる際に使用する組立用工具を係合させるための工具係合孔550vを形成している。以下、主に実施形態1の液体処理ノズルとの相違点を中心に説明し、概念的に共通する部分については同一の符号を付与して詳細な説明を略する場合がある。
図24の液体処理ノズル600は、全体の外観が円筒状に形成され、中心軸線Oの向きに円形断面の1つの液体流路603が貫通形成されている。液体流路603は一方の端(図面右側)に流入側開口部604を、他方の端に流出側開口部605を開口しており、その流れ方向中間位置には流入側開口部604及び流出側開口部605よりも径小の絞り部609が液体流路603の一部区間をなす形で形成されている。液体流路603は絞り部609よりも流入側開口部604側が流入側テーパ部606とされ、流出側開口部605側が流出側テーパ部607とされる。そして、絞り部609には、脚部先端側が流路内側に突出するようにねじ部材10が組み付けられ、キャビテーション処理部CVを形成している。処理対象となる液体は、例えば水(あるいは必要に応じて所望の溶質成分を溶かし込んだ水溶液)であるが、水以外の液体(例えば、アルコール等の有機溶媒、ガソリンや軽油などの化石燃料、食用油など)を用いてもよい。
md-mtd≦hd<md
の範囲となるように定められている。よって、図25Bに示すように、脚部挿通部19f内にてねじ部材10の脚部10fは全区間にわたってセルフタッピング形態に装着されている。
図26は、図24の液体処理ノズル600のキャビテーション処理部CVにて、図4Aに示すレイアウトの面ねじ組を中心軸線Oの方向に4組配置した構成を示す。具体的には、中心軸線Oの向きに4つのねじ配置面LP1~LP4が、図24と同じ面間隔dpにて配置され、図4Aの十字状の面ねじ組が互いに重なるように(すなわち、同相に)配置されている。この場合、16本のねじ部材10が4つのねじ配置面LP1~LP4に分配されることとなる。また、図27は、図4Aの面ねじ組を8つのねじ配置面LP1~LP8に対し同相に配置したキャビテーション処理部CVの例を示す。この場合、32本のねじ部材10が8つのねじ配置面LP1~LP8に分配されることとなる。各キャビテーション処理部CVの70%谷点面積密度は、図24の構成と比較して、図26の構成では2倍に、図27の構成では4倍に増加させることができる。
以下、本発明の液体処理ノズルを用いて処理した水の、種々の効果を確認するために行った実験の結果について説明する。
試験用の液体処理ノズル(以下、「試験ノズル」と称する)として、図24に示す形状のものを種々作成した。図42に図24の各部の寸法関係を図示している。キャビテーションコア1の材質はABS樹脂であり、流入側開口部604と流出側開口部605の内径はφ20mm、流入側テーパ部606及び流出側テーパ部607の流れ方向の長さはそれぞれ15mm及び45mmである。また、キャビテーション処理部において絞り部609の長さLは12mm(面ねじ組数4まで)ないし17mm(面ねじ組数8)、絞り部609の内径Dはφ4.2(2孔)~φ11.5mmの種々の値に設定した。
(1)通水テスト
図43に示す試験装置を構築し、各試験ノズルを組み込んで通水テストを行なった。具体的には、水温20℃、溶存酸素濃度6ppmの水道水を容量50Lの貯留タンクに注水した。配管系は内径20mmのPVC管を用いて作成した。吸引配管は一端をベーンポンプの吸引側に接続し、他端側を貯留タンクに挿入した。一方、ポンプ吐出側の配管は試験ノズルを装着する試験配管と、試験ノズルを経由しない逃がし配管とに分岐し、逃がし配管を通る水は貯留タンクに戻される。試験配管の先端には試験ノズルが装着され、その上流に動水圧計と流量計とが挿入される。この状態でベーンポンプを駆動することにより、試験ノズルを開放通水した時の動水圧と流量とが読み取り可能である。また、試験ノズルを通過した処理水は回収タンクに回収される。逃がし配管上には流量調整弁が設けられ、その開度を調整することで、ノズルに付加される動水圧及び流量が任意の値に無段階に設定可能である。
バイオフィルムに類似したぬめり汚れのモデルとしてひきわり納豆を用い、図40の装置2200を用いて、各試験ノズルを通水させた水道水の洗浄力評価を行なった。装置2200の要部をなす散水ノズル2201は、内径20mmのPVC管の先端をキャップで封止するとともに、管軸線方向に5mm間隔で管壁部を貫通するノズル孔を複数ドリル孔設したものである。この散水ノズルを水平に支持するとともに、基端側に試験水を供給することで各ノズル孔から下向きに噴射される。
・処理済み水については、回収タンクに回収後、10分間静置状態で放置したのち、試験に供した。10分放置後の処理済み水は、レーザー回折式粒度計(島津製作所製:SALD2200)により微細気泡が計測されるか否かを確認したが、いずれの試験ノズルによる処理済み水も、通常水である水道水とともに測定結果は検出限界以下となった(一方、本発明の好ましい要件を充足する試験ノズル(*印のないノズル)を通水した処理済み水を直ちに測定に供した場合は、平均気泡径100~200nm前後の微細気泡が検出された)。
・洗浄性の評価は、複数の試験ノズルの処理済み水間で通水時間の絶対値を横断的に比較するのではなく、同条件にて作成したサンプルタイルを用いたときの、キャビテーション処理を行わない通常水(ブランク水)と処理済み水との通水時間比(除去率:50%)で比較するようにした。以上の試験結果を、表1~表4にまとめて示している。
図36は、表1~4に記載の試験に供したノズルとは別に、ねじ配置面を1面のみとし、ねじ配置面の全流通断面積(液体流通領域の面積)を種々に変更した試験ノズルを用意し、動水圧を通常水道圧領域の0.077MPaに固定設定したときの、全流通断面積aと流量ρの関係を調べた結果を示すグラフである。このグラフから明らかな通り、ねじ配置面における全流通断面積aが5.0mm2以上となる領域では、該面積aの増加に伴い流量ρがaの一次関数:
ρ=1.75a+2.93・・・(I)
に従って直線的に増加する傾向を示していることがわかる。一方、全流通断面積aが5.0mm2未満となる領域では、流量ρは上記直線的な関係から下方に外れ、全流通断面積aの縮小に伴って、該面積aの対数に依存する関数:
ρ=9.28×ln(a)-3.37・・・(II)
に従い、流量ρが急速に減少していることがわかる。これは、通常の水道圧領域による流通条件では、全流通断面積aが5.0mm2未満となったとき、ノズル内の面ねじ組の挿入数が1つ増えるごとに増加する圧損が急激に大きくなり、流通断面積に見合った流量が得られなくなることを意味している。全流通断面積aが5.0mm2となる具体的な条件は、例えば、絞り部9の内径を4.2mmに設定し、M1.4のねじ部材を図4Aのレイアウトに従い4本配置した場合に相当する。
1M コア本体
3 液体流路
9A コア流路(液体流路)
10 ねじ部材
10f 脚部
10h 頭部
10mt 雄ねじ部
15 液体流通ギャップ
19 ねじ装着孔
19f 脚部挿通部
19ft 雌ねじ部
19h 頭部収容部
50 ノズルケーシング
50B ケーシング本体
50A コア押さえ部
56 収容通路部
54 第一側開口部
55 第二側開口部
100~600 液体処理ノズル
Claims (23)
- 液体を流通させる配管系に組み込んで使用される液体処理ノズルであって、
両端が開口する形態の収容通路部を有するノズルケーシングと、
一方の端面に液体入口を開口し他方の端面に液体出口を開口する貫通形態の液体流路が形成され、前記ノズルケーシングに形成された流入側開口部に向けて供給される前記液体が前記液体流路を経て前記ノズルケーシングの流出側開口部より流出可能となる位置関係にて前記収容通路部に配置されるとともに、外周面から前記液体流路の内周面に向けて貫通形成されたねじ装着孔を有するコア本体と、頭部及び脚部の脚部基端側が前記コア本体の前記ねじ装着孔内に保持される一方、脚部先端側が前記液体流路の内面から突出するキャビテーション処理部とされたねじ部材とを有し、前記キャビテーション処理部と接触した前記液体がねじ谷部内にて増速するときの減圧作用により、該液体の溶存ガスを過飽和析出させるキャビテーションコアとを備え、
前記液体の流通方向にて、前記ノズルケーシングの前記液体入口と前記液体出口との一方の位置する側を第一側とし他方の位置する側を第二側として、前記ノズルケーシングは、前記第一側を構成するケーシング本体と前記第二側を構成するコア押え部とからなり、
前記ケーシング本体は第二側端面にコア挿入口を開口する形で前記収容通路部が形成され、前記収容通路部に挿入された前記キャビテーションコアの第二側端面よりも前記ケーシング本体の第二側端部が延出するとともに、該第二側端部の内周面に組立用雌ねじ部が形成され、
前記コア押え部の第一側端部の外周面には前記ケーシング本体の前記組立用雌ねじ部と螺合する組立用雄ねじ部が形成されるとともに、前記組立用雄ねじ部を前記組立用雄ねじ部に螺合締結させることにより前記コア押え部は、前記第一側端面を前記キャビテーションコアの第二側端面の外周縁部に当接させる形で該キャビテーションコアを抜止め保持しており、
前記ケーシング本体の第一側端部と前記コア押え部の第二側端部には、その一方に前記配管系の第一ねじ継手と螺合するノズル側ねじ継手部が刻設され、他方に前記配管系の第二ねじ継手をなす雄ねじ部と螺合する袋ナットが回転自在に嵌着されていることを特徴とする液体処理ノズル。 - 前記袋ナットが前記コア押え部の第二側端部に回転自在に嵌着されるとともに、前記ケーシング本体の外周面には、前記液体処理ノズルの前記配管系への組付け時に使用する締結用工具を係合させるための、少なくとも1対の平行面を有した工具係合部が形成されている請求項1記載の液体処理ノズル。
- 前記コア押え部の前記第二側端部には、前記液体流路の一部をなすとともに前記コア押え部の前記組立用雄ねじ部を前記ケーシング本体の前記組立用雌ねじ部に螺合締結させる際に使用する組立用工具を係合させるための工具係合孔が軸線方向に貫通形成されている請求項1又は2に記載の液体処理ノズル。
- 前記ケーシング本体には、前記液体処理ノズルに付加機能を追加する付加機能部が設けられている請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の液体処理ノズル。
- 前記付加機能部は、前記液体流路の流路断面積を連続的又は段階的に切り替えるための流路調整バルブを含む請求項4に記載の液体処理ノズル。
- 前記付加機能部は、前記液体流路から前記液体を分岐流通させるための分岐配管を含む請求項4又は請求項5に記載の液体処理ノズル。
- 前記分岐配管の前記ケーシング本体に接続されている端と反対側の端部には、前記分岐配管からの前記液体の流入を受け入れるとともに受け入れた前記液体に薬液を溶出させる薬液保持部が設けられ、前記薬液が溶出した前記分岐配管内の前記液体が、前記分岐配管の前記ケーシング本体との接続端から前記液体流路側へ逆流形態にて徐放流出するようになっている請求項6に記載の液体処理ノズル。
- 前記薬液が洗浄用薬液である請求項7記載の液体処理ノズル。
- 前記キャビテーションコアの前記コア本体の前記液体流路は、該液体流路の中心軸線の中点を含む区間が円筒面形態の絞り部とされ、
前記液体流路の前記絞り部の前後区間をなす部分が各々前記絞り部よりも径大の一対の拡径部とされ、
前記ねじ装着孔が前記ねじ部材とともに前記絞り部に配設されるとともに、
前記拡径部のそれぞれの内側に整流部材が前記コア本体と一体化される形態で配置されている請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の液体処理ノズル。 - 前記一対の拡径部にそれぞれ配置される前記整流部材が互いに同一の構成を有する請求項9記載の液体処理ノズル。
- 前記整流部材は、金属弾性帯状部材を短辺の方向の折り目にて山部と谷部が交互に現れるようにつづら折れ形態となしたものを、さらに前記短辺と平行な軸線周りに丸めることにより星形の断面形態をなすよう形成された星形整流部材であり、該星形整流部材が前記拡径部に対し前記短辺の方向が前記拡径部の軸線と一致する向きに挿入されている請求項10に記載の液体処理ノズル。
- 前記拡径部は内周面が前記絞り部よりも径大の円筒面とされるとともに前記絞り部に対し段付き面を介して接続されてなり、
前記星形整流部材は、自由状態にて前記拡径部の内径よりも径大に形成されたものが、前記拡径部内に前記軸線に関する半径方向に弾性的に縮径しつつ圧入されるとともに、前端側を前記段付き面に当接させた状態にて半径方向への弾性復帰力により前記拡径部の内周面に外周面側をグリップさせた形にて前記コア本体に対し一体化されている請求項11に記載の液体処理ノズル。 - 前記キャビテーションコアにおいて前記キャビテーション処理部をなす前記ねじ部材として、ねじピッチ及びねじ谷深さが0.10mm以上0.40mm以下、公称ねじ径Mが1.0mm以上2.0mm以下の複数のねじ部材を備えるとともに、前記キャビテーション処理部が、
前記液体流路の中心軸線と直交する仮想的なねじ配置面が前記中心軸線に沿って複数設定されるとともに、総数にて8以上の前記ねじ部材が2つ以上の前記ねじ配置面に分配される形で配置され、前記液体流路の液体流通領域の面積が各前記ねじ配置面において3.8mm2以上確保され、前記液体流路の全断面積に占める液体流通領域の割合として定められる面内流通面積率が40%以上に確保され、前記液体流路の断面の中心軸線と直交する平面への投影にて前記中心軸線から該液体流路の半径の70%以内の領域に位置する谷点を全ねじ配置面について合計した総数を、前記液体流路の断面積で除した70%谷点面積密度と定義したとき、前記70%谷点面積密度の値が1.6個/mm2以上に確保され、
さらに、前記液体流路の中心軸線方向に互いに隣接する前記ねじ配置面の間隔が前記公称ねじ径以上に確保されてなる請求項1ないし請求項12のいずれか1項に記載の液体処理ノズル。 - 前記液体流路の前記液体流通領域の面積が各前記ねじ配置面において5.0mm2以上確保され、前記70%谷点面積密度の値が2.0個/mm2以上に確保されてなる請求項13記載の液体処理ノズル。
- 前記ねじ配置面上にて前記ねじ部材は前記液体流路の円形の軸断面の直径に前記脚部の長手方向を一致させる位置関係にて配置されてなる請求項13又は請求項14に記載の液体処理ノズル。
- 前記ねじ部材を3本以上含む前記ねじ配置面が前記中心軸線方向に2面以上設定されてなる請求項15記載の液体処理ノズル。
- 前記ねじ配置面上の3本以上の前記ねじ部材は、各ねじの前記脚部の先端面が前記中心軸線を取り囲むことにより中心ギャップを形成するように配置されてなる請求項16記載の液体処理ノズル。
- 互いに隣接する前記ねじ配置面のそれぞれにおいて3以上の同数の前記ねじ部材が、前記脚部が前記液体流路の断面半径方向に沿うように前記中心軸線周りに等角度間隔にて配置されるとともに、前記中心軸線周りにおける前記ねじ部材の配置角度位相が隣接する前記ねじ配置面にて一致するように定められてなる請求項13ないし請求項17のいずれか1項に記載の液体処理ノズル。
- 前記ねじ部材は前記脚部よりも径大の頭部を有し、前記ねじ配置面の間隔が該頭部の外径よりも大きく設定されてなる請求項18記載の液体処理ノズル。
- 互いに隣接する前記ねじ配置面で前記ねじ部材の前記脚部は、前記平面への投影において長手方向を互いに交差させる位置関係にて配置されてなる請求項13ないし請求項17のいずれか1項に記載の液体処理ノズル。
- 前記中心軸線方向における前記ねじ配置面の間隔が前記ねじ部材の公称ねじ径の2.0倍以上に設定されてなる請求項20に記載の液体処理ノズル。
- 前記中心軸線方向における前記ねじ配置面の間隔が前記ねじ部材の公称ねじ径の4.0倍以上に設定されてなる請求項21記載の液体処理ノズル。
- 互いに隣接する前記ねじ配置面のそれぞれにおいて3以上の同数の前記ねじ部材が、前記脚部が前記液体流路の断面半径方向に沿うように前記中心軸線周りに等角度間隔にて配置されるとともに、前記中心軸線周りにおける前記ねじ部材の配置角度位相が隣接する前記ねじ配置面にて互いにずれた形で定められてなる請求項20ないし請求項22のいずれか1項に記載の液体処理ノズル。
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