JP2022111961A - 液体処理ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】キャビテーション処理部の構造が極めて単純であり、部品点数の大幅な削減を図ることができるとともに、キャビテーション効果に由来した微細気泡の発生効率に優れた液体処理ノズルを提供する。【解決手段】ノズル本体１０に形成された液体流路２の内周面に、流路の軸線Ｏを螺旋中心線とする１周回分以上の螺旋溝からなるキャビテーション処理部５を形成し、液体流路に供給される液体の流れの一部をキャビテーション処理部の螺旋溝に分配し、螺旋溝の内周面に衝突した分配流は螺旋溝にガイドされる形で旋回してその遠心力により増速され、ベンチュリ管のような直線的に液体が流通するだけの絞り機構と比較して、そのキャビテーション効果により微細気泡の発生効率を大幅に高める。【選択図】図４

Description

この発明は、気体を溶存させた液体をキャビテーション処理するための液体処理ノズルに関する。

キャビテーション効果（水が高流速化して通過する際の減圧効果）により溶存空気を微細気泡として析出させるノズルが種々提案されている（特許文献１～６）。典型的には、水の流路にベンチュリやオリフィスにより絞り部を設け、絞り部を液体が増速して通過する際のキャビテーション効果を利用するものが知られている（特許文献１～６）。また、特許文献７には、軸線方向のスリットを周方向に多数形成した円筒部材を流路内に配置し、水流内で円筒部材を回転させることによりキャビテーションを生じさせる構造が提案されている。また、特許文献８には、流路の途中に水流方向と直角にねじ部材を配置し、そのねじ谷をキャビテーションポイントとして利用するノズルが提案されている。

特開２０１１－１１０４６８号公報 特許６６０９８１９号公報 特許６５７９５４７号公報 特許４９１５９６２号公報 ＷＯ２０１８／１８５８６６号公報 特許４９９９９９６号公報 特開２０１７－１３６５１３号公報 特許５７３１６５０号公報

NanotechJapan Bulletin Vol. 8, No. 4, 2015、企画特集Collabo ナノテクノロジー第4 回「ナノバブル水中のナノバブルの解析」

特許文献１～６が開示するベンチュリ又はこれに類似した絞り機構を用いるノズルは、キャビテーション効果（減圧効果）を十分に得るための流速を、絞り部による増速効果だけで達成するには限界があり、結果として気泡の微細化及び発生量を十分に担保できない問題がある。また、流速増加のため絞り部の断面積をむやみに縮小することは圧損の増加につながり、ノズルに対する通水流力の不足や、供給水圧の過度の増加を招くことにつながる。

一方、特許文献７及び８のように、キャビテーション効果を促進するため円筒部材やねじ部材を流路内に配置する構成は、部品点数の増大やノズル内部構造の複雑化を招くほか、余分な部材を流路内に配置することによる圧損増加を生じやすい問題がある。

本発明の課題は、キャビテーション処理部の構造が極めて単純であり、部品点数の大幅な削減を図ることができるとともに、キャビテーション効果に由来した微細気泡の発生効率に優れた液体処理ノズルを提供することにある。

本発明は、溶存気体を含有する液体が流通する流路に組み込んで使用され、液体をキャビテーション処理することにより溶存気体を減圧析出させる液体処理ノズルに関するものであり、上記課題を解決するために、ノズル本体の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るとともに、液体流路の内周面の軸線方向における少なくとも一部の区間が、軸線を螺旋中心線とする１周回分以上の螺旋溝が刻設されたキャビテーション処理部とされ、液体流路に供給される液体の流れの一部をキャビテーション処理部の螺旋溝に分配するとともに、分配された液体を螺旋溝内にて増速しつつ旋回させることにより、液体の増速により減圧される螺旋溝の内部空間をキャビテーション領域となす形で溶存気体を減圧析出させるようにしたことを特徴とする。

上記本発明の液体処理ノズルの構成によると、ノズル本体に形成された液体流路の内周面に、流路の軸線を螺旋中心線とする１周回分以上の螺旋溝からなるキャビテーション処理部を形成した。液体流路に供給される液体の流れの一部はキャビテーション処理部の螺旋溝に分配される。螺旋溝の内周面に衝突した分配流は螺旋溝にガイドされる形で旋回し、その遠心力によって増速する。すなわち、この遠心力旋回効果に基づき螺旋溝の内部空間は液体の増速効果が高められる結果、そのキャビテーション効果により、ベンチュリ管のような直線的に液体が流通するだけの絞り機構と比較して微細気泡の発生効率を大幅に高めることができる。また、液体流路の内周面近傍は壁面摩擦による流量損失が通常は大きくなるが、本発明の液体処理ノズルの構成によれば、キャビテーション処理部の内周面近傍の流速が旋回流の形成により高まる結果、液体処理ノズルを流路に挿入したときの圧損も低く留めることができる。

すなわち、本発明の液体処理ノズルは、液体流路の内周面に形成した螺旋溝が遠心力旋回効果に基づき顕著なキャビテーション効果を発揮するので、単純な構成によりながら、ねじ部材等の別部品でキャビテーション処理部を構成した液体処理ノズルと同等又はそれ以上の性能にて、微細気泡を効率的に発生させることができるようになる。

本発明の液体処理ノズルを組み込んだ水道水処理装置の一例を示す正面図及び底面図 図１の水道水処理装置の使用形態の一例を示す正面図。 図１の水道水処理装置の平面図及び正面断面図 本発明の液体処理ノズルの平面図及び正面断面図 図４の要部を拡大して示す正面断面図 螺旋溝の断面形状を拡大して示す図 図４の液体処理ノズルのキャビテーション処理部に旋回流が形成される様子を説明する図 旋回流の形成原理を説明する第一の図 旋回流の形成原理を説明する第二の図 キャビテーション処理部に生ずる旋回流により微細気泡が発生する様子を説明する図 キャビテーション処理部の上流側半区間に連通する気体導入通路からの気体が旋回流により微粉砕される様子を説明する図 キャビテーション処理部の下流側半区間に連通する気体導入通路からの気体が旋回流により微粉砕される様子を説明する図 出口側テーパ部に連通する気体導入通路からの気体が旋回流により微粉砕される様子を説明する図 気体導入通路の先端形状の具体例を示す第一の図 気体導入通路の先端形状の具体例を示す第二の図 ケーシング気体流路の気体入口側の構造の詳細を示す断面図 逆流防止用弾性リングの吸気時の作用説明図 逆流防止用弾性リングの液逆流阻止時の作用説明図 気体中継空間を廃止した水道水処理装置の構成例を示す断面図 気体導入通路の形成形態の第一変形例を示す正面断面図 気体導入通路の形成形態の第二変形例を示す正面断面図 気体導入通路の形成形態の第三変形例を示す正面断面図 気体導入通路の形成形態の第四変形例を示す正面断面図 気体導入通路の形成形態の第五変形例を示す正面断面図 気体導入通路の形成形態の第六変形例を示す正面断面図 複数の気体導入通路を液体流路の上流側と下流側に振り分けて形成する第一例を示す平面模式図 複数の気体導入通路を液体流路の上流側と下流側に振り分けて形成する第二例を示す平面模式図 複数の気体導入通路を液体流路の上流側と下流側に振り分けて形成する第三例を示す平面模式図 複数の気体導入通路を液体流路の上流側と下流側に振り分けて形成する第四例を示す平面模式図 螺旋溝の断面外形形状の第一変形例を示す図 螺旋溝の断面外形形状の第二変形例を示す図 螺旋溝の断面外形形状の第三変形例を示す図 本発明の液体処理ノズルを組み込んだ洗濯機用の通水アタッチメントの一例を示す断面図 図２９の通水アタッチメントを洗濯機の給水経路に組み込んだ実施形態を示す模式図 本発明の液体処理ノズルを組み込んだシャワーヘッドの一例を示す側面断面図

以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照しつつ詳しく説明する。
図１は本発明の液体処理ノズルを組み込んだ水道水処理装置の一例を示す正面図及び底面図である。水道水処理装置１００は、金属又は樹脂にて構成される筒状をなし水流出口６１を有する本体ケーシング４０と、該本体ケーシング４０の下端部に着脱可能に装着される筒状の出口キャップ６０とを備える。出口キャップ６０の先端側開口部には水流出口６１を覆う水流分散用のメッシュ部材６３がはめ込まれている。図２に示すように、水道水処理装置１００は、水流入口を形成する本体ケーシング４０の上端面側にて、キッチンシンク９３（あるいは洗面台等）に併設されている水道蛇口ユニット９１の末端に取り付けて使用される。水道蛇口ユニット９１から供給される空気を溶存した水道水は、水道水処理装置１００を通過することによりキャビテーション処理され、溶存空気が析出して生ずる微細気泡を含んだ処理済水ＤＸＷとなって、水流出口６１から流出する。

図３は、図１の水道水処理装置１００の平面図及び正面断面図である。本体ケーシング４０には上端面に開口する継手座ぐり４１と、該継手座ぐり４１の下流側に連通するノズル収容孔４４と、該ノズル収容孔４４の下流側に連通する本体側出口孔４５とが、本体ケーシング４０を貫通する形で同軸的に一体形成されている。継手座ぐり４１の内周面には、図２の水道蛇口ユニット９１側に形成されている金具取付用雄ねじ部（図示せず：例えばＭ２２／ピッチ１．２５の泡沫金具取付用雄ねじ）と螺合する雌ねじ継手部４２が形成されるとともに、その底部周縁部には水道蛇口ユニットとの間を水密にシールするためのシールリング４３が装着されている。

一方、本体ケーシング４０の下端側は段付き面４０ａにより縮径された筒状の出口スリーブ６４を形成している。本体ケーシング４０に対し出口キャップ６０は、内周面に形成された雌ねじ部６０ｂを、出口スリーブ６４の外周面に形成された雄ねじ部６４ｂに螺合させる形で取り付けられている。出口スリーブ６４の雄ねじ部６４ｂの基端位置には、出口スリーブ６４の外周面と出口キャップ６０の内周面との間をシールするためのシールリング３３がはめ込まれている。

また、出口キャップ６０の先端側開口周縁部は半径方向内向きに張り出す支持フランジ６２を形成しており、メッシュ部材６３は外周縁部が出口スリーブ６４の下端面と、出口キャップ６０の支持フランジ６２との間で軸線方向に挟持された形で保持されている。出口スリーブ６４の内側空間は液体処理ノズル１の液体出口４よりも径大の水滞留空間６４ａを形成し、液体出口４から流出する細い水流は該水滞留空間６４ａ内にて軸線Ｏに関する半径方向外向きに広がりつつ、水流出口６１にてメッシュ部材６３を介して整流され、より太い水流となって流出するようになっている。

メッシュ部材６３は例えば金属ワイヤの編み込み体として構成でき、その目開きは例えば＃１５０～＃６３５（目開き０．０２０ｍｍ以上０．１０９ｍｍ以下、開口率２５．０％以上４１．７％以下）、より望ましくは＃２００～＃５００（目開き０．０２６ｍｍ以上０．０７７ｍｍ以下、開口率２５．８％以上３６．８％以下）であるのがよい。また、メッシュ部材６３は１枚のみで構成してもよいし、複数枚（例えば２、３、４又は５枚）を積層して配置してもよい。

次に、本体ケーシング４０のノズル収容孔４４には液体処理ノズル１がはめ込まれている。ノズル収容孔４４は円筒面状に形成されるとともに、本体側出口孔４５の周縁部が半径方向内向きに張り出す支持フランジ４４ａを形成しており、液体処理ノズル１は下端面の外周縁部が該支持フランジ４４ａに当て止めされた形で保持されている。

液体処理ノズル１は、樹脂製又は金属製のノズル本体１０を備える。ノズル本体１０には、一方の端面（上端面）に液体入口３を開口し他方の端面（下端面）に液体出口４を開口する貫通形態の液体流路２が形成されている。本実施形態では、ノズル本体１０は円柱状であり、液体流路２は該ノズル本体１０をその軸線Ｏ（中心軸線）の向きに貫通する形で形成されている。

図４は液体処理ノズル１を取出して示す平面図及び正面断面図である。液体流路２には、内周面の軸線Ｏ方向においてその中間をなす一部区間に、軸線Ｏを螺旋中心線とする形で１周回分以上の螺旋溝５０が刻設されている。本発明の液体処理ノズル１においては、この螺旋溝５０がキャビテーション処理部５を形成する。キャビテーション処理部５にて螺旋溝５０が２周回分以上に形成されているのがよく、本実施形態では４周回分形成されている。

図５に示す如く、キャビテーション処理部５の内周面において、螺旋溝５０の軸線Ｏの方向に隣接する周回部を区画する領域を溝間領域５２として、該溝間領域２１の最小内径を溝間領域内径Ｄ１としたとき、軸線Ｏ方向における螺旋溝５０の刻設ピッチＰが溝間領域内径Ｄ１よりも大きく設定されている。また、螺旋溝５０の深さｄは、刻設ピッチＰよりも小さい値、本実施形態においては、溝間領域内径Ｄ１の１０％以上４０％以下（望ましくは１５％以上２５％以下）の値に設定されている。

また、軸線Ｏを含む断面において、溝間領域５２は、外形線が平坦（円筒面状）に形成され、螺旋溝５０は溝間領域５２に対し外向きに膨出する形態に形成されている。さらに、溝間領域５２は軸線Ｏの方向における幅Ｗ１が螺旋溝５０の幅Ｗ２よりも大きく設定されている（図６参照）。螺旋溝５０の軸線Ｏの方向に隣接する周回部が平坦な溝間領域５２により区画される結果、螺旋溝５０全体の形状は弦巻状となる。

軸線Ｏを含む断面において螺旋溝５０は、軸線Ｏ方向にて溝底５１の位置から隣接する溝間領域５２に向け、溝深さが連続的に減ずる外形形状をなすように形成されている。例えば、図６に拡大して示すように、螺旋溝５０の断面形状はＶ字状であり、螺旋溝５０の深さｄは螺旋溝５０の幅Ｗ２の８０％以上１２０％以下の値に定めることができる。

また、キャビテーション処理部５の区間長をＬ、溝間領域内径をＤ１としたとき、Ｌ／Ｄ１は例えば１以上１０以下（望ましくは１以上７以下）の値に設定されている。さらに、図８及び図９に示すように、軸線Ｏを含む平面上にて、軸線Ｏを法線とする基準面αと溝底５１とのなす角度λ１は、例えば３°以上８０°以下であり、望ましくは、４５°以上７０°以下であるのがよい。

次に、キャビテーション処理部５の下流側には、キャビテーション処理部５の出口から液体出口４に向けて内径が漸増する出口側テーパ部２２が、螺旋溝５０の刻設ピッチＰよりも区間長Ｊが大きくなるように形成されている。出口側テーパ部２２に形成されている液体出口４の開口面積は、キャビテーション処理部５の溝間領域５２の最小内径位置における軸断面積の１．２倍以上２倍以下（望ましくは、１．３倍以上１．７倍以下：本実施形態では１．５倍）に調整されている。出口側テーパ部２２の形成区間長Ｊは、螺旋溝５０の溝間領域内径Ｄ１の例えば３倍以上５倍以下であり、軸線Ｏを含む断面において出口側テーパ部２２のテーパ角度θ２は例えば４°以上８°以下である。

一方、液体流路２において、キャビテーション処理部５の上流側には、液体入口３からキャビテーション処理部５の入口に向け、出口側テーパ部２２よりも大きな勾配にて内径が漸減する入口側テーパ部２１が形成されている。入口側テーパ部２１の液体入口３は、出口側テーパ部２２の液体出口４よりも径大に形成されている。入口側テーパ部２１に形成されている液体入口３の開口面積は、キャビテーション処理部５の溝間領域５２の最小内径位置における軸断面積の２．５倍以上８倍以下（望ましくは、３倍以上７倍以下：本実施形態では５倍）に調整されている。入口側テーパ部２１の形成区間長Ｋは、螺旋溝５０の溝間領域内径Ｄ１の例えば１．５倍以上３倍以下であり、軸線Ｏを含む断面において入口側テーパ部２１のテーパ角度θ１は例えば１５°以上４０°以下である。

以上のようなキャビテーション処理部５を含む液体流路２を有したノズル本体１０は、切削加工、射出成型等の既知の加工方法により形成できる。また、ノズル本体１０を金属で構成する場合は、ロストワックス法等の鋳造にて形成してもよい。

次に、図４に示すように、ノズル本体１０には、一端がノズル本体１０の外面に開口し、他端がキャビテーション処理部５の螺旋溝５０に連通する気体導入通路２０が形成されている。本実施形態において気体導入通路２０はノズル本体１０の外周面に上記一端をなす気体入口２０Ｅを開口し、他端をなす気体出口２０Ｔを螺旋溝５０内に開口する。そして、気体導入通路２０は、気体入口２０Ｅから気体出口２０Ｔに至る軸線Ｑが液体流路２の軸線Ｏに対し、気体入口２０Ｅが気体出口２０Ｔよりも液体流路２の液体入口３側に位置するように傾斜して設けられている。軸線Ｑと軸線Ｏのなす角度λ２は、例えば３０°以上７０°以下であるのがよく、本実施形態では４５°に設定されている。

本実施形態において気体導入通路２０は、気体出口２０Ｔが気体入口２０Ｅよりも径小に形成されている。具体的には、図１４に示すように、気体導入通路２０の気体出口２０Ｔ（以下、「先端」という）の開口側端部が気体出口２０Ｔに向けて、テーパ状の縮径部２０Ｂにより連続的に縮径された構造となっている。

図４において、気体導入通路２０は気体入口２０Ｅが位置する基端側部２０Ｐの内径δ２は、例えば０．８ｍｍ以上１．３ｍｍ以下（図４においては１．０ｍｍ）である。また、これに続く部分は段付き面を経て内径が縮小された本体部２０Ａとされている。図１４に示すように、本体部２０Ａの内径δ１は例えば０．２ｍｍ以上０．７ｍｍ以下（望ましくは０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ以下：本実施形態では０．５ｍｍ）であり、縮径部２０Ｂの形成区間長は本体部２０Ａの内径の１．５倍以上３倍以下の範囲に調整されている。

縮径部２０Ｂの先端面は、該先端面のエッジが螺旋溝５０の内周面と干渉しないように径が定められ、該先端面から螺旋溝５０内面に至る部分は気体出口２０Ｔに向けて、軸線方向に内径が均一なピンホール部２０Ｓが形成され、該ピンホール部２０Ｓの先端に気体出口２０Ｔが形成されている。ピンホール部２０Ｓ（気体出口２０Ｔ）の内径ＴＤは０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下（望ましくは０．０８ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下：本実施形態では０．１ｍｍ）であって本体部２０Ａの内径δ１より小さく設定されている。なお、図１５に示すように、気体導入通路２０の縮径部２０Ｂ’を、内径が段階的に縮小する段付き面状に形成することもできる。

図４に戻り、気体導入通路２０は、軸線Ｏの方向にて互いに異なる位置に複数個所に設けられている。具体的には、気体導入通路２０は、キャビテーション処理部５に対し軸線Ｏ方向における上流側の半区間に連通開口するもの（区別のために符号「２０」に（Ｕ）を付与している）と、軸線Ｏ方向における下流側の半区間に連通開口するもの（区別のために符号「２０」に（Ｄ）を付与している）とが設けられている。いずれの気体導入通路２０（Ｕ，Ｄ）も螺旋溝５０の底部に気体出口２０Ｔを連通開口している。

図３に示すように、本体ケーシング４０には、気体導入通路２０（Ｕ，Ｄ）の気体入口２０Ｅと連通する気体出口４６Ｔが一端側に開口し、本体ケーシング４０の外周面に開口する気体入口４６Ｅが他端側に開口するケーシング気体流路４６が、ノズル収容孔４４を形成する壁部を貫通する形で形成されている。また、ノズル本体１０の外周面とノズル収容孔４４の内周面との間には、気体導入通路２０の気体入口２０Ｅ側とケーシング気体流路４６の気体出口４６Ｔ側がそれぞれ連通する気体中継空間７が形成されている。

図３の構成においては、ノズル本体１０の外周面の軸線Ｏの方向の中間位置にて周方向に形成された環状の空間形成凹部２６の底面と、ノズル収容孔４４の内周面とが形成する隙間が気体中継空間７を形成している。また、軸線Ｏの方向にてノズル本体１０の両端部には周方向の溝部３１，３２が形成されており、各溝部３１，３２にはめ込まれたシールリング２４，２５によりノズル本体１０の外周面とノズル収容孔４４の内周面との隙間（ひいては気体中継空間７）は、軸線Ｏの方向における両側が液密に封止されている。ノズル本体１０の両端部はノズル収容孔４４の内周面に対し隙間嵌めとなっており、空間形成凹部２６の深さ（軸線Ｏの方向における気体中継空間７の半径方向幅）は、該隙間嵌めのクリアランスよりも大きく設定されている。

次に、本体ケーシング４０の外周面には周方向に沿う環状の溝部４７が形成され、ケーシング気体流路４６の気体入口４６Ｅが該溝部４７の底面に開口している。また、溝部４７内には、気体入口４６Ｅからケーシング気体流路４６内への気体の流入は許容し、ケーシング気体流路４６内の逆流液体が気体入口４６Ｅから流出することを阻止する逆流防止用弾性リング７０がはめ込まれている。

図１６Ａ左に示すように、逆流防止用弾性リング７０はゴム製であり、円形の断面形状を有する。溝部４７の断面は方形であり、本体ケーシング４０の軸線方向（図面上下方向）にて、逆流防止用弾性リング７０は溝部４７の両内側面に対し外周縁両側が隙間嵌めとなるようにはめ込まれている。図１６Ａ右に示すように、逆流防止用弾性リング７０の内周縁部は溝部４７の底面にてその幅方向中央位置に帯状のシール面７０ｃを形成しつつ、気体入口４６Ｅを横切る形でこれを半封止している。図１６Ａ左に示すように、逆流防止用弾性リング７０の内周面と気体入口４６Ｅとの間には気体誘導空隙４７Ａが形成されている。

以下、液体処理ノズル１並びにこれを用いた水道水処理装置１００の動作について説明する。図２に示すように、水道水処理装置１００を水道蛇口ユニット９１に取り付け、通水バルブ９１Ｂを開くと、気体として空気を溶存した水道水が水道水処理装置１００に流れ込み、処理済水ＤＸＷとして流出する。水道水は、図３において、本体ケーシング４０内の液体処理ノズル１に対し、液体入口３から液体流路２に流れ込み、キャビテーション処理部５を通過することによりキャビテーション処理され、微細気泡を含んだ処理済水となり、液体出口４から水滞留空間６４ａに流れ込むとともに、さらに水流出口６１からメッシュ部材６３を通過して流出する。

液体流路２に供給される水道水（液体）は入口側テーパ部２１で絞られて増速され、図７に示すように、その流れの一部は中心流ＭＦとなって液体流路２の断面中心付近を流通する一方、残余の流れはキャビテーション処理部５の螺旋溝５０に分配されて旋回流ＣＦを形成する。図８に示すように、螺旋溝５０の内周面に衝突した分配流は螺旋溝５０にガイドされる形で旋回し、その遠心力によって増速する。図７に示すように、螺旋溝５０の内部空間は、この遠心力の旋回効果に基づき発生する旋回流ＣＦの形成により増速効果が高められる。増速された旋回流ＣＦの領域はベルヌーイの定理により負圧領域となり、キャビテーション効果により空気溶存濃度が過飽和となって、気泡径が１μｍ未満の微細気泡（いわゆるウルトラファインバブル）が多量に析出生成した処理済水が得られる。

処理済水中の微細気泡は、例えばレーザー散乱式粒度測定装置を用いて検出することができる。また、処理済水には、観測可能な気泡となる前に成長を停止した気泡析出核も多量に含まれていると考えられるが、この気泡析出核のサイズは１０ｎｍ以下であると考えられ、一般的な測定装置による検出が難しいこともある。例えば非特許文献１には、水撃力を用いて気液混合する形で微細気泡を形成した処理水を凍結し、クライオ型超高圧電子顕微鏡を用いて観察することにより、気泡析出核に該当すると思われる寸法の微細気泡が確認されている事例がある。

本発明の液体処理ノズル１によると、特許文献１～６のベンチュリ管のように直線的に絞り機構が形成されたノズルと比較して、螺旋溝５０に由来した旋回流ＣＦが発生することで、キャビテーション効果ひいては微細気泡の発生効率を大幅に高めることができる。また、特許文献７あるいは８のような、キャビテーションポイントを形成するためのねじ部材も不要である。さらに、ベンチュリ管の絞り部をなす液体流路の内周面近傍は壁面摩擦による流量損失が通常は大きくなる。しかし、図４の液体処理ノズル１の構成によれば、キャビテーション処理部５の内周面近傍の流速が旋回流ＣＦの形成により高まる結果、上記の水道水処理装置１００等の形で液体処理ノズル１を流路に挿入したときの圧損も低く留めることができる。

本発明の液体処理ノズル１において螺旋溝５０に発生する旋回流ＣＦの流速を高め、キャビテーション効果ひいては微細気泡発生効果を顕著なものとするには、キャビテーション処理部５には、螺旋溝５０以外の圧損要素が含まれていないことが望ましい。例えば、特許文献７、８に開示された液体処理ノズルのような、流路内面から突出するねじ部材については、本発明の液体処理ノズル１においては排除されていることが望ましい。ねじ部材が不要となることは、単なる部品点数の削減にとどまらず、流路内面に突出するねじ部材による圧損が生じないことも意味し、結果としてキャビテーション処理部５内を流れる液体の流量及び流速が高められ、例えば比較的低い水道圧でも十分な流量を確保しつつ、微細気泡を多量に含んだ処理済水が得られる利点を生ずる。

本発明者が有限要素法を用いた流体シミュレーションシステムにより解析したところ、図７に示すように、螺旋溝５０により誘導される旋回流ＣＦの流速は、螺旋溝５０の開始端から下流側に向け、螺旋周回数を重ねるほど、すなわち下流側に向かうほど大きくなることがわかった（図中、旋回流ＣＦを示す曲線は線幅が大きいほど大流速であることを示す）。すなわち、螺旋周回数が比較的小さい上流側は、入口側テーパ部２１により絞られた直後であり、螺旋溝５０に沿う流れ分配量も小さく中心流ＭＦが主体的となるが、螺旋周回数が増す下流側では螺旋溝５０に沿う流れ分配量が積分的に累積される結果、旋回流ＣＦが発達して周方向の流速が顕著に増加する。螺旋溝５０の形成長が１周回分未満では旋回流ＣＦの発達が不十分となり、キャビテーション効果ひいては微細気泡の生成効果が不十分となる。前述のごとく、螺旋溝５０は２周回分以上に形成されているのがよい。

図８及び図９に示すように、キャビテーション処理部５の内面に沿って軸線方向に流れる流れＦは、螺旋溝５０の溝間領域５２を乗り越えようとする直進成分ＬＦと、螺旋溝５０に沿う旋回流ＣＦの成分とに分解する。旋回流ＣＦの成分は溝間領域５２を乗り越えるたびに、つまり螺旋溝５０の通過周回数を重ねるごとに増加すると考えられる。このとき、軸線Ｏを含む平面への軸線Ｏと溝底５１とのなす角度λ１が大きいほど、つまり、螺旋溝５０の刻設ピッチＰが大きいほど１周回あたりに生ずる旋回流ＣＦの分配比率が大きくなると考えられる。

特に、図８のように、軸線Ｏ方向における螺旋溝５０の刻設ピッチＰが溝間領域内径Ｄ１よりも大きく設定されていることで、螺旋溝５０の形成周回数が比較的小さくとも旋回流ＣＦを著しく形成でき、キャビテーション効果ひいては微細気泡の発生効果を顕著なものとすることができる。一方、図９のように、螺旋溝５０の刻設ピッチＰが溝間領域内径Ｄ１よりも小さい場合は、１周回あたりに生ずる旋回流ＣＦの分配比率は小さくなる。しかし、この場合も螺旋溝５０の形成周回数をより大きく確保することで、キャビテーション効果を十分に達成できる場合がある。

図５において、螺旋溝５０の深さｄが大きすぎると、溝間領域５２を流れが乗り越える際の流体抵抗が過剰となり、キャビテーション処理部５を流れが通過する際の圧損が増加して流速低下を招き、十分なキャビテーション効果が得られなくなる場合がある。螺旋溝５０の深さｄを螺旋溝の刻設ピッチＰよりも小さく設定することは、この観点において有効である。

一方、螺旋溝５０の深さｄが浅すぎる場合は、溝間領域５２を流れが乗り越える際の流体抵抗が減少し、螺旋溝５０に沿った旋回流ＣＦの誘導効果が不十分となり、キャビテーション効果が不足することにつながる場合がある。螺旋溝５０の深さを溝間領域内径Ｄ１の１０％以上に設定することは、この観点において有効である。

また、図７に示す如く、軸線Ｏを含む断面において、溝間領域５２の外形線を平坦（円筒面状：出口側テーパ部２２よりも勾配の小さいテーパ面としてもよい）となし、螺旋溝５０を溝間領域５２に対し外向きに膨出する形態とすること（すなわち、螺旋溝５０の全体を弦巻状に形成すること）により、中心流ＭＦにより旋回流ＣＦが螺旋溝５０内に封じ込められる効果が増大する。その結果、旋回流ＣＦがより高速化してキャビテーション効果を高めることに貢献できる。また、溝間領域５２を円筒面とすることで、溝間領域５２の表面を流れる中心流ＭＦに乱れが少なくなり、旋回流ＣＦを螺旋溝５０内により効果的に封じ込めることができる。

旋回流ＣＦを螺旋溝５０内に封じ込める効果を高める観点においては、図６に示すように、軸線Ｏの方向において溝間領域５２の幅Ｗ１を螺旋溝５０の幅Ｗ２よりも大きく設定することが望ましい。同様に、螺旋溝５０の深さｄについては、溝間領域内径Ｄ１の１０％以上４０％以下（望ましくは１５％以上２５％以下）の値に設定すること、さらには、螺旋溝５０の幅Ｗ２の８０％以上１２０％以下の値に定めることが有効である。

螺旋溝５０に沿った旋回流ＣＦの発生をより顕著なものとするためには、軸線Ｏ方向にて溝底５１位置から隣接する溝間領域５２に向け、溝深さが連続的に減ずる外形形状をなすように形成すること、例えば、図６に拡大して示すように、螺旋溝５０の断面形状をＶ字状となすことが有効である。特に、溝底に向けての溝幅の縮小率の高いＶ字形状を採用することは、溝底付近にて局所的に流速を増加させ、キャビテーションによる減圧レベルをさらに高める上で有利となる。なお、図６において螺旋溝５０の断面形状は内側面が外向きに多少膨らむＶ字形状で形成しているが、図２８Ｂに示すように、Ｕ字状の断面とすること、あるいは、図２８Ｃの左に示すように、膨出のない先鋭なＶ字形態としてもよい。また、図２８Ｃの右に示すように、Ｖ字状の螺旋溝５０を、溝底を平坦化して形成することも可能である。

また、キャビテーション処理部５の通過区間長をＬ、溝間領域内径をＤ１としたとき、Ｌ／Ｄ１の値が過度に大きすぎると、キャビテーション処理部５を液体流が通過する際の流通抵抗が大きくなりすぎ、顕著なキャビテーション効果が得られなくなる場合がある。この観点において、Ｌ／Ｄ１の値は１０以下に設定することが有効であるといえる。

図１０は、気体導入通路２０を省略し、螺旋溝５０による微細気泡の生成・粉砕効果を取り出した形で示す説明図である。キャビテーション処理部５に供給される流れＦは、螺旋溝５０の下流側に向かうにつれ旋回流ＣＦの発達が顕著となり、例えばその流速が５ｍ／秒以上に到達するとキャビテーション効果による気泡核ＢＮが生成し始める。気泡核ＢＮの生成量は、旋回流ＣＦの流速が上昇する下流側ほど大きくなると考えられる。また、気泡核ＢＮが特に発生しやすい領域は、流速がより高まりやすい螺旋溝５０の溝底５１付近である。

生成した気泡核ＢＮは、減圧状態が継続すれば液体中の過飽和気体成分を吸収して成長する。しかし、旋回流ＣＦの形成が著しい螺旋溝５０の内部では、キャビテーション効果により、新たな気泡核ＢＮが続々と生成し、強い負圧環境のためそれらが急激に気泡へと成長するため、キャビテーション処理部５内の液体は突沸状態に近い乱流撹拌状態となり、成長した気泡もその乱流に巻き込まれ、少なくともその一部はウルトラファインバブル状態にまで微粉砕される。特許文献７、８のようなねじ部材を用いた液体処理ノズルでは、キャビテーションポイントはねじ部材のねじ谷付近に限定的に形成され、気泡析出に伴う突沸領域も、ねじ部材の直下領域に限定的に形成されるにすぎないから、成長した気泡の再粉砕効果にはやや劣るといえる。これに対し、本発明の液体処理ノズル１の構成では、螺旋溝５０の形成区間の全体にてキャビテーション効果ひいては気泡析出による乱流撹拌効果が確保される結果、成長した気泡の再粉砕効果にも優れ、例えばウルトラファインバブルの生成個数密度を大幅に高めることができる。

また、キャビテーション処理部５の下流側に螺旋溝５０の刻設ピッチＰよりも区間長が大きくなるように出口側テーパ部２２が形成されている場合、キャビテーション処理部５にて発生した旋回流ＣＦは、螺旋溝５０が非形成の出口側テーパ部２２内にも継続旋回流ＳＦとして持ちきたすことができる。これにより、キャビテーション処理部５内で発生し成長した気泡あるいは気体導入通路２０から導入された気泡は、出口側テーパ部２２内でも継続旋回流ＳＦにより粉砕することができ、ファインバブルあるいはウルトラファインバブルの生成個数密度を高めることに貢献する。

継続旋回流ＳＦは、出口側テーパ部２２内での流れ拡大に伴う圧損が少ないほど形成されやすい。この観点において、液体出口４の開口面積が、キャビテーション処理部５の溝間領域５２の最小内径位置における軸断面積の１．２倍以上２倍以下（望ましくは、１．３倍以上１．７倍以下：本実施形態では１．５倍）に調整され、出口側テーパ部２２の形成区間長は、螺旋溝５０の溝間領域内径Ｄ１の例えば３倍以上５倍以下であるのが有効である。

次に、気体導入通路２０及びその周辺構造の作用効果について説明する。
図５に示す液体処理ノズル１の構成において、気体導入通路２０（Ｕ，Ｄ）はキャビテーション処理部５を形成する螺旋溝５０に気体出口２０Ｔを開口している。すでに説明した通り、螺旋溝５０内には強い旋回流ＣＦが発生しており、その旋回流ＣＦに作用する負圧は、螺旋溝５０を形成しない通常のベンチュリ間の絞り部よりも高くなっていると考えられる。よって、気体導入通路２０（Ｕ，Ｄ）には、通常のベンチュリ管よりも高い吸引力が発生し、気体入口２０Ｅから気体（本実施形態の場合、外気をなす空気）を自吸することが可能となり、螺旋溝５０内に発生する旋回流ＣＦに該気体を巻き込んで粉砕することにより、微細気泡の生成量をさらに高めることができる。

図４の液体処理ノズル１の構成においては、気体導入通路２０（Ｕ）はキャビテーション処理部５（螺旋溝５０）に対し軸線Ｏ方向における上流側の半区間に連通開口している。図１１に示すように、この位置で吸引された粗大気泡ＬＢは、下流側の螺旋溝５０にて強い旋回流ＣＦと気泡析出に伴う撹拌乱流により、長い区間に渡って激しく粉砕される結果、ウルトラファインバブルの生成個数密度の増大に大きく貢献する。

なお、螺旋溝５０の上流側半区間では旋回流ＣＦは発達途上の段階にあり、流速も比較的小さいから、旋回流ＣＦに随伴して発生する負圧レベルも多少低くなる。その結果、吸引される気体の量はやや少なくなると考えられる。ここで、螺旋溝５０の上流側にて流れに対し気体が過剰に混入すると、それよりも下流側にて、螺旋溝５０の溝底５１の領域は粗大気泡と直接接触する頻度が高くなる。粗大気泡と接している溝底５１の領域は、旋回流ＣＦの流速が大きくともキャビテーションによる新たな気泡核生成には貢献しないから、微細気泡の生成効率と乱流撹拌による気泡粉砕効率が損なわれ、ウルトラファインバブルの生成個数密度は却って低下することにつながる。よって、上流側半区間の気体導入通路２０（Ｕ）から吸引される気体量が過度に増大しないことは、上記のような問題を生じにくくする方向に寄与し、ウルトラファインバブルの生成個数密度の増大を図る上で有利に作用するといえる。

一方、図４の液体処理ノズル１の構成において、気体導入通路２０（Ｄ）はキャビテーション処理部５（螺旋溝５０）に対し軸線Ｏ方向における下流側の半区間に連通開口している。図１２に示すように、螺旋溝５０の下流側半区間では旋回流ＣＦは十分発達しており、流速も大きいので、旋回流ＣＦに随伴して発生する負圧レベルも高い。よって、気体導入通路２０（Ｄ）においては、増速された旋回流ＣＦにより吸引される粗大気泡ＬＢの量は多くなるが、該旋回流ＣＦと気泡析出に伴う撹拌乱流による粉砕を受ける区間長は短くなる。よって、該粗大気泡ＬＢは、１μｍ以上のファインバブルＦＢの生成個数密度の増大を図る上で有利に作用する。

ウルトラファインバブルやそれよりもさらに小さい気泡析出核は、水の巨視的な浸透性向上作用があるといわれている。これに対し、１μｍ以上のファインバブル領域の微細気泡は、気泡表面の帯電による吸着作用や、イオン吸着した気泡の収縮・圧壊に伴う衝撃力による汚れ除去等の効果が顕著であるといわれている。気体導入通路２０（Ｕ）及び気体導入通路２０（Ｄ）のいずれを用いても、本発明の液体処理ノズル１により空気を吸引しつつ水道水を処理した場合、特に１μｍ以上２０μｍ以下（特に１μｍ以上５μｍ以下）の気泡径領域のファインバブルが多量に生じやすいことが判明している。この領域のファインバブルＦＢの生成量が増大した処理済水は、汚れ除去等の効果が特に顕著となることに加え、該ファインバブルＦＢによる光散乱により顕著に白濁した状態が長時間続くため、微細気泡が大量に含まれていることが可視的に把握しやすくなる利点も生ずる。

なお、図１３に示すように、気体導入通路２０（Ｄ）は出口側テーパ部２２に連通するように設けることもできる。出口側テーパ部２２を設けた構成であれば、通常のベンチュリ管では気体吸引が困難な出口側テーパ部２２であっても、該出口側テーパ部２２に生ずる継続旋回流ＳＦにより、気体を自吸することが可能である。

気体導入通路２０（Ｕ）及び気体導入通路２０（Ｄ）のいずれも、気体導入通路２０の気体出口２０Ｔは、旋回流ＣＦの流速が高められる螺旋溝５０の底部に連通開口することで、気体の自吸効率が高められている。また、縮径部２０Ｂの形成により気体出口２０Ｔが気体入口２０Ｅよりも径小に形成されていることで、気体出口２０Ｔから流れＦ中に供給される粗大気泡の気泡径が縮小し、微細気泡への粉砕効率が高められる。特に、ウルトラファインバブルや１～５μｍのファインバブルの発生効率を高めるためには、図１４及び図１５に示すように、内径ＴＤが０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下（望ましくは０．０８ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下：本実施形態では０．１ｍｍ）に設定されたピンホール部２０Ｓにより、気体出口２０Ｔが形成されていることが有効である。

ここで、液体処理ノズル１の液体出口４側の流通負荷が何らかの要因により増大した場合、キャビテーション処理部５内の液体は、該流通負荷に由来した背圧を受ける。旋回流ＣＦに由来した負圧による気体導入通路２０への気体流入圧よりも、この背圧が高くなれば、キャビテーション処理部５側から気体導入通路２０へ液体が逆流し、気体入口２０Ｅ側へ液体が流出することがある。

気体導入通路２０は、気体入口２０Ｅから気体出口２０Ｔに至る軸線Ｑが、例えば液体流路２の軸線Ｏに対し直角となるように形成されていてもよいが、気体入口２０Ｅが気体出口２０Ｔよりも液体流路２の液体入口３側に位置するように傾斜して設けられていることで、上記のような気体導入通路２０へ液体の逆流を効果的に抑制することがきる。また、図１４のように、縮径部２０Ｂを連続的に縮径されるテーパ状の構造とすることは、図１５のように縮径部２０Ｂ’を段付き面状に形成する構造と比較して、流路断面積縮小に伴なう自吸気体への圧損低減に有効である。例えば図１４の構成のごとく、縮径部２０Ｂを圧損の小さいテーパ状の構造とすることで、気体入口２０Ｅ側への液体の逆流をさらに生じにくくすることができる。

図３の水道水処理装置１００の構成においては、本体ケーシング４０のノズル収容孔４４を形成する壁部を貫通する形でケーシング気体流路４６が形成され、液体の流通に伴い、液体処理ノズル１の複数の気体導入通路２０（Ｕ，Ｄ）に生ずる吸引負圧は、気体中継空間７を介してケーシング気体流路４６に伝達されるようになっている。これにより、本体ケーシング４０に形成するケーシング気体流路４６の数を減ずることができ、本体ケーシング４０の構造の簡略化に貢献する。また、液体逆流に由来した液漏れの懸念箇所も減ずることが可能である。

また、本体ケーシング４０の外周面に環状の溝部４７が形成され、該溝部４７の底面に開口するケーシング気体流路４６の気体入口４６Ｅが、溝部４７内にはめ込まれた逆流防止用弾性リング７０により半封止されている。ケーシング気体流路４６に逆流液体が侵入しても、該逆流防止用弾性リング７０により気体入口４６Ｅからの液体の漏れ出しが効果的に抑止される。

図１６Ａ左に示すように、逆流防止用弾性リング７０は円形断面のゴム製（いわゆるオーリング）であり、方形断面の溝部４７に対し隙間嵌めとなるようにはめ込まれるとともに、逆流防止用弾性リング７０の内周面と気体入口４６Ｅとの間には気体誘導空隙４７Ａが形成されている。この構成によると、気体入口４６Ｅからケーシング気体流路４６へ気体が流入する際の流通抵抗部は、逆流防止用弾性リング７０と溝部４７の両内側面との間の線状の隙間嵌め空間のみであるから、気体入口４６Ｅが逆流防止用弾性リング７０により半封止されているにも関わらず、ケーシング気体流路４６へ気体をスムーズに流入させることができる。

図１６Ｂは、吸気時における逆流防止用弾性リング７０の作用を説明するものである。液体処理ノズルへの液体流通に伴い、ケーシング気体流路４６に負圧ＮＰが誘導されると、その吸気流により逆流防止用弾性リング７０は気体入口４６Ｅにてケーシング気体流路４６の内部へと引っ張られる。これにより、逆流防止用弾性リング７０は、気体入口４６Ｅに臨む部分が、溝部４７の幅方向に断面径を減少させる形でつぶれ変形するとともに、溝部４７の内側面と逆流防止用弾性リング７０との間に隙間ＧＰが生じ、その隙間から気体誘導空隙４７Ａを経てケーシング気体流路４６に気体流ＡＦが吸い込み形態で発生する。

一方、図１６Ｃは、液体処理ノズルからケーシング気体流路４６側へ液体が逆流してきた場合の逆流防止用弾性リング７０の作用を説明するものである。図１６Ｃ左に示すように、逆流しようとする液体流ＷＦは、気体流に比べて粘性が高く大きな表面張力を有するため、溝部４７と逆流防止用弾性リング７０との微小な隙間（あるいは緩い密着面）を透過する際の抵抗が気体流に比べてはるかに大きい。よって、図１６Ｃ右に示すように、液体流ＷＦは、隙間ＧＰからの流出が阻害された状態でケーシング気体流路４６側からの逆流による正圧ＰＰにより加圧される。この加圧により逆流防止用弾性リング７０は、気体入口４６Ｅに臨む部分が、溝部４７の幅方向に断面径を増加させようとする向きにつぶれ変形しようとするが、該変形は溝部４７の内側面に規制されていることから逆流防止用弾性リング７０と溝部４７の内側面との接触面積が増大して、液体流ＷＦがより強固に阻止される状態となる。

以下、本発明の種々の変形実施形態について説明する。
図１７に示す水道水処理装置１００’においては、液体処理ノズル１に空間形成凹部が形成されず、液体処理ノズル１の外周面全体がノズル収容孔４４の内周面に対し隙間嵌めとなっている（すなわち、気体中継空間が省略された構成である）。そして、本体ケーシング４０には、液体処理ノズル１に形成された複数の気体導入通路２０にそれぞれ対応する形で、ケーシング気体流路４６が個別に形成されている。なお、複数の気体導入通路２０は、キャビテーション処理部５の前半区間と後半区間とに振り分けて形成され、前半区間の気体導入通路２０（Ｕ）を受け持つ溝部４７（Ｕ）及び逆流防止用弾性リング７０（Ｕ）の組と、鋼板区間の気体導入通路２０（Ｄ）を受け持つ溝部４７（Ｄ）及び逆流防止用弾性リング７０（Ｄ）の組とが個別に設けられている。

また、液体処理ノズル１に形成する気体導入通路２０は、図１８に示すようにキャビテーション処理部５の前半区間にのみ設けたり、図１９に示すようにキャビテーション処理部５の後半区間にのみ設けたりするようにしてもよい。また、図２０～図２３に示すように、キャビテーション処理部５に対し軸線方向にて螺旋溝５０の互いに異なる位置に、複数の気体導入通路２０を振り分けて形成するようにしてもよい。図２０の構成は、２つの気体導入通路２０を螺旋溝５０に対し、液体入口３側から１周回目の溝底と、２周回目の溝底にそれぞれ連通するように形成した例である。図２１の構成は、図２０の構成に対し、液体入口３側から３周回目の溝底に連通する３つ目の気体導入通路２０を追加した例を示す。図２２の構成は、図２１の構成に対し、液体入口３側から４周回目の溝底に連通する４つ目の気体導入通路２０を追加した例を示す。また、図２３の構成は、図１８の構成に対し、出口側テーパ部２２に連通する気体導入通路２０を２つ追加した例を示す。

さらに、図２４～図２７に示すように、キャビテーション処理部５の前半区間（上流側）と後半区間（又は出口側テーパ部２２：下流側）には、複数の気体導入通路２０を種々の個数にて振り分けて形成することができる。図２４は、上流側に１つの気体導入通路２０を、下流側に１８０°ずれた角度位相にて２つの気体導入通路２０を、それぞれ形成した例を示す。図２５は、上流側に１つの気体導入通路２０を、下流側に互いに１２０°ずれた角度位相にて３つの気体導入通路２０を、それぞれ形成した例を示す。図２６は、上流側に互いに１２０°ずれた角度位相にて３つの気体導入通路２０を、下流側に互いに６０°ずれた角度位相にて６つの気体導入通路２０を、それぞれ形成した例を示す。図２７は、上流側に１８０°ずれた角度位相にて２つの気体導入通路２０を、下流側に１８０°ずれた角度位相にて２つの気体導入通路２０を、それぞれ形成した例を示す。

図２８Ａは、変形態様による螺旋溝５０”を備えたキャビテーションノズル１”を示すものである。該態様にて螺旋溝５０”は、軸線Ｏの向きに隣接する周回部分の幅が拡大されるとともに、該幅方向の対応する縁が連なって細い稜線状の溝間領域５２を形成している。図中の太い実線（紙面垂直方向にて手前側に位置する部分）及び太い破線（紙面垂直方向にて向こう側に位置する部分）は溝底（谷底）５１を、図中の太い一点鎖線（紙面垂直方向にて手前側に位置する部分）及び細い一点鎖線（紙面垂直方向にて向こう側に位置する部分）は、陵線状の溝間領域５２を示している。これに伴い、螺旋溝５０の外形形状は三角波状を呈するものとなっている（この場合、溝間領域内径Ｄ１は溝間領域５２の稜線位置での内径となる）。なお、螺旋溝５０の外形形状は正弦波状あるいは互いに反転関係にある半楕円曲線を交互に接続した波型等であってもよい。このような形状の螺旋溝５０”は、旋回流の封じ込め効果は多少損なわれるものの、溝間領域５２を含めたキャビテーション処理部５の内周面全体の抵抗が低減される。これにより、キャビテーション効果ひいては微細気泡の発生効果を比較的良好に確保することができる。

図２９は本発明の液体処理ノズルを組み込んだ洗濯機用の水処理アタッチメントの一例を示す断面図である。水処理アタッチメント３００は本体ケーシング３４０を備える。本体ケーシング３４０は上端面に開口する継手座ぐり３４１と、該継手座ぐり３４１の下流側に連通するノズル収容孔３４４と、該ノズル収容孔３４４の下流側に連通する本体側出口孔３４５とが、本体ケーシング３４０を貫通する形で同軸的に一体形成されている。継手座ぐり３４１の内周面には、水道蛇口ユニット側に形成されている金具取付用雄ねじ部（例えばＧ１／２雄ねじ）と螺合する雌ねじ継手部３４２が形成されている。一方、本体ケーシング３４０の下端側にはホース接続部３４９が形成されている。ホース接続部３４９は、本実施形態ではタケノコ状の継手部として形成されている。ノズル収容孔３４４に収容されている液体処理ノズル１は、たとえば図１８に示したものと同様の構成であり、詳細な説明は略する。液体処理ノズル１に形成された気体導入通路２０へは気体中継空間７及び本体ケーシング３４０側のケーシング気体流路３４６を経て外気が自吸されるようになっている。また、符号３７０は、図３と同様の逆流防止用弾性リングである。

図３０は、水処理アタッチメント３００の使用例を示すものである。水処理アタッチメント３００は、住居の洗濯機置き場に配設される洗濯用水供給用の水道蛇口ユニット９１に雌ねじ継手部３４２を、洗濯機４００の給水インレット４０１に装着される給水ホース９２にホース接続部３４９をそれぞれ接続する形で使用される。水道蛇口ユニット９１から供給される空気を溶存した水道水は、水処理アタッチメント３００を通過することにより外気を自吸しつつキャビテーション処理され、微細気泡を含んだ処理済水となって、給水ホース９２を経て洗濯機４００の洗濯槽（図示せず）に供給される。処理済水は、キャビテーション効果によりウルトラファインバブルを多量に含み、これが洗濯槽内に供給されることで、衣類等に対する洗浄効果が大きく向上する。

また、液体処理ノズル１は気体導入通路を設けない構成とすることも可能である。図３１は、このような液体処理ノズル１’を組み込んだシャワーヘッドを例示するものである。シャワーヘッド２０１は雄ねじ部からなるホース接続部２８１ｔを有し、該ホース接続部２８１ｔにて図示しないシャワーホースに連結して使用するものである。シャワーヘッド２０１は、給水開口部２８１及び吐出開口部２０１Ｌと、それらの給水開口部２８１及び吐出開口部２０１Ｌをつなぐ給水路２２１とを有する中空の本体部２５０と、該本体部２５０の吐出開口部２０１Ｌに装着されるシャワー用散水板（以下、単に「散水板」ともいう）２０３とを備える。給水開口部２８１はホース接続部２８１ｔの後端面に開口している。

本体部２５０は、吐出開口部２０１Ｌが形成されるヘッド主部２５１と、筒状の把手部２５２と、把手部２５２に着脱可能に結合されるテールキャップ２０８とを備える。把手部２５２は、ヘッド主部２５１に第一端側が結合されるとともに内部に給水路２２１の一部をなす把手流路２２１Ａが形成されている。また、把手部２５２の第二端側には、把手側結合部２２６が形成されている。テールキャップ２０８は、内部に給水路２２１の一部をなすキャップ流路２０８Ａが形成されるとともに給水開口部２８１が第一端側に開口し、第二端側にて把手側結合部２２６と着脱可能かつ液密に結合される。そして、テールキャップ２０８のキャップ流路２０８Ａには、シャワー水流をキャビテーション処理するための水処理ノズルとして、本発明の実施形態にかかる液体処理ノズル１’が組み込まれている。

把手部２５２の把手流路２２１Ａには、テールキャップ２０８の把手側結合部２２６側から添加剤溶出カートリッジ２０６を軸線方向に挿入配置できるようになっている（添加剤溶出カートリッジ２０６は、テールキャップ２０８を取り外した状態で把手流路２２１Ａに挿入される）。添加剤は例えばＬ－アスコルビン酸等の塩素除去剤、炭酸発生剤あるいは香料などである。添加剤溶出カートリッジ２０６を把手流路２２１Ａに配置した状態においては、把手流路２２１Ａの内周面と添加剤溶出カートリッジ２０６の外周面との隙間が水流通路として機能する。

液体処理ノズル１’は、シャワーヘッド２０１への組込を考慮してノズル本体１０の形状を変更したことと、気体導入通路２０を省略した点を除いて図４の構成と同じであり、共通の構成要素に同一の符号を付与して詳細な説明は略する。液体処理ノズル１’は、液体入口３が給水開口部２８１側を、液体出口４が把手流路２２１Ａ側を向くように、テールキャップ２０８内に軸線方向に装着されている。

シャワーヘッド２０１においては、液体処理ノズル１’を通過する際のキャビテーション効果によりウルトラファインバブルを多量に含んだ処理済水となって散水板２０３から噴射されるので、水の浸透性改善に伴う肌や髪への保湿効果や洗浄効果が良好となる。テールキャップ２０８からヘッド主部２５１を取り外して通水を行なえば、ヘッド主部２５１の圧損がなくなるので、水処理ノズル２０７を通過した処理済水を、より高圧（高速）にてテールキャップ２０８から直接噴射することができる。これは、浴室内の排水溝などの洗浄に使用すると便利である。

以下、本発明の液体処理ノズルの作用効果を確認するために行った種々の実験の結果について記載する。
（実験例１）
図４に示す外形の液体処理ノズル１（ただし、気体導入通路２０を省略）の種々の試作品を、螺旋溝５０の形成形態を種々に変更しつつ作成し、図３の水道水処理装置１００に組み込んだ。各試作品の具体的な寸法設定については表１にまとめて示している。具体的には、液体処理ノズル１の各部の寸法を以下のように設定している（図５参照）。
・螺旋溝５０の形成区間長Ｌ：２．２５～１１ｍｍ
・螺旋溝５０の深さｄ：０～０．７ｍｍ（０ｍｍは螺旋溝を形成しない比較例：番号１１）
・螺旋溝５０の幅Ｗ２：０．５ｍｍ
・溝間領域内径Ｄ１：２ｍｍ
・螺旋溝形成周回数：０～８（０．５は比較例：番号１０、０は螺旋溝を形成しない比較例：番号１１）
・螺旋溝５０の刻設ピッチＰ：１．４～４．５ｍｍ
・液体入口３の内径Ｄ２：４．５ｍｍ
・液体出口４の内径Ｄ３：２．５ｍｍ
・入口側テーパ部２１の区間長：５ｍｍ
・出口側テーパ部２２の区間長：７ｍｍ
・メッシュ部材６３：目開き番手＃４００（目開き０．０３４ｍｍ、開口率２７．８％）３枚積層
また、番号９のノズルは、螺旋溝５０の幅を２．７５ｍｍとし、その断面形状を図２８Ａに示すタイプのものとした以外は、番号２のノズルの寸法条件を引き継ぎつつ作成したものである。

上記の水道水処理装置１００を図２のごとく水道蛇口ユニットに接続し、通水バルブ９１Ｂを手動操作することにより出口側通水量が４Ｌ／分となるように調整した。得られた処理済水の微細気泡の個数形成密度及び個数気泡径分布を、レーザー散乱式のナノ粒子径分布測定装置（島津製作所製：ＳＡＬＤ－７５００ｎａｎｏ）を用いて計測した。なお、処理済水の気泡径計測は、取水から１５秒を経過した時点で行っている。結果を表１にまとめて示す。

螺旋溝５０を１周回分以上刻設した、本発明の実施形態にかかる番号１～８の液体処理ノズルを通水した処理済水は、螺旋溝５０を刻設しない番号１１の液体処理ノズル（一般的なベンチュリ管である）あるいは刻設長さが１周回未満となる番号１０の液体処理ノズルと比較して、ウルトラファインバブル領域（１μｍ未満）の気泡の形成数がはるかに多いことがわかる。また、いずれのノズルも外気を吸引せず、キャビテーションによる気泡析出のみを利用しているにも関わらず、２２００万個～３億個／ｃｃもの高密度にて、気泡径０．３μｍ以下のウルトラファインバブル領域の気泡が発生していることがわかる。また、螺旋溝５０を図２８Ａの形態とした番号９のノズルは、寸法条件において対応する番号２のノズルにはやや及ばないものの、十分な密度のウルトラファインバブルを形成できていることがわかる。

気泡径０．３μｍ以下のウルトラファインバブル領域の気泡の発生量は、例えば螺旋溝深さｄを０．５ｍｍに固定して比較したとき、螺旋溝５０の刻設ピッチＰが溝間領域内径Ｄ１よりも大きく設定されている番号２～４の液体処理ノズルの方が、刻設ピッチＰが溝間領域内径Ｄ１よりも小さく設定された番号１の液体処理ノズルよりも多くなっていることがわかる。この場合、螺旋溝５０の周回数が多い、刻設ピッチＰが２．７５ｍｍの番号２の液体処理ノズルは３億個／ｃｃを超える高密度にてウルトラファインバブル領域の気泡が発生していることがわかる。

また、螺旋溝５０の刻設ピッチＰの形成区間長と刻設ピッチＰを、それぞれ例えば１１ｍｍ及び２．７５ｍｍに固定して比較した場合、螺旋溝５０の深さｄが溝間領域内径Ｄ１の１０％（０．２ｍｍ）を超える値に設定されている番号２、６、８の液体処理ノズルは、螺旋溝５０の深さｄが溝間領域内径Ｄ１の１０％未満となる番号５の液体処理ノズルよりも高密度にてウルトラファインバブル領域の気泡が発生していることがわかる。

（実験例２）
図４に示す外形の液体処理ノズル１の試作品を、気体導入通路２０を種々のレイアウトで形成しつつ作成し、図３の水道水処理装置１００に組み込んだ。液体処理ノズル１の各部の寸法を以下のように設定している（図５参照）。
・螺旋溝５０の形成区間長Ｌ：１１ｍｍ
・螺旋溝５０の深さｄ：０．５ｍｍ又は０．３ｍｍ
・螺旋溝５０の幅Ｗ２：０．５ｍｍ
・溝間領域内径Ｄ１：２ｍｍ
・螺旋溝形成周回数：２又は４
・螺旋溝５０の刻設ピッチＰ：４．５０又は２．７５ｍｍ
・液体入口３の内径Ｄ２：４．５ｍｍ
・液体出口４の内径Ｄ３：２．５ｍｍ、２．２ｍｍ、２．０ｍｍ又は３．０ｍｍ
・入口側テーパ部２１の区間長：５ｍｍ
・出口側テーパ部２２の区間長：７ｍｍ
・メッシュ部材６３：目開き番手＃４００（目開き０．０３４ｍｍ、開口率２７．８％）３枚積層

気体導入通路２０の形成仕様は以下の通りである。
・先端形状：図１４の通り。本体部２０Ａの内径は０．５ｍｍ。縮径部の区間長ＣＬは１．５ｍｍ。気体出口２０Ｔを形成するピンホール部２０Ｓの区間長ＴＬは０．１５ｍｍ、内径ＴＤは０．１ｍｍ。
・軸線Ｑと軸線Ｏのなす角度λ２：４５°（図５参照）
・気体出口２０Ｔの開口位置：以下の３種類のいずれか、またはそれらの組み合わせとした：
上流側：螺旋溝５０の起点から１周回目の溝底位置（図５：２０（Ｕ））
下流側：螺旋溝５０の終点から１／４周回分戻った溝底位置（図５：２０C）
出口側テーパ部：軸線Ｏの向きに液体出口４から２．５ｍｍ隔たった出口側テーパ部２２の内面位置（図１３：２０（Ｄ））
各試作品の具体的な寸法設定及び気体導入通路２０の形成位置については表２にまとめて示している。

上記の水道水処理装置１００を図２のごとく水道蛇口ユニットに接続し、通水バルブ９１Ｂを手動操作することにより出口側通水量が４Ｌ／分となるように調整した。得られた処理済水の微細気泡の個数形成密度及び個数気泡径分布を、レーザー散乱式のナノ粒子径分布測定装置（島津製作所製：ＳＡＬＤ－７５００ｎａｎｏ）を用いて計測した。なお、処理済水の気泡径計測は、取水から１５秒を経過した時点で行っている。結果を表２にまとめて示す。

螺旋溝５０の刻設ピッチを４．５ｍｍに設定した場合については、例えば、気体導入通路２０を設けない表１の番号３のノズルを用いた場合の結果と比較すれば明らかなとおり、気体導入通路２０を設けた番号１１１～１１５のノズルを用いることで、気泡径０．３μｍ以下のウルトラファインバブルの形成密度が向上していることがわかる。特に、上流側にのみ気体導入通路２０を設けた番号１１１のノズルを用いた場合のウルトラファインバブルの形成密度は３３億個／ｃｃと、気体導入通路２０を設けない番号３のノズルの１４倍もの大きな値になっている。

一方、下流側にのみ気体導入通路２０を設けた番号１１２のノズルを用いた場合、ウルトラファインバブルの形成密度は、気体導入通路２０を設けない表１の番号３のノズルを用いた場合とおおむね同等程度であるが、１μｍを超えるファインバブル領域の気泡の形成密度は番号１１１のノズルを用いた場合を上回っていることがわかる。また、下流側と下流側（あるいは出口側テーパ部）の双方に気体導入通路２０を設けた番号１１３及び１１４のノズルを用いた場合は、ウルトラファインバブルの形成密度は番号１１１のノズルを用いた場合よりも少なくなっているが、１～５μｍのウルトラファインバブルに準じた気泡径領域のファインバブルが大幅に増加していることがわかる。この領域のファインバブルは浮上速度が比較的遅いため、採取された水の白濁化とその持続性に大きく貢献する。

また、螺旋溝５０の刻設ピッチＰを２．７５ｍｍ、螺旋溝５０の深さｄを０．５ｍｍに設定した場合については、下流側と下流側の双方に気体導入通路２０を設けることで（番号１１６）、ウルトラファインバブルの形成密度は、気体導入通路２０を設けない表１の番号２のノズルを用いた場合の２０倍を超える６４億個／ｃｃまで劇的に増加する。螺旋溝５０の刻設ピッチＰが適正化され、旋回流の形成がさらに著しくなることと関連していると考えられる。他方、液体出口４の開口面積が、キャビテーション処理部５の溝間領域５２の最小内径位置における軸断面積の１．２倍未満となる番号１１７のノズル、あるいは２倍を超える番号１１８のノズルについては、下流側に気体導入通路を設けているものの、ウルトラファインバブルあるいはファインバブルの形成密度が番号１１６のノズルよりはやや少なくなっている。

以上、本発明の種々の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した必須の構成要件以外の技術的要素については、適宜取捨選択した形で実施することができる。

１ 液体処理ノズル
２ 液体流路
３ 液体入口
４ 液体出口
５ キャビテーション処理部
７ 気体中継空間
１０ ノズル本体
２０ 気体導入通路
２０Ａ 本体部
２０Ｂ 縮径部
２０Ｅ 気体入口
２０Ｐ 基端側部
２０Ｓ ピンホール部
２０Ｔ 気体出口
２１ 入口側テーパ部
２２ 出口側テーパ部
２６ 空間形成凹部
３１，３２ 溝部
３１，３２ シールリング
３３ シールリング
４０ 本体ケーシング
４０ａ 段付き面
４１ 継手座ぐり
４２ 雌ねじ継手部
４３ シールリング
４４ ノズル収容孔
４４ａ 支持フランジ
４５ 本体側出口孔
４６ ケーシング気体流路
４６Ｅ 気体入口
４６Ｔ 気体出口
４７ 溝部
４７Ａ 気体誘導空隙
５０ 螺旋溝
５１ 溝底
５２ 溝間領域
６０ 出口キャップ
６０ｂ 雌ねじ部
６１ 水流出口
６２ 支持フランジ
６３ メッシュ部材
６４ 出口スリーブ
６４ｂ 雄ねじ部
７０ 逆流防止用弾性リング
７０ｃ シール面
９１ 水道蛇口ユニット
９２ 通水バルブ
１００ 水道水処理装置
ＤＸＷ 処理済水
Ｏ 軸線
Ｑ 軸線

Claims (19)

1. 溶存気体を含有する液体が流通する流路に組み込んで使用され、前記液体をキャビテーション処理することにより前記溶存気体を減圧析出させる液体処理ノズルであって、
   ノズル本体の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るとともに、前記液体流路の内周面の軸線方向における少なくとも一部の区間が、前記軸線を螺旋中心線とする１周回分以上の螺旋溝が刻設されたキャビテーション処理部とされ、前記液体流路に供給される前記液体の流れの一部を前記キャビテーション処理部の前記螺旋溝に分配するとともに、分配された液体を前記螺旋溝内にて増速しつつ旋回させることにより、前記液体の増速により減圧される前記螺旋溝の内部空間をキャビテーション領域となす形で前記溶存気体を減圧析出させるようにしたことを特徴とする液体処理ノズル。
2. 前記キャビテーション処理部をなす前記液体流路の内周面において、前記軸線方向において前記螺旋溝の互いに隣接する周回部分を区画する領域を溝間領域として、該溝間領域の最小内径を溝間領域内径としたとき、前記軸線方向における前記螺旋溝の刻設ピッチが前記溝間領域内径よりも大きく設定されている請求項１記載の液体処理ノズル。
3. 前記螺旋溝の深さが前記刻設ピッチよりも小さく設定されている請求項２記載の液体処理ノズル。
4. 前記螺旋溝の深さが前記溝間領域の内径の１０％以上に設定されている請求項２又は請求項３に記載の液体処理ノズル。
5. 前記軸線を含む断面において前記溝間領域が平坦に形成され、前記螺旋溝は前記溝間領域に対し外向きに膨出する形態に形成されている請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の液体処理ノズル。
6. 前記溝間領域が円筒面状に形成されている請求項５に記載の液体処理ノズル。
7. 前記溝間領域は、前記軸線方向における幅が前記螺旋溝の幅よりも大きく形成されている請求項５又は請求項６に記載の液体処理ノズル。
8. 前記螺旋溝の深さが前記溝間領域の内径の１０％以上４０％以下であり、前記螺旋溝の深さが該螺旋溝の幅の８０％以上１２０％以下の値に定められている請求項５ないし７のいずれか１項に記載の液体処理ノズル。
9. 前記螺旋溝は、前記軸線方向にて溝底位置から隣接する前記溝間領域に向け、溝深さが連続的に減ずる外形形状をなすように形成されている請求項２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。
10. 前記キャビテーション処理部の区間長をＬ、前記溝間領域内径をＤ１としたとき、Ｌ／Ｄ１が１以上１０以下に設定されている請求項２ないし請求項９のいずれか１項に記載の液体処理ノズル。
11. 前記キャビテーション処理部にて前記螺旋溝が２周回分以上に形成されてなる請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の液体処理ノズル。
12. 前記ノズル本体には、一端が前記ノズル本体の外面に開口し、他端が前記キャビテーション処理部の前記螺旋溝に連通する気体導入通路が形成されている請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の液体処理ノズル。
13. 前記気体導入通路は前記キャビテーション処理部に対し前記軸線方向における上流側の半区間に連通開口している請求項１２記載の液体処理ノズル。
14. 前記気体導入通路は前記螺旋溝の底部に連通開口している請求項１２又は請求項１３に記載の液体処理ノズル。
15. 前記キャビテーション処理部の下流側には、前記キャビテーション処理部の出口から前記液体出口に向けて内径が漸増する出口側テーパ部が、前記螺旋溝の刻設ピッチよりも区間長が大きくなるように形成されている請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の液体処理ノズル。
16. 前記出口側テーパ部の前記液体出口は、前記キャビテーション処理部の前記溝間領域の最小内径位置における軸断面積の１．２倍以上２倍以下の開口面積となるように形成されている請求項１５記載の液体処理ノズル。
17. 前記ノズル本体には、一端が前記ノズル本体の外面に開口し、他端が前記キャビテーション処理部の軸線方向における下流側の半区間又は前記出口側テーパ部のいずれかに連通する気体導入通路が形成されている請求項１５又は請求項１６に記載の液体処理ノズル。
18. 前記液体流路において、前記キャビテーション処理部の上流側には、前記液体入口から前記キャビテーション処理部の入口に向け、前記出口側テーパ部よりも大きな勾配にて内径が漸減する入口側テーパ部が形成されている請求項１５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。
19. 前記入口側テーパ部の前記液体入口は、前記出口側テーパ部の前記液体出口よりも径大に形成されている請求項１８記載の液体処理ノズル。

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