JP4933582B2 - マイクロバブル発生装置およびシャワーヘッド - Google Patents

Description

本発明は、液体中にマイクロバブルを発生させるマイクロバブル発生装置とそれを用いたシャワーヘッドに関する。

近年、美容や健康等のサービス業や医療・福祉業、農林水産業、製造業などの各種業界では、水等の液体に含有されるマイクロバブルと称される微細気泡に着目している。マイクロバブルは、一般に、直径が数μｍ〜数百μｍのマイクロオーダの気泡をいい、その気液界面積（気泡表面積）や気泡内圧が大きかったり、液体中の上昇速度が遅かったりすること等から、例えば、入浴時のマッサージ効果や温熱効果、河川や水槽等における汚染物質を気泡に付着させて水面に浮上させる水質浄化効果、酸素等を含む気泡を生物に供給する生理活性効果、機械部品等の洗浄効果などに対して、特に有効であるとされている。

このようなマイクロバブルの発生原理には、例えば、高圧下で気体を液体中に溶解させた後に、減圧することにより、液体中の気体を微細気泡として析出させる「加圧溶解方式（過飽和析出方式）」や、気液二相の流体を混合、せん断することで気液界面の不安定状態を引き起こして、微細気泡を発生させる「乱流方式（せん断方式）」、液体中におけるキャビテーション気泡の発生，崩壊により、又は予め添加したミリオーダの気泡に対して超音波や衝撃波などで急激な圧力変動を加えて膨張させた後に加圧して崩壊させることにより、微細気泡を発生させる「圧壊方式」などがある（非特許文献１や非特許文献２、非特許文献３参照。）。

これら加圧溶解方式や乱流方式、圧壊方式の少なくとも一つを採用したマイクロバブル発生装置（微細気泡発生装置）としては、例えば、特許文献１や特許文献２に示されるものがある。

特許文献１に記載のマイクロバブル発生装置には、筒状部材の軸方向一方の内側に水と空気を混合する混相流形成室が設けられ、筒状部材の軸方向中間部分の内側に旋回羽根などを備えた旋回乱流室が設けられて、筒状部材の軸方向他方の開口部付近に縮径部が設けられている。水と空気が筒状部材の軸方向一方の開口部から混相流形成室に導入されて気液二相の流体が形成され、この気液二相流が、旋回乱流室にて旋回流を生じて、縮径部を通じて筒状部材の軸方向他方の開口部から外部に吐出されることによって、流体中にマイクロバブルが発生するようになっている。

特許文献２に記載のマイクロバブル発生装置は、筒状部材の軸方向一方の内側（気液二相流の上流側）において軸方向一方から他方に向かって次第に縮径した後に拡径するベンチュリ管状部を形成し、その縮径部分よりも拡径部側に気体導入口を設け、また筒状部材の軸方向中間部分を内筒部材と外筒部材とが同心状に配された二重管構造として、内筒部材及び外筒部材の間と内筒部材の内側とにそれぞれ螺旋状の羽根板を設け、更に筒状部材の軸方向他方（気液二相流の下流側）の開口部が縮径された構造を呈している。

液体が筒状部材の軸方向一方の開口部からベンチュリ管状部に導入されると、液体に急激な圧力変動が生じて、液体が過負圧状態となり、液体中にキャビテーション気泡が発生すると共に、空気が気体導入口からベンチュリ管状部内に自吸されて、圧壊作用乃至は乱流（せん断）作用下の気液二相流が生成される。気液二相流は、二重管構造部における内筒部材の内外の羽根板により乱流を生じると共に、筒状部材の軸方向他方の縮径された開口部を通じて外部に吐出されることによって、流体中にマイクロバブルが発生するようになっている。

ところが、特許文献１や特許文献２に記載のマイクロバブル発生装置では、数μｍ〜数十μｍオーダの比較的に微細なマイクロバブルが生成され難いと考えられる。
つまり、上述のマイクロバブル発生装置においては、旋回羽根や螺旋状の羽根板、ベンチュリ管状部、縮径開口部などの気液二相流に対して乱流作用や圧壊作用等の何らかのマイクロバブル生成作用を及ぼす手段（マイクロバブル生成手段）が、気液二相流の流動方向となる筒状部材の軸方向に直列的に設けられている。

このため、気液二相流の上流側のマイクロバブル生成手段においてマイクロバブル乃至はマイクロバブルの途中形態の小さな気泡が発生したとしても、気泡を含む流体が下流側のマイクロバブル生成手段に移動する際に、複数の気泡が互いに接して、離れなくなる合一現象や一つの大きな気泡になる合体現象が起きる場合があり、結局は、下流側のマイクロバブル生成手段において合一又は合体状態の気泡を再度、微細化する必要がある。それ故、気泡の拡縮状態が繰り返されることに起因して、微細なマイクロバブルが生成され難いのである。

上記問題に鑑み、特許文献３には、微細気泡の合体を抑制することを目的として、気泡微細化促進部材を備えたマイクロバブル発生装置が提案されている。気泡微細化促進部材は、板状を呈しており、その周縁部と微細気泡を含む流体の吐出開口部分の周縁部との間に僅かな隙間を残しつつ、当該吐出開口部分を覆うように設けられている。これにより、微細気泡を含む流体が、吐出開口部分から隙間に向けて吐出される際に、気泡微細化促進部材に打ち当たって径方向に拡散されることを利用して、気泡の合体抑制による微細化が図られる。

特開２００２−１４３６５８号公報 特開２００７−２１３４３号公報 特開２００７−２１６１４９号公報

松本洋一郎編著，「マイクロバブル最前線」，初版，共立出版，２００９年２月１０日，ｐ．４０−７７ 上山智嗣、宮本誠共著，「マイクロバブルの世界」，初版，工業調査会，２００６年２月１０日，ｐ．６８−１０８ 大成博文著，「マイクロバブルのすべて」，初版，日本実業出版社，２００６年１０月２０日，ｐ．１４４−１６４

しかしながら、特許文献３に記載のマイクロバブル発生装置では、気泡微細化促進部材が装置内を流動する流体の流動方向に対して略直交する方向に広がって、吐出開口部分を覆うように設けられていることから、流体の上流側と下流側との圧力差に基づく圧力損失が過大になる傾向があった。

したがって、例えば、コンプレッサやポンプ等を用いて流体圧力を簡単に大きく調節出来る場合には、過大な圧力損失による流体の気泡微細化促進部材への衝突圧力の低減はそれ程問題とならないが、流体として一般的な水道水等を採用した場合には、気泡が気泡微細化促進部材に衝突して径方向に十分に拡散されるのに必要な流体圧力が確保され難くなり、微細なマイクロバブルが効率良く得られ難くなるおそれがあった。

しかも、気泡微細化促進部材と吐出開口部分との間の隙間の目詰まり状態やマイクロバブル発生装置の設置する向き、流体の吐出空間の状態等によっては、微細気泡を含む流体が径方向に拡散して隙間から吐出されると、流体中の気泡の密度が局所的に偏るおそれがあった。その結果、流体のある部分では再び気泡が合体して微細なマイクロバブルが得られ難くなり、流体の別のある部分では微細気泡の密度が小さくなり、以て、微細なマイクロバブルが安定して且つ高密度に得られ難くなるおそれがあったのである。

本発明は、上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、比較的に微細なマイクロバブルが安定して且つ高密度に得られる、マイクロバブル発生装置およびシャワーヘッドを提供することにある。

かかる課題を解決するためになされた請求項１に記載のマイクロバブル発生装置は、気体と液体とを混合して気液二相流を形成する気液混合手段と、前記気液二相流にマイクロバブルを発生させてマイクロバブル含有液体を生成し、該マイクロバブル含有液体を前記気液混合手段から外部に吐出させるマイクロバブル生成手段と、該マイクロバブル生成手段により前記気液混合手段から外部に吐出された前記マイクロバブル含有液体に対して加圧液体を衝突させる衝突手段と、を備える。

このような本発明のマイクロバブル発生装置においては、マイクロバブル含有液体が気液混合手段の吐出部分で加圧液体と衝突し、乱流作用（せん断作用）がマイクロバブル含有液体に及ぼされる。

これにより、マイクロバブル含有液体中にマイクロオーダよりも大きなオーダの気泡が存在したり、複数のマイクロバブルが合一又は合体したりする場合にも、上記乱流作用によって、大きな気泡や合一又は合体したマイクロバブルが、微細になる。

特に本マイクロバブル発生装置では、マイクロバブルを微細化するために、マイクロバブル含有液体に加圧液体を衝突させるようにしたことから、例えば、特許文献３に示されるような、気泡微細化促進部材を液体の吐出開口部分を覆うように設けることに起因する流体の圧力損失の増大や、液体の径方向の不規則な拡散によるマイクロバブルの密度の偏りが回避される。

それ故、本発明のマイクロバブル発生装置によれば、例えば数μｍ〜数十μｍ程度の比較的に微細なマイクロバブルが安定して且つ高密度に生成される。
なお、本発明において、加圧液体は、気液混合手段から吐出されるマイクロバブル含有液体の圧力と同等以上の圧力を有する液体をいい、その他の性質、形態については特に限定されるものでない。

ところで、気液混合手段、マイクロバブル生成手段及び衝突手段としては、例えば、気液混合手段が気体と液体とをそれぞれ導入して混合する所定の容器で構成され、マイクロバブル生成手段が、気液二相流を攪拌する羽根板や、液体に気体を加圧溶解した後に減圧するポンプなどで構成され、衝突手段が、気液混合手段やマイクロバブル生成手段などと大きく離隔した位置から気液混合手段のマイクロバブル含有液体の吐出部分に向けて加圧液体を吐出するノズルなどで構成されても良いが、特に本発明のマイクロバブル発生装置では、これら各手段が、次のように構成されている。

すなわち、気液混合手段は、筒状を呈し、内側に前記気体と前記液体とをそれぞれ導入して気液二相流を混合形成する内筒部材により構成される。
また、マイクロバブル生成手段は、
前記内筒部材よりも大きな筒状を呈し、該内筒部材に対して径方向に所定距離を隔てて外挿されて、前記内筒部材の周壁部との径方向間を軸方向一方から他方に向かって液体が流れる筒状流路とする外筒部材と、
前記内筒部材の周壁部において周方向に傾斜する方向に貫設されて、前記筒状流路を流れる液体を該内筒部材の内側に導入することで、かかる内側の前記気液二相流に該内筒部材の中心軸回りの旋回流を生じさせる貫通孔と、
を含んで構成されて、この旋回流に伴い前記気液二相流に前記マイクロバブルを発生させて前記マイクロバブル含有液体が生成され、前記内筒部材の軸方向他方の開口部から外部に吐出されるようになっている。
また更に、衝突手段は、前記筒状流路において前記内筒部材の外周面と前記外筒部材の内周面とが軸方向一方から他方に向かって縮径されるテーパ筒状を呈し、該筒状流路を流れる液体を軸方向一方から他方に加圧させつつ該内筒部材における軸方向他方の開口部の外方に案内する案内部により構成される。

このように、本発明のマイクロバブル発生装置によれば、筒状流路の流体の流動作用を利用して、気液二相流に旋回流を生じさせるマイクロバブル生成手段と、内筒部材のマイクロバブル含有液体の吐出部分に加圧液体を案内して衝突させる衝突手段とが構成される。つまり、マイクロバブル生成手段および衝突手段の各一部が互いに共有される。従って、本発明によれば、微細なマイクロバブルの発生装置がコンパクトな構造で実現される。

次に、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のマイクロバブル発生装置において、前記筒状流路には、羽根板が周方向に離隔して複数設けられることを特徴とする。
このため、請求項２に記載のマイクロバブル発生装置によれば、筒状流路を流れる流体の流速が著しく制限されることなく、筒状流路の断面積が小さくされることによって加圧液体の圧力が高まり、加圧液体のマイクロバブル含有液体への衝突作用が一層効果的に発揮され、微細で且つ高密度なマイクロバブルがより安定して得られる。

なお、羽根板は、例えば、外筒部材の内周面と内筒部材の外周面との何れか一方から他方に向かって突設されたり、それら内外周面の両方に突設されたりすることで、筒状流路に好適に配される。

そこにおいて、各羽根板は、外筒部材の内周面と内筒部材の外周面との何れか一方に突設された際に、必ずしも他方に接していなくても良いが、好ましくは、当該他方に接するように設けられる。これにより、外筒部材と内筒部材とが軸直角方向に羽根板を介して互いに支えあい、外筒部材と内筒部材との軸直角方向の相対的な変位が制限されて、内外筒部材の間の筒状流路の形状が安定して確保される。

つまり、外筒部材と内筒部材との軸直角方向の位置決め手段が、複数の羽根板で構成されることから、別途位置決め手段を設けることに起因する装置の複雑化や大型化が抑えられる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のマイクロバブル発生装置において、前記羽根板は前記筒状流路の前記案内部に設けられ、該筒状流路の軸方向及び周方向に対して傾斜して延びることを特徴とする。

このため、請求項３に記載のマイクロバブル発生装置によれば、案内部の縮径による液体の加圧作用に加え、かかる羽根板によって案内部の断面積が縮小されることから、加圧液体の圧力が極めて有効に高められる。
特に、羽根板が筒状流路（内筒部材又は外筒部材）の軸方向及び周方向に対して傾斜して延びる形状とされていることに基づいて、加圧液体に内筒部材と略同じ中心軸回りの旋回流が生じることとなり、この旋回した加圧液体が内筒部材から軸方向外方に吐出したマイクロバブル含有液体と衝突することで、マイクロバブル含有液体に対して大きなせん断作用が及ぼされる。それ故、微細なマイクロバブルの高密度化が一層有利に図られる。

また次に、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のマイクロバブル発生装置において、前記羽根板の前記案内部において周方向に傾斜する方向と前記貫通孔の前記内筒部材の周壁部において周方向に傾斜する方向とが、互いに逆向きとされることを特徴とする。

このように、請求項４に記載のマイクロバブル発生装置によれば、羽根板により旋回される加圧液体の旋回方向と、筒状流路から貫通孔を通じて内筒部材の内側に流入される流体の慣性作用により旋回されるマイクロバブル含有液体の旋回方向とが、互いに逆向きとされることから、加圧液体のマイクロバブル含有液体への衝突によるせん断作用が一層大きくされる。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載のマイクロバブル発生装置において、前記内筒部材の内側に前記気体を供給する給気通路が、前記外筒部材から前記内筒部材を貫通して形成される一方、前記内筒部材には、前記外筒部材の内側に開口すると共に前記給気通路と連通され、該給気通路を通じて該内筒部材の内側に導入される前記気体の流量を調整する流量調整孔が設けられることを特徴とする。

従って、請求項５に記載のマイクロバブル発生装置によれば、外筒部材内の流体が流量調整孔を通じて内筒部材に流れ込む流動作用を利用して、給気通路を流れる気体を内筒部材内に流すことが可能となり、それによって、流量調整孔の長さや断面積等の設計に基づいて、内筒部材の内側に供給される気体の流量を調整することが出来る。
それ故、マイクロバブルの生成に好適な気液二相流の圧力状態（例えば負圧状態）が好適に確保され、マイクロバブルの発生効率の向上が図られる。しかも、このように気体の流量を調整する手段が外筒部材の内側に設けられていることから、マイクロバブル発生装置のコンパクト化が図られる。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のマイクロバブル発生装置において、前記内筒部材において前記マイクロバブル含有液体が吐出される軸方向他方の開口部の内径は、該内筒部材の軸方向中間部分の内径よりも小さくされることを特徴とする。

このため、請求項６に記載のマイクロバブル発生装置によれば、マイクロバブル含有液体が内筒部材から吐出される際に加圧されることによって、加圧液体との衝突によるせん断作用が一層大きくされることとなり、マイクロバブルの発生率の向上乃至はマイクロバブルの合一又は合体防止が一層有利に図られる。

また、請求項７に記載の発明は、シャワーヘッドに関する発明であり、請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載のマイクロバブル発生装置を採用したことを特徴とする。
このような本発明のシャワーヘッドにおいては、上述の如き本発明のマイクロバブル発生装置を採用したことによって、比較的に微細なマイクロバブルを多く含む温水又は冷水が得られ、温熱効果やマッサージ効果などが有利に発揮される。

本発明の一実施形態としてのシャワーヘッドをシャワーホースに取り付けた状態を示す斜視図。 （ａ）は同シャワーヘッドの縦断面図であって、図３（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面に相当する図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 同シャワーヘッドの一部を構成する気液混合ノズルの要部を拡大して示す図面であって、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）はその側面図である。 本発明の別の実施形態としての水道栓の一要部を示す縦断面図。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１，２には、本発明のマイクロバブル発生装置に関する一実施形態としてのシャワーヘッド１０が示されている。このシャワーヘッド１０は、外筒部材としてのハウジング部材１２と内筒部材としての気液混合ノズル１４とを含んで構成されており、連結部材１８を介してシャワーホース１６に取り付けられることで、マイクロバブルを含む温水又は冷水を吐出するようになっている。

シャワーホース１６や連結部材１８は、公知の構成を採用可能であり、例えば、シャワーホース１６は、可撓性の管状を呈するゴム材料等により形成されて、その一方の開口部分が、浴場や台所等に設置される図示しない水道栓に接続される。

また、連結部材１８は、略筒状を有し、アルミ合金やステンレス、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）等の硬質材料により形成されて、シャワーホース１６の他方の開口部分に対して圧入等で嵌め着けられている。連結部材１８におけるシャワーホース１６から軸方向外方に突出する部分の外周面には、図示しない雄ネジ部が設けられている。

ハウジング部材１２は、全体として長尺の筒状を呈しており、ＡＢＳやＰＯＭ等を用いて形成されている。また、ハウジング部材１２の軸方向一方（シャワーヘッド１０内を流れる流体の上流側）は、軸方向に延びる略円筒形状の外側筒部２０とされていると共に、ハウジング部材１２の軸方向他方（シャワーヘッド１０内における流体の下流側）は、軸方向に対して所定の角度で傾斜して延びるヘッド部２２とされている。

外側筒部２０における流体上流側の開口部分の内周面には雌ネジ部２４が設けられており、雌ネジ部２４が連結部材１８の雄ネジ部と螺着されることで、シャワーヘッド１０がシャワーホース１６に取り付けられるようになっている。

また、シャワーヘッド１０のヘッド部２２における流体下流側の開口部分が大径の吐出開口部２６とされており、かかる吐出開口部２６には、複数の通孔が貫設された略板状の整流板２５と散水板２７とが吐出開口部２６の開口方向（図２中、上下）で互いに離隔した状態で嵌装されている。

外側筒部２０の内孔２８は略軸方向に延びて、その上流側の端部がシャワーホース１６の内孔と連通されていると共に、その下流側の端部がヘッド部２２の内孔３０と連通されている。ヘッド部２２の内孔３０は、外側筒部２０の内孔２８と接続される端部から離隔する側に所定距離だけ該外側筒部２０の内孔２８と略平行に延び、その後、内孔２８に対して略直交する方向に延びて、吐出開口部２６と接続されている。

また、外側筒部２０の内孔２８の径寸法がシャワーホース１６側からヘッド部２２側に向かって段階的に小さくされている。一方、ヘッド部２２の内孔３０の径寸法は、全体に亘って略一定とされていると共に、外側筒部２０の内孔２８の最小径寸法よりも小さくされている。

気液混合ノズル１４は、ハウジング部材１２の外側筒部２０の内孔２８よりも一回り小さな略有底円筒形状を呈しており、ＡＢＳやＰＯＭ等を用いて形成されている。
詳細には、気液混合ノズル１４の底部３２は、内側筒部３４と固定筒部３６とが径方向に所定距離を隔てて略同心状に配された二重管状を呈していて、周方向の一箇所で両筒部３４，３６が連結ブロック３８を介して連結されている。また、内側筒部３４は、固定筒部３６から軸方向外方に大きく延び出している。

これら内側筒部３４と固定筒部３６とを備えた気液混合ノズル１４が、内側筒部３４の固定筒部３６に対する突出先端側からハウジング部材１２の外側筒部２０の内孔２８に内挿されて、固定筒部３６が、パッキン等のシール部材４０を介して外側筒部２０の軸方向中間部分に対して嵌着固定されている。

そこにおいて、気液混合ノズル１４の内側筒部３４がハウジング部材１２の外側筒部２０と略同心状に配されていると共に、内側筒部３４の外周面と外側筒部２０の内周面との径方向対向部分が、全体に亘って離隔している。これら内側筒部３４の外周面と外側筒部２０の内周面との間の隙間が、筒状流路４２とされている。

特に本実施形態では、内側筒部３４の軸方向中間部分の外周面が径寸法が略一定の円筒形状とされている一方、内側筒部３４の軸方向両側部分の外周面がそれぞれ軸方向外方に向かって漸次縮径されたテーパ筒状を有している。また、外側筒部２０の内孔２８において、気液混合ノズル１４の底部３２と反対側の内側筒部３４のテーパ筒状部と軸直角方向で対向する部分の内周面が、該テーパ筒状部と略同じテーパ率で、且つ該テーパ筒状部よりも一回り大きくされたテーパ筒状を有している。本実施形態における筒状流路４２のテーパ筒状の案内部４４は、内側筒部３４のテーパ筒状部と外側筒部２０のテーパ筒状部との間により形成されている。

内側筒部３４と外側筒部２０との軸直角方向の離隔距離、換言すると筒状流路４２の幅寸法に関して、筒状流路４２の軸方向中間部分の幅寸法と、筒状流路４２の案内部４４の幅寸法とは、略同じとされている。

また、筒状流路４２において内側筒部３４の軸方向中間部分と外側筒部２０との軸直角方向の間には、複数の第一羽根板４６が設けられている。これら第一羽根板４６は、内側筒部３４の軸方向中間部分の外周面に突設されて、軸方向に延びる板状を呈しており、本実施形態では４つの第一羽根板４６が周方向に略等間隔に配されている。また、第一羽根板４６の軸方向他方の先端部分は、後述する筒状流路４２を流れる水道水の流動方向である軸方向一方から他方に向かって内側筒部３４の内側に向かう方向に傾斜されている。それによって、複数の第一羽根板４６は、略矢羽根状を呈している。

さらに、筒状流路４２の案内部４４には、複数の第二羽根板４８が設けられている。複数の第二羽根板４８は、内側筒部３４において案内部４４を構成するテーパ筒状の外周面に突設されて、筒状流路４２の軸方向及び周方向に対して傾斜して延びる板状を呈している。これら第二羽根板４８は、第一羽根板４６と同様に４つ設けられて、それら第一羽根板４６と略同じ間隔を隔てて配されている。また、複数の第二羽根板４８が、それぞれ筒状流路４２の軸方向及び周方向に対して略同じ角度で傾斜していることで、全体としてスクリュー状を呈している。

更にまた、各第一羽根板４６及び各第二羽根板４８において内側筒部３４の外周面から外側筒部２０（案内部４４）の内周面に向かって突出する先端面が、それぞれ外側筒部２０の内周面に当接している。これにより、内側筒部３４と外側筒部２０とが、第一及び第二羽根板４６，４８を介しての当接により互いに保持されて、略同心状に位置決めされている。

また、内側筒部３４の軸方向中間部分の周壁部において第一羽根板４６を避けた位置には、複数の貫通孔５０が周方向に所定距離（本実施形態では等間隔）を隔てて複数貫設されている。貫通孔５０は、内側筒部３４の径方向外方から径方向内方に向かって周方向一方向（図２（ｂ）中、左回り。以下、単に「左回り」ともいう。）に傾斜した略円孔形状を呈している。

ここで、第二羽根板４８は、案内部４４において内側筒部３４（外側筒部２０）の径方向外方から径方向内方に向かって周方向他方向（図２（ｂ）又は図３（ａ）中、右回り。以下、単に「右回り」ともいう。）に傾斜しており、その結果、内外筒部２０，３４の中心軸回りにおいて第二羽根板４８の周方向に傾斜する方向と貫通孔５０の周方向に傾斜する方向とが、互いに逆向きとされている。

また、ハウジング部材１２の外側筒部２０と気液混合ノズル１４の底部３２には、給気通路５２が一体的に貫設されている。給気通路５２は、外側筒部２０から気液混合ノズル１４の固定筒部３６、連結ブロック３８及び内側筒部３４の底壁部（固定筒部３６の内側において気液混合ノズル１４の軸方向（図２中、左右）に所定の厚さ寸法を有する略円板部分）を軸直角方向に延び、その底壁部の軸直角方向の略中央部分から軸方向に延びて内側筒部３４の内側に開口している。これにより、内側筒部３４の内側とシャワーヘッド１０の外部とが、給気通路５２を通じて連通されている。

さらに、連結ブロック３８における給気通路５２の通路上には、外部から給気通路５２を通じて内側筒部３４の内側に向かって一方向にだけ気体を流し、逆方向の流れを阻止するための公知の逆止弁５４が設けられている。

本実施形態では、給気通路５２において内側筒部３４の底壁部の軸直角方向中央部分を軸方向に延びる部位５２ａの一方の端部が、内側筒部３４内に開口すると共に、他方の端部が流量調整孔５６に接続されている。流量調整孔５６は、給気通路５２の軸方向に延びる部位５２ａと略同一中心軸上に配され、内側筒部３４の底壁部を軸方向に貫通して外側筒部２０の内側に開口している。

つまり、ハウジング部材１２の外壁部から内側に貫設される給気通路５２は、軸方向に延びる部位５２ａで二つに分岐されて、給気通路５２の一方の端部が内側筒部３４の内側に開口し、他方の端部が流量調整孔５６を通じて外側筒部２０の内側に開口している。それ故、外側筒部２０内の流体が流量調整孔５６を通じて内側筒部３４内に流れる流動作用を利用して、給気通路５２内の空気が内側筒部３４内に流れ込む。即ち、シャワーヘッド１０の外部から給気通路５２を通じて内側筒部３４の内側に向かう気体の量が、流量調整孔５６の形状や大きさ等に基づいて調整可能とされている。

本実施形態の流量調整孔５６においては、軸方向に延びる通路長さが、給気通路５２の軸方向に延びる部位５２ａの通路長さに比して小さくされている一方、軸直角方向の通路断面積が、部位５２ａの軸直角方向の通路断面積よりも大きくされている。特に、流量調整孔５６は、部位５２ａから外側筒部２０への開口に向かって漸次大径化するテーパ筒状を呈している。

このため、給気通路５２の軸方向に延びる部位５２ａと流量調整孔５６とを形状や大きさ等で比較すると、給気通路５２におけるハウジング部材１２の外部開口から流量調整孔５６を通じて外側筒部２０に向かって流れる気体の流動抵抗が、軸方向に延びる部位５２ａを通じて内側筒部３４に向かって流れる気体の流動抵抗よりも、見た目上、大きくされている。しかし、ハウジング部材１２の外部から給気通路５２に入る気体は、後述する内側筒部３４内の負圧作用や前述の外側筒部２０内の流体が流量調整孔５６を通じて内側筒部３４内に流れる流動作用に基づいて、内側筒部３４内に流入される。

なお、内側筒部３４の内側には、例えば、別途コンプレッサ等を給気通路５２に接続して、圧縮空気や酸素ガス、窒素ガスその他の気体を供給することも可能である。本実施形態では給気通路５２が大気に開口しており、内側筒部３４の内側が負圧の状態で、気体としての空気が自吸されるようになっている。

また、内側筒部３４において筒状流路４２の案内部４４の軸直角方向内側、換言すれば内側筒部３４において貫通孔５０よりもヘッド部２２に近い軸方向他方の側には、内側筒部３４の軸方向中間部分の内径寸法よりも小さな内径寸法で軸方向に延びる、縮径部としての縮径開口部５８が設けられている。更に、縮径開口部５８の内径寸法は、ヘッド部２２の内孔３０の径寸法よりも小さくされていると共に、給気通路５２の軸方向に延びる部位５２ａの内径寸法よりも大きくされている。

要するに、内側筒部３４の縮径開口部５８と案内部４４を含む筒状流路４２とは略同心状に位置しており、縮径開口部５８と案内部４４との各先端開口部分が、ヘッド部２２の内孔３０に開口している。

このような構成のシャワーヘッド１０においては、水道水からなる加圧された冷水又は該水道水を加熱した温水（以下、単に水道水ともいう。）がシャワーホース１６を通じてハウジング部材１２の内側に流れ込むと、筒状流路４２において気液混合ノズル１４の底部３２側の軸方向一方から案内部４４側の軸方向他方に向かって流れる。また、水道水は、筒状流路４２の途中経路に設けられた内側筒部３４の周壁部における複数の貫通孔５０から内側筒部３４の内側に流れ込む。

ここで、複数の貫通孔５０が略等間隔に設けられており、しかも各貫通孔５０が内側筒部３４の左回りに傾斜されていることから、各貫通孔５０から内側に流れ込む水道水の慣性作用により、内側筒部３４の内側には、左回りに旋回する旋回流が内側筒部３４の略中心軸回りに生じることとなる。

特に、水道水に旋回流を与える慣性作用（ここでは、筒状流路４２から貫通孔５０を通じた内側筒部３４内への水道水の吐出圧力と同義）は、筒状流路４２に設けられた複数の第一羽根板４６における水道水の整流作用乃至は加圧作用を利用して一層大きくなる。

なお、水道水は、気液混合ノズル１４の底部３２に貫設された流量調整孔５６を通じても内側筒部３４の内側に流れ込むようになっているが、流量調整孔５６は筒状流路４２に比して、通路断面積が著しく小さくされて、水道水の流動抵抗が大きくされているため、内側筒部３４の流量調整孔５６を通じて内側に入り込む流量は、貫通孔５０を通じてのそれに比して小さくされている。

そして、上述の水道水の高速旋回によって、内側筒部３４の略中心軸上の負圧が大きくなり、外部の空気が給気通路５２を通じて内側筒部３４の内側に自吸され、水道水と空気とが混合して、気液二相流が生成される。

また、気液二相流には、高速旋回による負圧作用に基づき自吸された空気を、自身の旋回流でせん断して、マイクロオーダの微細気泡（マイクロバブル）を発生させる。また、シャワーヘッド１０の設計条件等によっては、気液二相流の高速旋回による過大な負圧作用に基づき水道水に溶解した気泡が析出する、所謂キャビテーションが生じて、このキャビテーション気泡が気液二相流の乱流作用（せん断作用）により崩壊することで、マイクロバブルが発生する。その結果、マイクロバブル含有液体としてのマイクロバブル含有水が生成される。

特に本実施形態では、複数の貫通孔５０が内側筒部３４の周壁部において軸方向他方の側（筒状流路４２を流れる流体の下流側）に貫設されていることにより、貫通孔５０を通じて内側筒部３４内に流入される旋回流は、下流側から上流側に流動して、気液混合ノズル１４の底部３２の流量調整孔５６から内側筒部３４内に吐出される空気（気泡）と効率良く接触する。それによって、気泡にせん断作用が効果的に及ぼされ、マイクロバブルの発生効率が向上される。

さらに、本シャワーヘッド１０には、給気通路５２と連通されて、内側筒部３４の外方に開口する流量調整孔５６が設けられていることから、例えば、内側筒部３４内の負圧作用により吸引される空気の過剰な吸引を抑えて、かかる吸引による内側筒部３４内の過大な正圧状態を防止したり、反対に内側筒部３４内への空気の供給量を確保して、供給不足を解消したりすることも出来る。これにより、内側筒部３４においてマイクロバブルの生成に好適な負圧状態が確保されつつ、空気が自吸される結果、マイクロバブルが効率良く発生する。

また、上記マイクロバブル含有水は、旋回流により内側筒部３４からヘッド部２２の内孔３０に向けて吐出されることとなるが、特に内側筒部３４の軸方向中間部分よりも小径の縮径開口部５８を通じて吐出されることによって、吐出圧力が大きくなる。また、マイクロバブル含有水が内側筒部３４の軸方向中間部分から急に縮径された縮径開口部５８に導かれて高圧化された後に、縮径開口部５８よりも大径の内孔３０に放出されて急に減圧されることを利用して、マイクロバブル含有水に圧壊作用を及ぼすことも可能と考えられる。その結果、マイクロバブル含有水において微細なマイクロバブルの高密度化が図られる。

そこにおいて、筒状流路４２を流れる水道水において内側筒部３４に流れ込む以外の水道水は、筒状流路４２の案内部４４に導き入れられる。ここで、水道水は、案内部４４のテーパ作用により加圧されると共に、右回りに傾斜した複数の第二羽根板４８の配設により、更なる加圧に加え、案内部４４（内側筒部３４）の中心軸に対して右回りに旋回する旋回流を生じる。即ち、この加圧水は、気液混合ノズル１４から吐出された左回りに旋回するマイクロバブル含有水の旋回方向と逆向きに旋回しつつ、案内部４４から吐出されて、ヘッド部２２の内孔３０においてマイクロバブル含有水と衝突する。

これにより、マイクロバブル含有水に乱流作用（せん断作用）が大きく及ぼされることから、マイクロバブル含有水中で複数のマイクロバブルが合一又は合体していた場合等にも、合一した複数のマイクロバブルの分離化、若しくは複数のマイクロバブルが合体した気泡のせん断による微細化が図られる。

それ故、本実施形態のシャワーヘッド１０によれば、微細なマイクロバブルを高密度に含む温水又は冷水が、整流板２５及び散水板２７を介して吐出開口部２６から吐出されて、優れた温熱効果やマッサージ効果等が得られるのである。

また、本実施形態では、ハウジング部材１２の外側筒部２０と気液混合ノズル１４の内側筒部３４との径方向間に筒状流路４２が形成され、筒状流路４２を流れる水道水を利用して、気液混合ノズル１４の内側でマイクロバブル含有水が生成されると共に、気液混合ノズル１４から吐出したマイクロバブル含有水に乱流作用が及ぼされることから、軸方向寸法を抑えたコンパクトな構造で、微細なマイクロバブルが高密度に発生するシャワーヘッド１０が得られる。

なお、上述の説明からも明らかなように、筒状を呈し、内側に気体（空気）と液体（水道水）とをそれぞれ導入して気液二相流を混合形成する気液混合手段は、貫通孔５０や給気通路５２を備えた気液混合ノズル１４により構成されている。

また、気液二相流にマイクロバブルを生じさせてマイクロバブル含有水を生成し、気液混合ノズルから吐出させるマイクロバブル生成手段は、（イ）気液混合ノズル１４の内側筒部３４に対して径方向に所定距離を隔てて外挿されて、内側筒部３４の周壁部との径方向間を軸方向一方から他方に向かって水道水が流れる筒状流路４２とするハウジング部材１２の外側筒部２０と、（ロ）内側筒部３４の周壁部に貫設されて、筒状流路４２を流れる水道水を内側筒部３４の内側に導入することで、かかる内側の気液二相流に内側筒部３４の中心軸回りの旋回流を生じさせる複数の貫通孔５０と、（ハ）内側筒部３４に供給される空気量を調整することで、内側筒部３４おいてマイクロバブルの生成に最適な空気量に調整可能な流量調整孔５６と、（二）内側筒部３４からマイクロバブル含有水を吐出させる際に加圧する、内側筒部３４の軸方向他方の開口部としての縮径開口部５８とを含んで構成されている。

さらに、気液混合ノズル１４から吐出されたマイクロバブル含有水に対して加圧した水道水を衝突させる衝突手段は、筒状流路４２において縮径開口部５８の外周側に位置する軸方向他方の側に設けられたテーパ筒状の案内部４４により構成される。

以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、これら実施形態における具体的な記載によって、本発明は、何等限定されるものでなく、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様で実施可能である。また、そのような実施態様が本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは言うまでもない。

例えば、前記実施形態において、マイクロバブル生成手段が、筒状流路４２を形成する外側筒部２０や内側筒部３４に貫設される貫通孔５０、内側筒部３４に供給される空気量を調整する流量調整孔５６、内側筒部３４のマイクロバブル含有水の吐出開口部分で圧壊作用を及ぼす縮径開口部５８などを含んで構成されていたが、これら各部位に代えて或いは加えて、内側筒部の内側に配設して気液二相流を攪拌する図示しない羽根板や、液体に気体を加圧溶解した後に減圧する公知の加圧溶解装置などでマイクロバブル生成手段を構成することも可能である。

つまり、マイクロバブル生成手段は要求されるマイクロバブルの大きさや量、製造コスト等に応じて適宜に選択されるものであり、上述の外側筒部２０や貫通孔５０、流量調整孔５６、縮径開口部５８などは必須の構成要件でない。

また、前記実施形態では、本発明のマイクロバブル発生装置をシャワーヘッド１０に適用した具体例が示されていたが、例えば、図示しない浴槽や水槽に設置されてマイクロバブル含有水を吐出するノズルや、河川に設置されて河川を曝気する曝気装置などに適用したり、或いは、図４に示されるようなマイクロバブル含有水を吐出する水道栓６０に適用しても良い。

この水道栓６０は、前記実施形態のシャワーヘッド１０において気液混合ノズル１４を形状や大きさが異なる気液混合ノズル１４´に変えたり、吐出開口部２６を、散水板２７等を備えた水道水吐出用の吐出開口部２６´に変えたりしただけであり、シャワーヘッド１０と略同様な構成とされている。即ち、水道栓６０とシャワーヘッド１０を、一部の部品を変更するだけで、相互に変更可能なシリーズものとして製造販売することが可能である。

特に、気液混合ノズル１４´の変更に基づき、案内部４４における内側筒部３４と外側筒部２０との離隔距離（幅寸法）が筒状流路４２の軸方向中間部分における内側筒部３４と外側筒部２０との離隔距離（幅寸法）に比して小さくされたり、縮径開口部５８の径寸法が変更されたりすることから、例えば、水道の水質や吐出圧力等の条件同一のもと、マイクロバブル含有水におけるマイクロバブルの密度や大きさ等を設定変更することが可能となる。或いは、水道の水質や吐出圧力等が異なる条件下で、上述の如く気液混合ノズル１４´や縮径開口部５８を変更して、マイクロバブルの密度や大きさ等を一定に保持することも可能となる。なお、水道栓６０において前記実施形態と同一の構造とされた部材及び部位については、前記実施形態と同一の符号を付することにより、それらの詳細な説明を省略する。

また、前記実施形態の貫通孔５０は内側筒部３４の周方向にだけ傾斜されていたが、かかる周方向に加え、内側筒部３４の軸方向等に傾斜されても良い。

１０…シャワーヘッド、１２…ハウジング部材、１４…気液混合ノズル、２０…外側筒部、３４…内側筒部、４２…筒状流路、４４…案内部、５０…貫通孔、５２…給気通路、５６…流量調整孔、５８…縮径開口部

Claims (7)

1. 気体と液体とを混合して気液二相流を形成する気液混合手段と、
   前記気液二相流にマイクロバブルを発生させてマイクロバブル含有液体を生成し、該マイクロバブル含有液体を前記気液混合手段から外部に吐出させるマイクロバブル生成手段と、
   該マイクロバブル生成手段により前記気液混合手段から外部に吐出された前記マイクロバブル含有液体に対して加圧液体を衝突させる衝突手段と、
   を備え、
   前記気液混合手段は、筒状を呈し、内側に前記気体と前記液体とをそれぞれ導入して前記気液二相流を混合形成する内筒部材により構成され、
   前記マイクロバブル生成手段は、
   前記内筒部材よりも大きな筒状を呈し、該内筒部材に対して径方向に所定距離を隔てて外挿されて、該内筒部材の周壁部との径方向間を軸方向一方から他方に向かって液体が流れる筒状流路とする外筒部材と、
   前記内筒部材の周壁部において周方向に傾斜する方向に貫設されて、前記筒状流路を流れる液体を該内筒部材の内側に導入することで、かかる内側の前記気液二相流に該内筒部材の中心軸回りの旋回流を生じさせる貫通孔と、
   を含んで構成されて、この旋回流に伴い前記気液二相流に前記マイクロバブルを発生させて前記マイクロバブル含有液体が生成され、前記内筒部材の軸方向他方の開口部から外部に吐出されるようになっており、
   更に前記衝突手段は、前記筒状流路において前記内筒部材の外周面と前記外筒部材の内周面とが軸方向一方から他方に向かって縮径されるテーパ筒状を呈し、該筒状流路を流れる液体を軸方向一方から他方に加圧させつつ該内筒部材における軸方向他方の開口部の外方に案内する案内部により構成されたことを特徴とするマイクロバブル発生装置。
2. 前記筒状流路には、羽根板が周方向に離隔して複数設けられることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバブル発生装置。
3. 前記羽根板は前記筒状流路の前記案内部に設けられ、該筒状流路の軸方向及び周方向に対して傾斜して延びることを特徴とする請求項２に記載のマイクロバブル発生装置。
4. 前記羽根板の前記案内部において周方向に傾斜する方向と前記貫通孔の前記内筒部材の周壁部において周方向に傾斜する方向とが、互いに逆向きとされることを特徴とする請求項３に記載のマイクロバブル発生装置。
5. 前記内筒部材の内側に前記気体を供給する給気通路が、前記外筒部材から前記内筒部材を貫通して形成される一方、
   前記内筒部材には、前記外筒部材の内側に開口すると共に前記給気通路と連通され、該給気通路を通じて該内筒部材の内側に導入される前記気体の流量を調整する流量調整孔が設けられることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のマイクロバブル発生装置。
6. 前記内筒部材において前記マイクロバブル含有液体が吐出される軸方向他方の開口部の内径は、該内筒部材の軸方向中間部分の内径よりも小さくされることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のマイクロバブル発生装置。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載のマイクロバブル発生装置を採用したことを特徴とするシャワーヘッド。

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