JP5507303B2 - 流量調整装置が設けられた液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、流量調整装置およびその流量調整装置が設けられた液体吐出装置並びに流量調整装置の設計方法に関する。

給水源から供給される水を使用する場合、供給される水の給水流量を設定給水流量に調整することが要請されることが多い。例えば、節水等を目的として水の定流量化を図る場合、特許文献１で報告されている定流量弁を設置する方法や、止水栓を設置して調整する方法によることが一般的である。

しかしながら、前者の方法の場合、要求される流量調整機能を十分に発揮することができるものの、内部構造が複雑であり、組込スペースの確保が容易でなく低コスト化が難しい。後者の方法の場合、特に自動水栓において各水栓端末毎に調整が必要になるなどの手間を要する。

特開２００５−１６３８２３号公報

本発明は以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、構造が簡単で特別な調整を必要とせず容易に定流量化が図れる流量調整装置およびその流量調整装置が設けられた液体吐出装置並びに流量調整装置の設計方法を提供することを課題としている。

本発明は以下のことを特徴としている。

第１に、本発明は、流路を流れる液体の流量を設定流量に調整する流量調整装置であり、流路に設けられるベンチュリ管を備えている。前記ベンチュリ管のスロート部は、下記式を満足する流路断面積を有しており、ベンチュリ管を通過する液体が設定流量を超える場合にキャビテーションによる気泡の発生に伴う圧力損失によりその流量が抑えられ、設定流量に略定流量化される。

ここで、Ｓはスロート部の流路断面積、Ｖ、Ｐはそれぞれスロート部における所定の位置Ａ点の流速と圧力であり、Ｖ_１、Ｐ_１はそれぞれベンチュリ管よりも下流の流路の末端においてＡ点の流線上にあるＢ点の流速と圧力であり、Ｐ_１は大気圧である。ρは液体の密度であり、Ｑは設定流量である。

第２に、上記第１の発明において、ベンチュリ管のスロート部に開口する気体導入口を有する。

第３に、上記第１または第２の発明において、ベンチュリ管が流路方向に複数設けられている。

第４に、上記第１から第３のいずれかの発明において、液体が、水道水である。

第５に、本発明の液体吐出装置は、上記第１から第４のいずれかの発明である流量調整装置が流路の途中に設けられ、吐出口が流路の下流端に設けられている。

第６に、本発明は、流路を流れる液体の流量を設定流量に調整する流量調整装置の設計方法であり、気体が溶解した液体が流れる流路に設けるベンチュリ管のスロート部の流路断面積を、下記式を満足するように設計する。

ここで、Ｓはスロート部の流路断面積、Ｖ、Ｐはそれぞれスロート部における所定の位置Ａ点の流速と圧力であり、Ｖ_１、Ｐ_１はそれぞれベンチュリ管よりも下流の流路の末端においてＡ点の流線上にあるＢ点の流速と圧力であり、Ｐ_１は大気圧である。ρは液体の密度であり、Ｑは設定流量である。

第１の発明によれば、従来の定流量弁等に比べて構造が簡単であり、しかも特別な調整を必要とせず容易に定流量化が図れる。

第２の発明によれば、キャビテーションで発生する気泡に加えて、ベンチュリ管のスロート部に気体が導入されるので液体中の気泡量が増大する。これにより、圧力損失がますます増大してより効果的に定流量化が図れる。

第３の発明によれば、ベンチュリ管が流路方向に複数設けられており、それぞれのベンチュリ管において気泡の発生に伴う圧力損失による定流量化が段階的に行われるので、より確実に、またより効果的に定流量化が図れる。

第４の発明によれば、構造が簡単で特別な調整を必要とせず容易に水道水の定流量化が図れる。

第５の発明によれば、流路内の圧力変動にかかわらず流量が略一定に保たれた液体を吐出することができる。

第６の発明によれば、従来の定流量弁等に比べて構造が簡単であり、しかも特別な調整を必要とせず容易に定流量化が図れる流量調整装置を得ることができる。

流量調整装置を備えた液体吐出装置の一実施形態を示した概略説明図である。 気泡混入がない流体と気泡混入した流体の流路内における流体の圧力と流量の関係を示すグラフである。 液体吐出装置の別の実施形態を示した概略説明図である。 水の飽和蒸気圧線図である。 液体吐出装置のさらに別の実施形態を示した概略説明図である。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、流量調整装置を備えた液体吐出装置の一実施形態を示した概略説明図である。

一般的に流体の流路内に気泡が混入した場合、気泡が混入しない場合に比べて圧力損失が大きくなる。その傾向は気泡の量が多ければ多いほど、顕著になる。図２は、気泡混入がない流体と気泡混入流体の流路内における流体の圧力と流量の関係を示すグラフである。縦軸が圧力であり、横軸が流体の流量を示す。いずれの流体も流路内の圧力が増大するに従い流量も増大する。点線で囲まれる領域Ｘにおいては、圧力が増大してもその流量変化は気泡混入がない流体と比べて小さく、定流量になる傾向がある。これは、上記したとおり、気泡が混入すると圧力損失が大きくなっていることによる。本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、上記特性を利用して流量がある一定以上になった場合に液体に気泡を発生させ、また混入することにより定流量化を図っている。

図１の液体吐出装置は、流路３を形成する水道配管４の途中に流量調整装置を構成するベンチュリ管１が接続されており、流路３の下流端には吐出口２が設けられている。流路３の上流端は水道等の給水源に接続され、流路３に給水源から水道水が供給される。

ベンチュリ管１は、流路径が下流側に向かって縮小する先細部５と、この先細部５につながり下流側に向かって流路径が略一定なスロート部６と、このスロート部６につながり流路径が下流側に向かって徐々に拡大するテーパー状の末広部７とを有している。給水源から水道配管４に流れる水道水は、ベンチュリ管１の先細部５において流速が増加し、流路径が最も小さいスロート部６において流速が最大になり、静圧が最低になる。そして末広部７において水道水の流速が減少して静圧が回復する。

ここで、ベンチュリ管１のスロート部６の任意の位置をＡ点とし、ベンチュリ管１の末広部７よりも下流の流路３の末端にある水道配管４の水道水出口部分（吐出口２）においてＡ点と同一流線上にある位置をＢ点とする。Ａ点の圧力と流速をそれぞれＰ、Ｖとし、Ｂ点の圧力と流速をＰ_１とＶ_１とし、水道水の密度をρとすると、流体に粘性がなく定常流れであり非圧縮性であれば、下記式（ベルヌーイの定理）のような関係にある。なお、Ｂ点は大気に開放される部分であるため、Ｐ_１は大気圧である。

本実施形態にかかる流量調整装置は、設定流量を超える水道水がベンチュリ管１を通過する際、圧力損失が大きくなるようにし、これによって流量を抑えて設定流量に略定流量化している。圧力損失を大きくするためには、上記のとおり、気泡が混入した水道水とすることが必要である。そこで本実施形態では静圧が最も低いスロート部において、静圧がその水道水の温度の飽和蒸気圧以下になるようにし、水道水を沸騰させ（キャビテーション）、気泡を水道水中に発生させている。設定流量は、

と表すことができるので、上記式（１）、（２）と、下記式（３）、（４）

を満たすようなベンチュリ管のスロート部の流路断面積Ｓを設定すれば、ベンチュリ管１を通過する水道水が設定流量を超える場合、水道水を沸騰させて気泡を水道水中に発生させることができる。なお、水道水は一般的に空気が飽和状態で溶存しているため、水道水を沸騰させれば容易に気泡を水道水中に析出させることができる。したがって、本実施形態にかかるベンチュリ管は、そのスロート部の流路断面積Ｓが上記式を満足するように設定されている。

このように本実施形態の液体吐出装置は、構造が簡単で特別な調整を必要とせず容易に定流量化が図れる流量調整装置を備えており、優れた流量調整機能を有している。なお、流量調整装置は、そのスロート部の流路断面積が上記式で求めた流路断面積Ｓに厳密に限定されるものではなく多少異なっていても、同様に流量調整機能を有するものとなる。

図３は、液体吐出装置の別の実施形態を示した概略説明図である。なお、図１に示す液体吐出装置と同じ部分については同符号を付して説明を省略する。

図３の液体吐出装置では、流量調整装置を構成するベンチュリ管１のスロート部６に開口する気体導入口８を有しており、開口には配管９が接続され、配管９を通じて外部空間とスロート部６とが連通されている。スロート部６の静圧は上記したように飽和蒸気圧以下になるように設定されているので、同静圧は、図４に示す水の飽和蒸気圧線図から明らかなようにように大気圧より低くなっている。スロート部６の静圧が大気圧より低いと、気体導入口８から配管９を通じて外部空気が自然吸引される。

したがって、本実施形態では、キャビテーションにより発生する気泡に加えて外部空気から取り込まれた気泡が水道水中に混入されるので、水道水中の気泡量が増大する。これにより、圧力損失がますます増大してより効果的に水道水の定流量化を図ることができる。本実施形態では、エアポンプ等の動力を利用して外部空気を強制的に流路に送り込む必要はなく、水道水の流れを利用しているので安価である。また構造が簡単である。

図５は、液体吐出装置のさらに別の実施形態を示した概略説明図である。なお、図１、３に示す液体吐出装置と同じ部分については同符号を付して説明を省略する
図５の液体吐出装置では、図１の液体吐出装置における流量調整装置を構成するベンチュリ管１，１’が流路方向に複数設けられている。具体的には、水道配管４の上流側と下流側に２つベンチュリ管１，１’が接続されている。下流側のベンチュリ管１’は、上流側のベンチュリ管１と同様、先細部５’スロート部６’および末広部７’を有している。この実施形態では、それぞれのベンチュリ管１，１’でキャビテーションを発生させ、気泡を発生させるようにしている。圧力損失による流量の抑制が上流側のベンチュリ管１と下流側のベンチュリ管１’において段階的に行われるので、より確実に、またより効果的に水道水の定流量化を図ることができる。なお、各ベンチュリ管１，１’のスロート部６，６’の流路断面積Ｓ、Ｓ’は、図１の流量調整装置と同様に下記式を満足するように設定される。

ここで、Ｖ’、Ｐ’はそれぞれベンチュリ管１’のスロート部６’におけるＣ点の流速と圧力であり、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点はともに同一流線上に位置している。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変更が可能である。例えば、図５に示すように流量調整装置が複数設けられている場合、少なくとも1つのベンチュリ管のスロート部に開口する気体導入口を設けることもできる。また、流量調整装置や液体吐出装置は流量調整が必要な分野に幅広く用いられ、例えば、浄水器、給湯器、トイレシステム関連機器等に適用することができる。

１，１’ ベンチュリ管
２ 吐出口
３ 流路
６，６’ スロート部
８ 気体導入口

Claims (2)

1. 流路の上流端が水道に接続されて流路に水道水が供給され、流路の下流端には吐出口が設けられ、流路の途中には流路を流れる水道水の流量を設定流量に調整する流量調整装置が設けられている液体吐出装置であって、
   前記流量調整装置は、流路に設けられるベンチュリ管を備え、ベンチュリ管のスロート部は、スロート部の流路断面積をＳとし、スロート部における所定の位置Ａ点の流速と圧力をそれぞれＶ、Ｐとし、ベンチュリ管よりも下流の流路の末端においてＡ点の流線上にあるＢ点の流速と圧力をそれぞれＶ_１、Ｐ_１（＝大気圧）とし、液体の密度をρとし、設定流量をＱとした場合に、
   

   

   を満足する流路断面積Ｓを有しており、ベンチュリ管を通過する水道水が設定流量を超える場合にキャビテーションによる気泡の発生に伴う圧力損失によりその流量が抑えられて設定流量に略定流量化され、
   前記ベンチュリ管は、流路方向に複数設けられていることを特徴とする液体吐出装置。
2. 前記流量調整装置は、ベンチュリ管のスロート部に開口する気体導入口を有することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。

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