JP5731650B2 - 気泡発生機構及び気泡発生機構付シャワーヘッド - Google Patents

Description

本発明は、気泡発生機構、特にマイクロバブルやナノバブルなどの微細気泡の発生に好適な機構と、それを用いたシャワーヘッドに関するものである。

水中に形成される気泡は、そのサイズによりミリバブルあるいはマイクロバブル（さらには、マイクロ・ナノバブルおよびナノバブル等）に分類されている。ミリバブルはある程度の巨大な気泡であり、水中を急速に上昇して最終的には水面で破裂して消滅する。これに対して、直径が５０μｍ以下の気泡は、微細であるが故に水中での滞在時間が長く、気体の溶解能力にも優れているため水中においてさらに縮小していき、ついには水中で消滅（完全溶解）する特殊な性質を有し、これをマイクロバブルと称することが一般化しつつある（非特許文献１）。本明細書において「微細気泡」とは、上記マイクロバブルのほか、さらに径の小さいマイクロ・ナノバブル（直径１０ｎｍ以上１μｍ未満）およびナノバブル（直径１０ｎｍ未満）を総称する概念を指すものとする。

近年、こうした微細気泡が多くの用途に応用され、特に、浴室等で使用するシャワー装置に関しては気泡発生機構を組み込んだものが種々提案されている（特許文献１〜５）。これら特許文献に開示されたシャワー装置に組み込まれている気泡発生機構は、シャワー水流を噴出するヘッド部分に旋回流発生翼体を組み込み、該翼体が形成する渦流に翼体軸部に形成された細孔から負圧吸引される外気を巻き込んで気液混合する方式（特許文献１：二相流旋回方式と称される）、シャワー本体（ヘッド部分から延出する把手の部分）内にベンチュリ管などの絞り機構を組み込み、水が該絞り機構を高流速化して通過する際にベルヌーイの原理に由来して生ずる減圧効果により、水に溶解していた空気を微細気泡として析出させるキャビテーション方式（特許文献２〜５）に大別される。

特開２００８−２２９５１６号公報 特開２００８− ７３４３２号公報 特開２００７−２０９５０９号公報 特開２００７− ５０３４１号公報 特開２００６−１１６５１８号公報 インターネットホームページ（http://unit.aist.go.jp/emtech-ri/26env-fluid/takahashi.pdf#search='マイクロバブルおよびナノバブルに関する研究'）

しかし、上記従来のシャワー装置では、いずれのタイプのものも気泡の微細化度がまだまだ不十分であり、水中での滞留時間が長いマイクロバブルの発生量、特に粒径１μｍ未満のマイクロ・ナノバブル領域の気泡発生量が十分でない問題があった。また、特許文献１に代表される二相流旋回方式のものはシャワーヘッド内に旋回流発生翼を組み込まねばならず機構が複雑となる問題がある。さらに、入浴用等の一般用途に使用される水道水圧力では、吸引する外気を十分細径化するのに十分な回転速度が得られず、マイクロバブル領域以下の微細気泡の発生効率が悪い欠点がある。

他方、キャビテーション方式を採用する特許文献２〜４のシャワー装置はベンチュリ管やオリフィスなどの周囲の閉じた絞り孔が１か所設けられているのみであり、その絞り孔位置では他に流路部分が存在しない構造になっている。このため、絞り孔通過時の流体抵抗が上昇して期待されるほど流速が増加せず、また絞り孔内では孔内壁面からのラジアル方向の背圧も受けやすいので、キャビテーション（減圧）効果が不十分となり、気泡析出量が不足しやすい難点がある。

本発明の課題は、複雑な気液混合機構を用いずとも十分な量の気泡を発生でき、ひいてはマイクロバブル領域あるいはマイクロ・ナノバブル領域の気泡の発生量を、従来達成し得なかったレベルにまで高めることができる気泡発生機構と、それを用いたシャワーヘッドを提供することにある。

課題を解決する手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明の気泡発生機構は、
液体流入側となる流入端と液体流出側となる流出端とが定められた部材本体に対し、流入端に開口する流入口と流出端に開口する流出口とをつなぐ貫通形態に形成され液体流通方向の途中位置に流路断面積減少部を形成するための衝突部が配置された衝突部付流路が複数形成され、
部材本体の流入端に供給された気体溶解液体を複数の衝突部付流路に分配して各流路断面積減少部を増速しつつ通過させ、その減圧効果により溶解した気体を析出させて気泡含有液体となし、各衝突部付流路からの気泡含有液体を部材本体の流出端にて集約するようにしたことを特徴とする。

このような構造の気泡発生機構に例えば水流を供給すると、複数形された衝突部付流路に分配された水流は、それぞれ流路断面積減少部にて絞られ流速が増加する。その結果、ベルヌーイの原理に従い流路断面積減少部（及びその下流側）に負圧域が形成され、そのキャビテーション（減圧）効果により水流中の溶存気体（例えば空気）が析出して気泡が発生する。

水中の気泡は固体粒子と異なり、相互衝突しても気泡の合体が生じやすく、例えば特許文献１のような旋回流発生翼が形成するマクロな渦流では、気泡の相互衝突確率は増大しても微小気泡への粉砕自体は進みにくい傾向にある。他方、絞り機構を１つのみ設けた機構では絞り部の通過抵抗が大きいため、断面縮小にみあった流速の増加効果ひいては負圧発生効果に乏しく、流量の減少も著しくなるため、キャビテーションによる気泡析出量が少なくなり、微細気泡を十分に形成することができなかった。

しかし、本発明の気泡発生機構によると、流路断面積減少部を有した衝突部付流路を複数形成し、気体溶解液体を複数の衝突部付流路に分配して各流路断面積減少部を増速しつつ通過させるようにしたので、個々の衝突部付流路にて流体抵抗が過度に増加せず、流路断面積減少部が単一の場合と比較して流速の増加効果ひいては負圧発生効果を大幅に増すことができる。これにより、各流路の流路断面積減少部（ないし及びその下流）でのキャビテーション（減圧）効果が大幅に高められ、例えば、溶存空気濃度が同じ水流であってもより多量の気泡を析出させることができる。

次に、本発明の気泡発生機構には、気体溶解液体を部材本体の流入端側に供給する液体供給管路と、気泡含有液体を部材本体の流出端側にて集約・回収する液体回収管路とを設けることができる。これら液体供給管路及び液体回収管路は、部材本体に対する接続開口が、流入端に各々開口する衝突部付流路の複数の流入口と、同じく流出端に各々開口する衝突部付流路の複数の流入口とをそれぞれ包含する形態にて設けられる。各衝突部付流路よりも大面積の接続開口を有した液体供給管路により気体溶解液体を一括供給し、また、同様の液体回収管路により気泡含有液体を一括回収することで部材本体前後での管路抵抗が減じられ、各流路断面積減少部での流速をより高めることができ、ひいては気泡析出量をより増加することができる。

複数の衝突部付流路は部材本体に対し、各流路の流れ方向と平行に設定された仮想軸線周りに等角度間隔に形成することが、個々の衝突部付流路に気体溶解液体を均一に供給でき、機構通過時の流れ損失も小さくできるので望ましい。特に上記液体供給管路の開口中心を通り、個々の衝突部付流路と平行な軸線を上記仮想軸線として、その仮想軸線と直交する断面に部材本体を切断したとき、該仮想軸線に関し各衝突部付流路の断面中心までの距離が互いに等しくなるように配置すれば、個々の衝突部付流路の通過流速（および流量）をより均一化することができる。

部材本体は外周面を円筒面状に形成することにより、管部材の内側に同軸的に装着できる。この場合、該管部材の部材本体の流入端よりも上流側に位置する部分が液体供給管路を、同じく流出端よりも下流側に位置する部分が液体回収管路を形成することとなる。このようにすると、単一の管部材にて液体供給管路と液体回収管路とを一括形成できるので部品点数の削減を図ることができる。この場合、部材本体の外周面と管部材の内周面との間に、それら外周面と内周面との間を液密にシールするリング状のシール部材を配置し、部材本体外周面側に漏洩する流れを阻止するように構成することが望ましい。

また、部材本体は、流入端側と流出端側との各端面が外周面の軸線と直交する平坦面とされた円柱状部材として形成すれば、製造も容易であり、管部材への装着も簡単なので好都合である。この場合は、複数の衝突部付流路を部材本体に対し、該部材本体の外周面をなす円筒面の中心軸線（前述の仮想軸線に相当する）と各々平行となるように、該中心軸線周りに等角度間隔に形成すると、個々の衝突部付流路の通過流速（および流量）を均一化することができる。

次に、衝突部付流路の流入口側には、該流入口に向けて拡径するテーパ状の流入側絞り部を形成できる。これにより、流路断面積減少部での流速をさらに増加でき、気泡発生効果を高めることができる。また、衝突部付流路の流出口側に、該流出口に向けて拡径するテーパ状の流出側絞り部を形成することもできる。これにより、流路断面積減少部を通過した流れを低損失にて減速しつつ部材本体の流出端側に受け渡すことでき、ひいては気泡発生機構からの気泡含有液体の流出効率を高めることができる。該構成においては、衝突部付流路の流入側絞り部と流出側絞り部との間に流路断面積が一定の断面一定部を形成し、衝突部を該断面一定部に配置しておけば、流入側絞り部により増速された流れを断面一定部にて安定化させつつ、衝突部ひいては流路断面積減少部に導けるので、気泡をより安定して発生させることができる。

次に、衝突部は流路の内周面から突出する形態に設けることができ、その突出方向に関する両側にて、衝突部の外周面と流路の内周面との間に迂回流路部（流路断面積減少部の少なくとも一部を形成する）を形成できる。これにより、迂回流路部を通過した流れが衝突部の下流で渦流ないし乱流を発生させ、発生した気泡を該渦流ないし乱流に巻き込んでこれを微細化する効果が高められる。

流路が円状の軸断面を有するように形成される場合、衝突部を該軸断面の直径に沿って突出形成しておけば、衝突部の両側に幾何学的に等価な形で迂回流路部が形成され、ひいては衝突部両側を通過する流れが対称化されて、流れの損失を生じにくくすることができ、また、各迂回流路部の通過流速も高めることができる。一方、流路を楕円状の軸断面を有するものとして形成することもできる。この場合、衝突部を該軸断面の長軸方向に沿って突出形成しておくとよい。これにより、迂回流路部での流れ絞り効果が向上し、通過流速をさらに高めることができる。

衝突部の外周面には、周方向の絞りリブを衝突部の突出方向に沿って複数巻形成することができる。このようにすると、衝突部の外周面接線方向に流れ込む気体溶解液体が、絞りリブ間の溝部（あるいは谷状部）内にて絞られることによりさらに増速し、減圧効果が高められる。他方、谷開口側の流れは相対的に低速となり、特に谷底側の高速流に対して圧力は高くなる。その結果、谷開口側の液体の気体飽和溶解量が増加し、谷底側の飽和溶解量が減少する形となって溶解液体が谷底側に流れ、気泡を極めて活発に析出させることができる。衝突部の外周面のうち、衝突部正面上流方向から見て迂回流路部に面する側方領域は、衝突部を迂回する遠心力の影響により流速が大となり、この位置にて谷状部内の負圧発生レベルも最大化しするので気泡析出が特に著しくなる。

谷状部は谷低に向かうほど幅が縮小する形状とすれば、谷状部内での流れ絞り効果ひいては気泡析出効果を高める上で望ましい。この場合、谷状部内の複数の絞りリブは頂部を鋭角としつつ互いに隣接して形成するのが好適である。また、絞りリブの頂角は、上記効果を適正化する観点において６０°以下２０°以上に設定するのがよい。

複数巻の絞りリブは、らせん状に一体形成することができる。このようにすると、絞りリブの形成が容易になるほか、流れに対し絞りリブが傾斜することで、絞りリブの稜線部を横切る流れ成分が増加し、流れ剥離に伴う乱流発生効果が著しくなるので、気泡のさらなる微細化を図ることができる。この場合、衝突部は、脚部末端側が流路内に突出するように、部材本体の外周面から該流路に向けてねじ込まれたねじ部材にて形成しておくと、該ねじ部材の脚部の外周面に形成されるねじ山を絞りリブとして利用でき、製造が容易である。

衝突部は流路の軸断面を貫通横断するように形成できる。これにより、両側の迂回流路部に流れを均一に分配でき、特に絞りリブを設けた場合の気泡発生効果を高めることができる。脚部末端側が流路内に突出するように、部材本体の外周面から該流路に向けてねじ込まれたねじ部材として衝突部を構成する場合、該ねじ部材の脚部の先端に円錐部を形成するとともに、脚部の外周面にて該円錐部の基端位置までねじ山を刻設しておくとよい。そして、該構成において、ねじ部材のねじ込み開始側と反対に位置する流路壁部に該円錐部を埋め込むように構成すると、流路軸断面を貫通横断する衝突部には、円錐部埋め込み側にて壁部ぎりぎりの位置にまで絞りリブ（ねじ山）を配置でき、流路軸断面内の絞りリブの形成個数が増加するので、気泡析出効果をさらに高めることができる。

一方、衝突部は、先端面が流路の内周面と対向する形で絞りギャップを形成するように配置することもできる。これにより、液体流は絞りギャップにて絞られるので流速がさらに増加し、気泡析出効果がより高められる。

複数の衝突部付流路は、流路断面積が互いに等しくなるように形成できる。このようにすると（特に、部材本体の中心軸線に関し各衝突部付流路の断面中心までの距離が互いに等しくなるように配置したとき）、各衝突部付流路内の流れの等価性を高めることができる。このとき、衝突部付流路のいずれよりも流路断面積が小さい調整流路を、流入端に開口する流入口と流出端に開口する流出口とをつなぐ貫通形態に形成しておくとよい。このような調整流路の断面積（あるいは形成位置や形成個数）を、部材本体の流入端に供給する液体の圧力に応じて調整することにより、個々の衝突部付流路内の流量及び流速を容易に調整でき、ひいては液体供給圧に応じた気泡発生効率の最適化を容易に図ることができる。

特に、複数の衝突部付流路が部材本体に対し、各流路の流れ方向と平行に設定された仮想軸線周りに等角度間隔に形成されている場合は、調整流路をその仮想軸線に沿って形成することが望ましい。この構成では、部材本体の流入端にて最も流速が高くなる流路中心位置に対応して調整流路が形成されるので、調整流路に逃がす流れ量の調整マージンを大きくとることができる。その結果、衝突部付流路内の流体圧力を調整流路の内径変更により過不足なく調整でき、ひいては衝突部付流路内の流量を過度に減少させることなく、流れ抵抗の要因となる背圧発生も抑制できるので、気泡発生効率の最適化がさらに容易となる。例えば、部材本体を、流入端側と流出端側との各端面が外周面の軸線と直交する平坦面とされた円柱状部材として形成し、複数の衝突部付流路が部材本体に対し、該部材本体の外周面をなす円筒面の、仮想軸線をなす中心軸線と各々平行となるように該中心軸線周りに等角度間隔に形成する場合は、調整流路を上記中心軸線に沿って形成すればよい。

なお、上記調整流路に対しても、液体流通方向の途中位置に流路断面積減少部を形成するための衝突部を配置することができる。特に調整流路内の流速が比較的大きい場合は、衝突部の配置により調整流路内でも気泡発生を促進することができる。この場合の衝突部は、脚部末端側が流路内に突出するように部材本体の外周面から該流路に向け、該流路内の流れ方向にて衝突部付流路側のねじ部材と干渉しない位置にねじ込まれた補助ねじ部材により形成すれば、調整流路の衝突部形成をより容易に実現できる。

最後に、本発明は、上記本発明の気泡発生機構を用いたシャワーヘッドも提供する。具体的には、該シャワーヘッドは、
液体流入側となる流入端と液体流出側となる流出端とが定められた部材本体に対し、流入端に開口する流入口と流出端に開口する流出口とをつなぐ貫通形態に形成され液体流通方向の途中位置に流路断面積減少部を形成するための衝突部が配置された衝突部付流路が複数形成され、
部材本体の流入端に供給された気体溶解液体を複数の衝突部付流路に分配して各流路断面積減少部を増速しつつ通過させ、その減圧効果により溶解した気体を析出させて気泡含有液体となし、各衝突部付流路からの気泡含有液体を部材本体の流出端にて集約するようにした気泡発生機構と、
気泡発生機構の部材本体の流入端に対し水流を供給する水流供給部と、
部材本体の流出端にて集約された気泡含有液体をシャワー水流として噴射する水流噴射部と、を備えたことを特徴とする。

上記本発明のシャワーヘッドによれば、本発明の気泡発生機構が組み込まれることにより、溶存空気濃度が同じ水流であっても、より多量の気泡を含有したシャワー水流を容易に形成することができる。また、溶存空気が減圧析出により気泡化するので、バルク水の溶解酸素濃度（あるいは、水道水等の場合、溶解塩素濃度）が減じられ、シャワー水流に接触する肌や髪に対する酸素（あるいは塩素）の影響を効果的に低減できる。

本発明の気泡発生機構付シャワー装置の一例を示す側面断面図及び正面図。 図１の気泡発生機構付シャワー装置に組み込まれた気泡発生エンジンの説明図。 図２の気泡発生エンジンの衝突部付流路の要部を拡大して示す断面図。 絞りリブの作用説明図（その１）。 絞りリブの作用説明図（その２）。 衝突部の作用説明図。 ねじ部材を用いた衝突部の、迂回流路部内での流れ解析結果を画像化した図。 衝突部の直上流側直径方向の圧力分布解析結果を示す図。 衝突部の第一変形例を示す図。 衝突部の第二変形例を示す図。 衝突部の第三変形例を示す図。 衝突部の第四変形例を示す図。 衝突部を設ける流路を楕円状に形成した例を示す図。 部材本体に対する衝突部付流路の形成形態の第一変形例を示す正面図。 部材本体に対する衝突部付流路の形成形態の第二変形例を示す正面図。 部材本体に対する衝突部付流路の形成形態の第三変形例を示す正面図。 部材本体に対する衝突部付流路の形成形態の第四変形例を示す正面図。 本発明の気泡発生機構の別利用形態を示す模式図。

以下、本発明を実施するための形態を添付の図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る気泡発生機構付シャワー装置（以下、単に「シャワー装置」ともいう）１００の外観をその内部構造断面とともに示すものである。シャワー装置１００は、握り手部１０１と、その先端に一体化された水流噴射部１０２とを有するシャワー本体１００Ｍと、該シャワー本体１００Ｍの内部に組み込まれた気泡発生エンジン（気泡発生機構）１とを有する。握り手部１０１とシャワー本体１００Ｍとは一体のプラスチック成型品として構成されている。

この実施形態では、気泡発生エンジン１は筒状の握り手部１０１の内部に収容されている。具体的には、円柱形の気泡発生エンジン１が握り手部１０１の後端側開口から同軸的に挿入され、その前端面外周縁が握り手部１０１の内周面前端側に形成された段差部１０１ａに当て止めされている。また、気泡発生エンジン１の外周面と握り手部１０１の内周面との間はシールリング８により封止されている。

握り手部１０１の後端部にはねじ部１０４ｃが形成され、これにホース接続部１０３がシールリング１０４を介して螺合結合されている。そして、ホース接続部１０３に形成されたねじ部１０３ｔに対し、図示しないシャワーホースが螺合取り付けされ、該シャワーホースを介して握り手部１０１の内部に水流が供給される。この実施形態では、握り手部１０１の内部に浄水カートリッジ１０５が組み込まれている。

該浄水カートリッジ１０５は、例えば周知の塩素除去剤を配合したセラミック成形物であり、ホース接続部１０３を取り外すことにより、握り手部１０１の内部に対し後端側開口から軸線方向に着脱できるようになっている。本実施形態では、浄水カートリッジ１０５は中心軸線に沿って水流通孔１０５ｈが形成された筒状部材であり、ガタつき防止用の部材として前端面に第一カートリッジホルダ１０６が、後端面に第二カートリッジホルダ１０４ｃがそれぞれ着脱可能に嵌着され、第二カートリッジホルダ１０６を介して気泡発生エンジン１の後端面外周縁に当て止め保持されている。ホース接続部１０３からの水流は、第二カートリッジホルダ１０４ｃを介して浄水カートリッジ１０５の水流通孔１０５ｈに供給され、ここで塩素を除去されつつ第一カートリッジホルダ１０６を経て気泡発生エンジン１の後端面（液体流入側となる流入端）に供給される。

握り手部１０１の内周面は、段差部１０１ａにより固定された気泡発生エンジン１の前端面よりも前方に位置する部分がテーパ状の絞り部１０１ｂとされており、気泡発生エンジン１を通過した水流は該絞り部１０１ｂにて増速されつつ、握り手部１０１の先端側に連通形態で一体化されたシャワー本体１０１Ｍに供給され、散水板１０９を有する水流噴射部１０２よりシャワー水流として噴射される。

シャワー本体１００Ｍは、握り手部１０１に一体化された円盤状の背面本体１０７と、該背面本体１０８に対し円盤状の背面本体１０７の軸線周りに回転操作可能に取り付けられた回転本体１０８とからなる。背面本体１０７の内面には回転ガイド壁１１２が立設され、その内側には円板状の水流制御枠１１３が回転可能に配置されている。具体的には、水流制御枠１１３はシールリング１１５，１１６を介して回転本体１０８と一体化されており、その裏面外周に沿って立設された裏面ガイド壁１１３ｂが、背面本体１０７側の回転ガイド壁１１２内にシールリング１１４を介して液密に嵌めこまれている。

回転本体１０８の半径方向内側には散水板１０９が一体化されており、該散水板１０９の裏面には散水調整板１１０が密着配置されている。該散水調整板１１０の裏面中央からは水流制御枠１１３を貫通する形で回転支持軸１１０ｓが突出しており、背面本体１０７の裏面から挿入されるボルト１１７により背面本体１０７の内面から突出する背面軸１０７ａと締結結合されている。回転支持軸１１０ｓの貫通孔周囲にて水流制御枠１１３の表裏には回転ガイドリブ１１３ｃ，１１３ｄが突設されており、水流制御枠１１３ひいては回転本体１０８の回転を許容した形にて、各々背面軸１０７ａ及び回転支持軸１１０ｓとの間がシールリング１２２，１２１により封止されている。

気泡発生エンジン１の通過水流は、絞り部１０１ｂを経てシャワー本体１００Ｍ内に入り込み、水流制御枠１１３を経て散水板１０９から噴射される。そして、回転本体１０８を回転操作することにより、散水板１０９と散水調整板１１０との回転角度位相が変化するとともに、その回転操作位置に応じ、散水板１０９側の水流孔と散水調整板１１０側の水流孔との重なり位置関係が変化し、シャワー噴射モードが切り替え可能となっている。その切り替え形態は種々選択が可能であるが、本実施形態では、散水板１０９の外側エリアＰＳＡの水流噴射孔と、同じく内側エリアＳＳＡの水流噴射孔との双方から水流噴射するモードと、内側エリアＳＳＡの水流噴射孔からのみ水流噴射するモードとの間での切り替えが可能とされている。

回転本体１０８内部の散水板１０９の内側エリアＳＳＡに対応する空間領域は外側エリアＰＳＡに対応する空間領域に対し、水流制御枠１１３側の第一区画壁１１３ａと、シールリング１２０を介して該第一区画壁１１３ａと係合する散水調整板１１０側の第二区画壁１１０ａとにより仕切られている。そして、内側エリアＳＳＡに対応する空間領域内部にて、回転支持軸１１０ｓには脈動流形成インペラ１１１が配置されており、該領域を通過する水流により回転して、内側エリアＳＳＡの散水孔からの噴射流にマッサージ用の脈動流を与えるようになっている。なお、水流制御枠１１３の裏面には、選択可能な各シャワー噴射モードの操作角度位相を規定する操作位置規定孔１１３ｈが開口形成されており、背面本体１０７側のスプリングケース１１２ａ内に収容された圧縮ばね１１９により付勢された形で鋼球１１８が係合しており、周知の操作クリック機構が形成されている。

図２は、気泡発生エンジン１を取り出して示す拡大図であり、左下が流入端（図１の握り手部１０１内にてホース接続部１０３に近い側の端面：これと反対側が流出端である）側の直視図であり、右上がＢ−Ｂ断面図、右下がＡ−Ａ断面図である。部材本体６には衝突部付流路４が複数形成されている。該衝突部付流路４はそれぞれ、流入端に開口する流入口２ｎと流出端に開口する流出口２ｘとをつなぐ貫通形態に形成され、液体流通方向の途中位置に流路断面積減少部を形成するための衝突部３が配置されている。この実施形態において衝突部付流路４の形成個数は４であり、いずれも部材本体６の中心軸線Ｏを見込む向きに衝突部３の突出方向が定められている。

シャワー装置に供給される水（温水）は空気が溶け込んだ気体溶解液体である。部材本体６の流入端に供給された気体溶解液体は複数の衝突部付流路４に分配され、衝突部３が形成する流路断面積減少部を増速しつつ通過する。そして、その減圧効果により、気体溶解液体中の溶解気体が気泡となって析出し、気泡含有液体となる。各衝突部付流路４からの気泡含有液体は部材本体６の流出端にて集約され、図１のシャワー本体１００Ｍからシャワー水流となって噴出される。

図１の構造からも明らかなごとく、握り手部１０１は、気体溶解液体を部材本体６の流入端側に供給する液体供給管路の役割をなし、噴射用絞り部１０１ｂは、気泡含有液体を部材本体６の流出端側にて集約・回収する液体回収管路の役割を果たしている。気泡発生エンジン１が握り手部１０１内に収容される構造になっていることから、握り手部１０１（液体供給管路）及び噴射用絞り部１０１ｂ（液体回収管路）は、部材本体６に対する接続開口が、流入端に各々開口する衝突部付流路４の複数の流入口２ｎと、同じく流出端に各々開口する衝突部付流路４の複数の流出口２ｘとをそれぞれ包含する形態になっていることも自明である。

次に、図２に示すごとく、複数の衝突部付流路４は部材本体６に対し、各流路２の流れ方向と平行に設定された仮想軸線Ｏの周りに等角度間隔に形成されている。図１において、握り手部１０１（液体供給管路）の開口中心を通り、個々の衝突部付流路４と平行な軸線が上記仮想軸線Ｏに相当する。図２に示すごとく、その仮想軸線Ｏと直交する断面により部材本体６を切断したとき、該仮想軸線Ｏに関し各衝突部付流路４は、その断面中心までの距離が互いに等しくなるように配置されている。

部材本体６は外周面が円筒面状に形成されており、握り手部（管部材）１０１の内側に同軸的に装着されている。より具体的には部材本体６は、流入端側と流出端側との各端面が外周面の軸線と直交する平坦面とされた円柱状部材として形成されている。そして、握り手部１０１の部材本体６の流入端よりも上流側に位置する部分が液体供給管路を、同じく流出端よりも下流側に位置する部分が液体回収管路（噴射用絞り部１０１ｂ）を形成している。図２に示すように、複数の衝突部付流路４は部材本体６に対し、該部材本体６の外周面をなす円筒面の中心軸線（仮想軸線Ｏ）と各々平行となるように、該中心軸線周りに等角度間隔に形成されている。前述のごとく、部材本体６の外周面と握り手部（管部材）１０１の内周面との間には、それら外周面と内周面との間を液密にシールするリング状のシール部材８が配置ざれ、部材本体６外周面側に漏洩する流れが阻止されるように構成されている。

次に、図２のＡ−Ａ断面図に示すごとく、衝突部付流路４の流入口２ｎ側には、該流入口２ｎに向けて拡径するテーパ状の流入側絞り部２ａが形成されている。また、衝突部付流路４の流出口２ｘ側に、該流出口２ｘに向けて拡径するテーパ状の流出側絞り部２ｂが形成されている。そして、衝突部付流路４の流入側絞り部２ａと流出側絞り部２ｂとの間には流路断面積が一定の断面一定部２ｃが形成され、衝突部３は該断面一定部２ｃに配置されている。

衝突部３は流路２の内周面から突出する形態に設けられ、その突出方向に関する両側にて、衝突部３の外周面と流路２の内周面との間に迂回流路部１２（流路断面積減少部の少なくとも一部を形成する）を形成している。これにより、迂回流路部１２を通過した各流れが衝突部３の下流で渦流ないし乱流を発生させ、発生した気泡を該渦流ないし乱流に巻き込んでこれを微細化する効果が高められている。

流路２は円状の軸断面を有しており、衝突部３は該軸断面の直径に沿って突出形成されている。つまり、衝突部３の両側には幾何学的に等価な形で迂回流路部１２が形成されている。これにより、衝突部３の両側を通過する流れが対称化されており、流れの損失を生じにくく、また、各迂回流路部１２の通過流速も高められている。

次に、図３は衝突部３を拡大して示すものである。衝突部３の外周面には、周方向の絞りリブ５ｒが衝突部３の突出方向に沿って複数巻形成されている。谷状部は谷低に向かうほど幅が縮小する形状となっている。また、複数の絞りリブ５ｒは頂部を鋭角としつつ互いに隣接して形成されている。該絞りリブ５ｒの頂角は、例えば６０°以下２０°以上に設定されている。

複数巻の絞りリブ５ｒは、らせん状に一体形成されている。より具体的には、衝突部３が、脚部末端側が流路２内に突出するように、部材本体６の外周面から該流路２に向けてねじ込まれたねじ部材５により形成されている。ねじ部材５の脚部の先端には円錐部５ｔが形成され、脚部の外周面にて該円錐部の基端位置までねじ山５ｒが刻設されている。そして、ねじ部材５のねじ込み開始側と反対に位置する流路壁部に該円錐部５ｔが埋め込まれており、結果として衝突部３は、流路２の軸断面を貫通横断するように形成されている。流路２の軸断面を貫通横断する衝突部３には、円錐部５ｔの埋め込み側にて壁部ぎりぎりの位置にまで絞りリブ（ねじ山）５ｒが配置され、流路２の軸断面内の絞りリブ５ｒの形成個数を増加させる工夫がなされている。

図２に戻り、複数の衝突部付流路４は、流路断面積が互いに等しくなるように形成されている。また、衝突部付流路４のいずれよりも流路断面積が小さい調整流路９が、流入端に開口する流入口９ｎと流出端に開口する流出口９ｘとをつなぐ貫通形態に形成されている。前述のごとく、複数の衝突部付流路４は部材本体６に対し、各流路２の流れ方向と平行に設定された仮想軸線Ｏ周りに等角度間隔に形成されているが、調整流路９は、その仮想軸線Ｏに沿って形成されている。具体的には、部材本体６は、流入端側と流出端側との各端面が外周面の中心軸線Ｏと直交する平坦面とされた円柱状部材として形成され（この実施形態では樹脂成型体である）、複数の衝突部付流路４が部材本体６に対し、該部材本体６の外周面をなす円筒面の、仮想軸線Ｏをなす中心軸線と各々平行となるように、該中心軸線Ｏ周りに等角度間隔に形成されている。そして、調整流路９は、上記中心軸線Ｏに沿って形成されている。

また、上記調整流路９に対しても、液体流通方向の途中位置に流路断面積減少部を形成するための衝突部１１が配置されている。衝突部１１は、脚部末端側が流路２内に突出するように部材本体６の外周面から該流路２に向け、該流路２内の流れ方向にて衝突部付流路４側のねじ部材５と干渉しない位置にねじ込まれた補助ねじ部材１０により形成されている。

以下、図１のシャワーヘッド１００の作用・効果について説明する。シャワーヘッド１００のホース接続部１０３にシャワーホース（不図示）を取り付け、該シャワーホースを介して水流を供給する。ホース接続部１０３からの水流は浄水カートリッジ１０５の水流通孔１０５ｈに供給され、ここで塩素を除去されつつ第一カートリッジホルダ１０６を経て気泡発生エンジン１を通過し、さらに絞り部１０１ｂを経てシャワー本体１０１Ｍに供給され、散水板１０９を有する水流噴射部１０２よりシャワー水流として噴射される。

気泡発生エンジン１においては、図２に示すごとく、複数形された衝突部付流路４に水流が分配され、それぞれ衝突部３が形成する流路断面積減少部にて絞られ流速が増加する。その結果、ベルヌーイの原理に従い流路断面積減少部（及びその下流側）に負圧域が形成され、そのキャビテーション（減圧）効果により水流中の溶存気体（例えば空気）が析出して気泡が発生する。このような衝突部付流路４を複数形成し、水流（気体溶解液体）をそれら衝突部付流路４に分配して各流路断面積減少部を増速しつつ通過させるようにしたので、個々の衝突部付流路４にて流体抵抗が過度に増加せず、流速の増加効果ひいては負圧発生効果を大幅に増すことができる。その結果、各流路２の流路断面積減少部（ないし及びその下流）でのキャビテーション（減圧）効果が大幅に高められ、溶存空気濃度が同じ水流であってもより多量の気泡を析出させることができる。

また、気泡発生エンジン１が握り手部１０１内に収容される構造になっていることから、握り手部１０１（液体供給管路）及び噴射用絞り部１０１ｂ（液体回収管路）は、部材本体６に対する接続開口が、流入端に各々開口する衝突部付流路４の複数の流入口２ｎと、同じく流出端に各々開口する衝突部付流路４の複数の流出口２ｘとをそれぞれ包含する形態になっている。つまり、各衝突部付流路４よりも大面積の接続開口を有した液体供給管路により水流（気体溶解液体）を気泡発生エンジン１に一括供給し、また、同様の液体回収管路１０１ｂにより気泡発生エンジン１からの気泡含有液体を一括回収することで部材本体６の前後での管路抵抗が減じられ、各流路断面積減少部での流速をより高めることができ、ひいては気泡析出量をより増加することが可能となっている。

また、各衝突部付流路４の流入口２ｎ側に流入側絞り部２ａを形成し、同じく流出口２ｘ側に流出側絞り部２ｂを形成しているので、衝突部３（路断面積減少部）での流速をさらに増加でき、また、これを通過した流れを低損失にて減速しつつ部材本体６の流出端側に受け渡すことでき、ひいては気泡発生エンジン１からの気泡含有液体の流出効率を高めることができる。さらに、流入側絞り部２ａと流出側絞り部２ｂとの間に断面一定部２ｃを形成し、衝突部３を該断面一定部２ｃに配置することで、流入側絞り部２ａにより増速された流れを断面一定部２ｃにて安定化させつつ、衝突部３ひいては流路断面積減少部に導くことができ、気泡をより安定して発生させることが可能となっている。

また、図６に示すように、衝突部３の突出方向に関する両側には、迂回流路部１２が形成されている。該迂回流路部１２は流路断面積減少部を形成し、その負圧により気泡を発生させる。また、該迂回流路部１２を通過した流れは衝突部３の下流で渦流ないし乱流を発生し、気泡は該渦流ないし乱流に巻き込まれてさらに微細化される。

また、図３に示すように、衝突部３の外周面には周方向の絞りリブ５ｒが衝突部３の突出方向に沿って複数巻形成されている。衝突部３の外周面接線方向に流れ込む気体溶解液体は、絞りリブ５ｒ間の溝部（あるいは谷状部）２１内にて絞られることによりさらに増速し、減圧効果が高められる。図４に示すように、谷開口側の流れは相対的に低速となり、特に谷底側の高速流に対して圧力は高くなる。つまり、谷開口側に低速の高圧域ＨＰＡが、谷低側に高速の低圧域ＬＰＡが形成され、谷開口側の液体の気体飽和溶解量が増加し、谷底側の飽和溶解量が減少する。その結果、水流中の溶存空気（溶解液体）ＳＧＦは、図５に示すように、谷開口側の低速流域ＬＦ（高圧域ＨＰＡ：図４）から谷低側の高速流域ＦＦ（低圧域ＬＰＡ：図４）に流れ、気泡ＭＢが極めて活発に析出する。また、図６に示すように、衝突部３の外周面のうち、衝突部３の正面上流方向から見て迂回流路部１２に面する側方領域ＳＰＡは、衝突部３を迂回する遠心力の影響により流速が大となり、この位置にて谷状部内の負圧発生レベルも最大化するので気泡析出が特に著しくなる。

また、図２に示すごとく、衝突部３をねじ部材５にて形成しており、複数巻の絞りリブ５ｒを、らせん状に一体形成している。ねじ山を絞りリブ５ｒとして簡易に利用できるほか、流れに対し絞りリブ５ｒが傾斜することで、絞りリブ５ｒの稜線部を横切る流れ成分が増加し、流れ剥離に伴う乱流発生効果が著しくなるので、気泡のさらなる微細化が図れる利点も生じている。

図７は、ねじ部材５を用いた衝突部３の、迂回流路部１２内での流れ解析結果を画像化したものである。谷底部で流れが顕著に絞られていることが明らかであり、上記の側方領域ＳＰＡ内では０．７ＭＰａを超える負圧が発生できることも確認できた。また、図８は、衝突部３の直上流側直径方向の圧力分布解析結果を示すものである。図６に示す側方領域ＳＰＡの谷底位置にて負圧レベルが０．７ＭＰａ前後の極小値をとっていることが明らかである。

また、図２に示すように部材本体６には、衝突部付流路４のいずれよりも流路断面積が小さい調整流路９が貫通形態に形成されている。調整流路９の断面積（あるいは形成位置や形成個数）を、部材本体６の流入端に供給する液体の圧力に応じて調整することにより、個々の衝突部付流路４内の流量及び流速を容易に調整でき、ひいては液体供給圧に応じた気泡発生効率の最適化を容易に図ることができる。この実施形態では、部材本体６の流入端において、流速が最も高くなる流路中心位置に対応して調整流路９が形成されており、調整流路９に逃がす流れ量の調整マージンも大きくとることができる。その結果、衝突部付流路４内の流体圧力を調整流路９の内径変更により過不足なく調整でき、ひいては各衝突部付流路４内の流量を過度に減少させることなく、流れ抵抗の要因となる背圧発生も抑制できるので、気泡発生効率の最適化がさらに容易となっている。また、上記調整流路９に対しても、液体流通方向の途中位置に流路断面積減少部を形成するための衝突部１１が配置されており、調整流路９内でも気泡発生が促進される。

上記のごとく、シャワーヘッド１００によれば、気泡発生エンジン１が組み込まれることにより、溶存空気濃度が同じ水流であっても、より多量の気泡を含有したシャワー水流を容易に形成することができる。また、溶存空気が減圧析出により気泡化するので、バルク水の溶解酸素濃度（あるいは、水道水等の場合、溶解塩素濃度）が減じられ、シャワー水流に接触する肌や髪に対する酸素（あるいは塩素）の影響を効果的に低減できる。

以下、本発明の気泡発生エンジンの種々の変形例について説明する。図９に示すように、図３において流路壁部に埋め込まれている衝突部３の円錐状の先端部（ねじ部材５の脚部の先端部）５ｔは、図９に示すように、壁部内面に接触させる構成とすることができる。これにより、先端部５ｔの外周面と壁部内面との間には、その接触点に向けて狭小化するくさび状断面の補助ギャップ１２ｇが形成されている。この補助ギャップ１２ｇは、通過水流に対して顕著な絞り効果を有し、高流速化による気泡析出がさらに促進され、気泡発生効率を向上させることができる。

さらに、図１０に示すように、衝突部３の先端面を、流路２の内周面と対向させる形で絞りギャップ１３を形成することもできる。これにより、絞りギャップ１３において高速の通過水流が発生し気泡発生効率を向上させることができる。図１０では、衝突部３の円錐状の先端部５ｔと壁部内面とを対向させていることから、その先端位置にてギャップ間隔が最小化し、その両側には、図９と同様の補助ギャップ１２ｇが形成される。

他方、図１１に示すように、衝突部３の先端面を平坦に形成すれば、図１１に示すように、衝突部３の先端面と壁部内面との間にはスリット状の絞りギャップ１３が形成される。このようなスリット状の絞りギャップ１３内では、衝突部３の先端面周縁に沿ってキャビテーションに有利なエッジが形成され、気泡発生効率の向上に寄与する。この際、衝突部３の先端面の、流れ方向と直交する直径両端縁は、壁部内面と接触していてもいなくてもいずれでもよい。さらに、図１２に示すように、衝突部３の先端部を凸曲面部５ｑとして形成することもできる。これにより、衝突部３の先端面と壁部内面との間に形成される絞りギャップ１３の間隔をより狭小化することができる。

図１３は、衝突部付流路４の流路２を楕円状の軸断面を有するものとして形成した例である。衝突部３は、該軸断面の長軸方向に沿って突出形成されている。これにより、迂回流路部１２での流れ絞り効果が向上し、通過流速をさらに高めることができる。

図２において、部材本体６に形成する衝突部付流路４の数は４個であったが、衝突部付流路４の形成個数はこれに限定されるものではない。図１４は、衝突部付流路４の数を６とした例であり、図１５は３とした例である。いずれも、部材本体６の中心軸線Ｏを見込む向きに衝突部３の突出方向が定められており、図２と同様に、該中心軸線Ｏに沿って調整流路９（調整用衝突部１１が随伴している）が形成されている。一方、図１６は衝突部付流路４の数を２とした例であり、調整流路９は省略されている。

また、図１７は、衝突部付流路４を、部材本体６の中心軸線の周囲に等角度間隔に複数配置するとともに、該中心軸線に沿う位置にさらにもう一つの衝突部付流路４を設けた例である。中心軸線に沿う流路２は、その周囲の衝突部付流路４の流路２と同一断面積であり、それよりも小断面積の複数の調整流路９を、該周囲の衝突部付流路４と互い違いに複数形成している。なお、各調整流路９には衝突部を設けていない。

なお、本発明の気泡発生機構はシャワー装置に限らず、種々の目的に活用することができる。図１８は、気泡発生エンジン１を用いた循環式気泡発生機構２００の模式図である。気泡発生エンジン１は水槽５４の壁部に組み込まれて水槽５４に対する水流噴出口となる一方、壁部の別の位置に水流取入口５３が形成され、配管５０，５２を介してポンプ５１により水槽内の水Ｗを気泡発生エンジン１
を介して循環させるようになっている。ポンプ５１によりにより圧送される水流は気泡発生エンジン１を通過する際に気泡ＭＢが析出し、気泡含有液体となって水槽５４内に放出される。なお、配管５０又は配管５２上に周知のエジェクタノズルを取り付け、該エジェクタノズルを介して外気を吸引取り込みしつつ、その吸引した気体を気泡発生エンジン１の通過時にさらに微粉砕して水槽５４内に放出するように構成することも可能である。

１ 気泡発生エンジン（気泡発生機構）
２ 流路
２ａ 流入側絞り部
２ｂ 流出側絞り部
２ｃ 断面一定部
３ 衝突部
４ 衝突部付流路
５ ねじ部材
６ 部材本体
９ 調整流路
１１ 調整側衝突部
１２ 迂回流路部
１００ シャワー装置

Claims (9)

1. 液体流入側となる流入端と液体流出側となる流出端とが定められた部材本体に対し、前記流入端に開口する流入口と前記流出端に開口する流出口とをつなぐ貫通形態に形成された流路における液体流通方向の途中位置に流路断面積減少部を形成するための衝突部が配置された衝突部付流路が複数形成され、
   前記衝突部は前記流路の内周面から突出する形態に設けられ、その突出方向に関する両側にて、前記衝突部の外周面と前記流路の内周面との間に迂回流路部が形成されてなり、
   前記部材本体の流入端に供給された気体溶解液体を複数の前記衝突部付流路に分配して各前記流路断面積減少部を増速しつつ通過させ、その減圧効果により溶解した気体を析出させて気泡含有液体となし、各前記衝突部付流路からの気泡含有液体を前記部材本体の前記流出端にて集約するようにしたことを特徴とする気泡発生機構。
2. 前記気体溶解液体を前記部材本体の前記流入端側に供給する液体供給管路と、前記気泡含有液体を前記部材本体の前記流出端側にて集約・回収する液体回収管路とを、前記部材本体に対する接続開口が、前記流入端に各々開口する前記衝突部付流路の複数の前記流入口と、同じく前記流出端に各々開口する前記衝突部付流路の複数の前記流入口とをそれぞれ包含する形態にて設けた請求項１記載の気泡発生機構。
3. 複数の前記衝突部付流路が前記部材本体に対し、各流路の流れ方向と平行に設定された仮想軸線周りに等角度間隔に形成されてなる請求項２記載の気泡発生機構。
4. 前記部材本体は外周面が円筒面状に形成されるとともに管部材の内側に同軸的に装着されてなり、当該管部材の前記部材本体の流入端よりも上流側に位置する部分が前記液体供給管路を、同じく流出端よりも下流側に位置する部分が前記液体回収管路を形成している請求項２又は請求項３に記載の気泡発生機構。
5. 前記衝突部の外周面には、複数巻の絞りリブがらせん状に一体形成されている請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の気泡発生機構。
6. 前記衝突部は、脚部末端側が前記流路内に突出するように前記部材本体の外周面から該流路に向けてねじ込まれたねじ部材にて形成され、該ねじ部材の前記脚部の外周面に形成されるねじ山が前記絞りリブを形成する請求項５記載の気泡発生機構。
7. 前記衝突部は前記流路の軸断面を貫通横断するように形成されてなる請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の気泡発生機構。
8. 前記衝突部は、脚部末端側が前記流路内に突出するように、前記部材本体の外周面から該流路に向けてねじ込まれたねじ部材であり、かつ前記脚部の先端は当該ねじ部材のねじ込み開始側と反対に位置する流路壁部に埋め込まれる円錐部を形成し、前記脚部の外周面には該円錐部の基端位置までねじ山が刻設されてなる請求項７記載の気泡発生機構。
9. 請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の気泡発生装置を備えた気泡発生機構付きシャワーヘッド。

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