JP5812964B2 - 自励振動式流体噴出装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば浴槽中の湯に気泡流を導入するための浴槽用ノズルなど、自励振動を利用して流体を噴出する自励振動式流体噴出装置に関するものである。

従来、浴槽壁に設けられ浴槽内に噴流を噴出させる噴流ノズル（浴槽用ノズル）が用いられている。しかし、多くの噴流ノズルは噴流をまっすぐに噴出させるものであり、噴流が入浴者の体の一部に局所的に当たるため、噴流により受ける刺激が単調で飽きられ易かった。

一方、入浴者には一般的に、入浴によって精神的ストレスを軽減し、リラックスしたいという要求がある。つまり、噴出方向が短周期でめまぐるしく変化する噴流よりは、広角かつ長周期でゆったりと変化する噴流が好まれるという傾向がある。

これに対して、従来のジェットバス用のノズル装置では、ノズル本体がユニット噴流口カバー内に回転自在に収容されている。また、ノズル本体の噴流孔の噴流口は、ノズル本体の軸芯位置から偏心して配置されている。バスタブ内の水は、オリフィスを介してノズル本体の噴流孔内に所定圧力で噴射され、空気と混合されて気泡混合噴流となり、噴流孔の噴流口からバスタブ内にジェット噴流として噴射される。このとき、ノズル本体の噴流口が軸芯位置に対して偏心した位置に設けられているため、オリフィスからの噴流によってノズル本体が回転し、これによりジェット噴流の噴射方向が回転する回転噴流が得られる（例えば、特許文献１参照）。

一方、従来のエアシャワー装置は、エア流入口部と中空ダクト部と吹出口部とから構成されている。中空ダクト部は、中央部に穴を設けた中空形状であり、エア吹出方向に対して垂直方向に配置されている。吹出ノズルに流入したエアは、エア流入口に流入した後、中空ダクトと交わり、コアンダ効果により、吹出口の壁面に付着する。このとき、吹出口と中空ダクトの連結部にある段差部に渦が生じ圧力が低下する。また、この圧力変動により、ダクト内気流が生成される。このダクト内気流は、コアンダ効果により付着した壁面側の気流を、その壁面から離脱させ、向かい合う壁面に付着させる。このような作用を繰り返すことにより、吹出ノズルから吹き出される吹出気流の方向が交互に切り換えられる（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−８９９８号公報 特開２００４−１８３９６４号公報

特許文献１に示されたような従来のノズル装置では、ノズル本体を回転させることで回転噴流を生じさせる構成であるため、ノズル本体を回転自在に支持するための構造が複雑になり、安価に製造できない。また、回転摺動部分の磨耗やゴミ詰まりにより故障し易いという問題点があった。

一方、特許文献２に示されたような自励振動式の流体噴出装置を用いれば、本体内に駆動部分を設ける必要はなくなる。しかし、単なる気流の噴出ではなく、浴槽中の湯に気泡流を噴出させる場合、特許文献２に示された構成では、たとえ噴出ノズルのテーパ角を大きくしても、気泡流を広角かつ長周期で振動させることはできなかった。これは、気泡流の比重が周囲の水に比べて若干軽いため、ノズル出口側開口部周縁から内部に水流が侵入し、気泡流の内壁への付着現象が阻害されるためである。特に、長周期での自励振動発生を狙うとき、この阻害が顕著であるという問題点があった。具体的には、３０度以上の角度、０．５秒以上の周期で自励振動させようとすると不安定となり、振動が停止してしまうという問題点があった。
なお、このような技術課題は、発明者らが気泡流の自励振動に係る実験を繰り返し、気泡流の様子を緻密に観察することによって初めて発見した課題である。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡単な構成により、長周期で振動する噴流を、噴流よりも比重の大きい流体中に安定して噴出させることができる自励振動式流体噴出装置を得ることを目的とする。

この発明に係る自励振動式流体噴出装置は、筒状の流入口と、流入口に対向する筒状の噴出口と、流入口と噴出口との間に介在し、流入口から流入し噴出口へ向かう流体が横断する連結ダクトとを備え、連結ダクトを横断する流体により生じた圧力差により連結ダクト内の流体を駆動して噴出口から噴出する噴流の噴出方向を振動させ、噴出口の出口側端部の内面に、内面に沿う噴流を遮る突起部が設けられている。

この発明の自励振動式流体噴出装置は、噴出口の出口側端部の内面に、内面に沿う噴流を遮って、噴出口の外側から内部への流体の侵入を防ぐ突起部を設けたので、簡単な構成により、長周期で振動する噴流を、噴流よりも比重の大きい流体中に安定して噴出させることができる。

この発明の実施の形態１による浴槽用ノズルの設置状態を示す構成図である。 図１の浴槽用ノズルを示す斜視図である。 図２の浴槽用ノズルの縦断面図である。 図３の突起部を拡大して示す断面図である。 図４の突起部の第１の変形例を示す断面図である。 図４の突起部の第２の変形例を示す断面図である。 図４の突起部の第３の変形例を示す断面図である。 図４の突起部の第４の変形例を示す断面図である。 図４の突起部の第５の変形例を示す断面図である。 図４の突起部の第６の変形例を示す断面図である。 図２の連結ダクトの変形例を示す斜視図である。 図２の噴出口及び突起部の変形例を示す正面図である。 この発明の実施の形態２による浴槽用ノズルを示す斜視図である。 図１３の浴槽用ノズルの縦断面図である。 図１４の気泡流が上方へ移動した状態を示す縦断面図である。 図１５の気泡流がさらに上方へ移動した状態を示す縦断面図である。 図１３の噴出口と第１及び第２の弁とを示す正面図である。 図１３の噴出口と第１及び第２の弁とを示す縦断面図である。 図１７の第１の弁の幅を縮小した例を示す正面図である。 図１９の第１の弁の高さを第２の弁の高さよりも小さくした例を示す縦断面図である。 図１９の第１及び第２の弁の高さの和を噴出口の入口側開口の高さよりも大きくした例を示す縦断面図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による浴槽用ノズルの設置状態を示す構成図である。図において、浴槽１の壁部には、自励振動式流体噴出装置である浴槽用ノズル２が取り付けられている。また、浴槽１の壁部には、湯の引き込み口３が設けられている。

引き込み口３と浴槽用ノズル２との間には、配管４が接続されている。配管４の途中には、湯を循環させるための循環ポンプ５と、空気を吸引するためのエゼクタ６とが設けられている。

浴槽１内の湯は、引き込み口３から配管４内に引き込まれ、循環ポンプ５により駆動される。また、湯の駆動力によってエゼクタ６で空気が湯内に引き込まれ、配管４内の湯が気泡流（噴流）となる。この気泡流は、浴槽用ノズル２から浴槽１内の湯中に噴出される。

図２は図１の浴槽用ノズル２を示す斜視図、図３は図２の浴槽用ノズル２の縦断面図である。浴槽用ノズル２は、断面矩形の筒状の流入口１１と、流入口１１に対向する断面矩形の筒状の噴出口１２と、流入口１１と噴出口１２との間に介在している連結ダクト１３とを有している。

連結ダクト１３は、中心部に矩形の孔（開口）１３ａが設けられた矩形の平板状であり、かつ中空構造となっている。これにより、連結ダクト１３内の孔１３ａの周囲には、環状の流路が形成されている。流入口１１及び噴出口１２は、流入口１１から流入し噴出口１２へ向かう流体が連結ダクト１３内の流路の一部を横断するように配置されている。

噴出口１２は、連結ダクト１３側の端部から出口側端部へ向けて断面積が緩やかに連続して拡大されるようなテーパ状となっている。また、ここでは、流入口１１からの気泡流がコアンダ効果により噴出口１２の内壁に沿って流れ易いように、噴出口１２の連結ダクト１３側の開口面積が流入口１１の連結ダクト１３側の開口面積よりも大きくなっているが、同じ開口面積でも構わない。

噴出口１２の出口側端部の内面には、断面半円状（蒲鉾形断面）の突起部（厚肉部）１２ａが設けられている。この例では、突起部１２ａは、噴出口１２の内面の全周に渡って連続して設けられている。

ここで、浴槽用ノズル２の諸元の一例を以下に示す。流入口１１の開口部は、２．５ｃｍ×５ｃｍ、厚みは１ｃｍである。噴出口１２の入口側開口部は２．６ｃｍ×５ｃｍ、出口側開口部は３ｃｍ×６ｃｍ、突き出し長さは２ｃｍである。連結ダクト１３は、１０ｃｍ×１０ｃｍの矩形（孔１３ａは２．５ｃｍ×５ｃｍ）で、厚みは１ｃｍである。また、気泡流の流量は０．５Ｌ／分〜２０Ｌ／分、水圧は、０．０５ＭＰａ〜０．３ＭＰａ程度に設定すればよい。

次に、浴槽用ノズル２の作用について説明する。気泡流１５ａは、流入口１１に流入した後、連結ダクト１３と交わり、コアンダ効果により噴出口１２の内壁に沿って流れる（５ｂ）。この際、連結ダクト１３内の内壁下側に近い段差部付近（点Ｂ）に渦が生じ、圧力が低下する。一方、反対側の内壁に近い点Ａ付近の圧力は点Ｂのそれよりも高いため、連結ダクト１３内に点Ａから点Ｂへ向かう流れ５ｃが生じる。

これにより、点Ａ及び点Ｂ間の圧力差は徐々に小さくなり、やがてゼロとなる。しかし、連結ダクト１３内の流れ５ｃは慣性により流れ続けるため、ついには点Ａ及び点Ｂの圧力が逆転する。即ち、コアンダ効果により噴出口１２の下側の壁面に沿って流れていた気泡流１５ｂが剥がされ、上側の壁面に沿って流れるようになる。以上を繰り返すことにより、気泡噴出流の自励振動が実現される。

ここで、実施の形態１の浴槽用ノズル２の噴出口１２の出口側端部には、内面に沿う噴流を遮る突起部１２ａが設けられているため、噴出口１２の外側から内部へ侵入しようとする水流を防ぐことができ、気泡流を広角かつ長周期で、具体的には３０度以上の角度、０．５秒以上の周期で自励振動できる。従って、簡単な構成により、長周期で振動する気泡流を、気泡流よりも比重の大きい流体中に安定して噴出させることができる。
なお、突起部１２ａは出口側端部から内側にずれると、噴流の広がりが妨げられることから好ましくないが、数ｍｍ程度のずれであればその影響は小さいため許容することができる。従って、上記の出口側端部は端部から数ｍｍ程度のずれを含んだ位置を指している。

このように、浴槽用ノズル２の作用により気泡流が広角かつ長周期で自励振動するので、入浴者７に対して気泡流がまんべんなくゆったりと当たり、入浴者７（図１）は大きな快適感を得ることができる。

なお、突起部１２ａの最大厚は、０．１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下が好適であり、特に１ｍｍ以上、５ｍｍ以下がさらに好適である。なお、気泡流の振動周期を大きくするためには、流速を下げるか、連結ダクト１３の体積を大きくすればよいことが知られている。

また、突起部１２ａは、その上流側に隣接する噴出口１２の内面に対してなだらかに盛り上がっていることが望ましい。具体的には、図４に示すように、突起部１２ａの上流側の縁に引いた接線と突起部１２ａの上流側に隣接する噴出口１２の内面との成す角度θが、１００度以上であることが望ましい。これにより、気泡流１５ｂが噴出口１２の内面に沿ってほぼ平行に流れて外部に噴出され、しかも外部から噴出口１２に侵入しようとする水流１５ｄを抑止することができる。

ここで、図５〜図１０は図４の突起部１２ａの変形例（第１〜６の変形例）を示す断面図である。図５の突起部１２ｂの断面形状は、突起部１２ａの頂点を噴出口１２の出口側へずらした形状である。図６の突起部１２ｃの断面形状は、２つ以上（この例では３つ）の円弧を組み合わせた雲形である。図７の突起部１２ｄの断面形状は、突起部１２ａの内部を中空とした形状である。図８の突起部１２ｅは、噴出口１２の厚みを変えず噴出口１２の出口側端部に曲げ加工を施したものである。

これらの突起部１２ｂ〜１２ｅは、上流側に隣接する噴出口１２の内面に対してなだらかに盛り上がっているため（θ≧１００度）、気泡流１５ｂが噴出口１２の内面に沿ってほぼ平行に流れて外部に噴出され、しかも外部から噴出口１２に侵入しようとする水流１５ｄを抑止することができる。

これに対して、図９に示す突起部１２ｆ及び図１０に示す突起部１２ｇは、噴出口１２の内面に対して急峻に突起しているため、気泡流１５ｂの一部が突起部１２ｆ，１２ｇに衝突し、逆流することになる。このため、気泡流１５ｂのベクトルが乱れ、浴槽１への気泡流１５ｂの噴出が弱まってしまう。

なお、連結ダクト１３及び孔１３ａの正面形状（外形）は矩形に限定されるものではなく、例えば図１１に示すように、連結ダクト１３及び孔１３ａの正面形状を、それぞれ矩形の四隅を円弧状とした形状（略円形）としてもよい。
また、連結ダクト１３の正面形状を矩形としつつ、孔１３ａの正面形状を略円形としたり、逆に、連結ダクト１３の正面形状を略円形としつつ、孔１３ａの正面形状を矩形としたりしてもよい。

さらに、噴出口１２の断面形状も矩形に限定されるものではない。例えば、図１２に示す変形例では、気泡流がはり付く上面及び下面が平板状であり、噴出口１２の幅方向両端部の断面形状が円弧状となっている。
さらにまた、図１２に示すように、気泡流がはり付く上面及び下面のみに突起部１２ａを設けてもよい。
このように、連結ダクト１３及び孔１３ａの正面形状、噴出口１２の形状、突起部１２ａの範囲等を変更しても、実施の形態１とほぼ同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
次に、図１３はこの発明の実施の形態２による浴槽用ノズル２を示す斜視図、図１４は図１３の浴槽用ノズル２の縦断面図である。実施の形態２では、噴出口１２の入口側端部に、流体の噴出方向に応じて噴出口１２の入口側開口を部分的に開閉する第１及び第２の弁１４ａ，１４ｂが設けられている。第１の弁１４ａは、噴出口１２と連結ダクト１３との接続部の周縁上側に設けられている。第２の弁１４ｂは、噴出口１２と連結ダクト１３との接続部の周縁下側に設けられている。

また、第１及び第２の弁１４ａ，１４ｂは、噴出口１２の入口側開口を部分的に閉じる閉位置と、流体の噴出方向へ倒れて入口側開口を部分的に開く開位置との間で変位可能となっている。図１４では、第１の弁１４ａが閉位置に、第２の弁１４ｂが開位置にそれぞれ位置している。さらに、第１及び第２の弁１４ａ，１４ｂは、閉位置から連結ダクト１３側へは倒れないようになっている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

図１４に示すように、気泡流１５ｂが噴出口１２の下側の内面に沿って流れているとき、第２の弁１４ｂは、気泡流１５ｂの力によって噴出口１２の下側の内面にはり付けられる。このとき、第１の弁１４ａは、連結ダクト１３内を流れる流束１５ｃに沿おうとするので、閉位置に移動されている。このため、噴出口１２の入口側開口は、上半分が閉じられた状態となる。

この状態から、流束１５ｃの流れにより、気泡流１５ｂが上方向への移動を開始すると、第２の弁１４ｂは、気泡流１５ｂに沿おうとするので、図１５に示すように、噴出口１２の下側の内面から剥がされ、立ち上がり始める。同様に、第１の弁１４ａも気泡流１５ｂにひきずられるため、噴出口１２の下流側へ倒れ始める。このとき、第１の弁１４ａは、噴出口１２の外側から内部へ侵入しようとする水流をブロックする形になるため、気泡流１５ｂの移動が妨害されにくい。

この後、気泡流１５ｂが噴出口１２の上側の内面に沿って流れるようになると、第１の弁１４ａは、図１６に示すように、噴出口１２の上側の内面にはり付けられる。また、第２の弁１４ｂは、閉位置に移動され、噴出口１２の入口側開口の下半分が閉じられた状態となる。以上を繰り返すことにより、外部から噴出口１２内への水の侵入をより確実に防止し、広角かつ長周期の気泡流の自励振動を実現することができる。

ここで、図１７は図１３の噴出口１２と第１及び第２の弁１４ａ，１４ｂとを示す正面図である。第１及び第２の弁１４ａ，１４ｂの幅Ｗ１は、噴出口１２の入口側開口の幅Ｗ２の１／２以上、Ｗ２以下とするのが望ましい。Ｗ１がＷ２の１／２よりも小さいと、噴出口１２の外側から内部へ侵入しようとする水流をブロックする効果が低減する。

また、図１８は図１３の噴出口１２と第１及び第２の弁１４ａ，１４ｂとを示す縦断面図であり、第１及び第２の弁１４ａ，１４ｂの両方が閉位置にある状態を示している。噴出口１２の入口側開口の高さをＤ２、第１の弁１４ａの高さをＤа、第２の弁１４ｂの高さをＤｂとすると、Ｄа＋ＤｂをＤ２の１／２以上とするのが望ましい。Ｄа＋ＤｂがＤ２の１／２よりも小さいと、噴出口１２の外側から内部へ侵入しようとする水流をブロックする効果が低減する。

なお、第１及び第２の弁１４ａ，１４ｂの幅は、例えば図１９に示すように、互いに異なっていてもよい。
また、第１及び第２の弁１４ａ，１４ｂの高さＤａ，Ｄｂは、例えば図２０に示すように、互いに異なっていてもよい。
さらに、第１及び第２の弁１４ａ，１４ｂの高さの和Ｄа＋Ｄｂは、例えば図２１に示すように、噴出口１２の入口側開口の高さＤ２よりも大きくてもよい。但し、Ｄа、Ｄｂそれぞれは、Ｄ２以下とする必要がある。

さらにまた、第１及び第２の弁１４ａ，１４ｂにばねを接続し、自律的に閉位置に戻るようにしてもよく、より一層安定した気泡流の自励振動を実現できる。
また、実施の形態２では、突起部１２ａと弁１４ａ，１４ｂとを組み合わせて用いたが、突起部１２ａを設けず、弁１４ａ，１４ｂのみを用いてもよい。
さらに、第１及び第２の弁１４ａ，１４ｂを幅方向に複数に分割し、３つ以上の弁を用いてもよい。
さらにまた、第１及び第２の弁１４ａ，１４ｂのいずれか一方を省略してもよい。

また、実施の形態２における突起部１２ａの断面形状も、例えば図５〜図８のように変更可能である。
さらに、噴出口１２のテーパ方向は、気泡流を振動させる方向、例えば図２においては上下方向に拡大させるが、水平方向にも拡大させてよい。
さらにまた、実施の形態１、２では、気泡流１５ａの片側のみに連結ダクト１３内の流路が形成されているが、気泡流１５ａの両側に連結ダクト内の流路が形成されるように連結ダクトを構成してもよい。

また、実施の形態１、２では、浴槽１内の湯を、配管４を介して循環させる例を示したが、配管４の途中に熱交換器を設け、湯の追い焚きが行えるようにしてもよい。
さらに、浴槽用ノズル２と湯の引き込み口３とを一体化した部品（浴槽アダプタ）を用いてもよい。さらに、エゼクタ６をこれに一体化させることも可能である。
さらにまた、実施の形態１、２では、エゼクタ６により気泡流を発生させる例を示したが、気泡流の発生方法はこれに限るものではなく、空気を湯中に加圧溶解させた後減圧して気泡を発生させる方法、又は気液混合槽を設けてこの槽内に空気をバブリングする方法等でもよい。また、発泡性の入浴剤を浴槽１に投入して、気泡を発生させてもよい。
よって気体の種類も空気に限られるものではなく、酸素、二酸化炭素、又はこれらの含有成分を高めた空気でもよい。

また、図１では、気泡流１５ｂの噴出方向が上下に振動する例を示したが、浴槽用ノズル２の取り付け方向を９０度変えれば、左右に振動させることもできる。
さらに、実施の形態１、２では、気泡流を浴槽１内の湯中へ噴出する浴槽用ノズル２について説明したが、この発明の自励振動式流体噴出装置の用途は浴槽用ノズル２に限定されるものではなく、噴出する流体の比重が外側の媒体の比重よりも軽い場合に同様の効果を奏する。具体的には、気体そのものを液中へ噴出する場合などである。

２ 浴槽用ノズル（自励振動式流体噴出装置）、１１ 流入口、１２ 噴出口、１２ａ〜１２ｅ 突起部、１３ 噴出口、１４ａ 第１の弁、１４ｂ 第２の弁。

Claims (4)

1. 筒状の流入口と、前記流入口に対向する筒状の噴出口と、前記流入口と前記噴出口との間に介在し、前記流入口から流入し前記噴出口へ向かう流体が横断する連結ダクトとを備え、
   前記連結ダクトを横断する流体により生じた圧力差により前記連結ダクト内の流体を駆動して前記噴出口から噴出する噴流の噴出方向を振動させる自励振動式流体噴出装置において、
   前記噴出口の出口側端部の内面に、前記内面に沿う前記噴流を遮る突起部が設けられていることを特徴とする自励振動式流体噴出装置。
2. 前記突起部の断面形状が半円状であることを特徴とする請求項１記載の自励振動式流体噴出装置。
3. 筒状の流入口と、前記流入口に対向する筒状の噴出口と、前記流入口と前記噴出口との間に介在し、前記流入口から流入し前記噴出口へ向かう流体が横断する連結ダクトとを備え、
   前記連結ダクトを横断する流体により生じた圧力差により前記連結ダクト内の流体を駆動し、この駆動によって発生した前記連結ダクト内の流体の流れによって前記噴出口から噴出する噴流の噴出方向を振動させる自励振動式流体噴出装置において、
   前記噴出口の入口側端部には、前記噴出口の入口側開口を部分的に閉じる閉位置と、流体の噴出方向へ倒れて前記入口側開口を部分的に開く開位置との間で変位可能な弁が設けられていることを特徴とする自励振動式流体噴出装置。
4. 前記弁は、前記噴流の噴出方向に応じて前記入口側開口を部分的に開閉する第１及び第２の弁を含むことを特徴とする請求項３記載の自励振動式流体噴出装置。

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