JP5839015B2 - 微細気泡発生装置及び風呂給湯装置 - Google Patents

Description

この発明は、微細気泡発生装置及び、この微細気泡発生装置を備えた風呂給湯装置に関するものである。

従来の微細気泡発生装置においては、導入空気量調整弁が設けられており、この調整弁は、吸気用管路と、吸気用管路内に配置された球体を有している。この球体が吸気用管路内で移動することで、空気を流入させたり、空気の流入を止めたりし、微細気泡発生装置に流入する水量に応じて導入空気量を最適に調整できる。つまり、湯の流量が多い場合に微小気泡の数を多くし、湯の流量が少ない場合には微小気泡の数を少なくするようにしている。（例えば、特許文献１参照）

特開２０１０−１６２１４９号公報

従来の微細気泡発生装置では、導入空気量調整弁を設けているが、微細気泡発生装置に流入する空気が、旋回流がもつせん断力を超えて流入すると、旋回流が持つせん断力が吸気量に追いつかなくなり、生成する気泡の径は大きくなってしまう。その結果、気泡の浮上速度が上昇し、帯電性を有する性質を持たない気泡が配管内で合泡してしまうことで、浴槽に放出する微細気泡量が低下するので、目標径の気泡を発生するためには、微細気泡発生装置に流入する水の流速の範囲が限定されるという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、流路に流れる水の流速に応じて空気流入量を連続的に増加し、一定の水の流速以上では、空気流入量の増加率を抑制することで、目標径の気泡を発生するための水の流速の範囲を広げることが可能になる微細気泡発生装置及びこの装置を備える風呂給湯装置を得るものである。

この発明に係る微細気泡発生装置においては、液体が流れる流路と、前記流路に連通し、前記流路外から前記流路内に気体を取り込む気体導入部と、前記流路の前記気体導入部より下流に配置され、前記気体により気泡を発生させる気泡生成部と、前記気体導入部に設けられ、気体の流入量を制御する開閉弁であって、前記気体導入部を塞ぐとともに前記気体導入部に前記気体の流入する開口を形成する弁体、前記弁体と接触し前記開口の開度を調整する第１の弾性部および第２の弾性部を有し、前記液体の流速が第１の流速の場合、前記弁体は前記第１の弾性部と接触し前記第２の弾性部と接触せず、前記液体の流速が前記第１の流速より速い第２の流速の場合、前記弁体は前記第１の弾性部および前記第２の弾性部の両方と接触し前記開口の開度を抑制する気体流入量制御部とを備えたものである。

この発明は、水の流速による一定の負圧以下では、負圧に対して空気流入量を連続的に増加し、一定の負圧以上では、負圧に対して空気流入量の増加率を抑制するので、微細気泡の発生を水の流速に応じて連続的かつ安定的に制御し、目標径の微細気泡を発生する水の流速の範囲を従来より広げることが可能になる。

この発明の実施の形態１に係る風呂給湯機システムの構成図である。 この発明の実施の形態１に係る操作部の構成図である。 この発明の実施の形態１に係る微細気泡発生装置の断面図である。 この発明の実施の形態１を示す図３のＡ−Ａ部における旋回翼部の斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る気体流入量制御部において、空気流入量と生成する気泡のピーク径の相関図である。 この発明の実施の形態１に係る気体流入量制御部による空気流入が無い場合の断面図である。 この発明の実施の形態１に係る気体流入量制御部の上面図である。 この発明の実施の形態１に係る気体流入量制御部の下面図である。 この発明の実施の形態１に係る気体流入量制御部における水の流速と空気流入量の相関図である。 この発明の実施の形態１に係る図９のＰ点までの水の流速における気体流入量制御部の断面図である。 この発明の実施の形態１に係る図９のＰ点以上の水の流速における気体流入量制御部の断面図である。 この発明の実施の形態２に係る気体流入量制御部による空気流入が無い場合の断面図である。 この発明の実施の形態２に係る図９のＰ点までの水の流速における気体流入量制御部の断面図である。 この発明の実施の形態２に係る図９のＰ点以上の水の流速における気体流入量制御部の断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について説明する。
先ず、微細気泡発生装置１を搭載した風呂給湯装置システムについて、図１及び図２を用いて説明する。

図１は、微細気泡発生装置１を搭載した風呂給湯装置システムであり、図２は、操作部２７の構成図を示すものである。

図１において、浴槽１５へ湯水を供給するため、貯湯タンク１６の上部からの配管は、電磁弁２５ａ、給湯用の配管１８、逆止弁２６、追炊き用熱交換器１９、浴槽１５の順に接続されている。給湯時には、電磁弁２５ａが開き電磁弁２５ｂが閉じた後に、風呂循環熱源ポンプ２３が動作することで、貯湯タンク１６から浴槽１５へ湯水が供給される。
尚、微細気泡発生装置１、貯湯タンク１６、追炊き用熱交換器１９、追い焚き用循環ポンプ２２、風呂循環熱源ポンプ２３、ヒートポンプユニット２４等は、ケース５０に内包されて風呂給湯装置本体となっている。

浴槽１５と追い焚き用熱交換器１９の間は、往き管２０と戻り管２１を経由して湯水を循環する循環流路になっている。矢印ａは、浴槽１５内の湯水を循環する時の流れ方向を示すものである。
往き管２０の上流には、追い焚き用熱交換器１９が接続され、追い焚き用熱交換器１９から浴槽１５へ向かって、追い焚き用循環ポンプ２２、微細気泡発生装置１、浴槽１５が接続される。 戻り管２１の下流には、追い焚き用熱交換器１９が、上流には浴槽１５が接続される。 また、湯水循環用の配管１７上には、電磁弁２５ｂと、追い焚き用熱交換器１９と、風呂循環熱源ポンプ２３が接続されている。また、貯湯タンク１６はヒートポンプユニット２４と接続されており、ヒートポンプユニット２４の動作によって貯湯タンク１６内の水を加熱する。

次に、操作部２７について説明する。
図１及び図２において、操作部２７は、操作状態を表示する表示部２８、微細気泡を発生させる気泡発生ボタン２９、追い焚きボタン３０、給湯ボタン３１を備えている。
また、図示はしないが、操作部２７は入浴者が設定したモードに対応して、電磁弁２５ａ、電磁弁２５ｂ、電磁弁２５ｃ、追い焚き用循環ポンプ２２、風呂循環熱源ポンプ２３を制御するための制御部を備えている。

次に、浴槽１５内の湯水を加熱する動作について記述する。
操作部２７内の追い焚きボタン３０を押下すると、往き管２０上に配置された追い焚き用循環ポンプ２２と、風呂循環熱源ポンプ２３が作動し、電磁弁２５ａが閉まり、電磁弁２５ｂが開くことにより、浴槽１５に接続された戻り管２１からの冷めたお湯と、貯湯タンク１６内の高温の湯水が循環し、追い焚き用熱交換器１９を通過する時に、湯水循環用の配管１７を通過して供給される高温の湯水により、戻り管２１内の冷めたお湯が温められて、往き管２０を通って、浴槽１５内に温かいお湯が供給される。
このとき、給湯用の配管１８に接続されている逆止弁２６により、電磁弁２５ａ方向への湯水の進入を防いでいる。

次に微細気泡の特性について説明する。
微細気泡発生装置１で発生する微細気泡３２のうち、直径が０．１μｍ〜１０μｍの直径を持つ気泡の性質として、気泡体積の縮小による浮上速度の低下、気泡表面における帯電性を有するという特異的な性質を持つことが知られている。これらの中心径をもつ気泡は、浮上速度が遅いため生成後の配管内でも滞留し続け、かつ、帯電性を有するため、他気泡との合泡を抑制することが可能になる。

これらの微細気泡を放出した浴槽に入浴することで、温浴効果、保湿効果が発現されることが知られており、入浴の快適性を向上することができる。

次に、ベンチュリー式の微細気泡発生装置１の構成及び動作について、図３及び図４を用いて説明する。
図３は微細気泡発生装置１の断面図であり、図４は図３のＡ−Ａ部における旋回翼部２の斜視図である。
図３において、微細気泡発生装置１は湯水が流通する流路に設置されるもので、上流から順に旋回翼部２、縮径部３、気体導入部４、及び気泡生成部５を備えている。
入浴時に、操作部２７内の気泡発生ボタン２９を押下すると、微細気泡発生装置１に接続された電磁弁２５ｃを開放し、追い焚き用循環ポンプ２２を動作させることで、浴槽１５内に微細気泡を大量に供給し、微細気泡濃度を増大化することができる。

図３及び図４において、旋回翼部２は水流に旋回力を付加する翼６と、この翼６を固定する円管７を備える。各翼６の水の上流部は、矢印ｂが示す方向に流れる水流と水平方向に配置され、各翼６は、円管７の内壁に接続される箇所から、微細気泡発生装置１の軸線方向に向けて、捩れ状に対向させて形成した一対の円弧形状の構造である。なお、矢印ｃは、水流の旋回流が回転する方向を示している。

微細気泡発生装置１において、流入する水の流速が速くなる、すなわち単位時間当たりの水の流量が多くなると、ベルヌーイの定理より縮径部３と気体導入部４との間に生まれる負圧が大きくなり、単位時間当たりの空気流入量が多くなる。逆に、流入する水の流速が小さいと形成される負圧が小さくなることにより、気体導入部４から流入する空気流入量は少なくなる。

一般的にベンチュリー式の微細気泡発生装置においては、水の流路にくびれ部を設け、このくびれ部分で水の流速が上がり、大気圧に対して負圧が形成されることで、外気を吸気することになる。このくびれ部に相当する箇所が、縮径部３になる。
縮径部３は、旋回翼部２で発生した旋回流の径を縮小し、旋回流を高速化するもので、旋回翼部２の流出端の同軸上に接続され、この流出端から円錐状に縮径している。気体導入部４は、縮径部３の流出端に接続され、縮径部３の流出端に外部から空気を導入するための通路である。気泡生成部５は、例えば、流入端側が円錐状に縮径した円管等により形成され、縮径部３の流出端の同軸上に接続されている。気泡生成部５は、旋回翼部２により発生した旋回流と、気体導入部４内に配置された気体流入量制御部８から導入した空気とを利用して、水中に微細気泡３２を発生させる。

風呂給湯装置システムに組み込んで使用する場合には、微細気泡の発生有無を選択できるようにする必要があり、気体流入量制御部８への空気の流入有無を制御するための電磁弁２５ｃを配置している。

次に、微細気泡発生装置１の基本的な動作について説明する。
まず、流路内の水が旋回翼部２の円管７に流入すると、この水流には、旋回翼部２の作用により旋回流の動きが発生する。円管７から流出した旋回流は、縮径部３を通過することにより旋回径が縮小しつつ、旋回流の流速が上昇する。この結果、縮径部３と大気圧との間の圧力差（負圧）が大きくなるので、縮径部３の流出端側には、圧力差により気体導入部４から空気が吸い込まれる。吸い込まれた空気は、旋回流と合一する位置で旋回流によりせん断され、気泡生成部５内に微細気泡３２が生成する。

図５は、気体導入部４から流入する空気流入量と浴槽へ放出する気泡径分布のピーク値を示したグラフである。微細気泡発生装置１と浴槽１５を接続する往き管２０内を通過する気泡について、気泡径を測定したものである。空気流入量の増加と共に、気泡径のピーク値も大きくなることが確認できる。配管内での合泡を抑制することが可能である、０．１μ〜１０μｍ以下の気泡径をピークに微細気泡を生成するためには、例えば、微細気泡発生装置１の水の流入端となる内径４４は約１２ｍｍ、縮径部３の最縮径部４５は約５．０ｍｍ〜５．５ｍｍであれば、空気流入量を５０ｍＬ／ｍｉｎ〜１５０ｍＬ／ｍｉｎに設定することが好ましいことが実験で判っている。
なお、本発明は、これらの数値条件に限定されるものではなく、適宜この数値は最適化されて使用されるものである。

次に、気体導入部４に設ける気体流入量制御部８について説明する。
流入する水流の流速が増加し、縮径部３と気体導入部４との間に生じる負圧が増加し、負圧によって流入する空気が、旋回流がもつ空気のせん断力を超えて過剰に流入する場合、旋回流が持つせん断力が空気流入量に追いつかなくなり、生成する気泡の径は大きくなってしまう。その結果、気泡の浮上速度が上昇し、帯電性を有する性質を持たない気泡が配管内で合泡してしまうことで、浴槽へ放出する微細気泡量が低下する。
このような水流の流速の変化に対して、連続的に空気流入量を制御し、安定して微細気泡が発生できるようにするために、空気流入量を制御する気体流入量制御部８を設けている。

図６は気体流入量制御部８において、空気流入が無い場合での断面図であり、図７は図６の上面図であり、図８は図６の下面図を示すものである。
図６〜図８において、気体導入部４の空気流入経路内に気体流入量制御部８が設けられている。気体流入量制御部８は弾性体支持部９と、弾性特性をもつ弾性部１０と、開閉弁４１とを備える。開閉弁４１は、弁体１１と弁座４０を備えている。弾性体支持部９は気体導入部４の内壁に接続され、弾性部１０と連結している。弾性部１０は、長いバネ１２と短いバネ１３を備えている。尚、弾性体支持部９は弾性部１０を支持すると共に、気体導入部４からの流入する空気を、旋回流との合一点へ通過させるための開口を備えている。

弾性部１０は、例えば、弁体１１と連結した長いバネ１２と、長いバネ１２と同じ、または、異なる弾性定数で、長いバネ１２の長さより小さい短いバネ１３が複数備えられており、長いバネ１２及び短いバネ１３の下端は、弾性支持部９に接続されている。尚、長いバネ１２及び短いバネ１３の配置数は、単数又は複数のいずれか一方に限定するものではない。また、図６及び、以降の弾性部１０では、長いバネ１２及び短いバネ１３を、バネの例として図示するが、例えば、ゴムを使用することも可能である。

弁体１１は、例えば円状であって長いバネ１２の上端と接続されており、上面には凸状の面を持ち、下面に長いバネ１２及び短いバネ１３の中央部と組み合わされる突起部を備える。

気体流入量制御部８に負圧による空気の流入が無い場合、弁体１１の下面は長いバネ１２の上端のみ接触しており、短いバネ１３の上端とは接触しない状態である。この時、弁体１１上面は、気体導入部４の内壁に設けられ、気体導入部４の内側に突出する弁座４０と接しており、気液合一点から空気流路と逆方向に流入する水流を阻止する構造となる。

次に、気体流入量制御部の水の流速に対する空気流入量の特性について説明する。
図９は、配管経路を流れる水の流速と、空気流入量に関して、長いバネ１２の場合における特性曲線ａと、短いバネ１３も作用している時における特性曲線ｂを示すものである。
特性曲線ｂは、長いバネ１２のみの場合における特性曲線ａより、空気流入量の増加率が抑制された特性になる。水の流速の増加に応じて大気圧に対する負圧が増加すると共に、弁体１１が空気の流入する方向に開口し、点Ｐから短いバネ１３も作用することで、特性曲線ｂに示す空気流入量の特性が実現される。
尚、点Ｐは空気流入量の抑制を開始する箇所であるので、気体流入量抑制開始点とする。

図１０は、図９のＰ点までの水の流速における気体流入量制御部８の断面図を示すものである。
図１０において、気体導入部４から流入する吸気圧力が、弁体１１上面の凸面に付与されることにより、弁体１１が空気流入方向に押し下げられることによって、弁座４０と弁体１１上面との間に開口が形成され、該開口から空気が流入することで、微細気泡が生成される。開閉弁４１の開度は、弁体１１と弁座４０で規定され、空気流入量に応じて広がることになる。なお、矢印ｄは、空気の流入する方向を示すものである。

図１１は、図９のＰ点以上の水の流速における気体流入量制御部８の断面図を示すものである。
図１１において、気体導入部４から流入する吸気圧力が、弁体１１上面の凸面に付与されることにより、弁体１１がバネ１３の上端まで押し下げられた場合、弁体１１の下面にある長いバネ１２と、短いバネ１３の上端が接触する。

気体流入量制御部８に配置された長いバネ１２及び短いバネ１３の上端が弁体１１下面に接触することにより、弾性部１０全体の弾性定数が大きくなるため、流入空気によって付与される圧力に対して、弁座４０と弁体１１上面で規定される空気流入量の増加率が抑制されている。この空気流入量の増加率を抑制することにより、配管内での合泡が抑制可能な所望の径をもった微細気泡を安定的に生成可能になる。

上述のように、気体流入量制御部８により、気体導入部４からの空気の流入を、水の流速が無い状態から速やかに所望の空気流入量に設定し、過剰空気の流入を抑制するので、目標径の気泡を発生するための水の流速の範囲を従来より広げることが可能になる。

また、空気流入量の調整に電気的手段や手動等、外力を使わずに、自動的に所望の動作を行うことが可能になる。
尚、水の流速が無い場合に弁体１１と弁座４０が接する構造であれば、水流の逆流を防ぐ逆止弁の役割を担うことが可能になるが、本発明はこの構造に限定するものではない。

実施の形態２．
次に、この発明を実施するための実施の形態２について説明する。
実施の形態２は、気体流入量制御部８の構造が実施の形態１と異なっており、その他の構成は同じものである。なお、実施の形態１と同一箇所は、同一番号を付しており説明を省略する。

図１２は、気体流入量制御部８の空気流入が無い場合での断面図を示すものである。
図１２において、弾性部１０は、異なる弾性定数を持つばねを２つ以上直列に接続してもよい。弾性体支持部９にはバネ３３の下端が接続されており、バネ３３の上端には、バネ３３より小さいばね定数であるバネ３４の下端が接続されている。バネ３４の上端は、弁体１１の下面と接続されている。

図１３は、図９のＰ点までの水の流速における気体流入量制御部８の断面図を示すものである。
図１３において、気体導入部４から流入する吸気圧力が、弁体１１上面の凸面に付与されることにより、弁体１１が空気流入方向に押し下げられることによって、弁座４０と弁体１１上面との間に開口が形成され、該開口から空気が流入することで、微細気泡が生成される。このとき、バネ３３よりバネ３４のバネ定数は小さいので、吸気圧力によりバネ３４が短縮後、さらにバネ３３が短縮する。

図１４は、図９のＰ点以上の水の流速における気体流入量制御部８の断面図を示すものである。
図１４において、気体導入部４から流入する吸気圧力が、弁体１１上面の凸面に一定以上付与される場合、吸気圧力によりバネ３４が短縮後、さらにバネ３３が短縮した状態になっている。このとき弾性部１０全体の弾性定数が大きくなるため、流入空気によって付与される圧力に対して、弁座４０と弁体１１上面とで規定される空気流入量の増加率が抑制される。

上記構造により、気体導入部４から流入する過剰吸気を抑制することで、配管内での合泡が抑制可能な所望の径をもった微細気泡を安定的に生成可能になると共に、弾性部１０の構成部分が簡易化されることにより、気体導入部４が小型化され、微細気泡発生装置１のより小型化が可能になる。
上記の実施の形態２では、バネ３３よりバネ３４のバネ定数が小さい構成を説明したが、バネ３３よりバネ３４のバネ定数が大きい構成にしても問題ない。
また、図１２において、気体流入量制御部８内の弾性部１０は、弾性体支持部９側と弁体１１側の弾性定数が異なる特性を持つ、例えば非線形特性ばね等の、単体の弾性体が接続されてもよい。

１ 微細気泡発生装置、２ 旋回翼部、３ 縮径部、４ 気体導入部、
５ 気泡生成部、６ 翼、７ 円管、８ 気体流入量制御部、９ 弾性体支持部、
１０ 弾性部、１１ 弁体、１２ 長いバネ、１３ 短いバネ、１４ 循環流路、
１５ 浴槽、１６ 貯湯タンク、１７ 湯水循環用の配管、１８ 給湯用の配管、
１９ 追い焚き用熱交換器、２０ 往き管、２１ 戻り管、
２２ 追い焚き用循環ポンプ、２３ 風呂循環熱源ポンプ、
２４ ヒートポンプユニット、２５ａ 電磁弁、２５ｂ 電磁弁、２５ｃ 電磁弁、
２６ 逆止弁、２７ 操作部、２８ 表示部、２９ 気泡発生ボタン、
３０ 追い焚きボタン、３１ 給湯ボタン、３２ 微細気泡、３３ 高バネ定数のバネ、
３４ 低バネ定数のバネ、４０ 弁座、４１ 開閉弁。

Claims (4)

1. 液体が流れる流路と、
   前記流路に連通し、前記流路外から前記流路内に気体を取り込む気体導入部と、
   前記流路の前記気体導入部より下流に配置され、前記気体により気泡を発生させる気泡生成部と、
   前記気体導入部に設けられ、気体の流入量を制御する開閉弁であって、前記気体導入部を塞ぐとともに前記気体導入部に前記気体の流入する開口を形成する弁体、前記弁体と接触し前記開口の開度を調整する第１の弾性部および第２の弾性部を有し、前記液体の流速が第１の流速の場合、前記弁体は前記第１の弾性部と接触し前記第２の弾性部と接触せず、前記液体の流速が前記第１の流速より速い第２の流速の場合、前記弁体は前記第１の弾性部および前記第２の弾性部の両方と接触し前記開口の開度を抑制する気体流入量制御部と
   を備えることを特徴する微細気泡発生装置。
2. 前記第１の弾性部の弾性定数と前記第２の弾性部の弾性定数は異なることを特徴とする請求項１に記載の微細気泡発生装置。
3. 前記第１の弾性部と前記第２の弾性部は直列に接続され、前記第２の弾性部の弾性定数は、前記第１の弾性部の弾性定数よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の微細気泡発生装置。
4. 湯水を貯める浴槽と、
   前記浴槽に供給する湯水を貯める貯湯タンクと、
   前記貯湯タンク内の湯水を加熱するヒートポンプと、
   前記貯湯タンクから導入した湯水の熱を前記浴槽から導入した湯水へ熱を伝える熱交換器と、
   前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で湯水を循環する第１の循環手段と、
   前記浴槽内と前記熱交換器との間で湯水を循環する第２の循環手段と、
   前記第２の循環手段で循環する湯水の流路に連通し、前記流路外から前記流路内に気体を取り込む気体導入部、前記流路の前記気体導入部より下流で前記浴槽までの流路に配置されて前記気体により気泡を発生させる気泡生成部、前記気体導入部に設けられ、前記液体の流速に応じて気体の流入量を制御する開閉弁であって、前記気体導入部を塞ぐとともに前記気体導入部に前記気体の流入する開口を形成する弁体、前記弁体と接触し前記開口の開度を調整する第１の弾性部および第２の弾性部を有し、前記液体の流速が第１の流速の場合、前記弁体は前記第１の弾性部と接触し前記第２の弾性部と接触せず、前記液体の流速が前記第１の流速より速い第２の流速の場合、前記弁体は前記第１の弾性部および前記第２の弾性部の両方と接触し前記開口の開度を抑制する気体流入量制御部とを有する微細気泡発生装置と、
   を備えることを特徴とする風呂給湯装置。

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