JP6737560B1 - 尿石除去システム - Google Patents

Abstract

【課題】小便器などの配管内に堆積した尿石を除去するシステムを提供する。【解決手段】微細気泡液生成装置１０の膨出部１３内側面とノズル１５との間は流量確保通路２１となる。この流量確保通路２１が狭くなると圧力損失が大きくなって流量が不足し、尿石除去効果が阻害される。そのためノズル１５を保持する支持部材１４は流量確保通路２１を出来るだけ阻害しない形状でなければならない。具体的には支持部材１４に形成される通水穴２２をノズル１５を保持できる範囲でできるだけ大きくする。【選択図】 図２

Description

本発明は、便器の表面や配管等に付着した尿石を除去するシステムに関する。

尿石は尿中に含まれるカルシウムイオンが炭酸などと反応して生じる炭酸カルシウムが主な成分であり、便器の表面や配管内に徐々に堆積し、悪臭や詰まりの原因となる。

尿石はアルカリ性であるので、尿石除去には一般的には酸性洗剤が用い、洗剤を塗布した後、数分後にブラシを用いて尿石をこすって除去している。しかしながら、この方法では清掃に人件費がかかり、また清掃中は便器を使用できないことや清掃後の異臭の問題がある。

一方、微細な気泡が含まれる水は洗剤を用いなくても尿石を除去する効果が認められており、この微細気泡水による尿石除去についての提案が特許文献１及び２になされている。

特許文献１及び２には小便器の排水管などに付着する尿石を除去する機構として、洗浄水配管にキャビテーション効果（オリフィス効果）によって微細気泡を発生させる液体処理ノズルを設けている。この液体処理ノズルは、山部と谷部を有するネジ状の衝突部を流路と直交する方向に差し込むことでネジ状の衝突部表面で微細気泡を発生させる構造になっている。

特許文献３は家庭用の給水管に取り付ける水処理装置として本発明者が提案したもので、微細気泡発生部を備えている。この微細気泡発生部には急激に流路面積を絞るノズルを配置し、キャビテーション効果により水中に溶解している気体を微細気泡として顕在化させる構造である。

特許文献４には、キャビテーションと同様に負圧を利用して気泡水を生成する気泡水製造装置が開示されている。この特許文献４では流入水ノズルから流入する水噴流で生じた負圧により外部から空気を吸引し、この吸引した空気と水とを下流側の大径部に形成した旋回流形成手段で気泡を分散せしめるようにしている。

特許文献５には、粒径が２００μｍ以下の微細気泡の個数が全微細気泡の個数の８０％以上となる微細気泡水をトイレなどの貯水タンクに一旦貯留し、これを洗浄用水として便器の洗浄時に流すことで、尿石などを流すとともに尿石の付着防止を図ることができると記載されている。

特許文献６には、小便器の一般的な洗浄システムの構成として、フラッシュバルブと小便器の表面の吐水部との間に、銀イオンを発生させる電気分解相を設け、この電気分解相の上流側に空気配管を接続し、洗浄水中に空気を混入する構造が開示されている。

特開２０１８−０１２９１９号公報 再公表特許第２０１６／１７８４３６号公報 実用新案登録第３２０９２８０号公報 特開２００２-１４３６５８号公報 特開２０１０−０９４６０８号公報 特開２０００−３０９９７１号公報

ＩＳＯではファインバブルを「マイクロバブル」と「ウルトラファインバブル」の総称で１００μｍ以下の気泡と定義している。「マイクロバブル」は目視が可能で「ウルトラファインバブル」は可視光を散乱せず目視できない。そして、尿石の分解、尿石の微細孔内で繁殖している細菌の除去、特にトリメチルアミンの除去には、ファインバブルが有効であることを発明者らは確認した。

上記した先行技術のうち外部から空気を洗浄水に混入させる特許文献４、５、６にあっては、殆どの気泡の粒径が１００μm以上と大きく十分な洗浄効果を発揮することができない。

一方、特許文献１、２、３に開示される微細気泡発生機構は、外部から空気を引き込んで攪拌するのではなく、キャビテーション効果によって水の内部から気泡を発生させるため、上記のファインバブルを多く含んでいる。したがって、理論的には小便器に付着する尿石除去に有効と思われる。

そこで、本発明者は自身が開発した特許文献３に開示される微細気泡発生装置を小便器の給水管に取り付け尿石除去の実験を行った。実験の結果は逆に尿石が排水管内に堆積した。この原因は圧力損失により十分な水量を確保できなかったからと考えられる。

一般的な水道水の圧力は２．０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度であり、キャビテーションによって気泡を発生させることで２次側（出口側）の圧力が低くなり、洗浄水の流量が少なくなる。例えば、シャワーなどで使用する場合には、多少流量が少なくなっても大きな支障はないが、小便器のように一定の時間だけ間欠的に洗浄水を流す場合に洗浄水の流量が少なくなると、仮に微細気泡を大量に含んでいても水量不足によって排水管内に尿石が蓄積することになる。

また本発明者は特許文献１、２に開示されるようなネジ状の衝突部を流路と直交する方向に差し込んだ構造のものも実験してみたが、同様に圧力損失によって洗浄水の流量が少なくなり、排水管内に尿石が堆積した。

ここで微細気泡発生装置の１次側の圧を例えば４〜５ｋｇｆ／ｃｍ^２とすれば、圧力損失があっても十分な流量を確保でき、尿石の蓄積は発生しない。しかしながら、１次側の圧を高めるには別途に加圧装置が必要になり、また配管の耐圧構造などを考慮すると現実的ではない。

上記の問題を解決するため発明に係る尿石除去システムは、便器表面に定期的に洗浄水を供給する給水配管の途中に微細気泡液発生装置を配置した構成で、この微細気泡液発生装置は前記給水配管に連結される通水管を備え、この通水管の一部を膨出部とし、この膨出部の内側の通水管内にキャビテーション効果によってファインバブルを発生するノズルを配置し、ノズルの外側と前記膨出部の内側との間に流量確保通路を形成した。

一般的な水道管の給水圧は２ｋｇｆ／ｃｍ^２であり、この給水圧で尿石を除去できる洗浄水流量を確保するには圧力損失は５ｋＰａ以上１５ｋＰａ以下（０．０５〜０．１５ＭＰａ）とするのが好ましい。５ｋＰａ未満では尿石除去に有効なファインバブルの発生量が不足し、１５ｋＰａを超えると流量不足を招きやすい。

前記給水配管の流路断面積は給水配管の口径で定まっており、またノズルの取水穴もキャビテーション効果との関係で決まるため、圧力損失を５〜１５ｋＰａとするには、前記流量確保通路の断面積を調整することで、圧力損失の値を調整する。

本発明によれば、便器表面に流す洗浄水をファインバブルを含んだ洗浄水とすることで、便器表面や配管内に尿石が堆積しにくくなり、また既に配管内などに尿石が堆積して付着している場合でも、本システムを採用することで、堆積した尿石を薄く或いは除去することができ、更に小便器固有の悪臭（トリメチルアミン）を殆ど感じなくなる。

特に微細気泡液発生装置に膨出部を設け、この膨出部内にキャビテーション効果によってファインバブルを発生するノズル以外に、洗浄水の水量を確保する流量確保通路を設けたので、尿石除去に必要なファインバブルをなくすことなく洗浄に必要な最低限の洗浄水の流量を確保できる。

また、駅構内やビル内の小便器に本発明を適用した場合には、清掃の労力が半減し、使用者やトイレの近くを通る人に不快感を与えることがなくなる。

小便器の断面図。 微細気泡液発生装置の一例を示す断面図。 （ａ）は微細気泡液発生装置の別例を示す断面図。（ｂ）は（ａ）に示した微細気泡液発生装置が接続される給水管の断面図。 圧力損失の測定方法を説明した図 （ａ）は微細気泡液発生装置の設置前の実験に用いた小便器の排水管の壁開口のファイバースコープ画像、（ｂ）は微細気泡液発生装置の設置後５６日目の同小便器の排水管の壁側開口のファイバースコープ画像。 （ａ）は微細気泡液発生装置の設置前の実験に用いた小便器の排水管の壁から１０ｃｍ入った個所のファイバースコープ画像、（ｂ）は微細気泡液発生装置の設置後５６日目の同小便器の排水管の壁から１０ｃｍ入った個所のファイバースコープ画像。 （ａ）は微細気泡液発生装置の設置前の実験に用いた小便器の排水管の壁から２０ｃｍ入った個所のファイバースコープ画像、（ｂ）は微細気泡液発生装置の設置後５６日目の同小便器の排水管の壁から２０ｃｍ入った個所のファバースコープ画像。 （ａ）は微細気泡液発生装置の設置前の実験に用いた小便器の排水管の小便器側開口のファイバースコープ画像、（ｂ）は微細気泡液発生装置の設置後５６日目の同小便器の排水管の小便器側開口のファイバースコープ画像。 （ａ）は微細気泡液発生装置の設置前の実験に用いた小便器の排水管の小便器側開口から１０ｃｍ入った個所のファイバースコープ画像、（ｂ）は微細気泡液発生装置の設置後５６日目の同小便器の排水管の小便器側開口から１０ｃｍ入った個所のファイバースコープ画像。 微細気泡液発生装置の設置前後のファインバブル測定個数を比較したグラフ 微細気泡液発生装置の設置前後のトリメチルアミンの濃度（ｐｐｍ）を比較したグラフ

図１は本発明に係る尿石除去方法を公共施設内の小便器に適用した例を示すものであり、小便器本体１は壁２に固定され、小便器本体１の内面の上部には洗浄水吐出部３が設けられ、底部には排水口４、この排水口４にセットされる異物混入防止部材５及び排水口４につながるトラップ６が形成され、トラップ６の背面には排水管７が接続されている。

前記壁２には配管用の穴が上下に２つ形成されている。上方の穴には洗浄水供給配管８が挿通される。小便器本体１が複数個併設されるトイレにあっては、図示しない共通の洗浄水供給配管から洗浄水を供給する給水配管８が各小便器本体１に分岐する。

前記給水配管８には、一定時間（約10秒）水が流れて自動的に止まる機能を持つ自閉式のフラッシュバルブ９が設けられ、このフラッシュバルブ９の下流側で前記洗浄水吐出部３よりも上流側、つまりフラッシュバルブ９と洗浄水吐出部３との間には微細気泡液発生装置１０が設けられている。微細気泡液発生装置１０は小便器本体１が複数個併設される場合には、前記した共通の洗浄水供給配管に設けることも可能である。

フラッシュバルブ９の上流側に微細気泡液発生装置１０を取付ける場合は、既存の便器にそのまま微細気泡液発生装置１０を付加することができず、設置工事が面倒になる。またフラッシュバルブ９の上流側に微細気泡液発生装置１０を設けた場合、フラッシュバルブ９が動作しない待機時に気泡が抜けてしまうおそれがある。

一方、フラッシュバルブ９の上流側に微細気泡液発生装置１０を設けることで、フラッシュバルブ９が動作した時にのみ水が配管中を流れるので効率よく微細気泡を作成することができる。

また、前記排水管７は前記トラップ６につながるとともに下流側は汚水タンクまたは下水管につながっている。この排水管７の入口部分に最も尿石が堆積しやすい。

図２に示すように、前記微細気泡液生成装置１０は水が矢印方向に流れる通水管１２と、この通水管１２の中央部に形成される膨出部１３と、この膨出部１３の径方向に設けられる支持部材１４と、この支持部材１４により膨出部１３内側面との間に一定の間隔を空けて支持されるノズル１５を備えている。

通水管１２は分解・組立が容易になるように、上流側半体１２ａと下流側半体１２ｂからなり、これら上流側半体１２ａと下流側半体１２ｂの拡径部を螺合することで膨出部１３が形成される。

ノズル１５はキャビテーション効果によってファインバブルを発生させる構造となっている。
即ちノズル１５は、上流側から順に漸次径が小さくなるサイクロン（トルネード）形成部１６と、このサイクロン形成部１６に続く小径の絞り部１７と、この絞り部１７に続く漸次径が大きくなるキャビテーション部１８が形成されている。また、ノズル１５の入口開口にはプレート１９が取付けられ、このプレート１９には取水穴２０が形成され、この取水穴２０の軸線は斜めになっており、サイクロン（トルネード）形成部１６に入る水が旋回流となるようにしている。

プレート１９の取水穴２０から取り入れられた水はサイクロン形成部１６に入り、旋回流を生成し、この旋回流は絞り部１７でスピードを増し、キャビテーション部１８に放出される。キャビテーション部１８では急激に容積が増大するため、減圧効果によって水中に溶け込んでいた空気が微細な気泡（ファインバブル）となって水中に顕在化し、気泡を含んだ液となる。このようにキャビテーションによって気泡を発生させると、分子レベルで気泡が発生するため、殆どがファインバブルとなる。

キャビテーション効果により水中から引き出された気泡は微細で尿石の表面穴よりも小さいため、尿石の穴内で繁殖している悪臭の元になる細菌の除去に効果的である。

膨出部１３内側面とノズル１５との間は流量確保流路２１となる。この流量確保通路２１が狭くなると圧力損失が大きくなって流量が不足し、尿石除去効果が阻害される。そのためノズル１５を保持する支持部材１４は流量確保流路２１を出来るだけ阻害しない形状でなければならない。具体的には支持部材１４に形成される通水穴２２をノズル１５を保持できる範囲でできるだけ大きくする。

図３（ａ）は微細気泡液生成装置１０の別実施例の断面図であり、図３ではハッチングを施した部分が水が通る開口である。この別実施例にあっては、支持部材１４に等間隔で４つのノズル１５を保持している。そして、各ノズル１５のプレート１９には４つの取水穴２０が形成されている。ノズル１５の数は任意であり、例えば口径３２Ａの洗浄水供給配管に接続する場合にはノズル数は４個とし、口径２５Ａの洗浄水供給配管に接続する場合にはノズル数は３個とする。

図３（ｂ）は上記の微細気泡液生成装置１０が接続される給水配管８の断面図であり、この給水配管８の流路断面積Ｓ１と前記支持部材１４に形成した通水穴２２と前記プレート１９に形成した取水穴２０との合計面積Ｓ２との比（Ｓ２／Ｓ１）により圧力損失が決まる。尚、給水配管８の流路断面積Ｓ１は口径によって決まり、ノズル１５の取水穴２０の面積はキャビテーションとの関係で決まるため、圧力損失（浄水の流量）は支持部材１４に形成される通水穴２２の面積を変化させることで圧力損失をコントロールすることができる。

微細気泡液生成装置１０の１次側の給水圧が大きければ、多少圧力損失が大きくても尿石除去に必要な流量を確保できるが、一般的な給水圧２ｋｇｆ／ｃｍ^２程度でそれほど高くない。給水圧２ｋｇｆ／ｃｍ^２の場合、圧力損失が１５ＫＰａを超えると、流水量が低下し尿石除去効果が極端に低下した。逆に圧力損失が５ＫＰａ未満になると発生するファインバブルの量が少なくなり、今までの水だけによる洗浄とあまり変わらなくなった。したがって、ファインバブルを発生させるために許容される圧力損失は給水圧２ｋｇｆ／ｃｍ^２の場合、５〜１５ＫＰａと言える。尚、許容できる圧力損失の範囲は給水配管の口径には関係しなかった。

図４は圧力損失の測定方法を説明した図であり、水槽３０内の水を循環せしめる配管３１の途中に一対のユニット接合用ユニオン３２、３２を設け、これらユニット接合用ユニオン３２、３２の間の配管に一対の圧力損失測定用ヘッド３３、３３を取付け、これら圧力損失測定用ヘッド３３、３３間に微細気泡液生成装置１０をセットし、一対の圧力損失測定用ヘッド３３、３３間の圧力差を差圧計３４で測定する。

図５〜図９は、図１に示した小便器を備えたトイレで実験した結果を示す写真であり、図５は壁側から見た排水管の入口部のファイバースコープ画像であり、（ａ）は微細気泡液発生装置を設置前の状態、（ｂ）は設置後の状態を示し、図６は壁側から見た排水管の入口から１０ｃｍの部分のファイバースコープ画像であり、（ａ）は微細気泡液発生装置を設置前の状態、（ｂ）は設置後の状態を示し、図７は壁側から見た排水管の入口から２０ｃｍの部分のファイバースコープ画像であり、（ａ）は微細気泡液発生装置を設置前の状態、（ｂ）は設置後の状態を示し、図８は小便器側から見た排水管の入口部のファイバースコープ画像であり、（ａ）は微細気泡液発生装置を設置前の状態、（ｂ）は設置後の状態を示し、図９は小便器側から見た排水管の入口から１０ｃｍの部分のファイバースコープ画像であり、（ａ）は微細気泡液発生装置を設置前の状態、（ｂ）は設置後の状態を示す。

上記の画像から、ファインバブルを大量に含む微細気泡水を小便器の洗浄水として使用することで、尿石が大幅に消失することが確認された。

図１０は上記の小便器の洗浄水を５回に分けて採取し、島津製作所製「ナノ粒子径分布測定装置（ＳＡＬＤ-7500nano）を用いて測定した結果を示す。２回目のデータを除いてファインバルブの数が大幅に増えていることが分かる。尚、２回目のデータについては、採取者が小便器の吐出部から直接瓶に採取する際の操作ミスの可能性が高い。

平均すると、微細気泡液発生装置の設置前と設置後とでは、ファインバルブの数が８．５７億個/ｍｌから１６．３６〜７．７９億個/ｍｌの増加がみられ、設置前に比べてファインバルブの数の数は１．９倍となった。

また、図１１は微細気泡液発生装置の設置前後におけるトリメチルアミンの測定結果を示すグラフであり、測定にはガステック社製のガラス検知管を用いた。設置前は全ての小便器において１００ｐｐｍ超（測定限界オーバー）であったが、設置後は大幅に減少していることが分かる。

尚、実験では「アンモニア」「硫化水素」及び「メチルメルカプタン」についても測定したが、「硫化水素」及び「メチルメルカプタン」は大便器の臭気であり小便器からは検出されず、アンモニアについては尿素の分解により検出されると予想したが検出されなかった。

図示例にあっては、公共施設の小便器に適用した例を示したが、本発明に係る尿石除去方法は一般家庭の便器にも適用できる。

１…小便器本体
２…壁
３…洗浄水吐出部
４…排水口
５…異物混入防止部材
６…トラップ
７…排水管
８…洗浄水の供給配管
９…フラッシュバルブ
１０…微細気泡発生装置
１２…通水管、１２ａ、１２ｂ…通水管半体
１３…膨出部
１４…支持部材
１５…ノズル
１６…サイクロン（トルネード）形成部
１７…絞り部
１８…キャビテーション部（ベンチュリー部）
１９…プレート
２０…取水穴
２１…流量確保流路
２２…通水穴
３０…水槽
３１…循環配管
３２…ユニット接合用ユニオン
３３…圧力損失測定用ヘッド
３４…差圧計

Claims (2)

1. 便器の配管内面や便器表面に付着した尿石を除去する尿石除去システムであって、この尿石除去システムは、便器表面に定期的に洗浄水を供給する給水配管の途中に微細気泡液発生装置が配置され、この微細気泡液発生装置は前記給水配管に連結される通水管を備え、この通水管の一部は膨出部とされ、この膨出部の内側の通水管内にキャビテーション効果によってファインバブルを発生するノズルが配置され、ノズルの外側と前記膨出部の内側との間に流量確保流路が形成されていることを特徴とする尿石除去システム。
2. 請求項１に記載の尿石除去システムにおいて、前記微細気泡液発生装置の一次側の給水圧は２ｋｇｆ／ｃｍ^２であり、このときの前記微細気泡液発生装置における圧力損失が５〜１５ｋＰａとなるように前記流量確保流路の断面積が調整されていることを特徴とする尿石除去システム。

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