JP7376904B2 - 液体処理ノズル - Google Patents

Description

この発明は、気体を溶存させた液体をキャビテーション処理するための液体処理ノズルに関する。

水の流路にベンチュリやオリフィスにより絞り部を設け、水が高流速化して通過する際の減圧効果により溶存空気を微細気泡として析出させるノズルが種々提案されている（特許文献１～６）。特に、特許文献１、２に開示された方式は、流路の途中にねじ部材を配置し、そのねじ谷、あるいは対向するねじ部材間に形成されたギャップにて水流のさらなる高速化を図るものであり、キャビテーション効率を向上させてより高密度にナノバブルを発生できる旨が謳われている。ここで、キャビテーション効率を高めるには、キャビテーションポイントとなるねじ谷の流路断面内における配置密度（谷点密度）を増加させることが重要である。

本発明者は、特許文献１、２において、上記のような液体処理ノズルにおいて断面内に形成される谷点のうち、キャビテーションポイントとして顕著に機能するのは、液体流速が高くなる断面中心領域、特に中心から流路断面の半径７０％までの領域に位置する谷点（７０％谷点）である点について言及している。例えば、特許文献２においては、その図３等に開示されているごとく、流路断面内にて同一平面上に複数のねじ部材を断面中心の周り配置することで、断面内の谷点密度を向上させる提案を行なっている。また、同文献においては、液体流路の軸線方向（流れ方向）にて複数のねじ部材を互いにずれた位置に配置することが可能であり、それによってキャビテーションポイントとなる谷部に液体の流れを繰り返し接触させることができ、微細気泡の発生効率やガス溶解効率の更なる向上に寄与できる旨も開示されている（第５ページ９行～１３行）。

ＷＯ２０１６－１７８４３６号公報 ＷＯ２０１６－１９５１１６号公報 ＷＯ２０１３／０１１５７０号公報 ＷＯ２０１０／０５５７０２号公報 ＷＯ２０１３／０１２０６９号公報 特開２０１１－２４０２０６号公報 特開２０１８－１４４０１８号公報

特許文献２が開示する構成では、７０％谷点密度については、流路断面の半径７０％以内の領域に空隙として形成される流通領域の断面積（７０％断面積）により７０％谷点数を除した値として算出され、表４の番号１０６のノズル試験品における１．８（個／ｍｍ^２）が最大値である。本明細書においては、後述のごとく、ねじ部に占有される領域も含めた流路全断面積にて７０％谷点数を除した値を７０％谷点面積密度の定義として採用するが、特許文献２における上記番号１０６のノズル試験品の７０％谷点密度を該定義の７０％谷点面積密度に換算すれば１．１（個／ｍｍ^２）程度の値となる。

特許文献２が開示するねじ部材配置においては、７０％谷点面積密度の値は上記の１．１（個／ｍｍ^２）がほぼ限界値とみなされている。その理由は、該文献の第４頁５０行以降に記載されているごとく、ねじ部材の先端部が３つ以上の方向から断面中心に向けて集合する関係上、流路断面の中心付近には谷点の配置が幾何学的に不能となる領域が存在するためである。また、特許文献２に開示されている液体流路は内径Ｄが７ｍｍ以下のものであり、得られる流量は液圧０．１ＭＰａにおいて２５Ｌ／分程度までである（文献第４頁５８行～６４行参照）。そして、そのような大流量のノズルの具体例については、脚部長を流路内径に合わせて増加させる点が示唆されている。この場合、流路の流通断面積は流路内径の２乗に比例して増加するのに対し、谷点数はねじの脚部長ひいては流路内径の１乗に比例して増加するのみであるから、この方式では流路内径の拡大に伴い谷点密度は急速に減少するので、十分なキャビテーション効率を達成できなくなることにつながる。

この場合、同一面上に配置するねじ部材の数を増やすことで谷点密度を確保することが考えられるが、ねじ部材の占有面積率の増加により、流路断面内径に見合った流量が得られなくなるジレンマがある。また、内径Ｄが比較的小さいノズルの場合、ねじ部材の占有面積率が増加すると圧損が急速に増し、通常の水道水圧（０．０３～０．２ＭＰａ程度）での液体流通を行なうとした場合、流速低下によりキャビテーション効率が大きく損なわれる問題もある。また、特許文献７には、ねじ部材を円形断面の流路に１つだけ組み込んだコア部材を、ノズルケーシングに８枚重ねて収容したシステムノズルが開示されているが、８つのねじ部材を流れ方向に１本ずつ分散させて配置する構成のため、キャビテーション処理部を構成する流路長が大きくなりすぎ、圧損が生じやすい問題がある。

本発明の課題は、ねじ部材を用いてキャビテーション処理を行なう構造の液体処理ノズルにおいて、通常水道水圧程度にて十分な液体流速を確保しつつ７０％谷点面積密度を飛躍的に向上でき、また、断面内径の大きいノズルにおいても、７０％谷点面積密度を大幅に高めつつ、断面内径に見合った流量を確保できる液体処理ノズルを提供することにある。

本発明の液体処理ノズルは、以下の構成を前提部分として備える。すなわち、一端に液体入口を、他端に液体出口を有する円形断面の単一の液体流路が形成されるとともに、該液体流路の一部区間がキャビテーション処理部として定められたノズル本体と、キャビテーション処理部にてノズル本体に脚部先端側が流路内側に突出するように組付けられ、ねじ山ピッチ及びねじ谷深さが０．２０ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下、公称ねじ径Ｍが１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の複数のねじ部材とを備える。キャビテーション処理部には、液体流路の中心軸線と直交する仮想的なねじ配置面が該中心軸線に沿って複数設定されるとともに、ねじ部材が各ねじ配置面に対し２つ以上分配される形で脚部の長手方向が該ねじ配置面に沿うように配置される。そして、気体が溶存した液体を液体入口から液体出口に向けて流通させ、キャビテーション処理部にてねじ部材の脚部外周面に形成されたねじ谷に液体を増速しつつ接触させることにより、該液体に溶存ガスの減圧析出に基づくキャビテーション処理を行なう。そして、上記の課題を解決するために、そのキャビテーション処理部が次のような特徴を具備したものとして構成される。

・総数にて８以上のねじ部材が各ねじ配置面に対し２つ以上分配される形で配置される（以下、１つのねじ配置面に配置されたねじ部材のグループのことを「面ねじ組」ともいう）。
・各ねじ配置面において、液体流路の全断面積に占める液体流通領域の割合として定められる面内流通面積率が４０％以上に確保され、液体流路の液体流通領域の面積が３．８ｍｍ^２以上確保される。
・中心軸線と直交する平面への投影にて液体流路の断面中心から該液体流路の半径の７０％以内の領域に位置する谷点の全ねじ配置面間で合計した総数を、液体流路の断面積で除した７０％谷点面積密度と定義したとき、７０％谷点面積密度の値が２．０個／ｍｍ^２以上に確保される。
・中心軸線方向に互いに隣接するねじ配置面の間隔が公称ねじ径以上に確保される。

これらの特徴を具備することにより、本発明の液体処理ノズルによれば、通常水道水圧程度にて十分な液体流速を確保しつつ７０％谷点密度を飛躍的に向上でき、特に流路断面積を大幅に拡大した大流量ノズルにおいても単純な構造により７０％谷点密度を十分な値に確保することができる。以下、詳細に説明する。

まず、発明の前提となる構成において、ねじ部材のねじ山ピッチ及びねじ谷深さの数値範囲を上記のように設定する理由については、以下の通りである。まず、ねじ谷の深さが０．２ｍｍ未満ではねじ谷におけるキャビテーション効果（溶存気体の減圧による気泡析出効果）が顕著でなくなり、ねじ谷深さが０．４０ｍｍ以上ではキャビテーション効果の向上は頭打ちとなる。また、ねじ山ピッチが０．４０ｍｍ以上に増大すると、ねじ脚部の単位長当たりのねじ谷数が減じるので、７０％谷点の面積密度を向上できなくなる。よって、本発明においては、ねじ山ピッチ及びねじ谷深さを０．２０ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下に設定する。また、ねじ部材の強度確保と、流路断面がねじ部材により過度に占有されないようにすること、ひいては水道圧程度の通常の送液圧でも液体流通量を十分確保できるようにする観点から、ねじ部材の公称ねじ径は１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下に設定する。この公称ねじ径の値の範囲は、上記のねじ山ピッチ及びねじ谷深さをカバーするＪＩＳ並目ピッチねじの公称ねじ径の範囲とほぼ一致する。以上の技術的な前提は、特許文献２と同じである。

そして、本発明においては、上記のねじ部材を液体流路内に総数にて８以上配置することを必須とする。これは、特許文献２において１つの液体流路内に配置されるねじ部材の最大数（第４頁５６行）に相当する。そして、本発明においては、この８以上のねじ部材を１つのねじ配置面内に密集させて配置するのではなく、複数（２以上）の面ねじ組に区分して、複数のねじ配置面に分散配置することで７０％谷点密度の増加を図るようにする。

各ねじ配置面において面内流通面積率が過度に小さくなると、水流とねじ部材との接触面積が過剰となり、圧損による流量低下が著しくなる。その結果、通常水道圧による液体流通時において十分な流速が得られる領域は、断面中心から半径７０％よりもさらに縮小し、キャビテーションポイントとして有効に機能する谷点数を十分に確保できなくなる。また、面内流通面積率がある程度大きくても、流路断面内径の縮小により液体流通領域の面積の絶対値が小さくなりすぎると、流量低下が同様に著しくなる。

本発明者は本状況に鑑み鋭意検討した結果、各ねじ配置面にて、面内流通面積率が４０％以上に確保され、液体流通領域の面積が３．８ｍｍ^２以上確保されていれば、上記のような問題が解消され、個々のねじ配置面を液体流が通過する際の圧損が顕著に減じられることが判明した。そして、本発明においては、隣接するねじ配置面（面ねじ組）の間隔を、使用されるねじ部材の公称ねじ径以上に確保することで、上記のような条件を充足する面ねじ組を流路中心軸線方向に複数連ねて配置しても、面ねじ組を単独で配置する場合と比較した場合の圧損の増加代を極めて小さくとどめることができ、１つの液体流路内に従来よりも多くのねじ部材が配置されているにも関わらず、断面内にて必要な流速を十分に確保できるようになる。その結果、７０％谷点面積密度の値を従来実現不能だった１．６個／ｍｍ^２以上に設定した場合に、７０％谷点をなすねじ谷にて十分な流速が確保され、キャビテーション効率に極めて優れた液体処理ノズルが実現する。

各ねじ配置面にて、面内流通面積率が４０％未満の場合、あるいは液体流通領域の面積が３．８ｍｍ^２未満の場合は、ねじ配置面に配置される個々の面ねじ組の圧損が大きくなり、７０％谷点をなすねじ谷にて十分な流速を確保できなくなる。また、隣接する２つのねじ配置面（面ねじ組）の間隔が使用されるねじ部材の公称ねじ径よりも小さくなると、それら２つの面ねじ組の合成圧損が大きくなり、同様に７０％谷点をなすねじ谷にて十分な流速を確保できなくなることにつながる。

特許文献２においては、液体流路の軸線方向にて複数のねじ部材を互いにずれた位置に配置する構成も示唆されている。しかし、具体例として開示されているのは、総数にて４本のねじ部材を２本ずつの２組に分割して軸線方向にずらせて配置した構成のみであり（特許文献２：図１４参照）、７０％ねじ谷面積密度の増加には貢献していない。また、該構成よりもさらにねじ部材の総数を増加させた場合の、液体流通時の圧損に及ぼす影響についても何ら言及されていない。例えば、特許文献２の第５頁９～１３行には、「衝突部を流れ方向に複数設けることができ、キャビテーションポイントとなる谷部に、流れを繰り返し接触させることが可能となるので、微細気泡の発生効率や後述のガス溶解効率の更なる向上に寄与する。」との記載があるが、衝突部を流れ方向に複数設ける際の圧損の増加を抑制するための解決手法については、何らの具体的な示唆を与えるものではない。

本発明の液体処理ノズルにおいては、液体流路の液体流通領域の面積を、各ねじ配置面においてより望ましくは５．０ｍｍ^２以上確保するのがよい。本発明者は、面内流通面積率を４０％以上に確保しつつ液体流通領域の面積を種々に変更した液体処理ノズルを作成し、通常水道圧における通水テストを実施した結果、液体流通領域の面積が５．０ｍｍ^２以上の領域では、該面積の増加に伴い流量がほぼ直線的に増加する傾向を示すのに対し、５．０ｍｍ^２未満となる領域では、流量は該直線的な関係から下方に外れ、液体流通領域の面積の対数に依存して急速に減少することを見出した。これは、通常の水道圧による流通条件では、液体流通領域の面積が５．０ｍｍ^２未満となったとき、ノズル内の面ねじ組の挿入数が１つ増えるごとに増大する圧損の増加代が急激に大きくなり、断面積に見合った流量が得られなくなることを意味する。よって、面ねじ組の数を増やし、７０％谷点面積密度の値をさらに増加させる構成を実現する上で、液体流通領域の面積を５．０ｍｍ^２以上に確保することは極めて重要である。この場合、７０％谷点面積密度の値は２．０個／ｍｍ^２（特許文献２が開示する最大値（１．１個／１ｍｍ^２）の約２倍）以上に確保することも可能となる。

ねじ配置面上にてねじ部材は、液体流路の円形の軸断面の直径に脚部の長手方向を一致させる位置関係にて配置することが望ましい。液体流路の円形の軸断面の直径に脚部の長手方向を一致させることで、ねじ部材の先端は流速が大きくなる液体流路の断面中心に近づくので、７０％谷点数を増加させる上で有利に作用する。この場合、ねじ部材を３本以上含むねじ配置面を中心軸線方向に２面以上設定することで、ノズル全体の７０％谷点面積密度の値を顕著に向上でき、キャビテーション発生効率を大幅に高めることができる。また、ねじ配置面上の３本以上のねじ部材は、各ねじの脚部の先端面が断面中心を取り囲むことにより中心ギャップを形成するように配置することで、最も高流速となる断面中央の流れ（中心流）が液体流通ギャップの形成により妨げられにくくなり、キャビテーション発生効率のさらなる向上を図ることができる。

互いに隣接するねじ配置面間にてねじ部材の脚部は、平面への投影において長手方向を一致させつつ互いに重なり合う位置関係にて配置することが望ましい。該構成によると、多数のねじ部材との接触が許容されているにも関わらず圧損が特に小さい液体処理ノズル、ひいては７０％谷点数を飛躍的に増加させつつも低圧損となる液体処理ノズルを実現することができる。

該構成の液体処理ノズルにおいては、隣接するねじ配置面（面ねじ組）間の距離をねじ部材の公称ねじ径に等しい限界値にまで接近させても圧損増加が生じにくく、結果として流路中心軸線方向におけるねじ部材の配置間隔をより密にすることができ、キャビテーション発生効率に優れた液体処理ノズルをコンパクトに構成できる利点が生ずる。該効果は、隣接するねじ配置面（面ねじ組）間の距離を、公称ねじ径の２倍以下にとどめたときに特に顕著である。また、ねじ部材として脚部よりも径大の頭部を有するものを使用する際には、ねじ配置面（面ねじ組）の間隔は該頭部の外径よりも大きく設定されることとなる。

例えば、互いに隣接するねじ配置面のそれぞれにおいて３以上の同数のねじ部材が、脚部が液体流路の断面半径方向に沿うように断面中心周りに等角度間隔にて配置される構成を採用する場合、断面中心周りにおけるねじ部材の配置角度位相が隣接するねじ配置面間にて一致するように定めておくとよい。このようにすると、同じねじ配置面内にて隣り合うねじ部材が軸線方向に壁部状に連なりあい、流路断面は該壁部状のねじ列により分割区画されとともに、その区画された領域内には他のねじ部材が介在しないため、多数のねじが配置されるにもかかわらず液体の衝突抵抗は大きく低減される。そして、上記壁部状のねじ列の内面には個々のねじ部材のねじ谷が多数密に配列し、キャビテーション効率を飛躍的に高めることができる。

一方、互いに隣接するねじ配置面間でねじ部材の脚部は、平面への投影において長手方向を互いに交差させる位置関係にて配置することも可能である。この構成では、複数の面ねじ組を液体流が通過する際の、個々のねじ部材と液体流との衝突による損失はやや大きくなるが、液体を衝突により生ずる乱流により攪拌する効果がより顕著となる。例えば、上記構成の液体処理ノズルにまた、気体（空気、酸素、炭酸ガス、窒素、水素、オゾンなどから選ばれる１種又は２種以上）と液体（水、食用油、ガソリンや軽油などの液体化石燃料、アルコールなど）との混合流を供給すれば、上記の攪拌効果により液体に気体を溶解させる効率を高めることができる。また、相互溶解度の小さい液体同士（例えば、親水性の小さい有機液体と水系液体）を攪拌混合して、エマルジョンを形成したりする目的にも有効に採用可能である。

上記の構成では、中心軸線方向におけるねじ配置面の間隔をねじ部材の公称ねじ径の２．０倍以上に設定するのがよい。これにより、複数の面ねじ組に液体を流通させる際の圧損低減を図ることができる。ねじ配置面の間隔は、より望ましくは４．０倍以上に設定するのがよい。

例えば、互いに隣接するねじ配置面のそれぞれにおいて３以上の同数のねじ部材が、脚部が液体流路の断面半径方向に沿うように断面中心周りに等角度間隔にて配置される場合、上記の構成を採用するには、断面中心周りにおけるねじ部材の配置角度位相が隣接するねじ配置面間にて互いにずれた形で定められることとなる。

本発明の作用及び効果の詳細については、「課題を解決するための手段」の欄にすでに記載したので、ここでは繰り返さない。

本発明の液体処理ノズルの一実施形態を示す横断面図。 図１の液体処理ノズルの各ねじ配置面におけるねじ部材レイアウトを示す軸断面図。 図２の要部を拡大して示す軸断面図。 図１の液体処理ノズルにおいて、図２のレイアウトの面ねじ組を中心軸線方向に４組配置した液体処理ノズルの要部横断面図。 同じく８組配置した液体処理ノズルの要部横断面図。 図１の液体処理ノズルにおいて、一方の面ねじ組を４５°回転させた構造を示す要部横断面図。 図１の液体処理ノズルにおいて、一方の面ねじ組を図６のレイアウトとした液体処理ノズルの要部横断面図。 図７の構造において、面ねじ組を互いに直交するねじ部材対に分割し、それぞれ中心軸線方向に位置をずらせて配置した液体処理ノズルの要部横断面図。 図７の液体処理ノズルと同様の面ねじ組の対を中心軸線方向に２組配置した液体処理ノズルの要部横断面図。 キャビテーション処理部に気体導入機構を設けた液体処理ノズルの一実施形態を示す横断面図。 面ねじ組を３本のねじ部材で構成した液体処理ノズルの要部軸断面図。 面ねじ組を８本のねじ部材で構成した液体処理ノズルの要部軸断面図。 面ねじ組を４本のねじ部材により、中心ギャップを形成しない形で構成した液体処理ノズルの要部軸断面図。 図１３の面ねじ組を中心軸線方向に２組配置した液体処理ノズルの要部横断面図。 ４本のねじ部材を十字状に配置した液体処理ノズルにおいて、一定動水圧にて水を流通させた時の、液体流通領域の面積と流量との関係を示すグラフ。 ４本のねじ部材を十字状に配置した液体処理ノズルの断面内流速分布を、断面内径が４．２ｍｍ以上のノズルと断面内径が３．５ｍｍノズルとで比較して示すグラフ。 面ねじ組を交互に４５°回転させて複数配置した各種液体処理ノズルの通水動水圧と流量との関係を、比較例の液体処理ノズルについての結果とともに示すグラフ。 面ねじ組を互いに重なる位相関係にて複数配置した各種液体処理ノズルの通水動水圧と流量との関係を、面ねじ組を互いに４５°回転させて二組配置した液体処理ノズルについての結果とともに示すグラフ。 処理水のぬめり汚れ除去能力を評価する装置の構造を示す図。 比較例の液体処理ノズルの要部軸断面図。 実験例に使用した液体処理ノズルの各部の寸法関係を説明する図。 通水テストに使用した試験装置の模式図。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づき説明する。
図１は、本発明の実施の形態の第一を示す液体処理ノズルの横断面図である。この液体処理ノズル１は、液体流路３が形成されたノズル本体２を備える。ノズル本体２は円筒状に形成され、その中心軸線Ｏの向きに円形断面の１つの液体流路３が貫通形成されている。液体流路３は一方の端（図面右側）に液体入口４を、他方の端に液体出口５を開口しており、その流れ方向中間位置には液体入口４及び液体出口５よりも径小の絞り部９が液体流路３の一部区間をなす形で形成されている。液体流路３は絞り部９よりも液体入口４側が流入室６とされ、液体出口５側が流出室７とされる。そして、絞り部９には、脚部先端側が流路内側に突出するようにねじ部材１０が組み付けられ、キャビテーション処理部ＣＶを形成している。処理対象となる液体は、例えば水（あるいは必要に応じて所望の溶質成分を溶かし込んだ水溶液）であるが、水以外の液体（例えば、アルコール等の有機溶媒、ガソリンや軽油などの化石燃料、食用油など）を用いてもよい。

ノズル本体２の材質は、たとえばＡＢＳ、ナイロン、ポリカーボネート、ポリアセタール、ＰＴＦＥなどの樹脂であるが、ステンレス鋼や真鍮などの金属やアルミナ等のセラミックスとしてもよく、用途に応じて適宜選択される。また、ねじ部材１０の材質はたとえばステンレス鋼であるが、用途に応じて、より耐食性の高いチタンやハステロイ、インコネル（いずれも商標名）などの耐熱合金を用いてもよいし、耐摩耗性が問題となる場合は石英やアルミナなどのセラミック材料を用いることも可能である。特に、金属コンタミを嫌う分野（たとえば半導体分野）への適用には、石英の採用が好適であり、この場合は樹脂製のノズル本体２はたとえばＰＴＦＥで構成するとよい。

ねじ部材１０は、ねじピッチ及びねじ谷深さが０．２０ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下、公称ねじ径Ｍが１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下のものが使用されている。本実施形態にてねじ部材１０は、ＪＩＳに定められた０番１種なべ小ねじが使用されている。キャビテーション処理部ＣＶには、液体流路３の中心軸線Ｏと直交する仮想的なねじ配置面が該中心軸線Ｏに沿って複数、図１においてはＬＰ１，ＬＰ２の２面が設定されている。上記のねじ部材１０は、脚部の長手方向が個々のねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ２に沿うように配置される。図１の実施形態においてねじ部材１０の総数は８であり（後述するように、８を超える数であってもよい）、各ねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ２に対し２つ以上、図１においては４つずつ分配されている。

図１において各ねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ２においてねじ部材１０は、図２に示すレイアウトに従い配置されている。具体的には、各ねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ２上の４本のねじ部材１０は互いに直交する十字形態に配置され、各々ノズル本体２に形成されたねじ孔１９内面の雌ねじ部１９ｆにて、その壁部外周面側から脚部先端が絞り部９内へ突出するようにねじ込まれている。ねじ孔１９とねじ部材１０とは接着剤等によりセッティング固定することができる。図３は、絞り部９の内側をさらに拡大して示すものであり、ねじ部材１０と絞り部９の内周面との間には主流通領域２１が形成されている。また、各絞り部９において、４つの衝突部１０が形成する十字の中心位置には、液体流通ギャップ１５が形成されている。液体流通ギャップ１５を形成する４つの衝突部１０の先端面は平坦に形成され、前述の投影において液体流通ギャップ１５は正方形状に形成されている。

図３において、各ねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ２における液体流通領域の面積（以下、全流通断面積ともいう）ａを、液体流路の投影領域の外周縁内側の全面積（ここでは、図１の絞り部９の円形軸断面の面積：内径をｄとしてπｄ^２／４））をＳ１、衝突部１０（４本のねじ部材）の投影領域面積をＳ２として、
ａ＝Ｓ１－Ｓ２ （単位：ｍｍ^２）
として定義する。この実施形態では、主流通領域２１と液体流通ギャップ１５との合計面積が全流通断面積ａに相当する。図１に示すごとく、液体入口４及び液体出口５の開口径は、絞り部９の内径よりも大きい。すなわち、液体入口４及び液体出口５の開口断面積は全流通断面積ａよりも大きく設定されている。また、流入室６及び流出室７の絞り部９に連なる内周面はそれぞれテーパ部１３，１４とされている。液体出口５側のテーパ部１４と液体入口４側のテーパ部１３とは絞り比は同じであるが、区間長はテーパ部１４の方が大きく設定されている。そして、各ねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ２において、全流通断面積ａは３．８ｍｍ^２以上確保され、液体流路の全断面積Ｓ１に占める液体流通領域の割合（すなわち、ａ／Ｓ１×１００（％））として定められる面内流通面積率は４０％以上に確保されている。

図３において、ねじ部材（衝突部）１０の投影外形線に現れる谷部２１の深さｈは０．２ｍｍ以上確保されている。また、中心軸線Ｏの投影点を中心として液体流路の内周縁までの距離の７０％に相当する半径にて描いた円を基準円Ｃ_７０として定めたとき、谷部２１の最底位置を表す谷点のうち、基準円Ｃ_７０の内側に位置するもの（○で表示）の数、つまり、中心軸線Ｏと直交する平面への投影にて液体流路３の断面中心から該液体流路３の半径の７０％以内の領域に位置する谷点の数を７０％谷点数Ｎ_７０と定義する。そして、該７０％谷点数Ｎ_７０の値を全ねじ配置面について合計した値を、液体流路３（絞り部９）の断面積Ｓ１で除した値を７０％谷点面積密度と定義する。図１の液体処理ノズル１においては、７０％谷点面積密度の値が１．６個／ｍｍ^２以上に確保されている。

図１において、互いに隣接するねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ２間にてねじ部材１０の脚部は、中心軸線Ｏと直交する平面への投影において長手方向を一致させつつ互いに重なり合う位置関係にて配置されている。具体的には、十字状に配置された４本のねじ部材１０からなる面ねじ組が、ねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ２間にて互いに重なり合う位置関係（すなわち、十字状の面ねじ組の中心軸線Ｏ周りの配置角度位相が互いに一致する位置関係：以下、このような配置を「同相配置」という）にて配置されている。また、隣接するねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ２間の間隔ｄｐは、図２のねじ頭部１０ｈの外径をｄｈ、ねじ脚部１０ｆの公称ねじ径をＭとして、例えば１．０５ｄｈ以上２Ｍ以下に設定されている。

図１の液体処理ノズル１に対し、たとえば、液体出口５側を開放して液体入口４に動圧が通常水道圧（例えば、０．０７７ＭＰａ）程度となるように、液体として例えば水を流通させた場合の作用について説明する。この水はたとえば、空気が溶存しているものとする（たとえば、２０℃（常温）での酸素濃度は約８ｐｐｍ）。水流はまずテーパ部１３及び絞り部９で絞られ、ねじ部材１０と絞り部９内周面との間に形成される図２の主流通領域２１と液体流通ギャップ１５とからなる液流通領域にてねじ部材１０に衝突しながらこれを通過する。

そして、ねじ部材１０の外周面を通過するときに、ねじ谷部に高速領域を、ねじ山部に低速領域をそれぞれ形成する。すると、ねじ谷部の高速領域はベルヌーイの定理により負圧領域となり、キャビテーションが生ずる。ねじ谷部はねじ部材の外周に複数巻形成され、かつ８本以上のねじ部材１０が複数のねじ配置面ＬＰ１、ＬＰ２に分配配置されていることから、キャビテーションは絞り部９内の谷部にて同時多発的に起こることとなる。すると、水流がねじ部材１０に衝突する際に、ねじ谷部での溶存空気の減圧析出が沸騰的に激しく起こり、ねじ部材１０の表面及び液体流路３の内面との間で水流を激しく摩擦しつつ撹拌する。

図１の液体処理ノズル１は、各ねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ２にて、面内流通面積率が４０％以上に確保され、全流通断面積が３．８ｍｍ^２以上に確保され、さらに隣接するねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ２（面ねじ組）の間隔ｄｐが、使用されるねじ部材１０の公称ねじ径よりも大きく確保されている。これにより、面ねじ組を流路中心軸線Ｏの方向に複数連ねて配置してもノズルの圧損増加を極めて小さくとどめることができる。その結果、１つの液体流路３内に従来よりも多くのねじ部材が配置されているにも関わらず、断面内にて必要な流速を十分に確保できるようになる。例えば、特許文献２では１．１個／ｍｍ^２程度が限界と思われていた７０％谷点面積密度の値を、十分な流速を確保しつつも一挙に１．６個／ｍｍ^２以上もの大きな値に設定できるようになる。

本発明者は、特許文献２において、当該文献に開示された液体処理ノズルによりキャビテーション処理を行なった水は肌や髪などへの浸透性が向上すること、該浸透性の向上効果は、液体処理ノズルの７０％谷点密度が大きくなるほど顕著となることを示唆した。また、肌や髪の構成成分は高分子であるたんぱく質であり、こうした高分子ネットワークからなる構造体への分子レベルでの水の浸透性改善については、水の中に微小気泡が介在することによる効果のみでは説明がつかない側面があること、例えば、水の物理的な性状、特に、極性分子である水の集団的（統計的）な振る舞いに微細気泡が関与し、水の浸透力等が増している可能性があること、などについても言及した。しかし、７０％谷点面積密度の値が上記の大きな値に拡大したノズルを用いてキャビテーション処理を行なった場合に、処理後の液体の特性がどのように改善されるかについては、特許文献２は沈黙している。

本発明の液体処理ノズルにてキャビテーション処理を行なった水は、例えばレーザー回折式粒度計などにより測定すれば、特許文献２と同様に、平均径が１００ｎｍ～３００ｎｍ程度のナノ域の微小気泡を多量に含んだ水になっていることを確認できる。しかし、後述の実験結果から明らかな通り、レーザー回折式粒度計によって確認できる上記平均径の微小気泡は、キャビテーション処理後タンクなどに貯留して数分放置すれば大部分が消失し、通常の感度のレーザー回折式粒度計では検出できなくなる。しかし、この微小気泡が検出されなくなった貯留後の処理水であっても、本発明のごとく７０％谷点面積密度を高めた液体処理ノズルを用いれば、キャビテーション処理に伴う浸透性改善等の効果は、微小気泡が検出されるノズル流通直後の処理水と同様に発揮されるのである。

以下、本発明の液体処理ノズルの種々の変形例について説明する。
図４は、図１の液体処理ノズル１のキャビテーション処理部ＣＶを、図２に示すレイアウトの面ねじ組を中心軸線Ｏの方向に４組配置した構成を示す。具体的には、中心軸線Ｏの向きに４つのねじ配置面ＬＰ１～ＬＰ４が、図１と同じ面間隔ｄｐにて配置され、図２の十字状の面ねじ組が互いに重なるように（すなわち、同相に）配置されている。この場合、１６本のねじ部材１０が４つのねじ配置面ＬＰ１～ＬＰ４に分配されることとなる。また、図５は、図２の面ねじ組を８つのねじ配置面ＬＰ１～ＬＰ８に対し同相に配置したキャビテーション処理部ＣＶの例を示す。この場合、３２本のねじ部材１０が８つのねじ配置面ＬＰ１～ＬＰ８に分配されることとなる。各キャビテーション処理部ＣＶの７０％谷点面積密度は、図２の構成と比較して、図４の構成では２倍に、図５の構成では４倍に増加させることができる。

次に、図６は、図１の液体処理ノズル１と同様の面ねじ組を４５°回転させた状態を示している。そして、図１の液体処理ノズル１の２つのねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ２のうち、一方のねじ配置面ＬＰ２の十字状の面ねじ組を、他方のねじ配置面ＬＰ１の面ねじ組に対して中心軸線Ｏの周りに４５°だけ回転させ、図６の状態とした場合のキャビテーション処理部ＣＶの例を、図７に示している。該構成のキャビテーション処理部ＣＶは、図２の構成と同等の７０％谷点面積密度を実現できるが、ねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ２の面間隔ｄｐが図１の構成と同一の場合は、液体流通時の圧損が若干大きくなる。しかし、面間隔ｄｐを適度に拡大することで該圧損は減じられ、図２の構成のキャビテーション処理部ＣＶとほぼ同等のキャビテーション処理能力を発揮する。また、液体の乱流攪拌効果は図１の構成よりも大きいため、混相流供給により気体を液体に溶解させる目的においてはより有利となる。

図８は、図７の構成において、面ねじ組を互いに直交するねじ部材対に分割し、それぞれ中心軸線Ｏの向きに位置をずらせて配置したキャビテーション処理部ＣＶの例を示す。具体的には、図１においてねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ２上に配置されていた各々４本のねじ部材１０が、図７の構成では、ねじ部材１０の公称ねじ径Ｍだけ隔てられた２つのねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ１’及びＬＰ２，ＬＰ２’に、互いに直交する２本ずつを分散させて配置している。すなわち、８本のねじ部材１０を４つのねじ配置面ＬＰ１，ＬＰ１’，ＬＰ２，ＬＰ２’に分配した例を示すものである。また、ねじ配置面ＬＰ１’とねじ配置面ＬＰ２との間隔は、公称ねじ径Ｍよりも大きく（例えば１．５Ｍ～２．０Ｍ程度）に設定されている。該構成における７０％谷点面積密度は図２の構成と同等である。

また、図９は、図２のレイアウトの面ねじ組と、図６のレイアウトの面ねじ組とを、４つのねじ配置面ＬＰ１～ＬＰ４に対し、交互に２つずつ合計４組配置したキャビテーション処理部ＣＶの例を示す。この例では、１６本のねじ部材１０が４つのねじ配置面ＬＰ１～ＬＰ４に４本ずつ分配配置されている。該構成における７０％谷点面積密度は図２の構成の２倍となる。

図１０は、キャビテーション処理部に気体導入機構を設けた液体処理ノズルの一実施形態を示す横断面図である。該液体処理ノズル２０１は、図２のレイアウトの面ねじ組と、図６のレイアウトの面ねじ組とを、中心軸線Ｏの向きに沿って配列する３つのねじ配置面ＬＰ１～ＬＰ３に対し、交互に合計３組配置したキャビテーション処理部ＣＶを有する。ノズル本体２には、該ノズル本体２の外周面に開口し、キャビテーション処理部ＣＶよりも上流にて絞り部９に連通する気体導入孔２８が形成されている。気体導入孔２８のノズル本体２の外周面側の開口にはめねじ孔２９が形成され、気体供給管を接続するための気体導入用継手３０が該めねじ孔２９に取り付けられている。これら気体導入孔２８及び気体導入用継手３０が気体導入機構を構成しており、該気体導入用継手３０に気体供給配管（図示せず）を接続すれば、絞り部９内に溶解するべき気体を簡単に導入することができる。例えば、エアコンプレッサ（図示せず）からの気体供給配管を接続することで被処理水に空気を溶解でき、例えば溶存空気の欠乏した被処理水においてもキャビテーションに必要な溶存空気量を確保できる。

上記の種々の実施形態では、ねじ配置面に対しねじ部材を４本十字状に配置していたが、ねじ配置面におけるねじ部材の配置数及び配置形態はこれらに限定されるものではない。図１１は、面ねじ組を３本のねじ部材１０で構成した例を示すものである。３本のねじ部材１０の先端面は三角形状の中心ギャップ１５を形成している。

また、図１の構成において、液体流路３（絞り部９）の内径が拡大した場合、全流通断面積が３．８ｍｍ^２以上確保され、かつ、面内流通面積率が４０％以上に確保される条件が充足されるのであれば、１つのねじ配置面上に配置するねじ部材の数、すなわち、面ねじ組の構成ねじ部材数は４つを超えた数とすること、例えば６本や８本としてもよい。図１２は、面ねじ組を８本のねじ部材で構成した例を示している。

また、ねじ部材を液体流路３（絞り部９）の内径（直径）に沿って配置する場合、該内径を横断するねじ部材を用いることで、中心ギャップを省略する構成も可能である。図１３は、面ねじ組を４本のねじ部材により、中心ギャップを形成しない形で構成した例を示す。また、図１４は、図１３の面ねじ組を、中心軸線方向に位置をずらせ、かつ角度位相を４５°ずらせて２組配置した例を示すものである。特に、絞り部９の内径が１０ｍｍを超える大流量のノズルにおいては、中心ギャップを省略しても断面中心付近の流速は十分に確保でき、高流速となる断面中心付近のねじ谷数を増加させる上での支障がない。

以下、本発明の液体処理ノズルの効果を確認するために行った種々の実験の結果について説明する。
試験用の液体処理ノズル（以下、「試験ノズル」と称する）として、図１に示す形状のものを種々作成した。図２１に図１の各部の寸法関係を図示している（単位ｍｍ）。ノズル本体２の材質はＡＢＳ樹脂であり、液体入口４と液体出口５の内径はφ２０ｍｍ、流入室６及び流出室７の流れ方向の長さはそれぞれ１５ｍｍ及び４５ｍｍである。また、キャビテーション処理部において絞り部９の長さは１２ｍｍ（面ねじ組数４まで）ないし１７ｍｍ（面ねじ組数８）、絞り部９の内径Ｄはφ３．８～ψ１１．５ｍｍの種々の値に設定した。

採用したねじ部材は、ＪＩＳ：Ｂ０２０５（１９９７）に規定されたメートル並目ピッチを有する０番１種なべ小ねじであり、材質はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）である。また、脚部の公称ねじ径はＭ１．０（ねじピッチ：０．２５ｍｍ、ねじ頭外径：１．８ｍｍ）、Ｍ１．４（ねじピッチ：０．３０ｍｍ、ねじ頭外径：２．０ｍｍ）、Ｍ１．６（ねじピッチ：０．３５ｍｍ、ねじ頭外径：２．４ｍｍ）、Ｍ２．０（ねじピッチ：０．４０ｍｍ、ねじ頭外径：３．０ｍｍ）である。キャビテーション処理部におけるねじ配置面（面ねじ組）の数は１～８であり、種々の面間隔にて設定している。なお、比較のため、図２０に示す如く、キャビテーション処理部に形成した隔壁部８に２つの絞り孔９を形成し、各絞り孔９について十字形態に４本のねじ部材１０を配置した液体処理ノズルも作成した。

各ねじ配置面のねじ部材（面ねじ組）の配置数及びレイアウトは、図１１に示す３本、図２及び図６に示す４本及び図１２に示す８本であり、隣接するねじ配置面の面ねじ組の位置関係（角度位相）は、図１、４、５に示す同相か、図７～９に示す４５°（ねじ配置面が３以上の場合は交互に４５°ずらせた配置）のいずれかとした。また、個々のねじ配置面の全流通断面積ａは３．４～５６．８ｍｍ^２、面内流通面積率は３７．５％～７３．７％の種々の値とした。なお、表３の番号１３及び番号１５の試験ノズルについては、直径方向に２本のみねじ部材を配置した１つのねじ配置面を１つ含むように構成した（表中、「１／２」と表示）。

また、絞り部内のねじ部材のレイアウトを示す投影画像上で各ねじ配置面上の基準円内側の７０％谷点数を計数し、これをねじ配置面で合計した値を絞り孔の全断面積で除することにより、７０％谷点面積密度の値を各試験ノズルについて算出した。作成した各ノズルについて、絞り部内径、組内ねじ数、面ねじ組配置、面ねじ組間隔、面内流通断面積、面内流通面積率、７０％谷点総数及び７０％谷点面積密度の各値を、表１～表４にまとめて示している。なお、＊を付与した番号のノズルは、同様に＊を付与した寸法ないしパラメータの値において本発明の範囲外となっていることを示す。なお、表１及び表３の各試験ノズルにおいては、公称ねじ径が上記Ｍ１．４のねじ部材を使用している。

上記の試験用ノズルを用い、以下のような試験を行なった。
（１）通水テスト
図２２に示す試験装置を構築し、各試験ノズルを組み込んで通水テストを行なった。具体的には、水温２０℃、溶存酸素濃度６ｐｐｍの水道水を容量５０Ｌの貯留タンクに注水した。配管系は内径２０ｍｍのＰＶＣ管を用いて作成した。吸引配管は一端をベーンポンプ（の吸引側に接続し、他端側を貯留タンクに挿入した。一方、ポンプ吐出側の配管は試験ノズルを装着する試験配管と、試験ノズルを経由しない逃がし配管とに分岐し、逃がし配管を通る水は貯留タンクに戻される。試験配管の先端には試験ノズルが装着され、その上流に動水圧計と流量計とが挿入される。この状態でベーンポンプを駆動することにより、試験ノズルを開放通水したときの動水圧と流量とが読み取り可能である。また、試験ノズルを通過した処理水は回収タンクに回収される。逃がし配管上には流量調整弁が設けられ、その開度を調整することで、ノズルに付加される動水圧及び流量が任意の値に無段階に設定可能である。

通水テストは、動水圧を０．０７７ＭＰａに固定設定した時の流量を全ての試験ノズルについて測定したほか、特に選定したいくつかの試験ノズルについては、動水圧を種々に変更した時の流量変化についての測定を行なっている。また、ねじ配置面を１面のみとし、ねじ部材（面ねじ組）の配置数及びレイアウトを図２に示す４本とし、絞り孔９の内径及びねじ部材１０の公称ねじ径Ｍにより全流通断面積ａを種々に変更した試験ノズルを用い、動水圧を０．０７７ＭＰａに固定設定した時の流通断面積と流量の関係を調べる試験も別途行なっている。

（２）ぬめり汚れ洗浄力評価テスト
バイオフィルムに類似したぬめり汚れのモデルとしてひきわり納豆を用い、図１９の装置２００を用いて、各試験ノズルを通水させた水道水の洗浄力評価を行なった。装置２００の要部をなす散水ノズル２０１は、内径２０ｍｍのＰＶＣ管の先端をキャップで封止するとともに、管軸線方向に５ｍｍ間隔で管壁部を貫通するノズル孔を複数ドリル孔設したものである。この散水ノズルを水平に支持するとともに、基端側に試験水を供給することで各ノズル孔から下向きに噴射される。

上記の散水ノズルを、図２２の装置系にて試験ノズルに代えて装着した。また、（１）の通水テストで試験ノズルの通過によりキャビテーション処理された処理済み水が回収タンクに回収されるので、これを貯留タンクと置き換える形で設置した（ただし、動水圧を０．０７７ＭＰａに設定して得られた回収水を用いている）。これにより、図２２を援用して説明すれば、回収タンク内の処理済み水はベーンポンプにより吸い上げられ、試験ノズルの代わりに散水ノズルから噴射されることとなる。散水ノズル２０１の直下には整流用タイル２０７が垂直に立てた状態で設置される。整流用タイル２０７の上面に向け斜め手前に水流が当たるように、散水ノズル２０１は軸線周り手前に傾けてセッティングしてあり、各ノズル孔から噴射された水流ＷＦは、整流用タイル２０７上で広がって一体化し、水膜状となって流下する。

汚れモデルＮＴを塗布したサンプルタイル２０６は整流用タイル２０７の直下に配置され、整流タイルからの水膜状の洗浄水流ＷＦが幅方向に均等に流下する。サンプルタイル２０６はスペーサ２０５により、下端側が前方にせり出す形で約３°傾けられている。散水ノズル２０１の水流噴射区間の幅は約３０ｃｍである。また、整流用タイル２０７及びサンプルタイル２０６は、片面に白色・平滑な釉薬層が形成された陶器製であり、高さＴＨが９ｃｍ、幅ＴＷが１８ｃｍである。サンプルタイル２０６上の汚れモデルＮＴの幅は３～４ｃｍに設定され、噴射される処理水の総流量は６Ｌ／分、汚れモデルＮＴに当たる実質流量は０．６～０．７Ｌ／分に調整されている。これにより、汚れモデルＮＴの除去に対しては、水流の衝突運動エネルギーよりも、納豆粒子をタイルに付着させているぬめり層への浸潤が効果として主体的となる。

汚れモデルＮＴはひきわり納豆であり、染料により赤く着色してサンプルタイル２０６に塗付されている。ひきわり納豆に含まれる豆粒子のサイズは２～３ｍｍであり、塗布総重量はデジタルスケールを用いて１ｇ（粒子数：４０～５０個）に統一している。汚れモデルＮＴを塗布後のサンプルタイルは、２０℃、湿度５０％ＲＨの空調室内で９０分乾燥させたのち試験に供した。試験中、洗浄進行に伴いサンプルタイル２０６から納豆粒子が落下・除去されてゆく様子を動画撮影し、サンプルタイル２０６上の初期総粒子数に対する除去粒子数の比率の通水経過に伴う変化を動画から読み取った。具体的には、処理済み水を流通させる場合と通常水を流通させる場合のそれぞれについて３回同じ試験を繰り返し、除去率が５０％となる通水時間の３回の平均値を読み取るようにした。

処理済み水の洗浄力は、上記の通水時間により評価したが、キャビテーション処理を行なっていない通常水道水や、異なる試験ノズルによる処理済み水の間での比較を行いやすくするために、次のような手法を用いた。
・処理済み水については、回収タンクに回収後、１０分間静置状態で放置したのち、試験に供した。１０分放置後の処理済み水は、レーザー回折式粒度計（島津製作所製：ＳＡＬＤ２２００）により微細気泡が計測されるか否かを確認したが、いずれの試験ノズルによる処理済み水も、通常水である水道水とともに測定結果は検出限界以下となった（一方、本発明の要件を充足する試験ノズルを通水した処理済み水を直ちに測定に供した場合は、平均気泡径１００～２００ｎｍ前後の微細気泡が検出された）。
・洗浄性の評価は、複数の試験ノズルの処理済み水間で通水時間の絶対値を横断的に比較するのではなく、同条件にて作成したサンプルタイルを用いたときの、キャビテーション処理を行わない通常水（ブランク水）と処理済み水との通水時間比（除去率：５０％）で比較するようにした。以上の試験結果を、表１～表４にまとめて示している。

以下、得られた結果について説明する。
図１５は、ねじ配置面を１面のみとし、ねじ配置面の全流通断面積（液体流通領域の面積）を種々に変更した試験ノズルにより、動水圧を通常水道圧領域の０．０７７ＭＰａに固定設定したときの、流通断面積ａと流量ρの関係を調べた結果を示すグラフである。このグラフから明らかな通り、ねじ配置面における流通断面積ａが５．０ｍｍ^２以上となる領域では、該面積ａの増加に伴い流量ρがａの一次関数：
ρ＝１．７５ａ＋２．９３・・・（Ｉ）
に従って直線的に増加する傾向を示していることがわかる。一方、流通断面積ａが５．０ｍｍ^２となる領域では、流量ρは上記直線的な関係から下方に外れ、全流通断面積ａの縮小に伴って、該面積ａの対数に依存する関数：
ρ＝９．２８×ｌｎ（ａ）－３．３７・・・（ＩＩ）
に従い、流量ρが急速に減少していることがわかる。これは、通常の水道圧領域による流通条件では、全流通断面積ａが５．０ｍｍ^２未満となったとき、ノズル内の面ねじ組の挿入数が１つ増えるごとに増加する圧損が急激に大きくなり、流通断面積に見合った流量が得られなくなることを意味している。全流通断面積ａが５．０ｍｍ^２となる具体的な条件は、例えば、絞り部９の内径を４．２ｍｍに設定し、Ｍ１．４のねじ部材を図２のレイアウトに従い４本配置した場合に相当する。

図１６は、面ねじ組の数を増やし７０％谷点面積密度の値をさらに増加させる上で、全流通断面積ａを５．０ｍｍ^２以上に確保することが重要である事情を説明するものである。横軸は、円形のねじ配置面をなす絞り孔の、断面半径方向の流速分布を示すものである。断面内にねじ部材が配置されるので、流速分布形状はその影響を当然受けると考えられるが、ねじ部材配置の対称性を考慮すれば、断面内にねじ部材が配置されていない場合と同様に、断面中心が極大値となる放物線状の流速分布を仮定することは、おおむね妥当と考えられる（図中の実線）。この状態から、例えば絞り部９の内径を３．５ｍｍに縮小すると、全流通断面積ａは３．５ｍｍ^２となる。この領域においても、面積ａに対し流量ρが（Ｉ）式が示す一次関数に従い変化すると考えた場合、（Ｉ）式のａ＝３．５ｍｍ^２への外挿値から推定される流量は約９．０Ｌ／ｍｉｎとなる。しかし、実際には圧損増大のため該領域での流量はａの対数を含む（ＩＩ）式に支配され、（Ｉ）式の上記外挿値よりも１０％低い８．３Ｌ／ｍｉｎ前後となることがわかる。

この場合、該領域でも圧損の影響が小さく（Ｉ）式が成立していれば、断面半径方向の流速分布はａ＝５．０ｍｍ^２の場合と同じになるはずであるが、実際には断面半径方向の流速分布は、図１６に破線で示すように、ａ＝５．０ｍｍ^２の場合から最大値が１０％減じた放物線状となる。断面半径の７０％となる位置では、最大値ρ_Ｍのほぼ１／２の流速となる。よって、最大流速が（Ｉ）式による外挿値から１０％減ずれば、ａ＝５．０ｍｍ^２の場合の最大値ρ_Ｍの１／２の流量となる断面半径位置は、計算によると７０％位置から６７％位置へ縮小する。このような特性の面ねじ組を、流路軸線方向にさらに一組追加すれば、ρ_Ｍの１／２を与える断面半径位置はさらに縮小して６３％位置となる。

絞り部９の内径が３．５ｍｍ、ねじ部材の公称ねじ径Ｍが１．４の場合、幾何学的な計算によると、７０％ねじ谷数は８個となるのに対し、６３％ねじ谷数は半分の４個に減ずる。このように、ａ＝３．５ｍｍ^２の面ねじ組は、仮に軸線方向に２組配置して流路断面内のねじ部材数を倍増させても、圧損増加により、面ねじ組を１組のみとした場合と比較して７０％ねじ谷数の増加には全く寄与できなくなることがわかる。逆に、ａ＞３．５ｍｍ^２に設定される面ねじ組であれば、軸線方向に２組配置したときの圧損増加がａ＝３．５ｍｍ^２の場合よりも小さくなるので、面ねじ組の増加は７０％ねじ谷数の増加、すなわち７０％谷点面積密度の増加に理論的には貢献すると考えられる。本発明では、全流通断面積ａの下限値を３．８ｍｍ^２に定めているが、より好ましくは上記（Ｉ）式が成立する５．０ｍｍ^２以上に設定するのがよいことは言うまでもない。そして、実験結果に基づいて以下に詳細に説明するごとく、面ねじ組を構成する十字状の４つのねじ部材を、互いに隣接するねじ配置面間で同相に配置する（つまり、ねじ部材の脚部を、長手方向を一致させつつ互いに重なり合う位置関係にて配置する）構成を採用するとき、面ねじ組の追加に伴う圧損増加はほとんど生じなくなり、７０％ねじ谷数を劇的に増加させることができる。また、互いに隣接するねじ配置面間で角度位相をずらせて面ねじ組を配置した場合も、面ねじ組間の距離を増加させることにより、面ねじ組の追加に伴う圧損増加を抑制でき、７０％ねじ谷数を同様に増加させることができるようになるのである。

図１７は、絞り部の内径を５．０ｍｍとし、十字状の４つのねじ部材（Ｍ１．４）からなる面ねじ組を、ねじ配置面間隔が１．４ｍｍ～８．４ｍｍ（公称ねじ径をＭとして、１．０Ｍ～６．０Ｍ）となるように設定し、図７のごとく、それらを互いに４５°ずれた角度位相にて配置した試験ノズル（番号１～５、以下、４５°ノズルという：前述の表１にて、洗浄性評価に供したのは番号２及び４のみ）を用いて行った通水テストの結果を示すものである。動水圧は０．０４６ＭＰａ～０．０８９ＭＰａの種々の値に設定され、各々測定された流量の値を、設定動水圧の値に対してプロットしている。また、比較用のノズルとして、面ねじ組を１組のみとしたもの（番号１０１）、面ねじ組を１組のみとしつつねじ部材の本数を８本に増加させたもの（番号１０２）、絞り孔を図２０の２孔タイプとしたもの（番号１０３）を用いた場合の結果についても併せて示している。

上記の結果によると、ねじ配置面間隔ｄｐが公称ねじ径と等しくなる１．４ｍｍ（１．０Ｍ）の場合は、面ねじ組を１組のみとした番号１０１のノズルと比較すれば圧損増加は大きいが、同一面内に８本のねじ部材を配置した番号１０２のノズルよりは流量が大きくなっており、面ねじ組を軸線方向に分散配置することによる圧損減少効果が明確に認められる。また、ねじ配置面間隔ｄｐを１．５Ｍに拡大した番号２のノズルは流量が大幅に増加しており、圧損減少効果は極めて顕著となる。この傾向はねじ配置面間隔ｄｐがさらに拡大することによってより顕著となり（番号３：ｄｐ＝３．０Ｍ）、ねじ配置面間隔ｄｐが４．５Ｍに達すると、面ねじ組を軸線方向に多重化しない番号１０１及び番号１０３と比較しても流量特性はほぼ等しくなる。すなわち、このような配置面間隔を採用することで、角度移相をずらせた形で面ねじ組を追加しても、圧損増加がほとんど生じていないことがわかる。

図１８は、絞り部の内径を５．０ｍｍとし、十字状の４つのねじ部材（Ｍ１．４）からなる面ねじ組を、ねじ配置面間隔ｄｐが２．１ｍｍ（＝１．５Ｍ）となるように設定し、図２、図４及び図５のごとく、それらを互いに同相にて２～８組配置した試験ノズル（番号６～８）を用いて行った通水テストの結果を示すものである。動水圧は０．０４６ＭＰａ～０．０８９ＭＰａの種々の値に設定され、各々測定された流量の値を、設定動水圧の値に対してプロットしている。また、同じねじ配置面間隔を有する、図１７の番号２の４５°ノズルの結果についても併せて示している。面ねじ組を同相配置することにより、面ねじ組の数を８組まで増加させても、圧損はほとんど増加していないことがわかる。また、同じ面間隔による４５°ノズル（番号２）よりも、流量の値は大幅に増加していることもわかる。

以下、各ノズルについて行ったぬめり汚れ洗浄力評価テストの結果について、表１～表４を参照しつつ説明する。表１は、上記通水テストで用いた番号２及び番号４の４５°ノズル及び番号６の同相ノズルについての結果を、番号１０１～１０３の比較用ノズルについての結果とともに示している。また、番号２００は、キャビテーション処理を行わない通常の水道水をブランク水（通常水）として用いた場合の結果を示すものである。評価は前述のごとく、除去率が５０％となるときのブランク水に対する処理済み水の通水時間比（除去率：５０％）で行っており、この通水時間比の値が１のとき、ぬめり汚れに対する洗浄力はブランク水と同等であり、１より小さいときは、ブランク水より短時間でぬめり汚れを除去できていることを意味し、その絶対値が小さいほどぬめり汚れに対する洗浄力に優れていることを示す。

まず、比較用のノズルについての結果を説明すると、面ねじ組を１組のみとした番号１０１のノズルによる処理水は、通水時間比が１よりも小さい値となっており、ブランク水よりは洗浄力は良好である。また、面ねじ組を１組のみとしつつねじ部材の本数を８本に増加させた番号１０２のノズル、及び絞り孔を２孔タイプとした番号１０３についての結果も、ブランク水よりは良好であることを示している。

ここで、番号１０２のノズルは７０％谷点面積密度が番号１０１のノズルの１．８倍程度となっており、特に良好な洗浄効果を示している。また、面内流通面積率も５．１ｍｍ^２確保されており、キャビテーションに必要な流速は十分確保されていると考えられるが、面内流通面積率の値は２６％と小さく、流量は６．８Ｌ／ｍｉｎと非常に小さくなっており、絞り部の内径に見合った流量が全く得られていないことがわかる。なお、汚れ洗浄力評価テストは、処理水をブランク水にて２倍（ないし３倍）に希釈した水についても同様に行っているが、番号１０２のノズルは２倍希釈した場合も通水時間比は０．５以下と良好な値を示す。表中には、７０％谷点数を動水圧０．０７７ＭＰａでの通水流量で除して得られる７０％谷点流量密度の計算値も併せて示しているが、この値が大きいほど通水時間比が示す洗浄能力が良好となることも把握できる。

次に、本発明の実施形態にかかる番号２、４、６の試験ノズルの結果については、番号１０１及び番号１０３のノズルと比較して７０％谷点面積密度が大きいため、処理水の洗浄能力は明らかに優れていることがわかる。他方、７０％谷点流量密度の比較では、番号１０２のノズルよりも若干劣っており、洗浄能力はこれには及ばないものの、これに近い能力が発揮されており、かつ、番号１０２のノズルと比較したとき、面内流通面積率が増大していることにより、流量については圧倒的に良好な結果を示している。

表２は、同相配置にて面ねじ組の数を増加させた番号７及び番号８のノズルについての結果を、番号１０１及び番号６の試験ノズルの結果と比較して示すものである。番号７及び番号８のノズルは、面ねじ組数の増加に伴う圧損増加が小さいため、大流量を維持しつつ７０％谷点面積密度及び７０％谷点流量密度がいずれも顕著に増加している。その結果、希釈率を２倍ないし３倍に増加させた場合においても通水時間比が示す洗浄能力は良好である。

表３は、Ｍ１．４のねじ部材を用いつつ、絞り部内径、面ねじ組のねじ本数及び面ねじ組の数を種々に変更した試験ノズル（番号９～１５）についての結果をまとめたものである。また、番号１０９、１１１、１１２及び１１３は、番号９、１１、１２及び１３の試験ノズルと同じ構成の面ねじ組を１組のみ設けた比較例のノズルを表している。番号１０のノズルは、３本のねじ部材で構成した図１１に示す面ねじ組を用いたものであり、番号１５は、絞り部内径が１０ｍｍを超える値に設定される一方、面ねじ組を図１２に示す８本にて構成したものである。また、番号１３及び番号１５のノズルは、４本ないし８本の面ねじ組を用いつつ、１層だけねじ本数を１／２（４本の面ねじ組については、直径方向に対抗する２本のみとし、８本の面ねじ組については、十字状の４本のみに間引いたもの）に縮小したものとして構成している。番号９～１５の実施例の試験ノズルは、絞り部９の内径の拡大に伴い流量が３０Ｌ／ｍｉｎ以上に増加しているにも関わらず、７０％谷点面積密度を２．０個／ｍｍ^２以上に確保できており、比較例のノズルよりも大幅に良好な洗浄性能が発揮されている。

表４は、面内流通断面積の値をほぼ同等に設定しつつ、使用するねじ部材の公称ねじ径を変更することにより、７０％谷点密度を種々の値に設定した試験ノズル（番号２１～２４）についての結果を示すものである。いずれも良好な洗浄性能を発揮しているが、ねじ谷深さの大きいＭ１．４～Ｍ２．０のねじ部材を用いた番号２２～番号２４のノズルは、ねじ谷深さの小さいＭ１．０のねじ部材を用いた番号２１のノズルと比較して、より小さい７０％谷点面積密度にて同等の洗浄性能が達成できていることがわかる。

１，２０１ 液体処理ノズル
２ ノズル本体
３ 液体流路
５ 液体出口
４ 液体入口
９ 絞り孔
１０ ねじ部材
ＬＰ１～ＬＰ４ ねじ配置面
ＣＶ キャビテーション処理部

Claims (5)

1. 一端に液体入口を、他端に液体出口を有する円形断面の単一の液体流路が形成されるとともに、該液体流路の一部区間がキャビテーション処理部として定められたノズル本体と、前記キャビテーション処理部にて前記ノズル本体に脚部先端側が流路内側に突出するように組付けられる、ねじピッチ及びねじ谷深さが０．２０ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下、公称ねじ径Ｍが１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の複数のねじ部材とを備え、前記キャビテーション処理部には、前記液体流路の中心軸線と直交する仮想的なねじ配置面が該中心軸線に沿って複数設定されるとともに、前記ねじ部材が各前記ねじ配置面に対し２つ以上分配される形で前記脚部の長手方向が該ねじ配置面に沿うように配置された構造を有し、ガスが溶存した液体を前記液体入口から前記液体出口に向けて流通させ、前記キャビテーション処理部にて前記ねじ部材の脚部外周面に形成されたねじ谷に前記液体を増速しつつ接触させることにより、該液体に溶存ガスの減圧析出に基づくキャビテーション処理を行なうようにした液体処理ノズルにおいて、前記キャビテーション処理部が、
   総数にて８以上の前記ねじ部材が各前記ねじ配置面に対し２つ以上分配される形で配置されるとともに、前記液体流路の液体流通領域の面積が各前記ねじ配置面において３．８ｍｍ^２以上確保され、前記液体流路の全断面積に占める液体流通領域の割合として定められる面内流通面積率が４０％以上に確保され、前記中心軸線と直交する平面への投影にて前記液体流路の断面中心から該液体流路の半径の７０％以内の領域に位置する谷点の全ねじ配置面間で合計した総数を、前記液体流路の断面積で除した７０％谷点面積密度と定義したとき、前記７０％谷点面積密度の値が１．６個／ｍｍ^２以上に確保され、
   さらに、前記中心軸線方向に互いに隣り合う前記ねじ配置面の間隔が前記公称ねじ径以上に確保され、
   前記互いに隣り合うねじ配置面のそれぞれにおいて３以上の同数の前記ねじ部材が、前記脚部が前記液体流路の断面半径方向に沿うように前記断面中心周りに等角度間隔にて配置されるとともに、前記断面中心周りにおける前記ねじ部材の配置角度位相が、前記隣り合うねじ配置面間にて一致するように定められてなることを特徴とする液体処理ノズル。
2. 前記液体流路の液体流通領域の面積が各前記ねじ配置面において５．０ｍｍ^２以上確保され、前記７０％谷点面積密度の値が２．０個／ｍｍ^２以上に確保されてなる請求項１記載の液体処理ノズル。
3. 前記ねじ配置面上の３本以上の前記ねじ部材は、各ねじの前記脚部の先端面が前記断面中心を取り囲むことにより中心ギャップを形成するように配置されてなる請求項１記載の液体処理ノズル。
4. 前記ねじ部材は前記脚部よりも径大の頭部を有し、前記ねじ配置面の間隔が該頭部の外径よりも大きく設定されてなる請求項１記載の液体処理ノズル。
5. 一端に液体入口を、他端に液体出口を有する円形断面の単一の液体流路が形成されるとともに、該液体流路の一部区間がキャビテーション処理部として定められたノズル本体と、前記キャビテーション処理部にて前記ノズル本体に脚部先端側が流路内側に突出するように組付けられる、ねじピッチ及びねじ谷深さが０．２０ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下、公称ねじ径Ｍが１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の複数のねじ部材とを備え、前記キャビテーション処理部には、前記液体流路の中心軸線と直交する仮想的なねじ配置面が該中心軸線に沿って複数設定されるとともに、前記ねじ部材が各前記ねじ配置面に対し２つ以上分配される形で前記脚部の長手方向が該ねじ配置面に沿うように配置された構造を有し、ガスが溶存した液体を前記液体入口から前記液体出口に向けて流通させ、前記キャビテーション処理部にて前記ねじ部材の脚部外周面に形成されたねじ谷に前記液体を増速しつつ接触させることにより、該液体に溶存ガスの減圧析出に基づくキャビテーション処理を行なうようにした液体処理ノズルにおいて、前記キャビテーション処理部が、
   総数にて８以上の前記ねじ部材が各前記ねじ配置面に対し２つ以上分配される形で配置されるとともに、前記液体流路の液体流通領域の面積が各前記ねじ配置面において３．８ｍｍ^２以上確保され、前記液体流路の全断面積に占める液体流通領域の割合として定められる面内流通面積率が４０％以上に確保され、前記中心軸線と直交する平面への投影にて前記液体流路の断面中心から該液体流路の半径の７０％以内の領域に位置する谷点の全ねじ配置面間で合計した総数を、前記液体流路の断面積で除した７０％谷点面積密度と定義したとき、前記７０％谷点面積密度の値が１．６個／ｍｍ^２以上に確保され、
   前記ねじ配置面として、前記中心軸線に沿って、少なくとも第１ねじ配置面、第２ねじ配置面、第３ねじ配置面、及び、第４ねじ配置面が、この順番で設定されるとともに、各ねじ配置面では、３本以上の同数の前記ねじ部材が、前記脚部が前記液体流路の断面半径方向に沿うように前記断面中心周りに等角度間隔にて配置され、
   前記第１ねじ配置面、前記第２ねじ配置面、前記第３ねじ配置面、及び、前記第４ねじ配置面では、前記中心軸線方向に互いに隣り合う前記ねじ配置面の間隔が前記公称ねじ径の１．５倍以上に確保され、且つ、前記断面中心周りにおける前記ねじ部材の配置角度位相が、前記隣り合うねじ配置面間にて互いにずれた形で定められ、
   前記第１ねじ配置面と前記第３ねじ配置面間では、前記ねじ部材の配置角度位相が互いに一致するように定められ、
   前記第２ねじ配置面と前記第４ねじ配置面間では、前記ねじ部材の配置角度位相が互いに一致するように定められていることを特徴とする液体処理ノズル。