JP7846906B2 - 気泡発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体が旋回しながら流れる旋回流路が形成された筒状体を備える気泡発生装置に関する。

例えば、直径１００μｍ以下のいわゆるファインバブルと称される微細な気泡を液中に発生させる装置として、気泡発生装置が知られている（特許文献１を参照）。

特許文献１に記載の気泡発生装置は、液体が旋回しながら流れる貫通孔を備え、液体が旋回する際の遠心力を利用して減圧することにより、気泡を発生させるように構成されている。この装置において、貫通孔の出口側における流路断面の面積は、貫通孔の入口側における流路断面の面積よりも小さく設定されている。

特開２０１８－５８０３８号公報

特許文献１に記載された装置においては、貫通孔を流れる液体が貫通孔から放出されると、既に放出された液体に衝突することによって、貫通孔の出口近傍の液体が加圧されて圧力が上昇する。また、この装置では、貫通孔の出口側における流路断面の面積が、貫通孔の入口側における流路断面の面積よりも小さく設定されているため、貫通孔を流れる液体が加速されて放出される。加速された液体が貫通孔から放出されると、既に放出された液体に衝突することによる圧力上昇を抑えることができず、この圧力上昇に比例して貫通孔での減圧作用が低下し、気泡の発生が抑えられてしまう。従って、より多くの気泡を発生させるという点で改善の余地があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも多くの気泡を発生させることができる気泡発生装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明に係る気泡発生装置の特徴構成は、
液体が旋回しながら流れる旋回流路が形成された筒状体を備える気泡発生装置であって、
前記旋回流路は、
前記液体の通流方向に対し垂直な垂直面に沿って括れた括れ部と、
前記液体の通流方向から見て前記括れ部を挟むように対向配置される一対の対向面部と、
を有し、
当該旋回流路を前記垂直面に沿って切断した流路断面が、前記液体の通流方向に進むに従って、前記垂直面に沿って回転するような形状に形成されており、
前記旋回流路の出口側における前記流路断面の面積（Ｓ１）が、前記旋回流路の入口側における前記流路断面の面積（Ｓ２）よりも大きく設定されることにある。

本構成の気泡発生装置において、旋回流路を旋回しながら流れる液体には、遠心力が作用し、括れ部を流れる液体と、一対の対向面部の付近を流れる液体との間に圧力差が生じる。その結果、括れ部を流れる液体が減圧され、括れ部を流れる液体中に気泡が発生する。本構成の気泡発生装置によれば、旋回流路の出口側における流路断面の面積（Ｓ１）が、旋回流路の入口側における流路断面の面積（Ｓ２）よりも大きく設定される。これにより、旋回流路を流れる液体が減速されて放出される。このように、減速された液体は、旋回流路から放出されて既に放出された気泡を含む液体に衝突したとしても、その衝突エネルギーは小さいため、既に放出された気泡を含む液体の圧力上昇を抑えることができ、旋回流路での減圧作用の低下が抑えられることとあわせて、従来（特許文献１）よりも多くの気泡を発生させることができる。

本発明に係る気泡発生装置において、
前記旋回流路は、前記液体の通流方向に進むに従って、前記一対の対向面部の距離が大きくなるとともに、前記流路断面の面積が大きくなるように形成されていることが好ましい。

本構成の気泡発生装置によれば、液体の通流方向に進むに従って、一対の対向面部の距離が大きくなるので、液体の通流方向に進むに従って、旋回流路を流れる液体の旋回半径が増大する。この旋回半径の増大は、液体の旋回速さの低下を伴うが、液体に作用する遠心力はその旋回半径の増大により補われる。また、旋回流路の流路断面の面積は、液体の通流方向に進むに従って大きくなるため、液体に作用する遠心力が強化される。さらに、旋回流路を流れる液体は、上記のような旋回半径の増大と流路断面の面積増大との相互作用により、液体の通流方向に進むに従って旋回流れが乱れる乱流状態となり、攪拌作用が増大する。こうして、液体に作用する遠心力が強化されるとともに、攪拌作用が増大されることにより、より多くの気泡を効率よく発生させることができるとともに、発生した気泡を液体中に効率よく拡散させることができる。

本発明に係る気泡発生装置において、
前記面積（Ｓ１）と前記面積（Ｓ２）との面積比（Ｓ１／Ｓ２）は、１．１～１．５であることが好ましい。

旋回流路から放出される液体の速さは、液体の勢いに関係するため、旋回流路において過度に減速された場合、液体の勢いが使用に適さないほど弱くなってしまう。本構成の気泡発生装置においては、旋回流路の出口側における流路断面の面積（Ｓ１）と、旋回流路の入口側における流路断面の面積（Ｓ２）との面積比（Ｓ１／Ｓ２）が１．１～１．５に設定される。これにより、面積（Ｓ１）と面積（Ｓ２）とのバランスがよくなり、従来よりも多くの気泡を発生させつつ、液体の勢いを使用に適したものとすることができる。

本発明に係る気泡発生装置において、
前記筒状体における前記旋回流路の出口側の開口縁に、前記液体の通流方向に向かって前記筒状体の径方向外側に傾斜する傾斜部が形成されていることが好ましい。

本構成の気泡発生装置によれば、旋回流路の出口から放出される液体の一部は、液体の通流方向に向かって筒状体の径方向外側に傾斜する傾斜部に沿って流れるので、気泡を効率よく分散させることができる。

本発明に係る気泡発生装置において、
前記液体の通流方向に対し前記傾斜部がなす角度は、２０～７０°であることが好ましい。

液体の通流方向に対し傾斜部がなす角度が小さすぎる場合、旋回流路の出口から放出される液体の大部分は、液体の通流方向に向かって真っすぐに進むため、気泡を効率よく分散させることができない。一方、液体の通流方向に対し傾斜部がなす角度が大きすぎる場合、旋回流路の出口近傍で液体が過度に減速されてしまい、液体の勢いが使用に適さないほど弱くなってしまう。本構成の気泡発生装置においては、液体の通流方向に対し傾斜部がなす角度が２０～７０°に設定される。これにより、液体の通流方向に対し傾斜部がなす角度が適切となり、気泡を効率よく分散させることができるとともに、液体の勢いを使用に適したものとすることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る気泡発生装置の使用例を示す図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る気泡発生装置の斜視図である。 図３は、旋回流路の構造説明図である。 図４は、旋回流路の流路断面積の説明図である。 図５は、図４（ａ）のＸ－Ｘ矢視断面図である。

以下、本発明について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施形態や図面に記載される構成に限定されることは意図しない。

＜気泡発生装置の使用例＞
図１は、本発明の一実施形態に係る気泡発生装置１の使用例を示す図である。図１（ａ）は、気泡発生装置１がシャワーヘッド１００に組み込まれた状態の斜視図である。図１（ｂ）は、シャワーヘッド１００、接続具１０４及びホース１０２の接続関係及び気泡発生装置１の配置関係を示す分解斜視図である。図１（ａ）において、図中矢印で示す方向に冷水や温水等の液体が流れる。図１（ｂ）に示すように、シャワーヘッド１００の基端部（下端部）には、液体が通流可能な中空軸状の雄ねじ部１０１が形成されている。シャワーヘッド１００に液体を供給するためのホース１０２の先端部には、雄ねじ部１０１に螺合可能な雌ねじ部１０３が形成された接続具１０４が取り付けられている。接続具１０４の内部には、液体が通流可能な中空円板状の台座部１０５が組み込まれている。

シャワーヘッド１００の使用に際しては、気泡発生装置１における後述する筒状体２を雄ねじ部１０１の内部に挿入するとともに、気泡発生装置１における後述するフランジ部３を台座部１０５に当接させるようにして、雄ねじ部１０１に雌ねじ部１０３を螺合させて締め付け、シャワーヘッド１００に接続具１０４を介してホース１０２を接続する。ここで、気泡発生装置１のフランジ部３は、雄ねじ部１０１の外径よりも小さく且つ雄ねじ部１０１の端面に当接可能であるとともに、接続具１０４の内部に組込可能にその外径の大きさが設定されている。これにより、ホース１０２を介してシャワーヘッド１００に液体が供給されると、液体の供給圧力によってフランジ部３が雄ねじ部１０１の端面に押し付けられて密着する。なお、任意の構成である円環状のバックアップ材（図示省略）をフランジ部３に取り付けて、フランジ部３と台座部１０５との間に隙間が生じないようにすることが好ましい。

＜気泡発生装置の全体構成＞
図２は、本発明の一実施形態に係る気泡発生装置１の斜視図である。図２（ａ）は、液体の通流方向前方側から見た斜視図であり、図２（ｂ）は、液体の通流方向後方側から見た斜視図である。図１（ａ）及び（ｂ）に示す気泡発生装置１は、空気等の気体が溶け込んだ水等の液体に微小な気泡、いわゆるファインバブルを発生させるものである。ここで、ファインバブルとは、１００μｍ以下の微小な気泡のことであり、１μｍ～１００μｍのものはマイクロバブル、数十ｎｍ～１μｍ（１０００ｎｍ）のものはウルトラファインバブル（「ナノバブル」とも称される。）と呼ばれるが、本明細書におけるファインバブルは、その両方を含む。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、気泡発生装置１は、液体が旋回しながら流れる旋回流路１０が形成された筒状体２と、筒状体２の基端部（液体の通流方向後端部）に外向きに円環状に張り出すように形成されるフランジ部３とを備えている。気泡発生装置１は、樹脂製でそのサイズは特に限定されるものではないが、例えば、図１に示すようなシャワーヘッド１００や、台所の蛇口、その他種々の洗浄用の器具等に用いる場合、筒状体２は長さを１０～２０ｍｍ、直径を５～１０ｍｍに設定するのが好適である。また、フランジ部３は、直径を１２～２０ｍｍ、厚みを１～３ｍｍに設定するのが好適である。

＜筒状体＞
筒状体２は、断面の輪郭が円形状であり、液体の通流方向（以下、「液体通流方向」と称する。）に延びる仮想の軸を中心軸として、当該中心軸の軸方向に延在するように形成されている。図２（ａ）及び（ｂ）においては、液体通流方向が白抜き矢印で示され、筒状体２の中心軸と一致する中心軸線が記号「ＣＬ」を付した一点鎖線で示されている。

＜旋回流路＞
図２（ａ）に示すように、旋回流路１０は、括れ部１１及び一対の対向面部１２を有している。括れ部１１は、液体通流方向に対し垂直な垂直面に沿って括れた形状に形成されている。すなわち、括れ部１１は、中心軸線ＣＬに近づくように内向きに湾曲した形状の一対の湾曲形状部１３を含み、これら湾曲形状部１３が、中心軸線ＣＬと直交する方向に当該中心軸線ＣＬを挟むように配されている。一対の対向面部１２は、液体通流方向から見て括れ部１１を挟むように対向配置されており、中心軸線ＣＬを基準としてその周方向に沿い円弧状に延在するように形成されている。

旋回流路１０は、括れ部１１（一対の湾曲形状部１３）と一対の対向面部１２との間を繋ぐように配される一対の拡開部１４をさらに有している。一対の拡開部１４は、一対の湾曲形状部１３から一対の対向面部１２に向かって進むに従って、相互間の距離が大きくなるような末広がりのラッパ状に形成されている。こうして、旋回流路１０は、一対の湾曲形状部１３、一対の拡開部１４及び一対の対向面部１２によって区画形成されている。

本実施形態において、液体通流方向に対し垂直な垂直面に沿って旋回流路１０を切断した流路断面は、筒状体２の径方向の両端部よりも中央部が狭くなった括れ形状に形成されている。本例において、括れ形状は、液体通流方向に対し垂直な垂直面において、一対の湾曲形状部１３、一対の拡開部１４及び一対の対向面部１２が連続した形状として表れるものである。なお、以下において、特に断りのない限り、「径方向」とは、筒状体２の径方向のことである。

上記の「括れ形状」としては、例えば、径方向の両端部がイチョウ葉状に形成された分銅紋型や、径方向の両端部が円形状に形成された瓢箪型、径方向の両端部が楕円形状又は角丸四角形状に形成されたＩ字型、径方向の一端部がイチョウ葉状で他端部が円形状、楕円形状又は角丸四角形状に形成された異形型等が挙げられる。このように、旋回流路１０の流路断面において、径方向の中央部を狭く、径方向の両端部を広くするような形状とすることにより、旋回流路１０において液体が旋回する際の遠心力がより大きくなり、中央部が大きく減圧される。括れ形状のサイズは、特に限定されるものではないが、例えば、筒状体２の外径が５～１０ｍｍである場合、括れ形状の長手方向長さを３～８ｍｍ、径方向の中央部の最も狭い部分の幅を１～３ｍｍに設定するのが好ましい。旋回流路１０の入口側における流路断面の面積としては、所望の遠心力を得るのに必要な液体の流速を確保する観点から、気泡発生装置１が配される液体供給流路（本例では接続具１０４から雄ねじ部１０１に亘る流路）の流路断面の面積の１／１５～１／５であることが好ましく、１／１０～１／７であることがより好ましい。

図３は、旋回流路１０の構造説明図である。図３に示すように、旋回流路１０は、液体通流方向に対し垂直な垂直面に沿って当該旋回流路１０を切断した括れ形状の流路断面が、液体通流方向に進むに従って、前記垂直面に沿って中心軸線ＣＬの回りに回転するような形状に形成されている。また、旋回流路１０においては、液体の通流方向に進むに従って、一対の対向面部１２の距離Ｄが大きくなるとともに、括れ形状の流路断面の面積が大きくなるように設定されている。

括れ形状の流路断面の回転度合は、旋回流路１０の長さに対する、括れ形状の流路断面の回転角度で示すことができ、液体通流方向（中心軸線ＣＬが延びる方向）に１０ｍｍ進むと、９０～１８０°回転することが好ましく、９０～１２０°回転することがより好ましい。本例では、液体通流方向に１０ｍｍ進むと、括れ形状の流路断面が中心軸線ＣＬの回りに９０°回転するように設定されている。なお、括れ形状の流路断面の回転度合については、液体の液圧との兼ね合いによっても定まるものであり、液圧が比較的高く流速が大きい場合、旋回流路１０の長さ１０ｍｍあたりの回転角度は比較的小さくてもよい。上記の数値範囲は、液圧が１～２ｋｇｆ／ｃｍ^２（≒０．１～０．２Ｍｐａ：一般の水道水の出口圧程度）の場合に好適なものである。

図４は、旋回流路１０の流路断面積の説明図である。図４（ａ）は、気泡発生装置１を正面側（旋回流路１０の出口側）から見たときの流路断面を示す図であり、図４（ｂ）は、気泡発生装置１を背面側（旋回流路１０の入口側）から見たときの流路断面を示す図である。図４（ａ）において、旋回流路１０の出口側における流路断面は、網掛ハッチングで示す領域であり、当該領域の面積をＳ１とする。図４（ｂ）において、旋回流路１０の入口側における流路断面は、網掛ハッチングで示す領域であり、当該領域の面積をＳ２とする。本実施形態の気泡発生装置１においては、面積（Ｓ１）が面積（Ｓ２）よりも大きく設定されている。

旋回流路１０から放出される液体の速さは、液体の勢いに関係するため、旋回流路１０において過度に減速された場合、液体の勢いが使用に適さないほど弱くなってしまう。そこで、面積（Ｓ１）と面積（Ｓ２）との面積比（Ｓ１／Ｓ２）は、１．１～１．５に設定することが好ましく、１．２～１．４に設定することがより好ましい。これにより、面積（Ｓ１）と面積（Ｓ２）とのバランスがよくなり、従来（特許文献１）よりも多くの気泡を発生させつつ、液体の勢いを使用に適したものとすることができる。本例では、Ｓ１が２０ｍｍ^２、Ｓ２が１５．４ｍｍ^２、面積比（Ｓ１／Ｓ２）が１．３に設定されている。

図５は、図４（ａ）のＸ－Ｘ矢視断面図である。図５に示すように、筒状体２における旋回流路１０の出口側の開口縁には、液体通流方向に向かって筒状体２の径方向外側に傾斜する一対の傾斜部１５が形成されている。液体通流方向に対し傾斜部１５がなす角度は、言い換えると、中心軸線ＣＬに対し傾斜部１５がなす角度は、２０～７０°であることが好ましく、３０～６０°であることがより好ましい。本例では、当該角度が４５°に設定されている。なお、図５に示すように、旋回流路１０は、筒状体２において、一対の傾斜部１５が形成される傾斜部形成領域Ｒ_Ｋと、フランジ部３が形成されるフランジ部形成領域Ｒ_Ｆとの間の旋回流路形成領域Ｒ_Ｓにおいて形成されている。本実施形態において、旋回流路１０の出口側における流路断面は、傾斜部形成領域Ｒ_Ｋと旋回流路形成領域Ｒ_Ｓとの境界位置（図５中記号「Ａ」を付した矢印が示す位置）において、中心軸線ＣＬに対し垂直な垂直面に沿って切断した断面であり、この断面の面積がＳ１である。また、旋回流路１０の入口側における流路断面は、フランジ部形成領域Ｒ_Ｆと旋回流路形成領域Ｒ_Ｓとの境界位置（図５中記号「Ｂ」を付した矢印が示す位置）において、中心軸線ＣＬに対し垂直な垂直面に沿って切断した断面であり、この断面の面積がＳ２である。

液体通流方向に対し傾斜部１５がなす角度が小さすぎる場合、旋回流路１０の出口から放出される液体の大部分は、液体通流方向に向かって真っすぐに進むため、気泡を効率よく分散させることができない。一方、液体通流方向に対し傾斜部１５がなす角度が大きすぎる場合、旋回流路１０の出口近傍で液体が過度に減速されてしまい、液体の勢いが使用に適さないほど弱くなってしまう。そこで、液体通流方向に対し傾斜部１５がなす角度が上記数値範囲に設定されることにより、液体通流方向に対し傾斜部１５がなす角度が適切となり、気泡を効率よく分散させることができるとともに、液体の勢いを使用に適したものとすることができる。

以上に述べたように構成される気泡発生装置１による気泡の発生について、図１（ａ）に示すシャワーヘッド１００に気泡発生装置１が適用される場合を例に説明する。冷水や温水等の液体（水道水）がホース１０２、接続具１０４及び気泡発生装置１を介してシャワーヘッド１００に供給される際、液体が気泡発生装置１における旋回流路１０を旋回しながら流れる。旋回流路１０を旋回しながら流れる液体には、遠心力が作用し、図２（ａ）に示す括れ部１１を流れる液体と、一対の対向面部１２の付近を流れる液体との間に圧力差が生じる。その結果、括れ部１１を流れる液体が減圧される。通常、水道水には空気が溶け込んでいるが、常に大気圧の空気と接しているため、ほぼ飽和状態である。このような飽和状態の液体を減圧すると、溶解度が減少し、溶け込める気体（空気）の量が減少する。そして、括れ部１１を流れる液体中において、溶け込めなかった気体が気泡として発生する。

ところで、旋回流路１０を流れる液体が旋回流路１０から放出されると、既に放出された液体に衝突することによって、旋回流路１０の出口近傍の液体が加圧されて圧力が上昇する。本実施形態の気泡発生装置１においては、旋回流路１０の出口側における流路断面の面積（Ｓ１：図４（ａ）の網掛ハッチング部分の面積）が、旋回流路１０の入口側における流路断面の面積（Ｓ２：図４（ｂ）の網掛ハッチング部分の面積）よりも大きく設定されている。これにより、旋回流路１０を流れる液体が減速されて放出される。このように、減速された液体は、旋回流路１０から放出されて既に放出された気泡を含む液体に衝突したとしても、その衝突エネルギーは小さいため、既に放出された気泡を含む液体の圧力上昇を抑えることができ、旋回流路１０での減圧作用の低下が抑えられることとあわせて、従来（特許文献１）よりも多くの気泡を発生させることができる。

また、本実施形態の気泡発生装置１においては、液体の通流方向に進むに従って、一対の対向面部１２の距離Ｄ（図３参照）が大きくなるので、液体の通流方向に進むに従って、旋回流路１０を流れる液体の旋回半径が増大する。この旋回半径の増大は、液体の旋回速さの低下を伴うが、液体に作用する遠心力はその旋回半径の増大により補われる。また、旋回流路１０の流路断面の面積は、液体の通流方向に進むに従って大きくなるため、液体に作用する遠心力が強化される。さらに、旋回流路１０を流れる液体は、上記のような旋回半径の増大と流路断面の面積増大との相互作用により、液体の通流方向に進むに従って旋回流れが乱れる乱流状態となり、攪拌作用が増大する。こうして、液体に作用する遠心力が強化されるとともに、攪拌作用が増大されることにより、より多くの気泡を効率よく発生させることができるとともに、発生させた気泡を液体中に効率よく拡散させることができる。

旋回流路１０においては、液体の通流方向に進むに従って、一対の対向面部１２の距離が大きくなるとともに、括れ形状の流路断面の面積が大きくなるように形成されてなる旋回半径・流路断面拡大構造により、上述したように、乱流状態となり、しかも攪拌作用が増大されるので、以下のような効果を得ることができる。

（１）気泡どうしを合体させて巨大化することができる。これにより、例えば、直径が１００ｎｍ程度のサイズの気泡では浮力不足で浮かすことができないような汚れ物質を浮かして洗浄対象から分離することができ、洗浄効果をより高めることができる。
（２）表面にマイナスイオンを有する気泡と液体（水道水）に含まれるＣａイオンやＭｇイオンとをより効率よく接触させることができる。これにより、ＣａイオンやＭｇイオンの不活化をより促進することができる。
（３）脱気水をより効率よく生成することができる。

以上、本発明の気泡発生装置について、一実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

本発明の気泡発生装置は、水道の蛇口やシャワーヘッド等に組み込んで、いわゆるファインバブルと称される微細な気泡を発生する用途において有効に利用可能である。

１ 気泡発生装置
２ 筒状体
１０ 旋回流路
１１ 括れ部
１２ 対向面部
１５ 傾斜部

Claims (5)

1. 液体が旋回しながら流れる旋回流路が形成された筒状体を備える気泡発生装置であって、
   前記旋回流路は、
   前記筒状体の中心軸と一致する中心軸線に近づくように内向きに湾曲した形状の一対の湾曲形状部を含み、これら湾曲形状部がその中心軸線と直交する方向に当該中心軸線を挟むように配されてなる括れ部と、
   前記液体の通流方向から見て前記括れ部を挟むように対向配置される一対の対向面部と、
   を有し、
   当該旋回流路を前記液体の通流方向に対し垂直な垂直面に沿って切断した流路断面が、前記液体の通流方向に進むに従って、前記垂直面に沿って回転するような形状に形成されており、
   前記旋回流路の出口側における前記流路断面の面積（Ｓ１）が、前記旋回流路の入口側における前記流路断面の面積（Ｓ２）よりも大きく設定される気泡発生装置。
2. 前記旋回流路は、前記液体の通流方向に進むに従って、前記一対の対向面部の距離が大きくなるとともに、前記流路断面の面積が大きくなるように形成されている請求項１に記載の気泡発生装置。
3. 前記面積（Ｓ１）と前記面積（Ｓ２）との面積比（Ｓ１／Ｓ２）は、１．１～１．５である請求項１又は２に記載の気泡発生装置。
4. 前記筒状体における前記旋回流路の出口側の開口縁に、前記液体の通流方向に向かって前記筒状体の径方向外側に傾斜する傾斜部が形成されている請求項１又は２に記載の気泡発生装置。
5. 前記液体の通流方向に対し前記傾斜部がなす角度は、２０～７０°である請求項４に記載の気泡発生装置。