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特開2024-158910キャビテーション処理ユニットおよびそれに使用する加圧支援装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024158910
(43)【公開日】2024-11-08
(54)【発明の名称】キャビテーション処理ユニットおよびそれに使用する加圧支援装置
(51)【国際特許分類】
C02F 1/22 20230101AFI20241031BHJP
A47K 3/28 20060101ALI20241031BHJP
B01D 19/00 20060101ALI20241031BHJP
【ＦＩ】
C02F1/22 A
A47K3/28
B01D19/00 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023074535
(22)【出願日】2023-04-28
(71)【出願人】
【識別番号】000221616
【氏名又は名称】東日本旅客鉄道株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001254
【氏名又は名称】弁理士法人光陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】秦 文仁
(72)【発明者】
【氏名】新村 正俊
(72)【発明者】
【氏名】加藤 啓雄
【テーマコード（参考）】
2D132
4D011
4D037
【Ｆターム（参考）】
2D132FA07
2D132FA17
2D132FF01
2D132FG01
2D132FJ22
2D132FK00
4D011AA18
4D011AB06
4D037AA02
4D037AB11
4D037BA23
4D037BB07
(57)【要約】
【課題】加圧前と比較してキャビテーション処理効率が確実に向上する流量値が得られるように、キャビテーショノズルに対し加圧支援することができる機能を有したキャビテーション処理ユニットを提供する。
【解決手段】キャビテーショノズルの軸断面への投影にて、ねじ部材のねじ谷のうち臨界流速以上となるものの谷点の総数を有効谷点数Ｎ、供給流量をρ、有効谷点流量密度Ｊ＝Ｎ／ρとして、流量検出部による流量検出値に対応する有効谷点流量密度の値が予め定められた閾値未満となっている場合に、有効谷点流量密度の値が閾値を超える場合と比較して大きくなるようにブーストポンプの作動を加圧方向に制御する。
【選択図】図１
【解決手段】キャビテーショノズルの軸断面への投影にて、ねじ部材のねじ谷のうち臨界流速以上となるものの谷点の総数を有効谷点数Ｎ、供給流量をρ、有効谷点流量密度Ｊ＝Ｎ／ρとして、流量検出部による流量検出値に対応する有効谷点流量密度の値が予め定められた閾値未満となっている場合に、有効谷点流量密度の値が閾値を超える場合と比較して大きくなるようにブーストポンプの作動を加圧方向に制御する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水道本管から複数分岐するとともに末端が水道水使用のための流出ポイントとされる分岐配管の一のものに対し、前記水道本管からの分岐点と前記流出ポイントとの間に設置されるキャビテーションノズルであって、流路の内面から断面半径方向内向きに、ねじ山ピッチが０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下、ねじ谷深さが０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下のねじ部が外周面に形成されたねじ部材が所定数突設されるとともに、水の出口側を開放として供給水圧が０．１ＭＰａとなる標準条件にて通水したときの、前記ねじ部材が配置される前記流路の軸断面内の平均流速が９ｍ／秒以上となるように前記流路の軸断面径が定められ、水道水の供給に伴い前記ねじ部材のねじ谷をキャビテーションポイントとして機能させるキャビテーションノズルと、
前記分岐配管上にて前記キャビテーションノズルと直列に設けられ、前記キャビテーションノズルに対する供給水圧を増圧するブーストポンプと、
前記キャビテーションノズルへの水供給流量を直接的に又は前記水供給流量を反映したパラメータとして間接的に検出する流量検出部と、
前記流量検出部が検出する水供給流量に応じて前記ブーストポンプの動作を制御するブーストポンプ制御部とを備え、
前記キャビテーションノズルの前記ねじ部材が配置される軸断面内において、ねじ部材に水が衝突する直前の断面半径方向の流速分布が断面中心位置にて最大となり流路内壁面位置にてゼロとなる放物線状であると定め、さらに前記軸断面の半径をＲとして、前記軸断面の中心から０．７１Ｒの位置における前記標準条件での流速を臨界流速と定義したとき、前記ブーストポンプ制御部は、前記軸断面への投影にて前記ねじ部材のねじ谷のうち前記臨界流速以上となるものの谷点の総数を有効谷点数Ｎ、前記供給流量をρ、有効谷点流量密度Ｊ＝Ｎ／ρとして、前記流量検出部による流量検出値に対応する前記有効谷点流量密度の値が予め定められた閾値未満となっている場合に、前記ブーストポンプの作動を加圧方向に制御して、前記閾値を超える値に前記有効谷点流量密度を増加させることを特徴とするキャビテーション処理ユニット。
前記分岐配管上にて前記キャビテーションノズルと直列に設けられ、前記キャビテーションノズルに対する供給水圧を増圧するブーストポンプと、
前記キャビテーションノズルへの水供給流量を直接的に又は前記水供給流量を反映したパラメータとして間接的に検出する流量検出部と、
前記流量検出部が検出する水供給流量に応じて前記ブーストポンプの動作を制御するブーストポンプ制御部とを備え、
前記キャビテーションノズルの前記ねじ部材が配置される軸断面内において、ねじ部材に水が衝突する直前の断面半径方向の流速分布が断面中心位置にて最大となり流路内壁面位置にてゼロとなる放物線状であると定め、さらに前記軸断面の半径をＲとして、前記軸断面の中心から０．７１Ｒの位置における前記標準条件での流速を臨界流速と定義したとき、前記ブーストポンプ制御部は、前記軸断面への投影にて前記ねじ部材のねじ谷のうち前記臨界流速以上となるものの谷点の総数を有効谷点数Ｎ、前記供給流量をρ、有効谷点流量密度Ｊ＝Ｎ／ρとして、前記流量検出部による流量検出値に対応する前記有効谷点流量密度の値が予め定められた閾値未満となっている場合に、前記ブーストポンプの作動を加圧方向に制御して、前記閾値を超える値に前記有効谷点流量密度を増加させることを特徴とするキャビテーション処理ユニット。
【請求項2】
前記ブーストポンプは作動停止状態において前記分岐配管の供給水流を受けて空転可能に構成されており、
前記ブーストポンプ制御部は、前記有効谷点流量密度の値が前記閾値を超える場合には前記ブーストポンプの作動を停止する一方、前記分岐配管への元圧低下に伴う流量減少により前記有効谷点流量密度の値が前記閾値未満となる場合には、該閾値を超える有効谷点流量密度となる供給流量が得られるように前記ブーストポンプの作動を制御する請求項１記載のキャビテーション処理ユニット。
前記ブーストポンプ制御部は、前記有効谷点流量密度の値が前記閾値を超える場合には前記ブーストポンプの作動を停止する一方、前記分岐配管への元圧低下に伴う流量減少により前記有効谷点流量密度の値が前記閾値未満となる場合には、該閾値を超える有効谷点流量密度となる供給流量が得られるように前記ブーストポンプの作動を制御する請求項１記載のキャビテーション処理ユニット。
【請求項3】
前記キャビテーションノズルは、動水圧軸と有効谷点流量密度軸とが張る直交平面座標系において前記キャビテーションノズルに対する動水圧と前記有効谷点流量密度との関係を示す有効谷点流量密度特性曲線が、予め定められた動水圧にて前記有効谷点流量密度が極大となる極大点を有し、かつ前記極大点よりも低水圧側において前記有効谷点流量密度がゼロとなる点である有効谷点流量密度ゼロ点から前記極大点に至る第一区間と、前記極大点よりも高水圧側にて前記有効谷点流量密度が動水圧の増加ととともに前記第一区間よりも緩やかに減少する第二区間とを有するものであり、
前記閾値は、前記第一区間において前記極大点よりも低動水圧側に位置する予め定められた閾曲線点に対応する有効谷点流量密度値として定められている請求項１又は請求項２に記載のキャビテーション処理ユニット。
前記閾値は、前記第一区間において前記極大点よりも低動水圧側に位置する予め定められた閾曲線点に対応する有効谷点流量密度値として定められている請求項１又は請求項２に記載のキャビテーション処理ユニット。
【請求項4】
前記キャビテーションノズルは前記ねじ部材として、前記流路の軸断面への投影において、該軸断面の中心軸線周りに十字状に配置される４本のねじ部材の組を含み、それら４本のねじ部材の脚部先端面が正方形状の中心ギャップを形成する請求項３記載のキャビテーション処理ユニット。
【請求項5】
前記ブーストポンプ制御部は、前記流量検出値が前記有効谷点流量密度の前記閾値に対応する閾流量未満となっている場合は前記ブーストポンプを前記流量検出値とは無関係に予め定められた駆動電圧により定電圧駆動し、前記流量検出値が前記閾流量を超えている場合は前記ブーストポンプを作動停止させる請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のキャビテーション処理ユニット。
【請求項6】
前記直交平面座標系において、前記有効谷点流量密度特性曲線と前記有効谷点流量密度が前記極大点から１０％低下する位置を通り前記動水圧軸に対して平行な仮想線との２つの交点のうち、前記第二区間上の交点をブースト上限点、前記第一区間上の交点をブースト下限点として、
前記閾値は、前記第一区間の前記ブースト下限点よりも低動水圧側に位置する予め定められた閾曲線点に対応する有効谷点流量密度値として定められ、
前記キャビテーションノズルの動水圧が前記有効谷点流量密度ゼロ点に対応する動水圧となるまで前記分岐配管への元圧が低下した状態にて前記ブーストポンプを作動させたとき、前記動水圧が前記ブースト下限点に対応する下限動水圧値を超える増圧代が得られるように、前記定電圧駆動時の前記ブーストポンプの揚程が選定されている請求項５記載のキャビテーション処理ユニット。
前記閾値は、前記第一区間の前記ブースト下限点よりも低動水圧側に位置する予め定められた閾曲線点に対応する有効谷点流量密度値として定められ、
前記キャビテーションノズルの動水圧が前記有効谷点流量密度ゼロ点に対応する動水圧となるまで前記分岐配管への元圧が低下した状態にて前記ブーストポンプを作動させたとき、前記動水圧が前記ブースト下限点に対応する下限動水圧値を超える増圧代が得られるように、前記定電圧駆動時の前記ブーストポンプの揚程が選定されている請求項５記載のキャビテーション処理ユニット。
【請求項7】
前記定電圧駆動時の前記ブーストポンプの揚程は、前記ブースト下限点から前記ブースト上限点に至る動水圧幅よりも前記増圧代が小さくなるように選定されている請求項６記載のキャビテーション処理ユニット。
【請求項8】
前記ブーストポンプ制御部は、前記流量検出値が前記閾値に対応する閾流量未満となっている場合は前記ブーストポンプを、増圧後の前記キャビテーションノズルの目標流量値を前記閾流量よりも高く設定するとともに前記流量検出値を参照しつつ駆動電圧を変動させる形で定流量駆動制御する一方、前記流量検出値が前記閾流量を超えている場合は前記ブーストポンプを作動停止させる請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のキャビテーション処理ユニット。
【請求項9】
前記直交平面座標系において、前記有効谷点流量密度特性曲線と前記有効谷点流量密度が前記極大点から１０％低下する位置を通り前記動水圧軸に対して平行な仮想線との２つの交点のうち、前記第二区間上の交点をブースト上限点、前記第一区間上の交点をブースト下限点として、前記目標流量値は、前記ブースト下限点に対応する下限流量から前記ブースト上限点に対応する上限流量に至る流量区間内に設定されている請求項８記載のキャビテーション処理ユニット。
【請求項10】
前記ブーストポンプ制御部は、前記閾流量が変更可能に構成されている請求項５ないし請求項９のいずれか１項に記載のキャビテーション処理ユニット。
【請求項11】
前記キャビテーションノズルは、通水動水圧と有効谷点流量密度との関係を示す有効谷点流量密度特性の異なる複数のものの間で交換可能に設けられ、前記ブーストポンプ制御部は、前記分岐配管に設置するキャビテーションノズルの有効谷点流量密度特性に応じて前記閾流量が変更可能に構成されている請求項１０に記載のキャビテーション処理ユニット。
【請求項12】
請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のキャビテーション処理ユニットに組み込まれて使用されるブーストポンプであって、
前記分岐配管上にて前記キャビテーションノズルと直列に設けられ、前記キャビテーションノズルに対する供給水圧を増圧するブーストポンプと、
前記キャビテーションノズルへの水供給流量を直接的に又は前記水供給流量を反映したパラメータとして間接的に検出する流量検出部と、
前記流量検出部が検出する水供給流量に応じて前記ブーストポンプの動作を制御するブーストポンプ制御部とを備え、
前記キャビテーションノズルの前記ねじ部材が配置される軸断面内において、ねじ部材に水が衝突する直前の断面半径方向の流速分布が断面中心位置にて最大となり流路内壁面位置にてゼロとなる放物線状であると定め、さらに前記軸断面の半径をＲとして、前記軸断面の中心から０．７１Ｒの位置における前記標準条件での流速を臨界流速と定義したとき、前記ブーストポンプ制御部は、前記軸断面への投影にて前記ねじ部材のねじ谷のうち前記臨界流速以上となるものの谷点の総数を有効谷点数Ｎ、前記供給流量をρ、有効谷点流量密度Ｊ＝Ｎ／ρとして、前記流量検出部による流量検出値に対応する前記有効谷点流量密度の値が予め定められた閾値未満となっている場合に、前記閾値を超える値に前記有効谷点流量密度を増加させるようにしたことを特徴とする加圧支援装置。
前記分岐配管上にて前記キャビテーションノズルと直列に設けられ、前記キャビテーションノズルに対する供給水圧を増圧するブーストポンプと、
前記キャビテーションノズルへの水供給流量を直接的に又は前記水供給流量を反映したパラメータとして間接的に検出する流量検出部と、
前記流量検出部が検出する水供給流量に応じて前記ブーストポンプの動作を制御するブーストポンプ制御部とを備え、
前記キャビテーションノズルの前記ねじ部材が配置される軸断面内において、ねじ部材に水が衝突する直前の断面半径方向の流速分布が断面中心位置にて最大となり流路内壁面位置にてゼロとなる放物線状であると定め、さらに前記軸断面の半径をＲとして、前記軸断面の中心から０．７１Ｒの位置における前記標準条件での流速を臨界流速と定義したとき、前記ブーストポンプ制御部は、前記軸断面への投影にて前記ねじ部材のねじ谷のうち前記臨界流速以上となるものの谷点の総数を有効谷点数Ｎ、前記供給流量をρ、有効谷点流量密度Ｊ＝Ｎ／ρとして、前記流量検出部による流量検出値に対応する前記有効谷点流量密度の値が予め定められた閾値未満となっている場合に、前記閾値を超える値に前記有効谷点流量密度を増加させるようにしたことを特徴とする加圧支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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キャビテーション処理ユニットと、それに使用する加圧支援装置に関する。
【背景技術】
【0002】
高架水槽を用いない建物等においては、建物の水道本管から階床毎に分岐する分岐配管により給水される。この場合、水道本管の階床間を垂直に貫く部分での損失により、水道の水圧は上層階ほど低くなる。トイレの場合はタンク式（タンクに水を溜めてから便器を洗浄）を用いることで水圧の弱さは気にならない場合も多いが、浴室・洗面台（特にシャワー）や台所シンクなど、給水ポイントからの水流を直接使用したい場合は、水圧不足によるストレスを感じやすくなる。また、同一階床であっても水道本管から階床内各所に多数の分岐配管が設けられる場合、ある分岐配管での給水ポイントにて水を使おうとした際に、他の分岐配管の水道水の使用状況によっては同様の課題が生じうる。
【0003】
このような課題を解消するために、特許文献１には、シャワー等が末端に接続される給湯機に直流ブラシレスモータにより駆動される給水加圧ポンプを組み込み、水使用による給湯器への入水を検知するに伴い給水加圧ポンプ（ブーストポンプ）を自動始動させ、加圧支援を行う装置が提案されている。また、特許文献２には、水道本管上に加圧ポンプを組み込み、加圧ポンプの流出側における水圧に応じて流出圧を一定に制御する給水加圧装置が提案されている。
【0004】
次に、水道供給配管上にインライン設置可能であり、キャビテーションの利用により外気導入がなくとも微細気泡が発生可能な小型のノズル（以下、「キャビテーションノズル」ともいう）が、例えば特許文献３や特許文献４をはじめ種々提案されている。キャビテーションノズルはシャワーヘッドへの組み込みや、一般水道ラインへの組み込みも可能である。この場合、浴室床、排水溝、排水口あるいは浴槽等の汚れやぬめりの洗浄除去に効果が見込めるほか、シャワーを浴びた時の肌や髪の保湿、毛穴老廃物の除去、さらには保温効果など、種々の美容効果が発現することも知られており、女性を中心に支持を集めている。
【0005】
当然、分岐配管上にキャビテーションノズルを取り付ける場合においても、水道本管からの元圧が不足すれば、水量不足を生じる懸念が同様に生じる。そこで、このようなキャビテーションノズルに特許文献１あるいは特許文献２に開示された給水加圧装置を適用し、キャビテーションノズルへの水流速を補うことが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２００４－１１４８４号公報
【特許文献2】特開平５－２６３４４５号公報
【特許文献3】特開２０２０－１８９２８６号公報
【特許文献4】ＷＯ２０１６－１９５１１６号公報
【特許文献5】特開２０２１－１９５０９号公報
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】水ハンドブック（丸善、平成１５年）１１～１３頁
【非特許文献2】NanotechJapan Bulletin Vol. 8, No. 4, 2015 企画特集「Collabo ナノテクノロジー」 ＜第４回＞ １～６頁
【非特許文献3】２０１６年度日本建築学会大会(九州)学術講演会予稿集４０３１８「駅トイレにおけるナノバブルを用いた尿石除去方法に関する研究 その１～ナノバブル発生機の性能確認と尿石除去性能の確認～」
【非特許文献4】２０１８年度日本建築学会大会(東北)学術講演会予稿集４０３２３「駅トイレにおけるナノバブルを用いた尿石除去方法に関する研究 その２～ナノバブル発生ノズルの改良と尿石に対する効果の確認～」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、特許文献１の給水加圧装置は、水使用に伴う給湯器への入水を検知すると無条件に給水加圧ポンプが始動されるようになっているため、給水圧の不足が特に問題とならないシーンにおいてもポンプが作動してしまう問題がある。また、特許文献２の給水加圧装置は水道本管上に設けられ、加圧ポンプの流出側の水圧を検出して流出圧を制御することが前提となっている。このため、水圧が十分確保できる下層階でもポンプ作動により水道圧が増圧され、同様の問題を生じる。
【0009】
さらに、本発明者らが鋭意検討したところ、特許文献３のごとく、ねじ谷をキャビテーションポイントとして使用するキャビテーショノズルの場合、流路軸断面内の平均的な通水流速を加圧により一方的に増加させても、通水流量の設定によっては供給水に対するキャビテーション処理効率を必ずしも高めることができないことが判明した。このような問題は、特許文献１の給水加圧装置のごとく、流量が十分な状態で加圧ポンプが作動してしまう場合に生じやすい。
【0010】
本発明の課題は、加圧前と比較してキャビテーション処理効率が確実に向上する流量値が得られるように、キャビテーショノズルに対し加圧支援することができる機能を有したキャビテーション処理ユニットと、それに使用する加圧支援装置とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記の課題を解決するために本発明のキャビテーション処理ユニットは、水道本管から複数分岐するとともに末端が水道水使用のための流出ポイントとされる分岐配管の一のものに対し、水道本管からの分岐点と流出ポイントとの間に設置されるキャビテーションノズルであって、流路の内面から断面半径方向内向きに、ねじ山ピッチが０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下、ねじ谷深さが０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下のねじ部が外周面に形成されたねじ部材が所定数突設されるとともに、水の出口側を開放として供給水圧が０．１ＭＰａとなる標準条件にて通水したときの、ねじ部材が配置される流路の軸断面内の平均流速が９ｍ／秒以上となるように流路の軸断面径が定められ、水道水の供給に伴いねじ部材のねじ谷をキャビテーションポイントとして機能させるキャビテーションノズルと、分岐配管上にてキャビテーションノズルと直列に設けられ、キャビテーションノズルに対する供給水圧を増圧するブーストポンプと、キャビテーションノズルへの水供給流量を直接的に又は水供給流量を反映したパラメータとして間接的に検出する流量検出部と、流量検出部が検出する水供給流量に応じてブーストポンプの動作を制御するブーストポンプ制御部とを備え、キャビテーションノズルのねじ部材が配置される軸断面内において、ねじ部材に水が衝突する直前の断面半径方向の流速分布が断面中心位置にて最大となり流路内壁面位置にてゼロとなる放物線状であると定め、さらに軸断面の半径をＲとして、軸断面の中心から０．７１Ｒの位置における標準条件での流速を臨界流速と定義したとき、ブーストポンプ制御部は、軸断面への投影にてねじ部材のねじ谷のうち臨界流速以上となるものの谷点の総数を有効谷点数Ｎ、供給流量をρ、有効谷点流量密度Ｊ＝Ｎ／ρとして、流量検出部による流量検出値に対応する有効谷点流量密度の値が予め定められた閾値未満となっている場合に、ブーストポンプの作動を加圧方向に制御して閾値を超える値に有効谷点流量密度を増加させるようにしたことを特徴とする。
【0012】
また、本発明の加圧支援装置は、上記本発明のキャビテーション処理ユニットに使用される加圧支援装置であって、分岐配管上にて前記キャビテーションノズルと直列に設けられ、キャビテーションノズルに対する供給水圧を増圧するブーストポンプと、キャビテーションノズルへの水供給流量を直接的に又は水供給流量を反映したパラメータとして間接的に検出する流量検出部と、流量検出部が検出する水供給流量に応じてブーストポンプの動作を制御するブーストポンプ制御部とを備え、キャビテーションノズルのねじ部材が配置される軸断面内において、ねじ部材に水が衝突する直前の断面半径方向の流速分布が断面中心位置にて最大となり流路内壁面位置にてゼロとなる放物線状であると定め、さらに軸断面の半径をＲとして、軸断面の中心から０．７１Ｒの位置における標準条件での流速を臨界流速と定義したとき、ブーストポンプ制御部は、軸断面への投影にてねじ部材のねじ谷のうち臨界流速以上となるものの谷点の総数を有効谷点数Ｎ、供給流量をρ、有効谷点流量密度Ｊ＝Ｎ／ρとして、流量検出部による流量検出値に対応する有効谷点流量密度の値が予め定められた閾値未満となっている場合に、ブーストポンプの作動を加圧方向に制御して閾値を超える値に有効谷点流量密度を増加させるようにしたことを特徴とする。
【0013】
ブーストポンプは分岐配管上にてキャビテーションノズルと直列に設けられ、キャビテーションノズルに対する供給動水圧を増圧する役割を担う。また、分岐配管上には流量検出部が設けられ、その流量検出値に応じてブーストポンプの動作がーストポンプ制御部により制御される。これにより、給水圧の低下により分岐配管の流量が不足した場合にのみブーストポンプを作動させることができるようになり、キャビテーションノズルが設けられた分岐配管への流量を適正に保つ上で好都合となる。
【0014】
そして、本発明においてブーストポンプ制御部は、流量検出部による流量検出値に対応する有効谷点流量密度の値が予め定められた閾値未満となっている場合に、有効谷点流量密度の値が閾値を超えるよう、ブーストポンプの作動を加圧方向に制御する。追って詳述する通り、水の浸透性向上などキャビテーション処理により享受できる種々の効果の発現は、一般的な計測手段により検出が容易な１００ｎｍ以上の成長した気泡ではなく、キャビテーションポイントにて減圧析出する、数ｎｍレベルの計測のより困難な気泡核であると考えられる。ねじ部材を用いたノズルの場合、ねじ谷領域のうち、局所的に流速が高まり気泡核の発生が顕著となる底位置（谷点）がキャビテーションポイントとして活用できることになる。
【0015】
しかし、そうした谷点であっても、分子レベルでの水の流動挙動が明らかに変化するほどの気泡核が生成できるようにするためには、谷点での局所的な負圧がほぼ真空に近づくレベルに到達している必要がある。換言すれば、軸断面内のねじ谷の谷点うち局所的な流速が十分なレベルに到達しているもののみがキャビテーションポイントとして有効に機能するのである。本発明に採用するキャビテーションノズルは、水の出口側を開放として供給水圧が０．１ＭＰａとなる標準条件にて通水したときの、ねじ部材が配置される流路の軸断面内の平均流速が９ｍ／秒以上となるように流路の軸断面径が定められる。また、ねじ部材に形成されるねじ部は、ねじ山ピッチが０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下、ねじ谷深さが０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下に定められる。このように構成されたキャビテーションノズルの、ねじ部材に衝突する直前の流路の軸断面半径方向の流速分布を前記の放物線状であると考え、これに標準条件で通水したとき、軸断面半径Ｒの７１％（√２／２）の位置での流速を臨界流速として定める。流路内のねじ部のねじ谷のうち、この臨界流速以上にて水流が供給されるものの谷点位置では水流がさらに絞られて高速化し、谷点での局所的な負圧はほぼ真空に近づくと考えられる。本発明では、任意の水圧にて水を供給したときのノズル内のねじ谷のうち、臨界流速以上となるねじ谷の谷点のみを、気泡核生成が顕著となる有効谷点として考慮する。
【0016】
キャビテーションノズルに水を供給するとき、ブーストポンプによる加圧により水の流量を増加させれば軸断面内の平均流速も上昇し、臨界流速以上となる谷点すなわち有効谷点は軸断面半径方向外側にその数を増加させる。処理水中の気泡核は有効谷点の数が増えるほど多くなると考えられるが、後述のごとく、気泡核を直接検出可能な分析手段は、超高圧顕微鏡観察など極めて限られている。他方、気泡核の構成物質は水道水中の溶存空気であり、通常の溶存酸素濃度（例えば３～８ｐｐｍ）濃度を有した水道水であれば、流速が十分確保された状態でねじ谷を通過することにより、気泡核が十分発生できることは容易に推定できるから、有効谷点数は気泡核発生数の代替パラメータとなりうる。この場合、ブーストポンプによる加圧支援に伴い有効谷点数とともに水の流量も増加するから、処理水への気泡核の発生密度すなわちキャビテーション処理効率の度合いを反映したパラメータとして、有効谷点数Ｎを水の流量ρで除した有効谷点流量密度Ｊの値を採用することは、技術的に妥当と本発明者らは考える。
【0017】
ねじ部材のねじ谷の深さやねじ山ピッチが０．２ｍｍ未満になると、谷点に向けて水流が絞られる効果が不足し、キャビテーションポイントしての機能（溶存気体の減圧による気泡核析出機能）が十分に発揮されにくくなる。また、ねじ山ピッチが０．４ｍｍ以上に増大した場合もキャビテーションポイントとしての機能が不十分になりやすいことに加え、ねじ脚部の単位長当たりのねじ谷数が減じるので、キャビテーションノズルに組み込み可能なねじ谷（キャビテーションポイント）の総数が不十分となりやすい。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０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下に設定する。なお、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以下に設定するのがよい。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。以上は、特許文献３あるいは特許文献４の開示内容からも示唆されている。
【0018】
そして、本発明においては、流量検出部による流量検出値に対応する有効谷点流量密度の値が予め定められた閾値未満となっている場合に、ブーストポンプ制御部により、有効谷点流量密度の値が閾値を超える場合と比較して大きくなるよう、ブーストポンプの作動が増圧方向に制御される。よって、キャビテーション処理効率が確実に向上する流量値が得られるように、キャビテーショノズルに対し加圧支援することが可能となる。
【0019】
以下、本発明に付加可能な種々の要件についてさらに説明する。
ブーストポンプは作動停止状態において分岐配管の供給水流を受けて空転可能に構成することができる。この場合、ブーストポンプ制御部は、有効谷点流量密度の値が閾値を超える場合にはブーストポンプの作動を停止する一方、分岐配管への元圧低下に伴う流量減少により有効谷点流量密度の値が閾値未満となる場合には、該閾値を超える有効谷点流量密度となる供給流量が得られるようにブーストポンプの作動を制御するよう、構成することができる。この構成によると、有効谷点流量密度の値が閾値を超え、ブーストポンプによる加圧支援が不要となる状況においてはブーストポンプが停止するように制御されるので、余分な電力消費を防止できる。その際、ブーストポンプは分岐配管の供給水流を受け空転するので、ブーストポンプ停止に伴う圧損増加も生じにくい。このようなブーストポンプとして、例えばＤＣブラシレスモータを駆動源とするポンプを例示できる。
ブーストポンプは作動停止状態において分岐配管の供給水流を受けて空転可能に構成することができる。この場合、ブーストポンプ制御部は、有効谷点流量密度の値が閾値を超える場合にはブーストポンプの作動を停止する一方、分岐配管への元圧低下に伴う流量減少により有効谷点流量密度の値が閾値未満となる場合には、該閾値を超える有効谷点流量密度となる供給流量が得られるようにブーストポンプの作動を制御するよう、構成することができる。この構成によると、有効谷点流量密度の値が閾値を超え、ブーストポンプによる加圧支援が不要となる状況においてはブーストポンプが停止するように制御されるので、余分な電力消費を防止できる。その際、ブーストポンプは分岐配管の供給水流を受け空転するので、ブーストポンプ停止に伴う圧損増加も生じにくい。このようなブーストポンプとして、例えばＤＣブラシレスモータを駆動源とするポンプを例示できる。
【0020】
ねじ部材を使用するキャビテーションノズルとして、本発明においては、動水圧軸と有効谷点流量密度軸とが張る直交平面座標系においてキャビテーションノズルに対する動水圧と有効谷点流量密度との関係を示す有効谷点流量密度特性曲線が、予め定められた動水圧にて有効谷点流量密度が極大となる極大点を有し、かつ極大点よりも低水圧側において有効谷点流量密度がゼロとなる点である有効谷点流量密度ゼロ点から極大点に至る第一区間と、極大点よりも高水圧側にて有効谷点流量密度が動水圧の増加ととともに第一区間よりも緩やかに減少する第二区間とを有するものを採用できる。特にねじ部材として、流路の軸断面への投影において該軸断面の中心軸線周りに十字状に配置される４本のねじ部材の組を含み、それら４本のねじ部材の脚部先端面が正方形状の中心ギャップを形成するキャビテーションノズルの有効谷点流量密度特性曲線は、第一区間において動水圧低下時の有効谷点流量密度の減少が急激であり、わずかな動水圧低下でもキャビテーション効率の大幅な低下につながる懸念がある。この場合、前述の閾値は、第一区間において極大点よりも低動水圧側に位置する予め定められた閾曲線点に対応する有効谷点流量密度値として定めておくことで、ブーストポンプによる動水圧の上昇代が多少小さい場合でも、有効谷点流量密度の増加代を大きく確保することができる。
【0021】
上記のようなキャビテーションノズルは、どのように流量制御を行おうとも、有効谷点流量密度特性曲線上の極大点を超えて有効谷点流量密度を増加させることは物理的に不可能である。この場合、ブーストポンプによる加圧支援により有効谷点流量密度の増加代を顕著に確保するには、上記の直交平面座標系において、有効谷点流量密度特性曲線と有効谷点流量密度が極大点から１０％低下する位置を通り動水圧軸に対して平行な仮想線との２つの交点のうち、第二区間上の交点をブースト上限点、第一区間上の交点をブースト下限点として、前述の閾値は、第一区間のブースト下限点よりも低動水圧側に位置する予め定められた閾曲線点に対応する有効谷点流量密度値として定めておくことが望ましい。
【0022】
ブーストポンプ制御部は、流量検出値が閾値に対応する閾流量未満となっている場合はブーストポンプを流量検出値とは無関係に予め定められた駆動電圧により定電圧駆動し、流量検出値が閾流量を超えている場合はブーストポンプを作動停止させるものとして構成できる。この構成によれば、ブーストポンプの作動制御を単純なオンオフ制御とすることができ、回路構成や制御ロジックの大幅な簡略化を図ることができる。
【0023】
この場合、キャビテーションノズルの動水圧が有効谷点流量密度ゼロ点に対応する動水圧となるまで分岐配管への元圧が低下した状態にてブーストポンプを作動させたとき、動水圧がブースト下限点に対応する下限動水圧値を超える増圧代が得られるように、定電圧駆動時のブーストポンプの揚程を選定することができる。これにより、加圧後のブーストポンプの動作点がブースト下限点よりも大流量位置となるように加圧支援でき、例えば加圧後の動作点が第一区間に収まっている場合、有効谷点流量密度を極大点から１０％以内の高い値に維持することができる。一方、加圧による動水圧の増加代が多少過剰となり、加圧後の動作点が第二区間に移行した場合にあっても、該第二区間は有効谷点流量密度が動水圧の増加ととともに第一区間よりも緩やかに減少するので、加圧後の有効谷点流量密度を良好な値に維持することは比較的容易である。この場合、定電圧駆動時のブーストポンプの揚程を、ブースト下限点からブースト上限点に至る動水圧幅よりも増圧代が小さくなるように選定しておけば、加圧後の動作点が第二区間に移行した場合でも、有効谷点流量密度を極大点から１０％以内の高い値に維持することができる。
【0024】
ブーストポンプの作動を定電圧駆動のオンオフ制御とする上記の構成では、ブーストポンプによる動水圧の増加代が常に一定となるため、キャビテーションノズルへの元圧変動により有効谷点流量密度特性曲線における加圧前の動作点位置が変動すれば、加圧後の動作点位置も変動することになり、水流に脈動が生じることにつながる。そこで、ブーストポンプ制御部は、流量検出値が有効谷点流量密度の閾値に対応する閾流量未満となっている場合はブーストポンプを、増圧後のキャビテーションノズルの目標流量値を閾流量よりも高く設定するとともに、流量検出値を参照しつつ駆動電圧を変動させる形で定流量駆動制御する一方、流量検出値が閾流量を超えている場合はブーストポンプを作動停止させるように構成できる。このようにすると、キャビテーションノズルの加圧後の水流の脈動を防止できるほか有効谷点流量密度を一定に保つことができ、キャビテーション処理に伴う前述の特有の効果をより安定に享受することができる。この場合も、目標流量値を、前述のブースト下限点からブースト上限点に至る動水圧幅よりも許容変動幅が小さくなるように設定しておけば、加圧後の有効谷点流量密度を極大点から１０％以内の高い値に維持することができる。
【0025】
ブーストポンプ制御部は閾流量を変更可能に構成することができる。これにより、キャビテーション処理ユニットの使用形態に応じて閾流量を最適な値に容易に調整することができる。閾流量は、例えば分岐配管に接続される負荷の種別に応じて変更可能とすることができる。また、キャビテーションノズルは、有効谷点流量密度特性の異なる複数のものの間で交換可能に設けることができる。この場合、ブーストポンプ制御部は、分岐配管に設置するキャビテーションノズルの有効谷点流量密度特性に応じて閾流量を変更可能に構成することができる。これにより、キャビテーションノズルが有効谷点流量密度特性の異なるものに変更された場合においても、閾流量を最適な値に容易に調整することができ、ひいてはキャビテーションノズルの種別によらず加圧後の有効谷点流量密度を常に適正な値に確保することが可能となる。
【発明の効果】
【0026】
上記本発明の構成によると、キャビテーショノズルに対し加圧支援した場合に、加圧前と比較してキャビテーション処理効率が確実に向上できる流量値が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明のキャビテーション処理ユニットの使用形態の一例を示す図。
【図3】キャビテーションノズルの一例を示す横断面図。
【図4】キャビテーションノズルの有効谷点密度の概念を説明する図。
【図5】本発明のキャビテーション処理ユニットの電気的構成の例を示すブロック図。
【図7】第一のキャビテーションノズルの特性数値表を動水圧－流量特性線図とともに示す図。
【図8】第一のキャビテーションノズルの有効谷点流量密度特性曲線を、加圧制御シーケンスとともに示す図。
【図9】第二のキャビテーションノズルの特性数値表を動水圧－流量特性線図とともに示す図。
【図10】第二のキャビテーションノズルの有効谷点流量密度特性曲線を、加圧制御シーケンスの例とともに示す図。
【図16】第三のキャビテーションノズルの特性数値表を動水圧－流量特性線図とともに示す図。
【図18】給水ポイントに負荷としてシャワーヘッドを接続した場合について、流量検知部を圧力センサにて代替実現可能であることを説明する図。
【図19】第一のキャビテーションノズルを用いて閾流量を変更可能に設定する場合の具体例を示すグラフ。
【図20】閾流量を変更可能に構成したブーストポンプ制御部の電気的構成の一例を示すブロック図。
【図21】閾流量を変更するための入力部及び表示部の一例を示す図。
【図22】閾流量設定プログラムの流れを示す図。
【図24】ノズル種別に関する図。
【図25】５０ｎｍの気泡が水の浸透性に影響しにくいことを説明する図。
【図26】非特許文献２から引用した、気泡核の観察例を示していると推定される超高圧電子顕微鏡観察画像をナノバブル計測結果とともに示す図。
【図27】使用する水道水の溶存酸素濃度の低下に伴い、気泡核析出源となる過飽和酸素濃度が減少することを説明する図。
【図28】使用する水道水の溶存酸素濃度の低下に伴い、ＣＶＰ流量密度の閾値を変更設定する概念を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【0028】
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は本発明のキャビテーション処理ユニットの使用形態の一例を示すものであり、高架水槽を用いない高層建築物１０００（例えばマンション）への適用例を示している。高層建築物１０００においては、水道本管１００３から階床毎に分岐する分岐配管１００５により給水される。この場合、水道の水圧は、水道本管１００３の階床間を垂直に貫く本管部分１００３Ｖでの損失により上層階ほど低くなる。水道供給元圧では上層階層への給水圧が極度に不足するため、水道本管１００３の地上区間には元ブーストポンプ１００２が配設されている。そして。キャビテーション処理ユニット１は分岐配管１００５の一のものに対し、水道本管１００３からの分岐点１００６と流出ポイント１００７との間に設置されている。本図では最上階の分岐配管１００５にキャビテーション処理ユニット１を配設しているが、他の階床の分岐配管１００５上にももちろん配設可能である。
図１は本発明のキャビテーション処理ユニットの使用形態の一例を示すものであり、高架水槽を用いない高層建築物１０００（例えばマンション）への適用例を示している。高層建築物１０００においては、水道本管１００３から階床毎に分岐する分岐配管１００５により給水される。この場合、水道の水圧は、水道本管１００３の階床間を垂直に貫く本管部分１００３Ｖでの損失により上層階ほど低くなる。水道供給元圧では上層階層への給水圧が極度に不足するため、水道本管１００３の地上区間には元ブーストポンプ１００２が配設されている。そして。キャビテーション処理ユニット１は分岐配管１００５の一のものに対し、水道本管１００３からの分岐点１００６と流出ポイント１００７との間に設置されている。本図では最上階の分岐配管１００５にキャビテーション処理ユニット１を配設しているが、他の階床の分岐配管１００５上にももちろん配設可能である。
【0029】
図２は、分岐配管１００５の給水ポイントにシャワーヘッド１０１５を取り付けて使用する場合の接続形態を示すものである。分岐配管１００５の給水ポイントは、例えば浴室内のシャワーホース取り付け継手部であり、ユーザが手動操作するシャワー給水バルブ１０１０が設けられている。キャビテーション処理ユニット１の流入側継手２０はジョイント配管１０１１を介してシャワー給水バルブ１０１０に接続されている。また、流出側継手２１にはキャビテーションノズル１００が直結され、このキャビテーションノズル１００にシャワーホース１０１２が接続されるとともに、その末端のシャワー接続金具１０１３にシャワーヘッド１０１５が着脱可能に取り付けられている。なお、キャビテーション処理ユニット１はシャワー給水バルブ１０１０の上流側に設けてもよい。
【0030】
図３はキャビテーションノズル１００の一例を示す横断面図である。キャビテーションノズル１００はノズルケーシング１５０を備える。キャビテーションノズル１００の液体の流通方向において、ノズルケーシング１５０の液体入口と液体出口との一方の位置する側を第一側（図３では図面左側）とし、他方の位置する側を第二側（図３では図面右側）として、ノズルケーシング１５０は、第一側を構成するケーシング本体１５０Ｂと第二側を構成するコア押え部１５０Ａとからなり、いずれも金属（例えば真鍮等の銅合金（クロムあるいはニッケル等のメッキ層で覆われていてもよい）、ステンレス鋼等の鉄系材料）により構成されている。
【0031】
ケーシング本体１５０Ｂは第二側端面にコア挿入口１５０ｐを開口する形で収容通路部１５６が形成されており、収容通路部１５６に挿入されたキャビテーションコア１０１の第二側端面よりもケーシング本体１５０の第二側端部が延出するとともに、該第二側端部の内周面に組立用雌ねじ部１５０ｇが形成されている。また、ケーシング本体１５０Ｂの第一側端部には、軸線方向の一端が第一側開口部１５４として開口し他端が収容通路部１５６に連通する形で、液体流路１０３の一部をなす第一側流路部１５０ｕが貫通形成されている。
【0032】
他方、コア押え部１５０Ａの第一側端部の外周面には、ケーシング本体１５０Ｂの組立用雌ねじ部１５０ｇと螺合する組立用雄ねじ部１５０ｄが形成されており、その基端位置にはオーリング１５０ｅがはめ込まれている。また、コア押え部１５０Ａを軸線方向に貫通する形で液体流路１０３の一部をなす第二側流路部１５０ｖが形成され、コア押え部１５０Ａの第二側端面に第二側開口部１５５を形成している。組立用雄ねじ部１５０ｄを組立用雄ねじ部１５０ｄに螺合締結することによりコア押え部１５０Ａは、第一側端面（本実施形態では、座繰り５０ｎの底面）をキャビテーションコア１０１の第二側端面の外周縁部に当接させる形でこれを抜止め保持する。他方、キャビテーションコア１の第一側端面は収容通路部１５６の底面外周縁部に当て止めされている。また、ケーシング本体１５０Ｂの第一側端部には、配管系の第一ねじ継手と螺合するノズル側ねじ継手部１５１が刻設されている。他方、コア押え部１５０Ａの第二側端部には、配管系の雄ねじ継手と螺合する袋ナット１５０Ｃが回転自在に嵌着されている。袋ナット１５０Ｃの外周面は六角状の工具係合面１５３とされている。
【0033】
キャビテーションコア１０１のコア本体１０１Ｍの液体流路１０３は、該液体流路１０３の中心軸線の中点Ｇを含む区間が円筒面形態の絞り部１０９Ａとされ、液体流路１０３の絞り部１０９Ａの前後区間をなす部分が各々絞り部１０９Ａよりも径大の一対の拡径部１０９Ｂとされている。ねじ装着孔１１９はねじ部材１１０とともに絞り部１０９Ａに配設され、拡径部１０９Ｂのそれぞれの内側に整流部材１６３がコア本体１０１Ｍと一体化した形態で配置されている。
【0034】
ねじ部材１１０は、ねじ山ピッチが０．２５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下、ねじ谷深さが０．２５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下のものが使用されている。本実施形態にてねじ部材１１０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。ねじ部材１１０は、図３の下に示すように、流路の軸断面への投影において、該軸断面の中心軸線Ｏの周りに十字状に配置される４本のねじ部材１１０を一組として配設されており、それら４本のねじ部材１１０の脚部先端面が正方形状の中心ギャップ１１０ｇを形成している。図３においては、中心軸線Ｏに関して互いに４５°の角度をなす配列Ａのねじ組と配列Ｂのねじ組とが交互に５組配設されている。ただし、ねじ組の数は１つでもよいし、複数組設ける場合でも軸断面への投影において配列Ａのねじ組のみを互いに重なるように配置することもできる（例えば、図３から２つの配列Ｂのねじ組を取り除いた構成）。
【0035】
次に、キャビテーションノズル１００の有効谷点密度の概念を、図４を用いて説明する。キャビテーションノズルのねじ部材１１０が配置される軸断面（図４上）内において、ねじ部材１１０に衝突する直前の流路の軸断面半径方向の流速分布を、断面中心Ｏの位置にて最大となり、流路内壁面１０９Ａの位置にてゼロとなる放物線状であると定める。さらに軸断面の半径をＲとし、キャビテーションノズル１００の出口側を開放として該キャビテーションノズル１００への供給水圧が０．１ＭＰａとなる標準条件のときに、軸断面の中心から０．７１Ｒの位置（Ｒ70）に存するねじ谷点位置における流速を臨界流速と定義する。なお、軸断面の半径Ｒは、標準条件にて通水したときの、ねじ部材が配置される流路の軸断面内の平均流速が９ｍ／秒以上となるように定められている。
【0036】
円管内の流速分布が放物線状となることは水力学的に周知であり、ねじ部材１１０に衝突する直前のキャビテーションノズル１００内の軸断面の流速分布を上記のごとく放物線状と想定することは技術的に合理的と考えられる。また、家庭用水道の分岐配管末端での使用水圧として０．１ＭＰａ（１ｋｇ／ｃｍ２）は標準的な値であると思料される。そこで、キャビテーションノズル１００の出口側を開放として該キャビテーションノズル１００への供給水圧が０．１ＭＰａとなる使用条件を標準条件として定める。キャビテーションノズル１００の、ねじ部材１１０が配置される軸断面の中心Ｏにおける標準条件での流速をν（以下、「標準中心流速」という）として、ねじ谷での流速が０．５νとなる位置Ｒ70は、放物線状の流速分布を前提とする場合、軸断面の中心から０．７１Ｒ（（√２／２）Ｒ）の位置であり、本発明においては、標準条件においてこれよりも半径方向外側に位置するねじ谷（図４にて黒丸で表示）は、気泡核発生能力（キャビテーション処理能力）に乏しいものとして除外する。また、０．５νに相当するねじ谷での流速は、そのねじ谷がキャビテーション処理効果に貢献するか否かを判断する上での臨界値を意味するので、上記のごとく「臨界流速」と称する。
【0037】
本発明では、標準条件で水道水を流通したとき、キャビテーションノズル１００内のねじ谷のうち、放物線状の流速分布を仮定したときに流速が０．５ν以上、すなわち臨界流速以上の流速が得られる円Ｃ70の内側領域に存する谷点のみ（図４の白丸）が、気泡核発生に有効に寄与する谷点、すなわちキャビテーション処理効果に貢献する「有効谷点」とみなす。水道圧の低下によりキャビテーションノズル１００の流量が標準条件よりも減少すると、その時の軸断面中心の流速は標準中心流速νよりも低下する。その結果、臨界流速以上の流速が得られる領域の軸断面半径は標準条件よりも縮小し、その軸断面半径Ｒ70eqの円Ｃ70eq（以下、「臨界流速円」という）の内側に存する谷点数、すなわち有効谷点数は標準条件よりも減少する。他方、水道圧の上昇によりキャビテーションノズル１００の流量が標準条件よりも増加すると、その時の軸断面中心の流速は標準中心流速νよりも上昇する。その結果、臨界流速が得られる軸断面半径位置は標準条件よりも拡大し、臨界流速円の内側に存する谷点数、すなわち有効谷点数は標準条件よりも増加する。
【0038】
キャビテーションノズル１００の動水圧の変動に由来して有効谷点数が変化する場合、処理される水への気泡核の発生密度は、有効谷点数を供給される水道水の流量で除した値が大きいほど高くなると考えられる。そこで、任意の動水圧においてキャビテーションノズル１００の軸断面内にて臨界流速以上となるねじ部材１１０の谷点数を有効谷点数Ｎ、供給流量をρとしたとき、有効谷点流量密度ＪをＪ＝Ｎ／ρとして定義する。有効谷点数Ｎは、図４の上に示す如くキャビテーションノズル１００の流路の軸断面投影に表れるねじ部材１１０の全谷点の位置を特定しておき、与えられた動水圧におけるキャビテーションノズル１００の臨界流速円Ｃ70eqの半径Ｒ70eq（以下、「標準等価半径」という）を算出し、軸断面投影に臨界流速円Ｃ70eqを標準等価半径Ｒ70eqにて描いた時、その円Ｃ70eqの内側に表れるねじ部の谷点を計数することにより求めることができる。ベルヌーイの定理に従い、軸断面内の平均流速が動水圧の平方根に比例して変化すると考えれば、標準条件における流量をρ0、与えられた動水圧における流量をρとして、標準等価半径Ｒ70eqは、キャビテーションノズル１００の軸断面半径Ｒに対する比率にて、
Ｒ70eq＝（１－０．５／（ρ／ρ0））０．５×１００ （％）
として算出することができる。
Ｒ70eq＝（１－０．５／（ρ／ρ0））０．５×１００ （％）
として算出することができる。
【0039】
以下、さらに補足説明を行う。
キャビテーションノズル１００を通過する水道水には空気が溶存している。空気溶存量の上限は水道水に付加される大気圧に依存するが、常圧では酸素濃度レベルにて５～８ｐｐｍ程度である。このように空気が溶存した水道水を図３のようなキャビテーションノズル１００に供給すると、水流はねじ部１１０に衝突しながら通過する。水流がねじ部１１０の外周面を通過する際、流れは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。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、常圧と負圧での空気溶存量の差に基づいて、溶けきれなくなった溶存空気が減圧析出し、気泡核が発生する（キャビテーション）。気泡核を析出する減圧域はねじ部周囲の谷底付近に限られており、高速の液体流はほとんど瞬時的に該領域を通過してしまうから、発生した気泡の多くは気泡核の状態で成長が停止すると考えられる。
キャビテーションノズル１００を通過する水道水には空気が溶存している。空気溶存量の上限は水道水に付加される大気圧に依存するが、常圧では酸素濃度レベルにて５～８ｐｐｍ程度である。このように空気が溶存した水道水を図３のようなキャビテーションノズル１００に供給すると、水流はねじ部１１０に衝突しながら通過する。水流がねじ部１１０の外周面を通過する際、流れは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。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、常圧と負圧での空気溶存量の差に基づいて、溶けきれなくなった溶存空気が減圧析出し、気泡核が発生する（キャビテーション）。気泡核を析出する減圧域はねじ部周囲の谷底付近に限られており、高速の液体流はほとんど瞬時的に該領域を通過してしまうから、発生した気泡の多くは気泡核の状態で成長が停止すると考えられる。
【0040】
キャビテーションノズル１００で処理した水については、排水管に強固に密着した尿石層の浸透剥離（非特許文献３、４）、毛髪や肌の保湿性向上（特許文献４）、植物や魚などの水生動物の成長促進（特許文献５）、などの特有の効果が顕著であることが判明している。また、例えばレーザー回折式粒度計などにより測定すれば、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。しかしながら、上記のよう測定可能なＵＦＢは、サイズは小さいとはいえ分子サイズレベルから見れば「マクロ」としか言いようのないものであって、髪の毛や植物根の組織隙間や、叩いても落ちない程度に凝着した尿石層の隙間に直接浸透するような現象は起きるはずがない。キャビテーション処理水の浸透性向上のメカニズムについては、界面活性剤を添加した水のように、分子レベルにて水の浸透性そのものが向上している前提で考察する必要があると考えられる。
【0041】
水分子は電気的に分極しており、液体状態の水は好都合な配向をもつ一部の水分子同士に水素結合が形成され、互いに集団化しようとする性質を有する。このような構造は固定的なものではなく常に変化しており、水分子同士は結合したり離れたりを繰り返し、集団化する相手を次々と変えながら移ろいゆく「動的挙動」としてとらえられるべきものであり、静止した図面で表現することは本来できない。こうした動的に把握されるべき水分子の集合体については、「クラスター」の名のもとに種々議論されてきたが、「固定的構造」との混同によって種々の誤解を招来している傾向がある。この点に注意しながら非特許文献１を参照しつつ、水分子の動的挙動に反映される集合体の概念をまとめると以下のようになる。
・液体の水の分子間距離は結晶中の値とあまり変わらない２８６ｐｍ程度である。
・１つの水分子の最近傍配位数は結晶中の４個よりも１０％多い４．４個である。
・最近傍配位関係にある分子同士の結合の滞在時間は４．６×１０－１２秒と極めて短い（結合したり離れたりを高速で繰り返している）。
・最近傍配位関係にある分子同士は短時間ではあっても水素結合により比較的強く束縛され、その集団同士には単独の水分子よりも大きな分子間力が作用する。このような分子間力による緩い結合を考慮できる集団数を数個レベルと考えれば、動的挙動として把握される統計的集団の分子数は２０～３０を超えることはないと思われる。
・液体の水の分子間距離は結晶中の値とあまり変わらない２８６ｐｍ程度である。
・１つの水分子の最近傍配位数は結晶中の４個よりも１０％多い４．４個である。
・最近傍配位関係にある分子同士の結合の滞在時間は４．６×１０－１２秒と極めて短い（結合したり離れたりを高速で繰り返している）。
・最近傍配位関係にある分子同士は短時間ではあっても水素結合により比較的強く束縛され、その集団同士には単独の水分子よりも大きな分子間力が作用する。このような分子間力による緩い結合を考慮できる集団数を数個レベルと考えれば、動的挙動として把握される統計的集団の分子数は２０～３０を超えることはないと思われる。
【0042】
図２５は既存の方法で計測可能とされる最小の気泡（５０ｎｍ）気泡と、上記の動的挙動に反映される水分子集団（例えば３０分子）とのサイズを比較して示すものである。計測可能なサイズの気泡が水分子集団の大きさを変えるほどの影響を発現していると考えるには大きな難があることが理解できる。
【0043】
一方、図２６は、市販の旋回流式ウルトラファインバブル（ＵＦＢ）発生装置で処理した水を瞬間凍結し、超高圧電子顕微鏡により観察した論文報告（非特許文献２）の内容を抜粋したものである。電子顕微鏡写真の右が通常水、左がＵＦＢ処理水の画像であり、ＵＦＢ処理水のみ平均径７ｎｍ程度の微細な斑点が大量に観察される。画像から見積もられる斑点の数密度は８．１×１０１７個／ｃｃであり、ＵＦＢ発生機構を搭載した市販のシャワーヘッド等にて実現しているＵＦＢ数密度（１０億個／ｃｃ）の１０億倍もの値を示す。文献中では論じられていないが、図２６の電子顕微鏡写真に表れている斑点は、サイズ及び数密度から気泡核を示すものである可能性は十分にあると考えられる。数ｎｍサイズの気泡核は前述の水分子集団のサイズと桁的には近いものとなる。気泡核の領域には空間的には水分子が存在せず、また、気泡核表面はラジカル形成等により負に帯電していると考えられている。分子集団と同程度のサイズの気泡核であれば、集団に含まれる水分子が結合相手を変えようとするとき、あるいはその集団同士が分子間力により緩く連携しようとするときの障害物として作用し、動的挙動に反映される水分子集団のサイズが縮小して浸透性改善の要因となりうる、と本発明者らは考えている。
【0044】
キャビテーション処理水においてレーザー回折式粒度計等で計測されるのは、大量に析出した気泡核のほんの一部（１０億分の１程度）が計測にかかる程度まで成長し、かつ合体浮上により消滅せずに残留したものが観測されているにすぎない。本発明者らは再検討の結果、水の浸透性改善等に貢献しているのは、一般的な計測手法により容易に確認できるこうした１００ｎｍ近傍の気泡ではなく、超高圧電子顕微鏡等を用いなければ検出不能な数ｎｍ前後の気泡核である、と考えている。本発明者らが実験により確認した限り、レーザー回折式粒度計によって確認できる該サイズの微小気泡は、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が、前述の特有の効果はおおむね保持されていることがわかっている。よって、気泡核は一部が計測にかかる程度まで成長し、その後消滅したとしても、残余の大半は水中に残留して水の浸透性改善に寄与し続けていると考えられるのである。
【0045】
以上の考察より、キャビテーションノズル１００において処理された水道水に前述の特有な効果を十分付与するためには、空気が溶存した水をねじ部材１１０の個々のねじ谷に対し十分な流速で供給するとともに、十分な流速の水道水と接触している単位流量当たりの谷点数、すなわち有効谷点流量密度を向上することが、気泡核の発生数を高める上で重要であると結論付けることができる。
【0046】
図５は、キャビテーション処理ユニット１のより詳細な構成例を、その電気的構成とともに示すものである（キャビテーション処理ユニット１からキャビテーションノズル１００を取り除いた部分は加圧支援装置の概念を構成する）。該構成においてキャビテーション処理ユニット１は樹脂製の筐体４を有し、その内側に図１の分岐配管１００５に直接接続される配管セグメント３が組み込まれている。該配管セグメント３上にはＤＣブラシレスモータを駆動源とするブーストポンプ２と配管セグメント３内の水供給流量、すなわちキャビテーションノズル１００への水供給流量を検出する流量センサ１０（流量検出部）が設けられ、電源回路７、ブーストポンプ制御部５０及びポンプ駆動回路３０とともに筐体４内に封入されている。
【0047】
筐体４は本体４Ｂと蓋４Ａからなり、本体４Ｂの開口に対し蓋４Ａの周縁をパッキン５を介して重ね合わせ、ねじ６にて液密に締結した構造となっている。本体４Ｂの壁部にはハーメチック端子２１が設けられ、電源回路７に給電するための電源コード４２が着脱可能に接続される。また、配管セグメント３の両端は、シール付きの貫通継手で構成された流入側継手２０及び流出側継手２１とされており、流入側継手２１に分岐配管１００５（シャワー給水バルブ１０１０）が、流出側継手２０にキャビテーションノズル１００がそれぞれ接続される。なお、キャビテーションノズル１００は流入側継手２１に接続するようにしてもよい。
【0048】
図５の構成では、ハーメチック端子２１上にＤＣ充電ソケット２１が設けられ、該充電ソケット２１には電源回路７の構成要素である充電回路２３、二次電池（ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等）及び定電圧回路（レギュレータ回路）２５がこの順序でつながっている。充電回路２３には充電コネクタ４１、ＡＣアダプタ４３及びコンセントプラグ４４が設けられた電源コード４３により図示しない商用交流コンセントから充電電力が給電される。二次電池２４が十分充電されれば充電コネクタ４１をＤＣ充電ソケット２１から取り外すようにする。
【0049】
二次電池２４の出力電圧は電池残量や電池使用履歴により変動するため、充電回路２３により定電圧化し、ＤＣ／ＤＣ変換回路を２６～３８介して、必要な電圧に変換（昇圧ないし降圧）されたのち、各回路ブロックに分配される。二次電池２４の容量には限りがあり、長時間の連続使用には向かないが、このようにバッテリー電源化することで外部電源から遮断しての使用が可能となり、浴室などへ設置が容易となる。特に、シャワーなどによる断続使用には好適である。なお、電池を用いず外部交流のみ利用するより単純な電源構成を採用してもよく、例えばＡＣ電源コードと直結されるＡＣ／ＤＣ変換回路にて電源回路７を置き換えた構成を例示することができる。
【0050】
次に、ブーストポンプ制御部５０はマイコン回路として構成され、ＣＰＵ５１、制御プログラム５３ａが格納されたＲＯＭ５３、制御プログラム５３ａの実行領域となるＲＡＭ５２、入出力部５４及びそれらを相互に接続するバス５５等からなる。流量センサ１０の流量検出値の信号ＦＤＳは入出力部５４に入力される。ブーストポンプ２は前述のごとく、ＤＣブラシレスモータにより駆動されるポンプであり、作動停止状態において分岐配管１００５の供給水流を受けて空転可能である。ブーストポンプ制御部５０は制御プログラム５３ａに伴い、前述の有効谷点流量密度の値が閾値Ｋｃを超える場合にはブーストポンプ２の作動を停止する一方、分岐配管１００５への元圧低下に伴う流量減少により有効谷点流量密度の値が閾値Ｋｃ未満となる場合には、該閾値Ｋｃを超える有効谷点流量密度となる供給流量が得られるようにブーストポンプ２の作動を制御する。
【0051】
具体的には、ブーストポンプ制御部５０は、流量センサ１０による流量検出値ＦＤＳが閾値Ｋｃに対応する閾流量λｃ未満となっている場合はブーストポンプ２を流量検出値とは無関係に予め定められた駆動電圧（ＤＣ／ＤＣ変換回路２７の出力電圧）により定電圧駆動し、流量検出値が閾流量λｃを超えている場合はブーストポンプ２を作動停止させる。ＤＣ／ＤＣ変換回路２７からブーストポンプ２に至る給電経路上には、ポンプ駆動回路３０を構成するリレー３１が設けられ、ブーストポンプ２への給電は該リレー３１によりオンオフ制御される。リレー３１の開閉駆動は、ＤＣ／ＤＣ変換回路２８より給電されるリレー駆動回路３２が担う。リレー駆動回路３２はブーストポンプ制御部５０の入出力部５４から出力される駆動信号ＲＤＳの入力を受け、リレー３１のコイルを励磁通電制御する。
【0052】
図６はこの場合の制御プログラムの処理流れを示すものであり、Ｓ１０１で流量センサ１０の流量検出値λｄをリードする。Ｓ１０２ではＲＯＭ５３に記憶されている閾流量λｃをリードする。Ｓ１０３でλｄとλｃとを比較し、λｄ＜λｃであればＳ１０４に進んでブーストポンプ２をオンとする。他方、Ｓ１０３でλｄ＞λｃであればＳ１０５に進んでブーストポンプ２をオフとする。この構成によれば、ブーストポンプ２の作動制御を単純なオンオフ制御とすることができ、回路構成や制御ロジックの大幅な簡略化を図ることができる。
【0053】
なお、作動停止状態において空転可能となるブーストポンプ２の構成はＤＣブラシレスモータを駆動源とするポンプに限らず、例えばポンプ停止時に電磁クラッチ等によりポンプヘッドをモータ駆動軸から切り離し可能な構成とすることで、ポンプ駆動源をＤＣブラシレスモータから交流誘導モータに置き換えることも可能である。また、分岐配管１００５（図１）への流量変動を検出し、閾流量未満となった状態においてブーストポンプ２を検出流量に合わせて追従駆動するように制御するなど、閾流量未満となる条件下においてもブーストポンプ２を停止させない構成とすることも可能である。
【0054】
図２におけるシャワーヘッド１０１５を接続する使用形態にて、キャビテーションノズル１００は、以下に説明する第一のキャビテーションノズルが採用されている。図７は、第一のキャビテーションノズルの特性数値表を、シャワーヘッド１０１５を装着した状態の動水圧－流量特性線図とともに示すものである。シャワーヘッド１０１５は一般的なものであり、使用時の適正流量範囲は例えば８～１２Ｌ／分である。第一のキャビテーションノズルは動水圧０．１ＭＰａの標準条件にてこの適正流量範囲に入る流量値（ここでは、９．６Ｌ／分）にて、キャビテーション効率が適正化される平均流速（９ｍ／秒以上：ここでは１１．９ｍ／秒）が得られるよう、図３の絞り部１０９Ａの内径ｄ（ここでは、５．５ｍｍ）が調整されている。標準条件での平均流速の値は、キャビテーション処理水の用途に応じて適宜設定されることとなる。
【0055】
使用されているねじ部はＭ１．４の０番１種なべ小ねじであり、ねじ山ピッチ及びねじ谷深さはいずれも０．３ｍｍである。また、表中には、各動水圧での流量、平均流速のほか、前述の方法に従い計算された標準等価半径の値、有効谷点数（有効ＣＶＰ数）及び有効谷点流量密度（ＣＶＰ流量密度）の値も表示している。なお、第一のキャビテーションノズルは、図３の構成から２組の配列Ｂのねじ組を取り除いた構成（すなわち、配列Ａのねじ組のみ３組）を採用している。
【0056】
図８は、図７の特性数値表に基づく第一のキャビテーションノズルの有効谷点流量密度特性曲線ＣＣ（垂直軸が有効谷点流量密度、右は水平軸が動水圧、左は水平軸が流量）を直交平面座標系にて示すものである。図７に示すようにキャビテーションノズルの流量は動水圧の平方根に比例する関数であるから、水平軸を動水圧とした有効谷点流量密度特性曲線ＣＣと、水平軸を流量とした有効谷点流量密度特性曲線ＣＣ’とは数学的には写像の関係にある。よって、（有効谷点流量密度の）閾値に基づいてキャビテーションノズルの有効谷点流量密度を動的に制御することは、（流量の）閾値と流量検出部（流量センサ１０：図２）の検出値に基づいてキャビテーションノズルの流量を制御すること、もしくは（動水圧の）閾値と圧力検出部（後述する圧力センサ１１０（図１５）、あるいは圧力センサ１１０Ａ／１１０Ｂ）（図１８）の検出値に基づいてキャビテーションノズルの動水圧を制御することと技術的には等価である。
【0057】
有効谷点流量密度特性曲線ＣＣは、予め定められた動水圧（０．０９ＭＰａ付近）にて有効谷点流量密度が極大（９．３個・分／Ｌ）となる極大点ＤＰsupを有し、極大点ＤＰsupよりも低水圧側において有効谷点流量密度がゼロとなる点である有効谷点流量密度ゼロ点ＤＰ0から極大点ＤＰsupに至る第一区間ＳＰと、極大点ＤＰsupよりも高水圧側にて有効谷点流量密度が動水圧の増加ととともに第一区間ＳＰよりも緩やかに減少する第二区間ＳＳとを有する。第一区間ＳＰにおいては、動水圧低下時の有効谷点流量密度の減少が急激であり、わずかな動水圧低下でも有効谷点流量密度（キャビテーション効率）が大幅に低下する可能性があることがわかる。
【0058】
有効谷点流量密度の閾値Ｋｃは、第一区間ＳＰにおいて極大点ＤＰsupよりも低動水圧側に位置する予め定められた閾曲線点ＣＰに対応する有効谷点流量密度値として定められている。図８においては、有効谷点流量密度特性曲線ＣＣと有効谷点流量密度が極大点Ｄpsupから１０％低下する位置を通り動水圧軸に対して平行な仮想線ＪＷとの２つの交点のうち、第二区間ＳＳ上の交点をブースト上限点ＱＬ、第一区間ＳＰ上の交点をブースト下限点ＱＵとして、前述の閾値Ｋｃは、第一区間ＳＰのブースト下限点ＱＵよりも低動水圧側に位置する予め定められた閾曲線点ＣＰに対応する有効谷点流量密度値として定められている。
【0059】
電圧駆動時のブーストポンプ２の揚程は、キャビテーションノズル１００の動水圧が有効谷点流量密度ゼロ点に対応する動水圧ｐＣ０となるまで分岐配管１００５への元圧が低下した状態にてブーストポンプ２を作動させたとき、動水圧がブースト下限点ＱＵに対応する下限動水圧値ｐＵ１を超える増圧代Δｐ（図８では約０．０６ＭＰａ）が得られるように選定されている。より具体的には、定電圧駆動時のブーストポンプ２の揚程は、ブースト下限点ＱＵからブースト上限点ＱＬに至る動水圧幅ＬＵ１よりも増圧代Δｐが小さくなるように選定されている。
【0060】
図８の左側の線図において、流量センサ１０からの流量検出値が閾動作点ＣＰ（有効谷点流量密度値は７．０）に対応する閾流量λＣ（６．４Ｌ／分）を下回る、動作点ＤＰＢに対応する流量値λＢ（５．７Ｌ／分）まで下がった場合、キャビテーションノズルの動水圧値は、図８の右側の線図において、動作点ＤＰＢに対応する動水圧値ｐＢ（０．０３５ＭＰａ）まで低下している。この状態で上記条件にてブーストポンプ２をオンにすると動水圧値は増圧代Δｐ（図８では０．０６ＭＰａ）だけ上昇しｐＡ（＝ｐＢ＋Δｐ：０．０９５ＭＰａ）となる。これにより図８の右側の線図において、動作点は極大値ＤＰsupに近いＤＰＡに移動する（有効谷点流量密度値は９．２個・分／Ｌ付近）。左側の曲線ＣＣ’にて、この時の流量値はλＡ（９．１Ｌ／分）まで増加する。
【0061】
このように、加圧後のブーストポンプ２の動作点はブースト下限点ＱＵよりも大流量位置となるように加圧支援され、有効谷点流量密度も極大点ＤＰsupから１０％以内の高い値に維持されている。図８の例示では、有効谷点流量密度は加圧前の約２．５倍に上昇し、十分顕著なキャビテーション処理効果が得られるとともに、水量もほぼストレスのないレベルにまで改善されていることがわかる。
【0062】
次に、図２におけるシャワーヘッド１０１５が、散水板面積が減じられ散水孔内径も縮小した節水型シャワーヘッドである場合についての例を説明する。このような節水型シャワーヘッドは小さい散水孔から高圧で水が噴射されるため、少ない流量でも肌当たりが強く、潤沢にシャワーを浴びている体感が得られる。しかし、図７のような特性の第一のキャビテーションノズルの適正流量である９～１０Ｌ／分の流量値となるように加圧すると、節水型シャワーヘッドの場合は水流が過剰となり、肌への刺激が強くなりすぎて不快に感じられるようになる。
【0063】
この場合は、キャビテーションノズル１００は、以下のような第二のキャビテーションノズルが採用される。図９は、第二のキャビテーションノズルの特性数値表を、節水型シャワーヘッドを装着した状態での動水圧－流量特性線図とともに示すものである。節水型シャワーヘッドの使用時の適正流量範囲は例えば５～７Ｌ／分である。第二のキャビテーションノズルは動水圧０．１ＭＰａの標準条件にてこの適正流量範囲に入る流量値（図９では５．６Ｌ／分）にて、キャビテーション効率が適正化される平均流速（９ｍ／秒以上：ここでは１１．９ｍ／秒）が得られるよう、図３の絞り部１０９Ａの内径ｄ（ここでは、４．５ｍｍ）が調整されている。その余の構成は第一のキャビテーションノズルと同じである。
【0064】
図１０は、図９の特性数値表に基づく第一のキャビテーションノズルの有効谷点流量密度特性曲線ＣＣを直交平面座標系にて示すものである。この場合の有効谷点流量密度特性曲線ＣＣは、予め定められた動水圧（０．０９ＭＰａ付近）にて有効谷点流量密度が極大（１３．２個・分／Ｌ）となる極大点ＤＰsupを有し、図８と同様の第一区間ＳＰと第二区間ＳＳとを有する。ここでも有効谷点流量密度特性曲線ＣＣは、第一区間ＳＰにおいて動水圧低下時の有効谷点流量密度の減少が急激である。
【0065】
有効谷点流量密度の閾値Ｋｃ及び定電圧駆動時のブーストポンプ２の揚程も図８と同様に定められている。図１０においてはブーストポンプ２による増圧代Δｐ０．０８ＭＰａ程度に選定されている。図１０の左側の線図において、流量センサ１０からの流量検出値が閾動作点ＣＰ（有効谷点流量密度値は８．６）に対応する閾流量λＣ（３．６Ｌ／分）を下回る、動作点ＤＰＢに対応する流量値λＢ（３．３Ｌ／分）まで下がった場合、キャビテーションノズルの動水圧値は、図８の右側の線図において、動作点ＤＰＢに対応する動水圧値ｐＢ（０．０４ＭＰａ）まで低下している。この状態で上記条件にてブーストポンプ２をオンにすると動水圧値は増圧代Δｐ（０．０６ＭＰａ）だけ上昇してｐＡ（＝ｐＢ＋Δｐ：０．１０ＭＰａ）となる。これにより図１０の右側の曲線ＣＣにおいて、動作点はＤＰＡに移動する（有効谷点流量密度値は１３．２付近）。左側の曲線ＣＣ’にてこの時の流量値はλＡ（６．０Ｌ／分）まで増加する。
【0066】
以下、本発明の種々の変形実施態様について説明する。
前述の構成では、ブーストポンプ２をリレーによるオンオフ制御としていた関係上、図８及び図１０に示すように、ブーストポンプ２による動水圧の増加代Δｐが常に一定となる。この場合、キャビテーションノズル１００への元圧変動により有効谷点流量密度特性曲線ＣＣにおける加圧前の動作点位置が変動すれば、加圧後の動作点位置も変動することになり、水流に脈動が生じる。これを防止するためには、ブーストポンプ制御部５０を次のように構成するとよい。すなわち、流量検出値が閾値Ｋｃに対応する閾流量λｃ未満となっている場合はブーストポンプ２を、増圧後のキャビテーションノズル１００の目標流量値を閾流量λｃよりも高く設定するとともに、流量検出値を参照しつつ駆動電圧を変動させる形で定流量駆動制御する。他方、流量検出値が閾流量λｃを超えている場合はブーストポンプ２を作動停止させるようにする。
前述の構成では、ブーストポンプ２をリレーによるオンオフ制御としていた関係上、図８及び図１０に示すように、ブーストポンプ２による動水圧の増加代Δｐが常に一定となる。この場合、キャビテーションノズル１００への元圧変動により有効谷点流量密度特性曲線ＣＣにおける加圧前の動作点位置が変動すれば、加圧後の動作点位置も変動することになり、水流に脈動が生じる。これを防止するためには、ブーストポンプ制御部５０を次のように構成するとよい。すなわち、流量検出値が閾値Ｋｃに対応する閾流量λｃ未満となっている場合はブーストポンプ２を、増圧後のキャビテーションノズル１００の目標流量値を閾流量λｃよりも高く設定するとともに、流量検出値を参照しつつ駆動電圧を変動させる形で定流量駆動制御する。他方、流量検出値が閾流量λｃを超えている場合はブーストポンプ２を作動停止させるようにする。
【0067】
この場合、ポンプ駆動部は図１１に示すようにサーボ駆動部３５により置き換える必要がある。サーボ駆動部３５は、流量センサ１０からの流量検出値とブーストポンプ制御部５０からの目標流量値とを取得し、流量検出値が目標流量値に近づくようにブーストポンプ２への駆動出力を調整することによりフィードバック制御を行う。駆動出力の制御はブーストポンプ２への出力電圧レベルを変化させる電圧制御方式や、定電圧パルス入力のパルス幅デューティ比を変化させるＰＷＭ制御方式など、既知の方式から適宜選択して採用できる。
【0068】
図１２はこの場合の制御プログラムの処理流れを示すものであり、Ｓ１０１で流量センサ１０の流量検出値λｄをリードする。Ｓ１０２ではＲＯＭ５３に記憶されている閾流量λｃをリードする。Ｓ１０３でλｄとλｃとを比較し、λｄ＜λｃであればＳ１０４に進んでブーストポンプ２をオンとし、Ｓ１０５で上記した定流量のフィードバック制御。他方、Ｓ１０３でλｄ＞λｃであればＳ１０５に進んでブーストポンプ２をオフとして、Ｓ１０５をスキップする。
【0069】
このようにすると、図１３に示すように、加圧前の動作点（ＤＰＢ，ＤＰＢ’）が第一区間のどこに存在していても、加圧後の流量値が一定になるように加圧代が調整される（Δp、Δｐ’）ので、水流の脈動を防止できるほか有効谷点流量密度を一定に保つこができ、キャビテーション処理に伴う前述の特有の効果をより安定に享受することができる。この場合も、目標流量値を、前述のブースト下限点ＱＵからブースト上限点ＱＬに至る動水圧区間内にて該動水圧区間の幅よりも許容変動幅が小さくなるように設定しておけば、加圧後の有効谷点流量密度を極大点Ｄpsupから１０％以内の高い値に維持することができる。
【0070】
次に、図１４に示すように、分岐配管１０１１の末端には負荷を接続せず開放として使用することもできる。例えば、図２の使用形態においてシャワーホース１０１２に接続されているシャワーヘッド１０１５を取り外し、図１４に示すように、シャワーホース１０１２からの水流を浴槽１０１４に注水する形態を例示できる。
【0071】
この場合は、キャビテーションノズル１００は、以下のような第三のキャビテーションノズルが採用される。図１６は、第三のキャビテーションノズルの特性数値表を、出口側を開放したときの動水圧－流量特性線図とともに示すものである。開放時の適正流量範囲は例えば２２～２６Ｌ／分である。第三のキャビテーションノズルは動水圧０．１ＭＰａの標準条件にてこの適正流量範囲に入る流量値（図１６では２４．６Ｌ／分）にて、キャビテーション効率が適正化される平均流速（９ｍ／秒以上：ここでは１１．９ｍ／秒）が得られるよう、図３の絞り部１０９Ａの内径ｄ（ここでは、８ｍｍ）が調整されている。その余の構成は第一のキャビテーションノズルと同じである。
【0072】
図１７は、図１６の特性数値表に基づく第三のキャビテーションノズルの有効谷点流量密度特性曲線ＣＣを直交平面座標系にて示すものである。この場合の有効谷点流量密度特性曲線ＣＣは、予め定められた動水圧（０．０７ＭＰａ付近）にて有効谷点流量密度が極大（１１．２個・分／Ｌ）となる極大点ＤＰsupを有し、図８と同様の第一区間ＳＰと第二区間ＳＳとを有する。ここでも有効谷点流量密度特性曲線ＣＣは、第一区間ＳＰにおいて動水圧低下時の有効谷点流量密度の減少が急激である。
【0073】
有効谷点流量密度の閾値Ｋｃ及び定電圧駆動時のブーストポンプ２の揚程も図８と同様に定められている。図１６においてはブーストポンプ２による増圧代Δｐが０．０６ＭＰａ程度に選定されている。図１６の左側の曲線ＣＣにおいて、流量センサ１０からの流量検出値が閾動作点ＣＰ（有効谷点流量密度値は７．３）に対応する閾流量λＣ（１５．０Ｌ／分）を下回る、動作点ＤＰＢに対応する流量値λＢ（１３．８Ｌ／分）まで下がった場合、キャビテーションノズルの動水圧値は、図１７の右側の曲線ＣＣにおいて、動作点ＤＰＢに対応する動水圧値ｐＢ（０．０３５ＭＰａ）まで低下している。この状態で上記条件にてブーストポンプ２をオンにすると動水圧値は増圧代Δｐ（０．０６５ＭＰａ）だけ上昇してｐＡ（＝ｐＢ＋Δｐ：０．１０ＭＰａ）となる。これにより図１７の右側の曲線ＣＣにおいて、動作点はＤＰＡに移動する（有効谷点流量密度値は１３．２付近）。左側の曲線ＣＣ’にてこの時の流量値はλＡ（２４．０Ｌ／分）まで増加する。
【0074】
なお、上記のごとく分岐配管の末端に負荷を接続せず開放として使用する場合、図１５に示すように、流量センサ１０を圧力センサ１１０に置き換えることができる。シャワーホース１０１２の先端に設けられているシャワー接続金具１０１３の圧損はシャワーヘッド１０１５の圧損と比較すれば無視できる程度に小さいため、圧力センサ１１０の検出値はキャビテーションノズル１００の動水圧を示すものとなる。よって、圧力センサ１１０の動水圧検出値は、キャビテーションノズル１００への水供給流量に一義的に対応するものとなる（すなわち、圧力センサ１１０は該動水圧検出値を、キャビテーションノズル１００の水供給流量を反映したパラメータとして間接的に検出する、流量検出部として機能することとなる）。
【0075】
また、図１８に示す如く、分岐配管１００５の末端にシャワーヘッド１０１５等の負荷が接続される場合においても、キャビテーションノズル１００の上流側と下流側にそれぞれ圧力センサ１１０Ａ及び圧力センサ１１０Ｂを設けておけば、これら圧力センサ１１０Ａ，１１０Ｂの圧力検出値の差分によりキャビテーションノズル１００の動水圧を検出できる。よって、この場合も該圧力検出値の差分をキャビテーションノズル１００の水供給流量を反映したパラメータとして使用することができる。
【0076】
次に、図５及び図１１のキャビテーション処理ユニット１の構成において、ブーストポンプ制御部５０は、分岐配管に接続される負荷の種別に応じて閾流量を変更可能とすることができる。図１９は、第一のキャビテーションノズルを用いて閾流量を変更可能に設定する場合の具体例を示すグラフである。第一のキャビテーションノズルの有効谷点密度－流量特性曲線ＣＣ’上において、流出ポイント開放時（図１４参照）の加圧前の動作点を黒の四角、同じく加圧後の動作点を白の四角で示している。また、通常シャワーヘッド接続時の加圧前の動作点を黒の丸、同じく加圧後の動作点を白の丸で示している。さらに、節水シャワーヘッド接続時の加圧前の動作点を黒の三角、同じく加圧後の動作点を白の三角で示している。
【0077】
ブーストポンプ作動時の各負荷状態における流量増加代（流出ポイント開放時はΔλ１、通常シャワーヘッド接続時はΔλ２、節水シャワーヘッド接続時はΔλ３）は全て異なるが、ブーストポンプ２による加圧代はいずれも０．０６ＭＰａ程度であり、同じ種別のブーストポンプ２を用いて加圧支援制御が可能である。また、加圧支援後の動有効谷点流量密度の値は、流出ポイント開放時は９．０個・分／Ｌ（白の四角）、通常シャワーヘッド接続時も９．０個・分／Ｌ（白の丸）、節水シャワーヘッド接続時は７．２個・分／Ｌ（白の三角）であり、例えばこれらの有効谷点流量密度の値を各負荷状態における目標有効谷点流量密度として、それぞれ該目標有効谷点流量密度から一定割合（例えば１０％）減じた目標有効谷点流量密度を、有効谷点流量密度の個別の閾値として用いることができる。図５の構成にてブーストポンプ２を定電圧にてオンオフ駆動する場合は、各負荷状態に対応する有効谷点流量密度の個別の閾値に対応する閾流量を選択可能にしておけばよいし、図１１の構成にてブーストポンプ２を加圧後にて目標流量値にサーボ制御する場合は、閾流量とともに目標流量値についても負荷状態に応じて選択可能にしておけばよい。
【0078】
この場合、ブーストポンプ制御部５０のＲＯＭ５３のプログラム記憶内容は図２０のようになり、制御プログラム５３ａとともに各負荷状態（通常シャワーヘッド、節水シャワーヘッド、シャワーヘッドなし（開放））の閾流量（さらには目標流量値）の候補値５３ｂと、選択された候補値を制御実行のために設定するための設定プログラム５３ｃとが格納されている。また、入出力部５４には、候補値の設定支援を行うための入力部５６及びディスプレイ５７が接続される。
【0079】
図２１は入力部５６とディスプレイ５７を一体化したユニットの構成例であり、例えば図５ないし図１１における筐体４に設けることができる。この例では、選択可能な負荷状態がディスプレイ５７上にて個別のウィンドウに表示され、選択中のものがカーソルＣＳＲにより非選択のものと区別可能に表示（例えば反転表示）されるようになっている。カーソルＣＳＲは入力部５６のボタン５６Ａの操作により移動でき、確定ボタン５６Ｂの操作により選択確定される。また、ウィンドウの一つは「カスタム設定」と表示されているが、これを選択した場合は閾流量あるいは目標流量値を所望の値にカスタム入力設定できるようになっている。図２２は、候補値として閾流量を設定する場合の入力画面の一例を示すものであり、入力部５６のボタン５６Ａの操作（左の上向き三角ボタンにより流量増加、右の下向き三角ボタンにより流量減少）により所望の候補値を設定し、確定ボタン５６Ｂの操作により選択確定する。
【0080】
図２３は設定プログラム５３ｃの処理流れの一例を示すものであり、Ｓ２０１で用意されている候補値が選択された場合はＳ２０２に進み、選択された候補値が設定される。一方、Ｓ２０１で用意された候補値が選択されなかった場合はＳ２０３に進み、候補値のカスタム入力がなされたかどうかを確認する。入力された場合はＳ２０４に進み、入力された候補値を設定する。上記のいずれの入力もなされなかった場合は、前の候補値設定が維持され処理は終了する。
【0081】
次に、キャビテーションノズル１００は、有効谷点流量密度特性の異なる複数のものの間で交換可能に設けることができる。この場合、ブーストポンプ制御部５０は、分岐配管１００５に設置するキャビテーションノズル１００の有効谷点流量密度特性に応じて閾流量λｃ（及び目標流量値）を変更可能に構成することができる。これにより、キャビテーションノズル１００が有効谷点流量密度特性の異なるものに変更された場合においても、閾流量λｃを最適な値に容易に調整することができ、ひいてはキャビテーションノズル１００の種別によらず加圧後の有効谷点流量密度を常に適正な値に確保することが可能となる。
【0082】
例えば、キャビテーションノズル１００として前述の第一のキャビテーションノズル（通常シャワーヘッド用）、第二のキャビテーションノズル（節水シャワーヘッド用）及び第三のキャビテーションノズル（開放用）を使用する場合、選択可能な候補値の組として、図２４に示すように、ノズル種別（例えば、第一のノズル、第二のノズル、第三のノズル）と負荷状態（例えば開放、通常シャワーヘッド接続、節水シャワーヘッド接続）の組み合わせごとに、閾流量ρ（及び目標流量値ρｃ）の候補値を用意し、図２０のＲＯＭ５３に記憶しておけばよい。候補値の選択・設定のための処理については、図２１～図２３により説明した内容に準ずる同様の方式にて実現可能であり、詳細については説明を略する。
【0083】
次に、河川水や湖沼水を原水とする水道水は、季節変動や水温等により溶存酸素濃度が変動することがある。キャビテーションノズルを水道水が通過するときに、有効谷点で発生する気泡核の発生密度は、次のように考えることができる。すなわち、水道水の溶存酸素濃度をＣＯ１、水道水の常圧での飽和酸素濃度をＣＯＳ０、ベルヌーイの定理に従い減圧された状態での有効谷点における水道水の飽和酸素濃度をＣＯＳＶとしたとき、有効谷点に生ずる過飽和酸素濃度ΔＣ０１は、
ΔＣ０１＝Ｃ０１－ＣＯＳＶ ・・・・（１）
にて表すことできる。熱力学的には気泡析出核密度ρＮＣは過飽和酸素濃度ΔＣ０１に比例して増加すると考えられる。すなわち、
ρＮＣ＝ＫΔＣ０１＝Ｋ（Ｃ０１－ＣＯＳＶ ） ・・・・（２）
である（ただし、Ｋは定数）。図２７に示す如く、水道水の溶存酸素濃度がＣ０１からＣ０１'に減少すれば、過飽和酸素濃度もΔＣ０１からΔＣ０１'へと減じ、気泡析出核密度ρＮＣも減ずることが自明である。
ΔＣ０１＝Ｃ０１－ＣＯＳＶ ・・・・（１）
にて表すことできる。熱力学的には気泡析出核密度ρＮＣは過飽和酸素濃度ΔＣ０１に比例して増加すると考えられる。すなわち、
ρＮＣ＝ＫΔＣ０１＝Ｋ（Ｃ０１－ＣＯＳＶ ） ・・・・（２）
である（ただし、Ｋは定数）。図２７に示す如く、水道水の溶存酸素濃度がＣ０１からＣ０１'に減少すれば、過飽和酸素濃度もΔＣ０１からΔＣ０１'へと減じ、気泡析出核密度ρＮＣも減ずることが自明である。
【0084】
そこで、図１１に示すように、供給される水道水中の溶存酸素濃度を検出する酸素濃度センサ１１を設け、検出される酸素濃度が低いほど有効谷点流量密度を増加させるものとしてブーストポンプ制御部５０を構成することができる。使用する水道水の溶存酸素濃度が減じたとき、有効谷点流量密度が増加するように流量調整がなされることで気泡析出核密度の不足を効果的に抑制することができる。
【0085】
簡易な制御形態として以下を例示できるが、これに限定されるものではない。有効谷点において流速が十分に確保されている状態では、ＣＯＳＶはゼロに近づく。故、（２）式は、
ρＮＣ≒ＫＣ０１ ・・・・（３）
と表される。すなわち、有効谷点流量密度に変化がなければ、水道水の溶存酸素濃度Ｃ０１に比例して気泡析出核密度ρＮＣは減少する。他方、溶存酸素濃度が基準値Ｃ０１（例えば６ｐｐｍ）の場合の有効谷点流量密度（ＣＶＰ流量密度）の閾値をｋＣ０とする。水道水の溶存酸素濃度が一定の時、有効谷点流量密度に比例して気泡析出核密度ρＮＣが増加する、と考えることができれば、溶存酸素濃度Ｃ０１がＣ０１’に減じた場合、図２８に示すように、有効谷点流量密度を
ｋＣ０’＝ｋＣ０×Ｃ０１／Ｃ０１’・・・・（３）
と変更設定することにより、溶存酸素濃度が基準値Ｃ０１の場合とほぼ同等の気泡析出核密度ρＮＣを担保することが可能となる。この場合、ブーストポンプ制御部５０は、変更されたＣＶＰ流量密度閾値ｋＣ０’に従い、前記した実施形態と同様にポンプ出力制御（流量制御）を行う。
ρＮＣ≒ＫＣ０１ ・・・・（３）
と表される。すなわち、有効谷点流量密度に変化がなければ、水道水の溶存酸素濃度Ｃ０１に比例して気泡析出核密度ρＮＣは減少する。他方、溶存酸素濃度が基準値Ｃ０１（例えば６ｐｐｍ）の場合の有効谷点流量密度（ＣＶＰ流量密度）の閾値をｋＣ０とする。水道水の溶存酸素濃度が一定の時、有効谷点流量密度に比例して気泡析出核密度ρＮＣが増加する、と考えることができれば、溶存酸素濃度Ｃ０１がＣ０１’に減じた場合、図２８に示すように、有効谷点流量密度を
ｋＣ０’＝ｋＣ０×Ｃ０１／Ｃ０１’・・・・（３）
と変更設定することにより、溶存酸素濃度が基準値Ｃ０１の場合とほぼ同等の気泡析出核密度ρＮＣを担保することが可能となる。この場合、ブーストポンプ制御部５０は、変更されたＣＶＰ流量密度閾値ｋＣ０’に従い、前記した実施形態と同様にポンプ出力制御（流量制御）を行う。
【符号の説明】
【0086】
１ キャビテーション処理ユニット
２ ブーストポンプ
３ 内部配管
４ 筐体
４Ａ 蓋
４Ｂ 筐体本体
４ｈ 配管取出孔
５ シール部材
６ 締結ねじ
１０ 流量センサ（流量検出部）
２０ シール付き貫通継手
２１ ハーメチック端子
２２ 充電ソケット
２３ 充電回路
２４ 二次電池
２５ 定電圧回路
２６～２８ ＤＣ／ＤＣ変換回路
３０ ポンプ通電制御回路
３１ リレー
３２ リレー駆動回路
４１ 電源コネクタ
４２ コード
４３ ＡＣ／ＤＣアダプタ
４４ 電源プラグ
５０ ブーストポンプ制御部
１００ キャビテーションノズル
１１０ ねじ部材
１００３ 水道本管
１００５ 分岐配管
１００６ 分岐点
１００７ 給水ポイント
２ ブーストポンプ
３ 内部配管
４ 筐体
４Ａ 蓋
４Ｂ 筐体本体
４ｈ 配管取出孔
５ シール部材
６ 締結ねじ
１０ 流量センサ（流量検出部）
２０ シール付き貫通継手
２１ ハーメチック端子
２２ 充電ソケット
２３ 充電回路
２４ 二次電池
２５ 定電圧回路
２６～２８ ＤＣ／ＤＣ変換回路
３０ ポンプ通電制御回路
３１ リレー
３２ リレー駆動回路
４１ 電源コネクタ
４２ コード
４３ ＡＣ／ＤＣアダプタ
４４ 電源プラグ
５０ ブーストポンプ制御部
１００ キャビテーションノズル
１１０ ねじ部材
１００３ 水道本管
１００５ 分岐配管
１００６ 分岐点
１００７ 給水ポイント
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
