特開 2025-6741 流体処理装置、マイクロバブル発生装置およびシャワーヘッド

(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】P2025006741

(43)【公開日】2025-01-17

(54)【発明の名称】流体処理装置、マイクロバブル発生装置およびシャワーヘッド

(51)【国際特許分類】

   B01F 23/23 20220101AFI20250109BHJP

   B01F 23/2373 20220101ALI20250109BHJP

   B01F 25/10 20220101ALI20250109BHJP

   B01F 25/4314 20220101ALI20250109BHJP

   B01F 25/452 20220101ALI20250109BHJP

   B01F 35/53 20220101ALI20250109BHJP

   A47K 3/28 20060101ALI20250109BHJP

   B05B 1/18 20060101ALI20250109BHJP

【ＦＩ】

B01F23/23

B01F23/2373

B01F25/10

B01F25/4314

B01F25/452

B01F35/53

A47K3/28

B05B1/18

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023107723

(22)【出願日】2023-06-30

(71)【出願人】

【識別番号】504171134

【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学

(71)【出願人】

【識別番号】599083411

【氏名又は名称】株式会社 ＭＴＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001911

【氏名又は名称】弁理士法人アルファ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】阿部 敏達

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 公介

(72)【発明者】

【氏名】樋江井 拓也

(72)【発明者】

【氏名】川上 友季子

【テーマコード（参考）】

2D132

4F033

4G035

4G037

【Ｆターム（参考）】

2D132FC04

2D132FJ16

4F033AA11

4F033BA04

4F033DA05

4F033EA01

4F033KA01

4F033LA12

4F033NA01

4G035AB04

4G035AC08

4G035AC26

4G035AC44

4G035AE13

4G037DA30

4G037EA01

(57)【要約】

【課題】ベンチュリー管を有する流体処理装置において流体の処理効率を十分に向上させる。
【解決手段】流体処理装置は、喉部を有するベンチュリー管と、旋回流発生部とを備える。旋回流発生部は、ベンチュリー管の上流側に配置され、供給される流体に、喉部における軸方向の流速ｕに対する旋回方向の流速ｖの比（ｖ／ｕ）が１未満である旋回流を発生させる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体処理装置であって、
喉部を有するベンチュリー管と、
前記ベンチュリー管の上流側に配置され、供給される流体に、前記喉部における軸方向の流速ｕに対する旋回方向の流速ｖの比（ｖ／ｕ）が１未満である旋回流を発生させる旋回流発生部と、
を備える、流体処理装置。

【請求項2】

請求項１に記載の流体処理装置であって、
前記旋回流発生部は、供給される前記流体に、前記旋回流発生部における軸方向の流速Ｕに対する旋回方向の流速Ｖの比（Ｖ／Ｕ）が１未満である旋回流を発生させる、流体処理装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の流体処理装置であって、
前記旋回流発生部は、
管状部と、
前記管状部内に収容され、前記旋回流が発生するように前記軸方向に対する傾きが設定された表面を有する少なくとも１つのベーンを備える、流体処理装置。

【請求項4】

請求項３に記載の流体処理装置であって、
前記ベーンは、ｔ_ｍａｘ／Ｄ_ｍｉｎ＜１／５（ただし、ｔ_ｍａｘは前記ベーンの板厚の最大値であり、Ｄ_ｍｉｎは前記旋回流発生部の内径の最小値である。）という関係を満たすように構成されている、流体処理装置。

【請求項5】

請求項３または請求項４に記載の流体処理装置であって、
前記ベーンの少なくとも１つの縦断面において、前記ベーンの下流端の輪郭線は鋭角に折れ曲がった部分を有する、流体処理装置。

【請求項6】

請求項３または請求項４に記載の流体処理装置であって、
前記旋回流発生部は、
前記旋回流発生部の中心に位置し、前記軸方向に伸びる円柱状部と、
前記ベーンおよび前記円柱状部の下流側に配置され、下流側に向かって縮径する砲弾状部を有する、流体処理装置。

【請求項7】

請求項３または請求項４に記載の流体処理装置であって、
前記ベーンの下流端から前記ベンチュリー管の上流端までの距離Ｌ_ｓｗは、Ｄ_ｍｉｎ・ｃｏｔθ超である（ただし、Ｄ_ｍｉｎは前記旋回流発生部の内径の最小値である。）、流体処理装置。

【請求項8】

請求項１に記載の流体処理装置であって、
前記ベンチュリー管のテーパー角ψは１０度以上である、流体処理装置。

【請求項9】

請求項１に記載の流体処理装置を有するマイクロバブル発生装置。

【請求項10】

請求項９に記載のマイクロバブル発生装置を備えるシャワーヘッド。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示される技術は、流体処理装置、マイクロバブル発生装置およびシャワーヘッドに関する。

【背景技術】

【0002】

シャワーヘッド用のマイクロバブル発生装置として、ベンチュリー管を利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。ベンチュリー管を利用したマイクロバブル発生装置では、ベンチュリー管の喉部（最小流路断面積を有する部分）において流速の上昇に伴い圧力が低下してキャビテーションが発生し、水中に溶存する空気がマイクロバブルとなる。なお、本明細書において、マイクロバブルとは、直径１００μｍ以下の微細な気泡を意味する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１－１１５７７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ベンチュリー管を利用した従来のマイクロバブル発生装置では、ベンチュリー管の喉部における圧力を十分に低下させることができず、マイクロバブルを十分に発生させることができない、という課題がある。

【0005】

このような課題は、マイクロバブル発生装置に限らず、ベンチュリー管を利用して流体に何らかの処理を行う流体処理装置に共通の課題である。すなわち、ベンチュリー管を利用した従来の流体処理装置では、ベンチュリー管の喉部における圧力を十分に低下させることができず、流体の処理効率を十分に向上させることができない、という課題がある。

【0006】

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。

【0008】

（１）本明細書に開示される流体処理装置は、喉部を有するベンチュリー管と、旋回流発生部とを備える。旋回流発生部は、前記ベンチュリー管の上流側に配置され、供給される流体に、前記喉部における軸方向の流速ｕに対する旋回方向の流速ｖの比（ｖ／ｕ）が１未満である旋回流を発生させる。

【0009】

このように本流体処理装置では、ベンチュリー管の上流側に旋回流発生部が配置されており、旋回流発生部は、供給される流体に比較的弱い旋回流（上記比（ｖ／ｕ）が１未満である旋回流）を発生させる。そのため、比較的弱い旋回流の存在により、ベンチュリー管のテーパー角を比較的大きくしても、ベンチュリー管における内壁面からの流体の流れの剥離を抑制することができる。そのため、本流体処理装置によれば、ベンチュリー管におけるディフューザーの効果を増大させて喉部における圧力を効果的に低下させることができ、その結果、流体の処理を効率的に実行することができる。

【0010】

（２）上記流体処理装置において、前記旋回流発生部は、供給される前記流体に、前記旋回流発生部における軸方向の流速Ｕに対する旋回方向の流速Ｖの比（Ｖ／Ｕ）が１未満である旋回流を発生させる構成としてもよい。本構成を採用すれば、さらに弱い旋回流の存在により、ベンチュリー管における内壁面からの流体の流れの剥離を効果的に抑制しつつ、ベンチュリー管のテーパー角を比較的大きくすることができ、ベンチュリー管の喉部における圧力を効果的に低下させることができ、その結果、流体の処理をさらに効率的に実行することができる。

【0011】

（３）上記流体処理装置において、前記旋回流発生部は、管状部と、前記管状部内に収容され、前記旋回流が発生するように前記軸方向に対する傾きが設定された表面を有する少なくとも１つのベーンを備える構成としてもよい。本構成を採用すれば、比較的弱い旋回流をシンプルな構成で確実に発生させることができる。

【0012】

（４）上記流体処理装置において、前記ベーンは、ｔ_ｍａｘ／Ｄ_ｍｉｎ＜１／５（ただし、ｔ_ｍａｘは前記ベーンの板厚の最大値であり、Ｄ_ｍｉｎは前記旋回流発生部の内径の最小値である。）という関係を満たすように構成されていてもよい。本構成を採用すれば、ベーンの板厚が比較的薄く、旋回流発生部の圧損を小さくすることができ、ベンチュリー管の喉部における圧力をさらに効果的に低下させることができ、流体の処理をさらに効率的に実行することができる。

【0013】

（５）上記流体処理装置において、前記ベーンの少なくとも１つの縦断面において、前記ベーンの下流端の輪郭線は鋭角に折れ曲がった部分を有する構成としてもよい。本構成を採用すれば、ベーンの下流端でのキャビテーションを促進させることができ、流体の処理をさらに効率的に実行することができる。

【0014】

（６）上記流体処理装置において、前記旋回流発生部は、前記旋回流発生部の中心に位置し、前記軸方向に伸びる円柱状部と、前記ベーンおよび前記円柱状部の下流側に配置され、下流側に向かって縮径する砲弾状部を有する構成としてもよい。本構成を採用すれば、砲弾状部の存在により、ベーンの下流側での圧力低下を抑制することができ、ベンチュリー管の喉部における圧力をさらに効果的に低下させることができ、流体の処理をさらに効率的に実行することができる。

【0015】

（７）上記流体処理装置において、前記ベーンの下流端から前記ベンチュリー管の上流端までの距離Ｌ_ｓｗは、Ｄ_ｍｉｎ・ｃｏｔθ超である（ただし、Ｄ_ｍｉｎは前記旋回流発生部の内径の最小値である。）構成としてもよい。本構成を採用すれば、ベーンをベンチュリー管から比較的遠くに配置することにより、ベンチュリー管の上流側において旋回流を安定して形成することができ、ベンチュリー管の喉部における圧力をさらに効果的に低下させることができ、流体の処理をさらに効率的に実行することができる。

【0016】

（８）上記流体処理装置において、前記ベンチュリー管のテーパー角ψは１０度以上である構成としてもよい。通常のベンチュリー管において、マイクロバブルの量を増やすには、テーパー角度ψを大きくする必要があるが、テーパー角ψを１０度以上に設定すると、喉部の下流側のテーパー部で流体が剥離してしまい、喉部における圧力を十分に低下させることができず、マイクロバブルを多量に発生させることができない。本構成を採用すれば、ベンチュリー管のテーパー角ψを１０度以上に設定しても、旋回流によって流体の剥離が抑制されるため、喉部における圧力を十分に低下させることができ（テーパー角ψが１０度未満の形態と同等程度に圧力を十分に低下させることができ）、マイクロバブルの発生量を増やすことができる。

【0017】

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、流体処理装置、マイクロバブル発生装置、シャワーヘッド、流体混合装置、それらの製造方法および使用方法等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１実施形態のシャワーヘッド１０の構成を概略的に示す説明図

【図2】第１実施形態のマイクロバブル発生装置１００の縦断面構成を示す説明図

【図3】比較例のマイクロバブル発生装置１００Ｘの構成を示す説明図

【図4】第２実施形態のマイクロバブル発生装置１００ａの縦断面構成を示す説明図

【図5】第２実施形態の旋回流発生部１１０ａの正面構成を示す説明図

【図6】旋回流発生部１１０のベーン１１３のベーン角θについての性能評価結果を示す説明図

【図7】ベンチュリー管１２０のテーパー角ψについての性能評価結果を示す説明図

【図8】ベンチュリー管１２０のテーパー角ψについての性能評価結果を示す説明図

【図9】旋回流発生部１１０の砲弾状部１１７についての性能評価結果を示す説明図

【図10】マイクロバブル発生の性能評価結果を示す説明図

【図11】マイクロバブル発生の性能評価結果を示す説明図

【図12】マイクロバブル発生の性能評価結果を示す説明図

【図13】マイクロバブル発生の性能評価結果を示す説明図

【図14】流体処理装置としての流体混合装置１０２の構成を示す説明図

【発明を実施するための形態】

【0019】

Ａ．第１実施形態：
Ａ－１．シャワーヘッド１０の構成：
図１は、第１実施形態のシャワーヘッド１０の構成を概略的に示す説明図である。図１には、シャワーヘッド１０の断面構成（一部については側面構成）を示している。シャワーヘッド１０は、図示しないシャワーホース（給水管）の先端に接続され、シャワーホースを介して供給された水（温水を含む）をシャワー水として吐出する装置である。

【0020】

シャワーヘッド１０は、ヘッド部１１と、グリップ部１２と、ホース接続部１３とを含む。グリップ部１２は、使用者により把持される略棒状の部分である。ホース接続部１３は、グリップ部１２の一端に設けられている。ホース接続部１３には、図示しないシャワーホースが接続される。ヘッド部１１は、グリップ部１２の他端に設けられている。ヘッド部１１は吐水面１４を有し、吐水面１４には多数の吐水孔１５が形成されている。

【0021】

シャワーヘッド１０は、さらに、マイクロバブル発生装置１００と、マイクロバブル発生装置１００の上流側に接続された上流側通水部１６と、マイクロバブル発生装置１００の下流側に接続された下流側通水部１７とを有する。

【0022】

マイクロバブル発生装置１００は、上流側通水部１６を介して供給された水にマイクロバブルを発生させ、マイクロバブルを含む水を下流側通水部１７を介して吐水孔１５に向けて排出する装置である。マイクロバブル発生装置１００は、流体処理装置の一例である。本実施形態では、マイクロバブル発生装置１００は、グリップ部１２に収容されている。ただし、マイクロバブル発生装置１００は、ヘッド部１１に配置されていてもよい。

【0023】

図２は、第１実施形態のマイクロバブル発生装置１００の縦断面構成を示す説明図である。マイクロバブル発生装置１００は、ベンチュリー管１２０と、旋回流発生部１１０とを含む。ベンチュリー管１２０および旋回流発生部１１０は、同軸に並べて配置されている。図２には、マイクロバブル発生装置１００（旋回流発生部１１０およびベンチュリー管１２０）の中心軸Ａｘを示している。以下では、マイクロバブル発生装置１００において上流側から下流側に向かう方向（中心軸Ａｘに平行な方向）を軸方向ともいう。

【0024】

ベンチュリー管１２０は、上流側から供給された流体の流れを絞ることによって流速を増加させ、これにより、流れを絞った部分に低い圧力を発生させる管状の機構である。ベンチュリー管１２０は、上流側テーパー部１２１と、喉部１２２と、下流側テーパー部１２３とを有する。

【0025】

上流側テーパー部１２１は、上流側から下流側に向けて流路断面積が徐々に小さくなるテーパー状の部分である。喉部１２２は、上流側テーパー部１２１の下流端に接続され、ベンチュリー管１２０における最小流路断面積を有する部分である。喉部１２２は、軸方向に所定の長さを有していてもよいし、軸方向の長さを実質的に有さない部分であってもよい。下流側テーパー部１２３は、喉部１２２の下流端に接続され、上流側から下流側に向けて流路断面積が徐々に大きくなるテーパー状の部分である。以下、マイクロバブル発生装置１００の中心軸Ａｘを含む縦断面（例えば図２に示す断面）において、ベンチュリー管１２０の下流側テーパー部１２３の内壁面１２４の開き角ψ（本実施形態では、内壁面１２４と中心軸Ａｘとのなす角の２倍）を、ベンチュリー管１２０のテーパー角ψという。ベンチュリー管１２０のテーパー角ψは、比較的大きい値に設定されており、例えば１０度以上に設定されている。ベンチュリー管１２０のテーパー角ψは、２０度以上であってもよいし、３０度以上であってもよいし、４５度以上であってもよい。また、ベンチュリー管１２０のテーパー角ψは、８０度未満であってもよいし、７０度未満であってもよいし、６０度未満であってもよい。

【0026】

ベンチュリー管１２０は、上流側から供給された水にマイクロバブルを発生させる。すなわち、ベンチュリー管１２０の喉部１２２において流速の上昇に伴い圧力が低下してキャビテーションが発生し、水中に溶存する空気がマイクロバブルとなる。ベンチュリー管１２０はマイクロバブル発生装置１００の下流側に配置された下流側通水部１７（図１）に接続されており、ベンチュリー管１２０において発生したマイクロバブルを含む水は、下流側通水部１７を介して吐水孔１５に供給される。

【0027】

旋回流発生部１１０は、上流側から供給された流体に旋回流を発生させる装置である。旋回流は、マイクロバブル発生装置１００の中心軸Ａｘの周りを回転するような流体の流れである。旋回流発生部１１０は、ベンチュリー管１２０の上流端に接続されている。旋回流発生部１１０において旋回流が付与された水流が、ベンチュリー管１２０に供給される。旋回流発生部１１０の内径Ｄは、ベンチュリー管１２０の喉部１２２の内径ｄより大きい。

【0028】

本実施形態の旋回流発生部１１０は、上流側から供給される水に、比較的弱い旋回流を発生させるように構成されている。具体的には、旋回流発生部１１０は、上流側から供給される水に、ベンチュリー管１２０の喉部１２２における中心軸Ａｘ方向の流速ｕに対する旋回方向の流速ｖの比（ｖ／ｕ）が１未満である旋回流を発生させるように構成されている。また、旋回流発生部１１０は、上流側から供給される水に、さらに弱い旋回流を発生させるように構成されていてもよい。具体的には、旋回流発生部１１０は、上流側から供給される水に、旋回流発生部１１０における中心軸Ａｘ方向の流速Ｕに対する旋回方向の流速Ｖの比（Ｖ／Ｕ）が１未満である旋回流を発生させるように構成されていてもよい。なお、質量および角運動量の保存則から、比（ｖ／ｕ）＜比（Ｖ／Ｕ）の関係が成り立つ。以下、中心軸Ａｘ方向の流速に対する旋回方向の流速の比を、スワールパラメータＳ_ｗともいう。

【0029】

旋回流発生部１１０は、略円筒状の管状部１１１と、管状部１１１内に収容された翼体１１２とを含む。翼体１１２は、少なくとも１つのベーン１１３を有する。ベーン１１３は、中心軸Ａｘの方向に対して傾いた表面１１４を有する翼である。ベーン１１３の表面１１４は、上流側の部分において中心軸Ａｘに略平行であり、下流側の部分において中心軸Ａｘの方向に対して傾いている。以下、マイクロバブル発生装置１００の中心軸Ａｘを含む縦断面（例えば図２に示す断面）において、ベーン１１３の表面１１４と中心軸Ａｘとのなす角の最大値を、ベーン１１３のベーン角θという。本実施形態では、翼体１１２は、４枚のベーン１１３を有する。各ベーン１１３は、中心軸Ａｘ周りに略均等に配置されている。また、各ベーン１１３のベーン角θは互いに略同一である。

【0030】

翼体１１２の各ベーン１１３のベーン角θが大きいほど、旋回流発生部１１０におけるスワールパラメータＳ_ｗ（中心軸Ａｘ方向の流速Ｕに対する旋回方向の流速Ｖの比（Ｖ／Ｕ））が大きくなり、ひいては、ベンチュリー管１２０の喉部１２２におけるスワールパラメータＳ_ｗ（中心軸Ａｘ方向の流速ｕに対する旋回方向の流速ｖの比（ｖ／ｕ））が大きくなる。すなわち、翼体１１２の各ベーン１１３のベーン角θが大きいほど、比較的強い旋回流が発生する。反対に、翼体１１２の各ベーン１１３のベーン角θが小さいほど、比較的弱い旋回流が発生する。本実施形態では、各ベーン１１３のベーン角θは、供給される水に上述した比較的弱い旋回流（ベンチュリー管１２０の喉部１２２におけるスワールパラメータＳ_ｗが１未満である旋回流）が発生するように、設定されている。また、各ベーン１１３のベーン角θは、供給される水に、旋回流発生部１１０におけるスワールパラメータＳ_ｗが１未満である旋回流が発生するように、設定されていてもよい。ベーン角θは、２０度以上であってもよいし、３０度以上であってもよい。また、ベーン角θは、６０度未満であってもよいし、４５度未満であってもよい。

【0031】

本実施形態では、翼体１１２の各ベーン１１３は、比較的薄い板状である。具体的には、各ベーン１１３は、以下の式（１）を満たすように構成されている。
ｔ_ｍａｘ／Ｄ_ｍｉｎ＜１／５ ・・・（１）
（ただし、ｔ_ｍａｘはベーン１１３の板厚ｔの最大値、Ｄ_ｍｉｎは旋回流発生部１１０の内径の最小値。）

【0032】

また、本実施形態では、翼体１１２の各ベーン１１３の下流端は、鋭いエッジを構成している。具体的には、ベーン１１３の少なくとも１つの縦断面において、ベーン１１３の下流端の輪郭線は、鋭角に折れ曲がった部分１１５を有する。

【0033】

また、本実施形態では、翼体１１２の各ベーン１１３とベンチュリー管１２０との間に、所定距離以上の離隔が確保されている。具体的には、ベーン１１３の下流端からベンチュリー管１２０の上流端までの距離Ｌ_ｓｗは、Ｄ_ｍｉｎ・ｃｏｔθ超となっている。

【0034】

Ａ－２．シャワーヘッド１０の動作：
シャワーヘッド１０のホース接続部１３（図１）に接続された図示しないシャワーホースを介してシャワーヘッド１０に水が供給されると、該水は上流側通水部１６を介してマイクロバブル発生装置１００内に流入する。

【0035】

マイクロバブル発生装置１００内に流入した水には、旋回流発生部１１０において旋回流が付与される。このように旋回流が付与された水がベンチュリー管１２０に供給されると、上流側テーパー部１２１から喉部１２２に流れる際に流速の上昇に伴い圧力が低下してキャビテーションが発生し、水中に溶存する空気がマイクロバブルとなり、下流側テーパー部１２３を介してマイクロバブルを含む水が吐出される。

【0036】

ベンチュリー管１２０から吐出されたマイクロバブルを含む水は、下流側通水部１７を介して吐水面１４に至り、吐水面１４に形成された複数の吐水孔１５から外部に吐出される。

【0037】

Ａ－３．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態のシャワーヘッド１０を構成するマイクロバブル発生装置１００は、ベンチュリー管１２０と、旋回流発生部１１０とを備える。旋回流発生部１１０は、ベンチュリー管１２０の上流側に配置されている。旋回流発生部１１０は、供給される水に、ベンチュリー管１２０の喉部１２２における軸方向の流速ｕに対する旋回方向の流速ｖの比（ｖ／ｕ）が１未満である旋回流を発生させる。そのため、以下に詳述するように、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００によれば、ベンチュリー管１２０の喉部１２２における圧力を効果的に低下させることができ、マイクロバブルを効果的に発生させることができる。

【0038】

図３は、比較例のマイクロバブル発生装置１００Ｘの構成を示す説明図である。比較例のマイクロバブル発生装置１００Ｘは、旋回流発生部１１０を有していない点が、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００と異なる。比較例のマイクロバブル発生装置１００Ｘでは、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００と同様に、ベンチュリー管１２０のテーパー角ψは比較的大きい値（例えば１０度以上）に設定されている。

【0039】

比較例のマイクロバブル発生装置１００Ｘでは、ベンチュリー管１２０に対して実質的に旋回流を含まないストレート状の水流が供給される。このとき、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００と同様に、上流側テーパー部１２１から喉部１２２に流れる際に流速の上昇に伴い圧力が低下してキャビテーションが発生し、水中に溶存する空気がマイクロバブルとなり、下流側テーパー部１２３を介してマイクロバブルを含む水が吐出される。しかしながら、ベンチュリー管１２０に供給される水流に旋回流が実質的に含まれないため、ベンチュリー管１２０の下流側テーパー部１２３において内壁面１２４からの水の流れＦＬの剥離が発生する。そのため、比較例のマイクロバブル発生装置１００Ｘでは、ベンチュリー管１２０の喉部１２２における圧力を効果的に低下させることができず、マイクロバブルを効果的に発生させることができない。

【0040】

これに対し、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００では、ベンチュリー管１２０の上流側に旋回流発生部１１０が配置されている。旋回流発生部１１０は、供給される水に比較的弱い旋回流（上記比（ｖ／ｕ）が１未満である旋回流）を発生させる。そのため、図２に示すように、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００では、比較的弱い旋回流の存在により、ベンチュリー管１２０のテーパー角ψを比較的大きくしても（例えば、１０度以上にしても）、ベンチュリー管１２０の下流側テーパー部１２３における内壁面１２４からの水の流れＦＬの剥離を抑制することができる。そのため、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００によれば、ベンチュリー管１２０におけるディフューザーの効果を増大させて喉部１２２における圧力を効果的に低下させることができ、その結果、ベンチュリー管１２０によるマイクロバブルの発生効率を向上させることができる。なお、ベンチュリー管１２０に供給する水流に旋回流を付与することによってベンチュリー管１２０の下流側テーパー部１２３における内壁面１２４からの水の流れＦＬの剥離を抑制することができるメカニズムは必ずしも明らかではないが、旋回流ジェットが壁面に引き寄せられるコアンダ効果が作用するためであると考えられる。

【0041】

また、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００では、旋回流発生部１１０は、供給される流体に、旋回流発生部１１０における軸方向の流速Ｕに対する旋回方向の流速Ｖの比（Ｖ／Ｕ）が１未満である旋回流を発生させるように構成されている。そのため、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００によれば、さらに弱い旋回流の存在により、ベンチュリー管１２０の下流側テーパー部１２３における内壁面１２４からの水の流れＦＬの剥離を効果的に抑制しつつ、ベンチュリー管１２０のテーパー角ψを比較的大きくすることができ、ベンチュリー管１２０の喉部１２２における圧力をさらに効果的に低下させることができ、その結果、マイクロバブルをさらに効果的に発生させることができる。

【0042】

また、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００では、旋回流発生部１１０は、管状部１１１と、管状部１１１内に収容された少なくとも１つのベーン１１３とを含む。ベーン１１３は、上述した比較的弱い旋回流が発生するように中心軸Ａｘの方向に対する傾きが設定された表面１１４を有する。そのため、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００によれば、比較的弱い旋回流をシンプルな構成で確実に発生させることができる。

【0043】

また、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００では、ベーン１１３は、ｔ_ｍａｘ／Ｄ_ｍｉｎ＜１／５（ただし、ｔ_ｍａｘはベーン１１３の板厚ｔの最大値であり、Ｄ_ｍｉｎは旋回流発生部１１０の内径の最小値である。）という関係を満たすように構成されている。そのため、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００によれば、ベーン１１３の板厚ｔが比較的薄く、旋回流発生部１１０の圧損を小さくすることができる。従って、ベンチュリー管１２０の喉部１２２における圧力をさらに効果的に低下させることができ、マイクロバブルをさらに効果的に発生させることができる。

【0044】

また、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００では、ベーン１１３の少なくとも１つの縦断面において、ベーン１１３の下流端の輪郭線は鋭角に折れ曲がった部分１１５を有する。そのため、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００によれば、ベーン１１３の下流端でのキャビテーションを促進させることができ、マイクロバブルをさらに効果的に発生させることができる。

【0045】

また、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００では、旋回流発生部１１０のベーン１１３の下流端からベンチュリー管１２０の上流端までの距離Ｌ_ｓｗは、Ｄ_ｍｉｎ・ｃｏｔθ超である。そのため、本実施形態のマイクロバブル発生装置１００によれば、ベーン１１３をベンチュリー管１２０から比較的遠くに配置することにより、ベンチュリー管１２０の上流側において旋回流を安定して形成することができる。従って、ベンチュリー管１２０の喉部１２２における圧力をさらに効果的に低下させることができ、マイクロバブルをさらに効果的に発生させることができる。

【0046】

Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態のマイクロバブル発生装置１００ａの縦断面構成を示す説明図である。図５は、第２実施形態の旋回流発生部１１０ａの正面構成を示す説明図である。以下では、第２実施形態のマイクロバブル発生装置１００ａの構成のうち、上述した第１実施形態のマイクロバブル発生装置１００と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。

【0047】

第２実施形態のマイクロバブル発生装置１００ａは、旋回流発生部１１０ａの構成が第１実施形態のマイクロバブル発生装置１００と異なる。具体的には、第２実施形態のマイクロバブル発生装置１００ａでは、旋回流発生部１１０ａが、円柱状部１１６と、砲弾状部１１７とを有する。円柱状部１１６は、旋回流発生部１１０ａの中心に位置し、中心軸Ａｘの方向に伸びる円柱状の部分である。各ベーン１１３は円柱状部１１６の外周面に固定されている。砲弾状部１１７は、ベーン１１３および円柱状部１１６の下流側に配置され、下流側に向かって縮径する砲弾状の部分である。

【0048】

第２実施形態のマイクロバブル発生装置１００ａでは、砲弾状部１１７の存在により、ベーン１１３の下流側での圧力低下を抑制することができる。そのため、第２実施形態のマイクロバブル発生装置１００ａによれば、ベンチュリー管１２０の喉部１２２における圧力をさらに効果的に低下させることができ、マイクロバブルをさらに効果的に発生させることができる。

【0049】

Ｃ．性能評価：
上述した各実施形態のマイクロバブル発生装置を試作し、各種性能評価を行った。

【0050】

図６は、旋回流発生部１１０のベーン１１３のベーン角θについての性能評価結果を示す説明図である。図６には、旋回流発生部１１０として円柱状部１１６および砲弾状部１１７を有さない構成（第１実施形態の構成）を採用し、旋回流発生部１１０の内径Ｄを３ｍｍに固定し、かつ、ベンチュリー管１２０のテーパー角ψを１０度に固定し、ベーン角θを変動させたときの、マイクロバブル発生装置１００の上流側圧力（ゲージ圧）Ｐ０と流量（体積流量）Ｑとの関係を示している。なお、本明細書に記載した性能評価においては、旋回流発生部１１０の内径Ｄとベンチュリー管１２０の喉部１２２の内径ｄとを、Ｄ＝２ｄの関係となるように設定した。

【0051】

図６に示すように、ベーン角θにかかわらず、上流側圧力Ｐ０が大きいほど流量Ｑは増加する。また、ベーン角θが大きいほど、ある上流側圧力Ｐ０における流量Ｑは低下する傾向にある。これは、ベーン角θが大きいほど、旋回流発生部１１０における圧損が増加するためであると考えられる。図６を参照すると、ベーン角θが４５度未満であれば、ある上流側圧力Ｐ０における流量Ｑはあまり変わらないが、ベーン角θが４５度以上であると、ある上流側圧力Ｐ０における流量Ｑの低下度合いが大きくなることが読み取れる。この結果を参照すると、ベーン角θは、６０度未満であることが好ましく、４５度未満であることがさらに好ましいと言える。

【0052】

図７および図８は、ベンチュリー管１２０のテーパー角ψについての性能評価結果を示す説明図である。図７および図８には、それぞれ、旋回流発生部１１０として砲弾状部１１７を有さない構成（第１実施形態の構成）を採用した場合、および、旋回流発生部１１０として砲弾状部１１７を有する構成（第２実施形態の構成）を採用した場合において、旋回流発生部１１０の内径Ｄを３ｍｍに固定し、旋回流発生部１１０のベーン角θを３０度に固定し、かつ、テーパー角ψを変動させたときの、マイクロバブル発生装置１００の上流側圧力Ｐ０と喉部１２２の圧力Ｐ１との関係を示している。

【0053】

図７および図８に示すように、テーパー角ψにかかわらず、ベンチュリー管１２０の喉部１２２の圧力Ｐ１は十分に小さい値となっている。この結果を参照すると、ベンチュリー管１２０の上流側に旋回流発生部１１０を配置すれば、テーパー角ψにかかわらず、ベンチュリー管１２０の喉部１２２の圧力Ｐ１を効果的に低下させることができ、その結果、マイクロバブルを効果的に発生させることができると言える。

【0054】

図９は、旋回流発生部１１０の砲弾状部１１７についての性能評価結果を示す説明図である。図９には、旋回流発生部１１０として砲弾状部１１７を有さない構成を採用した場合（第１実施形態の構成、図９において「Ｅ１」として示す）、および、旋回流発生部１１０として砲弾状部１１７を有する構成を採用した場合（第２実施形態の構成、図９において「Ｅ２」として示す）において、旋回流発生部１１０の内径Ｄを３ｍｍに固定し、旋回流発生部１１０のベーン角θを３０度に固定し、かつ、ベンチュリー管１２０のテーパー角ψを変動させたときの、マイクロバブル発生装置１００の上流側圧力Ｐ０と流量Ｑとの関係を示している。

【0055】

図９に示すように、テーパー角ψにかかわらず、旋回流発生部１１０として砲弾状部１１７を有する構成を採用した場合（Ｅ２）は、旋回流発生部１１０として砲弾状部１１７を有さない構成を採用した場合（Ｅ１）と比較して、ある上流側圧力Ｐ０における流量Ｑが大きい（すなわち、旋回流発生部１１０における圧損が小さい）傾向にある。この結果を参照すると、旋回流発生部１１０として砲弾状部１１７を有する構成を採用すれば、ベーン１１３の下流側での圧力低下を抑制することができ、ベンチュリー管１２０の喉部１２２における圧力をさらに効果的に低下させることができ、マイクロバブルをさらに効果的に発生させることができると言える。

【0056】

図１０から図１３は、マイクロバブル発生の性能評価結果を示す説明図である。各図には、以下の構成のマイクロバブル発生装置を動作させたときのマイクロバブル発生状況を示す写真を示している。図１０は、旋回流発生部１１０を有さない比較例のマイクロバブル発生装置によるマイクロバブル発生状況を示しており、図１１は、ベンチュリー管１２０のテーパー角ψが１０度、旋回流発生部１１０のベーン角θが３０度、砲弾状部１１７無しのマイクロバブル発生装置（図２参照）によるマイクロバブル発生状況を示しており、図１２は、ベンチュリー管１２０のテーパー角ψが１０度、旋回流発生部１１０のベーン角θが３０度、砲弾状部１１７ありのマイクロバブル発生装置（図４参照）によるマイクロバブル発生状況を示しており、図１３は、ベンチュリー管１２０のテーパー角ψが１４度、旋回流発生部１１０のベーン角θが３０度、砲弾状部１１７ありのマイクロバブル発生装置（図４参照）によるマイクロバブル発生状況を示している。各図において、上段、中段、下段は、それぞれ、ベンチュリー管１２０の喉部１２２の内径ｄが１．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍのときのマイクロバブル発生状況を示している。なお、流量は９Ｌ／ｍｉｎとし、装置の上流端の水圧を０．１５ＭＰａとし、給気無しの条件とした。

【0057】

旋回流発生部１１０を有するマイクロバブル発生装置によるマイクロバブル発生状況（図１１から図１３）は、旋回流発生部１１０を有さないマイクロバブル発生装置によるマイクロバブル発生状況（図１０）と比較して、白濁度が高く、マイクロバブル発生量が多いことが看取される。また、ベンチュリー管１２０のテーパー角ψが１０度以上であっても、多量のマイクロバブルが発生していることから、ベンチュリー管１２０の喉部１２２の下流のテーパー部１２３における流体の剥離の発生が抑制されているものと認められる。この結果を参照すると、ベンチュリー管１２０の上流側に旋回流発生部１１０を配置すれば、テーパー角ψが１０度以上であっても、ベンチュリー管１２０の喉部１２２の圧力Ｐ１を十分に低下させることができ、その結果、マイクロバブルを効果的に発生させることができると言える。

【0058】

Ｄ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。

【0059】

上記実施形態におけるシャワーヘッド１０の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態におけるベーン１１３の板厚ｔやベーン１１３の下流端からベンチュリー管１２０の上流端までの距離Ｌ_ｓｗは、あくまで一例であり、種々変形可能である。

【0060】

上記実施形態では、ベーン１１３の少なくとも１つの縦断面において、ベーン１１３の下流端の輪郭線は鋭角に折れ曲がった部分１１５を有するが、ベーン１１３がそのような部分を有さなくてもよい。

【0061】

上記実施形態では、旋回流発生部１１０としてベーン１１３を有する翼体１１２を用いているが、旋回流発生部１１０として他の構成を採用してもよい。

【0062】

上記実施形態のマイクロバブル発生装置１００において、ベンチュリー管１２０の喉部１２２から給気する構成を採用してもよい。このような構成においても、本明細書に開示される技術を適用すれば、ベンチュリー管１２０の喉部１２２における圧力を効果的に低下させることができ、喉部１２２からの給気量を増加させることができ、マイクロバブルを効果的に発生させることができる。

【0063】

上記実施形態ではマイクロバブル発生装置１００について説明したが、本明細書に開示される技術は、マイクロバブル発生装置１００に限らず、流体に対して何らかの処理を行う流体処理装置一般に適用可能である。図１４は、流体処理装置としての流体混合装置１０２の構成を示す説明図である。流体混合装置１０２は、図２に示すマイクロバブル発生装置１００と同様の構成を有するが、ベンチュリー管１２０の喉部１２２に給気管２３０が接続されている点が異なる。流体混合装置１０２では、旋回流発生部１１０の上流側から供給される流体(例えば、第１のガス)に、給気管２３０を介して喉部１２２に供給される流体(例えば、第２のガス)を混合する処理が行われ、混合後の流体がベンチュリー管１２０から下流側に吐出される。このような構成の流体混合装置１０２においても、ベンチュリー管１２０の上流側に旋回流発生部１１０が配置されているため、旋回流発生部１１０において付与される比較的弱い旋回流の存在により、ベンチュリー管１２０のテーパー角ψを比較的大きくしても（例えば、１０度以上にしても）、ベンチュリー管１２０の下流側テーパー部１２３における内壁面１２４からの流体の流れＦＬの剥離を抑制することができ、ベンチュリー管１２０におけるディフューザーの効果を増大させて喉部１２２における圧力を効果的に低下させることができ、その結果、流体の混合を効果的に実行することができる。

【符号の説明】

【0064】

１０：シャワーヘッド １１：ヘッド部 １２：グリップ部 １３：ホース接続部 １４：吐水面 １５：吐水孔 １６：上流側通水部 １７：下流側通水部 １００：マイクロバブル発生装置 １０２：流体混合装置 １１０：旋回流発生部 １１１：管状部 １１２：翼体 １１３：ベーン １１４：表面 １１５：部分 １１６：円柱状部 １１７：砲弾状部 １２０：ベンチュリー管 １２１：上流側テーパー部 １２２：喉部 １２３：下流側テーパー部 １２４：内壁面 ２３０：給気管

【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】