JP7042013B2

JP7042013B2 - ファインバブル発生装置

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Publication number: JP7042013B2
Application number: JP2019140313A
Authority: JP
Inventors: 嘉和栗山; 均宇田; 卓司安藤
Original assignee: 嘉和栗山; 均宇田; 卓司安藤
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2039-07-30
Also published as: JP2021020196A

Description

本発明は、例えばシャワーヘッドやホースなどに装着され、冷水や温水などの液体中にマイクロバブルやナノバブルと呼ばれる微小な泡を発生させるファインバブル発生装置に関する。

水道の蛇口やシャワーヘッドなどに取り付けて、簡単にマイクロバブルやナノバブルを発生させる様々なファインバブル発生装置が提案されている。一般的に、マイクロバブルとは気泡の直径が１μｍ～数十μｍの範囲のものをいい、ナノバブルとは気泡の直径が１ｎｍ～１０００ｎｍ（１μｍ）の範囲のものをいう。また、ファインバブルとは、マイクロバブルやナノバブルの両者を含む。

特許文献１は、水道の蛇口などに接続されてマイクロバブルを発生させる装置に関し、蛇口などから排出される液体（水）が通過する流路と、その液体の流れにより生ずる負圧によって外部から空気を吸引する気体導入路と、液体と空気の混合物を螺旋状に旋回させて攪拌し、それにより、その液体中の空気の気泡を微細化してマイクロバブルを発生させる中空部を備えている。

特許文献２は、流体管中に設置されるファインバブル発生装置に関し、筒体とフランジで構成され、筒体には、液体を螺旋状に旋回させるための貫通孔が設けられており、遠心力によって貫通孔の中心部と周辺部との間に圧力差を生じさせ、減圧された貫通孔の中心部を流れる液体に、液体中に溶け込んだ空気により気泡を発生させている。貫通孔の断面は、例えばひょうたん型又は分銅型のような中心が狭くなったくびれ形状である。

特開２００５－３０５２１９号公報特開２０１８－５８０３８号公報（特許第６３１２７６８号）

特許文献１に記載された装置では、液体と空気を混合させ、液体と空気の混合物を攪拌させているだけであるので、より微細なナノバブルを大量に発生させることは困難である。また、特許文献２に記載された装置では、ナノバブルを発生させることが可能ではあるが、貫通孔の中心部と周辺部との間に生じる圧力差を利用しているため、ナノバブルは専ら貫通孔の中心部を通過する液体にのみ発生し、遠心力によって加圧される貫通孔の周辺部を通過する液体にはナノバブルはほとんど発生しないと考えられる。そのため、ナノバブルの発生量が十分ではない可能性がある。

本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、簡単な構造でありながら、十分な量のナノバブルを発生しうるファインバブル発生装置を提供することを目的とする。

本発明に係るファインバブル発生装置は、外形が略円筒状の本体部と、液体が流入する側の第１端部に形成された液体導入部と、前記液体導入部と連通し、前記本体部をその中心軸方向に貫通する貫通孔とを備え、
前記液体導入部は、前記本体部の前記第１端部において略円形の開口を有し、前記本体部の中心軸を含む所定の断面において、前記本体部の前記第１端部とは反対側の第２端部に向かって徐々に断面積が減少するように形成されており、
前記本体部の中心軸に垂直な任意の断面において、前記貫通孔は、前記本体部の中心軸
を含み、第１方向における最も幅の狭い部分を含む中心領域と、前記第１方向に直交する第２方向において前記本体部の中心軸に対して対称に形成され、前記第１方向における最も幅の広い部分を含む第１周辺領域及び第２周辺領域とで形成され、前記中心領域と、前記第１周辺領域及び前記第２周辺領域は、角が存在しない連続した曲線で連通され、
前記貫通孔を規定する前記本体部の中心軸に垂直な任意の断面は、前記本体部の中心軸方向に沿って、前記第１端部側から前記第２端部側に向かって少なくとも２７０度回転しており、
前記本体部の中心軸に垂直な任意の断面において、
前記中心領域は、前記本体部の中心軸に対して内向に凸な第１半径を有し、前記本体部の中心軸を通り、前記第２方向に平行な対称軸に対して対称に互いに対向する２つの第１半径部で形成され、
前記第１周辺領域及び前記第２周辺領域は、それぞれ、前記本体部の中心軸を中心とする第２半径を有し、前記本体部の中心軸に対して外向に凸な第２半径部と、前記第１半径よりも大きく、かつ、前記第２半径よりも小さな第３半径を有し、前記対称軸に対して対称で、前記第２半径部と連続する、前記本体部の中心軸に対して外向に凸な２つの第３半径部と、前記第１半径よりも小さな第４半径を有し、前記対称軸に対して対称で、前記第３半径部と前記第１半径部と連続する、前記本体部の中心軸に対して外向に凸な２つの第４半径部とで形成されている、
ことを特徴とする。

本発明に係る他のファインバブル発生装置は、外形が略円筒状の本体部と、液体が流入する側の第１端部に形成された液体導入部と、前記液体導入部と連通し、前記本体部をその中心軸方向に貫通する貫通孔とを備え、
前記液体導入部は、前記本体部の前記第１端部において略円形の開口を有し、前記本体部の中心軸を含む所定の断面において、前記本体部の前記第１端部とは反対側の第２端部に向かって徐々に断面積が減少するように形成されており、
前記本体部の中心軸に垂直な任意の断面において、前記貫通孔は、前記本体部の中心軸を含み、第１方向における最も幅の狭い部分を含む中心領域と、前記第１方向に直交する第２方向において前記本体部の中心軸に対して対称に形成され、前記第１方向における最も幅の広い部分を含む第１周辺領域及び第２周辺領域とで形成され、前記中心領域と、前記第１周辺領域及び前記第２周辺領域は、角が存在しない連続した曲線で連通され、
前記貫通孔を規定する前記本体部の中心軸に垂直な任意の断面は、前記本体部の中心軸方向に沿って、前記第１端部側から前記第２端部側に向かって少なくとも２７０度回転しており、
前記本体部の中心軸に垂直な任意の断面において、
前記中心領域は、前記本体部の中心軸に対して内向に凸な第１半径を有し、前記本体部の中心軸を通り、前記第２方向に平行な対称軸に対して対称に互いに対向する２つの第１半径部で形成され、
前記第１周辺領域及び前記第２周辺領域は、それぞれ、前記本体部の中心軸を中心とする第２半径を有し、前記本体部の中心軸に対して外向に凸な第２半径部と、前記第１半径よりも小さい第４半径を有し、前記対称軸に対して対称で、前記第１半径部及び前記第２半径部と連続する、前記本体部の中心軸に対して外向に凸な２つの第４半径部とで形成されており、
前記中心領域の前記第１方向における最も幅の狭い部分の寸法Ｗ１と、前記第１周辺領域及び前記第２周辺領域の前記第１方向における最も幅の広い部分の寸法Ｗ２の比率Ｗ１：Ｗ２は、１：５．７５乃至１：９．２５の範囲内であり、
前記第１半径部の半径Ｒ１と前記第２半径部の半径Ｒ２の比率Ｒ１：Ｒ２が１：２．５である、
ことを特徴とする。

上記構成において、前記液体導入部は、前記本体部の中心軸を含む所定の断面において、角が存在しない連続した曲線状に形成されているように構成してもよい。

また、前記中心領域の前記第１方向における最も幅の狭い部分の寸法と、前記第１周辺領域及び前記第２周辺領域の前記第１方向における最も幅の広い部分の寸法の比率は、１：５．７５乃至１：９．２５の範囲内となるように構成してもよい。

上記ファインバブル発生装置は、例えばシャワーヘッドやホースの内部に装着されて使用される。水などの液体は、加圧された状態で給水管内を流れており、液体中に空気が飽和した状態で溶け込んでいると考えられる。上記構成によれば、外形が略円筒状の本体部の液体が流入する側の第１端部に液体導入部が形成され、液体導入部は貫通孔に連通されている。貫通孔の中心領域は、本体部の中心軸に沿ってほぼ真っ直ぐに貫通しているため、液体導入部の中心領域に流れ込んだ液体は、ほぼそのままの圧力及び流速で貫通孔の中心領域に流れ込む。一方、液体導入部の周辺領域に流れ込んだ液体は、液体導入部の側壁に衝突して加圧及び加速される。そのため、液体導入部においても、中心領域を流れる液体と周辺領域を流れる液体との間で圧力差が生じる。そのため、液体導入部においても、中心領域を流れる液体中に気泡が発生すると考えられる。

次に、貫通孔に流れ込んだ液体のうち中心領域に流れ込んだ液体は、ほとんど回転されることなく、そのままの圧力及び流速で本体部の中心軸に沿って真っ直ぐに流れる。一方、貫通孔に流れ込んだ液体のうち第１周辺領域及び第２周辺領域に流れ込んだ液体は、貫通孔の回転によって、略円筒状の本体部の外周に沿って、螺旋状に旋回される。旋回された液体には遠心力が作用し、第１周辺領域及び第２周辺領域のうち本体部の中心軸から遠い領域に集中するように流れる。そのため、貫通孔の内部において、中心領域を流れる液体と第１周辺領域及び第２周辺領域を流れる液体との間に圧力差が生じ、減圧作用により中心領域を流れる液体中に気泡が発生する。また、貫通孔の中心領域を流れる液体と、貫通孔の第１周辺領域及び第２周辺領域を流れる液体の速度差によって、貫通孔を流れる液体中に激しい渦が生じ、それによっても気泡が発生する。さらに、第１周辺領域及び第２周辺領域を流れる液体のうち、本体部の外周側の領域を流れる液体と中心軸に近い領域を流れる液体との間にも圧力差が生じ、減圧作用により第１周辺領域及び第２周辺領域を流れる液体中にも気泡が発生する。

そして、本体部の第２端部、すなわち液体が吐出される側の貫通孔の断面積は、本体部の第１端部の液体導入部の略円形の開口の断面積よりも小さいため、本体部の第２端部から液体が吐出されると、シャワーヘッド又はホースの内部で、かつ、本体部の第２端部の近傍には、液体が流れていない真空に近いような空洞が生じる。そのため、この空洞部の負圧によって、本体部の第２端部から吐出される液体中に溶け込んでいる空気は、一気に発泡され、液体中に大量のファインバブルが発生する。このように、本発明に係るファインバブル発生装置によれば、様々な要因によって気泡が発生されるため、例えば特許文献２に記載された従来の装置と比較して、ファインバブルの発生量を増加させることができる。

本発明に係るファインバブル発生装置の使用状態の一例を示す断面図。本発明に係るファインバブル発生装置の外観構成を示す斜視図。上記ファインバブル発生装置の本体部の中心軸を含む所定の断面図。上記本体部の中心軸に垂直な任意の断面における貫通孔の断面形状を示す図。上記本体部をその第１端部側から見た正面図。第１比較例の貫通孔の断面形状を示す図。第２比較例の貫通孔の断面形状を示す図。本発明に係るファインバブル発生装置の第１変形例の貫通孔の断面形状を示す図。

本発明の一実施形態に係るファインバブル発生装置について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明に係るファインバブル発生装置１の使用状態の一例を示す図であり、ファインバブル発生装置１は、例えばシャワーヘッド２やホース３の内部に設置されて使用される。図中矢印で示す方向に冷水や温水等の液体が流れる。図２は、本発明に係るファインバブル発生装置１の外観構成を示す斜視図であり、特に、液体が流入する第1端部１１側から見た状態を示す。図３は、上記ファインバブル発生装置１の本体部１０の中心軸Ｌ１を含む所定の断面（図５のＡ－Ａ断面）を示す。

各図に示すように、本実施形態に係るファインバブル発生装置１は、略円筒状の本体部１０の液体が流入する側の第１端部１１に液体導入部２０が形成されている。また、本体部１０には、液体導入部２０と連通し、本体部１０をその中心軸Ｌ１方向に、第１端部１１とは反対側の第２端部１２まで貫通する貫通孔３０が形成されている。液体導入部２０は、本体部１０の第１端部１１において略円形の開口２５を有し、本体部１０の第１端部１１とは反対側の第２端部１２に向かって徐々に断面積が減少し、角が存在しない連続した曲線状、いわゆるお椀型又はボール型に形成されている。また、前記液体導入部２０は、その断面が円錐台型に形成されているものでもよい。

図４は、本体部１０の中心軸Ｌ１に垂直な任意の断面における貫通孔３０の断面形状の一具体例（以下、「本願発明の貫通孔３０」とする）を示す。「任意の」とは、例えば金太郎飴のようにどこで切っても同じ断面形状を有していることを意味するが、貫通孔３０は、貫通孔３０を規定する本体部１０の中心軸Ｌ１に垂直な任意の断面が、本体部１０の中心軸Ｌ１方向に沿って、第１端部側１１から第２端部１２側に向かって連続的に一定の割合で回転している。図３に示す数値は、貫通孔３０を規定する断面の回転角度を示し、貫通孔３０を規定する断面は、第１端部側１１から第２端部１２側に向かって３２０度程度回転している。また、符号Ｐで示す領域では、後述する貫通孔３０の第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３の第２半径部３２ａ、３３ａが断面として現れている。符号Ｑで示す領域では、貫通孔３０の第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３の第３半径部３２ｂ、３３ｂ及び第４半径部３２ｃ、３３ｃが断面として現れている。符号Ｒで示す領域では、貫通孔３０の中心領域３１の第１半径部３１ａの稜線部分が断面として現れている。そして、符号Ｓで示す領域では、貫通孔３０の中心領域３１の最小幅を有する部分が断面として現れている。

貫通孔３０を規定する断面の回転角度は、本体部１０の中心軸Ｌ１方向の全長から液体導入部２０を除いた部分の全長にほぼ比例する。貫通孔３０を規定する断面の回転角度が大きければ大きいほど、貫通孔３０の内部で液体がより大きく旋回され、それに伴ってファインバブルの発生量も増加する。その一方で、貫通孔３０を規定する断面の回転角度が大きくなればなるほど、金型の強度が低下すると共に、金型の加工が困難になる。本出願人が試作したところ、貫通孔３０を規定する断面の回転角度が７２０度程度、すなわち２回転程度であれば、金型の製造及びその金型を用いた本体部１０の製造が可能である。

上記任意の断面において、貫通孔３０は、おおむね３つの領域に分割され、本体部１０の中心軸Ｌ１を含み、第１方向（Ｘ方向）における最も幅の狭い部分（最小幅をＷ１とする）を含む中心領域３１と、第１方向に直交する第２方向（Ｙ方向）において本体部１０の中心軸Ｌ１に対して対称に形成され、第１方向における最も幅の広い部分）最大幅をＷ２とする）を含む第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３とで形成されている。

中心領域３１は、本体部１０の中心軸Ｌ１に対して内向に凸な第１半径Ｒ１を有し、本体部の中心軸Ｌ１を通り、第２方向に平行な対称軸Ｌ３に対して対称に互いに対向する２つの第１半径部３１ａで形成されている。第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３は、それぞれ、本体部１０の中心軸Ｌ１を中心とする第２半径Ｒ２を有し、本体部１０の中心軸Ｌ１に対して外向に凸な第２半径部３２ａ、３３ａと、第１半径Ｒ１よりも大きく、かつ、第２半径Ｒ２よりも小さな第３半径Ｒ３を有し、対称軸Ｌ２に垂直な対称軸Ｌ３に対して対称で、第２半径部３２ａ、３３ａと連続する、本体部１０の中心軸Ｌ１に対して外向に凸な２つの第３半径部３２ｂ、３３ｂと、第１半径Ｒ１よりも小さな第４半径Ｒ４を有し、対称軸Ｌ２に対して対称で、第３半径部３２ｂ、３３ｂと第１半径部３１ａと連続する、本体部１０の中心軸Ｌ１に対して外向に凸な２つの第４半径部３２ｃ、３３ｃとで形成されている。結果的に、中心領域３１と第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３は、角が存在しない連続した曲線で連通されている。

図５は、本体部１０をその第１端部１１側から見た正面図である。作図の都合上、図４に示す貫通孔３０を所定角度（５度）ごとに回転させたものを重ね合わせた等高線として貫通孔３０の斜面３４を表現しているが、実際には角のない連続した滑らかな斜面である。液体導入部２０の斜面２１及び２２は、それらの斜面２１及び２２を伝って流れる液体が貫通孔３０の第２周辺領域３３に流れ落ちるように、第２周辺領域３３に向かって傾斜している。また、斜面２３及び２４は、それらの斜面２３及び２４を伝って流れる液体が貫通孔３０の第１周辺領域３２に流れ落ちるように、第１周辺領域３２に向かって傾斜している。これらの斜面２１～２４は、本体部１０を射出成形する際の金型（内型）を回転させながら引き抜くために、本体部１０の中心軸Ｌ１方向の第１端部１１から第２端部１２に回転しながら進むように、螺旋状に形成されている。

次に、本実施形態に係るファインバブル発生装置１の本体部１０の第１端部１１に流入する液体の流れについて検討する。冷水や温水などの液体は、加圧された状態でホース３（給水管）内を流れており、液体中に空気が飽和した状態で溶け込んでいると考えられる。略円筒状の本体部１０の液体が流入する側の第１端部１１に液体導入部２０が形成され、液体導入部２０は貫通孔３０に連通されている。図１に示すように、液体導入部２０の本体部１０の第１端部１１に形成された円形の開口２５はホース３の内径とほぼ同じ径を有している。そのため、ホース３内を流れてきた液体は、本体１０の第１端部１１の端面によって遮られることなく、ほぼそのまま液体導入部２０に流れ込む。

液体導入部２０に連通する貫通孔３０の中心領域３１は、本体部１０の中心軸Ｌ１に沿ってほぼ真っ直ぐに貫通しているため、液体導入部２０の中心領域に流れ込んだ液体は、ホース３中を流れてきたときとほぼそのままの圧力及び流速で貫通孔３０の中心領域３１に流れ込む。一方、液体導入部２０の周辺領域に流れ込んだ液体は、液体導入部２０の側壁２１～２４に衝突して加圧及び加速される。そのため、液体導入部２０においも、中心領域を流れる液体と周辺領域を流れる液体との間で圧力差が生じる。そのため、液体導入部２０においても、減圧作用により中心領域を流れる液体中に気泡が発生すると考えられる。

液体導入部２０の側壁２１～２４は螺旋状に形成されているので、側壁２１～２４に衝突した液体は、螺旋状に旋回されながら貫通孔３０の第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３に加速されながら流れ込む。このとき、旋回する液体に対して、本体部１０の中心軸Ｌ１に対して放射方向に遠心力が作用し、液体導入部２０の円形の開口２５の外周付近を流れる液体がさらに加圧される。

貫通孔３０の中心領域３１は、どこの断面においても本体部１０の中心軸Ｌ１を含んでいるので、図３に示すように、本体部１０の中心軸Ｌ１の周囲には、障壁など、液体の流れを妨げるものは存在しない。そのため、貫通孔３０に流れ込んだ液体のうち中心領域３１に流れ込んだ液体は、ほとんど回転されることなく、ホース３中を流れてきたときとほぼそのままの圧力及び流速で本体部１０の中心軸Ｌ１に沿って真っ直ぐに流れる。一方、貫通孔３０に流れ込んだ液体のうち第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３に流れ込んだ液体は、液体導入部２０の斜面２１～２４の作用によって旋回されているが、貫通孔３０の回転によって、略円筒状の本体部１０の外周に沿って、さらに螺旋状に旋回される。旋回する液体には遠心力が作用し、第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３のうち本体部１０の中心軸ｌ１からより遠い領域に集中するように流れる。そのため、貫通孔３０の内部において、中心領域３１を流れる液体と第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３を流れる液体との間に圧力差が生じ、減圧作用により中心領域３１を流れる液体中に気泡が発生する。また、貫通孔３０の中心領域３１を流れる液体と、貫通孔３０の第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３を流れる液体の速度差によって、貫通孔３０を流れる液体中に激しい渦が生じ、それによっても気泡が発生する。さらに、第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３を流れる液体のうち、本体部１０の外周側の領域を流れる液体と中心軸に近い領域を流れる液体との間にも圧力差が生じ、減圧作用により第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３を流れる液体中にも気泡が発生する。

本体部１０の第２端部１２、すなわち液体が吐出される側の貫通孔３０の断面積は、本体部１０の第１端部１１の液体導入部２０の略円形の開口２５の断面積よりも小さい。そのため、本体部の第２端部から液体が吐出されると、シャワーヘッド２の内部で、かつ、本体部１０の第２端部１２の近傍（例えば、図1において楕円２Ａで示す部分）には、液体が流れていない真空に近いような空洞が生じる。そのため、この空洞部の負圧によって、本体部１０の第２端部１２から吐出される液体中に溶け込んでいる空気は、一気に発泡され、液体中に大量のファインバブルが発生する。このように、本発明に係るファインバブル発生装置１によれば、様々な要因によって気泡が発生されるため、例えば特許文献２に記載された従来の装置と比較して、ファインバブルの発生量を増加させることができる。

図６は、第１比較例として、特許文献２の図５（ｂ）に示された貫通孔の断面形状を示す。第１比較例の貫通孔５０も、本願発明に係るファインバブル発生装置１の貫通孔３０と同様に、おおむね３つの領域に分割され、本体部（図示せず）の中心軸Ｌ１’を含み、第１方向（Ｘ方向）における最も幅の狭い部分を含む中心領域５１と、第１方向に直交する第２方向（Ｙ方向）において本体部の中心軸Ｌ１’に対して対称に形成され、第１方向における最も幅の広い部分を含む第１周辺領域５２及び第２周辺領域５３とで形成されている。

中心領域５１は、本体部の中心軸Ｌ１’に対して内向に凸な第１半径Ｒ１’を有し、本体部の中心軸Ｌ１’を通り、第２方向に平行な対称軸Ｌ３’に対して対称に互いに対向する２つの第１半径部５１ａで形成されている。第１周辺領域５２及び第２周辺領域５３は、それぞれ、本体部の中心軸Ｌ１’を中心とする第２半径Ｒ２’を有し、本体部の中心軸Ｌ１’に対して外向に凸な第２半径部５２ａ、５３ａと、第１半径Ｒ１’よりも大きく、かつ、第２半径Ｒ２’よりも小さな第４半径Ｒ４’を有し、対称軸Ｌ２’に垂直な対称軸Ｌ３’に対して対称で、第２半径部５２ａ、５３ａ及び第１半径部５１ａと連続する、本体部の中心軸Ｌ１’に対して外向に凸な２つの第４半径部５２ｂ、５３ｂとで形成されている。この第１比較例では、第３半径Ｒ３’及び第３半径部は存在しない。

図４に示す本願発明の貫通孔３０と図６に示す第１比較例の貫通孔５０とを視覚的に比較する。両者はいずれも、いわゆる「ひょうたん型」の断面を有しているが、第１比較例の第１周辺領域５２及び第２周辺領域５３の第１方向（Ｘ方向）の最大幅Ｗ２’は本願発明の貫通孔３０の第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３の第１方向（Ｘ方向）の最大幅Ｗ２に比べて狭い。そのため、全体的に、第１比較例の貫通孔５０の方が細長い印象を受ける。また、第１比較例の第１周辺領域５２及び第２周辺領域５３の断面積は、本願発明の貫通孔３０の第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３の断面積よりも明らかに狭い。また、第１比較例の中心領域５１の最小幅Ｗ１’は、本願発明の貫通孔３０の中心領域３１の最小幅Ｗ１よりも広く、第１比較例の中心領域５１の断面積は、本願発明の貫通孔３０の中心領域３１の断面積よりも広い。これらのことから、第１比較例の貫通孔５０の中心領域５１を流れる液体の量と第１周辺領域５２及び第２周辺領域５３を流れる液体の量の差は、本願発明の貫通孔３０の中心領域３１を流れる液体の量と第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３を流れる液体の量の差よりも小さいと考えられる。換言すれば、第１比較例の貫通孔５０と比較して、本願発明の貫通孔３０は、中心領域３１を流れる液体の量と第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３を流れる液体の量の差を、より大きくすることができる。

また、第１比較例の貫通孔５０は、第１周辺領域５２及び第２周辺領域５３の第２半径部５２ｂ、５３ｂと中心領域５１の第１半径部５１ａと直接接続しており、第４半径部を有していないため、第１比較例の貫通孔５０の中心領域５１の第１半径部５１ａの稜線は、本願発明の貫通孔３０の中心領域３１の第１半径部３１ａの稜線よりもなだらかである。また、第１比較例の貫通孔５０において、本体部の中心軸Ｌ１’と中心領域５１の第１半径部５１ａの稜線を結んだ直線ＬＸ’と第１半径部５１ａ、第４半径部５２ｂで囲まれたハッチングで示す領域５５の面積は、本願発明の貫通孔３０において、本体部１０の中心軸Ｌ１と中心領域３１の第１半径部３１ａの稜線を結んだ直線ＬＸと第１半径部３１ａ、第３半径部３２ｂ及び第４半径部３２ｃで囲まれたハッチングで示す領域３５の面積よりも遙かに小さい。そのため、第１比較例の貫通孔５０の第１周辺領域５２及び第２周辺領域５３に流れ込んだ液体のうち、特に円周方向の端部に位置する第４半径部５２ｂ、５３ｂの壁面に衝突した液体は、中心領域５１の第１半径部５１ａによって妨げられることなく、中心領域５１に流れ込む。それに対して、本願発明の貫通孔３０の第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３に流れ込んだ液体のうち、特に円周方向の端部に位置する第４半径部３２ｂ、３３ｂの壁面に衝突した液体は、本体部１０の中心軸Ｌ１から見て中心領域３１の第１半径部３１ａによって陰になる部分、すなわち第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３の第４半径部３２ｃ、３３ｃの壁面によって流れが遮られ、中心領域３１に流れ込みにくくなる。これらのことから、第１比較例の貫通孔５０と比較して、本願発明の貫通孔３０は、中心領域３１を流れる液体の量と第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３を流れる液体の量の差を、さらに拡大することができる。

また、本願発明の貫通孔３０は、貫通孔３０を規定する本体部１０の中心軸Ｌ１に垂直な断面が、本体部１０の中心軸Ｌ１方向に沿って、第１端部側１１から第２端部１２側に向かって連続的に一定の割合で回転している。そのため、本願発明の貫通孔３０の第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３に流れ込んだ液体は、螺旋状に旋回しながら第１端部側１１から第２端部１２側に向かって流れる。旋回しながら流れる液体には、本体部１０の中心軸Ｌ１に対して放射方向に遠心力が加わり、貫通孔３０の第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３を流れる液体は加圧される。一方、貫通孔３０の中心領域３１に流れ込んだ液体は、ほとんど旋回されることなく、そのままの圧力及び流速で本外部の中心軸に沿って真っ直ぐに流れる。その結果、上記のように、貫通孔３０の中心領域３１を流れる液体と第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３を流れる液体との間に圧力差が生じ、減圧作用により液体中に気泡が発生する。これらの点については第１比較例についても同様である。ところが、上記のように、本願発明に係るファインバブル発生装置１は、本体部１０の液体が流れ込む第１端部１１側に液体導入部２０を設け、さらに液体導入部２０と連通する貫通孔３０の第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３の面積を中心領域３１の面積よりも遙かに大きくし、第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３に流れる液体の量及び速度を中心領域３１に流れる液体の量及び速度よりも遙かに高くすることができるので、本体部１０の第２端部１２側から吐出される液体中に多くのファインバブルを発生させることができる。

それに対して、第１比較例の装置では、本体部（図示せず）の液体が流れ込む側の端部に液体導入部が設けられておらず、液体が直接貫通孔５０に流れ込むため、本体部の端面が液体の流れを妨げる障害となり、水道の蛇口を絞ったのと同様の状態となるため、貫通孔５０を流れる液体の絶対量も少なくなると考えられる。また、第１比較例の貫通孔５０の第１周辺領域５２及び第２周辺領域５３の面積を中心領域５１の面積に対してあまり大きくなく、第１周辺領域５２及び第２周辺領域５３に流れる液体の量及び速度を中心領域５１に流れる液体の量及び速度よりもそれほど高くすることができない。そのため、本願発明のファインバブル装置と比較して、本体部から吐出される液体中に含まれるファインバブルの量は少なくなる。

図４に示す本願発明の貫通孔３０の具体例と図６に示す第１比較例の貫通孔５０の寸法を数値的に比較するため、対称軸Ｌ３及びＬ３’上における貫通孔３０及び５０の開口部の長さをそれぞれ１０ｍｍとした。図４に示す具体例では、Ｒ１＝２．０ｍｍ、Ｒ２＝５．０ｍｍ、Ｒ３＝２．３ｍｍ、Ｒ４＝１．０ｍｍ、Ｗ１＝０．８ｍｍ、Ｗ２＝６．４ｍｍ、Ｗ１：Ｗ２＝１：８、Ｒ１：Ｒ２＝１：２．５である。一方、図６に示す第１比較例では、Ｒ１’＝２．０ｍｍ、Ｒ２’＝２．８ｍｍ、Ｒ４’＝１．６ｍｍ、Ｗ１’＝１．３ｍｍ、Ｗ２’＝４．６ｍｍ、Ｗ１’：Ｗ２’≒１：３．５、Ｒ１’：Ｒ２’＝１：１．４である。比較しやすくするため表１にまとめる。

図７は、第２比較例として、特許文献２の図５（ｄ）に示された貫通孔の断面形状を示す。第２比較例の貫通孔６０も、本願発明に係るファインバブル発生装置１の貫通孔３０と同様に、おおむね３つの領域に分割され、本体部（図示せず）の中心軸Ｌ１”を含み、第１方向（Ｘ方向）における最も幅の狭い部分を含む中心領域６１と、第１方向に直交する第２方向（Ｙ方向）において本体部の中心軸Ｌ１”に対して対称に形成され、第１方向における最も幅の広い部分を含む第１周辺領域６２及び第２周辺領域６３とで形成されている。

ところが、特許文献２の明細書の段落［００３３］に記載されているとおり、第１周辺領域６２及び第２周辺領域６３のうち第２半径部に相当すべき部分６２ａ、６３ａが円周と平行ではなく、直線上に形成されている。そのため、第１周辺領域６２及び第２周辺領域６３を流れる液体に対して遠心力は作用せず、加圧されない。従って、本願発明の貫通孔３０と詳細に比較するまでもなく、第２比較例の貫通孔６０の第１周辺領域６２及び第２周辺領域６３を流れる液体と中心領域６１を流れる液体の圧力差は小さく、ファインバブルの発生量も少ない。

次に、本発明に係るファインバブル発生装置の貫通孔３０の第１変形例について検討する。貫通孔３０の中心領域３１の最小幅Ｗ１は、本体部１０を成形する際の金型のうち、回転させながら引き抜かれる内型の中心軸をなす部分であり、強度や加工技術を考慮すると、あまり小さくすることはできない。そこで、最大幅Ｗ２以外の数値を固定し、最大幅Ｗ２をどこまで拡張できるか検討した。図８は、貫通孔３０の第１周辺領域３２及び第２周辺領域３３における第３半径部３２ｂ、３３ｂと第４半径部３２ｃ、３３ｃとが重なり合い、事実上第３半径部３２ｂ、３３ｂが消滅する限界を示す。この場合、最大幅Ｗ２＝７．４ｍｍとなり、Ｗ１：Ｗ２＝１：９．２５となる。これ以上最大幅Ｗ２を拡張するには、第４半径部３２ｃ、３３ｃの第４半径Ｒ４をさらに小さくする必要が生じると共に、第１半径部３１ａと第４半径部３２ｃ、３３ｃの間にさらに曲線部を設ける必要がある。金型の強度や加工技術を考慮すると、実施可能性は低いと考えられる。

次に、本発明に係るファインバブル発生装置の貫通孔３０の第２変形例について検討する。図６に示す第１比較例をベースとして、貫通孔５０の中心領域５１の最小幅Ｗ１’を上記最小幅Ｗ１と同じ寸法とする（自明につき図示せず）。この場合、貫通孔５０の中心領域５１の面積が狭くなり、その分だけ第１周辺領域５２及び第２周辺領域５３の面積が増加する。そのため、第１比較例と比べて、貫通孔５０の中心領域５１に流れる液体の量が少なくなり、第１周辺領域５２及び第２周辺領域５３に流れる液体の量が増えるので、貫通孔５０の中心領域５１に流れる液体の圧力と第１周辺領域５２及び第２周辺領域５３に流れる液体の圧力差が大きくなり、ファインバブルの発生量は増加する。さらに、液体が流入する本体部１０の第１端部１１側にお椀型の液体導入部２０を設けることにより、第１比較例に比べて大量のファインバブルを発生させることができる。

次に、本出願人による３つの試作品と、特許文献２の特許権者による３つの比較品を通した水道水中のナノバブル数と、これらファインバブル発生装置を用いない水道水中のナノバブル数を測定した。ファインバブル発生装置（本体部）の長さ、内径（貫通孔の最大寸法）、貫通孔の回転角度数などが統一されていないため、直接比較はできないが、測定結果を示す。測定に際して、水圧を０．１６ＭＰａとし、島津製作所等から販売されているレーザー解析法による測定装置を用いた。測定結果を表３に示す。

比較品３と本願発明品３の測定結果を比較すると、本願発明品３は、装置の全長が１／２にもかかわらず、比較品３と同数のナノバブルを発生させていることがわかる。また、比較品１と比較品２及び本願発明品１と本願発明品２を比較すると、貫通孔の回転角度が大きくなるほど、より多くのナノバブルを発生させていることがわかる。これらの測定結果から、本願発明に係るファインバブル発生装置は、特許文献２に記載された従来のファインバブル発生装置よりも改良され、より多くのファインバブルを発生させ得ることがわかる。

１ファインバブル発生装置
２シャワーヘッド
３ホース
１０本体部
１１第１端部
１２第２端部
２０液体導入部
２１～２４斜面
２５円形の開口
３０貫通孔
３１中心領域
３１ａ第１半径部
３２第１周辺領域
３２ａ第２半径部
３２ｂ第３半径部
３２ｃ第４半径部
３３第２周辺領域
３３ａ第２半径部
３３ｂ第３半径部
３３ｃ第４半径部
３４斜面

Claims

外形が略円筒状の本体部と、液体が流入する側の第１端部に形成された液体導入部と、前記液体導入部と連通し、前記本体部をその中心軸方向に貫通する貫通孔とを備え、
前記液体導入部は、前記本体部の前記第１端部において略円形の開口を有し、前記本体部の中心軸を含む所定の断面において、前記本体部の前記第１端部とは反対側の第２端部に向かって徐々に断面積が減少するように形成されており、
前記本体部の中心軸に垂直な任意の断面において、前記貫通孔は、前記本体部の中心軸を含み、第１方向における最も幅の狭い部分を含む中心領域と、前記第１方向に直交する第２方向において前記本体部の中心軸に対して対称に形成され、前記第１方向における最も幅の広い部分を含む第１周辺領域及び第２周辺領域とで形成され、前記中心領域と、前記第１周辺領域及び前記第２周辺領域は、角が存在しない連続した曲線で連通され、
前記貫通孔を規定する前記本体部の中心軸に垂直な任意の断面は、前記本体部の中心軸方向に沿って、前記第１端部側から前記第２端部側に向かって少なくとも２７０度回転しており、
前記本体部の中心軸に垂直な任意の断面において、
前記中心領域は、前記本体部の中心軸に対して内向に凸な第１半径を有し、前記本体部の中心軸を通り、前記第２方向に平行な対称軸に対して対称に互いに対向する２つの第１半径部で形成され、
前記第１周辺領域及び前記第２周辺領域は、それぞれ、前記本体部の中心軸を中心とする第２半径を有し、前記本体部の中心軸に対して外向に凸な第２半径部と、前記第１半径よりも大きく、かつ、前記第２半径よりも小さな第３半径を有し、前記対称軸に対して対称で、前記第２半径部と連続する、前記本体部の中心軸に対して外向に凸な２つの第３半径部と、前記第１半径よりも小さな第４半径を有し、前記対称軸に対して対称で、前記第３半径部と前記第１半径部と連続する、前記本体部の中心軸に対して外向に凸な２つの第４半径部とで形成されている、
ことを特徴とするファインバブル発生装置。
外形が略円筒状の本体部と、液体が流入する側の第１端部に形成された液体導入部と、前記液体導入部と連通し、前記本体部をその中心軸方向に貫通する貫通孔とを備え、
前記液体導入部は、前記本体部の前記第１端部において略円形の開口を有し、前記本体部の中心軸を含む所定の断面において、前記本体部の前記第１端部とは反対側の第２端部に向かって徐々に断面積が減少するように形成されており、
前記本体部の中心軸に垂直な任意の断面において、前記貫通孔は、前記本体部の中心軸を含み、第１方向における最も幅の狭い部分を含む中心領域と、前記第１方向に直交する第２方向において前記本体部の中心軸に対して対称に形成され、前記第１方向における最も幅の広い部分を含む第１周辺領域及び第２周辺領域とで形成され、前記中心領域と、前記第１周辺領域及び前記第２周辺領域は、角が存在しない連続した曲線で連通され、
前記貫通孔を規定する前記本体部の中心軸に垂直な任意の断面は、前記本体部の中心軸方向に沿って、前記第１端部側から前記第２端部側に向かって少なくとも２７０度回転しており、
前記本体部の中心軸に垂直な任意の断面において、
前記中心領域は、前記本体部の中心軸に対して内向に凸な第１半径を有し、前記本体部の中心軸を通り、前記第２方向に平行な対称軸に対して対称に互いに対向する２つの第１半径部で形成され、
前記第１周辺領域及び前記第２周辺領域は、それぞれ、前記本体部の中心軸を中心とする第２半径を有し、前記本体部の中心軸に対して外向に凸な第２半径部と、前記第１半径よりも小さい第４半径を有し、前記対称軸に対して対称で、前記第１半径部及び前記第２半径部と連続する、前記本体部の中心軸に対して外向に凸な２つの第４半径部とで形成されており、
前記中心領域の前記第１方向における最も幅の狭い部分の寸法Ｗ１と、前記第１周辺領域及び前記第２周辺領域の前記第１方向における最も幅の広い部分の寸法Ｗ２の比率Ｗ１：Ｗ２は、１：５．７５乃至１：９．２５の範囲内であり、
前記第１半径部の半径Ｒ１と前記第２半径部の半径Ｒ２の比率Ｒ１：Ｒ２が１：２．５である、
ことを特徴とするファインバブル発生装置。
前記液体導入部は、前記本体部の中心軸を含む所定の断面において、角が存在しない連続した曲線状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のファインバブル発生装置。
前記中心領域の前記第１方向における最も幅の狭い部分の寸法と、前記第１周辺領域及び前記第２周辺領域の前記第１方向における最も幅の広い部分の寸法の比率は、１：５．７５乃至１：９．２５の範囲内とすることを特徴とする請求項１または請求項１に従属する請求項３に記載のファインバブル発生装置。