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JP7807733B2 - Fluid Mixing Device - Google Patents
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JP7807733B2 - Fluid Mixing Device - Google Patents

Fluid Mixing Device

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JP7807733B2 JP2021160440A JP2021160440A JP7807733B2 JP 7807733 B2 JP7807733 B2 JP 7807733B2 JP 2021160440 A JP2021160440 A JP 2021160440A JP 2021160440 A JP2021160440 A JP 2021160440A JP 7807733 B2 JP7807733 B2 JP 7807733B2
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Description

本発明は、複数の流体を混合する流体ミキシング装置に関する。 The present invention relates to a fluid mixing device that mixes multiple fluids.

従来、液体中に微細気泡を発生させるための微細気泡発生器としては、本体部と、水による旋回流を形成する旋回流形成部と、旋回流の流速を増速させる流速増速部と、水の流路に連通する空気の導入路を形成する気体導入部と、を備えるものが知られている。微細気泡発生器は、旋回流形成部およびこれに対応する流速増速部の組合せが、本体部の中心軸方向視で複数箇所となるように並列的に設けられている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a micro-bubble generator for generating micro-bubbles in a liquid includes a main body, a swirling flow generating section that generates a swirling flow of water, a flow velocity increasing section that increases the flow velocity of the swirling flow, and a gas inlet section that forms an air inlet path that communicates with the water flow path. In this micro-bubble generator, combinations of swirling flow generating sections and corresponding flow velocity increasing sections are arranged in parallel at multiple locations when viewed in the direction of the central axis of the main body (see, for example, Patent Document 1).

特開2015-150548号公報JP 2015-150548 A

上記従来技術にあっては、液体(水)と気体(空気)との混合流体を生成するとき、増速旋回流による水の外側から空気を導入して水と空気を合流させている。よって、水と空気の合流が、軸方向に流れる増速旋回流の水に対し、水表面領域を軸方向に移動する空気を巻き込ませる外側巻き込み合流になる。このため、増速旋回流となって流れる水の内部へ空気を取り込むときの取り込み効率が低くなり、水と空気との混合撹拌性能の向上を望めない、という課題がある。 In the above-mentioned conventional technology, when a mixed fluid of liquid (water) and gas (air) is produced, air is introduced from outside the water due to the accelerated swirling flow, causing the water and air to merge. Therefore, the merger of water and air becomes an outer entrainment merger, in which the air moving axially across the water surface area is entrained by the accelerated swirling flow of water flowing axially. This results in low entrainment efficiency when air is entrained inside the water flowing as an accelerated swirling flow, preventing improvements in the mixing and stirring performance of the water and air.

本発明は、上記課題に着目してなされたもので、複数の流体を混ぜ合わせて混合流体を生成するとき、複数の流体の混合撹拌性能を向上させた流体ミキシング装置を提供することを目的とする。 The present invention was made in response to the above-mentioned problems, and aims to provide a fluid mixing device that improves the mixing and stirring performance of multiple fluids when mixing multiple fluids to produce a mixed fluid.

上記目的を達成するため、本発明は、複数の流体を混合する流体ミキシング装置であって、本体部材と、入力ポート部材と、流体路形成部材と、を備えている。本体部材は、複数の流体の流れ方向に沿って本体中心軸上に、部材取付け部と、流体ミキシング部と、を有する。入力ポート部材は、部材取付け部に固定され、外部から第1流体を導く第1入力ポートと、外部から第1流体と異なる第2流体を導く第2入力ポートと、を有する。流体路形成部材は、入力ポート部材の下流位置に固定され、第1入力ポートからの第1流体が流入するノズル穴と、第2入力ポートからの第2流体が流入するストレート穴と、を有する。ノズル穴は、複数個の穴を先細り円錐形状に配置し、第1流体の第1流入口と第1流出口とを、本体中心軸に対して穴中心軸が径方向と周方向に傾斜する2軸傾斜穴により繋いで形成する。ストレート穴は、第2流体の第2流入口と第2流出口とを、穴中心軸を本体中心軸と一致させた軸心穴により繋いで形成する。流体路形成部材は、円周上に複数個開口された第1流出口と、複数個の第1流出口により囲まれた中心部に開口された第2流出口と、を先端面に形成し、先端面を流体ミキシング部の流体入口領域に配置する。請求項1に係る発明のノズル穴は、2軸傾斜によるノズル穴内面に、第1流体の第1流入口から第1流出口に向かって螺旋状に突出する内面突起を有するスパイラルノズル穴である。請求項8に係る発明のストレート穴は、第2流出口の位置に、ストレート穴の穴内径より内径を拡大したバッファ穴を有する。 To achieve the above object, the present invention provides a fluid mixing device for mixing multiple fluids, comprising a main body member, an input port member, and a fluid path forming member. The main body member has a component mounting portion and a fluid mixing portion on a main body central axis along the flow direction of the multiple fluids. The input port member is fixed to the component mounting portion and has a first input port for introducing a first fluid from the outside and a second input port for introducing a second fluid different from the first fluid from the outside. The fluid path forming member is fixed downstream of the input port member and has a nozzle hole through which the first fluid flows from the first input port and a straight hole through which the second fluid flows from the second input port. The nozzle hole is a plurality of holes arranged in a tapered cone shape, and a first inlet and a first outlet for the first fluid are connected by a biaxially inclined hole whose center axis is inclined radially and circumferentially relative to the main body central axis. The straight hole is formed by connecting the second inlet and second outlet for the second fluid with an axial hole whose central axis is aligned with the central axis of the main body. The fluid path forming member has a tip surface formed with a plurality of first outlets opened circumferentially and a second outlet opened at the center surrounded by the plurality of first outlets, and the tip surface is disposed in the fluid inlet region of the fluid mixing section. The nozzle hole of the invention according to claim 1 is a spiral nozzle hole having an inner surface protrusion that protrudes spirally from the first inlet for the first fluid toward the first outlet on the inner surface of the nozzle hole inclined on two axes. The straight hole of the invention according to claim 8 has a buffer hole at the position of the second outlet, the inner diameter of which is larger than the inner diameter of the straight hole.

上記手段の採用により、流体路形成部材の先端面に有する第1流体の第1流出口から流体ミキシング部の流体入口領域に向かって増速された旋回流が噴出するため、流体路形成部材の先端面の中心部領域に負圧が発生する。この負圧発生領域と第2流体の第2流出口が配置される位置とが一致するため、第2流体は負圧引き込み作用力を受ける。よって、第1流体と第2流体の合流が、第1流体の内側中心部に向かって第2流体が吸い込まれる内側吸込み合流になり、旋回流により噴出している第1流体の内部に第2流体が効率良く取り込まれて混合撹拌される。この結果、複数の流体を混ぜ合わせて混合流体を生成するとき、複数の流体の混合撹拌性能を向上させた流体ミキシング装置を提供することができる。請求項1に係る発明は、流体ミキシング部の流体入口領域で第1流体と第2流体の混合を素早く開始できるとともに、流体ミキシング部において第1流体と第2流体の混合撹拌性能を向上させることができる。加えて、流体ミキシング部での混合撹拌性能の向上により流体ミキシング部の軸方向長さを短くすることができ、流体ミキシング装置のコンパクト化に寄与できる。請求項8に係る発明は、複合旋回流の内側中心部に向かって吸い込まれる第2流体の流速を、第1流体の複合旋回流の流速に合わせて調整することができる。このため、流体ミキシング部の流体入口領域において、第1流体の複合旋回流の内側中心部に向かって適切な速度により第2流体が合流し、第1流体と第2流体との合流性能を向上させることができる。 By employing the above-described means, a swirling flow with increased velocity is ejected from the first outlet for the first fluid on the tip surface of the fluid path-forming member toward the fluid inlet region of the fluid mixing section, generating negative pressure in the central region of the tip surface of the fluid path-forming member. Because this negative pressure-generating region coincides with the position of the second outlet for the second fluid, the second fluid is subjected to a negative pressure pulling force. Therefore, the confluence of the first and second fluids becomes an inner suction confluence in which the second fluid is sucked toward the inner center of the first fluid, and the second fluid is efficiently drawn into the first fluid being ejected by the swirling flow, resulting in mixing and stirring. As a result, a fluid mixing device can be provided that improves the mixing and stirring performance of multiple fluids when mixing multiple fluids to produce a mixed fluid. The invention of claim 1 can quickly start mixing the first and second fluids in the fluid inlet region of the fluid mixing section, and can improve the mixing and stirring performance of the first and second fluids in the fluid mixing section. In addition, the improved mixing and stirring performance in the fluid mixing section allows the axial length of the fluid mixing section to be shortened, contributing to a more compact fluid mixing device. The invention according to claim 8 allows the flow velocity of the second fluid sucked toward the inner center of the combined swirling flow to be adjusted to match the flow velocity of the combined swirling flow of the first fluid. Therefore, in the fluid inlet region of the fluid mixing section, the second fluid flows toward the inner center of the combined swirling flow of the first fluid at an appropriate velocity, improving the merging performance of the first and second fluids.

実施例1の流体ミキシング装置の外観形状を示す全体正面図である。1 is an overall front view showing the external appearance of a fluid mixing device according to a first embodiment; 実施例1の流体ミキシング装置を入力ポート部材側から視た構成を示す側面図である。FIG. 2 is a side view showing the configuration of the fluid mixing device of the first embodiment as viewed from the input port member side. 実施例1の流体ミキシング装置の内部構成を示す図1のI-I断面図である。2 is a cross-sectional view taken along line II of FIG. 1, showing the internal configuration of the fluid mixing device of the first embodiment. FIG. 実施例1の流体ミキシング装置の内部構成を示す図2のII-II断面図である。2. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 2, showing the internal configuration of the fluid mixing device of the first embodiment. 実施例1の流体ミキシング装置の本体部材を示す拡大断面図である。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a main body member of the fluid mixing device of the first embodiment. 実施例1の流体ミキシング装置の入力ポート部材を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an input port member of the fluid mixing device of the first embodiment. 実施例1の流体ミキシング装置の流体路形成部材を示す正面図である。FIG. 2 is a front view showing a fluid path forming member of the fluid mixing device of the first embodiment. 実施例1の流体ミキシング装置の流体路形成部材を示す図9のIII-III断面図である。10 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 9 showing the fluid path forming member of the fluid mixing device of the first embodiment. FIG. 図7に示す流体路形成部材を入力側から視た構成を示す側面図である。8 is a side view showing the configuration of the fluid path forming member shown in FIG. 7 as viewed from the input side. FIG. 図8に示す流体路形成部材に形成されたスパイラルノズル穴の一つに穴形状ピンを差し込んだ状態を示す縦断面図である。9 is a longitudinal cross-sectional view showing a state in which a hole-shaped pin is inserted into one of the spiral nozzle holes formed in the fluid path forming member shown in FIG. 8. FIG. スパイラルノズル穴の穴形状を反転形状によりあらわした図10の穴形状ピンを示す正面視構成図及び先端視構成図である。11A and 11B are front and tip views showing the hole-shaped pin of FIG. 10, in which the hole shape of the spiral nozzle hole is represented by an inverted shape. スパイラルノズル穴の穴形状を反転形状によりあらわした図10の穴形状ピンを示す斜視図である。FIG. 11 is a perspective view showing the hole shape pin of FIG. 10, which represents the hole shape of the spiral nozzle hole by an inverted shape. 流体路形成部材の先端面を流体ミキシング部側から視た構成を示す斜視図である。10 is a perspective view showing the configuration of the tip end surface of the fluid path forming member as viewed from the fluid mixing portion side. FIG. 実施例1の流体ミキシング装置の解析モデルを用いた解析結果のうち速度ベクトルを示す速度ベクトル図である。10 is a velocity vector diagram showing velocity vectors in the analysis results using the analytical model of the fluid mixing device of Example 1. 実施例1の流体ミキシング装置の解析モデルを用いた解析結果のうち水と空気の流線を示す流線図である。1 is a streamline diagram showing the flow lines of water and air in the analysis results using the analytical model of the fluid mixer of Example 1. FIG. 実施例1の流体ミキシング装置の解析モデルを用いた解析結果のうち空気のみの流線を示す空気流線図である。FIG. 1 is an air flow diagram showing the flow lines of only air in the analysis results using the analytical model of the fluid mixer of Example 1. 実施例2の流体ミキシング装置の外観形状を示す全体正面図である。FIG. 10 is an overall front view showing the external appearance of a fluid mixing device according to a second embodiment. 実施例2の流体ミキシング装置の内部構成を示す縦断面図である。FIG. 10 is a vertical cross-sectional view showing the internal configuration of a fluid mixing device according to a second embodiment.

以下、本発明による流体ミキシング装置を実施するための形態を、図面に示す実施例1及び実施例2に基づいて説明する。 Below, an embodiment of the fluid mixing device according to the present invention will be described based on Examples 1 and 2 shown in the drawings.

実施例1の流体ミキシング装置1Aは、複数の流体を混ぜ合わせる流体ミキシング装置のうち、第1流体を水とし第2流体を空気とし、水と空気を混合して気液混相流体を生成する装置例である。ここで、「流体」は、自由に形を変えながら流れていくことができる液体や気体などを総称する文言として用いる。そして、「複数の流体」とは、流体自体の性質である物性(粘性、圧縮性など)が異なる2種類以上の流体をいい、液体と気体の組み合わせ以外に、異種の液体の組み合わせ、異種の気体の組み合わせなども含む。異種の液体の組み合わせとしては、例えば、水と油の組み合わせがある。 The fluid mixing apparatus 1A of Example 1 is an example of a fluid mixing apparatus that mixes multiple fluids, in which the first fluid is water and the second fluid is air, and the water and air are mixed to produce a gas-liquid multiphase fluid. Here, "fluid" is used as a general term for liquids and gases that can flow while freely changing shape. "Multiple fluids" refers to two or more types of fluids with different physical properties (viscosity, compressibility, etc.), which are the characteristics of the fluids themselves, and includes combinations of different liquids and combinations of different gases in addition to combinations of liquid and gas. An example of a combination of different liquids is the combination of water and oil.

まず、図1~図4を参照し、所定の水圧により供給される水に空気を混合して気液混相流体を生成する流体ミキシング装置1Aの全体構成を説明する。ここで、「水」は、粘度が空気より高い非圧縮性液体であり、例えば、水道水である。「空気」は、粘度が水より低い圧縮性気体の一例である。 First, with reference to Figures 1 to 4, we will explain the overall configuration of a fluid mixing device 1A that generates a gas-liquid multiphase fluid by mixing air with water supplied at a predetermined water pressure. Here, "water" refers to an incompressible liquid with a higher viscosity than air, such as tap water. "Air" is an example of a compressible gas with a lower viscosity than water.

流体ミキシング装置1Aは、図1~図4に示すように、本体部材10と、入力ポート部材20と、流体路形成部材30と、を備えている。各部材10,20,30は、例えば、使用環境や流体の種類などに応じて選択された合成樹脂材を素材とし、樹脂成形機による成形によって製造される。なお、各部材10,20,30の素材としては、合成樹脂材以外に、金属材、金属材と合成樹脂材の複合材などを用いても勿論良い。 As shown in Figures 1 to 4, the fluid mixing device 1A comprises a main body member 10, an input port member 20, and a fluid path forming member 30. Each of the members 10, 20, and 30 is manufactured by molding using a resin molding machine using a synthetic resin material selected, for example, depending on the usage environment and type of fluid. Of course, the materials used for the members 10, 20, and 30 may also be metal, or a composite of metal and synthetic resin, in addition to synthetic resin.

本体部材10は、円筒状部材であって、水と空気との流れ方向(図1の左側から右側へと向かう流れ方向)に沿って本体中心軸CL上に、部材取付け部11と、流体ミキシング部12と、ディフューザー部13と、直管部14と、を有する。実施例1の本体部材10は、水道系配管部材を入力側に連結して用いることを考慮し、例えば、30mm程度の直径と90mm程度の軸方向長さを有する円筒状部材としている。 The main body member 10 is a cylindrical member that has a component mounting section 11, a fluid mixing section 12, a diffuser section 13, and a straight pipe section 14 on the main body central axis CL along the flow direction of water and air (flow direction from left to right in Figure 1). The main body member 10 of Example 1 is a cylindrical member with a diameter of approximately 30 mm and an axial length of approximately 90 mm, taking into consideration its use in connecting a water supply piping component to the input side.

入力ポート部材20は、図3及び図4に示すように、部材取付け部11に対してネジ止めにより締め付け固定される。入力ポート部材20は、外部から水を導く第1入力ポート21と、外部から水と異なる空気を導く第2入力ポート22と、を有する。第1入力ポート21には、図示していない水道系配管部材が連結される雌ネジ21aが形成されている。第2入力ポート22には、図1及び図2に示すように、空気吸引パイプ23が連結されている。 As shown in Figures 3 and 4, the input port member 20 is fastened to the member mounting portion 11 by screws. The input port member 20 has a first input port 21 that introduces water from the outside and a second input port 22 that introduces air other than water from the outside. The first input port 21 is formed with a female thread 21a to which a water supply piping member (not shown) is connected. As shown in Figures 1 and 2, an air suction pipe 23 is connected to the second input port 22.

流体路形成部材30は、部材取付け部11のうち入力ポート部材20の下流位置に固定される。流体路形成部材30は、第1入力ポート21からの水が流入するスパイラルノズル穴31と、第2入力ポート22からの空気が流入するストレート穴32と、を有する。流体路形成部材30は、入力ポート部材20を部材取付け部11に対して雌雄ネジによって締め付け固定するときの移動により押付け力を受け、入力ポート部材20と部材取付け部11との間に挟持状態で固定される。 The fluid path forming member 30 is fixed to the member mounting portion 11 at a position downstream of the input port member 20. The fluid path forming member 30 has a spiral nozzle hole 31 through which water flows in from the first input port 21 and a straight hole 32 through which air flows in from the second input port 22. The fluid path forming member 30 is subjected to a pressing force due to movement when the input port member 20 is fastened to the member mounting portion 11 by the male and female screws, and is fixed in a sandwiched state between the input port member 20 and the member mounting portion 11.

次に、図5~図12を参照し、流体ミキシング装置1Aを構成する各部材(本体部材10、入力ポート部材20、流体路形成部材30)の詳細構成を説明する。 Next, with reference to Figures 5 to 12, the detailed configuration of each component (main body member 10, input port member 20, fluid path forming member 30) that constitutes the fluid mixing device 1A will be described.

本体部材10は、図5に示すように、本体中心軸CL上に、部材取付け部11と、流体ミキシング部12と、ディフューザー部13と、直管部14と、を有する。そして、本体部材10の流出側外周部には、図示しないシャワーヘッドや高圧洗浄ヘッドや微細気泡発生ヘッドなどを取り付ける雄ネジ部15が形成されている。 As shown in Figure 5, the main body member 10 has a component mounting section 11, a fluid mixing section 12, a diffuser section 13, and a straight pipe section 14 on the main body central axis CL. The outer periphery of the outlet side of the main body member 10 is formed with a male thread section 15 for mounting a shower head, high-pressure cleaning head, or microbubble generating head (not shown).

部材取付け部11は、入力ポート部材20と流体路形成部材30を取り付ける本体穴である。部材取付け部11は、雌ネジ部11aと、円筒内面部11bと、テーパー内面部11cと、段差嵌合面部11dと、を有する。入力ポート部材20と流体路形成部材30の取り付けは、流体路形成部材30を、円筒内面部11bとテーパー内面部11cと段差嵌合面部11dに差し込み組付けた状態で、雌ネジ部11aに入力ポート部材20をネジ止め固定することで行われる。 The member attachment portion 11 is a main body hole into which the input port member 20 and fluid path forming member 30 are attached. The member attachment portion 11 has a female thread portion 11a, a cylindrical inner surface portion 11b, a tapered inner surface portion 11c, and a stepped mating surface portion 11d. The input port member 20 and fluid path forming member 30 are attached by inserting and assembling the fluid path forming member 30 into the cylindrical inner surface portion 11b, the tapered inner surface portion 11c, and the stepped mating surface portion 11d, and then screwing the input port member 20 into the female thread portion 11a.

流体ミキシング部12は、流体路形成部材30からの旋回流により噴出する水に対して旋回流中心部に吸い込まれる空気を混合撹拌する流路である。流体ミキシング部12は、流体路形成部材30からの流入側内径Dinを、ディフューザー部13への流出側内径Doutまで徐々に縮小させた縮小テーパー内面12aを有する。 The fluid mixing section 12 is a flow path that mixes and agitates the water ejected by the swirling flow from the fluid path forming member 30 with the air sucked into the center of the swirling flow. The fluid mixing section 12 has a tapered inner surface 12a that gradually reduces from the inlet side inner diameter Din from the fluid path forming member 30 to the outlet side inner diameter Dout to the diffuser section 13.

流入側内径Dinは、部材取付け部11と接する位置の内径であり、後述する複数個の第1流出口31bの外接円よりも大きな内径に設定する。流出側内径Doutは、ディフューザー部13と接する位置の内径であり、少なくとも後述する複数個の第1流出口31bの断面積の合計断面積が得られる内径を最小内径に設定する。なお、流出側内径Doutは、流入側内径Dinより小さい径であって、少なくとも装置流量として許容される最小限流量が確保される流速が得られるように縮径させたときの内径を最大内径に設定する。よって、流出側内径Doutは、例えば、流入側内径Din、第1流出口31bの2軸傾斜角度、流体ミキシング部12の軸方向長さ300などに応じて適切に決められる。 The inlet-side inner diameter Din is the inner diameter at the position where it contacts the component mounting portion 11, and is set to an inner diameter larger than the circumscribing circle of the multiple first outlets 31b (described below). The outlet-side inner diameter Dout is the inner diameter at the position where it contacts the diffuser portion 13, and is set to the minimum inner diameter that provides at least the total cross-sectional area of the multiple first outlets 31b (described below). The outlet-side inner diameter Dout is set to a diameter smaller than the inlet-side inner diameter Din, and is set to the maximum inner diameter when reduced to obtain a flow velocity that ensures at least the minimum flow rate allowable for the device. Therefore, the outlet-side inner diameter Dout is appropriately determined depending on, for example, the inlet-side inner diameter Din, the biaxial inclination angle of the first outlets 31b, the axial length 300 of the fluid mixing portion 12, etc.

流体ミキシング部12の軸方向長さ300は、複合旋回流により噴出する水に、負圧により旋回流中心部に吸い込まれる空気を混合して撹拌できる長さに設定される。具体的な流体ミキシング部12の軸方向長さ300は、混合する流体の組み合わせ毎に、流体の種類や粘性などに応じて異なる長さに設定される。例えば、混合する流体の組み合わせが選択されると、軸方向長さを変えて混合撹拌性能の比較実験を行い、高い混合撹拌性能が得られた長さに決められる。ここで、流体ミキシング部12のうち水と空気が合流する流体入口領域には、後述する流体路形成部材30の先端面36aに形成された水の第1流出口31bと空気の第2流出口32bとが配置されている(図13を参照)。 The axial length 300 of the fluid mixing section 12 is set to a length that allows the water ejected by the combined swirling flow to be mixed with the air drawn into the center of the swirling flow due to negative pressure, thereby stirring the mixture. The specific axial length 300 of the fluid mixing section 12 is set to a different length for each combination of fluids to be mixed, depending on the type and viscosity of the fluid. For example, once a combination of fluids to be mixed is selected, a comparative experiment of mixing and stirring performance is conducted by changing the axial length, and the length that achieves high mixing and stirring performance is determined. Here, the fluid inlet region of the fluid mixing section 12 where the water and air converge is provided with a first water outlet 31b and a second air outlet 32b formed on the tip surface 36a of the fluid path forming member 30 (described below) (see Figure 13).

ディフューザー部13は、流体ミキシング部12から流入する混合流体の持つ運動エネルギーを圧力エネルギーに変換し、混合流体に逆流を発生させて撹拌することにより水に混合させた空気を細分化して空気泡にする流路である。ディフューザー部13は、流体ミキシング部12からの混合流体が流入するディフューザー流入側内径(=流出側内径Dout)を、混合流体の流出側の直管部14に向かって拡大させた拡大テーパー内面13aを有する。 The diffuser section 13 is a flow path that converts the kinetic energy of the mixed fluid flowing in from the fluid mixing section 12 into pressure energy and generates a backflow in the mixed fluid, stirring it and breaking down the air mixed with the water into air bubbles. The diffuser section 13 has an expanding tapered inner surface 13a, where the inner diameter on the inlet side of the diffuser (=outlet side inner diameter Dout), into which the mixed fluid flows from the fluid mixing section 12, expands toward the straight pipe section 14 on the outlet side of the mixed fluid.

ここで、ディフューザー部13の拡大テーパー内面13aのテーパー角度は、流体ミキシング部12からの混合流の流速を落として逆流の発生を促すことができる角度に設定される。実施例1では、ディフューザー部13の拡大テーパー内面13aのテーパー角度は、縮小テーパー内面12aのテーパー角度より大きな角度の設定としている。ただし、流路面積の増加割合(=拡大テーパー内面13aのテーパー角度)が大きくなりすぎると、流路損失が増加する。このため、拡大テーパー内面13aのテーパー角度は、逆流の発生を促しながら、流路損失の増加を抑える角度に設定される。 Here, the taper angle of the expanding tapered inner surface 13a of the diffuser section 13 is set to an angle that can reduce the flow rate of the mixed flow from the fluid mixing section 12 and promote the occurrence of backflow. In Example 1, the taper angle of the expanding tapered inner surface 13a of the diffuser section 13 is set to an angle greater than the taper angle of the reducing tapered inner surface 12a. However, if the rate of increase in the flow path area (= the taper angle of the expanding tapered inner surface 13a) becomes too large, flow path loss increases. For this reason, the taper angle of the expanding tapered inner surface 13a is set to an angle that promotes the occurrence of backflow while suppressing an increase in flow path loss.

入力ポート部材20は、図6に示すように、第1入力ポート21と、第2入力ポート22と、連結支柱部24と、第1流体穴25と、第2流体路26と、外周突起部27と、軸心突起部28と、を有する。 As shown in Figure 6, the input port member 20 has a first input port 21, a second input port 22, a connecting support portion 24, a first fluid hole 25, a second fluid path 26, an outer peripheral protrusion 27, and an axial center protrusion 28.

第1入力ポート21は、水を流体路形成部材30の入力側外周領域に導くための軸方向ポートである。第1入力ポート21の内面には、図示していない水道系配管部材などが連結される雌ネジ21aが形成されている。 The first input port 21 is an axial port for directing water into the input side outer peripheral region of the fluid path forming member 30. The inner surface of the first input port 21 is formed with a female thread 21a to which a water supply piping member (not shown) or the like can be connected.

第2入力ポート22は、空気を流体路形成部材30の軸心部に導くための径方向ポートである。第2入力ポート22の内面には、空気吸引パイプ23が連結されている(図1及び図2を参照)。なお、空気吸引パイプ23の代わりに、第2入力ポート22に外気を吸引するブリーダープラグなどを設けても良い。また、空気吸引パイプ23を無くした構成としても良い。 The second input port 22 is a radial port for guiding air to the axial center of the fluid path forming member 30. An air suction pipe 23 is connected to the inner surface of the second input port 22 (see Figures 1 and 2). Note that instead of the air suction pipe 23, a bleeder plug or the like that draws in outside air may be provided in the second input port 22. It is also possible to configure the system without the air suction pipe 23.

連結支柱部24は、第1入力ポート21の中間位置を直径方向に連結し、第1入力ポート21からの水と第2入力ポート22からの空気を分配して流体路形成部材30へ導くための部材である。 The connecting strut 24 is a component that connects the first input ports 21 at their intermediate positions in the diametric direction, and distributes the water from the first input port 21 and the air from the second input port 22, leading them to the fluid path forming member 30.

第1流体穴25は、連結支柱部24に形成され、第1入力ポート21からの軸方向に導かれる水を二方向に分けて流体路形成部材30の入力側外周領域に導く流路である。第1流体穴25は、連結支柱部24により二分割された一対の円弧形状穴25a,25bにより構成される(図2及び図3を参照)。なお、一対の円弧形状穴25a,25bの開口端面25cと、後述する流体路形成部材30の段差面34aとの間には、流体路形成部材30への水の供給に備えておく水貯留領域が形成される(図3及び図4を参照)。 The first fluid hole 25 is formed in the connecting support portion 24 and is a flow path that divides water guided axially from the first input port 21 into two directions and guides it to the input-side outer peripheral region of the fluid path forming member 30. The first fluid hole 25 is composed of a pair of arc-shaped holes 25a, 25b divided into two by the connecting support portion 24 (see Figures 2 and 3). A water storage area is formed between the opening end surfaces 25c of the pair of arc-shaped holes 25a, 25b and the stepped surface 34a of the fluid path forming member 30 (described later) to prepare for the supply of water to the fluid path forming member 30 (see Figures 3 and 4).

第2流体路26は、連結支柱部24に形成され、第2入力ポート22からの空気を流体路形成部材30の軸心部に導く流路である。第2流体路26は、径方向流路26aと軸方向流路26bにより構成される。径方向流路26aは、一端が第2入力ポート22に連通し、他端が連結支柱部24の中心部位置まで開けられている。軸方向流路26bは、一端が径方向流路26aに連通し、他端が軸心突起部28の先端面28aに開けられている。なお、径方向流路26aとしては、図6に上方のみから空気を流入させる構成を示しているが、上下両方向や等角3方向などのように、複数の方向から空気を流入させる構成としても良い。また、複数方向から流体を導入する径方向流路を有する場合、それぞれの径方向流路で流体の種類を異ならせても良い。ただし、流体の種類を異ならせるとき、1つが空気であると他の流体も気体であるというように、粘度が同等の流体を選択することが好ましい。 The second fluid path 26 is formed in the connecting support 24 and is a flow path that guides air from the second input port 22 to the axial center of the fluid path forming member 30. The second fluid path 26 is composed of a radial flow path 26a and an axial flow path 26b. One end of the radial flow path 26a is connected to the second input port 22, and the other end is open to the center position of the connecting support 24. One end of the axial flow path 26b is connected to the radial flow path 26a, and the other end is open to the tip surface 28a of the axial protrusion 28. Note that while Figure 6 shows the radial flow path 26a configured to allow air to flow in only from above, it may also be configured to allow air to flow in from multiple directions, such as both above and below, or three equiangular directions. Furthermore, when radial flow paths that introduce fluid from multiple directions are provided, different types of fluid may be used in each radial flow path. However, when using different types of fluids, it is preferable to select fluids with similar viscosities, such as when one fluid is air and the other is also a gas.

外周突起部27は、入力ポート部材20の本体部材側端面の外周部から円環状に突出し、本体部材10の部材取付け部11に入力ポート部材20をネジ止め固定する円環突起部である。外周突起部27の外周面には、雄ネジ部27aが形成され、部材取付け部11の雌ネジ部11aに対してネジ止め固定される。実施例1では、雄ネジ部27aと雌ネジ部11aとのネジ固定部に加わる圧接力での素材弾性変形により水の漏れを防止するシール性が確保されている。なお、ネジ固定部により水の漏れを防止できない場合、ネジ固定部にシール部材を設けても良い。 The outer peripheral protrusion 27 is an annular protrusion that protrudes in an annular shape from the outer periphery of the main body member side end face of the input port member 20 and screws the input port member 20 to the member mounting portion 11 of the main body member 10. A male thread 27a is formed on the outer periphery of the outer peripheral protrusion 27, and is screwed into the female thread 11a of the member mounting portion 11. In Example 1, a seal that prevents water leakage is ensured by the elastic deformation of the material due to the pressure applied to the screw fixing portion between the male thread 27a and the female thread 11a. Note that if the screw fixing portion cannot prevent water leakage, a seal member may be provided at the screw fixing portion.

軸心突起部28は、入力ポート部材20の本体部材側端面の中央部から円柱状に突出し、軸方向流路26bと流体路形成部材30に形成されたストレート穴32とを互いに連通させる突起部である(図3及び図4を参照)。軸心突起部28は、本体部材側に突出する先端面28aが、流体路形成部材30の軸心円柱部33の後端面33a(図8を参照)に圧接する。実施例1では、先端面28aと後端面33aとに加わる圧接力での素材弾性変形により空気の漏れを防止するシール性が確保されている。なお、先端面28aと後端面33aとの圧接力などにより空気の漏れを防止できない場合、圧接面にシール部材を設けても良い。 The axial projection 28 protrudes cylindrically from the center of the main body member-side end face of the input port member 20, and is a projection that connects the axial flow path 26b with the straight hole 32 formed in the fluid path-forming member 30 (see Figures 3 and 4). The tip surface 28a of the axial projection 28 protruding toward the main body member is pressed against the rear end surface 33a (see Figure 8) of the axial cylindrical portion 33 of the fluid path-forming member 30. In Example 1, the pressure applied to the tip surface 28a and rear end surface 33a causes elastic deformation of the material, ensuring a seal that prevents air leakage. Note that if air leakage cannot be prevented by the pressure between the tip surface 28a and rear end surface 33a, a seal member may be provided on the pressed surface.

流体路形成部材30は、図7~図9に示すように、スパイラルノズル穴31(ノズル穴)と、ストレート穴32と、軸心円柱部33と、円筒部34と、テーパー円錐部35と、段差円筒部36と、を有する。ここで、スパイラルノズル穴31とストレート穴32を除いた流体路形成部材30の外観形状は、図7及び図8に示すように、軸心円柱部33と円筒部34とテーパー円錐部35と段差円筒部36とを一体に有する駒形状に形成している。 As shown in Figures 7 to 9, the fluid path forming member 30 has a spiral nozzle hole 31 (nozzle hole), a straight hole 32, an axial cylindrical portion 33, a cylindrical portion 34, a tapered conical portion 35, and a stepped cylindrical portion 36. The external shape of the fluid path forming member 30 excluding the spiral nozzle hole 31 and straight hole 32 is formed in a bridge shape, integrally comprising the axial cylindrical portion 33, the cylindrical portion 34, the tapered conical portion 35, and the stepped cylindrical portion 36, as shown in Figures 7 and 8.

軸心円柱部33は、上述した入力ポート部材20の軸心突起部28に対応するもので、後端面33aに軸心突起部28の先端面28aが圧接する。軸心円柱部33は、後端面33aの外径を、軸心突起部28の先端面28aの外径より大きく形成し、軸方向流路26bとストレート穴32とを互いに連通させている。 The axial cylindrical portion 33 corresponds to the axial protrusion 28 of the input port member 20 described above, and the leading end surface 28a of the axial protrusion 28 is pressed against the rear end surface 33a. The outer diameter of the rear end surface 33a of the axial cylindrical portion 33 is larger than the outer diameter of the leading end surface 28a of the axial protrusion 28, connecting the axial flow path 26b and the straight hole 32 to each other.

円筒部34は、部材取付け部11の円筒内面部11bと対応する外径による外周面を有する。テーパー円錐部35は、部材取付け部11のテーパー内面部11cと対応するテーパー円錐面を有する。段差円筒部36は、部材取付け部11の段差嵌合面部11dと対応する外径による外周面を有する(図5を参照)。このように、流体路形成部材30は、その形状を本体部材10の部材取付け部11の形状に対応させたことで、本体部材10に対して流体路形成部材30を軸方向に差し込むことで組付けられる。以下、流体路形成部材30に形成されるスパイラルノズル穴31とストレート穴32の構成を説明する。 The cylindrical portion 34 has an outer peripheral surface with an outer diameter that corresponds to the cylindrical inner surface portion 11b of the component mounting portion 11. The tapered conical portion 35 has a tapered conical surface that corresponds to the tapered inner surface portion 11c of the component mounting portion 11. The stepped cylindrical portion 36 has an outer peripheral surface with an outer diameter that corresponds to the stepped mating surface portion 11d of the component mounting portion 11 (see Figure 5). In this way, the fluid path forming member 30, whose shape corresponds to the shape of the component mounting portion 11 of the main body member 10, can be assembled by inserting the fluid path forming member 30 into the main body member 10 in the axial direction. The configurations of the spiral nozzle hole 31 and straight hole 32 formed in the fluid path forming member 30 are described below.

流体路形成部材30は、スパイラルノズル穴31による水の第1流出口31bと、ストレート穴32による空気の第2流出口32bと、を先端面36aに形成している。そして、流体路形成部材30の先端面36aを流体ミキシング部12の流体入口領域を臨む位置に配置している。 The fluid path forming member 30 has a first water outlet 31b formed by the spiral nozzle hole 31 and a second air outlet 32b formed by the straight hole 32 formed on its tip surface 36a. The tip surface 36a of the fluid path forming member 30 is positioned so as to face the fluid inlet region of the fluid mixing section 12.

スパイラルノズル穴31は、所定の水圧により供給される水を増速させながら複合旋回流を作り出すノズル穴である。スパイラルノズル穴31には、軸心円柱部33と円筒部34との段差面34aに形成された第1流入口31aと、段差円筒部36の先端面36aに形成された第1流出口31bと、を有する。ここで、「複合旋回流」とは、「全体旋回流」と、「個別旋回流」と、が複合的に組み合わされた旋回流のことをいう。全体旋回流と個別旋回流については後述する。 The spiral nozzle hole 31 is a nozzle hole that creates a compound swirling flow while accelerating the water supplied by a predetermined water pressure. The spiral nozzle hole 31 has a first inlet 31a formed in the step surface 34a between the axial column portion 33 and the cylindrical portion 34, and a first outlet 31b formed in the tip surface 36a of the stepped cylindrical portion 36. Here, the term "compound swirling flow" refers to a swirling flow that is a compound combination of an "overall swirling flow" and an "individual swirling flow." Overall swirling flow and individual swirling flow will be described later.

スパイラルノズル穴31は、6個形成されている。各穴の配置形状を先細り円錐形状の配置にしている。スパイラルノズル穴31は、水の第1流入口31aと第1流出口31bとを、本体中心軸CLに対して穴中心軸HCが径方向と周方向に傾斜する2軸傾斜穴により繋いで形成している。よって、6個のスパイラルノズル穴31の第1流出口31bから、2軸傾斜方向に6束水流を増速して噴出させると、2軸傾斜の交点が互いに一致しない6束の捩れ水流による全体旋回流が作り出される。「捩れ水流」とは、スパイラルノズル穴31の第1流出口31bから噴出した水が、流体ミキシング部12の縮小テーパー内面12aに沿って螺旋状に移動する流線を描く水流をいう。 Six spiral nozzle holes 31 are formed. Each hole is arranged in a tapered cone shape. Each spiral nozzle hole 31 connects the first water inlet 31a and first water outlet 31b via a biaxially inclined hole, with the hole center axis HC inclined radially and circumferentially relative to the main body center axis CL. Therefore, when six water flows are accelerated and ejected from the first outlets 31b of the six spiral nozzle holes 31 in the biaxially inclined direction, an overall swirling flow is created by the six twisted water flows, whose intersections of the two inclined axes do not coincide with each other. "Twisted water flow" refers to the water flow in which water ejected from the first outlets 31b of the spiral nozzle holes 31 traces a spiral flowline that moves along the tapered inner surface 12a of the fluid mixing section 12.

ここで、「径方向に傾斜する」とは、図8に示すように、本体中心軸CLに対してスパイラルノズル穴31の穴中心軸HCが、第1流入口31aから第1流出口31bへと向かうのに従って本体中心軸CLに近づく第1倒れ傾斜角θ1を有することをいう。また、「周方向に傾斜する」とは、本体中心軸CLに対してスパイラルノズル穴31の穴中心軸HCが、第1流入口31aから第1流出口31bへと向かうのに従って周方向の一方に離れる第2倒れ傾斜角θ2を有することをいう。言い換えると、第2倒れ傾斜角θ2は、図9に示すように、本体中心軸CLと第1流入口31aの中心を結ぶ第1径方向線R1と、本体中心軸CLと第1流出口31bの中心を結ぶ第2径方向線R2と、がなす周方向角度により表される。なお、実施例1では、第1倒れ傾斜角θ1と第2倒れ傾斜角θ2を同じ15°の傾斜角としている。また、図9に示す穴中心軸HCが、スパイラルノズル穴31を軸方向から視たときの径方向(図9の内径方向)と周方向(図9の右回り周方向)への2軸傾斜状態を表す。 Here, "inclined radially" refers to the hole center axis HC of the spiral nozzle hole 31 having a first inclination angle θ1 relative to the body center axis CL, where the hole center axis HC approaches the body center axis CL as it moves from the first inlet 31a to the first outlet 31b, as shown in Figure 8. Also, "inclined circumferentially" refers to the hole center axis HC of the spiral nozzle hole 31 having a second inclination angle θ2 relative to the body center axis CL, where the hole center axis HC moves away from the first inlet 31a to the first outlet 31b. In other words, the second inclination angle θ2 is expressed as the circumferential angle between a first radial line R1 connecting the body center axis CL and the center of the first inlet 31a, and a second radial line R2 connecting the body center axis CL and the center of the first outlet 31b, as shown in Figure 9. In Example 1, the first tilt angle θ1 and the second tilt angle θ2 are both set to the same tilt angle of 15°. The hole center axis HC shown in Figure 9 represents the biaxial tilt state in the radial direction (inner radial direction in Figure 9) and circumferential direction (clockwise circumferential direction in Figure 9) when the spiral nozzle hole 31 is viewed from the axial direction.

スパイラルノズル穴31は、2軸傾斜によるノズル穴内面に、水の第1流入口31aから第1流出口31bに向かって螺旋状に突出する内面突起31cを有する。実施例1では、スパイラルノズル穴31の穴内面に向かって120°間隔で山形に突出する3本の内面突起31cを形成している。よって、内面突起31cを形成したスパイラルノズル穴31を水が螺旋状に増速しながら移動することで、6個のスパイラルノズル穴31のそれぞれにおいて個別旋回流が作り出される。 The spiral nozzle hole 31 has inner surface protrusions 31c that protrude spirally from the first water inlet 31a toward the first water outlet 31b on the inner surface of the nozzle hole, which is inclined on two axes. In Example 1, three inner surface protrusions 31c are formed on the inner surface of the spiral nozzle hole 31, protruding in a mountain shape at 120° intervals. Therefore, as water moves spirally through the spiral nozzle hole 31 with the inner surface protrusions 31c formed thereon while accelerating, individual swirling flows are created in each of the six spiral nozzle holes 31.

スパイラルノズル穴31の詳細な穴形状を図10~図13に基づいて説明する。以下、図10に示すように、スパイラルノズル穴31に同形状のピンを差し込んだときのピン形状(スパイラルノズル穴31の反転形状)を、スパイラルノズル穴形状31’という。 The detailed hole shape of the spiral nozzle hole 31 will be explained with reference to Figures 10 to 13. Hereinafter, as shown in Figure 10, the pin shape when a pin of the same shape is inserted into the spiral nozzle hole 31 (the inverted shape of the spiral nozzle hole 31) will be referred to as the spiral nozzle hole shape 31'.

スパイラルノズル穴形状31’は、図11に示すように、第1流入口31aから第1流出口31bまでの区間が、第1流入口31aから途中位置までの第1区間S1と、途中位置から第1流出口31bまでの第2区間S2と、に分けられる。なお、第1区間S1と第2区間S2との間に連結区間S3を設定している。なお、第1区間S1が、全体の8割程度を占める最も長い区間である。各区間の長さの関係は、第1区間S1>第2区間S2>連結区間S3の関係である。 As shown in Figure 11, the spiral nozzle hole shape 31' is divided into a first section S1 extending from the first inlet 31a to a midpoint, and a second section S2 extending from the midpoint to the first outlet 31b. A connecting section S3 is set between the first section S1 and the second section S2. The first section S1 is the longest section, accounting for approximately 80% of the total. The length relationship between the sections is first section S1 > second section S2 > connecting section S3.

第1区間S1は、スパイラルノズル穴31のテーパー穴内面に内面突起31cを有する内面突起区間としている。なお、内面突起31cは、スパイラルノズル穴形状31’において凹溝で表される。第2区間S2は、テーパー穴ではなく、円筒形状であり、同径穴が形成された同径穴区間としている。連結区間S3は、内面突起区間と同径穴区間とを滑らかに繋ぐ円錐穴区間としている。そして、6個の第1流出口31bの先端面36aを、穴中心軸HCに直交させた傾斜先端面形状としている。よって、第1流出口31bの先端面形状は本体中心軸CLに対して垂直なフラット面にならない。即ち、第1流出口31bの先端面形状は、図13に示すように、段差面と扇状傾斜面を周方向に6回繰り返す凹凸傾斜面になる。 The first section S1 is an inner protrusion section with inner protrusions 31c on the inner surface of the tapered hole of the spiral nozzle hole 31. The inner protrusions 31c are represented by recessed grooves in the spiral nozzle hole shape 31'. The second section S2 is a cylindrical section with an equal-diameter hole rather than a tapered hole. The connecting section S3 is a conical section smoothly connecting the inner protrusion section and the equal-diameter hole section. The tip surfaces 36a of the six first outlets 31b are inclined tip surfaces perpendicular to the hole center axis HC. Therefore, the tip surface shape of the first outlets 31b is not a flat surface perpendicular to the main body center axis CL. In other words, the tip surface shape of the first outlets 31b is an uneven inclined surface with a stepped surface and a fan-shaped inclined surface repeated six times in the circumferential direction, as shown in Figure 13.

スパイラルノズル穴31の第1流入口31aの開口形状は、3本の内面突起31cを除いた形状が楕円形状になる(図9の3本の内面突起31cを除いたときのスパイラルノズル穴31を示す破線を参照)。一方、スパイラルノズル穴31の第1流出口31bの開口形状は、図12のスパイラルノズル穴形状31’の先端面形状から明らかなように正円形状になる。「正円形状」とは、定点(中心点)からの距離が等しい点の集合によりできる曲線形状のことであり、楕円形状との区別を明示するために用いている。なお、「正円形状」は、高い真円度まで要求される形状ではなく、例えば、樹脂成形によって作り出される円形の形状も含まれる。 The opening shape of the first inlet 31a of the spiral nozzle hole 31 is elliptical when the three inner surface protrusions 31c are removed (see the dashed line in Figure 9 showing the spiral nozzle hole 31 when the three inner surface protrusions 31c are removed). On the other hand, the opening shape of the first outlet 31b of the spiral nozzle hole 31 is circular, as is clear from the tip surface shape of the spiral nozzle hole shape 31' in Figure 12. The term "circular shape" refers to a curved shape formed by a set of points equidistant from a fixed point (center point), and is used to clearly distinguish it from an elliptical shape. Note that a "circular shape" does not necessarily require a high degree of circularity, and includes circular shapes created by resin molding, for example.

ストレート穴32の詳細な穴形状を図8及び図13に基づいて説明する。ストレート穴32は、外部からの空気を、流体路形成部材30の先端面36aにて複数個の第1流出口31bにより囲まれた中心部に向かって負圧引き込みにより導く穴である。ストレート穴32は、空気の第2流入口32aと第2流出口32bとを軸心穴により繋いで形成している。ここで、軸心穴とは、ストレート穴32の穴中心軸ACを本体中心軸CLと一致させた穴をいう。 The detailed shape of the straight hole 32 will be explained with reference to Figures 8 and 13. The straight hole 32 is a hole that uses negative pressure to guide air from the outside toward the center surrounded by multiple first outlets 31b at the tip surface 36a of the fluid path forming member 30. The straight hole 32 is formed by connecting the second air inlet 32a and second outlet 32b with an axial hole. Here, the axial hole refers to a hole whose hole center axis AC is aligned with the main body center axis CL.

ストレート穴32は、第2流出口32bの位置に、ストレート穴32の穴内径より内径を拡大したバッファ穴37を有する(図13を参照)。バッファ穴37は、負圧の発生により引き込まれる空気の流速を減速調整するために設けられたもので、バッファ穴37の穴内径や穴長さは選択される流体に応じて設定される。特に、負圧引き込みによる流速については選択される流体の粘度が大きく関与する。例えば、空気などのように粘度が低く負圧引き込みにより流速が高くなる場合は、バッファ穴37の穴内径や穴長さを、旋回流による水の噴出速度に合わせて減速させる設定にする。逆に、粘度が高く負圧引き込みにより流速が高くならない場合は、バッファ穴37を小容積にしても良いし、バッファ穴37そのものを無くしても良い。 The straight hole 32 has a buffer hole 37 at the position of the second outlet 32b, which has an inner diameter larger than the inner diameter of the straight hole 32 (see Figure 13). The buffer hole 37 is provided to slow down and adjust the flow rate of air drawn in due to the generation of negative pressure, and the inner diameter and length of the buffer hole 37 are set according to the selected fluid. In particular, the viscosity of the selected fluid plays a major role in the flow rate due to negative pressure drawing. For example, for fluids with low viscosity such as air, whose flow rate increases due to negative pressure drawing, the inner diameter and length of the buffer hole 37 are set to slow down the flow to match the water ejection speed caused by the swirling flow. Conversely, for fluids with high viscosity that do not increase the flow rate due to negative pressure drawing, the buffer hole 37 may be made smaller in volume, or the buffer hole 37 may be eliminated entirely.

次に、図14~図16の解析例を参照し、水Wと空気Aを混合して気液混相流体Mを生成する気液混相流体生成作用について説明する。ここで、解析例としては、水(水圧=0.1MPa)と空気(大気圧=0MPa)を混合して気液混相流体を生成する解析条件を与えたときの速度ベクトル(図14)、水と空気の流線(図15)、空気のみの流線(図16)を表す例を示す。 Next, we will explain the gas-liquid multiphase fluid generation action of mixing water W and air A to generate gas-liquid multiphase fluid M, with reference to the analysis example in Figures 14 to 16. Here, as an analysis example, we will show an example that shows velocity vectors (Figure 14), streamlines of water and air (Figure 15), and streamlines of air only (Figure 16) when analytical conditions are given for mixing water (water pressure = 0.1 MPa) and air (atmospheric pressure = 0 MPa) to generate a gas-liquid multiphase fluid.

所定の水圧(0.1MPa)による水Wが入力ポート部材20の第1入力ポート21に流入すると、一対の円弧形状穴25a,25b(図2及び図3を参照)による第1流体穴25を経由し、流体路形成部材30に形成されたスパイラルノズル穴31の第1流入口31aに到達する。流体路形成部材30においては、ノズル穴によるスパイラルノズル穴31の第1流入口31a(図8を参照)に到達した水Wが第1流出口31bに向かって増速しながら移動し、スパイラルノズル穴31の内面に形成された内面突起31cにより個別旋回流が作り出される。そして、水Wが6個のスパイラルノズル穴31の第1流出口31bから流出すると、6個のスパイラルノズル穴31を2軸傾斜構成にしたことで、6束の捩れ水流による全体旋回流が作り出される。 When water W flows into the first input port 21 of the input port member 20 under a predetermined water pressure (0.1 MPa), it passes through the first fluid hole 25, which is a pair of arc-shaped holes 25a, 25b (see Figures 2 and 3), and reaches the first inlet 31a of the spiral nozzle hole 31 formed in the fluid path forming member 30. In the fluid path forming member 30, the water W reaches the first inlet 31a of the spiral nozzle hole 31 formed by the nozzle hole (see Figure 8) and moves toward the first outlet 31b while accelerating, and individual swirling flows are created by the inner surface protrusions 31c formed on the inner surface of the spiral nozzle hole 31. When the water W flows out of the first outlet 31b of the six spiral nozzle holes 31, an overall swirling flow is created by six bundles of twisted water flows due to the biaxially inclined configuration of the six spiral nozzle holes 31.

よって、流体路形成部材30の先端面36aに有する水Wの第1流出口31bから、流体ミキシング部12の流体入口領域に向かって増速された複合旋回流(全体旋回流+個別旋回流)が噴出することになる。このため、流体路形成部材30の先端面36aと、6個の第1流出口31bから噴出する複合旋回流の内側面と、に囲まれた円錐形状領域が、図14に示すように、ベンチュリ効果によって負圧が発生する1次負圧発生領域100になる。ここで、「ベンチュリ効果」とは、流体力学の効果の一つであり、流体の流れの断面積を狭めて流速を増加させると、圧力が低い低圧部分や負圧部分が作り出される現象のことをいう。 As a result, an accelerated combined swirling flow (total swirling flow + individual swirling flow) is ejected from the first outlets 31b for water W on the tip surface 36a of the fluid path forming member 30 toward the fluid inlet region of the fluid mixing section 12. Therefore, the conical region surrounded by the tip surface 36a of the fluid path forming member 30 and the inner surfaces of the combined swirling flows ejected from the six first outlets 31b becomes the primary negative pressure generation region 100 where negative pressure is generated by the Venturi effect, as shown in Figure 14. The "Venturi effect" is an effect of fluid mechanics, and refers to the phenomenon whereby narrowing the cross-sectional area of a fluid flow and increasing the flow velocity creates low-pressure or negative-pressure areas.

そして、流体路形成部材30の先端面36aの中心部分に形成される1次負圧発生領域100と、空気Aが流れるストレート穴32の第2流出口32bが配置される位置と、が一致する。このため、流体路形成部材30のストレート穴32などの空気通路に存在する空気Aは、大気圧と負圧との差圧に応じた負圧引き込み作用力を受ける。したがって、外部の空気Aは、入力ポート部材20の第2入力ポート22から、径方向流路26a、軸方向流路26b、ストレート穴32、バッファ穴37を経由し、水Wの内側中心部に吸い込まれる。ここで、空気Aが吸い込まれる水Wの内側中心部とは、6個のスパイラルノズル穴31から6束の水Wが先細り円錐形状により噴出するとき、先細り円錐形の頂点部領域をいう。 The primary negative pressure generation region 100 formed in the central portion of the tip surface 36a of the fluid path forming member 30 coincides with the position of the second outlet 32b of the straight hole 32 through which air A flows. Therefore, air A present in air passages such as the straight hole 32 of the fluid path forming member 30 is subjected to a negative pressure drawing force corresponding to the differential pressure between atmospheric pressure and negative pressure. Therefore, external air A is drawn into the inner center of the water W from the second input port 22 of the input port member 20 via the radial flow paths 26a, axial flow paths 26b, the straight hole 32, and the buffer hole 37. Here, the inner center of the water W into which air A is drawn refers to the apex region of the tapered cone when six streams of water W are ejected from the six spiral nozzle holes 31 in a tapered cone shape.

よって、水Wと空気Aの合流が、水Wの内側中心部に向かって空気Aが吸い込まれる内側吸込み合流になる。そして、水Wと空気Aの合流開始領域が、流体路形成部材30の先端面36aが配置される流体ミキシング部12の流体入口領域になる。このため、流体ミキシング部12において、複合旋回流により噴出している水Wの内部に空気Aが効率良く取り込まれ、水Wと空気Aの混合撹拌が開始される。 As a result, the confluence of the water W and air A becomes an inward suction confluence, in which air A is sucked toward the center of the inside of the water W. The area where the water W and air A begin to confluence is the fluid inlet area of the fluid mixing section 12, where the tip surface 36a of the fluid path forming member 30 is located. As a result, in the fluid mixing section 12, air A is efficiently drawn into the water W being sprayed out by the combined swirling flow, and mixing and stirring of the water W and air A begins.

そして、流体ミキシング部12を流体出口に向かって水Wが通過するときは、図15の流線特性に示すように、ディフューザー部13に向かって旋回しながら増速する。そして、空気Aは、図16の空気Aの流線特性に示すように、複合旋回流による水Wの内側中心部を旋回しながら流れることにより、旋回している水Wに効率良く巻き込まれて混合撹拌される。なお、流体ミキシング部12においては、縮小テーパー内面12aを有することにより、複合旋回流による水Wが増速しながら出口に向かって通過する。このため、図14に示すように、流体ミキシング部12とディフューザー部13の境界外周域には、ベンチュリ効果によって2次負圧発生領域200が形成される。 When water W passes through the fluid mixing section 12 toward the fluid outlet, it swirls and increases its speed toward the diffuser section 13, as shown in the streamline characteristics of Figure 15. As shown in the streamline characteristics of air A in Figure 16, air A flows swirlingly through the center of the inner periphery of the water W due to the combined swirling flow, and is efficiently drawn into the swirling water W and mixed and stirred. Furthermore, since the fluid mixing section 12 has a tapered inner surface 12a, the water W due to the combined swirling flow passes toward the outlet while increasing in speed. Therefore, as shown in Figure 14, a secondary negative pressure generation region 200 is formed by the Venturi effect in the outer periphery of the boundary between the fluid mixing section 12 and the diffuser section 13.

次に、流体ミキシング部12を出た水Wと空気Aの混合流体は、ディフューザー部13に流入し、流体ミキシング部12から流入した混合流体の持つ運動エネルギーが圧力エネルギーに変換されて流速が低下する。よって、ディフューザー部13及び直管部14においては、図13の速度ベクトル(矢印)で示すように、混合流体に逆流や渦巻流を発生させ、発生させた逆流や渦巻流により混合流体同士が衝突することによる撹拌作用が加わる。この撹拌作用により水Wに混合させた帯状の空気塊が分断されて空気泡に細分化され、水Wの内部全体に無数の空気泡を散在させた気液混相流体Mが生成されることになる。 Next, the mixed fluid of water W and air A that leaves the fluid mixing section 12 flows into the diffuser section 13, where the kinetic energy of the mixed fluid flowing in from the fluid mixing section 12 is converted into pressure energy, causing the flow velocity to decrease. Therefore, in the diffuser section 13 and straight pipe section 14, backflows and vortex flows are generated in the mixed fluid, as shown by the velocity vectors (arrows) in Figure 13. These backflows and vortex flows cause the mixed fluids to collide with each other, creating a stirring effect. This stirring effect breaks down the band-like air masses mixed into the water W and breaks them down into air bubbles, resulting in the generation of a gas-liquid multiphase fluid M with countless air bubbles scattered throughout the water W.

以上説明したように、実施例1の流体ミキシング装置1Aにあっては、下記に列挙する効果が得られる。 As described above, the fluid mixing device 1A of Example 1 provides the following effects.

(1)複数の流体を混合する流体ミキシング装置1Aであって、本体部材10と、入力ポート部材20と、流体路形成部材30と、を備えている。本体部材10は、複数の流体の流れ方向に沿って本体中心軸CL上に、部材取付け部11と、流体ミキシング部12と、を有する。入力ポート部材20は、部材取付け部11に固定され、外部から第1流体(水W)を導く第1入力ポート21と、外部から第1流体と異なる第2流体(空気A)を導く第2入力ポート22と、を有する。流体路形成部材30は、入力ポート部材20の下流位置に固定され、第1入力ポート21からの第1流体が流入するノズル穴(スパイラルノズル穴31)と、第2入力ポート22からの第2流体が流入するストレート穴32と、を有する。ノズル穴(スパイラルノズル穴31)は、複数個の穴を先細り円錐形状に配置し、第1流体の第1流入口31aと第1流出口31bとを、本体中心軸CLに対して穴中心軸HCが径方向と周方向に傾斜する2軸傾斜穴により繋いで形成する。ストレート穴32は、第2流体の第2流入口32aと第2流出口32bとを、穴中心軸ACを本体中心軸CLと一致させた軸心穴により繋いで形成する。流体路形成部材30は、円周上に複数個開口された第1流出口31bと、複数個の第1流出口31bにより囲まれた中心部に開口された第2流出口32bと、を先端面36aに形成する。流体路形成部材30は、先端面36aを流体ミキシング部12の流体入口領域に配置する。このため、複数の流体(水W、空気A)を混ぜ合わせて混合流体(気液混相流体M)を生成するとき、複数の流体の混合撹拌性能を向上させた流体ミキシング装置1Aを提供することができる。 (1) A fluid mixing device 1A for mixing multiple fluids comprises a main body member 10, an input port member 20, and a fluid path forming member 30. The main body member 10 has a member mounting portion 11 and a fluid mixing portion 12 on the main body central axis CL along the flow direction of the multiple fluids. The input port member 20 is fixed to the member mounting portion 11 and has a first input port 21 for introducing a first fluid (water W) from the outside and a second input port 22 for introducing a second fluid (air A) different from the first fluid from the outside. The fluid path forming member 30 is fixed downstream of the input port member 20 and has a nozzle hole (spiral nozzle hole 31) through which the first fluid flows from the first input port 21 and a straight hole 32 through which the second fluid flows from the second input port 22. The nozzle hole (spiral nozzle hole 31) is formed by a plurality of holes arranged in a tapered cone shape, connecting a first inlet 31a and a first outlet 31b for the first fluid with a biaxially inclined hole whose hole center axis HC is inclined radially and circumferentially with respect to the body center axis CL. The straight hole 32 is formed by connecting a second inlet 32a and a second outlet 32b for the second fluid with an axial hole whose hole center axis AC is aligned with the body center axis CL. The fluid path forming member 30 has a tip surface 36a formed with a plurality of first outlets 31b opened circumferentially and a second outlet 32b opened at the center surrounded by the plurality of first outlets 31b. The tip surface 36a of the fluid path forming member 30 is positioned in the fluid inlet region of the fluid mixing section 12. Therefore, when mixing multiple fluids (water W, air A) to generate a mixed fluid (gas-liquid multiphase fluid M), a fluid mixing device 1A can be provided that has improved mixing and stirring performance for multiple fluids.

(2)ノズル穴は、2軸傾斜によるノズル穴内面に、第1流体(水W)の第1流入口31aから第1流出口31bに向かって螺旋状に突出する内面突起31cを有するスパイラルノズル穴31である。したがって、スパイラルノズル穴31の第1流出口31bから噴出される旋回流が、2軸傾斜のノズル穴により作り出される全体旋回流に、内面突起31cにより作り出される個別旋回流が加わった複合旋回流になる。このため、流体ミキシング部12の流体入口領域で第1流体(水W)と第2流体(空気A)の混合を素早く開始できるとともに、流体ミキシング部12において第1流体(水W)と第2流体(空気A)の混合撹拌性能を向上させることができる。加えて、流体ミキシング部12での混合撹拌性能の向上により流体ミキシング部12の軸方向長さ300を短くすることができ、流体ミキシング装置1Aのコンパクト化に寄与できる。 (2) The nozzle hole is a spiral nozzle hole 31 having an inner surface inclined on two axes, with inner surface protrusions 31c that protrude spirally from the first inlet 31a for the first fluid (water W) toward the first outlet 31b. Therefore, the swirling flow ejected from the first outlet 31b of the spiral nozzle hole 31 is a compound swirling flow that combines the overall swirling flow created by the biaxially inclined nozzle hole with the individual swirling flows created by the inner surface protrusions 31c. This allows for quick initiation of mixing of the first fluid (water W) and the second fluid (air A) in the fluid inlet region of the fluid mixing section 12, and improves the mixing and stirring performance of the first fluid (water W) and the second fluid (air A) in the fluid mixing section 12. Additionally, improved mixing and stirring performance in the fluid mixing section 12 allows for a shorter axial length 300 of the fluid mixing section 12, contributing to a more compact fluid mixing device 1A.

(3)スパイラルノズル穴31は、第1流入口31aから第1流出口31bまでの区間を、第1流入口31aから途中位置までの第1区間S1と、途中位置から第1流出口31bまでの第2区間S2に分ける。第1区間S1を、ノズル穴内面に内面突起31cを有する内面突起区間とし、第2区間S2を、同径穴が形成された同径穴区間とし、第1流出口31bの先端面36aを、穴中心軸HCに直交させた傾斜面とする。したがって、第1流出口31bに繋がる穴が同径穴になるとともに、第1流体(水W)の第1流出口31bにおけるスパイラルノズル穴31の開口形状が、楕円形状ではなく正円形状になる。このため、スパイラルノズル穴31の正円形状の第1流出口31bから噴出する第1流体(水W)の流線の乱れを、楕円形状の流出口から噴出させる場合に比べて抑えることができる。 (3) The spiral nozzle hole 31 is divided into a first section S1 extending from the first inlet 31a to a midpoint, and a second section S2 extending from the midpoint to the first outlet 31b. The first section S1 is an inner surface protrusion section having an inner surface protrusion 31c on the inner surface of the nozzle hole, and the second section S2 is a uniform diameter section having uniform diameter holes. The tip surface 36a of the first outlet 31b is an inclined surface perpendicular to the hole center axis HC. Therefore, the hole connecting to the first outlet 31b is a uniform diameter hole, and the opening shape of the spiral nozzle hole 31 at the first outlet 31b for the first fluid (water W) is a perfect circle rather than an ellipse. This reduces the disruption of the flow line of the first fluid (water W) ejected from the circular first outlet 31b of the spiral nozzle hole 31 compared to when the first fluid is ejected from an elliptical outlet.

(4)流体路形成部材30は、第1流体(水W)の第1流出口31bにより囲まれた中心部に開口された第2流出口32bの位置に、ストレート穴32の穴内径より内径を拡大したバッファ穴37を有する。したがって、負圧吸引により流体ミキシング部12の流体入口領域に向かう第2流体(空気A)の流速が、ストレート穴32より流路断面積が拡大されたバッファ穴37により減速する。よって、複合旋回流の内側中心部に向かって吸い込まれる第2流体(空気A)の流速を、第1流体(水W)の複合旋回流の流速に合わせて調整することができる。このため、流体ミキシング部12の流体入口領域において、第1流体(水W)の複合旋回流の内側中心部に向かって適切な速度により第2流体(空気A)が合流し、第1流体(水W)と第2流体(空気A)との合流性能を向上させることができる。 (4) The fluid path forming member 30 has a buffer hole 37 with an inner diameter larger than that of the straight hole 32 at the position of the second outlet 32b, which opens in the center surrounded by the first outlet 31b for the first fluid (water W). Therefore, the flow velocity of the second fluid (air A) toward the fluid inlet region of the fluid mixing section 12 due to negative pressure suction is slowed by the buffer hole 37, whose flow path cross-sectional area is larger than that of the straight hole 32. Therefore, the flow velocity of the second fluid (air A) sucked toward the inner center of the combined swirling flow can be adjusted to match the flow velocity of the combined swirling flow of the first fluid (water W). Therefore, in the fluid inlet region of the fluid mixing section 12, the second fluid (air A) merges at an appropriate speed toward the inner center of the combined swirling flow of the first fluid (water W), improving the merging performance of the first fluid (water W) and the second fluid (air A).

(5)流体ミキシング部12は、流体路形成部材30から流入する流体(水W、空気A)の流入側内径Dinを流出側内径Doutまで縮小させた縮小テーパー内面12aを有する。ここで、流体ミキシング部12の流体入口領域では負圧が発生する。このため、例えば、流体ミキシング部をテーパー無しの内面にすると、負圧による流体入口側への引き込みにより、混合流体が減速したり停滞したりすることがある。これに対し、流体ミキシング部12は、増速を促す縮小テーパー内面12aを有することで、所定の流速による混合流体の移動が確保される区間になる。このため、流体ミキシング部12において、流体ミキシング部12を通過する混合流体が減速したり停滞したりするのが防止され、第1流体(水W)と第2流体(空気A)の混合撹拌性能をより向上させることができる。 (5) The fluid mixing section 12 has a tapered inner surface 12a that reduces the inlet inner diameter Din of the fluids (water W, air A) flowing in from the fluid path forming member 30 to the outlet inner diameter Dout. Here, negative pressure is generated in the fluid inlet region of the fluid mixing section 12. For this reason, if the fluid mixing section had an inner surface without a taper, the mixed fluid could be drawn toward the fluid inlet side by the negative pressure, causing it to slow down or stagnate. In contrast, the fluid mixing section 12 has a tapered inner surface 12a that promotes acceleration, thereby ensuring the movement of the mixed fluid at a predetermined flow rate. This prevents the mixed fluid passing through the fluid mixing section 12 from slowing down or stagnation, further improving the mixing and stirring performance of the first fluid (water W) and the second fluid (air A).

(6)流体ミキシング部12は、流出側内径Doutの最小内径を、少なくとも複数個の第1流出口31bの断面積の合計断面積が得られる内径に設定する。したがって、流出側内径Doutの最小内径を、複数個の第1流出口31bの断面積の合計断面積が得られる内径にすることで、絞り過ぎによる流路抵抗の増大が抑えられる。このため、流体ミキシング部12において、流出側内径Doutの絞り過ぎによる流路抵抗の増大を抑制することができる。なお、流出側内径Doutの最大内径を、少なくとも装置流量として許容される最小限流量が確保される流速が得られる内径に設定すると、流出側内径Doutの開き過ぎによる流速の低下を抑制することができる。 (6) The fluid mixing unit 12 sets the minimum inner diameter of the outflow side inner diameter Dout to an inner diameter that provides the total cross-sectional area of at least the multiple first outflow ports 31b. Therefore, by setting the minimum inner diameter of the outflow side inner diameter Dout to an inner diameter that provides the total cross-sectional area of the multiple first outflow ports 31b, an increase in flow path resistance due to excessive narrowing can be suppressed. Therefore, in the fluid mixing unit 12, an increase in flow path resistance due to excessive narrowing of the outflow side inner diameter Dout can be suppressed. Furthermore, by setting the maximum inner diameter of the outflow side inner diameter Dout to an inner diameter that provides a flow velocity that ensures at least the minimum flow rate allowable as the device flow rate, a decrease in flow velocity due to excessive opening of the outflow side inner diameter Dout can be suppressed.

(7)本体部材10は、流体ミキシング部12に隣接する下流位置にディフューザー部13を有する。ディフューザー部13は、流体ミキシング部12からの混合流体が流入するディフューザー流入側内径を、混合流体の流出側に向かって拡大させた拡大テーパー内面13aを有する。したがって、拡大テーパー内面13aを有するディフューザー部13において、流体ミキシング部12から流入した混合流体の持つ運動エネルギーが圧力エネルギーに変換されて流速が低下し、混合流体に逆流や渦巻流を発生させる。このため、ディフューザー部13において、発生させた逆流や渦巻流により混合流体が有効に撹拌されることで、第1流体(水W)の内部全体に微小な第2流体(空気A)を散在させた混合流体(気液混相流体M)を生成することができる。 (7) The main body member 10 has a diffuser section 13 located downstream and adjacent to the fluid mixing section 12. The diffuser section 13 has an expanding tapered inner surface 13a, which expands the inner diameter of the diffuser inlet side, into which the mixed fluid flows from the fluid mixing section 12, toward the mixed fluid outlet side. Therefore, in the diffuser section 13 with the expanding tapered inner surface 13a, the kinetic energy of the mixed fluid flowing in from the fluid mixing section 12 is converted into pressure energy, reducing the flow rate and generating backflow and vortex flow in the mixed fluid. Therefore, in the diffuser section 13, the generated backflow and vortex flow effectively agitate the mixed fluid, thereby generating a mixed fluid (gas-liquid multiphase fluid M) in which minute particles of the second fluid (air A) are dispersed throughout the first fluid (water W).

実施例2は、実施例1が2種類の流体を混合する装置であるのに対し、2種類の流体以外に1種類の流体を加え、3種類の流体を混合することが可能な装置の例である。 While Example 1 is an apparatus that mixes two types of fluids, Example 2 is an example of an apparatus that can mix three types of fluids by adding one more type of fluid in addition to the two types of fluids.

図17及び図18を参照し、所定の水圧により供給される水(第1流体)に空気(第2流体)を混合した気液混相流体に、添加液剤(第3流体)を混ぜ合わせて三種混合流体を生成する実施例2の流体ミキシング装置1Bの構成を説明する。ここで、添加液剤としては、例えば、用途毎に選択される様々な洗浄液などをいう。 Referring to Figures 17 and 18, the configuration of a fluid mixing device 1B according to a second embodiment will be described. This device mixes an additive liquid (third fluid) with a gas-liquid multiphase fluid, which is a mixture of water (first fluid) supplied at a predetermined hydraulic pressure and air (second fluid), to produce a three-component mixed fluid. Here, the additive liquid may be, for example, a cleaning liquid selected for each application.

流体ミキシング装置1Bは、図17及び図18に示すように、本体部材10と、入力ポート部材20と、流体路形成部材30と、を備えている。 As shown in Figures 17 and 18, the fluid mixing device 1B comprises a main body member 10, an input port member 20, and a fluid path forming member 30.

本体部材10は、円筒状部材であって、水と空気との流れ方向(図17の左側から右側へと向かう流れ方向)に沿って本体中心軸CL上に、部材取付け部11と、流体ミキシング部12と、ディフューザー部13と、直管部14と、を有する。 The main body member 10 is a cylindrical member that has a component mounting section 11, a fluid mixing section 12, a diffuser section 13, and a straight pipe section 14 on the main body central axis CL along the flow direction of water and air (flow direction from left to right in Figure 17).

流体ミキシング部12は、実施例1と同様に、縮小テーパー内面12aを有する。ディフューザー部13は、流体ミキシング部12の下流位置に隣接配置され、拡大テーパー内面13aを有する。 The fluid mixing section 12 has a convergent tapered inner surface 12a, as in Example 1. The diffuser section 13 is positioned adjacent to and downstream of the fluid mixing section 12 and has an divergent tapered inner surface 13a.

流体ミキシング部12とディフューザー部13との境界位置に、外部から径方向に添加液剤を導く第3入力ポート16及び径方向流路17を有する。径方向流路17は、一端が第3入力ポート16に連通し、他端が流体ミキシング部12とディフューザー部13との境界位置にて開口する。第3入力ポート16には、添加液剤吸引パイプ18が連結されている。なお、他の構成は、実施例1の流体ミキシング装置1Aと同様であるので詳細な説明は省略する。 A third input port 16 and radial flow paths 17 are provided at the boundary between the fluid mixing section 12 and the diffuser section 13, which introduce the additive liquid agent radially from the outside. One end of the radial flow path 17 is connected to the third input port 16, and the other end opens at the boundary between the fluid mixing section 12 and the diffuser section 13. An additive liquid agent suction pipe 18 is connected to the third input port 16. The other components are the same as those of the fluid mixing device 1A of Example 1, so detailed description will be omitted.

次に、水に空気を混合した気液混相流体に、添加液剤を混ぜ合わせて三種混合流体を生成する三種混合流体生成作用について説明する。 Next, we will explain the triple-phase fluid generation process, in which an additive liquid is added to a gas-liquid multiphase fluid, which is a mixture of water and air, to generate a triple-phase fluid.

まず、縮小テーパー内面12aを有する流体ミキシング部12においては、複合旋回流による水が入り口側から出口側に向かって増速しながら通過する。このため、上記実施例1にて説明したように、流体ミキシング部12とディフューザー部13の境界外周域に2次負圧発生領域200(図14を参照)が形成される。そこで、2次負圧発生領域200に着目し、2次負圧発生領域200に向けて本体中心軸CLに直交する穴(第3入力ポート16及び径方向流路17)を開け、添加液剤の吸込み流路を設けたものが実施例2の流体ミキシング装置1Bである。 First, in the fluid mixing section 12 having a tapered inner surface 12a, water passes through the combined swirling flow from the inlet side to the outlet side while increasing in speed. Therefore, as explained in the first embodiment above, a secondary negative pressure generation region 200 (see Figure 14) is formed in the outer peripheral boundary region between the fluid mixing section 12 and the diffuser section 13. Therefore, focusing on the secondary negative pressure generation region 200, holes (third input port 16 and radial flow path 17) perpendicular to the main body central axis CL are drilled toward the secondary negative pressure generation region 200, providing a suction flow path for the additive liquid agent; this is the fluid mixing device 1B of the second embodiment.

したがって、添加液剤吸引パイプ18、第3入力ポート16及び径方向流路17を経由して負圧吸込みにより吸い込まれた添加液剤は、複合旋回流による水に対して直角方向に導入されることになる。このため、複合旋回流による水を剪断方向に引きちぎりながら添加液剤が水に混合する。このとき、水が旋回していることで添加液剤の混合撹拌効果が増し、水に空気を混合した気液混相流体Mに、添加液剤を混ぜ合わせた三種混合流体が生成される。なお、水と空気を混合して気液混相流体Mを生成する気液混相流体生成作用については、実施例1の流体ミキシング装置1Aと同様であるので説明を省略する。 As a result, the additive liquid agent sucked in by negative pressure suction via the additive liquid agent suction pipe 18, the third input port 16, and the radial flow path 17 is introduced perpendicular to the water caused by the combined swirling flow. As a result, the additive liquid agent mixes with the water while tearing the water apart in the shear direction caused by the combined swirling flow. The swirling water increases the mixing and stirring effect of the additive liquid agent, generating a three-component fluid mixture by mixing the additive liquid agent with the gas-liquid multiphase fluid M, which is a mixture of water and air. The gas-liquid multiphase fluid generation process by which water and air are mixed to generate the gas-liquid multiphase fluid M is similar to that of the fluid mixing device 1A of the first embodiment, and therefore will not be described here.

以上説明したように、実施例2の流体ミキシング装置1Bにあっては、実施例1の効果に加え、下記の効果が得られる。 As described above, the fluid mixing device 1B of Example 2 provides the following advantages in addition to the advantages of Example 1.

(8)流体ミキシング部12は、流体路形成部材30からの流体が流入する流入側内径Dinから流出側内径Doutまで徐々に縮小させた縮小テーパー内面12aを有する。本体部材10は、流体ミキシング部12に隣接する下流位置にディフューザー部13を有する。流体ミキシング部12とディフューザー部13との境界位置に、外部から径方向に第3流体(添加液剤)を導く第3入力ポート16及び径方向流路17を有する。即ち、縮小テーパー内面12aを有する流体ミキシング部12は、流体ミキシング部12の出口側で2次負圧が発生する。よって、2次負圧発生領域200に対して本体中心軸CLの直交方向に第3入力ポート16及び径方向流路17を設けると、第3流体(添加液剤)は2次負圧による引き込み作用力を受け、複合旋回流による第1流体(水)に対して直角方向に導入される。このため、2次負圧の発生を利用した簡単な流路構成を追加するだけで、第1流体(水)に第2流体(空気)を混合した混合流体に、さらに第3流体(添加液剤)を混ぜ合わせた三種混合流体を生成することができる。 (8) The fluid mixing section 12 has a tapered inner surface 12a that gradually narrows from an inlet inner diameter Din, through which fluid from the fluid path-forming member 30 flows, to an outlet inner diameter Dout. The main body member 10 has a diffuser section 13 located downstream adjacent to the fluid mixing section 12. At the boundary between the fluid mixing section 12 and the diffuser section 13, there is a third input port 16 and a radial flow path 17 that introduce a third fluid (additive liquid agent) radially from the outside. That is, the fluid mixing section 12, which has a tapered inner surface 12a, generates a secondary negative pressure at the outlet side of the fluid mixing section 12. Therefore, when the third input port 16 and the radial flow path 17 are provided perpendicular to the main body central axis CL with respect to the secondary negative pressure generation region 200, the third fluid (additive liquid agent) is subjected to a drawing force due to the secondary negative pressure and is introduced perpendicular to the first fluid (water) due to the combined swirling flow. Therefore, by simply adding a simple flow path configuration that utilizes the generation of secondary negative pressure, it is possible to generate a three-component mixed fluid by mixing a first fluid (water) with a second fluid (air) and then further mixing it with a third fluid (additive liquid).

以上、本発明の流体ミキシング装置を実施例1及び実施例2に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではない。特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加などは許容される。 The fluid mixing device of the present invention has been described above based on Examples 1 and 2, but the specific configuration is not limited to these examples. Design changes and additions are permitted as long as they do not deviate from the gist of the invention as defined in each claim.

実施例1,2では、スパイラルノズル穴31として、6個の穴を先細り円錐形状に配置する例を示した。しかし、スパイラルノズル穴としては、6個の穴に限定されるものではなく、例えば、3個以上の複数個の穴を先細り円錐形状に配置する例としても良い。 In Examples 1 and 2, an example was shown in which six holes were arranged in a tapered cone shape as the spiral nozzle holes 31. However, the spiral nozzle holes are not limited to six holes, and may be, for example, an example in which three or more holes are arranged in a tapered cone shape.

実施例1,2では、ノズル穴として、2軸傾斜穴にするとともに、ノズル穴内面に螺旋状に突出する内面突起31cを有するスパイラルノズル穴31とし、全体旋回流に個別旋回流が加わって複合旋回流になる好ましい例を示した。しかし、ノズル穴としては、内面突起を有さない2軸傾斜のノズル穴とし、2軸傾斜のノズル穴により全体旋回流が作り出される例としても良い。また、ノズル穴内面に螺旋状に突出する内面突起を有する場合、実施例1では3本の内面突起を有する例を示したが、3本に限定されるものではなく、少なくとも1本以上の内面突起を有するものであれば良い。実施例1では内面突起の断面形状が山形状の例を示したが、内面突起の断面形状は山形状に限られるものではなく、個別旋回流を作り出すことができる形状であれば良い。 In Examples 1 and 2, the nozzle hole is a biaxially inclined hole, and a spiral nozzle hole 31 is used, which has inner protrusions 31c that protrude helically from the inner surface of the nozzle hole, providing a preferred example in which individual swirling flows are added to the overall swirling flow to form a compound swirling flow. However, the nozzle hole may also be a biaxially inclined nozzle hole without inner protrusions, and an overall swirling flow may be created by the biaxially inclined nozzle hole. Furthermore, when the nozzle hole has inner protrusions that protrude helically from the inner surface, Example 1 illustrates an example with three inner protrusions, but this is not limited to three, and at least one inner protrusion may be used. In Example 1, an example is shown in which the cross-sectional shape of the inner protrusions is mountain-shaped, but the cross-sectional shape of the inner protrusions is not limited to a mountain-shaped shape, and any shape that can create individual swirling flows may be used.

実施例1,2では、2軸傾斜によるスパイラルノズル穴31を形成するとき、軸方向の第1倒れ傾斜角θ1と周方向の第2倒れ傾斜角θ2を、15°の同じ傾斜角に設定する例を示した。しかし、2軸傾斜によるスパイラルノズル穴を形成するとき、同じ傾斜角による設定に限られるものではなく、軸方向の第1倒れ傾斜角θ1と周方向の第2倒れ傾斜角θ2を異なる角度に設定しても勿論良い。 In Examples 1 and 2, when forming a spiral nozzle hole 31 with a biaxial tilt, the first axial tilt angle θ1 and the second circumferential tilt angle θ2 are set to the same tilt angle of 15°. However, when forming a spiral nozzle hole with a biaxial tilt, the first axial tilt angle θ1 and the second circumferential tilt angle θ2 are not limited to being set to the same tilt angle, and it is of course also possible to set the first axial tilt angle θ1 and the second circumferential tilt angle θ2 to different angles.

実施例1,2では、2軸傾斜によるスパイラルノズル穴31を形成するとき、第1流体の第1流出口31bの先端面36aを穴中心軸HCに直交させた傾斜面とし、第1流出口31bにおけるスパイラルノズル穴31の開口形状を正円形状にする例を示した。しかし、2軸傾斜によるスパイラルノズル穴を形成するとき、第1流出口から噴出する流線の乱れが問題にならない第1流体が選択されるような場合、楕円形状の流出口から噴出させるようにしても良い。 In Examples 1 and 2, when forming a spiral nozzle hole 31 with a biaxial tilt, the tip surface 36a of the first outlet 31b of the first fluid is an inclined surface perpendicular to the hole center axis HC, and the opening shape of the spiral nozzle hole 31 at the first outlet 31b is a perfect circle. However, when forming a spiral nozzle hole with a biaxial tilt, if a first fluid is selected for which disruption of the streamline ejected from the first outlet is not a problem, the fluid may be ejected from an elliptical outlet.

実施例1,2では、流体路形成部材30に形成したストレート穴32の第2流出口32bの位置に、穴内径より内径を拡大したバッファ穴37を有する例を示した。しかし、第2流体として粘度が高い流体が選択される場合、流体路形成部材にバッファ穴を有さない例としても良い。また、バッファ穴を有する例の場合、穴内径や穴長さを実施例1とは異ならせた例としても良い。 In Examples 1 and 2, an example was shown in which a buffer hole 37 with an inner diameter larger than the inner diameter of the straight hole 32 formed in the fluid path forming member 30 is provided at the position of the second outlet 32b of the straight hole 32. However, if a fluid with a high viscosity is selected as the second fluid, the fluid path forming member may not have a buffer hole. Furthermore, in an example in which a buffer hole is provided, the inner diameter or length of the hole may be different from that of Example 1.

実施例1,2では、流体ミキシング部12として、軸方向長さ300の全長にわたって縮小テーパー内面12aを有し、流出側内径Doutを流入側内径Dinより小さく設定する例を示した。しかし、流体ミキシング部としては、軸方向の全長のうち、少なくとも一部に縮小テーパー内面を有するものであれば良い。例えば、開始位置から途中位置までを縮小テーパー内面とし、それ以降を同径内面とする例としても良い。また、軸方向の全長のうち、開始位置から途中位置までを同径内面とし、それ以降を縮小テーパー内面とする例としても良い。さらに、軸方向の全長のうち、前後領域を同径内面とし、中間領域を縮小テーパー内面とする例としても良い。 In Examples 1 and 2, the fluid mixing section 12 has a tapered inner surface 12a along the entire axial length 300, and the outlet inner diameter Dout is set smaller than the inlet inner diameter Din. However, the fluid mixing section may have a tapered inner surface along at least a portion of the entire axial length. For example, the tapered inner surface may be a tapered inner surface from the start position to an intermediate position, and the remaining portion may be a constant diameter inner surface. Alternatively, the entire axial length may be a constant diameter inner surface from the start position to an intermediate position, and the remaining portion may be a tapered inner surface. Furthermore, the entire axial length may be a constant diameter inner surface in the front and rear regions, and the intermediate region may be a tapered inner surface in the rear and the middle region.

実施例1,2では、流体ミキシング部12に隣接する下流位置に、拡大テーパー内面13aを有するディフューザー部13を配置する例を示した。しかし、流体ミキシング部に隣接する下流位置に、流体ミキシング部の流出側内径から一気に内径が拡大する直管部を配置するような例としても良い。 In Examples 1 and 2, an example was shown in which a diffuser section 13 having an enlarged tapered inner surface 13a was placed downstream adjacent to the fluid mixing section 12. However, an example may also be shown in which a straight pipe section whose inner diameter suddenly expands from the inner diameter on the outlet side of the fluid mixing section is placed downstream adjacent to the fluid mixing section.

実施例2では、混合する複数の流体として、第1流体を水とし、第2流体を空気とし、第3流体を添加液剤とし、水と空気を混合したもの添加液剤を混ぜ合わせて三種混合流体を生成する例を示した。しかし、第1流体と第2流体は、上記のように水と空気との組み合わせ例に限られるものではない。また、第3流体も添加液剤(液体)に限られるものではなく、他の液体や気体であっても良い。 In Example 2, an example was shown in which the multiple fluids to be mixed were water as the first fluid, air as the second fluid, and an additive liquid agent, and a three-component mixed fluid was generated by mixing the water and air mixture with the additive liquid agent. However, the first and second fluids are not limited to the above example combination of water and air. Furthermore, the third fluid is not limited to the additive liquid agent (liquid), and may be another liquid or gas.

1A 流体ミキシング装置
10 本体部材
11 部材取付け部
12 流体ミキシング部
12a 縮小テーパー内面
13 ディフューザー部
13a 拡大テーパー内面
20 入力ポート部材
21 第1入力ポート
22 第2入力ポート
30 流体路形成部材
31 スパイラルノズル穴(ノズル穴)
31a 第1流入口
31b 第1流出口
31c 内面突起
32 ストレート穴
32a 第2流入口
32b 第2流出口
36a 先端面
37 バッファ穴
1B 流体ミキシング装置
16 第3入力ポート
17 径方向流路
CL 本体中心軸
HC 穴中心軸
W 水(第1流体)
A 空気(第2流体)
M 気液混相流体(混合流体)
S1 第1区間
S2 第2区間
Din 流体ミキシング部12の流入側内径
Dout 流体ミキシング部12の流出側内径
1A Fluid mixing device 10 Main body member 11 Component mounting portion 12 Fluid mixing portion 12a Converging tapered inner surface 13 Diffuser portion 13a Expanding tapered inner surface 20 Input port member 21 First input port 22 Second input port 30 Fluid path forming member 31 Spiral nozzle hole (nozzle hole)
31a First inlet 31b First outlet 31c Inner surface protrusion 32 Straight hole 32a Second inlet 32b Second outlet 36a Tip surface 37 Buffer hole 1B Fluid mixing device 16 Third input port 17 Radial flow path CL Body central axis HC Hole central axis W Water (first fluid)
A. Air (second fluid)
M Gas-liquid multiphase fluid (mixed fluid)
S1: First section S2: Second section Din: Inlet side inner diameter of the fluid mixing section 12 Dout: Outlet side inner diameter of the fluid mixing section 12

Claims (8)

複数の流体を混合する流体ミキシング装置であって、
前記複数の流体の流れ方向に沿って本体中心軸上に、部材取付け部と、流体ミキシング部と、を有する本体部材と、
前記部材取付け部に固定され、外部から第1流体を導く第1入力ポートと、外部から前記第1流体と異なる第2流体を導く第2入力ポートと、を有する入力ポート部材と、
前記入力ポート部材の下流位置に固定され、前記第1入力ポートからの前記第1流体が流入するノズル穴と、前記第2入力ポートからの前記第2流体が流入するストレート穴と、を有する流体路形成部材と、を備え、
前記ノズル穴は、複数個の穴を先細り円錐形状に配置し、前記第1流体の第1流入口と第1流出口とを、前記本体中心軸に対して穴中心軸が径方向と周方向に傾斜する2軸傾斜穴により繋いで形成し、
前記ストレート穴は、前記第2流体の第2流入口と第2流出口とを、穴中心軸を前記本体中心軸と一致させた軸心穴により繋いで形成し、
前記流体路形成部材は、円周上に複数個開口された前記第1流出口と、複数個の前記第1流出口により囲まれた中心部に開口された前記第2流出口と、を先端面に形成し、前記先端面を前記流体ミキシング部の流体入口領域に配置し、
前記ノズル穴は、2軸傾斜によるノズル穴内面に、前記第1流体の前記第1流入口から前記第1流出口に向かって螺旋状に突出する内面突起を有するスパイラルノズル穴である ことを特徴とする流体ミキシング装置。
A fluid mixing device for mixing a plurality of fluids,
a main body member having a member mounting portion and a fluid mixing portion on a central axis of the main body along the flow direction of the plurality of fluids;
an input port member fixed to the member mounting portion, the input port member having a first input port for introducing a first fluid from the outside and a second input port for introducing a second fluid different from the first fluid from the outside;
a fluid path forming member fixed at a downstream position of the input port member, the fluid path forming member having a nozzle hole through which the first fluid from the first input port flows and a straight hole through which the second fluid from the second input port flows,
the nozzle hole is formed by arranging a plurality of holes in a tapered cone shape, and connecting a first inlet and a first outlet of the first fluid by a biaxially inclined hole whose hole central axis is inclined in a radial direction and a circumferential direction with respect to the main body central axis,
the straight hole is formed by connecting the second inlet and the second outlet for the second fluid by an axial hole whose hole central axis is aligned with the main body central axis,
the fluid path forming member has a tip end surface formed with the first outlets, which are opened in a plurality of locations on a circumference, and the second outlet, which is opened in a central portion surrounded by the plurality of first outlets, and the tip end surface is disposed in a fluid inlet region of the fluid mixing section;
the nozzle hole is a spiral nozzle hole having an inner surface inclined on two axes, the inner surface of the nozzle hole having an inner protrusion that protrudes spirally from the first inlet toward the first outlet of the first fluid.
請求項1に記載された流体ミキシング装置において、
前記スパイラルノズル穴は、前記第1流体の前記第1流入口から前記第1流出口までの区間を、前記第1流入口から途中位置までの第1区間と、前記途中位置から前記第1流出口までの第2区間に分け、
前記第1区間を、前記ノズル穴内面に前記内面突起を有する内面突起区間とし、前記第2区間を、同径穴が形成された同径穴区間とし、前記第1流出口の先端面を、前記穴中心軸に直交させた傾斜面とする
ことを特徴とする流体ミキシング装置。
2. The fluid mixing device according to claim 1,
The spiral nozzle hole divides a section from the first inlet to the first outlet of the first fluid into a first section from the first inlet to an intermediate position and a second section from the intermediate position to the first outlet,
the first section is an inner surface protrusion section having the inner surface protrusion on the inner surface of the nozzle hole, the second section is a same diameter hole section having a same diameter hole formed therein, and a tip surface of the first outlet is an inclined surface orthogonal to the central axis of the hole.
請求項1又は請求項2に記載された流体ミキシング装置において、
前記流体路形成部材は、前記第2流出口の位置に、前記ストレート穴の穴内径より内径を拡大したバッファ穴を有する
ことを特徴とする流体ミキシング装置。
The fluid mixing device according to claim 1 or 2,
The fluid mixing device according to claim 1, wherein the fluid path forming member has a buffer hole at the position of the second outlet, the buffer hole having an inner diameter larger than the inner diameter of the straight hole.
請求項1から3までの何れか一項に記載された流体ミキシング装置において、
前記流体ミキシング部は、前記流体路形成部材からの流体が流入する流入側内径から流出側内径まで徐々に縮小させた縮小テーパー内面を有する
ことを特徴とする流体ミキシング装置。
4. The fluid mixing device according to claim 1,
The fluid mixing device according to claim 1, wherein the fluid mixing section has a tapered inner surface that gradually reduces from an inflow side inner diameter into which the fluid from the fluid path forming member flows to an outflow side inner diameter.
請求項4に記載された流体ミキシング装置において、
前記流体ミキシング部は、前記流出側内径の最小内径を、少なくとも複数個の前記第1流出口の断面積の合計断面積が得られる内径に設定する
ことを特徴とする流体ミキシング装置。
5. The fluid mixing device according to claim 4,
The fluid mixing device according to claim 1, wherein the fluid mixing section sets the minimum inner diameter of the outlet side inner diameter to an inner diameter that provides a total cross-sectional area of at least a plurality of the first outlets.
請求項1から5までの何れか一項に記載された流体ミキシング装置において、
前記本体部材は、前記流体ミキシング部に隣接する下流位置にディフューザー部を有し、
前記ディフューザー部は、前記流体ミキシング部からの混合流体が流入するディフューザー流入側内径を、混合流体の流出側に向かって拡大させた拡大テーパー内面を有する
ことを特徴とする流体ミキシング装置。
6. The fluid mixing device according to claim 1,
the body member has a diffuser section located downstream adjacent the fluid mixing section;
the diffuser section has an expanding tapered inner surface in which the inner diameter of the diffuser inlet side, into which the mixed fluid flows from the fluid mixing section, expands toward the mixed fluid outlet side.
請求項1から6までの何れか一項に記載された流体ミキシング装置において、
前記流体ミキシング部は、前記流体路形成部材からの流体が流入する流入側内径から流出側内径まで徐々に縮小させた縮小テーパー内面を有し、
前記本体部材は、前記流体ミキシング部に隣接する下流位置にディフューザー部を有し、
前記流体ミキシング部と前記ディフューザー部との境界位置に、外部から径方向に第3流体を導く第3入力ポート及び径方向流路を有する
ことを特徴とする流体ミキシング装置。
7. The fluid mixing device according to claim 1,
the fluid mixing portion has a tapered inner surface that gradually reduces from an inflow side inner diameter into which the fluid from the fluid path forming member flows to an outflow side inner diameter,
the body member has a diffuser section located downstream adjacent the fluid mixing section;
a third input port and a radial flow path for introducing a third fluid from the outside in a radial direction at a boundary between the fluid mixing section and the diffuser section.
複数の流体を混合する流体ミキシング装置であって、
前記複数の流体の流れ方向に沿って本体中心軸上に、部材取付け部と、流体ミキシング部と、を有する本体部材と、
前記部材取付け部に固定され、外部から第1流体を導く第1入力ポートと、外部から前記第1流体と異なる第2流体を導く第2入力ポートと、を有する入力ポート部材と、
前記入力ポート部材の下流位置に固定され、前記第1入力ポートからの前記第1流体が流入するノズル穴と、前記第2入力ポートからの前記第2流体が流入するストレート穴と、を有する流体路形成部材と、を備え、
前記ノズル穴は、複数個の穴を先細り円錐形状に配置し、前記第1流体の第1流入口と第1流出口とを、前記本体中心軸に対して穴中心軸が径方向と周方向に傾斜する2軸傾斜穴により繋いで形成し、
前記ストレート穴は、前記第2流体の第2流入口と第2流出口とを、穴中心軸を前記本体中心軸と一致させた軸心穴により繋いで形成し、
前記流体路形成部材は、円周上に複数個開口された前記第1流出口と、複数個の前記第1流出口により囲まれた中心部に開口された前記第2流出口と、を先端面に形成し、前記先端面を前記流体ミキシング部の流体入口領域に配置し、
前記第2流出口の位置に、前記ストレート穴の穴内径より内径を拡大したバッファ穴を有する
ことを特徴とする流体ミキシング装置。
A fluid mixing device for mixing a plurality of fluids,
a main body member having a member mounting portion and a fluid mixing portion on a central axis of the main body along the flow direction of the plurality of fluids;
an input port member fixed to the member mounting portion, the input port member having a first input port for introducing a first fluid from the outside and a second input port for introducing a second fluid different from the first fluid from the outside;
a fluid path forming member fixed at a downstream position of the input port member, the fluid path forming member having a nozzle hole through which the first fluid from the first input port flows and a straight hole through which the second fluid from the second input port flows,
the nozzle hole is formed by arranging a plurality of holes in a tapered cone shape, and connecting a first inlet and a first outlet of the first fluid by a biaxially inclined hole whose hole central axis is inclined in a radial direction and a circumferential direction with respect to the main body central axis,
the straight hole is formed by connecting the second inlet and the second outlet for the second fluid by an axial hole whose hole central axis is aligned with the main body central axis,
the fluid path forming member has a tip end surface formed with the first outlets, which are opened in a plurality of locations on a circumference, and the second outlet, which is opened in a central portion surrounded by the plurality of first outlets, and the tip end surface is disposed in a fluid inlet region of the fluid mixing section;
a buffer hole having an inner diameter larger than the inner diameter of the straight hole at the position of the second outlet,
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