粒体噴流化式身体洗浄装置の実用化の研究(ガイドベーンによる噴流制御法と温風循環法)

高知工科大学大学院
工学研究科基盤工学専攻
知能機械コース

博士課程前期1055072

山崎 敬一

目次
1章

概要

1.1

はじめに

1

1.2

本研究の背景と目的

1

1.3

本論文の構成22章

試作２号機による実証実験

2.1

緒言

3

2.2

実証実験

3

2.3

アンケート結果

3

2.4

結言

5

3章

循環方式による浴槽内圧力の低減

3.1

緒言

9

3.2

実験装置

9

3.3

3.4
4章

3.2.1

実機型実験装置

93.2.2

基礎実験装置

9

実験結果

10

3.3.1

押し込み方式による浴槽内圧力

10

3.3.2

循環方式による浴槽内圧力

10

結言

11

粒体の自動回収について

4.1

緒言

17

4.2

実験装置及び方法

17

4.3

実験結果

17

4.4
5章

4.3.1

サイクロンによる回収結果

17

4.3.2

配管利用による回収結果

18

結言

18

バッファータンク除去による浴槽の小型化

5.1

緒言

23

5.2

実験装置及び方法

23

5.3

実験結果

23

5.4

5.3.1

ノズル出口風速の均一化に及ぼすガイドベーンの効果

23

5.3.2

ガイドベーンの効果とノズル下部スペースの関係

25

結言

25

6章

実機型実験装置での洗浄効果

6.1

緒言

33

6.2

実験装置及び方法

33

6.3

実験結果

33

6.4

結言

34

7 章まとめ
7.1

まとめ

38

7.2

今後の課題

39

謝辞

40

参考文献

41

1章

概要

1.1

はじめに

高齢化社会が進む中、多くの高齢者福祉施設が増加しているものの、施設の現場においては介
護労力の不足が起こっており、これの低減が求められている。 介護労力の大きなものとして①
食事介護、②排泄介護、③入浴介護がある。その中でも入浴介護に関する労力の低減が最も望まれている。従来の入浴介護では一人の入浴者に対する入浴作業(脱衣、洗浄・入浴、着衣)に介護者が 5 〜 7 人必要となる。この入浴作業の洗浄・入浴工程を自動化し、入浴介護に必要な介護者数を減らすことを目的として、粒体による自動身体洗浄装置、すなわち粒体噴流化式身体洗浄装置の研究開発を行った。
この装置を用いて、入浴介護を自動化することによって、介護労力が大幅に低減され、介護者
は 1 〜 2 名で対応可能になる。この装置は新設の高齢者介護施設に用いることが望ましいが、既存の施設にも適用が可能である。
現在介護施設では既存の従来型入浴装置での入浴が法律によって週 2 回義務付けられており、いずれの介護施設でも介護者不足及び経営上の問題から入浴回数を増やすことが困難であると言われている。しかし、入所している高齢者の大多数が週 3 回以上の入浴を希望している。このような高齢者の要望を満たすためには、介護者がほとんどいなくても入浴可能な完全自動式の簡易な入浴装置を、現有の浴場内に設置するのが得策であると思われる。
粒体噴流化式身体洗浄装置での洗浄は、密閉した浴槽内に粒体を入れ、浴槽底部に設けられたノズルから温風を吹き出し、粒体を吹き上げ、粒体と身体との衝突と摩擦により自動的に身体を洗浄(噴流化洗浄)するものである。このように手拭の代わりに粒体を用いて身体を洗浄するような研究はまったく見られない。
粒体噴流化式身体洗浄装置の原理図を図 1-1 に示す 1)。本入浴装置は浴槽部分と温風発生部分にわかれており、それらはフレキシブルパイプにより繋がれている。この装置を使用することにより、介護労力の低減だけでなく、従来の風呂よりも高い洗浄効果と保温効果、粒体が身体に当たる際の衝撃力によるマッサージ効果が得られている。本論文では、この粒体噴流化式身体洗浄装置を実用化するための研究開発のうち、浴槽内でノズルから吹き上げる温風のガイドベーンによる制御法及び温風の循環法について行った研究の結果について述べる。
1.2

本研究の背景と目的

本装置の研究は平成 10 年度より始まり各種の基礎研究を実施した。これらの研究結果もとにして、平成 11 年度に試作 1 号機を製作し、実証試験を行った。この試作 1 号機を用いた実証試
験では学生を被験者として、装置の寸法、形状と洗浄効果、保温効果の確認、洗浄に必要な粒体の量、温風量及び水量等について検討を行った。引き続き平成 12 年度には試作 2 号機を製作した。そして、平成 13 年度にこれを福祉介護施設であるウェルプラザやまだ荘(高知県香美郡土佐山田町)内に設置し、試作 2 号機による実証試験を行った 2）。しかし、この実証試験でも、なお装置を商品とするためには、次のとおりの技術的な課題を究明しなければならないことが明らかになった。
( 1 ) 浴槽内圧力の低減( 2 ) 粒体の自動回収( 3 ) 浴槽の小型化-1-

そこで、平成 13 年度 4 月からこれらの課題を解決するための研究開発を開始し、これまでに再度基本的な実験研究を行った。現在、この基本研究の結果に基づいて試作 3 号機を製作中である。本論文は、主としてこれらの基本的な研究の成果をまとめたものである。
1.3

本論文の構成本論文は 7 章からなる。第 1 章では本研究の背景、目的について述べ、第 2 章では平成 12 年度に製作した実証試験用の試作 2 号機を用いて福祉介護施設で行った実証試験の結果を示した。
第 3 章から第 6 章までは上述した技術的課題に対応した研究結果の詳細が述べた。具体的には、
第 3 章では温風の循環方式による浴槽内圧力の低減効果について述べ、第 4 章ではノズル出口風
速に及ぼすガイドベーンの影響について述べた。第 5 章では粒体の自動回収装置について述べ、
第 6 章では実機型モデルによる身体の洗浄効果について述べた。最後に第 7 章でこれまでの実験研究の結果と今後の課題について述べた。

airshowercover
grains
air

air

front
図 1-1

side

粒体噴流化式身体洗浄装置の原理図

-2-

2章
2.1

試作 2 号機による実証試験
緒言

平成 13 年度に試作 2 号機を製作し、高齢者福祉介護施設で実証試験を行った。この実証試験
では、各種の実験データをとるだけでなく、官能評価と介護士、入浴していただいた高齢者からの装置に対する意見調査を行った。
2.2

実証試験

この実証試験に使用した試作 2 号機の外観写真を写真 2-1 に示す。試作 2 号機は室内に設置する浴槽部と室外に設置する温風温水発生装置部の 2 つに分けられ、浴槽部は既存の脱衣場内に設置した。浴槽部の概略図を図 2-1 に示す。浴槽内には浴槽側壁と浴槽下部にシャワーノズルを設置してある。浴槽の前部側壁には流入口及び排出口を設けてあり、排出口は大気へと開放されている。また、浴槽前部には 2 次元ノズルからの風速を均一にするためにバッファータンクが設けてある。浴槽内部の写真を写真 2-2 に示す。
浴槽内へ入浴者を入出させる方法と入浴工程を図 2-2 の写真及び入浴工程のフロー図に示す。
浴槽への入浴者の入出方法は次のとおりである。
①入浴者は通常使用している車椅子から専用の車椅子に乗り換え、リフタｰに上がる。
②リフタｰを浴槽の高さまで上げ、浴槽後部から浴槽に入る。
③浴槽に入ってから、椅子の高さを調節し、上部のハッチを閉める。
④後部の扉を閉め、入浴を開始する。
洗浄に使う粒体には直径6mm、長さ6〜9mmの円柱状ゲル及びを使用した。写真 2-3 に 円柱状ゲルを示す。粒体の量は4L/1人、洗浄時間は8分であった。粒体は1人を入浴洗浄するごとに洗浄・消毒して再使用した。
実証試験を実施するにあたっては、あらかじめ入浴者の年齢、性別、試作機で入浴可能な高齢者の介護レベルを調査した。また、入浴後、高齢者及び介護者にアンケート調査を行った。入浴者の内訳を
表 2-1 に示す。
本装置での脱衣、洗浄、着衣、頭髪乾燥までの1人当たりの平均入浴時間は約18分であった。従来の入浴介護にかかる時間は約20分である。洗浄時間8分の試作2号機での入浴時間がこのように長くなるのは、試作機へ入浴者を入出させる場合、リフタｰの操作、各個人に対する車椅子の高さの調節に時間がかかるためである。
表 2-1

入浴者の内訳入浴者
11名(男3名、女8名)
延べ入浴回数15回
平均介護レベル
2.5
入浴者平均年齢
84歳
2.3

アンケート結果

試作2号機での入浴に関する高齢者のアンケート結果を表 2-2 に示す。アンケートとは別に行った意
見調査において、入浴して頂いた高齢者の方々と介護士の方々の主な意見を次に示す。まず、高齢者の方々の意見として、-3-

1) 時間が経つと首周りが窮屈、腰周りがつらい2) 浴槽の出入りに時間がかかる
3) 手で洗う方が良く洗えて気持ちが良いなどがあがった。介護士の方々の意見としては、
1) 入浴者の身体状況に対処出来ていない
2) 入浴者の浴槽への出入りに時間がかかる
3) 洗浄槽を小型化して介護作業を楽にしたい4) 疥癬予防薬を塗布できるようにして欲しいなどがあがった。
試作 2 号機での入浴に関するアンケート調査と意見調査であげられた課題のうち、現段階で改善されているものと今後改善するべき課題について述べる。
1.

現段階で改善されている事項( 1 ) 疥癬予防薬の塗布
従来、疥癬予防薬の塗布については、これまで、入浴が終わった後、疥癬予防薬( 610 ハップ)を混ぜた湯を洗面器でかけることで身体に塗布しているが、身体にまんべんなく疥癬予防薬を塗布するには人手がかかる。本装置では疥癬予防薬は室外機に新たに薬用タンクを設け、入浴工程の最後にシャワーノズルから散布することで塗布した。その結果、このようにすれば人手を大幅に省くことができた。
( 2 ) 車椅子の座り心地の改善
車椅子の座り心地については、座面と背もたれを弾力性のあるゲル製シートで覆うことで改善した。これにより、入浴者の方々から座り心地が良くなったという意見を頂いた。
( 3 ) 入浴者の身体状況への対処
試作 2 号機では浴槽上部のハッチに頭を出すための開口部を設けてある。しかし、この開口部は背筋を伸ばして座れる人を想定していたため、背中の曲がった高齢者や片麻痺の高齢者は、ハッチが邪魔になり浴槽へ入ることが出来なかった。そこで、浴槽上部のハッチを取り除き、代わりにビニールシートを設置して、首周りをフレキシブルにすることで高齢者の身体状況に併せて入浴させることができた。
2.

今後改善するべき課題( 1 ) 浴槽への入出時間の短縮
浴槽への入出時間の短縮については 、浴槽を低くして 、椅子は浴槽に取り付け方式とする 。
また、浴槽頂部の首周りの部分をハッチからシートにすることで、リフターの廃止と各個人に合わせた車椅子の高さの調節作業を省き、時間を短縮する。
( 2 ) 浴槽内温度の調節
浴槽内の温度調節については、浴槽部において常時浴槽内の温度を知ることができる様に室外機に付いている温度表示器を浴槽部に設置することで改善を図る。
( 3 ) 浴槽の小型化
浴槽の小型化については、試作 2 号機の前部に設置してあるノズル出口風速を均一にするためのバッファータンクを取り除き、この代わりにノズルの下にノズル下部にガイドベーンを設置することで改善を図る。

-4-

( 4 ) 首周りの窮屈感の改善
試作 2 号機では送風機から供給される温風は、浴槽の排出口から直接大気中へ排出される(この方式を以後押し出し方式という)。このため浴槽内圧力が高くなり、密封できない首周りから温風が抜けるので、首周りにタオルを巻きつけなくてはならず、首周りの窮屈感が生じる。そこで、浴槽から大気中へ排出されていた温風を再び送風機に戻し、温風を送風機と浴槽の間で循環させる(この方式を以後循環方式という)ことで、浴槽内の圧力を大気圧付近まで低減し、首周りからの温風の吹き抜けを無くし、首周りの窮屈感を改善する。
( 5 ) 使用後の粒体の自動回収
試作 2 号機では使用後の粒体は入浴後に掃除機で回収しなくてはならず、介護者の負担になっていた。また、入浴準備に時間がかかりすぎ、入浴者を待たせることがあった。したがって、時間の短縮と人手を省くため、粒体を自動的に回収する機構を設置する必要がある。
これらの課題の中でも特に強い要望があったのは、装置の小型化である。介護施設の浴室及び脱衣場は入浴時に大変混雑する。また、浴室や脱衣場自体も広くないため、ここに新たに大きな入浴装置を置けば、従来の入浴作業を妨げて、スムーズに作業することが出来なくなる。また、装置の高さが大きいと、入浴者を入出する際に時間と手間がかかり、本装置の目的である介護労力の低減が満たされない。これらの理由から装置の小型化は重要な課題であるといえる。
2.4

結言

試作 2 号機を用いて、高齢者介護施設で実証試験を行い、次の技術的課題が得られた。
( 1 ) 浴槽内圧力の低減(首周りの窮屈感の改善)( 2 ) 粒体の自動回収( 3 ) 浴槽の小型化装置を実用化するためには、これらの課題を解決することが必要不可欠である。課題( 1 )〜( 3 )の具体的な改善策については 3 章以降で述べる。

写真 2-1

実証試験に用いた試作 2 号機の外観写真-5-

シャワーノズル

バッファー
タンク

排出口
流入口

図 2-1

実証試験に用いた試作 2 号機の概略図

写真 2-2

試作 2 号機内部

-6-

ノズル

洗浄剤散布
噴流化洗浄
シャワー
①

②

③

④

外部シャワーによる粒体、洗浄剤の洗い流し
入浴者が浴槽から出る掃除機による粒体の回収

入浴工程のフロー図
図 2-2

本装置への入浴者の装着方法

試作機の洗浄工程のフロー図と本装置への入浴者の装着方法

写真 2-3円柱状ゲル-7-

表 2-2実証試験のアンケート結果

項目
車椅子の座りごこちは良かったか
リフタｰが上がる時怖かったか
お風呂に入る時不安だったか
首巻はうっとうしいか
扉が閉まる時不安だったか
シャワーは気持ちよかったか
粒が当たって気持ちよかったか
粒が体に当たって痛くないか
粒が体に付いて気持ち悪かったか
お風呂の温度は熱かったか
外部シャワーは気持ちよかったか
お風呂から出るとき怖かったか
リフタｰが下がる時怖かったか
お風呂は気持ちよかったか
お風呂はうるさかったか

-8-

はい
14
28
14
28
28
72
72
72
28
42
57
28
14
57
14

いいえ どちらとも
57
29
72
0
57
29
42
30
42
30
14
14
0
28
0
28
42
30
58
0
14
29
28
44
57
29
14
29
57
29

3章
3.1

浴槽内圧力の低減
緒言

本装置を実用化するにあたっては、 2 章で述べた改善すべき課題の一つとして、首周りの窮屈感の改善がある。首周りの窮屈感は、浴槽内圧力が大気圧よりも大幅に高くなるため、密封できない首周りから温風が漏れるのを防止するためにタオルを首に巻くことで生じる。そこで、①浴槽の空気排出口面積を大きくすること、②浴槽排出口とブロアの吸引側とを繋ぎ、浴槽外へ排出されていた温風をブロアに戻す循環方式にすることによって、浴槽内圧力の低減を図った。以下
では排出口を大きくした場合と循環方式を用いた場合について、浴槽内圧力を測定し、両者を比
較した。
3.2

実験装置

実験には実際の装置をモデル化した実機と同じ大きさの実験装置(以後実機型実験装置という)と基礎実験装置の 2 種類を使用した。
3.2.1

実機型実験装置

実機型実験装置の概要を図 3-1 に示す。空気はルーツブロア(静圧 29.4kPa )から浴槽に送り込
まれ、浴槽内の粒体を吹き上げた後、浴槽上部に設けられた排出口から再びルーツブロアへと送られる 。浴槽とルーツブロアはビニールパイプでつないだ 。ブロアの圧送側と実験装置の流入口 、ブロアの吸引側と実験装置の排出口をそれぞれ内径 245 、 155mm のビニールパイプでつないだ。
浴槽は流入口を設けている側を前側としている。空気の流量はブロアの電動機に設置されたイン
バータによって制御した。流量は管路に設けられたピトー管群(ウェットマスター株式会社製ニューエアロアイ)によって測定した。流入口と排出口には圧力測定穴を設け、浴槽の圧力損失を差圧計で測定した。圧力測定穴は直径 2mm である。
実機型実験装置の浴槽部を図 3-2 に示す。浴槽は 20 × 20mm のアルミの骨組みに厚さ 10mm のアクリル板をはめ込み作成した。ドアは浴槽の前後に付けてある。ノズル周りの傾斜板はアクリル板で作成し、傾斜角は 20 度である。ノズルは幅 40mm、長さ 899mm である。図 3-3 に浴槽内の首周りに近い場所の内圧を測るための圧力測定穴の位置を示す。圧力測定穴は浴槽の左右側壁に一つずつ設けた。圧力測定穴の内径は 2mm である。
浴槽の中には座面に穴を開けた入浴用の椅子を設置した 。椅子は座面をノズルから高さ 760mmの位置になるように固定した。浴槽底部には粒体が下に落ちるのを防止するためのパンチングメ
タル(穴径 4mm)及びガイドベーンを設置するための冶具を設けた。
図 3-4 に浴槽のノズル周りおよびプレート間の幅 50mm のドラフトプレートの形状を示す。ノズルから 25mm 上部の位置にドラフトプレートが設置してある。ドラフトプレートは下端をシャフトで固定し、シャフトを支点にして、手動により左右に揺動することができる。また、浴槽内の偏向状況を知るために浴槽内に直径 6mm の球状ゲル 3)を混入した。
3.2.2

基礎実験装置基礎実験装置の概略図を図 3-5 に 示す。実験浴槽の大きさは高さ 1000mm 、幅 500mm、奥行150mm である 4)。ノズルは幅 10mm 、長さ 150mm である。空気はルーツブロアから供給され、バッファータンクを経て、浴槽内のノズルから噴出する。その後、空気は循環方式の場合は浴槽-9-

頂部に設けられた排出口からルーツブロアへ送られる。押し出し方式の場合、空気は浴槽内から大気中へ放出される。排出口には内径 51mm の塩ビパイプを使用した。排出口は浴槽頂部の左右端面から 80mm、縦幅中心に設けた。また、排出口の大きさを変える場合はアクリル板で浴槽頂部の開口部を埋めることで行った。浴槽底部には傾斜角 10 度の傾斜板を設置した。また、浴槽
頂部には浴槽内の温度を測定するため、浴槽底部から高さ 845mm、浴槽頂部の縦、横幅の中心に温度計を設置した。圧力測定穴は浴槽の左右端から 100mm、浴槽底部から高さ 140mm の位置に 設 け た 。 圧 力 測 定 穴 の 穴 径 は 2mm で あ る 。 浴 槽 内 の 圧 力 は 差 圧 計 ( 山 本 電 機 製 作 所 製 、MANOSTAR GAGE WO81 )により測定した。また、浴槽内の偏向状況を知るために浴槽内に直径6mm のポリスチレン球を混入した。
3.3
3.3.1

実験結果
押し込み方式による浴槽内圧力

浴槽内圧力を低減する方策として浴槽の空気排出口を大きくした場合の浴槽内圧力について測定した。実験は浴槽底部のノズル出口風速を 14.9、 27.6m/s(ノズル幅を代表長さとした場合のレイノルズ数： 9865 、 18274 )として行った。これらのノズル出口風速は浴槽上部を全開放したときの値である。浴槽内圧力は偏向している噴流の内側と、噴流の外側について測定した。噴流内側の圧力測定穴での浴槽内圧力を Pin、噴流外側での浴槽内圧力を Pout とする(図 3-6 )。浴槽内圧力は差圧計により測定した。図 3-7 に実験結果を示す。グラフの縦軸は浴槽内圧力、横軸は排出口断面積をノズル断面積で割ったものをとってある。
この結果より、ノズル出口風速が上がると浴槽内圧力が増す。また、どのノズル出口風速でも浴槽内圧力を大気圧程度に低減するには排出口断面積をノズル断面積の 7 倍以上にしなくてはならない。押し込み方式の試作 2 号機の排出口断面積はノズル断面積 1.9 倍であるため、浴槽内圧
力は大気圧より大幅に高くなっているものと思われる。浴槽内圧力を大気圧程度に抑えるには、
ノズル断面積約 0.05m2 に対して排出口断面積を 0.35m2 以上にしなくてはならなく、装置の小型化に支障をきたすため、好ましくない。そこで、循環方式を使用することによって浴槽内圧力を低減する方法を検討する。
3.3.2

循環方式による浴槽内圧力基礎実験装置を使用し、循環方式と押し出し方式の浴槽内の圧力を比較した。浴槽内圧力はノズル出口風速を 30m/s として測定を行った 。排出口断面積はノズル断面積の約 2.7 倍である 。表 3-1にその結果を示す。押し出し方式では Pin、 Pout のどちら側でも浴槽内圧力が大気圧よりも高い。
一方、循環方式では浴槽内圧力が押し出し方式よりも大幅に低くなっており、浴槽内圧力は大気圧よりも低くなっている 。循環方式と押し出し方式の噴流状況について図 3-1 に示す 。循環方式 、押し出し方式で噴流状況に大きな違いは見られない。
表 3-1

表 3-2

実機型実験装置の浴槽内圧力
圧力(Pa)
Pin
Pout
47.89
-56
-60
流量
56.75
-58
-54.5
(m3/min)
68.17
80
100

基礎実験装置の浴槽内圧力

方 押し出し式 循環

圧力(Pa)
Pout
Pin
292
330
-46
-4.5

- 10 -

次に、実機型実験装置を用いて、浴槽内の圧力を測定した。浴槽内圧力は差圧計により測定した。浴槽内には直径 6mm の球状ゲルを 3.5L 入れ、噴流の偏向状況がわかるようにした。循環方式の場合の浴槽内圧力を表 3-2 に示す。排出口断面積が流入口面積の 0.37 倍と小さいため、流量が大きくなると、浴槽内の圧力は高くなるものの、大気圧よりも大幅に大きくなることはない。
これらの結果より、循環方式を用いることで浴槽内圧力を大幅に低減し、首周りの窮屈感を改善できることが分かった。
また、循環方式を採用することによって、従来の押し出し方式で大気に排出されていた温風を循環させることになるので、省エネ化が図れると予想される。実機型実験装置を用いて循環方式と押し出し方式の浴槽内温度の推移について確認した。この実験は送風機を運転させる際にヒーターを使用し、浴槽内の温度計で温度変化を測定した。温度計は浴槽頂部、横幅中心、浴槽前部から 580mm の位置に設置した。その結果を図 3-8 に示す。図 3-8 では縦軸に各時間の温度 T1 を測定開始の温度 T0 で割ったもの、横軸に経過時間( min )をとっている。初期温度 T0 は 25 ℃として実験を行った。浴槽内の温度は 30 分間測定した。この結果から、循環方式の方が押し出し方式に比べて時間時間の経過による 、浴槽内温度の上昇が速く 、かつ 30 分間での到達温度も高い 。
押し出し方式で時間の経過と共に温度が上昇しているのはルーツブロアの発熱により、流入空気が加熱されているためである。これより、循環方式を採用することでヒーターの使用量を抑えることができ、省エネ効果が高くなるということがいえる。
3.4

結言

浴槽内圧力を低減する方策として、循環方式を使用した場合と排出口断面積を大きくする場合について実験を行い、次の結果を得た。
( 1 ) 排出口断面積をノズル断面積の 7 倍以上にすれば浴槽内圧力を低減することができる。
( 2 ) 循環方式を採用することで排出口断面積を大きくすることなく浴槽内圧力を大気圧程度まで低減できる。
( 3 ) 循環方式を使用することにより、ヒーターの使用を制限し、エネルギーを削減できる。
これらの結果より、浴槽の温風排出口を大きくすることによる浴槽内圧力の低減方法は排出口断面積をノズル断面積の 7 倍以上に取らなくてはならない。排出口を大きくとることは装置の小型化に支障をきたす。一方、循環方式を用いた浴槽内圧力の低減方法では排出口を大きくすることなく浴槽内圧力を低減でき、なおかつ、温風を循環させることによりヒーターの容量を小さくすることができ、省エネルギー効果が高い。したがって、浴槽内圧力を低減するには循環方式を用いる方が良いと言える。

- 11 -

排出口

空気の流れ

浴槽

インバーター

差圧計

空気の流れ

流入口

ピトー管

ルーツブロア

排出口

1150(150Aの
フランジ)

1566

300

ドラフトプレート
760

134

425

実機型実験装置の概略

249

850

図 3-1

流入口

899

(250Aの
フランジ)

図 3-2

実機型実験装置の浴槽- 12 -

単位：mm

1150

100

300

800

1566

圧力測定穴

単位： mm

図 3-3

浴槽内圧力測定穴

ドラフトプレート

25

傾斜板

135

25

20

シャフト

20度

パンチングメタル
図 3-4

ノズル周り

- 13 -

単位：mm

排出口

500

Air

排出口

温度計

実験浴槽

ノズル

840

圧力測定穴

Air

切り替え弁

100

Air

140

1000

75

80
150

Air

バッファータンクルーツブロアパイプ

バッファータンク

単位：mm

正面図

上面図
図 3-5

基礎実験装置の概略図

排出口

空気噴流

圧力測定穴 Pout
(噴流外側)

圧力測定穴 P in
(噴流内側)
図 3-6

圧力測定穴(基礎実験装置)- 14 -

140
120

浴槽内圧力 (Pa)

100
80

Pout
Pin

60
40
20
0
-20
-40
1

10

100

排出口面積／ノズル面積( a) ノズル出口風速 14.9m/s
400
350

浴槽内圧力 (Pa)

300
250
200

Pout
Pin

150
100
50
0
-50
-100
1

10

排出口面積／ノズル面積(b ) ノズル出口風速 27.6m/s
図 3-7

排出口面積 /ノズル面積と浴槽内圧力の関係- 15 -

100

(a) 押し出し方式
写真 3-1(b) 循環方式

循環方式と押し出し方式の噴流状況

3

2.5

T1/T0

2

1.5

1

押し出し方式
循環方式
0.5

0
0

5

10

15

20

25

時間(min)
図 3-8

押し出し方式と循環方式での浴槽内温度の推移- 16 -

30

35

4章
4.1

粒体回収実験
緒言

試作 2 号機では、使用した粒体は一人の入浴者が入浴した後に、掃除機により人力で回収していた。この操作を自動化できれば、粒体を回収する際の時間と人手を省き、入浴をスムーズに行うことができる。そこで、送風機と浴槽の間にサイクロンを設置し、送風機を逆転させることによって、粒体を自動的に回収する方法を粒体の回収率から検討した。また、装置の小型化を行う
ために、省スペースの回収機構として配管内に設置した網型フィルタを利用する回収機構についても検討し、その粒体回収性能をサイクロンの場合と比較した。
4.2

実験装置

図 4-1 に回収実験に使用した実験装置を示す。浴槽はノズルを幅 20mm、長さ 100mm、傾斜板の傾斜角を 20 度とし、それ以外は 3 章で使用した基礎実験装置の浴槽と同様とした。ノズルの左右端部から 25mm の位置まで傾斜をつけてある。浴槽内にはドラフトプレートを設置した。ドラフトプレートは高さ 200mm、プレート間の幅 30mm である。図 4-2 に粒体回収用実験装置のノズル周りの状態を示す。回収実験装置では、図 3-5 に示した浴槽の下に設置してあったバッファータンクを除き、代わりに粒体を回収するためのスペースを設けた。粒体回収用スペースは高さ80mm 、長さ 375mm、幅 20mm である。粒体回収スペースには円形パイプを繋いである。粒体回
収スペースの止端部には粒体が粒体回収スペースに溜まるのを防ぐため、 45 度の傾斜をつけてある。浴槽は内径 50mm のビニールパイプにより、粒体回収機構とルーツブロアに繋いである。
図 4-3 に実験に使用したサイクロンを示す。サイクロンは支柱で支えられており、サイクロン
入口は地面から 975mm の位置である。
配管を利用した粒体回収機構を図 4-4 に示す。 T 字に繋いだ内径 48mm の円形パイプの内側に粒体が送風機側へ流れるのを防止し、粒体を回収するための金網を設置した。貯槽へ通じるパイ
プには切り替え弁を設置してある。切り替え弁は洗浄運転の際は閉じてあり、粒体回収運転の際には開けてある。実験に使用した粒体は、 3 章で使用したものと同様の球状ゲルである。
4.3

実験結果

粒体回収実験はドラフトプレートを装着した浴槽内に粒体を入れて約 1 分間の洗浄運転を行い、粒体が均一に浴槽内を循環した後、運転を止め、送風機を逆転させ回収を行った。粒体回収
実験は乾式、湿式の 2 つについて行った。粒体は直径 6mm の球状ゲル 1000 個と 2000 個 (1000 個で 260ml、 103g) を使用した。洗浄運転は浴槽のノズル出口風速を 30m/s として行った。回収時間
は 1 分間とした。回収率は次式で表した。

回収率(% ) =4.3.1

回収した粒体の重量( g )× 100
粒体の総重量( g )サイクロンによる粒体回収結果

回収風速はノズル出口で 25 、 20 、 15 、 10 、 8m/s とした。風速は浴槽内に粒体を混入しない状
態で送風機と浴槽の間に設けたオリフィス流量計により測定した。湿式の場合は浴槽内と粒体を霧吹きにより湿らせてから実験を行った。

- 17 -

図 4-5 に球状ゲル 1000 個及び 2000 個による回収実験の結果を示す。グラフの縦軸は回収率、横軸は回収風速である。風速が 15 〜 25m/s までは回収率が90％を超えるが、回収風速が 10m/s 以
下になると急激に回収率が低くなった。回収風速 25m/s でも回収率が 100 ％にならないのは、乾式の場合は粒体の静電気、湿式は水分により粒体が傾斜面やドラフトプレートに貼りつくためと考えられる。また、回収風速 10m/s 以下で回収率が低下するのは、浴槽内部から大部分の粒体はビニールパイプ内に吸引されるものの、サイクロンの入口高さまで到達せず、ビニールパイプ内にプラグを形成するためである。
湿式の場合、回収率は回収風速 10 〜 25m/s において乾式より低くなる。また、粒体の量が増えると回収率が低くなる。これは水分を含んだ粒体は、静電気による貼りつきとは違い、傾斜板
だけでなく粒体同士も貼りつくためである。粒体の量が多くなると、粒体回収用スペースに粒体が入りきらず、図4‑6に示すように、ドラフトプレートと傾斜板の間で粒体同士が貼りつき、粒体の塊ができてしまう。一度、粒体の塊ができてしまうと粒体がブリッジを形成してしまい、浴槽内から回収されなくなってしまう。
実際の入浴装置では、高い風速で粒体を回収すると、浴槽内の温度が下がるため、実際に回収を行う場合には、風速が低く回収率の高い 15 〜 20m/s で回収するのが望ましい。
試作2号機では、粒体の量は3〜4l、ノズル長さは約 900mm である。ノズル長さ100 mm の実験装置に粒体 2000 個(体積 520ml )を投入することは、試作2号機での粒体量4.68 L に相当する。そのため、 2000 個の結果が実際の浴槽に反映されると考えられる。粒体が 2000 個になると、湿式の 2 つの結果が 1000 個の場合より低くなる。実際の装置では水を使うため、湿式での回収率を上げる対策を考える必要がある。また、実験に使用したサイクロンは直径 200mm、高さ 500mm
でありサイクロンとしては小型であるが、実際に装置に設置するにはスペースを取りすぎる。そこで、配管内にフィルタを取り付ける粒体回収機構について検討する。
4.3.2

配管を利用した粒体回収機構による粒体回収結果

配管内にフィルタを取り付けた粒体回収実験は湿式のみについて行った。実験に使用した粒体
はサイクロンによる回収実験と同じものを使用した。回収風速は 25 、 20 、 15m/s とした。
図 4-7 に球状ゲル 1000 個と 2000 個の場合の回収実験結果を示す。グラフの縦軸は回収率、横軸は回収風速である。グラフ上には比較のため、サイクロンによる湿式での球状ゲル 1000 個と2000 個の回収率を示している。
この結果より、球状ゲル 1000 個の場合ではどの回収風速でも 90 ％以上の回収率が得られ、サイクロンによる回収率と比較してもほとんど差は無かった。しかし、球状ゲル 2000 個を使用した場合ではどの回収風速においても、 1000 個の場合より回収率が大幅に下がった。その原因としてノズルの下に設けた粒体回収スペースが小さすぎ、球状ゲル 2000 個を浴槽内に入れると、噴流化終了後に傾斜板上やドラフトプレートの接合部に粒体が残るためである。そのため、粒体回収スペースに入りきらなかった湿り気を帯びた粒体が、浴槽の隅やドラフトプレートの接合部にブリッジを形成し、回収率が低くなると考えられる。一方、粒体回収スペースに入りきる球状
ゲル 1000 個の場合の回収率は高いので、本回収機構を試作 3 号機に組み込む事に特に問題はな
いと思われる。
4.4

結言

粒体を自動的に回収する機構について実験を行い、以下の結果を得た。

- 18 -

( 1 ) 両機構ともに、回収風速 10m/s 以上であれば 90 ％以上の粒体が回収可能である。
( 2 ) 両機構ともに、湿式では乾式より回収率が低くなる。
( 3 ) 配管内にフィルタを取り付けた回収機構では、粒体回収スペースを設けることで粒体を90%以上回収可能である。
これらの結果より、配管を利用した粒体回収機構では、洗浄に使用する粒体が入りきる十分大
きな粒体回収スペースをとることで 、回収風速 15 〜 25m/s でサイクロンと同等の高い回収率( 90%以上)が得られると予想される。すなわち、配管を利用した回収機構を使用することでスペースをとるサイクロンなどの回収装置を設置することなく、粒体の自動回収が可能であることが分かった。また、サイクロンの場合も配管を利用した回収機構の場合も、粒体のブリッジ形成が粒体の自動回収において問題となる。したがって、この点についても今後、試作 3 号機を製作する場合に配慮する必要がある。

浴槽

浴槽正面図
サイクロン

傾斜板

粒体回収

80
止端部
目くら板
切り替え弁

20

送風機

： 通常運転

単位：mm

： 回収

(a) サイクロンによる粒体回収機構
浴槽

浴槽正面図
ティーズ

切り替え弁

傾斜板
粒体回収

80
止端部 目くら板

送風機

20： 洗浄運転： 粒体回収運転(b) 配管を利用した粒体回収機構
図 4-1

粒体回収用実験装置- 19 -

単位：mm

ドラフトプレート

25

傾斜

0
15
20

傾斜板
20

(a) ノズル周り
20

上面図

傾斜
30 側面図2525

100

単位： mm150(b) ノズル

図 4-2

粒体回収装置のノズル周り

入口圧力測定穴
出口圧力測定穴

l

d

h
D

975

L

ガイド
H

記号
d
D
H

寸法(mm)
50
240
300
図4‑3

記号
L
l
h
サイクロン

- 20 -

寸法(mm)
200
100
50

ティーズ

ティーズ

金網

浴槽側

粒体
送風機側

金網

浴槽側

送風機側

空気の流れ

空気の流れ
845

切り替え弁
閉

切り替え弁
開

845

貯槽

貯槽
回収

粒体回収運転洗浄運転
図 4-4

粒体回収機構120

100

回収率(%)

80

乾式
湿式

60
40

20
0
5

10

15

20

25

30

回収風速(m/s)(a) 球状発泡ゲル1000個の場合

120
100

回収率(%)

80
60

乾式
湿式

40
20
0
5

10

15

20

25

回収風速(m/s)(b) 球状発泡ゲル 2000 個の場合
図4‑5

サイクロンによる粒体の回収率- 21 -

30

空気
ドラフトプレート
粒体
傾斜板

粒体回収

粒体回収前

粒体回収後
図 4-6

粒体のブリッジ120

100

回収率(%)

8060

球状ゲル1000個（配管利用)
球状ゲル2000個(配管利用)
球状ゲル1000個(サイクロン)
球状ゲル2000個(サイクロン)

40

20

0
10

15

20

25

回収風速(m/s)

図 4-7

粒体回収機構による粒体回収率- 22 -

30

5章
5.1

バッファータンク除去による浴槽の小型化
緒言

試作 2 号機の浴槽前部に設けられていたバッファータンクを除去することによって、浴槽の大幅な小型化が可能となる。しかし、バッファータンクを除くと空気が整流されず、ノズル出口風
速がノズル長手方向で均一にならない。また、本装置では浴槽の構造上、浴槽前部に流入口が設置されているため、空気はノズルから斜め後方に向けて吹き上がる。このため、身体前面及び下半身に粒体が当たり難くなり、身体前面、下半身の洗浄率が低くなる。さらに、空気が斜め後方へと流れるため、浴槽内の粒体が浴槽後部へ吹き溜まり、噴流中の粒体密度が低くなって洗浄効
果そのものが下がってしまう。そこで、ノズル出口風速を均一にし、ノズルから斜め後方への空
気の吹き上がりを抑制するため、ノズル下部にガイドベーンを設置した。
ノズル前部から斜め後方へと吹き出す流れに対してガイドベーンが及ぼす影響を見るため、噴流化を行った後のノズル長手方向の粒体分布を測定した。さらにガイドベーンを設置した場合の噴流状況、ドラフトプレート上端での風速分布を測定し、ガイドベーンの効果について調べた。
また、装置の高さを低減するため、ノズル下部に設けた水の吹き上げを防止するためのスペー
スを小さくした場合、ガイドベーンの効果がどう変化するかについても調べた。
5.2

実験装置及び方法

実験には 3 章で用いた実機型実験装置を使用した。ノズル出口風速を均一にするため、ノズル下部にガイドベーンを設置した。図 5-1 にガイドベーンの形状と設置位置を示す。ガイドベーン
はアクリル板で製作し、ノズル前端より 70mm の位置に垂直に設置した。
図 5-2 にドラフトプレート上端中央での風速の測定位置と測定ピッチを示す。測定位置はドラ
フトプレート上端、プレート間の中心とした。測定ピッチはノズル長手方向の粒体分布と比較するため、ドラフトプレート前端部から 50mm の位置から長手方向に 150mm ピッチとした。また
ガイドベーンの影響を見るため、ドラフトプレート前端部と前端部から 100mm の位置の風速も合 わ せ て 測 定 し た 。 風 速 は 熱 線 風 速 計 ( 日 本 カ ノ マ ッ ク ス 株 式 会 社 製 ANEMOMASTER
MODEL6141 )を用いて測定した。測定の際には前部と後部のドアは開け放しにした。
ノズル長手方向での粒体の分布状態からガイドベーンの効果を確認した。粒体のノズル長手方向での分布状態を見るために、噴流化後の浴槽底部の粒体分布を測定した。浴槽底部をノズルに沿って 150mm ピッチで仕切り板を設置して区切り、ポリスチレン球 1L を各区間に均一に入れ、噴流化を 3 分間行った後、各ピッチ間の粒体の重さを測定した。図 5-3 に仕切り板形状と配置を示した。空気流量は 57.2m3/min (ノズル幅を代表長さ、ノズル出口での平均風速を代表速度とした場合のレイノルズ数： 70181 )一定で実験を行った。
5.3
5.3.1

実験結果
ノズル出口風速の均一化に及ぼすガイドベーンの効果

写真 5-1 にガイドベーンを設置しない場合の噴流状況と噴流化終了後のノズル上での粒体分布状況を示す。これより、ガイドベーンを設置しない場合、浴槽中心から後部では粒体が浴槽頂部まで吹き上がっているが、浴槽前部では浴槽頂部まで吹き上がる粒体がほとんど見られない。また、噴流化後のノズル上での粒体分布写真から噴流化を行った後、粒体はノズル後部へ溜まっていることが分かる。これは、ノズル前部で流れが斜め後方へと吹き出しているためであると考え- 23 -

られる。
ガイドベーンを設置した場合の浴槽の圧力損失について表 5-1 に示す。測定結果よりどの大きさのガイドベーンを設置した場合でも、浴槽の圧力損失は 1.5kPa であり、ガイドベーンによる圧力損失への影響は見られない。
図 5-4 にガイドベーンを設置しない場合と設置した場合のドラフトプレート上端での風速分布

表 5-1

ガイドベーンを設置した場合のを示す。図 5-4 の縦軸にはドラフトプレート上端

浴槽の圧力損失

中央での風速をとり、横軸にはドラフトプレー

ガイドベーン 圧力損失(kPa)無し
1.5
62×100mm
1.5
62×200mm
1.5
62×300mm
1.5

ト上端長手方向の位置をとった。ガイドベーンを設置しない場合、 0mm と 50mm の位置での風速は他の部分の風速よりも大幅に低くなっている。ガイドベーンを設置した場合ではガイドベーンの種類によらず、ドラフトプレート前端部(縦幅×横幅)と 50mm の位置での風速が増加している。特に、前端から 50mm の位置での風速が大幅に増加して お り 、 100mm 以 降 の 風 速 と ほ ぼ 同 程 度 の 風 速 と な っ て い る 。 ド ラ フ ト プ レ ー ト 前 端 部 か ら
100mm の位置では 62 × 100mm のガイドベーンを設置した場合、ガイドベーンを設置しない場合
よりも風速が落ちているのが分かる。これは、流入口からの流れに垂直にガイドベーンを設置したため、流れのガイドベーンからの剥離が起こり、ガイドベーン直後となる 100mm の位置では風速が落ちるのが主な原因であると考えられる。しかし、ガイドベーンの幅を 200mm 以上にすると 、ドラフトプレート前端から 100mm の位置では風速が落ちず 、全体的に均一な風速となる 。
どのガイドベーンを設置した場合でも、ドラフトプレート前端部での風速が低いのは、測定位置がノズルの端面に近すぎるためだと考えられる。この結果より、ガイドベーンの幅が 200mm の場合が最もノズル出口風速が均一になっており、幅が 200mm 以上となると、ドラフトプレート
長手方向での風速の均一化に変化は見られ無くなることがわかる。
図 5-5 にガイドベーンの有無によるノズル長手方向での粒体の分布状態を示す。図 5-5 の縦軸には各ピッチごとの粒体の重さと粒体の総重量との比をとり、横軸にはノズル長手方向の位置をとってある。これより、ガイドベーンが無い場合、ノズル後部に粒体が多く溜まり、ノズル前部に粒体が少ないことがわかる。ガイドベーンを設置した場合も同じ傾向であるが、前端部と後端部の差が少なく、ガイドベーン無しの場合と比べてやや均一化されている。横幅 200mm のガイ
ドベーンでの粒体分布が最も良く、ガイドベーンの横幅を 300mm にしても、ノズルから斜め後方へ向けての流れを抑制する効果は上がらなかった。しかし、横幅 200mm のガイドベーンを設置した場合でも、ノズル後部の粒体がノズル上の他の部分での粒体よりも多く、ノズル前部から斜め後方への吹き上げを完全に抑制することは出来なかった。
写真 5-2 にガイドベーンを設置した場合の噴流状況について示す。噴流状況を比較するため、流入流量を 34.3m3/min とした。噴流状況は、縦幅 62mm、横幅 100 、 200mm のガイドベーンについて示す。噴流状況は浴槽内に球状ゲル 4L を入れて、噴流化を行った。これより、横幅 100mmのガイドベーンの場合では浴槽前部での粒体の吹き上がりが、横幅 200mm のガイドベーンの場合に比べて少ない。横幅が 200mm のガイドベーンでは浴槽前部で十分粒体が吹き上げている。
写 真 5-3 に 浴 槽 内 に 人 体 を 想 定 し た マ ネ キ ン を 設 置 し た 場 合 の 噴 流 状 況 を 示 す 。 流 入 流 量
57.2m3/min での噴流状況は、ガイドベーンを設置しない場合と横幅 200mm のガイドベーンを設置した場合である。これより、浴槽内にマネキンを設置すると、噴流が影響を受けて、噴流状況が- 24 -

変化する。浴槽中央にマネキンが設置されることにより、ガイドベーンを設置した場合ではしない場合と比べて、粒体の噴流高さとしては大きな違いは見られないが、ガイドベーンを設置した
場合では背中の部分の噴流中の粒体密度が低く、浴槽前部での噴流中の粒体密度が大きくなっているのがわかる。ドラフトプレート上端でのノズル長手方向の風速分布の測定結果、噴流化終了
後のノズル長手方向での粒体分布及び粒体噴流化の状態から判断すると、ガイドベーンの横幅は200mm 以上必要である。
5.3.2

ガイドベーンとノズル下部スペースの関係

ノズルより下部のスペースを小さくした場合 、ガイドベーンの縦幅を短くしなくてはならない 。
ノズル下のスペースとガイドベーンの効果との関係を明確にするため、ガイドベーンの縦幅を短くした場合のガイドベーンの効果について調べた。図 5-6 にガイドベーンの縦幅を変えた場合のドラフトプレート上端中央での風速について示す。ドラフトプレート前端と 50mm の位置での風速を比べると、縦幅 30mm のガイドベーンの方が縦幅 62mm のガイドベーンよりもやや低くなっているものの、 100mm 以降では差は見られない。
図 5-7 にノズル長手方向の粒体分布を示す。縦幅 30mm のガイドベーンでは縦幅 62mm のガイ
ドベーンよりもノズル前部から中央の粒体分布が低くなっており、ノズル後部での粒体分布が上がっている。
写真 5-4 に噴流状況を示す。縦幅 30mm のガイドベーンを設置した場合では縦幅 62mm のガイ
ドベーンを設置した場合に比べて、浴槽前部の噴流中での粒体密度が低い。これはガイドベーンの縦幅を小さくすることで、浴槽底部からガイドベーンまでのスペースが大きくなり、空気がノズルから斜めに吹き上がるのを抑える効果が低くなるため、前部の噴流中の粒体密度が低くなると考えられる。これらから、ガイドベーンの縦幅を短くした場合、ガイドベーンの効果が小さくなることが分かった。
次に、現在設計・製作中の試作 3 号機ではノズル下のスペースが実機型実験装置よりも小さい
ため、浴槽底面からノズルまでの高さを減じた場合のガイドベーンの効果について調べた。浴槽
底面に発泡スチロールを敷くことで浴槽底面からノズルまでの高さを減じた。浴槽底面からノズ
ルまでの高さは 134mm から 79mm に小さくした。ガイドベーンは縦幅 30mm 、横幅は 200mm と400mm の 2 種類を用いて実験を行った。図 5-8 に浴槽底部の高さを低くした場合のドラフトプレ
ート上端中央での風速分布 、図 5-9 にノズル長手方向の粒体分布の実験結果を示す 。図 5-8 、図 5-9には浴槽底部からノズルまでの高さを減らさず、ガイドベーン 30 × 200mm を設置した場合の結果(■で表している)とノズルまでの高さを減らした場合の結果とを比較している。図 5-9 から、ノズル長手方向の粒体分布は 、ガイドベーンの幅を変えてもほとんど変わらないこいとがわかる 。
図 5-8 から、ドラフトプレート上端中央での風速はガイドベーンの横幅が 200mm の場合、ドラ
フトプレート前端から 50mm の位置での風速が大きく上がっていることがわかる。ガイドベーンの横幅が 400mm の場合、前端から 50mm の位置での風速の増加は見られず、前端から 800mm の位置での風速が下がっている。ノズル長手方向の粒体分布及びドラフトプレート上端中央での風速分布から、ノズル下の高さを低くするとガイドベーンの効果が小さくなるということが分かっ
た。
5.4

結言

ノズル出口風速の均一化に及ぼすガイドベーンの効果を調べ、次のことが分かった。

- 25 -

( 1 ) ガイドベーンを設置することによって、バッファータンクを除いても、ノズル出口風速を均一化することができる。
( 2 ) ガイドベーンの横幅は 200mm のものが最も効果が高かった。
( 3 ) ガイドベーンの縦幅を小さくするとガイドベーンの効果は小さくなる。
( 4 ) ノズル下のスペースを小さくするとガイドベーンの効果は小さくなる。
( 5 ) ノズル長手方向での粒体分布の実験から、ガイドベーンを設置しても、ノズルからの斜め後方への吹き上げを完全に抑制できないことが明らかになった。
これらの結果から、バッファータンクの除去後にノズル長手方向のノズル出口風速を均一化す
るには、横幅 200mm 以上のガイドベーンをノズル下部に設置すればよい、ということが分かった。ノズルからの斜め後方への吹き上げについては、ガイドベーンを設置しても完全には抑制できなかった 。しかし 、噴流状況を見る限り 、浴槽前部での噴流中の粒体密度は十分高いといえる 。
これにより、ガイドベーンを設置することで、バッファータンクを除去し、浴槽の容積を 31% 低減できることが明らかになった。

縦幅

T

L

横幅

T×L=62×100mm
62×200mm
62×300mm
30×300mm
30×400mm(a) ガイドベーン
ノズル

流入口

ジｸﾞ
70
ノズル下
単位：mm

ガイドベーン側面図

正面図(b) 浴槽底部の形
図 5-1

ガイドベーンの形状と設置位置- 26 -

後部
ドラフトプレート

熱線風速計
測定位置

800
650

ノズル

500
350
200

原点

50

前部

正面図

上面図

単位： mm

図 5-2

ドラフトプレート上端、プレート間中心の風速測定位置

後部

900

ノズル

750
600

傾斜板
530

450
300

100

原点
150

仕切り板

前部

仕切り板の位置

仕切り板の形状
単位： mm

図 5-3

ノズル底部の仕切りピッチと仕切り板- 27 -

浴槽前部

浴槽前部

→ノズル長手方向

浴槽後部

浴槽後部

ガイドベーンを設置しない場合の噴流状況
写真 5-1

噴流化後のノズル上の粒体分布

ガイドベーンを設置しない場合の粒体の挙動

ドラフトプレート上端中央での風速(m/s)

30

25

20

15

縦幅 横幅

ガイドベーン(62×300mm)
ガイドベーン(62×200mm)
ガイドベーン(62×100mm)
ガイドベーン無し

10

ガイドベーン設置位置
5

0
0

100

200

浴槽前部

300

400

500

600

700

ドラフトプレート長手方向の位置(mm)
図 5-4

ドラフトプレート上端長手方向の風速- 28 -

800

900

浴槽後部

各ピッチ間の粒体の量/粒体の総重量

0.45

縦幅 横幅
ガイドベーン(62×300mm)
ガイドベーン(62×200mm)
ガイドベーン(62×100mm)
ガイドベーン無し

0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0

100

200

300

浴槽前部
図 5-5

前部

400
500
ノズル長手方向の位置

700

800

900

浴槽後部

ノズル長手方向の粒体分布

後部

前部

ガイドベーン( 62 × 100mm)
写真 5-2600

後部
ガイドベーン( 62 × 200mm)

ガイドベーンを設置した場合の噴流状況- 29 -

前部

後部

前部

ガイドベーン有り( 62 × 200mm)
写真 5-3

後部
ガイドベーン無し

浴槽内にマネキンを設置した場合の噴流状況

ドラフトプレート上端中央での風速(m/s)

30

25

20

15

10

縦幅 横幅

ガイドベーン(30×200mm)
ガイドベーン(62×200mm)

ガイドベーン設置位置
5

0
0

100

浴槽前部
図 5-6

200

300

400

500

600

ドラフトプレート上端長手方向の位置(m/s)

700

800

900

浴槽後部

ガイドベーンの縦幅を変えた場合のドラフトプレート上端長手方向の風速- 30 -

0.45

各ピッチ間の粒体の量/粒体の総重量

0.4

縦幅 横幅

ガイドベーン(30×200mm)
ガイドベーン(62×200mm)

0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0

100

200

400

500

600

700

ノズル長手方向の位置(mm)

浴槽前部
図 5-7

300

800

900

浴槽後部

ガイドベーンの縦幅を変えた場合のノズル長手方向の粒体分布

前部

後部

前部

ガイドベーン( 30 × 200mm)
写真 5-4

後部
ガイドベーン(62 × 200mm)

ガイドベーンの縦幅を変えた場合の噴流状況- 31 -

ドラフトプレート上端中央での風速(m/s)

30

25

20

15

縦幅 横幅

10

ガイドベーン(30×200mm)
ガイドベーン(30×400mm)
ガイドベーン(30×200mm)

ガイドベーン設置位置
5

0
0

100

200

400

500

600

700

800

ドラフトプレート上端長手方向の位置(mm)

浴槽前部
図 5-8

300

900

浴槽後部

ノズル下部の高さを減じた場合のドラフトプレート上端長手方向の風速

0.6

各ピッチ間の粒体の量/粒体の総重量

縦幅 横幅

ガイドベーン(30×200mm)
ガイドベーン(30×400mm)
ガイドベーン(30×200mm)

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0
0

100

浴槽前部
図 5-9

200

300

400

500

600

700

800

ノズル長手方向の位置(mm)ノズル下部の高さを減じた場合のノズル長手方向の粒体分布- 32 -

900

浴槽後部

6章
6.1

洗浄効果に及ぼす反射板、ガイドベーンの影響
緒言

バッファータンクを除いた場合 、洗浄効果にどのような影響が生じるかについて調べるために 、
以下に示す実験方法及び装置を用いて洗浄実験を行った。洗浄結果を図 6-1 に示す。これより、バッファータンクを除くと下半身で最大 56.5% 、平均 23.5% 、上半身では最大で 29.1% 、平均 17.7%しか洗浄されないことが分かった。これは、ノズル長手方向でのノズル出口風速の不均一が原因であると考えられる。先にも述べたとおり、バッファータンクを除くと空気は斜め後方へと吹き上がり、浴槽前部での噴流中の粒体密度が低くなる。また、粒体が浴槽後部に溜まるため噴流中の粒体密度が下がり、洗浄効果が下がる。特に、背中と腹の洗浄率が低い。
そこで 、ノズル出口風速を均一化し 、身体洗浄の効果を上げるためにガイドベーンを設置した 。
また、腹と背中に直接粒体を当て、腹と背中の洗浄効果を上げるために浴槽内に反射板を設置した。この章では、ガイドベーン及び反射板が洗浄効果に与える影響について調べた。
6.2

実験装置及び方法

実験装置は 3 章で用いたものと同じ実機型実験装置を使用した。身体前面と背面の洗浄効果を上げるために、前面と背面に粒体を反射させる反射板を設けた。図 6-2 に反射板を設置した浴槽を示す。前部の反射板はアクリル板、後部の反射板はアルミで作成した。ノズルの真上には 3 章
で用いたものと同じドラフトプレートを設置した。
ガイドベーンと反射板の効果を見るため、ガイドベーンを除いた場合の洗浄効果とガイドベー
ン 、反射板の両方を除いた場合の洗浄効果を求めて両者を比較した 。ガイドベーンは縦幅 62mm 、横幅 200mm のものを使用した。ガイドベーンはノズル下部、ノズル前端から 70mm の位置に垂直に設置した。洗浄には球状ゲルを浴槽に 4L 入れ、洗浄時間 3 分、空気流量 66.2m3/min で洗浄を行った。洗浄効果を評価するため、 130 × 50mm のビニールシートに 50 × 50mm のポリウレタ
ンフィルムを貼り付けたものを試験片として用いた。試験片のポリウレタンフィルム部分には人の垢に見立てたバター(脂肪分 81% )を塗布した。洗浄率は次式で計算した。

洗浄率(%) =洗浄前のバターの重量 − 洗浄後のバターの重量× 100
洗浄前のバターの重量

浴槽内には入浴者の代わりとしてマネキンを設置した。試験片はマネキンの肩、胸、腹、上腕、前腕(内側、外側)、大腿(表側、内側、外側)、下腿(表側、裏側、内側、外側)、背中、脇腹の左右に貼り付け、洗浄を行った。写真 6-1 に試験片の位置と試験片について示す。試験片を貼る部
位には緩衝材として、厚さ 2mm のゴム板を貼り付けた。
噴流はドラフトプレートを左右に動かすことによって揺動させた 5)。反射板に粒体を当てるた
めには、噴流の揺動において左右に揺動させるだけでなく、噴流を真っ直ぐに吹き上げる必要がある。そこで、揺動方法としては図 6-3 に示すように揺動した。
6.3

実験結果

図 6-4 に洗浄結果を示す。ガイドベーンの有無によらず、上半身は下半身に比べて、洗浄率が低い 。これは上半身では下半身に比べて 、粒体の当たる数が少なく 、衝突速度も低いためである 。
また、下半身では身体の外側面の洗浄率が低い。これは、ノズルの位置や噴流の構造上、下半身の外側には粒体が直接当たり難いためであると考えられる。

- 33 -

反射板のみ設置した場合では、ガイドベーン・反射板を設置しない場合と比べても大きな違いは無かった。ガイドベーンを設置することによって、上半身の前側(胸、腹)、そして下半身の洗浄効果が高くなる。これより、ガイドベーンを設置することによって、ノズル前部の出口風速を真上に強制し、反射板に当たる粒体の数を上げ、高い洗浄効果を得られることが分かった。
背中については、ガイドベーンを設置した場合には、ガイドベーンを設置せず反射板のみ設置
した場合と比べて洗浄効果が大幅に落ちてしまう。これはガイドベーンを設置することで、ノズル前部から斜め後方への空気の吹き上げをガイドベーンが抑制してしまい、浴槽後部側の粒体の量が少なくなるためだと考えられる。これは浴槽の高さを小さくし、背中と浴槽壁面の間のスペースを広くとることにより、同じ空気流量で背中周辺に飛ぶ粒体の数を増やすことで解決できると思われる。
表 6-1 に各条件での洗浄率について示す。これより、ガイドベーン・反射板を設置した場合の洗浄率の平均値と、反射板を設置した場合の洗浄率の平均値との間に違いが見られない。反射板のみ設置した場合には 、背中の洗浄率が大幅に上がっており 、上半身前面の洗浄率が低い 。一方 、
ガイドベーンを設置した場合には背中の洗浄率が低いかわり、上半身前面の洗浄率が高くなっている。そのため、洗浄率には違いが見られないと考えられる。下半身についてはガイドベーンを設置することによって、ほぼ 2 倍の洗浄効果が得られる。
表 6-1

バッファータンクを除いた浴槽での洗浄率

平均洗浄率(%)
上半身
下半身

6.4

何も設置しない場合

17.7

23.2

反射板を設置した場合

23.8

26.2

ガイドべーン、反射板を設置した場合

25.3

51.3

結言

洗浄効果に及ぼすガイドベーン、反射板の影響を調べ、以下の結果が得られた。
( 1 ) 反射板はガイドベーンと併用することによって効果が得られる。
( 2 ) 反射板、ガイドベーンを設置することで、下半身、胸、腹の洗浄効果が上がる。
これらの結果より、ガイドベーンを設置することによって、浴槽前部の噴流中の粒体の空間密度を増加させ、ノズル後部の粒体の吹き溜まりを解消することができ、身体全体の洗浄率を上げることが出来た。また、ガイドベーンと併せて反射板を設置することにより、身体前面の洗浄率を上げることが出来た。しかし、ガイドベーンを設置することにより、浴槽後部の噴流中の粒体の空間密度が減り 、背中の洗浄率が落ちた 。今後 、背中の洗浄率を如何に上げるかが課題となる 。

- 34 -

肩 右
背中 真中 100
80
背中 左上

肩 左

下腿 左外側面
下腿 左内側面

胸 左

40

腹 右

0

前腕 左内側面

腹 左前腕 右外側面

脇 右

前腕 右内側面
上腕 左大腿 右外側面

60
40

下腿 左裏

20

前腕 左外側面

大腿 右内側面

80

胸 右

60
背中 右上

大腿 右表
100

大腿 左表

20
0

下腿 左表

大腿 左内側面

下腿 右外側面

脇 左
上腕 右

大腿 左外側面

下腿 右内側面

下腿 右表
下腿 右裏

(a) 上半身
図 6-1(b) 下半身

バッファータンクを除いた場合の洗浄効果

1150

反射板(後部)435

排出口

156×479mm
180

30°
120°

粒体

反射板(前部)

450

760

流入口

1566

500

650×550mm

310

ﾄﾞﾗﾌﾄﾌﾟﾚｰﾄ
単位：mm

図 6-2

反射板を設置した浴槽- 35 -

ゴム板

正面図

試験片

背面図
写 真 6-1

試験片の位置空気噴流
ドラフトプレート

ノズル

②

①

③

① ドラフトプレートを傾け噴流が偏向し、壁面に付着してから2秒間止める② ドラフトプレートを真ん中まで戻し、2秒間止める③ 反対方向へドラフトプレートを動かし、反対側の壁面に付着させてから2秒間止める①→②→③→②→①を繰り返す
図 6-3

噴流の揺動制御方法- 36 -

背中 真中

肩 右
100

肩 左

80

背中 左上

下腿 左外側面
下腿 左内側面

胸 左

40

腹 右

0

前腕 左内側面

腹 左前腕 右外側面

脇 右

前腕 右内側面
上腕 左

脇 左
上腕 右

60

大腿 右外側面

40
下腿 左裏

20
前腕 左外側面

大腿 右内側面

80

胸 右

60
背中 右上

大腿 右表
100

大腿 左表

20
0

大腿 左内側面

下腿 左表

下腿 右外側面

大腿 左外側面

下腿 右内側面

下腿 右表
下腿 右裏

(a) 上半身(b) 下半身●：ガイドベーン(62×200mm)、反射板有り○：ガイドベーン無し、反射板有り

図 6-4

ガイドベーン反射板を設置した場合の洗浄結果- 37 -

7.

まとめ

7.1

まとめ

粒体噴流化式身体洗浄装置の試作 2 号機による介護施設での実証試験の際に指摘された実用化への 3 つの技術的課題のうち、①循環方式の採用、②配管を利用した粒体の吸引回収方法、③バッファータンクの除去について、基礎実験及び実機規模での実験を行い、以下の結果を得た。これらの研究成果は試作 3 号機の設計のために極めて有益なものになると考える。
2 章では試作 2 号機を製作し、高齢者介護施設で実証試験を行って得られた技術的課題を整理し、次の 3 つに集約した。
( 1 ) 浴槽内圧力の低減(首周りの窮屈感の改善)( 2 ) 粒体の自動回収( 3 ) 浴槽の小型化
3 章では、浴槽内の圧力を低減し、首周りの窮屈感を改善するため、①押し込み方式での排出口断面積の拡大による浴槽内圧力の低減方法と、②温風の循環方式を用いた浴槽内圧力の低減方法について実験を行い、両者を比較検討し、次の結果を得た。
( 1 ) 押し込み方式でも排出口断面積をノズル断面積の 7 倍以上にすれば浴槽内圧力を大気圧程度まで低減することができる。
( 2 ) 循環方式を採用することによって、排出口断面積を大きくすることなく浴槽内圧力を大気圧程度まで低減できる。
( 3 ) 循環方式を使用することにより、ヒーターの使用を制限し、エネルギーを削減できる。
( 4 ) 循環方式の方が本研究開発の洗浄装置には適している。
4 章では粒体回収時にかかる時間と人手を省くために、粒体の自動回収機構としてサイクロン
及び配管を利用した回収機構について実験を行い、以下の結果を得た。
( 1 ) 回収風速 10m/s 以上であれば 90 ％以上の粒体が回収可能である。
( 2 ) 湿式では乾式より回収率が低くなる。
( 3 ) 配管中にフィルターを設ける方式を利用した場合、十分大きい粒体回収スペースを設けることで粒体を 90% 以上回収可能である。
5 章では 、バッファータンクを除去することによって生じるノズル出口風速の不均一化を防ぎ 、ノズルから斜め後方へと吹き上げる流れを抑制することを目的として、ノズル下部にガイドベーンを設置し、ガイドベーンがノズル出口風速へ与える影響について調べ、以下の結果を得た。
( 1 ) ガイドベーンを設置することによって、ノズル出口風速の均一化することができる。
( 2 ) ガイドベーンの横幅は 200mm のものが最も効果が高い。
( 3 ) ガイドベーンの縦幅を小さくするとガイドベーンの効果は小さくなる。
( 4 ) ノズル下のスペースを小さくするとガイドベーンの効果は小さくなる。
( 5 ) ガイドベーンを設置することにより、バッファータンクを除去でき、浴槽の容積を 31%
小型化することができる。
6 章ではガイドベーンと浴槽内に設置した反射板が洗浄効果に与える影響について調べ、以下の結果を得た。
( 1 ) 反射板はガイドベーンと併用することによって効果が得られる。
( 2 ) 反射板、ガイドベーンを設置することによって、下半身、胸、腹の洗浄効果が上がる。
これらの結果は試作 3 号機の設計に生かされて、現在製作中である。

- 38 -

7.2

今後の課題

今後の課題として、( 1 ) 下半身の外側面及び背中の部分の洗浄効果を上げるための方策の検討( 2 ) 上半身の洗浄効果を下半身と同程度まで上げるための方策の検討が挙げられる。背中の洗浄率を上げるためには、浴槽の高さの低減及び背中と浴槽後部壁面との間に十分なスペースを設けることで改善を図る。上半身の洗浄効果についても浴槽の高さを低減することにより、改善することができると考えられる。これらの改善対策は試作 3 号機において実施する。

- 39 -

謝辞
終わりに、本研究を行うにあたって終始懇切丁寧なご指導、適切なご助言を頂きました高知工科大学、横川明教授、高知県工業技術センター、本川高男氏、兼松エンジニアリング㈱、山中義也氏、松本泰典氏に対しまして、深く感謝の意を表します。また、実験に協力いただいた横川研究室のメンバーの方々に対して心からお礼申し上げます。

- 40 -

参考文献
1 )横川明ほか

ヒューマンフレンドリー・ロボット PHASE2 ，高知工科大学研究報告 (2001 )，11-20 .
2 )楠目隆やまだ荘だより，第 6 号，( 2001 )， 1-4.

3）本川高男，横川明，光森琢真，山崎敬一，山中義也，松村次展

粒体噴流化式身体洗浄における粒体物性の影響，噴流工学，Vol.18，No.1 (2001)，16-22.
4)本川高男，横川明，光森琢真，山崎敬一，山中義也，松村次展
開発(第1報粒体噴流化式人体洗浄装置の2次元空気噴流構造と粒体による洗浄効果)，設計工学，Vol.36，No.4 (2001年4月)，

28-34.
5)本川高男，横川明，光森琢真，山崎敬一，山中義也，松村次展
について，噴流工学，Vol.18，No.1 (2001)，9-15.

- 41 -

粒体噴流による身体の均一洗浄