JP2000205200A

JP2000205200A - 気泡ポンプ装置

Info

Publication number: JP2000205200A
Application number: JP11001428A
Authority: JP
Inventors: Noboru Niihara; 登新原; Takahiro Ohashi; 隆弘大橋
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 1999-01-06
Filing date: 1999-01-06
Publication date: 2000-07-25

Abstract

(57)【要約】【課題】大量の気体を液体中に微細な形で混合し分散
させることで液体の速度を効率よく確実に増加させ節液
体化を図るとともに、噴出した液体を十分に制御された
連続流で提供することにより従来の液体のみで洗浄する
場合と同じように洗浄できる液体を供給することが可能
であり、さらにこれらをエネルギー損失が少なく高効率
に行うことができる気泡ポンプ装置を提供する。【解決手段】液体管路中に気体取入口を備え液体中に
気体を混入し混合する気体混入混合装置を設け、前記気
体混入混合装置には気体取入口に連通し気体を液体中に
分散させる気泡分散機構を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液体吐出装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】特開平９−２３６１００、特開平９−２
０９９９８では液体そのものに大きな熱エネルギーを与
えることで液体を蒸発させ、発生した気泡によりポンプ
として機能する液体加熱装置が開示されている。

【０００３】また特開平４−２０３４９８、特開平４−
２０３４９９にみられるように、気体を液体中に加圧溶
解し、その後減圧することにより微細気泡を析出させ、
浴槽や液体槽の洗浄及び養魚槽の酸化等に用いる微細気
泡発生装置が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】液体に蒸発潜熱を与え
ることで気泡を発生させ、圧力ヘッドを得るポンプ装置
においては、液体を蒸発させるために必要なエネルギー
が甚大であることから、ポンプそのものとしての機能よ
りも伝熱の付与的効果として利用されていることから、
ポンプとしてみた場合には装置全体が大型化しエネルギ
ーを浪費するものであった。また伝熱をかならず伴うこ
とから、液体そのものの温度制御が困難であり、低い温
度の液体に適用した場合にはポンプとして機能しないこ
ともあり、また発生させる気泡量や大きさが伝熱量や温
度により定められるため、ポンプの能力を決定付ける気
泡径や気泡量を任意に制御できず、もっぱら特殊な用途
に使用目的が限定されていた。

【０００５】気体を液体中に加圧溶解させ、その後減圧
して微細気泡を得る装置においては、気体及び液体を加
圧するための大型のタンク装置が必要であり、ポンプ能
力を高めることを目的として大量の気体を溶解させるに
は加圧に要するエネルギーも大きなものとなり、ポンプ
の総合効率としては非常に低いものであった。

【０００６】本願発明の発明者は液体に気体を混入する
気体混入混合装置における気泡分散機構の表面開孔の構
造を規定することにより液体中に微細な単独気泡を大量
に安定して分散混入することができ、これによって気体
の持つ運動量を効率よく確実に液体に伝達しうることを
見出した。本願発明は係る知見に基づくものであり、微
細な気泡を大量に液体中に分散混入させることにより、
液体の運動量を効率よく確実に増加させることにより液
体の速度を大幅に向上させ、効率よく機能するポンプ装
置に関するものである。

【０００７】液対中に単に気体を混入させただけでは、
気体を大量に混入させた場合の気液二相流の流動様相は
スラグ流あるいは環状流となり、液体速度よりも気体速
度が非常に大きく液体への運動量伝達が有効に行われな
い。

【０００８】このように従来の気体混入機構では大量の
気体を細かくすると同時に液体中に均一に分散させる手
段を持たないために、混合後の流動様相が環状流やスラ
グ流となり気体から液体へのせん断による運動量伝達が
進まず気体は大きな速度を保ったまま液体よりも高速に
流れ去る。このような状態では液体の速度が上昇しない
ばかりか、液体のみの単相流と比較して気体塊が存在す
ることにより圧力損失が増えるために失うエネルギーも
大きくポンプ効率も低い。

【０００９】スラグ流、環状流は気相と液相が完全に独
立しているために、また噴霧流はエネルギーを有する液
相が細かく分離しているために、これらを大気中に放出
した場合は大きな振動や騒音を発生したり、管路で輸送
する場合にはその振動により壁面を摩耗させたり不要な
固体伝播振動や固体伝播騒音を発生させていた。

【００１０】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、本発明の目的は、大量の気体を液体中に微
細な形で混合し分散させることで液体の速度を効率よく
確実に増加させ節液体化を図るとともに、噴出した液体
を十分に制御された連続流で提供することにより従来の
液体のみで洗浄する場合と同じように洗浄できる液体を
供給することが可能であり、さらにこれらをエネルギー
損失が少なく高効率に行うことができる気泡ポンプ装置
を提供することにある。また本発明によれば、スラグ
流、環状流や噴霧流のように不安定な挙動を示さない安
定した連続気泡流であるため、不要な振動や騒音を発生
させることが無い。また大量の微細な気泡を液体中に分
散させるために、気液の接触界面積が非常に大きくとれ
流動様相も安定なので化学反応や物理溶解の場としても
使用することができる。同時に高効率な気泡ポンプとし
て機能するので低駆動圧で作動することが可能な気泡ポ
ンプ装置を提供することが可能である。

【００１１】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は上記課
題を解決するために、大量の気泡を微細化し液体中に分
散混入させることにより、気泡の生成、分散、混合が同
時に進行するので、気体の運動量を液体に確実に伝達す
ることにより液体を十分に制御された連続流で提供する
ことにより、エネルギー損失が少なく高効率に作動する
気泡ポンプ装置を提供することにある。

【００１２】請求項１、２においては、液体に気体を混
入させるのに気泡分散機構を設けたので、流動液体中に
混入した気体が気泡となる過程で独立気泡を保ったま
ま、周囲の気泡との合一を抑止できる。気泡の合一を防
止すればスラグ流、環状流や噴霧流となることなく気体
の運動量を液体に伝達することができるため、高効率で
作動する気泡ポンプ装置を得ることができる。

【００１３】請求項３においては、平均直径が１００μ
ｍ乃至１０００μｍの微細な気泡を液体中に供給する微
細気泡供給手段を設けたので、気泡の剛性が高く変形し
にくいので気泡合一を起こしにくく安定した気泡流を得
ることができ、液体中で不要な運動を起こさないのでエ
ネルギー損失も少なく、騒音や振動を防止することがで
きる。また気液接触界面積が大きく取れるので、気体を
液体中に溶解させる物理溶解や、気体と液体の化学反応
を行なう場を提供するも可能である。

【００１４】請求項４においては、気泡分散機構の液体
に接している面の開孔を多数分割された独立開孔で構成
したので、流動液体中に混入した気体が気泡となる過程
で独立気泡を保ったまま、周囲の気泡との合一を抑止で
きる。さらに気泡は所定の気泡径となるまで成長し、流
動している液体のせん断力がこのせん断力と逆方向に作
用する気液の界面張力により発生する力を上回ったとき
に、気泡は気泡分散機構の開孔部から離脱し液体中に分
散する。気泡は流れの乱れにより拡散し管内に均一に分
散するが、この気泡が流動液体中に分散する過程で合一
の無い微細な気泡の移動速度は迅速に液体速度とほぼ同
一となり、液体の速度は質量保存に従い上昇する。また
小さな径の気泡形状は球形に近く、また剛性も高いので
変形や合一が発生しにくく単独気泡のまま流動液体中に
拡散してゆく。このようにして気体混入混合装置におい
て微細な気泡を生成し同時に液体と混合することによ
り、気体の持つ運動量を液体側に迅速に伝達しエネルギ
ーのロスなく気泡ポンプとして機能させることが可能で
ある。

【００１５】請求項５においては、開孔部の開孔配置を
略格子状に規則的としたので、単位面積当たりの開孔数
を増やすことができ、発生する気泡間の距離を均一に保
つことができるので、気泡生成時に連続気泡となりにく
くスラグ流や環状流となりにくいので、確実に液体に運
動量を伝達できる。また開孔密度を増やすことにより気
泡分散機構の小型化も可能である。

【００１６】請求項６においては、気泡分散機構の開孔
部が液体管路形状に沿って延長されたので、流れを乱し
たり流れのよどみを発生させたりすることなく気泡を分
散混入可能である。なお流れに乱れやよどみが発生する
と、気泡の接触機会が増加したり滞留時間が増えるの
で、気泡合一が発生しやすく気泡の大径化を起こしやす
い。

【００１７】請求項７においては、気泡分散機構の開孔
部を液体管路壁面に設けたので、流れを乱したり流れの
よどみを発生させたりすることなく気泡を分散混入可能
である。なお流れに乱れやよどみが発生すると、気泡の
接触機会が増加したり滞留時間が増えるので、気泡合一
が発生しやすく気泡の大径化を起こしやすい。

【００１８】請求項８においては、気体混入混合装置を
ポンプ装置として機能させるので、気体側のエネルギー
を液体に伝達させることにより、より少ない圧力での駆
動が可能となるので、装置全体の小型化を図ることがで
きる。

【００１９】請求項９においては、気体混入混合装置で
の気体混入比率を４以下とするので、気泡の合一が発生
しにくくスラグ流や環状流となることなく、効率よく節
液体化が図れ、使用感にも優れる。

【００２０】請求項１０においては、気泡分散機構を略
球状粒子の集合体で構成したので、球状粒子の充填率を
高めやすく、開孔部の形状を均一とできるので、開孔同
士が連結した連続開孔となりにくい。開孔が独立してい
るので、気泡が独立気泡となりやすく環状流やスラグ流
となりにくい。

【００２１】請求項１１においては、気泡分散機構を加
熱溶融性粉体を用いて成形したので、粒子間の接触面が
溶解結合し、独立開孔を形成できるとともに、使用時の
液体圧や気体圧等に対しても十分な強度を保つことがで
きる。

【００２２】請求項１２においては、気泡分散機構の液
体に接している面を略網目状構造としたので、独立開孔
となりやすく環状流やスラグ流となりにくい。また網目
状構造は繊維等を重ね合せたり織り込むことで容易に形
成可能なので、繊維等の太さ、間隔や配向を制御するこ
とで容易に開孔形状、開孔面積や開孔間距離などを調整
できる。

【００２３】請求項１３においては、気体を供給する手
段として加圧気体供給手段を使用したので、液体量、気
泡ポンプ特性等を自由に制御可能である。

【００２４】請求項１４においては、本発明を気泡ポン
プ装置の液体吐出口近傍に配置して適用したので、気泡
の合一が発生しにくく安定した液体の吐出が可能であ
る。気体を大量に混入して液体の速度が上昇することに
より発生する、管路抵抗を減少させることができ必要な
液体圧や気体圧を減少させることができる。

【００２５】請求項１５においては、液体中に気体を物
理吸収させる物理吸収手段を設けたので、微細気泡流の
非常に大きな気液接触界面積により迅速にかつ効果的な
物理吸収が可能である。また気体を物理吸収させた場合
には、もともと液体中に溶存していた気体がラウールの
法則に従い脱気されるため、脱気装置としても利用する
ことが可能である。

【００２６】請求項１６、１７においては、微細気泡流
を化学反応媒体として用いたので、微細気泡流の非常に
大きな気液接触界面積により迅速にかつ効果的な化学反
応が可能である。また固体表面に衝突する際には、単位
時間あたりの気泡数であらわされる非常に高い周波数の
振動を発生するので、反応境界層を薄くするので反応速
度が大幅に高まる。

【００２７】請求項１８においては、液体吐出口の下流
側に液体およびまたは気体を貯流する貯流槽を備えたの
で、液体を吐出口から放出させて他の固体に衝突させて
洗浄や化学反応等を行なった場合等であっても反応後の
気体や液体を効率的に回収可能である。

【００２８】請求項１９においては、液体吐出口の下流
側に配置された貯流槽を攪拌するので、あらたな攪拌駆
動装置を設けなくても吸収および反応後の液体や気体を
均一に保持することができる。

【００２９】請求項２０においては、気泡分散機構を取
り外し可能に構成したので、気泡分散機構の洗浄や交換
などのメンテナンス、保守が容易に行なえる。

【００３０】請求項２１においては、液体および気体を
加熱、冷却し温度を調整する温度調整手段を設けたの
で、化学反応、物理吸収、あるいは洗浄などの用いた場
合に最適な温度条件とすることができる。

【００３１】請求項２２においては、液体吐出口から吐
出される液体中に含まれる気泡径を制御する気泡径制御
手段を備えたので、液体や気体の物性に応じて気泡径を
制御することができる。吐出された液体を固体に衝突さ
せた場合の振動周波数を制御できるので、洗浄力、化学
反応速度や振動の及ぶ範囲等を制御することができる。

【００３２】

【実施例】図１に示す本発明の第一実施例に係る気泡ポ
ンプ装置は上記知見を具現化させたものである。気体混
入混合室１には気泡分散機構５が取り付けられており、
液体管路２から供給される液体に対して、気泡分散機構
５において気体の混入、微細化、分散、混合が同時に行
われる。気泡分散機構５には気体室３が設けられてお
り、気体室３には気体導入管路４から気体が供給され
る。このとき気体室３においては圧力変動や圧力分布を
吸収させる緩衝領域として機能する。気泡分散機構５の
液体に接する面には、多数の独立開孔が設けられてお
り、液体のせん断力により気泡を微細化する。気泡分散
機構５は液体管路壁の一部をなしており、管路壁面全周
に設けられ、液体管路方向に延長して設けられているの
で、流れの乱れやよどみを発生させないし、開孔面積を
大きくすることができ開孔部における気泡発生密度が低
いので大量の気体を混入させても気泡生成時の気泡合一
が発生しにくく微細な独立気泡を生成できるので、気体
の圧力による運動量を確実に、効率よく、迅速に液体に
伝達することができる。また微細な気泡は剛性が高く変
形しにくく、不要な運動をしないのでエネルギー損失は
少ない。なおＰは圧力、Ｖは速度、Ｑは流量、ρは密度
をあらわしており、添え字ｗは液体の状態を、添え字ａ
は気体の状態を、添え字ｔは気液二相流の状態をあらわ
している。ただしＰａからは気泡分散機構通過時の気体
圧力損失は除外しており、また気体の密度は液体の密度
に比べて無視できるほど小さいので気体の運動エネルギ
ーは無視している。

【００３３】図２に示すように超高分子量ポリエチレン
の略球形粒子を充填して加熱成型した場合の表面は粒子
により互いの空隙が分割された独立開孔となっており、
独立気泡を生成するのに好適である。また略均一な粒子
を充填することで、開孔は略格子状に規則的な配置とな
り、生成時に気泡同士が合一することが少ない。なお超
高分子量ポリエチレンは一般的にメルトインデックス
（ＭＩ）が低くかつ溶融時の性状がゴムに近いため溶融
状態でも流れにくく、粒子と粒子が形状を変えずに接点
のみが接着される構造となる。ここで用いている超高分
子量ポリエチレンのＭＩは０．２〜１．０であり通常の
射出成形用の樹脂材料に比較して１／１０程度であるこ
とから、加熱温度を十分制御して樹脂の融点をわずかに
上回る温度で溶融させることにより球形粒子同士がほぼ
点接触に近い形で成形される。このように接触点のみが
融合する構造となることから、表面形状は原材料粒子の
形状、粒度分布及び充填率でほぼ決定されるので、製造
上も非常に表面性状を制御しやすい物性を有している。
さらに化学的に安定であることから塩素、酸塩基、有機
溶媒等を含有する洗浄液体に適しており、吸湿性がほと
んど無いことから液体への適用にも適している。

【００３４】図３に示すのはアクリル樹脂の略球形粒子
を加熱した場合で、若干流動性が高いものの粒子間が結
合し網目構造に近い構造を有する独立開孔となってお
り、これも好適である。また略均一な粒子を充填するこ
とで、開孔は略格子状に規則的な配置となり、生成時に
気泡同士が合一することが少ない。なおアクリル樹脂は
表面張力が低く液体との親和性も高い。また粒度分布が
均一であると気孔径も均一となりやすく気孔形状も制御
しやすいので、加熱成形前に粒度分布をそろえるため篩
にかけることも望ましい。

【００３５】その他の材料としては、例えば四弗化エチ
レンがある。この材料は化学的に安定であり、液体との
表面張力が高く水等の液体との親和性が低いため、浸透
圧が高く開孔部を逆流しにくい等の長所を有する。また
液体や気体中のごみや析出成分等が付着しにくい。

【００３６】またこれらのように加熱溶融性材料を加熱
成形したものを用いると、粒子同士が融合することによ
り液体圧や気体圧に対しても強度的にも優れたものを提
供できる。粒子の平均粒径は５０μｍ〜３００μｍのも
のを用いているが、材料の粒子径を制御すると気孔を制
御できるので発生気泡の気泡径は材料の平均粒径により
定まる。平均粒径が５０μｍから３００μｍのものを用
いると、１００μｍから１０００μｍの気泡径を得る気
孔が形成される。気泡径を大きくしたければ、材料の粒
子径を大きくすればよいし、気泡径を小さくしたければ
材料の粒子径を小さくすればよい。

【００３７】またナイロン等の繊維材料を略格子状に編
んだ構造であっても図３と同様に気孔間が互いに分割さ
れた独立開孔となり、使用する繊維径や間隔を略均一と
すれば略格子状の規則的な開孔配置を得ることができ
る。さらに繊維径及び間隔が任意に設定できるために、
気孔間距離、気孔径や開孔率等表面形状の制御には好適
である。なお繊維材料を使用した場合は、通常それ自身
に十分な強度が無いために支持体に設置することにより
安定した動作を確保でき、繊維表面が流れによりわずか
に振動するため気泡生成や局所的な気体混入量が変化し
液体中のゴミやスケール等の付着を抑止する効果もあ
る。また繊維材料等は十分な厚みがないために液体の圧
力変動が気体室に伝達されやすく気体混入時に不安定な
挙動を示し振動を起こすことがあるので、振動を避ける
場合は何枚かを重ねるようにすると好適である。

【００３８】気泡分散機構に用いる材料としてはこれら
以外にも、ブロンズ、ステンレンス等の金属やガラス等
を用いてもよいし、製造方法としては、これら加熱溶融
性粉体を用いる以外にも転相ガラスを用いて連続気孔を
構成させたものやセラミック材料等を用いてもよい。

【００３９】図４は本発明における微細気泡流の噴出時
の流動様相の一例である。液体中に微細な気泡が大量に
含まれており、気泡自身は液体に守られるように含まれ
ているので、大気放出後も大気との間に干渉を起こしに
くいので、噴霧流のように大気放出後に速度低下を起こ
すことがなく増大した液体の運動量を確実に伝達するこ
とができる。微細気泡流の噴出後の流れは液体のみで噴
出させたときと同じような挙動を示し、スラグ流、環状
流や噴霧流とは異なり、飛散、振動、騒音の発生が少な
く、使用環境も優れる。

【００４０】図５は本実施例における液体流速に対する
気泡生成直後の気泡径の一例を示している。気泡の相当
直径は液体流速により変化し、液体流速が大きいときは
せん断力が大きいことにより気泡径が小さくなり、液体
流速が小さいときにはせん断力が小さいことにより気泡
径が大きくなる関係が得られている。このことから気泡
生成時の液体流速を変化させることにより生成気泡径が
制御可能である。また生成気泡径はせん断力の効果が同
一のときには、気泡分散機構の液体に接した面の開孔面
積に概略比例するので、これを利用して気泡分散機構表
面の開孔面積を変えてもよい。

【００４１】図６は気泡生成後の管路内滞留時間と気泡
成長の一例を示したものである。なおＤｂは生成時の気
泡径をあらわし、Ｄは滞留時間を変えたときの気泡径を
あらわし、Ｄ／Ｄbは生成時と比較して気泡径が何倍の
大きさになっているかを示している。滞留時間が増すと
ともに気泡径は合一し成長するので、滞留時間を制御す
ることにより気泡径の制御が可能である。また流量を変
更すれば気泡生成時の気泡径と気泡成長が制御できるの
で、流量が小さなときには大きな気泡径が得られ、流量
が大きいときには小さな気泡径が得られるので、微細気
泡流が固体表面等に衝突する際に発生する振動周波数を
制御可能である。また乱れの強さや遠心力を与えること
により気泡径の成長は制御できるが、気泡生成後に管路
を曲げたり屈曲させることにより気泡の合一が促進され
大きな気泡径を得ることも可能である。

【００４２】図７は本実施例における気体混入による運
動量増加効果の一例を示しているが、気泡分散機構の流
動液体側に接した面には多数の独立開孔が設けられてお
り、気体の混入、微細化、分散、混合が同時に行われれ
るので液体への気体混入と運動量伝達が確実に行なわ
れ、運動量増加効果は非常に高い。またこれらを同時に
行なうことにより必要な投入エネルギーは非常に少な
い。気体混入率が概略４を超えると気泡流から環状流も
しくは噴霧流に遷移するため、運動量増加効果は減少す
るとともに騒音や液体はねが増加するので、運転条件は
気体混入率を４以下とした方が望ましい。

【００４３】図８は加熱溶融性粉体を加熱成形して得ら
れる気泡分散機構８の一例を示している。

【００４４】図９はナイロンメッシュにより気泡分散機
構１０を構成した場合の一例を示している。気泡分散機
構１０は独立開孔を有するナイロン製のメッシュ１２が
支持体１１に加熱溶着されて構成されており、十分な強
度を有するとともに、メッシュ３２の開孔形状は使用す
る繊維の太さや間隔により任意に調整可能である。作動
中に気体の供給が停止すると、液体の浸透圧や管路抵抗
等による圧力により液体の一部が開孔部を通り気体側管
路に進入する可能性があるため、気体混入を停止して液
体のみを供給する場合においても気体側を加圧してわず
かに気体が液体中に流れるようにすれば、液体の気体側
管路への進入を防止することができて望ましい。

【００４５】本発明では、気体の混入時に微細な単独気
泡を生成し液体中に分散、混合させるので、大量の気泡
を安定して液体と混合させることができるので、スラグ
流、環状流や噴霧流となることがなく、少ない投入エネ
ルギーで確実に液体の運動量を増大させることができ、
節液体効果は高い。なお気泡生成後の滞留時間により気
泡径は異なるが、このように確実に気体の持つ運動量を
液体に伝えて気泡の速度と液体の速度が略同一となった
後は、気体はほとんどエネルギーを持たないために気泡
径等気体の挙動は節液体率に影響を与えないので、気泡
径の大きさの違いによる使用感の違いを利用して、異な
る洗浄を設けることが望ましい。

【００４６】図１０は本実施例における気泡ポンプ効果
を示した一例である。Ｅt／Ｅwはエネルギー増幅効果を
示しており、Ｅtは微細気泡流の気体混入混合装置の下
流側における出力エネルギーをあらわし、Ｅwは気体混
入混合装置上流側の液体のエネルギーである。効率はＥ
t／（Ｅw＋Ｅa）であらわされ、出力エネルギーをすべ
ての入力エネルギーで除したポンプとしての総合効率で
ある。｛ここでＥw＝ＰwＱw＋（ρw／２）ＱwＶw²、Ｅ
t＝ＰtＱt＋（ρt／２）ＱtＶt²、Ｅa＝ＰaＱa 、Ｐは
圧力、Ｑは流量、ρは密度、Ｖは速度をあらわし、添え
字ｗは前記気泡分散機構直近上流側における気体未混入
時の液体の状態をあらわし、添え字ｔは前記気泡分散機
構直近下流側における気体混入後の二相流となった液体
の状態をあらわし、添え字ａは気体の状態をあらわす、
とくにＰａは気泡分散機構の通過圧力損失を除外した気
体混入圧力である｝。気体の混入時に微細な単独気泡を
生成し液体中に大量に分散、混合させると、気体の運動
量を液体に伝達し、液体の運動量を確実に増大させるこ
とができるが、気泡生成、分散、混合を同時に行なうと
気泡混入後直ちに気泡速度は液体速度と略同一となるの
で非常に効率よく気体の圧力運動量を液体に伝達するこ
とができ気泡ポンプとして機能する、また気泡径が小さ
いと剛性が高いので液体中で不要な変形や振動を起こさ
ないので、気泡が液体中にあることによるエネルギー損
失も少ない。なお気体混入率が概略４を超えると、気泡
流から環状流もしくは噴霧流に遷移するため、気泡ポン
プとしての機能は低下するので、運転条件は気体混入率
を４以下とした方が望ましい。

【００４７】また液体ポンプ等を使用する場合において
も、全く同様の理由でポンプの小型化が図れる。さら
に、通常ポンプアップのため液体道配管に液体ポンプを
接続するためには、液体ポンプの作動が液体道圧力に影
響を与えることによる汚液体の逆流を防ぐために液体道
配管と液体ポンプの間に大気開放された貯液体槽を設け
る必要があるが、本発明における気泡ポンプは従来の液
体ポンプとは全く作動原理が異なるため、気泡ポンプを
作動させても液体道圧力に影響を与えないので液体道配
管と直接接続することが可能であり、装置全体の大幅な
簡略化も図れる。なお作動液体圧が低くできることは、
気体混入に必要な圧力も同時に低くできることは無論で
ある。

【００４８】本発明においては、液体と気体との間のせ
ん断力、すなわち液体速度と、気泡分散機構の開孔面
積、気泡生成後の滞留時間を制御することにより気泡径
の制御が可能である。このように気泡径を制御すること
により、洗浄力の制御も可能である。被洗浄部において
は気泡を含む液体は、密度が小さく運動エネルギーの小
さな気泡と、密度が大きく運動エネルギーの大きな気泡
間の液体とが、短周期で交互に被洗浄部に衝突する。こ
の結果、被洗浄部に圧力変動、すなわち振動が発生す
る。この振動の周波数は単位時間当たりに衝突する気泡
数を変えることにより制御できるため、特に洗浄力の高
い超音波振動をも発生可能である。超音波振動は波長が
短いため、吐出後に固体表面等に衝突させた場合は、固
体表面の微細な凹凸の中にまで作用することが可能なの
で、洗浄に用いた場合の洗浄力は格段に高く、化学反応
や熱交換に用いた場合は反応境界層や温度境界層を薄く
することができるとともに境界層内の拡散速度も向上す
るので非常に好適である。また振動周波数がこれら作用
に及ぼす影響は、振動周波数が高いほど波長が短いの
で、表面の細かい凹凸の中まで作用するものの振動の減
衰が速く作用面積は小さくなり、振動周波数が低いほど
波長が長いので、局所的な作用力は低下するが振動の減
衰が遅く作用面積は広くなる。このように振動周波数を
変えることにより制御が可能であるが、同一の気体量の
もとで気泡径を制御すると単位時間当たりの気泡数が異
なり、衝突する際に発生する振動の周波数を変えること
ができる。すなわち気泡径を制御することで作用の及ぶ
範囲や強さを制御することが可能である。また本発明
を、スケール等を大量に含有する液体に用いた場合に
は、気泡分散機構表面に存在する独立開孔が、炭酸カル
シウム等のスケール成分の化合物により閉塞することが
ある。あるいは固体成分を析出させる化学反応を発生さ
せても同様に閉塞することがある。開孔が閉塞を起こす
と気体混入時の圧力が上昇するために、気体流量が減少
するなどの不具合を生ずることがあり、好ましくない。
このような硬度成分の化合物は酸性条件下では容易に溶
解可能であるため、閉塞した部分を酸性液体溶液で洗浄
すると硬度成分の化合物は脱落し、初期状態を得ること
ができる。閉塞が避けられない作動条件で用いる場合に
は、開孔が閉塞を起こした場合に交換や洗浄等のメンテ
ナンス、保守が可能なように気泡分散機構を取り外し可
能にしておくことが好ましい。

【００４９】なお、気体から液体への運動量伝達を促進
するために混入後に機械的に破砕する方法もあるが、こ
れは管路形状を変えて流れに乱れを発生させたり、ある
いは混入後の混相流をメッシュ等に通すことによりせん
断力を利用して気体塊を破砕するものであって、この場
合は流れそのもののエネルギー損失が大きいために、作
動に必要な液体圧や与えるエネルギーは非常に大きなも
のとなってしまうと同時に噴霧流に転相しやすくなりポ
ンプとしての総合効率が低下する。

【００５０】図１１に示す本発明の第二実施例に係る気
体吸収手段を備えた気泡ポンプ装置は上記知見を具現化
させたものである。気体吸収手段３７の液体流入口２５
から流入した液体はポンプ等も用いた液体加圧手段２４
により加圧され、図１に示した気体混入混合装置１へと
送られる。一方気体流入口２３から流入した気体は圧縮
機等を用いた気体加圧手段２２により加圧され気体混入
混合装置１で流動液体中に微細な気泡として分散混入さ
れる。気体混入混合装置１で生成された微細気泡を大量
に含む微細気泡流２１は貯流槽２６へと放出される。こ
こでは気体として空気に微量のオゾンが含有されたもの
が、液体には水が用いられている。オゾンは殺菌、漂白
作用があるのでオゾンを含んだオゾン水２０を用いて、
各種殺菌、漂白、保存に使用することができる。気体混
入混合装置１では微細な気泡を流動液体中に大量に分散
混入させるため、運動量伝達が確実に行なわれ気泡ポン
プ装置として機能する。そのため装置の駆動に必要な駆
動力を与える液体加圧手段２４と気体加圧手段２２等で
消費される駆動エネルギーが非常に少ない気体吸収手段
を得る。また気体供給にはとくに気体加圧手段２２を用
いなくともボンベや加圧タンク等の圧力源から直接供給
することも可能であるし、液体供給にもとくに液体加圧
手段２４を用いなくとも圧力源から直接供給可能であ
る。微細気泡流２１中には微細な気泡が大量に含まれる
ため気液の密度差により両相が直ちに分離することが無
く、微細気泡流２１の噴流到達距離は非常に大きくでき
る。そのため貯流相２６の攪拌用途としても好適である
とともに、微細気泡流を維持する時間が非常に長くかつ
気液接触界面積が非常に大きいため吸収速度を大幅に向
上させることが可能である。ここでは気体吸収手段とし
て本発明を用いているが、液体中に含まれる気体成分を
脱気することも可能であるし、気体と液体が化学反応を
起こす場合には化学反応の場として本発明を適用するこ
とも可能であるのは言うまでもない。貯流相２６に貯流
される液体２０は必要に応じて図示しないポンプ等で回
収されている。

【００５１】微細気泡流２１は固体表面に衝突した際
に、単位時間当たりの気泡数で定義される周波数の振動
を発生させる。微細気泡流中には微細な気泡が大量に含
まれるので、その振動周波数は非常に高く超音波領域に
も達する。このような高い周波数の振動が固体表面で発
生すると、固体表面の微細な凹凸の中にまで衝突応力が
作用するので洗浄効果にすぐれ、境界層を非常に薄くで
きるため伝熱や化学反応を促進する。そこで貯流相２６
を洗浄槽や反応層としても利用可能である。その場合に
は貯流槽２６中に対象となる図示しない固体を入れ、微
細気泡流２１を固体表面に直接衝突させることによって
得られる。とくに複数の気泡混入混合装置を用いて複数
の微細気泡流を生成させ同時に固体表面に衝突させると
広範囲を効率よく処理可能であり好適である。

【００５２】図１２に示す本発明の第三実施例に係る気
泡ポンプ装置は上記知見を具現化させたものである。気
泡ポンプ装置３８の液体流入口２７から流入した液体は
液体加圧手段２８により加圧され、図１に示した気体混
入混合装置１へと送られる。一方気体流入口３６から流
入した気体は気体加圧手段３５により加圧され、気体混
入混合装置１において流動液体中に微細化され分散混入
する。気体混入混合装置１で生成された微細気泡流３１
は直ちに吐出口３０から大気中に放出される。貯流槽３
４の内部では固体試料３３が固定台３２上に設置され、
微細気泡流３１を衝突させる構成となっている。微細気
泡流３１は微細な気泡を大量に含む気泡流であるため、
噴霧流、スラグ流、環状流とは異なり吐出口から放出さ
れる際に不要な振動、騒音や飛沫を発生させない。また
固体試料３３と衝突する際にも大量の微細気泡を含むた
め飛散せず液体の回収が非常に容易であり、液体のみで
使用するよりも衝突速度を大幅に向上させることができ
る。また衝突の際に超音波等の周波数の高い振動を発生
させるために、化学反応、伝熱、洗浄を行なう際にも処
理速度を大幅に向上できるとともに、使用済み液体の回
収が容易に行なえ、振動や騒音が発生しない。ここでは
固体試料３３の表面を洗浄するための洗浄装置を示して
おり、液体に水をアルコール、アセトン、メチルエチル
ケトン等の有機溶媒に微量の界面活性剤を溶解させて使
用している。これら洗浄用途以外にも半導体のエッチン
グや酸化処理等の化学反応、凍結固体の溶融等の伝熱に
用いても好適である。処理速度を制御するために液体、
気体や固体温度の制御を行なってもよく、雰囲気の温度
や酸化、還元雰囲気を変更してもよい。気泡混入混合装
置１を取り外し可能とすれば、衝突時の振動周波数を制
御するために気孔径の異なる気泡分散機構を用途に応じ
て用いることもできるし、気孔が閉塞を起こした際の洗
浄や保守等が容易に行なえるので望ましい。また気泡径
の制御は気泡生成後の滞留時間を変えても行なえるの
で、気体混入混合装置１と吐出口３０との距離を変えて
もよいし、内部流速、流路断面積や液体流量を変えても
よい。これらの場合には気体混入混合装置１から下流側
の管路も取り替え可能とすることにより幅広い範囲で気
泡径の制御が可能である。

【００５３】図１３は管路内における気液二相流の流動
様相の一例をあらわし、ａは液相中に略均一な気泡を含
む気泡流、ｂは液相中に気泡塊と気泡の混在するスラグ
流、ｃは気泡隗同士が連通した環状流、ｄは気相中に液
滴が含まれる噴霧流である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における気泡ポンプ装置の概
念図

【図２】同気泡分散機構表面の拡大図

【図３】同気泡分散機構表面の拡大図

【図４】本発明の一実施例における微細気泡流噴出直後
の拡大図

【図５】同気泡生成時の気泡直径と液体流速をあらわす
グラフ

【図６】同気泡成長と滞留時間の概略をあらわすグラフ

【図７】本発明の一実施例における気体混入比と液体の
運動量の概略をあらわすグラフ

【図８】同気泡分散機構の概略図

【図９】同気泡分散機構の概略図

【図１０】同気泡ポンプの気体混入率とエネルギー増幅
率及び総合効率の概略をあらわすグラフ

【図１１】同気体吸収手段を備えた気泡ポンプ装置をあ
らわす概略図

【図１２】同気泡ポンプ装置をあらわす概略図

【図１３】管路内の気液二相流の流動様相をあらわす概
念図

【符号の説明】

１…気体混入混合装置、２…液体管路、３…気体室、４
…気体導入管路５…気泡分散機構、８…気泡分散機構、９…上ふた、１
０…気泡分散機構１１…支持体、１２…ナイロンメッシュ、２０…オゾン
水２１…微細気泡流、２２…気体加圧手段、２３…気体流
入口２４…液体加圧手段、２５…液体流入口、２６…貯流槽２７…液体流入口、２８…液体加圧手段、３０…吐出口３１…微細気泡流、３２…固定台、３３…固体試料３４…貯流槽、３５…気体加圧手段、３６…気体流入口３７…気体吸収手段、３８…気泡ポンプ装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体管路中に気体取入口を備え液体中に
気体を混入し混合する気体混入混合装置を設け、前記気
体混入混合装置には気体取入口に連通し気体を液体中に
分散させる気泡分散機構を備えたことを特徴とする気泡
ポンプ装置。
【請求項２】液体管路中に気体取入口を備え液体中に
気体を混入し混合する気体混入混合装置を設け、前記気
体混入混合装置には気体取入口に連通し液体中に略均一
に気泡を分散させる気泡分散機構を備えたことを特徴と
する気泡ポンプ装置。
【請求項３】平均直径が１００μｍ乃至１０００μｍ
の微細な気泡を液体中に供給する微細気泡供給手段を備
えたことを特徴とする気泡ポンプ装置。
【請求項４】前記気泡分散機構の液体に接している面
の開孔部が多数分割された独立開孔で構成されたことを
特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の気泡
ポンプ装置。
【請求項５】前記気泡分散機構の前記開孔部の開孔配
置が略格子状に規則的であることを特徴とする請求項１
乃至４のいずれか一項に記載の記載の気泡ポンプ装置。
【請求項６】前記気泡分散機構の前記開孔部が液体管
路形状に沿って延長されたことを特徴とする請求項１及
至５のいずれか一項に記載の気泡ポンプ装置
【請求項７】前記気泡分散機構の前記開孔部が液体管
路壁面の全面もしくは一部に配置されたことを特徴とす
る請求項１及至６のいずれか一項に記載の気泡ポンプ装
置。
【請求項８】前記気体混入混合装置の液体管路中の前
後において、Ｅw＝ＰwＱw＋（ρw／２）ＱwＶw²、Ｅt
＝ＰtＱt＋（ρt／２）ＱtＶt²としたときに、Ｅw＜Ｅt
であらわされる条件で装置を作動せしむることを特徴と
する気泡ポンプ装置。
【請求項９】 η＝Ｑａ／Ｑｗ、Ｑは流量、添え字ｗは
液体、添え字ａは気体をあらわしたときの、前記気体混
入混合装置における気体混入率ηをη≦４．０で作動せ
しむることを特徴とする請求項１及至８のいずれか一項
に記載の気泡ポンプ装置。
【請求項１０】前記気泡分散機構を略球状粒子の集合
体で構成したことを特徴とする請求項１及至９のいずれ
か一項に記載の気泡ポンプ装置。
【請求項１１】前記気泡分散機構が加熱溶融性粉体を
加熱成形したもので構成されたことを特徴とする請求項
１及至１０のいずれか一項に記載の気泡ポンプ装置。
【請求項１２】前記気泡分散機構の液体に接している
面が略網目状構造を有したことを特徴とする請求項１及
至１１のいずれか一項に記載の気泡ポンプ装置。
【請求項１３】前記気泡分散機構に気体を供給する手
段として加圧気体供給手段を備えたことを特徴とする請
求項１及至１２のいずれか一項に記載の気泡ポンプ装
置。
【請求項１４】前記気体混入混合装置を液体吐出口近
傍に備えたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれ
か一項に記載の気泡ポンプ装置。
【請求項１５】前記気体を液体中に物理吸収させる気
体吸収手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至１４
のいずれか一項に記載の気泡ポンプ装置。
【請求項１６】前記気体と前記流動液体とを化学的に
反応させる気液反応手段を備えたことを特徴とする請求
項１乃至１５のいずれか一項に記載の気泡ポンプ装置。
【請求項１７】前記気体およびまたは前記液体と化学
的に反応する反応性固体物質を備え、該反応性固体物質
に前記気泡分散機構により混合させた前記気体および前
記液体との混合物を衝突反応させる衝突反応手段を備え
たことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に
記載の気泡ポンプ装置。
【請求項１８】前記液体吐出口の下流側に配置され、
前記液体吐出口から吐出された液体及びまたは気体を貯
流する貯流槽を備えたことを特徴とする請求項１乃至１
７のいずれか一項に記載の気泡ポンプ装置。
【請求項１９】前記液体の吐出により前記貯流槽内部
の攪拌を行なうことを特徴とする請求項１８に記載の気
泡ポンプ装置。
【請求項２０】前記気泡分散機構は取り外し可能に構
成されたことを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか
一項に記載の気泡ポンプ装置。
【請求項２１】前記気体およびまたは前記液体を加熱
もしくは冷却し温度の調整を行なう、温度制御手段を備
えたことを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか一項
に記載の気泡ポンプ装置。
【請求項２２】前記液体吐出口から吐出される液体中
に含まれる気泡径を制御する気泡径制御手段を備えたこ
とを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか一項に記載
の気泡ポンプ装置。