JP2001115999A - 気泡噴射ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微細な気泡が得られるようにすると共に、噴
出する液体の運動量で水槽中の液体を攪拌し、気液接触
効率を高める。 【解決手段】 主ノズル２の内部と連通する気体導入
口３を接続管１に形成する。主ノズル２は、先端出口２
ａに向って径が徐々に小さくなる絞り部２ｂを有する。
接続管１の後側に形成された液体導入口５から液体ノズ
ル６が主ノズル２の中に延びている。液体ノズル６の出
口から主ノズル２の出口までの距離ａが調節できるよ
う、主ノズル２は接続管１にスライド自在に支持されて
おり、ロックナット７で固定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、液体中に気体を
微細な泡にして噴射する気泡噴射ノズルに関する。

【０００２】

【従来の技術】液体中で気体を微泡化する操作は、気液
の接触を促進するために様々な工業装置で見ることがで
きる。従来の微泡化操作は、液体で満たされた水槽に、
多数の孔を有する散気管（散気板）を設置し、これにコ
ンプレッサで気体を送り込むことで行われる。送り込ま
れた気体は散気管の孔から細かな気泡となって液体中に
噴出する。このような散気管を用いる方法は、構造が簡
単で、特別な工夫を要しない等の長所がある反面、次ぎ
のような欠点がある。

【０００３】散気管にはコンプレッサが不可欠である
が、コンプレッサはエネルギ効率が低く、また、騒音・
振動の原因となる。また、コンプレッサは腐食性、酸化
性の気体を取り扱うことができない。さらに、散気管
は、目詰まりを起こしやすく、定期的な点検・清掃が必
要である。特に、汚水や懸濁水を取り扱う揚合に目詰ま
りしやすく、目詰まりが起こると、微泡化性能が急速に
悪化する。いったんは微泡化した気体が、液中を上昇す
る際に気泡同士合体してしまい、気液の接触面積が減少
して接触効率が低下する欠点もある。

【０００４】気体を吸引するものにエジェクタがよく知
られている。このものでは、液体をノズルから吸引室に
噴出させた後、ディフューザに流入させ、低圧になった
吸引室に気体を吸引させて、ディフューザから液体と混
合昇圧して排出させる。このようなエジェクタでも、気
液の接触を図ることは可能であるが、ディフューザを通
過する際、気泡同士の合体が生じ、微細な気泡が得られ
ない欠点がある。また、ディフューザを通過するとき
に、水の運動エネルギが圧力のエネルギに変換されるた
め、エジェクタから排出される液体の勢いが弱く、水槽
内の処理水とうまく混ざらないという問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、従来のエ
ジェクタを改良して、微細な気泡が得られるようにする
と共に、噴出する液体の運動量で水槽中の液体を攪拌
し、気液接触効率を高めることを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の気泡噴射ノズ
ルは、液体中に配置される、気体が導入される主ノズル
と、主ノズルの内部同心上にある、加圧された液体が導
入される液体ノズルからなる。主ノズルの出口は、液体
ノズルから噴き出す液体噴流が通過でき、しかも、液体
噴流と主ノズルの間の隙間から主ノズル内の気体が外に
吸い出されるような大きさを有している（請求項１）。

【０００７】この気泡噴射ノズルでは、ポンプで加圧さ
れた液体が液体ノズルの先端出口から噴き出し、その液
体噴流は主ノズルの先端出口を通って外に出る。このと
き、主ノズル内に導入された気体が液体噴流に同伴し、
主ノズルの出口を通って外に出る。液体噴流は主ノズル
から出て液体中に噴き出すので、周囲の液体が噴流に同
伴、吸引される。こうして、主ノズルのすぐ下流に、噴
流と周囲液体、さらには、同伴気体からなる混合領域が
形成される。気体は上記の混合領域において剪断作用を
受け、微細な泡となる。この微泡化された気体は、噴流
の運動エネルギーによりノズルから下流側に噴出する。
主ノズル先端から水槽中へと放出された気泡は、中心軸
の液体との乱流拡散作用により、次第に中心軸まで拡散
し、液のボテンシヤルコアが消失する。すなわち、混合
領域で形成された気泡は、流体噴流の運動および周囲液
体との運動量交換により、ノズルから離れるにしたがっ
て速やかに拡散し、気泡の合体を防止するとともに、液
体の大きな運動量によってノズル沖合まで気泡を分散さ
せることができる。

【０００８】このように、この発明のノズルは、主ノズ
ルの外部において、気体が液体噴流の運動量によって剪
断作用を受け、微泡化されるようにしたものであり、い
ったん形成された気泡は、液体噴流の運動作用により速
やかに分散され、生成した気泡の合体を防止することが
できる。そして、液体噴流の運動により、気泡を同伴し
た液流動を引き起こし、これにより槽内の気液接触効率
を向上させることができる効果がある。

【０００９】主ノズルの口径は、大き過ぎても小さ過ぎ
ても効率が落ちる。望ましい口径は、液体ノズルから噴
き出す液体噴流が通過できるだけでなく、液体噴流と主
ノズルの間の隙間から主ノズル内の気体が外に吸い出さ
れるような大きさにする。

【００１０】液体噴流は液体ノズルから出た後、下流に
向って円錐状に拡大するが、その広がり方は、ポンプ圧
等で変わる。ポンプ圧に応じて主ノズルの口径を変える
ことができれば効率よく運転できるが、口径を変えるこ
とは実際上難しい。そこで、主または液体ノズルの一方
を伸縮自在に形成しておくと、見掛け上のノズル口径を
変えることができる（請求項２）。例えば主ノズルを短
くすれば、主ノズルの先端出口は、液体ノズルの先端出
口に近づき、主ノズルの出口を通過する液体噴流の径は
小さくなるので、液体噴流と主ノズル出口の間の隙間は
大きくなる。したがって、主ノズルの口径を大きくした
のと同じことになる。反対に、主ノズルを伸長すれば、
その口径は相対的に、小さくなる。このように、ノズル
を伸縮することで、ポンプ圧等の条件に応じて、効率の
よい運転が可能になる。

【００１１】主ノズルには、先端出口に向って外径が徐
々に小さくなっている絞り部を設けることが好ましい
（請求項３）。こうすれば、液体ノズルから噴射される
液体噴流に周囲の液体および主ノズル内の気体が同伴し
やすくなリ、微泡化効率がよくなる。

【００１２】各種ガスと液体を混合させために、曝気槽
（例えば、ガス接触反応装置、ガス吸収装置、廃液処理
装置、培養反応器）が使用されるが、本発明のノズルは
これら曝気槽で使用するのに最適である。処理量を増加
させるにはノズルのスケールアップを行うのではなく、
ノズルを多数本使用することが好ましい。これは液体の
運動エネルギーを微泡化に使用するノズルの性質上、ノ
ズル寸法が小さいと液体噴流の運動エネルギーの減少に
より、気泡径の増大および生成した気泡の拡散輸送力が
減少し、ノズル寸法が大きいと外周部による気泡の生成
に関与しない液体の量が増加し、ポンプ動力に対して微
泡化能力が低下し、気泡の拡散輸送力が増加することに
なる。

【００１３】その他、この気泡噴射ノズルには次のよう
な効果がある。 １）構造が簡単で故障がない。製作コストも安い。ま
た、可動部分がなく、スラリー状液体を通しても目詰ま
りを起こすことがない。 ２）作動源として液体ポンプを使用することができ、液
体ポンプは耐酸性・耐腐食性およびスラリー用の製品が
市販されており、耐久性も高い。 ３）気体は液体の運動量によって自然に吸引されるの
で、コンプレッサ等が必要ない。コンプレッサが苦手と
する腐食性ガスにも適用できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１および図２に示すように、こ
の発明の気泡噴射ノズルは、接続管１から延びる主ノズ
ル２を有し、この主ノズルの内部と連通する気体導入口
３が接続管１に形成されている。主ノズル２は、先端出
口２ａに向って径が徐々に小さくなる絞り部２ｂを有し
ている。また、接続管１の後側に形成された液体導入口
５から液体ノズル６が主ノズル２の内部に延びている。
液体ノズル６の出口から主ノズル２の出口までの距離ａ
（ノズル先端長）が調節できるよう、主ノズル２は接続
管１にスライド自在に支持されており、ロックナット７
で固定される。符号１０は漏れ止めのシールリングであ
る。

【００１５】この気泡噴射ノズルを処理すべき液体を貯
留した槽内に設置し、同じ槽内の液体をポンプを経由し
て液体導入口５に導く。一方、槽内の液体と接触させよ
うとする気体はタンクに貯めておき、管を通じてこれを
気体導入口３に導く。こうして、ポンプで液体を圧送す
ると、図３に示すように、液体は液体ノズル６の先端出
口６ａから勢いよく噴出する。この噴流１１は、主ノズ
ル２の出口２ａを通って槽内の液体中に出て行く。この
とき、主ノズルの周囲の液体は、矢印で示すように、噴
流１１に同伴し、その一部は噴流１１に吸引され、噴流
と周囲液体との急速な混合領域１２が形成される。な
お、主ノズルには絞り部２ｂを形成したので、周囲液体
は絞り部に沿って流れ、同伴流を作りやすくなってい
る。

【００１６】液体は一般に粘性が大きく、密度も大きい
ため、周囲液体は絞り部２ｂ直後の領域で同伴に必要な
液体を周囲から充分に補給することができない。このた
め、主ノズル内の空間に負圧が生じ、気体もまた液体噴
流に同伴されることになる。この気体が上記の混合領域
１２に巻き込まれて剪断作用を受け、気体は微細な泡と
なる。こうして、微泡化された気体は、噴流の運動エネ
ルギーにより主ノズルから下流側に噴出する。

【００１７】主ノズル２から水槽中へと放出された気泡
は、中心軸の液体との乱流拡散作用により、次第に中心
軸まで拡散し、液のボテンシヤルコア１３がだんだんと
細り、やがて、消失する。すなわち、混合領域で形成さ
れた気泡は、流体噴流の運動および周囲液体との運動量
交換により、ノズルから離れるにしたがって速やかに拡
散し、気泡の合体を防止するとともに、液体の大きな運
動量によってノズル沖合まで気泡を分散させることがで
きる。

【００１８】図１の気泡噴射ノズルを水を張った実験水
槽中（水深80mm）に設置し、水流ポンプで水槽中の水を
液体導入口に圧送し、気体導入口にはホースで室内の空
気を導き、性能評価を行った。水量の調節はポンプ直後
のバルブを操作することで行った。吸引空気量の測定
は、ガス置換式流量計を気体導入管に接続して行った。
吸引空気圧は、気体導入管にブルドン型圧力計を接続
し、空気を供給させない条件で到達した圧力を測定する
ことにより求めた。

【００１９】ノズルから噴出した気泡の粒径分布の測定
には、PDPA（Phase Dopper Particle Analyzer）で行っ
た。本装置では、軸方向および半径方向の気泡速度およ
び気泡の粒径分布を非接触で測定できる。なお、測定の
原理上、入射光に対する受光角を30deg.一定で散乱光を
測定する必要がある。そこで、一つの角の角度が30deg.
の三角水槽中に微泡化ノズルを設置して粒径分布を測定
した。

【００２０】まず、実験に供した水流ポンプの供給水圧
と水流量の関係を図４に示す。ノズル条件は、主ノズル
の出口２ａの直径が8mm、ノズル先端長ａ（液体ノズル
６と主ノズル２の間の距離であり、図１に示す）が25mm
の場合である。

【００２１】図５に主ノズル口径が8mm、ノズル先端長
ａが25mmにおいて、ポンプ供給水圧を変化させた場合の
空気吸引圧力と空気吸引量の変化を示ず。供給水圧を増
加させるにしたがって、空気吸引圧力および空気吸引量
が直線的に増加することがわかる。

【００２２】図６に主ノズル口径が8mmにおいてノズル
先端長ａを変化させた場合の空気吸引圧力および空気吸
引量の変化を示す。供給水圧は0.18および0.27MPaとし
た。供給水圧が大きいほど、空気吸引圧力が大きく、空
気吸引量も大きいことがわかる。また供給水圧が0.27MP
aの場合、空気吸引量はノズル先端長の増加とともに増
加するが、空気吸引圧力については22.5mm付近で最大値
を示した。

【００２３】図７に供給水圧が0.27MPaにおいてノズル
先端長を変化させた場合の空気吸引圧力および空気吸引
量の変化を示す。主ノズル口径を変化させた場合、空気
吸引量はいずれのノズル先端長においてもほとんど差が
見られないが、空気吸引圧力に関しては、主ノズル口径
が8mmの場合のほうが大きな吸引圧力を示した。

【００２４】図８にPDPAによる気泡粒径測定結果を示
す。条件は水流量16.67L/min、供給圧0.27MPa、主ノズ
ル口径8mm、測定位置は主ノズル先端から32mmでの値で
ある。図中最上図の粒径分布を見ると、100μm以下の気
泡から650μｍ程度の大きな気泡まで広く分布している
ことがわかる。この場合の平均径は389μｍ、ザウター
径（Ｄ₃₂）は497μｍである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 気泡噴射ノズルの断面図である。

【図２】 気泡噴射ノズルの斜視図である。

【図３】 気泡噴射ノズルの作用を示す概念図である。

【図４】 供給水圧と吐出流量の関係を示す図である。

【図５】 供給水圧と空気吸引圧および吸引量の関係を
示す図である。

【図６】 ノズル先端長と空気吸引圧力の供給水圧の影
響を示す図である。

【図７】 ノズル先端長と空気吸引圧力のノズル口径の
影響を示す図である。

【図８】 PDPAによる気泡粒径分布測定結果である。

【符号の説明】

２ 主ノズル ２ａ 出口 ２ｂ 絞り部 ３ 気体導入口 ５ 液体導入口 ６ 液体ノズル ６ａ 出口 ａ ノズル先端長

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体中に配置される、気体が導入される
   主ノズルと、該主ノズルの内部同心上にあって、加圧さ
   れた液体が導入される液体ノズルからなり、該主ノズル
   の出口は、該液体ノズルから噴き出す液体噴流が通過で
   き、しかも、該液体噴流と該主ノズルの間の隙間から該
   主ノズル内の気体が外に吸い出されるような大きさを有
   している気泡噴射ノズル。
2. 【請求項２】 液体中に配置される、気体が導入される
   主ノズルと、該主ノズルの内部同心上にある、加圧され
   た液体が導入される液体ノズルからなり、該主ノズルと
   該液体ノズルのそれぞれの先端出口の間の距離が調節で
   きるよう、いずれかのノズルを伸縮自在に形成した気泡
   噴射ノズル。
3. 【請求項３】 該主ノズルが、先端出口に向って径が徐
   々に小さくなっている絞り部を有している請求項１また
   は２に記載の気泡噴射ノズル。