JP5017304B2 - 気体溶解装置 - Google Patents

Description

本発明は、微細気泡が発生する湯水の生成などに利用可能な気体溶解装置に関する。

本出願人は、溶解タンク内において気体を液体に溶解させる気体溶解装置についてこれまでに種々の提案を行ってきている。

たとえば特許文献１に記載した気体溶解装置は、溶解タンクに対応する筒状体をその中心軸が水平方向に対して傾斜するように配置し、筒状体の略円筒状をした側壁部の中間部に内部に貯留している気体と液体の界面を位置させ、筒状体内の界面より上側の部分を気体貯留部とするとともに、界面より下側の部分を液体貯留部とし、筒状体の側壁部の界面と同レベルまたは界面より若干下のレベルに気液混合流体を筒状体内の気体貯留部に噴射するための噴射口を設け、筒状体の液体貯留部の下端部近傍に筒状体内の液体を流出させる流出口を設けてなるものである。

上記気体溶解装置は、筒状体の内部に貯留される液体と気体との界面の面積を大きくするとともに、貯留される液体の深さを深くすることができ、大きな気泡が混合した状態で筒状体から流出するのを抑制することができる。

ところで、上記気体溶解装置を含め、従来の気体溶解装置では、気体が溶解した液体を溶解タンクの外部に取り出すための取り出し流路は、溶解タンク側の一端部において、溶解タンクに対して垂直またはほぼ垂直に溶解タンクに接続されるのが一般的であった。これは、溶解タンクの底壁部に形成される、液体の溶解タンクからの流出口において圧力損失をできるだけ発生させないようにするためであった。

しかしながら、気体溶解装置を実用に供しうるものとして、たとえば、微細気泡発生浴槽に組み込むことを想定すると、気体溶解装置の小型化が必要不可欠であり、小型化の実現のために、溶解タンクからの液体の流出方向と液体の取り出し方向が一致しないレイアウトにせざるを得ない場合がある。このような場合、取り出し流路を流れる液体に旋回流が発生することがあり、旋回流の発生にともない液体中の微細気泡が合一し、大きな気泡が生じるという不都合がある。

特開２００７−３１３４６４号公報

本発明は、小型化が可能であるとともに、溶解タンクから取り出す、気体が溶解した液体に旋回流が発生するのを抑制し、取り出した液体中に大きな気泡が混入するのを抑制することのできる気体溶解装置を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の特徴を有している。

すなわち、第１の発明は、気体が溶解した液体を生成する溶解タンクを備え、溶解タンクには、その底部において外側方に延びる取り出し流路が接続され、溶解タンク内に流入する流体が溶解タンク内で気体と混合されて前記液体が生成され、生成した液体が溶解タンクの底部から前記取り出し流路に流出する気体溶解装置であって、取り出し流路の溶解タンク側の一端部は、溶解タンク内を溶解タンクの底部に向かって下方に流れる液体の流れの方向と、取り出し流路内を外側方に曲がれる液体の流れの方向の両方に対して略直角方向を向いて溶解タンクの底部に接続され、取り出し流路の溶解タンク側の一端部における溶解タンクからの液体の流入部分に、溶解タンクから取り出し流路に流れ込む液体の流れが衝突して抵抗となる、取り出し流路の内底面から起立する整流リブが設けられていることを特徴としている。

第２の発明は、上記第１の発明の特徴において、整流リブは、取り出し流路による液体の取り出し方向に対して垂直に起立していることを特徴としている。

上記第１の発明によれば、気体が溶解した液体を溶解タンクの外部に取り出す取り出し流路は、溶解タンク側の一端部において、溶解タンク内を下方に流れる液体の流れの方向に対して略直角方向を向いて溶解タンクの底部に接続されているので、取り出し流路の溶解タンク側の一端部は、溶解タンクの底部において外側方に延びており、気体溶解装置全体の小型化を可能とする。しかも、取り出し流路の溶解タンク側の一端部における溶解タンクからの液体の流入部分にその内底面から起立する整流リブが設けられているので、溶解タンクからの液体の流出方向と液体の取り出し方向が一致しなくとも、整流リブによって、取り出し流路を流れる液体に旋回流が発生するのを抑制することができる。その結果、液体中の微細気泡は合一しにくくなり、分散したまま取り出し流路を流れ、溶解タンクから取り出した液体中に大きな気泡が混入するのを抑制することができる。

上記第２の発明によれば、上記第１の発明の効果に加え、整流リブは、取り出し流路による液体の取り出し方向に対して垂直に起立しているので、取り出し流路を流れる液体の流れに旋回流が発生するのをより効果的に抑制することができる。

本発明の気体溶解装置の一実施形態における溶解タンクを示した一部切欠斜視図である。 図１に示した溶解タンクの正面図である。 図２に示した溶解タンクの背面側から見た縦断面図である。 図２に示した溶解タンクのＡ−Ａ断面図である。 図２に示した溶解タンクのＢ−Ｂ断面図である。 図１に示した溶解タンクの下部ユニットを斜め下方から見た一部切欠斜視図である。 図１に示した溶解タンクを備えた、本発明の気体溶解装置の一実施形態を示した斜視図である。 図７に示した気体溶解装置における整流リブの整流作用を模式的に示した要部断面図である。

図１−５に示したように、気体溶解装置１は、やや縦長の箱状の形状を有する中空な溶解タンク２を備えている。溶解タンク２の内部には、２つの仕切り壁、すなわち、第１仕切り壁３および第２仕切り壁４が設けられ、後述する液体５の流れに関しその最も上流側に気液混合槽６が、第１仕切り壁３によって区画形成されている。また、気液混合槽６の下流側に、第１仕切り壁３とともに第２仕切り壁４によって大泡流出防止槽７が区画形成され、大泡流出防止槽７は気液混合槽６に隣接して配置されている。液体５の流れに関し最も下流側には、気液分離槽８が、第２仕切り壁４によって区画形成され、大泡流出防止槽７に隣接して配置されている。

第１仕切り壁３は、図３に示したように、溶解タンク２の上壁部２ａから底壁部２ｂにかけて垂下して延びている。第１仕切り壁３は、ほぼ平板状に形成されている。一方、第１仕切り壁３の下端３ａは底壁部２ｂに達してなく、底壁部２ｂとの間に隙間が形成され、この隙間を液体５の流路として気液混合槽６と大泡流出防止槽７は互いに連通している。

第２仕切り壁４は、溶解タンク２の底壁部２ｂから上壁部２ａに向かって垂直上方に延びている。第２仕切り壁４は、筒状に形成され、断面は長円状の形状を有している。第２仕切り壁４の上端４ａは、溶解タンク２の上壁部２ａの下方に位置し、大泡流出防止槽７と気液分離槽８は、溶解タンク２の上部において互いに連通している。

また、第２仕切り壁４には、第１仕切り壁３に対向する対向面４ｂに、溶解タンク２の縦方向に延びる縦リブ９が設けられている。縦リブ９は、略長方形の形状を有する小片状に形成され、対向面４ｂの下端部に２列として互いに間隔をあけて配置されている。縦リブ９は、第１仕切り壁３において第２仕切り壁４に対向する面３ｂに設けることもできる。

さらに、第２仕切り壁４には、第１仕切り壁３に対向する部分の中央部に、上方に突出する突出部１０が設けられている。突出部１０は、略長方形の形状を有する小片状に形成されている。突出部１０の上端１０ａは、溶解タンク２の上壁部２ａに達することはなく、上壁部２ａの下方に配置されている。

このような溶解タンク２には、気液分離槽８の上端部に横リブ１１が設けられている。横リブ１１は、気液分離槽８における液体５の流れに関し平行に配置されている。その向きは、縦リブ９の、大泡流出防止槽７に突出する幅方向に略一致している。

また、溶解タンク２には、気液混合槽６における底壁部２ｂに、下方に開口する流入管接続部１２が設けられている。流入管接続部１２には、後述するポンプの吐出側に一端部が接続された流入管の他端部が接続される。気液分離槽８には、下端部に、気体が溶解した液体５を溶解タンク２の外部に取り出す取り出し流路３２の一部を形成する流出管接続部１３が設けられている。流出管接続部１３は、取り出し流路３２の溶解タンク２側の一端部３２ａを形成するものであり、気液分離槽８の下端部に対応する溶解タンク２の底部２ｄに接続されている。流出管接続部１３の接続方向は、流入管接続部１２が延びる方向に対して直角方向であり、流出管接続部１３は、溶解タンク２の正面側に開口している。すなわち、取り出し流路３２は、溶解タンク２の底部２ｄにおいて外側方に延び、取り出し流路３２の溶解タンク２側の一端部３２ａが、気液分離槽８を下方に流れる液体５の流れの方向に対して略直角方向を向いて溶解タンク２の底部２ｄに接続されている。

また、取り出し流路３２の溶解タンク２側の一端部３２ａを形成する流出管接続部１３は、図２、４、６に示したように、溶解タンク２の底壁部２ｂに形成された、液体５が溶解タンク２から流出する流出口３３に連通しており、流出管接続部１３において流出口３３から流出する液体５が流入する部分には、その内底面から起立する整流リブ３４が設けられている。整流リブ３４は、矩形板状の部材であり、取り出し流路３２による液体５の取り出し方向に対して垂直に起立している。

このような流出管接続部１３には、図７に示したように、液体５を浴槽などの供給部に送り出す、流出管接続部１３とともに取り出し流路３２を形成する流出管２４の一端部が接続される。流出管２４は、流出管接続部１３に続いてその下流側に取り出し流路３２を形成するものであり、浴槽などの供給部に連通し、気体が溶解した液体５を供給部に供給する。

さらに、溶解タンク２には、溶解タンク２の外側を通って溶解タンク２の上端部と下端部とを接続し、互いに連通させる気体循環経路１４が設けられている。気体循環経路１４は、後述するように、液体５の生成に際し、溶解タンク２内に貯留している気体を溶解タンク２から一旦取り出した後、溶解タンク２内に戻して循環させるものである。このため、気体循環経路１４の一端部１４ａは、大泡流出防止槽７の上端部に対応する溶解タンク２の上壁部２ａに接続され、他端部１４ｂは、気液混合槽６の下端部に接続されている。

さらにまた、溶解タンク２には、上壁部２ａにおいて、気液分離槽８の上端部に対応する部分に気体放出弁１５が設けられている。気体放出弁１５は、液体５の生成に際し、気液分離槽８における液体５の液面の高さに追随して浮沈し、上下方向に移動可能なフロートを有し、液面の高さの変化にともないフロートが上下動することによって、溶解タンク２内に貯留している気体の放出と停止を行うものである。溶解タンク２の上壁部２ａにおいて気体放出弁１５が設けられる部分は、気液分離槽８の上端部に対応し、図２に示したように、大泡流出防止槽７と気液分離槽８との境界部１６から、境界部１６に対向する溶解タンク２の上壁部２ａの端縁部に向かって斜め下方に傾斜する傾斜面部２ｃとされている。

上記のとおりの溶解タンク２は、また、高さ方向の中央部よりやや下側において分割され、上側を上部ユニット１７、下側を下部ユニット１８としている。第１仕切り壁３は、上部ユニット１７に一体に組み込まれ、第２仕切り壁４は、ここに設けられた縦リブ９および突出部１０を含めて下部ユニット１８に一体に組み込まれている。また、上部ユニット１７の下端縁部および下部ユニット１８の上端縁部には、外側方に突出して延びるフランジ部１９、２０が設けられている。溶解タンク２は、フランジ部１９、２０を互いに重ね合わせ、重なり合うフランジ部１９、２０の所定の部位においてボルトにより、また、必要に応じてナットを用い、上部ユニット１７と下部ユニット１８を締結することによって組み立てられ、一体となる。

図７に示したように、気体溶解装置１では、上記溶解タンク２は、流入管接続部１２において、溶解タンク２の下方に縦列して配置されたポンプ２１の吐出側に一端部が接続された流入管２２の他端部に接続されている。一端部１４ａにおいて溶解タンク２の上壁部２ａに接続された気体循環経路１４は、他端部１４ｂにおいて、流入管２２と流入管接続部１２との接続部に配設された気体循環エジェクタ２３に接続されている。

ポンプ２１の吸い込み側には、浴槽などの供給部に連通して一端部が接続された吸い込み配管２５の他端部が接続されている。吸い込み配管２５の一端部は、たとえば浴槽の場合、浴槽内の湯水を吸い込むために浴槽内部に連通する吸込口２６に連通し、一端部が流出管接続部１３に接続された流出管２４の他端部は、浴槽内部に連通し、浴槽内に空気が溶解した湯水を吐出するための吐出口２７に連通している。図７には、吸込口２６と吐出口２７をともに備えた吸い込み・吐出プラグ２８を例示している。吸い込み・吐出プラグ２８は、たとえば、浴槽の槽壁部に取り付けられるものであり、吸込口２６から吸い込み配管２５に連通する第１流路と、吐出口２７から流出管２４に連通する第２流路とを備えている。これら第１流路および第２流路は、吸い込み・吐出プラグ２８において互いに独立しており、相互に連通してはいない。

また、気体溶解装置１では、溶解タンク２内に流体とともに気体を供給するために、気体放出弁１５の気体放出部付近に気体供給口２９を配置するとともに、ポンプ２１の吸い込み側と吸い込み配管２５との接続部付近に気体導入エジェクタ３０を介設することができる。気体供給口２９と気体導入エジェクタ３０とは気体導入配管３１を介して連通接続される。

このような気体溶解装置１では、気体が溶解した液体５において空気などの溶質となる気体が、運転前に溶解タンク２内に加圧されて貯留している。ポンプ２１を作動させ、運転を開始すると、浴槽内の湯水などの、液体５において溶媒となる流体が吸込口２６から吸い込まれる。吸い込まれた流体は、吸い込み配管２５および流入管２２を通じて溶解タンク２の気液混合槽６に、その下部から供給され、気液混合槽６に噴出する。この流体の噴出は、ポンプ２１によって所定の圧力に加圧されていることによって起こるものである。なお、流体は、気液混合槽６に導入するに先立って、溶解タンク２内に貯留している気体と同じ種類の気体と混合して気液混合流体としておくこともでき、この場合、気液混合槽６には気液混合流体が噴出する。以下、流体単独および気液混合流体をまとめて「流体」と記載する。

流体は、図１−５に示した気液混合槽６に、溶解タンク２の上壁部２ａの内面に向かって噴出して流入する。このとき、流体は、溶解タンク２の上壁部２ａや第１仕切り壁３に衝突し、跳ね返り、次第に気液混合槽６の底部に溜まっていく。また、上壁部２ａの内面に衝突し、跳ね返る流体は、気液混合槽６に貯留する流体の液面に衝突し、流体を攪拌する。

このときの攪拌などによって、溶解タンク２内に貯留している気体と流体が混合され、また、流体が気液混合流体である場合、気液混合流体中の気体も合わせて気体と流体が混合され、気体の溶解が促進されて気体が溶解した液体５が生成される。これは、攪拌による剪断によって流体に気泡として混合される気体が細分化され、流体と接触する表面積が大きくなるのに加え、液面付近における気体の溶解濃度が攪拌による均一化によって低減され、気体の流体への溶解速度が上昇することによる。

このようにして気体が溶解した液体５は、第１仕切り壁３の下端３ａと溶解タンク２の底壁部２ｂとの間の隙間を流路として大泡流出防止槽７に流入し、次第に大泡流出防止槽７に溜まっていく。液体５は、溶解タンク２の底部において大泡流出防止槽７に流入するため、液体５中への大きな気泡の混入が抑制される。

大泡流出防止槽７において液体５の液面が第２仕切り壁４の上端４ａを越えると、液体５は気液分離槽８に流入する。このように、気液分離槽８では、第２仕切り壁４によって液体５が溶解タンク２から外部に流出する前に、液体５の流れが気液界面である液面付近にまで持ち上げられるので、大きな気泡は浮力によって上昇し、液面において破裂する。その結果、気液分離が促進される。しかも、液体５の流れは第２仕切り壁４の上端４ａを乗り越える流れとなるため、液面を通過する流れとなり、液体５が第２仕切り壁４を乗り越えるときにも気液分離が促進される。

また、気液分離槽８には、溶解タンク２の底部２ｄに流出管接続部１３が接続されているので、未溶解の気体による気泡が液体５中に混合されていたとしても、液面付近に存在する大きな気泡の流出を抑制することができる。気泡は、貯留する液体５の上側ほど密に存在し、液面付近の大きな気泡は、底壁部２ｂ付近にはあまり存在しない。液体５は、溶解タンク２の底部から流出管接続部１３を通じて溶解タンク２の外部に流出し、取り出されるため、大きな気泡の流出が抑制される。

流出管接続部１３を通じて溶解タンク２の外部に流出する液体５は、図７に示した流出管２４を経て吐出口２７から浴槽などの供給部に送り出される。

また、気体溶解装置１では、運転中に、溶解タンク２内の、気体循環経路１４の一端部１４ａおよび他端部１４ｂの両端付近に圧力差が生じる。溶解タンク２の上端部に臨む一端部１４ａ付近の圧力は溶解タンク２の下端部に臨む他端部１４ｂ付近の圧力よりも高い。この圧力差にしたがって、また、気体循環エジェクタ２３によって、溶解タンク２内の上部などに貯留している未溶解の気体は吸引され、一端部１４ａから他端部１４ｂへと気体循環経路１４を流れ、溶解タンク２の気液混合槽６に送り出される。

このように、気体溶解装置１では、溶解タンク２内に貯留している気体を循環させながら流体に溶解させることができる。気体循環経路１４を経て流体に導入される気体は気泡として流体に取り込まれ、流体との接触面積は大きく、気体の溶解効率が高くなる。また、未溶解の気体を溶解タンク２の上端部から気体循環経路１４に取り出すので、未溶解の気体がなくなるまで気体の循環を行うことができ、長時間の循環運転が可能となる。しかも、未溶解の気体を流体に溶解させる分、流体の体積流量が増加し、流速が速くなるので、気液の攪拌がさらに良好に行われ、気体の溶解効率の向上が促進されるとともに、大きな気泡を消滅させるのに有効となる。また、気体循環経路１４の他端部１４ｂは溶解タンク２の下端部に臨んでいるので、溶解タンク２内における流体と気体の接触距離をある程度確保することができ、気液接触時間が十分に確保され、気体の溶解効率の向上がさらに促進される。このようにして気体の溶解効率が高まるため、気体と流体の接触時間をさほど長くする必要がなく、したがって、流体の経路を短縮することができ、気体溶解装置１は小型化されている。

そして、気体溶解装置１では、取り出し流路３２の溶解タンク２側の一端部３２ａである流出管接続部１３は、上記のとおり、溶解タンク２内の気液分離槽８を下方に流れる液体５の流れの方向に対して略直角方向を向いて溶解タンク２の底部２ｄに接続されているので、流出管接続部１３は、溶解タンク２の底部２ｄにおいて外側方に延びており、気体溶解装置１全体の小型化を促進させる。

一方、溶解タンク２内の気液分離槽８からの液体５の流出方向と液体５の取り出し方向は、上記のとおりの流出管接続部１３の接続によって一致していない。しかしながら、液体５の溶解タンク２からの流出口３３側において、流出管接続部１３には、その内底面から起立する整流リブ３４が設けられているので、整流リブ３４によって、取り出し流路３２を流れる液体５に旋回流が発生するのを抑制することができる。図８に示したように、整流リブ３４は、溶解タンク２の流出口３３から流出する液体５の旋回しようとする流れに対し抵抗となり、旋回流の発生を阻止する。このため、取り出し流路３２を形成する流出管接続部１３および流出管２４を流れる液体５には旋回流が発生しにくくなり、その結果、液体５中の微細気泡は合一しにくくなり、分散したまま流出管接続部１３および流出管２４を流れ、溶解タンク２から取り出した液体５中に大きな気泡が混入するのを抑制することができる。なお、整流リブ３４を設けずに、液体５に旋回流が発生した場合、液体５中の微細気泡は、流出管２４において、管壁近傍部分と比較して流速の遅い中心部分に集まり、中心部分で合一し、大きな気泡となって流出してしまうことになる。

このような整流リブ３４による液体５の整流作用は、取り出し流路３２による液体５の取り出し方向に対して垂直に起立するときが最も強く、したがって、気体溶解装置１では、上記のとおり、整流リブ３４は、取り出し流路３２による液体５の取り出し方向に対して垂直に起立しており、また、液体５の取り出し方向と同方向に細長く形成されている。垂直に起立する整流リブ３４によって、取り出し流路３２を流れる液体５の流れに旋回流が発生するのがより効果的に抑制される。

なお、整流リブ３４の大きさについては以下のことを考慮して適宜に設計することができる。

高さｈは、圧力損失という観点から、流出管２４の口径の半径よりも低くするのが好ましく、こうすることによって、圧力損失を最小に抑えることが可能となる。長さｌは、長いほど旋回流の抑制に効果的である。そして、幅ｗについては、小さいほど圧力損失が低減される。

また、整流リブ３４は、必ずしも一つであることに限られず、液体５の溶解タンク２からの流出口３３側において、２列以上の複数列を互いに所定の間隔あけて流出管接続部１３の口径方向に並設することもできる。また、液体５の溶解タンク２からの流出口３３側よりも液体５の流れに関し下流側に所定の間隔をあけて複数の整流リブ３４を縦列させて設けることも可能である。たとえば、流出管２４の溶解タンク２側の一端部にも整流リブ３４を設けることができる。

なお、本発明の気体溶解装置は、上記の気体溶解装置１に限定されない。溶解タンクの構成および構造については、従来公知のものを含め、小型化を可能とする限り、多様なものを採用することができる。また、気体や流体の種類についても特に制限されない。微細気泡発生浴槽を考慮すれば、気体として空気が、また、流体として湯水が例示されるが、気体溶解装置の用途に応じて気体や流体には適宜なものを採用することができる。

１ 気体溶解装置
２ 溶解タンク
２ｄ 底部
５ 液体
３２ 取り出し流路
３２ａ 一端部
３３ 流出口
３４ 整流リブ

Claims (2)

1. 気体が溶解した液体を生成する溶解タンクを備え、溶解タンクには、その底部において外側方に延びる取り出し流路が接続され、溶解タンク内に流入する流体が溶解タンク内で気体と混合されて前記液体が生成され、生成した液体が溶解タンクの底部から前記取り出し流路に流出する気体溶解装置であって、
   取り出し流路の溶解タンク側の一端部は、溶解タンク内を溶解タンクの底部に向かって下方に流れる液体の流れの方向と、取り出し流路内を外側方に曲がれる液体の流れの方向の両方に対して略直角方向を向いて溶解タンクの底部に接続され、取り出し流路の溶解タンク側の一端部における溶解タンクからの液体の流入部分に、溶解タンクから取り出し流路に流れ込む液体の流れが衝突して抵抗となる、取り出し流路の内底面から起立する整流リブが設けられていることを特徴とする気体溶解装置。
2. 整流リブは、取り出し流路による液体の取り出し方向に対して垂直に起立していることを特徴とする請求項１に記載の気体溶解装置。

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