JP5870297B2 - 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、気体溶解装置に関し、大きな気泡の流出の抑制と装置の小型化を両立させて実現するために、溶解タンクの内部を仕切り壁によって気液混合槽と気液分離槽の少なくとも２つの槽に区画し、気液混合流体の経路の長さを必要最小限に抑えることを検討している。その検討の中で、気液分離槽での乱流の発生を抑えて大きな気泡の流出を抑制することのできる気体溶解装置を提案している（特許文献１）。

特許文献１に記載している気体溶解装置は、第１仕切り壁および第２仕切り壁の２つの仕切り壁によって内部が、液体の流れに関しその上流側から下流側にかけて、気液混合槽、大泡流出防止槽（中間槽）、気液分離槽の順に区画された溶解タンクを備えている。この気体溶解装置では、溶解タンク内に流入する流体、すなわち、溶媒となる流体の単独または溶質となる気体が流体中に混合された気液混合流体が、気液混合槽において溶解タンク内に貯留する気体と混合され、気体が溶解した液体が生成される。生成した液体は、中間槽、気液分離槽を順次流れ、気液分離槽の下部から溶解タンクの外部に流出する。

このような特許文献１に記載の気体溶解装置では、さらに、第２仕切り壁において第１仕切り壁に対向する面、または第１仕切り壁において第２仕切り壁に対向する面に、溶解タンクの縦方向に延びる縦リブが設けられている。この縦リブによって、気液混合槽から中間槽に向かう、気体が溶解した液体の流れが整流され、流れの向きが縦方向にほぼ一様となる。その結果、中間槽から気液分離槽に流入する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、気液分離槽から溶解タンクの外部に液体が流出する際に、大きな気泡が溶解タンクの外部に流出するのが抑制される。

特開２０１０−２２７７８２号公報

一方、特許文献１に記載している気体溶解装置を含め、気体が溶解した液体を生成する気体溶解装置については、液体への気体の溶解効率を高めるためには、溶解タンク内の圧力を上げる、または気液の接触時間を長くするのが一般的である。しかしながら、溶解タンク内の圧力を上げる場合には、高圧ポンプの設置が不可欠であり、その分気体溶解装置のコストが高くなるという問題がある。また、気液の接触時間を長くする場合には、溶解タンクの容積を大きくする必要があり、装置の小型化の実現に支障となるという問題がある。

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、コストの高騰を抑え、装置の小型化を図りつつ、液体への気体の溶解効率を高め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。

上記の課題を解決するために、本発明の気体溶解装置は、第１仕切り壁および第２仕切り壁の２つの仕切り壁によって内部が、液体の流れに関しその上流側から下流側にかけて、気液混合槽、中間槽、気液分離槽の順に区画された溶解タンクを備え、この溶解タンク内に流入する流体が前記気液混合槽において気体と混合され、気体が溶解した液体が生成され、この液体は、前記中間槽、前記気液分離槽を順次流れ、前記気液分離槽の下部から前記溶解タンクの外部に流出する気体溶解装置において、前記気液混合槽に供給され、噴出する前記流体が前記気液混合槽に衝突する上壁部の中央部分に突起が設けられ、かつこの突起によって隔てられた前記上壁部の内面は、どちらも湾曲面とされ、前記突起に衝突後の前記内面に沿って流れる流体に、前記突起の下方に向けた旋回流を発生させることを特徴とする。

この気体溶解装置においては、前記気液混合槽の内部に、前記突起の付近まで延びる流体の流路が設けられていることが好ましい。

本発明の気体溶解装置によれば、コストの高騰を抑え、装置の小型化を図りつつ、液体への気体の溶解効率を高めることができる。

本発明の気体溶解装置における溶解タンクの一形態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Ａ−Ａ断面図である。 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。 本発明の気体溶解装置における溶解タンクの別の形態を示した断面図である。

図１は、本発明の気体溶解装置における溶解タンクの一形態を示した一部切欠斜視図である。図２は、図１に示した溶解タンクの正面図である。図３は、図２に示した溶解タンクのＡ−Ａ断面図である。

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および第２仕切り壁４によって中間槽７が区画形成され、中間槽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、中間槽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と中間槽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、中間槽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、第１仕切り壁３側に突出して設けられている。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。

また、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、中間槽７に突出する幅方向に略一致しており、第２仕切り壁４に設けられた突出部１０に対して略直交する向きに延びている。

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、正面側に開口する流出管接続部１３が設けられている。流出管接続部１３には、溶解タンク２で生成した、気体が溶解した液体５を浴槽などの供給部に送り出す流出管の一端部が接続される。

また、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。

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、中間槽７と気液分離槽８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。

そして、溶解タンク２では、気液混合槽６において流入管接続部１２に対向する上壁部２ａに、気液混合槽６の内部に向かって突出する突起５０が設けられている。突起５０は、その先端部が丸く丸められたものとなっている。また、突起５０によって隔てられた気液混合槽６の上壁部２ａの内面５１、５２は、どちらも同じ曲率で湾曲する湾曲面とされている。内面５１、５２は、突起５０を挟んで左右対称に配置されている。突起５０は、流入管接続部１２を通じて気液混合槽６に供給され、下方から噴出する流体、すなわち、溶媒となる水などの流体の単独または溶質となる空気などの気体が流体中に混合された気液混合流体が、気液混合槽６に衝突する部分に配置されている。このような突起５０は、衝突後の流体に旋回流を発生させるものである。突起５０は、好ましくは、気液混合槽６の中央部に配置される。

図４は、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４に示したように、気体溶解装置１では、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。また、溶解タンク２の流出管接続部１３には、浴槽などの、気体が溶解した液体５の供給部に供給するための流出管２４の一端部が接続されている。

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４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内の気体の濃度を高く保持するなどのために、溶解タンク２の上壁部２ａの上方に気体供給口２９を配置し、ポンプ２１の吸い込み側と吸い込み配管２５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、図１および図３に示した溶解タンク２の気液混合槽６に供給され、気液混合槽６にその下方から噴出する。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、上記のとおり、単独の流体の他に、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することもできる。

図１および図３に示したように、流体は、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、突起５０に衝突する。突起５０に衝突した後の流体には旋回流が発生する。この旋回流は、突起５０を挟んで左右両側に位置する気液混合槽６の内面５１、５２に沿って発生するものであり、それぞれの内面５１、５２に沿って発生した旋回流は、突起５０の下方の、たとえば、気液混合槽６の中央部などに集まり、互いにぶつかり合う。また、そのように旋回流が集まる部分に、気液混合槽６の下方から噴出する、図４に示したポンプ２１によって加圧された流体が衝突する。その結果、衝突と剪断の作用により、気液混合槽６の内部に貯留していた気体や気液混合流体中に存在する気体が微細化される。この気体の微細化は、流体と接触する表面積を拡大し、液体５への気体の溶解効率を促進させる。このように、気体溶解装置１では、気液混合槽６に供給され、噴出する流体が気液混合槽６に衝突する部分に突起５０を設けることによって、気体が微細化され、液体５への気体の溶解効率を向上させることができる。このため、高圧ポンプの設置や溶解タンク２の容積を大きくする必要はなく、液体５への気体の溶解効率の向上を簡便に実現することができ、コストの高騰を抑え、装置の小型化を図ることができる。突起５０が、気液混合槽６の中央部に配置される場合、流体の突起５０との衝突により生じる旋回流が突起５０を挟んで左右に均等となり、旋回流のぶつかり合い、さらに旋回流が集まる部分に流体が衝突することによる気体の微細化が良好に促進される。

なお、突起５０および内面５１、５２の形状は、特に図１および図３に示したものに限られることはない。突起５０に衝突後の流体に旋回流が発生する限りにおいて適宜な形状とすることができる。

流体は、その後、次第に気液混合槽６の底部に溜まっていき、また、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。このときの攪拌によって、溶解タンク２内に貯留していた気体および気液混合流体中に存在する気体と流体とがさらに混合され、液面付近における気体の溶解濃度が均一化にともなって低減し、気体の流体への溶解速度が上昇する。このため、気体の溶解がより促進され、気体が溶解した液体５が生成される。

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中間槽７に流入し、次第に中間槽７に溜まっていく。液体５は、溶解タンク２の底部において中間槽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。

中間槽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の底壁部２ｂに流出管接続部１３が設けられているので、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４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の小型化がさらに図られる。

そして、気体溶解装置１では、溶解タンク２の内部を中間槽７と気液分離槽８に区画形成する第２仕切り壁４において、溶解タンク２の内部を気液混合槽６と中間槽７に区画形成する第１仕切り壁３に対向する面４ｂに縦リブ９が設けられている。縦リブ９によって、上流側の気液混合槽６から下流側の中間槽７に向かう、気体が溶解した液体５の流れが整流され、流れの向きが縦方向に一様となる。その結果、液体５中に大きな気泡が混入するのが抑制され、さらに下流側の気液分離槽８から溶解タンク２の外部に流出する液体５とともに大きな気泡が流出するのが抑制される。このように、気体溶解装置１は、小型化が可能であるとともに、気液分離槽８での乱流の発生を抑えて大きな気泡の流出を抑制することもできる。

また、気体溶解装置１では、縦リブ９は、上記のとおり、第２仕切り壁４の第１仕切り壁３との対向面４ｂに設けられているが、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に縦リブ９を設けてもよい。たとえば、縦リブ９の中間槽７に突出する幅がある程度大きいなどの場合には、第２仕切り壁４の第１仕切り壁３との対向面４ｂに設ける場合と同じように、流体５の流れの制御を期待することができる。

また、気体溶解装置１では、第２仕切り壁４において第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が設けられているので、中間槽７から気液分離槽８に流入する液体５の流れは、突出部１０によってその左右両側の２方向に分岐され、流体５は、中間槽７を槽壁に沿って流れることになる。その結果、中間槽７での液体５の流速分布が均一になり、気泡の合一が促進され、大きな気泡の流出が一層抑制される。

また、気体溶解装置１では、気液分離槽８に、液体５の流れに関し平行に配置された横リブ１１が設けられているので、液体５の流れの圧力損失が小さくなり、気液分離槽８において旋回流の発生が抑制される。その結果、大きな気泡の流出がより一層抑制される。

このような気体溶解装置１は、気体が溶解した液体５が溶解タンク２から外部に流出する際の大きな気泡の流出を十分に抑制することができるので、気液混合槽６への流体の導入は、必ずしも溶解タンク２の底部から行うことに限られるものではない。大きな気泡の流出という観点からはあまり好ましくないと考えられる、流体を溶解タンク２の上部から噴射させる方式を採用しても、同様の作用効果を奏する。

図５は、本発明の気体溶解装置における溶解タンクの別の形態を示した断面図である。

図５に示した溶解タンク２において、図１〜図３に示した溶解タンク２と同じ部位については同一の符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図５に示した溶解タンク２では、気液混合槽６の内部に、流入管接続部１２に連通し、底壁部２ｂから突起５０の付近まで上方に延びる流体の流路５３が設けられている。溶解タンク２の気液混合槽６に供給される流体は、流体の流路５３を通り、その上端から噴出するので、流体は、確実に突起５０に衝突する。このように、図５に示した溶解タンク２では、流体の突起５０との衝突が確実になる。このため、流体の流れに偏りが生じていたり、また、溶解タンク２が傾斜して設置されたりするようなことがあっても、それにともなう外乱にほとんど影響されることなく、液体５への気体の溶解効率が向上する。しかも、気液混合槽６の下方から噴出する、図４に示したポンプ２１によって加圧された流体の圧力が、中間槽７側へと向かう液体５により低下するのを抑制することができ、突起５０との衝突によって生じる旋回流が集まる部分に高い圧力で流体を衝突させることができる。このため、気体の微細化が促進する。なお、図５に示した溶解タンク２では、突起５０は、好ましくは、気液混合槽６の中央部に配置され、突起５０のほぼ直下に流体の流路５３が配置されるのが好ましい。この場合、流体の突起５０との衝突により生じる旋回流が突起５０を挟んで均等となり、旋回流のぶつかり合い、さらに旋回流が集まる部分に流体が衝突することによる気体の微細化が良好に促進される。

本発明の気体溶解装置は、以上の実施形態によって限定されるものではない。気液混合槽、中間槽および気液分離槽の構成および構造をはじめ、気体および流体の種類、また、突起の形状および大きさなどの細部については様々な態様が可能である。

１ 気体溶解装置
２ 溶解タンク
３ 第１仕切り壁
４ 第２仕切り壁
５ 液体
６ 気液混合槽
７ 中間槽
８ 気液分離槽
５０ 突起
５３ 流体の流路

Claims (2)

1. 第１仕切り壁および第２仕切り壁の２つの仕切り壁によって内部が、液体の流れに関しその上流側から下流側にかけて、気液混合槽、中間槽、気液分離槽の順に区画された溶解タンクを備え、この溶解タンク内に流入する流体が前記気液混合槽において気体と混合され、気体が溶解した液体が生成され、この液体は、前記中間槽、前記気液分離槽を順次流れ、前記気液分離槽の下部から前記溶解タンクの外部に流出する気体溶解装置において、
   前記気液混合槽に供給され、噴出する前記流体が前記気液混合槽に衝突する上壁部の中央部分に突起が設けられ、かつこの突起によって隔てられた前記上壁部の内面は、どちらも湾曲面とされ、前記突起に衝突後の前記内面に沿って流れる流体に、前記突起の下方に向けた旋回流を発生させる
   ことを特徴とする気体溶解装置。
2. 前記気液混合槽の内部に、前記突起の付近まで延びる流体の流路が設けられ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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