JP5884029B2

JP5884029B2 - 気体溶解装置

Info

Publication number: JP5884029B2
Application number: JP2012053093A
Authority: JP
Inventors: 恭子堤; 仁史北村; 前田　康成; 康成前田; 伊藤　良泰; 良泰伊藤; 尚紀柴田; 朋弘穐田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: JP2013184138A

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、気液混合槽、大泡流出防止槽（中間槽）、気液分離槽に区画された溶解タンクを備えた気体溶解装置を提案している（特許文献１）。

特許文献１の気体溶解装置では、溶解タンクの気液混合槽と大泡流出防止槽（中間槽）を区画する第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。このため、特許文献１の気体溶解装置は、大泡流出防止槽（中間槽）において、気体が溶解した流体の流れが整流され、流れの向きが縦方向に一様となり、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。

特開2010−227782号公報

一方、本発明者らによるその後の検討によれば、特許文献１の気体溶解装置においては、溶解タンクの気液分離槽における気液分離について、さらなる検討や改善の余地があるのではないかと考えられた。すなわち、溶解タンクの中間槽を通過した流体中の気泡を効率的に気相へ放出させることができれば、さらに流体中の大きな気泡が分離され、より確実に大きな気泡の流出を抑制することができると考えられた。

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、大きな気泡の流出を抑制することが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、流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るとともに、気液分離槽の上方に排気部を有する溶解タンクを備え、液体と気体とが前記気液混合槽に流入して混合され、気体が溶解した流体が生成され、この流体は、前記中間槽、前記気液分離槽を順次流れ、気液分離槽から溶解タンクの外部に流出する気体溶解装置であって、前記気液混合槽と前記中間槽とを区画する前記第１仕切り壁は、溶解タンクの側壁部から内方へ向かって延びる水平部と、この水平部の端部から下方へ垂下する垂下部とを有するとともに、前記水平部、前記中間槽、前記気液分離槽の上方には、溶解タンクの水平方向に連通する連通空間が形成されており、前記中間槽を通過した流体の液面が、前記連通空間内に位置しており、前記中間槽と前記気液分離槽とを区画する前記第２仕切り壁は、前記溶解タンクの底壁部から上壁部に向かって垂直に延びており、前記中間槽側に位置する前記第２仕切り壁の上端は、前記溶解タンクの前記上壁部の下方に位置して前記連通空間に達しており、前記中間槽において流体の液面が前記第２仕切り壁の上端に接近するとき、前記第２仕切り壁によって流体の流れが液面付近にまで持ち上げられることを特徴としている。

この気体溶解装置では、前記水平部と前記垂下部との間のコーナー部が湾曲して形成されていること好ましい。

この気体溶解装置では、前記溶解タンクは、底壁部側から上壁部側へ向かって拡開した形状であることがさらに好ましい。

本発明の気体溶解装置によれば、大きな気泡の流出を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例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の縦断面図である。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例示した斜視図である。（Ａ）（Ｂ）溶解タンクの別の形態を簡略化して例示した断面概略図である。

図１は、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例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背面側からの縦断面図である。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例示した斜視図である。

図１−３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、後述する流体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。流体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。

図１、図３に示したように、第１仕切り壁３は、溶解タンク２の側壁部２cから内方へ向かって略水平に延びる水平部３１と、この水平部３１の端部３１aから略直角に屈曲して下方へ垂下する垂下部３２とによって形成されている。垂下部３２の下端３２a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、この隙間を流体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。中間槽７側に位置する第２仕切り壁４の上端４ａは、溶解タンク２の上壁部２ａの下方に位置している。

第１仕切り壁３の水平部３１と、溶解タンク２の上壁部２ａの間には空間が形成されており、中間槽７の上方の空間と連通している。また、第２仕切り壁４の上端４ａの上方において中間槽７と気液分離槽８とが互いに連通している。したがって、水平部３１、中間槽７、気液分離槽８の上方には、溶解タンク２の水平方向に連通する連通空間Ｓが形成されている。連通空間Ｓは、中間槽７の上方において、溶解タンク２の側壁部２cに囲まれた空間と略等しい断面積を有している。

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、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、流体（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。

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、流体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。

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、気体放出弁を備えた排気部１５が設けられている。排気部１５は、流体５の生成に際し、連通空間Ｓにおける流体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ている。排気部１５は、フロートが液面の高さの変化にともない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ことができる。溶解タンク２の上壁部２ａにおいて排気部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２ｄ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、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。また、溶解タンク２の流出管接続部１３には、浴槽などの、流体（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６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、例えば、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Ｌ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、流体（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、流体５において溶媒となる液体が吸込口２６から吸い込まれる。吸い込まれた液体は、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。この液体の噴出は、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。また、気液混合槽６に導入する流体５は、液体と、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を混合した気液混合流体とすることもでき、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（液体）および気液混合流体をまとめて「流体」と記載する。

流体５は、図１−３に示した気液混合槽６に、第１仕切り壁３の水平部３１の内面（気液混合槽６側の面）に向かって噴出して流入する。このとき、流体５は、第１仕切り壁３の水平部３１、垂下部３２の内面に衝突し、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、跳ね返る流体５は、気液混合槽６に貯留する流体５の液面に衝突し、流体５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５が混合され、気体の溶解が促進され、気体が溶解した流体５が生成される。これは、攪拌による剪断によって流体５に気泡として混合される気体が細分化され、流体５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５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流体５は、第１仕切り壁３の垂下部３２の下端３２ａ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。流体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、流体５中への大きな気泡の混入が抑制される。

中間槽７において流体５の液面（水位）が第２仕切り壁４の上端４ａに接近するとき、第２仕切り壁４によって流体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。

このとき、中間槽７を通過した流体５は、液面が連通空間Ｓ内に位置するまで上昇する。すなわち、中間槽７を通過した流体５の液面Ｗ（図３に図示）の位置は、第１仕切り壁３の水平部３１より高く、連通空間Ｓの下方領域に流体５が満たされた状態となる。したがって、中間槽７を通過した流体５は、連通空間Ｓにおいて気相との接触を伴って気液分離槽８へと流入する。このとき、中間槽７を通過した流体５中に含まれる余剰の気体（気泡）は、連通空間Ｓに至る際に広範囲に拡がりながら浮き上がり、効率的に気相に放出される。すなわち、連通空間Ｓにおいては、気相と接する流体５の液面積が広くなるため、気液分離が促進され、大きな気泡の流出を抑制することができる。

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流体５中に混合されていたとしても、大きな気泡の流出を抑制することができる。気泡は、貯留する流体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。流体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の外部に流出する流体５は、図６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５に溶解させることができる。気体循環経路１４を経て流体５に導入される気体は気泡として流体５に取り込まれ、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５に溶解させる分、流体５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。

本発明の気体溶解装置１は、上記実施形態に示したように、気体が溶解した流体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。

また、図１−４に示した気体循環経路１４は、必ずしも本発明の気体溶解装置に必須なものではなく、流体５中に気体が所定の濃度で溶解する限りにおいて省略することが可能である。

図５（Ａ）（Ｂ）は、図１−３に示した溶解タンクとは、別の形態の溶解タンクを簡略化して例示した断面概略図である。図１−３に示した溶解タンクと共通する部分には、同一の符号を付し、以下では説明を省略する。また、図５（Ａ）（Ｂ）では、例えば、流入管接続部、流出管接続部、気体循環経路、排気部などの図示は省略している。

図５（Ａ）に例示した形態では、溶解タンク２は、第１仕切り壁３の水平部３１と垂下部３２との間のコーナー部Ｃが湾曲して形成されている。したがって、第１仕切り壁３は、水平部３１から垂下部３２へ向かって下方に滑らか曲がる曲面状とされている。気液混合槽６に流入した流体５は、第１仕切り壁３の水平部３１の内面に衝突し、跳ね返り、気液混合槽６の底部に溜まっていくが、この際、コーナー部Ｃが湾曲して形成されていることで、この部分における流体５の流れがスムーズになる。このため、コーナー部Ｃの内面付近における流体５の渦の発生を抑制することができるとともに、溶解できなかった気体（気泡）の滞留を抑制することができる。

図５（Ｂ）に例示した形態では、図５（Ａ）に例示した形態と同様に、第１仕切り壁３の水平部３１と垂下部３２との間のコーナー部Ｃが湾曲して形成されている。さらに、図５（Ｂ）に例示した形態では、溶解タンク２は、底壁部２b側から上壁部２a側へ向かって拡開した形状に形成されている。このため、溶解タンク２の上方の連通空間Ｓを広く形成することができるため、中間槽７を通過した流体５中に含まれる余剰の気体（気泡）は、連通空間Ｓにおいて一層広範囲に拡がって浮き上がり、より効率的に気相に放出される。したがって、連通空間Ｓにおいて気液分離が促進され、大きな気泡の流出を抑制することができる。

本発明の気体溶解装置は、以上の形態に限定されることはない。例えば、第１仕切り壁の水平部が配設される高さなどは、溶解タンクの容量や、流入する流体の量などに応じて適宜設定することができる。また、第１仕切り壁の水平部は、必ずしも平板状である必要はなく、例えば、上方にわずかに湾曲した形状などであってもよい。さらに、流出管接続部の配設位置なども特に限定されず、例えば、気液分離槽の中間に設けることなどもできる。

１気体溶解装置
２溶解タンク
３第１仕切り壁
３１水平部
３２垂下部
４第２仕切り壁
５流体
６気液混合槽
７中間槽
８気液分離槽
Ｓ連通空間
Ｗ水面

Claims

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、流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るとともに、気液分離槽の上方に排気部を有する溶解タンクを備え、液体と気体とが前記気液混合槽に流入して混合され、気体が溶解した流体が生成され、この流体は、前記中間槽、前記気液分離槽を順次流れ、気液分離槽から溶解タンクの外部に流出する気体溶解装置であって、
前記気液混合槽と前記中間槽とを区画する前記第１仕切り壁は、溶解タンクの側壁部から内方へ向かって延びる水平部と、この水平部の端部から下方へ垂下する垂下部とを有するとともに、前記水平部、前記中間槽、前記気液分離槽の上方には、溶解タンクの水平方向に連通する連通空間が形成されており、前記中間槽を通過した流体の液面が、前記連通空間内に位置しており、
前記中間槽と前記気液分離槽とを区画する前記第２仕切り壁は、前記溶解タンクの底壁部から上壁部に向かって垂直上方に延びており、前記中間槽側に位置する前記第２仕切り壁の上端は、前記溶解タンクの前記上壁部の下方に位置して前記連通空間に達しており、
前記中間槽において流体の液面が前記第２仕切り壁の上端に接近するとき、前記第２仕切り壁によって流体の流れが液面付近にまで持ち上げられることを特徴とする気体溶解装置。
前記水平部と前記垂下部との間のコーナー部が湾曲して形成さ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。
前記溶解タンクは、底壁部側から上壁部側へ向かって拡開した形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の気体溶解装置。