JP5975385B2 - 気体溶解装置 - Google Patents

Description

本発明は、水などの溶媒に空気などの気体を溶解させる気体溶解装置に関する。

本出願人は、小型化可能であり、気液分離槽での乱流の発生を抑え、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に記載した気体溶解装置は、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、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が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、大泡流出防止槽、気液分離槽を順次流れる。

そして、気体溶解装置では、溶解タンクにおいて、気液分離槽の上端部に対応する部分に気体放出弁が設けられ、流体に溶解し切れずに残り、溶解タンク内の上部などに貯留する未溶解の気体の一部を溶解タンクの外部に抜き出すことができるようにしている。気体放出弁により未溶解の気体を積極的に排気することによって、たとえば、水中の溶存酸素濃度が過飽和状態となり、溶解タンク内の酸素分圧が高くなって、より多くの酸素を水に溶解させることができる。要求される効能などに対応した、酸素の溶解濃度が十分に高い酸素溶解水の生成が可能となる。

特開２０１０−２２７７８２号公報

このような気体溶解装置では、溶解タンク内の上部などに貯留する未溶解の気体といっしょに液体が気体放出弁内に進入してしまう場合があり、この場合、液体を気体放出弁から下方に排出して気体を抜けやすくする必要がある。しかしながら、未溶解の気体が気体放出弁内に導入される通気口から液体を排出すると、表面張力により形成される液体の膜によって未溶解の気体と液体の入れ替えがスムーズに行われなくなる場合がある。

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、溶解タンクの上部などに貯留する未溶解の気体の一部を気体放出弁により溶解タンクの外部にスムーズに排気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。

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、前記溶解タンクに設けられた流出部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、前記中間槽と前記気液分離槽を区画する前記第２仕切り壁および前記流出部は、前記気液分離槽を前記液体が水平方向に流れるように設けられ、前記気液分離槽の上部に気体放出弁が設けられ、この気体放出弁は、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内部に備えたフロート室と、前記気体放出弁の底部に設けられた気体導入部とを有し、この気体導入部の内側には、内部が中空な周壁が設けられており、この周壁には、内外方向に貫通しており、前記気液分離槽の上部に溜まる気体の一部を内部に導入する通気口と、内外方向に貫通しており、前記気体放出弁内に進入した前記液体を前記気液分離槽に排出する排液口とが形成され、前記周壁の内部の空間は、前記フロート室と連通しており、前記通気口は、前記溶解タンクの縦方向に関し前記排液口よりも高い位置に配置されていることを特徴としている。

この気体溶解装置においては、第２仕切り壁および流出部は、液体が中間槽の外面に沿って水平方向に流れるように設けられていることが好ましい。

この気体溶解装置においては、第２仕切り壁では、その上部が一部切り欠かれて切欠部が形成され、流出部は、切欠部から離れた位置の気液分離槽の底部に設けられていることが好ましい。

この気体溶解装置においては、第２仕切り壁は、第１仕切り壁によって区画される気液混合槽の周囲をその外側から中間槽が包囲するように設けられていることが好ましい。

この気体溶解装置においては、第１仕切り壁および第２仕切り壁は、略円筒状の形状を有していることが好ましい。

本発明の気体溶解装置によれば、溶解タンクの上部などに貯留する未溶解の気体の一部を気体放出弁により溶解タンクの外部にスムーズに排気することができる。

本発明の気体溶解装置の一実施形態を示した正面図である。 図１に示した気体溶解装置の縦断面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、図２に示した気体溶解装置における溶解タンクのＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図である。 図２に示した気体溶解装置における溶解タンクの一部切欠斜視図である。 縦リブによる気泡の移動抑制について示した模式図である。 図２に示した気体溶解装置における溶解タンクのＤ−Ｄ部分断面図である。 溶解タンクにおける気体循環配管の周辺を示した一部切欠斜視図である。 図１に示した気体溶解装置における溶解タンクの分解斜視図である。 図１に示した気体溶解装置における溶解タンクの分解斜視図である。

図１は、本発明の気体溶解装置の一実施形態を示した正面図である。図２は、図１に示した気体溶解装置の縦断面図である。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、図２に示した気体溶解装置における溶解タンクのＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図である。図４は、図２に示した気体溶解装置における溶解タンクの一部切欠斜視図である。

図１および図２に示したように、気体溶解装置１では、架台２の上にポンプ３が固定され、ポンプ３の上に溶解タンク４が縦置きに取り付けられている。ポンプ３は、水などの溶媒を加圧下に溶解タンク４に送給するものであり、正面に溶媒の吸込部５を備えている。吸込部５は、吸込配管（図示なし）の接続が可能とされている。また、ポンプ３は、上端部に上方に突出する吐出部６を備えている。

溶解タンク４は、図１に示したように、底部に流入部７を備え、流入部７は、ポンプ３の吐出部６に接続されている。したがって、ポンプ３により送給される溶媒は、溶解タンク４の底部から溶解タンク４内に流入する。また、溶解タンク４は、流入部７と異なる位置の底部に流出部８を備えている。流出部８は、溶解タンク４内で生成される液体が溶解タンク４から流出する部位であり、溶解タンク４の正面側に配置されている。流出部８は、液体を供給先へ供給する流出配管（図示なし）の接続が可能とされている。

また、気体溶解装置１では、縦方向に延びる気体吸引配管９がポンプ３の吸込部５に接続されている。気体吸引配管９は、先端に、気体吸引口１０が形成された気体吸込部１１が接続されている。ポンプ３の作動により生じる負圧によって、溶解タンク４での溶解対象である空気などの気体が、気体吸込部１１の気体吸引口１０から吸引され、気体吸引配管９を通じてポンプ３の吸込部５に送り込まれる。吸込部５に送り込まれた気体は、水などの溶媒中に気泡として混合され、気液混合流体が生成される。この気液混合流体が、流体として吐出部６および流入部７を通じて溶解タンク４内に供給される。

図２に示したように、溶解タンク４の内部には、２つの仕切り壁、すなわち、第１仕切り壁１２および第２仕切り壁１３が設けられ、溶解タンク４の内部は、第１仕切り壁１２および第２仕切り壁１３によって、気液混合槽１４、中間槽１５および気液分離槽１６に区画されている。気液混合槽１４は、溶解タンク４内で生成される液体の流れに関し最も上流側に位置している。中間槽１５は、気液混合槽１４の外側に隣接して配置されている。気液分離槽１６は、液体の流れに関し最も下流側に位置し、中間槽１５の外側に隣接している。

第１仕切り壁１２および第２仕切り壁１３は、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示したように、ともに略円筒状の形状を有している。第１仕切り壁１２は、気液混合槽１４と中間槽１５を区画するものであり、図２に示したように、溶解タンク４の上面から下方に延びている。第１仕切り壁１２の下端は、溶解タンク４の底面までは達してなく、溶解タンク４の底面との間に隙間が形成されている。この隙間を液体の流路として気液混合槽１４と中間槽１５は互いに連通している。

第２仕切り壁１３は、中間槽１５と気液分離槽１６を区画するものであり、溶解タンク４の底面から上方に延びている。第２仕切り壁１３は、気液混合槽１４の周囲をその外側から中間槽１５が包囲するように設けられている。また、第２仕切り壁１３の上部では、図３（ａ）（ｃ）および図４にも示したように、その一部が、断面略円弧状に切り欠かれ、切欠部１７が形成されている。切欠部１７を介して中間槽１５と気液分離槽１６は連通している。切欠部１７は、流出部８と反対側に配置されており、流出部８は、切欠部１７から離れたところに位置している。また、流出部８は、気液分離槽１６の底部に設けられ、気液分離槽１６に連通している。

このような溶解タンク４では、図２に示したように、ポンプ３の作動によって気液混合流体が溶解タンク４に供給されると、気液混合流体は、図１に示した流入部７を通じて気液混合槽１４に、溶解タンク４の底部から上方に向かって噴出する。気液混合流体は、溶解タンク４の上面や第１仕切り壁１２に衝突し、跳ね返り、次第に気液混合槽１４の底部に溜まっていく。また、溶解タンク４の上面や第１仕切り壁１２に衝突し、跳ね返る気液混合流体は、溶解タンク４の底部から上方に向かって噴出する気液混合流体に衝突し、しかも、気液混合槽１４に貯留する気液混合流体の液面に衝突して気液混合流体を撹拌する。このとき、図１に示した気体吸引配管９を通じて混合された気体および気液混合槽１４にあらかじめ貯留していた気体が、水などの溶媒と激しく混合され、また、気液混合流体は撹拌され、気体が溶媒中に加圧下で溶解し、気体が溶解した液体が生成される。これは、撹拌による剪断によって気液混合流体に気泡として混合される気体が細分化され、溶媒と接触する表面積が大きくなり、また、液面付近における気体の溶解濃度が撹拌による均一化によって低減され、気体の溶媒への溶解速度が上昇することによる。

生成した液体は、第１仕切り壁１２の下端と溶解タンク４の底面との間の隙間を通って中間槽１５に流出する。中間槽１５に流出した液体は、図３（ａ）（ｃ）および図４に示したように、第２仕切り壁１３の切欠部１７から越流して気液分離槽１６に流出する。気液分離槽１６は、液体に溶解し切れない気体を気泡として液体から分離する。液体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、気泡は、浮力によって上方へ移動する。一方、気液分離槽１６に流出した液体は、そのような気泡の上昇を妨げない方向に流れる。図３（ｂ）および図４に示したように、液体は、気液分離槽１６を水平方向に流れる。この液体の水平方向の流れは、中間槽１５の外面に沿ったものとなり、気液分離槽１６を水平方向に流れる液体は、流出部８から溶解タンク４の外部に流出する。流出部８は、気液分離槽１６の底部に設けられているので、液面付近に存在する大きな気泡の流出が抑制される。

このように、溶解タンク４では、第２仕切り壁１３および流出部８が、気液分離槽１６を液体が中間槽１５の外面に沿って水平方向に流れるように設けられているので、溶解タンク４のより一層の小型化が可能であり、特に縦方向のサイズを小さくすることができる。溶解タンク４の縦方向のサイズの短縮化に有効となる。しかも、流出部８が中間槽１５の切欠部１７から離れた位置に設けられているので、気液分離のための距離を長くとることができ、気泡の上昇時間を長くすることができる。液体が気液分離槽１６を水平方向に流れることで、流れている間に未溶解の気体を液体から分離することができ、気液分離を効率よく行うことができる。このため、未溶解の気体が流出部８から溶解タンク４の外部に流出するのを抑制することができる。

また、溶解タンク４では、第２仕切り壁１３が、気液混合槽１４の周囲をその外側から中間槽１５が包囲するように設けられているので、液体生成時に発生しやすい騒音を抑制することができる。さらに、第１仕切り壁１２および第２仕切り壁１３は円筒状の形状を有しているので、液体の流れが均質化され、溶解タンク４のより一層の小型化に有効ともなる。

また、図３（ａ）（ｃ）および図４に示したように、気液分離槽１６では、気液分離槽１６の上面より下方に延びる縦リブ１８が設けられている。縦リブ１８は、小片状に形成され、液体が流れる方向に間隔をあけて３つ設けられている。

図５は、縦リブによる気泡の移動抑制について示した模式図である。

気液分離槽１６において液体内を上方に移動する気泡１９は、縦リブ１８によって、液体が流れる水平方向への移動が規制される。気泡１９は、縦リブ１８の長さ方向に上昇することができるのみであり、このように上昇する複数の気泡１９は次第に合体する。縦リブ１８は、気泡１９の合体を促進させるものでもある。このため、未溶解の気体が液体から効率よく分離され、大きな気泡が気液分離槽１６から流出部８へと流出するのを抑制することができる。合体した気泡１９は、液面に達すると割れ、未溶解の気体は、気液分離槽１６の上部に溜まる。このように気液分離槽１６の上部に溜まる未溶解の気体を溶解タンク４から排出するために、溶解タンク４の気液分離槽１６の上部には、図２および図４に示したように、気体放出弁２０が設けられている。

図６は、図２に示した気体溶解装置における溶解タンクのＤ−Ｄ部分断面図である。

図６に示したように、気体放出弁２０は、気液分離槽１６における液体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５０を有している。液体の液面の高さの変化にともないフロート５０が上下動することによって、気体放出弁２０は、気液分離槽１６の上部に貯留する気体の放出と停止を行う。

気体放出弁２０は、その底部に円筒状の気体導入部５１を有している。気体導入部５１の内側には周壁５２が設けられ、周壁５２には、その内側に気体を導入する通気口５３と、内側に進入した液体を気液分離槽１６に排出する排液口５４とが形成されている。通気口５３および排液口５４はともに、周壁５２をその内外方向に貫通している。周壁５２の内側は、中空であり、フロート５０を内部に備えたフロート室５５に連通している。気体放出弁２０は、通気口５３を通じて気体導入部５１の周壁５２の内側に導入された未溶解の気体の一部をフロート室５５を経て溶解タンク４の外部に放出する。

このような気体放出弁２０では、通気口５３と排液口５４が、溶解タンク４の縦方向に関し異なる高さに配置されている。すなわち、周壁５２において、通気口５３は、排液口５４よりも高い位置に配置されている。このように、気体放出弁２０の気体導入部５１では、通気口５３と排液口５４の位置に高低差を設けているので、周壁５２の内側に進入した液体に水頭圧を加えることができる。周壁５２の内側に進入した液体は、気体導入部５１において通気口５３よりも下側に位置し、水頭圧が高い排液口５４から気液分離槽１６に流出する。このとき、排液口５４から流出する液体と入れ替わって、気液分離槽１６の上部に溜まった気体の一部が、気体放出弁２０の気体導入部５１において通気口５３を通じて周壁５２の内側に導入され、フロート室５５に進入し、溶解タンク４の外部に排気される。このような気体放出弁２０の気体導入部５１における液体と未溶解の気体との入れ替えはスムーズに行われ、気液分離槽１６の上部に貯留する未溶解の気体の一部は、気体放出弁２０により溶解タンク４の外部にスムーズに排気される。

また、溶解タンク４では、気液分離槽１６の上部に溜まる気体を再利用するために、図２および図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示したように、気体循環配管２１が設けられてもいる。

図７は、溶解タンクにおける気体循環配管の周辺を示した一部切欠斜視図である。

図７に示したように、気体循環配管２１は中間槽１５の内部を上下方向に設けられ、下端は、溶解タンク４の流入部７に接続されている。気体循環配管２１の上端部は、図３（ｃ）に示したように、第２仕切り壁１３に沿って略円弧状に湾曲し、水平に配置されている。気体循環配管２１は、ゴムなどの弾性体から形成されている。図２に示したように、気体循環配管２１の上端部は、溶解タンク４の上面と第２仕切り壁１３の上部との間に配置され、パッキンとしても機能する。

気体が溶解した液体の生成時には、気体循環配管２１の上端付近と下端付近の間に圧力差が生じる。気体循環配管２１の上端付近の圧力は下端付近の圧力よりも高い。また、図７に示した流入部７では、気液混合流体の流速が速いため、減圧されている。したがって、気液分離槽１６の上部に溜まる未溶解の気体は、気体循環配管２１の上端から吸引され、下端から流入部７に供給される。流入部７に送り込まれた気体は、再度気液混合流体に混合され、気液混合槽１４において溶媒中に溶解する。このように、溶解タンク４では、気液分離槽１６の上部に溜まる気体を溶解タンク４内に流入する気液混合流体に供給する気体循環配管２１が設けられているので、未溶解の気体の再利用が可能であり、気体の溶解効率が向上する。

なお、気体循環配管２１は、中間槽１５の内部に限らず、気液分離槽１６の内部に設けることも可能である。気液分離槽１６の内部に設けても、気体循環配管２１は、中間槽１５の内部に設ける場合と同様に機能する。また、溶解タンク４の上部には、図１に示したように、下り勾配の傾斜面部２２が形成されている。傾斜面部２２によって、気液分離槽１６の上部に溜まる気体は、溶解タンク４の中央部寄りに集められ、気体循環配管２１の上端からの気体の吸引はスムーズに行われ、気体を流入部７に効率よく供給することができる。

上記のとおりの溶解タンク４は、図１および図２に示したように、縦方向の中央部において２つに分割され、上側の上部品２３と下側の下部品２４の２つの部品から形成されている。

図８は、図１に示した気体溶解装置における溶解タンクの分解斜視図である。図９は、図１に示した気体溶解装置における溶解タンクの分解斜視図である。図８、図９では、溶解タンクを異なる方向から図示している。

図８および図９に示したように、上部品２３では、第１仕切り壁１２が一体に形成され、第１仕切り壁１２は、上部品２３の上面から下方に延びている。下部品２４では、第２仕切り壁１３が一体に形成され、第２仕切り壁１３は、下部品２４の底面から上方に延びている。下部品２４には、底部に流入部７および流出部８が一体に設けられている。上部品２３の下端縁部および下部品２４の上端縁部には、外側方に突出して延びるフランジ部２５、２６が設けられている。溶解タンク４は、フランジ部２５、２６を重ね合わせ、重なり合うフランジ部２５、２６の所定の部位においてボルト、ナットなどの適宜な固着具により上部品２３と下部品２４を締結することによって組み立てられ、一体となる。この組み立て時に、第１仕切り壁１２が第２仕切り壁１３の内側に挿入され、気液混合槽１４、中間槽１５および気液分離槽１６が形成される。また、図３（ｃ）に示した弾性体から形成された気体循環配管２１の上端部が、図２に示したように、上部品２３の上面と第２仕切り壁１３の上部との間に挟み込まれる。この気体循環配管２１の挟み込みによって、気体循環配管２１がパッキンとして機能し、上部品２３の上面と第２仕切り壁１３の上部との間が水密となる。このため、液体が、第２仕切り壁１３の切欠部１７以外の部分において中間槽１５から気液分離槽１６へ流出するのを抑制することができる。このような上部品２３の上面と第２仕切り壁１３の上部との間の水密性が、気液分離槽１６の上部に溜まる気体を溶解タンク４に供給する気体循環配管２１により実現されているので、溶解タンク４は、部品点数が減少したものとなっている。

本発明は、以上の実施形態によって限定されるものではない。ポンプおよび架台の構成や構造、気体放出弁の構成や構造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
４ 溶解タンク
８ 流出部
１２ 第１仕切り壁
１３ 第２仕切り壁
１４ 気液混合槽
１５ 中間槽
１６ 気液分離槽
１７ 切欠部
２０ 気体放出弁
５１ 気体導入部
５３ 通気口
５４ 排液口

Claims (5)

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、前記溶解タンクに設けられた流出部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、
   前記中間槽と前記気液分離槽を区画する前記第２仕切り壁および前記流出部は、前記気液分離槽を前記液体が水平方向に流れるように設けられ、
   前記気液分離槽の上部に気体放出弁が設けられ、この気体放出弁は、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内部に備えたフロート室と、前記気体放出弁の底部に設けられた気体導入部とを有し、この気体導入部の内側には、内部が中空な周壁が設けられており、この周壁には、
   内外方向に貫通しており、前記気液分離槽の上部に溜まる気体の一部を内部に導入する通気口と、
   内外方向に貫通しており、前記気体放出弁内に進入した前記液体を前記気液分離槽に排出する排液口と、
   が形成され、前記周壁の内部の空間は、前記フロート室と連通しており、前記通気口は、前記溶解タンクの縦方向に関し前記排液口よりも高い位置に配置されている
   ことを特徴とする気体溶解装置。
2. 前記第２仕切り壁および前記流出部は、前記液体が前記中間槽の外面に沿って水平方向に流れるように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。
3. 前記第２仕切り壁では、その上部が一部切り欠かれて切欠部が形成され、前記流出部は、前記切欠部から離れた位置の前記気液分離槽の底部に設けられてい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。
4. 前記第２仕切り壁は、前記第１仕切り壁によって区画される前記気液混合槽の周囲をその外側から前記中間槽が包囲するように設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の気体溶解装置。
5. 前記第１仕切り壁および前記第２仕切り壁は、略円筒状の形状を有していることを特徴とする請求項４に記載の気体溶解装置。

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