JP2004209457A - ガスを液体に溶解するための装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高濃度のガス溶解液が得られる、ガスを液体媒質に溶解するための装置を提供する。
【解決手段】装置は、混合器とタンクエンクロージャとを具備しており、そこで混合器が準ベンチュリ管と膨張チャンバとを具備している。動作中に、ガスは準ベンチュリ型混合器の中の液体に導かれる。混合器に入るガスの流量が準ベンチュリ管に吸い込まれるガスの流量より少なくなるように、混合器の入口に装着された弁がガスの流れを調節するために使われる。準ベンチュリ管のガス吸い込み能力を使って、ガスが、準ベンチュリ管を通る液体流れと負圧下において混合されて液体の中に小さな気泡を形成する。小さな気泡を含んだ液体が混合器から流れ出て、次にタンクエンクロージャに流れ込みそしてその中で渦を形成する。そのように、気泡は長時間にわたって液体に留まることが可能で、このことがガスの液体への溶解を促進する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスを液体に溶解させるための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多くの工業的用途において、ガス溶解液が通常必要とされている。しかしながら、ほとんどのガスは、水に容易には溶解できない。一般的に、ガスの濃度が低過ぎる場合には、ガス溶解液は所望の効果を得られない。いくつかの特別な処理手順なしに、低ガス濃度の溶解液を実際の用途で使用することはできない。従って、高濃度のガス溶解液を作り出す装置が、工業用の用途で非常に必要とされている。高濃度のガス溶解液を作り出す装置が、様々な用途に手段を与えることができる。特に、高濃度の酸素と二酸化炭素の溶液は高密度の水産養殖に有用であり、高濃度のオゾンの溶液は半導体ウエハーの洗浄に有用である。一般的に、オゾン濃度は、実際的な用途については少なくとも５０ｐｐｍでなければならない。これらは、高濃度のガス溶解液の多くの用途におけるただ二つの例である。
【０００３】
ガスを水の中に溶解させるために広く用いられている方法は、水中に配置されたオリフィスを通してガスを水の中に導入することである。この方法は、ガスと水との間の表面接触面積を増やすので、ガスの水への溶解比率を増大させる。例えば、水の温度を下げること、及び水とガスとを収容しているエンクロージャの中の圧力を高めることというような物理的な方法が、ガスの水への溶解比率を高めるために適用されることがある。溶解されたガスと液状媒体との間の化学反応、もしくはガスと、液体の中に溶解している他の溶質との間の反応も、ガスの液体への溶解比率を高めることがあるが、その効果は、本発明の範囲に含まれず、従って本明細書では論述されない。
【０００４】
さらに、温度と圧力とを高める方法が使用され、研究者たちは、ガスの液体への溶解比率を妥当なコストで高める別の方法を常に求めている。本発明は、低コストでガスを液体中へ溶解する方法を意図するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、液体とガスとを混合するための装置を提供することであり、前記装置では、液体の温度を低下させる方法と、液体／ガスの圧力を増大させる方法とが使用されるだけではなく、負圧下においてガスを導入する手段、及び液体の中に形成された泡を閉じ込めるために液体の渦を利用する手段も、ガスの液体への高い溶解比率を得るために適用される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明において適用される特有の手段は、ガス発生機によって生成されたガスを混合器に導くことであり、前記混合器では混合器に流れ込むガスを調整するために弁が使用される。混合器は、ガス膨張チャンバと、ベンチュリ管に似た装置とを主として含んでなるものである。事例の一つは，２０００年９月２６日に出願された米国特許出願第０９／６６９，９５６号に記載されており、本書では今後、準ベンチュリ管として概ね呼ばれる。第０９／６６８，９５６号特許出願は、本出願の部分として参考として組み込まれており、本出願の中では、準ベンチュリ管は膨張チャンバを縦方向に貫通するように記述されている。本発明では、特許請求の範囲における装置の中を流体が循環するように、ポンプが流体のポンピングに使用される。流体が準ベンチュリ管を流れるとき、吸引作用が作り出される。膨張チャンバの中のガスが、準ベンチュリ管の中に吸引されて流体によって運び去られる。運転の開始時において、ガス発生機によって生成されたガスが、膨張チャンバの中へ導かれる。準ベンチュリ管が、膨張チャンバの中へのガスの流量より多い流量でガスを吸い込むように、弁が膨張チャンバの入口に装着されて膨張チャンバの中へのガスの流れを調節する。従って、ガスは、負圧の状態で、即ち大気圧未満の圧力で準ベンチュリ管の中に吸い込まれる。ガスは、負圧において、準ベンチュリ管を流れる流体の中で泡を形成する。そして泡を含んだ流体は、外側タンクを更に具備しているタンクエンクロージャの内側タンクの中に導かれ、そして内側タンクの中で渦を生み出す。周囲の液体の圧力に起因して、負圧下における泡の大きさは更に減少し、従って浮力が減少する。加えて、渦の作用に起因して、泡は容易に表面には浮上しないで長時間液体の中に留まり、このこともまたガスの液体への高い溶解比率に貢献する。
【０００７】
新しい液体をタンクに供給する管が、タンクエンクロージャの外側タンクの周囲で巻回し、最後は内側タンクの中に挿入され、そこで新しい液体が泡を含んだ流体と混合される。タンクエンクロージャの外側タンクは、タンクエンクロージャの内側タンクの中の流体と、巻回した管の中の新しい流体とが、冷却システムから供給される冷却水によって冷却されるように、冷却システムに接続される。
【０００８】
本発明による装置は、冷却された流体の特徴と、負圧における泡と、渦とを使って、液体の中に溶解されたガスの比率を増大させ、そしてこのように本発明の目的が達成される。
【０００９】
本発明では、負圧において泡を生成するための混合器とタンクエンクロージャとが低コストで利用でき、そのような混合器とタンクエンクロージャとを具備している装置全体も低コストで利用できる。そのような装置の費用効果の高い導入は、本発明の工業的な適用性に貢献する。
【００１０】
本発明のガス発生機は、オゾン発生機であることも可能であり、従って本発明による装置は、高いオゾン濃度を持ったオゾン化された水を作り出す装置に容易に変えることが可能である。
【００１１】
このような及び他の修正と利点とが、本発明の好適な実施例の以下の詳細な説明と添付図とから更によく明らかになるであろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明はここで、本発明の好適な実施例が示された添付図を参照しながらより完全に以下に説明される。
【００１３】
図１に示されるように、本発明による装置は、ガス発生機１と、混合器２０と、タンクエンクロージャ３０と、ポンプ５とを主として具備している。
【００１４】
ガス発生機１は、混合器２０のガス入口２６にガス管４４によって接続されている。弁６が混合器２０のガス入口２６に配置されている。
【００１５】
図２に示されるように、混合器２０は、容器２２と準ベンチュリ管２４とを具備している。容器２２は、ガス入口２６を備えた一端を持った軸方向に延びた外囲器である。ガス入口２６は、流入ガスの流量調整のための弁６を更に備えている。準ベンチュリ管２４は、液体入口である一方の端と液体出口であるもう一方の端とを有して、容器２２の中で軸方向に配置され、その結果液体が図２の矢印で示されるように容器２２の一方の端からもう一方の端へ容器２２を貫通して通る。スロート（図示されない）が、準ベンチュリ管２４の中に形成されており、またスロートは一般的に準ベンチュリ管２４の中央に配置される。ガス吸込みポート２８が、準ベンチュリ管２４の壁上の位置に設けられていて、容器２２のガス入口２６から好ましく離間している。容器２２の内側の空間であるが準ベンチュリ管２４の外側の空間が、膨張チャンバ２３と呼ばれる。
【００１６】
準ベンチュリ管２４は、液体／ガス管４２を介してタンクエンクロージャ３０に接続されている（図１）。図３に示されるように、タンクエンクロージャ３０は、主として内側タンク３２と、外側タンク３４と、巻回管３６とを具備している。内側タンク３２は内側タンク壁３３を有しており、外側タンク３４は外側タンク壁３５を有していて、外側タンク３４は内側タンク３２を囲っている。空間が、二つのタンク壁３３と３５との間に形成されている。巻回管３６は、新しい液体の入口９で始まり、外側タンク３４に入り、次いで内側タンク壁３３の周囲に好ましくは螺旋状に巻き付き、その後内側タンク３２の中に入り、そして新しい液体の入口１５で終わる。タンクエンクロージャ３０の底部には、液体／ガス出力管路３８が備えられており、この液体／ガス出力管路３８は更に先でポンプ５の入口に接続されている。
【００１７】
タンクエンクロージャ３０の外側タンク３４は、その底部近くに冷却水入口８を備えており、またその頂部近くに冷却水出口１６を備えている。
【００１８】
タンクエンクロージャ３０は、その中央上部に内部冷却器１０を更に備えている。内部冷却器１０は、例えば補助冷却水供給管１３及び補助冷却水排出管１４のような冷却水循環パイプを備えていて、タンクエンクロージャ３０の内側の液面近くに設けられている。
【００１９】
液体高さが所定の高さを超過することを防止するように、タンクエンクロージャ３０は、その頂部近くにオーバフロー出口１１を随意的に備えている。温度計１２が、内側タンク３２の中の温度を監視するために、内側タンク３２に随意的に備えられている。
【００２０】
運転中に、流体はポンプ５により押し出されて混合器２０の中の準ベンチュリ管２４を流れ、それと共に混合器２０において吸引作用が生み出される。容器２２の中のガスは、吸引作用に起因して、ガス吸込みポート２８をとおって準ベンチュリ管２４の中に吸込まれる。ガス発生機１によって作り出されたガスは、ガス管４４を介して容器２２の中に入り、その中で拡散する。膨張チャンバ２３の中の負圧を維持するために、ガス管４４の弁は、準ベンチュリ管２４の中に吸引されるガスの流量よりガスの流量が小であるようにガス流量を調節する。
【００２１】
容器２２の、ガス入口２６の位置及びガス吸込みポート２８の位置は、容器２２の対向する端の近くにそれぞれある。この配置で、ガスは、準ベンチュリ管２４の中に吸込まれる前に、膨張チャンバ２３の中で完全に拡散することが可能であり、そしてガス吸込みポート２８における圧力が安定に保たれることが可能である。安定した圧力は、泡が液体の中に一様に混合することを促進する。
【００２２】
準ベンチュリ管２４の吸引作用と弁６の流量調整とによって、ガスは、負圧で準ベンチュリ管２４の中に入り、そして泡が、負圧（大気圧との関係における）で液体中に生成されるであろう。負圧における泡の体積は、液体圧力を受けて更に減少し、その結果泡の浮力を減少させる。減少した浮力は、泡が長時間にわたって液体の中で閉じ込められることを可能にする。換言すると、泡は、液体から浮上して抜け出ることがない。閉じ込められた泡は、ガスが液体中に溶解することを促進する。
【００２３】
泡を含んだ液体は、混合器２０から流れ出て進んで、液体／ガス管４２を介してタンクエンクロージャ３０の内側タンク３２の中に入る。液体／ガス管４２は、タンクエンクロージャ３０の中に入る前に二つの管路に分岐されることが好ましい。分岐された管は、出口１７、１８を有しており、前記出口１７、１８は、内側タンク３２の中で、平行かつ水平の状態で反対側の方向に配置される。液体が、分岐された管から流出して内側タンク３２の中に入るとき、液体の流れがトルクを生み出す。トルクと、液体／ガス出力管路３８から流出する下方への流れとが、内側タンク３２の中に渦を形成するのに寄与する。渦は、泡が液体の中で回転することを可能にし、そして泡は、長時間にわたって液体の中で浮遊するであろう。これらのことが、ガスが液体の中に溶解することを促進する。
【００２４】
タンクエンクロージャ３０の外側タンク３４は、冷却システムから冷却水を供給される。冷却水は、冷却水入口８を通ってタンクエンクロージャ３０の底部近くからタンクエンクロージャ３０の中に入り、冷却水出口１６を通ってタンクエンクロージャ３０の頂部近くから流出する。冷却水は、内側タンク３２の中の液体を冷却するのに使用され、そして新しい液体が巻回管３６に沿って流れる。
【００２５】
真水は、タンクエンクロージャ３０の外側から新しい液体の入口９を通って供給され、内側タンク壁３３の回りを巻回している巻回管３６に沿って流れる。真水は、内側タンク３２の頂部近くで新しい液体の入口１５を通って内側タンク３２の中に入り、そして泡を含んだ液体と混合される。新しい液体は、巻回管３６に沿って流れるとき、外側タンク３４の中の冷却水によって冷却され、その結果、新しい液体の温度は、新しい液体が内側タンク３２の中の液体と混合されたとき、より高いガス溶解能力を提供するように低下することが可能である。
【００２６】
内部冷却器１０は内側タンク３２の頂部近くに配置されている。内部冷却器１０の内側で、内側タンク３２の内側の液体を冷却するために冷却水が循環している。内部冷却器１０は、球形状であり得るものであり、そして内側タンク３２の中央の液体表面と同じ高さのあたりの位置に調節可能に配置され得る。内部冷却器１０は、内側タンク３２の中に収容されている液体の冷却を促進するために配置され、更に又内側タンク３２の中における渦の中心の空隙を埋めるために配置されて、空気が液体に触れることを防ぎ、それ故に空気が液体の中に溶解することを防ぐ。液体に溶解した空気によって、液体中に溶解されるべき（オゾンのような）ガスの比率が悪影響を受ける。
【００２７】
タンクエンクロージャ３０から流れ出るガス／液体は、利用するために抜き出すことが可能である。図１に示される配置図では、ガス／液体は、ポンプ５と混合器２０との間に配置された液体／ガス混合体出口２を介して抜き出される。流量を調節するために及び液体の中に残って浮遊している微小な泡を取り除くために、出口２の前に、液体／ガス混合体出口弁４と微小泡フィルタ３とが随意的に取り付けられている。
【００２８】
高いオゾン濃度（８０ｐｐｍ）をもった水が、半導体の水洗浄に広く利用されていることが知られている。ガス発生機１をオゾン発生機に置き換えることによって、本発明による装置は、高オゾン濃度のオゾン水を作り出すための装置に変えることができる。
【００２９】
上述したような構造及び運転において、液体中に溶解されるガスが負圧において泡を形成する。泡は、液体中でより小さなサイズとより少ない浮力とで特徴付けられて、その結果液体中に長時間にわたって保持される。加えて、液体の中で生成された渦が、泡を液体中に保持するのに役立つ。液体が既に低温下にあるなら、負圧及び渦作用によって、ガス溶解のための液体の能力は著しく高められる。
【００３０】
このように本発明が、前述の目的を効果的に達成することが、前述の説明から明らかにされたものの中で分かるであろう。本発明の範囲から逸脱することなしに上述の構造においていくらかの変更が為されてもよく、上述の説明に含まれる全てのこと若しくは添付図に含まれる全てのことは、例示のためのもので限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による装置の配置を示した図である。
【図２】図２は、図１に示された装置の混合器の概略図である。
【図３】図３は、図１に示された装置のタンクエンクロージャの概略図である。
【符号の説明】
１…ガス発生機
２…液体／ガス混合体出口
５…ポンプ
２０…混合器
２６…ガス入口２６
３０…タンクエンクロージャ
４２…液体／ガス管

Claims (9)

  1. 混合器と、タンクエンクロージャと、液体／ガス管と、ポンプと、液体／ガス混合体出口とを具備する、ガスを液体に溶解するための装置であって、前記混合器が：
    軸方向に延びた容器であって、ガス入口と、容器の中に入るガスの流量を調節するための弁とを有した容器と；
    容器の中で軸方向に配置された準ベンチュリ管であって、準ベンチュリ管の一方の端が液体入口ポートで他方の端が液体出口ポートである、ガス吸込みポートを備えた管壁を有する準ベンチュリ管と；を具備する混合器であり、前記タンクエンクロージャが：
    壁を有する内側タンクと；
    内側タンクを取り囲む壁を有する外側タンクであって、内側タンクの壁と外側タンクの壁との間に空間を形成する外側タンクと；
    入口と出口とを有する巻回管であって、外側タンクの外側から内側まで延在しており、そして内側タンクの回りを巻回していて、内側タンクの内側に設けられた出口によって内側タンクの壁を貫通している巻回管と；
    タンクエンクロージャの底部に設けられた液体／ガス出力管路と；を具備したタンクエンクロージャであり、
    前記液体／ガス管が、準ベンチュリ管の液体出口ポートに接続された液体／ガス管の一方の端と、タンクエンクロージャの底部に接続された液体／ガス管のもう一方の端とをもっていて、液体／ガス管から流れ出る液体がタンクエンクロージャの内側で渦を形成するように、前記もう一方の端がタンクエンクロージャの内側の中に挿入されている、液体／ガス管であり、
    前記ポンプが、準ベンチュリ管の液体入口ポートに接続された出口ポートと、液体／ガス出力管路に接続された入口ポートとを有するポンプであり、
    前記液体／ガス混合体出口が、ポンプの出口ポートと準ベンチュリ管の液体入口ポートとの間に設けられている液体／ガス混合体出口である、ガスを液体に溶解するための装置。
  2. タンクエンクロージャが、タンクエンクロージャの、底部の近傍に冷却水入口及び頂部の近傍に冷却水出口をそれぞれ備えているところの、請求項１に記載の装置。
  3. タンクエンクロージャの内側の液面近くに調整可能に配置される、冷却水循環パイプを有する内部冷却器を更に具備している、請求項２に記載の装置。
  4. 内部冷却器が、中空球の形状を有しているところの、請求項３に記載の装置。
  5. 混合器の容器のガス入口が、前記容器の一方の端の近くに設けられており、ガス吸込みポートが、ガス入口から遠位の位置に設けられている、請求項１に記載の装置。
  6. 液体／ガス管が、準ベンチュリ管から外へ延びた後に二つの管に分岐され、そして二つの管が、タンクエンクロージャの底部からタンクエンクロージャの内側に挿入され、二つの管が、平行であるが反対方向に向けられた出口を有しているところの、請求項１に記載の装置。
  7. 巻回管が、タンクエンクロージャの周囲で螺旋状に巻回しているところの、請求項１に記載の装置。
  8. 容器の弁に接続されたガス発生機を更に具備している、請求項１に記載の装置。
  9. ガス発生機がオゾン発生機であるところの、請求項８に記載の装置。
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