JP2006142300A - 旋回式微細気泡発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 キャビテーションエロージョンの発生を防止しつつ、大量の微細気泡を発生することが可能な高効率の旋回式微細気泡発生装置の提供。
【解決手段】 旋回式微細気泡発生装置２１は、円筒状のケーシング２２内部に形成された気液の旋回可能な空間である気液旋回室２３と、気液旋回室２３内へ液体１０を導入する液体導入口２４ａと、ケーシング２２の一方の端部壁面の中央に配設され気液旋回室２３内へ気体１１を導入する気体導入口２５ａと、気体導入口２５ａと対向するケーシング２２の端部壁面の中央に配設された気液吐出口２６とを備え、気液旋回室２３は、液体導入口２４ａから導入された液体１０によって旋回される気液を整流する予備旋回部２３ａと、予備旋回部２３ａで整流された液体１０と気体導入口２５ａから導入された気体１１とを接触させる主旋回部２３ｂとを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被処理液中に気体を含浸させ、微細気泡を発生させる旋回式微細気泡発生装置に関する。

空気中の酸素を水中に溶解したり、水中に溶存している不要なガスや揮発性物質を大気に拡散させたりするため、エアレーションが行われる。エアレーションには、微細化した気泡を発生させる微細気泡発生装置が用いられる。図３に従来の旋回式微細気泡発生装置の構造を示す。同図（ａ）は装置の縦断面図であり、導入流体の挙動を示している。同図（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図であり、導入流体の旋回状況をベクトルで示している。

図３（ａ）において、旋回式微細気泡発生装置５０は、円筒状のケーシング５１内部に形成された気液の旋回可能な空間である気液旋回室５２と、気液旋回室５２の内側面の接線方向に沿って液体を導入する液体導入口５３と、ケーシング５１の一方の端部壁面の中央に配設された気体導入口５４と、気体導入口５４と対向するケーシング５１の端部壁面の中央に配設された気液吐出口５５とにより構成されている。

このような旋回式微細気泡発生装置５０において、液体導入口５３から気液旋回室５２内に加圧導入された液体５６は、気液旋回室５２内側面の接線方向に沿って進行することにより、気液旋回室５２内に旋回流５７を発生させる。このとき、旋回流５７の中心付近はその遠心力によって負圧となり、この負圧によって気体導入口５４から気体が吸引される。吸引された気体は、旋回流５７の中心付近の圧力が低い部分を通過するようになるため、この旋回流５７の中心付近に負圧空洞部分５８を形成する。そして、負圧空洞部分５８の気体は、旋回流５７のせん断力によって細分化され、微細気泡５９となって気液吐出口５５から吐出される。

上記従来の旋回式微細気泡発生装置において、微細気泡５９をさらに大量に発生させるためには、気液旋回室５２の断面を変えないで微細気泡の発生量を増やす場合、気液旋回室５２内に加圧導入する液体５６の圧力を高め、旋回流５７をより強いものとすることが必要である。しかしながら、加圧導入する液体５６の圧力を高めると、気液旋回室５２内に激しいキャビテーションエロージョン６０が発生する。キャビテーションエロージョン６０が発生すると、ケーシング５０を破ってしまうため、装置が短期間で損耗破壊してしまうという問題が生じる。また、キャビテーションエロージョン６０が発生すると、ケーシング５０の材料の組成成分が液体５６中に溶出してしまうという問題もある。

本発明者らがこの現象を解明するために実物大のアクリル模型を作り、気液旋回室５２内での気液の挙動を観察した結果、気液旋回室５２内に導入される気体の液圧が高まると、図３（ｂ）に示すように気液旋回室５２の内側面の接線方向とほぼ同方向を示すベクトル６１の他に、気体導入口５４と気液吐出口５９とを結ぶ中心軸６２付近へ向かうベクトル６３が出現することが分かった。このベクトル６３で示される導入液体５６の作用により、液体導入口５３付近の断面（図３（ｂ）に示すＣ−Ｃ断面）では、旋回流５７の中心すなわち負圧空洞部分５８が液体導入口６３から離れる方向へ偏心する。

このときの負圧空洞部分５８の形成状態を図３（ａ）に示す断面図でみると、気液吐出口５５付近では中心軸６２付近であるが、液体導入口５３付近では液体導入口５３と対向する側面側へ、液体導入口５３と気体導入口５４との中間付近では液体導入口５３と同じ側面側へ、気体導入口５４付近では液体導入口５３と対向する側面側へとそれぞれ偏心して形成されている。したがって、負圧空洞部分５８は図３（ａ）に示すように蛇行曲線状に形成されるようになり、中心軸６２上に配設された気体導入口５４と、負圧空洞部分５８の端部とが合致しなくなる。その結果、負圧空洞部分５８への気体供給が遮断され、負圧空洞部分５８の負圧は真空状態まで高まり、負圧空洞部分５８と接する気体導入口５４付近の壁面にキャビテーションエロージョン６０が発生することになる。

このキャビテーションエロージョン６０の発生を防止するため、負圧空洞部分５８と気体導入口５４とが同一軸上となるようにしなければならない。そのため、液体導入口５３から導入する液体５６の圧力を低くし、負圧空洞部分５８の形成位置に影響を及ぼさない圧力とすることが必要である。しかしながら、液体５６の圧力が低くなりすぎると、気液吐出口５５から吐出される気泡径が巨大化してしまう。つまり、旋回式微細気泡発生装置において使用可能な導入液体５６の圧力は、非常に狭い範囲に限定されており、旋回式微細気泡発生装置とこれに液体を加圧導入する液体加圧装置との組み合わせが固定化されてしまい、装置の汎用性に欠けるという問題も発生する。

あるいは、気液旋回室５２断面と導入液圧とを変えないまま、負圧空洞部分５８の生成位置が導入液体５６の圧力に影響を受けないようにするためには、液体導入口５３断面を小径としなければならない。しかしながら、液体導入口５３断面を小径とすると、液体導入口５３付近において目詰まりが発生しやすくなるため、液体導入口５３から供給する液体５６の液質が清澄な低粘性液に限定されてしまう。

一方、この液体導入口５３の目詰まりを防止するために液体導入口５３の口径をある程度大きくすると、この液体導入口５３の口径に比例して気液旋回室５２の空間断面を大きくしなければならない。しかしながら、気液旋回室５２の空間断面を大きくする場合、液体加圧装置が大型化したり、導入液体５６の粘性に適した気液旋回室５２断面よりも大きくなりすぎたりして、エネルギー効率が悪くなるという問題も発生する。

そこで、本発明においては、キャビテーションエロージョンの発生を防止しつつ、大量の微細気泡を発生することが可能な高効率の旋回式微細気泡発生装置を提供することを目的とする。

本発明の旋回式微細気泡発生装置は、円筒状のケーシング内部に形成された気液の旋回可能な空間である気液旋回室と、気液旋回室内へ液体を導入する液体導入口を備えた液体供給円筒と、液体供給円筒の下端部壁面の中央に配設され気液旋回室内へ気体を導入する気体導入口を備えた気体供給円筒と、気体導入口と対向するケーシングの端部壁面の中央に配設された気液吐出口とにより構成され、液体供給円筒は、ケーシングの気液旋回室内部に挿入されて二重円筒構造を形成し、液体導入口は、この二重円筒構造部分の液体供給円筒の周壁面の上方に設けられ、二重円筒構造部分のケーシングと液体供給円筒との間に形成される空間が、液体導入口から導入された液体によって発生する旋回流を整流する予備旋回部を構成し、気液旋回室の液体供給円筒の下端部より下の空間が、予備旋回部で整流された液体と気体導入口から導入された気体とを接触させる主旋回部を構成することを特徴とする。

本発明によれば、液体導入口から導入された液体を予備旋回部において一旦整流してから、主旋回部において気体導入口から導入された気体と接触させて微細気泡を発生させるため、液体導入口から導入される液体の圧力の変動を緩衝し、気液旋回流の負圧空洞部分の形成位置が移動するのを防止し、キャビテーションエロージョンの発生を防止することができる。また、このとき、予備旋回部が、主旋回部の外周部の旋回中心軸方向に形成された環状断面を有し、主旋回部が、気体導入口と気液吐出口とを結ぶ直線を中心軸とする円断面を有するので、液体導入口から導入された液体が、環状の予備旋回部内で旋回して整流された後、主旋回部において気体導入口から導入された気体と接触するので、さらに整流効果を高めて液体導入口から導入される液体の圧力の変動をほとんどなくすことが可能となる。

ここで、予備旋回部は、液体導入口径の１．５〜３．０倍の液体導入方向の幅を有し、かつ、液体導入口配設面に液体導入口径の１．５〜３．０倍の旋回中心軸方向の高さを有するものであることが望ましい。液体導入口から非常な高圧で液体を加圧導入すると、液体導入口出口付近に乱流が発生するようになるが、この液体導入口出口付近に液体導入口径の１．５〜３．０倍の幅および高さを有する予備旋回部を設けることで、この乱流の影響をなくし、さらに整流効果を高めることが可能となる。なお、予備旋回部が液体導入口径の１．５倍未満の場合には、負圧空胴部分の形成位置に影響を及ぼす可能性がある。また、この比率が３倍を超えると、液体の粘性係数は小さいため、特に清澄な低粘性係数の液体では、強い負圧が発生しなくなることがある。

本発明によれば、液体導入口から導入された液体によって旋回される気液を整流する予備旋回部と、予備旋回部で整流された液体と気体導入口から導入された気体とを接触させる主旋回部とを有する構成によって、液体導入口から導入される液体の圧力の変動を緩衝して微細気泡を発生させるため、気液旋回流の負圧空洞部分の形成位置が移動するのが防止され、キャビテーションエロージョンの発生が防止される。これにより、装置の破壊が防止され、ケーシング材料の液体中への溶出が防止されることから、装置を長期に渡って安定して使用することが可能となる。また、このとき、予備旋回部が環状断面を有する構成によって、液体導入口から導入された液体を環状の予備旋回部内で旋回させて整流して、さらに整流効果を高め、液体導入口から導入される液体の圧力の変動をほとんどなくすことが可能となる。これにより、気体導入口から導入される気体の圧力を自由に設定することが可能となり、汎用性が高く、エネルギー効率の高い旋回式微細気泡発生装置を提供することができる。

図１は本発明の実施の形態における旋回式微細気泡発生装置の構成を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、図２は気液旋回室の構成を示す説明図である。

図１において、本発明の実施の形態における旋回式微細気泡発生装置２１は、円筒状のケーシング２２内部に形成された気液の旋回可能な空間である気液旋回室２３と、気液旋回室２３内へ液体１０を導入する液体導入口２４ａを備えた液体供給円筒２４と、液体供給円筒２４の下端部壁面の中央に配設され気液旋回室２３内へ気体１１を導入する気体導入口２５ａを備えた気体供給円筒２５と、気体導入口２５ａと対向するケーシング２２の端部壁面の中央に配設された気液吐出口２６とにより構成されている。

図１（ａ）に示すように、液体供給円筒２４は、ケーシング２２の気液旋回室２３内部に挿入されて二重円筒構造を形成している。液体導入口２４ａは、この二重円筒構造部分の液体供給円筒２４の周壁面の上方に設けている。

そして、二重円筒構造部分のケーシング２２と液体供給円筒２４との間に形成される空間が、液体導入口２４ａから導入された液体１０によって発生する旋回流を整流する予備旋回部２３ａを構成する。また、気液旋回室２３の液体供給円筒２４の下端部より下の空間が、予備旋回部２３ａで整流された液体１０と気体導入口２５ａから導入された気体１１とを接触させる主旋回部２３ｂを構成する。

すなわち、予備旋回部２３ａは、主旋回部２３ｂの外周部の旋回中心軸方向に形成された環状断面を有する。主旋回部２３ｂは、気体導入口２５ａと気液吐出口２６とを結ぶ直線を中心軸２７とする円断面を有する。図２に示すように、予備旋回部２３ａの環状断面の液体導入方向の幅Ｐは、液体導入口２４ａの径Ｄの１．５〜３．０倍程度とし、中心軸２７方向の高さＱを液体導入口２４ａの径Ｄの１．５〜３．０倍程度としている。液体導入口２４ａは、導入する液体によって予備旋回部２３ａ内で旋回流を発生する角度で設けられている。

上記構成の旋回式微細気泡発生装置２１では、液体導入口２４ａから気液旋回室２３内へ導入された液体１０は、ケーシング２２の内壁と液体供給円筒２４の周壁に拘束されて、環流化されるため、予備旋回部２３ａ内で予備旋回流１２ａを発生させる。予備旋回流１２ａは、この予備旋回部２３ａ内で液圧と流向が整えられ、均等な液圧で旋回しながら主旋回部２３ｂへと流入する。

主旋回部２３ｂへ流入した予備旋回流１２ａは、主旋回部２３ｂ内の気液を外側から旋回させて主旋回流１２ｂを形成する。この主旋回流１２ｂの中心付近は遠心力によって負圧となり、負圧空洞部分１３を形成する。主旋回流１２ｂは、予備旋回部２３ａによって整流された予備旋回流１２ａによって形成されることから、液体導入口２４ａから気液旋回室２３内へ導入される液圧の影響を受けることがなく、中心軸２７上にほぼ直柱状に形成される。

そして、この負圧空洞部分１３の負圧によって気体導入口２５ａから気体１１が吸引され、この吸引された気体１１は、主旋回流１２ｂのせん断力によって微細化され、液体導入口２４ａから予備旋回部２３ａを介して主旋回部２３ｂ内に導入された液体１０とともに気液混相流となり、微細気泡１４として気液吐出口２６から気液旋回室２３外へ吐出される。

以上のように、本実施形態における旋回式微細気泡発生装置２１では、液体導入口２４ａから導入された液体１０を予備旋回部２３ａにおいて一旦整流してから、主旋回部２３ｂにおいて気体導入口２５ａから導入された気体１１と接触させて微細気泡１４を発生させている。したがって、気液旋回室２３内に導入される液体１０の液圧が変動しても、負圧空洞部分１３の形成位置が気体導入口２５ａと一致し、負圧空洞部分１３への気体の供給は常に安定して連続的に行われる。

さらに、本実施形態における旋回式微細気泡発生装置２１では、液体１０が液体導入口２４ａから液体供給円筒２４の外側の予備旋回部２３ａへ導入され、狭い環状空間である予備旋回部２３ａにおいて高速に旋回するようになる。そして、この高速な予備旋回流１２ａによって主旋回部２３ｂの主旋回流１２ｂを外側から付勢するため、負圧空洞部分１３の径が大きくなり、より強い負圧が発生する。したがって、従来の旋回式微細気泡発生装置に比べて、さらに大量の微細気泡１４を発生することが可能となる。

また、本実施形態における旋回式微細気泡発生装置２１では、液体導入口２４ａから導入される液体１０の圧力が負圧空洞部分１３に悪影響を及ぼすことがないため、液体導入口２４ａから導入する液体１０の圧力を自由に設定することが可能である。したがって、旋回式微細気泡発生装置２１と液体加圧装置の組み合わせが自由となり、汎用性の高い旋回式微細気泡発生装置２１を実現することが可能である。

さらに、液体導入口２４ａの断面形状も自由に設定することが可能となり、多種多様な液質や液性に対応することが可能となり、液体１０の液質や液性に適した断面形状としてエネルギー効率の高い旋回式微細気泡発生装置を実現することが可能である。なお、本実施形態において液体導入口２４ａは一つとしているが、液体供給円筒２４の周壁に複数設ける構成としてもよい。

本発明の実施の形態における旋回式微細気泡発生装置２１の予備旋回部７の幅Ｐおよび高さＱについて、それぞれの最適値を求めるため、アクリル模型を用いて実験した。この実験結果を表１に示す。

表１は、予備旋回部２３ａの幅Ｐおよび高さＱを変えたものを数種類用意し、液体導入口２４ａから導入する液圧を任意に変化させたときの負圧空洞部分の負圧（負圧形の読み（ＭＰａ））を示したものである。

表１に示すように、幅Ｐおよび高さＱの液体導入口径Ｄに対する倍率が１．０〜３．０倍のとき、負圧空洞部分１３の負圧が最も強くなり、最適な状態であることが確認できた。また、幅Ｐおよび高さＱの液体導入口径Ｄに対する倍率が３．０倍を超えると、負圧空洞部分１３の負圧が弱くなることが確認できた。

本発明の実施の形態における旋回式微細気泡発生装置の構成を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 図１の気液旋回室の構成を示す説明図である。 従来の旋回式微細気泡発生装置の構成を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。

符号の説明

１０ 液体
１１ 気体
１２ａ 予備旋回流
１２ｂ 主旋回流
１３ 負圧空洞部分
１４ 微細気泡
２１ 旋回式微細気泡発生装置
２２ ケーシング
２３ 気液旋回室
２４ 液体供給円筒
２４ａ 液体導入口
２５ 気体供給円筒
２５ａ 気体導入口
２６ 気液吐出口
２３ａ 予備旋回部
２３ｂ 主旋回部
２７ 中心軸

Claims (2)

1. 円筒状のケーシング内部に形成された気液の旋回可能な空間である気液旋回室と、同気液旋回室内へ液体を導入する液体導入口を備えた液体供給円筒と、同液体供給円筒の下端部壁面の中央に配設され気液旋回室内へ気体を導入する気体導入口を備えた気体供給円筒と、前記気体導入口と対向するケーシングの端部壁面の中央に配設された気液吐出口とにより構成され、
   前記液体供給円筒は、ケーシングの気液旋回室内部に挿入されて二重円筒構造を形成し、前記液体導入口は、この二重円筒構造部分の液体供給円筒の周壁面の上方に設けられ、
   前記二重円筒構造部分のケーシングと液体供給円筒との間に形成される空間が、前記液体導入口から導入された液体によって発生する旋回流を整流する予備旋回部を構成し、
   前記気液旋回室の液体供給円筒の下端部より下の空間が、前記予備旋回部で整流された液体と気体導入口から導入された気体とを接触させる主旋回部を構成する
   ことを特徴とする旋回式微細気泡発生装置。
2. 前記予備旋回部は、前記液体導入口径の１．５〜３．０倍の液体導入方向の幅を有し、かつ、前記液体導入口配設面に前記液体導入口径の１．５〜３．０倍の旋回中心軸方向の高さを有するものである請求項１に記載の旋回式微細気泡発生装置。
   
   

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