JP2010051843A - 気体溶解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の噴出軌道に偏りが生じても一方向の旋回流を抑制して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。
【解決手段】長手方向の中心軸５を水平方向６に対して傾斜させて配設された筒状のタンク２の長手方向に垂直な断面の形状が、偏平な形状であり、かつ流体１４の噴出方向に対応する縦方向の厚み寸法よりも縦方向に対して直角な横方向の幅寸法が長い横長形状である。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細気泡が発生する浴湯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、タンク内において気体を液体に溶解させる気体溶解装置についてこれまでに種々の提案を行ってきている。

たとえば特許文献１に記載した気体溶解装置は、タンクに対応する筒状体をその中心軸が水平方向に対して傾斜するように配置し、筒状体の略円筒状をした側壁部の中間部に内部に貯留される気体と液体の界面を位置させ、筒状体内の界面より上側の部分を気体貯留部とするとともに、界面より下側の部分を液体貯留部とし、筒状体の側壁部の界面と同レベルまたは界面より若干下のレベルに気液混合流体を筒状体内の気体貯留部に噴射するための噴射口を設け、筒状体の液体貯留部の下端部近傍に筒状体内の液体を流出させる流出口を設けてなるものである。

上記気体溶解装置は、筒状体の内部に貯留される液体と気体との界面の面積を大きくするとともに、貯留される液体の深さを深くすることができ、大きな気泡が混合した状態で筒状体から流出するのを抑制することができる。
特開２００７−３１３４６４号公報

上記気体溶解装置では、噴射口から噴出する気液混合流体が筒状体の側壁部の上壁部内面に衝突する軌道が、側壁部の断面形状である略円形の直径方向に略一致することによって、筒状体の側壁部上端の内面に衝突した気液混合流体がそこから左右に分かれ、側壁部の内面に沿って流下し、筒状体の側壁部の下端底部において左右の流れが衝突する。この衝突により気泡が細かく粉砕され、筒状体の内部に貯留している気体を気液混合流体に効率よく溶解させることができる。

だが、気液混合流体の噴出軌道が、側壁部の略円形の断面においてその直径方向に略一致することは理想的な状態であり、実際には、図５に示したように、気液混合流体５１の噴出軌道は、側壁部５２の略円形の断面の直径方向からずれ、左右いずれかの側に偏る場合がある。このように気液混合流体５１の噴出軌道に偏りが生じると、側壁部５２の上壁部内面に衝突した後に左右に分かれる気液混合流体５１の流れ５３、５４に差が生じる。気液混合流体５１の噴出軌道の側壁部５２の上壁部内面とのなす角をθとするとき、流れ５３、５４は、θ＞９０°となる側の流れが強くなる。すなわち、図５に示した状態では左側の流れ５３が右側の流れ５４よりも強い。このため、側壁部５２の上壁部内面に衝突した後の気液混合流体５１の流れは、優勢な左側の流れ５３に支配され、やがて左側のみの一方向の旋回流５５となってしまう。一方向の旋回流５５では、上記理想的な状態で起こるはずの側壁部５２の下端底部における流れの衝突が起こらない。その結果、気液接触面積が減少して気泡の粉砕が十分に行われず、気液混合流体への気体の溶解効率が低下することになる。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、流体の噴出軌道に偏りが生じても一方向の旋回流を抑制して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。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の特徴を有している。

第１の発明は、筒状のタンクが、その長手方向の中心軸を水平方向に対して傾斜させて配設され、タンクには、中央部よりも高位側の部分に流体をタンク底部側からタンク内に導入する流入口が設けられ、中央部よりも低位側の部分に気体の溶解した液体をタンク底部から取り出す流出口が設けられ、流入口から噴出してタンク内に流入する流体にタンク内に貯留している気体を混合し、溶解させ、気体の溶解した液体を流出口からタンク外部に取り出す気体溶解装置において、タンクの長手方向に垂直な断面の形状が、偏平な形状であり、かつ流体の噴出方向に対応する縦方向の厚み寸法よりも縦方向に対して直角な横方向の幅寸法が長い横長形状であることを特徴としている。

第２の発明は、上記第１の発明の特徴において、タンクの上壁部が平坦面から形成されていることを特徴としている。

上記第１の発明によれば、タンクの長手方向に垂直な断面が、偏平な形状であり、かつ流体の噴出方向に対応する縦方向の厚み寸法よりも縦方向に対して直角な横方向の幅寸法が長い横長形状であるので、流入口から噴射させる流体の噴出軌道とタンクの上壁部内面とのなす角を９０°に近づけることができる。このため、噴出軌道が、タンクの上記断面の縦方向に略一致せず、上記断面の左右いずれかの側に偏っても、タンクの上壁部内面に衝突した流体をそこから左右にほぼ均等に分けることができ、一方向の旋回流が抑制される。左右にほぼ均等に分かれた流体の流れは、タンク底部において衝突し、気液接触面積が十分に確保される。したがって、気泡は十分に細かく粉砕され、流体への気体の溶解効率を高めることができ、しかも溶解効率は高水準に安定して維持される。

上記第２の発明によれば、上記第１の発明の効果に加え、タンクの上壁部が平坦面から形成されているので、タンクの上壁部内面に衝突して左右に分かれる流体の流れを平坦面において水平方向に広げることができる。この水平方向の広がりが一方向の旋回流の抵抗となり、一方向の旋回流がより一層抑制される。

図１は、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２は、図１に示した気体溶解装置のＡ−Ａ断面図である。

気体溶解装置１は、偏平な筒状の形状を有するタンク２を備えている。タンク２は、滑らかに湾曲する周壁部３と、周壁部３の左右両側端に配設された側壁部４とを有し、周壁部３の左右両端は側壁部４によって閉塞されている。タンク２は、周壁部３の中心軸に一致する長手方向の中心軸５を水平方向６に対して、たとえば１０〜４５°の角度で傾斜させて配設されている。

また、タンク２には、中央部よりも高い位置である高位側の部分７に、円形の流入口８が底壁部９を内外に貫通して形成されている。流入口８には流入管１０が接続されている。流入管１０は、流入口８に対して略垂直に接続されている。タンク２の中央部よりも低い位置である低位側の部分１１には、円形の流出口１２が底壁部９を内外に貫通して形成されている。流出口１２には流出管１３が、流出口１２に対して略垂直に接続されている。

気体溶解装置１では、運転前に空気などの溶質となる気体がタンク２内に加圧されて貯留している。運転を開始すると、タンク２内に貯留している気体と同じ種類の気体と水などの溶媒となる液体とが混合された気液混合流体または気体が混合されない液体単独の流体１４が、流入管１０を通じて供給される。流体１４は、タンク２の上壁部１５の内面に向けて噴射させるように所定の圧力に加圧されており、流入口８から噴出し、タンク２内に流入する。流入する流体１４は、タンク２の上壁部１５の内面に衝突し、跳ね返り、次第にタンク２の底部に溜まっていく。また、上壁部１５の内面に衝突し、跳ね返る流体１４は、タンク２内に貯留する液体１６の液面１７に衝突し、液体１６を攪拌する。

このときの攪拌などによって、タンク２内に貯留している気体と液体１６が混合され、気体の液体１６への溶解が促進される。これは、攪拌による剪断によって液体１６に気泡として混合されている気体が細分化され、液体１６と接触する表面積が大きくなるのに加え、液面１７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、気体の液体１６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の溶解した液体１６が、流出口１２を通じて流出管１３に流出し、タンク２の外部に取り出される。

なお、タンク２内に貯留する液体１６には、未溶解の気体による気泡が数多く混合されている。この気泡は、タンク２内に貯留する液体１６の上側ほど密に存在し、液面１７付近には大きな気泡が存在する。一方、タンク２の底部付近ではあまり存在しない。流出口１２はタンク２の底壁部９に形成されているので、液体１６を大きな気泡がほとんど存在していない下側から取り出すことができる。

また、タンク２は、長手方向の中心軸５を水平方向６に対して傾斜させて配設されているため、気体と液体１６との界面に相当する液面１７の面積を比較的大きくとることができ、気体と液体１６の上記混合攪拌の効率が高まっている。加えて、液面１７から下側の液体１６の深さが比較的深く、気泡の上記流出をより効果的に抑制している。

気体溶解装置１の運転中の液面１７は、タンク２内の略中央部付近に位置する。具体的には、タンク２内における液面１７の位置は、タンク２の上記の通りの傾斜配置にしたがって、タンク２において中央部よりも低位側の部分１１に形成することのできる、タンク２内を外部に連通し、空気などの気体を導入する円形の空気導入口１８または空気抜き口の位置にほぼ一致する。流入口８の形成位置は、このような運転中の液面１７の位置などを考慮して決めることができ、液面１７より若干上側もしくは下側または液面１７の位置とすることができる。

上記の通り、タンク２は偏平な筒状の形状を有している。具体的には、図２に示したように、タンク２の長手方向に垂直な断面１９は、略楕円形であり、偏平な形状である。しかも、断面１９は、流体１４の噴出方向に対応する縦方向の厚み寸法、すなわち、短径ａよりも、縦方向に対して直角な横方向の幅寸法、すなわち、長径ｂが長い横長形状（ａ＜ｂ）である。このような偏平な横長形状とされた断面１９を有するタンク２では、流入口８から噴射させる流体１４の噴出軌道とタンク２の上壁部１５の内面とのなす角θを９０°に近づけることができる。

図３＜ａ＞に示したように、噴出軌道１４１とタンク２の上壁部１５の内面１５１とのなす角θが９０°のとき（θ＝９０°）、左右の流れ２０、２１はほぼ均等に分かれる。しかしながら、図３＜ｂ＞に示したように、θ＞９０°のときは、左側の流れ２０が右側の流れ２１より強くなり、左側に流れやすく、左側への一方向の旋回流が発生する。同じく、図３＜ｃ＞に示したように、θ＜９０°のときは、右側の流れ２１が左側の流れ２０より強くなり、右側に流れやすく、右側への一方向の旋回流が発生する。

そこで、図１および図２に示した気体溶解装置１では、上記の通り、流入口８から噴射させる流体１４の噴出軌道とタンク２の上壁部１５の内面とのなす角θを９０°に近づけている。このため、タンク２の上壁部１５の内面に衝突した流体１４は、噴出軌道が断面１９の短径ａ方向に略一致せず、断面１９の左右いずれかの側に偏っても、左右の流れ２０、２１はほぼ均等に分かれる。図５に示した一方向の旋回流５５が抑制される。左右にほぼ均等に分かれた流体１４の流れ２０、２１は、タンク２の周壁部３の内面に沿って流下し、タンク２の底部において衝突して気液接触面積が十分に確保される。したがって、気泡が十分に細かく粉砕され、流体１４への気体の溶解効率が高まり、しかも溶解効率は高水準に安定して維持される。

図４は、本発明の気体溶解装置の別の実施形態を図２の記載に対応して示した要部断面図である。図４に示した気体溶解装置２２は、図１および図２に示した気体溶解装置１の変形例である。図４において図１および図２に示した気体溶解装置１と共通する部分には同一の符号を付し、以下ではその説明を省略する。

気体溶解装置２２では、略楕円形で横長形状の断面１９を有するタンク２の上壁部１５が平坦面２３から形成されている。したがって、タンク２の断面１９の形状は、図１および図２に示したタンク２の断面１９の形状よりも一層偏平な形状となっている。このため、タンク２の上壁部１５の内面に衝突して左右に分かれる流体１４の流れ２０、２１は、平坦面２３において水平方向に広がる。この水平方向の広がりが一方向の旋回流の抵抗となり、一方向の旋回流がより一層抑制される。つまり、流体１４の噴出軌道とタンク２の上壁部１５の内面とのなす角θを９０°に近づけることによって、左右にほぼ均等に分かれた流れ２０、２１が、平坦面２３において水平方向に広がり、一方向の旋回流がより一層抑制されるのである。

なお、上記の実施形態では、タンク２の断面１９は略楕円形とされているが、本発明の気体溶解装置では、タンクの断面形状は、所定の横長形状である偏平なものである限り、略楕円形に限定されることはない。上壁部内面に衝突し、左右に分かれた流体がタンク内面に沿って流下する流れの形成などを考慮して具体的な断面形状を選択することが可能である。

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１に示した気体溶解装置のＡ−Ａ断面図である。 ＜ａ＞＜ｂ＞＜ｃ＞は、それぞれ、流体の噴出軌道とタンクの上壁部内面とのなす角θの大きさと一方向の旋回流の発生との関係を示した模式図である。 本発明の気体溶解装置の別の実施形態を図２の記載に対応して示した要部断面図である。 本出願人が先に提案した気体溶解装置における改善点について示した要部断面図である。

符号の説明

１、２２ 気体溶解装置
２ タンク
５ 中心軸
６ 水平方向
７ 高位側の部分
８ 流入口
１１ 低位側の部分
１２ 流出口
１４ 流体
１５ 上壁部
１６ 液体
１９ 断面
２３ 平坦面

Claims (2)

1. 筒状のタンクが、その長手方向の中心軸を水平方向に対して傾斜させて配設され、タンクには、中央部よりも高位側の部分に流体をタンク底部側からタンク内に導入する流入口が設けられ、中央部よりも低位側の部分に気体の溶解した液体をタンク底部から取り出す流出口が設けられ、流入口から噴出してタンク内に流入する流体にタンク内に貯留している気体を混合し、溶解させ、気体の溶解した液体を流出口からタンク外部に取り出す気体溶解装置において、タンクの長手方向に垂直な断面の形状が、偏平な形状であり、かつ流体の噴出方向に対応する縦方向の厚み寸法よりも縦方向に対して直角な横方向の幅寸法が長い横長形状であることを特徴とする気体溶解装置。
2. タンクの上壁部が平坦面から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。

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