JP2010227782A - 気体溶解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部が仕切り壁によって区画され、気液混合槽と気液分離槽とを有する溶解タンクを備え、気液分離槽での乱流の発生を抑えて大きな気泡の流出を抑制することのできる、小型化可能な気体溶解装置を提供すること。
【解決手段】溶解タンク２の内部に設けられ、大泡流出防止槽７と気液分離槽８を区画する第２仕切り壁４において、同じく溶解タンク２の内部に設けられ、気液混合槽６と大泡流出防止槽を区画する第１仕切り壁３に対向する面４ｂ、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３ｂに、溶解タンクの縦方向に延びる縦リブ９が設けられる。
【選択図】図１

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、圧送された流体を溶解タンクの上部から内部に貯留された液体の液面上に噴射して液体と溶解タンク内の気体とを混合し、液体に気体を溶解して気液溶解液を生成する気体溶解装置を提案している（特許文献１）。

ところが、特許文献１に記載した気体溶解装置のように、流体を溶解タンクの上部から噴射して液体と気体を混合し、気体を液体に溶解させる方式のものには、一般に、大きな気泡が混合した状態で気液溶解液が流出しやすい傾向にあることが確認された。

そして、本出願人は、特許文献２に記載した気体溶解装置を提案している。特許文献２に記載した気体溶解装置では、溶解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、溶解タンク内に貯留される液体の深さを深くして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。

一方、本出願人は、気体溶解装置を実用に供しうるものとして微細気泡発生浴槽に組み込むことを想定し、気体溶解装置の小型化について検討を進めてもいる。気体溶解装置の小型化という観点からすると、特許文献２に記載した気体溶解装置には、筒状体の傾斜配置にともないデッドスペースが形成される場合があるなどの改善点が見出される。

そこで、大きな気泡の流出の抑制と装置の小型化を両立させて実現するために、本出願人は、溶解タンクの内部を仕切り壁によって気液混合槽と気液分離槽の少なくとも２つの槽に区画し、気液混合流体の経路の長さを必要最小限に抑えることを検討している（特許文献１）。そして、その過程において、気液混合槽内に導入された流体が気液混合槽内の液体と混合されるとき、液体に乱流が発生し、この乱流によって、気液分離槽を設けているのにもかかわらず、大きな気泡が気液分離槽から流出するという現象が起こる場合があることが確認されている。

特開２００５−９５８７８号公報 特開２００７−３１３４６４号公報

本発明は、内部が仕切り壁によって区画され、気液混合槽と気液分離槽とを有する溶解タンクを備えた、小型化可能な気体溶解装置において、気液分離槽での乱流の発生を抑えて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、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、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、液体は、大泡流出防止槽、気液分離槽を順次流れ、気液分離槽の下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、大泡流出防止槽と気液分離槽を区画する第２仕切り壁において、気液混合槽と大泡流出防止槽を区画する第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、第２仕切り壁の、第１仕切り壁に対向する部分の中央部に、上方に突出する突出部が設けられていることを特徴としている。

第３の発明は、上記第１または第２の発明の特徴において、気液分離槽に、液体の流れに関し平行に配置された横リブが設けら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、第２仕切り壁において第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設けられた縦リブによって、上流側の気液混合槽から下流側の大泡流出防止槽に向かう、気体が溶解した液体の流れが整流され、流れの向きが縦方向にほぼ一様となる。その結果、大泡流出防止槽から気液分離槽に流入する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、さらに下流側の気液分離槽から溶解タンクの外部に流出する液体とともに大きな気泡が流出するのが抑制される。

上記第２の発明によれば、上記第１の発明の効果に加え、第２仕切り壁において第１仕切り壁に対向する部分の中央部に設けられた突出部によって、大泡流出防止槽から気液分離槽に流入する液体の流れが突出部の左右の２方向に分岐され、液体は、大泡流出防止槽を槽壁に沿って流れることになる。その結果、大泡流出防止槽での液体の流速分布が均一になり、気泡の合一が促進され、大きな気泡の流出が一層抑制される。

上記第３の発明によれば、上記第１または第２の発明の効果に加え、気液分離槽に設けられた横リブによって、液体の流れの圧力損失が小さくなり、気液分離槽において旋回流の発生が抑制され、大きな気泡の流出がより一層抑制される。

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見た縦断面図である。 図２に示した溶解タンクのＡ−Ａ断面図である。 図２に示した溶解タンクのＢ−Ｂ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示した斜視図である。

図１−５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、後述する液体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によって大泡流出防止槽７が区画形成され、大泡流出防止槽７は気液混合槽６に隣接して配置されている。液体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、大泡流出防止槽７に隣接して配置されている。

第１仕切り壁３は、図３に示したように、溶解タンク２の上壁部２ａから底壁部２ｂにかけて垂下して延びている。第１仕切り壁３は、ほぼ平板状に形成されている。一方、第１仕切り壁３の下端３ａ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、この隙間を液体５の流路として気液混合槽６と大泡流出防止槽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。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、大泡流出防止槽７と気液分離槽８は、溶解タンク２の上部において互いに連通している。

また、第２仕切り壁４には、第１仕切り壁３に対向する対向面４ｂに、溶解タンク２の縦方向に延びる縦リブ９が、第１仕切り壁３側に突出して設けられている。縦リブ９は、略長方形の形状を有する小片状に形成され、対向面４ｂの下端部に２列として互いに間隔をあけて配置されている。

さらに、第２仕切り壁４には、第１仕切り壁３に対向する部分の中央部に、上方に突出する突出部１０が設けられている。突出部１０は、略長方形の形状を有する小片状に形成されている。突出部１０の上端１０ａは、溶解タンク２の上壁部２ａに達することはなく、上壁部２ａの下方に配置されている。

このような溶解タンク２には、気液分離槽８の上端部に横リブ１１が設けられている。横リブ１１は、気液分離槽８における液体５の流れに関し平行に配置されている。その向きは、縦リブ９の、大泡流出防止槽７に突出する幅方向に略一致しており、第２仕切り壁４に設けられた突出部１０に対して略直交する向きに延びている。

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、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、液体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１５が設けられている。気体放出弁１５は、液体５の生成に際し、気液分離槽８における液体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、液面の高さの変化にともないフロートが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ものである。溶解タンク２の上壁部２ａにおいて気体放出弁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、大泡流出防止槽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２ｃ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、ここに設けられた縦リブ９および突出部１０を含めて下部ユニット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６に示したように、気体溶解装置１では、上記溶解タンク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、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、たとえば、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３１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、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、液体５において溶媒となる流体が吸込口２６から吸い込まれる。吸い込まれた流体は、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。この流体の噴出は、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。なお、流体は、気液混合槽６に導入するに先立って、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混合して気液混合流体としておくこともでき、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、流体単独および気液混合流体をまとめて「流体」と記載する。

流体は、図１−５に示した気液混合槽６に、溶解タンク２の上壁部２ａの内面に向かって噴出して流入する。このとき、流体は、溶解タンク２の上壁部２ａや第１仕切り壁３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、上壁部２ａの内面に衝突し、跳ね返る流体は、気液混合槽６に貯留する流体の液面に衝突し、流体を攪拌する。

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が混合され、また、気液混合流体が噴出するとき、気液混合流体中の気体も合わせて気体と流体が混合され、気体の溶解が促進され、気体が溶解した液体５が生成される。これは、攪拌による剪断によって流体に気泡として混合される気体が細分化され、流体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液体５は、第１仕切り壁３の下端３ａと溶解タンク２の底壁部２ｂとの間の隙間を流路として大泡流出防止槽７に流入し、次第に大泡流出防止槽７に溜まっていく。液体５は、溶解タンク２の底部において大泡流出防止槽７に流入するため、液体５中への大きな気泡の混入が抑制される。

大泡流出防止槽７において液体５の液面が第２仕切り壁４の上端４ａを越えると、液体５は気液分離槽８に流入する。このように、気液分離槽８では、第２仕切り壁４によって液体５が溶解タンク２から外部に流出する前に、液体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。しかも、液体５の流れは第２仕切り壁４の上端４ａを乗り越える流れとなるため、液面を通過する流れとなり、液体５が第２仕切り壁４を乗り越えるときにも気液分離が促進される。

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液体５中に混合されていたとしても、液面付近に存在する大きな気泡の流出を抑制することができる。気泡は、貯留する液体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。液体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の外部に流出する液体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に溶解させることができる。気体循環経路１４を経て流体に導入される気体は気泡として流体に取り込まれ、流体との接触面積は大きく、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に溶解させる分、流体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。また、気体循環経路１４の他端部１４ｂは溶解タンク２の下端部に臨んでいるので、溶解タンク２内における流体と気体の接触距離をある程度確保することができ、気液接触時間が十分に確保され、気体の溶解効率の向上がさらに促進される。このようにして気体の溶解効率が高まるため、気体と流体の接触時間をさほど長くする必要がなく、したがって、流体の経路を短縮することができ、気体溶解装置１は小型化されている。

そして、気体溶解装置１では、溶解タンク２の内部を大泡流出防止槽７と気液分離槽８に区画形成する第２仕切り壁４において、溶解タンク２の内部を気液混合槽６と大泡流出防止槽７に区画形成する第１仕切り壁３に対向する面４ｂに縦リブ９が設けられているので、縦リブ９によって、上流側の気液混合槽６から下流側の大泡流出防止槽７に向かう、気体が溶解した液体５の流れが整流され、流れの向きが縦方向に一様となる。その結果、液体５中に大きな気泡が混入するのが抑制され、さらに下流側の気液分離槽８から溶解タンク２の外部に流出する液体５とともに大きな気泡が流出するのが抑制される。このように、気体溶解装置１は、小型化可能であるとともに、気液分離槽８での乱流の発生を抑えて大きな気泡の流出を抑制することもできる。

なお、縦リブ９は、液体５の流れの圧力損失の原因となることもあるので、圧力損失を極力低く抑えるために、その厚みを薄いものにすることが好ましい。一方、縦方向の長さについては、長いほど液体５の整流に寄与し、液体５の流れの方向を制御することができる。また、液体５をより効果的に整流する上では縦リブ９の数は多いほど好ましい。

さらに、気体溶解装置１では、縦リブ９は、上記のとおり、第２仕切り壁４の第１仕切り壁３との対向面４ｂに設けられているが、第１仕切り壁３において第２仕切り壁４に対向する面３ｂに縦リブ９を設けてもよい。たとえば、縦リブ９の大泡流出防止槽７に突出する幅がある程度大きいなどの場合には、第２仕切り壁４の第１仕切り壁３との対向面４ｂに設ける場合と同じように、流体５の流れの制御を期待することができる。

また、気体溶解装置１では、第２仕切り壁４において第１仕切り壁３に対向する部分の中央部に、上方に突出する突出部１０が設けられているので、大泡流出防止槽７から気液分離槽８に流入する液体５の流れは、突出部１０によってその左右両側の２方向に分岐され、流体５は、大泡流出防止槽７を槽壁に沿って流れることになる。その結果、大泡流出防止槽７での液体５の流速分布が均一になり、気泡の合一が促進され、大きな気泡の流出が一層抑制される。

さらにまた、気体溶解装置１では、気液分離槽８に、液体５の流れに関し平行に配置された横リブ１１が設けられているので、液体５の流れの圧力損失が小さくなり、気液分離槽８において旋回流の発生が抑制される。その結果、大きな気泡の流出がより一層抑制される。

このような本発明の気体溶解装置は、上記実施形態に示したように、気体が溶解した液体が溶解タンク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ので、気液混合槽への流体の導入は、必ずしも溶解タンクの底部から行うことに限られるものではなく、大きな気泡の流出という観点からはあまり好ましくないと考えられる、流体を溶解タンクの上部から噴射させる方式を採用しても、同様の作用効果を奏する。

また、図１−５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、液体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。

１ 気体溶解装置
２ 溶解タンク
３ 第１仕切り壁
３ｂ 対向面
４ 第２仕切り壁
４ｂ 対向面
５ 液体
６ 気液混合槽
７ 大泡流出防止槽
８ 気液分離槽
９ 縦リブ
１０ 突出部
１１ 横リブ

Claims (3)

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、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、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、液体は、大泡流出防止槽、気液分離槽を順次流れ、気液分離槽の下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、
   大泡流出防止槽と気液分離槽を区画する第２仕切り壁において、気液混合槽と大泡流出防止槽を区画する第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とを特徴とする気体溶解装置。
2. 第２仕切り壁の、第１仕切り壁に対向する部分の中央部に、上方に突出する突出部が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. 気液分離槽に、液体の流れに関し平行に配置された横リブが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。

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