JP2010253373A

JP2010253373A - 気体溶解装置

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Publication number: JP2010253373A
Application number: JP2009105667A
Authority: JP
Inventors: Yasunari Maeda; 康成前田; Shigeyuki Yamaguchi; 重行山口; Yoshiyasu Ito; 良泰伊藤; Hitoshi Kitamura; 仁史北村; Hisanori Shibata; 尚紀柴田
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-23
Also published as: JP5001327B2

Abstract

【課題】気液接触面積を増大させて気体の溶解効率を高め、循環ポンプの消費電力の低減と装置の小型化を図ることのできる気体溶解装置を提供すること。
【解決手段】溶解タンク２内の液体１０の液面１０ａよりも上方において流体をミスト状として噴霧する噴霧ノズル７が溶解タンクに配設され、噴霧ノズルから噴霧する流体のミスト８に溶解タンク内の気体中で気体を溶解させる。
【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。

下記特許文献１に、液体中により多くの気体を溶解させることのできる微細気泡発生装置を記載している。この微細気泡発生装置では、浴湯と空気を混合した気液混合流体を噴霧ノズルから気液溶解タンク内の気液溶解浴水に噴霧し、気液溶解浴水に空気を溶解させる。また、噴霧ノズルを略水平面内において旋回させ、溶解タンク内の気液溶解浴水に渦流を発生させ、空気と浴湯の接触距離と時間を長くし、空気の溶解量を増大させる。

しかしながら、特許文献１に記載した微細気泡発生装置では、溶解タンク内の気液溶解浴水に渦流を発生させるために、噴霧ノズルからの気液混合流体の噴射水圧を、気液溶解タンク内の気液溶解浴水の水面、さらに気液溶解タンクの底面に届くほどに高くする必要がある。このため、浴湯を循環させる循環ポンプの消費電力が大きく、また、より一層空気の溶解速度を高めるためには装置の大型化が避けられない。

特開２００５−３２９１００号公報

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、気液接触面積を増大させて気体の溶解効率を高め、循環ポンプの消費電力の低減と装置の小型化を図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、溶解タンクを備え、溶解タンク内で流体を気体と混合し、気体が溶解した液体を生成する気体溶解装置において、溶解タンク内の液体の液面よりも上方において流体をミスト状として噴霧する噴霧ノズルが溶解タンクに配設され、噴霧ノズルから噴霧する流体のミストに溶解タンク内の気体中で気体を溶解させ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、流体が気液混合流体であ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、溶解タンク内に残留する未溶解の気体を排気する排気手段が溶解タンクに配設されていることを特徴としている。

第４の発明は、上記第１から第３いずれか一つの発明の特徴において、噴霧ノズルが溶解タンクの下側に配設され、液体の液面よりも上方に配置されるノズル先端からミストを上方に噴霧することを特徴としている。

第５の発明は、上記第４の発明の特徴において、流体の供給管が溶解タンクの底部に接続され、超音波発信器を備えた噴霧ノズルが溶解タンク内の底部に配設され、流体の供給にともなって溶解タンクの底部に貯留する流体を超音波発信器により加振し、噴霧ノズルからミストを上方に噴霧することを特徴としている。

上記第１の発明によれば、流体をミスト状として噴霧する噴霧ノズルが、溶解タンクに、内部の液体の液面よりも上方に配設されているので、溶解タンク内に流体を微細なミスト状として供給することができる。流体のミストは粒径が十分小さく、気体との接触面積が増大し、また、溶解タンク内で浮遊するミストは、気体との接触時間が長くなる。さらに、ミストは、溶解タンク内の気体中で気体と混合される。このため、液体への気体の溶解量が十分となり、気体の溶解効率が高くなる。したがって、装置の小型化を図ることが可能となり、また、溶解タンク内への流体の供給圧力を低減させることができ、循環ポンプにおける消費電力の削減が可能となる。

上記第２の発明によれば、上記第１の発明の効果に加え、流体が気液混合流体であるので、溶媒単独を噴霧する場合に比べ、粒径のより小さなミストを発生させることができる。このため、気体の溶解効率がより一層高くなる。

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、排気手段によって溶解タンク内に残留する過剰な未溶解の気体を排気することにより、溶解タンクからの大泡の流出が抑制され、減圧後に発生する微細気泡量の低下を抑えることができる。しかも、溶解タンク内における気体の溶解にかかわる部分の容積を一定に保つことが可能となり、気体の溶解量を一定に保つことができる。

上記第４の発明によれば、上記第１から第３いずれか一つの発明の効果に加え、噴霧ノズルが溶解タンクの下側に配設され、液体の液面よりも上方に配置されるノズル先端から流体のミストを噴霧するので、流体のミストは、溶解タンク内で一旦上昇した後、下降する。このため、溶解タンク内にミストが浮遊する時間が長くなり、これにともなって気体との接触時間が長くなり、気体の溶解効率はさらに高くなる。

上記第５の発明によれば、上記第４の発明の効果に加え、超音波発振器を備えた噴霧ノズルが溶解タンク内の底部に配設されるので、超音波発振器による加振によって流体のミストが溶解タンク内に噴霧され、このときのミストの粒径はより一層小さく、気体の溶解効率がさらに一層高くなる。また、流体の供給における圧力損失を十分抑えることができ、溶解タンク内に流体を供給する循環ポンプに要求される能力を引き下げることができる。このことも装置の小型化に寄与する。

本発明の気体溶解装置の第１実施形態を、その周辺の機器構成を含めて示した構成図である。ミスト径と比表面積の関係をシミュレートしたグラフである。本発明の気体溶解装置の第２実施形態を示した構成図である。本発明の気体溶解装置の第３実施形態を示した構成図である。

＜第１実施形態＞
図１に示した気体溶解装置１は、内部で流体と気体を混合し、気体が溶解した液体１０を生成する溶解タンク２を備えている。溶解タンク２は、供給管３を介して浴槽などの、液体１０における溶媒（水など）の供給源４と連通している。供給管３を流れる溶媒の流れの方向を図１図中に矢印で示している。溶媒の流れに関して供給管３の末端は、溶解タンク２の上端部に接続されている。

また、供給管３には、管路途中に、循環ポンプ５および気体導入部６が配設されている。循環ポンプ５は、溶媒の流れに関して気体導入部６よりも下流側に配置されている。循環ポンプ５は、その運転によって負圧を発生させ、供給源４から溶媒を吸い込み、溶解タンク２側へ吐出する。気体導入部６は、上記液体における溶質である空気などの気体を吸い込む吸引口６ａを備え、循環ポンプ５の運転にともなう真空圧によって吸引される気体を取り込み、供給管３の管路途中で気体を溶媒に導入する。このように気体が導入された溶媒は、気液混合流体となって供給管３を通じて溶解タンク２に供給される。循環ポンプ５には、たとえば遠心ポンプが、気体導入部６には、たとえばエジェクタなどが例示される。また、気体導入部６は、圧縮ポンプなどを付設し、その圧力によって気体の導入を行うようにすることもできる。

溶解タンク２には、上端部に、供給管３の上記末端に連通する噴霧ノズル７が配設されている。噴霧ノズル７は、循環ポンプ５の運転によって供給管３を通じて送り込まれる気液混合流体を溶解タンク２内にミスト８状として噴霧する。

一般に、気体の溶解速度は、気液の接触面積と気体の濃度勾配の積として次式のとおりに表される。

Ｃ_ｖ（ｔ）＝Ｋ_Ｌ・α・（Ｃ^＊−Ｃ）dt
Ｃ_ｖ（ｔ）：溶解速度
Ｋ_Ｌ：総括物質移動係数
α：接触面積
Ｃ^＊：飽和溶存気体濃度
Ｃ：溶存気体濃度
つまり、気体の溶解速度Ｃ_ｖ（ｔ）は、接触面積αに依存している。接触面積αが大きいと、気体の溶解速度Ｃ_ｖ（ｔ）が増大し、その結果、液体１０中に溶解する気体量が増大する。そこで、噴霧ノズル７から溶解タンク２内に噴霧する気液混合流体のミスト８の平均粒径は、１ｍｍ以下を目安としている。

一方、ミスト径と比表面積の関係を図２に示したように、粒径１ｍｍのミストを基準とした場合、ミスト径が１/１０になると、比表面積が１０倍になることが確認される。このことから、噴霧ノズル７から溶解タンク２内に噴霧する気液混合流体のミスト８の平均粒径については、５００μｍ以下の範囲が好ましく、１００μｍ以下の範囲がより好ましいものとして例示される。なお、平均粒径は小さいほど好ましいため、下限は特にないが、あまり小さいとミスト形成のための装置が大型化するため、０．５μｍ以上が現実的である。

噴霧ノズル７が溶解タンク２の上端部に配設されているのは、溶解タンク２内でミスト８に気体と十分接触させるためである。噴霧にともなって溶解タンク２内では、溶媒に溶質が溶解して気体が溶解した液体１０が生成され、液体１０は溶解タンク２内の下部に溜まっていく。したがって、溶解タンク２内に貯留する液体１０の液面１０ａよりも上方において気液混合流体のミスト８を噴霧することにより、溶解タンク２内における気体との接触時間が確保され、液体１０中の気体の溶解量を高めることができる。

溶解タンク２の底部には、微細気泡の供給先（たとえば、微細気泡発生浴槽では、供給源４と同じ浴槽）に連通する流出管９が接続されている。流出管９は、溶解タンク２内で生成される液体１０を供給先に取り出すものであり、微細気泡発生部１１にも接続されている。流出管９を流れる液体１０の流れの方向は、図１図中に示した矢印のとおりである。流出管９が溶解タンク２の底部に接続されているのは、液体１０の生成に際し発生するおそれのある大泡が、液体１０とともに流出管９に流出するのを抑制するためである。大泡は、溶解タンク２内に貯留する液体１０の液面１０ａ近くに集まる傾向にある。したがって、溶解タンク２の底部に流出管９を接続することによって大泡の流出が抑制され、微細気泡発生部１１における微細気泡発生量を十分に確保することができる。

微細気泡発生部１１は、たとえばベンチュリなどの液体１０の圧力を急速に低下させるものであり、圧力の急速な低下によって液体１０中に溶解している気体は、キャビテーションにしたがって析出し、平均気泡径１〜５０μｍ程度の微細気泡１２が大量に発生する。

なお、微細気泡発生部１１は、必ずしもベンチュリなどの液体１０の圧力を強制的に急速低下させるものでなくともよく、たとえば微細気泡発生浴槽では、微細気泡発生部１１を単に浴槽内に開放する吐出口などとしてもキャビテーションは十分起こる。

また、溶解タンク２には、液体１０のほぼ液面１０ａの高さに排気手段１３が配設されている。排気手段１３は、液体１０の生成に際し、ミスト８中に溶けきれず、溶解タンク２内に残留する未溶解の気体を溶解タンク２の外部に排気するものである。たとえば、気体放出弁を有するものとして構成することができ、気体放出弁はフロートを備えることができる。液体１０の液面１０ａの変化にともないフロートが浮沈することによって気体放出弁は開閉し、溶解タンク２内に残留する気体の放出と停止を行うことができる。

上記のとおりの気体溶解装置１では、循環ポンプ５の運転によって供給源４から溶媒を吸い込み、供給管３の管路途中で気体導入部６を通じて吸引された気体と混合され、気液混合流体が、溶解タンク２に配設された噴霧ノズル７に供給される。気液混合流体は、噴霧ノズル７からミスト８として溶解タンク２内に噴霧される。ミスト８は、溶解タンク２内で気体と接触し、溶解タンク２内の気体中でミスト８に気体が溶解する。気体が溶解したミスト８は落下し、溶解タンク２内に溜まっていく。溶解タンク２内に貯留する液体１０は、溶質としての気体が溶解した液体であり、液体１０の一部は流出管９を通じて溶解タンク２の外部に取り出され、微細気泡発生部１１へ送り出される。微細気泡発生部１１において圧力の急速な低下にともない微細気泡１２が発生し、供給先に供給される。

このように、気液混合流体を噴霧ノズル７によってミスト８状として溶解タンク２内に噴霧するため、気液混合流体のミスト８の粒径は十分小さく、気体との接触面積が増大する。また、噴霧は、溶解タンク２内の液体１０の液面１０ａよりも上方において行われるので、溶解タンク２内で浮遊するミスト８は、気体との接触時間も長くなる。さらに、ミスト８は、溶解タンク２内の気体中で気体と混合される。このため、液体１０中に溶解する気体の溶解量は十分となり、気体の溶解効率が高くなる。したがって、装置の小型化を図ることが可能となり、また、液体１０の液面１０ａを攪拌する必要がないため、溶解タンク２内への気液混合流体の供給圧力を低減させることができ、循環ポンプ５における消費電力の削減が可能となる。

溶解タンク２内で噴霧する流体は、必ずしも上記のとおりの気液混合流体ではなく、溶媒単独とし、溶解タンク２内に気体を供給しながら溶媒単独のミストと気体を混合することも可能である。ただ、気液混合流体を噴霧ノズル７から溶解タンク２内に噴霧すると、溶媒単独を噴霧する場合に比べ、粒径のより小さなミストを発生させることができる。気体との接触面積が増大するため、気体の溶解効率が、溶媒単独を噴霧する場合に比べ、より一層高くなる。

また、気体溶解装置１では、排気手段１３によって溶解タンク２内に残留する過剰な未溶解の気体を排気することにより、溶解タンク２からの大泡の流出が抑制され、減圧後に発生する微細気泡量の低下を抑えることができる。しかも、溶解タンク２内における気体の溶解にかかわる部分の容積を一定に保つことが可能となり、気体の溶解量を一定に保つことができる。未溶解の気体の排気は、たとえば、一定の時間毎に行うなど、適宜なタイミングで行うことができる。

なお、気体溶解装置１では、液体１０の生成に先立ち、溶媒に溶解する気体と同種の気体をあらかじめ溶解タンク２内に導入しておくことができる。気体の導入は、気液混合流体を噴霧する場合にも行うことができる。液体１０の生成に先立って溶解タンク２内に気体を導入しておくことにより、噴霧ノズル７から噴霧したミスト８に接触する気体の量が多くなり、気体中での気体の溶解を促進させることができる。また、溶解タンク２内には気体を加圧して導入することもできる。圧力が高いことから、ミスト８に溶解する気体の量は、ヘンリーの法則にしたがって増大する。
＜第２実施形態＞
図３に示した気体溶解装置１は、溶解タンク２内における噴霧ノズル７の配置位置において図１に示した気体溶解装置１と相違している。また、噴霧ノズル７の配置位置の相違にともなって、溶解タンク２への供給管３の接続位置が相違している。その他については、図１に示した気体溶解装置１と同様である。したがって、図３には、図１に示した気体溶解装置１と共通する部分に同一の符号を付している。また、以下において、同一の符号を付した部分については説明を省略する。

図３に示した気体溶解装置１では、噴霧ノズル７が溶解タンク２の下側に配設されている。このため、噴霧ノズル７に気液混合流体や溶媒単独を供給する供給管３は、溶解タンク２の底部に接続されている。そして、図３に示した気体溶解装置１では、液体１０の液面１０ａよりも上方に配置されるノズル先端７ａからミスト８を上方に噴霧する。

このように、噴霧ノズル７が溶解タンク２の下側に配設され、液体１０の液面１０ａよりも上方に配置されるノズル先端７ａから流体（気液混合流体または溶媒単独）のミスト８を噴霧するので、ミスト８は、溶解タンク２内で一旦上昇した後、下降する。このため、溶解タンク２内にミスト８が浮遊する時間が長くなり、これにともなって気体との接触時間が長くなり、気体の溶解量が増大する。その結果、気体の溶解効率はさらに高くなる。

また、図３に示した気体溶解装置１では、流体の供給圧力によって溶解タンク２内の気体が圧縮されることから液面１０ａが上昇し、流出管９への気体の流出を抑制することができる。

＜第３実施形態＞
図４に示した気体溶解装置１は、噴霧ノズル７が超音波発振器１４を備えている点において図３に示した気体溶解装置１と相違している。その他については、図３に示した気体溶解装置１とほぼ同様である。したがって、図４には、図３に示した気体溶解装置１と共通する部分に同一の符号を付している。また、以下において、同一の符号を付した部分については説明を省略する。

図４に示した気体溶解装置１では、超音波発振器１４を備えた噴霧ノズル７が溶解タンク２内の底部に配設されている。また、噴霧ノズル７には、フロートスイッチ１５が配設され、超音波発振器１４の作動および停止が、フロートスイッチ１５が検出する液面１０ａの高さに基づいて行われる。

なお、溶解タンク２の底部に接続された流体の供給管３は、流出管９と同じ側に配置されている。

図４に示した気体溶解装置１では、供給管３を通じての流体の供給にともなって溶解タンク２内の気体が圧縮され、液面１０ａが上昇し、所定の高さになると、フロートスイッチ１５がＯＮとなり、超音波発振器１４が作動する。超音波発振器１４は、初期状態においては溶解タンク２内に供給されて貯留する流体１６を、また、定常状態では溶解タンク２内の底部に貯留する液体１０と混合される流体１６を加振する。加振された流体１６は、噴霧ノズル７からミスト８となって上方に噴霧される。

したがって、図４に示した気体溶解装置１も、図３に示した気体溶解装置１と同様な作用効果を奏する。

加えて図４に示した気体溶解装置１では、超音波発振器１４による加振によって流体１６のミスト８の粒径が、平均粒径で３〜５μｍ程度まで小さくすることができ、気体との接触面積がさらに増大される。このため、液体１０中の気体の溶解量はさらに十分となり、気体の溶解効率がさらに一層高くなる。また、流体１６の供給における圧力損失を十分抑えることができ、溶解タンク２内に流体１６を供給する、図１に示したような循環ポンプ５に要求される能力を引き下げることができる。このことは、装置の小型化に有効となる。さらに、排気手段１３によって溶解タンク２内に残留する未溶解の気体を排気することにより、溶解タンク２内における気体の溶解にかかわる部分の容積が一定に保たれ、液面１０ａを所定の高さに保つことができ、超音波発振器１４によるミスト８の噴霧を連続して行うことが可能となる。

なお、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く、溶解タンクの構造、供給管および流出管との接続構造、噴霧ノズルの構造などの細部については、上記作用効果が得られる限りにおいて、従来公知のものを含め、様々な態様が可能である。

１気体溶解装置
２溶解タンク
３供給管
７噴霧ノズル
７ａノズル先端
８ミスト
１０液体
１０ａ液面
１３排気手段
１４超音波発振器
１６流体

Claims

溶解タンクを備え、溶解タンク内で流体を気体と混合し、気体が溶解した液体を生成する気体溶解装置において、溶解タンク内の液体の液面よりも上方において流体をミスト状として噴霧する噴霧ノズルが溶解タンクに配設され、噴霧ノズルから噴霧する流体のミストに溶解タンク内の気体中で気体を溶解させることを特徴とする気体溶解装置。
流体が気液混合流体であることを特徴とする請求項１に記載の気体溶解装置。
溶解タンク内に残留する未溶解の気体を排気する排気手段が溶解タンクに配設さ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。
噴霧ノズルが溶解タンクの下側に配設され、液体の液面よりも上方に配置されるノズル先端からミストを上方に噴霧す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。
流体の供給管が溶解タンクの底部に接続され、超音波発信器を備えた噴霧ノズルが溶解タンク内の底部に配設され、流体の供給にともなって溶解タンクの底部に貯留する流体を超音波発信器により加振し、噴霧ノズルからミストを上方に噴霧することを特徴とする請求項４に記載の気体溶解装置。