JP2011152534A

JP2011152534A - 気液混合循環流発生装置

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Publication number: JP2011152534A
Application number: JP2010029466A
Authority: JP
Inventors: Masataka Matsuo; 正孝松尾; Yoshinari Watanabe; 良成渡邊
Original assignee: CAVITECH BUIL COMMUNITY CO Ltd; CAVITECH BUIL-COMMUNITY CO Ltd
Current assignee: CAVITECH BUIL COMMUNITY CO Ltd; CAVITECH BUIL-COMMUNITY CO Ltd
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2011-08-11
Also published as: CN102133509A; KR20110088355A; CN102133509B; KR101654775B1

Abstract

【課題】少ないエネルギーで強力な循環流を発生し酸素を液体中に効率よく溶解させることができる気液混合循環流発生装置を提供すること。
【解決手段】液体が流通する筒状本体の内周面に少なくとも１条の螺旋状の溝を設け、この筒状本体の中間部分には断面径が狭められた絞り機構を設ける。絞り機構の外周面には単一又は２分割された加圧気体導入室を設け、この加圧気体導入室の気体を筒状本体の中心部に向かって吹き込み軸流の発生に寄与するように第１の気体噴出口を絞り機構部分に穿設し、同様に加圧気体導入室の気体を螺旋状溝に向かって吹き込み旋回流の発生に寄与するように第２の気体噴出口を絞り機構部分に穿設する。
【選択図】図２

Description

本発明は気体（空気）を微細化して液体に混合させ効率よく溶解させることにより、液体の上・下層全体に亘り広範囲に循環させることができる気液混合循環流発生装置に関するものである。

池、湖沼等の閉鎖された水域内、又は汚泥・汚水・雑排水等の貯留槽における水質浄化の方法としては曝気処理と攪拌が知られている。即ち、水質の浄化を図るため池水面上に水車や噴水を設置し水面を攪拌して強制的に空気を接触させたり、水底に散気ノズルを設置して水中に強制的に空気を気泡となるようにして吹き込んだり、ポンプや回転羽根により高速流体を発生させ空気を吸引して気泡を微細化して吹き込んだりして溶存酸素率の向上を図るようにしている。

従来の水中曝気・攪拌には適用範囲及び能力に限界があり、又機械的駆動部を水中に有するものは腐食・摩耗・目詰まり等を生じて故障しやすく、定期的に点検保守する必要があった。水中に取り入れた空気を気泡とする場合、気泡を微細化する方法としては、従来より多くの技術が存在しているが、浄化で重要な要素である酸素溶解効率と攪拌の為の循環流発生の双方を満足させることは不十分であった。

その原因は液体（汚泥・汚水等）の濃度が２〜５％程度となると均一な攪拌ができなくなり攪拌に要する駆動力が高くなるのみで効果が不十分であることに起因している。

浄化で重要な要素である酸素溶解率が０．５〜４％程度と極めて低いことでより高い浄化が望めない。また、特許文献１，２等にあるように加圧水流の流通路の内周面に沿い気泡微破用の溝を形成したものあるいは加圧水流を旋回させるために螺旋状溝を形成したもの、流通路に液体加速部（ノズル）を設けて空気を吸い込ませるようにしたもの等があるが、いずれもポンプを利用して加圧水を発生させる為、前述の機械的トラブルやコストの増加、省エネ等の問題が発生していた。

又、加速部（ノズル）を設けることにより、液体中の浮遊物等による閉塞対策を必要とし、加速部の絞りには限度があり十分な負圧を発生することができないので空気の吸い込みが不足し、故に微細空気は発生するが酸素溶解効率は上昇しないものであった。

特許文献３はそれを補足する為に加圧水を装置下向きに流し送風機により強制的に空気を吹き込んでいるものであるが、ポンプ及び送風機の設置スペースの確保ならびにポンプ及び送風機を設置することによるコストの増加、エネルギーの浪費化等の問題が発生する。又、空気吹き込みのノズル部や整流筒の突起又は溝部に堆積物や付着物が生じるため定期的な清掃作業などが必要となる。

更に、上記特許文献１，２，３等に開示されている装置の問題点を解決するために、液体と気体を混合溶解させる機構と循環流を発生させる機構とを別々に設けるのではなく同時に発生させ少ないエネルギーで気液混合させることも提案されているが、空気吹込みにより気体の見掛け比重と液体の比重差に相当する分のみしか循環流が発生しないため、浄化する貯留容量や水深による影響が大きく効果が不十分である。また、吹き込まれた空気は旋回しながら上昇するが、液体自体は旋回しないので空気は微細化されているものの気液混合が十分ではない。従って、酸素溶解効率が低く、特に水深が深くなると効果は半減するという問題点を有している。

特開２００３−６２４４１号公報特開２００７−３０７４５０号公報特開２００９−１３６７９４号公報

従来の微細気泡発生装置は、気液混合に関しては一応の効果が認められるものの、以下のような問題があり実用範囲は限定されていた。最大の問題は、微細気泡を発生させるための加圧水を必要とすることでそれにより機械的駆動装置（ポンプ等）が必要となることである。

又、水質浄化に加え浮上スカムの破砕や汚泥の沈殿を防止する為に必要な強力な循環流を発生させるという双方の効果を満足させるには不十分であった。即ち、加圧水を必要とする微細気泡発生装置にあっては、水質浄化の要素である酸素溶解効率が０．５〜４％程度と極めて低いが循環流はある程度満足する。しかし加圧水を必要としない微細気泡発生装置は空気注入量を多く必要とする構造となり、汚泥が沈殿しない攪拌の最低条件である流体の攪拌流速１０ｃｍ／秒を均一且つ安定して得ることができないという問題がある。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、ポンプやプロペラ羽根のような機械的駆動装置を必要とせず無動力で少ないエネルギー（空気）で酸素を液体に効率よく溶解し、液全体を均一に攪拌する安定した循環流を発生でき、効率的に液体の浄化及び攪拌を行い得る気液混合循環流発生装置を提供することを課題とする。

本発明に係る気液混合循環流発生装置は、一端に液体吸い込み口を他端に気液混合体の放出口が設けられ連通する流路を構成する筒状本体と、前記筒状本体内周面に流路方向に対して旋回するように設けられた少なくとも１条の螺旋状の溝と、前記筒状本体の流路方向における中間部分に形成された絞り機構と、前記筒状本体の中心部に向かって気体を吹き込むように前記絞り機構に設けられ主として前記流路方向に沿った軸流の発生に寄与する少なくとも１つの第１の気体噴出口と、前記螺旋状の溝に向かって気体を吹き込むように前記絞り機構部分に設けられ主として旋回流の発生に寄与する少なくとも１つの第２の気体噴出口を有する（請求項１）。

また、前記絞り機構は、直径が２０ｍｍ〜１５０ｍｍの円筒形状で、前記液体吸い込み口と気液混合体放出口の直径比は絞り機構部分のそれに対して１：１〜１：４に形成されるか、あるいは、一辺の長さが２０ｍｍ〜１５０ｍｍの多角形状で、前記液体吸い込み口と気液混合体放出口の一辺の長さの比を絞り機構部分のそれに対して１：１〜１：４に形成することもできる（請求項２及び３）。

前記螺旋状の溝は、溝巾を２ｍｍ〜５ｍｍとし、前記筒状本体の内周面に１条〜５条設けられている（請求項４）。

また、前記第１の気体噴出口は、前記筒状本体内の流路の中心軸に対して９０度±１０度の角度で前記絞り機構の中間部分に複数個設けられ、また前記第２の気体噴出口は前記螺旋状溝に向かって且つ前記第１の気体噴出口から離間した前記絞り機構部分に複数個設けられる（請求項５）。

更に、前記絞り機構の外周面に加圧気体導入室を設け、該加圧気体導入室の気体を前記筒状本体の中心部に向かって吹き込むように前記絞り機構に穿設された主として前記流路方向に沿った軸流の発生に寄与する少なくとも１つの第１の気体噴出口と、前記加圧気体導入室の気体を前記螺旋状溝に向かって吹き込むように前記絞り機構に穿設された主として旋回流の発生に寄与する少なくとも１つの第２の気体噴出口とを設ける（請求項６）。

前記加圧気体導入室は互いに圧力の異なる２つの加圧室に分離して一方の加圧気体導入室に第１の気体噴出口を、他方の加圧気体導入室に第２の気体噴出口を設けてもよい（請求項７）。

本発明によれば、少ないエネルギー（空気）で強力な循環流を発生すること及び酸素を液体中に効率良く溶解させることができるので、池・湖沼等の閉鎖された水域内の富栄養化現象による溶存酸素の欠乏、底部のヘドロ堆積の原因による悪臭の発生、水質の悪化等を効果的に改善できる。

又、汚泥・汚水・雑排水等の槽においては浮上スカムや沈殿汚泥等により槽内が嫌気状態になり、硫化水素臭・アンモニア臭等の悪臭発生の原因となり、更には水質の悪化により放流（排出）先に二次的公害を引き起こす原因ともなるが、強力な攪拌力と高効率な酸素溶解により、好気性状態にすることで悪臭の防止、水質等液体の浄化を行うことができる。

本発明に係る気液混合循環流発生装置の基本構成を示す概略断面図本発明の実施の形態における気液混合循環流発生装置の全体構成図図２における加圧気体導入室の拡大断面図本発明の他の実施の形態における加圧気体導入室の拡大断面図本発明装置の動作原理を説明するための概略説明図

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の一実施の形態に係わる気液混合循環流発生装置は、その基本構成断面図を図１に示すように、円筒状又は多角形状の筒状本体１を有し、その内部には液体の流路２が形成されている。そして流路２の一端には円錐台又は角錐台形状となる液体吸い込み口３が設けられ、他端には同様に円錐台又は角錐台形状の液体放出口４が設けられている。又、流路２の中間部分には流路２と直交する面の断面積が吸い込み口３のそれに対して縮小された絞り機構（チャンバー）５が設けられている。

液体吸い込み口３及び液体放出口４は絞り機構５に向かって末広がりのテーパー状に形成されている。また、挟雑物や浮遊物による閉塞、堆積物や付着物等による閉塞等を防ぐために、絞り機構は最小直径２０ｍｍ，最大直径１５０ｍｍの円筒状あるいは一辺の長さが最小２０ｍｍ，最大１５０ｍｍの多角形状に構成する。液体吸い込み口３および液体放出口４の開き角度は、絞り機構の直径あるいは一辺の長さに対し１：１〜１：４の範囲に形成すると十分な効果が得られる。

筒状本体１の内壁面６には螺旋状溝７が流路２に対して旋回するように穿設されている。この螺旋状溝７は流路２を通過する液体に旋回流効果を付与するもので、効果的な旋回流を得るために、溝巾が２ｍｍ〜５ｍｍで，単位長１００ｍｍ当り２巻〜４巻の螺旋を前記筒状本体１の内周面に１条〜５条設ける構成とされる。螺旋状溝７の溝の形状は半月状、角状あるいはＶ字状のものが適当である。

また、図２及び３に示す様に、絞り機構５の外周にはこれと連接して空気圧の異なる２層構造の加圧気体導入室８が設けられ、この加圧気体導入室８は、第１エアー室９及び第２エアー室１０から構成されている。下層の第１エアー室９には図示しない送風機（ブロアー）等の送気手段により高圧のエアーが高圧空気供給口１１より供給され、同様に上層第２エアー室１０には低圧のエアーが低圧空気供給口１２より供給される。

加圧気体導入室８を２層構造とすることにより供給する空気圧や空気量をエアー室毎にコントロールすることが可能となり、後述する軸流と旋回流の強さを別々にコントロールすることができる。従って、大量の循環流を必要とする場合や撹拌する容量や水深が深い場合などに、エアー室を軸流用と旋回流用に分別することにより軸流と旋回流の強度を自由に組み合わせて相対的にコントロールすることができるのでこれらの幅広いニーズにも対応が可能となる。

そして、前記絞り機構５の液体流入方向に対して上流側端部近傍には第１エアー室９と筒状本体１の内部が連通するように第１の気体噴出口１３が穿孔されており、高圧のエアーが筒状本体１の中心部に向かって吹き込まれ、主として流路方向に沿った軸流の発生に寄与する。

また、前記絞り機構５の下流側端部近傍には第２エアー室１０と筒状本体１の内部が連通するように第２の気体噴出口１４が穿孔されており、低圧のエアーが螺旋状溝７に吹き込まれ主として旋回流の発生に寄与する。

尚、以上は加圧気体導入室８を２層構造とする場合について述べたが、特に軸流と旋回流を相対的にコントロールする必要性がないような使途の場合には、第４図に示すように加圧気体導入室８は１層構造であってもよい。
この場合、加圧気体導入室８は、絞り機構５の外周に単一の均圧エアー室１５を連接して設ける構成となる。そして、前記絞り機構５の上流端部近傍に均圧エアー室１５と筒状本体１の内部が連通するように気体噴出口（図示せず）を穿孔し、この気体噴出口を通して空気供給口１６から供給された高圧のエアーが筒状本体１の中心部に向かって吹き込まれ、主として流路方向に沿った軸流の発生に寄与することになる。

次に、第１の気体噴出口１３及び第２の気体噴出口１４の穿孔角度や噴出口数などについて説明する。

第１の気体噴出口１３は絞り機構５のチャンバー中心に向かって且つ流路２に対して９０°の角度で穿孔すると軸流発生に最も効果があるが、±１０度程度の変異であれば軸流の発生に有効な効果を発揮できる。第１の気体噴出口１３の数は、吹き込み空気量及び必要とする循環流、本装置を設置した場所の水深等の使用態様によって変わるが、概ね４個〜８個が適当である。８個の場合、第１の気体噴出口１３は２段に分割し穿孔角度は９０度位相させた位置とする。

第２の気体噴出口１４は、螺旋状溝７に向かって気体を吹き込むことができるように絞り機構５を貫通して穿設される。第２の気体噴出口１４は、主として旋回流の発生に寄与する。

旋回流をより強くするためには、第２の気体噴出口１４を絞り機構５の出口近傍に、螺旋状溝７の溝に対して約９０°から螺旋状溝の終端角度に一致する角度の範囲で設けるとよい。旋回流の観点からは、第２の気体噴出口１４の穿孔角度を螺旋状溝の終端角度と一致させることが望ましいが、製作上の観点をも加味すると螺旋状溝７の溝に対して約９０°に設けた方が総合的なメリットがある。更に、気体噴出口１４の先端部を螺旋状溝底部に位置せしめると最大の旋回流効果が得られる。この位置決めを実現する１つの方法は、気体噴出口１４を直接螺旋状溝底部に穿孔することである。

気体噴出口１４の数は、必要とする旋回流及び浄化に必要な空気（酸素）量等の使用態様などで変わるが、螺旋状溝７の溝数で穿孔するのが最も効果的である。また、気体噴出口１４の口径は、エアー室より高圧空気を高速度で吹き出し微細気泡を発生するために吹き込み空気量に応じて１．５ｍｍ〜５ｍｍとする。

次いで、上記のように構成された本発明に係る気液混合循環流発生装置の動作並びにその原理について説明する。

まず、本装置を汚水・汚泥等の液体中に液体放出口４が液体の表面側を向くように設置する。第１の気体噴出口１３より高圧空気が流路２に吹き込まれると気泡となって軸流による循環流を発生して上昇する。高圧空気が吹き込まれることにより、液体吸い込み口３から流入した液体は、絞り機構５により断面積が縮小され液体放出口４に向かってその流速が増加する。また、高圧空気が吹き込まれることにより絞り機構５の内部には負の静圧が発生し、吹き込まれた空気により気泡含みの液体となる。気泡含みの液体は、見掛け比重が小さくなり液の比重差に相当する分だけ押し上げられる作用が働き液体放出口４に向かって上昇する。

絞り機構５を通過した気泡含みの液体には流路２内で螺旋状溝７による効果も受けて旋回流が発生する。その状態で、低圧の空気が第２気体噴出口１４より螺旋状溝に吹き込まれることにより旋回流速が急速に拡大する。即ち、螺旋状溝７と第２気体噴出口１４からの空気吹き込みによって付勢された旋回流による流速が、第１の気体噴出口１３からの高圧空気の吹き込みによって付勢された軸流と相乗的に作用して大きな循環流を生じる。
このため、絞り機構５の出口部近傍より旋回流による流速と液体放出口４に向かう軸流の流速が同時に作用することになり気泡が微細化され、大きな循環流との相乗効果により効率的な浄化が達成される。

また、第５図に示すように、強い旋回流１８が発生することにより、液体と気体との比重差から液体に遠心力１９が気体には向心力２０が同時に働き、液体部と気体部が分離し負圧気体が連続して糸状となり軸流が増すこととなり、軸流と旋回流との相乗効果により微細気泡と大きな循環流を発生させることができる。

流路２で液体は旋回し空気は微細化し糸状となって液体放出口４まで続きそこから噴出されるが、その噴出と同時に周囲の静液（本装置を設置し浄化する液体例えば汚水、汚泥等）によって旋回が急激に弱められ、その前後で急激な旋回速度差が発生する。

この旋回速度差により糸状の微細空気は連続的に安定して切断され、その結果として液体放出口４付近で大量の微細気泡が発生し、液体放出口４より液体中へ放出される。これにより空気を微細化して液体に混合させ、少ないエネルギーで効率よく溶解させることができる。

１筒状本体
２流路
３液体吸い込み口
４液体放出口
５絞り機構
６内壁面
７螺旋条溝
８加圧気体導入室
９第１エアー室
１０第２エアー室
１１高圧空気供給口
１２低圧空気供給口
１３第１の気体噴出口
１４第２の気体噴出口
１５均圧エアー室
１６空気供給口
１７旋回流
１８遠心力
１９向心力

Claims

一端に液体吸い込み口を他端に気液混合体の放出口が設けられ連通する流路を構成する筒状本体と、前記筒状本体内周面に流路方向に対して旋回するように設けられた少なくとも１条の螺旋状溝と、前記筒状本体の流路方向における中間部分に形成された絞り機構と、前記筒状本体の中心部に向かって気体を吹き込むように前記絞り機構部分に設けられ主として前記流路方向に沿った軸流の発生に寄与する少なくとも１つの第１の気体噴出口と、前記螺旋状溝に向かって気体を吹き込むように前記絞り機構に設けられ主として旋回流の発生に寄与する少なくとも１つの第２の気体噴出口とを有することを特徴とする気体と液体を混合する気液混合循環流発生装置。
前記絞り機構は、直径が２０ｍｍ〜１５０ｍｍの円筒形状で、前記液体吸い込み口と気液混合体放出口の直径比は絞り機構部分のそれに対して１：１〜１：４であることを特徴とする請求項１記載の気液混合循環流発生装置。
前記絞り機構は、一辺の長さが２０ｍｍ〜１５０ｍｍの多角形状で、前記液体吸い込み口と気液混合体放出口の一辺の長さの比は絞り機構部分のそれに対して１：１〜１：４であることを特徴とする請求項１記載の気液混合循環流発生装置。
前記螺旋状溝は、溝巾が２ｍｍ〜５ｍｍで前記筒状本体内周に１条〜５条設けられていることを特徴とする請求項１記載の気液混合循環流発生装置。
前記第１の気体噴出口は、前記筒状本体内の流路の中心軸に対して９０度±１０度の角度で前記絞り機構の中間部分に複数個設けられ、また前記第２の気体噴出口は前記螺旋状溝に向かって且つ前記第１の気体噴出口から離間した前記絞り機構部分に複数個設けられていることを特徴とする請求項１記載の気液混合循環流発生装置。
一端に液体吸い込み口を他端に気液混合体の放出口が設けられ連通する流路を構成する筒状本体と、前記筒状本体内周面に流路方向に対して旋回するように設けられた少なくとも１条の螺旋状溝と、前記筒状本体の流路方向における中間部分に形成された絞り機構と、前記絞り機構の外周面に設けられた加圧気体導入室と、前記加圧気体導入室の気体を前記筒状本体の中心部に向かって吹き込むように前記絞り機構に穿設された主として前記流路方向に沿った軸流の発生に寄与する少なくとも１つの第１の気体噴出口と、前記加圧気体導入室の気体を前記螺旋状溝に向かって吹き込むように前記絞り機構に穿設された主として旋回流の発生に寄与する少なくとも１つの第２の気体噴出口とを有することを特徴とする気体と液体と混合する気液混合循環流発生装置。
前記加圧気体導入室は互いに圧力の異なる２つの加圧室に分離されており、一方の加圧気体導入室に第１の気体噴出口が、他方の加圧気体導入室に第２の気体噴出口が設けられていることを特徴とする請求項６記載の気液混合循環流発生装置。
前記螺旋状溝は、溝巾が２ｍｍ〜５ｍｍで，単位長１００ｍｍ当り２〜４巻の螺旋が前記筒状本体内周面に１条〜５条設けられていることを特徴とする請求項６又は７記載の気液混合循環流発生装置。
前記第２の気体噴出口は、その先端部が前記螺旋状溝の底部に開口していることを特徴とする請求項６又は７記載の気液混合循環流発生装置。