JP2011177693A - 気液混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水中の溶存酸素量を、効率的に増加させることのできる気液混合装置を提供すること。
【解決手段】水中ポンプと流体混合ユニットの組合せからなる気液混合装置であって、この流体混合ユニットは、扁平筒体内において一群の平行管路と他の一群の平行管路が同一平面上で２０度〜６０度の挟角で交差し、それぞれの管路は、鋭角が２０度〜６０度の範囲にある同一形状の菱形角柱で隔てられており、それぞれの管路のＸ字形の交差領域において、管路を流れる流体の合流と分流が連続的に行なえるようになっており、管路が全体としてネットワークを形成している菱形角柱群管路体からなるものであり、扁平筒体への流体の流入口と前記水中ポンプの吐出口がパイプ等の連結手段で連結されており、前記流体の流入口からは水と共に空気が供給され、前記扁平筒体の先端の吐出口からは微細気泡を含む水が吐出されるように構成されている気液混合装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、水中ポンプと特殊な流体混合ユニットの組合せからなり、水中に酸素を溶解して溶存酸素量を向上させるための気液混合装置に関する。

池、湖、釣堀、養殖場等は、一般的に水の流れが少ない閉鎖的な環境であるが故に、各種の汚染物質のために水質が汚濁し易い。そして、水質汚濁が進み水中の有機物が増えると、好気的微生物による有機物の分解に伴って多量の酸素が消費され、水中の溶存酸素量が低下する。溶存酸素量の低下は、好気的微生物の活動を抑制し、その結果、水域の浄化作用を低下させ、水生生物の窒息死を招くことになる。

水中の溶存酸素量を増やすためには、水流を効率的に発生させいわゆる貧酸素水塊（水中溶存酸素量が非常に不足している孤立した水塊あるいはそのような水塊の占める水域）を移動又は消滅させる方法や、水車やポンプ等の手段で水中に通気する曝気法等が試みられている。例えば、特開２０００−４２５９２号公報（特許文献１）には水流生成手段と水の浄化手段を組合わせた方法が開示されており、特開２００１−３００２７６号公報では、ポンプからの吐出水流に大気を混入させる気泡生成装置が開示されている（特許文献２）。また、特開２００３−３３４５７５号公報（特許文献３）には、水中ポンプの吐出管の途中に空気導入管を接続し、ポンプから吐出される水流負圧で空気を導入して曝気水流を生成させる水質浄化装置が提案されている。これらの方法や装置においても、かなりの水質浄化や水質改良が図られてはいるが、水中の溶存量を効率的に上げるという点では、更なる改善が求められていた。

特開２０００−４２５９２号公報 特開２００１−３００２７６号公報 特開２００３−３３４５７５号公報 特開２００１−６２３５１号公報 特開２００８−１００１３１号公報 特開平６−１８１９８８号公報

本発明の課題は、従来知られている方法・手段よりもより効率的に、水中の溶存酸素量を増加させることのできる気液混合装置を提供することにある。

特開２００１−６２３５１（特許文献４）には、液体輸送手段の吐出口側に接続され、少なくとも先端側が扁平筒体とされた液体噴射ノズルであって、前記扁平筒体内に一群の平行管路と他の一群の平行管路とを同一平面上で交差させ合流と分流が連続しているものとしたネットワーク管路部を形成し、前記ネットワーク管路部の液流入側に整流部を形成したことを特徴とする液体噴射ノズルが開示されている。

また、特開２００８−１００１３１号公報（特許文献５）においては、菱形角柱群管路体を応用した流体混合用管路体が開示されており、これを流体混合用のミキサーとして用いる可能性が述べられている。例えば、流体Ａとして水又はお湯を用い、流体Ｂとして炭酸ガスを用いた場合には、マイクロバブル湯が得られること、流体Ａとして水を用い、流体Ｂとして廃油を用いた場合には、廃油が微分散した廃液とすることができること、また、流体Ａとして洗剤を溶かした水を用い、流体Ｂとして空気を用いた場合には、洗浄力に優れたマイクロバブル洗浄液が得られることが示唆されている。

本発明者は、前記特許文献４や５に開示された液体噴射ノズルや菱形角柱群管路体に着目し、これらを水中の溶存酸素量を増加させるための気液混合装置に応用することについて鋭意検討を行い、その結果、下記の本発明に到達したものである。

本発明は、水中ポンプと流体混合ユニットの組合せからなる気液混合装置であって、該流体混合ユニットは、扁平筒体内において一群の平行管路と他の一群の平行管路が同一平面上で２０度〜６０度の挟角で交差し、それぞれの管路は、鋭角が２０度〜６０度の範囲にある同一形状の菱形角柱で隔てられており、それぞれの管路のＸ字形の交差領域において、管路を流れる流体の合流と分流が連続的に行なえるようになっており、管路が全体としてネットワークを形成している菱形角柱群管路体からなるものであり、該扁平筒体への流体の流入口と前記水中ポンプの吐出口が連結手段で連結されており、前記流体の流入口からは水と共に空気が供給され、前記扁平筒体の先端の吐出口からは微細気泡を含む水が吐出されるように構成されていることを特徴とする気液混合装置である。本発明において空気とは、通常の大気だけでなく、例えば、酸素濃縮機を用いて得られる、酸素濃度が大気よりも高められた空気も含むものである。前記菱形角柱群管路体においては、一群の平行管路の数と他の一群の平行管路の数が同一で、且つ、管路の幅が全て同一であるものが好ましい。

本発明においては、前記扁平筒体への流体の流入口と菱形角柱群管路体との間に、適当な整流手段が設けられているものが好ましい。整流手段あるいは方法としては特に制限はないが、例えば、特許文献４に開示されているような、菱形角柱群管路体の流体の流入口側に整流部を形成するのが適当である。

本発明においては、前記扁平筒体への流体の流入口からは水と共に空気が供給されるが、その方法・手段は特に制限されない。水中ポンプの吐出口から空気が混合した水を吐出してもよいし、あるいは、扁平筒体への流体の流入口と水中ポンプの吐出口の連結部分に、空気の導入手段を設けておいてもよい。具体的には、例えば、水中ポンプと扁平筒体のパイプ等の連結部分の途中に、パイプ等の空気導入管を接続し、ポンプから吐出される水流負圧で空気を導入するようにしてもよい。

また、本発明においては、前記空気の導入手段の周辺に、磁石が配設されているものも好ましい。磁石としては、永久磁石でも電磁石であってもよく、その配設の仕方は特開平６−１８１９８８号公報（特許文献６）に記載されているように、空気の流入口（供給口）付近に勾配磁場が形成されるように配設するのが適当である。

特許文献４又は５に開示された流体混合用管路体では、Ｘ字形の交差領域に他の流体の供給口を設けることによって、他の流体を効率良く供給することができ、且つ、供給された他の流体は、前記角柱群管路内の渦の自励振動作用によって角柱群管路を流れている流体と非常に効率良く混合されるので、かかる流体混合用管路体を有する流体混合促進器を用いると、色々な流体を非常に効率良く混合することができることが示唆されている。しかしながら、水と空気との混合は、両者の比重の相違が大きいので、溶存酸素量を顕著に増加させるほど微細な気泡を水中に混合分散できるか否かについては不明であった。

本発明のごとく、流体混合用管路体（流体混合ユニット）に水中ポンプを組合わせると、驚くほど空気が微細になり、目視では気泡を確認できないほどの気液混合が達成できる。その結果、従来の方法・手段に比べて格段に効率的に水中の溶存酸素量を増加させることができる。

本発明の他の態様において、前記流体混合ユニットの空気の流入口（供給口）周辺に、勾配磁場が形成されるように磁石を配設したものは、磁場の作用によって空気の流れが加速されるので、そのためにより効率的に気液混合が達成され溶存酸素量も増加する。

本発明の気液混合装置の構成を説明するための概略図である。 本発明において用いられる流体混合用管路体の菱形角柱群管路を説明するための横断面の模式図である。

本発明の気液混合装置は、水中ポンプと流体混合ユニットの組合せからなる。本発明において用いられる水中ポンプとは、防水型電動機と直結し、通常、水中に投入して使用される水中ポンプだけでなく、ポンプ本体は地上に配置した状態で用いられる排水用のポンプも含むものである。

本発明において用いられる流体混合ユニットとしては、特許文献４又は５に開示されている流体混合用管路体をそのまま利用することができる。該流体混合用管路体（流体混合ユニット）は、扁平筒体内において一群の平行管路と他の一群の平行管路が同一平面上で２０度〜６０度の挟角で交差し、それぞれの管路は、鋭角が２０度〜６０度の範囲にある同一形状の菱形角柱で隔てられており、それぞれの管路のＸ字形の交差領域において、管路を流れる流体の合流と分流が連続的に行なえるようになっており、管路が全体としてネットワークを形成している菱形角柱群管路体からなるものであり、該扁平筒体への流体の流入口と前記水中ポンプの吐出口が連結手段で連結されており、前記流体の流入口からは水と共に空気が供給され、前記扁平筒体の先端の吐出口からは微細気泡を含む水が吐出されるように構成されているものである。

前記流体混合ユニットにおいて、一群の平行管路の数と他の一群の平行管路の数が同一で、且つ、管路の幅が全て同一であるものが好ましい。

本発明においては、前記水中ポンプと流体混合ユニットは、水中ポンプの吐出口が流体混合ユニット（扁平筒体）の流体の流入口に連結される。連結方法は特に限定されるものではないが、通常、パイプやホース等によって連結される。水中ポンプからの吐出水が、スムーズに流体混合ユニットに供給されるようになっておればよい。

本発明においては、前記扁平筒体への流体の流入口と菱形角柱群管路体との間に、適当な整流手段が設けられているものが好ましい。整流手段あるいは方法としては特に制限はないが、例えば、特許文献４に開示されているような、菱形角柱群管路体の流体の流入口側に整流部を形成するのが適当である。整流部は、管路体のそれぞれの流入口と扁平筒体への流体の流入口との間が、流体を整流可能なほど十分な長さであれば、内部のその部分を完全な空洞としてもよいが、空間部分に、円柱、角柱、十字形等柱等の柱部を複数配置してもよい。

本発明においては、前記扁平筒体への流体の流入口からは水と共に空気が供給されるが、空気の供給手段としては特別なものは必要ではなく、単に適当な空気孔を設けておくだけでもよく、その方法・手段は特に制限されない。水中ポンプの吐出口から空気が混合した水を吐出してもよいし、あるいは、特許文献３に開示されているように、水中ポンプの吐出管の途中に空気の導入手段、例えば、パイプ等の空気導入管を接続し、ポンプから吐出される水流負圧で空気を導入するようにしてもよい。

また、本発明においては、前記空気の導入手段の周辺に、磁石が配設されているものも好ましい。磁石としては、永久磁石でも電磁石であってもよく、その配設の仕方は特開平６−１８１９８８号公報（特許文献６）に記載されているように、空気の流入口（供給口）付近に勾配磁場が形成されるように配設するのが適当である。

本発明において用いられる流体混合用管路体（流体混合ユニット）を構成する菱形角柱群管路体は、一群の平行管路と他の一群の平行管路が同一平面上で２０度〜６０度の挟角で交差し、それぞれの管路は、鋭角が２０度〜６０度の範囲にある同一形状の菱形角柱で隔てられており、それぞれの管路のＸ字形の交差領域において、管路を流れる流体の合流と分流が連続的に行なえるようになっており、管路が管路体全体としてネットワークを形成しているものであり、かかる管路体自体は前記したとおり公知のものである。平行管路又は管路体の大きさ、長さ、断面積、間隔等は特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。しかし、一群の平行管路の数と他の一群の平行管路の数が同一で、且つ、管路の幅が全て同一であるものが好ましい。平行管路の数も特に制限はないが、一群として４本以上の場合が好ましい。

前記管路体において、平行管路の管路数が４本以上のものが適当である。管路の挟角が２０度〜６０度の範囲外の場合、また、管路群の全体配置が対称状でないような場合は、下流端から流出又は噴出する水脈の振動が不安定となりやすいので、場合によっては好ましくない。なお、一群の平行管路と他の一群の平行管路が共存する同一平面とは、平らな面であるのが好ましいが、フリップ・フロップ流れが発生する範囲内であれば、ある程度の曲面になっていても良い。

前記菱形角柱群管路体は、管路体の上流端が流体の導入口となっており、常圧又は加圧下に流体が導入できるようになっている。管路体の下流端は流体出口又は噴出ノズルとなっている。かかる菱形角柱群管路体は、通常、流体を導入すると、流体の導入口から一定の距離にある管路のＸ字形の交差領域において、流体の振動が発生し、下流端開口に何等の動作体を設けないでも、この管路から流出又は噴出される流体の流出又は噴出方向が適当周期で交互に変化するという特徴がある。

以下、図面を用いて、本発明の気液混合装置を説明する。

図１は、本発明の気液混合装置の構成を説明するための概略図である。１１は菱形角柱群管路体を示し、１２は扁平筒体（１１及び１２とから構成された流体混合ユニット）の流体の流入口１３側に設けられた整流部である。１４は水中ポンプを示し、その吐出口はパイプ等の連結手段１５を介して、扁平筒体への流体の流入口１３に連結されている。１６は連結手段に繋げられているパイプ等の空気の導入手段である。１７は扁平筒体の吐出口又は噴出口である。

図２は、図１の菱形角柱群管路体１１の横方向の断面図を示す。図２には、６列５段型の菱形角柱群管路体の例を示した。図２において、１〜６の番号を付した縦方向が列を示す。図２において、横方向が段を示すが、段数とは、流出口（図の左端）において、流路間にある菱形角柱の数で計算される。２１は一群の平行管路を示し、２２は他の一群の平行管路を示し、両者は、同一平面上で２０度〜６０度の挟角で交差している。それぞれの管路は、鋭角が２０度〜６０度の範囲にある同一形状の菱形角柱２３で隔てられている。管路のＸ字形の交差領域２４において、管路を流れる流体の合流と分流が連続的に行なえるようになっている。図２の管路体において、上端と下端は適当な手段でシールされ、全体として扁平筒体を形成している。図２において、管路体の右端が管路体への流体のそれぞれの流入口２５であり、交差領域に対応する菱形角柱の列に、流入口側から１〜６の番号を付した。図２の流体のそれぞれの流入口２５には、整流手段で整流された水と共に空気が供給される。

前記気液混合装置の流体混合ユニットの空気の供給口の周辺に、永久磁石や電磁石等の磁石を配設しておくと、磁場の作用によって空気の流れが加速されるので、そのためにより効率的に気液混合が達成され溶存酸素量も増加する。磁石の配設の仕方としては、空気の流入口（供給口）付近に勾配磁場が形成されるように配設するのが適当である。

また、前記パイプ等の空気の導入手段からは、空気と共に他の物質も添加・供給することもできる。例えば、池や浄水場等の水質浄化のために、凝集剤を粉末あるいは溶液状で添加することができる。また、養魚場等の溶存酸素量の増加にさいしては、魚用の抗生物質を粉末あるいは溶液状で添加することもできる。いずれの場合も、特に分散剤を用いなくても、凝集剤や抗生物質を効率よく、かつ、均一に全体に拡散・分散させることができる。

アクリル板の板厚内に、前記図２に示したようなネットワーク管路を有する菱形角柱群管路体を作製し、これに整流部を配置して図１に示したような扁平筒体（流体混合ユニット）を作製し、その吐出口と反対側に流体の流入口を設けた。菱形角柱群管路体において、一群の平行管路の数は共に６とし、菱形角柱は６列とした。管路の断面は０．３ｃｍ×０．３ｃｍ、管路体の長さは１０ｃｍ、幅は６ｃｍ、菱形角柱の鋭角は３０度、１辺が１ｃｍであった。水中ポンプ（荏原製作所製の水中ポンプ）の吐出口と前記扁平筒体の流体の流入口をパイプで繋ぎ、パイプの途中には空気を導入するためのゴムホースを取り付けた。

水中ポンプと流体混合ユニットを、２，０００リットルの水中に入れ、空気導入のためのゴムホースの空気の取り入れ口側は、空中に配置した。かかる気液混合装置を、０．７５ｋｗで０．２時間運転したところ、溶存酸素量が当初の４ｍｇ／ｌから９．５ｍｇ／ｌに増加した。気液混合装置の吐出口から吐出される水流中には、目視では気泡が殆ど観測されず、空気と水が非常に効率よく混合されていることが確認された。

実施例１において、空気を導入するためのゴムホースの空気取り入れ口に、酸素窒素分離機（０．３８ｋｗ）で得られた空気を供給するようにして、酸素濃度を上げた場合には、１時間経過後に、溶存酸素は当初の６．８ｍｇ／ｌから２３．５ｍｇ／ｌに上昇した。

本発明の気液混合装置は、簡便な方法・装置によって効率的に溶存酸素量を増加させることができる。従って、本発明の気液混合装置は、養殖場、廃水処理場、池、湖、ダム湖、釣堀、食品加工場、閉鎖的な湾岸等で、水質の改善、有効微生物の増殖、魚の成長促進、魚の病気の減少、水流を利用した貧酸素水塊の除去等の目的のために利用することができる。

１１ 菱形角柱群管路体
１２ 整流部
１３ 扁平筒体への流体の流入口
１４ 水中ポンプ
１５ 連結手段
１６ 空気の導入手段
１７ 扁平筒体の吐出口又は噴出口
２１ 一群の平行管路
２２ 他の一群の平行管路
２３ 菱形角柱
２４ 管路のＸ字形の交差領域
２５ 管路体への流体の流入口

Claims (5)

1. 水中ポンプと流体混合ユニットの組合せからなる気液混合装置であって、該流体混合ユニットは、扁平筒体内において一群の平行管路と他の一群の平行管路が同一平面上で２０度〜６０度の挟角で交差し、それぞれの管路は、鋭角が２０度〜６０度の範囲にある同一形状の菱形角柱で隔てられており、それぞれの管路のＸ字形の交差領域において、管路を流れる流体の合流と分流が連続的に行なえるようになっており、管路が全体としてネットワークを形成している菱形角柱群管路体からなるものであり、該扁平筒体への流体の流入口と前記水中ポンプの吐出口が連結手段で連結されており、前記流体の流入口からは水と共に空気が供給され、前記扁平筒体の先端の吐出口からは微細気泡を含む水が吐出されるように構成されていることを特徴とする気液混合装置。
2. 扁平筒体への流体の流入口と菱形角柱群管路体との間に、整流手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の気液混合装置。
3. 扁平筒体への流体の流入口と水中ポンプの吐出口の連結部分に、空気の導入手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の気液混合装置。
4. 空気の導入手段の周辺に、磁石が配設されていることを特徴とする請求項３記載の気液混合装置。
5. 一群の平行管路の数と他の一群の平行管路の数が同一で、且つ、管路の幅が全て同一であることを特徴とする請求項１又は２記載の気液混合装置。
   

Images