JP2013220383A - 気液混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 循環型の気液混合装置において、同じ液体流量でもより多くの気体を吸い込み、気液混合効率を向上させることができる気液混合装置を提供する。
【解決手段】 気液混合器は、大径流路を形成する大管径部と、前記大管径部と連通しており且つ相対的に小さな円柱状の第一の小径流路を形成する第一の小管径部と、前記第一の小管径部と連通する第二の小径管流路を形成する第二の小管径部と、前記第二の小管経部に連通しており且つ前記第二の小管径部から徐々に径が大きくなる第一の円錐状流路を形成する円錐状管径部と、外部から前記第二の小管経路へ気体を導入する気体導入孔とを備えた気液混合装置であって、前記第一の小管径部は前記第二の小管径部に対して小さな径で形成されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部を通過する液体の負圧を利用して、外部から気体を導入して気液混合する、気液混合装置に関するものである。

気体、液体、粉体などの物体を液体中に混合分散させる装置として、従来、種々の装置が知られている。たとえば、特許文献１に代表されるような容器内に液体を導入して旋回流を形成させ混合する装置、槽内で攪拌器を高速回転させ混合する装置が知られている。これらは、主に静止している液体中に設置され、静止している液体中の溶存ガスの濃度を増加させるために利用される。

また、これに対し、静止状態では混合が困難な気体と液体においては、例えば、特許文献２に示されるような、液体を循環させながら気体と混合するマイクロバブル発生装置が提案されている。

図８は、特許文献２に示されたマイクロバブル発生装置に用いられるマイクロバブル発生ノズルの一例である。水槽内の液体を、液体供給路を介して循環路に供給し、循環路内で循環させる。

マイクロバブル発生ノズル８００は、その外形が略円筒状であって軸線方向の一方側の端部には、その外径が縮小されることにより、分岐路８１にはめ込まれる挿入部８２が形成されている。このマイクロバブル発生ノズル８００の内部には、分岐路８１ から気体が溶け込んだ液体が流入する流入部８３と、この流入部８３の下流側に形成され、流入部８３ よりも小さい断面積を有する絞り部８４と、この絞り部８４の下流側に形成され、絞り部８４よりも大きい断面積を有する流出部８５とが、軸線に沿って一直線上に形成されている。流入部８３には、このマイクロバブル発生ノズル８００の入口を構成し、液体の流通方向に沿って断面積がほぼ一定の平行部８３Ａと、平行部８３Ａと絞り部８４とを接続し、液体の流通方向に沿って徐々に断面積が縮小された縮小部８３Ｂとが含まれる。絞り部８４は、その断面積が、循環路内の圧力が０ ． ０ ９ Ｍ Ｐ ａ 以上になるように設定されている。流出部８５は、中心軸線に対して６ ° 程度の角度で拡がるように、液体の流通方向に沿って徐々に断面積が拡大された拡大部を構成している。

さらに、絞り部８４の下流側（直下流側）には、気体供給管８６の一端部に連通する気体供給口８７が形成されている。これにより、ベンチュリー管現象によって気体供給管８６を介して気体供給口８７から気体が吸引される。

特開２００３−１１７３６８号 公報 特開２００６−１６７６１２号 公報

しかしながら、液体中に混合分散させる物体の液体に対する親和性が低い、すなわち物体と液体とが相互に混じり合わない場合がある。このような物体は液体中に分散させても、物体同士が合体することで界面の表面積を小さくする作用が働く。よって、上記特許文献１に示される装置においては、液体に対する親和性が低い物体は、静止状態では最終的には液体と分離するため、液体中への混合分散は困難である。

また、特許文献２に示されたマイクロバブル発生装置では、液体に気体をより効率よく溶解させるためには、高い吸引力が必要であることから、液体にはより速い流速が必要となり、液体を送圧するポンプの能力を上げる必要がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、循環型の気液混合装置において、同じ液体流量でもより多くの気体を吸い込み、気液混合効率を向上させることができる気液混合装置を提供することにある。

本発明に係る気液混合装置は、大径流路を形成する大管径部と、前記大管径部と連通しており且つ相対的に小さな円柱状の第一の小径流路を形成する第一の小管径部と、前記第一の小管径部と連通する第二の小径管流路を形成する第二の小管径部と、前記第二の小管経部に連通しており且つ前記第二の小管径部から徐々に径が大きくなる第一の円錐状流路を形成する円錐状管径部と、外部から前記第二の小管経路へ気体を導入する気体導入孔とを備えた気液混合装置であって、前記第一の小管径部は前記第二の小管径部に対して小さな径で形成されることを特徴とする。

また、前記大径流路は、円柱状流路であって、当該気液混合装置の垂直断面において、前記第一の小管径部の端面と前記第一の小管径部の内周面とがなす角度が略９０°であることを特徴としてもよい。また、前記大径流路は前記第一の小管径部から徐々に径が大きくなる第二の円錐状流路を有することを特徴としてもよい。また、前記第二の円錐状流路の中心軸と母線とがなす角度が、前記第一の円錐状流路の中心軸と母線とがなす角度より大きいことを特徴としてもよい。

また、前記第一の小管径部は、前記第二の小管径部の内径よりも小さい穴を備えた中空部材で構成されることを特徴としてもよい。また、前記第一の小管径部は、前記第二の小管径部の内径よりも小さい穴を備えた定流量弁で構成されることを特徴としてもよい。

また、前記気体導入孔の内径が前記第二の小管径部との接続部位から外部空間に向かって段階的に大きくなることを特徴としてもよい。また、前記気体導入孔の内径が前記第二の小管径部との接続部位から外部空間に向かって徐々に大きくなることを特徴としてもよい。

本発明によれば、循環型の気液混合装置において、同じ液体流量でもより多くの気体を吸い込み、気液混合効率を向上させることができる気液混合装置を実現することが可能となる。

実施形態１に係る気液混合装置の概略図である。 従来の気液混合装置の概略図である。 実施形態１に係る気液混合装置の気体吸込み量測定結果である。 第一の小管径部２の別の構成例である。 気体導入孔５の別の構成例である。 大径流路を形成する大管径部の形状の例である。 一定の供給水量に対し、気液混合装置のθ１とθ２の角度を変化させ、気体流量を測定した結果である。 従来技術におけるマイクロバブル発生装置の概略図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

＜実施形態１＞
図１は、本実施形態に係る気液混合装置１００の概略図である。図１に示される気液混合装置１００は、ホース等の配管系に接続されている。図１において、矢印６は、気液混合装置１００に流入する液体の流れを示し、矢印１６は、気液混合装置１００から流出する液体の流れを示している。液体は、図示されていないポンプ等の加圧機器によって加圧されて、矢印６および１６で示すように流れる。

本実施の形態の気液混合装置１００は、図１に示されるように、相対的に大きな径の円柱状の大径流路１ａを形成する大管径部１を備えている。大管径部１は、第一の小管径部２に接続されている。第一の小管径部２は、大径流路１ａに連通しておりかつ相対的に小さな径の円柱状の第一の小径流路２ａを形成している。第一の小管径部２は、第二の小管径部３に接続されている。第二の小管径部３は第一の小管流路２aに連通しておりかつ第一の小径流路２aよりも大きな径の円柱状の第二の小径流路３ａを形成している。第二の小管径部３は、円錐状管径部４に接続されている。円錐状管径部４は、第二の小径流路３ａに連通しておりかつ第二の小径流路３ａから徐々に径が大きくなる第一の円錐状流路４ａを形成している。また、第二の小管径部３は、第二の小径流路３aに気体を導くように、第二の小径流路３ａと外部空間とを連通させる気体導入孔５を有している。

また、大径流路１ａ、第一の小径流路２ａ、第二の小径流路３ａ、および円錐状流路４ａは、共通の中心軸Ｘを有しており、大管径部１の外周面、第一の小管径部２の外周面、第二の小管径部３の外周面、および円錐状管径部４の外周面は、中心軸Ｘとする１つの円柱の周面内に含まれている。

第一の小管径部２の端面２ｂと第一の小管径部２の内周面２ｃとは、図１に示されるように、気液混合装置１００の垂直断面において、角部７を構成する。また、第一の小管径部２の端面２ｂが大径流路１ａに接触している。

矢印６で示されるように、配管から大径流路１ａへ導入された液体は、第一の小径流路２ａへ到る。大径流路１ａから第一の小径流路２ａへかけて、流路断面積が急激に小さくなる。それにより、液体の流速が急激に上昇する。

本実施の形態においては、第一の小管径部２は、角度αが略９０°である角部７を有している。つまり、気液混合装置１００の垂直断面において、前記第一の小管径部の端面と前記第一の小管径部の内周面とがなす角度が略９０°である。そのため、大径流路１ａを流れる液体は、第一の小管径部２の端面２ｂに衝突する。その結果、液体の圧力は、角部７の近傍の第一の小径流路２ａ内の位置８で最も低くなる。それは、角部７の近傍の位置８で生じる液体の流れの剥離に起因して渦が発生するためである。すなわち、位置８での液体の圧力は、局所的に発生する渦によって、他の位置での液体の圧力よりも低くなっている。

したがって、位置８での液体の圧力が飽和蒸気圧以下になると、液中に溶け込んでいた気体および水蒸気が、沸騰現象によって、気泡として出現する。出現した気泡は、第一の小管径部２内で膨張し、第二の小管径部３に至る。第一の小管径部２は第二の小管径部３に対し、小さな径で形成されており、例えば図２に示すように小管径部２０の内径が図１に示す気液混合装置１００における第二の小管径部３の内径と等しくかつ、液体の流れに沿って径が一定である従来の気液混合装置２００に比べ、さらに流速が急激に上昇する。

ここで、気泡は、キャビテーションに起因して発生し、その下流において、膨張して、その体積が増加する。つまり、第二の小径流路３ａにおける液体は、負圧状態になっている。そのため、気体導入孔５によって外部空間と第二の小径流路３ａとを連通させれば、第二の小径流路３ａにおける液体の圧力は、算術平均において従来技術の気液混合装置２００内の圧力よりも小さくなるため、外部空間から第二の小径流路３ａへ気体を容易に導くことができる。したがって、第二の小径流路３ａを流れる液体の流量が小さくても、液体中に気体を導くことができる。その結果、従来技術の気液混合装置２００に比較して、小さいエネルギーで気液混合装置１００の機能を発揮させることができる。

上記のようにして多くの気体を取り込んだ液体は、第二の小管径部から円錐状管径部４に至る。円錐状流路４ａでは、急激に圧力が上昇する。そのため、膨張した気体は、円錐状流路４ａで生じている乱流と前述の急激な圧力上昇とによって粉砕され、微細な気泡へ変化し、矢印１６で示されるように、円錐状管径部４から円錐状管径部４に接続された配管内へ排出される。

円錐状管径部４の内部に衝突板等の障害物が無いとき、図の楕円部βに圧力壁が発生し、気体導入部から吸込まれた気泡が崩壊し、気体が液体に溶解しやすくなる。衝突板 を設けた場合も気泡が崩壊するが、流体損失が大きく、流速が落ち、気体の吸入量も減少する。

また、円錐状流路４ａの断面積は、第二の小径流路３ａから下流に向かって徐々に大きくなる。そのため、本実施の形態の気液混合装置によれば、第二の小径流路３ａから円錐状流路４ａに向かって断面積が急激に大きくなる気液混合装置に比較して、液体の圧力損失が小さい。圧力損失が小さいということは、液体が流れ易いということであり、液体の流速が従来の微細気泡発生器に比較して大きいことを意味する。つまり、ベルヌーイの定理を考慮すると、本実施の形態の気液混合１００は、液体の静圧が下がり易い構造を有している。

図３は、本発明の気液混合装置１００と図２に示した気液混合装置２００の気体吸込量を測定した結果である。気液混合装置２００においては、図１に示す気液混合装置１００における第二の小管径部３の内径と等しくかつ、液体の流れに沿って径が一定である形状である以外は、気液混合装置１００と同じ構成である。

図において、直線３１は、供給水量に対する本発明の気液混合装置１００の気体流量すなわち、気体吸込み量、直線３２は比較例として、供給水量に対する気液混合装置２００の気体流量を示している。

例えば、供給水量が１．５Ｌ／ｍｉｎのとき、気液混合装置１００では気体流量が約２．３Ｌ／ｍｉｎ、気液混合装置２００では、約０．９Ｌ／ｍｉｎで、気液混合器１００は従来の気液混合装置２００の２倍以上の気体流量となり、同じ供給水量であっても、効率的に気体を吸い込んでいることが分かる。

このように、気液混合装置において、第二の小管径部３に対し、小さな径で形成された第一の小管径部２を設けることにより、同じ供給水量でもより多くの気体を吸い込むことができ、気体吸い込み効率が向上する。このため、ポンプの能力が低い場合でも効率的に気体を吸い込むことが可能となる。

図４は、第一の小管径部２の別の構成例を示している。図４(ａ)は、気液混合装置１００の断面図である。第一の小管径部２´は、中空の円柱状部材により構成されている。図４（ｂ）、図４（ｃ）は円柱状部材の側面に垂直な面で切った断面図である。このように、内径ｒの異なる円柱状部材を用いることにより、小管径部２´の流量を変更することができる。

あるいは、円柱状部材の代わりに定流量弁を用いてもよい。定流量弁は、制御機構により機械的に流量を制御できるものであれば一般的なものを用いることができる。定流量弁を用いることにより、水圧変化にかかわらず流量を一定に保つことができる。

図５は、気体導入孔５の別の構成例を示している。図５（a）に示す気体導入孔５´は、その内径が外部空間に向かって段階的に大きくなる形状である。また、図５（ｂ）に示す気体導入孔５´´は、その内径が外部空間に向かって徐々に大きくなる形状である。これらのような形状とすることで、配管の流路抵抗を削減でき、外部からの気体流量を向上させることができる。

＜実施形態２＞
次に実施形態２について説明する。本実施形態では、大径流路を形成する大管径部の形状が実施形態１とは異なる。

図６は、大径流路を形成する大管径部の形状の例を示している。図６（a）では、大径流路１´は第一の小管径部２と連通する部分から徐々に径が大きくなる第二の円錐状流路を有する形状としている。ここで、中心軸Ｘと母線１ｂとがなす角度がθ１、中心軸Ｘと母線４ｂとがなす角度をθ２とする。

図６（ｂ）は、θ１の角度を図６（a）よりもさらに大きくした例である。また、図６（ｃ）は、θ1を略９０°とした例であり、実施形態１と同一の形態である。
上記例のように、θ１、及びθ２を変化させ、供給水量を一定にして気体流量を測定した。気体の測定は流量計を用い、θ１が６０°、θ２が０°すなわち、円錐状管径部４が仮に円柱状であるとした場合を基準値として測定した。

図７に、一定の供給水量に対し、気液混合装置のθ１とθ２の角度を変化させ、気体流量を測定した結果を示す。θ１＜θ２の範囲では、おおむね気体吸込み量が基準値より小さく、不良であった。一方、θ１＞θ２の範囲では、おおむね気体吸込み量が基準値と同等か、それより大きく、θ１が９０°、θ２が３０°のときに気体吸込み量は最良であった。

θ１＞θ２の範囲では、液体が流れるときに生じる縮流が生じやすくなり、気体の吸込み力が上昇するため、気体の吸込み量も増加する。さらに、実施形態１の図１で示した第一の小管径部２の端面２ｂと第一の小管径部２の内周面２ｃとがなす角部７の角度αが略９０°のとき、すなわち、θ１も略９０°のときがもっとも効率的であることが分かる。

以上のような構成とすることにより、循環型の気液混合装置において、同じ液体流量でもより多くの気体を吸い込み、気液混合効率を向上させることができる気液混合装置を実現することが可能となる。

本発明に係る気液混合装置は、液体を循環させ、その循環する液体中に気体を取り込んで溶け込ませる気液混合装置に有効に利用することが出来る。

１ 大管径部
１ａ 大径流路
２、２´ 第一の小管径部
２ａ 第一の小径流路
３ 第二の小管径部
３ａ 第二の小径流路
４ 円錐状管径部
４a 第一の円錐状流路
５、５´、５´´ 気体導入孔
６、１６ 液体の流れ
７ 角部

Claims (8)

1. 大径流路を形成する大管径部と、
   前記大管径部と連通しており且つ相対的に小さな円柱状の第一の小径流路を形成する第一の小管径部と、
   前記第一の小管径部と連通する第二の小径管流路を形成する第二の小管径部と、
   前記第二の小管経部に連通しており且つ前記第二の小管径部から徐々に径が大きくなる第一の円錐状流路を形成する円錐状管径部と、
   外部から前記第二の小管経路へ気体を導入する気体導入孔とを備えた気液混合装置であって、
   前記第一の小管径部は前記第二の小管径部に対して小さな径で形成されることを特徴とする気液混合装置。
2. 前記大径流路は、円柱状流路であって、当該気液混合装置の垂直断面において、前記第一の小管径部の端面と前記第一の小管径部の内周面とがなす角度が略９０°であることを特徴とする請求項１に記載の気液混合装置。
3. 前記大径流路は前記第一の小管径部から徐々に径が大きくなる第二の円錐状流路を有することを特徴とする請求項１記載の気液混合装置。
4. 前記第二の円錐状流路の中心軸と母線とがなす角度が、前記第一の円錐状流路の中心軸と母線とがなす角度より大きいことを特徴とする請求項３記載の気液混合装置。
5. 前記第一の小管径部は、前記第二の小管径部の内径よりも小さい穴を備えた中空部材で構成されることを特徴とする請求項1ないし請求項４のいずれかに記載の気液混合装置。
6. 前記第一の小管径部は、前記第二の小管径部の内径よりも小さい穴を備えた定流量弁で構成されることを特徴とする請求項1ないし請求項５のいずれかに記載の気液混合装置。
7. 前記気体導入孔の内径が前記第二の小管径部との接続部位から外部空間に向かって段階的に大きくなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の気液混合装置。
8. 前記気体導入孔の内径が前記第二の小管径部との接続部位から外部空間に向かって徐々に大きくなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の気液混合装置。