JP2014083477A - 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しており且つ相対的に大きな円柱状の第二の小径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径流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、前記大管径部にオリフィス部を備える。
【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、従来より、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０．０９ＭＰａ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。

図９は、特許文献３に示された水の浄化機構９００の概略図である。該機構９００は、水の流れる管路の途中に接続して使用され、オゾンガス吸い込み口９１を備える気液混合管９２と該混合管９２の吸い込み口の下流域の管路断面が、水の流れ方向に漸次拡大し、該拡径するパイプ９３の端末部に衝突板９４を備える。

衝突板９４と拡径パイプ９３で囲まれた空間ではキャビテーションが発生し、吸い込んだオゾンガスは微細気泡に分断されて超微細な泡となる。この結果、水とオゾンガスの接触面積が爆発的に拡大し、オゾンガスの溶解が加速される。

特開２００３−１１７３６８号公報 特開２００６−１６７６１２号公報 特開２００１−２５９６２３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。このような場合は、物体を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。このため、大掛かりなポンプが必要となり、機器の大型化、コストの上昇等の課題が生じる。

さらに、特許文献３に示された浄化機構では、衝突板が流体抵抗となり、液体流量が小さくなる。その結果、気体の吸い込み量も小さくなる。

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しており且つ相対的に大きな円柱状の第二の小径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径流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、前記大管径部にオリフィス部を備える。

また、前記オリフィス部の内径は、前記第一の小管径部の内径よりも大きい構成であってもよい。

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径の穴を備えた中空部材で構成されていてもよい。

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径の穴を備えた定流量弁で構成されていてもよい。

また、前記気体導入孔が複数であってもよい。

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。 比較例の気液混合装置２００の概略図である。 比較例の気液混合装置２００にオリフィス部を備えた概略図である。 比較例の気液混合装置４００の概略図である。 比較実験に係る気液混合装置の気体吸込み量測定結果である。 実施形態２に係る気液混合装置の概略図である。 実施形態４に係る気液混合装置の概略図である。 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。 従来技術における水の浄化機構の概略図である。

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は第一の小径流路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、大管径部１には、第一の小管径部２より大径のオリフィス部９が設けられている。オリフィス部９は、大管径部１を形成する部材の一部に板状の凸部を設けてもよいし、大管径部１の中空部に別部材を取り付けてもよい。

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へ到る前に、オリフィス部９によって流路が一時的に狭められ、オリフィス部９の内径部９aを通過後、流速が速くなる。また、液体が流路の中心部に寄せられる形態となり、この状態で小径流路２aへと流れる。また、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ことに加え、小管径部２の内径は、オリフィス部９の内径より小さく設けられているため、内径部９a液体を通過した液体は流速がさらに急激に上昇し、かつ圧力も低くなる。

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２の端面と前記第一の小管径部２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いる。

図２は、小管径部２０の内径が液体の流れに沿って一定である従来の気液混合装置２００である。このような気液混合装置２００に比べ、気液混合装置１００は、第二の小管径部３と、さらに径の小さな第一の小管径部２を備えているため、液体が第一の小径流路２ａを通過する際に、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、液体中に気体を効率よく導くことができる。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３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。仮にこの部分に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装置１００は、液体の静圧が下がり易い構造を有している。

（比較例）
ここで、第一の小管径部２と、オリフィス部９の効果を確認するため、以下の比較実験を行った。

比較例として、図２に示すように、小管径部２０の内径が液体の流れに沿って一定であり、オリフィス部９を備えない気液混合装置２００と、図３に示すように、上記気液混合装置２００の大管径部１にオリフィス部９を備えた気液混合装置３００と、図４に示すように第二の小管径部３よりもさらに径の小さな第一の小管径部２を備え、大管径部１にオリフィス部９を備えない気液混合装置４００及び図１に示した本発明の気液混合装置１００のそれぞれに対し、供給水流量を変化させて気体流量を測定した。気液混合装置３００は、大管径部１にオリフィス部９を備える点以外は、気液混合装置２００と同じ構成であり、気液混合装置４００は大管径部１にオリフィス部９を備えない点以外は気液混合装置１００と同じ構成である。なお、気液混合装置１００、４００の第一の小管径部２としては、後述する実施形態３で使用する定流量弁を用いた。

図５は、気液混合装置１００、２００、３００、４００の気体吸込量を測定した結果であり、縦軸は気体流量すなわち気体吸込み量、横軸は供給水流量を表している。図において、直線５１は、供給水流量に対する本発明の気液混合装置１００の、直線５２は気液混合装置２００の、直線５３は気液混合装置３００の、直線５４は気液混合装置４００のそれぞれ気体流量を示している。

例えば、供給水流量が２．５Ｌ／ｍｉｎのとき、気液混合装置１００では気体流量が約５．０Ｌ／ｍｉｎ、気液混合装置２００では約１．５Ｌ／ｍｉｎ、気液混合器３００では約０．９Ｌ／ｍｉｎ、気液混合装置４００では約２．６Ｌ／ｍｉｎである。これにより、同じ供給水量であっても、第一の小管径部と、オリフィス部を備える気液混合装置１００が最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、さらに大管径部１にオリフィス部９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。

＜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、第一の小管径部として、第二の小管径部３より小径の穴を備えた円柱状部材２´を用いる点が実施形態１とは異なる。

図６（ａ）は、本実施形態に係る気液混合装置４００の概略図、図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、円柱状部材２´の側面に垂直な面で切った断面図である。第一の小管径部は、中空の円柱状部材２´により構成され、大管径部１と第二の小管径部３の接続部に配置される。図６（ｂ）に示すように円柱状部材２´の内径ｒが狭いものを用いたり、あるいは図６（ｃ）に示すように広いものを用いたりすることにより、小管径部２´の流量を変更することができる。

＜実施形態３＞
次に、実施形態３について説明する。本実施形態では、第一の小管径部として、上記実施形態２の円柱部材２´の代わりに定流量弁を用いる。定流量弁は、大管径部と第二の小管径部の接続部に配置され、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。

＜実施形態４＞
次に、実施形態４について説明する。本実施形態では、気体導入孔を複数備える点が上記実施形態のいずれとも異なる。

図７は、本実施形態に係る気液混合装置６００の概略図である。気液混合装置６００は、気体導入孔５ａ、５ｂを備える点以外は、実施形態１の気液混合装置１００と構成は同じである。気体導入孔を複数備えることで、異なる種類の気体を導入することができる。

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 第一の小管径部
２´ 円柱状部材
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、５a、５ｂ 気体導入孔
６、１６ 液体の流れ
７ 角部
９ オリフィス部
１００、３００、５００、６００ 気液混合装置

Claims (5)

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しており且つ相対的に大きな円柱状の第二の小径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径流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、
   前記大管径部にオリフィス部を備える気液混合装置。
2. 前記オリフィス部の内径は、前記第一の小管径部の内径よりも大きい請求項１記載の気液混合装置。
3. 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径の穴を備えた中空部材で構成される請求項１または請求項２記載の気液混合装置。
4. 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径の穴を備えた定流量弁で構成される請求項１または請求項２記載の気液混合装置。
5. 前記気体導入孔が複数である請求項１から請求項４のいずれかに記載の気液混合装置。