JP2014217824A - 流体吸引混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸引混合機構の不正振動を減少させる。【解決手段】第１の流体（例えば水）と第２の流体（例えばオゾンガス）とを混合する。流路の断面は真円である。ノズル１２は流路の中心軸上に配置されている。ノズル１２は第２の流体を流路中の放出口１４から放出する。流路の内径は、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３の関係にある。内径Ｄ１の部分に第１の流体を受け入れる流入口１８が設けられている。第１の流体は、流路の中心軸に垂直な円形断面からみたときその接線方向に流入する。内径Ｄ２の部分から内径Ｄ３の部分の間では、流路の内径が滑らかに減少する。渦流形成部２０に第１の流体が流入すると、内径Ｄ１の部分でノズル１２の周囲を回るように渦流が発生する。第１の流体はノズル１２の周りに螺旋状の流れを形成しながら加速部２４に流れ込む。これにより、ノズル１２は流路の中心軸上に安定に支持されて振動等を生じない。【選択図】図１

Description

本発明は、流体を強く吸引しあるいは２種の流体を一気に混合するために使用する流体吸引混合装置に関する。

オゾンと水とを混合し、水中に可能な限り安定なオゾンのマイクロバブルを溶け込ませるための技術が実用化されている（特許文献１）、また、この他にも、気体と液体あるい液体同士を混合するための各種技術が紹介されている（特許文献２〜５）。

実用新案登録第３０９７６１７号 特開２００８−１４２５９２号公報 特開２００９−２４７９５０号公報 特開２０１２−９１１５３号公報 特開２０１３−６２６号公報

既知の従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。
特許文献１の装置は、ベンチュリ管に細い管を差し込んでオゾンガスを強く吸い込ませることで、高い気液混合能力を備えている。しかしながら、ベンチュリ管に流れ込む水が乱流を発生して、オゾンガスを吸い込ませるための細い管を振動させる。これにより、異音が発生し、さらに管の振動疲労による耐久性を損なうという問題かあった。
上記の課題を解決するために、本発明は次のような流体混合装置とを提供することを目的とする。
（１）水中にオゾンを混合するための混合機構の不正振動を減少させる。
（２）流体を強く吸引し、あるいは、液体と気体あるいは液体同士の混合に広く利用できる流体混合装置を提供する。

以下の構成はそれぞれ上記の課題を解決するための手段である。

＜構成１＞
第１の流体を一端側から受け入れて他端側に送り出す断面がほぼ真円の流路を持つ本体と、
上記流路の中心軸上に配置され、上記流路の一端側から第２の流体を受け入れて上記流路中の上記第１の流体中に放出する筒状のノズルと、
上記ノズルの上記第２の流体を上記第１の流体中に放出する放出口の、上記中心軸上の位置を調整可能に半固定に支持するノズル支持体とを備え、
上記流路は、上記流路の一端側から順に、内径Ｄ１の部分と内径Ｄ２の部分と内径Ｄ３の部分とを有し、Ｄ１とＤ２とはほぼ等しいかもしくはＤ１＞Ｄ２の関係にあり、
Ｄ２とＤ３とはＤ２＞Ｄ３の関係にあり、
上記内径Ｄ１の部分は、流路の中心軸に垂直な円形断面からみたときその接線方向に上記第１の流体を受け入れる流入口と、流入した上記第１の流体が上記ノズルを中心に渦流を形成する渦流形成部と、上記第１の流体を上記内径Ｄ２の部分に押し出す開口部とを有し、
上記内径Ｄ２の部分から上記内径Ｄ３の部分の間に、内径が滑らかに減少する加速部を有することを特徴とする流体混合装置。

＜構成２＞
第１の流体を一端側から受け入れて他端側に送り出す断面がほぼ真円の流路を持つ本体と、
上記流路の中心軸上に配置され、上記流路の一端側から第２の流体を受け入れて上記流路中の上記第１の流体中に放出する筒状のノズルと、
上記ノズルの上記第２の流体を上記第１の流体中に放出する放出口の、上記中心軸上の位置を調整可能に半固定に支持するノズル支持体とを備え、
上記流路は、上記流路の一端側から順に、内径Ｄ１の部分と内径Ｄ２の部分と内径Ｄ３の部分とを有し、Ｄ１とＤ２とはほぼ等しいかもしくはＤ１＞Ｄ２の関係にあり、
Ｄ２とＤ３とはＤ２＞Ｄ３の関係にあり、
上記内径Ｄ１の部分は、流路の中心軸に垂直な円形断面からみたときその接線方向に上記第１の流体を受け入れる流入口と、流入した上記第１の流体が上記ノズルを中心に渦流を形成する渦流形成部と、上記第１の流体を上記内径Ｄ２の部分に押し出す開口部とを有し、
上記内径Ｄ２の部分から上記内径Ｄ３の部分の間に、内径が滑らかに減少する加速部を有することを特徴とする流体吸引装置。

＜構成１の効果＞
渦流の中心軸付近の流速は最も遅い。しかも、流路の外周の壁に向かう方向に圧力が加わり、ノズルの外表面をおす力が弱い。従って、ノズルは流路の中心軸上に安定に支持されて振動等を生じない。
＜構成２の効果＞
この構造によりノズルの放出口付近の第１の流体の流速を速めることができるから、第２の流体を吸引する吸引力が高く、減圧装置等に利用できる。

（ａ）は実施例１の流体混合装置１０を示す縦断面図である。（ｂ）はＡ−Ａ線に沿う横断面図である。 流路内の第１の流体の流速分布を示した説明図である。 本発明の装置による２種の流体の混合システムの構成説明図である。 流体混合装置１０の変形例を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。

図１の（ａ）は実施例１の流体混合装置１０を示す縦断面図である。（ｂ）はＡ−Ａ線に沿う横断面図である。
この流体混合装置１０は、第１の流体（例えば水）と第２の流体（例えばオゾンガス）とを混合するための装置である。図の（ａ）に示した白抜きの矢印は、第１の流体と第２の流体の流入方向と、両者の混合流体の吐出方向を示している。この装置は、流路の一端側（図の右側）から第１の流体を受け入れて他端側（図の左側）に送り出す。

第１の流体を送り込む流路の断面は、全体を通じてほぼ真円である。図に示したように、流路は、内径Ｄ１の部分と内径Ｄ２の部分と内径Ｄ３の部分とを備える。各内径の関係は、次のとおりである。Ｄ１とＤ２とはほぼ等しいかもしくはＤ１＞Ｄ２の関係にある。Ｄ２とＤ３とはＤ２＞Ｄ３の関係にある。

内径Ｄ１の部分に第１の流体を受け入れる流入口１８が設けられている。図１（ｂ）に示すように、第１の流体３２は、流路の中心軸に垂直な円形断面からみたときその接線方向に流入する。流入口１８から流入した第１の流体は、ノズル１２を中心に渦流を形成する。装置のこの部分を渦流形成部２０と呼ぶことにする。

図１（ａ）に示すように、ノズル１２は流路の中心軸上に配置されている。ノズル１２は、ノズル支持体１６により支持されている。ノズル１２は、流路の一端側から第２の流体を受け入れて、流路中の放出口１４から放出する。ノズル支持体１６は既知のチャック機能を有しており、ノズル１２を固定したり、ノズル１２の中心軸上の位置を調整したりできる。従って、第２の流体の放出口１４の位置を調整できる。この調整により、第２の流体を吸引する吸引力が最大の位置にノズルを位置決めする。

図１（ａ）に示すように、第１の流体は、内径Ｄ１の部分から、開口部２２を通じて内径Ｄ２の部分に押し出される。第１の流体の流れを螺旋状の破線で示した。内径Ｄ２の部分から内径Ｄ３の部分の間では、流路の内径が滑らかに減少する。この部分を加速部２４と呼ぶことにする。

渦流形成部２０に第１の流体が流入すると、内径Ｄ１の部分でノズル１２の周囲を回るように渦流が発生する。図１（ｂ）に示したとおりである。この第１の流体は、開口部２２から内径Ｄ２の部分（加速部２４）に押し出される。

第１の流体はノズル１２の周りに螺旋状の流れを形成しながら加速部２４を進む。図のように、上流から下流に向かって流路の内径が次第に細くなるから、単位時間当たりの第１の流体の流入量が一定ならば、下流ほど第１の流体の流速が加速される。

ここで、第１の流体３２が加速部２４をノズル１２の長手方向に直進した場合と、この実施例のように、ノズル１２の周囲を回るように螺旋状に流れる場合を比較する。図１（ｂ）に示したように、第１の流体３２が渦流を発生すると、第１の流体３２は遠心力によって、渦流形成部２０の外周壁面に押しつけられるようにして進行する。

図２は流路内の第１の流体の流速分布を示した説明図である。
図の右側は流路のＢ−Ｂ断面で見た流速分布、図の左側は流路のＣ−Ｃ断面で見た流速分布である。いずれも、ノズル１２から加速部２４の外周壁面までの間の流速を示している。実線は、図１の実施例のものの流速分布、二点鎖線は渦を巻かずに直線的に第１の流体を流した場合の流速分布である。渦を巻いた場合のほうに、早い流速の流れが生じており、これが、高い吸引力を及ぼす。

また、第１の流体３２が渦を巻いて進行すると、ノズル１２には周囲から３６０度均等な力が加わるから、ノズル１２は流路の中心軸上に安定に保持される。従って，ノズル１２の振動を抑制することができる。加速部２４を流れる第１の流体の流量が等しく一定だとすると、第１の流体がノズル１２の周囲を回るように螺旋状に流れた場合のほうが、ノズル１２にの放出槌１４付近の流体速度が大きくなる。

さらに、図１の（ａ）に示すように、加速部２４では流路の内径が、Ｄ２からＤ３まで滑らかに減少する。そのため、側面からみたときの螺旋状の渦の外径が次第に小さくなりピッチが次第に長くなるような状態になる。このように長手方向にみて、螺旋状の渦の形状が変化するので、各部の共振周波数が異なり、振動が打ち消しあって共振現象が生じない。即ち、ノズル１２の振動を大きくするような流れが生じない。

以上のことから、ノズル１２は流路の中心軸上に安定に支持されて不要振動を生じない。また、渦流によって流路の中心軸上に安定に支持される。さらに、流体が渦を巻きながら流体が流れるので、特にノズルの周囲に乱流が発生し難い。こうしたことから、ノズルの振動による異音の発生を防止できる。

ノズル１２の放出口１４の付近の流路は、放出口１４の外径の数倍程度の内径である。従って、第１の流体に高速な流れが生じる。これにより、ノズル１２の放出口１４に強い吸引力が働き、第２の流体が第１の流体中に噴出する。こうして、第１の流体と第２の流体とが混合される。

図３は、本発明の装置による２種の流体の混合システムの構成説明図である。
図のように、例えば、水等の第１の流体を水槽４０に収容する。一方、酸素、水素、炭酸ガス等の第２の流体をガスボンベ４２に収容する。そして、第１の流体をポンプ４４で吸い上げて、バルブ４６により流量を調整しながら流入口１８を通じて流体混合装置１０に供給する。第２の流体も、バルブ４８で流量を調整しながら、ノズル１２を通じて流体混合装置１０に供給する。こうして２種の流体を混合して、所定の用途に利用することができる。

なお、ガスボンベ４２の部分は、例えば、オゾン製造装置に置き換えることができる。これにより、オゾンを水中にナノバブルの状態で溶け込ませることができる。また、ガスボンベの部分に減圧を必要とするタンクや装置を配置すると、水力で簡単な真空ポンプを実現することができる。従って、流体の吸引装置として有効に機能する。

図４は、流体混合装置１０の変形例を示す縦断面図である。
図１の例では、流入口１８を開口させた部分の流路の内径Ｄ１が、渦流形成部２０と加速部２４の境界部分の流路の内径Ｄ２よりも十分に大きかった。この実施例では、Ｄ１がＤ２とほぼ同等になっている。このような構造でも、図１の場合と同様に、第１の流体（例えば水）が螺旋状に円滑に下流に向かって流れることが判明した。

なお、図１の構造と比較した場合には、図１の構造のほうが、渦流形成部２０で十分に半径の大きな強い渦流を形成してから加速部２４に第１の流体を送り込むことができる。また、図１の構造のものは、第１の流体を渦流形成部２０に送り込んだ直後に発生する不整な渦流が直接加速部２４に流れ込むのを防ぐ効果が高いということができる。

本発明は、水中にオゾンガスのナノバルブを溶け込ませるための混合器として開発されたが、液体と気体、液体と液体の混合器や、各種流体を強力に吸引する装置として広く各分野に利用することができる。

１０ 流体混合装置
１２ ノズル
１４ 放出口
１６ ノズル支持体
１８ 流入口
２０ 渦流形成部
２２ 開口部
２４ 加速部
３２ 第１の流体
４０ 水槽
４２ ボンベ
４４ ポンプ
４６ バルブ
４８ バルブ

Claims (2)

1. 第１の流体を一端側から受け入れて他端側に送り出す断面がほぼ真円の流路を持つ本体と、
   上記流路の中心軸上に配置され、上記流路の一端側から第２の流体を受け入れて上記流路中の上記第１の流体中に放出する筒状のノズルと、
   上記ノズルの上記第２の流体を上記第１の流体中に放出する放出口の、上記中心軸上の位置を調整可能に半固定に支持するノズル支持体とを備え、
   上記流路は、上記流路の一端側から順に、内径Ｄ１の部分と内径Ｄ２の部分と内径Ｄ３の部分とを有し、Ｄ１とＤ２とはほぼ等しいかもしくはＤ１＞Ｄ２の関係にあり、
   Ｄ２とＤ３とはＤ２＞Ｄ３の関係にあり、
   上記内径Ｄ１の部分は、流路の中心軸に垂直な円形断面からみたときその接線方向に上記第１の流体を受け入れる流入口と、流入した上記第１の流体が上記ノズルを中心に渦流を形成する渦流形成部と、上記第１の流体を上記内径Ｄ２の部分に押し出す開口部とを有し、
   上記内径Ｄ２の部分から上記内径Ｄ３の部分の間に、内径が滑らかに減少する加速部を有することを特徴とする流体混合装置。
2. 第１の流体を一端側から受け入れて他端側に送り出す断面がほぼ真円の流路を持つ本体と、
   上記流路の中心軸上に配置され、上記流路の一端側から第２の流体を受け入れて上記流路中の上記第１の流体中に放出する筒状のノズルと、
   上記ノズルの上記第２の流体を上記第１の流体中に放出する放出口の、上記中心軸上の位置を調整可能に半固定に支持するノズル支持体とを備え、
   上記流路は、上記流路の一端側から順に、内径Ｄ１の部分と内径Ｄ２の部分と内径Ｄ３の部分とを有し、Ｄ１とＤ２とはほぼ等しいかもしくはＤ１＞Ｄ２の関係にあり、
   Ｄ２とＤ３とはＤ２＞Ｄ３の関係にあり、
   上記内径Ｄ１の部分は、流路の中心軸に垂直な円形断面からみたときその接線方向に上記第１の流体を受け入れる流入口と、流入した上記第１の流体が上記ノズルを中心に渦流を形成する渦流形成部と、上記第１の流体を上記内径Ｄ２の部分に押し出す開口部とを有し、
   上記内径Ｄ２の部分から上記内径Ｄ３の部分の間に、内径が滑らかに減少する加速部を有することを特徴とする流体吸引装置。

Images