JP2015077570A - ガス溶解液製造システムにおいて使用するノズルの構造 - Google Patents

Abstract

【課題】各従来例の欠点を除去し、液体内に多量のガスを溶解させるガス溶解液製造システムにおいて使用するノズルの構造を開発・提供する。【解決手段】ガス溶解液を保持する大気開放槽11と、加圧状態の内部でガス溶解液を生成する加圧溶解槽12と大気開放槽の液体を加圧溶解槽に導く循環ポンプ13と、加圧溶解槽に加圧ガスを供給する加圧ガス供給源14と、からなるガス溶解液製造システムにおけるノズルにおいて、該ノズル15内に、循環ポンプからの加圧液体を圧送する第一狭流路15ｂと、ガス層からの加圧ガスを圧送するガス導入管15ｄと、加圧ガス溶解液を吐出する第二狭流路15ｅとそれぞれ連通する円筒状のガス混合室15ｃを設け、該混合室内の高さ寸法と、内径寸法との比率が４：３であり、また、前記ガス導入管の径寸法が混合室内の高さ寸法の１／３以下であるガス溶解液製造システムにおいて使用するノズルの構造。【選択図】 図２

Description

この発明は、ガス溶解液製造システムにおいて使用するジェットポンプの構造に関するものである。

従来、特定の目的をもって液体にガスを溶解させることは、広く一般的に行なわれている。例えば、血管の拡張作用があるといわれる炭酸泉（炭酸水）を生成するために、水に二酸化炭素を溶解させることが行なわれており、これを実現する装置なども知られている。また、オゾン水を生成させるために、水にオゾンガスを溶解させることも一般に知られている。さらに、血中酸素の中和に役立つといわれる水素水の生成方法も知られている。

例えば、特許文献１においては、エジェクターの断面積縮小部における静圧減少作用を利用して、浴槽水に圧力タンク内の炭酸ガスを一次溶解させることが可能な装置が開示されている。

また、特許文献２においては、水を水面上に噴霧することにより、ガスボンベから供給された二酸化炭素と容器内の水との気液界面積を拡大して二酸化炭素を水に溶解させる装置が開示されている。

さらに、特許文献３においては、気密タンク内の水面上部の空間の炭酸ガスを水中に巻き込んで攪拌することにより水中に炭酸ガスを溶解させて炭酸泉を生成する装置が開示されている。

特開２００８−４３７１３号公報 特開２００７−１４４８２号公報 特開２００７−２８９４９２公報

しかしながら、特許文献１の装置においては、エジェクターの断面積縮小部におけるガス吸引率（＝吸引ガス量／供給水流量）がせいぜい２０％程度であると考えられ、高濃度のガス溶解液を製造することは難しいといえる。また、ガスが一次溶解される液体を圧力タンクに噴霧送水する構成となっているため、圧力タンク内の液層は比較的静的であり、圧力タンク底部の溶液のガス濃度が低くなってしまうという問題があった。

また、特許文献２の装置においては、気液界面積を増大させるために液体を微細状態として噴霧する構成としているため、容器内の水についてガスを溶解させるのに長時間を要し、効率的に水にガスを溶解させているとはいえなかった。

また、特許文献３の装置においては、水面上部で炭酸ガスと水の攪拌を行なうのみであるため、気密タンク底部の水に対して炭酸ガスを十分に溶解させることが困難であった。

以上の課題を解決するために、この発明は、ガス溶解液を保持する大気開放槽と、加圧状態の内部でガス溶解液を生成する加圧溶解槽と大気開放槽の液体を加圧溶解槽に導く循環ポンプと、加圧溶解槽に加圧ガスを供給する加圧ガス供給源と、からなるガス溶解液製造システムであって、加圧溶解槽にて生成される加圧ガス溶解液を、前記液体層から大気開放槽へ流入させるためのキャピラリー配管を有し、キャピラリー配管を前記加圧ガス溶解液が通過することで、略大気圧の状態となることにより発生する小さなガスバブルを含む液体であるバブル液体となったガス過飽和溶解液を保持し、前記加圧溶解層は、上部には加圧ガス供給源からのガスにより加圧状態とされるガス層及び、下部には循環ポンプにて加圧状態とされる液体層の両層を内部に保持するとともに、循環ポンプから導かれる加圧液体にガス層の加圧ガスを吸引混合し、更にノズル内のガス混合室にてガス混合液が円錐状に噴霧され、内部でドーナッツ状の対流が発生して高速に攪拌し、ガス溶解液を液体層に吐出するよう構成されたガス溶解液製造システムにおけるノズルにおいて、該ノズル内に、循環ポンプからの加圧液体を圧送する第一狭流路と、ガス層からの加圧ガスを圧送するガス導入管と、加圧ガス溶解液を吐出する第二狭流路とそれぞれ連通する円筒状の混合室を設け、該混合室内の高さ寸法は、内径寸法と同等もしくはそれ以上であり、また、前記ガス導入管の径寸法が混合室内の高さ寸法の１／３以下であることを特徴とするガス溶解液製造システムにおいて使用するノズルの構造を開発・提供・提供することにある。

この発明によると、加圧状態の内部でガス溶解液を生成する加圧溶解槽に位置するノズル内に円筒状のガス混合室を設けることにより、高濃度のガス過飽和溶解液を効率的に製造することが可能となるという極めて有益なる効果を奏する。

この発明の一実施例を示すガス溶解液製造システムの説明図である。 この発明に使用するノズルの一例を示す説明図である。

以下、この発明の実施例を説明する。なお、この発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲においては適宜変更可能である。

＜概要＞
この実施例のガス溶解液製造シテスムは、循環ポンプから導かれる加圧液体に加圧溶解層の加圧ガスを吸引混合して高速でガスを溶解させるように構成されたノズルを有する。当該ノズルを用いることにより、加圧溶解槽の液体層に対して高濃度の加圧ガス溶解液を送出することが可能である。また、生成された高濃度の加圧ガス溶解液は、内径が小さなキャピラリー配管を通過することで、加圧状態から大気圧まで比較的短時間にて徐々に圧力開放を行なうことにより、急激な圧力差により既に溶解しているガスが気泡となって現れることなく、過飽和の状態を保ちながら多くのナノバブルを含有するガス過飽和溶液として利用することが可能となる。

＜ガス溶解液製造システムの全体的な構成＞
図１は、本実施例のガス溶解液製造システムの構成を示す説明図である。この図１に示すように、本実施例のガス溶解液製造システム（10）は、大気開放槽（11）〔キャピラリー配管（16）を含む〕と、加圧溶解槽（12）〔ノズル（15）を含む〕と、循環ポンプ（13）と、加圧ガス供給源（14）と、から構成される。なお、これらの各装置は管状部材等を介して連結する構成とすることも可能であるが、直接的に連結する構成とすることも可能である。尚、移動できる小形装置の場合は、本願出願人が既に、取得済みの登録第３１６６８５９号実用新案において開示したように、キャピラリー配管（16）を２重配管構造にして配管の強度を確保するのもよい。

大気開放槽（11）は、ガス溶解液を保持する機能を有する。当該大気開放槽（11）の形状・材質は特に限定されるものではなく、適宜用途に合わせて選択することが可能である。例えば、全身浴用の湯船や足湯用の湯船とすることも可能である。キャピラリー配管（16）については市販のパイプであり、特に説明を要しない。

また、加圧溶解槽（12）は、加圧状態の内部でガス溶解液を生成する機能を有する。当該加圧溶解槽（12）の形状・材質は特に限定されるものではないが、加圧状態に耐えられる耐圧性の高い材質を用いることが好適である。加圧溶解槽（12）には、適宜圧力を開放するための圧力弁を設けておくことも必要である。ノズル（15）等の内部の具体的な構成については以下で説明する。

また、循環ポンプ（13）は、大気開放槽（11）の液体を加圧溶解槽（12）に導く機能を有する。当該循環ポンプ（13）としては、加圧溶解槽（12）の圧力を高くする場合はそれに見合う駆動力を有するものを用いる。例えば、加圧溶解槽（12）の圧力を０．２ＭＰａとする場合は、当該加圧溶解槽（12）の内部に対してジェット水流を発生させるために、０．４ＭＰａの圧力で液体を加圧送出することが考えられる。循環ポンプ（13）は、ポンプヘッドと駆動用のモーターから構成された製品で、加圧溶解槽（12）に送水する水量などについて、モーターが直流電源仕様の場合はマイコンにてＰＷＮ制御を行い、或いはモーターが交流電源仕様の場合はインバーターにより可変速制御を行なうことが考えられる。また、小形の製品については、機械式の圧力調整弁などを使用して、マイコン等による電子制御を行なうことも考えられる。

また、循環ポンプ（13）は、循環が常時生じるように駆動することも可能であるが、
所定のインターバルをもって循環するように駆動することも可能である。

加圧ガス供給源（14）は、加圧溶解槽（12）に加圧ガスを供給する機能を有する。加圧ガスを供給するものとしては、ガスを高圧下で保持する装置（ガスボンベ）やガスを生成する装置など、或いはガスを発生させる薬剤の利用が考えられる。

また、この発明の実施例のガス溶解液製造シテスム（10）において生成するガス溶解液は、炭酸水やオゾン水とすることが可能であるが、その他のガスを任意の液体に溶かした種々のものが考えられる。

炭酸水を生成する場合は、水に二酸化炭素を溶かす構成となり、オゾン水を生成する場合は水にオゾンガスを溶かす構成となる。その他にも、溶解するガスとしては、酸素・水素・窒素・酸化窒素など様々なガスの利用が考えられる。また、液体に溶かすガスは一種類である必要はなく、複数の種類のガスとすることも可能である。

＜加圧溶解槽の内部構成＞
図１に示すように、加圧溶解槽（12）は、上部には加圧ガス供給源（14）からのガス（Ａ）により加圧状態とされるガス層（Ｂ）及び、下部には同圧で加圧状態とされる液体層（Ｃ）の両層を内部に保持することが可能である。加圧の調整は、例えば加圧溶解槽（12）と加圧ガス供給源（14）の間に圧力レギュレータを配置して行なうことも可能である。 加圧溶解槽（12）上部には、圧力を開放することが可能な開放弁を設ける構成も可能である。

なお、加圧溶解槽（12）の圧力は、０．１ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下とすることが好ましい。また、０．２ＭＰａ以上０．４ＭＰａ以下とすることがさらに好ましい。本実施例のガス溶解液製造システムにおいては、内部を０．２ＭＰａ以上の圧力とすることで、ガスの飽和溶解度が増大し、液体に溶けるガスの量を十分な値とすることが可能になる。当該高い圧力下において飽和状態又はその状態に近くなった加圧ガス溶解液は、大気圧下に急激に減圧されるとガス過飽和溶解液となり、小さなガスバブルを大量に発生させる。

また、加圧溶解槽（12）は、循環ポンプ（13）から導かれる加圧液体（Ｄ）にガス層（Ｂ）の加圧ガス（Ｅ）を吸引混合して高速でガスを溶解させるように構成されたノズル（15）によってガス溶解度を上げた加圧ガス溶解液（Ｆ）を液体層（Ｃ）に吐出すことが可能である。ノズル（15）は所定の流路から高圧流体をガス混合室（15ｃ）内に噴射し、該ガス混合室内の別の流体を伴って目的の場所に混合流体を送るものである。

図２は、上記ジェットポンプ（15）の構成の一例を示す図である。この図で示すノズル（15）は、収束流路（15ａ）と、第一狭流路（15ｂ）と、ガス混合室（15ｃ）と、ガス導入管（15ｄ）と、第二狭流路（15ｅ）と、拡散流路（15ｆ）と、からなる。収束流路（15ａ）から第一狭流路（15ｂ）に流れ込む加圧液体（Ｄ）は、狭い流路に押し込められるため、高速のジェット水流となり、静水圧を下げる。

ガス混合室（15ｃ）は、ガス導入管（15ｄ）を介して導入された加圧ガス（Ｅ）を包含した状態となる。ここで、ガス混合室（15ｃ）の内部圧力と循環ポンプから導かれる加圧液体（Ｄ）の水圧の差圧が十分に大きい場合は、第一狭流路（15ｂ）を通過する加圧液体（Ｄ）は、該第一狭流路（15ｂ）の断面形状に近い形を保ちながら、ガス混合室（15ｃ）を通り、第二狭流路（15ｅ）へ流れて行くが、ガス混合室（15ｃ）の内部圧力と循環ポンプから導かれる加圧液体（Ｄ）の水圧の差圧が、例えば０．１ＭＰａ以下と小さい場合は、第一狭流路（15ｂ）を通過する加圧液体（Ｄ）は、ガス混合室（15ｃ）の内部で噴霧軸に対して加圧液体（Ｄ）は円錐状に噴霧されることが、透明材料で試作した実験用のノズルにて目視確認できた。また、目視確認できたこれらの現象については溶解したガスの濃度を科学測定することにより、溶解濃度が高くなることが確認できた。

更に、ガス混合室（15ｃ）の高さ寸法を、内径寸法と同等もしくはそれ以上にすることにより、円錐状に噴霧された加圧液体（Ｄ）は、ガス混合室（15ｃ）の内部でドーナツ状に激しい対流を起こし、より多くの加圧ガス（Ｅ）を包含した状態となることが、透明材料で試作した実験用のノズルにて目視確認できた。また、目視確認できたこれらの現象については溶解したガスの濃度を科学測定することにより、溶解濃度が高くなることが確認できた。

さらに、拡散流路（15ｆ）を経て、加圧ガス（Ｅ）が小さな気泡となって加圧液体（Ｄ）に混入され、加圧ガス溶解液（Ｆ）が生成されることとなる。最後に、加圧ガス溶解液（Ｆ）は液体層（Ｃ）に送出される。

ノズル（15）の具体的な形状パラメータの一例として、収束流路（15ａ）の開き角度を略９０度、拡散流路（15ｆ）の開き角度を略２０度とする。、また、収束流路（15ａ）・第一狭流路（15ｂ）・ガス混合室（15ｃ）・第二狭流路（15ｅ）・拡散流路（15ｆ）の水流方向の長さ比率を、略２：１：２：０．６：１４とする。

また、第一狭流路（15ｂ）の長さを基準として、第一狭流路（15ｂ）・ガス混合室（15ｃ）・第二狭流路（15ｅ）・ガス導入管（15ｄ）の幅比率を略０．５：２：０．８：０．４とする。ノズル（15）の上記各部の絶対的な大きさは、ノズル（15）に流れ込む加圧液体（Ｄ）の水量に応じて適宜設定することが可能である。

上記ノズル（15）は、加圧液体（Ｄ）に対して充分量の高圧ガス（Ｅ）を接触させるためのガス混合室（15ｃ）と、加圧液体（Ｄ）に対して高圧ガス（Ｅ）を混入させる第二狭流路（15ｅ）及び拡散流路（15ｆ）を有しており、従来技術のエジェクターを用いるよりもはるかに高濃度のガスを液体中に溶解させることが可能になる。従来のエジェクターをガス吸引効率（＝吸引ガス流量／供給水流量）が２０％程度であるのに対して、上記ノズル（15）のガス吸引効率は１００％以上となる。

また、ガス混合室（15ｃ）の形状は、上部に第一狭流路（15ｂ）を有し、下部に第二狭流路（15ｅ）を有し、例えば性能試験に使用したノズルのガス混合室は、高さ寸法２０ｍｍに対して、径１５ｍｍの円筒状であり、側部にはガス導入管（15ｄ）を設け、該ガス導入管の入口径は、混合室（15ｃ）の高さに対して１／３以下であることにより、ガス混合室（15ｃ）内で、対流が生じる結果、加圧液体（Ｄ）と加圧ガス（Ｅ）との混合がほどよく行なわれ高濃度のガス過飽和溶解液を製造できる。

なお、拡散流路（15ｆ）の下流には、直線状に連結された攪拌回転翼等からなる攪拌部材を設ける構成も考えられる。当該構成とすることにより、水流中の気泡をさらに小さいサイズに破砕して、液体中に溶解させることが容易になる。

また、ノズル（15）から吐出される高速のジェット水流（Ｆ）は液体層（Ｃ）に大局的な循環水流を生じさせ、加圧ガス（Ｅ）と液体層（Ｃ）の混入させる効率を向上させる。つまり、加圧ガス（Ｅ）を液体層（Ｃ）に一様に溶解させることが可能になる。特にノズル（15）の吐出口が加圧溶解槽（12）の液体層中である場合は、その効果が顕著に現れる。

＜大気開放槽の内部構成＞
大気開放槽（11）は、加圧溶解槽（12）にて生成される加圧ガス溶解液（Ｆ）を前記液体層（Ｃ）から流入させるためのキャピラリー配管（16）を有する。該キャピラリー配管（16）は、その長さや内径を自由に組み合わせて、性能を調整することができる。また、キャピラリー配管（16）は単体で使用しても良いし、複数のキャピラリー配管を使用してもよい。

また、大気開放槽（11）において、キャピラリー配管（16）を前記加圧ガス溶解液（Ｆ）が通過することで、略大気圧の状態となることにより、発生する小さなガスバブル（Ｇ）を含む液体であるバブル液体となったガス過飽和溶解液（Ｈ）を保持する。ガス過飽和溶解液（Ｈ）は、略大気圧下において溶解させることが可能なガスよりも多くのガスを溶解させている状態であるため、キャピラリー配管（16）を通過する際に、圧力が略大気圧まで衝撃を与えることなくスムーズに減圧されると多くのガスバブル（Ｇ）を発生させることになる。

以上のように、加圧溶解槽（12）にて生成される加圧ガス溶解液（Ｆ）は、略大気圧下において過飽和の状態となっているため、キャピラリー配管（16）を通過すると、溶けきれなくなったガスが小さなガスバブル（Ｇ）として発生する。本実施例のガス溶解液製造システムにおいては、特に高い濃度でガスが溶解しているため、大量のガスバブル（Ｇ）が発生してガス過飽和溶解液（Ｈ）は白濁した状態となることもある。

ここで、水に二酸化炭素を溶解させて炭酸泉（炭酸水）を生成した場合、ガスバブルにより白濁した状態の大気開放槽（11）に体の全部又は一部を入れることで血行を促進し、健康の増進を図ることが可能である。

＜その他の構成＞
ガス溶解液製造システムとして、前記ガス溶解液を加温することが可能な加温部をさらに設ける構成も可能である。加温部を配置する領域としては、大気開放槽（11）や加圧溶解槽が主として考えられるが、特に位置は限定されるものではなく、複数の領域に配置する構成も可能である。加温部としては、通常用いられるヒーター等が考えられる。当該加温部を通過することにより、高温・高濃度のガス過飽和溶解液を製造することが可能になる。例えば、健康増進用の温水炭酸泉を容易に製造することが可能である。

また、ガス溶解液製造システムとして、前記加圧溶解槽（12）や前記大気開放槽（11）の水位を検出することが可能な水位検出センサーを設ける構成も可能である。前記循環ポンプ（13）は、当該水位センサーの水位に応じて大気開放槽（11）から加圧溶解槽（12）に導く水流量を変化させる水位調整手段をさらに有する構成も可能である。

また、ガス溶解液製造システムとして、前記大気開放槽（11）又は前記加圧溶解槽（12）が配置される領域の所定のガス濃度を検出するガス濃度検出センサーを設ける構成も可能である。また、ガス濃度が所定の閾値よりも大きくなった場合又は小さくなった場合に警告出力を行なうことが可能な警告装置を設ける構成も可能である。これらの装置をさらに設けることにより、ガス濃度の異常値を検出することが可能になる。

＜効果＞
以上のようなガス溶解液製造システムのノズルにより、高濃度のガス過飽和溶解液を効率的に製造することが可能になる。

この発明のガス溶解液製造システムにおいて使用するノズルの構造の技術を確立し、実施することにより産業上利用可能性があるものである。

１０ ガス溶解液製造システム
１１ 大気開放槽
１２ 加圧溶解槽
１３ 循環ポンプ
１４ 加圧ガス供給源
１５ ノズル
１５ａ 収束流路
１５ｂ 第一狭流路
１５ｃ ガス混合室
１５ｄ ガス導入管
１５ｅ 第二狭流路
１５ｆ 拡散流路
１６ キャピラリー配管
Ａ ガス供給源（14）からのガス
Ｂ 加圧溶解槽のガス層
Ｃ 加圧溶解槽の液体層
Ｄ 循環ポンプからの加圧液体
Ｅ ガス層からの加圧ガス
Ｆ 加圧ガス溶解液
Ｇ ガスバブル
Ｈ ガス過飽和溶解液

Claims (1)

1. ガス溶解液を保持する大気開放槽と、加圧状態の内部でガス溶解液を生成する加圧溶解槽と、大気開放槽の液体を加圧溶解槽に導く循環ポンプと、加圧溶解槽に加圧ガスを供給する加圧ガス供給源と、からなるガス溶解液製造システムであって、
   加圧溶解槽にて生成される加圧ガス溶解液を、前記液体層から大気開放槽へ流入させるためのキャピラリー配管を有し、
   該キャピラリー配管を前記加圧がす溶解液が通過することで、略大気圧の状態となることにより発生する小さなガスバブルを含む液体であるバブル液体となったガス過飽和溶解液を保持し、
   前記加圧溶解層は、上部には加圧ガス供給源からのガスにより加圧状態とされるガス層及び、下部には循環ポンプにて加圧状態とされる液体層の両層を内部に保持するとともに、該循環ポンプから導かれる加圧液体にガス層の加圧ガスを吸引混合し、
   更にノズル内のガス混合室にてガス混合液が円錐状に噴霧され、内部でーナツ状の対流が発生して高速に攪拌し、ガス溶解液を液体層に吐出するよう構成されたガス溶解液製造システムにおけるノズルにおいて、
   該ノズル内に、循環ポンプからの加圧液体を圧送する第一狭流路と、ガス層からの加圧ガスを圧送するガス導入管と、加圧ガス溶解液を吐出する第二狭流路とそれぞれ連通する円筒状の混合室を設け、該混合室内の高さ寸法は、内径寸法と同等もしくはそれ以上であり、また、前記ガス導入管の径寸法が混合室内の高さ寸法の１／３以下であることを特徴とする
   ガス溶解液製造システムにおいて使用するノズルの構造。

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