JP2015085237A - 気液混合装置および風呂給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の流量が低流量である場合にも自然吸気を可能とし、かつ、安定した吸気により気体を微細化して液中に混合する量を増加することができる気液混合装置およびこれを備えた風呂給湯装置を提供すること。【解決手段】本発明の気液混合装置１は、液体の進行方向ＴＤに向かって内径が縮小する縮径部４と、縮径部４の下流側に、縮径部４に対し同心的に設けられ、縮径部４の最小内径より大きい内径を有する気液混合部５と、縮径部４の内周面の下流端から外周側に広がって気液混合部５の内周面の上流端５ａに繋がるリング部２と、気体通路６ａを通して気液混合部５内に気体を導入する気体導入部６とを備え、リング部２は、縮径部４の下流端よりも下流位置で気液混合部５の内周面と繋がるものである。【選択図】図１

Description

本発明は、導入気体を微細化して液体に混合可能な気液混合装置およびこれを備えた風呂給湯装置に関する。

液中に気体を均一に混合したり、微細気泡を発生したりする手段として、例えばベンチュリー式、キャビテーション式、加圧溶解式、旋回流式などの気液混合装置が用いられている。ベンチュリー式のものは、流路にくびれ部分を設け、該くびれ部分で流速が上がり負圧が形成されることで外部より空気を吸気し、くびれが広がる部分で圧力が上昇するために気泡が微細化されるという原理を利用している（例えば、特許文献１参照）。キャビテーション式のものは、ポンプ内に気液混合体を送り、例えば超音波振動を与えることでキャビテーションを利用して気泡を発生させる。また、加圧溶解式のものは、液体を流れる配管外から導入した外気をコンプレッサ等で加圧して液中に溶解し、減圧開放時に気泡が再析出する方式であり、装置が大型化するが、大量の気体を溶解させることが可能である。また、旋回流式のものは、液体の旋回流を形成し、気体と合一させることで、旋回流により気体がせん断破砕されて微細化される（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−１４４３９４号公報 特許第４５２５８９０号公報 特開２００５−１２６２６０号公報

液流を形成するポンプの仕様が制限される場合においては、経路内の流量、および揚程や液圧等が限定されてしまう。流路のくびれ部分等に形成される負圧により気体を吸入する自然吸気を行う気液混合装置の場合、液体の流量が低流量であると、気液混合装置内での負圧が形成されにくくなり、自然吸気が困難となる。特に、気液混合装置の下流に吐出ノズル等の圧力損失体が組込まれる回路構成においては、その傾向が顕著となり、気液混合装置内での負圧が形成されにくくなり、自然吸気が行えなくなってしまうという問題がある。また、自然吸気を促進するためには、気体導入部は、負圧が最大となるくびれ部分の最縮径部に設けることが好ましいが、気液混合装置内の流路を縮径して流速を上げた場合においては、ベンチュリー式の気液混合原理が支配的となってしまい、旋回流式で得られるような導入気体の微細化および溶解量の増加が困難となる。

また、特許文献３には、気液の混合量および微細気泡生成量を増加するために気体の導入口を複数個所に設ける構造が開示されているが、当該構造では、それぞれの導入口からの一定の吸気量を制御することが困難であり、気液混合時に水流内の負圧分布が乱されて各導入口から同時に吸気することができず、交互に吸気が行われてしまうため、気液の混合量および微細気泡生成量を増加することができない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、液体の流量が低流量である場合にも自然吸気を可能とし、かつ、安定した吸気により気体を微細化して液中に混合する量を増加することができる気液混合装置およびこれを備えた風呂給湯装置を提供することを目的とする。

本発明に係る気液混合装置は、液体の流路に設けられ、気体を液体中に導入して混合させる気液混合装置であって、液体の進行方向に向かって内径が縮小する縮径部と、縮径部の下流側に、縮径部に対し同心的に設けられ、縮径部の最小内径より大きい内径を有する気液混合部と、縮径部の内周面の下流端から外周側に広がって気液混合部の内周面の上流端に繋がるリング部と、気液混合部の内部に連通する気体通路を有し、該気体通路を通して気液混合部の内部に気体を導入する気体導入部と、を備え、リング部は、縮径部の下流端よりも下流位置で気液混合部の内周面と繋がるものである。

本発明によれば、液体の流量が低流量である場合にも自然吸気を可能とし、かつ、安定した吸気により気体を微細化して液中に混合する量を増加することが可能となる。

本発明の実施の形態１の気液混合装置を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態１の気液混合装置を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態１の気液混合装置を示す横断面図である。 本発明の実施の形態１の気液混合装置を示す横断面図である。 本発明の実施の形態１の気液混合装置の変形例を示す横断面図である。 比較例の気液混合装置を示す横断面図である。 本発明の実施の形態２の気液混合装置を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態２の気液混合装置を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態２の気液混合装置の入口部内に設置された固定翼の斜視図である。 本発明の実施の形態３の気液混合装置を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態４の風呂給湯装置を示す構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。また、本発明は、以降に示す各実施の形態のあらゆる組み合わせを含むものとする。

実施の形態１．
図１および図２は、本発明の実施の形態１の気液混合装置を示す縦断面図である。図１の切断面と、図２の切断面とは、直交している。図３および図４は、本発明の実施の形態１の気液混合装置を示す横断面図である。これらの図に示す本実施形態の気液混合装置１は、液体の流路に設けられ、液体中に気体を導入して混合させるものである。

図１および図２に示すように、気液混合装置１は、液体が流れるための内部空間を有する縮径部４と、縮径部４に対し下流側に設けられた気液混合部５と、リング部２と、気液混合部５の外周側から気液混合部５内に気体を導入する通路を形成する気体導入部６と、気液混合部５の下流側に設けられた拡径部７と、縮径部４に対し上流側に設けられた入口部３とを備えている。図１および図２において、液体は、縮径部４内（気液混合装置１内）を左から右へ進行する。この液体の進行方向を、以下、「進行方向ＴＤ」と称する。

入口部３は、進行方向ＴＤと平行な直線を中心とする略円柱状の内部空間を有している。入口部３の内径は、進行方向ＴＤに沿ってほぼ一定になっている。縮径部４は、入口部３の下流側に、入口部３に対し同心的に設けられている。縮径部４の内径は、進行方向ＴＤに向かって内径が連続的あるいは多段的に縮小（漸減）している。すなわち、縮径部４は、略円錐状（略円錐台状）の内部空間を有している。縮径部４の上流端の内径は、入口部３の内径に等しくなっている。縮径部４の内径が最も小さくなった最小内径部４ａは、縮径部４の下流端に位置する。

気液混合部５は、縮径部４の下流側（直下）に、縮径部４に対し同心的に設けられている。気液混合部５の内径は、縮径部４の最小内径、すなわち最小内径部４ａの内径よりも大きくなっている。本実施形態では、気液混合部５の内径は、進行方向ＴＤに沿ってほぼ一定になっている。すなわち、気液混合部５は、略円柱状の内部空間を有している。

リング部２は、縮径部４の内周面の下流端（すなわち最小内径部４ａの内周）から外周側に広がって気液混合部５の内周面の上流端５ａに繋がる内壁面を有する。図示の構成では、リング部２は、縮径部４の下流端（最小内径部４ａ）よりも下流の位置で気液混合部５の内周面の上流端５ａと繋がる。図１および図２に示す例では、進行方向ＴＤに平行な断面でリング部２が直線を呈するが、本発明では進行方向ＴＤに平行な断面でリング部２の一部または全部が曲線を呈しても良い。また、気液混合部５の内周面とリング部２との角部、および、縮径部４の内周面とリング部２との角部に、Ｒ（アール）形状のような丸みを設けてもよい。また、リング部２と、気液混合部５の内周面の上流端５ａとが繋がる部位の成す角θは、進行方向ＴＤに対して１５°〜６０°であることが好ましい。

気体導入部６は、気液混合装置１の外周部から外方へ突出するように形成されている。この気体導入部６には、気液混合部５内に導入される気体が通る流路となる気体通路６ａが形成されている。気体通路６ａは、気液混合装置１の外周側から気液混合部５の内部（内周面）に向かって貫通するように形成され、気液混合部５内に連通している。本実施の形態１では、図１に示すように、気体通路６ａは、気液混合部５の上流端付近（すなわち、気液混合部５と縮径部４との境界付近）に連通している。また、本実施の形態１では、気体通路６ａは、気体の流れ方向に対し垂直な断面の形状および断面積が気体の流れ方向に沿ってほぼ一定であるように形成されている。本実施の形態１では、図２に示すように、気体通路６ａは、気体の流れ方向に対し垂直な断面の形状が略長方形となるように形成されている。また、本実施の形態１では、図１に示すように、気体通路６ａの長手方向と進行方向ＴＤとが鋭角をなす。このため、気体通路６ａの気体の流れ方向は、進行方向ＴＤに対し傾斜した状態で気体が気液混合部５内に導入される方向になる。気体導入部６は、リング部２で交わって気液混合部５内に導入される構造でも良い。また、図示を省略するが、気体導入部６には、運転停止時などに液体が気体通路６ａへ逆流することを防ぐための逆止弁が設けられていることが好ましい。

なお、図１および図２では、便宜上、入口部３、縮径部４、気液混合部５および拡径部７の中心線（軸線）を含む切断面でそれらを切断した断面形状と、気体導入部６の断面形状とを組み合わせて示している。すなわち、図１および図２中では、入口部３、縮径部４、気液混合部５および拡径部７の切断面と、気体導入部６の切断面とは、同一平面ではない。

図３および図４は、進行方向ＴＤに垂直な断面で気液混合装置１を切断した断面図である。ただし、図３および図４では、便宜上、気体導入部６については気体通路６ａの気体の流れ方向に沿って切断した断面を表す。図３および図４に示すように、気体導入部６は、気液混合部５の内周面の接線方向に沿って気体を気液混合部５内に流入させるように構成されている。すなわち、気体導入部６（気体通路６ａ）は、以下のように構成されている。気体通路６ａの中心線を気液混合部５内に延長した直線ＥＬは、気液混合部５の中心Ｏを通らず、中心Ｏからずれた位置を通る。また、図３に示すように、進行方向ＴＤに平行な方向から見たときに、気体通路６ａの内壁のうち気液混合部５の中心Ｏからの距離が遠い方の内壁６ｂは、気液混合部５の内周面の接線になっている。あるいは、進行方向ＴＤに平行な方向から見たときに、内壁６ｂが気液混合部５の内周面の接線に必ずしも完全に一致していなくても良く、内壁６ｂの近傍で内壁６ｂに並行する流線を気液混合部５内に延長した直線ＳＬが、気液混合部５の内径以下であって縮径部４の最小内径（最小内径部４ａの内径）より大きい直径の円ＣＬの接線になっていればよい。

このようにして、気体導入部６が気液混合部５の内周面の接線方向に沿って気体を気液混合部５内に流入させるように構成されていることにより、図４に示すように、気体導入部６の気体通路６ａを通って気液混合部５に流入した気体を、気液混合部５の内周面に沿って所定の方向（本実施の形態１では、図３および図４中で反時計回り）に効率良く旋回させることができる。

次に、本実施の形態１の気液混合装置１の動作について説明する。気液混合装置１に流入した液体の流れ（以下、「液流」と称する）は、入口部３から縮径部４へ進行し、縮径部４において流速が加速される。縮径部４では、流入した液流を、圧力損失を少なくして縮径することにより高速化することが望ましい。そのためには、縮径部４の内壁面は、高密度で粗度の小さい材料で形成されていることが望ましい。

縮径部４で加速された液流が最小内径部４ａから気液混合部５内に流入することにより、気液混合部５内に負圧が発生し、この負圧により気体導入部６から気体が気液混合部５内に自然吸気される。気液混合部５内では、加速された液流と、気体導入部６から導入された気体とが合一して微細気泡が生成されて気体が液体中に溶解する。図４中の破線の矢印は、気体導入部６から気液混合部５内に流入した気体の流れを示している。図４に示すように、気液混合部５に流入した気体は、気液混合部５の内周面に沿って旋回する旋回流を形成する。このようにして、気液混合部５の内周面に沿って旋回する気体の旋回流の内周側に、最小内径部４ａから気液混合部５内に流入した液流が接触することにより、気体がせん断破砕されて微細化されて液体中に効率良く混合し、液体への気体の溶解量が増加する。

縮径部４から気液混合部５に流入した直後の液流の直径は、最小内径部４ａの内径にほぼ等しい。一方、気液混合部５の内径は、最小内径部４ａの内径より大きい。これにより、気液混合部５内では、液流の外側に、気体導入部６から導入された気体の流路として機能するリング状（円環状）の空間を確保できる。このような構成により、液流を妨げることなく吸気することができるので、吸気量を増大することができる。また、気体導入部６から導入された気体が、液流の外周側を旋回するように吸気されるため、液流と導入気体との接触面積を増大することができる。その結果、液流によりせん断される気体量が増加するため、微細気泡生成量も増加し、溶解量も増加する。

また、本実施の形態１では、縮径部４の下流端（最小内径部４ａ）と、気液混合部５の上流端５ａとの境界の段差部がリング部２によって閉じられていることで、気液混合部５内での乱流形成を抑制することができる。その結果、縮径部４の最小内径部４ａ付近で形成される負圧を損失なく気体導入部６でも形成できるとともに、速い旋回流で気体をせん断することができ、気体の溶解量が増大し、また微細化を促進することができる。更に、本実施の形態１では、リング部２が最小内径部４ａよりも下流の位置で気液混合部５の内周面と繋がる構成としたことで、最小内径部４ａより下流の位置（最小内径部４ａと気液混合部５の上流端５ａとの間）でも旋回流が内壁面を沿って流れるため、上記の効果をより確実に奏することができる。さらに、リング部２と気液混合部５の内壁面の上流端５ａとが繋がる部位の成す角θを、進行方向ＴＤに対して１５°〜６０°とすることで、上記の効果をより大きく発揮させることができる。

また、前述したように、気体通路６ａの気体の流れ方向は、進行方向ＴＤに対し垂直ではなく、進行方向ＴＤに対し鋭角をなすように傾斜している（図１参照）。このため、気体導入部６から気液混合部５に導入される気体は、液体の進行方向ＴＤと同一方向の流速成分を持って気液混合部５内に流入する。これにより、気液混合部５での気液の合流圧力損失を小さくすることができ、旋回流が乱れるのをより確実に抑制することができる。その結果、気体導入部６からの吸気を安定して行うことができる。図１に示すように、気体通路６ａの気体の流速ベクトルＶを、進行方向ＴＤと同一方向の流速成分Ｖ１と、進行方向ＴＤに垂直な流速成分Ｖ２とに分解したとき、Ｖ１の大きさはＶの大きさの１０％以上が好ましく、２０％以上がより好ましい。また、Ｖ１の大きさはＶの大きさの９０％以下が好ましく、８０％以下がより好ましい。気体通路６ａの気体の流速の進行方向ＴＤと同一方向の流速成分の大きさをそのような範囲にすることにより、上述した効果をより顕著に発揮させることができる。

また、本実施の形態１では、気液混合部５の内径が進行方向ＴＤに沿ってほぼ一定に維持されていることにより、互いに接触しつつ進行方向ＴＤに向かって進行する液流と気体との接触状態を一定にすることができ、気体の溶解を均一化することができる。

また、気液混合部５の内周面に沿って旋回する気体の流れに引き込まれるようにして、液流も同方向に旋回する。図４中の実線の矢印は、気液混合部５内で旋回する液流を示している。このようにして、気液混合部５内では、外周側に気体の旋回流が形成され、その内周側に液体の旋回流が形成される。気体通路６ａから気液混合部５内に導入される気体は、旋回する液流に誘引されるようにして気液混合部５内に流入するので、吸気量を増大させることができ、気体溶解量および微細気泡生成量も増大させることができる。

気液混合部５内に形成される負圧は、気液混合部５の上流端で最も大きく、下流に進むにつれて負圧は弱まる。本実施の形態１では、気体導入部６の気体通路６ａが、気液混合部５の上流端付近に連通するように構成している。これにより、負圧の大きい位置で吸気することができるので、吸気量を増大させることができ、気体溶解量および微細気泡生成量も増大させることができる。

一般的には、気体通路６ａの出口となる開口が広いほど、吸気量を増大することができる。しかしながら、気液混合部５内の下流側ほど負圧が小さくなるため、気体通路６ａを進行方向ＴＤに沿って測った長さ（図２中のｅで示す長さ）を長くして、気体通路６ａの出口となる開口を下流側に広げるように構成すると、気体通路６ａに作用する負圧が小さくなり、好ましくない。特に、気液混合装置１より下流側の流路の圧力損失が大きい場合には、気液混合部５内で下流側に向かって負圧が低下する率が大きくなるため、気体通路６ａの出口となる開口を下流側に広げることは好ましくない。このような事項に鑑みて、本実施の形態１では、気体通路６ａの出口となる開口の大きさを進行方向ＴＤに沿って測った長さｅが、この開口の大きさを気液混合部５の内径に等しい直径の円に沿って測った円弧の長さｆ（図４参照）より短くなるように構成している。これにより、気体通路６ａの出口となる開口を下流側に広げることなく開口面積を大きくすることができるので、吸気量を増大させることができ、気体溶解量および微細気泡生成量も増大させることができる。

図５は、本発明の実施の形態１の気液混合装置の変形例を示す横断面図である。図５に示す気液混合装置１Ａは、上述した図１乃至図４に示す気液混合装置１と比べて、気体通路６ａの幅（進行方向ＴＤと直交する方向の幅）を拡幅していること以外は同様である。

前述したように、気体通路６ａの出口となる開口が広いほど、吸気量の増大に有利である。図５に示す気液混合装置１Ａは、図１乃至図４に示す気液混合装置１と比べて、気体通路６ａの幅が拡幅されているため、吸気量を更に増大することができる。ただし、気体通路６ａの幅を図５に示す気液混合装置１Ａよりも更に拡幅すると、気体通路６ａから流入する気体の流れの一部が、気液混合部５内での液流の旋回方向と逆方向となることにより、液流の旋回が抑制され、かえって吸気量が低下する場合がある。これを避けるため、次のような関係を満足することが好ましい。図５に示す気液混合装置１Ａでは、気体通路６ａの出口となる開口の大きさを気液混合部５の内径に等しい直径の円に沿って測った円弧の長さｆは、気液混合部５の内径に等しい直径の円の円周の１／４に等しい長さになっている。気体通路６ａの幅が、図５に示す気液混合装置１Ａ以下であれば、気体通路６ａから流入する気体の流れの一部が、気液混合部５内での液流の旋回方向と逆方向となることはない。そこで、本発明では、気体通路６ａの出口となる開口の大きさを気液混合部５の内径に等しい直径の円に沿って測った円弧の長さｆは、気液混合部５の内径に等しい直径の円の円周の１／４以下の長さであることが好ましい。気体通路６ａの出口となる開口の大きさがこのような範囲であれば、気体通路６ａから流入する気体の流れが、気液混合部５内での液流の旋回方向と逆方向となることがないので、液流の旋回を妨げることがなく、吸気量を確実に増大させることができる。

図６は、比較例の気液混合装置を示す横断面図である。図６に示す比較例の気液混合装置では、気体導入部１６の気体通路１６ａの中心線を気液混合部５内へ延長した直線が気液混合部５の中心を通るように構成されている。このような比較例の気液混合装置では、気体通路１６ａから気液混合部５内へ導入された気体の流れが気液混合部５内の液流と直接衝突し、液流が乱されるため、吸気量が少なくなる。その結果、微細気泡生成量も少なくなる。

実施の形態２．
次に、図７乃至図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図７および図８は、それぞれ、本発明の実施の形態２の気液混合装置を示す縦断面図である。図７の切断面と、図８の切断面とは、直交している。

図７および図８に示す本実施の形態２の気液混合装置１Ｂは、旋回流生成手段としての固定翼８が入口部３内に設置されていること以外は、実施の形態１の気液混合装置１と同様である。本実施の形態２の気液混合装置１Ｂでは、液体が入口部３を通過する際に固定翼８によって入口部３の軸線を中心に旋回させられ、液体が旋回流となって縮径部４に流入する。縮径部４では、この液体の旋回流が加速される。この液体の旋回流の旋回方向は、気体導入部６から気液混合部５内に導入された気体の旋回方向と同じ方向である。このような構成により、本実施の形態２では、気液混合部５内の液流の旋回をより高速化することができるので、気液混合部５内で旋回する液流に誘引されるようにして気体通路６ａからの気体が気液混合部５内に導入されるという効果がより顕著に発揮されるため、実施の形態１と比べて吸気量を更に増大させることができ、気体溶解量および微細気泡生成量も更に増大させることができる。

図９は、入口部３内に設置された固定翼８の斜視図である。図９に示すように、本実施の形態２では、複数（図示の構成では２枚）の固定翼８が設けられており、各固定翼８は、流路（入口部３）の内壁に固定されている。このような固定翼８を液体が通過する時に液流がねじられて旋回流が形成される。固定翼８の上流側の端部は、液体の進行方向ＴＤと略並行に形成される。そして、固定翼８は、下流側に向かって進行方向ＴＤに略垂直な方向に立ち上がる円弧形状をなすように形成される。この円弧形状の弦角は小さいほど液体の進行方向ＴＤに対して急速な立ち上がり形状になるため、高速の旋回流速を形成することができる点で好ましい。その一方で、弦角が小さい翼形状では、圧力損失が高くなってしまい、また、流路の開口面積は小さくなるために毛髪などの異物が翼間に詰まりやすくなる。図示の構成では、２枚の固定翼８間に、異物が通過可能な隙間１０を設けていることにより、異物の詰まりを抑制することができる。

実施の形態３．
次に、図１０を参照して、本発明の実施の形態３について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図１０は、本発明の実施の形態３の気液混合装置を示す縦断面図である。

図１０に示す本実施の形態３の気液混合装置１Ｃは、実施の形態２の気液混合装置１Ｂと比べ、気体導入部６を複数備えること以外は同様である。気液混合装置１Ｃが備える複数の気体導入部６は、気液混合部５の周方向の異なる位置に繋がるように配置される。本実施の形態３の気液混合装置１Ｃによれば、気体導入部６を複数備えたことにより、実施の形態１に比べて、液体と気体との接触面積が増加するため、気体の溶解量が更に増大し、微細化される気体の量も更に増大する。複数の気体導入部６は、気液混合部５の周方向に沿って等角度間隔に配置しても良い。例えば、二つの気体導入部６を設ける場合には、気液混合部５の周方向に１８０°離れた位置に配置しても良い。図示の構成では、二つの気体導入部６を気液混合装置１Ｃに設けているが、三つ以上の気体導入部６を設けても良い。

また、複数の気体導入部６は、その開口面積が互いに異なっていても良い。その場合、好ましくは、気体が気液混合部５へ流入する流入面の負圧が高い位置に繋がる気体導入部６の開口面積を大きくし、流入面の負圧が小さい位置に繋がる気体導入部６の開口面積を小さくすると良い。このように、それぞれの流入面の負圧分布に合わせた開口面積とすることで、気体導入部６への液体の逆流をより確実に防ぐことができ、さらには、過剰な吸気を抑制し、導入気体量に対する溶解効率および気体微細化効率をより向上することができる。

本実施の形態３の気液混合装置１Ｃが備える複数の気体導入部６の各々は、実施の形態１と同様に、液体の進行方向ＴＤと同一方向の流速成分を持って気体が気液混合部５内に流入するように構成される。これにより、気液混合部５での気液の合流圧力損失を低減できるため、それぞれの気体導入部６から交互に脈動するように吸気される現象を抑制でき、すべての気体導入部６から安定して吸気を行うことができる。その結果、気体の溶解量を更に増大でき、微細化される気体の量も更に増大することができる。

以上説明した実施の形態１から３の気液混合装置によれば、気液の合流圧力損失を低減して気体導入部６から気体を効率良く気液混合部５に連続的に導入することができるため、特に、液体の流量が低流量である場合や、気液混合装置より下流側の流路の圧力損失が大きい場合などにおいても、気体導入部６からの自然吸気が可能となり、気体の溶解量を増大でき、微細化される気体の量も増大することができる。

実施の形態１から３の気液混合装置は、いずれも、気体を空気、液体を水とすることで、微細気泡発生装置として好適に用いることが可能である。また、本発明の気液混合装置は、微細気泡発生装置に限らず、例えば、工場の製造工程における部品洗浄装置や、生体活性化を目的とした溶存酸素富化装置などとしても好ましく用いることができる。

実施の形態４．
次に、図１１を参照して、本発明の実施の形態４について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図１１は、本発明の実施の形態４の風呂給湯装置を示す構成図である。

図１１に示すように、本実施の形態４の風呂給湯装置１５０は、熱源機としてのヒートポンプユニット１１０と、タンクユニット１２０とを備えている。ヒートポンプユニット１１０は、冷媒を圧縮する圧縮機１１と、放熱器に相当する沸き上げ用熱交換器１２と、膨張弁１３と、蒸発器１４と、これらを環状に接続する循環配管１５とによって構成された冷凍サイクル部１７を有している。冷凍サイクル部１７では、二酸化炭素等の冷媒が圧縮機１１で圧縮されて高温、高圧となった後に沸き上げ用熱交換器１２で放熱し、膨張弁１３で減圧され、蒸発器１４で吸熱してガス状態となって圧縮機１１に吸入される。冷媒として二酸化炭素を用いる場合、高圧側では該二酸化炭素の臨界圧を超える条件下で運転することが好ましい。

一方、タンクユニット１２０は、貯湯タンク２０、給水管路３０、貯湯用循環管路４０、タンク側循環管路５０、風呂側循環管路６０、追焚き用熱交換器７０、第１給湯管路７５、風呂側湯水混合弁８０ａ、一般側湯水混合弁８０ｂ、第２給湯管路９０、第３給湯管路９５等を有している。

貯湯タンク２０は、給水管路３０から供給される水を貯留すると共にヒートポンプユニット１１０で沸き上げられた湯を貯留する積層式のタンクである。この貯湯タンク２０の下部には、給水管路３０が接続される水導入口２０ａと、貯湯用循環管路４０の往き管４０ａが接続される水導出口２０ｂとが設けられている。貯湯タンク２０の上部には、貯湯用循環管路４０の戻り管４０ｂが接続される温水導入口２０ｃと、第１給湯管路７５が接続される温水導出口２０ｄとが設けられている。貯湯タンク２０は、給水管路３０からの給水により常に満水状態に保たれる。

図示を省略しているが、貯湯タンク２０の上部には、貯湯タンク２０からタンク側循環管路５０、第１給湯管路７５に流入する湯の温度を検出するための温度センサが取り付けられている。また、貯湯タンク２０の周面部には、貯湯タンク２０内の湯水の温度を検出するための複数の温度センサが互いに異なる取付け高さをもって取り付けられている。

給水管路３０は、市水等の水を貯湯タンク２０、風呂側湯水混合弁８０ａ、一般側湯水混合弁８０ｂ、および一般給湯先１８０に供給する管路であり、減圧弁２５と第１〜第３給水管部３０ａ〜３０ｃとを有している。減圧弁２５は、第１給水管部３０ａの途中に設けられて、水道等の水源からの水圧を所定値に減じる。第１給水管部３０ａは、水源と貯湯タンク２０の水導入口２０ａとを繋ぎ、第２給水管部３０ｂは、減圧弁２５で第１給水管部３０ａから分岐して該第１給水管部３０ａと風呂側湯水混合弁８０ａ、一般側湯水混合弁８０ｂとを繋ぎ、第３給水管部３０ｃは、減圧弁２５の上流側で第１給水管部３０ａから分岐して該第１給水管部３０ａと一般給湯先１８０とを繋ぐ。図示を省略しているが、第２給水管部３０ｂには、該第２給水管部３０ｂ内の水の温度を検出するための温度センサが設けられている。

一般給湯先１８０とは、使用者が手で直接操作して開栓する（センサを感応させて開栓する場合を含む）給湯先であり、例えば、洗面台や流し台の蛇口、浴室のシャワー等である。

貯湯用循環管路４０は、貯湯タンク２０下部の水導出口２０ｂからヒートポンプユニット１１０の沸き上げ用熱交換器１２を経由して貯湯タンク２０上部の温水導入口２０ｃに達する管路であり、貯湯用送水ポンプ３３および電動式の三方弁３５が設けられた往き管４０ａと、戻り管４０ｂと、三方弁３５で往き管４０ａから分岐したバイパス管４０ｃとを有している。上記の往き管４０ａは水導出口２０ｂと沸き上げ用熱交換器１２とを繋ぎ、戻り管４０ｂは沸き上げ用熱交換器１２と温水導入口２０ｃとを繋ぎ、バイパス管４０ｃは三方弁３５と戻り管４０ｂとを繋ぐ。

タンク側循環管路５０は、貯湯タンク２０上部の温水導出口２０ｄから追焚き用熱交換器７０を経由して貯湯タンク２０下部に達する管路であり、往き管５０ａと、タンク側送水ポンプ４５が設けられた戻り管５０ｂとを有している。往き管５０ａは温水導出口２０ｄと追焚き用熱交換器７０上部の温水導入口７０ａとを繋ぎ、戻り管５０ｂは追焚き用熱交換器７０下部の温水導出口７０ｂと貯湯タンク２０の下部とを繋ぐ。

風呂側循環管路６０（風呂循環路）は、浴槽１７０から追焚き用熱交換器７０を経由して浴槽１７０に戻る管路であり、往き管６０ａおよび戻り管６０ｂを有している。往き管６０ａは浴槽１７０と追焚き用熱交換器７０下部の浴水導入口７０ｃとを繋ぎ、戻り管６０ｂは追焚き用熱交換器７０上部の浴水導出口７０ｄと浴槽１７０とを繋ぐ。往き管６０ａには、追焚き用熱交換器７０側から上流側（浴槽１７０側）に向かって、フロースイッチ５３、水位センサ５５、および風呂側送水ポンプ５７がこの順番で設けられている。また、図示を省略しているが、当該往き管６０ａには、該往き管６０ａ内の湯水の温度を検出するための温度センサも設けられている。

フロースイッチ５３は、往き管６０ａでの水流の有無を検出する。水位センサ５５は、該水位センサ５５の取付け位置を基準にした往き管６０ａ内の水圧から浴槽１７０での浴水の水位を検出する。風呂側送水ポンプ５７は、浴槽１７０内から浴水を導出して風呂側循環管路６０に循環させ、浴槽１７０内に戻す。そして、図示を省略した上記の温度センサは、往き管６０ａ内の浴水の温度を検出する。往き管６０ａおよび戻り管６０ｂと、浴槽１７０との連結部には、浴槽アダプタ１６５が設けられている。

浴槽アダプタ１６５内には、往き管６０ａと戻り管６０ｂとが接続できるように２つの配管接続部が備えられている。浴槽アダプタ１６５と戻り管６０ｂとの接続部の付近の戻り管６０ｂの途中には、本発明の気液混合装置が第一の微細気泡発生装置１Ｄとして配置されている。第一の微細気泡発生装置１Ｄの構成としては、例えば、前述した実施の形態１から３のいずれかの気液混合装置を適用することができる。第一の微細気泡発生装置１Ｄが備える気体導入部６に連通する吸気部には、開閉可能な電磁弁６１が設けられている。

往き管６０ａの下流端付近（追焚き用熱交換器７０の浴水導入口７０ｃと、フロースイッチ５３との間）には、第二の微細気泡発生装置５４が配置されている。第二の微細気泡発生装置５４の吸気部には、開閉可能な電磁弁５６が設けられている。風呂側湯水混合弁８０ａと往き管６０ａとを接続する第２給湯管路９０の途中には、第三の微細気泡発生装置５８が配置されている。第三の微細気泡発生装置５８の吸気部には、開閉可能な電磁弁５９が設けられている。第二の微細気泡発生装置５４および第三の微細気泡発生装置５８は、本発明の気液混合装置で構成されていなくても良いが、自然吸気方式の微細気泡発生装置で構成されている。

風呂給湯装置１５０は、制御部１００と、浴室や台所の壁等に設置されるリモコン装置１０１とを更に備えている。使用者は、リモコン装置１０１にて、給湯温度の設定や各種運転モードの設定等を行うことができる。制御部１００は、上述した各センサで検出された情報、および、リモコン装置１０１から送信された情報に基づいて、ヒートポンプユニット１１０、貯湯用送水ポンプ３３、三方弁３５、タンク側送水ポンプ４５、風呂側送水ポンプ５７、風呂側湯水混合弁８０ａ、一般側湯水混合弁８０ｂ、電磁弁６１，５６，５９を制御することにより、風呂給湯装置１５０の各種の動作制御を行う。

浴槽１７０に給湯する場合には、貯湯タンク２０から供給される高温の湯と給水管路３０から供給される水とが風呂側湯水混合弁８０ａにて設定温度となるように混合され、その混合された湯が第２給湯管路９０、風呂側循環管路６０を通って送られ、浴槽アダプタ１６５を介して浴槽１７０内に供給される。

一般給湯先１８０に給湯する場合には、貯湯タンク２０から供給される高温の湯と給水管路３０から供給される水とが一般側湯水混合弁８０ｂにて設定温度となるように混合され、その混合された湯が第３給湯管路９５を通って送られて一般給湯先１８０に供給される。

浴槽１７０内の浴水を保温または昇温する追焚き運転時には、タンク側送水ポンプ４５および風呂側送水ポンプ５７が駆動される。これにより、浴槽１７０から浴槽アダプタ１６５を通って往き管６０ａに吸入された浴水が追焚き用熱交換器７０に送られ、貯湯タンク２０からはタンク側循環管路５０により高温の湯が追焚き用熱交換器７０に供給され、追焚き用熱交換器７０にて浴水が加熱される。この加熱された浴水は、戻り管６０ｂを通って浴槽１７０へ戻り、浴槽アダプタ１６５から浴槽１７０内に流入する。この際、第一の微細気泡発生装置１Ｄの電磁弁６１を開くことにより、第一の微細気泡発生装置１Ｄにて空気を浴水中に混合し、大量の微細気泡を発生させて浴槽１７０内に供給することができる。風呂側送水ポンプ５７を継続して駆動することにより、第一の微細気泡発生装置１Ｄにて連続して微細気泡を発生することができるため、浴槽１７０内の微細気泡濃度を増大化することができる。この際、タンク側送水ポンプ４５を駆動せずに風呂側送水ポンプ５７のみを駆動し、追焚き運転を伴わずに第一の微細気泡発生装置１Ｄから浴槽１７０内に微細気泡を供給する運転のみを行っても良い。

また、風呂給湯装置１５０は、入浴後に浴槽１７０内の浴水を排水するときには、第二の微細気泡発生装置５４の電磁弁５６を開き、風呂側送水ポンプ５７を駆動することにより、第二の微細気泡発生装置５４にて発生した微細気泡を追焚き用熱交換器７０および戻り管６０ｂ内に供給し、これらの内部の皮脂汚れを洗浄除去する機能を有している。このような構成の場合に、風呂側循環管路６０において第二の微細気泡発生装置５４の下流側に位置する第一の微細気泡発生装置１Ｄの圧力損失が仮に大きいとすると、第二の微細気泡発生装置５４内で負圧が形成されにくくなり、第二の微細気泡発生装置５４の自然吸気が困難となるという問題がある。これに対し、本発明の気液混合装置で構成された第一の微細気泡発生装置１Ｄは、圧力損失が低いという特長を有しているため、第二の微細気泡発生装置５４内で負圧が形成されにくくなることがなく、第二の微細気泡発生装置５４の自然吸気を良好に行うことができる。

また、風呂給湯装置１５０は、入浴後に浴槽１７０内の浴水を排水するときには、第２給湯管路９０から注水しながら第三の微細気泡発生装置５８の電磁弁５９を開くことにより、第三の微細気泡発生装置５８にて発生した微細気泡を往き管６０ａ内に供給し、その内部の皮脂汚れを洗浄除去する機能を有している。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 気液混合装置、１Ｄ 第一の微細気泡発生装置、２ リング部、３ 入口部、４ 縮径部、４ａ 最小内径部、５ 気液混合部、５ａ 上流端、６ 気体導入部、６ａ 気体通路、６ｂ 内壁、７ 拡径部、８ 固定翼、１０ 隙間、１１ 圧縮機、１２ 沸き上げ用熱交換器、１３ 膨張弁、１４ 蒸発器、１５ 循環配管、１６ 気体導入部、１６ａ 気体通路、１７ 冷凍サイクル部、２０ 貯湯タンク、２０ａ 水導入口、２０ｂ 水導出口、２０ｃ 温水導入口、２０ｄ 温水導出口、２５ 減圧弁、３０ 給水管路、３０ａ 第１給水管部、３０ｂ 第２給水管部、３０ｃ 第３給水管部、３３ 貯湯用送水ポンプ、３５ 三方弁、４０ 貯湯用循環管路、４０ａ 往き管、４０ｂ 戻り管、４０ｃ バイパス管、４５ タンク側送水ポンプ、５０ タンク側循環管路、５０ａ 往き管、５０ｂ 戻り管、５３ フロースイッチ、５４ 第二の微細気泡発生装置、５５ 水位センサ、５６ 電磁弁、５７ 風呂側送水ポンプ、５８ 第三の微細気泡発生装置、５９ 電磁弁、６０ 風呂側循環管路、６０ａ 往き管、６０ｂ 戻り管、６１ 電磁弁、７０ 追焚き用熱交換器、７０ａ 温水導入口、７０ｂ 温水導出口、７０ｃ 浴水導入口、７０ｄ 浴水導出口、７５ 第１給湯管路、８０ａ 風呂側湯水混合弁、８０ｂ 一般側湯水混合弁、９０ 第２給湯管路、９５ 第３給湯管路、１００ 制御部、１０１ リモコン装置、１１０ ヒートポンプユニット、１２０ タンクユニット、１５０ 風呂給湯装置、１６５ 浴槽アダプタ、１７０ 浴槽、１８０ 一般給湯先

本発明に係る気液混合装置は、液体の流路に設けられ、気体を液体中に導入して混合させる気液混合装置であって、液体の進行方向に向かって内径が縮小する縮径部と、縮径部の下流側に、縮径部に対し同心的に設けられ、縮径部の最小内径より大きい内径を有する気液混合部と、縮径部の内周面の下流端から外周側に広がって気液混合部の内周面の上流端に繋がるリング部と、気液混合部の内部に連通する気体通路を有し、該気体通路を通して気液混合部の内部に気体を導入する気体導入部と、縮径部の内部に液体の旋回流を形成する旋回流生成手段と、を備え、リング部は、縮径部の下流端よりも下流位置で気液混合部の内周面と繋がり、縮径部の下流端と気液混合部の上流端との間で旋回流がリング部の内壁面に沿って流れるものである。

本発明に係る気液混合装置は、液体の流路に設けられ、気体を液体中に導入して混合させる気液混合装置であって、液体の進行方向に向かって内径が縮小する縮径部と、縮径部の下流側に、縮径部に対し同心的に設けられ、縮径部の最小内径より大きい内径を有し、当該内径が進行方向に沿って一定である気液混合部と、縮径部の内周面の下流端から外周側に広がって気液混合部の内周面の上流端に段差なく繋がるリング部と、気液混合部の内部に連通する気体通路を有し、該気体通路を通して気液混合部の内部に気体を導入する気体導入部と、縮径部の内部に液体の旋回流を形成する旋回流生成手段と、を備え、リング部は、縮径部の下流端よりも下流位置で気液混合部の内周面と繋がり、縮径部の下流端と気液混合部の上流端との間で旋回流がリング部の内壁面に沿って流れるものである。

Claims (14)

1. 液体の流路に設けられ、気体を前記液体中に導入して混合させる気液混合装置であって、
   液体の進行方向に向かって内径が縮小する縮径部と、
   前記縮径部の下流側に、前記縮径部に対し同心的に設けられ、前記縮径部の最小内径より大きい内径を有する気液混合部と、
   前記縮径部の内周面の下流端から外周側に広がって前記気液混合部の内周面の上流端に繋がるリング部と、
   前記気液混合部の内部に連通する気体通路を有し、該気体通路を通して前記気液混合部の内部に前記気体を導入する気体導入部と、
   を備え、
   前記リング部は、前記縮径部の下流端よりも下流位置で前記気液混合部の内周面と繋がる気液混合装置。
2. 前記気体導入部から流入した前記気体が前記気液混合部の内周面に沿って旋回し、当該気体の旋回流の内周と前記縮径部から流入した前記液体とが接触する請求項１に記載の気液混合装置。
3. 前記リング部と前記気液混合部の繋がる部位の成す角は、１５°〜６０°である請求項１または請求項２に記載の気液混合装置。
4. 前記気体導入部は、前記気体が、前記気液混合部の内周面の接線方向に沿い、かつ前記進行方向と同一方向の流速成分を持って、前記気液混合部の内部に流入するように設けられている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の気液混合装置。
5. 前記縮径部の内部に前記液体の旋回流を形成する旋回流生成手段を備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の気液混合装置。
6. 前記気体導入部から流入した前記気体が前記気液混合部の内周面に沿って旋回し、その旋回方向は、前記旋回流生成手段により形成される前記液体の旋回流の旋回方向と同じ方向である請求項５に記載の気液混合装置。
7. 前記気体導入部を複数備え、
   前記複数の前記気体導入部は、前記気液混合部の周方向の異なる位置に繋がっている請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の気液混合装置。
8. 空気を前記気体として導入することにより前記液体中に微細気泡を発生可能である請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の気液混合装置。
9. 前記気体通路の長手方向と、前記進行方向とが鋭角をなす請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の気液混合装置。
10. 前記気液混合部の内径は、前記進行方向に沿って一定である請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の気液混合装置。
11. 前記気体通路を前記進行方向に沿って測った長さは、前記進行方向と直交する断面において前記気体通路の出口となる開口の大きさを前記気液混合部の内径に等しい直径の円に沿って測った円弧の長さより短い請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の気液混合装置。
12. 前記進行方向と直交する断面において前記気体通路の出口となる開口の大きさを前記気液混合部の内径に等しい直径の円に沿って測った円弧の長さは、当該円の円周の１／４以下の長さである請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の気液混合装置。
13. 前記気体通路は、前記気液混合部の上流端付近に連通している請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の気液混合装置。
14. 浴槽内から導出された湯水を循環させて前記浴槽内に戻す風呂循環路と、
    前記風呂循環路内の湯水を循環させる循環ポンプと、
    前記風呂循環路の途中に設けられた請求項１乃至１３のいずれか１項記載の気液混合装置と、
    を備える風呂給湯装置。

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