JP2017113687A - 気液混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、溶解効率の高い気液混合装置を提供する。【解決手段】気液混合装置１０は、液体１４０が貯留された容器１００と、容器１００の底部１２０から液体１４０内に気泡３３２として気体３３０を供給する気体供給部３００と、液体１４０内の底部１２０近傍で回転することにより、底部１２０との間にある気泡３３２を剪断して微細化することにより微細気泡を形成する回転板２１０と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、気液混合装置に関する。

従来より、液体中に気体を効率よく混合させるための気液混合装置が提供されている（例えば、特許文献１〜３）。特許文献１には、気体溶解装置において気体の溶解効率を向上させることができる気体溶解器が開示されている。該気体溶解器は、気液混合流体吐出筒によって気液を効率よく混合させ、気液混合流体噴出口によって極小気泡含有流体を生成する。そして、外郭ケーシングの内周部と内郭ケーシングの外周部と螺旋状に配設された整流器とから構成される気体溶解流路で遠心力を有した旋回流を発生させることにより、単純な筒状の流路よりも多くの抵抗を液体に与えて効率良く気体を溶解させている。

特許文献２には、噴霧システムにおいて水に空気を混合させるミキサー・エレメントが開示されている。このミキサー・エレメントは一対のジェット孔を備え、該一対のジェット孔から噴射される水同士を衝突空間内で流出方向に１８０度以下のなす角度を持って衝突させて流体出口から排出させる。さらに、ミキサー・エレメントは衝突空間の背後に空気を吸引する吸引孔を備え、一対のジェット孔から噴射される水同士の衝突により衝突空間の背後に生じる負圧を利用して吸引孔から空気を吸引し、当該衝突空間内で水と空気を衝突させて混合する。

特許文献３には、被処理水に含まれる処理対象物質を迅速かつ高性能に分解処理することができ、さらに処理ユニットの単純化を図った経済的な水処理装置が開示されている。該水処理装置においては、オゾンガス溶解手段（渦流ポンプ）を用いて被処理水にオゾンガスを溶解させている。

特開２０１３−２３７０３５号公報 特開２０１２−１８７４６４号公報 特開２００４−２４９２７７号公報

特許文献１に開示された気体溶解器においては、気体溶解器へ液体を送り込むための送圧手段としてポンプを使用しているので、気体溶解装置全体の構造が複雑になると共に消費電力が大きくなってしまう。また、特許文献２に開示されたミキサー・エレメントにおいては、ジェット孔から水を加圧して噴射するための加圧手段として循環ポンプを使用しているので、噴霧システム全体の消費電力が大きくなってしまう。さらに、特許文献３に開示された水処理装置においては、オゾンガスを被処理水に溶解させるために渦流ポンプを用いており、装置の構造が複雑になると共に消費電力が大きくなってしまう。

このように、簡単な構造で、溶解効率の高い気液混合装置が求められている。

本発明に係る気液混合装置の実施形態の１つは、液体が貯留された容器と、前記容器の底部から前記液体内に気泡として気体を供給する気体供給部と、前記液体内の前記底部の近傍で回転することにより、前記底部との間にある前記気泡を剪断して微細化することにより微細気泡を形成する回転板と、を備えている。

この気液混合装置は、上述のような簡単な構成で、気泡を回転板で剪断して微細気泡にすることができる。これにより、気泡を液体に溶解するときと比較して微細気泡は液体に溶解しやすくなり、液体への気体の溶解量が増加して、溶解効率を向上させることができる。

気液混合装置の実施形態の１つにおいて、前記回転板は、前記底部と対向する側の面に前記微細気泡を形成するための溝部を有する。

このように、回転板が溝部を有していれば、該溝部によって気泡を剪断して微細気泡を形成することができる。これにより液体への気体の溶解量が増加して、溶解効率を向上させることができる。

気液混合装置の実施形態の１つは、前記回転板と前記底部との間の距離を変更可能である。

このような構成とすれば、液体の粘度や気体の噴出圧力を原因として回転板が所定の回転数で回転しない場合であっても、回転板と底部との距離を変更することにより、所定の回転数で回転板を回転させることが可能となる。

第１実施形態に係る気液混合装置の構成を表す概略図である。 第１実施形態に係る気液混合装置の構成を表す縦断面図である。 第２実施形態に係る気液混合装置の構成を表す縦断面図である。 第３実施形態に係る気液混合装置の構成を表す縦断面図である。 第４実施形態に係る気液混合装置の第４回転板の構造を表す斜視図である。 第４実施形態の変形例に係る気液混合装置の第４回転板の構造を表す底面図である。

以下、本発明の実施形態に係る気液混合装置について、図面を用いて詳細に説明する。

１．第１実施形態
〔気液混合装置の構成〕
図１、図２に示すように、本発明の第１実施形態に係る気液混合装置１０は、容器１００と、気体剪断部２００と、気体供給部３００とからなる。気液混合装置１０は、容器１００に貯留された液体１４０内に気体供給部３００から気体３３０を供給し、液体１４０内に噴出した気体３３０の気泡３３２を気体剪断部２００で剪断することで気泡３３２を微細化して微細気泡３３４を形成し、微細気泡３３４（及び気泡３３２）を液体１４０に溶解させる装置である。以下の説明において用いる上下方向とは、図２における上下方向を意味するものとする。

容器１００は鉄若しくはアルミ等の金属又は樹脂からなる有底円筒形状を有している。容器１００の底部１２０の中央部には円形状の開口１２２が形成されている。容器１００に貯留される液体１４０は、水や有機溶剤、無機溶剤など種類を問わない。

気体供給部３００は、液体１４０に溶解させる気体３３０を貯留している気体供給源３２０と、気体供給源３２０の気体３３０を容器１００内の液体１４０に向けて圧送するポンプ３４０と、圧送された気体３３０を流通させる供給管３６０と、供給管３６０の端部近傍に設けられた逆止弁３８０とを有する。供給管３６０の端部は容器１００の開口１２２に接続され、供給管３６０を流通した気体３３０が底部１２０から容器１００内の液体１４０に供給される。気体３３０の種類は、空気、窒素、二酸化炭素等、溶解の目的に応じて必要な気体が使用され、特定の気体に限定されるものではない。

気体３３０が液体１４０に供給されているときは、気体３３０の噴出圧力により液体１４０が供給管３６０に浸入することはない。また、気体３３０が供給されていないときであっても、逆止弁３８０の作用により、液体１４０は供給管３６０に浸入しない。

気体剪断部２００は、第１回転板２１０と、第１回転板２１０に一方端部が接続され、第１回転板２１０の回転軸心Ｘと同軸心の軸部２０２と、軸部２０２の他方端部が接続された駆動部２０４とを有する。第１回転板２１０は回転板の一例である。

第１回転板２１０は鉄若しくはアルミ等の金属又は樹脂からなる円板状であり、その中心に軸部２０２が接合されている。第１回転板２１０には、軸部２０２と平行な貫通孔である第１孔部２１２が多数形成されている。そして、第１回転板２１０の表面（軸部２０２が接合されている側）には、液体１４０を撹拌し、液体１４０への気体３３０の溶解量を高めるためのフィン２１４が形成されている。第１回転板２１０と容器１００の底部１２０との間の回転軸心Ｘの方向に沿う距離である間隙Ｙ（図２参照）は、第１回転板２１０が所定の回転数で回転する範囲内で可能な限り小さい方が好ましい。以下、液体１４０のうち、第１回転板２１０と液面との間にある部分を上部分１４２、第１回転板２１０と底部１２０との間にある部分を下部分１４４と称する（図１参照）。

本実施形態においては、図２に示すように、第１回転板２１０の外周縁と容器１００の内周面との間の径方向の間隙Ｚは、第１孔部２１２の内径よりも小さくなるよう構成されている。間隙Ｚが第１孔部２１２の内径よりも大きいと、液体１４０の下部分１４４にある剪断されていない気泡３３２が間隙Ｚを通り抜けて上部分１４２に到達して液面に向けて上昇し、液体１４０にほとんど溶解することなく液体１４０の液面から気体３３０として空気中に放出される。気泡３３２が液体１４０内を液面に向けて上昇するのは、液体１４０の密度より気体３３０の密度の方が小さいからである。また、気泡３３２のような体積の大きい１つの気泡３３２の表面積（液体１４０に触れる面積）は、合計体積が同じである複数の微細気泡３３４の合計表面積よりも小さいので、気泡３３２は微細気泡３３４に比べて液体１４０に溶解しにくい。このように、間隙Ｚが大きいと、液体１４０に対する気体３３０の溶解量が低下して溶解効率が低下するため、間隙Ｚは第１孔部２１２の内径よりも小さくなるよう構成される必要がある。

図１に示すように、軸部２０２の第１回転板２１０が接合された側と反対側の端部は、駆動部２０４に接続されている。駆動部２０４は、軸部２０２を介して、第１回転板２１０に回転駆動力と回転軸心Ｘの方向に沿って動く直線駆動力を付与する。第１回転板２１０の回転数は、常時、駆動部２０４から制御部４００に出力されている。そして、制御部４００は、液体１４０の粘度や気体３３０の噴出圧力（ポンプ３４０の吐出圧力）を原因として第１回転板２１０が所定の回転数で回転していないと判断した場合には、制御部４００は駆動部２０４を制御して、第１回転板２１０に直線駆動力を付与して回転軸心Ｘの方向に沿って移動させ、所定の回転数で回転する位置で停止させる。すなわち、間隙Ｙの長さを変更する。これにより、第１回転板２１０は、常に所定の回転数で回転することが可能となる。駆動部２０４の構成はモータやソレノイド、エアシリンダ等、公知の構造を使用することができるので、詳細な説明は省略する。

〔気液混合装置の動作〕
次に、気液混合装置１０の動作について説明する。容器１００に液体１４０を投入し、不図示の電源スイッチにより駆動部２０４を作動させる。これにより第１回転板２１０は回転軸心Ｘを中心に回転を開始する。制御部４００は、第１回転板２１０の回転数が所定の回転数に到達したと判断したら、気体供給部３００のポンプ３４０を作動させつつ気体供給源３２０から供給管３６０内に気体３３０を吐出させる。気体３３０はポンプ３４０の吐出圧力により圧送されて供給管３６０内を流通し、容器１００の底部１２０の開口１２２から液体１４０の下部分１４４に供給されて気泡３３２となる。

液体１４０に供給された気泡３３２は下部分１４４内を上昇して液面に向かおうとするが、第１回転板２１０があるので気泡３３２はそのままでは上昇することができない。気泡３３２が第１回転板２１０を通り抜けて上昇するには、第１孔部２１２か間隙Ｚを通り抜けるしかない。第１孔部２１２は個数が多いものの気泡３３２の大きさに対して内径が非常に小さい。そのため、第１回転板２１０の裏面に当接した気泡３３２は、第１孔部２１２と対向したときに、気泡３３２の一部だけが第１孔部２１２に入り込む。第１回転板２１０は回転しているので、第１孔部２１２と気泡３３２が対向する時間は非常に短く、気泡３３２のうち第１孔部２１２に入り込んだ部分は、第１孔部２１２に入り込んでいない部分から剪断されて、非常に小さな気泡３３２である微細気泡３３４になる。そして、微細気泡３３４は第１孔部２１２を通り抜けて上部分１４２に入り、液体１４０の液面に向かって上昇する。

上述したように、第１回転板２１０はフィン２１４を有しており、回転により液体１４０を撹拌している。また、微細気泡３３４は体積が小さいので、多くの微細気泡３３４は液面に到達する前に液体１４０に溶解する。

このように、気液混合装置１０は、気体３３０を気泡３３２として容器１００の底部１２０から供給して、第１回転板２１０の第１孔部２１２で剪断して微細気泡３３４を形成するという簡単な構造を有している。気泡３３２を微細化することにより微細気泡３３４は液体１４０に溶解しやすくなり、その結果、液体１４０への気体３３０の溶解量が増加して、溶解効率が向上する。

本実施形態においては、第１回転板２１０の外周縁と容器１００の内周面との間の径方向の間隙Ｚは第１孔部２１２の内径よりも小さくなるよう構成されているが、この構成に限られるものではない。間隙Ｚが第１孔部２１２の内径よりも小さくても第１回転板２１０は円形状であり、しかも間隙Ｚは全周に均一に形成されているので、気泡３３２は間隙Ｚで剪断されにくい。そのため、下部分１４４にある気泡３３２のいくつかは、剪断されずに間隙Ｚを通って上部分１４２に到達するおそれがある。

上述したように微細化されていない気泡３３２は液体１４０に溶解しにくい。溶解度の低下を防ぐために、第１回転板２１０の外周縁全体に環状のゴムシールを装着し、ゴムシールの最外周が容器１００の内周面に当接するように構成してもよい。このような構成にすれば、第１回転板２１０の回転時の抵抗は増えるものの間隙Ｚはゼロとなり、下部分１４４の気泡３３２が剪断されずに間隙Ｚを通り抜けて上部分１４２に到達するおそれはなくなる。これにより、全ての気泡３３２が第１孔部２１２を通って上部分１４２に到達するので、上部分１４２では全ての気泡３３２が微細気泡３３４となる。従って、微細気泡３３４は液体１４０に溶解しやすくなり、気体３３０の溶解量が増加して、溶解効率が向上する。

２．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態に係る気液混合装置２０について図面を用いて説明する。以後の実施形態においては、気体剪断部２００の構成のみ異なり、他の構成は第１実施形態と同じであるため、同じ構成の箇所には同じ符号を付し、同様の構成に関する説明は省略する。また、同様の構成である一部の図示も省略する（図５、図６）。

本実施形態においては、フィン２１４が第１回転板２１０の表面ではなく裏面に取り付けられており、フィン２１４の先端が容器１００の底部１２０に当接するよう構成されている。このような構成であれば、液体１４０の下部分１４４にある気泡３３２をフィン２１４が剪断して小さな気泡３３２にするため、第１孔部２１２で微細気泡３３４を作りやすくなる。

従って、気液混合装置２０においては、下部分１４４にある気泡３３２が剪断されて第１孔部２１２を通りやすくなるので、気泡３３２が下部分１４４に滞留しにくくなり、単位時間当たりの液体１４０への気体３３０の供給量を増やすことができる。従って、液体１４０への気体３３０の溶解量が増加して、溶解効率が向上する。

本実施形態においては、第１回転板２１０の裏面にのみフィン２１４を形成したがこれに限られるものではない。第１実施形態と同様に、第１回転板２１０の裏面に加えて表面にもフィン２１４を形成してもよい。

３．第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態に係る気液混合装置３０について図面を用いて説明する。本実施形態においては、気体剪断部２００を構成する回転板が３枚になっている点が第１実施形態とは異なる。気液混合装置３０においては、底部１２０に近い側から順に第１回転板２１０、第２回転板２２０、第３回転板２３０が同外径、且つ、同軸心となるように間隔を開けて軸部２０２に取り付けられている。そして、第１回転板２１０に開けられている多数の第１孔部２１２と同様に、第２回転板２２０には多数の第２孔部２２２が、第３回転板２３０には多数の第３孔部２３２が、それぞれ形成されている。第１孔部２１２の内径が最も大きく、そして第２孔部２２２、第３孔部２３２の順に孔の内径が小さくなっている。なお、第２回転板２２０、第３回転板２３０はいずれも回転板の一例である。

このような構成であれば、気泡３３２は第１孔部２１２、第２孔部２２２、第３孔部２３２の３種類の孔で気泡３３２を徐々に微細化して微細気泡３３４を作ることができるので、第１孔部２１２の内径を第１実施形態における第１孔部２１２の内径よりも大きくすることができる。これにより、下部分１４４にある気泡３３２が剪断されて第１孔部２１２を通りやすくなるので、気泡３３２が下部分１４４に滞留しにくくなり、単位時間当たりの液体１４０への気体３３０の供給量を増やすことができる。

また、気液混合装置３０においては、気泡３３２は液面に到達するまでに第１回転板２１０〜第３回転板２３０を通るので、液面までの到達時間が第１実施形態の気液混合装置１０と比較して長くなる。すなわち、気泡３３２が液体１４０内に滞留する時間が長くなるので、より多くの気泡３３２又は微細気泡３３４が液体１４０に溶解する。この結果、液体１４０への気体３３０の溶解量が増加して、溶解効率が向上する。

本実施形態においては、第１孔部２１２、第２孔部２２２、第３孔部２３２の順に孔の内径が小さくなっていったがこれに限られるものではない。第１孔部２１２、第２孔部２２２、第３孔部２３２のうち任意の２つ又は全ての孔部が同じ内径を有する構造であってもよい。この場合、微細気泡３３４の液面までの到達時間はさらに長くなる。

本実施形態においては、第１回転板２１０〜第３回転板２３０にはいずれもフィン２１４を設けていないが、第１回転板２１０〜第３回転板２３０のうち任意の１枚又は複数枚の回転板にフィン２１４を設ける構造にしてもよい。ただし、フィン２１４の数を多くすると、攪拌により液体１４０への気体３３０の溶解量が増加する一方、回転板の回転時の抵抗の増加により消費電力が増加するので、双方のバランスを考慮してフィン２１４の枚数を決める必要がある。

４．第４実施形態
次に、本発明の第４実施形態に係る気液混合装置４０について図面を用いて説明する。本実施形態において、気体剪断部２００を構成する第４回転板２４０は孔部を有しておらず、その代わりに裏面に溝部２４２〜溝部２５０が形成されている点で第１実施形態とは異なる。第４回転板２４０は回転板の一例である。

図５に示すように、本実施形態の第４回転板２４０の裏面には、回転軸心Ｘと同軸心の環状の溝部２４４、２４８が形成され、溝部２４４より径方向内側には複数個の溝部２４２が形成され、溝部２４４と溝部２４８の間には複数個の溝部２４６が形成され、溝部２４８より径方向外側には複数個の溝部２５０が形成されている。

溝部２４２〜溝部２５０は互いに連通している。気液混合装置４０において、溝部２４２〜溝部２５０の各溝部の溝幅と溝深さは同じであり、径方向に延在する溝部２４２と溝部２４６、溝部２４６と溝部２５０はいずれも一直線状に形成されないよう、互いに周方向でずれた位置に形成されている。また、第４回転板２４０の表面には不図示のフィンが形成されている。

このような構成であれば、液体１４０の下部分１４４にある気泡３３２が第４回転板２４０に当接して、その一部が溝部２４２〜溝部２５０に入り込むと、気泡３３２の一部が剪断されて微細気泡３３４が形成される。そして微細気泡３３４は第４回転板２４０の回転の遠心力により溝部２４２〜溝部２５０内を通って、径外方向へと移動し、最終的には第４回転板２４０の周縁から外方に放出される。放出された微細気泡３３４は、間隙Ｚ（図２参照）を通り抜けて上部分１４２に到達して液面に向けて上昇する。そして、上昇中に、微細気泡３３４（気体３３０）はフィン（不図示）により攪拌されている液体１４０に溶解する。このように、孔部ではなく溝部を形成した第４回転板２４０を用いた場合であっても、微細気泡３３４を形成することができ、これにより液体１４０への気体３３０の溶解量が増加して、溶解効率が向上する。

５．第４実施形態の変形例
本実施形態においては、溝部２４２〜溝部２５０の溝幅は同じであったがこれに限られるものではない。図６に示すように、溝部２４２から径外方向に向かうにつれて溝幅が狭くなる構成としてもよい。このような構成とすれば、気泡３３２が噴出される開口１２２の直上に溝幅の広い溝部２４２があるので、下部分１４４にある気泡３３２が溝部２４２により容易に剪断される。そして、第４回転板２４０の回転の遠心力により溝部２４２〜溝部２５０に向かうにつれて、溝幅の狭小化により少しずつ剪断されて微細化し、溝部２５０に到達するときには微細気泡３３４となっている。微細気泡３３４は第４回転板２４０の周縁から外方に放出される。このような構成であれば、気泡３３２が下部分１４４に滞留しにくくなり、単位時間当たりの気体３３０の供給量を増やすことができる。

上記の各構成は可能な限り組み合わせることができる。

本発明は、気液混合装置に利用することが可能である。

１０、２０、３０、４０ 気液混合装置
１００ 容器
１２０ 底部
１４０ 液体
２１０ 第１回転板（回転板）
２２０ 第２回転板（回転板）
２３０ 第３回転板（回転板）
２４０ 第４回転板（回転板）
２４２、２４４、２４６、２４８、２５０ 溝部
３００ 気体供給部
３３０ 気体
３３２ 気泡
３３４ 微細気泡

Claims (3)

1. 液体が貯留された容器と、
   前記容器の底部から前記液体内に気泡として気体を供給する気体供給部と、
   前記液体内の前記底部の近傍で回転することにより、前記底部との間にある前記気泡を剪断して微細化することにより微細気泡を形成する回転板と、を備えた気液混合装置。
2. 前記回転板は、前記底部と対向する側の面に前記微細気泡を形成するための溝部を有する、請求項１に記載の気液混合装置。
3. 前記回転板と前記底部との間の距離を変更可能である、請求項１又は２に記載の気液混合装置。
   

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