JP2020179335A - 気体溶解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液面センサの誤作動を防止するとともに、タンク内の液面高さを正確に検知することができる気体溶解装置を提供する。【解決手段】タンクと、液体を送出するポンプと、該ポンプの吐出口と前記タンクとを連結する導管と、該導管からの流体を前記タンク内で噴出する噴出器とからなる気体溶解装置であって、タンクの外側に、タンク内の液面高さを検知するための液面センサユニットを具備する、気体溶解装置。【選択図】図１

Description

本発明は、液体に気体を溶解させる気体溶解装置に関する。特に、本発明は、水槽やプール、河川、湖沼、ダム等の水中、又は養殖池や沿岸の養殖場もしくは鮮魚運搬車の水（海水）中に、微細な気泡を多量に発生させて溶存酸素量を効率的に増加させることができる酸素溶解装置などに適用される。

水中に微細な気泡を多量かつ効率的に発生させる装置として、特許文献１に示されるような微細気泡発生器が知られている。特許文献１の微細気泡発生器は、図８に示されるように、球状の中空部を有する器体に、その接線方向に固定された気液導入管が接続している。器体には接線方向に気液導入管の気液導入孔が設けられ、気液導入孔と器体の中心を結ぶ線と直交する直径方向の両端部に気液噴出孔が設けられている。器体内に流入した気液混合流体の旋回流によって、気液混合流体が２つの気液噴出孔から噴出する。

特許文献２には、上記の微細気泡発生器を適用した酸素溶解装置が記載されている。
特許文献２の酸素溶解装置においては、微細気泡発生器を用いて気液混合流体中に微細な気泡を多量に発生させることによって溶存酸素量を増加させることができる。溶存酸素量を効率的に増加させるためには、気液混合流体をタンク内の液相領域に噴出させるのではなく、気相領域に噴出させる必要がある。したがって、タンク内の気相と液相との間の液面を一定に維持するため、タンク内の液面を液面センサ（水位センサ）によって検知する必要がある。

しかしながら、タンク内に液面センサ、特にフロート式センサ等の機械式センサを配置すると、液面センサは、水中の汚れ、残餌、糞等の付着によって誤作動をおこす可能性があった。また、タンク内の液面は、気相領域への気液混合流体の噴出と液相領域での水流とによって常に変動するため、液面高さを正確に検知することが困難であった。

国際公開第０１／９７９５８号 特開２０１８−１７６０９４号公報

本発明は、上記問題に鑑み、液面センサの誤作動を防止するとともに、タンク内の液面高さを正確に検知することを可能にした気体溶解装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る気体溶解装置は、タンクと、液体を送出するポンプと、該ポンプの吐出口と前記タンクとを連結する導管と、該導管からの流体をタンク内で噴出する噴出器と、タンクの外側に、タンク内の液面高さを検知するための液面センサユニットとを具備する。

液面センサユニットをタンクの外側に配置することによって、液面センサの誤作動を防止することができ、稼働率を向上させることができる。また、タンクの外側の液面センサユニットによる正確な検知に基づいて、タンク内の液面高さを的確に制御することが可能となり、装置の稼働率と気体溶解流体の生産性に優れた気体溶解装置を実現することができる。

また、本発明において、液面センサユニットは、上部においてタンクの気相に接続され、下部においてタンクの液相に接続されており、液面センサユニット内の気相と液相との間の液面を検知する液面センサを備えることができる。

これにより、タンク内の液面と液面センサユニット内の液面が一致し、かつ、タンク内での変動する液面とは異なり、液面センサユニット内の変動が少ない液面を検知することができるので、タンク内の液面高さを誤差なく正確に検知することができる。また、液面高さの正確な検知に基づいて、タンク内の液面高さを的確に制御することも可能となる。

本発明において、噴出器はタンクの中心軸線上に配置されている。

本発明は、タンクの外側に液面センサユニットを備えており、タンク内に液面センサを備える必要がないため、噴出器をタンクの中心軸線上に容易に配置することができる。これによって、噴出器からの気液混合流体の噴出をタンク内に均一に行うことが可能となり、液体中に溶解すべき気体の溶存量を一層高めることができる。

本発明において、噴出器は複数個の微細気泡発生器から構成することができる。

微細な気泡を多量かつ効率的に発生させることができる微細気泡発生器を複数採用することにより、液体中に溶解すべき気体の溶存量を一層高め、かつ、気体溶解流体の生産性に優れた気体溶解装置を実現することができる。

本発明においては、液体に溶解すべき気体の投入を停止している間は、タンク内に存在する気体を、ポンプの吸込口又は導管内に再投入することができる。

タンク内の溶解していない気体をポンプの吸込口又は導管内に再投入することによって、液体中に溶解すべき気体（例えば、酸素）を無駄なく使用し、気体の消費量を削減し、効率性及び生産性に優れた気体溶解装置を実現することができる。

さらに、本発明は、液面センサユニットに加えて、タンクの外側に、目視にて水位を確認するための透明なパイプを備えることができる。

これにより、センサの誤作動が起こった場合においても、目視によって水位を確認することができ、装置の正確かつ効率的な運用が可能となる。

本発明は、液面センサユニットに加えて、さらにタンクの内部に液面センサを備えていてもよい。

タンク内外の両方に液面センサを備えることによって、より確実なタンク内の液面高さを的確に制御することが可能となる。また、タンク内部に液面センサを備えた装置に対して外付けセンサを追加して装置を改修することもできるので、タンク内のセンサを外部センサで補完することによって、タンク内の液面高さをより確実に制御することができる。

本発明の一実施形態の装置の斜視図である。 本発明の一実施形態の装置の正面図である。 本発明の一実施形態の装置の背面図である。 本発明の一実施形態の装置の左側面図である。 本発明の一実施形態の変形例の装置の斜視図である。 本発明の一実施形態の装置を示す、図１の一部拡大破断図である。 本発明の一実施形態の微細気泡発生器である。 先行技術の微細気泡発生器の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。他の実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。図１ないし図４は、それぞれ本発明の一実施形態の斜視図、正面図、背面図、左側面図である。図６は、本発明に係る装置の一部拡大破断図である。図７は、本発明の一実施形態の微細気泡発生器である。なお、図５は、後述する本発明の一実施形態の変形例の斜視図である。

本発明の一実施形態においては、液体が水で気体が酸素である酸素溶解装置について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、特定の気体を液体中に溶解する様々な用途に対して適用することができる。本実施形態は、水槽やプール、河川、湖沼、ダム等の水中又は養殖池や沿岸の養殖場、産業排水、生活排水の水質改善もしくは鮮魚運搬車の水（海水）中などの溶存酸素量を効率的に増加させる場合などに実施することが想定される。

本実施形態において、気体溶解装置１は、円筒状のタンク２と、液体（水）を送出するポンプ３と、ポンプ３の吐出口１０とタンク２とを連結する導管４と、導管４からの気体（酸素）が混合された液体をタンク内で噴出する噴出器５とを備えている。タンク２はベース１５上に設置されている。ポンプ３の吸込口（吸水口）１１から水が給水される。吸込口１１には逆止弁が設置されている。本実施形態では、ポンプ３は遠心ポンプが使用されているが、これに限定されるものではなくその他の形式のポンプ（軸流ポンプなど）であってもよい。気体溶解装置１の制御は、制御ボックス７によって制御される。タンク２は密閉タンクであってもよい。

本発明の気体溶解装置による気体溶解の概要について説明する。

まず、ポンプ３によって流体（水）を吸い込むと同時に、酸素を流入させる。つぎに、ポンプ吐出工程において、流体（水）が酸素と混合されるとともに、酸素を含む気液混合流体は微細気泡発生器の気液噴出孔５２からタンク２内に激しく混合されつつ噴出される。そして、タンク２内の気相領域で気液混合流体が酸素と接触し、溶存酸素量を増加させてタンク２内の液相領域に落下し、液相領域の高濃度酸素溶解水が排出口１４から吐出される。なお、以下で変形例（図５）について詳述するように、気体溶解装置１は、タンク２の気相とポンプ３の吸込口１１又は導管４に通じる再投入導管９を備えていてもよい。気体（酸素）の新たな投入を停止している間に、この再投入導管９を通じて、タンク２内の気相から流体（水）に溶解していない気体（酸素）を再投入することができる。

そして、本実施形態において、気体溶解装置１は、タンク２の外側に、タンク２内の液面高さを検知するための液面センサユニット６を備えている。液面センサユニット６は、上部においてタンク２の気相に接続され、下部においてタンク２の液相に接続されている。液面センサユニット６が、タンク２の気相と液相とに接続されることによって、タンク内の液面と、液面センサユニット６内の液面とが一致する。タンク２の気相又は液相と、液面センサユニット６との接続には、図示のとおり接続管８などの適宜の管を用いることができる。タンク２の液相と液面センサユニット６との接続位置を、排出口１４と対向するタンク２内の位置とすることが好ましい。すなわち、この位置ではタンク２内の他の位置に比べて液体の流速が遅いため、液面センサユニット６内の液面が安定するという利点があり、タンク２内の水中の汚れの液面センサユニット６内への侵入を低減させることも可能となる。なお、タンク２の液相と液面センサユニット６とのタンク側の接続位置にフィルタ等の濾過手段を設けてもよい。

液面センサユニット６の内部には、気相と液相との間の液面を検知する液面センサ６１を備えている。液面センサ６１としては、可動部を有するフロート式等の機械式センサなど、公知のセンサを用いることができる。また、光学式等の可動部を有していないセンサを用いてもよい。

本実施形態では、噴出器５は、図６に示すような微細気泡発生器５１を備えているが、これに限定されるものではなく、導管４からの混合流体を霧状や水滴状に噴出させるスプレイノズルであっても良い。気体溶解装置１では、水と酸素が混合された混合流体をタンク２内で自然落下するのではなく、酸素濃度の高い空気の充満した気相領域に混合液を噴出させて、酸素濃度の高い空気に充分接触させることが重要である。

このため、本実施形態では、タンク内に常に気相領域が存在するように、液面を検知する必要があり、タンクの外側の液面センサユニット６内に液面センサ６１が設置されている。例えば、フロート式の液面センサを用いた場合は、上限液面において、フロートスイッチなどにより液面センサ６１がＯＮになると、タンク２内の液面がこれ以上上昇しないように上限制御される。この場合の液面の制御は公知の制御手段を使用することができる。例えば、タンク２内の圧力を調整する圧力調整バルブ１３によって、作動中、液面センサ６１が作動する上限水位を越えないように調整することもできる。その上で、酸素導入管１２による酸素の投入をＯＮ、ＯＦＦさせて液面を制御することができる。一実施形態では、液面センサ６１がＯＮになると、酸素の投入がＯＮとなるよう制御することができる。

タンク２内の気相領域には、酸素濃度の高い空気が充満しており、水と酸素の混合流体が微細気泡発生器５１から微細気泡を含む噴出流として、タンク２内の気相領域に噴出する。この噴出流には細かい水滴又は霧状粒を含んでいることから、表面積が増大しており、酸素濃度の高い空気雰囲気下では酸素に接触して酸素を多く吸収するので、噴出後は液体内における溶存酸素量を高めることができる。これらの噴出流は、小水滴、霧等に変化してタンク２内の気相領域に噴射されるので、酸素濃度の高い気中での滞留時間も増大している。

本実施形態において、噴出器５として、図５及び図６に示すように、微細気泡発生器５１を複数個使用している。本実施形態では、一例として、１個の微細気泡発生器５１が一列に並んで７個連結したものを採用している。この１列に７個連結した噴出器５（１基）を、図５に示すように、例えば５基放射状にタンク２内に設置している。導管４からの混合流体は分岐して、それぞれ５基の微細気泡発生器５１の導入口５３に均等に導入される。微細気泡発生器５１には導入口５３から導管４からの混合流体が流れ込む。微細気泡発生器５１内部には、それぞれの個別の微細気泡発生器５１に混合流体を導入する流路が存在し、各微細気泡発生器５１の中空球体に旋回流を発生させる。この旋回流は、中空球体両側の気液噴出孔５２に気液混合流を噴出する。１つの微細気泡発生器５１における微細気泡発生器５１の１列当たりの個数や、１つの微細気泡発生器５１を何列使用するかは、適宜求められる溶存酸素量によって決定することができる。

上記のとおり、本発明の実施形態の気体溶解装置は、タンク２の外側に、タンク２内の液面高さを検知するための液面センサユニット６を備える。このため、タンク２の内部に液面センサ６１を備えた従来の気体溶解装置と比較して、液面センサ６１の汚れを防止することができ、誤作動を防止することができる。また、タンク２内の変動する液面と比較して、液面センサユニット６内の液面は変動が少ないため、安定した液面高さを正確に検知することができる。

誤作動の防止及び正確な検知に加えて、本発明の実施形態の気体溶解装置は、液面センサユニット６の清掃や定期点検等、メンテナンスの頻度の引き下げが可能である。また、タンク２の外側に設けた液面センサユニット６の内部では水中の汚れが低減されるため、液面センサ６１への汚れの付着が少なくなることも、メンテナンス頻度の引き下げが可能となる要因である。メンテナンス頻度の引き下げに伴って、気体溶解装置の稼働率と気体溶解流体の生産性を向上させることも可能となる。特に、液面センサ６１の誤作動等が生じた場合であっても、液面センサ６１はタンク２の外側に設けられているため、気体溶解装置を稼働させた状態で点検又は清掃を行うことが可能である。したがって、従来の気体溶解装置と比べて稼働率の点で格段に有利である。

さらに、本発明の実施形態によれば、タンク２内部の液面センサ６１に代えて、タンク２の外側に液面センサユニット６を設置することにより、タンク２の内部に液面センサを設置しなくてもよい。したがって、図５に示されるように、タンク２の中央、すなわち中心軸線上に噴出器５を設置することができ、かつ、タンク２内部に液面センサ等の、噴出器５からの微細気泡を含む気液混合流体の噴出流を阻害する部材が存在しない。その結果、噴出流をタンク２内の気相領域に均一に噴射することができるので、溶存酸素量を高め、気体溶解装置の生産性を向上させることができる。

加えて、本発明の実施形態によれば、ポンプ３の吸込口１１に酸素等の気体を流入し、該気体を溶解すべき液体との混合流体をポンプから吐出する工程で、十分にかつ効率的に気体と液体とを互いに接触させることができる。混合流体をさらに噴出器５にて噴出させることで、より一層溶存酸素量を高めることができる。

以上述べた本発明の一実施形態の変形例として、さらに、タンク２内の溶解されていない酸素をポンプ３に再投入することで、酸素を無駄なく使用できるようにすることができる。

この変形例の実施形態では、図５に示されるように、タンク２の気相領域から再投入導管９が接続されて酸素導入管１２に連結している。酸素導入管１２への酸素の新たな投入を停止している間に、再投入導管９からの酸素の再投入を行ってもよい。タンク２内の気相には高濃度の酸素が含まれているので、タンク２内の溶解されなかった酸素をポンプ３に再投入することで、酸素を無駄なく使用できるようにすることができる。なお、再投入導管９を備えることは必須ではないので、図１ないし図４に記載の気体溶解装置１は再投入導管９を備えていない。

別の実施形態では、液面センサユニット６に加えて、タンク２の外側に、目視にて水位を確認するための透明なパイプを備えてもよい。これによって、センサの誤作動が起こった場合においても、目視によって水位を確認することができる。

さらに別の実施形態では、タンク２の外側の液面センサユニット６に加えて、さらにタンク２の内部に液面センサを備えていてもよい。例えば、タンク２の内部に液面センサを備えた従来の気体溶解装置に、外付けで液面センサユニット６を付加することができる。この場合には、元の液面センサを外付けの液面センサ６１で補完することができ、タンク内の液面高さをより確実に検知することが可能となる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的構成はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

本発明に係る気体溶解装置は、水槽やプール、河川、湖沼、ダム等の水中又は養殖池や沿岸の養殖場もしくは鮮魚運搬車の水の酸素溶解装置への適用に加えて、酸素以外の気体を液体（水以外も含む）に溶解させる気体溶解装置にも適用することができる。

１ 気体溶解装置
２ タンク
３ ポンプ
４ 導管
５ 噴出器
６ 液面センサユニット
７ 制御ボックス
８ 接続管
９ 再投入導管
１０ 吐出口
１１ 吸込口
１２ 酸素導入管
１３ 圧力調整バルブ
１４ 排出口
１５ ベース
５１ 微細気泡発生器
５２ 気液噴出孔
５３ 導入口
６１ 液面センサ

Claims (7)

1. タンクと、
   液体を送出するポンプと、
   該ポンプの吐出口と前記タンクとを連結する導管と、
   該導管からの流体を前記タンク内で噴出する噴出器と、
   前記タンクの外側に配置され、前記タンク内の液面を検知するための液面センサユニットと、を具備する、気体溶解装置。
2. 前記液面センサユニットが、上部において前記タンク内の気相に接続され、下部において前記タンク内の液相に接続されており、前記液面センサユニット内の気相と液相との間の液面を検知する液面センサを備える、請求項１に記載の気体溶解装置。
3. 前記噴出器が、前記タンクの中心軸線上に配置されている、請求項１または２に記載の気体溶解装置。
4. 前記噴出器が、複数個の微細気泡発生器から構成された、請求項１〜３のいずれか１項に記載の気体溶解装置。
5. 前記液体に溶解すべき気体の投入を停止している間は、前記タンク内に存在する気体が、前記ポンプの吸込口又は前記導管内に再投入される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の気体溶解装置。
6. 前記液面センサユニットに加えて、前記タンクの外側に、目視にて水位を確認するための透明なパイプを備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の気体溶解装置。
7. 前記液面センサユニットに加えて、さらに前記タンクの内部に液面センサを備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の気体溶解装置。

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