JP2022092055A

JP2022092055A - 気液混合装置

Info

Publication number: JP2022092055A
Application number: JP2022067523A
Authority: JP
Inventors: 文雄岡田; Fumio Okada
Original assignee: Kogakuin University
Current assignee: Kogakuin University
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2022-04-15
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2037-08-30
Also published as: JP2019042628A; JP7441538B2

Abstract

【課題】高効率に気体と液体を混合できる気液混合装置を提供する。【解決手段】気液混合装置２０は、気体及び液体を含む流体の入口部２８が軸方向の一端部に形成されると共に、流体の出口部３０が軸方向の他端部に形成された筒体２２と、複数の開口２４Ａを有し、筒体２２内に該筒体２２の軸方向に間隔をあけて設けられ、筒体２２内を軸方向に仕切る複数の仕切部２４と、入口部２８を流れる液体の流速よりも筒体２２内を流れる液体の流速を低下させる流速低下手段（一例として流速低下構造２６）とを備え、流速低下手段として、入口部２８と仕切部２４との間でかつ入口部２８に対向する部位に、仕切部２４とは別に配置され、筒体２２に流入した流体を整流する整流部を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、気液混合装置に関する。

従来、水などの液体中へ溶解度が小さい気体を溶解させる場合には、液体内に設置された多孔質体（樹脂、金属、セラミックス等で作られたもの）に気体を流してバブリングする方法、エジェクター構造の冶具を用いて気液（気体及び液体）を混合する方法、高圧の気体を細いノズルを通して微細化して液体中へ噴霧する方法、何枚ものらせん状のスリットを通過させて気液を撹拌及び混合する方法などが用いられてきた。

例えば、エアレーション（曝気）法は、水中にガス（主に酸素）を送り込む方法であり、近年ではマイクロバブルを用いたエアレーションが増えている。しかし、高圧のガスが必要である他に、水中の溶存ガス（例えば酸素）濃度を飽和にするには数十分の時間を要し、ガスの溶解効率が低いという問題がある。

また、無気泡酸素溶解法は、高圧酸素ガスを充填した槽内に高圧水をスプレーして送り込む方法であり、加圧された酸素中に噴霧状の水を接触させることにより酸素を水中に溶解する方法である。しかし、高圧に耐える酸素槽やそれに水を送り込む高圧ポンプなどが必要であり、装置が高価なものとなり電力も必要である。

一方、静的な気液混合方法として、動力を使用しないスタティックミキサーがある。この装置は、気体と液体を複雑な形状の混合部に通して気泡を細分化・微細化し、渦流や乱流により攪拌・混合する方式であるが、動力を使用する装置に比べて気液混合の効率が低くなる。また、乱流状態を作るために気液混合装置の内径を小さくする必要があり、その結果、圧力損失も大きい。例えば、特許文献１には、メッシュを複数枚重ねて、メッシュ面に対して水平または垂直に気体及び液体を流して溶解を促進する方法について開示されている。この特許文献１では、凹凸のあるメッシュの端部からメッシュ面に対して水平に気体及び液体を流して気泡を分断し、微小渦発生を起こして気液混合（気体及び液体の混合）を行っている。しかし、密に重ねたメッシュに対して気体及び液体を水平に流すと、流れが層流になって攪拌が行われず、また、ミキサー内での圧力損失が大きくなるため、低圧力損失下で気液混合を行うことは難しい。更に、気体及び液体が攪拌されないので偏流が発生しやすく、混合が不十分になる虞がある。

特開平８－１７３７８２号公報

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、高効率に気体と液体を混合できる気液混合装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様の気液混合装置は、気体及び液体を含む流体の入口部が軸方向の一端部に形成されると共に、前記流体の出口部が軸方向の他端部に形成された筒体と、複数の開口を有し、前記筒体内に該筒体の軸方向に間隔をあけて設けられ、前記筒体内を前記軸方向に仕切る複数の仕切部と、前記入口部を流れる前記液体の流速よりも前記筒体内を流れる前記液体の流速を低下させる流速低下手段と、を備え、前記流速低下手段として、前記入口部と前記仕切部との間でかつ前記入口部に対向する部位に、前記仕切部とは別に配置され、前記筒体に流入した前記流体を整流する整流部を有する。

第１態様の気液混合装置では、気体及び液体を含む流体が入口部を通って筒体内に流れ込む。このとき、流速低下手段としての整流部によって液体の流速が入口部よりも筒体内で低下すると共に整流される。さらに、筒体内が仕切部によって軸方向に仕切られていることから、例えば、筒体内に仕切部を配置しない構成と比べて、筒体内における液体の流速が低流速となる。このように筒体内で液体が整流され、かつ液体の流速が低流速となるため、流体中の気体は、静止水中における浮上挙動と類似又は同様の挙動を示して筒体内に気体溜まりを形成する。一方、液体は、筒体内に形成された気体溜まりの中を流れて、途中に設けられた仕切部において複数の開口を通過する際に分散・微滴化される。このように、液体が分散・微滴化されることで、液体と気体との接触面積（気液接触面積）が増加する。そして、隣接する仕切部間に形成される空間部において気体が液体中に溶解される（言い換えると、気体と液体の混合が促進される）。
ここで、上記気液混合装置では、筒体内に形成された気体溜まり中で液体を分散・微滴化して液体中に気体を溶解させるため、例えば、気体及び液体をメッシュなどに流して気泡を細分化・微細化して気体と液体を混合する従来の技術と比べて、高効率に気体と液体を混合することができる。

本発明の第２態様の気液混合装置は、第１態様の気液混合装置において、前記流速低下手段は、前記筒体の内径を前記入口部の内径よりも大きく構成している。

第２態様の気液混合装置では、筒体の内径が入口部の内径よりも大きく構成されていることから、例えば、筒体の内径が入口部の内径以下の構成と比べて、筒体内の流路断面積が大きくなる。これにより、筒体内を液体が流れる際の圧力損失を低減することができる。

本発明の第３態様の気液混合装置は、第１態様の気液混合装置において、前記整流部は、前記入口部と前記仕切部との間に配置されて前記流体の流れを妨げる邪魔板である。

第３態様の気液混合装置では、入口部と仕切部との間に邪魔板を配置するため、入口部から流れ込んだ流体の流れが邪魔板で妨げられて、筒体内において液体が整流されると共に、液体の流速が入口部よりも低下する。ここで、上記気液混合装置では、入口部と仕切部との間に邪魔板を配置することで、筒体内を流れる液体の流速を簡単に調節することができる。

本発明の第４態様の気液混合装置は、第１態様の気液混合装置において、前記軸方向に隣接する前記仕切部間には、間隔を保持するための保持部材が配置されている。

第４態様の気液混合装置では、筒体の軸方向に隣接する仕切部間に保持部材を配置することで、隣接する仕切部間の間隔を容易に保持することができる。

本発明の第５態様の気液混合装置は、第１態様の気液混合装置において、前記仕切部は、複数の開口が形成された仕切部材によって構成されており、複数の前記仕切部のうち前記入口部に近い前記仕切部は、複数の前記仕切部材を重ねて構成されている。

第５態様の気液混合装置では、複数の仕切部のうち入口部に近い仕切部を、複数の仕切部材を重ねて構成している。このため、筒体内に流れ込む流体の動圧が流入初期に減少し、筒体内における液体の流速分布が均一化される。これにより、筒体内に気体溜まりが形成されやすくなる。

本発明の第６態様の気液混合装置は、第５態様の気液混合装置において、前記軸方向に重ねられた前記仕切部材は、互いの前記開口の位置が前記軸方向でずれている。

第６態様の気液混合装置では、一の仕切部材の開口の位置と、一の仕切部材に重ねられた他の仕切部材の開口の位置とが該軸方向でずれていることから、例えば、互いの開口の位置が軸方向でずれていない（軸方向で同じ）構成と比べて、液体を分散・微滴化できる。

本発明の第７態様の気液混合装置は、第５態様又は第６態様の気液混合装置において、前記仕切部材は、平織りあるいは綾織りのメッシュ、エキスパンドメタル、あるいは、複数の貫通孔が形成された板状部材である。

第７態様の気液混合装置では、仕切部材として、開口の数を多く設定できる部材を用いるため、液体が仕切部材の複数の開口を通過する際に、液体をより分散・微滴化できる。

本発明の第８態様の気液混合装置は、第１態様の気液混合装置において、前記筒体には、前記入口部及び前記出口部がそれぞれ複数形成されている。

第８態様の気液混合装置では、筒体に入口部及び出口部をそれぞれ複数形成しているため、例えば、筒体に入口部及び出口部を一つずつ形成する構成と比べて、筒体内における流体の偏流を抑制することができる。

本発明の第９態様の気液混合装置は、第１態様の気液混合装置において、前記筒体内を流れる前記液体の断面平均流速が０．３ｍ／ｓ未満である。

第９態様の気液混合装置では、筒体内を流れる液体の断面平均流速を０．３ｍ／ｓ未満の低速流領域としていることから、筒体内において気体が静止水中における浮上挙動と類似又は同様の挙動を示しやすく、筒体内に気体溜まりが形成されやすい。このため、上記気液混合装置では、例えば、液体の断面平均流速を０．３ｍ／ｓ以上とする構成と比べて、筒体内に気体溜まりが形成されやすく、高効率に気体と液体を混合することができる。

本発明によれば、高効率に気体及び液体を混合できる気液混合装置を提供することができる。

本発明に一実施形態に係る気液混合装置の断面図である。図１における気液混合装置内での気液混合様式のイメージ図である。実施例１の気液混合装置の性能を評価するための試験装置のフロー図である。実施例１と比較例１の気液混合装置の水流量と溶存酸素濃度との関係を示すグラフである。実施例１と比較例１の気液混合装置の水流量と圧力損失との関係を示すグラフである。実施例１と比較例１の気液混合装置の水流量と酸素溶解度との関係を示すグラフである。実施例１と比較例１の気液混合装置のレイノルズ数と酸素溶解度との関係を示すグラフである。比較例１と比較例２の気液混合装置の水流量と溶存酸素濃度との関係を示すグラフである。実施例１の気液混合装置を適用したリサイクル式オゾン水製造装置のフロー図である。図９のリサイクル水電解装置で生成したオゾン水の濃度の経時変化を示すグラフである。（ａ）バッチ式、（ｂ）連続抜き出し式。実施例１の気液混合装置を適用したリサイクル式水素水製造装置のフロー図である。図１１のリサイクル式水素水製造装置で生成した水素水の濃度の経時変化を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係る気液混合装置について説明する。

＜気液混合装置＞
図１には、本実施形態の気液混合装置２０の断面図が示されている。この気液混合装置２０は、液体中に気体を溶解させて気体と液体を混合する装置である。

気液混合装置２０は、筒体２２と、筒体２２内に設けられた仕切部２４と、流速低下構造２６と、を備えている。

（筒体２２）
筒体２２は、図１に示されるように、円筒状とされており、軸方向の一端部（図１では上端部）に入口部２８が形成され、軸方向の他端部（図１では下端部）に出口部３０が形成されている。筒体２２について詳細に説明すると、筒体２２は、入口部２８と一体とされた上部筒体２２Ａと、出口部３０と一体とされた下部筒体２２Ｂとを備えており、下部筒体２２Ｂの上端部が上部筒体２２Ａに下方から嵌め込まれている。

上部筒体２２Ａは、天井部を有する円筒部材であり、該天井部に入口部２８が形成されている。この入口部２８は、上部筒体２２Ａの軸方向（筒体２２の軸方向と同じ）に沿って延びる配管によって構成されている。

下部筒体２２Ｂは、底部を有する円筒部材であり、該底部に出口部３０が形成されている。この出口部３０は、下部筒体２２Ｂの軸方向（筒体２２の軸方向と同じ）に沿って延びる配管によって構成されている。

また、筒体２２の内径Ｄ１は、入口部２８の内径Ｄ２及び出口部３０の内径Ｄ３よりも大きくされている。

筒体２２を形成する材料としては、樹脂又は金属等を用いてもよい。なお、筒体２２を形成する材料は、流体の種類に適したものを選ぶことが好ましい。例えば、オゾン等の腐食性ガスを液体中に高濃度に溶解させる場合は、筒体２２の素材として、ＰＦＡ等のテフロン（登録商標）の樹脂やチタンなどの耐腐食性の材料を用いることが好ましい。腐食性の低い流体に用いる場合には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニールなどの汎用プラスチックやステンレスを用いてもよい。また、熱伝導度の高い材料を用いたい場合にはアルミニウムや銅を用いてもよい。

また、筒体２２の形状は、円筒状に限定されない。例えば、筒体２２の形状は、多角筒状（断面多角形の筒状）、楕円筒状でもよい。

なお、本実施形態の筒体２２は、本発明における筒体の一例である。

（仕切部２４）
仕切部２４は、図１に示されるように、複数の開口２４Ａを有しており、筒体２２内に該筒体２２の軸方向に間隔をあけて複数設けられて、筒体２２内を軸方向に仕切っている。この仕切部２４は、複数の開口２４Ａを有する１つの仕切部材３２によって構成されている。この仕切部材３２の外形は、筒体２２の内形と同じ形状（本実施形態では、仕切部材３２の外形は円形状）とされ、外周部が筒体２２の内周面に密着している。また、仕切部材３２は、筒体２２の軸方向に対して直交する方向に延在している。

仕切部材３２としては、平織りあるいは綾織りのメッシュ、エキスパンドメタル、又は、複数の貫通孔が形成された板状部材等を用いてもよい。なお、仕切部材３２は、液体を分散・微滴化できれば、特に上記構成に限定されない。

また、仕切部材３２を形成する材料としては、繊維、プラスチック、金属など何でも構わないが、使用する流体に対して腐食し難い材料を選定することが好ましい。例えば、超高濃度のオゾンを液体に溶かす場合には、仕切部材３２の材料として、耐腐食性が強いチタン及びテフロン（登録商標）等を用いることが好ましい。
一方、腐食性が少ない水素、酸素や窒素などを液体に溶かす場合には、仕切部材３２の材料として、汎用樹脂、ナイロン、エンジニアリングプラスチック、ステンレス、炭素鋼や熱伝導度の高い銅やアルミニウム等の素材を用いることが好ましい。

なお、本実施形態の仕切部２４は、本発明における仕切部の一例である。

（流速低下構造２６）
流速低下構造２６は、図１及び図２に示されるように、入口部２８を流れる液体の流速（断面平均流速Ｕ１）よりも筒体２２内を流れる液体の流速（断面平均流速Ｕ２）を低下させる構造である。流速低下構造２６をより詳細に説明すると、流速低下構造２６は、筒体２２の内径Ｄ１を入口部２８の内径Ｄ２よりも大きくした構造である。なお、本実施形態の流速低下構造２６では、筒体２２の内径Ｄ１を出口部３０の内径Ｄ３よりも大きくしている。

また、筒体２２内を上方にある入口部２８から下方にある出口部３０に向かって流れる液体の断面平均流速Ｕ２は、０．３ｍ／ｓ未満とされている。具体的には、筒体２２を流れる液体の断面平均流速Ｕ２が、０．３ｍ／ｓ未満となるように、筒体２２の内径Ｄ１が設定されている。

また、入口部２８を流れる液体の断面平均流速Ｕ１は、０．３ｍ／ｓ以上１ｍ／ｓ以下とされている。具体的には、入口部２８を流れる液体の断面平均流速Ｕ１が、０．３ｍ／ｓ以上１ｍ／ｓ以下となるように、入口部２８の内径Ｄ１が設定されている。

なお、本実施形態の流速低下構造２６は、本発明における流速低下手段の一例である。

（保持部材３４）
また、気液混合装置２０は、保持部材３４を備えている。この保持部材３４は、図１に示されるように、筒体２２の軸方向に隣接する仕切部２４（仕切部材３２）間に配置されている。この保持部材３４によって、隣接する仕切部２４間の間隔が保持されている。言い換えると、保持部材３４によって、隣接する仕切部２４間に空間部３６が形成されている。

保持部材３４としては、隣接する仕切部２４間の間隔を保持できれば特に限定されないが、例えば、Ｏリングやパッキンを用いてもよい。また、保持部材３４を形成する材料として、仕切部材３２と同様の材料（例えば、テフロン（登録商標）やチタン）を用いてもよい。

次に本実施形態の作用効果について説明する。

まず、本実施形態の作用効果を説明する前に、筒体２２内に仕切部２４を配置しない参考例の気液混合装置について説明する。この参考例の気液混合装置は、透明アクリル樹脂で筒体２２を形成し、筒体２２内に仕切部２４を配置しない構成としている。この参考例の気液混合装置の筒体２２内に入口部２８（ここでは、３／８インチの配管）から気体（ここでは酸素ガス）と液体（ここでは水）を含む流体（混合物）を流し込んだ場合の流体の流動状態を観察した。なお、酸素ガスの流量（以下、適宜「酸素ガス流量」と記載する。）を１２０ｍＬ／ｍｉｎ、水の流量（以下、適宜「水流量」と記載する。）を１Ｌ／ｍｉｎ～８Ｌ／ｍｉｎとした。
観察の結果、酸素ガスは、水流量が１Ｌ／ｍｉｎ～２Ｌ／ｍｉｎの時に筒体２２内に充満してガス溜まり（気体溜まり）を形成することが明らかとなった。一方、水は、筒体２２の内周面を伝わって流れ落ちた。このように仕切部２４と保持部材３４を配置しない場合でも、筒体２２内にガス溜まりを形成できるものの、液体の大半が筒体２２の内周面を流れ落ちるため、気体と液体との接触面積が小さくなり、気体と液体の混合が進まないことが分かった。また、水流量を４Ｌ／ｍｉｎ以上にすると、細い入口部２８から筒体２２内へ供給される流体の動圧が高くなるため、筒体２２内を流れる液体の流速が十分に減速されず、筒体２２内にガス溜まりを形成できないことがわかった。
したがって、筒体２２内に仕切部２４を配置することで、筒体２２内の液体を細分化・微滴化させて気液接触面積を増大できることが明らかとなった。また、筒体２２内に仕切部２４を配置することで、入口部２８から筒体２２内へ流れ込む流体の動圧が抑制されて、筒体２２内における流速が低流速でかつ略均一となり、ガス溜まりが形成されやすくなることが分かった。

本実施形態の気液混合装置２０では、図２に示されるように、気体及び液体を含む流体が入口部２８を通って筒体２２内に流れ込む（流れ落ちる）。このとき、流体が筒体２２の仕切部２４（仕切部材３２）の表面に対して垂直に流れ落ちるため、例えば、流体が仕切部２４（仕切部材３２）の表面に沿って流れ落ちる従来の構成と比べて、気体と液体を混合することができる。さらに、仕切部材３２の外周部を筒体２２の内周面に密着させているため、仕切部材３２の外周部と筒体２２の内周面との間から流体が流れ落ちるのを抑制できる。このため、例えば、仕切部材３２の外周部と筒体２２の内周面との間から気体と液体が流れ落ちるものと比べて、気体と液体をより混合することができる。

そして、入口部２８から筒体２２内に流れ込んだ流体は、流速低下構造２６によって液体の流速（断面平均流速）が入口部２８よりも筒体２２内で低下される。具体的には、筒体２２の内径Ｄ１を入口部２８の内径Ｄ２よりも大きく構成していることから、筒体２２内における液体の断面平均流速Ｕ２が入口部２８における断面平均流速Ｕ１よりも低下する。また、筒体２２内が仕切部２４によって軸方向に仕切られていることから、流体の流速が筒体２２内において低流速でかつ略均一となる。このとき、流体中の気体は、静止水中における浮上挙動と類似又は同様の挙動を示して筒体２２内に気体溜まりＺを形成する。一方、液体は、筒体２２内に形成された気体溜まりＺの中を流れて、途中に設けられた仕切部２４において複数の開口２４Ａを通過する際に分散・微滴化される。このように、液体が分散・微滴化されることで、液体と気体との接触面積（気液接触面積）が増加する。そして、隣接する仕切部２４間に形成される空間部３６において気体が液体中に溶解される（言い換えると、気体と液体の混合が促進される）。

ここで、気液混合装置２０では、筒体２２内に形成された気体溜まりＺ中で液体を分散・微滴化して液体中に気体を溶解させるため、例えば、気体及び液体をメッシュなどに流して気泡を細分化・微細化して気体と液体を混合する従来の技術と比べて、高効率に気体と液体を混合することができる。

また、気液混合装置２０では、筒体２２の内径Ｄ１を入口部２８の内径Ｄ２よりも大きく構成していることから、例えば、内径Ｄ１が内径Ｄ２以下の構成と比べて、筒体２２内の流路断面積が大きくなる。このため、筒体２２内を液体が流れる際の圧力損失を低減することができる。

さらに気液混合装置２０では、筒体２２の軸方向に隣接する仕切部２４間に保持部材３４を配置することで、隣接する仕切部２４間の間隔を容易に保持することができる。

また、気液混合装置２０では、仕切部材３２として、開口２４Ａの数を多く設定できる部材を用いるため、液体が仕切部材３２の複数の開口２４Ａを通過する際に、液体をより分散・微滴化できる。

またさらに、気液混合装置２０では、筒体２２内を流れる液体の断面平均流速Ｕ２を０．３ｍ／ｓ未満の低速流領域としていることから、筒体２２内に流れ込んだ気体が静止水中における浮上挙動と類似又は同様の挙動を示しやすく、筒体２２内に気体溜まりＺが形成されやすい。このため、気液混合装置２０では、例えば、液体の断面平均流速Ｕ２を０．３ｍ／ｓ以上とする構成と比べて、筒体２２内に気体溜まりＺが形成されやすく、高効率に気体と液体を混合することができる。

前述の実施形態では、隣接する仕切部２４（仕切部材３２）間に保持部材３４を配置しているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、保持部材３４を用いずに、隣接する仕切部材３２の各々の外周部を筒体２２の内周面に固定（固着）して隣接する仕切部材３２間の間隔を保持する構成としてもよい。

また、前述の実施形態では、本発明における流速低下手段の一例として流速低下構造２６を用いているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、流速低下構造２６の代わりに流体の流れを妨げる邪魔板（図示省略）を入口部２８と仕切部２４（最も入口部２８寄りの仕切部２４）との間に配置する構成としてもよい。このように入口部２８と仕切部２４との間に邪魔板を配置することで、入口部２８から流れ込んだ流体の流れが邪魔板で妨げられて流速（断面平均流速）が低下する。すなわち、入口部２８における液体の断面平均流速Ｕ１よりも筒体２２内における液体の断面平均流速Ｕ２が低下する。入口部２８と仕切部２４との間に邪魔板を配置した場合、筒体２２内を流れる液体の断面平均流速Ｕ２を簡単に調節することができる。なお、流速低下構造２６と邪魔板は併用してもよい。

さらに、前述の実施形態では、仕切部２４を一つの仕切部材３２で構成しているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、複数の仕切部２４のうち入口部２８に近い仕切部２４を複数の仕切部材３２を重ねて構成してもよい。このように複数の仕切部２４のうち入口部２８に近い仕切部２４を複数の仕切部材３２を重ねて構成した場合、筒体２２内に流れ込む流体の動圧が流入初期に減少し、筒体２２内における液体の流速分布が均一化される。これにより、筒体２２内に気体溜まりＺが形成されやすくなる。また、例えば、複数の仕切部２４のすべてを複数の仕切部材３２で構成してもよい。さらに、例えば、複数の仕切部２４のうち入口部２８に近い仕切部２４の重ね合わせの数を他の仕切部２４よりも多くしてもよい。
さらに、一つの仕切部２４を複数の仕切部材３２で構成する場合、互いに重ねられる仕切部材３２の互いの開口の位置を軸方向でずらして重ねることが好ましい。すなわち、一の仕切部材３２の開口の位置と、一の仕切部材３２に重ねられた他の仕切部材３２の開口の位置とを筒体２２の軸方向でずらすことで、例えば、互いの開口の位置が筒体２２の軸方向でずれていない（軸方向で同じ）構成と比べて、液体を分散・微滴化できる。

またさらに、前述の実施形態では、筒体２２に入口部２８及び出口部３０を一つずつ形成しているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、筒体２２には、入口部２８及び出口部３０をそれぞれ複数形成してもよい。このように筒体２２に入口部２８及び出口部３０をそれぞれ複数形成した場合、例えば、筒体２２に入口部２８及び出口部３０を一つずつ形成する構成と比べて、筒体２２内における流体の偏流を抑制することができる。なお、筒体２２に形成する入口部２８の数量と出口部３０の数量を変えてもよいし、入口部２８の内径Ｄ２と出口部３０の内径Ｄ３を変えてもよい。

以下、本発明を、実施例を挙げてさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１の気液混合装置２０（図１参照）では、筒体２２として外径４９ｍｍ、内径４４ｍｍ、高さ１２０ｍｍ、容積１８０ｍＬのＰＦＡ製平底ジャー（株式会社サンプラテック、呼称０１０３Ｌ）を使用した。また、平底ジャーの底部と天井部に入口部２８と出口部３０を構成する３／８インチの配管をそれぞれ取り付けるため、テフロン（登録商標）製の継ぎ手を溶接した。この筒体２２のキャップを外して、筒体２２内に保持部材３４としての内径３７．７ｍｍ、線径３．５ｍｍのＰＦＡ被覆Ｏリングを１枚（フロン工業株式会社、呼び寸法Ｐ－３８）と、仕切部材３２としてのφ４４ｍｍに切断した平織りの＃８０チタンメッシュ（株式会社くればあ、線径０．１ｍｍ、目開き率４７％）を２枚重ねて形成した仕切部２４と、を交互に２７段積層した。すなわち、Ｏリングとチタンメッシュの枚数は、それぞれ２７枚と５４枚である。
筒体２２内にチタンメッシュとＯリングを充填した後、キャップを閉めれば気液混合装置２０が完成するので、気液混合装置２０の作製が非常に簡単となる。

なお、実施例１の気液混合装置２０にＰＦＡ（テフロン（登録商標）の一種）とチタン（Ｔｉ）という高価な材料を用いた理由は、強力な酸化力を有する１５０ｍｇ／Ｌ以上の超高濃度オゾン水を生成可能とするためである。このような流体を流すためには、耐オゾン性に優れた材料を用いる必要があり、テフロン（登録商標）、アクリル、Ｔｉ、ガラス以外の材料を選択することは難しい。

次に、実施例１の気液混合装置２０で混合する気体と液体について説明する。混合の対象となる気体は、液体に溶けにくい（ヘンリー定数が大きい）ものであれば、例えば、酸素、窒素、空気、水素、オゾンなどを用いてもよい。液体としては、ガスを溶かしにくい液体、例えば水、アルコール、酸性溶液、アルカリ性溶液、油などを用いてもよい。メッシュの目を詰まらすような粒子が液体中に存在する場合は、フィルターなどであらかじめ粒子を除去しておくことが好ましい。

実施例１の気液混合装置２０の大きさは、流す流体の流量を考慮して決めることが好ましい。大流量の気体と液体を流す場合には、筒体２２の内径Ｄ１、メッシュの外径並びにＯリングの内径を大きくし、流路の断面積を増やす。この際、液体の断面平均流速Ｕ２が０．３ｍ／ｓ未満の低速流領域となるように流路を設計することにより、筒体２２内に気体溜まりＺを形成しやすくなる。

例えば、実施例１の気液混合装置２０に水を流す場合の水流量と、入口部２８内における液体（水）の断面平均流速Ｕ１及び筒体２２内における液体（水）の断面平均流速Ｕ２との関係を表１にまとめた。

表１から、実施例１の気液混合装置２０へ流す液体の断面平均流速が１Ｌ／ｍｉｎ～１２Ｌ／ｍｉｎの何れの条件においても、次の２つの要点を満たしていることがわかる。

１．入口部２８内における液体の断面平均流速Ｕ１は、全ての条件下で０．３ｍ／ｓ以上となっており、気体が入口部２８内を気泡の状態で流れる（入口部２８内に気体溜まりが形成されない）。

２．筒体２２内における液体の断面平均流速Ｕ１は、全ての条件下で０．３ｍ／ｓ未満となっており、気体は静止水中での気泡と同じように浮上挙動を示す。これにより、筒体２２内に気体溜まりが形成される。

上記２点を考慮して気液混合装置２０の筒体２２の内径Ｄ１と入口部２８の内径Ｄ２とを設定することが好ましい。気液混合装置２０内は、低流量時に偏流が起こりやすいため、入口部２８近傍及び出口部３０近傍の少なくとも一方に流体を整流する整流部を設けたり、筒体２２に入口部２８及び出口部３０をそれぞれ複数設けたりして偏流を抑制してもよい。例えば、表１の水流量が１Ｌ／ｍｉｎ～４Ｌ／ｍｉｎの範囲では、筒体２２内のレイノルズ数Ｒｅ（－）が５７１～２２８４となり、水の流れが層流となるため、偏流が生じ易い。このような条件で気液混合装置２０を用いる場合には、上記のように整流部や複数の入口部２８及び出口部３０を設置することにより、偏流を抑制することができる。一方、表１の水流量が４Ｌ／ｍｉｎ～１２Ｌ／ｍｉｎの範囲では、入口部２８内における液体の断面平均流速Ｕ１が１．５ｍ／ｓ～４．５ｍ／ｓの高速となり、その動圧の影響で搬送された気泡が筒体２２内に留まりにくくなる。そこで、入口部２８に近い部分の仕切部２４を構成するメッシュ等の枚数を増やしたり、最上段の仕切部２４を構成するメッシュ等の中央部に邪魔板を設けたりするなどの手段を用いることにより、入口部２８及び出口部３０における液体の断面平均流速を平均化して、０．３ｍ／ｓ未満に抑制することができる。また、常時、高流量で気液混合装置２０を使用する場合には、入口部２８の本数を複数にするなどの方法により、入口部２８における液体の断面平均流速Ｕ１を０．３＜Ｕ１＜１．０ｍ／ｓとなるように設定して動圧を抑制してもよい。

＜試験例１＞
実施例１の気液混合装置を用いて、酸素を水道水に溶解した結果を説明する。試験に用いた試験装置のフローを図３に示す。この試験では、水道水の蛇口から水を流し、酸素流量計（ＭＦＣ：マスフローコントローラー）を通して酸素ガス（気体）を水道水（液体）に混合した。水道水と酸素ガスの混合流体を実施例１の気液混合装置２０の上部にある入口部２８から下方向に流して出口部３０から抜き出した。入口部２８までの水道水供給ラインを３／８インチの配管で構成し、酸素ガス供給ラインを１／４インチの配管で構成した。気液混合装置２０へ流す水道水の流量（以下、適宜「水流量」と記載する。）は０．６Ｌ／ｍｉｎ～１２Ｌ／ｍｉｎの間で変化させ、酸素ガスの流量は１２０ｍＬ／ｍｉｎに固定した。実験では、気液混合装置２０における圧力損失及び出口部３０における溶存酸素濃度並びに未溶解酸素量を計測した。水流量は、１Ｌのメスシリンダーで計測し、溶存酸素濃度は光学式溶存酸素濃度計（メトラートレド社、Ｓｅｖｅｎ２Ｇｏｐｒｏ）で計測した。また、投入酸素のマテリアルバランスを確認するため、水上置換法で未溶解酸素量を計測した。なお、水温は、１５℃であった。

実施例１の気液混合装置２０との比較用に、市販のスタティックミキサー（ノリタケカンパニーリミテッド、型式３／８－（１）－Ｎ４０－１７４－０、エレメント数２４。以下、適宜「比較例１の気液混合装置」と記載する）を気液混合装置２０と置き換えて、図３のフローにより性能を評価した。市販のスタティックミキサーにはエレメント数が１２のミキサーもあるが、エレメント数が２４のミキサーに比べて酸素溶解性能が３０％以上も低いため、酸素溶解性能の高いエレメント数が２４のミキサー（比較例１の気液混合装置）と比較した。

実験結果を図４に示す。図４の横軸は水流量であり、縦軸は気液混合装置の出口部における溶存酸素濃度である。原料の水道水中には９ｍｇ／Ｌ程度の溶存酸素が含まれているが、図４の縦軸は元々含まれていた原料の水道水中の溶存酸素を含めた値である。この図４から、水流量が４Ｌ／ｍｉｎの場合のみ、実施例１と比較例１の溶存酸素濃度がほぼ等しかった。しかし、その他の水流量においては、実施例１が比較例１よりも高い溶存酸素濃度を示した。特に、低水量領域では、実施例１が比較例１よりも５０％程度高い濃度の酸素水を作ることができた。例えば、０．６Ｌ／ｍｉｎの水道水を実施例１に流した場合、３５ｍｇ／Ｌという高濃度の酸素水が得られた。１５℃の水道水に対する酸素の飽和溶解度が４９ｍｇ／Ｌであることを考慮すると、実施例１を用いることにより、水流量に対して１／５の流量で酸素ガスを流すことにより飽和濃度の約７０％の酸素を溶解できることが明らかになった。一方、比較例１の最高溶存酸素濃度は２５ｍｇ／Ｌであり、実施例１よりも低かった。また、水流量＝１．２Ｌ／ｍｉｎにおける溶存酸素濃度で比較しても、実施例は３０．０ｍｇ／Ｌであるのに対して比較例１は２０．９ｍｇ／Ｌであり、実施例１が比較例１よりも１０ｍｇ／Ｌも溶存酸素濃度が高かった。

水流量と実施例１及び比較例１の圧力損失との関係を図５に示す。実施例１は、３Ｌ／ｍｉｎ未満の水流量では、比較例１よりも圧力損失が大きかったが、３Ｌ／ｍｉｎ以上の水流量では比較例１よりも圧力損失が小さくなり、０．１ＭＰａの圧力損失を許容すれば８Ｌ／ｍｉｎという高流量を流せた。一方、比較例１は、高流量下での圧力損失が大きく０．１５ＭＰａの圧力を掛けても４Ｌ／ｍｉｎ程度の水しか流すことができなかった。

次に、投入した酸素ガスの内の何％が水に溶解したか（以下、酸素溶解度（％）と定義する）をマテリアルバランスより算出した。その結果を図６に示す。この図は、横軸を水流量、縦軸を酸素溶解度としてデータをプロットしたものである。実施例１は、どの水流量領域においても比較例１に比べて効率良く酸素を溶解できていることがわかる。特に、１２Ｌ／ｍｉｎの水と１２０ｍＬ／ｍｉｎの酸素ガスを流すと、投入した酸素の５７％を水に溶解できるという結果が得られた。この値は、他の小型ミキサーでは到達できないほどの酸素溶解度であり、原料の酸素ガスを高効率に溶解できたことがわかる。また、図４の６Ｌ／ｍｉｎ以上の高水流量において、水流量を増やしていっても、ずん胴ミキサー出口の溶存酸素濃度が低下しない原因は、図６に見られるとおり水流量に比例して酸素溶解度が上昇するためであることがわかった。

実施例１及び比較例１の内部を流れる水道水のレイノルズ数と酸素溶解度との関係を図７に示す。実施例１は、水流量が少なくレイノルズ数が小さい条件下でも比較例１に比べてはるかに大きい酸素溶解度を示した。また、６Ｌ／ｍｉｎ以上の水流量では、実施例のレイノルズ数が３３００以上の乱流となっており、メッシュ（仕切部材３２）間の空間部３６における気液攪拌効果により酸素溶解度が上昇している。圧力損失を無視して１２Ｌ／ｍｉｎ以上に水流量を上げることができれば、酸素溶解度を更に上昇させることが可能である。

以上の結果から、実施例１の気液混合装置２０は、筒体２２内に気体を溜め、仕切部２４を構成するメッシュで液体を分散・微滴化して気体及び液体の接触面積を増大させ、空間部３６で気体及び液体の混合攪拌を促進するという機構によって液体に対する気体の溶解効率を高めることができ、さらに、圧力損失も小さいという、これまでにない優れた特性を持つことが明らかとなった。

＜試験例２＞
特許文献１（特開平８－１７３７８２号公報）に記載されている気液混合装置を模倣した水平型気液混合装置（以下、「比較例２」と記載する。）の性能を評価した。この試験では、比較例２の筒体内部に幅（Ｗ）４０ｍｍ、奥行き（Ｄ）１００ｍｍ、高さ（Ｈ）３ｍｍの空間を形成し、その中にＷ４０ｍｍ、Ｄ１００の＃１００チタンメッシュを１５枚設置した。また、比較例２の流体の入口部と出口部の配管数はそれぞれ二本ずつとし、さらに、入口部と出口部には、それぞれＷ４０ｍｍ、Ｄ１００ｍｍ、Ｈ１０ｍｍの整流部（空間）を設けて、筒体内での流体の偏流を抑制した。この比較例２を図３の装置に設置して水流量を１Ｌ／ｍｉｎ～４Ｌ／ｍｉｎに変化させ、酸素流量は１２０ｍＬ／ｍｉｎに固定して、溶存酸素濃度を測定した。なお、比較のため、比較例１を用いて溶存酸素濃度を測定した。その結果を図８に示す。

比較例２の溶存酸素濃度は、全ての水流量下で比較例１を下回り、比較例１の優秀性が顕著であった。なお、比較例２は圧力損失も大きく、４Ｌ／ｍｉｎの水流量での圧力損失は、０．１２ＭＰａと比較例１とほぼ同じであり、実施例１より大きかった。したがって、比較例２は、比較例１及び実施例１よりも低性能である。このことから、メッシュを密に重ねるのではなく、隣接するメッシュ間に空間部を設けた構造のミキサーの方が優れていることがわかった。

＜試験例３＞
実施例１の気液混合装置２０を図９のリサイクル式オゾン水製造装置に組み入れ、約１０ｖｏｌ.％の濃度のオゾンガスを生成する水電解セルの下流に設置してリサイクル水電解を行った。この電解方法については、特願２０１６－２２０９６７号（出願日２０１６年１１月１１日）に記載の方法を用いている。水電解セルの電極面積は１８ｃｍ^２であり、これに２７Ａの電流を流して水の電解を行った。アノード水タンクには純水を入れ、そのリサイクル量は１．６Ｌ／ｍｉｎとした。また、カソードには０．５Ｍの塩水を０．７Ｌ／ｍｉｎの流量でリサイクルさせた。アノード水タンクの水量は３．０Ｌとした。この試験では、オゾン水を抜き出さない「バッチ式」、及び、０．１Ｌ／ｍｉｎでオゾン水を連続的に抜き出してその分の純水をアノード水タンクに補給する「連続抜き出し式」の2方式で高濃度オゾン水を生成した。その結果を図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示す。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示される通り、バッチ式で１５９ｍｇ／Ｌ、０．１Ｌ／ｍｉｎの連続抜き出し式で１１２ｍｇ／Ｌという超高濃度オゾン水を得ることができた。１０ｖｏｌ.％の濃度のオゾンガスと平衡濃度となった場合のオゾン水の濃度をヘンリー則から算出すると７０ｍｇ／Ｌ程度になる。したがって、実施例１を使用してバッチ式でオゾン水を生成する場合、飽和濃度の２倍以上もの濃度を持つ「過飽和オゾン水」を作れることが分かった。

＜試験例４＞
実施例１の気液混合装置２０を図１１のリサイクル式水素水製造装置に組み入れ、水電解セルの下流に設置してリサイクル水電解を行った。この電解方法についても、特願２０１６－２２０９６７号に記載の方法を用いている。水電解セルの電極面積は５０ｃｍ^２であり、これに６０Ａの電流を流して水の電解を行った。アノード、カソード共に純水を供給し、リサイクル水量は、アノード水を１．０Ｌ／ｍｉｎ、カソード水を３．０Ｌ／ｍｉｎとした。リサイクルタンクの水量は３．０Ｌとし、水を抜き出さないバッチ式で高濃度水素水を生成した。水素水の濃度は、溶存水素濃度計（有限会社共栄電子研究所、ＫＭ２１００ＤＨ、測定上限＝２．０ｍｇ／Ｌ）で計測した。なお、２０℃、１気圧下での飽和水素濃度は、１．６２ｍｇ／Ｌである。その結果を図１２に示す。

図１２に示される通り、運転開始から１８分ほどで飽和水素水となり、２０分を超えると２．０ｍｇ／Ｌ以上の過飽和水素濃度を有する高濃度水素水を３Ｌ生成することができた。常圧のタンクを用いて過飽和の水素水を生成したのは、世界で初めてのことである。このことからも、実施例１の気液混合装置２０が高性能であることがわかった。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。例えば、気液混合装置２０の上下を逆にして、下方の入口部２８から上方の出口部３０へ流体を流す構成としてもよい。

なお、本発明における気液混合装置は、気液混合操作において高い溶解性能を有するので、酸素富化水や高濃度機能水（オゾン水、水素水、オゾンと過酸化水素を混合した促進酸化水など）の製造及び窒素やアルゴンなどを用いたガスパージによる脱ガスシステムでの使用など、様々な産業分野に応用できる。

２０気液混合装置
２２筒体
２４仕切部
２４Ａ開口
２６流速低下構造（整流部、流速低下手段）
２８入口部
３０出口部
３２仕切部材
３４保持部材
３６空間部
Ｄ１内径（筒体の内径）
Ｄ２内径（入口部の内径）

Claims

気体及び液体を含む流体の入口部が軸方向の一端部に形成されると共に、前記流体の出口部が軸方向の他端部に形成された筒体と、
複数の開口を有し、前記筒体内に該筒体の軸方向に間隔をあけて設けられ、前記筒体内を前記軸方向に仕切る複数の仕切部と、
前記入口部を流れる前記液体の流速よりも前記筒体内を流れる前記液体の流速を低下させる流速低下手段と、
を備え、
前記流速低下手段として、前記入口部と前記仕切部との間でかつ前記入口部に対向する部位に、前記仕切部とは別に配置され、前記筒体に流入した前記流体を整流する整流部を有する気液混合装置。
前記流速低下手段は、前記筒体の内径を前記入口部の内径よりも大きく構成した請求項１に記載の気液混合装置。
前記整流部は、前記流体の流れを妨げる邪魔板である、請求項１に記載の気液混合装置。
前記軸方向に隣接する前記仕切部間には、間隔を保持するための保持部材が配置されている、請求項１に記載の気液混合装置。
前記仕切部は、複数の開口が形成された仕切部材によって構成されており、
複数の前記仕切部のうち前記入口部に近い前記仕切部は、複数の前記仕切部材を重ねて構成されている、請求項１に記載の気液混合装置。
前記軸方向に重ねられた前記仕切部材は、互いの前記開口の位置が前記軸方向でずれている、請求項５に記載の気液混合装置。
前記仕切部材は、平織りあるいは綾織りのメッシュ、エキスパンドメタル、又は、複数の貫通孔が形成された板状部材である、請求項５又は請求項６に記載の気液混合装置。
前記筒体には、前記入口部及び前記出口部がそれぞれ複数形成されている、請求項１に記載の気液混合装置。
前記筒体内を流れる前記液体の断面平均流速が０．３ｍ／ｓ未満である、請求項１に記載の気液混合装置。