JP2528359B2 - 超微粒分散装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はエアレーションや気液化学反応を効率よく行
うために必要な均一な超微小気泡を液中に分散する装
置、或いは相溶性のない２種の液体からエマルジョンを
製造する超微粒分散装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来液中に微細気泡を発生する方法としては、液中に
浸漬した多孔質のガス噴出管から微細気泡を噴出させる
方法、撹拌翼を高速回転して液上の気体を液中に分散さ
せる方法、超音波を用いる方法、或いは「ケミカル・エ
ンジニヤリング」第17巻、第９号、第1008〜1011頁に示
すように、周囲に多数の孔を穿けた中空ドラムよりなる
回転ディヒューザーを液中に水平又は鉛直方向に設置し
て、高速回転させながらその内部よりガスを噴出させる
方法等が知られている。

エマルジョンの製造法としては、機械的に撹拌する方
法、超音波を用いる方法等が行われ、また「化学工学」
第42巻、第７号（1978年）、第364〜369頁に示すよう
な、管内に蜂の巣状仕切り板やねじり羽根等を多段に配
列した静止型混合器が液体の分散用にも用いられてい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の微細気泡発生方法はいずれも発生する気泡
の粒径が大きく、不均一であり、均一な超微細気泡を発
生させることは不可能である。従来の方法のうち、比較
的微細気泡を発生しうる超音波法で精々直径数10μであ
る。回転ディヒューザー法は従来法で最も微細気泡を発
生させることができるが、それでも直径20〜30μの気泡
を発生させうるに過ぎず、その大きさは不均一であり、
更に気泡を微細化するためにドラムの回転速度を上げる
と、ドラム周面がガス膜で覆われてしまい、気泡は全く
発生しなくなる。

また、液中に浸漬した多孔質のガス噴出管から微細気
泡を噴出させる方法は、多孔質ガス噴出管が極めて詰ま
りやすく、短時間で目詰まりを起こし、そのたびに洗浄
又は逆洗浄を繰り返し、或いは多孔質噴出管の交換をす
る必要があり、作業能率が低下する。

更に従来の微細気泡発生装置では、得られた液中の気
泡濃度が小さく精々120/m³に過ぎなかった。

又従来のエマルジョン製造法のうち機械的撹拌法は撹
拌動力が大きく、均一な微細粒子よりなるなエマルジョ
ンを製造するのが困難であった。超音波法は設備費が非
常に嵩み、又超音波ノズルを発生して精密装置が近接し
て設置されている場合には計器盤等に悪影響を与える虞
があり、大規模な装置には不適当である。

又従来の静止型混合器では生成する粒子が大で、超微
細粒子への乳化は不可能である。

更に従来の分散装置では、分散粒径と分散量の間に相
関関係があり、分散粒径を大きくすると分散量が減り、
分散粒径を小さくすると分散量が増すので、分散量と分
散粒径を独立して任意に選択することが困難であった。

従って本発明は液中に均一な粒径の超微細気泡を効率
よく瞬時に分散することができ、且つ分散する気体量の
大きい気泡分散装置分散装置を提供することを目的とす
る。本発明の他の目的は互いに溶解しない液を均一な粒
径の超微粒子状に分散、乳化する分散装置を提供するこ
とを目的とする。

更に本発明の他の目的は、発生する気泡または液滴の
粒径を任意に極めて容易に調整しうると共に、分散量と
分散粒径を任意に独立して選択しうる超微粒分散装置を
提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成すべく、本発明者は鋭意研究を重ねた
結果、分散すべき気体または液体を流通する管内に、雄
ねじ状の複数の螺旋フィンを、管内面との間に微小間隙
を設けて、螺旋方向の異なるものを交互に配設すること
により、気体又は液体を超微粒子状に分散しうること、
該管内面と螺旋フィンの間隙を調節することにより、分
散する気体または液体の粒径を自由自在に調節しうるこ
とを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明はテーパー管よりなる外管と、該外管の
軸線上に配設した中心軸と、該中心軸にこれと同軸に固
着した雄ねじ状の螺旋板よりなる複数個の螺旋フィンと
を備え有し、該螺旋フィンはその外周を該外管の内面と
の間に狭い間隙を隔てて配設してなり、該外管の一端に
気体と液体または互いに溶解しない複数の液体の導入用
流入口を有し、他端に超微細気泡含有液又は超微粒分散
液の吐出口を有し、該外管が該流入口から該吐出口に向
かって縮径するテーパー管であって、該螺旋フィンの外
周は該外管の円錐状内面と同形の仮想的円錐面Ｃに内接
するように構成し、該中心軸を軸線方向に摺動可能に設
けると共に、該中心軸の軸方向への摺動調節機構を備え
た超微粒分散装置を要旨とする。

次に本発明の内容を図面により詳細に説明する。第１
図は本発明の超微粒分散装置の一例の正面断面図第２図
は同一部を切り欠いた平面図、第３図は同左側面図、第
４図は同右側面図である。（１）はテーパー管よりなる
外管であり両端に流入口フランジ（２）及び吐出口フラ
ンジ（３）を備える。流入口フランジ（２）はねじ（1
8）により外管（１）に着脱可能に固着されている。
（４）は中心軸であり、その両端を流入口フランジ
（２）及び吐出口フランジ（３）の中心に腕木により支
持された軸受（５）、（５）により軸方向に摺動可能に
支承されている。軸受（５）は第３図及び第４図に示す
ように、断面が四角形状に形成され、これに嵌合する中
心軸（４）の端部（６）も断面四角形状に形成されてい
るので、中心軸（４）は回転不能に保持されている。

中心軸（４）の外側には、雄ねじ状の螺旋板よりなる
螺旋フィン（７）を複数個を固着する。螺旋フィン
（７）は、右ねじ螺旋のものと左ねじ螺旋のものを交互
に、一定の間隔を隔てて取り付ける。螺旋フィン（７）
と中心軸（４）は間隙なく密着して溶接等により固定さ
れている。

（８）は各螺旋フィン（７）の下流側端面に隣接して
固着された切断、剪断作用をなす分散板であり、第５図
に示すように放射状の分散孔（９）とその分散孔（９）
の縁に沿って配設した誘導切断フィン（10）を備える。
第６図は第５図におけるAA断面、第７図は同拡大BB断面
図であり、誘導切断フィン（10）は分散板（８）の上流
側又は下流側に突出するように設ける。この第５〜７図
の例では、分散板（８）は一枚の金属円板をプレス加工
により、分散孔（９）を穿孔すると同時に誘導切断フィ
ン（10）を形成したものである。

螺旋フィン（７）及び分散板（８）の外周は第１図に
鎖線で示す仮想的な円錐面Ｃに内接するように形成す
る。円錐面Ｃは外管（１）の円錐状内面（11）と一致す
る同形の円錐面からなり、後述するように中心軸（４）
を軸線方向に摺動することにより、円錐状内面（11）と
円錐面Ｃとの間隙ｄを自由に調節することができる。

（12）は中心軸（４）に固着した調節用ラックであっ
て、ハンドル軸（13）の先端に固着したピニオン（14）
と噛み合っている。

外管（１）のテーパーは余り大きくすると、液の流通
抵抗が流入口から吐出口に行くに従って大きくなり、適
当な入口圧でガスまたは液の分散が困難となるので、８
度以下のテーパーが好ましく、更に６度以下のテーパー
が好ましい。またテーパーが小さいと外管（１）の全長
を長くする必要があるので、最適なテーパーは４〜６度
である。

螺旋フィン（７）のピッチ及び巻き数は特に制限はな
いが、例えばピッチ４〜8mm、巻き数２〜５回のものが
好ましく用いられる。

上記説明では、中心軸（４）を外管（１）内にほぼそ
の全長に亙って貫通して設け、その中心軸（４）の周囲
に雄ねじ状螺旋フィン（７）を固着したものを示した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば第
８図の実施態様に示すように、中心軸（４）を外管
（１）内の全長に亙って貫通して設けず、複数の螺旋フ
ィン（７）をそれぞれ独立したブロック状の螺旋フィン
ブロック（22）として形成してもよい。この実施態様で
は、各螺旋フィンブロック（22）は、短い中心軸（26）
と、その周囲に一体に固着した雄ねじ状螺旋板よりなる
螺旋フィン（７）と、短い中心軸（26）の両端に設けた
凸連結部（23）及び凹連結部（24）とよりなり、凸連結
部（23）の雄ねじと凹連結部（24）の雌ねじが螺合し
て、隣接する螺旋フィンブロック（22）が互いに緊密に
締結されるようになっている。凹連結部（24）の周囲に
は分散板（８）を嵌合する分散板嵌合部（25）を設け、
分散板嵌合部（25）に分散板（８）及び当りブッシュ
（26）を嵌合して凹、凸連結部（23）、（24）を互いに
螺合締結することにより、分散板（８）を固定する。

互いに連結した複数の螺旋フィンブロック（22）のう
ち両端の螺旋フィンブロック（22）には、それぞれ各螺
旋フィンブロック（22）を連結する上記の連結機構と同
様な連結機構を介して、一端が軸受（５）に嵌合する中
心軸（４）を連結する。

この螺旋フィン（７）をブロック状に分割して形成す
る場合は、各螺旋フィンブロック（22）には短い中心軸
（26）を設けず、螺旋フィン（７）として一枚の矩形状
板の両側の互いに平行な２辺をそれらに垂直な軸線の周
りに互いに反対方向に捩って形成される形状のものを用
い、その両端部に凹、凸連結部（23）、（24）を設けて
もよい。

〔作用〕

本発明の超微粒分散装置を微細気泡発生装置として使
用する際には、第９図に示すように、流入口フランジ
（２）に気液合流管（15）を接続し液導入管（16）及び
ガス導入管（17）よりそれぞれ液体及びガスを導入す
る。吐出口フランジ（３）には貯留兼分離タンク（19）
を接続する。

ハンドル（20）を回動することにより、ピニオン（1
4）及びラック（12）を介して中心軸（４）を軸方向に
摺動せしめ、螺旋フィン（７）及び分散板（８）が内接
する円錐面Ｃと外管（１）の円錐状内面（11）との間隙
ｄを任意に調節することができる。この間隙ｄを狭くす
ると気泡が小さくなり、間隙ｄを大きくすると気泡が大
きくなるため、必要に応じて任意のサイズの超微細気泡
を発生せしめることができる。この適当な間隙ｄは例え
ば0.1〜0.5mmであり、この範囲の間隙ｄの調節により径
１〜10μの範囲の任意の均一なサイズの気泡を発生させ
ることができる。

吐出口フランジ（３）の吐出口（21）から出た気泡を
含む液は貯留兼分離タンク（19）に入る。ガス導入管
（17）より導入したガスの全量を微細気泡として分散す
ることはできないが、微細気泡にまで分散されなかった
余分のガスは極めて大きな泡として存在し、貯留兼分離
タンク（19）の上部に速やかに上昇する。分散した微細
気泡は均一なサイズを有し、微細気泡から大きな泡まで
連続したサイズの気泡は含まない。従って、貯留兼分離
タンク（19）内で、均一な超微細気泡を含む液と余剰の
ガスとを容易に分離することができる。

本発明の超微粒分散装置は常圧に近い圧力下でも高圧
の加圧下でも運転可能であり、通常１〜7kgf/cm²の圧力
下で運転するのが有利であるが、更に高圧下で運転する
こともできる。

本発明の超微粒分散装置を相溶性のない液の乳化分散
用に用いる場合には、上記の気液分散の場合と全く同様
に使用することができる。液を他の液中に分散する場合
には、導入した液全体を分散しうるので、分散しない液
を分離するためには、貯留兼分離タンク（19）は必ずし
も必要でない。

分散した気泡あるいはエマルジョンの安定化のため
に、必要に応じて公知の界面活性剤を使用することがで
きる。

各螺旋フィン（７）の下流側に設けた分散板（８）
は、その切断、剪断作用により、分散効率を上げるため
に極めて有効であるが、あまり超微細分散を必要としな
い場合には、分散板（８）を省略してもよい。

本発明の超微粒分散装置は全体をステンレス鋼等の耐
蝕金属製とするのが好ましいが、螺旋フィン（７）或い
は分散板（８）等をセラミックス、合成樹脂等で構成す
ることも可能である。

螺旋フィン（７）を複数のブロックに分割して、第８
図に示すように螺旋フィンブロック（22）として形成
し、互いに締結して一体に組立てるようにすれば、製作
が極めて容易になる。

〔実施例〕

外管（１）の入口部の内径25mm、外管（１）のテーパ
ー５度、長さ300mm、螺旋フィン（７）のピッチ6mm、巻
き数４回の第１図に示す本発明の超微粒分散装置を用
い、螺旋フィン（７）と外管（９）内面との間隙ｄを0.
2mmとして、入口圧4kgf/cm²で水12/min、空気20/mi
n（NTP換算）の割合で導入した結果、吐出圧は2kgf/cm²
で、貯留兼分離タンク（19）で分離後の水中に350/m³
の気泡が含まれていた。

その気泡を拡大写真に撮影して、気泡のサイズを測定
したところ、直径1.3〜2.5μの気泡が全気泡の95％を占
めた。

〔発明の効果〕

本発明の超微粒分散装置によれば、極めて微細で且つ
サイズの揃った均一な気泡あるいはエマルジョン粒子が
得られる。

特に液中に気泡を分散させたときには、従来の気泡発
生装置では到底達成することが不可能であった極めて高
濃度に気泡を含有した、気泡分散液が得られる。

同一の装置を用いて極めて簡単な調節操作により、分
散気泡または液滴の粒径を任意に選択調節することがで
きる。

本発明の超微粒分散装置は微細気泡あるいは液液分散
体を必要とするあらゆる用途に使用することができ、例
えば気泡発生装置としての応用の一例を挙げれば、水処
理のための曝気、養魚池の空気吹き込み、気液化学反応
装置、醗酵槽への酸素供給、湖沼等の汚染防止及び除
濁、入浴槽の気泡発生、浮遊選鉱等を挙げることがで
き、また海水汚染除濁、高架給水槽洗浄、ジェット噴流
洗浄等の各種洗浄装置等従来の分散装置では不可能であ
った極めて広範囲の目的に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超微粒分散装置の一例の正面断面図、
第２図は同一部を切り欠いた平面図、第３図は同左側面
図、第４図は同右側面図である。第５図は分散板の平面
図、第６図は第５図におけるAA断面、第７図は同拡大BB
断面図である。第８図は本発明の超微粒分散装置の別の
実施態様を示す要部断面図、第９図は本発明の超微粒分
散装置の使用状態の説明図である。 （１）……外管、（２）……流入口フランジ、 （３）……吐出口フランジ、（４）……中心軸、 （５）……軸受、（６）……端部、 （７）……螺旋フィン、（８）……分散板、 （９）……分散孔、（10）……誘導切断フィン、 （11）……円錐状内面、（12）……ラック、 （13）……ハンドル軸、（14）……ピニオン、 （15）……気液合流管、（16）……液導入管、 （17）……ガス導入管、（18）……ねじ、 （19）……貯留兼分離タンク、（20）……ハンドル、 （21）……吐出口、 （22）……螺旋フィンブロック、 （23）……凸連結部、（24）……凹連結部、 （25）……分散板嵌合部、（26）……中心軸、 （27）……当りブッシュ。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】テーパー管よりなる外管（１）と、該外管
   （１）の軸線上に配設した中心軸（４）と、該中心軸
   （４）にこれと同軸に固着した雄ねじ状の螺旋板よりな
   る複数個の螺旋フィン（７）とを備え有し、該螺旋フィ
   ン（７）はその外周を該外管（１）の内面との間に間隙
   を隔てて配設してなり、該外管（１）の一端に気体と液
   体または互いに溶解しない複数の液体の導入用流入口を
   有し、他端に超微細気泡含有液又は超微粒分散液の吐出
   口（21）を有し、該外管（１）が該流入口から該吐出口
   （21）に向かって縮径するテーパー管であって、該螺旋
   フィン（７）の外周は該外管（１）の円錐状内面と同形
   の仮想的円錐面（Ｃ）に内接するように構成し、該中心
   軸（４）を軸線方向に摺動可能に設けると共に、該中心
   軸（４）の軸方向への摺動調節機構を備えた超微粒分散
   装置。
2. 【請求項２】中心軸（４）上に固着された複数個の該螺
   旋フィン（７）の螺旋方向を、隣接する螺旋フィン
   （７）において、右ねじ螺旋と左ねじ螺旋のものを交互
   に且つ互いに間隔を隔てて配設すると共に、各螺旋フィ
   ン（７）の下流側に放射状の分散孔（９）と該分散孔
   （９）の縁に沿って固着されたフィン（10）を有する分
   散板（８）を設けた請求項１項記載の超微粒分散装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の超微粒分散装置において、
   中心軸（４）と雄ねじ状の螺旋板よりなる複数の螺旋フ
   ィン（７）を一体に形成する代わりに、短い中心軸（2
   6）とその周りに一体に固着した雄ねじ状の螺旋フィン
   （７）よりなる螺旋フィンブロック（22）を複数個独立
   して設け、各該螺旋フィンブロック（22）の短い中心軸
   （26）の両端に設けた締結手段により該螺旋フィンブロ
   ック（22）を複数個互いに締結して一体化した超微粒分
   散装置。
4. 【請求項４】請求項１又は請求項３記載の超微粒分散装
   置において、雄ねじ状の螺旋板よりなる螺旋フィン
   （７）の代わりに一枚の矩形状板の両側の互いに平行な
   ２辺をそれらに垂直な軸線の周りに互いに反対方向に捩
   って形成される形状の捩り板よりなる螺旋フィン（７）
   を用いた超微粒分散装置。