JP2974236B2

JP2974236B2 - 気液溶解混合方法と装置

Info

Publication number: JP2974236B2
Application number: JP6261852A
Authority: JP
Inventors: 雅一柏
Original assignee: Idec Izumi Corp
Current assignee: Idec Izumi Corp
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 1999-11-10
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: JPH08103641A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、液体中に気体を気泡
として混合分散させたり、気体を効率よく液体に溶解さ
せる気液溶解混合方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、本願出願人の特願平５−２３４１
７３号等に示されている気液溶解混合装置は、図８、図
９に示すように、液体中に気体を流入させ混合する混合
器１００を有したものであった。この混合器１００の入
口部１０４には、液体を供給する配管１２の先端部が取
り付けられ、この混合器１００の出口部１１４には、気
体と液体を加圧し混合する加圧混合部を兼ねる配管２０
が接続され、その配管２０の先端部にノズル２２が接続
されている。さらに、混合器１００には、気体を吸引流
入させる気体入口部１０２が形成されている。

【０００３】混合器１００の内部には、図９に示すよう
に、絞り部である喉部１０８が中央に設けられたベンチ
ュリ管状の流路１０６が同心的に一本形成されている。
喉部１０８の下流には、喉部１０８よりわずかに内径が
大きく所定長さ断面積が一定に形成された気体流入部１
１０と、この気体流入部１１０に続いて設けられ下流側
に向かって流路を広げた広がり部１１２が形成されてい
る。この気体流入部１１０には、気体入口部１０２に接
続された気体流入孔１１６が開口している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術では、
絞り部である喉部１０８が固定であるために、処理流量
が固定であった。そのため、上記従来の気液溶解混合装
置を、処理流量が定常でない所に使用する場合、その最
大処理量に合わせて装置を選定せねばならず、装置が大
型化し、処理量が少ないときでも最大能力時の運転を行
うので、エネルギーの無駄が大きいという問題があっ
た。

【０００５】この発明は、簡単な装置で、液体の流量に
合わせて絞り部を調整可能にし、エネルギー効率が良い
気液溶解混合方法と装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、液体が流れ
る流路の途中でその流路が並列複数に分岐した分岐点を
形成し、この並列に複数分岐した複数の流路の一部の流
路に、ベンチュリ管やオリフィス等の絞り部を設け、こ
の絞り部に引き続いて気体流入部を形成し、この気体流
入部に外部から気体を流入させる気体流入孔を形成し、
上記気体流入部の下流に流路を徐々に広げた広がり部を
設け、上記一部の流路以外の上記複数の流路に分岐した
流路の途中に可変絞り部を設け、その下流に上記並列に
複数分岐した流路を再び合流させる合流点を形成し、こ
の合流点の下流に流路中の液体と上記気体流入孔から流
入した気体を加圧し混合する加圧混合部を設け、この加
圧混合部の出口側にノズルを設け、上記可変絞り部の絞
り量と、上記各流路に液体を送り込んでいるポンプや流
量調節弁等の液体流量制御手段とを互いに連動させて、
液体流量と可変絞り部の断面積とを正の相関関係を持た
せて調節する気液溶解混合方法である。さらに、上記ノ
ズルに可変絞りを設け、このノズルの可変絞りを上記可
辺絞り部の絞り量に連動させ、上記液体流量と上記ノズ
ルの開口部の総断面積とを正の相関関係を持たせて調節
する気液溶解混合方法である。

【０００７】この発明は、液体が流れる流路の途中でそ
の流路が並列複数に分岐した分岐点を形成し、この並列
に複数分岐した複数の流路の一部の流路に、ベンチュリ
管やオリフィス等の絞り部を設け、この絞り部に引き続
いてその流路の下流側に設けられ流体流路方向に断面積
の等しい気体流入部を形成し、この気体流入部に外部か
ら気体を流入させる気体流入孔を形成し、上記気体流入
部の下流に流路を徐々に広げた広がり部を設け、上記一
部の流路以外の上記複数の流路に分岐した流路の途中に
可変絞り部を設け、この可変絞り部の下流に流路を徐々
に広げた広がり部を設け、上記各広がり部又はその下流
に上記並列に複数分岐した流路を再び合流させる合流点
を形成し、この合流点の下流に流路中の液体と上記気体
流入孔から流入した気体を加圧し混合する加圧混合部を
設け、この加圧混合部の出口側にノズルを備えた気液溶
解混合装置である。

【０００８】さらにこの発明は、上記分岐点から分岐し
た流路の上記絞り部及び可変絞り部と、上記気体流入部
と、上記気体流入孔と、上記各広がり部と、上記合流点
を、一体の吸引器に形成した気液溶解混合装置である。
また、上記吸引器と上記ノズル部を、上記加圧混合部を
兼ねた配管で接続したものである。さらに、上記吸引器
と上記ノズル部の間に、段階的に上から下に流れ落ちる
形状の流路を設けたものである。また、上記ノズル部の
上流側の上記配管の途中に、上方に突きだし余剰気体を
抜く分岐流路を設けたものである。

【０００９】

【作用】この発明の気液溶解混合装置は、液体流路を並
列に分岐させ、一方の流路はベンチュリ管の喉部等の絞
りのわずかに下流側の負圧部に設けられた気体流入部か
ら気体を流入させ、他方の流路は流路途中に流路断面積
を調整可能な可変絞り部を設け、液体流量を調節し、液
体の処理量に合わせて最適な流量に調整可能にしたもの
である。そして、上記一方の流路の気体流入部から気体
が流入し、気液混合流を形成し、その後に設けられ流れ
が遅く静圧が増大する加圧混合部で、流入した気体を液
体中に溶解させ、その後のノズルによって、上記気液混
合流を加速させて再び静圧を低くさせ液体中から溶解し
た気体を微小気泡として析出させるものである。さら
に、このノズルを通過させる際に流れの乱れによって、
溶解しきらなかった気泡をせん断し細分化して液体中に
微小気泡を発生させるものである。

【００１０】また、段階的に流れ落ちる流路により、気
体と液体が高効率で溶解し合い、余剰気体を排気するこ
とにより、溶解した気体が析出した微小気泡のみにより
発泡させた液体を得ることができる。

【００１１】

【実施例】以下に本発明の気液溶解混合装置の実施例に
ついて図面に基づいて説明する。図１、図２、図３、図
４、図５は、この発明の第一実施例の気液溶解混合装置
を示すもので、液体供給部である水槽１０と、処理され
る液体を圧送するポンプユニット１４が配管１２で接続
されている。ポンプユニット１４は、ポンプユニット１
４から吐出する液体の量と圧力を調節できるものであ
り、その吐出側に、配管１６が設けられている。この配
管１６は、液体流れに空気等の気体を流入させる吸引器
１８の液体入口部４２に接続されている。そして、この
吸引器１８の出口部６２には、気体と液体を加圧し混合
する加圧混合部を兼ねる配管２０が接続され、この配管
２０の先端部にノズル２２が取り付けられている。配管
２０は、フレキシブルなものでも、鋼管等の硬い管でも
良い。このノズル２２は、発泡した液体２６を収容する
発泡液槽２４の下方に接続されている。

【００１２】吸引器１８には気体入り口２８が設けら
れ、気体入り口２８に流量調節弁３２が配管３０を経て
接続されている。流量調節弁３２以降の配管は気体供給
源３６に配管３４で接続されている。空気を吸引させる
場合は流量調節弁３２以降の配管を大気圧下に解放して
も良い。また気体流量を調節しなくても良い場合は、流
量調節弁３２を省略しても良い。また、吸引器１８に
は、後述するように、液体流量を調節するネジ部材等の
流量調節棒３８が設けられ、その頭部に流量調節ハンド
ル４０が取り付けられている。この実施例において流量
調節の操作部分をハンドル４０としたが、スパナ角等の
別の操作手段により、調節可能にしても良い。

【００１３】この実施例の吸引器１８は、図２、図３に
詳細に示すように、吸引器１８は、内部の分岐点４４で
液体流路が流量調節流路４６と気体吸引流路５０の２つ
に分岐している。流量調節流路４６には、流量調節棒３
８による可変絞り部４８が形成され、その下流側には、
広がり部５６が形成されている。分岐後の気体吸引流路
５０は、絞り部を形成する喉部５２がほぼ中央に設けら
れたベンチュリ管状の流路になっている。上記喉部５２
の下流には、この喉部５２よりわずかに内径が大きく所
定長さ断面積が一定に形成された気体流入部５４が設け
られ、この気体流入部５４の上記喉部５２のわずかに下
流側の位置に、気体を吸引する気体流入孔５８が設けら
れている。分岐していた各流路は、上記気体流入流路５
０の後、広がり部５８を経て合流点６０で合流してい
る。ここで、図２は流量調節棒３８を最大限後退させ
て、流量調節流路４６の可変絞り部４８を最も大きく開
いたもので、図３は流量調節棒３８を最大限突出させ
て、流量調節流路４６の可変絞り部４８を閉じたものを
示す。なお、この実施例では、分岐点４４で各流路１個
づつに分岐させたが、各々２つ以上の流路に分岐させて
もかまわない。

【００１４】また、図４にこの実施例のノズル２２の詳
細な図面を示す。ノズル２２には複数のノズル口６６が
設けられている。このノズル口６６は図面では複数で示
したが、単一の穴でも良い。また、図面ではノズル口６
６に固定の絞りを用いたが、バルブ等の可変の絞りを用
いても良い。この場合、バルブを、ハンドル４０の動き
に連動させるようにし、可変絞り部４８の断面積の大小
ほぼ比例してノズル孔６６の総断面積が平易化するよう
にしても良い。連動方法は、機械的又は電気的な方法を
任意に選択可能なものである。

【００１５】次に、この実施例の気液溶解混合装置の作
用について以下に説明する。水槽１０の液体はポンプユ
ニット１４で吸引器１８に圧送される。吸引器１８の液
体入口部４２に流入した液体は分岐点４４で２つの流路
に分岐する。気体吸引流路５０側に流入した流体はベン
チュリ管の喉部５２で加速されて、一旦静圧が低下し、
気体流入部５４、広がり部５６を経て静圧が再び増大す
る。広がり部５６の後、分岐していた流路は合流点６０
で再び流量調節流路４６を通過してきた液体と一つに合
流する。この時、気体流入口５８は、喉部５２のわずか
に下流に位置し、気体流入部５４の断面積が、喉部５２
よりわずかに広いだけなので、この部分の静圧は相対的
に低圧になり、流量調節弁３２、配管３０、気体入口部
２８及び気体流入孔５８を経て吸引器１８の流路中に気
体が流入する。ここで、この気体流入孔５８を喉部５２
に設けないのは、喉部５２が静圧の最も低くなる部分で
あるが、喉部５２に気体流入孔５８を設けると、気体の
吸い込みが良くないためである。

【００１６】一方、流量調節流路４６側に流入した液体
は、流路中の可変絞り部４８を通って流れる。流量調節
流路４６の可変絞り部４８の大きさは、流量調節ハンド
ル４０を回し流量調節棒３８を上下することにより、図
２に示した全開状態から図３に示した全閉状態までの間
を、無段階に調節できる。この可変絞り部４８の大きさ
の調節とポンプユニット１４の吐出流量を調節すること
により流量調節流路４６を通過する液体の量を調節する
ことができる。

【００１７】分岐していた気体流入流路５０と流量調節
流路４６は合流点６０で再び流量調節流路を通過してき
た液体と一つに合流する。また、気体流入孔５８から流
入した気体は、気泡となって流路中の液体とともに吸引
器１８の出口部６２を経て混合部を兼ねる配管２０に流
入し、気泡となった気体は、配管２０の静圧が高いので
液体中に溶解していく。そして、配管２０からノズル２
２のノズル孔６６を経て発泡液２６中に気泡と共に液体
が噴出される。ノズル孔６６で通過する際には、通過す
る液体が再び加速されるので、その静圧は低くなり、液
体中に溶解していた気体が微小気泡として析出する。さ
らに、溶解しきらなかった気泡も、ノズル孔６６で加速
される際に流れの乱れ等により、細分化され、小径の気
泡となって液体とともに放出される。

【００１８】この実施例の気液溶解混合装置の、気体吸
引流路５０の絞り部５２の断面積と流量調節流路４６の
可変絞り部４８の総断面積、気体吸引流路５０の絞り部
５２の断面積、気体流入部５４の断面積、ノズル孔６６
の総断面積の関係は、以下の式を満たすものであれはよ
い。ＰＡｎ＜ＰＧｎ・・・（１）ＰＧｎ（ｎは自然数で、各気体流入部５４に対応する）
は、一又は複数の各気体流入孔５８から流入する気体の
圧力。ＰＡｎは流体力学上の連続の式及びベルヌーイの
定理により、以下の式により与えられる一又は複数の各
気体流入部５４の静圧である。ＰＡｎ＝｛１−（ＳＡｎ^２ＳＣ ^２）／（ＳＡ^２ＳＢｎ^２）｝Ｐ１＋（δＰ＋ＰＢ）｛（ＳＡｎ^２ＳＣ^２）／（ＳＡ^２ＳＢｎ^２）｝・・・（２）

【００１９】ここで、ＳＡは気体吸引流路５０の絞り部
５２の断面積と流量調節流路４６の可変絞り部４８の総
断面積、ＳＡｎは各気体吸引流路５０の絞り部５２の断
面積、ＳＢｎは各気体流入部５４の断面積、ＳＣはノズ
ル孔６６の断面積の総和、Ｐ１は気体流入部５４の総
圧、δＰは吸引器１８からノズル２２までの圧力損失、
ＰＢはノズル孔６６の出口の静圧。ここで、流量調節流
路４６の可変絞り部４８は、大きさを可変することがで
きるので、ＳＡの値が変動値となる。そして、気体を安
定して効率よく吸引させるために、ＳＣ／ＳＡが一定と
なるように、ＳＡの値に合わせて、ノズル孔６６の断面
積の総和ＳＣの値を調整するのが好ましい。

【００２０】従って、上記式（１）、（２）を満たすよ
うにの気体流入部５４及びノズル孔６６の大きさを設定
することにより、液体中に効率的に混合し溶解させる最
適な条件が得られるものである。また、ノズル２２を可
変絞りにするか、可変絞り部４８の絞り量に合わせて、
ノズル２２を取り替える等の操作を行うようにすると良
い。なお、混合部を兼ねる配管２０は、加圧下での液体
に気体が溶解し飽和するまでの気液の接触時間が得られ
るものであればより好ましく、気液の接触時間は配管の
体積に依存するので、配管の長さがある程度長い方が気
体が飽和点まで溶解する。また、飽和点まで気体を溶解
させる必要がない場合は、配管２０は短いものであって
も良い。

【００２１】上記式（１）、（２）を簡単に成立させる
ためには、気体吸引流路５０の絞り部５２の断面積と流
量調節流路４６の可変絞り部４８の総断面積ＳＡが変化
しても、気体流入部５４の総圧Ｐ１が、変化しなくする
ことが望ましい。そのためには、ＳＡが変化し、吸引器
１８を流れる流量が変化した場合でも、ポンプユニット
１４からの液体の吐出圧が一定になるようにポンプユニ
ット１４を、流量調節棒３８に連動させるように制御す
るすれば良い。

【００２２】なお、図２、図３の吸引器１８には、広が
り部５６の後で合流点６０が設けられているが、広がり
部５６を省略して、気体流入部５４の下流に直接合流点
６０を設けても良い。また、図２、図３の吸引器１８で
は、分岐点４４で分岐した全ての流路が気体吸引流路５
０、流量調節流路４６のいずれかになっているが、図５
に示すように、気体吸引流路５０、流量調節流路４６の
いずれでもない流路６８設けても良い。ただし、この場
合においても気体吸引流路５０、流量調節流路４６を最
低１個づつ構成しなければならない。

【００２３】さらに、気体流入部５４から流入する気体
量は気体流量調節弁３２によって調節することができ
る。気体流入流路５０を複数設けた場合、吸引器１８の
それぞれの気体流入管路５０おける気体流入部５４が独
立しているために、この実施例の気液溶解混合装置にお
いては、複数ある気体入口２８から流入する気体流量を
気体流量調節弁３２を用いて独立して調節することがで
きる。従って、複数の異なる気体を流入させる際等に
は、各々独立に容易に調整が可能である。

【００２４】この実施例の気液溶解混合装置を運転した
ところ、同じ気液溶解混合状態を維持しながら液流量を
最大値の１００％から約５０％まで調節することができ
た。またこの時のシステムとしての消費電力は、最大値
の１００％から約５７％の範囲になった。従って、最適
な気液混合状態で、液体流量に応じて動力を調整するこ
とができ、無駄な消費エネルギーを削減することができ
る。

【００２５】次にこの発明の第二実施例について図６を
基にして説明する。なお、上記実施例と同様の部材は同
一符号を付して説明を省略する。この実施例は、上記第
一実施例の混合部を兼ねる配管２０の間に、段階的に緩
急を繰り返し流体が流れ落ちる流路７２を形成した気液
混合槽７０を設けたものである。従って混合槽７０の上
流側に配管７８を介して吸引器１８が取り付けられ、混
合槽７０の下流側に配管８０を介してノズル２２が取り
付けられている。

【００２６】この実施例では、気液混合槽７０は段階的
に緩急を繰り返し流れ落ちる流路７２を有し、この流路
７２に気液混合流を流すと流路７２内では、その上部に
気体、下部に液体が流れる状態になり、気液の接触面積
の広い流れが得られるものである。また、気液混合流が
流入する入口部７４より出口部７６の位置が低いため、
流路７２内に密度の低い気体が滞るようになり、気液混
合槽７０への流入の段階では比較的気体の割合が低い場
合でも、混合槽７０内部では気体の比率が高くなる。こ
のため、気液混合槽７０内部で高効率な気体溶解が行わ
れる。

【００２７】次にこの発明の第三実施例について図７を
基にして説明する。なお、上記実施例と同様の部材は同
一符号を付して説明を省略する。この実施例は、上記第
一実実施例のノズル２２の手前に、余剰な気体を抜く余
剰気体抜き部８２を、このノズル２２の上流側の配管８
４，９２の間に設けたものである。余剰気体抜き部８２
内部では、入口８６のと出口９４の間に上方に突き出し
た分岐流路９０が構成されている。分岐流路９０の先に
は、排出する余剰気体の流量を調整するバルブ９６と、
排気配管９８が取り付けられている。この実施例ではバ
ルブ９６を使用したが、排出する余剰気体を一定の圧力
で分岐流路９０に流す場合は、適当な大きさの固定絞り
やバルブ９６と同等な管路抵抗を示す配管を使用しても
良い。

【００２８】この実施例の余剰気体抜き部８２の作用
は、余剰気体抜き部８２の入口８６から流入した気液混
合流のうち気体が上方に突き出した分岐流路９０から上
方に向かって浮き上がっていく。その後、気体は配管９
８、バルブ９６を通って排気される。ここでバルブの絞
りを適当に調節することによって、内部の加圧を変化さ
せずに排気することができる。この余剰気体抜き部８２
を設けることにより、液体中に混合している気泡を、数
μｍから数十μｍの間の気泡径の気泡のみにすることが
できる。

【００２９】

【本発明の効果】この発明の気液溶解混合装置を用いる
と、必要とされる液流量に応じて運転能力を調整し、消
費エネルギーを削減することができるので、常に最大能
力で動かねばならない従来の装置と比較して省エネルギ
ー化を図ることができる。さらに、液体流量に連動し
て、可変絞り部及び必要に応じてノズルも調整させるこ
とにより、より容易に最小限の動力で効率的な気液溶解
混合を行うことができる。

【００３０】また、加圧混合部に段階的に流れ落ちる流
路を設けることにより、気体が液体中に高効率で溶解
し、少ない気体を無駄なく液体中溶解させることができ
る。さらに、余剰気体を排気することにより、微小な気
泡の発泡液を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第一実施例の気液溶解装置の構成図
である。

【図２】この発明の第一実施例の吸引器を示す断面図で
ある。

【図３】この発明の第一実施例の吸引器を示す断面図で
ある。

【図４】この発明の第一実施例のノズルを示す断面図で
ある。

【図５】この発明の第一実施例の他の吸引器を示す断面
図である。

【図６】この発明の第二実施例の気液混合槽の断面図を
含む構成図である。

【図７】この発明の第三実施例の余剰気体抜き部の断面
図を含む構成図である。

【図８】従来の気液溶解混合装置の構成図である。

【図９】従来の気液溶解混合装置の混合器の側面図
（Ａ）と断面部（Ｂ）である。

【符号の説明】

１２，２０配管１８吸引器２２ノズル３８流量調節棒４４分岐点４６流量調節流路４８可変絞り部５０気体吸引流路５２絞り部５４気体流入部５６広がり部５８気体流入孔６０合流点６６ノズル孔

フロントページの続き (56)参考文献特開平７−328402（ＪＰ，Ａ) 特開平７−308556（ＪＰ，Ａ) 特開平７−60088（ＪＰ，Ａ) 特開平６−63371（ＪＰ，Ａ) 特開平６−285345（ＪＰ，Ａ) 特開平６−285344（ＪＰ，Ａ) 特開平６−269651（ＪＰ，Ａ) 実開昭62−151939（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B01F 1/00 - 5/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】液体が流れる流路の途中でその流路が並
列複数に分岐した分岐点を形成し、この並列に複数分岐
した複数の流路の一部の流路に、絞り部を設け、この絞
り部に引き続いて気体流入部を形成し、この気体流入部
に外部から気体を流入させる気体流入孔を形成し、上記
気体流入部の下流に流路を徐々に広げた広がり部を設
け、上記一部の流路以外の上記複数の流路に分岐した流
路の途中に可変絞り部を設け、その下流に上記並列に複
数分岐した流路を再び合流させる合流点を形成し、この
合流点の下流に流路中の液体と上記気体流入孔から流入
した気体を加圧し混合する加圧混合部を設け、この加圧
混合部の出口側にノズルを設け、上記可変絞り部の絞り
量と、上記各流路に液体を送り込んでいる液体流量制御
手段とを互いに連動させて、液体流量と可変絞り部の断
面積とを正の相関関係を持たせて調節する気液溶解混合
方法。
【請求項２】上記ノズルに可変絞りを設け、このノズ
ルの可変絞りを上記可辺絞り部の絞り量に連動させ、上
記液体流量と上記ノズルの開口部の総断面積とを正の相
関関係を持たせて調節する請求項１記載の気液溶解混合
方法。
【請求項３】液体が流れる流路の途中でその流路が並
列複数に分岐した分岐点を形成し、この並列に複数分岐
した複数の流路の一部の流路に、絞り部を設け、この絞
り部に引き続いてその流路の下流側に設けられ流体流路
方向に断面積の等しい気体流入部を形成し、この気体流
入部に外部から気体を流入させる気体流入孔を形成し、
上記気体流入部の下流に流路を徐々に広げた広がり部を
設け、上記一部の流路以外の上記複数の流路に分岐した
流路の途中に可変絞り部を設け、この可変絞り部の下流
に流路を広げた広がり部を設け、上記各広がり部又はそ
の下流に上記並列に複数分岐した流路を再び合流させる
合流点を形成し、この合流点の下流に流路中の液体と上
記気体流入孔から流入した気体を加圧し混合する加圧混
合部を設け、この加圧混合部の出口側にノズルを備えた
気液溶解混合装置。
【請求項４】上記分岐点から分岐した流路の上記絞り
部及び可変絞り部と、上記気体流入部と、上記気体流入
孔と、上記各広がり部と、上記合流点を、一体の吸引器
に形成した請求項３記載の気液溶解混合装置。
【請求項５】上記吸引器と上記ノズル部を、上記加圧
混合部を兼ねた配管で接続した請求項４記載の気液溶解
混合装置。
【請求項６】上記吸引器と上記ノズル部の間に、段階
的に上から下に流れ落ちる形状の流路を設けた請求項４
記載の気液溶解混合装置。
【請求項７】上記ノズル部の上流側の上記配管の途中
に、上方に突きだし余剰気体を抜く分岐流路を設けた請
求項５記載の気液溶解混合装置。