JP3719681B1

JP3719681B1 - 高粘性液体用気泡分散装置

Info

Publication number: JP3719681B1
Application number: JP2004212836A
Authority: JP
Inventors: 宏一寺坂
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2024-07-21
Also published as: JP2006026601A

Abstract

【課題】シャープなサイズ分布で気泡Ｂが均一分散した高粘性液体Ｌを得る。
【解決手段】固定外筒１，回転内筒２で円筒状ギャップ３を区画し、高粘性液体Ｌを管軸方向に送り込みながら回転内筒２を回転させると、円筒状ギャップ３に高粘性液体Ｌの螺旋状層流Ｈが形成される。固定外筒１を貫通するノズル４から螺旋状層流Ｈに気体を吹き込むと、ノズル４の先端にある気泡核Ｓが螺旋状層流Ｈの剪断力で分断され、気泡Ｂとなって高粘性液体Ｌに分散する。螺旋状層流Ｈの剪断力Ｆを用いて気泡核Ｓを分断しているので、分断時の気泡核Ｓの大きさ，ひいては高粘性液体Ｌに分散した気泡Ｂのサイズが一定になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細な気泡を均一分散させることにより、食材，化粧液，樹脂液，塗料，薬液，消火液等の各種高粘性液体を連続的に改質する気泡分散装置に関する。

食材，化粧品，化学薬品，塗料，消火剤等の原料に高粘性液体が多用されており、気泡を分散させることにより高粘性液体を改質する場合もある。たとえば、気泡を分散させると、水飴等の液状食材がクリーム状になって食感が改善され、化粧品が微細な乳化状態になって触感が改善される。建材用途の発泡樹脂も、気泡の均一分散により軽量化が図られると共に断熱性，遮音性が向上する。ＣＯ₂気泡分散消火剤にあっては、細かな気泡が均一分散しているほど優れた消火能力を発揮する。

高粘性液体への気泡分散には、筒体に流入した高粘性液体に気体を吹き込む方法が知られている（特許文献１）。筒体の軸方向に沿って気体を高粘性液体に吹き込むことにより、気体，液体が剪断作用を受けながら筒体から流出し、高粘性液体中に気泡が生成し分散する。
特開平6-7657号公報

高粘性液体に吹き込まれる気体は、ノズル先端で大きな気泡に成長し、ノズルから離脱した後でも気泡相互の合一が繰り返されるため、大きな気泡が高粘性液体に分散した状態になりやすい。大きな気泡は浮力も大きく、高粘性液体中を浮上する際の合一も微細気泡の均一分散にとっては好ましくない。しかも、気泡サイズの分布が制御し難く、大きなサイズの気泡から小さなサイズの気泡が分散した状態になるので、気泡分散液の品質，性能等に安定性，信頼性が欠ける。

本発明は、螺旋状に流動している高粘性液体に気体を吹き込むことにより、高粘性液体の流動エネルギーで気体を強制的，周期的に分断し、均一なサイズの微細気泡を高粘性液体に均一分散させることを可能にし、シャープな分布で気泡サイズが制御された気泡分散液を連続的に製造することを目的とする。

本発明の高粘性液体用気泡分散装置は、固定外筒と、固定外筒の内部に配置された回転内筒と、固定外筒を貫通し、固定外筒と回転内筒との間にできる円筒状ギャップに開口する気体吹込みノズルと、高粘性液体供給源から固定外筒の一端開口部に延びた給液管と、固定外筒の他端開口部に接続された排液管と、給液管又は排液管に配置され、高粘性液体に推力を付与するポンプとを備え、円筒状ギャップを流動する高粘性液体の螺旋状層流に気体吹込みノズルから気体が吹き込まれることを特徴とする。

高粘性液体は、ポンプで付与される推力により円筒状ギャップを螺旋状層流となって流動するが、固定外筒を貫通するノズルから高粘性液体の螺旋状層流に気体が吹き込まれる。気体吹込みノズルは、好ましくは固定外筒の半径方向に移動可能に配置されている。
固定外筒を貫通して円筒状ギャップに開口するノズルから高粘性液体の螺旋状層流に気体を吹き込むと、シャープな分布で気泡サイズが制御された気泡分散液が得られる。

微細気泡が分散される高粘性液体には、同芯二重円筒型粘度計で測定された粘度が０.５〜１２０Ｐａ・ｓのニュートン性液体又はノズル先端での剪断速度に対する見掛け粘度が０.５〜１２０Ｐａ・ｓの範囲にある非ニュートン性液体がある。ニュートン性液体，非ニュートン性液体の何れであっても、本発明に従った気泡分散法により分散気泡サイズを制御できる。
高粘性液体に分散される気体は、特に種類が制約されるものではなく、気泡分散高粘性液体の用途に応じて空気，酸素，窒素，二酸化炭素，一酸化炭素，水蒸気，Ｈｅ，Ａｒ等の希ガス，ヘキサン，トルエン，ベンゼン等の有機溶媒蒸気が挙げられる。

発明の効果及び実施の形態

本発明に従った気泡分散装置は、原理的には、固定外筒１と回転内筒２の間に円筒状ギャップ３を形成し、固定外筒１の管壁を貫通する気体吹込みノズル４を円筒状ギャップ３に臨ませている(図１)。高粘性液体Ｌを円筒状ギャップ３に送り込むと、回転内筒２の回転エネルギーが高粘性液体Ｌに伝達され、螺旋流として円筒状ギャップ３を流動した後、排液側から送り出される。螺旋流動している高粘性液体Ｌに気体吹込みノズル４から気体を吹き込むと、ノズル４の先端から高粘性液体Ｌに向けて膨出している気泡核Ｓが高粘性液体Ｌの流動エネルギーで分断され、気泡Ｂとなって高粘性液体Ｌに分散する。

高粘性液体Ｌの流動状態を螺旋状層流Ｈにできると、気泡核Ｓに作用する剪断力Ｆが制御され、気泡核Ｓが所定の大きさになったとき表面張力に抗してノズル４の先端から分断され気泡Ｂとして高粘性液体Ｌに分散される。その結果、均一サイズの気泡Ｂが高粘性液体Ｌに均一分散する。これに対し、高粘性液体Ｌが乱流状態であると気泡核Ｓに働く剪断力Ｆが不規則に変動し、高粘性液体Ｌに分散した気泡のサイズにバラツキが生じる。

螺旋状層流Ｈの形成条件は、高粘性液体Ｌ及び気体の流量，高粘性液体Ｌの粘性，密度，表面張力，円筒状ギャップ３の半径方向長さ，回転内筒２の回転速度等、気泡分散条件や設備条件の影響を受け、一概に定めることはできない。しかし、螺旋状層流Ｈが形成されているか否かは、トレーサ法による流線の観測で確認でき、螺旋流れのレイノルズ数計算結果からも推定できる。

螺旋状層流Ｈの剪断力Ｆで気泡核Ｓをノズル４の先端から分断して気泡Ｂとすることから、シャープなサイズ分布で気泡Ｂを高粘性液体Ｌに分散できると共に、気泡分散条件や設備条件の調整によりシャープなサイズ分布を維持したままで気泡サイズを制御できる。たとえば、回転内筒２の回転速度を上げて剪断力Ｆを大きくすると、ノズル４の先端から分断される気泡核Ｓが小さくなり、微細な気泡Ｂが分散した高粘性液体Ｌが得られる。気体の流量を増加させると、ノズル４の先端から分断されるまでに気泡核Ｓが大きく成長し、比較的サイズの大きな気泡Ｂが高粘性液体Ｌに分散する。

固定外筒１の内面から円筒状ギャップ３に突出するノズル４の突出長さによっても気泡サイズを調整できる。ノズル４の突出長さが短いと、固定外筒１の内壁に沿った螺旋状層流Ｈによる剪断力Ｆが気泡核Ｓに作用するだけであるので、ノズル４の先端から分断されるまでに気泡核Ｓが大きく成長し、サイズの大きな気泡Ｂが高粘性液体Ｌに分散する。他方、ノズル４の突出長さを長くすると、螺旋状層流Ｈの内層部も気泡核Ｓの分断に作用し、比較的短時間のうちに気泡核Ｓがノズル４の先端から分離するので、微細な気泡Ｂが高粘性液体Ｌに分散する。ノズル４の突出長さにより気泡サイズを制御する上では、固定外筒１の半径方向に沿って移動可能にノズル４を組み込むことが好ましい。

気泡Ｂが分散される高粘性液体Ｌは、０.５Ｐａ・ｓ以上の粘度をもつことが必要である。粘性の低い液体では、ノズル４の先端にある気泡核Ｓの浮力が剪断力Ｆよりも大きく影響し、気泡サイズを決める剪断力Ｆの作用が弱くなる。０.５Ｐａ・ｓ以上の粘度は、高粘性液体Ｌに分散した気泡Ｂの合一を抑える上でも有効である。高粘性液体Ｌにはシロップ，水飴等の多糖類やゲル，スラリー，液状ポリマー，塗料，硬化前の液状セメント又はコンクリート，各種薬液等が使用され、水分，溶剤，硬化剤，ゲル化剤等の添加によって粘度が調整される。

気体吹込みノズル４は、固定外筒１を貫通して円筒状ギャップ３に臨み、半径方向外側から高粘性液体Ｌの螺旋状層流Ｈに気泡Ｂを送り込む。送り込まれた気泡Ｂは、高粘性液体Ｌよりも軽いため、気泡Ｂ，高粘性液体Ｌに作用する遠心力の差によって半径方向内側に移動し、高粘性液体Ｌに均一分散される。因みに、回転内筒２側に設けたノズル４から気体を吹き込む場合、大きな遠心力で高粘性液体Ｌが半径方向外側に，小さな遠心力で気泡Ｂが半径方向内側に偏在するため、気泡Ｂの均一分散を期し難い。

高粘性液体Ｌは、下降流，上昇流，水平流の何れで円筒状ギャップ３を流動させても良いが、気泡核Ｓの浮力による影響を抑えて気泡サイズを制御する上では下降流として高粘性液体Ｌを円筒状ギャップ３に送り込むことが好ましい。上昇流では、浮力が剪断力Ｆに加算されて気泡核Ｓがノズル４の先端から分断されるので、より厳格な条件制御が必要になる。水平流では、円筒状ギャップ３に臨むノズル４の配置位置に応じて剪断力Ｆ，浮力が異なるので、条件制御が困難になる。

高粘性液体Ｌへの気泡分散には、バッチ式，連続式何れの方式も採用可能であるが、生産性の面から連続式気泡分散装置が使用される。
バッチ式の気泡分散装置では、たとえば高粘性液体Ｌを収容している浴槽１０に固定外筒１，回転内筒２を浸漬し、固定外筒１を貫通する気体吹込みノズル４を円筒状ギャップ３に臨ませる（図２）。回転内筒２はスタンド１１から起立するシャフト１２に軸支され、回転内筒２から突出するシャフト１２がモータ１３に連結されている。回転内筒２，モータ１３間のシャフト１２には、円筒状ギャップ３に送り込まれる高粘性液体Ｌに下向きの推力を付与するためインペラー１４が取り付けられている。固定外筒１は、回転内筒２を内挿するように適宜の手段で宙吊り状態に配置される。インペラー１４は、スタンド１１と回転内筒２との間のシャフト１２に取り付けても良いが、この場合には羽の向きを逆にすることにより同一方向の推力を付与できる。

モータ１３からの動力でシャフト１２を回転させると、固定外筒１に内挿されている回転内筒２及びインペラー１４が回転する。インペラー１４の回転によって下向きの推力が付与された高粘性液体Ｌが円筒状ギャップ３に送り込まれ、回転内筒２の回転モーメントが高粘性液体Ｌに伝達され、高粘性液体Ｌの螺旋状層流Ｈが形成される。気体供給源に接続された給気管１５を経てノズル４から螺旋状層流Ｈに気体を吹き込むと、螺旋状層流Ｈの剪断力Ｆでノズル４の先端から気体が分断され、気泡Ｂとなって高粘性液体Ｌに分散する。

気泡Ｂが分散した高粘性液体Ｌは下向きの螺旋状層流Ｈとして円筒状ギャップ３を流動するが、気泡Ｂ，高粘性液体Ｌに作用する遠心力の差によって気泡Ｂが半径方向内側に移行し、気泡Ｂの均一分散が図られる。次いで、気泡Ｂが分散した高粘性液体Ｌは、固定外筒１の下端開口から浴槽１０に放出される。浴槽１０への放出に応じて固定外筒１の上端開口から高粘性液体Ｌが円筒状ギャップ３に順次送り込まれ、最終的には浴槽１０に収容している高粘性液体Ｌ全体に気泡Ｂが均一分散する。

連続式の気泡分散装置では、高粘性液体供給源２１から延びた給液管２２を固定外筒１の一端開口に、製品取出し部２３に向かう排液管２４を固定外筒１の他端開口に接続する（図３）。給液管２２に組み込んだ給液ポンプ２５又は排液管２４に組み込んだ排液ポンプによって高粘性液体Ｌに推力が付与され、固定外筒１と回転内筒２の間の円筒状ギャップ３に送り込まれる。
高粘性液体Ｌは、円筒状ギャップ３内で回転内筒２の回転モーメントが伝達され、螺旋状層流Ｈとなって円筒状ギャップ３を流動する。気体吹込みノズル４から螺旋状層流Ｈに気体を吹き込むことにより、同様に気泡Ｂが均一分散した高粘性液体Ｌが製品取出し部２３に向けて送り出される。

円筒状ギャップ３に臨む気体吹込みノズル４は、単数又は複数の何れでも良く、気泡Ｂの要求分散度に応じて適宜選定される。複数のノズル４を組み込む場合、気泡Ｂの送り込みを均一化するため、高粘性液体Ｌの螺旋状層流Ｈとの関係でノズル４の配置位置を選定することが好ましい。
具体的には、円筒状ギャップ３の同一円周上に等間隔で複数のノズル４を配置する。４本のノズル４を配置する場合、個々のノズル４からの気体吹込み方向が同一平面上で直交するようにノズル４の配置位置を選定すると、螺旋状層流Ｈに随伴する気泡Ｂの経路が互いに接触しないので、途中で気泡Ｂが合一することなく初期の気泡サイズのまま系外に排出される（図４）。ノズル４の本数増加に応じて気泡Ｂの経路間隔が狭くなるが、螺旋状層流Ｈの流速を増加させることにより必要な気泡Ｂの経路間隔を確保できる。

透明度の高い合成樹脂製の固定外筒１に回転内筒２を内挿した気泡分散装置（図２）を用い、気泡Ｂの分散状態を観察しながら高粘性液体Ｌに気泡Ｂを分散させることにより、螺旋状層流Ｈの形成が気泡Ｂのサイズ，分散状態に及ぼす影響を調査した。
固定外筒１には半径：５０ｍｍ，高さ：３００ｍｍのアクリル樹脂製円筒、回転内筒２には半径：２５ｍｍ，高さ：２００ｍｍのアクリル樹脂製円筒を用意した。回転内筒２をステンレス鋼製シャフト１２で軸支し、回転内筒２から突出したシャフト１２に四翼型インペラー１４を装着した。浴槽１０内に配置したスタンド１１にシャフト１２を起立させ、シャフト１２の上端をモータ１３に連結した。

固定外筒１の管壁を貫通して内径：２.３ｍｍの気体吹込みノズル４を配置し、固定外筒１と回転内筒２との間の円筒状ギャップ３にノズル４の先端を臨ませた。固定外筒１の内壁から円筒状ギャップ３に突出するノズル４の長さは、一定値５.０ｍｍに設定した。
粘度：７.８５Ｐａ・ｓの水飴を高粘性液体Ｌに使用し、固定外筒１，回転内筒２が浸るまで浴槽１０に収容した。回転内筒２，インペラー１４の回転数Ｎ，ノズル４から送り込まれる空気の流量Ｑを変化させながら、気泡Ｂを高粘性液体Ｌに分散させた。透明な固定外筒１を透かした観察から、回転数Ｎが１００ｒｐｍ以上になった段階で円筒状ギャップ３を流動する高粘性液体Ｌが螺旋状層流Ｈとなり、ノズル４の先端から連続的に且つ等しい時間間隔で気泡Ｂが螺旋状層流Ｈに送り込まれることが判った。

気泡サイズに及ぼす回転数Ｎ，空気流量Ｑの影響を調査した。なお、気泡サイズは、空気流量Ｑを一定に維持した条件下で気泡生成頻度ｆを微差圧変動センサで測定し、気泡生成頻度ｆに対する空気流量Ｑの比Ｑ／ｆとして算出した。図５の調査結果にみられるように、回転内筒２を回転させない場合に比較して気泡サイズが大幅に小さく、回転数Ｎの増加に応じて気泡サイズが漸減する傾向にあった。０.０５０ｃｍ³／秒の比較的大流量で空気を吹き込んだ場合０.０２〜０.１３ｃｍ³と比較的大きなサイズの気泡が生成したが、空気流量Ｑの減少に伴って気泡サイズが小さくなった。

次いで、回転数Ｎ：１４０ｒｐｍ，空気流量Ｑ：０.０３３ｃｍ³／秒の条件下で高粘性液体Ｌに分散させた気泡Ｂのサイズを測定し、サイズ分布を求めた。図６の分布曲線にみられるように、高粘性液体Ｌに分散した気泡Ｂは０.００８７〜０.００８９ｃｍ³と極狭い範囲でサイズが揃っていた。比較のため、同じ高粘性液体Ｌを標準的なタービン翼攪拌槽に入れ、ノズルから吹き込んだ気泡をタービン翼で砕く方法により、高粘性液体Ｌに気泡を分散させた。このときの気泡サイズを図６に対比して掲げる。
両者の相違から、螺旋状層流Ｈを気泡分散に利用することにより、極めてきめ細かな気泡を高粘性液体Ｌに均一分散できることが確認される。その結果、高粘性液体Ｌは、気泡サイズが揃っているため品質，性能が安定した製品として使用される。

以上に説明したように、固定外筒１，回転内筒２で区画される円筒状ギャップ３を流動する高粘性液体Ｌを螺旋状層流Ｈにし、螺旋状層流Ｈに気体を吹き込むことにより、気泡Ｂが均一分散した高粘性液体Ｌが得られる。しかも、シャープなサイズ分布で気泡Ｂが高粘性液体Ｌに分散するため、高粘性液体Ｌの品質，性能も向上する。このようにして気泡が分散した高粘性液体は、食材，化粧液，樹脂液，塗料，薬液，消火液等として広範な分野で使用される。

高粘性液体の螺旋状層流に気体を吹き込み、高粘性液体に気泡を分散させることを説明する原理図バッチ式気泡分散装置の概略図連続式気泡分散装置の概略図螺旋状層流との関連で気体吹込みノズルの配置を説明する図回転内筒の回転数，空気の吹込み流量が気泡サイズに及ぼす影響を示したグラフ螺旋状層流が気泡サイズの均一化に有効なことを表したグラフ

符号の説明

１：固定外筒２：回転内筒３：円筒状ギャップ４：気体吹込みノズル
１０：浴槽１１：スタンド１２：シャフト１３：モータ１４：インペラー１５：給気管
２１：高粘性液体供給源２２：給液管２３：製品取出し部２４：排液管２５：給液ポンプ
Ｌ：高粘性液体Ｈ：螺旋状層流Ｂ：気泡Ｓ：気泡核Ｆ：剪断力

Claims

固定外筒と、固定外筒の内部に配置された回転内筒と、固定外筒を貫通し、固定外筒と回転内筒との間にできる円筒状ギャップに開口する気体吹込みノズルと、高粘性液体供給源から固定外筒の一端開口部に延びた給液管と、固定外筒の他端開口部に接続された排液管と、給液管又は排液管に配置され、高粘性液体に推力を付与するポンプとを備え、円筒状ギャップを流動する高粘性液体の螺旋状層流に気体吹込みノズルから気体が吹き込まれることを特徴とする高粘性液体用気泡分散装置。
固定外筒を貫通する気体吹込みノズルが固定外筒の半径方向に移動可能に配置されている請求項１記載の高粘性液体用気泡分散装置。