JP4619316B2 - 気液混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体中に気体を溶解させ、気液混合体を生成する気液混合装置に関するものである。

従来から気体と液体とを混合させる気液混合装置が用いられている。また、近年、気液混合体の利用の一例として、殺菌、有機物の分解、および半導体プロセスにおけるレジスト除去等のために、オゾン水を用いる研究が盛んに行われている。オゾン水を製造する方法の一つとして、オゾンを水に溶解させる方法がある。オゾン溶解技術として、たとえば、実開平６−３４９５号公報には、オゾン溶解装置が開示されている。オゾン溶解装置３０１の動作原理は、次のようなものである。なお、オゾン溶解装置３０１は、気体としてのオゾンを液体としての水に混合させる本発明の気液混合装置の従来技術の一例である。

図１１に示されるように、オゾン溶解装置３０１は、配管３０３、配管３０３に設けられた混合器３０６、混合器３０６にオゾン含有気体３０４を導くオゾン供給管３０５、およびオゾン供給管３０５にオゾン含有気体３０４を供給するタンクを備えている。

オゾン溶解装置３０１においては、液体３０２が、配管３０３内を流れ、気液混合体を生成する混合器３０６を通過する。混合器３０６内の流路は配管３０３内の流路に比較して狭い。そのため、液体３０２の流速が増加する。それにより、液体３０２の動圧が増加する。その結果、ベルヌーイの定理にしたがって液体３０２の静圧が減少する。したがって、液体３０２は、大気圧を基準して、負圧になる。そのため、オゾン含有気体３０４がオゾン供給管３０５を介して混合器３０６内に吸引される。このとき、オゾン含有気体３０４が混合器３０６内において微細気泡として液体３０２に溶解される。微細気泡は単位体積あたりの表面積が大きい。また、微細気泡は、自己加圧効果および滞留効果を発揮する。したがって、微細気泡の水への溶解能力は極めて高い。そのため、オゾン水が効率的に製造される。なお、オゾン含有気体３０４は、吸引の代わりに圧入によって混合器３０６へ供給されてもよい。
実開平６−３４９５号公報 特開昭６３−８４６１４号公報

しかしながら、上記の気液混合装置の一例としてのオゾン溶解装置は、次のような欠点を有している。

従来の混合器３０６へオゾンを導く気体導入管としてのオゾン供給管３０５の材料としては、主に、塩化ビニル樹脂が用いられている。塩化ビニル樹脂は、親水性を有している。そのため、塩化ビニル樹脂と水との接触角は通常６０°〜８５°である。そのため、気液混合装置が停止しているときには、毛管現象によって、液体としての水が気体導入管としてのオゾン供給管３０５内を逆流する。そのため、逆流に起因する液体の漏出を防止するためのバルブが必要になる。前述の気体導入管内を液体が逆流する問題は、液体が水である場合に限らず、液体と気体導入管との接触角がある程度小さい場合、つまり、液体の気体導入管の内壁面に対する濡れ性が高い場合に生じる。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体の流れが停止しているときに液体が気体導入管を逆流しない気液混合装置を提供することである。

本発明の一の局面の気液混合装置は、気体と液体とが混合された気液混合体が生成される空間と、空間へ液体を導くように設けられた液体導入口と、気液混合体を空間から吐出するように設けられた吐出口と、空間へ気体を導くように設けられた気体導入管とを備えている。気体導入管の内径がｄであり、液体と気体との圧力差がΔｐであり、液体の表面張力がγ_Ｌであり、気体導入管の内壁面と液体との接触角がθであるとすると、Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係が成立する。

上記の気液混合装置によれば、液体と気体との間に圧力差がある場合においても、気体導入管内においては、毛管現象によって、液面が液体内部へ向かって押し戻されるように、力が液体に作用する。そのため、液体が空間から気体導入管を介して外部へ漏れ出すことが防止される。

また、前述の気体導入管のうち少なくとも内壁面は、フッ素樹脂材料で形成されていてもよい。これによれば、気体導入管の寸法および液体の種類の選択の幅が広くなる。そのため、液体が空間から気体導入管を介して外部へ漏れ出すことを防止するための気液混合装置の設計が容易になる。また、気体導入管の内壁面と液体との接触角が大きい。そのため、気体導入管の内壁面と液体との間の吸着力が小さい。その結果、気体導入管の内壁面と液体との摩擦抵抗が低減される。したがって、仮に液体と気体との間の圧力差が大きいために液体が気体導入管内を逆流したとしても、液体が空間内へ容易に吸引され得る。したがって、気液混合装置を容易に再度稼動することができる。また、供給気体として、たとえばオゾン等の酸化力の強い物質が使用された場合においても、フッ素樹脂材料の高い化学安定性によって、気体が直接接触する気体導入管の内壁面の腐食が防止される。

また、気体導入管の全体が、フッ素樹脂材料で形成されていてもよい。これによれば、気体導入管の製造工程が簡略化される。また、フッ素樹脂は金属ではないため、気体導入管と他の金属との接触に起因する電腐の発生が防止される。その結果、気体導入管にピンホールが形成される等の気体導入管の劣化を防止することができる。

また、気体導入管の内壁面のみが、フッ素樹脂材料で形成されていてもよい。これによれば、気体導入管の内壁表面部以外の部分を、たとえば金属材料のような強度が大きい材料を用いて形成することができる。そのため、気体導入管の設計のバリエーションが豊富になる。その結果、気体導入管の設計が容易になる。

また、気体導入管の表面上には、フッ素樹脂材料によって皮膜処理が施されていてもよい。これによれば、フッ素樹脂材料の使用量が低減される。

本発明の他の局面の気液混合装置は、気体と液体とが混合された気液混合体が生成される空間と、空間へ前記液体を導くように設けられた液体導入口と、気液混合体を空間から吐出するように設けられた吐出口と、空間へ気体を導くように設けられた多孔質体とを備えている。多孔質体の孔の内径がｄであり、液体と気体との圧力差がΔｐであり、液体の表面張力がγ_Ｌであり、多孔質体の孔の内壁面と液体との接触角がθであるとすると、Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係が成立する。

上記の他の局面の気液混合装置によれば、前述の一の局面の気液混合装置によって得られる効果と同様の効果を得ることができる。また、気体導入管の代わりに、多孔質体が用いられている。そのため、気液混合装置の各部の寸法の設計が容易になる。さらに、気体が通過する経路の断面積は、多孔質体の断面における孔の個数に対応する。そのため、気体導入経路の総断面積を増加させることによって、効率的に気体を空間へ導くことができる。

また、多孔質体のうち少なくとも孔の内壁面が、フッ素樹脂材料で形成されていてもよい。これによれば、多孔質体の孔の寸法および液体の種類の選択の幅が広くなる。そのため、液体が空間から多孔質体を介して外部へ漏れ出すことを防止するための気液混合装置の設計が容易になる。また、多孔質体の孔の内壁面と液体との接触角が大きい。そのため、多孔質体の孔の内壁面と液体との間の吸着力が小さい。その結果、多孔質体の孔の内壁面と液体との摩擦抵抗が低減される。したがって、仮に液体と気体との間の圧力差が大きいために液体が多孔質体の孔内を逆流しても、液体が空間内へ容易に吸引され得る。したがって、気液混合装置を再度稼動することが容易である。また、供給気体として、たとえばオゾン等の酸化力の強い物質が使用された場合においても、フッ素樹脂材料の高い化学安定性によって、気体が直接接触する多孔質体の孔の内壁の腐食が防止される。

また、多孔質体は、フッ素樹脂材料で形成されていてもよい。これによれば、多孔質体の製造工程が簡略化される。

また、多孔質体の孔の内壁面上には、フッ素樹脂材料によって皮膜処理が施されていてもよい。これによれば、フッ素樹脂材料の使用量が低減される。

また、一の局面および他の局面の気液混合装置は、気体が微細気泡として液体中へ供給されることによって、気体と液体とが混合して、気体が液体中に溶解するものであることが望ましい。

上記の気液混合装置によれば、気体が微細気泡に変化することにより、気体と液体との単位体積あたりの接触面積が増加する。また、微細気泡は、液体の表面張力に起因する自己加圧効果と、微細気泡の浮力が小さいために微細気泡が液体中に滞留し易くなる滞留効果とを有している。したがって、効率的に気体を液体に溶解させることができる。

また、一の局面および他の局面の気液混合装置は、前述の空間がベンチュリ管によって構成され、前述の微細気泡がベンチュリ管を通過する液体中において発生するものであってもよい。

上記の気液混合装置によれば、空間内の激しい乱流流れ場または空間内の急激な圧力変化を利用して効率的に微細気泡を発生させることができる。それにより、気体と液体との接触面積の増加、自己加圧効果、および滞留効果によって、高い溶解能力が得られる。その結果、気体が液体中に効率的に溶解され得る。

さらに、ベンチュリ管によれば、液体導入口を通過する液体の流れる方向と吐出口を通過する液体の流れる方向とが同一である。そのため、液体の圧力損失が小さい。したがって、液体導入口から空間へ供給される液体に与えられる圧力が小さい場合においても、微細気泡を発生させることができる。また、たとえば、水等の液体中に気液混合装置を浸けて、液体中に意図的に流れを生じさせることができる。また、気液混合装置を配管系に組み込むことができる。

また、一の局面および他の局面の気液混合装置は、前述の空間が旋回流を生じさせ得るような形状に構成されており、液体導入口が空間内において旋回流を生じさせ得るような位置に設けられており、微細気泡が旋回流の中心部に形成される負圧部で発生するものであってもよい。

上記の気液混合装置によれば、空間内の急激な圧力変化または空間内の激しい乱流流れ場を利用して効率的に微細気泡を発生させることができる。それにより、液体と気体との接触面積の増加、自己加圧効果、および滞留効果による高い溶解能力が得られる。その結果、気体は、効率的に液体中に溶解することができる。

さらに、旋回流を生じさせる空間が形成される場合には、ベンチュリ管が用いられる場合と異なり、細管を設ける必要がない。そのため、旋回流が生じる空間の径をベンチュリ管によって形成される空間の径よりも大きくすることができる。したがって、たとえば、水等の液体中にスラリー等の懸濁物質が多く含まれている場合においても、液体が流れる空間が懸濁物資によって閉塞さることが防止される。

また、液体は、吐出口を中心部として旋回しながら吐出口から吐出される。そのため、たとえば、気液混合装置が、水等の液体中に浸漬されている場合に、液体の元来の流れが、吐出口から吐出される液体によって大きく阻害されることがない。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の気液混合装置を説明する。
（実施の形態１）
まず、図１〜図４を用いて、実施の形態１の気液混合装置１０を説明する。

本実施の形態の気液混合装置１０は、図１および図２に示されるように、気体１２と液体１１が混合された気液混合体１３を生成する空間１を有する混合器１００を備えている。混合器１００には、空間１内へ気体を導くように気体導入口４が設けられている。また、混合器１００には、空間１内へ液体を導くように液体導入口２が設けられている。さらに、混合器１００には、空間１から外部へ気液混合体１３を吐出する吐出口３が設けられている。気体導入口４には、気体導入管５が接続されている。

また、図３においては、Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係が成立する場合に、気体導入管５内の気液界面５５に作用する合力５６の向きが矢印によって示されている。一方、図４においては、Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ＞０という関係が成立する場合に、気体導入管５内の気液界面５５に作用する合力５６の向きが矢印によって示されている。なお、本実施の形態においては、気体導入管５の内径がｄであり、液体１１と気体１２との圧力差がΔｐであり、液体１１の表面張力がγ_Ｌであり、気体導入管５の内壁面と液体１１との接触角がθであるものとする。なお、気体導入管５は後述される内壁構成部材６を含むものであり、気体導入管５の内径ｄは、内壁構成部材６の内径を意味する。

本実施の形態の気液混合装置１０においては、気体導入管５の内壁面は、前述のΔｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係が成立する内壁構成部材６によって構成されている。内壁構成部材６の一例としては、フッ素樹脂を含む材料が考えられる。

前述の内壁構成部材６がフッ素樹脂を含む材料であれば、水を含む多種類の液体のいずれかと気体導入管５の内壁面との接触角θに関して、ｃｏｓθ＜０という関係が成立する。そのため、前述のΔｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係が成立し得る。

一方、ｃｏｓθ＞０である場合には、Δｐ≧０、ｄ＞０、かつγ_Ｌ＞０であるため、前述のΔｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係が成立することはない。

前述の内壁構成部材６は、たとえば、薄肉パイプとして気体導入管５内に嵌め込まれてもよい。また、内壁構成部材６は、気体導入管５の主材料となる基材の表面にフッ素皮膜処理によって形成されてもよい。

一般に、フッ素樹脂は高い化学安定性を有している。そのため、オゾン等の酸化力の強い気体が気体導入管５を介して空間１に導かれる場合においても、気体導入管５の内壁面は腐食されない。

本実施の形態の気液混合装置１０は、図１に示されるように、その内部に空間１を有している。空間１は、エゼクタ構造を有している。エゼクタ構造は、いわゆるベンチュリ管によって構成されている。ベンチュリ管は、図１のように、縮流部１６、細管部としてのスロート部１４、および拡散部１７を含んでいる。縮流部１６は、上流側から下流側へ除々に流路の断面積が小さくなる円錐状の空間である。また、拡散部１７は、上流側から下流側へ除々に流路の断面積が大きくなる円錐状の空間である。さらに、スロート部１４の一方端は、縮流部１６の最も断面積が小さい端部に接続されている。また、スロート部１４の他方端は、拡散部１７の最も断面積が小さい端部に接続されている。スロート部１４は円柱状の空間である。

気液混合装置１０は、使用されるときには、液体中へ浸漬されるかまたは配管系へ接続される。気液混合装置１０においては、液体１１が液体導入口２から縮流部１６へ流れこむように、ポンプ等が用いられる。

気液混合装置１０が駆動されるときには、加圧された液体１１が液体導入口２から縮流部１６へ導入される。縮流部１６の流路の断面積が除々に小さくなるため、液体１１の流速は除々に大きくなる。それにより、液体１１の流速は、スロート部１４において最も大きくなる。そのため、スロート部１４においては、液体１１の動圧が最も大きくなる。したがって、ベルヌーイの定理にしたがって、スロート部１４においては、静圧が最も小さくなる。その結果、スロート部１４の圧力は、大気圧を基準として、負圧になる。スロート部１４が負圧になると、外部から気体導入管５および気体導入口４を介してスロート部１４へ気体１２が吸引される。

拡散部１７の流路の断面積は、スロート部１４の流路の断面積よりも大きい。そのため、液体１１がスロート部１４から拡散部１７へ流れると、液体１１の流速は低下する。それにより、拡散部１７の液体１１においては、動圧が低下し、静圧が増加する。その結果、気体１２は拡散部１７において液体１１の急激な圧力変化によって粉砕される。その結果、気体１２は、微細気泡２０に変化し、液体１１に混合される。その結果、気液混合体１３が吐出口３から外部へ吐出される。

微細気泡２０は、単位体積あたりの表面積が大きく、自己加圧効果および滞留効果を有しているため、極めて高い溶解能力を有する。したがって、微細気泡２０が気液混合装置１０内部の液体または外部の液体１１に混合されることによって、気体１２が液体１１に効率的に溶解され得る。

本明細書においては、微細気泡２０は、直径が１００μｍ以下の気泡を意味する。一般的には、気体１２が液体１１に効率的に溶解されるためには、微細気泡２０の直径が５０μｍ〜１００μｍ以下であることが望ましいと言われている。本実施の形態においては、直径が平均３５μｍである微細気泡２０が発生するものとする。

本実施の形態における気液混合装置１０の寸法に関しては、たとえば、縮流部１６の長さが２０ｍｍであり、縮流部１６の入口の内径が４０ｍｍであり、スロート部１４の内径が４ｍｍであり、スロート部１４の長さが３０ｍｍであり、拡散部１７の長さが１００ｍｍであり、拡散部１７の広がり角ψが８°であり、気体導入管５の内径が０．１ｍｍであるものとする。液体導入口２における液体１１の圧力は、たとえば、０．０５ＭＰａであるものとする。

本実施の形態の気液混合装置においては、仮に、液体１１の供給が停止されて、気液混合装置１０の稼動が停止した場合には、本図３に示されるように、気体導入管５の内壁面と液体１１との接触角θが、Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係が成立する。そのため、毛管現象によって液体１１が気体１２を引き下げる方向に、液体１１に合力５６が作用する。そのため、液体１１の逆流が防止される。一方、図４に示されるように、Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ＞０という関係が成立する場合には、毛管現象によって、液体１１が気体１２を押し上げる方向に、液体１１に合力５６が作用する。

次に、前述のような合力５６が作用する理由が、式を用いて、詳細に説明される。
本実施の形態においては、液体１１と気体１２との圧力差がΔｐであり、液体１１の表面張力がγ_Ｌであり、気体導入管５の内径がｄであり、気体導入管５の内壁面と液体１１との接触角がθであり、液面の変位がｈであり、液体の密度がρであり、重力加速度がｇであり、円周率がπであるものとする。なお、液面の変位ｈにおいては、気体１２側へ進む向きが正の向きであるものとする。

気液混合装置１０の稼動を停止した場合には、気体導入口４は、混合器１００内の液体１１の液面よりも下に位置付けられている。そのため、Δｐ≧０という関係が成立する。

気体導入管５中の液体１１に作用する力は、図３および図４に示されるように、
重力に起因する力５７＝π×（ｄ／２）²×ｈ×ρ×ｇ、
圧力差Δｐに起因する力５８＝Δｐ×π×（ｄ／２）²、および
液体１１の表面張力に起因する力５９＝π×ｄ×γ_Ｌ×ｃｏｓθ
の３つからなる。

図３および図４のそれぞれにおいて、合力５６は、力５７、力５８、および力５９の合力である。

気体導入管５中の液体１１に作用する前述の３力の釣り合いを考慮すると、
π×（ｄ／２）²×ｈ×ρ×ｇ＝Δｐ×π×（ｄ／２）²＋π×ｄ×γ_Ｌ×ｃｏｓθ
という関係式が成り立つ。

前述の関係式が変形されると、
ｈ＝［Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ］／［ｄ×ρ×ｇ］
という式が得られる。

液体１１が気体導入管５内において気体１２を押し上げるような逆流をしないためには、気液界面５５が液体１１側に押し戻されるような力が作用することが必要である。そのため、ｈ≦０という関係が成立する必要がある。

したがって、前述の２つの式から
Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０
という関係式が得られる。

前述の式をさらに変形すると、ｄ≦−４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ／Δｐ
が得られる。

Δｐ≧０、ｄ＞０、かつ、γ_Ｌ＞０であることから、前述の関係式が成立するためにはｃｏｓθ≦０という関係が成立することが必要である。

図８および図９は、圧力差Δｐ、気体導入管５の内径ｄ、および内壁面と液体１１との接触角θの関係を示すグラフである。圧力差Δｐ、気体導入管５の内径ｄ、および気体導入管５の内壁面と液体１１との接触角θの関係は、式Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０に基づいて計算されている。図８および図９に示された圧力差Δｐ、気体導入管５の内径ｄ、および内壁面と液体１１との接触角θの関係が成立すれば、気液混合装置１０の停止時の液体１１の逆流が防止される。ただし、図８および図９に示されるデータは、液体１１が水であり、水の表面張力γ_Ｌ＝７２．８８ｍＮ／ｍであるものとして、算出されたものである。

図８は、圧力差Δｐと、水の逆流を防止するために必要な接触角（要求接触角）θとの関係を示すグラフであり、図９は、気体導入管５の内径ｄと、水の逆流を防止するために必要な接触角（要求接触角）θとの関係を示すグラフである。

図８および図９に示されるように、たとえば、気体導入管５の内径ｄ＝０．１ｍｍ、液体１１と気体１２との圧力差Δｐ＝０．００１ＭＰａ、かつ、水の表面張力γ_Ｌ＝７２．８８ｍＮ／ｍの条件という下で、要求接触角θは１０７°以上である。

要求接触角θが１０７°より小さい場合には、液体１１が、気体導入管５内を気体１２側へ逆流するのに対し、要求接触角θが１０７°以上である場合には、液体１１が気体導入管５内を気体１２側へ逆流することが防止される。

たとえば、水とフッ素樹脂との間の接触角θは１００°〜１２０°の範囲内の値である。一般に、フッ素樹脂材料の表面に微細な凹凸を設けることにより、接触角θを増加させることができる。したがって、気体導入管５の内壁面を構成する材料としてフッ素樹脂材料を選択することにより、θ≧１０７°という条件が満足される。

なお、気体１２自身には表面張力が作用しないため、気体１２は、液体１１と気体導入管５との接触角θには影響されず、自由に気体導入管５を通過することができる。

気体導入管５の内壁面がフッ素皮膜によって被覆されることにより、式Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係が成立する場合には、フッ素皮膜の膜厚は１μｍ以上であることが好ましい。なぜならば、フッ素皮膜の膜厚が１μｍ未満である場合には、気体１２としてオゾン等の酸化力の強い物質が使用されるときに、気体１２がフッ素皮膜を浸透して気体導入管５の基材を腐食させるためである。

気体導入管５の基材の表面がフッ素皮膜処理される方法としては、たとえば、次のような第１〜第４の方法がある。

第１の方法においては、まず、真空中で基材を回転させながら基材の表面にフッ素皮膜が塗布される。次に、そのフッ素皮膜が乾燥させられる。その後、フッ素皮膜が焼成される。

第２の方法においては、まず、気液混合装置１０の気体導入管５以外の部分が、真空中でＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）溶液中へ浸漬される。次に、気液混合装置１０が大気中に置かれる。それにより、ＰＴＦＥが、大気の圧力によって押され、気体導入管５内を通過する。その後、気体導入管５内のＰＴＦＥが乾燥するように焼成される。

第３の方法としては、気液混合装置１０がＰＴＦＥ溶液中に浸漬された状態で駆動される。それにより、気体導入管５内をＰＴＦＥが通過する。その結果、ＰＴＦＥ膜が、気体導入管５の内壁面に塗布され、その後、乾燥するように焼成される。

第４の方法としては、気液混合装置１０がテトラフルオロエチレン溶液に浸漬され、重合反応によりフッ素皮膜が気体導入管５の内壁面上に付着する。

なお、フッ素樹脂の成型によって気体導入管５全体が形成されてもよい。また、混合器１００および気体導入管５全体が、フッ素樹脂の一体成型によって形成されてもよい。このような一体成型によれば、部品点数が低減される。

また、液体１１との接触角θを増加させるために、気体導入管５の内壁面に微細な凹凸が設けられてもよい。

また、液体１１は、水に限定されず、気体導入管５の内壁面との接触角θが、Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係が成立するものであれば、いかなる液体であってもよい。たとえば、液体は、有機溶剤または油等であってもよい。

また、気体１２は、オゾン、酸素、または空気等のいかなる気体であってもよい。ただし、気体１２として、オゾン等の酸化力の強い気体が用いられる場合には、フッ素樹脂の耐薬品性が特に有効に作用する。

また、気体導入管５の数は、１本に限定されず、２本以上あってもよい。気体導入管５が２本以上設けられる気液混合装置１０によれば、個々の気体導入管５が別々の気体を導入することにより、２種類以上の気体を液体に溶解させることができる。

また、気体１２は、吸引力によってスロート部１４へ導かれてもよいが、押圧力によってスロート部１４へ押し込まれてもよい。また、液体も、吸引力によってスロート部１４へ導かれてもよいが、押圧力によってスロート部１４へ押し込まれてもよい。

（実施の形態２）
本実施の形態の気液混合装置においては、実施の形態１の気液混合装置と同一の機能を果たす部位には同一の参照符号が付されており、特に必要が無い限り、その説明は繰り返さない。

図５および図６は、本発明の実施の形態２の気液混合装置１０を説明するための図である。図５は、気液混合装置１０の横断面図であり、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。

本実施の形態の気液混合装置１０は、旋回流が生じ得る形状からなる空間１を有する混合器１００を備えている。本実施の形態においては、空間１の形状は、円柱状であるが、旋回流が生じ得る形状であれば、多角柱状等の他の形状であってもよい。空間１の側面には液体導入口２が設けられている。液体導入口２は、空間１内において旋回流を生じさせるように空間１へ液体を導く配管に接続されている。また、空間１の一方の底面には、気体導入口４が設けられている。また、気体導入口４には気体導入管５が接続されている。外部から気体導入管５を介して空間１へ気体が導かれる。また、空間１の他の一方の底面には、吐出口３が設けられている。気液混合体１３が、吐出口３を中心として旋回するように、吐出口３から外部へ吐出される。

気体導入管５の内壁面は、実施の形態１と同様に、気体導入管５内を通過する液体に対する接触角θが前述のΔｐ×ｄ＋４γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係を満足させる内壁構成部材６によって構成されている。

また、内壁構成部材６は、たとえば、フッ素樹脂によって形成されてもよい。気体導入管５の材質がフッ素樹脂であれば、Δｐ×ｄ＋４γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係を成立させることが容易であることは、実施の形態１において述べられたとおりである。

また、フッ素樹脂は高い化学安定性を有しているため、オゾン等の酸化力の強い気体が使用される場合においても、気体導入管５の内壁面の腐食が防止される。

空間１は、断面が円形である円柱形状をなしている。液体導入口２は、図５および図６に示されるように、空間１の側面に設けられており、一方の底面に平行な円形断面の接線方向に沿って延びる液体導入用配管に接続されている。このように、円柱状の空間１の側面の接線方向に沿って延びる液体導入用配管に接続された液体導入口２が設けられているため、空間１内において旋回流を高い効率で発生させることができる。

気体導入口４は、一方の底面のほぼ中心位置に設けられている。一方の底面の中心位置においては、旋回流に起因して、圧力が最も小さくなる。そのため、気体導入口４が円形の底面の中心位置に設けられていれば、気体１２が円柱状の空間１内へ効率的に吸引される。

各部の寸法に関しては、たとえば、液体導入口２の内径が４ｍｍであり、気体導入管５の内径が０．１ｍｍであり、吐出口３の内径６ｍｍ、かつ、円柱状の空間１の内径５０ｍｍ、円柱状の空間１の長さが６０ｍｍであるものとする。液体導入口２を通過する液体１１の圧力は、たとえば、０．１０ＭＰａであるものとする。

本実施の形態の気液混合装置１０によれば、実施の形態１の気液混合装置１０に比較して、液体１１に大きな圧力をかけることが必要になる一方で、スロート部１４が必要ない。そのため、円柱状の空間１の内径を大きくすることによって、気液混合装置１０全体を大型化させることができる。そのため、たとえば、水等の液体中にスラリー等の懸濁物質が多く含まれている場合においても、混合器１００内の流路が懸濁物質によって閉塞されることなく、気液混合体を生成することができる。

気液混合装置１０が使用されるときには、少なくとも吐出口３は液体中に挿入される。このとき、液体導入口２から空間１へ液体１１が押圧力によって導入される。それにより、空間１内において旋回流２１が生成される。そのため、空間１の中心軸およびその近傍に負圧部が形成される。この負圧部によって気体導入口４から空間１へ気体１２が吸引される。その結果、圧力が最も低い空間１の中心軸およびその近傍を気体１２が通過する。このとき、空間１の中心軸に沿う細い紐状の気体空洞部が形成される。

この空間１では、気体導入口４から吐出口３までの間において紐状の気体空洞部が形成される。それにより、混合器１００の外部の液体の流れの速度と混合器１００内の旋回流２１の速度との差に起因して、気体空洞部が剪断される。その結果、微細気泡２０が効率的に発生する。

微細気泡２０は、単位体積あたりの表面積が大きく、かつ、自己加圧効果および滞留効果も有しているため、極めて高い溶解能力を有している。そのため、微細気泡２０が液体１１へ溶解されることによって、気体１２が液体１１に効率的に混合される。

本明細書において、微細気泡２０は、実施の形態１と同様に、直径が１００μｍ以下の気泡を意味する。気体１２が液体１１に効率的に溶解されるためには、微細気泡２０の直径は一般にφ５０μｍ〜１００μｍであることが望ましいと言われている。本実施の形態においては、平均径４０μｍの気泡が発生するものとする。

仮に、液体１１の供給が停止され、気液混合装置１０の稼動が停止している場合には、Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係が成立する。そのため、液体１１が気体１２を押し上げて外部へ漏れ出さないことは前述のとおりである。

なお、液体導入口２は、図６において旋回流２１が時計回り旋回するように設けられているが、図６において旋回流２１が反時計回りに旋回するように設けられていてもよい。
また、気体１２は、吸引力によって空間１へ導かれてもよいが、押圧力によって空間１へ押し込まれてもよい。

（実施の形態３）
本実施の形態の気液混合装置においては、実施の形態１および２の気液混合装置と同一の機能を果たす部位には同一の参照符号が付されており、特に必要が無い限り、その説明は繰り返さない。

図７は、本実施の形態の気液混合装置を説明するための横断面図である。
本実施の形態の気液混合装置１０は、実施の形態１の気液混合装置１０と同様に、混合器１００、気体導入口４、液体導入口２、および吐出口３を備えている。ただし、本実施の形態の気液混合装置においては、気体導入管５内に内壁構成部材６としての多孔質体が設けられ、多孔質体の孔が気体導入経路として機能する。

多孔質体の孔の内壁面とその孔を通過する液体１１との接触角θは、Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係を成立させ得る値である。空間１は、実施の形態１と同様に、エゼクタ構造を有している。つまり、本実施の形態においては、空間１は、ベンチュリ管によって構成されている。

また、内壁構成部材６は、多孔質基材にフッ素皮膜処理が施されることによって形成されている。また、多孔質構造によれば、気体１２が通過する経路の総断面積は、個々の孔の断面積の合計値になる。そのため、多孔質構造によれば、１個の孔のみが設けられている構造に比較して、気体流入量を確保するために必要な個々の孔の直径を小さくすることができる。

たとえば、多孔質構造によれば、内径ｄが１０μｍである１つの気体導入管５の流路の断面積と同一の断面積を確保するためには、内径ｄが１μｍである孔が流路に垂直な断面において１００個設けられていればよい。

図１０は、気体導入口４に接続された多孔質体の個々の孔の内径ｄが気体導入経路の内径であると仮定したときの、内径ｄと逆流防止のために許容可能な圧力差Δｐとの関係を示すグラフである。

ただし、液体は水であるものとし、水の表面張力はγ_Ｌ＝７２．８８ｍＮ／ｍであるものとする。

図１０から分かるように、多孔質体の孔の内壁面と液体１１との接触角θがθ＝１２０°であり、かつ、多孔質体の孔の内径ｄが３μｍである場合には、圧力差Δｐが０．０４８ＭＰａまで増加されても、液体１１の逆流を防止することができる。また、多孔質体の孔の内壁面と液体１１との接触角θがθ＝１２０°であり、かつ、多孔質体の孔の内径ｄ＝１０μｍである場合には、圧力差Δｐ＝０．０２５ＭＰａであれば、液体１１の逆流が生じるが、多孔質体の孔の内壁面と液体１１との接触角θがθ＝１２０°であり、かつ、多孔質体の内径ｄ＝１μｍである場合には、Δｐ＝０．１４ＭＰａであっても、液体１１の逆流が生じない。

そのため、実効的な気体導入管５の断面積を維持しながら、個々の気体導入経路の内径を小さくすることができる。したがって、深い位置に浸漬した気液混合装置１０が停止した場合、すなわち、圧力差Δｐが大きい場合においても、液体１１の逆流の発生の防止を効果的に実現することができる。

内壁構成部材６の孔の密度が高いほど、気体が通過できる経路の総断面積が増加する。しかしながら、内壁構成部材６の強度が損なわれない範囲において、所望の気体導入経路の総断面積を実現するように、孔の密度を設計することが好ましい。

たとえば、孔の直径が５μｍである場合には、孔の密度が４００００個／ｍｍ²以下であることが好ましい。なぜならば、孔の密度が４００００個／ｍｍ²より大きい場合には、内壁構成部材６に必要な所望の強度が確保されないためである。

なお、混合器１００のスロート部１４を構成する部分の全てが、多孔質体からなる内壁構成部材６によって構成されてもよい。これによれば、気体導入経路の総断面積が増加する。そのため、多孔質体が液体１１に接する面積を増加させることができる。したがって、気体１２が液体１１中へ効率的に導入される。

気体１２は、実施の形態１の気液混合装置と同様に、微細気泡２０に効率的に変化し、気体１２が液体１１とが効率的に溶解される。

多孔質体からなる内壁構成部材６の孔の表面にフッ素皮膜処理を施すための方法としては、たとえば、多孔質体が、ＰＴＦＥ溶液に浸漬され、乾燥され、焼成される方法、希釈化されたＰＴＦＥ溶液が多孔質体へ浸透され、多孔質体が乾燥され焼成れる方法、または、希釈化されたテトラフルオロエチレン溶液が多孔質体へ浸透され、重合反応によってフッ素樹脂皮膜が形成される方法、等がある。

なお、多孔質体全体がフッ素樹脂の発泡体によって形成されてもよい。これにより、気液混合装置の部品点数が低減されるとともに、気液混合装置の構造をシンプルにすることができる。

フッ素樹脂発泡体を形成する方法としては、たとえば、フッ素樹脂を減圧して気泡を発生させる方法、または、微粒子をフッ素樹脂に混ぜて多孔質体を形成した後にその微粒子を薬品等によって除去する方法、等がある。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１の気液混合装置の断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１の部分Ａの拡大図である。 図１の部分Ａの拡大図である。 実施の形態２の気液混合装置の断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 実施の形態３の気液混合装置の断面図である。 液体と気体の圧力差Δｐと要求接触角θとの関係を示すグラフである。 気体導入管の内径ｄと要求接触角θとの関係を示すグラフである。 許容圧力差と気体導入管の内径ｄとの関係を示すグラフである。 従来の気液混合装置を示す説明図である。

符号の説明

１ 空間、２ 液体導入口、３ 吐出口、４ 気体導入口、５ 気体導入管、６ 内壁構成部材、１０ 気液混合装置、１１ 液体、１２ 気体、１３ 気液混合体、１４ スロート部、１６ 縮流部、１７ 拡散部、２０ 微細気泡、２１ 旋回流、５３ 接触角θが所定の関係を具備しない部材、５５ 気液界面、５６ 合力、５７ 重力に起因する力、５８ 圧力差に起因する力、５９ 液体の表面張力に起因する力、３０１ オゾン溶解装置、３０２ 液体、３０３ 配管、３０４ オゾン含有気体、３０５ オゾン供給管、３０６ 混合器、ΔＰ 圧力差、ｄ 気体導入管の内径、γ_Ｌ 液体の表面張力、θ 接触角、ψ 広がり角。

Claims (12)

1. 気体と液体とが混合された気液混合体が生成される空間と、
   前記空間へ前記液体を導くように設けられた液体導入口と、
   前記気液混合体を前記空間から吐出するように設けられた吐出口と、
   前記空間へ前記気体を導くように設けられた気体導入管とを備え、
   前記気体導入管の内径がｄであり、前記液体と前記気体との圧力差がΔｐであり、前記液体の表面張力がγ_Ｌであり、前記気体導入管の内壁面と前記液体との接触角がθであるとすると、Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係が成立する、気液混合装置。
2. 前記気体導入管のうち少なくとも内壁面は、フッ素樹脂材料で形成されている、請求項１に記載の気液混合装置。
3. 前記気体導入管の全体が、前記フッ素樹脂材料で形成されている、請求項１に記載の気液混合装置。
4. 前記気体導入管の内壁面のみが、フッ素樹脂材料で形成されている、請求項１に記載の気液混合装置。
5. 前記気体導入管の表面上には、前記フッ素樹脂材料によって皮膜処理が施されている、請求項１に記載の気液混合装置。
6. 気体と液体とが混合された気液混合体が生成される空間と、
   前記空間へ前記液体を導くように設けられた液体導入口と、
   前記気液混合体を前記空間から吐出するように設けられた吐出口と、
   前記空間へ前記気体を導くように設けられた多孔質体とを備え、
   前記多孔質体の孔の内径がｄであり、前記液体と前記気体との圧力差がΔｐであり、前記液体の表面張力がγ_Ｌであり、前記多孔質体の孔の内壁面と前記液体との接触角がθであるとすると、Δｐ×ｄ＋４×γ_Ｌ×ｃｏｓθ≦０という関係が成立する、気液混合装置。
7. 前記多孔質体のうち少なくとも孔の内壁面が、フッ素樹脂材料で形成されている、請求項６に記載の気液混合装置。
8. 前記多孔質体は、前記フッ素樹脂材料で形成されている、請求項７に記載の気液混合装置。
9. 前記多孔質体の孔の内壁面上には、前記フッ素樹脂材料によって皮膜処理が施されている、請求項７に記載の気液混合装置。
10. 前記気体が微細気泡として前記液体中へ供給されることによって、前記気体と前記液体とが混合して、前記気体が前記液体中に溶解する、請求項１〜９のいずれかに記載の気液混合装置。
11. 前記空間はベンチュリ管によって構成され、
    前記微細気泡は、前記ベンチュリ管を通過する液体中において発生する、請求項１０に記載の気液混合装置。
12. 前記空間は、旋回流を生じさせ得るような形状に構成されており、
    前記液体導入口は、前記空間内において旋回流を生じさせ得るような位置に設けられており、
    前記微細気泡は、前記旋回流の中心部に形成される負圧部で発生する、請求項１０に記載の気液混合装置。

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