JP5816849B2 - 気体溶解装置 - Google Patents

Description

本発明は、微細気泡が発生する湯水の生成などに利用可能な気体溶解装置に関する。

本出願人は、気液混合槽、大泡流出防止槽（中間槽）、気液分離槽に区画された溶解タンクを備えた気体溶解装置を提案している（特許文献１）。

特許文献１の気体溶解装置では、溶解タンクの気液混合槽と大泡流出防止槽（中間槽）を区画する第１仕切り壁に対向する面、または第１仕切り壁において第２仕切り壁に対向する面に、溶解タンクの縦方向に延びる縦リブが設けられている。このため、特許文献１の気体溶解装置は、大泡流出防止槽（中間槽）において、気体が溶解した流体の流れが整流され、流れの向きが縦方向に一様となり、液体中に大きな気泡が混入するのを抑制することができる。

特開2010−227782号公報

一方、本発明者らによるその後の検討によれば、特許文献１の気体溶解装置においては、溶解タンクの気液分離槽における気液分離について、さらなる検討や改善の余地があるのではないかと考えられた。すなわち、溶解タンクの気液分離槽において流体中の気泡の合一を促すことができれば、さらに流体中の大きな気泡が分離され、より確実に大きな気泡の流出を抑制することができると考えられた。

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、大きな気泡の流出を抑制することができる気体溶解装置を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するために、本発明の気体溶解装置は、第１仕切り壁および第２仕切り壁の２つの仕切り壁によって内部が、流体の流れに関しその上流側から下流側にかけて、気液混合槽、中間槽、気液分離槽の順に区画された溶解タンクを備え、この溶解タンク内に流入する流体が前記気液混合槽において気体と混合され、気体が溶解した流体が生成され、この流体は、前記中間槽、前記気液分離槽を順次流れ、気液分離槽の下部から溶解タンクの外部に流出する気体溶解装置であって、前記中間槽と前記気液分離槽とを区画する前記第２仕切り壁の上端に沿って、凹部と凸部とが連続する畝状凹凸部が設けられており、前記第２仕切り壁の上方における流体越流時の最高水位が畝状凹凸部の凸部上端以下とされ、流体が畝状凹凸部の凹部内を通過することを特徴としている。

この気体溶解装置では、前記畝状凹凸部が、多孔質材料または表面凹凸を有する材料で形成されていることが好ましい。

この気体溶解装置では、前記畝状凹凸部が、正に帯電していることがさらに好ましい。

本発明の気体溶解装置によれば、大きな気泡の流出を抑制することができる。

本発明の気体溶解装置の一実施形態における溶解タンクを例示した一部切欠斜視図である。 図１に示した溶解タンクの正面図である。 図２に示した溶解タンクの背面側からの縦断面図である。 図２に示した溶解タンクのＡ−Ａ断面図である。 図１に示した溶解タンクを備えた、本発明の気体溶解装置の一実施形態を例示した斜視図である。 本発明の気体溶解装置に備えられる溶解タンクの第２仕切り壁の上端に設けられた畝状凹凸部の一形態を例示した概略斜視図である。

図１は、本発明の気体溶解装置の一実施形態における溶解タンクを例示した一部切欠斜視図である。図２は、図１に示した溶解タンクの正面図である。図３は、図２に示した溶解タンクの背面側からの縦断面図である。図４は、図２に示した溶解タンクのＡ−Ａ断面図である。図５は、図１に示した溶解タンクを備えた、本発明の気体溶解装置の一実施形態を例示した斜視図である。

図１−５に示したように、気体溶解装置１は、やや縦長の箱状の形状を有する中空な溶解タンク２を備えている。溶解タンク２の内部には、２つの仕切り壁、すなわち、第１仕切り壁３および第２仕切り壁４が設けられ、後述する流体５の流れに関しその最も上流側に気液混合槽６が、第１仕切り壁３によって区画形成されている。また、気液混合槽６の下流側に、第１仕切り壁３とともに第２仕切り壁４によって中間槽７が区画形成され、中間槽７は気液混合槽６に隣接して配置されている。流体５の流れに関し最も下流側には、気液分離槽８が、第２仕切り壁４によって区画形成され、中間槽７に隣接して配置されている。

第１仕切り壁３は、図３に示したように、溶解タンク２の上壁部２ａから底壁部２ｂにかけて垂下して延びている。第１仕切り壁３は、ほぼ平板状に形成されている。一方、第１仕切り壁３の下端３ａは底壁部２ｂに達してなく、底壁部２ｂとの間に隙間が形成され、この隙間を流体５の流路として気液混合槽６と中間槽７は互いに連通している。

第２仕切り壁４は、溶解タンク２の底壁部２ｂから上壁部２ａに向かって垂直上方に延びている。第２仕切り壁４は、筒状に形成され、断面は長円状の形状を有している。中間槽７側に位置する第２仕切り壁４の上端４ａには、上端４ａに沿って凹部Ｍ１と凸部Ｍ２とが連続する畝状凹凸部Ｍが設けられている。凸部Ｍ２の上端Ｔは、鋭角な山状に形成されており、凹部Ｍ１は、隣接する凸部Ｍ２同士の間において鋭角に窪む溝状に形成されている。

畝状凹凸部Ｍは、溶解タンク２の上壁部２ａの下方に位置し、畝状凹凸部Ｍの上方において中間槽７と気液分離槽８とが互いに連通している。また、畝状凹凸部Ｍは、第２仕切り壁４の上方における流体５の越流時の最高水位が凸部Ｍ２の上端Ｔ以下とされ、流体５が畝状凹凸部Ｍの凹部Ｍ１内を通過するように形成されている。

また、畝状凹凸部Ｍは、多孔質材料または表面凹凸を有する材料で形成されていることが好ましい。さらに、畝状凹凸部Ｍは、正に帯電していることも好ましい。

また、溶解タンク２には、気液混合槽６における底壁部２ｂに、下方に開口する流入管接続部１２が設けられている。流入管接続部１２には、後述するポンプの吐出側に一端部が接続された流入管の他端部が接続される。気液分離槽８には、下端部に、正面側に開口する流出管接続部１３が設けられている。流出管接続部１３には、溶解タンク２で生成した、流体（気体が溶解した液体）５を浴槽などの供給部に送り出す流出管の一端部が接続される。

さらに、溶解タンク２には、溶解タンク２の外側を通って溶解タンク２の上端部と下端部とを接続し、互いに連通させる気体循環経路１４が設けられている。気体循環経路１４は、後述するように、流体５の生成に際し、溶解タンク２内に貯留している気体を溶解タンク２から一旦取り出した後、溶解タンク２内に戻して循環させるものである。

さらにまた、溶解タンク２には、上壁部２ａにおいて、気液分離槽８の上端部に対応する部分に気体放出弁１５が設けられている。気体放出弁１５は、流体５の生成に際し、気液分離槽８における流体５の液面の高さに追随して浮沈し、上下方向に移動可能なフロートを有している。気体放出弁１５は、フロートが液面の高さの変化にともない上下動することによって、溶解タンク２内に貯留している気体の放出と停止を行うことができる。溶解タンク２の上壁部２ａにおいて気体放出弁１５が設けられる部分は、気液分離槽８の上端部に対応し、図２に示したように、中間槽７と気液分離槽８との境界部１６から、境界部１６に対向する溶解タンク２の上壁部２ａの端縁部に向かって斜め下方に傾斜する傾斜面部２ｃとされている。

上記のとおりの溶解タンク２は、また、高さ方向の中央部よりやや下側において分割され、上側を上部ユニット１７、下側を下部ユニット１８としている。第１仕切り壁３は、上部ユニット１７に一体に組み込まれ、第２仕切り壁４は、下部ユニット１８に一体に組み込まれている。また、上部ユニット１７の下端縁部および下部ユニット１８の上端縁部には、外側方に突出して延びるフランジ部１９、２０が設けられている。溶解タンク２は、フランジ部１９、２０を互いに重ね合わせ、重なり合うフランジ部１９、２０の所定の部位においてボルトにより、また、必要に応じてナットを用い、上部ユニット１７と下部ユニット１８を締結することによって組み立てられ、一体となる。

図５に示したように、気体溶解装置１では、溶解タンク２は、流入管接続部１２において、溶解タンク２の下方に縦列して配置されたポンプ２１の吐出側に一端部が接続された流入管２２の他端部に接続されている。一端部１４ａにおいて溶解タンク２の上壁部２ａに接続された気体循環経路１４は、他端部１４ｂにおいて、流入管２２と流入管接続部１２との接続部に配設された気体循環エジェクタ２３に接続されている。また、溶解タンク２の流出管接続部１３には、浴槽などの、流体（気体が溶解した液体）５の供給部に供給するための流出管２４の一端部が接続されている。

ポンプ２１の吸い込み側には、浴槽などの供給部に連通して一端部が接続された吸い込み配管２５の他端部が接続されている。吸い込み配管２５の一端部は、たとえば浴槽の場合、浴槽内の湯水を吸い込むために浴槽内部に連通する吸込口２６に連通し、一端部が流出管接続部１３に接続された流出管２４の他端部は、浴槽内部に連通し、浴槽内に空気が溶解した湯水を吐出するための吐出口２７に連通している。図５には、吸込口２６と吐出口２７をともに備えた吸い込み・吐出プラグ２８を例示している。吸い込み・吐出プラグ２８は、例えば、浴槽の槽壁部に取り付けられるものであり、吸込口２６から吸い込み配管２５に連通する第１流路と、吐出口２７から流出管２４に連通する第２流路とを備えている。これら第１流路および第２流路は、吸い込み・吐出プラグ２８において互いに独立しており、相互に連通してはいない。

また、気体溶解装置１では、溶解タンク２内の気体の濃度を高く保持するなどのために、溶解タンク２の上壁部２ａの上方に気体供給口２９を配置するとともに、ポンプ２１の吸い込み側と吸い込み配管２５との接続部付近に気体導入エジェクタ３０を介設することができる。気体供給口２９と気体導入エジェクタ３０とは気体導入配管３１を介して連通接続される。

このような気体溶解装置１では、流体（気体が溶解した液体）５において空気などの溶質となる気体が、運転前に溶解タンク２内に貯留している。ポンプ２１を作動させ、運転を開始すると、浴槽内の湯水などの、流体５において溶媒となる液体が吸込口２６から吸い込まれる。吸い込まれた液体は、吸い込み配管２５および流入管２２を通じて溶解タンク２の気液混合槽６に、その下部から供給され、気液混合槽６に噴出する。この液体の噴出は、ポンプ２１によって所定の圧力に加圧されていることによって起こるものである。また、気液混合槽６に導入する流体は、液体と、溶解タンク２内に貯留している気体と同じ種類の気体とを混合した気液混合流体とすることもでき、この場合、気液混合槽６には気液混合流体が噴出する。以下、流体単独（液体）および気液混合流体をまとめて「流体」と記載する。

流体５は、図１−５に示した気液混合槽６に、溶解タンク２の上壁部２ａの内面に向かって噴出して流入する。このとき、流体５は、溶解タンク２の上壁部２ａや第１仕切り壁３に衝突し、跳ね返り、次第に気液混合槽６の底部に溜まっていく。また、上壁部２ａの内面に衝突し、跳ね返る流体５は、気液混合槽６に貯留する流体５の液面に衝突し、流体５を攪拌する。

このときの攪拌などによって、溶解タンク２内に貯留している気体と流体５が混合され、また、気液混合流体が噴出するとき、気液混合流体中の気体も合わせて気体と流体５が混合され、気体の溶解が促進され、気体が溶解した流体５が生成される。これは、攪拌による剪断によって流体５に気泡として混合される気体が細分化され、流体５と接触する表面積が大きくなるのに加え、液面付近における気体の溶解濃度が攪拌による均一化によって低減され、気体の流体５への溶解速度が上昇することによる。

このようにして気体が溶解した流体５は、第１仕切り壁３の下端３ａと溶解タンク２の底壁部２ｂとの間の隙間を流路として中間槽７に流入し、次第に中間槽７に溜まっていく。流体５は、溶解タンク２の底部において中間槽７に流入するため、流体５中への大きな気泡の混入が抑制される。

中間槽７において流体５の液面（水位）が第２仕切り壁４の上端４ａに接近するとき、気液分離槽８では、第２仕切り壁４によって流体５の流れが気液界面である液面付近にまで持ち上げられるので、大きな気泡は浮力によって上昇し、液面において破裂する。その結果、気液分離が促進される。

そして、上昇した流体５の液面（水位）が第２仕切り壁４の上端４ａを越える際、流体５の越流時の最高水位は、畝状凹凸部Ｍの凸部Ｍ２の上端Ｔ以下とされているため、流体５は、畝状凹凸部Ｍの凹部Ｍ１内を通って気液分離槽８に流入する。流体５は、第２仕切り壁４の上端４ａを乗り越える際に、畝状凹凸部Ｍの凹部Ｍ１に集められることによって、流体５中に含まれる気泡の合一が促される。そして、合一した余剰の気泡は、気液分離槽８の上方の気相に放出されるため、気液分離が促進され、大きな気泡の流出を抑制することができる。

さらに、畝状凹凸部Ｍが多孔質材料または表面凹凸を有する材料で形成されている場合には、流体５が畝状凹凸部Ｍの凹部Ｍ１を通過する際に、特に凹部Ｍ１の流入側（中間槽側）付近に気泡が付着しやすくなる。このため、気泡の合一およびが気相への放出がさらに促され、気液分離が促進され、大きな気泡の流出をさらに抑制することができる。多孔質材料としては、例えば発泡性樹脂などを例示することができる。また、表面凹凸を有する材料は、例えば、溶解タンクへの適用が想定される材料のうち表面粗度が高いものを適宜選択することができる。

また、流体５中の気泡は負に帯電している。したがって、畝状凹凸部Ｍが、正に帯電している場合には、流体５が畝状凹凸部Ｍの凹部Ｍ１を通過する際に、特に凹部Ｍ１の流入側（中間槽側）付近に気泡が付着しやすくなる。このため、気泡の合一および気相への放出がさらに促され、気液分離が促進され、大きな気泡の流出をさらに抑制することができる。畝状凹凸部Ｍを正に帯電させる方法としては、例えば、畝状凹凸部Ｍの材料を構成する樹脂に磁粉や帯電成分を混合する方法や、第２仕切り壁４に電気を流して畝状凹凸部Ｍを正に帯電させる方法などを例示することができる。したがって、畝状凹凸部Ｍが多孔質材料または表面凹凸を有する材料で形成し、かつ、正に帯電させることもできる。

また、気液分離槽８には、溶解タンク２の底壁部２ｂに流出管接続部１３が設けられているので、未溶解の気体による気泡が流体５中に混合されていたとしても、液面付近に存在する大きな気泡の流出を抑制することができる。気泡は、貯留する流体５の上側ほど密に存在し、液面付近の大きな気泡は、底壁部２ｂ付近にはあまり存在しない。流体５は、溶解タンク２の底部から流出管接続部１３を通じて溶解タンク２の外部に流出し、取り出されるため、大きな気泡の流出が抑制される。

流出管接続部１３を通じて溶解タンク２の外部に流出する流体５は、図５に示した流出管２４を経て吐出口２７から浴槽などの供給部に送り出される。

また、気体溶解装置１では、運転中に、溶解タンク２内の、気体循環経路１４の一端部１４ａおよび他端部１４ｂの両端付近に圧力差が生じる。溶解タンク２の上端部に臨む一端部１４ａ付近の圧力は溶解タンク２の下端部に臨む他端部１４ｂ付近の圧力よりも高い。この圧力差にしたがって、また、気体循環エジェクタ２３によって、溶解タンク２内の上部などに貯留している未溶解の気体は吸引され、一端部１４ａから他端部１４ｂへと気体循環経路１４を流れ、溶解タンク２の気液混合槽６に送り出される。

このように、気体溶解装置１では、溶解タンク２内に貯留している気体を循環させながら流体５に溶解させることができる。気体循環経路１４を経て流体５に導入される気体は気泡として流体５に取り込まれ、流体５との接触面積は大きく、気体の溶解効率が高くなる。また、未溶解の気体を溶解タンク２の上端部から気体循環経路１４に取り出すので、未溶解の気体がなくなるまで気体の循環を行うことができ、長時間の循環運転が可能となる。しかも、未溶解の気体を流体５に溶解させる分、流体５の体積流量が増加し、流速が速くなるので、気液の攪拌がさらに良好に行われ、気体の溶解効率の向上が促進されるとともに、大きな気泡を消滅させるのに有効となる。

本発明の気体溶解装置１は、上記実施形態に示したように、気体が溶解した流体５が溶解タンク２から外部に流出する際の大きな気泡の流出を十分に抑制することができる。

また、図１−５に示した気体循環経路１４は、必ずしも本発明の気体溶解装置に必須なものではなく、流体５中に気体が所定の濃度で溶解する限りにおいて省略することが可能である。

図６は、本発明の気体溶解装置に備えられる溶解タンクの第２仕切り壁の上端に設けられた畝状凹凸部の一形態を例示した概略斜視図である。図６は、気液分離槽側から見た第２仕切り壁の上端の形態を示している。

図６に示した畝状凹凸部Ｍは、溶解タンク２の第２仕切り壁４の上端４ａに沿って、凸部Ｍ２としての縦リブＦが略等しい間隔で複数立設され、縦リブＦ同士の間には凹部Ｍ１が形成されている。縦リブＦは平板状であり、中間槽７側から気液分離槽８側へ向かう方向（流体５の流れ方向）に略並行に配設されている。また、このような畝状凹凸部Ｍを配設する形態においても、第２仕切り壁４の上端４ａを越流する際、流体５の越流時の最高水位が、畝状凹凸部Ｍの凸部Ｍ２（縦リブＦ）の上端Ｔ以下とされる。このため、流体５は、畝状凹凸部Ｍの凹部Ｍ１を通って気液分離槽８に流入する。流体５は、第２仕切り壁４の上端４ａを乗り越える際に、畝状凹凸部Ｍの凹部Ｍ１に集められることによって、流体５中に含まれる気泡の合一が促される。そして、合一した余剰の気泡は、気液分離槽８の上方の気相に放出されるため、気液分離が促進され、大きな気泡の流出を抑制することができる。

本発明の気体溶解装置は、以上の形態に限定されることはない。例えば、畝状凹凸部Ｍにおける凹部Ｍ１と凸部Ｍ２の形状、高さ、幅、数などは、気泡合一効果が妨げられない範囲で適宜設計することができる。また、例えば、特許文献１のように、第１仕切り壁または第２仕切り壁に縦リブを設けて流体を整流することもできる。

１ 気体溶解装置
２ 溶解タンク
３ 第１仕切り壁
４ 第２仕切り壁
５ 流体
６ 気液混合槽
７ 中間槽
８ 気液分離槽
Ｍ 畝状凹凸部
Ｍ１ 凹部
Ｍ２ 凸部

Claims (3)

1. 第１仕切り壁および第２仕切り壁の２つの仕切り壁によって内部が、流体の流れに関しその上流側から下流側にかけて、気液混合槽、中間槽、気液分離槽の順に区画された溶解タンクを備え、この溶解タンク内に流入する流体が前記気液混合槽において気体と混合され、気体が溶解した流体が生成され、この流体は、前記中間槽、前記気液分離槽を順次流れ、気液分離槽の下部から溶解タンクの外部に流出する気体溶解装置であって、
   前記中間槽と前記気液分離槽とを区画する前記第２仕切り壁の上端に沿って、凹部と凸部とが連続する畝状凹凸部が設けられており、前記第２仕切り壁の上方における流体越流時の最高水位が畝状凹凸部の凸部上端以下とされ、流体が畝状凹凸部の凹部内を通過することを特徴とする気体溶解装置。
2. 前記畝状凹凸部が、多孔質材料または表面凹凸を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の気体溶解装置。
3. 前記畝状凹凸部が、正に帯電していることを特徴とする請求項１または２に記載の気体溶解装置。

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