JP6214515B2 - Method for producing gas solution and apparatus for producing gas solution - Google Patents
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Description
本発明は、気体を液体中に効率良く溶解させる気体溶解方法および気体溶解装置に関するものである。 The present invention relates to a gas dissolving method and a gas dissolving apparatus for efficiently dissolving a gas in a liquid.
気体たとえば炭酸ガスを液体たとえば水に溶解させる気体溶解装置が用いられている。たとえば、特許文献1に記載された炭酸ガス溶解装置がそれである。これによれば、ノズルと、ノズルからの噴流を受け入れる入り口から次第に小径となった後、出口に向かって次第に大径となるディフューザと、そのディフューザに接続された管内に軸中心線まわりに右回りおよび左回りに180°のねじられたエレメントが交互に配列されることにより構成されたスタティックミキサとを用い、3〜5kg/cm2程度の高圧および1乃至数℃の低温下で、水および炭酸ガスの混合体を上記ノズルを通してディフューザ内に噴射し、その後にスタティックミキサ内で混合した上で、滞留槽内で滞留させることで溶解濃度を均一化することで、炭酸ガスを効率良くかつ一定に吸収溶解させ、炭酸ガスを一定の高濃度で溶存する液体を連続して製造できる。このような液体は、たとえばビール、清涼飲料水の製造に好適に用いられる。 2. Description of the Related Art A gas dissolving device that dissolves gas such as carbon dioxide in a liquid such as water is used. For example, this is the carbon dioxide gas dissolving apparatus described in Patent Document 1. According to this, the diffuser gradually decreases in diameter from the nozzle and the inlet that receives the jet flow from the nozzle, and then gradually increases in diameter toward the outlet, and rotates clockwise around the axial center line in the pipe connected to the diffuser. And a static mixer constituted by alternately arranging 180 ° twisted elements counterclockwise, under a high pressure of about 3 to 5 kg / cm 2 and a low temperature of 1 to several ° C., water and carbonic acid. The gas mixture is injected into the diffuser through the nozzle and then mixed in the static mixer, and then retained in the retention tank to equalize the dissolved concentration, thereby making the carbon dioxide gas efficient and constant. By absorbing and dissolving, a liquid in which carbon dioxide gas is dissolved at a constant high concentration can be continuously produced. Such a liquid is suitably used for the production of beer and soft drinks, for example.
しかしながら、上記のような従来の気体溶解装置では、液温を低温とするとともに配管内の圧力を高くし、かつ保持時間を長くする必要があるため、そのためのホールド延長配管等それらに付随する設備が大型となるので、設置場所が必要となり又設備導入費用が高くなっていた。また、洗浄時間も長くする必要があるために生産時間が限定的で、製造効率が十分に得られなかった。 However, in the conventional gas dissolving apparatus as described above, it is necessary to lower the liquid temperature, increase the pressure in the pipe, and lengthen the holding time. As a result, the installation space is required and the cost of introducing the equipment is high. Moreover, since it is necessary to lengthen the washing time, the production time is limited, and the production efficiency cannot be obtained sufficiently.
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、短時間で高濃度の気体溶解が可能で、小型な気体溶解装置を提供することにある。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a compact gas dissolving apparatus capable of dissolving a high concentration gas in a short time.
本発明者等は、以上の事情を背景として、気体の微細気泡が消滅するまで気体を短時間で溶解させることができる装置について種々研究を重ねた結果、液体および気体の気液混合体の流入により旋回流を発生させた円筒状の旋回流発生器の端面を覆うカバープレートの中央部に小径孔を設けて、その小径孔よりも大きい内径を有する筒状容器内に、混合体の旋回流の旋回中心部から気液混合体を噴射させると、その噴射された混合体は上記旋回流の回転数よりも高い回転で旋回する高速旋回流となって微細気泡をさらに細かく剪断する剪断現象が顕著となること、および、上記筒状容器内に、上記高速旋回流の旋回を抑制する旋回流抑制板を設けると、上記剪断された微細気泡が消滅して気体が好適に液体に溶解したことを示す液体の透明化が得られることを、比較的短時間で且つたとえば0.4MPa程度の低い圧力下で見出した。本発明は、斯かる知見に基づいて為されたものである。 The present inventors have in view of the background art described above, as a result of various studies on devices capable of dissolving in a short time gas until a fine bubbles of gas has disappeared, the gas-liquid mixing of the liquid and gas body A small diameter hole is provided in the central portion of the cover plate that covers the end face of the cylindrical swirl flow generator that generates a swirl flow by the inflow of the body, and the mixture is placed in a cylindrical container having an inner diameter larger than the small diameter hole When the gas-liquid mixture is jetted from the swirling center of the swirling flow, the jetted mixture becomes a high-speed swirling flow swirling at a rotation speed higher than the rotation speed of the swirling flow, and further finely shears the fine bubbles. When a shearing phenomenon becomes prominent and a swirl flow suppressing plate that suppresses swirling of the high-speed swirling flow is provided in the cylindrical container, the sheared fine bubbles disappear and the gas is suitably converted into a liquid. Clarification of liquid indicating dissolution Can be obtained, the relatively short period of time and for example headings under low pressure of about 0.4 MPa. The present invention has been made based on such knowledge.
すなわち、第1発明の要旨とするところは、(a)気体を液体中に溶解させた気体溶解液の製造方法であって、(b)前記気体および液体の気液混合体の流入により一次旋回流を旋回流発生器内で発生させる一次旋回流発生工程と、(c)前記旋回流発生器内の旋回流の旋回中心部から前記混合体を前記旋回流発生器の内径よりも小径の貫通孔が形成された絞り器を通過させることにより、前記旋回流の回転数よりも高い回転数で旋回する二次旋回流を前記貫通孔よりも大きい内径を有する筒状容器内に噴射する二次旋回流発生工程と、(d)前記筒状容器内に固設された旋回流抑制板により、前記筒状容器内に噴射された前記二次旋回流に基づく旋回流を抑制する工程とを、含み、前記旋回流発生器の一端部は、前記筒状容器と前記絞り器を介して同心に接続され、前記旋回流発生器の他端部は、円盤状の蓋板によって閉じられ、且つ前記蓋板には、前記絞り器に形成された貫通孔に向かって突き出す円柱状部材を設けることにある。 That is, the gist of the first invention is (a) a method for producing a gas solution in which a gas is dissolved in a liquid, and (b) a primary swirl by the inflow of the gas and liquid gas-liquid mixture. A primary swirl flow generating step for generating a flow in the swirl flow generator; and (c) a mixture having a smaller diameter than the inner diameter of the swirl flow generator from the swirling center of the swirl flow in the swirl flow generator. By passing through a restrictor having a hole formed therein, a secondary swirling flow swirling at a rotational speed higher than the rotational speed of the swirling flow is injected into a cylindrical container having an inner diameter larger than that of the through hole. A swirl flow generation step, and (d) a step of suppressing swirl flow based on the secondary swirl flow injected into the cylindrical container by a swirl flow suppression plate fixed in the cylindrical container . One end of the swirl flow generator includes the cylindrical container and the restrictor A cylindrical member that is concentrically connected to the other end of the swirling flow generator and is closed by a disc-shaped cover plate, and the cover plate projects toward a through hole formed in the restrictor. It is in providing .
また、上記第1発明を好適に実施するための第2発明の要旨とするところは、気体を液体中に溶解させる気体溶解装置を備える気体溶解液製造装置であって、前記気体溶解装置は、(a)前記気体および液体の気液混合体の流入により一次旋回流を発生させる円筒状の旋回流発生器と、(b)その旋回流発生器の内径よりも小さな貫通孔を有し、その旋回流発生器内で旋回する前記旋回流の旋回中心部から前記混合体を上記貫通孔を通過させることにより、前記旋回流の回転数よりも高い回転数で旋回する二次(高速)旋回流を噴射する絞り器と、(c)その絞り器の貫通孔よりも大きい内径を有し、その貫通孔を通過した二次旋回流を一端に受け入れて他端から流出させる筒状容器と、(d)その筒状容器内に固設され、前記高速旋回流に基づく旋回流を抑制す旋回流抑制板とを、含み、(e)前記旋回流発生器の一端部は、前記筒状容器と前記絞り器を介して同心に接続されるとともに、前記旋回流発生器の他端部は、円盤状の蓋板によって閉じられており、(f)前記蓋板には、前記絞り器に形成された貫通孔に向かって突き出す円柱状部材が設けられていることを特徴とする。 In addition, the gist of the second invention for suitably carrying out the first invention is a gas solution manufacturing apparatus comprising a gas dissolving device for dissolving gas in a liquid, the gas dissolving device comprising: (A) a cylindrical swirling flow generator that generates a primary swirling flow by the inflow of the gas-liquid mixture of gas and liquid, and (b) a through hole smaller than the inner diameter of the swirling flow generator, A secondary (high-speed) swirling flow swirling at a higher rotational speed than the rotational speed of the swirling flow by passing the mixture through the through hole from the swirling center of the swirling flow swirling in the swirling flow generator. (C) a cylindrical container having an inner diameter larger than the through hole of the restrictor and receiving a secondary swirling flow that has passed through the through hole at one end and flowing out from the other end ( d) fixed in the cylindrical container, A swirling flow swirling flow suppressing plate to suppress the brute comprises, (e) the end portion of the swirling flow generator is connected concentrically through the wringer and said tubular container, the swirl flow generation The other end of the device is closed by a disc-shaped cover plate, and (f) the cover plate is provided with a columnar member protruding toward the through hole formed in the restrictor. Features.
このように構成された第1発明の気体溶解液の製造方法および第2発明の気体溶解液製造装置によれば、気体溶解装置において、液体および気体の気液混合体の流入により円筒状の旋回流発生器内に一次旋回流が発生させられ、その旋回流発生器内で旋回する旋回流の旋回中心部から前記気液混合体が前記旋回流発生器の内径よりも小径の貫通孔が形成された絞り器を通過させられると、その一次旋回流の回転数よりも小径で且つ高い回転数で旋回する二次(高速)旋回流となって筒状容器内に噴射され、筒状容器内では、その二次旋回流或いはそれに基づく旋回流が旋回流抑制板に当接して旋回が抑制される。このため、上記一次旋回流の回転数よりも高い回転で旋回する二次旋回流となって気体および液体の気液混合体において微細気泡がさらに細かく剪断される。次いで、上記筒状容器内に固設された旋回流抑制板に上記二次旋回流或いはそれに基づく旋回流が衝突させられることでその旋回流がさらに剪断され、その剪断された微細気泡が消滅して気体が好適に液体に溶解したことを示す液体の透明化すなわち気体溶解液が、比較的短時間で且つ低い圧力下で得られる。すなわち、短時間で高濃度の気体溶解が可能で、小型な気体溶解装置が得られる。また、前記旋回流発生器の一端部は、前記筒状容器と前記絞り器を介して同心に接続されるとともに、前記旋回流発生器の他端部は、円盤状の蓋板によって閉じられており、前記蓋板には、前記絞り器に形成された貫通孔に向かって突き出す円柱状部材が設けられていることから、旋回流発生器内の容積が上記円柱状部材の容積分だけを小さくされるので、旋回流発生器内の一次旋回流が一層高速回転となる利点がある。 According to the gas solution manufacturing method of the first invention and the gas solution manufacturing device of the second invention configured as described above, in the gas dissolving device, the cylindrical swirl is caused by the inflow of the liquid-gas mixture. A primary swirl flow is generated in the flow generator, and the gas-liquid mixture forms a through-hole having a smaller diameter than the inner diameter of the swirl flow generator from the swirling center of the swirl flow swirling in the swirl flow generator. When passed through the throttle , the secondary swirl flow having a smaller diameter and a higher rotation speed than the rotation speed of the primary swirl flow is injected into the cylindrical container and is injected into the cylindrical container. Then, the secondary swirling flow or the swirling flow based on the secondary swirling flow abuts against the swirling flow suppressing plate, and the swirling is suppressed. For this reason, it becomes a secondary swirl flow swirling at a rotation higher than the rotation speed of the primary swirl flow, and fine bubbles are further finely sheared in the gas-liquid mixture. Next, the swirl flow is further sheared by causing the swirl flow restraining plate fixed in the cylindrical container to collide with the second swirl flow or the swirl flow based thereon, and the sheared fine bubbles disappear. Thus, a clear liquid, that is, a gas solution, indicating that the gas is suitably dissolved in the liquid is obtained in a relatively short time and under low pressure. That is, a high-concentration gas can be dissolved in a short time, and a small gas dissolving apparatus can be obtained. One end of the swirling flow generator is concentrically connected via the cylindrical container and the restrictor, and the other end of the swirling flow generator is closed by a disc-shaped cover plate. Since the lid plate is provided with a cylindrical member protruding toward the through hole formed in the restrictor, the volume in the swirling flow generator is reduced by the volume of the cylindrical member. Thus, there is an advantage that the primary swirling flow in the swirling flow generator is rotated at a higher speed.
ここで、好適には、前記旋回流発生器は、前記旋回流発生器内の旋回流の接線方向に平行、且つ旋回流発生器の軸中心線から偏心した位置の軸中心線を有する流入管を有し、該流入管を通して前記液体および気体の混合体を流入させるものである。このようにすれば、液体および気体の混合体が流入させられることにより、旋回流発生器内に旋回流が発生させられる。 Here, preferably, the swirl flow generator has an inflow pipe having an axial center line at a position parallel to a tangential direction of the swirl flow in the swirl flow generator and decentered from the axial center line of the swirl flow generator. And the mixture of liquid and gas is allowed to flow through the inflow pipe. If it does in this way, a swirl flow will be generated in a swirl flow generator by flowing in the mixture of liquid and gas.
また、好適には、前記絞り器に形成された貫通孔は、前記旋回流発生器側から前記筒状容器に向かうに従って小径となるように形成されている。このようにすれば、旋回流発生器から筒状容器へ向かう気液混合体に乱流が発生することが好適に防止される。 Preferably, the through hole formed in the restrictor is formed to have a smaller diameter from the swirl flow generator side toward the cylindrical container. In this way, it is suitably prevented that turbulent flow is generated in the gas-liquid mixture from the swirl flow generator toward the cylindrical container.
また、好適には、前記旋回流抑制板は、前記筒状容器の少なくとも外周部において前記筒状容器の径方向および軸中心線方向を含む面に平行で、且つ軸中心線において相互に交差する複数の整流板を有するものである。このようにすれば、筒状容器内に流入する高速旋回流に基づく旋回流が整流板に当接してその旋回が抑制されるので、好適に気体が液体に溶解されるとともに、軸中心線方向の流通抵抗が可及的に抑制される。 Preferably, the swirl flow suppressing plate is parallel to a plane including a radial direction and an axial center line direction of the cylindrical container at least at an outer peripheral portion of the cylindrical container and intersects with each other at the axial center line. It has a some baffle plate. In this way, the swirling flow based on the high-speed swirling flow flowing into the cylindrical container abuts on the rectifying plate and the swirling is suppressed, so that the gas is suitably dissolved in the liquid and the axial center line direction The distribution resistance is suppressed as much as possible.
また、好適には、前記液体が供給される第1管部と前記気体が供給される第2管部と前記気液混合体が出力される第3管部とを有する合流管と、前記第1管部内に設けられた前記液体を噴射するノズルと、前記第3管部内に設けられ、前記ノズルからの噴流を受け入れる入口から次第に小径となった後、出口に向かって次第に大径となるディフューザと、前記第3管部に接続された管内に、軸中心線まわりに右回りおよび左回りにそれぞれねじられたエレメントが交互に配列されることにより構成されたスタティックミキサとを、含み、前記気液混合体は、前記スタティックミキサから出力されるものである。このようにすれば、前記旋回流発生器に供給される前の段階で、前記気液混合体が好適に攪拌されてその気体が細かくされ、気体の液体に対する接触面積が大きくされて溶解が容易となる利点がある。 Preferably, a merging pipe having a first pipe part to which the liquid is supplied, a second pipe part to which the gas is supplied, and a third pipe part to which the gas-liquid mixture is output; A nozzle for injecting the liquid provided in one pipe part, and a diffuser provided in the third pipe part, which gradually decreases in diameter from an inlet for receiving a jet flow from the nozzle and then gradually increases in diameter toward the outlet. And a static mixer configured by alternately arranging clockwise and counterclockwise elements around an axial center line in a pipe connected to the third pipe portion, and The liquid mixture is output from the static mixer. In this case, the gas-liquid mixture is suitably agitated before the supply to the swirl flow generator, the gas is finely divided, the contact area of the gas with the liquid is increased, and dissolution is easy. There is an advantage to become.
また、好適には、前記スタティックミキサと前記旋回流発生器との間に設けられ、前記スタティックミキサから出力された気液混合体をそれに剪断力を与えつつ前記旋回流発生器へ圧送する分散ポンプが、さらに含まれる。このようにすれば、前記旋回流発生器に供給される前の段階で、前記気液混合体に剪断力が与えられて好適に攪拌されて一層その気体が細かくされ、気体の液体に対する接触面積が大きくされて溶解が一層容易となる利点がある。また、分散ポンプを設けない場合に比較して、気体供給圧力を低くしても気体の溶解をすることができる。 Preferably, the dispersion pump is provided between the static mixer and the swirling flow generator, and pumps the gas-liquid mixture output from the static mixer to the swirling flow generator while applying a shearing force to the gas-liquid mixture. Is further included. In this way, in the stage before being supplied to the swirl flow generator, a shear force is applied to the gas-liquid mixture and it is suitably stirred to further reduce the gas, and the contact area of the gas with the liquid There is an advantage that dissolution is further facilitated. Further, gas can be dissolved even if the gas supply pressure is lowered as compared with the case where no dispersion pump is provided.
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, the drawings are appropriately simplified or modified, and the dimensional ratios, shapes, and the like of the respective parts are not necessarily drawn accurately.
図1は、本発明の気体溶解液製造装置の一例である炭酸水製造装置10を説明する略図である。図1において、炭酸水製造装置10は、気体Gを代表する炭酸ガスCO2と液体Lを代表する水Wとを混合してそれらの気液混合体GLを出力する気液混合装置12と、その気液混合装置12の出力側に接続され、その気液混合装置12から出力された気液混合体GLに剪断力を与えつつ圧送する第2ポンプすなわち分散ポンプ14と、分散ポンプ14から圧送された気液混合体GLを受けて、その一次旋回流を発生するとともにその一次旋回流よりも高速の二次旋回流を発生させて微細な気泡を発生させた後、さらにその高速の二次旋回流を衝突させて微細な気泡を消滅させ、気液混合体GL内の炭酸ガスCO2を水Wに速やかに溶解させて炭酸水(気体溶解液)CO2Wを出力する気体溶解装置16と、気体溶解装置16から出力された炭酸水(気体溶解液)CO2Wを一時的に貯留するためのバッファタンク18とを、備えている。なお、炭酸水製造装置10において、少なくとも炭酸ガスCO2、水W、気液混合体GL、炭酸水(気体溶解液)CO2Wに接する部材は、SUS304、SUS316Lで代表されるサニタリー用途のステンレス鋼から構成されるサニタリー配管或いは部品により構成される。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a carbonated
上記気液混合装置12には、流量調節弁FV1、流量計FM1、温度計TM1、圧力計PM1、電磁開閉弁MV1が設けられた気体導入管P1を介して炭酸ガスCO2がたとえば0.8MPa程度の圧力で供給されるとともに、第1ポンプ13および圧力計PM2、温度計TM2が設けられた液体導入管P2を介して水Wが炭酸ガスCO2に対して同程度以下たとえば0.6MPa程度の圧力で供給される。また、1気圧および0℃の標準状態において炭酸ガスCO2は水Wに対して、4〜5倍程度の容積で供給される。
The gas-
図2に詳しく示すように、気液混合装置12は、液体導入管P2に接続されて水Wが供給される第1管部T1と気体導入管P1に接続されて炭酸ガスCO2が供給される第2管部T2と気液混合体GLが出力される第3管部T3とを有する合流管Tと、合流管Tの第1管部T1内に設けられて水Wを第3管部T3に向かって噴射する噴射ノズルNZと、合流管Tの第3管部T3内に設けられ、ノズルNZからの水Wの噴流を受け入れる入口から次第に小径となった後、出口に向かって次第に大径となるディフューザDFと、第3管部T3に接続された管SMP内に、軸中心線まわりに右回りおよび左回りにそれぞれねじられた複数(本実施例では4対)のエレメントERおよびELが交互に且つそれらエレメントERおよびELの軸中心線方向の端にそれぞれ位置する直線状端縁が相互に直交するように配列されることにより構成されたスタティックミキサSMとを、備え、気泡が微細化された水Wと炭酸ガスCO2との気液混合体GLをそのスタティックミキサSMから出力する。また、このスタティックミキサSMにより、気液混合体GLの均質化および整流化が行なわれ、流量のばらつきが抑制される。
As shown in detail in FIG. 2, the gas-
分散ポンプ14は、たとえば、複数の鋸歯状突起を有するロータおよびステータをポンプハウジング内に備え、ロータ中心部の羽根から遠心力により流れる気液混合体GLが複数の鋸歯状突起を有するロータおよびステータを通過する際に、気液混合体GLに高い剪断力とキャビテーションの発生による高い衝撃力とを与えることにより、混合および溶解作用を発生させる形式のシャーポンプであり、たとえば、ユーロ・ジャパン・マシナリー社製のEMP205等が好適に用いられる。分散ポンプ14は、気液混合体GLを、電磁開閉弁MV2を有する合流配管P3を介して、0.4MPa程度の圧力で気体溶解装置16へ圧送する。
The
気体溶解装置16は、図3に示されるように、上端開口(他端開口)が円盤状の蓋板20aにより気密および液密に閉じられるとともに、分散ポンプ14から圧送された気液混合体GLを軸中心線C1から離れた部位に接線方向に受けて、その流入により一次旋回流TF1を内部に発生させる円筒状の旋回流発生器(旋回管)20と、旋回流発生器20の内径D1よりも小さな径dを有し、噴射孔(又は縮流ノズルとして機能する貫通孔)22が中央部に貫通して形成されて、旋回流発生器20の下端開口(一端開口)を気密および液密に閉じるように固定され、旋回流発生器20内の中心部からの貫通孔22を通して気液混合体GLを通過させることにより、一次旋回流TF1の回転数よりも高い回転数で旋回する二次(高速)旋回流TF2を噴射する有底短円筒状の絞り器24と、絞り器24の貫通孔22の径dよりも大きい内径D2を有して、円筒状の旋回流発生器20および円版状の絞り器24と共通の軸中心線C1を有してそれらと同心にその絞り器24と気密および液密に固定され、貫通孔22を通過した二次(高速)旋回流TF2を一端に受け入れて他端から流出させる筒状容器26と、筒状容器26に固定され、二次(高速)旋回流TF2或いはそれに基づく旋回流を衝突させて微細な気泡を消滅させ、気液混合体GL内の炭酸ガスCO2を水Wに速やかに溶解させて炭酸水(気体溶解液)CO2Wを生成する旋回流抑制装置28と、入口側から出口側に向かって流通断面積が徐々に現象する逆テーパ形状を有して旋回流抑制装置28に入口側が固定され、旋回流抑制装置28により生成された炭酸水(気体溶解液)CO2Wに乱流を生じさせないで入口側よりも小径の出口側から出力する径違い継手34とを、備えている。
As shown in FIG. 3, the
上記旋回流発生器20、絞り器24、筒状容器26、旋回流抑制装置28、径違い継手34は、それらのフランジの傾斜を利用して締結する図1に示す締結バンドBにより図示しないシール部材を介して相互に締結される。また、本実施例では、上記旋回流発生器20は、サニタリー管の呼び径がたとえば2.5S(内径59.5mmφ)であり、筒状容器26および旋回流抑制装置28は、たとえば3.0S(内径72.3mmφ)であるので、D2>D1>dである。
The swirling
図4は円筒状の旋回流発生器20のIII−III視断面図を示し、図5は蓋板20aおよび絞り器24が上端および下端の開口に固定された旋回流発生器20の縦断面図である。旋回流発生器20には、軸中心線C1に直交する面内において旋回流発生器20の円筒状外周壁の接線方向すなわち旋回流発生器20内の旋回流の接線方向に平行であり且つ旋回流発生器20の軸中心線C1から外周側に偏心して位置する軸中心線C2を有する流入管20bを有し、分散ポンプ14から圧送された気液混合体GLをその流入管20bを通して流入させることで、軸中心線C1まわりの一次旋回流TF1を内部に発生させる。また、蓋板20aには、蓋板20aの中心部位から前記絞り器24に形成された貫通孔22に向かって突き出す長手状の円柱状部材20cが設けられている。この円柱状部材20cは、旋回流発生器20内の一次旋回流TF1の回転を阻害しない位置にあって、旋回流発生器20内の容積を減少させるものであるので、その一次旋回流TF1の回転を高速化することに寄与している。
FIG. 4 shows a sectional view taken along the line III-III of the cylindrical
図5において、絞り器24は、旋回流発生器20の内径D1(たとえば2.5S(59.5mmφ))よりも小さな径d(たとえば8A〜15A(10.5〜17.5mmφ))を有する貫通孔22が中央部に貫通して形成されて、旋回流発生器20の下端開口(一端開口) 気密および液密に閉じるように固定され、旋回流発生器20内の中心部からの貫通孔22を通して気液混合体GLを通過させることにより、一次旋回流TF1の回転数よりも高い回転数で旋回する二次(高速)旋回流TF2を噴射する。同じ運動エネルギであっても旋回径が小さくなることで旋回が高速となるので、気液混合体GLに対して剪断力が一層付与される。上記の貫通孔22は、旋回流発生器22側から筒状容器26側に向かうに従って小径となるように形成されるとともに、それに接近させられている円柱状部材20cの先端部には、テーパTAが設けられている。これにより、旋回流発生器22内の容積を減少させつつ、可及的に乱流の発生が防止されている。
In FIG. 5, the
図6は他の例を示しており、円柱状部材20cは、図5に示されたものよりも図5に示されるように細く(小径)てもよく、その径および長さは、上記一次旋回流TF1を安定して高速で発生させるために最も効果のある形状に選択される。また、絞り器24において、貫通孔22は、旋回流発生器20側から筒状容器26側に向かうに従って小径となる割合が高くなるように形成されている。図7は、絞り器24の他の例を示す断面図であり、貫通孔22には旋回流発生器20側から筒状容器26側に向かうに従って小径となる傾斜が設けられていない。
FIG. 6 shows another example, and the
筒状容器26は、円筒状の旋回流発生器20よりも2〜3倍程度の長さを有するものであり、その上端には絞り器24が固定され、下端には旋回流抑制装置28が固定されている。旋回流抑制装置28は、たとえば図8に示すように、短円筒状の本体30と、その本体30に筒状容器26側に突き出すように固定された旋回流抑制板(ボルテックスブレーカ)32とから構成されている。旋回流抑制板32は、筒状容器26に実質的に固定されており、筒状容器26内の少なくとも外周部において前記筒状容器26の径方向および軸中心線C1方向を含む面に平行で、且つ軸中心線C1において相互に交差する複数枚(本実施例では互いに直交する2枚)の整流板32a、32bを有する。整流板32a、32bは、たとえば、筒状容器26の内径D2と同様の径方向寸法wとその径方向寸法wに対して0.4〜0.45倍程度たとえば30mmの高さ寸法hを有し、且つ、内周部のうちの本体30側に,上記径方向寸法wに対して0.2〜0.225倍程度たとえば15mmの高さおよび0.55〜0.6倍程度たとえば40mmの径方向寸法の矩形の切欠きK1が形成されている。
The
図9は、整流板32a、32bの他の例を示している。図9の整流板32a、32bは、筒状容器26に実質的に固定されており、筒状容器26内の少なくとも外周部において前記筒状容器26の径方向および軸中心線C1方向を含む面に平行で、且つ軸中心線C1において相互に交差する複数枚(本実施例では互いに直交する2枚)の整流板を有する点、および、筒状容器26の内径D2と同様の径方向寸法wを有する点で、図8と共通しているが、寸法および形状において相違する。図9において、整流板32aは、径方向寸法wに対して2.8〜3.2倍程度たとえば200mmの高さ寸法hを有していて、上記径方向寸法wに対して2.2〜2.4倍程度たとえば160mmの高さおよび0.55〜0.6倍程度たとえば40mmの径方向寸法の高さおよび幅の矩形孔K2を中央部に有した四角枠状に形成されている。また、整流板32bは、その四角枠状の整流板32aの上辺および下辺と同様の高さ寸法を有してそれら上辺および下辺と交差している。
FIG. 9 shows another example of the rectifying
径違い継手34は、旋回流抑制装置28の短円筒状の本体30に接続されるための呼び径2.5S或いは3.0Sを有する大径側と、バッファタンク18への配管P4に接続されるための1.0S或いは1.5Sを有する小径側との間を連続的に流通断面積を減少させるものであり、軸中心線C1まわりに対称或いは非対称の逆テーパ形状を有している。なお、図8に示す旋回流抑制装置28が用いられる場合は、その出口側が小径となっているので径違い継手34を用いなくてもよい。
The reduced diameter joint 34 is connected to a large diameter side having a nominal diameter 2.5S or 3.0S for connection to the short
配管P4には、配管P4内を流通する気体溶解液CO2Wを観察するための透明管36、出力側の圧力をたとえば0.4MPaに調圧する圧力調整弁38、および3方切換弁40が順次設けられている。気体溶解装置16から出力された気体溶解液CO2Wは配管P4を介してバッファタンク18内へ送られてそこで一時的に貯留される。この圧力調整弁38により、気体溶解液CO2Wの温度が高くなるほど高い一定圧力となるように調圧され、気体溶解液CO2W中の炭酸ガスCO2の溶解状態が維持される。バッファタンク18内の気体溶解液CO2Wは、第3ポンプ42および圧力計PM5を有する配管P5を介して図示しない気体溶解液充填装置へ圧送される。
The pipe P4 is sequentially provided with a
以上のように構成された炭酸水製造装置10において、気体溶解装置16内の炭酸ガスCO2の水wに対する溶解作用を、図10の略図を用いて以下に説明する。気液混合装置12および分散ポンプ14において水W中に混合された炭酸ガスCO2が予め分散且つ細分化された気液混合体GLが気体溶解装置16の流入管20bに圧送されると、流入管20bからは図4に示すように旋回流発生器20の円筒状外周壁の接線方向に平行であり且つ旋回流発生器20の軸中心線C1から外周側に偏心した位置に気液混合体GLが流入するので、円筒状の旋回流発生器20内に軸中心線C1まわりの一次旋回流TF1が発生させられる。これが一次旋回流発生工程に対応している。
In the carbonated
次いで、旋回流発生器20内で旋回する一次旋回流TF1を形成している気液混合体GLが、旋回流発生器20の中心部に位置し且つ旋回流発生器20の内径D1よりも小さな径dの貫通孔22を通過させられると、その一次旋回流TF1の回転数よりも小径で且つ高い回転数で旋回する二次(高速)旋回流TF2となって筒状容器26内に噴射される。これが二次旋回流発生工程に対応している。この高速の二次旋回流TF2の形成により、気液混合体GL内の炭酸ガスCO2の微細気泡がさらに細かく剪断される。
Next, the gas-liquid mixture GL forming the primary swirl flow TF1 swirling in the
筒状容器26内には、筒状容器26と一体的に固定された旋回流抑制装置28から突き出す旋回流抑制板32が固設されており、上記二次旋回流TF2に基づく旋回流すなわち二次旋回流TF2および/またはそれに基づいて生成される旋回流が旋回流抑制板32に衝突させられることでその旋回流にさらに剪断力が付与され、その剪断力によって微細気泡が消滅して透明な炭酸水(気体溶解液) CO2Wが得られる。これが旋回流抑制工程に対応している。液体の透明化は好適に炭酸ガスCO2が溶解したことを示しており、本実施例では、その液体の透明化が、比較的短時間で且つ低い圧力下で得られる。すなわち、短時間で高濃度の気体溶解が可能で、小型な気体溶解装置が得られる。
A swirl
以下に、本発明者等が行なった実験例を表1、表2、表3を用いて説明する。表1は、気体溶解装置16において旋回流抑制板(ボルテックスブレーカ)32の形状の影響を評価するために、旋回流抑制板が3種類の異なる形状である他は同じ条件で炭酸水を製造したときの溶解炭酸ガス量(V/V、溶解している炭酸ガスと水の容積比(溶解している炭酸ガス量/水の量)但し、炭酸ガス量は、0℃且つ1気圧の標準状態での値)を評価した場合を示している。表1における試験No.1は図8に示す旋回流抑制板(標準)を用いた場合、試験No.2は図9に示す旋回流抑制板(中、h=200mm)を用いた場合、試験No.3は図9に示す旋回流抑制板(長、h=300mm)を用いた場合である。なお、表1において、「○」は使用、「−」は不使用を示す。表1の評価結果によれば、溶解炭酸ガス量に関しては、試験No.1〜No.3ではいずれも満足すべき結果が得られたが、旋回流抑制板(ボルテックスブレーカ)32が長くなるほど、溶解炭酸ガス量が徐々に低下する性質がある。旋回流抑制板は、中(h=200mm)以下の高さを用いることが望ましい。
Examples of experiments conducted by the present inventors will be described below with reference to Table 1, Table 2, and Table 3. Table 1 shows the production of carbonated water under the same conditions except that the swirl flow suppressing plate has three different shapes in order to evaluate the influence of the shape of the swirl flow suppressing plate (vortex breaker) 32 in the
表2は、気体溶解装置16において貫通孔(縮流ノズル)22の形状の影響を評価するために、貫通孔22の径dが4種類である他は同じ条件で炭酸水を製造したときの溶解炭酸ガス量(V/V、溶解している炭酸ガスと水の容積比(溶解している炭酸ガス量/水の量)但し、炭酸ガス量は、0℃且つ1気圧の標準状態での値)を評価した場合を示している。表2の評価結果によれば、貫通孔の径dの寸法に関して、試験No.11〜No.14ではいずれも満足すべき結果が得られた。しかし、試験No.11では、圧力損失が高くなって給水流量が6000L/hrに到達することができなかったので、炭酸ガス溶解液の製造能力が飽和している。また、試験No.13およびNo.14では、圧力パランスが比較的不安定で、炭酸ガスの供給流量が脈動した。これらの点で、貫通孔の径dは、呼び径10A(=内径14.0mmφ)を中心として、呼び径8A(=内径10.5mmφ)より大きく、呼び径15A(=内径17.5mmφ)よりも小さい範囲、たとえば12mmφ)から16mmφ)の範囲内であることが望ましい。
Table 2 shows the results when carbonated water was produced under the same conditions except that the diameter d of the through
表3は、気体溶解装置16において旋回流発生器(旋回管)20の形状の影響を評価するために、旋回流発生器20の径D1が3種類である他は同じ条件で炭酸水を製造したときの溶解炭酸ガス量(V/V、溶解している炭酸ガスと水の容積比(溶解している炭酸ガス量/水の量)但し、炭酸ガス量は、0℃且つ1気圧の標準状態での値)を評価した場合を示している。表3の評価結果によれば、旋回流発生器20の径D1に関して、試験No.21〜No.23ではいずれも満足すべき結果が得られた。試験No.21およびNo.22では、旋回流発生器20の流入管20bの丸型(断面円形)および扁平(楕円断面)であるにも拘わらず、4.28(V/V)以上の高い溶解炭酸ガス量(V/V)が得られているため、流入管20bの断面形状による影響は見られなかった。しかし、試験No.23では、3.10という相対的に低い溶解炭酸ガス量(V/V)が得られているが、これは流入管20bの断面の呼び径が1.0S(=内径23mmφ)であることに起因していると推定される。したがって、流入管20bの内径は、1.0S(=内径23mmφ)以上且つ1.5S(=内径35、7mmφ)以下の範囲内であることが望ましい。
Table 3 shows the production of carbonated water under the same conditions except that the diameter D1 of the swirling
上述のように、本実施例の炭酸水製造装置10によれば、気体溶解装置16において、水Wおよび炭酸ガスCO2気液混合体GLの流入により円筒状の旋回流発生器20内に一次旋回流TF1が発生させられ、その旋回流発生器20内で旋回する一次旋回流TF1の旋回中心部から気液混合体GLが旋回流発生器20の内径D1よりも小さい径dの貫通孔22を通過させられると、一次旋回流TF1の回転数よりも高い回転数で旋回する二次(高速)旋回流TF2となって筒状容器26内に噴射され、筒状容器26内では、その高速の二次旋回流TF2およびそれに基づく旋回流が旋回流抑制板32によって抑制される。このため、上記一次旋回流TF1の回転数よりも小径で且つ高い回転で旋回する二次旋回流TF2となって炭酸ガス(気体)CO2および水(液体)Wの気液混合体GLにおいて微細気泡がさらに細かく剪断される。次いで、上記筒状容器26内に固設された旋回流抑制板32に上記二次旋回流TF2またはそれに基づく旋回流が衝突させられることでその旋回流がさらに剪断され、その剪断された微細気泡が消滅して気体が好適に液体に溶解したことを示す液体の透明化が、比較的短時間で且つ低い圧力下で得られる。すなわち、0.4MPa程度の比較的低圧且つ短時間で高濃度の炭酸ガスCO2が溶解された気体溶解液CO2Wが得られる、小型な気体溶解装置16が得られる。
As described above, according to the carbonated
また、本実施例の気体溶解装置16において、旋回流発生器20は、旋回流発生器20内の旋回流の接線方向に平行、且つ旋回流発生器20の軸中心線C1から偏心した位置を通る軸中心線C2を有する流入管20bを有し、その流入管20bを通して気液混合体GLを流入させるものである。このため、気液混合体GLが流入させられることにより、旋回流発生器20内に一次旋回流TF1が好適に発生させられる。
Further, in the
また、本実施例の気体溶解装置16において、旋回流発生器20の一端部は、絞り器24を介して筒状容器26と同心に接続されるとともに、旋回流発生装置20の他端部は、円盤状の蓋板20aによって閉じられており、前記蓋板20aには、絞り器24に形成された貫通孔22に向かって突き出す円柱状部材20cが設けられている。このため、旋回流発生器20内の容積が円柱状部材20cの容積分だけを小さくされるので、旋回流発生器20内の一次旋回流TF1が一層高速回転となる利点がある。
Further, in the
また、本実施例の気体溶解装置16において、絞り器24に形成された貫通孔22は、旋回流発生器20側から筒状容器26に向かうに従って小径となるように形成されている。このため、旋回流発生器20から筒状容器26へ向かう気液混合体GLに乱流が発生することが好適に防止される。
Further, in the
また、本実施例の気体溶解装置16において、旋回流抑制板32は、筒状容器26の少なくとも外周部において筒状容器26の径方向および軸中心線C1方向を含む面に平行で且つ軸中心線C1において相互に交差する複数の整流板32a、32bを有するものである。このため、筒状容器26内に流入する高速の二次旋回流TF2或いはそれに基づく旋回流が整流板32a、32bに当接してその旋回が抑制されるので、好適に炭酸ガスCO2が水Wに溶解されるとともに、軸中心線C1方向の流通抵抗が可及的に抑制される。
Further, in the
また、本実施例の炭酸水製造装置10において、気液混合装置12は、水Wが供給される第1管部T1と炭酸ガスCO2が供給される第2管部T2と気液混合体GLが出力される第3管部T3とを有する合流管Tと、第1管部T1内に設けられた水Wを噴射するノズルNZと、第3管部T3内に設けられ、ノズルNZからの噴流を受け入れる入口から次第に小径となった後、出口に向かって次第に大径となるディフューザDFと、第3管部T3に接続された管SMP内に、その軸中心線まわりに右回りおよび左回りにそれぞれねじられたエレメントELおよびERが交互に配列されることにより構成されたスタティックミキサSMとを、含み、気液混合体GLは、スタティックミキサSMから出力されるものである。このため、旋回流発生器20に供給される前の段階で、気液混合体GLが好適に攪拌されてその炭酸ガスCO2が細かくされ、炭酸ガスCO2の水Wに対する接触面積が大きくされて溶解が容易となる利点がある。
Moreover, in the carbonated
また、本実施例の炭酸水製造装置10において、スタティックミキサSMと旋回流発生器20との間に設けられ、スタティックミキサSMから出力された気液混合体GLをそれに剪断力を与えつつ旋回流発生器20へ圧送する分散ポンプ14が、さらに含まれる。このため、旋回流発生器20に供給される前の段階で、気液混合体GLに剪断力が与えられて好適に攪拌されて一層その炭酸ガスCO2が細かくされ、炭酸ガスCO2の水Wに対する接触面積が大きくされて溶解が一層容易となる利点がある。また、分散ポンプ14を設けない場合に比較して、炭酸ガスCO2の供給圧力を低くしても気体の溶解をすることができる。
Further, in the carbonated
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail based on drawing, this invention is applied also in another aspect.
例えば、前述の実施例の旋回流抑制装置28において、旋回流抑制板32は軸中心線C1において交差する2枚の整流板32aおよび32bから構成されていたが、軸中心線C1において交差する3枚以上の整流板から構成されていてもよい。
For example, in the swirling
また、前述の実施例において、旋回流発生器20の内径D1は、筒状容器26の内径D2に対して大きくてもよいし、小さくてもよい。
In the above-described embodiment, the inner diameter D1 of the swirling
なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。 The above description is only an embodiment, and the present invention can be implemented in variously modified and improved forms based on the knowledge of those skilled in the art.
10:炭酸水製造装置
12:気液混合装置
14:分散ポンプ
16:気体溶解装置
18:バッファタンク
20:旋回流発生器
20a:蓋板
20b:流入管
20c:円柱状部材
22:貫通孔
24:絞り器
26:筒状容器
28:旋回流抑制装置
30:本体
32:旋回流抑制板
34:径違い継手
CO2:炭酸ガス(気体G)
CO2W:炭酸水(気体溶解液)
DF:ディフューザ
EL、ER:エレメント
GL:気液混合体
NZ:ノズル
SM:スタティックミキサ
T:合流管
T1:第1管部
T2:第2管部
T3:第3管部
W:水(液体L)
10: carbonated water production device 12: gas-liquid mixing device 14: dispersion pump 16: gas dissolving device 18: buffer tank 20:
CO2W: Carbonated water (gas solution)
DF: Diffuser EL, ER: Element GL: Gas-liquid mixture NZ: Nozzle SM: Static mixer T: Merge pipe T1: First pipe part T2: Second pipe part T3: Third pipe part W: Water (liquid L)
Claims (7)
前記気体および液体の気液混合体の流入により一次旋回流を旋回流発生器内で発生させる一次旋回流発生工程と、
前記旋回流発生器内の中心部から前記混合体を前記旋回流発生器の内径よりも小径の貫通孔が形成された絞り器を通過させることにより、前記旋回流の回転数よりも高い回転数で旋回する二次旋回流を前記貫通孔よりも大きい内径を有する筒状容器内へ噴射する二次旋回流発生工程と、
前記筒状容器内に固設された旋回流抑制板により、前記筒状容器内に噴射された前記二次旋回流に基づく旋回流を抑制する旋回流抑制工程とを、含み、
前記旋回流発生器の一端部は、前記筒状容器と前記絞り器を介して同心に接続され、前記旋回流発生器の他端部は、円盤状の蓋板によって閉じられ、且つ前記蓋板には、前記絞り器に形成された貫通孔に向かって突き出す円柱状部材を設ける
ことを特徴とする気体溶解液の製造方法。 A method for producing a gas solution in which a gas is dissolved in a liquid,
A primary swirl flow generating step for generating a primary swirl flow in a swirl flow generator by inflow of the gas-liquid mixture of gas and liquid;
The rotational speed higher than the rotational speed of the swirl flow by passing the mixture from the central part in the swirl flow generator through a restrictor having a through hole smaller in diameter than the inner diameter of the swirl flow generator. A secondary swirling flow generating step of injecting a swirling secondary swirling flow into a cylindrical container having an inner diameter larger than the through hole;
A swirl flow suppressing step of suppressing a swirl flow based on the secondary swirl flow injected into the cylindrical container by a swirl flow restraint plate fixed in the cylindrical container ,
One end of the swirl flow generator is concentrically connected via the cylindrical container and the restrictor, the other end of the swirl flow generator is closed by a disc-shaped cover plate, and the cover plate Includes a columnar member protruding toward a through-hole formed in the restrictor .
前記気体溶解装置は、
前記気体および液体の気液混合体の流入により一次旋回流を発生させる円筒状の旋回流発生器と、
前記旋回流発生器の内径よりも小さな貫通孔が形成され、前記旋回流発生器内の前記旋回流の旋回中心部から前記混合体を上記貫通孔を通過させることにより、前記旋回流の回転数よりも高い回転数で旋回する二次旋回流を噴射する絞り器と、
前記絞り器の貫通孔よりも大きい内径を有し、その貫通孔を通過した前記二次旋回流を一端に受け入れて他端から流出させる筒状容器と、
前記筒状容器内に固設され、前記二次旋回流に基づく旋回流を抑制する旋回流抑制板とを、含み、
前記旋回流発生器の一端部は、前記筒状容器と前記絞り器を介して同心に接続されるとともに、前記旋回流発生器の他端部は、円盤状の蓋板によって閉じられており、
前記蓋板には、前記絞り器に形成された貫通孔に向かって突き出す円柱状部材が設けられている
ことを特徴とする気体溶解液製造装置。 A gas solution manufacturing apparatus comprising a gas dissolving apparatus for dissolving gas in a liquid,
The gas dissolving device is:
A cylindrical swirling flow generator for generating a primary swirling flow by inflow of the gas and liquid gas-liquid mixture;
A through-hole smaller than the inner diameter of the swirl flow generator is formed, and the mixture passes through the through-hole from the swirl center of the swirl flow in the swirl flow generator. A constrictor for injecting a secondary swirling flow swirling at a higher rotational speed,
A cylindrical container having an inner diameter larger than the through hole of the restrictor, and receiving the secondary swirling flow that has passed through the through hole at one end and flowing out from the other end;
A swirl flow suppressing plate fixed in the cylindrical container and suppressing swirl flow based on the secondary swirl flow ,
One end portion of the swirling flow generator is concentrically connected via the cylindrical container and the restrictor, and the other end portion of the swirling flow generator is closed by a disc-shaped cover plate,
The gas dissolution liquid manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the lid plate is provided with a columnar member protruding toward a through hole formed in the restrictor .
ことを特徴とする請求項2又は3のいずれか1に記載の気体溶解液製造装置。 Through holes formed in the wringer, according to any one of claims 2 or 3, characterized in that it is formed such that the diameter decreases toward the cylindrical container from the swirling flow generator side Gas dissolved liquid production equipment.
ことを特徴とする請求項2から4のいずれか1に記載の気体溶解液製造装置。 The swirl flow suppressing plate has a plurality of rectifying plates that are parallel to a plane including a radial direction and an axial centerline direction of the cylindrical container at least at an outer peripheral portion of the cylindrical container and intersect each other at the axial centerline. The gas solution production apparatus according to any one of claims 2 to 4 , wherein the gas solution production apparatus is one.
前記第1管部内に設けられた前記液体を噴射するノズルと、
前記第3管部内に設けられ、前記ノズルからの噴流を受け入れる入り口から次第に小径となった後、出口に向かって次第に大径となるディフューザと、
前記第3管部に接続された管内に、軸中心線まわりに右回りおよび左回りにそれぞれねじられたエレメントが交互に配列されることにより構成されたスタティックミキサとを、備える気液混合装置を含み、
前記気液混合体は、前記スタティックミキサから出力されるものである
ことを特徴とする請求項2から5のいずれか1に記載の気体溶解液製造装置。 A merging pipe having a first pipe part to which the liquid is supplied, a second pipe part to which the gas is supplied, and a third pipe part to which the gas-liquid mixture is output;
A nozzle for injecting the liquid provided in the first pipe portion;
A diffuser which is provided in the third pipe portion and gradually becomes a small diameter from an inlet for receiving a jet flow from the nozzle, and then gradually becomes a large diameter toward the outlet;
A gas-liquid mixing device comprising: a static mixer configured by alternately arranging clockwise and counterclockwise elements around an axial center line in a pipe connected to the third pipe part. Including
The gas-liquid mixture according to any one of claims 2 to 5 , wherein the gas-liquid mixture is output from the static mixer.
ことを特徴とする請求項6の気体溶解液製造装置。 A dispersion pump that is provided between the gas-liquid mixing device and the swirling flow generator and pumps the gas-liquid mixture output from the gas-liquid mixing device to the swirling flow generating device while applying a shearing force thereto. The gas solution production apparatus according to claim 6 , further comprising:
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