JP6637774B2

JP6637774B2 - 溶存酸素増加装置

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Publication number: JP6637774B2
Application number: JP2016014110A
Authority: JP
Inventors: 花田　幸三; 幸三花田
Original assignee: 株式会社ハナダ
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2036-01-28
Also published as: JP2017131840A

Description

本発明は、水中に酸素を供給して水中の溶存酸素量を増加させる溶存酸素増加装置に関する。

従来、海、河川、湖沼、池等の水質浄化や、魚介類の養殖における発育促進または植物の育成促進を図ること等を目的として、水中に酸素を供給して溶存酸素量を増加させる技術が知られている。

例えば、本願出願人は、気体を導入するコンプレッサと、その導入された気体から高濃度の酸素を供給する酸素窒素分離器と、池等から水を汲み上げる自吸式ポンプと、その汲み上げられた水を前記池等に戻すパイプの先端に設けられるマイクロバブル発生ノズルと、を有する溶存酸素濃度増加装置を提案している（特許文献１）。

上記従来技術の溶存酸素濃度増加装置は、自吸式ポンプによって池等から汲み上げられた水に、酸素窒素分離器から供給される高濃度の酸素を混入し、その高濃度に酸素が混入された水（酸素水）を、マイクロバブル発生ノズルを介して池等の水中に噴出する。

前記マイクロバブル発生ノズルは、流入部よりも径が小さい絞り部を有し、その絞り部の先端には、絞り部から流出する酸素水が渦流状態に攪拌されながら放出される略球形貯留部が設けられている。これにより、水中に混入された酸素の気泡が微細化され、高濃度に酸素を溶存させることができる。

特開２０１１−１７３１０６号公報

しかしながら、上記した従来技術では、水質浄化作用等の効果を高めるために、水中の溶存酸素濃度を更に高めるという観点において改善の余地があった。
具体的には、特許文献１に開示された溶存酸素濃度増加装置では、同文献の表１に示されるように、酸素注入を開始してから約３時間半で水中の溶存酸素濃度を２３．４ｍｇ／Ｌにまで上昇させることができた。しかし、同文献の溶存酸素濃度増加装置では、更に長時間に亘って酸素注入を継続しても、或いは水の循環量に対する酸素の供給量を増大させても、水中の溶存酸素濃度の上昇には限界があり、溶存酸素量を大きく増加させることができなかった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成で水中に溶存する酸素の濃度を高めることができる溶存酸素増加装置を提供することにある。

本発明の溶存酸素増加装置は、水を吸入して吐出するポンプと、前記ポンプの吸入側に接続される吸入経路及び前記ポンプの吐出側に接続される吐出経路を有する循環経路と、前記循環経路に酸素を供給する酸素供給装置と、を備え、前記吸入経路には、前記酸素供給装置から供給される酸素が注入される第１の酸素注入部と、流路断面が縮小された後に拡大される第１の絞り部と、が設けられ、前記吐出経路には、前記酸素供給装置から供給される酸素が注入される第２の酸素注入部と、流路断面が縮小された後に拡大される第２の絞り部と、が設けられ、前記第２の酸素注入部及び前記第２の絞り部の下流の前記吐出経路には、流路断面が縮小される第３の絞り部が形成され、前記第２の絞り部の流路断面積は、前記第１の絞り部の流路断面積よりも小さく、前記第３の絞り部の流路断面積は、前記第２の絞り部の流路断面積よりも小さいことを特徴とする。
また、本発明の溶存酸素増加装置は、水を吸入して吐出するポンプと、前記ポンプの吸入側に接続される吸入経路及び前記ポンプの吐出側に接続される吐出経路を有する循環経路と、前記循環経路に酸素を供給する酸素供給装置と、を備え、前記吸入経路には、前記酸素供給装置から供給される酸素が注入される第１の酸素注入部と、流路断面が縮小された後に拡大される第１の絞り部と、が設けられ、前記吐出経路には、前記酸素供給装置から供給される酸素が注入される第２の酸素注入部と、流路断面が縮小された後に拡大される第２の絞り部と、が設けられ、前記第２の酸素注入部及び前記第２の絞り部の下流の前記吐出経路には、流路断面が縮小される第３の絞り部が形成され、前記第１の酸素注入部から注入される酸素の量は、前記第２の酸素注入部から注入される酸素の量よりも少ないことを特徴とする。

本発明の溶存酸素増加装置によれば、ポンプの吸入側に接続される吸入経路に形成される第１の酸素注入部と、ポンプの吐出側に接続される吐出経路に形成される第２の酸素注入部と、を有する。即ち、酸素供給装置から供給される酸素は、ポンプの吸入側及び吐出側の２カ所から注入されることになり、これにより、循環経路を流れる水に多量の酸素を供給することができる。

そして、酸素が混合された水が流れる循環経路には、流路断面が縮小される３カ所の絞り部が形成される。即ち、循環経路は、吸入経路に形成される第１の絞り部と、吐出配管に形成される第２の絞り部と、第２の絞り部の下流の吐出配管に形成される第３の絞り部と、を有する。このような構成により、これら３カ所の絞り部を水が通過する際の圧力変化によって、水中に混合された酸素の気泡が微細化され、効率良く酸素を水に溶解させることができる。これにより、水中に溶存する酸素量を増加させ、且つ長時間に亘って高い酸素濃度を維持することができる。具体的には、本発明によれば、水中の溶存酸素量は、上記した従来技術に比べて２倍以上に高められる。

また、本発明の溶存酸素増加装置によれば、前記第２の絞り部の流路断面積は、前記第１の絞り部の流路断面積よりも小さく、前記第３の絞り部の流路断面積は、前記第２の絞り部の流路断面積よりも小さい。これにより、水中への酸素の溶解が促進されると共に、ポンプにおけるキャビテーションの発生が抑制され、循環水量の低下やポンプの損傷を回避することができる。

また、本発明の溶存酸素増加装置によれば、前記第１の酸素注入部から注入される酸素の量は、前記第２の酸素注入部から注入される酸素の量よりも少なくても良い。これにより、第１の酸素注入部から注入された酸素の気泡が水中に溶解されずにポンプに吸入されることによる流量の低下やキャビテーションの発生を抑制しつつ、高濃度に酸素を溶解させることができる。

本発明の実施形態に係る溶存酸素増加装置の概略を示す構成図である。同上溶存酸素増加装置の（Ａ）第１の酸素注入部、（Ｂ）第２の酸素注入部、（Ｃ）吐出ノズル、の概略構造を示す縦断面図である。同上溶存酸素増加装置を用いた酸素供給試験における水中の酸素濃度の変化を示すグラフである。同上溶存酸素増加装置を用いた酸素供給試験を停止した後の水中の酸素濃度の変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る溶存酸素増加装置を図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る溶存酸素増加装置１の概略を示す構成図である。図１に示すように、溶存酸素増加装置１は、酸素濃度を高める対象である水が貯留される貯水部２０から水を汲み上げ、その水に酸素を注入して、貯水部２０に還流させる装置である。貯水部２０は、例えば、水を貯留する容器や、海、河川、湖沼、池等である。

溶存酸素増加装置１は、貯水部２０から水を汲み上げて貯水部２０へと還流させる流路である循環経路１０と、循環経路１０内を流れる水に高濃度の酸素を供給する酸素供給装置２と、を有する。

循環経路１０は、例えば、合成樹脂製のホースやパイプ等の配管部材から形成される流路である。循環経路１０には、貯水部２０から水を汲み上げて循環させるためのポンプ３が介装される。即ち、循環経路１０は、ポンプ３と、ポンプ３の吸入側に接続される吸入経路１１と、ポンプ３の吐出側に接続される吐出経路１２と、を有する．ポンプ３は、例えば、多段式の渦巻ポンプ等であり、自吸能力を有する自吸式ポンプが好ましい。

吸入経路１１の吸水口、即ちポンプ３に接続される端部の反対側となる端部は、貯水部２０の水中に挿入される。なお、吸入経路１１の吸水口には、循環経路１０に異物等が流入することを抑制するためのフィルタ１３が取り付けられても良い。

吸入経路１１には、酸素供給装置２から供給される酸素が注入される第１の酸素注入部４が設けられる。第１の酸素注入部４には、酸素供給装置２につながり酸素供給装置２から供給される酸素を流す酸素供給配管１７が接続され、酸素供給配管１７には、第１の酸素注入部４に供給される酸素の流量を調整する流量調整弁７が設けられる。

吐出経路１２には、酸素供給装置２から供給される酸素が注入される第２の酸素注入部５が設けられる。第２の酸素注入部５には、酸素供給装置２につながり酸素供給装置２から供給される酸素を流す酸素供給配管１８が接続され、酸素供給配管１８には、第２の酸素注入部５に供給される酸素の流量を調整する流量調整弁８が設けられる。

吐出経路１２の吐出口、即ちポンプ３に接続される端部の反対側となる端部は、貯水部２０の水中に挿入される。吐出経路１２の吐出口には、水中に混入された酸素の気泡を微細化して、該酸素が混入された水を貯水部２０内に噴出させるマイクロバブル発生ノズルとしての吐出ノズル６が設けられる。

酸素供給装置２は、高濃度の酸素を供給する装置であり、例えば、外気から高濃度の酸素を分離して供給する多段式の酸素濃縮機等である。詳しくは、酸素供給装置２は、外部から空気を吸入して圧縮する図示しないコンプレッサと、前記の吸入された空気から酸素と窒素等を分離して高濃度の酸素を取り出す図示しない酸素窒素分離器と、を有する。また、酸素供給装置２は、前記コンプレッサで圧縮されて高温になった空気を冷却するための図示しない冷却器や、前記圧縮された空気の圧力を調整するための図示しないエアレギュレータ等を備えても良い。

なお、酸素供給装置２は、前述の酸素濃縮機等に限定されるものではない。例えば、酸素供給装置２として、酸素ボンベ等を利用し、該酸素ボンベに貯蔵された高濃度の酸素を循環経路１０に供給しても良い。

また、溶存酸素増加装置１は、酸素供給装置２の内部に若しくは酸素供給装置２とは別に、循環経路１０内の水にオゾンを供給するオゾン供給器を備えても良い。これにより、オゾンによる殺菌若しくは消毒効果が得られる。

また、溶存酸素増加装置１は、ポンプ３の稼働や、酸素供給装置２の稼働、流量調整弁７及び流量調整弁８の開閉、その他の図示しない電磁弁等の開閉等を制御する図示しない制御装置を備える。前記制御装置は、タイマ手段を備え、該タイマ手段によってポンプ３等を間欠的に運転しても良い。これにより、水中の酸素濃度が所定の値まで高められた後は、間欠運転によって、水中の酸素濃度を好適に維持しつつ、消費電力の削減を図ることができる。

図２（Ａ）は、溶存酸素増加装置１の第１の酸素注入部４の概略構造を示す縦断面図であり、同図（Ｂ）は、第２の酸素注入部５の概略構造を示す縦断面図であり、同図（Ｃ）は、吐出ノズル６の概略構造を示す縦断面図である。

図２（Ａ）に示すように、吸入経路１１に設けられる第１の酸素注入部４には、流路断面が縮小された後に拡大される第１の絞り部１４が設けられる。詳しくは、吸入経路１１の流路断面は略円形状であり、第１の絞り部１４の内径ｄ１は、その上流及び下流の内径ｄ０に比べて小さい。そして、酸素供給装置２につながる酸素供給配管１７の流路は、第１の絞り部１４において、水の流路である吸入経路１１と合流する。

このような構成により、酸素供給配管１７を経由して供給される高濃度の酸素は、吸入経路１１を流れる水に注入、混合される。そして、水中に混入した酸素の気泡は、第１の絞り部１４を通過する際の圧力変化及び流れの乱れによって微細化される。その結果、水中への酸素の溶解が促進される。

図２（Ｂ）に示すように、吐出経路１２に設けられる第２の酸素注入部５には、流路断面が縮小された後に拡大される第２の絞り部１５が設けられる。詳しくは、吐出経路１２の流路断面は略円形状であり、第２の絞り部１５の内径ｄ２は、その上流及び下流の内径ｄ０に比べて小さく、且つ第１の絞り部１４の内径ｄ１よりも小さい。

ここで、第２の絞り部１５の流路断面積は、第１の絞り部１４の流路断面積の６５〜９５％であり、好ましくは、７０〜９０％、より好ましくは、７５〜８５％が良い。
そして、酸素供給装置２につながる酸素供給配管１８の流路は、第２の絞り部１５において、水の流路である吐出経路１２と合流する。

このような構成により、酸素供給配管１８を経由して供給される高濃度の酸素は、吐出経路１２を流れる水に注入、混合される。そして、水中に混入した酸素の気泡は、第２の絞り部１５を通過する際の圧力変化及び流れの乱れによって微細化され、効率的に水中に溶解される。

図２（Ｃ）に示すように、吐出経路１２の吐出口に設けられる吐出ノズル６には、流路断面が縮小される第３の絞り部１６が形成される。即ち、第３の絞り部１６は、第２の酸素注入部５及び第２の絞り部１５の下流となる吐出経路１２の吐出口近傍に設けられる。そして、第３の絞り部１６は、酸素が混入された水が吐出経路１２から貯水部２０に吹き出される噴出孔となる。

第３の絞り部１６の流路断面は略円形状であり、第３の絞り部１６の内径ｄ３は、その上流の内径ｄ０に比べて小さく、且つ第１の絞り部１４の内径ｄ１及び第２の絞り部１５の内径ｄ２よりも小さい。
ここで、第３の絞り部１６の流路断面積は、第１の絞り部１４の流路断面積の１０〜５０％であり、好ましくは、１５〜４５％、より好ましくは、２０〜４０％が良い。

このような構成により、吐出ノズル６から吐出される水中の酸素は、第３の絞り部１６を通過する際の圧力変化によって気泡が微細化され、更に、貯水部２０に勢い良く噴出されて攪拌されることにより、効率的に水中に溶解される。

上記のように、溶存酸素増加装置１では、酸素供給装置２から供給される酸素は、第１の酸素注入部４及び第２の酸素注入部５から、即ちポンプ３の吸入側及び吐出側の２カ所から注入されることになる。これにより、循環経路１０を流れる水に多量の酸素を供給することができる。

そして、酸素が混合された水が流れる循環経路１０には、前述のとおり、流路断面が縮小される３カ所の絞り部、即ち第１の絞り部１４と、第２の絞り部１５と、第３の絞り部１６と、が形成されている。これにより、これら３カ所の絞り部（１４、１５、１６）を水が通過する際の圧力変化によって、水中に混合された酸素の気泡が微細化され、効率良く酸素を水に溶解させることができる。これにより、水中に溶存する酸素量を増加させ、且つ長時間に亘って高い酸素濃度を維持することができる。

また、前述のとおり、第２の絞り部１５の流路断面積は、第１の絞り部１４の流路断面積よりも小さく、第３の絞り部１６の流路断面積は、第２の絞り部１５の流路断面積よりも小さい。これにより、水中への酸素の溶解が促進されると共に、ポンプ３におけるキャビテーションの発生が抑制され、循環水量の低下やポンプ３の損傷を回避することができる。

ここで、第１の酸素注入部４から注入される酸素の量は、第２の酸素注入部５から注入される酸素の量よりも少ない方が好ましい。これにより、水中に溶解されない酸素の気泡がポンプ３に吸入されることやキャビテーションの発生が抑制される。

詳しくは、第１の酸素注入部４から注入される酸素の量は、循環経路１０（図１参照）に吸入される水の量に対して、標準状態における体積比１５％以下が良い。水に対する体積比１５％を超える酸素が第１の酸素注入部４から注入されると、水中に溶解されない酸素の気泡がポンプ３に吸入され、ポンプ３の能力が低下して水の循環量が低下するので、水中の酸素濃度を高めることが難しくなる。また、キャビテーションの発生により、ポンプ３が破損する恐れもある。

他方、第１の酸素注入部４から酸素が全く注入されないと、第２の酸素注入部５から注入される酸素の量を増やしても、水中の酸素濃度を高める効果は限定される。例えば、特許文献１に記載された従来技術よりも高い酸素濃度にすることは難しい。

そこで、第１の酸素注入部４からは、循環経路１０に吸入される水の量に対して、標準状態における体積比で少なくとも１％以上の酸素が注入されることが望ましい。上記を勘案して更に好ましくは、第１の酸素注入部４から注入される酸素の量は、循環経路１０に吸入される水の量に対して、標準状態における体積比２〜１０％が良く、更に好ましくは、３〜８％が良い。

このように、第１の酸素注入部４から注入される酸素の量を好適に調整することにより、水中に溶解されない酸素の気泡がポンプ３に吸入されることによる流量の低下や、キャビテーションの発生等を抑制することができ、水中の酸素濃度を効率的に高めることができる。

［実施例１］
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。なお、本発明は以下に挙げる実施例によって何ら限定されるものではない。

図３は、溶存酸素増加装置１の一実施例について性能評価試験を行った結果の一例を示す図であり、溶存酸素増加装置１を用いた酸素供給運転による水中の酸素濃度の変化を示すグラフである。

本実施例では、図１に示すポンプ３として、０．７ｋＷの多段渦巻ポンプを用いている。また、本実施例では、図２（Ａ）に示す第１の絞り部１４の内径ｄ１を、φ１０ｍｍ、図２（Ｂ）に示す第２の絞り部１５の内径ｄ２を、φ９ｍｍ、図２（Ｃ）に示す第３の絞り部１６の内径ｄ３を、φ６ｍｍとしている。

そして、水量約１ｔｏｎの水が貯留された容器から水を汲み上げて、毎分約２７Ｌで循環させ、図１に示す第１の酸素注入部４から毎分約１Ｌの高濃度酸素を注入し、第２の酸素注入部５からは毎分約３Ｌの高濃度酸素を注入した。なお、試験時の水温は、１１．３℃であった。

図３に示すように、容器内の水中の酸素濃度は、試験開始前は約８．８ｍｇ／Ｌであったが、試験開始から約３０分後には、約５０ｍｇ／Ｌに上昇し、約４５分後には、約５５ｍｇ／Ｌになって、その後安定した。

なお、特許文献１に記載された従来技術の溶存酸素濃度増加装置では、同文献の表１に示されるように、水中の溶存酸素濃度は、酸素注入を開始してから約３時間半で２３．４ｍｇ／Ｌにまで上昇した。しかし、酸素濃度を更に高めることはできなかった。

図３から明らかなように、本実施例では、水中の酸素濃度は、標準大気状態における飽和溶存酸素濃度（約１０．５ｍｇ／Ｌ）を遥かに超えて上昇し、試験開始から３０分程度で、従来技術における最高到達濃度の２倍以上にまで上昇している。このように、本実施例は、従来技術を遥かに凌ぐ溶存酸素増加性能を有することが分かる。

図４は、上記した溶存酸素増加装置１の実施例の性能評価試験の結果の一例を示す図であり、溶存酸素増加装置１を用いた酸素供給運転を停止した後の水中の酸素濃度の変化を示すグラフである。

図４に示すように、酸素注入を停止した後、水中の酸素量は次第に減少する。しかし、酸素注入運転を停止してから１０日後であっても、水中の酸素濃度は、標準大気状態における飽和溶存酸素濃度よりも高く、高酸素濃度の状態が長期間に亘って維持されていることが分かる。

［実施例２］
次に、図１に示すポンプ３等を変更した他の実施例について説明する。本実施例では、ポンプ３として、０．６５ｋＷの多段渦巻ポンプを用い、水の循環量を毎分約１４．６Ｌとした。また、本実施例では、図２（Ａ）に示す第１の絞り部１４の内径ｄ１を、φ９．５ｍｍ、図２（Ｂ）に示す第２の絞り部１５の内径ｄ２を、φ８．５ｍｍ、図２（Ｃ）に示す第３の絞り部１６の内径ｄ３を、φ５ｍｍとしている。酸素注入量等は、前述の実施例１と同様である。

評価試験の結果、酸素注入運転を開始してから約３６分後に、水中の酸素濃度は、約５５ｍｇ／Ｌまで上昇した。本実施例は、前述の実施例１と同等若しくはそれ以上の溶存酸素増加性能を有することが確認された。

以上説明の如く、溶存酸素増加装置１によれば、簡単な装置構成で、水中に溶存する酸素の濃度を効率的に高めることができる。溶存酸素増加装置１は、ヘドロや油等によって汚染された海、河川、湖沼、池等の水質浄化に特に効果的であり、その他にも、魚介類の養殖における発育促進等にも利用できる。また、溶存酸素増加装置１を用いて、植物工場や園芸施設における水耕栽培の溶液を高酸素化することにより、農作物等の育成促進を図ることもできる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更実施が可能である。

１溶存酸素増加装置
２酸素供給装置
３ポンプ
４第１の酸素注入部
５第２の酸素注入部
６吐出ノズル
１０循環経路
１１吸入経路
１２吐出経路
１３フィルタ
１４第１の絞り部
１５第２の絞り部
１６第３の絞り部
１７酸素供給経路
１８酸素供給経路

Claims

水を吸入して吐出するポンプと、
前記ポンプの吸入側に接続される吸入経路及び前記ポンプの吐出側に接続される吐出経路を有する循環経路と、
前記循環経路に酸素を供給する酸素供給装置と、を備え、
前記吸入経路には、前記酸素供給装置から供給される酸素が注入される第１の酸素注入部と、流路断面が縮小された後に拡大される第１の絞り部と、が設けられ、
前記吐出経路には、前記酸素供給装置から供給される酸素が注入される第２の酸素注入部と、流路断面が縮小された後に拡大される第２の絞り部と、が設けられ、
前記第２の酸素注入部及び前記第２の絞り部の下流の前記吐出経路には、流路断面が縮小される第３の絞り部が形成され、
前記第２の絞り部の流路断面積は、前記第１の絞り部の流路断面積よりも小さく、
前記第３の絞り部の流路断面積は、前記第２の絞り部の流路断面積よりも小さいことを特徴とする溶存酸素増加装置。
水を吸入して吐出するポンプと、
前記ポンプの吸入側に接続される吸入経路及び前記ポンプの吐出側に接続される吐出経路を有する循環経路と、
前記循環経路に酸素を供給する酸素供給装置と、を備え、
前記吸入経路には、前記酸素供給装置から供給される酸素が注入される第１の酸素注入部と、流路断面が縮小された後に拡大される第１の絞り部と、が設けられ、
前記吐出経路には、前記酸素供給装置から供給される酸素が注入される第２の酸素注入部と、流路断面が縮小された後に拡大される第２の絞り部と、が設けられ、
前記第２の酸素注入部及び前記第２の絞り部の下流の前記吐出経路には、流路断面が縮小される第３の絞り部が形成され、
前記第１の酸素注入部から注入される酸素の量は、前記第２の酸素注入部から注入される酸素の量よりも少ないことを特徴とする溶存酸素増加装置。
前記第１の酸素注入部から注入される酸素の量は、前記第２の酸素注入部から注入される酸素の量よりも少ないことを特徴とする請求項１に記載の溶存酸素増加装置。