JP6714651B2

JP6714651B2 - 気液混合装置

Info

Publication number: JP6714651B2
Application number: JP2018140761A
Authority: JP
Inventors: 文夫浅野
Original assignee: 株式会社エムテック
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2020-06-24
Anticipated expiration: 2038-07-26
Also published as: JP2020015018A

Description

本発明は、気液混合装置に関し、更に詳しくは、微細気泡を発生させる気液混合装置に関するものである。

微細気泡は、気液界面が増加することでの高効率で溶存酸素量を上昇させることができ、化学物質を分解する圧壊現象、マイナスイオンの発生などの特性を持ち合わせ、養殖、浄化、洗浄などのさまざまな分野ですでに活用されており、均一で微細な気泡を発生させるベンチュリ構造の気液混合装置が多く利用されている。

微細気泡を発生させるベンチュリ構造の気液混合装置として、主通路内部が負圧状態となる主通路の絞り部を、複数の部材を連ねて形成し、その各接合面に細かな溝形状の気体導入箇所を設けて細かな気体を混入し、かつ、破砕用の溝を気体導入部の下流側に形成することで気体と流れる液体との接触面積を増やし、水流と衝突させることで気泡を破砕し微細な気泡を発生させる技術が提案されている（特許文献１）。

また、気液混合された液体主通路の絞り部下流に、主通路中心に螺旋形状のプロペラ型の翼列と、その外環に主通路中心の翼列と反対回りの螺旋形状の翼列を設け、液体主通路の液流を２層に分断してそれぞれ旋回させ、衝突させることで破砕し微細な気泡を発生させる技術が提案されている（特許文献２）。

特開２００８−２３５１３号公報特開２００７−２１３４３号公報

ベンチュリ構造で気体を混合できる量は、流れる液体の主通路の圧力と絞り部の圧力の変化量により支配される。そのため、圧力差により混入できる気体量は決定される。また、混入しただけの気体では微細気泡とはならないため、微細気泡を発生させる様々な技術が提案されている。

特許文献１には、ノズル部材に複数段に形成した空気導入ノズルを連ねて、流水通路を流れる液体に吸引させる気体を少量ずつ混入させている。空気吸引用の溝を浅く刻設し、さらには、空気吸引用の溝に接続された気泡破砕用の溝を流れ方向に設けることにより、気体と流れる液体との接触面積を増やし、水流と衝突させることで微細な気泡を発生させている。しかしながら、破砕用の溝でせん断される水流エネルギーは旋回流が加速される前であり、溝を浅く刻設した一つの接合面で微細な気泡として吸引できる量は限られるため、必要量の気体を混合させるには、複数の部材を備える必要があり、部品点数は多くなる。

また、特許文献２は、筒状のケーシング内に異なる回転方向の翼列を設けることで液体を翼列で抑制し旋回させている。そのため、加圧された液体が翼列を通過する圧力損失は大きくなり、混入できる空気量は少なくなる。少ない流量では微細な気泡を発生させることはできなく、また、プロペラ型の翼列の製作は複雑であり高価な装置となる。

本発明は、上記の課題を解決するものであり、安価に製造でき、かつ、均一な微細気泡を発生させることができる気液混合装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、請求項１に記載の発明は、液体が通過する主通路に、絞り部と該絞り部の下流側に連なり下流側に向かって拡径する円錐部とを設けたベンチュリ構造の気液混合装置において、断面円形の前記主通路に対して接線方向から気体を取り入れるための気体混入路と、前記主通路をなす内壁の前記気体混入路よりも下流側に設けられて前記主通路の中心軸方向に延びる突状部と、を備え、前記突状部は、前記円錐部をなす内壁に設けられているとともに、該内壁からの突出高さが下流側に向かって高くなるように形成されていることを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記主通路の中心軸の円周上に沿う長孔形状の吐出口を備えることを要旨とする。

上記問題を解決するために、請求項３に記載の発明は、液体が通過する主通路に、絞り部と該絞り部の下流側に連なり下流側に向かって拡径する円錐部とを設けたベンチュリ構造の気液混合装置において、断面円形の前記主通路に対して接線方向から気体を取り入れるための気体混入路と、前記主通路をなす内壁の前記気体混入路よりも下流側に設けられて前記主通路の中心軸方向に延びる突状部と、を備え、前記主通路の中心軸の円周上に沿う長孔形状の吐出口を備えることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記突状部は、前記主通路をなす内壁の前記円錐部よりも下流側に設けられていることを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発明において、前記主通路は、第１部材と該第１部材に接合される第２部材とにわたって形成されており、前記気体混入路は、前記第１部材の前記第２部材に対する接合面側に溝状に形成されており、前記第１部材と前記第２部材の接合面において、前記第２部材の前記主通路の内径は、上流側である前記第１部材の前記主通路の内径よりも大きいことを要旨とする。

本発明の気液混合装置によると、断面円形の主通路に対して接線方向から気体を取り入れるための気体混入路と、主通路をなす内壁の気体混入路よりも下流側に設けられて主通路の中心軸方向に延びる突状部と、を備える。これにより、ベンチュリ構造をもとにした部品構成において、主通路に対して接線方向から気体を混入させることで、主通路を流れる液体を気液が混合された旋回流にすることができる。この気液が混合された主旋回流は、流れ方向に進むにつれて円錐部の内壁に沿って遠心力により加速される。この加速された主旋回流が突状部に衝突することで気泡破砕を起こし、かつ、主旋回流から副旋回流を発生させ、主旋回流と衝突させることでさらに激しく気泡破砕が行なわれる。その結果、均一な微細気泡を発生させることができる。

また、前記突状部が、前記円錐部をなす内壁に設けられているとともに、該内壁からの突出高さが下流側に向かって高くなるように形成されている場合は、円錐部の上流側で突状部を低く設定することで主旋回流を抵抗なく下流に受け流して効果的に加速させることができる。さらに、円錐部の下流側で突状部を高く設定することで衝突による気泡破砕が効果的に行なわれる。

また、前記突状部が、前記主通路をなす内壁の前記円錐部よりも下流側に設けられている場合、円錐部で十分に加速された主旋回流が突状部に衝突することで気泡破砕が効果的に行なわれる。

また、前記主通路が、第１部材と第２部材とにわたって形成されており、前記気体混入路が、前記第１部材の接合面側に溝状に形成されており、前記第１部材と前記第２部材の接合面において、前記第２部材の前記主通路の内径が、上流側である前記第１部材の前記主通路の内径よりも大きい場合は、第１部材の端面の主通路より大きく形成した第２部材の端面の円形状の主通路の最大径の接線位置に接続する気体混入路を形成することができる。
このように、混入気体の位置が主通路を旋回する最大径の接線位置であれば旋回流のエネルギーは大きくなり、この旋回流のエネルギーを利用した細かな気泡を均一に発生させることができる。
さらに、主通路を流れる液体が絞り部から解放される時の流れ込みにくい流域に、かつ、最も旋回方向に適した方向から気体を混入させることができる。このため、主通路を流れる液体に吸引される際に、液体の進行方向と主通路に対する接線方向とを合わせた方向から気体を混入することが可能となり、流れる液体に混入される際に発生する液体エネルギーの損失を低減させることができる。

さらに、前記主通路の中心軸の円周上に沿う長孔形状の吐出口を備える場合は、旋回流とならない主通路の中心軸周辺の流れである中心流を、円錐部の内壁に沿って加速された旋回流に衝突させることで、より細かな均一な微細気泡の気液を吐出口から吐出することができる。

本発明について、本発明による典型的な実施形態の非限定的な例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述にて更に説明するが、同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品を示す。
実施例に係る気液混合装置の縦断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線断面拡大図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面拡大図である。図１の要部拡大図である。上記気液混合装置を構成する第２部材の縦断面図である。図１のＶＩ−ＶＩ線断面拡大図である。他の形態に係る突状部を説明するための説明図である。更なる他の形態に係る突状部を説明するための説明図である。図１のＩＸ矢視拡大図である。上記気液混合装置の下流端側の一部を破断した斜視図である。他の形態の気液混合装置を説明するための説明図であり、（ａ）は気液混合装置の縦断面を示し、（ｂ）はｂ−ｂ線断面を示す。

ここで示される事項は例示的なものおよび本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。

本実施形態に係る気液混合装置は、液体が通過する主通路（５）に、絞り部（６）と該絞り部の下流側に連なり下流側に向かって拡径する円錐部（１０）とを設けたベンチュリ構造の気液混合装置（Ａ）において、断面円形の主通路（５）に対して接線方向から気体を取り入れるための気体混入路（９）と、主通路（５）をなす内壁の気体混入路（９）よりも下流側に設けられて主通路（５）の中心軸方向に延びる突状部（１１）と、を備える（例えば、図１及び図１１等参照）。これにより、気体混入路（９）から混入される混入気体（９ａ）により、主通路（５）を流れる液体に旋回流（６ａ）が発生する（例えば、図２等参照）。そして、旋回流（６ａ）は流れ方向に進むにつれて、円錐部（１０）の内壁に沿って遠心力により加速された主旋回流（１０ａ）と、突状部（１１）を設けることで副旋回流（１１ａ）を発生させる（例えば、図６等参照）。

なお、上記気体混入路（９）の形状、大きさ、配置箇所、個数等は、液体の流量等に応じて適宜選択される。また、上記突状部（１１）の形状、大きさ、配置箇所、個数等は、液体の流量等に応じて適宜選択される。

本実施形態に係る気液混合装置としては、上記突状部（１１）は、円錐部（１０）をなす内壁に設けられているとともに、該内壁からの突出高さが下流側に向かって高くなるように形成されている形態（例えば、図５及び図７等参照）が挙げられる。

上述の形態の場合、例えば、上記突状部（１１）は、長手方向にわたって、円錐部（１０）の内壁からの突出高さが下流側に向かうに連れて徐々に高くなるように形成されていることができる（例えば、図５等参照）。また、例えば、上記突状部（１１）は、円錐部（１０）の内壁からの突出高さが下流側に向かうに連れて徐々に高くなる徐変部（１８ａ）と、徐変部（１８ａ）の下流側に連なり突出高さが同じ一定高さ部（１８ｂ）と、を備えることができる（例えば、図７等参照）。

本実施形態に係る気液混合装置としては、例えば、上記突状部（１１）は、主通路（５）をなす内壁の円錐部（１０）よりも下流側に設けられている形態（例えば、図１１等参照）が挙げられる。

本実施形態に係る気液混合装置としては、例えば、上記主通路（５）は、第１部材（１）と第１部材（１）に接合される第２部材（２）とにわたって形成されており、気体混入路（９）は、第１部材（１）の第２部材（２）に対する接合面側に溝状に形成されており、第１部材（１）と第２部材（２）の接合面において、第２部材（２）の主通路（５）の内径は、上流側である第１部材（１）の主通路（５）の内径よりも大きい形態（例えば、図４等参照）が挙げられる。これにより、気体混入路（９）からの気体を第２部材（２）の主通路（５）の接線位置に混入せることができ、液体の流れ方向にも進むことができる。

本実施形態に係る気液混合装置としては、例えば、上記主通路（５）の中心軸の円周上に沿う長孔形状の吐出口（１４）を備える形態（例えば、図９及び図１０等参照）が挙げられる。これにより、旋回流とならない主通路（５）の中心軸周辺の流れ（１３ａ）を、加速された旋回流（１０ａ）に衝突させることができる。なお、上記吐出口（１４）の大きさ、個数、配置箇所等は、吐出量等に応じて適宜選択される。

なお、上記実施形態で記載した各構成の括弧内の符号は、後述する実施例に記載の具体的構成との対応関係を示すものである。

以下、図面を用いて実施例により本発明を具体的に説明する。

本実施例に係る気液混合装置Ａは、図１に示すように、液体が通過する主通路５が形成された本体１６を備えている。この本体１６は、同一軸で接続される第１部材１と第２部材２と第３部材３とを備えている。これら各第１〜第３部材１〜３は、金属又は樹脂等の材料により筒状に形成されている。この第１部材１は、第２部材２の一方の軸端側に対してネジ止め等により接合されている。また、第３部材３は、第２部材２の他方の軸端側に対してネジ止め等により接合されている。さらに、主通路５には、絞り部６と、絞り部６の下流側に連なり下流側に向かって拡径する円錐部１０と、が設けられている。よって、気液混合装置Ａは、ベンチュリ構造を備えている。

第１部材１には、主通路入口４及び該主通路入口４の下流側に連なる絞り部６が形成されている。また、第１部材１には、主通路５（具体的に、絞り部６及び円錐部１０の接続部分）に対して気体を混入するための気体入口７、気体吸入室８及び気体混入路９が形成されている。この気体混入路９は、主通路５に対して接線方向から気体を混入するように、主通路５の中心軸の円周上の接線方向に接続されている。

第１部材１において、主通路入口４の断面積より絞り部６の断面積は小さく形成されている。主通路入口４から流入された液体は、絞り部６を通過する。このとき、ベンチュリ構造により、絞り部６内部の液体は高速な流れとなり、負圧状態となる。この負圧状態の絞り部６の下流には、気体混入路９が形成されており、この負圧状態で気体混入路９を通過すると、外気と繋がれている気体吸入室８を通過した気体が気体混入路９から混入される。

ここで、図２に示すように、主通路５の中心軸に対し接線方向に形成されている気体混入路９により混入気体９ａを混入させることで、主通路５の中心軸方向に整流の液体から、気液混合された主通路５の中心軸の旋回流６ａにすることができる。なお、この旋回により気体がせん断されるのであるが、この段階では、粒径の大きな気泡が残っており均一ではない。

また、気体吸入室８を主通路５の外環に形成することで、主通路５の中心軸に対し接線方向に形成する気体混入路９を主通路５に如何なる方向からでも接続することができ、気体吸入室８と外気を接続する気体入口７を１箇所で形成することができる。

図３及び図４に示すように、気体混入路９を、第２部材２に対する第１部材１の接合面に溝形状とし、第２部材２の端面の主通路５を第１部材１の端面の主通路５より大きく形成することで、主通路５の中心軸に対し接線方向に設ける気体混入路９を、第２部材２の端面の円形状の主通路５の最大径の接線位置に接続することができる。また、気体混入路９の絞り部６に対する接続端側は、円錐部１０に対して開口している。

主通路５を流れる液体は、第１部材１と第２部材２の接合面を通過するときに、絞り部６の断面から絞り部６の断面より大きな円錐部１０の上流の断面に変化する。このとき、主通路５の内部では、円錐部１０の端面の円周部、すなわち、第２部材２の端面の気体混入路９を接続した接線部分付近に、液体が流れ込みにくい流域Ｒができる（図４参照）。その流域Ｒに気体を流入させることより、主通路５を流れる液体の流れに沿って、気体を液体に混入することができる。

このように、主通路５の中心軸に対し接線方向と、主通路５を流れる液体の流れに沿った方向と、を合わせた方向から、気体を混入することが可能となり、整流の液体を、効率よく気液混合された主通路５の中心軸の旋回流６ａにすることができる。

また、気体混入路９を第１部材１の接合面に溝形状とすることで、部材制作時に液体の流れ軸方向からの加工が可能となる。そのため、主通路５の外側に形成された環状の気体吸入室８と、気体混入路９を一体の部材で製作することができるために安価となる。

第２部材２には、図５及び図６に示すように、円錐部１０及び該円錐部１０をなす内壁に突設される複数（図６中で４つ）の突状部１１が形成されている。第２部材２において、円錐部１０は、流れ方向に進むにつれて主通路５の断面が大きくなるように、主通路５の中心軸に対し円錐角度１０１で形成されている。そのため、絞り部８からの気液混合された旋回流６ａは、円錐部１０の内壁に沿って流れ方向に進むほど遠心力により加速され旋回流１０ａとなる（図６参照）。なお、本実施例では、ワイヤー放電加工で形成される円錐部１０及び突状部１１を例示する。

複数の突状部１１は、主通路５の中心軸方向に延びる板状に形成されている。これら各突状部１１は、第２部材２の主通路５の中心軸に沿う縦断面において、円錐部１０の長手方向の略全長にわたって延びている。また、各突状部１１の突出端縁の主通路５の中心軸に対する傾斜角度は、円錐部１０の内壁の主通路５の中心軸に対する傾斜角度よりも小さな値とされている。また、各突状部１１は、長手方向にわたって、円錐部１０の内壁からの突出高さが下流側に向かうに連れて徐々に高くなるように形成されている。

複数の突状部１１は、円錐部１０の中心軸回りに等ピッチの角度間隔で配置されている。複数の突状部１１のうちで対向する一対の突状部１１の突出端縁のなす角度１０２は、円錐部１０のなす円錐角度１０１より小さな値とされている。加速前の円錐部１０の上流部では突状部１１が低いために主旋回流６ａを抵抗なく下流に受け流して加速させ、より加速された旋回流１０ａの円錐部１０の下流部では、突状部１１が高いために激しい衝突による気泡破砕、かつ、副旋回流１１ａを発生させ、主旋回流１０ａと衝突することで気泡破砕がより激しく行なわれる。

ここで、本実施例では、円錐部１０の内壁からの突出高さが下流側に向かうに連れて徐々に高くなる突状部１１を例示したが、これに限定されず、例えば、図７に示すように、突状部１１は、円錐部１０の内壁からの突出高さが下流側に向かうに連れて徐々に高くなる徐変部１８ａと、徐変部１８ａの下流側に連なり突出高さが同じ一定高さ部１８ｂと、を備えることができる。この場合、一定高さ部１８ｂの始点（上流端）は、円錐部１０の内壁の始点（上流端）と異なっている。なお、突状部１１を形成するための角度と始点、突状部本数は、液体流量と空気量に応じて設定することができる。

また、本実施例では、突状部１１の突出端側に角を有することで、角を通過する気液をキャビテーションにより微細気泡を発生させることができる。ただし、例えば、図８に示すように、突状部１１の突出端側に角を有しない円弧形状としてもよい。この場合、突状部１１と旋回流１０ａの衝突音が抑制される。

第３部材３は、図９及び図１０に示すように、有底筒状に形成されている。この第３部材３は、第２部材２との間で吐出室１３を形成している。また、第３部材３の底面側には、主通路５の中心軸の円周上に沿う長孔形状の吐出口１４が形成されている。この吐出口１４は、主通路５の中心軸回りに等ピッチの角度間隔で複数（図９中で３つ）配置されている。このように、主通路５の中心側に吐出口を設けないで、主通路５の中心軸の円周上に沿う長孔形状の吐出口１４を備えることで、旋回流１０ａとならない主通路５の中心軸周辺の流れである中心流１３ａを、吐出室１３で円錐部１０の内壁に沿って加速された主旋回流１０ａに衝突させることで、より均一な微細気泡の気液を吐出口１４から吐出することができる。

次に、実験例及び比較例に係る気液混合試験について説明する。
実験例の気液混合試験では、実施例に係る気液混合装置Ａを採用し、吐出口１４から吐出される吐出流を観察した。一方、比較例の気液混合試験では、実施例に係る気液混合装置Ａにおいて突状部１１を備えないものを採用し、吐出口１４から吐出される吐出流を観察した。その結果、実験例の気液混合試験では、吐出流中には０．１ｍｍ以下の均一な微細気泡が含まれることを確認した。これに対して、比較例の気液混合試験では、吐出流中に０．１ｍｍ以下の微細気泡の他に１ｍｍ程度の気泡が含まれることを確認した。

尚、本発明においては、上記実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。すなわち、上記実施例では、円錐部１０の内壁上に突状部１１を立ち上げる形態を例示したが、これに限定されず、例えば、図１１に示すように、主通路５をなす内壁において円錐部１０よりも下流側（具体的に、吐出室１３を形成する内壁）に突状部１１を設けるようにしてもよい。この場合、例えば、突状部１１は、主通路５の内壁において円錐部１０と円錐部１０よりも下流側とにわたって設けられていてもよい。

また、上記実施例では、円錐部１０の内壁からの突出高さが下流側に向かって高くなる直線状の突出端縁を備える突状部１１を例示したが、これに限定されず、例えば、円錐部１０の内壁からの突出高さが下流側に向かって高くなる段差状又は湾曲状の突出端縁を備える突状部１１としてもよい。さらに、例えば、円錐部１０の内壁からの突出高さが一定である突状部１１としてもよい。

さらに、上記実施例では、主通路５の中心軸に沿う縦断面において円錐部１０の内壁の全長にわたって延びる突状部１１を例示したが、これに限定されず、例えば、主通路５の中心軸に沿う縦断面において円錐部１０の内壁の全長の一部に沿って延びる突状部１１としてもよい。

本発明の気液混合装置は、上記記載の実施例の構成に限定されるものではなく、記載した請求項の発明の本質を逸脱しない範囲において、適時その構成を変更してもよい。

本発明は、例えば、養殖、浄化、洗浄等の様々な分野で利用される気液混合に関する技術として広く利用される。

１；第１部材、２；第２部材、３；第３部材、４；主通路入口、５；主通路、６；絞り部、６ａ；旋回流、７；気体入口、８；気体吸入室、９；気体混入路、９ａ；混入気体、１０；円錐部、１０ａ；主旋回流、１１；突状部、１１ａ；副旋回流、１３；吐出室、１３ａ；中心流、１４；吐出口、１６；本体、１０１；円錐角度，１０２；角度、Ａ；気液混合装置。

Claims

液体が通過する主通路に、絞り部と該絞り部の下流側に連なり下流側に向かって拡径する円錐部とを設けたベンチュリ構造の気液混合装置において、
断面円形の前記主通路に対して接線方向から気体を取り入れるための気体混入路と、
前記主通路をなす内壁の前記気体混入路よりも下流側に設けられて前記主通路の中心軸方向に延びる突状部と、を備え、
前記突状部は、前記円錐部をなす内壁に設けられているとともに、該内壁からの突出高さが下流側に向かって高くなるように形成されていることを特徴とする気液混合装置。
前記主通路の中心軸の円周上に沿う長孔形状の吐出口を備える請求項１記載の気液混合装置。
液体が通過する主通路に、絞り部と該絞り部の下流側に連なり下流側に向かって拡径する円錐部とを設けたベンチュリ構造の気液混合装置において、
断面円形の前記主通路に対して接線方向から気体を取り入れるための気体混入路と、
前記主通路をなす内壁の前記気体混入路よりも下流側に設けられて前記主通路の中心軸方向に延びる突状部と、を備え、
前記主通路の中心軸の円周上に沿う長孔形状の吐出口を備えることを特徴とする気液混合装置。
前記突状部は、前記主通路をなす内壁の前記円錐部よりも下流側に設けられている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の気液混合装置。
前記主通路は、第１部材と該第１部材に接合される第２部材とにわたって形成されており、
前記気体混入路は、前記第１部材の前記第２部材に対する接合面側に溝状に形成されており、
前記第１部材と前記第２部材の接合面において、前記第２部材の前記主通路の内径は、上流側である前記第１部材の前記主通路の内径よりも大きい請求項１乃至４のいずれか一項に記載の気液混合装置。