JP6727163B2 - 気体溶解装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体に気体を溶解させる気体溶解装置に関する。特に、本発明は水槽やプール、河川、湖沼、ダム等の水中又は養殖池や沿岸の養殖場もしくは鮮魚運搬車の水（海水）中の溶存酸素量を効率的に増加させ、また微細な気泡を多量に発生させることができる酸素溶解装置などに適用されるものである。

気体溶解方式としては分散器式、送水管式、ポンプ式、エジェクター式、Ｕチューブ式、流下式、加圧式等様々な方式が使われている。このような先行技術としては、特許文献１、２に見られるように、液体に酸素を溶解させるための気体溶解装置が知られている。これらはいずれも、容器体内に酸素を充填させて、容器体の天井から底部へ向かう流路において、自然落下により、水滴状に滴下させたり薄い膜の滝状や螺旋状の軌跡に沿って流下させる構成である。しかしながら、流下する液体の形状・大きさや液体の流下速度に制限されて、容器体内の気体と接触する接触表面積、接触時間が十分でなく、液体への気体の溶解量を有効に向上させることができなかった。

一方、特許文献３には、図６に示すような微細気泡発生器が開示されている。球状の中空部を有する器体に、その接線方向に固定された気液導入管が接続している。器体には接線方向に気液導入管の気液導入孔が開口され、気液噴出孔が、気液導入孔と器体の中心を結ぶ線と直交する直径方向の両端部に、穿設されている。気液噴出孔は、器体の中心軸から気液導入孔側と反対側に少しずらした位置に穿設されている。器体内に流入した気液混合流体の旋回流により２つの気液噴出孔から、気液混合流が噴出するようになっている。負圧軸が形成される位置にあわせて気液噴出孔を穿設することにより微細気泡を最大限に発生させることができるものである。特許文献３の先行技術は、気液噴出孔からの噴射流を、あくまで液体中に噴射するものであって、液体中に微細気泡を大量に発生させることを目的とするものである。

この特許文献３の微細気泡発生器は、微細気泡を液中内に含んだ水流として液体中に噴出するものであるため、酸素の微細気泡を含み、液体中での酸素の溶解量を有効に向上させるものであるが、より一層の酸素の溶解量（溶存酸素量）を向上させることが求められていた。

国際公開第２００５／０７７５０３号 特開２００８−０８６８９６号公報 国際公開第２００１／０９７９５８号

本発明は、上記問題に鑑み、液体中に溶解すべき気体の溶存量を一層高め、かつ、生産性に優れた高効率気体溶解装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、タンクと、液体を送液するポンプと、該ポンプ吐出口と前記タンクとを連結する導管と、該導管からの流体を前記タンク内で噴出する噴出器とからなる気体溶解装置であって、前記液体に溶解すべき気体を、前記ポンプの吸込口又は前記導管内に投入して気液混合流体とし、該気液混合流体を前記噴出器から前記タンク内の気相領域に噴出させた気体溶解装置である。

これにより、液体中に溶解すべき気体の溶存量を一層高め、かつ、生産性に優れた高効率気体溶解装置を実現することができる。

本発明の一実施形態の斜視図である。 本発明の一実施形態の側面図である。 本発明の一実施形態の微細気泡発生器である。 本発明の一実施形態の酸素溶解装置の場合のタイムチャートである。 本発明の一実施形態の酸素溶解装置の溶存酸素量の比較を示すグラフである。 先行技術の微細気泡発生装置の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。他の実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。図１、２は、本発明の一実施形態の斜視図と側面図である。図３は、本発明の一実施形態の微細気泡発生器である。以下、図１〜３を参照して本発明の一実施形態を説明する。

本発明の一実施形態においては、酸素溶解装置として液体が水で気体が酸素の場合について説明するが、これに限定されるものではなく、特定の気体を液体中に溶解する場合ならば本発明は適用できるものである。本実施形態においては、水槽やプール、河川、湖沼、ダム等の水中又は養殖池や沿岸の養殖場、産業排水、生活排水の水質改善もしくは鮮魚運搬車の水（海水）中などの溶存酸素量を効率的に増加させる場合に本発明を実施することができる。

本実施形態は、タンク１と、液体（水）を送液するポンプ１３と、ポンプ吐出口１６とタンク１とを連結する導管１１と、導管１１からの酸素が混合された液体をタンク内で噴出する噴出器３１とからなる。タンク１はベース２５上に設置されている。ポンプ１３の吸込口（吸水口）１５から水が給水される。吸水口１５には逆止弁が設置されている。本実施形態では、ポンプ１３は遠心ポンプが使用されているが、これに限定されるものではなくその他の形式のポンプ（軸流ポンプなど）であっても良い。以下に述べる全ての制御は、制御ボックス３によってコントロールされている。タンク１は密閉タンクであってもよい。

導入管１７により、好ましくは、ポンプの入口近傍（遠心ポンプの場合インペラ入口近傍）に、酸素が、酸素ソレノイドでＯＮ、ＯＦＦ制御されて導入される。ポンプ吐出工程にて水と酸素が混合流体となる。導入管１７による酸素の導入場所は、必ずしもインペラ入口近傍でなくても良く、吸水口１５近傍付近や導管１１内であっても良い。水と酸素の混合流体は、導管１１を通じて、タンク１の上面部から、導管１１を介してタンク１内に導入される。タンク１内においては、導管１１に接続して導管１１からの混合流体をタンク内で噴出する噴出器３１に連結している。ここで、本実施形態では、タンク内には液面センサ３７（図２）が設置されて、液面センサ３７により噴出器３１からタンク内の気相領域に噴出させるように、タンク内の液面（上限液面Ｈ）が制御されている。導管１１からの混合流体はタンク内での噴出までに、ポンプ吐出工程にて水と酸素が十分混合されており、溶存酸素量は既に高められている。その上で、噴出器３１からタンク内の気相領域に噴出される。

タンク内の気相領域には、酸素濃度の高い空気が充満しており、水と酸素の混合流体が噴出器３１から微細気泡を含む噴出流として、タンク内の気相領域に噴出する。この噴出流には細かい水滴又は霧状粒を含んでいることから、表面積が増大しており、酸素濃度の高い空気雰囲気下では酸素に接触して酸素を多く吸収するので、噴出後は液体内における溶存酸素量を高めることができる。これらの噴出流は、小水滴、霧等に変化してタンク内の気相領域に噴射されるので、酸素濃度の高い気中での滞留時間も増大している。

本実施形態において、噴出器３１は図３に示すように、特許文献３に開示された図６に示すような微細気泡発生器３２を複数個使用している。本実施形態では、図３に示すような一例として、１個の微細気泡発生器３２が、一列に並んで７個連結している。この１列に７個連結した噴出器３１（１基）を、図１に示すように、例えば５基放射状にタンク１内に設置している。導管１１からの混合流体は分岐して、それぞれ５基の噴出器３１の導入口３４に均等に導入される。噴出器３１には導入口３４から導管１１からの混合流体が流れ込む。噴出器３１内部には、それぞれの個別の微細気泡発生器３２に混合流体を導入する流路が存在し、各微細気泡発生器３２の中空球体に旋回流を発生させる。この旋回流は、中空球体両側の気液噴出孔３６に気液混合流を噴出する。１つの噴出器３１における微細気泡発生器３２の１列当たりの個数や、１つの噴出器３１を何列使用するかは、適宜求められる溶存酸素量によって決めれば良い。

本実施形態では、噴出器３１は、図６に示すような微細気泡発生器３２を使用したが、これに限定されるものではなく、導管１１からの混合流体を霧状や水滴状に噴出させるスプレイノズルであっても良い。水と酸素が混合された混合流体をタンク内で自然落下するのではなく、本実施形態では、酸素濃度の高い空気の充満した気相領域に混合液を噴出させて、酸素濃度の高い空気に充分接触させることが重要なのである。

このため、本実施形態では、タンク内に常に気相領域が存在するように、タンク内には液面センサ３７（図２）が設置されている。上限液面Ｈにて、フロートＳＷなどにより液面センサ３７がＯＮになると、タンク内の液面がこれ以上上昇しないように上限制御される。この場合の液面の制御は様々な手段を使用すると良い。本実施形態では、後述するタンク内圧力調整バルブ２３によっても、作動中、液面センサ３７による上限液面Ｈを越えないように調整されている。その上で、導入管１７による酸素の投入をＯＮ、ＯＦＦさせて行っている。本実施形態の場合、液面センサ３７がＯＮになると、酸素の投入がＯＮとなる。これは、酸素が徐々に水中に溶解して水面が上昇する速度より、酸素の投入による水面の下降する速度の方が上回るように酸素投入量を増やすことを利用している（図４の水位参照）。酸素の投入のＯＦＦは、酸素流入時間をタイマー１で制御して行う。

タンク１の底には、タンク内圧力調整バルブ２３が設置されている。噴出によって酸素濃度の高まった液体は、タンク内圧力調整バルブ２３に調整されたポンプ揚程によって、作動中は常時排出口２１から一定流量の水が排出する。タンク内圧力調整バルブ２３は、作動中、液面センサ３７による上限液面Ｈを越えないようにあらかじめ調整されている（後述する図４のタイムチャートの水位参照）。タンク１の上面には気相領域の上部に達する導管６から、電磁バルブ５の開閉により、次第に累積した窒素の排出をタイマー制御（図４の時刻ｔ６）により行う。これは、鮮魚運搬車の海水には、窒素濃度の上昇を避ける必要があるためである。

以上述べた本発明の一実施形態に付加して、さらに、タンク内の溶解されなかった酸素をポンプ１３に再投入することで、酸素を無駄なく使用できるようにしても良い。

この場合の他の実施形態では、タンク１の気相領域から再投入導管１９が接続されて酸素の導入管１７に連結している。タンク内空気のリターンは、再投入導管１９を電磁バルブで開閉制御する。タンク内空気のリターンの制御の一例としては、導入管１７による酸素の投入をＯＮ、ＯＦＦさせて行う場合（酸素の投入をＯＮ、ＯＦＦする酸素ソレノイドは、導入管１７において再投入導管１９の連結部より上流に存在）には、導入管１７による酸素の投入をＯＦＦにすると同時に、再投入導管１９を開にして、タンク内空気をリターンさせると良い。タンク内空気には高濃度の酸素が含まれているので、タンク内の溶解されなかった酸素をポンプ１３に再投入することで、酸素を無駄なく使用できるようにすることができる。

図４は、本発明の一実施形態及び他の実施形態の酸素溶解装置の場合のタイムチャートである。図５は、本発明の一実施形態の酸素溶解装置の溶存酸素量の比較を示すグラフである。

図４を参照して、本発明の実施形態のタイムチャートを説明する。
ポンプ１３の電源をＯＮにして、酸素溶解装置を時刻ｔ１にて作動させる。タンク１内の水位が上昇して、時刻ｔ２でフロートＳＷがＯＮになると、酸素ソレノイドが初めてＯＮになる。時刻ｔ１〜ｔ２の間、タンク内に充満していた空気は、タンク１の気相領域の上部に達する導管６につながった電磁バルブ５を開放して排出する。酸素流入時間は、タイマー１によって規定される。図４では、水面が波打つことが多いので、フロートＳＷの最初のＯＮパルスから酸素投入により水位が下降してフロートＳＷの状態が安定してから、タイマー１がカウントするように制御されている。タイマー１のカウントアップにより、時刻ｔ３で酸素ソレノイドはＯＦＦになる。時刻ｔ３〜ｔ５以降についても同様に繰り返されて制御される。時刻ｔ６においては、これまで累積した窒素を排出するために、電磁バルブ５を開放する。窒素濃度の比率が高くなったタンク内空気のリリースを行い、内部気体をタンク外に排出する。この定期脱窒動作は、タイマー２によってタイマー制御されて自動的に行われる。

次に、水位の変化について述べる。時刻ｔ２で酸素ソレノイドがＯＮになると、酸素を含んだ混合液はタンク１内に投入される。タンク内では酸素の溶解がすすむが、溶け残った酸素の蓄積によって、図４の水位に示すように、時刻ｔ２〜ｔ３の間、水位は低下する。時刻ｔ３にて、酸素ソレノイドはＯＦＦになり、再投入導管１９の電磁弁を開にして、密閉タンク内空気を導入管１７にリターンさせる。やがて、導入管１７にリターンさせたことによる気相領域の減少によって、再び時刻ｔ４でフロートＳＷがＯＮになると以上述べてきた時刻ｔ２〜ｔ４が繰り返される。このように、本発明の実施形態では、酸素ソレノイドによる酸素投入のＯＮ、ＯＦＦによって水位を一定に保つことができる。他の実施形態では、再投入導管１９の電磁弁を開にして、タンク内空気を導入管１７にリターンさせているが、再投入導管１９がない場合でも同様な水位の制御は可能である（時刻ｔ３とｔ４の時間が短くなるだけ）。これらの制御は、全て制御ボックス３によってコントロールされている。

本発明のこれらの実施形態によれば、ポンプ吸込口に酸素等の気体を流入し、それを溶解すべき液体との混合流体を、ポンプから吐出する工程で十分に気体と液体と接触させることができる。混合流体をさらに噴出器にて噴出させることで、従来の気体溶解装置と比較し、より溶存酸素量を高めることができる。図５は、気液噴射による溶存酸素量を比較したグラフである。本発明の噴出器３１を水温１２℃で液中噴射した場合と、気中に噴射した場合を一例として比較すると、気中に噴射した場合により溶存酸素量を高めることができることがわかる。この高濃度溶解溶液を用いれば、水中の溶存酸素量を増加させることができる。また、タンク内の溶解されなかった酸素をポンプに再投入することで、酸素を無駄なく使用できる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的構成はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

１ タンク
３ 制御ボックス
５ 電磁バルブ
１１ 導管
１３ ポンプ
１５ 吸込口
１７ 導入管
１９ 再投入導管
３１ 噴出器
３２ 微細気泡発生器
３７ 液面センサ

Claims (4)

1. タンクと、液体を送液するポンプと、該ポンプの吐出口と前記タンクとを連結する導管と、該導管からの流体を前記タンク内で噴出する噴出器とからなる気体溶解装置であって、
   前記噴出器が複数個の微細気泡発生器から構成され、
   前記液体に溶解すべき気体を、前記ポンプの吸込口又は前記導管内に投入して気液混合流体とし、該気液混合流体を前記噴出器から前記タンク内の気相領域に噴出させるとともに、
   前記タンク内には液面センサが設置されており、前記噴出器から前記気液混合流体を前記タンク内の気相領域に噴出させるために、前記液面センサにより前記タンク内の液面高さを制御する、気体溶解装置。
2. 前記噴出器から前記タンク内の気相領域への前記気液混合流体の噴出に加えて、前記タンク内の圧力を調整することによって前記タンク内の液面高さを制御する、請求項１に記載の気体溶解装置。
3. 前記微細気泡発生器は、１個の微細気泡発生器を上下方向に一列に複数個連結したユニットを１基とし、その複数基を放射状に前記タンク内に配置した、請求項１又は２に記載の気体溶解装置。
4. 前記液体に溶解すべき気体の投入を停止している間は、前記タンク内に存在する気体を、前記ポンプの吸込口又は前記導管内に再投入することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の気体溶解装置。

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