JPH0768590B2 - 液体中への気泡放出、分散装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、容器に入れられた液体中に、微細化された
気泡状態で気体を放出し、この気泡を液体全体に分散さ
せる装置に関する。

この明細書において、「不活性ガス」という語には、周
期表のアルゴンガス、ヘリウムガス、クリプトンガス、
キセノンガスの他にアルミニウムおよびアルミニウム合
金に対して不活性なチッ素ガスも含むものとする。

従来の技術 液体中に、気体を微細化された状態で放出する必要のあ
る場合は、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム
合金溶湯中に溶湯処理ガスを気泡状態で放出し、アルミ
ニウムまたはアルミニウム合金などの金属溶湯中の溶存
水素ガスや、アルミニウム、マグネシウムなどの金属の
酸化物からなる非金属介在物や、カリウム、ナトリウ
ム、リンなどのアルカリ金属類を除去する場合や、また
たとえば化学反応を促進するため、液体中に気体を気泡
状態で放出して気体と液体とを接触させる場合である。
そして、これらいずれの場合にも気体と液体との接触を
良くするためには、気泡をできるだけ微細化し、液中に
均一に分散させることが要請される。

そこで、従来、上記要請に応えた装置として、特公昭60
−49700号公報に記載された装置と、特公昭61−40737号
公報に記載された装置とが用いられていた。特公昭60−
49700号公報に記載された装置は、内部に長さ方向に伸
びる気体通路を有する垂直回転軸と、回転軸の下端に設
けられた気泡放出、分散用回転体とよりなり、回転体の
周面に、円周方向に所定間隔をおいて複数の液体撹拌用
羽根が設けられ、隣り合う羽根どうしの間において、回
転体の周面に、回転軸の気体通路と連なった気体吹出口
が形成され、回転体の底面から各気体吹出口に至る複数
の液流路が形成されたものである。この装置では、気体
通路に、液中に放出すべき気体を供給しつつ垂直回転軸
を回転させることにより、気体吹出口から気体を気泡状
態で放出するようになっている。このとき、液体は、液
流路の回転体底面側への開口から液流路内へ流入し、こ
の流路を通って回転体周面の気体吹出口に向かって流
れ、気体吹出口から流出し、気体吹出口から放出された
気泡を液体中全体に分散させるとともに、気泡をさらに
微細化するようになっている。

また、特公昭61−40737号公報に記載された装置は、第
６図および第７図に示すように、内部に長さ方向に伸び
る気体通路（51）を有しておりかつ液体中に配置される
垂直回転軸（50）と、回転軸（50）の下端に設けられか
つ周面に複数の突起（55）が周方向に間隔をおいて形成
された気泡放出、分散用回転体（52）とよりなり、回転
体（52）の底面中央部に気体通路（51）と連なった気体
吹出口（53）が形成され、回転体（52）の底面に、気体
吹出口（53）から径方向外方にのびかつ突起（55）の先
端に至る複数の溝（54）が放射状に形成されたものであ
る。この装置では、気体通路（51）に、液中に放出すべ
き気体を供給しつつ垂直回転軸（50）を回転させること
により、気体吹出口（53）から気体を気泡放出、分散用
回転体（52）の底面に供給するようになっている。この
気体は、溝（54）を通って周縁に流れ、溝（54）の回転
体（52）周縁への開口からその開口縁に当たって細分化
されて放出されるようになっている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、特公昭60−49700号公報記載の装置で
は、気泡の微細化分散効果が充分でないという問題があ
った。すなわち、回転体を回転させた場合に、容器中の
液体も、回転体の周速度よりは遅い流速で回転体の回転
方向に流れるが、このとき回転体の周速度と液体の流速
との速度差が大きいほど気泡の微細化作用は大きくな
る。ところが、上記装置では、気体吹出口が、回転体の
周面における隣り合う羽根どうしの間の凹部に形成され
ているので、上記速度差が十分に大きくならない。しか
も、放出すべき気体の量が多くなった場合に、回転体周
面の上記凹部内が気体で満たされ、気泡の微細化が困難
になるとともに撹拌作用が不充分になって羽根による液
中への分散作用も妨げられる。また、回転体の底面が平
坦であるから、液体が液流路内に流入しにくい。しか
も、流入したとしても、液流路は横断面において全周が
閉じられた流路であるから、この液流路内の流体抵抗は
大きく、気体吹出口から流出する液体の速度が遅くな
る。したがって、流出した液体による気泡の微細化およ
び分散効果に限度がある。

また、特公昭61−40737号公報記載の装置では、気体供
給量が少ない場合には、良好な気体微細化、分散効果を
奏するが、気体供給量が多くなった場合に次のような問
題が生じる。すなわち、回転軸（50）の気体通路（51）
から回余体（52）の底面中央部の気体吹出口（53）に気
体を送った場合、液体の圧力のために第６図に示すよう
に、回転体（52）底面の気体吹出口（53）の周りに気体
（Ｇ）が溜る。ところで、回転体（52）の底面は、ほと
んどの場合水平にはなっておらず、傾斜しているので、
溜まった気体（Ｇ）は、溝（54）内には入りきらず、溝
（54）から溢れて底面の傾斜に沿って上昇し、その傾斜
上端からまとめて大きな気泡として放出される。しか
も、気体自体の重量が小さいので、気体に作用する遠心
力も小さく、回転体（52）の底面周縁に向かっての移動
速度は小さくなる。したがって、気体微細化、分散効果
が悪くなる。

この発明の目的は、上記問題を解決し、従来の装置に比
較して気泡の微細化分散効果のすぐれた装置を提供する
ことにある。

課題を解決するための手段 この発明による液体中への気泡放出、分散装置は、液体
中に、微細化された気泡状態で気体を放出し、この気泡
を液体全体に分散させる装置であって、内部に長さ方向
に伸びる気体通路を有しておりかつ液体中に配置される
垂直回転軸と、回転軸の下端に設けられかつ周面に円周
方向に所定間隔をおいて複数の液体撹拌用突起が形成さ
れている気泡放出、分散用回転体とよりなり、回転体内
部の中央部に垂直回転軸の気体通路と連なったガス室が
形成され、回転体に、一端がガス室の内周面に開口する
とともに他端が各液体撹拌用突起の先端面に開口した複
数の貫通孔が放射状に形成され、各貫通孔の液体撹拌用
突起の先端面側の開口が気体吹出口となされ、回転体の
底面に、中央部から各液体撹拌用突起の先端に至る複数
の溝が放射状に形成されているものである。

上記において、回転体の底面は、その中央部から周縁部
に向かって徐々に上方に傾斜していることが好ましい。
また、回転体の底面の中央部には、凹所が形成され、各
溝の一端が凹所内に開口していることが好ましい。さら
に、回転体の頂面は、その中央部から周縁部に向かって
徐々に下方に傾斜していることが好ましい。回転体の底
面および頂面の傾斜角度は液体を入れる容器の大きさ、
液の種類等を考慮し、実験によって適宜決められるが、
水平に対して約５〜40度であるのがよく、かつ両傾斜角
度が等しいのがよい。

また、気泡の微細化効果は回転体の直径または周速度が
大きい程良くなるが、これらは液体を入れる容器の大き
さ、液の種類等を考慮し、実験によって適宜決められ
る。さらに、気体吹出口の大きさ、溝の横断面積、液体
撹拌用突起の大きさと数なども液体を入れる容器の大き
さ、液の種類等を考慮し、実験によって適宜決められ
る。この中で、気体吹出口の大きさは小さいほど好まし
いことが判明しており、円形の場合にはその直径は0.5
〜7mm程度がよい。また、液体撹拌用突起の数も３以上
が好ましい。

容器、回転軸および回転体は、容器内に入れられる液体
および液体中に吹込まれる気体に対して不活性である材
料からつくるようにしておくのがよい。液体が金属溶湯
の場合、たとえば黒鉛、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アル
ミナ、カーボンセラミックス等の各種セラミックス材料
でつくる。また、液体中に放出、分散する気体は、アル
ミニウムまたはアルミニウム合金溶湯からその中に含ま
れる水素ガスおよび非金属介在物を除去する場合は、好
ましくは不活性ガス、塩素ガスまたは不活性ガスとの混
合ガスであり、上記溶湯中からその中に含まれるアルカ
リ金属を除去する場合は、好ましくは塩素ガスまたは塩
素ガスと不活性ガスとの混合ガスである。

作用 上記の装置を液体中に浸漬し、回転軸の気体通路に、液
中に放出すべき気体を供給しつつ、気体通路からガス室
を経て貫通孔に流入し、回転体周面における液体撹拌用
突起の先端面の気体吹出口から液体中に放出される。液
体撹拌用突起の先端においては、回転体の周速度は大き
くなるので、液体の流速との速度差が大きくなり、その
結果気体の剪断作用が大きくなって、気泡は微細化され
て放出される。そして、微細化された気泡は、回転体周
面の液体撹拌用突起の撹拌作用により回転体と同方向に
回転しつつ遠心方向に流れる液体によって全体に分散さ
せられる。また、回転体底面の溝内の液体は、溝に沿っ
て径方向外方に流れ、各液体撹拌用突起の先端から流出
する。そして、この液体の流れによって、液体中に放出
された気泡が液体全体に分散されるとともに、さらに微
細化される。溝内における液体の受ける流体抵抗は、上
記２つの従来技術のうちの前者における液流路内の流体
抵抗よりも小さくなる。したがって、従来の装置に比べ
て気泡の微細化効果および分散効果がすぐれたものにな
る。

実施例 以下、この発明の実施例を、図面を参照して説明する。
全図面を通じて同一物および同一部分には同一符号を付
して説明を省略する。

実施例１ この実施例は第１図および第２図に示すものである。第
１図および第２図において、気泡放出、分散装置は、内
部に軸方向に猫びる気体通路（11）を有しておりかつ液
体を入れた槽内に垂直状に配置される管状の回転軸（1
0）と、回転軸（10）の下端に固定された円板状の気泡
微細化分散用回転体（20）とよりなる。

回転軸（10）は、液体が入れられた槽内に、その上端が
槽の上端よりも上方に伸びかつ下端が槽の底部近傍に来
るように配置され、槽の上方に配置された図示しない公
知の回転駆動装置によって回転させられるようになって
いる。また、気体通路（11）の上端は図示しない公知の
気体供給装置に接続されるようになっている。回転軸
（10）の下端の外周面には雄ねじ部（12）が形成されて
いる。

回転体（20）は所定高さを有する周面を有する。回転体
（20）の周面には、円周方向に所定間隔をおいて、周面
の全高にわたる液体撹拌用突起（21）が複数設けられて
いる。回転体（20）の頂面は、中央部から周縁部に向か
って徐々に下方に傾斜してテーパ状となっている。ま
た、回転体（20）の頂面の中央部には凹所（23）が形成
されている。凹所（23）の周面における略上半部には、
雌ねじ部（24）が形成されており、この雌ねじ部（24）
に回転軸（10）下端の雄ねじ部（12）をねじ嵌めること
によって、回転体（20）が回転軸（10）に固定されてい
る。回転体（20）を回転軸（10）に固定した状態におけ
る凹所（23）の残部がガス室（25）となされている。そ
して、回転体（20）には、一端がガス室（25）の内周面
に開口するとともに他端が各液体撹拌用突起（21）の先
端面に開口した複数の貫通孔（26）が放射状に形成さ
れ、各貫通孔（26）の液体撹拌用突起（21）の先端面側
の開口が気体吹出口（22）となされている。貫通孔（2
6）の外端が気体吹出口（22）である。回転体（20）の
底面は、中央部から周縁部に向かって徐々に上方に傾斜
してテーパ状となっている。回転体（20）底面の傾斜角
度（θ１）は、同頂面の傾斜角度（θ２）とほぼ等しく
なっている。また、回転体（20）の底面の中央部には液
体導入用凹所（27）が形成されている。また、回転体
（20）の底面には、液体導入用凹所（27）から底面周縁
に至り端部が周面における液体撹拌用突起（21）の先端
面に開口した複数の放射状溝（28）が形成されている。
放射状溝（28）の周面への各開口端は、気体吹出口（2
2）の真下の位置にある。

このような構成において、液体中で回転軸（10）が駆動
装置によりその軸のまわりに高速回転させられるととも
に、気体供給装置から気体通路（11）に、液体中に吹込
むべき気体が供給される。気体は、気体通路（11）の下
端からガス室（25）および貫通孔（26）を経て各気体吹
出口（22）から回転体（20）の周面における液体撹拌用
突起（21）の先端面に吹出される。この気体は吹出口
（22）の開口縁に当たって微細な気泡状とされて放出さ
れる。一方、回転体（20）よりも上方の液体は、第１図
に矢印（Ａ）で示すように、回転体（20）のテーパ状頂
面に沿って流れる。また、回転体（20）よりも下方の液
体は、液体導入用凹所（27）内から溝（28）を通り、第
１図に矢印（Ｂ）で示すように、溝（28）の外側開口端
から放出される。そして、矢印（Ａ）（Ｂ）で示す２つ
の流れは、回転体（20）の周縁から所定距離離れた位置
で合流し、さらに遠心方向に進む。吹出口（22）から放
出された微細な気泡は、矢印（Ａ）（Ｂ）で示す液体の
２つの流れに乗って遠心方向に進み、液体中全体に分散
させられる。また、撹拌用突起（21）の撹拌効果によ
り、液体は回転体（20）の回転方向と同方向に回転しつ
つ遠心方向に流れるので、この流れによっても液体中全
体に分散させられる。

実施例２ この実施例は第３図に示すものである。第３図におい
て、回転軸（10）の下端に固定された回転体（30）の下
面は平坦面となされている。このような構成において、
上記実施例１の場合と同様にして、気体は微細化された
気泡状態で液体中に放出されるとともに、液体中全体に
分散させられる。

上記２つの実施例においては、回転体（20）（30）の底
面の中央部には液体導入用凹所（27）が形成されている
ので、液体は、この凹所（27）内に入った後、溝（28）
の中に入り遠心方向に流れる。したがって、回転体（2
0）（30）の下方での液体の流れが円滑になるが、凹所
（27）は必ずしも必要としない。

次に、この発明の装置を用いて行った操作例について、
第６図および第７図に示す従来の装置を用いて行った比
較操作例とともに示す。

操作例１ この操作例は第１図および第２図に示す装置を用いて気
泡の微細化の程度および分散状態を調べたものである。
縦800mm、横800mm、高さ750mmの透明アクリル製直方体
状槽内に、水深600mmとなるように水を入れておいた。
また、回転体（20）の直径（撹拌用突起（21）の先端部
分）（Ｄ）200mm、高さ（Ｈ）70mm、撹拌用突起（21）
の数６、気体吹出口（22）の数６、頂面の傾斜角度（θ
２）15度、底面の傾斜角度（θ１）15度、気体吹出口
（22）の直径4mm、底面の溝（28）の幅8mm、同深さ8mm
としておいた。そして、気体供給装置から気体通路（1
1）にArガスを30l/min、60l/min、120l/min、200l/min
で供給した。そして、水中に分散された気泡の大きさを
測定するとともに、気泡の水への分散状態を観察した。

比較操作例１ この比較操作例は第６図および第７図に示す装置を用い
て気泡の微細化の程度および分散状態を調べたものであ
る。すなわち、回転体（52）として、直径200mm、高さ7
0mm、底面の溝（54）の数６、周面の凹所（55）の数
６、頂面の傾斜角度15度、底面の溝（54）の幅8mm、同
深さ8mmのものを用いたほかは上記操作例１と同様にし
て水中に分散された気泡の大きさを測定するとともに、
気泡の水への分散状態を観察した。

上記操作例１および比較操作例１の結果を下表にまとめ
て示す。

上表から明らかなように、気体供給量が少ないときには
両者ともすぐれた気体の微細化、分散効果を示すが、気
体供給量が多くなったときには、操作例１だけがすぐれ
た気泡の微細化、分散効果を示す。

操作例２ この操作例は、この発明の装置をアルミニウム合金溶湯
からの水素ガスの除去処理に使用したものである。水素
ガスの除去処理装置は、第４図および第５図に示すよう
に、上端が開口した本体（41）と、本体（41）の上端開
口を塞ぐ着脱自在な蓋（42）とからなるアルミニウム合
金溶湯処理槽（40）を具えている。本体（41）の上端部
には、入湯口（43）と出湯口（44）とが設けられてい
る。出湯口（44）と対応する位置において、蓋（42）の
下面には、出湯口（44）の本体（41）内側端部および本
体（41）内面におけるそれの下方に続く部分を覆うよう
な水平断面Ｕ字形隔壁（45）が垂下状に設けられてい
る。隔壁（45）の下端は、本体（41）の底壁近傍まで伸
びている。気泡放出、分散装置は、蓋（42）を貫通して
配置しておく。このような処理装置において、アルミニ
ウム合金溶湯は、入湯口（43）から槽（１）内に入り、
隔壁（45）に囲まれた部分を上昇して出湯口（44）から
出ていく。そして、気泡放出、分散装置によって、槽
（１）内を流れていく間にアルミニウム合金溶湯に水素
ガスの除去処理を施した。

すなわち、回転体（20）として、上記操作例１で用いた
ものを使用し、JISA6063合金溶湯を9ton/hourの割合で
処理槽（40）内に流しながら、回転軸（10）を回転速度
700rpmで回転させつつ80l/minのArガスを気体通路に供
給し、槽（40）内を流れていくアルミニウム合金溶湯に
水素ガスの除去処理を施した。

入湯口（43）から槽（40）内に入るアルミニウム合金溶
湯中の水素ガス量および出湯口（44）から出ていくアル
ミニウム合金溶湯中の水素ガス量をテレガス装置で測定
したところ、それぞれ0.43〜0.46cc/100gAl、および0.0
7〜0.10cc/100gAlであった。

発明の効果 この発明の装置によれば、上述のように、供給すべき気
体の量が多くなったとしても、気泡の微細化効果および
分散効果がすぐれているので、一度に多くの気体と液体
とを接触させることが可能となる。したがって、一度に
多くの金属溶湯に水素ガスおよび非金属介在物の除去処
理を施したり、多くの液体と気体とに化学反応を起こさ
せることが可能となって、これらの作業効率が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による装置の実施例１を示す部分垂直
断面図、第２図は同じく実施例１の底面図、第３図はこ
の発明による装置の実施例２を示す部分垂直断面図、第
４図はこの発明による装置を用いたアルミニウム合金溶
湯からの水素ガス除去処理装置の垂直断面図、第５図は
第４図のＶ−Ｖ線に沿う断面図、第６図は従来例を示す
部分垂直断面図、第７図は同じく従来例の底面図であ
る。 （10）…垂直回転軸、（11）…気体通路、（20）…気泡
放出、分散用回転体、（21）…液体撹拌用突起、（22）
…気体吹出口、（25）…ガス室、（26）…貫通孔、（2
8）…溝。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体中に、微細化された気泡状態で気体を
   放出し、この気泡を液体全体に分散させる装置であっ
   て、内部に長さ方向に伸びる気体通路（11）を有してお
   りかつ液体中に配置される垂直回転軸（10）と、回転軸
   の下端に設けられかつ周面に円周方向に所定間隔をおい
   て複数の液体撹拌用突起（21）が形成されている気泡放
   出、分散用回転体（20）とよりなり、回転体（20）内部
   の中央部に垂直回転軸（10）の気体通路（11）と連なっ
   たガス室（25）が形成され、回転体（20）に、一端がガ
   ス室（25）の内周面に開口するとともに他端が各液体撹
   拌用突起（21）の先端面に開口した複数の貫通孔（26）
   が放射状に形成され、各貫通孔（26）の液体撹拌用突起
   （21）の先端面側の開口が気体吹出口（22）となされ、
   回転体（20）の底面に、中央部から各液体撹拌用突起
   （21）の先端に至る複数の溝（28）が放射状に形成され
   ている液体中への気泡放出、分散装置。