JPH0768591B2 - 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
が形成されたものが用いられていた（特公昭60−49700
号公報参照）。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、従来、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）から底面周縁に至りかつ先端が回
転体（52）の周面に開口した複数の溝（54）が放射状に
形成され、回転体（52）の周面における隣り合う溝（5
4）の開口端間において、下端が底面に開口した凹所（5
5）が形成されたものが用いられていた（特公昭61−407
37号公報参照）。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、上記２つの従来技術のうちの前者では、
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、上記２つの従来技術のうちの後者では、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
ら回転体（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た気泡放出、分
散用回転体とよりなり、回転体の頂面が、中央部から周
縁部に向かって徐々に下方に傾斜したテーパ状となされ
ており、回転体の周面に、円周方向に所定間隔をおいて
複数の液体撹拌用突起が設けられ、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、各溝の底における長さの中間部に、回転
軸の気体通路と連なった気体吹出口が形成されているも
のである。

上記において、回転体の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
い。また、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。回転
体の底面の傾斜角度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が、水平
に対して約５〜40度であるのがよい。さらに、回転体の
底面の傾斜角度は、頂面の傾斜角度と等しくしておくの
がよい。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。

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、回転軸および回転体
を回転させると、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。一方、気体通路に供給された気体は、回転体底面
ににおける各溝の底の長さの中間部に形成された気体吹
出口から溝内の液体中に微細化されて放出される。そし
て、各溝内における上記液体の流れに乗って遠心方向に
運ばれ、溝の外端から放出される。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、その結果溝の外端から
放出されるさいに剪断されて一層微細化される。したが
って、従来の装置に比べて、供給すべき気体の量が多く
なっても気泡の微細化効果がすぐれたものになる。ま
た、回転体の頂面が、中央部から周縁部に向かって徐々
に下方に傾斜したテーパ状となされているので、液体が
回転体と同方向に回転しつつ遠心方向に流れているさい
に、回転体よりも上方の液体は、そのテーパ状頂面に沿
って中央部から周縁部側に流れ、さらに回転体から離れ
て遠心方向に流れる。したがって、気体吹出口から回転
体底面の溝内に吹き出されるとともに、溝の外端から放
出された微細な気泡は、回転体の頂面に沿う液体の流れ
に乗って回転体から遠ざけられて液体中全体に分散させ
られる。しかも、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も液体中全体に分散
させられる。したがって、従来の装置に比べて放出され
た気泡の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
部に軸方向に伸びる気体通路（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。ま
た、回転体（20）の底面の中央部には液体導入用凹所
（22）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（22）から底面周縁に至り、かつ端
部が周面における液体撹拌用突起（21）の先端面に開口
した複数の溝（23）が放射状に形成されている。各溝
（23）の底における長さの中間部には、回転軸（10）の
気体通路（11）に連なった気体吹出口（24）が形成され
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。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（2
0）の頂面の中央部には凹所（25）が形成されている。
凹所（25）の周面における略上半部には、雌ねじ部（2
6）が形成されており、この雌ねじ部（26）に回転軸（1
0）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（2
5）の残部がガス室（27）となされている。そして、回
転体（20）には、ガス室（27）から径方向外方に向かっ
て斜め下方に伸びる複数の貫通孔（28）が放射状に形成
されている。貫通孔（28）の三端が気体吹出口（24）で
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。回転体（20）よりも下方の液
体は、液体導入用凹所（22）内から溝（23）を通り、第
１図に矢印（Ｂ）で示すように、溝（23）の外側開口端
から放出される。気体は、気体通路（11）の下端からガ
ス室（27）および貫通孔（28）を経て各気体吹出口（2
4）から溝（23）内に吹出される。この気体は吹出口（2
4）の縁に当たって微細な気泡状とされて放出され、各
溝（23）内における上記液体の流れに乗って遠心方向に
運ばれ、溝（23）の外端から放出される。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。
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。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（22）が形成されている
ので、液体は、この凹所（22）内に入った後、溝（23）
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
（22）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（24）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
（24）の直径4mm、底面の溝（23）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（23）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）を備えている。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。

そして、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0.07〜0.10cc/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、気泡の微細化効果がすぐ
れているとともに、放出された気泡の分散効果がすぐれ
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、（23）
…溝、（24）…気体吹出口。

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
   られた気泡放出、分散用回転体とよりなり、回転体の頂
   面が、中央部から周縁部に向かって徐々に下方に傾斜し
   たテーパ状となされており、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突起が設けられ、
   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、各溝の底における長
   さの中間部に、回転軸の気体通路と連なった気体吹出口
   が形成されている液体中への気泡放出、分散装置。