JPWO2011121631A1 - 気液供給装置 - Google Patents

Abstract

追加設備を必要とすることなく、攪拌効率を向上して、気液混合流体の均質化やマイクロバブル化を図ることができる気液供給装置を提供する。電磁ポンプ等の容積型ポンプ７の吸入部に、任意の割合で液体流量管理する、着脱可能な厚さ≧４（ｍｍ）の半円ノズル形状のオリフィス３Ａを設け、その下流のポンプ入口部に、気体吸入連通路２００を設け、ポンプ出口部には、気液混在のためのミキサー８を設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、水や燃料等の液体中に一定の割合の気体を混在させて、「気液混合流体」を供給する装置に関する。

従来、気液混在させて、均質化、あるいは混在気体をマイクロバブル化させて供給する機器として、各種の方法が提案されている。

それらの方法は、（１）エジェクターで液体中に気体を吸引させ、渦巻きポンプ等の遠心式ポンプで攪拌混合させる方法、（２）ポンプ出口部に連接させた静止型ミキサーで攪拌混合させる方法（特許文献１）、（３）ミキサーの内部に回転する攪拌器を装備させて、機械的に攪拌混合させる方法（特許文献２）に大別される。ここで（２）静止型ミキサーでの攪拌混合方法に着目すると、従来の静止型ミキサーは、その流れ方向で、複数枚の金網を構成して絞り効果で分散を図ったり（特許文献３）、捩れ板を挿入して攪拌混合を図ったり、あるいは、複数個の並列ジェットで相互の流速差で剪断応力を働かせたり（上述の特許文献１）して流体の混合を図り、これらをポンプ出口部に連接させて、気液混合流体の均質化やマイクロバブル化を図っている。

特許第４００２４３９号公報 特開２００９−３９６００号公報 特開２００８−２８９９９０号公報

しかしながら、従来技術は、流体の混合に際し、基本的には、単一ノズルでの流速を活用し、何れも一方方向での剪断応力を利用したものである。
これら従来方法も含めて、ミキサーでの攪拌混合性能向上を図るには、攪拌部の流速を増加させることが重要であるが、ジェットからの流速Ｖと印加圧力Ｐの関係は、「Ｖ∝√Ｐ」の関係にあり、「Ｐ」を仮に、４倍にしても、「Ｖ」の増加は２倍に過ぎず、攪拌効率を向上させるに従い、速度の二乗で圧損が急激に増加する問題があった。
これを補うため、特許文献３のように、流体を機械的に強制攪拌する方法も行なわれているが、攪拌するためのモーター等、外部エネルギ等の追加設備が必要であった。
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、追加設備を必要とすることなく、攪拌効率を向上して、気液混合流体の均質化やマイクロバブル化を図ることができる気液供給装置を提供することにある。

本発明は、電磁ポンプ等の容積型ポンプの吸入部に、任意の割合で液体流量管理する、着脱可能な厚さ≧４（ｍｍ）の半円ノズル形状のオリフィスを設け、その下流のポンプ入口部に、気体吸入連通路を設け、ポンプ出口部に、気液混在のためのミキサーを設けたことを特徴とする。
本発明では、液体種別（水、液体肥料含有水、その他液体等）により粘度が異なること、供給源の位置や距離によりポンプ吸入圧損が異なることから、回転当たりの流量が一定であるという、容積型ポンプの特性、空気等の気体に比して水等の液体の粘性特性が非常に大きい特性を利用して、基準液体流量Ｑｈに対して、例えば、ｎ・Ｑｈ（但し、ｎ≦１で、０．９、０．８、０．７等）を与える、厚さｔ≧４（ｍｍ）の半円ノズル形状の交換用オリフィスを用意することにより、流量調整弁を不要とし、安価且つ簡単に、Ｑｇ／Ｑｆを一定管理することを可能とした。

ミキサーはミキサー本体を備え、ミキサー本体の内部に、ミキサー・エレメントが配置され、ミキサー・エレメントの内部の狭い空隙で、ミキサー・エレメントの外周から流入するジェットの流れを対向させて衝突させ、ジェット径をφｄ１、ジェットの組数をＮ、ジェットからの噴流が衝突する空間の、ジェット軸心部分の内壁流路径をφｄ２とした場合に、ｄ２²≧２Ｎ・ｄ１²とし、出口側にφｄ３に拡大する円錐構造を有した構造とすることは可能である。
ミキサー出口部には、ａ×ａ×ｈ寸法の矩形状の流路を十文字状に構成し、π（管内径Ｄ２²−ジェット導入部外径Ｄ１²）／４≒４ａ×ｈ≒π・円錐部出口内径ｄ３²／４となるように構成し、エレメントを、流路配管内部に液体種別や混合状態等の必要に応じ、複数個、連接可能としてもよい。

前記ミキサー・エレメントは流れ方向と直角の面で切断されて各部品に分割され、部品の切断面にはｗ（幅）×ｈ（深さ）寸法のＭ組の矩形状溝を設け、「２Ｍ・ｗ・ｈ＝２Ｎ・ｄ１²」の関係でジェットの大きさを決定してもよい。
前記溝が部品の切断面に放射状に延びていてもよい。
前記溝が部品の切断面に外周側から衝突空間の内接円に接する方向に延びてもよい。
前記ミキサー・エレメントは各部品を点溶接することにより構成されてもよい。
前記各部品の外周にリブを形成し、前記リブをミキサー本体の内部に嵌合することにより、各部品を点溶接することなく、別体のままミキサー本体の内部に順次組み付け可能としてもよい。

また、この構成において、着脱可能なオリフィスは、ポンプ入口配管内径φｄｈとオリフィス内径が同じ場合の吸入流量Ｑｈを基準に、ｎ・Ｑｈ（但し、ｎ≦１で、０．９、０．８、０．７等）となるように、オリフィス内径φｄｘが、「ｄｘ＝ｄｈ・√ｎ」の関係で選択されていてもよい。
また、容積型ポンプの吐出容量がＱｆの時に、（気体流量Ｑｇ／液体流量Ｑｆ）≒｛（Ｑｆ―ｎ・Ｑｆ）／Ｑｆ｝＝（１−ｎ）の一定割合で、気液混在流体を吐出するように構成してもよい。
気体吸入連通路の吸引部に、気体流量管理用のソニック・ノズル／フィルターを配置し、当該ソニック・ノズル位置を、液体供給系がタンクの場合、当該タンク圧力よりも、上部に配置してもよい。
気体流量管理用のソニック・ノズル／フィルターと、気体吸入連通路の吸引部との間に、逆止弁を装備してもよい。

当該液体は、ガソリン、灯油、軽油等の燃料油であって、空気（酸素）、水素、気体燃料等を内在することにより燃焼改善を図るようにしてもよい。
当該液体は、水や液体肥料含有溶液であって、空気（酸素）や二酸化炭素等の植物育成に有用な気体を混在させて、植物育成に使用してもよい。
当該液体は、水や海水であって、空気（酸素）を高圧含水させて、水生生物の育成に使用してもよい。

本発明では、電磁ポンプ等の容積型ポンプの吸入部に、任意の割合で液体流量管理する、着脱可能な厚さ≧４（ｍｍ）の半円ノズル形状のオリフィスを設け、その下流のポンプ入口部に、気体吸入連通路を設け、ポンプ出口部に、気液混在のためのミキサーを設けたため、回転当たりの流量が一定であるという、容積型ポンプの特性、及び空気等の気体と水等の液体との粘性係数の大きな差異を利用して、交換用オリフィスを用意することにより、流量調整弁を不要とし、安価且つ簡単に、（Ｑｇ（気体）／Ｑｆ（液体））を一定管理することができる。

本発明の一実施の形態を示すシステム図である。 Ａはオリフィスを示す断面図、Ｂは端面図である。 ｎとφｄｘの関係を示す図である。 ミキサーを示す断面図である。 Ａはストッパーを示す正面図、Ｂは断面図である。 Ａはミキサー・エレメントを示す断面図、Ｂは正面図、Ｃは後面図、ＤはＡのＤ−Ｄ断面図である。 Ａは別のミキサー・エレメントを示す断面図、Ｂは正面図、Ｃは後面図、ＤはＡのＤ−Ｄ断面図である。 ミキサーの別の形態を示す断面図である。 ミキサー・エレメントの組付けの形態を示す断面図である。 Ａはストッパーを示す断面図、Ｂは下流側から見た端面図、Ｃは上流側から見た端面図である。 ミキサー・エレメントの上流側構成部品であり、Ａは部品の断面図、Ｂは下流側から見た端面図、Ｃは上流側から見た端面図である。 ミキサー・エレメントの中間構成部品であり、Ａは部品の上流側から見た端面図、Ｂは部品の断面図である。 ミキサー・エレメントの下流側構成部品であり、Ａは部品の断面図、Ｂは下流側から見た端面図、Ｃは上流側から見た端面図である。 ミキサー・エレメントの別の形態の上流側構成部品であり、Ａは部品の断面図、Ｂは下流側から見た端面図、Ｃは上流側から見た端面図である。 ミキサー・エレメントの別の形態の中間構成部品であり、Ａは部品の上流側から見た端面図、Ｂは部品の断面図である。 ミキサー・エレメントの別の形態の下流側構成部品であり、Ａは部品の断面図、Ｂは下流側から見た端面図、Ｃは上流側から見た端面図である。 ミキサーの別の形態を示す断面図である。 ミキサー・エレメントを示す断面図である。 ミキサー・エレメントの上流側構成部品であり、Ａは部品の断面図、Ｂは下流側から見た端面図、Ｃは上流側から見た端面図である。 ミキサー・エレメントの中間構成部品であり、Ａは部品の上流側から見た端面図、Ｂは部品の断面図である。 ミキサー・エレメントの下流側構成部品であり、Ａは部品の断面図、Ｂは下流側から見た端面図、Ｃは上流側から見た端面図である。

以下、本発明の一実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、システム図であり、液体供給源のタンク１には、ジョイント２を介して配管ジョイント３が接続されている。配管ジョイント３は、図２Ａ，Ｂに示すように、樹脂製や金属製の中空状部材であり、入口部３Ｂには、オリフィス３Ａが形成されている。オリフィス３Ａは、板厚ｔ≧４（ｍｍ）の半円ノズル形状の固定オリフィスである。「φｄｘ」は、オリフィス内径、「φｄｆ」は、オリフィス流路径、「φｄｊ」は、配管ジョイント３の外径である。オリフィス構造は、内径がφｄｘの半円ノズル形状で、オリフィス３Ａの入口部は、「Ｒ≧０．５（ｍｍ）」で面取りされ、流路長さは「≧４（ｍｍ）」として、一定の流量係数を得る構造とされている。
配管ジョイント３は、両側の「φｄｊ」部分に夫々チューブ（不図示）を配管して接続され、タンク１等の液体供給源から、取り外し、交換可能となっている。オリフィス３Ａは、タンク１等の位置、水頭差、液体種別、気液混在率等に合わせて、適宜、ユーザーにより交換される。

オリフィス３Ａには、気液圧送ポンプ７が接続されている。気液圧送ポンプ７には、電磁ポンプ等の容積型ポンプが使用され、ポンプ吸引部には、タンク１等の液体供給源から、オリフィス３Ａを含む気体供給用の流路１００を通じて、液体が供給されている。オリフィス３Ａと、気液圧送ポンプ７との間の流路１００には、気体供給用の分岐流路２００が設けられている。分岐流路２００には、上流側から順に気体用フィルター６と、ソニック・ノズル５と、逆止弁４が設けられ、ソニック・ノズル５を介して、気液圧送ポンプ７に一定量の気体が供給される。
ソニック・ノズル５は、気体の二次較正原器として良く知られており、下記の（１）式に示すように、ソニック・ノズル５を通る「臨界流量Ｑｃ」は、気体の種類とノズル前条件が固定であるならば、「ノズル最小断面積Ａとノズル部気体温度の平方根ＴＳの平方根」により、一義的に決定される。
Ｑｃ＝ψ・Ａ・（ρｓ／ρ０）・（κ・ｇ・Ｒ・Ｔｓ）^0.5・・・・（１）
ただし、ψ＝流量係数、Ａ＝ノズル部の最小断面積、（ρｓ／ρ０）＝流量計測時／較正試験時気体の密度比、κ＝比熱比、ｇ＝重力加速度、Ｒ＝一般ガス定数、Ｔｓ＝スロート部流体温度（＝ノズル前温度）として、ソニック・ノズル５では、「（ノズルの）入口圧力／出口圧力≧２」付近から、ノズル５を流れる流量が一定となる。
即ち、「ポンプ吸引圧力（＝ノズル出口圧力）≦５０（ｋＰａ）」の負圧条件で、ポンプの運転条件に関わらず、一定と成る事が分かる。

液体中に混在したい気体流量を与える、「最小ノズル径φｄ」を、発明者等の（定流量発生装置；ＪＰ特許第３３０２０６６３号）の技術を用いて精密加工して装備する事により、気液圧送ポンプ７の吸引時の負圧を利用して、「高価な流量センサーや流量制御機器なし」で、一定の気体流量を混在させる事が可能となる。

気液圧送ポンプ７は、例えば容積型ポンプ等であり、ポンプ前条件に、例えば、極端な絞り等が無いとすれば、液体の吐出流量Ｑｆ（ｌ／ｍｉｎ）が一定のため、「気液混合割合＝Ｑｇ／Ｑｆ」もほぼ一定に制御可能と成る。
気液圧送ポンプ７装備の基準配管内径を「φｄｈ」、当該内径を流れる流量を「Ｑｈ」、タンク１等の供給圧力と気液圧送ポンプ７による平均吸引圧力の差を「ΔＰ」とすると、「Ｑｈ」は次式で与えられる。
Ｑｈ＝ζ・（πｄｈ２）・√ΔＰ ・・・・・・・（２）
同じ「ΔＰ」で、当該基準流量「Ｑｈ」の「ｎ（ｎ≦１）」倍の流量を与える、オリフィス３Ａ内径「φｄｘ」は、次式で与えられる。
ｎ・Ｑｈ＝ζ・（πｄｘ２）・√ΔＰ ・・・・・・・（３）
式（１）で（２）を除する事により、次式が得られる。
ｄｘ＝ｄｈ・√ｎ ・・・・・・・（４）

「ｎ＝０．９、０．８、０．７、０．６」の場合は、図３の表１の関係となる。
表１を参照し、ｎとφｄｘの関係（ｎ→φｄｘ→Ｑｇ／Ｑｆ）は以下となる。
１．０→φｄｈ→０
０．９→０．９５・φｄｈ→０．１
０．８→０．８９・φｄｈ→０．２
０．７→０．８４・φｄｈ→０．３
０．６→０．７７・φｄｈ→０．４
オリフィス３Ａ内径、「φｄｘ」は、表１の考え方で、３種類程度が選択構成される。オリフィス３Ａを経た液体とソニック・ノズル５を経た気体とで、一定の「気体流量／液体流量」が、気液圧送ポンプ７に吸引される。

液体の例として、水、気体の例として、空気を考えると、水の粘度に対して、空気の粘度は、「１８１×１０^-4（ｃＰｓ）／１．０１（ｃＰｓ）＝１．７９×１０^-2｛２０(℃)｝」、即ち、層流状態では、空気は水の「１／１．７９×１０^-2≒５６」倍流れ易い関係にある。そのため、液体流量を、表１の関係で制限した場合には、「Ｑｈ―ｎ・Ｑｈ」が気体容積で満たされる。即ち、次式のように、基準液体流量を「ｎ（ｎ≦１）」倍にするように、流体制御用のオリフィス口径を用意しておくことにより、（Ｑｇ／Ｑｆ）の割合を、「１−ｎ」として可変・設定できる。
Ｑｇ／Ｑｆ＝｛（Ｑｈ―ｎ・Ｑｈ）／Ｑｈ｝＝１−ｎ・・・（５）
安価構成のため、逆止弁４を設けない場合は、タンク１の液面Ｈｔ（図１参照）よりも、ソニック・ノズル５の位置Ｈｓを、「Ｈｓ≧Ｈｔ」の関係とし、ソニック・ノズル５への液体の流入を防ぐようにすればよい。

気液圧送ポンプ７には、ミキサー８が接続されている。
ミキサー８は、図４に示すように、ミキサー本体１０を備え、ミキサー本体１０の内部には、上流側から順に、ストッパー１２，２つのミキサー・エレメント１３，１３、同種のミキサー・エレメント１４が配置されている。

ストッパー１２は、図５Ａ，Ｂに示すように、長さＬの筒状本体１２Ａを備えて構成されている。本体１２Ａの外径はφＤ２であり、本体１２Ａには、内径φｄ２の貫通孔１２Ｂが貫通し、本体１２Ａの中程から長さｈに亘り、ほぼ十文字状に、幅ａの４本の溝１２Ｃが放射状に形成されている。外径φＤ２は、ミキサー本体１０の内壁に圧入固定され、あるいは、上流側端面が、内壁に溶接固定され、ミキサー・エレメント１３，１３の軸方向への移動を防止している。無用な圧損を防止するため、流路は、「４×（ａ×ｈ）＝π・ｄ２／４」となるように設計される。

ミキサー・エレメント１３，１３は、図６Ａに示すように、エレメント本体１３Ａを備えて構成されている。エレメント本体１３Ａの外径は二段になっており、小径部１３Ｂの外径がφＤ１で、大径部１３Ｃの外径がφＤ２である。エレメント本体１３Ａが、図４に示すように、ミキサー本体１０に組み込まれると、ミキサー本体１０の内周と小径部１３Ｂの外周とで囲まれる環状空間が流路Ｒとなる。
エレメント本体１３Ａの内部には、図６Ａに示すように、下流に開放する、内径がφｄ３の、空隙１３Ｄが形成され、空隙１３Ｄは小径部１３Ｂ内に延在し、下流側が、θの角度で円錐状に拡大する流路となっている。また、図６Ａ，Ｂ，Ｄに示すように、小径部１３Ｂの外周には、内径がφｄ１の、十文字状の４本の孔１３Ｅが、空隙１３Ｄと連通し、貫通している。エレメント本体１３Ａの中程から長さｈに亘り、ほぼ十文字状に、幅ａの４本の溝１３Ｆが放射状に形成されている。

エレメント本体１３Ａの外径φＤ２は、ミキサー本体１０の内壁に圧入固定され、あるいは、上流側端面が、内壁に溶接固定され、ミキサー・エレメント１３，１３の軸方向への移動を防止している。流体の流れる流路面積は、無用な圧損を防止するため、
｛π（φＤ２²−φＤ１²）／４｝＝４×（ａ×ｈ）＝π・ｄ２／４・・・（６）
となるように、流路設計される。
ジェット（孔１３Ｅ）の噴出内径φｄ１は、例えば、噴出速度Ｖｊが「Ｖｊ≧５（ｍ／ｓｅｃ）」となるように設計される。この結果、ノズルが対向している故に、衝突速度は、「Ｖｊ≧１０（ｍ／ｓｅｃ）」が期待される。
即ち、液体流量をＱｆ（ｌ／ｍｉｎ）、一対のジェットの数をＮとすると、ジェットの噴出内径φｄ１は次式から求められる。
φｄ１＝｛４×Ｑｆ×（１０００／６０）／Ｖｊ／２Ｎ／π｝^1/2・・・（７）
当該ジェットから噴出した流体は、ジェット軸心部における内径がφｄ２の空間領域で対向衝突する。ジェットの内径φｄ１と、当該ジェットの衝突空間の内径φｄ２とは、次式により設計される。
「ｄ２²≧２Ｎ・ｄ１²」・・・・（８）

そして、この衝突流を直角に、下流方向に導くために、衝突空間のφｄ２から、同軸上に、出口側にφｄ３に、「θ」の角度で拡大する円錐構造を構成させている。この「θ」は、「θ≦９０度」の範囲にあり、鋭角であるほど、膨張時の圧力低下が小さく、気泡の粒径の膨張が小さく、望ましい。
本構成では、ミキサー・エレメント１３，１３を連接させている。ミキサー・エレメント１３の「ミキサー出口部」には、（幅）ａ（幅）×ｈ（高さ）寸法の矩形状の十文字状流路（溝１３Ｆ）が形成され、ジェット以外の基本流路面積を同じくするために、次式で、寸法設計されている。
「π（〔管内径〕Ｄ２²−〔ジェット導入部外径〕Ｄ１²）／４≒４ａ×ｈ≒π・（円錐部出口内径）ｄ３²／４」・・・・（９）
このように流路構成し、液体種別や混合状態等の必要に応じ、当該エレメントを流路配管内部に複数個、容易に連接可能とした。

ミキサー・エレメント１４は、図７Ａに示すように、エレメント本体１４Ａを備えて構成されている。エレメント本体１４Ａの外径は二段になっており、小径部１４Ｂの外径がφＤ１で、大径部１４Ｃの外径がφＤ２である。エレメント本体１４Ａが、図４に示すように、ミキサー本体１０に組み込まれると、ミキサー本体１０の内周と小径部１３Ｂの外周とで囲まれる環状空間が流路Ｒとなる。エレメント本体１４Ａの内部には、図７Ａに示すように、下流に開放する、内径がφｄ３の、空隙１４Ｄが形成され、空隙１４Ｄは小径部１４Ｂ内に延在し、下流側が、θの角度で円錐状に拡大する流路となっている。また、図７Ａ，Ｂ，Ｄに示すように、小径部１４Ｂの外周には、内径がφｄ１の、十文字状の４本の孔１４Ｅが、空隙１４Ｄと連通し、貫通している。

このように、ミキサー・エレメント１４は、基本的には、ミキサー・エレメント１３，１３と同様の構造を有する。ただし、ミキサー・エレメント１４は、ミキサー本体１０内で最下流に位置するため、上流側のミキサー・エレメント１３と異なり、下流側に、４本の溝１３Ｆを備えない。従って、本構成によるミキサー・エレメント１４は、ミキサー本体１０内に複数個連接する場合の下流側ミキサー・エレメントとして使用され、あるいは、ミキサー本体１０内に複数個連接せずに、ミキサー本体１０内に単一で使用することが可能となる。この形態では、ミキサー・エレメント１４は、ミキサー・エレメント１３との間で、基本構成を共通化するため、空隙１４Ｄに長さｈの「円柱流路」を持たせているが、この「円柱流路」を省いて、「θ」のまま、下流側に向けて円錐状流路を連続させる構成とすることは可能である。

この実施の形態では、ミキサー・エレメント１３，１４の内部の狭い空隙１３Ｄ，１４Ｄで、ジェット（孔１３Ｅ）からの流れを対向させて衝突させるため、互いの衝突速度は、「Ｖ∝２√Ｐ」となり、一方向ジェット流に対して２倍の効果が得られる。また、空隙１３Ｄ，１４Ｄのジェット軸心位置での内径を、一対のジェットにおけるφｄ１²×２倍以上の面積に相当する内径とし、圧損が無視できる大きな内径を有する出口部φｄ２に向けて、「角度≦９０度」で拡大させているため、その流れを効率よく、出口部φｄ２に導くことができ、流体の混合能力を最大にさせている。更には、エレメント出口部を、ａ×ｈ寸法の十文字構造の流路（溝１３Ｆ）としたことで、ミキシング・エレメントを、そのまま連続的に重ね合わせて機能できる。

この実施の形態では、気体吸入孔に気体計量器として、ソニック・ノズル５を接続し、気体の流量を管理すると共に、液体吸入部には、オリフィス３Ａを接続している。従来構造では、ユーザーは、液体タンク等からの吸引状態、即ち、水頭差に合わせて、液体流量と気体流量を、それぞれの調整弁で調整する必要がある。オリフィス３Ａは、タンク１位置（＝水頭差）に対応し、φｄｈ内径の基準圧損に対して、ｎ（但し、ｎ≦１）の一定割合の圧損を提供するために、「φｄｘ＝φｄｈ・√ｎ」の内径を有しており、予め、内径が異なる複数個のオリフィス３Ａを用意することにより、これを、ユーザーが使用条件に合わせて適宜交換することにより、容易に、「気体流量／液体流量」比（＝Ｑｇ／Ｑｆ）を変更でき、一定の流体圧送を、安価且つ簡便に、行うことができる。

本技術の応用領域の一つに、液体として「水」、気体として「空気や酸素、オゾン、二酸化炭素」等を用いた「潅水装置」がある。効率的な潅水方法として、植物の根に直接潅水する等があるが、その場合には、高圧密封タンクやコンプレッサー等の大型機器（不図示）が必要であったが、本実施の形態の気液供給装置を用いることで、植物等に、気液割合が管理された潅水を安価に行うことができる。

本実施の形態では、容積型ポンプの気液圧送ポンプ７の吐出部に、同軸上の２つの小径部、大径部を有した円柱状のミキサー・エレメント１３，１３，１４を配置し、夫々のミキサー・エレメント１３，１３，１４は、上流側が閉鎖され、下流側が開放されている形状であり、小外径部分の外周部から中心部に連通する、それぞれ一対の対向する、複数組のジェット（孔１３Ｅ）を備えるため、ジェット効果により、流体は、衝突・拡散混合される。これにより、同一圧損で、２倍の流速での攪拌効果により、更に高効率に、気液均質混合並びにマイクロバブル化が図れる。
攪拌効果を同じにした場合、即ち、同じ流速Ｖ効果の場合は、「Ｖ∝√ΔＰ」の関係より明らかな如く、「ΔＰｘ＝（Ｖ／２）²／Ｖ２」より、圧損は、「１／４」と低減できるため、省エネルギ化が図れる。

ジェット（孔１３Ｅ）の内径を「φｄ１」、当該衝突・拡散部分の、ジェット軸心位置の内径を「φｄ２」、ジェットの組数を「Ｎ」とすると、「ｄ２²≧２Ｎ・ｄ１²≦」とし、出口部に向かって、「θ≦９０度」の角度の末広がりの円錐状形状とすることにより、対向するジェットで衝突した流体は、９０度の向きを変えて、末広がりの出口に向かって強力に噴出しながら拡散作用を行うため、均質混合に貢献する。
そして、出口部には、（幅）ａ（幅）×ｈ（高さ）寸法の矩形状十文字状の流路（１３Ｆ）を構成し、「π（Ｄ２²−Ｄ１²）／４≒４ａ×ｈ≒π・ｄ３²／４」となるように構成したことにより、エレメントを、流路配管内部に、液体種別や混合状態等の必要に応じ、複数個、ポンプ出口部に容易に連接でき、液体種別や気液流体等の最適拡散混合に合わせて、配管内に、容易に連接することを可能とした。

気液圧送ポンプの従来の考え方は、気体Ｑｇ、液体Ｑｆ用流量調整弁を用いて、それぞれを流量調整して、Ｑｇ／Ｑｆを管理する方法、若しくは、潅水や養殖のように、Ｑｇ／Ｑｆを管理しない方法が一般的である。
しかし、本来は、目的対応して、Ｑｇ／Ｑｆを管理する事が適切であるが、例えば、ハウス栽培用の気液圧送ポンプの場合は、ユーザーが調整して管理することは難しいと共に、安価なポンプ構成の場合は、流量調整弁価格が高くなる。
本実施の形態では、このような背景から、回転当たりの流量が一定であるという、容積型ポンプの特性、空気等の気体と水等の液体との粘性係数の大きな差異、を利用して、基準液体流量Ｑｈに対し、ｎ・Ｑｈ（但し、ｎ≦１で、０．９、０．８、０．７等）を与える、厚さｔ≧４（ｍｍ）の半円ノズル形状の交換用オリフィスを用意することで、安価且つ簡単に、Ｑｇ／Ｑｆを一定管理することを可能とした。

図８は、ミキサーの別の形態を示す。
このミキサー１８は、ミキサー本体２０を備え、ミキサー本体２０の内部には、上流側から順に、ストッパー２２、さらに、図９に示すように、２つのミキサー・エレメント２３，２３、同種のミキサー・エレメント２４が配置されている。ストッパー２２は、図１０Ａ〜図１０Ｃに示すように、長さＬの筒状本体２２Ａを備えて構成されている。本体２２Ａの外径はφＤ２であり、本体２２Ａには、内径φｄ３の貫通孔２２Ｂが貫通し、本体２２Ａの中程から長さｈに亘り、ほぼ十文字状に、幅ａの４本の溝２２Ｃが放射状に形成されている。外径φＤ２は、ミキサー本体２０の内壁に密着し、ミキサー・エレメント２３の軸方向への移動を防止している。

ミキサー・エレメント２３，２３は、図９に示すように、流れ方向と直角の面で切断されて、３つの部品１２３，１２４，１２５に分割して構成され、部品１２３，１２４，１２５は点溶接で相互に接合されている。上流側の部品１２３は、図１１Ａ〜図１１Ｃに示すように、外径がφＤ１（＜φＤ２）の略円錐体であり、下流側の面に凹所１２３Ａを有し、凹所１２３Ａの周りの端面１２３Ｂ（切断面）には、放射状に１２本の幅Ｗ、深さＨの矩形状の溝１２３Ｃが設けられている。
中間の部品１２４は、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、リング体であり、外径がφＤ１で、内径は凹所１２３Ａの径φｄ３と等しく形成されている。
下流側の部品１２５は、図１３Ａ〜図１３Ｃに示すように、外径が二段になっており、小径部１２５Ａの外径がφＤ１、大径部１２５Ｂの外径がφＤ２の筒状体である。部品１２５には、内径φｄ３の貫通孔１２５Ｃが貫通し、上流側の端面１２５Ｅ（切断面）には、放射状に１２本の幅Ｗ、深さＨの矩形状の溝１２３Ｆが設けられている。また、部品１２５の中程から長さｈに亘り、ほぼ十文字状に、幅ａの４本の溝１２５Ｇが放射状に形成されている。外径φＤ２は、ミキサー本体２０の内壁に密着して配置される。

最下流のミキサー・エレメント２４は、図９に示すように、夫々、３つの部品１２６，１２７，１２８で構成され、部品１２６，１２７，１２８は点溶接で接合されている。上流側の部品１２６と中間の部品１２７は、上記の実施の形態による部品１２３，１２５と同様構成であり、説明を省略する。下流側の部品１２８は、外径が二段になっており、小径部１２８Ａの外径がφＤ１、大径部１２８Ｂの外径がφＤ２の筒状体である。部品１２８には、内径φｄ３の貫通孔１２８Ｃが貫通している。外径φＤ２は、ミキサー本体２０の内壁に密着して配置される。

図１４〜図１６は、ミキサー・エレメント２３，２３の別の形態を示す。図１１〜図１３と同一部分には同一符号を付し、説明を省略する。
この実施の形態では、部品１２３，１２５に設けた１２本の溝１２３Ｃや、１２本の溝１２３Ｆが、内接円に接する幅Ｗ、深さＨの矩形状の斜め溝で構成されている。
なお、この斜め溝の構成を採用する場合には、ミキサー・エレメント２４の部品１２６，１２７にも同様構成の斜め溝が形成される。

上述した矩形状の各溝１２３Ｂ、１２５Ｅは、各部品の切断面に設けられており、Ｗ（幅）×Ｈ（深さ）寸法のＭ組の矩形状溝を設けるとすると、図６や、図７の構成の「ジェット径φｄ１」をＮ組とした場合に、「２Ｍ・Ｗ・Ｈ＝２Ｎ・ｄ１²」の関係が成立するように、ジェットの大きさが決定されている。
これらの構成では、溝１２３Ｃ、溝１２３Ｆから噴射するジェットにより、衝突空間内で衝突流が形成されるため、ミキサー効果が高められる。
特に、内接円に接する幅Ｗ、深さＨの矩形状の溝を形成した場合、溝１２３Ｃから噴射するジェットに対し、溝１２３Ｆから噴射するジェットを対向させる構成とすることで、１８０度異なる噴流を衝突させて機能させることは更に効果的である。
なお、この実施の形態では、衝突空間が出口に向けて円柱状であったが、出口に向かって拡大する円錐形状空間であってもよい。

例えば、適用流体が水で、流量が２（ｌ／ｍｉｎ）の場合、図６や、図７の構成では、２組のジェット（４孔）とすると、「ジェット径φｄ１」≒１ｍｍである。
すなわち、流量が２（ｌ／ｍｉｎ）以上の場合は、「ジェット径φｄ１」≧１ｍｍであり、加工上の問題はない。しかし、流量≦２（ｌ／ｍｉｎ）のようなミキサーへの適用流量が小さい場合、図６や、図７の構成では、「ジェット径φｄ１」を１ｍｍ以下にせざるを得ない。ＳＵＳ等の金属材料に、「ジェット径φｄ１」が１ｍｍ以下の孔をあけることは困難であり、上記各実施の形態では、１２本の溝１２３Ｃや、１２本の溝１２３Ｆを、「φｄ１²＝幅Ｗ×深さＨ」となるように、矩形状に溝加工することで、１ｍｍ以下の「ジェット径φｄ１」を簡単に実現できる。例えば、幅（Ｗ）＝１ｍｍのカッターで、深さ（Ｈ）＝０．０２ｍｍの溝加工することにより、「ｄ１＝√（１×０．０２）≒０．１４ｍｍ」相当の孔加工を容易に実現できる。

図１７〜図２１は、ミキサー・エレメント２３，２３の更に別の形態を示す。
この実施の形態では、部品１２３，１２４の外周に、外径がφＤ２となるように、リブ１３３，１３４が一体に形成されている。その他の構成は、上記実施の形態と略同様構成である。この場合、ミキサー・エレメント２４の部品１２６，１２７にも同様構成のリブ１３３，１３４が一体に形成される。
この構成では、図１７に示すように、ミキサー本体２０の内部に、上流側から順に、ストッパー２２、２つのミキサー・エレメント２３，２３、同種のミキサー・エレメント２４を配置する場合、各部品１２３〜１２８の外径のすべてがφＤ２であるため、これら部品１２３〜１２８を、ミキサー本体２０の内部に順々に嵌合していくだけで、部品間を点溶接などすることなく、簡単装着できる。

１ タンク
３ 配管ジョイント
３Ａ オリフィス
５ ソニック・ノズル
７ 気液圧送ポンプ
１００ 気体供給用の流路
２００ 気体供給用の分岐流路

Claims (12)

1. 電磁ポンプ等の容積型ポンプの吸入部に、任意の割合で液体流量管理する、着脱可能な厚さ≧４（ｍｍ）の半円ノズル形状のオリフィスを設け、
   その下流のポンプ入口部に、気体吸入連通路を設け、ポンプ出口部に、気液混在のためのミキサーを設けたことを特徴とする気液供給装置。
2. 請求項１に記載の気液供給装置において、
   前記ミキサーはミキサー本体を備え、ミキサー本体の内部に、ミキサー・エレメントが配置され、ミキサー・エレメントの内部の狭い空隙で、ミキサー・エレメントの外周から流入するジェットの流れを対向させて衝突させ、ジェット径をφｄ１、ジェットの組数をＮ、ジェットからの噴流が衝突する空間の、ジェット軸心部分の内壁流路径をφｄ２とした場合に、ｄ２²≧２Ｎ・ｄ１²とし、出口側にφｄ３に拡大する円錐構造を有していることを特徴とする気液圧送装置。
3. 請求項２記載の気液供給装置において、
   前記ミキサー出口部には、ａ（幅）×ａ（幅）×ｈ（高さ）寸法の矩形状の流路を十文字状に構成し、π（管内径Ｄ２²−ジェット導入部外径Ｄ１²）／４≒４ａ×ｈ≒π・円錐部出口内径ｄ３²／４となるように構成し、
   当該エレメントを、流路配管内部に、液体種別や混合状態等の必要に応じ、複数個、連接可能としたことを特徴とする気液圧送装置。
4. 請求項２又は３記載の気液供給装置において、
   前記ミキサー・エレメントは流れ方向と直角の面で切断されて各部品に分割され、部品の切断面にはｗ（幅）×ｈ（深さ）寸法のＭ組の矩形状溝を設け、「２Ｍ・ｗ・ｈ＝２Ｎ・ｄ１²」の関係でジェットの大きさを決定したことを特徴とする気液圧送装置。
5. 請求項４記載の気液供給装置において、
   前記溝が部品の切断面に放射状に延びていることを特徴とする気液圧送装置。
6. 請求項４記載の気液供給装置において、
   前記溝が部品の切断面に外周側から衝突空間の内接円に接する方向に延びていることを特徴とする気液圧送装置。
7. 請求項４乃至６のいずれかに記載の気液供給装置において、
   前記ミキサー・エレメントは各部品を点溶接することにより構成されていることを特徴とする気液圧送装置。
8. 請求項４乃至６のいずれかに記載の気液供給装置において、
   前記各部品の外周にリブを形成し、前記リブをミキサー本体の内部に嵌合することにより、各部品を点溶接することなく、別体のままミキサー本体の内部に順次組み付け可能としたことを特徴とする気液圧送装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の気液供給装置において、
   着脱可能なオリフィスは、ポンプ入口配管内径φｄｈとオリフィス内径が同じ場合の吸入流量Ｑｈを基準に、ｎ・Ｑｈ（但し、ｎ≦１で、０．９、０．８、０．７等）となるように、オリフィス内径φｄｘが、「ｄｘ＝ｄｈ・√ｎ」の関係で選択されていることを特徴とする気液供給装置。
10. 請求項９記載の気液供給装置において、
    容積型ポンプの吐出容量がＱｆの時、
    （気体流量Ｑｇ／液体流量Ｑｆ）≒｛（Ｑｆ―ｎ・Ｑｆ）／Ｑｆ｝＝（１−ｎ）の一定割合で、気液混在流体を吐出することを特徴とする気液供給装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の気液供給装置において、
    気体吸入連通路の吸引部に、気体流量管理用のソニック・ノズル／フィルターを配置し、当該ソニック・ノズル位置を、液体供給系がタンクの場合、当該タンク圧力よりも、上部に配置したことを特徴とする気液供給装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の気液供給装置において、
    気体流量管理用のソニック・ノズル／フィルターと、気体吸入連通路の吸引部との間に、逆止弁を装備したことを特徴とする気液圧送装置。

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