JPWO2018088482A1 - Fluid delivery device and fluid delivery system - Google Patents
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Abstract
【課題】高圧の液体中に高精度で流体を送入することが可能な流体送入装置及び流体送入システムを提供すること。【解決手段】本発明に係る流体送入装置110は、第1テーパー部114と、第2テーパー部115と、細管部116と、流体供給孔112とを具備する。第1テーパー部114は、第1の断面積S1を有する入口114aを有する。細管部116は、第1テーパー部114の出口114bに接続され、第2の断面積S2を有する。流体供給孔112は、細管部116に設けられている。第1テーパー部の入口に供給される液体の流速をV、第2テーパー部115の出口における液体の圧力をP2、流体供給孔112から供給される流体の圧力をPbとすると、以下の(式1)を満たす。0<P2−K1×(S1/S2)2×V2<Pb (式1)ただし、圧力単位はkPa、速度単位はm/s、定数K1は3.59以上3.77以下である。A fluid delivery device and a fluid delivery system capable of delivering a fluid with high accuracy into a high-pressure liquid. A fluid delivery device 110 according to the present invention includes a first tapered portion 114, a second tapered portion 115, a narrow tube portion 116, and a fluid supply hole 112. The first tapered portion 114 has an inlet 114a having a first cross-sectional area S1. The thin tube portion 116 is connected to the outlet 114b of the first tapered portion 114 and has a second cross-sectional area S2. The fluid supply hole 112 is provided in the narrow tube portion 116. When the flow velocity of the liquid supplied to the inlet of the first tapered portion is V, the pressure of the liquid at the outlet of the second tapered portion 115 is P2, and the pressure of the fluid supplied from the fluid supply hole 112 is Pb, the following (formula 1) is satisfied. 0 <P2-K1 * (S1 / S2) 2 * V2 <Pb (Formula 1) However, a pressure unit is kPa, a speed unit is m / s, and the constant K1 is 3.59 or more and 3.77 or less.
Description
本発明は、液体中に気体又は液体を送入するための流体送入装置及び流体送入システムに関する。 The present invention relates to a fluid delivery device and a fluid delivery system for delivering a gas or a liquid into a liquid.
近年、水等の液体に微小な気泡を含有させた気泡含有液体の普及が進んでいる。微小な気泡には、直径1μm以下のウルトラファインバブル(UFB:ultra fine bubble)や直径10μm以下のマイクロバブル、直径1mm以下のミリバブル等がある。特にUFBを含有するUFB水は、魚介類の鮮度維持や微生物培養、滅菌医療、各種洗浄等の分野での利用が検討されている。 In recent years, a bubble-containing liquid in which minute bubbles are contained in a liquid such as water has been widely used. The fine bubbles include ultra fine bubbles (UFB) having a diameter of 1 μm or less, micro bubbles having a diameter of 10 μm or less, and millibubbles having a diameter of 1 mm or less. In particular, use of UFB water containing UFB in the fields of maintaining the freshness of fish and shellfish, culturing microorganisms, sterilizing medicine, and various types of washing has been studied.
気泡含有液体の製造方法としては、圧力を印加して液体中に気体を含有させ、圧力を開放することにより気泡を生じさせる加圧溶解法や、細径の流路を通過させて液体の圧力を低下させ、気体を吸引させるエジェクター法、液体中に旋回流を生じさせて、そのせん断応力で気体を剪断する気液剪断法、液体に超音波を印加して気泡を生じさせる超音波法等がある。 As a method for producing a bubble-containing liquid, a pressure dissolution method in which gas is contained in the liquid by applying pressure, and bubbles are generated by releasing the pressure, or the pressure of the liquid by passing through a small-diameter channel is used. Ejector method that lowers the gas and sucks the gas, gas-liquid shearing method that creates a swirling flow in the liquid and shears the gas with the shear stress, ultrasonic method that generates bubbles by applying ultrasonic waves to the liquid, etc. There is.
気体を液体に送入する際には、液体の圧力を気体の送入圧力より小さくする必要がある。ポンプの1次側(ポンプ上流)で気体を送入すれば、液体の圧力が小さいため容易に気体を送入することができる。しかしながら、ポンプ内に気体が混入するため、ポンプの性能低下が生じるおそれがある。 When the gas is fed into the liquid, it is necessary to make the pressure of the liquid smaller than the gas feeding pressure. If the gas is sent in on the primary side (upstream of the pump) of the pump, the gas can be easily sent in because the pressure of the liquid is small. However, since gas is mixed in the pump, there is a possibility that the performance of the pump may deteriorate.
一方でポンプの2次側(ポンプ下流)で気体を送入する場合には、高圧の液体に気体を送入する必要がある。一時的に液体圧力を低下させるためにはベンチュリ管が多く用いられる(例えば、特許文献1−3参照)。 On the other hand, when the gas is sent in on the secondary side (downstream of the pump) of the pump, it is necessary to send the gas into the high-pressure liquid. In order to temporarily reduce the liquid pressure, a venturi tube is often used (see, for example, Patent Documents 1-3).
本発明者らは気体や液体といった流体を液体に送入するに適し、UFBの製造にも好適に利用することが可能な流体送入装置を見出した。 The present inventors have found a fluid delivery device that is suitable for feeding a fluid such as a gas or a liquid into the liquid and that can be suitably used for manufacturing UFB.
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、高圧の液体中に高精度で流体を送入することが可能な流体送入装置及び流体送入システムを提供することにある。 In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide a fluid feeding device and a fluid feeding system capable of feeding a fluid with high accuracy into a high-pressure liquid.
上記目的を達成するため、本発明に一形態に係る流体送入装置は、第1テーパー部と、第2テーパー部と、細管部と、流体供給孔とを具備する。
上記第1テーパー部は、第1の断面積を有する入口と、上記第1の断面積より小さい第2の断面積を有する出口を有する。
上記第2テーパー部は、上記第2の断面積を有する入口と、上記第2の断面積より大きい第3の断面積を有する出口を有する。
上記細管部は、上記第1テーパー部の出口と上記第2テーパー部の入口を接続し、上記第2の断面積を有する。
上記流体供給孔は、上記細管部に設けられている。
上記第1の断面積をS1、上記第2の断面積をS2、上記第1テーパー部の入口に供給される液体の流速をV、上記第2テーパー部の出口における液体の圧力をP2、上記流体供給孔から供給される流体の圧力をPbとすると、以下の(式1)を満たす
0<P2−K1×(S1/S2)2×V2<Pb (式1)
ただし、圧力単位はkPa、速度単位はm/s、定数K1は3.59以上3.77以下である。In order to achieve the above object, a fluid delivery device according to an embodiment of the present invention includes a first tapered portion, a second tapered portion, a narrow tube portion, and a fluid supply hole.
The first tapered portion has an inlet having a first cross-sectional area and an outlet having a second cross-sectional area smaller than the first cross-sectional area.
The second tapered portion has an inlet having the second cross-sectional area and an outlet having a third cross-sectional area larger than the second cross-sectional area.
The narrow tube portion connects the outlet of the first tapered portion and the inlet of the second tapered portion, and has the second cross-sectional area.
The fluid supply hole is provided in the narrow tube portion.
S1 is the first cross-sectional area, S2 is the second cross-sectional area, V is the flow velocity of the liquid supplied to the inlet of the first tapered portion, P2 is the pressure of the liquid at the outlet of the second tapered portion, and When the pressure of the fluid supplied from the fluid supply hole is Pb, the following (Expression 1) is satisfied. 0 <P2-K1 × (S1 / S2) 2 × V 2 <Pb (Expression 1)
However, the pressure unit is kPa, the speed unit is m / s, and the constant K1 is 3.59 or more and 3.77 or less.
上記(式1)において、「P2−K1×(S1/S2)2×V2」は細管部内を流れる液体の圧力である。この圧力より流体供給孔から供給される気体の圧力Pbを大きくすることにより、流体供給孔から気体を液体中に送入することが可能となる。また、上記液体の圧力が0以下であると、キャビテーション(常温沸騰)が生じるため、上記圧力は0より大きい必要がある。流体送入装置が上記(式1)で表される条件を満たすことにより、高圧で流れる液体に高精度で気体を送入することが可能であり、高密度気液混合を実現することができる。In the above (Formula 1), “P2-K1 × (S1 / S2) 2 × V 2 ” is the pressure of the liquid flowing in the narrow tube portion. By making the pressure Pb of the gas supplied from the fluid supply hole larger than this pressure, the gas can be sent into the liquid from the fluid supply hole. Further, when the pressure of the liquid is 0 or less, cavitation (room temperature boiling) occurs, so the pressure needs to be greater than 0. When the fluid feeding device satisfies the condition expressed by the above (formula 1), it is possible to feed gas to the liquid flowing at high pressure with high accuracy, and high-density gas-liquid mixing can be realized. .
上記流体送入装置は、流体を上記流体供給孔に供給する流体送入管をさらに有し、上記細径部のうち、上記第1テーパー部と上記流体供給孔の間の部分である上流部分の管中心と上記流体送入管の管中心のなす角は90°未満であってもよい。 The fluid feeding device further includes a fluid feeding pipe that feeds fluid to the fluid supply hole, and an upstream portion that is a portion between the first taper portion and the fluid supply hole in the small diameter portion. The angle formed by the tube center and the tube center of the fluid inlet tube may be less than 90 °.
流体送入管を細径部に対して傾斜させることにより、流体送入管から細径部に送入される流体の送入圧を低下させることが可能である。 By inclining the fluid inlet tube with respect to the small diameter portion, it is possible to reduce the pressure of the fluid fed from the fluid inlet tube to the small diameter portion.
上記上流部分の管中心と上記流体送入管の管中心のなす角は45°以下であってもよい。 The angle formed by the tube center of the upstream portion and the tube center of the fluid inlet tube may be 45 ° or less.
流体送入管の細径部に対する傾斜角度を45°以下とすることにより、流体の送入圧を大きく低下させることが可能である。 By setting the inclination angle with respect to the small diameter portion of the fluid inlet tube to 45 ° or less, the fluid inlet pressure can be greatly reduced.
上記流体供給孔は、上記細管部の、上記第1テーパー部側の端を0%とし、上記第2テーパー部側の端を100%としたときに、55%以上90%以下の位置に設けられていてもよい。 The fluid supply hole is provided at a position of 55% or more and 90% or less when the end on the first taper portion side of the narrow tube portion is 0% and the end on the second taper portion side is 100%. It may be done.
流体の送入圧は、流体供給孔の位置によっても影響を受け、上記55%以上90%以下の位置とすることにより流体の送入圧を低下させることが可能である。 The fluid feeding pressure is also affected by the position of the fluid supply hole, and the fluid feeding pressure can be lowered by setting the fluid feeding pressure to the position of 55% or more and 90% or less.
上記流体供給孔は、上記細管部の、上記第1テーパー部側の端を0%とし、上記第2テーパー部側の端を100%としたときに、60%以上85%以下の位置に設けられていてもよい。 The fluid supply hole is provided at a position of 60% or more and 85% or less, assuming that the end of the narrow tube portion on the first taper portion side is 0% and the end on the second taper portion side is 100%. It may be done.
流体供給孔の位置を上記60%以上85%以下の位置とすることにより流体の送入圧をさらに低下させることが可能である。 By setting the position of the fluid supply hole to the position of 60% or more and 85% or less, it is possible to further reduce the fluid feeding pressure.
上記流体供給孔は、上記細管部の、上記第1テーパー部側の端を0%とし、上記第2テーパー部側の端を100%としたときに、70%以上75%以下の位置に設けられていてもよい。 The fluid supply hole is provided at a position of 70% or more and 75% or less when the end on the first taper portion side of the narrow tube portion is 0% and the end on the second taper portion side is 100%. It may be done.
流体供給孔の位置を上記70%以上75%以下の位置とすることにより流体の送入圧を最も低下させることが可能である。 By setting the position of the fluid supply hole to the position of 70% or more and 75% or less, the fluid feeding pressure can be reduced most.
上記流体送入装置は、上記第1テーパー部、上記第2テーパー部及び上記細管部の周囲に設けられ、冷却液が通液される冷却液路をさらに具備してもよい。 The fluid feeding device may further include a cooling liquid path that is provided around the first taper part, the second taper part, and the thin tube part, and through which the cooling liquid flows.
第1テーパー部、細管部及び第2テーパー部を流れる液体は抵抗によって発熱するが、上記構成によればこの熱を冷却液によって冷却することが可能となる。 The liquid flowing through the first taper portion, the thin tube portion, and the second taper portion generates heat due to the resistance. According to the above configuration, this heat can be cooled by the coolant.
上記目的を達成するため、本発明に一形態に係る流体送入システムは、流体送入装置と、送液ポンプとを具備する。
上記流体送入装置は、上記いずれかの構成を有する。
上記送液ポンプは、吐出圧力P1が以下の(式2)を満たす
P1>P2+K2×(S1/S2)2.3×V2 (式2)
ただし、圧力単位はkPa、速度単位はm/s、定数K2は1.86以上1.96以下である。In order to achieve the above object, a fluid delivery system according to an embodiment of the present invention includes a fluid delivery device and a liquid delivery pump.
The fluid delivery device has any one of the configurations described above.
In the liquid feeding pump, the discharge pressure P1 satisfies the following (formula 2): P1> P2 + K2 × (S1 / S2) 2.3 × V 2 (formula 2)
However, the pressure unit is kPa, the velocity unit is m / s, and the constant K2 is 1.86 or more and 1.96 or less.
上記(式2)において「K2×(S1/S2)2.3×V2」は流体送入装置において生じる圧力損失である。したがって、上記(式2)によって送液ポンプの吐出圧力を選定することができる。In the above (Formula 2), “K2 × (S1 / S2) 2.3 × V 2 ” is a pressure loss generated in the fluid feeding device. Therefore, the discharge pressure of the liquid feed pump can be selected by the above (Formula 2).
以上のように、本発明によれば、高圧の液体中に高精度で流体を送入することが可能な流体送入装置及び流体送入システムを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a fluid feeding device and a fluid feeding system capable of feeding a fluid with high accuracy into a high-pressure liquid.
[気泡含有液体製造システムの構成]
図1は、気泡含有液体製造システム10の構成を示す模式図である。同図に示すように、気泡含有液体製造システム10は、気泡含有液体製造装置100、送液ポンプ150、チラー151、熱交換器152、貯槽153、完成液用貯槽154及び三方弁155を備える。これらは配管N1〜N6及び配管M1〜M4によって接続されている。なお、各配管には適宜バルブや圧力計等が設けられてもよい。[Configuration of bubble-containing liquid production system]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a bubble-containing
送液ポンプ150は、配管N1を介して液体を気泡含有液体製造装置100に圧送する。送液ポンプ150は高圧での液体の圧送が可能な高圧ポンプが好適である。送液ポンプ150の送液圧力については後述する。
The
チラー151は、冷却液を冷却し、配管M1〜M4を介して冷却液を循環させる。チラー151の構成は特に限定されない。冷却液は典型的には水である。
The
熱交換器152は、配管M3及び配管M4を介してチラー151から供給される冷却液を利用して、後述する気泡含有液体を冷却する。熱交換器152は例えばプレートクーラーであるが、その構成は特に限定されない。
The
貯槽153は、配管N4から流入する気泡含有液体を貯留する。貯槽153は、内部が常圧で利用される槽とすることができる。図1に示すように貯槽153は配管N5を介して送液ポンプ150に接続されていてもよく、接続されていなくてもよい。
The
完成液用貯槽154は、完成した気泡含有液体を貯留する。配管N4と配管N6の間には三方弁155が配置されており、気泡含有液体が完成すると三方弁155が切り替えられ、完成した気泡含有液体が完成液用貯槽154に送液される。
The finished
[気泡含有液体製造装置の構成]
気泡含有液体製造装置100は、微小な気泡を含有する液体(以下、気泡含有液体)を製造する装置である。[Configuration of bubble-containing liquid production equipment]
The bubble-containing
気泡には、大きさによって直径1μm以下のウルトラファインバブル(UFB:ultra fine bubble)、直径10μm以下のマイクロバブル、直径1mm以下のミリバブル等の種類がある。気泡含有液体が含有する気泡はいずれの大きさのものであってもよいが、典型的にはUFBである。 There are various types of bubbles, such as ultra fine bubbles (UFB) having a diameter of 1 μm or less, micro bubbles having a diameter of 10 μm or less, and millibubbles having a diameter of 1 mm or less. The bubbles contained in the bubble-containing liquid may be of any size, but are typically UFB.
気泡を形成する気体は特に限定されず、例えば、空気、N2、O2又はO3等とすることができる。また、気泡含有液体は異種の気体によって形成された気泡を含有してもよい。気泡含有液体を構成する液体は特に限定されないが、典型的には水である。The gas forming the bubbles is not particularly limited, and can be, for example, air, N 2 , O 2, or O 3 . Further, the bubble-containing liquid may contain bubbles formed by different kinds of gases. The liquid constituting the bubble-containing liquid is not particularly limited, but is typically water.
図1に示すように、気泡含有液体製造装置100は、流体送入装置110及び抵抗発生装置120を備える。
As shown in FIG. 1, the bubble-containing
流体送入装置110は、送液ポンプ150から圧送された液体に気体を混合する。図2は、流体送入装置110の構成を示す断面図である。同図に示すように流体送入装置110は、流路111、流体供給孔112及び冷却液路113を備える。
The
図3は流路111及び流体供給孔112を示す拡大図であり、図4は流路111の各部のサイズを示す模式図である。これらの図に示すように、流体送入装置110は、第1テーパー部114、第2テーパー部115及び細管部116を有し、細管部116は第1テーパー部114及び第2テーパー部115の間に位置する。流体供給孔112は細管部116に設けられている。なお、図3及び図4において液体が流路111を流れる方向を矢印で示す。
FIG. 3 is an enlarged view showing the
第1テーパー部114は、直径D1及び断面積S1を有する入口114aと直径D2及び断面積S2を有する出口114bとを備える。断面積S1は断面積S2より大きく、第1テーパー部114は細管部116に向かって次第に断面積が減少するテーパー管形状を有する。第1テーパー部114の断面形状は円形でもよく、矩形等のその他の形状であってもよい。第1テーパー部114の液体の流れる方向に沿った長さを長さL1とする。
The first
第2テーパー部115は、直径D2及び断面積S2を有する入口115aと直径D3及び断面積S3を有する出口115bとを備える、断面積S3は断面積S2より大きく、第2テーパー部115は細管部116に向かって次第に断面積が減少するテーパー管形状を有する。第2テーパー部115の断面形状は円形でもよく、矩形等のその他の形状であってもよい。第2テーパー部115の液体の流れる方向に沿った長さを長さL3とする。なお、断面積S3は断面積S1と同一であってもよく、異なっていてもよい。長さL3も長さL1と同一であってもよく、異なっていてもよい。
The second
細管部116は、第1テーパー部114と第2テーパー部115の間に設けられ、第1テーパー部114の出口114bに連続する入口116aと、第2テーパー部115の入口aに連続する出口116bを有する。細管部116は、全体にわたって一定の断面積S2を有する管状の形状を有する。細管部116の断面形状は円形でもよく、矩形等のその他の形状であってもよい。細管部116の液体の流れる方向に沿った長さを長さL2とする。
The
送液ポンプ150から流体送入装置110に圧力P1の液体が供給されると、第1テーパー部114に流入した液体は、第1テーパー部114から細管部116に流入し、細管部116から第2テーパー部115に流入する。ここで、細管部116の径が小さいため、細管部116の流れる液体の流速は第1テーパー部114及び第2テーパー部115を流れるときより大きくなる。
When the liquid having the pressure P1 is supplied from the
これにより、細管部116における液体の圧力は第1テーパー部114及び第2テーパー部115を流れるときより小さくなる(ベンチュリ効果)。液体が細管部116から第2テーパー部115に流入すると、流速が遅くなることにより圧力は再び増加するが、細管部116を通過することにより圧力損失が生じる。
As a result, the pressure of the liquid in the
したがって、液体の圧力は第1テーパー部114で最も大きく、第2テーパー部115では若干小さく、細管部116では最も小さくなる。第2テーパー部115から送出される液体の圧力を圧力P2とする。
Accordingly, the pressure of the liquid is highest at the first
流体供給孔112は、図4に示すように細管部116に設けられており、ガスボンベ等の図示しないガス供給源に接続されている。流体供給孔112は、ガス供給源から供給された気体を細管部116を流れる液体に供給し、気体を液体に混合する。流体供給孔112から供給される気体の圧力を圧力Pbとする。
As shown in FIG. 4, the
この際、細管部116ではベンチュリ効果によって液体の圧力が低下しており、比較的低い気体圧力(Pb:300kPa〜800kPa程度)で気体の混合が可能である。したがって、気体を高密度で液体に混合することが可能である。
At this time, the pressure of the liquid is reduced by the venturi effect in the
流体供給孔112の位置(開口の中心位置)は図4に示すように、細管部116のうち、長さL2の1/2より下流側が好適であり、長さL2の3/4より下流側がさらに好適である。細管部116の下流側の方が液体の圧力が小さくなるためである。
As shown in FIG. 4, the position of the fluid supply hole 112 (the center position of the opening) is preferably on the downstream side of 1/2 of the length L2 in the
ここで、流体送入装置110は、第1テーパー部114の入口での液体の流速をVとすると、以下の(式1)を満たすように構成されている。
Here, the
0<P2−K1×(S1/S2)2×V2<Pb (式1)
ここで、圧力単位はkPa、速度単位はm/s、定数K1は3.59以上3.77以下である。0 <P2-K1 × (S1 / S2) 2 × V 2 <Pb (Formula 1)
Here, the pressure unit is kPa, the velocity unit is m / s, and the constant K1 is 3.59 or more and 3.77 or less.
上記(式1)において、「P2−K1×(S1/S2)2×V2」は細管部116内を流れる液体の圧力である。この圧力より流体供給孔112から供給される気体の圧力Pbを大きくすることにより、流体供給孔112から気体を液体中に送入することが可能となる。In the above (Formula 1), “P2-K1 × (S1 / S2) 2 × V 2 ” is the pressure of the liquid flowing in the
また、上記液体の圧力が0以下であると、キャビテーション(常温沸騰)が生じるため、上記圧力は0より大きい必要がある。 Further, when the pressure of the liquid is 0 or less, cavitation (room temperature boiling) occurs, so the pressure needs to be greater than 0.
流体送入装置110が上記(式1)で表される条件を満たすことにより、高圧で流れる液体に高精度で気体を送入することが可能であり、高密度気液混合を実現することができる。
When the
図5は、「(D2/D1)2」と流速(m/s)に対する細管部116内の液体圧力(Mpa)を示すシミュレーション結果であり、図6はこのシミュレーション結果をプロットしたグラフである。FIG. 5 is a simulation result showing the liquid pressure (Mpa) in the
それぞれの「(D2/D1)2」について流速−圧力の2次近似式を算出した。図6には「0.071」についての2次近似曲線を示す。図7には2次近似式の2次係数を示す。For each “(D2 / D1) 2 ”, a second order approximate expression of flow velocity-pressure was calculated. FIG. 6 shows a quadratic approximate curve for “0.071”. FIG. 7 shows the second order coefficients of the second order approximate expression.
図8は、「(D2/D1)2」に対して2次係数をプロットしたグラフである。同図に示すようにおよそ2次式に近似することができる。これにより、減圧効果は面積比(S1/S2)の2乗に比例することが数値実験により判明しており、減圧効果は以下の(式2)で表される。FIG. 8 is a graph in which secondary coefficients are plotted against “(D2 / D1) 2 ”. As shown in the figure, it can be approximated to a quadratic expression. Thus, it has been found by numerical experiments that the pressure reduction effect is proportional to the square of the area ratio (S1 / S2), and the pressure reduction effect is expressed by the following (Equation 2).
減圧効果値=K1×(S1/S2)2.0×V2.0 (式2)
なお、K1は定数項、圧力単位はkPa、速度単位はm/sである。Pressure reduction effect value = K1 × (S1 / S2) 2.0 × V 2.0 (Formula 2)
K1 is a constant term, the pressure unit is kPa, and the velocity unit is m / s.
細管部116の径がΦ1.6mm、Φ2.2mm又はΦ2.6mmである3種類の流体送入装置110を試験装置に組み込み、実測を行った。その結果より解析から求まるK1値の補正を行い、K1は3.59以上3.77以下、より好適には3.684と算出した。
Three types of
以上から最終的に減圧効果は以下の(式3)で表される。 From the above, the pressure reduction effect is finally expressed by the following (formula 3).
減圧効果値=3.684×(S1/S2)2.0×V2.0 (式3)Depressurization effect value = 3.684 × (S1 / S2) 2.0 × V 2.0 (Formula 3)
図9は、細管部116の径毎の実測値と上記(式3)による計算値を示すグラフである。同図に示すように細管部116の径毎に実測値と計算値はよく一致しており、上記K1値が適正であるといえる。
FIG. 9 is a graph showing measured values for each diameter of the
さらに、細管部116の長さL2は細管部116の直径の4倍以上8倍以下が好適である。長さL2が細管部116の直径の4倍未満であると細管部116で急減圧が生じ、長さL2が細管部116の直径の8倍を超えると抵抗が大きくなるためである。
Further, the length L2 of the
また、第1テーパー部114の進入角(第1テーパー部114の内壁と細管部116の延伸方向がなす角)θは45度以下が好適である。進入角θが45度以上であると抵抗が大きくなるためである。なお、第1テーパー部114の内壁は図4において直線状に表されているが、同図において曲線状となる形状であってもよい。
In addition, the entry angle of the first taper portion 114 (the angle formed by the extending direction of the inner wall of the
冷却液路113は配管M1及び配管M2Mを介してチラー151に接続され、チラー151から供給された冷却液が通液される。冷却液は任意の冷媒を利用することができ、典型的には水である。
The cooling
流路111を流れる液体は抵抗によって発熱するが、冷却液路113に冷却液を通液することにより、流体送入装置110を冷却することが可能である。これにより、気泡生成量の均一化及び送液ポンプ150等の機器の負担軽減を実現することができる。
Although the liquid flowing through the
抵抗発生装置120は、流体送入装置110において気体が混合された液体に抵抗を発生させ、気泡を発生させる。抵抗発生装置120は例えば、分流及び合流する多数の流路を備え、液体を蛇行させることにより液体に剪断応力を印加することが可能な静止型流体混合器とすることができる。
The
気泡含有液体製造装置100は以上のような構成を有する。上記のように流体送入装置110において高密度気液混合が実現できるため、気泡の高容量化が可能である。
The bubble-containing
[ポンプについて]
送液ポンプ150の吐出圧力である圧力P1は、以下の(式4)を満たすことが必要である。[About pump]
The pressure P1, which is the discharge pressure of the
P1>P2+K2×(S1/S2)2.3×V2 (式4)P1> P2 + K2 × (S1 / S2) 2.3 × V 2 (Formula 4)
ここで、圧力単位はkPa、速度単位はm/s、定数K2は1.86以上1.96以下である。 Here, the pressure unit is kPa, the velocity unit is m / s, and the constant K2 is 1.86 or more and 1.96 or less.
「K2×(S1/S2)2.3×V2」は流体送入装置110において生じる圧力損失である。したがって、所定の圧力P2を抵抗発生装置120に印加したい場合、上記式によって送液ポンプ150の必要吐出圧力を選定することができる。“K2 × (S1 / S2) 2.3 × V 2 ” is a pressure loss generated in the
図10は、「(D2/D1)2」と流速(m/s)に対する細管部116内の圧力損失(Mpa)を示すシミュレーション結果であり、図11はこのシミュレーション結果をプロットしたグラフである。FIG. 10 is a simulation result showing the pressure loss (Mpa) in the
それぞれの「(D2/D1)2」について流速−圧力の2次近似式を算出した。図12には2次近似式の2次係数を示す。For each “(D2 / D1) 2 ”, a second order approximate expression of flow velocity-pressure was calculated. FIG. 12 shows the second order coefficients of the second order approximation.
図13は、「(D2/D1)2」に対して2次係数をプロットしたグラフである。同図に示すように近似式の次数は2.3となり、2次式に近似することができない。これにより、圧力損失は面積比(S1/S2)の2.3乗に比例することが数値実験により判明しており、圧力損失は以下の(式5)で表される。FIG. 13 is a graph in which secondary coefficients are plotted against “(D2 / D1) 2 ”. As shown in the figure, the order of the approximate expression is 2.3 and cannot be approximated to the quadratic expression. As a result, it has been found by numerical experiments that the pressure loss is proportional to the 2.3 power of the area ratio (S1 / S2), and the pressure loss is expressed by the following (formula 5).
圧力損失値=K2×(S1/S2)2.3×V2.0 (式5)
なお、K2は定数項、圧力単位はkPa、速度単位はm/sである。Pressure loss value = K2 × (S1 / S2) 2.3 × V 2.0 (Formula 5)
K2 is a constant term, the pressure unit is kPa, and the velocity unit is m / s.
細管部116の径がΦ1.6mm、Φ2.2mm又はΦ2.6mmである3種類の流体送入装置110を試験装置に組み込み、実測を行った。その結果より解析から求まるK2値の補正を行い、K2は1.86以上1.96以下、より好適には1.912と算出した。
Three types of
以上から最終的に圧力損失は以下の(式6)で表される。 From the above, the pressure loss is finally expressed by the following (formula 6).
圧力損失値=1.912×(S1/S2)2.3×V2.0 (式6)Pressure loss value = 1.912 × (S1 / S2) 2.3 × V 2.0 (Formula 6)
図14は、細管部116の径毎の実測値と上記(式6)による計算値を示すグラフである。同図に示すように細管部116の径毎に実測値と計算値はよく一致しており、上記K2値が適正であるといえる。
FIG. 14 is a graph showing measured values for each diameter of the
[流体送入管の角度について]
流体送入装置110は、細管部116に対して傾斜して設けられた流体送入管130を有する構成とすることも可能である。図15は、細管部116に対して傾斜する流体送入管130を備える流体送入装置110を示す模式図である。[Angle of fluid inlet pipe]
The
流体送入管130はガスボンベ等の図示しないガス供給源と流体供給孔112とを接続し、流体供給孔112に気体を供給する。細管部116のうち、第1テーパー部114と流体供給孔112の間の部分を上流部分116cとすると、図15に示すように上流部分116cの管中心と流体送入管130の管中心の交差角度Aは90°未満が好適であり、45°以下がさらに好適である。
The
図16は、交差角度A及び流量と気体送入圧力の関係を示すグラフである。流量は流体送入管130を流れる気体の流量であり、気体送入圧力は細管部116を流れる液体に流体供給孔112から気体を送入するために必要な圧力である。なお、流体供給孔112の径は0.7mm、細管部116の径は1.6mmである。
FIG. 16 is a graph showing the relationship between the crossing angle A, the flow rate, and the gas inlet pressure. The flow rate is the flow rate of the gas flowing through the
同図に示すように、いずれの流量であっても交差角度Aが90°から減少するにしたがって気体送入圧力が低下しており、特に45°以下で最も小さくなる。一方で交差角度Aが小さすぎると細管部116と流体送入管130の接続時の加工性が低下するため、交差角度Aは35°以上45°以下が好適である。
As shown in the figure, the gas feed pressure decreases as the crossing angle A decreases from 90 ° at any flow rate, and is the smallest particularly at 45 ° or less. On the other hand, if the crossing angle A is too small, workability at the time of connecting the
なお、流体送入管130と細管部116は、両者の管中心が同一面上に位置する構造が好適であるが、同一面上から多少ずれてもよい。また、上記説明では流体供給孔112の径を0.7mmとしているが、この径を変えても図16と同様にように交差角度Aの減少に伴って気体送入圧力が低下する傾向がある。
In addition, although the structure in which both the pipe | tube centers are located on the same surface is suitable for the
[流体供給孔の位置について]
流体供給孔112における気体送入圧力は、流体供給孔112の位置によっても影響を受ける。図17は、流体供給孔112の位置を示す模式図である。同図に示すように細管部116の、第1テーパー部114側の端を0%とし、第2テーパー部115側の端を100%とする。[Location of fluid supply hole]
The gas inlet pressure in the
図18は、流体供給孔112の位置による気体送入圧力の変化を示すグラフである。なお、細管部116の径は1.6mm、細管部116内の流量は10.2L/min、流体供給孔112の孔径は0.7mm、交差角度Aは90°、流体送入管130内の流量は1.0L/minとした。
FIG. 18 is a graph showing a change in the gas supply pressure depending on the position of the
同図に示すように、流体供給孔112が55%以上90%以下の位置にあると気体送入圧力が低く、60%以上85%以下の位置にあると気体送入圧力はさらに低くなる。また流体供給孔112が70%以上75%以下の位置にあると気体送入圧力は最も低くなる。
As shown in the figure, when the
したがって、流体供給孔112の位置は55%以上90%以下が好適であり、60%以上85%以下がさらに好適であり、70%以上75%以下が最も好適である。
Therefore, the position of the
[流体について]
上記説明において流体送入装置110は、液体に気体を送入し、気泡含有液体の生成のために用いるものとしたが、これに限られず、流路111を流れる液体に気体又は液体といった流体を送入するために用いることが可能である。[About fluid]
In the above description, the
また、流体送入装置110は送液ポンプ150と共に流体送入システムを構成することができ、液体に流体を送入する各種用途に利用することができる。
Further, the
以上、本発明に実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。 As mentioned above, although embodiment was described to this invention, this invention is not limited only to the above-mentioned embodiment, Of course, a various change can be added.
10…気泡含有液体製造システム
100…気泡含有液体製造装置
110…流体送入装置
111…流路
112…流体供給孔
113…冷却液路
114…第1テーパー部
115…第2テーパー部
116…細管部
120…抵抗発生装置
130…流体送入管
150…送液ポンプDESCRIPTION OF
Claims (8)
前記第2の断面積を有する入口と、前記第2の断面積より大きい第3の断面積を有する出口を有する第2テーパー部と、
前記第1テーパー部の出口と前記第2テーパー部の入口を接続し、前記第2の断面積を有する管状の細管部と、
前記細管部に設けられた流体供給孔と
を具備し、
前記第1の断面積をS1、前記第2の断面積をS2、前記第1テーパー部の入口に供給される液体の流速をV、前記第2テーパー部の出口における液体の圧力をP2、前記流体供給孔から供給される流体の圧力をPbとすると、以下の(式1)を満たす
0<P2−K1×(S1/S2)2×V2<Pb (式1)
ただし、圧力単位はkPa、速度単位はm/s、定数K1は3.59以上3.77以下である
流体送入装置。An inlet having a first cross-sectional area; a first taper portion having a second cross-sectional area smaller than the first cross-sectional area;
A second tapered portion having an inlet having the second cross-sectional area, and an outlet having a third cross-sectional area larger than the second cross-sectional area;
A tubular thin tube portion connecting the outlet of the first tapered portion and the inlet of the second tapered portion and having the second cross-sectional area;
A fluid supply hole provided in the narrow tube portion,
The first cross-sectional area is S1, the second cross-sectional area is S2, the flow velocity of the liquid supplied to the inlet of the first tapered portion is V, the pressure of the liquid at the outlet of the second tapered portion is P2, and the When the pressure of the fluid supplied from the fluid supply hole is Pb, the following (Expression 1) is satisfied. 0 <P2-K1 × (S1 / S2) 2 × V 2 <Pb (Expression 1)
However, the pressure unit is kPa, the speed unit is m / s, and the constant K1 is 3.59 or more and 3.77 or less.
流体を前記流体供給孔に供給する流体送入管をさらに有し、
前記細径部のうち、前記第1テーパー部と前記流体供給孔の間の部分である上流部分の管中心と前記流体送入管の管中心のなす角は90°未満である
流体送入装置。The fluid delivery device according to claim 1,
A fluid inlet pipe for supplying fluid to the fluid supply hole;
The angle formed by the tube center of the upstream portion which is a portion between the first tapered portion and the fluid supply hole in the narrow diameter portion and the tube center of the fluid inlet tube is less than 90 °. .
前記上流部分の管中心と前記流体送入管の管中心のなす角は45°以下である
流体送入装置。The fluid delivery device according to claim 2,
An angle formed by the tube center of the upstream portion and the tube center of the fluid inlet tube is 45 ° or less.
前記流体供給孔は、前記細管部の、前記第1テーパー部側の端を0%とし、前記第2テーパー部側の端を100%としたときに、55%以上90%以下の位置に設けられている
流体送入装置。The fluid delivery device according to claim 1,
The fluid supply hole is provided at a position of 55% or more and 90% or less when the end on the first taper portion side of the narrow tube portion is 0% and the end on the second taper portion side is 100%. A fluid delivery device.
前記流体供給孔は、前記細管部の、前記第1テーパー部側の端を0%とし、前記第2テーパー部側の端を100%としたときに、60%以上85%以下の位置に設けられている
流体送入装置。The fluid delivery device according to claim 4,
The fluid supply hole is provided at a position of 60% or more and 85% or less, assuming that the end of the narrow tube portion on the first taper portion side is 0% and the end on the second taper portion side is 100%. A fluid delivery device.
前記流体供給孔は、前記細管部の、前記第1テーパー部側の端を0%とし、前記第2テーパー部側の端を100%としたときに、70%以上75%以下の位置に設けられている
流体送入装置。The fluid delivery device according to claim 5,
The fluid supply hole is provided at a position of 70% or more and 75% or less when the end on the first taper portion side of the narrow tube portion is 0% and the end on the second taper portion side is 100%. A fluid delivery device.
前記第1テーパー部、前記第2テーパー部及び前記細管部の周囲に設けられ、冷却液が通液される冷却液路
をさらに具備する流体送入装置。The fluid delivery device according to claim 1,
A fluid feeding device further comprising: a cooling liquid path that is provided around the first taper part, the second taper part, and the narrow tube part, and through which a cooling liquid flows.
前記第1テーパー部の入口に接続され、吐出圧力P1が以下の(式2)を満たす
P1>P2+K2×(S1/S2)2.3×V2 (式2)
ただし、圧力単位はkPa、速度単位はm/s、定数K2は1.86以上1.96以下である送液ポンプと
を具備する流体送入システム。A fluid delivery device according to any one of claims 1 to 7;
P1> P2 + K2 × (S1 / S2) 2.3 × V 2 (Formula 2) Connected to the inlet of the first taper portion and discharge pressure P1 satisfies the following (Formula 2):
However, a fluid feeding system comprising: a liquid feeding pump having a pressure unit of kPa, a velocity unit of m / s, and a constant K2 of 1.86 or more and 1.96 or less.
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