TWI623350B - Gas replacement device - Google Patents

Abstract

本發明的目的是有效率地將置換溶解於水中的氣體。在整流板50a~50f配置的領域具有開口於天頂側及底部側的通氣路60，因此能夠將從水放出的氮氣(溶解於水的氣體被置換成氧氣而從水放出的氮氣)透過通氣路60移動到容器的天頂側。藉此，能夠有效率地將氮氣從排氣口30a排出，因此能夠抑制氮氣停留於容器10內。藉此，能夠抑制容器10內的氧氣的濃度(分壓)下降，能夠增大溶解於水中的氧氣量，因此能夠有效率地置換溶解於水中的氣體。

Description

氣體置換裝置

本發明係有關於氣體置換裝置。

有一種氣體置換裝置，在容器的內部填充氣體(例如氧氣)，對容器內加壓使該液體(例如水)在容器內流下，藉此將原本溶解於液體的氣體(大氣壓下原本溶存於液體的氣體，例如氮氣)置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)(也就是例如將溶解於水的氣體從氮氣置換成氧氣)。

例如，專利文獻1揭露一種氣體置換裝置，對著填充氣體(例如氧氣)的容器內的上方吐出液體(例如水)，使液體流下到配設於容器內的整流板。根據這種氣體置換裝置，藉由流體流下整流板，溶解於液體中的氣體會被置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)。

專利文獻1：日本特開2008-086896號公報(例如第1圖)

在此，溶解於液體(例如水)的氣體被置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)，原本溶解於液體的氣體(例如氮氣)會從液體中放出。

在這個情況下，上述的習知技術中，因為是液體(例如水)相同地流下各整流板的構造，被置換而從液體放出 的氣體(原本溶解於液體的氣體(例如氮氣))往天頂側的移動會受到流下的液體的限制。也就是，因為被置換而從液體(例如水)放出的氣體(例如氮氣)會留在容器內，使得填充於容器內的氣體(例如氧氣)的濃度(分壓)降低，因此造成了無法將溶解於液體中的氣體有效率地置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的問題。

本發明的目的是為了解決上述的問題點，而提出一種氣體置換裝置，能夠將溶解於液體(例如水)的氣體有效率地置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)。

為了達成本目的，本發明的氣體置換裝置，包括：容器，填充氣體並加壓到大氣壓以上；供給口，將該氣體供給到該容器的內部；整流板，從該容器的內面壁突出地形成，並且沿著該內面壁延伸設置；流入口，配置於比該整流板更上方，並且讓液體從該容器的外部流入內部；流出口，連結到該內面壁的下端側，並且讓流下到該容器的底部的液體排出到外部；排氣口，設置於比該整流板更上方，並且將該容器的內部的氣體排出到外部，其中在該整流板配置的領域具有在該容器的天頂側及底部側都有開口的通氣路，劃分出該通氣路與該液體流下的流路。

根據申請專利範圍第1項所記載的氣體置換裝置，配置整流板的領域具有開口於容器的天頂側及底部側的通氣路，因此能夠將被置換而從液體(例如水)放出的氣體(例如氮氣)透過通氣路移動到容器的天頂側，有效率地從排氣口 排出。藉此，具有抑制填充於容器內的氣體(例如氧氣)的濃度(分壓)降低，以及有效率地將溶解於液體的氣體置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的效果。

又，因為劃分出液體(例如水)流下的流路以及通氣路，所以能夠抑制被置換而從液體放出的氣體(例如氮氣)與液體接觸。藉此，具有有效率地將溶解於液體的氣體置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的效果。

根據申請專利範圍第2項所記載的氣體置換裝置，除了申請專利範圍第1項記載的氣體置換裝置的效果外，因為內面壁形成剖面圓形，且整流板以螺旋狀沿著內面壁延伸設置，所以能夠使從流水口吐出的液體(例如水)在內面壁的周方向上旋轉。

藉此，因為流下的液體的離心力，而在內面壁的軸附近形成沒有液體存在的空洞，且同時使被置換而從液體放出的氣體(例如氮氣)與液體分離(比液體質量小的氣體會因為離心力而集中於內面壁的軸附近)。藉此，能夠使被置換而從液體放出的氣體(例如氮氣)移動到天頂側，有效率地從排氣口排出。藉此，具有抑制填充於容器內的氣體(例如氧氣)的濃度(分壓)降低，以及有效率地將溶解於液體的氣體置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的效果。

又，藉由螺旋狀延伸設置整流板，使得從流入口吐出的液體旋轉於內面壁的周方向上，能夠在整流板的表面形成薄水膜。藉此，能夠增大填充於容器內的氣體(例如氧氣)與液體之間的接觸機會，因此具有有效率地將溶解於液體的氣 體置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的效果。

根據申請專利範圍第3項所記載的氣體置換裝置，除了申請專利範圍第2項記載的氣體置換裝置的效果外，整流板在內面壁的軸方向配置複數個，這些複數的整流板以將螺旋分段的態樣配置，並且在分段的位置，會在內面壁的軸方向上分離配置，因此，被整流板整流而成為薄水膜的液體(例如水)會從複數的整流板的分段位置的高低差流下(落下)，就此增大填充於容器內的氣體(例如氧氣)與液體之間的接觸機會(從高低差落下的期間，能夠使水膜的表面的全部暴露於填充在容器內的氣體(例如氧氣))。藉此，具有有效率地將溶解於液體的氣體置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的效果。

根據申請專利範圍第4項所記載的氣體置換裝置，除了申請專利範圍第2或3項記載的氣體置換裝置的效果外，通氣路配置於比整流板更靠內面壁的軸側，所以藉由旋轉流下的液體(例如水)能夠將在內面壁的軸附近形成的空洞的一部分當作通氣路，因此具有能夠省略用來設置通氣路的空間，抑制氣體置換裝置的製造成本的效果。

又，排氣口從內面壁的軸方向觀看下，配置於與至少通氣路的天頂側的開口重疊的位置，因此能夠使被置換而從液體放出的氣體(例如氮氣)透過通氣路移動到天頂側，有效率地從排氣口排出。藉此，具有抑制填充於容器內的氣體(例如氧氣)的濃度(分壓)降低，以及有效率地將溶解於液體的氣體置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的效果。

根據申請專利範圍第5項所記載的氣體置換裝置，除了申請專利範圍第4項記載的氣體置換裝置的效果外，更具有縮徑構件，配置於整流板所配置的領域的下方，並且形成朝向容器的底部側縮窄的圓錐狀的壁面，這個縮徑構件的上端的外周與內面壁連接，並且在下端具有開口部，因此流下縮徑構件的液體(例如水)能夠維持離心力，能夠讓儲存於容器的底部的液體產生漩渦。

藉此，被置換而從液體放出的氣體(例如氮氣)的氣泡，會因為離心力而一邊集中於漩渦的中心一邊浮到液面上，因此，能夠使被置換而從液體放出的氣體(例如氮氣)透過通氣路移動到天頂側，有效率地從排氣口排出。藉此，具有抑制填充於容器內的氣體(例如氧氣)的濃度(分壓)降低，以及有效率地將溶解於液體的氣體置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的效果。

根據申請專利範圍第6項所記載的氣體置換裝置，除了申請專利範圍第5項記載的氣體置換裝置的效果外，縮徑構件具備配置於上端且連通縮徑構件的內周側與外周側的連通口，因此，能夠使被置換而從液體(例如水)放出的氣體(例如氮氣)的氣泡從縮徑構件的外周側移動到內周側。藉此，能夠抑制被置換而從液體放出的氣體(例如氮氣)停留在容器的底部側(縮徑構件的外周側)。藉此，具有抑制填充於容器內的氣體(例如氧氣)的濃度(分壓)降低，以及有效率地將溶解於液體的氣體置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的效果。

根據申請專利範圍第7項所記載的氣體置換裝置，除了申請專利範圍第6項記載的氣體置換裝置的效果外，更包括配置於開口部的下方的緩衝構件，因此能夠抑制從縮徑部的下端的開口部流下的液體(例如水)與容器的底面(儲存於容器的底部的液體)碰撞，抑制被置換而溶解於液體的氣體(例如氧氣)再從液體放出。藉此，具有有效率地將溶解於液體的氣體置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的效果。

又，緩衝構件具有朝向該容器的底部側凹設的凹設面，因此會形成沿著緩衝構件的凹設面往上方的流動，能夠將被置換而從液體放出的氣體(例如氮氣)的氣泡透過連通口移動到縮徑構件的內面側。藉此，能夠抑制被置換而從液體放出的氣體(例如氮氣)停留在容器的底部側(縮徑構件的外周側)，因此能夠抑制填充於容器內的氣體(例如氧氣)的濃度(分壓)降低。藉此具有有效率地將溶解於液體的氣體置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的效果。

根據申請專利範圍第8項所記載的氣體置換裝置，除了申請專利範圍第4至7項任一項記載的氣體置換裝置的效果外，通氣路的下端位於比整流板配置的領域的下端更上方，因此即使儲存於容器的底部的液體(例如水)的水位位於比通氣路的下端更下方的情況下，通氣路的下端與液面之間的空間的周圍能夠形成旋轉的液體流路。藉此，能夠使被置換而從液體放出的氣體(例如氮氣)透過通氣路移動到天頂側，有效率地從排氣口排出，因此抑制填充於容器內的氣體(例如氧氣)的濃度(分壓)降低，藉此，具有有效率地將溶解於液體 的氣體置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的效果。

根據申請專利範圍第9項所記載的氣體置換裝置，除了申請專利範圍第2至8項任一項記載的氣體置換裝置的效果外，供給口及排氣口配置於容器的天頂面，供給口的配置位置位於比排氣口的配置位置更靠內面壁側，因此能夠增大填充於容器內的氣體(例如氧氣)與液體(例如水)的接觸機會。藉此，具有有效率地將溶解於液體的氣體置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的效果。

根據申請專利範圍第10項所記載的氣體置換裝置，除了申請專利範圍第2至9項任一項記載的氣體置換裝置的效果外，排氣口具備從容器的天頂側朝向底部側擴徑並且配置於容器的天頂面的擴徑部，從內面壁的軸方向來看，通氣路的天頂側的開口配置於排氣口的擴徑部所形成的領域內，因此能夠將被置換而從液體(例如水)放出的氣體(例如氮氣)集中到擴徑部。藉此，能夠將被置換而從液體放出的氣體(例如氮氣)有效率地從排氣口排出，且能夠抑制被置換而從液體放出的氣體(例如氮氣)與液體接觸。藉此，具有有效率地將溶解於液體的氣體置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的效果。

根據申請專利範圍第11項所記載的氣體置換裝置，除了申請專利範圍第2至10項任一項記載的氣體置換裝置的效果外，流入口以將液體(例如水)的吐出方向朝向該整流板的延伸設置方向的型態配置，因此能夠抑制從流入口流入的液體與整流板或內面壁碰撞而減弱液體的推力。也就是，藉由提高流下的液體的離心力而在整流板的表面形成薄水膜，能 夠增大填充於容器內的氣體(例如氧氣)與液體之間的接觸機會。又，藉由提高液體的離心力，能夠提高被置換而從液體放出的氣體(例如氮氣)與液體之間的分離效果。藉此，具有有效率地將溶解於液體的氣體置換成填充於容器內的氣體(例如氧氣)的效果。

1、201、301‧‧‧氣體置換裝置

10‧‧‧容器

11‧‧‧天井面

12‧‧‧內面壁

13‧‧‧底面

20‧‧‧氧氣供給管

21‧‧‧供給口

22‧‧‧氧氣供給閥

30‧‧‧排氣管

30a‧‧‧排氣口

30a1‧‧‧擴徑部

30b‧‧‧排氣閥

31‧‧‧排氣管

31a‧‧‧排氣口

31b‧‧‧排氣閥

40、240、340‧‧‧流入管

41、241、341‧‧‧流入口

50a、50b、50c、50d、50e、50f‧‧‧整流板

60‧‧‧通氣路

70‧‧‧縮徑構件

71‧‧‧連通口

72‧‧‧翼部

73‧‧‧開口部

80‧‧‧緩衝構件

81‧‧‧凹設面

90‧‧‧流出管

91‧‧‧流出口

100‧‧‧檢出器

101‧‧‧水位計

102‧‧‧水位感測器

110‧‧‧檢出器

111‧‧‧感測部

112‧‧‧浮標部

120‧‧‧控制裝置

B‧‧‧基座

O‧‧‧軸(內面壁的軸)

第1圖係本發明一實施型態的氣體置換裝置的剖面圖。

第2(a)圖係第1圖的IIa-IIa線的氣體置換裝置的剖面圖。

第2(b)圖係第1圖的IIb-IIb線的氣體置換裝置的剖面圖。

第2(c)圖係第1圖的IIc-IIc線的氣體置換裝置的剖面圖。

第2(d)圖係第1圖的IId-IId線的氣體置換裝置的剖面圖。

第3圖係氣體置換裝置的部分剖面立體圖。

第4圖係氣體置換裝置的部分放大剖面圖。

第5(a)圖係第2實施型態的氣體置換裝置的部分放大剖面圖。

第5(b)圖係第3實施型態的氣體置換裝置的部分放大剖面圖。

以下，參照圖式說明本發明的實施型態。首先，參照第1圖及第2圖來說明氣體置換裝置1的全體構造。第1圖係本發明一實施型態的氣體置換裝置1的剖面圖。第2(a)圖係第1圖的IIa-IIa線的氣體置換裝置1的剖面圖。第2(b)圖係第1圖的IIb-IIb線的氣體置換裝置1的剖面圖。第2(c) 圖係第1圖的IIc-IIc線的氣體置換裝置1的剖面圖。第2(d)圖係第1圖的IId-IId線的氣體置換裝置1的剖面圖。為了容易理解，第1圖中，圖式省略氣體置換裝置1的一部分，一部分的陰影省略，第2圖中，圖式省略氣體置換裝置1的一部分。

氣體置換裝置1例如是一種將溶解於河川或湖泊等的被淨化水域所取出的水(污濁水)的氣體置換成氧氣，將獲得的處理水再供給(流出、送水)到被淨化水域的裝置。將這個氣體置換裝置1所處理的(氧氣溶解)水供給到被淨化水域的情況下，該被淨化水域的溶氧(DO)量增加，該被淨化水域中的微生物被活化。結果，能夠促進該被淨化水域中的有機物的分解，提升該被淨化水域的水質。

如第1圖及第2圖所示，氣體置換裝置1是設置於作為基底的基座B上的裝置，具有容器10，以不鏽鋼材或硬質合成樹脂(例如FRP等)等的具有耐腐蝕性的材料形成，且具有將其內部的壓力加壓到大氣壓以上也不會破損的耐壓性。

容器10具有彎曲成球狀的天頂面11、從該天頂面11的端部(周緣部)朝向容器10的底部側(基座B側)延伸的橫剖面為圓形的內面壁12、連著該內面壁12的下端設置的底面13，容器10內形成橫剖面為圓形的內部空間。

在以下的說明中，將內面壁12的軸定義為軸O，將容器10的天頂面11側定義為天頂側，將容器10的底面13側定義為底部側。

容器10的上面(第1圖的上側的面)連結有用來供給來自於氧氣供給源的氧氣的氧氣供給管20，天頂面11開 口形成有作為該氧氣的供給口的供給口21。又，氧氣供給管20上設置有由電磁閥構成的氧氣供給閥22。

又，容器10的上面(第1圖的上側的面)的中央連結有用來排出容器10內的氣體的排氣管30，天頂面11開口形成有排氣口30a。排氣口30a形成有其開口從天頂側朝向底部側擴徑的擴徑部30a1，從軸O方向來看，比擴徑部30a1的下端的外周更靠內面壁12側設置了供給口21。又，排氣管30上設置有由電磁閥所構成的排氣閥30b，藉由後述的控制裝置120來控制其開閉。

藉由在關閉排氣閥30b的狀態下調整氧氣供給閥22的開度，將氧氣供給至容器10內。藉由在關閉氧氣供給閥22的狀態下開放排氣閥30b，將伴隨著後述的氣體置換裝置1的置換處理而生的氣體(本實施型態中是氮氣)排出到容器10的外部。

又，容器10的上面連結有用來手動排出容器10內的氣體的排氣管31，天頂面11開口形成了排氣口31a。這個排氣管31上設置有可手動開閉的排氣閥31b，能夠適當地排放容器10內的氣體。

另外，作為氧氣供給源，例如壓入氧氣的高壓氧氣筒。然而，並不一定限定於此，氧氣供給源例如可以是能夠抽出大氣中的氧氣，然後加壓供給氧氣的氧氣產生裝置等。

又，容器10的上面連結有流入管40，用來使經過泵(未圖示)從河川或湖泊等的被淨化水域取出的水(污濁水)流入容器10內。從天頂面11往下方突出的位置開口形成了流入口41。也就是，流入管40以將其流入口41朝向後述的整流板 50a的上面(第1圖的上側的面)的擺設方式設置(參照第2(b)圖)，被泵取出的水會從流入口41流下到整流板50a的上面。

內面壁12在軸O方向等間隔(從軸O方向開始以整流板50a、50b、50c、50d、50e、50f)設置了延伸成螺旋狀的複數(本實施型態為6個)的整流板50a~50f。整流板50a的上流側的端部的上方設置有流入口41。

整流板50a~50f形成從內面壁12朝向軸O突出的板狀，各自跨過內面壁12的半周延伸設置。整流板50a~50f各自差180°的相位配置，配置時各整流板50a~50f的下流側的端部與上流側的端部會在軸O方向上分離(例如整流板50a的下流側的端部與整流板50b的上流側的端部之間形成軸O方向的高低差，各整流板50b~50f在這兩端部之間都形成有同樣的軸O方向的高低差)。也就是，各整流板50a~50f是以將螺旋分段的態樣設置，且該分段的部位在軸O方向形成有高低差。(參照第3圖)。

從軸O方向觀看下的內面壁12的中心設置有分別在天頂側及底部側具備開口的圓筒狀的通氣路60。通氣路60的外徑設定成比擴徑部30a1的下端的內徑小，從軸O方向觀看下，通氣路60配置於比擴徑部30a1的下端的內周更靠軸O側的位置(參照第2(d)圖)。也就是，排氣口30a從軸O方向觀看下，設置於與通氣路60的天頂側的開口重疊的位置。

又，通氣路60的外面連結整流板50a~50f的內周。藉此，通氣路60會透過整流板50a~50f被內面壁12支持，因此內面壁12的中心不需要另外設置用來支持通氣路60 的構件，能夠抑制零件數量。

通氣路60的外周面的下端(第1圖的下側的端部)連結了整流板50f，通氣路60的下端配置在比整流板50f的下流側的端部更上方的位置。在與該整流板50f的下流側的端部大致相同高度的位置設置有朝向容器10的底部側縮窄的圓錐狀的縮徑構件70。

縮徑構件70藉由其上端的外周連接於內面壁12而作為與內面壁12連接的壁面形成，具備沿著其上端側的周方向等間隔配置的複數(本實施型態是6個)的連通口71、配置於該連通口71的翼部72、開口形成於下端的開口部73。藉由此縮徑構件70，容器10的內部被劃分成天頂側與底部側。

連通口71是連通縮徑構件70的內周側與外周側的孔，是往縮徑構件70壁面切入，該切入的部分往縮徑構件70的內周側彎折而形成，該彎折的部分相當於翼部72。也就是說，翼部72作為連接縮徑構件70的內周面的板而形成，整流板50a~50f的螺旋的旋轉方向(延螺旋流下的水的旋轉方向)側的端部是往縮徑構件70的內周側伸出而形成(例如第1圖的中央的翼部72的右側的端部往紙面前側伸出而形成)。

翼部72連結至與在連通口71的水的旋轉方向相反側的端部，連通口71以其開口朝向水的旋轉方向側的型態形成(例如第1圖的中央的連通口71是以其開口朝向右側的型態習成)。

開口部73是將縮徑構件70的下端切開後作為圓形的開口形成，開口部73的下方設置有緩衝構件80。緩衝構件80具有朝向容器10的底部側凹設成球狀的凹設面81，該凹 設面81的外緣形成比開口部73的直徑大。又，開口部73配置於比凹設面81的外緣更下方的位置，從軸O方向觀看下，配置於比凹設面81的外緣更靠內側的位置。

比緩衝構件80更靠底部側的容器10的側面(第1圖的右側的面)配置有連通容器10的內部與外部的圓筒狀的流出管90，容器10的內部側開口形成了流出口91。此流出口91是將流出管90的端部斜向切斷而作為橢圓形的開口形成，流出管90以將其流出口91朝向天頂側的型態設置。

又，容器10的側面配置有用來檢測容器10內的水位(水面S的高度位置)的檢出器100、110、用來控制氧氣供給閥22及排氣閥30b的控制裝置120。

檢出器100具備由玻璃或樹脂等的光透過性材料組成的水位計101、檢測出該水位計101內的液面位置的水位感測器102。水位計101形成圓筒狀且其兩端與容器10的內部連通，在上方的一端與整流板50b的上方處的內面部12連通，在下方的另一端與高度位置與開口部73大致相同處的內面壁12。水位感測器102配置於與通氣路60的下端等高的位置。

檢出器110是水位感測器，具備感測部111、以及可浮游於水面上而形成的浮標部112。檢出器110設置於與通氣路60的下端等高的位置。

儲留於容器10的底部側的水的水位(水面S)上升或下降會使水位計101內的液面上升或下降，該液面位置被水位感測器102檢測出來。又，水位上升或下降會使浮標部112上升或下降，感測部111從該浮標部112的高度位置檢測出水位。

控制裝置120因應於檢出器100、110檢測出的水位來控制氧氣供給閥22的開閉，調整氧氣的供給量(容器10內的氣壓)使水位到達通氣路60的下端的高度。另外，氧氣供給閥22也可以是由計時器來控制開關的機構。

在此，從底面13到水位感測器102(通氣路60的下端)為止的長度L2會比起從水位感測器102(通氣路60的下端)到天頂面11為止的長度L1更長。也就是，控制裝置120會控制水位，使得儲留於容器10的內部的水的容積會比起填充氧氣於容器10的內部的容積更大。藉此，儲留的水成為壁面，能夠抑制填充於容器10內的氧與水一起從流出管90流出。

又，控制裝置120因應於檢測出流出管90流出的水的溶氧量的感測器(未圖示)及檢測出容器10內的氧氣濃度的感測器(未圖示)的檢測結果，控制排氣閥30b的開閉，當容器10內的氧氣濃度或水的溶氧量在既定值以下時就打開排氣閥30b。另外，排氣閥30b也可以是被計時器斷續地開閉的構造。又，容器10的上面(天頂面11)也可以適當地設置手動的氧氣閥、安全閥或壓力閥。

接著，參照第3圖及第4圖，說明藉由上述構造的氣體置換裝置1將溶於水的氣體置換成氧氣的態樣。第3圖是氣體置換裝置1的部分剖面立體圖。第4圖是氣體置換裝置1的部分放大剖面圖。另外，第3圖及第4圖的2點鏈線分別表示容器10內的水的移動路徑。

如第3圖及第4圖所示，藉由未圖示的泵取水，氮氣溶解的水(污濁水)從流入口41吐出，進入氧氣被填充 加壓到大氣壓以上的容器10內(移動路徑C1)。容器10內的氧氣的壓力被加壓到比大氣壓稍高的壓力，本實施型態是加壓到0.05MPa的壓力。

在此，流入口41是以將水的吐出方向朝向整流板50a的上面的型態配置，因此從流入口41吐出的水會沿著整流板50a的上面一邊螺旋狀旋轉一邊流下而被整流(移動路徑C2)。

藉此，在整流板50a的上面旋轉並流下的水會與氧氣接觸，藉此使氧氣溶解於水，原本溶解於水的氮氣(原本在大氣壓下溶解於水的氣體)會從水放出。也就是，相對於在大氣壓下溶解於水中的氮氣，因為將氧氣填充於更高的壓力下的容器10內，藉由該壓力差將溶解於水的氣體從氮氣置換成氧氣(氣體對水的溶解度與氣體的壓力成比例，混合氣體的情況下則與它們的分壓成比例(亨利法則))。

從水放出的氮氣比水的質量小，因此會因為水的離心力而分離，而集中於軸O(通氣路60的外周面)附近。在這個情況下，水會沿著內面壁12的周方向螺旋狀地旋轉流下，通氣路60的外周面與流下的水之間形成水不存在的空洞，因此能夠通過這個空洞將氮氣移動到天頂側。

藉此，能夠有效率地將氮氣從排氣口30a排出，因此能夠抑制氮氣停留於容器10的內部。藉此，能夠抑制容器10的內部的氧的濃度(分壓)的下降，能夠增大溶解於水中的氧氣量(也就是，如果容器10內的氮氣的分壓升高的話，會對置換成氧氣形成阻礙)。

在此，水的黏性高，在容器內讓水自由落下的話， 不會形成薄水膜，因此不能夠確保水與氧氣的接觸面積。相對於此，根據本實施型態的氣體置換裝置1，複數的整流板50a~50f在內面壁12螺旋狀地延伸設置，因此水會一邊螺旋狀地旋轉一邊被整流板50a~50f整流，相較於水以自然落下的方式流下的情況下，能夠形成更薄的水膜於整流板50a~50f的表面。

又，水從螺旋狀的整流板50a~50f的上面流下，因此相較於水自然落下的情況，能夠拉長落下的距離。藉此，能夠增大水與氧氣的接觸機會。又，從軸O方向觀看下，比擴徑部30a1的下端的外周更靠內面壁12側配置有供給口21，因此能夠增大沿著內面壁12的周方向旋轉流下的水與氧氣的接觸機會。

在整流板50a的上面旋轉的水，會因為螺旋狀向下傾斜的整流板50a，在保持住離心力(旋轉力)的狀態下流下到整流板50b(移動路徑C3)。從整流板50a往整流板50b流下的水，會因為這個離心力一邊在整流板50b的上面旋轉而被整流(移動路徑C4)，之後沿著與移動路徑C3、C4相同的移動路徑，從各整流板50c~50f流下。

在這個情況下，整流板50a~50f的下流側端部與上流側端部在軸O方向上分離地配置(例如，整流板50b的上流側的端部會相對於整流板50a的下流側，在軸O方向上分離配置)，因此水流下(落下)各整流板50a~50f之間的高低差時(參照移動路徑C3)，能夠增大水與氧氣接觸的機會。也就是，因為能夠使形成薄水膜的水的全面暴露於氧氣中(以氧氣夾住水膜)，所以能夠增大水與氧氣之間的接觸面積。

又，整流板50a~50f以螺旋狀向下傾斜的型態配 置，因此能夠抑制整流板50a~50f的上面有異物堆積，能夠提高水的離心力。

在此，從水放出的氮氣會因為水的離心力而分立，集中於軸O附近，但一部分的氮氣會跟著流下的水一起移動到容器10的底部側(整流板50f的下方)。在這個情況下，因為具備的通氣路60在天頂側及底部側都有開口，而且通氣路60的外周面與流下的水之間形成有水不存在的空洞，所以能夠透過這些通氣路60及空洞，將跑到容器10的底部側的氮氣往天頂側移動，能夠有效率地從排氣口30a排氣。

在這個情況下，排氣口30a從軸O的方向觀看下，配置於與通氣路60的天頂側的開口重疊的位置，因此能夠透過通氣路60的外周面與旋轉的水之間的空洞或者是通氣路60，容易地將移動到天頂側的氮氣排出。又，排氣口30a形成有開口從容器10的天頂側朝向底部側擴徑的擴徑部30a1，通氣路60從軸O方向觀看下，配置於比擴徑部30a1的下端的內周更靠軸O側的位置，因此能夠將移動到天頂側的氮氣往擴徑部30a1集中。藉此，能夠抑制往天頂側移動的氮氣與水之間的接觸，且能夠使氮氣容易地從排氣口30a排出。

像這樣，藉由將跑到容器10的底部側的氮氣移動到天頂側排氣，能夠抑制氮氣停留於容器10內。因此，能夠抑制容器10的內部的氧氣的濃度(分壓)下降，能夠增大溶解於水的氧氣量。

又，往天頂側移動的氮氣與流下的水被通氣路60分隔，能夠抑制氮氣與水接觸。又，通氣路60比整流板50a~ 50f設置於更靠軸O側，因此能夠利用旋轉流下的水而將形成於軸O附近的空洞的一部分當作是通氣路60。藉此，能夠省略用於設置通氣路60的空間，能夠抑制氣體置換裝置1的製造成本。

從整流板50a~50f流下的水會從最下部的整流板50f流下到縮徑構件70(參照移動路徑C5、第4圖)。在這個情況下，縮徑構件70形成朝向底部側縮窄的圓錐形狀，因此從整流板50f旋轉流下到縮徑構件70的水會維持其離心力，沿著縮徑構件70的內周側流下的水(儲留於縮徑構件70的內周側的水)或發生漩渦(移動路徑C6)。

在這個情況下，翼部72作為連接縮徑構件70的內周面的板子形成，在整流板50a~50f的螺旋旋轉方向側的端部會朝縮徑構件70的內周側伸出，並且會與在連通口71處的水的旋轉方向相反側的端部連結(連通口71以其開口朝向水的旋轉方向側的型態形成)，因此在連通口71的內周側旋轉的水會沿著翼部72旋轉。也就是說，即是形成連通口71的情況下，能夠抑制水的推力(離心力)變弱，能夠使儲留的水容易發生漩渦。

又，底面13到水面感測器102(通氣路60的下端)的長度L2形成得比水位感測器102(通路60的下端)到天頂面11的長度L1長(也就是藉由控制裝置120控制水位，使得儲流於容器10的內部的水的容積比填充於容器10的內部的氧氣的容積大)，因此能夠拉長將要形成儲留的水的漩渦的長度(上下方向的長度)。藉此，能夠利用水的離心力(漩渦)有效地將氮氣分離(能夠將氮氣集中於漩渦的中心)。

像這樣，使儲留於底部側的水產生漩渦，藉由離心力使氮氣往漩渦的中心(軸O附近)集中，能夠使氮氣從漩渦的中心浮起。也就是，能夠把從儲留的水內浮起的氮氣，透過通氣路60的外周面與旋轉流下的水之間的空洞或者是通氣路60移動到天頂側。藉此，能夠將混入儲留的水的氮氣有效率地從排氣口30a排出，因此能夠抑制容器10的內部的氧氣的濃度(分壓)下降。因此能夠增大溶解於水中的氧氣量。

從縮徑構件70的開口部73流下的水會流下到配置在該開口部73的下方的緩衝構件80(移動路徑C7)。藉此，能夠抑制從開口部73流下的水與底面13(儲留的水的水面)碰撞，抑制溶解於水的氧氣因為碰撞而從水中放出。

從開口部73流下底面13的水會一邊從流出口91流出到容器10的外部，一邊儲留於容器10的內部，控制裝置120會控制水位在通氣路60的下端。

在這個情況下，當氮氣混入從開口部73流下的水，氣泡會從開口部73上升，停留於縮徑構件70的外周與內周壁12之間，因此會造成溶解於水的氧氣的濃度降低。相對於此，根據本實施型態的氣體置換裝置1，縮徑構件70的上端配設連通口71，藉由該連通孔71使縮徑構件70的內周側與外周側連通，因此能夠允許儲留於容器10的底部側的水中混入的氮氣氣泡從縮徑構件70的外周側移動到內周側。

又，配置於開口部73的下方的緩衝構件80具備向著底部側凹設的凹設面81，所以從開口部73流下的水會沿著凹設面81流動，藉此形成從開口部73往上方的水流(移動 路徑C7)。藉此，能夠將混入水中的氮氣氣泡導引到連通口71，因此氮氣不會停留在底部側(縮徑構件70的外周與內面部12之間)，而會往天頂側移動。

又，即使氮氣氣泡流下到比流出口91更下方的情況下，流出口90以流出口91朝向天頂側的型態配置，因此能夠抑制氮氣氣泡流到容器10的外部(能夠抑制氮氣流到被淨化水域)。也就是說，能夠使氮氣氣泡不流到容器10的外部，而是導引到連通口71，往縮經構件70的內周側移動。

像這樣，使混入縮徑構件70的外周側的氮氣透過連通口71移動到縮徑構件70的內周側，再利用漩渦的作用，能夠透過通氣口60從排氣口31a有效率地排氣。藉此，能夠抑制容器10的內部的氧氣的濃度(分壓)下降，增大溶解於水中的氧氣量。

在此，儲留於底部側的水會被調整為水位在通氣路60的下端附近的高度，但水位並不是一直固定，高度會在通氣路60的下端的上方或下方移動。在這個情況下，因為通氣路60的下端位於比整流板50f的下流側的端部更上方的位置，所以即使儲留的水的水位在通氣路60的下端的下方，在通氣路60的下端與儲留的水之間的空間的周圍(外周側)，能夠形成旋轉的水的流路。藉此，能夠將從儲留的水的漩渦中心浮起的氮氣，透過通氣路60的外周面與旋轉流下的水之間的空洞或者是通氣路60，從排氣口30a排出。

如上所述，根據本實施型態的氣體置換裝置1，能夠將溶解於水的氣體有效率地從氮氣置換成氧氣。又，比起利用曝氣將氧氣溶解於水的裝置，能夠提高水的溶氧量，且能夠 抑制氮氣氣泡流出至被淨化水域。

接著，參照第5圖，說明第2實施型態及第3實施型態。第1實施型態中，說明了以流入口41朝向整流板50a的上面的型態來配置流入管40的情況，第2實施型態及第3實施型態中，說明以流入口241、341朝向整流板50a的下流側(螺旋狀的整流板50a的延伸設置方向)的型態來配置流入管240、340的情況。另外，與上述第1實施型態相同的部分會標示相同的符號而省略說明。

第5(a)圖係第2實施型態的氣體置換裝置1的部分放大剖面圖，第5(b)圖係第3實施型態的氣體置換裝置1的部分放大剖面圖。另外，第5圖中，為了容易理解，圖示會省略氣體置換裝置1的一部分。

如第5(a)圖所示，第2實施型態的流入管240形成圓筒狀，其前端(整流板50a側的端部)會被斜向切削，形成橢圓形的流入口241。流入管240以將流入口241朝向整流板50a的下流側(螺旋狀的整流板50a的延伸設置方向，即第5(a)圖的右側)的型態配置。

藉此，從流入口241流入的水會朝向整流板50a的下流側吐出(移動路徑C201)，因此相較於水落下到整流板50a的上面的情況，能夠提高沿著整流板50a的旋轉方向的水的推力(離心力)。藉此，能夠形成更薄的水膜，且能夠容易地利用水的離心力來分離氮氣(容易集中於軸O附近)，因此能夠有效率地將溶解於水的氣體從氮氣換成氧氣。

如第5(b)圖所示，第3實施型態的流入管340形 成圓筒狀，其前端(整流板50a側的端部)彎曲成L字狀，流入管340以將流入口341朝向整流板50a的下流側(螺旋狀的整流板50a的延伸設置方向，即第5(b)圖的右側)的型態設置。

藉此，從流入口341流入的水會朝向整流板50a的下流側且沿著整流板50a的上面吐出(移動路徑C301)，因此能夠抑制水與整流板50a碰撞而減弱水的推力，並能夠更加提高沿著整流板50a的旋轉方向的水的推力(離心力)。藉此，能夠形成更薄的水膜，且能夠容易地利用水的離心力來分離氮氣(容易集中於軸O附近)，因此能夠有效率地將溶解於水的氣體從氮氣換成氧氣。

以上，說明了根據實施型態的本發明，本發明並不限定於上述實施型態，在不脫離本發明的旨趣的範圍內可做各種改良變更是能夠容易得知的。

上述各實施型態中，說明了填充於容器10內的氣體為氧氣的情況，但並不限定於此。例如，可以是臭氧、氮氣、氫氣、或二氧化碳，藉由將溶解於水的氣體置換成臭氧、氮氣、氫氣、或二氧化碳，能夠獲得各種不同的機能水。在這個情況下，藉由將溶解於水的氣體置換成臭氧或氫氣，能夠將臭氧或氫氣與水一起安全地輸送、利用。置換成臭氧的情況下，能夠獲得具有脫臭與殺菌功能的水。

又，藉由將溶解於水的氣體置換成二氧化碳，能夠獲得適合養殖藻類的水，藉由將溶解於水的氣體置換成氮氣，能夠獲得抑制氧化作用的水。

上述各實施型態中，說明了要置換處理的液體是 污濁水(也就是原本溶解於液體的的氣體是氮氣)的情況，但並不限定於此。例如，也可以是溶解物質的水溶液，例如可舉出海水(鹽水)。溶解鹽的海水會比水有更低的氧氣溶解度，根據本實施型態的氣體置換裝置1，即使對海水也能夠使其高濃度地溶解氧氣。藉此，能夠獲得適合養殖海產物的海水。

上述各實施型態中，說明了填充於容器10內的氣體僅是氧氣的情況，但並不限定於此。例如，也可以是混合氣體，例如可舉出甲烷與二氧化碳為主成份的生化氣體或火力發電廠的排氣。填充於容器10的氣體是生化氣體的情況下，根據本實施型態的氣體置換裝置1，能夠使包含於生化氣體中的二氧化碳溶解於水，僅將甲烷從排氣口30a排出。也就是，能夠將生化氣體的成分中僅甲烷排出而作為燃料氣體使用，將僅二氧化碳溶解於水而作為藻類的養殖用水來使用。

又，填充於容器10的氣體是火力發電廠的排氣的情況下。能夠將含在排氣中的二氧化碳溶解於水，因此能夠將這些水用於藻類養殖。也就是，能夠不排放二氧化碳到大氣，而有效地利用。

上述各實施型態中，說明了容器10內的氧氣的壓力是0.05MPa的情況，但並不限定於此。填充於容器10的氣體的壓力在0.01MPa以上0.1MPa以下為佳。

氣體的壓力比0.01MPa小的情況下，將溶解於水的氣體從氮氣置換成氧氣的效率會降低，比0.1MPa大的情況下，當水從容器10流出，氧氣容易從水放出(容器10的壓力比0.1MPa大的情況下，水從容器10流出後回到大氣壓，該壓 力差會容易將氧氣變成氣泡從水中放出)。也就是，藉由將填充於容器10的氣體(氧氣)的壓力設定成0.01MPa以上0.1MPa以下，能夠有效率地置換溶解於水中的氣體。

上述各實施型態中，從軸O的方向觀看下，說明了內面壁12的中心配置了通氣路60的情況，但並不限定於此。例如，能夠將通氣路60設置於內面壁12與整流板50a~50f之間。也就是，至少通氣路在天頂側及底部側具備開口，形成氣體不接觸到水而能夠移動到天頂側的領域的話即可。在這個情況下，即使是不設置通氣路於容器10的中心的情況下，因為旋轉的水會在軸O附近形成空洞，能夠容許氮氣透過該空洞及通氣路往天頂側移動。

上述各實施型態中，說明了通氣路60是圓筒狀(在軸O方向是直線狀)的情況，但並不限定於此。例如，通氣路60可以是彎曲的構造。也就是，通氣路60至少在天頂側及底部側具備開口，形成氣體能夠移動到天頂側的領域的話即可。

上述各實施型態中，說明了整流板50a~50f的內周連結到通氣路60的外周面的情況下，但並不限定於此。例如，也可以另外設置將內面壁12或縮徑構件70與通氣路60連結的構件，來支持通氣路60。

上述各實施型態中，說明了整流板50a~50f是以將螺旋分段的態樣配置，且在該分段的部位形成軸O方向的高低差的情況，但並不限定於此。例如也可以是一個整流板形成連續的螺旋的構造。

上述第2實施型態及第3實施型態中，說明了以 流入口241、341朝向整流板50a的下流側的型態來配置流入管240、340的情況，但並不限定於此。例如，圓筒狀的流入管可以是將其內周配置成沿著內面壁12的切線的型態的構造(流入口是以將水的吐出方向朝向沿著內面壁12的切線方向的型態配置的構造)。

藉此，相較於水落下至整流板50a的情況，能夠提高沿著整流板50a的周方向的水的推力(離心力)，因此能夠在整流板50a~50f形成更薄的水膜，且能夠抑制及終於軸O附近的氮氣與水接觸。

Claims (11)

1. 一種氣體置換裝置，包括：容器，填充氣體並加壓到大氣壓以上；供給口，將該氣體供給到該容器的內部；整流板，從該容器的內面壁突出地形成，並且沿著該內面壁延伸設置；流入口，配置於比該整流板更上方，並且讓液體從該容器的外部流入內部；流出口，連結到該內面壁的下端側，並且讓流下到該容器的底部的液體排出到外部；排氣口，設置於比該整流板更上方，並且將該容器的內部的氣體排出到外部，其中在該整流板配置的領域具有在該容器的天頂側及底部側都有開口的通氣路，劃分出該通氣路與該液體流下的流路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體置換裝置，其中該內面壁形成剖面圓形，該整流板沿著該內面壁螺旋狀地延伸設置。
3. 如申請專利範圍第2項所述之氣體置換裝置，其中該整流板在該內面壁的軸方向配置複數個，該複數的整流板以將螺旋分段的態樣配置，並且在分段的位置，會在該內面壁的軸方向上分離配置。
4. 如申請專利範圍第2或3項所述之氣體置換裝置，其中該通氣路配置於比該整流板更靠該內面壁的軸側，該排氣口 從該內面壁的軸方向觀看下，配置於與至少該通氣路的天頂側的開口重疊的位置。
5. 如申請專利範圍第4項所述之氣體置換裝置，更包括：縮徑構件，配置於該整流板所配置的領域的下方，並且形成朝向該容器的底部側縮窄的圓錐狀的壁面，其中該縮徑構件的上端的外周與該內面壁連接，並且在下端具有開口部。
6. 如申請專利範圍第5項所述之氣體置換裝置，其中該縮徑構件具備配置於上端且連通該縮徑構件的內周側與外周側的連通口。
7. 如申請專利範圍第6項所述之氣體置換裝置，更包括：緩衝構件，配置於該開口部的下方，並且具有朝向該容器的底部側凹設的凹設面。
8. 如申請專利範圍第4項所述之氣體置換裝置，其中該通氣路的下端位於比該整流板配置的領域的下端更上方。
9. 如申請專利範圍第2項所述之氣體置換裝置，其中該供給口及該排氣口配置於該容器的天頂面，該供給口的配置位置位於比該排氣口的配置位置更靠該內面壁側。
10. 如申請專利範圍第2項所述之氣體置換裝置，其中該排氣口具備從該容器的天頂側朝向底部側擴徑並且配置於該容器的天頂面的擴徑部，從該內面壁的軸方向來看，該通氣路的天頂側的開口配置於該排氣口的擴徑部所形成的領域內。
11. 如申請專利範圍第2項所述之氣體置換裝置，其中該流入 口以將該液體的吐出方向朝向該整流板的延伸設置方向的型態配置。