JP6025115B2 - 気体溶解装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気、酸素、オゾン等の気体を液体に溶解させる気体溶解装置に関する。

気体溶解装置の適用例として、特許文献１に開示されているように、処理対象水にオゾンを混合するオゾン水製造装置が知られている。この特許文献１の装置は、ハウジング内に設置された混合手段により、導入した処理対象水とオゾンとの混合流体を混合させるとともに、加圧手段によって加圧するように構成されている。

ただし、この装置では、大気圧下の体積比でオゾンを５％程度しか混入させることができない。そこで、特許文献２には、処理対象水にオゾンを効率よく混入させることができるオゾン水処理装置として、処理対象水にオゾン含有気泡を混入して大気圧以上の吐出圧で吐出する二相流気液混合ポンプと、内部を密閉状態に維持する外筒部および周面に多数の微細孔が形成された微細管となっている内筒部を内部に有し、処理対象水中に混入されているオゾン含有気泡を内筒部の微細孔を通過させる際に機械的に破砕させて微細化する気液接触管と、処理対象水を所定時間だけ滞留させるラジカル反応槽とを備えた、オゾン水処理装置が提案されている。

しかしながら、特許文献２のオゾン水処理装置は、１秒以上、３秒以下という短時間に、オゾン含有気泡を内筒部の微細孔を通過させて機械的に破砕させて微細化するものであり（段落００１８）、オゾン含有気泡を処理対象水に溶解させるための反応槽（ラジカル反応槽）を別途、設ける必要がある。また、オゾン含有気泡および処理対象水が気液接触管の底部から上向きに流れ、上部から排出される構造であるため、オゾン含有気泡が微細孔を通過せずに浮き上がり、気液接触管の上部に溜まるなどにより、オゾン含有気泡の微細化が阻害され、溶解効率が低下する虞があった。

特開平７−２２７５２９号公報 特許第４２７１９９１号公報

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その課題は、比較的簡単な構造で、液体に気体を過飽和状態まで効率よく溶解させることができる気体溶解装置を提供することにある。

本発明の気体溶解装置は、直立した柱状のタンクと、前記タンク内に、液体に気体を混合させた気液混合体を加圧供給する気液供給手段とを備え、前記タンク内の上部に、前記気液混合体を、前記タンクの底面側に向けて噴射させるノズルを有し、前記タンク内に、区画体を設けることにより、少なくとも、前記タンクの長手方向の中心軸に沿う中央流路と、前記タンクの内周面に沿う外側流路と、前記中央流路と前記外側流路とを短手方向に連通する連絡流路とを形成し、前記ノズルから前記タンク内に噴射した前記気液混合体が、前記中央流路、前記外側流路および前記連絡流路を通過しながら攪拌されることを特徴とするものである。

このように本発明では、液体に気体を混合させた気液混合体が、タンクの上方から底面側に向けて高圧で噴射され、その後、区画体で形成された中央流路および外側流路を通過するとともに、連絡流路を内側から外側へ、あるいは外側から内側へ不規則に通過することになるため、気液混合体同士が衝突しながら効率的に攪拌される。その結果、気体が微細化され、気体の表面積が増して水との接触頻度が増えると同時に滞留時間も増加し、気体の溶解量が増える。

本発明において区画体は、周面に複数の貫通孔を有する内筒体によって形成する。このとき、内筒体の内側を中央流路とし、内筒体の外周面とタンクの内周面との間を外側流路とし、貫通孔を連絡流路とする。このように周面に複数の貫通孔を有する内筒体を使用すれば、この内筒体をタンク内に設置するだけで各通路を一体で形成することができる。また、内筒体のタンク内への設置は容易であり、本発明の気体溶解装置を容易に製造できる。

本発明において内筒体に形成した貫通孔の周縁部には、内筒体の内側および／または外側に向けて突き出す衝突部を設ける。このように衝突部を設けることで、この衝突部に気液混合体が衝突して跳ね返るなどして滞留時間が増すため、液体への微細化した気体の溶解をさらに促進させることができる。

また、本発明おいてはタンク内に、中央流路を塞ぐ衝突板を設けることができる。このように衝突板を設けると、各流路を通過した後の気液混合体が衝突板に衝突して跳ね返ることで滞留時間を増すことができ、液体への微細化した気体の溶解をさらに促進させることができる。

さらに本発明においては、タンク内に仕切板を設け、この仕切板より上方の領域に区画体を配置し、仕切板より下方の領域において気液混合体に渦流を発生させる開口部を仕切板に設けることができる。このような構成にすると、仕切板より上方の領域において区画体を利用した攪拌による液体への微細化した気体の溶解を行うとともに、仕切板より下方の領域において渦流による攪拌により、液体への気体の溶解をさらに効率よく行うことができる。すなわち、１個のタンクで２種類の攪拌を行うことができ、撹拌効率を向上させることができるとともに、装置の設置スペースをコンパクトにでき、製造コストも低減することができる。

本発明によれば、タンク内に噴射された気液混合体が、区画体により形成された、中央流路、外側流路および連絡流路を通過しながら不規則に撹拌されるので、液体に気体を過飽和状態まで効率よく溶解させることができる。また、装置構造としては、タンク内に区画体を配置するだけの比較的簡単な構造とすることができる。

本発明の一実施形態による気体溶解装置の全体構成を示す説明図である。 図１の気体溶解装置のタンクの内部構造を示し、（ａ）はその断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 本発明の気体溶解装置におけるタンクの他の実施形態を示す断面図である。 本発明の気体溶解装置におけるタンクのさらに他の実施形態を示す断面図である。 本発明の気体溶解装置におけるタンクのさらに他の実施形態を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、後述する図４の形態は本発明の技術的範囲外であるが、便宜上、本発明の実施の形態として説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態による気体溶解装置の全体構成を示す概念図である。図１の気体溶解装置は、水にオゾンを混合し溶解させるものである。

水はポンプ１０によって加圧され配管２０を流れる。配管２０の途中で、オゾン発生機３０から供給されるオゾンガスが混合され、その気液混合体が加圧されたまま配管２０の先端に設けられたノズル４０からタンク５０内に噴射される。後述するが、気液混合体はタンク５０内で撹拌され、その撹拌により過飽和状態までオゾンを溶解させた気液混合体（オゾン水）は、タンク５０の下部から取り出され、取り出されたオゾン水は、下水処理や浄水処理などに使用される。

なお、図１の実施形態では、気液供給手段としてポンプ１０、配管２０およびオゾン発生機３０を使用し、配管２０の途中でオゾンを混合させたが、上記特許文献２のように二相流気液混合ポンプを使用し、二相流気液混合ポンプの手前で水にオゾンを混合させ、その気液混合体を二相流気液混合ポンプで加圧供給することもできる。

図２は、図１の気体溶解装置におけるタンク５０の内部構造を示し、（ａ）はその断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。

タンク５０は柱状をなして直立しており、その上部にノズル４０が配置され、タンク５０内に区画体として内筒体６０が配置されている。

内筒体６０は、周面に複数の貫通孔６１を有する。図２の実施形態では、下部を斜辺とする直角三角形状の貫通孔６１が上下に複数段設けられており、各段に９０°間隔で４個の貫通孔６１が設けられ、各段で４５°位相をずらして千鳥状となるように、且つ、各段中の貫通孔６１の斜辺は同じ向きで、上下の段でその向きが互い違いになるように、複数の貫通孔６１が配置されている。貫通孔６１の配置は千鳥状には限定されないが、少なくとも貫通孔６１の配置のしやすさの点からは、千鳥状が好ましい。また、貫通孔６１の各段の数は４個に限定されず、タンク５０および内筒体６０のサイズ（直径・高さ）を勘案し、例えば６個や８個など数を増やして設けてもよい。

図２（ｂ）に示すように、各貫通孔６１の上縁部には、内筒体６０の内側および外側に向けて突き出す衝突部６２が庇状に設けられている。衝突部６２は、内筒体の内側または外側にのみ突き出すように設けてもよいし、一部の貫通孔にのみ設けてもよいが、衝突部６２によって気液混合体の撹拌を促進する点からは、実質的に全ての貫通孔６１において内側および外側に向けて突き出すように設けることが好ましい。また、衝突部６２は、貫通孔６１の上縁部に限らず、気液混合体が衝突する位置・向きの周縁部に設けてもよい。

このように、周面に複数の貫通孔６１を有する内筒体６０をタンク５０内に配置することで、内筒体６０の内側にタンクの長手方向（垂直方向）の中心軸に沿う中央流路７１が形成されるとともに、内筒体６０の外周面とタンク５０の内周面との間にタンクの内周面に沿う外側流路７２が形成され、貫通孔６１が中央流路７１と外側流路７２とを短手方向（水平方向）に連通する連絡流路７３となる。

以上の構成において、配管２０を介して加圧供給される気液混合体は、ノズル４０からタンク５０の底面側に向けて、且つ平面視において放射状に噴射される。本実施形態において、ノズル４０の先端は内筒体６０内に位置しており、気液混合体は内筒体６０内でタンク５０の底面側に向けて放射状に噴射され、ノズル４０からの気液混合体の噴射角度（図２中のα：拡がり角度）は０〜３０度程度である。なお、噴射角度は０〜３０度に限定されず、タンク５０および内筒体６０の直径が大きい場合には、噴射角度を６０度程度まで拡げるようにしてもよい。

そして、その気液混合体は、内筒体６０で形成された中央流路７１および外側流路７２を通過するとともに、連絡流路７３を内側から外側へ、あるいは外側から内側へ不規則に通過することになるため、気液混合体同士が衝突しながら効率的に攪拌される。また、直角三角形状の貫通孔６１を図２のように配置したことにより、貫通孔６１を通過した気液混合体はタンク５０の下方に向けて交互に交わるように衝突しながら効率的に攪拌される。さらに、気液混合体中に残存する大きな気泡はタンク５０の上方に向けて上昇し、この気泡にノズル４０から噴射された気液混合体が衝突しながら効率的に攪拌される。

その結果、気体（オゾン）が微細化され、表面積が増して水との接触頻度が増えると同時に滞留時間も増加し、オゾンの溶解量が増えて、オゾンを過飽和状態まで効率よく溶解させることができる。得られたオゾン水は、タンク５０下部の取出管５１から取り出される。

（実施形態２）
図３は、本発明の気体溶解装置におけるタンクの他の実施形態を示す断面図である。同図において、先の実施形態１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態は、タンク５０内に配置する内筒体６０の下部に、中央流路７１を塞ぐ衝突板８０を設けたものである。このように衝突板８０を設けると、各流路を通過した後の気液混合体が衝突板８０に衝突して跳ね返ることで滞留時間を増すことができ、液体（水）への微細化した気体（オゾン）の溶解をさらに促進させることができる。

なお、本実施形態では、衝突板８０より下方の領域において内筒体６０には貫通孔６１を設けていないが、衝突板８０より下方の領域にも貫通孔６１を設けてもよい。

また、本実施形態では、タンク５０内の液面レベルを調整する液面調整機構を設けている。具体的には、液面調整機構は、タンク５０を垂直方向にバイパスする液面計９０、液面計９０の液面レベルを検出する光センサ９１、光センサ９１で検出される液面レベルを、タンク５０の上部と取出管５１とをバイパスする管路の途中に設けられた開閉バルブ９３を通じて調整するコントローラー９２を備えている。この液面調整機構を用いて、コントローラー９２により開閉バルブ９３の開度を調整し、タンク５０の上部に溜まった気体を取出管５１に排出させることにより、タンク５０内の液面レベル、すなわち光センサ９１で検出する液面レベルが一定レベルとなるように調整している。本実施形態では、タンク５０内の液面レベルが衝突板８０の位置となるように調整するように設定している。

なお、配管２０に流量調整バルブを設け、ノズル４０からの気液混合体の噴射量を調整したり、また、タンク５０下部と取出管５１との接続部に流量調整バルブを設け、取出管５１からのオゾン水の取り出し量を調整することによりタンク５０内の液面レベルを調整するようにしてもよい。

表１に、本実施形態の気体溶解装置においてオゾン発生機３０を酸素発生機に置き換えて、水に酸素を溶解させた時の溶存酸素量に関する試験結果を示す。

試験時の水温７℃での飽和溶存酸素量が１１.７５ｍｇ/Ｌであるのに対し、大気圧中で計測したところ、実施例１〜３の何れにおいても５倍以上の濃度の酸素量を溶存しており、過飽和状態まで液体（水）に気体（酸素）を溶解させることができている。

（実施形態３）
図４は、本発明の気体溶解装置におけるタンクのさらに他の実施形態を示す断面図である。同図において、先の実施形態１および２と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態は、タンク５０内に配置する区画体を複数のリング体１００により形成したものである。すなわち、本実施形態では、タンク５０の長手方向に間隔をあけて複数段配置したリング体１００により区画体を形成し、リング体１００の内側を中央流路７１とし、リング体１００の外周面と前記タンクの内周面との間を外側流路７２とし、前記リング体同士の間を連絡流路７３としている。

本実施形態においても、先の実施形態１と同様に、気液混合体同士が衝突しながら効率的に攪拌され、液体（水）に気体（オゾン）を過飽和状態まで効率よく溶解させることができる。さらに本実施形態では、気液混合体が各リング体１００に衝突して跳ね返るなどして滞留時間が増すため、水への微細化したオゾンの溶解を促進させることができる。

本実施形態では、先の実施形態２と同様に、区画体の下部に中央流路７１を塞ぐ衝突板８０を設けているが、衝突板８０は必ずしも設ける必要はない。

（実施形態４）
図５は、本発明の気体溶解装置におけるタンクのさらに他の実施形態を示す断面図である。同図において、先の実施形態１乃至３と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態は、先の実施形態１の内筒体６０による撹拌に加え、渦流による攪拌を行うようにしたものである。すなわち、本実施形態では、タンク５０内に仕切板１１０を設け、この仕切板１１０より上方の領域に実施形態１と同様に区画体として内筒体６０を配置し、仕切板１１０より下方の領域において前記気液混合体に渦流を発生させる開口部１１１を仕切板１１０に設けている。開口部１１１は、仕切板１１０の１箇所に設けられており、その開口部１１１から流出する気液混合体にタンク５０の内周面に沿った渦流を発生させるために、ガイド部１１２を有する。

このような構成にすることで、仕切板１１０より上方の領域において区画体（内筒体６０）を利用した攪拌による液体（水）への微細化した気体（オゾン）の溶解を行うとともに、仕切板１１０より下方の領域において渦流による攪拌により、水へのオゾンの溶解をさらに効率よく行うことができる。すなわち、１個のタンク５０で２種類の攪拌を行うことができ、撹拌効率を向上させることができるとともに、装置の設置スペースをコンパクトにでき、製造コストも低減することができる。

以上の実施形態において、区画体としての内筒体６０に設ける貫通孔６１は直角三角形としたが、その形状は特に限定されず、円形、楕円形、四角形、多角形等、いかなる形状であってもよい。ただし、貫通孔６１は、気液混合体を通過させるものであることから、必然的にある程度の開口面積が必要であり、例えば一つの貫通孔の開口面積は２,５００ｍｍ^２以上とする。一方、各貫通孔６１の開口面積が大きすぎると貫通孔６１を均等に複数配置することが困難になることから、タンク５０および内筒体６０のサイズ（直径・高さ）を勘案し、開口面積は例えば３７,５００ｍｍ^２以下とする。同様の理由から、複数のリング体１００で区画体を形成する場合、上下のリング体１００の間隔は、５０〜３００ｍｍ程度とする。

なお、有機物が含まれる水（液体）とオゾン（気体）との気液混合体とした場合には、本発明に係る気体溶解装置は有機物を分解する水処理装置として使用することもできる。

また、以上の実施形態では、水にオゾンを混合させるようにしたが、液体および気体が水およびオゾンに限定されないのは、言うまでもない。

１０ ポンプ
２０ 配管
３０ オゾン発生機
４０ ノズル
５０ タンク
５１ 取出管
６０ 内筒体（区画体）
６１ 貫通孔（連絡流路）
６２ 衝突部
７１ 中央流路
７２ 外側流路
７３ 連絡流路
８０ 衝突板
９０ 液面計
９１ 光センサ
９２ コントローラー
９３ 開閉バルブ
１００ リング体（区画体）
１１０ 仕切板
１１１ 開口部

Claims (3)

1. 直立した柱状のタンクと、前記タンク内に、液体に気体を混合させた気液混合体を加圧供給する気液供給手段とを備え、
   前記タンク内の上部に、前記気液混合体を、前記タンクの底面側に向けて噴射させるノズルを有し、
   前記タンク内に、区画体を設けることにより、少なくとも、前記タンクの長手方向の中心軸に沿う中央流路と、前記タンクの内周面に沿う外側流路と、前記中央流路と前記外側流路とを短手方向に連通する連絡流路とを形成し、
   前記ノズルから前記タンク内に噴射した前記気液混合体が、前記中央流路、前記外側流路および前記連絡流路を通過しながら攪拌され、
   前記区画体は、周面に複数の貫通孔を有する内筒体からなり、前記内筒体の内側を中央流路とし、前記内筒体の外周面と前記タンクの内周面との間を外側流路とし、前記貫通孔を連絡流路とし、
   前記貫通孔の周縁部に、前記内筒体の内側および／または外側に向けて突き出す衝突部を設けた気体溶解装置。
2. 前記タンク内に、前記中央流路を塞ぐ衝突板を設けた請求項１に記載の気体溶解装置。
3. 前記タンク内に仕切板を設け、前記仕切板より上方の領域に前記区画体を配置し、前記仕切板より下方の領域において前記気液混合体に渦流を発生させる開口部を前記仕切板に設けた請求項１または請求項２に記載の気体溶解装置。

Images