懸濁物質分離装置
【課題】吐出圧が強くて配管系への組込みに適した構造をもつ、懸濁物質分離装置を提供する。
【解決手段】懸濁物質分離装置は、管状の空間を有する旋回塔１と、気泡混入手段とを備える。気泡混入手段は、旋回塔の前段に設けられ、旋回塔に導入する気液混合体１１を生成するために液体へ気泡を混入させるものである。旋回塔１の外周側面には、旋回塔内に旋回流を生じるための気液混合体１１を導入する気液混合体入口２と、旋回流の回転方向に沿った方向に開設された液体出口３とが設けられている。
【解決手段】懸濁物質分離装置は、管状の空間を有する旋回塔１と、気泡混入手段とを備える。気泡混入手段は、旋回塔の前段に設けられ、旋回塔に導入する気液混合体１１を生成するために液体へ気泡を混入させるものである。旋回塔１の外周側面には、旋回塔内に旋回流を生じるための気液混合体１１を導入する気液混合体入口２と、旋回流の回転方向に沿った方向に開設された液体出口３とが設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気泡および液体に働く遠心力の差を利用して気液混合体から気泡を分離する装置及びその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水中から懸濁物質を除去して水を浄化する方法として、微細気泡を懸濁物質に吸着させる方法が知られている。当該方法では、気泡と懸濁物質との間に働く疎水性結合力を利用して、気泡と懸濁物質を吸着させ、気泡の浮力を利用して気泡とともに懸濁物質を浮上させる。これにより、水中から懸濁物質を除去して水を浄化することができる。例えば、特許文献１（特開２００６−３３４５４５号公報）には、被処理液に微細気泡を導入し、微細気泡を懸濁物質に付着させて、懸濁物質を水中から分離する技術が開示されている（特許文献１の第１図参照）。
【特許文献１】特開２００６−３３４５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上述の従来技術には次のような問題があった。すなわち、微細気泡を多く含む液体の出口の方向と微細気泡が少ない液体の出口の方向が、上述した従来技術では気液混合体の旋回流における流れの方向に対して垂直な方向になっている。そのため、それぞれの液体の出口で旋回流の流れが阻害されてしまい、液体の流体抵抗が増加する。このため、上述した技術を配管系への組み込むことは難しかった。
【０００４】
この発明は、上述の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、吐出圧が強くて配管系への組込みに適した構造をもつ、懸濁物質分離装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に従った懸濁物質分離装置は、管状の空間を有する旋回塔と、気泡混入手段とを備える。気泡混入手段は、旋回塔の前段に設けられ、旋回塔に導入する気液混合体を生成するために液体へ気泡を混入させるものである。旋回塔の外周側面には、旋回塔内に旋回流を生じるための気液混合体を導入する気液混合体入口と、旋回流の回転方向に沿った方向に開設された液体出口とが設けられている。
このようにすれば、旋回流の流れの方向と液体出口の流れの方向が同一であるため、液体出口における流体抵抗を低減でき、配管系への組み込みに適した構成となる。さらに、気泡発生手段を用いて被処理液体中へ気泡を供給することにより、気泡の疎水性結合力を利用して被処理液体中の懸濁物質を気泡に吸着させることができる。なお、当該吸着の原理は次のようなものである。
【０００６】
本発明において、被処理液体の溶媒はたとえば有極性の物質であり、具体例としては水などが挙げられる。一方、懸濁物質はたとえば無極性物質である。この場合、両者には互いに反発しあう力が働く。気泡に含まれる空気も無極性物質とみなすことができる。この時、懸濁物質と気泡との間には、懸濁物質と気泡の界面張力と、界面に働く分子間力により、互いに引き付けあう力が働く。これは疎水性結合力と呼ばれる。この疎水性結合力により、懸濁物質を気泡に吸着させることができる。そして、気泡の移動に伴って懸濁物質を一緒に移動させることができる。
【０００７】
その後、気泡の比重と液体の比重が異なることから、旋回塔において旋回運動している気液混合体中の気泡に働く遠心力と液体に働く遠心力の大きさの違いを利用して、気液混合体から気泡と液体を分離することができる。これにより、被処理液体中から懸濁物質を効率よく分離することができる。
【０００８】
なお、ここで液体出口から流出する液体とは、気泡の割合が少ない気液混合体の意味で用いており、必ずしも気液混合体から気泡が完全に分離された後の液体に限定されず、旋回塔で分離しきれなかった気泡が液体中にある程度残っていてもかまわない。
【０００９】
上記懸濁物質分離装置において、気泡混入手段は、気体と前記液体とを内部に保持する容器と、容器を揺動させる揺動手段とを含んでいてもよい。
【００１０】
この場合、容器をたとえば機械的に揺動させることにより、容器に入れられている液体も揺動する。この結果、液面が波立ち、波立った液面で巻き込んだ気泡を利用して液体へ気泡を混入することができる。このようにして、気液混合体を生成することができる。そして、たとえば上記容器を旋回塔の外部に設け、旋回塔と配管で接続しておけば、気泡発生器を別途用意する必要がなく、装置が簡便で小型になる。したがって、本発明による懸濁物質分離装置を配管系に組み込みやすくなる。
【００１１】
上記懸濁物質分離装置において、気泡混入手段は、気体と前記液体とを内部に保持する容器と、液体の液面よりも上方から他の液体を落下させる落下手段とを含んでいてもよい。
【００１２】
この場合、液体の落下手段により、たとえば自由落下や噴流で放出された液体が液面へ落下する時に巻き込んだ気泡を利用して、液体へ気泡を混入して気液混合体を生成することができる。ここで、液面よりも高い位置から自由落下する液体は、位置エネルギーを有する。この液体の位置エネルギーは、落下に伴って液体の運動エネルギーに変換される。この液体の運動エネルギーを利用して液面を叩くことにより、気泡を巻き込むことができる。
【００１３】
なお、液面より下方に設置された液体の落下手段（液体を噴出させるノズルなどの噴出手段）から、液面よりも上方へ液体を吹き上げて、液体が液面に落下する時に気泡を巻き込むようにしてもよい。また、落下手段では、液体を液面に向けて噴出させるノズルなどの部材を用いてもよい。この場合、ノズルなどから噴流として放出される液体は、自由落下する液体に比べて、運動エネルギーが増加している。したがって、液面へ落下した時の気泡の巻き込み量を著しく増加させることができる。
【００１４】
上記懸濁物質分離装置において、気泡混入手段は、気体と液体とを内部に保持する容器と、固形物を液体の液面よりも高い位置から落下させる固形物落下手段とを含んでいてもよい。
【００１５】
この場合、落下前の固形物は、たとえば旋回塔と配管で接続された容器に入れられた液体の液面に対して高い位置にある状態から液面に落下することになる。そのため、落下前の固形物は大きな位置エネルギーを有する。この固形物の位置エネルギーは、落下に伴って固形物の運動エネルギーへと変換される。この固形物は、上記液体とは異なり、液面に衝突したときに変形や飛散をしない。そのため、固形物が液体を叩いた時に運動エネルギーが散逸されず、液体を液面に落下させる場合より気泡の巻き込み量を増加させることができる。
【００１６】
上記懸濁物質分離装置において、気泡混入手段は、旋回塔の気液混合体入口に接続された配管に設けられた屈曲部であってもよい。
【００１７】
上記懸濁物質分離装置において、気泡混入手段は、旋回塔の気液混合体入口に接続された配管の内壁に設けられた、液体の流れを阻害する突出部であってもよい。
【００１８】
この場合、旋回塔に接続された配管を流れる（循環する）液体が、屈曲部や突出部において流れの剥離を起こしたときに発生するキャビテーション気泡を利用して、気液混合体へ気泡を混入することができる。これにより、旋回塔の外部に設けられ、旋回塔と配管で接続された容器において気体と接する液面を形成するといった装置構成を用いることなく、液体へ気泡を混入する（気液混合体を形成する）ことができる。
【００１９】
上記懸濁物質分離装置において、旋回塔の断面形状は円形状であってもよい。この場合、旋回流と旋回塔内壁との流体抵抗を低減できる。このため、より少ない動力で旋回塔内に旋回流を発生させることができる。つまり、懸濁物質分離装置において必要な動力を小さくし、エネルギー効率の高い装置を実現できる。
【００２０】
上記懸濁物質分離装置において、旋回塔には、旋回塔に導入される気液混合体の最上位の液面よりも上方に気体除去口が開設されていてもよい。この場合、旋回塔内から、分離された気泡に起因する気体を、上記気体除去口を通じて容易に除去することができる。
【００２１】
上記懸濁物質分離装置において、旋回塔には、該旋回塔に導入される気液混合体の最下位の液面よりも下方に排液口が開設されていてもよい。この場合、気液混合体として旋回塔に導入された被処理液体から、気泡と共に分離して旋回塔に溜まった懸濁物質を、排液口を通じて除去することができる。
【００２２】
上記懸濁物質分離装置において、旋回塔の高さ方向における気液混合体入口と液体出口との間の距離は、旋回塔の高さの１／４以上であってもよい。
【００２３】
この場合、気液混合体入口と液体出口との間の距離を大きくすることにより、気液混合体入口から導入された気液混合体が旋回塔内で旋回する回数を十分多くすることができる。この結果、気液混合体が旋回塔内を十分に旋回することにより、比重の小さい気泡と比重の大きい液体とに効率的かつ確実に分離することができる。
【発明の効果】
【００２４】
このように、本発明によれば、配管系へ容易に組込むことができる懸濁物質分離装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰返さない。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態１を示す側面模式図である。図２は、図１に示した懸濁物質分離装置の上面模式図である。図１および図２を参照して、本発明による懸濁物質分離装置を説明する。
【００２７】
図１および図２を参照して、本実施の形態１の懸濁物質分離装置６は、図１に示すように、管状の空間を有する旋回塔１と、後述する気液混合体を生成するための液体への気泡混入手段７（図３参照）とから構成される。旋回塔１には、下部側面に気液混合体入口２が形成され、上部側面に液体出口３が形成されている。また、旋回塔１には、上部表面に気体除去口４が形成され、底面に排液口５が形成されている。
【００２８】
旋回塔１は、その断面形状が円形状であることが望ましい。これにより、旋回流体と旋回塔１の内壁との間の流体抵抗が減少するため、旋回流１２の発生が容易になる。よって少ない流量でも旋回流１２を発生させることができる。この場合、気泡と液体に働く遠心力の差を利用して、気液混合体１１から気泡１４を効率的に分離することができる。
【００２９】
なお、旋回塔１の断面形状は、円形状以外の形状、たとえば楕円形であっても構わない。この場合でも、旋回塔１の断面形状が多角形状の場合より旋回流体と旋回塔１の内壁との間の流体抵抗が減少するため、比較的少ない流量でも良好に旋回流を発生させることができる。
【００３０】
旋回塔１において、気液混合体入口２（混合体入口配管）は、その中心軸が旋回塔１の側面における接線方向に延びるように開設されている。気液混合体１１は、気液混合体入口２を通って旋回塔１へ流入し、旋回塔１内部で旋回流１２を生じる。気液混合体入口２が旋回塔１の接線方向に開設されていることにより、旋回塔１へ流入する気液混合体１１の流れの向きと、旋回塔１内で旋回する旋回流１２の流れの向きとが実質的に同じ方向になる。このため、旋回塔１内部での流体抵抗を低減できるため、より少ない流量で旋回流１２を発生させることができる。
【００３１】
液体出口３は、図２に示すように、旋回塔１内部での旋回流１２の回転方向に沿った向きで形成される。具体的には、液体出口３は旋回塔１の側面における接線方向に開設される。気液混合体１１から気泡１４を分離した後の液体１３は、液体出口３を通って旋回塔１から流出する。つまり、液体出口３は、旋回塔１中での旋回流１２の流れの方向（回転方向）に沿った方向（たとえば図２に示すような旋回塔１の側面の接線方向）となる向きに開設されているため、回転している旋回流１２を滑らかに液体出口３から流出させることができる。従って、液体出口３での流体抵抗を低減し、液体１３を勢いよく液体出口３から配管中へ流出させることができる。このため、配管中への組み込みに適した構造の絵懸濁物質分離装置を得ることができる。
【００３２】
なお、液体出口３から流出する液体１３とは、気泡の割合が少ない気液混合体の意味であり、必ずしも気液混合体１１から気泡１４が完全に分離された後の液体１３に限定されない。すなわち、ここで液体１３には、旋回塔１で分離しきれなかった気泡が液体中にある程度残っている液体も含まれる。
【００３３】
また、図２では、気液混合体入口２での液体の流れ方向（気液混合体入口２の中心軸）と液体出口３での液体の流れ方向（液体出口３の中心軸）が同じ方向になるように記載されているが、液体出口３の中心軸の方向は旋回流１２の回転方向との成す角度が３０°以下、より好ましくは１５°以下、さらに好ましくは実質的に０°（上記２つの中心軸が同じ方向）であってもよい。そのため、液体出口３の中心軸の方向は気液混合体入口２の中心軸と同じ方向には限定されない。このようにすれば、配管系への組み込みのための懸濁物質分離装置６の設計の自由度を大きくできる。
【００３４】
また、旋回塔１の気液混合体入口２及び液体出口３の取り付け位置は、旋回塔１の側面に接する位置から旋回塔１の中心部側へずれていてもよい。この場合、旋回流の発生に必要な流量が若干増加するものの、気液混合体入口２や液体出口３を旋回塔１へ取り付けたとき時の、懸濁物質分離装置６の機械的強度を十分高く維持することができる。
【００３５】
また、気液混合体入口２と液体出口３との間の位置関係は、以下のように規定することが好ましい。すなわち、気液混合体入口２を通り、旋回塔１の底面に対して平行な平面と、液体出口３を通り、旋回塔１の底面に対して平行な平面との間の距離（気液混合体入口２と液体出口３との間の距離）をＸとし、旋回塔１の一方の底面と他方の底面との間の距離（旋回塔１の高さ）をＨとする。この場合、Ｘ≧（Ｈ／４）という関係を満たすようにすることが好ましい。
【００３６】
上記のようにＸの値を大きくすることにより、気液混合体入口２から導入された気液混合体１１が、旋回塔１内を旋回して比重の小さい気泡１４と比重の大きい液体１３に十分に分離されることになる。つまり、比重が大きい液体１３が液体出口３から吐き出されるまでに、旋回塔１内部を比較的長時間旋回することができるので、遠心力の差を利用して、液体１３と気泡１４を効率よく分離することができる。
【００３７】
旋回塔１において、気体除去口４は、旋回塔１に導入される液体（気液混合体１１）の最上位の液面よりも上方の位置に開設されている。例えば、旋回塔１が直立している場合は、旋回塔１の上側の底面（上壁）に気体除去口４を開設することが望ましい。このとき、気体除去口４が旋回塔１の鉛直上向きの最も高い位置に設けられているため、被処理液体としての気液混合体１１から懸濁物質を分離した後に旋回塔１内部に溜まった気体を、気体除去口４を通じて完全に除去することができる。
【００３８】
なお、気体除去口４は、旋回塔１の内部に溜まった気体を除去可能な位置に開設されていれば、旋回塔１の側面に開設されていてもよい。例えば、旋回塔１が鉛直方向から斜めに傾いている場合は、旋回塔１の側面の最も上側（たとえば鉛直方向において旋回塔１の最も高くなる位置）に開設されていてもよい。これにより、被処理液体から懸濁物質を分離したときに旋回塔１内部に溜まった気体を完全に除去することができる。
【００３９】
排液口５は、旋回塔１に導入される液体（気液混合体１１）の最下位の液面よりも下方の位置に開設されている。例えば、旋回塔１が直立している場合は、旋回塔１の下側の底面に開設されていてもよい。このとき、排液口５が旋回塔１の鉛直下向きの最も低い位置に設けられているため、被処理液体を浄化した跡に旋回塔１の内部に溜まっている懸濁物質を、排液口５を通じて、完全に除去することができる。
【００４０】
なお、排液口５は、旋回塔１の内部に溜まった懸濁物質を除去可能な位置に開設されていれば、旋回塔１の側面に開設されていても構わない。例えば、旋回塔１が鉛直方向から斜めに傾いている場合は、旋回塔１の側面の最も下側（鉛直方向における旋回塔１の最も下側に位置する部分）に設けられていてもよい。これにより、排液口５を介して被処理液体から分離した懸濁物質を完全に旋回塔１中から除去することができる。
【００４１】
次に、図３を参照して、図１および図２に示した懸濁物質分離装置６を構成する気泡混入手段７の一例を説明する。図３は、図１および図２に示した懸濁物質分離装置６を構成する気泡混入手段を説明するための模式図である。
【００４２】
図３を参照して、懸濁物質分離装置６は、旋回塔１と、旋回塔１と配管３１を介して接続される気泡混入手段７とを備える。気泡混入手段７から旋回塔１の気液混合体入口２に接続された配管には、途中に振動吸収部４１とポンプ４５とが設置されている。また、旋回塔１の液体出口３と気泡混入手段７とを接続する配管３１の途中にも、振動吸収部４１が配置されている。振動吸収部４１としては、たとえば蛇腹状の配管など気泡混入手段７の振動を旋回塔１に伝えないようにする任意の構成を用いることができる。
【００４３】
図３に示した気泡混入手段７では、旋回塔１の外部に設けられた容器２１に振動発生部材４０を設置している。そして、振動発生部材４０により容器２１を機械的に揺動させることにより、容器２１に入れられている液体２２を機械的に揺動させる。この結果、液体２２の波立った液面２４が気泡１４を巻き込む。
【００４４】
例えば、上述した懸濁物質分離装置６を洗濯機に適用する場合を考える。この場合、洗濯機の洗濯槽の回転やパルセータの回転に伴って機械的振動が生じると、容器２１に保持される液体２２自身が機械的に振動する。この振動によって液面２４には波が発生するため、波立った液面２４から気泡１４を液体２２中へ巻き込むことができる。このようにして、気泡１４を液体２２に混入させ、気液混合体１１として供給することができる。また、洗濯機の動作に起因する振動を利用して気泡１４を液体２２に混入させることができるので、特別な振動発生部材４０などを別途準備する必要が無く、装置構成を簡略化できる。
【００４５】
次に、上述した本発明の懸濁物質分離装置６の動作原理を簡単に説明する。まず、気泡混入手段７を用いて、懸濁物質を含む被処理液体（液体２２）に気泡１４を混入させて、気液混合体１１を形成する。気泡１４と懸濁物質の間には疎水性結合力が働くことにより、懸濁物質が気泡１４に吸着し、気泡の移動に伴って懸濁物質が一緒に移動する。
【００４６】
次に、ポンプ４５を動作させることにより、気液混合体１１を、気液混合体入口２を通じて旋回塔１に導入する。この結果、旋回塔１内部で気液混合体１１の旋回流１２が発生する。図１に示したように、旋回運動している気液混合体１１に含まれる液体１３と気泡１４には、それぞれ遠心力が働く。比重が大きい液体１３に働く遠心力は大きいため、液体１３は遠心力によって旋回流１２の外側へ押しやられる。そして、気泡１４がほとんど除去された液体１３は液体出口３を通じて旋回塔１から流出する。
【００４７】
一方、比重が小さい気泡１４に働く遠心力は小さいため、気泡１４は旋回流１２の中心に留まる。液体１３と気泡１４に働く遠心力の大きさの違いを利用することにより、気液混合体１１から気泡１４と液体１３を効率よく分離することができる。そして、気泡１４に付着した懸濁物質が旋回塔１の内部に留まることにより、被処理溶液（気液混合体１１）から懸濁物質を効率よく分離することができる。
【００４８】
被処理溶液である気液混合体１１を繰り返し循環させながら、液体１３と気泡１４に働く遠心力の差を利用して、旋回塔１内で気泡１４に付着した懸濁物質の分離を繰返すことにより、被処理液体を浄化することができる。そして、被処理液体の浄化が充分に行われた後に、旋回塔１への気液混合体１１の流入を停止する。そして、旋回塔１内部に留まっている懸濁物質を、旋回塔１内部に残っている液体とともに排液口５から排出する。
【００４９】
なお、旋回塔１内部に溜まった気体により、旋回塔１内部での気液混合体１１の水面の高さが低下していく場合がある。この場合は、気液混合体１１の循環を一旦停止し、気体除去口４を通じて旋回塔１の内部から気体を除去する。その後、気液混合体１１の循環を再開することにより、被処理液体の浄化を引き続き行うことができる。
【００５０】
ここで、上述した懸濁物質分離装置６において良好な気泡分離性能を得るための、旋回塔１の直径Ｄ１と、旋回塔１の高さＨ１との間の好ましい関係は、筆者らの検討では、１≦（Ｈ１／Ｄ１）≦８という式を満足することである。例えば、Ｄ１＝５０ｍｍの場合は、Ｈ１＝５０ｍｍ以上４００ｍｍ以下である。この理由としては以下のようなものが挙げられる。すなわち、上述した範囲よりＨ１が大きい場合は、旋回塔１内部での流体抵抗が大きくなって旋回流を発生させるための動力が増加してしまう。また、上述した範囲よりＨ１が小さい場合は、旋回塔１内部において旋回流が充分に発達しない。
【００５１】
また、旋回塔１の直径Ｄ１と、気液混合体入口２の直径Ｄ２との好ましい関係は、筆者らの検討では、０．１≦（Ｄ２／Ｄ１）≦０．２５である。例えば、Ｄ１＝５０ｍｍの場合は、Ｄ２＝５ｍｍ以上１２．５ｍｍ以下である。この理由としては以下のようなものが挙げられる。すなわち、上述した範囲よりＤ２の値が大きい場合は、気液混合体入口２から流入する気液混合体１１のうち、旋回流１２の流れの方向と異なる流れの方向をもつ気液混合体１１の割合が多くなり、旋回流１２の発生を阻害してしまう。また、上述した範囲よりＤ２の値が小さい場合は、気液混合体入口２を通過する気液混合体１１の流体抵抗が著しく増加してしまう。
【００５２】
また、旋回塔１の直径Ｄ１と、液体出口３の直径Ｄ３との好ましい関係は、筆者らの検討では、（Ｄ３／Ｄ１）≧０．１である。何故ならば、この関係を満たさない（つまり旋回塔１の直径Ｄ１の０．１倍よりもＤ３が小さい場合）は、液体出口３における流体抵抗が著しく増加し、旋回塔１における旋回流の発生を妨げてしまうためである。
【００５３】
（実施の形態２）
図４は、本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態２を示す模式図である。図４を参照して、本発明による懸濁物質分離装置６を説明する。
【００５４】
図４に示した懸濁物質分離装置６は、基本的には図３に示した懸濁物質分離装置と同様の構成を備えるが、気泡混入手段７の構成が異なっている。すなわち、本実施形態の懸濁物質分離装置６における気泡混入手段７は、旋回塔１の外部に設けられた容器２１と、旋回塔１から供給される液体を容器２１内部の液体の液面に落下させる落下手段としての液体の注入手段２５容器２１への液体の導入配管）とを備える。容器２１では、容器２１に入れられている液体の液面２４よりも上方に設置された液体の注入手段２５から、液体２６が放出される。放出された液体２６が液面２４に落下するときに、液体２２には気泡１４が巻き込まれる。つまり、気泡混入手段７は、旋回塔１の外部に設けられ、旋回塔１と配管で接続され、内部に液体２２と気体２３とを保持する容器２１と、容器２１において液体２２の液面２４よりも高い位置に設置されている液体の注入手段２５とから構成される。このようにしても、図３に示した懸濁物質分離装置６を同様の効果を得ることができる。
【００５５】
液体の注入手段２５は、液面２４よりも高い位置に設置されていることから、液体の注入手段２５から放出された液体２６は、比較的大きな位置エネルギーを有する。この放出された液体２６の位置エネルギーは、放出された液体２６の落下に伴って、液体２６の運動エネルギーに変換される。この放出された液体２６の運動エネルギーを利用して液面２４を叩くことにより、液面２４から気体を巻き込んで気泡１４を発生させることができる。これにより、液体２２に気泡１４を混入し、気液混合体１１を得ることができる。
【００５６】
液体の注入手段２５から放出される液体２６としては、液体を加圧することによって勢いよく放出された噴流状の液体を用いることが好ましい。たとえば、液体の注入手段２５を構成する配管の液体突出部にノズルを設置する、および当該配管の経路途中に加圧のためのポンプを設置する、などの構成を採用していもよい。この場合、自由落下する液体の場合と比べて、液体の注入手段２５から放出された直後の、放出された液体２６の運動エネルギーを大きく増加させることができる。このため、液面２４へ落下した時の気体の巻き込み量を増加させることができるので、大量に気泡１４を発生させることができる。
【００５７】
なお、図４では、液体出口３から流出された液体１３を液体の注入手段２５へ送液し、全体で液体を循環させているが、このような構成以外の構成を用いてもよい。たとえば、容器２１内の液体２２を直接液体の注入手段２５へ別配管などを介して送液し、容器２１内部で液体を循環させてもよい。
【００５８】
（実施の形態３）
図５は、本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態３を示す模式図である。図５を参照して、本発明による懸濁物質分離装置６を説明する。
【００５９】
図５に示した懸濁物質分離装置６は、基本的には図４に示した懸濁物質分離装置６と同様の構成を備えるが、気泡混入手段７の構成が異なっている。なお、本実施形態の懸濁物質分離装置６については、説明を具体的にするため、洗濯機へ応用した場合で説明する。
【００６０】
本実施形態の懸濁物質分離装置６における気泡混入手段７では、旋回塔１の外部に設けられた容器２１において、固形物落下手段によって液面２４上から落下する固形物２７が、容器２１に入れられている液体２２の液面２４へ落下する際に、液体２２に気泡１４を巻き込んでいる。気泡混入手段７は、旋回塔１の外部に設けられ、旋回塔１と配管で接続された容器２１と、容器２１に入れられている液体２２と、容器２１に入れられている気体２３と、容器２１内に設けられた固形物２７および当該固形物２７を液面２４に落下させる固形物落下手段とから構成される。
【００６１】
落下前の固形物２７は、液面２４に対して高い位置にあることから比較的大きな位置エネルギーを有する。この固形物２７は、流動して飛散し易い液体とは異なり、液面に落下したときに飛散しないため、固形物２７が液面２４を叩いた時の運動エネルギーが散逸されず、空気の巻き込み量を増加させることができ、大量の気泡１４を気液混合体１１へ混入させることができる。
【００６２】
ここで、固形物２７として、例えば、洗濯槽内の衣類や、洗濯機の洗濯槽の突起物であることが望ましい。例えば、容器２１が洗濯槽の回転体であり、固形物２７が衣類２９である場合を図６に示す。図６は、図５に示した気泡混入手段７の具体例の一例を説明するための模式図である。衣類２９は、洗濯槽である容器２１の回転に伴い、衣類２９に働く重力によって、容器２１の壁面から引き離されて落下する。落下前の衣類２９は液面２４に対して高い位置にあることと、衣類２９は水を充分に含んでいるために大きな質量を有することと、液体とは異なり、落下時に飛散しないことから、空気の巻き込み量を増加させることができ、大量の気泡１４を発生できる。なお、この場合、固形物落下手段は回転可能な選択槽である容器２１および容器２１を回転させるためのモータなどの駆動部材により構成される。
【００６３】
また、例えば、容器２１が洗濯槽内の回転体であり、固形物２７が回転する容器２１の突起物３０である場合を図７に示す。図７は、図５に示した気泡混入手段７の具体例の他の例を説明するための模式図である。容器２１が回転方向２８に示す向きで回転し、容器の突起物３０が液面２４に当たることにより、空気を大量に巻き込むことができ、大量の気泡１４を発生させることができる。この場合、固形物落下手段は、突起物３０が形成された回転可能な容器２１および容器２１を回転させるためのモータなどの駆動部材により構成される。このようにしても、図３に示した懸濁物質分離装置６を同様の効果を得ることができる。
【００６４】
（実施の形態４）
図８は、本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態４を構成する気泡混入手段を示す模式図である。図８を参照して、本発明による懸濁物質分離装置を説明する。
【００６５】
図８に示した気泡混入手段を備える懸濁物質分離装置は、基本的には図４に示した懸濁物質分離装置６と同様の構成を備えるが、気泡混入手段の構成が異なっている。すなわち、本実施の形態における懸濁物質分離装置の気泡混入手段７では、特別な容器などは設けておらず、旋回塔に液体を循環させるための配管系における屈曲部３２で気泡を発生させている。すなわち、配管系を循環する液体が、配管３１の屈曲部３２で流れの剥離を起こすことによってキャビテーション気泡が発生し、このキャビテーション気泡が液体に混入することで気液混合体を形成している。つまり、気泡混入手段７は、旋回塔１に接続された配管３１と、配管３１の屈曲部３２とから構成される。
【００６６】
上述した気泡混入手段７の動作原理は、以下のようなものである。すなわｔ、配管３１内を循環する液体２２の流速が大きい場合、液体２２の流路が急激に曲げられている場所では、流れが流路の壁面の屈曲に追随できず、壁面近傍の流体の速度ベクトル３４の方向が壁面から離れる向きになる。この結果、屈曲部３２にて流れの剥離が起こる。流れの剥離が起きている場所では、液体２２の静圧が液体２２の飽和蒸気圧以下となる。このため、当該部分ではキャビテーションが発生し、気泡１４が生成する。これにより、気液混合体１１へ気泡１４を混入することができる。よって、気体と接する液面がなくても、気液混合体１１へ気泡１４を混入することができる利点がある。
【００６７】
（実施の形態５）
図９は、本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態５を構成する気泡混入手段を示す模式図である。図９を参照して、本発明による懸濁物質分離装置を説明する。
【００６８】
図９に示した気泡混入手段を備える懸濁物質分離装置は、基本的には図８に示した懸濁物質分離装置と同様の構成を備えるが、気泡混入手段７の構成が異なっている。すなわち、図９に示した気泡混入手段７は、旋回塔１に接続された配管３１と、配管３１の内壁に設けられた障害物としての突起３３とから構成される。気泡１４は、配管系を循環する液体が、配管３１内壁の突起３３で流れの剥離を起こすことによって発生したキャビテーション気泡である。
【００６９】
また、図９に示した気泡混入手段７では、配管３１内を循環する液体２２の流速が大きい場合、配管３１の屈曲部に限らず、配管３１の内壁に突起３３がある場所で液体の流れが突起３３の表面形状に追随できない場合が発生する。その場合、突起３３の下流側の壁面近傍における液体の流れの速度ベクトル３４の方向が、壁面から離れる向きになるため、流れの剥離が起こる。これにより、キャビテーション気泡が発生し、液体２２へ気泡１４を混入することができる。このようにしても、図８に示した気泡混入手段を備える懸濁物質分離装置と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
図１０は、図９に示した気泡混入手段７の変形例を示す模式図である。図１０を参照して、図９に示した気泡混入手段７の変形例を説明する。
【００７１】
図１０に示した気泡混入手段７は、基本的には図９に示した気泡混入手段７と同様の構成を備えるが、突起３３ではなく異なる形状の閉塞物３５が形成されている点が異なっている。すなわち、図９に示した突起３３は断面形状が三角形状であったが、図１０に示した閉塞物３５は断面形状が四角形状である。このような気泡混入手段７によっても、図９に示した気泡混入手段７と同様のメカニズムにより、閉塞物３５がある箇所でキャビテーション気泡が発生するため、気液混合体１１へ気泡１４を混入することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、配管系へ懸濁物質分離装置を直接組込む構成を採用する装置、たとえば洗濯機などに特に有利に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態１を示す側面模式図である。
【図２】図１に示した懸濁物質分離装置の上面模式図である。
【図３】図１および図２に示した懸濁物質分離装置６を構成する気泡混入手段を説明するための模式図である。
【図４】本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態２を示す模式図である。
【図５】本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態３を示す模式図である。
【図６】図５に示した気泡混入手段７の具体例の一例を説明するための模式図である。
【図７】図５に示した気泡混入手段７の具体例の他の例を説明するための模式図である。
【図８】本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態４を構成する気泡混入手段を示す模式図である。
【図９】本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態５を構成する気泡混入手段を示す模式図である。
【図１０】図９に示した気泡混入手段７の変形例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７４】
１ 旋回塔、２ 気液混合体入口、３ 液体出口、４ 気体除去口、５ 排液口、６ 懸濁物質分離装置、７ 気泡混入手段、１１ 気液混合体、１２ 旋回流、１３，２２，２６ 液体、１４ 気泡、２１ 容器、２３ 気体、２４ 液面、２５ 注入手段、２７ 固形物、２８ 回転方向、２９ 衣類、３０ 突起物、３１ 配管、３２ 屈曲部、３３ 突起、３４ 速度ベクトル、３５ 閉塞物、４０ 振動発生部材、４１ 振動吸収部、４５ ポンプ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気泡および液体に働く遠心力の差を利用して気液混合体から気泡を分離する装置及びその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水中から懸濁物質を除去して水を浄化する方法として、微細気泡を懸濁物質に吸着させる方法が知られている。当該方法では、気泡と懸濁物質との間に働く疎水性結合力を利用して、気泡と懸濁物質を吸着させ、気泡の浮力を利用して気泡とともに懸濁物質を浮上させる。これにより、水中から懸濁物質を除去して水を浄化することができる。例えば、特許文献１（特開２００６−３３４５４５号公報）には、被処理液に微細気泡を導入し、微細気泡を懸濁物質に付着させて、懸濁物質を水中から分離する技術が開示されている（特許文献１の第１図参照）。
【特許文献１】特開２００６−３３４５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上述の従来技術には次のような問題があった。すなわち、微細気泡を多く含む液体の出口の方向と微細気泡が少ない液体の出口の方向が、上述した従来技術では気液混合体の旋回流における流れの方向に対して垂直な方向になっている。そのため、それぞれの液体の出口で旋回流の流れが阻害されてしまい、液体の流体抵抗が増加する。このため、上述した技術を配管系への組み込むことは難しかった。
【０００４】
この発明は、上述の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、吐出圧が強くて配管系への組込みに適した構造をもつ、懸濁物質分離装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に従った懸濁物質分離装置は、管状の空間を有する旋回塔と、気泡混入手段とを備える。気泡混入手段は、旋回塔の前段に設けられ、旋回塔に導入する気液混合体を生成するために液体へ気泡を混入させるものである。旋回塔の外周側面には、旋回塔内に旋回流を生じるための気液混合体を導入する気液混合体入口と、旋回流の回転方向に沿った方向に開設された液体出口とが設けられている。
このようにすれば、旋回流の流れの方向と液体出口の流れの方向が同一であるため、液体出口における流体抵抗を低減でき、配管系への組み込みに適した構成となる。さらに、気泡発生手段を用いて被処理液体中へ気泡を供給することにより、気泡の疎水性結合力を利用して被処理液体中の懸濁物質を気泡に吸着させることができる。なお、当該吸着の原理は次のようなものである。
【０００６】
本発明において、被処理液体の溶媒はたとえば有極性の物質であり、具体例としては水などが挙げられる。一方、懸濁物質はたとえば無極性物質である。この場合、両者には互いに反発しあう力が働く。気泡に含まれる空気も無極性物質とみなすことができる。この時、懸濁物質と気泡との間には、懸濁物質と気泡の界面張力と、界面に働く分子間力により、互いに引き付けあう力が働く。これは疎水性結合力と呼ばれる。この疎水性結合力により、懸濁物質を気泡に吸着させることができる。そして、気泡の移動に伴って懸濁物質を一緒に移動させることができる。
【０００７】
その後、気泡の比重と液体の比重が異なることから、旋回塔において旋回運動している気液混合体中の気泡に働く遠心力と液体に働く遠心力の大きさの違いを利用して、気液混合体から気泡と液体を分離することができる。これにより、被処理液体中から懸濁物質を効率よく分離することができる。
【０００８】
なお、ここで液体出口から流出する液体とは、気泡の割合が少ない気液混合体の意味で用いており、必ずしも気液混合体から気泡が完全に分離された後の液体に限定されず、旋回塔で分離しきれなかった気泡が液体中にある程度残っていてもかまわない。
【０００９】
上記懸濁物質分離装置において、気泡混入手段は、気体と前記液体とを内部に保持する容器と、容器を揺動させる揺動手段とを含んでいてもよい。
【００１０】
この場合、容器をたとえば機械的に揺動させることにより、容器に入れられている液体も揺動する。この結果、液面が波立ち、波立った液面で巻き込んだ気泡を利用して液体へ気泡を混入することができる。このようにして、気液混合体を生成することができる。そして、たとえば上記容器を旋回塔の外部に設け、旋回塔と配管で接続しておけば、気泡発生器を別途用意する必要がなく、装置が簡便で小型になる。したがって、本発明による懸濁物質分離装置を配管系に組み込みやすくなる。
【００１１】
上記懸濁物質分離装置において、気泡混入手段は、気体と前記液体とを内部に保持する容器と、液体の液面よりも上方から他の液体を落下させる落下手段とを含んでいてもよい。
【００１２】
この場合、液体の落下手段により、たとえば自由落下や噴流で放出された液体が液面へ落下する時に巻き込んだ気泡を利用して、液体へ気泡を混入して気液混合体を生成することができる。ここで、液面よりも高い位置から自由落下する液体は、位置エネルギーを有する。この液体の位置エネルギーは、落下に伴って液体の運動エネルギーに変換される。この液体の運動エネルギーを利用して液面を叩くことにより、気泡を巻き込むことができる。
【００１３】
なお、液面より下方に設置された液体の落下手段（液体を噴出させるノズルなどの噴出手段）から、液面よりも上方へ液体を吹き上げて、液体が液面に落下する時に気泡を巻き込むようにしてもよい。また、落下手段では、液体を液面に向けて噴出させるノズルなどの部材を用いてもよい。この場合、ノズルなどから噴流として放出される液体は、自由落下する液体に比べて、運動エネルギーが増加している。したがって、液面へ落下した時の気泡の巻き込み量を著しく増加させることができる。
【００１４】
上記懸濁物質分離装置において、気泡混入手段は、気体と液体とを内部に保持する容器と、固形物を液体の液面よりも高い位置から落下させる固形物落下手段とを含んでいてもよい。
【００１５】
この場合、落下前の固形物は、たとえば旋回塔と配管で接続された容器に入れられた液体の液面に対して高い位置にある状態から液面に落下することになる。そのため、落下前の固形物は大きな位置エネルギーを有する。この固形物の位置エネルギーは、落下に伴って固形物の運動エネルギーへと変換される。この固形物は、上記液体とは異なり、液面に衝突したときに変形や飛散をしない。そのため、固形物が液体を叩いた時に運動エネルギーが散逸されず、液体を液面に落下させる場合より気泡の巻き込み量を増加させることができる。
【００１６】
上記懸濁物質分離装置において、気泡混入手段は、旋回塔の気液混合体入口に接続された配管に設けられた屈曲部であってもよい。
【００１７】
上記懸濁物質分離装置において、気泡混入手段は、旋回塔の気液混合体入口に接続された配管の内壁に設けられた、液体の流れを阻害する突出部であってもよい。
【００１８】
この場合、旋回塔に接続された配管を流れる（循環する）液体が、屈曲部や突出部において流れの剥離を起こしたときに発生するキャビテーション気泡を利用して、気液混合体へ気泡を混入することができる。これにより、旋回塔の外部に設けられ、旋回塔と配管で接続された容器において気体と接する液面を形成するといった装置構成を用いることなく、液体へ気泡を混入する（気液混合体を形成する）ことができる。
【００１９】
上記懸濁物質分離装置において、旋回塔の断面形状は円形状であってもよい。この場合、旋回流と旋回塔内壁との流体抵抗を低減できる。このため、より少ない動力で旋回塔内に旋回流を発生させることができる。つまり、懸濁物質分離装置において必要な動力を小さくし、エネルギー効率の高い装置を実現できる。
【００２０】
上記懸濁物質分離装置において、旋回塔には、旋回塔に導入される気液混合体の最上位の液面よりも上方に気体除去口が開設されていてもよい。この場合、旋回塔内から、分離された気泡に起因する気体を、上記気体除去口を通じて容易に除去することができる。
【００２１】
上記懸濁物質分離装置において、旋回塔には、該旋回塔に導入される気液混合体の最下位の液面よりも下方に排液口が開設されていてもよい。この場合、気液混合体として旋回塔に導入された被処理液体から、気泡と共に分離して旋回塔に溜まった懸濁物質を、排液口を通じて除去することができる。
【００２２】
上記懸濁物質分離装置において、旋回塔の高さ方向における気液混合体入口と液体出口との間の距離は、旋回塔の高さの１／４以上であってもよい。
【００２３】
この場合、気液混合体入口と液体出口との間の距離を大きくすることにより、気液混合体入口から導入された気液混合体が旋回塔内で旋回する回数を十分多くすることができる。この結果、気液混合体が旋回塔内を十分に旋回することにより、比重の小さい気泡と比重の大きい液体とに効率的かつ確実に分離することができる。
【発明の効果】
【００２４】
このように、本発明によれば、配管系へ容易に組込むことができる懸濁物質分離装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰返さない。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態１を示す側面模式図である。図２は、図１に示した懸濁物質分離装置の上面模式図である。図１および図２を参照して、本発明による懸濁物質分離装置を説明する。
【００２７】
図１および図２を参照して、本実施の形態１の懸濁物質分離装置６は、図１に示すように、管状の空間を有する旋回塔１と、後述する気液混合体を生成するための液体への気泡混入手段７（図３参照）とから構成される。旋回塔１には、下部側面に気液混合体入口２が形成され、上部側面に液体出口３が形成されている。また、旋回塔１には、上部表面に気体除去口４が形成され、底面に排液口５が形成されている。
【００２８】
旋回塔１は、その断面形状が円形状であることが望ましい。これにより、旋回流体と旋回塔１の内壁との間の流体抵抗が減少するため、旋回流１２の発生が容易になる。よって少ない流量でも旋回流１２を発生させることができる。この場合、気泡と液体に働く遠心力の差を利用して、気液混合体１１から気泡１４を効率的に分離することができる。
【００２９】
なお、旋回塔１の断面形状は、円形状以外の形状、たとえば楕円形であっても構わない。この場合でも、旋回塔１の断面形状が多角形状の場合より旋回流体と旋回塔１の内壁との間の流体抵抗が減少するため、比較的少ない流量でも良好に旋回流を発生させることができる。
【００３０】
旋回塔１において、気液混合体入口２（混合体入口配管）は、その中心軸が旋回塔１の側面における接線方向に延びるように開設されている。気液混合体１１は、気液混合体入口２を通って旋回塔１へ流入し、旋回塔１内部で旋回流１２を生じる。気液混合体入口２が旋回塔１の接線方向に開設されていることにより、旋回塔１へ流入する気液混合体１１の流れの向きと、旋回塔１内で旋回する旋回流１２の流れの向きとが実質的に同じ方向になる。このため、旋回塔１内部での流体抵抗を低減できるため、より少ない流量で旋回流１２を発生させることができる。
【００３１】
液体出口３は、図２に示すように、旋回塔１内部での旋回流１２の回転方向に沿った向きで形成される。具体的には、液体出口３は旋回塔１の側面における接線方向に開設される。気液混合体１１から気泡１４を分離した後の液体１３は、液体出口３を通って旋回塔１から流出する。つまり、液体出口３は、旋回塔１中での旋回流１２の流れの方向（回転方向）に沿った方向（たとえば図２に示すような旋回塔１の側面の接線方向）となる向きに開設されているため、回転している旋回流１２を滑らかに液体出口３から流出させることができる。従って、液体出口３での流体抵抗を低減し、液体１３を勢いよく液体出口３から配管中へ流出させることができる。このため、配管中への組み込みに適した構造の絵懸濁物質分離装置を得ることができる。
【００３２】
なお、液体出口３から流出する液体１３とは、気泡の割合が少ない気液混合体の意味であり、必ずしも気液混合体１１から気泡１４が完全に分離された後の液体１３に限定されない。すなわち、ここで液体１３には、旋回塔１で分離しきれなかった気泡が液体中にある程度残っている液体も含まれる。
【００３３】
また、図２では、気液混合体入口２での液体の流れ方向（気液混合体入口２の中心軸）と液体出口３での液体の流れ方向（液体出口３の中心軸）が同じ方向になるように記載されているが、液体出口３の中心軸の方向は旋回流１２の回転方向との成す角度が３０°以下、より好ましくは１５°以下、さらに好ましくは実質的に０°（上記２つの中心軸が同じ方向）であってもよい。そのため、液体出口３の中心軸の方向は気液混合体入口２の中心軸と同じ方向には限定されない。このようにすれば、配管系への組み込みのための懸濁物質分離装置６の設計の自由度を大きくできる。
【００３４】
また、旋回塔１の気液混合体入口２及び液体出口３の取り付け位置は、旋回塔１の側面に接する位置から旋回塔１の中心部側へずれていてもよい。この場合、旋回流の発生に必要な流量が若干増加するものの、気液混合体入口２や液体出口３を旋回塔１へ取り付けたとき時の、懸濁物質分離装置６の機械的強度を十分高く維持することができる。
【００３５】
また、気液混合体入口２と液体出口３との間の位置関係は、以下のように規定することが好ましい。すなわち、気液混合体入口２を通り、旋回塔１の底面に対して平行な平面と、液体出口３を通り、旋回塔１の底面に対して平行な平面との間の距離（気液混合体入口２と液体出口３との間の距離）をＸとし、旋回塔１の一方の底面と他方の底面との間の距離（旋回塔１の高さ）をＨとする。この場合、Ｘ≧（Ｈ／４）という関係を満たすようにすることが好ましい。
【００３６】
上記のようにＸの値を大きくすることにより、気液混合体入口２から導入された気液混合体１１が、旋回塔１内を旋回して比重の小さい気泡１４と比重の大きい液体１３に十分に分離されることになる。つまり、比重が大きい液体１３が液体出口３から吐き出されるまでに、旋回塔１内部を比較的長時間旋回することができるので、遠心力の差を利用して、液体１３と気泡１４を効率よく分離することができる。
【００３７】
旋回塔１において、気体除去口４は、旋回塔１に導入される液体（気液混合体１１）の最上位の液面よりも上方の位置に開設されている。例えば、旋回塔１が直立している場合は、旋回塔１の上側の底面（上壁）に気体除去口４を開設することが望ましい。このとき、気体除去口４が旋回塔１の鉛直上向きの最も高い位置に設けられているため、被処理液体としての気液混合体１１から懸濁物質を分離した後に旋回塔１内部に溜まった気体を、気体除去口４を通じて完全に除去することができる。
【００３８】
なお、気体除去口４は、旋回塔１の内部に溜まった気体を除去可能な位置に開設されていれば、旋回塔１の側面に開設されていてもよい。例えば、旋回塔１が鉛直方向から斜めに傾いている場合は、旋回塔１の側面の最も上側（たとえば鉛直方向において旋回塔１の最も高くなる位置）に開設されていてもよい。これにより、被処理液体から懸濁物質を分離したときに旋回塔１内部に溜まった気体を完全に除去することができる。
【００３９】
排液口５は、旋回塔１に導入される液体（気液混合体１１）の最下位の液面よりも下方の位置に開設されている。例えば、旋回塔１が直立している場合は、旋回塔１の下側の底面に開設されていてもよい。このとき、排液口５が旋回塔１の鉛直下向きの最も低い位置に設けられているため、被処理液体を浄化した跡に旋回塔１の内部に溜まっている懸濁物質を、排液口５を通じて、完全に除去することができる。
【００４０】
なお、排液口５は、旋回塔１の内部に溜まった懸濁物質を除去可能な位置に開設されていれば、旋回塔１の側面に開設されていても構わない。例えば、旋回塔１が鉛直方向から斜めに傾いている場合は、旋回塔１の側面の最も下側（鉛直方向における旋回塔１の最も下側に位置する部分）に設けられていてもよい。これにより、排液口５を介して被処理液体から分離した懸濁物質を完全に旋回塔１中から除去することができる。
【００４１】
次に、図３を参照して、図１および図２に示した懸濁物質分離装置６を構成する気泡混入手段７の一例を説明する。図３は、図１および図２に示した懸濁物質分離装置６を構成する気泡混入手段を説明するための模式図である。
【００４２】
図３を参照して、懸濁物質分離装置６は、旋回塔１と、旋回塔１と配管３１を介して接続される気泡混入手段７とを備える。気泡混入手段７から旋回塔１の気液混合体入口２に接続された配管には、途中に振動吸収部４１とポンプ４５とが設置されている。また、旋回塔１の液体出口３と気泡混入手段７とを接続する配管３１の途中にも、振動吸収部４１が配置されている。振動吸収部４１としては、たとえば蛇腹状の配管など気泡混入手段７の振動を旋回塔１に伝えないようにする任意の構成を用いることができる。
【００４３】
図３に示した気泡混入手段７では、旋回塔１の外部に設けられた容器２１に振動発生部材４０を設置している。そして、振動発生部材４０により容器２１を機械的に揺動させることにより、容器２１に入れられている液体２２を機械的に揺動させる。この結果、液体２２の波立った液面２４が気泡１４を巻き込む。
【００４４】
例えば、上述した懸濁物質分離装置６を洗濯機に適用する場合を考える。この場合、洗濯機の洗濯槽の回転やパルセータの回転に伴って機械的振動が生じると、容器２１に保持される液体２２自身が機械的に振動する。この振動によって液面２４には波が発生するため、波立った液面２４から気泡１４を液体２２中へ巻き込むことができる。このようにして、気泡１４を液体２２に混入させ、気液混合体１１として供給することができる。また、洗濯機の動作に起因する振動を利用して気泡１４を液体２２に混入させることができるので、特別な振動発生部材４０などを別途準備する必要が無く、装置構成を簡略化できる。
【００４５】
次に、上述した本発明の懸濁物質分離装置６の動作原理を簡単に説明する。まず、気泡混入手段７を用いて、懸濁物質を含む被処理液体（液体２２）に気泡１４を混入させて、気液混合体１１を形成する。気泡１４と懸濁物質の間には疎水性結合力が働くことにより、懸濁物質が気泡１４に吸着し、気泡の移動に伴って懸濁物質が一緒に移動する。
【００４６】
次に、ポンプ４５を動作させることにより、気液混合体１１を、気液混合体入口２を通じて旋回塔１に導入する。この結果、旋回塔１内部で気液混合体１１の旋回流１２が発生する。図１に示したように、旋回運動している気液混合体１１に含まれる液体１３と気泡１４には、それぞれ遠心力が働く。比重が大きい液体１３に働く遠心力は大きいため、液体１３は遠心力によって旋回流１２の外側へ押しやられる。そして、気泡１４がほとんど除去された液体１３は液体出口３を通じて旋回塔１から流出する。
【００４７】
一方、比重が小さい気泡１４に働く遠心力は小さいため、気泡１４は旋回流１２の中心に留まる。液体１３と気泡１４に働く遠心力の大きさの違いを利用することにより、気液混合体１１から気泡１４と液体１３を効率よく分離することができる。そして、気泡１４に付着した懸濁物質が旋回塔１の内部に留まることにより、被処理溶液（気液混合体１１）から懸濁物質を効率よく分離することができる。
【００４８】
被処理溶液である気液混合体１１を繰り返し循環させながら、液体１３と気泡１４に働く遠心力の差を利用して、旋回塔１内で気泡１４に付着した懸濁物質の分離を繰返すことにより、被処理液体を浄化することができる。そして、被処理液体の浄化が充分に行われた後に、旋回塔１への気液混合体１１の流入を停止する。そして、旋回塔１内部に留まっている懸濁物質を、旋回塔１内部に残っている液体とともに排液口５から排出する。
【００４９】
なお、旋回塔１内部に溜まった気体により、旋回塔１内部での気液混合体１１の水面の高さが低下していく場合がある。この場合は、気液混合体１１の循環を一旦停止し、気体除去口４を通じて旋回塔１の内部から気体を除去する。その後、気液混合体１１の循環を再開することにより、被処理液体の浄化を引き続き行うことができる。
【００５０】
ここで、上述した懸濁物質分離装置６において良好な気泡分離性能を得るための、旋回塔１の直径Ｄ１と、旋回塔１の高さＨ１との間の好ましい関係は、筆者らの検討では、１≦（Ｈ１／Ｄ１）≦８という式を満足することである。例えば、Ｄ１＝５０ｍｍの場合は、Ｈ１＝５０ｍｍ以上４００ｍｍ以下である。この理由としては以下のようなものが挙げられる。すなわち、上述した範囲よりＨ１が大きい場合は、旋回塔１内部での流体抵抗が大きくなって旋回流を発生させるための動力が増加してしまう。また、上述した範囲よりＨ１が小さい場合は、旋回塔１内部において旋回流が充分に発達しない。
【００５１】
また、旋回塔１の直径Ｄ１と、気液混合体入口２の直径Ｄ２との好ましい関係は、筆者らの検討では、０．１≦（Ｄ２／Ｄ１）≦０．２５である。例えば、Ｄ１＝５０ｍｍの場合は、Ｄ２＝５ｍｍ以上１２．５ｍｍ以下である。この理由としては以下のようなものが挙げられる。すなわち、上述した範囲よりＤ２の値が大きい場合は、気液混合体入口２から流入する気液混合体１１のうち、旋回流１２の流れの方向と異なる流れの方向をもつ気液混合体１１の割合が多くなり、旋回流１２の発生を阻害してしまう。また、上述した範囲よりＤ２の値が小さい場合は、気液混合体入口２を通過する気液混合体１１の流体抵抗が著しく増加してしまう。
【００５２】
また、旋回塔１の直径Ｄ１と、液体出口３の直径Ｄ３との好ましい関係は、筆者らの検討では、（Ｄ３／Ｄ１）≧０．１である。何故ならば、この関係を満たさない（つまり旋回塔１の直径Ｄ１の０．１倍よりもＤ３が小さい場合）は、液体出口３における流体抵抗が著しく増加し、旋回塔１における旋回流の発生を妨げてしまうためである。
【００５３】
（実施の形態２）
図４は、本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態２を示す模式図である。図４を参照して、本発明による懸濁物質分離装置６を説明する。
【００５４】
図４に示した懸濁物質分離装置６は、基本的には図３に示した懸濁物質分離装置と同様の構成を備えるが、気泡混入手段７の構成が異なっている。すなわち、本実施形態の懸濁物質分離装置６における気泡混入手段７は、旋回塔１の外部に設けられた容器２１と、旋回塔１から供給される液体を容器２１内部の液体の液面に落下させる落下手段としての液体の注入手段２５容器２１への液体の導入配管）とを備える。容器２１では、容器２１に入れられている液体の液面２４よりも上方に設置された液体の注入手段２５から、液体２６が放出される。放出された液体２６が液面２４に落下するときに、液体２２には気泡１４が巻き込まれる。つまり、気泡混入手段７は、旋回塔１の外部に設けられ、旋回塔１と配管で接続され、内部に液体２２と気体２３とを保持する容器２１と、容器２１において液体２２の液面２４よりも高い位置に設置されている液体の注入手段２５とから構成される。このようにしても、図３に示した懸濁物質分離装置６を同様の効果を得ることができる。
【００５５】
液体の注入手段２５は、液面２４よりも高い位置に設置されていることから、液体の注入手段２５から放出された液体２６は、比較的大きな位置エネルギーを有する。この放出された液体２６の位置エネルギーは、放出された液体２６の落下に伴って、液体２６の運動エネルギーに変換される。この放出された液体２６の運動エネルギーを利用して液面２４を叩くことにより、液面２４から気体を巻き込んで気泡１４を発生させることができる。これにより、液体２２に気泡１４を混入し、気液混合体１１を得ることができる。
【００５６】
液体の注入手段２５から放出される液体２６としては、液体を加圧することによって勢いよく放出された噴流状の液体を用いることが好ましい。たとえば、液体の注入手段２５を構成する配管の液体突出部にノズルを設置する、および当該配管の経路途中に加圧のためのポンプを設置する、などの構成を採用していもよい。この場合、自由落下する液体の場合と比べて、液体の注入手段２５から放出された直後の、放出された液体２６の運動エネルギーを大きく増加させることができる。このため、液面２４へ落下した時の気体の巻き込み量を増加させることができるので、大量に気泡１４を発生させることができる。
【００５７】
なお、図４では、液体出口３から流出された液体１３を液体の注入手段２５へ送液し、全体で液体を循環させているが、このような構成以外の構成を用いてもよい。たとえば、容器２１内の液体２２を直接液体の注入手段２５へ別配管などを介して送液し、容器２１内部で液体を循環させてもよい。
【００５８】
（実施の形態３）
図５は、本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態３を示す模式図である。図５を参照して、本発明による懸濁物質分離装置６を説明する。
【００５９】
図５に示した懸濁物質分離装置６は、基本的には図４に示した懸濁物質分離装置６と同様の構成を備えるが、気泡混入手段７の構成が異なっている。なお、本実施形態の懸濁物質分離装置６については、説明を具体的にするため、洗濯機へ応用した場合で説明する。
【００６０】
本実施形態の懸濁物質分離装置６における気泡混入手段７では、旋回塔１の外部に設けられた容器２１において、固形物落下手段によって液面２４上から落下する固形物２７が、容器２１に入れられている液体２２の液面２４へ落下する際に、液体２２に気泡１４を巻き込んでいる。気泡混入手段７は、旋回塔１の外部に設けられ、旋回塔１と配管で接続された容器２１と、容器２１に入れられている液体２２と、容器２１に入れられている気体２３と、容器２１内に設けられた固形物２７および当該固形物２７を液面２４に落下させる固形物落下手段とから構成される。
【００６１】
落下前の固形物２７は、液面２４に対して高い位置にあることから比較的大きな位置エネルギーを有する。この固形物２７は、流動して飛散し易い液体とは異なり、液面に落下したときに飛散しないため、固形物２７が液面２４を叩いた時の運動エネルギーが散逸されず、空気の巻き込み量を増加させることができ、大量の気泡１４を気液混合体１１へ混入させることができる。
【００６２】
ここで、固形物２７として、例えば、洗濯槽内の衣類や、洗濯機の洗濯槽の突起物であることが望ましい。例えば、容器２１が洗濯槽の回転体であり、固形物２７が衣類２９である場合を図６に示す。図６は、図５に示した気泡混入手段７の具体例の一例を説明するための模式図である。衣類２９は、洗濯槽である容器２１の回転に伴い、衣類２９に働く重力によって、容器２１の壁面から引き離されて落下する。落下前の衣類２９は液面２４に対して高い位置にあることと、衣類２９は水を充分に含んでいるために大きな質量を有することと、液体とは異なり、落下時に飛散しないことから、空気の巻き込み量を増加させることができ、大量の気泡１４を発生できる。なお、この場合、固形物落下手段は回転可能な選択槽である容器２１および容器２１を回転させるためのモータなどの駆動部材により構成される。
【００６３】
また、例えば、容器２１が洗濯槽内の回転体であり、固形物２７が回転する容器２１の突起物３０である場合を図７に示す。図７は、図５に示した気泡混入手段７の具体例の他の例を説明するための模式図である。容器２１が回転方向２８に示す向きで回転し、容器の突起物３０が液面２４に当たることにより、空気を大量に巻き込むことができ、大量の気泡１４を発生させることができる。この場合、固形物落下手段は、突起物３０が形成された回転可能な容器２１および容器２１を回転させるためのモータなどの駆動部材により構成される。このようにしても、図３に示した懸濁物質分離装置６を同様の効果を得ることができる。
【００６４】
（実施の形態４）
図８は、本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態４を構成する気泡混入手段を示す模式図である。図８を参照して、本発明による懸濁物質分離装置を説明する。
【００６５】
図８に示した気泡混入手段を備える懸濁物質分離装置は、基本的には図４に示した懸濁物質分離装置６と同様の構成を備えるが、気泡混入手段の構成が異なっている。すなわち、本実施の形態における懸濁物質分離装置の気泡混入手段７では、特別な容器などは設けておらず、旋回塔に液体を循環させるための配管系における屈曲部３２で気泡を発生させている。すなわち、配管系を循環する液体が、配管３１の屈曲部３２で流れの剥離を起こすことによってキャビテーション気泡が発生し、このキャビテーション気泡が液体に混入することで気液混合体を形成している。つまり、気泡混入手段７は、旋回塔１に接続された配管３１と、配管３１の屈曲部３２とから構成される。
【００６６】
上述した気泡混入手段７の動作原理は、以下のようなものである。すなわｔ、配管３１内を循環する液体２２の流速が大きい場合、液体２２の流路が急激に曲げられている場所では、流れが流路の壁面の屈曲に追随できず、壁面近傍の流体の速度ベクトル３４の方向が壁面から離れる向きになる。この結果、屈曲部３２にて流れの剥離が起こる。流れの剥離が起きている場所では、液体２２の静圧が液体２２の飽和蒸気圧以下となる。このため、当該部分ではキャビテーションが発生し、気泡１４が生成する。これにより、気液混合体１１へ気泡１４を混入することができる。よって、気体と接する液面がなくても、気液混合体１１へ気泡１４を混入することができる利点がある。
【００６７】
（実施の形態５）
図９は、本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態５を構成する気泡混入手段を示す模式図である。図９を参照して、本発明による懸濁物質分離装置を説明する。
【００６８】
図９に示した気泡混入手段を備える懸濁物質分離装置は、基本的には図８に示した懸濁物質分離装置と同様の構成を備えるが、気泡混入手段７の構成が異なっている。すなわち、図９に示した気泡混入手段７は、旋回塔１に接続された配管３１と、配管３１の内壁に設けられた障害物としての突起３３とから構成される。気泡１４は、配管系を循環する液体が、配管３１内壁の突起３３で流れの剥離を起こすことによって発生したキャビテーション気泡である。
【００６９】
また、図９に示した気泡混入手段７では、配管３１内を循環する液体２２の流速が大きい場合、配管３１の屈曲部に限らず、配管３１の内壁に突起３３がある場所で液体の流れが突起３３の表面形状に追随できない場合が発生する。その場合、突起３３の下流側の壁面近傍における液体の流れの速度ベクトル３４の方向が、壁面から離れる向きになるため、流れの剥離が起こる。これにより、キャビテーション気泡が発生し、液体２２へ気泡１４を混入することができる。このようにしても、図８に示した気泡混入手段を備える懸濁物質分離装置と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
図１０は、図９に示した気泡混入手段７の変形例を示す模式図である。図１０を参照して、図９に示した気泡混入手段７の変形例を説明する。
【００７１】
図１０に示した気泡混入手段７は、基本的には図９に示した気泡混入手段７と同様の構成を備えるが、突起３３ではなく異なる形状の閉塞物３５が形成されている点が異なっている。すなわち、図９に示した突起３３は断面形状が三角形状であったが、図１０に示した閉塞物３５は断面形状が四角形状である。このような気泡混入手段７によっても、図９に示した気泡混入手段７と同様のメカニズムにより、閉塞物３５がある箇所でキャビテーション気泡が発生するため、気液混合体１１へ気泡１４を混入することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、配管系へ懸濁物質分離装置を直接組込む構成を採用する装置、たとえば洗濯機などに特に有利に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態１を示す側面模式図である。
【図２】図１に示した懸濁物質分離装置の上面模式図である。
【図３】図１および図２に示した懸濁物質分離装置６を構成する気泡混入手段を説明するための模式図である。
【図４】本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態２を示す模式図である。
【図５】本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態３を示す模式図である。
【図６】図５に示した気泡混入手段７の具体例の一例を説明するための模式図である。
【図７】図５に示した気泡混入手段７の具体例の他の例を説明するための模式図である。
【図８】本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態４を構成する気泡混入手段を示す模式図である。
【図９】本発明による懸濁物質分離装置の実施の形態５を構成する気泡混入手段を示す模式図である。
【図１０】図９に示した気泡混入手段７の変形例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７４】
１ 旋回塔、２ 気液混合体入口、３ 液体出口、４ 気体除去口、５ 排液口、６ 懸濁物質分離装置、７ 気泡混入手段、１１ 気液混合体、１２ 旋回流、１３，２２，２６ 液体、１４ 気泡、２１ 容器、２３ 気体、２４ 液面、２５ 注入手段、２７ 固形物、２８ 回転方向、２９ 衣類、３０ 突起物、３１ 配管、３２ 屈曲部、３３ 突起、３４ 速度ベクトル、３５ 閉塞物、４０ 振動発生部材、４１ 振動吸収部、４５ ポンプ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状の空間を有する旋回塔と、
前記旋回塔の前段に設けられ、前記旋回塔に導入する気液混合体を生成するために液体へ気泡を混入させるための気泡混入手段とを備え、
前記旋回塔の外周側面には、
前記旋回塔内に旋回流を生じるための前記気液混合体を導入する気液混合体入口と、
前記旋回流の回転方向に沿った方向に開設された液体出口とが設けられている、懸濁物質分離装置。
【請求項２】
前記気泡混入手段は、
気体と前記液体とを内部に保持する容器と、
前記容器を揺動させる揺動手段とを含む、請求項１に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項３】
前記気泡混入手段は、
気体と前記液体とを内部に保持する容器と、
前記液体の液面よりも上方から他の液体を落下させる落下手段とを含む、請求項１に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項４】
前記気泡混入手段は、
気体と前記液体とを内部に保持する容器と、
固形物を前記液体の液面よりも高い位置から落下させる固形物落下手段とを含む、請求項１に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項５】
前記気泡混入手段は、前記旋回塔の前記気液混合体入口に接続された配管に設けられた屈曲部である、請求項１に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項６】
前記気泡混入手段は、前記旋回塔の前記気液混合体入口に接続された配管の内壁に設けられた、前記液体の流れを阻害する突出部である、請求項１に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項７】
前記旋回塔の断面形状は円形状である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項８】
前記旋回塔には、前記旋回塔に導入される前記気液混合体の最上位の液面よりも上方に気体除去口が開設されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項９】
前記旋回塔には、前記該旋回塔に導入される前記気液混合体の最下位の液面よりも下方に排液口が開設されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項１０】
前記旋回塔の高さ方向における前記気液混合体入口と前記液体出口との間の距離は、前記旋回塔の高さの１／４以上である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項１】
管状の空間を有する旋回塔と、
前記旋回塔の前段に設けられ、前記旋回塔に導入する気液混合体を生成するために液体へ気泡を混入させるための気泡混入手段とを備え、
前記旋回塔の外周側面には、
前記旋回塔内に旋回流を生じるための前記気液混合体を導入する気液混合体入口と、
前記旋回流の回転方向に沿った方向に開設された液体出口とが設けられている、懸濁物質分離装置。
【請求項２】
前記気泡混入手段は、
気体と前記液体とを内部に保持する容器と、
前記容器を揺動させる揺動手段とを含む、請求項１に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項３】
前記気泡混入手段は、
気体と前記液体とを内部に保持する容器と、
前記液体の液面よりも上方から他の液体を落下させる落下手段とを含む、請求項１に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項４】
前記気泡混入手段は、
気体と前記液体とを内部に保持する容器と、
固形物を前記液体の液面よりも高い位置から落下させる固形物落下手段とを含む、請求項１に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項５】
前記気泡混入手段は、前記旋回塔の前記気液混合体入口に接続された配管に設けられた屈曲部である、請求項１に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項６】
前記気泡混入手段は、前記旋回塔の前記気液混合体入口に接続された配管の内壁に設けられた、前記液体の流れを阻害する突出部である、請求項１に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項７】
前記旋回塔の断面形状は円形状である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項８】
前記旋回塔には、前記旋回塔に導入される前記気液混合体の最上位の液面よりも上方に気体除去口が開設されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項９】
前記旋回塔には、前記該旋回塔に導入される前記気液混合体の最下位の液面よりも下方に排液口が開設されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の懸濁物質分離装置。
【請求項１０】
前記旋回塔の高さ方向における前記気液混合体入口と前記液体出口との間の距離は、前記旋回塔の高さの１／４以上である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の懸濁物質分離装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−８２８１９（Ｐ２００９−８２８１９Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５５６４７（Ｐ２００７−２５５６４７）
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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