筒状体のリブによるせん断を利用した気液混合溶解装置

【課題】気液の混合溶解をより効果的に行うことができる方法を提供する。
【解決手段】中心軸を共通にして、軸方向にスリットを有する径の異なる２個の筒状体を設け、中心軸に平行な複数のリブを有し、内側筒状体はリブを外接させて外側筒状体はリブを内接させて、外側筒状体を固定して内側筒状体を高速回転させて、内側筒状体に気液混合流を加圧導入し、内側筒状体内部から外側筒状体に気液混合流を通過させることにより２個の筒状体のリブ同士でせん断され微細化されて気液混合溶解させる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体と気体の混合流体を送り込み、高度に分散された混合流体を生成させる装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
気液を混合する方法は種々あるが、効率上フローミキサーが従来多く提案されている。フローミキサーとして、ジェットミキサー、インジェクターミキサー、スリット、オリフィスまたはスクリーンに気体を通過させるミキサー、ポンプミキサー、スプレーミキサー等の形式がある。
ジェットミキサーとしては文献１のように、気体混合液体を気液界面に向けて末広がり状に噴射流を形成するものがあり、インジェクターミキサーとしては文献２のように液体がノズル部から噴出することによる負圧で気体を引き込みマイクロバブルを発生させるものがある。また、ポンプミキサーとしては、文献３のように渦巻きポンプを起動させた場合の負圧を利用して空気を液体に混合するものがある。さらに、スプレーミキサーとしては文献４のように水素をエゼクタにより混合するものがある。
【０００３】
ただ、微細で均一な気泡を得る装置としては、スリットやオリフィス、スクリーンを使用する例が多く提案されている。例えば、文献５の微細気泡発生装置は、流体の断面積を縮小させて絞り部とその下流に末広がり部を有し、放射線上に管の中心線に向かって気体を導入するスリット部含む構成で気液混合されるというものである。
【特許文献１】特開２００７−８４４号公報
【特許文献２】特開２００８−８６８６８号公報
【特許文献３】特開２００６−１５９１８７号公報
【特許文献４】特開２００２−１８２５３号公報
【特許文献５】特開２００６−６１８２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、気液混合の際、微細気泡を発生させる手段において、特許文献５所載のスリット型微細気泡発生装置では、スリットを形成する間隔の幅をμｍ単位で調整する必要がある。また、装置の構造上、一箇所円周上に開口している気液供給口のスリットでは、微細な気泡の散気は非常に難しく、実用上大量生産する場合等においては気液混合効率が悪いと考えられる。
【０００５】
従って、本発明の主な目的は、気液の混合溶解をより効率的に行うことができる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、従来技術の問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定の構造体に気液を通過させることにより上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、中心軸を共通にして、径の異なる２個の筒状体からなり、２個の筒状体は軸方向にスリットを有するとともに、中心軸に平行な複数のリブを設け、内側筒状体のリブは筒状体に外接され、外側筒状体のリブは筒状体に内接されている。
内側筒状体の両端を中心軸に液の導入口を有する２枚の円板で挟着して、さらに外周面に液の排出口を有する円筒および２枚の円板で挟着して、内側筒状体を内装する。
内側筒状体に気液混合流を加圧導入し、外側筒状体を固定したまま内側筒状体を高速回転させて、内側筒状体内部から外側筒状体に気液混合流を通過させることによりリブ同士でせん断され微細化されて気液混合溶解させる。
本発明に適用できる液相（溶媒）としては、限定的でなく、例えば水、アルコール類、その他等を挙げることができる。また、気相としては、適用される溶媒に対して可溶性のものであれば良く、例えば酸素、オゾン、その他等から適宜選択することができる。
前記リブとしては、特に当該筒状体と一体化されリブ同士で通過・せん断を繰り返す作用を有する構造であればその材質は制限されない。金属としては、各種の金属又は合金を使用することができ、より具体的にはステンレス鋼、チタンその他等を挙げることができる。
前記筒状体に設けたリブの間隔は、処理流量および目的とする溶解後のバブルの粒径に応じて適宜設定することができる。但し、回転によるリブ同士の接触防止を考慮して好ましくはリブの間隔を０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲内で決定すれば良い。１０ｍｍ以上にすると大粒径のバブルが多くなる。
前記筒状体に設けたリブのピッチは、処理流量および目的とする溶解後のバブルの粒径に応じて適宜設定することができる。好ましくはリブのピッチを６．３５〜２５．４ｍｍの範囲内で決定すれば良い。
前記筒状体に設けたリブの構成は、内側筒状体に外接され外側筒状体に内接され前記筒状体と一体化されることにより、所定のせん断機能を発揮することができる。
前記筒状体に設けたリブの形態（形状）は、筒状体のスリットに気液混合流を通過させた後せん断作用を発生させることができる限りいずれの形態であっても良い。例えば、平面状、棒状、その他等の形態が挙げられる。中でも平面状（平板）が好適である。
前記筒状体のスリットの巾は、処理流量および溶解後のバブルの粒径に応じて適宜設定することができる。好ましくは０．０５〜０．５ｍｍの範囲内で決定すれば良い。
気相及び液相は、両者を予め気液混合手段で混合した気液混合流として前記筒状体に設けたリブを通過させることが好ましい。気液混合手段をポンプの吸込側に配置して、その吸込圧により供給された気相及び液相を気液混合する。
気相及び液相の気液混合流を前記筒状体に設けたリブに供給するときは、筒状体のスリットおよびリブを通過するのに十分な圧力を加えることが望ましい。圧力は、処理流量および溶解後のバブルの粒径に応じて適宜設定することができる。本溶解装置に要する圧力損失は０．２ＭＰａ以下である。
ポンプの吸込側に配置した気液混合手段に特許出願中の筒状スリットを使用する場合、気相の供給圧力は、大気圧〜０．０２ＭＰａ程度の範囲内で適宜設定することができる。加圧は、例えば公知又は市販のポンプ、ボンベ、コンプレッサー等を使用すれば良い。
本発明の気液混合溶解装置は、以下の様に構成される。つまり液相に気相を溶解させるための装置であって、
（１）液相を供給する液相供給手段、
（２）気相を供給する気相供給手段、
（３）液相と気相を混合する気液混合手段、
（４）前記気相供給手段及び液相供給手段から供給され、気相及び液相を気液混合手段で気液混合された気液混合流を気液混合溶解手段の内側筒状体内部から外側筒状体に通過させることによりリブ同士でせん断され微細化されて気液混合溶解させる。
液相供給手段は、液相を収容する容器（液相室）等が用いられる。前記容器から液相用配管を通して気液混合手段に接続されている。
気相供給手段は、気相を収容する容器（気相室）等が用いられる。前記容器から気相用配管を通して気液混合手段に接続されている。
なお、前記の液相室及び気相室としては、公知又は市販のボンベ、タンク等を使用することもできる。
気液混合手段は、ポンプの吸込側に配置して特許出願中の筒状スリット等が用いられる。気液混合手段から配管を通して気液混合溶解手段のロータリージョイントに接続されている。
気液混合溶解手段は、気相及び液相を予め気液混合手段で混合した後、気液混合流が通過・せん断を繰り返す作用を有する構造の当該筒状体と一体化されたリブを備えている。かかる構成を有する限り、その形態は特に限定されない。例えば、前記筒状体と一体化されたリブがそれを収容できる容器内に配置され、容器内部の空間が筒状体により、内側筒状体と外側筒状体に区画された構成を気液混合溶解手段として採用することができる。この場合、内側筒状体から外側筒状体に向かって通過させる内回転式、外側筒状体から内側筒状体に向かって通過させる外回転式のいずれであっても良い。本発明では、特に内回転式であることが望ましい。気液混合溶解手段は、１段階だけでなく、２段階以上の多段式とすることもできる。例えば、第１の気液混合溶解手段を経て得られた液体を第２の気液混合溶解手段を通過させることにより、前記液体中の気相の粒径をより小さくすることが可能となる。
また、本発明装置では、気相及び液相あるいはこれらの混合物を内側筒状体および外側筒状体に圧入するための加圧装置を備えていることが望ましい。また、気液混合手段にポンプの吸込み圧力を利用する場合は、気相の供給圧力を大気圧〜０．０２ＭＰａ程度の範囲内で適宜設定することができる。加圧装置としては、例えばポンプ、コンプレッサー等の公知の装置およびボンベを採用することができる。
さらに、本発明では、気液混合溶解手段を経た大粒径のバブルを含む液体をさらに加圧して液相中のバブルを微細化する手段を含んでいても良い。これにより、気液混合溶解手段を経た液体中に含まれる大粒径のバブルを液相に溶解させることができ、これにより前記液体中の気相の溶存濃度をより高めることが可能となる。この場合も、加圧装置としては、例えばポンプ等の公知の装置を採用することができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明による気液混合溶解方法では、回転筒状体のリブと固定筒状体のリブ同士によるせん断力を利用して気体と液体の気液混合流から、分散・混合・溶解を極めて効率良く行わせることができる。
本発明の気液混合溶解装置は、気液混合を低エネルギーで短時間に効率良く行うことが可能で、前記筒状体を構成するスリットおよびリブの目詰まり不具合の心配もなく、コンパクトでありながら大量の液相中に気相を混合溶解させる手段として有効であり、液相流路中に気液混合溶解装置として組み込むことにより実生産レベルにおいてもランニングコストが低く、十分実用的に気液混合溶解液が得られる。
【０００８】
また、前記リブのピッチやリブ同士の隙間および回転数の選定により用途に応じた気泡粒径の溶解液が得られる。そして、本装置の圧力損失は０．２ＭＰａ以下であり溶解液の圧力が必要な場合は、本装置に供給するポンプを適正な能力のもの選定することで実用生産に見合った量および圧力の気液混合溶解液が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を使って説明する。
図１は、本発明に係る内側筒状体および外側筒状体を示す斜視図、図２は、本発明に係る内側筒状体および外側筒状体の正面図、図３は、本発明に係る内側筒状体のＡ矢視（外側から見た図）、図４は、本発明に係る内側筒状体のＢ矢視（内側から見た図）、図５は、本発明に係る外側筒状体のＣ矢視（外側から見た図）、図６は、本発明に係る外側筒状体のＤ矢視（内側から見た図）、図７は、本発明に係る気液混合装置の全体図である。
【００１０】
図１に示すように、周方向に均等なスリット１０３，２０３を有する筒状体１０２，２０２と一体化されたリブ１０１、１０２を一定の間隔３００で配置して、外側筒状体２００を固定したまま内側筒状体１００を高速回転させる。さらに気相および液相を予め気液混合手段で混合した後、気液混合流を内側筒状体内部から外側筒状体に通過させることによりリブ同士でせん断され微細化されて気液混合溶解が行われ、液相に気相を溶解させることができる。
すなわち、この前記筒状体のリブ１０１、２０１に一定圧力が加わると、気相及び液相の通過・せん断を繰り返す作用を有する構造で、気相及び液相が微細化され最終的に液相に気相が溶解されることになる。前記筒状体のリブ１０１、２０１の間隔３００は回転によるリブ１０１、２０１同士の接触防止を考慮してリブ１０１、２０１の間隔を０．５〜１０ｍｍの範囲内で使用し、材質はオーステナイト系ステンレス鋼を使用できる。また、前記筒状体１０２、２０２のスリット１０３、２０３は０．０５〜０．５ｍｍの範囲内で使用し、材質はオーステナイト系ステンレス鋼を使用できる。
【００１１】
次に、本発明の気液混合溶解方法について述べる。
図７に示すように、気液混合された液は、混合液入口３０５から軸３０６に装着したロータリージョイント３０４を介して前記内側筒状体１００に導入する。前記外側筒状体２００は溶解室３０７に固定され、前記内側筒状体１００は軸３０８に装着され軸受３０２で支持されており、モーター３０１で回転させる。溶解室３０７と軸３０８はメカニカルシール３０３で軸封されている。モーター３０１はインバーターを使用し適正な回転数を選択できる。前記内側筒状体１００および外側筒状体２００のリブ１０１、２０１同士で通過・せん断されて微細化され、気液混合が行われ、溶解液吐出口３０６から吐出される。
【００１２】
本発明装置では、ポンプをさらに有し、かつ、前記ポンプの吸込側に気液混合手段を配置し、その吸込圧により、スリット膜に供給された気相及び液相を通過させる構成を採用することもできる。かかる構成によれば、エジェクター等の吸引効果を使用しないため、圧力損失を極力最小にでき、ポンプの能力を低下させないという効果が得られる。供給された低圧のガス及び大気圧のガスと液体とをポンプの吸込み圧力を利用してスリット膜を通過させて気液混合することができる。
【００１３】
具体的には、図７に示すように、ポンプ４０４の吸込み側に、気液混合装置４０３を設置し、液相室４０２から導入し、ポンプ４０４の吸込み圧力で大気圧及び加圧された気相室４０１のガスを吸込んで気液混合装置４０３を通過させて液相に混合する。気相導入部には逆流防止用の逆止弁４０５を設置する。
【実施例】
【００１４】
以下、実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明の範囲は、実施例に限定されない。
【００１５】
実施例１
図７に示すように、前記内側筒状体１００、外側筒状体２００において、軸方向に均等なスリット１０３、２０３を有する筒状体１０２、２０２に中心軸に平行な複数のリブ１０１、２０１を設け、内側筒状体１００のリブは筒状体１０２に外接され、外側筒状体２００のリブは筒状体２０２に内接され、アルミニューム製の溶解室３０７に収納し、内側筒状体１００に気液混合流を加圧導入し、外側筒状体２００を固定したまま内側筒状体１００を高速回転させて、気液混合溶解試験を行った。
【００１６】
図７に示すように、液相室４０２及び気相室４０１から同時にポンプ４０４の吸込側に設置した気液混合装置４０３に導入して気液混合した液を、気液混合溶解装置の混合液入口のロータリージョイント３０４を介して前記内側筒状体１００に導入して前記筒状体のリブ１０１、２０２同士で通過・せん断させることにより気液混合溶解を行った。本試験例で用いた前記筒状体１００、２００はステンレス製で、前記内側筒状体１００のリブ１０１のピッチ１２．７ｍｍ、高さ３ｍｍ、前記内側筒状体１０２のスリット０．２ｍｍを使用した。前記外側筒状体２００のリブ２０１のピッチ８．７ｍｍ、高さ３ｍｍ、前記外側筒状体２０２のスリット０．５ｍｍを用いた。
【００１７】
また、前記筒状体のリブ１０１、２０１の間隔３００を１０ｍｍ以上にすると大粒径のバブルが多くなり、本試験例で用いた間隔３００を３ｍｍとした。
そして、気液混合の液相に水道水、気相に空気および酸素を用い、気液混合溶解液を得た。1回通過（１パス）させた液中の溶存酸素濃度を測定した。
本発明で製造した溶液の溶存酸素濃度の変化である。
その結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】

表１に示すように、気相に空気を使用した場合、混合前の水温２３℃における水中の溶存酸素飽和濃度は約７．６ｍｇ／Ｌであるのに対し、本発明の気液混合溶解方法を用いれば、短時間に水中の溶存酸素濃度を飽和濃度（８．３９ｍｇ／Ｌ）以上の約９．６ｍｇ／Ｌに高めることがわかる。また、気相に酸素を使用した場合、水中の溶存酸素濃度を飽和濃度（８．３９ｍｇ／Ｌ）以上の約３２．８ｍｇ／Ｌに高めることがわかる。
【００１９】
また、上記の溶解液を静置してマイクロバブルが大気に放出された後も溶存酸素濃度は低下しない。これはナノ領域の粒子を含んでいる為であり、レーザー光（波長５３０ナノメートル）を溶解液に照射することで目視確認できる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明の気液混合溶解方法は、液相と気相の種類が限定されるものではなく、例えば食品産業、水産業、医薬品産業等の液相中にミクロン粒子のマイクロバブルの気相として活用する分野、界面活性剤を使用しない洗浄を目的として気液混合等に使用することができる。
【００２１】
本装置は、各種ガスを液中に２０ミクロン以下の粒径を主体にした溶解液として製造できるものであり、本発明の気液混合溶解装置を使用することにより、各種の過飽和ガス溶解液を製造できる。
【００２２】
２０ミクロン以下の粒径を主体にした領域の溶解液として製造することにより、界面活性剤を使用しない洗浄が可能となり環境に安全な洗浄ができる。
【００２３】
２０ミクロン以下の粒径を主体にした領域の溶解液は、活性化作用があり農業・漁業に導入することで農薬削減や早期育成栽培の可能性があり食品の安定製造が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る内側筒状体および外側筒状体を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る内側筒状体および外側筒状体の正面図である。
【図３】本発明に係る内側筒状体のＡ矢視図（外側から見た図）である。
【図４】本発明に係る内側筒状体のＢ矢視図（内側から見た図）である。
【図５】本発明に係る外側筒状体のＣ矢視図（外側から見た図）である。
【図６】本発明に係る外側筒状体のＤ矢視図（内側から見た図）である。
【図７】本発明に係る気液混合装置の全体図である。
【符号の説明】
【００２５】
１００内側筒状体
１０１リブ
１０２筒状体
１０３スリット
２００外側筒状体
２０１リブ
２０２筒状体
２０３スリット
３００間隔
３０１モーター
３０２軸受
３０３メカニカルシール
３０４ロータリージョイント
３０５混合液入口
３０６溶解液吐出口
３０７溶解室
３０８軸
４０１気相室
４０２液相室
４０３気液混合装置
４０４送液ポンプ
４０５逆止弁

【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸を共通にして、径の異なる２個の筒状体からなり、２個の筒状体は軸方向にスリットを有するとともに、中心軸に平行な複数のリブを有し、内側筒状体のリブは筒状体に外接され、外側筒状体のリブは筒状体に内接され、内側筒状体の両端を中心軸に液の導入口を有する２枚の円板で挟着して、外側筒状体の両端を２枚の円板で挟着して、さらに筒状体の外周面に液の排出口を有する円筒および２枚の円板で挟着して、内側筒状体を内装し、内側筒状体に気液混合流を加圧導入し、外側筒状体を固定したまま内側筒状体を高速回転させて、内側筒状体内部から外側筒状体に気液混合流を通過させることにより２個の筒状体のリブ同士でせん断され微細化されて気液混合溶解することを特徴とする気液混合溶解装置
【請求項２】
請求項１において内側筒状体に外接するリブと外側筒状体に内接するリブの間隔が０．５ｍｍから１０ｍｍであることを特徴とする請求項１項に記載の気液混合溶解装置

【図１】