(57)【要約】【課題】簡易的な構造で液体と気泡を分離することが可能な気液分離装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る気液分離装置１００は、堰１０２を具備する。堰１０２は、内部空間１０１ａにおいて液体に旋回流を生じさせる機構を備え、液出口１０５が底面１０１ｂに設けられた旋回流タンク１０１の内部空間１０１ａにおいて、液出口１０５の周囲に設けられ、鉛直方向に沿った中心軸を有する円筒形状であって、底面１０１ｂとは反対側に開口１０２ａを形成し、底面１０１ａと共に液出口１０５に連通する液出口空間１０２ｂを形成する。【選択図】図２
2020025914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間において液体に旋回流を生じさせる機構を備え、液出口が底面に設けられた旋回流タンクの前記内部空間において、前記液出口の周囲に設けられ、鉛直方向に沿った中心軸を有する円筒形状であって、前記底面とは反対側に開口を形成し、前記底面と共に前記液出口に連通する液出口空間を形成する堰
を具備する気液分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の気液分離装置であって、
前記液出口空間の内部に設けられ、前記中心軸に平行な板状部材であって、前記開口側の前記液出口空間を二つに区画する渦防止板
をさらに具備する気液分離装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の気液分離装置であって、
前記底面は、前記中心軸に垂直な面である
気液分離装置。
【請求項４】
請求項１から３のうちいずれか一項に記載の気液分離装置であって、
前記堰の前記中心軸に沿った高さは前記旋回流タンクに収容される液体の深さの１／６以上１／４以下である
気液分離装置。
【請求項５】
請求項１から４のうちいずれか一項に記載の気液分離装置であって、
前記堰の内径は、前記旋回流タンクの内径の０．４倍以上０．６倍以下である
気液分離装置。
【請求項６】
請求項２に記載の気液分離装置であって、
前記渦防止板の前記中心軸に沿った高さは前記堰の半径の０．７倍以上である
気液分離装置。
【請求項７】
内部空間において液体に旋回流を生じさせる機構を備え、液出口が底面に設けられた旋回流タンクと、
前記内部空間において、前記液出口の周囲に設けられ、鉛直方向に沿った中心軸を有する円筒形状であって、前記底面とは反対側に開口を形成し、前記底面と共に前記液出口に連通する液出口空間を形成する堰
を具備する気液分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気泡を含有する液体から気泡を分離する気液分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体から気泡を除去することが可能な気液分離装置は、化学プラントや食品加工等の多くの分野で利用されている。気液分離装置の構造として、液体に旋回流を生じさせ、遠心力を利用して液体と気泡を分離するものがある。
【０００３】
例えば特許文献１には、洗浄槽と仕切りを備える洗浄装置が開示されている。洗浄槽内に供給された洗浄液は仕切りによって形成される流路を通過することによって旋回流を生じ、洗浄液に含まれる微細気泡によって被洗浄物が洗浄される。気泡は旋回流によって旋回流の中央部を上昇し、洗浄槽から排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−３６８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、簡易的な構造で液体と気泡を分離することが可能な気液分離装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本技術に係る気液分離装置は、堰を具備する。
上記堰は、内部空間において液体に旋回流を生じさせる機構を備え、液出口が底面に設けられた旋回流タンクの上記内部空間において、上記液出口の周囲に設けられ、鉛直方向に沿った中心軸を有する円筒形状であって、上記底面とは反対側に開口を形成し、上記底面と共に上記液出口に連通する液出口空間を形成する。
【０００７】
この構成によれば、旋回流タンクの内部空間で旋回流が形成されると、液体に含まれる気泡は旋回流タンクの外周領域に移動する。液出口の周囲に堰を設けることにより、気泡は堰によって液出口への流入を防止され、旋回流タンクの内部空間に留まる。これにより、液体のみが液出口から排出され、即ち、液体から気泡を除去することが可能となる。
【０００８】
上記気液分離装置は、上記液出口空間の内部に設けられ、上記中心軸に平行な板状部材であって、上記開口側の上記液出口空間を二つに区画する渦防止板をさらに具備してもよい。
【０００９】
上記底面は、上記中心軸に垂直な面であってもよい。
【００１０】
上記堰の上記中心軸に沿った高さは上記旋回流タンクに収容される液体の深さの１／６以上１／４以下であってもよい。
【００１１】
上記堰の内径は、上記旋回流タンクの内径の０．４倍以上０．６倍以下であってもよい。
【００１２】
上記渦防止板の上記中心軸に沿った高さは上記堰の半径の０．７倍以上であってもよい。
【００１３】
上記目的を達成するため、本技術に係る気液分離装置は、旋回流タンクと、堰とを具備する。
上記旋回流タンクは、内部空間において液体に旋回流を生じさせる機構を備え、液出口が底面に設けられている。
上記堰は、上記内部空間において、上記液出口の周囲に設けられ、鉛直方向に沿った中心軸を有する円筒形状であって、上記底面とは反対側に開口を形成し、上記底面と共に上記液出口に連通する液出口空間を形成する。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本技術によれば、簡易的な構造で液体と気泡を分離することが可能な気液分離装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る気液分離装置の斜視図である。
【図２】同気液分離装置の断面図である。
【図３】同気液分離装置が備える堰及び渦防止板の斜視図である。
【図４】同気液分離装置が備える堰及び渦防止板の平面図である。
【図５】同気液分離装置が備える堰及び渦防止板の断面図である。
【図６】同気液分離装置の動作を示す模式図である。
【図７】同気液分離装置の動作を示す模式図である。
【図８】同気液分離装置が備える堰及び渦防止板のサイズを示す模式図である。
【図９】同気液分離装置の旋回流タンク内径及び堰内径の比率と気体流出率の関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の変形例に係る気液分離装置の断面図である。
【図１１】本発明の別の変形例に係る気液分離装置の断面図である。
【図１２】本発明の実施例及び比較例に係る気液分離装置の気体流出率の時間推移を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施例及び比較例に係る気液分離装置の気体流出率の平均値を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施例及び比較例に係る気液分離装置の、旋回流タンクの容量毎の気体流出率時間推移を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施例及び比較例に係る気液分離装置の、旋回流タンクの容量と気体流出性の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態に係る気液分離装置について説明する。以下の説明において鉛直方向をＺ方向とし、水平方向に沿った互いに直交する二方向をＸ方向及びＺ方向とする。
【００１７】
［気液分離装置の構成］
図１は、本実施形態に係る気液分離装置１００の斜視図であり、図２は気液分離装置１００の断面図である。これらの図に示すように、気液分離装置１００は、旋回流タンク１０１、堰１０２及び渦防止板１０３を備える。
【００１８】
旋回流タンク１０１は内部空間１０１ａに液体を収容可能なタンクである。旋回流タンク１０１には、液入口１０４及び液出口１０５が設けられている。旋回流タンク１０１は、Ｘ−Ｙ平面での断面が円形状となる、Ｚ方向を中心とする円筒形状とすることができる。以下、旋回流タンク１０１の底面を底面１０１ｂとする。底面１０１ｂはＺ方向に垂直な面とすることができる。
【００１９】
旋回流タンク１０１の深さ（Ｚ方向）は１０００ｍｍ以下が好適である。旋回流タンク１０１の容量は特に限定されないが、１〜１００Ｌ程度が好適である。また、旋回流タンク１０１の置換時間、即ち旋回流タンク１０１に収容された液体が入れ替わるのに要する時間は３０秒程度が好適である。
【００２０】
液入口１０４は、旋回流タンク１０１の内部空間１０１ａに連通する開口であり、旋回流タンク１０１の鉛直上方に設けられ、液体を旋回流タンク１０１内に流入させる。液入口１０４には液入口配管１０６が接続されている。
【００２１】
液入口配管１０６は、旋回流タンク１０１の外周の接線方向に延伸しており、液入口１０４から旋回流タンク１０１に流入する液体が旋回流（図６参照）を形成するように構成されている。液入口配管１０６の配管サイズは、管内流速が１．０〜１．５ｍ／ｓとなるものが好適であり、例えば８Ａ〜２５Ａ（ＪＩＳ  Ｇ  ３４５９）を利用することができる。
【００２２】
液出口１０５は、旋回流タンク１０１の内部空間１０１ａに連通する開口であり、液体を旋回流タンク１０１内から排出させる。液出口１０５は、底面１０１ｂの中央に設けられ、液出口配管１０７が接続されている。液出口配管１０７の配管サイズは、液入口配管１０６と同等のものが好適である。
【００２３】
堰１０２は、底面１０１ｂにおいて液出口１０５の周囲に設けられている。図３は、堰１０２及び渦防止板１０３の斜視図であり、図４は、堰１０２及び渦防止板１０３の平面図である。図５は堰１０２及び渦防止板１０３の断面図であり、図４のＳ−Ｓ線での断面図である。
【００２４】
これらの図に示すように、堰１０２は、鉛直方向（Ｚ方向）に沿った中心軸（図３中、中心軸Ｃ）を有する円筒形状である。図２に示すように堰１０２を構成する円筒の一端は底面１０１ｂに接続され、他端は底面１０１ｂとは反対側に開口１０２ａを形成する。
【００２５】
以下、堰１０２及び底面１０１ｂによって形成され、液出口１０５に連通する空間を液出口空間１０２ｂとする。
【００２６】
渦防止板１０３は、液出口空間１０２ｂの内部に設けられた板状部材であり、堰１０２の対向する内周面を接続することによって開口１０２ａ側の液出口空間１０２ｂを二つの空間に区画する。図３に示すように渦防止板１０３は、中心軸Ｃに平行に配置されている。
【００２７】
図２及び図５に示すように渦防止板１０３は開口１０２ａから液出口空間１０２ｂの一定の深さまで設けられているものとすることができる。また、渦防止板１０３は一部が開口１０２ａより突出して設けられてもよく、開口１０２ａより底面１０１ｂ側に設けられてもよい。
【００２８】
また、渦防止板１０３は、開口１０２ａ側の液出口空間１０２ｂを三つ以上の空間に区画するものであってもよく、Ｚ方向から見てＹ字形状やＸ字形状であってもよい。
【００２９】
［気液分離装置の動作］
気液分離装置１００の動作について説明する。図６及び図７は、気液分離装置１００の動作を示す模式図である。
【００３０】
液入口１０４から旋回流タンク１０１の内部空間に気泡を含有す液体を供給すると、図６において矢印で示すように、内部空間１０１ａ内で旋回流が生じる。液体は、旋回流を形成しながら液出口空間１０２ｂに流入し、液出口１０５から排出される。図６及び図７において、旋回流を形成する液体の液面Ｅを示す。
【００３１】
気泡は、内部空間１０１ａの外周を流れる旋回流に沿って内部空間１０１ａの外周領域（図中Ａ）に移動する。内部空間１０１ａの外周領域と液出口空間１０２ｂの間には堰１０２が設けられているため、気泡は堰１０２によって液出口空間１０２ｂへの流入が妨げられる。即ち、堰１０２の外周空間は気泡を留めるためのバッファ空間として機能する。
【００３２】
液入口１０４からの液体の供給が継続し、旋回流の流速が大きくなると、図７に示すように、気泡は内部空間１０１ａの内周領域（図中Ｂ）に移動する。ここで、開口１０２ａには渦防止板１０３が設けられているため、旋回渦が渦防止板１０３によって遮断され、気泡が液出口空間１０２ｂに流入することが防止される。
【００３３】
このように、液入口１０４から内部空間１０１ａに気泡を含有する液体が供給されると、液体は、液出口空間１０２ｂに流入し、液出口１０５から排出される。気泡は堰１０２及び渦防止板１０３によって液出口空間１０２ｂへの流入が防止され、液出口１０５からほとんど排出されない。これにより、気液分離装置１００によって液体から気泡が除去され、気液分離がなされる。
【００３４】
なお、気液分離装置１００によって気液分離が可能な液体は典型的には水であるが、気液分離装置１００は他にも水と同等の性質を有する液体の気液分離に用いることが可能である。
【００３５】
［各部のサイズについて］
図８は、気液分離装置１００の各部のサイズを示す模式図である。同図に示すように、堰１０２の、底面１０１ｂからの高さ（Ｚ方向）を高さＨ１とする。高さＨ１は、旋回流タンク１０１に収容される液体の深さの１／６以上１／４以下が好適である。
【００３６】
これは、高さＨ１が、液体の深さの１／６未満であると、気泡が堰１０２を越えて外周空間から液出口空間１０２ｂに流入しやすくなり、高さＨ１が液体の深さの１／４を超えると、槽全体での旋回流ができなくなり、液体の「先入れ先出し」ができなくなるためである。
【００３７】
また、堰１０２の内径（Ｘ−Ｙ方向）を内径Ｄ１とし、旋回流タンク１０１の内径（Ｘ−Ｙ方向）を内径Ｄ２とすると、内径Ｄ１は内径Ｄ２の０．４倍以上０．６倍以下が好適である。
【００３８】
図９は、内径Ｄ２に対する内径Ｄ１の比率と気体流出率の関係を示す、気液二相解析によるシミュレーション結果グラフである。気体流出率は、液入口１０４に０．０２の体積比率で気泡を含む液体を流入させた場合に、液出口１０５から排出される液体に含まれる気体の体積比率である。
【００３９】
同図に示すように、内径Ｄ１が内径Ｄ２の０．４倍以上０．６倍以下の場合に気体流出率が小さく、内径Ｄ１は内径Ｄ２の０．４倍以上０．６倍以下が好適である。
【００４０】
さらに、図８に示すように渦防止板１０３の高さ（Ｚ方向）を高さＨ２とすると、高さＨ２は、堰１０２の半径（（Ｄ１）／２）の０．７倍以上が好適であり、２０ｍｍ以上がさらに好適である。
【００４１】
これは、液出口空間１０２ｂにおいてアスペクト比が０．７未満であり、即ち半径（（Ｄ１）／２）に対して深さ（Ｈ２）が小さいと、旋回流の一部が液出口空間１０２ｂに伝搬しやすくなるためである。
【００４２】
［変形例］
図１０は本発明の変形例に係る気液分離装置１００を示す断面図である。同図に示すように気液分離装置１００は、堰１０２を有し、渦防止板１０３を有しないものであってもよい。
【００４３】
気液分離装置１００が、堰１０２のみを有する場合であっても、堰１０２によって気泡の液出口空間１０２ｂへの流入が防止され、気液分離が可能である。一方、渦防止板１０３を設けない場合、気泡の流出率は多少増加する。
【００４４】
図１１は本発明の他の変形例に係る気液分離装置１００を示す断面図である。旋回流タンク１０１の底面１０１ｂは、堰１０２の中心軸Ｃに垂直な面となるものに限られず、同図に示すように中心軸Ｃに対して傾斜する面であってもよい。
【００４５】
しかしながら、この場合、バッファ空間として機能する堰１０２の外周空間の体積が減少するため、底面１０１ｂが中心軸Ｃに垂直な場合に比べて気泡の流出率は多少増加する。
【００４６】
また、気液分離装置１００では、上述のように液入口配管１０６が旋回流タンク１０１の外周の接線方向に延伸するように設けられることによって内部空間１０１ａ内の液体に旋回流を生じさせるものにしたが、この構成に限られない。例えば内部空間１０１ａの内部に撹拌翼を設け、撹拌翼を回転させることによって旋回流を生じさせてもよい。
【００４７】
［実施例と比較例の比較結果について］
本発明の実施例と比較例の比較結果について説明する。図１２は、気体流出率の時間推移を示すグラフである。実施例１は堰１０２及び渦防止板１０３を備える気液分離装置１００であり、実施例２は堰１０２を備え、渦防止板１０３を備えない気液分離装置１００である。
【００４８】
比較例１は、堰及び渦防止板を有しない気液分離装置である。実施例１及び実施例２では、堰１０２の高さ（Ｈ１）は６０ｍｍであり、実施例１、実施例２及び比較例１では旋回流タンクの底面はＺ方向に垂直な面である。
【００４９】
気体流出率は、０．０２の体積比率で気泡を混入させた液体を液入口から継続して旋回流タンクに供給した場合に、液出口から排出される液体に含まれる気泡の割合を示す。
【００５０】
図１２に示すように、実施例１及び実施例２は比較例１に比べて気体流出率が小さく、液体から気泡を多く除去することが可能である。また、実施例１と実施例２を比較すると、渦防止板１０３を設けることにより、気体流出率がより小さくなる。
【００５１】
図１３は、旋回流タンク内の液体が置換されるまでの平均値を示すグラフである。実施例３は、堰１０２を備え、渦防止板１０３を備えない気液分離装置１００であり、堰１０２の高さ（Ｈ１）は３０ｍｍである。実施例４は、堰１０２を備え、渦防止板１０３を備えない気液分離装置１００であり、堰１０２の高さ（Ｈ１）は１５ｍｍである。実施例３及び実施例４では旋回流タンクの底面はＺ方向に垂直な面である。
【００５２】
図１３に示すように、堰１０２の高さ（Ｈ１）が高くなると、気体流出率がより低下する。さらに、渦防止板１０３を設けることにより（実施例１）、気体流出率がさらに低下する。
【００５３】
図１４は、旋回流タンクの容量毎の気体流出率時間推移を示すグラフであり、図１５は、旋回流タンクの容量と気体流出性の関係を示すグラフである。流入／流出比は、旋回流タンクに供給された液体に含まれる気体と、旋回流タンクから排出された液体に含まれる気体の比率である。
【００５４】
比較例２−４は、堰及び渦防止板を有しない気液分離装置であり、比較例２は、１８秒で液体の置換が可能な旋回流タンク（以下、１８秒容量）を備える構成である。比較例３は３０秒容量の旋回流タンク、比較例４は４５秒容量の旋回流タンクをそれぞれ備える。
【００５５】
図１４及び図１５に示すように、旋回流タンクの容量が増加すると、気泡上昇・消滅効果によって気体流出率が減少する。旋回流タンクが４０秒容量以下で流入／流出比が０．１を下回り、６０秒容量以下で気体の流出がほぼ無くなる。
【００５６】
実施例５は、本実施形態に係る、堰１０２及び渦防止板１０３を有する気液分離装置１００であり、旋回流タンク１０１は１８秒容量である。
【００５７】
旋回流タンク１０１が１８秒容量であっても、堰１０２及び渦防止板１０３を設けることにより、比較例４（４５秒容量）と同等のレベルまで気体流出率を低下させることが可能である。即ち、気液分離装置１００では堰１０２及び渦防止板１０３を設けることにより、旋回流タンク１０１の容量を増加させることなく、気体流出率を低下させることが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１０１…旋回流タンク
１０１ａ…内部空間
１０２…堰
１０３…渦防止板
１０４…液入口
１０５…液出口
１０６…液入口配管
１０７…液出口配管
【図１】
2020025914.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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