(57)【要約】【課題】溶解効率の向上、設備の小形化、および操作性の向上ができる流体混合装置を提供する。【解決手段】流体を混合し、混合された流体を移送する流体混合装置11である。流体混合装置11は、ケーシング21、シャフト22、移送部24および混合部25を備える。ケーシング21は、流体が流入する流入口39および混合された流体が流出する流出口40を有する。シャフト22は、ケーシング21に対して回転する。移送部24は、シャフト22と一体に回転する羽根車46を有し、羽根車46の回転によって流入口39から流体を吸引するとともに混合された流体を移送する。混合部25は、シャフト22と一体に回転するロータ52、ケーシング21に設けられたステータ53、およびロータ52とステータ53との間に設けられた通過部56を有する。通過部56は、移送部24から移送される流体が流出口40へ通過する。【選択図】図２
2020199461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を混合し、混合された流体を移送する流体混合装置であって、
流体が流入する流入口および混合された流体が流出する流出口を有するケーシングと、
前記ケーシングに対して回転するシャフトと、
前記シャフトと一体に回転する羽根車を有し、前記羽根車の回転によって前記流入口から流体を吸引するとともに混合された流体を移送する移送部と、
前記シャフトと一体に回転するロータ、前記ケーシングに設けられたステータ、および前記ロータと前記ステータとの間に設けられ前記移送部から移送される流体が前記流出口へ通過する通過部を有する混合部と
を具備することを特徴とする流体混合装置。
【請求項２】
前記シャフトを回転させる駆動部を具備し、
前記移送部は、前記駆動部と前記混合部との間に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の流体混合装置。
【請求項３】
前記流出口は、前記混合部の下部側に連通されている
ことを特徴とする請求項１または２記載の流体混合装置。
【請求項４】
前記ケーシングは、前記混合部に連通され、比重の差により前記混合部の中心部に滞留する流体を排出する排出口を有する
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一記載の流体混合装置。
【請求項５】
前記混合部の前記通過部は、径方向に沿って設けられている
ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一記載の流体混合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を混合する流体混合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体である液体と気体を混合して液体中に気体を溶解させる気液混合溶解システムが知られている。この気液混合溶解システムでは、混合機にて液体に気体を混合するとともに圧送機にて混合液を移送し、その混合液が移送される溶解タンクにて液体に対する気体の溶解を促進し、さらに、溶解タンクから混合液が移送される分離タンクにて液体に対して未溶解の気体を分離し、この分離タンクから混合液を移送している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２７３１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の気液混合溶解システムでは、溶解タンクにて液体に対する気体の溶解を促進させるとともに、分離タンクにて液体に対して未溶解の気体を分離する必要があり、つまり溶解タンクおよび分離タンクが必要であり、設備の小形化が難しかった。また、複数の機器を同時に動作させるため、複雑な操作が必要となっていた。
【０００５】
このような流体の混合にあたっては、さらなる溶解効率の向上が望まれているとともに、設備の小形化、操作性の向上が望まれている。
【０００６】
本発明は、溶解効率の向上、設備の小形化、および操作性の向上ができる流体混合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】
【０００７】
請求項１記載の流体混合装置は、流体を混合し、混合された流体を移送する流体混合装置であって、流体が流入する流入口および混合された流体が流出する流出口を有するケーシングと、前記ケーシングに対して回転するシャフトと、前記シャフトと一体に回転する羽根車を有し、前記羽根車の回転によって前記流入口から流体を吸引するとともに混合された流体を移送する移送部と、前記シャフトと一体に回転するロータ、前記ケーシングに設けられたステータ、および前記ロータと前記ステータとの間に設けられ前記移送部から移送される流体が前記流出口へ通過する通過部を有する混合部とを具備するものである。
【０００８】
請求項２記載の流体混合装置は、請求項１記載の流体混合装置において、前記シャフトを回転させる駆動部を具備し、前記移送部は、前記駆動部と前記混合部との間に設けられているものである。
【０００９】
請求項３記載の流体混合装置は、請求項１または２記載の流体混合装置において、前記流出口は、前記混合部の下部側に連通されているものである。
【００１０】
請求項４記載の流体混合装置は、請求項１ないし３いずれか一記載の流体混合装置において、前記ケーシングは、前記混合部に連通され、比重の差により前記混合部の中心部に滞留する流体を排出する排出口を有するものである。
【００１１】
請求項５記載の流体混合装置は、請求項１ないし４いずれか一記載の流体混合装置において、前記混合部の前記通過部は、径方向に沿って設けられているものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、１つの流体混合装置で流体の吸引、圧送、混合が行え、溶解効率の向上、設備の小形化、および操作性の向上ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す流体混合装置を用いた流体混合システムの構成図である。
【図２】同上流体混合装置の（図３Ａ−Ａ視）断面図である。
【図３】同上流体混合装置の断面図である。
【図４】第２の実施の形態を示す流体混合装置の（図３Ａ−Ａ視相当）断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の第１の実施の形態を、図１ないし図３を参照して説明する。
【００１５】
図１に流体混合システム10を示す。この流体混合システム10は、異なる流体を混合し、混合された混合流体を移送するものある。すなわち、この流体混合システム10は、例えば、一の流体である水等の液体に、他の流体である空気、酸素またはオゾン等の気体を混合および溶解し、それらの混合流体である混合液を処理槽等の目的の移送場所に移送するものである。そして、この流体混合システム10は、例えば、マイクロバブル等を発生させる微細気泡発生システムや酸素富化システムやオゾン溶解システム等として用いられる。
【００１６】
流体混合システム10は、異なる流体を混合し、混合された混合流体を移送する流体混合装置11を備えている。この１つの流体混合装置11により、異なる流体である液体と気体の吸引、圧送（移送）、混合を行い、混合された混合流体である混合液を目的の移送場所に移送する。
【００１７】
流体混合装置11の流入口には、吸込側圧力調整弁12および吸込側圧力計13を経て液体が供給される吸込側管路14が接続されているとともに、空気等の気体を吸い込むための気体吸込手段15が接続されている。気体吸込手段15は、流体混合装置11の流入口に挿入されたノズル15aに、気体吸込管15bが接続されている。この気体吸込管15bは、例えば気体として空気を吸い込む場合には、垂直に設けられた上端開放の管である。
【００１８】
流体混合装置11の流出口には、混合液が移送される移送側管路16が接続されている。この移送側管路16には、移送される混合液の圧力を測定する移送側圧力計17、および移送される混合液の圧力を調整する移送側圧力調整弁18が設けられている。
【００１９】
次に、図２および図３に流体混合装置11を示す。流体混合装置11は、ケーシング21と、このケーシング21に対して回転するシャフト22と、このシャフト22を回転させる駆動部23と、液体と気体を吸引し、圧送するポンプ部である移送部24と、この移送部24と連通され移送部24から移送されてくる液体と気体の混合液の混合を促進する混合部25とを備えている。流体混合装置11は、シャフト22の軸方向が水平方向となる横型に構成されている。
【００２０】
ケーシング21は、第１のケーシング部31、第２のケーシング部32、第３のケーシング部33および第４のケーシング部34を備え、これらケーシング部31〜34がそれぞれパッキング35を介在して軸方向に重ねて配置されるとともに複数のボルト36およびナット37によって一体に締め付け固定されている。ケーシング21（第１のケーシング部31）は、複数のボルト38によって駆動部23に固定されている。ケーシング部31，32，33は、環状に形成され、中心にシャフト22が挿通されている。第２のケーシング部32は、移送部24と混合部25との仕切板として構成されている。第４のケーシング部34は、ケーシング21の端面を閉塞する蓋体として構成されている。
【００２１】
ケーシング21は、移送部24に連通する流入口39と、混合部25に連通する流出口40および排出口41とを有している。流入口39は、ケーシング21（第２のケーシング部32）の側面に設けられ、吸込側管路14が接続されるとともにノズル15aが挿入配置され、液体と気体が流入する。また、流出口40は、ケーシング21（第４のケーシング部34）の端面の下部側に設けられ、移送側管路16が接続され、液体と気体が混合された混合液が流出する。流出口40は、混合部25の下部側に連通されている。また、排出口41は、ケーシング21（第４のケーシング部34）の端面で中央に設けられ、図示しない排出管が接続され、比重の差により混合部25の中心部に滞留する液体に未溶解の気体が外部に排出される。排出管は、開閉弁によって開閉され、未溶解の気体が必要に応じて任意に排出される。
【００２２】
また、シャフト22は、一端側が駆動部23に配置され、他端側がケーシング21内に配置されている。シャフト22の他端側は、ケーシング21に対して軸受43で回転可能に支持されている。軸受43は、移送部24と混合部25との間でシャフト22を回転自在に支えている。
【００２３】
また、駆動部23は、図示しないモータを備えている。モータの駆動によってシャフト22を回転させる。
【００２４】
また、移送部24は、渦流ポンプの構造を有している。移送部24は、ケーシング21内でシャフト22と一体に回転する羽根車46と、この羽根車46が回転可能に配置される環状の昇圧通路である移送通路47とを有している。
【００２５】
羽根車46の外周部には、複数の小羽根46aおよびこの小羽根46aの間の羽根溝46bが設けられており、羽根車46がシャフト22と一体に回転することにより、これらの小羽根46aおよび羽根溝46bが移送通路47内を回転する。
【００２６】
移送通路47は、第１のケーシング部31と第２のケーシング部32との間に形成されている。移送通路47は、液体と気体が流入する入口部47aと、液体と気体が混合された混合液を吐出する出口部47bとを有している。移送通路47の入口部47aは流入口39に連通され、移送通路47の出口部47bは混合部25と連通する接続通路48に連通され、移送通路47の入口部47aと出口部47bとの間に隔離部49が形成されている。接続通路48は、ケーシング21に設けられ、移送部24の下部側と混合部25の下部側とを連通する。なお、ケーシング21の流入口39から気体を吸い込むための気体吸込手段15のノズル15aの先端側は、移送通路47の入口部47aまで挿入され、このノズル15aから移送通路47への液体の流入方向に沿って気体が導入される。
【００２７】
そして、移送部24において、羽根車46が回転すると、流入口39から液体と気体が吸引され、羽根車46とともに移送通路47を略一周し、その間に混合、昇圧されて接続通路48から吐出され、混合部25に加圧移送される。すなわち、移送通路47に吸い込まれた液体は、羽根車46の羽根溝46b内と移送通路47との間で渦流が生じ、この渦流が各羽根溝46bで同時に行われながら移送通路47内を進み、移送通路47を進むにつれて昇圧される。さらに、流入口39から移送通路47内に液体が吸い込まれる際に、気体吸込手段15のノズル15aから移送通路47内に気体も吸い込まれ、液体と気体とが一緒に羽根車46と移送通路47との間で生じる渦流によって混合される。そして、液体と気体が混合されて昇圧された混合液は、接続通路48から吐出され、混合部25に加圧移送される。
【００２８】
また、混合部25は、ケーシング21内でシャフト22と一体に回転するロータ52と、ケーシング21内に設けられたステータ53とを備えている。
【００２９】
ロータ52は、ケーシング21内でシャフト22に固定された支持部材54に対してボルト55によって取り付けられており、シャフト22の回転時にそのシャフト22および支持部材54とともに一体に回転する。ロータ52は、中心部が開口する環状に設けられ、その中心部にシャフト22が挿通されている。ロータ52の外周面は、ケーシング21の軸方向の一方側（ケーシング21の接続通路48側）から他方側（ケーシング21の流出口40側）へ向けて漸次拡径したテーパ状に形成されている。
【００３０】
ステータ53は、ケーシング21（第３のケーシング部33）の内周面に環状に設けられている。ステータ53の内周面は、ケーシング21の軸方向の一方側（ケーシング21の接続通路48側）から他方側（ケーシング21の流出口40側）へ向けて漸次拡径したテーパ状に形成されている。なお、その漸次拡径したステータ53の内径はロータ52の外径よりやや大きく、また、ステータ53のテーパの傾斜角度は、ロータ52のテーパの傾斜角度よりやや小さい。
【００３１】
ロータ52の外周面とステータ53の内周面とは、隙間である通過部56を介して対向されている。通過部56は、ロータ52の外周面とステータ53の内周面との間で環状に設けられ、移送部24から加圧移送される混合液が流出口40側に通過可能としている。
【００３２】
ロータ52の外周面とステータ53の内周面がテーパ状であるため、通過部56は、下流側が上流側より外径側に位置するようにケーシング21の軸方向に対して傾斜状に設けられている。なお、このように通過部56が傾斜した構成にする場合には、その傾斜角度は適宜変更できる。
【００３３】
ステータ53の内径がロータ52の外径よりやや大きく、かつ、ステータ53のテーパの傾斜角度がロータ52のテーパの傾斜角度よりやや小さいため、通過部56は、その隙間が下流側へ向けて漸次狭くなっている。
【００３４】
ロータ52とステータ53とが互いに対向する対向面のうちの少なくとも一方は、図示しない複数の細かい溝が設けられている。複数の溝は、ロータ52の対向面とステータ53の対向面の両方に設けられていることが好ましい。
【００３５】
通過部56の上流側は、ロータ52および支持部材54とケーシング21との間に設けられた環状の上流側流通路57を通じて接続通路48と連通されている。通過部56の下流側は、ロータ52とケーシング21との間に設けられた下流側流通路58を通じて流出口40に連通されている。
【００３６】
次に、第１の実施の形態の流体混合装置11の作用および効果を説明する。
【００３７】
まず、流体混合装置11の駆動部23によりシャフト22を回転させることにより、シャフト22とともに移送部24の羽根車46および混合部25のロータ52が一体に回転する。
【００３８】
移送部24では、羽根車46の回転により、流入口39から液体を吸引する。このとき、吸込側圧力調整弁12の調整によって流入口39が負圧となることにより、移送部24では、気体吸引手段15のノズル15aを経て空気等の気体を液体と同時に吸引する。
【００３９】
移送部24では、羽根車46の回転により、移送通路47に吸い込まれた液体は、羽根車46の羽根溝46b内と移送通路47との間で渦流が生じ、この渦流が各羽根溝46bで同時に行われながら移送通路47内を進み、移送通路47を進むにつれて昇圧される。さらに、流入口39から移送通路47内に液体が吸い込まれる際に、気体吸込手段15のノズル15aから移送通路47内に気体も吸い込まれ、液体と気体とが一緒に羽根車46と移送通路47との間で生じる渦流によって混合される。そして、液体と気体が混合されて昇圧された混合液は、移送部24から接続通路48に吐出され、この接続通路48を通じて混合部25に加圧移送される。
【００４０】
混合部25では、移送部24から接続通路48を通じて加圧移送される混合液が上流側流通路57内に広がり、ロータ52とステータ53との間の通過部56を通過する。
【００４１】
混合部25では、ロータ52がステータ53に対して回転しており、混合液が通過部56を通過する際、加圧状態で通過部56を通過している混合液に、ロータ52の回転によるせん断力が付与されて、混合液中の液体と気体が細かくせん断されるように混合されて混合液中への気体の溶解が促進される。すなわち、混合液に対するせん断力により、加圧下における液体（混合液）と未溶解の気体との接触面積が増加し、気液の溶解平衡状態よりさらに気体の溶解が促進され、液体中への気体の溶解量が増大し、液体に気体が効率良く高濃度に溶解される。このとき、ロータ52とステータ53とが互いに対向する対向面のうちの少なくとも一方に複数の細かい溝が設けられているため、混合液に対するせん断回数が増加し、液体と気体との混合および溶解がより促進される。したがって、混合部25は、従来の溶解タンクによる液体への気体の溶解を促進する機能を具備し、溶解タンクを不要とすることが可能となる。
【００４２】
通過部56を通って液体と気体との混合および溶解が促進された混合液は、下流側流通路58を通じて流出口40から外部の移送側管路16に加圧移送される。
【００４３】
なお、移送部24から加圧移送される混合液は、混合部25内でも常に加圧された状態であるが、流出口40から移送側管路16を経て例えば処理槽等の目的に移送場所に移送する際、移送側圧力調整弁18によって略大気圧まで減圧されてから移送してもよい。この場合、移送側圧力調整弁18によって減圧されて大気開放された混合液は、例えば処理槽等の目的の移送場所にて発泡するよう微細気泡が生じる。
【００４４】
また、混合部25では、シャフト22の回転中において、未溶解の気体がロータ52の中心側に集まって滞留する場合がある。未溶解の気体の一部は、例えばロータ52と支持部材54との間やシャフト22と支持部材54との間を通じて上流側流通路57に戻り、再び通過部56に送り込まれ液体への溶解が促進される。したがって、この点でも、混合部25は、従来の溶解タンクによる液体への気体の溶解を促進する機能を具備し、溶解タンクを不要とすることが可能となる。
【００４５】
さらに、ケーシング21の流出口40が混合部25の下部側に連通しているため、混合部25内の未溶解の気体が流出口40から流出するのを低減し、つまり未溶解の気体を分離することができる。そのため、ケーシング21の流出口40が混合部25の下部側に連通する構成により、従来の分離タンクによる未溶解の気体を分離する機能を具備し、分離タンクを不要とすることが可能となる。
【００４６】
また、ケーシング21には混合部25に連通する排出口41を有するため、この排出口41に接続された排出管の開閉弁を開くことによって、比重の差により混合部25の中心部に滞留する未溶解の余剰な気体を排出することが可能となる。排出口41は混合部25の中心に連通して設けていることにより、シャフト22の回転中にロータ52の中心側に集まる未溶解の余剰な気体を排出することができる。なお、排出口41は、混合部25の上部側に連通して設けてもよく、この場合にはシャフト22の回転停止時に混合部25の上部側に集まる未溶解の余剰な気体を排出できる。
【００４７】
そして、流体混合装置11によれば、１つの流体混合装置11で流体の吸引、圧送、混合が行え、溶解効率の向上、設備の小形化および省スペース化、および操作性の向上ができる。
【００４８】
すなわち、流体混合装置11は、移送部24で異なる流体である液体と気体の吸引、圧送が行え、さらに、混合部25で液体に対する気体の混合、溶解を促進できるため、例えば従来のように混合機と圧送機と溶解タンクと分離タンクとを個別に設置しなくても、液体に気体を効率良く高濃度に溶解できるとともに混合液を目的の移送場所に移送することができ、溶解効率の向上、設備の小形化、省スペース化ができる。
【００４９】
しかも、流体混合装置11は、同一のシャフト22に移送部24の羽根車46と混合部25のロータ52が固定され、このシャフト22を１つの駆動部23で回転させるため、従来のように混合機と圧送機を個別に駆動する複数の駆動部を同時に動かす必要がなく、操作性を向上できる。
【００５０】
さらに、流体混合装置11は、従来のように混合機と圧送機と溶解タンクと分離タンクとを個別に設置する必要がないため、配管系の構造も簡略化でき、コストダウンを図ることができる。
【００５１】
また、移送部24の羽根車46の回転時には径方向の力がシャフト22に対して加わるが、移送部24は駆動部23と混合部25との間に設けられ、つまりシャフト22の先端側ではなく中間位置に設けられるため、シャフト22に加わる負荷を軽減し、振動等の発生を防止することができる。
【００５２】
また、混合部25は、ロータ52がステータ53に対して回転しており、混合液が通過部56を通過する際、加圧状態で通過部56を通過している混合液に、ロータ52の回転によるせん断力が付与されて、混合液中の液体と気体が細かくせん断されるように混合されて混合液中への気体の溶解が促進されるため、従来の溶解タンクによる液体への気体の溶解を促進する機能を具備し、溶解タンクを不要とし、さらなる溶解効率の向上ができる。
【００５３】
さらに、ケーシング21の流出口40が混合部25の下部側に連通しているため、混合部25内の未溶解の気体が流出口40から流出するのを低減でき、つまり未溶解の気体を分離することができるため、従来の分離タンクによる未溶解の気体を分離する機能を具備し、分離タンクを不要とすることができる。
【００５４】
また、混合部25に連通する排出口41を備えるため、比重の差により混合部25の中心部に滞留する流体である未溶解の余剰な気体を排出することができる。
【００５５】
また、混合部25において、ロータ52とステータ53とが互いに対向する対向面のうちの少なくとも一方に複数の細かい溝が設けられているため、通過部56を通過する混合液へのせん断回数を増加でき、液体と気体との混合および溶解をより促進できる。
【００５６】
さらに、通過部56は、その隙間の幅が下流へ向けて漸次変化していることにより、通過する混合液に効率よくせん断力を付与して、混合溶解作用を向上できる。特に、マイクロバブル等を発生させる微細気泡発生装置の場合には、通過部56の幅が下流へ向けて漸次狭くなるように設計することで、通過する混合液に対する混合溶解作用を向上でき、効率的に液体に気体を溶解できる。
【００５７】
次に、図４に第２の実施の形態を示す。
【００５８】
第２の実施の形態の流体混合装置11は、第１の実施の形態の流体混合装置11に対して混合部25の構成が異なっている。
【００５９】
混合部25は、ロータ52がシャフト22に固定される。ロータ52とステータ53とが径方向に沿って対向し、これらロータ52とステータ53との間の通過部56が径方向に沿って設けられている。すなわち、通過部56はシャフト22の軸方向に対して直交する方向に沿って設けられている。
【００６０】
このように通過部56が径方向に沿って設けられることにより、流体混合装置11の軸方向の寸法を小さくし、小形化でき、しかも、通過部56の径方向の距離を長くとることができ、通過する混合液に対する混合溶解作用を高め、効率的に液体に気体を溶解できる。
【００６１】
また、この通過部56が径方向に沿って設けられる混合部25の構成においても、ロータ52とステータ53とが互いに対向する対向面のうちの少なくとも一方に複数の細かい溝が設けられ、さらに、通過部56の隙間の幅が下流へ向けて漸次変化し、対象とする流体に応じて適宜設定される。
【００６２】
なお、上記実施の形態では、移送部24は、渦流ポンプの構成を有したが、流体を吸引、圧送できる構成であれば、例えば渦巻きポンプや圧縮機等を適宜用いることができる。
【００６３】
また、混合部25の通過部56は、その幅が下流側へ向けて漸次狭くなった構成としたが、このような構成には限定されず、通過部56の幅やその構成は、通過する流体やその処理量等に応じて適宜設定でき、例えば幅が下流側へ向けて漸次大きくなる構成や、幅が一定である構成等にしてもよい。
【００６４】
また、流体混合装置11は、所定の液体と所定の気体との混合体である混合液中に気体を溶解させる構成には限定されず、異なる流体同士の混合を促進させる構成であれば、例えば液体同士を混合させる構成、気体同士を混合させる構成、紛体と液体を混合させる構成等のいずれの構成にしてもよい。
【００６５】
また、上記実施の形態では、移送部24と混合部25が同一ケーシング21内に具備されているが、例えば設備が大形の場合等は移送部と混合部をそれぞれ別のケーシングに設ける構成にしてもよい。 
【符号の説明】
【００６６】
11    流体混合装置
21    ケーシング
22    シャフト
23    駆動部
24    移送部
25    混合部
39    流入口
40    流出口
41    排出口
46    羽根車
52    ロータ
53    ステータ
56    通過部
【図１】
2020199461.tif 000003
【図２】
2020199461.tif 000004
【図３】
2020199461.tif 000005
【図４】
2020199461.tif 000006