(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体と気体の気液混相流体を供給する供給部と、
気液混相流体を撹拌して気体成分を液体に溶解させる撹拌溶解室と、
撹拌溶解室の下に連通し、気液混相流体を送出する逃がし孔を下部に設けた整流室であって、当該逃がし孔が整流室の径方向に対して所定の角度をつけて穿孔された整流室と、
整流室に貫入し、供給部が供給する気液混相流体を撹拌溶解室へ向けて上向きに噴出させるノズルと、
撹拌溶解室および整流室を収容し、気液混相流体を貯留して液体を気体から分離する気液分離室と、
気液分離室で分離された気体を脱気する脱気部と、
気液分離室で分離された気体溶存濃度を高めた液体を排出する排出部と、
気液分離室と、整流室および撹拌溶解室と、の間に配し、開放された上部を有し上部にいくに従って先細りに形成して気液混相流体の旋回流を生じさせる隔壁体と、
を有し、
撹拌溶解室は、下面中心部が開口した扁平な円筒形状ないし軸対称形状であって、高さと長径との比が高さ／長径＝１／２〜１／８であり、中心より所定距離離れた位置から撹拌溶解室の径方向に対して所定の角度をつけて延伸した邪魔板を軸対称に複数設けて乱流ないし噴流を発生させるようにしたことを特徴とする気液溶解装置。
【請求項２】
隔壁体の先細りに開放された上部を、撹拌溶解室側にも延伸した管状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の気液溶解装置。
【請求項３】
邪魔板が撹拌溶解室の上面にも下面にも接合した構造であることを特徴とする請求項１または２に記載の気液溶解装置。
【請求項４】
隔壁体の内面、および／または、撹拌溶解室と整流室の外面を、円筒形状ないし軸対称形状に形成したことを特徴とする請求項１、２または３に記載の気液溶解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体成分を高濃度に溶かし込んだ液体を連続的に生成する気液溶解装置に関し、特に、水深の浅い水中への設置も可能な高さの低い気液溶解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内湾や河川下流といった海水や汽水域の底層、または、ダムや湖沼といった淡水域の底層には、陸上から流入する生活廃水や農耕廃水に起因した有機物、または、この有機物を栄養源として増殖した水生植物やプランクトンの遺骸が堆積している。これらの有機物や堆積物は、底層水中の酸素を消費しながら分解しているため、底層には貧酸素化した水域が発生する。
【０００３】
貧酸素化した水域とは、酸素の溶存濃度（DO値）が３ｍｇ／ｌ以下の領域をいい、これは水面付近の１０ｍｇ／ｌより遙かに低い値である。特に、貧酸素化した水域は、新たに流入する有機物がさらに堆積していくため、水質悪化の悪循環に陥る。
【０００４】
底層の貧酸素化は、水質環境に様々な悪影響を及ぼすことが知られている。例えば、底層が貧酸素な状態であると底生生物が死滅してしまう場合がある。また、底層が貧酸素化すると、還元雰囲気となり、周辺岩石やヘドロから金属が溶出し水質の悪化を招く場合もある。
【０００５】
このような貧酸素状態を解消するため、本願発明者らにより出願された再表２００５／０７５３６５「気液溶解装置」や特開２００７−０７５７４９「気液溶解装置」に開示される技術が知られている。これらの装置によれば、貧酸素化した水域の溶存酸素濃度を著しく高めることができる（図６参照）。
【０００６】
特に、上記装置では、
１）気体成分が高濃度に溶存し泡を含まない液体を安定的かつ連続的に供給可能となる、
２）気泡による底質の巻き上げを防止して貧酸素化した水域の酸素濃度を効率よく高めることができる、
３）気体と液体の溶解効率を高め、溶解しなかった気体の分離効率を高めることができる、
という画期的な作用効果を奏する。
【０００７】
ここで、装置を水中に設置する場合、例えば、装置の頭が水上に出てしまうと、風や波の影響を受けやすく装置の安定的な駆動が妨げられる可能性がある。また、装置の頭が水上にあると、水圧の関係から、装置へ気液混相流体を供給する供給部に高出力のポンプが必要となり、装置構成や制御が大がかりとなってしまう場合がある。従って、装置を水中に設置する場合には、装置を水中に完全に沈めて駆動したいという潜在的な要請が存在する。
【０００８】
一方で、従来の上記装置では、気体成分（酸素）を液体に溶解させるべく、ドーム状ないし半球状の構造を上部に設けるため、ある程度の高さが必要となる。
【０００９】
加えて、海水では気泡が微細化しやすく、また、微細化した気泡は表面張力の関係で短時間では大きな気泡にまとまらないので、気液分離のために装置の鉛直方向の長さを長くとる必要がある。
【００１０】
すなわち、従来の装置では、ある程度の装置の高さが必要となり、浅瀬、特に水深の浅い海には設置しづらいという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】再表２００５／０７５３６５
【特許文献２】特開２００７−０７５７４９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、従来装置と同等の出力性能を維持しつつ装置の高さを低くすることが可能な改良型の気液溶解装置を提供することを目的とする。
【００１３】
例えば、ＤＯ値２０ｍｇ／ｌの高濃度に酸素の溶存した海水を毎分２０００ｌ吐出する気液溶解装置全体の高さは３．６メートル程になる。よって、本発明では、これより水深が浅くとも設置を可能とする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】
【００１４】
請求項１に記載の気液溶解装置は、液体と気体の気液混相流体を供給する供給部と、気液混相流体を撹拌して気体成分を液体に溶解させる撹拌溶解室と、撹拌溶解室の下に連通し、気液混相流体を送出する逃がし孔を下部に設けた整流室であって、当該逃がし孔が整流室の径方向に対して所定の角度をつけて穿孔された整流室と、整流室に貫入し、供給部が供給する気液混相流体を撹拌溶解室へ向けて上向きに噴出させるノズルと、撹拌溶解室および整流室を収容し、気液混相流体を貯留して液体を気体から分離する気液分離室と、気液分離室で分離された気体を脱気する脱気部と、気液分離室で分離された気体溶存濃度を高めた液体を排出する排出部と、気液分離室と、整流室および撹拌溶解室と、の間に配し、開放された上部を有し上部にいくに従って先細りに形成して気液混相流体の旋回流を生じさせる隔壁体と、有し、撹拌溶解室は、下面中心部が開口した扁平な円筒形状ないし軸対称形状であって、高さと長径との比が高さ／長径＝１／２〜１／８であり、中心より所定距離離れた位置から撹拌溶解室の径方向に対して所定の角度をつけて延伸した邪魔板を軸対称に複数設けて乱流ないし噴流を発生させるようにしたことを特徴とする。
【００１５】
すなわち、請求項１にかかる発明は、液体中の気体成分の溶存濃度を従来型と同程度に高めつつ装置の高さを低くすることができる。
また、一定方向の巨視的な流れが生じるため、撹拌効率が高まり、この点からも装置の高さを低くすることができる。
また、整流室の厚みを利用して、気液混相流体の出だしから旋回流を速やかに形成させ、気泡の収束効率をより高めて、この点からも装置の高さを低くすることができる。
詳細には、邪魔板により乱流ないし噴流を積極的に発生させて液体と気体との接触面積および接触機会を高め、気体の溶解を促進することにより撹拌溶解室の高さを抑え、また、旋回流を発生させることにより微細気泡を効率的に収束させて流路長を短くし、一層の高さ抑制を実現する。このとき、先細り形状により上部にいくに従って旋回流の流速を増加させ、微細気泡の収束効率をなお一層高めるので、この点からも流路長さの短縮、すなわち高さ抑制を実現する。なお、撹拌溶解室では、下面を設けることにより流体の室内停留効率を高め、また、開口部を下面中心部に設けることにより、気液混相流が整流室の内側面を伝って直に逃がし孔から勢いよく流出するようなことがなく、逆に、ノズルからの上向きの流れとぶつかるようにしているため、気体の接触機会をさらに大きくして溶解効率を高めている。
【００１６】
なお、上、下とは、それぞれ、装置を設置したときの鉛直上方側と、鉛直下方側をいう。供給部は、機能的に、気液混相流体をノズルへ供給できればその構成は特に限定されず、例えば、液体の供給部と気体の供給部が直接ノズルに接続される場合も含むものとする。側面へ向けて延伸するとは、部分的な仕切を意味し、邪魔板が側面に到達して仕切り塞ぐことを意味しない。これにより、隣とつながった部分ができ、逃げ道を求めながら気液混相流体が室内に停留するので効率的に乱流ないし噴流が生成される。なお、下面中心部が開口したとは、下面中心部分のみが開口しているということに限定されない。また、整流室の逃がし孔の径および個数は、旋回流が効率的に形成されるように適宜設計するものとする。
【００１７】
なお、本発明による気液溶解装置を用いた高濃度酸素溶解水は、従来のように強制的にガス（空気または酸素）を溶解させるべく内圧を雰囲気圧力より過度に高圧にして生成したものではないので、貧酸素水域に戻しても圧力開放に基づく気泡が析出しない。また、高圧タンクのような密閉した反応容器や、その内圧および水位を制御するための設備も不要となり、装置自体の簡素化を図ることも可能となる。なお、気液混相流体を噴出させるための加圧（例えばプラス１気圧程度の加圧）は、水流を作るために必要であって前述した過度の高圧とするための加圧機構には該当しない。なお、以降では水とは、河川、湖沼やダムの水といった塩分を含まない水の他、海水や汽水といった塩分を含む水も含むものとする。特に、塩分を含む水（海水や汽水）は気泡が微細化しやすく、また微細化した気泡は接合しにくく短時間ではより大きな気泡にまとまっていかない。本発明によれば、旋回流により微細気泡を効率的にまとめることができる。
また、請求項１にかかる発明は、溶存効率を維持しつつ装置高さの設計自由度を高める。ここで、高さ／長径＝１／２より大きくなると装置高の抑制効果が小さくなり、また、高さ／長径＝１／８より小さくなると撹拌効率が小さくなる。よって、本発明では、高さ／長径＝１／２〜１／８としている。なお、長径とは、撹拌溶解室の水平方向の長さの最も長い部分をいう。撹拌溶解室が例えば円筒形であれば長径とは直径を意味する。
【００１８】
請求項２に記載の気液混相流体は、請求項１に記載の気液溶解装置において、隔壁体の先細りに開放された上部を、撹拌溶解室側にも延伸した管状に形成したことを特徴とする。
【００１９】
すなわち、請求項２にかかる発明は、旋回流が早まり、気泡の収束効率が高まり、装置の高さをより低くすることができる。
【００２０】
請求項３に記載の気液溶解装置は、請求項１または２に記載の気液溶解装置において、邪魔板が撹拌溶解室の上面にも下面にも接合した構造であることを特徴とする。
【００２１】
すなわち、請求項３にかかる発明は、噴流等により内圧が高くなる構造であっても、邪魔板が撹拌溶解室の強度を高めるため、装置の寿命を長くすることができる。
【００２２】
請求項４に記載の気液溶解装置は、請求項１、２または３に記載の気液溶解装置において、隔壁体の内面、および／または、撹拌溶解室と整流室の外面を、円筒形状ないし軸対称形状に形成したことを特徴とする。
【００２３】
すなわち、請求項４にかかる発明は、停留なく旋回流が円滑に上昇し、気泡の収束効率をより高める。なお、円筒形状ないし軸対称形状とは、例えば、撹拌溶解室と整流室の外面に関しては、上部が半球形、側面が円柱形であるような場合をはじめとし、整流室の軸に垂直な断面の外形が円であって軸に沿って径が異なる場合を含むものとする。同様に、隔壁体の内面に関しては、中空円錐形状をはじめとし、軸を共通にした径の異なる中空円柱の結合体や、軸を共通にした径の異なる中空円柱を中空円錐でつないだようなものも含むものとする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、従来装置と同等の出力性能を維持しつつ、浅瀬、特に水深の浅い海であっても設置が可能な気液溶解装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施の形態の気液溶解装置を海の浅い場所に設置した概要図である。
【図２】本実施の形態の気液溶解装置の主要部分の概略構成例を示した断面図である。
【図３】本実施の形態の気液溶解装置の撹拌溶解室の平面図である。
【図４】整流室下部に設けられた孔部分を含む装置断面図である。
【図５】従来型の気液溶解装置の構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の気液溶解装置を海の浅い場所に設置した概要図である。図２は、本実施の形態の気液溶解装置の主要部分の概略構成例を示した断面図である。図３は、本実施の形態の気液溶解装置の撹拌溶解室の平面図である。図４は、整流室下部に設けられた孔部分を含む装置断面図である。
【００２７】
気液溶解装置１は、内湾Ａの貧酸素水域Ｂから海水を取り込むポンプ３と、酸素を含んだガス（以下、酸素ガスと適宜称する。またこの酸素ガスとして空気を用いることができる。）を供給する酸素供給部４と、海水とガスとを上向きに噴出させるノズル５と、噴出された気液混相流体を撹拌して酸素を海水に溶解させる撹拌溶解室６と、撹拌溶解室６の下に一体的に連結された整流室７と、撹拌溶解室６および整流室７を内包し、溶解しなかった気体を溶存酸素濃度の高まった海水から分離する気液分離室８と、を有する。また、気液分離室８内には、整流室７からの気液混相流体に旋回流を生じさせる隔壁体９を設けている。
【００２８】
次に主要部を解説する。撹拌溶解室６は、上面と下面を有する扁平な円筒形状であって高さ：直径を１：５としている。下面中心には、半径程度の孔６１が空けられている。この孔６１の中心（円筒中心）よりノズル５からの気液混相流体が流入し、また、孔６１の外周部から室内で撹拌された気液混相流体が排出される。流体の出入口を一箇所としているので、室内で撹拌された気液混相流体の一部はノズル５からの流れに乗り再び内部に流入し再撹拌され、溶存濃度の向上に寄与する。
【００２９】
また、撹拌溶解室６は、図３に示したように、邪魔板６２を軸対称に４枚備える。この邪魔板６２は、孔６１の縁から径方向に対して直角に内周面付近まで延伸し、上下は撹拌溶解室６の上面と下面に接合している。各撹拌室６３は中心でも外側でも連通し、図に示した邪魔板６２の並びでは右回りの乱流が生じる。これにより、気体と液体の接触機会は重畳的に高まり、溶存酸素濃度が向上する。また、邪魔板６２が上下に接合された構造であるため、撹拌溶解室６の強度も高まる。
【００３０】
整流室７は、撹拌溶解室６の下に連結した同径の有底円筒形状である。見方を変えれば、整流室７の下面は、両室を連通する有孔の仕切板ということができる。整流室７の下部には、気液混相流体を送出する逃がし孔７１を軸対称に２箇所設けている。整流室７内部は、付勢されて撹拌溶解室６から流れ出る気液混相流体の第１整流路の役割を果たし、また、整流室７外面と隔壁体９内面で形成される空間は旋回流を生じさせる第２整流路の役割を果たす。逃がし孔７１は、径方向に対して４５°の角度で気液混相流体を気液分離室８に送出する。
【００３１】
気液分離室８は、円筒にドームが接合した形状であって、撹拌溶解室６と整流室７とを軸を共通にして収容し、かつ、その底面も整流室７の底面および隔壁体９の底面と共通にした構成としている。また、ドーム上部中心にはガス抜孔８１を設け、最終的に気体として海水に溶けずに残ったガスを放出または再利用可能にしている。底面外周付近には吐出口８２を設け、高濃度酸素溶解水を貧酸素水域Ｂに送り出すようにしている。なお、気液分離室８上部がドーム形状であるため、溶存酸素濃度の高まった海水はその内側面に沿って円滑に吐出口８２に導かれる。
【００３２】
隔壁体９は、円筒に切頭円錐が接合された形状である。逃がし孔７１には角度がついているので、ここから送出される気液混相流体は中心軸を中心として旋回しながら上昇する。隔壁体９は上述のように先細りに形成されているので、旋回流は上にいくに従って加速されることとなる。これにより、まとまりにくい海水中の微細気泡が遠心効果によって軸中心で束となり、気泡の柱が形成され、そのまま真上のガス抜孔８１から排出される。
【００３３】
また、隔壁体９の上部先端には筒体９１を設けている。この筒体９１は、撹拌溶解室６側にも突き出すようにしている。本願発明者が鋭意検討した結果、このように内側に突き出させると、微細気泡の収束効率が高まり、隔壁体９の外側には微細気泡がほとんど漏出せず、一部漏出した場合でも気液分離室８上部に留まることを確認した。従って、筒体９１を設けることにより、気液の分離効率を高めることができる。
【００３４】
なお、ノズル５は整流室７の軸中心に一致させて鉛直上向きに据える。先端は、撹拌溶解室６の下面付近に位置させるようにし、貧酸素水と酸素ガスとが混合した気液混相流体がある程度の水圧を以て撹拌溶解室６に向けて噴出させる。
【００３５】
以上説明したように、気液溶解装置１は、従来はドーム状ないし半球状としていた気液溶解室（特許文献１および特許文献２参照）を、邪魔板６２で区画した扁平な円筒形状および整流室７に置換でき、また、隔壁体９の先細り形状と筒体９１とにより強力な遠心力を発生させて微細気泡の分離効率を高め流路短縮を実現し、これらにより装置の高さを抑制可能としている。この結果、水深の浅い海底にも総て浸からせることのできる装置を実現可能にしている。
【００３６】
なお、本発明は、上記の構成に限定されることなく種々の形態を採用することができる。例えば、ノズル５は海水の噴出圧を利用して負圧を作り空気を自給させるようにしてもよい。この構成では、送気用ポンプが不要となり、空気の供給管の他端を取り回して水面より上にもってくるだけで空気供給が可能となる。なお、大気圧との関係から気液溶解装置の設置深さに制約が生じるが、本発明による気液溶解装置は、水深数ｍの浅瀬の設置を想定しているので不具合は生じず、むしろ装置構成を簡素化できるため好適である。
【００３７】
この他、邪魔板６２の数や逃がし孔７１の数も適宜変更してもよい。隔壁体９の形状も先細りとするのであれば図示した以外の形状としてもよい。
【００３８】
次に、気液溶解装置１の処理動作を以下に説明する。まず、ポンプ３を作動させて、貧酸素水域Ｂの海水を取り込みノズル５へと供給する。これと同時に、酸素供給部４が酸素ガスをノズル５へと供給する。供給された海水と酸素ガスとはノズル５内で気液混相流体を形成し、撹拌溶解室６へ向けて勢いよく噴出される。
【００３９】
気液混相流体は、撹拌溶解室６の上面に衝突したのち径方向に広がり、邪魔板６２により付勢され、各撹拌室６３内で撹拌されるとともに隣の撹拌室６３にも移動し、巨視的に旋回する乱流となる。この複雑な流れにより、気液混相流体中の酸素ガスは極めて細かな気泡となり、接触面積を著しく増大して海水と激しく幾度も接触する。
【００４０】
また、撹拌溶解室６の孔６１から下降しようとする気液混相流体とノズル５から噴出する気液混相流体とが衝突し、更なる接触および撹拌が起こる。これらにより、酸素ガスが海水に効率的に溶解し、撹拌溶解室６内で高濃度酸素溶解水が生成される。
【００４１】
高濃度酸素溶解水は、水に溶けなかった酸素ガスの微細気泡と混在した状態で、勢いを弱めながら整流室７内で下降し、孔７１を通って気液分離室８へと移動する。ここで、孔７１は整流室７の下部側面に設けられているので、比較的大きな気泡は整流室７上部に残留し、微細気泡と高濃度酸素溶解水が気液分離室８へ移動することとなる。いわば、整流室７は、激しい水流を上部に閉じこめ、噴流が気液分離室８に出ないように整流して、泡が気液分離室８内で踊ってしまわないように流体を送り出す部位である。
【００４２】
逃がし孔７１から送出された気液混相流は、隔壁体９の作用により軸を中心とした旋回流を形成し順次上昇していく。撹拌溶解室６上部では隔壁体９の先細り形状により旋回流が加速され、遠心力および筒体９１の作用により渦流が生じ、中心軸にそって微細気泡が束ねられる。この気泡の柱は、そのまま筒体９１を通り抜け、竜巻状となってガス抜孔８１から排出される。
【００４３】
一方、微細気泡が取り除かれ溶存酸素濃度が高まった海水は、気液分離室８のドーム内面および円筒内側周を伝って静かに下降し吐出口８２から排出される。これにより、気泡に基づく上昇水流が発生して底質を巻き上げてしまうことなく、溶存酸素濃度を高めた海水が定常的に供給される。
【００４４】
＜実験例＞
特許文献２に開示される、上部がドーム状の従来型の気液溶解装置と、上述の改良型の気液溶解装置とを、そのドーム状部分の容積と撹拌溶解室との容積が同じとなるように作成して比較実験をおこなった。従来型で、気液溶解室の高さを１９００ｍｍ、直径を８２０ｍｍとして、ノズルからの気液混相流体の送出量を海水１００ｌ／分、酸素３ｍｌ／分として供給したところ、海水温１８℃で７ｍｇ／ｌであったＤＯ値は約２２ｍｇ／ｌとなった。
【００４５】
一方、改良型を、撹拌溶解室および整流室の高さを７００ｍｍ（うち撹拌溶解室の高さ１３５ｍｍ）、直径を７２０ｍｍとして、同一のノズルを用いて気液混相流体を送出したところ、ＤＯ値は同じ約２２ｍｇ／ｌとなって性能に違いがないことを確認した。なお、筒体はφ２１６ｍｍ×３９０ｍｍとした。
【００４６】
この実験結果から、改良型では、高さを著しく低くできることを確認できた。なお、気液分離室を含めても、従来型ではおよそ高さが２５００ｍｍ程度となるところ、新型では高さを１２００ｍｍ程度とすることができることを確認した（いずれも、気液溶解室（新型の場合は整流室）、隔壁体の共通底面からの高さの場合）。すなわち、本発明によれば、装置主要部の高さを半分以下にすることができることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明を利用して、汽水湖やダム湖、または、閉鎖性海域（海水の出入りの少ない海域）を改質することができる。また、浅瀬に設置できるので、設営やメンテナンスコストを抑制することも可能となる。
【符号の説明】
【００４８】
１ 気液溶解装置
３ ポンプ
４ 酸素供給部
５ ノズル
６ 撹拌溶解室
６１ 孔
６２ 邪魔板
６３ 撹拌室
７ 整流室
７１ 逃がし孔
８ 気液分離室
８１ ガス抜孔
８２ 吐出口
９ 隔壁体
９１ 筒体
【図１】
0005395627.tif 000002
【図２】
0005395627.tif 000003
【図３】
0005395627.tif 000004
【図４】
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【図５】
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