(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形状のインペラが、その中心部を回転の中心として回転自在に円筒状の形状を有するケーシングの内部に設けられ、インペラでは、中央部分に吸込口が形成されるとともに、吸込口の外周部から径方向外側に湾曲して延びる複数の羽根が設けられ、羽根間に水路が形成された気液混合流体圧送装置であって、
インペラの外径をφｄ、ケーシングの内径をφＤとしたときのインペラとケーシングの間の間隔ΔＬが、次式（１）の関係を満足し、
ΔＬ＝（φＤ−φｄ）×（１/２）≦１０mm    （１）
羽根では、インペラの回転方向の後端が鋭角状に尖って形成され、かつ
インペラでは、吸込口において内側に突出するリブが設けられていることを特徴とする気液混合流体圧送装置。
【請求項２】
インペラでは、羽根間に形成された水路の途中から径方向外側に延びる小羽根が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の気液混合流体圧送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気と水などの気液混合流体を供給先へ圧送する気液混合流体圧送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中に空気を微細気泡として混合した微細気泡含有水は、洗浄効果、入浴効果などを高めるものとして注目され、空気の微細気泡を水中に発生させる微細気泡発生装置が、様々に提案され、提供されている。このような微細気泡発生装置には、遠心ポンプなどの各種の圧送装置が設けられている。
【０００３】
圧送装置については、たとえば、下記特許文献１に記載されたものが知られている。
【０００４】
特許文献１に記載された渦巻きポンプでは、羽根車の吸込口から径方向の外方へと湾曲状に延びる羽根が、羽根車の周方向に間隔をあけて複数設けられ、吸込口から吸い込んだ流体を、羽根間に形成される流路を通じて外方へと吐出する。また、渦巻きポンプでは、流路内に流路の途中から出口端に延びる中間羽根が設けられ、中間羽根によって流路を枝分かれさせている。
【０００５】
このような渦巻きポンプは、中間羽根によって流路の断面積を実質的に小さくし、運転効率の低下を抑制するとともに、吐出圧力を一定に保つことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２６１１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
その一方で、特許文献１に記載された渦巻きポンプは、水などの流体を圧送するものであるが、上記微細気泡発生装置に圧送装置として適用する場合には解決しなければならない課題がある。
【０００８】
空気などの気体を流体とともに吸い込み、気液混合流体として吐出し、この気液混合流体を、気体を液体中に溶解させる溶解タンクに供給する微細気泡発生装置では、圧送装置には、単相流体ではない、気液混合流体を圧送することが要求される。
【０００９】
気液混合流体中では、気体は気泡として液体中に存在する。このため、圧送装置の内部において気泡の排出性能が低下すると、気泡は、圧送装置の内部にとどまり、合一して空運転を引き起こす原因となる。
【００１０】
上記渦巻きポンプでは、羽根車とケーシングの間の間隔が、流体の吐出方向に次第に拡大されているため、気液混合流体の流速勾配が次第に小さくなると考えられる。流速勾配の減少にともない流体せん断力は小さくなるので、気泡の合一が発生しやすくなり、空運転の発生が懸念される。
【００１１】
本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、気泡の排出性能が向上した気液混合流体圧送装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するために、以下の特徴を有している。
【００１３】
第１の発明は、円形状のインペラが、その中心部を回転の中心として回転自在に円筒状の形状を有するケーシングの内部に設けられ、インペラでは、中央部分に吸込口が形成されるとともに、吸込口の外周部から径方向外側に湾曲して延びる複数の羽根が設けられ、羽根間に水路が形成された気液混合流体圧送装置であって、インペラの外径をφｄ、ケーシングの内径をφＤとしたときのインペラとケーシングの間の間隔ΔＬが、次式（１）の関係を満足し、
ΔＬ＝（φＤ−φｄ）×（１/２）≦１０mm    （１）
羽根では、インペラの回転方向の後端が鋭角状に尖って形成され、かつインペラでは、吸込口において内側に突出するリブが設けられていることを特徴としている。
【００１４】
第２の発明は、上記第１の発明の特徴において、インペラでは、羽根間に形成された水路の途中から径方向外側に延びる小羽根が設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
上記第１の発明によれば、インペラとケーシングの間の間隔が１０mm以下とされているので、間隔は十分小さく、気液混合流体の流速勾配の低下を抑えることができる。気液混合流体に作用するせん断力は十分大きく、気液混合流体中に含まれる気泡の合一の発生を防ぐことができ、ケーシングの内部に貯留させずに排出することができる。空運転の発生を抑制することができる。また、羽根では、インペラの回転方向に後端が鋭角状に尖って形成されているので、羽根の後端付近に気泡が貯留するのを抑制することができる。気泡は、微細なまま気液混合流体中に均一に分散し、気液混合流体は、単相流体と同様な挙動を示す。このため、吐出圧力の低下を抑制することができ、空運転の発生をより一層抑制することができる。
【００１７】
また、上記第１の発明によれば、リブに気泡が当たることによって、気泡を細かく砕くことができ、気泡の合一の発生をさらに防ぐことができる。
【００１８】
上記第２の発明によれば、上記第１の発明の効果に加え、小羽根によって、羽根間に形成された水路の出口付近と羽根の外側部分における圧力勾配を小さくすることができ、気泡の貯留をより一層抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の気液混合流体圧送装置の一実施形態を背面側から示した要部斜視図である。
【図２】図１に示した気液混合流体圧送装置の背面図である。
【図３】図１に示した気液混合流体圧送装置の全体を示した斜視図である。
【図４】図１に示した気液混合流体圧送装置におけるインペラを示した正面図と要部拡大図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は、それぞれ、羽根におけるインペラの回転方向の後端の形状に起因する気泡溜まりの発生について示した要部拡大図である。
【図６】（ａ）（ｂ）は、それぞれ、実験装置の構成を示した構成図である。
【図７】エアがみ時のポンプの流量特性を示したグラフである。
【図８】エアがみ限界の気液比を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
上記のとおり、図１は、本発明の気液混合流体圧送装置の一実施形態を背面側から示した要部斜視図である。図２は、図１に示した気液混合流体圧送装置の背面図であり、図３は、図１に示した気液混合流体圧送装置の全体を示した斜視図である。また、図４は、図１に示した気液混合流体圧送装置におけるインペラを示した正面図と要部拡大図である。
【００２１】
気液混合流体圧送装置１は、有底で略円筒状の形状を有するケーシング２を備え、ケーシング２の内部に円形状のインペラ３が設けられている。
【００２２】
ケーシング２は、その背面側に、水道などの液体の供給源から延びる液体供給配管に接続される給水口４を有している。給水口４は、ケーシング２の背面から外側に突出して配置されている。また、ケーシング２は、給水口４の付近の上流側に空気などの気体の取込口５を有している。取込口５は、たとえば、取り込む気体が空気の場合には、外気に開放したり、また、空気に限らず、種々の気体を取り込む場合には、気体の供給源から延びる気体供給配管を取込口５に接続したりすることができる。さらに、ケーシング２は、その上端部に、溶解タンクに連通可能とした吐出口６を有している。吐出口６は、ケーシング２の上方に突出して配置されている。
【００２３】
インペラ３には、図示していないが、磁石が埋め込まれており、インペラ３は、ケーシング２側に設けられるコイルに通電することによって、中心部に仮想的に存在する回転軸７を回転の中心として回転する。このように、インペラ３は、ケーシング２の内部に、図２および図４図中に示した矢印方向に回転自在に設けられている。
【００２４】
インペラ３では、仮想した回転軸７を含む中央部分に円形状の吸込口８が形成されている。吸込口８は、ケーシング２の内部を介して給水口４に連通している。また、インペラ３では、その正面に、吸込口８の外周部から径方向外側に湾曲して延びる複数の羽根９が、突出して設けられている。羽根９は、インペラ３の外周端縁まで延びている。隣り合う２つの羽根９の間には水路１０が形成されている。水路１０の幅は、吸込口８側に位置する入口１０ａからインペラ３の外周端縁に位置する出口１０ｂに向かって次第に拡大されている。さらに、インペラ３では、水路１０の出口１０ｂ側において、水路１０の途中からインペラ３の径方向外側に延びる小羽根１１が設けられている。これらの羽根９および小羽根１１では、インペラ３の回転方向の後端９ａ、１１ａは鋭角状に尖って形成されている。
【００２５】
また、インペラ３では、複数のリブ１２が、吸込口８において中心方向内側に向かって突出して設けられている。
【００２６】
このような気液混合流体圧送装置１では、ケーシング２側に設けられるコイルに通電することによって、インペラ３は、その中心部に仮想的に存在する回転軸７を回転の中心として回転する。インペラ３がケーシング２の内部で回転すると、給水口４から水などの液体が吸い込まれ、ケーシング２の内部に導入される。これと同時に、取込口５から空気などの気体が吸引され、気体もケーシング２の内部に取り込まれる。ケーシング２の内部において気体は液体に混入し、気泡となって気液混合流体が生成する。生成した気液混合流体は、羽根９間の水路１０内で遠心力にともない加圧されるとともに、加速され、吐出口６を通じてケーシング２の外部に送り出される。
【００２７】
気液混合流体圧送装置１では、インペラ３とケーシング２の間の間隔ΔＬが１０mm以下とされている。すなわち、インペラ３の外径をφｄ、ケーシング２の内径をφＤとしたとき、ΔＬは、次式（１）の関係を満足している。
【００２８】
ΔＬ＝ （φＤ−φｄ）×（１/２） ≦ １０          （１）
間隔ΔＬが１０mmを超えて大きくなると、気液混合流体の流速勾配が小さくなり、気液混合流体に作用するせん断力が小さくなる。その結果、気液混合流体中に含まれる気泡が集まって合一しやすくなり、空運転の原因となる。
【００２９】
気液混合流体圧送装置１は、上記のとおり、間隔ΔＬ≦１０を満たすものであるので、間隔ΔＬは十分小さく、気液混合流体の流速勾配の低下を抑えることができる。気液混合流体圧送装置１では、気液混合流体に作用するせん断力が十分大きく、気泡の合一を防ぐことができ、ケーシング２の内部に貯留させずに吐出口６から外部に排出することができる。したがって、気液混合流体圧送装置１では、空運転の発生が抑制され、気液混合流体の圧送効率を十分高く維持することが可能となっている。そのため、気液混合流体をスムーズに溶解タンクに圧送することができ、微細気泡発生装置の小型化、省エネルギー化を図ることができる。
【００３０】
また、気液混合流体圧送装置１では、リブ１２が、インペラ３の吸込口８において内側に突出して設けられているので、吸込口８から吸い込まれる気液混合流体中の気泡がリブ１２に当たる。リブ１２に当たるとき、気泡は細かく砕け、微細化される。リブ１２は、気泡の微細化を促進させ、気泡の排出性能を向上させる。
【００３１】
そして、気液混合流体圧送装置１では、羽根９間に形成された水路１０において、その途中から径方向外側に延びる小羽根１１が設けられているので、水路１０の出口１０ｂ付近と羽根９の外側部分における圧力勾配も小さくすることができる。したがって、気泡の貯留をより一層抑制することができる。しかも、小羽根１１では、インペラ３の回転方向の後端１１ａが、羽根９の後端９ａと同様に、鋭角状に尖って形成されているため、流れ１３、１４の合流部１５に発生しやすい気泡溜まりをより一層抑制することができる。
【００３２】
図５（ａ）（ｂ）は、それぞれ、羽根におけるインペラの回転方向の後端の形状に起因する気泡溜まりの発生について示した要部拡大図である。
【００３３】
気液混合流体圧送装置１では、図５（ａ）にも示したように、羽根９では、インペラ３の回転方向の後端９ａは鋭角状に尖って形成されている。
【００３４】
羽根９の後端９ａが鋭角状ではなく、Ｒ状に比較的大きく湾曲する後端９ｂが羽根９に形成される場合（図５（ｂ））では、気液混合流体において羽根９の外側を流れる流れ１３と、羽根９の内側を水路１０に沿って流れる流れ１４とが、後端９ａ付近において合流する合流部１５に、圧力の低下が起こる。この圧力の低下にともなって気液混合流体中の気泡が引き寄せられ、気泡は合一し、気泡溜まりとなってケーシング２の内部に貯留する。このようにケーシング２の内部に貯留する気泡は、空運転の原因となる。
【００３５】
これに対し、気液混合流体圧送装置１では、羽根９の後端９ａは鋭角状に尖って形成されているので、流れ１３、１４の合流部１５の大きさが、後端９ｂの場合に比べて小さく、気泡溜まりの形成が抑制され、気泡を微細なまま水中に分散させておくことができる。気液混合流体は、気泡が微細であることから単相流体のような挙動を示し、気液混合比の高い気液混合流体の場合にも吐出圧力の低下を抑制することができる。したがって、空運転の発生はより一層抑制される。
【００３６】
なお、鋭角状に尖る後端９ａは、２直線が鋭角に交わる場合だけに限定されず、以下に示すように、尖っているとみなすことのできる、非常に小さいＲが形成されている場合も含む。
【００３７】
実際に、羽根９の後端９ａ、９ｂの形状によるエアロックする気液比を調べた。ここで、エアロックとは、吸い込み流量が高くならず、吐出流量が低下する状態（エアがみ限界）を意味する。
【００３８】
図６（ａ）は、実験装置の構成を示した構成図である。
【００３９】
実験装置３１では、羽根９の形状の異なるインペラ３を備えた気液混合流体圧送装置をポンプ３２として設け、その吸込側に吸気エジェクタ３３を接続した。吸気エジェクタ３３は、給水流量１８リットル/minのときの吸引圧が−１０kPaになるものを使用した。吸気エジェクタ３３には、整流用のバッファタンク３４を接続し、バッファタンク３４の上流側に空気流量計３５を設けた。吸気量は、空気流量計３５の上流側に接続したオリフィス３６によって調整し、吸気流量を0.9リットル/minに設定した。
【００４０】
また、実験装置３１では、吸気エジェクタ３３の上流側に流量計３７を接続した。また、ポンプ３２の吐出側に圧力計３８を接続し、圧力計３８の上流側に圧力調整バルブ３９を接続した。
【００４１】
実験では、ポンプ３２の給水流量と吐水圧力の関係を測定した。インペラ３における羽根９の後端９ａはＲ＝0.08の鋭角状とし、別のインペラ３における羽根９の後端９ｂはＲ＝0.6とした。それぞれのインペラ３について、水に空気の気泡を混入しない場合（エアなし）に対する混入する場合（エアあり）の圧力変化率を次式（２）によって算出した。測定結果を表１および図７に示す。表１には、式（２）による算出結果を併せて示す。
【００４２】
圧力変化率＝{（エアあり圧力）/（エアなし圧力）−１}×100        （２）
【００４３】
【表１】
0005468918.tif 000002
【００４４】
表１および図７から明らかなように、後端９ａが鋭角状のＲ＝0.08であるインペラ３は、後端９ｂがＲ＝0.6であるインペラ３に比べ、エアがみによる圧力の低下が小さいことが確認される。エアがみによる性能低下は、Ｒ＝0.08により２５〜３０％改善されることが分かる。
【００４５】
次に、図６（ｂ）に示した実験装置を用い、給水流量と吸気流量を測定した。図６（ｂ）に示した実験装置４０は、図６（ａ）に示した実験装置３１とほぼ同様な構成としているが、オリフィス３６を吸気調整バルブ４１に替えている。
【００４６】
実験では、エアなし状態から吸気調整バルブ４１を徐々に開放し、吸気流量が上昇せずにポンプ３２の給水流量が低下し始めた状態をポンプ３２のエアロック（エアがみ限界）とし、そのときの給水流量と吸気流量を測定した。そして、測定結果からエアがみ限界の気液比を算出した。測定結果および算出結果を表２および図８に示す。
【００４７】
【表２】
0005468918.tif 000003
【００４８】
表２および図８から明らかなように、後端９ａが鋭角状のＲ＝0.08であるインペラ３は、後端９ｂがＲ＝0.6であるインペラ３に対し、エアがみ限界の気液比が約1.2倍向上している。このことから、後端９ａが鋭角状のＲ＝0.08であるインペラ３は、後端９ｂがＲ＝0.6であるインペラ３に比べ、空運転の発生が抑制されることが確認される。
【００４９】
もちろん、本発明は、以上の実施形態によって限定されるものではない。インペラやケーシングの形状および構造、リブの形状および大きさなどの細部については様々な態様が可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１  気液混合流体圧送装置
２  ケーシング
３  インペラ
７  回転軸
８  吸込口
９  羽根
９ａ  後端
１０  水路
１１  小羽根
１２  リブ
ΔＬ  間隔
【図１】
0005468918.tif 000004
【図２】
0005468918.tif 000005
【図３】
0005468918.tif 000006
【図４】
0005468918.tif 000007
【図５】
0005468918.tif 000008
【図６】
0005468918.tif 000009
【図７】
0005468918.tif 000010
【図８】
0005468918.tif 000011