(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入側ポートと出側ポートを有するケーシングと、該ケーシング内で回転する主軸と、該主軸に取付けられた主羽根を有する軸流型ポンプであって、
前記主羽根に隣接して副羽根を取付け、該副羽根の取付角が前記主羽根の取付角に対し逆向きになっており、
前記ポンプの主軸に中空軸を用い、かつ壁面にキャビテーション気泡吸引用の吸引孔を穿孔し、
該主軸の内部を真空ポンプに連通させた
ことを特徴とする脱気水連続製造装置。
【請求項２】
請求項１記載の脱気水連続製造装置と、給水槽と、曝気槽と、ガス供給源とからなり、
前記給水槽中の液を給水する給水パイプが前記脱気水連続製造装置の入側ポートに接続され、
前記曝気槽に送水する送水パイプが、前記脱気水連続製造装置の出側ポートに接続され、
前記曝気槽に送気する送気パイプが、前記ガス供給源に接続されている
ことを特徴とするガス飽和水連続製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は脱気水連続製造装置およびガス飽和水連続製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より使用されている脱気装置は、水または液を入れた容器を加熱または負圧にし脱気をするようにしている。したがって、これらの装置、方法はバッチ式にしかならず、、多量のエネルルギーと時間を要し効率の悪いものであった。また、脱気装置がバッチ式のため曝気装置もバッチ式で運用せざるを得ず、決して効率の良いものではなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑み、脱気水およびガス飽和水を連続運転で効率よく製造しうる装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の脱気水連続製造装置は、入側ポートと出側ポートを有するケーシングと、該ケーシング内で回転する主軸と、該主軸に取付けられた主羽根を有する軸流型ポンプであって、前記主羽根に隣接して副羽根を取付け、該副羽根の取付角が前記主羽根の取付角に対し逆向きになっており、前記ポンプの主軸に中空軸を用い、かつ壁面にキャビテーション気泡吸引用の吸引孔を穿孔し、該主軸の内部を真空ポンプに連通させたことを特徴とする。
請求項２のガス飽和水連続製造装置は、請求項１記載の脱気水連続製造装置と、給水槽と、曝気槽と、ガス供給源とからなり、前記給水槽中の液を給水する給水パイプが前記脱気水連続製造装置の入側ポートに接続され、前記曝気槽に送水する送水パイプが、前記脱気水連続製造装置の出側ポートに接続され、前記曝気槽に送気する送気パイプが、前記ガス供給源に接続されていることを特徴とする。
【０００５】
つぎに、本発明による脱気および曝気の原理を説明する。
全ての物体は、分子の集合体であり、この集合体の分子間には、スキマがある。水の場合、水の分子間には大小のスキマがあり、このスキマの大小と量は一定である。従って、このスキマを埋めるガス分子の大きさと量は一定となる。
２０℃大気圧にて、水分子間スキマの内、酸素分子を包含できるスキマは水との体積比で０．６７％であり、窒素分子を包含できるスキマは１．３％であり、残のスキマはその他のガスで飽和される。ちなみに、
＊水中飽和空気含有量は、平均２％（２０℃  大気圧）
内訳    酸素Ｏ2 ：３０％    Ｎ2 ：６０％    その他：１０％
＊油中飽和空気含有量は、平均５〜７％（２０℃  大気圧）である。
なお、この状態は正常な自然状態の平均値である。
水分子に接するガスで酸素ガスや窒素ガスが無いかまたは非常に濃度の低い場合は他のガスで、このスキマを埋めることができる。また加圧をすれば、数種のガスを過飽和することができる（つまり、無理にスキマに詰めこむことで、この例は、ビール、過酸化水素水等にみられる）。
水を加熱または負圧にすると、水の分子間スキマは大きく変化はしないが、包含しているガス分子は大きく膨張し、このスキマより噴出する。
しかし、膨張したガス分子の一部はこのスキマを埋めるため残留するので、水を完全脱気することは、非常に難しい。例えば、水を 100℃に加熱しても、この水の溶存空気量は０．１％〜０．７％の測定結果が報告されている。しかるに、本発明によれば、かなり完全に近く脱気することができる。その理由はつぎのとおりである。
【０００６】
請求項１の発明による脱気原理はキャビテーションを利用したものであり、つぎの原理に基づいている。
液体中に板を沈め、この板の面に直角方向へ、この板を高速で移動させると、この板の裏側には、液体が追随できず、瞬間では真空の空洞ができる。しかし、この空洞は周りの液の溶存ガスの噴出でたちまちに満たされる。この現象をキャビテーションという。
ポンプを考えた場合、羽根に流入する液に対し、迎角を大きく取ることにより、キャビテーションを発生させることができる。さらに、キャビテーションを多量に発生させるため、この主羽根の前に逆向きの迎角をもった副羽根を設けることにより、強烈な乱流と負圧が生じ多量のキャビテーションを発生させることができる。
【０００７】
本発明者の研究によれば、ポンプの羽根車に発生する空洞には、図４に示すように、大別して３種類があることが判明している。なお、図中、ｐは羽根車の翼、ｇは気泡（または空洞）、矢印は翼の移動方向を示す。
（ａ）図のケース：ポンプの羽根車に大きい空洞ｇが発生し比較的長時間羽根車から離れない。この場合、超音波を発生せず、騒音、振動を発生し、羽根車を損傷する。
（ｂ）図のケース：比較的大きい空洞ｇが発生し、羽根車から離れた所で崩壊する。この場合、超音波は発生しにくく、ポンプ全体を損傷する恐れがある。
（ｃ）図のケース：非常に小さい空洞ｇが雲状またはコロイド状に多量に発生し、気泡ｇが羽根車から離れ、ポンプ内全体に広がった所で崩壊する。
上記の（ｃ）のケースでの空洞ｇの崩壊は、全方向に多量に超音波を発生する。したがって、このことは、ポンプ内を通過する液全体に超音波を照射できることを意味し、また、空洞が小さい為、ポンプを損傷することが、少なくなることを意味する。
【０００８】
そして、上記の（ｃ）のケースのキャビテーションは、羽根車入側の負圧の程度が高く、かつ高速回転させると発生するのであるが、本発明のポンプは、副羽根によって主羽根入側の水頭を低下させたことから、上記（ｃ）のコロイド状の多数の小さい気泡が効率よく発生するのである。
【０００９】
本発明のポンプ内部においては、ポンプ内を通過する全ての液体分子は、羽根の回転により生じた強烈な乱流と羽根による加圧と負圧を受け、負圧により発生した空洞は遠心力により液体と分離される。さらに、強烈な乱流は液分子間摩擦による発熱を起こし、液中溶存ガスの噴出を助長する。以上の現象は連続して起こる。そして、羽根車回転による遠心力により、質量の大きい液体はケーシング壁側に押され質量の小さい空洞（ガス体）はポンプ軸芯側に集合する。
ここで、ポンプの主軸はパイプ状であり、その壁面にガス吸い込み用の孔を数ケ所設けているので、真空ポンプによって主軸内を吸引することにより、キャビテーションにより発生したガスを連続で吸い取ることができる。このことによって、連続多量の脱気液を製造することができる。
【００１０】
つぎに、請求項２の発明による曝気作用を説明する。
請求項１の発明により連続脱気された液は分子間スキマが空き家状態となるので、目的のガスを曝気すれば容易にガスを飽和させることができる。よって、請求項１の発明によって、液中溶存悪性、毒性ガスを脱気し、有効最適ガスで飽和させると所望のガス飽和液体を連続多量製造することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係わる脱気水連続製造装置の要部断面図である。
同図において、１０は主軸、１１はケーシングであり、ケーシング１１には吸込みヘッダー接続用のフランジ１２と吐出管接続用のフランジ１３とが設けられている。１４はパッキンまたはメカニカルシールである。
【００１２】
前記主軸１０には、主羽根１５と副羽根１６が、軸方向に隣接し、かつ少し隙間をあけて取付けられ、副羽根１６が主羽根１５の入側に位置している。そして、図３に示すように、主羽根１５の取付け角θ１と副羽根１６の取付角θ２とは互いに逆向きになっている。主羽根１５は水の吸込み吐出を行う羽根であり、翼面積は大きく、副羽根１６はキャビテーションあるいは乱流発生を目的とするものであり、翼面積は小さい。また、主羽根１５の形状もキャビテーションを発生しやすくするため、湾曲した翼形より平板状の翼形が好ましい。
【００１３】
上記の構造の脱気水連続製造装置（以下、脱気ポンプ１という）において、主軸１０を矢印ａ方向に回転させると、水は矢印ｗで示すように吸い込まれ、吐出されていく。このとき、主羽根１５の取付け角に対し副羽根１６の取付角は逆向きであるので、同一方向に回転したとき、副羽根１６は吸い込みを妨げるように動作するので、主羽根１５の入口では水頭圧が副羽根１６が無い通常の軸流ポンプに比して相当に低くなる。このため、主羽根１５の背後にキャビテーションが発生する。
【００１４】
この場合のキャビテーション気泡は負圧レベルの高い状態で発生しているので、図４（ｃ）に示すようなコロイド状の多量の小さい気泡ｇが発生する。この多数の気泡が崩壊するとき超音波が発生するが、この超音波は全方向的に放射するので、ポンプを振動させたり、破壊することはない。
【００１５】
なお、副羽根１６を主羽根１５の出側に隣接して配置してもよい。すなわち、キャビテーション効果は少し劣るが、副羽根１６の攪拌によってケーシング内には強烈な乱流が生じるからである。
【００１６】
上記主軸１０は中空軸が用いられており、内部に中空部２１を有している。そして、軸壁には、キャビテーション気泡ｇを吸引するための吸引孔２４が主羽根１５および副羽根１６の前後に適数個形成されている。
また、主軸１０の一端には継手２３を接続して、後述する真空ポンプ２（図２参照）に接続するようになっている。
【００１７】
上記の脱気ポンプ１内において、主羽根１５と副羽根１６を通過する全ての液体分子は、強烈な乱流と羽根による加圧と負圧を受け、負圧により発生した空洞ｇは遠心力により液体と分離される。さらに、強烈な乱流は液分子間摩擦による発熱を起こし、液中溶存ガスの噴出を助長する。そして、主羽根１５と副羽根１６の回転による遠心力により、質量の大きい液体はケーシング壁側に押され質量の小さい空洞（ガス体）ｇは主軸１０側に集合する。ここで、真空ポンプ２で主軸１０の内部が吸引されると、キャビテーションにより発生した水中空気がほとんど吸い込まれて、連続脱気されることになる。
【００１８】
図５は本発明の第２実施形態に係わる脱気ポンプ１Ｂの要部断面図である。同図に示すように、本実施形態では、主軸１０を、内軸１０ａと外軸１０ｂからなる同心二重軸で構成し、内軸１０ａに主羽根１５を取付け、外軸１０ｂに副羽根１６を取付けたものである。副羽根１６は主羽根１５の入側に配置し、互いの間は少し隙間を設け、取付角は互いに逆向きである。
【００１９】
この構造の脱気ポンプ１Ｂにおいて、主羽根１５は液（水）を吸い込んで吐出する方向に回転させ、副羽根１６は反対向きに回転させる。この副羽根１６の逆回転によって、主羽根１５入口付近の液（水）の圧力は相当低下し、第１実施形態の同方向へ回転する副羽根１６を設けた例よりも、顕著に低下する。このため、より一層キャビテーションが発生しやすくなっている。
【００２０】
なお、本実施形態において、主軸１０の構造を替え、外軸１０ｂに主羽根１５を取付け、内軸１０ａに副羽根１６を取付けてもよい。
さらに、副羽根１６を主羽根１５の出側に配置してもよい。この構造においても、主羽根１５の形状や、回転数、吸込み側圧力によっては、キャビテーションを発生させることが可能である。
【００２１】
図６は本発明の第３実施形態に係わる脱気ポンプ１Ｃの要部断面図である。同図に示すように、本実施形態では、主軸１０に主羽根１５を取付け、主羽根１５の入側に副羽根１６をケーシング１１に固定的に取付けている。つまり、副羽根１６は邪魔板として機能する。副羽根１６と主羽根１５の間には小さな隙間が設けられ、それぞれの取付け角は互いに逆向きである。
【００２２】
この構造の脱気ポンプ１Ｃにおいて、主羽根１５は液（水）を吸い込んで吐出する方向に回転させ、副羽根１６は邪魔板として作用する。このため、主羽根１５の入口付近の水頭は下がり、キャビテーションが発生しやすくなる。
【００２３】
さらに、副羽根１６を主羽根１５の出側に配置してもよい。この構造においても、主羽根１５の形状や、回転数、サクション側圧力によっては、キャビテーションを発生させることが可能である。
【００２４】
つぎに、上記脱気ポンプ１を用いたガス飽和水連続製造装置を説明する。
図２は本発明の一実施形態に係るガス飽和水連続製造装置の説明図である。
前記脱気ポンプ１の主軸１０の一端はホース２４で真空ポンプ２に接続され、主軸１０の他端はモータ３に連結されている。符号４は給水槽、符号５は曝気槽、６は所望のガスを充填したガス供給源であるガスボンベである。
【００２５】
前記脱気ポンプ１の吸込側フランジには吸込管７が接続され、給水槽４内の液を吸引するようになっており、脱気ポンプ１の吐出側フランジには吐出管８が接続され、脱気水を曝気槽５に供給するようになっている。また、ガスボンベ６からはパイプ９によってガスを曝気槽５に供給するようになっている。
【００２６】
本実施形態の装置において、脱気ポンプ１によって給水槽４内の液は連続的に脱気されて曝気槽５に連続的に供給される。曝気はガスを供給することによって連続的に行えるので、曝気済みのガス飽和水を曝気槽５の取出口５ａより取り出せば、ガス飽和水を効率よく製造することができる。
なお、気泡が崩壊するときに発生する超音波の照射、および乱流による発熱と発電作用によって殺菌作用、プランクトン死滅作用を奏することもできる。
【００２７】
つぎに、本発明の用途を説明する。
本発明による製造される脱気およびガス飽和水には全く制限がなく、どのような分野でも適用できる。数種の例としては、つぎがある。
（１）食品分野の例：酸素ガスを飽和させる。塩素などの薬品を使わない。ガス化されたミネラルを飽和させると「美味い」飲料水ができる。
（２）民生分野の例：殺菌水の製造（プール等の殺菌、化粧液の製造など）、酸素ガス、オゾン等を飽和させ殺菌する。
（３）工業分野の例：水の浄化、純水の製造。イオン化されたガスを飽和させ、イオン交換樹脂を介して超純水を製造したり、微細有機物を除去する。
（４）公害分野の例：廃液の脱臭
（５）農業分野の例：水耕栽培用栄養水の製造。ガス化された炭酸、チッ素、リン、カリ等を飽和させ、水耕栽培に利用する。
（６）医療分野の例：栄養水の製造等
（７）油分野の例  ：（燃料）
一般に油類の溶存ガス量は、水の溶存ガス量の２〜５倍である。「日本機械学会誌“油中に溶解する空気の量”板谷松樹、河野一夫  著」
この油中溶存ガスの大半を占めるのは窒素ガスであると思える。エンジン燃料として軽油、ガソリンを考えた場合、この溶存窒素ガスの他に毒性ガスも溶存していると思える。この窒素ガスはエンジン排気ガス中のノックス（窒素酸化ガス）となる。
燃料油の溶存ガスを脱気し、さらに有効ガス（プロパン、ブタン、酸素、水素）等のガスで飽和させると、燃焼効率の増大、煤煙の減少、排気ガスの浄化等ができる。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、連続的に効率よく脱気水を製造できる。
請求項２の発明によれば、連続的に効率よくガス飽和水を製造でき、それによって種々の産業分野でガス飽和水の用途が広がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる脱気水ポンプ１Ａの要部断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係わるガス飽和水連続製造装置の説明図である。
【図３】図１の脱気水ポンプ１Ａの部分拡大図である。
【図４】ポンプの羽根車に発生するキャビテーション気泡の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態に係わる脱気水ポンプ１Ｂの要部断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係わる脱気水ポンプ１Ｃの要部断面図である。
【符号の説明】
１  脱気水ポンプ
４  給水槽
５  曝気槽
６  ガスボンベ
１０  主軸
１１  ケーシング
１５  主羽根
１６  副羽根
【図１】
0003657065.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003657065.tif 000006
【図６】
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