(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体に気体を加えて気液流体にして供給する気液供給装置において、
前記液体と前記気液流体とが流される管状の流路と、前記液体に前記気体を加えるように前記流路の上流側位置に接続された気体供給系と、前記液体と前記気液流体とを供給可能なように前記流路の一定位置に設けられたポンプと、前記上流側位置又は前記一定位置のうちの何れか下流側の位置の下流側に前記流路の断面積を急変させるように設けられ穴を備えたオリフィスからなる開口板と、該開口板の近傍から前記上流側に前記気液流体を旋回させるように設けられスクリューからなる旋回部材と、前記流路のうちの前記開口板の下流側部分は前記開口板の上流側部分より断面積の拡大された拡大管になっていて前記開口板から前記気液流体が加圧状態で時間をかけて流れるように間隔をあけて前記流路に設けられ該流路の断面積を縮小可能な流路断面縮小手段と、を有することを特徴とする気液供給装置。
【請求項２】
液体に気体を加えて気液流体にして供給する気液供給装置において、
前記液体と前記気液流体とが流される管状の流路と、前記液体に前記気体を加えるように前記流路の上流側位置に接続された気体供給系と、前記液体と前記気液流体とを供給可能なように前記流路の一定位置に設けられたポンプと、前記上流側位置又は前記一定位置のうちの何れか下流側の位置の下流側に前記流路の断面積を急変させるように設けられた開口板と、第１の回転方向に旋回している第１旋回羽根と前記第１の回転方向の反対方向に旋回している第２旋回羽根とが複数個交互に形成された攪拌部材であって前記第１旋回羽根の両端と対応する前記第２旋回羽根の両端とが前記旋回の旋回円上で位相をずらした状態に形成され前記開口板の下流側の前記流路内に設けられた攪拌部材と、前記開口板から前記気液流体が時間をかけて流れるように間隔をあけて前記流路に設けられ該流路の断面積を縮小可能な流路断面縮小手段と、を有することを特徴とする気液供給装置。
【請求項３】
第１の回転方向に旋回している第１旋回羽根と前記第１の回転方向の反対方向に旋回している第２旋回羽根とが複数個交互に形成された攪拌部材であって前記第１旋回羽根の両端と対応する前記第２旋回羽根の両端とが前記旋回の旋回円上で位相をずらした状態に形成され前記開口板の下流側の前記流路内に設けられた攪拌部材を有することを特徴とする請求項１に記載の気液供給装置。
【請求項４】
前記開口板は少なくとも３個の穴を備えた多孔板であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１に記載の気液供給装置。
【請求項５】
前記流路断面縮小手段は前記断面積を変更可能にする流路断面調節手段であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１に記載の気液供給装置。
【請求項６】
前記ポンプは圧力に対して流量の変動の少ない容積型ポンプであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１に記載の気液供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体に気体を加えて気液流体にして供給する気液供給装置に関し、特に、エアーリフト作用及び酸素供給作用によって機能低下した水域を再生させる技術として好都合に利用される。
【０００２】
【従来の技術】
液体中に気体を溶解させる技術としては、例えば、自吸式ポンプで池から水を揚水すると共に大気を吸引して混入タンクに入れ、これから吸引して池水と大気とを酸素飽和タンクに送り込み、自吸式ポンプの吐出圧力で加圧して飽和状態にし、この水を池に放出するようにした養殖池用酸素補給装置が提案されている（実開平２−７８０６４号明細書及び図面参照）。この装置では、酸素飽和タンクからの出水量を調整することによってその中の圧力値を変動させ、加圧によって飽和状態にするようにしている。
【０００３】
しかしながら、このような装置では、吸入した水と酸素とを単にポンプで混合させてタンクに入れるだけであるから、水溶液を飽和状態の近傍まで到達させるのが容易でなく、酸素溶解量が不足したり酸素を十分溶解させるために長時間かかるという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来技術に於ける上記問題を解決し、短時間で気体を液体中に高濃度で溶解させたり微小気泡として均一的に存在させ、被処理水中における気体供給及びエアーリフト作用の可能な気液供給装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、請求項１の発明は、液体に気体を加えて気液流体にして供給する気液供給装置において、
前記液体と前記気液流体とが流される管状の流路と、前記液体に前記気体を加えるように前記流路の上流側位置に接続された気体供給系と、前記液体と前記気液流体とを供給可能なように前記流路の一定位置に設けられたポンプと、前記上流側位置又は前記一定位置のうちの何れか下流側の位置の下流側に前記流路の断面積を急変させるように設けられ穴を備えたオリフィスからなる開口板と、該開口板の近傍から前記上流側に前記気液流体を旋回させるように設けられスクリューからなる旋回部材と、前記流路のうちの前記開口板の下流側部分は前記開口板の上流側部分より断面積の拡大された拡大管になっていて前記開口板から前記気液流体が加圧状態で時間をかけて流れるように間隔をあけて前記流路に設けられ該流路の断面積を縮小可能な流路断面縮小手段と、を有することを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、液体に気体を加えて気液流体にして供給する気液供給装置において、
前記液体と前記気液流体とが流される管状の流路と、前記液体に前記気体を加えるように前記流路の上流側位置に接続された気体供給系と、前記液体と前記気液流体とを供給可能なように前記流路の一定位置に設けられたポンプと、前記上流側位置又は前記一定位置のうちの何れか下流側の位置の下流側に前記流路の断面積を急変させるように設けられた開口板と、第１の回転方向に旋回している第１旋回羽根と前記第１の回転方向の反対方向に旋回している第２旋回羽根とが複数個交互に形成された攪拌部材であって前記第１旋回羽根の両端と対応する前記第２旋回羽根の両端とが前記旋回の旋回円上で位相をずらした状態に形成され前記開口板の下流側の前記流路内に設けられた攪拌部材と、前記開口板から前記気液流体が時間をかけて流れるように間隔をあけて前記流路に設けられ該流路の断面積を縮小可能な流路断面縮小手段と、を有することを特徴とする。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項１の発明の特徴に加えて、第１の回転方向に旋回している第１旋回羽根と前記第１の回転方向の反対方向に旋回している第２旋回羽根とが複数個交互に形成された攪拌部材であって前記第１旋回羽根の両端と対応する前記第２旋回羽根の両端とが前記旋回の旋回円上で位相をずらした状態に形成され前記開口板の下流側の前記流路内に設けられた攪拌部材を有することを特徴とする。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のうちの何れか１の発明の特徴に加えて、前記開口板は少なくとも３個の穴を備えた多孔板であることを特徴とする。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のうちの何れか１の発明の特徴に加えて、前記流路断面縮小手段は前記断面積を変更可能にする流路断面調節手段であることを特徴とする。
【００１０】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のうちの何れか１の発明の特徴に加えて、前記ポンプは圧力に対して流量の変動の少ない容積型ポンプであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を適用した気液供給装置の全体構成の一例を示し、図２はその吐出管から下流側の実際の装置構造の一例を示す。
【００１２】
本装置は、液体である水に気体である空気を加えて気液流体である空気混合水及び空気溶解水にして供給する装置であり、水と気液流体とが流される管状の流路である吸水管１、吐出管２、拡大管３及び供給管４、気体供給系としての吸気管５及び吸気量調整弁６、ポンプ７、開口板８、旋回部材であるスクリュー９、流路断面縮小手段であり本例では流路断面調節手段でもある絞り弁１０、等で構成されている。
【００１３】
吸水管１及び吐出管２は、通常ポンプ７の容量に適合した口径の管である。吸水管１に供給される水は、気液供給装置の用途によって定まり、例えば湖沼の汚濁物質の分解除去に使用されるときにはその湖沼の水である。吸水管１には吸気管５が結合されるので、結合点Ａの上流側では水のみが流れ下流側では気液流体が流れることになる。吐出管２も通常ポンプ７の吐出口と同じ口径の管で、開口板８を介装するための管である。但し、ポンプ７に直接開口板８を装着したり、図２のように拡大管３の入口に開口板８を装着し、この部分を省略することも可能である。この管には気液流体が流れる。
【００１４】
拡大管３は、開口板８で流路断面積を急変できると共に気液流体を流すときの滞留時間が得られるように、吸入管１及び吐出管２よりある程度大口径の管であることが望ましい。拡大管３には初期調整等の目的で必要に応じて空気抜き用の弁３ａが設けられる。弁３ａはフロート式の自動弁や手動コック等であってもよい。縮小管４は、必要に応じて更に気液流体の滞留時間を設けたり、口径を小さくして絞り弁１０で絞りやすくしたり、排出される気液流体の流れを整えたりするため等の目的で設けられる。但し、この部分を十分短くしたり省略することも可能である。
【００１５】
吸気管５は、水に空気を加えるように流路の上流側位置として本例では前記の如く吸水管１の結合点Ａに接続されていて、ポンプ７の自吸能力によって大気開放状態で外気を吸入する。この場合、ポンプ７が定容積式のねじポンプであれば、ポンプ自体が十分な自吸能力を有するので、真空ポンプ等を追加装備する必要がなく、装置構成が簡単になる。なお、図において二点鎖線で示すように送風機５１を設けて積極的に送気するようにしてもよい。吸気量調整弁６としては通常機側手動弁が用いられる。但し、必要によって遠隔手動弁又は自動制御弁にすることも可能である。
【００１６】
ポンプ７は、水と気液流体とを供給可能なように流路の一定位置として吸入管１と吐出管２との間に設けられている。ポンプ７の流量は本装置の使用条件に適合するように定められる。吐出圧力としては、ゲージ圧力（以下同じ）で通常５×１０5 Ｐａ（０．５Ｍｐａｇ）程度でよいが、揚水する場合や気液流体の使用先までのパイプラインが長い場合にはそれに合わせて高い圧力になる。必要があればブースターポンプを設けるようにしてもよい。
【００１７】
ポンプ７としては、上記のような圧力で安定して送水できる形成のものであればよく、容積式ポンプや高揚程渦巻きポンプ等が使用される。特に、圧力に対して流量変化が少ないと共にその変化が直線的である容積型のポンプが望ましい。このようなポンプとしては、例えば図３に示すように、金属製の一軸偏心一条ネジから成る断面円形のロータ７１を二条ネジで断面長円の空間を形成している合成ゴム製のステータ７２内で回転させて気液流体を連続して圧送させるようにした特殊構造の回転容積型一軸偏心ネジポンプが好都合に使用される。但し、通常の構造のねじポンプやギアーポンプ等、他の形式の容積型ポンプを使用してもよいことは勿論である。
【００１８】
開口板８は、上流側の位置であるポンプ７の位置又は一定位置である吸水管１の前記Ａ点の吸気位置の何れか下流側の位置の下流側、従って本例ではポンプ７の下流側に設けられている。このような位置に開口板８を設けることにより、開口板８に気液流体を流すことができる。
【００１９】
図４は後述する実験で使用した７種類の開口板を示している。開口板８は、１個又は複数個の穴８ａを備えていて、図示の如く、流路の断面積を急変させると共に開口数に応じて水流を多数に分流するように設けられている。穴８ａの大きさは、穴が１個のオリフィスでは、その穴８ａの直径を吐出管２の1/5 〜1/3 程度で拡大管３の1/20〜1/10程度の大きさである。多孔板では、これと同程度の開口面積率にする。なお、上記の範囲外のものを使用することも可能である。穴８ａの個数は、本装置を実際に使用するときの諸条件によって定められるが、後述するように穴数によって気体の溶解量が異なってくるので、原水の溶存気体量が少ないときには、例えば７個の穴の多孔板が使用される。なお、穴８ａの個数はこれより多くてもよい。
【００２０】
スクリュー９は、開口板８の近傍から上流側である吐出管２に気液流体を旋回させるように設けられている。スクリュー９としては、例えばスクリューコンベアのスクリューを１〜２ピッチ分だけ切断したものを使用することができる。
【００２１】
絞り弁１０は、開口板８から気液流体が時間をかけて流れるように間隔をあけて流路である本例では供給管４に設けられ、この流路の断面積を縮小可能であり且つ変更可能にする。これにより、この位置から供給管４の上流側部分及び拡大管３内の気液流体の圧力を目的とする圧力に維持することができる。なお、例えば気液供給装置が魚介類の水槽に空気を送るような特定の定まった設備に専用されるような場合には、絞り状態が一定でよいため、絞り弁に代えてオリフィス等の一定絞り機構を用いてもよい。
【００２２】
図５及び図６は本発明の気液供給装置の他の例を示す。そのうち図５は拡大管前後の全体的構造を示し、図６は攪拌部材の一部分の構造を示す。
本例の装置では、図１の装置の拡大管３の中に攪拌部材１１が設けられている。攪拌部材１１は、第１の回転方向である図の上段の拡大管３において左側（下段では右側）から見て時計方向に旋回している第１旋回羽根としての右回転羽根１２と第１の回転方向の反対方向である反時計方向に旋回している第２旋回羽根としての左回転羽根１３とが複数個交互に形成された部材である。そして、右回転羽根１２の両端１２ａ及び１２ｂと対応する左回転羽根１３の両端１３ｂ及び１３ａとは旋回の旋回円である図において断面Ａ−Ａ位置の円上で本例では上下位置に１８０°位相をずらした状態に形成されている。
【００２３】
これらの右左回転羽根１２、１３は、本例ではそれぞれ半ピッチずつ分割されボス１４と一体形成されていて、それぞれが軸１５上で組み立てられている。このように形成された攪拌部材としては、スクリュー９と同様に、右回転及び左回転のコンベアスクリューを利用して製作されている。従って、スクリュー９と同様に、極めて簡単な構造で安価なものである。なお、このような攪拌部材は他の任意の適当な方法で製造可能であることは言うまでもない。攪拌部材１１は、必要に応じて図１の気液供給装置に装備されるが、図１においてスクリュー９を省略した装置にも装着可能である。又、拡大管と共に又はこれに代えて、供給管４に設けることも可能である。吐出管４に設けた場合には、気液流体の通過流速が速くなるので、抵抗は大きくなるが気液混合が一層促進され気体を液体中に一層速く溶解させることができる。
【００２４】
図７は気液供給装置の気体供給部分の他の例を示す。
本例では、図１の装置の吸気管５に代えて、流路の上流側位置としてポンプ７の吐出側である吐出管２のＢ位置に空気を送るように圧縮機２０及び送気管２１を設けると共に、吸気量調整弁６を圧縮機２０の空気吸入端に設けている。なお、送気管２１には送気圧力を一定にするように圧力調整弁又は減圧弁を設けてもよい。この装置では、吸水管１には水のみが流され、空気がポンプ７を通過することなく、送気管２１の接続点であるＢ位置以後から気液流体が流れることになる。
【００２５】
圧縮機２０の圧力又は減圧弁を設ける場合にはその出口圧力はポンプ７の圧力と同じである。なお、吸気量調整弁６を図において二点鎖線で示すように圧縮機２０の吐出側に設けて、吐出空気を逃がすことにより、水の吸気量を調整するようにしてもよい。このような吸気系にすれば、装置コスト及び運転時の電力費は多少高くなるが、ポンプ７が水だけを吸入、吐出することになるので、ポンプにキャビテーション的現象が全く発生せず、運転状態を一層安定させることができる。又、ポンプ７の形式やその送水部材の材質選択の自由度が増す等の効果がある。
【００２６】
以上のような気液供給装置は、海、湖沼、貯水池、河川等の水質改善、工場排水中の浮遊物質や油分の除去、魚介類水槽等への空気供給等、空気混合水及び空気溶解水によって物質の浮上作用及び酸素供給作用を利用する種々の用途に広範に適用される。以下に本装置を上記のような用途に適用するときの運転方法及び作用効果について説明する。
【００２７】
本装置は、例えば、水中や水底に汚濁物質や有機物やアオコ等の有害な植物プランクトンが浮遊したり沈澱し、異臭を発生させるような死滅状態に近い貯水池等の閉鎖性水域の再生に好都合に使用される。このときには、まず本装置を貯水池の近傍に設置し、吸水管１を貯水池の中まで導設して取水可能にする。この場合、吸水端に適当な漉網等のストレーナを設ける。又、供給管４を貯水池の必要な深さ位置まで導設する。このような水の取水、排水時には、吸入管１及び供給管４に適当なフレキシブルホース等が接続される。
【００２８】
この状態でポンプ７を運転すると共に、吸気量調整弁６及び絞り弁１０の開度を調整する。本装置の運転としては、これだけの操作で足りるので、極めて簡単であり、通常の作業者が容易に実施することができる。
【００２９】
ポンプ７を運転し吸気調整弁６及び絞り弁１０を適当な開度にすると、ポンプ７はその揚程に対応した水量Ｑを吸入、吐出し、これと共に空気量ｑを吸入、吐出する。この空気量ｑは、ポンプが吸入する原水中の溶存酸素（以下「Ｄ0 」で示すことがある）量や、気液流体の利用される用途等に適合した量に調整される。即ち、例えば原水のＤ0 値が高いときにはｑを少なくする。又、溶解度に近い量もしくはこれを超えた量の空気を溶解もしくは微小気泡として混合させた溶存空気含有水を製造するときには、それに必要なようにｑを多くする。このように供給空気量ｑは種々の条件で異なるが、例えば水中への大気の溶解度に相当する量に余裕を加えた量として、容積比でＱの２％程度にされる。なお気液吸入は、ねじポンプ７の有するマイナス数ｍという十分な自吸能力によって問題なく行われる。
【００３０】
吸入された水と空気とは、比較的大きな塊の空気と水との状態からなる気液流体となってポンプ７から吐出され、開口板８に到る。ここで、吐出管２にスクリュー９が設けられているときには、気液流体は旋回しつつ開口板８に向かう。そして、比重の大きい水が吐出管２の外周側に寄り、空気は中心方向に寄せられ、均一で安定した状態で連続的に穴８ａを通過することになる。その結果、気液流体内の空気が吐出管２の開口板８の前で上方に溜まって大きな塊になり、穴８ａに間歇的に流入するような不安定な現象が発生せず、空気流量が一定化して穴通過状態が安定し、それによって気泡の細粒化が促進されると共に、運転騒音や振動の発生も防止される。
【００３１】
絞り弁１０の絞りの程度は、Ｄ0 を大きくするか又はエアーリフト効果の大きい白濁水を得るか等の本装置の使用目的によって相違するが、通常開口板８前の圧力として０．１〜０．４Ｍpag 程度の範囲で何れかの圧力に設定される。なお、ポンプ７がこのように空気を吸入して圧縮する場合でも、ポンプ７がねじポンプであれば、ポンプ内で急激な圧力変化が起こらないため、微小気泡の発生と圧壊によってポンプ材料が侵食されたり振動する等のキャビテーション現象は起こらない。なお、渦巻きポンプ等では、必要に応じて羽根に耐食性のある材料が使用される。
【００３２】
ポンプ７で送られスクリュー９で空気流が均一化された気液流体は、開口板８の穴８ａで大幅に縮流されると共に穴の数に応じて分流され、その直後に吐出管２より更に口径の大きい拡大管３に入って急拡大する。この時、気液流体内の気泡は、開口板通過時にその端面で細かく分断されると共に、断面急拡大時の減圧膨張によって変形し分断され、水の流れに伴って拡大管３内に拡散し、小気泡となって均一的に存在するようになる。
【００３３】
拡大管３内の気液流体は、開口板８によって減圧された後圧力を回復し、絞り弁１０により、使用目的に応じて大気圧〜０．３Ｍｐａｇ程度の範囲の何れかの圧力に維持される。その結果、使用目的に適合するように圧力に対応して空気溶解度の調整された気液流体を供給することができる。又、このような絞り弁１０の設けられている位置により、拡大管３及び供給管４の一部分がこの圧力に維持され、気液流体が加圧状態で必要な滞留時間だけ流されるようになっている。
【００３４】
その結果、前記のように小気泡となって水流の全体に均一的に存在する空気と水との十分な接触時間が得られ、空気はその圧力の溶解度に近い程度からこれをある適度超えた過飽和の状態まで水に溶解される。
【００３５】
拡大管３内に攪拌部材１１が設けられている場合には、これによって気液流体が十分攪拌され、空気の溶解度が一層大きくなる。即ち、図８に示す如く、気液流体はまず右回転羽根１２内にその表面側及び裏面側から線Ａ1 、Ａ2 で示す如く入り、次に左回転羽根１３では、線Ｂ1 、Ｂ2 で示す如く流れ、図示の点Ｐ1 、Ｐ2 、Ｐ3 、Ｐ4 あたりの位置でそれぞれ分流、合流、分流及び反転、合流・分流及び反転する。
【００３６】
又、点Ｑあたりの各羽根の中間位置では流路が広く点Ｑ´あたりの左右羽根の組合せ位置の近傍では流路が狭くなっていて、流れが拡大縮小する。そして、その後も同様な流れ状態を繰り返して極めて乱れた流れになるため、気液流体が十分攪拌され、気泡が変形分断されて水と接触する表面積が更に拡大し、水に対する空気の溶け込みが大幅に促進される。
【００３７】
なお、管路中で流体を攪拌する装置としては、板状体を１８０°捩じったエレメントを両端が交差するように連結状に管内に配置し、流れの分割及び反転を繰り返すことによって流体を攪拌する特殊ミキサーが良く知られているが、この装置では、流体の乱れ状態が不十分であるため、気体の液体への溶解度を大幅に向上するまでには到らない。
【００３８】
運転中に空気の溶解度を変化させる必要がある場合には、ポンプ７の吐出圧力を変えることになる。このとき、ポンプ７が定容積型のねじポンプであれば、ポンプの吐出量を２０％程度までの少ない変動量に維持することができる。その結果、一度調整した吸気量調整弁６をそのままの状態で運転しても、気液比率を許容範囲に維持することができる。又、この弁を再調整する場合でも、その調整が容易である。
【００３９】
又本発明では、空気を水に溶解させる容器部分を拡大管３等の流れのある管状のもので構成しているため、タンクを用いた場合のように空気が水から完全に分離した気液二層状態になることがない。そして、空気は粒子状で管内に存在し、空気と水との接触面積が大きくなっている。その結果、空気が水に溶けやすく、気液流体を速く高い溶解度に到達させることができる。
【００４０】
水に溶解した空気及び必要に応じて微小気泡となって均一的に混合した空気を有するようになった気液流体は、絞り弁１０から供給管４に送出され、貯水池の目的とする場所に排出される。この場合、気液流体が絞り弁１０から出ると圧力が大気圧まで下がるため、溶解していた空気の過飽和分が微小気泡となって生成する。即ち、水に溶解した空気量が減少し混合状態になっている微小気泡が増加する。このような微小気泡は、溶解していた空気から生成したものであるから、水中において極めて均一的に存在している。
【００４１】
貯水池等を浄化する場合には、有害な被処理物を除去する第１段階では主として気液供給装置のエアーリフト作用を利用し、貯水池の自然浄化作用を復活させる第２段階では空気による酸素供給作用を利用する。そのため、第１段階では、吸気量調整弁６で供給する空気量を多い目にし、絞り弁１０で管内圧力を高い目にする。これにより、拡大管３の部分で空気の溶解量を多くし、絞り弁１０を出た後では、均一に存在する微小気泡としての混合空気量を多くすることができる。その結果、この気液流体を貯水池の水中の適当な深さ位置から噴出させると、均一的に存在する多量の微小気泡が、水中に存在する汚濁物質や、有機物やアオコ等の有害な植物プランクトン等からなる被処理物に付着し、エアーリフト作用によってこれらを細大漏らさず良好に捕捉して浮上させることができる。このようにして水上に浮上し集積・濃縮された被処理物は、例えばバキューム装置等によって貯水池から容易に除去される。
【００４２】
被処理物の除去が終了すると、気液供給装置の空気による酸素供給作用を利用する。即ち、吸気量調整弁６で供給する空気量を少な目にし、絞り弁１０で絞る圧力を低い目にする。その結果、拡大管３の部分では、微小気泡の混合量及び溶解量が少な目になるが、絞り弁１０を出た後では、吸入した空気の多くが溶存空気の状態で維持され、混合状態の微小気泡は少なく且つ小サイズになる。その結果、この気液流体を貯水池の底から噴出されると、小量且つ小サイズの微小気泡がエアーリフト作用をすることなく、溶存空気を含有した水が長時間水底に存在し、最初から存在している周辺の水及び有用な微生物等に溶存酸素を与え、水底の状態を活性化させる。そして、貯水池全体についてこのような運転を持続させることにより、自然浄化作用を復活させ、悪臭の発散等を完全になくし、貯水池を清浄な状態に再生させることができる。
【００４３】
なお以上では、本装置を貯水池再生に適用した例について説明したが、本装置はエアーリフト作用と酸素供給作用とを利用する種々の用途に使用される。又本装置は、エアーバブリング装置より確実で効率の良い酸素供給機能を有するので、魚介類の飼育水槽にも好都合に適用される。
【００４４】
発明者等は、以上のような気液供給装置を用いて以下のような各種実験を行った。
〔実験１：空気溶解状態の目視〕
次のような仕様を持つ図１及び図２に示す構成の装置を試作し、水中へ放出した気液流体中の空気の混合溶解実験を行い、表１の結果を得た。
〔装置仕様〕
ポンプの定格流量×吐出圧力      ；  １１ｍ3/ｈ×０．６Ｍpa
吸入／吐出管の口径              ；  ８０ｍｍ
供給管の口径                    ；  ４０ｍｍ
拡大管の口径×長さ              ；  ３００ｍｍ×約１．５ｍ
開口板としてのオリフィスの穴径  ；  ２５．５ｍｍ
〔実験結果〕−表１
【００４５】
【表１】
0003647731.tif 000002
表１において、水中放出時気泡状態の「白濁」の程度は、実験状態（１）、（３）、（５）、（７）について図９〜図１２に示す如く、加圧によって一度溶解した空気が吐出管４に接続されたホース４ａから大気開放されることによって過飽和になり、図で白く見えるように過飽和分が乳白色の混合状態になっていることを意味する。なお、実験状態（１）、（２）では、拡大管３の上方に空気が溜まりその量が安定せず、空気抜き用の弁３ａを少し開いて空気を逃がしつつ運転した。
【００４６】
この実験によれば、空気量調整弁により供給空気量を調整し、絞り弁により空気の溶解圧力を調整することにより、混合気泡の量や粒度を加減し、必要に応じてエアーリフト作用と酸素供給作用とを選択的に発生させられることが明確になった。
〔実験２：スクリュー有無の効果の確認〕
実験１の装置において、開口板８を直径７．５ｍｍで総面積３０９．３ｍｍ2 の７個の穴を持つ多孔板とし、多孔板前にスクリュー９を装着した場合と取り外した場合との比較実験を行い、表２の結果を得た。吐水のＤ0 値は、絞り弁１０を出た後の気液流体をサンプリングしてＤ0 メーターで測定した。
〔実験結果〕−表２
【００４７】
【表２】
0003647731.tif 000003
この実験によれば、空気溶解性能に相当する値として、ポンプで吸入した原水である川水と本例の装置で処理した後の吐水とのＤ0 値の差又は溶解度差が、エアー注入後１０分では、１．９が２．２まで約１６％上がり、又、２５．２％が２８．４％まで約１３％上がり、エアー注入後２０分でも、２．２が２．４まで約９％上がり、又、２９．２％が３１．４％まで約７．６％上がり、スクリューを装備したときには空気溶解特性がかなり良くなることが確認された。なお目視検査によれば、スクリュー装着前には開口板に気泡が不規則に乱入していたが、スクリュー装着後には一様に良好な状態で入っていたので、実際には上記実験値よりも更に良い効果が得られることが予想される。
〔実験３：攪拌部材有無の効果の確認〕
実験２の装置において、スクリュー９を設けず、図５及び図６に示す攪拌部材１１を装着した場合と取り外した場合について比較実験を行い、表３の結果を得た。
〔実験結果〕−表３
【００４８】
【表３】
0003647731.tif 000004
この実験によれば、空気溶解性能に相当する値として、ポンプで吸入した原水である川水と本例の装置で処理した後の吐水とのＤ0 値の差又は溶解度差が、エアー注入後１０分では、２データの平均値で比較して、１．３が１．９５まで約５０％上がり、又、１７．５％が２６．６まで同様に約５２％上がり、エアー注入後２０分でも、１．２５が２．２５まで約８０％上がり、１６．７％が３０．７％まで約８４％上がり、攪拌部材１１を装備したときには空気溶解特性が格段に良くなることが確認された。
〔実験４：開口板の穴数の効果の確認〕
実験２のスクリュー付きの装置において、開口板８の穴８ａを図４に示す１個から７個まで順次取り替えて比較実験を行い、表４の結果を得た。
〔実験結果〕−表４
【００４９】
【表４】
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この実験によれば、Ｄ0 差及び溶解度差の数値から穴数が３個以上で穴数増加の効果が明瞭になり、穴数が７個以上では更に効果が大きいことが明らかになった。
【００５０】
【発明の効果】
以上の如く本発明によれば、請求項１の発明においては、気液供給装置が液体と気液流体とが流される管状の流路を主体として構成されているので、装置全体の構造が簡単になると共に、気液流体が常に流れ状態にあるため、タンクのように液相と気相とに分離させることなく、常に水中に均一分散させた気体の小気泡をその状態で維持し、気液接触面積を拡大し、液中への気体の溶解速度を速めることができる。又、液体に気体を加えるように流路の上流側位置に気体供給系を接続させるので、溶解・混合させるべき気体を供給することができる。
【００５１】
又、液体と気液流体とを供給可能なようにするポンプを設けているので、気体の取り入れ、これらの流路内への供給、目的とする使用先への供給等を可能にすることができる。更に、下流側の所定位置に流路の断面積を急変させるように開口板を設けるので、流路断面積の縮小から拡大する過程で気体を細断・分離させ、液流によって小気泡として液中に均一分散させることができる。その結果、液中への気体の溶解反応を促進させることができる。そしてこの場合、開口板の近傍から上流側に気液流体を旋回させる旋回部材を設けているので、比重の大きい液を外周側に寄せ中心側に気体を集め、気液流体を開口板に導入するときに、気体の通過状態を安定させ、気泡の均一細粒化や運転時の騒音や振動の発生をより完全に防止することができる。
【００５２】
そして更に、気液流体が時間をかけて流れるように間隔をあけて流路断面縮小手段を設けるので、均一分散した小気泡として存在する気体を加圧して圧力を上げ、気体の溶解度を大きくして多くの気体を溶解させると共に、混合状態で残存する気体を一層均一分散させることができる。又、時間をかけて流すことにより、気液流体を確実にほぼ溶解度に到達させることができる。この場合、時間をかけるとしても、本発明では上記の如く気液接触に最適な条件を提供しているので、より早く多くの気体を液中に溶解させることができる。
【００５３】
以上の如く、請求項１の発明は、管状の流路構成、ポンプ、旋回部材、流路断面急変手段及び流路断面縮小手段の採用により、これらの相乗的効果により、簡単な構成で運転容易で低コストの装置の下に、選択的にエアーリフト又は酸素供給の何れかの作用を成し得る気液流体を早く供給することができる。
【００５４】
請求項２の発明においては、互いに旋回方向が反対の第１旋回羽根と第２旋回羽根とを複数個交互に旋回円上で位相をずらした状態に形成した攪拌部材を開口板の下流側の流路内に設けるので、請求項１の発明の旋回部材と共に、又はこれに代えて、気体の液体中へ溶解性を大幅に向上させることができる。即ち、第１第２旋回羽根の両端を位相をずらして形成しているので、気液流体がこれらの間を移動するときに、流れ方向が反転すると共に、分流、合流及び流路拡縮による流速変化が生じ、極めて乱れた流れになるため、気液流体が十分に攪拌され、気泡が変形分断されて水と接触する表面積が更に拡大し、水に対する空気の溶け込みが大幅に促進される。このような気体溶解度の大幅な促進効果は、従来の通常の流体ミキサーでは得られない。
【００５５】
請求項３の発明は請求項１及び２の発明の効果を合わせ持つものである。
請求項４の発明においては、開口板を少なくとも３個の穴を備えた多孔板にするので、請求項１乃至３の発明の効果に加えて、気液溶解性を一層良好にすることができる。即ち、開口板の穴数を３個以上にすると、気液流体が分割されること、穴を出た後の流れ状態が均一化すること等の効果により、気液の分布状態が良くなり、気液溶解性が向上する。
【００５６】
請求項５の発明においては、流路断面縮小手段を断面積を変更可能にする流路断面調節手段にするので、気泡の粒度調整を一層容易に行うことができる。その結果、使用目的にあった気液液体の製造を一層容易にすることができる。
【００５７】
請求項６の発明では、以上の発明において、ポンプを圧力に対して流量の変動の少ない容積型ポンプにするので、気体供給量を一定量に調整すれば、供給する気液流体の気液比率を常にほぼ一定値にすることができる。気液流体中に混合状態で存在する気体の粒度は、供給気体が多ければ大きくなり少なければ小さくなり、又溶解度に相当するだけの量であれば粒状の混合気体は極めて微小化すると共に殆ど存在しなくなるが、定容積型ポンプによって気液比率を目的とする一定値に維持できるので、この値を調整することにより、気液流体中の混合状態にある気泡の大きさを目的とする大きさに調整することができる。その結果、例えばある程度大きい微小気泡を多くしてエアーリフト効果を大きくしたり、空気を溶解度の近傍又は少し過飽和状態にして水底に対して空気中の酸素供給効果を大きくする等、目的にあった気液流体を作ることができる。
【００５８】
又、定容積型ポンプはそれ自体が大きな自吸能力を備えるので、真空ポンプ等を付属させた自吸式ポンプにする必要がなく、構造が簡単で運転が簡単になる。又、圧縮機等の昇圧機械がなくても、ポンプの吸入側から吸入させることによって気体を供給できるので、装置構成を簡単で低コストなものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した気液供給装置の全体構造の一例を示す説明図である。
【図２】上記装置の吐出管以後の実際の配管状態の一例を示す一部断面を含む側面図である。
【図３】上記装置に使用可能なポンプの一例を示す断面図である。
【図４】上記装置に使用可能な開口板の一例を示す平面図である。
【図５】上記装置に攪拌部材を設けたときの構造例を示す断面図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は上記攪拌部材の羽根部分を示す斜視図であり、そのうち（ｂ）は（ａ）の構造をより明瞭にした図である。
【図７】  空気供給部分の他の構造例を示す説明図である。
【図８】  攪拌部材における気液流体の流れ状態の説明図である。
【図９】  供給管から排出された気液流体の外観状態を示す説明図である。
【図１０】  上記説明図で圧力を高くしたときの状態を示す。
【図１１】  上記説明図で圧力を更に高くしたときの状態を示す。
【図１２】  上記説明図で圧力を更に高くしたときの状態を示す。
【符号の説明】
１                  吸入管（管状の流路）
２                  吐出管（管状の流路）
３                  拡大管（管状の流路）
４                  供給管（管状の流路）
５                  吸気管（気体供給系）
６                  吸気量調整弁（気体供給系）
７                  ポンプ（ポンプ、定容量型のポンプ）
８                  開口板（開口板、多孔板）
９                  スクリュー（旋回部材）
１０                絞り弁（流路断面縮小手段、流路断面調節手段）
１１                攪拌部材
１２                右旋回羽根（第１旋回羽根）
１３                左旋回羽根（第２旋回羽根）
１２ａ、１２ｂ      第１旋回羽根の両端
１３ｂ、１３ａ      対応する第２旋回羽根の両端
２０                圧縮機（気体供給系）
２１                送気管（気体供給系）
【図１】
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【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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