(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に設置され、気体と液体とを混合する気液混合手段と、
前記気液混合手段に、前記気体を吹き込む気体吹き込み手段とを具備し、
前記気液混合手段は、
円筒状の壁面によって包囲され、前記気体吹き込み手段から前記気体が吹き込まる流路と、
前記流路の一端に設けられる液体放出口とを含み、
前記壁面に、前記流路に前記気体を吹き込むための気体吹き込み穴を複数開設し、
前記液体放出口は、末拡がりとなるように設けられ、
前記気体吹き込み穴は、垂直断面においては、前記流路における前記液体の進行方向に対して鋭角に斜向するように、かつ、水平断面においては、前記流路を包囲する壁面の接線方向を向くように形成され、前記気体吹き込み穴は前記壁面に沿って開口し、かつ、前記気体は、少なくとも酸素を含むことを特徴とする循環流発生装置。
【請求項２】
前記液体放出口の開き角は、５０度以上７０度以下であることを特徴とする請求項１記載の循環流発生装置。
【請求項３】
前記気体吹き込み穴は、前記流路における前記液体の進行方向に対して、１０度以上８０度以下の角度で斜向するように設けられることを特徴とする請求項１または２記載の循環流発生装置。
【請求項４】
前記気体吹き込み穴は、前記流路を包囲する壁面の接線方向に設けられること特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の循環流発生装置。
【請求項５】
前記気体吹き込み穴は、複数設けられ、かつ、前記流路を包囲する壁面に沿って、一循する向きに前記気体を吹き込むように設けられること特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の循環流発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体を微細化して液体に混合、分散させ、液体に効率良く溶解させることと、液体の上層、下層を広範囲で強制循環させることができる循環流発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダム、湖沼、内海等の閉鎖水域の浄化には、塩基養分の除去、紫外線殺菌、あるいは噴水式、水中曝気式等の方法が利用されており、いずれの方法も大型の設備に加え膨大なエネルギーを必要とする。
【０００３】
このような従来の設備では、浄化が、必ずしも成功しているとは言えなかった。その原因は、従来の水中曝気式について言えば、閉鎖水域での浄化には、単に溶存酸素上昇だけで解決に至る例は非常に少なく、強力な攪拌効果によって発生するイオン活性化や上昇流によって表層水温を低下させることが必要であるが、これらの対策が不十分であったことにある。
【０００４】
ダム、湖沼、閉鎖性海域の汚染が、ますます深刻な状況になっている事実が、従来の浄化設備の不備を表しているとも言える。すなわち、従来の浄化設備の多くは、その場しのぎの対策を目的としたもので、抜本的、恒久的な対策とはなっていない。
【０００５】
そこで、他の浄化方法として、パイプの中に捻りを入れた螺旋板を配置し、この螺旋板によって、中を流れる水に旋回運動を与えて、吹き込んだ空気と水を混合する方法が考えられた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この螺旋板を用いた方法は、従来の曝気式に比べて、気液混合に関しては効果があったが、以下のような問題があり、実用に至らなかった。
【０００７】
（１）螺旋板の存在が一種の邪魔板になり、ここに液体の中の浮遊物が溜まり、液体の流れ（循環流の発生）を妨害する。ここに最大の問題があった。
【０００８】
（２）酸素溶解効率が、０．５％〜２％程度と極めて低いことと、空気注入量を多く必要とする構造であるために、最大水深５ｍ程度の範囲以内でしか使用できない。
【０００９】
以上のような点に鑑みて、本発明は、少ないエネルギーで、酸素を液体に効率よく溶解し、安定した循環流を発生でき、効果的に液体の浄化を行える循環流発生装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の循環流発生装置では、液体中に設置され、気体と液体とを混合する気液混合手段と、気液混合手段に、気体を吹き込む気体吹き込み手段とを具備し、気液混合手段は、円筒状の壁面によって包囲され、気体吹き込み手段から気体が吹き込まる流路と、流路の一端に設けられる液体放出口と、壁面に、流路に気体を吹き込むための気体吹き込み穴を複数開設し、液体放出口は、末拡がりとなるように設けられ、気体吹き込み穴は、垂直断面においては、流路における液体の進行方向に対して鋭角に斜向するように、かつ、水平断面においては、流路を包囲する壁面の接線方向を向くように形成され、気体吹き込み穴は壁面に沿って開口し、かつ、気体は、少なくとも酸素を含む。
【００１１】
この構成により、少ないエネルギーで、酸素を液体に効率よく溶解し、安定した循環流を発生でき、効果的に液体の浄化を行える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の循環流発生装置は、気液混合手段と、気体吹き込み手段とを具備する。気液混合手段は、液体中に設置され、気体と液体とを混合する。気体吹き込み手段は、気液混合手段に、気体を吹き込む。そして、この気体は、少なくとも酸素を含む。また、壁面に、流路に気体を吹き込むための気体吹き込み穴を複数開設し、液体放出口は、末拡がりとなるように設けられ、気体吹き込み穴は、垂直断面においては、流路における液体の進行方向に対して鋭角に斜向するように、かつ、水平断面においては、流路を包囲する壁面の接線方向を向くように形成され、気体吹き込み穴は壁面に沿って開口する。
【００１３】
この気液混合手段は、流路と、液体放出口と、気体吹き込み穴とを含む。流路は、円筒状の壁面によって包囲され、気体吹き込み手段から酸素を含む気体が吹き込まる。液体放出口は、流路の一端に設けられる。気体吹き込み穴は、流路に酸素を含む気体を吹き込むためのものである。
【００１４】
この液体放出口は、末拡がりとなるように設けられる。気体吹き込み穴は、垂直断面においては、流路における液体の進行方向に対して鋭角に斜向するように、かつ、水平断面においては、流路を包囲する壁面の接線方向の成分を持つように設けられる。
【００１５】
以上のように、本発明では、気体吹き込み穴を、流路における液体の進行方向に対して鋭角に斜向するように、かつ、流路を包囲する壁面の接線方向の成分を持つように設け、この気体吹き込み穴を通じて、流路に気体を吹き込むことで、流路内に旋回流を発生させて、循環流の発生と、気液混合とを同時に行う。
【００１６】
このように、液体に気体を混合する機構と、循環流を発生させる機構とを、別々に設けるのではなく、液体に気体を混合する機構が同時に、循環流を発生させる機構にもなっている。このため、少ないエネルギーで、気液混合と、循環流発生とを同時に実現できる。さらに、流路には、従来のように螺旋板など、何も設けていないため、安定した循環流を発生できる。
【００１７】
このような効果に加えさらに、末拡がりとなるように液体放出口を設けることで、剪断力により、気体の液体への溶解を促進する。
【００１８】
したがって、本発明では、安定した循環流を発生することと、酸素を液体に効率良く溶解することとを、少ないエネルギーで同時に実現している。このため、少ないエネルギーで、効果的に液体の浄化を行うことができる。
【００１９】
請求項２記載の循環流発生装置では、液体放出口の開き角を、５０度以上７０度以下としている。このようにすることで、より強力な剪断力を発生させることができ、酸素の液体への溶解をより促進できる。
【００２０】
請求項３記載の循環流発生装置では、気体吹き込み穴は、流路における液体の進行方向に対して、１０度以上８０度以下の角度で斜向するように設けられる。このようにすることで、より強力な旋回流を発生させることができるため、より強力な循環流を発生できる。
【００２１】
請求項４記載の循環流発生装置では、気体吹き込み穴は、流路を包囲する壁面の接線方向に設けられる。このようにすることで、より強力な旋回流を発生させることができるため、より強力な循環流を発生できる。
【００２２】
請求項５記載の循環流発生装置では、気体吹き込み穴は、複数設けられ、かつ、流路を包囲する壁面に沿って、一循する向きに気体を吹き込むように設けられる。このようにすることで、より強力な旋回流を発生させることができるため、より強力な循環流を発生できる。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。まず、図１および図２を用いて、本発明の実施の形態における循環流発生装置の特徴部分を説明する。
【００２４】
図１は、本実施の形態における循環流発生装置の特徴部分の垂直断面図、図２は、同水平断面図である。なお、図１および図２において、同一の部分については、同一の符号を付している。
【００２５】
図１および図２に示すように、この循環流発生装置の特徴部分であるパイプ１には、円筒状の壁面１１によって包囲される流路３が形成される。そして、流路３の一端には、液体放出口７が、末拡がりとなるように（円錐台形状に）設けられ、他端は、液体吸い込み口９となっている。
【００２６】
また、パイプ１には、４個の気体吹き込み穴５が、形成される。具体的には、気体吹き込み穴５は、パイプ１の垂直断面においては、図１に示すように、流路３における液体の進行方向（矢印ａ方向）に対して、鋭角に（角度θ１で）斜向するように設けられる。そして、さらに気体吹き込み穴５は、パイプ１の水平断面においては、図２に示すように、壁面１１の接線方向に形成される。
【００２７】
なお、パイプ１の外面には、後述するように、「おねじ」が形成されるが、図１および図２では省略している。また、パイプ１は、気液混合手段に相当する。
【００２８】
次に、本実施の形態における循環流発生装置の原理について説明する。まず、パイプ１を液体中（例えば、水中）に設置する。この場合、パイプ１の液体放出口７が、液体の表面側を向くように（パイプ１の液体吸い込み口９が、液体の底側を向くように）、設置する。
【００２９】
本装置を以上のように設置した後、酸素を含む高圧気体が、矢印ｂに示すように、気体吹き込み穴５を通じて、流路３に吹き込まれると、液体吸い込み口９から流入した液体は、流路３を流れ、気体吹き込み穴５から吹込まれた気体と混合されて、液体放出口７から上方に放出される。その結果、矢印ｃに示すような気液混合循環流が発生し、液体の浄化が行われる。
【００３０】
以下、このような気液混合循環流の発生の仕組みについて詳しく説明する。気体吹き込み穴５から流路３に吹き込まれた高圧気体は、気泡となって、パイプ１の壁面１１に沿って、旋回しながら上昇する。液体は、このような気泡の旋回流に巻き込まれ、エジェクタ効果によって、液体吸込み口９から吸込まれて、旋回流と混合して上昇する。
【００３１】
この過程において、吹き込まれた気体と液体とが、激しく混じり合い、気体（酸素）が液体に溶解する。その結果、流路３に矢印ａ方向の流れが形成され、矢印ｃで示すような大きな気液混合循環流が形成される。
【００３２】
このように、本実施の形態では、液体に気体を混合する機構（液体に酸素を溶解させる機構）と、循環流を発生させる機構とを、別々に設けるのではなく、液体に気体を混合する機構が同時に、循環流を発生させる機構にもなっている。このため、少ないエネルギーで、気液混合（酸素の液体への溶解）と、循環流発生とを同時に実現できる。
【００３３】
さらに、流路３には、従来のように螺旋板など、何も設けていないため、安定した循環流を発生できる。
【００３４】
さて、液体吸い込み口９から液体放出口７に至るまでの流路３は、一定半径を持つ円筒状になっているが、流路３に連続する液体放出口７は、図１に示すように、末拡がりの形状をしている。
【００３５】
そのため、流路３を高エネルギー状態で流れてきた液体の圧力が急激に低下し、強力な剪断力が発生することで、液体に含まれていた気泡は、剪断力により分断され、液体と気泡の接触面積が爆発的に拡大し、吹き込まれた気体（酸素）の溶解が一気に加速されることとなる。しかも、この効果を得るために、外部からの動力を必要としない。その結果、少ないエネルギーで、かつ、高い溶解効率で、酸素を液体に溶解できる。
【００３６】
以上のように、本発明では、安定した循環流を発生することと、酸素を液体に効率良く溶解することとを、少ないエネルギーで同時に実現している。このため、少ないエネルギーで、効果的に液体の浄化を行うことができる。
【００３７】
なお、循環流の発生、および、気液混合（酸素の液体への溶解）は、共に、アオコ発生の抑制、濁水浄化、大型廃水処理にとって、必要不可欠であると言える。
【００３８】
一方、従来は、液体に旋回流を与えるために、パイプの中に螺旋板を配置しており、これが吸込み口にゴミが詰まる原因になっていた。
【００３９】
しかし、上述のように本発明では、パイプ１は真直ぐの直管で、流路３には、障害物はない。そして、気体吹き込み穴５を、角度θ１で、かつ、パイプ１の壁面１１の接線方向に、開口させるだけで、液体が激しく旋回する機構を実現している。このため、従来のように、ゴミのつまりは皆無で、ゴミも液体と一緒に旋回させて液体放出口７から放出する。その結果、メンテナンスのための労力を極力軽減できる。
【００４０】
次に、気体吹き込み穴５の詳細を説明する。気体吹き込み穴５は、パイプ１の垂直断面においては、図１に示すように、流路３における液体の進行方向（矢印ａ方向）に対して、角度θ１で斜向するように設けられる。この角度θ１は、１０度以上８０度以下の範囲に設定する。この範囲で旋回流が最も激しくなり、１０度より小さい角度、または、８０度より大きい角度では、いずれも旋回流が不十分だからである。なお、θ２＝９０−θ１である。
【００４１】
また、気体吹き込み穴５は、パイプ１の水平断面においては、図２に示すように、壁面１１の接線方向に形成される。このように、壁面１１の接線方向に形成した場合が、最も強力な旋回流を発生させることができる。なお、気体吹き込み穴５は、水平断面において、少なくとも、壁面１１の接線方向の成分を持つように開口されていることが必要である。
【００４２】
また、気体吹き込み穴５の数は、３〜８個程度とするが、必要に応じて適宜増減してよい。
【００４３】
以上のようにして形成された気体吹き込み穴５から吹き込まれた高圧気体は、気泡となって、パイプ１の壁面１１に沿って旋回しながら上昇し、液体吸い込み口９から液体を吸込む。吸込まれた液体は、旋回しながら気泡と混合されて上昇し、末拡がりとなるように設けられた液体放出口７に到達したところで、強力な剪断応力がおこり、気泡が、より微細な気泡に分断されることとなる。
【００４４】
ここで、気体吹き込み穴５から流路３へ吹き込む高圧気体の圧力は、概ね０．１〜１０ｋｇｆ／ｃ平方メートルの範囲が適切である。また、高圧気体は、空気、酸素等、少なくとも酸素を含む気体であればよい。
【００４５】
次に、液体放出口７の詳細について説明する。図３は、図１のパイプ１の液体放出口７の詳細を示す垂直断面図である。なお、図３において、図１と同一の部分については、同一の符号を付している。
【００４６】
図３に示すように、流路３と液体放出口７との接続点Ａにおいて、液体放出口７の曲面に接する接線ｄが形成する角度λを、液体放出口７の開き角とする。液体放出口７の開き角λは、５０度以上７０度以下が最も好ましい。そうでない場合でも、開き角λは、３０度以上が好ましい。なぜなら、３０度未満では、吹き込まれた高圧気体によって生じた気泡を微細化できなくなるからである。また、開き角λは、９０度より大きくなっても好ましくない。この場合も、気泡を微細化できなくなるからである。
【００４７】
上述では、パイプ１の液体放出口７が、液体の表面側を向くように（パイプ１の液体吸い込み口９が、液体の底側を向くように）、パイプ１を液体中に立設して使用した。このように設置するのが最も好ましいが、必要に応じて、横に寝かせて（パイプ１の長さ方向が、液体表面に平行になるように設置して）使用することもできる。また、本発明の循環流発生装置による浄化の対象となる液体は、水、その他の液体でもよい。
【００４８】
次に、図４から図６を用いて、本発明の実施の形態における循環流発生装置の全体構成について説明する。図４は、本発明の実施の形態における循環流発生装置の垂直断面図である。図４に示すように、この循環流発生装置は、パイプ１、ホルダ１５、ホース口２１およびコンプレッサ２３を具備する。なお、コンプレッサ２３は、気体吹き込み手段に相当する。
【００４９】
ここで、図５は、図４に示したパイプ１を示す図、図６は、図４に示したホルダ１５を示す図である。なお、図４から図６において、図１と同様の部分については、同一の符号を付している。
【００５０】
図５に示すように、パイプ１において、液体放出口７は、開き角λが６０度となるように形成される。気体吹き込み穴５は、垂直断面においては、角度θ１が６０度となるように、かつ、水平断面においては、壁面１１の接線方向に（図２参照）、形成される。
【００５１】
このような条件の気体吹き込み穴５を８個形成する。また、パイプ１の下端外面には、ホルダ１５と接続するためのおねじ１３が形成される。なお、このパイプ１が、図１に示したパイプ１と異なるのは、気体吹き込み穴５の数、および、おねじ１３を形成した点である。
【００５２】
図６に示すように、ホルダ１５は、垂直断面においては、矩形状になっており、その内部には、空洞２５が形成される。そして、ホルダ１５の上部には、パイプ１の外形に即した開口部が形成され、その開口部には、パイプ１と接続するためのめねじ１７が形成される。
【００５３】
また、ホルダ１５の下部内面には、パイプ１の外形に即した穴が形成され、その穴の周りには、パイプ１と接続するためのめねじ１７が形成される。さらに、その穴からホルダ１５の外部まで貫通するように、液体吸い込み口１９が形成される。また、ホルダ１５の側部には、コンプレッサ２３から空洞２５へ高圧空気を吹き込むためのホース口２１が設けられる。
【００５４】
そして、このようなホルダ１５のめねじ１７に、図５のパイプ１のおねじ１３をねじ込むことにより、パイプ１とホルダ１５とを、すきまなく接続することによって、図４に示した循環流発生装置を組み立てる。なお、液体吸い込み口１９から液体放出口７までは貫通している。
【００５５】
次に、図４を用いて、動作について説明する。ホルダ１５に保持されたパイプ１を水中に立設する。ホルダ１５に設けられたホース口２１は、図示しないホースを介してコンプレッサ２３に接続される。そして、コンプレッサ２３が発生した高圧空気は、ホースロ２１から空洞２５へ送られ、さらに、気体吹き込み穴５を通じて、流路３へ吹き込まれる。
【００５６】
吹き込まれた高圧空気は、気泡となって、液体吸い込み口９、１９から水を吸い上げながらパイプ１の壁面１１を旋回しながら上昇する。この際に、水と吹き込まれた空気とが混合される。
【００５７】
このような空気と水との気液混合液は、開き角λが６０度の液体放出口７で剪断流れを発生させ、超微細気泡が発生することになる。
【００５８】
発生した超微細気泡は旋回運動をして、径を拡大しながら波及し、気泡の広がる範囲はパイプ１の内径の概ね十数万倍にも及ぶ。
【００５９】
水の表面層の高速流動に伴って、低層の水が流動して上昇して低層⇒表層⇒低層の流れの循環運動が誘起され、表層、下層の、水の循環浄化が行われる。
【００６０】
上記装置を使ってダムの濁水浄化実験を行ったので、以下に、その結果を示す。
【００６１】
（実験１）
実験１では、パイプ１の長さが２７０ｍｍ、パイプ１の外径が１２０ｍｍとした。また、パイプ１の内径を４０ｍｍ、気体吹き込み穴５の数を８個、気体吹き込み穴５の角度θ１を４５度、液体放出口７の開き角λを６０度、空気圧力を５ｋｇf／ｃ平方メートル、設置台数を１台とした。
【００６２】
この結果は次のとおりである。消費電力３ｋｗで、水深３３．５ｍ×５０平方メートルの範囲で、開始前濁度７０度が運転開始後１６８時間で、濁度２度（水道水濁度基準１度）にまで回復した。この実験１の結果により、表面温度は、開始前２６℃が運転開始と同時に１８℃まで低下したことで、アオコ発生抑制にも有効であることが確認された。また、本装置によれば、低電力にて、大量の水域浄化ができることが確認できた。
【００６３】
（実験２）
閉鎖されたダムの浄化実験を行った。ダムの水質の状態は、次の通りである。粘土鉱物による濁度は７０度であり、水深２ｍ〜３０ｍの間で微細な粘土鉱物による濁水が大量に滞留したままの状態であり、低層部（水深５０ｍ以下）は、無酸素状態であり、最深部では、有害なメタンガスや重金属類の溶出が検出された。
【００６４】
本装置の運転の結果、水中温度成層の破壊効果と、濁水・アオコ等の浄化効果および広範囲に及ぶ溶存酸素上昇効果（４．５ｐｐｍ⇒６．５ｐｐｍ）が確認できたことにより、本装置を徐々に下降させることにより、最深部の無酸素域を有酸素域に改善し、ヘドロを無機化させることと、重金属類の溶出防止が可能であることが確認できた。
【００６５】
なお、本装置は、ダムのほか、湖沼、閉鎖性海域、大型排水処理など、液体の浄化が必要なところに広く用いることができる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明では、気体吹き込み穴を、流路における液体の進行方向に対して鋭角に斜向するように、かつ、流路を包囲する壁面の接線方向の成分を持つように設け、この気体吹き込み穴を通じて、流路に気体を吹き込むことで、流路内に旋回流を発生させて、循環流の発生と、気液混合とを同時に行う。
【００６７】
このように、液体に気体を混合する機構と、循環流を発生させる機構とを、別々に設けるのではなく、液体に気体を混合する機構が同時に、循環流を発生させる機構にもなっている。このため、少ないエネルギーで、気液混合と、循環流発生とを同時に実現できる。さらに、流路には、従来のように螺旋板など、トラブルの原因となる部材を設けていないため、安定した循環流を発生できる。
【００６８】
このような効果に加えさらに、末拡がりとなるように液体放出口を設けることで、剪断力により、気体の液体への溶解を促進する。
【００６９】
したがって、本発明では、安定した循環流を発生することと、酸素を液体に効率良く溶解することとを、少ないエネルギーで同時に実現している。このため、少ないエネルギーで、効果的に液体の浄化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における循環流発生装置を構成するパイプの垂直断面図
【図２】同パイプの水平断面図
【図３】同パイプの液体放出口の説明図
【図４】本発明の実施の形態における循環流発生装置の全体構成図
【図５】図４のパイプの説明図
【図６】図４のホルダの説明図
【符号の説明】
１  パイプ
３  流路
５  気体吹き込み穴
７  液体放出口
９、１９  液体吸い込み口
１１  壁面
１３  おねじ
１５  ホルダ
１７  めねじ
２１  ホース口
２３  コンプレッサ
２５  空洞
【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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