(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングして前記ガスと前記液体または懸濁液とを互いに分離する装置であって、前記装置は、実質的に円形断面形状の細長い中空で回転するガス分離部（３０）を備え、さらに、静止した流体入口（１４）を一端（１８）に備えるとともに液体出口（２８）を有する静止したポンプハウジング（１６）を他端（２２）に備え、前記ガス分離部（３０）は前記装置の長手方向に沿って前記入口（１４）とポンプハウジング（１６）との間に延び、前記他端（２２）には前記装置の中心から分離されたガスのための出口（２６，２７）が設けられ、前記流体混合体を回転させる手段を前記装置の一端に設けた装置において、前記ガス分離部（３０）は細長い中空ロータ（１２）の少なくとも一部によって形成され、この中空ロータ（１２）の壁は回転ガス分離表面（３２）を形成し、前記ガス分離部（３０）はこれの長さ（Ｌ）の１／２未満の直径（Ｄ）を有し、中空ロータ（１２）の装置の他端（２２）に位置する側に径が拡大するポンピング部が形成され、前記ポンピング部（１７）の直径はこれのすぐ上流の前記ガス分離部（３０）の直径（Ｄ）より大きく、前記ポンピング部は前記静止したポンプハウジング（１６）内に延びかつ前記静止したポンプハウジング（１６）によって包囲されていることを特徴とするガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングして前記ガスと前記液体または懸濁液とを互いに分離する装置。
【請求項２】
前記ロータ（１２）がほぼ管状構造である請求の範囲１のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する装置。
【請求項３】
前記大直径のポンピング部（１７）が前記ポンプハウジング（１６）内へ突入したブレードホイール（２４）を備えている請求の範囲２のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する装置。
【請求項４】
前記混合体を回転させる前記手段は前記装置の一端において前記ロータ（１２）の璧からその中心部に向けて延びたブレード（２０）を含む請求の範囲１乃至３のいずれか一のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する装置。
【請求項５】
前記ガス分離部（３０）はほぼ管状の構造であり、その比Ｄ／Ｌは約１：２から約１：２０である請求の範囲１乃至４のいずれか一のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する装置。
【請求項６】
空気または真空のための殻体（１５）が前記入口（１４）から前記ポンプハウジング（１６）までを包囲する請求の範囲１乃至５のいずれか一のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する装置。
【請求項７】
前記ロータ（１２）の前記壁がこれの装置の他端（２２）に位置する側において環状の肩を有し、ポンピング部（１７）への移行部においてその内径を減少させた請求の範囲１乃至６のいずれか一のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する装置。
【請求項８】
前記ガス分離面（３２）に対して流体を吹付けるための手段（７０）を設けた請求の範囲１乃至７のいずれか一のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する装置。
【請求項９】
前記ガス出口（２６，２７）に真空源を接続した請求の範囲１乃至８のいずれか一のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する装置。
【請求項１０】
ガスと液体または懸濁液の流体混合体をポンピングして前記ガスと前記液体または懸濁液とを互いに分離する方法において、
前記流体混合体を、円形断面を有しかつ長さ（Ｌ）の１／２未満の直径（Ｄ）を有する回転可能な中空の細長いガス分離部を有するガス分離ポンプの入口へ供給し、
前記混合体を前記ガス分離ポンプの入口端において回転させて前記混合体をその壁に向けて流れさせ、
前記ガス分離部を回転させることによって前記混合体を回転した状態に維持し、
前記ガス分離部の壁によって形成される回転ガス分離面に沿って前記混合体を流動させて前記ガス分離面上に流体層を形成し、
前記ガスが前記液体または懸濁液から分離して前記ガス分離部の中心部にガス柱を形成するのを許容するのに十分な時間にわたって前記ガス分離面上の前記流体層を維持し、
前記の分離された液体または懸濁液を前記回転ガス分離面に沿って、前記ガス分離部より大きい直径を有するポンピング部を備えた静止ポンプハウジング中へ流動させて前記ポンピング部内に前記液体の回転液体リングを形成させ、
前記液体を前記ポンピング部から放出すると共に前記ガス柱のガスも前記ポンピング部から放出することを特徴とするガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する方法。
【請求項１１】
前記混合体が、互いに実質的に完全に分離される空気と水の混合体から実質的になる請求の範囲１０のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する方法。
【請求項１２】
前記混合体を前記ガス分離面上を実質的に穏やかな流れとして流動させて前記ガス分離部の直径の１／４より小さい、好ましくは１／６より小さい厚さの流体層を形成する請求の範囲１０または１１のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する方法。
【請求項１３】
前記ガス柱のガスを吸引により放出する請求の範囲１０乃至１２のいずれか一のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する方法。
【請求項１４】
前記流体混合体が前記吸引によって生じる真空によって沸騰される液体または懸濁液とガスとの混合体であり、かくして前記混合体中のガスを実質的に完全に除去する請求の範囲１３のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する方法。
【請求項１５】
前記ガス分離ポンプの出口端に前記真空を施与し、前記ガス分離ポンプの前記入口に入る前記流体混合体を制御する請求の範囲１４のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する方法。
【請求項１６】
回転速度を調節することによって前記液体リングの厚さを調節する請求の範囲１０のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する方法。
【請求項１７】
流体の噴霧を前記ガス分離面上の前記層に向けて吹付ける請求の範囲１０のガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングしてガスと液体または懸濁液とを互いに分離する方法。
【請求項１８】
製紙機のフォーマからのバックウォータを請求の範囲１乃至９のいずれか一によるガス分離ポンプにより処理する紙またはボール紙の製造方法。
【請求項１９】
流体フローテーション生成物を請求の範囲１乃至９のいずれか一によるガス分離ポンプにより処理するフローテーション法。
【発明の詳細な説明】
本発明は水または紙料（papermaking stock）の如き液体または懸濁液からこの液体をポンピング（圧送）することに関連して空気の如きガスを分離する装置および方法に関する。本発明は製紙機（抄紙機）のフォーミングファブリック（forming fabric）を通して排水されるバックウォータをポンピングするため、フローテーション（flotation）によって分離された流体をポンピングするため、また紙料から空気を除去するための前記装置の使用にも関する。
多くの場合、ポンピングすべき流体内に閉じ込められたまたはかかる流体内で発生するガスは問題を生じる。例えば、従来の遠心ポンプによってガスを含んだ流体をポンピングする時、ガスはポンピングを阻害する。ポンプ室内で遠心力の作用によって流体から分離するガスは徐々に生長する気泡を形成し、これは最終的に気泡が放出されてしまうまでポンプのパワーを低下させる。一定流量を必要とする各種処理においてはかかる不規則な動作は大きな阻害となる。
一例として、製紙工程においてフォーミングファブリックを通して排水されるバックウォータは通常多量の閉じ込められた空気を含んでいる。製紙機の短い循環（short circulation）は特に一定した流量を必要とするので通常、排水されたバックウォータを特別なパイプまたは通路によって脱水ボックスから開放したバックウォータタンクへ導くことによって邪魔な空気を除去し、ここから先のシート形成の短い循環の繊維処理にポンピングして戻す。
製紙工程のうすい紙料中に含まれた空気は短い循環における流れの安定性を損いまたシート中にボイドまたは孔を生じさせかつ排水を妨げることで紙シートの形成を阻害する。
上述した理由により、製紙工程においては排水されたバックウォータの効果的な脱気が特に重要である。従って、バックウォータタンクおよび装置の他の部分は、バックウォータが短い循環の閉じた部分中へポンピングされる以前に、閉じ込められた空気が出て除去されるに十分な時間を与えるために非常に遅い流速で設計するのが従来のやり方である。また、バックウォータから除去されなかった空気または紙料と一緒に短い循環内へ持込まれた空気を除去するために短い循環中へ別個の脱気装置を組込むことも一般に行なわれている。
流速が低いため、繊維処理へのバックウォータの再循環は非常に長い時間を要し、このことは紙の等級の変化の如き工程の変化の後に新しい平衡状態に達するのを遅らせる。更に、流速が低いということは分散された材料がタンクおよび配管中に付着することによっておよび生物学的活動のために汚物がタンクおよび配管中に蓄積する。
リサイクル故紙の脱インキまたは製紙機における長い循環からの繊維の回収といった材料の分離にフローテーションが使用される場合には、空気の分離、脱泡およびポンピングが特に困難でほとんどの場合別個の脱泡または沈澱タンクを必要とする。
圧送すべき流体からガスを分離しうるポンプは周知であるが、かかるポンプの目的は、通常規則的なポンピングをなしうるようにするために十分なガスを除去することだけであり、従来のポンプは例えば製紙工程で流体をそれ以上脱気することなく直接使用するのに必要とされる程度の脱気のために十分な程度にガスを除去しうるものではない。比較的軽量の固形物を含有する粘性の高い繊維懸濁液を処理するための脱気ポンプも知られている。かかるポンプにおいては、ガスの分離は一般にポンピングすべき高粘性流体を流動化させるのに必要な高い剪断力によって行なわれる。
ガスを含有した流体を均一にポンピングしうる従来のポンプの例がＦＩ６７５９１，ＵＳ４４１０３３７，ＵＳ５０３９３２０，ＦＩ７３０２３，ＦＩ７５９１２に開示されている。これらのポンプはその吸引路において流動化し、剪断および遠心力によって空気を分離するようにした、高稠度（約５％〜２０％）のパルプをポンピングするために開発された所謂ＭＣ−ポンプである。分離された空気はポンプの中心部に集中し、種々な手段で放出される。これらの従来のポンプにおいては、分離量が少なくかつポンピングすべき流体の粘性が高いため、液体とガスとの分離が完全ではない。従って、例えば特許出願ＥＰ３３７３９４およびＥＰ２９８４４２に開示のように放出される空気からの固形材料および液体の更なる分離が必要である。
ＷＯ９２／０３６１３号として公告された国際特許出願は上述したＭＣ−ポンプを変形したものによって繊維懸濁液をポンピングする紙料送給装置および方法を開示している。しかし、その明細書はこれらのポンプをどのように変形すべきかを説明していない。
流体からガスを分離する、または蒸気を含んだまたは蒸気を発生する流体をポンピングする他の手段がＵＳ２５７５５６８，ＵＳ３２０３３５４，ＵＳ３３２３４６５，ＵＳ３８５６４８３，ＵＳ４２０１５５５，ＵＳ３９４２９６１，ＵＳ４６００４１３，ＵＳ４９０８０４８，ＥＰ４３０６３６，ＷＯ９０／１３３４４およびＷＯ９３／０１８７５の如き特許に開示されている。
同一発明者による同時出願中の特許出願ＦＩ９２２２８３およびＰＣＴ／ＦＩ９３／００２１２はガスと水との混合体から空気と水を分離しうるガス分離ポンプを開示している。このポンプは中空の静止殻体とこの殻体の壁に接近して回転し前記殻体によって提供される大きなガス分離面に沿って薄い流体層として前記混合体を回転させる翼を備えた中心のロータとを備えている。前記混合体が前記翼によって前記壁に沿って回転される時、液体から分離されたガスは装置の中心部に集められる。この装置はそれより先に知られているガス分離ポンプよりは改良されているが、製紙用の紙料の如きより粘稠性の流体からガスを分離するには適していない。更に、容易に発泡する流体をポンピングする場合、翼が静止面に沿って液体を引きずる時にいくらかの泡が生じることがある。前記静止面に沿って液体を引きずることはエネルギーの消費にもなる。かくして、流体をポンピングする間のガスの分離の技術分野においてはなお改良の必要がある。
本発明の目的は液体または懸濁液からガスを実質的に完全に分離しうるようにするために従来の方法および装置の機能を改良することにある。
本発明の目的は実質的にガスを含まないポンピングすべき液体または懸濁液および実質的に液体を含まないガスを提供することにもある。
本発明の目的は水の如き低粘性の液体または紙料の如き高粘性の懸濁液または液体から空気の如きガスを実質的に完全に除去することができ、また除去されたガスから液体または懸濁液を実質的に完全に分離することのできる技術的に簡単でエネルギー効率の良いポンプを提供することにある。
本発明の目的は更に、ポンプへの流体の流入量に影響を与えることがなくかつ動作範囲内において流入量に応じて実質的に自己調節するポンプを提供することにある。
本発明の目的は更に、回転速度を調節することによって動作範囲を容易に調節しうる自己調節ガス分離ポンプを提供することにある。
本発明の目的は更に、真空源に接続することができるガス分離ポンプ、特に真空源と吸引対象物との間に接続することのできるガス分離ポンプを提供することにある。
本発明の目的は泡を消滅させ、発泡液体からガスを分離しつつかかる液体をポンピングする手段を提供することにもある。
本発明の目的は更にポンピングと関連してガスを分離する方法および装置を提供することにある。
特に、本発明の目的は紙またはボール紙製造のバックウォータの繊維処理への迅速にして制御された再循環を、別個の脱気の必要なしに可能ならしめることにある。
本発明の他の目的はガス分離を可能ならしめると共にフローテーションによって分離された流体材料の制御された処理を可能ならしめることにある。
本発明の目的は非常にエネルギー効率が良くかつ大きな粘度範囲内で流体を処理しうる形態で前記諸目的を達成することにある。
本発明の目的は、短い循環へ導入される以前に製紙紙料から空気を分離するのを可能ならしめ、従って別個の脱気装置を不要ならしめることにもある。
本発明は添付の請求の範囲に記載されており、基本的にはガスと液体または懸濁液との流体混合体をポンピングして前記ガスと前記液体または懸濁液とを互いに分離する装置であって、一端に流体入口を備えると共に他端に液体出口を有するポンプハウジングを備え、前記入口とポンプハウジングとの間に、分離されたガスのためのほぼ中心部の出口を有する実質的に円形断面の細長い中空のガス分離部を備え、更に前記混合体を回転させる手段を備えた装置に関する。この装置において、前記ガス分離部は前記入口と前記ポンプハウジングとの間の中空ロータによって形成され、前記ロータの内壁によって大きな回転ガス分離面が提供される。この装置を使用することによって前記流体混合体からの前記ガスの実質的に完全な分離を提供することができる。
本発明による装置のロータはほぼ管状の構造であって、その出口端に前記ポンプハウジング内へ延びる非常に直径の大きいポンピング部を備えている。ロータがその入口に前記の流入混合体を回転させるブレードを有し、出口端に前記ポンプハウジング内へ延びるより大きな直径のブレードホイールを有する実施例によって一般に最良の性能が得られる。
本発明の特定の実施例においては、ガス分離面に対して流体を吹付けるための手段が設けられ、ガス出口は真空源に接続してガス分離部またはガス分離ポンプの上流側に真空を提供するようにすることができる。
本発明はガスと液体または懸濁液の流体混合体をポンピングして前記ガスと前記液体または懸濁液とを互いに分離する方法にも関する。この方法は、前記流体混合体を円形断面の回転可能な中空ガス分離部を有するガス分離ポンプの入口へ供給し、前記混合体を前記ガス分離ポンプの入口端において回転させて前記混合体をその壁に向けて流れさせ、前記ガス分離部を回転させることによって前記混合体を回転した状態に維持し、前記ガス分離部の璧によって形成される回転ガス分離面に沿って前記混合体を流動させて前記ガス分離面上に流体層を形成し、前記ガスが前記液体または懸濁液から分離して前記ガス分離部の中心部にガス柱を形成するのを許容するのに十分な時間にわたって前記ガス分離面上に前記流動を維持し、前記の分離された液体または懸濁液を前記回転ガス分離面に沿って、前記ガス分離部に接続されたポンピング部中へ流動させて前記液体に前記ポンピング部内で回転液体リングを形成させ、前記液体を前記ポンピング部から放出すると共に前記ガスを前記ガス柱から放出することを含む。前記ポンピング部は前記ガス分離部より大きい直径を有するのが好ましい。
好ましい実施例においては、前記混合体は互いに実質的に完全に分離される空気と水の混合体からなる。ガスの良好な分離を提供するには、少なくともガス分離部の端部において前記混合体を前記ガス分離面上で実質的に安定した流れとして流動させることが重要である。この層の厚さは前記ガス分離部の直径の１／４より小さい、好ましくは１／６より小さくするのが好ましい。空気と水を分離する際には、この流体層は一般に前記直径の１／６より薄くされる。
流体層は開放した表面を有し、従って流量は開放通路内の流量と対応する。各場合に応じて層の厚さが選択され設定されて、ガス分離部内での流れを速くしたり穏やかにしたりする。速い流れから穏やかな流れへの制御された転換は流体がポンピング部に入る前に行なうのが好ましい。
ガス放出口を真空源に接続することによって方法の好ましい実施例が得られ、この真空源はポンプ内でのガス分離効率を改善するために、あるいはポンプの上流側での処理における吸引手段として使用することができる。前記流体混合体がガスと懸濁液との混合体である場合、この混合体を前記吸引により生ぜしめられる真空によって沸騰させ、この混合体内に閉じ込められたガスを実質的に完全に除去するようにすることができる。
本発明による方法は基本的には自己調節式である。しかし、必要に応じて前記液体リングの深さは回転速度の調節によって調節することができる。
本発明の他の好ましい実施例においては、ガス分離面上に浮いている泡は中心部のガス柱に流体を噴霧することによって消される。
本発明は、他の目的および効果と共に、添付の図面を参照して、以下の説明から理解されるであろう。図面において
図１は本発明の好ましい実施例によるガス分離ポンプの断面側面図である。
図２ａは図１の線Ａ−Ａに沿った断面図である。
図２ｂは図１の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
図３は随意に採用しうる代替構成を含む、本発明の他の実施例の図１と同様の断面図である。
図３ａは図３のガス分離ポンプの線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。
図４は本発明の他の実施例によるガス分離ポンプの断面側面図である。
図５は本発明の消泡ノズルを備えた好ましい実施例によるガス分離ポンプの断面側面図である。
図６は本発明によるガス分離ポンプを好ましい製紙工程に使用する態様を示す図である。
図７は本発明によるガス分離ポンプを、粘稠性のスラリをポンピングする場合にガスを実質的に完全に分離する態様を示す図である。
以下の本発明の詳細な説明において図面を参照するが、同一符号は同一部または機能的に同様な部分を示す。
図１による本発明の好ましい実施例においては、本発明によるガス分離ポンプは一端１８に静止流体入口１４を有すると共に反対端２２に静止ポンプハウジング１６を有する実質的に中空の管状ロータ１２を備えている。ロータ１２の前記入口端１８にはロータ壁からロータ１２の中心に向けて延びた一組のブレード２０が設けられている。前記出口端２２にはブレード４２を有するブレードホイール２４が設けられている。また、ポンプハウジング１６はガス出口と周縁の液体放出パイプ２８とを備えている。
ロータ１２の中心部分は回転可能な細長い管状のガス分離部３０を形成し、その内壁は大きな分離面３２を提供する。本発明によれば、ガス分離部３０は流体がロータ１２の入口から出口へ流れる間に、入口１４を通して供給される流体および装置の入口端１８のブレード２０の作用によって生じることのあるしぶきを前記分離面３２に付着させ、前記流体内のガスを分離するのを許容するために十分な時間を与えるために十分長くなされる。この時間を得るためにそして前記分離面における軸方向の流量と分離を生じさせる遠心力との比を良好にするために、分離部３０の直径は分離部３０の長さと比較して比較的小さくすべきである。即ち、分離部３０の直径Ｄは分離部３０の長さＬより小さくすべきである。この直径Ｄは長さＬの半分より小さくするのが好ましい。Ｌに対するＤの好ましい比は１：２以下から１:２０またはそれ以上である。事実上は、前記分離部の長さについては、極めて長い回転装置に伴う技術的問題を除いては明確な限界はない。
本発明によれば、ガス分離面はロータ１２内の流体がガス分離部３０の面３２上に流体層３４として付着するのを許容するに十分大きくなされる。この薄い流体層３４においてはガスが流体の表面３６に達する距離は短く、効果的なガス分離が行なわれる。
分離されたガスはロータ１２の中心部において前記の流体表面３６によって包囲されたガス柱３８を形成する。前記層３４は含んでいるガスの全てを徐々に解放し、ガスのない液体層または懸濁液層となる。
ロータ１２の回転により、流体層３４は分離部３０において高速回転されて遠心力を受け、この遠心力は流体−ガス混合体内に閉じ込められた気泡を前記混合体の表面３６へそしてそこから形成されているガス柱３８の中心へ向けて迅速に上昇させる。
ロータ１２の入口端１８における無秩序な乱流および噴霧を回避するために、この位置におけるブレード２０は、加速時に流体の自然な流動経路に従った螺旋形にするのが好ましい。
ロータ１２は前記出口端２２において滑らかに拡大して、ブレードホイール２４を備えたポンピング部１７となる。装置の使用の間、分離された液体または懸濁液（以下単に「液体」と称する）はブレードホイール２４内において深い液体リング４０を形成し、これはポンプハウジング１６の周縁部における蓄積圧力を増大させ、今や実質的にガスの無い液体を液体放出パイプ２８を通して放出させる。
不安定な流動状態を回避するために、速い流れから穏やかな流れへの制御された移行が望まれる部分においてガス分離面３２上に限界リング（threshold ring）（図示せず）を挿入することによって前記移行が得られる。
放出パイプ２８を通して放出される流量が入口１４を通して入る流量より小さければ、液体リング４０の深さが大きくなり、これと同時にポンピング圧力が増大し、従って出口流量が大きくなる。このように、本発明によるガス分離ポンプはある限界内で自己調節する。放出される液体の圧力はロータ１２の回転速度を調節することによっても調節することができ、従って自己調節の範囲をその時の動作条件に適合するように設定することができる。
図１の実施例においては、分離部３０は明確な移行点なしにより大きな直径のポンピング部１７へ滑らかに移行する。このポンピング部１７の直径はガス分離部３０の直径よりかなり大きくし、脱ガスした液体を受入れるために装置の明確な拡大を与え、かくして液体リングの表面を乱すことなく流体をポンピングしうるように十分に深い液体リング４０を形成するようにするのが好ましい。かくして、ロータ１２が分離部３０からブレードホイール２４を有するポンピング部へ漏斗状に滑らかに拡大する、本発明の最も好ましい実施例が得られる。この滑らかな構成のおかげで、液体層３４は分離部３０からポンピング部１７へ分断することなく流れる。急激な移行は層流を乱し、既にガスから分離された液体中へのガスの混合を生じさせることがある。
分離部とポンピング部との間の移行域（ここではガス柱が拡大することがある）における激しい加速を回避するために、ブレードホイール２４のブレード４２をこの点において螺旋経路に沿わせるのが好ましい。
図１に示すロータ１２の漏斗状形状が本発明の最も好ましい実施例であると考えられるが、分離部３０の幾何学的形状はこの形に限られるものではない。分離部が円錐状に形成されていてもまたは中間の形状を有していても本発明は動作する。
図１の実施例においては、ブレードホイール２４は端部遮蔽体４９を有していて、ポンプハウジング１６の静止した後壁４１が液体リング４０に乱流を生じさせるのを防止するようになっている。端部遮蔽体４９には孔４７が設けられていて端部遮蔽体４９と後壁４１との間に確立する液圧が液体リング４０中へ放出されるのを許容するようになっている。
ガス分離部３０において大きくて安定したガス柱３８を提供すると共に流体層３４に大きい表面３６を与えて、効果的なガス分離を行なうために、ガス柱３８は大きな部分、好ましくはロータ１２のガス分離部３０の容積の半分以上を占めるべきである。流体層３４は比較的薄く、好ましくはガス分離部の直径Ｄの１／４以下、より好ましくは１／６またはそれ以下にとどめて、遠心力によって流体層３４内に穏やかな圧力を確立させ、この流体層内に閉じ込められた気泡の過度の圧縮を防止するようにすべきである。
分離部３０において薄い流体層を得る一方ポンプハウジング１６内に所望のポンピング圧力を得るために、ポンピング部１７およびブレードホイール２４の直径はガス分離部３０の直径より大幅に大きくするのが好ましい。図１に示す最も好ましい実施例は分離部３０内の流体層３４がポンピング部１７における流体リング４０に比較して浅いものであるが、分離部３０とポンピング部との深さの差がもっと小さくても本発明は機能する。
ポンプハウジング１６の中心にはガス出口２６があって、ガス柱３８内に蓄積するガスを除去するようになっている。好ましくは液体がガスから実質的に全て分離されているポンプハウジング１６において、ガスがガス柱３８から常に除去される。このガス出口はポンプハウジング１６を通して中心にあるいは中心をはずれて設けることができるし、ロータ１２の筒状軸を通していずれの端部に設けることもできる。本発明によれば、入口１４を通しての逆流ガス除去も可能である。
図１の実施例においては、ロータ１２は図示しない駆動装置によって入口端１８において軸４４によって駆動される。軸４４は軸受４６を通って入口１４を貫通する。反対端においてブレードホイール２４がポンプハウジング１６内に組込まれた軸受４８へ突入している。本発明の他の実施例においては、軸４４はロータ１２全体および入口１４とポンプハウジング１６の両方を通るようにすることもできるし、ブレードホイール２４に結合したり、ロータ１２の出口端にのみ結合したりすることもできる。ロータ１２の支持体は一端にのみ設けてもまた中央部に設けた軸受によっても良い。当業者に判るように、多くの機械的手段がある。
図２ａは図１のポンプのＡ−Ａ断面図であり、ロータ１２の入口端１８のブレード２０の好ましい螺旋形状を示している。ブレード２０の螺旋形状およびガスと液体との混合体の接線方向の供給により、流体はスムーズに加速され、過度の乱流が防止される。
螺旋状のブレード２０は流体を入口端１８の周縁部へ向けて流れさせ、この入口端の中心部にガスのための空間を残す。従って、図１に見られる如く、ガス柱３８は前記ブレードによって入口１４中へ延びる。
図２ｂは図１のポンプの出口端のＢ−Ｂ断面図であり、大直径のポンプハウジング１６、このポンプハウジング１６周囲を螺旋状に延びた出口２８および前記ポンプハウジング内に形成される液体リング４０を示している。ポンプハウジング１６の中心部における液体リング４０の内径は動作条件に応じて変動するが、ブレードホイール２４の回転速度、出口２８の圧力およびこのポンプを通しての流体流量と釣合ったある範囲内にとどまる。
図３は図１の実施例とほぼ同様な実施例を示し、本発明の装置を作る際に随意使用しうる種々な構成を示している。即ち、図示の実施例においては軸４４はロータ１２の全長にわたって延びている。入口端１８に設けられた軸受４６′は流入する流体によって潤滑される形式のものであり、かかる軸受は当業者に知られている。ロータ１２の出口端２２は分離部３０の下流端で翼を形するブレード１３によって支持されている。ロータ１２はブレードホイール２４のブレード４２に取付けられた環状板１１によって境界づけられた溝状ポンピング部１７内に終わっている。
ガス分離部３０とポンピング部１７との間の移行部において、ロータ１２の壁は環状の肩２９を有していてロータ１２の内径を小さくしている。肩２９はガス分離面３２に沿って流れる流体層３４の深さ、従って保持時間を制御する。泡は合体して表面３６へ上昇するのに十分な大きさの泡となるには最少保持時間を必要とする。
回転ブレードホイール２４と静止ポンプハウジング１６との間に周知の形式のラビリンスシール２３が設けられている。このシール２３は液体リング４０から外部空間への漏洩を最小ならしめる。シール２３の端部により大きいリング２５があり、ラビリンスシール２３を通して漏洩する液体を出口室２１内で回転させるようになっている。漏洩流体を出口室２１から入口１４へ戻すためにパイプ１９が設けられている。当業者に明らかなように、ポンプハウジング１６をシールするには他の種々な手段がある。
図３は更にポンプ内の液体リング４０の圧力を感知するためにポンプハウジング１６の後壁４１に取付けられた圧力センサ７４を示している。プロセス制御装置がボックス７６で示され、速度調節可能な駆動装置がボックス７８で示されている。かくしてロータ１２の回転速度はポンプハウジング１６内の液体リング４０の深さが自己制御の限界内に保持されうるように調節することができる。
図３ａは図３の線Ｃ−Ｃに沿った断面を示し、斜線を施して示すリング４３は液体リング４０の自己調節内表面のスパンを示し、面４３′は液体リングの最大深さを示し、図４３″は液体リングの最小深さを示している。この実施例において、ブレードホイール２４のブレード４２は液体リング４０によって完全に覆われた状態にとどまるように短くなされている。本発明で使用するブレードホイールは当業者に知られた種々な態様で製作することができる。例えば、ブレードホイールは閉塞された溝を有していても良く、ブレードはいずれの方向に開いていても良く、またブレードは完全に翼またはブレードを欠いていても良い。
図４は本発明の他の実施例を示す。この実施例においては入口１４の外部とポンプハウジング１６とはハウジング内でロータ１２を包囲する殻体１５によって共に接続されている。前記ロータ１２は入口１４に組込まれた軸受４６中へ延びた開放した入口端１８を有する。出口端にはロータのための駆動軸４５が設けられており、ブレードホイール２４のブレード４２′はブレードホイール２４の中心部へ延びている。ガス出口２７はポンプハウジング１６の壁から中心をはずれて延びている。
本発明の好ましい実施例においては、ガス出口２６または２７は真空源（図示せず）に接続され、ガス柱３８内に蓄積するガスは吸引により除去される。真空は流体層３４内に閉じ込められた気泡を膨張させ、液体表面３６へ向いそしてガス柱３８中へ入る気泡の流速を増大させる。施与される真空が十分深ければ、流体層３４内の液体が沸騰し、融解したガスが液体から遊離、除去される。
図４の実施例において、殻体１５は入口１４およびポンプハウジング１６と一緒に閉じた室を形成し、この室にはガス出口２７を通して真空を施与し、出口２７、ロータ１２および上流の入口１４を通して真空が作用するようにすることができる。この実施例により、周囲から真空中への空気の漏洩を最小ならしめることができる。
図４によるガス分離ポンプの利点は、このポンプが製紙に使用される時に特に明らかであり、製紙機のフォーミングファブリックにおいて排水に必要な真空はポンプのガス出口２７を通して吸引によって生ぜしめられる。フォーミングファブリックにおける真空は入口パイプ１４を通して、または前記ガス分離ポンプに接続された別個の吸引パイプ（図示せず）を通して施与することができる。
前記ポンプへのバックウォータの安定した流れは排水されたバックウォータをその表面が常に開放されている状態にするに十分大きな入口パイプを通して前記ポンプに供給するか、前記別個の吸引パイプを通してフォーミングファブリックに真空を施与する時に入口パイプを常に水で充満された状態に保持することによって与えることができる。
図５は流体混合体が発泡体であるか発泡する傾向の強いものである場合にガスを分離し実質的に脱ガスした液体を排出するための装置の好ましい実施例を示す。この装置は軸４５′が中空であって、ロータ１２の出口端に設けられたノズル７０を通してガス柱３８中へ噴霧流体を供給するパイプを構成している点を除いては図４の実施例と実質的に同様である。あるいは噴霧ノズル（図示せず）をロータ全体を延びた軸の中に組込むか同時出願中のＷＯ９３／２３１３５で説明されているようにポンプハウジング１６内に組込むことができる。異なる形式の噴霧ノズルを組合せることも本発明の範囲内のことである。ノズルから噴霧されて面３４に当たる液滴７２はこの面上の泡をつぶす。
本発明の装置においては、ガス分離部３０に大きな回転ガス分離面が得られ、従ってこの回転面上に薄い回転流体層３４が形成されうるようにするのが何より重要である。遠心力によって分離されたガスは中心部の明確なガス柱３８内に集められてそこから除去される。このような大きな回転分離面は、直径より実質的に大きい直径を有するロータ１２の細長い分離部３０によって与えられる。
製紙工程への本発明の好ましい用途においては、更に他の目的のために必要な吸引を本発明の装置によって施与しうることも重要である。
本発明の方法によれば、ガスと液体または懸濁液との混合体は実質的にガスのない液体と実質的に液体のないガスとに分離される。液体は水の低粘性のもの、またはそれより粘性の高い液体または繊維紙料のような懸濁液である。ガスは空気か混合体の液体成分より実質的に軽い他のガスである。液体は、流体混合体を過度に粘性にすることのない量のインク粒子の如き不純物または繊維を含みうる。
本発明の方法においては、ガス／液体混合体は例えば入口１４を通して図１のガス分離ポンプ中へ供給される。この混合体はロータ１２のブレード２０によって回転させられ、ガス分離部３０内にロータ１２の内壁上に形成されるガス分離面３２上に投げつけられる。かくして前記回転面上に回転流体層３４が形成される。
前記回転によって生じる遠心力により、重い液体中に閉じ込められたより軽いガスが装置の中心部へ向けて液体から飛び出し、ガス柱３８を形成する。これに対応してより重い液滴はロータ１２のガス分離面３２に集まってガス分離面上に液体層３４を形成する。閉じ込められたガスは比較的薄い流体層３４を容易に通過して液体から分離され、装置の中心部においてガス柱３８へ入る。
分離部における層の厚さおよび流速は反比例するので、層が薄い限り層の厚さの変動はガス分離効率を大きく左右することはない。かくして、ガス分離部中の流速は、ガス分離面３２上に沈着しようとする重い材料が流体流によって洗い流されるように各場合に応じて選定することができる。
液体は回転分離部３０の分離面に沿って入口端１８から出口端２２へ向けて連続的に流れ、分離部３０へ滑らかに接続されたブレードホイール２４に到る。ロータ１２の直径は分離部３０とブレードホイール２４との間の移行部において大きくなるので、今や実質的に脱ガスされた回転する液体はポンプハウジング１６の周縁へ向けて押され、そこに液体リング４０を形成する。遠心力のために、この液体リング４０はポンプハウジング１６の周縁の周囲に螺旋状に延びた液体出口２８中へ押されて放出される。
これに対応して、より軽量のガスは回転している装置の中心部に集まり、回転している流体３４に対して流体面３６で境界づけられたガス柱３８を形成する。ガスはこのガス柱３８から除去されて液体から分離されうる。ガスはポンプハウジング１６内のガス出口２６を通してまたはロータ軸を通して出口方向へまたは入口方向へ放出することができる。
ポンプハウジング１６内の液体リング４０の深さは、液体を前方にポンピングするのに十分なポンピング圧力が得られるように、ある限界内で流入流体の流量に対して自動調節する。ポンプに入る流体がより多くなれば、液体リングがより深くなり、ポンピング圧力がより高くなる。圧力差の関数としての液体リングの深さはロータの回転速度を調節することによって調節しうる。回転速度を調節することにより液体リングの深さを、流入するガスと液体の混合体の流量および必要なポンピング圧力に従って調節することができる。ある限界内においてポンプは自己調節する。動作を損うことなく、ポンプハウジング１６内の液体リング４０の深さは比較的大きな範囲内で変化しうる。流体層３４が中断されない限り、液体出口２８にガスが入ることはなく、多くの量の液体がガス出口２６に入ることもない。
ガス分離を増進させるためにガス出口２６に吸引源を接続することができる。吸引源のかかる使用はガスと液体との混合体の源において吸引が必要な場合に特に好ましい。ポンプの中心部に形成される開放されたガス柱３８が入口１４の空間５４に直接接続されているため、ガス出口２７に施与された吸引力はポンプの上流側の装置にも影響を与える。特に混合体がかなりの量のガスを含んでいる場合、混合体の流速は本発明のポンプへ吸引源を接続することによって大きくすることができる。
ポンプに流入する泡またはポンプ内で発生する泡は流体層３４の表面３６に集中し、遠心力によって迅速につぶれ、かくしてガスは解放されて中心部へ向かう。特に安定した泡は液体の如き流体の噴霧５２を流体層３４の表面３６へ指向させることによって消滅させることができる。噴霧ノズルはガス柱３８の空間内で流体を噴霧するように構成される。
本発明のガス分離ポンプは製紙機のバックウォータを短い循環繊維工程（short circulation fibre process）へ再循環させるのに特に良く適している。図６は同じ発明者による同時出願中のＷＯ９３／２３６１２（ＦＩ特許８９７２８号に対応する）の方法におけるガス分離ポンプの特に好ましい使用を示している。参考のためにその出願の開示するところをここに示す。当業者に明らかなように、本発明はバックウォータの再循環速度を増大し、大きなバックウォータタンクを不要ならしめる点で、従来の製紙法に対しても大きな改良をもたらす。
図６の解決策は薄い紙料をウエブ形成のためのフォーミングワイヤ（forming wire）上へヘッドボックス１００を通して供給する製紙法を示している。フォーミングワイヤを通してのバックウォータ排水は排水ボックス１０１、吸引ボックス１０２および吸引ロール１０３内に集められて本発明によるガス分離ポンプ１０，１０′および１０″中へ直接流入する。吸引ボックスおよび吸引ロールに組合わされたガス分離ポンプ１０′および１０″はこの吸引ボックスおよび吸引ロールに必要な吸引力を与えるために真空源（図示せず）に接続することができる。
ガス分離ポンプ１０，１０′および１０″はバックウォータ中に含まれた空気を分離し、脱気されたバックウォータを一次繊維処理の種々な稀釈点へ供給する。この繊維処理は紙料製造１２４からミキサ１２３、遠心クリーナ１２２、スクリーン１２１および紙料分配器１２５からヘッドボックス１００へそして更に紙ウエブ形成へと進む。
かくして、本発明によるガス分離ポンプは脱空気したバックウォータを製紙機の湿部の繊維処理へ迅速に直接循環させる手段を提供する。
図６による処理において、集められたバックウォータの一部分は同一発明者による同時出願中のＦＩ９３０２４７による構成のものとすることができる繊維回収ユニット５０へ供給される。繊維回収ユニットにおいて、繊維は発泡によりバックウォータ流６１から分離される。固形物が実質的に除去されたクリア水はクリア水排水手段６３を通して放出され、短い循環（short circulation）から送り出される。前記回収ユニットからの泡は消泡装置内で消滅され、ガス分離ポンプ１０′′′中へ流入し、ガス分離ポンプは実質的に空気が抜かれた回収された紙料６４を繊維処理に直接供給する。
このように、本発明は小型のフローテーションプロセスの生成物から空気を分離する手段を提供し、製紙機の湿部において回収された繊維の迅速な再循環手段を提供する。同様に、本発明によるガス分離ポンプは故紙のインキ抜きの如き他のフローテーションプロセスの結果発生する泡を処理する手段を提供する。フローテーションプロセスからの泡を処理するためのガス分離ポンプは図５に示すように一体化された消泡手段を有する形式のものとするのが好ましい。
図６のプロセスにおいて、紙料製造１２４から短い回路中へ供給される紙料は空気が抜かれていることが重要である。図７は空気がより安定して繊維ネットワークによって捕捉されている場合に、製紙紙料の如き粘稠性液体から空気を除去するための本発明の使用を示している。
図７において、紙料は流量メータ８２およびプロセス制御装置８４によって制御された紙料の一定流量を与えるために設けられた自動制御弁８０を通してガス分離ポンプへ供給される。ガス分離ポンプは真空装置８６によって真空下に置かれるが、この真空は紙料の温度が液体層３４内の紙料を回転ガス分離部３０において沸騰させるようなものである。この沸騰は液体層３４内の気泡を膨張させかくして気泡は効果的にかつ実質的に完全にガス柱３８中へ除去され、更に真空装置８６の凝縮器へ放出され、この凝縮器はポンプ内での紙料の沸騰によって蒸発した蒸気を凝縮させる。紙料から除去された空気は真空ポンプ８６によって凝縮器８８から除去される。脱気された紙料は紙料出口２８を通してポンプから放出される。
紙料の滑らかで一定した供給のためには制御弁８０の圧力差を一定に保つことが重要であるが、これは制御弁８０の圧力側で当業者に周知の手段で達成することができ、吸引側ではポンプ８６と凝縮器８８とを、ポンプから十分な流量の蒸気および空気を得るに十分なように寸法決めすることによって達成される。
同様に繊維回収に関しては、例えば印刷故紙をパルプ化することによって得られる繊維懸濁液からインク粒子を除去するといった他の分離処理において使用されるフローテーションが使用される。脱インキ処理においては、繊維懸濁液は典型的には１〜３％であって、これによって比較的安定した繊維ネットワークが得られ、一方、機械的および化学的手段によって繊維から解放されたインク粒子は繊維ネットワーク内で動くことができ、これを移送する気泡によって懸濁液から運び去られる。脱インキ処理の生成物はインク粒子を含んだ泡と脱インキされた繊維の懸濁液である。これら両生成物は大量の空気を含んでおり、従来のポンプで処理するのは困難である。
インキを含んだ泡は上述した方法で繊維材料を除去したのと同様にして本発明のガス分離ポンプによって処理するのが好ましい。
脱インキフローテーション処理によって得られる脱インキした繊維の懸濁液は典型的には空気で飽和しており、比較的安定した繊維ネットワークが閉じ込められた空気の泡を担持してガス分離ポンプ中での泡の処理を特に困難にする。繊維ネットワークによって担持された気泡によって飽和したパルプ懸濁液を本発明によるポンプで処理する場合には、ガスの分離は部分的でしかないが、大きなガス分離能力およびポンプ内での滑らかな流れの故に、ポンピングは非常に安定していてポンプは上述したように自己調節して機能する。ポンプを真空下にセットすることにより、繊維懸濁液も沸騰され、かくして閉じ込められた泡は膨張し、上述した方法によるガスの完全な分離が得られる。
上述した例は本発明によるガス分離ポンプが主としてガスと液体との実質的に完全な分離を達成することを目的としてはいるが、液体をポンピングする時、ガスの分離が非常に困難で従来のガス分離ポンプでは流体をポンピングするのに不十分である処理において大きな利点を提供することを示している。
以上、本発明を主として紙産業に関連して説明したが、当業者に明らかな如くこのポンプは液体または懸濁液からガスを分離すべき他の多くの目的のために、またガスを含んだ液体または懸濁液を実質的に脱ガスした状態で圧送すべき他の多くの目的にも使用しうるものである。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図３ａ】
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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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