(57)【要約】【課題】ガス溶解度に限界が存在したり、溶解度上昇に別途機器を必要とした。【解決手段】円筒ケーシング４の上下流部に螺旋流形成部５および気液反応部６を夫々設け、螺旋流形成部５または気液反応部６内部の気液に超音波を照射する超音波照射体３を円筒ケーシング４に設けることによって、混合作用と超音波作用の併用で液体に大量の気体を溶解する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒ケーシングの上下流部に螺旋流形成部および気液反応部を夫々設け、螺旋流形成部または気液反応部内部の気液に超音波を照射する超音波照射体を円筒ケーシングに設けたことを特徴とするガス溶解装置。
【請求項２】
貯溜槽に溶解水流入系路および貯水吐水系路を夫々設け、溶解水流入系路の下流側に請求項１記載のガス溶解装置を設けると共に、溶解水流入系路の上流側に気体および液体を供給し圧送する気液供給系路を設けたことを特徴とするガス溶解水生成装置。
【請求項３】
貯溜槽に溶解水流入系路、貯水戻水系路および貯水吐水系路を夫々設けると共に、溶解水流入系路と貯水戻水系路を接続して循環系路を設け、溶解水流入系路の下流側に請求項１記載のガス溶解装置を設けると共に、循環系路に気液を圧送するポンプを設け、循環系路に気体供給系路を接続すると共に、循環系路または貯溜槽に液体供給系路を設けたことを特徴とするガス溶解水生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水、海水、各種飲料（飲料水、コーヒー飲料、果実飲料（ジュース）、お茶、清涼飲料）などの液体に、空気、酸素、オゾン、炭酸ガス、窒素、塩素、水素、アルゴンなどの気体（ガス）を溶解させるガス溶解装置およびガス溶解水生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体にガスを溶解させる技術として、ガス気泡を液体中に放散させる技術が知られていたが、大きな気泡径のガスは浮力が大きくて、液体（液相）中を急速上昇して表面で破裂し気相へ放散してしまうため、液体中のガス溶解度が低かった。
【０００３】
この改善策として、ガス溶解装置として、特開平１０−６６８５０号公報（特許文献１）の請求項３に記載された、円筒ケーシングと；二つの半楕円形翼盤をその弦側側縁を円筒ケーシングの軸芯に対して対称的に交差させて向き合わせ、交差部よりも上流側の翼盤相互の弦側側縁間を、前記円筒ケーシングの横断面をほぼ二等分する三角形の仕切板で閉塞するとともに、前記翼盤の円弧側縁を前記円筒ケーシング内周壁に結合した変流ガイドベインと；半球状の頭部と逆截頭円錐台形の脚部を有し、半球状頭部を円筒ケーシングの軸芯方向に向けて逆截頭円錐台形脚部と前記変流ガイドベインの下流側の円筒ケーシングの内周壁に放射状に固設した複数の撹拌体と；から構成されている気液混合装置が開発されていた。
しかしながら、この気液混合装置では、目視可能な細粒気泡から液体に溶解した目視不可能な微細気泡が混在生成され、実用稼働の製造装置では、処理槽内の液体中に無数の細粒気泡が浮遊して液体中をゆっくり上昇（浮遊上昇）し、細粒気泡混合水としては十分であったとしても、溶解度は見た目より低く、用途によっては、ガス溶解水としては不十分な溶解度であった。
【０００４】
そこで、ガス溶解水生成装置として、特開平１０−６６８５０号公報（特許文献１）の請求項２に記載された、ガス溶解処理槽に原水を連続供給する原水供給系路と、この処理槽から処理水を連続吐水させる処理水吐水系路と、この処理槽から排出させた水に、気液混合装置を介してガスを混合させた後、この処理槽に戻す循環系路を設けるとともに、これら原水供給系路、処理水吐水系路、循環系路の一つまたは二つ以上に流量調節自在の流量制御手段を設け、この流量制御手段により、原水供給系路と処理水吐水系路の流量を略同量にするとともに、原水供給系路または処理水吐水系路と前記循環系路の流量比を調節して処理槽内の処理水のガス溶解度を調節することができるようにした連続通水式ガス溶解装置が開発された。
しかしながら、この連続通水式ガス溶解装置で、ガス溶解度を上昇させたり、調節できる様になったが、ガス溶解装置（気液混合装置）による根本的な溶解度上昇の技術でなく、高い溶解度とするためには、循環比率、循環時間を上昇させたり、ポンプ能力を増強せねばならず、溶解効率が悪かった。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−６６８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決しようとする問題点は、ガス溶解度を上昇させる点である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記従来技術に基づく、ガス溶解度に限界が存在したり、溶解度上昇に別途機器を必要とした課題に鑑み、円筒ケーシングの上下流部に螺旋流形成部および気液反応部を夫々設け、螺旋流形成部または気液反応部内部の気液に超音波を照射する超音波照射体を円筒ケーシングに設けることによって、混合作用と超音波作用の併用で液体に大量の気体を溶解する様にして、上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００８】
要するに本発明は、円筒ケーシングの上下流部に螺旋流形成部および気液反応部を夫々設け、螺旋流形成部または気液反応部内部の気液に超音波を照射する超音波照射体を円筒ケーシングに設けたので、螺旋流形成部および気液反応部による剪断・攪拌・衝突などによる混合作用と超音波による粒子の振動・圧力変化作用の併用により、気液接触を多様化して溶解度を上昇することが出来る。
【０００９】
請求項２に係る発明によれば、ガス溶解水を大容量の貯溜槽に一時貯溜して、吐出先の他系路の流量増減に容易に対応することが出来たり、貯溜槽で安定化、均等化処理などを行うことが出来る。
【００１０】
請求項３に係る発明によれば、貯溜槽のガス溶解水に溶解再処理を行って、溶解度の更なる上昇を図ることが出来る等その実用的効果甚だ大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す様に、本発明に係る気体を液体に高濃度で溶解するガス溶解装置１は、連続通水式の気液混合装置（スタティックミキサー）２の所要位置に超音波照射体３を設けたものである。
基本構成としては、図１、２に示す様に、混合気液が連続通水される円筒ケーシング４の上下流部に剪断、攪拌、衝突、乱流などで気液混合する螺旋流形成部５および気液反応部６を設け、螺旋流形成部５または気液反応部６内部の気液に超音波を照射・作用させる超音波照射体３を円筒ケーシング４に設けたガス溶解装置１である。
【００１２】
以下、具体例を説明する。
図１に示す様に、連続通水系路７は、溶媒となる水、清涼飲料などの液体（原水）を供給する液体供給系路８に、溶質となる酸素、オゾンなどの気体を供給する気体供給系路９を接続すると共に、中途部にポンプ10を中間接続して成り、ポンプ10より下流側で連続通水系路７にガス溶解装置１を設けている。
かかる構成により、液体と気体がポンプ10等で混合・圧送され、混合気液がガス溶解装置１の円筒ケーシング４内に流入し、気液混合装置２および超音波照射体３の作用で、ガス溶解水が生成される。
【００１３】
尚、気液混合はポンプ10内の攪拌羽根で液体と気体を細粒化して行っているが、１次的な気液混合は別方式でも良く、例えば、密閉容器内に混流させた液体と気体を圧入して加圧溶解させても良い。
又、１次的な気液混合をポンプ10や密閉容器で行うに際して、液体供給系路８に気体供給系路９を接続し気液混合を行っているが、ポンプ10や密閉容器に気体を直接供給する様にしても良く、或いは、ポンプ10とガス溶解装置１の間や、ガス溶解装置１の直前や、ガス溶解装置１の螺旋流形成部５に気体を供給しても良い。
即ち、流通方向に圧力付与された混合気液がガス溶解装置１の円筒ケーシング４内に連続通水される形態であれば、１次的な気液混合の方式は問わない。
【００１４】
図２は螺旋流形成部５および超音波照射体３を非断面としたガス溶解装置１の断面図であり、出入口11、12を開口した円筒ケーシング４内部の上流部に螺旋流形成部５を内装すると共に、円筒ケーシング４内部の下流部に気液反応部６を内装し、螺旋流形成部５の下流端直後で気液反応部６の上流部の位置で円筒ケーシング４の外側に超音波照射体３を設けている。
尚、超音波照射体３の円筒ケーシング４への取付位置は、円筒ケーシング４内部を流通する混合気液に超音波を照射、作用させる位置であれば良く、例えば、螺旋流形成部５に照射する位置や、気液反応部６の中間位置、或いは、両者に照射する位置でも良く、又超音波照射体３は気液混合装置２の円筒ケーシング４の外側に取付けて内部の混合気液に間接的に照射しているが、円筒ケーシング４に取付孔を開設すると共に、該取付孔に超音波照射体３の照射部3aを取付けて混合気液に超音波を直接照射しても良い。
又、円筒ケーシング４の上下流端の外側に、連続通水系路７の配管その他に接触用のフランジ13、13a を設けている。
【００１５】
次に、ガス溶解装置１の気液混合装置２に設けた螺旋流形成部５と気液反応部６の具体例の一例を説明する。
円筒ケーシング４の上流部に設けた螺旋流形成部５は、２枚の半楕円形板の翼盤14、14a を上下流方向に傾斜配置して成り、翼盤14、14a の弦側側縁15、15a を円筒ケーシング４の軸心に対して対称的に交差対向させると共に、翼盤14、14a の円弧側側縁16、16a を円筒ケーシング４の内周壁に接合させている。
又、２枚の翼盤14、14a の交差部の上流側で弦側側縁15、15a の間を、円筒ケーシング４の横断面を略２等分する略三角形板の仕切盤17で閉鎖している。
更に、２枚の翼盤14、14a と仕切盤17を一体化するために、円筒ケーシング４の軸心方向に丸棒の連結体18を配置すると共に、翼盤14、14a と仕切盤17の所要箇所を切り欠いて、連結体18に翼盤14、14a と仕切盤17を結合している。
【００１６】
円筒ケーシング４の下流部に設けた気液反応部６は、下流側に向けて徐々に内径が縮小するテーパー壁19、内径が一定の水平壁20および徐々に内径が拡大するテーパー壁21から成る段丘部22と、該段丘部22の水平壁20から円筒ケーシング４の軸心方向に立設した多数の突起23、23a …から構成している。
突起23、23a …は後方傾斜状で、円周方向で９０度毎に、且つ、隣接同志は上下に振り分け、全体的には、円筒ケーシング４の内部に螺旋状で９０度毎に突起23、23a …を立設している。
【００１７】
螺旋流形成部５と気液反応部６を有する気液混合装置２により、円筒ケーシング４の入口11から圧送流入した混合気液は、螺旋流形成部５の仕切盤17で２分割に分流されると共に、翼盤14、14a に沿って流動して螺旋流となって螺旋流形成部５を通過する。
螺旋流形成部５の通過時には、連結体18を含む翼盤14、14a と仕切盤17で流動形態が分断や方向変換で、混合気液に大きな剪断応力、乱流、攪拌作用などが発生する。
又、螺旋流形成部５の通過による螺旋流により、気液成分のうち、比較的に質量の大きい液体成分は慣性力で半径外側方向に移動し、比較的に質量の小さい気体成分は半径内側方向に移動し、この移動作用でも攪拌作用等が発生する。
【００１８】
そして、気液混合装置２における上流部の螺旋流形成部５を通過した螺旋流の混合気液が下流部の気液反応部６に流入すると、螺旋流は段丘部22のテーパー壁19で円筒ケーシング４の軸心方向に移動し、段丘部22の水平壁20では多数の突起23、23a …に衝突し、剪断応力、攪拌作用等が発生する。
螺旋流形成部５と気液反応部６の通過時に発生する剪断応力、攪拌作用、衝突・乱流等により、気体と液体は細粒や微細な粒子、粒子郡となって、大量の粒子などは複雑な混合作用を受けて気体と液体が接触し、気体粒子の一部は液体に溶解すると共に、一部は細粒や微細の気泡となり、略同時に、後述する超音波による作用を粒子等は受ける。
【００１９】
尚、気液混合装置２に設けた螺旋流形成部５は、翼盤14、14a 、仕切盤17および連結体18で構成しているが、円筒ケーシング４の入口11から流入した混合気液を螺旋流として気液反応部６へ流動させるものであれば、螺旋流形成部５の具体的構成を問わず、各種のものが使用可能である。
又、気液混合装置２に設けた気液反応部６は、段丘部22および突起23、23a …で構成しているが、細粒、微細の気液粒子の混合作用を励起させる剪断、攪拌、衝突、乱流などの発生要素は、段丘部22および突起23、23a …の他、各種のものが使用可能である。
例えば、多数の流通孔を有する蜂の巣状の抵抗流通体を間欠的に配置したり、流通孔の位相をずらして配置し、或いは、螺旋流形成部５における翼盤14、14a や仕切盤17の様な板体を流通方向と同一・傾斜・位相変化させて順次連続的に配置し、又突起23、23a …は各種異形のものとしたり、板状のものとしても良く、即ち、気液反応部６で螺旋流の混合気液を剪断、攪拌、衝突、乱流などで混合作用できれば、気液反応部６の具体的構成を問わず、各種のものが使用可能である。
【００２０】
次に、本発明に係るガス溶解装置の作用について説明する。
気液混合装置２に超音波照射体３を設けたガス溶解装置１による全体的な作用は、気液混合装置２の螺旋流形成部５および気液反応部６による剪断・攪拌・混合などによる部分的な溶解作用と超音波による粒子等の振動・圧力変化作用の併用により、液体への気体の溶解速度、溶解度（過飽和を含む）、溶解効率を上昇、向上させている。
超音波照射体３から照射された２０〜１００ＫＨｚの超音波は、円筒ケーシング４を介して、超音波照射体３の照射部3aの中央から広がりを以て円筒ケーシング４内の混合気液に到達すると共に、円筒ケーシング４の内壁面や翼盤14、14a 、突起23、23a …等で反射して各種方向に伝播する。
【００２１】
超音波が混合気液に到達すると、液体粒子・気体粒子・気体粒子郡（気泡）が圧力変化を受けたり、粒子などが相当な速度、加速度で振動、移動したり、運動エネルギーが上昇し、或いは、気泡体積が非線形性（膨張・収縮の時間差や方向差を有する状況）の膨張・収縮を繰り返す体積振動をすることにより、大量の異種粒子間における気液界面が多様に変化する。
気液界面の変化により、気体粒子と液体粒子の衝突、接触の面積・時間を増加させたり、接触粒子を変換させて、異種粒子の接触機会が飛躍的に増大して、気体は液体に溶解する。
【００２２】
従って、気液混合装置２における気体・液体の混合による溶解、および、超音波照射体３から照射された超音波で発生する気体粒子・液体粒子・気体粒子郡（気泡）の振動・圧力変化等で励起される気液界面変化による溶解、が同時発生し、液体への気体の溶解度が上昇する。
【００２３】
本発明に係るガス溶解装置１と従来の気液混合装置２による比較テストを行ったので、以下、説明する。
従来の気液混合装置２は名古屋大島機械有限会社製のラインミキサー（型式ＭＸ−８Ｘ）で、ポンプ10は大島機械株式会社製の攪拌作用を有する混気ポンプ（型式ＯＭＣ−２０−６）を使用した。
本発明に係るガス溶解装置１は、従来の気液混合装置２（同一の型式ＭＸ−８Ｘ）に超音波照射体３を設けたものを使用すると共に、同一の混気ポンプ（型式ＯＭＣ−２０−６）を使用し、超音波照射体３は株式会社タムラ製作所製の超音波振動子（型式ＴＢＬ４５３５Ｄ−４０ＤＢ）を使用した。
テスト条件は両者共に、液体は水（水温２０℃）、気体は酸素（濃度９０％）で、液体流量１５ｌ／ｍｉｎ、気体流量１．５Ｎｌ／ｍｉｎとし、超音波は共振周波数４０ＫＨｚ、出力４０Ｗとした。
目視によるテスト結果では、従来のものでは、水中に細粒気泡が浮遊していたが、本件発明のものでは気泡が皆無で溶解度が上昇していた。
又、水温２０℃における溶存酸素濃度の分析では、水温２０℃における飽和溶存酸素濃度は８．８４ｍｇ／ｌであるものが、従来のものでは３６．５ｍｇ／ｌであるのに対して、本件発明によるものでは４８．０ｍｇ／ｌであり、従来のものも本件発明によるものも過飽和であるが、本件発明によるものの方が更なる過飽和状態で溶解していた。
【００２４】
次に、本発明に係るガス溶解水生成装置について説明する。
図３に示す様に、ガス溶解水生成装置24は、ガス溶解装置１を設けた連続通水系路７を流通して生成されたガス溶解水を貯溜槽25に一時貯溜して平均化、安定化、二次処理などを実施し、ガス溶解水を他系路に吐出するものである。
具体的には、大容量の貯溜槽25の上下部に、ガス溶解水を生成し流入させる溶解水流入系路26および貯溜されたガス溶解水を他系路に吐出する貯水吐水系路27を夫々設けると共に、貯溜槽25にガス溶解水の液面高さを計測し、各種バルブ、接続機器を制御する液面制御装置28を設けて、ガス溶解水生成装置24の基本構成としている。
連続通水系路７である溶解水流入系路26の下流側にガス溶解装置１を設けると共に、溶解水流入系路26の上流側を気体および液体を供給し圧送する気液供給系路29と成し、ガス溶解装置１の出口12を貯溜槽25の下部に設けた流入口30に接続している。
溶解水流入系路26の上流側の気液供給系路29の具体的構成は図１に示す連続通水系路７の上流側と同様の構成であり、気液供給系路29は、液体供給系路８に気体供給系路９を接続すると共に、中途部にポンプ10を中間接続して成り、気液供給系路29のポンプ10より下流側で溶解水流入系路26にガス溶解装置１を設けている。
又、貯水吐水系路27の基端は貯溜槽25の上部に設けた流出口31に接続すると共に、貯水吐水系路27の先端を他系路に接続している。
【００２５】
かかる構成により、気液供給系路29で圧送された混合気液は、溶解水流入系路26に設けたガス溶解装置１の螺旋流形成部５および気液反応部６を通過して混合作用されると共に、超音波照射体３により超音波が照射されてガス溶解水が生成され、ガス溶解水は貯溜槽25の底部から流入し、貯溜槽25の上部からオーバーフロー方式で他系路に吐出される。
【００２６】
尚、溶解水流入系路26におけるポンプ10には圧力制御装置ＰＳ１、気液混合ポンプ圧力計ＰＲ２が備えられ、液体供給系路８には流入口バルブＶ１、ストレーナーＳ１が備えられ、気体供給系路９にはガス供給装置ＧＧ、供給ガス圧力計ＰＲ１、供給ガス流量計ＦＭ１、逆止弁ＣＶ１が備えられ、又貯水吐水系路27の中途部に処理バルブＶ２が備えられている。
【００２７】
次に、他例のガス溶解水生成装置24ａについて説明する。
図４に示す他例のガス溶解水生成装置24ａは、図３のものに比して、溶解度を上昇させたり、使用量の多寡に対応容易としたものである。
具体的には、大容量の貯溜槽25の上下部に、ガス溶解水を生成し流入させる溶解水流入系路26、貯溜されたガス溶解水を他系路に吐出する貯水吐水系路27、ガス溶解水の一部を溶解水流入系路26に戻す貯水戻水系路32および原水を供給する液体供給系路８を夫々設けると共に、貯溜槽25に液面制御装置28を設けている。
更に、下流端が貯溜槽25に接続される溶解水流入系路26と上流端が貯溜槽25に接続される貯水戻水系路32を接続して循環系路33を設けて、第２のガス溶解水生成装置24ａの基本構成としている。
【００２８】
連続通水系路７である溶解水流入系路26の下流側にガス溶解装置１を設けると共に、ガス溶解装置１の出口12を貯溜槽25の下部に設けた流入口30に接続し、溶解水流入系路26の上流側を気体および液体を供給し圧送する気液供給系路29と成し、貯溜槽25の下部に設けた流出口34に接続した貯水吐水系路27の下流側に気液供給系路29の上流側を接続して循環系路33を構成している。
又、循環系路33の一部である気液供給系路29の中途部に混合気液を圧送するポンプ10を中間接続すると共に、循環系路33の気液供給系路29に気体供給系路９を接続し、気液供給系路29のポンプ10より下流側で溶解水流入系路26にガス溶解装置１を設け、又貯溜槽25の上部に設けた流入口35に液体供給系路８を接続している。
尚、新規供給される液体（原水）の液体供給系路８は貯溜槽25に接続したが、気体供給系路９と同様に循環系路33に接続しても良い。
又、貯水吐水系路27の基端は貯溜槽25の下部に設けた流出口31に接続すると共に、貯水吐水系路27の先端を他系路に接続し、中途部にポンプ36を配置している。
【００２９】
かかる構成により、貯溜槽25に貯溜されたガス溶解水（液体供給系路８で新規供給された液体（原水）とガス溶解水の混合水（以下、単に混合水と称する））の一部は、貯水戻水系路32から循環系路33に流通し、気体供給系路９から供給された新たな気体と混合流通すると共に、ポンプ10により溶解水流入系路26に圧送される。
溶解水流入系路26に圧送された混合気液（混合水と気体の混合気液）がガス溶解装置１の螺旋流形成部５および気液反応部６を通過して混合作用されると共に、超音波照射体３により超音波が照射されてガス溶解水（貯水吐水系路27から流通する混合水よりガス溶解度が高いガス溶解水）が生成され、ガス溶解水は貯溜槽25の下部から流入する。
又、貯溜槽25ではガス溶解水が貯溜されると共に、液体供給系路８から原水が供給されて混合し、貯溜槽25の下部から混合水の一部は貯水戻水系路32、循環系路33に流通すると共に、混合水の一部はポンプ36を有した貯水吐水系路27で他系路に吐出される。
【００３０】
尚、ポンプ10および気体供給系路９には前例と同様に、各種器具が備えられ、液体供給系路８には流入口バルブＶ１が備えられ、貯水戻水系路32には循環バルブＶ３、ストレーナーＳ１が備えられ、又貯水吐水系路27の中途部にポンプ36および処理バルブＶ２が備えられている。
【００３１】
尚、連続通水系路７でもある溶解水流入系路26におけるガス溶解装置１の出口12を貯溜槽25の流入口30に直結したが、ガス溶解装置１の下流側にパイプを接続して貯溜槽25に接続したり、ガス溶解装置１の全部または下流側一部を貯溜槽25内に配置しても良い。
又、図３のガス溶解水生成装置24における溶解水流入系路26は下部に、貯水吐水系路27は上部に夫々設けてオーバーフロー方式と成したり、図４のガス溶解水生成装置24における貯水吐水系路27にポンプ36を設けて流量制御しているが、これらは使い分け可能であり、又各種系路の貯溜槽25への取付位置なども適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るガス溶解装置を使用した基本的なシステム構成例を示す図である。
【図２】本発明に係るガス溶解装置の断面図（一部は非断面）である。
【図３】本発明に係るガス溶解水生成装置の構成を示す模式図である。
【図４】他のガス溶解水生成装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３３】
１        ガス溶解装置
２        気液混合装置
３        超音波照射体
４        円筒ケーシング
５        螺旋流形成部
６        気液反応部
７        連続通水系路
８        液体供給系路
９        気体供給系路
10        ポンプ
24、24ａ  ガス溶解水生成装置
25        貯溜槽
26        溶解水流入系路
27        貯水吐水系路
29        気液供給系路
32        貯水戻水系路
33        循環系路
【図１】
2007185576.tif 000003
【図２】
2007185576.tif 000004
【図３】
2007185576.tif 000005
【図４】
2007185576.tif 000006