JP2009018222A - 分離塔および懸濁物質分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶媒中に分散した懸濁物質が効率良く分離される分離塔および懸濁物質分離装置、を提供する。
【解決手段】分離塔２０は、溶媒に分散した、溶媒よりも比重の小さい懸濁物質を溶媒から分離する。分離塔２０は、導入口２４を含む内管２２と、導出口３２を含み、内管２２を収容する外管３０とを備える。内管２２は、導入口２４を通じて導入された懸濁物質を含む溶媒を、その内部で旋回流として流す。内管２２は、外管３０に連通し、旋回流となって流れる溶媒を外管３０に導く連通口２６をさらに含む。外管３０は、内管２２から流入した溶媒を貯留し、導出口３２を通じて外部に導出する。
【選択図】図２

Description

この発明は、一般的には、分離塔および懸濁物質分離装置に関し、より特定的には、溶媒中に分散した、溶媒よりも小さい比重を有する懸濁物質を分離する分離塔および懸濁物質分離装置に関する。

一般的に、二液体が混合している場合、その混合物界面には化学ポテンシャルの作用があり、界面の表面張力、濃度勾配によって物質を吸着する現象が生じる。気体を混入した場合は、気体と二液体との３種の混合となるが、気体と液体との界面には、上記と同様な現象によって物質を吸着する効果が生じる。

従来の懸濁物質分離装置については、たとえば、特開２００７−３８１７３号公報に、疎水性の低い油を含む水を排水基準にまで高速に油水分離することを目的とした油水分離装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された油水分離装置では、被処理液に、塩化マグネシウムや塩化カルシウムなどを添加し、微細気泡を発生させる。その微細気泡に被処理液中の懸濁性浮遊物や油分を付着させ、付着した懸濁性浮遊物や油分を、気泡と一緒に浮上させ、水面で分離する。
特開２００７−３８１７３号公報

上述の特許文献１に開示されるように、溶媒中に分散した懸濁物質を分離する場合に、懸濁物質を気泡に付着させ、気泡と一緒に浮上させる方法がある。このような分離装置において、気泡が微小な場合と大きい場合とを同一気体体積で比較すると、微小な気泡の場合、表面積すなわち気液界面面積を大きく取れる。しかしながら、浮力が小さくなり、水中懸濁物質の分離に時間がかかる。一方、気泡が大きい場合、総気液界面面積が小さくなる。また、浮上速度が大きくなりすぎて気泡がすぐに水面に浮上してしまい、懸濁物質の付着効率が低下する。

また、従来の分離装置では、気泡を利用した浮上分離のみによって懸濁物質を分離しており、懸濁物質の分離効率は必ずしも十分とは言えない。

また、従来の分離装置では、水槽内で分離を行なう。このため、たとえば、洗濯機のように水槽内（洗濯槽内）に洗濯物がある場合には、洗濯物の攪拌によって水面が静止していないため、せっかく分離した懸濁物が水中に混入し、洗濯物に付着して洗濯物を再汚染するおそれがある。このため、水槽内での浮上分離を行なうことはできず、配管系内での懸濁物質の除去、すなわちインラインでの懸濁物質の除去が必要となる。

また、比重差による遠心力の差を利用した分離方法があるが、微細な懸濁物質の場合、流体の粘性効果が大きくなり、懸濁物質の分離効率は必ずしも十分とは言えない。また、比重差が大きい微細気泡の場合でも、懸濁物質の分離効率は必ずしも十分とは言えない。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、溶媒中に分散した懸濁物質が効率良く分離される分離塔および懸濁物質分離装置を提供することである。

この発明に従った分離塔は、溶媒中に分散した、その溶媒よりも比重の小さい懸濁物質を溶媒から分離する分離塔である。分離塔は、導入口を含む内管と、導出口を含み、内管を収容する外管とを備える。内管は、導入口を通じて導入された懸濁物質を含む溶媒を、その内部で旋回流として流す。内管は、外管に連通し、旋回流となって流れる溶媒を外管に導く連通口をさらに含む。外管は、内管から流入した溶媒を貯留し、導出口を通じて外部に導出する。

このように構成された分離塔によれば、分離塔に懸濁物質を残し、溶媒を分離塔の外部に排出することによって、溶媒中に分散した懸濁物質を溶媒から分離する。この際、内管における遠心分離と、外管における浮上分離との２段階の工程によって分離が実施されるため、懸濁物質を効率良く分離することができる。

なお、懸濁物質とは、溶媒中に分散した溶媒とは異なる種類の物質を意味し、液体であってもよいし、固体であってもよい。

また好ましくは、内管は、溶媒の旋回流が形成される筒部と、筒部の一方端を閉じる第１端部とを含む。導入口は、筒部に設けられ、第１端部から、第１端部における筒部の内径に相当する距離以内に配置される。このように構成された分離塔によれば、導入口を通じて内管に導入された溶媒を第１端部によって整流し、内管の内部により大きい旋回流を形成することができる。これにより、内管における遠心分離を効率良く行なうことができる。

また好ましくは、導入口は、第１端部に接するように配置される。このように構成された分離塔によれば、第１端部による整流効果を最大限とし、内管における遠心分離をさらに効率良く行なうことができる。

また好ましくは、内管は、溶媒の旋回流が形成される筒部と、筒部の一方端を閉じる第１端部と、筒部の他方端を閉じる第２端部とを含む。導入口は、第１端部の近傍に位置する筒部に設けられる。連通口は、第２端部または第２端部の近傍に位置する筒部に設けられる。このように構成された分離塔によれば、導入口と連通口とを十分に離して内管の内部により大きい旋回流を形成すると同時に、分離塔をコンパクトに構成できる。

また好ましくは、連通口は、第２端部に接するように筒部に設けられる。このように構成された分離塔によれば、連通口を筒部に設けた場合に、導入口と連通口との間を最大限、離して、内管の内部により大きい旋回流を形成することができる。

また好ましくは、内管は、溶媒の旋回流が形成される筒部と、筒部の端を閉じる端部とを含む。外管は、溶媒を貯留する空間を形成する壁部を含む。内管および外管は、端部と壁部とが重なるように配置される。このように構成された分離塔によれば、分離塔をコンパクトに構成することができる。

また好ましくは、内管は、外管の外部に突出する突出部分を含む。導入口は、突出部分に設けられる。このように構成された分離塔によれば、導入口を通じて溶媒を内管に導入する際に、溶媒を外管の外部から内部に通す必要がない。このため、分離塔を簡易な構成とできる。

また好ましくは、上方から見て連通口と導出口とは互いにずれた位置に設けられる。連通口の断面積は、導入口の断面積以上である。このように構成された分離塔によれば、連通口から流出する溶媒の流速をより小さくする。これにより、連通口から外管に導かれた溶媒の、外管における広がりを抑制し、懸濁物質を含む溶媒を導出口に達し難くできる。結果、分離塔により多くの懸濁物質を残し、分離効率を向上させることができる。

また好ましくは、内管は、溶媒の旋回流が形成される筒部を含む。筒部は、その管軸方向に沿って内径が変化するテーパ形状を有する。導入口は、テーパ形状の小径側に位置する筒部に形成される。このように構成された分離塔によれば、内管内面の遠心力によって、斜面に沿ってテーパ形状の大径側から小径側に向かう溶媒流れが発生する。これにより、内管において溶媒が流れる距離が増大し、懸濁物質が他の懸濁物質と衝突、合体する機会が増え、懸濁物質の塊の大きさが増大する。これにより、遠心分離による懸濁物質の分離の効率を向上させることができる。また、懸濁物質がテーパ形状の小径側に集まるため、懸濁物質が連通口から流出し難くなる。これにより、分離塔により多くの懸濁物質を残し、分離効率を向上させることができる。

また好ましくは、連通口は、内管の最も高い位置に設けられる。このように構成された分離塔によれば、連通口と導出口との間の距離を大きくとることで、導出口から排出される懸濁物質の量を少なくできる。

また好ましくは、導出口の直上における位置よりも連通口の直下における位置の方が、外管に貯留された溶媒の深さが浅い。このように構成された分離塔によれば、連通口から流出した溶媒が外管に貯留された溶媒に入り込む深さを浅くできる。これにより、外管における懸濁物質の拡散を抑制し、導出口から排出される懸濁物質の量を少なくできる。

また好ましくは、内管は、連通口が設けられる位置の管軸よりも導入口が設けられる位置の管軸の方が高くなるように構成される。管軸とは、内管の管断面の中心軸を意味する。このように構成された分離塔によれば、比重の小さい懸濁物質が導入口側に集まるため、懸濁物質が連通口から流出し難くなる。これにより、分離塔により多くの懸濁物質を残し、分離効率を向上させることができる。

また好ましくは、外管は、外管の内部から外部に気体を排出する気体排出口を含む。分離塔は、気体排出口に設けられ、気体の排出を制御する制御弁をさらに備える。このように構成された分離塔によれば、溶媒に気体が混入した場合、外管における溶媒の水位が低くなり、導出口を通じて懸濁物質が流出するおそれがある。これに対して、外管に気体排出口を設け、制御弁により気体の排出を制御することによって、外管における溶媒の水位を適正な高さに調整することができる。

また好ましくは、気体排出口は、外管の最も高い位置に形成される。このように構成された分離塔によれば、外管における溶媒の水位が高くなった場合にも、懸濁物質が気体排出口を通じて排出されることを抑制できる。

また好ましくは、分離塔は、外管に設けられ、外管に貯留された溶媒の水位を検知する水位センサをさらに備える。このように構成された分離塔によれば、水位センサで検知された溶媒の水位に基づいて、制御弁を制御することができる。

また好ましくは、内管は、内管の内部から外部に液体を排出する液体排出口を含む。分離塔は、液体排出口を開閉する第１液体開閉弁をさらに備える。このように構成された分離塔によれば、第１液体開閉弁を開弁することにより、内管に残る液体を分離塔から排出することができる。

また好ましくは、分離塔は、液体排出口と導出口とを連結する配管と、配管に配置され、液体排出口と導出口との間を開閉する第２液体開閉弁とをさらに備える。このように構成された分離塔によれば、第２液体開閉弁を開弁することにより、外管に残る液体を分離塔から排出することができる。

また好ましくは、内管および外管は、筒形状を有する。内管および外管は、筒形状の端部を塞ぐ蓋部品と、蓋部品と組み合わされるベース部品とから構成される。このように構成された分離塔によれば、ベース部品を成型品として作製する場合に、ベース部品を成型する型を蓋部品が組み合わせる位置から抜くことができる。このため、ベース部品を一体成型することが可能となり、分離塔の量産性を向上させることができる。

また好ましくは、ベース部品には、周縁の一部分が開放された形態の連通口が形成される。その一部分は、ベース部品と組み合わされた蓋部品によって閉じられる。このように構成された分離塔によれば、ベース部品を成型品として作製する場合に、連通口を成型する型を一部分を通じて抜くことができる。このため、連通口を型により成型できるため、分離塔の量産性をさらに向上させることができる。

また好ましくは、連通口の幅が、導入口に近づくに従って小さくなる。このように構成された分離塔によれば、連通口を成型する型を一部分を通じて抜く工程を、容易に行なうことができる。

この発明に従った懸濁物質分離装置は、上述のいずれかに記載の分離塔と、導入口に接続され、内管に溶媒を供給する加圧装置と、内管に供給する溶媒に気泡を混入させる気泡発生装置とを備える。このように構成された懸濁物質分離装置によれば、気泡による吸着分離が、内管における遠心分離と外管における浮上分離との２段階の工程で実施されるため、懸濁物質を溶媒から効率良く分離することができる。

また好ましくは、気泡発生装置は、１０μｍ以上５００μｍ以下の直径を有する気泡が全体の８０％以上を占めるように気泡を発生させる。このように構成された懸濁物質分離装置によれば、気泡の直径を５００μｍ以下とすることにより、気泡数を増大させ、懸濁物質を吸着する気泡の表面積を十分に確保することができる。また、気泡の直径を１０μｍ以上とすることにより、気泡の浮力が小さくなりすぎることを防ぎ、分離速度を一定以上に確保できる。

また好ましくは、分離塔は、配管系の経路上に配置される。このように構成された懸濁物質分離装置によれば、分離塔を配管系に配置した場合にあっても、気泡による吸着分離を利用した遠心分離および浮上分離の２段階の工程によって、十分な分離効率を達成することができる。

また好ましくは、配管系は、閉じた循環系である。このように構成された懸濁物質分離装置によれば、たとえば液体の浄化等を、短時間で効率良く行なうことができる。

以上説明したように、この発明に従えば、溶媒中に分散した懸濁物質が効率良く分離される分離塔および懸濁物質分離装置を提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１における懸濁物質分離装置を模式的に表わす図である。図１を参照して、懸濁物質分離装置１０は、配管１６の経路上に設けられた、分離塔２０と、気泡発生装置１２と、加圧装置としてのポンプ１４とを含む。

配管１６には、代表的に、懸濁物質としての油が分散した溶媒としての水（以下、懸濁物質が分散した溶媒を、懸濁液と呼ぶ）が流通する。油は、水よりも小さい比重を有する。分離塔２０によって、水と油とが分離される。本発明によって分離される懸濁液は、水と油とから構成される懸濁液に限られず、適宜変更される。懸濁液は、液体と固体との組み合わせでもよく、一例として、研磨剤として使用されるアルミナや金剛砂等を含む液体の浄化が挙げられる。この場合、本発明を、環境に配慮した、研磨排水の放出に利用することができる。

配管１６は、閉じた系のインラインとして構成されている。ポンプ１４の駆動により、懸濁液が配管１６に流通する。懸濁液を流通させる加圧装置は、ポンプに限られず、たとえば水位差を利用した装置であってもよい。気泡発生装置１２は、分離塔２０に供給される懸濁液中に気泡を混入させる。

図２は、図１中の分離塔を示す断面図である。図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った分離塔の断面図である。続いて、図１中の分離塔２０について詳細な説明を行なう。

図１から図３を参照して、本実施の形態における分離塔２０は、内管２２と、外管３０とを含む。内管２２および外管３０は、両端が閉塞された筒形状を有する。内管２２および外管３０は、略円形の断面形状を有する。外管３０は、図中に示す形状に限られず、たとえば直方体の筐体であってもよい。分離塔２０は、内管２２が外管３０の内部に収容された２重管構造を有する。なお、本発明では、内管２２の全体が外管３０の内部に完全に収まった形態で設けられなくてもよい。

内管２２は、導入口２４を含む。導入口２４は、配管１６から外管３０を貫通し、内管２２に接続されている。内管２２は、筒形状を有する筒部２２ｓと、筒部２２ｓの一方端を塞ぐ第１端部としての端部２２ｍと、筒部２２ｓの他方端を塞ぐ第２端部としての端部２２ｎとを含む。導入口２４は、筒部２２ｓに接続されている。導入口２４は、略円形の断面形状を有する。導入口２４は、矩形、楕円、半楕円、半円等の断面形状を有してもよい。

内管２２は、連通口２６を含む。連通口２６は、筒部２２ｓに形成されている。連通口２６は、内管２２と外管３０との間を連通させる。外管３０は、導出口３２を含む。導出口３２は、配管１６に接続されている。

ポンプ１４の駆動時、水と油とからなる懸濁液が、導入口２４を通じて内管２２に導入される。懸濁液は、内管２２の内部で旋回流となる。すなわち、内管２２の外周である筒部２２ｓから内管２２の内部に導入された懸濁液は、筒部２２ｓの内周面に沿って回転しながら流れる。このとき、油の比重は水の比重よりも小さいため、より小さい比重を有する油が、内管２２の内部空間の内側に集まり、より大きい比重を有する水が、内管２２の内部空間の外側に集まる。内管２２の内部空間では、油が集まる内周側で懸濁液の流れが滞った状態となり、外周側で、内管２２の内周面に沿って周方向に旋回しながら導入口２４から連通口２６に向けて内管２２の管軸方向に進行する懸濁液の流れが形成される。

結果、内管２２では、遠心力を利用した第１分離としての遠心分離により、懸濁液が水と油とに分離される。具体的には、油が内管２２に残り、水の割合を大きくした懸濁液が、連通口２６を通じて外管３０に流出する。

このような遠心分離に与える影響が大きいパラメータとしては、内管２２の内径、導入口２４を通じて内管２２に導入される懸濁液の流入速度、内管２２の管軸方向の長さなどが挙げられる。内管２２の内径が小さく、懸濁液の流入速度が大きく、内管２２の長さが長く、懸濁物質が粒子である場合には懸濁物質の粒子径が大きいほど、分離が促進され、内管２２の半径方向の中央部に懸濁物質を集め易い。

一般的に、旋回流が発達する（定常的に旋回流の回転中心近傍に渦が形成される状態）ためには、内管２２の十分な長さが必要である。内管２２の長さが短いと、旋回流が十分に発達する前に懸濁液が連通口２６を通じて流出するため、懸濁物質を十分に内管２２に収集することができない。たとえば、内管２２の長さが足りず、導入口２４から導入された懸濁液が１回転して連通口２６に到達する場合、懸濁物質を遠心分離することは事実上、不可能である。

本実施の形態では、分離塔２０をコンパクトに構成しつつ、導入口２４と連通口２６との間の距離を十分に大きく確保すべく、導入口２４が、端部２２ｍの近傍に位置する筒部２２ｓに設けられ、連通口２６が、端部２２ｎの近傍に位置する筒部２２ｓに設けられている。

より好ましくは、連通口２６は、端部２２ｎに接するように設けられる。連通口２６は、端部２２ｎに設けられてもよい。連通口２６を端部２２ｎに設ける場合、好ましくは、連通口２６は筒部２２ｓに接するように設けられる。このような構成により、連通口２６を内管２２の外周側に配置する。これにより、内管２２の内周側に集まった油が連通口２６から流出することを抑制できる。

図４は、図２中の２点鎖線ＩＶで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。図５は、図２中の分離塔の第１変形例を示す断面図である。図４を参照して、導入口２４は、端部２２ｍから、端部２２ｍにおける筒部２２ｓの内径Ｄに相当する距離以内に配置される（ｂ≦Ｄ）。図５を参照して、さらに好ましくは、導入口２４は、端部２２ｍに接するように配置される。

通常、液体で満たされた自由空間に液体を噴出すると、液体の勢いは拡散されてしまう。内管２２の内部で旋回流を発生させる場合、拡散する方向の流れは不要で、周方向の流れが必要となる。これに対して、本実施の形態では、図４および図５に示すように、導入口２４を端部２２ｍの近傍に配置する。このような構成により、導入口２４から噴出し、拡散しようとする懸濁液の流れを、端部２２ｍによって整流することが可能となる。つまり、端部２２ｍによって周方向の流れが主として生成されるため、内管２２の内部で強力な旋回流を発生させることができる。

図６は、図２中の分離塔の第２変形例を示す側面図である。図６を参照して、本変形例では、筒部２２ｓが、その管軸方向に沿って内径ｄが変化するテーパ形状を有する。筒部２２ｓは、その管軸方向に沿って一定の割合で内径ｄが変化するテーパ形状を有する。導入口２４は、筒部２２ｓのテーパ形状の小径側に配置される。連通口２６は、筒部２２ｓのテーパ形状の大径側に配置される。

このような構成により、導入口２４を通じて内管２２に導入された懸濁液には、筒部２２ｓの内周面の斜面に沿った旋回流の遠心力が作用する。懸濁液は、テーパ形状の大径側から小径側に向かおうとし、その結果、内管２２において懸濁液が流れる距離が増大する。この場合、内管２２の内部で油同士が衝突、合体する機会が増え、油の塊の大きさが増大する。このため、遠心分離による懸濁液の分離の効率を向上させることができる。また、懸濁物質である油が連通口２６とは反対側の、テーパ形状の小径側に集まるため、油が連通口２６から流出し難くなる。

図２を参照して、連通口２６から流出した懸濁液は、連通口２６と対向する外管３０の内壁に衝突し、あるいは外管４の内壁に至ることなく、外管３０に貯留された液体に向かって落下する。外管３０内の液体の液面から液中に浸入した懸濁液中の油は、比重が小さいため液面に上昇する。結果、外管３０では、第２分離としての浮上分離により、懸濁液が水と油とに分離される。油は、外管３０に貯留された液体の液面近くに集まり、油が除かれた懸濁液は、導出口３２を通じて分離塔２０から排出される。

図７は、図２中のＶＩＩ−ＶＩＩ線上に沿った内管の断面図である。図２および図７を参照して、上方から見て連通口２６と導出口３２とは互いにずれた位置に設けられている。連通口２６の断面積は、導入口２４の断面積以上である。このような構成により、連通口２６から流出する（吹き上がる）懸濁液の流速を小さくすることが可能となる。この場合、連通口２６から流出した懸濁液が外管３０の内壁まで到達したとしても、外管３０の内壁で懸濁液が拡散することを抑制できる。これにより、懸濁液の拡散領域と導出口３２との間の距離をより長く設定し、導出口３２から排出される油の量を減少させることができる。

連通口２６から流出する懸濁液の流速がさらに遅くなると、連通口２６から懸濁液を吹き上げても、ほとんど外管３０の内壁に当たることなく、外管３０内の液面に落下していく。この場合、懸濁液の落下高さを小さくして懸濁液が有する位置エネルギを低くできるので、懸濁液の拡散をより効果的に抑制できる。

連通口２６は、内管２２の最も高い位置に設けられている。導出口３２は、外管３０の最も低い位置に設けられている。導出口３２は、導入口２４の下方に配置されている。このような構成により、連通口２６から流出した懸濁液が外管３０内で着水する位置と、導出口３２との距離を十分に確保できる。これにより、導出口３２から排出される油の量を減少させることができる。

図１および図２を参照して、本実施の形態では、気泡発生装置１２によって懸濁液中に気泡が混入される。気体を混入させると、気体と液体との界面における懸濁物質の表面張力と溶媒の表面張力との差が、懸濁物質および溶媒が液体同士である場合の懸濁物質の表面張力と溶媒の表面張力との差よりも大きくなる。また、その界面には、微視的に考えると懸濁物質の濃度変化が生じている。

この表面張力差と濃度差（変化）とが主たる駆動力となって、気体近傍にある物質が吸着される。したがって、この吸着力が大きい気体（気泡）を利用すると、分子レベルに近い懸濁物質も、気泡に吸着させて分離することが可能となる。また、通常、気泡の比重は、液体の比重に比べて１／１０００程度であるため、比重差による遠心分離も行ない易くなる。

気泡混入の方法はいかなる方法であってもよく、たとえば、旋回流の気泡発生器、ベンチュリー管、圧縮加圧空気の導入などが挙げられる。旋回流の気泡発生器では、液体の旋回によって、旋回中心を負圧とする。そこに気体を導入することによって、気液混合流体を放出する出口部で気体を粉砕して微細気泡を生成する。ベンチュリー管を用いる場合、ベンチュリー管内の流速を上げると、ベルヌイの定理から断面積の小さい所（流速の速い所）で負圧が生じるため、その負圧によって気体を導入する。これにより、懸濁液を気液混合流体とし、音速の低下を図る（気液混合流体の音速は、十数メートルレベルまで低下する）。さらに後流では、管をラバール管のように流路断面積を徐々に増加するように構成することで、流れが音速を超え、流れ内に衝撃波を生成する。この衝撃波に気体が音速を超えて衝突するため、気体の細分化が図られ、微細気泡が発生することとなる。

懸濁液に混入される気泡は、微細気泡発生器で生成した微細気泡であることが好ましい。この場合、同じ体積であっても、気泡の表面積を格段に増やすことが可能となるため、効率の良い分離を行なうことができる。具体的には、気泡発生装置１２は、１０μｍ以上５００μｍ以下の直径を有する気泡が全体の８０％以上を占めるように気泡を発生させる。気泡の直径の測定は、たとえば、水槽内の気泡を、ＣＣＤカメラを用いた微粒子測定装置（Oxford Lasers製）で計測することにより行われる。

分離塔２０に多量の気泡が流入すると、外管３０内で破泡する気泡が増加する。この場合、液面が低下して導出口３２と液面とが近くなるため、液面近くに分離した油が導出口３２を通じて外部に漏れ出すおそれがある。

これに対して、本実施の形態では、外管３０に気体排出口３４が設けられている。気体排出口３４には、制御弁としての流量調整弁３６が設けられている。外管３０の内部で水位が低下した場合に、導出口３２から油が排出される前に流量調整弁３６を開弁する。このとき、外管３０の内部は、加圧装置としてのポンプ１４により加圧されているため、気体排出口３４を通じて外管３０の外部に気体が放出され、水位を復元することができる。また、流量調整弁３６を、適当な開度に設定することにより、一定の水位を保つことも可能である。具体的には、外管３０内で破泡し、増える気体の体積分を流量調整弁３６から排出することによって、一定の水位を保つ。

好ましくは、気体排出口３４は、外管３０の最も高い位置に形成される。このような構成により、外管３０内の水位が高くなった場合にも、懸濁物質である油が気体排出口３４を通じて流出することを抑制できる。

流量調整弁３６の代替として、開閉弁を用いることも可能である。すなわち、水位センサ３８を内管２２の所定の位置に設け、ある水位以下になると流量調整弁３６または開閉弁を開弁するように制御する。これにより、気体排出口３４からの油の流出を抑制しつつ、水位を一定に保つことが可能となる。

なお、本実施の形態では、気泡発生装置１２を用いて積極的に気体を混入した場合を説明したが、配管系によっては、加圧装置から自然に気体が混入する場合（たとえば、ポンプのエア噛みや、水槽の排出口の自由渦等によって発生する場合）がある。このような場合であっても、気体排出口３４の設置は有効である。

気泡を含んだ懸濁液が連通口２６から吹き上げられ、外管３０の内壁に衝突する場合、吹き上げる動圧によって、幾分かの気泡が破泡することがある。この破泡を促進することによって、油を吸着した気泡が外管３０で浮上分離されることなく導出口３２から排出されることを防止できる。したがって、懸濁液が衝突する外管３０の部位に突起を設けたり、表面粗さを粗くすることによって、この破泡を促進させ、分離効率を向上させることができる。

また、上記説明では、分離塔２０を水平設置した場合（分離塔２０の筒部が重力に対して直角方向に延びるように設置）について説明したが、垂直設置（分離塔２０の筒部が重力に対して平行方向に延びるように設置）であっても、内管２２の遠心分離のみから構成された場合（単管）と比べて、分離効果を向上させることができる。

図８は、図２中の分離塔の第３変形例を示す断面図である。図８を参照して、本変形例では、導出口３２の直上における位置よりも連通口２６の直下における位置の方が、外管３０に貯留された懸濁液の深さが浅い（Ｈ２＜Ｈ１）。好ましくは、連通口２６を有する側の内管２２の管軸２２ｐと水平方向との成す角αが０°以上４５°以下の値となる。このような構成により、連通口２６から流出した懸濁液が外管３０内の液体に落下する部位の懸濁液の深さを低くできるので、外管３０内の液体に入り込む懸濁液の深さを抑制できる。これにより、油を吸着した気泡が水面に浮上し易くなり、導出口３２から排出される油の量を減少させることができる。また、導出口３２と連通口２６との距離が離れて構成される方が分離効率がよい。

図９は、図２中の分離塔の第４変形例を示す断面図である。図９を参照して、本変形例では、内管２２は、連通口２６が設けられる位置の管軸２２ｐよりも導入口２４が設けられる位置の管軸２２ｑの方が高くなるように構成される。好ましくは、連通口２６を有する側の管軸２２ｐと水平方向との成す角βが０°以上１０°以下の値となる。このような構成により、気泡が導入口２４の近傍に均一に集まり易くなる。これにより、導入口２４から流入した微細気泡等を捕らえ易くなり、分離塔２０の分離性能を向上させることができる。

なお、図中では、内管２２のみが傾いて設けられているが、分離塔２０の全体が傾いて設けられてもよい。

この発明の実施の形態１における分離塔は、溶媒としての水中に分散した、水よりも比重の小さい懸濁物質としての油を水から分離する分離塔２０である。分離塔２０は、導入口２４を含む内管２２と、導出口３２を含み、内管２２を収容する外管３０とを備える。内管２２は、導入口２４を通じて導入された油を含む水としての懸濁液を、その内部で旋回流として流す。内管２２は、外管３０に連通し、旋回流となって流れる懸濁液を外管３０に導く連通口２６をさらに含む。外管３０は、内管２２から流入した懸濁液を貯留し、導出口３２を通じて外部に導出する。

懸濁物質分離装置１０は、分離塔２０と、導入口２４に接続され、内管２２に懸濁液を供給する加圧装置としてのポンプ１４と、内管２２に供給する懸濁液に気泡を混入させる気泡発生装置１２とを備える。

このように構成された分離塔２０および懸濁物質分離装置１０によれば、内管２２および外管３０の２重管構造により、遠心分離と浮上分離との２段階の分離工程が実施される。このため、懸濁液の分離を効率良く行なうことができる。

インラインとして構成された配管１６の経路上に分離塔２０を配置した本実施の形態では、配管経路中のポンプ圧力のかかった二重管内に自由界面（水面）を生成することができる。このため、この自由界面で気泡をトラップすることができ、さらに旋回流の遠心力を利用したトラップもできる。本実施の形態における分離塔２０および懸濁物質分離装置１０は、食器洗浄機の洗浄後の油や洗濯水中の疎水性汚れを水から分離する用途に、特に有効に適用される。

（実施の形態２）
図１０は、この発明の実施の形態２における分離塔を示す断面図である。本実施の形態における分離塔は、実施の形態１における分離塔２０と基本的には同様の構造を有する。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。また、気泡を混入しない場合について説明するが、気泡を混入する場合、気体排出口、流量調整弁または開閉弁、水位センサを同様に組み込むことができる。

図１０を参照して、外管３０は、筒形状を有する筒部３０ｓと、筒部３０ｓの両端を塞ぐ壁部としての端部３０ｍおよび端部３０ｎとを含む。本実施の形態における分離塔１２０では、内管２２および外管３０が、端部３０ｍと端部２２ｍとが重なり、端部３０ｎと端部２２ｎとが重なるように構成されている。端部３０ｍと端部２２ｍとが、同一面内に延在し、端部３０ｎと端部２２ｎとが、同一面内に延在する。このような構成により、導入口２４と連通口２６との間の距離を十分に確保して大きい旋回流を発生させつつ、分離塔１２０をよりコンパクトに構成できる。

このように構成された、この発明の実施の形態２における分離塔１２０によれば、実施の形態１に記載の効果と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態３）
図１１は、この発明の実施の形態３における分離塔を示す断面図である。本実施の形態における分離塔は、実施の形態１における分離塔２０と比較して、基本的には同様の構造を有する。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。また、気泡を混入しない場合について説明するが、気泡を混入する場合、気体排出口、流量調整弁または開閉弁、水位センサを同様に組み込むことができる。

図１１を参照して、本実施の形態における分離塔２２０では、内管２２が突出部分２３を含む。内管２２は、突出部分２３が外管３０の外部に突出するように設けられている。突出部分２３が、外管３０の外部に配置され、突出部分２３を除く内管２２の他の部分が、外管３０の内側に配置されている。導入口２４は、突出部分２３に設けられている。このような構成により、導入口２４を外管３０の外部空間に設けることができる。これにより、導入口２４を加工する際に、外管３０に導入口２４を貫通させる孔を設ける必要がないため、分離塔を簡易な構成とできる。また、導入口２４と内管２２との接続部のシールが行ない易くなり、加工性を著しく向上させることができる。

図１２は、図１１中の分離塔の配管構造を示す断面図である。図１２を参照して、内管２２には、液体排出口としての排水口４２が設けられている。排水口４２は、内管２２の内部から外部に懸濁液を排出する。排水口４２は、突出部分２３に接続されている。排水口４２は、内管２２の最も低い位置に設けられている。分離塔２２０は、排水口４２を開閉する第１液体開閉弁としての排水弁４４を含む。分離塔２２０は、配管４６を含む。配管４６は、排水口４２と導出口３２とを連結する。分離塔２０は、第２液体開閉弁としての止弁４８を含む。止弁４８は、配管４６に配置されている。止弁４８は、排水口４２と導出口３２との間を開閉する。

本実施の形態では、懸濁液の分離時、排水弁４４および止弁４８をともに閉じた状態とする。懸濁液の分離が終了した後の排水時、排水弁４４および止弁４８の両方を開放する。これにより、内管２２に残る懸濁液は、排水口４２を通じて分離塔２２０から排出され、外管３０に残る懸濁液は、導出口３２および配管４６を通じて分離塔２２０から排出される。

図１３は、図１１中の分離塔の配管構造の変形例を示す断面図である。図１３を参照して、本変形例では、内管２２に排水孔５２が形成されている。排水孔５２は、内管２２と外管３０とを連通させる。排水孔５２は、内管２２の最も低い位置に形成されている。排水孔５２は、図示されていない連通口２６よりも小さい断面積を有する。本変形例では、図１２中の排水口４２および排水弁４４が設けられていない。分離塔２２０は、排水管５４および排水弁５８を含む。排水管５４は、導出口３２に接続されている。排水弁５８は、排水管５４の経路上に配置されている。

懸濁液の分離時、懸濁液は、圧力抵抗の少ない、より大きい断面積を有する連通口２６から流出する。排水時、排水弁５８を開弁する。このとき、加圧装置としてのポンプ１４が停止しているため、懸濁液は、内管２２内の水位によって排水孔５２から外管３０に流出し、さらに排水管５４を通じて排水される。

なお、本実施の形態では、排水孔５２を図１１中の分離塔２２０に適用した場合について説明したが、他の実施の形態で説明した分離塔に排水孔５２を設けても同様の効果を得ることができる。

このように構成された、この発明の実施の形態３における分離塔２２０によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。

（実施の形態４）
図１４は、この発明の実施の形態４における分離塔を示す断面図である。図１５は、図１４中のＸＶ−ＸＶ線上に沿った分離塔の断面図である。本実施の形態における分離塔は、実施の形態１における分離塔と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。

図１４および図１５を参照して、本実施の形態における分離塔３２０は、蓋部品６４およびベース部品６２の２部品から構成されている。蓋部品６４は、内管２２および外管３０の筒形状の端部を塞ぐ。ベース部品６２は、内管２２および外管３０の筒形状をなし、蓋部品６４と組み合わされる。ベース部品６２は、一方端が開口された２重管構造を有する。ベース部品６２には、連通口２６が形成されている。

分離塔３２０の製造時、たとえば、蓋部品６４以外のベース部品６２を型で一体に樹脂成型する。蓋部品６４が組み合わされる位置から型を抜き出す。その後、加熱したコテなどで樹脂を溶融させて追加工し、連通口２６を成形する。このような工程により、分離塔３２０を型を用いて製造することが可能となり、生産性を向上させることができる。

図１６は、図１４中のＸＶＩ−ＸＶＩ線上に沿った分離塔の断面図である。図１６を参照して、ベース部品６２は、蓋部品６４が接合される端面６２ｇを含む。端面６２ｇは、ベース部品６２の開口端に配置されている。連通口２６は、周縁の一部分が端面６２ｇで開放された形状を有する。連通口２６は、端面６２ｇから凹んだ形状を有する。連通口２６は、図示しない導入口２４に近づくに従って小さくなる幅ｃを有する。連通口２６は、端面６２ｇから離れるに従って小さくなる幅ｃを有する。連通口２６は、ベース部品６２と、蓋部品６４または蓋部品６４とベース部品６２との間に介装されるパッキンとによって閉じた形状に形成される。

このような構成により、連通口２６も型で一体に成型されるため、さらに生産性を向上させることができる。

このように構成された、この発明の実施の形態４における分離塔３２０によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１における懸濁物質分離装置を模式的に表わす図である。 図１中の分離塔を示す断面図である。 図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った分離塔の断面図である。 図２中の２点鎖線ＩＶで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。 図２中の分離塔の第１変形例を示す断面図である。 図２中の分離塔の第２変形例を示す側面図である。 図２中のＶＩＩ−ＶＩＩ線上に沿った内管の断面図である。 図２中の分離塔の第３変形例を示す断面図である。 図２中の分離塔の第４変形例を示す断面図である。 この発明の実施の形態２における分離塔を示す断面図である。 この発明の実施の形態３における分離塔を示す断面図である。 図１１中の分離塔の配管構造を示す断面図である。 図１１中の分離塔の配管構造の変形例を示す断面図である。 この発明の実施の形態４における分離塔を示す断面図である。 図１４中のＸＶ−ＸＶ線上に沿った分離塔の断面図である。 図１４中のＸＶＩ−ＸＶＩ線上に沿った分離塔の断面図である。

符号の説明

１０ 懸濁物質分離装置、１２ 気泡発生装置、１４ ポンプ、２０，１２０，２２０，３２０ 分離塔、２２ 内管、２２ｍ，２２ｎ，３０ｍ，３０ｎ 端部、２２ｐ，２２ｑ 管軸、２２ｓ，３０ｓ 筒部、２３ 突出部分、２４ 導入口、２６ 連通口、３０ 外管、３２ 導出口、３４ 気体排出口、３６ 流量調整弁、３８ 水位センサ、４２ 排水口、４４ 排水弁、４６ 配管、４８ 止弁、５２ 排水孔、６２ ベース部品、６４ 蓋部品。

Claims (24)

1. 溶媒中に分散した、該溶媒よりも比重の小さい懸濁物質を溶媒から分離する分離塔であって、
   導入口を含む内管と、
   導出口を含み、前記内管を収容する外管とを備え、
   前記内管は、前記導入口を通じて導入された懸濁物質を含む溶媒を、その内部で旋回流として流し、
   前記内管は、前記外管に連通し、旋回流となって流れる溶媒を前記外管に導く連通口をさらに含み、
   前記外管は、前記内管から流入した溶媒を貯留し、前記導出口を通じて外部に導出する、分離塔。
2. 前記内管は、溶媒の旋回流が形成される筒部と、前記筒部の一方端を閉じる第１端部とを含み、
   前記導入口は、前記筒部に設けられ、前記第１端部から、前記第１端部における前記筒部の内径に相当する距離以内に配置される、請求項１に記載の分離塔。
3. 前記導入口は、前記第１端部に接するように配置される、請求項２に記載の分離塔。
4. 前記内管は、溶媒の旋回流が形成される筒部と、前記筒部の一方端を閉じる第１端部と、前記筒部の他方端を閉じる第２端部とを含み、
   前記導入口は、前記第１端部の近傍に位置する前記筒部に設けられ、
   前記連通口は、前記第２端部または前記第２端部の近傍に位置する前記筒部に設けられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の分離塔。
5. 前記連通口は、前記第２端部に接するように前記筒部に設けられる、請求項４に記載の分離塔。
6. 前記内管は、溶媒の旋回流が形成される筒部と、前記筒部の端を閉じる端部とを含み、
   前記外管は、溶媒を貯留する空間を形成する壁部を含み、
   前記内管および前記外管は、前記端部と前記壁部とが重なるように配置される、請求項１から５のいずれか１項に記載の分離塔。
7. 前記内管は、前記外管の外部に突出する突出部分を含み、
   前記導入口は、前記突出部分に設けられる、請求項１から６のいずれか１項に記載の分離塔。
8. 上方から見て前記連通口と前記導出口とは互いにずれた位置に設けられ、
   前記連通口の断面積は、前記導入口の断面積以上である、請求項１から７のいずれか１項に記載の分離塔。
9. 前記内管は、溶媒の旋回流が形成される筒部を含み、
   前記筒部は、その管軸方向に沿って内径が変化するテーパ形状を有し、
   前記導入口は、前記テーパ形状の小径側に位置する前記筒部に形成される、請求項１から８のいずれか１項に記載の分離塔。
10. 前記連通口は、前記内管の最も高い位置に設けられる、請求項１から９のいずれか１項に記載の分離塔。
11. 前記導出口の直上における位置よりも前記連通口の直下における位置の方が、前記外管に貯留された溶媒の深さが浅い、請求項１から１０のいずれか１項に記載の分離塔。
12. 前記内管は、前記連通口が設けられる位置の管軸よりも前記導入口が設けられる位置の管軸の方が高くなるように構成される、請求項１から１１のいずれか１項に記載の分離塔。
13. 前記外管は、前記外管の内部から外部に気体を排出する気体排出口を含み、
    前記気体排出口に設けられ、気体の排出を制御する制御弁をさらに備える、請求項１から１２のいずれか１項に記載の分離塔。
14. 前記気体排出口は、前記外管の最も高い位置に形成される、請求項１３に記載の分離塔。
15. 前記外管に設けられ、前記外管に貯留された溶媒の水位を検知する水位センサをさらに備える、請求項１３または１４に記載の分離塔。
16. 前記内管は、前記内管の内部から外部に液体を排出する液体排出口を含み、
    前記液体排出口を開閉する第１液体開閉弁をさらに備える、請求項１から１５のいずれか１項に記載の分離塔。
17. 前記液体排出口と前記導出口とを連結する配管と、
    前記配管に配置され、前記液体排出口と前記導出口との間を開閉する第２液体開閉弁とをさらに備える、請求項１６に記載の分離塔。
18. 前記内管および前記外管は、筒形状を有し、
    前記内管および前記外管は、前記筒形状の端部を塞ぐ蓋部品と、前記蓋部品と組み合わされるベース部品とから構成される、請求項１から１７のいずれか１項に記載の分離塔。
19. 前記ベース部品には、周縁の一部分が開放された形態の前記連通口が形成され、
    前記一部分は、前記ベース部品と組み合わされた前記蓋部品によって閉じられる、請求項１８に記載の分離塔。
20. 前記連通口の幅が、前記導入口に近づくに従って小さくなる、請求項１９に記載の分離塔。
21. 請求項１から２０のいずれか１項に記載の分離塔と、
    前記導入口に接続され、前記内管に溶媒を供給する加圧装置と、
    前記内管に供給する溶媒に気泡を混入させる気泡発生装置とを備える、懸濁物質分離装置。
22. 前記気泡発生装置は、１０μｍ以上５００μｍ以下の直径を有する気泡が全体の８０％以上を占めるように気泡を発生させる、請求項２１に記載の懸濁物質分離装置。
23. 前記分離塔は、配管系の経路上に配置される、請求項２１または２２に記載の懸濁物質分離装置。
24. 前記配管系は、閉じた循環系である、請求項２３に記載の懸濁物質分離装置。

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