JP2010247112A

JP2010247112A - 攪拌機

Info

Publication number: JP2010247112A
Application number: JP2009101038A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Oide; 浩輔大出; Toshio Yamama; 敏夫山磨
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd; Nakashima Propeller Co Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd; Nakashima Propeller Co Ltd
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2010-11-04

Abstract

【課題】水槽の単位容積当たりの投入動力をより小さくして、ランニングコストを抑え、かつ槽内底部に汚泥などを沈澱させないようにするための必要流速を得ることができるようにした攪拌機を提供すること。
【解決手段】上端に吐出口７２を形成した上部パイプ７及び下端に吐出口８２を形成した下部パイプ８を外周に吸込口７１、８１を形成したケーシング９を挟むように一体に形成し、かつ前記上下部両パイプ７、８内にそれぞれ吐出口７２、８２から水槽内の液体を吐出するようにした上下両インペラ５、６を回転可能に配設して構成した攪拌機であって、上下両インペラ５、６の回転による上端の吐出口７２から吐出する流量と下端の吐出口８２から吐出する流量との流量比を３：９〜４：６となるように構成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、攪拌機に関し、特に、下水処理場に設置された下水処理槽等の水槽（本明細書において、単に「水槽」という。）内の液体（活性汚泥混合液）を、小さな投入動力で、かつ槽内底部まで充分な流速を発生させて槽内底部に固形物を沈澱させることなく効率的な攪拌を行うようにした攪拌機に関するものである。

従来、水槽に汚水を供給して静止すると底層には汚泥などの固形物が沈澱し、水面層には懸濁物、例えば、スカムが浮遊する。
ところで、水槽の底層に汚泥などの固形物が沈澱したり、水面層にスカムなどの懸濁物が浮遊することを防止することによって、汚水を効果的に処理するために、水槽内の汚水を強制的に攪拌している。

この水槽内の汚水を攪拌する手段として各種の方法が提案されている。
例えば、特許文献１に示されるように、水中に配設する筒状のケーシング内でインペラを回転させて槽内の汚水をその吸込口よりケーシング内に吸い込み、吐出口より再び槽内に吐出され、この汚水の吐出力を利用して槽内全体を攪拌するようにしている。
しかしながら、槽内全体を攪拌するとともに底層に汚泥などの固形物が沈澱することを防止するためには、汚泥などの沈澱を抑制するだけの水流速、これは特に限定されるものではないが、例えば、槽内の底部流速０．１ｍ／ｓ以上を槽内底部に発生させることが必要である。しかも、ランニングコストを考慮すると水槽の単位容積当たりの投入動力を小さくすることが求められている。

そこで本出願人は、特許文献２及び特許文献３に示されるように、水槽の表層より少し深い位置から汚水を吸い込み、これを上層の水面層と下層の底層部から吐出して槽内に二重の循環流を起こさせる攪拌機を提案したが、省エネが充分ではない場合があった。

特開２００５−１２５２２３号公報特開２００７−２２２７７１号公報特開２００８−２５９９８７号公報

本発明は、従来の攪拌機や対流惹起装置の有する問題点に鑑み、水槽の単位容積当たりの投入動力をより小さくして、ランニングコストを抑え、かつ槽内底部に汚泥などを沈澱させないようにするための必要流速を得ることができるようにした攪拌機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の攪拌機は、上端に吐出口を形成した上部パイプ及び下端に吐出口を形成した下部パイプを外周に吸込口を形成したケーシングを挟むように一体に形成し、かつ前記上下部両パイプ内にそれぞれ吐出口から水槽内の液体を吐出するようにした上下両インペラを回転可能に配設して構成した攪拌機であって、前記上下両インペラの回転による上端の吐出口から吐出する流量と下端の吐出口から吐出する流量との流量比を３：９〜４：６となるように構成したことを特徴とする。

この場合において、下インペラのピッチに対して上インペラのピッチを０．６５〜０．７５に形成し、下インペラの径に対して上インペラの径を０．７〜１．０に形成することができる。

また、下部パイプと内径に対する上部パイプの内径を０．６６〜１．０に形成することができる。

また、上インペラとほぼ相似形状に下インペラを形成し、かつ上インペラの径に対して下インペラの径を、その吐出流量が１．５〜３倍となるように構成することができる。

また、上インペラ駆動軸内に下インペラ駆動軸が貫通して垂直同心軸とし、上インペラの回転速度に対して下インペラの回転速度が１．５〜３倍となるように構成することができる。

また、上インペラと下インペラのブレードの捻り方向を相反するように構成することができる。

また、上インペラ駆動軸と下インペラ駆動軸とをそれぞれ個別の原動機にて駆動するように構成することができる。

また、１台の電動機にて上インペラと下インペラの回転速度比を３：９〜４：６となるように変速駆動するように構成することができる。

本発明の攪拌機によれば、上吹き出しの流量と下吹き出しの流量の比を３：９〜４：６に設定することにより、槽内の底部流速０．１ｍ／ｓを確保するための単位容積当たりの投入動力を抑え、かつ槽内の底部流速０．１ｍ／ｓを確保することができるので、ランイングコストを低減できるとともに、槽内底部に汚泥などの固形物が沈澱することなく槽内全体を効率的に攪拌することができる。

本発明の実施例の実験結果を示すグラフである。シミュレーションによって求めた攪拌動力密度Φと評価点での流速Ｖの関係を示すグラフである。シミュレーションに用いた本体モデルを示す説明図である。各種水槽形状についてシミュレーションを行った結果を示すグラフである。本発明の攪拌機の一実施例を示し、上下インペラの径とピッチを両方とも変更し上下部パイプの内径も変更した実施例の縦断面図である。上下両インペラの回転数を１台の電動機にてそれぞれ変えて駆動する攪拌機の実施例の縦断面図である。上下両インペラの回転数を２台の電動機にてそれぞれ変えて駆動する攪拌機の実施例の縦断面図である。

上吹き出しの流量と下吹き出しの流量の比を３：９〜４：６に設定することによる効果を、実験等により確認した結果を以下に説明する。

上下２方向に吹き出すと、１方向吹き出しと比べて、吹出口のトータル面積が広くなる。その場合には、同じ流量を１方向に狭い面積から早い速度で吹き出す場合と比べて、動力を減少させられる。
その一方で、吊り上げ性等の維持管理性を高めておくためには、攪拌機の長さをできるだけ短くする必要がある。そのためには表層近くに配置する必要がある。
表層部に配置すると必然的に吸込口や吹出口から池底までの距離が長くなってしまう。そこで、吹き出し量は、上下均等ではなく下向きを上向きより大きく設定することが有効と考え底部流速を確保しつつ効率のよい上下吹き出し流量比率を求めることとした。

動力が一定となる場合の上下の各吹き出し流量の設定方法を検討した。相似則により動力Ｐは吹き出し流速Ｖの３乗に比例する。また、軸には上下両方の動力がかかるので総動力Ｐ_Ｔと上下の各吹き出し流速との関係は下記のようになる。

Ｐ_Ｔ∝Ｖ_Ｕ ^３十Ｖ_Ｄ ^３・・・（１）
ここで、Ｖ_Ｕ＝上向きの吹き出し流速
Ｖ_Ｄ＝下向きの吹き出し流速
である。

上記式（１）を用いて、動力一定で上下の各吹出口の面積も一定の条件でＶ_ＵとＶ_Ｄを変化させる実験を行った。
攪拌機の構造は、後述の実施例に示すように、上インペラと下インペラを１本のシャフトで回転させる構造であるため、上下の吹き出し流量比を変えるためにピッチを変えたインペラ（上向き用下向き用共）を用いた。ピッチを変えたインペラを設計する際には、上記式（１）と相似則を用いた。
同じ動力を投入した際に、槽内底部のコーナー部での流速がどのように変化するかを調べた。
実験に用いた水槽は、４．８ｍ（Ｗ）×５．８ｍ（Ｌ）×５ｍ（Ｈ）の大きさで、１２５ｍ^３の水量を満たし、攪拌機の設置位置を槽中央部とし、流速評価点の位置を底部のコーナー部とし、具体的には側壁の内面から短辺側が０．４ｍ、長辺側が０．４５ｍの距離で、底面から０．１ｍの高さとした。
表１に実験条件を示す。

Ｃａｓｅ１〜３は、上下両吹き出しの攪拌機で、上下吹き出し比率の異なる、上下各インペラのピッチ比（羽根の振れ度合い）の異なる６基の羽根を使用した。
Ｃａｓｅ４は下吹き出しのみの場合であり、Ｃａｓｅ２の下インペラを用い、Ｃａｓｅ１〜３と比べて高速で回転させることにより動力を同一に合わせた。
以上のようにピッチの異なる羽根でＱ_Ｕ＝Ｑ_Ｄを４種に設定した。
これらの羽根を、電動機出力が一定（１．１７±０．２ｋＷ）となるように回転速度を微調整し、その時の下向き流量Ｑ_Ｄと流速評価点での流速Ｖを実測した。上向き流量Ｑ、は、流速評価点での流速Ｖを実測した。

図１に実験結果を示す。
同じ動力を用いた場合、総流量は、下部流量比（下部流量÷総流量）が０．５の場合に最大となるが、流速評価点での流速は小さい。最も底部の流速Ｖが大きくなるのは、Ｃａｓｅ３の上下流量比が３：７の場合であることが判った。このＣａｓｅ３の下向き流量は下部流量比が１．０（全部下部より吹き出す場合）のＣａｓｅ４と比べて０．４ｍ^３／ｍｉｎ小さな５．６ｍ^３／ｍｉｎであるが、Ｃａｓｅ３の総流量は１．３ｍ^３／ｍｉｎ大きな７．９ｍ^３／ｍｉｎとなっている。底部流速は、主に下吹き出し量に依存すると考えられるが、僅かに下吹き出し量が減少しても総流量が大幅に増えたＣａｓｅ３においては、底部流速が増加した。これは、下吹き出し流れの担う水槽の容積が減少したためと考える。
以上により攪拌機の取水口は表層近く（水深０．８ｍ）に配置した場合に水深５ｍの水槽では上下流量比が３：７の場合の評価点流速が大きいすなわち最も省エネ性に優れた攪拌が可能であることが判った。

次に、この攪拌機を用いて軸の回転数を変化させ評価点の流速を測定することで、底部流速が０．１ｍ／ｓ以上となる時の１ｍ^３当たりの動力値（単位Ｗ）すなわち必要攪拌動力密度Φ_Ｎを求めた。

図２にシミュレーションによって求めた攪拌動力密度Φと評価点での流速Ｖの関係を示す。
図２よりΦ_Ｎは、１．８Ｗ／ｍ^３となり、目標性能を達成していることを確認した。

前項で使用した攪拌機（１．５ｋＷ機種）が対象とする水槽はその容積が１００ｍ^３〜７５０ｍ^３の長方形の水槽であり、水深や長辺／短辺も多種に亘っている。
そこでシミュレーションにより種々の水槽形状における必要攪拌動力密度を求め、上下流量比が３：７の攪拌機の必要攪拌動力密度を解析し、適用範囲を明らかにした。

図３にシミュレーションに用いた本体モデルを示す。
適用する水槽の形状は、平面寸法の長辺／短辺の比が１．０〜２．０、水深／短辺が０．５〜１．７の場合が多い。

図４のグラフの横軸は水槽の平面寸法における長辺／短辺とし、縦軸を水深／短辺とした。上記水槽形状は、太い実線で囲んだ範囲で、そのうち○で示した水槽形状についてシミュレーションを行った（容積は７５０ｍ^３に統一）。
攪拌機のモデルは上下流量比が３：７のものとし、吹き出し流速を３種類に変えて評価点流速が０．１ｍ／ｓｅｃを越える時の攪拌動力密度を求めた。

シミュレーションにより求めた結果を図４の○の右肩に数値で示す。
この数値は水槽形状別の必要攪拌動力密度（単位はＷ／ｍ^３）である。
図の線で囲まれた形状の水槽においては、必要攪拌動力密度が目標とする２Ｗ／ｍ^３以下となることが判った。
上下流量比が３：７で取水口を水深０．８ｍに配置した場合には、目標とする形状の水槽（ただし、７５０ｍ^３以下）のすべてにおいて必要攪拌動力密度が２Ｗ／ｍ^３以下であることを確認した。
容積の異なる水槽においても同様のシミュレーションで必要攪拌動力密度を算出、確認した。
以上が上吹き出しの流量と下吹き出しの流量の比を３：９〜４：６に設定することによる効果である。

以下、本発明の攪拌機の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図５及び図６に、本発明の攪拌機の実施例（図５に示す攪拌機の形態が、本発明の攪拌機の最良の形態である。）を示す。

この攪拌機Ａは、下水処理場等に設置された水槽内の所定位置に垂設するもので、これを水槽内に自立させるか或いは架台にて支持する。

また、この攪拌機Ａは、図５及び図６に示すように、電動機１の出力軸にカップリング２を介してシャフト４を接続する。

シャフト４は、上部軸受ユニット３により上端部付近を支持するように構成される。
シャフト４には、上インペラ５及び下インペラ６を装着しており、それらの間には予め定めた距離をあけて、それぞれの外周を覆うようにして上部パイプ７及び下部パイプ８を配置する。

この上部パイプ７と下部パイプ８との間には、外周部に吸込口７１、８１を形成したケーシング９を配設し、このケーシング９にて上部パイプ７と下部パイプ８とを上下に接続し、上部パイプ７の上端に吐出口７２を、下部パイプ８の下端に吐出口８２をそれぞれ形成する。
これにより上部パイプ７内にて回転する上インペラ５と下部パイプ８内にて回転する下インペラ６にてそれぞれケーシング９の吸込口７１、８１より個別的に水槽内の汚水を吸い込み、吸い込んだ汚水を上下部両パイプ７、８の上端と下端より水槽内の上層内と底槽内に吐出するようにする。

なお、ケーシング９内にはケーシング径より大きな径とした平板状の仕切り板９１を配設し、ケーシング９の外周部に形成する吸込口７１、８１を上下に分けるようにする。
これにより、仕切り板９１より上部の吸込口７１より吸い込んだ汚水は、上部パイプ７内を上昇してその吐出口７２から、また、仕切り板９１より下部の吸込口８１より吸い込んだ汚水は下部パイプ８内を下降してその吐出口８２よりそれぞれ吐出するようにする。

また、ケーシング９内にはシャフト４を非接触でガイドする水中ガイド４１と吸込口７１、８１より吸い込まれた汚水をそれぞれ上部パイプ７内と下部パイプ８内へ円滑に導かれるようにする整流マウンド１０を配設する。

上部パイプ７の上部は、吐出口７２を形成するもステーなどを介してフレーム１１には前述の電動機１や上部軸受ユニット３が設けられる。

図６に示すように、歯車式の変速装置Ｔを設けることもできる。
また、図６に示した歯車式の変速装置Ｔに代えて、ベルト駆動にすることもできる。

フレーム１１の下部には、上向きの流れを水平方向に変えるためのガイドと渦消しを兼ねた整流板１２を、水面下でほぼ水平になるようにして配置する。

なお、この整流板１２の下面には必要に応じて、整流マウンド１３を取り付け、これにより上部パイプ７内を上昇してきた汚水を吐出口７２より整流マウンド１３に沿って、放射方向にほぼ均一に流れるようにする。

図６に、シャフトを２本使用し、上インペラ５と下インペラ６のそれぞれの駆動軸を回転させる場合の構成を示す。

図６では、上インペラ５の駆動軸となる中空管状のシャフト４Ａの内部に下インペラ６の駆動軸となるシャフト４Ｂを貫通して垂直同心軸とし、上インペラ５の回転速度に対して下インペラ６の回転速度が変更できるようにしている。
回転速度の比率は、上下インペラ５、６のピッチ、径に応じて任意に変更し、上下吹き出し比率が３：９〜４：６になるように設定する。

図６では２本のシャフト４Ａ、４Ｂを変速装置Ｔを用いることで電動機１を１台用いて駆動しているが、図７に示すように、それぞれのシャフト４Ａ、４Ｂを電動機１Ａ、１Ｂを１台ずつ用いて駆動することも可能である。

また、各シャフト４Ａ、４Ｂを反対方向に回転させて、捻り方向の同じ２基のインペラ５、６を設けることも可能である。

次に、上記の攪拌機Ａの作用について説明する。
電動機１の駆動にてシャフト４、４Ａ、４Ｂを介して上インペラ５及び下インペラ６を上部パイプ７内及び下部パイプ８内にて回転させると、回転速度に応じてケーシング９の外周面に形成された吸込口７１、８１より吸い込まれた汚水は、それぞれ上部パイプ７内と下部パイプ８内へ円滑に導かれ、上部パイプ７内を上昇した汚水は上端の吐出口７２から吐出され槽水面を放射方向に流れ、表層に流れを起こし外周方向へ向かい表層から下降して吸込口へ戻り、また、下部パイプ８内を流下した汚水は下端の吐出口８２から下方へ吐出され、槽底に沿って外周方向に流れ、壁面付近を上昇し、吸込口へ戻り、これにより、２重の循環流を生じさせる。

この場合、吸込口７１、８１や上下の吐出口７２、８２の位置は、いずれも表層付近であり、槽底から距離が大きいため、上部の吐出口７２より吐出する流量より、下部の吐出口８２より吐出する流量の方が大きくなるように設定しており、底部流速は、槽内底部に汚泥などの固形物が堆積しない底部流速０．１ｍ／ｓを確保することができ、水槽の単位容積当たりの投入動力を抑えることができ、水槽内全体を攪拌することができる。

以上、本発明の攪拌機について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

本発明の攪拌機は、水槽の単位容積当たりの投入動力をより小さくして、ランニングコストを抑え、かつ槽内底部に汚泥などを沈澱させないようにするための必要流速を得ることができるという特性を有していることから、下水処理場に設置された下水処理槽の用途に好適に用いることができるほか、例えば、化学機械、食品混合の用途にも用いることができる。

Ａ攪拌機
Ｔ変速装置
１電動機
１Ａ電動機
１Ｂ電動機
２カップリング
３上部軸受ユニット
４シャフト
４Ａシャフト
４Ｂシャフト
４１水中ガイド
５上インペラ
６下インペラ
７上部パイプ
７１吸込口
７２吐出口
８下部パイプ
８１吸込口
８２吐出口
９ケーシング
９１仕切り板
１０整流マウンド
１１フレーム
１２整流板
１３整流マウンド

Claims

上端に吐出口を形成した上部パイプ及び下端に吐出口を形成した下部パイプを外周に吸込口を形成したケーシングを挟むように一体に形成し、かつ前記上下部両パイプ内にそれぞれ吐出口から水槽内の液体を吐出するようにした上下両インペラを回転可能に配設して構成した攪拌機であって、前記上下両インペラの回転による上端の吐出口から吐出する流量と下端の吐出口から吐出する流量との流量比を３：９〜４：６となるように構成したことを特徴とする攪拌機。
下インペラのピッチに対して上インペラのピッチを０．６５〜０．７５に形成し、下インペラの径に対して上インペラの径を０．７〜１．０に形成したことを特徴とする請求項１記載の攪拌機。
下部パイプと内径に対する上部パイプの内径を０．６６〜１．０に形成したことを特徴とする請求項１記載の攪拌機。
上インペラとほぼ相似形状に下インペラを形成し、かつ上インペラ径に対して下インペラの径を、その吐出流量が１．５〜３倍となるように構成したことを特徴とする請求項１記載の攪拌機。
上インペラ駆動軸内に下インペラ駆動軸が貫通して垂直同心軸とし、上インペラの回転速度に対して下インペラの回転速度が１．５〜３倍となるように構成したことを特徴とする請求項１記載の攪拌機。
上インペラと下インペラのブレードの捻り方向を相反するように構成したことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の攪拌機。
上インペラ駆動軸と下インペラ駆動軸とをそれぞれ個別の原動機にて駆動するように構成したことを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の攪拌機。
１台の電動機にて上インペラと下インペラの回転速度比を３：９〜４：６となるように変速駆動するように構成したことを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の攪拌機。