JP2011251202A

JP2011251202A - 攪拌混合器

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Publication number: JP2011251202A
Application number: JP2009057095A
Authority: JP
Inventors: Miyoshi Jo; 美慶徐
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2011-12-15

Abstract

【課題】簡易の構成で安価に製作できる攪拌混合器を提供。
【解決手段】処理物を通過させる流路１０を内部有する筒体１と、筒体内の流路中心軸Ｘを挟んで左右部分のそれぞれに流路を変更する対の半楕円状の流路変更板２０，２１とを有する攪拌混合器において、一方の流路変更板２０は、流路中心軸に対し下記角度範囲のα°の傾斜面を下流側先端を持上げて設けると共に、半楕円形状の流路変更板の流路中心軸Ｘと交差する中心側端辺を回転軸として、半楕円形状の流路変更板が外周方向に下がるように下記角度範囲のβ°傾斜させることで二方向の角度による傾斜を設け、他方の流路変更板は、前記一方の流路変更板の流路中心軸を中心軸として１８０度回転させた位置に設けることを特徴とする。
α＝４５±５（°）
β＝（８０−α）±１０（°）
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、マイクロバブル、ナノバブル、ミスト、ドライミスト、エマルジョンなど、二種以上の流体等を攪拌し混合するを行う攪拌混合器に関し、特にマイクロバブルの生成に好適な攪拌混合器に関する。

二種以上の流体等を攪拌し混合するを行うものとして、例えばマイクロバブルの生成があるが、マイクロバブルの生成法としては、（１）超音波、衝撃波等で急激な圧力変動を加えて、気泡をいったん膨張させた後に加圧して気泡を崩壊させる圧壊による方法、（２）冷却加圧等により空気の溶解度を上げておき、定常状態に戻し過飽和状態とし、乱流等の刺激を与え、溶存空気が気泡核を中心にして気泡を成長させる過飽和析出による方法、（３）ベンチュリー管や、旋回流により、気体を含む水に乱流を加え、気体を切るように剪断して気泡を剪断生成させる方法、（４）急激な圧力低下させ蒸気圧以下とすることで、沸騰が起こり、同時に水中の溶存空気が析出し、気泡を発生する現象であるキャビテーションを利用した方法、（５）微細孔から圧力気体を吐出させ気泡を生成する方法等、種々の方法でマイクロバブルを生成している。
具体的には、例えば非特許文献１に示すように高圧下で気体を大量に溶解させ、減圧により再気泡化する手法で気泡を生成している。また剪断によるもの一例として、例えば特許文献１に示すように、旋回回転流を形成し、この中に気体を巻き込み切断・粉砕させ発生させる手法、また、特許文献２に示す技術では、マイクロバブル発生器を洗濯機に応用した技術であり、このマイクロバブル発生器は、管の途中のほぼ中央に交差するように半楕円形翼板よりなるを弦側側縁を設け、公差部上流側の弦側側縁に三角形状の仕切板で弦側側縁に連なる空間を形成し、この空間に流入する水を、公差部で流れを他の弦側側縁の裏面に方向を変化させることで、回転流を生成し、弦側側縁下流側に設けた衝突体で回転流を剪断させマイクロバブルを生成させるものである。

竹村文男マイクロバブルの特性と応用展開講習会テキスト、テクニカルインフォメーションセンター（２００４）再表００−０６９５５０号公報特公平３−９７５９号公報

上述のように、生成法としては、（１）圧壊による方法、（２）過飽和析出により方法、（３）剪断生成させる方法、（４）キャビテーションを利用した方法、（５）微細孔から圧力気体を吐出させ気泡を生成する方法等、種々の方法があるが、マイクロバブルの生成にあっては、従来の種々の方法を単独あるいは組み合わせてマイクロバブルを生成に関して特徴を出している。
マイクロバブル生成にあたって、一般的には一定以上の流速が必要となってくる。例えば、例えば、特許文献２に示すものにあっては、管内面に多数の衝突体を設けることで、流速に剪断による乱流を生じさせることが出来る為、マイクロバブルの生成部が小型に生成でき、一定の圧力源で簡易にマイクロバブルを生成することが出来る等優れた効果を有するものである。
しかしながら、この技術では、管内面に多数の衝突体を設け、また仕切板を設ける構造であり、製作工数が掛かり、比較的に安価に製造することが出来ない。
一般的に、通常の水道蛇口からの水流は、０．２ｋｇ／ｓ程度、水圧で１Ｋｇｆ／ｃｍ^２程度である。加圧するためのポンプなどを使用せずにマイクロバブルを作り出すには、マイクロバブル生成器内で旋回流等の生成、剪断等の要素はが複雑に作用し、一概に規定できないが、乱流が少ない場合では２Ｋｇｆ／ｃｍ^２以上でマイクロバブルが生成できる場合がある。そして、マイクロバブル生成器内で、乱流が大きくとれる構成であることが好ましい。
そこで、本発明では、簡易な構成で安価に製作できる攪拌混合器を提供するもので、特に、家庭等の水道水の圧力等でも簡易にマイクロバブルを発生できるマイクロバブル生成器を提供することにある。

本発明は、上述した課題を解決するため、以下の手段を構成した。
（１）処理物を通過させる流路を内部有する筒体と、筒体内の流路中心軸を挟んで左右部分のそれぞれに流路を変更する対の半楕円状の流路変更板とを有する攪拌混合器において、一方の流路変更板は、流路中心軸に対し下記角度範囲のα°の傾斜面を下流側先端を持上げて設けると共に、半楕円形状の流路変更板の流路中心軸と交差する中心側端辺を回転軸として、半楕円形状の流路変更板が外周方向に下がるように下記角度範囲のβ°傾斜させることで二方向の角度による傾斜を設け、他方の流路変更板は、前記一方の流路変更板の流路中心軸を中心軸として１８０度回転させた位置に設けることを特徴とする。
α＝４５±５（°）
β＝（８０−α）±１０（°）
（２）対の流路変更板の交差部より流路下流側の近接した筒体内空間部に開口部を設けた添加混合体導入管を設けたことを特徴とする。
（３）対の流路変更板の下流側の筒体内空間部であって、流路内に回転流を直線流とする整流板を設けることを特徴とする。
（４）前記対の流路変更板を、流路内に複数対設けることを特徴とする。
（５）処理対象物として水及び空気を用いマイクロバブル発生器として使用することを特徴とする。

本発明では、処理物を通過させる流路を内部有する筒体内の流路中心軸を挟んで左右部分のそれぞれに流路を変更する対の半楕円状の流路変更板とを有する攪拌混合器であり簡易な構成とすることが出来、内部構成として一方の流路変更板は、流路中心軸に対し角度範囲のα°（α＝４５±５）の傾斜面を下流側先端を持上げて設けると共に、半楕円形状の流路変更板の流路中心軸と交差する中心側端辺を回転軸として、半楕円形状の流路変更板が外周方向に下がるように角度範囲のβ°（８０−α＝β±１０）傾斜させることで二方向の角度による傾斜を設け、他方の流路変更板は、前記一方の流路変更板の流路中心軸を中心軸として１８０度回転させた位置に設ける構成としている。ここで、筒体内の渦流毎秒４００〜６００回転とすることが出来、またこの範囲の角度とすることで、配管の強度を考慮し、管内圧力を８Ｋｇｆ／ｃｍ^２以下程度とすることが出来るように作用する。
なお、前記α°の角度とすることで、筒体内の圧力を高め、またβ°傾斜させることで、流速を高めるように作用することで小型でありながら、安価に攪拌混合器を製作することが出来るように作用する。

また、対の流路変更板の公差部より流路下流側の近接した筒体内空間部に開口部を設けた添加混合体導入管を設けている。この公差部より流路下流側の近接した筒体内空間部の位置は、管内圧力が非常に小さくなっている部位であり、容易に添加混入体を処理対象物に混入することが出来るように作用する。
更に、対の流路変更板の下流側の筒体内空間部であって、流路内に回転流を直線流とする整流板を設けることで旋回流を停止させるように作用する。旋回流が無くなることで、排出口近傍の減圧部がなくなり外部からの空気等の流入を押さえることが出来るように作用する。

本発明の攪拌混合器によれば、簡易な構成でありながら攪拌混合器内の乱流を大きくとることが出来、確実な攪拌混合を行うことが出来る。また水と空気の混合に使用した場合には、マイクロバルブを発生、水蒸気ミストの発生についても確実に行うことが出来る効果を有する等優れた効果を有する。

本発明の攪拌混合器の概略斜視説明図攪拌混合器に用いる流路変更板の角度設定を説明した概略説明図流路変更板の流入部の内部圧力が８Ｋｇｆ／ｃｍ^２となる条件のα−βの角度と流速の関係を示す説明図本発明の攪拌混合器の縦断面説明図図４のＡ部の断面説明図図５のＢ部の拡大断面説明図整流板を設けなかったときの出口部分の解析状態を示す説明図整流板を設けたときの出口部分の解析状態を示す説明図

本発明の攪拌混合器は、処理物を通過させる流路を内部有する筒１内の流路１０の中心軸を挟んで左右部分のそれぞれに流路を変更する対の半楕円状の流路変更板２０，２１とを有する。そして、本発明の攪拌混合器は、対の流路変更板２０，２１の公差部より流路１０の下流側の近接した筒体内空間部に開口部３０を設けた添加混合体導入管３と流路１０内に回転流を直線流とする整流板４とをあわせ有している。以下、これらについて図面に基づいて説明する。

＜筒体１＞
筒体は、ある程度強度を有する材質よりなり、鉄等の適宜材料で形成し、少なくとも内部は、被処理物の水その他流体が通過する部分であり、断面円形状で製作している。
そして大きさは、通常水道管等に取り付けて使用するにあっては、水道管と同じか、それ以下の太さに成形し、水道配管の先に取り付け使用することが出来る。

＜流路変更板２０，２１＞
流路変更板２０，２１は、前記筒体１と同様の材質で鋳造や射出成形等の方法で一体的に成形することが出来るが、筒体１とは別個に製作し、内部に固定する構成であっても良い。
流路変更板２０，２１は図１に示すように構成するが、この角度の付け方について、図２の理解しやすいように流路変更板を長方形とした略図に基づいて説明する。
筒体１の流路１０の流路中心軸Ｘの手前側の流路変更板２０の角度について、流路方向にの状態（図２（ａ１））の流路変更板２０を下流側先端を持上げるように、流路中心軸Ｘに対し角度範囲のα°の傾斜面を形成する（図２（ａ２））。次いで、流路の中心側Ｘ側の端辺（実施例では半楕円形状の流路変更板の流路中心軸と交差する中心側端辺）を回転軸として、半楕円形状の流路変更板が外周方向に下がるように下記角度範囲のβ°傾斜させる（図２（ａ３）（ａ４））。
他方、筒体１の流路１０の流路中心軸Ｘの奥側の流路変更板２１の角度について、前記流路変更板２０と流路中心軸Ｘを中心として１８０°回転させた方向に角度を傾けた位置となる。即ち、図２（ａ１）の流路変更板２０を、上流側先端を持上げるように、流路中心軸Ｘに対し角度範囲のα°の傾斜面を形成する（図２（ｂ２））。次いで、流路の中心側Ｘ側の端辺（実施例では半楕円形状の流路変更板の流路中心軸と交差する中心側端辺）を回転軸として、半楕円形状の流路変更板が外周方向に持ち上げる下記角度範囲のβ°傾斜させる（図２（ｂ３）（ｂ４））。

次に、流路変更板２１の角度について述べる。
表１は、直径２０ｍｍの管に図１の流路変更板２０，２１を設け、流入条件として、流入量２．６Ｋｇ／ｓ、流入速度、乱流エネルギーは流路変更板２０，２１の先端から１２．５ｍｍの位置の数値をＣＯＳＭＯＳＦｌｏＷｏｒｋｓを使用し解析を行った。
気液せん断法によるマイクロ・バブル発生においては４００〜６００ｒ／ｓの回転が必要とされている。従って直径２０ｍｍでは、その円周は、近似値で、０．０６２８ｍとなり、２５．２〜３７．６８ｍ／ｓの回転速度が必要となる。

ここで、角度αを増やすことにより断面積が減少して流入側の圧力が上昇すると共に、流速と乱流エネルギーが上昇する。また、定まった方向の角度βを付け加える事により流れに回転力がさらに加わり流速と乱流エネルギーが上昇する。そして、解析の結果から、角度αが４０度未満の場合では、角度βをいくら増やしても管内の圧力だけが上昇するだけで流速が早まらない。また、角度αが５０度を超えると角度βを調整しても流速が早まらないことが判る。
更に、角度αが４０〜５０度の状態において角度βを調整することにより、管内圧力を８Ｋｇｆ／ｃｍ２の条件下で、最大流速が３７．４〜３７．５ｍ／ｓ、乱流エネルギー４６．７〜５２．８Ｊ／Ｋｇと最も良好な状態となる。
この表１の結果から、α＝４５°±５°、β＝（８０−α）±１０°となる二方向の角度による傾斜を求めた。

次に、図３は、流路変更板２０，２１の流入部の内部圧力が、８Ｋｇｆ／ｃｍ^２となる条件のα−βの角度と流路変更板２０，２１から１２．５ｍｍの位置での流速を求めた。
この表からもαの角度が、α＝４５°±５°の条件が最も最適であり、これを外れると流速および乱流エネルギーも低下することが分かる。
また、βの角度も、前記と同様にβ＝（８０−α）±１０°の範囲となっている。
なお、上記各条件は平板の肉厚を変えて開口断面積を変化させてもほぼ同様であった。

＜添加混合体導入管３＞
添加混合体導入管３は、攪拌混合器で処理対象物に、流体、気体、流体粉体を添加する際に使用するときに用いる。例えば処理対象物の水に空気を添加し、マイクロバブル発生器と使用する場合などに使用する。
ここで、本発明では、添加混合体導入管３はパイプ上の管を筒体１の外部から挿入する。そして、挿入位置は、図３〜５に示すごとく、流路変更板２０，２１の公差部より流路１０の下流側の近接した筒体１内の空間部に設けている。この位置に設けたのは、図７に示したように、対の流路変更板２０，２１の交差部より流路の下流側の近接した筒体内の空間部には、管内圧力が非常に小さくなっている部位であり、この部分に設けることで、容易に添加混入体を容易に混入することが出来るからである。なお、図示はしないが、対の流路変更板２０，２１の公差部から高速の流体が流れていることより、この流れに巻き込むように、この部分では筒体１の下流側から交差部分に向かって流体が流れる為、添加混合体導入管３の開口部３０を交差部側に設けている。

＜整流板４＞
整流板４は、筒体１の出口１２から流体が排出するとき、筒体内部の処理流体は旋回流となっている為、旋回流の遠心力のため出口１２から外部に外周側に沿って排出される為、出口１２の中心軸付近の圧力が少なくなってしまい、外部空気を攪拌混合器内に巻き込んでしまう場合がある（図７参照）。
即ち、通常水中などで使用する場合には問題がないが、出口１２が空気中で使用する場合には、この整流板を設けることで、処理流体の流れが整い空気の巻き込みを防止することが出来る（図８参照）。
なお、整流板を設ける位置は、処理流体の旋回流の中心を分割するように設けることが好ましい。これは旋回流が殆ど流れてない部分では、整流板で区切られた２つの部分内で旋回を生じさせるため、旋回流の整流とはならないからである。

前記図８において、流路変更板２０，２１を流路に２対、設けている。
これは、流路変更板２０，２１を１組使用した場合では圧力が２．８Ｋｇｆ／ｃｍ２最大流速１４．５ｍ／ｓにしか上昇しなかったが、２組使用するとともに先端に３φｍｍのパイプを設置した。これにより、圧力が４．９Ｋｇｆ／ｃｍ２となり最大流速も２２．４ｍ／ｓとなった。ただし、２対の流路変更板２０，２１の中間部分では圧力が高くなるため前記した添加混合体導入管３を設けた場合には、加圧する必要がある。

本発明は、液体に対し、気体、流体粉流体の混合、気体に液体を混合するミストの生成等の用途に適用できる。

１筒体
１０流入口
１１排出口
２０，２１流路変更板
３添加混合体導入管
３０開口部
４整流板

Claims

処理物を通過させる流路を内部に有する筒体と、筒体内の流路中心軸を挟んで左右部分のそれぞれに流路を変更する対の半楕円状の流路変更板とを有する攪拌混合器において、一方の流路変更板は、流路中心軸に対し下記角度範囲のα°の傾斜面を下流側先端を持上げて設けると共に、半楕円形状の流路変更板の流路中心軸と交差する中心側端辺を回転軸として、半楕円形状の流路変更板が外周方向に下がるように下記角度範囲のβ°傾斜させることで二方向の角度による傾斜を設け、他方の流路変更板は、前記一方の流路変更板の流路中心軸を中心軸として１８０度回転させた位置に設けることを特徴とする攪拌混合器。
α＝４５±５（°）
β＝（８０−α）±１０（°）
対の流路変更板の公差部より流路の下流側の近接した筒体内の空間部に開口部を設けた添加混合体導入管を設けたことを特徴とする請求項１記載の攪拌混合器。
対の流路変更板の下流側の筒体内空間部であって、流路内に回転流を直線流とする整流板を設けることを特徴とする攪拌混合器。
請求項１記載の対の流路変更板を、流路内に複数対設けることを特徴とする攪拌混合器。
処理対象物として水及び空気を用いマイクロバブル発生器と使用することを特徴とする請求項１または２記載の攪拌混合器。