JP2013063375A

JP2013063375A - 攪拌装置

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Publication number: JP2013063375A
Application number: JP2011202502A
Authority: JP
Inventors: Manabu Iguchi; 学井口; Moriyoshi Shidara; 守良設樂
Original assignee: HYUUENSU KK
Current assignee: HYUUENSU KK
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2013-04-11

Abstract

【課題】深い容器においても、機械的な駆動源を必要とせずに良好な攪拌を可能とする装置を提供する。
【解決手段】内部に液体が収容された内径Ｄの円筒形容器（１２）を備え、円筒形容器の底壁のほぼ中央に、液体内に気体を吹き込むためのノズル（１４）が配置されており、ノズルから液体内に吹き込まれる気体の流量Ｑ_a が、ρ_L Ｑ_a ² ／（σ_L Ｄ³ ）＝１０^-5（ここで、ρ_L は液体の密度、σ_L は液体の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、気体の気泡が液体の液面を吹き抜けない流量以下であり、ノズルから所定の間隔だけ離れた個所に下端が位置し、液面から深さＨ₁ のところに上端が位置し、ほぼ垂直方向に延びた噴流通過パイプ（１６）を備え、深さＨ₁ と内径Ｄとの比Ｈ₁ ／Ｄが、０．３〜１の範囲にある攪拌装置（１０）。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に、攪拌装置に関する。より詳細には、本発明は、プロペラ等の機械的な駆動源を必要とせずに、液体を効率的に攪拌することができる攪拌装置に関する。

本発明者は、機械的な駆動源を必要とせずに、流体を効率的に攪拌させることができる種々の攪拌装置を提案している（特許文献１〜特許文献４参照）。

特許第３０５８８７６号明細書特許第４１９５７８２号明細書特許第４３８４４７７号明細書特許第４７１００７０号明細書

本発明は、上述の特許文献、とりわけ特許文献１において提案された装置を改良発展させたものであり、深い容器においても良好な攪拌を可能とする装置を提供することを目的としている。

図６を参照して、本発明の攪拌装置の作動原理について説明する。底部に単孔ノズルを備えた円筒形容器内に液体を充填し、単孔ノズルから液体内にガスを吹き込むと上昇気泡噴流が形成されるが、本発明者は、特許文献１に示したように、一定条件下において、この上昇気泡噴流によって、液体の攪拌に好ましい旋回現象が発生することを見い出した。すなわち、円筒形容器の内径をＤ、単孔ノズルと液面との高さの差を ₀Ｈ₁ とすると、Ｄと ₀Ｈ₁ との関係が約０．３＜ ₀Ｈ₁ ／Ｄ＜約１である場合に、気泡噴流の半径方向変位が比較的小さく、周期が短い旋回現象が発生し、円筒形容器内の液体は、スロッシングに似た挙動を示す。ここで、スロッシングとは、容器が軸方向又は半径方向に加振されることによって液体の振動が誘起される現象をいう。上述の旋回現象は、気泡の生成、上昇に伴う気体から液体への周期的加振によって誘起されたものと推測される。

上述の旋回現象が気泡による液体への周期的な加振によって誘起されるものであるため、液体の攪拌に好ましい旋回現象が発生するためには、吹き込まれるガスの流量が臨界値以上であり、かつ、気泡が液面を吹き抜ける程度以下であることが必要である。なお、本明細書において使用される語「吹き抜け」とは、ノズルから液体中に吹き込まれた気体が気柱を作って液面から外部へ出る現象を意味している。

本発明者は、ガスの流量の臨界値を以下のように算定した。スロッシングに関する研究によれば、容器の加振によって液面における波動が誘起され、この波動が粘性を介して液体の内部に伝わり、液体内部の運動が起こるといわれている。したがって、旋回は、液面の波動現象が抑えられることによって止まるものと推測される。本発明者の実験によれば、加振力の主要な部分は、気泡が上昇して液面から出る際にほぼ周期的に液体に及ぼす力であろうと結論できる。この力は、上昇する液体の慣性力に依存すると仮定する。また、波動を止めようとする力には、表面張力が関与しているであろう。本発明者は、液体の慣性力と表面張力の比として定義されるウェーバー数Ｗ_e ＝ρ_L Ｑ_a ² ／（σ_L Ｄ³ ）が１０^-5以上であれば、液体の攪拌に好ましい旋回現象が発生することを実験により確かめた。すなわち、上式のウェーバー数Ｗ_e ＝１０^-5が臨界値となる。ここで、ρ_L は液体の密度、Ｑ_a はガスの吹き込み流量、σ_L は液体の表面張力、Ｄは円筒形容器の内径である。

一方、単孔ノズルより上方の液体が、図６（ｂ）の矢印Ａで示されるように、一方向に旋回すると、角運動量保存則により、単孔ノズルより下方の液体は、図６（ｂ）の矢印Ｂで示されるように、逆方向に旋回する。単孔ノズルより下方における旋回流Ｂは、単孔ノズルより上方における旋回流Ａを安定化させており、旋回流Ａへの固形物等の投入により旋回流Ａの速度の低下や乱れが生じても、旋回流Ｂが存在していれば、容易に元の状態に復帰することができる。このため、単孔ノズルより下方に一定の深さの領域を設けるのが好ましい。

上述のように、底部に単孔ノズルを備えた円筒形容器内に液体を充填し、単孔ノズルから液体内にガスを吹き込むことにより、一定条件下で、液体の攪拌に好ましい旋回現象が発生することを見い出したが、円筒形容器が深い（すなわち、単孔ノズルから円筒形容器の底壁までの深さが深い）場合には、円筒形容器の底部に位置する液体の攪拌は必ずしも、十分であるとは言い難かった。本発明は、この点に着目し、円筒形容器が深い場合であっても、容器内の液体が良好に攪拌される装置を開発した。

本願請求項１に記載の、内径Ｄの円筒形容器又は内接円径Ｄの多角形の平面形状をもつ多角形容器を備えた攪拌装置であって、前記円筒形容器又は前記多角形容器内には、液体が収容されており、前記円筒形容器又は前記多角形容器の底壁のほぼ中央に、前記液体内に気体を吹き込むためのノズルが配置されており、前記ノズルから前記液体内に吹き込まれる気体の流量Ｑ_a が、ρ_L Ｑ_a ² ／（σ_L Ｄ³ ）＝１０^-5（ここで、ρ_L は液体の密度、σ_L は液体の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、前記気体の気泡が前記液体の液面を吹き抜けない流量以下である攪拌装置は、前記ノズルから所定の間隔だけ離れた個所に下端が位置し、前記液面から深さＨ₁ のところに上端が位置し、前記下端および前記上端が開口し、ほぼ垂直方向に延びた噴流通過パイプを備え、前記深さＨ₁ と前記内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ₁ ／Ｄが、約０．３〜約１の範囲にあることを特徴とするものである。

本願請求項２に記載の、内径Ｄの円筒形容器又は内接円径Ｄの多角形の平面形状をもつ多角形容器を備えた攪拌装置であって、前記円筒形容器又は前記多角形容器内には、液体が収容されており、前記円筒形容器又は前記多角形容器の底壁のほぼ中央に、前記液体内に気体を吹き込むためのノズルが配置されており、前記ノズルから前記液体内に吹き込まれる気体の流量Ｑ_a が、ρ_L Ｑ_a ² ／（σ_L Ｄ³ ）＝１０^-5（ここで、ρ_L は液体の密度、σ_L は液体の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、前記気体の気泡が前記液体の液面を吹き抜けない流量以下である攪拌装置は、下端に近い部分に１又は複数の開口が設けられ、前記下端が前記ノズルに連結され、前記液面から深さＨ₁ のところに上端が位置し、前記下端および前記上端が開口し、ほぼ垂直方向に延びた噴流通過パイプを備え、前記深さＨ₁ と前記内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ₁ ／Ｄが、約０．３〜約１の範囲にあることを特徴とするものである。

本願請求項３に記載の攪拌装置は、前記請求項１又は２の装置において、前記気体が空気であることを特徴とするものである。

本願請求項４に記載の攪拌装置は、前記請求項１又は２の装置において、前記気体が反応性ガスであることを特徴とするものである。

本願請求項５に記載の攪拌装置は、前記請求項１から請求項４までのいずれか１項の装置において、前記深さＨ₁ と前記内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ₁ ／Ｄが、０．５であることを特徴とするものである。

本発明の攪拌装置は、容器が深い場合であっても、良好な攪拌効果を得ることができる。本発明の攪拌装置は、プロペラ等の駆動源を必要としないため、構造が極めて簡単であり、従って、装置の製造コスト、維持コストを廉価に押さえることができ、保守点検に要する時間・手間を減少させることができる。

本発明の好ましい実施の形態に係る攪拌装置を示した全体概略図である。図２（ａ）は図１の部分２ａの拡大図、図２（ｂ）は図２（ａ）に示した個所の斜視図である。図１の攪拌装置を作動状態を示した図である。本発明の第２の実施の形態に係る攪拌装置を示した概略図である。図３の部分４の拡大図である。図１の攪拌装置の変形形態を示した図である。図１の攪拌装置の作動原理を説明するための図である。

次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る攪拌装置について説明する。図１において全体として参照符号１０で示される本発明の好ましい実施の形態に係る攪拌装置は、側壁１２ａと底壁１２ｂとを有する円筒形容器１２を備えている。円筒形容器１２の内径は、図１に示されるように、Ｄである。円筒形容器１２内には、底壁１２ｂから液面までの高さがＨ₁ ＋Ｈ₂ ＋Ｈ₃ となるように、攪拌しようとする液体が収容されている。

円筒形容器１２の底壁１２ｂのほぼ中央には、ノズル１４が配置されており、ノズル１４は、エアコンプレッサ（図示せず）に連結されている。これにより、エアコンプレッサから供給された空気がノズル１４から液体内に噴射されるようになっている。

攪拌装置１０はまた、ノズル１４から間隔Ｈ₃ だけ離れた個所に下端１６ａが位置し、液面から深さＨ₁ のところに上端１６ｂが位置し、ほぼ垂直方向に延びた噴流通過パイプ１６を備えている。

図２（ａ）および図２（ｂ）には、噴流通過パイプ１６がスペーサ部材１８によって、円筒形容器１２の底壁１２ｂのノズル１４から間隔Ｈ₃ へだてた個所に配置されている状態が示されている。図２（ａ）および図２（ｂ）に示される例では、スペーサ部材１８は、円周方向に９０°間隔をへだてて配置された４基の支柱によって構成されているが、噴流通過パイプ１６を所定個所に配置することができるものであれば、図示されている構成に限定されるものではない。

なお、液面から噴流通過パイプ１６の上端１６ｂまでの深さＨ₁ と円筒形容器１２の内径Ｄとの比Ｈ₁ ／Ｄは、約０．３〜約１の範囲にある。好ましくは、比Ｈ₁ ／Ｄは、約０．５である。

図３は、攪拌装置１０においてノズル１４から噴射された空気が噴流通過パイプ１６を通って液体内に噴射され、これにより液体が、矢印Ａで示されるように旋回している状態を示した模式図である。この場合において、ノズル１４から噴射される空気の流量Ｑ_a は、上述のように、ρ_L Ｑ_a ² ／（σ_L Ｄ³ ）＝１０^-5を満足する流量以上であり、かつ、空気の気泡が液面を吹き抜ける程度以下である。

なお、噴流通過パイプ１６の上端１６ｂより下方の液体は、上述のように、角運動量保存則により、図３において矢印Ｂで示されるように、逆方向に旋回する。

次に図３および図４を参照して、以上のように構成された攪拌装置１０の作動について説明する。攪拌装置１０において、ノズル１４から液体内に空気を吹き込むと、空気は、噴流通過パイプ１６を通って噴流通過パイプ１６の上端１６ｂから液体内に噴射される。これにより、噴流通過パイプ１６の上端１６ｂの近傍およびそれより上方に位置する液体は、矢印Ａで示されるように旋回し、その下方に位置する液体は、矢印Ｂで示されるように逆方向に旋回する。

一方、噴流通過パイプ１６の下端１６ａの周辺に位置する液体は、ノズル１４から液体内に吹き込まれる空気に随伴して噴流通過パイプ１６の下端１６ａに吸い込まれようとするため、液体に矢印Ｃ₁ 、Ｃ₂ で示されるような運動が付加される。これにより、容器１２の底部に位置する液体も攪拌されることとなる。

本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

また、前記実施の形態では、円筒形容器１２の平面形状は円であるが、平面形状をｎ角形（ｎ≧３）にした多角形容器（図示せず）を円筒形容器１２の代わりに使用してもよい。この場合のＤは、ｎ角形の内接円の径となる。

また、前記実施の形態では、ノズルから噴射される気体は空気であるが、液体を攪拌しつつ反応させようとする場合には、ノズルから噴射される気体を、目的に応じて、例えば酸素ガスのような反応性ガスとしてもよい。

さらに、前記実施の形態では、噴流通過パイプ１６の下端１６ａがノズル１４から間隔Ｈ₃ だけ離れた個所に位置するように構成されているが、たとえば図５に示されるように、下端に近い部分に１又は複数の開口１６′ａが設けられた噴流通過パイプ１６′を準備し、噴流通過パイプ１６′の下端をノズル１４に連結するように構成してもよい。この実施の形態では、開口１６′ａを介して液体が吸い込まれようとするため、前記実施の形態と同様の効果が得られる。

１０攪拌装置
１２円筒形容器
１４ノズル
１６、１６′ 噴流通過パイプ
１８スペーサ部材

Claims

内径Ｄの円筒形容器又は内接円径Ｄの多角形の平面形状をもつ多角形容器を備えた攪拌装置であって、前記円筒形容器又は前記多角形容器内には、液体が収容されており、前記円筒形容器又は前記多角形容器の底壁のほぼ中央に、前記液体内に気体を吹き込むためのノズルが配置されており、前記ノズルから前記液体内に吹き込まれる気体の流量Ｑ_a が、ρ_L Ｑ_a ² ／（σ_L Ｄ³ ）＝１０^-5（ここで、ρ_L は液体の密度、σ_L は液体の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、前記気体の気泡が前記液体の液面を吹き抜けない流量以下である攪拌装置において、
前記ノズルから所定の間隔だけ離れた個所に下端が位置し、前記液面から深さＨ₁ のところに上端が位置し、前記下端および前記上端が開口し、ほぼ垂直方向に延びた噴流通過パイプを備え、
前記深さＨ₁ と前記内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ₁ ／Ｄが、約０．３〜約１の範囲にあることを特徴とする攪拌装置。
内径Ｄの円筒形容器又は内接円径Ｄの多角形の平面形状をもつ多角形容器を備えた攪拌装置であって、前記円筒形容器又は前記多角形容器内には、液体が収容されており、前記円筒形容器又は前記多角形容器の底壁のほぼ中央に、前記液体内に気体を吹き込むためのノズルが配置されており、前記ノズルから前記液体内に吹き込まれる気体の流量Ｑ_a が、ρ_L Ｑ_a ² ／（σ_L Ｄ³ ）＝１０^-5（ここで、ρ_L は液体の密度、σ_L は液体の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、前記気体の気泡が前記液体の液面を吹き抜けない流量以下である攪拌装置において、
下端に近い部分に１又は複数の開口が設けられ、前記下端が前記ノズルに連結され、前記液面から深さＨ₁ のところに上端が位置し、前記下端および前記上端が開口し、ほぼ垂直方向に延びた噴流通過パイプを備え、
前記深さＨ₁ と前記内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ₁ ／Ｄが、約０．３〜約１の範囲にあることを特徴とする攪拌装置。
前記気体が空気であることを特徴とする請求項１又は２に記載された攪拌装置。
前記気体が反応性ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載された攪拌装置。
前記深さＨ₁ と前記内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ₁ ／Ｄが、０．５であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された攪拌装置。