JP2016185509A - 撹拌機機能測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撹拌機機能を数値化して把握できるようにする。【解決手段】内部循環流ｆを生起させる円筒筐体３１の下端に設けられた吸引開口３２から所定の単位時間の間に、撹拌液槽３から吸引して撹拌実施液槽４に移動保持させ、当該移動液量を撹拌機本体７の撹拌能力として実測するようにしたことによって当該実測した移動液に基づいて撹拌機２１の撹拌能力を数値化でき、当該数値化した撹拌能力を使って実装置である撹拌機２１の設計基準を明確に計画できる。【選択図】図１

Description

本発明は撹拌機機能測定装置に関し、特に撹拌装置の撹拌機能を数値化して予測できるようにしたものである。

従来撹拌装置であって、羽根型の撹拌部材を用いない形態の撹拌装置として、特許文献１に示すように、円筒回転部材の内部に内部循環流を生起させるようにしたものが提案されている。

この構成の撹拌装置によれば、羽根型の撹拌部材を用いることなく、安全かつ効率良く、撹拌対象の撹拌を行い得る。

特開２０１４−１２４５４０公報

ところで、一般に撹拌装置においては、羽根型の撹拌部材を用いた形態のものを含めて、撹拌機能の測定及び計算法が明確とは言えないのが現状である。

本発明はかかる点を考慮してなされたもので、小規模実験の撹拌による液体移動量の実測によって客観的な工程時間と、撹拌効果管理のエネルギーを確認することにより、正確な製造能力、例えば実質的な撹拌量や製造工程の実際の処理時間、消費エネルギー、撹拌効果などを予測するデータを得ることができるようにしたものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、上端が天板２１Ｇ１によって閉塞された円筒筐体３１を、天板２１Ｇ１と一体に回転する回転駆動軸２１Ｅによって当該円筒筐体３１の中心軸線Ｌ１を中心として回転する撹拌機本体７、２１Ａを有し、円筒筐体３１は、周面に穿設された複数の開放開口３１Ａ１〜３１Ａ４と、内周面に内方に突出するように設けられた複数のフィン３３Ａ１〜３３Ａ４と、底板２１Ｇ２に設けられた吸引開口３２とを有し、円筒筐体３１は、回転した時、フィン３３Ａ１〜３３Ａ４によって、内在する撹拌対象液２１Ｃを中心軸線Ｌ１の周りに循環させる内部循環流ｆを生起させて当該内部循環流ｆを形成する撹拌対象液２の一部を遠心力によって開放開口３１Ａ１〜３１Ａ４から外部放出流ｄ１〜ｄ４として円筒筐体３１の外部に放出させると共に、外部の撹拌対象液２を吸引開口３２から吸引流ｅ１〜ｅ３として内部に吸引し、撹拌機本体７、２１Ａは、吸引開口３２を介して所定の単位時間の間に撹拌液槽３から吸引した撹拌対象液２を撹拌実施液槽５に移動保持させ、撹拌実施液槽５に保持させた移動液量を撹拌機本体７、２１Ａの撹拌能力として実測するようにする。

本発明によれば、内部循環流を生起させる円筒筐体の底板に設けられた吸引開口から、撹拌対象液を所定の単位時間の間に、撹拌液槽から吸引して撹拌実施液槽に移動保持させ、当該移動液量を撹拌機本体の撹拌能力として実測するようにしたことによって、当該実測した移動液量に基づいて撹拌機の撹拌能力を数値化し得、当該数値化した撹拌能力を使って撹拌機の設計基準を明確に計画できるようにした。

本発明による撹拌機機能測定装置の一実施の形態を示す略線的系統図である。 実装置としての撹拌装置を示す略線図である。 撹拌機本体の詳細を示す略線的斜視図である。 図３の円筒筐体の説明に供する略線的平面図である。 撹拌量測定の基本操作を示す略線図である。 移動液量の計量操作を示す斜視図である。 撹拌移動液の実測結果の評価を示す特性曲線図である。 撹拌効率の実測結果を示す図表である。 揚力測定基準実測装置を示す略線的斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は揚力測定基準及び揚力測定手順を示す略線的斜視図である。 撹拌揚力の評価を示す特性曲線図である。 揚力と回転速度の関係を示す図表である。 吸引口径と揚力・回転速度との関係を示す図表である。 吸引口径と揚力・回転速度との関係を示す棒グラフである。 撹拌効率の実測結果を示す図表である。 撹拌効率の実測結果を表す棒グラフである。 撹拌移動量と吸引口径との関係を示す特性曲線図である。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）撹拌機機能測定装置の構成
図１において、１は全体として撹拌機機能測定装置を示し、撹拌されるべき対象である撹拌対象液２を保持する撹拌液槽３の上部に、撹拌実施液４を保持する撹拌実施液槽５を設け、撹拌実施液槽５に保持されている撹拌実施液４を測定対象である撹拌機６の撹拌機本体７を回転駆動モータ８によって回転させることにより撹拌を行う。

撹拌機本体７は駆動モータ架台９に支持された回転駆動モータ８によって回転されたとき、撹拌実施液槽５の底板に設けられた吸引部材１０の吸引管１０Ｂを通して撹拌液槽３内の撹拌対象液２を撹拌実施液槽５内に吸引することにより揚水するようになされている。

回転駆動モータ８は、測定制御ユニット１１によって、測定実施者が測定条件設定手段１２を介して入力した測定条件に従って回転駆動される。

測定制御ユニット１１は、測定実施者が撹拌開始操作子１３を操作した時点から撹拌停止操作子１４を操作する時点まで、回転速度表示手段１５に表示された回転速度（単位時間当りの回転数［ｒｐｍ］）で回転駆動モータ８を回転駆動することにより、撹拌機本体７による撹拌動作を行わせる。

（２）実装置としての撹拌装置
ここで撹拌機本体７は、図２に示すような実装置としての撹拌装置２１の撹拌機本体２１Ａとして用いられるものを撹拌機能の測定手段として適用される。

実装置としての撹拌装置２１は、撹拌機本体２１Ａを、方形形状を有する撹拌液槽２１Ｂに入れられている撹拌液２１Ｃ内に、上方から垂直方向に差し込んだ構成を有する。

撹拌機本体２１Ａは、回転駆動部２１Ｄの、上下方向に延長する、回転駆動軸２１Ｅの下端部に取り付けられ、回転駆動軸２１Ｅが駆動モータ２１Ｆによって垂直方向に延長する中心軸線Ｌ１上を回転することにより、当該中心軸線Ｌ１を中心として回転駆動する。

撹拌機本体２１Ａは、図３に示すように、上端面及び下端面をそれぞれ天板２１Ｇ１及び底板２１Ｇ２によって閉塞された円筒回転部材２１Ｇを有し、矢印ａで示すように上方から見て反時計方向に回転する回転駆動軸２１Ｅの下端が天板２１Ｇ１に一体に固着されることにより、円筒回転部材２１Ｇが矢印ｂで示すように反時計方向に回転駆動する。

円筒回転部材２１Ｇは、上端面及び下端面に天板２１Ｇ１及び底板２１Ｇ２が固着された薄い金属板（又は樹皮等の同等の別素材）でなる円筒筐体３１を有し、円筒筐体３１の外側面には、図４に示すように、中心軸線Ｌ１を中心として９０［°］の隔間隔を保って４つの開放開口３１Ａ１、３１Ａ２、３１Ａ３及び３１Ａ４が穿設されていると共に、底板２１Ｇ２の中心位置から下方に突出するように、円筒筐体３１から下方の撹拌液槽２１Ｂに対する吸引口として連通する円筒形状の吸引筒部３２が形成されている。

この実施の形態の場合、開放開口３１Ａ１〜３１Ａ４の配列は、円筒筐体３１の上下方向の中間位置において上下方向に３段形成され（図３では図示簡略化のため２段分だけが記載されている）、これにより円筒回転部材２１Ｇには円筒外周面に１２個の開放開口が９０［°］の隔間隔を保ちながら形成されている。

円筒筐体３１の開放開口３１Ａ１、３１Ａ２、３１Ａ３及び３１Ａ４の回転方向ｂ側の端縁には開放開口３１Ａ１、３１Ａ２、３１Ａ３及び３１Ａ４から中心軸線Ｌ１側に向う方向に突出する押出突板部３３Ａ１、３３Ａ２、３３Ａ３及び３３Ａ４が形成され、これにより円筒筐体３１内に入っている撹拌液２１Ｃのうち、押出突板部３３Ａ１、３３Ａ２、３３Ａ３及び３３Ａ４から回転方向ｂ側に隣接する開放開口３１Ａ２、３１Ａ３、３１Ａ４及び３１Ａ１に至るまでの撹拌液２１Ｃを押出突板部３３Ａ１、３３Ａ２、３３Ａ３及び３３Ａ４によって回転方向ｂの方向に押出し移動させるようになされている。

かくして押出突板部３３Ａ１〜３３Ａ４は、撹拌液２１Ｃを撹拌するためその面によって当該撹拌液２１Ｃを押し出すことにより移動させる撹拌液移動手段（これをフィンと呼ぶ）を形成する。

図２〜図４の構成において、撹拌機本体２１Ａを撹拌液２１Ｃ内に挿入した状態において、回転駆動部２１Ｄによって撹拌機本体２１Ａが矢印ａの方向に回転されると、円筒筐体３１の円周面のうち、開放開口３１Ａ１のフィンである押出突板部３３Ａ１と開放開口３１Ａ２のフィンである押出突板部３３Ａ２との間の部分、開放開口３１Ａ１のフィンである押出突板部３３Ａ２と開放開口３１Ａ３のフィンである押出突板部３３Ａ３との間の部分、開放開口３１Ａ３のフィンである押出突板部３３Ａ３と開放開口３１Ａ４のフィンである押出突板部３３Ａ４との間の部分並びに開放開口３１Ａ４のフィンである押出突板部３３Ａ４と開放開口３１Ａ１のフィンである押出突板部３３Ａ１との間の部分が、それぞれ矢印ｃ１、ｃ２、ｃ３並びにｃ４で示すように、矢印ａと同じ方向に移動していく。

このとき円筒筐体３１内の撹拌液２１Ｃのうち、該当する部分がそれぞれ矢印ｃ１、ｃ２、ｃ３及びｃ４の方向に、内側に接する中心部にある撹拌液２１Ｃの部分を引きつれながら、移動していく。

この結果、押出突板部３３Ａ１〜３３Ａ４が全体として撹拌液２１Ｃを移動させる手段であるフィンとなって円筒回転部材２１Ｇが回転始動してから安定回転状態になると、フィンである押出突板部３３Ａ１〜３３Ａ４部分の撹拌液２１Ｃの回転動作に引きつられて、その内側の中心軸線Ｌ１の周囲の撹拌液２１Ｃの部分が回転駆動軸２１Ｅの回転速度と同程度の速度で回転するようになる（これを内部循環流ｆと呼ぶ）。

この内部循環流ｆを形成する撹拌液２１Ｃには、その外側を移動する撹拌液２１Ｃを引きつれて回転している状態において、中心軸線Ｌ１を中心として外方に放射状に遠心力が作用するようになる。

やがてこの遠心力が作用した内部循環流ｆの一部の撹拌液２１Ｃは、図４において矢印ｄ１〜ｄ４で示すように、開放開口３１Ａ１〜３１Ａ４から外部放出流として円筒筐体３１から外部の撹拌液槽２１Ｂに放出される。

この実施の形態の場合、フィンを構成する押出突板部３３Ａ１〜３３Ａ４は、円筒筐体３１の外周板部に開放開口３１Ａ１〜３１Ａ４の外周面を形成するような切れ目を入れると共に、外形形状加工を施した後に、内側に折り込むことにより形成する。

その際当該折り込み角度を円筒筐体３１の内側面に対して例えば４５［°］とすることにより、円筒筐体３１が回転した際の押出突板部３３Ａ１〜３３Ａ４の撹拌液２１Ｃの押し込み方向が中心軸線Ｌ１に近づくようになり、これにより押出突板部３３Ａ１〜３３Ａ４による内部循環流ｆの形成動作を容易にするようになされている。

このとき、撹拌液槽２１Ｂ内の撹拌液２１Ｃが、図３において矢印ｅ１で示すように吸引開口として機能する吸引筒部３２を通って円筒筐体３１内に吸引流として引き込まれ、これに応じて矢印ｅ２及びｅ３で示すように、撹拌液槽２１Ｂの底板２１Ｇ２近くの撹拌液２１Ｃが吸引筒部３２の下端部に集められて、吸引流ｅ１として吸引筒部３２に吸引されていく。

この円筒筐体３１の撹拌液２１Ｃの流れは、開放開口３１Ａ１〜３１Ａ４から放出される外部放出流ｄ１〜ｄ４（水平放出流）と吸引筒部３２からの吸引流ｅ１〜ｅ３（垂直反重力方向の渦形吸引流）とが同時に生起されることにより、吸引筒部３２から吸引された撹拌液２１Ｃは、円筒筐体３１の中心軸線Ｌ１を中心とする内部循環流ｆ（サイクロン流）となった後、当該内部循環流ｆの一部が外部放出流ｄ１〜ｄ４として外部に放出するような撹拌液２１Ｃの撹拌流となる。

図２〜図４の実装置としての撹拌装置２１によれば、円筒筐体３１でなる撹拌機本体２１Ａの回転に従って、その内部に内部循環流ｆを生起させると共に、その一部の撹拌液２１Ｃを遠心力によって外部放出流ｄ１〜ｄ４として外部に向う流れを生じさせ、さらにその負圧を利用して外部から内部へ向う吸引流ｅ１〜ｅ３として円筒筐体３１を中心として撹拌液槽２１Ｂ内の撹拌液２１Ｃを全体として撹拌流に巻き込むように移動させることにより、撹拌液槽２１Ｂの撹拌液２１Ｃを均一に撹拌することができる。

（３）撹拌機能の測定
（３−１）測定装置の基本動作
撹拌機機能測定装置１の基本動作は、図５に簡略化して示すように、測定すべき撹拌機本体７を撹拌実施液槽５内に設定して実測すべき複数の回転速度で撹拌動作させることにより、撹拌液槽３から撹拌実施液槽５に吸引筒部３２を介して撹拌対象液２が撹拌実施液４として吸引され撹拌実施液槽５内に揚水される液量を、実測目盛１６として測定実施者が書き込むことによって捕捉する。

（３−１−１）測定作業
この測定作業を行うに先立って測定実施者が撹拌液槽３及び撹拌実施液槽５にそれぞれ撹拌機本体７が充分な撹拌動作ができる水位である液面２Ａ及び４Ａ位置まで撹拌対象液２及び撹拌実施液４を入れておく。

この状態において、測定実施者は図１の測定条件設定手段１２によって、測定したい、撹拌機本体７の撹拌速度となる回転速度（例えば５００［ｒｐｍ］、１０００［ｒｐｍ］、１５００［ｒｐｍ］、２０００［ｒｐｍ］）を設定した後、撹拌開始操作子１３を操作した後、所定の測定時間（例えば１０［秒］）をストップウォッチで計ってその経過時に撹拌停止操作子１４を操作することにより、撹拌機本体７の回転速度を回転速度表示手段１５によって確認する。

かくして測定実施者は撹拌機本体７を各回転速度毎に撹拌動作を繰り返えさせて、その都度当該撹拌機本体７に対して撹拌対象液２を撹拌実施液４として撹拌実施液槽５内に吸引筒部３２を介して揚水させる。

このとき測定実施者は各回転速度毎に、揚水された撹拌実施液４の液量を表す実測目盛１６（１６Ａ〜１６Ｄ）を、測定開始液量目盛１６Ｘと共に、書き込み表記する。

その結果撹拌実施液槽５には、撹拌機本体７が各撹拌回転速度５００［ｒｐｍ］、１０００［ｒｐｍ］、１５００［ｒｐｍ］、２０００［ｒｐｍ］時の揚水量が測定開始液量目盛１６Ｘと共に実測目盛１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄとして撹拌実施液槽５に記録される。

続いて測定実施者は、図６に示すように、当該実測目盛１６Ｘ、１６Ａ〜１６Ｄを書き込んだ撹拌実施液槽５と同一の構成を有する移動液計量槽３０を用意し、各実施目盛１６Ｘ並びに１６Ａ〜１６Ｄの位置まで測定用水を順次注水しながら当該注水した測定用水の重量を順次天秤３５によって計量する。

このようにして天秤３５によって計量した移動量の重量データは、実験開始液量から各撹拌速度毎に撹拌機本体７が撹拌対象液２を撹拌実施液４として揚水できた移動液量を、撹拌機本体７の撹拌能力を数値化した情報として、把握できたことになる。

（３−１−２）測定結果の評価
測定すべき撹拌機本体７（図５）として、実装置（図２〜図４）における円筒筐体３１の直径が５０［ｍｍφ］の撹拌機本体２１Ａについて、回転速度が５００［ｒｐｍ］、１０００［ｒｐｍ］、１５００［ｒｐｍ］、１９３０［ｒｐｍ］のときの移動液計量槽３０の重量を天秤３５で計量したところ、移動液計量槽３０から計量した撹拌実施液４の重量は図７において測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４に示すように、１２００［ｇ］、３４９０［ｇ］、５３３０［ｇ］、７７９０［ｇ］であった。

この測定結果を図７において、横軸の回転速度［ｒｐｍ］に対する縦軸の撹拌移動量［ｇ／１０ｓｅｃ］として、測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４を通る特性曲線Ｃ１を表示すると、当該特性曲線Ｃ１の横軸Ｘに対する縦軸Ｙの値は直線Ｙ＝ａＸ＋ｂの直線式であって、定数ｂがほぼｂ＝０で、Ｙ＝ａＸの直線式で表すことができることが分かった。

この測定結果が得られる撹拌機機能測定装置１の撹拌機本体７となる実装置の撹拌機本体２１Ａについては、撹拌機本体２１Ａの回転速度が速度０から立ち上がる場合、その立上り性能は極めて高く、始動時でのラグタイム（すなわち立上り遅延時間）は無視できる撹拌機能をもつものであることが評価できる。

（３−１−３）上述の場合は、円筒筐体３１の直径が５０［ｍｍφ］の撹拌機本体７の移動液量特性を述べたが、円筒筐体３１が２５［ｍｍφ］の場合の測定結果は、図７において、特性曲線Ｃ２の測定点Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３及びＰ１４で示すように、撹拌機本体２１Ａの回転速度１０００［ｒｐｍ］、２０００［ｒｐｍ］、３０００［ｒｐｍ］及び４０００［ｒｐｍ］について、移動液の実測結果は９９０［ｇ］、２５８０［ｇ］、３３５０［ｇ］及び４５５０［ｇ］であった。

この場合の撹拌機本体２１Ａにおいても、始動時点での立上り遅延時間は無視できる程度の立上り速さの撹拌性能をもつことが確認できる。

また、実装置の撹拌機本体２１Ａの直径を変更した場合にも、特性曲線Ｃ１、Ｃ２のように、傾斜を異にする直線式で、撹拌機本体２１Ａの回転速度［ｒｐｍ］に対する撹拌移動量［ｇ］の関係を数値化できることが分ったので、撹拌液の移動を生じさせる実装置の各部の設計値を合理的に予測選定することができるようにし得た。

（３−２）撹拌効率の測定
（３−２−１）
図２〜図４について上述した撹拌装置２１は、撹拌機本体２１Ａが円筒筐体３１の内側に形成されたフィンを構成する押出突板部３３Ａ１〜３３Ａ４によって撹拌対象液２に対して撹拌エネルギーを与えて撹拌対象液２を移動させることにより、撹拌液槽２１Ｂ内の撹拌液２１Ｃに対する撹拌効果を得る。

かかる撹拌装置２１について撹拌液移動量の測定ができるようになったことにより、当該撹拌装置２１の撹拌効率（これを実効％と呼ぶ）を次式

に基づいて求めることができる。

（１）式においてフィン総移動体積は、図２〜図４の撹拌機本体２１Ａの場合は撹拌液を撹拌する手段として設けられているフィン、すなわち押出突板部３３Ａ１〜３３Ａ４が撹拌機本体２１Ａの撹拌液に対する撹拌手段となることから、当該フィンの総移動体積を求めてこれが実測液移動量に対して効率が良くなるような構成に設計すれば、撹拌効率が良い撹拌装置２１が実現できると考えられる。

（１）式においてフィン総移動体積は、次式

（２）式においてπＤｆは次式

のように、撹拌機本体２１Ａの円周の秒速度を表し、具体的には円筒筐体３１の円周における秒速度を求めることになる。

具体的には

のように、１つのフィンの流量Ｑを求めることができれば、

のように、撹拌装置２１におけるＮ個のフィンによる撹拌液移動量Ｑｔを求めることができ、これにより次式

のように、実測総移動流量Ｑｅに対するＮ個のフィンによる撹拌液移動量Ｑｔの比率によって（１）式による撹拌効率を［実行％＝Ｅ％］として求めることができる。

（３−２−２）実際例
上述の撹拌効率の演算例として、直径５０［ｍｍφ］の円筒筐体３１を有する撹拌機本体２１Ａについて、具体的に撹拌機効率を求める。

この場合、撹拌機本体２１Ａの直径は次式

であったので、撹拌フィン面積Ａは次式

になる。

この実施例の場合、撹拌フィン数Ｎは次式

のように１２個であり、撹拌機本体２１Ａの回転数を１０００［ｒｐｍ］にしたとき、１秒間の回転数ｆは次式

のように１６．７［ｒｐｓ］になる。

そこで、撹拌機本体２１Ａの円筒筐体３１の円周面における秒速度Ｖは、次式

になる。

この条件において、１つのフィンの流量Ｑは

になる。

この６［ｃｍ^３／ｓ］は

のように、１つのフィン当り６［ｍＬ］の撹拌液を移動させることになり、このことは

のように、１２個のフィンによって移動される撹拌液量は毎分３６０［ｍＬ］になる。

かくしてＮ個のフィンによる撹拌液移動量Ｑｔは

のように、毎分４３２０［ｍＬ］、従って４３２０［ｇ］の撹拌液が、理論上、移動されることになる。

ここで、直径５０［ｍｍφ］の撹拌機本体２１Ａによる１０００［ｒｐｍ］の回転条件における実測値Ｑｅは、図７の特性曲線Ｃ１の測定点Ｐ２に表示されているように、

であるから、結局撹拌効率Ｅ％は

のように、８０．８［％］になる。

このように、図２〜図４の構成の撹拌機本体２１Ａを有する撹拌装置２１において、直径５０［ｍｍφ］の円筒筐体３１を用いて、フィン数１２によって回転速度１０００［ｒｐｍ］で回転させたときの撹拌効率は８０．８［％］であるとして数値化して予測することができる。

（３−２−３）撹拌効率に基づく撹拌機能の確認
上述したように、図２〜図４の構成を有する撹拌装置２１について、撹拌液の実測総移動液量Ｑｅを実測することにより、当該撹拌移動量に基づく撹拌効率を数値化したデータとして把握することができるが、複数の撹拌装置についての実験結果を求めたところ、図８に示すような実験結果が得られた。

図８において、円筒筐体３１が５１［ｍｍφ］の撹拌装置２１について、撹拌速度５００［ｒｐｍ］、１０００［ｒｐｍ］、１５００［ｒｐｍ］及び２０００［ｒｐｍ］で撹拌したときの撹拌効率は、５５．５０［％］、８０．８０［％］、８２．２５［％］及び９０．２０［％］であることが確認できた。

また円筒筐体３１の直径が２５［ｍｍφ］の撹拌装置２１については、回転速度１０００［ｒｐｍ］、２０００［ｒｐｍ］、３０００［ｒｐｍ］及び４０００［ｒｐｍ］の撹拌液の実測値から、各回転速度における撹拌効率は、９３．２０［％］、１２２．００［％］、１０５．３０［％］及び１０７．２０［％］であることが確認できた。

当該実験結果について、特徴的な点は、２５［ｍｍφ］の撹拌装置の効率性能は、５１［ｍｍφ］の場合と比較して、極めて高く、特に回転数が２０００［ｒｐｍ］以上では、１２２［％］（２０００［ｒｐｍ］）、１０５．３０［％］（３０００［ｒｐｍ］）及び１０７．２０［％］（４０００［ｒｐｍ］）のように撹拌効率が１００［％］を超えることが確認できた。

この条件の下に撹拌装置２１を設計構築できれば、実測総移動液量Ｑｅが、設計した条件値に基づいて計算した総移動液量より大きくなることが分かった。

この現象は、図２〜図４の構成の撹拌装置２１は、円筒筐体３１内で発生する内部循環流ｆ自体が撹拌液の流れを創生していて、撹拌機本体２１Ａは当該流れの創生を妨げないことに基づく相乗効果として、１００［％］を超える高効率を持続する結果となったと考えられる。

この現象は、例えば気流において発生するいわゆるターボ効果と同等の内部循環流ｆを生成した慣性の法則の結果であると考えられ、この撹拌効率の高さは、図２〜図４の構成の撹拌装置の実用性が高いことを示していると言い得る。

（３−３）吸引機能
図２〜図４の撹拌装置２１についての実験の結果、円筒筐体３１の底板２１Ｇ２に設けられている吸引筒部３２は、パイプ状（円筒型）でなければ、円筒筐体３１内に有効な内部循環流ｆが生成できないという事実が確認できた。

その理由は、吸引筒部３２がパイプ形状であることにより、円筒筐体３１の内部に層流形式の内部循環流ｆが形成されることになることを意味し、当該吸引筒部３２の吸引口を撹拌液が通過する時点で、層流でなる内部循環流ｆを形成できないと、撹拌機本体２１Ａとしての撹拌力が形成できないことになると考えられる。

この理由は、層流でないと乱流が発生して内部循環流ｆの形成を妨げる結果になるからであると考えられる。

（３−４）撹拌揚力の測定
図２〜図４の撹拌装置２１における撹拌性能の条件として、撹拌機本体２１Ａによる撹拌液槽２１Ｂ内の撹拌液２１Ｃの移動能力が大きい点が確認できた。

これに加えて、撹拌機本体２１Ａの撹拌能力は、円筒筐体３１の底板２１Ｇ２に取り付けられている吸引筒部３２からの吸引流ｅ１、ｅ２及びｅ３が撹拌機本体２１Ａの下側にある撹拌液２１Ｃを撹拌するために重要であることが分った。

（３−４−１）吸引圧力発生比
図１の撹拌機機能測定装置１において、図２〜図４の撹拌装置２１の吸引筒部３２に対応する吸引管１０Ｂの撹拌対象液２に対する機能として、次式

によって表される吸引圧力発生比ＰＲを測定することが重要である。

この吸引圧力発生比ＰＲは、当該実装置である撹拌装置２１の吸引口である吸引筒部３２の吸引口面積ＩＡと、上述のようにして実測された実測総移動液量Ｑｅとの比に基づいて、撹拌液２１Ｃが吸引筒部３２を通過したときに圧縮されて吸引圧力を生じる機能を表わすものである。

ここで実測総移動液量Ｑｅは上述の移動量の計量処理により実測することができるので、当該撹拌装置２１の撹拌能力を表すパラメータとして把握できる。

ところが様々な実験を通して、撹拌能力を表すパラメータとしては、吸引圧力発生比ＰＲだけではなく、それ以上に撹拌装置２１の撹拌力を決定付ける因子として、撹拌揚力を把握することが重要であることが分かった。

（３−４−２）揚力測定基準
そこで、撹拌装置２１の撹拌能力を決める揚力測定基準を、図９に示す揚力測定基準実測装置５０によって実測する。

この揚力測定基準実測装置５０は、図１０（Ｂ）に示すように、吸引筒部３２の吸引口において（１８）式によって表される吸引圧力発生比ＰＲに基づく吸引圧力発生比流ＦＬ１が生起するのに加えて、当該吸引圧力発生比流ＦＬ１より下方の撹拌液により生じる撹拌揚力流ＦＬ２を当該撹拌装置において全体として生起される撹拌流の撹拌力を決める揚力測定基準として定義する。

当該揚力測定基準は、小規模な実験設備である揚力測定基準実測装置５０によって実測することができ、図９に示す実測装置においては、撹拌機本体２１の円筒筐体３１の直径を５０［ｍｍφ］とすると共に、図１０（Ａ）に示すように、吸引筒部３２の下端面から１．０［ｍｍ］の範囲を吸引圧力発生比流ＦＬ１が流れる領域ＲＡとして定義し、その下方２０［ｍｍ］又は３０．０［ｍｍ］までの範囲を撹拌揚力流ＦＬ２が流れる領域ＲＢとして定義する。

実際上この揚力測定基準実測装置５０は、撹拌液５２を貯水する撹拌液槽５３内に回転駆動軸５４によって回転駆動される撹拌機本体２１Ａを設け、撹拌液槽５３の底面位置に、支持基盤５６を設ける。

この支持基盤５６の、回転駆動軸５４の下方への延長線上であって吸引筒部３２の中心軸線上には、針金状のガイド線５７が立設され、このガイド線５７に例えばステンレス製のナットでなる揚力測定用重り５８をガイド線５７によって上下に移動できるように挿入している。

ガイド線５７の上端には、ガイド線５７から揚力測定用重り５８を抜け出させないように係止する係止部材５９が設けられており、これにより揚力測定用重り５８が係止部材５９の位置まで浮揚したとき、揚力測定用重り５８の重量が撹拌揚力流ＦＬ２により生起される揚力であると定義する。

図９の構成において、撹拌液槽５３の支持基盤５６の上方に設定された撹拌機本体２１Ａが回転駆動軸５４によって駆動されたとき、撹拌機本体２１Ａを構成する円筒筐体３１内に内部循環流ｆが生ずることにより、吸引筒部３２の吸引口近傍にある撹拌液５２が、吸引筒部３２の吸引口位置に発生する、（１８）式について上述した吸引圧力発生比ＰＲに基づいて生起した吸引圧力発生比流ＦＬ１が吸引筒部３２内に吸い込まれて行く（図１０（Ｂ））と共に、当該吸引圧力発生比流ＦＬ１に引きずられてその下側にある撹拌液５２が撹拌揚力流ＦＬ２として吸引口に吸引されて行く。

この撹拌揚力流ＦＬ２は撹拌液槽５３の底面上にある支持基盤５６側から上方に向かって流れて行くことにより、揚力測定用重り５８を係止部材５９の位置まで浮揚させる。

この状態における揚力測定用重り５８の重量は、撹拌揚力流ＦＬ２の揚力と釣り合った状態にあるので、当該揚力測定用重り５８の重量を撹拌揚力流ＦＬ２の実測揚力値として評価する。

このようにして評価された実測揚力値は、撹拌機本体２１Ａを構成する円筒筐体３１の直径ごとに、揚力測定用重り５８の重量と、この揚力測定用重り５８が係止部材５９の位置まで浮揚したときの撹拌機本体２１Ａの回転速度［ｒｐｍ］とによって、図１１の特性曲線Ｃ１１、Ｃ１２１及びＣ１２２、Ｃ１３によって数値化して表すことができる。

図１１において、撹拌機本体２１Ａの回転速度［ｒｐｍ］を横軸にとり、各回転速度［ｒｐｍ］時において浮揚した揚力測定用重り５８の重量［ｇ］を、各特性曲線Ｃ１１、Ｃ１２１、Ｃ１２２、Ｃ１３の測定点（Ｐ１１１、Ｐ１１２、Ｐ１１３）、（Ｐ１２１１、Ｐ１２１２、Ｐ１２１３）、（Ｐ１２２１、Ｐ１２２２、Ｐ１２２３）、（Ｐ１３１、Ｐ１３２、Ｐ１３３）として表示する。

この撹拌揚力の特性曲線Ｃ１１、Ｃ１２１、Ｃ１２２、Ｃ１３は、揚力測定用重り５８の重量を、２．２０［ｇ］、４．７６［ｇ］及び１０．６４［ｇ］の３種類に選定し、各重りが基準位置まで浮揚したときの撹拌機本体２１Ａの回転数［ｒｐｍ］を表示した。

第１に、特性曲線Ｃ１１は、直径が１０［ｍｍφ］の円筒筐体３１を有する撹拌機本体２１Ａについて、揚力測定用重り５８が２．２０［ｇ］で撹拌機本体２１Ａが１１７０［ｒｐｍ］で回転したとき基準高さ２０［ｍｍＨ］まで浮揚したことを測定点Ｐ１１１によって表示し、次に揚力測定用重り５８が４．７６［ｇ］で撹拌機本体２１Ａが回転速度１４７０［ｒｐｍ］で回転したとき基準高さ２０［ｍｍＨ］に浮揚したことを測定点Ｐ１１２によって表示し、さらに１０．６４［ｇ］の揚力測定用重り５８が撹拌機本体２１Ａが１７９０［ｒｐｍ］で回転したとき基準位置２０［ｍｍＨ］に浮揚したことを測定点Ｐ１１３によってを表示することにより、実測結果を記録する。

かくして特性曲線Ｃ１１は、測定点Ｐ１１１、Ｐ１１２及びＰ１１３によって、直径１０［ｍｍφ］の撹拌機本体２１Ａの揚力特性を数値化して表現した結果となっている。

第２に、特性曲線Ｃ１２１並びにＣ１２２は、直径２３［ｍｍφ］の円筒筐体３１について、基準高さが３０［ｍｍＨ］並びに２０［ｍｍＨ］の撹拌機本体２１Ａについて、揚力測定用重り５８の質量が２．２０［ｇ］、４．７６［ｇ］及び１０．６４［ｇ］で、撹拌機本体２１Ａが６３０［ｒｐｍ］並びに７１０［ｒｐｍ］、８３０［ｒｐｍ］並びに１０００［ｒｐｍ］、９５０［ｒｐｍ］並びに１５００［ｒｐｍ］で回転したとき基準高さ２０［ｍｍＨ］並びに３０［ｍｍＨ］に浮揚したことを測定点Ｐ１２１１、Ｐ１２１２及びＰ１２１３並びにＰ１２２１、Ｐ１２２２及びＰ１２２３によって表示した。

第３に、特性曲線Ｃ１３は、３０［ｍｍφ］の直径の円筒筐体３１を有する撹拌機本体２１Ａについて、揚力測定基準高さが２０［ｍｍＨ］の高さに２．２０［ｇ］、４．７６［ｇ］及び１０．６４［ｇ］の揚力測定用重り５８を浮揚させたときの撹拌機本体２１Ａの回転速度が９８０［ｒｐｍ］、１１２０［ｒｐｍ］及び１２７０［ｒｐｍ］であったことを測定点Ｐ１３１、Ｐ１３２及びＰ１３３によって表示した。

この図１１の特性曲線図による揚力と回転速度の関係を図１２にまとめると、吸引筒部３２の口径を２３［ｍｍφ］にすると共に、揚力測定基準高さを２０［ｍｍＨ］に選定すれば、揚力が１０．６４［ｇ］、４．７６［ｇ］及び２．２０［ｇ］を発生させるために必要な撹拌機本体２１Ａの回転数が比較的小さい値９５０［ｒｐｍ］、８３０［ｒｐｍ］及び６３０［ｒｐｍ］で実現できることが分かる。

これに加えて、吸引筒部３２の口径が２３［ｍｍφ］の撹拌機本体２１Ａであっても、揚力測定基準高さが２０［ｍｍＨ］の方が３０［ｍｍＨ］の場合より小さい回転速度で各揚力を得ることができ、このことは、吸引筒部３２から撹拌液槽５３の底部までの距離が大きい場合に、撹拌機本体２１Ａの撹拌速度をどの程度大きくすれば良いかを、数値表示として求めることができることを示している。

このように、揚力測定基準実測装置５０を用いて撹拌機本体２１Ａの揚力値を実測することにより、実装置である撹拌機本体２１Ａの撹拌能力を、揚力特性の観点から数値化して目標とする性能を得るために適正な値を評価できる効果が得られる。

（３−４−３）揚力と吸引口径との関係
図１１について上述した実測データを検討するに、図１１の実測結果に基づいて、図１２に示すように、吸引口径が１０［ｍｍφ］・２０［ｍｍＨ］、２３［ｍｍφ］・２０［ｍｍＨ］、２３［ｍｍφ］・３０［ｍｍＨ］及び３０［ｍｍφ］・２０［ｍｍＨ］の順に揚力１０．６４［ｇ］、４．７６［ｇ］及び２．２０［ｇ］が得られる回転速度を配列し直してみると、吸引口径が２３［ｍｍφ］近傍のとき、回転速度が小さくなる関係になることが分かる。

そしてこの図１２の配列結果を、図１３に示すように揚力１０．６４［ｇ］、４．７６［ｇ］及び２．２０［ｇ］を横軸にとって配列し直して、図１４に示すように棒グラフ化して表示し直してみれば、基準揚力を得る条件として、最も回転速度が低くなる条件は棒グラフ図形のうち谷となる吸引口径群が２３［ｍｍφ］・２０［ｍｍＨ］であることが簡単に読み取ることができる。

かくして撹拌装置の吸引口径について、最も機能が高い条件は２３［ｍｍφ］・２０［ｍｍＨ］の条件を選定すればよいことが分かる。

このように、撹拌機能を数値化できれば、グラフ表示を適宜選択することにより、所望の設計条件に適合する特徴を簡易に把握することができる。

（３−４−４）撹拌効率と円筒筐体の直径との関係
（１）式について上述した撹拌効率の実測結果は、図１５に示すように、円筒筐体３１として２５［ｍｍφ］の撹拌機本体２１Ａにおいて、回転速度が２０００［ｒｐｍ］のとき最も高い撹拌効率１２２．００％を示したことが明らかとなった。

この撹拌効率の実測結果について、いかなる条件になれば最も効率が高くなるかは、図１６に示すように、撹拌効率の実測結果の棒グラフ化によって示せば、極めて容易に判別できる。

図１６の場合、２５［ｍｍφ］の撹拌機本体２１Ａの撹拌装置について、回転速度１０００［ｒｐｍ］、２０００［ｒｐｍ］、３０００［ｒｐｍ］及び４０００［ｒｐｍ］のとき撹拌効率９３．２０［％］、１２２．００［％］、１０５．３０［％］及び１０７．２０［％］の高さを有する棒グラフで表示すると共に、これと並べて、５１［ｍｍφ］の円筒筐体３１を有する撹拌機本体２１Ａについて、同様に回転速度５００［ｒｐｍ］、１０００［ｒｐｍ］、１５００［ｒｐｍ］及び２０００［ｒｐｍ］のときの撹拌効率５５．５０［％］、８０．８０［％］、８２．２５［％］及び９２．２０［％］の高さを有する棒グラフを配列する。

図１６の棒グラフ化表示をすれば、棒グラフの高さの配列状態から２５［ｍｍφ］の円筒筐体３１を有する撹拌機本体２１Ａが最も高い撹拌効率を示していることを簡易に目視確認できる。

（３−４−５）撹拌移動量に対する最も効果的な吸引口径の実測
図７においては図１０（Ａ）の揚力測定基準に基づいて撹拌移動量と揚力の関係を実測したが、図１７は撹拌移動量と吸引筒部３２の吸引口径との関係の実測結果を示す。

図１７において、特性曲線Ｃ５１は、撹拌機本体２１Ａとして、円筒筐体３１の直径が５０［ｍｍφ］で、吸引筒部３２の口径が２３［ｍｍφ］の場合に、回転速度が５００［ｒｐｍ］、１０００［ｒｐｍ］、１５００［ｒｐｍ］及び１９３０［ｒｐｍ］における撹拌移動量を実測したもので、各回転速度における移動量は１２００［ｇ］、３４９０［ｇ］、５３３０［ｇ］及び７７９０［ｇ］で、この実測結果を測定点Ｐ５１１、Ｐ５１２、Ｐ５１３及びＰ５１４として表示している。

また特性曲線Ｃ５２は、円筒筐体３１の直径が５０［ｍｍφ］で、吸引筒部３２の口径が３０［ｍｍφ］の撹拌機本体２１Ａについて、移動速度を５００［ｒｐｍ］、１０００［ｒｐｍ］、１５００［ｒｐｍ］及び２０００［ｒｐｍ］に設定したときの撹拌移動量が１１５０［ｇ］、２８００［ｇ］、４２００［ｇ］及び６０００［ｇ］であったことを測定点Ｐ５２１、Ｐ５２２、Ｐ５２３及びＰ５２４として表示している。

さらに特性曲線Ｃ５３は、円筒筐体３１の直径が２５［ｍｍφ］で、吸引筒部３２の内径が２５［ｍｍφ］の撹拌機本体２１Ａについて、回転速度を１０００［ｒｐｍ］、２０００［ｒｐｍ］、３０００［ｒｐｍ］及び４０００［ｒｐｍ］に設定したときの撹拌移動量が９９０［ｇ］、２６８０［ｇ］、３３５０［ｇ］及び４５５０［ｇ］であることを測定点Ｐ５３１、Ｐ５３２、Ｐ５３３及びＰ５３４として表示している。

さらに特性曲線Ｃ５４は、円筒筐体３１の直径が５０［ｍｍφ］で、吸引筒部３２の口径が１０．５［ｍｍφ］の撹拌機本体２１Ａについて、回転速度を５００［ｒｐｍ］、１０００［ｒｐｍ］、１５００［ｒｐｍ］及び２０００［ｒｐｍ］に設定したときの撹拌移動量が６００［ｇ］、９５０［ｇ］、１７００［ｇ］及び２１５０［ｇ］であったことを測定点Ｐ５４１、Ｐ５４２、Ｐ５４３及びＰ５４４として表示している。

図１７の撹拌液量実測データによれば、５０［ｍｍφ］の円筒筐体３１を有する撹拌機本体２１Ａに関しては、吸引筒部３２の口径を２３［ｍｍφ］近傍の値を設定すれば、最も高い撹拌効率が得られることを当該実測値から予測できる。

（４）他の実施の形態
（４−１）本発明による撹拌機機能測定装置は、要するに内部循環流ｆに基づいて、撹拌対象液を撹拌する撹拌流を生成するような撹拌機本体を有する撹拌機に広く適用できる。

特に、高い撹拌効率の撹拌装置は、エネルギーの省力化に大きく貢献できるものである。

（４−２）本発明による撹拌装置の利用面は広い用途が有るが、特に排水再生処理に効果的である。

すなわち、有機物を多量に含んだ汚染水の再生には、沈殿物中の有機物を分解する行程が存在しており、この行程には、嫌気性細菌と好気性細菌が用いられ、それぞれの特質に合った細菌による分解が必要である。

殊に好気性細菌には、空気の撹拌が必要であり、当該撹拌装置を使用すると、コンプレッサー等のエネルギー消費の大きな装置が不要となる。

撹拌によって発生するサイクロン型の撹拌流が当該撹拌機本体の上部に設けた穴から空気を自動的に吸引して、好気性細菌の生息に適した環境を汚染された排水中につくりだすことができる。

さらに、嫌気性細菌での撹拌にも、当該撹拌機本体の上部に穴の無い形態を用いることによって、逆に空気を巻き込まないで、効率の高い撹拌を実現できる。

従来は、この絶え間ない汚染水の処理作業には多大のエネルギー消費が行われているが、本発明による撹拌技術によって小さいエネルギー消費の下で大きな効果がもたらされる。

（４−３）また本発明を用いて、製薬企業などの化学企業及び食品工業におけるあらゆる撹拌条件を合理的に設計することにより、効率を上げる撹拌条件を短時間でスケールアップすることができる。

（４−４）図３の撹拌機本体２１Ａは、回転駆動軸２１Ｅ、及び円筒筐体３１の回転方向を、矢印ａ及びｂで示すように、反時計方向にした場合の構成を示したが、当該回転方向を時計方向に変更しても、上述の場合と同様の効果を得ることができる。

この場合は、押出突出部３３Ａ１、３３Ａ２，３３Ａ３及び３３Ａ４が円筒筐体３１内の撹拌液２１Ｃの移動方向、従って内部循環流ｆの回転方向を図４の場合とは逆にする。

このようにしても、図３及び図４の場合と同様の作用効果を得ることができる。

結局、時間短縮と、撹拌による品質の向上と再現性を規格化して、作業効率を上げ標準化に貢献できる。

本発明は羽根型の撹拌部材をもたない撹拌機に利用することができる。

１……撹拌機機能測定装置、２……撹拌対象液、３……撹拌液槽、４……撹拌実施液、５……撹拌実施液槽、６……撹拌機、７……撹拌機本体、８……回転駆動モータ、９……駆動モータ架台、１０……吸引部材、１０Ｂ……吸引管、１１……測定制御ユニット、１２……測定条件設定手段、１３……撹拌開始操作子、１４……撹拌停止操作子、１５……実回転数表示手段、２１Ａ……撹拌機本体、２１Ｂ……撹拌液槽、２１Ｃ……撹拌液、２１Ｅ……回転駆動軸、２１Ｆ……駆動モータ、２１Ｇ１……天板、２１Ｇ２……底板、３０……移動液量槽、３１……円筒筐体、３１Ａ１〜３１Ａ４……開放開口、３３Ａ１〜３３Ａ４……押出突板部、３５……天秤、５０……揚力測定基準実測装置、５２……撹拌液、５３……撹拌液槽、５６……支持基盤、５７……ガイド線、５８……揚力測定用重り、５９……係止部材。

Claims (4)

1. 上端が天板によって閉塞された円筒筐体を、上記天板に固着された回転駆動軸によって当該円筒筐体の中心軸線を中心として回転する撹拌機本体を有し、
   上記円筒筐体は、
   周面に穿設された複数の開放開口と、
   内周面に内方に突出するように設けられた複数のフィンと、
   下端に設けられた吸込開口と
   を有し、
   上記円筒筐体は、回転した時、上記フィンによって、内在する撹拌液を上記中心軸線の周りに循環させる内部循環流を生起させて当該内部循環流を形成する上記撹拌液の一部を遠心力によって上記開放開口から外部放出流として外部に放出させると共に、外部の撹拌液を上記吸引開口から吸込流として内部に吸引し、
   上記撹拌機本体は、上記吸引開口を介して所定の単位時間の間に撹拌液槽から吸引した撹拌液を撹拌実施液槽に移動保持させ、上記撹拌実施液槽に保持させた移動液量を上記撹拌機本体の撹拌能力として実測する
   ことを特徴とする撹拌機機能測定装置。
2. 上記実測された上記移動液量と、上記撹拌機本体内において上記内部循環流を形成させる上記フィンによる総移動体積との比を、上記撹拌機本体の撹拌能力を表す撹拌効率比として、求める
   ことを特徴とする請求項１に記載の撹拌機機能測定装置。
3. 上記実測された上記移動液量と、上記吸引開口の面積との比を、上記吸引開口に吸引される吸引圧力発生比流に基づく上記撹拌機本体の撹拌機能を表す吸引圧力発生比として、求める
   ことを特徴とする請求項１に記載の撹拌機機能測定装置。
4. 上記吸引開口の下方位置に撹拌揚流が流れる位置に当該撹拌揚流によって揚動する揚力測定用重りを設け、
   上記揚力測定用重りが上記吸引開口の近傍の揚力基準位置にまで揚動したとき、当該揚力測定用重りの重量を、上記撹拌機本体の撹拌機能を表す揚力として、求める
   ことを特徴とする請求項１に記載の撹拌機機能測定装置。

Images