JP2022040084A - Stirring method, stirring device, and stirring container - Google Patents

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JP2022040084A JP2021138087A JP2021138087A JP2022040084A JP 2022040084 A JP2022040084 A JP 2022040084A JP 2021138087 A JP2021138087 A JP 2021138087A JP 2021138087 A JP2021138087 A JP 2021138087A JP 2022040084 A JP2022040084 A JP 2022040084A
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晋 後藤
Susumu Goto
大記 渡邊
Hiroki Watanabe
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Abstract

To realize very easy stirring which does not use stirring blades in a stirring method, a stirring device, and a stirring container.SOLUTION: A stirring method includes: preparing a stirring container 10, having an inner surface having a closed rotary body shape, and a rotation mechanism 20 for rotating the stirring container 10; placing a first fluid to be stirred and a second fluid, which forms a boundary without being mixed with the first fluid, into the stirring container 10; and rotating the stirring container 10 by the rotation mechanism 20 to generate twisting flow in the first fluid and thereby stir the first fluid.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、攪拌方法、攪拌装置、および攪拌容器に関する。 The present invention relates to a stirring method, a stirring device, and a stirring container.

槽内で攪拌翼を回転させることにより流体を攪拌する攪拌装置が知られている。しかし、このような攪拌装置では、攪拌翼による混合物の損傷および汚染、並びに攪拌翼の洗浄などの問題が生じる。 A stirring device that stirs a fluid by rotating a stirring blade in a tank is known. However, in such a stirrer, problems such as damage and contamination of the mixture by the stirrer blade and cleaning of the stirrer blade arise.

特許文献1には、上記問題の解消を図る攪拌翼を使用しない攪拌装置が開示されている。この攪拌装置は、鉛直方向から傾けて中心軸を配置した有底円筒体を中心軸まわりに回転させることにより流体を攪拌する。 Patent Document 1 discloses a stirring device that does not use a stirring blade to solve the above problem. This stirring device stirs a fluid by rotating a bottomed cylinder having a central axis arranged at an angle from the vertical direction around the central axis.

国際公開第2017/149034号公報International Publication No. 2017/149034

しかしながら、特許文献1の攪拌装置では、中心軸を傾けて有底円筒体を設置する必要があり、構造が複雑である。また、特許文献1の攪拌装置は、蓋(天面)を有しておらず、上方に開口している。従って、底面および側面のみにおけるせん断力によって流体を攪拌する必要がある。また、自己維持的に乱流を生成するねじれ流(詳細は後述する)について言及されていない。 However, in the stirring device of Patent Document 1, it is necessary to incline the central axis to install the bottomed cylinder, and the structure is complicated. Further, the stirring device of Patent Document 1 does not have a lid (top surface) and is open upward. Therefore, it is necessary to stir the fluid by shear forces only on the bottom and sides. Also, there is no mention of torsional flow (details below) that self-sustainably generate turbulence.

本発明は、攪拌方法、攪拌装置、および攪拌容器において、攪拌翼を使用しない極めて簡易な攪拌を実現することを課題とする。 An object of the present invention is to realize extremely simple stirring without using a stirring blade in a stirring method, a stirring device, and a stirring container.

本発明の第1の態様は、閉じられた回転体状の内面を有する攪拌容器および前記攪拌容器を回転させる回転機構を準備し、攪拌対象の第1流体と、前記第1流体と混ざらずに境界を形成する第2流体とを前記攪拌容器内に入れ、前記回転機構によって前記攪拌容器を回転させ、前記第1流体内にねじれ流を発生させることにより前記第1流体を攪拌することを含む、攪拌方法を提供する。 In the first aspect of the present invention, a stirring container having a closed rotating body-shaped inner surface and a rotating mechanism for rotating the stirring container are prepared, and the first fluid to be stirred is not mixed with the first fluid. It includes agitating the first fluid by putting a second fluid forming a boundary into the stirring container, rotating the stirring container by the rotation mechanism, and generating a twisting flow in the first fluid. , Provide a stirring method.

この方法によれば、攪拌翼を使用しない極めて簡易な攪拌方法を提供できる。特徴的であるのは、上記攪拌によって、第1流体内にねじれ流と称される流れが生成される。ねじれ流は、少なくとも1つのらせん渦に起因した流れである。当該ねじれ流の発生を本願発明者らは実験的に確認した。このねじれ流の発生原理は科学的にも非自明であるが、このねじれ流が発生することにより乱流が自己維持的に生成されることがわかっている。従って、第1流体内に乱流が生成され、第1流体を効率的に攪拌できる。なお、上記攪拌は、第1流体と第2流体とを混ぜ合わせるものではなく、第1流体を単独で攪拌するものである。そのため、第2流体が一見不要であるようにも思われるが、第1流体のみを攪拌容器に充填した場合、第1流体が攪拌容器とともに一体となって回転する。即ちこの場合、いわゆる剛体回転流が生成され、乱流は生成されない。従って、乱流の生成のためには、第1流体と第2流体との間の境界が必要である。 According to this method, it is possible to provide an extremely simple stirring method that does not use a stirring blade. Characteristically, the stirring produces a flow called a torsional flow in the first fluid. The torsional flow is a flow caused by at least one spiral vortex. The inventors of the present application have experimentally confirmed the occurrence of the twisted flow. The principle of this twisting flow generation is scientifically non-trivial, but it is known that the generation of this twisting flow causes turbulence to be generated in a self-sustaining manner. Therefore, a turbulent flow is generated in the first fluid, and the first fluid can be efficiently agitated. The above-mentioned stirring does not mix the first fluid and the second fluid, but stirs the first fluid alone. Therefore, it seems that the second fluid is unnecessary at first glance, but when only the first fluid is filled in the stirring container, the first fluid rotates together with the stirring container. That is, in this case, a so-called rigid rotating flow is generated, and no turbulent flow is generated. Therefore, a boundary between the first fluid and the second fluid is required for the generation of turbulence.

前記攪拌容器の前記内面は、前記第1流体と接触する部分において、中心軸を有し、前記中心軸から離れる方向に凸の曲線を前記中心軸まわりに1回転させてできる回転体の形状を有してもよい。 The inner surface of the stirring container has a central axis at a portion in contact with the first fluid, and has a shape of a rotating body formed by rotating a convex curve in a direction away from the central axis once around the central axis. You may have.

この方法によれば、攪拌容器の内面形状を具体的に規定できる。また、攪拌容器の内面の形状が第1流体と接触する部分において中心軸まわりに対称となるため、形状として簡易となる。ここで、「中心軸から離れる方向に凸の曲線」とは、全体として中心軸から離れる方向に凸形状であればよく、中心軸に向かって凹形状の部分を含んでいてもよく、また変曲点(曲率半径の変更点)や角(曲率半径が無限大の部分)を含んでいてもよい。 According to this method, the inner surface shape of the stirring container can be specifically defined. Further, since the shape of the inner surface of the stirring container is symmetrical around the central axis at the portion in contact with the first fluid, the shape is simplified. Here, the "curvature convex in the direction away from the central axis" may be a convex shape in the direction away from the central axis as a whole, may include a concave portion toward the central axis, or may be variable. It may include curved points (change points of the radius of curvature) and angles (parts where the radius of curvature is infinite).

前記中心軸は、前記回転機構による前記攪拌容器の前記回転の回転軸と一致してもよい。 The central axis may coincide with the rotation axis of the rotation of the stirring container by the rotation mechanism.

この方法によれば、攪拌容器内で第1流体の高さ位置(深さ位置)が変わらない。詳細には、中心軸と回転軸が一致するため、回転に伴って攪拌容器内面の下点の位置が変化しない。従って、攪拌容器の回転に伴って、第1流体が波打つように振れ回ることなく、安定した攪拌を実現できる。 According to this method, the height position (depth position) of the first fluid does not change in the stirring container. Specifically, since the central axis and the rotation axis coincide with each other, the position of the lower point on the inner surface of the stirring container does not change with rotation. Therefore, stable stirring can be realized without the first fluid swinging in a wavy manner with the rotation of the stirring container.

前記回転機構による前記攪拌容器の前記回転の回転軸の水平方向に対する傾斜角度は、30°以内であってもよい。また、前記回転軸は、水平方向に延びていてもよい。 The tilt angle of the rotation axis of the stirring container by the rotation mechanism with respect to the horizontal direction may be within 30 °. Further, the rotation axis may extend in the horizontal direction.

これらの方法によれば、攪拌容器の傾斜角度を制限することで、境界が水平位置から大きく変化することなく安定した攪拌を実現できる。 According to these methods, by limiting the tilt angle of the stirring container, stable stirring can be realized without the boundary changing significantly from the horizontal position.

前記攪拌容器の前記内面は、球形であってもよい。また、前記攪拌容器の前記内面は、異なる半径を有する2つの部分球を接合した非対称球形であってもよい。また、前記攪拌容器の前記内面は、円柱形であってもよい。 The inner surface of the stirring container may be spherical. Further, the inner surface of the stirring container may be an asymmetric sphere in which two partial spheres having different radii are joined. Further, the inner surface of the stirring container may be cylindrical.

これらの方法によれば、汎用性が高く、極めて簡易な構成の攪拌装置を提供できる。 According to these methods, it is possible to provide a stirring device having a high versatility and an extremely simple configuration.

前記第1流体は少なくとも1種類の液体を含み、前記第2流体は少なくとも1種類の気体を含んでもよい。 The first fluid may contain at least one liquid and the second fluid may contain at least one gas.

この方法によれば、第1流体と第2流体との境界が容易に形成され、準備も容易である。また、第1流体は例えば液体状の水と油でもよく、第2流体は例えば気体状の空気であってもよい。これにより、水と油を攪拌してエマルジョンを実現できる。代替的には、第1流体は例えば水などの液体および粉体からなるスラリーであってもよい。 According to this method, the boundary between the first fluid and the second fluid is easily formed, and preparation is easy. Further, the first fluid may be, for example, liquid water and oil, and the second fluid may be, for example, gaseous air. As a result, an emulsion can be realized by stirring water and oil. Alternatively, the first fluid may be a slurry consisting of a liquid such as water and a powder.

前記第1流体の前記攪拌容器に対する充填率を20%以上かつ90%以下としてもよい。 The filling rate of the first fluid to the stirring container may be 20% or more and 90% or less.

この方法によれば、第1流体を一層確実に攪拌できる。本願発明者らは20~90%の充填率において攪拌の実効性を実験的に確認した。詳細には、第1流体の充填率は0%または100%でなければ実現可能性がある。仮に、第1流体の充填率を100%とすると、第1流体は攪拌容器とともに回転する。よって、第1流体内に乱流が生成されず、第1流体は攪拌されない。 According to this method, the first fluid can be agitated more reliably. The inventors of the present application have experimentally confirmed the effectiveness of stirring at a filling rate of 20 to 90%. Specifically, the filling factor of the first fluid may not be 0% or 100%. Assuming that the filling rate of the first fluid is 100%, the first fluid rotates together with the stirring container. Therefore, no turbulence is generated in the first fluid and the first fluid is not agitated.

前記攪拌容器の前記回転は、一定速度であってもよい。 The rotation of the stirring container may be at a constant speed.

この方法によれば、簡易な構成の回転機構で本発明を実現できる。通常、攪拌装置では、回転の向きや速度を変更制御することにより、攪拌を促進する。しかし、本発明では、そのような変更制御を必要としない。換言すれば、一定速度の回転であっても、ねじれ流の発生によって乱流が自己維持的に生成されるため、第1流体を攪拌できる。 According to this method, the present invention can be realized with a rotation mechanism having a simple structure. Usually, in a stirring device, stirring is promoted by changing and controlling the direction and speed of rotation. However, the present invention does not require such change control. In other words, even at a constant speed of rotation, the first fluid can be agitated because the turbulent flow is self-sustainably generated by the generation of the torsional flow.

本発明の第2の態様は、攪拌対象の第1流体と、前記第1流体と混ざらずに境界を形成する第2流体とを収容する閉じられた回転体状の内面を有する攪拌容器と、前記攪拌容器を回転させ、前記第1流体内にねじれ流を発生させることにより前記第1流体を攪拌する回転機構とを備える、攪拌装置を提供する。 A second aspect of the present invention is a stirring container having a closed rotating body-shaped inner surface that houses a first fluid to be stirred and a second fluid that forms a boundary without being mixed with the first fluid. Provided is a stirring device including a rotating mechanism for stirring the first fluid by rotating the stirring container and generating a twisting flow in the first fluid.

前記攪拌容器の前記内面は、前記第1流体と接触する部分において、中心軸を有し、前記中心軸から離れる方向に凸の曲線を前記中心軸まわりに1回転させてできる回転体の形状を有してもよい。 The inner surface of the stirring container has a central axis at a portion in contact with the first fluid, and has a shape of a rotating body formed by rotating a convex curve in a direction away from the central axis once around the central axis. You may have.

前記中心軸は、前記回転機構による前記攪拌容器の前記回転の回転軸と一致してもよい。 The central axis may coincide with the rotation axis of the rotation of the stirring container by the rotation mechanism.

前記回転機構による前記攪拌容器の前記回転の回転軸の水平方向に対する傾斜角度は、30°以内であってもよい。また、前記回転軸は、水平方向に延びていてもよい。 The tilt angle of the rotation axis of the stirring container by the rotation mechanism with respect to the horizontal direction may be within 30 °. Further, the rotation axis may extend in the horizontal direction.

前記攪拌容器の前記内面は、球形であってもよい。また、前記攪拌容器の前記内面は、異なる半径を有する2つの部分球を接合した非対称球形であってもよい。また、前記攪拌容器の前記内面は、円柱形であってもよい。 The inner surface of the stirring container may be spherical. Further, the inner surface of the stirring container may be an asymmetric sphere in which two partial spheres having different radii are joined. Further, the inner surface of the stirring container may be cylindrical.

前記第1流体は少なくとも1種類の液体を含んでもよく、前記第2流体は少なくとも1種類の気体を含んでもよい。 The first fluid may contain at least one liquid and the second fluid may contain at least one gas.

前記第1流体の前記攪拌容器に対する充填率を20%以上かつ90%以下としてもよい。 The filling rate of the first fluid to the stirring container may be 20% or more and 90% or less.

前記攪拌容器の前記回転は、一定速度であってもよい。 The rotation of the stirring container may be at a constant speed.

本発明の第3の態様は、攪拌対象の第1流体と、前記第1流体と混ざらずに境界を形成する第2流体とを収容する閉じられた回転体状の内面を有し、回転されることにより、前記第1流体内にねじれ流を発生させ、前記第1流体を攪拌する、攪拌容器を提供する。 A third aspect of the present invention has a closed rotating body-like inner surface that houses a first fluid to be agitated and a second fluid that forms a boundary without being mixed with the first fluid, and is rotated. Thereby, a stirring container for generating a twisting flow in the first fluid and stirring the first fluid is provided.

本発明によれば、本発明は、攪拌方法、攪拌装置、および攪拌容器において、ねじれ流の確認により、攪拌翼を使用しない極めて簡易な攪拌を実現できる。 According to the present invention, the present invention can realize extremely simple stirring without using a stirring blade by confirming the torsional flow in the stirring method, the stirring device, and the stirring container.

本発明の第1実施形態に係る攪拌装置の概略構成図。The schematic block diagram of the stirring apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. ねじれ流を示す模式的な説明図。Schematic explanatory view showing a twist flow. 数値シミュレーションの結果を示す断面図。Sectional drawing showing the result of a numerical simulation. 実験装置を示す斜視図。The perspective view which shows the experimental apparatus. 実験装置の攪拌容器部分の斜視図。Perspective view of the stirring container part of the experimental device. 充填率20%の実験結果を示す写真。A photograph showing the experimental results with a filling rate of 20%. 充填率50%の実験結果を示す写真。A photograph showing the experimental results with a filling rate of 50%. 充填率70%の実験結果を示す写真。A photograph showing the experimental results with a filling rate of 70%. 充填率80%の実験結果を示す写真。A photograph showing the experimental results with a filling rate of 80%. 充填率90%の実験結果を示す写真。A photograph showing the experimental results with a filling rate of 90%. 回転機構の変形例を示す正面図。The front view which shows the modification of the rotation mechanism. 攪拌容器の変形例の形状を示す説明図。Explanatory drawing which shows the shape of the modification of a stirring container. 攪拌装置の変形例の概略構成図。Schematic diagram of a modified example of the stirrer. 第2実施形態に係る攪拌装置の概略構成図。The schematic block diagram of the stirring apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 攪拌容器の形状を示す説明図。Explanatory drawing which shows the shape of a stirring container. 数値シミュレーションの結果を示す断面図。Sectional drawing showing the result of a numerical simulation. 実験結果を示す写真。A photograph showing the experimental results. 第3実施形態に係る攪拌装置の概略構成図。The schematic block diagram of the stirring apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 数値シミュレーションの結果を示す断面図。Sectional drawing showing the result of a numerical simulation. 実験結果を示す写真。A photograph showing the experimental results.

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る攪拌装置1の概略構成図である。図1において、X方向は水平面内において回転軸RAの延びる方向を示し、Y方向は鉛直方向を示し、Z方向は水平面内においてX方向に直交する方向を示している。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the stirring device 1 according to the first embodiment. In FIG. 1, the X direction indicates the direction in which the rotation axis RA extends in the horizontal plane, the Y direction indicates the vertical direction, and the Z direction indicates the direction orthogonal to the X direction in the horizontal plane.

まず、攪拌装置1の構成について説明する。 First, the configuration of the stirring device 1 will be described.

攪拌装置1は、攪拌容器10と、回転機構20とを有している。 The stirring device 1 has a stirring container 10 and a rotating mechanism 20.

攪拌容器10は、閉じられた回転体状の内面10aを有し、攪拌対象の流体を収容する容器である。本実施形態の攪拌容器10は、厚みが一様の球殻状の容器である。従って、攪拌容器10の内面10aは、球形である。球形の内面10aの攪拌容器10は、汎用性が高く、極めて簡易な構成であり、円筒状の攪拌容器などと異なり指向性がなく、自由な向きに設置し得る。ただし、詳細を後述するように、攪拌容器10の内面10aの形状は、球形に限定されずに様々であり得る。また、攪拌容器10の大きさや材質については、任意に設定され得る。 The stirring container 10 is a container having a closed rotating body-shaped inner surface 10a and accommodating a fluid to be stirred. The stirring container 10 of the present embodiment is a spherical shell-shaped container having a uniform thickness. Therefore, the inner surface 10a of the stirring container 10 is spherical. The stirring container 10 having a spherical inner surface 10a has a high versatility and an extremely simple structure, and unlike a cylindrical stirring container or the like, it has no directivity and can be installed in any direction. However, as will be described in detail later, the shape of the inner surface 10a of the stirring container 10 is not limited to a spherical shape and may vary. Further, the size and material of the stirring container 10 can be arbitrarily set.

回転機構20は、攪拌容器10と機械的に接続され、攪拌容器10を回転軸RAまわりに回転させる。本実施形態の回転機構20は、回転軸RA方向に延びて攪拌容器10を軸支する回転軸部材21と、回転軸部材21を回転軸RAまわりに回転させるモータ22とによって構成される。回転軸RAは、攪拌容器10の球形の中心点Pを通り、水平方向(詳細にはX方向)に延びている。 The rotation mechanism 20 is mechanically connected to the stirring container 10 and rotates the stirring container 10 around the rotation axis RA. The rotation mechanism 20 of the present embodiment is composed of a rotation shaft member 21 extending in the direction of the rotation shaft RA and supporting the stirring container 10 and a motor 22 for rotating the rotation shaft member 21 around the rotation shaft RA. The rotation axis RA passes through the spherical center point P of the stirring vessel 10 and extends in the horizontal direction (specifically, the X direction).

次に、上記攪拌装置1を利用した攪拌方法について説明する。 Next, a stirring method using the stirring device 1 will be described.

上記攪拌装置1を準備した後、攪拌対象の第1流体と、第1流体とは異なる第2流体とを攪拌容器10内に入れる。第1流体と第2流体は、攪拌容器10に入れられたときに、密度などの性質の差異によって混ざらずに境界を形成するものを選択し得る。また、第1流体は少なくとも1種類の液体を含んでもよく、第2流体は少なくとも1種類の気体を含んでもよい。例えば、第1流体を液体とし、第2流体を気体としてもよい。代替的には、第1流体と第2流体をともに液体とし、第1流体が第2流体に比べて高密度であってもよい。 After preparing the stirring device 1, the first fluid to be stirred and the second fluid different from the first fluid are put into the stirring container 10. The first fluid and the second fluid may be selected to form a boundary without being mixed due to a difference in properties such as density when placed in the stirring container 10. Further, the first fluid may contain at least one kind of liquid, and the second fluid may contain at least one kind of gas. For example, the first fluid may be a liquid and the second fluid may be a gas. Alternatively, both the first fluid and the second fluid may be liquids, and the first fluid may have a higher density than the second fluid.

本実施形態では、第1流体を水とし、第2流体を空気とする。また、第1流体の攪拌容器10に対する充填率を50%とし、第2流体の攪拌容器10に対する充填率を50%とする。充填率については、様々に変更し得るが、詳細については後述する。図1の例では、破線で示す下半球が第1流体(水)を示し、上半球が第2流体(空気)を示している。 In this embodiment, the first fluid is water and the second fluid is air. Further, the filling rate of the first fluid to the stirring container 10 is 50%, and the filling rate of the second fluid to the stirring container 10 is 50%. The filling factor can be changed in various ways, but the details will be described later. In the example of FIG. 1, the lower hemisphere shown by the broken line indicates the first fluid (water), and the upper hemisphere indicates the second fluid (air).

第1流体および第2流体を攪拌容器10に充填した後、回転機構20によって攪拌容器10を回転軸RAまわりに回転させる。回転速度は、一定であってもよいし、変化してもよい。本実施形態では、攪拌容器10を一定速度で回転させる。 After filling the stirring container 10 with the first fluid and the second fluid, the stirring container 10 is rotated around the rotation axis RA by the rotation mechanism 20. The rotation speed may be constant or variable. In this embodiment, the stirring container 10 is rotated at a constant speed.

好ましくは、第1流体の攪拌に際して、レイノルズ数が数百以上となるように設定される。さらに好ましくは、第1流体の攪拌に際して、レイノルズ数が1000以上となるように設定される。 Preferably, the Reynolds number is set to be several hundreds or more when the first fluid is stirred. More preferably, the Reynolds number is set to 1000 or more when the first fluid is stirred.

上記攪拌装置1および攪拌方法によって、第1流体と第2流体との境界が維持されながら、第1流体が攪拌される。なお、本実施形態の攪拌は、第1流体と第2流体とを混ぜ合わせるものではなく、第1流体を攪拌するものである。この攪拌は、第1流体内にねじれ流と称される流れが生じることによる。ねじれ流は、一対のらせん渦に起因した流れである。後述するが、当該ねじれ流の発生を本願発明者らは実験的に確認した。このねじれ流の発生原理は科学的にも非自明であるが、このねじれ流が発生することにより乱流が自己維持的に生成されることがわかっている。従って、第1流体内に乱流が生成されることにより、第1流体を効率的に攪拌できる。 By the stirring device 1 and the stirring method, the first fluid is stirred while the boundary between the first fluid and the second fluid is maintained. The stirring of the present embodiment does not mix the first fluid and the second fluid, but stirs the first fluid. This agitation is due to the formation of a flow called a torsional flow in the first fluid. The torsional flow is a flow caused by a pair of spiral vortices. As will be described later, the inventors of the present application have experimentally confirmed the occurrence of the torsional flow. The principle of this torsional flow generation is scientifically non-trivial, but it is known that the generation of this torsional flow causes turbulent flow to be generated in a self-sustaining manner. Therefore, the turbulent flow is generated in the first fluid, so that the first fluid can be efficiently agitated.

図2は、ねじれ流を示す模式的な説明図である。図2では、図示を明瞭にするため、図1の第1流体のみが示されている。 FIG. 2 is a schematic explanatory view showing a twist flow. In FIG. 2, only the first fluid of FIG. 1 is shown for clarity.

本実施形態では、ねじれ流はY-Z面内にそれぞれ旋回軸SRを有する一対のらせん渦に起因した流れであり、一対のらせん渦の間(斜線領域A)にはせん断流れが生じる。詳細には、それぞれの旋回軸SRは、攪拌容器10の回転軸RAとは一致しておらず、この一対のらせん渦のそれぞれの大きさ(半径)は攪拌容器10の半径程度である。また、流速は、攪拌容器10の内面10aの回転速度程度である。このねじれ流により、乱流が自己維持的に生成される。 In the present embodiment, the torsional flow is a flow caused by a pair of spiral vortices each having a swirling axis SR in the YZ plane, and a shear flow is generated between the pair of spiral vortices (hatched area A). Specifically, each swivel axis SR does not coincide with the rotary axis RA of the stirring vessel 10, and the size (radius) of each of the pair of spiral vortices is about the radius of the stirring vessel 10. The flow velocity is about the rotation speed of the inner surface 10a of the stirring container 10. This kinky flow creates turbulence in a self-sustaining manner.

本実施形態では、上記攪拌の特にねじれ流の生成について、様々にパラメータを変更して数値シミュレーションと実験の両面からその結果を確認した。 In this embodiment, the results of the above-mentioned stirring, especially the generation of twisted flow, were confirmed from both numerical simulations and experiments by changing various parameters.

まず、数値シミュレーションについて説明する。 First, the numerical simulation will be described.

図3は、数値シミュレーションの結果を示す説明図である。なお、図3は、攪拌容器10の中心点P(図1参照)を通るX-Y断面を示している。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing the results of numerical simulation. Note that FIG. 3 shows an XY cross section passing through the center point P (see FIG. 1) of the stirring vessel 10.

数値シミュレーションでは、内面10aが球形の攪拌容器10に第1流体と第2流体を充填率50%ずつで充填し、水平面内において球形の中心を通る回転軸で攪拌容器10を回転させた。第1流体としては水を想定し、粘性0.001[Pa・S]、密度1000[kg/m]、および表面張力0.072[N/m]と設定した。第2流体としては空気を想定し、簡略的に第1流体の物性値の10分の1に設定した。また、攪拌容器10の内面10aの直径は180mmと設定し、回転速度6rpmと設定した。 In the numerical simulation, the stirring container 10 having a spherical inner surface 10a was filled with the first fluid and the second fluid at a filling rate of 50% each, and the stirring container 10 was rotated by a rotation axis passing through the center of the sphere in the horizontal plane. As the first fluid, water was assumed, and the viscosity was set to 0.001 [Pa · S], the density was 1000 [kg / m 3 ], and the surface tension was 0.072 [N / m]. Air was assumed as the second fluid, and it was simply set to 1/10 of the physical property value of the first fluid. Further, the diameter of the inner surface 10a of the stirring container 10 was set to 180 mm, and the rotation speed was set to 6 rpm.

数値シミュレーションの結果として、一対の旋回軸SRまわりにそれぞれらせん状に旋回する一対のらせん渦が生成された。また、一対のらせん渦の回転方向は互いに反対であった(図3において、左側の渦は右回り、右側の渦は左回り)。一対のらせん渦の間では、せん断流れの生成が確認された。従って、数値シミュレーションにおいて、ねじれ流の生成が確認され、自己維持的な乱流の生成が確認された。 As a result of the numerical simulation, a pair of spiral vortices that spirally swirl around the pair of swirl axes SR were generated. In addition, the directions of rotation of the pair of spiral vortices were opposite to each other (in FIG. 3, the vortex on the left side is clockwise and the vortex on the right side is counterclockwise). The generation of shear flow was confirmed between the pair of spiral vortices. Therefore, in the numerical simulation, the generation of torsional flow was confirmed, and the generation of self-sustaining turbulence was confirmed.

次に、実験について説明する。 Next, the experiment will be described.

図4は、実験装置2を示す斜視図である。図5は、実験装置2の攪拌容器10部分の斜視図である。 FIG. 4 is a perspective view showing the experimental device 2. FIG. 5 is a perspective view of the stirring container 10 portion of the experimental device 2.

実験装置2では、台3の上に、攪拌容器10と、回転機構20とを配置した。そして、カメラ4によって回転軸方向(X方向)から攪拌の様子を観測した。 In the experimental device 2, the stirring container 10 and the rotating mechanism 20 are arranged on the table 3. Then, the state of stirring was observed from the rotation axis direction (X direction) by the camera 4.

回転機構20は、回転軸部材21(図5参照)と、回転軸部材21を回転させるモータ22(図4参照)とを有している。回転軸部材21は、攪拌容器10に機械的に接続されている。回転軸部材21は、水平方向(詳細にはX方向)に延びている。回転軸部材21を延長すると、攪拌容器10の中心点P(図1参照)を通る。 The rotation mechanism 20 includes a rotation shaft member 21 (see FIG. 5) and a motor 22 (see FIG. 4) that rotates the rotation shaft member 21. The rotary shaft member 21 is mechanically connected to the stirring container 10. The rotary shaft member 21 extends in the horizontal direction (specifically, the X direction). When the rotary shaft member 21 is extended, it passes through the center point P (see FIG. 1) of the stirring container 10.

攪拌容器10は、外形が概略円柱状であり、内形が直径180mmの球形である。攪拌容器10は、X方向(回転軸方向)において基体11と蓋体12に分離可能ある。基体11と蓋体12は、ともに内面10aが半球となっている。また、基体11および蓋体12は、内部が見やすいように透明のアクリル製である。基体11と蓋体12は、フランジ部11a,12aをそれぞれ有している。フランジ部11a,12aは、Y-Z平面で面接触し、ねじ止めされている。基体11は回転軸部材21に機械的に接続され、蓋体12はベアリング13を介して立壁5に取り付けられている。立壁5は台3の上に立設されており、中央にベアリングと概ね同径の孔部14が設けられている。また、カメラ4が、孔部14から攪拌容器10の内部を覗くように設置されている。 The stirring container 10 has a substantially cylindrical outer shape and a spherical inner shape having a diameter of 180 mm. The stirring container 10 can be separated into the substrate 11 and the lid 12 in the X direction (rotational axis direction). The inner surface 10a of both the substrate 11 and the lid 12 is a hemisphere. Further, the substrate 11 and the lid 12 are made of transparent acrylic so that the inside can be easily seen. The substrate 11 and the lid 12 have flange portions 11a and 12a, respectively. The flange portions 11a and 12a are in surface contact with each other on the YZ plane and are screwed together. The substrate 11 is mechanically connected to the rotary shaft member 21, and the lid 12 is attached to the vertical wall 5 via the bearing 13. The vertical wall 5 is erected on the table 3, and a hole portion 14 having a diameter substantially the same as that of the bearing is provided in the center thereof. Further, the camera 4 is installed so as to look inside the stirring container 10 from the hole 14.

観測に際しては、攪拌容器10に以下の通り充填率を変えて水と空気を入れ、さらに可視化剤として雲母粒子を入れた。また、攪拌容器10の上方に取り付けたロッドレンズ6を介してレーザ源7からレーザ光LBを拡散して照射し、流れを可視化した。攪拌対象の水の温度は22℃に設定し、攪拌容器10の回転速度は48rpmに設定した。また、レイノルズ数は、40000程度となるようにした。 At the time of observation, water and air were added to the stirring container 10 at different filling rates as follows, and mica particles were further added as a visualization agent. Further, the laser beam LB was diffused and irradiated from the laser source 7 through the rod lens 6 attached above the stirring container 10, and the flow was visualized. The temperature of the water to be stirred was set to 22 ° C., and the rotation speed of the stirring container 10 was set to 48 rpm. Moreover, the Reynolds number was set to be about 40,000.

図6~10は、それぞれ水の充填率20%、30%、50%、70%、80%、90%の実験結果を示す写真である。図6~10に示すように、いずれの充填率においても乱流が維持されることを確認した。これらの結果に基づいて、攪拌容器10に対する第1流体の充填率を20%以上かつ90%以下に設定してもよい。 FIGS. 6 to 10 are photographs showing the experimental results of water filling rates of 20%, 30%, 50%, 70%, 80%, and 90%, respectively. As shown in FIGS. 6 to 10, it was confirmed that the turbulent flow was maintained at any filling factor. Based on these results, the filling factor of the first fluid with respect to the stirring container 10 may be set to 20% or more and 90% or less.

(回転機構の変形例)
上記実施形態では、回転機構20として、回転軸部材21によって攪拌容器10を支持する構成を例示しているが、回転機構20の構成はこれに限定されない。
(Modification example of rotation mechanism)
In the above embodiment, the rotation mechanism 20 exemplifies a configuration in which the stirring container 10 is supported by the rotation shaft member 21, but the configuration of the rotation mechanism 20 is not limited to this.

図11は、回転機構20の変形例を示す正面図である。回転機構20として、円柱状のローラなどの回転体23によって攪拌容器10を下方から支持する構成を採用してもよい。図11の例では、2つの回転体23によって回転機構20を構成しているが、回転体23の数や大きさなどについては特に制限されない。 FIG. 11 is a front view showing a modified example of the rotation mechanism 20. As the rotation mechanism 20, a configuration may be adopted in which the stirring container 10 is supported from below by a rotating body 23 such as a columnar roller. In the example of FIG. 11, the rotation mechanism 20 is composed of two rotating bodies 23, but the number and size of the rotating bodies 23 are not particularly limited.

このように、回転機構20の構成については、様々に考えられ、攪拌容器10を所定の回転方向に回転させることのできる任意の構成を採用し得る。 As described above, various configurations of the rotation mechanism 20 can be considered, and any configuration capable of rotating the stirring container 10 in a predetermined rotation direction can be adopted.

(攪拌容器の変形例)
上記実施形態では、攪拌容器10の形状として球殻状を例示しているが、攪拌容器10の形状は球殻状に限定されない。
(Modification example of stirring container)
In the above embodiment, the shape of the stirring container 10 is exemplified by the spherical shell shape, but the shape of the stirring container 10 is not limited to the spherical shell shape.

例えば、実験装置2(図4,5参照)に示すように、攪拌容器10の内面10aが球形であれば外形については任意の形状を採用し得る。さらに言えば、攪拌容器10の内面10aの形状についても球形以外を採用し得る。具体的には、攪拌容器10は、閉じられた回転体状の内面を有していればよい。この閉じられた回転体状の内面は、第1流体と接触する部分において、中心軸CAを有し、中心軸CAから離れる方向に凸の曲線を中心軸CAまわりに1回転させてできる回転体の形状を有してもよい(後述の図12参照)。ここで、「中心軸CAから離れる方向に凸の曲線」とは、全体として中心軸CAから離れる方向に凸形状であればよく、中心軸に向かって凹形状の部分を含んでいてもよく、また変曲点(曲率半径の変更点)や角(曲率半径が無限大の部分)を含んでいてもよい。このように規定することで、攪拌容器10の内面10aを簡易に規定できる。また、攪拌容器10の内面10aの形状が第1流体と接触する部分において中心軸CAまわりに対称となるため、形状として簡易となる。 For example, as shown in Experimental Device 2 (see FIGS. 4 and 5), if the inner surface 10a of the stirring container 10 is spherical, any shape can be adopted as the outer shape. Furthermore, the shape of the inner surface 10a of the stirring container 10 may be other than spherical. Specifically, the stirring container 10 may have a closed rotating body-like inner surface. This closed rotating body-shaped inner surface has a central axis CA at a portion in contact with the first fluid, and is a rotating body formed by rotating a convex curve in a direction away from the central axis CA once around the central axis CA. It may have the shape of (see FIG. 12 described later). Here, the "curvature convex in the direction away from the central axis CA" may be a convex shape in the direction away from the central axis CA as a whole, and may include a concave portion toward the central axis. It may also include inflection points (change points of the radius of curvature) and angles (parts where the radius of curvature is infinite). By defining in this way, the inner surface 10a of the stirring container 10 can be easily defined. Further, since the shape of the inner surface 10a of the stirring container 10 is symmetrical around the central axis CA at the portion in contact with the first fluid, the shape is simplified.

また、中心軸CAは、回転軸RAと一致してもよい。この場合、攪拌容器10が回転しても攪拌容器10内での第1流体の高さ位置(深さ位置)が変わらない。詳細には、中心軸CAと回転軸RAが一致するため、回転に伴って攪拌容器10の内面10aの下点の位置が変化しない。従って、攪拌容器10の回転に伴って、第1流体が波打つように振れ回ることなく、安定した攪拌を実現できる。 Further, the central axis CA may coincide with the rotation axis RA. In this case, the height position (depth position) of the first fluid in the stirring container 10 does not change even if the stirring container 10 rotates. Specifically, since the central axis CA and the rotation axis RA coincide with each other, the position of the lower point of the inner surface 10a of the stirring container 10 does not change with rotation. Therefore, stable stirring can be realized without the first fluid swinging in a wavy manner with the rotation of the stirring container 10.

図12を参照して、攪拌容器10の内面形状の他の例として、中心軸CAに一致する回転軸RAから凸の2次関数曲線Cを回転軸RAまわりに1回転してできる曲面を採用してもよい。図13を参照して、このようにしてできる曲面は、概ねラグビーボール状となる(内面10a参照)。図12,13では、2次関数曲線Cを例示しているが、当該曲線は2次関数に限定されず様々に採用され得る。好ましくは、当該曲線は変曲点を有していない。このように、攪拌容器10の内面の形状については、様々に考えられる。なお、当該内面は、第1流体と接触する部分において求められる形状であり、第1流体が接触しない部分においては任意の内面形状を採用し得る。 With reference to FIG. 12, as another example of the inner surface shape of the stirring vessel 10, a curved surface formed by rotating a convex quadratic function curve C once around the rotation axis RA from the rotation axis RA corresponding to the central axis CA is adopted. You may. With reference to FIG. 13, the curved surface thus formed has a substantially rugby ball shape (see the inner surface 10a). Although the quadratic function curve C is illustrated in FIGS. 12 and 13, the curve is not limited to the quadratic function and can be adopted in various ways. Preferably, the curve has no inflection. As described above, various shapes of the inner surface of the stirring container 10 can be considered. The inner surface has a shape required in a portion that comes into contact with the first fluid, and any inner surface shape may be adopted in the portion that does not come into contact with the first fluid.

(第2実施形態)
図14に示す第2実施形態の攪拌装置1は、攪拌容器10の形状が第1実施形態と異なる。これに関する部分以外は、第1実施形態と実質的に同じである。従って、第1実施形態にて示した部分については説明を省略する場合がある。
(Second Embodiment)
In the stirring device 1 of the second embodiment shown in FIG. 14, the shape of the stirring container 10 is different from that of the first embodiment. Except for the part related to this, it is substantially the same as the first embodiment. Therefore, the description of the portion shown in the first embodiment may be omitted.

本実施形態の攪拌容器10の内面10aは、非対称球形である。詳細には、内面10aは、異なる半径を有する2つの部分球を接合した非対称球形である。 The inner surface 10a of the stirring container 10 of the present embodiment is an asymmetric spherical shape. Specifically, the inner surface 10a is an asymmetric sphere formed by joining two partial spheres with different radii.

図15は、本実施形態における攪拌容器10の形状を示す説明図である。 FIG. 15 is an explanatory diagram showing the shape of the stirring container 10 in the present embodiment.

本実施形態では、内面10aは、中心軸CAに一致する回転軸RAから、中心点P1,P2を有する2つの円弧C1,C2を回転軸RAまわりに1回転してできる曲面である。図示の例では、円弧C1は、円周の4分の1よりわずかに大きく、円弧C2は円周の4分の1よりわずかに小さい。 In the present embodiment, the inner surface 10a is a curved surface formed by rotating two arcs C1 and C2 having center points P1 and P2 once around the rotation axis RA from the rotation axis RA corresponding to the center axis CA. In the illustrated example, the arc C1 is slightly larger than a quarter of the circumference and the arc C2 is slightly smaller than a quarter of the circumference.

本実施形態でも、上記攪拌の特にねじれ流の生成について、数値シミュレーションと実験の両面からその結果を確認した。 Also in this embodiment, the results of the above-mentioned stirring, especially the generation of twisted flow, were confirmed from both numerical simulations and experiments.

まず、数値シミュレーションについて説明する。 First, the numerical simulation will be described.

図16は、数値シミュレーションの結果を示す説明図である。なお、図16は、上記中心点P1,P2(図14,15参照)を通るX-Y断面を示している。また、本実施形態では、中心軸CAと回転軸RAを回転軸部材21の延びる方向に一致させているため、中心軸CAと回転軸RAの図示を省略している。 FIG. 16 is an explanatory diagram showing the results of numerical simulation. Note that FIG. 16 shows an XY cross section passing through the center points P1 and P2 (see FIGS. 14 and 15). Further, in the present embodiment, since the central axis CA and the rotary axis RA are aligned with each other in the extending direction of the rotary shaft member 21, the central axis CA and the rotary shaft RA are not shown.

数値シミュレーションでは、内面10aの形状について、上記円弧C1の半径を42mmに設定し、上記円弧C2の半径を40mmに設定し、上記中心点P1,P2間の距離を9mmに設定した。そして、攪拌容器10に第1流体と第2流体を充填率50%ずつで充填し、水平面内において中心点P1,P2を通る回転軸で攪拌容器10を回転させた。第1流体としては水を想定し、粘性0.001[Pa・S]、密度1000[kg/m]、および表面張力0[N/m]と設定した。第2流体としては空気を想定し、簡略的に第1流体の物性値の10分の1に設定した。また、回転速度24rpmと設定した。 In the numerical simulation, the radius of the arc C1 was set to 42 mm, the radius of the arc C2 was set to 40 mm, and the distance between the center points P1 and P2 was set to 9 mm for the shape of the inner surface 10a. Then, the stirring container 10 was filled with the first fluid and the second fluid at a filling rate of 50% each, and the stirring container 10 was rotated by a rotation axis passing through the center points P1 and P2 in the horizontal plane. As the first fluid, water was assumed, and the viscosity was set to 0.001 [Pa · S], the density was 1000 [kg / m 3 ], and the surface tension was 0 [N / m]. Air was assumed as the second fluid, and it was simply set to 1/10 of the physical property value of the first fluid. The rotation speed was set to 24 rpm.

数値シミュレーションの結果として、一対の旋回軸SRまわりにそれぞれらせん状に旋回する一対のらせん渦が生成された。また、一対のらせん渦の回転方向は互いに反対であった(図16において、左側の渦は右回り、右側の渦は左回り)。一対のらせん渦の間では、せん断流れの生成が確認された。従って、数値シミュレーションにおいて、ねじれ流の生成が確認され、自己維持的な乱流の生成が確認された。 As a result of the numerical simulation, a pair of spiral vortices that spirally swirl around the pair of swirl axes SR were generated. Further, the directions of rotation of the pair of spiral vortices were opposite to each other (in FIG. 16, the vortex on the left side is clockwise and the vortex on the right side is counterclockwise). The generation of shear flow was confirmed between the pair of spiral vortices. Therefore, in the numerical simulation, the generation of torsional flow was confirmed, and the generation of self-sustaining turbulence was confirmed.

次に、実験について説明する。 Next, the experiment will be described.

実験については、攪拌容器10の形状を除き、第1実施形態と実質的に同じ態様で行った。ただし、攪拌容器10の回転速度は上記数値シミュレーションと同じく24rpmに設定した。また、攪拌容器10の形状については、上記数値シミュレーションと同じである。 The experiment was carried out in substantially the same manner as in the first embodiment except for the shape of the stirring container 10. However, the rotation speed of the stirring container 10 was set to 24 rpm as in the above numerical simulation. The shape of the stirring container 10 is the same as the above numerical simulation.

図17は、水の充填率50%の実験結果を示す写真である。図17に示すように、乱流が維持されることを確認した。なお、詳細を図示しないが、回転速度が、12rpm、48rpm、および60rpmの場合も同様に乱流が維持されることを確認した。 FIG. 17 is a photograph showing the experimental results of a water filling rate of 50%. As shown in FIG. 17, it was confirmed that the turbulence was maintained. Although details are not shown, it was confirmed that the turbulent flow was similarly maintained when the rotation speeds were 12 rpm, 48 rpm, and 60 rpm.

本実施形態にて示すように、攪拌容器10の内面10aの形状は、非対称球形であってもよく、第1実施形態と実質的に同じ作用効果を奏する。 As shown in the present embodiment, the shape of the inner surface 10a of the stirring container 10 may be an asymmetrical sphere, and has substantially the same effect as that of the first embodiment.

(第3実施形態)
図18に示す第3実施形態の攪拌装置1は、攪拌容器10の形状が第1,2実施形態と異なる。これに関する部分以外は、第1,2実施形態と実質的に同じである。従って、第1,2実施形態にて示した部分については説明を省略する場合がある。
(Third Embodiment)
In the stirring device 1 of the third embodiment shown in FIG. 18, the shape of the stirring container 10 is different from that of the first and second embodiments. Except for the part related to this, it is substantially the same as the first and second embodiments. Therefore, the description of the parts shown in the first and second embodiments may be omitted.

本実施形態の攪拌容器10の内面10aは、円柱形である。具体的には、内面10aは、互いに対向する円形面10a1,10a2と、それらを繋ぐ円筒面10a3とを含む。 The inner surface 10a of the stirring container 10 of the present embodiment has a cylindrical shape. Specifically, the inner surface 10a includes circular surfaces 10a1 and 10a2 facing each other and a cylindrical surface 10a3 connecting them.

第1流体は、円形面10a1,10a2および円筒面10a3のすべてに接触するように充填される。即ち、ねじれ流を発生させるためには、第1流体は、円形面10a1,10a2および円筒面10a3のすべてから力を受けて攪拌される必要がある。 The first fluid is filled so as to be in contact with all of the circular surfaces 10a1, 10a2 and the cylindrical surfaces 10a3. That is, in order to generate a torsional flow, the first fluid needs to be agitated by receiving a force from all of the circular surfaces 10a1, 10a2 and the cylindrical surfaces 10a3.

本実施形態でも、上記攪拌の特にねじれ流の生成について、数値シミュレーションと実験の両面からその結果を確認した。 Also in this embodiment, the results of the above-mentioned stirring, especially the generation of twisted flow, were confirmed from both numerical simulations and experiments.

まず、数値シミュレーションについて説明する。 First, the numerical simulation will be described.

図19は、数値シミュレーションの結果を示す説明図である。なお、図19は、内面10aの中心点を通るX-Y断面を示している。また、本実施形態では、中心軸CAと回転軸RAを回転軸部材21の延びる方向に一致させているため、中心軸CAと回転軸RAの図示を省略している。 FIG. 19 is an explanatory diagram showing the results of numerical simulation. Note that FIG. 19 shows an XY cross section passing through the center point of the inner surface 10a. Further, in the present embodiment, since the central axis CA and the rotary axis RA are aligned with each other in the extending direction of the rotary shaft member 21, the central axis CA and the rotary shaft RA are not shown.

数値シミュレーションでは、内面10aの形状について、円柱形の半径を50mmに設定し、長さを100mmに設定した。従って、X-Y断面における内面10aのアスペクト比は1:1(直径:長さ)となっている。そして、攪拌容器10に第1流体と第2流体を充填率50%ずつで充填し、水平面内において中心点を通る回転軸で攪拌容器10を回転させた。第1流体としては水を想定し、粘性0.001[Pa・S]、密度1000[kg/m]、および表面張力0[N/m]と設定した。第2流体としては空気を想定し、簡略的に第1流体の物性値の10分の1に設定した。また、回転速度18rpmと設定した。 In the numerical simulation, the radius of the cylindrical shape was set to 50 mm and the length was set to 100 mm for the shape of the inner surface 10a. Therefore, the aspect ratio of the inner surface 10a in the XY cross section is 1: 1 (diameter: length). Then, the stirring container 10 was filled with the first fluid and the second fluid at a filling rate of 50% each, and the stirring container 10 was rotated by a rotation axis passing through the center point in the horizontal plane. As the first fluid, water was assumed, and the viscosity was set to 0.001 [Pa · S], the density was 1000 [kg / m 3 ], and the surface tension was 0 [N / m]. Air was assumed as the second fluid, and it was simply set to 1/10 of the physical property value of the first fluid. The rotation speed was set to 18 rpm.

数値シミュレーションの結果として、一対の旋回軸SRまわりにそれぞれらせん状に旋回する一対のらせん渦が生成された。また、一対のらせん渦の回転方向は互いに反対であった(図19において、左側の渦は右回り、右側の渦は左回り)。一対のらせん渦の間では、せん断流れの生成が確認された。従って、数値シミュレーションにおいて、ねじれ流の生成が確認され、自己維持的な乱流の生成が確認された。 As a result of the numerical simulation, a pair of spiral vortices that spirally swirl around the pair of swirl axes SR were generated. Further, the directions of rotation of the pair of spiral vortices were opposite to each other (in FIG. 19, the vortex on the left side is clockwise and the vortex on the right side is counterclockwise). The generation of shear flow was confirmed between the pair of spiral vortices. Therefore, in the numerical simulation, the generation of torsional flow was confirmed, and the generation of self-sustaining turbulence was confirmed.

次に、実験について説明する。 Next, the experiment will be described.

実験については、攪拌容器10の形状を除き、第1実施形態と実質的に同じ態様で行った。ただし、攪拌容器10の回転速度は24rpmに設定した。また、攪拌容器10の形状については、上記数値シミュレーションと同じである。 The experiment was carried out in substantially the same manner as in the first embodiment except for the shape of the stirring container 10. However, the rotation speed of the stirring container 10 was set to 24 rpm. The shape of the stirring container 10 is the same as the above numerical simulation.

図20は、水の充填率50%の実験結果を示す写真である。図20に示すように、乱流が維持されることを確認した。なお、詳細を図示しないが、回転速度が、12rpm、48rpm、および60rpmの場合も同様に乱流が維持されることを確認した。 FIG. 20 is a photograph showing the experimental results of a water filling rate of 50%. As shown in FIG. 20, it was confirmed that the turbulence was maintained. Although details are not shown, it was confirmed that the turbulent flow was similarly maintained when the rotation speeds were 12 rpm, 48 rpm, and 60 rpm.

本実施形態にて示すように、攪拌容器10の内面10aの形状は、閉じられた円柱形であってもよく、第1実施形態と実質的に同じ作用効果を奏する。なお、本実施形態では、X-Y断面における内面10aのアスペクト比が1:1(直径:長さ)である例について説明したが、当該アスペクト比は特に限定されず、直径に対して長さが大きくなるにつれて、ねじれ流の渦の数が2対、3対、…と増えていくことが確認された。例えば、アスペクト比は、1:2(直径:長さ)であってもよい。また、第1流体の充填率について、50%の例を示したが、好ましくは80%未満である。 As shown in the present embodiment, the shape of the inner surface 10a of the stirring container 10 may be a closed cylindrical shape, and has substantially the same effect as that of the first embodiment. In the present embodiment, an example in which the aspect ratio of the inner surface 10a in the XY cross section is 1: 1 (diameter: length) has been described, but the aspect ratio is not particularly limited and is the length with respect to the diameter. It was confirmed that the number of twisting vortices increased to 2 pairs, 3 pairs, and so on as the value increased. For example, the aspect ratio may be 1: 2 (diameter: length). Further, an example of the filling rate of the first fluid of 50% is shown, but it is preferably less than 80%.

以上より、本発明の具体的な実施形態およびその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。 Although the specific embodiment of the present invention and the modification thereof have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment and can be variously modified and carried out within the scope of the present invention.

例えば、攪拌容器10の内面10aの形状は、上記以外にも、両端の閉じられた二重円筒形状、円錐形状、またはひょうたん形状など様々であり得る。このとき生じ得るねじれ流は、偶数(対)である必要もなく、少なくとも1つあればよい。また、回転軸RAは水平面で延びるように設定されなくてもよい。例えば、回転軸RAは、水平方向から30°程度以内の範囲で傾斜して設定されてもよい。攪拌容器10の傾斜角度を制限することで、境界が水平位置から大きく変化することなく安定した攪拌を実現できる。 For example, the shape of the inner surface 10a of the stirring container 10 may be various, such as a double cylindrical shape with both ends closed, a conical shape, or a gourd shape, in addition to the above. The twist flow that can occur at this time does not have to be an even number (pair), and may be at least one. Further, the rotation axis RA does not have to be set to extend in the horizontal plane. For example, the rotation axis RA may be set to be inclined within a range of about 30 ° from the horizontal direction. By limiting the inclination angle of the stirring container 10, stable stirring can be realized without the boundary changing significantly from the horizontal position.

また、攪拌対象の第1流体は様々に考えられる。例えば、乳化における水と油(液体と液体の混相流)、重合反応プロセスにおけるモノマーやポリマーと水、触媒反応プロセスにおけるスラリー攪拌(固体と液体の混相流)、単相または複相の非ニュートン性流体(擬塑性流体ないし塑性流体)、バイオリアクターなどの酸素の通気攪拌(気体と液体の混相流)、または、バイオリアクターなどの嫌気層における固体(泥など)と液体の混相流などを攪拌対象の第1流体としてもよい。 Further, various first fluids to be agitated can be considered. For example, water and oil in emulsification (mixed flow of liquid and liquid), monomer or polymer and water in polymerization reaction process, slurry agitation in catalytic reaction process (mixed flow of solid and liquid), single-phase or double-phase non-Newtonian. Aeration target for fluid (pseudo-plastic fluid or plastic fluid), aeration stirring of oxygen such as bioreactor (mixed flow of gas and liquid), or mixed flow of solid (mud, etc.) and liquid in an anaerobic layer such as bioreactor It may be the first fluid of.

1 攪拌装置
2 実験装置
3 台
4 カメラ
5 立壁
6 ロッドレンズ
7 レーザ源
10 攪拌容器
10a 内面
10a1,10a2 円形面
10a3 円筒面
11 基体
11a フランジ部
12 蓋体
12a フランジ部
13 ベアリング
14 孔部
20 回転機構
21 回転軸部材
22 モータ
23 回転体
1 Stirrer 2 Experimental device 3 4 Camera 5 Stand wall 6 Rod lens 7 Laser source 10 Stirrer container 10a Inner surface 10a1, 10a2 Circular surface 10a3 Cylindrical surface 11 Base 11a Flange part 12 Lid 12a Flange part 13 Bearing 14 Hole part 20 Rotation mechanism 21 Rotating shaft member 22 Motor 23 Rotating body

Claims (23)

閉じられた回転体状の内面を有する攪拌容器および前記攪拌容器を回転させる回転機構を準備し、
攪拌対象の第1流体と、前記第1流体と混ざらずに境界を形成する第2流体とを前記攪拌容器内に入れ、
前記回転機構によって前記攪拌容器を回転させ、前記第1流体内にねじれ流を発生させることにより前記第1流体を攪拌する
ことを含む、攪拌方法。
A stirring container having a closed rotating body-shaped inner surface and a rotating mechanism for rotating the stirring container are prepared.
The first fluid to be agitated and the second fluid that forms a boundary without being mixed with the first fluid are placed in the stirring container.
A stirring method comprising rotating the stirring container by the rotating mechanism and stirring the first fluid by generating a twisting flow in the first fluid.
前記攪拌容器の前記内面は、前記第1流体と接触する部分において、中心軸を有し、前記中心軸から離れる方向に凸の曲線を前記中心軸まわりに1回転させてできる回転体の形状を有する、請求項1に記載の攪拌方法。 The inner surface of the stirring container has a central axis at a portion in contact with the first fluid, and has a shape of a rotating body formed by rotating a convex curve in a direction away from the central axis once around the central axis. The stirring method according to claim 1. 前記中心軸は、前記回転機構による前記攪拌容器の前記回転の回転軸と一致する、請求項2に記載の攪拌方法。 The stirring method according to claim 2, wherein the central axis coincides with the rotation axis of the rotation of the stirring container by the rotation mechanism. 前記回転機構による前記攪拌容器の前記回転の回転軸の水平方向に対する傾斜角度は、30°以内である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の攪拌方法。 The stirring method according to any one of claims 1 to 3, wherein the tilt angle of the rotation axis of the rotation of the stirring container by the rotation mechanism with respect to the horizontal direction is within 30 °. 前記回転軸は、水平方向に延びている、請求項4に記載の攪拌方法。 The stirring method according to claim 4, wherein the rotating shaft extends in the horizontal direction. 前記攪拌容器の前記内面は、球形である、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の攪拌方法。 The stirring method according to any one of claims 1 to 5, wherein the inner surface of the stirring container is spherical. 前記攪拌容器の前記内面は、異なる半径を有する2つの部分球を接合した非対称球形である、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の攪拌方法。 The stirring method according to any one of claims 1 to 5, wherein the inner surface of the stirring container is an asymmetric sphere in which two partial spheres having different radii are joined. 前記攪拌容器の前記内面は、円柱形である、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の攪拌方法。 The stirring method according to any one of claims 1 to 5, wherein the inner surface of the stirring container is cylindrical. 前記第1流体は少なくとも1種類の液体を含み、前記第2流体は少なくとも1種類の気体を含む、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の攪拌方法。 The stirring method according to any one of claims 1 to 8, wherein the first fluid contains at least one liquid and the second fluid contains at least one gas. 前記第1流体の前記攪拌容器に対する充填率を20%以上かつ90%以下とする、請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の攪拌方法。 The stirring method according to any one of claims 1 to 9, wherein the filling rate of the first fluid to the stirring container is 20% or more and 90% or less. 前記攪拌容器の前記回転は、一定速度である、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の攪拌方法。 The stirring method according to any one of claims 1 to 10, wherein the rotation of the stirring container is at a constant speed. 攪拌対象の第1流体と、前記第1流体と混ざらずに境界を形成する第2流体とを収容する閉じられた回転体状の内面を有する攪拌容器と、
前記攪拌容器を回転させ、前記第1流体内にねじれ流を発生させることにより前記第1流体を攪拌する回転機構と
を備える、攪拌装置。
A stirring container having a closed rotating inner surface containing a first fluid to be agitated and a second fluid that forms a boundary without being mixed with the first fluid.
A stirring device including a rotating mechanism for stirring the first fluid by rotating the stirring container and generating a twisting flow in the first fluid.
前記攪拌容器の前記内面は、前記第1流体と接触する部分において、中心軸を有し、前記中心軸から離れる方向に凸の曲線を前記中心軸まわりに1回転させてできる回転体の形状を有する、請求項12に記載の攪拌装置。 The inner surface of the stirring container has a central axis at a portion in contact with the first fluid, and has a shape of a rotating body formed by rotating a convex curve in a direction away from the central axis once around the central axis. The stirring device according to claim 12. 前記中心軸は、前記回転機構による前記攪拌容器の前記回転の回転軸と一致する、請求項13に記載の攪拌装置。 The stirring device according to claim 13, wherein the central axis coincides with the rotation axis of the rotation of the stirring container by the rotation mechanism. 前記回転機構による前記攪拌容器の前記回転の回転軸の水平方向に対する傾斜角度は、30°以内である、請求項12から請求項14のいずれか1項に記載の攪拌装置。 The stirring device according to any one of claims 12 to 14, wherein the tilt angle of the rotating axis of the rotating container by the rotating mechanism with respect to the horizontal direction is within 30 °. 前記回転軸は、水平方向に延びている、請求項15に記載の攪拌装置。 The stirring device according to claim 15, wherein the rotating shaft extends in the horizontal direction. 前記攪拌容器の前記内面は、球形である、請求項12から請求項16のいずれか1項に記載の攪拌装置。 The stirring device according to any one of claims 12 to 16, wherein the inner surface of the stirring container is spherical. 前記攪拌容器の前記内面は、異なる半径を有する2つの部分球を接合した非対称球形である、請求項12から請求項16のいずれか1項に記載の攪拌装置。 The stirring device according to any one of claims 12 to 16, wherein the inner surface of the stirring container is an asymmetric sphere in which two partial spheres having different radii are joined. 前記攪拌容器の前記内面は、円柱形である、請求項12から請求項16のいずれか1項に記載の攪拌装置。 The stirring device according to any one of claims 12 to 16, wherein the inner surface of the stirring container is cylindrical. 前記第1流体は少なくとも1種類の液体を含み、前記第2流体は少なくとも1種類の気体を含む、請求項12から請求項19のいずれか1項に記載の攪拌装置。 The stirring device according to any one of claims 12 to 19, wherein the first fluid contains at least one liquid and the second fluid contains at least one gas. 前記第1流体の前記攪拌容器に対する充填率を20%以上かつ90%以下とする、請求項12から請求項20のいずれか1項に記載の攪拌装置。 The stirring device according to any one of claims 12 to 20, wherein the filling rate of the first fluid to the stirring container is 20% or more and 90% or less. 前記攪拌容器の前記回転は、一定速度である、請求項12から請求項21のいずれか1項に記載の攪拌装置。 The stirring device according to any one of claims 12 to 21, wherein the rotation of the stirring container is at a constant speed. 攪拌対象の第1流体と、前記第1流体と混ざらずに境界を形成する第2流体とを収容する閉じられた回転体状の内面を有し、
回転されることにより、前記第1流体内にねじれ流を発生させ、前記第1流体を攪拌する、攪拌容器。
It has a closed rotating body-like inner surface that houses a first fluid to be agitated and a second fluid that forms a boundary without mixing with the first fluid.
A stirring container that agitates the first fluid by generating a twisting flow in the first fluid by being rotated.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024101200A1 (en) * 2022-11-09 2024-05-16 国立大学法人大阪大学 Agitation/transfer method and agitation/transfer device

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024101200A1 (en) * 2022-11-09 2024-05-16 国立大学法人大阪大学 Agitation/transfer method and agitation/transfer device

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