JP3709414B1

JP3709414B1 - 撹拌機

Info

Publication number: JP3709414B1
Application number: JP2004273582A
Authority: JP
Inventors: 隆一彌富; 昌二森永
Original assignee: 住重機器システム株式会社
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2024-09-21
Also published as: JP2006087979A; AU2005285934A1; RU2007115045A; ATE534458T1; EP1792648A1; EP1792648A8; EP1792648A4; WO2006033277A1; US7934867B2; EP1792648B1; CN101022884A; RU2371241C2; CN100540129C; CA2580808C; KR101258302B1; CA2580808A1; KR20070057251A; US20080101156A1

Abstract

【課題】槽内の全体に亘って十分な上下循環流動を形成することができて、好適な撹拌特性を発揮することができる撹拌機を提供する。
【解決手段】本発明は、撹拌翼３に対して以下の条件で開口４を設ける。（ｉ）撹拌翼３の上半分Ｕの総面積に対する該上半分Ｕにおける開口４の開口面積の比率（撹拌翼３の上半分Ｕにおける開口率）が４５〜８０％、（ii）撹拌翼３の下半分Ｄの総面積に対する該下半分Ｄにおける開口４の開口面積の比率（撹拌翼３の下半分Ｄにおける開口率）が１８〜５０％、(iii）撹拌翼３の上半分Ｕにおける開口率に対する撹拌翼３の下半分Ｄにおける開口率の比率が３１〜７１％。
【選択図】図４

Description

本発明は、混合、溶解、晶析、反応等を目的とした撹拌処理用の撹拌機に関する。

従来、撹拌機の撹拌翼として、タービン翼、パドル翼、プロペラ翼等の小型翼を多段で使用する例が多い。これらの撹拌翼を使用する撹拌機では、翼回転数を高くして翼から半径方向に吐出される液の流量を多くすることにより、液が槽壁に衝突して上方及び下方に回り、再び翼の所へ戻る循環流動を発生させ、槽内の混合を行う。

しかしながら、上記小型翼では、図１４に示す如く、槽内の全体に亘って十分な上下循環流動が形成されず、上下間に複数の仕切ゾーンＺ，…ができてしまうため、撹拌特性はあまり良くない。しかも、翼形状が複雑化する傾向にあり、製作コストが高く、洗浄もしづらい。

これに対し、例えば特許文献１に記載されている平板型翼では、翼形状が簡潔であるため、製作コストが抑えられ、洗浄もしやすいというメリットと共に、槽内の全体に亘って翼から半径方向への液の吐出流量が大きいため、撹拌特性が良いというメリットがあり、特に高粘度液や槽底部に沈降しやすい固体を含む液体の撹拌処理に適している。
特開平１０−１７４８５７号公報

しかしながら、平板型翼であっても、特許文献１に記載されたものや、開口のない完全な平板であれば、図１５に示す如く、翼の上半分と下半分とで翼から半径方向へ吐出される液の吐出流量が等しいため、翼の上半分からの下方への吐出流動と翼の下半分からの上方への吐出流動とが衝突して、やはり上下間に仕切ゾーンＺができてしまい、撹拌特性が悪くなる。

そこで、本発明は、槽内の全体に亘って十分な上下循環流動を形成することができて、好適な撹拌特性を発揮することができる撹拌機を提供することを課題とする。

本発明に係る撹拌機は、撹拌槽１内中心部に槽外から回転可能な撹拌軸２が配設され、該撹拌軸２に平板且つ矩形状の撹拌翼３が取り付けられてなる撹拌機において、該撹拌翼３が複数の開口４，…を、（i）撹拌翼３の上半分Ｕの総面積に対する該上半分Ｕにおけ
る開口４の開口面積の比率（撹拌翼３の上半分Ｕにおける開口率）が４５〜８０％、（ii
）撹拌翼３の下半分Ｄの総面積に対する該下半分Ｄにおける開口４の開口面積の比率（撹拌翼３の下半分Ｄにおける開口率）が１８〜５０％、（iii）撹拌翼３の上半分Ｕにおける開口率に対する撹拌翼３の下半分Ｄにおける開口率の比率が３１〜７１％、の条件で備えてなることを特徴とする。

上記構成からなる撹拌機によれば、撹拌翼３の上半分Ｕにおける開口率が大きく、下半分Ｄにおける開口率が小さく、下半分Ｄから半径方向に吐出される撹拌対象物の吐出流量は、上半分Ｕから半径方向に吐出される撹拌対象物の吐出流量よりも多くなる。そのため、吐出の強い領域から吐出の弱い領域への上下循環流動、即ち、撹拌槽１の下部から上部へと連続した上下循環流動が形成されることとなる。その結果、仕切ゾーンができることなく、撹拌対象物が全体的に撹拌されることとなる。

即ち、本発明に係る撹拌機は、撹拌翼の上半分における開口率を大きくすると共に、下半分における開口率を小さくし、且つその開口率の適正化を図ることにより、槽内の全体に亘って十分な上下循環流動を形成することができて、好適な撹拌特性を発揮することができる。

以下、本発明の実施形態に係る撹拌機について図１に基づき説明する。

１は、円筒形撹拌槽で、該槽１内中心部には、撹拌軸２が配設されている。撹拌軸２は、下端が槽底部に設けられた軸受（図示しない）を介して支持され、且つ上端が槽頂部上の駆動装置（図示しない）にカップリング（図示しない）を介して接続されている。

３は、開口４を複数設けた平板状の撹拌翼で、矩形状を呈し、該撹拌翼３の幅方向中心部で撹拌軸２に取り付けられている。開口４は、撹拌翼３の上半分Ｕにおける開口率（撹拌翼３の上半分Ｕの総面積（該上半分Ｕにおける開口４の総開口面積を含む）に対する該総開口面積の比率）が撹拌翼３の下部Ｄにおける開口率（撹拌翼３の下半分Ｄの総面積（該下半分Ｄにおける開口４の総開口面積を含む）に対する該総開口面積の比率）よりも大きくなるよう、上半分Ｕの方が多く配置される。本実施形態の場合、同一の開口面積を有する開口４が、撹拌翼３の上半分Ｕには所定間隔を有して四つ、撹拌翼３の下半分Ｄには所定間隔を有して三つ形成されている。

５は、邪魔板で、撹拌槽１の側壁面であって、周方向に所定間隔を有して複数取り付けられている（図では、一つしか図示していない）。この邪魔板５は、撹拌槽１の側壁面下部から上部まで軸長方向に沿って連続しており、撹拌翼３から吐出された撹拌対象物を撹拌槽１の上部まで上昇させる特性を備えている。

本実施形態に係る撹拌機は、以上の構成からなり、次に、本実施形態に係る撹拌機の撹拌特性について図２に基づき説明する。

翼から半径方向に吐出される撹拌対象物の吐出流量は、撹拌翼３の軸長方向における単位幅面積と、該単位幅面積における外径の３乗との積に比例することが一般的に知られている。従って、本実施形態に係る撹拌翼３の如く、撹拌翼３の上半分Ｕにおける開口率が大きく、下半分Ｄにおける開口率が小さい場合、下半分Ｄにおける撹拌対象物の吐出流量Ｑ₁は、上半分Ｕにおける撹拌対象物の吐出流量Ｑ₂よりも多くなる。

そして、撹拌翼３の上半分Ｕと下半分Ｄとの吐出流量の違い、即ち、吐出強さの違いにより、吐出の強い領域から吐出の弱い領域への上下循環流動Ｒ₁、即ち、撹拌槽１の下部から上部へと連続した上下循環流動Ｒ₁が形成されることとなる。その結果、仕切ゾーンができることなく、撹拌対象物を全体的に撹拌することができるので、撹拌特性が良くなる。

また、上下循環流動Ｒ₁は、上部に達した後、撹拌槽１の側壁側から中心側へ移動し、撹拌軸２及び撹拌翼３に沿って下方へと移動する上下循環流動Ｒ₂となり、槽底部に戻るが、撹拌翼３に開口４が複数設けられていることにより、下降中の撹拌対象物がこれら開口４，…によって剪断細分化され、この細分化された撹拌対象物が撹拌翼３の回転方向後側に発生する微細渦に巻き込まれてより細かく撹拌されるようになっている。

尚、図２においては、理解を容易にするため、吐出流量（吐出流動）Ｑ₁，Ｑ₂ 、上下循環流動Ｒ₁，Ｒ₂を片側一面にしか図示していないが、撹拌槽１の周方向全領域において同様の流動態様が生じていることは言うまでもない。

ここで、本発明者は、撹拌翼３の開口率を如何なるように設定するのがよいか各種の実験を行った。

図４は、以下の実験を行い、その実験結果（図３）をプロットし、境界線を引いたものである。
＜実験条件＞
・槽内径Ｄ（撹拌槽１の胴部の内径）：３１０ｍｍ
・翼径ｄ（撹拌翼３の幅）：１６５ｍｍ
・翼高Ｂ（槽底部の最下位置から撹拌翼３の最上端までの高さ）：２９５ｍｍ
・液深Ｌ（槽底部の最下位置から液面までの高さ）：３５７ｍｍ
・槽底部形状：半楕円
・邪魔板：有り
・液量：２５リットル
・液粘度：１ｃｐ（水）
・撹拌動力：０．２ｋＷ／ｍ³
＜実験方法＞
ヨウ素還元脱色法を用い、流動状態を観察する。即ち、撹拌槽１内の液をヨウ素にて赤褐色に着色し、脱色液を投入してから撹拌を行う上で、槽内液の脱色の進み具合及び仕切ゾーンの有無を観察する（ＶＴＲ記録）。尚、この方法は、例えばMixing(1975) Shinji NAGATA John Wiley & Sons, P187, 4.3.1 Method of Measuring Mixer Performance や、Handbook of Industrial Mixing,John Willy & Sons, P167, 4-4.3 Approximate Mixing Time Measurement with Colorimetric methods にも開示されている周知の方法である。因みに、「○」は、撹拌槽１の下部から吐出された流動がスムーズに上部に到達し、上下方向に連続した一つの上下循環流動が形成された場合に対する評価であり、「△」は、撹拌槽１の下部から吐出された流動がほとんど上部に到達しているが、一部途中で中心側への流動が見られた場合に対する評価であり、「×」は、明らかに上下循環流動が分断された場合に対する評価である。

図６は、同上の実験条件で同じ実験を行い、撹拌を行ってから槽内液が完全に脱色されるまでの時間を測定し、その実験結果（図５）をプロットして、近似曲線を引いたものである。尚、混合時間の比とは、混合時間の最適値（実験では、３．１秒）を１００％とした場合の各混合時間の比率をいい、上下の開口率比とは、撹拌翼３の上半分Ｕにおける開口率に対する撹拌翼３の下半分Ｄにおける開口率の比率をいう。また、混合時間の最適値（平均値）とは、混合時間が短くなっている領域での１０個の混合時間データを平均化したものをいう。具体的には、図５の上から５個目のデータ（３．１秒）から１４個目のデータ（３．４秒）のうち、１３個目のデータ（４．０秒）は特異点として除外し、残り９個のデータを平均化したものをいう。図７は、近似曲線のデータである。

図３及び図４から、撹拌翼３の上半分Ｕにおける開口率が４５〜８０％、下半分Ｄにおける開口率が１８〜５０％であって、且つ、撹拌翼３の上下の開口率比が３１〜７１％（縦軸をｙ、横軸をｘとした場合、ｙ＝０．３１ｘとｙ＝０．７１ｘとで挟まれた領域）であるならば、流動状態（混合特性）が良く、さらに、撹拌翼３の上下の開口率比を３７〜６５％（ｙ＝０．３７ｘとｙ＝０．６５ｘとで挟まれた領域）に絞り込めば、流動状態（混合特性）がさらに良好になることがわかる。

図６及び図７からは、１１０％以内の範囲に入るのが、撹拌翼３の上下の開口率比が３７〜６５％であり、１２０％以内の範囲に入るのが、撹拌翼３の上下の開口率比が３１〜７１％であることがわかるが、この事実は、図３及び図４から導き出される上記事実と符合するものである。

以上より、撹拌翼３の開口率は、（１）撹拌翼３の上半分Ｕにおける開口率が４５〜８０％、下半分Ｄにおける開口率が１８〜５０％であって、且つ、撹拌翼３の上下の開口率比が３１〜７１％であるのが好ましく、（２）さらに好ましくは、撹拌翼３の上半分Ｕにおける開口率が４５〜８０％、下半分Ｄにおける開口率が１８〜５０％であって、且つ、撹拌翼３の上下の開口率比が３７〜６５％である。

尚、本発明に係る撹拌機は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態においては、上下の開口率比が、３１％以上、より好ましくは３７％以上であって、７１％以下、より好ましくは６５％以下であったが、混合時間の比が１００％以内の範囲に入るということを考慮すると、４６％以上であって、５６％以下であるのがさらに好ましく、また、混合時間の比が９９％よりも下回るということを考慮すると、４８％以上であって、５４％以下であるのがよりさらに好ましい。

また、上記実施形態においては、上半分Ｕにおける開口率が、４５％以上であって、８０％以下であったが、評価が「○」のものだけを考慮すると、５０％以上であって、７６％以下であるのがより好ましい。

また、上記実施形態においては、横長矩形状の開口４を縦に並べるように配置しているが、図８に示す如く、縦長スリット状の開口４を横に並べるように配置する態様（上下の開口率に違いを持たせるために、開口４の長さを異ならせている）、図９に示す如く、各開口４の大きさを異ならせ、それらを適宜配置する態様、図１０に示す如く、撹拌軸２に対して非線対称に配置する態様、図１１に示す如く、撹拌軸２を挟んで左右の開口４の位相を軸長方向にずらすように配置する態様、図１２に示す如く、開口４を軸長方向に対して千鳥状に配置する態様、図１３に示す如く、開口４を市松模様状に配置する態様等、要は、撹拌翼３の上半分Ｕにおける開口率が下半分Ｄにおける開口率よりも小さければ、開口４の形状、数、大きさ、配置は問わない。

また、上記実施形態においては、板材に孔を明けることにより開口を形成しているが、例えばアンカー型翼のように、構成部材を組み合わせて平板且つ矩形状の撹拌翼とし、各構成部材間の空隙を開口とするようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、撹拌軸２の下端が槽底部に支持されるようになっているが、該下端が槽底部から離間して支持されない態様であってもよい。

また、上記実施形態においては、撹拌軸２を槽外から回転駆動するための駆動装置を槽頂部側に設けているが、該駆動装置を槽底部側に設けてもよい。

また、上記実施形態においては、邪魔板５を設けているが、この邪魔板５は本発明においては、必須構成ではない。

また、槽内径Ｄ、翼径ｄ、翼高Ｂ、液深Ｌは、それぞれ特に限定されるものではないが、一般的には、翼径比ｄ／Ｄ（翼径ｄ／槽内径Ｄ）を４０〜７５％、翼高比Ｂ／Ｄ（翼高Ｂ／槽内径Ｄ）を５０〜１００％、液深比Ｌ／Ｄ（液深Ｌ／槽内径Ｄ）を１０〜１５０％に設定すればよい。

本実施形態に係る撹拌機の正面図を示す。同実施形態に係る撹拌機の撹拌特性を説明するための概念図を示す。撹拌翼の上半分における開口率と下半分における開口率との関係における撹拌特性（混合特性）のデータ表を示す。撹拌翼の上半分における開口率と下半分における開口率との関係における撹拌特性（混合特性）の良否を表すグラフを示す。撹拌翼の上半分における開口率に対する下半分における開口率の比と混合時間の比との関係のデータ表を示す。撹拌翼の上半分における開口率に対する下半分における開口率の比と混合時間の比との関係を表すグラフを示す。図６における近似曲線のデータ表を示す。他実施形態（その１）に係る撹拌機の正面図を示す。他実施形態（その２）に係る撹拌機の正面図を示す。他実施形態（その３）に係る撹拌機の正面図を示す。他実施形態（その４）に係る撹拌機の正面図を示す。他実施形態（その５）に係る撹拌機の正面図を示す。他実施形態（その６）に係る撹拌機の正面図を示す。従来の小型翼に係る撹拌機の撹拌特性を説明するための概念図を示す。従来の大型翼に係る撹拌機の撹拌特性を説明するための概念図を示す。

符号の説明

１…撹拌槽、２…撹拌軸、３…撹拌翼、４…開口、５…邪魔板、Ｒ₁，Ｒ₂…上下循環流動、Ｑ₁，Ｑ₂…吐出流量

Claims

撹拌槽（１）内中心部に槽外から回転可能な撹拌軸（２）が配設され、該撹拌軸（２）に平板且つ矩形状の撹拌翼（３）が取り付けられてなる撹拌機において、該撹拌翼（３）が複数の開口（４，…）を以下の条件で備えてなることを特徴とする撹拌機。
（ｉ）撹拌翼（３）の上半分（Ｕ）の総面積に対する該上半分（Ｕ）における開口（４）の開口面積の比率（撹拌翼（３）の上半分（Ｕ）における開口率）が４５〜８０％
（ii）撹拌翼（３）の下半分（Ｄ）の総面積に対する該下半分（Ｄ）における開口（４）の開口面積の比率（撹拌翼（３）の下半分（Ｄ）における開口率）が１８〜５０％
(iii）撹拌翼（３）の上半分（Ｕ）における開口率に対する撹拌翼（３）の下半分（Ｄ）における開口率の比率が３１〜７１％
前記開口（４，…）は、前記撹拌軸（２）に対して非線対称に配置される請求項１に記載の撹拌機。