JP4195782B2

JP4195782B2 - 攪拌装置および融雪装置

Info

Publication number: JP4195782B2
Application number: JP2001241529A
Authority: JP
Inventors: 学井口; 守良設楽; 敏彦丸山
Original assignee: HUENS CO., LTD.
Current assignee: HUENS CO., LTD.
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2021-08-09
Also published as: JP2003047835A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、攪拌装置および融雪装置に関する。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することなしに、液体を効率的に攪拌することができる攪拌装置、および、雪塊を効率的に融解させる融雪装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
従来の攪拌装置は基本的には、プロペラ等の手段を用いて液体を機械的に攪拌しようとするものであるため、プロペラ等の手段を駆動させるための駆動源を必要としており、これにより、装置の製造コスト、維持コストが高くなり、保守点検に手間がかかるという課題を有している。また、粘性の高い液体を攪拌しようとする場合には、このような型式の攪拌装置では、必ずしも満足のいく攪拌効果が得られない場合もあった。
【０００３】
一方、雪塊を温水中に投入して融解させる型式の融雪装置が知られているが、このような融雪装置では、雪塊の融解により温水の温度が徐々に低下するため、良好な融雪効率が得られないという課題があった。
【０００４】
このような現状に鑑み、本発明者は、プロペラ等の機械的な駆動源を必要とすることなしに、液体を効率的に攪拌する攪拌装置、および、雪塊を効率的に融解させる融雪装置を提案した（特許第３０５８８７６号）。
【０００５】
本願発明は、特許第３０５８８７６号に係る発明を改良発展させたものであって、より効率的に液体・雪塊を攪拌・融解する攪拌装置および融雪装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
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、特許第３０５８８７６号に示したように、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Ｈ1 とすると、ＤとＨ1 との関係が約０．３＜Ｈ1 ／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。
【０００７】
また、本発明者は、単孔ノズルから液体内に液体を噴出させると上昇噴流が形成され、上述のガスを液体内に吹き込んだ場合と同様な現象が発生することを見い出した。
【０００８】
なお、Ｈ1 ／Ｄ＜約０．３である場合には、気泡噴流（又は、液体噴流）の半径方向変位が極めて小さいため、旋回は、液体を攪拌するには不十分なものとなる。また、Ｈ1 ／Ｄ＞約１である場合には、旋回が安定せず、十分な攪拌効果が得られない。
【０００９】
上述の旋回現象が気泡（又は、液体）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（又は、液体）の流量が臨界値以上であり、かつ、気泡（又は、吹き込まれた液体）が吹き抜けない流量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（又は、液体）が気柱（又は、液柱）を作って液面から外部へ出る現象を意味している。
【００１０】
本発明者は、ガス（又は、液体）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（又は、液体）が上昇して液面から出る際にほぼ周期的に周りの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Ｗe ＝ρL Ｑg ²／（σL 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Ｗe ＝１０^-5が臨界値となる。ここで、ρL は液体の密度、Ｑg はガスの吹き込み流量（又は、液体の噴出流量）、σL は液体の表面張力、Ｄは円筒形容器の内径である。
【００１１】
上述のように、ＤとＨ1 との関係が約０．３＜Ｈ1 ／Ｄ＜約１である場合に液体の攪拌に好ましい旋回現象が発生するが、Ｈ1 ／Ｄ＝約０．５の場合に、最も好ましい攪拌効果が得られる旋回現象が発生する。
【００１２】
一方、単孔ノズルより上方の液体が、図６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。容器の底面と単孔ノズルの高さの差をＨ2 とすると、最も好ましくは、約０．５Ｄ＜Ｈ2 ＜約２Ｄである。
【００１３】
さらに、本発明では、円筒形容器の側壁に、単孔ノズルの先端よりも下方に位置する高さのところに側壁の接線方向に配向された別のノズルを配置している。そして、別のノズルから液体を噴射させることにより、旋回流Ｂの旋回を促進させ、これにより、旋回流Ａの旋回を促進させて攪拌効率・融解効率を向上させている。
【００１４】
本願請求項１に記載の攪拌装置又は融雪装置は、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容器を備え、容器内には、攪拌しようとする液体又は融解させようとする雪塊が投入された水が収容されており、液面又は水面から深さＨ1 のところに上向きに配向され、液体又は水内に気体又は液体を吹き込むための１又は複数の第１のノズルが配置されており、深さＨ1 と内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ1 ／Ｄが、０．３〜１の範囲にあり、第１のノズルから液体又は水内に吹き込まれる気体又は液体の流量Ｑa が、ρL Ｑa ²／（σL Ｄ³）＝１０^-5（ここで、ρL は液体又は水の密度、σL は液体又は水の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、気体の気泡又は吹き込まれた液体が液面又は水面を吹き抜けない流量以下であり、更に、前記円筒形容器の側壁又は前記多角形の平面形状をもつ容器の側壁に、前記第１のノズルの先端よりも下方に位置する高さのところに前記側壁の接線方向に配向された、１又は複数の第２のノズルが配置されており、第２のノズルから容器内に液体が噴出されることを特徴とするものである。
【００１５】
本願請求項２に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項１の装置において、前記第１のノズルのうち少なくとも１つが、容器内のほぼ中央に配置されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本願請求項３に記載の攪拌装置又は融雪装置は、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。
【００１７】
本願請求項４に記載の攪拌装置又は融雪装置は、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。
【００１８】
本願請求項５に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項１〜３のいずれか１項の装置において、深さＨ1 と内径又は内接径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。
【００１９】
本願請求項６に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項１〜５のいずれか１項の装置において、容器の底から液面又は水面での深さが、Ｈ1 以上であることを特徴とするものである。
【００２０】
本願請求項７に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項６の装置において、容器の底からノズルまでの深さが、０．５Ｄ〜２Ｄの範囲にあることを特徴とするものである。
【００２１】
本願請求項８に記載の攪拌装置又は融雪装置は、底壁のない内径Ｄの円筒体又は内接円径Ｄの多角形の平面形状をもつ筒体を備え、円筒体又は筒体が、不整形な領域内に収容された、攪拌しようとする液体又は融解させようとする雪塊が投入された水に挿入されており、円筒体又は筒体によって包囲される液体又は水の領域内の液面又は水面から深さＨ1 のところに上向きに配向され、液体又は水内に気体又は液体を吹き込むための１又は複数の第１のノズルが配置されており、深さＨ1 と内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ1 ／Ｄが、０．３〜１の範囲にあり、第１のノズルから液体又は水内に吹き込まれる気体又は液体の流量Ｑa が、ρL Ｑa ²／（σL Ｄ³）＝１０^-5（ここで、ρL は液体又は水の密度、σL は液体又は水の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、気体の気泡又は吹き込まれた液体が液面又は水面を吹き抜けない流量以下であり、更に、前記円筒体の側壁又は前記筒体の側壁に、前記第１のノズルの先端よりも下方に位置する高さのところに前記側壁の接線方向に配向された、１又は複数の第２のノズルが配置されており、第２のノズルから容器内に液体が噴出されることを特徴とするものである。
【００２２】
本願請求項９に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項８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。
【００２３】
本願請求項１０に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項８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。
【００２４】
本願請求項１１に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項８〜１０のいずれか１項の装置において、深さＨ1 と内径又は内接径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。
【００２５】
【発明の実施の形態】
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および融雪装置について説明する。図１〜図６において全体として参照符号１０で示される本発明の第１の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５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 となるように、攪拌しようとする液体が収容されている。
【００２６】
円筒形容器１２内のほぼ中央には、液面からの深さがＨ1 のところに上向きに配向された第１のノズル１４が配置されており、第１のノズル１４は、気体供給源又は液体供給源（いずれも図示せず）に連結されている。これにより、気体供給源又は液体供給源から供給された気体又は液体が第１のノズル１４から液体内に噴射されるようになっている。なお、簡単化のため、以下、第１のノズル１４から供給されるのは空気であるとして説明を行う。
【００２７】
液面からノズル１４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。
【００２８】
さらに、円筒形容器１２の側壁１２ａには、第１のノズル１４の先端よりも下方に位置する高さのところに側壁１２ａの接線方向に配向された第２のノズル１６が配置されており、第２のノズル１６は、液体供給源（図示せず）に連結されている。なお、図２では、２つの第２のノズル１６が、直径方向に対向した個所に配置されているが、図３に示されるように、第２のノズル１６を１つにしてもよく、或いは、図４に示されるように、３つ以上の第２のノズル１６を配置してもよい。
【００２９】
円筒形容器１２の底壁１２ｂには、液体排出口１７が設けられている。円筒形容器１２内の液体が所望の液面を維持するように、液体排出口１７から液体が排出される。
【００３０】
図６は、図１の攪拌装置１０において第１のノズル１４から空気が噴射され、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Ｑa は、上述のように、ρL Ｑa ²／（σL 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ない流量以下である。
【００３１】
一方、第１のノズル１４より下方の液体は、上述のように、角運動量保存則により、矢印Ｂで示されるように、逆方向に旋回する。さらに、第２のノズル１６から噴射される液体により、矢印Ｂで示される旋回が加速される。矢印Ｂで示される旋回が加速されると、角運動量保存則により、矢印Ａで示される旋回も加速される。これにより、円筒形容器１２内の液体の攪拌が一層効率的に行われることになる。
【００３２】
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る攪拌装置２０を示した概略図である。攪拌装置２０は、不整形な領域２１内に充填された液体内に円筒体２２を挿入する点を除いて、攪拌装置１０と実質的に同一である。すなわち、攪拌装置２０は、底壁のない、内径Ｄの円筒体２２を備えている。円筒体２２のほぼ中央には、攪拌装置１０と同様に、液面からの深さがＨ1 のところに上向きに配向された第１のノズル２４が配置されており、第１のノズル２４は、気体供給源又は液体供給源（図示せず）に連結されている。
【００３３】
さらに、円筒体２２の側壁２２ａには、第１のノズル２４の先端よりも下方に位置する高さのところに側壁２２ａの接線方向に配向された第２のノズル２６が配置されており、第２のノズル２６は、液体供給源（図示せず）に連結されている。なお、図８では、２つのノズル２６が示されているが、第１の実施の形態における場合と同様に、ノズル２６の数を１つにしてもよく、或いはノズル２６の数を３つ以上にしてもよい。円筒体２２には底壁がないため、第１の実施の形態のように液体排出口を設けなくともよいが、図８に示されるように、液体排出口２７を設け、円筒体２２内の液体をポンプ（図示せず）等で強制的に排出させて、所望の液面が維持されるように構成してもよい。
【００３４】
攪拌装置２０においては、攪拌装置１０と同様に、Ｈ1 ／Ｄは、約０．３〜約１の範囲にあり、第１のノズル２４から噴射される気体又は液体の流量Ｑa は、ρL Ｑa ²／（σL 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ない流量以下である。以上の構成により、攪拌装置２０においては、図７（ａ）に示されるように、円筒体２２内において、液体が旋回する。
【００３５】
次に、本発明の効果を実証するために行った実験について説明する。この実験では、直径２０ｃｍ、高さ４０ｃｍの円筒形容器を２つ準備した。そして、第１の円筒形容器には、ほぼ中央の個所に上向きに配向された第１のノズルを配置した。一方、第２の円筒形容器には、第１の円筒形容器と同様に、ほぼ中央の個所に上向きに配向された第１のノズルを配置するとともに、上向きに配向された第１のノズルの先端よりも下方に位置する高さのところに円筒形容器の側壁の接線方向に配向された第２のノズルを配置した。実験に際しては、円筒形容器内に深さ２０ｃｍまで水を入れ、上向きに配向された第１のノズルから２００ｃｍ³／ｓｅｃの流量で空気を噴射し、接線方向に配向された第２のノズルから１００ｃｍ³／ｓｅｃの流量で水を噴射し、２つの円筒形容器における水の均一混合時間を測定した。その結果、接線方向の第２のノズルを有する第２の円筒形容器では、接線方向の第２のノズルを有しない第１の円筒形容器と比較して、水の均一混合時間が約１／２になった。これにより、接線方向の第２のノズルを配置することの有効性が確認された。
【００３６】
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。
【００３７】
たとえば、前記実施の形態では、第１の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、第１のノズルから噴射される気体を、目的に応じて、例えば酸素、二酸化炭素、オゾン、硫化水素、アンモニアのような反応性ガスとするのがよい。また、目的に応じて、第１のノズルから気体を噴射させるのではなく、液体（例えば、水、酸性液、アルカリ性液、溶剤入り液体）を噴射させてもよい。
【００３８】
また、本発明の攪拌装置では、攪拌しようとする液体（即ち、容器内に収容される液体）としては、水等の純粋な液体の他、反応性ガスによる化学的な分解処理に供される有機系廃液のような、粘性の高い、攪拌しにくい物質を含有した液体も含まれる。また、容器内に、水と野菜等を入れて、オゾン併用等により殺菌・洗浄装置として利用することもできる。さらに、スクラップのような固形物の溶解装置としても利用することができる。
【００３９】
また、図７に示されるように、第２のノズル１６と液体排出口１７とを管路を介して連結し、当該管路にポンプＰを配置することにより、第２のノズル１６から噴射された液体を液体排出口１７から排出させ、ポンプＰによって循環させて第２のノズル１６から更に噴射させるように構成してもよい。第２の実施の形態においても同様である。
【００４０】
また、前記実施の形態においては、第１のノズル１４、２４が円筒形容器１２又は円筒体２２のほぼ中央に配置されているが、第１のノズルを中央から偏心した位置に配置してもよい。本発明者は、ノズルの偏心の影響を確認するため、種々の実験を行ったが、その結果が図９に示されている。図９（ａ）は、ノズルの偏心ｅが０の場合における液体の旋回を示した図、図９（ｂ）は、ノズルの偏心ｅが１／４の場合における液体の旋回を示した図、図９（ｃ）は、ノズルの偏心ｅが１／３の場合における液体の旋回を示した図、図９（ｄ）は、ノズルの偏心ｅが１／２の場合における液体の旋回を示した図である。ｅ＝０の場合が最も好ましいが、ｅ＝１／４〜１／３の場合でも、液体は十分に旋回しているのが分かる。
【００４１】
また、前記実施の形態では、第１のノズル１４、２４の数は１つであるが、複数のノズルを設けてもよい。
【００４２】
また、前記実施の形態では、円筒形容器１２又は円筒体２２の平面形状は円であるが、容器又は筒体の平面形状をｎ角形（ｎ≧３）にしてもよい。この場合のＤは、ｎ角形の内接円の径となる。
【００４３】
さらに、前記実施の形態においては、攪拌装置に関連して説明されているが、本発明に係る装置を融雪装置として使用してもよい。融雪装置として使用する場合の装置の構造は、攪拌装置として使用する場合の構造と同じである。融雪装置として使用する場合には、容器等に温水又は水を入れ、その中に雪塊を投入し、温水又は水を旋回させることによって雪塊を融解させる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の攪拌装置および融雪装置は、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。また、本発明の攪拌装置は、単に液体を攪拌するのみならず、反応性ガス等を吹き込むことにより、一種のリアクタとして利用することもできる。また、融雪装置においては、旋回により水温が均一化することに加えて、雪塊に衝突する気泡の衝撃力により、融解効率が高められる。さらに、融雪装置においては、気泡の存在により水の密度が見かけ上減少し、雪塊が沈むことによって融解効率が一層高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る攪拌装置を示した概略斜視図である。
【図２】図１に示した装置の平面図である。
【図３】図１の装置の変形例を示した図２と同様な図である。
【図４】図１の装置の別の変形例を示した図２と同様な図である。
【図５】図１に示した装置の正面図である。
【図６】図１の装置内の液体が旋回している状態を示した模式図である。
【図７】第１の実施の形態の変形例を示した図である。
【図８】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斜視図である。
【図９】ノズル位置の偏心の影響を示した図である。
【符号の説明】
１０、２０攪拌装置
１２、２２円筒形容器又は円筒体
１４、２４第１のノズル
１６、２６第２のノズル
１７、２７液体排出口

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容器を備えた攪拌装置又は融雪装置であって、容器内には、攪拌しようとする液体又は融解させようとする雪塊が投入された水が収容されており、液面又は水面から深さＨ1 のところに上向きに配向され、液体又は水内に気体又は液体を吹き込むための１又は複数の第１のノズルが配置されており、深さＨ1 と内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ1 ／Ｄが、０．３〜１の範囲にあり、第１のノズルから液体又は水内に吹き込まれる気体又は液体の流量Ｑa が、ρL Ｑa ²／（σL Ｄ³）＝１０^-5（ここで、ρL は液体又は水の密度、σL は液体又は水の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、気体の気泡又は吹き込まれた液体が液面又は水面を吹き抜けない流量以下である装置において、
前記円筒形容器の側壁又は前記多角形の平面形状をもつ容器の側壁に、前記第１のノズルの先端よりも下方に位置する高さのところに前記側壁の接線方向に配向された、１又は複数の第２のノズルが配置されており、第２のノズルから容器内に液体が噴出されることを特徴とする装置。
前記第１のノズルのうち少なくとも１つが、容器内のほぼ中央に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
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に記載の装置。
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に記載の装置。
深さＨ1 と内径又は内接径Ｄとの比Ｈ1 ／Ｄが、０．５であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
容器の底から液面又は水面での深さが、Ｈ1 以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
容器の底からノズルまでの深さが、０．５Ｄ〜２Ｄの範囲にあることを特徴とする請求項６に記載の装置。
底壁のない内径Ｄの円筒体又は内接円径Ｄの多角形の平面形状をもつ筒体を備えた攪拌装置又は融雪装置であって、円筒体又は筒体が、不整形な領域内に収容された、攪拌しようとする液体又は融解させようとする雪塊が投入された水に挿入されており、円筒体又は筒体によって包囲される液体又は水の領域内の液面又は水面から深さＨ1 のところに上向きに配向され、液体又は水内に気体又は液体を吹き込むための１又は複数の第１のノズルが配置されており、深さＨ1 と内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ1 ／Ｄが、０．３〜１の範囲にあり、第１のノズルから液体又は水内に吹き込まれる気体又は液体の流量Ｑa が、ρL Ｑa ²／（σL Ｄ³）＝１０^-5（ここで、ρL は液体又は水の密度、σL は液体又は水の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、気体の気泡又は吹き込まれた液体が液面又は水面を吹き抜けない流量以下である装置において、
前記円筒体の側壁又は前記筒体の側壁に、前記第１のノズルの先端よりも下方に位置する高さのところに前記側壁の接線方向に配向された、１又は複数の第２のノズルが配置されており、第２のノズルから容器内に液体が噴出されることを特徴とする装置。
前記気体が空気であることを特徴とする請求項８に記載の装置。
前記気体が反応性ガスであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
深さＨ1 と内径又は内接径Ｄとの比Ｈ1 ／Ｄが、０．５であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の装置。