JP4701056B2 - 攪拌装置 - Google Patents

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Description

本発明は、混合、溶解、晶析、反応等を目的とした攪拌処理用の攪拌装置に関する。
従来、攪拌装置の攪拌翼として、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。これらの攪拌翼を使用する攪拌装置では、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、液が攪拌槽内壁面(以下、単に「槽壁」と言うことがある。)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、槽内の混合を行っていた。
しかし、上記小型翼では、図11に示すように、攪拌槽(以下、単に「槽」と言うことがある。)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、槽の上下方向の液の混合が進み難く、攪拌特性はあまり良くない。
これに対し、図12に示すように、攪拌軸に沿って取り付けられる大型の平板型翼では、槽内の全体に亘って翼から半径方向への液の吐出量が大きいため、攪拌特性が良いというメリットがあり、比較的高粘度の液や槽底部に沈降し易い個体を含む液体の攪拌処理に適している。
しかし、このような平板型翼であっても、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量が等しいため、翼の上半分から下方への吐出流動と翼の下半分から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ができてしまい、前記同様、槽内の全体に亘って十分な上下の循環流動が形成されず、槽の上下方向の液の混合が進み難く、攪拌特性が十分ではない。
また、前記大型の平板翼では、Re数が50以上であれば攪拌特性は良いが、Re数が50以下の高粘度になると液の慣性力が弱くなり、このような大型の平板翼でも径方向の吐出量が非常に小さくなる。そのため、十分な循環流動が形成されず、上下方向での良好な混合が得られない。
一方、高粘度用のリボン翼やアンカー翼などでは、低粘度になると径方向への吐出量が極めて少なく、低粘度では十分な循環流動が形成されず、上下方向での良好な混合が得られない。
そこで、図13乃至図15に示すように、攪拌軸21の回転方向に対して上向き角度に傾斜させて設けた上部攪拌翼22と垂直方向に(軸方向に沿って)設けた下部攪拌翼23とを備える攪拌装置20が提供されている(特許文献1参照)。
この攪拌装置の上部攪拌翼は、四半楕円形状に形成された第1の上部攪拌翼22aと第2の上部攪拌翼22bとを平行且つ第1の上部攪拌翼22a下部と第2の上部攪拌翼22b上部とが重なるように配置して半楕円形の傾斜段差翼22を構成し、かかる半楕円形の傾斜段差翼(第1の上部翼22a及び第2の上部翼22b)22を攪拌軸21の回転方向に対して上向きに傾斜させ、且つ両側から挟むように固定することで構成されている。
一方、下部攪拌翼23は、外周端が槽壁近傍まで延設された平板状で、その先端部(外周端部)が攪拌軸21の回転方向に対して後退側(攪拌軸の回転方向と反対側)に屈曲している。
このような構成の攪拌翼では、攪拌軸21が回転することによって、該攪拌軸21上部に設けた傾斜段差翼22も共に回転する。その際、傾斜段差翼22の上部(先端)に位置する槽上部の液が傾斜段差翼22に沿って下方(底方向)に移動させられることにより、槽内上部の液が槽内下部(下部攪拌翼23側)へ移動され、移動された液が下部攪拌翼23により槽の径方向に吐出され、槽壁に衝突することで上昇して槽内で上下循環流動を形成し、高粘度から低粘度までの広い粘度域の流体(液)の槽内における上下循環流動が形成されることによって、上下方向での攪拌混合が行われる。
特開平9−75699号公報
ところで、近年、攪拌作業の効率化が求められており、そのため、攪拌時間を短縮できるよう、短時間で十分に攪拌混合できる攪拌特性の良い攪拌装置が要求されている。
しかし、前記従来の傾斜段差翼22を備えた攪拌装置20では、上部攪拌翼(傾斜段差翼)22によって槽上部の液が下部攪拌翼23側へ移動されるためには、攪拌軸を180°回転、即ち、半回転させなければならず、槽内における上下方向での良好な混合を得るためには多くの回転数(回転角)が必要となる。そのため前記攪拌時間の短縮という要求に対し十分に応えることができなかった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、高粘度から低粘度までの広い粘度域の流体を、槽内の全体に亘って速やか且つ均一に攪拌混合することができる攪拌装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決すべく、本発明に係る攪拌装置は、攪拌槽内中心部に槽外から回転可能な攪拌軸が配設され、該攪拌軸に配設される上部攪拌翼部と該上部攪拌翼部下端近傍から槽底面近傍まで垂下し且つ攪拌軸から径方向に延設される平板状の下部攪拌翼とを備え、前記上部攪拌翼部は、一対の上部攪拌翼が前記攪拌軸の周方向に沿って所定間隔に且つ前記攪拌軸の回転方向に対して所定の上向き角度で傾斜して設けられることで構成される一組の上部攪拌翼を複数段備え、前記各段の対応する上部攪拌翼は、上段の上部攪拌翼と下段の上部攪拌翼とが、軸長方向において、前記上段の上部攪拌翼の下辺側から前記下段の上部攪拌翼の下辺側が見えるように重なる位置にそれぞれ配設される攪拌装置であって、前記上部攪拌翼部は、下降流を形成するために、前記各段の対応する上部攪拌翼が最上段の上部攪拌翼の上辺から最下段の上部攪拌翼の下辺までの攪拌軸を中心とする回転方向に対する角度が180°より小さくなるように配設されて軸長方向において攪拌槽底面を覆う部位と、上昇流を形成するために、前記上部攪拌翼が軸長方向において攪拌槽底面を覆っていない部位とを、回転方向で交互に配置し、前記下部攪拌翼は、最下段の各上部攪拌翼の下辺に沿ってそれぞれ配設されることを特徴とする。
上記構成とすることで、前記攪拌軸を回転させると、前記上部攪拌翼部によって槽上部の液が前記下部攪拌翼側(槽下部)へ移動される。その際に必要な前記攪拌軸の回転角度は、180°より小さい角度で良い。即ち、180°より小さい回転角で槽上部の液を下部(底部)にまで一気に到達させることができるようになる。
さらに、上記構成とすることで、前記攪拌軸を回転させると、前記上部攪拌翼によって槽上部の液を効率よく前記下部攪拌翼側へ移動できるようにもなる。
これは、傾斜翼を液中で回転させると、翼の表面(回転方向の面)側に正圧が発生し、裏面(回転方向と逆の面)側には負圧が発生する。そのため、上段の上部攪拌翼の裏面に発生する負圧によって該上部攪拌翼の裏面側近傍の液が引き込まれ、この引き込まれた液が下段の上部攪拌翼の裏面に発生する負圧によって下方に移動され、さらに下段の上部攪拌翼の裏面に発生する負圧によってさらに下方に移動されるからである。即ち、上部攪拌翼の裏面に発生する負圧部に引き込まれた液が、その下段の上部攪拌翼の裏面に発生する負圧部に引き込まれることで下方に移動することにより、槽上部の液は下方側に移動される。
また、上段の上部攪拌翼の表面に発生する正圧と下段の上部攪拌翼の裏面に発生する負圧とによって、上段の上部攪拌翼の下辺部と下段の上部攪拌翼の上辺部との重複部分に吸引力が発生し、上段の上部攪拌翼によって下方に移動された液が重複部分に引き込まれ、この引き込まれた液は、下段の上部攪拌翼の裏面に発生している負圧によって、該下段の上部攪拌翼に沿ってさらに下方に移動される。
この時、下段の上部攪拌翼の表面の正圧によって下方に移動された液も、前記同様に、さらに下段の上部攪拌翼との重複部分に引き込まれて下方に移動され、このような理由によっても、槽上部の液は下方側に移動される。
以上のようにして、上部攪拌翼に沿って下方側に効率よく液が移動できるようになる。そのため、上部攪拌翼部によって槽上部の液が下部攪拌翼側へ効率よく移動できるようになる。この下部攪拌翼側に移動された液は、さらに下部攪拌翼によって槽壁(径)方向に吐出される。そして、この吐出された液が槽壁に衝突して上昇することによって、槽内に上下循環流動が形成される。
従って、従来の攪拌翼よりも少ない回転数で、槽内に十分な流量の上下循環流動が形成され、上下方向での良好な混合が行われる。
また、攪拌槽内中心部に槽外から回転可能な攪拌軸が配設され、該攪拌軸に配設される上部攪拌翼部と該上部攪拌翼部下端近傍から槽底面近傍まで垂下し且つ攪拌軸から径方向に延設される平板状の下部攪拌翼とを備え、前記上部攪拌翼部は、複数の上部攪拌翼が前記攪拌軸の周方向に沿って所定間隔に且つ前記攪拌軸の回転方向に対して所定の上向き角度で傾斜して設けられることで構成される一組の上部攪拌翼を複数段備え、前記各段の対応する上部攪拌翼は、上段の上部攪拌翼と下段の上部攪拌翼とが、軸長方向において、前記上段の上部攪拌翼の下辺側から前記下段の上部攪拌翼の下辺側が見えるように重なる位置にそれぞれ配設される攪拌装置であって、前記上部攪拌翼部は、下降流を形成するために、前記各段の対応する上部攪拌翼が軸長方向において、攪拌槽底面を、攪拌軸を中心とする回転方向に対して所定の角度だけ覆う部位と、上昇流を形成するために、前記上部攪拌翼が軸長方向において攪拌槽底面を覆っていない部位とを、回転方向で交互に配置し、前記下部攪拌翼は、最下段の各上部攪拌翼の下辺に沿ってそれぞれ配設されることを特徴とする攪拌装置であっても良い。
上記構成とすることでも、前記同様、攪拌軸は、180°よりも小さな回転角で槽上部の液を下部にまで到達させることができ、また、上部攪拌翼部は、槽上部の液を効率よく下部攪拌翼側へ移動できるようになる。
従って、従来の攪拌翼よりも少ない回転数で、槽内により十分な流量の上下循環流動が形成され、上下方向での良好な混合が行われる。その結果、槽内の全体に亘って速やか且つ均一に攪拌混合することができるようになる。
また、前記上部攪拌翼は、攪拌槽内壁面に向かって回転方向に幅広となる扇形形状に形成されると共に、上段の上部攪拌翼と対応する下段の上部攪拌翼との重複部分の面積が攪拌槽内壁面に向かって大きくなるように配置される構成とすることが好ましい。
上記構成とすることで、上部攪拌翼の面積を広くすることができ、槽下部方向へ移動される液の流量をより多くすることができるようになる。
さらに、扇形形状とすることで、上段の上部攪拌翼と対応する下段の上部攪拌翼との重複部分の面積が大きくなり、より重複部分の吸引力が強くなる。その結果、下方へ移動される液の流量がより多くなる。
従って、上部攪拌翼部による槽下部へ移動される液の流量も増え、槽内の下降流(槽下部側への各段の上部攪拌翼に沿った液の流れ)の流量がより増加する。それに伴って槽内の上下循環流動の流量が増加し、槽内における上下方向での良好な混合をより速やかにできるようになる。その結果、槽内の上下方向全体に亘って、より速やか且つ均一に攪拌混合することができるようになる。
また、前記上部攪拌翼は、その攪拌槽内壁面に近接した位置まで径方向に延設されることが好ましい。
上記構成とすることで、上部攪拌翼の面積をより広くすることができる。従って、前記同様、より上部攪拌翼部による下降流の流量が増え、上下循環流動の流量を多くすることができ、槽内の上下方向での良好な混合を得ることができる。
また、前記下部攪拌翼は、攪拌槽底面に向かって径方向に幅広となる構成とすることが好ましい。
上記構成とすることで、下部攪拌翼上部と下部攪拌翼下部との径方向への液の吐出量の差が生じ、この吐出された液が槽壁に衝突した際、槽壁の上方側の吐出量ほど少ないため、より上昇流が起こり易くなる。このことによって、より上下方循環流動が形成され易くなり、槽内の全体に亘って速やか且つ均一に攪拌混合することができるようになる。
以上より、本発明に係る攪拌装置は、攪拌軸の回転角が少なくても十分な流量の下降流が形成され、それに伴って十分な流量の上下循環流動が形成されて、高粘度から低粘度までの広い粘度域の流体を、槽内の全体に亘って速やか且つ均一に攪拌混合することができるようになる。
以下、本発明の第一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図1乃至図3に示すように、攪拌装置1は、円筒形攪拌槽2の中心部に、攪拌軸3が回転可能に支持されている。攪拌軸3は、下端が槽底部近傍まで垂下されている。また、上端は槽頂上部駆動装置(図示せず)にカップリング(図示せず)を介して接続されている。該攪拌軸3には、上部攪拌翼部4と下部攪拌翼5,5とが設けられている。
上部攪拌翼部4は、一対の上部攪拌翼6,6が攪拌軸3の軸芯方向に沿って一定間隔に複数段設けられることで構成されている。本実施形態においては、上から順に第一段、第二段、第三段の三段に構成されている。
上部攪拌翼6は、平板状の攪拌翼で、側辺(上、下辺)6a、6bを半径とする扇形形状に形成されている。この上部攪拌翼6は、径方向(攪拌軸から槽壁方向)に向かって攪拌軸3の回転方向に幅広となる向きに、攪拌軸3を両側から挟むようにして取り付けられる。また、この一対の上部攪拌翼6,6は、攪拌軸3の回転方向(矢印α)に対して所定の上向き角度で傾斜させ、攪拌軸3に固定されている。
この傾斜角(上向き角度)は、第一段の一対の上部攪拌翼6,6から第二段の一対の上部攪拌翼6’,6’へ、第二段の一対の上部攪拌翼6’,6’から第三段の一対の上部攪拌翼6”,6”へと攪拌時に液が連続的に流動するような角度であれば良い。
尚、上部攪拌翼6は、本実施形態においては平滑な扇形の平板状であるが、これに限定される必要はなく、湾曲したような形状でも良く、表面が平滑でなく液の流動方向に沿って溝や凸条等が設けられていても良い。また、連続的ではなく断続的な平板状であっても良い。さらに、扇形形状に限定される必要もなく、中抜き扇形形状や矩形状等であっても良い。
第二段の上部攪拌翼6’は、対応する第一段の上部攪拌翼6よりも回転方向に対し後退側(矢印αと反対側)に設けられている。このとき、第二段の上部攪拌翼6’は、軸長方向において、対応する第一段の上部攪拌翼6の下辺6b(回転方向後退側端部)側から第二段の上部攪拌翼6’の下部側が見える位置(部位)に設けられている。そして、第三段の上部攪拌翼6”も同様に、軸長方向において、対応する前記第二段の上部攪拌翼6’の下辺6’b側からその下部側が見える位置に設けられている。このように、対応する上部攪拌翼6,6’,6”がそれぞれ下段に行くほど回転方向に対し後退側にずれるように配設されることで、軸長方向において、上部攪拌翼部4は、それぞれ側辺6a,6”bのなす角度が約90°の一対の扇形形状が攪拌軸3を対向して挟むように配設されている。
従って、軸長方向において、回転方向に沿って、一方の扇形形状の上部攪拌翼部4、槽底面R、他方の扇形形状の上部攪拌翼部4、槽底面Rの順に交互に現れるような配置となる。
尚、本実形態において、上部攪拌翼6(6’,6”)の上辺6a(6’a,6”a)と下辺6b(6’b,6”b)とのなす角は、全ての段において同一であるが、各段毎に異なっていても良い。また、対向する一対の上部攪拌翼6,6の前記上下辺のなす角同士の角度が異なっていても良い。
また、前記第一段の上部攪拌翼6の下辺6bと対応する第二段の上部攪拌翼6’の下辺6’bとのなす角、及び、前記第二段の上部攪拌翼6’の下辺6’bと対応する第三段の上部攪拌翼6”の下辺6”bとのなす角は、本実施形態においては全て同一になるように配設されているが、同一でなく異なっていても良い。また、第一段と第二段、及び第二段と第三段の一対の上部攪拌翼6,6の攪拌軸3方向の間隔も一定である必要はない。
さらに、軸長方向において、前記上部攪拌翼部4の側辺6a、6”bのなす角は、本実施形態においては約90°であるが、これに限定される必要はない。また、軸長方向において、上部攪拌翼部4の攪拌軸3を挟んで位置する扇形形状の前記側辺6a、6”bのなす角は、共に同一である必要はなく、それぞれが異なる角度であっても良い。
下部攪拌翼5,5は、攪拌軸3に沿って設けられた平板状の攪拌翼であり、下方に向かって径方向に幅広となるように形成されている。この下部攪拌翼5,5は、軸長方向において、第三段の一対の上部攪拌翼6”,6”の下辺6”b、6”bに沿って径方向へ、且つ前記一対の上部攪拌翼6”,6”の下辺6”b,6”b近傍から下方に向かって延設されるように形成されている。
本実施形態に係る攪拌装置は、以上の構成からなり、次に、本実施形態に係る攪拌装置の攪拌特性について図4及び図5に基づき説明する。
攪拌軸3を矢印α方向に回転させることによって上部攪拌翼部4と下部攪拌翼5,5とが同方向に回転する。この時、第一段の上部攪拌翼6は、攪拌槽2内上部の液を下方に移動させる(矢印A,A’)。そして、第二段の上部攪拌翼6’は、対応する第一段の上部攪拌翼6により下方に移動された液をさらに下方に移動させると同時に、上部攪拌翼6’の表面及び裏面近傍の液を下方に移動させる(矢印B,B’)。さらに、第三段の上部攪拌翼6”は、対応する第一段及び第二段の上部攪拌翼6,6’により下方に移動された液をさらに槽2の底部方向に移動させると同時に、上部攪拌翼6”の表面及び裏面近傍の液を下方に移動させる(矢印C,C’)。
より詳細に説明すると、傾斜翼を液中で回転させると、翼の表面(回転方向の面)側に正圧が発生し、裏面(回転方向と逆の面)側には負圧が発生する。そのため、第一段の上部攪拌翼6の裏面6dに発生する負圧によって該上部攪拌翼6の裏面6d側近傍の液が引き込まれる。そして、この引き込まれた液が第二段の上部攪拌翼6’の裏面6’dに発生する負圧によって下方に引き込まれることで移動される(矢印A)。さらに、第三段の上部攪拌翼6”の裏面6”dに発生する負圧によって下方に引き込まれることで下方に移動される(矢印B)。その後、下部攪拌翼5の裏面に発生する負圧によって液が引き込まれる(矢印C)。
即ち、各段の上部攪拌翼6,6’,6”の裏面6d,6’d,6”dに発生する負圧部によって引き込まれた液が、対応する下段の上部攪拌翼又は下部攪拌翼5の裏面に発生する負圧部に順次引き込まれることによって槽上部の液は下方側に移動される。
また、第一段の上部攪拌翼6の表面6cに生じる正圧と対応する第二段の上部攪拌翼6’の裏面6’dに生じる負圧とにより、第一段の上部攪拌翼6の下辺6b部と対応する第二段の上部攪拌翼6’の上辺6’a部との重複部分に吸引力が発生する。
このため、まず第一段の上部攪拌翼6により下方に移動された攪拌槽2内の液が重複部分に引き込まれて(矢印A’)さらに下方へ吐出される。そして、この重複部分からの液の流れは、対応する第二段の上部攪拌翼6’の回転によって生じている裏面側の負圧により、該上部攪拌翼6’の裏面6’dに沿って、対応するさらに下方の第三段の上部攪拌翼6”へ確実に引き込まれる(矢印B)。それと同時に、前記第二段の上部攪拌翼6’の表面6’cによって下方に移動された液も、該上部攪拌翼6’の下辺6’b部と対応する第三段の上部攪拌翼6”の上辺6”a部との重複部分に引き込まれてさらに下方へ吐出される(矢印B’)。同様にして、第三段の上部攪拌翼6”により槽2の底部に(下部攪拌翼5,5)に液が引き込まれる(矢印C,C’)。
以上のようにして、上部攪拌翼部4によって、槽2上部の液が下部へ移動させられる。
この時、軸長方向において、一対の扇形形状として現れる上部攪拌翼部4の各扇形形状の両側部6a,6”bのなす角がそれぞれ約90°であることから、上部攪拌翼部4の上部(第一段の上部攪拌翼6の上部)に位置する液が下部(第三段の上部攪拌翼部6”の下部)に移動するまでに、攪拌軸3は約90°だけ回転すれば良い。
従って、従来の攪拌装置20では、攪拌軸21を180°回転させなければ上部攪拌翼22によって槽上部の液を下部へ移動できなかったのに対し(図14乃至16参照)、本実施形態においては、その約半分の回転角で行うことができるようになる。そのため、より少ない回転数(回転角)で従来の攪拌装置20と同程度の攪拌混合を行うことができるようになる。
即ち、時間あたりの攪拌軸の回転数が同じであれば、従来の攪拌装置20と比べると、本実施形態に係る攪拌装置1では、非常に短い時間で攪拌混合することができるようになる。
さらに、本実施形態においては、攪拌時に上部攪拌翼部4が槽2上部の液を効率よく下部攪拌翼側に移動できるため、このことによっても攪拌特性がさらに良くなる。
即ち、上部攪拌翼が一枚の板状体によって構成された場合、攪拌軸を回転させると、該上部攪拌翼によって槽上部の液が前記上部攪拌翼に沿った方向に移動される。その際、前記上部攪拌翼は攪拌軸を中心に回転しているため、該上部攪拌翼に沿って下方側に移動する液も同方向に回転しながら下降するが、この回転による遠心力によって槽壁方向(径方向)へも移動する。
そのため、槽上部の液は、前記上部攪拌翼によって槽下部側へ移動する前に径方向へも移動される。従って、前記上部攪拌翼は、槽上部の液を全て下部攪拌翼側に移動できないことから槽内における上下方向での良好な混合を速やかに得ることができない。
しかし、本実施形態においては、前記のように、上段の上部攪拌翼の下辺部と、その下段の上部攪拌翼の上辺部との重複部分が、上段の上部攪拌翼表面で下方に押し下げた液を吸引して強制的に下方に移動させるため、遠心力による槽壁方向へ移動する液の量を減らすことができ、上部攪拌翼部4は、効率よく下部攪拌翼5,5側へ液を移動できるようになる。
しかも、回転による遠心力によって液が槽壁側に移動したとしても、各上部攪拌翼6,6’,6”は、側壁に向かって回転方向に幅広の扇形形状に形成されているため、槽壁近傍の液をより多く下方側へ移動させることができる。その結果、各上部攪拌翼6,6’,6”から逸れて槽壁側に移動する液の量を減らすことができ、上部攪拌翼部4によって下部攪拌翼5,5側に吐出される液量は多くなる。
さらに、上部攪拌翼6は、扇形形状をしているため、槽壁方向へ近づく程、上段の上部攪拌翼と対応する下段の上部攪拌翼との重複部分の面積が大きくなり、より槽底方向(下方側)への吸引力が強くなる。そのため、槽壁方向への液の移動をより少なくして下方側へ移動する液の流量をより増加させることができる。
以上のようにして槽2の底部側に移動された液は、下部攪拌翼5,5により径方向に吐出され(矢印D)、槽壁に衝突する。これにより、槽2内の液は槽壁に沿って上方に移動を始める。
このとき、図14及び図15に示すように、従前の攪拌装置20では、一対の上部攪拌翼22,22が、軸長方向において、外周端が槽壁に沿うような半楕円形状に形成され、槽底面全体をほぼ覆うように配設されている。そのため、下部攪拌翼23,23から径方向へ吐出された液が槽壁に沿って上昇する際に、上部攪拌翼22,22外周端と槽壁との間隙を液が上昇するような循環流動を形成することになる。
図4及び図5に戻り、これに対し、本実施形態においては、上部攪拌翼部4と槽壁との間隙に加え、軸長方向において、上部攪拌翼部4が槽底面を覆っていない部位R,R(図3参照)においても液が上昇することができる。かかる部位R,Rにおいて十分な流量の液の上昇流が形成されることから、上部攪拌翼部4と槽壁との間隙を広く設ける必要がない。そのため、上部攪拌翼部4を構成する各上部攪拌翼6,6’,6”は、径方向へ十分な長さに形成することができ、即ち、槽壁と非常に近接した位置まで伸ばすことができる。従って、各上部攪拌翼6,6’,6”の面積をより大きくすることができ、下降流の流量をさらに多くすることができる。その結果、非常に流量の多い上下循環流動が槽2内に形成され、攪拌対象物を全体的に攪拌することができ、上下方向での非常に良好な攪拌特性を得ることができるようになる。
以上より、本実施形態に係る攪拌装置においては、攪拌軸の回転角が少なくても十分な流量の下降流が形成され、それに伴って槽内に十分な流量の上下循環流動が形成されて高粘度から低粘度までの広い粘度域の流体を、槽内の全体に亘って速やか且つ均一に攪拌混合することができるようになる。
次に、本発明の第二実施形態体について説明する。第一実施形態に係る攪拌装置との構成上の相違点は、図6乃至図8に示すように、上部攪拌翼部14の構成、及び下部攪拌翼15,15,15の構成である。その他の点は、第一実施形態と同じであるため説明を省略する。また、構成の説明において、相違点以外は第一実施形態と同じ番号を用いて説明する。
上部攪拌翼部14は、攪拌軸3の周方向に沿って設けられた一組の上部攪拌翼6,6,6が攪拌軸3の軸方向に沿って一定間隔に複数段設けられることで構成されている。本実施形態においては、上から順に第一段、第二段、第三段の三段に構成されている。
上部攪拌翼6,6,6は、周方向に沿って等間隔で攪拌軸3に固定されている。また、第一実施形態同様、攪拌軸3の回転方向に対して所定の上向き角度で傾斜させて固定されている。
そして、この一組の上部攪拌翼6,6,6は、第一実施形態同様、下段に行くほど回転方向に対し後退側にずれるように配設されることで、軸長方向において、上部攪拌翼部14は、それぞれ側辺部6a,6”bのなす角度が約90°の3つの扇形形状が攪拌軸3を中心に放射状に現れるように配設されている。
従って、軸長方向において、回転方向に沿って、順に扇形形状の上部攪拌翼部14、槽底面R’が交互に現れるような配置となる。
下部攪拌翼15,15,15は、第一実施形態と同様、下方に向かって径方向に幅広となる平板状に形成され、軸長方向において、第三段の一組の上部攪拌翼6”,6”,6”の下辺6”b,6”b,6”bに沿って径方向に設けられている。
本実施形態に係る攪拌装置は以上の構成からなる。そして、その攪拌特性については、第一実施形態同様、各段の上部攪拌翼の裏面に発生する負圧部に引き込まれた液が、その下段の攪拌翼(上部攪拌翼又は下部攪拌翼)の裏面に発生する負圧部に引き込まれることで下方に移動することにより、槽上部の液は下方側に向かって対応する上部攪拌翼6,6’,6”に沿って螺旋状に移動される(矢印A,B,C)。また、上段の上部攪拌翼の下部と対応する下段の上部攪拌翼の上部との重複部分による吸引力、及び上部攪拌翼の表面前方側の液の押し下げによって、第一段の上部攪拌翼6から対応する第二段の上部攪拌翼6’へ(矢印A’)、第二段の上部攪拌翼6’から対応する第三段の上部攪拌翼6”へ(矢印B’)、第三段の上部攪拌翼6”から対応する下部攪拌翼15へ(矢印C’)、順に螺旋状に下降流が形成される。
下部攪拌翼15に移動した液は、その後、槽壁方向へ吐出(矢印D)され、槽壁へ衝突した液は上昇を始める。この時、上昇する液は、上部攪拌翼部14と槽壁との間隙、及び軸長方向における上部攪拌翼部14の扇形形状間の部位R’において上昇する。
このようにして、上下循環流動が形成されるが、この時、第一実施形態においては、上部攪拌翼部4の格段に一対(2枚)の上部攪拌翼6,6しか設けられていないため、前記下降流が2箇所しか形成されない。しかし、本実施形態においては、上部攪拌翼部14の格段には3枚の上部攪拌翼6,6,6が設けられている。そのため、前記下降流は3箇所形成され、単位時間あたりの下降流の流量が多くなる。
従って、形成される上下循環流動の流量も、下降流の流量が多くなるのに伴って多くなる。その結果、上下方向でのより良好な攪拌特性を得ることができるようになり、高粘度から低粘度までの広い粘度域の流体を、槽内の全体に亘って速やか且つ均一に攪拌混合することができるようになる。
ここで、本発明者は、本発明の攪拌特性を実証すべく以下の実験を行った。
図9は、以下の条件で前記第一実施形態における流動解析(CFD)を行い、その結果を示したものである。
<解析条件>
・槽内径(攪拌槽2の胴部の内径):310mm
・バッフル(邪魔板):無し
・液粘度:3Pa・s
・液密度:1000kg/m3
・攪拌動力:1.0kW/m3
上記解析条件でCFD(Computational Fluid Dynamics:計算流体力学)解析を行った結果、図9(イ)は、上部攪拌翼部4の対応する上部攪拌翼6,6’,6”が存在する回転位相での流動状態を示すものであり、図9(ロ)は、上部攪拌翼部4の対応する上部攪拌翼6,6’,6”が存在しない回転位相での流動状態を示すものである。この結果から、上部攪拌翼部4の対応する上部攪拌翼6,6’,6”が存在する位相では、槽上部から槽下部にかけて流速の大きい下降流が多く(図9(イ)の矢印参照)、一気に槽上部から槽底まで液が移動する。また、上部攪拌翼部4の対応する上部攪拌翼6,6’,6”が存在しない位相では、流速の大きい上昇流が連続して槽下部から上部にまで達していることがわる(図9(ロ)の矢印参照)。従って、流速の大きい上下循環流動が槽内に形成されていることがわかる。
また、図10は、攪拌装置の混合性能を評価するためにヨウ素還元脱色法を用い、その状態を0秒から1秒毎に写真撮影を行い、その写真を左から順に並べたものである。上段は、従来の上部攪拌翼部が軸長方向において槽底面全体をほぼ覆うように配設された攪拌装置を用いたものであり、下段は、本願発明の第一実施形態に係る攪拌装置を用いたものである。
このヨウ素還元脱色法では、槽内の液をヨウ素で赤色に着色し、脱色剤(チオ硫酸ナトリウム)を槽上部よりを投入してから攪拌を行うことで槽内の液の脱色が進み、その進み具合によって攪拌性能が評価できる。そして図10より、本発明に係る攪拌装置では8秒で脱色され、従来の攪拌装置では11秒で脱色されていることから、本願発明に係る攪拌装置の攪拌性能は、従来の攪拌装置の攪拌性能よりも高いと評価できる。
以上より、本願発明に係る攪拌装置では、流速が大きく、槽の上部から下部にかけて大きな上下循環流動が槽内に形成されていることが確認できた。また、従来の攪拌装置よりも攪拌性能が極めて高くなっているとの評価も得ることができた。
尚、本発明に係る攪拌装置は、上記第一及び第二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、第一実施形態においては、上部攪拌翼6は攪拌軸3に固定されているが、固定されていなくても良い。即ち、上部攪拌翼部4を構成する上部攪拌翼6の段数を変更可能にしても良く、攪拌軸3に対する上部攪拌翼6の傾斜角を変更可能にしても良い。また、上部攪拌翼6の攪拌軸3への取り付け位置を変更可能にしても良い。
このような構成とすることで、攪拌対象物(液)の量や粘度等が変わっても、槽2内の上下循環流動の流量が多くなるように、上部攪拌翼6の攪拌軸3に対する角度や、上部攪拌翼6と攪拌軸3との接続位置を変更調整することで、最も良い攪拌特性を容易に得ることができるようになる。
また、上部攪拌翼部4は、3段の一対の上部攪拌翼6,6,…で構成されるが、2段であっても良く、4段以上であっても良い。
また、上部攪拌翼部4の各段における上部攪拌翼6の枚数は、2又は3枚に限定する必要はなく、4枚以上であっても良い。
また、下部攪拌翼5,5は、一枚の平板状に下部に向かって径方向へ幅広に形成されているが、これに限定される必要はなく、上下同幅であっても良く、また、上下に分割されて複数の平板で構成されていても良い。さらに、先端部が屈曲していても良い。
第一実施形態に係る攪拌装置の正面図を示す。 同実施形態に係る攪拌装置の側面図を示す。 同実施形態に係る攪拌装置のA−A断面図を示す。 同実施形態に係る攪拌装置の攪拌翼の一方側からの概念斜視図を示す。 同実施形態に係る攪拌装置の攪拌翼の他方側からの概念斜視図を示す。 第二実施形態に係る攪拌装置の攪拌翼の一方側からの概念斜視図を示す。 同実施形態に係る攪拌装置の攪拌翼の他方側からの概念斜視図を示す。 同実施形態に係る攪拌装置の攪拌翼の平面図を示す。 第一実施形態に係る攪拌装置のCFDの結果で、(イ)は、上部攪拌翼部が存在する位相での流動状態を示すものであり、(ロ)は、上部攪拌翼部が存在しない位相での流動状態を示す図である。 同実施形態に係る攪拌装置と従来の攪拌装置とのヨウ素還元脱色法を用いた攪拌性能の対比実験の結果を示す。 従来の小型翼に係る攪拌装置の攪拌特性を説明するための概念図を示す。 従来の大型の平板型翼に係る攪拌装置の攪拌特性を説明するための概念図を示す。 従来の上部攪拌翼と下部攪拌翼とを備える攪拌装置の正面図を示す。 従来の上部攪拌翼と下部攪拌翼とを備える攪拌装置の側面図を示す。 従来の上部攪拌翼と下部攪拌翼とを備える攪拌装置の平面図を示す。
符号の説明
1…攪拌装置、2…攪拌槽、3…攪拌軸、4,14…上部攪拌翼部、5,15…下部攪拌翼、6,6’,6”…上部攪拌翼、6a,6’a,6”…上部攪拌翼の上辺、6b,6’b,6”b…上部攪拌翼の下辺、6c,6’c,6”c…上部攪拌翼の表面(回転方向の面)、6d,6’d,6”d…上部攪拌翼の裏面(回転方向と反対側の面)、A,A’,B,B’,C,C’,D…液の流れ

Claims (5)

  1. 攪拌槽内中心部に槽外から回転可能な攪拌軸が配設され、該攪拌軸に配設される上部攪拌翼部と該上部攪拌翼部下端近傍から槽底面近傍まで垂下し且つ攪拌軸から径方向に延設される平板状の下部攪拌翼とを備え、前記上部攪拌翼部は、一対の上部攪拌翼が前記攪拌軸の周方向に沿って所定間隔に且つ前記攪拌軸の回転方向に対して所定の上向き角度で傾斜して設けられることで構成される一組の上部攪拌翼を複数段備え、前記各段の対応する上部攪拌翼は、上段の上部攪拌翼と下段の上部攪拌翼とが、軸長方向において、前記上段の上部攪拌翼の下辺側から前記下段の上部攪拌翼の下辺側が見えるように重なる位置にそれぞれ配設される攪拌装置であって、
    前記上部攪拌翼部は、下降流を形成するために、前記各段の対応する上部攪拌翼が最上段の上部攪拌翼の上辺から最下段の上部攪拌翼の下辺までの攪拌軸を中心とする回転方向に対する角度が180°より小さくなるように配設されて軸長方向において攪拌槽底面を覆う部位と、上昇流を形成するために、前記上部攪拌翼が軸長方向において攪拌槽底面を覆っていない部位とを、回転方向で交互に配置し、
    前記下部攪拌翼は、最下段の各上部攪拌翼の下辺に沿ってそれぞれ配設されることを特徴とする攪拌装置。
  2. 攪拌槽内中心部に槽外から回転可能な攪拌軸が配設され、該攪拌軸に配設される上部攪拌翼部と該上部攪拌翼部下端近傍から槽底面近傍まで垂下し且つ攪拌軸から径方向に延設される平板状の下部攪拌翼とを備え、前記上部攪拌翼部は、複数の上部攪拌翼が前記攪拌軸の周方向に沿って所定間隔に且つ前記攪拌軸の回転方向に対して所定の上向き角度で傾斜して設けられることで構成される一組の上部攪拌翼を複数段備え、前記各段の対応する上部攪拌翼は、上段の上部攪拌翼と下段の上部攪拌翼とが、軸長方向において、前記上段の上部攪拌翼の下辺側から前記下段の上部攪拌翼の下辺側が見えるように重なる位置にそれぞれ配設される攪拌装置であって、
    前記上部攪拌翼部は、下降流を形成するために、前記各段の対応する上部攪拌翼が軸長方向において、攪拌槽底面を、攪拌軸を中心とする回転方向に対して所定の角度だけ覆う部位と、上昇流を形成するために、前記上部攪拌翼が軸長方向において攪拌槽底面を覆っていない部位とを、回転方向で交互に配置し、
    前記下部攪拌翼は、最下段の各上部攪拌翼の下辺に沿ってそれぞれ配設されることを特徴とする攪拌装置。
  3. 前記上部攪拌翼は、攪拌槽内壁面に向かって回転方向に幅広となる扇形形状に形成されると共に、上段の上部攪拌翼と対応する下段の上部攪拌翼との重複部分の面積が攪拌槽内壁面に向かって大きくなるように配置されることを特徴とする請求項1又は2記載の攪拌装置。
  4. 前記上部攪拌翼は、その攪拌槽内壁面に近接した位置まで径方向に延設されることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の攪拌装置。
  5. 前記下部攪拌翼は、攪拌槽底面に向かって径方向に幅広となることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の攪拌装置。
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