JP5536251B1 - 立型連続高速攪拌装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型の装置により電力消費量を抑制するとともに、攪拌によって得られる加工流体の単位時間あたりの生産量を大きくすること。
【解決手段】円筒状容器のほぼ中心軸上に配置され、上端部から供給される液体を前記円筒状容器内に放出する液体供給管と、液体供給管の外側に同軸的に配置され、高速回転する回転中空軸と、この回転中空軸に同軸的に固定されて回転する複数の回転翼を有するロータと、このロータの周囲にらせん状に巻回固定された帯状板からなるスクリューコンベアと、このスクリューコンベアを含む前記ロータ周囲の前記円筒状容器内に設けられた内側円筒状容器と、この内側円筒状容器の上端部において前記円筒状容器内を上下に区画するとともに、複数の貫通孔が形成された仕切り板と、この仕切り板の下側の前記円筒状容器および前記内側円筒状容器間に配置された傾斜底板と、この傾斜底板の低い位置において、前記円筒状容器の側壁に設けられた加工流体排出口と、前記回転中空軸を回転駆動する駆動手段と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】円筒状容器のほぼ中心軸上に配置され、上端部から供給される液体を前記円筒状容器内に放出する液体供給管と、液体供給管の外側に同軸的に配置され、高速回転する回転中空軸と、この回転中空軸に同軸的に固定されて回転する複数の回転翼を有するロータと、このロータの周囲にらせん状に巻回固定された帯状板からなるスクリューコンベアと、このスクリューコンベアを含む前記ロータ周囲の前記円筒状容器内に設けられた内側円筒状容器と、この内側円筒状容器の上端部において前記円筒状容器内を上下に区画するとともに、複数の貫通孔が形成された仕切り板と、この仕切り板の下側の前記円筒状容器および前記内側円筒状容器間に配置された傾斜底板と、この傾斜底板の低い位置において、前記円筒状容器の側壁に設けられた加工流体排出口と、前記回転中空軸を回転駆動する駆動手段と、を備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、少なくとも１種類の液体あるいは紛体を混合した液体を撹拌する装置に関し、特に、垂直な回転軸により高速回転する回転翼を備えた立型連続高速攪拌装置に関する。
軽油、重油、重質油等の燃料油に水を添加して攪拌し、燃料油中に水を分散させたエマルジョン燃料が知られている。ここで、重質油とは、常温では流動性に乏しく高温に加熱しないと流動しない油で、好ましくは常圧での沸点３４０℃以上の成分を９０重量％以上含む次のような油液が含まれる。すなわち、石油系アスファルト類およびその油の混合物、石油系アスファルト各種処理物、その中間製品、残渣及びそれらの混合物、常温で流動しない高流動点油あるいは原油、石油系タールピッチ及びその油混合物、ビチューメン類、天然アスファルト、オリノコタール、タール、残渣油等である。
エマルジョン燃料は、高温場に噴霧されたとき、燃料液滴中の水は瞬時に沸騰して、燃料液滴を微粒化して（ミクロ爆発）、これによって高速で高効率の燃焼を実現し、ＣＯや煤の生成を抑制できる。また、水の蒸発によって火炎温度が低下するので、排ガス中のＮＯｘの低減効果もあるので低公害燃料として知られている。
エマルジョン燃料を製造する場合、混合装置（ミキサー）の性能の良否が製造されたエマルジョン燃料の燃焼性能や長期安定性に大きく影響を及ぼす。従来の混合装置として、本出願人の先の出願に係る特開２００８−１８５２２３号公報（特許文献１）に記載されたエマルジョン製造装置が知られている。
このエマルジョン製造装置は、毎分１０，０００回転以上の高速で回転するロータに備えられた回転翼により混合液を連続的に微粒子化する装置である。この装置により製造されたエマルジョンはその平均粒径が０．１μｍと極めて微細化され、経時的にも安定したエマルジョンが得られる。
しかしながら、上述した従来のエマルジョン製造装置においては、１分間あたりのエマルジョンの生産量が必ずしも十分とはいえず、その向上が期待されている。すなわち、本発明の課題は、例えばエマルジョン製造に用いられる立型連続高速攪拌装置の改良にあり、特に、小型の装置により電力消費量を抑制するとともに、攪拌によって得られる加工流体の１分間あたりの生産量を大きくすることができる立型連続高速攪拌装置を提供することにある。
本発明の立型連続高速攪拌装置は、蓋板および底板を有する円筒状容器と、この円筒状容器のほぼ中心軸上に配置され、上端部から少なくも１種類の液体が供給され、この液体を前記円筒状容器の蓋板を貫通して前記底部上方において放出する液体供給管と、この液体供給管の外側に同軸的に配置され、高速回転する回転中空軸と、この回転中空軸に同軸的に固定された上部回転体、この上部回転体の下方に配置され、前記液体供給管の下端部から流出される前記液体を前記円筒状容器の内壁方向に導く流路を形成するとともに前記上部回転体の下面との間に第１のチャンバを形成する円錐状下部回転体、さらに、前記上部回転体および下部回転体に上端及び下端がそれぞれ固定され、前記回転中空軸の周囲に放射状に設けられた複数の翼板を含むロータと、このロータの周囲にらせん状に巻回固定された帯状板からなるスクリューコンベアと、このスクリューコンベアを含む前記ロータ周囲の前記円筒状容器内に設けられ、下端が前記円筒状容器の底板状に固定され上端が開放した内側円筒状容器と、この内側円筒状容器の上端部において前記円筒状容器内を上下に区画して前記円筒状容器の蓋板の下面との間に第２のチャンバを形成するとともに、複数の貫通孔が形成された仕切り板と、この仕切り板の下側の前記円筒状容器および前記内側円筒状容器間に第３のチャンバを形成するように、前記円筒状容器の底板に対して傾斜して配置された傾斜底板と、この傾斜底板の低い位置において、前記第３のチャンバ内に貯蔵された加工流体を前記円筒状容器の外部に排出するように前記円筒状容器の側壁に設けられた加工流体排出口と、前記回転中空軸を回転駆動する駆動手段と、を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の立型連続高速攪拌装置においては、前記回転中空軸は、少なくとも１０，０００ｒｐｍ以上の回転数で回転することを特徴とするものである。
また、本発明の立型連続高速攪拌装置においては、前記らせん状に巻回された２枚の帯状スクリュー板の始端部および終端部は前記ロータの周囲円周上の直径方向で反対位置に配置されることを特徴とするものである。
また、本発明の立型連続高速攪拌装置においては、前記帯状スクリュー板は交互にらせん状に巻回された２枚の帯状スクリュー板により構成されていることを特徴とするものである。
また、本発明の立型連続高速攪拌装置においては、前記液体供給管には、少なくも２種類の液体が混合供給され、これらの液体を前記円筒状容器の蓋板を貫通して前記底部上方において放出することを特徴とするものである。
また、本発明の立型連続高速攪拌装置においては、前記液体供給管には、前記少なくも１種類の液体に粉体が混合供給されることを特徴とするものである。
本発明によれば、生産能力が大幅に向上した立型連続高速攪拌装置を提供することができる。
以下、本発明の立型連続高速攪拌装置の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の立型連続高速攪拌装置の一実施形態を示す断面図である。
図１に示したように、この高速攪拌装置の基本的な構成は、円筒状容器１の中心軸に沿って、油（軽油、灯油、Ａ重油等）と水とを混合して移送する液体供給管２が垂直方向に設けられている。この液体供給管２は、上部がＹ字状に分岐した分岐管２ａ、２ｂを備え、分岐管２ａ、２ｂのそれぞれに油タンク３と水タンク４とが接続されている。すなわち、この液体供給管２はステンレス製で、上部がＹ字状に二又に分岐した分岐管２ａ、２ｂには流量弁４ａ、４ｂがそれぞれ設けられている。この流量弁４ａ、４ｂを介して分岐管２ａ、２ｂの先端は、一方が油タンク３の底部に、他方が水タンク４の底部にそれぞれ配管されている。なお、油タンク３および水タンク４はいずれもステンレス製で、その内部にはそれぞれ内部に貯蔵している液（水又は油）の液温を所定温度（例えば、５５℃）に保つためにヒータ５、６が内蔵されている。
液体供給管２の外側には、液体供給管２と同軸的に、液体供給管２と離間して高速回転する回転中空軸７が配置されている。この回転中空軸７は、上端部が円筒状容器１の蓋板８に第１の軸受８ａを介して回転自在に支持され、下端部は円筒状容器１の内部に挿入されている。回転中空軸７の円筒状容器１の内部に挿入された部分には、ロータ９の円錐台状の上部回転体１０が同心的に固定されている。このロータ９は図２に平面図を示したように、上部回転体１０の下面１０ａ周辺部には、８枚の板状の回転翼（以下「パドル」という。）１１が放射状に固定されている。ロータ９の下方には、ロータ９と一体に形成されている円錐状底板からなる下部回転体１２が設けられている。下部回転体１２は、円錐状の上面１２ａと、平坦な底面１２ｂを有している。円錐状の上面１２ａはその頂点１２ｃが、液体供給管２の下端部に対向して配置され、その頂角は約６０度に形成されている。ロータ９の上部回転体１０の下面１０ａと下部回転体１２の円錐状の上面１２ａとの間には第１のチャンバ１３が形成されており、このチャンバ１３はその周辺部が、８枚のパドル１１により放射状に分割されている。また、パドル１１はその上辺１１ａが上部回転体１０の下面１０ａに植設され、その下辺１１ｂが下部回転体１２の傾斜した上面１２ａに植設されている。ロータ９は、これらの上部回転体１０、パドル１１および下部回転体１２により構成され、例えばステンレスにより作成されている。
このように構成されたロータ９の周囲にはらせん状に巻回された帯状の板体からなるスクリューコンベア１６が設けられている。スクリューコンベア１６は、図３の斜視図に示すように、略同一の形状の帯状のステンレス製の板体からなる一対のスクリューコンベア１６ａおよび１６ｂから構成されており、それらは互いに一方が他方の間に位置するようにロータ９の周囲に巻回されている。すなわち、一対のスクリューコンベア１６ａおよび１６ｂは、図３に示すように、ロータ９の上端部においてはロータ９の円周上において直径方向の反対側の位置において巻回が開始され、図示しないがロータ９の下端部においてもロータ９の円周上において直径方向の反対側の位置において巻回が終端される。そして一対のスクリューコンベア１６ａおよび１６ｂは、巻回の開始端から終端にいたる中間の位置においては、互いに隣接するように配置されている。
このように構成されたロータ９の周囲にはまた、円筒状容器１の内側に内側円筒状容器１７が設けられており、ロータ９の周囲と内側円筒状容器１７の側壁との間には流路としての隙間ｇが形成されている。
図１に示すように、ロータ９の下部回転体１２には、円筒状容器１１の下部に設けられたモータ１４の回転軸１４ａに直結されている。また、モータ１４の回転軸１４ａは、円筒状容器１の底板１５に第２の軸受１５ａを介して回転自在に支持されている。モータ１４の回転によりロータ９は例えば１０，０００ｒｐｍ以上、望ましくは１５，０００ｒｐｍで高速回転させられる。このとき、ロータ９またはパドル１１の回転により生ずる遠心力は８０００Ｇ以上の遠心力が生ずる。すなわち、モータ１４の回転軸はロータ９の下部回転体１２に直結されており、また、ロータ９の下部回転体１２は８枚のパドル１１を介して上部回転体１０に一体化されているため、ロータ９はモータ１４により高速回転させられる。他方、回転中空軸７は上部回転体１０の中心部に同軸的に固着されているため、ロータ９とともに１５，０００ｒｐｍで高速回転している。
内側円筒状容器１７の上端部の円筒状容器１内には、仕切り板１８が設けられている。この仕切り板１８は図４に示すように、全体としてリング状の板体で、内側の縁部１８ａは内側円筒状容器１７の上端部に外側の縁部１８ｂは円筒状容器１の内壁に結合されている。仕切り板１８には、図４にその状面図を示すように、円周方向に沿って、６個の長孔（オリフィス）１９が等間隔に設けられている。これらの長孔１９は、後述するように、ロータ９の周囲と内側円筒状容器１７の側壁との間に形成された隙間ｇ内を上方に向かって流れる流体を再び下方に導く流路を形成する。なお、リング状の仕切り板１８の中心部には図２に示したロータ９が配置されている。
仕切り板１８の上部の円筒状容器１内には、第２のチャンバ２０が形成されている。この第２のチャンバ２０は、円筒状容器１の蓋板８と仕切り板１８との間の空間に形成される。この第２のチャンバ２０は、ロータ９の周囲に設けられた内側円筒状容器１７の上端開口部に連通しており、後述するように、ロータ９の周囲に設けられたスクリューコンベア１６により上方に搬送されたエマルジョンが図の上向きの矢印に示すように流入する。そして第２のチャンバ２０内に搬送されたエマルジョン液は仕切り板１８に形成された長孔１９を介して下向きの矢印で示すように第３のチャンバ２１に流入する。
第３のチャンバ２１は、図１に示すように、内側円筒状容器１７の外側と円筒状容器１の内側に形成される中空筒状の空間に、円筒状容器１をその底板１５に対して斜めに横切る傾斜底板２２を設けることによって形成される。すなわち、この第３のチャンバ２１は、上下方向は傾斜底板２２と仕切り板１８により区画され、横方向は内側円筒状容器１７の外周と円筒状容器１の内周とにより区画される空間で構成される。この第３のチャンバ２１には流体排出口２３が設けられる。この、排出口２３は第３のチャンバ２１傾斜底板２２が最も低くなる位置において円筒状容器１の側壁に形成された開口により形成される。
次に、上述のように構成された立型連続高速攪拌装置の動作について説明する。以下の説明においては、油と水を混合してエマルジョン燃料を製造する場合の動作について説明するが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、燃料以外の種々のエマルジョンの製造あるいは重油に活性白土や活性汚泥を混合してこれを混合して脱硫黄あるいは新燃料を製造する際にも利用できることはいうまでもない。
油タンク３および水タンク４に貯蔵されている液（例えば、重油と水）はそれぞれ、ヒータ６により液温が５５℃程度に維持されている。各タンク３、４内の液はそれぞれ、分岐管２ａ、２ｂから液量調整バルブ４ａ、４ｂを通過して液体供給管２に流入し、液体供給管２の内部で水と油の混合液となり、液体供給管２の内部を自由落下する。なお、図１における矢印は、いずれも、液体あるいは流体の流れの方向を示している。
なお、液体供給管２に流入する液は、それぞれ液量調整バルブ４ａ、４ｂによる調整されており、液体供給管２の内部を自由落下する混合液の割合は、体積比率で、水：油＝４０：６０となっている。
液体供給管２の内部を自由落下した混合液は、第１のチャンバ１３に流入し、下部回転体１２の上面１２ａに衝突して円周方向に飛散し、複数のパドル１１により分割された流路内に流入する。パドル１１は高速回転しているため、混合液はパドル１１によりせん断され粉砕されて粒径が例えばφ５μｍ程度の微粒子からなるエマルジョン燃料に変換される。
さらに、変換されたエマルジョン燃料は、ロータ９の遠心力により内側円筒状容器１７の側壁に衝突し、内側円筒状容器１７とロータ９の周囲との間に形成されている隙間ｇ内に押し出される。ここで、隙間ｇ内に押し出されたエマルジョン燃料は、ロータ９の周囲に設けられたスクリューコンベア１６により、隙間ｇ内で上方に搬送され、円筒状容器１の上部に形成された第２のチャンバ２０内に搬送される。
第２のチャンバ２０内に搬送されたエマルジョン燃料は、第２のチャンバ２０内に充満されると、仕切り板１８に形成された長孔１９を介して下向きの矢印で示すように第３のチャンバ２１に流入する。第３のチャンバ２１内に流入したエマルジョン燃料は、傾斜底板２１ａに沿って液体の重力により下方に流れ、好ましくは最も低くなる位置に形成された排出口２２から円筒状容器１の外部に排出される。
このような本発明の実施形態に係るエマルジョン製造装置によれば、前述した従来装置に比較して生産されるエマルジョンの生産能力が大幅に向上した。すなわち、上記の従来の製造装置ではエマルジョンの生産速度が１．４Ｌ／ｍｉｎであったのに対して本願の実施形態に係る装置においては４Ｌ／ｍｉｎと約三倍に増加した。
その理由は、第１に本願の実施形態に係る装置においては、ロータ９の周囲にスクリューコンベア１６を設け、第１のチャンバ１３内で製造されたエマルジョンを第２のチャンバ２０内にロータ９の回転力を利用して強力に押し上げ搬送することができるためである。
第２に、製造されたエマルジョンは第３のチャンバ２１内において傾斜底板２１ａに沿って液体の重力により下方に流れ、円筒状容器１の外部に排出されるため、従来装置において必要とされた液体を排出するために第２のパドルを回転駆動させる必要がない。このため、モータ１４の駆動力の全てをエマルジョン燃料の生成すなわち流体の高速攪拌のために利用できるためである。
第３に、従来の装置において必要とされた第２のパドルを必要としないため、回転中空軸７を円筒状容器１の内部で支持するための第３の軸受けは不要となる。従って、従来の装置における仕切り板を兼ねた中間支持体は不要となるため、中間支持体に形成された複数個の長孔を通過する流体の流路抵抗が大幅に軽減される。この結果、装置内を流れる流体あるいはエマルジョンの流速が増大し、エマルジョンの排出量が増大する。
また、本発明の実施形態に係る立型連続高速攪拌装置によれば、ロータ９の周囲に設けたスクリューコンベア１６は、らせん状の巻回開始点および終点がロータ９の周囲円周上において互いに１８０度ずれた位置にあり、かつ、相互に隣接した状態でらせん状に巻回されているため、ロータ９の回転バランスがよく、ロータ９の高速回転に対してなんらの悪影響を及ぼすことがなく、安定した高速回転が維持される。
さらに、本発明の実施形態に係る立型連続高速攪拌装置によれば、上述したように、従来装置において必要とされたエマルジョン液を円筒状容器１の外部に排出するための第２のパドルは必要が無く、したがって、第２のパドルを設けるチャンバも不要となるため、装置全体が小型化できるという効果がある。
なお、本発明の実施形態に係る立型連続高速攪拌装置により製造されたエマルジョン燃料を採取し、レーザー光散乱方式の粒度分布測定器でミセル（会合体）粒径の平均値を測定したところ、φ０．１μｍであった。また、このエマルジョン燃料を１ヶ月間、静置状態で観察した結果、全く分離が認められず、きわめて安定性の良好なエマルジョン燃料であることが確認された。
本発明の立型連続高速攪拌装置は、エマルジョン燃料の製造用途に限定されるものではなく、食用エマルジョンその他のエマルジョンの製造にも利用できる。
また、本発明の立型連続高速攪拌装置によれば、飲用水あるいは植物栽培用水などの水を８０００Ｇの遠心力に基づく圧力下において高速に攪拌せん断して超微粒状に加工することも可能である。この場合、図１に示す油タンク３には何も収納せず、水タンク４から水を供給する。
さらに、本発明の立型連続高速攪拌装置によれば、例えば重油に粉末状にした活性土を混合して、液体供給間に供給することにより、重油と活性土との化学反応を促進し、燃料油を製造することが可能である。この場合、図１に示す油タンク３には重油を収納し、水タンク４に代えて紛体タンク（図示せず。）からスクリュウ等を用いて活性白土粉末を供給する。この場合の立型連続高速攪拌装置からは、重油中の硫黄成分を吸着した活性白土が分散された重油が排出される。この硫黄成分を吸着した活性白土が分散された重油は容器内に収納して静置することにより重油中の硫黄成分を吸着した活性白土が沈殿し、重油とは分離するため、いわゆる重油の脱硫黄による精製が可能となる。
さらに、本発明の立型連続高速攪拌装置によれば、水処理場における産業用の廃棄物である活性汚泥を重油に混合して、これを本発明の立型連続高速攪拌装置により攪拌することにより、活性汚泥を微粒子化して重油に混合することにより、新たな燃料油を製造することも可能である。この場合、図１に示す油タンク３には重油を収納し、水タンク４には活性汚泥を収納しスクリュウ等を用いて供給する。
本発明は上記の実施形態のそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１…円筒状容器、２…液体供給管、３…油タンク、４…水タンク、５…ヒータ、６…ヒータ、７…回転中空軸、８…蓋板、８ａ…第１の軸受、９…ロータ、１０…上部回転体、１１…パドル、１２…下部回転体、１３…第１のチャンバ、１４…モータ、１５…底板、１６…スクリューコンベア、１７…内側円筒状容器、１８…仕切板、１９…長孔、２０…第２のチャンバ、２１…第３のチャンバ、２２…傾斜底板、２３…流体排出口。
Claims (6)
- 蓋板および底板を有する円筒状容器と、この円筒状容器のほぼ中心軸上に配置され、上端部から少なくも１種類の液体が供給され、この液体を前記円筒状容器の蓋板を貫通して前記底部上方において放出する液体供給管と、この液体供給管の外側に同軸的に配置され、高速回転する回転中空軸と、この回転中空軸に同軸的に固定された上部回転体、この上部回転体の下方に配置され、前記液体供給管の下端部から流出される前記液体を前記円筒状容器の内壁方向に導く流路を形成するとともに前記上部回転体の下面との間に第１のチャンバを形成する円錐状下部回転体、さらに、前記上部回転体および下部回転体に上端及び下端がそれぞれ固定され、前記回転中空軸の周囲に放射状に設けられた複数の翼板を含むロータと、このロータの周囲にらせん状に巻回固定された帯状板からなるスクリューコンベアと、このスクリューコンベアを含む前記ロータ周囲の前記円筒状容器内に設けられ、下端が前記円筒状容器の底板上に固定され上端が開放した内側円筒状容器と、この内側円筒状容器の上端部において前記円筒状容器内を上下に区画して前記円筒状容器の蓋板の下面との間に第２のチャンバを形成するとともに、複数の貫通孔が形成された仕切り板と、この仕切り板の下側の前記円筒状容器および前記内側円筒状容器間に第３のチャンバを形成するように、前記円筒状容器の底板に対して傾斜して配置された傾斜底板と、この傾斜底板の低い位置において、前記第３のチャンバ内に貯蔵された加工流体を前記円筒状容器の外部に排出するように前記円筒状容器の側壁に設けられた加工流体排出口と、前記回転中空軸を回転駆動する駆動手段と、を備えることを特徴とする立型連続高速攪拌装置。
- 前記回転中空軸は、少なくとも１０，０００ｒｐｍ以上の回転数で回転することを特徴とする請求項１に記載の立型連続高速攪拌装置。
- 前記帯状スクリュー板は交互にらせん状に巻回された２枚の帯状スクリュー板により構成されていることを特徴とする請求項２に記載の立型連続高速攪拌装置。
- 前記らせん状に巻回された２枚の帯状スクリュー板の始端部および終端部は前記ロータの周囲円周上の直径方向で反対位置に配置されることを特徴とする請求項３に記載の立型連続高速攪拌装置。
- 前記液体供給管には、少なくも２種類の液体が混合供給され、これらの液体を前記円筒状容器の蓋板を貫通して前記底部上方において放出することを特徴とする請求項４に記載の立型連続高速攪拌装置。
- 前記液体供給管には、前記少なくも１種類の液体に粉体が混合供給されることを特徴とする請求項４記載の立型連続高速攪拌装置。
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