JP5547157B2 - Stirrer - Google Patents
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Description
本発明は一般に、攪拌装置に関する。より詳細には、本発明は、省エネルギーを考慮しつつ、液体を効率的に攪拌することができる攪拌装置に関する。 The present invention generally relates to a stirring device. More specifically, the present invention relates to a stirring device that can efficiently stir a liquid in consideration of energy saving.
本発明者は、機械的な駆動源を必要とせずに、流体を効率的に攪拌させることができる種々の攪拌装置を提案している(特許文献1〜特許文献4参照)。
The inventor has proposed various stirring devices that can efficiently stir a fluid without requiring a mechanical drive source (see
上述の攪拌装置では、容器内の液体中に常時ガス又は液体を吹き込むことにより、液体の攪拌を可能にしているが、本発明は、上述の特許文献、とりわけ特許文献1において提案された装置を改良発展させたものであり、省エネルギーを考慮しつつ、液体の効率的な攪拌を可能とする装置を提供することを目的としている。
In the above-described stirring device, liquid or liquid can be stirred by constantly blowing gas or liquid into the liquid in the container. However, the present invention is not limited to the device proposed in the above-mentioned Patent Document, particularly
図3を参照して、本発明の攪拌装置の作動原理について説明する。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、特許文献1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、気泡の生成、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。 With reference to FIG. 3, the operation principle of the stirring device of the present invention will be described. When a liquid is filled into a cylindrical container having a single-hole nozzle at the bottom, and a gas is blown into the liquid from the single-hole nozzle, a rising bubble jet is formed. In addition, it has been found that a swirling phenomenon that is favorable for stirring of the liquid occurs by the rising bubble jet under a certain condition. That is, there is an inner diameter of the cylindrical container D, with the difference in height between the single-hole nozzle and the liquid level to H 1, D and H 1 relationship between about 0.3 <H 1 / D <about 1 In some cases, a swirling phenomenon occurs in which the radial displacement of the bubble jet is relatively small and the cycle is short, and the liquid in the cylindrical container behaves like sloshing. Here, sloshing refers to a phenomenon in which vibration of a liquid is induced when a container is vibrated in an axial direction or a radial direction. The above-mentioned swirling phenomenon is presumed to be induced by periodic vibration from gas to liquid accompanying the generation and rise of bubbles.
また、本発明者は、DとH1 との関係が約0.3<H1 /D<約1.7であるときに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。 In addition, when the present inventor ejects liquid from a single-hole nozzle into the liquid when the relationship between D and H 1 is about 0.3 <H 1 / D <about 1.7, an upward jet is formed. It has been found that the same phenomenon occurs as when the above gas is blown into the liquid.
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、液体)が液面を吹き抜ける程度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。 Since the above-mentioned swirl phenomenon is induced by periodic vibration of the liquid by bubbles (or liquid), in order to generate a swirl phenomenon that is preferable for stirring of the liquid, the gas (or liquid to be blown in) ) Is not less than the critical value and not more than the extent that bubbles (or liquid) blow through the liquid surface. The term “blow-through” used in this specification refers to a phenomenon in which gas (or liquid) blown into a liquid from a nozzle creates an air column (or liquid column) and exits from the liquid surface to the outside. I mean.
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 Q2 /(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、Q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。 The inventor calculated the critical value of the flow rate of the gas (or liquid) as follows. According to the research on sloshing, it is said that a wave in the liquid surface is induced by the vibration of the container, and this wave is transmitted to the inside of the liquid through the viscosity, and the movement in the liquid occurs. Therefore, it is presumed that the turning stops when the wave phenomenon on the liquid surface is suppressed. According to the inventors' experiment, it can be concluded that the main part of the excitation force will be the force exerted on the liquid almost periodically as bubbles (or liquid) rise and exit the liquid surface. This force is assumed to depend on the inertial force of the rising liquid. Also, surface tension will be involved in the force to stop the wave motion. The present inventor has found that the swirling phenomenon that is preferable for the stirring of the liquid if the Weber number W e = ρ L Q 2 / (σ L D 3 ) defined as the ratio of the inertial force and the surface tension of the liquid is 10 −5 or more. It was confirmed by experiment that this occurs. That is, the Weber number W e = 10 −5 in the above formula becomes a critical value. Here, ρ L is the density of the liquid, Q is the gas flow rate (or the liquid ejection flow rate), σ L is the surface tension of the liquid, and D is the inner diameter of the cylindrical container.
一方、単孔ノズルより上方の液体が、図3(b)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3(b)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、必須ではないが、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。 On the other hand, when the liquid above the single-hole nozzle turns in one direction as indicated by the arrow A in FIG. 3B, the liquid below the single-hole nozzle is shown in FIG. As shown by the arrow B in FIG. The swirl flow B below the single-hole nozzle stabilizes the swirl flow A above the single-hole nozzle, and a decrease in the speed or turbulence of the swirl flow A occurs due to the injection of solid matter or the like into the swirl flow A. However, if the swirl flow B exists, the original state can be easily restored. For this reason, although not essential, it is preferable to provide a region having a certain depth below the single-hole nozzle.
上述のように、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(又は、液体を噴出させる)ことにより、一定条件下で、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が、この装置では、常時ガスを吹き込む(又は、液体を噴出させる)ことを必要としているため、効率性の観点からは、必ずしも満足すべきものであるとは言い難かった。そこで、本発明では、ガスの吹き込み(又は、液体の噴出)を常時行わずに、容器内の液体が良好に攪拌される装置を開発した。 As described above, a liquid is filled into a cylindrical container having a single-hole nozzle at the bottom, and gas is blown into the liquid from the single-hole nozzle (or the liquid is ejected), so that the liquid can be obtained under certain conditions. It has been found that a favorable swirling phenomenon occurs in the agitation of this, but since this apparatus requires constant blowing of gas (or blowing of liquid), it is not necessarily satisfactory from the viewpoint of efficiency. It was hard to say that there was. Therefore, the present invention has developed an apparatus that satisfactorily stirs the liquid in the container without constantly injecting gas (or ejecting liquid).
上述の攪拌装置における液体の旋回現象は、液体内へのガスの吹き込み(又は、液体の噴出)を前提しているため、ガスの吹き込み(又は、液体の噴出)を止めてから一定時間経過すると、旋回が停止することが予想される。本発明では、この点に着目し、ガスの吹き込み時間(又は、液体の噴出時間)を制御することにより、省エネルギーを考慮しつつ、液体の効率的な攪拌を可能とする装置を開発した。 Since the swirling phenomenon of the liquid in the agitator described above is based on the premise that gas is blown into the liquid (or liquid is ejected), when a certain period of time elapses after the gas is blown (or liquid is ejected). The turning is expected to stop. In the present invention, focusing on this point, an apparatus has been developed that enables efficient stirring of liquid while considering energy saving by controlling the gas blowing time (or liquid blowing time).
液体内へのガスの吹き込み(又は、液体の噴出)によって生ずる旋回現象が定常状態に達した後、ガスの吹き込み(又は、液体の噴出)を停止してから容器内の液体の振動が観察されなくなるまでの時間を、旋回停止時間と定義し、この旋回停止時間を実験的に求めることとする。 After the swirling phenomenon caused by the injection of gas into the liquid (or the injection of liquid) reaches a steady state, the vibration of the liquid in the container is observed after the injection of gas (or the injection of liquid) is stopped. The time until disappearance is defined as the turning stop time, and this turning stop time is obtained experimentally.
図4に、この実験に用いる実験装置を示す。実験では、内径D=80mm、123mm、200mmの3種類のアクリル製の円筒形容器を用い、内径dn =2mmのノズルから空気を、質量流量計で制御して流量QA =20〜300cm3/s の範囲で吹き込んだ。なお、旋回停止時間の測定を目視で行うと、ばらつきが大きくなるため、プローブを利用した。すなわち、円筒形容器の側壁から5mm内側の静止液面の上方0.5mmの位置に単針のプローブを設置し、このプローブの出力信号をペンレコーダで記録した。プローブの先端の電極は、周期的に液体に浸され、そのときの出力電圧は5Vになるが、液体の旋回がおさまると、出力電圧は一周期にわたって0Vになる。そこで、出力電圧が0となるまでに要する時間を、旋回停止時間TS,A とした。
FIG. 4 shows an experimental apparatus used for this experiment. In the experiment, three types of acrylic cylindrical containers having an inner diameter D = 80 mm, 123 mm, and 200 mm were used, and air was controlled from a nozzle having an inner diameter d n = 2 mm with a mass flow meter, and the flow rate Q A = 20 to 300 cm 3. Infused in the range of / s. In addition, since the dispersion | variation will become large when the measurement of turning stop time is performed visually, a probe was used. That is, a single needle probe was installed at a position 0.5 mm above the stationary
図5は、縦軸に旋回停止時間TS,A (s)、横軸に吹き込みガス流量QA (cm3/s )をとり、この実験の測定結果を示したものである。D=80mm、123mmの測定値については、高ガス流量域でガスの吹き抜けが起こるため、傾向がやや異なっているが、旋回停止時間TS,A は、ガス流量QA が大きいほど長くなっている。これは、ガス流量QAが大きいほどガスから与えられる液体の運動エネルギーが大きく、旋回停止に時間を要することによる。 FIG. 5 shows the measurement results of this experiment, with the vertical axis representing the swirl stop time T S, A (s) and the horizontal axis representing the blown gas flow rate Q A (cm 3 / s). The measured values of D = 80 mm and 123 mm are slightly different because the gas blow-through occurs in the high gas flow rate region, but the turning stop time T S, A becomes longer as the gas flow rate Q A is larger. Yes. This is because the larger the gas flow rate Q A is, the larger the kinetic energy of the liquid given from the gas is, and it takes time to stop the rotation.
図6は、無次元数を用いて実験の測定結果を整理したものである。図6において、横軸は、次元解析で求めた無次元数Re1/2 ・(HL QA /D7/2 g1/2 )、縦軸は、無次元数TS,A QA /D3 を示す。
ここで、Re〔=(QA 2 /g)2/5 (g/D)1/2 /νL 〕は、気泡の半径方向への広がりの尺度である(QA 2 /g)1/5 (g/D)1/2 を代表長さ、(QA 2 /g)1/5(g/D)1/2 を代表速度とするレイノルズ数であり、気泡噴流に同伴して旋回している液体の運動を記述する無次元数である。
なお、(g/D)1/2 は、旋回周期の尺度、gは重力加速度(mm/s2 )、νL は液体の動粘度(mm2 /s)、HL は水深(mm)である。HL QA /D7/2 g1/2 は、下式の単位時間当たりの投入エネルギーを考慮して導かれたものであり、気泡噴流部を除く液体の運動を記述する無次元数である。
ε=(ρL −ρg )・g・HL ・QA
また、TS,A QA /D3 は、空塔速度を代表速度とするストローハル数の逆数となっている。
FIG. 6 is an arrangement of the experimental measurement results using dimensionless numbers. In FIG. 6, the horizontal axis represents the dimensionless number Re 1/2 · (H L Q A / D 7/2 g 1/2 ) obtained by dimensional analysis, and the vertical axis represents the dimensionless number T S, A Q A. / show the D 3.
Here, Re [= (Q A 2 / g) 2/5 (g / D) 1/2 / ν L ] is a measure of the expansion of bubbles in the radial direction (Q A 2 / g) 1 / 5 Reynolds number with 1/2 (g / D) 1/2 as the representative length and (Q A 2 / g) 1/5 (g / D) 1/2 as the representative speed. It is a dimensionless number that describes the motion of a liquid.
(G / D) 1/2 is a measure of the turning cycle, g is the acceleration of gravity (mm / s 2 ), ν L is the kinematic viscosity (mm 2 / s) of the liquid, and H L is the water depth (mm). is there. H L Q A / D 7/2 g 1/2 is derived in consideration of the input energy per unit time of the following equation, and is a dimensionless number that describes the motion of the liquid excluding the bubble jet part. is there.
ε = (ρ L −ρ g ) · g · H L · Q A
T S, A Q A / D 3 is the reciprocal of the Strouhal number with the superficial velocity being the representative velocity.
実験から、旋回停止時間TS,A は、以下の式(1)によって得られる。
TS,A QA /D3 =11Re1/2 ・(HL QA /D7/2 g1/2 ) (1)
ただし、0.02<Re1/2 ・(HL QA /D7/2 g1/2 )<2
From the experiment, the turning stop time T S, A is obtained by the following equation (1).
T S, A Q A / D 3 = 11 Re 1/2 · (H L Q A / D 7/2 g 1/2 ) (1)
However, 0.02 <Re 1/2 · (H L Q A / D 7/2 g 1/2 ) <2
上述の例では、ノズルから液体内にガスを吹き込むことにより旋回現象を生じさせているが、ガスの代わりに、ある臨界値以上の流量でノズルから液体内に液体を噴出させることによっても、旋回現象を生じさせることができる。ガスの吹き込みでは、気泡に働く浮力が液体の循環運動を誘起させるまでに十分な時間を要するのに対して、液体の噴出では、液体の慣性力をそのまま利用できるため、液体の旋回運動の発生に至る時間の大幅な短縮が見込まれる。また、ガスの吹き込みによる攪拌では、ガス流量を大きくすると、吹き抜け現象が生ずるため、投入したエネルギーが効率的に攪拌に用いられない状況が予測されるが、液体の噴出による攪拌では、そのようなおそれはない。 In the above example, the swirl phenomenon is caused by blowing gas into the liquid from the nozzle, but swirling can also be performed by ejecting liquid from the nozzle into the liquid at a flow rate of a certain critical value or more instead of gas. A phenomenon can be caused. In gas injection, sufficient time is required for the buoyancy acting on the bubbles to induce the circulation of the liquid, whereas in the ejection of the liquid, the inertial force of the liquid can be used as it is. The time to reach is expected to be significantly shortened. In addition, in the agitation by blowing in gas, if the gas flow rate is increased, a blow-through phenomenon occurs.Therefore, it is predicted that the input energy cannot be used efficiently for the agitation. It is not.
ガス吹き込みの例と同様に、液体内への液体の噴出によって生ずる旋回現象が定常状態に達した後、液体の噴出を停止してから容器内の液体の振動が観察されなくなるまでの時間を、旋回停止時間と定義し、この旋回停止時間を実験的に求めることとする。 Similar to the example of gas blowing, after the swirling phenomenon caused by the ejection of the liquid into the liquid reaches a steady state, the time from when the ejection of the liquid is stopped until the vibration of the liquid in the container is not observed, The turning stop time is defined, and this turning stop time is obtained experimentally.
図7に、この実験に用いる実験装置を示す。実験では、円筒形容器として、内径D=100mm、130mm、150mm、200mm、309mmの5種類のアクリル製のものを用い、円筒形容器の底面中央に設置するノズルとして、内径dn =5mm、10mm、13mm、15mmの4種類を用いた。円筒形容器の周囲を正方形断面の容器で覆い、その間をイオン交換水で満たした。そして、インバータでポンプの出力を調整して、吹き込み水の流量QL を調整した。その際、円筒形容器内の水面が一定になるように、円筒形容器の底部に設けた4個のドレインから水を排出し、循環させた。実験においては、水流量は0〜750cm3/s の範囲で設定し、水深HL を円筒形容器の内径Dで除した値をアスペクト比と定義し、0〜1.5の範囲で変化させた。 FIG. 7 shows an experimental apparatus used for this experiment. In the experiment, five types of acrylic containers having an inner diameter D = 100 mm, 130 mm, 150 mm, 200 mm, and 309 mm were used as the cylindrical container, and an inner diameter d n = 5 mm, 10 mm as a nozzle installed at the bottom center of the cylindrical container. , 13 mm, and 15 mm were used. The periphery of the cylindrical container was covered with a container having a square cross section, and the space between them was filled with ion exchange water. Then, by adjusting the output of the pump at the inverter, to adjust the flow rate Q L of blowing water. At that time, water was discharged from four drains provided at the bottom of the cylindrical container and circulated so that the water surface in the cylindrical container was constant. In the experiment, the water flow rate is set in the range of 0 to 750 cm 3 / s, the value obtained by dividing the water depth H L by the inner diameter D of the cylindrical container is defined as the aspect ratio, and is changed in the range of 0 to 1.5. It was.
縦軸を旋回停止時間TS,L に、横軸を噴出水流量QL にとり、図8(a)に円筒形容器別の、図8(b)にノズル別の、図8(c)にアスペクト比別の実験結果を示す。旋回停止時間TS,L は、水流量、ノズル内径、アスペクト比の影響をほとんど受けず、内径Dのみに依存するものと考えられる。 The vertical axis is the swivel stop time T S, L , the horizontal axis is the jet water flow rate Q L , FIG. 8A shows a cylindrical container, FIG. 8B shows a nozzle, and FIG. The experimental result according to aspect ratio is shown. It is considered that the swirl stop time T S, L is hardly affected by the water flow rate, the nozzle inner diameter, and the aspect ratio, and depends only on the inner diameter D.
図9は、無次元数を用いて実験の測定結果を整理したものである。図9において、縦軸は、容器内径D(mm)と重力加速度g(mm/s2 )を用いて無次元化した旋回停止時間TS,L (s)、横軸は、修正ロスビー数Rom を示す。
ここで、修正ロスビー数Rom は、噴流の有する慣性力と旋回する液体の慣性力との比を表すが、旋回停止時間TS,L は、修正ロスビー数Rom には依存せず、以下の式(2)によって±25%の偏差で近似できる。
TS,L (g/D)0.5 =500 (2)
Rom =QL 2 /(gdn 2 D3 )
FIG. 9 is an arrangement of experimental measurement results using dimensionless numbers. In FIG. 9, the vertical axis represents the turn stop time T S, L (s) made dimensionless by using the container inner diameter D (mm) and the gravitational acceleration g (mm / s 2 ), and the horizontal axis represents the corrected Rossby number Ro. Indicates m .
Here, modified Rossby number Ro m is representative of a ratio between the inertia force of the liquid to pivot the inertial force with the jet, the turning stop time T S, L does not depend on the modified Rossby number Ro m, or less (2) can be approximated with a deviation of ± 25%.
T S, L (g / D) 0.5 = 500 (2)
Ro m = Q L 2 / ( gd n 2 D 3)
本願請求項1に記載の、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多角形容器を備えた攪拌装置であって、前記容器内には、攪拌しようとする液体が収容されており、前記容器のほぼ中央に、液面から深さH1 のところに上向きに配向され、前記液体内に気体を吹き込み又は液体を噴出させるため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、気体の吹き込みの場合は0.3〜1の範囲、液体の噴出の場合は0.3〜1.7の範囲にあり、前記ノズルから前記液体内に吹き込まれる気体の流量又は噴出される液体の流量Qが、ρL Q2 /(σL D3 )=10-5(ここで、ρL は液体の密度、σL は液体の表面張力)を満足する流量以上であり、かつ、前記気体の気泡又は液体の液柱が前記液体の液面を吹き抜けない流量以下である攪拌装置は、前記容器内への空気の吹き込み又は液体の噴出を許容したり遮断したりするためのバルブと、前記バルブを開閉駆動するためのバルブ駆動部と、前記バルブ駆動部にバルブ開閉信号を出力するためのバルブ制御部とを備え、前記バルブ制御部から前記バルブ駆動部にバルブ開信号又はバルブ閉信号を出力することにより、予め設定した条件に従って前記空気の吹き込み又は液体の噴出を許容したり遮断したりするように構成されており、
前記予め設定した条件が、空気の吹き込みの場合には、空気の吹き込みを停止した後、次式
T S,A Q/D 3 =11Re 1/2 ・(H 1 Q/D 7/2 g 1/2 )
ただし、0.02<Re 1/2 ・(H 1 Q/D 7/2 g 1/2 )<2
によって得られる時間T S,A (ここで、Reは(Q 2 /g) 2/5 (g/D) 1/2 /ν L によって得られるレイノルズ数、gは重力加速度)の経過時に、
液体の噴出の場合には、液体の噴出を停止した後、次式
T S,L (g/D) 0.5 =500
によって得られる時間T S,L の経過時に、
空気の吹き込み又は液体の噴出を再開することであることを特徴とするものである。
A stirring apparatus comprising a cylindrical container having an inner diameter D or a polygonal container having a polygonal planar shape having an inscribed circle diameter D according to
When the preset condition is air blowing, after stopping the air blowing,
T S, A Q / D 3 = 11Re 1/2 · (H 1 Q / D 7/2 g 1/2 )
However, 0.02 <Re 1/2 · (H 1 Q / D 7/2 g 1/2 ) <2
At the time T S, A (where Re is the Reynolds number obtained by (Q 2 / g) 2/5 (g / D) 1/2 / ν L , g is the gravitational acceleration) ,
In the case of liquid ejection, after stopping the liquid ejection,
T S, L (g / D) 0.5 = 500
Time obtained by the T S, during the course of the L,
It is characterized by restarting air blowing or liquid blowing .
本願請求項2に記載の、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多角形容器を備えた攪拌装置であって、前記容器内には、攪拌しようとする液体が収容されており、前記容器のほぼ中央に、液面から深さH 1 のところに上向きに配向され、前記液体内に気体を吹き込み又は液体を噴出させるためのノズルが配置されており、深さH 1 と内径又は内接円径Dとの比H 1 /Dが、気体の吹き込みの場合は0.3〜1の範囲、液体の噴出の場合は0.3〜1.7の範囲にあり、前記ノズルから前記液体内に吹き込まれる気体の流量又は噴出される液体の流量Qが、ρ L Q 2 /(σ L D 3 )=10 -5 (ここで、ρ L は液体の密度、σ L は液体の表面張力)を満足する流量以上であり、かつ、前記気体の気泡又は液体の液柱が前記液体の液面を吹き抜けない流量以下である攪拌装置は、前記容器内への空気の吹き込み又は液体の噴出を許容したり遮断したりするためのバルブと、前記バルブを開閉駆動するためのバルブ駆動部と、前記バルブ駆動部にバルブ開閉信号を出力するためのバルブ制御部とを備え、前記バルブ制御部から前記バルブ駆動部にバルブ開信号又はバルブ閉信号を出力することにより、予め設定した条件に従って前記空気の吹き込み又は液体の噴出を許容したり遮断したりするように構成されており、前記予め設定した条件が、空気の吹き込みの場合には、空気の吹き込みを停止した後、次式
T S,A Q/D 3 =11Re 1/2 ・(H 1 Q/D 7/2 g 1/2 )
ただし、0.02<Re 1/2 ・(H 1 Q/D 7/2 g 1/2 )<2
によって得られる時間T S,A (ここで、Reは(Q 2 /g) 2/5 (g/D) 1/2 /ν L によって得られるレイノルズ数、gは重力加速度)からさらに所望の時間経過時に、
液体の噴出の場合には、液体の噴出を停止した後、次式
T S,L (g/D) 0.5 =500
によって得られる時間T S,L からさらに所望の時間経過時に、
空気の吹き込み又は液体の噴出を再開することであることを特徴とするものである。
A stirring apparatus comprising a cylindrical container having an inner diameter D or a polygonal container having a polygonal planar shape with an inscribed circle diameter D according to
T S, A Q / D 3 = 11Re 1/2 · (H 1 Q / D 7/2 g 1/2 )
However, 0.02 <Re 1/2 · (H 1 Q / D 7/2 g 1/2 ) <2
From the time T S, A (where Re is (Q 2 / g) 2/5 (g / D) 1/2 / ν L and g is the gravitational acceleration) At the time
In the case of liquid ejection, after stopping the liquid ejection,
T S, L (g / D) 0.5 = 500
When a desired time elapses from the time T S, L obtained by
It is characterized by restarting air blowing or liquid blowing .
本発明の攪拌装置によれば、用途に応じて、常時ガス又は液体の吹き込みを行わずに所要時にのみガス又は液体の吹き込みを行うことにより、省エネルギーを考慮しつつ、液体の効率的な攪拌を実施することができる。本発明の攪拌装置は、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。 According to the stirring device of the present invention, depending on the application, the gas or the liquid is blown only when necessary without blowing the gas or the liquid at all times. Can be implemented. Since the stirring device of the present invention does not require a drive source such as a propeller, the structure is extremely simple. Therefore, the manufacturing cost and maintenance cost of the device can be kept low, and the time and labor required for maintenance and inspection can be reduced. Can be reduced.
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について説明する。図1において全体として参照符号10で示される本発明の好ましい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1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。
Next, a stirring device according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. A stirrer according to a preferred embodiment of the present invention generally indicated by
円筒形容器12の底壁12bのほぼ中央には、液面から深さH1 の個所に上向きに配向されたノズル14aが配置されており、ノズル14aから延びた空気導入管14が、エアコンプレッサ(図示せず)に連結されている。これにより、空気が空気導入管14を介してノズル14aから液体内に吹き込まれるようになっている。
Near the center of the
なお、液面からノズル14a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。
The ratio H 1 / D between the depth H 1 from the liquid level to the nozzle 14 a and the inner diameter D of the
攪拌装置10はまた、空気導入管14に配置されたバルブ16と、バルブ16を開閉駆動するためのバルブ駆動部18と、バルブ駆動部18にバルブ開閉信号を出力するためのバルブ制御部20とを備えている。そして、予め設定した条件に従ってバルブ制御部20からバルブ駆動部18にバルブ開信号又はバルブ閉信号を出力することにより、バルブ駆動部18を駆動させてバルブ16を開閉することによって、ノズル14aから円筒形容器12内に空気を吹き込んだり吹き込みを停止したりすることができるようになっている。なお、バルブ16、バルブ駆動部18およびバルブ制御部20は、公知の型式のものを使用してよい。
The stirring
図2は、攪拌装置10の作動態様を説明するための模式図である。図2において、横軸は時間、縦軸は円筒形容器12内における液体の旋回の度合を示す。また、図2の横軸における<1>は液体内への空気の吹き込みを開始した時点、<2>は液体の旋回現象が定常状態に達した時点、<3>は液体内への空気の吹き込みを停止した時点、<4>は液体の旋回現象が停止した時点をそれぞれ示す。したがって、<3>から<4>までの時間が旋回停止時間TS,A となる。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining an operation mode of the stirring
攪拌装置10の作動において、空気の吹き込み再開時期は、以下の3通りとなる。
(A)空気の吹き込みを停止した後、液体の旋回が停止すると、ほぼ同時に空気の吹き込みを再開する(図2(b)参照)。
この場合には、空気の吹き込みを停止した後、上記の式(1)を満足する時間TS,A の経過時に空気の吹き込みを再開することとなる。
(B)空気の吹き込みを停止し、液体の旋回が停止した後、所定時間t経過後、空気の吹き込み再開する(図2(c)参照)。
この場合には、空気の吹き込みを停止した後、上記の式(1)を満足する時間TS,A +tの経過後に空気の吹き込みを再開することとなる。
(C)空気の吹き込みを停止し、液体の旋回が停止する前に、空気の吹き込みを再開する(図2(d)参照)。
この場合には、空気の吹き込みを停止した後、上記の式(1)を満足する時間TS,A が経過する前に空気の吹き込みを再開することとなる。
(A)〜(C)のいずれに設定するかは、攪拌装置の用途等により使用者が所望のように選択することできるが、(C)の場合が最も好ましい。
In the operation of the
(A) When the turning of the liquid stops after stopping the blowing of air, the blowing of air is resumed almost simultaneously (see FIG. 2B).
In this case, after stopping the blowing of air, the blowing of air is resumed when the time T S, A that satisfies the above equation (1) has elapsed.
(B) After the air blowing is stopped and the swirling of the liquid is stopped, the air blowing is resumed after a predetermined time t has elapsed (see FIG. 2C).
In this case, after stopping the blowing of air, the blowing of air is resumed after the elapse of time T S, A + t that satisfies the above equation (1).
(C) Air blowing is stopped and air blowing is resumed before the liquid rotation stops (see FIG. 2D).
In this case, after stopping the blowing of air, the blowing of air is resumed before the time T S, A that satisfies the above equation (1) elapses.
Which of (A) to (C) is set can be selected as desired by the user depending on the use of the stirring device or the like, but the case of (C) is most preferable.
空気の吹き込み停止及び吹き込み再開を繰り返すことにより、空気を常時吹き込む場合と比較して、省エネルギー(吹き込み空気量の低減、空気吹き込み動力の低減など)を実現しつつ、効率的な液体の攪拌を実施することができる。 By repeatedly stopping and restarting air blowing, efficient liquid agitation is achieved while saving energy (reducing the amount of air blown, reducing air blowing power, etc.) compared to the case of constantly blowing air. can do.
空気を吹き込む場合に関連して攪拌装置10について説明したが、空気以外の気体を吹き込んでもよく、また、空気の代わりに、液体を噴出させてもよい。
Although the stirring
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。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention described in the claims, and these are also included in the scope of the present invention. Needless to say, it is something.
たとえば、前記実施の形態では、円筒形容器12の平面形状は円であるが、平面形状をn角形(n≧3)にした多角形容器(図示せず)を円筒形容器12の代わりに使用してもよい。この場合のDは、n角形の内接円の径となる。
For example, in the above-described embodiment, the planar shape of the
10 攪拌装置
12 円筒形容器
14 空気導入管
14a ノズル
16 バルブ
18 バルブ駆動部
20 制御手段
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記容器内への空気の吹き込み又は液体の噴出を許容したり遮断したりするためのバルブと、
前記バルブを開閉駆動するためのバルブ駆動部と、
前記バルブ駆動部にバルブ開閉信号を出力するためのバルブ制御部とを備え、
前記バルブ制御部から前記バルブ駆動部にバルブ開信号又はバルブ閉信号を出力することにより、予め設定した条件に従って前記空気の吹き込み又は液体の噴出を許容したり遮断したりするように構成されており、
前記予め設定した条件が、空気の吹き込みの場合には、空気の吹き込みを停止した後、次式
T S,A Q/D 3 =11Re 1/2 ・(H 1 Q/D 7/2 g 1/2 )
ただし、0.02<Re 1/2 ・(H 1 Q/D 7/2 g 1/2 )<2
によって得られる時間T S,A (ここで、Reは(Q 2 /g) 2/5 (g/D) 1/2 /ν L によって得られるレイノルズ数、gは重力加速度)の経過時に、
液体の噴出の場合には、液体の噴出を停止した後、次式
T S,L (g/D) 0.5 =500
によって得られる時間T S,L の経過時に、
空気の吹き込み又は液体の噴出を再開することであることを特徴とする装置。 A stirrer provided with a cylindrical container having an inner diameter D or a polygonal container having a polygonal plane shape with an inscribed circle diameter D, in which the liquid to be stirred is contained, substantially at the center of the container, is oriented upward at a depth H 1 from the liquid surface, the nozzle is arranged for ejecting the blown or liquid gas in the liquid, the depth H 1 and the inner diameter or inner The ratio H 1 / D with the contact circle diameter D is in the range of 0.3 to 1 in the case of gas blowing, and in the range of 0.3 to 1.7 in the case of liquid ejection, and the liquid is discharged from the nozzle. The flow rate Q of the gas blown into or the flow rate Q of the jetted liquid is ρ L Q 2 / (σ L D 3 ) = 10 −5 (where ρ L is the density of the liquid and σ L is the surface tension of the liquid. ) And a flow rate that does not blow through the liquid surface of the liquid. In the stirring apparatus or less,
A valve for allowing or blocking air blowing or liquid blowing into the container;
A valve drive unit for opening and closing the valve;
A valve control unit for outputting a valve opening / closing signal to the valve driving unit,
By outputting No. valve open signal or the valve closing signal to the valve drive unit from the valve control unit, it is configured to or block allow ejection of blowing or liquid in the air in accordance with conditions set in advance ,
When the preset condition is air blowing, after stopping the air blowing,
T S, A Q / D 3 = 11Re 1/2 · (H 1 Q / D 7/2 g 1/2 )
However, 0.02 <Re 1/2 · (H 1 Q / D 7/2 g 1/2 ) <2
At the time T S, A (where Re is the Reynolds number obtained by (Q 2 / g) 2/5 (g / D) 1/2 / ν L , g is the gravitational acceleration) ,
In the case of liquid ejection, after stopping the liquid ejection,
T S, L (g / D) 0.5 = 500
Time obtained by the T S, during the course of the L,
A device characterized by resuming air blowing or liquid blowing .
前記容器内への空気の吹き込み又は液体の噴出を許容したり遮断したりするためのバルブと、
前記バルブを開閉駆動するためのバルブ駆動部と、
前記バルブ駆動部にバルブ開閉信号を出力するためのバルブ制御部とを備え、
前記バルブ制御部から前記バルブ駆動部にバルブ開信号又はバルブ閉信号を出力することにより、予め設定した条件に従って前記空気の吹き込み又は液体の噴出を許容したり遮断したりするように構成されており、
前記予め設定した条件が、空気の吹き込みの場合には、空気の吹き込みを停止した後、次式
T S,A Q/D 3 =11Re 1/2 ・(H 1 Q/D 7/2 g 1/2 )
ただし、0.02<Re 1/2 ・(H 1 Q/D 7/2 g 1/2 )<2
によって得られる時間T S,A (ここで、Reは(Q 2 /g) 2/5 (g/D) 1/2 /ν L によって得られるレイノルズ数、gは重力加速度)からさらに所望の時間経過時に、
液体の噴出の場合には、液体の噴出を停止した後、次式
T S,L (g/D) 0.5 =500
によって得られる時間T S,L からさらに所望の時間経過時に、
空気の吹き込み又は液体の噴出を再開することであることを特徴とする装置。 A stirrer provided with a cylindrical container having an inner diameter D or a polygonal container having a polygonal plane shape with an inscribed circle diameter D, in which the liquid to be stirred is contained, substantially at the center of the container, is oriented upward at a depth H 1 from the liquid surface, the nozzle is arranged for ejecting the blown or liquid gas in the liquid, the depth H 1 and the inner diameter or inner The ratio H 1 / D with the contact circle diameter D is in the range of 0.3 to 1 in the case of gas blowing, and in the range of 0.3 to 1.7 in the case of liquid ejection, and the liquid is discharged from the nozzle. The flow rate Q of the gas blown into or the flow rate Q of the jetted liquid is ρ L Q 2 / (σ L D 3 ) = 10 −5 (where ρ L is the density of the liquid and σ L is the surface tension of the liquid. ) And a flow rate that does not blow through the liquid surface of the liquid. In the stirring apparatus or less,
A valve for allowing or blocking air blowing or liquid blowing into the container ;
A valve drive unit for opening and closing the valve ;
A valve control unit for outputting a valve opening / closing signal to the valve driving unit ,
By outputting a valve opening signal or a valve closing signal from the valve control unit to the valve driving unit, the air blowing or the liquid blowing is allowed or blocked according to preset conditions. ,
When the preset condition is air blowing, after stopping the air blowing,
T S, A Q / D 3 = 11Re 1/2 · (H 1 Q / D 7/2 g 1/2 )
However, 0.02 <Re 1/2 · (H 1 Q / D 7/2 g 1/2 ) <2
From the time T S, A (where Re is (Q 2 / g) 2/5 (g / D) 1/2 / ν L and g is the gravitational acceleration) At the time
In the case of liquid ejection, after stopping the liquid ejection,
T S, L (g / D) 0.5 = 500
When a desired time elapses from the time T S, L obtained by
A device characterized by resuming air blowing or liquid blowing .
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