JP5613165B2 - バッフルを利用した攪拌容器 - Google Patents

Description

本発明は、バッフル（baffle）を利用した攪拌容器に関し、より詳細には、水平型バッフルを一定領域に形成する簡単な構造で、カオス混合理論を応用して攪拌器の混合性能を画期的に向上させた攪拌容器に関する。

攪拌器は、二つ以上の物質をかき混ぜるための器具を示す用語であり、化学／製紙／石油／機械などの多様な産業全般に亘って幅広く利用されている流体混合装置である。

図１は従来の攪拌器の一例を図示している。図１を参照すると、前記従来の攪拌器１０は、流体を貯蔵することができるように中空となった空間部２が内部に形成された本体１と、前記本体１の内部の中心部に軸３が形成され、前記軸３に複数の翼４が放射状に形成され、駆動手段（不図示）によって回転されるインペラ（impeller）５と、を含んで形成されている。

前記攪拌器は、前記インペラが前記本体の中心軸を基準として回転することにより流体を混合する。

この際、前記インペラは、前記翼のサイズ、形成角度、及び形態などを調節することにより流体の混合を増進するが、前記翼の形態が変化しても、動力学系は図２に図示したように、二つの回転流動、即ち、インペラの回転による軸を中心とした直接的な回転流動と、慣性による２次流動またはインペラによって形成された軸方向流動による断面での回転流動と、からなる。結果的に、動力学系はドーナツ状に形成された流線構造を有するようになる。粘性が高い物質（高分子流体、乳濁液、懸濁液、ペイント、食料品など）の場合、このような流線が固定された不変状態に維持され（図２）、混合工程中の物質の移動が始めに決められた流線面に制限されるため、混合性能が格段に低下するようになる。

本発明は上述のような問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明の目的は、水平型バッフルを追加的に設ける簡単な構造で、カオス流動を誘発して流体がより円滑に混合されるようにする、バッフルを利用した攪拌容器を提供することにある。

本発明の攪拌容器１００は、流体を混合する攪拌器１０００の攪拌容器１００であって、前記攪拌容器１００は、流体を貯蔵することができるように中空となった空間部１１１が内部に形成された本体１１０と、前記本体１１０の中心軸に垂直な面に沿って水平な板形状に形成されると共に、開口を有する、流体を攪拌するための、１以上の水平型バッフル１３０と、前記攪拌容器１００の内部の流体を回転させる回転手段１２０と、を含み、前記本体１１０の内側の上面視において、前記中心軸を基準とした、同一の前記面内に延在する前記１以上のバッフル１３０の占める角度αは、９０°〜２７０°の範囲であることを特徴とする。

また、前記バッフル１３０が複数個形成されていることを特徴とする。

このように、本発明に係る攪拌容器は、水平方向に一定領域にバッフルが形成されており、流体が混合される過程で、前記バッフルによって相違する流動に分岐されて回転流動を空間周期的に乱すことにより、混合効率をより高めることができる長所がある。

より詳細には、本発明に係る攪拌容器は、固定された流線面の構造を破壊することにより、混合性能の向上を期待することができ、カオス理論にしたがって、空間周期的に相違する流線面からなる動力学系構造を互いにずれて設計することにより、混合性能を向上させることができる長所がある。

従来の攪拌器を図示した断面図である。 図１に図示した攪拌器の内部流体の動力学系構造を示した概略図である。 本発明に係る攪拌容器が適用された攪拌器を示した切開斜視図である。 図３に図示した攪拌器の断面図である。 図３に図示した攪拌器の上側平面図である。 図３に図示した攪拌器の攪拌容器の内部流体の動力学系構造を示した概略図である。 （ａ）は本発明に係る攪拌容器が適用された攪拌器の他の例を示した断面図であり、（ｂ）は（ａ）に図示された攪拌器の攪拌容器の内部流体の動力学系構造を示した概略図である。 （ａ）は本発明に係る攪拌容器が適用された攪拌器の他の例を示した断面図であり、（ｂ）は（ａ）に図示された攪拌器の攪拌容器の内部流体の動力学系構造を示した概略図である。 （ａ）は本発明の参考例に係る攪拌容器が適用された攪拌器を示した断面図であり、（ｂ）は（ａ）に図示された攪拌器の攪拌容器の内部流体の動力学系構造を示した概略図である。 図９に図示した攪拌器の断面図である。 （ａ）は本発明の参考例に係る攪拌容器が適用された攪拌器の他の例を示した断面図であり、（ｂ）は（ａ）に図示された攪拌器の攪拌容器の内部流体の動力学系構造を示した概略図である。

以下、上述のような特徴を有する本発明のバッフル１３０を利用した攪拌容器１００及びこれを含む攪拌能力が向上した攪拌器１０００を、添付図面を参照して詳細に説明する。

図３は本発明に係る攪拌容器が適用された攪拌器１０００を示した切開斜視図であり、図４は図３に図示した攪拌器１０００の断面図であり、図５は図３に図示した攪拌器１０００の上側平面図であり、図６は図３に図示した攪拌器１０００の攪拌容器１００の内部流体の動力学系構造を示した概略図である。

攪拌器１０００は、大きく、本体１１０及びバッフル１３０を含む攪拌容器１００と、前記攪拌容器１００の内部に含まれている流体を回転させる回転手段１２０と、を含んで形成される。

まず、前記攪拌容器１００について説明する。

前記攪拌容器１００を構成する基本構成である前記本体１１０には、内部に流体を貯蔵することができるように一定領域が形成された空間部１１１が形成される。

図面では前記本体１１０は上側が開放された形態であると図示したが、攪拌器１０００の作動（回転手段１２０の回転）時に流体が外部に流出されないように、上側が別の蓋によって密閉されてもよく、流体が排出される排出部が本体１１０の下側に別に形成されてもよい。

尚、図５では、前記本体１１０が円形の断面を有する例を図示したが、本発明に係る攪拌容器が適用された攪拌器１０００は、この形態に制限されず、多様に形成されることができる。

前記バッフル１３０は、前記本体１１０の内部に中心軸に垂直な方向に、即ち、本体１１０の下面と平行に形成されるものである。ここで、前記中心軸に垂直な方向とは、前記中心軸と９０°の角を形成する方向を意味する。

図面では、前記回転手段１２０として、本体１１０の中心に形成された軸１２１と、前記軸１２１に放射状に形成された複数の翼１２２とを含んで形成されたインペラを図示したが、図面に図示した形態の他にも、前記攪拌容器１００自体を回転させたり、振動などを利用して流体を回転させる手段が利用されることができ、この他にも攪拌容器１００の内部に貯蔵されている流体を回転させることができる手段であれば、制限されずに利用することができる。

前記回転手段１２０としてインペラを利用する場合をより詳細に説明すると、前記インペラは回転によって流体が混合されるようにする構成であり、前記翼１２２の形態及び数などは図面に形成された例の他にも多様に形成されることができる。

前記バッフル１３０は、前記本体１１０の全体領域に形成されず、前記本体１１０の一定領域にのみ形成されることにより、前記本体１１０の全体を二等分したり、前記インペラ１２０の回転を妨害しないようにしたりしてよい。これにより、攪拌器１０００は、前記バッフル１３０が形成された領域で図２に図示されたような従来の連続的な流れが分割され、前記バッフル１３０が形成されていない領域でさらに混合されるようにする。

即ち、攪拌器１０００は、前記バッフル１３０が存在する領域と存在しない領域とでの流線の形状が相違するため、二つの流線面の間の乱れを誘導し、従来の固定された形状の流線面が破壊されるようにすることにより、混合性能を極大化することができる。

より詳細には、図５に図示されたように、攪拌器１０００は、前記本体１１０の内側の上面視において、前記バッフル１３０が形成された両端と前記軸を連結したとき、前記二つの線によって形成された角度αが９０°〜２７０°の範囲であるように形成されることが好ましい。

前記バッフル１３０の形成角度αが９０°未満に形成されると前記バッフル１３０による混合増進の効果が微少であり、前記バッフル１３０の形成角度αが２７０°を超過して形成されると前記バッフル１３０がむしろ流体の流れを二分化して、再混合を妨害する要素として作用する可能性があるため、攪拌器１０００は、前記本体１１０の内側の上面視において、前記中心軸を基準として形成された角度αが９０°〜２７０°の範囲であるように前記バッフル１３０が形成されることが好ましい。

もし、前記バッフル１３０が前記本体１１０の長さ方向に相違する位置に複数個形成される場合（前記本体１１０の内側の上面視において、複数のバッフル１３０が同一の位置に存在しない形態）は、前記一つのバッフル１３０が前記中心軸を基準として形成される角度αが９０°未満である場合にも、複数のバッフル１３０による動力学系の分割により、混合性能の向上を期待することができる。

前記バッフル１３０が複数個形成された例は以下で説明する。

図６に図示したように、バッフル１３０が存在しない左側の場合は断面の回転流動が一つの回転中心を有するが、バッフル１３０が存在する右側の場合は二つの回転中心を有する流動に変わる。

前記インペラの回転によって物質が右側と左側とを交互に移動しながら二つの完全に相違する回転流動を経ると、図６（ｂ）に図示されたように、流線面が乱れて破壊され、カオス流動を起こすようになる。

本発明はこのように、攪拌器内の相違する区域に全く相違する流動パターンを形成し、流線面が破壊されてカオス流動を起こすことにより混合性能を増進させる方式を適用する。参照に、図６及びこの後提示される断面での動力学系構造は、インペラがプロペラ形式で軸方向の流動を形成する場合を図示したものである。インペラの形状とサイズによって断面での動力学系構造が相異することができるが、本発明は、インペラの回転によって、物質がバッフルにより形成された相違する動力学系構造を交互に移動してカオスが起こることにより混合性能が向上するという原理が相変わらず適用されることができる。

一方、従来にもバッフルを利用した場合はあったが、従来のバッフルは、本体１１０の壁面に長さ方向に形成された垂直型であり、前記従来のバッフルは、インペラ１２０が特定方向に回転することにより、前記従来のバッフルの特定面と隣接する付近では流体の流れが停滞される部分が形成されるため、流動抵抗の増加し、これにより多くの電力を消耗するようになり、特に前記従来のバッフルが存在する付近でのみ局地的な混合性能の向上を期待することができた。

しかし、攪拌器１０００は、水平型バッフル１３０の存在により、流体の回転過程でバッフル１３０が存在する領域と存在しない領域とが周期的に繰り返されて攪拌器内の流動場全体を乱すことにより、流動場内の殆どの物質に対して移動軌跡がカオス的に形成されるようにして混合を増進させる。

特に、乱流の形成を期待しにくい粘度が高い物質や、回転速度が遅い物質の場合、上述の混合方式が、前記バッフルがない場合に比べて混合性能を著しく向上させることを期待することができる。

図７は本発明に係る攪拌容器が適用された攪拌器１０００の他の例を示した断面図である。

図７に図示されたように、攪拌器１０００は、前記バッフル１３０が複数個形成されることができる。

図７（ａ）は、攪拌器１０００の本体１１０の内部に、図面において左側下部及び右側上部に水平型バッフル１３０が形成された例を図示している。

図７（ｂ）に図示したように、左側は前記バッフル１３０が下部に位置され、前記バッフル１３０（図面において左側下部に位置）を基準として上部に大きい回転流動と下部に小さい回転流動からなった動力学系が形成され、右側は前記バッフルが上部に位置され、前記バッフル１３０（図面において右側上部に位置）を基準として上部に小さい回転流動と下部に大きい回転流動からなった動力学系が形成される。

図７に図示されたような攪拌器１０００は、前記インペラによって本体１１０の内部の物質が回転されることにより、前記図面において左側と右側を交互に移動すると、カオス流動が生成され、混合性能が向上することができる。

図８はバッフル１３０が一側に二つ設けられた場合を図示しており、攪拌器１０００は、前記バッフル１３０が本体１１０の長さ方向に複数個形成されることができる。

より詳細には、図８（ａ）に図示した攪拌器１０００は、図面において本体１１０の内部の右側に前記バッフル１３０が二つ設けられた場合であり、このような場合には図８（ｂ）に図示したように、前記バッフル１３０が形成された場合には三つの回転流動からなった動力学系が形成され、前記バッフル１３０が形成されていない左側には一つの大きい回転流動のみが形成され、前記インペラの回転によって前記本体１１０の内部物質が左／右側を交互に移動しながらカオス流動を発生させる。

本発明は上述したように、前記バッフル１３０のサイズ、数及び位置を調節することにより動力学系の形成と構造を調節することができ、究極的に攪拌器１０００の混合性能を調節することができる。

図９は本発明の参考例に係る攪拌容器が適用された攪拌器１０００を示す断面図であり、前記水平型バッフル１３０が攪拌器１０００の内側壁面に沿って螺旋状に形成された攪拌容器１００を利用した場合を図示している。これは、前記バッフル１３０によって断面の動力学系構造が変わる特性を利用したものであり、図９に図示されたように、Ｉ断面には小さい回転が下側に、大きい回転が上側に位置する動力学系構造が形成され、ＩＩ断面には大きい回転一つのみからなった動力学系構造が形成され、ＩＩＩ断面には小さい回転が上側に、大きい回転が下側に位置された動力学系構造が形成される。インペラ１２０の回転によって物質がＩ断面、ＩＩ断面、ＩＩＩ断面を順に動くと、カオス流動が形成され、混合性能の向上を期待することができる。

図１０は図９に図示した攪拌器１０００の断面図であり、バッフル１３０が形成する各断面が水平に形成され、連続するバッフル１３０の全体形態が螺旋状に形成された例を図示している。

この際、螺旋状のバッフル１３０の形成角度βは多様に形成されることができるが、本発明における前記螺旋状のバッフル１３０の形成角度βとは、特定地点で、前記本体１１０の壁面を基準として前記本体１１０の下面に平行な面と、前記バッフル１３０が前記壁面に沿って形成された面がなす角度を意味する。

前記螺旋状のバッフル１３０の形成角度βは、どの位置でも同一に形成されてもよく、前記本体１１０の内壁面に沿ってその角度βが変更されてもよい。

図１１は本発明の参考例に係る攪拌容器が適用された攪拌器１０００の他の例を示したものであり、前記バッフル１３０が攪拌器１０００の本体１１０の内部下面に垂直な方向（前記本体１１０の長さ方向）に形成された攪拌容器１００を利用した例を図示している。

図１１（ｂ）に図示したように、前記本体１１０の内部にバッフル１３０が垂直方向に形成された場合、図面において前記中心軸を基準として、前記バッフル１３０が存在しない左側領域には大きい回転一つからなった動力学系構造が形成され、前記バッフル１３０が存在する右側領域には二つの小さい回転からなった動力学系構造が形成される。

従って、インペラの回転により、二つの相違する動力学系を交互に物質が移動すると、カオス流動が形成され、混合性能の向上を期待することができる。

本発明は上述の実施例に限定されず、適用範囲が多様であることは勿論、請求範囲で請求する本発明の旨を外れることなく、多様な変形実施が可能であることは勿論である。

１０００ 攪拌器
１００ 攪拌容器
１１０ 本体
１１１ 空間部
１２０ 回転手段
１２１ 軸
１２２ 翼
１３０ バッフル
α バッフルの角度
β 螺旋状バッフルの角度

Claims (2)

1. 流体を混合する攪拌器１０００の攪拌容器１００であって、
   前記攪拌容器１００は、
   流体を貯蔵することができるように中空となった空間部１１１が内部に形成された本体１１０と、
   前記本体１１０の中心軸に垂直な面に沿って水平な板形状に形成されると共に、開口を有する、流体を攪拌するための、１以上の水平型バッフル１３０と、
   前記攪拌容器１００の内部の流体を回転させる回転手段１２０と、
   を含み、
   前記本体１１０の内側の上面視において、前記中心軸を基準とした、同一の前記面内に延在する前記１以上のバッフル１３０の占める角度αは、９０°〜２７０°の範囲であることを特徴とする攪拌容器。
2. 前記バッフル１３０が複数個形成されていることを特徴とする請求項１に記載の攪拌容器。