JPH0533092B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は粉末材料を液体と混合する装置、特に
粉末セメントと水を混合する装置に関する。本発
明は特に油井、ガス井、地熱井等にセメントを流
し込む技術に利用するよう計画されている。

（従来の技術） このような技術は例えば米国特許第1486883号
（1922年）に記載しているように長年存在してき
た。優秀な混合性能と洗練された製造技術を多く
の公報について調査した結果、最も注目すべきも
のは米国特許第4453829号である。

この公報は１個のケーシングの中に２個のロー
ターを連結しているミキサーであつて、ケーシン
グの上部の中心に在る孔を通つて単に重力によつ
て上部ローターがその中心に粒状材料を受け入れ
るミキサーについて説明している。ローターは前
記材料を周囲ゾーンに向つて抛出する。液体は下
部ローターの下側の中心孔を通つて到着し、且つ
ローターの中心から引き入れられ、且つ遠心力作
用によつてローターの周辺に分配される粒状材料
と液体の混合作用は２個のローターの間の周囲ゾ
ーンで生じ、混合物は適当な排出システムによつ
てケーシングを通じて引張り出される。上述のミ
キサーは粒状材料が砂で液体がゲルであるとき充
分満足に作動する。

（発明が解決しようとする問題点） しかし前記ミキサーの作動は例えばセメントの
ように非常に微細なものと水の場合には余り満足
できなかつた。

先ず第１に微細粉末は互いに付着し、その微細
粉末の固まりの中心部に、装置の周囲の混合域に
自由に存在するかなり多量の空気を捕捉する。こ
の空気は上部ローターによつて遠心力作用を与え
ることができない。したがつてその空気が完成し
た混合物と共にケースから出ることができず、こ
の区域に集り徐々にミキサーの作動を妨げる。

第２に、このような砂はそれ自身を単に重力で
上部ローターに送らせるが、微細粉末の場合はそ
うならずに、その密度が低いためにこのゾーンに
おける圧力を不平衡にする。

更に、前記装置は完成混合物の密度を容易に調
節することができない、また油井にセメントを流
し込む作業の成功率は使用するセメントの正確に
して容易な密度制御によつて変つてくる。

本発明の目的はたとえ微細粉末でも非常に満足
に作動できるミキサーを提供することである。

本発明は特にセメント粉末に適し且つ簡単に正
確に密度を制御できる上述のミキサーを提供する
ように計画されている。

（問題点を解決するための手段） 本発明に係るミキサーは、“渦巻型”又は“遠
心型”であり、次の部品を含むケーシングを備え
ている。粉末材料（又は第２液体）を投出する遠
心ローターを備え、このローターの遠心面はケー
シングの一つの壁に対し半径方向である（好適な
生産方法はローターを上壁の方に向けている。）
ローター面とケーシング壁がケーシングの側壁と
共に“混合ゾーン”を形成し、この混合ゾーンの
周りで流体（混合してある場合と無い場合）が高
圧力によつて自由に循環し、前記ローターの周囲
ゾーンに送る高圧流体供給システムを備え、且つ
前記混合ゾーンと直接連通するホツパーすなわち
バツクアツプフイードを有する粉末材料供給シス
テムを備えている。

本発明は前記混合ゾーンの高圧周囲ゾーン内に
一定（非常に高い）の負圧を発生することによつ
て粉末材料を圧送できる。

これは高圧周囲ゾーン内に１部分を配置した粉
末材料供給装置によつて行われ、該装置の端縁が
ケーシングの壁から長く突出し、そのため流体の
流れの中に局部乱流を発生し且つ前記端縁の下流
に負圧ゾーンを発生し、該負圧ゾーンが粉末材料
バツクアツプフイードと連通している。

下流負圧ゾーンは調節式バルブによつてバツク
アツプフイードすなわちホツパーと直接連通する
効果を有する。

一つのデザインにおいて、このデイスターバー
はローターシヤフトに対し段違いになつた円筒状
パイプからできている。

別のデザインにおいて、前記デイスターバーは
前記ローターと同心の円形パイプ（シユラウド）
であり、なるべく下方に末拡がりになつている。

ケーシングから空気を排出する装置が設けら
れ、且つ好適な実施例において、本発明に係るミ
キサーは米国特許第4453829号に記載の型式のも
のであり、粉末材料投出ローターに連結した流体
遠心ローターを装着している。

それにも拘らず、本発明は流体と固形粒子で作
動しているすべてのミキサーに応用し、液体を送
り出す孔を持つた高速ローターを収容するケーシ
ングと、液体と粒子の混合物が大気圧以上の圧力
で引張られる排出ダクトを有する固形粒子供給シ
ステムを包含している。本発明によれば固形粒子
供給システムがケーシング壁からの突出物として
ミキサーの内側に達し且つローターの作用によつ
て流体が高速回転しているゾーンに達する。また
本発明は２種の液体の混合や固形粒子と飽和液体
の混合も行うことができる。

本発明に係る粉末材料供給システムにおいて、
混合法を１個のパラメータ例えば粉末材料供給速
度によつて調節することができる。このため初め
て全自動法をセメントミキサーに適用することが
できる。

本発明の供給システムは現在のミキサーによつ
て得られる以上の高性能ミキサーを作り、且つ次
の理由によつて性能が良い。

第１に前記システムは粉末材料を引き入れるた
めミキサー内に存在する流れの力と速度を直接使
用する。

更に粉末材料が直接最良効率の混合を行う負圧
ゾーンに導入される。かくして前記材料は同伴空
気の大部分を捨てることができる。

１例として前記負圧ゾーンは−0.6バールであ
り、それに対し既存のものは2.5バール以下であ
り、この負圧は空気式や重力式を含む色々の粉末
材料の供給システムの使用を可能ならしめる。

本発明のその他の特徴と効果は次の説明から明
らかとなる。

（実施例） 第４図は本発明の全般的、実施例を示す。遠心
力ミキサーは内部をローターＢが高速度で回転し
ているケーシングＡを備え、ダクトＣから供給さ
れる液体が混合ゾーンＦの中で高速回転状態にさ
せられるようになつている。本発明はこれらの混
合ゾーンの中の少くとも一つの混合ゾーンにおい
て負圧を発生して固形粒子をミキサーに送り、ま
た一方固形粒子供給装置Ｄがケーシングの壁から
離れて取付けられた適当な形状にデザインされた
装置によつて直接混合ゾーンＦに送る。

本発明によつて作られた実施例の詳細を示して
いる第１図乃至第３図を参照する。

第１図において、ミキサー１は粉末材料を放出
する上部ローター３（スリンガーとも称する）
と、遠心作用によつて液体を加圧する下部ロータ
ー４（インペラーとも称する）とを包含するケー
シング２を備えている。

ケーシング２は取付部品５を使用して組立てを
容易にするため数個の部品から作られている。好
適な実施例において、前記ケーシングは下壁６と
上壁７と壁８からなり、その下壁６と上壁７は実
質的に扁平な円形であり、壁８は円筒形である。

ローター３とローター４は取付部品９によつて
互いにしつかりと組立てられ且つローターシヤフ
ト１０の端部に装着されている。この組立体はケ
ーシング２やシヤーシーに固定したブラケツト
（図示せず）に取付けられたモーター１１によつ
て駆動される。

下部ローターはその回転によつて渦を発生し、
この渦が下壁６と下部ローターの下面間、特に下
壁６の中心に在る下部オリフイス１４の区域にサ
クシヨンゾーン１３を作り出すように設計されて
おり、入口１５（水のための入口又は更に一般的
にはできれば飽和した液体又は付加剤を含む液体
のための入口）がこのオリフイスに取付けられ、
水が引き入れられ且つローター４の周囲ゾーンに
向つて放出され且つミキサー全周囲ゾーン１６に
分配される。

ローター３の上面１７（投出面）が実質的に横
半径方向、すなわち軸１２に対し垂直に向いてい
る。この上面はトロイダル状の凹状であり且つケ
ーシングの上壁７の方を向いている。また前記ロ
ーターは米国特許第4543829号に示すように垂直
羽根（図示せず）を取付けることもできる。前記
ローターの遠心面は供給装置から粉末材料を受け
入れ且つ回転時にこの材料を遠心力でローターの
周囲ゾーンに送り、更にミキサーの周囲ゾーンに
送る。液体と粉末とからなる混合物（高圧状態に
された）がミキサーの周囲ゾーンに在る放出ダク
ト１８を通じて排除される。

ミキサー１はミキシングシステムに統合されて
いる。該ミキシングシステムはミキサーの下部の
入口１５に通じているミキシングウオータタンク
１９と、後で述べるシステムによつてミキサーに
供給される粉末材料を保持しているバツクアツプ
フイードすなわちフイードホツパー２０と、放出
ダクト１８から送られてくる混合物（例えばスラ
グセメント）を容れてそれを作業上（例えばセメ
ントで固めるための油井）に送る高圧ポンプ２１
からできている。

上記レイアウトは公知の方法であり且つ米国特
許第4453829号に記載されており、これを参考と
してここに述べる。

本発明はケーシングの上壁７と投出面１７によ
つて形成される混合ゾーン２３の内部の圧力現象
と流体力学に基づいている。考慮すべき有益なゾ
ーンは遠心面１７の上縁（垂直羽根の上縁に一致
する）と、扁平上壁７との間のゾーンである。こ
のゾーンの高さは米国特許第4453829号に示すよ
うに、上部ローター３の高さと大体同一である。
しかしながら混合ゾーン２３の高さはローター３
の高さの半分乃至２倍であつても良い。

混合ゾーン２３は大気圧を受け且つ比較的圧力
の高い区域によつて囲まれる内側ポケツトを備え
ている。

これらゾーンの大きさと相対的配置はミキサー
の形状寸法（特にローター３の形状とゾーン２３
の高さ）と、回転速度によつて変つてくる。それ
でもなお、ミキサーが普通の作業速度である場
合、“ポケツト”は大体混合ゾーン２３の中心部
に形成され、且つ高圧周囲ゾーンが中心に接近し
始める。圧力センサーを使用することによつて任
意のミキサーについて混合ゾーン２３の圧力スケ
ジユールを当然作ることができる。

混合ゾーン２３の中の流れに関する研究は特に
困難な仕事である。しかし、簡単に言えば、また
特別な応用理論はなく、次の現象が存在するよう
である。第１に、液体相と固体相の両方はロータ
ーの回転方向によつて決まる大きな接線方向の成
分を持つた高速回転を行う。もし速度成分が半径
方向面（例えば、第１図に示すように）で調査さ
れるとすれば、上部ローター３の回転によつて直
接発生する遠心半径方向の流れ（矢印２４）が上
部ローター３のすぐ近くに、また遠心流れ２４に
対する反力によつて発生する半径方向求心性流れ
（矢印２５）がケーシングの上壁７の区域に存在
することが分る。

流れは高速ゾーンの中心に向つて垂直に下降す
る流れ成分（矢印２６）を有しこの流れ成分は前
記流れ２５，２４に結合している。

本発明は粉末材料供給システムのために少くと
も１部分が高圧周囲域にある装置を提供する。こ
の装置は流れの中に局部的乱流を発生させるため
ケーシング上壁７から長く突出した羽根からでき
ていて、その羽根の端縁の上流域の速度を増大し
且つ前記端縁の下流に負圧ゾーンを形成する。こ
の負圧ゾーンは前述の粉末材料供給システムと連
通している。非常に速い速度が得られ且つこのよ
うな高速度での混合現象が鋭敏な性質を持つてい
るにも拘らず、前記乱流はミキサーの容積全体に
拡がらない（このことは有効な混合作用にとつて
有害である）ことが立証された。

第１図に示すデザインによれば、前記乱流装置
は壁７に取付けられた円筒状パイプ２７からでき
ている。第３図に示すように、このパイプは流れ
に対して斜めに（すなわち半径方向（又は内側）
に向つて）、及び接線方向に取付けることができ
る。それはまた壁７に対し垂直に取付けることが
できる。前記パイプはクランプ又は溶接によつて
壁７に取付けられ、且つホツパーの底部に連通
し、前記ホツパーから出る流れは弁３０（例えば
蝶弁はスライドバルブ）によつて制御される。

第３図はパイプ２７の作用を示す。該パイプは
流れの中に局部的乱流を生じ、該パイプから一定
距離以上になると流れは影響を受けない。このこ
とは高速回転とその時循環する飽和流体の存在を
考えた場合驚くべきことである。

制限された乱流ゾーン内において、前記乱流は
大体次のように解析することができる。第１に流
れがゾーン３１に平行に前記容積に流入する。パ
イプ２７とその前縁３７によつて前記流れはゾー
ン３２，３３に向つて徐々に群をなして進み、同
一の流れがせまい容積を通過しなければならない
ので流れの速度は増大し、前縁に近いゾーン３３
において最高速に達する。その流れはつぎに散開
して、前縁のすぐ下流に低圧ゾーン３４を作る。
流れはこの低圧ゾーンを完全に過ぎるまで安定し
ている。低圧ゾーン３４がパイプ２７を通じてホ
ツパー２０と連通し、又は少くともバルブ３０の
下流部分と連通し、且つ粉末を吸引し、つぎにこ
の粉末は流体と材料の流れによつて直接低圧ゾー
ン３４に引張り込まれる。

これは優秀な混合作用を導くばかりでなく、粉
末が低圧ゾーンに供給されたとき、粉末内にとじ
込められていた空気が膨張し、粉末の固まりが破
裂することにより、粉末と同伴空気とを一層効果
的に分離し、空気は混合ゾーン２３の中央ゾーン
を経てミキサーから逃げることができ、すなわち
軸１０とケーシング２の上壁との間に通路を形成
している低圧ポケツトを通じて逃げることができ
る。ケーシングから逃げる空気の道筋を矢印３５
で示している。

上記現象、特に流体力学を検討すれば専門家は
上記形状寸法特にパイプすなわちデイスターバー
２７に関しその他の等価物を容易に確認すること
ができる。前記パイプ２７は更に投出面１７によ
つて作られる容積の中に少し侵入するように取付
けることができ、この場合単にローター３上の垂
直羽根（図示せず）の高さを制限することが必要
である。

粉末が到着したときの最初の混合作業中に該粉
末から逃げることができない空気はミキサーの外
側ゾーンすなわち周囲ゾーン１６における次の混
合作業中に分離して、この部分と混合ゾーン２３
の中のポケツトとを結ぶ通路を通つて上部ロータ
ー３から逃げる。これらの通路はローター３，４
のそれぞれの後側の間のくぼみ３６と上部ロータ
ー３の中心に近いダクト３８とからできている。
この場合に逃げる空気が通る道筋は矢印３５ａ，
３５で示されている。

バルブ３０はどんな型式のものでも良く、上壁
７に平らに載つて該上壁の１部分となる環状板３
９の形をしていても良い。この環状板３９は孔４
０（環状セグメント）を備えている。環状の軌道
４２の中を摺動するスライドバルブ４１（大型の
環状セグメント）によつて前記孔４０は覆われ
る。

またミキサーの排出ダクトすなわち放出ダクト
１８とポンプ２１との間に循環管４４を取付け
て、混合物を必要な密度に到達しなかつたとの理
由によつてサイクルの始動位置に戻すか、又は密
度計４３によつて戻り管の中で密度の測定を行え
るように戻すことができる。

混合物の流れのスケジユールは簡単に次のよう
に書ける。

流入水＋流入セメント＝ミキサー取出量 例えば油井やその類似物にセメントを流し込む
とき、ポンプ２１が吐出するセメントの量は一定
であり、且つポンプの速度によつて決まる。混合
した材料を放出ダクト１８から取出す速度は一定
であり且つ容易に一定に維持することができる。
以上の説明の結果、並びにミキサーの流れスケジ
ユールの観点から、流入水１５は流入粉末２７に
正比例し、バルブ３０によつて容易に調節でき
る。

水の流れよりはセメントの流れを有効にコント
ロールできることに注意すべきである。その理由
はセメントの吐出しは吸込作用と重力により強制
的に行なわれるが、水の供給はそのように行なわ
れないためである。このようにセメントの流れは
水の流れより優先的である。

上記説明はスラグセメントの密度を正確にコン
トロールするために必要な現場作業を非常に簡略
化する。本発明によれば単にバルブ３０を作動さ
せる必要があるだけで、水の供給は自動的にコン
トロールされる。現場の技術者はこのようにして
セメント作業中セメントの密度を最適値に容易に
近づけることができ、かくして作業の成功率を大
いに増大する。

ホツパー２０は重力供給式でも空気式でも良
い。

第２図は第１図に示すミキサーの設計変更実施
例である。両者に共通の部品は同じ番号を付して
ある。

この実施例によると供給システムが軸を囲繞す
るシユラウド５０を含み、該シユラウドはホツパ
ー２０からバルブ５２を経て送られてくる粉末を
収容するため上向きに開口した截頭区画５１と、
ケーシング２を貫いている円筒状中央区画５３
と、下向きに開口している截頭下部区画５４とか
らできている。

シユラウド５０の装着を容易にするため中央区
画５３とケーシング２の上壁との間に円形スペー
ス５５が残されており、このスペースは上壁に固
定した円形カバープレート５６によつて覆われて
いる。

截頭下部区画５４の底縁は実際上第１図のデイ
スターバー２７の底縁と同じように混合ゾーン２
３の底部に達し且つ軸１０からの半径方向の距離
は、それを混合ゾーン２３の高圧周囲域の内側に
置くことができるが、ポケツトの中に入れないよ
うな大きさである。

求心状（半径方向）流れと垂直に下降する流れ
２６はシユラウド５０の内側に衝突し、截頭下部
区画５４の縁の下流に負圧ゾーンを作る。このこ
とは粉末（バルブ５２によつて制御して送られて
くる）が直接最も大きな混合ゾーンに供給される
ことを意味している。この形状寸法と同じような
その他のものも実施可能である。

この混合作業中に逃げる空気は円形通路５５か
ら出ることができる。

バルブ５２は第１図について述べた型式のもの
である。また排気スペース３６の直下においてロ
ーター４に水平板を組立てることができ、この水
平板は高圧周囲を流体の多い域（前記水平板の
下）と流体の少ない域（前記水平板の上）に分割
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るミキサーの１実施例の部
分断面図であつてミキシング回路を略図にした断
面図、第２図は第２実施例の部分断面図、第３図
は本発明に係るデイスターバーシステムの略図、
第４図は本発明に係る型式の遠心ミキサーに利用
できる作動上の説明図である。 Ａ……ケーシング、Ｂ……ローター、Ｃ……ダ
スト、Ｅ……混合ゾーン、１……ミキサー、２…
…ケーシング、３……上部ローター、４……下部
ローター、５……取付け部品、６……下壁、７…
…上壁、８……壁、９……取付け部品、１０……
ローターシヤフト、１１……モーター、１２……
シヤフト、１３……サクシヨンゾーン、１４……
下部オリフイス、１５……入口、１６……周囲ゾ
ーン、１７……上面、１８……排出ダクト、１９
……水タンク、２０……ホツパー（バツクアツプ
フイード）、２３……混合ゾーン、２４……遠心
流れ、２５……求心流れ、２７……パイプ、３０
……バルブ、３６……くぼみ、３８……ダクト、
４２……孔、４１……スライドバルブ、４２……
環状軌道、４３……密度計、４４……環状管、５
０……シユラウド、５１……截頭区画、５２……
バルブ、５３……中心区画、５４……截頭下部区
画、５６……円形カバープレート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 上面１７とケーシング２の上壁７とで混合ゾ
   ーン２３を形成する上部ローター３、及びケーシ
   ング２の下壁６との間に形成されたサクシヨンゾ
   ーン１３に渦を発生させる下部ローター４とから
   なる高速ローターを収容するとともに、混合容積
   を限定するケーシング２と、ケーシング２の混合
   ゾーン２３に固体粒子を供給する固体粒子入口２
   ７，５０、及び上記サクシヨンゾーン１３に流体
   を供給する流体供給口とからなる供給口と、混合
   物を排出するため前記ケーシング２に連結されて
   いる放出ダクト１８と、ケーシング２から空気を
   排出する装置とを有する互いに化学的に反応する
   流体と固体粒子のミキサーにおいて、固体粒子入
   口２７，５０が、高速ローター３，４の回転中
   に、前記固体粒子入口２７，５０の先端縁３７よ
   り直下流の負圧ゾーンに固体粒子を供給するよう
   に、事実上前記混合ゾーン２３の底部までその混
   合ゾーン２３内に突入され、前記空気を排出する
   装置は混合ゾーン２３の上壁７を通して設けられ
   た通路を有することを特徴とする、流体と固体粒
   子のミキサー。 ２ 空気を排出する装置は、上、下ローター３，
   ４の各裏面側間に設けられたくぼみ３６と、上部
   ロータ３を横切るダクト３８とを有することを特
   徴とする、特許請求の範囲第１項記載の流体と固
   体粒子のミキサー。 ３ 最終混合物の密度は、固体粒子供給口２７，
   ５０に接続されたホツパー２０に設けられた調整
   可能なバルブ３０，５２によつて制御されること
   を特徴とする、特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の流体と固体粒子のミキサー。 ４ 固体粒子供給口は、ローターシヤフト１０か
   ら離れて上壁７から設けられている円筒状パイプ
   ２７であり、前記空気を排出する装置は、ロータ
   ーシヤフト１０と前記パイプ２７間に設けられて
   いることを特徴とする、特許請求の範囲第１項、
   第２項または第３項記載の流体と固体粒子のミキ
   サー。 ５ 円筒状パイプ２７は、ローターシヤフト１０
   の軸１２に対して相対的に或る角度で設定されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載
   の流体と固体粒子のミキサー。 ６ 固体粒子供給口はローターシヤフト１０と同
   軸でシユラウド５０のような円筒状パイプであ
   り、前記空気を排出する装置は、上記シユラウド
   ５０とケーシング２の上壁７間に設けられた環状
   スペース５５であることを特徴とする、特許請求
   の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の流体
   と固体粒子のミキサー。 ７ シユラウド５０は下方の拡開する下方部分５
   ４を有することを特徴とする、特許請求の範囲第
   ６項記載の流体と固体粒子のミキサー。 ８ 流体と固体粒子を連続的に且つ別々にケーシ
   ングに供給し、その流体と固体粒子とを、ケーシ
   ング内の高圧ゾーンを造り出す高速ロータにより
   ケーシングの上壁と上部ロータの上面とで形成さ
   れる混合ゾーンで混合し、大気圧より大きな圧力
   でケーシングから混合物を排出するようにした、
   混合時に流体と固体粒子が互いに化学的に反応す
   る流体と固体粒子の混合方法において、固体粒子
   の供給は高速ロータの回転中に固定粒子入口の先
   端縁より直下流の負圧ゾーンに上記固体粒子を放
   出することによつて行ない、空気は上記負圧ゾー
   ンを経てケーシングの上壁に設けられた通路から
   排出されることを特徴とする、流体と固体粒子と
   の混合方法。 ９ 負圧ゾーンは大気圧以下の圧力であることを
   特徴とする、特許請求の範囲第８項記載の流体と
   固体粒子との混合方法。 １０ 固体粒子は大気圧に連通するホツパーから
   供給されることを特徴とする、特許請求の範囲第
   ９項記載の流体と固体粒子との混合方法。 １１ 高圧ゾーンにおける混合前に、固体粒子に
   同伴された空気は負圧ゾーン内で固体粒子から分
   離されることを特徴とする、特許請求の範囲第８
   項乃至第１０項のいずれかに記載の流体と固体粒
   子との混合方法。