JPH0649143B2

JPH0649143B2 - 容器内で気泡により液体を混合及びブレンドする方法及び装置

Info

Publication number: JPH0649143B2
Application number: JP60501026A
Authority: JP
Inventors: イ−．パ−クス，リチヤ−ド
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-02-06
Filing date: 1985-02-06
Publication date: 1994-06-29
Anticipated expiration: 2009-06-29
Also published as: EP0171431B1; DE3570370D1; CA1253853A; JPS61501081A; AU3996485A; EP0171431A1; WO1985003458A1

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、一般には混合及びブレンドの技術分野に関
し、より具体的には圧縮空気を利用して媒体を攪拌、混
合もしくはブレンド（混和）するものである。

［従来の技術］タンク又はその他の容器の内部を混合するためにガス気
泡を利用することは、周知である。例えば、潤滑油に添
加物をブレンドするのは大きなタンク内で行なわれ、そ
のタンクでは、圧縮空気が、スパイダーと呼ばれる機械
装置により底からタンク内に導入される。それは、孔を
備えた交叉パイプからなる装置であり、小さな気泡がタ
ンクの底に設けたパイプから出て上昇するようにする。
スパイダーは、タンク内で材料又は製品のブレンドを生
じさせるが、このブレンド作用は遅く、容器又はタンク
の全体に亘りいつも完全であるとはいえない。

混合又はブレンドのための他の手段は、もちろん櫂によ
る掻き雑ぜ器、振動器及びポンプのような機械式混合で
ある。機械的ミキサ及びポンプは定期的な点検を必要と
し、入手できるこれらの機械的ミキサは、攪拌をもたら
す内部部品と同様駆動機構を支持する付加的な外部タン
ク補強材を必要とする。ほとんどの部分についてエア・
スパイダーは保守不要であり、最小のタンク内ハードウ
エアを具備するが、特別に効率的というわけではない。
必要なブレンド時間は、ブレンドされる液体の性質に従
い数時間から数日まで変化する。連続空気流は小さな泡
を作り出し、大量の送り空気を生じる。エア・スパイダ
ーを通る一定の空気流は、圧縮空気、即ちエネルギを大
量に消費することが評価されるだろう。機械式のブレン
ド又は混合器はまた、大きなエネルギ需要が認められ
る。

公知の関連する文献は、米国特許第3,179,379号、第4,1
36,970号及び第4,168,913号である。これらの特許は、
タンク底部での連続的又は間欠的な空気注入のいずれか
を示す、しかし、どの文献も、本発明で提示され、特許
請求の範囲に記載された構造要素の組合せ及び方法の詳
細を示していない。

キャブレラ（Cabrera）の米国特許第4,136,970号はそれ
自身、調整された空気圧、球形の気泡形状又は、本発明
のタイミング・シーケンスによる気泡注入のいずれにも
関与していない。

クリンガ（Klinger）のイタリア国特許第545,047号も、
セメトン及び石灰のような乾燥した粒状物のブレンド及
び混合に関するもので、これも同様に関連はない。

［発明が解決しようとする課題］本発明の目的は、あらゆる種類の材料を混合及びブレン
ドするのに簡単で極めて効果的な機構を提供することで
ある。

［課題を解決するための手段］本発明の液体を混合及びブレンドする方法及び装置は、
蓋を設けないか又は空気抜き孔を設けた容器で用いられ
る。容器の径と高さとの関係は、気体の注入口が１個か
又は２個以上必要か否かによって決定される。注入口の
１個は容器中央に配置する。それ以上の注入口は、容器
の周囲で、１又は２以上の同心円周上に配設する。注入
口から液体中に直接空気をパルス状に送り込むと、液体
の性質により気泡ができる。粘性のある液体が形成する
気泡は、それが上昇していくときに球台状となる。

注入は、単独気泡の形成が基本となる。各注入口の上方
に、アキュムレータ・プレートを設けて、このプレート
上で基本的な単独気泡を直接形成してから、混合及びブ
レンドする液体の表面に向けて逐次上昇させるようにす
るとよい。

制御部材は、所定の繰り返し周期と空気量を選んで、圧
縮空気供給装置から容器に空気を注入する。パルス状の
空気の注入は、ほぼ垂直な面で循環し、環状に対流する
流動パターンを形成する。ここで「環状」（トロイダ
ル）とは１軸の周りに、これと交叉しない閉曲線を回転
して得られる立体図形とし、「対流」とは媒体自身の移
動によりエネルギや質量等が輸送されることをいうもの
とする。

制御には、電気的制御回路ではなく、空気作動回路を使
用することが望ましい。

［作用］本発明の前記手段によれば、短時間で容器に大量の空気
又はガスを注入するので効率が高く、混合及びブレンド
の時間を全体的に減少させ、例えば公知のスパイダー・
システムに利用すると、注入される空気又はガスの量が
減少できる。

本発明においては大きな単独の気泡を形成し、効率的に
混合及びブレンドするので、必要な圧縮空気の量が少な
くできることから、エネルギ消費もまた減少する。また
効率の増大によってブレンド時間が短くなるので、既存
の混合及びブレンド容器の生産容量が実質的に増大す
る。

本発明は、気泡のサイズ及び繰り返し周期について幅広
い制御が可能である。一部必要に応じて電気回路を使用
するが、本発明の制御部材は基本的には空気作動であ
る。

本発明において、タンク内に形成されるほぼ垂直な面内
を循環して環状の対流となる流動パターンは、異なる粘
性及び特定の質量をもつ製品を混合しようとするときは
非常に重要な機能である。

［実施例］本発明は、簡単には半球状又は球台状と記載しうる実質
的に単一の気泡を発生するため、特定のしかし可変の頻
度で液体内に所定量の圧縮空気又はガスを注入すること
を含む。注入時間及び空気圧は粘度のような液体特性に
依存するが、注入される圧縮空気又はガスは、１秒の数
分の１で容器又はタンク内に導入される。気泡のサイズ
又は空気の量は、重要な量定である。例えば、オイル・
ストックをブレンドする際には、気泡が表面を破る時に
タンクの外にオイルをはねかけたりする程気泡が大きく
てはいけない。出来る限り正確に量定すると、球台状気
泡の容積は、最小で１立方インチ（約16cm³）から、粘
性材料を収容する大きなタンク内での数立方フィート
（約0.1m³）にまで至る。

短時間、即ち１秒未満で、分離した又は有限の量の比較
的高圧の空気を注入することにより、上面は半球状であ
るが、その下面が幾らか平坦か又は凹面となっている気
泡、即ち球台状を示す気泡が形成される。球台状は、同
じ容積の丸い又は球形の気泡に比べ液体中で可成り大き
な円形領域を押しのける。即ち、気泡は、その容積が１
立方インチ（約16cm³）以上となるように決定される。
球台状の気泡の最も大きい部分の横断面領域は、同じ容
積の丸い気泡の横断面領域の４乃至６倍のオーダーであ
る。従って、それが上方に移動して膨張すると、その球
台状気泡は、水平領域での排除により、添付図面で模式
的に示したように、タンク内容物内に流動と輸送を生じ
させるのに極めて効率的に作用する。

アキュムレータ・プレートが存在しないと、気泡は、タ
ンクの底から液体表面までを占める液体ヘッドの深さの
約１／４乃至１／２から形成される。しかしながら、水
のような底粘度の液体では、アキュムレータ・プレート
を設けない限り、単一の気泡は形成できない。気泡の繰
り返し周期は、空気の次のパルス又はショットが注入さ
れる前に気泡が表面にまで上昇するのに必要となる時間
間隔で一般的には決定される。第４図乃至第８図のタン
ク形状におけるパルスについては、制御ユニットで、空
気を注入器のリングに順序よく注入するようにする。即
ち、空気は中央注入口70に送り込んだ後、これでできた
液体の流れを持続させていくような時間間隔で、同心円
周に位置する注入口66に送り込む。

ここで、図面、特に第１図乃至第３図を参照すると、錐
体状底又はＶ状底のタンク10は、円柱状の側壁12、トッ
プ又はカバー14及び空気抜きの通気口16を具備する。タ
ンクは、その底部においてアウトレット20を有する内側
が下向きに傾斜した錐体状の底18を具備する。22はタン
クを直立位置に維持するための支持レッグである。24は
空気をタンクの底に導く空気注入配管である。第２Ａ図
は、所定量の空気注入時の気泡45とその球台状気泡47へ
の成長を模式的に示す。気泡47は、粘性液体中でタンク
の底から液体の表面までの距離の約１／４乃至１／２の
ところで形成される。

制御部品は、チェック・バルブ26、タイミング・バルブ
28、圧力調整器30、フィルタ32及び圧縮空気供給配管34
を含む。空気作動の制御ユニットにおいて、空気は、圧
縮空気供給装置から取り出され、配管36で示すように制
御ユニット38に送られ、制御ユニット38は、配管40を介
して、空気タイミング・バルブ28を制御する。制御ユニ
ットは、電気的又は電子的に作動するものであってもよ
い。

空気注入配管24の開口25から上の少し離れた位置にアキ
ュムレータ・プレート42があり、このアキュムレータ・
プレート42は、開口25より１／４インチ（約６mm）乃至
１／２インチ（約13mm）上方に位置し、タンク自体の直
径に関して所定の直径を具備する。アキュムレータ・プ
レート42は、何ら特別の厚みを持つ必要はないが、最も
好ましくは円形で、タンクの直径の１／10乃至１／20の
直径のものがよい。好ましいアキュムレータ・プレート
の直径は、タンクの直径の約１／16である。即ち、６フ
ィート（約180cm）の直径の混合タンクには、4.5インチ
（約11cm）より少し大きい直径の１枚又は複数のアキュ
ムレータ・プレートを組み込む。図示しないが、設置さ
れたプレート42を、その位置で水平にしっかりと固定す
るように、支持部材が90度毎に配置されている。

液体を入れたタンク内で気泡を発生するための、所定の
頻度での空気の周期的注入は、透明な試験タンク内で容
易に観察できる。パルス状注入空気が開口から送り出さ
れると、それは、開口の外でアキュムレータ・プレート
42の下側に沿いそしてプレート42の周縁を回る矢印43,4
4の経路を通って、気泡46を形成する。アキュムレータ
・プレート無しでも空気は本質的に単一の気泡を形成す
るが、タンク内での形成位置が高くなる。所定量の空気
であっても、アキュムレータ・プレート42の下側に向け
て注入したときは、本質的に１つの大きな気泡を形成す
る。プレートのある無しに拘わらず、気泡のサイズは、
制御ユニットによって開閉されるタイミング・バルブ2
8、空気注入配管24のサイズ、及び空気回路の圧力によ
って調整される。この方法で作られた気泡は、タンクの
容量が、25又は50ガロン（約95又は190リットル）程度
の小さな容量のものか又は数千ガロン（数万リットル）
程度のものかに拘わらず、容積にして約１立方インチ
（約16cm³）から、数立方フィート（約0.1m³）程度の大
きさである。

１秒の数分の１での気泡の突然の発生は、液体が空気に
よって排除される際に液体の振動を生じさせる。球台状
気泡が上昇し膨張するとき、それは、収容されている液
体材料の混合を促進する流れを生み出す。気泡が液面に
到達して消失すると、それは、上方に向かう矢印48、水
平の矢印50及び材料の垂直下方に向かう矢印52で示す流
れのように、液体の表面及びその近くで半径方向外側に
向いて流れを生じさせる。その流れがタンクの内壁に到
達すると、それは、タンク内壁に沿い下方に向ってまっ
すぐ流れ、底では、矢印54で示すように、空気注入口の
開口25に向かって底面に沿って流れる。このようにし
て、タンク内で、概ね垂直の面内で循環する環状の対流
となる流動パターンが生成される。この循環パターン
は、より重い液体及び／又は粒子が注入口の開口25に向
かって引かれ、それからタンクの上面に向かって押し上
げられるという点で、特に重要である。この動作は、制
御ユニットが圧縮空気源に作用して出される周期的パル
スの最初の結果である。更に、タンクへの空気の周期的
注入の繰り返しによって、高調波振動が生じるかもしれ
ない。ここに記載した概略垂直面内での環状対流の循環
流動パターンは、制御システムの動作及び注入口の位置
で決まってくる。循環流動パターンによる水平の底流及
び循環動作が、ブレンド促進に重要である。

アキュムレータ・プレートを使うと気泡は、タンクの底
の極めて近くで発生する。できるだけ底に近いところで
気泡を形成することは、特に平坦な底のタンクでは、底
浚いの液体流動を増す。このようにしてデッドスペース
即ち混合作用をほとんど生じない澱みの領域が最小とな
るか又は排除される。アキュムレータ・プレートを無く
して、気泡をより高い所で形成すると、底での混合が減
少する。アキュムレータ・プレートは、例えば異なる質
量の液体をブレンドするとき、又は液体が低粘度のもの
であるときに、極めて有効である。

第４図乃至第６図において、60はタンク径とその高さが
ほぼ等しい平底のタンクで、多数の空気注入口を備える
構成を示す。本実施例において、側壁62を備えたタンク
60は平坦な１枚の底64を具備する。注入口66は、タンク
60の径の約半分である円周上に互いに約60度の間隔で設
けられている。この特定の実施例では、１本の空気注入
配管68は中央の注入口70に行き、第２の空気注入配管72
は、注入口66の各々に対する接続配管74に延びる。アキ
ュムレータ・プレート76が支持部材78によって底64から
僅かに上方に置かれること、及び、注入口66,70が、プ
レート76の開口75を通ってプレート76の下側に開いてい
ることが第７図及び第８図に示されている。従って、空
気は下から縁端に向かって外側に流れ、上気したように
気泡が形成される。空気は、アキュムレータ・プレート
の下側から注入してもよいし、第６図乃至第８図に示す
ように上側から注入してもよい。スペーサ又は支持部材
78は、プレートの縁端から外に突出しないように配置さ
れること、及び、それらが空気の動きに干渉し又はこれ
を破砕することのないように薄くすることが好ましい。

アキュムレータ・プレート76のサイズは、タンク自体の
直径のおおよそ１／10乃至１／20であり、１／16が好ま
しい比である。図面は、破線を使って、第４図及び第５
図で矢印で示す循環パターンを形成するため膨張形状で
上昇する気泡を示す。上記パターンは、気泡と共に上方
に移動し、頂面で半径方向外方にそして壁の内面に沿っ
て下方に移動し、そして底64に沿い内側に移動する流れ
を設定するものである。アスファルト、水、アスベスト
及び粘土の組合せであるアスファルトのエマルジョンで
は、混合物中でアスベスト及び粘土のようなより重い粒
子又は成分が底の外周に沈澱する傾向がある。本発明の
システムで確立される循環パターンでは、そのような重
く粘性のあるエマルジョンでさえも、重い粒子は事実上
浮遊状態に置かれることが分かった。第４図乃至第６図
の実施例では、制御ユニットは、所定量の圧縮空気を中
央の注入口70及びそれから接続配管74上の多数の注入口
66に交互にパルス状に送る。さらに図示されるように、
注入口とアキュムレータ・プレートとは、60度間隔でタ
ンク径の半分の径の円周上にある。このようにして、こ
の空気システムを使用することで、特に平坦な底のタン
クに固有の澱みの問題は、アキュムレータ・プレートを
組み込むことによって解決できる。

注入配管のサイズは、大量の空気が短時間内、好ましく
は数分の１秒内に注入されうるようにするのに充分なも
のであるべきことがわかる。気泡のサイズを確立する第
１の因子は、液体ヘッドの高さ、圧縮空気の圧力及び時
間であり、この時間には明らかに配管及びバルブのサイ
ズ並びに空気圧に起因する時間が含まれる。気泡の球台
形状又は構造は、短期間、好ましくは数分の１秒で１個
の気泡につき所望量の空気を注入することによって得ら
れる。

［発明の効果］以上説明したとおり、本発明に係る容器内で気泡により
液体を混合及びブレンドする方法及び装置は、混合する
材料の性質に応じた量及び周期に調整された気体パルス
を容器内の材料に注入し、生成する気泡パルスが材料内
に生起する環状対流で材料を攪拌して混合及びブレンド
するようにしたので、空気の送り量を著しく減少させる
とともに構造が簡単で生産効率並びに経済性を向上させ
ることができる。

また、本発明は制御部材を含めて、全てを空気作動とし
たので、事実上、運動する機械部品がなく、基本的にメ
ンテナンスフリーにすることができる。

しかも、本発明は、タンクの径と高さの比に関係なく使
用でき、タンクの容量は数十ガロン（約百リットル）程
度の小さなものから数千ガロン（約数万リットル）程度
のものまで利用できる。

さらには、タンクの底部が錐状の傾斜を持つものでも、
平坦なものでも等しく効率的に使用することができる。

本発明では、タンク及び配管に、ステンレスやプラスチ
ックのような耐蝕性材料が使用できるので、腐触性の強
い液体にも使用することができる。そのうえ、本発明は
空気作動の制御機構によっているので、高揮発性及び危
険な作動環境にあっても安全に操業でき、多数の工業上
及び商業上の用途、例えば、化学ブレンド、食料又は飲
料の加工、下水処理、油井掘削泥、タンク車及び鉄道タ
ンク貨車、タンクの清掃、オイルの貯蔵及びブレンド等
に利用できる。

また本発明の機構は、不活性のガスや液体、微細で均一
な固体も含めて、バルブを通過できるものであれば、ほ
とんど全ての媒体を注入することができ、一旦正しい注
入のタイミングが確立されると、攪拌、混合及びブレン
ドの一連の動作は制御ユニットにより正確に維持するこ
とができる。

図面の簡単な説明第１図は、アキュムレータ・プレートの下の単一の注入
開口を使った設備の模式図である。

第２図は、空気注入開口の上方のアキュムレータ・プレ
ートの位置及び気泡の形成を模式的に示す、錐体型タン
ク底部の部分断面図である。

第２Ａ図は、アキュムレータ・プレートを設けない空気
注入開口を示す錐体型タンク底部の断面図である。

第３図は、第１図のタンク内設備で気泡により誘起され
る液体の循環パターンを示す一部を切欠いた斜視図であ
る。

第４図は、平坦な底のタンクで使われる本発明の機構の
模式図である。

第５図は、第４図の平坦な底のタンク設備の配管系統図
である。

第６図は、第４図及び第５図のタンクの詳細を一部断面
にして示す斜視図である。

第７図は、アキュムレータ・プレート頂面の上方から入
ってアキュムレータ・プレートの底面に開口するパイプ
から空気が導入される構成を示す断面図である。

第８図は、タンクの底から間隔を置いて設置されたアキ
ュムレータ・プレートの斜視図である。

10……錐体状底のタンク、12,62……側壁 18……錐体状底、24,68,72……空気注入配管 25,75……開口、26……チェック・バルブ 28……タイミング・バルブ、30……圧力調整器 32……フィルタ、38……制御ユニット 42,76……アキュムレータ・プレート 45,46,47……気泡、60……平底のタンク 64……底、66……注入口、70……中央注入口 74……接続配管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】側壁と底部を具備する容器内で、液体と他
の材料との混合及びブレンドを空気に行わせる方法であ
って、（ａ）前記容器の底部直近の所定位置に、空気注入口を
含む圧縮空気供給手段を配置し、（ｂ）前記容器に前記空気注入口を通して、圧縮空気を
パルス状にして、所定の空気量のパルスを所定のパルス
周期で１つずつ送り込み、先行パルスが容器内の材料表
面に達するのと殆ど同時に前記空気量のパルスをそれぞ
れ送り込み、（ｃ）前記空気注入口より送り込まれる空気量のパルス
ごとに気泡を形成してその１つひとつが単独の球台状の
気泡となるようにして、（ｄ）前記気泡に伴われて上昇する液体を含む前記材料
が、表面近くで外方に広がり、引き続き底部へ向けて下
降する垂直方向の循環流となり、環状に対流する流動パ
ターンを前記材料内部に形成し、この流動パターンを調
整して、前記容器内の材料を混合及びブレンドするよう
にした容器内で気泡により流体を混合及びブレンドする
方法。
【請求項２】前記空気注入口の少なくとも１つを前記容
器の中央に配置するようにした特許請求の範囲第(1)項
に記載の方法。
【請求項３】前記容器の中央に配置された第１の空気注
入口を中心とする１つの円周上に複数の第２の圧縮空気
注入口を所定個数ほぼ等間隔に配置し、前記第１の空気
注入口からの１つの気泡の次に、それぞれから一斉に気
泡のパルスを送り込むようにした特許請求の範囲第(2)
項に記載の方法。
【請求項４】前記第２の空気注入口が配置された前記円
周を、前記第１の空気注入口と前記容器の側壁との中間
に設けるようにした特許請求の範囲第(3)項に記載の方
法。
【請求項５】前記空気注入口それぞれの直上部に、平坦
なアキュムレータ・プレートをほぼ水平に設置して、前
記容器内には、空気を前記空気注入口から前記アキュム
レータ・プレートの下側に送り込み、１パルスの空気量
による気泡の形成が、前記容器の底部直近で行われるよ
うにした特許請求の範囲第(1)項又は第(3)項に記載の方
法。
【請求項６】側壁と底部を具備する容器内で、液体と他
の材料との混合及びブレンドを空気に行わせる方法であ
って、（ａ）前記容器の底部直近の中央に圧縮空気注入手段を
配置し、（ｂ）前記容器内に、前記空気注入手段を介して、１回
の量が最低でも16cc程度の圧縮空気のパルスを送り込
み、このパルス１回の量はそれぞれ１秒未満で放出さ
れ、先行パルスの１つが前記容器内の材料表面に到達す
る時点を周期として繰り返し、（ｃ）前記空気注入手段を介してパルス状に放出される
空気量が、それぞれに気泡となり、実質的には個々の気
泡が単独で球台形状を形成するようにして、（ｄ）前記気泡につれて上昇する液体を含む前記材料
が、表面近くで外方に広がり、引き続き底部へ向けて下
降する垂直方向の循環流となり、環状に対流する流動パ
ターンを前記材料内部に形成し、この流動パターンを調
整して、前記容器の材料を混合及びブレンドするように
した容器内で気泡により液体を混合及びブレンドする方
法。
【請求項７】前記容器中央に配置された第１の圧縮空気
注入手段を中心とする１つの円周上に複数の第２の圧縮
空気注入手段を所定個数ほぼ等間隔に配置し、前記第１
の空気注入手段からの１つの気泡の次に、それぞれから
一斉に気泡のパルスを送り込むようにした特許請求の範
囲第(6)項に記載の方法。
【請求項８】前記第２の空気注入手段が配置された前記
円周を、前記第１の空気注入手段と前記容器の側壁との
中間に設けるようにした特許請求の範囲第(7)項に記載
の方法。
【請求項９】前記空気注入手段それぞれの直上部に、平
坦なアキュムレータ・プレートをほぼ水平に設置して、
このアキュムレータ・プレートの下側で、前記空気注入
手段から空気を前記容器内に送り込み、１パルスの空気
量による気泡の形成が、前記容器の底部直近で行われる
ようにした特許請求の範囲第(6)項に記載の方法。
【請求項１０】側壁と底部を具備する容器内で、液体と
他の材料との混合及びブレンドを空気に行わせる装置で
あって、（ａ）前記容器の底部直近の所定位置に設けた少なくと
も１つの空気注入口と、（ｂ）前記空気注入口の少なくとも１つの直上に大体中
心がくるようにして１枚のプレートを水平に設置し、こ
のプレートの下側で、少なくとも１つの前記空気注入口
から空気を前記容器内送り込み、この容器内に前記空気
注入口から送り込まれた空気が、前記プレートの周辺に
向けて外方に広がり、周縁から上方に回り込んで、前記
プレートの周囲で実質的に単独で不連続な気泡の形成を
達成し、この気泡が前記プレートから離脱して、前記液
体内を上昇し、内部に混合及びブレンドの流動を誘起す
るアキュムレータ・プレート部材と、（ｃ）前記空気注入口に接続される圧縮空気供給部材
と、前記空気注入口に圧縮空気がパルス状に送り込まれ
るように調整する時間調整バルブ部材とを含めて空気注
入口を調整する制御部材とからなる容器内で気泡により流体を混合及びブレンドす
る装置。
【請求項１１】前記アキュムレータ・プレート部材が、
前記容器直径の１／10〜１／20の直径の円形状である特
許請求の範囲第(10)項に記載の装置。
【請求項１２】前記アキュムレータ・プレート部材が、
前記容器直径の１／16程度の直径の円形状である特許請
求の範囲第(11)項に記載の装置。