JPS6253213B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流体混合装置、特に気体を液体に混合
する改良された装置に関するものである。

本発明は特に化学処理及び下水もしくは廃水処
理におけるような、空気中の酸素を流出水に混和
するエアレーシヨン装置に使用するのに適してい
る。

ある流体、代表的なものとして空気あるいは他
の気体を他の流体、代表的には液体中へ導入する
ことは散布として良く知られている。一般的に使
用されているエアレーシヨン（空気混和）装置は
ドラフトチユーブを介して液体を下方に圧送する
羽根車を使用して散布を行なう。ドラフトチユー
ブ及び羽根車は液体を収容しているタンクあるい
は他の液だめ容器内に沈められる。ドラフトチユ
ーブ内及び羽根車の直下には散布リングが配設さ
れており、この散布リングはリングの穴あるいは
リングから半径方向内側へ延びるベーンの側部に
ある穴のいずれかを介して空気を導入することが
できる。羽根車は空気流（気泡の状態である）を
介して液体を圧送する。空気中の酸素は、液体が
分散する時液体中に吸収され且つ液体と混合さ
れ、この際、液溜めのまわりに再循環され且つド
ラフトチユーブの上端に戻されながらドラフトチ
ユーブを介して下方に圧送される。気体、この場
合酸素の液体中への吸収効率は装置のストリツピ
ング（補獲）効率と言われている。ストリツピン
グ効率は導入された気体体積に対する吸収された
気体体積の体積百分率で表わされる。酸素につい
て言えば百分率は散布装置に入る酸素の体積に対
する液体中に吸収された酸素の体積の比率であ
る。吸収された酸素は溶解酸素試験によつて測定
することができる。導入された酸素体積は体積測
定用流量計によつて測定された空気の流入体積中
の酸素量から計算される。

従来の散布装置のストリツピング効率は40〜50
％の範囲にあり羽根車及び空気流を注意深く調節
することによつて可能となる範囲は51％である。
ミキシング・エクイツプメント・カンパニー・イ
ンク・（Mixing Equipment Company Inc.、）か
ら売り出されているModel Ｃ−100、合衆国ニユ
ーヨーク州、ロチエスター市のゼネラル・シグナ
ル・コーポレーシヨン（General Signal
Corprotion）のユニツトの如きエアフオイル（す
なわち航空機の羽根の形態）の羽根車をもつてし
ても、ストリツピング効率は約50％を越えること
はない。

散布リングを使用するエアレーシヨン装置は散
布のために別設のコンプレツサー、コンプレツサ
ー駆動装置及び制御装置を必要とする。このよう
なコンプレツサー、駆動装置及び制御装置は装置
全体のコストを増大することになるのだから、こ
のような装置は省略できることが望ましいのであ
つて、そのための努力がなされてきており、羽根
を通つて流れるとき空気を液体中に吸引するため
の種々の形状の羽根（米国特許第1097991号、第
2041184号、第3108146号、第3630498号、第
3677528号、第3775307号及び第3911064号参照）
もその努力のうちの一つである。又混合羽根には
流体（気体及び液体）を混合すべく導入するため
の穴が形成されるようになつた（米国特許第
536136号、第933090号、第1580834号、第2121458
号、参照）。

一般的に液体中へ気体がうまく導入されるこ
と、及び特にエアレーシヨンは装置のストリツピ
ング効率によつて決まる。極めておどろくべきこ
とではあるが、従来実際に達成されているよりも
よい約85％あるいは60％のストリツピング効率
が、エアフオイルの羽根を備えた羽根車を使用す
ることによつて得られ、この羽根車は回転して主
流体を圧送する際、液体又は他の主流体に導入す
べき気体又は他の流体用の、流体を主流体に伝達
する穴を含む通路を、羽根車の羽根がそり、厚さ
及び穴の位置に関して特定の関係を持つているよ
うな場所に有する。

本発明の目的は流体混合装置において、液体が
羽根車によつて押し出されすなわち圧送される時
流体（気体又は他の液体）を液体中へ導入するた
めの液体用の改良された軸流羽根車を提供するこ
とである。

本発明の他の目的は改良されたドラフト・チユ
ーブ式エアレーシヨン装置を提供することであ
る。

本発明の他の目的は、混合装置において、混合
装置の総合動力使用効率を殆ど減少することなく
効果的に導入（気体を液体中に吸収させることに
よつて）するための改良された散布装置を提供す
ることである。

本発明の更に他の目的はエアレーター装置のコ
ストを低減し（別設のコンプレツサー、駆動装置
及び散布リングを不必要とすることによつて）な
おストリツピング効率を増大することができる改
良された散布装置を提供することである。

本発明のなお他の目的は抵抗（即ち、液体の推
進により起る気体による干渉）を最少にするよう
に液体中に散布されるべき気体の流れを最適化す
ることができなおかつ十分な気体の流れを維持し
て従来の装置によるよりももつと効率のよい気体
のストリツピングを成し得る推進及び散布の両用
の改良された羽根車を提供することである。

簡単に説明すれば、本発明は流体（気体あるい
は液体）を液体中へ散布する装置を提供するもの
であり、該装置は、シヤフトに設けた羽根車と共
に液体中に延び液体中でシヤフト及び羽根車は液
体に通ずるように延在する流体用通路をもつてい
る。羽根車はエアフオイルを構成する横断面形状
を有する羽根をもつている。羽根はその両側に吸
引面及び圧力面を有しエアフオイルの羽根の弦の
長さは羽根前縁と後縁の間で規定される。羽根は
そつておりかつ吸引面を通して穴が孔けられ流体
を液体に通すための通路の一部をなしている。羽
根は以下の特徴をもつている：最大そり長さは弦
の長さの約２％ないし６％、最大そり長さのある
位置は前縁から弦の長さの約20％ないし60％離れ
た位置、羽根の厚さは弦の長さの10％ないし18
％、及び穴の配設位置は前縁から弦の長さの約60
％の位置から80％の位置までの吸引面上の範囲
（この範囲は弦から吸引面までの垂直線間で計ら
れる）内にあることである。羽根車はドラフト・
チユーブ内にドラフト・チユーブと同軸に適切に
装着されている。

本発明の上述せる及び他の特長、目的及び利
点、及び本発明の具体的な望ましい実施例は添付
図面を参照し以下の説明を読むことにより一層明
確となるであろう。

第１図及び第２図に示された混合装置は空気中
の酸素を液体流と混合液体流を曝気する。装置は
ドラフト・チユーブ式エアレーターとして知られ
ている。ドラフト・チユーブ１０はタンク、堰等
の液だめ容器の床１２の上方に支持されている。
作動中ドラフト・チユーブ１０は、該チユーブ１
０の下端１４の下側と容器の床１２との間に十分
な空間をもたせ下方への流れが制限されることな
く管内を流れるようにして液体表面下に沈められ
ている。チユーブ１０は軸線を垂直にして配設さ
れている。チユーブ及び他の装置は、チユーブを
支持しかつ装置の他の要素を装着するビーム、ロ
ツド等により液溜め容器の上部をの上方につり下
げられた構造によつて支持することができる。こ
の支持構造は図解を簡略にするために図示されて
いない。

チユーブを通つて軸線方向に流れる流体の流れ
は軸流羽根車１６によつて維持される。羽根車は
三枚の羽根１８，２０及び２２を持つている。こ
れらの羽根の断面輪郭は同じエアフオイルを成し
ている。使用する羽根はもつと多くてもあるいは
もつと少なくても、例えば一枚であつてもよい。
ここでは三枚羽根の羽根車１６を示している。

羽根は、例えば溶接によつて、ローター２４に
装着されている。ローター２４は円形のフランジ
２６を備えた上端が開放した中空シリンダーであ
る。中空シヤフト３０のフランジ２８がローター
のフランジ２６に取り付けられている。両フラン
ジ間はシールされていて気密結合されている。シ
ヤフトは駆動装置３２によつて回転される。入口
３４から入る空気は、リデユーサーシヤフト（こ
れは弁として機能し弁として図に描かれている）
に直接取りつけられた調節可能な回転する細孔板
３６を通過し、駆動装置３２よりも後方の剛性継
手を経て中空シヤフト３０の内部へ流入する。駆
動装置は電動機及びギヤボツクスから成るのがよ
く、空気用の開口部が駆動装置付近のシヤフトの
上部分を取り囲んでいる。羽根車１６の羽根１
８，２０及び２２は中空である（第３図ないし第
６図参照）。羽根は又二列４０及び４２に配置さ
れた穴３８を持つている。穴の数は必要とされる
空気の体積に依存するものであり、二列の穴にす
るのが現状では望ましい。穴は空気入口からシヤ
フト３０の中空内部、ローター２４の中空内部及
び羽根の中空内部を経る通路を通る液体を流通さ
せるものである。

チユーブ１０の下端においてハブ４４はベーン
４６を装着しており、羽根車１６の側方偏倚を制
限する。ボス４８はハブ４４上端にある盲穴には
めこまれている。ボス４８と制限リングは協働し
てシヤフト３０と羽根車１６をチユーブ１０と同
軸に維持する。ベーン４６は液体が羽根車により
チユーブ１０を介して推進され圧送される時液体
の渦巻きを制御する。

作動において、羽根は液体は容器全体にわたつ
て流れ十分に混り合うのに十分な速度でチユーブ
１０の下端１４を通つて流出するようにチユーブ
１０を介して液体を圧送するのに十分な速度で回
転する。流動パターンは容器をまわりチユーブ１
０の頂部へもどるある程度の上方への還流によつ
て作りだされる。羽根１８，２０、及び２２のエ
アフオイルを形状及び傾きのため羽根の上面５０
での圧力は、液面より下の羽根の位置する深さで
の圧力よりも低い。空気の流動が生じかつ気泡が
穴３８から流出する。液体は下方へ推進され羽根
車１６の羽根の穴３８から出る空気と混り合う。
流水に酸素を混和するために必要な空気の量を制
御するために、細孔板３６を回転シヤフト組立体
の一部分として調節する。或る種の液体流れ、例
えば液体流れ中の好気性バクテリヤによつて活性
化される下水泥は液体流れの性質により或る量の
酸素を必要とする。回転細孔板による調節は所要
の量の酸素をもたらす、又細孔板３６による流量
調節は、空気の抗力を最小にし且つ十分な圧送作
用を維持する空気の最適な流れを提供する。上述
せるような装置のストリツピング効率（85％の酸
素ストリツピング効率が得られている）により、
羽根車の回転を減じかつ羽根車の駆動力を増大す
ることを必要とする抗力を与えることなく流体流
れに酸素を加えるために十分な空気が供される。
その結果、羽根車から離れている散布・リングを
有するドラフト・チユーブ式エアレーターにより
得られる効率に匹敵する動力利用効率が得られて
いる。

第３図ないし第６図を参照すると、羽根車１６
の一枚の羽根１８が示されている。他の羽根２０
及び２２は羽根１８と同一である。三枚の羽根は
ローター２４（第２図参照）に120゜間隔で配設
されている。従つて、羽根１８のうちの一枚につ
いて説明すれば三枚の羽根全部について説明しな
くても十分であろう。

羽根１８はその弦５６の長さによつて規定され
るエアフオイルである。弦は羽根１８の前縁５８
と後縁６０の中心間に引かれた直線である。前縁
の中心は羽根１８の中央線６２と前縁の交差点で
ある。羽根１８はエアフオイル型のものであるか
らそりを有している。そりは弦５６（第６図参
照）に垂直な方向に弦５６と中央線６２との間で
計られる。上述せるストリツピング効率（85％）
を有する羽根にとつて重要であることが知られて
いる最大そりは弦の長さの約２％ないし６％であ
る。羽根の望ましい実施例においてそりは４％で
ある。最大そりの位置は羽根の先端５８から後端
６０へ向かつて弦に沿つて計つて弦の長さの約20
％から60％の所にある。望ましい実施例におい
て、最大そりは前縁５８から弦の長さの40％の所
に位置している。

羽根の圧力面５２と吸引面５０間の中間線に対
し垂直に計つた羽根の最大厚さは弦の長さの約10
％から18％までの範囲内である。望ましい実施例
において、最大厚さは弦の長さの15％である。圧
力面５２は羽根１８の底面５２として図示してあ
る。流体をドラフト・チユーブ１０を介して下方
へ推進するのはこの面である。羽根の上側に示さ
れている面が吸引面５０である。この面に沿つ
て、羽根に対する液体の速度が最大となる。

羽根の内部は中空なので液体と通じる空気通路
は羽根を通りかつ穴３８の外へ通じている。羽根
はステンレス鋼のような金属板で作られ、支柱６
４（第３図参照）で補強されている。

穴３８の位置は空気の流れ及び装置のストリツ
ピング効率にとつて重要であることも知られてい
る。穴は羽根に対する液体の相対速度が最大であ
る吸引面上の点を越える領域、即ち羽根の最大厚
さの点よりも後端により接近した領域内にあるべ
きであることが知られている。穴が配置されてい
る範囲は羽根の前縁５８から後縁６０の方へ弦の
長さの60％から80％の範囲になければならない。
この範囲は弦に立てた垂線の間に規定される。図
に示した望ましい実施例において、二列の穴４０
及び４２は前列４０が前縁５８から弦の長さの60
％の所にあり後列42が前縁５８から弦の長さの80
％の所にあるように配置されている。これらの距
離は第５図及び第６図に示されているように弦５
６に対する垂直線間距離として計られる。穴３８
自体は吸引面５０に向つて内側に先細になつてお
りノズルを構成している。穴３８のこのようなノ
ズル形状は羽根が液体中を移動する時気泡の羽根
からの分離を促進させる。

羽根は、第３図に示したように、わずかに先細
になつている。羽根の自由端、即ち先端６６はロ
ーター２４（第１図及び第２図参照）に取着けら
れている端６８よりもせまくなつている。羽根１
８はまた第４図に示したようにねじれている。弦
５６と水平線間の弦角θｃは羽根の半径方向外側
に向つて減少している。羽根の外端即ち翼端６６
における弦角θcoは羽根の内端における弦角θci
よりも小さい（第４図参照）。弦角はチユーブ１
０内を押しやられた流体の速度を均一に保つよう
に流体の所望の圧送量に応じて選択される。

吸引面５０に沿う圧力差は羽根の最大厚さ位置
から後縁に向つて少なくなる。穴３８を通る空気
を均一な流れにするために、後列の穴４２は前列
の穴４０よりも直径を大きくするのが望ましい。
液体中に流れる気体の流れを均一にするためにも
穴の直径を変えることは望ましいことである。こ
のような場合、直径が大きい方の穴をローターに
より接近させて配置する。穴の直径は、穴の列に
沿つて先端６６とローターの軸線間で計つた羽根
の半径に比例して直線的に小さくなつている。羽
根に対する流体の速度は半径に比例して変化し、
吸引面における圧力は相対速度の二乗に比例して
変化する。穴の面積は直径の二乗に比例して変化
するので、穴の大きさはローター２４の中心から
半径方向の距離が増大するとともに直線的に小さ
くなる。

ストリツピング効率が増大することの理論的根
拠は現在未だ解明されていない。しかしながら本
発明にもとづいて設計されたそり厚さ及び穴の配
置を有するエアフオイル型の羽根車は、以上に述
べた特長及び利点とともに高いストリツピング効
率をもたらすということが認められている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る、液溜め容器内の液体を
散布する混合装置を示す一部断面概略説明図、第
２図は第１図の２−２線に沿う第１図に示された
装置の断面図、第３図は第１図及び第２図に示さ
れた装置の羽根車の羽根のうちの一枚の平面図、
第４図は第３図に示された羽根の端面図、第５図
及び第６図は第３図の５−５線及び６−６線に沿
う羽根の断面図である。 １０……ドラフト・チユーブ、１６……軸流羽
根車、１８，２０，２２……羽根、２４……ロー
ター、３０……シヤフト、３６……回転細孔板、
４０，４２……穴列、５０……吸引面、５２……
圧力面、５６……弦、５８……前縁、６０……後
縁、６２……中央線、θｃ……弦角。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１流体を第２流体に導入するための装置で
   あつて、両側に吸引面と圧力面とを備えたエアフ
   オイルを構成する少くとも１つの羽根を持つ、前
   記第２流体を圧送するための羽根車を有し、前記
   エアフオイルの羽根は、羽根の横断面と羽根の弦
   との間で計つたとき、エアフオイルの羽根の前縁
   から後縁に向かつて弦の長さの20％乃至60％の距
   離のところに弦の長さの２％乃至６％の最大寸法
   を持つそりを有し、且つ前記圧力面と前記吸引面
   との間に弦の長さの10％乃至18％の最大厚さを有
   する横断面輪郭を持ち、エアフオイルの前記吸引
   面は前記第１流体を羽根車の羽根を介して前記第
   ２流体に導入するため、前記前縁から弦の長さの
   60％乃至80％のところの前記吸引面の領域内に穴
   を有することを特徴とする装置。 ２ 複数の穴が前記吸引面に沿つて全体に外方に
   延びる複数の列をなして前記吸引面上に設けら
   れ、第２の列よりも前記前縁に近い列の穴は、前
   記第２の列の穴よりも小さいことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の装置。 ３ 穴の第１の列は、前記前縁から弦の長さの60
   ％のところに配置され、穴の第２の列は前記前縁
   から弦の長さの80％のところに配置されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の装
   置。 ４ 吸引面の穴が、ノズルを構成するように前記
   吸引面に向かう方向で内方にテーパしていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項、及
   び第３項のうちのいずれか１項記載の装置。 ５ 前記最大のそりが前記弦の長さの４％であり
   且つ前記前縁から弦の長さの40％のところに位置
   し、羽根の最大厚さが弦の長さの15％であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項の
   うちのいずれか１項記載の装置。 ６ 羽根車がシヤフトに設けた回転羽根車であ
   り、ドラフトチユーブが羽根車のまわりにシヤフ
   トと同軸に延び、前記チユーブは、その一端が前
   記羽根車を越えて延びるような軸線方向長さを持
   ち、前記羽根の前記圧力面は、作動時に前記羽根
   車が第２流体をチユーブの前記一端に向かう方向
   に圧送するように前記一体に向いていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項乃至第５項のうち
   のいずれか１項に記載の装置。 ７ 液溜め容器内の液体に第１流体を導入するよ
   うになつた装置であつて、前記シヤフトが前記液
   面から液中に垂直に延び、前記チユーブがその一
   端を前記液溜め容器の床から間隔を隔てて前記液
   中に沈められており、前記羽根車は前記液体を前
   記チユーブを介して下方に圧送して、前記液体を
   前記第１流体とともに前記液溜め容器内に分配す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の
   装置。 ８ 前記第１流体が羽根車に、従つて前記シヤフ
   トの通路を介して前記第２流体に放出されるよう
   になつており、前記第１流体を前記第２流体に分
   散させるとき前記第１流体の流れを制御する手段
   が前記通路と関連して設けられていることを特徴
   とする特許請求の範囲第６項又は第７項記載の装
   置。 ９ 前記少くとも１つの羽根が、弦と水平線との
   間の角度が半径方向外方に向かう方向で増大する
   ねじれ形体を持つことを特徴とする特許請求の範
   囲第６項、第７項、及び第８項のうちのいずれか
   １項記載の装置。