KR100638014B1 - 중.고점도액체용교반날개 - Google Patents

Abstract

중·고 점도 액체의 교반에 있어, 액체 내에 도넛 환상의 혼합 불량부가 발생하지 않고, 양호한 혼합 성능이 얻어지는 교반 날개를 얻는 것을 목적으로 한다.

이를 위해, 간격이 존재하게 병렬되는 적어도 2개의 지주에 복수의 판상 경사 블레이드를 서로 간격이 존재하게 또한 회전 방향의 후방 또는 전방에 비켜서 복수단으로 배치하여 고정시키고, 이들 경사 블레이드의 최하단에 저면 블레이드를 설치하여 교반 날개를 형성하였다.

본 발명에 의하면, 중·고 점도 액체의 교반에 있어서, 교반조 내에 1 루프의 플로우 패턴이 형성되어 있으므로, 액체 내에 도넛 환상의 혼합 불량부가 발생되지 않고, 또한 경사 블레이드의 상면 흐름의 박리가 억제되므로, 광범위한 레이놀즈수역의 유체에 대해 양호한 혼합 성능이 얻어지는 효과가 있다.

Description

중·고 점도 액체용 교반 날개

본 발명은 의약품 공업, 식품 공업, 화학 공업 등에서, 중·고 점도 액체를 교반하는데 적합한 교반 날개(攪拌翼, stirring wing)에 관한 것이다.

종래 기술로서 도 14와 같은 나선상의 헬리칼 리본(helical ribbon) 블레이드(b; blade, 羽根)를 회전축(a)에 고착시키고 저면 블레이드(c)를 헬리칼 리본 블레이드(b)의 하단에 고정시켜 효율적으로 중·고 점도 액체를 교반하도록 한 것이 알려져 있다.

이러한 종래 헬리칼 리본 블레이드로서, 어떤 점도역의 액체를 교반하면, 그 액체 내에 도넛환상의 혼합 불량부가 발생하여, 양호한 혼합이 수행될 수 없다는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 고점도 액체로부터 저점도 액체까지의 광범위한 범위로 양호한 혼합을 수행할 수 있는 교반 날개를 제공하는 것이다.

이 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 간격이 존재하게 병립된 적어도 2 개의 지주로 된 회전축의 각 지주에, 복수의 판상 경사 블레이드를 서로 간격이 존재하게 복수단으로 배치하고, 또한 이들 경사 블레이드의 전단부를 상단에서 하단에 걸쳐 회전 방향의 후방에 또는 전방에 비켜 배열하여 고정하고, 각 지주의 하방에 상면 블레이드를 설치한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예 1을 도 1 내지 도 10에 의해 설명한다.

도 1은 중·고 점도 액체용 교반 날개의 실시예 1의 정면도이며, 도 2는 그의 평면도이다.

교반 날개(1)는 2개의 지주(2), 그 지주(2)의 외측에 복수단으로 고정된 경사 블레이드(3), 그 지주(2)의 상단부를 연결하여 고정시킨 브래킷(2a; bracket), 그 지주(2)의 하방에 고정된 저면(또는 상면(床面)) 블레이드(4)로 구성된다.

상기 각 경사 블레이드(3)는 동일한 길이의 평판상이며 경사 각도 θ_a는 18°내지 48°의 범위로 회전방향으로 향하여 상방향으로 형성되어 있고, 도 3에 도시한 바와 같이 내측연부(3a)에서 상기 지주(2)에 교차하도록 고정되어 있으며, 또한 그 경사 블레이드(3)의 외측연부(3b)는 교반조(5)의 내벽면에 근접하도록 원호상으로 형성되어 있다.

상기 2개의 지주(2)에는 각각 복수 개의 경사 블레이드(3)를 등간격의 복수단으로, 또한 상단에서 하단에 걸쳐 회전 방향의 후방에 순차로 비켜 배치되어 있다. 이 경사 블레이드 열의 비킴 전진 각도 θ_b는 3°내지 22°의 범위가 좋으며, 보통은 15°전후 값으로 형성되어 있다.

또한, 복수단으로 배치된 이들 경사 블레이드 사이의 간격은 수직방향에서 상단의 경사 블레이드(3)와 하단의 경사 블레이드(3)가 일부 겹치는 면을 가지고 있다.

상기 저면 블레이드(4)는 평판을 대략 S자상으로 굴절시킨 구조이며, 도 4에 도시한 바와 같이 교반조(5)의 저면에 대해 수직 방향으로 형성되어 있고, 양단부에서 상기 지주(2)에 고정되어 있다.

이 저면 블레이드(4)의 지주(2)에 근접한 부분은 후방 수직부(4a)이며, 중간의 중앙 수직부(4b)는 이들 후방 수직부(4a) 보다도 낮은 높이로 형성되어 있고, 이들 수직부(4a, 4b)의 하단과 교반조(5)의 조저(槽底)와의 간격을 근소하게 하여 형성되어 있다.

상기 교반 날개(1)는 브래킷(2a)에 고정된 구동축(2b)에 의해 회전가능하게 교반조(5) 내에 수직 설치되어 있고, 이 교반조(5) 내의 교반액은 각 지주(2)의 최상단에 위치하는 경사 블레이드(3)의 상부가 항상 그 교반액의 액면(6)보다도 상방으로 돌출되도록 액량을 조절한다.

다음에 본 발명의 실시예 1의 작용 및 효과에 대해 설명한다.

도 1에 도시한 실시예에서, 교반 날개(1)를 A 화살표의 방향으로 회전시키면, 복수단으로 설치된 경사 블레이드(3)의 사이에 있는 교반액의 흐름은 도 5의 B 화살표와 같이 경사 하방 향류로 된다. 최하단의 경사 블레이드(3)는 교반조(5)의 저면 근처에 있으므로, 이와 같이 하여 흘러 내려진 교반액은 교반조(5)의 저면에서 그의 중심 방향으로 압출되며, 그 흐름은 그 후 저면 블레이드(4)에 의해 효율이 좋은 상승류로 된다.

더구나, 교반조의 저면 중심부에는 흐름의 선회 속도가 작기 때문에, 중앙 수직부(4b)의 높이를 후방 수직부(4a)보다도 낮게 하여, 그 중앙 수직부(4b)와의 사이의 점성 저항에 의한 흐름의 정체를 방지하도록 한다.

이와 같이 교반조(5)의 외주부의 경사 하방 향류와 중심부의 상승류에서 1 루프(loop)의 플로우 패턴(flow pattern)을 교반조(5) 내에 형성함으로써, 중·고 점도의 교반액에 대해서도 헬리칼 리본 날개의 경우와 같은 도넛환상의 혼합 불량부가 발생되지 않는다.

또한, 경사 블레이드를 복수단으로 배치시킴으로써, 상단의 경사 블레이드(3)가 하단의 경사 블레이드(3)의 상면의 흐름을 정류하는 효과를 가지며, 효율이 양호한 토출류가 얻어진다.

또다시, 이와 같이 복수단으로 경사 블레이드(3)를 후방에 순차로 비켜 배치함으로써, 하단의 경사 블레이드(3)의 상면에서 흐름을 정류할 뿐만 아니라, 상단의 경사 블레이드(3)의 상면에서 토출된 흐름을 하단의 경사 블레이드(3)로부터의 흐름이 인장된다는 소위 드래그(drag) 효과에 따라, 교반 날개(1)의 교반 효율을 일층 증대시킨다.

또다시, 복수단의 경사 블레이드(3)를 평면으로 투영한 투영 면적은 도 6에 도시한 바와 같이 비켜서 배치하지 않은 경우에 비해 비켜 배치한 도 5의 쪽이 크게 되지만, 이것은 유체에 대해서 날개 면적이 증대되도록 작용한다.

이것은 특히 높은 레이놀즈 수(Reynolds number) 역의 유체에 대해, 큰 영각(angle of attack)의 경사 블레이드(3)를 사용하여도 박리를 발생하지 않는다는 고양력형의 교반 날개를 제공할 수 있는 효과를 가지고 있다.

또, 최상단에 위치하는 경사 블레이드(3)의 상부가 항상 교반액의 액면(6) 보다 상방으로 돌출되어 있으므로, 그 액면(6)의 근방 교반액도 그 경사 블레이드(3)에 의해 경사 하방 향류로 되어서 반드시 교반되며, 교반되지 않고 잔류하는 일이 없다.

본 발명자는 상기 사실을 다음과 같이 실험하여 확인하였다.

본 발명자는 한쪽에는 내경 155cm의 교반조(5) 내에 점도가 10,000 CP인 조청액을 155cm의 액심이 되도록 수용하고, 또한, 다른 쪽에는 블레이드 길이가 70cm, 블레이드 폭 31cm인 경사 블레이드(3)을 각 지주(2)에 4 단씩 장착한 교반 날개(1)에서, 그 경사 블레이드(3)의 경사 각도 θ_a가 서로 다른 다수의 교반 날개(1)를 준비하고, 요드 하이포법에 따라 혼합 성능을 비교하였다. 즉, 상기 조청액에 시약 농도 1N의 요드를 혼입하여 이것을 눌은 갈색으로 착색하고, 다음에 하이포(티오황산나트륨)를 상기 요드 1에 대해 하이포가 1.2의 비율로 이 조청액에 주입하여 상기 교반 날개(1)로 교반하고, 이 조청액의 눌은 갈색이 없어질 때까지의 시간으로 혼합성능을 비교하였다.

더구나, 교반 날개(1)를 12rpm의 회전속도로 회전시켰지만, 이 때의 교반 레이놀즈 수는 약 0.7이다.

이와 같이 계측된 혼합시간 T에 회전속도를 곱하여 무차원 혼합 시간수 N_TM을 산출하고, 도 7과 같이 경사 블레이드의 경사 각도 θ_a와 무차원 혼합 시간수 N_TM의 관계를 나타내는 그래프가 얻어졌다.

즉, 무차원 혼합 시간수 N_TM이 적게 됨에 따라, 혼합효율이 크게 되며, 도 7의 그래프로부터 N_TM의 최소치는 42.5이고, 이 최소치에서 경사 각도 θ_a는 18°내지 48°로 되며, 이 18°내지 48°사이가 가장 바람직하다고 판명된다.

더구나, 경사 블레이드(3)의 면적 및 단수, 교반 날개(1)의 회전수, 교반조(5)내의 액 점도 및 액면의 수준이 각각 상위하여도 교반 레이놀즈 수가 약 1,000 이하라면 도 7의 그래프와 대략 동일한 그래프가 얻어질 수 있다.

다음에 경사 각도 θ_a를 40°로 일정하게 하고, 전진 각도 θ_b가 서로 다른 교반 날개(1)를 준비하여 상기한 바와 같은 조건으로 각 교반 날개(1)마다 실험한 결과, 도 8에 도시한 바와 같이 경사 블레이드열의 전진 각도 θ_b와 무차원 혼합 시간수 N_TM의 관계 그래프가 얻어졌다.

그리고 이 그래프에서, 무차원 혼합 시간수 N_TM이 42.5보다 큰 부분은 도 7의 θ_a-N_TM의 관계에 비추어 바람직하지 않으며, 따라서 무차원 혼합 시간수 N_TM 42.5 이하의 θ_b 치가 3°내지 22°사이가 바람직하며, 특히 θ_b 값이 15° 전후의 영역에서 N_TM이 가장 적게 되며, 양호한 성적이 얻어졌다.

더구나, 경사 각도 θ_b가 40°이외의 18°내지 48°사이의 어떠한 각도에서도 도 8의 그래프와 대략 동일한 그래프가 얻어질 수 있다.

본 실시예는 교반 날개를 구성하는 지주(2)의 수를 2개로 하였지만, 이것은 더 많은 것으로 할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 경사 블레이드(3)를 평판상으로 하였지만, 이것은 도 9에 도시한 바와 같이 경사 블레이드의 전연에서 후연에 걸쳐 블레이드 단면을 만곡상으로 형성하거나, 또는 도 10에 도시한 바와 같이, 전연에서 후연에 걸쳐 블레이드 단면에 굴절부를 가진 평판상의 경사 블레이드로 할 수 있다.

또다시, 본 실시예에서는 경사 블레이드(3)의 경사각도 θ_a는 18°내지 48°의 범위로 회전 방향으로 향하여 상방향으로 형성하였지만, 이것은 동일한 각도 범위에서, 회전 방향으로 향하여 하방향으로 경사 각도 θ_a를 형성하도록 할 수 있다.

또다시, 상기 경사 블레이드 열이 비킴 전진 각도 θ_b가 3°내지 22°인 범위로 회전방향의 후방에 순차로 비켜 배치되었지만, 이것은 동일한 각도 범위에서 회전방향의 전방에 순차로 비켜서 전진 각도 θ_b를 설정할 수 있다.

본 발명의 실시예 2를 도 11에 의해 설명한다.

실시예 2에서 교반 날개(7)는 상기 실시예 1의 교반 날개(1)에서의 각각 동일한 길이의 경사 블레이드(3) 대신에, 상단에서 하단에 걸쳐 길이를 순차로 단축시킨 평판상의 경사 블레이드(7a, 7b, …7d)를 사용한다.

즉, 상기 교반 날개(7)는 각 경사 블레이드(7a, 7b, …7d)의 전단부를 상단에서 하단에 걸쳐 회전방향의 후방에 순차로 비켜 배열하고 이들 경사 블레이드(7a, 7b, …7d)의 후단부는 전후가 비켜지지 않도록 배열되어 있다.

이들 경사 블레이드(7a, 7b, …7d)의 경사 각도 θ_a 및 전단부의 비킴 전진 각도 θ_b는 상기 실시예 1에서의 경사 블레이드(3)와 동일하게 하였다.

더구나, 지주(3)와 저면 블레이드(4)의 구조는 상기 실시예 1에서의 그것과 동일하다.

본 실시예 2의 교반 날개(7)의 성능도 상기 실시예 1에서의 그것과 동일하게 도넛환상의 혼합 불량부가 발생되지 않고, 효율이 양호한 토출류가 얻어진다.

본 발명의 실시예 3을 도 12에 의해 설명한다.

실시예 3의 교반 날개(8)는 상기 실시예 1의 교반 날개(1)에 보조 블레이드(9)를 추가한 것이다.

즉, 상기 교반 날개(8)는 지주(2)의 상방 회전중심측에 1 쌍의 단일 단 보조 블레이드(9)를 브래킷(9a)에 의해 고착하여 형성되어 있다.

이 보조 블레이드(9)의 작용은 교반액의 레이놀즈수가 10²내지 10³의 범위의 교반을 수행하는 경우에 상기 교반 날개(1) 보다도 양호한 교반성능이 얻어진다.

더구나, 상기 실시예 1 내지 3에서는 복수단의 판상 경사 블레이드는 이들 경사 블레이드의 전단부를 상단에서 하단에 걸쳐 회전방향 후방에 순차로 비켜서 배열하였지만, 이것은 모든 경사 블레이드를 동일하게 비키지는 않고, 예를 들어 도 13에 도시한 바와 같이, 상기 전진각도 θ_b를 도중에 변경할 수 있다.

또한, 실시예 2 및 실시예 3에서의 경사 블레이드도 실시예 1에서와 동일하게, 전연에서 후연에 걸쳐 블레이드 단면을 만곡상으로 형성하거나 또는 전연에서 후연에 걸쳐 블레이드 단면에 굴절부를 가진 평판상의 경사 블레이드로 할 수 있다.

또다시, 상기 실시예의 경우와는 역방향으로 교반 날개(7)를 회전시키면 복수단의 경사 블레이드(3)는 상단에서 하단에 걸쳐 원주방향 즉 회전방향의 전방에 순차로 비켜서 배치된 상태로 되며, 따라서 교반조(5)의 주변부에서 복수단의 경사 블레이드(3)에 의해 액체는 상승류로 되면서 상기 교반조(5)의 중심부에서 하방향류로 되어 상기 실시예의 경우와 역방향의 순환류로 되지만, 상기와 동일한 작용을 가지며 효율적인 교반이 달성된다. 더구나, 이 역방향의 순환류에서 저면 블레이드(4)가 교반조(5)의 저면 근방에 상기 교반조(5)의 중심부에서 주변부로 액체류를 발생하도록 작용하여 상기 순환류를 효율적으로 처리한다.

본 발명에 의하면, 중·고 점도 액체의 교반에서, 교반조 내에 1 루프의 플로우 패턴이 형성되어 있으므로, 액체 내에 도넛 환상의 혼합 불량부가 발생되지 않고, 또한 경사 블레이드의 상면 흐름의 박리가 억제되므로, 광범위한 레이놀즈 수 역의 유체에 대해 양호한 혼합 성능이 얻어지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 교반 날개의 실시예 1의 정면도,

도 2는 상기 날개의 평면도,

도 3은 상기 날개의 일부 사시도,

도 4는 상기 날개의 다른 부분의 일부 사시도,

도 5는 경사 블레이드 사이의 흐름을 도시한 설명도,

도 6은 다른 경사 블레이드 사이의 흐름 상태를 도시한 설명도,

도 7은 무차원 혼합 시간 N_TM과 경사 블레이드의 경사각도 θ_a의 관계를 도시한 그래프,

도 8은 무차원 혼합 시간 N_TM과 경사 블레이드 열의 전진 각도 θ_b의 관계를 도시한 그래프,

도 9는 만곡판상의 경사 블레이드 경우를 도시한 설명도,

도 10은 굴절부를 가진 경사 블레이드의 경우를 도시한 설명도,

도 11은 본 발명의 실시예 2의 일부 사시도,

도 12는 본 발명의 실시예 3의 일부 사시도,

도 13은 상기 도 1에서 전진 각도를 도중에 변경시킨 상태를 도시한 도면,

도 14는 종래 중·고 점도 액체용 교반 날개의 일예에 대한 사시도.

Claims (9)

1. 간격이 존재하게 병립하는 적어도 2개의 지주로 된 회전축의 각 지주에 복수의 판상 경사 블레이드를 서로 간격이 존재하게 복수단으로 배치하고, 또한 이들 경사 블레이드의 전단부를 상단에서 하단에 걸쳐 회전 방향의 후방에 또는 전방에 비켜서 배열하여 고정시키고, 각 지주의 하방에 저면 블레이드를 설치한 것을 특징으로 하는 중·고 점도 액체용 교반 날개.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수단으로 배치된 경사 블레이드에서 상단의 경사 블레이드와 하단의 경사 블레이드는 수직 방향에서 일부 겹치는 면을 가지는 것을 특징으로 하는 중·고 점도 액체용 교반 날개.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수단으로 배치된 경사 블레이드의 블레이드 열 전진 각도를 3°내지 22°로 한 것을 특징으로 하는 중·고 점도 액체용 교반 날개.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 각 경사 블레이드는 내측연부에서 상기 지주에 소정의 경사 각도로 교차하고 상기 각 경사 블레이드의 외측연부가 교반조의 내벽면에 근접하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중·고 점도 액체용 교반 날개.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 경사 블레이드의 경사 각도를 18°내지 48°로 한 것을 특징으로 하는 중·고 점도 액체용 교반 날개.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 저면 블레이드는 양단부에서 상기 지주에 고정되고, 지주에 근접한 개소를 후방 수직부에 형성시키고 이들 후방 수직부 사이를 이 후방 수직부보다도 낮은 높이의 중앙 수직부에 형성하고, 다시 이들 수직부의 하단을 교반조의 조저에 근접하도록 형성시킨 것을 특징으로 하는 중·고 점도 액체용 교반 날개.
7. 제 1 항 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 교반 날개는 적어도 최상단의 경사 블레이드가 교반조의 액면보다 돌출하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중·고 점도 액체용 교반 날개.
8. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 경사 블레이드는 평판상 또는 만곡판상 또는 굴절부를 가진 판상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중·고 점도 액체용 교반 날개.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 지주의 회전중심측에 보조 블레이드를 설치한 것을 특징으로 하는 중·고 점도 액체용 교반 날개.