TW201315537A

TW201315537A - 攪拌裝置

Info

Publication number: TW201315537A
Application number: TW101137767A
Authority: TW
Inventors: Manabu Iguchi; Moriyoshi Shitara
Original assignee: Manabu Iguchi; Huens Co Ltd
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2013-04-16
Also published as: CN103041739B; JP2013085978A; TWI535483B; HK1178837A1; CN103041739A; JP5547157B2

Abstract

一種攪拌裝置包含內徑為D的一圓筒形容器，容器內裝有攪拌用的液體，容器的約略中央處自液面下深度H1之處配向設置有一噴嘴。深度H1與內接圓直徑D之比值H1/D的範圍在0.3~1之間，由噴嘴往液體內吹灌的氣體流量Q係大於滿足ρLQ2/σLD3=10-5式中的流量Q，且氣體流量Q亦小於氣體的氣泡在液體的液面不產生吹漏現象的流量。攪拌裝置更包含一閥栓、一閥栓驅動部以及一閥栓控制部。閥栓係允許及中斷對容器內部吹灌氣體或噴出液體，閥栓驅動部係用於驅動該閥栓的開關，閥栓控制部係對閥栓驅動部輸出一閥栓開關訊號。

Description

攪拌裝置

本發明係關於一種攪拌裝置。更詳細地說，本發明係關於顧及節能，並可有效率地對液體做攪拌的一種攪拌裝置。

本發明的發明人曾提出以下幾種不需機械，驅動來源，並可有效率地對液體做攪拌的攪拌裝置(參照專利文獻1至4)。

專利文獻1 日本專利第3058876號。

專利文獻2 日本專利第4195782號。

專利文獻3 日本專利第4384477號。

專利文獻4 日本專利第4710070號。

上述的攪拌裝置中，透過對容器中的液體持續吹灌瓦斯或液體以對液體做攪拌，而本發明係為將上述專利文獻中，特別是專利文獻1所提出的裝置改良而成，且目的在於提供顧及節能，並可有效率地對液體做攪拌的一種攪拌裝置。

接著參照圖3說明本發明之攪拌裝置的動作原理。首先在底部具有單孔噴嘴的圓筒形容器內充填液體，接著由單孔噴嘴往液體內吹灌瓦斯後將形成上昇氣泡噴流，本發明的發明人係發現如同專利文獻1中所示，在一定的條件下，上昇氣泡噴流將會產生有助於液體攪拌的旋回現象。換句話說，令圓筒形容器的內徑為D，單孔噴嘴與液面的高度差為H₁，若D與H₁的關係約為0.3<H₁/D<1時，氣泡噴流在半徑方向上的位置變化將相對變小，因而產生週期較小的旋回現象，使得圓筒形容器內的液體呈現類似擺盪(sloshing)的現象。此處的擺盪係指透過施加振動於容器的軸方向或半徑方向上，所引發的液體振動現象，而上述的旋回現象則推測為經由氣泡的生成，其上昇氣體對液體週期地施加振動所引發。

另外，本發明的發明人尚發現在D與H₁的關係約為0.3<H₁/D<1.7時，自單孔噴嘴朝液體內噴出液體將會形成上升噴流，而將上述的氣體朝液體內吹灌也會發生同樣的現象。

上述的旋回現象由於係為氣泡(或者是液體)給予液體週期性地施加振動所引發，因此為了要能產生有利於液體攪拌的旋回現象，除了吹灌的氣體(或者是液體)流量需在臨界值以上外，同時氣泡(或者是液體)也需保持在液面吹漏的程度之下。又，本說明書中所使用的用語「吹漏」，其係為噴嘴往液體中吹灌之氣體(或者是液體)朝液面外噴出形成氣柱(或者是液柱)的現象。

本發明的發明人係使用以下方法計算氣體(或者是液體)流量的臨界值。根據有關於擺盪的研究，可知擺盪係為施加於容器的振動在液面上引發波動，波動再藉由液體黏性傳導至液體內部，使得液體內部產生運動的現象。因此，旋回被推測為具有可藉由抑制液面的波動現象來使之停止的特徵。根據發明人的實驗內容，可得到一結論為：施加的振動力主要來源，在於氣泡(或液體)上昇至液面浮出時對液體所賦予的週期性力，其中週期性力被假設與上昇液體的慣性力具有依附關係，且停止波動的力與液體的表面張力有關。於是發明人透過實驗，證實液體的慣性力與表面張力兩者的比值，也就是韋伯數(Weber number)We=ρ_LQ²/σ_L D³在大於10^-5時，會發生有助於液體攪拌的旋回現象。換句話說，上列數學式中的韋伯數We=10^-5即為臨界值。又，此處之ρ_L係為液體密度，Q係為氣體吹灌的氣體流量(或液體噴出的液體流量)，σ_L係為液體表面張力，D係為圓筒形容器的內徑。

另一方面，單孔噴嘴上方的液體將如圖3(b)中的箭頭方向A所示往同一方向旋回，並遵守角動量守恆法則，而單孔噴嘴下方的液體將如圖3(b)中的箭頭方向B所示往相反的方向旋回。其中，由於單孔噴嘴下方的旋回流B’係具有穩定單孔噴嘴下方之旋回流A’的作用，因此即使朝旋回流A’中投入固態物體等物質降低旋回流A’的速度或者是擾亂其流動，只要旋回流B’仍存在，依然可輕易地回復至原先的穩定狀態。因此較佳地在噴嘴下方會設置有一定深度的區域，但這並非為必要條件。

如同上述，在底部具有單孔噴嘴的圓筒形容器內充填液體，並透過單孔噴嘴往液體內做氣體的吹灌(或者是液體的噴出)，在一定的條件下會產生有助於液體攪拌的旋回現象，但由於此裝置必須持續地吹灌氣體(或者是讓液體噴出)，從效率性的觀點來看並無法滿足需求。因此本發明係開發不須持續吹灌氣體(或者是液體的噴出)，仍可對容器內的液體做良好攪拌的裝置。

由於上述攪拌裝置內液體的旋回現象係以往液體內的氣體吹灌(或者是液體的噴出)為前提，因此在停止氣體吹灌(或者是液體的噴出)並經過一定時間後理所當然地可預見其旋回將會停止。而本發明係以此為著眼點，透過控制氣體的吹灌時間(或者是液體的噴出時間)，開發顧及節能，並可有效率地對液體做攪拌的裝置。

往液體內吹灌的氣體(或者是液體的噴出)所產生之旋回現象在到達穩定狀態後，將停止氣體吹灌(或者是液體的噴出)起至容器內液體的振動現象無法觀察為止的時間定義為旋回停止時間，以下係透過實驗求出此旋回停止時間。

圖4係為實驗中所使用之實驗裝置的示意圖。實驗中的係使用內徑D=80mm、123mm、200mm的3種壓克力製圓筒形容器，由內徑d_n=2mm的噴嘴噴出(氣體)，並以質量流量計將流量控制在Q_A=20~300(cm³/s)範圍內。又，由於目視測量旋回停止時間會產生相當大的誤差，因此實驗中使用探針做測量。詳細地說，在距離圓筒形容器側壁5mm的內側，靜止液面0.5mm的上方處設置單針的探針，並將此探針的輸出訊號以筆尖記錄器做記錄。因為探針尖端的電極會週期地浸至於液體中，此時的輸出電壓係為5V，在液體旋回現象結束時輸出電壓會在經過一週期後呈現0V，所以可知輸出電壓變成0V所需的時間即為旋回停止時間T_S,A。

圖5係為實驗測量結果的示意圖，其中縱軸表示旋回停止時間T_S,A(s)，橫軸表示吹灌的氣體流量Q_A(cm³/s)。在測定值為D=80mm、123mm時，因高氣體流量的區域會產生氣體的吹漏，故分佈傾向雖略有不同，導致旋回停止時間T_S,A隨著氣體流量Q_A的增大也同時變長。此因氣體流量Q_A在增大的同時由氣體所給予液體的動能也將隨著變大，故旋回停止所需的時間也相對拉長。

圖6係為使用無量綱數整理實驗測量結果的散佈圖。圖6中橫軸表示透過量綱解析所求出的無量綱數Re^1/2．(H_L(Q_A/D^7/2)g^1/2)，縱軸表示無量綱數T_S,A Q_A/D³。

此處之Re〔=(Q_A ²/g)^2/5(g/D)^1/2/v_L)〕係為以氣泡往半徑方向擴張的尺度(Q_A ²/g)^1/5(g/D)^1/2做代表長度，以(Q_A ²/g)^1/5(g/D)^1/2做代表速度的雷諾數(Reynolds number)，亦為描述伴隨氣泡噴流之旋回液體其運動的無量綱數。

又，(g/D)^1/2係為旋回週期的長度，g係為重力加速度(mm/s²)，v_L係為液體動黏度(mm²/s)，H_L係為水深(mm)。而H_L(Q_A/D^7/2)g^1/2係為下列數學式中考量單位時間內投入之能量所得出的參數，也就是描述去除氣泡噴流部分之液體運動的無量綱數。

ε=(ρ_L-ρ_g)．g．H_L．Q_A

另外，T_S,A Q_A/D³係為以表面速度做為代表速度之史特哈爾數(Strouhal number)的倒數。

實驗中，旋回停止時間T_S,L係可經由下列數學式(1)得出。其中0.02<Re^1/2．(H_L(Q_A/D^7/2)g^1/2)<2。

T_S,A Q_A/D³=11Re^1/2．(H_L(Q_A/D^7/2)g^1/2) (1)

上述實施例中，係透過噴嘴往液體內吹灌氣體以產生旋回現象，然而除氣體之外若利用噴嘴往液體內噴出一定臨界值以上流量的液體，同樣也會產生旋回現象。相對於氣體的吹灌，施予氣泡浮力到能引發液體的循環運動需要花費相當長的時間，然而液體的噴出因為可直接利用液體自身的慣性力，所以可大幅縮短液體產生循環運動所需的時間。再者，經由氣體吹灌的攪拌在氣體流量越大時，也越容易發生吹漏的現象，導致所投入的能量無法有效率地應用於攪拌上，相較之下液體噴出的攪拌則沒有此種問題。

與吹灌氣體的實施例同樣地，往液體內噴出液體在所產生的旋回現象在到達穩定狀態後，將停止噴出液體起至無法觀察到容器內液體的振動現象為止的時間定義為旋回停止時間，此旋回停止時間係透過實驗求出。

圖7係為實驗中所使用之實驗裝置的示意圖。實驗中的圓筒形容器係使用內徑D=100mm、130mm、150mm、200mm、309mm的5種壓克力製容器，設置於圓筒形容器底部中央的的噴嘴則使用4種內徑d_n=5mm、10mm、 13mm、15mm的噴嘴。其中圓筒形容器的周圍係以剖面為正方形的容器覆蓋，中間空隙則使用離子交換水填滿，並透過反向器調整幫浦的輸出，以調節吹灌的水流量Q_L。此時為了讓圓筒形容器內的水面保持一定，在圓筒形容器的底部係設置有4個排水管將水排出並循環。另外，在實驗中係將水流量設定在0~750(cm³/s)的範圍內，並將水深H_L除以圓筒形容器內徑D的值定義為深徑比，且讓深徑比在0~1.5的範圍內做變化。

縱軸中T_S,L係為旋回停止時間，橫軸中Q_L係為噴出的水流量，圖8(a)係為不同圓筒形容器、圖8(b)係為不同噴嘴、圖8(c)係為不同深徑比的實驗結果示意圖。從中可之旋回停止時間T_S,L幾乎不受水流量、噴嘴內徑及深徑比的影響，僅與內徑D有依附關係。

圖9係為使用無量綱數整理實驗測量結果的散佈圖。圖9中縱軸係表示使用容器內徑D(mm)與重力加速度g(mm/s²)的無量綱化旋回停止時間T_S,L，橫軸表示修正羅士比數(Rossby number)Ro_m。

此處之修正羅士比數Ro_m係表示噴流具有的慣性力及旋回液體其慣性力兩者的比值，其中旋回停止時間T_S,L與修正羅士比數Ro_m兩者之間不存在依附關係，但可根據以下數學式(2)以±25%的偏差做近似。

T_S,L(g/D)^0.5=500

Ro_m=Q_L ²/(gd_n ²D³) (2)

本發明請求項1所記載之攪拌裝置，其係包含內徑為 D的一圓筒形容器或內接圓直徑為D的一多角形容器。容器內裝有攪拌用的液體，且容器的約略中央處，自液面下深度H₁的地方配向設置有管口朝上，用以對液體吹灌氣體或噴出液體的一噴嘴。在吹灌氣體的情況下，深度H₁與內徑D或內接圓直徑D之比值H₁/D的範圍在0.3~1之間，在噴出液體的情況下，深度H₁與內接圓直徑D之比值H₁/D的範圍在0.3~1.7之間。由噴嘴往液體內吹灌的氣體流量或噴出的液體流量Q，其係大於滿足ρ_LQ²/σ_LD³=10^-5式中的流量Q，前述之ρ_L係為液體密度，σ_L係為液體表面張力，且氣體流量或液體流量Q亦小於氣體的氣泡或液體的液柱在液體的液面不產生吹漏現象的流量。攪拌裝置更包含一閥栓、一閥栓驅動部以及一閥栓控制部。閥栓係允許及中斷對容器內部吹灌氣體或噴出液體，閥栓驅動部係用於驅動閥栓的開關，閥栓控制部係對閥栓驅動部輸出一閥栓開關訊號。其中，攪拌裝置係透過閥栓控制部對閥栓驅動部輸出的閥栓開啟訊號與閥栓關閉訊號，以及根據一預設條件允許及中斷吹灌氣體或噴出液體。

本發明請求項2所記載之攪拌裝置，其中預設條件於吹灌氣體的情況下，在停止吹灌氣體並經過由下列數學式所得出的時間T_S,A後，T_S,A Q/D³=11Re^1/2．(H₁(Q/D^7/2)g^1/2)其中0.02<Re^1/2．(H₁(Q/D^7/2)g^1/2)<2，且令Re為透過(Q²/g)^2/5(g/D)^1/2/v_L所得出的雷諾數，g為重力加速度，或者是預設條件於液體噴出的情況下，在停止液體噴出並經過由下列數學式所得出的時間T_S,L後，T_S,L(g/D)^0.5=500重啟氣體吹灌或液體噴出的動作。

本發明請求項3所記載之攪拌裝置，其中預設條件於吹灌氣體的情況下，在停止吹灌氣體並經過由下列數學式所得出的時間T_S,A及一操作者所設定的時間後，T_S,A Q/D³=11Re^1/2．(H₁(Q/D^7/2)g^1/2)其中0.02<Re^1/2．(H₁(Q/D^7/2)g^1/2)<2，且令Re為透過(Q²/g)^2/5(g/D)^1/2/v_L所得出的雷諾數，g為重力加速度，或者是預設條件於液體噴出的情況下，在停止液體噴出並經過由下列數學式所得出的時間T_S,L及操作者所設定的一時間後，T_S,L(g/D)^0.5=500重啟氣體吹灌或液體噴出的動作。

本發明請求項4所記載之攪拌裝置，其中預設條件於吹灌氣體的情況下，在停止吹灌氣體並於經過由下列數學式所得出的時間T_S,A之前，T_S,A Q/D³=11Re^1/2．(H₁(Q/D^7/2)g^1/2)其中0.02<Re^1/2．(H₁(Q/D^7/2)g^1/2)<2，且令Re為透過(Q²/g)^2/5(g/D)^1/2/v_L所得出的雷諾數，g為重力加速度，或者是預設條件於液體噴出的情況下，在停止液體噴出並於經過由下列數學式所得出的時間T_S,L之前，T_S,L(g/D)^0.5=500 重啟氣體吹灌或液體噴出的動作。

本發明的攪拌裝置可根據用途在不持續吹灌氣體或液體下，藉由僅在需要時吹灌氣體或液體，實現顧及節能，並有效率的液體攪拌。此外本發明之液體攪拌裝置由於不需推進器等驅動來源，因此在構造極精簡下能有效地降低裝置的製造成本與維護成本，以及減少傳統保養的時間與步驟。

以下將參照圖式說明本發明之攪拌裝置的較佳實施態樣。圖1中以元件符號10標示的整體係為本發明之攪拌裝置的較佳實施態樣，其係包含具有側壁12a與底壁12b的一圓筒形容器12。圓筒形容器12的內徑如圖1中所示係為D。此外圓筒形容器12的內部係收容有自底壁12b算起至液面深度(高度)為H₁+H₂的攪拌用溶液。

其中圓筒形容器12其底壁12b的約略中央處，自液面算起在深度為H₁的地方配向設置有管口朝上的噴嘴14a，由噴嘴14a所延伸之氣體導入管14係與空氣壓縮機(圖中未示)連結。經由以上構成，讓氣體可藉由氣體導入管14從噴嘴14a吹灌至液體內。

又，自液面算起至噴嘴14a的深度H₁與圓筒形容器12的內徑D兩者比值H₁/D的範圍約在0.3~1之間，較佳地係為0.5。

攪拌裝置10更包含配置於氣體導入管14的一閥栓16 (valve)、驅動閥栓16用的一閥栓驅動部18以及對閥栓驅動部18輸出閥栓開關訊號的閥栓控制部20。其中，根據預設的條件自閥栓控制部20向閥栓驅動部18輸出閥栓開啟訊號和閥栓關閉訊號，藉此驅動閥栓驅動部18對閥栓16作開閉，讓噴嘴14能往圓筒形容器12內吹灌氣體與停止吹灌氣體。此外，閥栓16、閥栓驅動部18以及閥栓控制部20可使用習知的型式。

圖2係為說明攪拌裝置10其動作態樣的模式圖。圖2中橫軸表示時間，縱軸表示圓筒形容器12中液體的旋回程度。又，圖2橫軸中<1>係為開始朝液體內吹灌氣體的時間點，<2>係為液體之旋回現象到達穩定狀態的時間點，<3>係為停止朝液體內吹灌氣體的時間點，<4>係為液體之旋回現象停止的時間點。根據前述內容，定義由時間點<3>至<4>的時間T_S,A係為旋回停止時間。

攪拌裝置10在動作過程中，重啟氣體吹灌的時機有以下3種情況。

(A)：停止氣體吹灌後，在液體停止旋回時的同一時刻重啟氣體吹灌的流程(參照圖2(b))。

在此情況下，停止氣體吹灌的流程後，在經過滿足上述數學式(1)的時間T_S,A後將會重啟氣體吹灌的流程。

(B)：停止氣體吹灌後，在液體停止旋回經過一預設時間t後，重啟氣體吹灌的流程(參照圖2(c))。

在此情況下，停止氣體吹灌的流程後，在經過滿足上述數學式(1)的時間T_S,A+t後將會重啟氣體吹灌的流程。

(C)：停止氣體吹灌後，在液體停止旋回前重啟氣體吹灌的流程(參照圖2(d))。

在此情況下，停止氣體吹灌的流程後，在經過滿足上述數學式(1)的時間T_S,A前將會重啟氣體吹灌的流程。

不論是設定為(A)~(C)中的任何一種，使用者皆能根據攪拌裝置的用途等選擇所要的設定，然而以(C)的情況為最佳態樣。

透過重複停止氣體吹灌及重啟氣體吹灌的流程，相較於氣體不停吹灌的場合，可實現節能(減少吹灌的氣體量、降低氣體吹灌時的動力等)及有效率地攪拌液體。

針對吹灌氣體的攪拌裝置10已於上述中說明，理所當然地也可使用其他氣體做吹灌，或者是以液體的噴出來代替氣體的吹灌。

本發明非限定於以上的實施態樣，在專利請求項所記載的發明內容範圍內，可進行種種的變更，這些同樣都包含在本發明的範圍內。

例如前述實施態樣中圓筒形容器12的平面形狀雖係以圓形為例，但也可以使用平面形狀為n角形(n≧3)的多角形容器(圖中未示)取代圓筒形容器12。在此情況下D係為n角形的內接圓直徑。

10‧‧‧攪拌裝置

12‧‧‧圓筒形容器

12a‧‧‧側壁

12b‧‧‧底壁

14‧‧‧氣體導入管

14a‧‧‧噴嘴

16‧‧‧閥栓

18‧‧‧閥栓驅動部

20‧‧‧閥栓控制部

A、B‧‧‧箭頭方向

D、dn‧‧‧內徑

g‧‧‧重力加速度

H₁、H₂‧‧‧深度

H_L‧‧‧水深

Q_A‧‧‧氣體流量

Q_L‧‧‧水流量

R_e‧‧‧雷諾數

Ro_m‧‧‧修正羅士比數

T_S,A、T_S,L‧‧‧旋回停止時間

t‧‧‧預設時間

圖1為本發明一種攪拌裝置其一較佳實施例的全體概略圖；圖2為說明圖1之攪拌裝置其動作態樣的模式圖；圖3為說明圖1之攪拌裝置其動作原理的示意圖；圖4為得出圖1之攪拌裝置在吹灌氣體時其旋回停止時間的實驗裝置示意圖；圖5為使用圖4之實驗裝置其實驗後的測量結果示意圖；圖6為整理圖5之測量結果的散佈圖；圖7為得出圖1之攪拌裝置在液體噴出時其旋回停止時間的實驗裝置示意圖；圖8為使用圖7之實驗裝置其實驗後的測量結果示意圖；以及圖9為整理圖8之測量結果的散佈圖。