特開 2023-15533 撹拌装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023015533

(43)【公開日】2023-02-01

(54)【発明の名称】撹拌装置

(51)【国際特許分類】

   B01F 27/80 20220101AFI20230125BHJP

【ＦＩ】

B01F7/16 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021119367

(22)【出願日】2021-07-20

(71)【出願人】

【識別番号】504085750

【氏名又は名称】アドバンエンジ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003063

【氏名又は名称】弁理士法人牛木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】谷澤 圭佐

(72)【発明者】

【氏名】丸山 隼人

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 由貴子

【テーマコード（参考）】

4G078

【Ｆターム（参考）】

4G078AA02

4G078AB20

4G078BA05

4G078CA01

4G078DA30

(57)【要約】

【課題】十分な撹拌性能を保持しながら、撹拌羽根への混練流体の付着を抑制し、洗浄効率を改善することのできる、撹拌装置を提供する。
【解決手段】回転駆動軸３と、回転駆動軸３の軸線Ｘと略平行に配置された全体が略円柱形の撹拌羽根５とを備えた。撹拌羽根５は、第１の撹拌羽根５ａと、第１の撹拌羽根５ａよりも回転半径の小さい第２の撹拌羽根５ｂとから構成され、回転駆動軸３の軸線Ｘと直交し第１の撹拌羽根５ａの中心を通る第１の直線Ｙと、回転駆動軸３の軸線Ｘと直交し第２の撹拌羽根５ｂの中心を通る第２の直線Ｚは、略直交する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転駆動軸と、この回転駆動軸の軸線と略平行に配置された全体が略円柱形の撹拌羽根とを備えたことを特徴とする撹拌装置。

【請求項2】

内部形状が略円柱形の撹拌槽の中心に前記回転駆動軸の軸線を配置して用いられ、撹拌槽の内径を１００としたときの前記撹拌羽根の太さが１５以下であることを特徴とする請求項１に記載の撹拌装置。

【請求項3】

内部形状が略円柱形の撹拌槽の中心に前記回転駆動軸の軸線を配置して用いられ、撹拌槽の内側の高さを１００としたときの前記撹拌羽根の長さが５０以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の撹拌装置。

【請求項4】

内部形状が略円柱形の撹拌槽の中心に前記回転駆動軸の軸線を配置して用いられ、撹拌槽の中心から撹拌槽の側方壁までの距離を１００としたときの、撹拌槽の中心から最も外側に位置する前記撹拌羽根の撹拌槽の側方壁に最も近い点までの距離が６０以上であることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の撹拌装置。

【請求項5】

前記撹拌羽根は、第１の撹拌羽根と、この第１の撹拌羽根よりも回転半径の小さい第２の撹拌羽根とから構成され、前記回転駆動軸の軸線と直交し前記第１の撹拌羽根の中心を通る第１の直線と、前記回転駆動軸の軸線と直交し前記第２の撹拌羽根の中心を通る第２の直線は、略直交することを特徴とすることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の撹拌装置。

【請求項6】

内部形状が略円柱形の撹拌槽の中心に前記回転駆動軸の軸線を配置して用いられ、撹拌槽の中心から前記第１の撹拌羽根の撹拌槽の側方壁に最も近い点までの距離を１００としたときの、撹拌槽の中心から前記第２の撹拌羽根の撹拌槽の側方壁に最も近い点までの距離が５０以上であることを特徴とする請求項５に記載の撹拌装置。

【請求項7】

ジオポリマーの原料を撹拌するために用いられることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の撹拌装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、放射性廃棄物固化用のジオポリマー組成物を撹拌するための撹拌装置に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、福島第一原子力発電所をはじめ、各原子力関係施設での放射性廃棄物処理が課題となっている。

【0003】

放射性廃棄物処理の方法として、固化材料を用いて廃棄物を固化、安定化させるものがある。この廃棄物固化技術では、廃棄物と固化材料を均一に混錬し、健全な廃棄固化体を作製する必要がある。

【0004】

しかし、放射性廃棄物処理分野では、廃棄物の放射能レベルが高く、処理工程において人が立ち入れず遠隔で処理作業を進めなければいけない。加えて、放射性廃棄物や、放射性廃棄物を含む固化材料に触れたものは、二次廃棄物となるため、混練装置洗浄に用いる洗浄液の量や洗浄用品を削減する必要がある。

【0005】

しかし、既存撹拌羽根（例えば、特許文献１）は形状が複雑であることから、洗浄作業にかかる時間の長時間化や、遠隔での洗浄作業困難が問題となっている。加えて二次廃棄物が大量に発生してしまうという問題を抱えている。

【0006】

固化材料が高粘度流体の場合は、上記の課題が、より深刻なものとなる。高粘度固化材料候補の例としてジオポリマーが挙げられる。

【0007】

これより、十分な撹拌性能を保持しながら、撹拌羽根への混練流体の付着を抑制し、洗浄効率を改善することが課題となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１６－８３５９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

そこで、本発明は、十分な撹拌性能を保持しながら、撹拌羽根への混練流体の付着を抑制し、洗浄効率を改善することのできる、撹拌装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、円柱構造の撹拌羽根を用いることによって、既存撹拌羽根と同等の混練性能を有しながら、混練終了時の付着・残存混練流体量を削減し、単純構造による洗浄効率向上を実現することができることを見出し、本発明に想到した。

【0011】

すなわち、本発明の撹拌装置は、回転駆動軸と、この回転駆動軸の軸線と略平行に配置された全体が略円柱形の撹拌羽根とを備えたことを特徴とする。

【0012】

また、内部形状が略円柱形の撹拌槽の中心に前記回転駆動軸の軸線を配置して用いられ、撹拌槽の内径を１００としたときの前記撹拌羽根の太さが１５以下であることを特徴とする。

【0013】

また、内部形状が略円柱形の撹拌槽の中心に前記回転駆動軸の軸線を配置して用いられ、撹拌槽の内側の高さを１００としたときの前記撹拌羽根の長さが５０以上であることを特徴とする。

【0014】

また、内部形状が略円柱形の撹拌槽の中心に前記回転駆動軸の軸線を配置して用いられ、撹拌槽の中心から撹拌槽の側方壁までの距離を１００としたときの、撹拌槽の中心から最も外側に位置する前記撹拌羽根の撹拌槽の側方壁に最も近い点までの距離が６０以上であることを特徴とする。

【0015】

また、前記撹拌羽根は、第１の撹拌羽根と、この第１の撹拌羽根よりも回転半径の小さい第２の撹拌羽根とから構成され、前記回転駆動軸の軸線と直交し前記第１の撹拌羽根の中心を通る第１の直線と、前記回転駆動軸の軸線と直交し前記第２の撹拌羽根の中心を通る第２の直線は、略直交することを特徴とすることを特徴とする。

【0016】

また、内部形状が略円柱形の撹拌槽の中心に前記回転駆動軸の軸線を配置して用いられ、撹拌槽の中心から前記第１の撹拌羽根の撹拌槽の側方壁に最も近い点までの距離を１００としたときの、撹拌槽の中心から前記第２の撹拌羽根の撹拌槽の側方壁に最も近い点までの距離が５０以上であることを特徴とする。

【0017】

また、ジオポリマーの原料を撹拌するために用いられることを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明の撹拌装置によれば、十分な撹拌性能を保持しながら、撹拌羽根への混練流体の付着を抑制し、洗浄効率を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の撹拌装置の一実施例を示す斜視図である。

【図2】本発明の撹拌装置の一実施例を示す写真(A)と設計図(B)である。

【図3】比較例のアンカー羽根を示す写真(A)と設計図(B)である。

【図4】本発明の撹拌装置の混錬性能比較実験の様子を示す写真である。

【図5】本発明の撹拌装置の数値解析の妥当性を示す写真と数値解析流線である。

【図6】本発明の撹拌装置の数値解析における検討パラメータを示す説明図である。

【図7】本発明の撹拌装置の数値解析におけるジオポリマーの容器内充填イメージを示す説明図である。

【図8】本発明の撹拌装置の数値解析におけるトレーサー流体の観察点を示す説明図である。

【図9】本発明の撹拌装置の数値解析における混練中のトレーサー流体拡散の様子の代表例に示す説明図である。

【図10】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ1-10-95-85-PCD比なしのときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図11】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ2-10-95-85-PCD比なしのときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図12】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-10-95-85-100のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図13】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-5-95-85-100のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図14】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-15-95-85-100のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図15】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-10-90-85-100のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図16】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-10-85-85-100のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図17】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-10-70-85-100のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図18】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-10-50-85-100のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図19】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-10-95-90-100のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図20】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-10-95-75-100のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図21】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-10-95-65-100のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図22】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-10-95-85-90のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図23】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-10-95-85-85のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図24】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-10-95-85-80のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図25】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-10-95-85-75のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図26】本発明の撹拌装置の数値解析における撹拌羽根本数と混練終了時間との関係を示すグラフである。

【図27】本発明の撹拌装置の数値解析における撹拌羽根太さと混練終了時間との関係を示すグラフである。

【図28】本発明の撹拌装置の数値解析における撹拌羽根長さと混練終了時間との関係を示すグラフである。

【図29】本発明の撹拌装置の数値解析における撹拌羽根最大翼径と混練終了時間との関係を示すグラフである。

【図30】本発明の撹拌装置の数値解析における撹拌羽根PCD比と混練終了時間との関係を示すグラフである。

【図31】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-15-95-90-100のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図32】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-5-50-90-100のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図33】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-5-95-60-100のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【図34】本発明の撹拌装置の数値解析におけるパラメータ4-5-95-90-80のときの各観測点におけるトレーサー流体質量分率を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明の撹拌装置について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。

【実施例0021】

本発明の撹拌装置の一実施例を示す図１を参照すると、１は撹拌装置、２は撹拌槽である。撹拌装置１を撹拌槽２の中に挿入し、撹拌槽２の中に収容された被撹拌物を撹拌装置１によって撹拌するようになっている。

【0022】

撹拌槽２は、廃棄物の放射能レベルが高く、処理工程において人が立ち入れず遠隔で処理作業を進めなければならないような、原子力関係施設での放射性廃棄物処理に用いられるものであって、処理工程後に廃棄物とともに廃棄されることが想定されている。したがって、撹拌槽２としては、ドラム容器のような有底の略円筒形の容器が好適に用いられる。

【0023】

撹拌装置１は、撹拌装置１の全体を保持するとともに撹拌装置１を回転させるための駆動力を駆動装置（図示せず）から受ける回転駆動軸３を、上端中央部に備えている。回転駆動軸３の下端には、上面視で略十字型のブラケット４の中央部が固定されている。ブラケット４の４つの端部には、それぞれ同じ形状の撹拌羽根５の上端が固定されている。

【0024】

撹拌羽根５は、全体が略円柱形となっており、回転駆動軸３の軸線Ｘと平行に配置されている。また、撹拌羽根５は、一対の第１の撹拌羽根５ａと、第１の撹拌羽根５ａよりも回転半径の小さい一対の第２の撹拌羽根５ｂとから構成されている。一対の第１の撹拌羽根５ａは、回転駆動軸３の軸線Ｘを中心に相互に線対称の位置に配置され、一対の第２の撹拌羽根５ｂも、回転駆動軸３の軸線Ｘを中心に相互に線対称の位置に配置されている。また、回転駆動軸３の軸線Ｘと直交し、第１の撹拌羽根５ａの中心を通る第１の直線Ｙと、回転駆動軸３の軸線Ｘと直交し、第２の撹拌羽根５ｂの中心を通る第２の直線Ｚは、略直交している。

【0025】

撹拌羽根５は、単純な略円柱形状であるが、その本数や、撹拌槽２の大きさに対する太さ、長さ、位置によって、撹拌効率に差が生じる。放射性廃棄物処理に固化材として用いられるジオポリマーの原料を撹拌する場合は、以下のとおりである。なお、被撹拌物のジオポリマーの原料の密度は１５００～１７００ｋｇ／ｍ^３、粘土は４～５Ｐａ・ｓである。

【0026】

撹拌羽根５の本数については、本数に関係なく、被撹拌物を均一に混合することができる。

【0027】

撹拌羽根５の太さについては、内部形状が略円柱形の撹拌槽２の中心に回転駆動軸３の軸線Ｘを配置した場合に、撹拌槽２の内径を１００としたときの撹拌羽根５の太さが１５以下であるときに、被撹拌物を均一に混合することができる。なお、撹拌羽根５の太さが細い方が、短時間で被撹拌物を均一に混合することができ、撹拌槽２の内径を１００としたときの撹拌羽根５の太さは、１０以下が好ましく、５以下がより好ましい。

【0028】

撹拌羽根５の長さについては、内部形状が略円柱形の撹拌槽２の中心に回転駆動軸３の軸線Ｘを配置した場合に、撹拌槽２の内側の高さを１００としたときの撹拌羽根５の長さが５０以上であるときに、被撹拌物を均一に混合することができる。なお、撹拌羽根５の長さが長い方が、短時間で被撹拌物を均一に混合することができ、撹拌槽２の内側の高さを１００としたときの撹拌羽根５の長さは、７０以下が好ましく、９５以下がより好ましい。

【0029】

撹拌羽根５の位置については、内部形状が略円柱形の撹拌槽２の中心に回転駆動軸３の軸線Ｘを配置した場合に、撹拌槽２の中心から撹拌槽２の側方壁までの距離を１００としたときの、撹拌槽２の中心から最も外側に位置する撹拌羽根５ａの撹拌槽２の側方壁に最も近い点までの距離が６０以上であるときに、被撹拌物を均一に混合することができる。なお、この距離が大きい方が、短時間で被撹拌物を均一に混合することができ、撹拌槽２の中心から撹拌槽２の側方壁までの距離を１００としたときの、撹拌槽２の中心から最も外側に位置する撹拌羽根５ａの撹拌槽２の側方壁に最も近い点までの距離は、７５以上が好ましく、９０以上がより好ましい。

【0030】

また、内部形状が略円柱形の撹拌槽２の中心に回転駆動軸３の軸線Ｘを配置した場合に、撹拌槽２の中心から第１の撹拌羽根５ａの撹拌槽２の側方壁に最も近い点までの距離を１００としたときの、撹拌槽２の中心から第２の撹拌羽根５ｂの撹拌槽２の側方壁に最も近い点までの距離が５０以上であるときに、被撹拌物を均一に混合することができる。なお、この距離が大きい方が、短時間で被撹拌物を均一に混合することができ、撹拌槽２の中心から第１の撹拌羽根５ａの撹拌槽２の側方壁に最も近い点までの距離を１００としたときの、撹拌槽２の中心から第２の撹拌羽根５ｂの撹拌槽２の側方壁に最も近い点までの距離は、８０以上が好ましく、１００がより好ましい。

【0031】

本実施例の撹拌装置１は、略円柱形の撹拌羽根５を有するものであるが、その撹拌性能は、既存形状のアンカー羽根の撹拌性能と同等である。

【0032】

また、本実施例の撹拌装置１の撹拌羽根５は、略円柱形の極めて単純な形状であるため、撹拌中に被撹拌物が撹拌羽根５へ付着することを抑制することができ、さらに、使用後には、撹拌槽２から引き上げて、容易に洗浄することができる。

【0033】

このように、本実施例の撹拌装置１の撹拌羽根５は、洗浄が容易であるため、従来の撹拌羽根を用いた場合と比較して、洗浄作業時間を大幅に短縮することができる。特に、ロボットなどを用いた遠隔操作による洗浄作業においては、洗浄作業時間の短縮による作業効率化の効果は大きい。

【0034】

また、本実施例の撹拌装置１の撹拌羽根５は、洗浄が容易であるため、洗浄液の使用量も大幅に削減することができる。特に、放射性廃棄物処理の分野で用いる場合は、洗浄液も二次廃棄物となるため、洗浄液の使用量の削減により廃棄物処理量を削減することができる。

【0035】

以上のように、本実施例の撹拌装置１は、回転駆動軸３と、この回転駆動軸３の軸線Ｘと略平行に配置された全体が略円柱形の撹拌羽根５とを備えたものである。

【0036】

また、内部形状が略円柱形の撹拌槽２の中心に前記回転駆動軸３の軸線Ｘを配置して用いられ、撹拌槽２の内径を１００としたときの前記撹拌羽根５の太さが１５以下である。

【0037】

また、内部形状が略円柱形の撹拌槽２の中心に前記回転駆動軸３の軸線Ｘを配置して用いられ、撹拌槽２の内側の高さを１００としたときの前記撹拌羽根５の長さが５０以上である。

【0038】

また、内部形状が略円柱形の撹拌槽２の中心に前記回転駆動軸３の軸線Ｘを配置して用いられ、撹拌槽２の中心から撹拌槽２の側方壁までの距離を１００としたときの、撹拌槽２の中心から最も外側に位置する前記撹拌羽根５の撹拌槽２の側方壁に最も近い点までの距離が６０以上である。

【0039】

また、前記撹拌羽根５は、第１の撹拌羽根５ａと、この第１の撹拌羽根５ａよりも回転半径の小さい第２の撹拌羽根５ｂとから構成され、前記回転駆動軸３の軸線Ｘと直交し前記第１の撹拌羽根５ａの中心を通る第１の直線Ｙと、前記回転駆動軸３の軸線Ｘと直交し前記第２の撹拌羽根５ｂの中心を通る第２の直線Ｚは、略直交する。

【0040】

また、内部形状が略円柱形の撹拌槽２の中心に前記回転駆動軸３の軸線Ｘを配置して用いられ、撹拌槽２の中心から前記第１の撹拌羽根５ａの撹拌槽２の側方壁に最も近い点までの距離を１００としたときの、撹拌槽２の中心から前記第２の撹拌羽根５ｂの撹拌槽２の側方壁に最も近い点までの距離が５０以上である。

【0041】

さらに、ジオポリマーの原料を撹拌するために用いられる。

【0042】

このような本実施例の撹拌装置１によれば、十分な撹拌性能を保持しながら、撹拌羽根５への混練流体の付着を抑制し、洗浄効率を改善することができる。

【0043】

以下、本発明の撹拌装置を用いた混錬性能比較実験と数値解析の結果について詳細に説明する。

【実施例0044】

［混錬性能比較実験］
本発明の撹拌装置の混錬性能について実験を行った。

【0045】

既存の撹拌羽根としては、アンカー羽根、リボン羽根、プロペラ羽根、タービン羽根などが知られているが、これらの中でも構造が比較的単純なアンカー羽根を比較例とした。

【0046】

本実施例で用いた本発明の撹拌装置の円柱羽根を図２に、比較例のアンカー羽根を図３に示す。

【0047】

（１）材料
混練性能を比較するため、放射性廃棄物固化用の固化材料として想定されるジオポリマーを混錬した。混練量は20Lとした。

【0048】

使用した材料は以下の通りである。
アルミナシリカ源
・メタカオリン（Al₂O₃・2SiO₂）
・シリカフューム（SiO₂）
アルカリ源
・ケイ酸カリウム（K₂O・2SiO₂）
・水酸化カリウム（KOH）
・純水（H₂O）

【0049】

ジオポリマー成分組成はK/Al=1.37、Si/Al=2.5、H₂O/Al₂O₃=10である。

【0050】

（２）装置
混練に使用した装置は以下の通りである。
・自社20L混練装置

【0051】

装置に取り付けた円柱羽根とアンカー羽根どちらとも表面コーティング加工を施した。

【0052】

（３）方法
実験方法は以下の通りである。
・アルカリ源を全て混錬した。
・アルカリ源にシリカフュームを加え、混錬した。
・アルカリ源とシリカフュームの混練物に数回に分けてメタカオリンを加え、混錬した。
・混練時間は合計40分間、撹拌速度は30～100 rpmの間で、段階的に増加させた。

【0053】

（４）結果
混練時の様子を図４に示す。

【0054】

図４より、アンカー羽根は混練終了時に、粉体原料が塊となって付着していることが確認できる。特に、撹拌槽底面と平行な下部に多くの粉体原料が付着することが確認できる。これと比較して、円柱羽根では、混練流体界面付近に一部粉体原料の塊が付着した。

【0055】

付着した粉体原料の塊を除去し、混練流体中に加えてから再度混練を行った。アンカー羽根では、再度原料が塊となって付着する。これと比較して、円柱羽根では、原料塊が付着することはなく、付着した混練流体も羽根にほとんど残留しなかった。

【0056】

混練終了時の混練流体の表面は、どちらの羽根を用いた場合でも均一で、粉体原料の残留も見られなかった。

【0057】

（５）混錬したジオポリマーの固化後の一軸圧縮強度
各羽根で混練したジオポリマーの固化後の一軸圧縮強度を表１に示す。これより、円柱羽根はアンカー羽根と同等の混練性能を持つことが確認された。

【0058】

【表1】