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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-03-24
(45)【発行日】2025-04-01
(54)【発明の名称】攪拌装置
(51)【国際特許分類】
B01F 33/40 20220101AFI20250325BHJP
B01F 35/221 20220101ALI20250325BHJP
B01F 35/50 20220101ALI20250325BHJP
B01F 35/71 20220101ALI20250325BHJP
【ＦＩ】
B01F33/40
B01F35/221
B01F35/50
B01F35/71
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2024040960
(22)【出願日】2024-03-15
【審査請求日】2024-04-17
(73)【特許権者】
【識別番号】599083547
【氏名又は名称】井口 学
(73)【特許権者】
【識別番号】500430903
【氏名又は名称】株式会社ヒューエンス
(74)【代理人】
【識別番号】100104330
【弁理士】
【氏名又は名称】杉山 誠二
(72)【発明者】
【氏名】井口 学
(72)【発明者】
【氏名】設樂 守良
(72)【発明者】
【氏名】中畑 佑介
【審査官】奥隅 隆
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－６３３７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】井口学、竹内博明、森田善一郎，底吹き円筒容器内水-空気系気泡噴流中の流れ場，鉄と鋼，７６巻５号，日本，日本鉄鋼協会，1990年，６９９～７０６ページ
【文献】井口学、川尻明、富田祐志、森田善一郎，高粘度の液体中を上昇する気泡群の動的挙動に関するコールドモデル実験，鉄と鋼，７８巻９号，日本，日本鉄鋼協会，1992年，１４５６～１４６３ページ
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０１Ｆ ３３／４０
Ｂ０１Ｆ ３５／２２１
Ｂ０１Ｆ ３５／５０
Ｂ０１Ｆ ３５／７１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
内径Ｄの円筒形容器又は内接円径Ｄの多角形の平面形状をもつ多角形容器を備えた攪拌装置であって、前記円筒形容器又は前記多角形容器内には、液体が収容されており、前記円筒形容器又は前記多角形容器の底壁のほぼ中央に、前記液体内に気体を吹き込むためのノズルが配置されており、前記ノズルから前記液体内に吹き込まれる気体の流量Ｑｇが、ρＬ Ｑg
2 ／（σＬ Ｄ3 ）＝１０-5（ここで、ρＬ は液体の密度、σＬ は液体の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、前記気体の気泡が前記液体の液面を吹き抜けない流量以下である攪拌装置において、前記ノズルの先端から上方に所定距離離れた個所に下端が位置し、前記液面から深さＨ３の個所に上端が位置し、前記下端および前記上端が開口し、ほぼ垂直方向に延びた円筒形状のガイドパイプを備え、
前記ガイドパイプの内径が、少なくとも、
［1.5×（Ｑg／ｕB ）×{1＋（0.0608ｕL／Ｑg）×ｚ2}］1/2（ここで、ｕB は前記ガイドパイプ内を気泡と液体の混合物が上昇するときの気泡の上昇速度、ｕLは前記ガイドパイプ内を気泡と液体の混合物が上昇するときの前記ガイドパイプの中心軸上における液体の上昇速度、ｚは前記ノズルの前記先端から前記ガイドパイプの前記下端までの垂直方向距離）によって与えられる径となるように選定されており、
前記Ｈ３と前記内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ３／Ｄが、０．３～１の範囲にあることを特徴とする攪拌装置。
【請求項2】
前記ガイドパイプの前記下端に、拡径部が設けられており、前記拡径部の内径が、少なくとも、４ｂα（ここで、ｂαは前記気泡の半径方向の分散度合を表すガスホールドアップの半値半幅）によって与えられる径となるように選定されていることを特徴とする請求項１に記載された攪拌装置。
【請求項3】
前記円筒形容器又は前記多角形容器の底壁が、平底又は丸底であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された攪拌装置。
【請求項4】
前記気体が空気又は反応性ガスであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか1項に記載された攪拌装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は一般に、攪拌装置に関する。より詳細には、本発明は、容器底が深い場合であっても、プロペラ等の機械的な駆動源を必要とせずに、液体を効率的に攪拌することができる攪拌装置に関する。
【背景技術】
【0002】
本発明者は、機械的な駆動源を必要とせずに、液体を効率的に攪拌させることができる種々の攪拌装置を提案している（特許文献１～特許文献４参照）。また、本発明者は、特許文献１～特許文献４に開示された装置を改良発展させて、深い容器においても良好な攪拌を可能とする装置も提案している（特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特許第３０５８８７６号公報
【文献】特許第４１９５７８２号公報
【文献】特許第４３８４４７７号公報
【文献】特許第４７１００７０号公報
【文献】特開２０１３‐６３３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
深い容器を対象とした特許文献５の攪拌装置は、有益な利点を提供するものであったが、以下の２つの解決すべき課題があった。第１に、装置内に設置されるガイドパイプに「詰まり」が生ずることにより、課題が発生する。すなわち、ガイドパイプ内を通過することができる気液二相流のガス流量には上限値が存在するため、ガス流量が上限値よりも大きくなると、余分なガスがガイドパイプの入口から外へ溢れ出して旋回現象の発生が阻害され、効率的な攪拌が期待できなくなる。第２に、ガイドパイプに「吸い込み不良」が生ずることにより、課題が発生する。すなわち、装置の容器底部に設けられたノズルから噴出したガスによって生じた気泡噴流の半径方向への拡散がガイドパイプの入口よりも大きくなりすぎると、ガイドパイプ内に導入されるガス流量が少なくなって旋回現象の発生が阻害され、効率的な攪拌が期待できなくなる。
【0005】
本発明は、このような状況に鑑みて開発されたものであって、上記の２つの課題を解決することにより、深い容器においても良好な攪拌を可能とする攪拌装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
図８を参照して、本発明の攪拌装置の作動原理について説明する。底部に単孔ノズルを備えた円筒形容器内に液体を充填し、ノズルから液体内にガスを吹き込むと上昇気泡噴流が形成されるが、本発明者は、特許文献１に示したように、一定条件下において、この上昇気泡噴流によって、液体の攪拌に好ましい旋回現象が発生することを見い出した。すなわち、円筒形容器の内径をＤ、ノズルの先端と液面との高さの差を 0Ｈ1 とすると、Ｄと 0Ｈ1 との関係が約０．３＜ 0Ｈ1 ／Ｄ＜約１である場合に、気泡噴流の半径方向変位が比較的小さく、周期が短い旋回現象が発生し、円筒形容器内の液体は、スロッシングに似た挙動を示す。ここで、スロッシングとは、容器が軸方向又は半径方向に加振されることによって液体の振動が誘起される現象をいう。上述の旋回現象は、気泡の生成、上昇に伴う気体から液体への周期的加振によって誘起されたものと推測される。
【0007】
なお、比 0Ｈ1 ／Ｄ＜約０．３である場合には、気泡噴流の半径方向変位が極めて小さいため、旋回は、液体を攪拌するには不十分なものとなる。また、比 0Ｈ1 ／Ｄ＞約１である場合には、旋回が安定せず、十分な攪拌効果が得られない。
【0008】
上述の旋回現象が気泡による液体への周期的な加振によって誘起されるものであるため、液体の攪拌に好ましい旋回現象が発生するためには、吹き込まれるガスの流量が臨界値以上であり、かつ、気泡が液面を吹き抜ける程度以下であることが必要である。なお、本明細書において使用される語「吹き抜け」とは、ノズルから液体中に吹き込まれた気体が気柱を作って液面から外部へ出る現象を意味している。
【0009】
本発明者は、ガスの流量の臨界値を以下のように算定した。スロッシングに関する研究によれば、容器の加振によって液面における波動が誘起され、この波動が粘性を介して液体の内部に伝わり、液体内部の運動が起こるといわれている。したがって、旋回は、液面の波動現象が抑えられることによって止まるものと推測される。本発明者の実験によれば、加振力の主要な部分は、気泡が上昇して液面から出る際にほぼ周期的に液体に及ぼす力であろうと結論できる。この力は、上昇する液体の慣性力に依存すると仮定する。また、波動を止めようとする力には、表面張力が関与しているであろう。本発明者は、液体の慣性力と表面張力の比として定義されるウェーバー数Ｗe ＝ρＬ Ｑg
2 ／（σＬ Ｄ3 ）が１０-5以上であれば、液体の攪拌に好ましい旋回現象が発生することを実験により確かめた。すなわち、上式のウェーバー数Ｗe ＝１０-5が臨界値となる。ここで、ρＬ は液体の密度、Ｑg はガスの吹き込み流量、σL は液体の表面張力、Ｄは円筒形容器の内径である。
【0010】
一方、ノズルより上方の液体が、図８（ｂ）の矢印Ａで示されるように、一方向に旋回すると、角運動量保存則により、ノズルより下方の液体は、図８（ｂ）の矢印Ｂで示されるように、逆方向に旋回する。ノズルより下方における旋回流Ｂは、ノズルより上方における旋回流Ａを安定化させており、旋回流Ａへの固形物等の投入により旋回流Ａの速度の低下や乱れが生じても、旋回流Ｂが存在していれば、容易に元の状態に復帰することができる。このため、ノズルより下方に一定の深さの領域を設けるのが好ましい。
【0011】
上述のように、底部に単孔ノズルを備えた円筒形容器内に液体を充填し、ノズルから液体内にガスを吹き込むことにより、一定条件下で、液体の攪拌に好ましい旋回現象が発生することを見い出したが、円筒形容器が深い（すなわち、ノズルの先端から円筒形容器の底壁までの深さが深い）場合には、円筒形容器の底部に位置する液体の攪拌は、必ずしも十分であるとは言い難かった。そこで、本発明者は、ノズルの先端から上方に一定距離だけ離れた個所に下端が位置し、液面から所定深さのところに上端が位置し、垂直方向に延びたガイドパイプを円筒形容器内に設けることにより、円筒形容器が深い場合であっても、容器内の液体が良好に攪拌される装置を提案した（特許文献５）。
【0012】
特許文献５の装置には、上述のように、ガイドパイプの「詰まり」、およびガイドパイプの「吸い込み不良」という２つの解決すべき課題があったが、本発明者は、これらの課題について以下のように解決した。
【0013】
（ガイドパイプの「詰まり」）
鉛直円管内をガス（気泡）と液体の混合物（気液二相流）が上昇するとき、気泡の上昇速度ｕBを表す実験式として、下記の赤川・坂口の式（赤川浩爾, 坂口忠司: 気液二相流のボイド率特性に関する研究（第３報）, 日本機械学会論文集, 31-223(1965), pp. 601-607）が知られている。
大きな気泡について ｕB＝ 1.25 ×（ｊg ＋ｊL） （１）
小さな気泡について ｕB＝ 1.10 ×（ｊg ＋ｊL） （２）
ここで、ｊg はガイドパイプ内のガスの空塔速度、ｊL はガイドパイプ内の液体の空塔速度であり、それぞれ次式で表される。
ｊg ＝ （４Ｑg）／（πｄｇ 2） （３）
ｊL ＝ （４ＱL）／（πｄｇ 2） （４）
ここで、Ｑgはガスの吹き込み流量、ＱLは気泡噴流中で気泡によって誘起された液体の流量、ｄｇはガイドパイプの内径である。
鉛直円管内をガス（気泡）と液体の混合物（気液二相流）が上昇するとき、気泡の上昇速度ｕBを表す実験式として、下記の赤川・坂口の式（赤川浩爾, 坂口忠司: 気液二相流のボイド率特性に関する研究（第３報）, 日本機械学会論文集, 31-223(1965), pp. 601-607）が知られている。
大きな気泡について ｕB＝ 1.25 ×（ｊg ＋ｊL） （１）
小さな気泡について ｕB＝ 1.10 ×（ｊg ＋ｊL） （２）
ここで、ｊg はガイドパイプ内のガスの空塔速度、ｊL はガイドパイプ内の液体の空塔速度であり、それぞれ次式で表される。
ｊg ＝ （４Ｑg）／（πｄｇ 2） （３）
ｊL ＝ （４ＱL）／（πｄｇ 2） （４）
ここで、Ｑgはガスの吹き込み流量、ＱLは気泡噴流中で気泡によって誘起された液体の流量、ｄｇはガイドパイプの内径である。
【0014】
本発明では、気泡の上昇速度ｕBを表す式として、式（１）と式（２）の平均をとった下記の近似式を使用する。
ｕB ＝ 1.18 ×（ｊg ＋ｊL） （５）
ｕB ＝ 1.18 ×（ｊg ＋ｊL） （５）
【0015】
式（３）および式（４）を式（５）に代入して整理すると、ガイドパイプの内径ｄｇは、次式で表される。
ｄg ＝ ［ 1.5×（Ｑg／ｕB ）×{ 1＋（ＱL／Ｑg ）}］1/2 （６）
ｄg ＝ ［ 1.5×（Ｑg／ｕB ）×{ 1＋（ＱL／Ｑg ）}］1/2 （６）
【0016】
一方、気泡の上昇速度ｕBと液体の流量ＱL は、次式で得られることが知られている（井口 学，竹内 博明，森田善一郎: 底吹き円筒容器内水－空気系気泡噴流中の流れ場, 鉄と鋼，76-5(1990), pp.699-706／Marco A. S. C. Castello-Branco and K. Schwerdtfeger: Large-Scale Measurements of the Physical Characteristics of Round Vertical Bubble Plumes in Liquids, Metallurgical and Materials Transactions B, 25B (1994), pp. 359-371）。
ｕB ＝（Ｑgｇ2）1/5×{1.60×（ｚ／ｚ０CS ）-2.04
＋1.82×（ｚ／ｚ０CS ）-0.08 }
ただし、(ｚ／ｚ０CS ）＞ 0.6 （７）
ｚ０CS ＝6.8×ｄni×{（Ｑg 2ρg ）／（ｇｄni 5ρL ）}0.272 （８）
ＱL ＝3.6×ｕL×ｂｕ 2 （９）
ｕL ＝（Ｑgｇ2 ）1/5×{ 0.95×（ｚ／ｚ０CS ）-2.30
＋1.10×（ｚ／ｚ０CS ）-0.08}
ただし、(ｚ／ｚ０CS ）＞ 0.8 （１０）
ｂｕ ＝0.13×ｚ （１１）
ここで、Ｑgは上述のように、ガスの吹き込み流量、ｕBは上述のように、鉛直円管内をガス（気泡）と液体の混合物が上昇するときの気泡の上昇速度、ｕLは、鉛直円管内をガス（気泡）と液体の混合物が上昇するときの鉛直円管の中心軸上における液体の上昇速度、ｚは、ノズルの先端からガイドパイプの下端までの距離（図１におけるＨ1 ）、ｇは重力加速度、ｄniはノズルの内径、ρｇ はガスの密度、ρＬ は液体の密度である。
ｕB ＝（Ｑgｇ2）1/5×{1.60×（ｚ／ｚ０CS ）-2.04
＋1.82×（ｚ／ｚ０CS ）-0.08 }
ただし、(ｚ／ｚ０CS ）＞ 0.6 （７）
ｚ０CS ＝6.8×ｄni×{（Ｑg 2ρg ）／（ｇｄni 5ρL ）}0.272 （８）
ＱL ＝3.6×ｕL×ｂｕ 2 （９）
ｕL ＝（Ｑgｇ2 ）1/5×{ 0.95×（ｚ／ｚ０CS ）-2.30
＋1.10×（ｚ／ｚ０CS ）-0.08}
ただし、(ｚ／ｚ０CS ）＞ 0.8 （１０）
ｂｕ ＝0.13×ｚ （１１）
ここで、Ｑgは上述のように、ガスの吹き込み流量、ｕBは上述のように、鉛直円管内をガス（気泡）と液体の混合物が上昇するときの気泡の上昇速度、ｕLは、鉛直円管内をガス（気泡）と液体の混合物が上昇するときの鉛直円管の中心軸上における液体の上昇速度、ｚは、ノズルの先端からガイドパイプの下端までの距離（図１におけるＨ1 ）、ｇは重力加速度、ｄniはノズルの内径、ρｇ はガスの密度、ρＬ は液体の密度である。
【0017】
式（９）および式（１１）を式（６）に代入すると、次式が得られる。
ｄｇ ＝［1.5×（Ｑg／ｕB ）
×{1＋（0.0608ｕL／Ｑg）×ｚ2}］1/2 （１２）
すなわち、ガイドパイプの内径ｄｇを少なくとも式（１２）によって与えられる径にすることにより、ガイドパイプの「詰まり」が生じないようにすることができる。
ｄｇ ＝［1.5×（Ｑg／ｕB ）
×{1＋（0.0608ｕL／Ｑg）×ｚ2}］1/2 （１２）
すなわち、ガイドパイプの内径ｄｇを少なくとも式（１２）によって与えられる径にすることにより、ガイドパイプの「詰まり」が生じないようにすることができる。
【0018】
（ガイドパイプの「吸い込み不良」）
ノズルから円筒形容器内の液体中にガスを吹き込むと、ノズルの先端近傍で多数の気泡が発生し、半径方向に分散しながら上昇する。この気泡の半径方向への分散を定量的に知るため、ガスホールドアップαに着目する。気泡噴流中のある点Pを見ると、気泡と液体が交互に通過していくが、ガスホールドアップαとは、全測定時間に占める気泡の通過時間のことであり、％で表される。例えば、点Pが常に気泡中にあれば、ガスホールドアップαは100％、点Pが常に液体中にあれば、ガスホールドアップαは0％となる。
ノズルから円筒形容器内の液体中にガスを吹き込むと、ノズルの先端近傍で多数の気泡が発生し、半径方向に分散しながら上昇する。この気泡の半径方向への分散を定量的に知るため、ガスホールドアップαに着目する。気泡噴流中のある点Pを見ると、気泡と液体が交互に通過していくが、ガスホールドアップαとは、全測定時間に占める気泡の通過時間のことであり、％で表される。例えば、点Pが常に気泡中にあれば、ガスホールドアップαは100％、点Pが常に液体中にあれば、ガスホールドアップαは0％となる。
【0019】
ガスホールドアップαは、次式で得られることが知られている。
α＝αcl×exp{－0.6931×（ｒ2／ｂα 2）} （１３）
ここで、αclはガスホールドアップαの中心軸上の値、ｒは半径方向の座標、ｂαはガスホールドアップαの半値半幅であり、αclおよびｂαは、本発明で対象としている吹き込み条件下では、それぞれ次式で与えられる。
αcl ＝50×（ｚ／ｚ０ ）-1.0 （１４）
ｂα ＝ｂα（ｚ０）×（ｚ／ｚ０ ）0.5
＝0.42×（Ｑg 2／ｇ）1/5 ×（ｚ／ｚ０ ）0.5 （１５）
ここで、ｚ０ は、ガスホールドアップαが50％となるｚの値であり、次式で与えられる。
ｚ０＝5×ｄni×{（Ｑg 2ρg ）／（ｇｄni 5ρL ）}0.30 （１６）
α＝αcl×exp{－0.6931×（ｒ2／ｂα 2）} （１３）
ここで、αclはガスホールドアップαの中心軸上の値、ｒは半径方向の座標、ｂαはガスホールドアップαの半値半幅であり、αclおよびｂαは、本発明で対象としている吹き込み条件下では、それぞれ次式で与えられる。
αcl ＝50×（ｚ／ｚ０ ）-1.0 （１４）
ｂα ＝ｂα（ｚ０）×（ｚ／ｚ０ ）0.5
＝0.42×（Ｑg 2／ｇ）1/5 ×（ｚ／ｚ０ ）0.5 （１５）
ここで、ｚ０ は、ガスホールドアップαが50％となるｚの値であり、次式で与えられる。
ｚ０＝5×ｄni×{（Ｑg 2ρg ）／（ｇｄni 5ρL ）}0.30 （１６）
【0020】
一方、気泡の半径方向への分散の幅Ｗｇは、次式で近似できることが知られている（井口学, 川端弘俊, 岩崎敏勝, 野沢健太郎, 森田善一郎: 底吹き円筒容器内水－空気系気泡噴流の運動量支配領域における気泡特性, 鉄と鋼, 76-6(1990), pp. 840-847）。
Ｗg＝４ｂα （１７）
Ｗg＝４ｂα （１７）
【0021】
ノズルから出たガスがすべてガイドパイプ内に吸い込まれるためには、ガイドパイプ下端の直径Ｄｇが気泡の半径方向への分散の幅Ｗｇよりも大きいことが必要である。すなわち、
Ｄg ＞ Ｗg （１８）
したがって、ノズルから出たガスがすべてガイドパイプ内に吸い込まれるには、
Ｄg ＞ ４ｂα （１９）
を満たす必要がある。
すなわち、ガイドパイプの下端の内径を少なくとも式（１９）によって与えられる径にすることにより、ガイドパイプの「吸い込み不良」が生じないようにすることができる。
Ｄg ＞ Ｗg （１８）
したがって、ノズルから出たガスがすべてガイドパイプ内に吸い込まれるには、
Ｄg ＞ ４ｂα （１９）
を満たす必要がある。
すなわち、ガイドパイプの下端の内径を少なくとも式（１９）によって与えられる径にすることにより、ガイドパイプの「吸い込み不良」が生じないようにすることができる。
【0022】
本願請求項１に記載された、内径Ｄの円筒形容器又は内接円径Ｄの多角形の平面形状をもつ多角形容器を備えた攪拌装置は、前記円筒形容器又は前記多角形容器内には、液体が収容されており、前記円筒形容器又は前記多角形容器の底壁のほぼ中央に、前記液体内に気体を吹き込むためのノズルが配置されており、前記ノズルから前記液体内に吹き込まれる気体の流量Ｑｇが、ρＬ Ｑg
2 ／（σＬ Ｄ3 ）＝１０-5 （ここで、ρＬ は液体の密度、σＬ は液体の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、前記気体の気泡が前記液体の液面を吹き抜けない流量以下であり、前記ノズルの先端から上方に所定距離離れた個所に下端が位置し、前記液面から深さＨ３の個所に上端が位置し、前記下端および前記上端が開口し、ほぼ垂直方向に延びた円筒形状のガイドパイプを備え、前記ガイドパイプの内径が、少なくとも、
［1.5×（Ｑg／ｕB ）×{1＋（0.0608ｕL／Ｑg）×ｚ2}］1/2
（ここで、ｕB は前記ガイドパイプ内を気泡と液体の混合物が上昇するときの気泡の上昇速度、ｕLは前記ガイドパイプ内を気泡と液体の混合物が上昇するときの前記ガイドパイプの中心軸上における液体の上昇速度、ｚは前記ノズルの前記先端から前記ガイドパイプの前記下端までの垂直方向距離）によって与えられる径となるように選定されており、前記Ｈ３と前記内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ３／Ｄが、０．３～１の範囲にあることを特徴とするものである。
［1.5×（Ｑg／ｕB ）×{1＋（0.0608ｕL／Ｑg）×ｚ2}］1/2
（ここで、ｕB は前記ガイドパイプ内を気泡と液体の混合物が上昇するときの気泡の上昇速度、ｕLは前記ガイドパイプ内を気泡と液体の混合物が上昇するときの前記ガイドパイプの中心軸上における液体の上昇速度、ｚは前記ノズルの前記先端から前記ガイドパイプの前記下端までの垂直方向距離）によって与えられる径となるように選定されており、前記Ｈ３と前記内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ３／Ｄが、０．３～１の範囲にあることを特徴とするものである。
【0023】
本願請求項２に記載された攪拌装置は、前記請求項１の攪拌装置において、前記ガイドパイプの前記下端に、拡径部が設けられており、前記拡径部の内径が、少なくとも、４ｂα（ここで、ｂαは前記気泡の半径方向の分散度合を表すガスホールドアップの半値半幅）によって与えられる径となるように選定されていることを特徴とするものである。
【0024】
本願請求項３に記載された攪拌装置は、前記請求項１又は請求項２の攪拌装置において、前記円筒形容器又は前記多角形容器の底壁が、平底又は丸底であることを特徴とするものである。
【0025】
本願請求項４に記載された攪拌装置は、前記請求項１から請求項３のいずれか1項の攪拌装置において、前記気体が空気又は反応性ガスであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0026】
本発明の攪拌装置によれば、容器が深い場合であっても、良好な攪拌効果を得ることができる。本発明の攪拌装置は、プロペラ等の駆動源を必要としないため、構造が極めて簡単である。したがって、本発明の攪拌装置では、製造コスト、維持コストを安価に押さえることができ、保守点検に要する時間や手間を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の好ましい実施形態に係る攪拌装置の全体を示した模式図である。
【図2】ガイドパイプの取り付け形態を例示的に示した一連の図である。
【図3】ガイドパイプの下端の変形形態を示した図である。
【図6】ノズルの配置の変形例を示した図である。
【図7】容器が丸底の場合の攪拌装置の全体を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る攪拌装置について説明する。図１において全体として参照符号１０で示される本発明の好ましい実施形態に係る攪拌装置は、側壁１２ａおよび底壁１２ｂを有する円筒形容器１２を備えている。円筒形容器１２の内径は、図１に示されるように、Ｄである。円筒形容器１２内には、底壁１２ｂから液面までの高さがＨ１＋Ｈ２＋Ｈ３となるように、攪拌しようとする液体が収容されている。
【0029】
円筒形容器１２の底壁１２ｂのほぼ中央には、ノズル１４が配置されており、ノズル１４は、エアコンプレッサ（図示せず）に連結されている。これにより、エアコンプレッサから供給された空気がノズル１４から液体内に噴射されるようになっている。
【0030】
攪拌装置１０はまた、ノズル１４の先端から上方に距離ｚだけ離れた個所に下端１６ａが位置し、液面から深さＨ３の個所に上端１６ｂが位置する、ほぼ垂直方向に延びた長さＨ2のガイドパイプ１６を備えている。ガイドパイプ１６は、全体として円筒形状であり、その内径はｄｇである。なお、図１に示される攪拌装置１０の形態では、ノズル１４の先端と円筒形容器１２の底壁１２ｂとは同一高さに位置しているので、ノズル１４の先端からガイドパイプ１６の下端１６ａまでの距離ｚは、底壁１２ｂとガイドパイプ１６の下端１６ａまでの距離Ｈ１と等しい。
【0031】
ガイドパイプ１６の内径ｄｇは、少なくとも、式（１２）によって与えられる径になるように選定される。これにより、ガイドパイプ１６の「詰まり」を回避することができる。
【0032】
図２（ａ）～図２（ｄ）は、ガイドパイプ１６が支持部材１８によって円筒形容器１２の底壁１２ｂのノズル１４の先端から上方に距離ｚを隔てた個所に支持されている状態を示した一連の図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示される形態では、支持部材１８は、円周方向に９０°間隔を隔てて配置された４基の支柱によって構成されている。また、図２（ｃ）および図２（ｄ）に示される形態では、支持部材１８は、円周方向に１２０°間隔を隔てて配置された３基の支柱によって構成されている。なお、図２（ａ）～図２（ｄ）に示される形態は、支持部材１８の構成の詳細を例示的に示したものであり、ガイドパイプ１６を所定位置に支持することができるものであれば、図示されている構成に限定されるものではない。
【0033】
好ましくは、ガイドパイプ１６の下端１６ａには、図３（ａ）に示されるように、他の部分よりも径が大きい拡径部１６ｃが設けられている。拡径部１６ｃの内径Ｄｇは、少なくとも、式（１９）によって与えられる径になるように選定される。これにより、ガイドパイプ１６の「吸い込み不良」を回避することができる。
【0034】
図３（ａ）に示される形態では、拡径部１６ｃは、内径Ｄｇの部分が一定長さ続いた後に内径ｄｇに徐々に縮減するように形作られているが、最下部の内径が所要径を確保できるのであれば、たとえば、図３（ｂ）に示されるように、内径Ｄｇの部分から内径ｄｇに徐々に縮減するように形作られたものでもよい。
【0035】
なお、液面からガイドパイプ１６の上端１６ｂまでの深さＨ３と円筒形容器１２の内径Ｄとの比Ｈ３／Ｄは、約０．３～約１の範囲にある。好ましくは、比Ｈ３／Ｄは、約０．５である。
【0036】
図４は、攪拌装置１０においてノズル１４から噴射された空気がガイドパイプ１６を通って液体内に噴射され、これにより液体が、矢印Ａで示されるように旋回している状態を示した模式図である。この場合において、ノズル１４から噴射される空気の流量Ｑｇは、ρＬ Ｑg
2 ／（σＬ Ｄ3 ）＝１０-5を満足する流量以上であり、かつ、空気の気泡が液面を吹き抜ける程度以下である。
【0037】
なお、ガイドパイプ１６の上端１６ｂより下方の液体は、上述のように、角運動量保存則により、図４において矢印Ｂで示されるように、逆方向に旋回する。
【0038】
（実施例）
円筒形容器１２の内径Ｄ＝30.8cm、ノズル１４の内径dni＝0.8cm、ノズル１４の先端からガイドパイプ１６の下端１６ａまでの距離ｚ＝2.5cm、ガスの吹き込み流量Ｑg ＝250cm３/s(＝15L/min)の場合を例にとり、「詰まり」の生じないノズル１４の内径ｄｇおよび「吸い込み不良」の生じない拡径部１６ｃの内径Ｄｇについて試算する。
円筒形容器１２の内径Ｄ＝30.8cm、ノズル１４の内径dni＝0.8cm、ノズル１４の先端からガイドパイプ１６の下端１６ａまでの距離ｚ＝2.5cm、ガスの吹き込み流量Ｑg ＝250cm３/s(＝15L/min)の場合を例にとり、「詰まり」の生じないノズル１４の内径ｄｇおよび「吸い込み不良」の生じない拡径部１６ｃの内径Ｄｇについて試算する。
【0039】
式（８）より、
ｚ０CS ＝6.8×0.8×{（2502×1.23×10-6）／（980×0.85×998×10-6 ）}0.272
＝3.69cm
式（７）より、
ｕB ＝（250×9802）1/5
×{1.60×（2.5／3.69）-2.04 ＋1.82×（2.5／3.69）-0.08 }
＝47.4×（3.54＋1.88）
＝257cm/s
式（１０）より、
ｕL ＝（250×9802 ）1/5
×{0.95×（2.5／3.69）-2.30＋1.10×（2.5／3.69）-0.08}
＝47.4×（2.32＋1.13）
＝164cm/s
式（１２）より、
ｄｇ＝［1.5×（250／257）×{1＋（0.0608×164／250）×2.52}］1/2
＝1.35cm
したがって、ガイドパイプ１６の内径ｄｇ を少なくとも1.35cmにすることにより、ガイドパイプ１６に「詰まり」が生じないようにすることができる。
ｚ０CS ＝6.8×0.8×{（2502×1.23×10-6）／（980×0.85×998×10-6 ）}0.272
＝3.69cm
式（７）より、
ｕB ＝（250×9802）1/5
×{1.60×（2.5／3.69）-2.04 ＋1.82×（2.5／3.69）-0.08 }
＝47.4×（3.54＋1.88）
＝257cm/s
式（１０）より、
ｕL ＝（250×9802 ）1/5
×{0.95×（2.5／3.69）-2.30＋1.10×（2.5／3.69）-0.08}
＝47.4×（2.32＋1.13）
＝164cm/s
式（１２）より、
ｄｇ＝［1.5×（250／257）×{1＋（0.0608×164／250）×2.52}］1/2
＝1.35cm
したがって、ガイドパイプ１６の内径ｄｇ を少なくとも1.35cmにすることにより、ガイドパイプ１６に「詰まり」が生じないようにすることができる。
【0040】
式（１６）より、
ｚ０＝5×0.8×{（2502×1.23×10-6 ）／（980×0.85×998×10-6 ）}0.30
＝2.61cm
式（１５）より、
ｂα＝0.42×（2502／980）1/5×（2.5／2.61）0.5
＝0.943cm
式（１７）より、
Ｗg＝4×0.943 ＝3.77cm
したがって、拡径部１６ｃの内径Ｄｇを少なくとも3.77cmにすることにより、ガイドパイプ１６に「吸い込み不良」が生じないようにすることができる。
ｚ０＝5×0.8×{（2502×1.23×10-6 ）／（980×0.85×998×10-6 ）}0.30
＝2.61cm
式（１５）より、
ｂα＝0.42×（2502／980）1/5×（2.5／2.61）0.5
＝0.943cm
式（１７）より、
Ｗg＝4×0.943 ＝3.77cm
したがって、拡径部１６ｃの内径Ｄｇを少なくとも3.77cmにすることにより、ガイドパイプ１６に「吸い込み不良」が生じないようにすることができる。
【0041】
次に、主として図４および図５を参照して、以上のように構成された攪拌装置１０の作動について説明する。攪拌装置１０において、ノズル１４から液体内に空気を吹き込むと、空気は、ガイドパイプ１６を通って、ガイドパイプ１６の上端１６ｂから液体内に噴射される。その際、ガイドパイプ１６に「詰まり」が生じないように内径ｄｇが選定されているため、［１］流体をノズルから噴流状態で同じ流体又は別の流体中に導入すると噴流の周囲の流体が噴流中に巻き込まれることによって現れる“エジェクター効果”、および、［２］ガイドパイプ１６の内部の気液二相流の見掛けの密度がガイドパイプ１６の外側の液体の密度よりも小さいことによって現れる“煙突効果”によって、ガイドパイプ１６の下端１６ａの空気は液体とともにガイドパイプ１６内に吸い込まれ、上端１６ｂから液体内に噴射される。
【0042】
以上のようにして、ガイドパイプ１６の上端１６ｂの近傍およびそれより上方に位置する液体は、矢印Ａで示されるように旋回し、その下方に位置する液体は、矢印Ｂで示されるように、逆方向に旋回する。
【0043】
一方、ガイドパイプ１６の下端１６ａの周辺に位置する液体は、ノズル１４から液体内に吹き込まれる空気に随伴してガイドパイプ１６の下端１６ａに吸い込まれようとするため、液体に矢印で示されるような運動が付加される。これにより、円筒形容器１２の底部に位置する液体も攪拌されることになる。
【0044】
ガイドパイプ１６の下端１６ａに拡径部１６ｃを設ける（図３（ａ）、（ｂ）参照）と、ガイドパイプ１６の「吸い込み不良」が回避され、ノズル１４から吹き込まれた空気の実質的に全てがガイドパイプ１６内に吸い込まれるため、円筒形容器１２内の液体を一層効率的に攪拌することができる。
【0045】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【0046】
たとえば、前記実施の形態では、容器１２の平面形状は円であるが、平面形状をｎ角形（ｎ≧３）にした多角形容器を円筒形容器１２の代わりに使用してもよい。この場合のＤは、ｎ角形の内接円の径となる。
【0047】
また、図１に示される攪拌装置１０の形態では、ノズル１４の先端と円筒形容器１２の底壁１２ｂとは同一高さに位置しているが、円筒形容器１２の底部に固形物が溜まる可能性がある場合には、ノズル１４内に固形物が侵入してノズル１４が詰まることがないように、ノズル１４の先端が円筒形容器１２の底壁１２ｂよりも僅かに上方に位置するように構成するのが好ましい（図６参照）。
【0048】
また、前記実施の形態では、円筒形容器１２の底壁１２ｂは平底であるが、図７に示されるように、円筒形容器１２の底壁１２ｂを丸底にしてもよい。
【0049】
さらに、前記実施の形態では、ノズルから噴射される気体は空気であるが、液体を攪拌しつつ反応させようとする場合には、ノズルから噴射される気体を、目的に応じて、例えば酸素ガスのような反応性ガスとしてもよい。
【符号の説明】
【0050】
１０ 攪拌装置
１２ 円筒形容器
１２ａ 側壁
１２ｂ 底壁
１４ ノズル
１６ ガイドパイプ
１６ａ 下端
１６ｂ 上端
１６ｃ 拡径部
１８ 支持部材
１２ 円筒形容器
１２ａ 側壁
１２ｂ 底壁
１４ ノズル
１６ ガイドパイプ
１６ａ 下端
１６ｂ 上端
１６ｃ 拡径部
１８ 支持部材
【要約】
【課題】深い容器においても良好な攪拌を可能とする攪拌装置を提供する。
【解決手段】底壁に配置されたノズルから上方に所定距離離れた個所に下端が位置し、液面から所定深さの個所に上端が位置し、下端および上端が開口し、ほぼ垂直方向に延びた円筒形状のガイドパイプを備え、ガイドパイプの内径が、少なくとも、［1.5×（Ｑg／ｕB ）×{1＋（0.0608ｕL／Ｑg）×ｚ2}］1/2 （ここで、Ｑｇは気体の流量、ｕB は気泡の上昇速度、ｕLは液体の上昇速度、ｚはノズルの先端からガイドパイプの下端までの垂直方向距離）によって与えられる径となるように選定されている。
【選択図】図１
【解決手段】底壁に配置されたノズルから上方に所定距離離れた個所に下端が位置し、液面から所定深さの個所に上端が位置し、下端および上端が開口し、ほぼ垂直方向に延びた円筒形状のガイドパイプを備え、ガイドパイプの内径が、少なくとも、［1.5×（Ｑg／ｕB ）×{1＋（0.0608ｕL／Ｑg）×ｚ2}］1/2 （ここで、Ｑｇは気体の流量、ｕB は気泡の上昇速度、ｕLは液体の上昇速度、ｚはノズルの先端からガイドパイプの下端までの垂直方向距離）によって与えられる径となるように選定されている。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】