(57)【要約】【課題】比較的簡単な構造の翼により液体と固体粒子の混合を良好にし、固体粒子を従来よりも均一に分散することによって、固体粒子と液体の接触面積を増加して、固体粒子と液体との反応あるいは固体粒子の液体への溶解性を高め、固体−液体系あるいは固体−液体−気体系で混合を良好にし、効率的に反応を行える攪拌装置を提供することにある。【解決手段】本発明は、回転軸１に取付けられた槽底に近接した第１のパドル翼２と該第１のパドル翼の上部に前記第１のパドル翼との間においてある角度を付与して前記回転軸に取付けられた前記第１のパドル翼の外径よりも外径を小さくした第２のパドル翼３と前記第１および前記第２のパドル翼の両外周端同志を繋げる第１および第２の補助翼４とを設けて構成される攪拌翼５を、前記攪拌槽６内に設けたことを特徴とする攪拌装置である。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
攪拌槽を設け、
該攪拌槽外に設けられた回転駆動源を設け、
該回転駆動源に回転連結された回転軸に取付けられた槽底に近接した第１のパドル翼と該第１のパドル翼の上部に前記第１のパドル翼との間においてある角度を付与して前記回転軸に取付けられた前記第１のパドル翼の外径よりも外径を小さくした第２のパドル翼と前記第１および前記第２のパドル翼の両外周端同志を繋げる第１および第２の補助翼とを設けて構成される攪拌翼を、前記攪拌槽内に設けたことを特徴とする攪拌装置。
【請求項２】
請求項１記載の攪拌翼において、前記第１のパドル翼の下端の形状を前記攪拌槽の底部の形状に近似させることを特徴とする攪拌装置。
【請求項３】
請求項１記載の攪拌翼において、前記第１のパドル翼の翼径が前記攪拌槽の内径の１／２程度から３／４程度の範囲であり、前記第１のパドル翼の翼高さが前記攪拌槽の内径の１／４程度以下であり、前記第２のパドル翼の翼径が前記攪拌槽の内径の３／１０程度から５／１０程度の範囲であり、前記第２のパドル翼の翼高さが前記攪拌槽の内径の１／１５程度から１／１０程度の範囲であることを特徴とする攪拌装置。
【請求項４】
請求項１、２または３記載の攪拌翼において、前記第１及び第２の補助翼の翼幅が前記攪拌槽の内径の１／１０程度から２／１０程度の範囲であることを特徴とする攪拌装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一つに記載の攪拌翼において、前記第１のパドル翼と前記第２のパドル翼との間の前記ある角度が１０°程度から４５°程度の範囲にあることを特徴とする攪拌装置。
【請求項６】
請求項１記載の攪拌翼において、前記第１のパドル翼が前記第２のパドル翼よりも回転方向に前記ある角度進んでいることを特徴とする攪拌装置。
【請求項７】
請求項１記載の攪拌槽において、内周に複数の邪魔板を並設したことを特徴とする攪拌装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体―液体系、固体―液体系あるいは固体―液体―気体系の混合を行う攪拌装置に関し、特に効率良く混合及び反応を行わせるために好適な攪拌翼構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液体−液体系、固体―液体系及び固体−液体−気体系の攪拌に用いられる翼形状としては液体混合技術（日刊工業；１９８９年）の２５９頁（従来技術１）に示されるように、複数の羽根を有するディスクタービン翼、パドル翼及びプロペラが公知となっている。あるいは、特開平０６−３１２１２２号公報（従来技術２）に示されているような格子状の攪拌翼がある。
【０００３】
【非特許文献１】
液体混合技術（日刊工業；１９８９年）（２５９頁参照）
【特許文献１】
特開平０６−３１２１２２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術１、２は固体粒子の浮遊化及び分散性に対する配慮が十分でなかった。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決すべく、比較的簡単な構造の翼により液体と固体粒子の混合を良好にし、固体粒子を従来よりも均一に分散することによって、固体粒子と液体の接触面積を増加して、固体粒子と液体との反応あるいは固体粒子の液体への溶解性を高め、固体−液体系または固体−液体−気体系で混合を良好にし、効率的に反応を行える攪拌装置を提供することにある。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、さらに液体−液体系においても、従来よりも短い混合時間で効果的に混合を行え、ある程度の高粘度域まで混合性能が劣化しない攪拌装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、攪拌槽内において、液体−液体系、固体−液体系または固体−液体−気体系の攪拌に用いられる攪拌翼として、攪拌槽の外部に設けられた回転駆動源に回転連結された回転軸に取付けられた槽底に近接した第１のパドル翼と、該第１のパドル翼の上部に前記第１のパドル翼との間においてある角度を付与して前記回転軸に取付けられた前記第１のパドル翼の外径よりも外径を小さくした第２のパドル翼と、前記第１および前記第２のパドル翼の両外周端同志を繋げる第１および第２の補助翼とを設けて構成することを特徴とする攪拌装置である。
【０００８】
また、本発明は、前記攪拌装置の攪拌翼において、前記第１のパドル翼の下端の形状を前記攪拌槽の底部の形状に近似させること、例えば、前記第１のパドル翼の軸方向面内の形状を近似６角形状のように多角形にすることを特徴とする。
また、本発明は、前記攪拌装置の攪拌翼において、前記第１のパドル翼と前記第１の補助翼と前記第２のパドル翼と前記第２の補助翼とを板状にして一体的に形成したことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、前記攪拌装置の攪拌翼において、前記第１のパドル翼の翼径（外径）が前記攪拌槽の内径の１／２程度から３／４程度の範囲であり、前記第１のパドル翼の翼高さが前記攪拌槽の内径の１／４程度以下であり、前記第２のパドル翼の翼径（外径）が前記攪拌槽の内径の３／１０程度から５／１０程度の範囲であり、前記第２のパドル翼の翼高さが前記攪拌槽の内径の１／１５程度から１／１０程度の範囲であることを特徴とする。
また、本発明は、前記攪拌装置の攪拌翼において、前記第１及び第２の補助翼の翼幅が前記攪拌槽の内径の１／１０程度から２／１０程度の範囲であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、前記攪拌装置の攪拌翼において、前記第１のパドル翼と前記第２のパドル翼との間の前記ある角度が１０°程度から４５°程度の範囲にあることを特徴とする。
また、本発明は、前記攪拌装置の攪拌翼において、前記第１のパドル翼が前記第２のパドル翼よりも回転方向に前記ある角度進んで（先行して）いることを特徴とする。
また、本発明は、前記攪拌装置の攪拌槽において、内周に複数の軸方向に延ばした邪魔板を並設したことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る液体−液体系、固体−液体系または固体−液体−気体系の攪拌混合を行う攪拌装置（攪拌機、混合機または反応機と称する。）の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１２】
図１乃至図３は、本発明に係る攪拌装置において攪拌翼の第１の実施例を用いた場合の図面である。
【００１３】
本発明に係る攪拌装置（攪拌機、混合機または反応機）の実施の形態は、図３に示すように、攪拌槽６内にシャフト１によって回転される攪拌翼５を備えて構成される。上記シャフト１は、回転できるように支持され、図示しない回転駆動源に連結されていて、該回転駆動源によって回転駆動される。
【００１４】
図１は、第１の実施例の攪拌翼５を示す正面図である。図２は攪拌槽６内に配置された第１の実施例の攪拌翼５を軸方向から見た図である。
【００１５】
攪拌翼５は、シャフト（回転軸）１に取り付けられた第１のパドル翼２と、前記シャフト１の上部に設けられた上記第１のパドル翼２より翼径の小さい第２のパドル翼３と、上記第１のパドル翼２と前記第２のパドル翼３の両端同志を繋げて構成される第１及び第２の補助翼４とを有し、上記第１のパドル翼２と上記第２のパドル翼３がシャフト１に対してある角度θを有して配置し、さらに、上記第１のパドル翼２の上記シャフト１の軸方向の断面形状を近似６角形状にして構成される。この近似６角形状は、攪拌槽６の底部の楕円形状に合わせた下端の水平辺と、その両側の各々に繋げた傾斜した２つの辺と、両側外周端の２つの縦辺と、上端の水平辺とで形成される。即ち、近似６角形状は、近似矩形形状に下側に近似台形形状を連ねたものである。特に、近似６角形状にしたのは、下端において、攪拌槽６の底部の楕円形状に近似させた形状、即ち水平辺とその両側に傾斜した辺とを設けたことにある。そして、上記第１のパドル翼２と上記第２のパドル翼３とはある角度θのずれを有してシャフト１に取付けられている。本第１の実施例では、上記第１のパドル翼２が上記第２のパドル翼３よりも回転方向に対して位置的に先行する構造になっている。従って、上記第３及び第４の補助翼４は、回転することにより、攪拌槽６内の流体を液面方向に上昇する流速成分を与える効果がある。
【００１６】
ところで、上記第１のパドル翼２、上記第２のパドル翼３、上記第１及び第２の補助翼４は、図１に示すように、シャフト１に固定する部分を除いて、板状のもので一体的に成形して形成されているので、簡単な構造にすることが可能である。なお、上記第１のパドル翼２および上記第２のパドル翼３は、シャフト（回転軸）１に固定する必要があるため、この部分については板状である必要はなく、シャフト（回転軸）１に固定されればよい。
【００１７】
次に、基本的な液の流れについて図３を用いて説明する。攪拌槽６には流体８及び攪拌翼５が設けられている。シャフト１が適当な回転を行うことで、槽底部に設けられた比較的大きな第１のパドル翼２から吐出された流体は半径方向に旋回しながら、矢印で示すように攪拌槽上部まで循環し、第２のパドル翼３により旋回成分を与えられながら翼のない台形状の空洞部分９を下降し、再び第１のパドル翼２に戻り、吐出される。一方、第１のパドル翼２から吐出される流体の一部は攪拌槽６の底部に沿って第１のパドル翼２の底部より吸い込まれる。特に、第１及び第２の補助翼４は流体の粘度が大きいあるいは回転数が小さいときのような場合（層流）に、流体を液面方向に円滑に上昇させ、循環させるために効果を発揮する。
【００１８】
更に、攪拌翼の第１の実施例の幾何学的形状について図１を用いて詳しく説明する。第１のパドル翼２から流体を図３に示すように半径方向に旋回しながら吐出させるために、第１のパドル翼２の外径（翼径）ｄ１は攪拌槽６の内径の１／２程度から３／４程度の範囲が好ましく、第１のパドル翼２の翼高さ（高さ寸法）ｈ１は攪拌槽６の内径の１／４程度以下の大きさにすることが攪拌翼として望ましい。第２のパドル翼３から流体を旋回させて降下させるために、第２のパドル翼３の外径（翼径）ｄ２は攪拌槽６の内径の３／１０程度から５／１０程度の範囲の大きさであり、前記第２のパドル翼３の翼高さ（高さ寸法）ｈ２は槽内径の１／１５程度から１／１０程度の範囲にあることが攪拌翼として望ましい。さらに、第１および第２の補助翼４の翼幅ｄ３が攪拌槽６の内径の１／１０程度から２／１０程度の範囲にあることが好ましい。また、図２に示す第１のパドル翼２と第２のパドル翼３との角度のずれθも１０°程度から４５°程度の範囲にあることが望ましい。このθは流体の粘度が大きくなるほど、円滑な混合を行うためには大きくする必要がある。
また、攪拌槽６の内周には、回転軸１の軸方向に延ばした邪魔板（図示せず）を周方向に所定の間隔で複数並設してもよい。
【００１９】
次に、本発明に係る第２の実施例の攪拌翼５’について図４を用いて説明する。
【００２０】
攪拌翼５’において、第１の実施例と相違する点は、第１のパドル翼２’の断面形状を近似四角形状（近似矩形形状）にしたことにある。この攪拌翼５’の場合、攪拌槽６の底部形状がフラットな場合には混合に問題ないが、一般的な工業用の反応機の場合には槽底の形状が楕円であるため、第１のパドル翼に四角形状（矩形形状）を採用した場合に、槽底と第２のパドル翼の下端との間隙が大きくなるため、固体を浮遊させるような場合の混合に対して不利となる。
【００２１】
次に、第１の実施例の攪拌翼５を具備した固体−液体系の攪拌槽６での攪拌装置について図５を用いて説明する。攪拌槽６の内径は約１．４４ｍ、槽底から液面まで距離は約１．３８ｍで、容量は約２．４ｍ３である。攪拌翼５の回転数は約０．５から０．８３ｓ−１、第１のパドル翼２の翼径（外径）は約０．７７６ｍ、第２のパドル翼４の翼径（外径）は約０．６ｍ、第１及び第２の補助翼４の翼幅は約０．１４４ｍ、第１のパドル翼２の翼高さは約０．２５９ｍ、第２のパドル翼３の翼高さは約０．１４４ｍ及び第１のパドル翼２と第２のパドル翼３の角度のずれθは約３０°である。
【００２２】
ところで、固体粒子の浮遊状況を解析するための計算条件は、粒子平均径が約１ｍｍ、粒子比重が約１．２５、粒子の容積分率が約０．４の状態で、槽内に存在する条件下で、液体は常温の水の物性を用いた。解析には汎用のソフト（３次元流れ解析；有限差分法、ｋ−εモデル）を用いている。
【００２３】
図６には、図５に示す固体−液体系の攪拌槽６において、第１の実施例の攪拌翼５を設けた場合と、第２の実施例の攪拌翼５’を設けた場合との解析結果を示す。横軸は攪拌翼の回転数で、縦軸は攪拌槽内の固体粒子の濃度の標準偏差を平均濃度（＝０．４）で除して無次元化したものである。従って、この値が小さいほど固体粒子が槽内を均一に分散していることを意味する。黒●２０は第１の実施例の攪拌翼５、黒▲２１は第２の実施例の攪拌翼５’を用いた槽内の粒子の標準偏差の計算値を示す。図から●２０は回転数の上昇に伴い、急激に槽内の標準偏差が小さくなり、固体粒子の均一化が図れていることが分かる。一方、▲２１は同一回転数では濃度の標準偏差は大きい、すなわち固体粒子の槽内での分散状況が悪いことが分かる。従って、第１の実施例の攪拌翼を用いて槽底と翼間の間隙を小さくするほうが、固体粒子の浮遊下に対しては有利な設計となることが分かる。また、それぞれ（第１の実施例の攪拌翼５と第２の実施例の攪拌翼５’）の攪拌動力は同一回転数ではほぼ同じである。
【００２４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、固体粒子と液体の混合をより良好にし、反応機に適用した場合、固体粒子から液体への物質移動をより高めるための固液の接触面積の増加を促す効果があり、ひいては効率的な反応を行うことができる効果がある。さらに、比較的高粘度域においても従来翼（タービン翼、パドル翼等）よりも短い時間で混合を完結できる効果がある。特に、攪拌槽として槽底が楕円形状の場合には、攪拌翼として第１の実施例を用いて槽底と翼間の間隙を小さくするほうが、固体粒子の均一化が図られ、固体粒子と液体の混合をより良好にすることが可能となる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、従来翼に比べて、同一攪拌動力で、固体粒子の浮遊を容易にし、固体粒子と液体の混合をより良好にし、反応機に適用した場合、固体粒子から液体への物質移動をより高めるための固液の接触面積の増加を促す効果があり、ひいては効率的な反応を行うことができる効果がある。
【００２６】
また、本発明によれば、液体−液系の反応機に適用した場合には、従来翼に比べて混合時間が短いので、反応時間を短くでき、製品の品質を向上できる効果がある。さらに、比較的高粘度域においても従来翼よりも早く混合を終了することができるので、効率的に反応を行える効果があり、反応時間を短くでき、製品の品質を向上できる効果がある。
【００２７】
また、本発明によれば、ある程度滞留時間を必要とする流通系の反応機に適用した場合でも、低粘度からある程度の高粘度域まで完全混合槽を達成できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る攪拌翼の第１の実施例を示す便宜的な断面図である。
【図２】本発明に係る攪拌翼の第１の実施例を示す攪拌翼の軸方向から見た図である。
【図３】本発明に係る攪拌翼の第１の実施例を用いた攪拌槽内の流体の流れを示す便宜的な断面図である。
【図４】本発明に係る攪拌翼の第２の実施例を示す便宜的な断面図である。
【図５】本発明に係る攪拌翼の第１の実施例を用いた攪拌装置の便宜的な断面図である。
【図６】本発明に係る攪拌翼の第１の実施例および第２の実施例を用いた場合の解析結果である攪拌翼の回転数に対する攪拌槽内の固体粒子の濃度の標準偏差の関係を示す図である。
【符号の説明】
２…近似６角形状の第１のパドル翼、２’…近似４角形状の第１のパドル翼、３…第２のパドル翼、４…第１および第２の補助翼、５…攪拌翼、５’…攪拌翼、６…攪拌槽、８…流体、
２０…第１の実施例の攪拌翼での平均濃度に対する槽内の固体粒子の標準偏差、
２１…第２の実施例の攪拌翼での平均濃度に対する槽内の固体粒子の標準偏差。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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