(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撹拌槽内部で用いられる撹拌装置であって、
撹拌の回転軸となる上下方向に延びる撹拌軸と、
前記撹拌軸に接続された撹拌翼と、
前記撹拌槽の内壁に沿って設けられ上下方向に延びる、下方細りのテーパー板状である少なくとも１つのバッフルとを備え、
前記撹拌翼は、下方広がりのテーパー板状であり、互いに反対方向に延びる一対の上段翼と、
前記上段翼より下方において前記撹拌軸に接続され、前記上段翼とは平面視において交差するように設けられた、下方広がりのテーパー板状であり、互いに反対方向に延びる一対の下段翼とを備え、
前記下段翼は、その上端縁が前記上段翼の下端縁との間に間隔を設けるように設置される、撹拌装置。
【請求項２】
前記下段翼の上端縁における翼径は、前記上段翼の下端縁における翼径よりも大きい、請求項１記載の撹拌装置。
【請求項３】
前記撹拌槽の直径Ｄを１００％とすると、
前記間隔の上下方向距離は３％以上１５％以下である、請求項１又は請求項２記載の撹拌装置。
【請求項４】
撹拌槽内部で用いられる撹拌装置であって、
撹拌の回転軸となる上下方向に延びる撹拌軸と、
前記撹拌軸に接続された撹拌翼と、
前記撹拌槽の内壁に沿って設けられ上下方向に延びる、下方細りのテーパー板状である少なくとも１つのバッフルとを備え、
前記撹拌翼は、下方広がりのテーパー板状であり、互いに反対方向に延びる一対の上段翼と、
前記上段翼より下方において前記撹拌軸に接続され、前記上段翼とは平面視において交差するように設けられた、下方広がりのテーパー板状であり、互いに反対方向に延びる一対の下段翼とを備え、
前記上段翼及び前記下段翼の外方端部と前記バッフルの内方端部とが、対向位置に来たとき水平方向略等間隔となるように構成される、撹拌装置。
【請求項５】
前記上段翼及び前記下段翼の外方端部と前記バッフルの内方端部とが、対向位置に来たとき水平方向略等間隔となるように構成される、請求項１から請求項３のいずれかに記載の撹拌装置。
【請求項６】
撹拌槽内部で用いられる撹拌装置であって、
撹拌の回転軸となる上下方向に延びる撹拌軸と、
前記撹拌軸に接続された撹拌翼と、
前記撹拌槽の内壁に沿って設けられ上下方向に延びる、下方細りのテーパー板状である少なくとも１つのバッフルとを備え、
前記撹拌翼は、下方広がりのテーパー板状であり、互いに反対方向に延びる一対の上段翼と、
前記上段翼より下方において前記撹拌軸に接続され、前記上段翼とは平面視において交差するように設けられた、下方広がりのテーパー板状であり、互いに反対方向に延びる一対の下段翼とを備え、
前記上段翼及び前記下段翼の各々は、平面視において回転方向に対して凸形状となる曲面板で形成された、撹拌装置。
【請求項７】
前記上段翼及び前記下段翼の各々は、平面視において回転方向に対して凸形状となる曲面板で形成された、請求項１から請求項５のいずれかに記載の撹拌装置。
【請求項８】
前記下段翼と前記上段翼との平面視における交差角度が直角である、請求項１から請求項７のいずれかに記載の撹拌装置。
【請求項９】
前記撹拌槽の直径Ｄを１００％とすると、
前記下段翼の下端縁における翼径ｄ１は５５％〜６５％であり、
前記下段翼の上端縁における翼径ｄ２は５０％〜６０％であり、
前記上段翼の下端縁における翼径ｄ３は４５％〜５５％であり、
前記上段翼の上端縁における翼径ｄ４は４０％〜５０％であって、
且つ、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞ｄ４となる、請求項１から請求項８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】
この発明は撹拌装置に関し、特に、撹拌槽内部で用いられる撹拌装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、撹拌槽内部で用いられる撹拌装置であって、大型撹拌翼を備えるものが存在する。
【０００３】
図２０は従来の撹拌装置を用いた撹拌槽の内部構造を模式的に示す正面図である。
【０００４】
同図を参照して、水平断面円形の筒状容器である撹拌槽８１は、その内部に撹拌装置７１が上方から投入されて設置された状態で、図示しない上方で蓋が閉じられている。撹拌装置７１は、撹拌の回転軸となる上下方向に延びる撹拌軸７２と、撹拌軸７２に接続され互いに反対方向に延びる一対の撹拌翼７３ａ、７３ｂと、撹拌槽７１の内壁７４（周壁内部）に沿って設けられ上下方向に延びる、正面視矩形平板状であるバッフル７５とから主に構成されている。又、撹拌槽８１内部には、撹拌の対象となる流体８０が所定量投入されている。
【０００５】
撹拌翼７３ａ、７３ｂは、正面視矩形平板状の、投影割合が０．４〜０．６程度の大型撹拌翼である。尚、正面視における投影割合とは、［撹拌翼の回転投影面積］／［撹拌槽の投影面積］を言う。但し、投影割合の計算にバッフルは除外する。
【０００６】
使用に際しては、図示しない外部モーターの駆動によって撹拌軸７２が回転され、これに伴い撹拌翼７３ａ、７３ｂが回転し、撹拌槽８１内部で内壁７４付近に沿った上昇流及び撹拌軸７２付近に沿った下降流からなる循環流を発生させ、流体８０の混合を促進する。又、このときバッフル７５によって上昇流の発生を促進し、混合効率を向上させている。又、撹拌翼７３ａ、７３ｂが大型撹拌翼であるため、傾斜パドル翼等の既存翼と比べて同一投入動力における混合時間が短縮され、混合効率が向上している。
【０００７】
他の撹拌装置としては、例えば特許文献１には、撹拌翼は平板状及び枠状の何れかの形状の羽根板から形成され、その下端が槽底壁に近接して設置され、その回転径が槽の下部から上部に到るに従い連続的に減少するようにするとともに、邪魔板（バッフル）はその広さが槽の下部から上部に到るに従い連続的あるいは段階的に増加するようにしたものが開示されている。
【０００８】
又、例えば特許文献２には、撹拌翼が上下二段で構成され、上段撹拌翼は略台形状且つ下部中央部に凹部を備え、下段撹拌翼は上段撹拌翼と直交状に交差して装着され、略長方形状且つ上部中央部に凹部を備えたものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平４−３４６８２６号公報
【特許文献２】特開平７−１２４４５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の図２０で示した従来の撹拌装置７１では、実際には、矢印７７で示す上部撹拌域における流れと、矢印７８で示す下部撹拌域における流れとに分かれてしまい、“Ａ”部分で示す中間撹拌域において両者が干渉し、上下の混合が抑制されてしまうことが判明した。
【００１１】
撹拌装置７１では撹拌翼７３ａ、７３ｂが矩形平板状であるため、回転半径が上下方向にかけて同一となることから、矢印７９ａ〜７９ｄで示す撹拌翼７３ａ、７３ｂによる流体の吐出流量も上下方向にかけて同一となる。その結果、撹拌翼７３ａ、７３ｂから吐出される流体が内壁７４の壁面に衝突して反転するとき、上下に分離する流れが形成され、上下の循環流が阻害されたものとみられる。
【００１２】
そして、撹拌装置、特に撹拌翼の構造やバッフルの構造を変更すると、流体の流れが大きく変化するため、混合効率に大きく影響する。
【００１３】
特許文献１に開示された撹拌装置にあっては、撹拌翼を下方広がりのテーパー状とすることで吐出流の強さを下方に向かうにつれて大きくし、又、特許文献２に開示された撹拌装置にあっては、撹拌翼を特定形状とすることで、混合効率の改善を試みたものと言える。
【００１４】
しかしこれらの従来の撹拌装置にあっては未だ混合効率の改善の余地があった。又、シンプルで汎用性の高い構造も求められていた。
【００１５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、シンプルな構造で流体の混合効率が向上す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】
【００１６】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、撹拌槽内部で用いられる撹拌装置であって、撹拌の回転軸となる上下方向に延びる撹拌軸と、撹拌軸に接続された撹拌翼と、撹拌槽の内壁に沿って設けられ上下方向に延びる、下方細りのテーパー板状である少なくとも１つのバッフルとを備え、撹拌翼は、下方広がりのテーパー板状であり、互いに反対方向に延びる一対の上段翼と、上段翼より下方において撹拌軸に接続され、上段翼とは平面視において交差するように設けられた、下方広がりのテーパー板状であり、互いに反対方向に延びる一対の下段翼とを備え、下段翼は、その上端縁が上段翼の下端縁との間に間隔を設けるように設置されるものである。
【００１７】
このように構成すると、撹拌槽の槽下部から槽上部に至るスムーズな循環流を形成する。又、撹拌翼の影響域が拡大する。
【００２０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成において、下段翼の上端縁における翼径は、上段翼の下端縁における翼径よりも大きいものである。
【００２１】
このように構成すると、槽下部から槽上部に至る対流を上段翼が阻害する虞を低減する。
【００２２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明の構成において、撹拌槽の直径Ｄを１００％とすると、間隔の上下方向距離は３％以上１５％以下であるものである。
【００２３】
このように構成すると、対流を間隔が阻害せず、且つ、安定して撹拌翼の影響域が拡大する。
【００２４】
請求項４記載の発明は、撹拌槽内部で用いられる撹拌装置であって、撹拌の回転軸となる上下方向に延びる撹拌軸と、撹拌軸に接続された撹拌翼と、撹拌槽の内壁に沿って設けられ上下方向に延びる、下方細りのテーパー板状である少なくとも１つのバッフルとを備え、撹拌翼は、下方広がりのテーパー板状であり、互いに反対方向に延びる一対の上段翼と、上段翼より下方において撹拌軸に接続され、上段翼とは平面視において交差するように設けられた、下方広がりのテーパー板状であり、互いに反対方向に延びる一対の下段翼とを備え、上段翼及び下段翼の外方端部とバッフルの内方端部とが、対向位置に来たとき水平方向略等間隔となるように構成されるものである。
【００２５】
このように構成すると、撹拌槽の槽下部から槽上部に至るスムーズな循環流を形成する。又、回転投影視において撹拌翼とバッフルとの水平方向距離が槽下部から槽上部にかけて一定となる。
【００２６】
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明の構成において、上段翼及び下段翼の外方端部とバッフルの内方端部とが、対向位置に来たとき水平方向略等間隔となるように構成されるものである。
【００２７】
このように構成すると、回転投影視において撹拌翼とバッフルとの水平方向距離が槽下部から槽上部にかけて一定となる。
請求項６記載の発明は、撹拌槽内部で用いられる撹拌装置であって、撹拌の回転軸となる上下方向に延びる撹拌軸と、撹拌軸に接続された撹拌翼と、撹拌槽の内壁に沿って設けられ上下方向に延びる、下方細りのテーパー板状である少なくとも１つのバッフルとを備え、撹拌翼は、下方広がりのテーパー板状であり、互いに反対方向に延びる一対の上段翼と、上段翼より下方において撹拌軸に接続され、上段翼とは平面視において交差するように設けられた、下方広がりのテーパー板状であり、互いに反対方向に延びる一対の下段翼とを備え、上段翼及び下段翼の各々は、平面視において回転方向に対して凸形状となる曲面板で形成されたものである。
このように構成すると、撹拌槽の槽下部から槽上部に至るスムーズな循環流を形成する。又、上段翼及び下段翼の吐出流量が増加する。
【００２８】
請求項７記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の発明の構成において、上段翼及び下段翼の各々は、平面視において回転方向に対して凸形状となる曲面板で形成されたものである。
【００２９】
このように構成すると、上段翼及び下段翼の吐出流量が増加する。
請求項８記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の発明の構成において、下段翼と上段翼との平面視における交差角度が直角であるものである。
このように構成すると、平面視において上段翼と下段翼とに仕切られるスペースが等割となる。
【００３０】
請求項９記載の発明は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の発明の構成において、撹拌槽の直径Ｄを１００％とすると、下段翼の下端縁における翼径ｄ１は５５％〜６５％であり、下段翼の上端縁における翼径ｄ２は５０％〜６０％であり、上段翼の下端縁における翼径ｄ３は４５％〜５５％であり、上段翼の上端縁における翼径ｄ４は４０％〜５０％であって、且つ、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞ｄ４となるものである。
【００３１】
このように構成すると、撹拌翼は下段ほど回転半径が大きくなる。
【発明の効果】
【００３８】
以上説明したように、請求項１記載の発明は、撹拌槽の槽下部から槽上部に至るスムーズな循環流を形成するため、投入する流体の混合効率が向上する。又、撹拌翼の影響域が拡大するため、液面付近の流体に対して相対的に吸い込み力が強くなり、特に液面付近の混合効率が向上する。
【００４０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の効果に加えて、槽下部から槽上部に至る対流を上段翼が阻害する虞を低減するため、循環流が安定する。
【００４１】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明の効果に加えて、対流を間隔が阻害せず、且つ、安定して撹拌翼の影響域が拡大するため、流体の混合効率がより向上する。
【００４２】
請求項４記載の発明は、撹拌槽の槽下部から槽上部に至るスムーズな循環流を形成するため、投入する流体の混合効率が向上する。又、回転投影視において撹拌翼とバッフルとの水平方向距離が槽下部から槽上部にかけて一定となるため、循環流が安定する。
【００４３】
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明の効果に加えて、回転投影視において撹拌翼とバッフルとの水平方向距離が槽下部から槽上部にかけて一定となるため、循環流が安定する。
請求項６記載の発明は、撹拌槽の槽下部から槽上部に至るスムーズな循環流を形成するため、投入する流体の混合効率が向上する。又、上段翼及び下段翼の吐出流量が増加するため、回転数を低減させることができ、経済的となる。
【００４４】
請求項７記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の発明の効果に加えて、上段翼及び下段翼の吐出流量が増加するため、回転数を低減させることができ、経済的となる。
請求項８記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の発明の効果に加えて、平面視において上段翼と下段翼とに仕切られるスペースが等割となるため、上部撹拌域と下部撹拌域間の流れの繋がりを促進すると共に、上段翼及び下段翼の回転時の横荷重を低減することにより回転安定性が向上する。
【００４５】
請求項９記載の発明は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の発明の効果に加えて、撹拌翼は下段ほど回転半径が大きくなるため、下段翼の吐出流量が上段翼よりも相対的に大きくなり、槽上部へ至る内壁付近での上昇流が促進されることで、循環効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この発明の第１の実施の形態による撹拌装置を用いた撹拌槽の内部構造を模式的に示す正面図である。
【図２】図１で示したＩＩ−ＩＩラインの断面図である。
【図３】この発明の第１の実施の形態による撹拌装置の撹拌翼の構造を示す正面図である。
【図４】図３で示した撹拌翼の側面図である。
【図５】図３で示した撹拌翼の平面図である。
【図６】この発明の第１の実施の形態による撹拌装置を用いた撹拌槽の循環流を模式的に示す正面図である。
【図７】撹拌槽の周壁内部に対する上段の撹拌翼による吐出流量と下段の撹拌翼による吐出流量とを示す模式図である。
【図８】撹拌翼のトルク変動を示すグラフである。
【図９】この発明の第２の実施の形態による撹拌装置の撹拌翼の構造を示す平面図である。
【図１０】この発明の第３の実施の形態及び第４の実施の形態による撹拌装置の下段の撹拌翼の構造を示す正面図である。
【図１１】試験１の結果を示す図である。
【図１２】試験２−１の結果を示す図である。
【図１３】試験２−２の結果を示す図である。
【図１４】試験３−１の結果を示す図である。
【図１５】試験３−２の結果を示す図である。
【図１６】試験４の結果を示す図である。
【図１７】試験５−１の結果を示す図である。
【図１８】試験５−２の結果を示す図である。
【図１９】試験６の結果を示す図である。
【図２０】従来の撹拌装置を用いた撹拌槽の内部構造を模式的に示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
図１はこの発明の第１の実施の形態による撹拌装置を用いた撹拌槽の内部構造を模式的に示す正面図であり、図２は図１で示したＩＩ−ＩＩラインの断面図である。
【００５１】
尚、本発明において、上下方向や水平方向は図１に示す正面視を基準としている。即ち、下方向とは撹拌槽１１の蓋から底に対する方向を言い、上方向とはその逆を言う。又、水平方向とは上下方向に直交する方向を言う。更に、内方とは内壁１２から撹拌軸２に対する方向を言い、外方とはその逆を言う。
【００５２】
又、詳細は後述するように、上段翼６ａ、６ｂは図２に示すように下段翼７ａ、７ｂと平面視において直角に交差しているが、図１においては回転投影位置を模式的に表すため上段翼６ａ、６ｂ及び下段翼７ａ、７ｂの周方向に９０°回転させた状態を一点鎖線で併せて描いている。
【００５３】
これらの図を参照して、撹拌槽１１は、使用時にその内部に流体（本発明にあっては、流動性を有する連続体を言い、低粘度〜高粘度の液体、気体、粉粒体、ペースト体等を含む。）を投入し、基本的に上述した従来の撹拌槽８１と同様の構成である。
【００５４】
撹拌槽１１は、水平断面円形の筒状容器であって、その内部に撹拌装置１が設置された状態で、図示しない上方で蓋を閉じることが可能である。撹拌装置１は、撹拌の回転軸となる上下方向に延びる撹拌軸２と、撹拌軸２に接続された撹拌翼３と、撹拌槽１１の周壁内部である内壁１２に沿って設けられ上下方向に延びる、下方細りのテーパー板状（上方から下方にかけて連続的あるいは段階的に正面視における水平方向幅が減少）である一対のバッフル５ａ、５ｂとから主に構成されている。
【００５５】
図２を併せて参照して、撹拌翼３は、下方広がりのテーパー板状（上方から下方にかけて連続的あるいは段階的に翼径が増加する板形状）であり、互いに反対方向に延びる一対の上段翼６ａ、６ｂ（上段の撹拌翼）と、上段翼６ａ、６ｂより下方において撹拌軸２に接続され、上段翼６ａ、６ｂとは平面視において交差するように設けられた、下方広がりのテーパー板状であり、互いに反対方向に延びる一対の下段翼７ａ、７ｂ（下段の撹拌翼）とから主に構成されている。又、下段翼７ａ、７ｂと上段翼６ａ、６ｂとの平面視における交差角度は直角である。
【００５６】
又、上段翼６ａ、６ｂの上端縁１７及び下端縁１８、並びに、下段翼７ａ、７ｂの上端縁１９は水平に形成されており、下段翼７ａ、７ｂの下端縁２０は撹拌槽１１の底部１３の鏡底形状（球面状に下方に凸形状）に沿って、円弧状に下方に凸形状となっている。
【００５７】
更に、下段翼７ａ、７ｂは、その上端縁１９が上段翼６ａ、６ｂの下端縁１８との間に間隔２１を設けるように設置されている。
【００５８】
更に、バッフル５ａ、５ｂは互いに対向する位置（内壁１２の周方向に沿って１８０°離間した位置）に設置されている。又、上段翼６ａの外方端部２２及び下段翼７ａの外方端部２３とバッフル５ａの内方端部２４とはテーパー角度が略平行となっている。これによって、図１及び図２に示すような正面視、即ち対向位置に来たとき（上段翼６ａ及び下段翼７ａの各々の延びる内外方向と、バッフル５ａの延びる内外方向とが一致する状態）、上下方向にかけて水平方向略等間隔となるように構成されている。尚、上段翼６ｂ、下段翼７ｂ及びバッフル５ｂについても同様である。
【００５９】
各要素の寸法関係は、撹拌槽１１の直径（槽径）Ｄを１００％とすると、下段翼７ａ、７ｂの下端縁２０における翼径（回転投影直径）ｄ１は６０％であり、下段翼７ａ、７ｂの上端縁１９における翼径ｄ２は５５％であり、上段翼６ａ、６ｂの下端縁１８における翼径ｄ３は５０％であり、上段翼６ａ、６ｂの上端縁１７における翼径ｄ４は４５％である。したがって、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞ｄ４となり、撹拌翼３は下段ほど回転半径が大きくなる。
【００６０】
又、撹拌槽１１の実質的な高さ（底部１３最下部からバッフル５ａ、５ｂの上端までの上下方向距離）Ｈは１２５％であり、下段翼７ａ、７ｂの高さｈ１は４５％であり、上段翼６ａ、６ｂの高さｈ２は４５％であり、下段翼７ａ、７ｂと上段翼６ａ、６ｂとの間隔２１の上下方向距離（翼間距離）ｈｃは１０％であり、撹拌槽１１の底部１３と下段翼７ａ、７ｂの下端縁２０との距離ｂｃは５％である。
【００６１】
更に、バッフル５ａの下縁の幅ｂ１は７．５％であり、上縁の幅ｂ２は１５％である。尚、バッフル５ｂについても同様である。
【００６２】
撹拌翼３の構造についてより具体的に説明する。
【００６３】
図３はこの発明の第１の実施の形態による撹拌装置の撹拌翼の構造を示す正面図であり、図４は図３で示した撹拌翼の側面図であり、図５は図３で示した撹拌翼の平面図である。
【００６４】
これらの図を参照して、撹拌翼３のうち一対の上段翼６ａ、６ｂはボルト状の固定具９を用いて撹拌軸２に固定されている。上段翼６ａ、６ｂの各々の平板形状は、撹拌軸２に沿って上下方向に延びる辺を含むと共に直角を有する下方広がりの台形形状である。
【００６５】
又、同様に一対の下段翼７ａ、７ｂはボルト状の固定具１０を用いて撹拌軸２に固定されている。下段翼７ａ、７ｂの各々の平板形状は、上述した上段翼６ａ、６ｂの各々の形状において、下端縁２０ａ、２０ｂの各々を内方ほど膨大する弧形状としたものである。又、下段翼７ａ、７ｂの各々は、下端縁２０ａ、２０ｂの内方端部同士が隙間２５を有するように配置されている。
【００６６】
図１〜図５を参照して、撹拌装置１の使用に際しては、図示しない外部モーターの駆動によって撹拌軸２が回転され、これに伴い撹拌翼３（上段翼６ａ、６ｂ及び下段翼７ａ、７ｂ）が図２の矢印８ａ〜８ｄで示すように周方向に回転する。この撹拌翼３の回転による流体の混合について以下より詳細に説明する。
【００６７】
図６はこの発明の第１の実施の形態による撹拌装置を用いた撹拌槽の循環流を模式的に示す正面図である。
【００６８】
同図を参照して、上述したように撹拌翼３の上段翼６ａ、６ｂは下方広がりのテーパー板状であることにより、下方ほど回転半径が大きくなるため、矢印３１ａ、３１ｂ及び矢印３２ａ、３２ｂで示すように、上部撹拌域において上段翼６ａ、６ｂによって生じる流体３０の吐出流量（第１の吐出流量）は下方ほど増大する。同様に、撹拌翼３の下段翼７ａ、７ｂは下方広がりのテーパー板状であることにより、矢印３３ａ、３３ｂ及び矢印３４ａ、３４ｂで示すように、下部撹拌域において下段翼７ａ、７ｂによって生じる流体３０の吐出流量（第２の吐出流量）は下方ほど増大する。
【００６９】
これによって、上部撹拌域に対する第１の吐出流量に対し、下部撹拌域に対する第２の吐出流量を大きくすることで、撹拌槽１１の内壁１２に沿って流体の上昇流が生じると共に、撹拌軸２に沿った旋回下降流を形成する。
【００７０】
又、戻って図２を併せて参照して、撹拌翼３の回転時には、同図の＋及び−の記号で示すように、撹拌翼３の回転方向前方には正圧が生じ、後方には負圧が生じる。ここで、上述したように上段翼６ａ、６ｂと下段翼７ａ、７ｂとは平面視において交差するように設けられているため、上部撹拌域と下部撹拌域とで発生する圧力勾配が槽内全体で繋がることとなる。そのため、同一平面配置の場合と比べて槽内全体での均一混合性を確保することができる。
【００７１】
このとき、本発明の第１の実施の形態のように上段翼６ａ、６ｂと下段翼７ａ、７ｂとの平面視における交差角度は直角であると、平面視において上段翼と下段翼とに仕切られるスペースが等割となるため好ましい。これによって、上部撹拌域と下部撹拌域間の流れの繋がりを促進すると共に、上段翼及び下段翼の回転時の横荷重を低減することにより回転安定性が向上する。
【００７２】
更に、上述したように撹拌装置１は、撹拌翼３が下方広がりのテーパー板状であるのに対して、下方細りのテーパー板状であるバッフル５ａ、５ｂを備えるため、バッフル５ａ、５ｂ上部の強度を下部よりも相対的に増強させることにより、流体３０の上下循環をより促進する。
【００７３】
以上説明したように、本発明の撹拌装置１にあっては、上下二段のテーパー状の撹拌翼３、上段翼６ａ、６ｂと下段翼７ａ、７ｂとの周方向の位相差、及び、逆テーパー状のバッフル５ａ、５ｂを備える。これによって、図６の矢印３５ａ、３５ｂで示すように撹拌槽１１の内壁１２に沿った上昇流及び撹拌槽１１中央の撹拌軸２付近の下降流を生じ、槽内において槽下部から槽上部に至るスムーズな一つの循環流が形成され、投入する流体の混合効率を向上させたものである。又、層流域から乱流域にわたり広い粘度範囲で使用に適しており、汎用性の高いものである。
【００７４】
又、戻って図１を併せて参照して、上述したように下段翼７ａ、７ｂと上段翼６ａ、６ｂとは間隔２１を有するように配置されていることにより、撹拌翼３の影響域が拡大するため、液面付近の流体に対して相対的に吸い込み力が強くなり、特に液面付近の混合効率が向上する。
【００７５】
更に、上述したように下段翼７ａ、７ｂの上端縁１９における翼径ｄ２は、上段翼６ａ、６ｂの下端縁１８における翼径ｄ３よりも大きいため、第１の吐出流量及び第２の吐出流量の各々は、下方に向かうにつれて増大し、第１の吐出流量の最大値（図６に示す矢印３２ａ、３２ｂ）は、第２の吐出流量の最小値（同図の矢印３３ａ、３３ｂ）より小さくなる。これによって、槽下部から槽上部に至る対流を上段翼６ａ、６ｂが阻害する虞を低減するため、上昇流がより安定し、循環流がより安定して形成され易くなる。
【００７６】
更に、上述したように下段翼７ａ、７ｂ及び上段翼６ａ、６ｂの翼径が特定の寸法関係にあることで、撹拌翼３は下段ほど回転半径が大きくなるため、下段翼７ａ、７ｂの吐出流量が上段翼６ａ、６ｂのものよりも相対的に大きくなり、槽上部へ至る内壁１２付近での上昇流の形成が促進されることで、循環効率が向上する。
【００７７】
更に、上述したように上段翼６ａの外方端部２２及び下段翼７ａの外方端部２３とバッフル５ａの内方端部２４とが、対向位置に来たとき水平方向略等間隔となるように構成されていることで、回転投影視において撹拌翼３とバッフル５ａとの水平方向距離が槽下部から槽上部にかけて一定となるため、循環流が安定する。
【００７８】
より詳細には、上段翼６ａ、６ｂから吸い込まれた流体の一部は上段翼６ａ、６ｂで半径方向に吐出して上部循環流を形成し上段翼６ａ、６ｂ付近の混合が促進される。一方で上段翼６ａ、６ｂの回転により半径方向に吐出しなかった流体は下段翼７ａ、７ｂに吸い込まれ上部撹拌域と下部撹拌域の流れが繋がる。翼間では撹拌軸２付近で旋回下降流となるが、これは、上段翼６ａ、６ｂと下段翼７ａ、７ｂの翼面に発生する圧力勾配による誘起される流れと推定される。
【００７９】
ここで、翼間距離ｈｃには最適値があり、翼間距離ｈｃが槽径Ｄの２０％程度になると圧力勾配の影響が小さくなり、上下撹拌域間の流れの繋がりが消滅する。この場合、上下撹拌域で独立した循環流が形成され、その循環流同士が干渉して混合が抑制される現象が発生する。したがって、翼間距離ｈｃについては、槽径Ｄの−５％（正面視において上段翼６ａ、６ｂの下端の一部と下段翼７ａ、７ｂの上端の一部とがオーバーラップする状態）以上１５％以下であることが好ましい。
【００８０】
そして、下段翼７ａ、７ｂに吸い込まれた流体はよりスパンが大きい翼により半径方向に吐出され、一部は下段翼７ａ、７ｂで再循環流を形成し、残りは翼回転先端と内壁１２の間の領域を液面に向かって螺旋的に上昇し、槽内全体で一つの循環流を形成する。本発明による撹拌装置１の混合の特長は、上部撹拌域で形成される局所循環流による混合促進、下部撹拌域で形成される局所循環流による混合促進に加えて、槽内の上下を繋ぐ大循環流の形成により、槽内全体で効率的な混合促進が達成されることにある。
【００８１】
ここで、下段翼７ａ、７ｂと上段翼６ａ、６ｂとが平面視において交差するように設けられていることによる他の効果について更に説明する。
【００８２】
図７は撹拌槽の周壁内部に対する上段の撹拌翼による吐出流量と下段の撹拌翼による吐出流量とを示す模式図である。
【００８３】
同図を参照して、（１）のグラフでは、撹拌軸２の回転が安定した状態において、横軸は下段翼７の回転角度を表し、縦軸は撹拌槽１１の内壁１２上の任意の点Ｐにおける下段翼７の吐出流量を表す。下段翼７の両端が点Ｐに最も近付いたとき、その第２の吐出流量はピーク値を示す。
【００８４】
同様に（２）のグラフは上段翼６によるものを表す。上段翼６は下段翼７と平面視において交差するように設けられているため、第１の吐出流量のピーク値と第２の吐出流量のピーク値とは周方向における位相が異なるものとなる。尚、同図において説明の便宜上、第２の吐出流量は第１の吐出流量と同程度の大きさとして描いている。
【００８５】
（３）は、図２に相当する撹拌槽１１の平面図に、点Ｐに対する上段翼６による第１の吐出流量３８及び下段翼７による第２の吐出流量３９を一覧できるよう模式的に加えて描いたものである。このように、第１の吐出流量３８のピーク値の周方向における第１の位相（同図における９０°及び２７０°）と、第２の吐出流量３９のピーク値の周方向における第２の位相（同図における０°及び１８０°）とを異ならせることにより、撹拌槽１１の内壁１２全体の上昇流のばらつきが減少するため、より効率的な撹拌が可能となる。
【００８６】
次に、図８は撹拌翼のトルク変動を示すグラフである。
【００８７】
（１）は本発明の第１の実施の形態、即ち上段翼と下段翼とを交差配置した場合の軸トルク変動を示し、（２）は上段翼と下段翼とを同一平面配置した場合の軸トルク変動を示す。いずれも、横軸は回転を開始してからの経過時間を示し、縦軸は圧力モーメントを示す。
【００８８】
同図を参照して、（１）で示す交差配置の場合は、（２）に示す同一平面配置の場合と比べて回転時のトルク変動を１／３以下に低減された。これによって、機械的な安定性の確保と信頼性向上に寄与するものである。
【００８９】
次に、図９はこの発明の第２の実施の形態による撹拌装置の撹拌翼の構造を示す平面図である。
【００９０】
尚、第２の実施の形態による撹拌装置４１は、基本的な構造は上述した第１の実施の形態による撹拌装置と同様であるため、相違点を中心に以下説明する。
【００９１】
同図を参照して、撹拌装置４１は、上段翼４６及び下段翼４７を後退化させたものである。具体的には、上段翼４６及び下段翼４７の各々は、同図に示す平面視において回転方向に対して凸形状となる曲面板で形成されたものである。
【００９２】
このように構成すると、上段翼及び下段翼の吐出流量が増加し、内壁付近の上昇流速及び撹拌軸付近の吸い込み下降流速が向上するため、回転数を低減させることができ、経済的となる。
【００９３】
次に、図１０はこの発明の第３の実施の形態及び第４の実施の形態による撹拌装置の下段の撹拌翼の構造を示す正面図である。
【００９４】
まず（１）を参照して、第３の実施の形態による撹拌装置４９にあっては、下段翼５０ａ、５０ｂが正面視において一体として下方広がりの台形形状となっており、平底の撹拌槽に適したものである。
【００９５】
又、（２）を参照して、第４の実施の形態による撹拌装置５３にあっては、下段翼５４ａ、５４ｂが正面視において一体として下方に頂点を有する略五角形形状となっており、コニカル底の撹拌槽に適したものである。
【００９６】
尚、上記の各実施の形態では、撹拌装置の各構成要素は特定形状のものであったが、他の形状であっても良い。例えば、上述した第３、第４の実施の形態のように、撹拌装置を用いる撹拌槽の形状に応じて下段翼等の形状を変更することができる。
【００９７】
又、上記の各実施の形態では、バッフルは対向する位置に２個設けられていたが、少なくとも１つあれば良い。又、３個以上設けられていても良い。この場合、周方向に等間隔に設けられることが好ましい。
【００９８】
更に、上記の各実施の形態では、バッフルは平板状であったが、棒状等の他の形状であっても良い。
【００９９】
更に、上記の各実施の形態では、上段翼及び下段翼はそれぞれ別途の２枚の翼を固定具で撹拌軸に固定することで一体化して構成されていたが、１枚の翼からなるものも、互いに反対方向に延びる一対の上段翼又は下段翼に該当する。
【０１００】
更に、上記の各実施の形態では、上段翼及び下段翼は固定具を用いて固定することで撹拌軸に接続されていたが、溶接等の他の方法により接続されていても良い。
【０１０１】
更に、上記の各実施の形態では、上段翼と下段翼との間隔は特定の寸法であったが、撹拌槽の直径Ｄを１００％とすると、間隔の上下方向距離は３％以上１５％以下であることが好ましい。このようにすると、対流を間隔が阻害せず、且つ、安定して撹拌翼の影響域が拡大するため、流体の混合効率がより向上する。尚、上段翼と下段翼との間隔が一定でない場合は、上段翼の下端縁の下方の範囲における実質的な間隔の平均を取るものとする。
【０１０２】
更に、上記の各実施の形態では、上段翼と下段翼とは間隔を設けるように設置されていたが、間隔を設けなくとも良い。例えば、回転投影視において、上段翼の下端縁と下段翼の上端縁とが一致するようにしても良いし、上段翼の下方の一部と下段翼の上方の一部とが重なるようにしても良い。
【０１０３】
更に、上記の各実施の形態では、下段翼の上端縁における翼径は、上段翼の下端縁における翼径よりも大きいものとしていたが、同一長さのものであっても良いし、小さいもの（例えば上段翼及び下段翼が同一形状の場合が挙げられる。）であっても良い。
【０１０４】
更に、上記の各実施の形態では、撹拌装置の各構成要素が特定の寸法関係であったが、他の寸法関係であっても良い。ここで、撹拌槽の直径Ｄを１００％とすると、下段翼の下端縁における翼径ｄ１は５５％〜６５％であり、下段翼の上端縁における翼径ｄ２は５０％〜６０％であり、上段翼の下端縁における翼径ｄ３は４５％〜５５％であり、上段翼の上端縁における翼径ｄ４は４０％〜５０％であって、且つ、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞ｄ４となるものが好ましい。このように構成すると、撹拌翼は下段ほど回転半径が大きくなるため、下段翼の吐出流量が上段翼よりも相対的に大きくなり、槽上部へ至る内壁付近での上昇流が促進されることで、循環効率が向上する。
【０１０５】
又、他の寸法関係にあっては、同様に撹拌槽の直径Ｄを１００％とすると、撹拌槽の高さＨは１００％〜１５０％、下段翼の高さｈ１は４０〜５０％、上段翼の高さｈ２は４０〜５０％、撹拌槽１１の底部と下段翼の下端縁との距離ｂｃは２．５％〜５％であることが好ましい。
【０１０６】
更に、上記の各実施の形態では、下段翼と上段翼との平面視における交差角度が直角であったが、直角でなくとも良い。
【０１０７】
更に、上記の各実施の形態では、上段翼及び下段翼とバッフルとが水平方向略等間隔であったが、テーパー角度をそれぞれ異ならせることで等間隔でないものとしても良い。
【０１０８】
更に、上記の第２の実施の形態では、撹拌翼が特定の曲面板であったが、撹拌翼全体が曲面でなくとも良い。例えば第１の実施の形態における平板状の端部のみ後退化させたものが挙げられる。
【０１０９】
更に、上記の各実施の形態では、特定の撹拌装置を用いて流体の撹拌方法を説明したが、上段の撹拌翼による第１の吐出流量に対し下段の撹拌翼による第２の吐出流量を大きくするものであれば、他の撹拌装置を用いたものであっても良い。
【０１１０】
更に、上記の各実施の形態では、流体の撹拌方法において、第１の吐出流量及び第２の吐出流量の最大値及び最小値が特定の関係にあったが、下方に向かうにつれて増大するものでなくとも良いし、又、第１の吐出流量の最大値が第２の吐出流量の最小値より大きいものであっても良い。
【０１１１】
更に、上記の各実施の形態では、流体の撹拌方法において、上段の撹拌翼と下段の撹拌翼とを交差させるものであったが、交差させないものであっても良い。
【実施例】
【０１１２】
以下、本発明について具体的な実施例を挙げて説明する。尚、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
【０１１３】
＜試験１＞撹拌翼二段化の効果
１．試験条件
以下の器具を使用して、着脱色試験を行った。即ち流体の混合により脱色が進み、脱色が完了することで流体の混合が完了したものとした。
・撹拌槽…内径Ｄ４００ｍｍ、高さＨ８００ｍｍ、液深５００ｍｍ、投入動力０．５ｋＷ／ｍ３
・試験流体…水あめ（粘性係数３．０Ｐａ・ｓ）
・薬品…１規定ヨウ素溶液による着色法、１規定チオ硫酸ナトリウム水溶液による脱色法
・撹拌装置…実施例１として、上述した第１の実施の形態によるもの、即ち上下二段の撹拌翼であって交差配置されたものを用いた。比較例１として、撹拌翼を１段のテーパー板状（同一平面配置）とした点以外は実施例１と同様としたものを用いた。
２．試験結果
図１１は試験１の結果を示す図である。
同図を参照して、混合開始から２０秒後に、比較例１では槽下部及び槽上部に混合不良部が発生したのに対し、実施例１では均一混合が達成されることが確認された。
これは、実施例１では撹拌翼の回転によって形成される上部撹拌域と下部撹拌域との圧力差により、上段翼より吸い込まれた流体が下部撹拌域へ繋がって流入したことに起因する。
【０１１４】
＜試験２−１＞撹拌翼交差配置の効果（流速分布）
１．試験条件
実施例１及び比較例１について、液深による断面流速分布を計算により求め、循環流を観察した。計算には流れの数値解析の手法を採用した。
２．試験結果
図１２は試験２−１の結果を示す図である。
同図を参照して、実施例１では、撹拌槽中央の撹拌軸付近で旋回下降流を形成し、内壁付近で旋回上昇流を形成することで、槽内全体で流体の入れ替えが促進された。これは、上段翼と下段翼との位相差により槽上部と槽下部を繋ぐ流れが形成されたものと考えられる。
一方、比較例１では、液深下方から９０ｍｍ及び１７０ｍｍの箇所（中心下部付近）で反転流の形成が見られた。これは、同一平面配置の撹拌翼から吐出される上部撹拌域の渦と下部撹拌域の渦とが干渉し、槽上部の流体が槽下部にまで至らなかったものと考えられる。
【０１１５】
＜試験２−２＞撹拌翼交差配置の効果（混合性能）
１．試験条件
実施例１及び比較例１について、拡散物質の移動状況を測定し、循環流を観察した。拡散物質移動の状況は計算により求めた。計算には流れの数値解析に拡散物質の輸送方程式を連成させた。
・拡散物質…仮想濃度トレーサー
２．試験結果
図１３は試験２−２の結果を示す図である。
同図を参照して、実施例１では、液面より投入された拡散物質は槽下部にまで移流し、槽内での均一混合が確認された。
一方、比較例１では、試験２−１で述べたように中心下部付近で上部撹拌域の渦と下部撹拌域の渦とが干渉したことで、拡散物質の槽下部への移流が阻害され、混合不均一部が形成された。
【０１１６】
＜試験３−１＞バッフルの効果（バッフル有無、乱流域）
１．試験条件
以下のものを除き、使用器具及び試験条件は試験１と同様である。
・撹拌装置…実施例１の他、比較例２として、バッフルを無くした点以外は実施例１と同様としたものを用いた。
・試験流体…水（粘性係数０．００１Ｐａ・ｓ)
・投入動力…０．１ｋＷ／ｍ３
２．試験結果
図１４は試験３−１の結果を示す図である。
同図を参照して、粘性係数が小さい乱流域において、実施例１では混合開始から６秒後には混合が完了した。一方、比較例２では混合完了までに１２秒を要した。これは、実施例１ではバッフルの存在により流体に乱流が発生し混合が促進されるのに対し、比較例２ではバッフルが無いため撹拌翼の回転により流体が共廻りして混合が遅れたものと考えられる。
【０１１７】
＜試験３−２＞バッフルの効果（バッフル有無、遷移域）
１．試験条件
以下のものを除き、使用器具及び試験条件は試験３−１と同様である。
・試験流体…水あめ（粘性係数３Ｐａ・ｓ）
・投入動力…０．５ｋＷ／ｍ３
２．試験結果
図１５は試験３−２の結果を示す図である。
同図を参照して、粘性係数が比較的大きくなった場合、比較例２では撹拌翼先端まわりにリング状の未脱色部が残るのに対し、実施例１では均一に混合されることが確認された。
【０１１８】
＜試験４＞バッフルの効果（バッフル枚数、差込深さ）
１．試験条件
以下のものを除き、使用器具及び試験条件は試験１と同様である。
・撹拌装置…実施例１の他、実施例２として、バッフルを逆テーパー状でなく矩形平板状とした点以外は実施例１と同様としたものを用いた。又、比較例３として、バッフルの差込深さを上方半分（２５０ｍｍ）とした点以外は実施例１と同様としたものを用いた。更に、比較例４として、バッフルの差込深さを上方半分（２５０ｍｍ）とした点以外は実施例２と同様としたものを用いた。
・試験流体…水あめ（粘性係数３Ｐａ・ｓ）
・投入動力…０．５ｋＷ／ｍ３
２．試験結果
図１６は試験４の結果を示す図である。
同図を参照して、実施例１及び実施例２では好適に混合が完了した。一方、比較例３及び比較例４では、下段翼まわりでリング状の未脱色部が形成された。
【０１１９】
＜試験５−１＞液深対応試験（乱流域）
１．試験条件
以下のものを除き、使用器具及び試験条件は試験１と同様である。
・撹拌槽…液深１００ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍ、５００ｍｍのものを用いた。
・撹拌装置…実施例１を用いた。
・投入動力…０．１ｋＷ／ｍ３
・試験流体…水（粘性係数０．００１Ｐａ・ｓ）
２．試験結果
図１７は試験５−１の結果を示す図である。
同図を参照して、乱流域において、実施例１は液深１００ｍｍ〜５００ｍｍのいずれの場合であっても好適に混合が完了することが確認された。液深が変化する操作においても対応できるものである。
【０１２０】
＜試験５−２＞液深対応試験（遷移域）
１．試験条件
以下のものを除き、使用器具及び試験条件は試験５−１と同様である。
・投入動力…０．５ｋＷ／ｍ３
・流体…水あめ（粘性係数３Ｐａ・ｓ）
２．試験結果
図１８は試験５−２の結果を示す図である。
同図を参照して、遷移域においても、実施例１は液深１００ｍｍ〜５００ｍｍのいずれの場合であっても好適に混合が完了することが確認された。尚、液深４００ｍｍにおいて若干混合の遅れが見られたが、これは上段翼上部が液表面から出ており、液面付近の流体を半径方向に吐き出すことにより、撹拌軸付近への吸い込みが抑制されたことによるものと考えられる。しかしながら、液面が上段翼上部よりも上にくると、吸い込みが勝ることとなり、再び良好な混合が促進されている。
【０１２１】
＜試験６＞上段翼と下段翼との間隔の効果
１．試験条件
以下の点を除き、基本的に試験１と同様である。
・投入動力…０．５ｋＷ／ｍ３
・流体…水あめ（粘性係数３Ｐａ・ｓ）
・撹拌装置…実施例１の他、実施例３として、上段翼と下段翼との間隔を無くした点以外は実施例１と同様としたものを用いた。又、実施例４として、上段翼と下段翼とがオーバーラップ（距離５％）したものを用いた。
２．試験結果
図１９は試験６の結果を示す図である。
同図を参照して、実施例１、実施例３及び実施例４のいずれも、遷移域の高粘度の流体に対しても均一混合が達成されることが確認された。尚、実施例３及び実施例４に比べ、実施例１の方が液面付近の混合がやや早く完了することが確認された。
【符号の説明】
【０１２２】
１、４１、４９、５３…撹拌装置
２…撹拌軸
３…撹拌翼
５…バッフル
６、４６…上段翼
７、４７、５０、５４…下段翼
１１…撹拌槽
１２…内壁
１７…上端縁
１８…下端縁
１９…上端縁
２０…下端縁
２１…間隔
２２…外方端部
２３…外方端部
２４…内方端部
３０…流体
３８…第１の吐出流量
３９…第２の吐出流量
尚、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
【図１】
0006845584.tif 000002
【図２】
0006845584.tif 000003
【図３】
0006845584.tif 000004
【図４】
0006845584.tif 000005
【図５】
0006845584.tif 000006
【図６】
0006845584.tif 000007
【図７】
0006845584.tif 000008
【図８】
0006845584.tif 000009
【図９】
0006845584.tif 000010
【図１０】
0006845584.tif 000011
【図１１】
0006845584.tif 000012
【図１２】
0006845584.tif 000013
【図１３】
0006845584.tif 000014
【図１４】
0006845584.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
0006845584.tif 000017
【図１７】
0006845584.tif 000018
【図１８】
0006845584.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
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