專利名稱：攪拌裝置的制作方法
攪拌裝置技術(shù)領域
本發(fā)明一般涉及攪拌裝置，更詳細地講，本發(fā)明涉及一種既考慮節(jié)能又能夠高效攪拌液體的攪拌裝置。
背景技術(shù)：
本發(fā)明人已提出無需機械的驅(qū)動源即可高效攪拌流體的各種攪拌裝置(參照專利文獻廣4)。
專利文獻1:日本專利第3058876號說明書
專利文獻2 :日本專利第4195782號說明書
專利文獻3 :日本專利第4384477號說明書
專利文獻4 :日本專利第4710070號說明書發(fā)明內(nèi)容
在上述的攪拌裝置中，通過始終向容器內(nèi)的液體中吹入氣體或液體能夠進行液體的攪拌，但是，本發(fā)明對在上述的專利文獻、特別是專利文獻I中提出的裝置進行了改良發(fā)展，其目的在于提供一種既考慮節(jié)能又能夠高效攪拌液體的裝置。
參照圖3，對本發(fā)明的攪拌裝置的工作原理進行說明。當向底部具有單孔噴嘴的圓筒形容器內(nèi)填充液體并從單孔噴嘴向液體內(nèi)吹入氣體時，會形成上升氣泡噴流。如專利文獻I所示，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在一定條件下由該上升氣泡噴流產(chǎn)生有利于液體的攪拌的回旋現(xiàn)象。即，將圓筒形容器的內(nèi)徑設為D，將單孔噴嘴和液面的高度差設為H1，當0和氏的關(guān)系為約O. 3<^/0<約I時，氣泡噴流在半徑方向上的位移較小，產(chǎn)生周期較短的回旋現(xiàn)象， 圓筒形容器內(nèi)的液體進行與搖動類似的動作。此處，搖動是指一種通過在軸方向或半徑方向上對容器施加振動而引起液體的振動的現(xiàn)象?？赏茰y出，上述的回旋現(xiàn)象是由與氣泡的生成、上升相伴的氣體對液體施加周期性振動而引起的。
另外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當D與H1的關(guān)系為約O. 3<^/0<約1. 7時，一使液體從單口噴嘴向液體內(nèi)噴出就會形成上升噴流，從而產(chǎn)生與上述的向液體內(nèi)吹入氣體的情況同樣的現(xiàn)象。
上述的回旋現(xiàn)象是由氣泡(或液體)對液體施加周期性振動引起的，因此為了產(chǎn)生有利于液體的攪拌的回旋現(xiàn)象，需要使吹入的氣體(或液體)的流量在臨界值以上，且氣泡 (或液體)為吹穿液面的程度以下。另外，本說明書中使用的詞語“吹穿”的意思是指一種從噴嘴吹入液體中的氣體(或液體)形成氣柱(或液柱)并從液面向外部離去的現(xiàn)象。
本發(fā)明人按以下方法計算出了氣體(或液體)的流量的臨界值。根據(jù)與搖動相關(guān)的研究，通過容器的勵振引起液面的波動，該波動經(jīng)由粘性向液體的內(nèi)部傳播，從而引起液體內(nèi)部的運動。因此，可推測出通過抑制液面的波動現(xiàn)象能夠使回旋停止。根據(jù)本發(fā)明人的實驗，可以得出如下的結(jié)論勵振力的主要部分是在氣泡(或液體)上升而從液面露出時大致周期性地對液體產(chǎn)生影響的力。假定該 力依賴于上升液體的慣性力。另外，要使波動停止的力應該與表面張力有關(guān)。本發(fā)明人通過實驗確定了若作為液體的慣性力與表面張力的比值而定義的韋伯數(shù)We=P lQ2/ ( σ lD3)為10_5以上則會產(chǎn)生有利于液體攪拌的回旋現(xiàn)象。 即，上式的韋伯數(shù)We=10_5是臨界值。此處，P ^是液體的密度，Q是氣體的吹入流量(或液體的噴出流量)，σ L是液體的表面張力，D是圓筒形容器的內(nèi)徑。
另一方面，如圖3 (b)的箭頭A所示，比單孔噴嘴更靠近上方的液體向一個方向回旋時，根據(jù)角動量守恒定律，如圖3(b)的箭頭B所示，比單孔噴嘴更靠近下方的液體向相反方向回旋。比單孔噴嘴更靠近下方的回旋流B使比單孔噴嘴更靠近上方的回旋流A穩(wěn)定， 即使因向回旋流A中投入固態(tài)物質(zhì)等而使回旋流A的速度降低或產(chǎn)生混亂，若存在回旋流 B，則也能夠容易恢復到原來的狀態(tài)。因此，雖然不是必須，但優(yōu)選為，在比單孔噴嘴更靠近下方處設置一定深度的區(qū)域。
如上所述，已發(fā)現(xiàn)通過向底部具有單孔噴嘴的圓筒形容器內(nèi)填充液體并從單孔噴嘴向液體內(nèi)吹入氣體(或噴出液體)，能夠在一定的條件下產(chǎn)生有利于液體攪拌的回旋現(xiàn)象，在該裝置中，由于需要始終吹入氣體(或噴出液體)，因此，從效率性的觀點來看，很難說一定滿足。因此，在本發(fā)明中開發(fā)了能夠良好攪拌容器內(nèi)的液體而無需始終進行氣體的吹入(或液體的噴出)的裝置。
上述的攪拌裝置中的液體的回旋現(xiàn)象是以向液體內(nèi)吹入氣體(或液體的噴出)為前提的，因此可以預想到當氣體的吹入(或液體的噴出)停止后經(jīng)過一段時間時，回旋將停止。本發(fā)明著眼于此，通過控制氣體的吹入時間(或液體的噴出時間)，開發(fā)了既考慮節(jié)能又能夠?qū)σ后w進行高效攪拌的裝置。
通過向液體內(nèi)吹入氣體(或液體的噴出)而產(chǎn)生的回旋現(xiàn)象達到穩(wěn)定狀態(tài)后，將從停止氣體的吹入(或液體的噴出)到觀察不到容器內(nèi)的液體的振動為止的時間定義為回旋停止時間，并通過實驗來求算該回旋停止時間。
圖4表示該實驗所使用的實驗裝置。在實驗中，使用內(nèi)徑D=80cm、123cm、200cm的三種丙烯制的圓筒形容器，利用質(zhì)量流量計進行控制并以流量QA=2(T300cm3/S的范圍從內(nèi)徑dn=2mm的噴嘴吹入氣體。另外，當通過目視進行回旋停止時間的測定時，由于偏差較大， 因此使用了探測器。即，在距圓筒形容器的側(cè)壁5mm的內(nèi)側(cè)的靜止液面的上方O. 5mm的位置處設置單針式探測器，用筆尖記錄器記錄該探測器的輸出信號。探測器前端的電極周期性地浸入液體，此時的輸出電壓是5V，但是，當液體的回旋停止時，輸出電壓經(jīng)過一個周期變?yōu)?V。因此，將輸出電壓變成OV所需的時間設為回旋停止時間Ts’A。
圖5表示該實驗的測定結(jié)果，其中，縱軸表示回旋停止時間Ts,A(s)，橫軸表示吹入氣體的流量Qa (cm3/s)ο關(guān)于D=80cm、123cm的測定值，由于在高氣體流量域產(chǎn)生氣體的吹穿，因此程度稍有不同，但氣體流量Qa越大，回旋停止時間TS，A越長。這是因為，氣體流量Qa 越大，氣體向液體施加的動能就越大，從而所需要的回旋停止時間越長。
圖6是表示使用無量綱數(shù)整理實驗的測定結(jié)果的圖。在圖6中，橫軸表示通過量綱解析求算出的無量綱數(shù)Re1/2 · (HQA/D7/2g1/2)，縱軸表示無量綱數(shù)TS， A Qa/D3。
此處，Re (= (QA2/g)2/5 (g/D) 1/2/vL)是將氣泡沿半徑方向擴大比例的(QA2/g) 1/5 (g/D) 1/2設為代表長度而將(QA2/g) 1/5 (g/D) 1/2設為代表速度的雷諾數(shù)，是記錄隨氣泡噴流而回旋的液體的運動的無量綱數(shù)。
另外，(g/D) 1/2為回旋周期的比例，g為重力加速度(mm/s2), Vl為液體的動粘度(mm2/s),HL為水深(mm)。HLQA/D7/2g1/2是根據(jù)下式的單位時間的投入能量而推導出的，是記述除氣泡噴流部之外的液體的運動的無量綱數(shù)。
ε = ( P L — σ g) · g · Hl · Qa
另外，Ts,AQa/D3是將空塔速度設為代表速度的斯特勞哈爾數(shù)的倒數(shù)。
通過實驗，回旋停止時間TS，A通過下式(I)求得。
Ts,A QA/D3=llRe1/2 · (HLQA/D7/2g1/2) (I)
其中，O.02〈Re1/2 · (HLQA/D7/2g1/2)〈2
在上述的例子中，通過從噴嘴向液體內(nèi)吹入氣體而產(chǎn)生回旋現(xiàn)象，但是，取代氣體，即使通過以某一臨界值以上流量從噴嘴向液體內(nèi)噴出液體，也可以產(chǎn)生回旋現(xiàn)象。在吹入氣體的情況下，需要充分的時間直至氣泡受到的浮力引起液體的循環(huán)運動，相對于此，在噴出液體的情況下，可以直接利用液體的慣性力，因此，有望大幅度地縮短液體發(fā)生回旋運動所需時間。另外，在由氣體的吹入引起的攪拌中，當氣體流量增大時，由于產(chǎn)生吹拂現(xiàn)象， 因此可預測投入的能量不能有效地用于攪拌的狀況，但是，在由液體的噴出引起的攪拌中沒有這種可能性。
與氣體吹入的例子同樣地，通過向液體內(nèi)噴出液體而產(chǎn)生的回旋現(xiàn)象達到穩(wěn)定狀態(tài)后，將從液體的噴出停止到觀察不到容器內(nèi)的液體的振動的時間定義為回旋停止時間， 并通過實驗求算該回旋停止時間。
圖7表示該實驗所使用的實驗裝置。在實驗中，作為圓筒形容器，使用內(nèi)徑 D=100cm> 130cm、150cm>200cm>309cm的五種丙烯制的圓筒形容器，作為設于圓筒形容器的底面中央的噴嘴，使用內(nèi)徑dn=5mm、10mm、13mm、15mm的四種。用截面為正方形的容器覆蓋圓筒形容器的周圍，并在其間裝滿離子交換水。而且，利用逆變器調(diào)整泵的輸出，從而調(diào)整吹入水的流量QL。此時，為使圓筒形容器內(nèi)的水面恒定，從設置在圓筒形容器的底部的四個排水管中排出水，使之循環(huán)。在實驗中，水流量設定在(T750cm3/S的范圍內(nèi)，將水深HJ余以圓筒形容器的內(nèi)徑D的值定義為縱橫尺寸比，使該縱橫尺寸比在(Tl. 5的范圍內(nèi)變化。
縱軸表示回旋停止時間Tw,橫軸表示噴出水流量Qlj,圖8 Ca)表示不同的圓筒形容器的實驗結(jié)果，圖8 (b)表示不同噴嘴的實驗結(jié)果，及圖8 (C)表示不同縱橫尺寸比的實驗結(jié)果?？烧J為回旋停止時間Ty幾乎不受水流量、噴嘴內(nèi)徑及縱橫尺寸比的影響，只與內(nèi)徑D有關(guān)。
圖9是表示使用無量綱數(shù)來整理實驗的測定結(jié)果的圖。在圖9中，縱軸使用容器內(nèi)徑D (mm)與重力加速度g (mm/s2)來表示無量綱化的回旋停止時間(s),橫軸表示修正羅斯貝數(shù)Rom。
此處，修正羅斯貝數(shù)Rom表示噴流具有的慣性力與回旋液體的慣性力的比值，回旋停止時間Ty與修正羅斯貝數(shù)Rom無關(guān)，并能夠根據(jù)以下的(2)式以±25%的偏差進行近似。
Tsl (g/D)05=500 (2)
Roi11=Ql2/ (g dn2D3)
本申請的技術(shù)方案I所記載的攪拌裝置具備內(nèi)徑為D的圓筒形容器或具有內(nèi)接圓直徑為D的多邊形截面形狀的多邊形容器，在上述容器中收容有要進行攪拌的液體，在上述容器的大致中央配置有噴嘴，該噴嘴在距液面深度為H1的部位被定向為朝上且用于向上述液體內(nèi)吹入氣體或噴出液體，深度H1與內(nèi)徑或內(nèi)接圓直徑D的比值H1ZD在氣體吹入時處于O. 3^1的范圍，而在噴出液體時處于O. 3^1. 7的范圍，從上述噴嘴向上述液體內(nèi)吹入的氣體的流量或噴出液體的流量Q是滿足P J2/ (h D3)=10_5 (此處，P L為液體的密度，h 為液體的表面張力)的流量以上、上述氣體的氣泡或液體的液柱未吹穿上述液體的液面的流量以下的流量，上述攪拌裝置的特征在于，包括閥，用于容許或切斷向上述容器內(nèi)吹入空氣或噴出液體；閥驅(qū)動部，用于開閉驅(qū)動上述閥；及閥控制部，用于向上述閥驅(qū)動部輸出閥開閉信號，通過從上述閥控制部向上述閥驅(qū)動部輸出閥打開信號或閥關(guān)閉信號，根據(jù)預先設定的條件容許或切斷上述空氣的吹入或液體的噴出。
本申請技術(shù)方案2所記載的攪拌裝置，其特征在于，在技術(shù)方案I的裝置中，上述預先設定的條件為
在吹入空氣的情況下，在空氣的吹入停止后，由下式
權(quán)利要求
1.一種攪拌裝置，具備內(nèi)徑為D的圓筒形容器或內(nèi)接圓直徑為D截面形狀呈多邊形的多邊形容器，在所述容器中收容有要進行攪拌的液體，在所述容器的大致中央配置有噴嘴，該噴嘴在距液面深度為H1的部位被定向為朝上且用于向所述液體內(nèi)吹入氣體或噴出液體，深度H1與內(nèi)徑或內(nèi)接圓直徑D的比值H1ZD在吹入氣體時處于0. 3^1的范圍，而在噴出液體時處于0. 3^1. 7的范圍，從所述噴嘴向所述液體內(nèi)吹入的氣體的流量或噴出的液體的流量Q是滿足PしQV ( h D3)=10_5的流量以上、所述氣體的氣泡或液體的液柱未吹穿所述液體的液面的流量以下的流量，此處，Pし為液體的密度，O ^為液體的表面張力，其特征在于，所述攪拌裝置包括 閥，用于容許或切斷向所述容器內(nèi)吹入空氣或噴出液體； 閥驅(qū)動部，用于開閉驅(qū)動所述閥；及 閥控制部，用于向所述閥驅(qū)動部輸出閥開閉信號， 通過從所述閥控制部向所述閥驅(qū)動部輸出閥打開信號或閥關(guān)閉信號，根據(jù)預先設定的條件容許或切斷所述空氣的吹入或液體的噴出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攪拌裝置，其特征在于，所述預先設定的條件為 在吹入空氣的情況下，在停止空氣的吹入后，由下式
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攪拌裝置，其特征在于，所述預先設定的條件為 在吹入空氣的情況下，在停止空氣的吹入后，在由下式
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述預先設定的條件為 在吹入空氣的情況下，在停止空氣的吹入后，在由下式
全文摘要
本發(fā)明提供一種既考慮節(jié)能又能夠?qū)σ后w進行高效攪拌的攪拌裝置。該攪拌裝置包括內(nèi)徑為D的圓筒形容器，在容器內(nèi)收容有要進行攪拌的液體，在容器的大致中央位置配置有噴嘴，該噴嘴在距液面深度為H1的部位被定向為朝上，深度(H1)與內(nèi)徑(D)的比值(H1/D)處于0.3~1的范圍內(nèi)，從噴嘴向液體內(nèi)吹入的氣體的流量(Q)是滿足ρLQ2/(σLD3)=10-5的流量以上、氣體的氣泡未吹穿液面的流量以下的流量，該攪拌裝置的特征在于，包括閥，用于容許或切斷向容器內(nèi)吹入氣體；閥驅(qū)動部，用于開閉驅(qū)動閥；及閥控制部，用于向閥驅(qū)動部輸出閥開閉信號。
文檔編號B01F13/02GK103041739SQ201210375150
公開日2013年4月17日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者井口學, 設樂守良 申請人:井口學, 株式會社欣思