专利名称：搅拌装置的制作方法
搅拌装置技术领域
本发明一般涉及搅拌装置，更详细地讲，本发明涉及一种既考虑节能又能够高效搅拌液体的搅拌装置。
背景技术：
本发明人已提出无需机械的驱动源即可高效搅拌流体的各种搅拌装置(参照专利文献广4)。
专利文献1:日本专利第3058876号说明书
专利文献2 :日本专利第4195782号说明书
专利文献3 :日本专利第4384477号说明书
专利文献4 :日本专利第4710070号说明书发明内容
在上述的搅拌装置中，通过始终向容器内的液体中吹入气体或液体能够进行液体的搅拌，但是，本发明对在上述的专利文献、特别是专利文献I中提出的装置进行了改良发展，其目的在于提供一种既考虑节能又能够高效搅拌液体的装置。
参照图3，对本发明的搅拌装置的工作原理进行说明。当向底部具有单孔喷嘴的圆筒形容器内填充液体并从单孔喷嘴向液体内吹入气体时，会形成上升气泡喷流。如专利文献I所示，本发明人发现在一定条件下由该上升气泡喷流产生有利于液体的搅拌的回旋现象。即，将圆筒形容器的内径设为D，将单孔喷嘴和液面的高度差设为H1，当0和氏的关系为约O. 3<^/0<约I时，气泡喷流在半径方向上的位移较小，产生周期较短的回旋现象， 圆筒形容器内的液体进行与摇动类似的动作。此处，摇动是指一种通过在轴方向或半径方向上对容器施加振动而引起液体的振动的现象。可推测出，上述的回旋现象是由与气泡的生成、上升相伴的气体对液体施加周期性振动而引起的。
另外，本发明人发现当D与H1的关系为约O. 3<^/0<约1. 7时，一使液体从单口喷嘴向液体内喷出就会形成上升喷流，从而产生与上述的向液体内吹入气体的情况同样的现象。
上述的回旋现象是由气泡(或液体)对液体施加周期性振动引起的，因此为了产生有利于液体的搅拌的回旋现象，需要使吹入的气体(或液体)的流量在临界值以上，且气泡 (或液体)为吹穿液面的程度以下。另外，本说明书中使用的词语“吹穿”的意思是指一种从喷嘴吹入液体中的气体(或液体)形成气柱(或液柱)并从液面向外部离去的现象。
本发明人按以下方法计算出了气体(或液体)的流量的临界值。根据与摇动相关的研究，通过容器的励振引起液面的波动，该波动经由粘性向液体的内部传播，从而引起液体内部的运动。因此，可推测出通过抑制液面的波动现象能够使回旋停止。根据本发明人的实验，可以得出如下的结论励振力的主要部分是在气泡(或液体)上升而从液面露出时大致周期性地对液体产生影响的力。假定该 力依赖于上升液体的惯性力。另外，要使波动停止的力应该与表面张力有关。本发明人通过实验确定了若作为液体的惯性力与表面张力的比值而定义的韦伯数We=P lQ2/ ( σ lD3)为10_5以上则会产生有利于液体搅拌的回旋现象。 即，上式的韦伯数We=10_5是临界值。此处，P ^是液体的密度，Q是气体的吹入流量(或液体的喷出流量)，σ L是液体的表面张力，D是圆筒形容器的内径。
另一方面，如图3 (b)的箭头A所示，比单孔喷嘴更靠近上方的液体向一个方向回旋时，根据角动量守恒定律，如图3(b)的箭头B所示，比单孔喷嘴更靠近下方的液体向相反方向回旋。比单孔喷嘴更靠近下方的回旋流B使比单孔喷嘴更靠近上方的回旋流A稳定， 即使因向回旋流A中投入固态物质等而使回旋流A的速度降低或产生混乱，若存在回旋流 B，则也能够容易恢复到原来的状态。因此，虽然不是必须，但优选为，在比单孔喷嘴更靠近下方处设置一定深度的区域。
如上所述，已发现通过向底部具有单孔喷嘴的圆筒形容器内填充液体并从单孔喷嘴向液体内吹入气体(或喷出液体)，能够在一定的条件下产生有利于液体搅拌的回旋现象，在该装置中，由于需要始终吹入气体(或喷出液体)，因此，从效率性的观点来看，很难说一定满足。因此，在本发明中开发了能够良好搅拌容器内的液体而无需始终进行气体的吹入(或液体的喷出)的装置。
上述的搅拌装置中的液体的回旋现象是以向液体内吹入气体(或液体的喷出)为前提的，因此可以预想到当气体的吹入(或液体的喷出)停止后经过一段时间时，回旋将停止。本发明着眼于此，通过控制气体的吹入时间(或液体的喷出时间)，开发了既考虑节能又能够对液体进行高效搅拌的装置。
通过向液体内吹入气体(或液体的喷出)而产生的回旋现象达到稳定状态后，将从停止气体的吹入(或液体的喷出)到观察不到容器内的液体的振动为止的时间定义为回旋停止时间，并通过实验来求算该回旋停止时间。
图4表示该实验所使用的实验装置。在实验中，使用内径D=80cm、123cm、200cm的三种丙烯制的圆筒形容器，利用质量流量计进行控制并以流量QA=2(T300cm3/S的范围从内径dn=2mm的喷嘴吹入气体。另外，当通过目视进行回旋停止时间的测定时，由于偏差较大， 因此使用了探测器。即，在距圆筒形容器的侧壁5mm的内侧的静止液面的上方O. 5mm的位置处设置单针式探测器，用笔尖记录器记录该探测器的输出信号。探测器前端的电极周期性地浸入液体，此时的输出电压是5V，但是，当液体的回旋停止时，输出电压经过一个周期变为0V。因此，将输出电压变成OV所需的时间设为回旋停止时间Ts’A。
图5表示该实验的测定结果，其中，纵轴表示回旋停止时间Ts,A(s)，横轴表示吹入气体的流量Qa (cm3/s)ο关于D=80cm、123cm的测定值，由于在高气体流量域产生气体的吹穿，因此程度稍有不同，但气体流量Qa越大，回旋停止时间TS，A越长。这是因为，气体流量Qa 越大，气体向液体施加的动能就越大，从而所需要的回旋停止时间越长。
图6是表示使用无量纲数整理实验的测定结果的图。在图6中，横轴表示通过量纲解析求算出的无量纲数Re1/2 · (HQA/D7/2g1/2)，纵轴表示无量纲数TS， A Qa/D3。
此处，Re (= (QA2/g)2/5 (g/D) 1/2/vL)是将气泡沿半径方向扩大比例的(QA2/g) 1/5 (g/D) 1/2设为代表长度而将(QA2/g) 1/5 (g/D) 1/2设为代表速度的雷诺数，是记录随气泡喷流而回旋的液体的运动的无量纲数。
另外，(g/D) 1/2为回旋周期的比例，g为重力加速度(mm/s2), Vl为液体的动粘度(mm2/s),HL为水深(mm)。HLQA/D7/2g1/2是根据下式的单位时间的投入能量而推导出的，是记述除气泡喷流部之外的液体的运动的无量纲数。
ε = ( P L — σ g) · g · Hl · Qa
另外，Ts,AQa/D3是将空塔速度设为代表速度的斯特劳哈尔数的倒数。
通过实验，回旋停止时间TS，A通过下式(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，通过从喷嘴向液体内吹入气体而产生回旋现象，但是，取代气体，即使通过以某一临界值以上流量从喷嘴向液体内喷出液体，也可以产生回旋现象。在吹入气体的情况下，需要充分的时间直至气泡受到的浮力引起液体的循环运动，相对于此，在喷出液体的情况下，可以直接利用液体的惯性力，因此，有望大幅度地缩短液体发生回旋运动所需时间。另外，在由气体的吹入引起的搅拌中，当气体流量增大时，由于产生吹拂现象， 因此可预测投入的能量不能有效地用于搅拌的状况，但是，在由液体的喷出引起的搅拌中没有这种可能性。
与气体吹入的例子同样地，通过向液体内喷出液体而产生的回旋现象达到稳定状态后，将从液体的喷出停止到观察不到容器内的液体的振动的时间定义为回旋停止时间， 并通过实验求算该回旋停止时间。
图7表示该实验所使用的实验装置。在实验中，作为圆筒形容器，使用内径 D=100cm> 130cm、150cm>200cm>309cm的五种丙烯制的圆筒形容器，作为设于圆筒形容器的底面中央的喷嘴，使用内径dn=5mm、10mm、13mm、15mm的四种。用截面为正方形的容器覆盖圆筒形容器的周围，并在其间装满离子交换水。而且，利用逆变器调整泵的输出，从而调整吹入水的流量QL。此时，为使圆筒形容器内的水面恒定，从设置在圆筒形容器的底部的四个排水管中排出水，使之循环。在实验中，水流量设定在(T750cm3/S的范围内，将水深HJ余以圆筒形容器的内径D的值定义为纵横尺寸比，使该纵横尺寸比在(Tl. 5的范围内变化。
纵轴表示回旋停止时间Tw,横轴表示喷出水流量Qlj,图8 Ca)表示不同的圆筒形容器的实验结果，图8 (b)表示不同喷嘴的实验结果，及图8 (C)表示不同纵横尺寸比的实验结果。可认为回旋停止时间Ty几乎不受水流量、喷嘴内径及纵横尺寸比的影响，只与内径D有关。
图9是表示使用无量纲数来整理实验的测定结果的图。在图9中，纵轴使用容器内径D (mm)与重力加速度g (mm/s2)来表示无量纲化的回旋停止时间(s),横轴表示修正罗斯贝数Rom。
此处，修正罗斯贝数Rom表示喷流具有的惯性力与回旋液体的惯性力的比值，回旋停止时间Ty与修正罗斯贝数Rom无关，并能够根据以下的(2)式以±25%的偏差进行近似。
Tsl (g/D)05=500 (2)
Roi11=Ql2/ (g dn2D3)
本申请的技术方案I所记载的搅拌装置具备内径为D的圆筒形容器或具有内接圆直径为D的多边形截面形状的多边形容器，在上述容器中收容有要进行搅拌的液体，在上述容器的大致中央配置有喷嘴，该喷嘴在距液面深度为H1的部位被定向为朝上且用于向上述液体内吹入气体或喷出液体，深度H1与内径或内接圆直径D的比值H1ZD在气体吹入时处于O. 3^1的范围，而在喷出液体时处于O. 3^1. 7的范围，从上述喷嘴向上述液体内吹入的气体的流量或喷出液体的流量Q是满足P J2/ (h D3)=10_5 (此处，P L为液体的密度，h 为液体的表面张力)的流量以上、上述气体的气泡或液体的液柱未吹穿上述液体的液面的流量以下的流量，上述搅拌装置的特征在于，包括阀，用于容许或切断向上述容器内吹入空气或喷出液体；阀驱动部，用于开闭驱动上述阀；及阀控制部，用于向上述阀驱动部输出阀开闭信号，通过从上述阀控制部向上述阀驱动部输出阀打开信号或阀关闭信号，根据预先设定的条件容许或切断上述空气的吹入或液体的喷出。
本申请技术方案2所记载的搅拌装置，其特征在于，在技术方案I的装置中，上述预先设定的条件为
在吹入空气的情况下，在空气的吹入停止后，由下式
权利要求
1.一种搅拌装置，具备内径为D的圆筒形容器或内接圆直径为D截面形状呈多边形的多边形容器，在所述容器中收容有要进行搅拌的液体，在所述容器的大致中央配置有喷嘴，该喷嘴在距液面深度为H1的部位被定向为朝上且用于向所述液体内吹入气体或喷出液体，深度H1与内径或内接圆直径D的比值H1ZD在吹入气体时处于0. 3^1的范围，而在喷出液体时处于0. 3^1. 7的范围，从所述喷嘴向所述液体内吹入的气体的流量或喷出的液体的流量Q是满足PしQV ( h D3)=10_5的流量以上、所述气体的气泡或液体的液柱未吹穿所述液体的液面的流量以下的流量，此处，Pし为液体的密度，O ^为液体的表面张力，其特征在于，所述搅拌装置包括 阀，用于容许或切断向所述容器内吹入空气或喷出液体； 阀驱动部，用于开闭驱动所述阀；及 阀控制部，用于向所述阀驱动部输出阀开闭信号， 通过从所述阀控制部向所述阀驱动部输出阀打开信号或阀关闭信号，根据预先设定的条件容许或切断所述空气的吹入或液体的喷出。
2.根据权利要求1所述的搅拌装置，其特征在于，所述预先设定的条件为 在吹入空气的情况下，在停止空气的吹入后，由下式
3.根据权利要求1所述的搅拌装置，其特征在于，所述预先设定的条件为 在吹入空气的情况下，在停止空气的吹入后，在由下式
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预先设定的条件为 在吹入空气的情况下，在停止空气的吹入后，在由下式
全文摘要
本发明提供一种既考虑节能又能够对液体进行高效搅拌的搅拌装置。该搅拌装置包括内径为D的圆筒形容器，在容器内收容有要进行搅拌的液体，在容器的大致中央位置配置有喷嘴，该喷嘴在距液面深度为H1的部位被定向为朝上，深度(H1)与内径(D)的比值(H1/D)处于0.3~1的范围内，从喷嘴向液体内吹入的气体的流量(Q)是满足ρLQ2/(σLD3)=10-5的流量以上、气体的气泡未吹穿液面的流量以下的流量，该搅拌装置的特征在于，包括阀，用于容许或切断向容器内吹入气体；阀驱动部，用于开闭驱动阀；及阀控制部，用于向阀驱动部输出阀开闭信号。
文档编号B01F13/02GK103041739SQ201210375150
公开日2013年4月17日 申请日期2012年9月27日 优先权日2011年10月13日
发明者井口学, 设乐守良 申请人:井口学, 株式会社欣思