【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に、攪拌装置および融雪装置に関する。 より詳細には、本発明は、プロペラ等の機械的な駆動源を必要とすることなしに、液体を攪拌することができる攪拌装置、および、雪塊を効率的に融解させる融雪装置に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】液体を攪拌するための種々の装置が知られている。 このような攪拌装置は基本的には、プロペラ等の手段を用いて液体を機械的に攪拌しようとするものであるため、プロペラ等の手段を駆動させるための駆動源を必要としており、これにより、装置の製造コスト、維持コストが高くなり、保守点検に手間がかかるという課題を有している。 また、粘性の高い液体を攪拌しようとする場合には、このような型式の攪拌装置では、必ずしも満足のいく攪拌効果が得られない場合もあった。

【０００３】一方、雪塊を温水中に投入して融解させる型式の融雪装置が知られている。 しかし、このような融雪装置では、雪塊の融解により温水の温度が徐々に低下するため、良好な融雪効率が得られないという課題があった。

【０００４】したがって、本発明は、プロペラ等の機械的な駆動源を必要とすることなしに、液体を効率的に攪拌する攪拌装置、および、雪塊を効率的に融解させる融雪装置を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】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、単孔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、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、単孔ノズルと液面との高さの差をＨ _１とすると、ＤとＨ _１との関係が約０．３＜Ｈ _１ ／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。

【０００６】なお、Ｈ _１ ／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、Ｈ
_１ ／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。

【０００７】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、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。

【０００８】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、ノズル径が旋回の開始および停止に殆ど影響を及ぼさないことが分かっているので、液面近傍の液体の加振に気体がノズルから吹き出すときにもっている慣性力は無視することができ、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Ｗ _ｅ ＝ρ _Ｌ Ｑ _ａ ^２ ／
（σ _Ｌ Ｄ ^３ ）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Ｗ _ｅ ＝１０ ^−５が臨界値となる。 ここで、ρ _Ｌは液体の密度、Ｑ _ａはガスの吹き込み流量、σ _Ｌは液体の表面張力、Ｄは円筒形容器の内径である。

【０００９】上述のように、ＤとＨ _１との関係が約０．
３＜Ｈ _１ ／Ｄ＜約１である場合に液体の攪拌に好ましい旋回現象が発生するが、Ｈ _１ ／Ｄ＝約０．５の場合に、
最も好ましい攪拌効果が得られる旋回現象が発生する。

【００１０】一方、単孔ノズルより上方の液体が、図２
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、単孔ノズルより下方の液体は、図２
の矢印Ｂで示されるように、逆方向に旋回する。 単孔ノズルより下方における旋回流Ｂは、単孔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、単孔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。 容器の底面と単孔ノズルの高さの差をＨ _２とすると、最も好ましくは、約０．５Ｄ＜Ｈ _２ ＜約２Ｄである。

【００１１】本願請求項１に記載の攪拌装置又は融雪装置は、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容器を備え、容器内には、攪拌しようとする液体又は融解させようとする雪塊が投入された水が収容されており、液面又は水面から深さＨ _１のところに上向きに配向され、液体又は水内に気体を吹き込むための１又は複数のノズルが配置されており、深さＨ _１と内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ _１ ／Ｄが、約０．３〜約１の範囲にあり、ノズルから液体又は水内に吹き込まれる気体の流量Ｑ _ａが、ρ _Ｌ Ｑ _ａ ^２ ／（σ _Ｌ Ｄ ^３ ）＝１０
^−５ （ここで、ρ _Ｌは液体又は水の密度、σ _Ｌは液体又は水の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、気体の気泡が液面又は水面を吹き抜ける程度以下であることを特徴とするものである。

【００１２】本願請求項２に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項１の装置において、少なくとも１つのノズルが、容器内のほぼ中央に配置されていることを特徴とするものである。

【００１３】本願請求項３に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項１又は２の装置において、気体が空気であることを特徴とするものである。

【００１４】本願請求項４に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項１又は２の装置において、気体が反応性ガスであることを特徴とするものである。

【００１５】本願請求項５に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項１〜４のいずれか１項の装置において、深さＨ _１と内径又は内接径Ｄとの比Ｈ _１ ／Ｄが、約０．５であることを特徴とするものである。

【００１６】本願請求項６に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項１〜５のいずれか１項の装置において、容器の底から液面又は水面での深さが、Ｈ _１以上であることを特徴とするものである。

【００１７】本願請求項７に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項６の装置において、容器の底からノズルまでの深さが、約０．５Ｄ〜約２Ｄの範囲にあることを特徴とするものである。

【００１８】本願請求項８に記載の攪拌装置又は融雪装置は、底壁のない内径Ｄの円筒体又は内接円径Ｄの多角形の平面形状をもつ筒体を備え、円筒体又は筒体が、不整形な領域内に収容された、攪拌しようとする液体又は融解させようとする雪塊が投入された水に挿入されており、円筒体又は筒体によって包囲される液体又は水の領域内の液面又は水面から深さＨ _１のところに上向きに配向され、液体又は水内に気体を吹き込むための１又は複数のノズルが配置されており、深さＨ _１と内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ _１ ／Ｄが、約０．３〜約１の範囲にあり、ノズルから液体又は水内に吹き込まれる気体の流量Ｑ _ａが、ρ _Ｌ Ｑ _ａ ^２ ／（σ _Ｌ Ｄ ^３ ）＝１０ ^−５ （ここで、ρ _Ｌは液体又は水の密度、σ _Ｌは液体又は水の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、気体の気泡が液面又は水面を吹き抜ける程度以下であることを特徴とするものである。

【００１９】本願請求項９に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項８の装置において、気体が空気であることを特徴とするものである。

【００２０】本願請求項１０に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項８の装置において、気体が反応性ガスであることを特徴とするものである。

【００２１】本願請求項１１に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項８〜１０のいずれか１項の装置において、深さＨ _１と内径又は内接径Ｄとの比Ｈ _１ ／Ｄが、
約０．５であることを特徴とするものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】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および融雪装置について説明する。 図１および図２において全体として参照符号１０で示される本発明の第１の実施の形態に係る攪拌装置は、側壁１２ａと底壁１２ｂと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Ｈ _１ ＋Ｈ _２となるように、
攪拌しようとする液体が収容されている。

【００２３】円筒形容器１２内のほぼ中央には、液面からの深さがＨ _１のところに上向きに配向されたノズル１
４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。

【００２４】液面からノズル１４までの深さＨ _１と円筒形容器１２の内径Ｄとの比Ｈ _１ ／Ｄは、約０．３〜約１
の範囲にある。 好ましくは、比Ｈ _１ ／Ｄは、約０．５である。

【００２５】図２は、図１の攪拌装置１０においてノズル１４から空気が噴射され、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Ｑ _ａは、上述のように、ρ _Ｌ Ｑ _ａ ^２ ／（σ
_Ｌ Ｄ ^３ ）＝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。

【００２６】なお、ノズル１４より下方の液体は、上述のように、角運動量保存則により、矢印Ｂで示されるように、逆方向に旋回する。

【００２７】図３は、本発明の第２の実施の形態に係る攪拌装置２０を示した概略図である。 攪拌装置２０は、
不整形な領域２１内に充填された液体内に円筒体２２を挿入する点を除いて、攪拌装置１０と実質的に同一である。 すなわち、攪拌装置２０は、底壁のない、内径Ｄの円筒体２２を備えている。 円筒体２２のほぼ中央には、
攪拌装置１０と同様に、液面からの深さがＨ _１のところに上向きに配向されたノズル２４が配置されており、ノズル２４は、エアコンプレッサ（図示せず）に連結されている。 攪拌装置１０と同様に、Ｈ _１ ／Ｄは、約０．３
〜約１の範囲にあり、ノズル２４から噴射される空気の流量Ｑ _ａは、ρ _Ｌ Ｑ _ａ ^２ ／（σ _Ｌ Ｄ ^３ ）＝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。 以上の構成により、攪拌装置２
０においては、図３（ａ）に示されるように、円筒体２
２内において、液体が旋回する。

【００２８】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。

【００２９】たとえば、前記実施の形態においては、ノズル１４、２４が円筒形容器１２又は円筒体２２のほぼ中央に配置されているが、ノズルを中央から偏心した位置に配置してもよい。 本発明者は、ノズルの偏心の影響を確認するため、種々の実験を行ったが、その結果が図４に示されている。 図４（ａ）は、ノズルの偏心ｅが０
の場合における液体の旋回を示した図、図４（ｂ）は、
ノズルの偏心ｅが１／４の場合における液体の旋回を示した図、図４（ｃ）は、ノズルの偏心ｅが１／３の場合における液体の旋回を示した図、図４（ｄ）は、ノズルの偏心ｅが１／２の場合における液体の旋回を示した図である。 ｅ＝０の場合が最も好ましいが、ｅ＝１／４〜
１／３の場合でも、液体は十分に旋回しているのが分かる。

【００３０】また、前記実施の形態では、ノズル１４、
２４の数は１つであるが、複数のノズルを設けてもよい。

【００３１】また、前記実施の形態では、円筒形容器１
２又は円筒体２２の平面形状は円であるが、容器又は筒体の平面形状をｎ角形（ｎ≧３）にしてもよい。 この場合のＤは、ｎ角形の内接円の径となる。

【００３２】また、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するのがよい。

【００３３】本発明の攪拌装置は、汚物やスラリーのような、粘性の高い、攪拌しにくい物質の攪拌に適している。 また、スクラップのような固形物の溶解装置、或いはジャガイモ等の洗浄装置としても使用することができる。

【００３４】さらに、前記実施の形態においては、攪拌装置に関連して説明されているが、本発明に係る装置を融雪装置として使用してもよい。 融雪装置として使用する場合の装置の構造は、攪拌装置として使用する場合の構造と同じである。 融雪装置として使用する場合には、
容器等に温水又は水を入れ、その中に雪塊を投入し、温水又は水を旋回させることによって雪塊を融解させる。

【００３５】

【発明の効果】本発明の攪拌装置および融雪装置は、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り、従って、装置の製造コスト、維持コストを廉価に押さえることができ、保守点検に要する時間・手間を減少させることができる。 また、粘性の高い液体を攪拌しようとする場合にも、良好な攪拌効果が得られる。
また、融雪装置においては、旋回により水温が均一化することに加えて、雪塊に衝突する気泡の衝撃力により、
融解効率が高められる。 さらに、融雪装置においては、
気泡の存在により水の密度が見かけ上減少し、雪塊が沈むことによって融解効率が一層高められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る攪拌装置を示した概略図である。

【図２】図１の攪拌装置内の液体が旋回している状態を示した模式図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る攪拌装置を示した概略図である。

【図４】ノズル位置の偏心の影響を示した図である。

【符号の説明】

１０、２０ 攪拌装置 １２、２２ 円筒形容器又は円筒体 １４、２４ ノズル

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【手続補正書】

【提出日】平成１２年２月４日（２０００．２．４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】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、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な
い流量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泡とはならず、気柱を作って
液面から外部へ出る現象を意味している 。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】本願請求項１に記載の攪拌装置又は融雪装置は、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容器を備え、容器内には、攪拌しようとする液体又は融解させようとする雪塊が投入された水が収容されており、液面又は水面から深さＨ1 のところに上向きに配向され、液体又は水内に気体を吹き込むための１又は複数のノズルが配置されており、深さＨ1 と内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ1 ／Ｄが、 ０．３〜１の範囲にあり、ノズルから液体又は水内に吹き込まれる気体の流量Ｑa が、ρL Ｑa ² ／（σL Ｄ ³ ）＝１０ ^-5 （ここで、ρL は液体又は水の密度、σL は液体又は水の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、気体の気泡が液面又は水面を吹き抜けない流量以下であることを特徴とするものである。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】本願請求項２に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項１の装置において、少なくとも１つのノズルが、 容器内の中央に配置されていることを特徴とするものである。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】本願請求項５に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項１〜４のいずれか１項の装置において、深さＨ1 と内径又は内接径Ｄとの比Ｈ1 ／Ｄが、
０．５であることを特徴とするものである。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】本願請求項７に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項６の装置において、容器の底からノズルまでの深さが、 ０．５Ｄ〜２Ｄの範囲にあることを特徴とするものである。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】本願請求項８に記載の攪拌装置又は融雪装置は、底壁のない内径Ｄの円筒体又は内接円径Ｄの多角形の平面形状をもつ筒体を備え、円筒体又は筒体が、不整形な領域内に収容された、攪拌しようとする液体又は融解させようとする雪塊が投入された水に挿入されており、円筒体又は筒体によって包囲される液体又は水の領域内の液面又は水面から深さＨ1 のところに上向きに配向され、液体又は水内に気体を吹き込むための１又は複数のノズルが配置されており、深さＨ1 と内径又は内接円径Ｄとの比Ｈ1 ／Ｄが、 ０．３〜１の範囲にあり、ノズルから液体又は水内に吹き込まれる気体の流量Ｑa
が、ρL Ｑa ² ／（σL Ｄ ³ ）＝１０ ^-5 （ここで、ρL
は液体又は水の密度、σL は液体又は水の表面張力）を満足する流量以上であり、かつ、気体の気泡が液面又は水面を吹き抜けない流量以下であることを特徴とするものである。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】本願請求項１１に記載の攪拌装置又は融雪装置は、前記請求項８〜１０のいずれか１項の装置において、深さＨ1 と内径又は内接径Ｄとの比Ｈ1 ／Ｄが、
０．５であることを特徴とするものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 康 札幌市手稲区手稲本町１条１丁目３−６ Ｆターム(参考） 2D026 CN01 4G036 AC03