JP5700766B2

JP5700766B2 - 液体の攪拌方法及び装置

Info

Publication number: JP5700766B2
Application number: JP2010223637A
Authority: JP
Inventors: 茂地　寿頼; 寿頼茂地; 高橋　直行; 直行高橋; 邦和西岡
Original assignee: Kirin Brewery Co Ltd
Current assignee: Kirin Brewery Co Ltd
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2030-10-01
Also published as: JP2012076018A

Description

本発明は液体をタンクに溜めながら攪拌する液体の攪拌方法及び装置に関する。

温度、濃度や組成等の性状が互いに異なる液体を均一な状態に混合するため、混合対象となる液体をタンクに貯留してから、タンク内に設置された攪拌羽等の攪拌具を駆動することによって均一な状態に液体を攪拌する方法が一般に知られている。また、機械式の攪拌具を用いずに、タンク内の液体を強制的に循環させる循環経路を設けたり、タンク内の液体に旋回流等の流れを強制的に発生させるジェットノズル等を設けて液体を攪拌する方法もある（例えば、特許文献１〜５）。

特開平７−２５６１９６号公報特開２００５−１７６７９０号公報特開平６−３２７９５４号公報特開平９−３２７６１８号公報特開２００２−１１３３４２号公報

機械式の攪拌具を用いる方法は構造が複雑なので使用後に行う洗浄等の保守作業に手間が掛かり、洗浄し難い箇所に腐食が発生するなどの問題が生じやすい。また、攪拌具を使用しない方法でも、タンク内に強制的な流れを発生させるジェットノズルや循環経路等が必要になるので、システムの大型化を招くとともに保守作業にも手間が掛かる。

そこで、本発明は、実施後の保守作業に要する労力を低減できる液体の攪拌方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の液体の攪拌方法は、タンク（２、４０）の底部（６、４２）に形成された第１ポート（１１、４５）から液体を導入して、その液体を前記タンクに溜める第１工程と、前記第１工程の後に、前記第１ポートから離れた状態で前記底部に形成され、かつ前記第１ポートよりも開口面積が小さい第２ポート（１２、４６）から液体を前記タンクに導入することにより、前記タンク内に液体を溜めながら攪拌する第２工程と、を備え、前記第２工程では、前記第２ポートから前記タンクに導入する液体が前記タンク内に溜まった液体の液面から噴出しないように流速を設定し、前記第２ポートから前記タンクに導入する液体の流速を前記タンク内の液面が上昇するに従って増加させるものである。

この攪拌方法によれば、２つのポートを利用したタンクへの液体の導入によってタンク内に液体を溜めながら攪拌できる。従って、タンク内に機械式の攪拌具を設けずに、簡素な設備を利用して液体を攪拌できる。これにより、攪拌に利用する設備に対する保守作業に要する労力を低減できる。また、この攪拌方法はタンクに液体を溜めながら攪拌するので、例えばタンクに必要量の液体を溜めた後に攪拌する場合に比べて短時間で攪拌後の液体を得ることができる。第２ポートの開口面積は第１ポートの開口面積よりも小さいので、液体をタンクに導入するための圧力源が共通であっても第２ポートから導入される液体の流速を高めることが容易である。反対に、第１ポートから導入される液体の流速を必要な流量を確保しつつ低下できるので、速やかかつ穏やかに液体を所定レベルまでタンク内に溜めることができる。また、第２工程で第２ポートから導入される液体の流速は第１工程でタンク内に溜まった液体の液面から噴出しないように、換言すれば、第２ポートから導入される液体がタンク内の液面を突き破って噴水状にならないように設定されているので、第２工程での液体の導入による攪拌でタンク内の空気を巻き込むおそれがない。従って、攪拌対象となる液体が泡立ち易く、生じた泡が消えに難い特性を持つ液体（例えば、炭酸水、ビール液等）である場合に、攪拌時の泡立ちを効果的に防止できる。更に、本発明の撹拌方法は、第２工程で第２ポートから導入された液体を液面から噴出させない限度内で、第２ポートから導入される液体の流速を増加させる。これにより、タンク内の液面が高くなった場合でも液体の攪拌をタンク内の空気の巻き込みを抑制しつつ十分に行うことが可能である。

本発明の攪拌方法を利用した液体の混合は適宜の手順で行ってよい。例えば、本発明の攪拌方法の一態様として、前記第２工程の開始から前記第１工程で前記タンクに導入する液体と同一の第１液体（α）を前記タンクに導入し、その後の前記第２工程で前記タンクに導入する液体を前記第１液体と異なる性状を持つ第２液体（β）に切り替えてもよい。この態様によれば、温度、濃度、組成等の性状が互いに異なる第１液体と第２液体とを均一な状態に混合できる。

上記の攪拌方法及びその各態様は、以下に説明する攪拌装置によって実現することが可能である。

本発明の液体の攪拌装置は、互いに離れた第１ポート（１１、４５）及び第２ポート（１２、４６）が底部（６、４２）に形成され、前記第２ポートの開口面積が前記第１ポートの開口面積よりも小さく形成されたタンク（２、４０）と、前記第１ポートを介して前記タンクへ液体を導入できる第１導入手段（Ｐ１、１５、２１、２７）と、前記第２ポートを介して前記タンクへ液体を導入できる第２導入手段（Ｐ２、１５、２２、２８、１６、２５）と、前記第１導入手段にて液体を前記タンクに溜めてから、前記第２導入手段にて液体を前記タンクに導入することにより、前記タンク内に液体を溜めながら攪拌させるように、前記第１導入手段及び前記第２導入手段のそれぞれを操作する攪拌制御手段（４）と、を備え、前記攪拌制御手段は、前記第２導入手段にて導入される液体が前記タンク内に溜まった液体の液面から噴出しないように、前記第２導入手段にて導入される液体の流速を設定するとともに、前記第２導入手段にて導入される液体の流速が前記タンク内の液面が上昇するに従って増加するように、前記第２導入手段にて導入される液体の流速を設定するものである。

この攪拌装置によれば、上述した攪拌方法を実現できるから、保守作業の労力を低減できるとともに、第２導入手段を用いた液体の導入によってタンク内の空気を巻き込まずに液体の泡立ちを防止できる。また、タンク内の液面が高くなった場合でも液体の攪拌をタンク内の空気の巻き込みを抑制しつつ十分に行うことが可能である。

本発明の攪拌装置の一態様において、前記第２導入手段は、前記第１導入手段にて導入される液体と同一の第１液体と、前記第１液体と異なる性状を持つ第２液体との間で、前記タンクに導入する液体を切り替える切替手段（２５）を備え、前記攪拌制御手段は、前記第２導入手段にて導入される液体が、導入開始から前記第１液体とされ、その後前記第１液体から前記第２液体に切り替えられるように、前記切替手段を操作してもよい。この態様においても、上述した攪拌方法の態様と同様の効果を発揮し得る。

なお、以上の説明では本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記したが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

以上に説明したように、本発明の液体の攪拌方法及び装置によれば、タンク内に機械式の攪拌具を設けずに、簡素な設備を利用して液体を攪拌できるから、攪拌に利用する設備に対する保守作業に要する労力を低減できる。

本発明の一形態に係る攪拌方法及びその方法を実現する攪拌装置が組み込まれた液体混合システムの全体構成の概略を示した図。液体混合システムが行う液体の混合方法の一例を示した工程図。液体混合システムに組み込まれるタンクの具体的構成を示した図。他の形態に係るタンクの具体的構成を示した図。

図１に示すように、液体混合システム１は液体の貯留及び攪拌を行うタンク２と、タンクに接続されてタンク２への液体の導入と排出とを行う給排装置３と、給排装置３の各部を制御する制御装置４とを備えている。タンク２は図示の姿勢で工場の床や地面に設置される。タンク２は円筒状の胴部５と、胴部５の下方を塞ぐ底部６と、胴部５の上方を塞ぐ蓋部７とを備える。タンク２の底部６には第１ポート１１と、第２ポート１２とが互いに距離を隔てて形成されている。各ポート１１、１２は円形状に開口している。第２ポート１２の開口面積は第１ポート１１の開口面積に比べて小さい。底部６は鉛直下方に向かって凸の形状に、本形態では球面状に形成されている。第１ポート１１は底部６の最下部に即ち底部６の中心部に設けられている。なお、タンク２のより具体的な構造については後述する。

給排装置３はタンク２に形成された各ポート１１、１２に接続されている。給排装置３は液体αを圧送可能な第１ポンプＰ１と、液体βを圧送可能な第２ポンプＰ２と、各種配管部材１５、２５等とを備えている。第１ポンプＰ１は液体αを導く第１供給管１５に設けられており、第２ポンプＰ２は液体αと異なる組成の液体βを導く第２供給管１６に設けられている。各ポンプＰ１、Ｐ２は同一流量で液体αを第１供給管１５に、液体βを第２供給管１６にそれぞれ導くことができるように構成されている。給排装置３は液体αと液体βとが混合された液体γを導く排出管１７を更に有している。

第１供給管１５は第１導管２１及び第２導管２２とに接続されており、第１導管２１はタンク２の第１ポート１１に、第２導管２２はタンク２の第２ポート１２にそれぞれ接続されている。第２供給管１６は電磁式の三方弁２５を介して第２導管２２に接続されている。三方弁２５はポートａとポートｂとを開通しつつポートｃを閉鎖する第１位置と、ポートａとポートｃとを開通しつつポートｂを閉鎖する第２位置との間で切り替え可能である。従って、三方弁２５を操作することにより、タンク２に導入する液体を液体αと液体βとの間で切り替えることが可能である。排出管１７は電磁式の三方弁２６を介して第１導管２１に接続されている。三方弁２６も同様に、ポートａとポートｂとを開通しつつポートｃを閉鎖する第１位置と、ポートａとポートｃとを開通しつつポートｂを閉鎖する第２位置との間で切り替え可能である。三方弁２６を第１位置から第２位置へ切り替えることにより、タンク内の液体γを排出管１７を通じて排出可能となる。第１導管２１には第１制御弁２７が、第２導管２２には第２制御弁２８がそれぞれ設けられている。各制御弁２７、２８は電磁式弁であり、各導管２１、２２を閉鎖する全閉位置から全開位置までの間で開度調整が可能である。

制御装置４は給排装置３を制御するコンピュータとして構成されている。制御装置４は、液体の混合を適正に行うためのプログラムを保持しており、そのプログラムを適宜実施する。制御装置４は、給排装置３の第１ポンプＰ１、第２ポンプＰ２、三方弁２５、三方弁２６、第１制御弁２７及び第２制御弁２８のそれぞれと不図示の入出力インタフェースを介して電気的に接続されている。

液体混合システム１は、図２に示した工程Ａ、工程Ｂ１及び工程Ｂ２を経て液体αと液体βとを混合し、次いで混合した液体γを工程Ｃで排出させる。まず、工程Ａにおいては、制御装置４が各ポンプＰ１、Ｐ２を作動させるとともに、第１制御弁２７を全開位置に、第２制御弁２８を全閉位置に、各三方弁２５、２６を第１位置にそれぞれ操作する。これにより、液体αが矢印に示すように第１ポート１１を介してタンク２内に導入される。その後、タンク２内の液体αが初期レベルＬａまで溜まった場合に工程Ｂ１に移行する。

工程Ｂ１においては、制御装置４が第１制御弁２７を全閉位置に、第２制御弁２８を全開位置にそれぞれ操作する。これにより、液体αのタンク２内への導入が矢印に示すように第２ポート１２を介して行われる状態へ切り替わる。第２ポート１２から導入される液体αの流速は、制御装置４が第２制御弁２８を全開位置に操作したときに、初期レベルＬａまで溜まった液体αの液面から噴出しないように設定されている。工程Ｂ１は、生成すべき液体γの必要量と、液体αと液体βとの混合比とに基づいて算出される分量の液体αがタンク２内に溜まるまで継続される。

この流速Ｖは、工程Ａで液体を溜める初期レベルＬａを０．２〜１．０ｍの範囲内に設定した場合、２〜５ｍ／ｓの範囲内に設定することが好ましい。初期レベルＬａが上限値である１．０ｍの場合に流速Ｖが下限値である２ｍ／ｓ未満であると液体の攪拌が不十分になる一方で、初期レベルＬａが下限値である０．２ｍの場合に流速Ｖが上限値である５ｍ／ｓを超えると第２ポート１２への切替時に液面から液体が噴出するためである。第２ポート１２から導入される液体の流速がこのように設定されているので、第２ポート１２からの液体の導入によってタンク２内の空気を巻き込むおそれがない。従って、液体混合システム１が混合の対象とする液体α、βの少なくとも一方が泡立ち易く、かつ生じた泡が消えに難い特性を持つ液体（例えば、炭酸水、ビール液等）である場合には、攪拌時の泡立ちを効果的に防止できる。

工程Ｂ２においては、制御装置４が三方弁２５を第１位置から第２位置へ操作する。これにより、タンク２に供給される液体が液体αから液体βへ切り替えられる。上述したように、各ポンプＰ１、Ｐ２は同一流量で液体αと液体βとを圧送するので、タンク２に導入される液体が液体αから液体βへ切り替わった場合でも流速は実質的に変化しない。従って、タンク２内の液面から液体βが噴出することはない。これにより、タンク２内に溜まった液体に対流ｆが生じ、その対流ｆによってタンク２内に既に溜まっていた液体αと第２ポート１２から導入された液体βとが攪拌されつつ、タンク２内には混合された液体γが徐々に溜まってゆく。つまり、工程Ｂ２は、タンク２内の液体γの貯留量を増加させながら攪拌するので、短時間で均一な性状の液体γを得ることができる。液体γが必要量得られた場合、即ちタンク２内の液面が所定レベルに達した場合は工程Ｃに移行する。

工程Ｃでは、制御装置４が各ポンプＰ１、Ｐ２の作動を停止し、第１制御弁２７を全開位置に、第２制御弁２８を全閉位置に、三方弁２６を第１位置から第２位置にそれぞれ操作する。なお、各ポンプＰ１、Ｐ２が過剰な負荷を回避するレギュレータ装置を持っている場合には工程Ｃにおいて各ポンプＰ１、Ｐ２の作動を停止しなくてもよい。工程Ｃにおける制御装置４の操作によって、タンク２に溜まった液体γは矢印に示すように排出管１７を通じて排出される。液体γの排出時に使用する第１ポート１１はタンク２の最下部に設けられているので、液体γが残り難い。従って、別途ドレン配管をタンク２に設けなくてもタンク２内を清潔に保つことが容易であるから保守作業の労力を低減できる。なお、排出管１７を通じて排出された液体γは後工程に送られて適宜処理される。

上述したように、図２の各行程で給排装置３の各部に対して制御装置４が操作することにより、制御装置４は本発明に係る攪拌制御手段として機能する。また、図２の工程Ａは本発明に係る第１工程に、工程Ｂ１及び工程Ｂ２の少なくとも一つは本発明に係る第２工程に、工程Ｃは本発明に係る第３工程に、それぞれ相当する。また、給排装置３の第１ポンプＰ１、第１供給管１５、第１導管２１及び第１制御弁２７の組み合わせが本発明に係る第１導入手段として機能するとともに、給排装置３の第２ポンプＰ２、第１供給管１５、第２導管２２、第２制御弁２８、第２供給管１６及び三方弁２５の組み合わせが本発明に係る第２導入手段として機能する。そして、三方弁２５は本発明に係る切替手段に相当する。

図２から明らかなように、液体混合システム１が行う攪拌方法は、タンク２内に機械式の攪拌具を設けずに行うものなので、攪拌に利用する設備に対する保守作業に要する労力を低減できる。また、この攪拌方法はタンク２に液体を溜めながら攪拌するので、例えばタンク２に必要量の液体αと液体βとを溜めた後に、これらを攪拌する場合に比べて短時間で攪拌後の液体γを得ることができる。第２ポート１２の開口面積が第１ポート１１の開口面積よりも小さく設定されているので、各制御弁２７、２８の中間開度を使用しなくても、全開位置と全閉位置との間で操作を行えば、第２ポートから導入される液体の流速を工程Ｂ１及び工程Ｂ２において容易に高めることができる。同時に、第１ポート１１から導入される液体αの流速を必要な流量を確保しつつ低下できるので、工程Ａにおいて速やかかつ穏やかに液体αをタンク２内に溜めることができる。

次に、タンク２のより具体的な構造を説明する。図３に示したように、タンク２は底部６から延びる脚部３１が床面に設置された土台ＢＡに取り付けられることにより設置されている。なお、脚部３１は周方向に４本設けられているが、図３には一本の脚部３１だけが図示されている。タンク２には本体部３２の外周を覆うカバー３３が設けられており、本体部３２とカバー３３との間には断熱材３４が設けられている。タンク２の中心線ＣＬ上に第１ポート１１が配置されており、その中心線ＣＬから距離ｄだけ離れた位置に第２ポート１２が配置されている。タンク２は、中心線ＣＬと平行な平面に投影した場合のアスペクト比（Ｈ／Ｄ）が、２．０に設定されている。また、タンク２の内径Ｄと距離ｄとの比（Ｄ／ｄ）は６．７に設定されている。これらの値は、液体を均一に混合できるように適宜設定すればよい。

次に、タンク２に置き換えて液体混合システム１に組み込み得る他の形態に係るタンク４０の具体的な構造について説明する。図４に示したように、タンク４０は円筒状の胴部４１と、胴部４１の下方を塞ぐ底部４２と、胴部４１の上方を塞ぐ蓋部４３とを備えている。底部４２は図３のタンク２と同様に鉛直下方に向かって凸の形状に、より具体的には球面状に形成されている。タンク４０の底部４２には第１ポート４５と、第２ポート４６とが互いに距離を隔てて形成されており、図３のタンク２と同様に各ポート４５、４６は円形状に開口している。第１ポート４５は底部４２の最下部、即ちタンク４０の中心線ＣＬ上に設けられている。タンク２と同様に、第２ポート４６の開口面積は第１ポート４５の開口面積に比べて小さい。タンク４０は底部４２から延びる４本の（図では一本のみ示されている）脚部４９が床面に設置された土台ＢＡに取り付けられることにより設置される。タンク４０には本体部５０の外周を覆うカバー５１が設けられていて、胴部４１の半分より下方の所定領域には断熱テープ５２が巻き付けられているとともに、本体部５０とカバー５１との間には断熱材５３が設けられている。第２ポート４６はタンク４０の中心線ＣＬから距離ｄだけ離れた位置に配置されている。タンク４０のアスペクト比（Ｈ／Ｄ）はタンク２よりも大きく、１．４に設定されている。また、タンク４０の内径Ｄと距離ｄとの比（Ｄ／ｄ）は１２．７に設定されている。これらの値は、タンク２の場合と同様に液体を均一に混合できるように適宜設定すればよい。

本発明は上記形態に限定されず、種々の形態にて実施できる。上記形態では互いに組成が異なる液体αと液体βとを混合する液体混合システムに本発明の攪拌方法を適用したが、組成が異なることは性状が異なることの一例にすぎない。従って、本発明の攪拌方法は、例えば組成が同じで温度や濃度が互いに異なる液体の混合に適用することもできる。また、本発明の攪拌方法は、２種類の液体の混合のみならず、第１ポート又は第２ポートから導入する液体を切り替えることにより３種以上の液体の混合についても適用できる。

上記形態では、図２の工程Ａに続く工程Ｂ１において、タンク２に液体を導入するポートのみを第１ポート１１から第２ポート１２へ切り替えて、タンク２に導入する液体を液体αから液体β切り替えていないが、工程Ｂ１を省略して、工程Ａの終了後に液体を導入するポートを第１ポート１１から第２ポート１２へ切り替えるとともに、タンク２に導入する液体を液体αから液体βへ切り替えることもできる。

上記形態では、図２の工程Ｂ１、Ｂ２において、制御装置４が第２制御弁２８を全開位置に操作することによって、第２ポート１２から導入される液体の流速を一定値に設定している。しかし、タンク２内の液面が上昇するに従って第２ポート１２から導入された液体が液面から噴出する流速の限界が高くなるので、その流速を高める余裕が生まれる。このため、制御装置４が工程Ｂ１の開始から第２制御弁２８の開度を全開位置から徐々に絞ることにより、タンク２に導入する液体の流速をタンク２内の液面が上昇するに従って増加させることもできる。これにより、タンク内の液面が高くなった場合でも液体の攪拌をタンク内の空気を巻き込みを抑制しつつ十分に行うことが可能である。

２、４０タンク
６、４２底部
１１、４６第１ポート
１２、４７第２ポート
２５三方弁（切替手段）
α 第１液体
β 第２液体

Claims

タンクの底部に形成された第１ポートから液体を導入して、その液体を前記タンクに溜める第１工程と、
前記第１工程の後に、前記第１ポートから離れた状態で前記底部に形成され、かつ前記第１ポートよりも開口面積が小さい第２ポートから液体を前記タンクに導入することにより、前記タンク内に液体を溜めながら攪拌する第２工程と、を備え、
前記第２工程では、前記第２ポートから前記タンクに導入する液体が前記タンク内に溜まった液体の液面から噴出しないように流速を設定し、前記第２ポートから前記タンクに導入する液体の流速を前記タンク内の液面が上昇するに従って増加させる、ことを特徴とする液体の攪拌方法。
前記第２工程の開始から前記第１工程で前記タンクに導入する液体と同一の第１液体を前記タンクに導入し、その後の前記第２工程で前記タンクに導入する液体を前記第１液体と異なる性状を持つ第２液体に切り替える請求項１に記載の攪拌方法。
互いに離れた第１ポート及び第２ポートが底部に形成され、前記第２ポートの開口面積が前記第１ポートの開口面積よりも小さく形成されたタンクと、
前記第１ポートを介して前記タンクへ液体を導入できる第１導入手段と、
前記第２ポートを介して前記タンクへ液体を導入できる第２導入手段と、
前記第１導入手段にて液体を前記タンクに溜めてから、前記第２導入手段にて液体を前記タンクに導入することにより、前記タンク内に液体を溜めながら攪拌させるように、前記第１導入手段及び前記第２導入手段のそれぞれを操作する攪拌制御手段と、を備え、
前記攪拌制御手段は、前記第２導入手段にて導入される液体が前記タンク内に溜まった液体の液面から噴出しないように、前記第２導入手段にて導入される液体の流速を設定するとともに、前記第２導入手段にて導入される液体の流速が前記タンク内の液面が上昇するに従って増加するように、前記第２導入手段にて導入される液体の流速を設定することを特徴とする液体の攪拌装置。
前記第２導入手段は、前記第１導入手段にて導入される液体と同一の第１液体と、前記第１液体と異なる性状を持つ第２液体との間で、前記タンクに導入する液体を切り替える切替手段を備え、
前記攪拌制御手段は、前記第２導入手段にて導入される液体が、導入開始から前記第１液体とされ、その後前記第１液体から前記第２液体に切り替えられるように、前記切替手段を操作する請求項３に記載の攪拌装置。