WO2024101200A1 - 攪拌移送方法および攪拌移送装置 - Google Patents

攪拌移送方法および攪拌移送装置 Download PDF

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WO2024101200A1
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liquid
transfer pipe
stirring
transfer
mixing
Prior art date
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PCT/JP2023/039093
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English (en)
French (fr)
Inventor
晋 後藤
大記 渡邊
健斗 江口
Original Assignee
国立大学法人大阪大学
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F29/00—Mixers with rotating receptacles
    • B01F29/60—Mixers with rotating receptacles rotating about a horizontal or inclined axis, e.g. drum mixers
    • B01F29/62—Mixers with rotating receptacles rotating about a horizontal or inclined axis, e.g. drum mixers without bars, i.e. without mixing elements; characterised by the shape or cross section of the receptacle, e.g. of Y-, Z-, S- or X- shape; with cylindrical receptacles rotating about an axis at an angle to their longitudinal axis

Definitions

  • the present invention relates to a method and device for agitating and transferring material.
  • Static mixers are known as one method of transporting liquids while stirring them.
  • static mixers mixing parts with complex shapes are installed inside the transport piping, and mixing is promoted by inducing complex flows of the liquid.
  • static mixers are disclosed in Patent Documents 1 and 2.
  • Static mixers are difficult to clean because they require mixing parts with complex shapes inside the transfer piping.
  • the only controllable parameter is the flow rate, so they also lack control over the mixing and transfer of liquids.
  • the objective of the present invention is to achieve an agitation and transfer method and an agitation and transfer device that is easy to clean and control.
  • the first aspect of the present invention is a method for producing a cellular membrane comprising the steps of: providing a transfer pipe extending in a horizontal extension direction; At least one type of liquid to be agitated and transported is flowed through the transport pipe at a Reynolds number within a predetermined range and a filling rate within a predetermined range, The at least one type of liquid is agitated by rotating the transfer pipe around the extension direction to generate vortex streets in the at least one type of liquid.
  • the at least one type of liquid can be agitated by rotating the transfer pipe. Therefore, good cleaning properties can be ensured.
  • a vortex street with a rotation axis perpendicular to the flow direction is generated. Adjacent vortices in the vortex street rotate in opposite directions to each other, and agitation is achieved by the vortex street.
  • the flow rate (transfer speed) of the at least one type of liquid, but also the rotation speed of the transfer pipe is an adjustable parameter. Therefore, by adjusting the transfer speed and rotation speed, the agitation transfer can be suitably controlled, and appropriate agitation transfer can be achieved depending on the process to be carried out.
  • horizontal does not only mean strictly horizontal, but also roughly horizontal, and for example, an inclination of at least several degrees from the horizontal direction is allowed.
  • the at least one type of liquid includes a multiphase flow of a gas or solid and a liquid.
  • the filling rate of the predetermined range may be 10% or more and 90% or less.
  • the cross-sectional shape of the transport pipe perpendicular to the extension direction may be circular.
  • This method allows the formation of a smooth inner surface of the transfer pipe, enabling stable mixing.
  • the diameter of the transfer pipe may be constant or may vary.
  • the transport piping may be a circular pipe having a constant diameter.
  • This method allows the use of simple, cylindrical transport piping, making it easy to manufacture and install.
  • the transport pipe may have a length of 0.6 or more times the diameter of a circle in a cross section perpendicular to the stretching direction.
  • the Reynolds number in the predetermined range may be 98 or more.
  • the at least one type of liquid to be stirred and transferred may contain particles, the Stokes number in the stirring may be 2.7 ⁇ 10-5 or more, and the ratio of the terminal velocity of free fall of the particles to the inner wall surface velocity in the rotation direction of the transfer pipe may be -0.01 or more and 0.52 or less.
  • This method allows the particles to aggregate as they are stirred.
  • the effectiveness of these particle aggregation conditions was confirmed by actually conducting a numerical simulation to confirm the coarseness and density of the particle field.
  • a second aspect of the present invention is a method for producing a composition
  • a transfer pipe extending in a horizontal extension direction and transferring at least one type of liquid to be stirred and transferred by causing it to flow at a filling rate within a predetermined range and at a Reynolds number within a predetermined range; a rotation mechanism that rotates the transfer pipe around the extension direction to generate vortex streets in the at least one type of liquid, thereby agitating the at least one type of liquid.
  • the predetermined range of filling rate may be 10% or more and 90% or less.
  • the cross-sectional shape of the transfer pipe perpendicular to the extension direction may be circular.
  • the transfer piping may be a circular pipe with a constant diameter.
  • the transport piping may have a length that is 0.6 times or more the diameter of a circle in a cross section perpendicular to the extension direction.
  • the Reynolds number in the predetermined range may be 98 or more.
  • the at least one type of liquid to be stirred and transported contains particles, the Stokes number in the stirring is 2.7 ⁇ 10-5 or more, and the ratio of the terminal velocity of free fall of the particles to the inner wall surface velocity in the rotation direction of the transport pipe may be -0.01 or more and 0.52 or less.
  • the stirring and transfer method and the stirring and transfer device can achieve stirring and transfer with good cleanability and controllability.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a mixing and transferring device according to an embodiment of the present invention; Photograph of experimental results showing vortex streets in a quiescent liquid.
  • Vector diagram of the flow field resulting from a numerical simulation showing vortex streets in a quiescent liquid Vector diagram of the flow field resulting from a numerical simulation showing vortex streets in a flowing liquid at time 0 seconds.
  • Vector diagram of the flow field resulting from a numerical simulation showing vortex streets at a filling rate of 90% is a first graph showing the results of a numerical simulation showing the relationship between the strength of the circulating flow and the ratio K1 (average flow velocity/inner wall surface velocity). 13 is a second graph showing the results of a numerical simulation showing the relationship between the strength of the circulating flow and the ratio K1 (average flow velocity/inner wall surface velocity). Schematic showing the particle field when the particles are in their initial configuration in a numerical simulation of the Stokes number.
  • FIG. 13 is a diagram showing the particle field when the particles are initially positioned in a numerical simulation of the ratio of the terminal velocity of the free fall of the particles to the inner wall velocity in the rotational direction of the transport pipe.
  • FIG. 13 is a diagram showing a particle field when the ratio of the terminal velocity of the free fall of the particle to the inner wall surface velocity in the rotation direction of the transport pipe is 0.068.
  • FIG. 13 is a diagram showing a particle field when the ratio of the terminal velocity of the free fall of the particle to the inner wall surface velocity in the rotation direction of the transport pipe is 0.27.
  • 13 is a diagram showing a particle field when the ratio of the terminal velocity of the free fall of the particle to the inner wall surface velocity in the rotation direction of the transport pipe is 0.55.
  • 1 is a graph showing the relationship between N ⁇ /N p (the proportion of particles on the wall surface of the transport piping or near the liquid surface) and the ratio K2 (terminal velocity of free fall of particles/inner wall surface velocity in the rotation direction of the transport piping).
  • the stirring and transferring device 1 of this embodiment shown in Figure 1 transfers liquid while stirring it.
  • the X direction indicates the extension direction of the transfer pipe 10 in the horizontal plane (which coincides with the extension direction of the rotation axis RA in this embodiment)
  • the Y direction indicates the direction perpendicular to the X direction in the horizontal plane
  • the Z direction indicates the vertical direction (up and down direction).
  • the object of the stirring and transport can be at least one type of any liquid.
  • the at least one type of any liquid includes not only a single liquid, but also a multiphase flow of a gas or a solid and a liquid.
  • it can be water alone, water and oil in an emulsion (a multiphase flow of liquids and liquids), a monomer or polymer and water in a polymerization reaction process, slurry stirring in a catalytic reaction process (a multiphase flow of solids and liquids), a single-phase or multiphase non-Newtonian fluid (pseudoplastic fluid or plastic fluid), aeration stirring of oxygen in a bioreactor (a multiphase flow of gas and liquids), or a multiphase flow of a solid (mud, etc.) and a liquid in an anaerobic layer in a bioreactor.
  • the solid can also be a particle.
  • the particles can be agglomerated by stirring them in a liquid.
  • the mixing and transferring device 1 has a transfer pipe 10 that transfers the liquid to be mixed and transferred, and a rotation mechanism 20 that mixes the liquid by rotating the transfer pipe 10.
  • the mixing and transferring device 1 also has a flow device 30 for causing the liquid to flow, and a control device 40 for controlling each part.
  • the transfer pipe 10 is a circular pipe of uniform thickness that extends in a horizontal extension direction.
  • the transfer pipe 10 has a smooth inner surface and does not have additional components inside, such as stirring parts with complex shapes. Therefore, the transfer pipe 10 has excellent cleanability.
  • the length of the transport pipe 10 is 0.6 times or more the diameter of the circle of the cross section perpendicular to the extension direction. The appropriateness of such a numerical range will be described in detail later.
  • the material of the transport pipe 10 can be set arbitrarily.
  • the transfer pipe 10 is raised from the floor surface G by a plurality of support members 11 erected on the floor surface G.
  • Each of the plurality of support members 11 has a through hole portion 11a and a bearing 12 attached to the through hole portion 11a.
  • the transfer pipe 10 passes through the through hole portion 11a and is held by the support members 11 via the bearings 12 so as to be rotatable around the rotation axis RA.
  • connection parts 13 are attached to both ends of the transfer pipe 10 in the extension direction.
  • the connection parts 13 are for connection to general pipes (not shown). In this way, the transfer pipe 10 can be connected to existing general pipes. Therefore, the mixing and transfer device 1 has high versatility.
  • the rotation mechanism 20 is mechanically connected to the transfer pipe 10 and rotates the transfer pipe 10 around the rotation axis RA.
  • the rotation mechanism 20 has a motor 21 that serves as a drive source, and a belt 22 and pulleys 23 and 24 that transmit the force from the motor 21.
  • the pulley 23 is attached to the motor 21, the pulley 24 is attached to the transfer pipe 10, and the belt 22 is stretched across the pulleys 23 and 24.
  • the rotational force of the motor 21 is transmitted to the transport pipe 10 via the belt 22 and pulleys 23 and 24, causing the transport pipe 10 to rotate around the rotation axis RA.
  • the rotation axis RA and the central axis of the transport pipe 10 coincide with each other.
  • the flow device 30 is a device for adjusting the flow rate or flow rate (transport speed) of a liquid.
  • the flow device 30 is, for example, a known pump.
  • the form of the flow device 30 is not particularly limited, and the flow device 30 can take any form.
  • the control device 40 performs calculations and controls the entire device.
  • the control device 40 is composed of hardware such as a CPU (Central Processing Unit), RAM (Random Access Memory), and ROM (Read Only Memory), as well as software implemented on these.
  • CPU Central Processing Unit
  • RAM Random Access Memory
  • ROM Read Only Memory
  • control device 40 controls the rotation mechanism 20 to adjust the rotation speed of the transfer pipe 10 around the rotation axis RA.
  • the control device 40 also controls the flow device 30 to adjust the average flow velocity of the liquid in the extension direction of the transfer pipe 10.
  • the liquid to be stirred and transported flows in the transport piping 10 with a predetermined range of Reynolds number Re and a predetermined range of filling rate F.
  • the predetermined range of the filling rate F is 10% or more and 90% or less (10 ⁇ F ⁇ 90).
  • the predetermined range of the Reynolds number Re is 98 or more (Re ⁇ 98).
  • Such a numerical range is achieved by the control of the control device 40. The appropriateness of such a numerical range will be described in detail later.
  • the stirring and transferring device 1 is prepared, and the liquid to be stirred and transferred is flowed into the transfer pipe 10.
  • the filling rate of the liquid in the transfer pipe 10 is, for example, 10% or more and 90% or less. Therefore, a layer of liquid and air exists in the transfer pipe 10.
  • the transfer pipe 10 After the liquid is flowed through the transfer pipe 10, the transfer pipe 10 is rotated around the rotation axis RA by the rotation mechanism 20. At this time, the Reynolds number Re is, for example, 98 or more (Re ⁇ 98).
  • the rotation speed or flow rate may be constant or may vary slightly. In this embodiment, the transfer pipe 10 is rotated at a constant speed and the liquid is caused to flow at a constant flow rate.
  • Figure 2 is a photograph of the experimental results showing vortex streets in stationary liquid. Figure 2 shows the results of observing the agitation of the liquid from the side (Y direction) of the transfer pipe 10.
  • a circular pipe with a diameter of 100 mm and a length of 800 mm was prepared as the transfer pipe 10.
  • the transfer pipe 10 was made of transparent acrylic so that the inside could be easily seen.
  • the transfer pipe 10 was filled with water at a filling rate of 60% (the remaining 40% was air), and mica particles were further added as a visualization agent.
  • the rotation speed of the transfer pipe 10 was set to 3 rpm. Note that, unlike this embodiment, in the experiment, the flow rate of the water in the extension direction (X direction) of the transfer pipe 10 was set to zero, i.e., the water was stationary.
  • a vortex street with an axis of rotation perpendicular to the extension direction of the transfer piping 10 was generated in the water inside the transfer piping 10.
  • the reference symbol A1 is used to indicate the rotation of each vortex in the vortex street. Adjacent vortices in the vortex street rotate in opposite directions to each other, and mixing was achieved by the vortex street. In other words, by experimentally confirming the generation of a vortex street, it was confirmed that the device and method function as a mixing device.
  • Figure 3 is a vector diagram of the flow field resulting from a numerical simulation showing vortex streets in a stationary liquid. Specifically, Figure 3 shows the results of a numerical simulation performed under the same conditions as Figure 2.
  • a vortex street with a rotation axis perpendicular to the extension direction of the transfer piping 10 was generated in the liquid inside the transfer piping 10.
  • the reference symbol A2 is used to indicate the rotation of each vortex in the vortex street.
  • the vortex street agreed well with the experimental results shown in Figure 2, and by confirming the generation of the vortex street through numerical simulation, it was confirmed that the device and method function as a stirring device.
  • Figures 4 to 6 correspond to this embodiment and are vector diagrams of the flow field resulting from a numerical simulation showing vortex streets in a flowing liquid at times 0, 4, and 8 seconds, respectively.
  • the stirring and transfer can be suitably controlled, and appropriate stirring and transfer can be achieved depending on the process being carried out.
  • the transfer pipe 10 is simply a circular pipe, making it easy to manufacture and install.
  • Figure 7 shows the results of a numerical simulation when the filling rate is 10%
  • Figure 8 shows the results of a numerical simulation when the filling rate is 90%.
  • the generation of vortex rows was confirmed even when the filling rate was 10% (minimum value) and 90% (maximum value).
  • the symbols A5 and A6 are attached to indicate the rotation of each vortex in the vortex row. Therefore, from these results, it was confirmed that the stirring and transporting device 1 and the stirring and transporting method of this embodiment are effective when the filling rate is in the range of 10% to 90%. Therefore, by specifying the filling rate in this manner, it is possible to realize stable generation of vortex rows and stable stirring.
  • Figure 9 shows the results of a numerical simulation when the filling rate is 60% and the Reynolds number Re is 100.
  • the Reynolds number Re was adjusted by changing the viscosity ⁇ of the liquid.
  • the reference symbol A4 is used to indicate the rotation of each vortex in the vortex street.
  • Table 1 shows the results of a summary of the minimum Reynolds number Re at which the occurrence of a vortex street could be confirmed for each filling rate.
  • the stirring and transporting device 1 and stirring and transporting method of this embodiment may be effective when the Reynolds number Re is 98 or more (when the filling rate is 60%). Specifically, it was confirmed that by specifying the Reynolds number Re in this way, it may be possible to generate vortex streets, and stable stirring may be achieved. Therefore, the Reynolds number Re may be set to 98 or more. Furthermore, the Reynolds number Re may be set to 326 or more so that vortex streets are generated stably at a total filling rate of 10% to 90%. Furthermore, the Reynolds number Re may be appropriately set to a value equal to or greater than the minimum value shown in Table 1 depending on the filling rate to be set.
  • Figure 10 shows the results of a numerical simulation when the length of the transfer piping 10 is 0.6 times its diameter. As a result, the occurrence of vortex streets was confirmed even when the length of the transfer piping 10 was 0.6 times its diameter (i.e., the aspect ratio was 0.6).
  • the reference symbol A7 is used to indicate the rotation of each vortex in the vortex street.
  • Such simulations were performed with various changes to the Reynolds number Re and filling rate to confirm the occurrence of vortex streets.
  • Table 2 below shows the results of a summary of the minimum aspect ratios at which the occurrence of vortex streets could be confirmed, for each filling rate and the minimum Reynolds number for that filling rate (see Table 1 above).
  • the stirring and transporting device 1 and the stirring and transporting method of this embodiment may be effective (when the filling rate is 10%) when the length of the transport pipe 10 is 0.6 times or more the diameter (aspect ratio is 0.6 or more). Therefore, by specifically specifying the ratio of the length and diameter (aspect ratio) of the transport pipe 10 in this way, it may be possible to realize stable generation of vortex streets, and stable stirring may be realized. Therefore, the transport pipe 10 may have a length of 0.6 times or more the diameter of the circle of the cross section perpendicular to the stretching direction (i.e., an aspect ratio of 0.6 or more).
  • the transport pipe 10 may have a length of 1.8 times or more the diameter of the circle of the cross section perpendicular to the stretching direction (i.e., an aspect ratio of 1.8 or more).
  • an aspect ratio equal to or greater than the minimum value shown in Table 2 may be appropriately set according to the filling rate to be set.
  • Figure 11 is a graph of the results of a numerical simulation showing the relationship between the strength of the circulating flow (vortex flow) and the ratio K1 (average flow velocity/inner wall surface velocity). Note that in the numerical simulation of Figure 11, the Reynolds number Re for the viscosity of the liquid was set to 200, the filling rate was set to 40%, and the average flow velocity was changed in various ways.
  • Fig. 12 is a graph showing the relationship between the strength of the circulating flow (vortex flow) and the ratio K1, which is a result of a numerical simulation.
  • the average flow velocity was set so that the mainstream Reynolds number Re m was 150, the filling rate was set to 40%, and the Reynolds number Re was changed in various ways.
  • particles contained in a liquid can also be aggregated under a predetermined condition.
  • the predetermined condition may be as follows.
  • the Stokes number St in stirring is 2.7 ⁇ 10 ⁇ 5 or more (St ⁇ 2.7 ⁇ 10 ⁇ 5 ) at the Reynolds number Re at which a vortex street occurs
  • the ratio K2 of the terminal velocity of the free fall of the particles to the inner wall surface velocity in the rotation direction of the transport pipe 10 is ⁇ 0.01 or more and 0.52 or less ( ⁇ 0.01 ⁇ K2 ⁇ 0.52).
  • the terminal velocity of the free fall of the particles here also includes the case where the particles float (the case where the terminal velocity is negative). Specifically, the ratio K2 ⁇ 0 indicates that the particles float.
  • the Stokes number St is expressed by the following formula (1):
  • d represents the diameter of the particle
  • ⁇ represents the viscosity of the liquid
  • ⁇ represents the density of the liquid
  • ⁇ p represents the density of the particle
  • ⁇ represents the rotation speed of the transfer pipe 10.
  • the ratio K2 is expressed by the following formula (2).
  • g represents the gravitational acceleration
  • R represents the radius of the transfer pipe 10
  • the other parameters are the same as those shown in formula (1).
  • the density ⁇ p of the particles was set to 1200 [kg/m 3 ] (i.e., the density ratio of the particles to the liquid was 1.2/1.0), and the number of particles was set to about 100,000.
  • the particle diameter d was changed in various ways, the time evolution of the particle field was observed, and the change in the spatial distribution of particles with respect to the particle diameter d (i.e., the Stokes number St) was confirmed.
  • Figure 13 shows the initial particle placement in a numerical simulation for Stokes number St. As shown, the particles are evenly distributed in the liquid.
  • the Stokes number St in stirring may be set to 2.7 x 10-5 or more (St ⁇ 2.7 x 10-5 ).
  • the results of examining the ratio K2 (terminal velocity of free fall of particles/inner wall surface velocity in the rotation direction of the transfer pipe 10) will be described.
  • the radius R of the transfer pipe 10 was set to 1 [cm]
  • the viscosity ⁇ of the liquid was set to 0.001 [Pa ⁇ s]
  • the density ⁇ of the liquid was set to 1000 [kg/m 3 ]
  • the filling rate was set to 40%
  • the rotation speed ⁇ of the transfer pipe 10 around the horizontal axis was set to 4 [rad/s] (94 rpm). This resulted in the Reynolds number Re being set to 400.
  • the particle diameter d was set to 100 [ ⁇ m], and the number of particles was set to about 100,000. Under these conditions, the particle density ⁇ p was changed in various ways, the time development of the particle field was observed, and the change in the spatial distribution of particles relative to the particle density ⁇ p (i.e., the ratio K2) was confirmed.
  • Figure 19 shows the initial particle placement in the numerical simulation for ratio K2. As shown, the particles are evenly distributed in the liquid.
  • Fig. 25 is a graph showing the results of confirming the ratio of particles on the inner wall surface of the transfer piping 10 or near the liquid surface.
  • Fig. 24 is a graph confirming the dependency of N ⁇ /Np on the ratio K2, where N ⁇ is the number of particles within 100 [ ⁇ m] from the inner wall surface of the transfer piping 10 or the liquid surface , and Np is the total number of particles.
  • the ratio K2 is -0.01 or more and 0.52 or less (-0.01 ⁇ K2 ⁇ 0.52), and N ⁇ /N p is equal to or less than the threshold value of 0.4. In other words, it was confirmed that in this range, 60% or more of the particles are not located near the inner wall surface or the liquid surface, but are densely located in the central region of the liquid. Therefore, the ratio K2 may be set to -0.01 or more and 0.52 or less (-0.01 ⁇ K2 ⁇ 0.52).
  • the shape of the transfer pipe 10 is not limited to a circular pipe, but may be a pipe of any shape with a smooth inner surface. Therefore, the shape of the cross section perpendicular to the extension direction of the transfer pipe 10 may be circular as in the above embodiment, or may be a shape other than circular.
  • the shape of the cross section perpendicular to the extension direction of the transfer pipe 10 may be elliptical or donut-shaped.
  • the thickness (diameter) of the transfer pipe 10 does not have to be uniform, that is, it may change depending on the position in the extension direction.
  • the transfer pipe 10 may have a tapered shape that becomes thinner from one end to the other end.
  • the transfer pipe 10 need not only be arranged horizontally, but also need only be arranged approximately horizontally, and for example, a tilt of a few degrees from the horizontal direction is acceptable. Furthermore, the rotation axis RA and the central axis of the transfer pipe 10 do not need to be perfectly aligned, and may be slightly misaligned (eccentric).
  • the configuration of the rotation mechanism 20 can be variously considered other than the above embodiment, and any configuration that can rotate the transfer pipe 10 around the rotation axis RA can be adopted.

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Abstract

攪拌移送方法は、水平の延伸方向に延びる移送配管１０を準備し、前記移送配管１０内に攪拌移送対象の少なくとも１種類の液体を所定の範囲のレイノルズ数かつ所定の範囲の充填率で流して移送し、移送配管１０を延伸方向のまわりに回転させ、少なくとも１種類の液体内に渦列を発生させることにより少なくとも１種類の液体を攪拌することを含む。

Description

攪拌移送方法および攪拌移送装置
　本発明は、攪拌移送方法および攪拌移送装置に関する。
　液体を攪拌しながら移送する方法の一つとして、スタティックミキサーが知られている。スタティックミキサーでは、移送配管の内部に複雑な形状の攪拌パーツを設置し、液体の複雑な流れを誘起することで攪拌を促す。例えば、そのようなスタティックミキサーが特許文献１，２に開示されている。
特開２０１１－１２１０３８号公報 特開２０２２－６２３４５号公報
　スタティックミキサーは、移送配管内に複雑な形状を有する攪拌パーツを要するために、洗浄性に欠ける。また、操作可能なパラメータは流量のみであるため、液体の攪拌移送に関する制御性にも欠ける。
　本発明は、攪拌移送方法および攪拌移送装置において、洗浄性および制御性の良好な攪拌移送を実現することを課題とする。
　本発明の第１の態様は、
　水平の延伸方向に延びる移送配管を準備し、
　前記移送配管内に攪拌移送対象の少なくとも１種類の液体を所定の範囲のレイノルズ数かつ所定の範囲の充填率で流して移送し、
　前記移送配管を前記延伸方向まわりに回転させ、前記少なくとも１種類の液体内に渦列を発生させることにより前記少なくとも１種類の液体を攪拌する
　ことを含む、攪拌移送方法を提供する。
　この方法によれば、移送配管内に複雑な形状を有する攪拌パーツを設置する必要もなく、移送配管の回転によって少なくとも１種類の液体を攪拌できる。従って、良好な洗浄性を確保できる。攪拌に際しては、流れ方向に垂直な回転軸を有する渦列が生成される。渦列における隣接する渦同士は互いに逆旋回しており、当該渦列によって攪拌が実現される。また、少なくとも１種類の液体の流量（移送速度）だけでなく、移送配管の回転速度も調整可能なパラメータとなる。従って、移送速度と回転速度を調整することで、攪拌移送を好適に制御でき、実施するプロセスに応じて適切な攪拌移送を実現できる。ここで、水平とは、厳密な水平だけでなく概略水平を意味し、例えば水平方向から少なくとも数度程度の傾きは許容される。また、少なくとも１種類の液体は、気体または固体と、液体との混相流を含む。
　前記攪拌移送方法において、前記所定の範囲の充填率は、１０％以上かつ９０％以下であってもよい。
　この方法によれば、充填率を規定することにより、安定した渦列の発生を実現でき、安定した攪拌を実現できる。当該充填率の範囲の有効性は、数値シミュレーションにより確認したものである。
　前記攪拌移送方法において、前記移送配管の前記延伸方向に垂直な断面の形状は、円形であってもよい。
　この方法によれば、移送配管の滑らかな内面を形成でき、安定した攪拌を実現できる。ここで、移送配管の径は、一定でもよいし、変化してもよい。
　前記攪拌移送方法において、前記移送配管は、径が一定の円管であってもよい。
　この方法によれば、単純な円管状の移送配管を使用できるため、製造および設置が容易となる。
　前記攪拌移送方法において、前記移送配管は、前記延伸方向に垂直な断面の円形の直径の０．６倍以上の長さを有していてもよい。
　この方法によれば、移送配管の長さと直径の比（アスペクト比）を具体的に規定することにより、安定した渦列の発生を実現できる場合があり、安定した攪拌を実現できる場合がある。なお、当該アスペクト比の範囲の有効性は充填率やレイノルズ数に依存するが、実際にシミュレーションを行い、上記アスペクト比にて渦列の発生を確認した。
　前記攪拌移送方法において、前記所定の範囲のレイノルズ数は、９８以上であってもよい。
　この方法によれば、レイノルズ数を規定することにより、渦列の発生を実現できる場合があり、安定した攪拌を実現できる場合がある。なお、当該レイノルズ数の範囲の有効性は充填率に依存するが、実際にシミュレーションを行い、上記レイノルズ数にて渦列の発生を確認した。
　前記攪拌移送方法において、前記攪拌移送対象の少なくとも１種類の液体は、粒子を含み、前記攪拌におけるストークス数は２．７×１０―５以上であり、かつ、前記粒子の自由落下の終端速度と前記移送配管の回転方向の内壁面速度の比は－０．０１以上かつ０．５２以下であってもよい。
　この方法によれば、攪拌に伴って粒子を凝集させることができる。当該粒子凝集条件の有効性については、実際に数値シミュレーションを行い、粒子場の粗密を確認した。
　本発明の第２の態様は、
　水平の延伸方向に延び、攪拌移送対象の少なくとも１種類の液体を所定の範囲の充填率かつ所定の範囲のレイノルズ数で流動させて移送する移送配管と、
　前記移送配管を前記延伸方向まわりに回転させ、前記少なくとも１種類の液体内に渦列を発生させることにより前記少なくとも１種類の液体を攪拌する回転機構と
　を備える、攪拌移送装置を提供する。
　前記攪拌移送装置において、前記所定の範囲の充填率は、１０％以上かつ９０％以下であってもよい。
　前記攪拌移送装置において、前記移送配管の前記延伸方向に垂直な断面の形状は、円形であってもよい。
　前記攪拌移送装置において、前記移送配管は、径が一定の円管であってもよい。
　前記攪拌移送装置において、前記移送配管は、延伸方向に垂直な断面の円形の直径の０．６倍以上の長さを有していてもよい。
　前記攪拌移送装置において、前記所定の範囲のレイノルズ数は、９８以上であってもよい。
　前記攪拌移送装置において、前記攪拌移送対象の少なくとも１種類の液体は、粒子を含み、前記攪拌におけるストークス数は２．７×１０―５以上であり、かつ、前記粒子の自由落下の終端速度と前記移送配管の回転方向の内壁面速度の比は－０．０１以上かつ０．５２以下であってもよい。
　本発明によれば、本発明は、攪拌移送方法および攪拌移送装置において、洗浄性および制御性の良好な攪拌移送を実現できる。
本発明の一実施形態に係る攪拌移送装置の概略構成図。 静止した液体での渦列を示す実験結果の写真。 静止した液体での渦列を示す数値シミュレーション結果の流れ場のベクトル図。 流動する液体での時刻０秒での渦列を示す数値シミュレーション結果の流れ場のベクトル図。 流動する液体での時刻４秒での渦列を示す数値シミュレーション結果の流れ場のベクトル図。 流動する液体での時刻８秒での渦列を示す数値シミュレーション結果の流れ場のベクトル図。 充填率１０％のときの渦列を示す数値シミュレーション結果の流れ場のベクトル図。 充填率９０％のときの渦列を示す数値シミュレーション結果の流れ場のベクトル図。 レイノルズ数１００のときの渦列を示す数値シミュレーション結果の流れ場のベクトル図。 移送配管の長さが直径の０．６倍のときの渦列を示す数値シミュレーション結果の流れ場のベクトル図。 循環流の強さと比Ｋ１（平均流速／内壁面速度）との関係を示す数値シミュレーション結果の第１グラフ。 循環流の強さと比Ｋ１（平均流速／内壁面速度）との関係を示す数値シミュレーション結果の第２グラフ。 ストークス数に関する数値シミュレーションにおける粒子が初期配置のときの粒子場を示す図。 ストークス数が９．５×１０―６のときの粒子場を示す図。 ストークス数が２．７×１０―５のときの粒子場を示す図。 ストークス数が１．１×１０―５のときの粒子場を示す図。 ストークス数が４．２×１０―４のときの粒子場を示す図。 ストークス数が１．７×１０―３のときの粒子場を示す図。 粒子の自由落下の終端速度と移送配管の回転方向の内壁面速度の比に関する数値シミュレーションにおける粒子が初期配置のときの粒子場を示す図。 粒子の自由落下の終端速度と移送配管の回転方向の内壁面速度の比が－０．０２のときの粒子場を示す図。 粒子の自由落下の終端速度と移送配管の回転方向の内壁面速度の比が－０．００６８のときの粒子場を示す図。 粒子の自由落下の終端速度と移送配管の回転方向の内壁面速度の比が０．０６８のときの粒子場を示す図。 粒子の自由落下の終端速度と移送配管の回転方向の内壁面速度の比が０．２７のときの粒子場を示す図。 粒子の自由落下の終端速度と移送配管の回転方向の内壁面速度の比が０．５５のときの粒子場を示す図。 Ｎε／Ｎｐ（移送配管の壁面または液面付近の粒子の割合）と比Ｋ２（粒子の自由落下の終端速度／移送配管の回転方向の内壁面速度）との関係を示すグラフ。
　以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
　図１に示す本実施形態の攪拌移送装置１は、液体を攪拌しつつ移送するものである。Ｘ方向は水平面内において移送配管１０の延伸方向（本実施形態では回転軸ＲＡの延びる方向に一致）を示し、Ｙ方向は水平面内においてＸ方向に直交する方向を示し、Ｚ方向は鉛直方向（上下方向）を示している。
　攪拌移送装置１の構成について説明する。
　攪拌移送対象としては、少なくとも１種類の任意の液体を対象とすることができる。当該少なくとも１種類の任意の液体は、液体単体だけでなく、気体または固体と、液体との混相流を含む。例えば、水単体、乳化における水と油（液体と液体の混相流）、重合反応プロセスにおけるモノマーやポリマーと水、触媒反応プロセスにおけるスラリー攪拌（固体と液体の混相流）、単相もしくは複相の非ニュートン性流体（擬塑性流体ないし塑性流体）、バイオリアクターなどの酸素の通気攪拌（気体と液体の混相流）、または、バイオリアクターなどの嫌気層における固体（泥など）と液体の混相流などを対象とし得る。また、当該固体は粒子であってもよい。液体中で粒子を攪拌することにより、粒子を凝集させることもできる。
　攪拌移送装置１は、攪拌移送対象の液体を移送する移送配管１０と、移送配管１０を回転させることによって液体を攪拌する回転機構２０とを有している。また、本実施形態では、攪拌移送装置１は、液体を流動させるための流動装置３０と、各部を制御するための制御装置４０とを有している。
　本実施形態では、移送配管１０は、水平の延伸方向に延び、太さの均一な円管である。移送配管１０は、滑らかな内面を有し、内部に複雑な形状の攪拌パーツなどの追加の構成を有していない。従って、移送配管１０は、洗浄性に優れている。
　好ましくは、移送配管１０は、延伸方向に垂直な断面の円形の直径の０．６倍以上の長さを有している。そのような数値範囲の妥当性については、詳細を後述する。また、移送配管１０の材質は、任意に設定され得る。
　本実施形態では、移送配管１０は、床面Ｇに立設された複数の支持部材１１によって床面Ｇから持ち上げられている。複数の支持部材１１のそれぞれは、貫通孔部１１ａと、貫通孔部１１ａに取り付けられたベアリング１２とを有している。移送配管１０は、貫通孔部１１ａを貫通するとともにベアリング１２を介して回転軸ＲＡまわりに回転可能に支持部材１１によって保持されている。
　本実施形態では、移送配管１０の延伸方向の両端部には、接続部品１３が取り付けられている。接続部品１３は、図示しない一般の配管との接続用である。このように、移送配管１０は、既設の一般の配管に対して接続できる。よって、攪拌移送装置１は、高い汎用性を有している。
　回転機構２０は、移送配管１０と機械的に接続され、移送配管１０を回転軸ＲＡまわりに回転させる。本実施形態では、回転機構２０は、駆動源となるモータ２１と、モータ２１からの力を伝達するベルト２２およびプーリ２３，２４とを有している。プーリ２３はモータ２１に取り付けられ、プーリ２４は移送配管１０に取り付けられ、ベルト２２はプーリ２３，２４に架け渡されている。
　モータ２１が駆動されると、モータ２１の回転力がベルト２２およびプーリ２３，２４を介して移送配管１０に伝達され、移送配管１０が回転軸ＲＡまわりに回転される。本実施形態では、回転軸ＲＡと移送配管１０の中心軸は一致する。
　流動装置３０は、液体の流速ないし流量（移送速度）を調整するための装置である。流動装置３０は、例えば公知のポンプである。ただし、流動装置３０の態様は特に限定されず、流動装置３０は任意の態様をとり得る。
　制御装置４０は、演算処理および装置全体の制御を行う。本実施形態では、制御装置４０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ（Random Access Memory）、およびＲＯＭ（Read Only Memory）等のハードウェアと、それらに実装されたソフトウェアとにより構成されている。
　本実施形態では、制御装置４０は、回転機構２０を制御し、回転軸ＲＡまわりの移送配管１０の回転速度を調整する。また、制御装置４０は、流動装置３０を制御し、移送配管１０の延伸方向における液体の平均流速を調整する。
　攪拌移送対象の液体は、移送配管１０内で所定の範囲のレイノルズ数Ｒｅかつ所定の範囲の充填率Ｆで流される。ここで、レイノルズ数Ｒｅは、液体の密度ρ、移送配管１０の半径Ｒ、移送配管１０の回転速度ω、および液体の粘度μによって表される値である（Ｒｅ＝ρＲ２ω／μ）。充填率Ｆは、移送配管１０の容積Ｃに対する移送配管１０内の液体の体積Ｖの割合（％）で表される値である（Ｆ＝１００×Ｖ／Ｃ）。
　好ましくは、所定の範囲の充填率Ｆは、１０％以上かつ９０％以下である（１０≦Ｆ≦９０）。また、好ましくは、所定の範囲のレイノルズ数Ｒｅは、９８以上である（Ｒｅ≧９８）。そのような数値範囲は、制御装置４０の制御によって達成される。そのような数値範囲の妥当性については、詳細を後述する。
　次に、本実施形態の攪拌移送方法について説明する。
　本実施形態の攪拌移送方法では、上記攪拌移送装置１を準備し、攪拌移送対象の液体を移送配管１０内に流す。このとき、移送配管１０内の液体の充填率は、例えば１０％以上かつ９０％以下とする。従って、移送配管１０内では、液体と空気の層が存在することとなる。
　移送配管１０内に液体を流した後、回転機構２０によって移送配管１０を回転軸ＲＡまわりに回転させる。このとき、レイノルズ数Ｒｅは、例えば９８以上とする（Ｒｅ≧９８）。回転速度または流量は、一定であってもよいし、わずかに変化してもよい。本実施形態では、移送配管１０を一定速度で回転させるとともに、液体を一定流量で流動させる。
　回転機構２０によって移送配管１０を回転軸ＲＡまわりに回転させると、液体が移送配管１０内で攪拌されながら移送される。この攪拌は、液体内に渦列が生じることによる。そのような渦列の発生原理は科学的にも非自明であるが、渦列が発生することにより、液体を効率的に攪拌できる。
　渦列の発生を確認した実験について説明する。
　図２は、静止した液体での渦列を示す実験結果の写真である。図２は、移送配管１０の側方（Ｙ方向）から液体の攪拌の様子を観測した結果である。
　実験では、移送配管１０として、直径１００ｍｍおよび長さ８００ｍｍの円管を用意した。移送配管１０は、内部が見やすいように透明のアクリル製とした。移送配管１０には、水を充填率６０％（残りの４０％は空気）で封入し、さらに可視化剤として雲母粒子を入れた。移送配管１０の回転速度は３ｒｐｍに設定した。なお、実験では、本実施形態と異なり移送配管１０の延伸方向（Ｘ方向）の水の流速はゼロとし、即ち静止した状態の水を対象とした。
　図２に示すように、移送配管１０内の水には、移送配管１０の延伸方向に垂直な回転軸を有する渦列が生成された。図示を明瞭にすべく、渦列の各渦の回転を示す符号Ａ１を付している。渦列における隣接する渦同士は互いに逆旋回しており、当該渦列によって攪拌が実現された。即ち、渦列の生成を実験的に確認することで、攪拌装置および攪拌方法として機能することが確認できた。
　図３は、静止した液体での渦列を示す数値シミュレーション結果の流れ場のベクトル図である。具体的には、図３は、図２と同様の条件で数値シミュレーションを行った結果である。
　数値シミュレーションでは、実験で設定したパラメータ以外に、液体としての水の各種物性値（例えば密度１０００［ｋｇ／ｍ３］および粘度０．００１［Ｐａ・ｓ］）、重力加速度９．８［ｍ／ｓ２］、表面張力０［Ｎ／ｍ］、並びに、空気層の粘度および密度をいずれも水の０．０１倍に設定した。
　図３に示すように、移送配管１０内の液体には、移送配管１０の延伸方向に垂直な回転軸を有する渦列が生成された。図示を明瞭にすべく、渦列の各渦の回転を示す符号Ａ２を付している。当該渦列は、図２に示す実験結果とよく一致し、渦列の生成を数値シミュレーション的にも確認することで、攪拌装置および攪拌方法として機能することが確認できた。
　上記図２，３の結果は、本実施形態と異なり、静止した液体（水）を攪拌対象としたものであるが、本実施形態では攪拌だけでなく移送も同時に行う。そこで、以下では、図４～６を参照して、移送配管１０の延伸方向に液体を流した場合について図２，３と同様の数値シミュレーションを行った結果を説明する。
　図４～６は、本実施形態に対応し、流動する液体でのそれぞれ時刻０，４，８秒での渦列を示す数値シミュレーション結果の流れ場のベクトル図である。
　数値シミュレーションでは、図３の条件から一部を変更し、移送配管１０の半径Ｒを５０ｍｍ、回転速度ωを１８ｒｐｍ、充填率を４０％、および液体の流速（移送速度）を０．０１２［ｍ／ｓ］に設定した。また、液体の粘度μについては、レイノルズ数Ｒｅが２００となるように設定した。
　図４～６を参照して、液体が流れている場合でも、移送配管１０の延伸方向に垂直な回転軸を有する渦列が生成された。図示を明瞭にすべく、渦列の各渦の回転を示す符号Ａ３を付している。また、渦列は、液体の流れととともに移動していることが確認された。従って、液体が流れている場合でも、渦列の生成を数値シミュレーション的に確認することで、本実施形態の攪拌移送装置１および攪拌移送方法が有効であることを確認できた。
　本実施形態によれば、移送配管１０内に複雑な形状を有する攪拌パーツを設置する必要もなく、移送配管１０の回転によって少なくとも１種類の液体を攪拌できる。従って、良好な洗浄性を確保できる。また、少なくとも１種類の液体の流量（移送速度）だけでなく、移送配管１０の回転速度も調整可能なパラメータとなっている。従って、移送速度と回転速度を調整することで、攪拌移送を好適に制御でき、実施するプロセスに応じて適切な攪拌移送を実現できる。
　また、本実施形態では、移送配管１０が単なる円管であるので、製造および設置が容易である。
　以下、各種パラメータの好適な範囲について説明する。
　図７～８を参照して、液体の充填率について検討した結果を説明する。具体的には、液体の充填率を小さくまたは大きくしすぎると、渦列の発生が抑制される可能性があるため、液体の充填率の最小値および最大値について検討した。なお、図７の数値シミュレーションでは、液体の粘度についてレイノルズ数Ｒｅが５００となるように設定した。図８の数値シミュレーションでは、液体の粘度についてレイノルズ数Ｒｅが２５０となるように設定した。
　図７は充填率が１０％のときの数値シミュレーション結果を示し、図８は充填率が９０％のときの数値シミュレーション結果を示している。結果として、充填率が１０％（最小値）および９０％（最大値）のときにおいても渦列の発生を確認できた。図示を明瞭にすべく、渦列の各渦の回転を示す符号Ａ５，Ａ６をそれぞれ付している。従って、当該結果から、充填率が１０％から９０％の範囲において、本実施形態の攪拌移送装置１および攪拌移送方法が有効であることを確認できた。よって、このように充填率を規定することにより、安定した渦列の発生を実現でき、安定した攪拌を実現できる。
　図９を参照して、レイノルズ数Ｒｅについて検討した結果を説明する。具体的には、レイノルズ数Ｒｅを小さくしすぎると、渦列の発生が抑制される可能性があるため、レイノルズ数Ｒｅの最小値について検討した。また、当該レイノルズ数Ｒｅの最小値は、液体の充填率によっても変わるため、充填率毎に確認した。
　図９は、充填率が６０％でのレイノルズ数Ｒｅが１００のときの数値シミュレーション結果を示している。レイノルズ数Ｒｅは、液体の粘度μを変更することによって調整した。結果として、レイノルズ数Ｒｅが１００のときにおいても渦列の発生を確認できた。図示を明瞭にすべく、渦列の各渦の回転を示す符号Ａ４を付している。このようなシミュレーションをレイノルズ数Ｒｅと充填率を様々に変更して実行し、渦列の発生の有無を確認した。以下の表１に、渦列の発生を確認できた最小のレイノルズ数Ｒｅを充填率毎にまとめた結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記表１に示す結果から、レイノルズ数Ｒｅが９８以上において、本実施形態の攪拌移送装置１および攪拌移送方法が有効である場合がある（充填率６０％の場合）ことを確認できた。具体的には、このようにレイノルズ数Ｒｅを規定することにより、渦列の発生を実現できる場合があり、安定した攪拌を実現できる場合があることを確認できた。よって、レイノルズ数Ｒｅを９８以上と設定してもよい。また、１０％～９０％の全充填率にて渦列を安定して発生させるように、レイノルズ数Ｒｅを３２６以上としてもよい。また、設定する充填率に応じて表１に示す最小値以上のレイノルズ数Ｒｅを適宜設定してもよい。
　図１０を参照して、移送配管１０の長さと直径の関係（アスペクト比）について検討した結果を説明する。具体的には、移送配管１０の長さを直径に対して小さくしすぎると、渦列の発生が抑制される可能性があるため、移送配管１０における直径に対する長さの最小値について検討した。なお、図１０の数値シミュレーションでは、液体の粘度μについてレイノルズ数Ｒｅが５００となるように設定し、充填率については１０％となるように設定した。
　図１０は、移送配管１０の長さが直径の０．６倍のときの数値シミュレーション結果を示している。結果として、移送配管１０の長さが直径の０．６倍（即ちアスペクト比が０．６）のときにおいても渦列の発生を確認できた。図示を明瞭にすべく、渦列の各渦の回転を示す符号Ａ７を付している。このようなシミュレーションをレイノルズ数Ｒｅと充填率を様々に変更して実行し、渦列の発生の有無を確認した。以下の表２に、渦列の発生を確認できた最小のアスペクト比を、充填率および当該充填率における最小のレイノルズ数（上記表１参照）毎にまとめた結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　上記表２に示す結果から、移送配管１０の長さが直径の０．６倍以上（アスペクト比が０．６以上）において、本実施形態の攪拌移送装置１および攪拌移送方法が有効である場合がある（充填率１０％の場合）ことを確認できた。よって、このように移送配管１０の長さと直径の比（アスペクト比）を具体的に規定することにより、安定した渦列の発生を実現できる場合があり、安定した攪拌を実現できる場合がある。よって、移送配管１０は、延伸方向に垂直な断面の円形の直径の０．６倍以上の長さ（即ちアスペクト比を０．６以上）としてもよい。また、１０％～９０％の全充填率にて渦列を安定して発生させるように、移送配管１０は、延伸方向に垂直な断面の円形の直径の１．８倍以上の長さ（即ちアスペクト比を１．８以上）としてもよい。また、設定する充填率に応じて表２に示す最小値以上のアスペクト比を適宜設定してもよい。
　図１１を参照して、移送配管１０の回転方向の内壁面速度に対する移送配管１０の延伸方向の液体の平均流速の比Ｋ１について検討した結果を説明する。図１１は、循環流（渦流）の強さと比Ｋ１（平均流速／内壁面速度）との関係を示す数値シミュレーション結果のグラフである。なお、図１１の数値シミュレーションでは、液体の粘度についてレイノルズ数Ｒｅが２００となるように設定し、充填率については４０％となるように設定し、平均流速を様々に変更した。
　結果として、比Ｋ１が０．２５以下または０．６以上である場合には渦列（循環流）の発生を確認できた。特に、比Ｋ１が、０．２５以下では小さいほど強い循環流を確認でき、０．６以上では大きいほど強い循環流を確認できた。従って、当該結果から、比Ｋ１が０．２５以下または０．６以上において、本実施形態の攪拌移送装置１および攪拌移送方法が有効である場合があることを確認できた。よって、このように比Ｋ１を具体的に規定することにより、安定した渦列の発生を実現できる場合があり、安定した攪拌を実現できる場合がある。
　図１２を参照して、移送配管１０の回転方向の内壁面速度に対する移送配管１０の延伸方向の液体の平均流速の比Ｋ１（平均流速／内壁面速度）について検討した別の結果を説明する。
　図１２は、循環流（渦流）の強さと比Ｋ１との関係を示す数値シミュレーション結果のグラフである。なお、図１２の数値シミュレーションでは、主流レイノルズ数Ｒｅｍが１５０となるように平均流速を設定し、充填率については４０％となるように設定し、レイノルズ数Ｒｅを様々に変更した。ここで、主流レイノルズ数Ｒｅｍは、液体の密度ρ、移送配管１０の半径Ｒ、主流方向の平均流速Ｕｍ、および液体の粘度μによって表される値である（Ｒｅｍ＝ρＲＵｍ／μ）。
　結果として、比Ｋ１が１．５以下である場合には渦列（循環流）の発生を確認できた。特に、比Ｋ１が、１．５以下では小さいほど強い循環流を確認できた。従って、当該結果から、比Ｋ１が１．５以下において、本実施形態の攪拌移送装置１および攪拌移送方法が有効である場合があることを確認できた。よって、このように比Ｋ１を具体的に規定することにより、安定した渦列の発生を実現できる場合があり、安定した攪拌を実現できる場合がある。
　本実施形態の攪拌移送装置１および攪拌移送方法では、所定の条件下で、液体中に含まれる粒子を凝集させることもできる。所定の条件は、以下の通りとしてもよい。攪拌移送対象の少なくとも１種類の液体が粒子を含む場合に、渦列が発生するレイノルズ数Ｒｅにおいて、攪拌におけるストークス数Ｓｔは２．７×１０―５以上であり（Ｓｔ≧２．７×１０―５）、かつ、粒子の自由落下の終端速度と移送配管１０の回転方向の内壁面速度の比Ｋ２は－０．０１以上かつ０．５２以下である（－０．０１≦Ｋ２≦０．５２）。なお、ここでの粒子の自由落下の終端速度は、粒子が浮上する場合（終端速度が負となる場合）も含む。具体的には、比Ｋ２＜０の場合は粒子が浮上することを示す。
　ストークス数Ｓｔは、以下の式（１）で表される。以下の式（１）において、ｄは粒子の直径、μは液体の粘度、ρは液体の密度、ρｐは粒子の密度、ωは移送配管１０の回転速度を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　比Ｋ２は、以下の式（２）で表される。以下の式（２）において、ｇは重力加速度、Ｒは移送配管１０の半径を表し、その他のパラメータは式（１）で示したものと同じである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　図１３～１８を参照して、上記ストークス数Ｓｔについて検討した結果を説明する。具体的にはストークス数Ｓｔを小さくしすぎると、粒子の凝集が抑制される可能性があるため、ストークス数Ｓｔの最小値について数値シミュレーションを用いて検討した。数値シミュレーションでは、移送配管１０の半径Ｒを１［ｃｍ］、液体の粘度μを０．００１［Ｐａ・ｓ］、液体の密度ρを１０００［ｋｇ／ｍ３］、充填率を４０％、移送配管１０の水平軸まわりの回転速度ωを４［ｒａｄ／ｓ］（９４ｒｐｍ）に設定した。これにより、レイノルズ数Ｒｅを４００に設定したこととなる。また、数値シミュレーションでは、粒子の密度ρｐを１２００［ｋｇ／ｍ３］（即ち粒子と液体の密度比が１．２／１．０）、粒子数を約１０万個に設定した。この条件で、粒子の直径ｄを様々に変更し、粒子場の時間発展を観測し、粒子の直径ｄ（即ちストークス数Ｓｔ）に対する粒子の空間分布の変化を確認した。
　図１３は、ストークス数Ｓｔに関する数値シミュレーションにおける粒子の初期配置を示している。図示の通り、粒子は液体内において均等に配置されている。
　図１４は粒子の直径ｄが１５［μｍ］（ストークス数Ｓｔ＝９．５×１０―６）の場合を示し、図１５は粒子の直径ｄが２５［μｍ］（ストークス数Ｓｔ＝２．７×１０―５）の場合を示し、図１６は粒子の直径ｄが５０［μｍ］（ストークス数Ｓｔ＝１．１×１０―５）の場合を示し、図１７は粒子の直径ｄが１００［μｍ］（ストークス数Ｓｔ＝４．２×１０―４）の場合を示し、図１８は粒子の直径ｄが２００［μｍ］（ストークス数Ｓｔ＝１．７×１０―３）の場合を示している。
　図１４～１８に示す結果から、ストークス数が２．７×１０―５以上（図１５～１８）において、粒子分布の粗密を顕著に確認でき、即ち密な部分で粒子の衝突が活発化し、凝集が促進され得ることが確認できた。従って、粒子の凝集のためには、攪拌におけるストークス数Ｓｔは２．７×１０―５以上に設定してもよい（Ｓｔ≧２．７×１０―５）。
　図１９～２４を参照して、上記比Ｋ２（粒子の自由落下の終端速度／移送配管１０の回転方向の内壁面速度）について検討した結果を説明する。数値シミュレーションでは、移送配管１０の半径Ｒを１［ｃｍ］、液体の粘度μを０．００１［Ｐａ・ｓ］、液体の密度ρを１０００［ｋｇ／ｍ３］、充填率を４０％、移送配管１０の水平軸まわりの回転速度ωを４［ｒａｄ／ｓ］（９４ｒｐｍ）に設定した。これにより、レイノルズ数Ｒｅを４００に設定したこととなる。また、数値シミュレーションでは、粒子の直径ｄを１００［μｍ］、粒子数を約１０万個に設定した。この条件で、粒子の密度ρｐを様々に変更し、粒子場の時間発展を観測し、粒子の密度ρｐ（即ち比Ｋ２）に対する粒子の空間分布の変化を確認した。
　図１９は、比Ｋ２に関する数値シミュレーションにおける粒子の初期配置を示している。図示の通り、粒子は液体内において均等に配置されている。
　図２０は粒子の密度ρｐが８５０［ｋｇ／ｍ３］（Ｋ２＝－０．０２）の場合を示し、図２１は粒子の密度ρｐが９５０［ｋｇ／ｍ３］（Ｋ２＝－０．００６８）の場合を示し、図２２は粒子の密度ρｐが１５００［ｋｇ／ｍ３］（Ｋ２＝０．０６８）の場合を示し、図２３は粒子の密度ρｐが３０００［ｋｇ／ｍ３］（Ｋ２＝０．２７）の場合を示し、図２４は粒子の密度ρｐが５０００［ｋｇ／ｍ３］（Ｋ２＝０．５５）の場合を示している。
　図２０～２４に示す結果から、いずれにおいても粒子の粗密は見られる。ただし、これらの結果だけでは奥行き方向の粒子の空間分布を確認できないため、移送配管１０の回転軸に垂直な断面における粒子の空間分布も以下の通り確認した。
　図２５は、移送配管１０の内壁面または液面付近の粒子の割合を確認した結果を示すグラフである。具体的には、図２４は、移送配管１０の内壁面または液面から１００［μｍ］以内にある粒子の数をＮεとし、全粒子の数をＮｐとし、Ｎε／Ｎｐの比Ｋ２に対する依存性を確認したグラフである。
　図２５を参照すると、比Ｋ２が－０．０１以上かつ０．５２以下で（－０．０１≦Ｋ２≦０．５２）、Ｎε／Ｎｐが閾値０．４以下となっている。つまり、この範囲においては、６割以上の粒子が内壁面または液面付近に位置しておらず、液体の中央領域に密集して位置していることが確認できた。従って、比Ｋ２は－０．０１以上かつ０．５２以下に設定してもよい（－０．０１≦Ｋ２≦０．５２）。
　以上より、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
　例えば、移送配管１０の形状は、円管に限定されず、滑らかな内面形状を持つ任意の形状の管であり得る。従って、移送配管１０の延伸方向に垂直な断面の形状は、上記実施形態のように円形であってもよいし、円形以外の形状であってもよい。例えば、移送配管１０の延伸方向に垂直な断面の形状は、楕円形またはドーナツ形であってもよい。また、移送配管１０の太さ（径）は一様でなくてもよく、即ち延伸方向の位置によって変化していてもよい。例えば、移送配管１０は、一端から他端に向かって細くなるテーパ形状を有していてもよい。
　また、移送配管１０は、水平配置だけでなく、概略水平に配置されていればよく、例えば水平方向から数度程度の傾きは許容される。また、回転軸ＲＡと移送配管１０の中心軸は、完全に一致していなくてもよく、わずかにずれて（偏心して）いてもよい。
　また、回転機構２０の構成についても、上記実施形態以外に様々に考えられ、移送配管１０を回転軸ＲＡまわりに回転させることのできる任意の構成を採用し得る。
　　１　攪拌移送装置
　　１０　移送配管
　　１１　支持部材
　　１１ａ　貫通孔部
　　１２　ベアリング
　　１３　接続部品
　　２０　回転機構
　　２１　モータ
　　２２　ベルト
　　２３，２４　プーリ
　　３０　流動装置
　　４０　制御装置
　　G　床面
　　ＲＡ　回転軸

Claims (14)

  1. 　水平の延伸方向に延びる移送配管を準備し、
    　前記移送配管内に攪拌移送対象の少なくとも１種類の液体を所定の範囲のレイノルズ数かつ所定の範囲の充填率で流して移送し、
    　前記移送配管を前記延伸方向まわりに回転させ、前記少なくとも１種類の液体内に渦列を発生させることにより前記少なくとも１種類の液体を攪拌する
    　ことを含む、攪拌移送方法。
  2. 　前記所定の範囲の充填率は、１０％以上かつ９０％以下である、請求項１に記載の攪拌移送方法。
  3. 　前記移送配管の前記延伸方向に垂直な断面の形状は、円形である、請求項１または２に記載の攪拌移送方法。
  4. 　前記移送配管は、径が一定の円管である、請求項３に記載の攪拌移送方法。
  5. 　前記移送配管は、前記延伸方向に垂直な断面の円形の直径の０．６倍以上の長さを有している、請求項４に記載の攪拌移送方法。
  6. 　前記所定の範囲のレイノルズ数は、９８以上である、請求項４に記載の攪拌移送方法。
  7. 　前記攪拌移送対象の少なくとも１種類の液体は、粒子を含み、
    　前記攪拌におけるストークス数は２．７×１０―５以上であり、かつ、前記粒子の自由落下の終端速度と前記移送配管の回転方向の内壁面速度の比は－０．０１以上かつ０．５２以下である、請求項４に記載の攪拌移送方法。
  8. 　水平の延伸方向に延び、攪拌移送対象の少なくとも１種類の液体を所定の範囲の充填率かつ所定の範囲のレイノルズ数で流動させて移送する移送配管と、
    　前記移送配管を前記延伸方向まわりに回転させ、前記少なくとも１種類の液体内に渦列を発生させることにより前記少なくとも１種類の液体を攪拌する回転機構と
    　を備える、攪拌移送装置。
  9. 　前記所定の範囲の充填率は、１０％以上かつ９０％以下である、請求項８に記載の攪拌移送装置。
  10. 　前記移送配管の前記延伸方向に垂直な断面の形状は、円形である、請求項８または９に記載の攪拌移送装置。
  11. 　前記移送配管は、径が一定の円管である、請求項１０に記載の攪拌移送装置。
  12. 　前記移送配管は、前記延伸方向に垂直な断面の円形の直径の０．６倍以上の長さを有している、請求項１１に記載の攪拌移送装置。
  13. 　前記所定の範囲のレイノルズ数は、９８以上である、請求項１１に記載の攪拌移送装置。
  14. 　前記攪拌移送対象の少なくとも１種類の液体は、粒子を含み、
    　前記攪拌におけるストークス数は２．７×１０―５以上であり、かつ、前記粒子の自由落下の終端速度と前記移送配管の回転方向の内壁面速度の比は－０．０１以上かつ０．５２以下である、請求項１３に記載の攪拌移送装置。
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US20150031066A1 (en) * 2013-07-26 2015-01-29 Union Biometrica, Inc. Systems, methods, and apparatus for sample dispersion
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