JP2006503687A - 表面曝気羽根車 - Google Patents

Abstract

液体充填タンク用の表面曝気羽根車。羽根車は、静止液体表面に垂直な軸線回りに回転自在である。羽根車は、円板又は円板状表面の下側に取り付けられた複数枚の羽根を有する。各羽根は、円板への取付け箇所のところの鉛直状態から底部の部分傾斜状態までの範囲にわたる多面的又は湾曲幾何学的形状を有する。羽根は、軸線回りに円周方向に間隔を置いて設けられていて、羽根車の回転軸線から見て半径方向線に対し鋭角をなして設けられている。傾けられていて鉛直ではない羽根の下方部分は、静止液体表面の所又はその下に位置決めされている。羽根車を回転させると、下方部分は、液体を羽根の鉛直部分上に圧送し、ここで液体は、上方に且つ羽根車から外方に遠ざかる方向でスプレー傘の状態に放出される。本発明の設計は、従来設計よりも実質的に高い酸素伝達効率及び総合液体圧送速度を生じさせ、汚水その他の廃水の曝気に特に有用である。

Description

関連出願
本願は、１９９８年９月２８日出願された米国特許出願第０９／１６２，０８８号（現在、米国特許第５，９７２，６６１号）の継続出願である１９９９年７月２１日に出願された米国特許出願第０９／３５８，５０２号（現在放棄）の継続出願である２００１年７月２日に出願された同時係属米国特許出願第０９／８９５，４１８号（現在米国特許第 号）の一部継続出願である。
発明の分野
本発明は一般に、回転羽根車に関する。特に、本発明は、タンク内の水の表面の近くの鉛直軸線を中心として回転して液体を液体の上方のガス中に噴霧し、ガスを液体表面に当たる液体スプレーにより、液体中に同伴させる表面曝気羽根車に関する。

多くの工業プロセスでは、液体へのガスの物質移動を促進することが望ましい。この必要性の多くは、好気性微生物を用いる生物化学酸化プロセスに起因している。好気性微生物は、原料を価値の高い物質に変換できるので用いられる。幾つかの例としては、フラグランス、フレーバー及び医薬成分を製造する好気発酵プロセスが挙げられる。恐らくは、更に重要なプロセスは、汚水その他の廃水の流れの曝気（エアレーション）である。好気性微生物を用いるこれらプロセスの全てが共通しているものは、微生物が原料を所望の結果に変換できるようにするために酸素を液体中へ溶解させる必要があるということである。微生物は液体中に適当なレベルの溶存酸素がある場合に最も効率的に働くが、典型的には、追加の量の酸素又は空気を液体中へ移動させることが望ましい。これは、多くの方法で達成できるが、２つの最も一般的な方法は、ガス散布及び表面曝気である。ガス散布法では、ガス（例えば、空気又は酸素）を液体中における溶存酸素の量を増加させるような仕方で液体中で泡立てる。これとは対照的に、表面曝気法は、液体の表面のところに設けられていて、液体をガス中へ攪拌し又は噴霧する羽根車を用いている。その後、スプレーは、液体表面に当たり、それによりガスを液体表面中へ同伴させる。

汚水及び他の廃水流の処理のための基本的な手順のうちの１つは、７０年以上も前に発見され又は案出された活性汚泥法と呼ばれている。これは、生物化学タイプの反応であり、水中への酸素の物質移動、次に水中に浮遊した好気性微生物の成長を支えるようその溶存酸素の移動及び使用を含む。バイオマスと呼ばれているこれら微生物は、種々の仕方で廃水中の有機物を酸化して廃水の生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）を無くす。
当初の活性汚泥法では、曝気タンク又はベイスン（basin ）の底部に設けられた多種多様な装置を介して空気をブロワから導入していた。これら装置は一般に、酸素移動効率が低く、固形物懸濁特性が貧弱である。４０年以上前、活性汚泥法における曝気のための別な方式が採用された。この別な方式は、機械的表面曝気と呼ばれた。この技術は、液体表面のところで作動して、液体を空気中へ投入し又は噴霧し、液体表面中への空気の同伴を引き起こす機械式攪拌機を利用したが、この場合、圧縮機及び拡散機は用いられていなかった。爾来、酸素移動効率を増大させると共に二次的に、可能ならば、液体攪拌及び固形物懸濁具合を向上させるために表面曝気羽根車についてかなり多くの種々の設計が開発された。しかしながら、固形物懸濁の問題は、バイオマス固形物がタンク中のバルク液体を適度に攪拌しなければ沈澱する傾向のあるタンク底部から表面曝気羽根車が離れているので明かな欠点がある。

曝気効率の標準的な尺度は、曝気システムを作動させるために用いられるエネルギの１馬力につき１時間当たりに液体中に移動する酸素のポンド数である。この尺度は、標準曝気効率（ＳＡＥ）と呼ばれている。従来技術の表面曝気装置の現状に関するＳＡＥは、大型エアレータサイズにおける１馬力につき１時間当たり約２．０〜約３．３ポンドの酸素の範囲にわたる。サイズが小さい場合、効率の値は、幾分高くなる場合がある。廃水処理プラントは、純粋にコストが中心事項であり（即ち、これらは製品を販売するわけではない）、電力はかかるプラントにおける主要な運転費のうちの１つなので、かかるエアレータの酸素移動効率性能は、特に大型プラントでは極めて重要である。この必要性により、酸素移動効率の高い設計の表面曝気羽根車を製造する多くの試みがなされた。

従来技術の表面曝気羽根車の技術現状の代表例は、チコッタに付与された米国特許第３，４７９，０１７号明細書（以下、「チコッタ」という）、カエリンに付与された米国特許第３，５７６，３１６号及び第３，６１０，５９０号明細書（以下、「カエリン」という）、ロバートソンに付与された米国特許第３，７４１，６８２号明細書（、レーキンに付与された米国特許第４，０６６，３８３号明細書（以下、「レーキン」という）、バッド等に付与された米国特許第４，０７４，９５３号明細書（以下、「バッド等」という）、オースチンに付与された米国特許第４，１５１，２３１号明細書（以下、「オースチン」という）、コンノリー等に付与された米国特許第４，３３４，８２６号明細書（以下、「コンノリー等」という）、ホーブに付与された米国特許第５，５２２，９８９号明細書（以下、「ホーブ」という）及びマックウィータに付与された米国特許第５，９８８，６０４号明細書（以下、「マックウィータ」という）に記載されているものである。これら米国特許明細書の全ての記載内容全体を本明細書の一部を形成するものとしてここに引用する。

チコッタは、活性汚泥法に用いられる表面曝気羽根車を開示している。チコッタのエアレータは、円板の下面から垂下した複数の羽根車用羽根を有する平らで円形の羽根車円板を有する。羽根は、全体として平らであって放射状に配置され、その内縁部からその外縁部まで減少する高さを有している。この設計は主として、液体の噴霧に焦点を合わせており、タンク液体内容物の高い上方圧送作用（up-pumping action ）又は攪拌をもたらさず、その結果、システムの効率は比較的低い。アンダーソン及びオースチンも又、円板の下面に設けられた多数の羽根を有する表面曝気羽根車を開示している。これらの羽根は、放射状又はほぼ放射状であり、全体として平らであるが、各羽根の下縁部に固定された水平板を有している。この場合も又、これら設計は主として、液体の噴霧に焦点を合わせており、タンク液体内容物の高い上方圧送作用又は攪拌をもたらさない。

チコッタ、ロバートソン及びオースチンとは異なり、レーキン及びコンノリーは、主として鉛直方向に湾曲した羽根を有する表面曝気羽根車の種々の形態を開示している。殆どのものは、ディスク状取付け部材に設けられた多数の羽根を有するように思われる。カエリン及びバッド等も又、表面エアレータ設計を教示している。バッド等の羽根は、放射状であり、カエリンは、技術の現状を表す他の設計を示している。バッド等の設計は、強い攪拌作用をもたらさず、カエリンはこれに加えて、製造が困難であるという欠点を持っている。

ホーブは、廃水を曝気する装置及び方法を教示している。この装置は、ディスク状取付け部材上に設けられた多数の羽根を有する。羽根は、全体として放射状であるように見える。ホーブの羽根は、ディスク状取付け部材の上下両方に配置されている点で上述の米国特許と比較して特徴的である。

マックウィータの米国特許第５，９８８，６０４号明細書は、勾配型羽根タービン又はエーロフォイル形羽根のいずれかを有するのがよい軸流羽根車である表面曝気羽根車を教示している。マックウィータ特許の羽根は、円板状取付け部材の下面には取り付けられていない。加うるに、米国特許第５，９８８，６０４号明細書の羽根の上方部分は、厳密に放射状であるというわけではないが、下方部分は、放射状である（少なくとも１箇所において）。この羽根車は、或る程度の上方圧送及び攪拌作用をもたらすが、依然として液体圧送及び酸素移動効率の向上の余地がある。

上述したようなかかる表面曝気装置は、全体として満足のいく方法で機能するが、作動中における過度の跳ね欠け又はミスチング、不十分な液体圧送、攪拌及び循環、並びに羽根車の詰まりに関する問題が生じていた。したがって、曝気プロセスの効率を増大させると共に（或いは）これらの問題の幾つかを解決する改良設計が要望され続けている。特に、液体中への酸素移動効率を増大させ、それにより操業費を減少させる表面曝気羽根車設計及び動作特性が特に望ましい。

従来技術設計の表面エアレータ羽根車と関連した欠点の多くは、表面曝気の基本的なメカニズム及び流体動力学の理解が不十分であることに起因している。表面エアレータ用についての現行の技術の現状形酸素物質移動分析は本質的に、清水中における酸素移動の測定に関するＡＳＣＥ標準規格で用いられている単純な理想化モデルに限定される。この単純化され過ぎていて、制約のあるモデルは、表面エアレータの酸素物質移動性能を特徴付けるために数十年間にわたって用いられている。より現実的で且つ厳格なモデルが、マックウィータ（McWhirter ）他著，「オキシゲン・マス・トランスファー・ファンダメンタルズ・オブ・サーフェース・エアレータズ（Oxygen Mass Transfer Fundamentals of Surface Aerators ）」，Ind. Eng. Chem. Res.，１９９５年，Ｐ２６４４−２６５４によって開発された。この機械的なモデルは、表面エアレータの実際の酸素移動メカニズムについての一層物理学的に現実的な説明を与え、酸素物質移動プロセスを２つの別々のゾーン、即ち、液体スプレー物質移動ゾーンと表面再曝気物質移動ゾーンに分離する。

これら２つの別個独立のメカニズム又はゾーンは、全て一般的なタイプの機械式表面エアレータによって作られる。液体スプレー物質移動ゾーン１１は、液体が高速で周囲のガス中に放出される表面曝気羽根車の周囲を包囲するすぐ隣りのガス空間中に作られる。表面曝気物質移動ゾーン１３は主として、スプレー傘の外部及び液体スプレー物質移動ゾーンの周囲に対して円周方向の領域中の表面近くのバルク液体中に存在する。２つのゾーンは、図４に示されている。液体スプレー物質移動ゾーンを液体が液体表面上の一定のガス組成物の事実上無限の連続ガス相の状態に分散する単一段ガス−液体接触ゾーンとして合理的に特徴付けられてモデル化できる。これとは対照的に、表面再曝気物質移動ゾーン中のメカニズムは主として、液体表面上のガス相からの同伴ガスを含む乱流度の高い液体表面への酸素移動によって特徴付けられる。液体スプレーゾーンがタンクの液体表面に当たると、表面中への相当多くの気泡の同伴が達成され、「白水（white-water ）」効果が、タンク液体の表面に当たっている液体スプレーの周囲に生じる。表面再曝気物質移動ゾーンは、スプレー傘の下における乱流度の高い液体表面への酸素移動を含み、かくして、気泡同伴及び液体表面上における乱流度の高い液体表面とガスとの接触に起因する表面液体への全ての酸素の移動を含む。

表面エアレータの主要酸素移動機構に関する一般に知られている従来の意見とは対照的に、本発明は、表面エアレータの酸素移動の約２／３が表面再曝気物質移動ゾーンで起こり、約１／３だけが液体スプレー物質移動ゾーンで起こることを定量的に示した。これの示唆するところは、表面再曝気ゾーン中の酸素移動を促進する（例えば、乱流を強めると共に体積流量を増大させることにより）羽根車設計がシステムの全酸素移動に対する総合的な効果が、主としてスプレーゾーン中における酸素移動の増大に焦点を合わせている羽根車設計の場合よりも大きい（例えば、高さ及び距離のようなスプレー特性を向上させることにより）。かくして、表面エアレータにおける酸素物質移動機構の理解が深まることにより、本発明者は、酸素移動プロセスをこれら２つの別個独立の物質移動ゾーン内で独立に分析し、それにより本願に開示されているような改良設計の表面エアレータ羽根車を得ることができた。これら新規の設計は、液体スプレー物質移動ゾーンを通り表面再曝気ゾーン中へ単位馬力入力当たり多量の液体を圧送し、それにより総合表面曝気システムの総合酸素物質移動効率を最大化する。

したがって、以下は、本発明の種々の実施形態の選択された目的である。
本発明の目的は、特にシステムの表面再曝気物質移動ゾーンにおける液体中へのガス移動率が向上した改良型表面曝気羽根車を提供することにある。
本発明の目的は又、表面曝気システムの液体スプレーにより作られる液体表面のところでの乱流を促進すると共にガスの同伴を促進することにある。
本発明の目的は、トルクを減少させ、回転速度を増大させ、それにより羽根車を回転させるためのモータ及び歯車伝動装置の費用の減少をもたらす改良型表面曝気羽根車を提供することにある。
本発明の目的は又、液体圧送能力及び効率を向上させた改良型羽根車設計を提供することにある。

本発明は、自由液体表面及びタンク中の液体表面上の密閉又は開放ガス空間を有する液体充填タンクに用いられる改良型表面曝気羽根車である。羽根車は、静止液体表面に垂直な軸線回りに回転自在である。羽根車は、円板又は円板状表面の下側に取り付けられた複数枚の羽根を有する。各羽根は、円板への取付け箇所のところの鉛直状態から底部の部分傾斜状態までの範囲にわたる多面付き又は湾曲幾何学的形状を有する。羽根は、軸線回りに円周方向に間隔を置いて設けられていて、放射状に又は羽根車の回転軸線から見て半径方向線に対し鋭角をなして設けられている。上方部分よりも傾斜度が小さく又は鉛直度が小さい羽根の下方部分は、静止液体表面の下に位置決めされている。羽根車を回転させると、羽根車の羽根の下方部分は、液体を羽根の鉛直部分上に圧送し、ここで液体は、静止液体表面から上方に且つ回転羽根車から外方へ遠ざかる方向でスプレー傘の状態に放出される。

上述のように、酸素曝気システム中での酸素移動の約２／３が表面再曝気物質移動ゾーン１３で起こり、約１／３だけが、液体スプレー物質移動ゾーン１１で起こる。さらに、表面曝気システムの最大効率は、多くの従来設計が前提としている液体スプレー物質移動ゾーン中における液体スプレーの放出速度又は移動距離を単に増やすことによっては最大化されない。この発見により本発明者は、両方の物質移動ゾーン、特に、表面再曝気物質移動ゾーンに充填を置いて総合酸素移動効率を最大化する表面曝気設計に関心を寄せるようになった。この関心は、大抵の従来設計とは著しく異なる動作原理の表面曝気設計に結実した。本発明では、表面曝気羽根車からのスプレーの放出速度は、大抵の技術の現状における表面曝気羽根車よりも非常に低い。この結果、現行の商用設計ほど高く又は遠くには移動しない液体スプレーが得られる。例えば、本発明の好ましい実施形態では、液体スプレーは、エアレータ羽根車の先端部から約８〜１２フィート（２．４３８〜３．６５８ｍ）しか移動せず、これに対し、現行の技術の現状における表面エアレータは、羽根車の先端部から約１５〜１８フィート以上（４．５７２〜５．４８６ｍ以上）のスプレー距離で動作する。しかしながら、本発明のスプレーの移動距離は短いが、単位馬力入力当たり非常に多量の液体が液体スプレー物質移動ゾーンを通って圧送される。これは、羽根車の先端部からの液体スプレーの放出速度が低いことの結果である。液体流量の増加は又、多量の液体の流れをもたらすと共に表面再曝気物質移動ゾーン中に非常に強い乱流を生じさせ、かくして再曝気ゾーン中における酸素移動率を大幅に増大させる。表面再曝気ゾーン中におけるこの酸素移動率の増大は、液体スプレーゾーン内における酸素移動率の減少を補って余りある。したがって、本発明の表面曝気羽根車は、液体スプレー及び表面再曝気ゾーンを通る単位馬力入力当たりの液体流量を最大化するような仕方で設計されている。この結果は、表面曝気羽根車の上方圧送能力を劇的に高めることにより達成される。

かくして、本発明の表面エアレータ設計は、先行技術と区別される少なくとも４つの顕著な利点を有している。これら４つの顕著な利点は次の通りである。
１．本発明は、一層高い液体圧送をもたらすと共に単位馬力入力当たり多量の液体の噴霧を可能にする。
２．本発明は、高い酸素移動エネルギ効率（ＳＡＥ）をもたらす。
３．本発明は、バイオマス（生物量）固形分の懸濁の向上が得られるよう良好な総合的タンク攪拌及び高いタンクボトム速度をもたらす。
４．本発明は、設備費（減速歯車装置）を減少させると同時に上述の利点の全てをもたらす高い速度及び低いトルクで動作する。

図面を参照すると、図１には、本発明の改良型表面曝気羽根車の平面図が示されている。羽根車は、回転自在なディスク又はディスク状取付け部材１の下面に取り付けられた複数の鉛直方向に延びる羽根２を有している。図１に示す実施形態における各羽根は、羽根車の軸線３回りに連続した円周方向に間隔を置いた連続半径方向線に対し約３０°〜３８°の角度（α）をなしている。図１に示す例では、４５°の間隔を置いて８つの羽根が設けられている。羽根２は、図２においてより明確に示されており、この図２は、羽根車の等角図である。これら羽根は、その上方部分のところに実質的に鉛直な部分６を有している。羽根２は、羽根車の回転方向において上方且つ外方に延びる非鉛直且つ非水平な下方部分７を更に有している。この下向きの方向は、図３Ａに示す水平線と角度βをなす。羽根の下方部分７は、液体スプレー傘及び液体スプレー物質移動ゾーン１１を生じさせる多量の液体流をタービン羽根の鉛直上方部分６に与える上方圧送勾配型（up-pumping pitched）羽根タービンとして働く。

本発明の羽根２は、図２に示すように少なくとも２つの部分、即ち、（１）全体として鉛直方向の上方部分６及び（２）非鉛直であって傾斜している下方部分７から成る。図３では、第３の部分である頂部又は取付け部分８も又示されているが、このようにするかどうかは任意である。この頂部は全体として水平であり、取付け円板１に設けられた穴を通ってボルト止め（１０）するための穴を有している。この部分を設けるかどうかは、羽根を円板に取り付ける他の手段が可能なので任意である。例えば、鉛直部分６を直接取付け円板１に溶接してもよく、或いは鉛直部分６を直接取付け円板に設けられた鉛直フランジに取り付けてもよい。このようなタイプの羽根は、形状が勾配型羽根タービン攪拌羽根車の羽根と類似している。

製造及び取付けを容易にするため、本発明者は、これら部分の全てについて全体として矩形の形状が良好に働くことを発見した。ただし、他の形状も使用できることは間違いない。本発明の好ましい実施形態では、羽根は、２つの位置に折り目がつけられた単一矩形の金属片から作られる。１つの折り目は、９０°の角度をなし、羽根の頂縁部の近くに設けられて、取付け円板１の下側への取付けを容易にするための水平頂部８及び実質的に鉛直な上方部分６を構成している。この実施形態の第２の折り目は、矩形金属片全体の長さの下までの距離の約２／３〜３／４のところに設けられる。この折り目は、羽根７の下方且つ外方（回転方向）に延びる下方部分を提供する。第２の折り目は、図３Ａに示す角度βをなしている。角度βは、約２０°〜６５°、好ましくは約３０°〜５０°、最も好ましくは約３５°〜４５°である。

本発明の好ましい実施形態では、羽根の上方部分が取付け部材と合致する箇所は、直線である（即ち、羽根の上方部分は、水平平面内において真っ直ぐである）。別の好ましい実施形態では、羽根の全ての部分は平らであり（例えば、矩形又は台形）であり、かくして、非湾曲状態になっている。また、上方部分の外縁部は代表的には、円板状取付け部材の外縁部と境を接している。本発明者は矩形の羽根が最も望ましいことを発見したが、他の形状も使用可能であり、これは本発明の精神から逸脱しない。羽根は、実質的に鉛直な部分を備えた頂部で始まり、少なくとも一部が液体表面の下に位置する外方に向いた（回転方向）非鉛直部分で終わることが重要である。この下方部分の勾配及び寸法は、羽根車を回転させると、相当多くの量の液体の上方圧送流れを鉛直部分上にもたらすのに十分なものである。これら要件は、上述の２部分羽根並びに図３Ｂに示すような多部分（３以上）羽根及び連続湾曲羽根で満足できる。かかる連続湾曲羽根は、米国特許第５，９８８，６０４号の特に図６に記載されているような「エーロフォイル」形と呼ぶことができる（かかる米国特許明細書の記載内容を本明細書の一部を形成するものとしてここに引用する）。本発明の羽根（湾曲羽根と非湾曲羽根の両方）は好ましくは、これらの長さ全体に沿ってほぼ一定の幅Ｗを有している。かかる羽根を単一矩形の材料片（例えば、ステンレス鋼）から比較的容易に作ることができる。

本発明の表面曝気羽根車の羽根の枚数は一般に、約６〜１２である。羽根の最適枚数は、特定の用途で決まるが、小径の羽根車は一般に、これよりも少ない数の羽根を有し、大径の羽根車は、典型的には、８枚以上の羽根を有する。好ましい実施形態では、羽根の枚数は、約６〜８であり、より好ましい実施形態では、正確に８枚の羽根が設けられる。
羽根の位置決めは、重要であるが、相当なばらつきのある場合がある。本発明者の発見によれば、羽根を円板状取付け部材の下に半径方向に位置決めすると、性能の面で全ての従来設計を凌ぐ表面曝気羽根車が得られる。しかしながら、本発明者の発見によれば又、羽根を非半径方向に位置決めすることにより、即ち、羽根が静止液体表面に垂直な軸線から半径方向外方に突き出ないようにすることにより、非常に高い液体圧送能力及び酸素移動効率を備えた表面曝気羽根車が得られる。この非半径方向形実施形態では、羽根の鉛直部分の内縁部は、ゼロではない角度（α）をなした状態で回転方向に前方に押され、ここで、αは、半径方向線（鉛直部分の外縁部を通る）と羽根の鉛直部分６の頂縁部のなす角度として定義される（図１参照）。この角度は代表的には、２０°〜６０°、好ましくは約２５°〜５０°、最も好ましくは約３０°〜４５°である。羽根の位置決めを特徴付ける別の方法は、羽根を「スイープバック（seep back ）」させ又は「軸外れ（off-axis）」（即ち、非放射状又は非半径方向）にすることである。本発明の非半径方向バージョンでは任意の羽根部分の表面上に位置する想像上の半径方向線が無いことに注目するだけの価値がある。換言すると、任意の羽根部分の表面上に位置し、半径方向線でもある線は存在しない。

羽根のサイズも又、相当なばらつきがある。図を参照すると、羽根の幅Ｗは、円板の直径ｄの約０．１〜約０．４倍である。好ましくは、Ｗは、１／３ｄ未満であり、最も好ましくは、約０．２〜０．３ｄである。羽根の鉛直部分の高さＨは、０．０５〜０．２５ｄ、好ましくは０．１〜０．２ｄである。羽根の下方部分の長さＬは、代表的には、鉛直部分の高さよりも小さい。長さＬは、０．０３〜０．２ｄ、好ましくは０．１ｄ未満、又は約０．０５ｄであるのがよい。最後に、円板に任意的に取り付けられる頂部８の幅Ｔは、例えばボルトにより適切な取付けが可能である限り、重要ではない。
本発明の羽根は、エンドキャップと呼ばれている任意的な追加のセグメントを有する。エンドキャップ９は、図２及び図３Ａに示されている。エンドキャップは、鉛直部分６に本質的に垂直に位置決めされた比較的平らな幾何学的形状の部品であり、鉛直部分６と下方部分７の両方の外縁部又は後縁部を互いに連結している。エンドキャップの正確な形状は非常にばらつきがあってよいが、エンドキャップの肝腎な特徴は、これにより液体が鉛直部分６の下で羽根の後縁部から流れ落ち又は「滑り落ち」ることがないようになり、それと同時に羽根車の持ち上げ又は上方圧送能力が高められるということである。本発明者の発見によれば、エンドキャップは、送られる電力を著しく増大させると同時に以下の実験例が示すように標準曝気効率を増大させることができる。

本発明の羽根２は、軸方向回転をもたらすシャフト４に取付け可能な円板位置又は円板状取付け部材の下側に取り付けられている。円板は、羽根を半径方向に又は上述したように鋭角αをなして位置決めする都合のよい方法である。「円板状」という用語は、少なくとも頂面及び底面を有し、羽根の鉛直部分に半径方向に又は底面に角度αをなして取付け可能な任意の回転自在な取付け部材を含むものである。「円板状」という用語には、鋸刃状縁部及びスポークとリングタイプの構造体を備えた円板が含まれる。
羽根車全体（円板及び羽根）をシャフトに取り付ける手段は、厳密な意味では本発明の要部をなさない。というのは、かかる手段は、羽根車の当業者には周知だからである。好ましい実施形態では、取付け部材は、中央に穴のある実質的に円板であり、この穴は、回転自在なシャフト４を受け入れ、ボルト５により円板に取り付けられると共にピンでシャフトに取り付けられる取付け手段１２を用いてこの回転自在なシャフト４に連結される。
本発明の羽根車の全体的直径は、特定の用途で決まることになる。汚水又は廃水の曝気の場合、代表的な直径は、約５０〜１００インチ（１２７ｃｍ〜２５４ｃｍ）であろう。他の用途では、直径は、特にタンクサイズが小さい場合、非常に小さくてもよい。羽根車のサイズは、主として、特定のプロセス要件（即ち、酸素移動率）を満たすのに必要な電力により決まるが、これが用いられるタンクのサイズ及び形態によっても影響を受ける場合がある。

実験例
実質的に図１に示すような羽根車を製造し、約３２０，０００ガロンの水に相当する約１７フィートの静止液体を収容した４０フィート×４９フィートの正方形タンク内で試験した。試験では、羽根車を電源及び歯車減速手段に連結された鉛直シャフトに取り付けた。以下の実験例に用いた羽根車は全て、８本の羽根を有し、羽根車の全体直径は、７６．２５インチであった。加うるに、試験した全ての羽根の幅Ｗは、２０．５インチであり、上方／鉛直部分の高さＨは、１２．５インチであった。実験例に用いた馬力は、約３０〜８５ＨＰであった。主要な変数は、次の通り、即ち、（１）「軸外れ」角度α、（２）下方部分の傾斜角β、（３）液体没水度（没水度は、羽根の鉛直及び下方部分の交点よりも上のインチで表された静止液体レベルとして定義される）、（４）下方部分７の長さＬ、及び（５）エンドキャップ９のあるなしであった。
結果は主として、標準曝気効率（ＳＡＥ）の計算によって決定された。ここで、ＳＡＥは、曝気システムを作動させるために用いられるエネルギの馬力に関して単位時間当たり液体中に移動される酸素のポンド数として定義される。２０℃の液体温度及び１ａｔｍ圧力においてＳＯＴＲ（標準酸素移動率）を求めるためのＡＳＣＥ標準手順を用いることによりこれら試験及び計算を行った。２回以上のラン（実施）について示された結果が、全てのランについて平均ＳＡＥとして与えられている。

実験例１
この例は、図１の羽根車を有し、αが３０°に等しく、βが３０°に等しく、羽根の寸法ｈ＝１２．５、ｗ＝２０．５、ｌ＝１２．０インチの本発明の一実施形態を示している。また、羽根は、エンドキャップを備えていない。これらの結果（ＳＡＥで表された結果）は、種々の没水レベルで羽根車を作動させた場合についての非常に良好な効率を或る程度の有効性をもって示している。
〔表１〕
α β ｌ 没水度 エンドキャップ？ ラン回数 ＳＡＥ
30° 30° 12 in 1.0 in 無 2 2.43
30° 30° 12 in 3.0 in 無 1 2.74
30° 30° 12 in 5.0 in 無 2 2.92
（備考：inは、インチ）

実験例２
この例は、エンドキャップを追加した状態の実験例１に示す同一の羽根車を用いている。エンドキャップの頂部は、羽根車の上方部分と下方部分の交点を定める折り目よりも約１インチ上に位置していた。結果（ＳＡＥで表された結果）は、種々の没水レベルでの羽根車のこの実施形態を作動の際において効果がほとんど無いことを示している。ＳＡＥ結果は、エンドキャップを用いた場合に酸素移動効率の劇的な向上が可能であることを明確に示している。
〔表２〕
α β ｌ 没水度 エンドキャップ？ ラン回数 ＳＡＥ
30° 30° 12 in 0.0 in 有 3 3.39
30° 30° 12 in 4.0 in 有 3 3.40
30° 30° 12 in 7.0 in 有 2 3.32
（備考：inは、インチ）

実験例３
この実験例は、下方部分の長さを１２インチから８インチに減少させたことを除き、実験例２に示したのと同一の羽根車を使用している。結果（ＳＡＥ）で表された結果は、ＳＡＥが最高約３．５であると現在宣伝されている従来設計と比べて効率の向上を示している。ＳＡＥ結果は又、短い８インチの下方羽根部分の長さがこの形態についての１２インチ部分よりも高い移動効率を与えている。
〔表３〕
α β ｌ 没水度 エンドキャップ？ ラン回数 ＳＡＥ
30° 30° 8 in 0.0 in 有 3 3.56
30° 30° 8 in 2.5 in 有 1 3.78
30° 30° 8 in 5.5 in 有 3 3.79
30° 30° 8 in 7.8 in 有 1 4.11
（備考：inは、インチ）

実験例４
この実験例は、下方部分の傾斜角βを４５°に増大させ、羽根の下方部分７の長さを７インチに減少させたことを除き、実験例１と同一である。結果（ＳＡＥで表された結果）は、実験例１と比べて著しく向上しており、これは、この形態では、大きなβ及び短い下方部分ｌが酸素移動効率の向上をもたらしていることを教示している。この場合も又、この実験例は、没水値の増大につれ酸素移動効率が増大するという一般的な傾向を示唆している。
〔表４〕
α β ｌ 没水度 エンドキャップ？ ラン回数 ＳＡＥ
30° 45° 7 in 4.0 in 無 3 3.66
30° 45° 7 in 6.0 in 無 2 3.97
30° 45° 7 in 7.5 in 無 3 4.02
30° 45° 7 in 9.5 in 無 1 4.09
（備考：inは、インチ）

実験例５
この実験例は、鉛直部分と下方部分が交わる折り目よりも頂縁部が１インチ上方に位置するエンドキャップを追加した場合の実験例４と同一である。この場合も又、結果は一般にＳＡＥが４以上であって優秀である。エンドキャップの追加は、エンドキャップの無い対応の実験例と比較して、酸素移動効率が或る程度向上することを示している。
〔表５〕
α β ｌ 没水度 エンドキャップ？ ラン回数 ＳＡＥ
30° 45° 7 in 7.5 in 有 1 3.46
30° 45° 7 in 7.9 in 有 1 4.20
30° 45° 7 in 8.6 in 有 1 4.28
30° 45° 7 in 9.0 in 有 2 4.35
（備考：inは、インチ）

実験例６
この実験例は、下方羽根長さｌを４インチに減少させたことを除き実験例５と同一である。この羽根車も又、種々の没水値について首尾一貫して４．０以上の優れた効率値を与えた。
〔表６〕
α β ｌ 没水度 エンドキャップ？ ラン回数 ＳＡＥ
30° 45° 4 in 7.4 in 有 1 3.97
30° 45° 4 in 8.4 in 有 1 4.26
30° 45° 4 in 9.5 in 有 1 4.34
30° 45° 4 in 10.2in 有 1 4.20
（備考：inは、インチ）

実験例７
この実験例で用いられた羽根車は、「軸外れ」角度αを３０°ではなく３８°に変更したことを除き実験例６に用いられた羽根車と同一である。この羽根車も又、大抵の没水レベルについて重要なこととして且つ首尾一貫して４．０以上である優れた効率値を与えた。
〔表７〕
α β ｌ 没水度 エンドキャップ？ ラン回数 ＳＡＥ
38° 45° 4 in 7.0 in 有 2 4.00
38° 45° 4 in 8.5 in 有 1 4.10
38° 45° 4 in 9.0 in 有 1 4.21
38° 45° 4 in 10.8in 有 1 4.31
38° 45° 4 in 12.3in 有 1 4.23
（備考：inは、インチ）

実験例８
この実験例に用いられた羽根車は、羽根が半径方向に位置決めされていることを除き実験例７の場合と同一であった。すなわち、上方鉛直部分の頂縁部を半径方向円板取付け部材の下側に半径方向に連結した。これら結果の示唆するところによれば、本発明の半径方向形実施形態は、ＳＡＥが約３．３の最善の技術の現状結果よりも良好なＳＡＥをもたらすことができる。しかしながら、半径方向形実施形態は、上述の同等の非半径方向形羽根車実施形態と同じほど良好には働かない。
〔表８〕
α β ｌ 没水度 エンドキャップ？ ラン回数 ＳＡＥ
0 ° 45° 4 in 2.5〜4.0 in 有 3 3.57
0 ° 45° 4 in 6.0〜6.5 in 有 2 3.80
0 ° 45° 4 in 9.0〜9.5 in 有 3 3.77
0 ° 45° 4 in 10.5〜11.5 in 有 3 3.33
（備考：inは、インチ）

これら実験例は、劇的にも、本発明の酸素移動効率の向上を立証している。技術の現状形の表面曝気羽根車設計は、本明細書で用いた同一の作動条件範囲と比べて約３．３の標準曝気効率を生じさせ、これに対し、本発明は、本発明の或る幾つかの非半径方向形実施形態について、約３．３よりも十分に高い標準曝気効率及び４．０よりも十分に高い標準曝気効率を首尾一貫して生じさせる。加うるに、本発明者は、従来の表面曝気羽根車設計と比較して、本発明の高い圧送能力性能を確認した。本発明の羽根車設計では、曝気タンク全体を通じる液体の流れ速度は、著しく増大する。これにより、全体的なバルク液体攪拌が向上し、或る用途においてはタンクの底部の近くに設けられる攪拌羽根車を不要にすることさえできる。

本発明をその好ましい実施形態を参照して具体的に説明したが、当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱することなくこれら実施形態に関し形態及び細部における種々の変更を想到できることは理解できよう。特に、図示の本発明は本発明の羽根車の羽根について特定の位置、寸法及び形状を示しているが、これらパラメータは、本明細書において説明した本発明の範囲内で変えることができる。さらに、羽根を軸方向取付け可能な部材に取り付けて羽根車の軸方向回転を可能にする手段は、相当なばらつきがあり、本明細書において説明すると共に図面に記載した好ましい実施形態によっては限定されない。
加うるに、本願は一般に、廃水の処理における表面曝気羽根車の使用に取り組んでいるが、かかる羽根車の使用は、この用途には限定されない。本発明のものと同様な表面曝気羽根車を曝気の向上が望ましい種々の産業用途において利用できる。汚水処理に加えて特定の一例は、生物反応プロセスにおける曝気である。これらプロセスは、微生物成長用培地を含むスラリーを循環させることによる発酵を含む。本発明は、発酵プロセスを促進するようかかる液体の酸素化及び攪拌を向上させることができる。

本発明の好ましい羽根車設計の平面図である。 本発明の羽根車の等角図である。 後縁部にエンドキャップが設けられた単一の羽根のプロフィール図である。 本発明の一実施形態で用いられる湾曲した羽根のプロフィールを示す図である。 タンク内における稼働中の表面曝気羽根車を示す図である。

Claims (17)

1. 静止液体表面に垂直な軸線回りに回転するよう設計された表面曝気羽根車であって、取付け部材に取り付けられた複数の羽根を有し、前記取付け部材は全体として円板の形をしていて、頂面及び底面を有し、前記軸線回りに回転自在にシャフトに取付け可能であり、前記羽根は、全体として鉛直の上方部分及び回転方向に下方且つ外方に延びる傾斜した非鉛直下方部分を有していることを特徴とする表面曝気羽根車。
2. 前記羽根の前記上方部分は、前記取付け部材への取付け箇所のところで放射状に位置決めされていることを特徴とする請求項１記載の表面曝気羽根車。
3. 前記上方部分は、前記円板状取付け部材の底部に非放射状に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の表面曝気羽根車。
4. 前記上方及び下方部分は、全体として矩形の形状をしていることを特徴とする請求項１記載の表面曝気羽根車。
5. 各羽根の下方部分は、水平線に対し角度βをなし、βは、約２０°〜６０°であることを特徴とする請求項１記載の表面曝気羽根車。
6. 羽根の全体として鉛直の上方部分は、円板状取付け部材の下に非放射状に設けられ、角度αが、上方部分の外縁部を通る想像上の半径方向線と前記上方部分の頂縁部により形成される線との間に作られ、前記角度αは、約２０°〜６０°であることを特徴とする請求項１記載の表面曝気羽根車。
7. α及びβは、約３０°〜５０°であることを特徴とする請求項１記載の表面曝気羽根車。
8. αは、約３０°〜４５°であり、βは、約３５°〜４５°であることを特徴とする請求項６記載の表面曝気羽根車。
9. ６〜１２枚の羽根を有する請求項１記載の表面曝気羽根車。
10. 約８枚の羽根を有する請求項９記載の表面曝気羽根車。
11. 羽根の上方部分及び下方部分は、幅ｗが０．１〜０．４ｄの実質的に矩形の形をしており、前記上方部分の高さｈは、０．１〜０．２５ｄであり、前記下方部分の長さｌは、０．０３〜０．２ｄであり、ｄは、円板状取付け部材の直径であることを特徴とする請求項１記載の表面曝気羽根車。
12. ｌは、ｈ未満であることを特徴とする請求項１記載の表面曝気羽根車。
13. ｗは、１／３ｄ未満であり、ｈは、０．１〜０．２ｄであり、ｌは、０．１ｄ未満であることを特徴とする請求項１１記載の表面曝気羽根車。
14. 前記羽根は、エンドキャップを更に有していることを特徴とする請求項１記載の表面曝気羽根車。
15. 上方部分への取付け箇所のところにおけるエンドキャップの鉛直方向高さは、約１／４ｈ以下であることを特徴とする請求項１４記載の表面曝気羽根車。
16. 前記羽根は、平らで非湾曲セグメントのみを有することを特徴とする請求項１記載の表面曝気羽根車。
17. 静止液体表面に垂直な軸線回りに回転するよう設計された表面曝気羽根車であって、取付け部材に取り付けられた複数の羽根を有し、前記取付け部材は全体として円板の形をしていて、頂面及び底面を有し、前記軸線回りに回転自在にシャフトに取付け可能であり、前記羽根は、前記円板状取付け部材の底部に取り付けられ、前記羽根は、回転方向において下方且つ外方に連続して湾曲しており、前記羽根は、頂部が実質的に鉛直の部分で始まり、少なくとも一部が液体表面の下に位置し、羽根車を回転させると液体の実質的に上向きの圧送流をもたらすのに十分な寸法形状の外方に向いた非鉛直部分で終端していることを特徴とする表面曝気羽根車。

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