(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
竪型円筒状の撹拌槽と、
該撹拌槽内に回転自在に垂設された回転軸と、
該回転軸に略軸対称に垂直に保持された二枚以上の基本形状が矩形状の羽根板からなる撹拌翼とを備え、
前記撹拌翼の上部には、前記撹拌翼が回転したとき前記回転軸を中心とする回転円錐体を形成する凹部が形成され、前記撹拌翼の下端は前記撹拌槽の底面に近接して配置されていることを特徴とする撹拌装置。
【請求項２】
前記凹部の高さは前記撹拌翼の全高の１／５以上、４／５以下、
前記凹部の最大幅は前記撹拌翼の前記回転軸を中心とする回転体の最大幅の１／５以上、４／５以下であることを特徴とする請求項１に記載の撹拌装置。
【請求項３】
前記凹部の高さは前記撹拌翼の全高の１／２以上、２／３以下、
前記凹部の最大幅は前記撹拌翼の前記回転軸を中心とする回転体の最大幅の１／２以上、２／３以下であることを特徴とする請求項２に記載の撹拌装置。
【請求項４】
前記撹拌翼の外縁部と前記撹拌槽の内周面との間には、矩形状の邪魔板が配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の撹拌装置。
【請求項５】
前記撹拌翼の上部外縁部には、矩形状の切り欠きが形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の撹拌装置。
【請求項６】
前記撹拌翼は、上段翼および下段翼を含む多段に形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の撹拌装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撹拌装置に関し、特に、化学工業、薬品工業、食品工業等において、中・高粘性流体等の混合、溶解、分散などの処理に用いるのに適した撹拌装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
撹拌槽と、撹拌槽内に回転可能に支持された回転軸と、撹拌槽内で回転可能に回転軸に固定された撹拌翼とを備えた撹拌装置は、従来から、化学工業、薬品工業、食品工業等の分野において広く使用されている。このうち、中・高粘性流体等の混合、溶解、分散などの処理に用いられる代表的な撹拌装置としては、一般に、ヘリカルリボン翼、アンカー翼、などを備えた撹拌装置が使用されている。
【０００３】
ヘリカルリボン翼は羽根を傾斜させることにより、撹拌液を強制的に上下循環させると同時に、容器の内壁近傍での停滞を防止できるという特徴を有した撹拌翼である。
【０００４】
一方、アンカー翼は槽径に対して翼径がほぼ等しく、壁面境界層を乱したり、壁面に固体が付着するような場合に有利である。このため、高粘性流体の撹拌や晶析操作などに適している。
【０００５】
また、最近の技術として、（１）特開昭６１−２００８４２号公報には、撹拌軸に撹拌槽の底壁面に下端部を摺接させて槽底部に配置されたボトムパドルと、前記ボトムパドルより上位部分に、アーム部分と該アーム部分より直角に延びるストリップとから構成される格子翼を装着すると共に、撹拌槽の側壁面に下部から上部まで軸方向に沿う複数本の邪魔板を間隔を置き配設した撹拌装置が開示されている。
【０００６】
また、（２）特開平５−４９８９０号公報には、竪型円筒状の撹拌槽内中心部に回転軸を垂設し、この回転軸に長方形状の複数のパドル翼を上下多段に装着すると共に、最下段のパドル翼を上下で隣接する下段パドル翼に対して９０度未満の交差角度で、回転方向に先行させて配置した撹拌装置が開示されている。
【０００７】
さらに、（３）特開平７−１２４４５６号公報には、竪型円筒状の撹拌槽と、前記撹拌槽内の中心に槽外から回転自在に垂設された撹拌軸と、該撹拌軸に装着された複数の略台形状に形成されかつ下部中央部に凹部を備えた上段撹拌翼と、該上段撹拌翼と直交状に交差して装着され略長方形状に形成されかつ上部中央群に凹部を備えた下段撹拌翼と、前記下段撹拌翼に一体に又は別個に連結され回転方向に対し逆向きに傾斜して装着されかつ前記撹拌軸を中心として対称位置に切り込み部が形成された後退翼と、を備えた撹拌装置が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来の撹拌装置の中、ヘリカルリボン翼の撹拌装置やアンカー翼の撹拌装置では、内容物の流体の性質によるが、特定の回転速度で攪拌すると、ドーナツリング状の混合不良部が発生する恐れがあった。
【０００９】
なお、（１）のボトム翼・格子状翼の撹拌装置では、上部中央部の引き込み効果が弱く、また、（２）の長方形状の複数数のパドル翼の撹拌装置、および（３）の略台形状翼の撹拌装置では、撹拌翼下部からの上昇流が撹拌翼上部からの吐出流で部分的に妨害され、最適な撹拌が行なわれないという問題があった。
【００１０】
近年において製品生産の多品種・小ロット化が進み、撹拌装置の性能に対する要求は高度化・多様化している。すなわち、撹拌効率がより高く、洗浄や保守がより容易で、機械負荷がより小さい撹拌装置が求められている。ところが、上述の従来の撹拌装置ではかかる要求に充分に応えていないのが現状である。
【００１１】
本発明は上記の要請に応じて、中高粘性流体の撹拌において、簡単な構造で撹拌翼上部からの吐出流をコントロールして撹拌翼下部からの上昇流を助長し、軸方向の上下循環流を発達させ、最適な撹拌を行い、撹拌効率が高いと共に、回転数と消費動力とが低く、洗浄や保守がより容易な撹拌装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の一形態による撹拌装置は、竪型円筒状の撹拌槽と、該撹拌槽内に回転自在に垂設された回転軸と、該回転軸に略軸対称に垂直に保持された二枚以上の基本形状が矩形状の羽根板からなる撹拌翼とを備え、前記撹拌翼の上部には、前記撹拌翼が回転したとき前記回転軸を中心とする回転円錐体を形成する凹部が形成され、前記撹拌翼の下端は前記撹拌槽の底面に近接して配置されていることを特徴とする。
【００１３】
ここで、前記凹部の高さは前記撹拌翼の全高の１／５以上、４／５以下、前記凹部の最大幅は前記撹拌翼の前記回転軸を中心とする回転体の最大幅の１／５以上、４／５以下であることが好ましい。
【００１４】
また、前記凹部の高さは前記撹拌翼の全高の１／２以上、２／３以下、前記凹部の最大幅は前記撹拌翼の前記回転軸を中心とする回転体の最大幅の１／２以上、２／３以下であることがさらに好ましい。
【００１５】
なお、前記撹拌翼の外縁部と前記撹拌槽の内周面との間には、矩形状の邪魔板が配置されていてもよい。
【００１６】
また、上記邪魔板が配置されない場合は、前記撹拌翼の上部外縁部には、矩形状の切り欠きが形成されていることが好ましい。
【００１７】
さらに、前記撹拌翼は、上段翼および下段翼を含む多段に形成されていてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
添付の図面に記載された実施例に基づき、本発明の好ましい実施の形態につき詳細に説明する。なお、各実施例は、発明の説明のためのものであり発明を限定するものではない。なお、記載された説明および図面を通して、同一機能部位には同一番号を用いる。
【００１９】
本発明の撹拌装置の第１の実施の形態を図１に示す。
【００２０】
図１において、１は有底の竪型円筒状の撹拌槽、２は該撹拌槽１内に回転自在に垂設された回転軸、３は回転軸２にボス５を介して、略軸対称に垂直に保持された二枚の基本形状が矩形状の羽根板３ａ、３ｂからなる撹拌翼３である。撹拌翼３の上部には、該撹拌翼３が回転軸２と共に回転したとき回転軸２を中心とする回転円錐体を形成するように、羽根板３ａ、３ｂの上部内縁を斜めに切除することにより略Ｖ字状の凹部４が形成されている。また、撹拌翼３を構成する羽根板３ａ、３ｂの上部外縁部には、それぞれ矩形状の切り欠き６ａ、６ｂが形成されている。なお、撹拌翼３の下端は撹拌槽１の底面に近接して配置されており、Ｌは流体の液面である。
【００２１】
ここで、撹拌槽１の底面から液面Ｌまでの高さを撹拌槽１の有効高さＨ１  とするとき、撹拌翼３の全高Ｈ３  は撹拌槽１の有効高さＨ１  の約２／３程度が好ましく、また、撹拌翼３の回転軸２を中心とする回転体の最大幅（回転直径）Ｄ３  は撹拌槽１の内周面直径Ｄ１  の約４／５程度であることが好ましい。
【００２２】
また、略Ｖ字状の凹部４の高さＨ４  は撹拌翼３の全高Ｈ３  の１／５以上、４／５以下、前記凹部４の回転軸２を中心とする回転円錐体の最大幅（回転直径）Ｄ４  は前記撹拌翼３の最大幅Ｄ３  の１／５以上、４／５以下であることが好ましい。さらに、前記凹部４の高さＨ４  は撹拌翼３の全高Ｈ３  の１／２以上、２／３以下、前記凹部４の最大幅Ｄ４  は前記撹拌翼３の最大幅Ｄ３  の１／２以上２／３以下であることがさらに好ましい。
【００２３】
そして、撹拌翼３の下端と撹拌槽１の底面との距離はなるべく小さくし、撹拌槽１の有効高さＨ１の１／１０以下とするのが好ましい。
【００２４】
次に、本発明の撹拌装置の第２の実施の形態を図２に示す。
【００２５】
図２に示すように、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態のように、竪型円筒状の撹拌槽１、該撹拌槽１内に回転自在に垂設された回転軸２、回転軸２にボス５を介して、略軸対称に垂直に保持された二枚の基本形状が矩形状の羽根板３ａ、３ｂからなる撹拌翼３を有し、撹拌翼３の上部には、該撹拌翼３が回転軸２と共に回転したとき回転軸２を中心とする回転円錐体を形成するように、羽根板３ａ、３ｂの上部内縁を斜めに切除することにより略Ｖ字状の凹部４が形成されていることは同じである。しかし、本実施の形態では、撹拌翼３を構成する羽根板３ａ、３ｂの上部外縁部に矩形状の切り欠きが形成されず、その代わりに、撹拌翼３の外縁部と撹拌槽１の内周面との間に、矩形状の邪魔板７ａ、７ｂが軸対称に配置されている。なお、撹拌翼３の下端は撹拌槽１の底面に近接して配置されていること前形態と同じである。
【００２６】
ここで、撹拌槽１の底面から液面Ｌまでの高さを撹拌槽１の有効高さＨ１  とするとき、撹拌翼３の全高Ｈ３  は撹拌槽１の有効高さＨ１  の約２／３程度が好ましく、また、撹拌翼３の回転軸２を中心とする回転体の最大幅Ｄ３  は邪魔板７ａ、７ｂの内接円の直径Ｄ７  の約４／５程度であることが好ましい。
【００２７】
また、邪魔板７ａ、７ｂの幅Ｗはそれぞれ撹拌槽１の直径Ｄ１  の１／１０程度であり、略Ｖ字状の凹部４と撹拌翼３との好ましい相対的寸法関係は上述の第１の実施の形態と同じである。
【００２８】
次に、本発明の撹拌装置の第３の実施の形態を図３に示す。
【００２９】
第３の実施の形態は、第１および第２の実施の形態における撹拌翼３を、上段翼および下段翼を含む多段に形成したものである。
【００３０】
すなわち、上段翼３Ｕは回転軸２にボス５を介して、略軸対称に垂直に保持された二枚の基本形状が矩形状の羽根板３Ｕａ、３Ｕｂから構成され、上段翼３Ｕの上部には、該上段翼３Ｕが回転軸２と共に回転したとき回転軸２を中心とする回転円錐体を形成するように、羽根板３Ｕａ、３Ｕｂの上部内縁を斜めに切除することにより略Ｖ字状の凹部４が形成されている。
【００３１】
そして、下段翼３Ｌは回転軸２にボス５を介して、略軸対称に垂直に保持された二枚の基本形状が矩形状の羽根板３Ｌａ、３Ｌｂから構成され、上段翼３Ｕに対し上下方向にボス５の長さ分重なり、かつ、上段翼３Ｕに対し回転方向にほぼ９０度の交差角度で配置されている。
【００３２】
なお、下段翼３Ｌの下端が撹拌槽１の底面に近接して配置されている前述の実施の形態と同じである。
【００３３】
ここで、撹拌槽１と上段翼３Ｕおよび下段翼３Ｌとの好ましい相対的寸法関係、および略Ｖ字状の凹部４と上段翼３Ｕおよび下段翼３Ｌとの好ましい相対的寸法関係は上述の第１および第２の実施の形態で説明した「撹拌翼３」の語句を「上段翼３Ｕおよび下段翼３Ｌ」と読み変えればよい。
【００３４】
次に、本発明の実施の形態の作用につき説明する。撹拌装置においては、一般に、垂直に保持された羽根板の回転で、撹拌槽内の流体はまず回転軸を中心として円周方向に回転し、そして遠心力により半径方向に吐出される傾向がある。次に、その回転に起因した上下方向の圧力勾配により、軸方向の流れを生じさせる。
【００３５】
本発明の撹拌装置の上述の実施の形態において、撹拌翼３（第３の実施の形態では、上段翼３Ｕ）の上部の凹部４の存在で、まず撹拌槽１内の側壁内周面付近の上下圧力勾配がより発生しやすくなる。そして、撹拌翼３上部の凹部４の存在によって、その部分の流体の回転速度と回転から生じる遠心力とが減少され、撹拌翼３上部（第３の実施の形態では、上段翼３Ｕ）による半径方向の吐出流が抑えられる。さらに、第１の実施の形態にあっては、撹拌翼３を構成する羽根板３ａ、３ｂの上部外縁部に形成されているそれぞれ矩形状の切り欠き６ａ、６ｂの存在によって、撹拌翼３上部による半径方向の吐出流がさらに抑えられる。この半径方向の吐出流が抑えられることにより、液面Ｌ付近からの回転軸２近傍の降下流が撹拌翼３の上半部（第３の実施の形態では、上段翼３Ｕ）での半径方向の吐出流へ変換されることが抑えられ、その回転軸２近傍の降下流は引き続き撹拌翼３の下半部（第３の実施の形態では、下段翼３Ｌ）へ流れてから半径方向の吐出流に変換されることになる。この結果、軸方向の上下循環流が一層発達するのである。
【００３６】
上述の本発明の実施の形態の中、代表的に、第１の実施の形態による撹拌装置の流体解析結果を従来の略台形状翼の撹拌装置のそれと対比して図４に示す。本発明の略Ｖ字状凹部４が形成された撹拌翼の撹拌装置の場合、撹拌槽１内の上部の流線群は長方形群に近い（図４（Ａ）を参照）のに対して、従来の略台形状翼の撹拌装置の場合は、斜めの楕円群に近い（図４（Ｂ）を参照）。そして、前者の流線群の中心に近い略長方形のアスペクト比は大きいが、後者の流線群の中心に近い略楕円のアスペクト比は小さいことが理解されよう。さらに、前者の流線群の中心は羽根板の範囲内にあるのに対して後者の流線群の中心は羽根板の範囲外にあることが分かる。流線群の中心が羽根板の範囲内にあると混合不良部が発生しないが、逆にその中心が羽根板の範囲外にあるとドーナツリング状の混合不良部が発生する恐れがある。即ち、本発明の撹拌装置は上下圧力勾配に起因する混合上最適なフローパターンを生じさせることが分かる。
【００３７】
このように、本発明の撹拌装置では、撹拌翼上部の略Ｖ字状凹部４の存在で撹拌翼下部からの上昇流を助長するようになり、軸方向の上下循環流が発達し、撹拌効率は非常に高いのである。
【００３８】
【実施例】
上記のような構成の撹拌装置について、中・高粘度域の流体の撹拌効率の向上効果を確認するため、図５（Ａ）ないし（Ｄ）に示す形態の撹拌装置を用いて対比実験を行った。効果の確認は、ヨード水溶液を加えた攪拌液にハイポ（チオ硫酸ナトリウム）水溶液を加えて、ヨード−ハイポ（チオ硫酸ナトリウム）水溶液の還元脱色反応を利用し、経時における脱色変化をビデオ撮影し、その結果から決定した。
【００３９】
撹拌槽には、内径３０ｃｍの透明容器を使用し、撹拌液には、粘度を２０００ｃｐｓに調整した水飴水溶液（密度１．３６ｇ／ｃｍ３  ）を２０リットル使用し、レイノルズ数Ｒｅが約５０になる条件で撹拌実験を行った。また、ヨード水溶液およびハイポ（チオ硫酸ナトリウム）溶液は、撹拌液と同じ粘度に調整したものを用いた。
【００４０】
図５（Ａ）に示す、本発明の第１の実施の形態になる撹拌装置（邪魔板なし、Ｖ字状凹部と切り欠き付撹拌翼、撹拌翼の高さ２０ｃｍ、攪拌翼回転体の最大幅２４ｃｍ、凹部の高さ１１ｃｍ、凹部回転体の最大幅１５ｃｍ、羽根板の切り欠きの幅２ｃｍ、高さ１１ｃｍ、攪拌翼を入れたときの攪拌槽の底面から液面までの高さ約３０ｃｍ、攪拌翼の下端と攪拌槽の底面との距離３ｃｍ）と図５（Ｂ）に示す従来の略台形状翼の撹拌装置（邪魔板なし、上部外縁部に三角形の切り欠き有りの撹拌翼、撹拌翼の高さ２０ｃｍ、攪拌翼回転体の最大幅２４ｃｍ、羽根板の三角形の切り欠きの底辺３ｃｍ、高さ１３ｃｍ、攪拌翼を入れたときの攪拌槽の底面から液面までの高さ約３０ｃｍ、攪拌翼の下端と攪拌槽の底面との距離３ｃｍ）との脱色実験の結果をそれぞれ対比して示す。
【００４１】
撹拌開始後１５秒で、前者はほぼ均一に透明になった。一方、後者は液面高さの約２／３の所にドーナツリング状の未混合部分ＤＲが残ることが観察された。この液面高さの約２／３の所は、前述の図４（Ｂ）における斜めの楕円状の流線群の中心の位置に相当する。
【００４２】
図５（Ｃ）に示す、本発明の第２の実施の形態になる撹拌装置（邪魔板有り、Ｖ字状凹部付撹拌翼、撹拌翼の高さ２０ｃｍ、攪拌翼回転体の最大幅１７．６ｃｍ、凹部の高さ１１ｃｍ、凹部回転体の最大幅１２．６ｃｍ、攪拌翼を入れたときの攪拌槽の底面から液面までの高さ約３０ｃｍ、攪拌翼の下端と攪拌槽の底面との距離３ｃｍ、邪魔板の寸法；厚さ０．５ｃｍ、幅２．７ｃｍ、長さ２７ｃｍ、邪魔板と攪拌槽との距離１．５ｃｍ）と図５（Ｄ）に示す従来の略台形状翼の撹拌装置（邪魔板有り、上部外縁部に三角形の切り欠き有りの撹拌翼、撹拌翼の高さ２０ｃｍ、攪拌翼回転体の最大幅１７．６ｃｍ、羽根板の三角形の切り欠きの底辺３ｃｍ、高さ１３ｃｍ、攪拌翼を入れたときの攪拌槽の底面から液面までの高さ約３０ｃｍ、攪拌翼の下端と攪拌槽の底面との距離約３ｃｍ、邪魔板の寸法；厚さ０．５ｃｍ、幅２．７ｃｍ、長さ２７ｃｍ、邪魔板と攪拌槽との距離１．５ｃｍ）との脱色実験の結果をそれぞれ対比して示す。
【００４３】
同様に、撹拌開始後１５秒で、前者はほぼ均一に透明になった。これに対し、後者は液面高さの約２／３の所に邪魔板の影響で変形したドーナツリング状の未混合部分ＤＲが残ることが観察された。
【００４４】
このように、本発明装置の優れた撹拌効果を確認することができた。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、撹拌翼上部に形成したＶ字状の凹部の存在で撹拌翼下部からの上昇流が助長されることから軸方向の上下循環流が発達し、撹拌効率を大幅に向上させることができると共に、回転数と消費動力が低く、そして平板の羽根板を組み合わせるだけの簡単な構造なので、製作や保守が容易であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の撹拌装置の第１の実施の形態を示す側面図である。
【図２】本発明の撹拌装置の第２の実施の形態を示す側面図である。
【図３】本発明の撹拌装置の第３の実施の形態を示す斜視図である。
【図４】本発明の撹拌装置の第１の実施の形態（Ａ）と従来の略台形状撹拌翼の撹拌装置（Ｂ）との流体解析結果（流線群）を示す図である。
【図５】脱色実験の結果を対比して示す図であり、（Ａ）  は本発明の撹拌装置の第１の実施の形態、（Ｂ）は従来の略台形状撹拌翼の撹拌装置（邪魔板なし）、（Ｃ）は本発明の撹拌装置の第２の実施の形態、および（Ｄ）は従来の略台形状撹拌翼の撹拌装置（邪魔板有り）である。
【符号の説明】
１  撹拌槽
２  回転軸
３  撹拌翼
３ａ、３ｂ  羽根板
３Ｕ  上段翼
３Ｌ  下段翼
３Ｕａ、３Ｕｂ  上段羽根板
３Ｌａ、３Ｌｂ  下段羽根板
４  凹部
５  ボス
６ａ、６ｂ  切り欠き
７ａ、７ｂ  邪魔板
【図１】
0003632827.tif 000002
【図２】
0003632827.tif 000003
【図３】
0003632827.tif 000004
【図４】
0003632827.tif 000005
【図５】
0003632827.tif 000006