(57)【要約】【課題】中・高粘性の流動物の液面近傍から供給された物質を速やかにタンクの底部まで引き込み、タンク内全域を短時間に、低せん断で均一に撹拌混合し、かつ構造が簡素で洗浄性が良好な撹拌方法とその装置を提供する。【解決手段】中・高粘性を有する流動物２の液面近傍９からタンク底部に向かって排斥流量を逓増させる回転撹拌翼５を用いて、撹拌軸４周辺に液面９近傍からタンク底部近傍に至る縦方向の流れ成分１０，１１を形成し、かつその縦方向の流れ成分１０，１１のタンク円周方向への噴出し位置１３を少なくとも撹拌翼５の高さの3分の1以下に位置させることにより、タンク１内の第１の物質２に液面近傍から供給された第２の物質１４をタンク内で均一に撹拌混合させる。【選択図】図２
2014188384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粘性を有する流動体を円筒形状のタンクに供給する工程と、
前記流動体に混合する被混合物を前記タンクに供給する工程と、
前記タンクの軸方向に略平行に配置された軸部材に連結された撹拌翼であって、前記流動体が前記タンク内に供給された状態で前記流動体と接触する面の投影面積を最大にするような前記軸部材に平行な平面への平面投影形状が、前記軸部材から前記タンクの円周方向に向かう第１辺を上底とし、前記第１辺から所定距離を隔てて前記軸部材から前記タンクの円周方向に向かう前記第１辺より長い第２辺を下底とする略台形状である撹拌翼を、前記軸部材を中心にして回転させる工程と、
前記軸方向に沿った流れ成分であって、前記第１辺から前記第２辺に向かう方向の第１の流れ成分、および前記第１の流れ成分と逆向きの第２の流れ成分を前記流動体に対して発生させる工程と、
前記軸部材に前記第２辺から前記第１辺に向かって前記所定距離の１／３以下の距離を隔てた領域において、前記第1の流れ成分と前記第2の流れ成分を対向させ、前記領域から前記タンクの円周方向に向かう流れ成分を前記流動体に対して発生させる工程と
を有する、流動物の撹拌方法。
【請求項２】
前記第１辺の長さが前記タンクの内径の10%以上60%以下であり、
前記第１辺の前記円周方向の端部と前記第２辺の前記円周方向の端部とを結ぶ直線と前記回転軸に垂直な方向とのなす角度が80度以下である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記軸部材に前記撹拌翼が複数連結されている、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記撹拌翼が平板である、請求項１〜３のいずれかに記載の混合方法。
【請求項５】
前記被混合物を、前記流動体における前記タンクの円筒軸方向の断面領域うち、前記回転軸を中心として前記第１辺の長さを半径とする略円形となる領域内に供給する、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記被混合物の比重が前記流動体の比重より小さい、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記被混合物が固形物である、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記流動体の見かけ粘性が100mPa・ｓ以上である、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
粘性を有する流動体を収容する円筒形状のタンクと、
前記流動体の液面に対して被混合物質を供給する供給部と、
前記タンクの円筒軸方向に略平行に配置された軸部材と、
前記軸部材を回転させる回転制御器と、
前記軸部材に連結された撹拌翼であって、前記流動体が前記タンク内に収容された状態で前記流動体と接触する面の投影面積を最大にするような前記軸部材に平行な平面への投影形状が、前記軸部材から前記タンクの円周方向に向かう第１辺を上底とし、前記第１辺から所定距離を隔てて前記軸部材から前記タンクの円周方向に向かう前記第１辺より長い第２辺を下底とする略台形状である撹拌翼とを備え、
前記軸部材を中心にして前記撹拌翼を回転させることにより、前記軸方向に沿った流れ成分であって、前記第１辺から前記第２辺に向かう方向の第１の流れ成分および前記第１の流れ成分と逆向きの第２の流れ成分を前記流動体に対して発生させ、
前記軸部材に前記第２辺から前記第１辺に向かって前記所定距離の１／３以下の距離を隔てた領域において、前記第1の流れ成分と前記第2の流れ成分を対向させ、前記領域から前記タンクの円周方向に向かう流れ成分を前記流動体に対して発生させる流動物の撹拌装置。
【請求項１０】
前記第１辺の長さが前記タンクの内径の10%以上60%以下であり、
前記第１辺の前記円周方向の端部と前記第２辺の前記円周方向の端部とを結ぶ直線と前記軸部材に垂直な方向とのなす角度が80度以下である、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記軸部材に前記撹拌翼が複数連結されている、請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記撹拌翼が平板である、請求項９〜１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記供給部は、被混合物を、前記流動体における前記タンクの円筒軸方向の断面領域のうち、前記回転軸を中心として前記第１辺の長さを半径とする略円形となる領域内に供給する、請求項９〜１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記被混合物が固形物である、請求項９〜１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記被混合物が固形物である、請求項９〜１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記流動体の見かけ粘性が100mPa・ｓ以上である、請求項９〜１５のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中・高粘性の粘性流動物を撹拌する撹拌方法、及びその方法を実施する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
食品工業や医薬品工業、その他の産業分野においては、中高粘性の流動物の均一な撹拌混合は製品の品質の安定化のために重要なプロセスであり、これまでに様々な形状の撹拌翼を用いた撹拌方法が提案されてきた（例えば、特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−６６２９１号公報
【特許文献２】特開２００６−８７９７９号公報
【特許文献３】特開２００８−１２４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に、粘度の低い流動物の撹拌は比較的容易であるが、中・高粘性の流動物を撹拌して、流動物に供給した被混合物質と共に比較的低せん断の撹拌条件（タンクの大きさに依存するが、例えば、回転速度が約30〜300RPM程度、撹拌翼の先端速度が約１〜5m/s程度）で迅速に、かつ均一に撹拌混合することは容易ではない。
【０００５】
それは、主に２つの理由による。第１の理由は、流動物の粘度が高くなると流動物に加えられた運動エネルギーが熱に変わりやすくなるために流れが減衰しやすくなり、次第に撹拌翼近傍の流動物だけが移動するようになって、タンク内全域の流れが起きにくくなるからである。
【０００６】
第2の理由は、粘度が高くなるとレイノルズ数が低下し、乱流による拡散効果（以下、乱流拡散効果）が小さくなったり、消失するからである。
【０００７】
このため、従来の撹拌翼を用いて、中・高粘性を有する流動物の液面から被混合物質を供給して撹拌・混合しようとしても、被混合物質の流動物中への取り込みが不十分で液面に浮遊したり、供給した被混合物質がタンク側壁や撹拌翼へ付着したり、流動物中に取り込んだ被混合物質がタンクの上部域に滞留してタンクの下部域に到達しにくい問題があった。また、被混合物質が粉体などの場合、流動物中に取り込まれない被混合物質が浮いたまま固化したり、流動物中で十分に分散せず局所的に塊状物を形成してしまう場合があった。
【０００８】
撹拌翼としてアンカー翼やヘリカル翼を用いた場合は、流動物を撹拌翼で強制的に広範囲で流動させるため撹拌効果を上げることが可能であるが、均一な混合に長時間を要してしまう。また、撹拌翼の構造が複雑になるため、撹拌翼が洗浄しにくくなる等の問題が発生した。
【０００９】
本発明は、これらの問題を解消し、中・高粘性の流動物の撹拌混合において、流動物の液面から供給された被混合物質を速やかにタンクの底部まで引き込み、タンク内全域を比較的弱いせん断で、短時間で均一に混合することが可能な、構造が簡素で洗浄性が良好な撹拌翼を用いた撹拌方法とその方法を実施する装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成すべく、本発明の撹拌方法は、粘性を有する流動体を円筒形状のタンクに供給する工程と、前記流動体に混合する被混合物を前記タンクに供給する工程と、前記タンクの軸方向に略平行に配置された軸部材に連結された撹拌翼であって、前記流動体が前記タンク内に供給された状態で前記流動体と接触する面の投影面積を最大にするような前記軸部材に平行な平面への平面投影形状が、前記軸部材から前記タンクの円周方向に向かう第１辺を上底とし、前記第１辺から所定距離を隔てて前記軸部材から前記タンクの円周方向に向かう前記第１辺より長い第２辺を下底とする略台形状である撹拌翼を、前記軸部材を中心にして回転させる工程と、前記軸方向に沿った流れ成分であって、前記第１辺から前記第２辺に向かう方向の第１の流れ成分、および前記第１の流れ成分と逆向きの第２の流れ成分を前記流動体に対して発生させる工程と、前記軸部材に前記第２辺から前記第１辺に向かって前記所定距離の１／３以下の距離を隔てた領域において、前記第1の流れ成分と前記第2の流れ成分を対向させ、前記領域から前記タンクの円周方向に向かう流れ成分を前記流動体に対して発生させる工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の撹拌方法および方法を実施する装置によれば、撹拌翼を回転させて流動体を撹拌することにより、供給される被混合物を短時間で流動体の中に取り込み、タンク内のほぼ全域において均一に撹拌混合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の撹拌方法を実施する装置の構成を示した図。
【図２】本発明の撹拌方法により発生する流れの様子を示した図
【図３】長方形状の撹拌翼により発生する流れの様子を示した図。
【図４】本発明の方法により、流動体に被混合物質を撹拌する様子を示した図
【図５】撹拌翼の変形例を示す図。
【図６】撹拌翼の他の変形例を示す図。
【図７】(a)撹拌開始直後、(b)約１０秒後、(c)約３０秒後の撹拌状態の変化を示す図。
【図８】図１の装置についてのCFD結果であり、(a)撹拌翼モデル、(b)回転軸方向の流れ分布を、それぞれ示す図。
【図９】長方形状の撹拌翼を用いた撹拌装置の、(a)撹拌開始直後、(b)約１０秒後、(c)約３０秒後の撹拌状態の変化を示す図。
【図１０】図９の装置についてのCFD結果であり、(a)撹拌翼モデル、(b)回転軸方向の流れ分布を、それぞれ示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の撹拌方法、およびその方法を実施する装置の実施形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の撹拌方法を実施する装置の一実施形態の構成を示す図である。この装置は、円筒状タンク１の内部において、第1の物質と第２の物質を撹拌混合するものである。例えば、第1の物質である中・高粘性の流動物２をタンク１に供給した状態で、流動物２の液面付近９から供給部６を通じて供給される第２の物質である被混合物質を取り込み、流動物２に被混合物質を撹拌混合する。
【００１５】
本発明における中・高粘性の流動物とは、特定の物質に限定されるものではなく、見掛け粘度が少なくとも100mPa.・s以上の粘性を有する流動物をいい、ニュートン流体や非ニュートン流体、また粘弾性を有するレオロジー流体、スラリー状流動物、溶融状態の金属やプラスティックなど流動する粘性物質全般を意味する。
【００１６】
また、本発明における被混合物質とは、流動体２に撹拌混合されるものであれば、流動体であっても固形状の物質でも構わない。例えば、中・高粘の性流動物や低粘性流体、レオロジー流体やスラリー、粉末、小固形物、ゾル状もしくはゲル状物、ファイバー状物、気泡、乳化物、あるいは、これらの混合物であってもよい。
【００１７】
円筒状タンク１には、回転動力部３と、撹拌軸４と、撹拌翼５が設けられている。撹拌軸４は、円筒状タンク１の軸方向に略平行に配置され、回転動力部３により駆動されることで軸回転可能に取り付けられている。さらに撹拌軸４には撹拌翼５が連結されていて、撹拌軸４の軸回転に伴う撹拌翼５の回転運動により、タンク内の流動物２が撹拌される。図１においては、撹拌軸４に対して２枚の撹拌翼５が設けられているが、撹拌軸４に設けられる撹拌翼５の数は、これに限らず、1枚でも３枚以上でもよい。複数の撹拌翼５を設ける場合、撹拌軸４の軸方向から見た場合に、それぞれの撹拌翼５の間隔が等角度であることが好ましい。
【００１８】
撹拌翼５は、投影面積を最大にするような撹拌軸４に平行な平面（以下、最大投影面という）への投影形状が略台形状に形成されている。これにより、流動物２に対して、その液面付近９から供給される被混合物質を取り込み、流動物２に被混合物質をほぼ均一に撹拌混合することができる。その理由は、以下の通りである。
【００１９】
円筒状タンク内の中・高粘性の流動物２の撹拌混合において、流動物２の液面付近から被混合物質を供給する場合、２つの問題を解決する必要がある。第１の問題は、流動物２の液面から供給された被混合物質の流動物２への取り込みであり、第２の問題は、流動物２に取り込んだ被混合物質のタンク底部への移送である。
【００２０】
撹拌翼５の回転により流動物２を撹拌すると、流動物２は回転中心である回転軸４から見て外向きの円筒状タンク１の円周方向に押し出される。そしてこの排斥された流動物２の体積を補うように、回転軸４の上下両方向から流動物２の流れが発生する。
【００２１】
図２に、撹拌翼５の回転により流動物２を撹拌した場合に発生する流れの模式図を示す。
本発明では、上記の上下方向からの流れのうち、回転軸４の近傍において、流動物２の液面付近からタンク１の底部に向かう流動物２の流れを軸下降流１０という。そして、タンク１の底部から液面側に向かう流動物２の流れを軸上昇流１１という。軸下降流１０および軸上昇流１１が衝突する位置では、それぞれの流れは方向を変えて、タンク１の円周方向への流れを形成する。本発明では、この流れが形成される位置を噴出し点１３という。噴出し点１３から円周方向に噴出した流動物２は、タンク１の円周面付近においては、噴出し点１３より上方では上昇流を、下方では下降流を形成し、それぞれ図２に示したような循環流を発生させる。勿論、これらの流れはあくまで回転軸と平行な面に投影された流れ成分であって、実際の流れはこれらの流れ成分と、撹拌翼５の回転によって発生する円周方向の流れ（以下、旋回流という）が合成されたものとなる。
【００２２】
流動物２に被混合物質を撹拌混合する場合、まず第１の問題を解決して、被混合物質を液面から流動物２の中にとりこむ必要がある。本発明では、液面の近傍に撹拌翼５の上辺７を位置させることにより、流動物２の液面における回転軸４の近傍に軸下降流１０を発生させ、被混合物を流動物２の中へ取り込みやすくしている。
【００２３】
流動物２の液面から被混合物を取り込んでも、タンク全域において被混合物を流動体２の中に撹拌混合させるためには、第１の課題を解決しただけでは不十分である。ここでの課題である、流動物２の中に取り込んだ被混合物質のタンク底部の移送（第２の課題）に関しては、中・高粘性の流体の撹拌においては第１の課題に比べて困難な課題であり、従来の方法では容易に解決できなかった。従来の撹拌翼を用いた場合、回転軸４の近傍に発生する軸下降流が撹拌翼の高さのほぼ中央付近までしか到達せず、その位置で噴出し点が生じてしまう。そのため、それより下側のタンク底部に被混合物質を移送することが困難であった。図３に、長方形状の撹拌翼を用いた撹拌装置の場合の、撹拌翼の回転により発生する流れの様子を示す。
【００２４】
本発明は、中・高粘性の流体の撹拌における液面付近から供給された物質の取り込みと取り込んだ物質のタンク底部への移送のメカニズムを解明するための撹拌実験（目視による観察）、およびコンピュータ・シミュレーションを用いた詳細な流れ解析（Computational Fluid Dynamics、以下、「CFD」という。）を行った結果、撹拌翼５の回転中心である回転軸４からタンク１の円周側に向かう流体物２の排斥流量を被混合物の供給側である流動物２の液面と反対のタンク１の底部に向かって逓増させることによって、より強い下降流を発生させることができることを見出した。すなわち、タンク１の底部に向かって排斥流量が逓増する撹拌翼を用いることにより、タンク１の底部に向かうほど強い引き込み効果を持たせられることを見出した。
【００２５】
そこで、本発明で用いた撹拌翼５の形状は上下非対称とし、流動物２の液面付近に比べてタンク１の底部側における回転半径を大きくすることでタンク底部側の排斥流量を大きくしている。さらにタンク底部に向かって排斥流量を逓増させるため、撹拌翼５の円周方向の辺は連続的に変化する形状とした。すなわち、流動物２の液面下にある形状が、上底７よりも下底８の方が長く、上述した最大投影面への投影形状が略台形状の撹拌翼５を用いている。
【００２６】
これにより、撹拌翼５のタンク底部側まで達する軸下降流を発生させることができ、撹拌翼５によって撹拌されている流動物２に対して供給部６から被混合物（例えば、粒子形状）を供給すると、図４に示すように、被混合物１４はタンク底部まで移送される。
【００２７】
なお、供給部６を通じて供給される被混合物質１４が小固形物や粉末等の粒子形状の場合は、被混合物質１４が撹拌翼５に付着することを防止するため、図１に示したように、撹拌翼５の上端部は流動物２の液面下に位置するように配置するのが好ましい。しかしながら、被混合物質として流体を用いる場合など、被混合物質の物性や撹拌装置の態様によっては、図５のように、撹拌翼５の上端部を流動物２の液面上に突出するように配置しても良い。その場合、液面上に突出した撹拌翼５の上端部の形状は撹拌に影響を与えないため、撹拌翼５の全体の形状は台形状に限らず、台形の斜辺を延長した三角形状であってもよく、液面上に突出した部分は任意の形状でよい。また、流動物２が形成する液面９の上部の状態は本発明が提供する撹拌状態には本質的に無関係であるので、液面９に極めて近い上部に、あるいは液面９に接するようにタンク1を気密状あるいは半気密状に密閉するような任意のタンク上蓋を設置してもよい。
いずれの場合であっても、流動物２の液面での被混合物質の取り込み能力は、流動物２の液面近傍での撹拌翼５の半径によって決定される。
【００２８】
ここで、タンク底部への移送力の強さは、噴出し点１３の高さ（撹拌翼５に対する相対位置）と相関がある。すなわち、撹拌翼５の回転により強い軸下降流１０が発生しタンク１の底部への被混合物質の移送が強くなると、噴出し点１３は撹拌翼５のより低い場所に位置する。本発明は、噴出し点１３を撹拌翼５の高さの３分の１以下の位置に発生させると、流動物２の液面から被混合物を取り込みやすく、取り込んだ被混合物をタンク底部まで移送することができることを見出した。さらに、このように噴出し点１３を撹拌翼５の高さの３分の１以下の位置に発生させた場合、噴出し点付近に形成される軸下降流と軸上昇流の界面近傍の水平面を軸方向に上下に通過するような流れの分布が形成されて、この界面を流動物２が通過できるようになり、その結果、流動物２をタンクのほぼ全域において均一に撹拌混合することができることを見出した。
【００２９】
この噴出し点１３の位置は、撹拌翼５の上辺７と下辺８それぞれの円周方向の端部を結ぶ直線と下辺８または撹拌軸に垂直な直線とのなす角度（以下、撹拌翼の傾斜角度という）によって制御することができる。
【００３０】
撹拌翼５の長さが同一の場合、傾斜角度が小さくなるほど、より強い軸下降流１０が発生し、噴出し点１３はタンク１の底部側に移動する。傾斜角度を小さくするには、撹拌翼５の上辺７を短くするか下辺８を長くすればよいが、当然ながら、下辺８はタンク１の内径より小さくなければならない。また、上辺７については、液面付近の回転半径が短すぎると被混合物質を液面から取り込むために十分な軸下降流を発生させることが難しくなる。したがって、噴出し点１３を上述したような適切な位置に発生させることのできる撹拌翼５の形状は、流動物２が供給される円筒状タンク１の深さ（高さ）と内径によって範囲が定まる。例えば、図１に比べてタンク１の深さが浅い場合は、傾斜角度をより小さくすることもできる（図６）。
【００３１】
本発明においては、撹拌翼５は、上底の長さがタンク１の内径の10％以上60％以下の長さであり、撹拌翼５の傾斜角度は80度以下、さらに40度以上80度以下の範囲にするのが好ましい。下底の長さは、上記の傾斜角度を実現する範囲において上底より長く設定すれば構わないが、タンク１の内径の40％以上100％未満の長さが好ましい。
【００３２】
流動物２の液面から被混合物質をタンク底面側まで取り込むために十分な軸下降流１０を形成するために必要な撹拌翼５の液面付近での回転半径は、流動物２の表面張力や、流動物２と被混合物質の比重によって変化する。流動物２の表面張力が比較的小さい場合や流動物２の比重よりも被混合物質の比重の方が大きい場合は、求められる軸下降流の強さは比較的弱いため、撹拌翼５の回転半径、すなわち上底の長さは短くてもよい。流動物２の表面張力が大きい場合、または、流動物２の比重よりも被混合物質の比重の方が小さく、被混合物質が流動物２の液面に浮遊する傾向がある場合は、撹拌翼５の上底を長くして、取り込み力を強化する必要がある。
【００３３】
一方、タンク１の底部側における撹拌翼５の回転半径、すなわち下底の長さについては、噴出し点をよりタンクの下方に位置させるためには、できるだけ長くした方が望ましい。ところが、下底を長くすることに伴い撹拌翼が大型化し、回転させるために強い動力を必要とするため、タンク１の大きさ（内径）や回転軸４の回転数、回転動力部３の動力等を考慮して、上記の傾斜角度を維持できる範囲で適宜決定すればよい。
【００３４】
撹拌翼５の上辺と下辺それぞれの円周方向の端部を結ぶ線は、図１に示したような直線形状ではなく、曲線形状であってもよい。
【００３５】
また、撹拌翼５は、洗浄性を考慮すると平板で構成する方が好ましい。しかしながら、洗浄性が確保できる範囲であれば、回転方向に対して向い角や後退角をつけた構造でも、それらを湾曲させた形状であってもよい。流動物２の液面からの被混合物質の取り込みや軸下降流の発生は撹拌翼５の回転による流動物２の排斥に起因しており、この排斥流量は流れに垂直な平面に投影される撹拌翼面積には大きく影響されるが、撹拌翼の流れに対する向かい角や表面の湾曲状態のような立体構造による影響は少ないからである。
【実施例】
【００３６】
[実施例１]
図１と同様の装置を用いて、中・高粘性の流動物に小固形物を撹拌・混合した試験例を以下に示す。
【００３７】
中・高粘性の流動物として、CMC（カルボキシルメチルセルロース）水溶液を粘度が10℃で1500mPa・sになるように調整した。このCMC水溶液を内容量が約５Ｌの透明プラスティック製の円筒状タンク（半径10cm）にいれ、平板状の撹拌翼（上辺 4cm、下辺 6ｃｍ、傾斜角約76度）を140ＲＰＭで回転させ、被混合物質として直径が約２mmの小固形物を液面上部から供給して撹拌・混合状態を評価した。なお、小固形物の比重は、CMC水溶液の比重とほぼ同じになるように予め調整した。
【００３８】
図７(a)〜(c)に、撹拌装置を動作させた場合の撹拌状態の変化の、撹拌開始直後、約１０秒後、約３０秒後の様子をそれぞれ示す。本発明の撹拌方法により、開始直後に小固形物が軸下降流に乗ってタンク内の下部まで引き込まれていることがわかる（図７(a)）。１０秒後には、引き込まれた小固形物が噴出し点に沿ってタンク外周面まで移動し、さらにタンク内で撹拌されることによって層状に分布していることが確認された（図７(b)）。そして、撹拌を開始してから、わずか３０秒の短時間で、小固形物がCMC水溶液中にほぼ均一に分散した（図７(c)）。
【００３９】
この試験に対応するCFDの予測結果に関係する図面を図８（a）〜(c)に示す。CFDは、図８(a)に示す撹拌翼モデルを用い、上記の試験に用いた物性等と同一の値をパラメーターとして用いた。
【００４０】
図８(b)に示した軸方向の流れ分布の結果を見ると、噴出し点の位置は試験による目視の様子とほぼ一致しており、撹拌軸近傍において、タンク底部に向かう強い軸下降流が発生していることがわかった。これにより、噴出し点を撹拌翼の高さの３分の１より低い位置、すなわち、タンクの底部により近い位置に形成することによって、小固形物を速やかにタンク下部に到達させることができることが確認できた。
【００４１】
さらに、CFDによって軸下降流１０と軸上昇流１１の界面近傍の流体の流れを詳細に調べた結果、この界面は中心から外周に下降するコーン状になり、コーンの角度が回転方向における撹拌翼近辺と撹拌翼から離れた位置で変化しており、その結果、この界面を上下方向に横切るような流れが発生していることを見出した。このことにより、流動物２の液面から供給された被混合物質はタンク内の上部域で分散すると同時に、この界面を通過してタンクの下部域にも移送され、撹拌翼５による回転を繰り返すことで、タンク内全域に到達して均一に分散することが確認された。すなわち、撹拌翼５を用いた撹拌方法は、強い軸下降流１０を発生させて流動体２の液面近傍から供給された被混合物質をタンク１の下部付近に形成される噴出し点１３まで移送することに加えて、軸下降流１０と軸上昇流１１の界面を通過させて界面の下部域にも被混合物質の一部を移送することができる。さらに撹拌を続けるうちに、下部域に移送された被混合物質の一部を下部域から界面の上部域へ移送させ、結果的に被混合物質をタンク内全域において流動物２の中に分散させる効果が確認された。
【００４２】
[比較例]
本発明の撹拌方法との比較のため、実施例１と同じ円筒状タンク、流動物および被混合物質を用いて、実施例１と形状の異なる撹拌翼による撹拌・混合試験を行った。撹拌装置の構成の概要を図５に示す。撹拌翼は、図３に示したような、上辺と下辺の長さが等しく、傾斜角度が90度となる長方形状とした。
【００４３】
図９（a）〜(c)は、図７（a）〜(c)と同様に、撹拌装置を動作させた場合の撹拌状態の変化を示す図である。撹拌翼が長方形状である比較例の場合、撹拌開始直後は、被混合物である小固形物は流動体であるCMC水溶液の液面から取り込まれずに浮いたままであった（図９(a)）。約１０秒経過後においても、小固形物は撹拌翼のほぼ中央に発生する噴出し点より下側には引き込まれず、噴出し点の上側のみで撹拌されている様子が確認された（図９(b)）。さらに撹拌を続けたところ、本実施例ではタンク内全域でほぼ均一な撹拌混合が完了した３０秒経過した状態においても、小固形物はタンク上半分に滞留したままであり、下部にはほとんど到達しなかった。尚、この傾向は、撹拌の回転速度を高めてもほぼ同様であった。
【００４４】
図９の試験に対応するCFDの予測結果に関係する図面を図１０に示す。噴出点の位置は試験結果とほぼ一致しており、噴出点が軸下降流と軸上昇流の強さがほぼ同程度のため、撹拌翼のほぼ中央の高さに形成されていることが確認できた。そして、この噴出点を界面にするように上下対称に渦状の流れが発生している。この界面近傍を詳細に調べた結果、本発明の撹拌方法によって見られたような界面を通過する流れは殆ど存在していなかった。これにより、CFDによっても、液面から供給された小固形物はタンク内の上半分の領域のみでは分散するが、この界面を通過することができないためにタンクの上半分に滞留した不均一な分散となることが確認された。
【００４５】
上記の実施例と比較例とを比較すれば明らかなように、本発明にかかる撹拌方法を用いることにより、噴出し点をよりタンク下部に発生させることができ、その結果、流動物をタンク内のほぼ全域において均一に撹拌することが可能となることがわかる。
【００４６】
なお、以上説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の構成を備え、目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。例えば、本発明は、流動物に被混合物を撹拌・混合させる場合に限らず、流動物を単体で撹拌する方法にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、食品工業、医薬品工業をはじめとする様々な産業分野において、中・高粘性の粘性流動物の撹拌に適用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１……円筒状タンク
２……中・高粘性流動物（第１の物質）
３……回転動力部
４……撹拌軸
５……撹拌翼
６……第２の物質の供給部
７……撹拌翼上辺
８……撹拌翼下辺
９……中・高粘性流動物の液面
１０……軸下降流
１１……軸上昇流
１２……軸噴出流
１３……噴出点
１４……第2の物質として供給した小固形物（粒子）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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