(57)【要約】  攪拌装置に用いられ、所定の軸心周りに回転させられる攪拌羽根が提供される。前記攪拌羽根は、基部および複数の羽根部を備えている。前記複数の羽根部は、前記基部の同じ側に設けられ且つ前記軸心周りに配列されている。前記複数の羽根部は、各々、前記軸心に垂直な径方向における内方端と、この内方端に繋がり且つ回転方向前方に凸である前方湾曲部を有する。このような構成の攪拌羽根は、攪拌対象マテリアルを適切に攪拌し、前記対象マテリアルの分散度および混合度の向上に資する。
2017212935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸心周りに回転する攪拌羽根であって、
基部と、
前記基部の第１側に設けられ且つ前記軸心周りに配列された複数の第１羽根部と、を備えており、
前記複数の第１羽根部は、各々、前記軸心に垂直な径方向における内方端と、この内方端に繋がり且つ回転方向前方に凸である前方湾曲部と、を有する、攪拌羽根。
【請求項２】
前記各第１羽根部は、前記前方湾曲部に対して前記径方向外方に繋がり且つ前記回転方向後方に凸である後方湾曲部を有する、請求項１に記載の攪拌羽根。
【請求項３】
前記各第１羽根部は、前記軸心に平行な方向において前記基部から離間するほど前記回転方向前方に位置するように傾いている、請求項１または２に記載の攪拌羽根。
【請求項４】
前記軸心に平行な方向に対する前記各第１羽根部の傾斜角度は、前記径方向内方に向かうほど大である、請求項３に記載の攪拌羽根。
【請求項５】
複数の第２羽根部をさらに備える構成において、
前記基部は、前記第１側とは反対の第２側を有しており、前記複数の第２羽根部は、前記第２側に設けられ且つ前記軸心周りに配列されている、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の攪拌羽根。
【請求項６】
前記複数の第１羽根部は、前記回転方向における位置が、前記複数の第２羽根部とは異なる、請求項５に記載の攪拌羽根。
【請求項７】
前記基部は、互いに反対の方向に向かってテーパー状とされた第１傾斜面および第２傾斜面を有し、前記複数の第１羽根部は、前記第１傾斜面に設けられており、前記複数の第２羽根部は、前記第２傾斜面に設けられている、請求項５または６に記載の攪拌羽根。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１つに記載の攪拌羽根と、
攪拌対象を収容する容器と、
前記容器内に挿入され且つ前記攪拌羽根が取り付けられる回転軸と、
を備える、攪拌装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、攪拌羽根および攪拌装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の物質を互いに混合するための撹拌装置が知られている。例えば下記の特許文献１には、攪拌翼を用いた攪拌装置の一例が開示されている。この従来の撹拌翼は、回転駆動される軸の先端に取り付けられており、攪拌対象である混合物（「対象マテリアル」）は、所定の容器内に収容されている。この容器内で攪拌翼を回転させることで、対象マテリアルの攪拌が行われる。【０００３】
一般に、従来の攪拌装置においては、攪拌手段（上述の撹拌翼など）の近傍では、対象マテリアルが十分に攪拌されて、異なる物質どうしが良く混じりあう（分散度が高い）。一方、攪拌手段から離れたところでは、対象マテリアルの攪拌が十分ではなく、分散度が低くなる。このように従来の撹拌装置では、場所によって分散度が異なり、対象マテリアル全体として質的に不均一となる（すなわち混合度が低い）傾向があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１８００７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示は、上記した事情のもとで考え出されたものである。そこで本開示は、対象マテリアルの分散度および混合度の双方を従来よりも向上させうる攪拌羽根および攪拌装置を提供することを一の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の第１の側面によれば、軸心周りに回転する攪拌羽根が提供される。この攪拌羽根は、基部と、前記基部の第１側に設けられ且つ前記軸心周りに配列された複数の第１羽根部と、を備えている。前記複数の第１羽根部は、各々、前記軸心に垂直な径方向における内方端と、この内方端に繋がり且つ回転方向前方に凸である前方湾曲部と、を有する。【０００７】
好ましくは、前記各第１羽根部は、前記前方湾曲部に対して前記径方向外方に繋がり且つ前記回転方向後方に凸である後方湾曲部を有する。【０００８】
好ましくは、前記各第１羽根部は、前記軸心に平行な方向において前記基部から離間するほど前記回転方向前方に位置するように傾いている。【０００９】
好ましくは、前記軸心に平行な方向に対する前記各第１羽根部の傾斜角度は、前記径方向内方に向かうほど大である。【００１０】
好ましくは、前記攪拌羽根は、複数の第２羽根部をさらに備える。また、前記基部は、前記第１側とは反対の第２側を有しており、前記複数の第２羽根部は、前記第２側に設けられ且つ前記軸心周りに配列される。【００１１】
好ましくは、前記複数の第１羽根部は、前記回転方向における位置が、前記複数の第２羽根部とは異なる。【００１２】
好ましくは、前記基部は、互いに反対の方向に向かってテーパー状とされた第１傾斜面および第２傾斜面を有している。また、前記複数の第１羽根部は、前記第１傾斜面に設けられており、前記複数の第２羽根部は、前記第２傾斜面に設けられている。【００１３】
本開示の第２の側面によって提供される攪拌装置は、前記第１の側面による攪拌羽根と、攪拌対象を収容する容器と、前記容器内に挿入され且つ前記攪拌羽根が取り付けられる回転軸と、を備える。【００１４】
本開示のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本開示の第１実施形態に基づく攪拌羽根を示す斜視図である。
【図２】本開示の第１実施形態に基づく攪拌羽根を示す正面図である。
【図３】本開示の第１実施形態に基づく攪拌羽根を示す平面図である。
【図４】本開示の第１実施形態に基づく攪拌羽根を用いた攪拌装置を示す断面図である。
【図５】本開示の第２実施形態に基づく攪拌羽根を示す斜視図である。
【図６】本開示の第２実施形態に基づく攪拌羽根を示す平面図である。
【図７】第１実施形態の攪拌羽根による攪拌状態を示す図である。
【図８】第２実施形態の攪拌羽根による攪拌状態を示す図である。
【図９】比較例の攪拌羽根を示す斜視図である。
【図１０】比較例の攪拌羽根による攪拌状態を示す図である。
【図１１】本開示の第３実施形態に基づく攪拌羽根を示す斜視図である。
【図１２】本開示の第３実施形態に基づく攪拌羽根を示す正面図である。
【図１３】本開示の第３実施形態に基づく攪拌羽根を用いた攪拌装置の一例を示す断面図である。
【図１４】本開示の第４実施形態に基づく攪拌羽根を示す斜視図である。
【図１５】本開示の第５実施形態に基づく攪拌羽根を示す斜視図である。
【図１６】第３実施形態の攪拌羽根による攪拌状態を示す図である。
【図１７】第４実施形態の攪拌羽根による攪拌状態を示す図である。
【図１８】第５実施形態の攪拌羽根による攪拌状態を示す図である。
【図１９】比較例の攪拌羽根による攪拌状態を示す図である。
【図２０】第３実施形態の攪拌羽根によって撹拌されたマーカーの流動追跡解析結果を示す図である。
【図２１】第４実施形態の攪拌羽根によって撹拌されたマーカーの流動追跡解析結果を示す図である。
【図２２】第５実施形態の攪拌羽根によって撹拌されたマーカーの流動追跡解析結果を示す図である。
【図２３】比較例の攪拌羽根によって撹拌されたマーカーの流動追跡解析結果を示す図である。
【図２４】第３実施形態の攪拌羽根を用いた攪拌装置の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本開示の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００１７】
本開示において、「攪拌」とは、特に限定されることなく、「分散」および「混合」を含意しうる。分散とは、化学的に１つの相となっている物質（例えば液体）中に、他の物質（例えば粉体または別種の液体）が微視的に散在することをいう。また、混合とは、分散度を対象マテリアル全体にわたって均一にすることをいう。例えば、対象マテリアルが、液体Ａおよび紛体Ｂからなるとする。この場合、対象マテリアルの「撹拌」とは、紛体Ｂ（の少なくとも一部）を液体Ａ（の少なくとも一部）中に散在させること（「分散」）、ならびに、紛体Ｂの散在状態が対象マテリアルの任意の箇所で同じ（あるいは実質的に同じ）になるように、対象マテリアル中に所定の流れを生じさせること（「混合」）を意味しうる。
【００１８】
図１〜図３は、本開示の第１実施形態に基づく攪拌羽根を示している。図示された攪拌羽根Ａ１は、基部１および羽根群２を備えている。
【００１９】
図１は、攪拌羽根Ａ１を示す斜視図である。図２は、攪拌羽根Ａ１を示す正面である。図３は、攪拌羽根Ａ１を示す平面図である。図１および図３において、攪拌羽根Ａ１が回転する方向（周方向）はθで示している。図２において、攪拌羽根Ａ１が回転する方向は、攪拌羽根Ａ１の下に付した矢印で示している。また、これらの図において、攪拌羽根Ａ１の回転軸に平行な方向（軸方向）はｚで示し、軸方向ｚに垂直な方向（径方向）はｒで示している。
【００２０】
攪拌羽根Ａ１は、例えば図４に示す攪拌装置Ｂ１に取り付けられる。攪拌装置Ｂ１は、容器８１、回転軸８２、駆動部８３および軸シール８５を備えている。容器８１は、攪拌される対象マテリアルＴを収容する。回転軸８２は、容器８１の底部を貫通して鉛直に延びており、その上端に攪拌羽根Ａ１が取り付けられている。軸シール８５は、容器８１の底部と回転軸８２との間に設けられており、回転軸８２の回転を許容する一方、対象マテリアルＴが容器８１から外部に漏れるのを防止する。駆動部８３は、回転軸８２を軸方向ｚに平行な所定の軸心周りに回転させるべく、例えば電気モータを具備している。攪拌装置Ｂ１の他の構成要素として、特に限定されることなく、容器８１および駆動部８３を支持する筐体や、駆動部８３の駆動を制御する制御部等が適宜設けられていてもよい。
【００２１】
攪拌羽根Ａ１は、特に限定されることなく、金属や樹脂など、対象マテリアルＴの撹拌に適した材料によって形成される。攪拌羽根Ａ１を形成する金属としては、例えばステンレスが挙げられる。攪拌羽根Ａ１は、基部１および羽根群２が一体的に形成されたものであってもよいし、個別に形成した複数の部品を組み合わせて構成したものであってもよい。攪拌羽根Ａ１を回転軸８２に取り付ける手段としては、周知の係合機構や締結機構などを採用しうる。また、攪拌羽根Ａ１の一部を予め回転軸８２に固定（例えば接着）しておき、攪拌羽根Ａ１の残りの部分をその一部に着脱可能に取り付けるようにしてもよい。攪拌羽根Ａ１の大きさは、特に限定されることなく、容器８１のサイズや、対象マテリアルＴの粘度等に応じて、適宜選択される。一例において、攪拌羽根Ａ１の直径は、約４０ｍｍである。
【００２２】
基部１は、羽根群２を支持しており、回転軸８２に固定される。基部１の形状および大きさは特に限定されない。図示された基部１は、平面視（軸方向ｚ視）において円形状である。基部１は、外周端１０および傾斜面１１を有する。本実施形態においては、外周端１０は、基部１の下端に位置しており、平面視において円形である。傾斜面１１は、外周端１０よりも上方に設けられている。傾斜面１１は、軸方向ｚにおいて上に向かうほど径方向ｒのサイズが小さくなる構成である。換言すれば、傾斜面１１は、上に向ってテーパー状である。図示された例においては、基部１が全体として円錐台（切頭円錐体）とされており、傾斜面１１は、この円錐台の側面によって構成されている。
【００２３】
羽根群２は、複数の羽根部２０からなる。これら羽根部２０は、基部１の同じ面側に設けられており、且つ回転方向θにおいて互いに離間配列されている。本実施形態においては、複数の羽根部２０は、傾斜面１１に設けられている。図２に示すように、複数の羽根部２０は、軸方向ｚにおける所定範囲内に配置されている。
【００２４】
羽根群２を構成する羽根部の個数は特に限定されない。本実施形態においては、羽根群２は、４つの羽根部４０からなる。これら４つの羽根部２０は、平面視において等ピッチで配列されており、回転方向θに互いに９０度だけ離れている。
【００２５】
各羽根部２０は、内方端２１、外方端２２、基端２３、先端２４、前方面２５、後方面２６、前方湾曲部２７および後方湾曲部２８を有する。内方端２１は、羽根部２０のうち径方向ｒにおいて最も内方に位置しており、所定の長さを有する直線状あるいは湾曲状のエッジである。本実施形態においては、複数の羽根部２０の内方端２１どうしは、回転方向θにおいて互いに離間している。外方端２２は、羽根部２０のうち径方向ｒにおいて最も外方に位置しており、所定の長さを有する直線状あるいは湾曲状のエッジである。図３に示すように、外方端２２は、平面視において基部１の外周端１０と一致している。すなわち、基部１と羽根部２０とは、いずれかが他方よりも径方向ｒ外方に突出する構成とはなっていない。別の例では、少なくとも１つの羽根部２０が、基部１よりも径方向ｒ外方に突出する構成であってもよいし、基部１よりも径方向ｒ内方に退避した構成であってもよい。
【００２６】
基端２３は、羽根部２０が基部１に繋がる部位である。先端２４は、基端２３から軸方向ｚに離間しており、所定の長さを有する直線状あるいは湾曲状のエッジである。
【００２７】
各羽根部２０の前方面２５は、回転方向θにおける前方側の面であり、後方面２６は後方側の面である。
【００２８】
前方湾曲部２７は、内方端２１に繋がり且つ平面視において回転方向θ前方に凸である部位である。より具体的には、前方湾曲部２７は、前方湾曲部２７の径方向ｒ両端を結ぶ仮想直線よりも回転方向θ前方に凸である形状である。後方湾曲部２８は、前方湾曲部２７に対して径方向ｒ外方に繋がり且つ平面視において回転方向θ後方に凸である部位である。より具体的には、後方湾曲部２８は、後方湾曲部２８の径方向ｒ両端を結ぶ仮想直線よりも回転方向θ後方に凸である形状である。図１および図３においては、前方湾曲部２７および後方湾曲部２８について、矢印付きの一点鎖線によってそれぞれの範囲を示している。図示された例においては、先端２４は、羽根部２０のうち概ね前方湾曲部２７を構成する部分に設けられており、図３に示すように、平面視において回転方向θ前方に凸である形状となっている。また、基端２３は、前方湾曲部２７および後方湾曲部２８を構成する部分の双方に設けられており、図３に示すように、平面視においてＳ字形状となっている。なお、前方湾曲部２７および後方湾曲部２８が設けられる範囲や、それぞれの湾曲度合い等は特に限定されない。
【００２９】
また、本実施形態においては、各羽根部２０は、軸方向ｚにおいて基部１から離間するほど回転方向θ前方に位置するように傾けられている。さらに、本実施形態においては、羽根部２０の軸方向ｚに対する傾斜角度は、径方向ｒ内方に向かうほど大である。より具体的には、図２に示すように、羽根部２０の内方端２１が軸方向ｚとなす角度α１は、羽根部２０の外方端２２が軸方向ｚとなす角度α２よりも大である。したがって、前方湾曲部２７が軸方向ｚとなす角度は、後方湾曲部２８が軸方向ｚとなす角度よりも大である。
【００３０】
図５および図６は、本開示の第２実施形態に基づく攪拌羽根を示している。図示された攪拌羽根Ａ２は、羽根部２０の構成が、上述した攪拌羽根Ａ１のものと異なっている。図５は、攪拌羽根Ａ２を示す斜視図である。図６は、攪拌羽根Ａ２の平面図である。
【００３１】
本実施形態においては、各羽根部２０は、１つの湾曲部すなわち前方湾曲部２７のみを有しており、後方湾曲部２８を有していない。図６に示すように、平面視において、羽根部２０の全体が前方湾曲部２７によって構成されている。攪拌羽根Ａ２における複数の羽根部２０の相対的な関係や基部１の構成は、攪拌羽根Ａ１と実質的に同様である。攪拌羽根Ａ２は、攪拌羽根Ａ１と同様に、攪拌装置Ｂ１（図４）に取り付けて用いられる。
【００３２】
次に、攪拌羽根Ａ１，Ａ２および攪拌装置Ｂ１の作用について説明する。
【００３３】
図７および図８は、攪拌羽根Ａ１，Ａ２による攪拌の数値流体力学シミュレーションを用いた解析例を示す。これらの図では、複数の点それぞれに対応して、複数の矢印が付されている。各矢印は、その点における対象マテリアルの流れの向きを示している（ただし回転方向θ成分は考慮外である）。また、図中の濃淡は、対象マテリアルの流速に対応するものであり、対象マテリアルの流速分布を示している（ただし回転方向θ成分は考慮外である）。色の淡い領域ほど相対的に流速が大きく（白色領域で流速最大）、色が濃い領域ほど相対的に流速が小さい（黒色領域で流速最小）。隣接する領域間の流速の比は、２．１５である。本解析の諸条件は、次のとおりである。容器８１の内径は１２６ｍｍである。対象マテリアルＴは、高粘度非ニュートン流体（カルボキシメチルセルロースナトリウム１．７ｗｔ％）であり、液深さは８９．８ｍｍである。容器８１の底部中央に、攪拌羽根Ａ１（図７）またはＡ２（図８）が配置されている。攪拌羽根Ａ１，Ａ２の回転速度（周速）は、１０ｍ／ｓである。
【００３４】
攪拌羽根Ａ１，Ａ２が回転すると、対象マテリアルＴには回転方向θに沿う回転流れが生じる。また、図７および図８の矢印から理解されるように、対象マテリアルＴは、軸方向ｚに沿って、攪拌羽根Ａ１，Ａ２の上方（かつ液面の近く）から、攪拌羽根Ａ１，Ａ２に向って下方に流れた後、攪拌羽根Ａ１，Ａ２の下端（外周端１０付近）から、容器８１の底部に沿って径方向ｒ外方に流れる。さらに対象マテリアルＴは、容器８１の側壁に沿って上方、すなわち液面の方に向って流れる。このような流動の結果、容器８１内には、大きな渦が形成される。図７および図８では、攪拌羽根Ａ１，Ａ２の回転軸心に関して対称である２つの渦の存在が確認される。このような渦を伴う流れの発生は、主として、対象マテリアルＴの混合に寄与する。また、攪拌羽根Ａ１，Ａ２の近傍、特に外周端１０付近においては、流速が最大（白色領域参照）となっている。このように、流速が局所的に顕著に大きくなることは、主として、対象マテリアルＴの分散に寄与する。このように、攪拌羽根Ａ１，Ａ２によれば、対象マテリアルＴの一部を攪拌羽根Ａ１，Ａ２の近傍で効果的に分散させたのち、分散済みの部分を上述の渦流によって他の位置へ移動させることにより、対象マテリアルＴが全体にわたって適切に混合させるという効果が奏される。
【００３５】
図９は、攪拌羽根Ａ１，Ａ２との比較のために用意された攪拌羽根Ｘを示している。攪拌羽根Ｘは、基部９１、第１の羽根群９２ａ、および第２の羽根群９２ｂを有している。基部９１は、平坦な円盤状である。羽根群９２ａおよび９２ｂは、基部９１の外周に沿って配置されている。第１の羽根群９２ａは、基部９１に対して上向きに折り曲げられた複数の羽根部９２０によって構成されている。第２の羽根群９２ｂは、基部９１に対して下向きに折り曲げられた複数の羽根部９２０によって構成されている。各羽根部９２０は、略台形状の平板であり、回転方向θに沿った内面および外面を有している。このような攪拌羽根Ｘは、例えば金属板を切断及び折り曲げ加工することによって得られる。
【００３６】
図１０は、図７および図８に示す流体解析例と同条件の下、攪拌羽根Ｘ（攪拌羽根Ａ１，Ａ２と外径が同じ）について行った数値流体力学シミュレーションを用いた解析例を示している。図１０から分かるように、攪拌羽根Ｘの外周端付近において流速が最大となっている。また、攪拌羽根Ｘの回転軸心の左右に渦を伴う流れが生じている。しかしながら、容器８１の側壁および対象マテリアルＴの液面に近い領域においては、流速が顕著に小となっている。すなわち、攪拌羽根Ｘを用いた場合には、主として攪拌羽根Ｘを包含するマッシュルーム状の領域でのみ攪拌が行われ、その外の領域では、実質的な攪拌が行われない。このように、攪拌羽根Ａ１，Ａ２を使用した方が、攪拌羽根Ｘを使用した場合よりも、容器８１のより広い範囲において大きな流速が得られていることがわかる。したがって、攪拌羽根Ａ１，Ａ２によれば、攪拌羽根Ｘよりも対象マテリアルＴの全体をより適切に混合することができる。
【００３７】
攪拌羽根Ａ１，Ａ２による混合が適切に行われる要因として、まず、羽根部２０の前方湾曲部２７の寄与が挙げられる。図３および図６に示すように、前方湾曲部２７は、回転方向θ前方に凸となっている。発明者らの研究によれば、このような構成により、内方端２１において対象マテリアルＴを強力に吸引しつつ、吸引した対象マテリアルＴを径方向ｒ外方へとスムーズに移動させることが可能であることが判明した。特に、図示された例においては、内方端２１における羽根部２０と回転方向θとがなす角度が相対的に小（図２のα１が相対的に大）となっているが、これにより対象マテリアルＴがより強力に吸引されるということが分かった。また、図示された前方湾曲部２７においては、径方向ｒ外方に向かうほど羽根部２０と回転方向θとがなす角度が徐々に大きくなっている。この構成が、吸引した対象マテリアルＴを径方向ｒ外方へとよりスムーズに移動させるのに有利であることが判明した。この強力な吸引とスムーズな移動が、対象マテリアルＴ全体をより適切に混合し得る一因であると考えられる。
【００３８】
また、図７の攪拌羽根Ａ１の解析例と図８の攪拌羽根Ａ２の解析例とを比較すると、図７における薄いトーンの領域（流速が速い領域）が、図８における薄いトーンの領域よりも広くなっている。攪拌羽根Ａ１は、攪拌羽根Ａ２とは異なり回転方向θ後方に凸である後方湾曲部２８が設けられている。言い換えると、後方湾曲部２８においては、径方向ｒ外方に向かうほど羽根部２０と回転方向θとがなす角度が徐々に大となる。発明者らの研究によれば、このような構成の後方湾曲部２８によって、吸引した対象マテリアルＴを攪拌羽根Ａ１から径方向ｒ外方へとより力強く吐出する効果が得られることが判明した。そして、前方湾曲部２７による吸引の強化と後方湾曲部２８による吐出の強化とが相乗的に作用することにより、対象マテリアルＴ全体の混合が促進されると考えられる。
【００３９】
また、上述のとおり、各羽根部２０は、回転方向θ前方に傾けられている。これにより、後方面２６と傾斜面１１との境界部分（隅部）に、対象マテリアルＴ内に混入した気泡が滞留することを回避することが可能である。当該隅部に気泡が滞留すると、攪拌羽根Ａ１，Ａ２による対象マテリアルＴの混合が阻害される。攪拌羽根Ａ１，Ａ２によれば、前記隅部に気泡が残留しないので、対象マテリアルＴの混合度の向上に資する。
【００４０】
図１１および１２は、本開示の第３実施形態に基づく攪拌羽根Ａ３を示している。攪拌羽根Ａ３は、基部１および、一対の羽根群（上側羽根群および下側羽根群）２を備えている。
【００４１】
図１１は、攪拌羽根Ａ３を示す斜視図である。図１２は、攪拌羽根Ａ３を示す正面図である。攪拌羽根Ａ３の平面図は、攪拌羽根Ａ１の平面図（図３）と同様である。
【００４２】
攪拌羽根Ａ３は、例えば、図１３に示す攪拌装置Ｂ３に取り付けられる。攪拌装置Ｂ３は、容器８１、回転軸８２および駆動部８３を備えている。容器８１は、対象マテリアルＴを収容する。回転軸８２の一部は、容器８１の対象マテリアルＴ内に挿入されており、その下端に攪拌羽根Ａ３が取り付けられている。駆動部８３は、回転軸８２を軸方向ｚ周りに回転させるものであり、例えば電気モータを具備する。攪拌装置Ｂ３の他の構成要素としては、特に限定されることなく、容器８１および駆動部８３を支持する筐体や、駆動部８３の駆動を制御する制御部等が適宜設けられていてもよい。
【００４３】
攪拌羽根Ａ３の基部１は、上側および下側羽根群２を支持している。基部１は、外周端１０および一対の傾斜面（上側傾斜面および下側傾斜面）１１を有する。外周端１０は、基部１の軸方向ｚ中央に位置しており、平面視において円形である。また、外周端１０は、上側および下側羽根群２の境界をなしている。上側および下側傾斜面１１は、軸方向ｚにおいて外周端１０を挟むように設けられている。上側傾斜面１１は、上に向ってテーパー状であり、下側傾斜面１１は、下に向ってテーパー状である。図示された例においては、各傾斜面１１は、円錐台（切頭円錐体）の側面によって構成されている。
【００４４】
各羽根群２は、回転方向θに配列された複数の羽根部２０からなる。図１２に示すように、各羽根群２の複数の羽根部２０は、軸方向ｚにおける所定範囲に配置されている。また、上側羽根群２の複数の羽根部２０は、下側羽根群２の複数の羽根部２０に対し、周方向θにずれた位置に設けられている。このため、一の例では、上側羽根群２の複数の羽根部２０は、下側羽根群２の複数の羽根部２０に対して、軸方向ｚにおいて重ならない構成とされる。各羽根部２０の構成は、上述した攪拌羽根Ａ１の羽根部２０と同じである。
【００４５】
図示した例では、各羽根群２を構成する複数の羽根部２０の個数は４である。また、各羽根群２において、４つの羽根部２０は、周方向θにおいて等ピッチで配列されており、周方向θに９０度ずつ離れている。
【００４６】
図１１および図１２に示す例では、上側羽根群２の羽根部２０は、下側羽根群２の羽根部２０に対し、回転方向θにおいて４５度（９０度／２）ずれた位置に配置されている。
【００４７】
図１４は、本開示の第４実施形態に基づく攪拌羽根Ａ４を示している。図示された攪拌羽根Ａ４は、上述した攪拌羽根Ａ３と同様に上下一対の羽根群２を備えており、例えば攪拌装置Ｂ３（図１３）に取り付けられて用いられる。各羽根部２０の構成は、上述した攪拌羽根Ａ１，Ａ３の羽根部２０と同様であり、前方湾曲部２７および後方湾曲部２８を有している。攪拌羽根Ａ４の平面図は、攪拌羽根Ａ１の平面図（図３）と同様である。攪拌羽根Ａ４において、上下の羽根群２を構成する複数の羽根部２０の個数は、互いに同数である。また、上側羽根群２の複数の羽根部２０は、回転方向θにおいて、下側羽根群２の複数の羽根部２０と同じ位置に設けられている。
【００４８】
図１５は、本開示の第５実施形態に基づく攪拌羽根Ａ５を示している。図示された攪拌羽根Ａ５は、上下一対の羽根群２を備えている。各羽根部２０の構成は、上述した攪拌羽根Ａ２のものと同様であり、前方湾曲部２７を有するが、後方湾曲部２８は有していない。攪拌羽根Ａ５の平面図は、攪拌羽根Ａ２の平面図（図６）と同様である。上側羽根群２の複数の羽根部２０は、回転方向θにおいて、下側羽根群２の複数の羽根部２０に対し、４５度（９０度／２）ずれた位置に配置されている。
【００４９】
次に、攪拌羽根Ａ３〜Ａ５および攪拌装置Ｂ３の作用について説明する。
【００５０】
図１６〜図１８は、攪拌羽根Ａ３〜Ａ５による攪拌の数値流体力学シミュレーションを用いた解析例を示している。図７および８の場合と同様に、各矢印は、その点における対象マテリアルの流れの向きを示しており（回転方向θ成分は考慮外）、図中の濃淡は、対象マテリアルの流速に対応するものであり、対象マテリアルの流速分布を示している（回転方向θ成分は考慮外）。色の淡い領域ほど相対的に流速が大きく（白色領域で流速最大）、色が濃い領域ほど相対的に流速が小さい（黒色領域で流速最小）。隣接する領域間の流速の比は、２．１５である。本解析の諸条件は、次のとおりである。容器８１の内径は２１０ｍｍである。対象マテリアルＴは、高粘度非ニュートン流体（カルボキシメチルセルロースナトリウム１．７ｗｔ％）であり、液深さは１５８ｍｍである。対象マテリアルＴの略中央に攪拌羽根Ａ３（図１６）、Ａ４（図１７）およびＡ５（図１８）が配置されている。攪拌羽根Ａ３〜Ａ５の回転速度（周速）は、１０ｍ／ｓである。
【００５１】
攪拌羽根Ａ３〜Ａ５が方向θに回転すると、対象マテリアルＴも同じ方向に回転流れを生じる。また、図１６〜図１８から理解されるように、攪拌羽根Ａ３〜Ａ５の上方および下方から、対象マテリアルＴが攪拌羽根Ａ３〜Ａ５に向かう流動が確認される。また、攪拌羽根Ａ３〜Ａ５の軸方向ｚ中央（外周端１０付近）から、径方向ｒ外方に向かう流動が確認される。さらにこの流動は、容器８１の側壁に沿って、対象マテリアルＴの液面または容器８１の底面に向かう流れとなる。このような流れの結果、攪拌羽根Ａ３〜Ａ５の回転軸心の左右両側において、それぞれ２つの渦が生じている。この渦を伴う流れは、主に対象マテリアルＴの混合に寄与する。また、攪拌羽根Ａ３〜Ａ５の近傍、特に外周端１０付近において、流速が最大となっている。このような局所的に速い流速は、主に対象マテリアルＴの分散に寄与する。
【００５２】
図１９は、図１６〜図１８に示す流体解析例と同条件下において、攪拌羽根Ａ３〜Ａ５と外径が同じである攪拌羽根Ｘ（図９）についての数値流体力学シミュレーションを用いた解析例を示している。図１９に示すように、攪拌羽根Ｘの外周端付近において、流速が最大となっている。また、攪拌羽根Ｘの回転軸心の左右両側において、２つの渦が認められる。しかしながら、容器８１の側壁や対象マテリアルＴの液面および容器８１の底面に近い領域においては、流速が顕著に小となっている。このことから、攪拌羽根Ａ３〜Ａ５による混合は、攪拌羽根Ｘによる混合と比べて、容器８１のより広い範囲において適切に行われていることが分かる。
【００５３】
攪拌羽根Ａ３〜Ａ５による混合度が高いことの要因として、攪拌羽根Ａ１，Ａ２と同様に、各羽根部２０の前方湾曲部２７の寄与が挙げられる。前方湾曲部２７による強力な吸引とスムーズな移動は、対象マテリアルＴ全体の混合を生じさせる一因と考えられる。
【００５４】
また、図１６および１７に示す攪拌羽根Ａ３，Ａ４の流体解析例と図１８に示す攪拌羽根Ａ５の流体解析例とを比較すると、図１６および１７における薄いトーンの領域（流速が速い領域）の方が、図１８における薄いトーンの領域よりも広い。この要因として、上述したように、攪拌羽根Ａ３，Ａ４が後方湾曲部２８を有することが挙げられる。すなわち、前方湾曲部２７による吸引の強化と後方湾曲部２８による吐出の強化とが相乗的に作用することにより、対象マテリアルＴ全体の混合が促進されたと考えられる。
【００５５】
図２０〜図２３は、攪拌羽根Ａ３〜Ａ５および攪拌羽根Ｘによる攪拌の他の数値流体力学シミュレーションを用いた解析例を示す。これらの解析の条件は、図１６〜図１９の場合と同様に、容器８１の内径が２１０ｍｍであり、対象マテリアルＴとして液深さ１５８ｍｍの高粘度非ニュートン流体（カルボキシメチルセルロースナトリウム１．７ｗｔ％）を用いている。この対象マテリアルＴの略中央に攪拌羽根Ａ３〜Ａ５および攪拌羽根Ｘが配置されている。攪拌羽根Ａ３〜Ａ５および攪拌羽根Ｘの回転周速は、１０ｍ／ｓである。これらの解析例では、対象マテリアルＴに、複数の粒状のマーカーを添加している。図中における各黒点が個々のマーカーを表している。マーカー数は、１０００個である。マーカーは初期段階では、攪拌羽根Ａ３〜Ａ５および攪拌羽根Ｘの直上における略円板状領域に配置される。具体的には、マーカーの初期配置領域は、深さが対象マテリアルＴの液面から４０〜５０ｍｍであり、横方向には、回転軸心を中心とする直径６０ｍｍの円内である。マーカー追跡時間は、上述した初期範囲にマーカーを存在させた時点から０．８１６８ｓ後までであり、これは、攪拌羽根Ａ３〜Ａ５および攪拌羽根Ｘが６．５回転する時間に相当する。
【００５６】
まず、図２０〜図２２に示す解析例（攪拌羽根Ａ３〜Ａ５）では、図２３に示す解析例（攪拌羽根Ｘ）と比べて、対象マテリアルＴのより広い範囲にマーカーが分布している。特に、図２３に示す解析例では、容器８１の側面付近や対象マテリアルＴの液面付近においては、マーカーを示す黒点がほとんど存在しない。これに対し、図２０〜図２２に示す解析例では、容器８１の側面付近や対象マテリアルＴの液面付近に多数のマーカーが存在している。これは、図１６〜図１９を参照して述べたように、攪拌羽根Ａ３〜Ａ５が前方湾曲部２７を有することによる効果であると考えられる。
【００５７】
次に、図２０の解析例（攪拌羽根Ａ３）と図２１の解析例（攪拌羽根Ａ４）とを比較すると、攪拌羽根Ａ３および攪拌羽根Ａ４よりも下方に存在するマーカー数に相違が見られる。具体的には、攪拌羽根Ａ３の下方に存在するマーカー数が１１０であるのに対し、攪拌羽根Ａ４の下方に存在するマーカー数は４７である。この違いは、以下の理由によるものと考えられる。
【００５８】
攪拌羽根Ａ３および攪拌羽根Ａ４は、いずれも基部１に上下一対の傾斜面１１を有し、各傾斜面１１に複数の羽根部２０が設けられている点は同じである。また、各羽根部２０によって、対象マテリアルＴは径方向ｒ外方に吐出されるが、この吐出された流れは、軸方向ｚにおいて反対側に位置する羽根群２に向かう速度成分も有している。上述のとおり、攪拌羽根Ａ３においては、上下の羽根群２が回転方向θにおいて互いに半ピッチずれている。このため、攪拌羽根Ａ３による攪拌においては、上下の羽根群２から吐出された対象マテリアルＴの軸方向ｚ成分が、互いに干渉し合うことが相対的に少ない。すなわち、軸方向ｚにおいて、一方の羽根群２から他方の羽根群２側へ向かう流動が妨げられない。攪拌羽根Ａ３を用いた混合状態の観察では、渦を伴う比較的大きな流れが、攪拌羽根Ａ３が設けられた位置（外周端１０の位置）を超えて容器８１内全体を軸方向ｚに移動する（すなわち容器８１内を縦断する）現象が周期的に生じることが確認された。これは、軸方向ｚにおいて互いに上下に分離された渦流が（上下方向に移動することなく）存在することによる混合状態と比べて、対象マテリアルＴ全体の混合を促進するのに好ましい。一方、攪拌羽根Ａ４においては、上下の羽根群２が回転方向θにおいて互いに一致しているので、攪拌羽根Ａ３と同様の効果が奏されることは期待しがたい。このようなことから、攪拌羽根Ａ３による攪拌の方が、より多くのマーカーを軸方向ｚ下方に移動したと考えられる。
【００５９】
なお、攪拌羽根Ａ４の攪拌により生ずる容器８１内の縦断流れは、攪拌羽根Ａ３の攪拌による縦断流れよりも弱いと考えられる。一方、上下の羽根群２から吐出される流れが合流することにより、径方向ｒのより広い範囲に流動を生じさせる効果が期待できる。これは、容器８１の内径が大きい場合に、対象マテリアルＴを適切に撹拌するのに適している。
【００６０】
また、図２０の解析例（攪拌羽根Ａ３）と図２２の解析例（攪拌羽根Ａ５）とを比較すると、攪拌羽根Ａ３よりも下方に存在するマーカー数が１１０であるのに対し、攪拌羽根Ａ５よりも下方に存在するマーカー数は７２である。この相違は、上述したように、攪拌羽根Ａ３が後方湾曲部２８を有することによる効果であると考えられる。なお、攪拌羽根Ａ５においては、上下の羽根群２が回転方向θにおいて互いに半ピッチずれて設けられていることから、攪拌羽根Ａ４の解析例よりも多数のマーカーが下方に移動させられていることが分かる。
【００６１】
図２４は、攪拌羽根Ａ３を用いた攪拌装置Ｂ３を示している。図示された攪拌装置Ｂ３は、２つの回転軸８２と、攪拌羽根Ａ３に加えて攪拌羽根８４を備えている。
【００６２】
２つの回転軸８２は、駆動部８３によってそれぞれ回転駆動される。２つの回転軸８２の長さや回転速度は、適宜設定可能である。図示した例では、２つの回転軸８２は互いに平行であり、容器８１の中心（平面視）に設けられた回転軸８２の方が、他方の回転軸８２よりも長い。攪拌羽根８４は、攪拌羽根Ａ３よりも大きく（平面視）、容器８１の底部付近に配置される。平面視において、攪拌羽根８４の中心は、容器８１の中心と一致している。なお、容器８１に対する攪拌羽根８４の大きさに応じて、攪拌羽根８４の中心を、容器８１の中心から離間して配置するようにしてもよい。攪拌羽根８４は、例えば、容器８１内の対象マテリアルＴ全体の混合を促進することを目的として設けられる。
【００６３】
図２４に示す例では、攪拌羽根Ａ３は、平面視における容器８１の中心から容器８１の側壁にオフセットした位置に設けられており、かつ、軸方向ｚにおいて攪拌羽根８４よりも上方に位置している。また、攪拌羽根８４は、中央回転軸８２の下端から水平方向に延びる複数のブレード（図示の例では２つ）を有している。各ブレードは、容器８１の内側面と干渉しない長さとされており、図示の例では、２つの回転軸８２間の離間距離よりも長い。一例として、特に限定されることなく、駆動時における単位時間当たりの回転数は、中央回転軸８２（延いては攪拌羽根８４）の方が、他方の回転軸８２（延いては攪拌羽根Ａ３）よりも少なくなるように設定される。
【００６４】
上記構成の攪拌装置Ｂ３によっても、対象マテリアルＴの分散度および混合度を向上させることができる。また、攪拌羽根８４と攪拌羽根Ａ３とを併用することにより、より大容量の容器８１に収容された対象マテリアルＴでも適切に混合し、かつ分散させることができる。
【００６５】
以上に述べた通り、本開示の攪拌羽根Ａ１〜Ａ５によれば、攪拌羽根Ｘ（図９）よりも、対象マテリアルＴの混合度を格段に向上させることが可能である。なお、対象マテリアルＴの分散度を向上させるには、攪拌羽根Ａ１〜Ａ５の回転速度を高めることが好ましい。この点、攪拌羽根Ａ１〜Ａ５による対象マテリアルＴの混合効果は、攪拌羽根Ａ１〜Ａ５の回転速度を高速にしたとしても十分に維持されうる。したがって、攪拌羽根Ａ１〜Ａ５および攪拌装置Ｂ１，Ｂ３によれば、対象マテリアルＴの分散度と混合度の双方を向上させることができる。
【００６６】
本開示に係る攪拌羽根および攪拌装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本開示に係る攪拌羽根および攪拌装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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