(57)【要約】【課題】  分散効率の向上やさらなる微細化が可能な攪拌装置を提供すること。【解決手段】  円筒状の攪拌槽１と、径方向に貫通する複数の貫通孔３１を有する攪拌槽１と同心の円筒状であり、かつ攪拌槽１内において攪拌槽１との間に隙間を隔てて回転する回転羽根３と、を備え、被処理液８の攪拌を行う攪拌装置Ａ１であって、径方向において攪拌槽１と回転羽根３との間に位置し、攪拌槽１および回転羽根３と同心に配置されているとともに、回転羽根３によって生じる遠心力によって回転羽根３側から攪拌槽１側へと被処理液８が通過することを許容する中間層部材４を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の攪拌槽と、
径方向に貫通する複数の貫通孔を有する前記攪拌槽と同心の円筒状であり、かつ前記攪拌槽内において前記攪拌槽との間に隙間を隔てて回転する回転羽根と、を備え、
被処理液の攪拌を行う攪拌装置であって、
径方向において前記攪拌槽と前記回転羽根との間に位置し、前記攪拌槽および前記回転羽根と同心に配置されているとともに、前記回転羽根によって生じる遠心力によって前記回転羽根側から前記攪拌槽側へと前記被処理液が通過することを許容する中間層部材を備えることを特徴とする、攪拌装置。
【請求項２】
前記中間層部材は、径方向に貫通しており、複数の貫通孔を有する前記攪拌槽および前記回転羽根と同心の円筒状である、請求項１に記載の攪拌装置。
【請求項３】
前記攪拌槽内においては、気体が排除された状態で攪拌が行われる、請求項１または２に記載の攪拌装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、攪拌装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、工業化学製品、薬品、化粧品、食品等の原料になる液体と液体、または液体と粉体の混合物を被処理液として、この被処理液の成分を微細化して分散および乳化するための攪拌機が提案されている。特許文献１には、円筒状の攪拌槽と、この攪拌槽に収容された回転羽根を備える攪拌装置が開示されている。この攪拌装置においては、前記回転羽根が、前記攪拌槽と同心の円筒状とされており、径方向に貫通する複数の貫通孔を有する。前記攪拌装置の内壁面と前記回転羽根との間には、比較的狭い隙間が設けられている。前記攪拌装置に被処理液を収容し、前記攪拌槽に対して前記回転羽根を高速回転させる。これにより、前記攪拌槽と前記回転羽根との隙間において、被処理液が薄膜状となり非常に強いせん断力が付加される。これにより、分散および乳化がなされる。特に、特許文献１においては、被処理液を薄膜状とするために、前記回転羽根が高速回転した際に、前記隙間に前記被処理液が存在する一方、回転中心付近には、空気などの気体が存在することが好ましい条件として挙げられている。
【０００３】
しかしながら、分散および乳化についての要請は年々高まっている。前記攪拌装置に対しても、分散効率の向上やさらなる微細化が求められる。このような要求に応えるためには、たとえば前記回転羽根の周速をさらに高めることが挙げられる。ただし、周速の高速化は、駆動源となるモータなどの大容量化や、前記攪拌槽および前記回転羽根の高剛性化など、前記攪拌装置の大型化や高コスト化を招来してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２５６８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、分散効率の向上やさらなる微細化が可能な攪拌装置を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によって提供される攪拌装置は、円筒状の攪拌槽と、径方向に貫通する複数の貫通孔を有する前記攪拌槽と同心の円筒状であり、かつ前記攪拌槽内において前記攪拌槽との間に隙間を隔てて回転する回転羽根と、を備え、被処理液の攪拌を行う攪拌装置であって、径方向において前記攪拌槽と前記回転羽根との間に位置し、前記攪拌槽および前記回転羽根と同心に配置されているとともに、前記回転羽根によって生じる遠心力によって前記回転羽根側から前記攪拌槽側へと前記被処理液が通過することを許容する中間層部材を備えることを特徴としている。
【０００７】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記中間層部材は、径方向に貫通する複数の貫通孔を有しており、前記攪拌槽および前記回転羽根と同心の円筒状である。
【０００８】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記攪拌槽内においては、気体が排除された状態で攪拌が行われる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、前記攪拌槽と前記回転羽根との間に前記中間層部材を設けることにより、前記攪拌槽と前記回転羽根のみからなる従来の構成に対して顕著な分散効率の向上およびさらなる微細化が実現される。これは、前記攪拌装置による前記被処理液の攪拌挙動が、従来の構成とは異なる攪拌挙動であることに起因すると考えられる。すなわち、前記被処理液のうち前記回転羽根の前記貫通孔から外方に流出した部分は、径方向に進行して前記中間層部材に衝突する。この衝突によって前記被処理液の成分が分散および微細化される。さらに、遠心力を受けた前記被処理液は、前記中間層部材を通して前記回転羽根側から前記攪拌槽側へと流出する。そして、前記被処理液が前記攪拌槽に衝突することにより、前記被処理液の成分がさらに分散および微細化される。このような攪拌挙動が、分散および微細化を促進すると考えられる。
【００１０】
本発明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】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に基づく攪拌装置を示す断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図１の攪拌装置に用いられる回転羽根を示す正面図である。
【図４】図１の攪拌装置に用いられる中間層部材を示す正面図である。
【図５】攪拌装置における周速と平均粒子径との関係を示すグラフである。
【図６】攪拌装置における分散エネルギーと平均粒子径との関係を示すグラフである。
【図７】図１の攪拌装置における攪拌挙動を示す要部拡大断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態に基づく攪拌装置を示す断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態に基づく攪拌装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明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。
【００１３】
図１および図２は、本発明の第１実施形態に基づく攪拌装置を示している。本実施形態の攪拌装置Ａ１は、攪拌槽１、回転軸２、回転羽根３および中間層部材４を備えている。攪拌装置Ａ１は、工業化学製品、薬品、化粧品、食品等の原料になる液体と液体、または液体と粉体の混合物を被処理液８として、この被処理液８の成分を微細化して分散および乳化するためのものである。
【００１４】
図１は、鉛直方向に沿う断面における攪拌装置Ａ１を示す断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【００１５】
攪拌槽１は、回転軸２の一部、回転羽根３および中間層部材４と被処理液８とを収容する槽である。攪拌槽１は、中心軸が鉛直方向に延びる円筒状であり、本実施形態においては、さらに上下に天板部および底板部を有する密閉構造とされている。攪拌槽１のサイズや材質は特に限定されないが、好ましい材質としてたとえばステンレスが挙げられる。本発明に係る攪拌装置における被処理液８の処理方式は特に限定されないが、本実施形態においては、連続処理方式である場合を例に説明する。本方式とされた攪拌装置Ａ１には、流入口１３と流出口１４とが設けられている。攪拌処理の前後および攪拌中において、流入口１３から被処理液８のみを供給することにより、攪拌槽１内を被処理液８のみで満たし、空気などの気体を確実に排除することができる。なお、本形式以外に、たとえば攪拌処理を所定量の被処理液８に対して行ういわゆるバッチ処理方式を採用してもよい。この場合、気体の排除を実現しうる脱気機構などを備えることが好ましい。
【００１６】
回転軸２は、回転羽根３を回転させる駆動力を回転羽根３に伝達するものであり、回転羽根３と駆動源であるモータ等（図示略）とに連結されている。回転軸２は、攪拌槽１の中心軸に略一致するように配置されている。また、攪拌槽１の前記天板部には、回転軸２を気密状態で挿通させうる貫通孔が設けられており、軸シール１２によって気密状態が維持されている。
【００１７】
回転羽根３は、攪拌槽１内において被処理液８を攪拌するためのものである。回転羽根３は、攪拌槽１と同心の円筒状であり、本実施形態においては、上下方向のいずれにも開口している。本実施形態においては、回転羽根３には、内フランジ３０が設けられている。内フランジ３０は、回転軸２の下端に連結されている。回転羽根３と攪拌槽１の内壁面１１との間には、所定の隙間が設けられている。
【００１８】
図３は、回転羽根３を示す正面図である。攪拌槽１は、複数の貫通孔３１を有する。複数の貫通孔３１は、各々が回転羽根３を径方向に貫通している。複数の貫通孔３１のサイズや形状および配置は特に限定されず、後述する本発明が意図する効果を奏しうる構成であればよい。本実施形態においては、貫通孔３１が円形である場合を例に説明するが、たとえば楕円形、多角形などであってもよい。また、本実施形態においては、複数の貫通孔３１が中心軸方向に複数列（たとえば４列）をなす配置とされている。各列においては、複数の貫通孔３１が略等ピッチで配置されている。また、中心軸方向において隣り合う複数の貫通孔３１の列同士は、貫通孔３１の周方向位置が異なる、いわゆる千鳥配置とされている。
【００１９】
図４は、中間層部材４を示す正面図である。中間層部材４は、径方向において攪拌槽１と回転羽根３との間に位置し、攪拌槽１および回転羽根３と同心に配置されている。また、中間層部材４は、回転羽根３の回転により生じる遠心力によって回転羽根３側から攪拌槽１側へと被処理液８が通過することを許容する。中間層部材４と、攪拌槽１の内壁面１１および回転羽根３のそれぞれとの間には、所定の隙間が設けられている。中間層部材４の具体的構成としては、様々な構成が採用できるが、本実施形態においては、中間層部材４は、攪拌槽１および回転羽根３と同心の円筒状とされている。円筒状とされた中間層部材４のサイズは、攪拌槽１と回転羽根３との間において所定の隙間を設けて配置されうるものであれば特に限定されない。本実施形態においては、中間層部材４の中心軸方向の高さが回転羽根３よりも大である場合が例示されている。
【００２０】
また、中間層部材４は、複数の貫通孔４１を有している。複数の貫通孔４１は、回転羽根３側から攪拌槽１側へと被処理液８が通過することを許容するためのものである。複数の貫通孔４１のサイズや形状および配置は特に限定されず、後述する本発明が意図する効果を奏しうる構成であればよい。本実施形態においては、貫通孔４１が円形である場合を例に説明するが、たとえば楕円形、多角形などであってもよい。また、本実施形態においては、複数の貫通孔４１が中心軸方向に複数列（たとえば７列）をなす配置とされている。各列においては、複数の貫通孔４１が略等ピッチで配置されている。また、中心軸方向において隣り合う複数の貫通孔４１の列同士は、貫通孔４１の周方向位置が異なる、いわゆる千鳥配置とされている。さらに、複数の貫通孔４１のうちの４列は、回転羽根３の複数の貫通孔３１の４列と中心軸方向における高さ位置が略一致する配置とされている。さらに、これらの貫通孔３１と貫通孔４１とは、回転羽根３の停止状態において、互いの周方向位置が一致しうる配置とされている。
【００２１】
中間層部材４は、攪拌槽１に対して固定されていてもよいし、攪拌槽１に対して回転するなどの構成であってもよい。本実施形態においては、中間層部材４は、攪拌槽１に対して固定されている。より具体的には、中間層部材４は、フランジ部４０を有している。フランジ部４０は、図１に示すように、攪拌槽１の適所に取り付けられることにより、中間層部材４を攪拌槽１に対して固定するためのものである。
【００２２】
次に、攪拌装置Ａ１による攪拌の実施例について述べる。実施例として用意された攪拌装置Ａ１は、攪拌槽１の内壁面１１の内径が５６ｍｍ、高さが５３ｍｍであり、中間層部材４の外径が４３ｍｍ、内径が４０ｍｍ、高さが３６ｍｍ、回転羽根３の外径が３６ｍｍ、高さが２６ｍｍである。これにより、攪拌槽１と中間層部材４との隙間が６．５ｍｍであり、中間層部材４と回転羽根３との隙間が２ｍｍである。比較例として、攪拌槽１のサイズが実施例と同等となる特許文献１に記載の構成と類似の攪拌装置を用意した。
【００２３】
被処理液８としては、イオン交換水に流動パラフィン７０（大倉ケミテック株式会社製）２０ｗｔ％、ＣＭＣ２２００（ダイセル化学製）０．７９ｗｔ％、ツイーン８０（キシダ化学）０．６６ｗｔ％を混入したものを予備分散して用いた。攪拌装置Ａ１の実施例については、回転羽根３の周速を１５ｍ／ｓに設定し、比較例については、周速を１０〜５０ｍ／ｓに設定した。攪拌時間は、０．５ｍｉｎ，１．０ｍｉｎ，２．０ｍｉｎの３通りである。また、実施例においては、上述したように、攪拌槽１内を被処理液８のみによって満たし、空気などの気体を排除した状態で攪拌を行った。一方、比較例においては、攪拌槽１と回転羽根３との間において被処理液８が薄膜状となるように、攪拌槽１内に適宜空気を存在させた。
【００２４】
図５は、回転羽根３の周速と攪拌後の流動パラフィン７０の平均粒子径との関係を示している。黒塗りのマーカーは、実施例の結果を示し、白塗りのマーカーは、比較例の結果を示す。それぞれにおいて、円形のマーカーは、攪拌時間が０．５ｍｉｎの結果を示し、三角形のマーカーは、攪拌時間が１．０ｍｉｎの結果を示し、四角形のマーカーは、攪拌時間が２．０ｍｉｎの結果を示す。同図に示すように、比較例の結果から、周速が速いほど平均粒子径が小さくなる傾向がみられる。この傾向はこの種の攪拌装置では一般的な傾向であり、攪拌装置Ａ１の実施例においても同様であると考えられる。そして、周速１５ｍ／ｓの条件においては、比較例では平均粒子径が１３〜１８μｍ程度であったのに対し、実施例では平均粒子径が３．５〜４．５μｍ程度であった。
【００２５】
また、図６は、回転羽根３の回転による分散エネルギーと流動パラフィン７０の平均粒子径との関係を示している。なお、分散エネルギーの算出はトルク計付きの撹拌機から分散実験中のデータ５点を平均し、空運転動力を差し引くことで計算した。黒塗りのマーカーは、実施例の結果を示し、白塗りのマーカーは、比較例の結果を示す。グラフ中に記載された速度は、回転羽根３の周速である。実施例の結果と比較例の結果とを対比すると、同じ分散エネルギーにおいては、実施例の方がより小さい平均粒子径が得られていることがわかる。言い換えると、同程度の平均粒子径を得るために必要とされる分散エネルギーが、比較例よりも実施例の方が少なくてすむ。これにより、攪拌装置Ａ１においては、攪拌によって生じる発熱量を低減することが可能であり、被処理液８の加熱を抑制できるという利点がある。
【００２６】
次に、攪拌装置Ａ１の作用について説明する。
【００２７】
本実施形態によれば、攪拌槽１と回転羽根３との間に中間層部材４を設けることにより、攪拌槽１と回転羽根３のみからなる構成（上述した比較例）に対して顕著な分散効率の向上およびさらなる微細化が実現されている。この結果は、発明者らの知見によると、攪拌装置Ａ１による被処理液８の攪拌挙動が、比較例とは異なる攪拌挙動であることに起因すると考えられる。
【００２８】
比較例においては、攪拌槽１と回転羽根３との間の隙間において、薄膜状となった被処理液８に強いせん断力が負荷され、これにより分散および微細化がなされる。一方、攪拌装置Ａ１においては、図７に示す攪拌挙動が生じていると考えられる。図７は、攪拌を行っている攪拌装置Ａ１の要部拡大断面図であり、実験やシミュレーションを根拠とする発明者らの知見に基づくものである。図中の一点鎖線の矢印は、回転羽根３の回転を表しており、実線の矢印は、被処理液８の各部における流速ベクトルの向きを表している。回転羽根３内および回転羽根３付近の被処理液８には、回転する回転羽根３の遠心力によって周方向に回転する強い旋回流が生じる。旋回する被処理液８のうち回転羽根３の貫通孔３１から外方に流出した部分は、図７に示すように進行して中間層部材４に衝突する。この衝突によって被処理液８の成分が分散および微細化される。
【００２９】
さらに、中間層部材４に貫通孔４１が設けられていることにより、遠心力を受けた被処理液８は、貫通孔４１を通して回転羽根３側から攪拌槽１側へと流出する。中間層部材４と攪拌槽１との間においては、被処理液８と回転する回転羽根３とが直接触れる環境にないため、被処理液８には明瞭な旋回流は生じない。これにより、攪拌槽１と中間層部材４との間においては、貫通孔４１から流出した被処理液８が攪拌槽１へと向かう流れが支配的となる。そして、被処理液８が攪拌槽１の内壁面１１に衝突することにより、被処理液８の成分がさらに分散および微細化される。このような攪拌挙動が、分散および微細化を促進し、図５に示す結果が得られたと考えられる。
【００３０】
また、中間層部材４が攪拌槽１および回転羽根３と同心の円筒状であることにより、攪拌槽１と回転羽根３との間においては、全周方位にわたって中間層部材４が存在する。これは、被処理液８の全体にわたって分散および微細化を行うのに好ましい。また、複数の貫通孔４１を設けることは、被処理液８を回転羽根３側から攪拌槽１側へと流出させるのに適している。複数の貫通孔４１のサイズや形状および配置を適宜設定することにより、分散および微細化の程度を任意に調整可能であると期待できる。
【００３１】
さらに、本実施形態においては、攪拌槽１内において空気などの気体を排除した状態で攪拌を行う。発明者らの知見によれば、従来の攪拌装置と同様に攪拌槽１内に気体を存在させた状態で回転羽根３を回転させると、攪拌槽１と中間層部材４との間に気体が滞留してしまう傾向が明瞭に確認された。攪拌槽１と中間層部材４との間に気体が存在すると、上述した中間層部材４を通して攪拌槽１へと向かう被処理液８の流動が妨げられてしまう。このため、被処理液８の分散や微細化の程度が極端に低下する。発明者らは、攪拌装置Ａ１においては、従来の攪拌装置と異なり、気体を排除することによって、攪拌槽１と中間層部材４との間に被処理液８のみを存在させることが可能であることを見出した。この結果、図５に例示されたように、顕著な分散効率の向上やさらなる微細化が可能となった。
【００３２】
図８および図９は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。
【００３３】
図８は、本発明の第２実施形態に基づく攪拌装置を示す図２と同様の断面図である。本実施形態の攪拌装置Ａ２においては、中間層部材４が複数の円弧状要素４２によって構成されている。すなわち、本実施形態の中間層部材４は、周方向の全方位に繋がった構成ではなく、周方向において離散配置された構成となっている。ただし、複数の円弧状要素４２が攪拌槽１および回転羽根３と同心に配置されている点は、攪拌装置Ａ１と同様である。各円弧状要素４２は、図示された断面形状が円弧状である。また、各円弧状要素４２には、複数の貫通孔４１が設けられている。複数の貫通孔４１は、攪拌装置Ａ１におけるものと同様に様々に設定可能である。
【００３４】
このような実施形態によっても、分散効率の向上およびさらなる微細化を図ることができる。また、本実施形態から理解されるように、中間層部材４は、一体的に形成されたものに限定されず、複数の要素によって同心の配置が実現された構成であってもよい。
【００３５】
図９は、本発明の第３実施形態に基づく攪拌装置を示す図２と同様の断面図である。本実施形態の攪拌装置Ａ３においては、中間層部材４が複数の棒状要素４３によって構成されている。各棒状要素４３は、攪拌槽１および回転羽根３の中心軸に沿って延びており、断面形状がたとえば円形である。なお、棒状要素４３の断面形状は、円形以外のたとえば楕円形、多角形などであってもよい。また、棒状要素４３は、直状に延びた形状に限定されず、たとえば回転羽根３を取り囲むように螺旋状に湾曲していてもよい。各棒状要素４３には、上述した実施形態における円弧状要素４２は、設けられていない。しかし、隣り合う棒状要素４３どうしの間を、回転羽根３側から攪拌槽１側へと被処理液８が通過することが許容されている。
【００３６】
このような実施形態によっても、分散効率の向上およびさらなる微細化を図ることができる。また、本実施形態から理解されるように、中間層部材４は、貫通孔を有する要素によって構成されたものに限定されず、貫通孔を有しない複数の要素によって同心の配置が実現された構成であってもよい。
【００３７】
さらに、攪拌装置Ａ１〜Ａ３においては、中間層部材４が径方向に複数の層をなすように構成されていてもよい。たとえば、攪拌装置Ａ１および攪拌装置Ａ２においては、径方向における異なる位置に複数の中間層部材４（円弧状要素４２）が配置されていてもよい。また、攪拌装置Ａ３においては、複数の棒状要素４３をいわゆる千鳥状に配置してもよい。
【００３８】
本発明に係る攪拌装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る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。
【符号の説明】
【００３９】
Ａ１〜Ａ３      攪拌装置
１      攪拌槽
１１      内壁面
１２      軸シール
１３      流入口
１４      流出口
２      回転軸
３      回転羽根
３０      内フランジ
３１      貫通孔
４      中間層部材
４０      フランジ部
４１      貫通孔
４２      円弧状要素
４３      棒状要素
８      被処理液
【図１】
2016087590.tif 000003
【図２】
2016087590.tif 000004
【図３】
2016087590.tif 000005
【図４】
2016087590.tif 000006
【図５】
2016087590.tif 000007
【図６】
2016087590.tif 000008
【図７】
2016087590.tif 000009
【図８】
2016087590.tif 000010
【図９】
2016087590.tif 000011