無摺動クリーン撹拌機『スイングスター®』
Frictionless Clean Reactor“SWINGSTIR”［特許出願中，登録商標］［Patent Pending and Resistered Trademark］

小川智宏＊
Tomohiro Ogawa

山本昌史＊
Masafumi Yamamoto

近年，医薬品・ファインケミカル分野では，品質の向上およびさらなる高純度化の目的で異物混入のリスクのない撹拌機が望まれている。『スイングスター』は独自の旋回撹拌方式により，従来の回転型シールに代わる新開発の無摺動フレキシブルシールを採用したクリーン撹拌機である。
Recently, in pharmaceutical and ﬁne-chemical markets, the need for reactors which further reduce the riskof contamination is increasing. Using an original swing-based mixing system,“SWINGSTIR”is a clean
reactor which has a newly developed frictionless ﬂexible seal that replaces a conventional rotating typeseal.

Key Words：
コンタミレス，コンタミフリー

Contamination-free

無摺動Frictionless

洗浄性

Cleanability【セールスポイント】
・無摺動フレキシブルシールによるクリーン撹拌機・洗浄性を考慮したシンプルな旋回式撹拌翼

まえがきに，これまでも撹拌翼の開発１），２），ライニング用

近年，国内の医薬，電子材料，ファインケミカルグラスの開発，付属品の改良などにより，コンタミレスのニーズに対応してきた。

メーカは，より付加価値の高い製品を開発し，製造する方向に向かっている。このような製品の生産にスイングスターは，従来型撹拌機の軸封部からのおいて撹拌機は，反応，晶析，濃縮などの用途で幅コンタミ防止を目的に，非回転の旋回方式撹拌を行広く使用されている。当社もグラスライニング製撹

うことで，回転摺動部のない独自のフレキシブルシ拌機，耐食金属製撹拌機，粉体混合乾燥機を中心ールを採用した撹拌機である。フレキシブルシール

表１
異物混入のリスク
洗浄の容易さ
密封性圧力
温度34

各軸封シールの比較

メカニカルシール

ドライシール

マグネットシール

フレキシブルシール

××
○
○○××△
△
△××
○
○
○

○
○○
△
△

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 9 No. 2（2013 ／ 2）

表２材

質

弾性係数［MPa］
引張強度［MPa］

各材質の物性４）５）６）

軟鋼

ニッケルクロム鋼

PTFE

補強繊維

EPDM

210 000400

210 000
900

400
31－41

755－3 138
69

1－21（硬度 JIS A 30-90より算出）
5－20
旋回運動側フランジ

減速機

偏芯伝動軸
補強繊維

撹拌軸
球面軸受

EPDMゴムフレキシブルシール

パイプバッフル
内面PTFE
撹拌翼固定側フランジ

図２

1. 2

フレキシブルシール

フレキシブルシール

回転撹拌方式では回転部と静止部とを摺動させて圧力をシールするメカニカルシールが用いられている。スイングスターでは旋回撹拌方式を採用するに
図１あたり，大きな変位を吸収するまったく新しい構造

スイングスター反応機のシール部材の開発に取組んだ。と従来の回転型軸封の性能比較を表１に示す。フレシールにはメカニカルシールと同様に耐食性，耐キシブルシールは，これまで困難とされてきた軸封圧性と耐熱性，さらに旋回運動の変位を吸収する可部由来の摩耗，シーラントなどによるコンタミネーシとう性の４つの要素すべてを満たす必要がある。

ョンを完全に無くし，さらに従来のメカニカルシール

耐食性を考慮すると接ガス部の材質は，ドライシと比べてシール構造もシンプルであるため，洗浄性ールと同様に耐食性に優れた PTFE が適している。に優れておりクロスコンタミ防止にも有効である。

PTFE で変位を吸収する構造として一般的にはダイスイングスターは，2012年６月に開催されたインヤフラム構造やベローズ構造が挙げられるが，いずターフェックスジャパンに初出展し，販売を開始しれも無摺動撹拌機のシール材として耐圧性が問題とた。本稿ではこの『スイングスター』について紹介なる。

する。

1.

1. 1

そこで，耐震用または配管の変位吸収用として用スイングスターの形状いられるエキスパンションジョイントに着目し，ス基本構造

イングスター専用フレキシブルシールの開発を行っ旋回撹拌方式を採用したスイングスターの基本構た。フレキシブルシールの断面形状を図２に示す。

造について説明する。スイングスター反応機の断面

フ レ キ シ ブ ル シ ー ル の 内 面 は， 耐 食 性 に 優 れ た

図を図１に示す。

PTFE とし，その外面側には耐圧性を持たせるため動力は，減速機出力軸に取付けられた偏芯伝動軸から軸受を介して撹拌軸に伝達され，この偏芯伝動の補強繊維，およびそれらの層間を EPDM ゴムで充填し，可とう性をもたせた構造である。

軸で回転運動から旋回運動へ変換される。さらに撹

フレキシブルシールに使用した各材質の物性と，拌軸は，旋回運動の支点となる球面軸受で支持さ比較のために一般的な鋼板材料である軟鋼，ニッケれ，フレキシブルシールにて缶内外を隔てている。

ルクロム鋼の物性を表２に示す。軟鋼やニッケルクロ

撹拌翼は，シンプルな扁平断面形状で洗浄性と撹ム鋼と比べると，PTFE や補強繊維の剛性（ヤング率）拌効率を両立し，グラスライニングの施工も可能では50分の１以下で非常に柔らかく，引張強度は約８ある。

分の１以下であるため，このような材料を用いていかVol. 9 No. 2（2013 ／ 2）

神鋼環境ソリューション技報35

に耐圧性を確保する構造とするかがポイントとなる。
フレキシブルシールの構造検討には FEM 構造解析を活用した。解析の一例を図３に示す。FEM 構
造解析では形状，各層の厚み，補強繊維の層数，補強位置を検討，各材質の疲労強度，各層間の密着強度などを考慮して構造を決定し，開発期間の短縮を図ることができた。
また FEM 解析の結果を元にフレキシブルシールを試作し実際に温度，圧力を加えて加速耐久試験をここで実施し，耐久性を確認した。

するととスイングスターの諸特性

2.

撹拌動力

2. 1

2. 1. 1

撹拌動力理論

通常の回転撹拌による撹拌動力は，下記式で表わされる。となり，通常の回転撹拌と同様に，動力は， ，ここで，：液密度［kg ⁄ m3］：回転数［s－1］：代表径（翼スパン）［m］
または，動力数とよばれる無次元数であり，撹拌レイノルズ数，撹拌フルード数および撹拌槽，邪魔板などの幾何学的形状の関数になる。
スイングスターの旋回撹拌方式の場合も以下に示
すように回転撹拌と同様に表すことができる。
図４に示す旋回撹拌翼について考える。斜線部に発生する抗力３）は，抗力係数をとすると

図３

フレキシブルシール FEM 解析例

w2

旋回方向

θw1l1により発生するトルク

であはdl，撹拌動力は，l2

この抗力lφるから，さらに撹拌翼全体での撹拌動力36は，

図４

神鋼環境ソリューション技報

旋回撹拌の動力
Vol. 9 No. 2（2013 ／ 2）

，に比例する。以上のように旋回撹拌方式においても回転撹拌と同様に動力数内容液と同じ粘度に調整したものを用い，混合時間は，脱色過程の連続写真から決定した。

をスイングスターの混合性能をオーバル三枚後退翼，および当社 GL 撹拌翼であるツインスターと比較した結果を写真１，２に示す。実験では液粘度0.001，0.1としてスケールアップが可能である。
2. 1. 2，液深 H は H/D ＝1.25の条件にて脱色の速さを比較した。スイングスターは，オーバ

撹拌動力測定槽内径＝400 mm，２：１半楕円下鏡形状の円筒

100FULLZONE

槽を用いてスイングスターの撹拌動力を測定した。

３枚後退翼

Re 線図にプロットし図５に示す。

ここで，スイングスターの撹拌翼代表径は，翼旋回最大直径とした。
混合性能

撹拌性能を評価するため前節と同形状の槽内径SWINGSTIR［−］

測定結果を

2. 2TWINSTIR

101＝400 mm のアクリル製可視槽を使用し，混合試験を実施した。実験は，ヨード澱粉の呈色をチオ硫酸ナトリウムで還元脱色する脱色法を使用し，各装置の撹拌動力を同一にして混合時間を測定し比較し0.1
1.E+00TWINSTIR

図５START

4sec.

5sec.

6sec.

10sec.

8sec.

15sec.

10sec.

30sec.

12sec.

60sec.

写真１ 混合経過の比較
PV ＝0.05 kW/m3 H/D ＝1.25

Vol. 9 No. 2（2013 ／ 2）

1.E+03

撹拌動力線図（３枚後退翼

SWINGSTIRSTART

μ ＝0.001

1.E+02

1.E+04

1.E+05

1.E+06Re［−］た。ヨード溶液およびチオ硫酸ナトリウム溶液は，
３枚後退翼

1.E+01μ ＝0.1

神鋼環境ソリューション技報

Re 線図）TWINSTIR

SWINGSTIR

写真２ 混合経過の比較
PV ＝0.05 kW/m3 H/D ＝1.25
37

ル三枚後退翼に比べ混合速度が1.5～２倍速く，ツ中心とバッフルを含む断面の各時間におけるトレーインスターと同等である。

サー濃度コンターを図７に示す。実際の混合試験結また様々な液粘度にて同様に混合試験を実施し，混合時間をRe 線図で整理し，各撹拌翼の果と比較すると，混合試験における脱色状態と近似している。今後，撹拌条件の検討，翼形状の改善なそれと比較した結果を図６に示す。スイングスター

どに流動解析を活用していく予定である。

は，ツインスターとオーバル三枚後退翼のほぼ中間

2. 4的特性を有する。

2. 4. 1

異相系撹拌特性固液系撹拌

以上の結果からスイングスターは，従来のオーバ固液系撹拌の特性評価のためイオン交換樹脂の懸ル三枚後退翼やツインスターとほぼ同等の混合性能濁実験を実施した。粒子濃度をかさ体積で23 ％とを有している。

し，スイングスター，ツインスター，オーバル三枚流動解析

後退翼それぞれについて回転数を段階的に変化させ

2. 3

汎用熱流体解析コード FLUENT14.0（ANSYS 社）て粒子の浮遊状態を比較した。液表面近傍で粒子濃をもちいて解析を行った結果を紹介する。乱流モデ度を測定し，単位容積当たりの動力に対してプロッ

ルは標準トした結果を図８に示す。低動力域ではあるが，スモデルを使用し，混合試験を再現す

イングスターはツインスターの約80 ％，オーバルるため以下の手法で解析を実施した。
・最初に流れ場を作成し，収束確認後，その時刻を三枚後退翼の約50 ％の動力で粒子の均一浮遊が可能である。

として・作成した流れ場の液面付近の領域を脱色剤を模混合試験擬したトレーサーに置換え，時間間隔を2.5×

流動解析

10－３ 秒として計算を行い，各時刻でのトレーサー濃度を求めた。

1VHF

スイングスターの流動解析によって得られた容器

［−］

1 000

３枚後退翼
SWINGSTIRTWINSTIRFULLZONE

2VHF

100

104VHF1
1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

Re［−］

図６

6VHF

Re 曲線

&RQWRXUVRI0DVVIUDFWLRQRIWUDVHU

粒子濃度［vol ％］

30 ％
25 ％

均一浮遊到達点

8VHF

20 ％
15 ％

TWINSTIR

３枚後退翼

SWINGSTIR

10 ％
5％0％

10VHF
0.00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Pv［kW/m3］

図８38

粒子均一浮遊に要する動力の比較

図７

スイングスター混合試験と流動解析比較

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 9 No. 2（2013 ／ 2）

25 ％均一分散到達点

20 ％
15 ％

３枚後退翼

10 ％

TWINSTIR

5％

SWINGSTIR

0％
0.00

0.05

0.10

0.20

0.15

0.25

0.30

H

オイル濃度［vol ％］30 ％Pv［kW/m3］

図９

液滴均一分散に要する動力の比較
D1

表３

スイングスターの標準仕様（本体）設計圧力

F.V. ／0.10 MPa（圧送）設計温度－20－＋130 ℃適用法規

消防法

D2

グラスライニング，ステンレス鋼，その他特殊質金属（フレキシブルシール接ガス部は PTFE）

材

表４

スイングスター反応機の標準寸法

100
呼称容量［L］
500
本体内径 D1［mm］
600
外套内径 D2［mm］
1 900
全高 H［mm］
135
最高回転数［rpm］
モータ定格出力［kW］ 0.4

2. 4. 2

200
600
700
2 100
1350.4

500
800
900
3 000
1170.75

1 000
1 000
1 100
3 300
1030.75

液液系撹拌

図1₀

スイングスター反応機の標準寸法

遊および液滴の分散が可能である。
・シンプルな形状で，洗浄性が良好である。
【適用分野】
・コンタミレス，洗浄性が重視される医薬・電子材料などのファインケミカル分野【標準仕様および参考寸法】
・スイングスターの標準仕様および参考寸法を表

液液系撹拌の特性評価のため，20 vol％のケロシン（密度790 kg/m3）と水を撹拌槽に満たし，固液撹拌試験と同様にそれぞれ３種類の撹拌翼について

３，４，図1₀に示す。

むすび

本稿では無摺動クリーン撹拌機『スイングスタ回転数を変化させて，液滴の分散状態を観察比較しー』について，その開発過程および実験で確認したた。撹拌槽，鏡部 T.L. 近傍でケロシン濃度を測定

撹拌性能を紹介した。ここに紹介したスイングスタ

して，単位容積当たりの動力に対してプロットしたーがユーザ製品のさらなる高付加価値化に対する問結果を図９に示す。低動力域ではあるが，スイング題解決につながれば幸いである。

スターはツインスターの約70 ％，オーバル三枚後今後も製品の開発，改良をとおしてユーザ各位の製退翼の約55 ％の動力で均一分散が可能である。

品品質の向上，生産性の向上に役立ちたいと考える。

スイングスターの特長と適用分野［参考文献］
１）菊池雅彦ほか：神鋼パンテツク技報 vol.35，No.1（1991），p.6
２）中村隆彦ほか：神鋼パンテツク技報 vol.45，No.1（2008），p.33
３）SHINJI NAGATA：MIXING Principles and applications（1975），p.8
４）中原一郎：実践材料力学（1994），p.10 養賢堂
５）日本機械学会編：機械工学便覧 B4 材料学・工業材料（1987），p.130 日本機械学会
６）日本材料学会編：機械材料学（５版）（1994），p.310，p.313，日本材料学会

3.

【形状】

・摺動部のないシール
・旋回運動による撹拌
・扁平断面のシンプルな撹拌翼【特長】
・フレキシブルシールによりコンタミのリスクがない。
・ツインスターと同等の混合性能を有する。
・ツインスターの70－80 ％の動力で粒子の均一浮＊プロセス機器事業部 技術部 開発室

Vol. 9 No. 2（2013 ／ 2）

神鋼環境ソリューション技報39