CN102164660B - 通过强剪切力进行连续分散的装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种分散装置。所述分散装置能够通过确定地施加剪切力至所有的原料而高效且连续地分散原料。本发明的通过剪切力进行分散的装置包括彼此面对的第一转子(1)和第二转子(2)。原料在通过第一转子与第二转子之间到达转子的外周时被分散。所述分散装置包括第一装置(8)和第二装置(9)。所述第一装置(8)用于使第一转子在第一方向(R1)上旋转，而所述第二装置(9)用于使第二转子在与第一方向相反的第二方向(R2)上旋转。原料供给出口(20)设置在第一转子或第二转子的旋转中心处。

Description

通过强剪切力进行连续分散的装置

技术领域

本发明涉及一种连续而有效地分散浆料(粉末状物质和液体的混合物)中的多种液体或粉末状物质的装置。

背景技术

均质而连续地分散浆料中的多种液体或粉末状物质的装置是已知的。在该装置中，大量液体或浆料通过高速旋转的圆形转子与静止的定子之间的狭窄空间。因此，浆料中的多种液体或粉末状物质通过由高速旋转产生的强离心力和强剪切力均质而连续地分散(例如见日本专利特开No.2000-153167的图1)。这里使用的术语“分散”意指均质地分散浆料中的粉末状物质或者均质地混合多种液体。

发明内容

然而，由于静止的定子的表面上的原料的流动速率为零，所以几乎没有剪切能分配给定子表面附近的材料。因此，常规装置一直是不利的，因为其分散效率低。

此外，尽管原料通过剪切力分散在小区域内，但是总体上，材料被不同地分散处的部分是不均匀分布的。因此，存在在大区域内再次混合原料以获得均质混合物的需要。为此，在后续过程中必须安装分批型分散装置。

如果期望的分散条件未通过一个过程完成，则原料可能需要进行循环，或者原料可能需要由串联连接的多个分散装置反复地分散。因此，用于安装附加的循环系统或安装所述多个分散装置的成本和面积或者处理时间可能增加。这些就是问题所在。

构想了本发明以解决这些问题。因此，本发明的一个目的是提供一种可以通过向所有原料确定地分配剪切力以及通过在装置中结合以下两种能力而高效且连续地分散原料的分散装置，所述两者能力为通过剪切力在小区域内分散的能力以及在大区域内分散的能力。

为了实现该目的，例如如图1和图2中示出的，本发明第一方面的通过剪切力进行分散的装置包括彼此面对的第一转子1和第二转子2。原料在通过转子1、2之间到达转子的外周时被分散。所述分散装置包括：用于使第一转子1沿第一方向R1旋转的第一装置8；和用于使第二转子2沿与第一方向R1相反的第二方向R2旋转的第二装置9。用于供给原料的出口20设置在第一转子1或第二转子2的旋转中心处。

通过如上文讨论地构造所述装置，第一转子1和第二转子2沿相反的方向旋转。因此，剪切能被确定地施加至所有原料。由此可以获得有效而连续地分散材料的分散装置。

例如如图1中示出的，在第一方面的通过剪切力进行分散的装置中，通过第一转子1的平坦表面21和转子2的平坦表面31在出口20的外侧上形成空间3。缓冲部6形成在空间3的外侧上，在缓冲部6中第一转子与第二转子之间的距离大于空间3中的距离。外周上的侧面32在缓冲部6的外侧上形成在第二转子2上。外周上的侧面32使第一转子1与第二转子2之间的距离小于缓冲部6中的距离。这是本发明的第二方面。

通过如上文讨论地构造所述装置，所述空间具有由剪切力导致的在小区域内进行分散的功能，而缓冲部具有在大区域内进行分散的功能。由此可以获得有效且连续地分散材料的通过剪切力进行分散的装置。

例如如图1中示出的，在第二方面的通过剪切力进行分散的装置中，外周上的侧面32设置成平行于第一转子1的旋转轴线8，或向第一转子1的旋转中心倾斜。这是本发明的第三方面。

通过如上文讨论地构造所述装置，由于外周上的侧面32设置成平行于第一转子的旋转轴线或朝向第一转子的旋转中心倾斜，故而原料不流出缓冲部，除非原料的体积大于缓冲部的容积。因此，原料聚集在该部分中。由于来自所述空间的额外的原料以高速流向缓冲部中聚集的原料，并有力地与这些原料混合，所以原料在缓冲部中均质地分散。

例如如图4中示出的，在第二或第三方面的通过剪切进行分散的装置中，外周上的侧面32的末端形成为朝所述旋转中心延伸的悬垂物62。这是本发明的第四方面。

通过如上文讨论地构造所述装置，由于外周上的侧面32的末端形成为朝所述旋转中心延伸的悬垂物，所以原料不会流出缓冲部，除非原料的体积大于缓冲部的容积。因此，原料聚集在该部分中。由于来自所述空间的额外的原料以高速流向缓冲部中聚集的原料，并有力地与这些原料混合，所以原料在缓冲部中均质地分散。

例如如图1中示出的，在第二或第三方面的通过剪切进行分散的装置中，空间3设置成与供给原料的出口20相邻。这是本发明的第五方面。

通过如上文讨论地构造所述装置，由第一和第二转子的旋转导致的离心力施加到所述空间中的原料。因此，随着原料向外流动，原料的流动速率增大。此外，在原料的内侧上产生负压。因此，额外的原料通过供给原料的出口被吸入所述空间中。

例如如图1中示出的，在第二或第三方面的通过剪切进行分散的装置中，通过第一转子1的平坦表面23和第二转子2的平坦表面33在缓冲部6的外侧上形成第二空间4。第二空间4中的第一转子与第二转子之间的距离等于或小于空间3中的距离。第二缓冲部7形成在第二空间4的外侧上。在第二缓冲部7中，第一转子1与第二转子2之间的距离大于第二空间4中的距离。外周上的第二侧面24在第二缓冲部7的外侧上形成在第一转子1上。外周上的第二侧面24使第一转子1与第二转子2之间的距离小于第二缓冲部7中的距离。这是本发明的第六方面。

通过如上文讨论地构造所述装置，除了所述空间和缓冲部之外，第二空间也具有通过剪切力在小区域内分散原料的功能。第二缓冲部具有在大区域内分散原料的功能。由此可以获得有效、连续且反复地分散原料的由剪切力进行分散的装置。

例如如图1中示出的，在第六方面的通过剪切进行分散的装置中，缓冲部6通过使第一转子1形成凹口而形成。外周上的侧面32形成在第二转子2上。第二缓冲部7通过使第二转子2形成凹口而形成。外周上的第二侧面24形成在第一转子1上。这是本发明的第七方面。

通过如上文讨论地构造所述装置，所述空间、缓冲部、外周上的侧面、第二空间、第二缓冲部以及外周上的第二侧面都通过使第一转子和第二转子形成凹口从而使其啮合而形成。因此，这便于制造交替而有效地通过剪切力执行小区域内的分散并且然后执行大区域内的混合从而使材料被均质化的分散装置。

本发明提供了一种通过向所有原料有效地施加剪切能而有效且连续地分散原料的通过剪切进行的分散装置。所述装置包括彼此面对的第一转子1和第二转子2。原料在通过两个转子之间到达转子的外周时被分散。所述分散装置包括第一装置和第二装置。所述第一装置用于使第一转子沿第一方向旋转，而所述第二装置用于使第二转子沿与第一方向相反的第二方向旋转。用于供给原料的出口设置在第一转子的旋转中心处。

通过第一转子的平坦表面和第二转子的平坦表面在用于供给原料的出口的外侧上形成空间。在所述空间的外侧上形成缓冲部，在所述缓冲部中，第一转子与第二转子之间的距离大于所述空间中的距离。外周上的侧面在缓冲部的外侧上形成在第一转子或第二转子上或第一转子和第二转子两者上。外周上的侧面使第一转子与第二转子之间的距离小于缓冲部中的距离。因此，在产生通过剪切力在小区域内分散原料的功能之后，产生在大区域内混合原料以使材料均质化的功能。这些功能组合起来有效地分散原料。

2009年9月28日提交的基本日本专利申请No.2009-222997的全部内容在此通过参引的方式结合到本申请中。

通过下文给出的详细描述将使本发明得到更为全面的理解。然而，详细描述和具体实施方式仅为本发明的期望实施方式的示例，故而仅用于解释说明。基于这些详细描述，各种可能的改变和修改对本领域普通技术人员会很明显。

本申请的申请人无意向公众奉献任何公开的实施方式。在公开的改变和修改中，可能并非在文字上落入本权利要求范围内的改变和修改由此在等同教义的意义上构成本发明的一部分。

除非在本文中另外指出或与上下文明显抵触，否则说明书和权利要求中使用的冠词“一”、“一个”和“该”及相似的指示应解释为既包括单数也包括复数。任何和所有示例或本文中提供的示例性语言(例如“诸如”)的使用仅意于更好地阐释本发明，故而除非另外声明，否则其不限制本发明的范围。

附图说明

图1示出了已设置的两个转子的示意性横截面图；

图2示出了分散装置的主要部分的示意性横截面图；

图3示出了沿本发明的装置的横截面以及常规装置的横截面的流动速率分布的示意图；

图4示出了缓冲部的容积增大的示例的结构图。

具体实施方式

下面描述实施本发明的最佳模式。在附图中，相同的数字指代相同或相应的元件，省略其重复描述。本发明涉及一种用于均质地(uniformly)分散多种原料的装置。在该装置中，设置有沿相反方向高速旋转的两个转子。离心力使原料通过由所述转子形成的狭窄空间。如图1中示出的，两个凹口状转子1、2设置在同一旋转轴线上，从而在竖直方向上彼此面对。通过使相应的凹腔与凸起相配合，交替地形成狭窄空间3、4、5和宽阔空间6、7。本文中所使用的引起强剪切力产生的狭窄空间3、4、5称作剪切力生成部。使原料在大区域内混合的宽阔空间6、7称作缓冲部。如图2中示出的，转子1、2分别连接至旋转的中空轴8、9。旋转轴8、9通过轴承15由各自的轴承壳16支撑。轴承壳16被刚性地固定(图中未示出固定轴承壳的方法)。旋转轴8、9由各自的电动马达(未示出)通过带、链或齿轮驱动而沿相反的方向旋转。假定从原料供给口12、14看的方向为顺时针方向。轴的旋转速度根据原料种类、目标分散度等任意选择。供给至原料供给口12、14的原料通过旋转中空轴的中空部，通过设置在转子1、2的旋转中心处的原料供给出口20在两个转子之间输送。在此实施方式中，旋转中空轴9的原料供给出口由塞10封闭，以防止原料再次流回并然后流出。

在图1的分散装置中，转子1、2中的每一个的外径D均为200mm，并且高度h1、h2分别为55mm和15mm。剪切力生成部3、4、5的间隙在0.05mm至2mm之间可调，但无需一定相同。所述间隙根据转子1、2的形状和尺寸以及期望的用途而任意修改。例如，所述间隙以从剪切力生成部3开始以剪切力生成部4、剪切力生成部5的顺序逐渐减小。这样，原料中的成块颗粒被依次融解成将被均质地分散的更细颗粒。缓冲部6、7的外周上的侧面32、24的角度α、β分别为50°和70°。但所述角度不局限于这些值。所述角度根据转子1、2的形状和尺寸任意选择为锐角或直角，即向朝向旋转中心的方向(朝向旋转中空轴8、9的方向)倾斜或平行于旋转中空轴8、9。在分散装置中，旋转速度通过逆变器控制从0rpm到1720rpm调节。所述旋转速度通过选择电动马达、滑轮、齿轮等任意修改。

现在通过参照图1来描述剪切力生成部3、4、5和缓冲部6、7的结构。上转子1的与下转子2面对的表面在出口20的外侧上形成为垂直于旋转轴线的平坦表面21。在平坦表面21的外侧，内周上的侧面22、平坦表面23和外周上的侧面24形成凹口。平坦表面23平行于平坦表面21。外周上的侧面24向下转子2的侧面延伸越过平坦表面21。在侧面24的末端形成同样平行于平坦表面21的平坦表面25。与上转子1相对的下转子2的表面上形成有平行于平面21并与平面21相对的平面31。平坦表面31向外周延伸越过内周上的侧面22。外周上的侧面32从平坦表面31朝向上转子1形成。平行于平坦表面23的平坦表面33从外周上的侧面32的末端形成。平坦表面33与内周上的侧面34以及平行于且面对平坦表面25的平坦表面35形成凹口。侧面34位于侧面24的内侧。

通过这样构造具有上文讨论的表面的上转子1、下转子2，由平坦表面21和平坦表面31形成剪切力生成部3。由平坦表面23和平坦表面33形成剪切力生成部4。由平坦表面25和平坦表面35形成剪切力生成部5。缓冲部6形成为由侧面22、平坦表面23、侧面32和平坦表面31包围的区域。缓冲部7形成为由侧面34、平坦表面23、侧面24和平坦表面35包围的区域。侧面24向下转子2延伸越过平坦表面21以形成缓冲部7。因此，缓冲部7的容积变大，由此使原料通过在大区域内分散而被均匀化。

尽管在上文讨论的实施方式中，外周上的侧面24向下转子2延伸越过平面21，但该侧面24也可以延伸至与平坦表面21相同的水平。即平坦表面21和平坦表面25可以设置在同一平面内。在这种结构中，三个剪切力生成部3、4、5和两个缓冲部6、7可以通过在上转子1上形成一个凹口以及在下转子2上形成一个凸起(由侧面32、平坦表面33和侧面34包围的部分)而形成。因此，这种结构便于制造交替而连续地通过剪切力执行小区域内的分散并且然后执行大区域内的混合从而使材料被均质化的分散装置。此外，侧面24无需延伸越过平坦表面21。

尽管平面21、23、25、31、33、35描述为垂直于旋转轴线并彼此平行，但无需一定这样设置。此外，形成剪切力生成部3、4、5的平坦表面不必一定彼此平行。通过使剪切力生成部3、4、5的间隙向外周变窄，原料中的成块颗粒被依次溶散成更细的颗粒。

缓冲部6、7是聚集液体的区域。这些区域具有大的容积，以便混合已经在剪切力生成部3、4处经历了小区域内的分散的原料。为此，形成缓冲部6的平坦表面31的半径L1例如是半径L2的至少一半，但通常等于或大于半径L2，半径L2是与平坦表面21相面对以形成剪切力生成部3的平坦表面的半径。缓冲部6的高度(剪切力生成部3处的空间处的间隙加上侧面22的高度的总和)是剪切力生成部3的空间处的间隙的高度的至少3倍，但通常为5倍或更多倍。

在图1中，原料的流动由箭头指示。尽管为了简化仅画出了一个箭头，但类似的流动在转子1、2形成的整个区域产生。此外，再次参照图2。在转子1、2旋转的同时，原料通过原料供给口12供给，原料供给口12用于将原料供给到扭转的接头11上，接头11连接至旋转的中空轴8并配备有用于停止旋转的止动部(未示出)。原料通过出口20供给，出口20用于将原料供给到转子1、2之间的空间中。原料在离心力的方向上流动通过均由转子1和转子2形成的剪切力生成部3、缓冲部6、剪切力生成部4、缓冲部7和剪切力生成部5。原料从原料排出部13排出。所述原料排出部13位于转子的外周上。由于原料通过离心力在朝向外周的方向上流动，所以流动速率增大。原料供给出口20处的压力变为负值。因此，来自于出口20的原料的流量增大。

塞10可以从旋转中空轴9的出口移走，以供给来自原料供给口14的其他原料。由此可以将来自口14的原料和来自口12的原料混合。但在这种情况下，转子和轴的中央轴线必须是水平的，或者必须安装原料泵，因为通常情况下出口20处的负压不足够大以将原料沿旋转中空轴9的整个长度抽吸的足够高。

在分散装置中，两个旋转轴描述为由单独的电动马达驱动。然而，如果驱动力由齿轮等分开，那么也可以仅由一台电动马达来驱动。这些电动马达、带、链、齿轮等构成使旋转中空轴8、9旋转的装置。

参照图1描述原料分散过程。首先，原料在通过第一剪切力生成部3时受到很强的剪切力。由此执行成块颗粒的乳化或溶散。如果两个转子1、2以相同的速度旋转，则从线A-A截取的和在截面B处的原料速度分布如图3(a)所示。不存在速度为零的部分。相比之下，在常规系统中，转子1、2中的一个静止，如果静止转子假定为下转子2，则速度分布如图3(b)所示。下转子2的表面上的速度在旋转方向和与离心力方向相同的径向方向上为零。因此下转子2的表面附近的原料分散的情况不好。在本发明的装置中，即使在旋转方向上的速度为零的两个转子1、2之间的中心位置处，径向方向上的速度由于离心力造成的运动也不会为零。即，在与所述中心位置相邻的两侧上由离心力造成的运动处于相同的向外方向上。因此，中心位置处的原料被这些运动造成的剪切力(粘性行为)向外抽吸。由于不存在速度为零的部分，剪切力确定地施加至所有原料。由此获得有效的分散。详细而言，两个转子之间的中心位置处的剪切力较弱，如图3(a)中沿线A-A截取的图所示。然而，与速度为零的静止转子不同，由于高速下的旋转，速度的波动很大。因此剪切力不影响有效分散。原料在剪切力生成部3处受到强的剪切力，使得乳化、或溶散成块颗粒、或分散颗粒在小区域内执行。从剪切力生成部3排出后，原料流入第一缓冲部6。在缓冲部6中，外周上的侧面32形成为使转子1、2之间的距离变小。因此，流入缓冲部6的原料在缓冲部6中聚集而不流出，除非原料的体积超过缓冲部6的容积。缓冲部6中的原料被离心力压靠在侧面32上。如图1中示出的，缓冲部6的侧面32是倾斜的，从而阻碍原料的流动。因此，原料必须以超过部缓冲部6的容积的量流入缓冲部6中，从而使原料流出缓冲部6。已经流入缓冲部6并聚集在其中的原料与之后从剪切力生成部3流入缓冲部6中的原料有力地混合。因此已经在小区域内乳化或分散的原料通过在大区域内混合而均匀化。之后，原料流过第二剪切力生成部4和第二缓冲部7，受到类似于在第一剪切力生成部3和第一缓冲部6中的分散。原料流过最后的部分，即第三剪切力生成部5，从而受到进一步的分散。

为了通过分散装置均质地混合原料，将要供给至该装置的原料中的颗粒优选地溶散为乳化物或比剪切力生成部处的最小间隙小的成块颗粒。此外，原料在容积至少等于最小的剪切力生成部的容积(容积＝剪切力生成部的面积×间隙)的单元中均质地混合。此过程由作为在先处理的预混合来执行。如果原料未溶散为通过剪切力生成部3处的间隙的乳化物或成块颗粒，那么在原料流过剪切力生成部3时，大于该间隙的液滴或成块颗粒几乎无法流入剪切力生成部3的空间中。因此，这可能使原料不均匀地分散或使流动路径阻塞。还还可能使该装置被不适当的剪切力损坏。在容积等于最小剪切力生成部的单元中均质地混合意味着当体积等于最小剪切力生成部容积的一部分预混合原料从原料中取出时，各部分中的大量原料的容量是恒定的。这与乳化或溶散成块颗粒的任何条件无关。例如，在图1中，最小的剪切力生成部是剪切力生成部3内的空间。当间隙为0.1mm时，所述容积约为0.3ml。但如果本发明的装置用于预混合，则上述要求中的一些不一定要遵守。

缓冲部6、7的构造不局限于示出为图1中的外周上的侧面32、24的倾斜构造。如图4中示出的，在外周上的侧面32、24的末端处可以形成向旋转中心(向旋转中空轴8、9)延伸的悬垂物62、54，以增加缓冲部6、7的容积。由于与上转子41的平坦表面23面对的悬垂物62的平坦表面63是剪切力生成部4的一部分，所以剪切力生成部4在径向方向上扩大。由此在小区域内进行更大的分散。类似地，与下转子42的剪切力生成部35面对的悬垂物54的平坦表面55使剪切力生成部5扩大。由此在小区域内进行更大的分散。

剪切力生成部和缓冲部的数量分别指定为三个和两个。但数量并不局限于此，并可以根据要处理的原料和目标分散程度调整。

Claims (6)

1.一种用于通过剪切力进行连续分散的装置，所述装置包括第一转子和第二转子，所述第一转子和所述第二转子彼此面对并且在原料通过所述转子之间到达所述转子的外周时分散所述原料，所述装置包括：

第一装置，所述第一装置用于使所述第一转子在第一方向上旋转；和

第二装置，所述第二装置用于使所述第二转子在与所述第一方向相反的第二方向上旋转；

其中，在所述第一转子或所述第二转子的旋转中心处设置有原料供给出口，

其中，在所述出口的外侧上由所述第一转子的平坦表面和所述第二转子的平坦表面形成有第一空间；

其中，在所述第一空间的外侧上形成有第一缓冲部，在所述第一缓冲部中，所述第一转子与所述第二转子之间的距离大于所述第一空间中的距离；并且

其中，在所述第一缓冲部的外侧上在所述第二转子上形成有外周上的第一侧面，所述外周上的第一侧面使所述第一转子与所述第二转子之间的距离小于所述第一缓冲部中的距离。

2.如权利要求1所述的用于通过剪切力进行连续分散的装置，

其中，所述外周上的第一侧面设置成平行于所述第一转子的旋转轴线，或朝所述第一转子的旋转中心倾斜。

3.如权利要求1或2所述的用于通过剪切力进行连续分散的装置，

其中，所述外周上的第一侧面的末端形成为朝旋转中心延伸的悬垂物。

4.如权利要求1或2所述的用于通过剪切力进行连续分散的装置，

其中，所述第一空间设置成与所述原料供给出口相邻。

5.如权利要求1或2所述的用于通过剪切力进行连续分散的装置，

其中，在所述第一缓冲部的外侧上由所述第一转子的平坦表面和所述第二转子的平坦表面形成有第二空间，所述第二空间中的所述第一转子与所述第二转子之间的距离等于或小于所述第一空间中的距离；

其中，在所述第二空间的外侧上形成有第二缓冲部，所述第二缓冲部中的所述第一转子与所述第二转子之间的距离大于所述第二空间中的距离；并且

其中，在所述第二缓冲部的外侧上在所述第一转子上形成有外周上的第二侧面，以使所述第一转子与所述第二转子之间的距离小于所述第二缓冲部中的距离。

6.如权利要求5所述的用于通过剪切力进行连续分散的装置，

其中，所述第一缓冲部通过使所述第一转子形成凹口而形成；

其中，所述外周上的第一侧面形成在所述第二转子上；

其中，所述第二缓冲部通过使所述第二转子形成凹口而形成；并且

其中，所述外周上的第二侧面形成在所述第一转子上。

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