CN112742229A - 一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，包括：双向剪切结构、为所述双向剪切结构提供第一动力和第二动力的动力输出装置，所述第一动力和第二动力转向相反，所述双向剪切结构包括剪切腔和设置在所述剪切腔内的转子组件，所述转子组件包括同轴套接的内转子和外转子，所述第一动力驱动所述内转子转动，所述第二动力驱动所述外转子转动。同时兼备朝着相反方向旋转的内外转子高速剪切以及管线式连续化剪切方式，可大大提高剪切乳化效果以及工作效率，并且易于放大生产量。该管线式剪切乳化机结构简单合理，工作效率高。

Description

一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机

技术领域

本申请涉及乳化技术领域，尤其涉及一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机。

背景技术

乳剂因其独特的制剂优势在医药应用领域占有重要的地位，比如掩盖药物的不良气味、改善对皮肤、粘膜的渗透性、包载药物增溶、改变药物体内分布等。根据乳剂液滴的大小，可将乳剂分为普通乳(粒径1-100um)、亚微乳(粒径0.1-1.0um)、纳米乳(粒径<100nm)。通过剪切乳化机对互不相容(油相、水相)的两相液体高速剪切，是制备乳剂的重要方式之一。在制剂的小试研究中，由于样品体积较小装于较小的容器，因此常用顶式的高剪切乳化机，在短时间内能够实现均匀剪切，制备出符合预期的样品。但是此种剪切方式在放大制备乳剂时，重现性较为困难。由于样品体积增大，剪切乳化均匀性难以保证，粒径分布范围较宽。增加高速剪切的时间又可能引起样品温度升高破坏样品的稳定性。

管线式剪切乳化机制备乳剂可以避免罐体式剪切的不均匀性，重现性好。但目前市场上管线式剪切机转子的转速一般最高为20000rpm-30000rpm，在该转速下可实现普通乳和亚微乳的制备，但是要制备形成纳米乳则比较困难。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，以解决相关管线式剪切乳化机技术中由于转速的限制，使得纳米乳制备困难的问题。

根据本申请实施例，提供一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，包括：双向剪切结构、为所述双向剪切结构提供第一动力和第二动力的动力输出装置，所述第一动力和第二动力转向相反，所述双向剪切结构包括剪切腔和设置在所述剪切腔内的转子组件，所述转子组件包括同轴套接的内转子和外转子，所述第一动力驱动所述内转子转动，所述第二动力驱动所述外转子转动。

进一步地，所述动力输出装置包括电机和齿轮箱，所述齿轮箱包括外转子轴套、内转子轴、主动锥齿轮、第一从动锥齿轮、第二从动锥齿轮、箱体，所述电机的电机轴驱动所述主动锥齿轮，所述主动锥齿轮分别与所述第一从动锥齿轮和第二从动锥齿轮相啮合，所述第一从动锥齿轮固定在所述外转子轴套上，所述第二从动锥齿轮固定在所述内转子轴上，所述外转子轴套的一端穿过所述箱体后与所述外转子传动连接，所述内转子轴穿过所述外转子轴套后与所述内转子传动连接。

进一步地，所述外转子轴套的一端穿过所述箱体后支承在所述箱体上，所述箱体内固定有中隔板，所述外转子轴套的另一端支承在所述中隔板上。

进一步地，所述内转子轴的一端支承在所述外转子轴套上，另一端支承在所述箱体上。

进一步地，所述中隔板中开有供所述内转子轴穿过的通孔。

进一步地，所述内转子轴和所述内转子凹凸配合。

进一步地，所述内转子轴顶部内凹，所述内转子中部则凸起，所述凸起嵌于所述内凹处。

进一步地，所述外转子轴套与所述外转子凹凸配合。

进一步地，所述外转子轴套的顶部凸出，所述外转子的底部具有内凹，内凹与凸出相嵌合。

进一步地，所述外转子的剪切齿朝上，所述内转子的剪切齿朝下。

进一步地，所述转子组件具有一组或多组，多组时，相邻两个内转子转动连接，相邻两个外转子转动连接。

进一步地，所述外转子与所述剪切腔底部留有预定距离，形成物料的流通通道。

进一步地，所述剪切腔的顶部开有物料进口，所述剪切腔的底部开有物料出口。

进一步地，所述剪切腔为中空结构，其上开有用于通入温控介质的温控媒介入口。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请兼备了内外转子高速剪切与管线式的连续化制备模式，使用旋转方向相反的内外转子组合模式，比传统的定子-转子组合模式，在相同的转速条件下具有更高的相对剪切线速度。具有更佳的剪切、分散、乳化效果。本发明具有结构简单合理、工作效率高的优点。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机的结构示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的箱体结构示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的内转子轴结构示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的外转子轴套结构示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的外转子轴套上流通通道结构示意图。

图6是根据一示例性实施例示出的外转子俯视结构示意图。

图7是根据一示例性实施例示出的上下两层外转子凹凸配合结构示意图。

图中的附图标记有：物料进口1、顶盖2、温控媒介入口3、剪切腔4、内转子5、外转子6、物料出口7、电机8、电机轴9、外转子轴套10、内转子轴11、主动锥形齿轮12、第一从动锥齿轮13、中隔板14、第二从动锥齿轮15、箱体16、流通通道17。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

现有的管线式剪切乳化机在工作时，进料口可同时进入油相和水相，经过现有的管线式剪切乳化机定子——转子的剪切作用形成乳剂后从出料口流出，实现边进料，边剪切，边出料的制备模式。因此，乳剂制备的规模，即为时间的函数，通过调整不同的制备时间即可获得不同规模的量的乳剂。因此管线式剪切乳化机在制备乳剂或其他需要剪切分散体系的样品时，相对于罐体式剪切而言具有显而易见的优势。现有的剪切乳化机，包括管线式剪切乳化机，均设计为定子——转子组合模式。设备在运转剪切时，定子固定，转子相对于定子朝着某一方向旋转运动形成剪切力达到对物料的剪切分散作用。但目前市场上管线式剪切机转子的转速一般最高为20000rpm-30000rpm，在该转速下可实现普通乳和亚微乳的制备，但是要制备形成纳米乳则比较困难。

图1是根据一示例性实施例示出的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机的结构示意图。本申请实施例提供一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，包括：双向剪切结构、为所述双向剪切结构提供第一动力和第二动力的动力输出装置，所述第一动力和第二动力转向相反，所述双向剪切结构包括剪切腔4和设置在所述剪切腔内的转子组件，所述转子组件包括同轴套接的内转子和外转子，所述第一动力驱动所述内转子转动，所述第二动力驱动所述外转子转动。

本申请实施例通过改变传统管线式剪切乳化机的传动结构和定子——转子模式，实现内外转子组合模式，并且两个转子的旋转方向相反。则该模式下内外转子的相对剪切线速度计算公式为：

相对剪切线速度V＝3.14×(外转子直径R+内转子直径r)×转速(rpm)/60，若忽略外转子与内转子之间狭缝间隙的距离，则内外转子模式的相对剪切线速度可近似为定子——转子剪切模式相对剪切线速度的2倍，即近似2倍的剪切力，剪切力与线速度成正比关系，其关系如下：剪切力F＝转子质量M×相对剪切线速度V，转子的旋转速度越大，则转子剪切部位线速度越大，物料所受到的剪切力越大，剪切所获得粒径越小，因此，通过本实施例的上述方案，可提高剪切乳化效果，获得更小粒径的乳剂。

需要说明的是，本申请实施例提到使用剪切乳化机剪切制备乳剂，然而，剪切乳化机的作用不仅仅是制备乳剂，使用剪切乳化机的原理制备其他的样品与本发明没有特别本质的区别，比如液体——液体、固体——液体等的剪切分散、减小粒径等。

本申请实施例中，所述动力输出装置包括电机8和齿轮箱，所述齿轮箱包括外转子轴套10、内转子轴11、主动锥齿轮12、第一从动锥齿轮13、第二从动锥齿轮15、箱体16，所述电机8的电机轴9驱动所述主动锥齿轮12，所述主动锥齿轮12分别与所述第一从动锥齿轮13和第二从动锥齿轮15相啮合，所述第一从动锥齿轮13固定在所述外转子轴套10上，所述第二从动锥齿轮15固定在所述内转子轴11上，所述外转子轴套10的一端穿过所述箱体16后与所述外转子传动连接，所述内转子轴11穿过所述外转子轴套10后与所述内转子传动连接。电机8带动所述主动锥齿轮12正时针旋转，所述主动锥齿轮12带动第二从动锥齿轮15朝正时针方向旋转，第二从动锥齿轮15通过内转子轴11带动内转子5朝着正时针方向旋转。主动锥齿轮12正时针旋转时带动第一从动锥齿轮13朝逆时针方向旋转，第一从动锥齿轮13通过外转子轴套10带动外转子朝逆时针方向旋转，从而形成外转子和内转子朝着相反的方向旋转剪切，从而提高了相对剪切线速度。

本申请实施例中，图2是根据一示例性实施例示出的箱体结构示意图。所述外转子轴套10的一端穿过所述箱体16后支承在所述箱体16上，所述箱体16内固定有中隔板14，如图2所示，中隔板14作为外转子轴套10的支撑点，所述外转子轴套10的另一端支承在所述中隔板14上，所述内转子轴11的一端支承在所述外转子轴套10上，另一端支承在所述箱体16上。进一步地，所述中隔板中开有供所述内转子轴11穿过的通孔，通孔的直径大于内转子轴11的直径，以便内转子可以从其圆孔中伸入至剪切腔体带动内转子的旋转运动。

本申请实施例中，图3是根据一示例性实施例示出的内转子轴结构示意图。所述内转子轴11和所述内转子5凹凸配合，具体地，所述内转子轴11顶部内凹，所述内转子5中部则凸起，所述凸起嵌于所述内凹处。当内转子轴11朝着顺时针方向旋转时，带动内转子5朝着顺时针方向旋转。

本申请实施例中，图4是根据一示例性实施例示出的外转子轴套结构示意图。所述外转子轴套10与所述外转子6凹凸配合，具体地，所述外转子轴套10的顶部凸出，所述外转子6的底部具有对应的两处内凹，内凹与凸出相嵌合，当外转子轴套10逆时针旋转时，则带动外转子6逆时针旋转。通过齿轮箱的传动装置实现了外转子和内转子朝着相反的方向旋转剪切。

本申请实施例中，所述转子组件具有一组或多组，多组时，相邻两个内转子转动连接，相邻两个外转子转动连接。具体地，上下层转子组件，通过上凸或内凹的局部结构达到下层转子组件带动上层转子组件旋转运动。即下层内转子带动上层内转子旋转运动，下层外转子带动上层外转子旋转运动。物料从物料进口1进入后沿着内外转子之间的狭缝剪切后流向下一层内外转子继续剪切，最后流入剪切腔的底部，并从物料出口7流出。附图1为三层内外转子模式。转子组件的层次越多，物料自上流下剪切的次数越多，剪切越均匀。剪切腔4的高度应与转子组件的层数相适应。在此，三层转子组件为该管线式剪切设备的示意图，转子组件的层数改变，或增或减，并不认为与本发明相比具有根本的创新性。

本申请实施例中，图6是根据一示例性实施例示出的外转子俯视结构示意图。图7是根据一示例性实施例示出的上下两层外转子凹凸配合结构示意图。所述外转子6的剪切齿朝上，沿剪切腔4放入。所述内转子5的剪切齿朝下，沿剪切腔4放入。放第二层转子组件时，外转子6外周底部的内凹处与下层外转子外周上部的凸处嵌合，如附图7所示，以实现下层外转子带动上层外转子旋转。内转子5中部的凸处与下层内转子顶部的内凹处相嵌合，以实现下层内转子带动上层内转子旋转。第三层内外转子如第二层内外转子安装方法一致。最后盖上顶盖2。顶盖2与剪切腔体4之间以密封圈密封并固定，其固定的方式有多种，如卡扣固定、螺丝固定等，在此并不作为本发明的重点，因此不做详细介绍。

本申请实施例中，所述外转子与所述剪切腔底部留有预定距离，形成物料的流通通道，图5是根据一示例性实施例示出的外转子轴套上流通通道结构示意图，所述剪切腔的顶部开有物料进口1，所述剪切腔的底部开有物料出口7。待剪切的物料通过物料进口1处进入，物料经过外转子6和内转子5的剪切乳化作用，并经过外转子和内转子之间的狭缝流入至下一层剪切齿进行二次剪切乳化。当剪切后的乳剂流过最下一层剪切齿时，乳剂则从外转子轴套10中部处流入至剪切腔体底部，并从出料口7流出。外转子轴套10两侧凸出的高度，必须大于外转子6底部内凹的深度，即通过外转子轴套10两侧的凸出结构将外转子支撑成为类似“悬空”状态，这样，外转子轴套的中间部位则形成为物料的流通通道(附图5)，物料从此通道流至剪切腔体底部。至此，物料形成从顶端边进料、边剪切、边从底端出料的模式。

本申请实施例中，如图1所示，剪切腔的壳体为中空结构，其上开有温控媒介入口3，可以通过温控媒介入口3通入外部温控媒介实现对剪切物料温度的调节。在内外转子的外周有剪切腔4，其剪切腔4可从温控媒介入口3处通入温控介质，实现对剪切物料的温度调控。比如，当物料粘度太高时，则可在剪切腔4中通入高温媒介提高物料温度降低粘度。当物料对高温敏感时，则可通入低温媒介降低物料温度。

总之，本申请实施例提供的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，通过特殊的传动结构、剪切腔及转子结构的合理设计，实现了内外转子剪切模式的连续化样品制备，并且转子与转子朝着相反的方向旋转剪切。可以大大提高剪切的线速度，提高剪切效果，管线式的内外转子剪切模式使得样品的批量成为时间的函数，易于产量的放大。

重点详细说明该剪切乳化机如何实现内外转子朝着相反的方向旋转、如何实现物料的边进料、边剪切、边出料的过程。对于现有常规技术方案，比如控制面板、旋钮调速、机械密封等在此就不再累述。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动对该结构简单的修改，如转子剪切头的形状、转子剪切齿的个数等等显而易见的修改都属于本发明所保护的范围。

在此需说明，下文中提到剪切机转速或者剪切线速度，针对剪切效果来说具有相同的暗示，根据上文中剪切线速度和剪切机转速计算公式，更高的剪切机转速意味着更高的剪切线速度及更强的剪切力。

实施例：

乳剂粒径与剪切机转速的关系研究。处方量的油相和处方量的水相分别通过蠕动泵泵入至管线式剪切乳化机进料口汇合，通过管线式剪切乳化机剪切实时制备一种油包水(W/O)型乳剂。该管线式剪切乳化机为常规的定子——转子型剪切乳化机。通过蠕动泵的速度控制样品的生产速度，通过制备时间控制乳剂的生产量。使用马尔文激光粒度仪(Mastersizer 3000)测定乳剂的粒径，粒径测定三次取平均值。在其他条件不变的情况下，通过改变剪切机的转速，制备出不同粒径的油包水型乳剂。由下表的实验数据可知，所制备的油包水型乳剂的粒径与剪切机剪切转速成反比关系，剪切速度越大，则所获得的油包水型乳剂的粒径越小。

本实施例的实验研究数据说明了乳剂的粒径与管线式剪切乳化机的剪切速度的关系。然而，从粒径数据上看即使剪切速度上升至22000rpm，其所制备的油包水型乳剂也仅仅接近亚微乳，还远未达到纳米乳的要求。然而，22000rpm对于本实验用的管线式剪切乳化机来说已经接近其转速的上限极限。要知道，一款设备的使用，长时间处于其极限条件下的运转对设备的保养是极为不利的，会加速设备的磨损，严重影响设备的使用寿命。然而为了实现纳米乳的制备目标，则亟需更高的剪切速度。相对于定子——转子组合模式的管线式剪切乳化机，在同样的旋转速度下，相反旋转方向的内外转子组合模式的管线式剪切乳化机则具有显而易见的剪切线速度优势。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (14)

1.一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，包括：双向剪切结构、为所述双向剪切结构提供第一动力和第二动力的动力输出装置，所述第一动力和第二动力转向相反，所述双向剪切结构包括剪切腔和设置在所述剪切腔内的转子组件，所述转子组件包括同轴套接的内转子和外转子，所述第一动力驱动所述内转子转动，所述第二动力驱动所述外转子转动。

2.根据权利要求1所述的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，所述动力输出装置包括电机和齿轮箱，所述齿轮箱包括外转子轴套、内转子轴、主动锥齿轮、第一从动锥齿轮、第二从动锥齿轮、箱体，所述电机的电机轴驱动所述主动锥齿轮，所述主动锥齿轮分别与所述第一从动锥齿轮和第二从动锥齿轮相啮合，所述第一从动锥齿轮固定在所述外转子轴套上，所述第二从动锥齿轮固定在所述内转子轴上，所述外转子轴套的一端穿过所述箱体后与所述外转子传动连接，所述内转子轴穿过所述外转子轴套后与所述内转子传动连接。

3.根据权利要求2所述的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，所述外转子轴套的一端穿过所述箱体后支承在所述箱体上，所述箱体内固定有中隔板，所述外转子轴套的另一端支承在所述中隔板上。

4.根据权利要求2所述的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，所述内转子轴的一端支承在所述外转子轴套上，另一端支承在所述箱体上。

5.根据权利要求3所述的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，所述中隔板中开有供所述内转子轴穿过的通孔。

6.根据权利要求2所述的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，所述内转子轴和所述内转子凹凸配合。

7.根据权利要求6所述的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，所述内转子轴顶部内凹，所述内转子中部则凸起，所述凸起嵌于所述内凹处。

8.根据权利要求2所述的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，所述外转子轴套与所述外转子凹凸配合。

9.根据权利要求8所述的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，所述外转子轴套的顶部凸出，所述外转子的底部具有内凹，内凹与凸出相嵌合。

10.根据权利要求1所述的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，所述外转子的剪切齿朝上，所述内转子的剪切齿朝下。

11.根据权利要求1所述的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，所述转子组件具有一组或多组，多组时，相邻两个内转子转动连接，相邻两个外转子转动连接。

12.根据权利要求1所述的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，所述外转子与所述剪切腔底部留有预定距离，形成物料的流通通道。

13.根据权利要求1所述的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，所述剪切腔的顶部开有物料进口，所述剪切腔的底部开有物料出口。

14.根据权利要求1所述的一种具有双向剪切转子的管线式剪切乳化机，其特征在于，所述剪切腔为中空结构，其上开有用于通入温控介质的温控媒介入口。

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