JP2009030702A - 無摺動攪拌槽 - Google Patents

Abstract

【課題】攪拌機の軸受として磁気軸受を適用することにより、軸受の無摺動化を図り、その結果として、軸受部における異物の発生を防止した、無摺動攪拌槽を提供する。
【解決手段】タンク１の上面壁を貫通して下方に延びる攪拌軸２ｂの上端に接続された受動軸２ａはタンク１の上壁に軸受部を介して回転自在に支持される。軸受部は、環状、円筒状の永久磁石３１，３２，４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂにより一体的に構成された、ラジアル磁気軸受３０およびスラスト磁気軸受４１を含む。これらの永久磁石は、回転翼に働く水平反力に抗して、相互に非接触を維持するように、その磁気特性、着磁状態、配置構成が定められている。
【選択図】図２

Description

本発明は攪拌槽に関し、特に、軸受部を無摺動化することにより、軸受部の摺動に起因する異物の発生の防止を図った、上部攪拌型の無摺動攪拌槽に関するものである。

従来のこの種の攪拌槽には、図７に示す下部攪拌型の攪拌槽と、図８に示す上部攪拌型の攪拌槽とが存在する。下部攪拌型の攪拌槽においては、図７に示すように、攪拌対象となる液体を収容するタンク１と、液体をタンク１内に注入する注入口５と、駆動モータ１２ａおよび攪拌翼１２ｂを有する攪拌機１２とを備える。攪拌機１２の本体が、タンク１の底壁外面に取り付けられ、攪拌翼１２ｂは液中においてすべり軸受や転がり軸受（図示省略）で支持されていることから、軸受部で発生した異物が液中に混入するという問題がある。

このような下部攪拌型の攪拌槽の問題点を改善するために、上部攪拌型の攪拌槽においては、図８に示すように、攪拌対象となる液体を収容するタンク１と、液体をタンク１内に注入する注入口５と、駆動モータ２２ａ，攪拌軸２２ｂ，および攪拌翼２２ｃを有する攪拌機２２とを備える。タンク１の上壁に、攪拌機２２の本体を取り付け、タンク１の上壁の上に配されたメカニカルシール・転がり軸受（図示省略）を介して、上壁を貫通した攪拌軸２ｂに攪拌翼２ｃを取り付けるようにした上部攪拌型の攪拌槽がある。本発明の無摺動攪拌槽は、基本的には、この上部攪拌型を適用し、かつ、従来の上部攪拌型の攪拌槽をさらに改良したものである。

なお、本発明は、後述するように、攪拌機の軸を磁気軸受で支持するようにしたものであり、これに関連した参考技術例として、特許文献１のものがある。この技術は、消費電力の低減を図ることができるとともに、簡易な構造であって保守性にも優れた磁気軸受装置を提供することを課題とする。

そして、ラジアル磁気軸受は、回転子の軸方向両側に配置され、軸方向に着磁された円筒形永久磁石からなり、固定側磁石と回転子側磁石とは、同心円状であって軸方向において偏位して配置される。スラスト磁気軸受は、回転子側の磁性板と、固定子側で強磁性板に対向配置される永久磁石と、これらの間の空隙に磁界を発生可能な電磁石とを有する。スラスト磁気軸受では、ラジアル磁気軸受で生じる第１付勢力と逆向きの第２付勢力が生じるように、強磁性板と永久磁石とが配置される。ゼロパワー制御部は、第１付勢力と第２付勢力とによる平衡位置に回転子が位置するように、電磁石の電流をゼロに収束させるように制御するものである。
特開２００６-１５３０３７号公報 上記特許文献１に記載の磁気軸受装置に代表される従来の磁気軸受は、主として回転式の機械加工機の回転スピンドル用の軸受等に適用されるために開発されたものである。このような従来の磁気軸受は、ラジアル磁気軸受およびスラスト磁気軸受がそれぞれ別個独立して配設される構造に適用されるものであり、本発明が対象とするような、回転翼が水平反力を受ける攪拌槽の軸受用として適用可能な、ラジアル、スラスト両磁気軸受が一体として構成された磁気軸受は、従来存在していなかった。

図８に示す上部攪拌型の攪拌槽では、液中には軸受部を有しないものの、タンク１の上部のメカニカルシール・転がり軸受部でも異物が発生し、それが槽内に侵入する問題があった。

本発明は、上記課題を解決し、攪拌機の軸受として磁気軸受を適用することにより、軸受の無摺動化を図り、その結果として、軸受部における異物の発生を防止した、無摺動攪拌槽を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の無摺動攪拌槽は、内部と外部とを遮断する上面壁、底面壁および外周壁を有するタンクと、タンクの上面壁を貫通して下方に延びる攪拌軸、この攪拌軸の下端に設けられた攪拌翼、この攪拌軸の上端に接続された受動軸、および、受動軸の上端に接続された駆動源を有する攪拌機とを備える。受動軸はタンクの上壁に軸受部を介して回転自在に支持される。軸受部は、受動軸の回りに間隙を存して囲むように、上壁，下壁および円筒側壁からなる固定側ハウジングと、受動軸に同心に設けられたディスクと、円筒側壁の円周内面に設けられた第１の固定側永久磁石と、この固定側永久磁石に対向して、ディスクの円周外面に設けられ、第１の固定側永久磁石とともにラジアル磁気軸受を構成する第１の回転側永久磁石と、固定側ハウジングの上壁および下壁の各々の内面に設けられた１対の第２の固定側永久磁石と、１対の第２の固定側永久磁石のそれぞれに対向して、ディスクの上端面および下端の各々に設けられた、１対の第２の固定側永久磁石とともにスラスト磁気軸受を構成する、１対の第２の回転側永久磁石とを含む。

第１の固定側永久磁石、第１の回転側永久磁石、１対の第２の固定側永久磁石、および１対の第２の回転側永久磁石は、攪拌翼に働く水平不安定力に抗して、相互に非接触を維持するような磁力が作用するように、磁気特性および配置関係が定められている。

本発明の無摺動攪拌槽は、ラジアル磁気軸受を構成する第１の固定側永久磁石および第１の回転側永久磁石は、一実施形態においては、各々、円筒状をなすとともに径方向に着磁されており、かつ、互いに同一の極性を有する磁極同士が対向するように配置され、スラスト磁気軸受を構成する１対の第２の固定側磁石および１対の第２の回転側磁石は、それぞれ円環状をなし、かつ、同一の極性を有する磁極同士が軸方向に対向するように配置されている。

また、本発明の無摺動攪拌槽の好ましい実施形態においては、ラジアル磁気軸受およびスラスト磁気軸受の互いに対向する磁極が、いずれもＮ極である。

また、本発明の一実施形態にスラスト磁気軸受を構成する第２の固定側永久磁石の外径は、ラジアル磁気軸受を構成する第１の回転側永久磁石の内径よりも小さく定められている。

さらに、本発明の好ましい実施形態においては、スラスト磁気軸受を構成する第２の回転側磁石は、ラジアル磁気軸受の幅分を締める部分よりも軸方向外側に位置する。

また、本発明において、固定側ハウジングの上壁および下壁の外周面から固定側ハウジングの内側に至る洗浄孔を設けてもよい。

本発明に係る攪拌槽の特徴は永久磁石により攪拌機の軸受を構成し、無摺動を実現させたもので、従来の上部攪拌型の攪拌槽のように、メカニカルシール・転がり軸受を用いた場合の軸受部における異物の発生がない。その結果、攪拌槽の内部に異物が混入することが完全に防止され、ワクチンに代表される液状薬剤等の攪拌に適した攪拌槽を実現することができる。

以下、本発明の一実施態様を、図面に基づいて説明する。なお、図７および図８に基づいて説明した従来技術の攪拌槽の構成要素と共通する要素については、同一の参照番号を付して、その説明を省略する。

本発明の一実施形態における無摺動攪拌槽は、図１および図２に示すように、タンク１の上壁を貫通して攪拌機２の攪拌軸２ｂがタンク１内の下方に延び、その下端に攪拌翼２ｃが設けられる。攪拌軸２ｂの上端に受動軸２ａが接続され、受動軸２ａがタンク１の上壁に軸受部Ａを介して回転自在に支持される。受動軸２ａの上端に駆動部３が接続されている。駆動部３に関連して、受動軸２ａに受動磁石４ａが接続され、受動磁石を囲む受動ハウジング４ｂの上端に非磁性薄板４ｃが取り付けられる。この薄板を挟んで上側に駆動磁石３ｂが対向し、駆動磁石３ｂは駆動源３ａ（電動モータ）に接続されている。

さてここで、軸受部Ａは、永久磁石を用いた磁気軸受により構成される。この磁気軸受において、受動軸２ａの回りに間隙を介して囲むように、円板上壁１１，円板下壁１２および円筒側壁１３からなる固定側ハウジング１０が構成される。このハウジングはタンク１の取付フランジ１ａに固定される。上壁１１と下壁１２の外周面からハウジング内側に至る位置には、洗浄液を入れるための洗浄孔１１ａ，１２ａが設けられている。

受動軸２ａに同心に、ディスク２０が設けられ、円筒側壁１３の円周内面に設けられた固定側永久磁石３１に対向して、ディスク２０の円周外面に設けられた永久磁石３２からなるラジアル磁気軸受３０が構成される。

また、ハウジング上壁１１および下壁１２の各々の内面に設けられた固定側永久磁石４１ａ，４１ｂに対向して、ディスク２０の上端面および下端の各々に設けられた回転側永久磁石４２ａ，４２ｂとからなる１対のスラスト磁気軸受４０ａ，４０ｂが構成される。そして、永久磁石の材質、磁気特性、着磁状態、および配置構成は、攪拌軸２ｂに水平不安定力が働いて、回転側磁石の軸受が傾いたとき、その不安定力に抗して、磁気軸受が非接触状態を維持するように定められている。

ラジアル磁気軸受３０において、固定側永久磁石３１と回転側永久磁石３２は円筒体からなり、各々半径方向に着磁されており、かつ、互いにＮ極が対向している。

スラスト磁気軸受４０において、固定側永久磁石４１ａ，４１ｂおよび回転側永久磁石４２ａ，４２ｂは、いずれも円環状の板体からなり、各々軸方向に着磁され、かつ、互いに同じ極性の磁極（本実施形態の場合はＮ極）が対向している。

１対のスラスト磁気軸受４０ａ，４０ｂを構成するの固定側永久磁石４１ａ，４１ｂ、回転側永久磁石４２ａ，４２ｂのそれぞれの外径は、ラジアル磁気軸受３０の回転側永久磁石３２の内径よりも小さく定められている。

ここで、各磁気軸受を構成する永久磁石はいずれも、素材ブロックから切削加工で製造される。そして、磁気特性は、Ｂr：１２６０〜１３２０（ｍＴ）、Ｈcb：８７６〜９６９（ＫＡ／ｍ）、ＢＨmax：３０２〜３１８ｋｊ／ｍ^２である。

また図３において、各磁石の着磁状態とＳ・Ｎ極の位置関係および磁石配列による磁力線の概略を示す。一般的に磁力線は、Ｎ極よりＳ極に向かって走る。また距離の短いＳ極に走る。したがって本発明配列では、スラスト軸受部（又はラジアル軸受部）Ｎ極よりの磁力線は、ラジアル部（又はスラスト部）のＳ極へ走るよりも、自身のＳ極へ走り、２種類の軸受の相互の影響は無視できる。従って、内容を満足できる範囲で、配列をする必要がある。

磁石を支える構造体（ハウジング１０、ディスク２０）は、磁気特性への影響がないように、非磁性体のステンレス鋼を使用する。

受動磁石４ａは磁気軸受とは距離をおいて設置され、磁気軸受を構成するそれぞれの永久磁石は、円環状に設置されている。受動磁石４ａの磁気が及ぼす影響は、磁気軸受の特性に悪影響を与えないようにする必要があるが、受動磁石４ａの円周の磁極数を多くすることなどの対策により、磁気軸受の磁気特性への影響を、ほとんど無視できる程度に設定することができる。

以上のように構成したことにより、攪拌機を、タンクの壁面に対して、永久磁石を用いた磁気軸受により、無摺動で受けることが可能となったのである。攪拌機の軸受に求められる大きな要素に、攪拌により発生する液の揺動の反力としての「不安定力」がある。通常空気中では起こらないこの不安定力は、攪拌翼に作用し、それが、軸に曲げモーメント（矢印Ｍ）として加わる。軸に働くアンバランス荷重Ｆrと、回転翼の先端に作用する接続荷重Ｆtとの比Ｒ（＝Ｆr／Ｆt）は、通常の攪拌状態でＲ＝０．１〜０．２５となる（１９９２年１２月１８日発行、「攪拌技術」、佐竹化学機械工業株式会社編、佐竹化学機械株式会社発行、ｐ５５３〜ｐ５５４参照）。

図４に示す形状の攪拌翼では、最大５０Ｎの不安定力が掛かることが知られており、その不安定力に磁界の釣り合いで対抗し、軸受の非接触状態を保つための、磁気モーメント法による磁気解析を行なった。この解析により、軸が不安定力を受けて傾き、その傾きが２．５°となったときには、磁気の反力は６７［Ｎ・ｍ］となり、この状態では軸受が接触することはない。

本発明の具体的な実施例として、特定の永久磁石材料、永久磁石および回転翼の寸法および配置構成の場合について、本発明の目的を達成可能かどうかの解析を行なった。以下、その解析内容および解析結果を示す。

１．解析内容
解析は、図４に示す翼付シャフト軸受において、所定のトルクが得られる磁気回路寸法について行なった。なお、永久磁石の材質については、１３０℃で不可逆減磁を起こさない材質として、保磁力の高いＮ４２ＵＨ（信越化学工業株式会社の製品番号）を用いた。次に解析条件を示す。

解析手法 磁気モーメント法
温度範囲 １３０℃ Ｍａｘ
永久磁石材質 Ｎ４２ＵＨ
Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ（ネオジウム・鉄・ホウ素）磁石の１種であり、残留磁束密度（Ｂr）が高い。

磁石間距離 １０ｍｍ以上
目標トルク値 ６５［Ｎ・ｍ］
２．解析結果
図５（ａ），（ｂ）に、磁場解析で求めた目標トルク値を満足する磁気回路形状、すなわち、磁気軸受を構成する各永久磁石の配置構成を示す。また図６は、図５に示した磁気軸受が、回転翼に作用した不安定力により変位した状態を示している。内側の磁気回路、すなわち回転側永久磁石が２.５°傾いたとき、６７［Ｎ・ｍ］のトルク値が得られる結果となった。

この解析結果から、本実施例において適用した永久磁石、回転翼と、その配置構成により、本発明の目的を達成可能であることが立証された。

本発明の無摺動攪拌槽は、軸受部の摺動による異物の発生が防止されることから、ワクチン等に代表される液状医薬の攪拌に有効に利用可能である。

本発明の一実施形態の無摺動攪拌槽の全体を示す図である。 図１に示した無摺動攪拌槽の、磁気軸受を含む要部を拡大して示す断面図である。 本発明の一実施形態における磁気軸受の、各永久磁石の磁極の配置および磁力線の様子を模式的に示す断面図である。 攪拌機に働く不安定力の説明図である。 本発明の一実施形態の磁気軸受の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）におけるＶｂ−Ｖｂ線断面図である。 図５に示した磁気軸受が、回転翼に作用した不安定力により変位した状態を示す図である。 従来の下部攪拌型の攪拌槽を示す図である。 従来の上部攪拌型の攪拌槽を示す図である。

符号の説明

１ タンク、１ａ 取付フランジ、２ 攪拌機、２ａ 受動軸、２ｂ 攪拌軸、２ｃ 攪拌翼、３ 駆動部、３ａ 駆動モータ、３ｂ 駆動磁石、４ 受動部、４ａ 受動磁石、４ｂ 動ハウジング、４ｃ 薄板、Ａ 磁気軸受部、１０ 固定側ハウジング、１１ 上壁、１１ａ 洗浄孔、１２ 下壁、１２ａ 洗浄孔、１３ 円筒側壁、２０ 回転側ディスク、３０ ラジアル磁気軸受、４０ スラスト磁気軸受、４１ａ 上永久磁石、４１ｂ 下永久磁石、４２ 回転側、４２ａ 上永久磁石、４２ｂ 下永久磁石。

Claims (6)

1. 内部と外部とを遮断する上面壁、底面壁および外周壁を有するタンクと、
   前記タンクの前記上面壁を貫通して下方に延びる攪拌軸、この攪拌軸の下端に設けられた攪拌翼、前記攪拌軸の上端に接続された受動軸、および、前記受動軸の上端に接続された駆動源を有する攪拌機とを備え、
   前記受動軸は前記タンクの前記上面壁に軸受部を介して回転自在に支持され、
   前記軸受部は、
   前記受動軸の回りに間隙を存して囲むように、上壁，下壁および円筒側壁からなる固定側ハウジングと、
   前記受動軸に同心に設けられたディスクと、
   前記円筒側壁の円周内面に設けられた第１の固定側永久磁石と、
   前記固定側永久磁石に対向して、前記ディスクの円周外面に設けられ、前記第１の固定側永久磁石とともにラジアル磁気軸受を構成する第１の回転側永久磁石と、
   前記固定側ハウジングの前記上壁および下壁の各々の内面に設けられた１対の第２の固定側永久磁石と、
   前記１対の第２の固定側永久磁石のそれぞれに対向して、前記ディスクの上端面および下端の各々に設けられた、前記１対の第２の固定側永久磁石とともにスラスト磁気軸受を構成する、１対の第２の回転側永久磁石とを含み、
   前記第１の固定側永久磁石、前記第１の回転側永久磁石、前記１対の第２の固定側永久磁石、および１対の第２の回転側永久磁石は、前記攪拌翼に働く水平不安定力に抗して、相互に非接触を維持することが可能な磁力が作用するように、磁気特性および配置関係が定められている、無摺動攪拌槽。
2. ラジアル磁気軸受を構成する前記第１の固定側永久磁石および第１の回転側永久磁石は、各々、円筒状をなすとともに径方向に着磁されており、かつ、互いに同一の極性を有する磁極同士が対向するように配置され、
   前記スラスト磁気軸受を構成する前記１対の第２の固定側磁石および前記１対の第２の回転側磁石は、それぞれ円環状をなし、かつ、同一の極性を有する磁極同士が軸方向に対向するように配置されている、請求項１記載の無摺動攪拌槽。
3. 前記ラジアル磁気軸受および前記スラスト磁気軸受の互いに対向する磁極が、いずれもＮ極である、請求項２記載の無摺動攪拌装置。
4. 前記スラスト磁気軸受を構成する前記第２の固定側永久磁石の外径は、前記ラジアル磁気軸受を構成する前記第１の回転側永久磁石の内径よりも小さく定められている、請求項１〜３のいずれかに記載の無摺動攪拌槽。
5. 前記スラスト磁気軸受を構成する第２の回転側磁石は、前記ラジアル磁気軸受の幅分を締める部分よりも軸方向外側に位置する、請求項１または２記載の無摺動攪拌槽。
6. 前記固定側ハウジングの上壁および下壁の外周面から前記固定側ハウジングの内側に至る位置に、洗浄液を入れるための洗浄孔が設けられた、請求項１記載の無摺動攪拌槽。

Images