JP2010279896A - 攪拌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液状物への異物混入を確実に防ぎつつも攪拌処理能力を高めることができる攪拌装置を提供する。
【解決手段】 筒状の攪拌槽１と、この攪拌槽１の内周面に沿って回転する回転羽根２とを備え、攪拌槽１の内部に攪拌すべき異種材料を含む液状物を供給し、回転羽根２を回転させることにより、この回転羽根２と内周面との間に液状物の層を形成しつつ攪拌する攪拌装置Ａである。攪拌槽１の内周面を含む内側表面全体には、ＤＬＣ被膜１００が形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、たとえば液体と液体、あるいは粉体と液体とを連続的に混合攪拌し、均質に分散された液状混合物を得るための攪拌装置に関する。

従来のこの種の攪拌装置としては、たとえば特許文献１に開示されたものがある。同文献に示された攪拌装置は、筒状の攪拌槽と、この攪拌槽の内周面に沿って高速回転する回転羽根とを備えている。回転羽根は、攪拌槽の内周面に対して全面的に沿うような多孔円筒板からなり、攪拌層の内周面に十分近接して回転可能である。攪拌処理の際には、攪拌槽の内部に攪拌すべき原料（異種液体、または、液体と固体粉末）を供給しながら回転羽根を高速回転させる。これにより、攪拌槽の内周面と回転羽根との隙間には、速度勾配が極めて大の流動層が形成され、この流動層による攪拌作用によって液状物に含まれる粒子が効率よく微細化されるとともに高度に分散させられる結果、異なる液体どうし、または液体と固体どうしが高度に分散・混合された液状混合物を連続的に得ることができる。

近年、このような攪拌装置の応用分野が拡大し、攪拌処理後の処理物に金属の混入を嫌う用途への応用が急拡大している。たとえば、二次電池電極材用塗料、燃料電池電極材用塗料、燃料電池ガス拡散層用塗料、キャパシタ電極用塗料、電気二重層キャパシタ電極材用塗料の製造、あるいは、食品、化粧品、医薬品の製造への応用である。

上記のような応用を適切に行い、攪拌処理物への金属の混入を回避するためのアイディアとして、特許文献２に開示されているもののように、処理容器内の処理物が接触する部品をセラミックで構成したり、特許文献３に開示されているもののように、金属部品の表面にセラミック溶射による被膜を形成することが提案されている。

特許第３０７２４６７号公報 特開２００７−１２５４５４号公報 特開２００６−２０１６号公報

しかしながら、特許文献２に開示されているもののように攪拌装置の処理容器内の部品をセラミックで構成する場合には、その脆くて割れやすいという性質上、攪拌装置の運転中に割れや破損が起こる可能性があり、回転羽根を高速で回転させる場合にはよりその可能性が高くなるという問題があるほか、成形・焼結加工や機械加工が困難であり、コスト上昇を招くという問題がある。

さらには、回転羽根を高速回転させて連続運転をするには、処理中に発生する熱を効率的に外部に逃がす必要があることから、セラミック材料として、ステンレス等の金属と同等以上の熱伝導率をもつ材料を用いることが条件となり、この場合、選択できる材料としてＳｉＣといった高価なセラミック材料に限られ、このこともコスト上昇の要因となっていた。

また、特許文献３に開示されているもののように金属部品の表面にセラミック溶射による被膜を形成する場合には、被膜中に気泡が残存するために熱伝導率が極端に低下してしまうほか、被膜の厚みが数十〜数百μｍに及び、しかも、金属部品との膨張率の相違から、被膜が容易に剥離してしまうという問題もある。

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、処理能力の低下を招くことなく、攪拌処理後の液状混合物への異物混入を確実に防ぐことができる攪拌装置を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明により提供される攪拌装置は、筒状の攪拌槽と、この攪拌槽の内周面に沿って回転する回転羽根とを備え、上記攪拌槽の内部に攪拌すべき異種材料を含む液状物を供給し、上記回転羽根を回転させることにより、この回転羽根と上記内周面との間に上記液状物の層を形成しつつ攪拌する攪拌装置であって、上記攪拌槽の少なくとも内周面には、ＤＬＣ被膜が形成されていることを特徴としている。

好ましい実施の形態においては、上記攪拌槽は、上部開口をもつ有底筒状の攪拌容器と、その上部開口の外縁側を塞ぐように設けられ、上記液状物を外部に流出させるための中央流出孔をもつ堰板とを有し、上記回転羽根は、上記堰板の中央流出孔を通じて上記攪拌容器の内部へと通された回転シャフトの先端部に設けられている。

好ましい実施の形態においては、上記攪拌容器の底部には、上記液状物を供給するための供給管が接続されている。

好ましい実施の形態においては、上記回転羽根は、上記攪拌容器の上記内周面の全周に沿うように上記シャフトの先端部に設けられ、上記液状物の流通可能な多数の孔をもつ多孔円筒板からなる。

好ましい実施の形態においては、上記多孔円筒板は、セラミックス製である。

好ましい実施の形態においては、上記多孔円筒板は、上記回転シャフトの先端部に連結固定具を介して固定されており、上記連結固定具の表面には、ＤＬＣ被膜が形成されている。

好ましい実施の形態においては、上記内周面を含む上記攪拌容器の内側表面全体および上記堰板の内側表面には、ＤＬＣ被膜が形成されている。

好ましい実施の形態においては、上記液状物としては、二次電池、燃料電池、あるいはキャパシタの電極材料、もしくは、食品、医薬品、化粧品の材料のいずれかが適用される。

このような構成では、回転羽根の回転により上記液状物は遠心力によって攪拌槽の内周面に押し付けられながら回転流動を起こす。このとき固定の容器内面とこれに接触している上記液状物との間で流動速度の差（速度勾配）が極めて大きくなり、液状物の撹拌が行われるのが上記構成に係る攪拌装置の撹拌原理である。本発明では、攪拌槽の内周面に金属とは異なる耐摩耗性に優れたＤＬＣ被膜が形成されているので、回転流動する液状物との摩擦による摩耗が起こる可能性がある場合でも、金属成分の混入が防止できる装置が実現できる。しかも、ＤＬＣは、熱伝導性にも優れている上に、被膜はプラズマＣＶＤ法によって形成されることから０．５〜３．０μｍ程度の薄膜状であるために、装置の放熱性能が低下することはなく、また、被膜が容易に剥離や破損が生じるということもない。このように、本発明の攪拌装置によれば、破損の心配が少なく、放熱性能の低下を招くこともなく、基本的に処理後の混合物への異物の混入がない高度な攪拌を長時間連続して行うことができる。

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。

本発明に係る攪拌装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１に示す攪拌装置の断面図である。 実施例と比較例との分析結果を説明するための説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

図１および図２は、本発明に係る攪拌装置の一実施形態を示している。本実施形態の攪拌装置Ａは、たとえば二次電池、燃料電池、あるいはキャパシタの電極材料、もしくは食品、医薬品、化粧品といった材料の原料を混合攪拌し、均質なスラリー状の混合物を得るためのものである。原料としては、たとえば異なる種類の液体と液体、あるいは粉体と液体といった組合せが適用される。攪拌装置Ａは、攪拌槽１、回転羽根２、回転シャフト３、外筒部材４、供給管５、水冷配管６、上部容器７、上蓋８（図１では図示略）、および排出管９を備えている。攪拌槽１には、供給管５を介して原料が供給され、攪拌処理された液状混合物は、上部容器７から排出管９を通じて外部に排出される。回転シャフト３は、図示しない駆動モータによって回転させられる。

攪拌槽１は、上部開口をもつ有底筒状の攪拌容器１０と、その上部開口の外縁側を塞ぐように設けられた堰板１１とを有する。攪拌容器１０および堰板１１は、たとえばステンレス製である。攪拌容器１０の底部１０Ａには、供給管５が連通接続されており、これらの供給管５を介して攪拌容器１０に原料が供給される。堰板１１には、攪拌容器１０から上部容器７へと液状混合物を流動させるための中央流出孔１１Ａが設けられている。この中央流出孔１１Ａは、回転シャフト３の外径よりも十分大きな開口径をもつ。これにより、回転シャフト３は、堰板１１に触れることなく中央流出孔１１Ａを通じて攪拌容器１０の内部に挿入される。

図２に示すように、攪拌容器１０の内周面全体と、この攪拌容器１０の内部に臨む上記堰板１１の内側表面には、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）被膜１００が形成されている。ＤＬＣ被膜１００は、たとえばプラズマＣＶＤ法によって形成され、その膜厚は、０．５〜３．０μｍ程度である。このようなＤＬＣ被膜１００は、硬質、潤滑性、耐摩耗性、化学的安定性、表面平滑性、熱伝導性などといった点で優れた特性を有する。

回転羽根２は、液状物の流通可能な多数の孔２０Ａが設けられた多孔円筒板２０からなる。多孔円筒板２０は、たとえばアルミナセラミックなどのセラミックス製であり、攪拌容器１０と同芯状に配置され、攪拌容器１０の内周面に対して一定間隔をもって回転させられる。たとえば攪拌容器１０の内周面と多孔円筒板２０との間隔ｔは、１〜３ｍｍ程度である。このような多孔円筒板２０は、攪拌容器１０の内部に配置された回転シャフト３の先端部に固定連結具３０を介して取り付けられている。本実施形態では、この固定連結具３０の表面にもＤＬＣ被膜１００が形成されている。回転羽根２は、たとえば周速度５〜５０ｍ／ｓ程度で回転させられる。この回転羽根２の回転によって生じる遠心力により、攪拌容器１０の内部においては、多孔円筒板２０とともに回転流動する液状物が攪拌容器１０の内周面に接する液状物層Ｂを形成する。この液状物層Ｂが供給管５から流れ込む液状物によって堰板１１の中央流出孔１１Ａまで達することにより、上部容器７の内部へと撹拌済の液状物が連続して流れ込む。そして、攪拌済の液状物は、排出管９から連続的に排出される。

回転シャフト３は、上蓋８を貫通し、さらに上部容器７の内部および堰板１１の中央流出孔１１Ａを通って攪拌容器１０の内部まで挿入されている。この回転シャフト３が図示しない駆動モータによって回転させられることにより、攪拌容器１０の内部で回転羽根２が高速回転させられる。

外筒部材４は、攪拌容器１０を収容するように設けられた有底筒状のものであり、その攪拌容器１０の外側に冷却水層Ｃを形成する。この外筒部材４には、冷却水層Ｃの水を循環させるための水冷配管６が連通接続されている。

供給管５は、外筒部材４の底部を貫通して攪拌容器１０の底部１０Ａに連通接続されている。

一方の水冷配管６は、外部から冷却水層Ｃへと冷却水を供給し、他方の水冷配管６は、冷却水層Ｃの水を外部へと排出する。

上部容器７には、攪拌容器１０の内部から中央流出孔１１Ａを通って流れ込んできた攪拌処理後の液状物が一旦貯留される。

上蓋８は、上部容器７の内部に液状物の貯留空間を形成するように設けられている。

排出管９は、上部容器７の内部に溜まった液状物を外部に排出するように上部容器７に連通接続されている。

上記攪拌装置Ａは、次のような処理動作を行う。

まず、攪拌容器１０の内部に所定量の原料を連続供給しながら回転羽根２を所定の回転速度で高速回転させると、攪拌容器１０の内部においては、その内周面に沿って液状物層Ｂが形成される。

たとえば回転羽根２が周速度５〜５０ｍ／ｓといった程度で高速回転させられると、液状物は回転羽根２とともに回転し、遠心力によって攪拌容器１０の内周面に押し付けられながら回転流動を起こす。回転羽根２の外周面と攪拌容器１０の内周面との間のすきまがわずか１〜３ｍｍ程度であることから、回転羽根２の回転中、攪拌容器１０の内周面に接触している液状物と高速回転流動する液状物には、流動速度に大きな差が生じ、この速度差によって液状物に大きな剪断力が付与されて攪拌作用が生じ、液状物に含まれる粉体成分や異種液体成分が高度に撹拌混合される。

一方、攪拌容器１０の内周面や底部１０Ａの内側表面は、耐摩耗性に優れたＤＬＣ被膜１００が形成されているため、基本的に、液状物層Ｂに異物が混入することはない。また、回転羽根２の本体となる多孔円筒板２０も、耐摩耗性に優れたセラミックス製である。さらに、固定連結具３０の表面にも、ＤＬＣ被膜１００が形成されている。これら多孔円筒板２０や固定連結具３０の表面は、攪拌容器１０の内周面ほどは液状物による強い接触を受けるわけではないが、この回転羽根２が原因して液状物に異物が混入するおそれは、きわめて少なくなる。

上記したように、攪拌装置Ａの作動中、多孔円筒板２０の回転によって攪拌容器１０の内の空間に存在する液状物（流動層）には、きわめて大きなせん断速度の差が与えられる結果、液状物に含まれる粉体粒子に極めて大きな剪断力が作用する。このような剪断力が攪拌エネルギを発生させるのであるが、同時に、大きな撹拌熱も発生する。こうして生じた熱は、攪拌容器１０の周壁や底部１０Ａから冷却水層Ｃへと伝わり、この冷却水層Ｃの水によって外部へと運ばれる。このような熱は、液状物層Ｂに接するＤＬＣ被膜１００を介して伝えられるが、ＤＬＣ被膜１００は比較的大きい熱伝導率を有するため、冷却水層Ｃへと速やかに熱が伝えられ、冷却効果がより一層高められる。その結果、昇温による液状混合物の変質といった事態をきたすことなく、攪拌装置Ａの長時間連続運転が可能となる。

このようにして、攪拌容器１０に原料を連続供給ながら液状物を攪拌することにより、攪拌処理後の液状混合物は、堰板１１を越えて上部容器７の内部へと導かれ、さらに流出管９から連続的に流出する。

図３は、上記攪拌装置Ａの攪拌容器１０の耐摩耗性能を検証するため、液状物にアルミナ研磨材を混入させて運転をした場合の実験結果を比較例とともに示す。比較例においては、表面が被膜処理されていない金属製（主としてSUS304）の部品を用いた。攪拌する液状物の成分、分析法・処理条件については、同図中に示した通りである。

図３に示すように、実施例による攪拌処理後の液状混合物に含まれる金属成分濃度（３１ppb）には、攪拌処理前の液状物に含まれていた研磨材の濃度３０ppbが含まれる。すなわち、実施例によれば、摩耗による金属異物が１ppb濃度分しか生じない。一方、比較例では、攪拌処理前の研磨材濃度３０ppbを差し引いても、攪拌処理後の金属成分濃度が１４７０ppbもある。このような実験結果からも明らかなように、上記攪拌装置Ａは、液状物中にわざわざ研磨材を混入した場合においても、ほとんど構成部品の磨耗による異物が混入しないのであるから、通常の液体と固体粉末の混合攪拌をする場合には、なおさら、異物の混入が生じないと推定される。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態で示した構成は、あくまでも一例にすぎず、各請求項に記載した事項の範囲内における各部の変更は、すべて本発明の範囲に含まれる。

たとえば、攪拌容器の内部には、回転シャフトも配置されるため、この回転シャフトの外周表面もＤＬＣ被膜が形成されている部分としてもよい。

Ａ 攪拌装置
Ｂ 液状物層
１ 攪拌槽
１０ 攪拌容器
１０Ａ 底部
１１ 堰板
１１Ａ 中央流出孔
２ 回転羽根
２０ 多孔円筒板
２０Ａ 孔
３ 回転シャフト
３０ 連結固定具
５ 供給管
１００ ＤＬＣ被膜

Claims (8)

1. 筒状の攪拌槽と、この攪拌槽の内周面に沿って回転する回転羽根とを備え、上記攪拌槽の内部に攪拌すべき異種材料を含む液状物を供給し、上記回転羽根を回転させることにより、この回転羽根と上記内周面との間に上記液状物の層を形成しつつ攪拌する攪拌装置であって、
   上記攪拌槽の少なくとも内周面には、ＤＬＣ被膜が形成されていることを特徴とする、攪拌装置。
2. 上記攪拌槽は、上部開口をもつ有底筒状の攪拌容器と、その上部開口の外縁側を塞ぐように設けられ、上記液状物を外部に流出させるための中央流出孔をもつ堰板とを有し、上記回転羽根は、上記堰板の中央流出孔を通じて上記攪拌容器の内部へと通された回転シャフトの先端部に設けられている、請求項１に記載の攪拌装置。
3. 上記攪拌容器の底部には、上記液状物の原料を供給するための複数の供給管が接続されている、請求項２に記載の攪拌装置。
4. 上記回転羽根は、上記攪拌容器の上記内周面の全周に沿うように上記シャフトの先端部に設けられ、上記液状物の流通可能な多数の孔をもつ多孔円筒板からなる、請求項２または３に記載の攪拌装置。
5. 上記多孔円筒板は、セラミックス製である、請求項４に記載の攪拌装置。
6. 上記多孔円筒板は、上記回転シャフトの先端部に連結固定具を介して固定されており、上記連結固定具の表面には、上記ＤＬＣ被膜が形成されている、請求項４または５に記載の攪拌装置。
7. 上記内周面を含む上記攪拌容器の内側表面全体および上記堰板の内側表面には、上記ＤＬＣ被膜が形成されている、請求項２ないし６のいずれかに記載の攪拌装置。
8. 上記液状物としては、二次電池、燃料電池、あるいはキャパシタの電極材料、もしくは、食品、医薬品、化粧品の材料のいずれかが適用される、請求項１ないし７のいずれかに記載の攪拌装置。

Images