JP2013233476A

JP2013233476A - 攪拌方法および攪拌装置

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Publication number: JP2013233476A
Application number: JP2012105463A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Murata; 和久村田
Original assignee: EDDY PLUS CO Ltd; YAMATEC CO Ltd
Current assignee: EDDY PLUS CO Ltd; YAMATEC CO Ltd
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2032-05-02
Also published as: JP6074647B2

Abstract

【課題】効率的な攪拌を安価に行うことが可能な攪拌方法および攪拌装置を提供する。
【解決手段】攪拌方法は、回転体１０を被攪拌物中で回転軸Ｃを中心に回転させる攪拌方法であって、回転体１０は、回転体１０の表面に設けられる吸入口１２と、回転体１０の表面において吸入口１２よりも回転軸Ｃから遠心方向外側の位置に設けられる吐出口１４と、吸入口１２と吐出口１４を繋ぐ流通路１６と、を備え、攪拌中に回転体１０を回転駆動する駆動期間と、攪拌中に回転体１０を回転駆動しない無駆動期間と、を設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体その他の各種流体を攪拌し、混合、分散等を行うための攪拌方法および攪拌装置に関する。

従来、例えば２種類以上の流体を混合したり、流体中に添加した各種粉末等を均一に分散させたりする場合には、流体中で羽根車（攪拌翼）を回転させる攪拌装置が使用されている。この羽根車には一般的にプロペラ翼やタービン翼が設けられており、回転することで流体を流動させて攪拌を行う。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１７９０６８号公報

しかしながら、羽根車を回転させる従来の攪拌装置では、主に羽根車を流体に衝突させることによって流体を流動させることから、羽根車を停止させた場合には、羽根車が逆に流体の流動を阻害する要因となってしまうため、攪拌中常に羽根車を回転駆動し続ける必要があった。このため、大量の流体を攪拌する場合や長期間の攪拌が必要となる場合においては、羽根車を回転駆動するのに必要な電力等のエネルギーコストが膨大になるという問題があった。

特に、上記特許文献１に記載の攪拌装置のように攪拌槽に邪魔板を設けた場合には、羽根車を定常回転させるのに必要なトルクも増大することとなるため、エネルギーコストが膨大になりやすいという問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、効率的な攪拌を安価に行うことが可能な攪拌方法および攪拌装置を提供しようとするものである。

（１）本発明は、回転体を被攪拌物中で回転軸を中心に回転させる攪拌方法であって、前記回転体は、前記回転体の表面に設けられる吸入口と、前記回転体の表面において前記吸入口よりも前記回転軸から遠心方向外側の位置に設けられる吐出口と、前記吸入口と前記吐出口を繋ぐ流通路と、を備え、攪拌中に前記回転体を回転駆動する駆動期間と、攪拌中に前記回転体を回転駆動しない無駆動期間と、を設けることを特徴とする、攪拌方法である。

（２）本発明はまた、前記無駆動期間は、前記駆動期間以上の長さであることを特徴とする、上記（１）に記載の攪拌方法である。

（３）本発明はまた、前記無駆動期間中に、前記回転体を慣性力により回転させることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の攪拌方法である。

（４）本発明はまた、前記無駆動期間中に、前記回転体を停止させることを特徴とする、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の攪拌方法である。

（５）本発明はまた、回転軸を中心に回転する回転体と、前記回転体の表面に設けられる吸入口と、前記回転体の表面において前記吸入口よりも前記回転軸から遠心方向外側の位置に設けられる吐出口と、前記吸入口と前記吐出口を繋ぐ流通路と、前記回転体を回転駆動する駆動装置と、攪拌中に前記回転体を回転駆動する駆動期間と、攪拌中に前記回転体を回転駆動しない無駆動期間と、を設けるように前記駆動装置を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする、攪拌装置である。

本発明の攪拌方法および攪拌装置によれば、効率的な攪拌を安価に行うことが可能という優れた効果を奏し得る。

（ａ）本発明の実施の形態に係る攪拌装置の一例を示した正面図である。（ｂ）攪拌装置の底面図である。（ａ）回転体の作動を示した平面図である。（ｂ）回転体の作動を示した正面図である。（ａ）および（ｂ）攪拌装置の使用例を示した図である。（ａ）〜（ｄ）攪拌中における回転体の回転数の変化を示した概念図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。

まず、本実施形態に係る攪拌装置１の構造について説明する。図１（ａ）は、攪拌装置１の一例を示した正面図であり、同図（ｂ）は、攪拌装置１の底面図である。これらの図に示されるように、攪拌装置１は、回転する回転体１０と、回転体１０を回転駆動する駆動装置２０と、回転体１０と駆動装置３０を接続する駆動軸３０と、駆動装置３０を制御する制御装置４０と、を備えている。

回転体１０は、略砲弾形状、詳細には円柱の上面１０ａを平面状に、底面１０ｂを球面状に構成した形状、換言すれば円柱と半球を組み合わせた形状に構成されている。回転体１０を構成する材質は、特に限定されるものではなく、例えば金属やセラミックス、樹脂、ゴム、木材等、使用条件に応じた適宜の材質を採用することができる。

回転体１０の表面には、複数の吸入口１２および複数の吐出口１４が設けられ、回転体１０の内部には、吸入口１２と吐出口１４を繋ぐように形成された流通路１６が設けられている。また、回転体１０の上面１０ａの中心には、駆動軸３０が接続される接続部１８が設けられている。従って、回転体１０は、駆動装置２０に駆動されて中心軸Ｃを回転軸として回転するように構成されている。なお、駆動軸３０と接続部１８の接続方法は、例えばネジや係合等、既知のいずれの方法であってもよい。

吸入口１２は、球面状の底面１０ｂ（すなわち、回転体１０の先端側）に設けられている。本実施形態では、４つの吸入口１２を中心軸Ｃを中心とする円周上に等間隔で並べて配置すると共に、中心軸Ｃと同一方向に形成している。吐出口１４は、側面１０ｃに設けられている。本実施形態では、４つの吐出口１４を、各吸入口１２に対して回転体１０の遠心方向外側となる位置（中心軸Ｃから中心軸Ｃに垂直な方向に離れた位置）にそれぞれ配置している。また、中心軸Ｃに対して直交する方向に吐出口１４を形成している。

流通路１６は、１つの吸入口１２と１つの吐出口１４を繋ぐトンネル状の通路として形成されている。従って、回転体１０の内部には、４つの流通路１６が形成されている。各流通路１６は、吸入口１２から中心軸Ｃ方向に沿って直進した後に直角に曲がり、回転体１０の遠心方向に向けて直進して吐出口１４に到達するように形成されている。すなわち、本実施形態の流通路１６は、中心軸Ｃ方向の軸方向部分１６ａおよび遠心方向の遠心方向部分１６ｂから構成されている。

なお、本実施形態では、吸入口１２および吐出口１４を円形状に構成しているが、吸入口１２および吐出口１４の形状（断面形状）は特に限定されるものではなく、例えば楕円形状や多角形状等、その他の形状であってもよい。また、流通路１６の断面形状は、特に限定されるものではなく、吸入口１２および吐出口１４の形状や位置、または加工方法等に応じて適宜の形状に構成することができる。

また、本実施形態では、加工のしやすさから流通路１６を略直角に曲折するＬ字状に構成しているが、滑らかに湾曲した曲線状の通路として流通路１６を構成してもよいし、吸入口１２と吐出口１４を直線的に繋ぐようにしてもよい。また、本実施形態では、回転体１０を流通路１６以外の部分を中実に構成することで、強度を高めるようにしているが、回転体１０の流通路１６以外の部分を中空状に構成するようにしてもよい。

駆動装置２０は、本実施形態ではモータから構成されている。駆動装置２０は、駆動軸３０を介して回転体１０を回転駆動し、中心軸Ｃを中心に回転させる。なお、本実施形態では、駆動装置２０が駆動軸３０を直接駆動するように構成しているが、駆動装置２０が歯車やチェーンおよびスプロケット等の伝達機構を介して駆動軸３０を回転駆動するように構成してもよい。また、駆動装置２０は、例えば電動モータやエアモータ等、既存のいずれの形式のものであってもよい。

制御装置４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を備えて構成されている。制御装置４０は、駆動装置２０の動作を制御する。すなわち、制御装置４０は、駆動装置２０の駆動および駆動停止を制御するように構成されている。制御装置４０はまた、駆動装置２０を制御することにより、回転体１０の回転数および回転方向を必要に応じて制御する。

次に、回転体１０の作動について説明する。図２（ａ）は回転体１０の作動を示した平面図であり、同図（ｂ）は回転体１０の作動を示した正面図である。回転体１０は、流体である被攪拌物内において、駆動装置２０に駆動されて中心軸Ｃを中心に回転することにより、被攪拌物を攪拌する。

流体中に回転体１０を浸漬して回転させると、流通路１６内に進入した流体も回転体１０と共に回転することとなる。すると、流通路１６内の流体に遠心力が作用し、同図（ａ）および（ｂ）に示されるように、流通路１６内の流体は回転体１０の遠心方向外側に向けて流動する。吐出口１４は、吸入口１２よりも回転体１０の遠心方向外側に設けられているため、吐出口１４では吸入口１２よりも強い遠心力が働くこととなる。従って、流体は、回転体１０が回転している限り吸入口１２から吐出口１４に向けて流動する。

すなわち、回転体１０の回転に伴い、流通路１６内の流体が吐出口１４から噴出すると共に、外部の流体が吸入口１２から流通路１６内に吸引される。これにより、回転体１０の周囲の流体には、吐出口１４のある側面１０ｃから旋回しながら放射状に広がる流動と、吸入口１２のある回転体１０の先端部に旋回しながら向かう流動が発生することとなる。

また、流体中に回転体１０を浸漬して回転させると、回転体１０の表面近傍の流体が粘性の影響により回転体１０と共に回転することとなる。従って、回転体１０の表面近傍の流体にも遠心力が働き、これらの図に示されるように、表面近傍の流体は回転体１０の表面に沿って側面１０ｃまで流動し、吐出口１４からの噴流の随伴流となる。

本実施形態では、底面１０ｂを球面状に構成することにより、回転体１０の形状を中心軸Ｃ方向の厚みが半径方向外側に向けて漸次減少する形状としているため、回転体１０の底面１０ｂ近傍の流動を、側面１０ｃから放射状に広がる流動にスムーズに合流させることを可能としている。また、底面１０ｂをこのような形状にすることで、回転体１０の先端に向かう流動の一部を、底面１０ｂに沿って側面１０ｃまでスムーズに流動させて、側面１０ｃから放射状に広がる流動に合流させることを可能としている。この結果、回転体１０は、周囲の流体に強力な流動を発生させ、効率的な攪拌を行うことが可能となっている。

次に、本実施形態の攪拌方法について説明する。図３（ａ）および（ｂ）は、攪拌装置１の使用例を示した図である。これらの図に示されるように、攪拌装置１は、容器１００内に収容された流体である被攪拌物１１０内に回転体１０を浸漬した状態で使用される。このとき、攪拌装置１を容器１００や適宜の架台等に固定するようにしてもよいし、使用者が保持するようにしてもよい。

同図（ａ）および（ｂ）に示されるように、被攪拌物１１０中で回転体１０を回転させることにより、上述のように回転体１０から旋回しながら放射状に広がる流動、および回転体１０の先端部に旋回しながら向かう流動が発生する。そして、放射状に広がる流動は、例えば容器１００の側壁に衝突することで、上昇または下降する流動となる。

このうち、上昇した流動は、上方から回転体１０に向かう流動となった後に、吐出口１４からの噴流の随伴流となって再び放射状に広がる流動となる。また、下降した流動は、下方から回転体１０に向かう流動となった後に、一部は吸入口１２に吸引されて吐出口１４からの噴流となり、一部は吐出口１４からの噴流の随伴流となって再び放射状に広がる流動となる。

このように、本実施形態の攪拌装置１では、旋回流が組み合わされた複雑な循環流を被攪拌物１００内に発生させることが可能となっており、この循環流により被攪拌物１００を十分に攪拌することが可能となっている。また、回転体１０は、吸入口１２による吸引と吐出口１４からの噴流によってこの循環流を生成するように構成されているため、回転体１０の回転を停止（または、回転体１０の駆動を停止）した場合においても、循環流を阻害しないようになっている。

すなわち、一旦被攪拌物１１０に循環流を生成した後に、回転体１０を停止させても、吸入口１２への流入および吐出口１４からの噴出が無くなる（または、弱くなる）のみであり、回転体１０から旋回しながら放射状に広がった後に再び回転体１０へ向かう循環流は、暫くの間流動を続けることとなる。従って、本実施形態の攪拌方法では、制御装置４０は、攪拌中に回転体１０の駆動を定期的に停止させるように駆動装置２０を制御する。

図４（ａ）〜（ｄ）は、攪拌中における回転体１０の回転数Ｎの変化を示した概念図である。なお、これらの図では、縦軸を回転数Ｎとし、横軸を時間Ｔとしている。上述のように本実施形態の攪拌方法では、攪拌中に回転体１０の駆動を定期的に停止させることにより、回転体１０を回転駆動する駆動期間Ｄおよび回転体１０を回転駆動しない無駆動期間ＮＤを交互に設けるようにしている。

同図（ａ）は、無駆動期間ＮＤにおいて回転体１０を慣性力によって回転させるようにした場合の一例を示した図である。攪拌装置１の制御装置４０は、駆動期間Ｄにおいては所定の加速レートで回転体１０を所定の回転数Ｎ１まで加速した後、駆動期間Ｄとして設定された所定の時間が経過するまで回転数Ｎ１を保持する。そして、この例では、駆動期間Ｄとして設定された所定の時間が経過した後に、回転体１０の駆動を停止して回転体１０をフリーな状態とし、回転体１０を慣性力により回転させる。

慣性力により回転する回転体１０は、徐々に回転数Ｎが低下していくが、回転している限り流通路１６内の流体に遠心力が作用することとなるため、吸入口１２による吸引および吐出口１４からの噴出は継続される。従って、無駆動期間ＮＤにおいて回転体１０を慣性力によって回転させることにより、被攪拌物１１０中の循環流を比較的強い流動状態に維持することが可能となる。

攪拌装置１の制御装置４０は、回転体１０の駆動を停止した後、無駆動期間ＮＤとして設定された所定の時間が経過した後に、再度回転体１０を回転駆動する。以後、駆動期間Ｄおよび無駆動期間ＮＤを繰り返すことによって攪拌が行われる。本実施形態の攪拌装置１によれば、上述のように無駆動期間ＮＤにおいても被攪拌物１１０中の循環流を維持することができるため、駆動装置２０によって回転体１０回転させるのに要する電力等のエネルギーコストを抑えながらも、効率的且つ十分な攪拌を行うことが可能となっている。

特に、本実施形態の回転体１０は、主に流通路１６内における遠心力によって流体に運動エネルギーを付与するようになっているため、強力な流動を生成しながらも停止時の抵抗が少なくなるような形状に構成することが可能となっている。従って、本実施形態の攪拌装置１では、短時間で十分な循環流を生成すると共に、生成した循環流を無駆動状態で長時間維持することが可能となっている。すなわち、駆動期間Ｄよりもはるかに長い時間（少なくとも駆動期間Ｄ以上の時間）を無駆動期間ＮＤとして設定することができるため、攪拌に要するエネルギーコストを大幅に削減することが可能となっている。

同図（ｂ）は、無駆動期間ＮＤにおいて回転体１０の回転を停止させるようにした場合の一例を示した図である。この場合、攪拌装置１の制御装置４０は、駆動期間Ｄにおいて回転体１０を所定の減速レートで減速し、無駆動期間ＮＤにおいては適宜のブレーキ機構等によって回転体１０を停止状態に維持する。このように、無駆動期間ＮＤにおいて回転体１０を停止状態に維持するようにしてもよい。

無駆動期間ＮＤにおいて回転体１０を停止状態とすることにより、例えば流通路１６内に滞留した気泡や、吸入口１２の下方に発生した渦流の中心で凝集した気泡等が浮かび上がりやすい状態とすることができる。すなわち、被攪拌物１１０中に微細な気泡が含まれる場合等において、脱泡効果を高めることができる。なお、無駆動期間ＮＤにおいて常に回転体１０を停止状態とするのではなく、例えば回転体１０を慣性力によって暫く回転させた後に停止状態に維持するようにしてもよい。

同図（ｃ）および（ｄ）は、駆動期間Ｄごとに回転体１０の回転方向を変更するようにした場合の一例を示している。このように、攪拌中に回転体１０の回転方向を交互に変更するようにしてもよい。また、図示は省略するが、駆動期間Ｄごとに所定の回転数Ｎ１を変更するようにしてもよく、１つの駆動期間Ｄ内において回転数Ｎを変化させるようにしてもよい。

また、駆動期間Ｄは、全て同一の時間に設定されてもよいし、異なる時間に設定されてもよい。無駆動期間ＮＤについても同一である。また、被攪拌物１１０中の所定の部位における流速が所定の流速に到達するまでを駆動期間Ｄとしてもよく、回転体１０の回転数Ｎが所定の回転数Ｎ１に到達するまでを駆動期間Ｄとしてもよい。また、被攪拌物１１０中の所定の部位における流速が所定の流速に低下するまでを無駆動期間ＮＤとしてもよく、回転体１０を慣性力によって回転させる場合において回転体１０の回転数Ｎが所定の回転数に低下するまでを無駆動期間ＮＤとしてもよい。また、攪拌装置１に制御装置４０を設けず、使用者が目視等で被攪拌物１１０の流動状態を確認した上で、手動にて回転体１０の駆動および駆動の停止を行うようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る攪拌方法は、回転体１０を被攪拌物１１０中で回転軸（中心軸Ｃ）を中心に回転させる攪拌方法であって、回転体１０は、回転体１０の表面に設けられる吸入口１２と、回転体１０の表面において吸入口１２よりも回転軸（中心軸Ｃ）から遠心方向外側の位置に設けられる吐出口１４と、吸入口１２と吐出口１４を繋ぐ流通路１６と、を備え、攪拌中に回転体１０を回転駆動する駆動期間Ｄと、攪拌中に回転体１０を回転駆動しない無駆動期間ＮＤと、を設けている。

また、本実施形態に係る攪拌装置１は、回転軸（中心軸Ｃ）を中心に回転する回転体１０と、回転体１０の表面に設けられる吸入口１２と、回転体１０の表面において吸入口１２よりも回転軸（中心軸Ｃ）から遠心方向外側の位置に設けられる吐出口１４と、吸入口１２と吐出口１４を繋ぐ流通路１６と、回転体１０を回転駆動する駆動装置２０と、攪拌中に回転体１０を回転駆動する駆動期間Ｄと、攪拌中に回転体１０を回転駆動しない無駆動期間ＮＤと、を設けるように駆動装置２０を制御する制御装置４０と、を備えている。

このような構成とすることで、効率的な攪拌を安価に行うことができる。すなわち、無駆動期間ＮＤにおいても、被攪拌物１１０を十分な流動状態に保つことができるため、攪拌作用を低下させることなく、回転体１０の駆動を停止させてエネルギーコストを削減することが可能となる。また、被攪拌物１１０の流動状態を定期的に変動させることが可能となるため、攪拌効率をより向上させることができる。

また、無駆動期間ＮＤは、駆動期間Ｄよりも長くなっている。これにより、攪拌中に回転体１０を駆動する時間を従来の攪拌装置と比較して大幅に短縮することが可能となるため、攪拌に要するエネルギーコストを従来から大幅に削減することができる。

また、無駆動期間ＮＤ中に、回転体１０を慣性力により回転させるようにすることで、無駆動期間ＮＤ中においても、吸入口１２による吸引および吐出口１４からの噴出を継続し、被攪拌物１１０を比較的強い流動状態に維持することが可能となる。

また、無駆動期間ＮＤ中に、回転体１０を停止させるようにすることで、凝集した気泡が浮き上がりやすくすることが可能となるため、脱泡効果を高めることができる。

なお、本実施形態では、回転体１０を略砲弾形状に構成した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の種々の形状を回転体１０の形状として採用することができる。例えば、回転体１０は、円柱状や多角柱状等であってもよいし、回転体１０を球状や楕円体状等とすることで、停止時の抵抗をより少なくするようにしてもよい。

また、本実施形態では、吸入口１２を中心軸Ｃ方向に向けて設け、吐出口１４を中心軸Ｃに直交する方向に向けて設けた例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、吸入口１２および吐出口１４はその他の方向に向けて設けられるものであってもよい。例えば、吐出口１４を回転体１０の上面１０ａに設けるようにしてもよい。

また、本実施形態では、１つの吸入口１２と１つの吐出口１４を流通路１６によって繋ぐようにした例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、１つの吸入口１２と複数の吐出口１４を繋ぐ、または複数の吸入口１２と１つの吐出口１４を繋ぐようにしてもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の攪拌方法および攪拌装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の攪拌方法および攪拌装置は、各種流体の攪拌の分野で利用することができる。

１攪拌装置
１０回転体
１２吸入口
１４吐出口
１６流通路
２０駆動装置
４０制御装置
１１０被攪拌物
Ｄ駆動期間
ＮＤ無駆動期間

Claims

回転体を被攪拌物中で回転軸を中心に回転させる攪拌方法であって、
前記回転体は、前記回転体の表面に設けられる吸入口と、前記回転体の表面において前記吸入口よりも前記回転軸から遠心方向外側の位置に設けられる吐出口と、前記吸入口と前記吐出口を繋ぐ流通路と、を備え、
攪拌中に前記回転体を回転駆動する駆動期間と、攪拌中に前記回転体を回転駆動しない無駆動期間と、を設けることを特徴とする、
攪拌方法。
前記無駆動期間は、前記駆動期間以上の長さであることを特徴とする、
請求項１に記載の攪拌方法。
前記無駆動期間中に、前記回転体を慣性力により回転させることを特徴とする、
請求項１または２に記載の攪拌方法。
前記無駆動期間中に、前記回転体を停止させることを特徴とする、
請求項１乃至３のいずれかに記載の攪拌方法。
回転軸を中心に回転する回転体と、
前記回転体の表面に設けられる吸入口と、
前記回転体の表面において前記吸入口よりも前記回転軸から遠心方向外側の位置に設けられる吐出口と、
前記吸入口と前記吐出口を繋ぐ流通路と、
前記回転体を回転駆動する駆動装置と、
攪拌中に前記回転体を回転駆動する駆動期間と、攪拌中に前記回転体を回転駆動しない無駆動期間と、を設けるように前記駆動装置を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする、
攪拌装置。