JP2015077563A - 攪拌ブレードおよび攪拌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 分散、混合または攪拌などをより短時間でよりスムーズに行うことが可能な攪拌ブレードおよび攪拌装置を提供すること。
【解決手段】 ｘ方向に延びる天枠部２と、天枠部２に対してｚ方向に離間する底枠部３と、天枠部２の両端と底枠部３の両端に連結されており、回転軸Ｏｚを中心軸とする円筒に沿って同方向にねじれた形状とされた一対の側枠部４と、を備え、天枠部２側が攪拌装置に保持されて回転させられる攪拌ブレードＡであって、一対の側枠部４は、天枠部２側に位置し、かつ回転軸Ｏｚ方向の単位長さ当たりの回転軸Ｏｚ周りのねじれ角が相対的に小である弱ねじれ部４１と、天枠部２とは反対側に位置し、かつ回転軸Ｏｚ方向の単位長さ当たりの回転軸Ｏｚ周りのねじれ角が相対的に大である強ねじれ部４２と、を有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、攪拌ブレードおよびこれが取り付けられた攪拌装置に関する。

液体または粉体と液体の混合体など、比較的粘度が高い物体を分散、混合または攪拌などをするための装置として、複数の攪拌ブレードを有する攪拌装置が用いられている。特許文献１には、従来の攪拌装置および攪拌ブレードの一例が開示されている。本文献に開示された構成においては、前記複数の攪拌ブレードは、攪拌装置の回転駆動部に取り付けられ、対象物体を収容した容器内において、各々が自転し、かつ公転させられる。

攪拌ブレードは、攪拌装置の回転駆動部に取り付けられる取り付け部、この取り付け部から径方向に延びる天枠部、天枠部の下方に位置し回転軸周りに回転した姿勢とされた底枠部、天枠部の両端と底枠部の両端とを繋ぐ一対の側枠部、を有している。特許文献１においては、天枠部と底枠部とは、回転軸周りに９０度ずれた位置関係となっている。また、一対の側枠部は、天枠部と底枠部の間においてねじれた形状とされている。

特許文献１においては、２つの攪拌ブレードが互いに平行な回転軸を有するように取り付けられている。２つの攪拌ブレードを自転させる回転軸間の距離は、公転によらず一定である。２つの攪拌ブレードが自転すると、各々の側枠部どうしが互いにごく近接した部位を有する状態を維持する。天枠部と底枠部とが９０度の角度をなす場合、各々の側枠部のいずれか一箇所どうしが近接する。側枠部の近接した部分どうしの隙間を適切に設定することにより、その隙間において対象物体に強いせん断力が作用する。これにより、対象物体の分散、混合または攪拌などを行うことができる。

しかしながら、２つの攪拌ブレードのうち対象物体の分散、混合または攪拌などに顕著に寄与するせん断力を生じさせる部位は、上述したごく近接した部位に限られる。残りの部分は、公転および自転に応じて対象物体を比較的緩やかにかき混ぜているに過ぎず、有意なせん断力は発生させていない。このため、対象物体を十分に分散、混合または攪拌などをするには、相応の時間を要することが避けられない。また、近年、化学、医療、電子、セラミックス、食品、飼料など、攪拌装置が用いられる分野はますます広範囲となっており、対象物体の性状の多様化が著しい。対象物体の性状によっては、分散、混合または攪拌などをスムーズに完了させることが困難なケースが想定される。

特開平９−２６７０３２号公報

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、分散、混合または攪拌などをより短時間でよりスムーズに行うことが可能な攪拌ブレードを提供することをその課題とする。

本発明の第１の側面によって提供される攪拌ブレードは、回転軸方向に対して直角である径方向に延びる天枠部と、前記天枠部に対して前記回転軸方向に離間する底枠部と、前記天枠部の両端に連結されており、前記回転軸を中心軸とする円筒に沿って同方向にねじれた形状とされた一対の側枠部と、を備え、前記天枠部側が攪拌装置に保持されて回転させられる攪拌ブレードであって、前記一対の側枠部は、前記天枠部側に位置し、かつ前記回転軸方向の単位長さ当たりの前記回転軸周りのねじれ角が相対的に小である弱ねじれ部と、前記天枠部とは反対側に位置し、かつ前記回転軸方向の単位長さ当たりの前記回転軸周りのねじれ角が相対的に大である強ねじれ部と、を有することを特徴としている。

本発明の第２の側面によって提供される攪拌装置は、本発明の第１の側面によって提供される２以上の攪拌ブレードと、攪拌対象物体を収容する容器と、前記各攪拌ブレードの少なくとも一部ずつを前記容器内に収容した状態で、前記各攪拌ブレードを前記回転軸周りに自転させる回転駆動部と、を備えることを特徴としている。

本発明によれば、複数の前記攪拌ブレードが前記攪拌装置に取り付けられた場合に、対象物体により多くの箇所においてせん断力を生じさせるとともに、分散、混合または攪拌などをスムーズに完了させることができる。

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。

本発明に係る攪拌ブレードの一例が用いられる攪拌装置を示す側面図である。 図１の攪拌装置を示す正面図である。 本発明に係る攪拌ブレードの一例を示す斜視図である。 図３の攪拌ブレードを示す正面図である。 図３の攪拌ブレードを示す側面図である。 図３の攪拌ブレードを示す平面図である。 図３の攪拌ブレードを示す底面図である。 図１の攪拌装置における攪拌ブレードによる攪拌工程を示す、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は斜視図である。 図１の攪拌装置における攪拌ブレードによる攪拌工程を示す、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は斜視図である。 図１の攪拌装置における攪拌ブレードによる攪拌工程を示す、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１および図２は、本発明に係る攪拌ブレードの一例である攪拌ブレードＡが用いられる攪拌装置を示している。図１は、攪拌装置Ｂの側面図であり、図２は、攪拌装置Ｂの正面図である。攪拌装置Ｂは、回転駆動部６１を有している。回転駆動部６１は、攪拌装置Ｂに内蔵されたモータ（図示略）などの回転駆動源にギヤなどを介して連結されている。回転駆動部６１は、２つの攪拌ブレードＡが取り付け可能となっており、これらの２つの攪拌ブレードＡの各々を自転させつつ、これらを公転させる構成とされている。回転駆動部６１の下方には、容器６２が配置可能となっている。容器６２は、攪拌装置Ｂによって分散、混合または攪拌などをする対象物体を収容するものである。容器６２内の対象物体について分散、混合または攪拌などを行う際には、２つの攪拌ブレードＡが容器６２の対象物体に浸された状態で、２つの攪拌ブレードＡを公転および自転させる。

図３〜図７は、攪拌ブレードＡを示している。図３は、攪拌ブレードＡを示す斜視図である。図４は、攪拌ブレードＡを示す正面図である。図５は、攪拌ブレードＡを示す側面図である。図６は、攪拌ブレードを示す平面図である。図７は、攪拌ブレードＡを示す底面図である。なお、これらの図においては、攪拌ブレードＡの自転中心である回転軸Ｏｚが延びる方向がｚ方向とされ、ｚ方向と直角であり後述する天枠部２および底枠部３が延びる方向をｘ方向、ｚ方向およびｘ方向と直角である方向をｙ方向と、便宜上定義している。

攪拌ブレードＡは、攪拌装置Ｂに取り付けられた状態で、回転軸Ｏｚ周りに自転させられる。また、攪拌装置Ｂは、２つの攪拌ブレードＡを自転させる２つの回転軸Ｏｚを設定する構成とされており、これらの２つの回転軸Ｏｚが公転する。攪拌ブレードＡの材質は特に限定されないが、本実施形態においては、たとえばステンレスなどの金属からなる。攪拌ブレードＡは、取り付け部１、天枠部２、底枠部３および一対の側枠部４を有している。攪拌ブレードＡのサイズの一例を挙げると、ｚ方向高さが１４０ｍｍ程度、ｘ方向寸法が７３ｍｍ程度である。

取り付け部１は、攪拌ブレードＡを攪拌装置Ｂの回転駆動部６１に取り付けるために用いられる部位である。取り付け部１の形状およびサイズは、回転駆動部６１の構成によって適宜設定されるが、本実施形態においては、回転軸Ｏｚを中心軸とする円筒形状とされている。また、攪拌ブレードＡを回転駆動部６１に固定するためのボルトやピンなどを挿通させるための孔が適宜設けられている。取り付け部１のサイズの一例を挙げると、ｚ方向高さが３０ｍｍ程度、外径が３０ｍｍ程度、内径が１５ｍｍ程度である。

天枠部２は、取り付け部１からｘ方向に延びており回転軸Ｏｚを挟んで対称な形状である。本実施形態の２は、取り付け部１から斜め下方に延びているが、本発明が意図する機能を果たすためには、天枠部２は、回転軸Ｏｚに対して直角である方向に延びていることが必須要件であり、ｚ方向下方にも延びている形状は、たとえば回転駆動部６１への取り付けや一対の側枠部４の形成の便宜などの事情による。天枠部２のｚ方向下端部の断面は、たとえば六角形状とされている。

底枠部３は、取り付け部１および天枠部２に対してｚ方向下方に離間して配置されている。本実施形態においては、底枠部３は、たとえば断面が略三角形状の直棒状とされている。また、図６および図７に示すように、底枠部３は、ｚ方向視において天枠部２と平行である。ただし、後述する一対の側枠部４の構成から理解される通り、底枠部３は、天枠部２に対して回転軸Ｏｚ周りに１８０度回転させられたものであると観念される。

一対の側枠部４は、天枠部２の両端と底枠部３の両端とを連結している。ただし、本実施形態の場合、各側枠部４は、天枠部２の一端と、この一端とはｘ方向において反対側に位置する底枠部３の一端とを連結している。すなわち、図６に示すように、側枠部４は、回転軸Ｏｚ周りのねじれ角α０が、１８０度とされている。２つの側枠部４は、互いの関係が回転軸Ｏｚ周りに１８０度回転させた軸対称であるといえる。また、図４〜図７に示すように、回転軸Ｏｚが延びる方向を軸方向とした場合の径方向における、一対の側枠部４の外径Ｄは、ｚ方向のいずれの部位においても一定とされており、本実施形態においては、たとえば７３ｍｍ程度である。また、側枠部４のｚ方向高さは、たとえば１１０ｍｍ程度である。

側枠部４は、弱ねじれ部４１および強ねじれ部４２を有している。弱ねじれ部４１は、ｚ方向において天枠部２側に位置し、本実施形態においては、図４に示すように、側枠部４のｚ方向上側半分にあたる部位とされている。強ねじれ部４２は、ｚ方向において底枠部３側に位置し、本実施形態においては、側枠部４のｚ方向下側半分にあたる部位とされている。図６に示すように、弱ねじれ部４１の回転軸Ｏｚ周りのねじれ角α１は、強ねじれ部４２の回転軸Ｏｚ周りのねじれ角α２よりも小である。このため、ｚ方向の単位長さあたりの回転軸Ｏｚ周りのねじれ角が、弱ねじれ部４１は強ねじれ部４２に対して相対的に小であり、強ねじれ部４２は弱ねじれ部４１に対して相対的に大である関係となっている。本実施形態においては、ねじれ角α１が４５度であり、ねじれ角α２が１３５度であり、ｚ方向の単位長さあたりの回転軸Ｏｚ周りのねじれ角の比が１：３とされている。側枠部４の断面形状は、たとえば六角形状とされている。

本実施形態においては、弱ねじれ部４１は、ｚ方向の単位長さあたりの回転軸Ｏｚ周りのねじれ角が一定とされている。また、強ねじれ部４２は、ｚ方向の単位長さあたりの回転軸Ｏｚ周りのねじれ角が一定とされている。このため、弱ねじれ部４１と強ねじれ部４２との境界部分には、ｚ方向の単位長さあたりの回転軸Ｏｚ周りのねじれ角が不連続となった屈曲部４３が形成されている。なお、屈曲部４３のうち、たとえば図３に表れている斜め上方向を臨む屈曲線の部分を、円滑な曲面としてもよい。この場合、攪拌後の攪拌ブレードＡを洗浄する際に、屈曲部４３に対象物体が残存しにくく、洗浄を適切に行うことができるという利点がある。

次に、攪拌装置Ｂでの攪拌ブレードＡを用いた攪拌工程について、図８〜図１０を参照しつつ、以下に説明する。

図８は、本説明において攪拌工程の初期状態と便宜上位置づけた状態である。同図（ａ）は、２つの攪拌ブレードＡを斜め上方から見た斜視図であり、同図（ｂ）は、平面図であり、同図（ｃ）は、正面図であり、同図（ｄ）は、斜め下方から見た斜視図である。まず、２つの攪拌ブレードＡの回転軸Ｏｚどうしの距離Ｌは、側枠部４の外径Ｄよりも小とされている。距離Ｌの一例を挙げると、側枠部４の外径Ｄが７３ｍｍ程度の場合に、５９ｍｍ程度に設定される。このため、同図（ｂ）に示すように、２つの攪拌ブレードＡは、ｚ方向視において互いの一部どうしが重なる位置関係となっている。また、２つの攪拌ブレードＡは、互いの回転軸Ｏｚ周りの回転位置が９０度ずれた関係とされている。具体的には、図中左方の攪拌ブレードＡの天枠部２が、ｚ方向視において図中左右方向に沿った姿勢であるのに対し、図中右方の攪拌ブレードＡの天枠部２は、図中上下方向に沿った姿勢である。

上述した構成とされた２つの攪拌ブレードＡの配置について、外径Ｄと距離Ｌとが上述した大小関係とされていること、および回転位置が９０度ずれた関係とされていること、とにより、２つの攪拌ブレードＡは、図８において想像線で描かれた２つの円Ｐで囲まれた部位どうしがごく近接した状態となる。円Ｐにおける２つの攪拌ブレードＡの隙間は、外径Ｄと距離Ｌとの関係によって設定され、本実施形態においてはたとえば２ｍｍ程度に設定されている。本実施形態においては、同図（ｂ）において、図中左方の攪拌ブレードＡの天枠部２が延びる方向に対して上方に４５度回転した位置と、下方に４５度回転した位置とにおいて、２つの攪拌ブレードＡがごく近接している。より具体的には、２つの攪拌ブレードＡの側枠部４の屈曲部４３どうしがごく近接しているまた、２つの攪拌ブレードＡの側枠部４の強ねじれ部４２の下端から１／３程度に位置する部分どうしがごく近接している。

攪拌装置Ｂにおいては、２つの攪拌ブレードＡが、それぞれ回転軸Ｏｚ周りに自転させられる。自転の回転方向Ｎは、同一方向であり、回転速度も同一である。また、２つの攪拌ブレードＡは、回転駆動部６１によって互いの距離Ｌを維持したまま、容器６２内を公転させられる。図８〜図１０においては、自転による攪拌工程の機能を説明するものであり、これらの図に示された状態を保ったまま、実際には公転させられる。

図９は、図８から回転方向Ｎに２つの攪拌ブレードＡが４５度回転した状態を示している。同図に示された状態においても、同図（ｂ）に示すように、ｚ方向視において図８（ｂ）に示した位置とほぼ同じ位置に円Ｐが存在する。同図に示す状態においては、同図（ａ），（ｃ），（ｄ）に示すように、２つの攪拌ブレードＡの側枠部４の上端および下端どうしが、ｚ方向視での同じ方位においてごく近接している。また、２つの攪拌ブレードＡの４の強ねじれ部４２の上端から１／３程度に位置する部分どうしがごく近接している。同図に示す状態においては、側枠部４の上端および下端どうしがそれぞれごく近接することから、合計３つの円Ｐに囲まれた部分どうしがごく近接した状態となっている。なお、この３つの円Ｐが存在する状態は、同図に示された瞬間に生じるものであり、その前後においては速やかに２つの円Ｐが存在する状態となる。

図１０は、図９から回転方向Ｎに２つの攪拌ブレードＡが４５度回転した状態を示している。同図に示された状態においても、同図（ｂ）に示すように、ｚ方向視において図８（ｂ）および図９（ｂ）に示した位置とほぼ同じ位置に円Ｐが存在する。同図に示す状態においては、同図（ａ），（ｃ），（ｄ）に示すように、２つの攪拌ブレードＡの側枠部４の屈曲部４３どうしがごく近接している。また、２つの攪拌ブレードＡの側枠部４の強ねじれ部４２の下端から１／３程度に位置する部分どうしがごく近接している。

図８〜図１０に示した状態は、２つの攪拌ブレードＡの状態を例示しているが、回転方向Ｎに同一速度で回転する構成であるため、この後の回転においても図８〜図１０に示した状態と同様の状態、あるいはこれらの図に示された状態の途中にあたる状態を、継続して維持することとなる。このため、２つの攪拌ブレードＡは、常に２つの円Ｐが存在する状態をとり、９０度に一回の頻度で３つの円Ｐが出現する状態をとる。

次に、攪拌ブレードＡの作用について説明する。

発明者らは、まず、ねじれ角α０を大きくすることにより、２つの攪拌ブレードＡがごく近接する箇所（円Ｐ）を増やすことができることに着目した。すなわち、特許文献１に示された構成においては、ねじれ角α０が９０度の構成に相当する。このような構成の場合、上述した説明における円Ｐで示される箇所のうち常時出現するものは１つのみである。したがって、対象物体に２つの攪拌ブレードの間において強いせん断力が生じるのも、一箇所のみとなる。これに対し、攪拌ブレードＡによれば、常時２つの円Ｐが出現しており、対象物体には２箇所において強いせん断力が生じる。これにより、より短時間で分散、混合または攪拌などを行うことができる。

ただし、ねじれ角α０を大きくするほど、側枠部４の全体においてｚ方向の単位長さあたりの回転軸Ｏｚ周りのねじれ角が大きくなる。発明者らは、これが分散、混合または攪拌などの効率化に効果的である一方、対象物体の性状によっては、ねじれた形状となった一対の側枠部４の内方に対象物体を囲い込んでしまい、一定以上の分散、混合または攪拌などが行えない事態が生じるケースがあることを発見した。たとえば、対象物体の粘度が顕著に高い場合や、粉体と液体との混合体であって、粉体の割合が比較的高く、流動性が比較的低い場合などである。このような対象物体であっても分散、混合または攪拌などの効率を高めるには、上述した円Ｐが出現する箇所を大きくすることが効果的である。そこで、発明者らは試験の結果、側枠部４の全長にわたってｚ方向の単位長さあたりの回転軸Ｏｚ周りのねじれ角を大きくするのではなく、側枠部４の下端側が相対的に単位長さ辺りのねじれ角が大きく、上端側が相対的に単位長さ辺りのねじれ角が小さい構成とすることにより、対象物体が２つの側枠部４の間に囲い込まれにくくすることができることを見出した。このため、側枠部４に弱ねじれ部４１と強ねじれ部４２とを形成している。強ねじれ部４２が分散、混合または攪拌などの効率化に資するとともに、弱ねじれ部４１が２つの側枠部４の間からの対象物体の排出を促していると考えられる。

また、下端側に強ねじれ部４２を有することにより、たとえば容器６２の容量の数分の一程度の少量の対象物体に対して分散、混合または攪拌などを行う場合、強ねじれ部４２のみが対象物体と接する状態とすることができる。これにより、少量の対象物体を効率よく分散、混合または攪拌などすることが可能である。

なお、発明者らの知見によれば、分散、混合または攪拌などを効率よく行うとともに、対象物体の囲い込みを頻発させないことを意図した場合、ねじれ角α０は、１８０度〜
２７０度が好ましい。

本発明に係る攪拌ブレードおよび攪拌装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る攪拌ブレードおよび攪拌装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

側枠部４は、弱ねじれ部４１および強ねじれ部４２のみからなる構成に限定されない。弱ねじれ部４１の上方側、弱ねじれ部４１と強ねじれ部４２との間、強ねじれ部４２の下方側などに、弱ねじれ部４１および強ねじれ部４２以外の部位を有する構成であってもよい。弱ねじれ部４１および強ねじれ部４２は、ｚ方向の単位長さあたりの回転軸Ｏｚ周りのねじれ角が一定とされているがこれに限定されない。たとえば、側枠部４の上端から下端に向かってｚ方向の単位長さあたりの回転軸Ｏｚ周りのねじれ角が徐々に大となる構成であってもよい。この場合、屈曲部４３のような弱ねじれ部４１と強ねじれ部４２との明瞭な境界部分は存在しないが、側枠部４の適切な箇所を挟んで弱ねじれ部４１および強ねじれ部４２と観念しうる部位が存在する。また、たとえば弱ねじれ部４１のねじれ角α１が０度であっても、弱ねじれ部４１は強ねじれ部４２に対してｚ方向の単位長さあたりの回転軸Ｏｚ周りのねじれ角が小であると観念される。また、底枠部３を有しない構成であってもよい。この場合、２つの側枠部４の一端が天枠部２の両端に連結され、２つの即枠部の他端は自由端となる。たとえば、対象物体の粘度が顕著に高く、固体に近い性状である場合、対象物体を収容した容器６２に攪拌ブレードＡを挿入する際、底枠部３が強い抵抗力を受けることを回避し、攪拌ブレードＡをスムーズに挿入することができる。

攪拌装置Ｂに取り付けられる攪拌ブレードＡの数は２つに限定されず、３つ以上であってもよい。また、自転と公転とを組み合わせた機構は、分散、混合または攪拌などを効率よく行うのに適しているが、たとえば自転のみを行う構成に攪拌ブレードＡを適用してもよい。また、攪拌装置Ｂの名称は、分散、混合または攪拌などを行う装置の便宜として定義されるものであり、攪拌のみを行う装置に限定されるものではない。

Ａ 攪拌ブレード
Ｂ 攪拌装置
１ 取り付け部
２ 天枠部
３ 底枠部
４ 側枠部
４１ 弱ねじれ部
４２ 強ねじれ部
４３ 屈曲部
６１ 回転駆動部
６２ 容器
α０ ねじれ角
α１ ねじれ角
α２ ねじれ角
Ｏｚ 回転軸
Ｐ 円
Ｌ 距離
Ｄ 外径
Ｎ 回転方向

Claims (2)

1. 回転軸方向に対して直角である径方向に延びる天枠部と、
   前記天枠部に対して前記回転軸方向に離間する底枠部と、
   前記天枠部の両端に連結されており、前記回転軸を中心軸とする円筒に沿って同方向にねじれた形状とされた一対の側枠部と、を備え、
   前記天枠部側が攪拌装置に保持されて回転させられる攪拌ブレードであって、
   前記一対の側枠部は、前記天枠部側に位置し、かつ前記回転軸方向の単位長さ当たりの前記回転軸周りのねじれ角が相対的に小である弱ねじれ部と、前記天枠部とは反対側に位置し、かつ前記回転軸方向の単位長さ当たりの前記回転軸周りのねじれ角が相対的に大である強ねじれ部と、を有することを特徴とする、攪拌ブレード。
2. 請求項１に記載の２以上の攪拌ブレードと、
   攪拌対象物体を収容する容器と、
   前記各攪拌ブレードの少なくとも一部ずつを前記容器内に収容した状態で、前記各攪拌ブレードを前記回転軸周りに自転させる回転駆動部と、
   を備えることを特徴とする、攪拌装置。

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