JP2016120495A - 微粒化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ステーターは、周径の異なる複数のステーターからなり、各ステーターの内側に、それぞれローターが所定の隙間を空けて配置されていると共に、前記ステーターと、ローターとが、ローターの回転軸が延びている方向で相互に近付く、又は離れることができるように構成されている。
【選択図】図19
Description
複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーであって、
前記ステーターは、周径の異なる複数のステーターからなり、各ステーターの内側に、それぞれ前記ローターが所定の隙間を空けて配置され、
前記ローターは、回転中心から放射状に延びる複数枚の攪拌翼を備えており、各撹拌羽根の径方向で外側の壁面と、前記ステーターの内周壁面との間に前記所定の隙間が形成されていると共に、
前記ステーターと、ローターとが、ローターの回転軸が延びている方向で相互に近付く、又は離れることができるように構成されている
ことを特徴とするミキサー
である。
被処理流体が、前記ステーターとその内側に所定の隙間を空けて配置される前記ローターとの間の隙間部に導入されることを特徴とする請求項1記載のミキサー
である。
前記ステーターは、上端縁から径方向内側に伸びている環状の蓋部を備えていることを特徴とする請求項1記載のミキサー
である。
前記複数のステーターの中の最も径の小さいステーターより径方向内側の部分における前記環状の蓋部に、下側に向けて被処理流体を導入する導入孔が形成されていることを特徴とする請求項3記載のミキサー
である。
前記ステーターが備えている開口部は円形状であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項記載のミキサー
である。
前記ステーターが備えている開口部は前記ステーターの周壁に全体の開口面積比率として20%以上で穿設されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項記載のミキサー
である。
請求項1乃至6のいずれか一項記載のミキサーを設計する方法であって前記ミキサーの構造が、
当該ミキサーにより被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すときに、所定の運転時間で、被処理流体の所定の液滴径を得ることができるように、
式1を用いて計算して、当該ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を計算することにより設計されていることを特徴とするミキサーの設計方法。
εa :総括エネルギー消散率 [m2/s3]
εg:ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
εs:ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
Np :動力数 [-]
Nqd :流量数 [-]
nr :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
b :ローターの翼先端の厚み [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
ns :ステーターの孔数 [-]
d :ステーターの孔径 [m]
l :ステーターの厚み [m]
N :回転数 [1/s]
tm :混合時間 [s]
V :液量 [m3]
Kg :隙間における形状依存項 [m2]
Ks :ステーターにおける形状依存項 [m2]
Kc :ミキサー全体の形状依存項 [m5]
である。
請求項1乃至6のいずれか一項記載のミキサーをスケールダウンあるいはスケールアップする方法であって、
式1を用いて計算して得られた総括エネルギー消散率 [m2/s3]の計算値を一致させることにより、
前記ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を式1を用いて計算することで前記ミキサーにより被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すときに、所定の運転時間で、被処理流体の所定の液滴径を得ることができるようにして
スケールダウンあるいはスケールアップすることを特徴とするミキサーのスケールダウン及びスケールアップ方法。
εa :総括エネルギー消散率 [m2/s3]
εg:ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
εs:ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
Np :動力数 [-]
Nqd :流量数 [-]
nr :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
b :ローターの翼先端の厚み [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
ns :ステーターの孔数 [-]
d :ステーターの孔径 [m]
l :ステーターの厚み [m]
N :回転数 [1/s]
tm :混合時間 [s]
V :液量 [m3]
Kg :隙間における形状依存項 [m2]
Ks :ステーターにおける形状依存項 [m2]
Kc :ミキサー全体の形状依存項 [m5]
である。
請求項1乃至7のいずれか一項記載のミキサーを用いて、被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すことにより、食品、医薬品あるいは化学品を製造する方法であって、式1を用いて計算することにより、当該ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を計算して、望ましい液滴径を有している、食品、医薬品あるいは化学品を製造する方法。
εa :総括エネルギー消散率 [m2/s3]
εg:ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
εs:ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
Np :動力数 [-]
Nqd :流量数 [-]
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D :ローターの直径 [m]
b :ローターの翼先端の厚み [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
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N :回転数 [1/s]
tm :混合時間 [s]
V :液量 [m3]
Kg :隙間における形状依存項 [m2]
Ks :ステーターにおける形状依存項 [m2] Kc :ミキサー全体の形状依存項 [m5]
である。
εa :総括エネルギー消散率 [m2/s3]
εg:ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
εs:ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
Np :動力数 [-]
Nqd :流量数 [-]
nr :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
b :ローターの翼先端の厚み [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
ns :ステーターの孔数 [-]
d :ステーターの孔径 [m]
l :ステーターの厚み [m]
N :回転数 [1/s]
tm :混合時間 [s]
V :液量 [m3] Kg :隙間における形状依存項 [m2]
Ks :ステーターにおける形状依存項 [m2]
Kc :ミキサー全体の形状依存項 [m5]
である。
P=Np・ρ・N3・D5(ρ:密度、N:回転数、Dミキサー直径)
つまり、流量数と動力数は、実験で測定した流量、ならびに動力から導き出せる無次元数である。
総括エネルギー消散率:εaを導き出す本発明の計算式を用いたローター・ステータータイプのミキサーの評価、特に、微粒化効果(微粒化傾向)を指標としたミキサーの評価について説明する。
ローターとステーターの隙間の影響について検証した結果を図8に示した。
ステーターの孔径の影響について検証した結果を図9に示した。
ステーターの孔数(開口面積比)の影響について検証した結果を図10に示した。
総括エネルギー消散率:εaを導き出す本発明の計算式に基づいて、市販されているS社とA社のミキサーの性能を比較した結果を図11に示した。そして、本発明のミキサーの設計方法(設計思想)に基づいて、その形状を変更した場合における性能の改善(改良)効果の推定値の結果も併せて図11に示した。S社とA社のミキサーでは、ローターやステーターの直径が異なるが、それらの異なる機種に対して、同じ指標を適用して性能を評価できることが分かった。
本発明が提案する高性能ミキサーは、ローターが回転すると、径方向内側の混合部分と、径方向外側の混合部分という複数段(少なくても二段階以上)の混合部が形成されることになる。このような多段式(マルチステージ)での混合により、処理される流体に掛かる剪断応力を向上させることができ、高性能を実現できる。
ローター・ステータータイプのミキサーを使用し、粉体原料や液体原料を溶解(調合)して、乳化状製品を製造する場合、粉体原料と共に持ち込まれた気体(空気)を分離しないままで、ミキサーにより処理すると、調合液に微細な気泡が混入(発生)した状態となる。この微細な気泡が混入した調合液をそのまま乳化処理した場合、気泡が混入していない調合液を乳化処理した場合と比較して、微粒化や乳化の性能(効果)が劣ってしまうことが以前から知られている。
上述したように、本発明の計算式に基づいて導き出される総括エネルギー消散率:εa の値が大きい程、微粒化や乳化の性能(効果)が優れていることを確認できている。
Fa:平均力[N]
U:翼先端速度[m/s]
ρ:密度[kg/m2]
vs:乳化寄与体積[m3]
平均力:Fa[N]=τa Ss
τa:平均せん断力[N/m2]
Ss:剪断面積[m2]
平均せん断力:τa=Ph/Q
Ph:乳化寄与動力[kW]
Q:流量[m3/h]
乳化動力消散:Ph[kW]=Pn−Pp Pn:正味動力[kW]
pp:ポンプ動力[kW]
剪断頻度:f s,h[1/s]=ns nr N/nv
ns:ステーターの孔数[個]
nr:ローターブレードの枚数[枚]
N:回転数[1/s]
nv:ステーター孔部体積[m3]
剪断面積:Ss[m2]=Sd+Sl
Sd:孔断面積[m2]
Sl:孔側面積[m2]
孔断面積:Sd[m2]=π/4 d2
d:ステーター孔径[m]
孔側面積:Sl[m2]=πd l
l:ステーター厚み[m]
(ダイレクト・インジェクション(直接注入式の添加機構))
本発明の計算式に基づいて導き出される総括エネルギー消散率:εa を指標としたミキサーの性能評価と、その検証結果により、微粒化や乳化の性能(効果)はステーターの開口部(ホール)の孔径や孔数(開口面積比)により主に影響されることが分かった。
本発明の計算式に基づいて導き出される総括エネルギー消散率:εa を指標としたミキサーの性能評価と、その検証結果により、ステーターの開口部(ホール)の孔径は極力小さく、その孔数は極力多く、ローターとステーターの隙間は極力小さい場合において、ミキサーの性能が高くなることが分かった。また、ローターの翼の枚数が多い程、剪断頻度は高くなる。
ステーターの孔の形状は、くし歯状ではなく、円形状が良い。局所エネルギー消散率:εl は、剪断面積:Ss に正比例することが分かっている。よって、同一の断面積であれば、円形状で剪断面積:Ss が最大となるため、くし歯状よりも円形状が微粒化や乳化の性能(効果)として優れていると考えられる。
剪断頻度を高くする観点では、ローターの攪拌羽根(翼)の枚数は多いと良いこととなる。ただし、吐出流量が落ちると、タンク槽内の循環回数が減るため、微粒化や乳化の性能(効果)が低下する場合がある。前記で定義した理論式によると、ローターの翼の枚数が多いと、総括エネルギー消散率:εaが高くなることが分かる。一般的にはローターの翼の枚数として6枚を採用しているが、それを8枚にするだけで、微粒化や乳化の性能(効果)が約1.3倍に向上すると考えられる。
本発明で提案した指標(理論)を適用しながら検証実験することで、スケールアップ方法として利用できる。特に処理(製造)時間を考慮したスケールアップ方法として有用である。
図1を用いて説明した従来のミキサーと、図18、19を用いて説明した本発明のミキサーとについて比較試験を行った。比較試験は、図3に示すように、外部循環式のユニットを準備し、流路の途中で液滴径を、レーザー回折式粒度分布計(島津製作所:SALD−2000)により計測し、液滴径の微粒化傾向を検討することによって行った。
2 ステーター
3 ローター
4 ミキサーユニット
11a、11b 開口部
12、22 ステーター
13 ローター
13a、13b、13c、13d、13e、13f、13g、13h、・・、13j、13k 攪拌翼
14 ミキサーユニット
15 縦溝
17 回転軸
18 ノズル
19 ノズル開口
30 環状の蓋部
31 流入導管
33 導入孔
複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーであって、
前記ステーターは、周径の異なる複数のステーターからなり、各ステーターの内側に、それぞれ前記ローターが所定の隙間を空けて配置されていると共に、
前記ステーターと、ローターとが、ローターの回転軸が延びている方向で相互に近付く、又は離れることができるように構成されていて、
前記ステーターは、上端縁から径方向内側に伸びている環状の蓋部を備えている
ことを特徴とするミキサー
である。
前記ステーターと前記ローターとの間の前記隙間が0.5〜1mmの大きさであることを特徴とする請求項1又は記載のミキサー
である。
前記複数のステーターの中の最も径の小さいステーターより径方向内側の部分における前記環状の蓋部に、下側に向けて被処理流体を導入する導入孔が形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のミキサー
である。
前記開口部の孔径が2〜4mmであることを特徴とする請求項5記載のミキサー
である。
前記ステーターが備えている開口部は前記ステーターの周壁に全体の開口面積比率として20%以上で穿設されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項記載のミキサー
である。
前記ローターは、回転中心から放射状に延びる複数枚の攪拌翼を供えていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項記載のミキサー
である。
請求項1乃至8のいずれか一項記載のミキサーを設計する方法であって前記ミキサーの構造が、
当該ミキサーにより被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すときに、所定の運転時間で、被処理流体の所定の液滴径を得ることができるように、
式1を用いて計算して、当該ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を計算することにより設計されていることを特徴とするミキサーの設計方法。
請求項1乃至8のいずれか一項記載のミキサーをスケールダウンあるいはスケールアップする方法であって、
前記スケールダウンあるいはスケールアップを行う際に、式1を用いて計算して得られた総括エネルギー消散率 [m 2 /s 3 ]の計算値を一致させることにより、
前記ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を式1を用いて計算することで前記ミキサーにより被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すときに、所定の運転時間で、被処理流体の所定の液滴径を得ることができるようにして
前記スケールダウンあるいはスケールアップ行うことを特徴とするミキサーのスケールダウン及びスケールアップ方法。
請求項1乃至8のいずれか一項記載のミキサーを用いて、被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すことにより、食品、医薬品あるいは化学品を製造する方法であって、式1を用いて計算することにより、当該ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を計算して、望ましい液滴径を有している、食品、医薬品あるいは化学品を製造する方法。
ε a :総括エネルギー消散率 [m 2 /s 3 ]
ε g :ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m 2 /s 3 ]
ε s :ステーターの局所エネルギー消散率[m 2 /s 3 ]
N p :動力数 [-]
N qd :流量数 [-]
n r :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
b :ローターの翼先端の厚み [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
n s :ステーターの孔数 [-]
d :ステーターの孔径 [m]
l :ステーターの厚み [m]
N :回転数 [1/s]
t m :混合時間 [s]
V :液量 [m 3 ]
K g :隙間における形状依存項 [m 2 ]
K s :ステーターにおける形状依存項 [m 2 ]
K c :ミキサー全体の形状依存項 [m 5 ]
である。
Claims (9)
- 複数個の開口部を備えているステーターと、ステーターの内側に所定の隙間を空けて配置されるローターとからなる、ミキサーユニットを備えているローター・ステータータイプのミキサーであって、
前記ステーターは、周径の異なる複数のステーターからなり、各ステーターの内側に、それぞれ前記ローターが所定の隙間を空けて配置され、
前記ローターは、回転中心から放射状に延びる複数枚の攪拌翼を備えており、各撹拌羽根の径方向で外側の壁面と、前記ステーターの内周壁面との間に前記所定の隙間が形成されていると共に、
前記ステーターと、ローターとが、ローターの回転軸が延びている方向で相互に近付く、又は離れることができるように構成されている
ことを特徴とするミキサー。 - 被処理流体が、前記ステーターとその内側に所定の隙間を空けて配置される前記ローターとの間の隙間部に導入されることを特徴とする請求項1記載のミキサー。
- 前記ステーターは、上端縁から径方向内側に伸びている環状の蓋部を備えていることを特徴とする請求項1記載のミキサー。
- 前記複数のステーターの中の最も径の小さいステーターより径方向内側の部分における前記環状の蓋部に、下側に向けて被処理流体を導入する導入孔が形成されていることを特徴とする請求項3記載のミキサー。
- 前記ステーターが備えている開口部は円形状であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項記載のミキサー。
- 前記ステーターが備えている開口部は前記ステーターの周壁に全体の開口面積比率として20%以上で穿設されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項記載のミキサー。
- 請求項1乃至6のいずれか一項記載のミキサーを設計する方法であって前記ミキサーの構造が、
当該ミキサーにより被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すときに、所定の運転時間で、被処理流体の所定の液滴径を得ることができるように、
式1を用いて計算して、当該ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を計算することにより設計されていることを特徴とするミキサーの設計方法。
εa :総括エネルギー消散率 [m2/s3]
εg:ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
εs:ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
Np :動力数 [-]
Nqd :流量数 [-]
nr :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
b :ローターの翼先端の厚み [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
ns :ステーターの孔数 [-]
d :ステーターの孔径 [m]
l :ステーターの厚み [m]
N :回転数 [1/s]
tm :混合時間 [s]
V :液量 [m3]
Kg :隙間における形状依存項 [m2]
Ks :ステーターにおける形状依存項 [m2]
Kc :ミキサー全体の形状依存項 [m5]
である。 - 請求項1乃至6のいずれか一項記載のミキサーをスケールダウンあるいはスケールアップする方法であって、
前記スケールダウンあるいはスケールアップを行う際に、式1を用いて計算して得られた総括エネルギー消散率 [m2/s3]の計算値を一致させることにより、
前記ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を式1を用いて計算することで前記ミキサーにより被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すときに、所定の運転時間で、被処理流体の所定の液滴径を得ることができるようにして
前記スケールダウンあるいはスケールアップ行うことを特徴とするミキサーのスケールダウン及びスケールアップ方法。
εa :総括エネルギー消散率 [m2/s3]
εg:ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
εs:ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
Np :動力数 [-]
Nqd :流量数 [-]
nr :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
b :ローターの翼先端の厚み [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
ns :ステーターの孔数 [-]
d :ステーターの孔径 [m]
l :ステーターの厚み [m]
N :回転数 [1/s]
tm :混合時間 [s]
V :液量 [m3]
Kg :隙間における形状依存項 [m2]
Ks :ステーターにおける形状依存項 [m2]
Kc :ミキサー全体の形状依存項 [m5]
である。 - 請求項1乃至7のいずれか一項記載のミキサーを用いて、被処理流体に対して、乳化、分散、微粒化あるいは混合の処理を施すことにより、食品、医薬品あるいは化学品を製造する方法であって、式1を用いて計算することにより、当該ミキサーの運転時間と、これによって得られる被処理流体の液滴径を計算して、望ましい液滴径を有している、食品、医薬品あるいは化学品を製造する方法。
εa :総括エネルギー消散率 [m2/s3]
εg:ローターとステーターの隙間における局所剪断応力[m2/s3]
εs:ステーターの局所エネルギー消散率[m2/s3]
Np :動力数 [-]
Nqd :流量数 [-]
nr :ローターブレードの枚数 [-]
D :ローターの直径 [m]
b :ローターの翼先端の厚み [m]
δ :ローターとステーターの隙間 [m]
ns :ステーターの孔数 [-]
d :ステーターの孔径 [m]
l :ステーターの厚み [m]
N :回転数 [1/s]
tm :混合時間 [s]
V :液量 [m3]
Kg :隙間における形状依存項 [m2]
Ks :ステーターにおける形状依存項 [m2]
Kc :ミキサー全体の形状依存項 [m5]
である。
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