JP2018187566A - 粉体混合攪拌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、２種類以上の粉体を均一に混合攪拌することができる粉体混合攪拌装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明によれば、混合対象となる粉体を収容するための円筒状の容器と、前記円筒状の容器をその円筒の周方向に回転させる手段と、前記円筒状の容器の内部にその円筒軸を中心に回転自在に固定され、該容器の円筒軸方向の全長にわたって該容器の内周壁面に当接する攪拌翼と、前記攪拌翼を前記容器に対して相対的に回転させる手段であって、該容器の回転に同期して該攪拌翼を間欠的に回転させる手段と、を含み、前記攪拌翼は、その回転に伴って、前記容器内の粉体を両端側から中央側に向って移動させる形状を備えていることを特徴とする混合攪拌装置が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、粉体混合攪拌装置に関する。

従来、２種類以上の粉体を均一に混合攪拌するための装置について、種々検討がなされてきた（例えば、特許文献１、２）。

特開平１１−５７４３９号公報 特開２００７−５４７２９号公報

本発明は、２種類以上の粉体を均一に混合攪拌することができる新規な粉体混合攪拌装置を提供することを目的とする。

本発明者は、新規な粉体混合攪拌装置の構成につき鋭意検討した結果、以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、混合対象となる粉体を収容するための円筒状の容器と、前記円筒状の容器をその円筒の周方向に回転させる手段と、前記円筒状の容器の内部にその円筒軸を中心に回転自在に固定され、該容器の円筒軸方向の全長にわたって該容器の内周壁面に当接する攪拌翼と、前記攪拌翼を前記容器に対して相対的に回転させる手段であって、該容器の回転に同期して該攪拌翼を間欠的に回転させる手段と、を含み、前記攪拌翼は、その回転に伴って、前記容器内の粉体を両端側から中央側に向って移動させる形状を備えていることを特徴とする混合攪拌装置が提供される。

上述したように、本発明によれば、２種類以上の粉体を均一に混合攪拌することができる新規な粉体混合攪拌装置が提供される。

本実施形態の粉体混合攪拌装置の外観図。 本実施形態の粉体混合攪拌装置の攪拌翼の外観図。 本実施形態の粉体混合攪拌装置の使用手順を説明するための図。 本実施形態の粉体混合攪拌装置の左側面を時系列的に示す図。 接触期間における粉体混合攪拌装置を正面から見た図。 本実験で用いた攪拌翼の外観図。 実験結果を示すグラフ。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。

図１は、本発明の実施形態である粉体混合攪拌装置１００の外観を示す。ここで、図１（ａ）は装置の正面図であり、図１（ｂ）は装置を紙面左側から見た左側面図であり、図１（ｃ）は装置を紙面右側から見た右側面図である。

本実施形態の粉体混合攪拌装置１００は、混合対象となる２種類以上の粉体を収容するための円筒状の容器１０と、容器１０を固定するための短円柱状の容器固定部２４と、台座２０と、台座２０の上に突設され容器固定部２４を軸受２３を介して円柱の周方向に回転自在に支持する支持部２２と、容器固定部２４を回転させるためのモータ３０と、摩擦車１８と、制動手段４０とを含んで構成されている。

本実施形態における容器固定部２４の外周面にはプーリー３２が固定されており、モータ３０の回転動力がプーリー３４およびプーリーベルト３６を介してプーリー３２に伝達することで、容器固定部２４が軸Ａを中心に回転するように構成されている。

ここで、容器固定部２４には、図１（ａ）の右側に示すように、偏心穴２６が形成されている。偏心穴２６は、容器固定部２４の回転中心（軸Ａ）に対して偏心した中心を持ち、且つ、容器１０の外径に略等しい内径を有する円柱状の貫通穴であり、本実施形態では、容器１０が偏心穴２６に嵌合されることにより容器固定部２４に固定される。

本実施形態における容器１０は、円筒部材１２の両端開口部に蓋１３ａ，１３ｂを嵌合してなる密閉容器として構成されており、その内部には、攪拌翼１６が容器１０の円筒軸Ｂを中心に回転自在に固定されている。ここで、攪拌翼１６は、回転軸１７に固定されており、回転軸１７には、摩擦車１８が固定されている。本実施形態では、回転軸１７の両端が蓋１３ａ，１３ｂの各々に設けられた軸受（図示せず）に嵌合されることで、攪拌翼１６が回転自在に固定される。なお、本実施形態では、容器１０が偏心穴２６に嵌合された状態において、円筒軸Ｂが偏心穴２６の中心に一致する。

本実施形態における制動手段４０は、台座２０の上に突設された支持部４４と、支持部４４の上に固定された弾性体４２とを含んで構成されている。ここで、弾性体４２の固定位置は、容器固定部２４の回転に伴って容器１０の鉛直方向の位置が最も低くなるときに、摩擦車１８が弾性体４２に接触するように位置決めされている。なお、弾性体４２は、摩擦車１８の接触によって変形して、摩擦車１８に摩擦抵抗を付与することができるものであればよく、ゴムなどのエラストマーを例示することができる。

ここで、図２に基づいて、容器１０の内部に回転自在に固定される攪拌翼１６の形状について説明する。

図２に示すように、本実施形態の攪拌翼１６は、回転軸Ｂを対称軸とする線対称構造を備え、より具体的には、一文字状の攪拌片１６ａと、一文字状の攪拌片１６ｂと、正面から見て中央部が屈曲したへの字状の攪拌片１６ｃと、正面から見て中央部が屈曲した逆への字状の攪拌片１６ｄとが連続一体化された構造を備える。

ここで、攪拌片１６ａおよび攪拌片１６ｂは、互いに平行の関係にあり、攪拌翼１６が容器１０内に固定されたときに、攪拌片１６ａが容器１０の内壁底面１０ａの径方向の全長にわたって当接し、攪拌片１６ｂが容器１０の内壁底面１０ｂの径方向の全長にわたって当接するように、そのサイズ・形状が設計されている。

一方、攪拌片１６ｃおよび攪拌片１６ｄは、円筒軸Ｂを対称軸として互いに線対称の関係にあり、攪拌翼１６が容器１０内に固定されたときに、各々が容器１０の円筒軸方向の全長にわたって容器１０の内周壁面１０ｃに当接するように、そのサイズ・形状が設計されている。なお、実際の実装にあたっては、攪拌翼１６の形状を、適宜、最適化することが好ましく、例えば、攪拌片１６ｃ，１６ｄの内周壁面１０ｃと当接する部分の面積は、内周壁面１０ｃとの間に粉体が滞留しないように、なるべく小さくすることが好ましい。

以上、本実施形態の粉体混合攪拌装置１００の構造について説明してきたが、続いて、粉体混合攪拌装置１００の使用手順を図３を参照して説明する。

粉体混合攪拌装置１００を使用するに当たっては、まず最初に、図３（ａ）に示すように、容器１０から蓋１３ａを取り外す。次に、図３（ｂ）に示すように、容器１０内に攪拌翼１６を挿入して、その回転軸１７の一方の端を蓋１３ｂの軸受１４ｂに嵌入する。その後、混合する２種類以上の粉体を容器１０内に投入する。

次に、図３（ｃ）に示すように、蓋１３ａの軸受１４ａに回転軸１７の他方の端を嵌入して蓋１３ａを円筒部材１２に嵌合することにより、粉体を収容した容器１０を密閉する。このとき、回転軸１７と蓋１３の開口部の間はＯリング１５によって密閉され、粉体が外部に漏出しないようになっている。

次に、摩擦車１８の中心に形成された貫通穴１８ａに攪拌翼１６の回転軸１７を嵌合・固定することによって、摩擦車１８と攪拌翼１６を連結する。

最後に、摩擦車１８が連結された容器１０を容器固定部２４の偏心穴２６に嵌合・固定した後、モータ３０を駆動して、容器固定部２４を回転させる。

以上、本実施形態の粉体混合攪拌装置１００の使用手順について説明してきたが、続いて、粉体混合攪拌装置１００において粉体が均一に混合攪拌される原理を説明する。

図４（ａ）〜（ｄ）は、駆動する粉体混合攪拌装置１００の左側面を時系列的に示す。なお、各図の下段には、発明の理解を助けるために、容器固定部２４、容器１０および攪拌翼１６だけを抜き出して示す。また、図４においては、容器固定部２４の回転と摩擦車１８の回転を表現するために、便宜的に、容器固定部２４に記号（▼）を付し、摩擦車１８に記号（▲）を付した。

先に述べたように、本実施形態では、容器１０が容器固定部２４の偏心穴２６に固定されているため、容器固定部２４の回転に伴って、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、容器１０の位置が鉛直方向に上下する。これにより、本実施形態では、容器１０内の攪拌翼１６に連結された摩擦車１８が、容器固定部２４が１回転する毎に１回、制動手段４０の弾性体４２に接触することになる。

ここで、摩擦車１８が弾性体４２に接触しない期間においては、容器固定部２４と摩擦車１８が一体的に回転するので、図４（ａ）〜（ｂ）に示すように、容器１０に対する攪拌翼１６の回転方向の相対位置は変位しない。

一方、摩擦車１８が弾性体４２に接触する短い期間（以下、接触期間という）においては、弾性体４２と摩擦車１８の間に生じる摩擦抵抗によって摩擦車１８の回転が停止するので、容器固定部２４のみが回転する。その結果、接触期間においては、図４（ｃ）〜（ｄ）に示すように、容器１０に対する攪拌翼１６の回転方向の相対位置が変位する。つまり、本実施形態では、接触期間において、攪拌翼１６が容器１０に対して相対的に回転することになる。

図５は、接触期間における粉体混合攪拌装置１００を正面から見た図である。接触期間においては、攪拌翼１６が容器１０に対して相対的に回転することに伴って、容器１０の内周壁面近傍にある粉体Ｐが攪拌片１６ｃ，１６ｄによって削ぎ取られる。そして、このとき、削ぎ取られた粉体Ｐは、への字状に形成された攪拌片１６ｃ，１６ｄに沿って、容器１０の両端側から中央側に向って移動する。

つまり、本実施形態では、容器１０内の粉体は、容器固定部２４の回転に伴う容器１０の回転によって、容器１０の周方向に攪拌される一方で、容器１０の回転周期に同期した攪拌翼１６の間欠的な回転によって、容器１０の軸方向にも攪拌されるため、粉体が均一に混合攪拌される。

ここで、比重が大きく異なる粉体を混合する場合、容器１０の回転に伴って、容器１０の径方向に遠心力による分離作用が強く働くことになる。この問題に対し、本実施形態では、容器１０の内周壁面から粉体が周期的に削ぎ取られて容器１０内を自由落下するため、その都度、粉体に働いた分離作用がキャンセルされることになる。このため、本実施形態によれば、比重が大きく異なる粉体の組み合わせであっても、均一に混合攪拌することが可能となる。

なお、本実施形態では、粉体に働いた分離作用をキャンセルする目的に鑑みて、粉体が容器１０の内径距離を自由落下するのに要する時間よりも若干長い時間を、容器１０の回転周期（すなわち、容器固定部２４の回転周期）とすることが好ましい。

一方、粘着性を持つ粉体は、容器１０内で塊を生じやすい。これに対して、攪拌翼１６を常時回転させることは、粉体を圧縮し続けることになり、塊の発生を助長する。この問題に対し、本実施形態では、攪拌翼１６を間欠的に回転させることで生じる振動の作用で、容器１０内に生じた粉体の塊を分解する。このため、本実施形態によれば、粘着性を持つ粉体であっても、均一に混合攪拌することが可能となる。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、以下のような設計変更が可能である。

攪拌翼１６は、その回転に伴って、粉体を容器１０の両端側から中央側に向って移動させることができる形状を備えていればよく、例えば、進行方向が対向する２つの螺旋が容器１０の中央部を境として結合してなる第１の攪拌片と、容器１０の円筒軸Ｂを対称軸として当該第１の攪拌片と線対称の関係にある第２の攪拌片を含み、各攪拌片が容器１０の円筒軸方向の全長にわたって内周壁面１０ｃに当接する攪拌翼を採用してもよい。

また、攪拌翼１６を相対的に回転させるための機構は、攪拌翼１６に固定される回転軸１７に対して間欠的に制動トルクを付与する手段であればよく、上述した構成（偏心穴２６を備える容器固定部２４、摩擦車１８、制動手段４０）に代えて、例えば、回転軸１７に対して間欠的に制動トルクを付与する電磁石を採用してもよい。

その他の実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく当業者が推考しうる、その他の実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

＜粉体混合攪拌装置の作製＞
図１に示した粉体混合攪拌装置１００と同等の実験装置を作製した。本実験では、内径35mm，長さ127mm，容量70mlのサイズの容器１０を用意し、容器１０の内径に合った攪拌翼を設計して３Ｄプリンターで作製した。図６は、本実験装置に用いた攪拌翼１６ｘを示す。図６に示すように、攪拌翼１６ｘは、各攪拌片の容器１０の内周壁面に当接する部分の厚みが薄くなるように設計されている。

＜混合攪拌実験＞
本実験では、容器１０に、片栗粉(20g)と酸化アルミ粉（1g）を投入して容器固定部２４に固定した後、容器固定部２４を一定の回転数で１５分間にわたって回転させた。なお、本実験では、容器固定部２４の回転数[rpm]について、400rpm〜1000rpmの範囲内で異なる７つの条件を設定した。
＜実験結果＞

容器固定部２４を設定した回転数で１５分間回転させた後、容器１０内の粉体を採取して撮影した。自作のソフトを利用して、撮影した写真から所定の範囲内に存在する粒子の位置と個数を取得した後、各粒子について一番近い粒子との距離を算出して、その平均値ｄを求めた。次に、同じ個数の粒子を同じ範囲に正方格子状に配置した場合の粒子間の理論距離Ｄを算出し、理論距離Ｄに対する平均値ｄの比（ｄ／Ｄ）を均一度αとして算出した。

図７は、容器固定部２４の回転数[rpm]と均一度αの関係を示す。図７に示すように、均一度αは、600rpmのときに最高値（0.58）を示した。これは、粒子が乱数分布するときの均一度αの値（0.54）と比較して十分に高い値であった。また、この結果により、粉体が容器１０の内径距離(35mm)を自由落下するに要する時間を周期とする回転数（約700rpm）より若干小さい回転数（600rpm）のときに均一度αが最大化することが示された。

１０…容器、１０ａ…内壁底面、１０ｂ…内壁底面、１０ｃ…内周壁面、１２…円筒部材、１３ａ…蓋、１３ｂ…蓋、１４ａ…軸受、１４ｂ…軸受、１５…Ｏリング、１６…攪拌翼、１６ａ…攪拌片、１６ｂ…攪拌片、１６ｃ…攪拌片、１６ｄ…攪拌片、１６ｘ…攪拌翼、１７…回転軸、１８…摩擦車、１８ａ…貫通穴、２０…台座、２２…支持部、２３…軸受、２４…容器固定部、２６…偏心穴、３０…モータ、３２…プーリー、３４…プーリー、３６…プーリーベルト、４０…制動手段、４２…弾性体、４４…支持部、１００…粉体混合攪拌装置

Claims (5)

1. 混合対象となる粉体を収容するための円筒状の容器と、
   前記円筒状の容器をその円筒の周方向に回転させる手段と、
   前記円筒状の容器の内部にその円筒軸を中心に回転自在に固定され、該容器の円筒軸方向の全長にわたって該容器の内周壁面に当接する攪拌翼と、
   前記攪拌翼を前記容器に対して相対的に回転させる手段であって、該容器の回転に同期して該攪拌翼を間欠的に回転させる手段と、
   を含み、
   前記攪拌翼は、その回転に伴って、前記容器内の粉体を両端側から中央側に向って移動させる形状を備えていることを特徴とする
   粉体混合攪拌装置。
2. 前記攪拌翼は、
   前記容器の円筒軸を対称軸として互いに線対称の関係にある一対のへの字状の攪拌片を含む、
   請求項１に記載の粉体混合攪拌装置。
3. 前記攪拌翼は、
   進行方向が対向する２つの螺旋が前記容器の中央部を境として結合してなる第１の攪拌片と、該容器の円筒軸を対称軸として該第１の攪拌片と線対称の関係にある第２の攪拌片を含む、
   請求項１に記載の粉体混合攪拌装置。
4. 前記容器を回転させる前記手段は、
   前記容器を嵌合・固定するための偏心穴を備える円柱状の容器固定部と、
   前記容器固定部をその円柱の周方向に回転させる手段と、
   を含み、
   前記攪拌翼を間欠的に回転させる前記手段は、
   前記攪拌翼に連結される摩擦車と、
   前記容器固定部の回転に同期して前記摩擦車に間欠的に接触して摩擦抵抗を付与する弾性体と、
   を含む、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の粉体混合攪拌装置。
5. 前記攪拌翼を間欠的に回転させる前記手段は、
   前記攪拌翼の回転軸に対して間欠的に制動トルクを付与する手段を含む、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の粉体混合攪拌装置。