JP2020175379A - 攪拌機 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、広く知られた攪拌機、乳化、分散機の一種としてビーズミルやホモジナイザーが知られている。
高圧ホモジナイザーでは、機械の安定稼働の問題や大きな必要動力の問題等が解決されていない。
また、回転式ホモジナイザーは、従来プレミキサーとして用いられていたが、ナノ分散やナノ乳化を行うには、さらにナノ化の仕上げのために仕上げ機を必要とするのだが、プレミキサーとしてもその性能を上げる事でナノ分散やナノ化を行う仕上げ機の負荷を下げる事が可能となる。
特許文献1〜6へ従来の技術を例示する。
特許文献1には複数のカッタ羽根を備えると共に回転するローターと、前記ローターの周囲に敷設されたステータとを同芯で備え、前記ステータは、その周方向に複数のスリットと、隣り合う前記スリット同士の間に位置するステータ主部とを備え、前記ローターと前記ステータとのうち少なくともローターが回転することによって、被処理流動体が前記スリットを通じて前記ステータの内側から外側に吐出する際、強力な剪断力を与えて微細化や均質化を行う攪拌機が示されている。
特許文献2には複数の羽根を備えると共に回転するロータ−と前記ロータ−の周囲に敷設されたステータとを同心で備え、前記ステータはその円筒状側壁に複数の丸い穴や矩形の貫通穴が開いている。特許文献1と同様にローターが回転することによって被処理流動体が前記ステータの内側から外側に吐出する際、剪断力を与え均質化を行う攪拌機が示されている。
高速で回転するローターにより被処理流動体は吐出される。その際ローターの回転方向側の被処理流動体は圧力が上昇し、そのローター背面の被処理流動体は圧力が低下する。
またロータ−により吐出されステータの開口部を通過する際にも圧力の上昇と低下を繰り返しミクロ的な領域での温度上昇も影響しキャビテーションが発生する。
成長したキャビテーションは空洞化現象と呼ばれる場合もある。
キャビテーションは機械的な形状や運転状態、溶存気体、表面粗度等の影響が大きく影響する。
また、キャビテーションを用いて微粒化等の処理が実験機で上手くできたとしても、キャビテーションを用いての処理ではスケールアップ時に確実に再現できない事が多々発生する。
現在では蒸発の概念も含むことがあるが、実質の問題としてキャビテーションによるエロ―ジョンが大きな問題となる。エロ―ジョンが発生すると機械の振動は元より機械破損に繋がるためである。
気泡を含む、ボイド率0.2の水の音速は30m/sec以下となり、ボイド率0.4の水の音速は約20m/secになる。
即ち、前記ステータ部の前記羽根を臨む側を前記ステータ部の内壁面とし、前記ステータ部の前記羽根と反対側を臨む側を前記ステータ部の外壁面とし、前記ステータ部の内壁面に設けられた複数の前記貫通部の開口を流入開口とし、前記ステータ部の外壁面に設けられた複数の前記貫通部の開口を流出開口とし、前記流入開口の開口面積は、前記流出開口の開口面積よりも大きくなるように設けられたことを特徴とする。
即ち、前記ステータ部の前記羽根を臨む側を前記ステータ部の内壁面とし、前記ステータ部の前記羽根と反対側を臨む側を前記ステータ部の外壁面とし、前記ステータ部の内壁面に設けられた複数の前記貫通部の開口を流入開口とし、前記ステータ部の外壁面に設けられた複数の前記貫通部の開口を流出開口とし、前記流入開口と前記流出開口との間の空間を貫通部の内部空間とし、前記貫通部の内部空間は、前記流入開口から前記流出口へ至る途中に、断面積が前記内部空間の他の部分よりも小さな最小断面部分を備え、前記流出開口の開口面積及び前記流入開口の開口面積は、前記貫通部の内部空間の前記最小断面部分の断面積よりも大きくなるように設けられたことを特徴とする。
即ちローターに攪拌されてステータの貫通部を経てステータの内側からステータの外側へ放出される流動体について、貫通部の流入開口側よりも流出開口側の流体の移動速度を速めることによって、上記課題を解決したものである。
また本発明は、前記せん断が効率的になされる結果、ナノ分散やナノ乳化等の極めて微細な分散や乳化を実現することができた。
更に本発明は、粒子径の分布が狭く、粒子径の揃った粒子を得ることができる攪拌機を提供することができた。
即ち、本発明は、特にステータに対するローターの相対的な回転によって、実質的に貫通部を開閉するものでなく、貫通部を通じてステータの流入開口から流出開口へ向け連続的に流動体を吐出することとなるような、十分な間隔をステータとローターとの間に開けておくものについても、上記の通り貫通部の形態を工夫することにより、キャビテーションを抑制した上記の処理を行えるものとしたのである。
本発明を実施するに適した攪拌機100の例を図1(A)に示し、図1(A)の攪拌機100へ本発明を適要した例を図1(B)及び図2に示す。
図1において1はケーシングであり吸い込みカバー2によりステータ3は固定されている。吸い込みカバ―2には吸込口4が設けられ、ケーシング1には、吐出口5が設けられている。ケーシング1に設けられた軸封装置6を貫通して主軸7が回転可能に設けられている。主軸7の先端にローター8がナット9により固定されている。
上記円周方向は、ローター8(主軸7の)の回転方向に一致する。
図1及び図2へ示す例では、外側ステータカッタ13の夫々が請求の範囲の「ステータ主部」と対応し、隣り合う外側ステータカッタ13の間の空間が貫通部13aを構成する。
流入開口13bの開口面積は、流出開口13cの開口面積よりも大きくなるように設けられている(図1(B))。即ち貫通部13aは、流入開口13b側から流出開口13c側へ向けて漸次断面(流動体の移動方向と直交する面の断面)を小さくする、先窄みの空間となっている。
またこの例では、内側ステータカッタ12の夫々が内側ステータ主部を構成し、隣り合う内側ステータカッタ12間の空間が内側貫通部12aを構成する。
主軸7の駆動によりローター8が回転するとロータカッタ10のポンプ作用で被処理物が吸込口4から吸い込まれ、ステータカッタ12、ロータカッタ10、ステータカッタ13の間を通って外側に流出し吐出口5から排出される。その間にステータカッタ12,13とロータカッタ10との間の高速剪断作用により被処理流動体が微細化や均質化、乳化、分散処理がなされる。
隣り合うロータカッタ10間の隙間についても、上記貫通部13aや内側貫通部12a(図2)と同様の構成を採るものとしてもよい。
図1及び図2へ示す例では、上記外側ステータカッタ13群が1つのステータ部S(外側ステータ部S)を構成し、上記内側ステータカッタ12群が他の1つのステータ部S(内側ステータ部S)を構成する。
具体的には、ステータ3に関し上記図1及び図2へ示す複数のステータカッタ12,13をステータ3の周方向(ラジアル方向)に沿って配列したものとするのではなく、ステータ3は、ローター8の主軸7に対し同心に配置された2つ以上の筒状体を備えるものとするのである。
そしてステータ3の当該筒状体を上記ステータ部S(外側ステータカッタ13群に対応する外側ステータ部Sと、内側ステータカッタ12に対応する内側ステータ部S)として、上記貫通部13aや内側貫通部12aを、上記ステータ部Sの側部を貫通する穴(貫通穴)として形成することができる。
上記貫通部13a或いは内側貫通部12aを穴とする場合、当該穴(の開口)の輪郭は真円としてもよいし、長円としてもよい。また上記貫通部を、円に限らず矩形など三角形以上の多角形や円や、曲線或いは曲線と直線の組み合わせを輪郭とするものとしてもよい。
上記の通りステータ部Sを筒状体とし上記貫通部13aや内側貫通部12aを穴とする場合、ステータ部Sの、隣り合う当該穴同士の間に位置する領域(範囲)が請求の範囲の「ステータ主部」に対応する。
また上記スリットは、ステータ3の上記軸方向に沿って直線的に伸びる他、軸方向に対し螺旋状に伸びるものであっても実施できる。
図3中被処理流動体は、白抜き矢印の通り、攪拌機100内へ導入され処理後吐出される。
図5(A)〜(F)の例では、ステータ3は前述のステータ部Sを一つ(外側ステータ部S)のみ備え、ローター8は前述(図1及び図2)のロータカッタ10を備えない。但し前述の通りステータ3はステータ部Sを多段に備えるものとしてもよいし、ロータカッタ10を備えるものとしてもよい。前述の内側ステータ部Sに、図5(A)〜(F)と同様に内側貫通部12aと内側貫通部12aの各部を構成することもでき、その場合図中の括弧書の通り読み替えればよい。
また、図1(B)、図2へ示す例において、ロータカッタ10と上記外側ステータ部S及びロータカッタ10と上記内側ステータ部Sとの間の隙間S1,S2の夫々を、上記微小間隔或いは上記非微小間隔とすることができる。
特に上記ステータ部Sの周方向(ステータ3の円周方向)に沿って円弧を呈する流出開口13cの当該円弧の最大長さは0.2mm以上とし、当該円弧の両端を結ぶ弦の最大長さを4.0mm以下とするのが好ましい。
図5(A)の例では貫通部13aは、流入開口13bから流出開口13cへ向けて先細りとなる、すり鉢状(円錐台状)の空間である。従って、上記円錐台である貫通部13aの母線について、上記中心線に対する挟角θ(傾斜角)を上記とするのが適する。
最小断面部分13dを設ける場合、流出開口13cが流入開口13bより断面積の小さなものとしてもよいし、本発明の効果を得ることができる限り流入開口13bが流出開口13cより断面積の小さなものとしてもよい。
また貫通部13aの全区間の断面形状を四角形とする場合も、四角形の辺の比率が縦横変化するものとしてもよい(図5(E))。図5(E)へ示す例では最小断面部分13dは上記最小断面区間をなすものであるが、貫通部13aの奥側端13eにおいて、流入開口13bから最小断面部分13dに至るまでの間と最小断面部分13dのなす上記最小断面区間とは段差なく共に上記中心線と平行に伸びており、最小断面部分13dから流出開口13cに至るまでの間は上記中心線から漸次遠ざかるように傾斜している。一方手前側端13fについて図5(E)へ示す例では、流入開口13bから最小断面部分13dに至るまでの間は上記中心線へ漸次近づくように傾斜し、最小断面部分13dのなす上記最小断面区間と最小断面部分13dから流出開口13cに至るまでの間とは段差なく共に上記中心線と平行に伸びている。
図5(E)の貫通部13aは、穴としてもよいが、スリットとして実施するのに適する。
本発明によりキャビテーションの発生をより抑えられた新規の攪拌機を提供する事ができた。またステータの貫通穴形状の変更だけで実用上大きな効果をもたらす。
また、ローターからの吐出流はステータ流入開口部で直角に曲げられる。直角に曲がるとシミュレーション上では無限に近い真空度を発生する。
また、前述の直角に曲がる吐出流の問題も回避できキャビテーションの問題も著しく減少する。
この結果、剪断力の効果が大幅に改善し、被処理流動体は効率よく処理され、機械も安定運転が可能となる。
Claims (4)
- ステータと、前記ステータに対し回転可能なローターとを備え、
前記ローターは、前記回転の中心となる主軸と、複数の羽根とを備え、
前記ステータは、1つ又は複数のステータ部を有し、
前記ステータ部は、前記ローターの主軸を中心として前記羽根を取り囲み、
前記ローターの回転方向を周方向として、
前記ステータ部は、その周方向に複数の貫通部と、隣り合う前記貫通部同士の間に位置するステータ主部とを備え、
前記ローターと前記ステータとのうち少なくとも前記ローターが回転することによって、流動体が前記貫通部を通じ前記ステータ部の内側から外側に吐出する攪拌機について、
前記ステータ部の前記羽根を臨む側を前記ステータ部の内壁面とし、前記ステータ部の前記羽根と反対側を臨む側を前記ステータ部の外壁面とし、
前記ステータ部の内壁面に設けられた複数の前記貫通部の開口を流入開口とし、前記ステータ部の外壁面に設けられた複数の前記貫通部の開口を流出開口とし、前記流入開口と前記流出開口との間の空間を貫通部の内部空間とし、前記貫通部の内部空間は、前記流入開口から前記流出口へ至る途中に、断面積が前記内部空間の他の部分よりも小さな最小断面部分を備え、
前記流出開口の開口面積及び前記流入開口の開口面積は、前記貫通部の内部空間の前記最小断面部分の断面積よりも大きくなるように設けられたことを特徴とする攪拌機。 - 前記貫通部は、スリットと貫通穴の少なくとも何れか一方であり、
前記スリットは、前記ステータ部の軸方向の幅を前記ステータ部の周方向の幅よりも大きなものとし、前記スリットは、前記ステータ部の軸方向について両端を備える長穴と、前記ステータ部の軸方向について一端を開放する切欠部の、少なくとも何れか一方であり、
前記スリットにおいて、前記ステータ部の周方向について、前記流出開口の幅(So)及び前記流入開口の幅(Si)は、前記内部空間の前記最小断面部分の幅(Sm)よりも大きくなるように設けられ、
前記貫通穴において、前記流出開口の穴の面積及び前記流入開口の穴の面積は、前記内部空間の前記最小断面部分の穴の面積よりも大きくなるように設けられたものである請求項1記載の攪拌機。 - 前記ステータ部の周方向に沿って円弧を呈する前記流出開口の前記円弧の最大長さは0.2mm以上であり、前記円弧の両端を結ぶ弦の最大長さは4.0mm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の攪拌機。
- 前記ステータは、前記ステータ部を、夫々前記ローターの主軸と同芯に前記ステータの半径方向へ複数備えたことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の攪拌機。
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