JP2022064730A - 撹拌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シャフトの摩耗を抑えることでシャフトの寿命を延ばせる撹拌装置を提供する。【解決手段】撹拌装置１０は、撹拌槽１２と、撹拌槽１２内に配置され撹拌槽１２内で回転する撹拌翼と、撹拌翼の回転軸をなすシャフト１４と、シャフト１４に接続されシャフト１４を回転軸周りに駆動させる駆動部と、シャフト１４を、撹拌翼に対して駆動部とは反対側の被支持部で回転可能に支持する軸受３６とを備え、軸受３６は、撹拌槽１２に固定されたハウジング４２と、シャフト１４とハウジング４２との間に配置されるブッシュ４０とを備え、ブッシュ４０の内側面又は外側面の少なくとも一方には、駆動部の側から軸受の側に向けてスラリーを流す溝４８が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は撹拌装置に関する。

従来、撹拌槽内に撹拌翼を配置し、撹拌槽の上部に配置されたモータのシャフトに撹拌翼を取り付け、撹拌槽内で撹拌翼を回転させる撹拌装置が知られている（例えば、特許文献１）。

特開平９－１０８５５７号公報

撹拌翼で被処理流体を撹拌すると、シャフトにせん断力が作用しシャフトが安定しないことがある。そこで、特許文献１ではシャフトを安定させるためにシャフトの下部を軸受支持することが提案されている。シャフトは軸受に対して回転するため、軸受とシャフトの間にはわずかなクリアランスが存在する。被処理流体に含まれるスラリーが上方からこのクリアランスに入り込んでそこに溜まり、晶析しうる。晶析したスラリーは、シャフトまたは軸受を摩耗させうる。場合によってはスラリーの晶析によりシャフトが軸受に固着してシャフトや軸受が損傷を受ける恐れもある。

本発明は、上記課題を解決するものでありシャフトまたは軸受の摩耗を抑えることでその寿命を延ばせる撹拌装置を提供することを目的とする。

本開示の一態様によると、攪拌装置は、撹拌槽と、撹拌槽内に配置され撹拌槽内で回転する撹拌翼と、撹拌翼の回転軸をなすシャフトと、シャフトに接続されシャフトを回転軸周りに駆動させる駆動部と、シャフトを、撹拌翼に対して駆動部とは反対側の被支持部で回転可能に支持する軸受とを備え、軸受は、撹拌槽に固定された固定部と、シャフトと固定部との間に配置されるブッシュとを備え、ブッシュの内側面又は外側面の少なくとも一方には、駆動部の側から軸受の側に向けてスラリーを流す流路が形成されている。

実施形態による撹拌装置の一部切り欠き斜視図を示す。 図１のＡＡ断面における断面図である。 図２のＢＢ断面における断面図である。 変形例によるブッシュの断面図である。 変形例によるブッシュの展開図である。 変形例によるブッシュの断面図である。 さらなる変形例による軸受の断面図である

以下、実施形態による撹拌装置について説明する。図１は撹拌装置の一部切り欠き斜視図を示す。図１に示すように撹拌装置１０は、撹拌槽１２と、シャフト１４と、撹拌翼１６とを備える。以下の説明において上及び下のような方向を示す用語を用いることがあるが、これらの用語は攪拌装置を使用可能な状態に配置したときの方向を示すものとする。また以下の説明において径方向という用語を用いることがあるが、径方向はシャフトの径方向を示すものとする。また以下の説明において回転軸又は軸という用語を用いることがあるが、これらはシャフト１４の回転軸をいう。

撹拌槽１２は、中空の胴体１８と、胴体１８の上端を閉じる胴体上部２０と、胴体１８の下端を閉じる胴体下部２２とを備える。胴体１８、胴体上部２０、及び胴体下部２２は一体に形成され、被処理流体を撹拌するための密閉空間が撹拌槽１２内に形成される。胴体１８の内壁には、上下方向に延びる複数の邪魔板２４が形成される。

シャフト１４及び撹拌翼１６は、撹拌槽１２内部に配置される。撹拌翼１６は、シャフト１４に固定される。撹拌翼１６は、ボトムパドル２６と、格子翼２８とを備える。ボトムパドル２６はシャフト１４の下端付近に固定され、撹拌槽１２の底部付近、つまり胴体下部２２内の被処理流体を撹拌する。ボトムパドル２６の下端と撹拌槽１２の底部との間には、撹拌槽１２の半径の１～１０％程度のクリアランスを設けるのがよい。このような構成によりボトムパドル２６は、被処理流体を径方向に移動させながら撹拌槽１２の底部に付着したスラリーを掻き取る。

格子翼２８は、シャフト１４の上端付近に固定され、撹拌槽１２の胴体１８内の被処理流体を撹拌する。格子翼２８は、アーム部３０と、ストリップ３２とを備える。アーム部３０は径方向に延びる２枚のパドルにより形成される。ストリップ３２は、アーム部３０と直交して延びる板棒状体により形成される。このような構成により格子翼２８は、被処理流体をせん断して細分化しながら、格子翼２８の回転方向下流に生じる微小な渦により細分化した被処理流体を掻き混ぜる。

複数の邪魔板２４は、上面視したときに等間隔で胴体１８の内壁に固定されている。邪魔板２４は、上下方向において胴体１８の全長にわたり連続する板状体により形成される。隣接する邪魔板２４の間には環流路が形成されている。環流路は、撹拌翼１６の下端から上端にかけて延びる。環流路は、ボトムパドル２６により径方向に押し出された被処理流体を、円運動させずに撹拌翼１６の上側まで案内する。

胴体上部２０には、シャフト１４及び撹拌翼１６を駆動させるための駆動部３４が内蔵される。駆動部３４は、シャフト１４及び撹拌翼１６を軸周りに駆動させる。駆動部３４は、シャフト１４の上端付近において撹拌槽１２と固定される。駆動部３４は、カップリングＣを介してシャフト１４に固定される。

胴体下部２２には、シャフト１４の下端付近の被支持部側を軸周りに回転可能に支持するための軸受３６が配置される。シャフト１４は上端が駆動部３４により支持され、下端が軸受３６により支持されている。軸受３６は撹拌槽１２内に配置される。軸受３６の固定側は撹拌槽１２の底部に固定され、回転側はシャフト１４に固定される。軸受３６の具体的な構造について詳述する。

図２は、図１のＡＡ断面における断面図である。図３は、図２のＢＢ断面における断面図である。なお図２及び図３は、各断面を概略的に示すものであり、必ずしも正確な寸法を示すものではない。

図２及び図３に示すように、軸受３６は、スリーブ３８と、ブッシュ４０と、固定部としてのハウジング４２とを備える。スリーブ３８は、シャフト１４と共に回転し、ブッシュ４０及びハウジング４２は撹拌槽１２に固定される。スリーブ３８は、シャフト１４の下部の周囲を囲む筒状を有する。スリーブ３８は、厚さが均一な円筒形状の底部を塞いだ形状を有する、ということもできる。スリーブ３８は、例えばステンレスなどの耐摩耗性の高い金属材料により形成される。スリーブ３８は、ストッパープレート５２を介してボルト４４によりシャフト１４に固定される。したがってスリーブ３８はシャフト１４と一緒に回転し、シャフト１４に対して相対移動不能になっている。ボルト４４を緩めることでスリーブ３８をシャフト１４に対して着脱でき、スリーブ３８が摩耗した際にスリーブ３８を交換できる。なお、スリーブ３８は、シャフト１４の下端の周囲及び底部を囲むカップ形状を有していてもよい。

ブッシュ４０は、スリーブ３８と接触しないようスリーブ３８の径方向外側に配置される。ブッシュ４０は、スリーブ３８の外径よりも大きい内径を有する円筒体により形成される。ブッシュ４０は、樹脂材料、ホワイトメタル等の硬度の低い金属材料、スリーブ３８又はシャフト１４よりも耐摩耗性の低い材料により形成される。ブッシュ４０は全周にわたって厚みが均一である。ブッシュ４０の径方向の厚みは、スリーブ３８の径方向の厚みよりも大きい。例えばスリーブ３８の径方向の厚みを７．５ｍｍとした場合、ブッシュ４０の径方向の厚みは１０ｍｍとされる。ブッシュ４０の上下方向の長さは、スリーブ３８の上下方向の長さより短い。これにより、ブッシュ４０をスリーブ３８の外側に配置したときに、ブッシュ４０の内側面全体がスリーブ３８の外側面と対向する。ブッシュ４０の内径は、スリーブ３８の外径よりも僅かに大きい。例えばブッシュ４０の内径を１１１ｍｍとした場合、スリーブ３８の外径は１１０ｍｍとされる。これによりブッシュ４０をスリーブ３８の外側に配置したときに、スリーブ３８とブッシュ４０との間に幅０．５ｍｍの環状の隙間４６が形成される。円筒形状の隙間４６の径方向の厚みは、例えば０．３ｍｍ～０．９ｍｍの範囲で設定できる。ブッシュ４０の内側面には、隙間４６と連通する複数の溝４８が形成される。溝４８については後述する。

隙間４６は、スリーブ３８とブッシュ４０との間に設けられる円筒形状の空間である。隙間４６は、軸受３６の回転側と固定側との間に形成されている、ということもできる。隙間４６は、上側及び下側が撹拌槽１２の内部空間に向けて開いている。隙間４６の上端は胴体上部２０側を向いており、隙間４６の下端は撹拌槽１２の底部側を向いている。隙間４６は上端から下端まで連続して延び、例えば上端から被処理流体を受け入れ、下端から被処理流体を排出する。隙間４６の幅は、被処理流体の粘度、スラリーの粒径、スラリーの含有量、撹拌装置１０の駆動時の回転速度等に応じて適宜変更可能である。撹拌槽１２が被処理流体で充たされると隙間４６内にも被処理流体が流れ込み、隙間４６内の内圧が高まる。これにより、ブッシュ４０とスリーブ３８との間の径方向の相対的な位置が固定される。

ハウジング４２は、ブッシュ４０の外側に配置される円筒体により形成される。ハウジング４２の内径はブッシュ４０の外径と同一であり、ハウジング４２の内周にブッシュ４０が固定され、ブッシュ４０はハウジング４２に対して相対移動不能にされる。ハウジング４２は、３本の脚部５０を介して撹拌槽１２に固定される。脚部５０はハウジング４２の外側に溶接されている。ハウジング４２は、撹拌槽１２に対してブッシュ４０を位置決めし、保持する。

駆動部３４の側（上側）から軸受３６の側（下側）に向けてスラリーを流す流路として、溝４８がブッシュ４０の内側面とシャフト１４の外側面（具体的には、スリーブ３８の外側面）との間に形成されている。溝４８は、シャフト１４の軸方向に延びる。溝４８は、ブッシュ４０の内側面に形成され、隙間４６に向けて開いている。したがって隙間４６内に被処理流体が流入すると、溝４８は被処理流体で充たされる。この例では３本の溝４８が形成されていることとするが、溝４８の本数はこれに限定されない。

溝４８は、ブッシュ４０の上端から下端まで連続して延びる。つまり、溝４８は軸受３６の上側の端面から下側の端面まで軸受３６を貫通して延びる。これにより、軸受３６を上下方向に貫通する被処理流体の流れを作り出せる。この例では溝４８は、ブッシュ４０の上端から下端にかけて上下方向に一直線上に延びる。別の観点で説明すると、ブッシュ４０は、溝４８が形成されていない箇所で第１の直径を有し、溝４８が形成されている箇所で第１の直径よりも長い第２の直径の拡径部を有する、とも言える。水平面における溝４８の断面は矩形である。水平面で見たときの溝４８の底部の角に丸みを付けてもよい。複数の溝４８は、周方向において等間隔に配置される。溝４８の深さ（径方向の寸法）は、ブッシュ４０の厚みに応じて決定できる。例えばブッシュ４０の厚みが１０ｍｍの場合、溝４８の深さは、少なくとも５ｍｍ以上であることが好ましい。溝４８の深さはブッシュ４０の形状を保てる範囲で適宜決定できる。ブッシュ４０の形状を保つために最低限、３ｍｍの厚みが必要な場合、溝４８の深さはブッシュ４０の厚みから３ｍｍを減じた値とすることができる。溝４８の深さはブッシュ４０の厚みに対する比率に基づいて決定してもよく、溝４８の深さをブッシュ４０の厚みの例えば３０～８０％、より好ましくは４０％～６０％の範囲で決定してもよい。

溝４８の幅は、ブッシュ４０の内側面の表面積に応じて決定できる。例えば、ブッシュ４０とスリーブ３８の径方向の相対的な位置関係を保持するために必要なブッシュ４０の内側面の表面積が、内側面の表面積全体の７０％であるとする。この場合、残りの３０％を溝４８に割り当てられる。したがって残りの３０％の表面積を溝４８の本数で除し、さらに溝４８の長さで除した値が溝の幅となる。ブッシュ４０の形状を保つブッシュ４０の内側面の表面積に対して溝４８の投影面積が占める割合は、１０％以上、かつ３０％以下であるのがよい。溝４８の投影面積が多すぎるとブッシュ４０の形状を保ち難くなるからである。このとき溝４８により占められる表面積をブッシュ４０の内側面の一か所に固めず、複数の溝４８を周方向に等間隔に分散させるのがよい。

次に撹拌装置１０の作用について説明する。

撹拌装置１０により被処理流体を撹拌する場合、撹拌槽１２内に被処理流体を流し込み、さらに必要に応じてガスを注入し、撹拌槽１２を密封する。次いで駆動部３４をオンにし、シャフト１４を回転駆動させる。シャフト１４が回転すると、シャフト１４に固定された撹拌翼１６が撹拌槽１２内で回転する。シャフト１４の下端は軸受３６により支持されるため、シャフト１４が被処理流体の抵抗を受けても揺動することなく安定して回転する。被処理流体は撹拌翼１６により径方向外側に押し出されながら重力により撹拌槽１２底部に向かって流れる。撹拌槽１２底部に到達した被処理流体は、上側から流れてくる被処理流体により加圧され、撹拌槽１２上部に流れる。

撹拌槽１２に被処理流体の流れが発生すると、同時に軸受３６の隙間４６及び溝４８内にも被処理流体の流れが発生する。隙間４６が被処理流体で充たされると、固定側のスリーブ３８と回転側のブッシュ４０の間隔は一定に保たれる。これにより、スリーブ３８とブッシュ４０が接触することなく、スリーブ３８がブッシュ４０内部で回転する。

被処理流体の撹拌が進み被処理流体に含まれるスラリーがスリーブ３８とブッシュ４０との間に到達することがある。スラリーの径が大きい場合、スリーブ３８とブッシュ４０との間に入り込んだスラリーが、スリーブ３８及びブッシュ４０を摩耗させることがある。またスリーブ３８とブッシュ４０の間にスラリーが詰まるとシャフト１４の回転に伴って振動が発生することがある。振動が長期間続いた場合、又は振動が大きくなった場合、例えば相対的に応力が加わりやすい脚部５０とハウジング４２との溶接部が破損する可能性もある。

実施形態による撹拌装置１０では、スリーブ３８とブッシュ４０との間にスラリーが入り込んだとしても、被処理流体の流れによってスラリーが溝４８内に流れる。溝４８はスラリーの粒径に対して十分大きい断面を有している。したがってスリーブ３８とブッシュ４０との間に入り込んだスラリーは被処理流体の流れに乗って溝４８内に流れ込み、溝４８を介して軸受３６の外部に排出される。これにより、スラリーが長時間、軸受３６内に滞在して晶析する前にスラリーを軸受３６外部に排出できる。スラリーを軸受３６外部に排出することで、スラリーによるスリーブ３８及びブッシュ４０の摩耗を減らし、スリーブ３８及びブッシュ４０の長寿命化を図れる。また、応力が加わり易い箇所の破損の可能性を減らせる。

また実施形態による撹拌装置１０では、スリーブ３８とブッシュ４０との間に軸周りの被処理流体の流れ（テイラー渦）を作り出せる。これにより、スリーブ３８とブッシュ４０の駆動熱を被処理流体により吸収できる。スリーブ３８とブッシュ４０を除熱することで晶析を減らし、スラリーの量を減らせる。

本開示は実施形態に限定されるものではなく、各構成は必要に応じて適宜変更可能である。本開示の範囲内において以下の変形例が想定される。

図４は変形例によるブッシュの断面図であり、図５は変形例によるブッシュの展開図である。図４は、軸に沿ったブッシュの縦断面図である。図５は、ブッシュの一部を上下方向に切断して展開し、ブッシュの内側面を示す。図４及び図５に示すように、溝１４８を回転軸に対して傾斜させてもよい。つまりこの例ではブッシュ１４０は、シャフト周りに旋回する溝１４８を有する。このような螺旋状の溝１４８によっても、実施形態と同様の効果を得られる。

また変形例によるブッシュ１４０を用いた場合、溝１４８の旋回方向と、シャフトの回転方向を逆向きにするのがよい。つまり、ブッシュ１４０を上面視したときに溝１４８が下に向かって時計回りに旋回する場合、シャフトの溝１４８の方向が反時計周りになるように配置するのがよい。例えば、図５に示す矢印Ｄ方向にシャフトを回転させて矢印Ｄ方向に被処理流体の流れを作り出すものとする。この場合、スラリーは被処理流体の流れ及び重力の作用により、ブッシュ１４０の内側面に対して矢印Ｅ方向（回転方向下流向き、かつ下向き）に移動する。これにより、溝を上下方向に一直線にした場合と比較して、スラリーと溝１４８との距離が短くなってスラリーがより早く溝１４８に到達し、スラリーの排出性能を向上させられる。

図６は、変形例による軸受の断面図である。図６は図２と同一の断面を示す。図６に示すようにシャフト１４に樹脂製のブッシュ４０を取り付け、ハウジング４２に金属製のスリーブ３８を取り付けてもよい。この場合、シャフト１４に取り付けられたブッシュ４０の外周面に溝４８を形成するのがよい。このような構成によっても、実施形態と同様の効果を得られる。

図７はさらなる変形例による軸受の断面図である。図７の断面は、図２と同一の断面を示す。図７には、軸受の幾つかの変形例を示す。以下の変形例では説明の便宜上、実施形態と同一の符号を用いるものとする。

図７（Ａ）に示すように、スリーブを省略してもよい。この場合、溝４８は直接、シャフト１４の外側面と対向する。このような構成によっても、実施形態と同様の効果を得られる。

図７（Ｂ）に示すように、溝４８をスリーブ３８に形成してもよい。この場合、溝４８は固定側ではなく回転側に形成される。このような構成によっても、実施形態と同様の効果を得られる。この場合、スリーブ３８を樹脂製のブッシュと入れ替えてもよい。つまり外周面に溝４８が設けられたブッシュをシャフト１４の外周に取り付けてもよい。

図７（Ｃ）に示すように、溝４８をスリーブ３８に形成したうえで、ブッシュを省略してもよい。このような構成によっても、実施形態と同様の効果を得られる。

図７に示すように溝４８は、軸受３６の回転側と固定側との間であれば、径方向におけるどの位置に設けてよく、どの部材と対向するように形成してもよい。

上述の実施形態を一般化すると特許請求の範囲に記載された発明に加えて以下のような態様も想定される。

撹拌槽と、
前記撹拌槽内に配置され前記撹拌槽内で回転する撹拌翼と、
前記撹拌翼の回転軸をなすシャフトと、
前記シャフトに接続され前記シャフトを回転軸周りに駆動させる駆動部と、
前記シャフトを、前記撹拌翼に対して前記駆動部とは反対側の被支持部で回転可能に支持する軸受とを備え、
前記軸受は、前記撹拌槽に固定された固定側構成部と、前記シャフトとともに回転する回転側構成部とを備え、前記固定側構成部と前記回転側構成部との間には前記駆動部の側から前記軸受の側に向けてスラリーを流す流路が形成されている、攪拌装置。

１０ ：撹拌装置、 １２ ：撹拌槽、 １４ ：シャフト、 １６ ：撹拌翼、 ３６ ：軸受、 ３８ ：スリーブ、 ４０ ：ブッシュ、 ４２ ：ハウジング、 ４８ ：溝、 １４０ ：ブッシュ、 １４８ ：溝

Claims (8)

1. 撹拌槽と、
   前記撹拌槽内に配置され前記撹拌槽内で回転する撹拌翼と、
   前記撹拌翼の回転軸をなすシャフトと、
   前記シャフトに接続され前記シャフトを回転軸周りに駆動させる駆動部と、
   前記シャフトを、前記撹拌翼に対して前記駆動部とは反対側の被支持部で回転可能に支持する軸受とを備え、
   前記軸受は、前記撹拌槽に固定された固定部と、
   前記シャフトと前記固定部との間に配置されるブッシュとを備え、
   前記ブッシュの内側面又は外側面の少なくとも一方には、前記駆動部の側から前記軸受の側に向けてスラリーを流す流路が形成されている、撹拌装置。
2. 前記ブッシュは前記固定部に対して相対移動不能に固定されており、
   前記流路は、前記シャフトの外側面との間で前記駆動部の側から前記軸受の側に向けてスラリーを流すよう前記ブッシュの内側面に形成されている、請求項１に記載の撹拌装置。
3. 前記ブッシュは前記シャフトに対して相対移動不能に固定されており、
   前記流路は、前記固定部との間で前記駆動部の側から前記軸受の側に向けてスラリーを流すよう前記ブッシュの外側面に形成されている、請求項１に記載の撹拌装置。
4. 前記流路は、前記シャフトの軸方向に延びる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撹拌装置。
5. 前記流路を複数本備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撹拌装置。
6. 前記流路は、前記軸受の駆動部側の端面から被支持部側の端面まで貫通している、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撹拌装置。
7. 前記流路は、前記駆動部側から前記被支持部側に向けて前記シャフトの周りで旋回して延びる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撹拌装置。
8. 前記流路の旋回方向は、前記シャフトの回転方向とは逆向きである、請求項７に記載の撹拌装置。

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