JP3640994B2

JP3640994B2 - 高速撹拌型分散機

Info

Publication number: JP3640994B2
Application number: JP33814994A
Authority: JP
Inventors: 治長岡
Original assignee: 三井鉱山株式会社
Priority date: 1994-12-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: JPH08173783A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、粉体または粒体等を高速で撹拌して混合、分散、表面改質、複合化等の処理を行う高速撹拌型分散機に関する。
【０００２】
【従来の技術と問題点】
従来、粉体又は粒体の混合、分散には、図１に示す堅型円筒状の処理槽で構成される流動撹拌型混合機が使用されている。通常、その羽根の回転速度は、先端の周速度で10〜40m/s とすることが多く、普通の混合処理や、分散処理には十分であった。
ところが近年では、粉砕や解砕を伴う高度に微細な分散処理や、粉体の表面処理、或は複合化処理等の要求が多くなり、これらの処理においては、羽根の回転速度を通常の1.5 〜2.0 倍に速くして剪断力や、衝撃力を高めることをが試みられてきた。
【０００３】
この様な処理は一部実用化されているが、次のような問題があった。
１）流動撹拌型混合機は、槽内の処理物を全体的に流動化させることを基本としており、その為に撹拌羽根の長さは、槽内径の95〜98％と長くしている。
従って、撹拌羽根の先端と槽壁との隙間が小さく、かつ撹拌羽根から遠心力で放出された処理物は槽壁に対して直角に激しく衝突するために、羽根の回転速度を早くすればするほど処理物が槽壁に付着しやすくなる。
処理物が槽壁に付着すると、製品の収率が低下したり、運転後に面倒な清掃が必要となるばかりでなく、槽壁に付着した処理物が製品の中に入り未処理物の混入した製品となる。
【０００４】
２）この様な流動撹拌型混合機では、その所用動力は羽根の回転速度の 1.5〜2.0 乗に比例して増加するので、撹拌羽根を通常の 1.5〜2.0 倍の回転速度で運転した場合、通常の1.8 〜4.0 倍と異常に高い動力が必要となる。
【０００５】
３）処理物を全体的に流動化させるということは、処理物中に多くの空気を巻き込むということになる。このため処理状態での嵩密度は小さくなり、撹拌羽根の回転速度を速くしても、剪断力や、衝撃力を高める効果が期待するほどには大きくならず、目的とする分散処理や、複合化処理が思うように達成できない。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、以上のような問題点を解決した高速撹拌型分散機を実現するものである。
すなわち、発明者らは、付着の問題について研究した結果、前記のような流動撹拌型混合機の運転経験から、処理物の付着について次の知見を得た。
１）付着が起りやすいのは、処理物が激しく衝突する部分であり、撹拌羽根の先端に近い槽壁や、槽内に挿入されたデフレクター等に起りやすい。
２）また、処理物の流れが淀む撹拌羽根の中心部や、処理物が断続的あるいは一時的に流れる槽壁の上部にも付着が起りやすい。
３）一方、処理物が表面に沿った状態で、常に適当な流速で流れている部分には、処理物自身によるセルフクリーニングの効果により付着が全く起らない。
以上の知見に基づき、付着の起らない処理槽の形状及び羽根の形状を検討した結果、本発明を完成したものであり、その要旨とするところは、処理槽を球形とし、槽底を水平円板状に構成し、この槽底の中心を垂直に貫く駆動軸に円錐状もしくはこれに類似したボスを取り付け、ボスの下端外周に処理槽内壁に沿って処理物を放出する撹拌羽根を設けたことである。
【０００７】
以下これを詳しく説明すると、先ず、本発明において処理槽の形状は、堅型円筒状ではなく球形とした点に特徴を有する。
ここに球形とは、広い意味に理解されるべきであり、球形に近い例えば回転楕円体のような形状も含む。望ましくは字義通りの球形の方がよく、これは処理物の流れが理想的になるばかりでなく、製作が容易で、制作費用も安価となるからである。
【０００８】
本発明では処理槽が球形のため、撹拌羽根によって放出された処理物は、槽壁に沿って滑らかに上昇して槽の頂部近傍まで到達するので、槽の内壁表面は全ての場所において、常に処理物によってセルフクリーニングされることになった。次に、処置槽の槽底は水平円板状となっており、その中心に垂直な駆動軸が貫通し、ここに、比較的大きな円錐形またはこれに類似の形状のボスが配備されている。
【０００９】
このボスの形状は単純な円錐形だけでなく、円錐形に類似の形状をも含み、角錐形のボスも円錐形に類似の形状に含まれ、更に例えば図３に示すように円錐形を変形した末広がりのものも有効と考えられる。また周面には処理物を裾に案内する溝を設けてもよく、これらも本発明の円錐形に類似の形状に含まれる。
しかし、単純な円錐形でも充分な性能が確認されたので、制作費用が安価な単純な形状が望ましい。
【００１０】
ボスを上記のような形状とした第１の目的は、前述のように撹拌羽根の中央部に処理物の淀みが生じるのを防ぐためである。即ち、槽の頂部から落下した処理物は、ボスの表面に沿って落下しボスの下端外周部の撹拌羽根に到達するので、この間に淀みを生じることはない。また処理物は、常にボスの表面に沿って滑らかに流れているので、ボスの表面はセルフクリーニングされることになる。
ボスの表面に沿って落下し、ボスの下端外周部に取付けられた撹拌羽根に到達した処理物は、撹拌羽根の回転力により放出されて槽壁に沿って上昇することになる。つまり、処理物は下降流から上昇流に反転しなければならない。
【００１１】
ボスの形状についての第２の目的は、反転する処理物の流れを滑らかにして、撹拌羽根の回転力を有効に活用することにある。即ち、処理物はボスの斜面に沿って落下し、しかも遠心力を受けるので、下向きの力は次第に減衰された状態で撹拌羽根に到達することになる。
このようなボスの外周には、撹拌羽根が設けられる。その形状は処理槽内壁に沿って処理物を放出するものならばいかなるものでもよく、例えば、撹拌羽根の下側エッジを処理槽の内壁に沿ってカーブさせるのがよい。その場合羽根の側面の投影形状は先端を上に向けた牛の角に類似した投影形状となる。また同時に、処理物に剪断力や衝撃力を与える機能があればなお良い。撹拌羽根の枚数は、小型の場合は２枚で良いが、大型の場合は必要に応じて枚数を増加してもよい。
【００１２】
この撹拌羽根はボスの外周に沿って下降し下向きの力を失った状態の処理物に対して上向きの力を与えることになり、羽根のエネルギーが有効に活用されることになる。
一方、前記槽底は比較的大きな水平円板状の板で構成するのがよい。これは、処理物の流れやボスの形状との関係を総合して決定されるものであるが、最も重要なことは、撹拌羽根から放出された処理物が槽壁に沿って上昇する時に、上昇の途中で失速して落下することなく、槽の頂部近傍まで到達することである。
【００１３】
即ち、この水平円板部を小さくするほど、撹拌羽根は球形槽の下の方に設置されることになるが、撹拌羽根が下の方に設置されるほど、処理物に与えられる力は水平外向きの成分が大きくなる。ところが球の上半分部においては、処理物は内向きに進むことになるので、外向きの成分が大きいと、処理物は途中で失速しやすくなるのである。これはまた、処理物に無駄なエネルギーを与えることにもなる。
【００１４】
そこで、処理物に与えられる力の大部分が上昇力となるように、円板すなわち槽底の直径と撹拌羽根の位置を設定しなければならない。
以上のことから槽底の直径、ボス底面の直径、および撹拌羽根の直径は、具体的に次のように決定された。
槽底の直径と球の直径との比は、0.25〜0.70好ましくは0.55である。
また、ボス底面の直径と槽底の直径との比は、0.50〜1.00、好ましくは1.00である。
更に、撹拌羽根の直径と球の直径との比は、0.70〜0.90、好ましくは 0.80 である。
【００１５】
また、本発明では撹拌羽根を高速で回転することにより、比較的小さな動力で、処理物は処理槽内を循環するのに充分なエネルギーを与えられ、且つ撹拌羽根のみでも処理に必要な剪断力や衝撃力が与えられるが、従来の流動撹拌型混合機と比較すると所用動力には余裕があり、能力を更に高めるために補助羽根を追加するのが望ましい。
【００１６】
この補助羽根は前記ボスの上部位置に取り付け、補助羽根の直径は比較的小さくして、少なくとも撹拌羽根の直径よりも小さくする。
補助羽根の枚数は、小型の場合は２枚で良いが、大型の場合は必要に応じて枚数を増加してもよい。あるいは、１段ではなく多段としても良い。
補助羽根の直径を比較的小さくしたのは、循環している処理物の下降流部分に作用させるためである。即ち、補助羽根は処理物の循環を妨げることなく作用し、処理物は一循する度毎に作用を受けるので、効率の良い処理ができるからである。また、処理物の全量に対してではなく、循環している処理物の一部に対して作用するので所用動力を小さく押さえることができる。
【００１７】
本分散機の処理能力は、従来の流動撹拌型混合機と比較して著しく向上し、その使用方法をも変更するものである。即ち、従来は処理槽の容積に対しておよそ２／３程度しか投入することが出来なかったが、本分散機では静止状態における処理物の仕込み量を、処理槽の容積の半分以上、好ましくは９０％以上投入して処理することができる。
【００１８】
なおその他の付加手段として、処理槽の外側にジャケットを設けて二重構造とし、熱媒体を流すことができる構造にしてもよく、また処理物の排出口を、その下端が円板状の槽底の外周に位置するように設置すると、製品を排出するときに、撹拌羽根を少し回転することにより完全に排出することが可能となった。従って、付着問題の解決に併せて回収率が高くなり、また運転後の清掃が簡単となった。
【００１９】
【作用】
本発明は以上のように構成されているので、処理槽内で処理物は次のように流れる。
１）撹拌羽根の回転により、処理物は羽根の先端から槽壁に沿って放出され、水平方向に旋回しながら槽壁に沿って上昇する。
２）槽の頂部付近に達した処理物は、そこから重力によって落下し、ボスの頂部に向かう下降流となる。
３）更に処理物は、ボスの頂部からボスの下端外周部に向かって、ボスの表面に沿って流れ、ボスの下端外周部に取付けられた撹拌羽根に到達する。
４）補助羽根を設けると、処理物の一部は遠心力によって水平外向きに放出されるが、槽壁付近には処理物の上昇流があるためにこれがクッションとなり、槽壁に付着するのを防ぐことができる。
以上の様な処理物の流れが得られる結果、処理物が槽内壁表面に衝突したり、淀みを生じるような部分がなくなり、処理物は槽内壁及びボスの表面に沿って、常に安定した流速で流れることになった。
【００２０】
【実施例】
図２以下に本発明の実施例を示す。
処理槽１は、比較的大きな水平円板状の槽底２を有する球形であり、上下に二分割できるように、中央部にフランジ11を備えている。また、球形部全体はジャケット12が設けられて二重構造となっており、ここに熱媒体を流すことにより、処理物を加熱又は冷却することができる。
処理槽１の上部には処理物を投入するための投入口７が、また下部には製品を排出するための排出口８が設けられている。排出口８は、密閉可能な構造が望ましく、また密閉したときにその内部が処理槽１の内面との間に段差を生じない構造が望ましい。
【００２１】
円板状の槽底２の中央には駆動軸６が貫通し、外部の動力によって回転可能となっている。駆動軸６には、尖端に丸みを与えた比較的大きな円錐型のボス３が取付けられている。図４はボス３の他の実施例を示すもので、円錐の勾配を裾部分で緩やかにしたものである。
ボス３の下端外周部には、撹拌羽根４が設けられている。その撹拌羽根４はボス３の外周の傾斜とは反対の勾配が付されており、その下側のエッジは処理槽１の球面状の内壁に沿った弧となっている。
【００２２】
ボス３の上部には、撹拌羽根４より直径をやや小さくした補助羽根５が設けられている。補助羽根５は処理物に剪断力や衝撃力を与える機能があればどのような形状でもよい。
この実施例において円板状の槽底２と処理槽１の直径との比は、ほぼ0.55であり、また、ボス３底面の直径と円板状の槽底２の直径とは、ほぼ等しく、更に撹拌羽根４の直径と処理槽１の直径との比は、ほぼ 0.80 である。
【００２３】
羽根の回転速度は、撹拌羽根４先端の周速度が20m/s 〜200 m/s と広い範囲から適宜選定することが可能であるが、高度な分散処理や、表面処理、複合化処理等においては、80m/s 〜200m/sの高速とすることが好ましい。
また、排出口８は、その下端が円板状の槽底２の外周に位置するように設置すると、製品を排出するときに、撹拌羽根４を少し回転することにより完全に排出することが可能となる。
【００２４】
【効果】
以上の如く本発明においては、処理槽を球形とし、槽底を水平円板状に構成し、この槽底の中心を垂直に貫く駆動軸に円錐状もしくはこれに類似したボスを取り付け、ボスの下端外周に処理槽内壁に沿って処理物を放出する撹拌羽根を設けたので、処理物は撹拌羽根により球面状の槽壁に沿って滑らかに上昇して頂部近傍迄到達するので槽の内壁表面はすべての場所において常に処理物によってセルフクリーニングされることになる。
【００２５】
そして槽の頂部から落下した処理物は、ボスの表面に沿って落下しボスの下端外周部の撹拌羽根に到達するので、この間に淀みを生じることがなく、常にボスの表面に沿って滑らかに流れるので、ボスの表面もセルフクリーニングされることになる。
そしてボスの表面に沿って落下し、ボスの下端外周部に取付けられた撹拌羽根に到達した処理物は、撹拌羽根の回転力により放出されて槽壁に沿って上昇し、かくして処理物は付着せずに円滑に処理槽内を循環することになる。
【００２６】
また、ボスの形状が円錐またはこれに類似するために処理物はボスの斜面に沿って落下し、しかも遠心力を受けるので、下向きの力は次第に減衰された状態で撹拌羽根に到達することになる。従って、撹拌羽根は下向きの力を失った状態の処理物に対して上向きの力を与えることになり、羽根のエネルギーが有効に活用されることになる。
【００２７】
さらに、本発明では、所要動力に余裕があり、撹拌羽根の他にボスに補助羽根を取り付けてもよいが、その場合処理物は槽壁に水平方向に放出されるが、槽璧には処理物の上昇流があるのでこれがクッションとなり、槽璧への付着が生ずることはない。
以上のように本発明は、付着を起こさないので、未処理物の混入がなく製品の収率が高い。そして付着を起こさないので、運転後は簡単に製品を完全排出できるので、清掃が簡単である。
【００２８】
本分散機の処理能力について更に特筆すべきことは、従来の流動撹拌型混合機と比較して、処理槽に投入できる処理物の量が多いことである。即ち、従来は処理槽の容積に対しておよそ２／３程度しか投入することが出来なかったが、本分散機では９０％以上投入することができる。
これは、処理物が処理槽内を滑らかに循環するためであるが、処理量が多いほど下降流が重力によって助長され、一層滑らかに循環することができるためである。しかも、所用動力は処理量に対して比較的小さくて良い。
【００２９】
更に都合のよいことは、処理物の量が多いほど、処理物中への空気の巻き込みがなく、嵩密度が高い状態で処理することになり、処理に必要な剪断力や衝撃力が効果的に与えられることになる。
以上のことから応用分野の広い処理が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の流動撹拌型混合機の簡略説明図
【図２】本発明に係る混合機の上の半殻を取り去った状態の平面図
【図３】本発明に係る混合機の簡略中央断面図
【図４】ボスの別の実施例を示す一部側面図
【符号の説明】
１−処理槽
２−槽底
３−ボス
４−撹拌羽根
５−補助羽根
６−駆動軸
７−投入口
８−排出口
１１−フランジ
１２−ジャケット

Claims

処理槽を球形とし、槽底を水平円板状に構成し、この槽底の中心を垂直に貫く駆動軸に円錐状もしくはこれに類似したボスを取り付け、ボスの下端外周に処理槽内壁に沿って処理物を放出する攪拌羽根を設け、槽底の直径と球の直径との比を0.25〜0.70とし、ボス底面の直径と槽底の直径との比を0.50〜1.00とし、更に攪拌羽根の直径と球の直径との比を0.70から0.90としたことを特徴とする高速攪拌型分散機。
前記ボスの上部位置に補助羽根を設けたことを特徴とする請求項１に記載の高速攪拌型分散機。
補助羽根の直径と球の直径との比を0.50〜0.90としたことを特徴とする請求項１に記載の高速攪拌型分散機。
攪拌羽根の先端の周速度が20m/s〜200m/sであることを特徴とする請求項１に記載の高速攪拌型分散機。
処理物の排出口を、その下端が槽底円板の外周に位置するように設けたことを特徴とする請求項１に記載の高速攪拌型分散機。
静止状態における処理物の仕込量を、処理槽の容積の半分以上とすることを特徴とする請求項１に記載の高速攪拌型分散機の使用方法。