JP4243928B2 - ロータ・ステータ型ホモジナイザー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、互いに相溶性を有さない複数の液体を機械的に混合攪拌してエマルジョンとする際に用いられるホモジナイザーに係り、特に、放射状に複数の流路が形成されたステータの内部でロータを高速回転させ、これらステータとロータとの間に生じる剪断力を利用して混合攪拌を行う所謂ロータ・ステータ型ホモジナイザーの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホモジナイザーは水と油等の如く互いに相溶性をもたない複数の液体を機械的に混合攪拌し、これらの液体を均質化させてエマルジョンとする用途に用いられており、食品や化学製品の生産設備、実験プラント等に多用されている。従来、このホモジナイザーとしては種々の構造ものが知れているが、そのうちの一つとしてロータ・ステータ型と称されるものが知られている。
【０００３】
このロータ・ステータ型ホモジナイザーは、攪拌室内に固定された円筒状のステータと、このステータの中空部内に収容されると共にモータによって所定の回転数を与えられるロータとから構成されており、上記ステータ及びロータには複数の流路が放射状に形成されている。互いに相溶性をもたない２つの液体はホモジナイザーと別個に設けられたポンプによって上記ロータの中空部に対して供給され、これら液体が供給された状態でロータが回転を開始すると、上記液体には遠心力が作用し、かかる液体はロータに形成された放射状の流路から噴出して、ロータとステータとの隙間に浸入し、更にはステータの放射状流路に浸入する。ステータは回転せずに固定されていることから、ロータが回転を開始すると、ロータ及びステータの放射状流路に内に存在する液体には渦流れが発生し、また、ロータとステータの隙間に浸入した液体にはロータの回転速度に応じた剪断力が作用することになり、これら渦流れや剪断力のエネルギーによって２つの液体は均質化され、最終的にはステータに形成された放射状の流路からエマルジョンとなって外部に排出される。
【０００４】
このロータ・ステータ型のホモジナイザーにおいて２つの液体の均質化をより効率良く行うためには、ロータとステータとの間に導かれた液体に対して大きな剪断力を作用させることが重要であり、そのためにはステータの内周面とロータの外周面とが形成する隙間を小さく設定すると共に、ロータの回転数を高めることが重要である。
【０００５】
しかし、従来のロータ・ステータ型ホモジナイザーは、ボール軸受又は滑り軸受でロータの回転を支承していたので、ロータの回転精度等を考慮に入れると、ステータとロータとの隙間を余り小さく設定することはできず、かかる隙間の大きさは４０μｍ程度が限界であった。また、高速回転時には軸受の摩耗が問題となり、摩耗によって発生した粒子が目的とするエマルジョンに混入してしまう不具合を考慮すると、余りに高速で運転することができず、３００００ｒｐｍ程度が限界であった。
【０００６】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、ロータとステータとの隙間を極めて小さく設定することが可能であると共に、ロータを高速で回転させても摩耗粒子等の異物の発生がなく、互いに相溶性を有さない複数の液体を効率よく均質化することが可能なロータステータ型のホモジナイザーを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の流路が放射状に形成された円筒状のステータと、やはり複数の流路が放射状に形成されると共に上記ステータの中空部内において回転する円筒状のロータとを備え、上記ロータの中空部内に供給した溶液を該ロータの回転に伴って混合攪拌し、上記ステータの外側から回収するロータ・ステータ型ホモジナイザーを前提とし、上記ステータの内周面とロータの外周面とを所定の隙間で対向させると共に、かかる隙間に上記溶液の一部を導いて動圧軸受を構成し、かかる動圧軸受によって上記ステータに対するロータの回転を支承したことを特徴とするものである。
【０００８】
このように構成された本発明のホモジナイザーによれば、ステータとロータとは所定の隙間（軸受隙間）を介して対向して動圧軸受を構成していることから、かかる軸受隙間に溶液の一部を導いてロータを回転させれば、軸受隙間の溶液に動圧が発生し、該ロータの回転をステータに対して浮揚状態で支承することができる。このとき、ロータの周囲には高圧の溶液が潤滑膜となって存在することから、かかるロータはステータと接触することがなく、動圧軸受の軸受隙間、すなわちロータの外周面とステータの内周面との隙間を著しく小さくすることができる。例えば、ボール軸受を用いてロータの回転を支承した場合には、前述の如く数十μｍの隙間が必要となるが、動圧軸受を用いてロータの回転を支承した場合には、数μｍの隙間で充分である。このため、本発明のホモジナイザーによれば、ステータとロータとの隙間に浸入した溶液に対して従来よりも大きな剪断力を作用させることができるものである。
【０００９】
また、ロータの回転を動圧軸受で支承した場合には、かかるロータがステータに対して浮揚状態にあることから、ロータを高速で回転させても摩耗による粉塵等が発生することはなく、ロータ及びステータの流路を通過する溶液を常にクリーンな状態に保つことが可能となる。このため、ロータの回転速度を高めることができ、５００００ｒｐｍ以上の高速回転をロータに与え、極めて効率の良いホモジナイザーを提供することができるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明のロータ・ステータ型ホモジナイザーを詳細に説明する。
図１は本発明を適用したホモジナイザーの一例を示すものである。このホモジナイザーは互いの相溶性を具備しない複数の液体を吸い込むと共に混合攪拌し、これらの液体を均質化されたエマルジョンとする目的で使用され、略円筒状に形成された固定ハウジング１と、この固定ハウジング１の中空部内に固定される円筒状のステータ２と、このステータ２の中空部内に回転自在に設けられたロータ３とから構成されている。
【００１１】
図２は上記固定ハウジング１を取り除いて、上記ステータ２及びロータ３の外観を示した斜視図である。また、図３は上記ステータ２を示す斜視図である。上記ステータ２は炭化珪素、窒化珪素、ジルコニア、アルミナ等のファインセラミクスを用いて円筒状に形成されており、その軸方向の中央には内周面と外周面とを連通連結する複数の攪拌流路２０が周方向に沿って放射状に開設されている。また、ステータ２の軸方向の両端面には、スパイラル状の動圧発生用溝２１が深さ５μｍ程度で形成され、かかるステータ２が後述するロータ３と共に一対のスラスト動圧軸受を構成するようになっている。
【００１２】
一方、図４は上記ロータ３を示す斜視図である。このロータは、図示外のモータによって回転させられる回転軸３０と、この回転軸３０の外周面に固定された円筒状の軸受スリーブ３１と、この軸受スリーブ３１を軸方向から挟むようにして上記回転軸３０に固定された一対のスラスト円板３２，３２とから構成されており、一対のスラスト円板３２，３２の間に上記ステータ２が遊嵌するように構成されている。これら軸受スリーブ３１及びスラスト円板３２は、上記ステータ２と同様、炭化珪素、窒化珪素、ジルコニア、アルミナ等のファインセラミクスを用いて形成されている。
【００１３】
上記軸受スリーブ３１の軸方向の中央には内周面と外周面とを貫通する放射状の攪拌流路３３が周方向に沿って複数配列されており、これら軸受スリーブ３１の攪拌流路３３はステータ２の攪拌流路２０と対向している。また、上記回転軸３０には軸受スリーブ３１の攪拌流路３３へ溶液を送り込むための供給流路３４が設けられており、このホモジナイザーによって攪拌される溶液は上記供給流路３４から軸方向へ送り込まれて、軸受スリーブ３１の攪拌流路３３を半径方向へ通り抜けるように構成されている。
【００１４】
上記ステータ２の内周面と軸受スリーブ３１の外周面は所定の軸受隙間を介して対向しており、これらは協働してラジアル動圧軸受を構成している。軸受スリーブ３１の外周面には回転軸３０に対して所定の方向へ傾斜した４列の動圧発生用溝３５ａ，３５ｂが形成されており、回転軸３０と共に上記軸受スリーブ３１が回転すると、軸受スリーブ３１とステータ２との隙間、すなわちラジアル動圧軸受の軸受隙間に高圧の流体潤滑膜が形成され、軸受スリーブ３１がステータ２に対して非接触の状態でその回転を支承されるようになっている。４列の動圧発生用溝３５ａ，３５ｂのうち、軸方向の両端に位置する２列の動圧発生用溝３５ａは軸受スリーブ３１の回転に伴い、軸受隙間に存在する潤滑流体を軸方向の両端、すなわち一対のスラスト円板３２，３２へ向けて加圧している。また、軸方向の中央に位置する２列の動圧発生用溝３５ｂは軸受スリーブ３１の回転に伴い、軸受隙間に存在する潤滑流体を軸方向の中央、すなわち攪拌流路３３へ向けて加圧している。
【００１５】
また、回転軸３０に固定された各スラスト円板３２はステータ２と協働してスラスト動圧軸受を構成しており、ステータ２を軸方向の両側から挟み込んでいる。スラスト円板３２とステータ２の両端面との間には所定の軸受隙間（例えば、９μｍ）が夫々形成されており、この軸受隙間は上記ラジアル動圧軸受の軸受隙間と連通している。スラスト円板３２と対向するステータ２の軸方向両端面には前述の如くスパイラル状の動圧発生用溝２１が形成されており、このスパイラル状の動圧発生用溝２１は、スラスト円板３２の回転に伴って軸受隙間内の潤滑流体を内径側から外径側に向けて吐き出す所謂ポンプアウト型に形成されている。このため、回転軸３０と共に上記スラスト円板３２が回転すると、各スラスト動圧軸受の軸受隙間に高圧の流体潤滑膜が形成され、ステータ２に対する回転軸３０の軸方向の移動が規制されるようになっている。
【００１６】
上記ラジアル動圧軸受及びスラスト動圧軸受の軸受隙間に供給される潤滑流体としては、このホモジナイザーから得られるエマルジョン化された溶液に異物が混入するのを防止するため、上記供給流路３４から供給される溶液の一部が使用される。潤滑流体は上記ステータ２に穿設された吸入口２２からラジアル動圧軸受の軸受隙間に吸引される（図１参照）。上記吸入口２２はステータ２に対して放射状に複数形成されており、各吸入口２２はステータ２の外周面に形成された環状溝２３と連通している（図２及び図３参照）。また、これら吸入口２２は軸受スリーブ３１に形成された動圧発生用溝３５ａと３５ｂの中間の位置に対応してラジアル動圧軸受の軸受隙間に開口している。従って、回転軸３０が回転を開始すると、環状溝２３及び吸入口２２を介して潤滑流体がラジアル動圧軸受の軸受隙間に吸引され、高圧の流体潤滑膜が形成される。ラジアル動圧軸受の軸受隙間に吸引された潤滑流体の一部は動圧発生用溝３５ａの働きによってスラスト円板３２に向けて加圧され、残りの潤滑流体は動圧発生用溝３５ｂの働きによってスラスト円板３２とは反対方向へ加圧される。
【００１７】
一方、スラスト動圧軸受の軸受隙間では、前述の如くラジアル動圧軸受の軸受隙間から流入してきた潤滑流体が、ロータ３の回転に伴ってスラスト円板３２の半径方向外側に向けて加圧され、最終的にはスラスト円板３２の外周縁から軸受外へ排出される。スラスト円板３２の外周縁に達した潤滑流体が該スラスト円板３２と固定ハウジング１との隙間から外部に漏れ出すのを防止するため、スラスト円板３２の外周面は０．１ｍｍ程度の僅かな隙間で固定ハウジング１と対向すると共に、かかる外周面には環状溝３６が形成され、ラビリンスシールが構成されている。また、このラビリンスシールの隙間に対しては、固定ハウジング１に形成された通路１０から加圧された空気が吹き込まれており、この加圧空気とラビリンスシールによって潤滑流体の外部への漏出が防止されるようになっている。そして、スラスト円板３２の外周縁に達した潤滑流体は上記加圧空気と一緒になって、固定ハウジング１に形成された排出路１１から外部へ排出され、排出された潤滑流体、すなわち前記溶液は回収され、潤滑流体として再使用される。
【００１８】
そして、以上のように構成れされた本実施例のホモジナイザーは、ロータ３の回転軸３０に形成された供給流路３４から互いに相溶性を具備しない複数の液体を供給すると共に、図示外のモータで上記ロータ３を一定方向へ回転させて使用される。図５はステータ２及びロータ３の攪拌流路の位置関係を示す拡大断面図であり、図中では白丸が第１溶液を、黒点が第２溶液を示している。ロータ３の供給流路３４から送り込まれた第１溶液及び第２溶液は互いの相溶性を具備していないので、溶け合うことなくロータ３に開設された攪拌流路３３に達する。ロータ３は回転しているので、これらの溶液は遠心力によって攪拌流路３３に浸入し、更に対向するステータ２の攪拌流路２０へ浸入するが、かかるステータ２は回転せずに固定されていることから、ロータ３及びステータ２の攪拌流路３３，２０内の溶液には渦流れが発生し、更に、ロータ３とステータ２との隙間においては溶液に対して剪断力が作用し、これら渦流れのエネルギ及び剪断力のエネルギによって第１及び第２溶液は混合攪拌される。そして、最終的には第１溶液及び第２溶液が均質化されたエマルジョンが固定スリーブ１に開設された排出流路１２から得られる。
【００１９】
このとき、本実施例のホモジナイザーでは、ステータに対するロータの回転を動圧軸受で支承していることから、これら両者の隙間を数μｍ程度にまで小さくすることができ、かかる隙間で第１及び第２溶液に作用する剪断力のエネルギを著しく高めることが可能となる。また、ロータの回転を動圧軸受で支承した場合、回転中のロータはステータに対して非接触状態にあるので、かかるロータの高速回転においても該軸受から摩耗粉が発生することはなく、溶液に異物が混じるのを心配する必要はない。このため、ロータの回転を著しく高めて使用することができ、この点においても第１溶液及び第２溶液の混合攪拌に作用するエネルギを高めて、両溶液のエマルジョン化を促進することができるものである。
【００２０】
例えば、本実施例のホモジナイザーによれば、ロータに対して２０個の攪拌流路を放射状に開設する一方、ステータに対して３０個の攪拌流路を放射状に開設し、ロータを６００００ｒｐｍで回転させることにより、１．２ＭＨｚの高周波エネルギを両溶液に与えてこれらを均質化することができる。
【００２１】
また、本実施例では、ロータ及びステータの攪拌流路に隣接して一対のラジアル動圧軸受が設けられていることから、ロータとステータとの隙間は該ラジアル動圧軸受の軸受隙間に発生する高圧の流体潤滑膜によってシールされており、機械的なシールを設けることなくロータとステータとの隙間をシールすることが可能となる。このため、機械的なシール装置を用いた場合の不具合、すなわち経時的にシール機能が低下するといった問題点や、ロータの回転に伴って摩耗粉が発生するといった問題点を回避することも可能となる。
【００２２】
尚、図６は実施例のホモジナイザーの内部における溶液、潤滑流体及び空気の流れを図示したものであり、白抜き矢印は溶液の流れを、黒塗り矢印は潤滑流体の流れを、破線矢印は空気の流れを示している。
【００２３】
また、本実施例のホモジナイザーでは、ロータ３の供給流路３４に対して溶液を送り込むためのポンプ装置を別途に設けているが、図７に示すように、かかる供給流路３４内にポンプ羽根４を設け、ロータ３の回転に伴って上記ポンプ羽根４が溶液を供給流路３４内に吸引して攪拌流路３３へ送り出すように構成することもできる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明のロータ・ステータ型ホモジナイザーによれば、ステータに対するロータの回転を動圧軸受で支承していることから、ロータの外周面とステータの内周面との隙間を著しく小さくすることができるので、ステータとロータとの隙間に浸入した溶液に対して従来よりも大きな剪断力を作用させることができる他、ロータの回転がステータに対して非接触で支承されていることから、かかるロータの回転によって摩耗粒子等の異物をが発生させることがないので、ロータを極めて高速で回転させて溶液の混合攪拌を行うことができ、互いに相溶性を有さない複数の液体を極めて効率よく均質化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のロータ・ステータ型ホモジナイザーの実施例を示す断面図である。
【図２】 実施例に係るロータ及びステータの組み合わせ状態を示す斜視図である。
【図３】 実施例に係るステータを示す斜視図である。
【図４】 実施例に係るロータを示す斜視図である。
【図５】 ロータの攪拌流路とステターの攪拌流路との関係を示す拡大断面図である。
【図６】 実施例のホモジナイザーの内部における溶液、潤滑流体及び空気の流れを示した断面図である。
【図７】 実施例に係るロータにポンプ羽根を装着した例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…固定ハウジング、２…ステータ、３…ロータ、２０…ステータ側攪拌流路、３３…ロータ側攪拌流路

Claims (3)

1. 複数の攪拌流路が放射状に形成された円筒状のステータと、複数の攪拌流路が放射状に形成されると共に上記ステータの中空部内において回転する円筒状のロータとを備え、上記ロータの中空部内に供給した溶液を該ロータの回転に伴って混合攪拌し、上記ステータの外側から回収するロータ・ステータ型ホモジナイザーにおいて、
   上記ステータの内周面とロータの外周面とを所定の隙間で対向させると共に、かかる隙間に上記溶液の一部を導いて動圧軸受を構成し、かかる動圧軸受によって上記ステータに対するロータの回転を支承する一方、
   上記攪拌流路は前記ステータの軸方向の中央に設けられ、上記ステータの内周面又はロータの外周面には上記攪拌流路を挟んで一対の動圧発生用溝が形成され、かかる動圧発生用溝は上記ステータ及びロータが構成する軸受隙間内の溶液を該ロータの回転に伴って上記ステータの軸方向の中央に位置する攪拌流路に向けて加圧するパターンに形成されていることを特徴とするロータ・ステータ型ホモジナイザー。
2. 前記動圧軸受は、ステータの内周面とロータの外周面とが所定の軸受隙間を介して対向したラジアル動圧軸受であることを特徴とする請求項１記載のロータ・ステータ型ホモジナイザー。
3. 前記ロータにはその中空部内に前記溶液を送り込むポンプ羽根が一体に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のロータ・ステータ型ホモジナイザー。

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