JP5785405B2 - プラネタリーミキサー - Google Patents

Description

本発明は、化学、医薬、電子、セラミックス、食品、飼料その他の各種分野で使用され、枠型に形成した攪拌羽根（枠型ブレード）をタンク（容器、攪拌槽）内で遊星運動させることにより、固体/液体系処理材料を、攪拌・混合、混練、捏和処理等できるようにしたプラネタリーミキサーに関するものである。

固体/液体系の油性、水性に限定されない低粘度から高粘度（〜３，０００Ｐａ・ｓ）の処理材料を攪拌・混合・混練・捏和等するための処理作業は、二軸ミキサー（例えば枠型攪拌羽根を２本有するミキサー等）、三軸ミキサー（例えば枠型攪拌羽根を３本有するミキサーや枠型攪拌羽根２本とタービンブレード１本を組合わせたミキサー等）、四軸ミキサー（例えば枠型攪拌羽根とタービンブレードをそれぞれ２本有するミキサー）その他のプラネタリーミキサーを用い、図４に示すように、複数の枠型攪拌羽根１をタンク２内で全体にわたって運動するよう公転、自転させ、バッチ（回分）式に処理することが多い。枠型攪拌羽根としては、通常、断面略３角形（例えば特許文献１参照）や断面略６角形（例えば特許文献２参照）の杆材で縦辺部３と横辺部４を有する略矩形の枠型に形成し、縦辺部３の傾斜面５、６により形成されるエッジ面（鋭角部分）７が外側を向くように構成されている。そして、枠型攪拌羽根を回転した際、この縦辺部３のエッジ面７がタンク２の内壁に近接して移動するようにし、エッジ面とタンク内壁間で処理材料にズリ応力（せん断応力）を与えて混練作業等の処理を行っている。したがって、バッチ式の場合、枠型攪拌羽根とタンク（攪拌槽）内壁間で、材料にズリ応力を与える機会は非連続であり、枠型攪拌羽根が遊星運動軌跡を持つ混練機では、該枠型攪拌羽根が１回自転する毎に２回である。

上記枠型攪拌羽根の縦辺部の周辺やタンク内壁間に流れる仕込み時の粉体や混練時の材料の流動を観察してみると、図４に示すように、先ず、枠型攪拌羽根１の縦辺部３が図５の矢印８方向に移動すると、タンク内の材料の一部は縦辺部３の移動方向に対し前面側に位置する前方側面９に押されてこの側面に隣接する前面側の前方傾斜面５に沿って外側方向（半径方向）に流動する。該傾斜面５の先端まで流動した材料は、タンク２内壁との間隙１０に入り込み、タンク内壁とエッジ面間で圧縮されると共に回転に伴ってズリ応力が付与され攪拌・混合・混練・捏和等される。該攪拌羽根の先端とタンク内壁のと間隙１０を通過した材料は圧縮が開放され、移動方向に対し後面側の後方傾斜面６に沿って膨張する。

一方、上記前方側面９に当って上記タンク内壁方向（半径方向）に流動しない材料は、縦辺部３の前方側面９から内方（後方）の内側面１１方向に屈曲して円周方向（接線方向）に流れるが、このとき上記前方側面９、内側面１１及び後方側面１２に材料の付着（固着）物１３が生じる現象が見られる。特に、枠型攪拌羽根１は、上記のように縦辺部３を、傾斜面５、６により形成されるエッジ面（鋭角部分）７が外側方向に向くように断面略３角形状や断面略６角形状に形成してあるため、内側面１１はフラットな平面部分となり、この内側面１１の両端が上記前方側面９と後方側面１２に直角の角部を介して連設されている。そのため、上記円周方向（接線方向）に流れる材料の流動に伴ってフラットな平面方向に向かう負圧や滞留現象が生じ、その結果、図示するように材料はこの内側面１１や後方側面１２の角部方向に引寄せられて付着する傾向になりやすい。

このようにして枠型攪拌羽根に材料が付着（固着）すると、混練作業を中断して付着物１３を掻き落とす作業が必要となるが、この掻き落とし作業は危険性を伴う作業である。また、このような掻き落とし作業をしないと、均質に処理することができなくなり、特に材料を硬練りした後に希釈する工程を経る処理方法の場合には、ブツやダマの要因になり易く、希釈途中にダマ等が混入して品質不良を起こすおそれがあった。さらに、上記のように作業の途中で掻き落とし作業をするために、作業を連続化することができなくなるし、タンクを密閉できないので、揮発性有機溶剤を使用するような場合には、環境汚染の問題を生じるおおそれもあった。

実公昭４５−２７５０４公報（実用新案登録請求の範囲、第４図） 特開２０１０−９９５５３号公報（図２〜図５）

本発明の解決課題は、上記のように枠型攪拌羽根（枠型ブレード）をタンク内で遊星運動させて分散、攪拌、混合、混練、捏和等の処理を行うプラネタリーミキサーにおいて、材料が付着しやすい枠型攪拌羽根の枠体の内側面に、材料が付着、固着しないようにし、作業途中での掻き落としを必要とせず、混練、捏和等の処理時間を短縮し、ブツやダマの発生もないプラネタリーミキサーを提供することである。

上記問題点を解決するため本発明においては、上記のようにタンク内壁方向に傾く傾斜面を形成した断面形状の縦辺部を有する枠型攪拌羽根において、枠型攪拌羽根の枠体の内側面を材料が滑らかに流動するような形状に形状し、材料に流動変化を生じさせて攪拌羽根への材料の付着、固着を防止できるようにしてある。

本発明によれば、固体/液体系の処理材料をタンク内で自転・公転する複数の攪拌羽根により分散・攪拌・混練等するプラネタリーミキサーにおいて、上記攪拌羽根は縦辺部と横辺部で枠体を形成した枠型攪拌羽根であり、上記縦辺部を、タンク内壁から離れた側の内方先端間の間隔が広くタンク内壁側の外方先端間の対向間隔が狭くなるようタンク内壁に向かって傾斜する２つの傾斜面と、該傾斜面の外方先端間を結ぶエッジ面と、上記傾斜面の内方先端間を結ぶ弧状の内側面を有する断面形状に構成したことを特徴とするプラネタリーミキサーが提供され、上記課題を解決することができる。

さらに、上記枠型攪拌羽根の縦辺部の幅は、タンク内における材料の円周方向（接線方向）の流動に大きく関与し、その幅が狭すぎると材料の移動量が少なくなり、広すぎると材料の円周方向の移動量が多くなりすぎて材料が枠型攪拌羽根と一緒にとも回りしていしまい、攪拌混練作業を確実に作用させることができなくなったり、混練時間を短縮することができなくなる。

そこで、本発明によれば、上記プラネタリーミキサーにおいて枠型攪拌羽根の縦辺部のエッジ面から内側面までの幅ｄを、枠型攪拌羽根の直径Ｄに対し、０．１４５〜０．３の幅に形成したプラネタリーミキサーが提供され、確実に材料を攪拌・混練できるようにしてある。

また、上記枠型攪拌羽根の縦辺部のエッジ面は、タンク内壁に最接近したときタンク内壁との間で材料を圧縮しかつズリ応力を作用させる部分であるから、この幅が線状になるほど狭いと、材料の流動方向での圧縮・膨張作用が殆ど見られず、均質な混練に処理時間がかかる。一方、この幅が広すぎると、タンク内壁との近接面積が大きくなり、ズリ応力も大きくなるが、発熱が大きくなるし大きな負荷動力も必要となり、混練も好ましくない。

そこで、本発明によれば、上記プラネタリーミキサーにおいて、枠型攪拌羽根の縦辺部のエッジ面の幅ｂを、上記傾斜面の内方先端間の幅Ｗの４〜１５％に形成した上記プラネタリーミキサーが提供され、短時間で効率よく攪拌・混練作業できるようにしてある。

上記プラネタリーミキサーにおいて、枠型攪拌羽根の縦辺部の前方傾斜面の傾斜角度（材料食い込み角度）や後方傾斜面の傾斜角度（負圧角度）、２つの傾斜面の外方先端間の挟角（エッジ角度）θも重要であり、エッジ角度θが８０°未満では材料は円周方向の移動が主体となり、タンク内壁との間で生じるズリ応力が少なくなってしまう。一方、１００°以上ではタンク内壁との間への材料の食い込みが少なくなり、混練時間が長くかかってしまう。

そこで、本発明によれば、上記プラネタリーミキサーにおいて、上記傾斜面の外方先端間の挟角θを８０〜１００°とし、各傾斜面の外方先端がタンク内壁に対して傾斜する傾斜角度を４０〜５０°とした上記プラネタリーミキサーが提供され、材料が効率よく揉み込まれ、材料の流動方向で圧縮・膨張が効果的に繰り返され、短時間で処理することができるようにしてある。

なお、上記プラネタリーミキサーにおいて、枠型攪拌羽根の縦辺部の厚さ（幅）が攪拌羽根の直径に対して大きすぎると、粘度の高い材料やダイラタンシーな材料の場合、攪拌、混練処理時に攪拌羽根同士の接触や攪拌羽根とタンク内壁との接触が見られた。そこで、本発明によれば上記プラネタリーミキサーにおいて、上記枠型攪拌羽根の縦辺部の傾斜面の内方先端間の幅（厚さ）Wを、枠型攪拌羽根の直径Ｄに対して０．２±０．０５の幅（厚さ）に形成にした上記プラネタリーミキサーが提供され、攪拌羽根同士が干渉しないようにしてある。

本発明は上記のように構成され、固体/液体系の処理材料をタンク内で自転・公転する複数の攪拌羽根により分散・攪拌・混練等するプラネタリーミキサーにおいて、上記攪拌羽根は縦辺部と横辺部で枠体を形成した枠型攪拌羽根であり、上記縦辺部を、タンク内壁から離れた側の内方先端間の間隔が広くタンク内壁側の外方先端間の対向間隔が狭くなるようタンク内壁に向かって傾斜する２つの傾斜面と、該傾斜面の外方先端間を結ぶエッジ面と、上記傾斜面の内方先端間を結ぶ弧状の内側面を有する断面形状に構成したから、タンク内で枠型攪拌羽根を公転、自転すると、枠型攪拌羽根の縦辺部はエッジ面がタンク内壁に近接して回転し、前方傾斜面に沿ってタンク内壁側方向に流動した材料は、エッジ面とタンク内壁間に送り込まれて圧縮されると共に回転に伴うズリ応力により攪拌・混練等され、その後後方傾斜面に沿って膨張する。一方、上記前方傾斜面の内方先端から枠型攪拌羽根の枠体の内方（後方）に流動した材料は傾斜面の内方先端間を連絡する内側面に向かうがこの内側面が弧状に形成されているので、よどみを生じることなく流れ、該内側面に沿って流動変形を起こし、内側面や前方傾斜面、後方傾斜面に従来のように材料が付着、固着する現象を生じないようにできる。そのため、従来のように、作業途中で付着・固着物を攪拌羽根から掻き落とす作業が不要になり、安全であり、付着物等が落下してブツやダマになってペーストに混入するというようなことも解消され、短時間でブツやダマのない特性の優れたペーストを製造することができ、大幅な作業向上を図ることができる。また攪拌・混練等の処理中に掻き落とし作業をする必要がないから、タンクを密閉した状態で作業を連続化することができ、揮発性有機物を含む材料であっても、環境汚染の問題を生じることがなく、そのため希釈時にも流動性をよくすることができ、早期に均一化することができる。

また、本発明の上記プラネタリーミキサーにおいて、枠型攪拌羽根の縦辺部のエッジ面から内側面までの幅ｄを、枠型攪拌羽根の直径Ｄに対し、０．１４５〜０．３の幅、特に好ましくは０．１５〜０．２５の幅に形成すると、材料が枠型攪拌羽根と共回りすることもなく、円周方向（接線方向）に確実に流動させることができ、上記縦辺部の前方傾斜面によって材料をタンク内壁との間に的確に送り込んで攪拌・混練等の作用を効率よく行うことができた。

さらに、上記プラネタリーミキサーにおいて、枠型攪拌羽根の縦辺部のエッジ面の幅ｂを、上記傾斜面の内方先端間の幅Ｗの４〜１５％、好ましくは６〜１２％の幅に形成すると、材料の流動方向でのエッジ面とタンク内壁間での圧縮・膨張作用を確実に作用させることができ、均質な混練作業を短時間で行うことが可能になり、材料の発熱も少なく、大きな負荷動力も必要とせず、経済的に処理することができる。また、枠型攪拌羽根の上記傾斜面の外方先端間の挟角（エッジ角）を８０〜１００°、好ましくは８５〜９０°にし、傾斜面のタンク内壁に対する傾斜角度を４０〜５０°に形成すると、材料をタンク内壁とエッジ面間に確実に食い込ませて高粘度又は半固体状の混練（硬練り）をすることができ、前方傾斜面及び後方傾斜面による圧縮・膨張作用により、粉・粒体を少量の液状成分で表面コーティングして混練・希釈が良好となり、作業時間を短縮することができる。

さらに、本発明によれば上記のように上記枠型攪拌羽根の縦辺部の傾斜面の内方先端間の幅Wを、枠型攪拌羽根の直径Ｄに対して０．２±０．０５の幅に形成することにより、強度がアップし、攪拌羽根同士の接触もなく、接触に伴うコンタミの発生もなく、良好な結果が得られた。

本発明の一実施例を示し、一部を断面した正面図。 本発明の枠型攪拌羽根の正面図とその縦辺部の説明図。 本発明の枠型攪拌羽根の縦辺部の作用を示す説明図。 プラネタリーミキサーの構成を示す説明図。 従来の枠型攪拌羽根の縦辺部の作用を示す断面図。

本発明は、化学、医薬、電子、セラミックス、、食品、飼料その他の各種製品の製造工程に使用することができ、プラネタリーミキサーの本体１５は昇降シリンダー１６により上下動する攪拌ヘッド１７を有し、該攪拌ヘッド１７上に設けた駆動モーター１８等の駆動手段を介して複数本の攪拌軸１９が公転、自転し、該攪拌軸の下端に取り付けた枠型攪拌羽根（枠型ブレード）２０がタンク（容器、攪拌槽）２１内で全体的に遊星運動するようにしてある。この枠型攪拌羽根２０は、縦辺部２２と横辺部２３を有する略矩形の枠型に形成され、上辺に位置する横辺部と下辺に位置する横辺部が同一方向を向く図４に示すような枠型攪拌羽根や、上辺と下辺の方向が所定角度、例えば４５°、９０°相違している枠型捩れ攪拌羽根が用いられ、図１に示す実施例では枠型捩れ攪拌羽根が示されている。

図２に示すように、上記枠型攪拌羽根２０は、枠体の上部に攪拌軸１９に連結される接続筒部２４を有し、該接続筒部２４に上方の横辺部２３が連設され、該横辺部の外方端に縦辺部２２の上端が連設され、該縦辺部２２が捩れながら下方に延び、該縦辺部２２の下端に上記上方の横辺部と９０°方向が相違する方向に延びる下方の横辺部が連設されている。

上記枠型攪拌羽根２０の縦辺部２２の断面形状は、図２の断面に示すように、対向する前方傾斜面２５と後方傾斜面２６を有し、この傾斜面２５、２６は枠体の内方、すなわちタンク２１の内壁から離れた側の内方先端２７間の対向間隔が広く、タンク内壁側の外方先端２８間の対向間隔が狭くなるようタンク内壁に向かって傾斜している。この外方先端２８間はエッジ面２９で連結され、該エッジ面２９は枠型攪拌羽根が回転したときタンク２１の内壁に近接して通過する。上記内方先端２７間には、内側面３０が連設されているが、この内側面３０は弧状に形成されている。この弧状面としては、内方先端２７間を結ぶ線と上記エッジ面２９の中心を通る中心線の交点を中心とする円弧に形成してある。

また、上記枠型攪拌羽根の縦辺部２２のエッジ面２９から内側面３０の外側縁までの幅ｄは、枠型攪拌羽根２０の直径Ｄに対し、約０．１４５〜０．３の幅、特に好ましくは約０．１５〜０．２５の幅に形成してある。上記エッジ面２９の幅ｂは、上記内方先端２７間の幅（厚さ）Wの約４〜１５％の幅（厚さ）、好ましくは約６〜１２％の幅（厚さ）に形成してある。上記傾斜面２５、２６の挟角（エッジ角度）θは約８０〜１００°、好ましくは約８５〜９０°に形成され、前方傾斜面２５の傾斜角度（材料食い込み角度）θ１および後方傾斜面２６の傾斜角度（負圧角度）θ２は約４０〜５０°に形成されている。さらに、上記内方先端２７間の幅（厚さ）Wは、枠形攪拌羽根２０の直径Ｄに対して約０．２±０．０５の幅（厚さ）に形成されている。

プラネタリーミキサーは、上述のように種々の用途で使用されるが、一般に、処理材料は、材料供給時にいわゆる「粉体混合」された後、粉・粒体に少量の液状成分を加えて粉・粒体の表面処理が行われる。この工程は、粉体混合であり、活性化された粉・粒体を不活性化し、凝集を解砕する工程である。次の工程では、更に少量の液状成分を加えて高粘度での高せん断作用により硬練りされ、最後の希釈され、ペースト状にして取り出される。せん断応力は、材料粘度とせん断速度の積で表され、高粘度での硬練りは高せん断が得られることは知られているから、上記のように硬練りすることが好ましい。

上記のようにして材料はプラネタリーミキサーで硬練りされるが、混練時にペーストが発熱により特性劣化を生じないよう、回転速度を約０．５〜１．５ｍ/sec、温度は約６０℃以下の条件で運転することが好ましい。１．５ｍ/sec以上にすると、発熱が多くなり材料特性上、材料温度を６０℃以下に保つのが困難になるからである。

上記のような材料の粉体仕込みから、希釈ペーストまでのプロセスを、株式会社井上製作所製タンク容量１５リットルの３軸プラネタリーミキサーに本発明の上記枠型攪拌羽根を用いて処理したところ、図３に示すように、枠型攪拌羽根２０が自転・公転した際、エッジ面２９がタンク２１の内壁に接近する毎に攪拌羽根の前方傾斜面２５からエッジ面２９方向に流動した材料は、エッジ面２９とタンク２１の内壁間の間隙３１に入り込んで圧縮・せん断され、その後、後方傾斜面２６で膨張し、効率よく分散・混合・混練、捏和等された。一方、枠型攪拌羽根の前方傾斜面２５から枠体の内側に流動した材料は、弧状の内側面３０に沿ってよどみを生じることなく流動し、この流動変形により従来のような枠体の内側面等への材料の付着・固着がなくなり、人手による掻き落とし作業が不要であった。

１５ 本体
２０ 枠型攪拌羽根
２１ タンク
２２ 縦辺部
２３ 横辺部
２５ 前方傾斜面
２６ 後方傾斜面
２７ 内方先端
２８ 外方先端
２９ エッジ面
３０ 内側面

Claims (5)

1. 固体/液体系の処理材料をタンク内で自転・公転する複数の枠型攪拌羽根により分散・攪拌・混練等するプラネタリーミキサーにおいて、上記枠型攪拌羽根は縦辺部と横辺部で枠体を形成した枠型攪拌羽根であり、上記縦辺部を、タンク内壁から離れた側の内方先端間の間隔が広くタンク内壁側の外方先端間の対向間隔が狭くなるようタンク内壁に向かって傾斜する２つの傾斜面と、該傾斜面の外方先端間を結ぶエッジ面と、上記傾斜面の内方先端間を結ぶ線と上記エッジ面の中心を通る中心線の交点を中心とする円弧状の内側面を有する断面形状に構成したことを特徴とするプラネタリーミキサー。
   
2. 上記エッジ面から内側面までの幅ｄは、上記枠型攪拌羽根の直径Ｄに対し０．１４５〜０．３の幅である請求項１に記載のプラネタリーミキサー。
3. 上記エッジ面の幅ｂは、上記傾斜面の内方先端間の幅Ｗの４〜１５％である請求項１または２に記載のプラネタリーミキサー。
4. 上記傾斜面の外方先端間の挟角は、８０〜１００°であり、該傾斜面の外方先端がタンク内壁に対して傾斜する傾斜角度は４０〜５０°である請求項１から３のいずれかに記載のプラネタリーミキサー。
5. 上記傾斜面の内方先端間の幅Ｗは、枠型攪拌羽根の直径Ｄに対して０．２±０．０５の幅である請求項１〜４のいずれかに記載のプラネタリーミキサー。

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