JP6253080B2

JP6253080B2 - 高速回転型分散機

Info

Publication number: JP6253080B2
Application number: JP2013120382A
Authority: JP
Inventors: 石川　剛; 剛石川; 翔吾岩澤
Original assignee: Ashizawa Finetech Ltd
Current assignee: Ashizawa Finetech Ltd
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: JP2014237083A

Description

本発明は、高速回転型分散機に関し、更に詳細には、磁性材、電極（球状ニッケル他）、電池材、食品・化粧品の乳化、インク・塗料、誘電材、セラミックス、他乳化全般等の分散に使用される高速回転型分散機に関するものである。

乳化・分散機としては、高圧型、回転型等ある。
高圧型は昇圧ポンプの消耗が激しく短期間の運転しかできずスラリには不向きであるし、粗粒があると噴出しノズル部で目詰まりして運転できないなどの欠点がある。
一方、回転型は円板の面間の隙間で分散するタイプがあるが隙間が熱膨張により大きく変化するので隙間に限度があり、シアレートが大きく取れないので分散能力に欠けること、円筒隙間型はそれなりにシアレートが大きく取れるが精度の問題等で大型機は困難である。

前記高速回転型分散機としては、特開平６−９９０４７号公報に開示された密閉型湿式分散装置が知られている。この密閉型湿式分散装置は、ベッセル内で回転する複数のディスクを有する湿式分散装置において、該ベッセルの内壁に、回転する前記ディスクとは非接触状態で設けられた仕切板を有し、かつ前記ディスクと前記仕切板との間の最大隙間が、前記ディスクの半径の１／１０以下であることを特徴とするものである。

この密閉型湿式分散装置では、前述の隙間部分によるせん断力発生部分を多箇所にして高性能の分散を期待しているが、発熱が引き起こされるだけで、原料の高性能の分散は期待できない。
すなわち、分散力はシアレートを大きくすることによって発現されるものであるが、前記公報に記載された密閉型湿式分散装置ではシアレートを大きくすることはできない。

特開平６−９９０４７号公報

そこで、本発明は、できるだけ発熱を抑え、大きなシアレートを発現し、さらには分散に寄与する流れを重要視し、原料の高性能な分散を行うことのできる、すなわち分散粒子の粒度を小さくすることが可能な高速回転型分散機を提供することを目的にする。

前記目的は、以下の（１）〜（９）の構成の本発明の高速回転型分散機により達成される。
（１）
円筒形のベッセルと、このベッセル内に同軸に高速回転可能に配置された回転手段と、前記ベッセルの内面に、該ベッセルと一体か該ベッセルの内面に取り付けられた円筒状の固定手段と、前記ベッセルの一端および他端の一方側に設けられ、該ベッセル内に原料スラリを導入する原料供給口と、前記ベッセルの一端および他端の他方側に設けられ、処理済み原料スラリをベッセル外に排出する原料排出口とを備え、前記回転手段は、前記ベッセルの一端から他端に向かって延びる回転駆動軸、およびこの回転駆動軸に軸方向に間隔を置いて配置された複数の円板状の回転子を備え、前記隙間は、原料スラリが剪断力を受けつつ通るものであり、前記固定手段は、前記回転子の各の外周縁に微細な隙間を持って対峙する内周を備え、前記回転子は、回転時において周速が２５〜１００ｍ／ｓに設定され、前記隙間の距離は、０．５〜１ｍｍであり、前記固定手段は、内周縁が前記回転子の各の外周縁に微細な隙間を持って対峙するように配置された複数の環状で凸状の固定子を備え、前記固定手段には、前記回転子とそれに対峙する前記固定子からなる複数段の中間に原料スラリの流路案内板が設けられていることを特徴とする高速回転型分散機。
（２）
前記固定手段の各固定子間の凹部が曲面状凹部とされている前記（１）に記載の高速回転型分散機。
（３）
前記回転子の各々と前記流路案内板間の間隔が、１０〜３０ｍｍである前記（１）または（２）に記載の高速回転型分散機。
（４）
前記流路案内板は、前記固定手段から前記回転駆動軸に向かって延びる環状板である前記（１）〜（３）のいずれかに記載の高速回転型分散機。
（５）
前記回転子の外周縁表面は、平坦であるか、周方向に沿う溝が設けられた構造である前記（１）〜（４）のいずれかに記載の高速回転型分散機。
（６）
前記回転子の外周縁に対峙する前記固定手段の前記固定子の内周縁の表面は、平坦であるか、周方向に沿う溝が設けられた構造である前記（２）〜５のいずれかに記載の高速回転型分散機。
（７）
対峙する前記回転子の外周縁および前記固定子の内周縁の幅が同一であって、その幅が、５ｍｍ〜２０ｍｍである前記（１）〜（６）のいずれかに記載の高速回転型分散機。
（８）
前記回転子が、３〜５枚設けられた前記（１）〜（７）のいずれかに記載の高速回転型分散機。
（９）
前記回転子の外周縁に設けられた溝の幅は、２〜１０ｍｍであり、前記回転子の外周縁の溝の両側の幅が２〜１０ｍｍである前記（５）に記載の高速回転型分散機。

具体的には、回転子とそれに対峙する固定子の幅はできるだけ抑え、対峙する隙間を小さくし固定子を凸形状にかつ曲面をつけ、回転子間隔はそれぞれに影響しない程度に広げた。回転子間の中間に設けた仕切り板との間隔も影響が出ない程度に広げてある。さらに、回転子と固定子に溝を切り込み流体に変化を与え、分散力を高めた。

本発明の高速回転型分散機においては、前記構造としたので、回転子と原料スラリとの摩擦を最小限にしつつ、大きなシアレートとが生じるようにして、発熱を抑制しつつ大きな分散性能を発現できる。
具体的には、回転子２６の周速を２５〜１００ｍ／ｓに設定し、前記隙間の間隔を０．５〜１ｍｍの範囲に設定すると、シアレートは最大で２０００００Ｓ^−１が得られる。

また、回転子に微小隙間で対峙する各固定子の間の凹部を曲面状凹部として原料を微小隙間に曲線に沿って案内し、乱れがなく縮流を発生させ、分散を助長させた。

さらにまた、回転子とそれに対峙する固定子は軸方向の幅を最小限にし、余計な負荷が生じないようにしている。また、回転子および固定子の対峙する周縁は両方を平坦、回転子のみに溝付、回転子と固定子両方に溝付、固定子のみ溝付により、流れに変化を生じさせて分散効果を助長させるようにした。
総合すると、縮流と大きなシアレートと回転子と固定子間での流体の変化によりより微細な分散が可能である。

本発明の一実施の形態の高速回転型分散機の断面図である。回転子と固定子の周縁の形状例を示す図である。本発明の他の実施の形態の高速回転型分散機の断面図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の高速回転型分散機について説明する。
図１は、本発明の実施形態による高速回転型分散機１０を示すものであり、この高速回転型分散機１０は、円筒形のベッセル２０と、このベッセル２０内に同軸に高速回転可能に配置された回転手段３０と、前記ベッセル２０の内面に、該ベッセルと一体か該ベッセルの内面に取り付けられた固定手段４０とを備えている。

前記ベッセル２０は、円筒形のバレル１２と、このバレル１２の一端に固定された端板１４と、前記バレル１２の他端に固定されたフレーム１６とから構成されている。このベッセル２０の内部は、密閉された分散室Ｃ１とされている。

前記回転手段３０は、前記バレル１２ひいては前記ベッセル２０と同軸に配置されている。回転手段３０は、前記ベッセル２０の一端側であって該ベッセル外から他端側に前記分散室Ｃ１内に延びる回転駆動軸２４と、この回転駆動軸２４に軸方向に間隔を置いて配置された複数の環状板状の回転子２６を備えている。回転子２６は、３〜５枚設けられていることが好ましく、これらの回転子２６同士の間の間隔は、１０〜３０ｍｍであることが好ましい。また、作動時において、前記回転子２６は、その周速が２５〜１００ｍ／ｓに設定される。
なお、図１において、符号２５は、軸シールを示す。

前記固定手段４０は、単に前記バレル１２の部分であっても良く、すなわち略円筒状であってもよいが、図１に示したような構造であることが好ましい。すなわち、この固定手段４０は、内周縁が前記回転子２６の各の外周縁に微細な隙間２８を持って対峙するように配置された複数の環状で凸状の固定子４２を備えていることが好ましい。
対峙する前記回転子２６の外周縁２６ａおよび前記固定子４２の内周縁４２ａの幅は、同一であって、それらの幅は、５ｍｍ〜２０ｍｍであるこが好ましい。そして、その各固定子４２間の凹部４４は、曲面状凹部とされていることが好ましい。固定子４２間をなだらかな曲線で結び、乱れの無い原料スラリの流れを作り、下流の隙間２８に導くためである。回転子２６および固定子４２の数は、それぞれ３〜５枚であることが好ましい。

前記固定手段４０の内周面、固定子４２がある場合には、固定子４２の内周縁の表面と回転子２６の外周縁の間の隙間の距離は、０．５〜１ｍｍに設定されている。

前記回転子２６の外周縁２６ａの表面は、図２（ａ），（ｄ）に示したように平坦であるか、図２（ｂ），（ｃ）に示したように周方向に沿う溝２６ｂが設けられた構造であるであることが好ましい。

前記固定子４２の内周縁４２ａの表面は、図２（ａ），（ｂ）に示したように平坦であるか、図２（ｃ），（ｄ）に示したように周方向に沿う溝４２ｂが設けられた構造であることが好ましい。即ち、前記回転子２６および固定子４２の外周縁および内周縁の構造の組み合わせは、平平、溝平、溝溝および平溝のいずれかであることが好ましい。

前記溝２６ａおよび４２ｂは、前記回転子２６および固定子４２の外周面および内周面の幅方向の中央に配置され、それらの幅は、２ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、また、それらの深さは、２ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。
回転子２６、固定子４２の周縁に上記のような溝を設けることにより、前記隙間を流れる原料スラリの流れに変化を与え、これにより分散力を高めた。

前記ベッセル２０は、その一端および他端の一方側に設けられ、該ベッセル内に原料スラリを導入する原料供給口１８ａと、前記ベッセルの一端および他端の他方側に設けられ、処理済み原料スラリをベッセル外に排出する原料排出口１９ａとを備えている。図の実施の形態では、原料供給口１８ａをフレーム１６側に設け、原料排出口１９ａを端板１４側に設けた例に付いて示したが、好ましくは、原料供給口を端板１４側に設け、原料排出口をフレーム１６側に設けることが望ましい。すなわち、原料供給口１８ａと原料排出口１９ａを逆にすることが好ましい。原料スラリをベッセル２０の端部中央部から導入することにより、抵抗が少ない状態（遠心力による）で、原料スラリをベッセル２０内に導入でき、そして処理済みの原料スラリをベッセル２０の外周から排出することで、遠心力により該排出が助長される。なお、原料供給口１８ａと原料排出口１９ａには、それぞれ原料供給通路１８、原料排出通路１９が接続されている。

図３は、本発明の他の実施の形態による高速回転型分散機１００の断面図である。
この実施の形態による高速回転型分散機１００においては、前記固定手段４０に、前記回転子２６とそれに対峙する前記固定子４２からなる複数段の中間に原料スラリの流路案内板１０２が設けられている。この実施の形態による高速回転型分散機１００は、該流路案内板１０２を設けたこと、この流路案内板１０２を設けたことにより２つの回転子間の距離を拡げたこと以外は、図１に示された実施の形態の高速回転型分散機１０と構造が同じであるので、同じ部材・部品には、同じ符号を付してその説明を省略する。

前記回転子２６の各と流路案内板１０２の間隔は、１０〜３０ｍｍであることが好ましい。従って、２枚の隣り合った回転子２６の間の間隔は、約２０〜６０ｍｍであることが好ましい。
前記流路案内板１０２は、前記固定手段４０から前記回転駆動軸２４に向かって延びる環状板であることが好ましい。
この流路案内板１０２を設置することにより、回転子２６間の空間全体に沿って、原料スラリが流通するようになり、原料スラリの停滞域が無くなる。

作動においては、原料供給通路１８から被分散粒子を含むスラリである原料スラリを導入しながら回転手段３０を回転駆動する。粉砕室Ｃ１内に導入された原料スラリは、撹拌されて、粉砕室Ｃ１内で回転運動を生じつつ、原料排出通路１９側に移動させられる。この移動中に、原料スラリは、縮流されつつ前記回転子２６と固定子４２に形成された隙間２８の間に剪断を受けつつ流される。前記隙間２８の大きさを０．５ｍｍ、回転子２６の周速を１００ｍ／ｓに設定すると、その時のシアレートは、２０００００Ｓ^−１である。これを図１の高速回転型分散機１０では、５回繰り返し、被分散粒子が充分に分散された状態で、原料スラリは前記原料排出通路１９を介して、分散機外部に排出される。

以上の構成により、本発明の高速回転型分散機においては、発熱極力抑え、原料粒凝集塊を効率よくより微細に分散することができる。
なお、本発明の高速回転型分散機は、上記のような構造であるので、機能の良好な乳化機としても用いることができる。

１０高速回転型分散機
１２バレル
１４端板
１６フレーム
１８原料供給通路
１８ａ原料供給口
１９原料排出通路
１９ａ原料排出口
２０ベッセル
２４回転駆動軸
２５軸シール
２６回転子
２６ａ回転子の外周縁
２６ｂ溝
３０回転手段
４０固定手段
４２固定子
４２ａ固定子の内周縁
４２ｂ溝
１００高速回転型分散機
１０２流路案内板

Claims

円筒形のベッセルと、このベッセル内に同軸に高速回転可能に配置された回転手段と、前記ベッセルの内面に、該ベッセルと一体か該ベッセルの内面に取り付けられた円筒状の固定手段と、前記ベッセルの一端および他端の一方側に設けられ、該ベッセル内に原料スラリを導入する原料供給口と、前記ベッセルの一端および他端の他方側に設けられ、処理済み原料スラリをベッセル外に排出する原料排出口とを備え、前記回転手段は、前記ベッセルの一端から他端に向かって延びる回転駆動軸、およびこの回転駆動軸に軸方向に間隔を置いて配置された複数の円板状の回転子を備え、前記固定手段は、前記回転子の各の外周縁に微細な隙間を持って対峙する内周を備え、前記隙間は、原料スラリが剪断力を受けつつ通るものであり、前記回転子は、回転時において周速が２５〜１００ｍ／ｓに設定され、前記隙間の距離は、０．５〜１ｍｍであり、前記固定手段は、内周縁が前記回転子の各の外周縁に微細な隙間を持って対峙するように配置された複数の環状で凸状の固定子を備え、前記固定手段には、前記回転子とそれに対峙する前記固定子からなる複数段の中間に原料スラリの流路案内板が設けられていることを特徴とする高速回転型分散機。
前記固定手段の各固定子間の凹部が曲面状凹部とされている請求項１に記載の高速回転型分散機。
前記回転子の各々と前記流路案内板間の間隔が、１０〜３０ｍｍである請求項１または２に記載の高速回転型分散機。
前記流路案内板は、前記固定手段から前記回転駆動軸に向かって延びる環状板である請求項１〜３のいずれかに記載の高速回転型分散機。
前記回転子の外周縁表面は、平坦であるか、周方向に沿う溝が設けられた構造である請求項１〜４のいずれかに記載の高速回転型分散機。
前記回転子の外周縁に対峙する前記固定手段の前記固定子の内周縁の表面は、平坦であるか、周方向に沿う溝が設けられた構造である請求項２〜５のいずれかに記載の高速回転型分散機。
対峙する前記回転子の外周縁および前記固定子の内周縁の幅が同一であって、その幅が、５ｍｍ〜２０ｍｍである請求項１〜６のいずれかに記載の高速回転型分散機。
前記回転子が、３〜５枚設けられた請求項１〜７のいずれかに記載の高速回転型分散機。
前記回転子の外周縁に設けられた溝の幅は、２〜１０ｍｍであり、前記回転子の外周縁の溝の両側の幅が２〜１０ｍｍである請求項５に記載の高速回転型分散機。