JP6970520B2 - 攪拌機 - Google Patents

Description

本発明は、溶媒に投入された溶質を溶媒と共に撹拌して溶解させるための攪拌機に関する。

従来、溶媒と溶質とを混合溶解させて溶液を作成するための装置として、上下に長い立形バッチ式容器などを備えた撹拌機が用いられている。このような撹拌機では、撹拌効率が最終目的とする溶液の生産性に大きく影響する。特に固体状のモノマーを溶質として水などの溶媒に溶解させてポリマー溶液を得る場合、溶液内の熱伝達率を均一にするとともに、溶質の分散や溶液の循環を効率よく行う必要がある。

このような要求に応える、高い混合性能を有する撹拌機としては以下のようなものが挙げられる。すなわち椀状の境板を例とする、中心部を最低面とした形状を有する撹拌槽と、撹拌槽の中心部に設けられた回転軸と、回転軸に沿って取り付けられた一対の格子翼と、回転軸の下部に取り付けられており格子翼の径方向の長さより長い翼径を有する一対のパドル翼とを備えた撹拌機が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１に係る従来の撹拌機では、格子翼とパドル翼とを回転軸を中心として回転させることにより、撹拌槽の底部にある溶液はパドル翼によって上昇流となる。そして底部から上昇する溶液は格子翼によってさらに分散されるので、撹拌槽の底部と上部における熱伝達率をより均一化できる。

特開２００３−１５９５２３号公報

しかしながら、上記従来装置では溶質の分散や溶液の循環効率を十分に高めることが困難であり、特に回転軸の直下において溶質が滞留するという問題が懸念される。すなわち、回転軸を中心として格子翼およびパドル翼を回転させた場合、回転軸の直下では流速が比較的小さいので、密度の高い固体状の溶質が重力の影響により撹拌槽の下部へと沈降しやすくなる。

従来の撹拌槽において回転軸は撹拌槽の中央に位置することが一般的であり、撹拌槽の底部は中心部が最低面となるように構成されている。そのため、回転軸の直下において撹拌槽の下部へ沈降した溶質は、最低面となっている底面中心部に堆積するので、撹拌槽内の溶液濃度が不均一となるという問題が懸念される。

さらに、撹拌混合によって生成された溶液を効率よく抜き取ることを目的として、撹拌槽の底面中央部に溶液抜き取り用の排出口を設ける場合がある。この場合、排出口に溶質が堆積して閉塞させてしまうので、溶液の抜き取り効率が大幅に低下するという新たな問題も懸念される。

溶質の沈降および堆積などの問題を改善する構成としては、撹拌槽の底部と上部にバイパスとなる配管を設け、ポンプなどの動力を用いて撹拌槽内部の溶液および溶質を循環させる構成が挙げられる。しかしながらバイパス配管を配備する構成は、過剰な撹拌動力および撹拌槽の複雑化が要求されるので撹拌機のコスト上昇を招く。さらに当該バイパス配管の詰まりを防止すべく、バイパス配管の洗浄工程などが別途必要となる。その結果、撹拌槽の運用に伴う操作者の負担が増大する等、別種の問題が発生する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、撹拌槽の複雑化を回避しつつ、撹拌槽内の広範囲で強い上下循環流を発生させるとともに、撹拌槽内に投入された溶質が底部に滞留することをより確実に防止できる撹拌機を提供することを主たる目的とする。

この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち本発明は、中心部を最低面とする椀型の底面を有する、溶液が投入される撹拌槽と、前記撹拌槽の中心部に設けられた回転軸と、前記回転軸に取り付けられた撹拌翼と、を備える撹拌機であって、
前記撹拌翼は、
前記回転軸の軸に沿って取り付けられた板状部材と、
前記回転軸の下端の片側にのみ取り付けられたパドル翼とを備え、
前記パドル翼は、
前記パドル翼の下端部が前記回転軸の下端より下方に突出し、かつ前記回転軸に近い側の端部が前記回転軸の中心を越えて径方向へ突出しないように前記回転軸に取り付けられ、
前記パドル翼の翼径は、前記撹拌槽の半径に対する比が０．２以上０．３以下であり、
前記パドル翼の下端の形状は前記撹拌槽の底部に沿った形状となっており、前記パドル翼の下端と前記撹拌槽の底部との隙間は１０ｍｍ以下となるように構成されている
ことを特徴とするものである。

（作用・効果）この構成によれば、パドル翼は回転軸の下端の片側にのみ取り付けられ、全体として片翼状となっている。パドル翼を回転軸とともに回転させることにより、回転軸の下方に相当する撹拌槽の底部において、回転軸中心の直下から径方向にわたる広い範囲で強い上昇流が形成される。

そして回転軸の両側にパドル翼が設けられる従来の構成では、一方のパドル翼によって形成される上昇流は、対になるパドル翼によって打ち消される。一方、片翼状のパドル翼を回転させる本発明の構成ではパドル翼に対して回転軸の中心を挟んで対向する位置には、撹拌槽内の溶液を撹拌する構成が存在しない。そのため、パドル翼の回転によって形成される上昇流が打ち消されることを確実に回避できる。従って、撹拌槽の上部から回転軸の下方に沈降する固体状の溶質は、上昇流に従って撹拌槽の上部へと再度巻き上げられるので、溶質が撹拌槽の底部に堆積・滞留することを確実に防止できる。

また、上述した発明において、前記パドル翼の翼径は、前記撹拌槽の半径に対する比が０．２以上０．３以下であることが好ましい。この場合、パドル翼の翼径は比較的短い。そのため、回転軸の下端の片側にのみパドル翼を取りつける本発明の構成において、回転軸を回転させて撹拌を行う際に撹拌翼のバランスを好適に保つことがより容易となる。

また、上述した発明において、前記パドル翼は、前記パドル翼の下端部が前記撹拌槽の底部に向けて取り付けられており、前記パドル翼の一方の面が前記撹拌槽の斜め上方を向くように傾斜角を持っていることが好ましい。

（作用・効果）この構成によれば、撹拌槽の斜め上方を向くように傾斜角をつけてパドル翼を取り付けることにより、撹拌槽下部の溶液は傾斜角を有するパドル翼の上面によって効率よく掻き上げられ、より好適に上昇流となる。そのため、撹拌槽の内部における溶液の循環効率をより向上できる。

また、上述した発明において、前記撹拌槽の内側壁の上部から下部にわたって取り付けられた、投入された溶液の流れを規制する規制部材を備え、前記パドル翼は、径方向における先端部が前記規制部材の下側まで延伸していることが好ましい。

（作用・効果）この構成によれば、撹拌翼の回転に伴って発生する溶液の回転方向への流れは、規制部材に衝突することによって効率よく上昇流へと変えられる。また、パドル翼の先端部は規制部材の下側まで延伸しているので、規制部材の下側における溶液は滞留されること無くパドル翼によって掻き出されるように撹拌される。従って、撹拌槽における溶液の撹拌効率をより向上できる。

本発明に係る撹拌機によれば、撹拌槽の複雑化を回避しつつ、撹拌槽内の広範囲で強い上下循環流を発生させるとともに、撹拌槽内に投入された溶質が底部に滞留することをより確実に防止できる。

実施例に係る撹拌機の基本構成を示す破断斜視図である。 実施例に係る撹拌槽の底部の構成を示す断面図である。 実施例１に係る撹拌槽の構成を示す平面図である。 実施例１におけるシミュレーションを説明する図である。（ａ）は解析モデルとして用いられた、実施例１に係る撹拌翼の下部を示す拡大正面図であり、（ｂ）はシミュレーション時におけるパドル翼の位置、回転軸の回転方向、および観察方向を示した平面図であり、（ｃ）はシミュレーションによって得られた、撹拌槽内における溶液の速度ベクトルを示す図であり、（ｄ）は（ｃ）に係る速度ベクトルの概略を示した図である。 実施例１における効果を説明する図である。（ａ）は図４（ｂ）の状態について、さらにパドル翼を１８０°回転させた状態を示した平面図であり、（ｂ）は速度ベクトルの概略と、上昇流が形成される領域の位置とを示した概略図である。 比較例１におけるシミュレーションを説明する図である。（ａ）は解析モデルとして用いられた、比較例１に係る撹拌翼の下部を示す拡大正面図であり、（ｂ）はシミュレーションによって得られた、撹拌槽内における溶液の速度ベクトルを示す図であり、（ｃ）は（ｂ）に係る速度ベクトルの概略を示した図である。 比較例２におけるシミュレーションを説明する図である。（ａ）は解析モデルとして用いられた、比較例２に係る撹拌翼の下部を示す拡大正面図であり、（ｂ）はシミュレーションによって得られた、撹拌槽内における溶液の速度ベクトルを示す図であり、（ｃ）は（ｂ）に係る速度ベクトルの概略を示した図である。 比較例３におけるシミュレーションを説明する図である。（ａ）は解析モデルとして用いられた、比較例３に係る撹拌翼の下部を示す拡大正面図であり、（ｂ）はシミュレーションによって得られた、撹拌槽内における溶液の速度ベクトルを示す図であり、（ｃ）は（ｂ）に係る速度ベクトルの概略を示した図である。 比較例４におけるシミュレーションを説明する図である。（ａ）は解析モデルとして用いられた、比較例４に係る撹拌翼の下部を示す拡大正面図であり、（ｂ）はシミュレーションによって得られた、撹拌槽内における溶液の速度ベクトルを示す図であり、（ｃ）は（ｂ）に係る速度ベクトルの概略を示した図である。 実施例２におけるシミュレーションを説明する図である。（ａ）は解析モデルとして用いられた、実施例２に係る撹拌翼の下部を示す拡大正面図であり、（ｂ）はシミュレーションによって得られた、撹拌槽内における溶液の速度ベクトルを示す図であり、（ｃ）は（ｂ）に係る速度ベクトルの概略を示した図である。 実施例３におけるシミュレーションを説明する図である。（ａ）は解析モデルとして用いられた、実施例３に係る撹拌翼の下部を示す拡大正面図であり、（ｂ）はシミュレーションによって得られた、撹拌槽内における溶液の速度ベクトルを示す図であり、（ｃ）は（ｂ）に係る速度ベクトルの概略を示した図である。 従来例における問題点を説明する図である。（ａ）は従来例のうち、比較例１に係る撹拌翼の下部を示す拡大正面図であり、（ｂ）は比較例１における、パドル翼の位置関係を示す平面図である。 従来例における問題点を説明する図である。（ａ）は従来例のうち、比較例４に係る撹拌翼の下部を示す拡大正面図であり、（ｂ）は比較例５に係る撹拌翼の下部を示す拡大正面図である。 変形例に係る撹拌翼の下部を示す拡大正面図である。 変形例に係るパドル翼と格子翼との位置関係を示す平面図である。 変形例に係るパドル翼の構成を説明する破断正面図である。（ａ）は各実施例に係る、パドル翼が回転軸の中心軸と平行な構成を示す破断正面図であり、（ｂ）は変形例に係る、パドル翼が回転軸の中心軸から傾斜するように取り付けられる構成を示す破断正面図である。 変形例に係るパドル翼の構成を説明する平面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例１を説明する。図１は、実施例１に係る撹拌機１の全体構成を示す破断斜視図である。

＜全体構成の説明＞
撹拌機１は図１に示すように、撹拌槽２と、回転軸３と、撹拌翼４と、邪魔板５と、ジャケット部６とを備えている。撹拌槽２は椀状の底部を有する円筒形の構成を備えており、各種の溶質、溶媒および溶液などが投入される。撹拌槽２は底部の中央に排出口７が配設されている。排出口７は撹拌槽２内の溶液を取り出す取り出し口としての機能を有しており、排出管８に接続されている。撹拌槽２において撹拌混合して生成された溶液は、排出管８を介して回収される。

回転軸３は撹拌槽２の中央に設けられており、カップリングを介してその上部の図示しない駆動部と連接されている。回転軸３は駆動部の駆動により図３において符号Ｒで示す方向へ回転する。回転軸３は、図１に示すような片持ち支持されている構成に限ることはなく、底部を貫通して上下から支持されてもよい。また、駆動部が撹拌槽２の下部側に設けられてもよい。

撹拌翼４は回転軸３に沿って取り付けられており、格子翼９およびパドル翼１０によって構成されている。格子翼９は、縦２列、横３行からなる格子板が、回転軸３の左右にそれぞれ取り付けられた構成を備えている。一対の格子板は、それぞれ回転軸３の上部から下部に沿って取り付けられている。なお格子板に設けられている格子の構成は縦２列、横３行に限ることはなく、適宜変更してよい。格子翼９は、本発明における板状部材に相当する。

次に図２を用いてパドル翼１０の構成を説明する。図２は撹拌槽２の底部を示す拡大図である。なお、図２ではジャケット部６、排出口７および排出管８の構成を省略している。

パドル翼１０は格子翼９の下方に設けられており、回転軸３の下端に取り付けられている。パドル翼１０は扇状の形状を有している。また本発明の特徴として、パドル翼１０は回転軸３の片側、すなわち左右のうち一方にのみ取り付けられている。そのため、パドル翼１０は全体として片翼状の構成となっており、回転軸３の中心軸Ｐを基準として回転軸３の径方向における一方にのみ延伸している。

パドル翼１０の下端１０ａは回転軸３の下端よりも下方に突出している。回転軸３側（内側）におけるパドル翼１０の端部１０ｂ（以下、「内端部１０ｂ」と略称する）は、回転軸３の中心軸Ｐを越えて突出しないことが好ましい。当該構成による効果の詳細については後述する。

パドル翼１０の下端１０ａの形状は、撹拌槽２が有する椀状の底部に沿った同一の形状となっている。すなわち、下端１０ａと撹拌槽２の底部との隙間Ｇは均一となっている。隙間Ｇを狭い空間とすることにより、パドル翼１０を回転させることによって隙間Ｇを流通する溶液の流速が向上するので、溶液の熱伝達率を高めることができる。実施例において、隙間Ｇは１０ｍｍ以下であることが好ましい。

なお実施例１では図２に示すように、径方向におけるパドル翼１０の先端部１０ｃが邪魔板５の下側まで延伸している。そのため、邪魔板５の下側における溶液は滞留されること無くパドル翼１０によって掻き出されるように撹拌されるので、撹拌槽２における溶液の撹拌効率をより向上できる。

なお実施例１では、パドル翼１０の翼径Ｓ２（内端部１０ｂから先端部１０ｃまでの長さ）と、撹拌槽２の半径Ｓ１との比（対槽半径比Ｖ）は０．９となるように構成されている。そして格子翼９の翼径Ｓ３と撹拌槽２の半径Ｓ１との比は０．７となるように構成されている。また図１ないし図３に示すように、格子翼９とパドル翼１０とは互いに平行となるように回転軸３に取り付けられている。

邪魔板５は一例として平板状であり、撹拌槽２における円筒形部分の内壁の上部から下部にわたって取り付けられている。邪魔板５は、格子翼９の回転に伴って撹拌槽２内の溶液が回転方向Ｒに流れることを規制する。すなわち、格子翼９の回転方向Ｒに流れる溶液は、邪魔板５に衝突して上昇流に変えられるようになっている。実施例１において邪魔板５は２本であるが、邪魔板５の数は適宜変更してよい。邪魔板５は本発明における規制部材に相当する。

ジャケット部６は撹拌槽２の外周部および底部の各々を包み込むように付設されている。ジャケット部６の内部には、温度調節用流体としての温水や冷却水が流通する流路１１が設けられている。すなわち、ジャケット部６に温度調節用流体を循環させることによって、撹拌槽２の内部における温度を一定に保つように構成されている。

＜シミュレーション解析＞
ここで撹拌槽２に投入された溶液の撹拌を行う場合における、実施例１に係る撹拌翼４の撹拌性能をシミュレーションにより検証を行った。すなわち、撹拌機１と同様の構成を有する解析モデルに基づいて撹拌槽２の内部における溶液の流動状態を、ＭＲＦ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｒａｍｅ）の手法を用いて定常解析を行った。

なお、シミュレーションにおける各種条件は、以下の通りである。
解析ソフトプログラム：Ｆｌｕｅｎｔ６．３
回転軸３の回転数：６０ｒｐｍ
解析モデル形状：パドル翼
流体物性：ＦＬＵＥＮＴデータベースより、Ｗａｔｅｒ−ｌｉｑｕｉｄを用いた。
溶液の密度：９９８ｋｇ／ｍ３
溶液の粘度：１ｍＰａ・ｓ

前記した条件の下でシミュレーションによる定常解析を行った結果について、図４の各図を用いて説明する。図４（ａ）は解析モデルとして用いられた、実施例１に係る撹拌翼４の下部を示す拡大正面図である。すなわち回転軸３の下端片側にパドル翼１０が取り付けられており、パドル翼１０の内端部１０ｂは回転軸３の中心軸Ｐを越えない位置に配置されている。また、パドル翼１０の対槽半径比Ｖの値は０．９となっている。

図４（ｂ）は、シミュレーション時におけるパドル翼１０の位置、回転軸３の回転方向、および観察方向を示した図である。図４（ｃ）などに係る速度ベクトル図における観察方向は、図４（ｂ）において符号Ｑを付して示されている。また図４（ｂ）ではパドル翼１０の位置を明示する関係上、格子翼９や邪魔板５などの記載を省略している。

図４（ｃ）はシミュレーションによって得られた、中心軸Ｐに平行で回転軸３を含む断面における速度ベクトルを示す図である。各々の速度ベクトルは、撹拌槽２の上下方向（ｚ方向）について、上向きの場合は正の値で示されており、下向きの場合は負の値で示されている。このとき、パドル翼１０は回転軸３の中心軸Ｐから奥側へ向かって延伸する位置にある。また図４（ｃ）に係る速度ベクトル図は、図４（ｂ）において観察方向Ｑから見たＡ−Ａ断面図である。図４（ｄ）は、図４（ｃ）に係る速度ベクトルの概略を示した図である。

図４（ｃ）および図４（ｄ）に示すように、実施例１に係る撹拌翼４の回転によって、点線Ｆ１で示すｘ方向に広い範囲において撹拌槽２の底部から強い上昇流Ｊが形成されることが分かった。

すなわち回転軸３の下方において、回転軸３の中心軸Ｐの直下から向かって右側について、ｘ方向に広い領域Ｆ１で上昇流Ｊが形成されている。また実施例１において、上昇流Ｊのｚ方向への速度は＋０．０６〜＋０．１０ｍ／ｓ程度となっている。すなわち、上昇流Ｊは上向きの速い流れとなっている。一方、回転軸３の下方であって領域Ｆ１を除く範囲において形成されている、液流Ｋのｚ方向への速度は、概ね−０．１０〜＋０．００ｍ／ｓ程度である。すなわち、液流Ｋは概ね横向きまたは下向きの流れとなっている。

そして、回転軸３の回転に従ってパドル翼１０が中心軸Ｐの軸周りに回転移動することにより、上昇流Ｊが形成される範囲Ｆ１の位置も中心軸Ｐの軸周りに回転移動する。すなわち図５（ａ）に示すように、図４（ｂ）に示す状態からパドル翼１０が中心軸Ｐの軸周りに１８０°回転移動した場合、上昇流Ｊの形成範囲Ｆ１の位置は図５（ｂ）に示す通りとなる。

すなわち、上昇流Ｊの形成範囲Ｆ１は、回転軸３の中心軸Ｐの直下から向かって左側について、ｘ方向に広い範囲となる。このようにパドル翼１０の回転に応じて、回転軸３の下方に相当する撹拌槽２の底部（中央底部Ｈ）の全領域において、強い上昇流Ｊが周期的に形成される。

このように、回転軸３の片側に設けられたパドル翼１０を回転させることにより、中央底部Ｈにおいて、中心軸Ｐの直下から径方向にわたる広い領域Ｆ１で強い上昇流Ｊが形成される。そして、上昇流Ｊの形成領域Ｆ１は中央底部Ｈの全領域をカバーするように順次移動する。

そのため、撹拌槽２の上部から回転軸３の下方に沈降する固体状の溶質は、上昇流Ｊに従って撹拌槽２の上部へと再度巻き上げられる。その結果、撹拌槽２の中央底部Ｈにおいて、モノマーなど固体状・粉末状の溶質が堆積することを確実に防止できる。

ここで、実施例１に係るシミュレーションとの比較を行うため、図６〜図９に示す比較例に係る解析モデルを用いて、前記と同様の条件下でシミュレーションによる定常解析を行った。

（比較例１）
まず、特許文献１に係る撹拌翼を比較例１の解析モデルとして、撹拌性能のシミュレーション検証を行った。比較例１に係る撹拌翼４Ａは図６（ａ）に示すように、回転軸３の下端両側にパドル翼１０がそれぞれ取り付けられている。パドル翼１０の内端部１０ｂは回転軸３の中心軸Ｐを越えない位置に配置されている。また、パドル翼１０の対槽半径比は、実施例１と同様に０．９となっている。

比較例１に係る撹拌翼４Ａを解析モデルとしてシミュレーションを行った結果を図６（ｂ）および図６（ｃ）に示している。図６（ｂ）はシミュレーションによって得られた、中心軸Ｐに平行で回転軸３を含む断面における速度ベクトルをジオメトリで示した図であり、図６（ｃ）は、図６（ｂ）の概略図である。

図４（ｃ）および図４（ｄ）と比較すると、比較例１に係る撹拌翼４Ａの回転によって上昇流ＪＡが形成される領域Ｆ２は、実施例１において上昇流Ｊが形成される領域Ｆ１と比べてｘ方向に狭いことが分かる。また、範囲Ｆ２において形成される上昇流ＪＡのｚ方向への速度は、＋０．０２〜＋０．０４ｍ／ｓ程度であり、実施例１において形成される上昇流Ｊの速度と比べて低いことも分かる。なお、回転軸３の下方であって領域Ｆ２を除く範囲において形成されている、液流ＫＡのｚ方向への速度は、−０．１４〜＋０．００ｍ／ｓ程度である。

さらに、領域Ｆ２の位置は回転軸３の中心軸Ｐの直下に相当する狭い範囲に限られる。そのため撹拌翼４Ａを回転させても領域Ｆ２は領域Ｆ１と異なり、撹拌槽２の中央底部Ｈにおいて変位しない。従って、比較例１に係る撹拌翼４Ａを用いて撹拌を行っても、撹拌槽２の中央底部Ｈにおいて、中心軸Ｐの直下における非常に限られた範囲に弱い上昇流ＪＡが形成されるにとどまる。その結果、領域Ｆ２を除く中央底部Ｈ（一例として回転軸３の周縁部の直下）において溶質の滞留・堆積が顕著に発生する。

さらに、撹拌槽２の底面付近を流れる液流Ｌは、いずれも中央底部Ｈに向かって流れている。すなわち、撹拌槽２の底面に沈降する溶質は椀状の底面および液流Ｌに沿って底面の中央へと移動するので、中央底部Ｈにおける溶質の堆積がさらに顕著に発生する。その結果、溶質の溶解効率が低下する問題や、堆積した溶質によって排出口７が閉塞するので溶液の排出が困難になる問題が容易に発生する。

実施例１と比較例１とを比べると明らかなように、パドル翼１０を回転軸３の下端において両側ではなく片側に取り付けることによって、溶液を撹拌する際に撹拌槽２の中央底部Ｈにおいて強い上昇流Ｊが広範囲に形成される。従って、溶質が槽の底部に堆積することを防止できるので、撹拌槽２における撹拌効率を大きく向上できる。

（比較例２）
次に、パドル翼を有しない撹拌翼を比較例２として、撹拌性能のシミュレーション検証を行った。比較例２に係る撹拌翼４Ｂは図７（ａ）に示すように、実施例１に係る撹拌翼４からパドル翼１０を除いた構成となっている。

比較例２に係る撹拌翼４Ｂを解析モデルとして、シミュレーションを行った結果を図７（ｂ）および図７（ｃ）に示している。比較例２では撹拌槽２の中央底部Ｈにおいて、ごく限られた領域Ｆ３において弱い上昇流ＪＢが僅かに確認できるにとどまっている。なお、上昇流ＪＢのｚ方向への速度は、＋０．００〜＋０．０２ｍ／ｓ程度である。

そのため、比較例２の構成において、中央底部Ｈに沈降する溶質を非常に弱い上昇流ＪＢによって撹拌槽２の上部へ再度巻き上げることは困難である。さらに、比較例２に係る撹拌翼４Ｂはパドル翼１０を備えていないので、撹拌翼４Ｂと撹拌槽２の底面との隙間が大きい。そのため、撹拌槽２の下部を流れる溶液を撹拌槽２の上部へ掻き上げることが困難である。その結果、撹拌槽２における溶液の循環効率は、実施例１などの構成と比べて大きく低下する。

（比較例３）
続いて、図８（ａ）に示す撹拌翼４Ｃを比較例３に係る解析モデルとして、撹拌性能のシミュレーション検証を行った。比較例３に係る撹拌翼４Ｃは、回転軸３の下端に1枚のパドル翼１０が取り付けられている。パドル翼１０は、回転軸３の左右へそれぞれ延伸しており、パドル翼１０の下端１０ａは回転軸３の下端からさらに下方へ延伸している。ｘ方向について一方（回転軸３の左方向）におけるパドル翼１０の翼径Ｓ４、および他方（回転軸３の右方向）へ延びるパドル翼１０の翼径Ｓ５は、それぞれ対槽半径比が実施例１と同様、０．９となるように構成されている。

比較例３に係る撹拌翼４Ｃを解析モデルとして、シミュレーションを行った結果を図８（ｂ）および図８（ｃ）に示している。比較例３では撹拌槽２の中央底部Ｈにおいて上昇流が形成されていないことが分かる。なお、回転軸３の下方において形成されている液流ＫＣのｚ方向への速度は、いずれも−０．０２〜＋０．０２ｍ／ｓ程度である。比較例１と比較例３とを比べると、回転軸３の下端において下方側の全体にパドル翼が取り付けられると、中央底部Ｈにおける上昇流の発生効率が低下することが分かる。

（比較例４）
さらに、図９（ａ）に示す撹拌翼４Ｄを比較例４に係る解析モデルとして、撹拌性能のシミュレーション検証を行った。比較例４に係る撹拌翼４Ｄは実施例１と同様、回転軸３の下端において片側にパドル翼１０が取り付けられている。但し比較例４に係るパドル翼１０は、内端部１０ｂが回転軸３の中心軸Ｐを越えて径方向に延伸している点で、実施例１に係るパドル翼１０と相違する。すなわち、比較例４に係る撹拌翼４Ｄは比較例３と同様に、回転軸３の下端において下方側の全体にパドル翼が取り付けられる構成を有している。

比較例４に係る撹拌翼４Ｄを解析モデルとして、シミュレーションを行った結果を図９（ｂ）および図９（ｃ）に示している。図４（ｃ）および図４（ｄ）と比較すると、比較例４に係る撹拌翼４Ｄの回転によって上昇流ＪＤが形成される領域Ｆ４は、実施例１において上昇流Ｊが形成される領域Ｆ１と比べてｘ方向に狭くなっていることが分かる。

なお、上昇流ＪＤのｚ方向への速度は、＋０．０２〜＋０．０６ｍ／ｓ程度であり、実施例１において形成される上昇流Ｊの速度と比べて低いことも分かる。なお、回転軸３の下方であって領域Ｆ４を除く範囲において形成される、液流ＫＤは下向きに速い流れであり、そのｚ方向への速度は−０．１４〜−０．０４ｍ／ｓ程度である。

このように、実施例１と同様に比較例４の結果からも、回転軸３の下端の両側にパドル翼１０を取り付ける構成と比べて、回転軸３の下端の片側にパドル翼１０を取り付ける構成では中央底部Ｈにおける上昇流の発生効率および発生範囲が大きく向上することが分かる。その一方で、撹拌翼４においてパドル翼１０の内端部１０ｂが中心軸Ｐを越えて回転軸３の径方向に突出し、回転軸３の下端において下方側の全体にパドル翼が取り付けられる構成となると、中央底部Ｈにおける上昇流の発生効率および発生範囲が低下することが分かる。

次に、本発明の実施例２を説明する。実施例２に係る撹拌機１の構成は実施例１と共通する。但しパドル翼１０の翼径において実施例１と相違する。実施例２に係る撹拌翼４Ｅは図１０（ａ）に示すように、回転軸３の下端の片側にパドル翼１０が設けられている。パドル翼１０の下端１０ａは回転軸３の下端より下方に突出しており、パドル翼１０の内端部１０ｂは回転軸３の中心軸Ｐを越えて径方向に突出しないように構成されている。

実施例２において、パドル翼１０の翼径Ｓ１は対槽半径比Ｖが０．７となるように構成されている。すなわちパドル翼１０の翼径Ｓ１は格子翼９の翼径Ｓ３と略同じである。すなわち実施例２では実施例１と異なり、径方向におけるパドル翼１０の先端部１０ｃが、邪魔板５の下側まで届かないように構成されている。

そして実施例２に係る撹拌翼４Ｅを解析モデルとして、シミュレーションを行った結果を図１０（ｂ）および図１０（ｃ）に示している。すなわち実施例１と同様に、実施例２に係る撹拌翼４Ｅの回転によって、符号Ｆ５で示すｘ方向に広い領域において撹拌槽２の底部から強い上昇流Ｊが形成されることが分かる。

すなわち上昇流Ｊが発生する領域Ｆ５は、回転軸３の下方において、回転軸３の中心軸Ｐの直下から向かって右側について、ｘ方向に広い領域となっている。実施例２において、領域Ｆ５において形成される上昇流Ｊのｚ方向への速度は、実施例１と同様に＋０．０６〜＋０．１０ｍ／ｓ程度の高い速度となっている。なお、回転軸３の下方であって領域Ｆ５を除く範囲において形成される、液流Ｋのｚ方向への速度は概ね−０．１２〜−０．０２ｍ／ｓ程度である。

さらに、本発明の実施例３を説明する。実施例３に係るパドル翼１０は、実施例２よりさらに翼径が短くなっている。実施例３に係る撹拌翼４Ｆは図１１（ａ）に示すように、パドル翼１０が取り付けられる位置は実施例１および実施例２と共通している。実施例３において、パドル翼１０の翼径Ｓ１は対槽半径比Ｖが０．２となるように構成されている。

実施例３に係る撹拌翼４Ｆを解析モデルとして、シミュレーションを行った結果を図１１（ｂ）および図１１（ｃ）に示している。実施例１および実施例２と同様に、実施例３に係る撹拌翼４Ｆの回転によって、符号Ｆ６で示すｘ方向に広い領域において撹拌槽２の底部から強い上昇流Ｊが形成されることが分かる。

実施例３において、領域Ｆ６において形成される上昇流Ｊのｚ方向への速度は、実施例１と同様に＋０．０４〜＋０．０６ｍ／ｓ程度の高い速度となっている。なお、回転軸３の下方であって領域Ｆ６を除く範囲において形成されている、液流Ｋのｚ方向への速度は概ね−０．１６〜＋０．００ｍ／ｓ程度である。

このように、実施例１ないし実施例３の結果から明らかなように、パドル翼１０の翼径の長さに関わらず、回転軸３の片側にパドル翼１０を取り付けることにより、回転軸３の下方に相当する撹拌槽２の中央底部において強い上昇流Ｊが広い範囲で形成されることが分かる。すなわち、比較例１および比較例３のような、回転軸３の下端両側にパドル翼１０が延伸する構成と比べて、実施例１ないし実施例３のような、回転軸３の下端片側にのみパドル翼１０が延伸する構成を適用することで撹拌時に上昇流が広範囲で形成される。

回転軸３の下端片側にのみパドル翼１０を取り付けることによって、撹拌翼４が中央底部Ｈにおけるより広い範囲に上昇流Ｊを形成できる理由としては、以下のような仮説が考えられる。ここでは撹拌槽２においてパドル翼１０が通過する任意の位置のうち、一例として所定の位置Ｆを挙げ、図１２の各図を用いて説明する。図１２（ｂ）は図４（ｂ）と同様に、格子翼９の記載を省略した平面図である。

従来のパドル翼は、回転の際のバランスを考慮して、回転軸の両側に設ける構成とすることが一般的である。すなわち、従来のパドル翼は図１２（ａ）に示すような、一対のパドル翼１０が回転軸３の両側に延伸する構成となる。しかし、このような両翼状のパドル翼を有する従来の構成では、一方のパドル翼１０Ｐの回転によって形成される上昇流が、他方のパドル翼１０Ｑの回転によって打ち消されると考えられる。すなわち、図１２（ｂ）に示すように、一方のパドル翼１０Ｐが方向Ｒに沿って回転して所定の位置Ｆを通過することによって、撹拌槽２の中央底部において広い範囲に上昇流が発生する。

しかしながら従来の構成では、一方のパドル翼１０Ｐから遅れて所定の位置Ｆを通過する他方のパドル翼１０Ｑによって、当該上昇流の大部分が打ち消される。その結果、上昇流が発生する範囲は非常に狭い範囲に限られるものと考えられる（比較例１を参照）。このようにパドル翼が回転軸３の両側に延伸する従来の構成では、一方に延びるパドル翼と他方に延びるパドル翼とが、撹拌槽２の中央底部Ｈにおいて形成される上昇流を互いに打ち消し合う。その結果、撹拌槽２の中央底部Ｈにおける撹拌効率が大幅に低下し、沈降する溶質が容易に滞留・堆積する。

従来の構成に対し、各実施例に係る撹拌翼４は、中心軸Ｐを基準としてパドル翼１０が径方向について回転軸３の一方にのみ延伸するように構成される。このような各実施例の構成では、中心軸Ｐを挟んでパドル翼１０と対向する位置に、翼状部材を例とする溶液の速度ベクトルを変える構成が存在しない。そのため、パドル翼１０が撹拌槽２内の溶液を撹拌することによって形成される上昇流が打ち消されることを回避できる。その結果、撹拌翼４を用いて撹拌することで、撹拌槽２の中央底部Ｈにおいて強い上昇流を広範囲に形成できると考えられる。

撹拌槽２の中央底部Ｈにおいて強い上昇流が広範囲に形成される結果、撹拌槽２の上部から回転軸３の下方に沈降する固体状の溶質は、上昇流に従って撹拌槽２の上部へと再度巻き上げられるので、溶質の堆積・滞留を防止できる。その結果、パイパス配管などを新たに設けることなく、撹拌機１における撹拌翼４の撹拌効率および溶質の溶解効率を大きく向上できる。

また、実施例３の結果から明らかなように、パドル翼１０の翼径を短くした場合であっても、回転軸３の下端から下方に突出する片翼状のパドル翼１０を回転軸３に取り付けることによって、撹拌槽２の中央底部Ｈにおける広い範囲に上昇流を形成できる。さらに、パドル翼１０の翼径Ｓ２を短くすることにより、回転軸３の片側にのみパドル翼１０を取りつける本発明の構成において、撹拌翼４のバランスを好適に保つことがより容易となる。撹拌翼４をバランスよく回転させるという観点から、パドル翼１０の翼径Ｓ２の対槽半径比Ｖは０．２以上０．３以下であることが特に好ましい。

なお、実施例１と比較例４とを比べると、回転軸３の下方側全体にパドル翼１０が取り付けられることによって、中央底部Ｈにおける上昇流Ｊの形成範囲が狭くなることが分かる。この理由としては、以下のような仮説が考えられる。

すなわち比較例４に係る撹拌翼４Ｄでは、図１３（ａ）に示すようにパドル翼１０のうち、回転軸３の中心軸Ｐから径方向へ一方に延びる部分Ｍａの回転によって発生する上昇流が、パドル翼１０のうち、回転軸３の中心軸Ｐから径方向へ他方に延びる部分Ｍｂによって打ち消される。その結果、部分Ｍｂを有しない実施例１と比べて、部分Ｍｂを有する比較例４では上昇流Ｊの形成能力が低下したと考えられる。

従って、回転軸３の下端の片側にパドル翼１０を取り付ける本発明の構成において、パドル翼１０の内端側１０ｂは中心軸Ｐを越えて径方向に突出しないことが好ましい。内端部１０ｂが中心軸Ｐを越えて突出する場合、内端部１０ｂが中心軸Ｐを越えて突出する長さＮに応じて、図１３（ａ）に示す部分Ｍｂの面積が広くなる。部分Ｍｂが広くなるに従って、部分Ｍａの回転によって形成される上昇流はより打ち消されやすくなるので、長さＮはより短いことが望ましい。中心軸Ｐは本発明における回転軸の中心に相当する。

また、本発明に係る撹拌翼４において、パドル翼１０の下端１０ｂは回転軸３の下端より下方へ突出する必要があり、回転軸３の下端より下方へ突出する長さＷはより長いことが好ましい。パドル翼１０の下端１０ｂが回転軸３の下端より下方へ突出しない場合、撹拌翼４Ｇは図１３（ｂ）に示すような構成となる。

このような比較例５に係る撹拌翼４Ｇの構成は比較例４に係る撹拌翼４Ｄと類似の構成であるので、撹拌翼４Ｇを使用した場合、比較例４と同様の問題が発生する。すなわち、パドル翼１０によって形成される上昇流Ｊは、中心軸Ｐを挟んでパドル翼１０と対向する位置にある、回転軸３の下端部３Ａによって打ち消される。その結果、中央底部Ｈにおける上昇流Ｊの形成が抑制される。従って、パドル翼１０によって形成される上昇流が打ち消されることを回避すべく、パドル翼１０の下端１０ｂは回転軸３の下端より下方へより突出することが望ましい。

本発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上記各実施例において、パドル翼１０は回転軸３の下端の下側に接するように取り付けられている。すなわちパドル翼１０の上端１０ｄと回転軸３の下端が接する構成となっているが、これに限られない。すなわちパドル翼１０の下端１０ｂが回転軸３の下端より下方に突出するならば、パドル翼１０は回転軸３の下端の側部に接するように取り付けられていてもよい。

当該変形例（１）に係る撹拌翼４Ｈは、図１４に示すように、パドル翼１０の内端部１０ｂが回転軸３の下端の側面と接するように構成されている。このような構成であっても、下端１０ｂが下方へ突出する長さＷを十分に長くすることにより、片翼状のパドル翼１０によって形成される上昇流が打ち消されることを確実に回避できる。なお、「回転軸の片側にのみパドル翼が取り付けられる」とは、少なくとも各実施例の構成のみならず変形例（１）の構成を含む、いわゆる片翼状のパドル翼１０を備える構成を示唆する。

（２）上記各実施例および変形例において、図１ないし図３に示すように、パドル翼１０は格子翼９と平行となるように回転軸３に取り付けられているが、図１５に示すようにパドル翼１０は格子翼９と交差姿勢で取り付けられてもよい。

ここで、回転軸３に対するパドル翼１０の取り付け角度と格子翼９の取り付け角度との関係を説明する。図１５に示す対頂角θ１は、基準軸線である格子翼９の翼径に対してパドル翼１０の先端１０ｃを回転方向Ｒの前方に変位させた場合に、パドル翼１０の回転方向Ｒとは逆の後方側に形成される角度である。対頂角θ１は９０°以下にすることが好ましい。この場合、パドル翼１０の回転に伴って上昇流となった溶液を、格子翼９によってさらに効率よく分散できる。

（３）上記各実施例および各変形例において、パドル翼１０は図１６（ａ）に示すように回転軸３の中心軸Ｐと平行に取り付けられているが、これに限られない。すなわち図１６（ｂ）に示すように、パドル翼１０の一方の面が撹拌槽２の上方を向くように傾斜角θ２をつけて回転軸３の下端に取り付けられてもよい。傾斜角θ２は、中心軸Ｐに対して０°〜６０°の範囲に設定することが好ましい。傾斜角θ２をつけてパドル翼１０を取り付けることにより、撹拌槽２下部の溶液はパドル翼１０の上面によって掻き上げられ、より好適に上昇流となる。そのため、撹拌槽２の内部における溶液の循環効率をより向上できる。

（４）上記各実施例および各変形例において、パドル翼１０は図３に示すような１枚板の構成であったが、これに限られない。すなわち図１７に示すように、複数枚の板状部材１３ａ〜１３ｃが回転軸３の回転方向Ｒに重なるように回転軸３に取り付けられてパドル翼１０を構成してもよい。

このような変形例において、先頭の板状部材１３ａと最後尾の板状部材１３ｃとの角度θ３は、０°〜９０°であることが好ましい。角度θ３が当該範囲内である場合、パドル翼１０を構成する先頭の板状部材１３ａの回転によって形成される上昇流が、後続の板状部材１３ｂおよび１３ｃなどによって打ち消されることを回避できる。パドル翼１０を構成する板状部材１３の数は３枚に限ることはなく、適宜変更してもよい。

（５）上記各実施例および各変形例において、撹拌翼４はパドル翼１０の他に格子翼９、すなわち格子を有する板状部材を有する構成を例にとって説明したがこれに限られない。すなわち格子翼９の代わりに、格子を有しない一対の平板状部材を回転軸３の軸に沿って取り付けてもよい。

１ … 撹拌機
２ … 撹拌槽
３ … 回転軸
４ … 撹拌翼
５ … 邪魔板
６ … ジャケット部
７ … 排出口
８ … 排出管
９ … 格子翼
１０ … パドル翼
Ｇ … 隙間

Claims (3)

1. 中心部を最低面とする椀型の底面を有する、溶液が投入される撹拌槽と、
   前記撹拌槽の中心部に設けられた回転軸と、
   前記回転軸に取り付けられた撹拌翼と、を備える撹拌機であって、
   前記撹拌翼は、
   前記回転軸の軸に沿って取り付けられた板状部材と、
   前記回転軸の下端の片側にのみ取り付けられたパドル翼とを備え、
   前記パドル翼は、
   前記パドル翼の下端部が前記回転軸の下端より下方に突出し、かつ前記回転軸に近い側の端部が前記回転軸の中心を越えて径方向へ突出しないように前記回転軸に取り付けられ、
   前記パドル翼の翼径は、前記撹拌槽の半径に対する比が０．２以上０．３以下であり、
   前記パドル翼の下端の形状は前記撹拌槽の底部に沿った形状となっており、前記パドル翼の下端と前記撹拌槽の底部との隙間は１０ｍｍ以下となるように構成されている
   ことを特徴とする撹拌機。
2. 請求項１に記載の撹拌機において、
   前記パドル翼は、
   前記パドル翼の下端部が前記撹拌槽の底部に向けて取り付けられており、前記パドル翼の一方の面が前記撹拌槽の斜め上方を向くように傾斜角を持っている
   ことを特徴とする撹拌機。
3. 請求項１または請求項２に記載の撹拌機において、
   前記撹拌槽の内側壁の上部から下部にわたって取り付けられた、投入された溶液の流れを規制する規制部材を備え、
   前記パドル翼は、径方向における先端部が前記規制部材の下側まで延伸している
   ことを特徴とする撹拌機。

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