JP7005652B2 - 撹拌装置 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本願は、日本国特願２０１７－２１５５７５号に基づく優先権を主張し、引用によって本願明細書の記載に組み込まれる。
本発明は、流動性を有する特定粘度の撹拌対象物を撹拌するのに好適な撹拌装置に関するものである。
例えば、ヘアケア用品やスキンケア用品で用いられる乳化液であって、油相（例えばシリコーンオイル）を微細化して水相中に分散させた乳化液を形成するため、油相にせん断力を与えて微細化する乳化方法が存在する。このような乳化液には、分散した粒子が分離しない安定した状態が長期にわたって要求される。また、低粘度の乳化液においては、分散した粒子にサブミクロン以下の粒子径が要求される。
乳化を行う乳化装置としては各種の装置がある。油相にせん断力を与えるために用いられる、低粘度の乳化液を製造するために用いる高せん断翼として、例えばローターステータ型の装置が用いられている。
そして、高粘度の乳化液を製造するために用いるものとして、本願の出願人らによる特許文献１に記載の装置がある。この装置は、槽内の全体循環を行うリボン翼によって、高速回転するディスパー翼に液を供給し、当該液にディスパー翼からせん断力を与えることができるように構成されている。この構成によって、従来困難であった超高粘度の撹拌対象物に対しても微細化が可能となった。
国際公開第２０１７／００２９０５号
前記ローターステータ型の装置では、渦巻きポンプの如く羽根が高速回転することで液を吸引して液を吐出する。そして、液を循環させながら高速回転で液にせん断力を与える機能を持っている。しかし、渦巻きポンプと同様、液の粘度が高くなると羽根の裏側に負圧部が発生することにより、いわゆる「キャビテーション現象」が発生することから、粘度１０００cP程度が使用限界となる。このため、粘度1万cP以上の場合、撹拌対象物が装置内に連続的に供給（吸引）されず、装置が「空回り」する現象が起こってしまう。
そして、前記特許文献１に記載の装置では、粘度１万cP未満での乳化操作は一応可能である。しかし本願の発明者は、この装置で、ある特定の乳化操作を行うと、分散している粒子が長期にわたって分離しにくい、安定した乳化液の製造には不十分になるとの知見を得た。原因として、この装置の撹拌対象物としては１０万cPを超える超高粘度のものが想定されており、想定されたものよりも低粘度では、撹拌対象物にせん断力が十分に与えられないことにより、微細化が不十分になるからと考えられる。また、相対的に粘度が小さいことにより、超高粘度の撹拌対象物に比べると、粘度低下によりディスパー翼からの吐出量が増大する一方で、リボン翼からの供給流量が低下することにより、槽内における撹拌対象物の流れのバランスが崩れるからとも考えられる。
このように、高粘度、具体的には粘度１万cP以上１０万ｃP以下（本願ではこの範囲の粘度を「高粘度」と定義する）の撹拌対象物に好適な撹拌（乳化）装置は従来存在していなかった。
このような事情から、乳化操作を行う現場では、運転温度を一旦上げることにより撹拌対象物の粘度を下げた状態で乳化操作を行っているケースもあった。しかし、このような乳化操作を行うと、加熱や冷却のために電力及び処理時間が多く必要になる問題、また、装置の機器点数が多くなることから操作終了後の洗浄作業に時間を要するとの問題があった。このため、常温のままで乳化操作できる装置が望まれていた。
本発明は、前述した種々の問題に鑑み、特に高粘度の撹拌対象物に好適な撹拌装置を提供することを課題とする。
本発明は、内周壁の横断面形状が円形である撹拌槽と、前記撹拌槽の内部に位置しており互いに独立して縦軸まわりに回転可能な少なくとも一つの流動翼及び少なくとも一つのディスパー翼と、前記ディスパー翼の径外近傍に設けられたガイドリングと、を備え、前記流動翼及び前記ディスパー翼の回転中心は同心であり、前記流動翼は前記撹拌槽の内周壁に沿って設けられ、縦軸まわりに回転することで前記撹拌槽内に存在する撹拌対象物に少なくとも下方に向かう流れを形成し、前記ディスパー翼は回転により撹拌対象物にせん断力を与えるもので、前記流動翼よりも前記撹拌槽の径内の位置であって、かつ、前記流動翼により形成された撹拌対象物の流れに接する位置に設けられたものであり、前記ガイドリングは前記ディスパー翼の外周縁と対向する内周面を有する撹拌装置である。
また、前記ディスパー翼は、回転する板状部と、前記板状部の外周縁において周方向に間隔を空けて設けられたせん断歯と、前記板状部の少なくとも上方または下方に突出した少なくとも一つのフィン部と、を備えることもできる。
また、前記ディスパー翼は、前記フィン部に隣接し、前記板状部を貫通する少なくとも一つの貫通孔を備えることもできる。
また、前記ガイドリングの前記内周面における上下寸法は、前記ディスパー翼の前記外周縁における上下寸法よりも大きくすることもできる。
また、前記ガイドリングの上方または下方に位置するバッフルを備え、前記バッフルは、前記ディスパー翼によりせん断力を与えられた撹拌対象物を、前記ガイドリングの前記内周面に囲まれた領域から径外位置へと導くものともできる。
また、前記ディスパー翼の前記外周縁と前記ガイドリングの前記内周面との径方向の距離は、前記撹拌槽における前記内周壁の直径に対して０％を超え１０％以下とできる。
また、前記ガイドリングの前記内周面における上下寸法は、前記撹拌槽における前記内周壁の直径に対して０％を超え２５％以下とできる。
図１は本発明の一実施形態に係る撹拌装置を示す、部分的な縦断面図である。 図２は図１のＡ－Ａ矢視において流動翼のみを示した図である。 図３は同撹拌装置における撹拌対象物の流れを示す要部拡大図である。 図４Ａは同撹拌装置におけるディスパー翼単体の平面図である。 図４Ｂは図４ＡのＢ－Ｂ矢視断面図である。 図５Ａは同撹拌装置のガイドリング、バッフル、支持棒の組を示す正面図である。 図５Ｂは同撹拌装置のガイドリング、バッフル、支持棒の組を示す平面図である。 図５Ｃは図５ＡのＣ－Ｃ矢視断面図である。 図６Ａは比較のために撹拌槽にディスパー翼だけを設けた形態の平面図である。 図６Ｂは比較のために撹拌槽にディスパー翼だけを設けた形態の縦断面図である。 図６Ｃは比較のために撹拌槽にディスパー翼とガイドリングとを設けた形態の平面図である。 図６Ｄは比較のために撹拌槽にディスパー翼とガイドリングとを設けた形態の縦断面図である。 図７Ａは比較のために撹拌槽に流動翼（リボン翼）、ディスパー翼、ガイドリングを設けた形態の平面図である。 図７Ｂは比較のために撹拌槽に流動翼（リボン翼）、ディスパー翼、ガイドリングを設けた形態の縦断面図である。 図７Ｃは本実施形態（撹拌槽に流動翼（リボン翼）、ディスパー翼、ガイドリング、バッフルを設けた形態）の平面図である。 図７Ｄは本実施形態（撹拌槽に流動翼（リボン翼）、ディスパー翼、ガイドリング、バッフルを設けた形態）の縦断面図である。 図８は、シミュレーションによりディスパー翼の径外領域に生じるせん断力につき、ずり速度（Shear Strain Rate）を濃淡で示したコンター図であり、ガイドリングを設けた場合を示す。 図９は、シミュレーションによりディスパー翼の径外領域に生じるせん断力につき、ずり速度（Shear Strain Rate）を濃淡で示したコンター図であり、ガイドリングを設けない場合を示す。 図１０は、実験に供した撹拌装置のうち、ガイドリング及びディスパー翼の位置関係を示す、説明に必要な部分だけを示した縦断面図である。 図１１は、実験により得られたガイドリングとディスパー翼の隙間（槽径比）と粒子径との関係を示すグラフである。 図１２は、実験により得られたガイドリングの上下寸法（槽径比）と粒子径との関係を示すグラフである。
以下、本発明の一実態に係る撹拌装置について説明する。本実施形態の撹拌装置１の好適な用途は乳化であって、以下では乳化に関して説明を行う。ただし撹拌装置１の用途は乳化だけに限定されるものではなく、種々の用途に適用できる。乳化を行う場合の撹拌対象物としては、例えば化粧品用（ヘアケア用品、スキンケア用品、歯磨きペースト等）や食品用（ドレッシング等）の種々の素材を用いることができるが、これらに限られるものではない。撹拌対象物は流動性を有するものであって、流体（液体、気体）、及び、粒子状や粉末状とされた固体、そして、これらの混合物が例示できる。
本実施形態の撹拌装置１は、高粘度（粘度１万cP以上１０万cP以下）の撹拌対象物に好適である。ただし、粘度１０００cP以上１００万cP以下の撹拌対象物に適用することも可能である。なお本説明で用いた単位「cP」は、SI単位系に換算すると「mPa・s」となる。
本実施形態の撹拌装置１は、撹拌対象物を収容できる撹拌槽２内に流動翼３、ディスパー翼４、ガイドリング５、バッフル６を備えている。ただし、本発明においてバッフル６は必須ではなく、設けないこともできる。流動翼３及びディスパー翼４は、撹拌槽２外に設けられたモータ等の駆動部により別個に駆動（多軸駆動）されることで、互いに独立して回転可能とされている。このため、撹拌対象物の性状に応じて適する回転数で回転させられる。撹拌装置１を乳化に用いる場合において、流動翼３は撹拌対象物を混合して乳化させ、液滴を形成する。ディスパー翼４は、乳化液中の液滴を小サイズに微細化する。より詳しくは、ディスパー翼４は、撹拌対象物中において分散相となる成分にせん断力を与えることで微細化を行う。本実施形態の撹拌装置１で製造される乳化液は例えばＯ／Ｗ型の乳化液であって、分散相は油相である。これとは逆に、Ｗ／Ｏ型の乳化液であって、分散相を水相とすることもできる。
撹拌槽２は、内周壁２ａの横断面形状が円形とされた容器である。この撹拌槽２は上部が円筒状の直胴部２１とされ、下部が円錐台状の絞り部２２とされている。直胴部２１と絞り部２２とは、一体に形成されている。直胴部２１の内径は、上下方向で一定とされている。絞り部２２は、内径は下方に向かうにつれ小径となっている。このように撹拌槽２の内径を設定することにより、後述の流動翼３の回転により生じる撹拌対象物の下方へ向かう流れである誘導流Ｆ（図３参照）を撹拌槽２の内周壁２ａが阻害してしまうことを抑制できる。絞り部２２は、縦断面形状が半円形状や半楕円形状であってもよい。また、図１に示す撹拌槽２は上端部が開放されているが、上端部を閉鎖することもできる。撹拌槽２の外部には、加熱・冷却部としてのジャケット部２３が形成されており、このジャケット部２３に熱媒または冷媒を通すことで、撹拌槽２内に存在する撹拌対象物の加熱・除熱（冷却）が可能である。
流動翼３には、本実施形態ではリボン翼が用いられている。流動翼３は撹拌槽２の内周壁２ａに沿って設けられる。流動翼３の翼径（直径）は、撹拌槽２における内周壁２ａの内径に対する比率で０．９～０．９９９９に設定できる。流動翼３は縦軸まわりに回転することで撹拌槽２内に存在する撹拌対象物に誘導流Ｆを形成する。この誘導流Ｆは、撹拌槽２内の全体を大きく流動する流れの一部となる。撹拌装置１を乳化に用いる場合、この誘導流Ｆにより撹拌対象物は混合されて乳化され、液滴が形成される。
本実施形態の流動翼３は、撹拌槽２の内周壁２ａに沿うように配置され、所定幅を有する２枚の流動翼本体３１，３１と、これら２枚の流動翼本体３１，３１を径内位置で支持する複数の支持棒３２…３２とを備える。各流動翼本体３１は湾曲帯状である。各流動翼本体３１は、上部翼３１１と下部翼３１２とを備える。上部翼３１１は直胴部２１の周方向に対し等間隔（本実施形態では１８０°間隔）に設けられ、下部翼３１２は絞り部２２の周方向に対し等間隔（本実施形態では１８０°間隔）に設けられる。２枚の流動翼本体３１，３１は、撹拌槽２の横断面中心を挟んで１８０°おきに回転対称に配置されている。
上部翼３１１は、撹拌槽２における直胴部２１の内周壁から一定距離をおいて配置され、周方向に一定の角度で傾斜しつつ上方から下方に延びている。直胴部２１において上部翼３１１が回転することで、上部翼３１１が撹拌対象物を掻き下げて、旋回しつつ下方に向かう誘導流Ｆを形成する。下部翼３１２は、撹拌槽２における絞り部２２の内周壁の面形状に略沿って位置している。下部翼３１２は図２に示すように、平面視にて、回転方向Ｒ３とは逆方向に膨出するよう湾曲した形状とされている。
上部翼３１１と下部翼３１２とは、図１に示す接合部３１３にて、各翼における面方向が屈曲する（または捻られる）ように接続されている。具体的には、図２に示すように、上部翼３１１を構成する帯状体の径内側端縁に、下部翼３１２を構成する帯状体の表面が当接した状態で、接合部３１３において溶接等によって接続されることで、上部翼３１１と下部翼３１２とが一体となっている。
絞り部２２において下部翼３１２が回転方向Ｒ３に回転することで、上部翼３１１により形成された旋回しつつ下方に向かう誘導流Ｆが、図３に示すように、径内方向に向かいつつ下方に向かうように、流れの向きが転換される。このため、誘導流Ｆを、ガイドリング５の内部に位置するディスパー翼４へと導くことができる。
各流動翼本体３１の下方を向いた面は、撹拌対象物を下方に押す作用を奏する部分である。よって、均一な誘導流Ｆを形成するため、各流動翼本体３１の下方を向いた面は、段差をできるだけ有さない湾曲面とすることが好ましい。そして、前記一定距離に関し、本実施形態における撹拌槽２の内周壁２ａと各流動翼本体３１との外周縁とは、水平距離にて、撹拌槽２における直胴部２１の内径に対する比率で１～３％の距離がおかれているが、この距離は撹拌対象物の性状に応じて適宜設定できる。このように、各流動翼本体３１を撹拌槽２の内周壁２ａ近くに配置することで、各流動翼本体３１が、撹拌槽２の内周壁２ａに沿う撹拌対象物の誘導流Ｆを確実に形成できる。
また、撹拌槽２内中央に、撹拌対象物が付着し得る中心軸や中心翼が存在しないので、撹拌対象物の軸等への付着、撹拌槽２内での滞留をなくすことができる。なお、各流動翼本体３１の幅寸法は前記比率に限定されず、撹拌対象物の性状に応じて適宜設定できる。
流動翼３における流動翼本体３１，３１と支持棒３２…３２とは溶接等により一体とされている。各支持棒３２は上下方向に延びる直棒体であり、上方と下方とで流動翼本体３１を固定している。各支持棒３２は、流動翼用駆動軸３４を介して、撹拌槽２の上方に設けられる流動翼用駆動部（図示しない）に接続されている。これにより、各支持棒３２を介して各流動翼本体３１を上下方向に延びる縦軸まわりに回転させることができる。下部翼３１２の径内側端部よりも内部を、上下方向に延びるディスパー翼用駆動軸４３が通っている。図３に示すように、撹拌対象物の誘導流Ｆは、絞り部２２の底部からディスパー翼用駆動軸４３の外周に沿って上昇し、ディスパー翼用駆動軸４３の径外位置を通って板状部４１に導かれる。
流動翼３は、平面視で反時計回り方向である回転方向Ｒ３に回転する。回転数はディスパー翼４の回転数よりも低い。この回転により、各流動翼本体３１が撹拌対象物を下方に押し出す。このため、図３に示すように、撹拌槽２の内周壁２ａに沿って下方へ向かう誘導流Ｆが生じる。この下方へ向かう誘導流Ｆは、後述のように、撹拌対象物をディスパー翼４に連続的に供給する流れである。また、撹拌槽２の内周壁２ａ近傍において下方へ向かう誘導流Ｆが常時存在し、撹拌対象物が撹拌槽２内で滞留しにくいことから、撹拌槽２の内周壁２ａへの撹拌対象物の付着を抑制できる。
ディスパー翼４は、回転により撹拌対象物にせん断力を与えるものである。撹拌装置１を乳化に用いる場合、このせん断力によって流動翼３により形成された液滴が分断されて微細化される。
本実施形態のディスパー翼４は、図３に示すように、回転可能な板状部４１の外周縁に、板状部４１の面方向に交わる方向に延びる複数のせん断歯４２…４２を、周方向に間隔を空けて設けた翼である（図３では、左右端部に存在するせん断歯４２，４２と一部のフィン部４４のみを簡略的に示している）。各せん断歯４２は板状部４１の外周縁に沿って設けられる。また、板状部４１の外周縁の接線方向に対して傾斜して設けることにより、板状部４１の回転に伴い各せん断歯４２が撹拌対象物に径外方向への吐出流を形成するようにもできる。本実施形態のせん断歯４２…４２は、板状部４１を基準として表裏方向（上下方向）に均等に突出しているが、少なくとも下方に突出していればよいし、表方向に突出したせん断歯４２と裏方向に突出したせん断歯４２とを交互に配置することもできる。また、せん断歯４２，４２を板状部４１の外周縁以外に設けることもできる。
板状部４１は平板状であっても構わないが、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、板状部の少なくとも上方または下方に突出した少なくとも一つのフィン部４４を設けることが好ましい。このように設けられたフィン部４４により、板状部４１が単なる平板状である場合に比べ、板状部４１の近傍において撹拌対象物に、更に強い流れを生じさせることができる。
本実施形態における各フィン部４４は板状部４１に対して直交する平板状のものである。図示した例では、フィン部４４が回転対称に複数（具体的には４枚）設けられており、全てが上方に突出している。しかし、前記上方突出は説明のため便宜的に例示したものに過ぎず、これに限られない。板状部４１に対して複数のフィン部４４…４４が全て下方に突出していてもよいし、例えば周方向で交互に上下に突出していてもよい。
本実施形態の各フィン部４４は、図４Ａに示すように、平面視において一つが延びる方向と、周方向に隣り合う一つの延びる方向とが直交する関係とされている。ただし、周方向に隣り合うフィン部４４，４４の角度は９０度以外であってもよい。また、ディスパー翼４の回転方向Ｒ４との関係では、フィン部４４の径内側端部が回転方向Ｒ４の前方（回転先方向）に位置し、径外側端部が回転方向Ｒ４の後方（回転元方向）に位置する。このため、ディスパー翼４が回転すると、各フィン部４４によって径外方向かつ回転方向後方に向かう流れＦａを生じさせることができる（図４Ａ）。
また、本実施形態のディスパー翼４では、板状部４１の一部を切り取って立ち上げることによりフィン部４４を形成している。このためフィン部４４の形成に伴い、板状部４１において各フィン部４４の基端側の位置に隣接して、上下に貫通した各貫通孔４５が形成される。ディスパー翼４の回転方向Ｒ４（図４Ａに示す）を基準とした前方（回転先方向）に板状部４１が位置し、後方（回転元方向）に貫通孔４５が形成されている。本実施形態では、図４Ｂに示すように、フィン部４４が板状部４１の表面に対して直角に設けられている。しかしこれに限定されず、フィン部４４が板状部４１の表面に対して傾斜して設けられていてもよい。フィン部４４を傾斜して設ける場合、傾斜角度の設定により、フィン部４４による撹拌対象物への押圧力を調整することができる。
各貫通孔４５は、ディスパー翼４が回転することにより板状部４１が撹拌対象物を押す側と逆側に位置することから負圧が生じる。この生じた負圧に周囲の撹拌対象物が吸引される。このことに伴い、板状部４１を上下方向に通り抜ける流れＦｂを生じさせることができる（図４Ａ）。本実施形態では、フィン部４４が上方に突出しているので、下方から貫通孔４５を通って上方に向かう流れを生じさせることができる。フィン部４４が板状部４１の上方の撹拌対象物を押し出すからである。このため、前記流れＦａと共に、ガイドリング５の内周面５ａに囲まれた領域Ｘ（図３参照）における撹拌対象物の流通状態を良くできる。なお、これとは逆に、フィン部４４を下方に突出させた場合には、上方から貫通孔４５を通って下方に向かう流れを生じさせることができる。
ディスパー翼４の直径は、撹拌槽２における直胴部２１の内径に対する比率で０．２～０．６、好ましくは０．３～０．５とされる。このことにより、前記誘導流Ｆの上昇力が強い状態（上昇力が減衰していない状態）で撹拌対象物をディスパー翼４に導くことができる。
このディスパー翼４の回転により、各せん断歯４２が撹拌対象物に衝突する。この際に、各せん断歯４２における回転方向前縁部が撹拌対象物にせん断力を及ぼすことができる。つまり、各せん断歯４２の回転軌跡の周辺を含む、ディスパー翼４の上下近傍領域が高せん断場となる。具体的に、せん断力が与えられるのは、周方向に隣り合う二つのせん断歯４２，４２の間においてである。
ディスパー翼４には、下方に延びるディスパー翼用駆動軸４３が接続されている。なお、図示は省略しているが、撹拌槽２とディスパー翼用駆動軸４３との間には、撹拌対象物が漏れないようにシールが施されている。ディスパー翼用駆動軸４３は、撹拌槽２の下方に設けられるディスパー翼用駆動部（図示しない）に接続されている。これにより、ディスパー翼４を上下方向に延びる縦軸まわりに回転させることができる。
前述のように、流動翼３を回転させるための流動翼用駆動部（図示しない）は、撹拌槽２の上方に位置する。そして、ディスパー翼４を回転させるためのディスパー翼用駆動部は、撹拌槽２の下方に位置する。このため、各駆動部と各翼とを連結する駆動軸３４，４３の軸長を小さくでき、軸にたわみやぶれが発生することを抑制できるので、駆動時の振動（共振）を抑制できる。特にディスパー翼４については、ディスパー翼用駆動軸４３の軸長を小さくできるので高速回転が可能となる。また、前記振動によるディスパー翼用駆動軸４３等の疲労破壊の発生を抑制できる。
ディスパー翼４は、撹拌槽２の底部２４からの寸法が、撹拌槽２における直胴部２１の内径の寸法より小さい寸法で設けられている。また、ディスパー翼４は、流動翼３よりも撹拌槽２の径内の位置であり、かつ、図３に示すように、流動翼３により形成された誘導流Ｆに接する位置、より具体的には誘導流Ｆの流れの強い位置に設けられている。このため、流動翼３が形成する撹拌対象物の誘導流Ｆが強い位置で、当該誘導流Ｆが確実にディスパー翼４に達する。このため、流動翼３によりディスパー翼４に撹拌対象物が連続的に供給される。具体的には、図３に示すように、誘導流Ｆがディスパー翼４の内側から翼先端に位置するせん断歯４２…４２に達するため、流動翼３から高せん断場へと確実に撹拌対象物が供給される。よって、ディスパー翼４が回転してもディスパー翼４の周囲に空間ができにくく、高せん断場でのディスパー翼４の空転を防止できる。よって、ディスパー翼４による撹拌対象物のせん断が確実になされる。
ここで、前述のように、流動翼３が回転することにより、撹拌対象物には、まず直胴部２１にて、撹拌槽２の内周壁２ａに沿う下方へ向かう誘導流Ｆが生じる。撹拌槽２の下部には絞り部２２が形成されており、かつ、この絞り部２２で流動翼３の下部翼３１２が回転するので、絞り部２２における誘導流Ｆは、図３に示すように、撹拌槽２の径内方向に向かいつつ下方に向かう流れに変わる。このため、誘導流Ｆは、絞り部２２の下端部中央に集中することになるので、絞り部２２の下端部中央では流れ方向が反転して上方に向かう流れに変わる。この上向きに転じた誘導流Ｆがディスパー翼４（特に板状部４１）に接することとなる。
このように、流動翼３及び撹拌槽２の内周壁２ａにより誘導流Ｆの方向を転換して、撹拌対象物を撹拌槽２内で回り込ませることで、ディスパー翼４に対して撹拌対象物を積極的に供給できる。乳化の場合、ディスパー翼４によるせん断によって油滴あるいは水滴を確実に微細化できる。
このように、流動翼３によるディスパー翼４への撹拌対象物の供給は、ディスパー翼４の回転中心（縦軸）に近い位置になされることが好ましい。その理由は、各せん断歯４２による撹拌対象物の吐き出しにより、流動翼３により供給された撹拌対象物がディスパー翼４に至るまでに跳ね返されてしまわないよう、各せん断歯４２から離れた位置に撹拌対象物を供給できるからである。これは特に、撹拌対象物が高チクソ性の流体の場合に有効である。
ここで本実施形態では、流動翼３をリボン翼としている。よって、例えば乳化液中に液滴を分散させるため、撹拌対象物中の油相の微細化を行う目的に最も適した形状を有する翼からなる、流動翼３とディスパー翼４の組み合わせを提供できる。
また、流動翼３の回転中心とディスパー翼４の回転中心とは、いずれも撹拌槽２の横断面中心を通る。各翼の回転中心がずれている形態に比べると、本実施形態のように同心で構成することにより、各翼３，４の回転中心から撹拌槽２の内周壁２ａへの距離を均等にできる。このため、流動翼３からディスパー翼４へ向かう撹拌対象物の誘導流Ｆが、撹拌槽２の周方向で均一になる。よって、ディスパー翼４にかかる水平荷重を減少させられるため、例えばディスパー翼用駆動軸４３が破損することを抑制できる。
ガイドリング５は、ディスパー翼４の径外近傍に設けられたリング状体である。このガイドリング５は、図１及び図３に示すように、流動翼用駆動軸３４の周囲で上下に延びるブラケット５１，５１によって、撹拌槽２における絞り部２２に下方から支持されている。これにより、ガイドリング５は撹拌槽２に対して固定されている。ただし、ガイドリング５の支持はこれに限定されず、撹拌槽２の内部においてガイドリング５を上方から吊下げること、また、流動翼３に固定すること（この場合、ガイドリング５は流動翼３と共に回転することになる）も可能であり、その他種々の支持方法が採用できる。
ガイドリング５は、ディスパー翼４の外周縁４ａと対向する内周面５ａを有する。本実施形態において、内周面５ａの上端はディスパー翼４におけるせん断歯４２の上端よりも上方に位置し、内周面５ａの下端はディスパー翼４におけるせん断歯４２の下端よりも下方に位置する。ガイドリング５は、前記内周面５ａ及び外周面が垂直面であって、上面及び下面が斜面とされており、縦断面形状につき、内周面５ａの方が外周面よりも上方に位置する平行四辺形とされている。このようなガイドリング５の形状により、ガイドリング５の下端部の開口面積を拡大できるので、流動翼３からディスパー翼４へ向かう撹拌対象物の誘導流Ｆをガイドリング５が阻害しにくい。また、上面が斜面であることから、上面の上方領域に撹拌対象物が溜まってしまうこともない。
ガイドリング５の形状に関しては、これに限定されず、縦断面形状を長方形または正方形とすることもできるし、内周面５ａの縦寸法が外周面の縦寸法よりも大きな台形、逆に、内周面５ａの縦寸法が外周面の縦寸法よりも小さな台形とすることもできる。また、縦断面形状を四角形以外の形状とすることもできる。また、本実施形態のガイドリング５は中実とされているが、中空であってもよい。また、径方向の厚み寸法に関しても、撹拌対象物から受ける圧力に耐えることができる限り、特に限定されない。また、本実施形態のガイドリング５は周方向に連続した形状（リング状体）である。しかしこれに限定されず、周方向に間隔を空けて断続的に設けることもできる。
このようにディスパー翼４の径外近傍にガイドリング５を設けることで、図３に示すように、板状部４１の上下領域において局所的に、回転中心（縦軸）へ巻き込むような流れＦｒを生じさせることができる。この流れＦｒは具体的には、板状部４１の上下領域において、径外側で板状部４１から離れ、その後径内側で板状部４１に向かうような連続的な回転流である。この流れＦｒを回転するディスパー翼４のせん断歯４２が横切ることになるので、せん断歯４２による撹拌対象物へのせん断力の付与が有効になされる。前述のようにディスパー翼４にフィン部４４を設けると、板状部４１の上下領域において、略周方向に向かう流れを生じさせることができるので、前記巻き込むような流れＦｒに加えて、より強い流れを生じさせることができる。なお、本実施形態におけるディスパー翼４とガイドリング５との組み合わせは、槽内における全体流を形成するものではなく、局所的な流れＦｒを形成することで、撹拌対象物にせん断力を有効に与えることに寄与している。
図８及び図９は、シミュレーションによりディスパー翼４の径外領域に生じるせん断力につき、ずり速度（Shear Strain Rate、単位：1/s）を濃淡で示したコンター図である。ガイドリング５を設けた場合を示すものが図８で、ガイドリング５を設けない場合を示すものが図９である。各図においてずり速度の高い方が濃い色で表されている。各図を見比べると明白なように、ガイドリング５を設けた場合の方が、ガイドリング５における内周面５ａとディスパー翼４の外周縁４ａ（すなわちせん断歯４２の外周面）との間にて高いせん断力を撹拌対象物に与えていることがわかる。
ガイドリング５の内周面５ａにおける上下寸法５ｈは、ディスパー翼４の外周縁４ａにおけるせん断歯４２での上下寸法４ｈよりも大きく設定されている。このような寸法関係とされることにより、高いせん断力を撹拌対象物に与えることができる領域である、ガイドリング５の内周面５ａとディスパー翼４の外周縁４ａとの間の領域を大きく確保できる。ただし、寸法関係はこれに限定されず、ガイドリング５の内周面５ａにおける上下寸法５ｈを、ディスパー翼４の外周縁４ａにおけるせん断歯４２での上下寸法４ｈと同じに設定したり、また、小さく設定したりすることも可能である。
ガイドリング５の内周面５ａとディスパー翼４の外周縁４ａとの距離は、図８に示したような、高いずり速度の領域を形成することができる距離を確保できればよい。なお、ガイドリング５の内周面５ａとディスパー翼４の外周縁４ａとの隙間については、隙間内外での撹拌対象物の流動は必要であるものの、撹拌対象物の上から下、または、下から上への通り抜けをさせることは特に必須ではない。前記「通り抜け」は、本実施形態では、ディスパー翼４の貫通孔４５を通る流れにより実現されている。
バッフル６は、ガイドリング５の上方または下方に位置する板状体である。ただし、板状体以外とすることも可能である。また、板状体であっても種々の形状とできる。本実施形態では図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃに示すように、ガイドリング５の上方に隣接するようにして、縦軸基準の軸対称で２枚が設けられている。なお、バッフル６の枚数や配置等は種々の変更を加えることができ、本実施形態のものに限定されない。また、バッフル６をガイドリング５とは別に撹拌槽２に固定することもできる。バッフル６はガイドリング５に固定されている。各バッフル６は、ディスパー翼４によりせん断力を与えられた撹拌対象物を、図３に示すように、ガイドリング５の内周面５ａに囲まれた領域Ｘ（図３）から径外位置へと連続的に導く流れＦｏを形成するものである。各バッフル６は、図５Ｂに示すように、平面視で領域Ｘの上方に位置する内側片６１と、内側片６１に対して屈曲しており、ガイドリング５の外周面から外方に延びる外側片６２とを有している。図５Ｂに示すように、２枚のバッフル６，６における、内側片６１同士、また、外側片６２同士は平面視で平行の関係にある。内側片６１は、ディスパー翼４によるガイドリング５の内周面５ａに囲まれた領域Ｘにおける強い流れを径方向に変換する。一方、外側片６２は、流動翼３に液を供給して、撹拌槽２の内部における全体循環流に変換する。このようにバッフル６を設けたことにより、ディスパー翼４により生じた強い流れを撹拌槽２の内部における全体循環流に変換することができる。その結果、高せん断場（具体的にはディスパー翼４の上下近傍領域）への撹拌対象物の流量を増やすことができる。
ここで、本願の発明者が図６及び図７に示す各形態の撹拌装置を試作して乳化の実験を行ったので以下に説明する。なお、本実験に用いたディスパー翼４は、フィン部４４及び貫通孔４５を備えないものとした。実験条件は以下の通りである。
撹拌槽の内径： φ200mm
液量： 2.5L（乳化後の量）
水相： 1.5wt%CMC（カルボキシメチルセルロース）水溶液（第一工業製薬（株）製「セロゲンMP-60」）
油相： 流動パラフィン 125g
乳化剤： 非イオン性界面活性剤 0.4g（キシダ化学（株）製「Tween80」）
液粘度： CMC水溶液15,000cP（ずり速度γ＝10(1/s)）、最終乳化液11,000cP（ずり速度γ＝10(1/s)）
ディスパー翼の外径： 80mm
ディスパー翼の回転数： 3600rpm
リボン翼の回転数： 40rpm
図６Ａ及び図６Ｂのようにディスパー翼４だけを設けた形態では、流動はディスパー翼４の近傍のみでしかなされず、微細化されない油相が一部撹拌槽２内に残留しており、乳化は全く不十分であった。
図６Ｃ及び図６Ｄのようにディスパー翼４とガイドリング５とを設けた形態では、図６Ａ及び図６Ｂの形態におけるディスパー翼４近傍での液滴径を基準とした相対的な液滴径（以下同じ）で約７０％とできた。ただ、目視で槽内の液が均一に白濁状態（乳化ができた状態）となったことが確認されるまで、１０分以上もかかった。
図７Ａ及び図７Ｂのように流動翼３（リボン翼）、ディスパー翼４、ガイドリング５を設けた形態では、相対的な液滴径で約１５％とでき、許容できる成績となった。
図７Ｃ及び図７Ｄは本実施形態を示し、この流動翼３（リボン翼）、ディスパー翼４、ガイドリング５、バッフル６を設けた形態では、相対的な液滴径で約５％とでき、図７Ａ及び図７Ｂの形態よりも更に良好な成績を得られた。またこの形態では、目視では２分以内で槽内の液全体が均一に乳化できた。バッフル６を設置することで、ディスパー翼４により生じた流れの一部が槽内の循環流に変換されることにより、高せん断場の流れが改善できたものと考えられる。
また、本願の発明者が図１０に示す形態の撹拌装置を試作して乳化の実験を行ったので以下に説明する。なお、実験条件は、以下に記載した条件以外は前述の実験と同じである。実験用の撹拌装置を２０分間運転し、得られた乳化液中の液滴の粒子径（Ｄ５０）を測定した。
まず、実験用の撹拌装置において、ディスパー翼４の外周縁４ａとガイドリング５の内周面５ａとの距離（隙間）を以下（Ａ）～（Ｄ）の４パターンに設定した。ガイドリング５の内周面５ａにおける上下寸法５ｈは一定寸法（35mm）とした。
（Ａ）ガイドリング５の内径が88mm（隙間が4mm）
（Ｂ）ガイドリング５の内径が98mm（隙間が9mm）
（Ｃ）ガイドリング５の内径が106mm（隙間が13mm）
（Ｄ）ガイドリング５の内径が116mm（隙間が18mm）
結果を図１１のグラフに示す。横軸に、ディスパー翼４の外周縁４ａとガイドリング５の内周面５ａとの径方向の距離Ｇ（ガイドリング５の内周面５ａの直径Ｄ５ａとディスパー翼４の外周縁４ａの直径Ｄ４との差の１／２）につき、撹拌槽２における内周壁２ａの直径Ｄ２ａに対する百分率比を示し（「隙間／槽径比」と表示）、縦軸に粒子径を示す。なお、ガイドリング５を取り付けない状態でも実験を行い、この場合を横軸０％のところにプロットした。図１１から、ディスパー翼４の外周縁４ａとガイドリング５の内周面５ａとの径方向の距離Ｇは、撹拌槽２における内周壁２ａの直径Ｄ２ａに対して０％を超え１０％以下とすることが好ましいことがわかった。また、更に好ましくは２％以上９％以下とでき、特に好ましくは３％以上７％以下とできる。
次に、実験用の撹拌装置において、ガイドリング５の内周面５ａにおける上下寸法５ｈを以下（Ｅ）～（Ｈ）の４パターンに設定した。ガイドリング５の内周面５ａの直径（ガイドリング５の内径）は一定寸法（106mm）とした。ディスパー翼４の外周縁４ａにおけるせん断歯４２での上下寸法４ｈも一定寸法（22mm）とした。また、図１０に示すように、ガイドリング５の上下方向中央とディスパー翼４の上下方向中央とは一致するようにした。
（Ｅ）ガイドリング５の上下寸法５ｈが15mm
（Ｆ）ガイドリング５の上下寸法５ｈが25mm
（Ｇ）ガイドリング５の上下寸法５ｈが35mm
（Ｈ）ガイドリング５の上下寸法５ｈが45mm
結果を図１２のグラフに示す。横軸に、ガイドリング５の内周面５ａにおける上下寸法５ｈにつき、撹拌槽２における内周壁２ａの直径Ｄ２ａに対する百分率比を示し（「ＧＲ高さ／槽径比」と表示）、縦軸に粒子径を示す。なお、ガイドリング５を取り付けない状態でも実験を行い、この場合を横軸０％のところにプロットした。図１２から、ガイドリング５の内周面５ａにおける上下寸法５ｈは、撹拌槽２における内周壁２ａの直径に対して０％を超え２５％以下とすることが好ましいことがわかった。また、更に好ましくは２％以上２１％以下とできる。
以上のように構成された本実施形態の撹拌装置１により、流動翼３が形成する撹拌対象物の誘導流Ｆをディスパー翼４に達せられるため、流動翼３からディスパー翼４に連続的に撹拌対象物が供給される。このため、回転するディスパー翼４の周囲に空間ができにくい。更に、ディスパー翼４とガイドリング５との間の領域で、撹拌対象物に高いせん断力を与えることができる。また更に、バッフル６によって槽内での撹拌対象物の流れのバランスを良好にできる。従って、高粘度領域（粘度１万cP以上１０万cP以下）において、長期にわたって分離しない安定した乳化液を製造できる。しかも、従来では撹拌対象物の温度を上げることで粘度を下げて運転していたケースがあったが、本実施形態の撹拌装置１では常温のまま運転できる。このため、加熱や冷却に電力及び処理時間を多く要したり、装置の機器点数が多くなることで洗浄にも時間を要したりという従来存在した問題を解決可能である。
本発明に係る撹拌装置は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることができる。
例えば、流動翼３は前記実施形態ではリボン翼であったが、これに限定されない。流動翼３は、傾斜した１枚または複数の流動翼本体３１が撹拌槽２内に配置され、撹拌槽２内での各流動翼本体３１の移動（前記実施形態では回転）に伴い、撹拌対象物が下方に押されるよう構成されていればよく、種々の形態で実施できる。また、各流動翼本体３１は前記実施形態のように湾曲板（帯）状であっても、平板状であってもよい。
また、流動翼３としてリボン翼が用いられた場合、流動翼本体３１を前記実施形態のように上部翼３１１に関して周方向に対し等間隔（前記実施形態では１８０°間隔）、下部翼３１２に関して周方向に対し等間隔（前記実施形態では１８０°間隔）で２枚用いる構成に限定されない。流動翼本体３１の配置範囲に関しては９０°～３６０°の任意の角度とでき、また、流動翼本体３１の枚数につき１枚または３枚以上の任意の枚数に設定できる。
また、ディスパー翼４を上下多段に複数設けることもできる。この場合、各段のディスパー翼４の形状を異なるものとすることもできる。また、流動翼３を複数設けることもできる。ディスパー翼４を上下多段に複数設ける場合、ガイドリング５は上下に連続して設けるより、各段のディスパー翼４に対応して複数設ける方が好ましい。
また、前記実施形態のディスパー翼４では、板状部４１の一部を切り取ることでフィン部４４と共に貫通孔４５が形成されていたが、例えば板状部４１に別の板状体を溶接することで、フィン部４４のみを形成することもできる。
また、本実施形態の撹拌装置１はバッチ処理を行うものであるが、これに限定されず、撹拌対象物を連続して撹拌槽内に供給することにより連続処理することもできる。
前記実施形態に関する構成と作用につき、以下にまとめて記載する。前記実施形態は、内周壁２ａの横断面形状が円形である撹拌槽２と、前記撹拌槽２の内部に位置しており互いに独立して縦軸まわりに回転可能な少なくとも一つのリボン翼３及び少なくとも一つのディスパー翼４と、前記ディスパー翼４の径外近傍に設けられたガイドリング５と、を備え、前記リボン翼３及び前記ディスパー翼４の回転中心は同心であり、前記リボン翼３は前記撹拌槽２の内周壁２ａに沿って設けられ、縦軸まわりに回転することで前記撹拌槽２内に存在する撹拌対象物に少なくとも下方に向かう流れＦを形成し、前記ディスパー翼４は回転により撹拌対象物にせん断力を与えるもので、前記リボン翼３よりも前記撹拌槽２の径内の位置であって、かつ、前記リボン翼３により形成された撹拌対象物の流れＦに接する位置に設けられたものであり、前記ガイドリング５は前記ディスパー翼４の外周縁４ａと対向する内周面５ａを有する撹拌装置１である。
この構成によると、ガイドリング５の内部でディスパー翼４が回転することで、ガイドリング５における内周面５ａとディスパー翼４の外周縁４ａとの間にて高いせん断力を撹拌対象物に与えることができる。しかも、リボン翼３によって撹拌対象物をディスパー翼４に連続的に供給できることから、槽内での撹拌対象物の流れのバランスを良好にできる。
また、前記ディスパー翼４は、回転する板状部４１と、前記板状部４１の外周縁において周方向に間隔を空けて設けられたせん断歯４２…４２と、前記板状部４１の少なくとも上方または下方に突出した少なくとも一つのフィン部４４と、を備えることもできる。
この構成によると、ディスパー翼４におけるフィン部４４により、板状部４１近傍において撹拌対象物に強い流れを生じさせることができる。
また、前記ディスパー翼４は、前記フィン部４４に隣接し、前記板状部４１を貫通する少なくとも一つの貫通孔４５を備えることもできる。
この構成によると、ディスパー翼４におけるフィン部４４により貫通孔４５に負圧を生じさせることで、対象物に板状部４１を上下方向に通り抜ける流れを生じさせることができる。
また、前記ガイドリング５の前記内周面５ａにおける上下寸法５ｈは、前記ディスパー翼４の前記外周縁４ａにおける上下寸法４ｈよりも大きくすることもできる。
この構成によると、高いせん断力を撹拌対象物に与えることができる領域である、ガイドリング５の内周面５ａとディスパー翼４の外周縁４ａとの間の領域を大きく確保できる。
また、前記ガイドリング５の上方または下方に位置するバッフル６を備え、前記バッフル６は、前記ディスパー翼４によりせん断力を与えられた撹拌対象物を、前記ガイドリング５の前記内周面５ａに囲まれた領域から径外位置へと導くものともできる。
この構成によると、バッフル６によって撹拌対象物をガイドリング５の内周面５ａに囲まれた領域から径外位置へと連続的に導くことができることから、槽内での撹拌対象物の流れのバランスを更に良好にできる。
また、前記ディスパー翼４の前記外周縁４ａと前記ガイドリング５の前記内周面５ａとの径方向の距離Ｇは、前記撹拌槽２における前記内周壁２ａの直径（内径）Ｄ２ａに対して０％を超え１０％以下とできる。
この構成によると、例えば撹拌装置１を乳化に用いた場合、処理後の乳化液において分散した粒子の粒子径を微細化できる。
また、前記ガイドリング５の前記内周面５ａにおける上下寸法５ｈは、前記撹拌槽２における前記内周壁２ａの直径Ｄ２ａに対して０％を超え２５％以下とできる。
この構成によると、例えば撹拌装置１を乳化に用いた場合、処理後の乳化液において分散した粒子の粒子径を微細化できる。
前記実施形態は、高いせん断力を撹拌対象物に与えることができ、しかも、槽内での撹拌対象物の流れのバランスを良好にできる。このため、特に高粘度の撹拌対象物に好適な撹拌装置を提供できる。
１ 撹拌装置
２ 撹拌槽
２ａ 撹拌槽の内周壁
３ 流動翼、リボン翼
４ ディスパー翼
４ａ ディスパー翼の外周縁
４ｈ ディスパー翼の外周縁における上下寸法
４１ 板状部
４２ せん断歯
４４ フィン部
４５ 貫通孔
５ ガイドリング
５ａ ガイドリングの内周面
５ｈ ガイドリングの内周面における上下寸法
６ バッフル
Ｆ 撹拌対象物の流れ、誘導流
Ｘ ガイドリングの内周面に囲まれた領域
Ｇ ディスパー翼の外周縁とガイドリングの内周面との径方向の距離
Ｄ２ａ 撹拌槽における内周壁の直径（内径）

Claims (6)

  1. 内周壁の横断面形状が円形である撹拌槽と、前記撹拌槽の内部に位置しており互いに独立して縦軸まわりに回転可能な少なくとも一つの流動翼及び少なくとも一つのディスパー翼と、前記ディスパー翼の径外近傍に設けられたガイドリングと、を備え、
    前記流動翼及び前記ディスパー翼の回転中心は同心であり、
    前記流動翼は前記撹拌槽の内周壁に沿って設けられ、縦軸まわりに回転することで前記撹拌槽内に存在する撹拌対象物に少なくとも下方に向かう流れを形成し、
    前記ディスパー翼は回転により撹拌対象物にせん断力を与えるもので、前記流動翼よりも前記撹拌槽の径内の位置であって、かつ、前記流動翼により形成された撹拌対象物の流れに接する位置に設けられたものであり、
    前記ガイドリングは前記ディスパー翼の外周縁と対向する内周面を有し、
    前記ガイドリングの前記内周面における上下寸法は、前記撹拌槽における前記内周壁の直径に対して０％を超え２５％以下である撹拌装置。
  2. 前記ディスパー翼は、回転する板状部と、前記板状部の外周縁において周方向に間隔を空けて設けられたせん断歯と、前記板状部の少なくとも上方または下方に突出した少なくとも一つのフィン部と、を備える、請求項１に記載の撹拌装置。
  3. 内周壁の横断面形状が円形である撹拌槽と、前記撹拌槽の内部に位置しており互いに独立して縦軸まわりに回転可能な少なくとも一つの流動翼及び少なくとも一つのディスパー翼と、前記ディスパー翼の径外近傍に設けられたガイドリングと、を備え、
    前記流動翼及び前記ディスパー翼の回転中心は同心であり、
    前記流動翼は前記撹拌槽の内周壁に沿って設けられ、縦軸まわりに回転することで前記撹拌槽内に存在する撹拌対象物に少なくとも下方に向かう流れを形成し、
    前記ディスパー翼は回転により撹拌対象物にせん断力を与えるもので、前記流動翼よりも前記撹拌槽の径内の位置であって、かつ、前記流動翼により形成された撹拌対象物の流れに接する位置に設けられたものであり、回転する板状部と、前記板状部の外周縁において周方向に間隔を空けて設けられたせん断歯と、前記板状部の少なくとも上方または下方に突出した少なくとも一つのフィン部と、前記フィン部に隣接し、前記板状部を貫通する少なくとも一つの貫通孔と、を備え、
    前記ガイドリングは前記ディスパー翼の外周縁と対向する内周面を有する撹拌装置。
  4. 前記ガイドリングの前記内周面における上下寸法は、前記ディスパー翼の前記外周縁における上下寸法よりも大きい、請求項１～３のいずれかに記載の撹拌装置。
  5. 内周壁の横断面形状が円形である撹拌槽と、前記撹拌槽の内部に位置しており互いに独立して縦軸まわりに回転可能な少なくとも一つの流動翼及び少なくとも一つのディスパー翼と、前記ディスパー翼の径外近傍に設けられたガイドリングと、を備え、
    前記流動翼及び前記ディスパー翼の回転中心は同心であり、
    前記流動翼は前記撹拌槽の内周壁に沿って設けられ、縦軸まわりに回転することで前記撹拌槽内に存在する撹拌対象物に少なくとも下方に向かう流れを形成し、
    前記ディスパー翼は回転により撹拌対象物にせん断力を与えるもので、前記流動翼よりも前記撹拌槽の径内の位置であって、かつ、前記流動翼により形成された撹拌対象物の流れに接する位置に設けられたものであり、
    前記ガイドリングは前記ディスパー翼の外周縁と対向する内周面を有し、
    前記ガイドリングの上方または下方に位置するバッフルを備え、
    前記バッフルは、前記ディスパー翼によりせん断力を与えられた撹拌対象物を、前記ガイドリングの前記内周面に囲まれた領域から径外位置へと導くものである撹拌装置。
  6. 前記ディスパー翼の前記外周縁と前記ガイドリングの前記内周面との径方向の距離は、前記撹拌槽における前記内周壁の直径に対して０％を超え１０％以下である、請求項１～５のいずれかに記載の撹拌装置。
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