JP7112067B2 - 水冷式構造を備えたディスクタイプのミキシングヘッド - Google Patents

Description

本発明は、主に、カステラやスポンジケーキなどの生地を撹拌する連続発泡ミキサーにおけるディスクタイプのミキシングヘッドに関するものである。

食品の製造加工業界において、カステラやスポンジケーキなどのソフトな生地類をミキサーで攪拌する場合には、図１の斜視図（ミキシングヘッド構造体の一部をカット）に示めされるようなディスクタイプの連続発泡ミキシングヘッドを用いることが多い。このようなミキシングヘッド１００は、主に、ステーターハウジング１０１ａと、ステーターヘッド１０１ｂから構成されるステーター１０１と、回転軸１０３によってステーターの内部を高速回転するディスク型のローター１０２から構成されている。

ステーター１０１とローター１０２の双方の対向面には、同心円状かつ環列状に突出した多数の小突起（以下、単に「ピン」と言う。）１０４が設けられており、撹拌対象物が係るピンの隙間を通過することによって食材の撹拌処理が為されるのである。なお、ローター１０２の回転時に、ローター１０２とステーター１０１の対向するピンどうしが干渉し合わないように、双方のピン１０４は互い違いに配列されていることは言うまでもない。

スポンジケーキの生地類などの食材は、例えば、図２のミキシングヘッドの略断面図に示されるように、その側面に設けられた抽入孔１０５から空気の気泡と共に連続的に供給される。その後、ステーターハウジング１０１ａと、ステーターヘッド１０１ｂ、及びローター１０２のそれぞれに設けられたピン１０４の隙間を通過しつつ撹拌され、回転軸１０３の先端方向に設けられた抽出孔１０６から抽出される。なお、撹拌対象物である食材の流れの概略を図中の矢印に示す。

係る一連の撹拌処理工程により、撹拌対象物である食材の撹拌が行われると同時に、食材中への空気の取り込みが行われ、その食品独特の食感や味・まろやかさを作り出すことができる。因みに、スポンジケーキやカステラなどの生地類を撹拌する際には、撹拌食材中における空気の含有量が食品質の重要なファクターとなり、含有される空気の割合によってその食感が大きく異なる。一般には、生地類の比重が０．４～０．８程度になるまで空気の混入が必要であると言われている。

しかしながら、このようなディスクタイプのミキシングヘッドを用いて撹拌を行うと、ローター円周外縁部の撹拌速度がローター中心部の速度に較べて高速となり、高速化に伴う摩擦熱により撹拌食材の温度上昇を招くことになる。特に大量の食材を撹拌すべく、ミキシングヘッドを大型化した場合は、それに伴いローターの直径も増大するため、ローター円周外縁部における撹拌速度の増加と、それに伴う摩擦熱による食材の温度上昇が大きな問題となる。

すなわち、係る温度上昇は撹拌食材の品質劣化を招き、スポンジケーキやカステラなどの、ソフトでデリケートな生地類の食感や風味を大きく損なう原因ともなる。そのため、このような問題を解決すべく、例えば、特許文献１の発明に示されるような技術が開示されている。

特表２００３－５０５０５１号公報

しかし、特許文献１に示された従来技術は、ミキシングヘッドや撹拌槽を含めたミキサー全体を、熱交換流体を利用して冷却する方式であり、一般的に規模が大きくなり、かつ出力の大きな冷却装置を必要とし、ミキサー装置全体が大型化してしまうと言う問題があった。

また、その他の従来技術としては、ミキシングヘッドをいわゆるドラムタイプとして、ステーターやローターの内部に冷却水を流通させる水冷ジャケットを設け、ミキシングヘッドの冷却を行うミキサーも存在する。しかし、このようなタイプでは、ローターが円盤状ではなく、ドラムつまり円筒状になるため、必然的にミキシングヘッド全体が大型化してしまうという欠点があった。

本発明は、このような従来からの課題を解決することを目的としたものであって、ミキシングヘッドの形状をディスクタイプに保ったまま、ステーター並びにローターの内部に冷却水を流通させ、撹拌される食材の温度上昇を効果的に抑え、かつ冷却を行うことが可能なミキシングヘッドを提供するものである。

本発明の第１の観点によるディスクタイプのミキシングヘッドは、ステーターハウジングとステーターヘッドから成るステーターの間に挟持され、かつ回転軸によって回転駆動されるディスク型のローターを含み、前記ステーターハウジングとステーターヘッドの各々の内面、及び前記ローターのステーターと対抗する両端面に、同心円状かつ環列状に並ぶ複数の小突起群を設け、さらに、前記ステーターハウジングとステーターヘッドの内部、及び前記ローターの内部に冷却水を流通させるジャケット部を設け、ステーターとローターとの間を流れる食材を撹拌するディスクタイプのミキシングヘッドであって、
前記ローター内部のジャケット部は、ジャケット部内に設けたジャケット仕切板によって上側室と下側室に仕切られ、前記ジャケット仕切板の外径は前記ロータージャケット部の内径よりも小であり、ロータージャケット部の内周面とジャケット仕切板の外縁円周との間に空隙部を有し、
前記ローターの回転軸を同心軸構造のパイプ状として、同心軸の内筒或は外筒の何れか一方を通して冷却水を前記ローター内ジャケット部の上側室又は下側室に供給し、上側室内又は下側室内を流れた冷却水は、前記空隙部を通り抜け、ジャケット仕切板と反対側の下側室又は上側室に流通し、さらに、ジャケット仕切板と反対側の下側室内又は上側室内を流れた冷却水は、前記同心軸の外筒或は内筒の何れか一方を通して前記ローター内ジャケット部から回収され、
撹拌時に発生する摩擦熱をミキシングヘッドの外部に放出して、撹拌対象物である食材の温度上昇を抑え、かつ冷却を行うことを特徴とする。

また、本発明の第２の観点によるディスクタイプのミキシングヘッドは、前記第１の観点において、前記ローターディスクの両端面は、前記ローター内ジャケット部の内側に設けた複数の補強リブ材によって担持され、
前記補強リブ材は、前記ローター内ジャケット部の内部を流通する冷却水の流れを分散させ、かつ、前記ジャケット仕切板をローター内ジャケット部の上下方向の略中央部に保持する働きを担うことを特徴とする。

以上の解決手段を備えた本発明によれば、ディスクタイプのミキシングヘッドにおけるステーターとローターの双方を、その内部から同時に冷却できるため、撹拌速度が高速となりがちなローター円周外縁部の摩擦熱を抑え、かつ冷却することが可能となる。これによって、温度上昇による撹拌食材の品質劣化を防ぐことができ、撹拌対象となる食材の味や風味を自然のまま保つことが可能となる。

本発明によるディスクタイプのミキシングヘッドを実現するための最良の形態である実施例について、本発明の明細書に添付された各図面を参照しつつ以下に説明を行う。先ず、本発明に基づくディスクタイプのミキシングヘッド１０（以下、単に「ミキシングヘッド１０」という）の構造を図３及び図４に示す。因みに、図３はミキシングヘッド１０の斜視図（ミキシングヘッド構造体の一部をカット）を表すものである。また、図４はミキシングヘッド１０の略断面図を表すものである。

なお、ミキシングヘッド１０や、これを備えたミキサーを構成する各種部材の材質は特に限定されるものではないが、その強度や防錆性、或は食品ミキサーに使用されるという衛生面を考慮すれば、ステンレス鋼材（例えば、ＳＵＳ３１６鋼材など）を用いることが好ましい。

添付の各図に示される通り、ミキシングヘッド１０は主に、ステーターハウジン１１ａ、ステーターヘッド１１ｂから成るステーター１１と、ローター１２から構成されている。ローター１２は、モーターなどの動力源（図示せず）から回転軸１３を介し、ステーター１１の内部において高速度で回転駆動されるディスク型の部材である。

ステーターハウジン１１ａ及びステーターヘッド１１ｂの内面には、同心円状かつ環列状に突出した多数の小突起（以下、単に「ピン」と言う。）１４が設けられている。また、ステーター１１の内面に対向するローター１２のディスク両端面にも、同様のピン１４が設けられている。

ピン１４の配置を表現すべく、ステーターヘッド１１ｂに配置されたピンの平面図を図５に、ローター１２のディスク端面に設けられたピン１４の平面図を図６に示す。ローター１２は、ステーター１１の内部で高速回転するため、図５、６に示された両部材の表面に設けられたピン１４は、回転時における相互の干渉を防止すべく、相互に互い違い設けられていることは言うまでもない。

ミキシングヘッド１０の側面には、カステラ生地などの撹拌食材と空気の混合流体を供給する抽入孔１５が設けられており、また、回転軸１３の先端方向には、ステーター１１とローター１２によって撹拌された撹拌食材が抽出される抽出孔１６が設けられている。
なお、撹拌食材の流れの概略を図中の矢印に示す。因みに、ミキシングヘッド１０への撹拌食材の供給方法は、圧送ポンプなどを用いて抽入孔１５に圧入するようにしても良いが、構造の簡易化や食材流量制御の容易性等に鑑みれば、抽出孔１６から吸引して抽出する方法を採用することが好ましい。

一方、ステーターハウジン１１ａとステーターヘッド１１ｂ、及びローター１２のそれぞれの内部には、冷却水が流通するジャケット部１１ｃと１１ｄ、及び１２ａが各々設けられている。因みに、ステーター１１やローター１２の各部材は、各部材の中心部に抽出孔１６や回転軸１３が挿通されているため、ステーター１１やローター１２の内部に設けられた各々のジャケット部が占める空間はドーナツ型の空洞となる。

また、ローター１２の内部に設けられたジャケット部１２ａは、ジャケット仕切板１２ｂによって上下２段の室に仕切られている。つまり、回転軸１３の先端方向（抽出孔１６の方向）のジャケット部１２ａ、即ちジャケット部１２ａの上側室が、ステーターヘッド１１ｂと対向するローター１２のディスク端面を冷却する働きを有する。一方、抽入孔１５方向のジャケット部１２ａ、即ちジャケット部１２ａの下側室が、ステーターハウジング１１ａと対向するローター１２のディスク端面を冷却する働きを有することになる。

ジャケット仕切板１２ｂの直径は、ジャケット部１２ａの内径よりも一回り小さくなっており、ジャケット部１２ａの内周面とジャケット仕切板１２ｂの外縁円周との間には空隙が生じるようになっている。したがって、ジャケット部１２ａの内部を流通する冷却水は、この空隙を通してジャケット部１２ａの上下室の間を行き来することができる。なお、ジャケット仕切板１２ｂは、後述する筒状のジャケットリブ部材１２ｃの筒方向（上下方向）長さの略中間位置に取り付けられている。

すなわち、ローター１２のディスクの両端面は、ローター１２の内側から複数のジャケットリブ部材１２ｃによって補強・担持されており、同部材の筒方向（上下方向）長さの略中間位置に、前述のジャケット仕切板１２ｂが取り付けられている。ローター１２の内部におけるジャケットリブ部材１２ｃの平面的な配置例を図７に示す。但し、同図に示されるジャケットリブ部材１２ｃの配置位置やその配置個数は、あくまでも本発明の一実施例であり、本発明のジャケット部１２ａの内部構造が同図に限定されるものでないことは言うまでもない。

このように、ローター１２のディスクの両端面は、ジャケット部１２ａ内の複数のジャケットリブ部材１２ｃによってしっかりと担持されているため、ローター１２の内部にジャケット部１２ａのようなドーナツ型の空洞部分を設けても、ディスクの両端面の強度がこれによって低下することはない。

すなわち、ジャケットリブ部材１２ｃを設けることにより、ローター１２がステーター１１内で高速回転する際に、ローター１２の両ディスク端面が変形、或いは不正振動を起こして、ローター１２とステーター１１の各々の表面に設けられたピン１４どうしが干渉し合う事態を防止することができる。

次に、ミキシングヘッド１０の冷却方法、及び冷却水の供給・流通方法等について、主に、図４に示すミキシングヘッド１０の略断面図に基づいて説明を行う。なお、以下の記載では、ステーター１１とローター１２の双方の冷却を行う場合に分けて説明を行うものとする。

（１）ステーター１１の冷却
先ず、冷却水の温度調整機（以下、単に「温調機」と言う。（図示せず））から、冷却水をステーターハウジング１１ａの給／排水口１に連続的に供給する。これによって、冷却水がステーターハウジング１１ａ内のジャケット部１１ｃに供給される。冷却水は、ドーナツ型をしたジャケット部１１ｃの内部を満たし、さらに、ステーターハウジング１１ａの給／排水口２から排水される。排水された冷却水は、流通パイプ（図示せず）を経由し、ステーターヘッド１１ｂに設けられた給／排水口３に供給される。

ステーターヘッド１１ｂにおいても上記と同様に、冷却水は、ジャケット部１１ｄを満たし、給／排水口４から排水される。そして、給／排水口４から排水された冷却水は、流通パイプ（図示せず）を経由して温調機に還流される。このようにして、ステーターハウジング１１ａとステーターヘッド１１ｂ、及びその内表面に設けられた複数のピン１４の冷却が為されることになる。

なお、以上に説明した、ステーター１１における冷却水の流通順路は、あくまでも本発明における一事例を示すものであり、本発明の実施が係る事例に一義的に限定されるものではない。例えば、以上の説明とは逆順路（即ち、給／排水口４から給水し、給／排水口３、２、１の順で冷却水を循環）で冷却水の供給を行うようにしてもよい。さらに、給／排水口１～４の各々を適宜組み合わせて、実際の使用環境に適した任意の冷却水の流通順路を構成するようにしても良い。

（２）ローター１２の冷却
続いて、ローター１２の冷却方法について説明を行う。ミキシングヘッド１０における撹拌処理時に、ローター１２は、ステーターハウジング１１ａとステーターヘッド１１ｂに挟まれたステーター１１の内部で回転軸１３によって高速回転駆動される。

そのため、ローター１２の内部にあるジャケット部１２ａに対し冷却水を給／排水するには、回転軸１３を介して行う必要がある。本発明では、このような回転構造体への給／排水を実現すべく、回転軸１３に同心軸状のパイプを挿通させ、係る同心軸状のパイプの同軸内筒及び同軸外筒を利用して、ローター１２内のジャケット部１２ａに対し冷却水の給／排水を行っている。

係る構造を、ミキシングヘッド１０の略断面図である図４に基づいて説明する。先ず、ローター１２冷却用の冷却水は、温調機（図示せず）から給／排水口５に供給される。供給された冷却水は、回転軸１３に設けられた導水路Ａを経由して、回転軸１３の中心部に挿通された同軸状のパイプの同軸パイプ外筒１３ａに導かれる。

なお、回転軸１３とミキサー本体とのメカシールは十分に担保される設計となっているので、回転軸１３の廻りに多量の漏水が発生する恐れは無い。

同軸パイプ外筒１３ａに供給された冷却水は、回転軸１３の先端方向（抽出孔１６の方向）に流通する。なお、同軸パイプ外筒１３ａの根元は、根元エッジ部１３ｂによって塞がれている（シールされている）ので、冷却水が回転軸１３の根元方向に流出するおそれはない。

一方、回転軸１３の先端方向に流通した冷却水は、回転軸１３の先端部の近傍に設けられた導水路Ｂを経由して、ローター１２のジャケット部１２ａの下側室に導通される。なお、同軸パイプ外筒１３ａの先端も先端エッジ部１３ｃによって塞がれている（シールされている）ので、冷却水が回転軸１３内の他の部位に漏水するおそれはない。

前述のように、ジャケット部１２ａの内部には、ローター１２の両ディスク端面を補強するための複数のジャケットリブ部材１２ｃが設けられている（図７参照）。このため、ジャケット部１２ａの下側室に導通された冷却水の流れは、ジャケットリブ部材１２ｃによって適宜分流され、ドーナツ型のジャケット部１２ａの下側室内を満たすことになる。これによって、ステーターハウジング１１ａに対向したローター部１２のディスク端面、及び同ディスク端面の外側に設けられた複数のピン１４が十分に冷却される。

ローター部１２内のジャケット部１２ａは、ジャケット仕切り板１２ｂによって上側室及び下側室の２つのエリアに分離されている。但し、既に説明したようにジャケット仕切り板１２ｂの直径は、ジャケット部１２ａの内径よりも小さいため、ジャケット仕切り板１２ｂの外縁円周とジャケット部１２ａの内壁との間には隙間が生じている。それ故、ジャケット部１２ａの下側室を満たした冷却水は、この隙間を通してジャケット部１２ａの上側室にも流通する。

そして、ジャケット部１２ａの上側室に流通された冷却水は、ジャケット部１２ａの下側室の場合と同様に、ジャケット部１２ａの上側室内を満たし、ステーターハヘッド１１ｂに対向したローター部１２のディスク端面、及び同ディスク端面の外側に設けられた複数のピン１４が十分に冷却される。

ジャケット部１２ａの上下室のそれぞれが隈なく冷却水に満たされると、冷却水はジャケット部１２ａの上側室から、回転軸１３に設けられた導水路Ｃを経由して、回転軸１３の内部に設けられた同軸パイプ内筒１３ｄに流入する。そして同軸パイプ内筒１３ｄを経由しつつ回転軸１３の根元方向に流通し、回転軸１３の根元の近傍で導水路Ｄを経由して給／排水口６からミキサー外に排水される。なお、排水された冷却水は流通パイプ（図示せず）を経由して温調機（図示せず）に還流されることは言うまでもない。

同軸パイプ外筒１３ａから、導水路Ｂを経由してジャケット部１２ａの下側室に冷却水が流入される様子、及びジャケット部１２ａの上側室から、導水路Ｃを経由して同軸パイプ内筒１３ｂに冷却水が流出される様子を図８の模式図に示す。因みに、同図中において太い点線で表す矢印が冷却水の流れを表すものである。また、同軸パイプ内筒１３ａと同軸パイプ外筒１３ｄの使用については、以上の説明とは逆に、同軸パイプ内筒１３ａから給水し、同軸パイプ外筒１３ｄから排水を行うような方法で用いても良い。

なお、撹拌処理中において、ローター１２のジャケット部１２ａに対する冷却水の給／排水は、回転軸１３が回転しているため、下側室の導水路Ｂ及び上側室の導水路Ｃが回転軸１３に設けられた、それぞれに対応する導水孔と一致した時にのみ行われる。即ち、ジャケット部１２ａに対する給／排水は間欠的に行われることになる。

ところで、給／排水ループ中において、このような間欠的な流水の供給を行った場合、一般に、パルス状の水流衝撃（いわゆる、ウォーターハンマー現象）が発生するおそれがある。しかし、本発明に関する撹拌処理時においては、回転軸１３の回転速度が比較的に高速（例えば、６００ｒｐｍ）であり、かつ流水量も比較的少量（例えば、、１５リットル／分）であるため、ローター１２のジャケット部１２ａの内部に、ウォーターハンマー現象のような水流衝撃が発生するおそれはない。

本発明によれば、ディスクタイプのミキシングヘッドにおいて、従来は構造的に困難とされたローター部分の水冷が可能となるため、従来型の非水冷式ディスクタイプミキシングヘッドのローターに較べて、その直径を１２０～１３０％に拡大し、ローター外周の速度を増大させた場合であっても、撹拌時の摩擦熱による撹拌食材の温度上昇を、逆に、摂氏２～５度低減させることが可能となる。

それ故、以上に説明した本発明によるディスクタイプのミキシングヘッドを用いれば、カステラやスポンジケーキ等のソフトでデリケートな生地類を大量に撹拌する場合でも、撹拌時の温度上昇による撹拌食材の製品劣化を予防することができ、撹拌食材に関する不良品ロスの発生を大幅に低減させることができる。

なお、本発明の実施形態は、以上に説明した実施例に限定されるものではなく、例えば、各々の実施例を構成する各部位の形状や配置或いはその素材等は、本発明の趣旨を逸脱することなく、現実の実施態様に即して適宜変更ができるものであることは言うまでもない。

以上に説明した本発明の構成は、製パン業界や製菓業界をはじめとして、食材の撹拌・混練を必要とする各種の食品業界においてもその利用が可能である。

従来のディスクタイプミキシングヘッドの斜視図である。 従来のディスクタイプミキシングヘッドの略断面図である。 本発明によるディスクタイプミキシングヘッドの斜視図である。 本発明によるディスクタイプミキシングヘッドの略断面図である。 本発明のステーターヘッド内側のピンの様子を表す平面図である。 本発明のローターのディスク端面外側のピンの様子を表す平面図である。 本発明のロータージャケット内部におけるリブ部材の配置を表す平面図である。 本発明のロータージャケットと同軸パイプとの水流の様子を表す模式図である。

１０ … ミキシングヘッド
１１ … ステーター
１１ａ … ステーターハウジング
１１ｂ … ステーターヘッド
１１ｃ … ステーターハウジングジャケット部
１１ｄ … ステーターヘッドジャケット部
１２ … ローター
１２ａ … ロータージャケット部
１２ｂ … ジャケット部仕切板
１２ｃ … ジャケット部リブ部材
１３ … 回転軸
１３ａ … 同軸パイプ外筒
１３ｂ … 同軸パイプ外筒根元エッジ部
１３ｃ … 同軸パイプ外筒先端エッジ部
１３ｄ … 同軸パイプ内筒
１４ … ピン（小突起群）
１５ … 抽入孔
１６ … 抽出孔
１００ … ミキシングヘッド
１０１ … ステーター
１０１ａ … ステーターハウジング
１０１ｂ … ステーターヘッド
１０２ … ローター
１０３ … 回転軸
１０４ … ピン（小突起群）
１０５ … 抽入孔
１０６ … 抽出孔
１～４ … ステーター系・給／排水口
５～６ … ローター系・給／排水口
Ａ～Ｄ … ローター系・導水路

Claims (2)

1. ステーターハウジングとステーターヘッドから成るステーターの間に挟持され、かつ回転軸によって回転駆動されるディスク型のローターを含み、前記ステーターハウジングとステーターヘッドの各々の内面、及び前記ローターのステーターと対抗する両端面に、同心円状かつ環列状に並ぶ複数の小突起群を設け、さらに、前記ステーターハウジングとステーターヘッドの内部、及び前記ローターの内部に冷却水を流通させるジャケット部を設け、ステーターとローターとの間を流れる食材を撹拌するディスクタイプのミキシングヘッドであって、
   前記ローター内部のジャケット部は、ジャケット部内に設けたジャケット仕切板によって上側室と下側室に仕切られ、前記ジャケット仕切板の外径は前記ロータージャケット部の内径よりも小であり、ロータージャケット部の内周面とジャケット仕切板の外縁円周との間に空隙部を有し、
   前記ローターの回転軸を同心軸構造のパイプ状として、同心軸の内筒或は外筒の何れか一方を通して冷却水を前記ローター内ジャケット部の上側室又は下側室に供給し、上側室内又は下側室内を流れた冷却水は、前記空隙部を通り抜け、ジャケット仕切板と反対側の下側室又は上側室に流通し、さらに、ジャケット仕切板と反対側の下側室内又は上側室内を流れた冷却水は、前記同心軸の外筒或は内筒の何れか一方を通して前記ローター内ジャケット部から回収され、
   撹拌時に発生する摩擦熱をミキシングヘッドの外部に放出して、撹拌対象物である食材の温度上昇を抑え、かつ冷却を行うことを特徴としたディスクタイプのミキシングヘッド。
2. 前記ローターディスクの両端面は、前記ローター内ジャケット部の内側に設けた複数の補強リブ材によって担持され、
   前記補強リブ材は、前記ローター内ジャケット部の内部を流通する冷却水の流れを分散させ、かつ、前記ジャケット仕切板をローター内ジャケット部の上下方向の略中央部に保持する働きを担うことを特徴とした請求項１に記載のディスクタイプのミキシングヘッド。
   

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