JP7138986B1

JP7138986B1 - 分散機

Info

Publication number: JP7138986B1
Application number: JP2021200460A
Authority: JP
Inventors: 一平宗岡; 康博青木; 真也小田; 菜摘小川
Original assignee: 淺田鉄工株式会社
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2022-09-20
Anticipated expiration: 2041-12-10
Also published as: JP2023086143A

Abstract

【課題】容器内のメディアの分布を均一に保ちながら分散対象物を高速に処理可能なメディア型の分散機を提供する。【解決手段】分散機１は、横型の分散機である。この分散機１は、容器２、回転軸３および回転軸３に取り付けられた複数の分散ロータ４を備えている。容器２は、略密閉された円筒状のタンクあり、一方の端面に分散対象物を内部に投入する投入部５を有し、この端面に対向する他方の端面に排出部６を有する。分散ロータ４は、円錐台状である。複数の分散ロータ４の各々は、外径の大きい端部を上流側に向け、当該分散ロータ４を回転軸３に連ねたとき、上流側の分散ロータ４の小さい外径よりも下流側の分散ロータ４の大きい外径が大きくなるよう構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、塗料、インキ、医薬品、化粧品、食品、電池、電子部品などの顔料分散ペーストなどを製造する過程で、分散対象物を供給しながら容器内に投入済みのメディアと一緒に混合しながら分散または粉砕させるメディア型の分散機に関する。

従来の分散機として、メディア（例えば、ガラス、ジルコニアなどのビーズ）を用いて分散対象物を分散、撹拌または粉砕させるメディア式の分散機が知られている。例えば、分散機は、容器内の回転軸に分散用の複数のディスクを等間隔に備えている。ディスクは、外周に複数の突片を有し、厚み方向に貫通する貫通孔を有する。貫通孔は、ディスクの上流側から下流側の厚み方向にディスク回転方向と同方向に斜めに貫通している。この構成により、従来の分散機は、ディスクと容器の間から下流に流れた分散対象物およびメディアの一部を貫通孔の下流側の面から上流側の面に戻すように構成されている（特許文献１を参照）。

特許第６６３４４９３号

しかしながら、特許文献１に記載の分散機は、次のような問題点がある。先ず、ディスクの貫通孔を介してディスクの上流側の面にメディアを戻す力は、貫通孔を通過する分散対象物の流れよりも僅かに強い程度であるので、戻し力が作用するディスクの下流側の面の貫通孔の開口付近のメディアしか上流側の面に戻せない。それ故に、ディスク同士の間隙を狭くしてメディアを上流側に連続的に戻さなければ容器内にメディアを均等に分布させることができない。そこで、ディスク同士の間隙を狭くすることが考えられる。ディスク同士の間隙を狭くすると、隣接するディスクによる分散対象物の連続的な剪断によって生じる摩擦熱が容器とディスクの狭い間隙に蓄積され、分散対象物の物性を変質させるといった問題が生じる。この問題を解決するためにディスク同士の間隔を十分に確保する必要がある。

また、大量の分散対象物を高速に処理するために容器内への短時間当たりの未処理の分散対象物の供給量を増加させた場合、分散対象物の圧送力が高くなる。すなわち、貫通孔を介してメディアを上流側に戻す力よりも貫通孔を通過する分散対象物の流れが強くなり、メディアが下流に偏在して排出口を閉塞するばかりでなく、メディアが排出口に停滞してその運動が阻害されるのでメディア同士の速度差による剪断（ズリ速度）やメディア同士の衝突による分散対象物の微粒子化（分散）の作用が得らない。すなわち、分散対象物の供給量の増加と処理能力はトレードオフの関係にあり、生産効率を高めることができないといった不都合が生じている。

本発明は、このような課題を解決すべくなされたものであり、容器内のメディアの分布を均一に保ちながら大量の分散対象物を高速に処理可能な分散機を提供することを目的とする。

本発明は、以下のような分散機を提供する。

すなわち、容器内のメディアと当該容器の上流側に設けた投入部から投入した分散対象物を下流側に設けた排出部に向けて送りながらメディアとともに分散するメディア型の分散機であって、
円錐台状の複数の分散ロータと、
前記複数の分散ロータが回転可能に取り付けられる回転軸と、を備え、
前記複数の分散ロータの各々は、外周面を有し、当該外周面に上流から下流に向かう溝が形成されており、外径の大きい端部を上流側に向け、前記回転軸に連ねて取り付けられており、上流側の前記分散ロータの小さい外径よりも下流側の前記分散ロータの大きい外径が大きくなるよう構成した
ことを特徴とする分散機。

この構成によれば、円錐台状の分散ロータは、外径の小さい端部よりも外径の大きい端部の周速が速くなる。それ故に、分散対象物の分散時に分散ロータの回転に伴うメディアに作用する遠心力とは別にテーパ状の各分散ロータの周りに分散するメディアに対して上流側に戻す力（遠心力の分力）が連続的に作用する。すなわち、上記構成の分散機は、等間隔に配置した分散ディスクのみでメディアを上流側に戻す力を間欠的にメディアに付与する従来の分散機に比べて、回転軸に連ねた複数の分散ロータの全体でメディアに上流側に戻す力を連続的に付与する。その結果、容器内への分散対象物の供給量を増やしてもメディアが上流に戻る力が作用し続けているので、容器内にメディアを略均一に分布させる。したがって、メディア同士の速度差による剪断（ズリ速度）やメディア同士の衝突による分散対象物の微粒子化が維持されるので、分散効率が向上するとともに、メディアが、排出部に偏在することを抑制できるので、処理後の分散対象物を排出口から円滑に排出することができる。換言すれば、分散機は、メディアの分布を均一に保ちながら大量の分散対象物を高速に処理可能にする。

さらに、円錐台状の分散ロータは、厚みの薄いディスクに比べて回転軸の軸芯方向に距離を稼ぐことができるので、容器と分散ロータの間隙が最も小さくなり剪断作用を発揮する各分散ロータの大径の端部同士の距離を十分に拡大することができる。したがって、剪断によって生じる摩擦熱が容器内に蓄積されないので、熱の影響による分散対象物の物性の変質を回避することができる。

上記構成において、分散ロータは、前記外周面には粗面が含まれていてもよい。

この構成によれば、分散ロータの外周面と分散対象物の摩擦抵抗が大きくなるので、撹拌効率が高まる。特に、分散ロータの回転によってメディアに作用する遠心力と上流側に戻す力の相互作用によって、メディアは分散ロータの大径部に移動する。すなわち、メディアが、容器内で間隙が最も狭くなる領域において分散ロータの大径のエッジに衝突するとともに、この衝突によって運動エネルギを得てメディア同士が互いに衝突し易くなる。したがって、上記構成の分散機は、分散対象物を効率よく撹拌、粉砕および分散させることができる。

本発明は、容器内のメディアの分布を均一に保ちながら分散対象物を高速に処理可能な分散機を提供する。

本発明の第１実施形態に係る分散機の概略構成を示す断面図である。分散ロータの上流からの斜視図である。分散ロータの下流からの斜視図である。第１実施形態の分散機における分散処理時の分散対象物の流れとメディアの移動を示す模式図である。本発明の第２実施形態に係る分散機の概略構成を示す断面図である。分散ディスクの正面図である。第２実施形態の分散機における分散処理時の分散対象物の流れとメディアの移動を示す模式図である。変形例の分散機の概略構成を示す断面図である。撹拌ロータの正面図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係るメディア型の分散機の一実施形態について、図面に基づき詳細に説明する。なお、本実施形態の分散機では、メディアとして例えばジルコニアビーズを用いて分散対象物を混合して分散させる分散機（例えばビーズミル）について説明するが、本発明は分散機としてだけでなく、粒化対象材を細かく砕く粉砕機としても利用することができる。なお、ビーズはメディアの一例であり、分散対象物の種類、粒子の硬さ、粒子径、投入される溶媒（原料ペースト）の粘度や比重などに応じて、適宜に選択する。

分散機１は、図１に示すように、横型の分散機である。この分散機１は、容器２、回転軸３および回転軸３に取り付けられた複数の分散ロータ４を備えている。

容器２は、略密閉された円筒状のタンクある。容器２の一方の端面に分散対象物を内部に投入する投入部５を有し、この端面に対向する他方の端面側に排出部６を有する。

投入部５は、容器内部と連通する供給管７を接続して構成している。なお、供給管７は、その上流側に分散対象物を圧送するポンプなどが接続されている。

排出部６は、ギャップセパレータ８および排出管９から構成されている。ギャップセパレータ８は、容器２の内部を圧送されて最下流に到達した処理済みの分散対象物に含まれるメディアおよび処理済みの分散対象物以外の物（例えば、メディアの破片など）を分離するためのものである。すなわち、ギャップセパレータ８は、回転軸３に設けた回転ロータ１０と回転ロータ１０の外周を囲う固定ステータ１１とから構成されている。回転ロータ１０と固定ステータ１１の間隙を調整することにより、メディアなどが間隙を通過しないようにしている。なお、ギャップセパレータ８は、本実施形態の一例であり、メディアと分散対象物を分離することができるものであればよく、例えばスクリーン機構であってもよい。

排出管９は、ギャップセパレータ８によって分離された分散対象物を分散機１の外部に排出する。本実施形態では、回転軸３を回転可能に支持するメカニカルシール１２とメカニカルシール１２を固定する固定壁１３とによって構成されている。

なお、容器２は、外周にジャケット１４を備えている。ジャケット１４は、その内部に形成された流路に冷媒または温水などを供給および循環させることにより、容器２の内部の温度を調整する。

回転軸３は、排出部側からメカニカルシール１２を介して容器２の内部に挿通され、投入部側まで延びている。すなわち、回転軸３は、排出部側で片持ち支持されている。また、回転軸３は、基端側で図示しないモータなどの駆動源に直接または間接的に連結されており、コントローラを介して回転を制御されている。

分散ロータ４は、図１ないし図３に示すように、円錐台状をしている。分散ロータ４の外周面には複数の溝１５が形成されている。溝１５は、外周面の上流から下流の方向に延びている。さらに、溝１５は、分散ロータ４の外周に等間隔に形成されている。複数の分散ロータ４の各々は、外径の大きい端部を上流側に向け、分散ロータ４を回転軸３に連ねて取り付けたとき、上流側の分散ロータ４の小さい外径よりも下流側の分散ロータ４の大きい外径が大きくなるように構成されている。なお、分散ロータ４の中央には、回転軸３に取り付けるための貫通孔１６が設けられている。

＜動作説明＞
次に上記構成を有する分散機１の動作について説明する。

予めメディアが投入されている容器２に供給管７から分散対象物の投入を開始する。ポンプによって下流側に圧送される分散対象物は、図４に示すように、分散ロータ４と容器２の内周壁によって形成される空間を下流に向けて流れる過程で、複数の分散ロータ４の回転によって撹拌、分散される。このとき、分散ロータ４の各々は、上流側に向けて外径の大きくなるテーパ状の外周を有するので、外径の小さい端部から外径の大きい端部側に向かうに連れて周速がしだいに速くなる。すなわち、分散ロータ４の回転に伴うメディアＭに作用する遠心力とは別にテーパ状の各分散ロータ４の周りに分散するメディアＭに対して上流側に戻す力（遠心力の分力）が連続的に作用する。したがって、メディアＭは、分散対象物の流れに僅かな力で逆らいながら上流に移動しつつ、分散ロータ４の回転に伴う遠心力によってその大半が、容器２の内周壁と各分散ロータ４の外径の最大となる上流側へと移動する。すなわち、容器２と分散ロータ４の間隙が最も狭くなる領域（以下、適宜に「分散領域」と称す）にメディアが移動する。

分散領域で分散対象物は、回転している各分散ロータ４の大径部のエッジによって剪断される。また、メディアがエッジに衝突して活発に運動する。このメディアの運動により、分散対象物は、メディア同士の速度差による剪断（ズリ速度）やメディア同士の衝突による微粒子化の作用を受けながら下流へと圧送される。分散領域に存するメディアＭは、大径部のエッジ側から容器２の内周壁に向けて放射状に広がりながら回転し続けている。

各分散ロータ４によって分散処理の施された分散対象物は、ギャップセパレータ８によって僅かに含まれているメディアを分離されて排出管９から排出される。

上記構成の分散機１によれば、円錐台状の複数の分散ロータ４を外径の大きい端部を上流側に向けて回転軸３に連ねて取り付けることにより、各分散ロータ４の周りに存するメディアを上流側に戻すことができる。したがって、分散機１は、分散対象物の分散処理中に最下流の排出部側へのメディアＭの偏在を抑制しながら各分散ロータ４の区間ごとにメディアを略均一に分布させるので、分散効率を向上させながら分散対象物のみを排出部６から効率よく排出することができる。

また、分散ロータ４は、回転軸３の軸芯方向に距離を稼ぐことができるので、各分散ロータ４の外径の大きいエッジまでの距離を拡大させることができる。したがって、回転時に分散ロータ４のエッジによる分散対象物の剪断で生じる摩擦熱が、容器内に蓄積されないので、熱の影響による分散対象物の物性の変質を回避することができる。

＜第２実施形態＞
本実施形態は、第１実施形態の分散ロータ４とは別に複数の分散ディスクを備えている。したがって、異なる構成について詳述し、第１実施形態と同一の構成については同一符号を付すに留めて説明する。

本実施形態の分散機１は、図５に示すように、回転軸３に分散ロータ４と交互に取り付けられる分散ディスク２０を備えている。

分散ディスク２０は、図６に示すように、分散ロータ４の外径の大きい端部よりも大径であり、外周に複数の突片２１を有する。

突片２１は、径外方向に延在する略台形状である。本実施形態の突片２１は、分散ディスク２０の回転方向Ｒと反対向きの斜めに延びる第１辺２１ａと、第１辺２１ａから円周方向へ延びる第２辺２１ｂと、第２辺２１ｂから分散ディスク２０の中心方向に向けて延びる第３辺２１ｃから構成されている。また、第１辺２１ａと第２辺２１ｂは緩やかな湾曲であり、これらが滑らかに連続している。また、隣り合う突片２１は、一の突片２１の第３辺２１ｃと、他の突片２１の第１辺２１ａとが滑らかに連続している。

また、分散ディスク２０には、各突片２１からディスクの中心方向に少しずらした位置に、貫通孔２２がそれぞれ設けられている。

貫通孔２２は、主にメディアおよび分散対象物を通過させるための孔である。本実施形態の貫通孔２２は、分散ディスク２０の上流側の面から下流側の面に向けて、分散ディスク２０の回転方向Ｒと同方向に斜めに貫通している。また、分散ディスク２０の下流側の面の貫通孔２２の開口のそれぞれは、分散ロータ４の外径の大きい端面と接触した状態で、分散ロータ４の外周面に形成された複数の溝１５のそれぞれと重なる。すなわち、分散ロータ４の上流側で複数の溝１５と分散ディスク２０の複数の貫通孔２２の各々が連通するよう構成されている。

なお、分散ディスク２０の中央には、回転軸に取り付けるための貫通孔２３が設けられている。

予めメディアが投入されている容器２に供給管７から分散対象物の投入を開始する。ポンプによって下流側に圧送される分散対象物は、下流に向けて流れる過程で複数の分散ロータ４および複数の分散ディスク２０の回転によって撹拌、分散される。このとき、図７に示すように、分散対象物は、容器２の内周壁に沿って下流に向かう大きな流れ（以下、適宜に「本流」と称す）と、分散ディスク２０の貫通孔２２を通過する小さな流れ（以下、適宜に「副流」と称す）とからなる。ここで、分散対象物の流速は、副流よりも本流が速い。

本実施形態では、分散処理時に分散ロータ４および分散ディスク２０の協働により、本流における容器２の内周壁と各分散ディスク２０の外周との間の領域（以下、適宜に「分散領域」と称す）にメディアＭが、均一に分布する。

先ず、分散ディスク２０の外径よりも小さい分散ロータ４の各々が、上流側に向けて外径の大きくなるテーパ状の外周面を有するので、分散ロータ４の外径の小さい端部から外径の大きい端部側に向かうにつれて周速がしだいに速くなる。このとき、分散ロータ４の回転時に溝１５との摩擦抵抗により分散対象物およびメディアＭに作用する遠心力が、隣り合う分散ディスク２０の間で連続的に作用している。

また、テーパ状の分散ロータ４によって生じる周速の差によって遠心力とは別にテーパ状の各分散ロータ４の周りに存するメディアＭに対して上流側に戻す力（遠心力の分力）が連続的に作用する。したがって、隣り合う分散ディスク２０の間に存するメディアＭが、分散ディスク２０の貫通孔２２を通過する分散対象物の副流に僅かな力で逆らいながら上流に移動しつつ、分散ロータ４の回転に伴う遠心力によってその大半が、容器２の内周壁と各分散ロータ４の外径の最大となる上流側の分散領域へと回転しながら引き寄せられる。隣り合う分散ディスク２０の間におけるメディアＭの移動により、メディアＭは、各分散領域で分散ディスク２０から容器２の内周壁に向けて放射状に広がりながら回転し続けている。すなわち、メディアＭは、各分散領域で均一に分布している。

メディアＭの大半が分散領域に移動する一方で、僅かな数のメディアＭが、分散ディスク２０の貫通孔２２を通過して上流側に戻される。

したがって、分散対象物のみが下流側に流れ、ギャップセパレータ８を介して排出管９から排出される。

上記構成の分散機１によれば、分散ロータ４および分散ディスク２０の協働によりメディアＭに上流側に戻す力を連続的に作用させるので、この戻す力と回転に伴う遠心力の相互作用により、本流の流れを乱すことなく各分散ディスク２０の外周側の分散領域にメディアＭを均一に分布させながら分散対象物の分散処理を継続的に行うことができる。したがって、分散機１は、分散対象物の分散処理中に排出部側へのメディアＭの偏在を抑制しながら各分散ロータ４の区間ごとにメディアを略均一に分布させるので、分散対象物のみを排出部６から効率よく排出することができる。

また、分散対象物を積極的に剪断する分散ディスク２０の間に分散ロータ４を備えているので、分散ディスク２０の間の距離が拡大される。したがって、回転する分散ディスク２０の剪断によって生じる摩擦熱が効率よく分散されるので、摩擦熱による分散対象物の物性の変質を抑制することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能である。

（１）上記構成の分散機１において、回転軸３の先端に撹拌ロータを備えた構成であってもよい。撹拌ロータ４０は、図８および図９に示すように、円柱状のロータ４１の外周および軸芯方向に等間隔に複数のピン４２が設けられている。すなわち、回転軸３の先端側の１列目のピン４２の間に２列目のピン４２が位置し、１列目と２列目の各ピン４２の位置が軸芯方向で重ならないように構成されている。

この構成によれば、上流側の回転中心で滞留しがちなメディアＭが、撹拌ロータ４０の回転によりピン４２と衝突し、容器２に内周壁に沿って流れる本流に向けて弾き飛ばされる。したがって、容器２に投入したメディアＭの全てを分散処理に利用することができる。

（２）上記構成の分散機１において、分散ディスク２０に形成された貫通孔２２は、上流側の面から下流側の面に向けて垂直に形成してもよい。また、貫通孔２２は、円形以外に楕円や長孔であってもよい。

（３）上記の各実施形態の分散機１において、分散ロータ４は、外周面の全面を粗面としてもよいし、または部分的に粗面を有していてもよい。外周面を粗面にすることにより、分散対象物との摩擦抵抗が高まり、分散効率を高めることができる。

（４）上記の各実施形態の分散機１において、分散ディスク２０は、上流側の面から下流側の面に貫通する貫通孔２２は、円形に限らず長孔であってもよい。貫通孔２２が長孔の場合、複数の円弧状の長孔であってもよりし、１個の「C」字状であってもよい。

（５）上記の各実施形態の分散機１は、回転軸３が片持ち水平保持された横型について説明しているが、回転軸３が垂直または傾斜した縦型としても利用することができる。

１分散機
２容器
３回転軸
４分散ロータ
５投入部
６排出部
７供給管
８ギャップセパレータ
９排出管
１５溝
２０分散ディスク
２１突片
２２貫通孔

Claims

容器内のメディアと当該容器の上流側に設けた投入部から投入した分散対象物を下流側に設けた排出部に向けて送りながらメディアとともに分散するメディア型の分散機であって、
円錐台状の複数の分散ロータと、
前記複数の分散ロータが回転可能に取り付けられる回転軸と、を備え、
前記複数の分散ロータの各々は、外周面を有し、当該外周面に上流から下流に向かう溝が形成されており、外径の大きい端部を上流側に向け、前記回転軸に連ねて取り付けられており、上流側の前記分散ロータの小さい外径よりも下流側の前記分散ロータの大きい外径が大きくなるよう構成した
ことを特徴とする分散機。
前記分散ロータは、前記外周面には粗面を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の分散機。