JP7279077B2 - 撹拌棒および撹拌装置 - Google Patents

Description

本開示は、液体を撹拌するための撹拌棒、およびこの撹拌棒を備えた撹拌装置に関する。

従来、主として医療目的で、血液、尿、その他の生化学的試料を分析する分析装置には、試料溶液を撹拌する撹拌装置が搭載されている。この撹拌装置には試料溶液を撹拌するための撹拌棒が備えられている。撹拌棒には試料溶液や試薬等に対して耐薬品性が求められる。そのために、撹拌棒は、例えばフッ素系樹脂を用いて表面加工したステンレス等の金属材料や、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂材料から形成されている。中でも、テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン，クロロトリフルオロエチレン、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体）等のフッ素系樹脂で表面を被覆したステンレス製の撹拌棒が、耐久性とコストの面から好適に使用されている（例えば、特許文献１、２）。

特開２００９－１４５２６９号公報、図３ 特開平８－１３６５５０号公報

本開示の撹拌棒は、軸心に直交する断面が軸方向に沿って一定の形状を有する撹拌部を備えた、セラミックスの一体成形品からなり、上記断面において、複数の凸部が周方向に配置されており、隣接する凸部間の角度が３６０°を前記凸部の個数で除した角度よりも大きい。

本開示の撹拌装置は、上記の撹拌棒を備える。

（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本開示の撹拌棒の一実施形態を示す正面図およびそのＸ－Ｘ線断面図である。 本開示の撹拌棒の製造工程を示す概略図である。 本開示の撹拌棒の反りを説明するための概略図である。 本開示の撹拌棒の使用状態を示す概略図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ本開示の撹拌棒の他の実施形態を示す正面図である。

以下、本開示の一実施形態に係る撹拌棒を図面に基づいて説明する。図１(ａ)に示すように、本実施形態に係る撹拌棒１は、撹拌部２と、この撹拌部２の軸方向の一端面に撹拌部２と同一軸心Ａを有するように撹拌部２と一体に形成された軸部３とを備えている。

撹拌部２は、軸心Ａに直交する断面が軸方向に沿った撹拌部２の全長にわたって一定の形状を有する。すなわち、図１（ｂ）に示すように、撹拌部２の断面は、複数の凸部４が周方向に配置された形状を有する。本実施形態に係る撹拌棒１は、複数の凸部４を備えていることにより軸方向に流れを発生させて撹拌することができる。

撹拌棒１は、耐薬品性に優れたセラミックスの一体成形品からなる。すなわち、複数の凸部４が周方向に配置された断面形状を全長にわたって有する撹拌部２は、例えば、押出成形により得ることができる。

押出成形は以下の手順で行う。まず、原料（粉末状）に水およびバインダー（粘結剤）を添加・混合してシリンダ内に連続供給して加熱溶融させ、次に、この溶融した材料を、シリンダ内のスクリューの回転によってシリンダ前部のダイスを通して押し出し、冷却して成形する。図２に示す、押し出された成形品１１は、全長にわたって図１（ｂ）に示す断面形状を有する。この成形品１１を焼成後、研削・研磨工程にて成形品１１を回転させながら一端部を研削・研磨して軸部３を形成する。このとき、軸部３と撹拌部２とは軸心Ａを共通にする。

なお、軸部３の断面形状は特に限定されず、例えば円形、四角形、楕円形状等が挙げられる。

また、研削・研磨工程では、焼成された撹拌棒１のバリや傷を除去し、平滑にする。このとき、撹拌部２の周面、とくに凸部４は全面を曲面状にするのが好ましい。これにより、撹拌棒１に部分的な応力集中が発生せず、ヒビや破損が減少し、耐久性が向上する。

このようなセラミックスの原材料としては、耐薬品性に優れたものであれば特に限定されず、例えば高純度アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナジルコニア複合材料などが挙げられる。

図１（ｂ）に戻って、撹拌部２の周方向に配置された複数の凸部４は、軸心Ａから半径方向に放射状に延びており、各凸部４は等間隔で配置されている。

また、凸部４は先端に向かって幅が細くなる先細形状を有している。このような先細形状であれば、凸部４の先端部が受ける抵抗（応力）が軽減され、耐久性が向上する。

前記したように、凸部４は全面が曲面状に形成されている。そのため、隣接する凸部４，４の間、すなわち谷部も曲面状である。

隣接する凸部４間の角度は３６０°を凸部４の個数で除した角度よりも大きい。すなわち、各凸部４は、付け根部よりも、軸心Ａから離れた位置において細くなっている。そのため、試薬などが凸部４同士の間隙にたまりにくくなるという効果がある。また、製造時にも研磨しやすいという効果がある。

隣接する凸部４，４間の角度θは、３６０°を凸部４の個数で除した角度をαとしたときに、角度αよりも１／４α以上大きくてもよい。これにより、凸部４の付け根部に加わる応力を緩和できる。また、コーナー部にRを付けることにより、凸部４の付け根部に加わる応力をさらに緩和することができる。

また、本実施形態では、隣接する凸部４，４の角度θは９０°以上の鈍角を形成してもよい。具体的には、角度θは９０°≦θ≦１８０°の範囲であってもよい。角度θが鈍角に形成されると、試薬などが凸部４同士の間隙によりたまりにくくなるという効果がある。また、製造時にもより研磨しやすいという効果がある。

ここで、角度θとは、隣接する凸部４，４において、最も谷部に近い部位の接線同士のなす角度をいう。図１（ｂ）に示すような形状の凸部４の場合は、一方の凸部４の外面側接線と他方の凸部４の内面側接線との角度をいう。

また、図３に示すように、撹拌棒１は、軸心Ａが弓形に反った形状を有していてもよい。図３では、便宜上、撹拌部２が反った状態を示しているが、軸部３の軸心Ａも同様に反っている。反りの程度は、撹拌部２の長さを４０ｍｍとしたとき、図３に示すｘ(撹拌部２において鉛直線から最も離隔した距離)が０．２ｍｍ以下であるのが好ましい。図３に示すｘは、例えば隙間ゲージ等によって測定可能である。撹拌部２の長さが４０ｍｍ以外の場合は、これに比例する関係の距離ｘを選択すればよい。

このように、撹拌部２が反りを有することにより撹拌効率が向上する。撹拌部２に反りを付与するには、例えば成形品１１の焼成時の温度および焼成時間を制御すればよい。

図４に示すように、撹拌棒１は、撹拌装置の撹拌槽９内に撹拌部２を下にして挿入される。軸部３は、上部が試料溶液８の液面から突出している。液面から突出した軸部３には、撹拌棒１を回転させるモーターなどを備える駆動部（図示せず）が接続され、撹拌棒１を回転させる。

本実施形態における撹拌棒１は、撹拌部２が撹拌槽９の少なくとも底部近くに位置しているので、試料溶液８の粘度に拘らず効率よく撹拌することができる。特に撹拌部２が軸方向に長く形成されていると、高粘度の試料溶液８を撹拌するのに好適である。撹拌部２は試料溶液８の深さ(撹拌槽９の底面から液面までの高さ)に対して半分以下であればよい。

本開示の撹拌棒は図１の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図５(ａ)に示すように撹拌部２が下部にあるものであってもよく、図５（ｂ）に示すように、複数の撹拌部２ａ、２ｂ、２ｃを軸部３に沿って配列したものであってもよい。

軸部３に設けられる凸部４の数は、図示した４つに限定されず、２～５の範囲で適宜選択可能である。

さらに、以上の実施形態では、軸部３は撹拌部２と押出成形等によって一体に成形されているが、軸部３を撹拌部２と別に作製し、撹拌部２の端面に設けた凹部に軸部３を装着して固定したものであってもよい。このとき、軸部３は断面が円形や楕円形であってもよく、空回り防止のために四角形状であってもよい。

また、上記セラミックスは、閉気孔を有し、隣り合う閉気孔の重心間距離から閉気孔の円相当径の平均値を差し引いた値（Ａ）が２０μｍ～８５μｍであってもよい。値（Ａ）が２０μｍ以上であると、空隙部分が密集することなく分散して配置されているので、高い機械的特性を有する。値（Ａ）が８５μｍ以下であると、撹拌部２の外周面から軸心方向に、または、撹拌部２の端面もしくは軸部３の端面から内部に向かって研磨等の加工をする場合、良好な加工性が得られる。さらに、隣り合う閉気孔間の間隔が狭くなるので、熱衝撃によって生じるマイクロクラックの伸展を抑制することができる。

閉気孔の重心間距離は、以下の方法で求めることができる。

まず、例えば、撹拌部２の端面から内部に向かって、平均粒径Ｄ_５０が３μｍのダイヤモンド砥粒を用いて銅盤にて研磨する。その後、平均粒径Ｄ_５０が０．５μｍのダイヤモンド砥粒を用いて錫盤にて研磨することにより研磨面を得る。これらの研磨により、研磨面の算術平均粗さＲａは、０．０１μｍ～０．２μｍとすることができる。研磨面の算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９９４に準拠して求めることができ、触針の半径を５μｍ、触針の材質をダイヤモンド、測定長さを１．２５ｍｍ、カットオフ値を０．２５ｍｍとすればよい。

研磨面を２００倍の倍率で観察し、平均的な範囲を選択して、例えば、面積が０．１０５ｍｍ^２（横方向の長さが３７４μｍ、縦方向の長さが２８０μｍ）となる範囲をＣＣＤカメラで撮影して、観察像を得る。この観察像を対象として、画像解析ソフト「Ａ像くん(ｖｅｒ２．５２)」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製）を用いて分散度計測の重心間距離法という手法で閉気孔の重心間距離を求めればよい。以下、画像解析ソフト「Ａ像くん」と記載した場合、旭化成エンジニアリング（株）製の画像解析ソフトを示す。

この手法の設定条件としては、例えば、画像の明暗を示す指標であるしきい値を８６、明度を暗、小図形除去面積を１μｍ^２、雑音除去フィルタを有とすればよい。観察像の明るさに応じて、しきい値を調整してもよい。明度を暗とし、２値化の方法を手動とし、小図形除去面積を１μｍ^２および雑音除去フィルタを有とした上で、観察像に現れるマーカーが閉気孔の形状と一致するように、しきい値を調整すればよい。

凸部４の接液面（すなわち側面をいう。以下同じ）を含む断面において、接液面上における珪素の濃度は、接液面と平行な内部の仮想面上における珪素の濃度よりも高いのがよい。

純水に対する珪素の接触角は小さいため、このような構成であると、水溶性の洗剤を用いて洗浄した場合、汚れの除去効率を高くすることができる。

珪素の濃度は、接液面を含む研磨した断面を対象に、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いた珪素のカラーマッピング像（横方向の長さが１２０μｍ、縦方向の長さが：９０μｍ）を観察すればよい。

また、凸部４の接液面におけるセラミックスは、複数の結晶粒子と、粒界相とを有し、隣り合う結晶粒子の間に位置する粒界相の幅（ｗ）は、０．７μｍ～２．６μｍであって、粒界相の幅（ｗ）に対する粒界相の深さ（ｄ）の比（ｄ／ｗ）は、０．０６～０．１８であってもよい。粒界相の幅（ｗ）が上記範囲であって、粒界相の深さ（ｄ）の比（ｄ／ｗ）が０．０６以上であると、純水に対する接触角が小さくなるので、水溶性の洗剤を用いて洗浄した場合、汚れの除去効率を高くすることができる。粒界相の幅（ｗ）が上記範囲であって、粒界相の深さ（ｄ）の比（ｄ／ｗ）が０．１８以下であると、粒界相による結晶粒子同士の結合力が十分維持されているので、水溶性の洗剤を用いて高圧洗浄しても、脱粒のおそれが減少する。

粒界相の幅（ｗ）および深さ（ｄ）は、原子間力顕微鏡（キーサイトテクノロジー製、７５００ＡＦＭ／ＳＰＭ）を用い、測定モードをＡＣＡＦＭモード、測定に用いるプローブのスキャン速度を０．１５ｌｉｎｅｓ／ｓｅｃ、測定領域を２０μｍ×２０μｍ、測定対象の長さを７μｍ～２０μｍ、解像度を５１２ピクセル×５１２ピクセルとして、接液面の断面プロファイルを求め、その比（ｄ／ｗ）は、粒界相の幅（ｗ）および深さ（ｄ）の各測定値を用いて算出すればよい。

また、凸部４の接液面における前記セラミックスの結晶粒子の平均径は、２μｍ～８μｍであってもよい。結晶粒子の平均径が上記範囲であると、純水に対する接触角がさらに小さくなるので、水溶性の洗剤を用いて洗浄した場合、汚れの除去効率を高くすることができる。

ここで、セラミックスの結晶粒子の平均径は、以下のようにして求めることができる。

上記研磨面を、温度を、例えば、１４８０℃で結晶粒子と粒界層とが識別可能になるまでエッチングして観察面を得る。

走査型電子顕微鏡を用いて、観察面の反射電子像を２０００倍に拡大した６０μｍ×４４μｍの範囲で、任意の点を中心にして放射状に同じ長さ、例えば、３０μｍの直線を６本引き、直線の合計長さを、直線上に存在する結晶の個数の合計で除すことによって平均径を求めることができる。

特に、凸部４の接液面の純水に対する接触角が３７°以下であって、その変動係数が０．０２以下であってもよい。これにより、水溶性の洗剤を用いて洗浄した場合、汚れの除去効率を高くすることができるとともに、局部的な汚れの取り残しを抑制することができる。

また、凸部４は、側面および端面の少なくともいずれかがフッ素化したポリシロキサンを含む化合物からなる膜によって被覆されていてもよい。水溶性の洗剤を用いて洗浄した後、上記膜によって被覆された表面に付着した水滴が汚れを吸着するロータス効果が得られるので、汚れの除去効率を高くすることができる。

膜の接液面の純水に対する接触角が１０４°以上であって、その変動係数が０．０１以下であってもよい。水溶性の洗剤を用いて洗浄した場合、汚れの除去効率を高くすることができるとともに、局部的な汚れの取り残しを抑制することができる。

接液面の接触角は、ＪＩＳ Ｒ ３２５７：１９９９に準拠して求めることができ、例えば、接触角計（協和界面科学（株）製、型式ＣＡ－Ｘ）を用い、５カ所以上測定すればよい。 次に、本開示の撹拌棒の製造方法を、撹拌棒が高純度アルミナのセラミックスからなる場合について説明する。

主成分である酸化アルミニウム粉末（純度が９９．９質量％以上）と、水酸化マグネシウム、酸化珪素および炭酸カルシウムの各粉末に、有機結合剤、可塑剤、潤滑剤およびイオン交換水とを添加し、万能撹拌機、回転ミルまたはＶ型撹拌機等を使って撹拌した後、さらに三本ロールミルや混練機等を用いて混練することにより可塑化した坏土を得る。

ここで、上記粉末の合計１００質量％における水酸化マグネシウム粉末の含有量は０．４３～０．５３質量％、酸化珪素粉末の含有量は０．０２～０．０４質量％、炭酸カルシウム粉末の含有量は０．０２０～０．０７１質量％であり、残部が酸化アルミニウム粉末および不可避不純物である。また、有機結合剤は、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等の水溶性バインダである。

次に、坏土を押出成形機で成形し、複数の凸部を有する撹拌部の前駆体と、この前駆体の軸方向の一端面にこの前駆体と同一軸心を有する軸部の前駆体とを備えた成形体を得る。そして、成形体を、焼成温度を１５００℃～１７００℃、保持時間を４時間～６時間として焼成することによって本開示の撹拌棒を得ることができる。

焼成した後、凸部の側面および端面の少なくともいずれかを研磨した後、温度を１６００℃～１７００℃として、１時間～４時間保持して熱処理してもよく、研磨および熱処理することにより、凸部の接液面の純水に対する接触角が３７°以下であって、その変動係数が０．０２以下である撹拌棒を得ることができる。研磨は、例えば、研磨の対象となる側面または端面にかかる面圧を０．０３ＭＰａ～０．０５ＭＰａとし、平均粒径が１μｍ～２μｍのダイヤモンド砥粒、銅からなるラップ盤を用いればよい。

ここで、凸部は、側面および端面の少なくともいずれかがフッ素化したポリシロキサンを含む化合物またはシリコーンオリゴマーを含む組成物からなる膜によって被覆された撹拌棒を得るには、少なくとも被覆の対象とする凸部の表面に対して、フローコートやディッピング、スプレー法等の方法を用いて被覆した後、例えば、１３０℃～１５０℃で乾燥すればよい。

膜の接液面の純水に対する接触角が１０４°以上であって、その変動係数が０．０１以下である撹拌棒を得るには、例えば、上記温度で２０分～４０分乾燥すればよい。

本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更や改良が可能である。

１ 撹拌棒
２、２ａ，２ｂ，２ｃ 撹拌部
３ 軸部
４ 凸部
８ 試料溶液
９ 撹拌槽
Ａ 軸心

Claims (13)

1. 軸心に直交する断面が軸方向に沿って一定の形状を有する撹拌部を備えた、セラミックスの一体成形品からなり、前記断面において、複数の凸部が周方向に配置されており、隣接する凸部間の角度が３６０°を前記凸部の個数で除した角度よりも大きく、前記複数の凸部は曲面状であることを特徴とする撹拌棒。
2. 前記角度が鈍角である請求項１に記載の撹拌棒。
3. 前記複数の凸部を有する前記撹拌部と、この撹拌部の軸方向の一端面に撹拌部と同一軸心を有するように一体に形成された軸部とを備える請求項１または２に記載の撹拌棒。
4. 前記複数の凸部は、前記断面において、先端に向かって幅が細くなる先細形状を有する請求項１～３のいずれかに記載の撹拌棒。
5. 前記セラミックスは、閉気孔を有し、隣り合う該閉気孔の重心間距離から前記閉気孔の円相当径の平均値を差し引いた値（Ａ）が２０μｍ～８５μｍである、請求項１～４のいずれかに記載の撹拌棒。
6. 前記凸部の側面を含む断面を対象に、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いた珪素のカラーマッピング像を観察したとき、前記側面における珪素の濃度は、前記側面より内部の珪素の濃度よりも高い、請求項１～５のいずれかに記載の攪拌棒。
7. 前記凸部の側面における前記セラミックスは、複数の結晶粒子と、隣り合う前記結晶粒子の間に位置する粒界相とを有し、原子間力顕微鏡を用いて得られる前記側面の断面プロファイルから得られる前記粒界相の幅（ｗ）は、０．７μｍ～２．６μｍであって、前記粒界相の幅（ｗ）に対する、前記粒界相の深さ（ｄ）の比（ｄ／ｗ）は、０．０６～０．１８である、請求項１～６のいずれかに記載の攪拌棒。
8. 前記凸部の側面における前記セラミックスの結晶粒子の平均径は、２μｍ～８μｍである、請求項７に記載の撹拌棒。
9. 前記凸部の側面の純水に対する接触角が３７°以下であって、その変動係数が０．０２以下である請求項６～８のいずれかに記載の撹拌棒。
10. 請求項６～９のいずれかに記載の撹拌棒の製造方法であって、前記凸部の側面および端面の少なくともいずれかを研磨した後、温度を１６００℃～１７００℃として、１時間～４時間保持して熱処理する、撹拌棒の製造方法。
11. 前記凸部は、側面および端面の少なくともいずれかがフッ素化したポリシロキサンを含む化合物またはシリコーンオリゴマーを含む組成物からなる膜によって被覆されてなる、請求項1～４のいずれかに記載の撹拌棒。
12. 前記膜の純水に対する接触角が１０４°以上であって、その変動係数が０．０１以下である請求項１１に記載の撹拌棒。
13. 請求項１～９のいずれか、請求項１１または１２に記載の撹拌棒を備えた撹拌装置。

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