JPWO2009041486A1 - 攪拌装置 - Google Patents

Abstract

粒子含有発泡流動体の製造において、均一な発泡攪拌状態を発現・維持すると共に、攪拌容器と攪拌部が容易に分離・挿脱でき、該攪拌容器内が円柱形状である簡単な構造の攪拌物の排出孔を貫設した円筒あるいは偏平長方型攪拌装置を提供する。排出孔をもつ円筒型攪拌容器内に投入された原材料を均一に攪拌する装置において、攪拌部が攪拌容器へ挿脱時に円筒型攪拌容器の中心部鉛直方向に回動自在に撹拌軸を垂下し、攪拌翼の高さが発泡後の液面高さに対してほぼ等しい高さであり、攪拌軸中心からの幅長さが攪拌容器内径に対してできるだけ空隙のないよう接近させ、前記原材料を均一に攪拌することによって粒子含有発泡流動体を製造する。偏平長方型攪拌容器にあっては、単純回動する撹拌軸を複数長手方向に直列配置し、当該複数の攪拌軸を同期しながら回転させ、あるいは、攪拌部において単純回動する撹拌軸を長手方向に往復動させる。【選択図】図1

Description

本発明は、粒子含有発泡流動体の製造用において均一な攪拌および排出に適する攪拌装置に関する。

従来、発泡体、たとえばホイップクリームやソフトクリームを少量製造するため、フードプロセッサに専用のアタッチメントを取り付ける装置は、公知である（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この装置では攪拌翼がカップリングを介して攪拌容器底を貫通している台座中のモータの駆動軸に嵌合しているため、攪拌容器を取り外した場合に攪拌翼が攪拌容器内に残留する。この場合に攪拌容器内の発泡体を完全に取り出すには攪拌容器上部開口部からゴムベラ等により掻き出す必要があるが、攪拌容器内に攪拌翼などのような突起物が残置されたままでは充分な目的を達する事はできない。また、攪拌翼を垂下する場合においてソフトクリームを攪拌容器底のひとつの排出孔から押出す場合には排出孔を攪拌軸の受け軸として密閉する事も可能だが（特許文献２）、排出孔が複数ある場合には適用できない。

一方、工業的には単一の垂直軸の下端部にホイッパーを設け、攪拌容器の上面開口から前記ホイッパーを該攪拌容器内に挿入し、前記軸とともにホイッパーを公転及び自転させる攪拌方式が一般的である。この方法では攪拌容器を降下させるため、攪拌部と攪拌容器の分離は容易である。しかしながら、この方法ではギアを組み合わせて同時自公転駆動するため、駆動装置は複雑であり、攪拌容器底が球形で、攪拌容器上部開口部からゴムベラ等により掻き出す必要があり迅速な取り出しには不向きで、さらにその攪拌量が多くなると多くの手間が掛かった。傾動装置を使う場合でも載せ換え、固定、傾動工程を必要とする（例えば、特許文献３、４、参照）。したがって、このまま別用途の装置に組み込むにはコスト的にも問題がある。

一方、鋳造用の鋳型製造プロセスとしてソ連で発明された、流動自硬性Fluid Self hardening mixture Process、略してFS法でも少量攪拌のバッチ方式では同様な方式をとり、連続的に流動砂を攪拌するには送り羽根と戻し羽根を設けた１軸横型パドルミキサを用いている（たとえば、非特許文献１参照）。

特開昭５０−１２４５１号公報（第３５−３９頁、第１１図） 特開２００６-２５４７６３号公報 特開２００５-３０５３６９号公報 特開２００５-２４５３７５号公報 粒門 寛著、「ＦＳプロセス」、初版、日刊工業新聞社、１９６８年、ｐ.９−１０，１１３−１２３

発泡体を製造・保持しながら散在する複数の排出孔への圧入を一度に行うには、個々に攪拌・圧入容器を設置するか、あるいは別途攪拌製造した発泡体を取り分け、注入する必要があった。前者においては装置が複雑になり、後者においては発泡体の取り分け時には攪拌作用を働かせておけないために、迅速にかつ確実に連続反復作業する事は困難であった。

本発明は、上記の問題に鑑みて成されたもので、粒子含有発泡流動体の製造において、一度に一括して均一な発泡状態を発現・維持すると共に、攪拌部が攪拌容器と容易に分離・挿脱でき、攪拌容器に発泡流動体の排出孔を供え、かつ攪拌容器内が凹凸のない円柱形状である簡単な構造の円筒あるいは偏平長方型容器攪拌装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明における攪拌装置は排出孔をもつ円筒型攪拌容器内に投入された粒子含有発泡流動体を製造する原材料を均一に攪拌する装置において、前記円筒型攪拌容器を包囲するフレームと、該フレームの上部中央において挿脱可能な、攪拌翼つき攪拌軸を具備する攪拌部とを備え、該攪拌部が円筒型攪拌容器へ挿入時に円筒型攪拌容器の中心部鉛直方向に回動自在に撹拌軸を垂下することを特徴とする。ここで、攪拌翼の高さが発泡時の液面高さに対してほぼ等しい高さであり、攪拌軸中心からの攪拌翼の幅長さが円筒型攪拌容器内径に対してできるだけ空隙のないよう接近させて該攪拌容器を設計する。そして、前記攪拌容器が単数あるいは複数の発泡体の排出孔をもつ場合に、前記排出孔が攪拌翼の旋回域近傍にあるように該攪拌容器と攪拌翼の寸法を調整する。攪拌翼が１軸の場合には前記攪拌容器は円筒型となる。

排出孔が複数で直線に近く並んでいる場合には、前記攪拌容器は必ずしも円筒である必要はなく、偏平長方型が使用できる。ここで偏平長方型とは開口部の形状が短辺に半円を有する長方形状で、短手方向と長手方向を有し、円を1軸方向に延伸した長円形（二つの半円を直線でつないだトラック形状）、長円孔としては長丸と称される形状である。この場合には、単純回動する撹拌軸が複数長手方向に直列配置し、複数の攪拌軸が同期しながら回転することを特徴とし、この複数の攪拌軸が同期しながら回転する機構として、歯車あるいはプーリで連結された単駆動方式もしくは各軸に駆動源を直結した個別駆動方式を採用することが可能である。また、前記複数の攪拌軸の駆動機構において、軸間距離を攪拌軸中心からの攪拌翼の幅長さの２倍から√２倍に変化させ、小型化することも可能である。また、前記攪拌容器が偏平長方型である場合に、攪拌部において単純回動する撹拌軸が長手方向に往復動することを特徴とする機構を用いることも可能である。この往復動のための機構として、モータを使ったクランク機構、あるいはシリンダ、または電動モータと繋がるボール螺子もしくはリニアモータを用いることで攪拌翼の数を低減し、かつムラ無く攪拌することが可能となる。
前記原材料として、粒子状骨材、水溶性バインダ、架橋剤と水とを使用する。特に、けい砂、ポリビニールアルコール、澱粉、クエン酸と水を使用した場合に、粒子含有発泡流動体が容易に製造でき好適である。

本発明によれば、均一な粒子含有発泡流動体の製造が可能であると共に、攪拌および注入を兼ねる容器ならびに攪拌部で構成される装置の構造が簡単かつコンパクトになるという利点がある。
この出願は、日本国で２００７年９月２７日に出願された特願２００７−２５０３２２号および２００８年３月２７日に出願された特願２００８−０８２４０８号に基づいており、その内容は本出願の内容として、その一部を形成する。
また、本発明は以下の詳細な説明により更に完全に理解できるであろう。しかしながら、詳細な説明および特定の実施例は、本発明の望ましい実施の形態であり、説明の目的のためにのみ記載されているものである。この詳細な説明から、種々の変更、改変が、当業者にとって明らかだからである。
出願人は、記載された実施の形態のいずれをも公衆に献上する意図はなく、開示された改変、代替案のうち、特許請求の範囲内に文言上含まれないかもしれないものも、均等論下での発明の一部とする。
本明細書あるいは請求の範囲の記載において、名詞及び同様な指示語の使用は、特に指示されない限り、または文脈によって明瞭に否定されない限り、単数および複数の両方を含むものと解釈すべきである。本明細書中で提供されたいずれの例示または例示的な用語（例えば、「等」）の使用も、単に本発明を説明し易くするという意図であるに過ぎず、特に請求の範囲に記載しない限り本発明の範囲に制限を加えるものではない。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。本発明は、攪拌部が分離・挿脱できる粒子含有発泡流動体用の円筒型攪拌装置であって、半径方向に延設した攪拌翼を有する攪拌軸を垂下する事を特徴とする。
また、本発明において、粒子含有発泡流動状態を維持するために、攪拌容器内が連続的に攪拌されていることが必要である。そのためには攪拌翼が内在できるよう攪拌容器形状は円筒である必要がある。そのため、攪拌軸は鉛直方向に回転自在に垂下するため、攪拌翼は長方形となる。攪拌量に応じてその攪拌容器寸法は変化するが、設置する場所、全攪拌量、取り出し量等によって、その内径・高さは変化する。従来の翼は軸の下部あるいはパドル式では軸の一部に翼が取り付けられ、本願のように容器内全体を占める翼は使用されてこなかった。それは攪拌材料の流動により一部の領域に攪拌を行うことでも全体が攪拌可能であったが、液体のように対流しない発泡体では全体を攪拌する必要があり、攪拌翼の高さが発泡時の液面高さに対してほぼ等しい高さであり、前記攪拌軸中心からの攪拌翼の幅長さが前記円筒型攪拌容器内径に対してできるだけ空隙のないよう接近させる。

さらに、攪拌容器形状は円筒形のみに限らず、偏平長方型などとすることができる。これにより装置をコンパクトにすることができる。そのためには攪拌翼を複数使用する。この場合、基本的には攪拌翼が重複しないように回転軸を配置する必要があり、使用する攪拌翼外寸と攪拌容器形状を勘案することで実現できる。さらに、本発明の攪拌翼が１つのみでこれを複動することは、複動用のアクチュエータと組み合わせて装置構造をより簡単にかつ攪拌容器形状に対応した移動を行うことができる。

また、前記攪拌容器内の発泡流動体を完全に排出する方法としては、例えば、該攪拌容器底に排出孔を設け、上部より加圧空気によって押出す方法あるいは挿脱可能なピストンにより下部に押出す方法、該攪拌容器底の代わりに下部から挿脱可能なピストンを用い上部へ押出す方法も使用できる。ピストンを使用する場合には攪拌容器が筒状である事は好適である。
勿論、用途によっては側面部に排出孔を設ける事も可能である。排出孔は最低１箇所必要で、排出速度を大きくし、排出時間を短くするには複数箇所あることが有効である。その位置も用途によって異なる。排出孔の位置が既定の場合には、排出孔位置を均等に内在するような内径の円筒型攪拌容器が望まれる。
攪拌時には孔からの発泡流動体の漏れ出しを防ぐ方法を講じる必要があり、例えばストッパや可動弁等（図示しない）で孔を塞ぐ事が必要となる。

前記攪拌容器底の底板を取外し式にすれば、一旦、攪拌容器を製造したあとでも必要に応じて該底板を交換する事も可能である。同じ底板を再使用する場合には留め栓を使用して不要な排出孔をふさぐことも可能である。排出孔位置はその攪拌容器面に含まれればよい。

攪拌容器の材質としては鉄系材料を主に用いるが、原材料として水を用いる場合には錆発生によるコンタミがあるので、めっきを施すかステンレスもしくはセラミック等の反応性の低い材料を用いることが望ましい。

また、本発明において、垂下する攪拌軸はサーボモータや減速機付きのギヤードモータに直結できるが、設置あるいは交換時の取り扱いを容易にするため、軸交換式あるいはアタッチメントによる脱着式が望ましい。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１から図７までは本発明の攪拌軸１の形態と攪拌容器との関係を示した図である。
図１は本発明の攪拌装置の全体図である。攪拌部１４を上下に移動するアクチュエータ１３がフレーム８に固定され、その直下に円筒型攪拌容器６が置かれている。攪拌部１４は回転用のモータ１１にジョイント９を介して攪拌軸１があり、下部に攪拌翼２が固定されている。攪拌部１４はモータ受け台１０により駆動軸１２を介してアクチュエータ１３と繋がっている。その際、傾き防止のためガイドロッドを使用してもよい。またフレーム８はかならずしも一体構造である必要はなく、別途構成する部材が全体として包囲構造を維持していればよい。

図２は攪拌軸１に攪拌翼２が取り付けられた構成を示す。攪拌軸径はおおむね１０mmから５０mmの間にあり、攪拌翼２全体の大きさを考慮して選択する。攪拌容器６の排出孔４は最低１個必要だが、該攪拌容器６内の粒子含有発泡流動体の排出速度は一定であるので、排出時間を短くするためには排出孔４の個数を増やすが、個数の増加はコスト増となる。
排出された粒子含有発泡流動体は流路などの拘束がない場合には被充填容器（図示しない）内に沈積後放射状に流動していく。また、前記被充填容器の構造によっては攪拌容器６の排出孔４から流入する粒子含有発泡流動体の充填挙動が不均一となるため、前記被充填容器の充填孔の位置（図示しない）を勘案して排出孔４の設置位置および攪拌域の設定を選択する必要がある。図２の場合には排出孔４は７箇所である。
そのため、図３の攪拌容器６の立面図に示されるように、攪拌容器６の形状は被充填容器の充填孔ならびに/あるいは流動域（図示しない）を内在するように設計される。この例では攪拌容器６の排出孔４と被充填容器の充填孔の位置ならびに流動域は原則対応している。この容器６の材料を攪拌するには攪拌翼２ができるだけ接近している必要があり、その攪拌域３を示している。

上記、攪拌容器６内を固定式の回動自由な１軸の攪拌翼２で攪拌するには円筒形状が選択される。粒子の影響が少ない、既存の発泡用の攪拌翼の幅は攪拌容器６内径に対して隙間のないように接近した寸法としているが、高さは攪拌容器６の高さよりも低く設定されるものが多い。
粒子含有の場合には発泡体内で泡統合による粒子分離が生じやすいため、一旦発泡後も攪拌状態にある事が望ましく、発泡後の液面高さに攪拌翼２の高さがほぼ等しい事が望ましい。

排出孔４がある程度直列配置している場合は、攪拌容器６は円筒である必要はなく、全域をくまなく攪拌できる様に攪拌軸１を複数、例えば図４及び図５、６に示すように攪拌軸１を３軸配置する場合に、偏平長方型攪拌容器７を使用することで、その効果を充分に実現できる。通常は単一の駆動源を用いて、歯車あるいはプーリを用いて一括回動させるが、個々に回動させる必要がある場合には個々またはいくつかを組み合わせて別途駆動源を追加する事が望ましい。この場合、攪拌翼2が接しない部分の攪拌が充分でない場合も生じるが、スクレーパ（図示しない）を取り付けて発泡体の流動を大きくすることで均一攪拌が促進される。

それぞれの攪拌翼２がぶつからないようにするには、図４及び図５に示すように、軸間距離を攪拌翼２の長さ以上にすれば良いが、その場合には非攪拌域が生じる。そのため、充分な間隔が確保できない場合には攪拌翼２同士がぶつからない範囲で短くする事も可能である。そのため、例えば２枚攪拌翼２の場合は回転角が９０度はずれている必要があり、その場合には攪拌翼２の長さに空隙分を加えた軸間距離が設定できるが、４枚翼の場合には好ましくは４５度ずれている必要があり、この場合には攪拌翼２の長さの√２倍以上の軸間距離が必要となる。攪拌翼数が増えた場合には同様にして適宜距離を勘案して全体設計する事が望ましい。

上記の場合には攪拌軸１を複数とし、攪拌翼２もそれに応じて増やす必要があり、工数・コストの増加をもたらす。そのため、攪拌軸を増やすのではなく、図７に示すように単一の攪拌翼２を外端部の軸位置間で往復動させる方式が適用できる。攪拌しながら連続して攪拌容器７内を移動するので、ほぼ完全に攪拌できる。この場合、シリンダで駆動するのが簡単だが、正確に位置制御するにはモータ駆動が好ましく、クランク機構やボール螺子が使用でき、高速に動かすにはリニアモータ等の使用が好ましい。しかし、攪拌容器形状が不定形である場合には必ずしも往復動にこだわる事はなく、攪拌軸1移動を攪拌容器内形に対応して自由に動かすこともできる。その場合には駆動軸を増やし、連動制御する。
発泡流動体の製造に用いる材料としては、環境にやさしい水溶性で燃焼時には水あるいは炭酸ガスとして生物に有害でない材料がのぞましい。そのため、前記原材料として、加熱によって変化しない粒子状骨材、水溶性バインダ、そしてバインダの効力を高める架橋剤と水とを使用する。特に、けい砂、ポリビニールアルコール、澱粉、クエン酸と水を使用した場合に、粒子含有発泡流動体が容易に製造でき好適である。

以下、実施例に基づき発明を説明する。図２及び図３に示す、内径５００ｍｍ、高さ２５０ｍｍの円筒型攪拌容器６において、直径４０ｍｍの攪拌軸１に幅４８０ｍｍ、高さ２4０ｍｍを有する攪拌翼２を取り付けたものである。これにけい砂（フラタリーサンド）１００重量部、ポリビニールアルコール（日本酢ビ・ポパール製ＪＰ-０５）０．２重量部、澱粉（ニッシ製デキストリンＮＳＤ−Ｌ）０．８重量部、クエン酸（扶桑化学製）０．２重量部と水５重量部を投入し、回転用のモータ１１であるインバータ制御のギヤードモータで攪拌軸１を、例えば回転数１８〜３６０、好ましくは２０〜120、より好ましくは40〜60ｒｐｍで攪拌することで、良好な粒子含有発泡流動体を発現・維持できた装置例であり、排出孔４は７箇所である。尚、回転用モータはインバータ制御に限定されない。

図４に示す、全長４００ｍｍ、両端部の内径１２０ｍｍ、高さ１６０ｍｍの偏平長方型攪拌容器７において、攪拌軸１直径１０ｍｍ、攪拌翼２幅１１０〜１２０ｍｍ、高さ１２５〜１６０ｍｍ、の条件で攪拌軸１を回転数80〜240、好ましくは160〜240ｒｐｍで攪拌することで、実施例１と同じ材料を用いて良好な粒子含有発泡流動体を発現・維持できた３軸装置例。排出孔４は3箇所。内径４００ｍｍの円筒型攪拌容器６に比較して、底面積で０．１２６ｍ²が０．０２８ｍ²へと減少し約５４％の面積減少、寸法でも短手方向の長さが４００ｍｍから１２0ｍｍへと、約７０％減少し小型化を実現している。これにより装置がコンパクト化され、構成材料の使用量の低減ならびに排出時の駆動エネルギの低減が実行できた。

被充填容器（図示しない）形状が制限され横幅を大きく取れない条件下で、実施例１と同じ材料を用いて、図５に示す全長３００ｍｍ、両端の内径１００ｍｍの偏平長方型攪拌容器７を使用した３軸装置例。排出孔４は3箇所。これに実施例１と同じ材料を用いて、攪拌軸１を回転数7８〜３６０、好ましくは200〜300ｒｐｍで攪拌することで、良好な粒子含有発泡流動体を発現・維持できた装置例。

被充填容器（図示しない）形状が制限され横幅を大きく取れない条件下で、実施例１と同じ材料を用いて、図６に示す全長２５０ｍｍ、両端の内径１００ｍｍの偏平長方型攪拌容器７を使用した３軸装置例。排出孔４は3箇所。これに実施例１と同じ材料を用いて、攪拌軸１を回転数7８〜３６０、好ましくは200〜300ｒｐｍで攪拌することで、良好な粒子含有発泡流動体を発現・維持できた装置例。

図７に示す、全長６５０ｍｍ、両端部の内径２５０ｍｍ、高さ２５０ｍｍの偏平長方型攪拌容器７において、実施例１と同じ材料を用いて、攪拌軸１直径４０ｍｍ、攪拌翼２幅２４０ｍｍ、高さ２２０ｍｍの条件で攪拌軸１を回転数40〜240好ましくは８０〜１２０ｒｐｍの攪拌翼２をシリンダ（図示しない）にて往復動させることで、良好な粒子含有発泡流動体を発現・維持できた１軸装置例である。

上記の説明から明らかなように、本発明は、粒子含有発泡流動体を製造する攪拌装置において、被充填容器より要求される充填挙動を満足しつつ、均一な発泡攪拌を実現すると共に、構造が簡単でコンパクトな装置を実現できた。なお、発泡状態は原材料の配合と攪拌条件によって左右されるため、それぞれの材料に応じて適切な翼形状・寸法、翼回転数を選ぶことが必要で、事例に限定されない。

攪拌翼を用いた１軸式円筒型攪拌装置の断面図である。 攪拌翼を含む円筒型の攪拌容器の断面図である。 円筒型の攪拌容器の立面図である。 円筒型の攪拌容器とそれから派生する偏平長方型の攪拌容器の立面図である。 攪拌軸が複数の偏平長方型攪拌容器の断面図である。 複数の攪拌軸が接近した偏平長方型攪容器の断面図である。 攪拌軸が往復動する偏平長方型の攪拌容器の立面図である。

Claims (10)

1. 排出孔をもつ円筒型攪拌容器内に投入された粒子含有発泡流動体を製造する原材料を均一に攪拌する装置において、前記円筒型攪拌容器を包囲するフレームと、該フレームの上部中央において挿脱可能な、攪拌翼つき攪拌軸を具備する攪拌部とを備え、該攪拌部が円筒型攪拌容器へ挿入時に円筒型攪拌容器の中心部鉛直方向に回動自在に撹拌軸を垂下することを特徴とする攪拌装置。
2. 前記攪拌翼の高さが発泡時の液面高さに対してほぼ等しい高さであり、前記攪拌軸中心からの攪拌翼の幅長さが前記円筒型攪拌容器内径に対してできるだけ空隙のないよう接近させた請求項１の攪拌装置。
3. 前記排出孔が攪拌翼の旋回域近傍にある請求項１あるいは２の攪拌装置。
4. 前記円筒型攪拌容器が偏平長方型であって、単純回動する撹拌軸が複数長手方向に直列配置し、当該複数の攪拌軸が同期しながら回転することを特徴とする請求項３に記載の攪拌装置。
5. 前記攪拌軸を同期させながら回転させる機構として、歯車あるいはプーリで連結された単駆動方式もしくは各攪拌軸に駆動源を直結した個別駆動方式を採用した請求項４に記載の攪拌装置。
6. 前記攪拌軸の軸間距離が攪拌軸中心からの攪拌翼の幅長さの２倍から√２倍である、請求項４または５に記載の攪拌装置。
7. 前記円筒型攪拌容器が偏平長方型であって、攪拌部において単純回動する撹拌軸が長手方向に往復動することを特徴とする請求項３に記載の攪拌装置。
8. 前記攪拌軸の往復動のための機構として、モータを使ったクランク機構、あるいはシリンダ、または電動モータと繋がるボール螺子、またはリニアモータを用いた請求項７に記載の攪拌装置。
9. 前記原材料として、粒子状骨材、水溶性バインダ、架橋剤と水とを使用する、請求項1、２，４，５，７，または８に記載の攪拌装置。
10. 前記原材料として、少なくとも、けい砂、ポリビニールアルコール、澱粉、クエン酸と水を使用する、請求項1、２，４，５，７，または８に記載の攪拌装置。

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