TW202233301A - 攪拌裝置 - Google Patents

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shearing blade
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TW111100216A
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曽我部寛
竹中克英
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日商住友重機械過程機器股份公司
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Abstract

[課題]　目的在於提供一種能夠有效地進行剪切處理之攪拌裝置。 [解決手段]　攪拌裝置，具備：攪拌槽，係收納含有粒子之被處理流體；閘門槳片，係配置於攪拌槽內並攪拌被處理流體；及剪切槳片(16)，係規定位於攪拌槽內的閘門槳片的底部側之分散空間(S)的下端，藉由圍繞既定軸進行旋轉來使分散空間(S)內的粒子分散，從分散空間(S)的上端至剪切槳片(16)為止的距離為剪切槳片(16)的直徑的5%~35%。

Description

攪拌裝置
本發明係關於一種攪拌裝置。
以往，已知有用以攪拌被處理流體之攪拌裝置。攪拌裝置根據被處理流體的黏度等性質而具有各種功能。例如，毛髮護理用品或皮膚護理用品使用之乳化液係將油相(例如，矽油)微細化來使其分散於水相中而成，為了形成這種乳化液，存在對油相施加剪力來使其微細化之乳化方法。對這種乳化液要求長期維持分散粒子不分離之穩定狀態。又，在低黏度的乳化液中，對分散粒子要求次微米以下的粒徑。作為這種用途的攪拌裝置，例如已知有專利文獻1中所記載者。 [先前技術文獻]
[專利文獻1] 國際公開第2019/093287號
[發明所欲解決之問題]
專利文獻1的攪拌裝置藉由使分散槳片在導引環的內部旋轉在導引環的內周面與分散槳片的外周緣之間的空間內將剪力施加於攪拌對象物。然而，當被處理流體的黏度高時，被處理流體不會連續地流入空間，有可能無法有效進行剪切處理。
本發明係為了解決這種問題而完成者，其目的在於提供一種能夠有效進行剪切處理之攪拌裝置。 [解決問題之技術手段]
為了解決上述問題，攪拌裝置，具備：攪拌槽，係收納含有粒子之被處理流體；攪拌槳片，係配置於攪拌槽內並攪拌被處理流體；及剪切槳片，係規定位於攪拌槽內的前述攪拌槳片的底部側之分散空間的下端，藉由圍繞既定軸進行旋轉來使分散空間內的粒子分散，從分散空間的上端至剪切槳片為止的距離為剪切槳片的直徑的5%~35%。 [發明之效果]
藉由該構成，能夠有效進行剪切處理。
以下，對依本發明的實施形態之攪拌裝置進行說明。在實施形態中，舉例用以乳化化妝品或食品等各種材料之攪拌裝置進行詳細說明。再者，本發明並不限於攪拌乳化液之攪拌裝置，亦能夠適用於分散處理纖維素奈米纖維之攪拌裝置。
圖1係依實施形態之攪拌裝置的縱剖面圖，圖2係沿圖1的A-A剖面之剖面圖。如圖1及圖2所示，攪拌裝置10具備收納被處理流體之攪拌槽12、流動槳片14、剪切槳片16及閘門槳片18。流動槳片14、剪切槳片16及閘門槳片18收納於攪拌槽12內，分別圍繞沿鉛直方向延伸之驅動軸旋轉驅動。流動槳片14、剪切槳片16及閘門槳片18由設置於攪拌槽12外之馬達等驅動部個別驅動。因此，流動槳片14、剪切槳片16及閘門槳片18能夠彼此獨立地以不同的旋轉速度沿不同方向旋轉。流動槳片14、剪切槳片16及閘門槳片18的旋轉速度及旋轉方向R3可以根據被處理流體的性質適當決定。
攪拌槽12係內周壁12a的側剖面形狀為圓形的容器。該攪拌槽12在上部具備圓筒狀的直體部20，在下部具備圓錐台狀的縮徑部22。直體部20和縮徑部22形成為一體。直體部20的內徑在上下方向恆定。縮徑部22的內徑隨著朝向底部而減小。在圖1中，攪拌槽12的上端部開放，但亦可以封閉上端部。在攪拌槽12的外部形成有作為加熱·冷卻部的水套部24。熱媒或冷媒在該水套部24中流過，藉此能夠對攪拌槽12內的被處理流體進行加熱或除熱(冷卻)。
流動槳片14沿著攪拌槽12的內周壁12a設置，並且圍繞驅動軸進行旋轉。流動槳片14具有帶狀槳片的形態，若流動槳片14進行旋轉，則形成沿著攪拌槽12的內周壁12a朝向底部之誘導流。若在攪拌槽12內形成誘導流，則被處理流體被混合，並由設置於底部之剪切槳片16乳化。
如圖1及圖2所示，流動槳片14以沿攪拌槽12的內周壁12a之方式配置，且具備：兩片流動槳片本體26，係具有既定寬度；複數個支撐棒28，係在徑內位置支撐該等兩片流動槳片本體26；及支撐環30，係在下方連結並支撐流動槳片本體26。流動槳片本體26、支撐棒28及支撐環30藉由焊接等成為一體。各支撐棒28係沿上下方向延伸之直棒體，在上方和下方固定於流動槳片本體26。各支撐棒28經由流動槳片用驅動軸34連接於設置在攪拌槽12的上方之流動槳片用驅動部(未圖示)。支撐環30將各流動槳片本體26的下端彼此固定。
各流動槳片本體26形成為彎曲帶狀。各流動槳片本體26具備：兩片上部槳片36，係配置於直體部20內；及兩片下部槳片38，係配置於縮徑部22內。兩片上部槳片36分別以在俯視下圍繞驅動軸迴旋180度之方式延伸。兩片上部槳片36配置成在俯視下具有180度間隔。兩片下部槳片38以在俯視下圍繞驅動軸迴旋90度之方式延伸。上部槳片36配置成從攪拌槽12的內周壁12a隔開一定距離，且在圓周方向以一定角度傾斜的同時，一邊迴旋一邊從頂部向底部延伸。若使上部槳片36旋轉，則直體部20內的被處理流體被攪拌，且流向底部。
下部槳片38的直徑與縮徑部22的內側形狀對應。具體而言，下部槳片38的直徑在頂部稍小於直體部20的內周壁，在底部與剪切槳片16的驅動軸的外徑大致相同。下部槳片38在俯視下呈以向與旋轉方向R3相反的方向鼓出之方式彎曲之形狀(尤其參考圖2)。
上部槳片36和下部槳片38在接合部40連接且兩者連續。具體而言，如圖2所示，上部槳片36和下部槳片38以構成下部槳片38之帶狀體的表面抵接於構成上部槳片36之帶狀體的徑內側端緣之狀態，在接合部40藉由焊接等連接。藉此，上部槳片36和下部槳片38成為一體。
下部槳片38使上部槳片36形成之一邊迴旋一邊向下方之被處理流體流向攪拌槽12的中心。藉此，被處理流體被引向剪切槳片16的方向。
圖3係攪拌裝置的縱剖面圖。更具體而言，圖3係放大剪切槳片及其周邊之縱剖面圖。剪切槳片16藉由旋轉而對被處理流體施加剪力。作為剪切槳片16，使用分散槳片。分散槳片具備能夠旋轉之圓板部42和設置於圓板部42的外周之複數個剪切齒44。剪切齒44沿著圓板部42的外周緣間歇地配置，且與圓板部42的面正交地延伸。剪切齒44在俯視下相對於圓板部42的外周緣的切線方向傾斜地延伸。本實施形態的剪切齒44雖朝圓板部42的上下方向均等地突出，但只要至少向上下方向的一方突出即可，亦能夠將向上方向突出之剪切齒44和向下方向突出之剪切齒44交替配置。又，亦能夠將剪切齒44設置於圓板部42的外周緣以外。
在剪切槳片16上連接有向下方延伸之剪切槳片用驅動軸46。再者，雖然省略圖示，但在攪拌槽12與剪切槳片用驅動軸46之間實施有密封，以免攪拌對象物洩漏。剪切槳片用驅動軸46與設置於攪拌槽12的下方之剪切槳片用驅動部(未圖示)連接。藉此，能夠使剪切槳片16圍繞沿上下方向延伸之縱軸進行旋轉。
返回到圖1，如圖示，閘門槳片18具備閘門槳片本體48，該閘門槳片本體48形成相對於旋轉中心(縱軸)為對稱形狀的長方形框狀。閘門槳片本體48係將分別形成棒狀之上側水平構件48U、左側構件48L、右側構件48R及下側水平構件48D組合為一體而形成，具有由細長的棒狀構件構成之框架結構。閘門槳片18相對於流動槳片14向相反方向旋轉，或者，以與流動槳片14不同的轉速朝著與流動槳片14相同方向旋轉。在本實施形態中，閘門槳片18相當於“攪拌槳片”。用以使閘門槳片18旋轉之閘門槳片用驅動部(未圖示)位於攪拌槽12的上方。位於閘門槳片本體48的上方，連接於閘門槳片用驅動部之閘門槳片用驅動軸52和流動槳片用驅動軸34同心地配置。再者，閘門槳片用驅動部能夠兼作流動槳片用驅動部。在該情況下構成為經由減速機等在流動槳片14和閘門槳片18供給不同轉速(或不同旋轉方向)的驅動力。與剪切槳片16相比，流動槳片14及閘門槳片18的旋轉速度被設定為充分緩慢。又，在流動槳片14和剪切槳片16旋轉之期間，閘門槳片18亦可以完全不旋轉而維持靜止狀態。
藉由組合流動槳片14和閘門槳片18，攪拌槽12內的伴隨閘門槳片18的旋轉之攪拌對象物的移動與伴隨流動槳片14的旋轉之攪拌對象物的移動產生差異。因此，能夠抑制在攪拌槽12內攪拌對象物與流動槳片14一起移動之“共轉”，從而可使攪拌對象物在攪拌槽12內的全體中順暢地流動。
圖4係剪切槳片的放大圖。具體而言，圖4在與圖3相同的剖面表示移除了流動槳片14之狀態。在剪切槳片16的上端與閘門槳片18的下端之間設置有分散空間S。分散空間S係在鉛直方向設置於剪切槳片16與閘門槳片18之間的空間，剪切槳片16和閘門槳片18相互作用而在分散空間S內形成高剪切場。分散空間S在俯視下與剪切槳片16重疊。亦即，分散空間S係板狀空間，該板狀空間具有與剪切槳片16的直徑相同的寬度、與從剪切槳片16的上端至閘門槳片18的下端為止的距離相當的高度及與下側水平構件48D的厚度相同的縱深。當在剪切槳片16設置有剪切齒44時，剪切槳片16的上端係指剪切齒44的頂部。當剪切槳片16不具有剪切齒44而剪切槳片16僅由圓板部42構成時，剪切槳片16的上端係指圓板部42的上表面。因此，在本實施形態中，分散空間S的下端由剪切槳片16的構成零件的上端規定。閘門槳片18的下端係指框狀閘門槳片18的最下部的下側水平構件48D的底面。
分散空間S的高度，亦即從閘門槳片18的下端至剪切槳片16的上端為止的距離H被最佳化為被處理流體能夠充分流入分散空間S內，且在分散空間內形成高剪切場。具體而言，距離H被設定在剪切槳片16的直徑L(亦即，圓板部42的直徑)的5%~35%的範圍內。距離H係以直徑L的5%~25%為佳，以10%~25%為更佳。依發明者等的實驗判明：藉由將距離H和直徑L設在上述範圍內，使被處理流體充分流入分散空間S內，在形成於分散空間S內之高剪切場內有足夠的剪力作用於被處理流體。藉此，可使粒子在被處理流體內適當地分散。若距離H相對於直徑L過小(例如小於5%)，則具有被處理流體難以進入剪切槳片16與閘門槳片18之間且剪切槳片16和閘門槳片18容易接觸之傾向。該傾向在被處理流體的黏度高時尤其顯著。相反地，若距離H相對於直徑L過大(例如大於35%)，則無法利用剪切槳片16和閘門槳片18在分散空間內產生足夠的剪力。
接著，對攪拌裝置10的動作進行說明。參考圖1至圖3，若被處理流體注入攪拌槽12內而閘門槳片用驅動部、流動槳片用驅動部及剪切槳片用驅動部成為接通狀態，則流動槳片14、剪切槳片16及閘門槳片18分別向預先決定之方向旋轉驅動。藉此，流動槳片本體26將直體部20內的被處理流體朝向底部壓出，從而在攪拌槽12內產生沿著內周壁12a朝向底部之誘導流F。被處理流體藉由誘導流F連續供給到剪切槳片16。
供給到剪切槳片16之被處理流體的流動沿著剪切槳片用驅動軸46向頂部改變朝向，並朝向分散空間S連續地流動。在分散空間S內及其附近，藉由剪切槳片16的旋轉使剪力作用於被處理流體，被處理流體中所包含之粒子在被處理流體中分散。其後，被處理流體朝向直體部20向頂部方向流動，並反覆進行一系列的循環。
如上，依攪拌裝置10，藉由將分散空間S的尺寸相對於剪切槳片16的直徑最佳化來使被處理流體在分散空間S內連續流動。藉此，可使被處理流體中所包含之粒子適當地分散。
又，藉由現有的閘門槳片18與剪切槳片16的組合來規定分散空間S，無需將新的構件組裝於攪拌裝置10中。
上述實施形態中，在現有的閘門槳片18的下側水平構件48D與剪切槳片16之間形成了分散空間S。然而，分散空間S亦可以由配置於剪切槳片16的上方且比剪切槳片16的旋轉速度充分低速的構件，或其他靜止的其他構件形成。若能夠在剪切槳片16旋轉時另一個構件靜止或以比剪切槳片16低速旋轉之構件與剪切槳片16之間形成分散空間，則可在分散空間內產生足夠的剪力。
接著，對實施形態的變形例進行說明。
圖5係依變形例之攪拌裝置的剪切槳片的放大圖。圖5在與圖4相同的剖面表示移除了流動槳片14之狀態。
如圖5所示，攪拌裝置100具備一對側構件102。一對側構件102與閘門槳片18成為一體，並從閘門槳片18的下側水平構件48D的底面朝向攪拌槽12的底部延伸。一對側構件102例如由方形的棒構件形成。一對側構件102配置於剪切槳片16的兩側，在俯視下與剪切槳片16的中心排列在一條直線上。側構件102的長度被決定為延伸至比剪切槳片16的下端更靠底部側為止。側構件102的直徑可以根據被處理流體的黏度適當決定，當被處理流體的黏度高時，加大直徑即可，以便能夠承受高負載。側構件102及閘門槳片18的下側水平構件48D呈包圍剪切槳片16的三方之門形。一對側構件102規定分散空間S的寬度方向的範圍。在本變形例中，分散空間S的下端由剪切槳片16的構成零件的下端規定。因此，在該例子中，分散空間S由側構件102及閘門槳片18的下側水平構件48D包圍之空間規定。亦可以說分散空間S由棒狀的側構件102及棒狀的下側水平構件48D構成之框架結構規定。
從側構件102至剪切槳片16為止的距離W被最佳化為被處理流體能夠充分流入分散空間S內，且在分散空間S內形成高剪切場。具體而言，距離W被設定在剪切槳片16的直徑L的5%~35%的範圍內。距離W係以直徑L的5%~25%為佳，以10%~25%為更佳。再者，當剪切槳片16具有剪切齒44時，距離W實質上係指圓板部42與側構件102之間的距離。
實施形態中，雖將距離H最佳化為使得在剪切槳片16的頂部側形成高剪切場，但在變形例中，可將距離W最佳化為除剪切槳片16的頂部側以外，在剪切槳片16的側部亦形成高剪切場。
依這種變形例，可使被處理流體中所包含之粒子比實施形態更適當地分散。
在變形例中，側構件雖是從閘門槳片18的下側水平構件48D的底面延伸之棒狀構件，但側構件的配置不限於此。側構件亦可由比剪切槳片16的旋轉速度充分低速的構件，或其他靜止的構件支撐。若在剪切槳片16旋轉時側構件靜止或以比剪切槳片16低速旋轉，則可以在分散空間內產生足夠的剪力。
以下，對本發明的實施例進行說明。實施例中，使用模擬器觀測了相對於剪切槳片的直徑改變剪切槳片與閘門槳片之間的距離時的高剪切場的形成模樣。
圖6係表示在實施例使用之剪切槳片16與閘門槳片18的位置關係之模式圖。作為剪切結構，使用了依變形例之具有側構件102之結構。將剪切槳片16與閘門槳片18之間的距離(亦即，分散空間S的高度)相對於剪切槳片16的直徑的比例設為B1。
圖7係表示實施例的測定結果之圖表。具體而言，圖7係表示在側視分散空間時，分散空間內的高剪切場(在該例子中，產生2MPa以上的剪力之部位)所佔據之比例與值B1的關係之圖表。如圖7所示，若值B1超出35%，則高剪切場的比例顯著降低。
本發明不限於上述實施形態或其變形例，實施形態等的各構成在不脫離本發明的主旨之範圍內可以適當進行變更。
若將上述實施形態及變形例一般化，則除了本發明以外，還可以得到如下樣態。
一種攪拌裝置，具備： 攪拌槽，係收納含有粒子之被處理流體； 包括剪切槳片之如轉子的驅動側構件，係配置於前述攪拌槽內並攪拌前述被處理流體；及 固定側構件，係配置於前述攪拌槽內的前述驅動側構件的底部側，以比前述轉子低速驅動，或在驅動前述轉子時靜止， 在前述驅動側構件與前述固定側構件之間形成有間隙，間隙依據前述驅動側構件的例如直徑的尺寸來決定。
在該態樣中，間隙相當於分散空間，藉由該構成，亦可使被處理流體中所包含之粒子分散。
10:攪拌裝置 12:攪拌槽 14:流動槳片 16:剪切槳片 18:閘門槳片 100:攪拌裝置 102:側構件
[圖1]係依實施形態之攪拌裝置的縱剖面圖。 [圖2]係沿圖1的A-A剖面之剖面圖。 [圖3]係攪拌裝置的縱剖面圖。 [圖4]係剪切槳片的放大圖。 [圖5]係依變形例之攪拌裝置的剪切槳片的放大圖。 [圖6]係表示在實施例中所使用之剪切槳片與閘門槳片的位置關係之模式圖。 [圖7]係表示實施例的測定結果之圖表。
16:剪切槳片
42:圓板部
44:剪切齒
46:剪切槳片用驅動軸
48D:下側水平構件
H:距離
L:直徑
S:分散空間

Claims (8)

  1. 一種攪拌裝置，具備： 攪拌槽，係收納含有粒子之被處理流體； 攪拌槳片，係配置於前述攪拌槽內並攪拌前述被處理流體；及 剪切槳片，係規定位於前述攪拌槽內的前述攪拌槳片的底部側之分散空間的下端，藉由繞既定軸進行旋轉來使前述分散空間內的粒子分散， 從前述分散空間的上端至前述剪切槳片為止的距離為前述剪切槳片的直徑的5%~35%。
  2. 如請求項1記載之攪拌裝置，其中 前述分散空間的上端藉由前述攪拌槳片的下端規定。
  3. 如請求項1或請求項2記載之攪拌裝置，具備側構件，前述側構件從前述剪切槳片隔開間隙而配置於前述剪切槳片的側方，且與前述既定軸平行地延伸。
  4. 如請求項3記載之攪拌裝置，其中 從前述側構件至前述剪切槳片為止的距離為前述剪切槳片的直徑的5%~35%。
  5. 如請求項1或請求項2記載之攪拌裝置，其中 從前述分散空間的上端至前述剪切槳片為止的距離為前述剪切槳片的直徑的5%~25%。
  6. 如請求項1或請求項2記載之攪拌裝置，其中 從前述分散空間的上端至前述剪切槳片為止的距離為前述剪切槳片的直徑的10%~25%。
  7. 如請求項3記載之攪拌裝置，其中 從前述側構件至前述剪切槳片為止的距離為前述剪切槳片的直徑的5%~25%。
  8. 如請求項3記載之攪拌裝置，其中 從前述側構件至前述剪切槳片為止的距離為前述剪切槳片的直徑的10%~25%。
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