WO2017212935A1 - 攪拌羽根および攪拌装置 - Google Patents

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WO2017212935A1
WO2017212935A1 PCT/JP2017/019543 JP2017019543W WO2017212935A1 WO 2017212935 A1 WO2017212935 A1 WO 2017212935A1 JP 2017019543 W JP2017019543 W JP 2017019543W WO 2017212935 A1 WO2017212935 A1 WO 2017212935A1
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WO
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blade
stirring
stirring blade
target material
container
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/019543
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English (en)
French (fr)
Inventor
賢次郎 金澤
充展 西村
明宏 西川
晃人 春藤
茂弘 新田
尚 古市
Original Assignee
プライミクス株式会社
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/80—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis
    • B01F27/91—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis with propellers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/05—Stirrers
    • B01F27/11—Stirrers characterised by the configuration of the stirrers
    • B01F27/113—Propeller-shaped stirrers for producing an axial flow, e.g. shaped like a ship or aircraft propeller
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/80—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/50—Mixing receptacles

Definitions

  • the present disclosure relates to a stirring blade and a stirring device.
  • Patent Document 1 discloses an example of a stirring device using a stirring blade.
  • This conventional stirring blade is attached to the tip of a shaft that is rotationally driven, and a mixture to be stirred (“target material”) is contained in a predetermined container.
  • the target material is agitated by rotating the agitating blade in the container.
  • the target material is sufficiently stirred in the vicinity of the stirring means (such as the above-described stirring blade), and different substances are mixed well (highly dispersed).
  • the target material is not sufficiently stirred, and the degree of dispersion becomes low.
  • the degree of dispersion varies depending on the location, and the entire target material tends to be qualitatively non-uniform (that is, the degree of mixing is low).
  • an object of the present disclosure is to provide a stirring blade and a stirring device capable of improving both the degree of dispersion and the degree of mixing of the target material as compared with the related art.
  • a stirring blade that rotates around an axis.
  • the stirring blade includes a base portion and a plurality of first blade portions provided on the first side of the base portion and arranged around the axis.
  • Each of the plurality of first blade portions includes an inner end in a radial direction perpendicular to the axis, and a forward curved portion connected to the inner end and protruding forward in the rotational direction.
  • wing part has a back curved part which is connected to the said radial direction outward with respect to the said front curved part, and is convex in the said rotation direction.
  • each of the first blade portions is inclined so as to be positioned forward in the rotational direction as the distance from the base portion increases in a direction parallel to the axis.
  • the inclination angle of each of the first blade portions with respect to the direction parallel to the axis is larger toward the inner side in the radial direction.
  • the stirring blade further includes a plurality of second blade portions.
  • the base portion has a second side opposite to the first side, and the plurality of second blade portions are provided on the second side and arranged around the axis.
  • the plurality of first blade portions are different in position in the rotation direction from the plurality of second blade portions.
  • the base portion has a first inclined surface and a second inclined surface that are tapered in opposite directions.
  • the plurality of first blade portions are provided on the first inclined surface, and the plurality of second blade portions are provided on the second inclined surface.
  • the stirring device provided by the second aspect of the present disclosure includes a stirring blade according to the first side, a container that accommodates a stirring target, a rotating shaft that is inserted into the container and to which the stirring blade is attached, Is provided.
  • “stirring” is not particularly limited and may mean “dispersion” and “mixing”.
  • Dispersion means that another substance (for example, a powder or another kind of liquid) is microscopically dispersed in a substance (for example, a liquid) that is chemically in one phase.
  • mixing means making dispersion degree uniform over the whole object material.
  • the target material is composed of liquid A and powder B.
  • the “stirring” of the target material means that the powder B (at least a part thereof) is dispersed in the liquid A (at least a part thereof) (“dispersion”), and the scattered state of the powder B is the target material.
  • the target material can be the same (or substantially the same) at any point in the target material to create a predetermined flow ("mixing").
  • the illustrated stirring blade A ⁇ b> 1 includes a base 1 and a blade group 2.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the stirring blade A1.
  • FIG. 2 is a front view showing the stirring blade A1.
  • FIG. 3 is a plan view showing the stirring blade A1. 1 and 3, the direction (circumferential direction) in which the stirring blade A1 rotates is indicated by ⁇ .
  • the direction in which the stirring blade A1 rotates is indicated by an arrow attached below the stirring blade A1.
  • the direction (axial direction) parallel to the rotation axis of the stirring blade A1 is indicated by z
  • the direction perpendicular to the axial direction z (radial direction) is indicated by r.
  • the stirring blade A1 is attached to, for example, the stirring device B1 shown in FIG.
  • the stirrer B1 includes a container 81, a rotary shaft 82, a drive unit 83, and a shaft seal 85.
  • the container 81 accommodates the target material T to be stirred.
  • the rotating shaft 82 extends vertically through the bottom of the container 81, and a stirring blade A1 is attached to the upper end thereof.
  • the shaft seal 85 is provided between the bottom of the container 81 and the rotating shaft 82 and allows the rotating shaft 82 to rotate, while preventing the target material T from leaking out of the container 81.
  • the drive unit 83 includes, for example, an electric motor in order to rotate the rotation shaft 82 around a predetermined axis parallel to the axial direction z.
  • Other components of the stirring device B1 are not particularly limited, and a housing that supports the container 81 and the drive unit 83, a control unit that controls the drive of the drive unit 83, and the like may be appropriately provided
  • the stirring blade A1 is not particularly limited, and is formed of a material suitable for stirring the target material T, such as metal or resin.
  • the metal forming the stirring blade A1 include stainless steel.
  • the stirring blade A1 may be one in which the base 1 and the blade group 2 are integrally formed, or may be configured by combining a plurality of individually formed parts.
  • a well-known engagement mechanism, fastening mechanism, or the like can be adopted.
  • a part of the stirring blade A1 may be fixed (for example, bonded) to the rotating shaft 82 in advance, and the remaining part of the stirring blade A1 may be detachably attached to the part.
  • size of stirring blade A1 is not specifically limited, According to the size of the container 81, the viscosity of the target material T, etc., it selects suitably. In one example, the diameter of the stirring blade A1 is about 40 mm.
  • the base 1 supports the blade group 2 and is fixed to the rotating shaft 82.
  • the shape and size of the base 1 are not particularly limited.
  • the illustrated base 1 has a circular shape in a plan view (viewed in the axial direction z).
  • the base 1 has an outer peripheral end 10 and an inclined surface 11.
  • the outer peripheral end 10 is located at the lower end of the base 1 and is circular in plan view.
  • the inclined surface 11 is provided above the outer peripheral end 10.
  • the inclined surface 11 has a configuration in which the size in the radial direction r decreases as it goes upward in the axial direction z. In other words, the inclined surface 11 is tapered upward.
  • the base 1 as a whole is a truncated cone (a truncated cone), and the inclined surface 11 is constituted by a side surface of the truncated cone.
  • the blade group 2 includes a plurality of blade portions 20. These blade portions 20 are provided on the same surface side of the base portion 1 and are spaced apart from each other in the rotation direction ⁇ . In the present embodiment, the plurality of blade portions 20 are provided on the inclined surface 11. As shown in FIG. 2, the plurality of blade portions 20 are arranged within a predetermined range in the axial direction z.
  • the number of blade parts constituting the blade group 2 is not particularly limited.
  • the blade group 2 includes four blade portions 40. These four blade portions 20 are arranged at an equal pitch in a plan view and are separated from each other by 90 degrees in the rotation direction ⁇ .
  • Each blade portion 20 has an inner end 21, an outer end 22, a proximal end 23, a distal end 24, a front surface 25, a rear surface 26, a front curved portion 27 and a rear curved portion 28.
  • the inner end 21 is a linear or curved edge that is located at the innermost position in the radial direction r in the blade portion 20 and has a predetermined length. In the present embodiment, the inner ends 21 of the plurality of blade portions 20 are separated from each other in the rotation direction ⁇ .
  • the outer end 22 is the outermost edge of the blade portion 20 in the radial direction r, and is a linear or curved edge having a predetermined length. As shown in FIG. 3, the outer end 22 coincides with the outer peripheral end 10 of the base 1 in a plan view.
  • either the base 1 or the blade 20 is not configured to protrude outward in the radial direction r from the other.
  • at least one blade portion 20 may be configured to protrude outward in the radial direction r from the base portion 1 or may be configured to be retracted inward in the radial direction r from the base portion 1. Good.
  • the base end 23 is a part where the blade part 20 is connected to the base part 1.
  • the distal end 24 is a linear or curved edge that is spaced apart from the proximal end 23 in the axial direction z and has a predetermined length.
  • each blade portion 20 is a front surface in the rotation direction ⁇ , and the rear surface 26 is a rear surface.
  • the front bending portion 27 is a portion that is connected to the inner end 21 and is convex forward in the rotational direction ⁇ in plan view. More specifically, the front bending portion 27 has a shape that is convex forward in the rotational direction ⁇ with respect to a virtual straight line connecting both ends in the radial direction r of the front bending portion 27.
  • the rear bending portion 28 is a portion that is connected to the outer side in the radial direction r with respect to the front bending portion 27 and is convex rearward in the rotation direction ⁇ in plan view. More specifically, the rear bending portion 28 has a shape that protrudes rearward in the rotational direction ⁇ with respect to a virtual straight line connecting both ends in the radial direction r of the rear bending portion 28.
  • each range is shown with the dashed-dotted line with an arrow about the front bending part 27 and the back bending part 28.
  • FIG. 1 the tip 24 is provided in a portion of the blade portion 20 that substantially constitutes the front bending portion 27, and as shown in FIG. 3, is a shape that is convex forward in the rotational direction ⁇ in plan view. It has become.
  • the base end 23 is provided in both the part which comprises the front curve part 27 and the back curve part 28, and as shown in FIG. 3, it has a S shape in planar view.
  • the range in which the front bending portion 27 and the rear bending portion 28 are provided, the degree of bending of each, and the like are not particularly limited.
  • each blade portion 20 is inclined so as to be positioned in front of the rotation direction ⁇ as it is separated from the base portion 1 in the axial direction z.
  • the inclination angle of the blade portion 20 with respect to the axial direction z increases as it goes inward in the radial direction r. More specifically, as shown in FIG. 2, the angle ⁇ 1 formed by the inner end 21 of the blade portion 20 with the axial direction z is larger than the angle ⁇ 2 formed by the outer end 22 of the blade portion 20 with the axial direction z. It is. Accordingly, the angle formed by the front bending portion 27 with the axial direction z is larger than the angle formed by the rear bending portion 28 with the axial direction z.
  • FIG. 5 and FIG. 6 show a stirring blade according to the second embodiment of the present disclosure.
  • the configuration of the blade portion 20 is different from that of the stirring blade A1 described above.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the stirring blade A2.
  • FIG. 6 is a plan view of the stirring blade A2.
  • each blade portion 20 has only one curved portion, that is, the front curved portion 27, and does not have the rear curved portion 28. As shown in FIG. 6, the entire blade portion 20 is configured by a front bending portion 27 in a plan view.
  • the relative relationship between the plurality of blade portions 20 in the stirring blade A2 and the configuration of the base portion 1 are substantially the same as those of the stirring blade A1.
  • the stirring blade A2 is used by being attached to the stirring device B1 (FIG. 4).
  • FIG. 7 and 8 show examples of analysis using numerical fluid dynamic simulation of stirring by the stirring blades A1 and A2.
  • a plurality of arrows are attached corresponding to a plurality of points.
  • Each arrow indicates the direction of the flow of the target material at that point (however, the rotation direction ⁇ component is not considered).
  • the shading in the figure corresponds to the flow velocity of the target material and indicates the flow velocity distribution of the target material (however, the rotation direction ⁇ component is not taken into consideration).
  • a lighter color area has a relatively higher flow rate (maximum flow rate in the white area), and a darker color area has a relatively lower flow rate (black area has the lowest flow rate).
  • the ratio of flow rates between adjacent regions is 2.15.
  • the conditions for this analysis are as follows.
  • the inner diameter of the container 81 is 126 mm.
  • the target material T is a high-viscosity non-Newtonian fluid (carboxymethylcellulose sodium 1.7 wt%), and the liquid depth is 89.8 mm.
  • a stirring blade A1 (FIG. 7) or A2 (FIG. 8) is arranged in the center of the bottom of the container 81.
  • the rotational speed (circumferential speed) of the stirring blades A1 and A2 is 10 m / s.
  • the target material T When the stirring blades A1 and A2 rotate, the target material T generates a rotational flow along the rotational direction ⁇ . As understood from the arrows in FIGS. 7 and 8, the target material T moves from above the stirring blades A1 and A2 (and near the liquid surface) to the stirring blades A1 and A2 along the axial direction z. After flowing downward, it flows from the lower ends of the stirring blades A1 and A2 (near the outer peripheral end 10) outward in the radial direction r along the bottom of the container 81. Furthermore, the target material T flows upward along the side wall of the container 81, that is, toward the liquid surface. As a result of such a flow, a large vortex is formed in the container 81.
  • FIG. 9 shows the stirring blade X prepared for comparison with the stirring blades A1 and A2.
  • the stirring blade X has a base 91, a first blade group 92a, and a second blade group 92b.
  • the base 91 has a flat disk shape.
  • the blade groups 92 a and 92 b are arranged along the outer periphery of the base 91.
  • the first blade group 92 a includes a plurality of blade portions 920 that are bent upward with respect to the base portion 91.
  • the second blade group 92 b includes a plurality of blade portions 920 that are bent downward with respect to the base portion 91.
  • Each blade portion 920 is a substantially trapezoidal flat plate, and has an inner surface and an outer surface along the rotation direction ⁇ .
  • Such a stirring blade X is obtained, for example, by cutting and bending a metal plate.
  • FIG. 10 shows an analysis example using a numerical fluid dynamics simulation performed on the stirring blade X (the outer diameter is the same as that of the stirring blades A1 and A2) under the same conditions as the fluid analysis examples shown in FIGS. Yes.
  • the flow velocity is maximum in the vicinity of the outer peripheral end of the stirring blade X.
  • a flow accompanied by a vortex is generated on the left and right of the rotation axis of the stirring blade X.
  • the flow velocity is remarkably small. That is, when the stirring blade X is used, stirring is mainly performed only in the mushroom-like region including the stirring blade X, and substantial stirring is not performed in the other region.
  • the contribution of the front curved portion 27 of the blade portion 20 can be cited.
  • the forward bending portion 27 is convex forward in the rotational direction ⁇ .
  • the angle formed by the blade portion 20 at the inner end 21 and the rotational direction ⁇ is relatively small ( ⁇ 1 in FIG. 2 is relatively large). It has been found that the material T is sucked more powerfully.
  • the angle formed by the blade portion 20 and the rotation direction ⁇ gradually increases toward the outer side in the radial direction r. It has been found that this configuration is advantageous for moving the sucked target material T more smoothly outward in the radial direction r. This strong suction and smooth movement is considered to be one factor that can mix the entire target material T more appropriately.
  • the stirring blade A1 in FIG. 7 is provided with a backward curved portion 28 that is convex backward in the rotation direction ⁇ .
  • the angle formed by the blade portion 20 and the rotation direction ⁇ gradually increases toward the outer side in the radial direction r.
  • each blade 20 is inclined forward in the rotational direction ⁇ . Thereby, it is possible to avoid the bubbles mixed in the target material T from staying at the boundary portion (corner portion) between the rear surface 26 and the inclined surface 11. If bubbles stay in the corner, mixing of the target material T by the stirring blades A1 and A2 is hindered. According to the stirring blades A ⁇ b> 1 and A ⁇ b> 2, no bubbles remain in the corners, which contributes to an improvement in the degree of mixing of the target material T.
  • the stirring blade A3 includes a base 1 and a pair of blade groups (an upper blade group and a lower blade group) 2.
  • FIG. 11 is a perspective view showing the stirring blade A3.
  • FIG. 12 is a front view showing the stirring blade A3.
  • the plan view of the stirring blade A3 is the same as the plan view (FIG. 3) of the stirring blade A1.
  • the stirring blade A3 is attached to, for example, a stirring device B3 shown in FIG.
  • the stirrer B3 includes a container 81, a rotary shaft 82, and a drive unit 83.
  • the container 81 accommodates the target material T.
  • a part of the rotating shaft 82 is inserted into the target material T of the container 81, and a stirring blade A3 is attached to the lower end thereof.
  • the drive unit 83 rotates the rotary shaft 82 around the axial direction z, and includes, for example, an electric motor.
  • Other components of the stirring device B3 are not particularly limited, and a casing that supports the container 81 and the drive unit 83, a control unit that controls the drive of the drive unit 83, and the like may be appropriately provided. .
  • the base 1 of the stirring blade A3 supports the upper and lower blade groups 2.
  • the base 1 has an outer peripheral end 10 and a pair of inclined surfaces (an upper inclined surface and a lower inclined surface) 11.
  • the outer peripheral end 10 is located at the center in the axial direction z of the base 1 and is circular in plan view.
  • the outer peripheral end 10 forms a boundary between the upper and lower blade groups 2.
  • the upper and lower inclined surfaces 11 are provided so as to sandwich the outer peripheral end 10 in the axial direction z.
  • the upper inclined surface 11 is tapered upward, and the lower inclined surface 11 is tapered downward.
  • each inclined surface 11 is constituted by a side surface of a truncated cone (a truncated cone).
  • Each blade group 2 includes a plurality of blade portions 20 arranged in the rotation direction ⁇ . As shown in FIG. 12, the plurality of blade portions 20 of each blade group 2 are arranged in a predetermined range in the axial direction z. Further, the plurality of blade portions 20 of the upper blade group 2 are provided at positions shifted in the circumferential direction ⁇ with respect to the plurality of blade portions 20 of the lower blade group 2. For this reason, in one example, the plurality of blade portions 20 of the upper blade group 2 are configured not to overlap with the plurality of blade portions 20 of the lower blade group 2 in the axial direction z.
  • the structure of each blade part 20 is the same as the blade part 20 of the stirring blade A1 described above.
  • the number of the plurality of blade portions 20 constituting each blade group 2 is four.
  • the four blade portions 20 are arranged at an equal pitch in the circumferential direction ⁇ , and are separated by 90 degrees in the circumferential direction ⁇ .
  • the blade portion 20 of the upper blade group 2 is disposed at a position shifted by 45 degrees (90 degrees / 2) in the rotation direction ⁇ with respect to the blade portion 20 of the lower blade group 2. ing.
  • FIG. 14 shows a stirring blade A4 based on the fourth embodiment of the present disclosure.
  • the illustrated stirring blade A4 includes a pair of upper and lower blade groups 2 similar to the above-described stirring blade A3, and is attached to the stirring device B3 (FIG. 13), for example.
  • the configuration of each blade portion 20 is the same as the blade portion 20 of the stirring blades A1 and A3 described above, and includes a front bending portion 27 and a rear bending portion.
  • the plan view of the stirring blade A4 is the same as the plan view (FIG. 3) of the stirring blade A1.
  • the number of the plurality of blade portions 20 constituting the upper and lower blade groups 2 is the same.
  • the plurality of blade portions 20 of the upper blade group 2 are provided at the same position as the plurality of blade portions 20 of the lower blade group 2 in the rotation direction ⁇ .
  • FIG. 15 shows a stirring blade A5 based on the fifth embodiment of the present disclosure.
  • the illustrated stirring blade A5 is provided with a pair of upper and lower blade groups 2.
  • the configuration of each blade portion 20 is the same as that of the stirring blade A2 described above, and includes the front curved portion 27, but does not include the rear curved portion 28.
  • the plan view of the stirring blade A5 is the same as the plan view (FIG. 6) of the stirring blade A2.
  • the plurality of blade portions 20 of the upper blade group 2 are arranged at positions shifted by 45 degrees (90 degrees / 2) with respect to the plurality of blade sections 20 of the lower blade group 2 in the rotation direction ⁇ .
  • FIGS. 16 to 18 show analysis examples using numerical fluid dynamic simulations of stirring by the stirring blades A3 to A5.
  • each arrow indicates the direction of the flow of the target material at that point (the rotation direction ⁇ component is not taken into account), and the shading in the figure corresponds to the flow velocity of the target material. It shows the flow velocity distribution of the target material (excluding the rotation direction ⁇ component).
  • a lighter color area has a relatively higher flow rate (maximum flow rate in the white area), and a darker color area has a relatively lower flow rate (black area has the lowest flow rate).
  • the ratio of flow rates between adjacent regions is 2.15.
  • the conditions for this analysis are as follows.
  • the inner diameter of the container 81 is 210 mm.
  • the target material T is a high-viscosity non-Newtonian fluid (carboxymethylcellulose sodium 1.7 wt%), and the liquid depth is 158 mm.
  • Agitation blades A3 (FIG. 16), A4 (FIG. 17), and A5 (FIG. 18) are arranged in the approximate center of the target material T.
  • the rotational speed (circumferential speed) of the stirring blades A3 to A5 is 10 m / s.
  • the target material T When the stirring blades A3 to A5 rotate in the direction ⁇ , the target material T also rotates in the same direction. Further, as understood from FIGS. 16 to 18, the flow of the target material T toward the stirring blades A3 to A5 is confirmed from above and below the stirring blades A3 to A5. Further, a flow from the center of the stirring blades A3 to A5 in the axial direction z (near the outer peripheral end 10) toward the outside in the radial direction r is confirmed. Further, the flow is a flow toward the liquid surface of the target material T or the bottom surface of the container 81 along the side wall of the container 81.
  • FIG. 19 shows an analysis example using numerical fluid dynamics simulation for the stirring blade X (FIG. 9) having the same outer diameter as the stirring blades A3 to A5 under the same conditions as the fluid analysis examples shown in FIGS. Is shown.
  • the flow velocity is maximum near the outer peripheral end of the stirring blade X.
  • two vortices are observed on both the left and right sides of the rotation axis of the stirring blade X.
  • the flow velocity is remarkably small. From this, it can be seen that the mixing by the stirring blades A3 to A5 is appropriately performed in a wider range of the container 81 as compared with the mixing by the stirring blade X.
  • the contribution of the front curved portion 27 of each blade portion 20 can be cited as in the case of the stirring blades A1 and A2. It is considered that the strong suction and smooth movement by the front curved portion 27 are causes for mixing of the entire target material T.
  • stirring blade A3, A4 has the back curve part 28.
  • FIG. That is, it is considered that the mixing of the entire target material T is promoted by the synergistic action of the suction enhancement by the front bending portion 27 and the discharge enhancement by the rear bending portion 28.
  • FIGS. 16 to 19 show analysis examples using other numerical fluid dynamics simulations with stirring by the stirring blades A3 to A5 and the stirring blade X.
  • FIG. The conditions of these analyzes are the same as in the case of FIGS. 16 to 19, the inner diameter of the container 81 is 210 mm, and the target material T is a high-viscosity non-Newtonian fluid having a liquid depth of 158 mm (sodium carboxymethylcellulose 1.7 wt%). Is used.
  • Stirrer blades A3 to A5 and agitator blades X are arranged substantially at the center of the target material T.
  • the rotational peripheral speed of the stirring blades A3 to A5 and the stirring blade X is 10 m / s.
  • a plurality of granular markers are added to the target material T.
  • Each black dot in the figure represents an individual marker.
  • the number of markers is 1000.
  • the marker is arranged in a substantially disc-shaped region immediately above the stirring blades A3 to A5 and the stirring blade X.
  • the initial marker arrangement region has a depth of 40 to 50 mm from the liquid surface of the target material T, and in the lateral direction, is within a circle having a diameter of 60 mm centered on the rotation axis.
  • the marker tracking time is from the time when the marker is present in the above-described initial range to 0.8168 s later, which corresponds to the time required for the stirring blades A3 to A5 and the stirring blade X to rotate 6.5 times.
  • the markers are distributed in a wider range of the target material T compared to the analysis example (stirring blade X) shown in FIG.
  • the analysis example shown in FIG. 23 there are almost no black spots indicating markers in the vicinity of the side surface of the container 81 or the liquid surface of the target material T.
  • a large number of markers exist near the side surface of the container 81 and the liquid surface of the target material T. This is considered to be due to the fact that the stirring blades A3 to A5 have the front curved portion 27 as described with reference to FIGS.
  • the stirring blade A3 and the stirring blade A4 are the same in that both have a pair of upper and lower inclined surfaces 11 on the base 1 and a plurality of blade portions 20 are provided on each inclined surface 11.
  • the target material T is discharged outward in the radial direction r by each blade portion 20, but the discharged flow also has a velocity component toward the blade group 2 located on the opposite side in the axial direction z. Yes.
  • the upper and lower blade groups 2 are shifted from each other by a half pitch in the rotation direction ⁇ . For this reason, in the stirring by the stirring blade A3, the axial z components of the target material T discharged from the upper and lower blade groups 2 are relatively less likely to interfere with each other.
  • the longitudinal flow in the container 81 generated by the stirring by the stirring blade A4 is weaker than the vertical flow by the stirring by the stirring blade A3.
  • an effect of generating a flow in a wider range in the radial direction r can be expected. This is suitable for appropriately stirring the target material T when the inner diameter of the container 81 is large.
  • FIG. 24 shows a stirring device B3 using the stirring blade A3.
  • the illustrated stirring device B3 includes two rotating shafts 82 and a stirring blade 84 in addition to the stirring blade A3.
  • the two rotating shafts 82 are driven to rotate by the driving unit 83, respectively.
  • the length and rotation speed of the two rotation shafts 82 can be set as appropriate.
  • the two rotation shafts 82 are parallel to each other, and the rotation shaft 82 provided at the center (plan view) of the container 81 is longer than the other rotation shaft 82.
  • the stirring blade 84 is larger than the stirring blade A3 (in plan view) and is disposed near the bottom of the container 81. In a plan view, the center of the stirring blade 84 coincides with the center of the container 81.
  • the center of the stirring blade 84 may be arranged away from the center of the container 81 according to the size of the stirring blade 84 with respect to the container 81.
  • the stirring blade 84 is provided for the purpose of promoting the mixing of the entire target material T in the container 81, for example.
  • the stirring blade A3 is provided at a position offset from the center of the container 81 in the plan view to the side wall of the container 81, and is positioned above the stirring blade 84 in the axial direction z. Yes.
  • the stirring blade 84 has a plurality of blades (two in the illustrated example) extending in the horizontal direction from the lower end of the central rotating shaft 82. Each blade has a length that does not interfere with the inner surface of the container 81, and is longer than the separation distance between the two rotating shafts 82 in the illustrated example.
  • the number of rotations per unit time during driving is not particularly limited, and the central rotation shaft 82 (and hence the stirring blade 84) is the other rotation shaft 82 (and thus the stirring blade A3). Is set to be less.
  • the dispersion degree and mixing degree of the target material T can also be improved by the stirring device B3 having the above configuration.
  • the stirring blade 84 and the stirring blade A3 in combination the target material T accommodated in the larger-capacity container 81 can be appropriately mixed and dispersed.
  • the stirring blades A1 to A5 of the present disclosure it is possible to significantly improve the degree of mixing of the target material T compared to the stirring blade X (FIG. 9).
  • the mixing effect of the target material T by the stirring blades A1 to A5 can be sufficiently maintained even if the rotation speed of the stirring blades A1 to A5 is increased. Therefore, according to the stirring blades A1 to A5 and the stirring devices B1 and B3, both the degree of dispersion and the degree of mixing of the target material T can be improved.
  • the stirring blade and the stirring device according to the present disclosure are not limited to the above-described embodiment.
  • the specific configuration of each part of the stirring blade and the stirring device according to the present disclosure can be varied in design in various ways.

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Abstract

攪拌装置に用いられ、所定の軸心周りに回転させられる攪拌羽根が提供される。前記攪拌羽根は、基部および複数の羽根部を備えている。前記複数の羽根部は、前記基部の同じ側に設けられ且つ前記軸心周りに配列されている。前記複数の羽根部は、各々、前記軸心に垂直な径方向における内方端と、この内方端に繋がり且つ回転方向前方に凸である前方湾曲部を有する。このような構成の攪拌羽根は、攪拌対象マテリアルを適切に攪拌し、前記対象マテリアルの分散度および混合度の向上に資する。

Description

攪拌羽根および攪拌装置
　本開示は、攪拌羽根および攪拌装置に関する。
　従来、複数の物質を互いに混合するための撹拌装置が知られている。例えば下記の特許文献１には、攪拌翼を用いた攪拌装置の一例が開示されている。この従来の撹拌翼は、回転駆動される軸の先端に取り付けられており、攪拌対象である混合物（「対象マテリアル」）は、所定の容器内に収容されている。この容器内で攪拌翼を回転させることで、対象マテリアルの攪拌が行われる。
　一般に、従来の攪拌装置においては、攪拌手段（上述の撹拌翼など）の近傍では、対象マテリアルが十分に攪拌されて、異なる物質どうしが良く混じりあう（分散度が高い）。一方、攪拌手段から離れたところでは、対象マテリアルの攪拌が十分ではなく、分散度が低くなる。このように従来の撹拌装置では、場所によって分散度が異なり、対象マテリアル全体として質的に不均一となる（すなわち混合度が低い）傾向があった。
特開平１０－１８００７３号公報
　本開示は、上記した事情のもとで考え出されたものである。そこで本開示は、対象マテリアルの分散度および混合度の双方を従来よりも向上させうる攪拌羽根および攪拌装置を提供することを一の課題とする。
　本開示の第１の側面によれば、軸心周りに回転する攪拌羽根が提供される。この攪拌羽根は、基部と、前記基部の第１側に設けられ且つ前記軸心周りに配列された複数の第１羽根部と、を備えている。前記複数の第１羽根部は、各々、前記軸心に垂直な径方向における内方端と、この内方端に繋がり且つ回転方向前方に凸である前方湾曲部と、を有する。
　好ましくは、前記各第１羽根部は、前記前方湾曲部に対して前記径方向外方に繋がり且つ前記回転方向後方に凸である後方湾曲部を有する。
　好ましくは、前記各第１羽根部は、前記軸心に平行な方向において前記基部から離間するほど前記回転方向前方に位置するように傾いている。
　好ましくは、前記軸心に平行な方向に対する前記各第１羽根部の傾斜角度は、前記径方向内方に向かうほど大である。
　好ましくは、前記攪拌羽根は、複数の第２羽根部をさらに備える。また、前記基部は、前記第１側とは反対の第２側を有しており、前記複数の第２羽根部は、前記第２側に設けられ且つ前記軸心周りに配列される。
　好ましくは、前記複数の第１羽根部は、前記回転方向における位置が、前記複数の第２羽根部とは異なる。
　好ましくは、前記基部は、互いに反対の方向に向かってテーパー状とされた第１傾斜面および第２傾斜面を有している。また、前記複数の第１羽根部は、前記第１傾斜面に設けられており、前記複数の第２羽根部は、前記第２傾斜面に設けられている。
　本開示の第２の側面によって提供される攪拌装置は、前記第１の側面による攪拌羽根と、攪拌対象を収容する容器と、前記容器内に挿入され且つ前記攪拌羽根が取り付けられる回転軸と、を備える。
　本開示のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
本開示の第１実施形態に基づく攪拌羽根を示す斜視図である。 本開示の第１実施形態に基づく攪拌羽根を示す正面図である。 本開示の第１実施形態に基づく攪拌羽根を示す平面図である。 本開示の第１実施形態に基づく攪拌羽根を用いた攪拌装置を示す断面図である。 本開示の第２実施形態に基づく攪拌羽根を示す斜視図である。 本開示の第２実施形態に基づく攪拌羽根を示す平面図である。 第１実施形態の攪拌羽根による攪拌状態を示す図である。 第２実施形態の攪拌羽根による攪拌状態を示す図である。 比較例の攪拌羽根を示す斜視図である。 比較例の攪拌羽根による攪拌状態を示す図である。 本開示の第３実施形態に基づく攪拌羽根を示す斜視図である。 本開示の第３実施形態に基づく攪拌羽根を示す正面図である。 本開示の第３実施形態に基づく攪拌羽根を用いた攪拌装置の一例を示す断面図である。 本開示の第４実施形態に基づく攪拌羽根を示す斜視図である。 本開示の第５実施形態に基づく攪拌羽根を示す斜視図である。 第３実施形態の攪拌羽根による攪拌状態を示す図である。 第４実施形態の攪拌羽根による攪拌状態を示す図である。 第５実施形態の攪拌羽根による攪拌状態を示す図である。 比較例の攪拌羽根による攪拌状態を示す図である。 第３実施形態の攪拌羽根によって撹拌されたマーカーの流動追跡解析結果を示す図である。 第４実施形態の攪拌羽根によって撹拌されたマーカーの流動追跡解析結果を示す図である。 第５実施形態の攪拌羽根によって撹拌されたマーカーの流動追跡解析結果を示す図である。 比較例の攪拌羽根によって撹拌されたマーカーの流動追跡解析結果を示す図である。 第３実施形態の攪拌羽根を用いた攪拌装置の他の例を示す断面図である。
　以下、本開示の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
　本開示において、「攪拌」とは、特に限定されることなく、「分散」および「混合」を含意しうる。分散とは、化学的に１つの相となっている物質（例えば液体）中に、他の物質（例えば粉体または別種の液体）が微視的に散在することをいう。また、混合とは、分散度を対象マテリアル全体にわたって均一にすることをいう。例えば、対象マテリアルが、液体Ａおよび紛体Ｂからなるとする。この場合、対象マテリアルの「撹拌」とは、紛体Ｂ（の少なくとも一部）を液体Ａ（の少なくとも一部）中に散在させること（「分散」）、ならびに、紛体Ｂの散在状態が対象マテリアルの任意の箇所で同じ（あるいは実質的に同じ）になるように、対象マテリアル中に所定の流れを生じさせること（「混合」）を意味しうる。
　図１～図３は、本開示の第１実施形態に基づく攪拌羽根を示している。図示された攪拌羽根Ａ１は、基部１および羽根群２を備えている。
　図１は、攪拌羽根Ａ１を示す斜視図である。図２は、攪拌羽根Ａ１を示す正面である。図３は、攪拌羽根Ａ１を示す平面図である。図１および図３において、攪拌羽根Ａ１が回転する方向（周方向）はθで示している。図２において、攪拌羽根Ａ１が回転する方向は、攪拌羽根Ａ１の下に付した矢印で示している。また、これらの図において、攪拌羽根Ａ１の回転軸に平行な方向（軸方向）はｚで示し、軸方向ｚに垂直な方向（径方向）はｒで示している。
　攪拌羽根Ａ１は、例えば図４に示す攪拌装置Ｂ１に取り付けられる。攪拌装置Ｂ１は、容器８１、回転軸８２、駆動部８３および軸シール８５を備えている。容器８１は、攪拌される対象マテリアルＴを収容する。回転軸８２は、容器８１の底部を貫通して鉛直に延びており、その上端に攪拌羽根Ａ１が取り付けられている。軸シール８５は、容器８１の底部と回転軸８２との間に設けられており、回転軸８２の回転を許容する一方、対象マテリアルＴが容器８１から外部に漏れるのを防止する。駆動部８３は、回転軸８２を軸方向ｚに平行な所定の軸心周りに回転させるべく、例えば電気モータを具備している。攪拌装置Ｂ１の他の構成要素として、特に限定されることなく、容器８１および駆動部８３を支持する筐体や、駆動部８３の駆動を制御する制御部等が適宜設けられていてもよい。
　攪拌羽根Ａ１は、特に限定されることなく、金属や樹脂など、対象マテリアルＴの撹拌に適した材料によって形成される。攪拌羽根Ａ１を形成する金属としては、例えばステンレスが挙げられる。攪拌羽根Ａ１は、基部１および羽根群２が一体的に形成されたものであってもよいし、個別に形成した複数の部品を組み合わせて構成したものであってもよい。攪拌羽根Ａ１を回転軸８２に取り付ける手段としては、周知の係合機構や締結機構などを採用しうる。また、攪拌羽根Ａ１の一部を予め回転軸８２に固定（例えば接着）しておき、攪拌羽根Ａ１の残りの部分をその一部に着脱可能に取り付けるようにしてもよい。攪拌羽根Ａ１の大きさは、特に限定されることなく、容器８１のサイズや、対象マテリアルＴの粘度等に応じて、適宜選択される。一例において、攪拌羽根Ａ１の直径は、約４０ｍｍである。
　基部１は、羽根群２を支持しており、回転軸８２に固定される。基部１の形状および大きさは特に限定されない。図示された基部１は、平面視（軸方向ｚ視）において円形状である。基部１は、外周端１０および傾斜面１１を有する。本実施形態においては、外周端１０は、基部１の下端に位置しており、平面視において円形である。傾斜面１１は、外周端１０よりも上方に設けられている。傾斜面１１は、軸方向ｚにおいて上に向かうほど径方向ｒのサイズが小さくなる構成である。換言すれば、傾斜面１１は、上に向ってテーパー状である。図示された例においては、基部１が全体として円錐台（切頭円錐体）とされており、傾斜面１１は、この円錐台の側面によって構成されている。
　羽根群２は、複数の羽根部２０からなる。これら羽根部２０は、基部１の同じ面側に設けられており、且つ回転方向θにおいて互いに離間配列されている。本実施形態においては、複数の羽根部２０は、傾斜面１１に設けられている。図２に示すように、複数の羽根部２０は、軸方向ｚにおける所定範囲内に配置されている。
　羽根群２を構成する羽根部の個数は特に限定されない。本実施形態においては、羽根群２は、４つの羽根部４０からなる。これら４つの羽根部２０は、平面視において等ピッチで配列されており、回転方向θに互いに９０度だけ離れている。
　各羽根部２０は、内方端２１、外方端２２、基端２３、先端２４、前方面２５、後方面２６、前方湾曲部２７および後方湾曲部２８を有する。内方端２１は、羽根部２０のうち径方向ｒにおいて最も内方に位置しており、所定の長さを有する直線状あるいは湾曲状のエッジである。本実施形態においては、複数の羽根部２０の内方端２１どうしは、回転方向θにおいて互いに離間している。外方端２２は、羽根部２０のうち径方向ｒにおいて最も外方に位置しており、所定の長さを有する直線状あるいは湾曲状のエッジである。図３に示すように、外方端２２は、平面視において基部１の外周端１０と一致している。すなわち、基部１と羽根部２０とは、いずれかが他方よりも径方向ｒ外方に突出する構成とはなっていない。別の例では、少なくとも１つの羽根部２０が、基部１よりも径方向ｒ外方に突出する構成であってもよいし、基部１よりも径方向ｒ内方に退避した構成であってもよい。
　基端２３は、羽根部２０が基部１に繋がる部位である。先端２４は、基端２３から軸方向ｚに離間しており、所定の長さを有する直線状あるいは湾曲状のエッジである。
　各羽根部２０の前方面２５は、回転方向θにおける前方側の面であり、後方面２６は後方側の面である。
　前方湾曲部２７は、内方端２１に繋がり且つ平面視において回転方向θ前方に凸である部位である。より具体的には、前方湾曲部２７は、前方湾曲部２７の径方向ｒ両端を結ぶ仮想直線よりも回転方向θ前方に凸である形状である。後方湾曲部２８は、前方湾曲部２７に対して径方向ｒ外方に繋がり且つ平面視において回転方向θ後方に凸である部位である。より具体的には、後方湾曲部２８は、後方湾曲部２８の径方向ｒ両端を結ぶ仮想直線よりも回転方向θ後方に凸である形状である。図１および図３においては、前方湾曲部２７および後方湾曲部２８について、矢印付きの一点鎖線によってそれぞれの範囲を示している。図示された例においては、先端２４は、羽根部２０のうち概ね前方湾曲部２７を構成する部分に設けられており、図３に示すように、平面視において回転方向θ前方に凸である形状となっている。また、基端２３は、前方湾曲部２７および後方湾曲部２８を構成する部分の双方に設けられており、図３に示すように、平面視においてＳ字形状となっている。なお、前方湾曲部２７および後方湾曲部２８が設けられる範囲や、それぞれの湾曲度合い等は特に限定されない。
　また、本実施形態においては、各羽根部２０は、軸方向ｚにおいて基部１から離間するほど回転方向θ前方に位置するように傾けられている。さらに、本実施形態においては、羽根部２０の軸方向ｚに対する傾斜角度は、径方向ｒ内方に向かうほど大である。より具体的には、図２に示すように、羽根部２０の内方端２１が軸方向ｚとなす角度α１は、羽根部２０の外方端２２が軸方向ｚとなす角度α２よりも大である。したがって、前方湾曲部２７が軸方向ｚとなす角度は、後方湾曲部２８が軸方向ｚとなす角度よりも大である。
　図５および図６は、本開示の第２実施形態に基づく攪拌羽根を示している。図示された攪拌羽根Ａ２は、羽根部２０の構成が、上述した攪拌羽根Ａ１のものと異なっている。図５は、攪拌羽根Ａ２を示す斜視図である。図６は、攪拌羽根Ａ２の平面図である。
　本実施形態においては、各羽根部２０は、１つの湾曲部すなわち前方湾曲部２７のみを有しており、後方湾曲部２８を有していない。図６に示すように、平面視において、羽根部２０の全体が前方湾曲部２７によって構成されている。攪拌羽根Ａ２における複数の羽根部２０の相対的な関係や基部１の構成は、攪拌羽根Ａ１と実質的に同様である。攪拌羽根Ａ２は、攪拌羽根Ａ１と同様に、攪拌装置Ｂ１（図４）に取り付けて用いられる。
　次に、攪拌羽根Ａ１，Ａ２および攪拌装置Ｂ１の作用について説明する。
　図７および図８は、攪拌羽根Ａ１，Ａ２による攪拌の数値流体力学シミュレーションを用いた解析例を示す。これらの図では、複数の点それぞれに対応して、複数の矢印が付されている。各矢印は、その点における対象マテリアルの流れの向きを示している（ただし回転方向θ成分は考慮外である）。また、図中の濃淡は、対象マテリアルの流速に対応するものであり、対象マテリアルの流速分布を示している（ただし回転方向θ成分は考慮外である）。色の淡い領域ほど相対的に流速が大きく（白色領域で流速最大）、色が濃い領域ほど相対的に流速が小さい（黒色領域で流速最小）。隣接する領域間の流速の比は、２．１５である。本解析の諸条件は、次のとおりである。容器８１の内径は１２６ｍｍである。対象マテリアルＴは、高粘度非ニュートン流体（カルボキシメチルセルロースナトリウム１．７ｗｔ％）であり、液深さは８９．８ｍｍである。容器８１の底部中央に、攪拌羽根Ａ１（図７）またはＡ２（図８）が配置されている。攪拌羽根Ａ１，Ａ２の回転速度（周速）は、１０ｍ／ｓである。
　攪拌羽根Ａ１，Ａ２が回転すると、対象マテリアルＴには回転方向θに沿う回転流れが生じる。また、図７および図８の矢印から理解されるように、対象マテリアルＴは、軸方向ｚに沿って、攪拌羽根Ａ１，Ａ２の上方（かつ液面の近く）から、攪拌羽根Ａ１，Ａ２に向って下方に流れた後、攪拌羽根Ａ１，Ａ２の下端（外周端１０付近）から、容器８１の底部に沿って径方向ｒ外方に流れる。さらに対象マテリアルＴは、容器８１の側壁に沿って上方、すなわち液面の方に向って流れる。このような流動の結果、容器８１内には、大きな渦が形成される。図７および図８では、攪拌羽根Ａ１，Ａ２の回転軸心に関して対称である２つの渦の存在が確認される。このような渦を伴う流れの発生は、主として、対象マテリアルＴの混合に寄与する。また、攪拌羽根Ａ１，Ａ２の近傍、特に外周端１０付近においては、流速が最大（白色領域参照）となっている。このように、流速が局所的に顕著に大きくなることは、主として、対象マテリアルＴの分散に寄与する。このように、攪拌羽根Ａ１，Ａ２によれば、対象マテリアルＴの一部を攪拌羽根Ａ１，Ａ２の近傍で効果的に分散させたのち、分散済みの部分を上述の渦流によって他の位置へ移動させることにより、対象マテリアルＴが全体にわたって適切に混合させるという効果が奏される。
　図９は、攪拌羽根Ａ１，Ａ２との比較のために用意された攪拌羽根Ｘを示している。攪拌羽根Ｘは、基部９１、第１の羽根群９２ａ、および第２の羽根群９２ｂを有している。基部９１は、平坦な円盤状である。羽根群９２ａおよび９２ｂは、基部９１の外周に沿って配置されている。第１の羽根群９２ａは、基部９１に対して上向きに折り曲げられた複数の羽根部９２０によって構成されている。第２の羽根群９２ｂは、基部９１に対して下向きに折り曲げられた複数の羽根部９２０によって構成されている。各羽根部９２０は、略台形状の平板であり、回転方向θに沿った内面および外面を有している。このような攪拌羽根Ｘは、例えば金属板を切断及び折り曲げ加工することによって得られる。
　図１０は、図７および図８に示す流体解析例と同条件の下、攪拌羽根Ｘ（攪拌羽根Ａ１，Ａ２と外径が同じ）について行った数値流体力学シミュレーションを用いた解析例を示している。図１０から分かるように、攪拌羽根Ｘの外周端付近において流速が最大となっている。また、攪拌羽根Ｘの回転軸心の左右に渦を伴う流れが生じている。しかしながら、容器８１の側壁および対象マテリアルＴの液面に近い領域においては、流速が顕著に小となっている。すなわち、攪拌羽根Ｘを用いた場合には、主として攪拌羽根Ｘを包含するマッシュルーム状の領域でのみ攪拌が行われ、その外の領域では、実質的な攪拌が行われない。このように、攪拌羽根Ａ１，Ａ２を使用した方が、攪拌羽根Ｘを使用した場合よりも、容器８１のより広い範囲において大きな流速が得られていることがわかる。したがって、攪拌羽根Ａ１，Ａ２によれば、攪拌羽根Ｘよりも対象マテリアルＴの全体をより適切に混合することができる。
　攪拌羽根Ａ１，Ａ２による混合が適切に行われる要因として、まず、羽根部２０の前方湾曲部２７の寄与が挙げられる。図３および図６に示すように、前方湾曲部２７は、回転方向θ前方に凸となっている。発明者らの研究によれば、このような構成により、内方端２１において対象マテリアルＴを強力に吸引しつつ、吸引した対象マテリアルＴを径方向ｒ外方へとスムーズに移動させることが可能であることが判明した。特に、図示された例においては、内方端２１における羽根部２０と回転方向θとがなす角度が相対的に小（図２のα１が相対的に大）となっているが、これにより対象マテリアルＴがより強力に吸引されるということが分かった。また、図示された前方湾曲部２７においては、径方向ｒ外方に向かうほど羽根部２０と回転方向θとがなす角度が徐々に大きくなっている。この構成が、吸引した対象マテリアルＴを径方向ｒ外方へとよりスムーズに移動させるのに有利であることが判明した。この強力な吸引とスムーズな移動が、対象マテリアルＴ全体をより適切に混合し得る一因であると考えられる。
　また、図７の攪拌羽根Ａ１の解析例と図８の攪拌羽根Ａ２の解析例とを比較すると、図７における薄いトーンの領域（流速が速い領域）が、図８における薄いトーンの領域よりも広くなっている。攪拌羽根Ａ１は、攪拌羽根Ａ２とは異なり回転方向θ後方に凸である後方湾曲部２８が設けられている。言い換えると、後方湾曲部２８においては、径方向ｒ外方に向かうほど羽根部２０と回転方向θとがなす角度が徐々に大となる。発明者らの研究によれば、このような構成の後方湾曲部２８によって、吸引した対象マテリアルＴを攪拌羽根Ａ１から径方向ｒ外方へとより力強く吐出する効果が得られることが判明した。そして、前方湾曲部２７による吸引の強化と後方湾曲部２８による吐出の強化とが相乗的に作用することにより、対象マテリアルＴ全体の混合が促進されると考えられる。
　また、上述のとおり、各羽根部２０は、回転方向θ前方に傾けられている。これにより、後方面２６と傾斜面１１との境界部分（隅部）に、対象マテリアルＴ内に混入した気泡が滞留することを回避することが可能である。当該隅部に気泡が滞留すると、攪拌羽根Ａ１，Ａ２による対象マテリアルＴの混合が阻害される。攪拌羽根Ａ１，Ａ２によれば、前記隅部に気泡が残留しないので、対象マテリアルＴの混合度の向上に資する。
　図１１および１２は、本開示の第３実施形態に基づく攪拌羽根Ａ３を示している。攪拌羽根Ａ３は、基部１および、一対の羽根群（上側羽根群および下側羽根群）２を備えている。
　図１１は、攪拌羽根Ａ３を示す斜視図である。図１２は、攪拌羽根Ａ３を示す正面図である。攪拌羽根Ａ３の平面図は、攪拌羽根Ａ１の平面図（図３）と同様である。
　攪拌羽根Ａ３は、例えば、図１３に示す攪拌装置Ｂ３に取り付けられる。攪拌装置Ｂ３は、容器８１、回転軸８２および駆動部８３を備えている。容器８１は、対象マテリアルＴを収容する。回転軸８２の一部は、容器８１の対象マテリアルＴ内に挿入されており、その下端に攪拌羽根Ａ３が取り付けられている。駆動部８３は、回転軸８２を軸方向ｚ周りに回転させるものであり、例えば電気モータを具備する。攪拌装置Ｂ３の他の構成要素としては、特に限定されることなく、容器８１および駆動部８３を支持する筐体や、駆動部８３の駆動を制御する制御部等が適宜設けられていてもよい。
　攪拌羽根Ａ３の基部１は、上側および下側羽根群２を支持している。基部１は、外周端１０および一対の傾斜面（上側傾斜面および下側傾斜面）１１を有する。外周端１０は、基部１の軸方向ｚ中央に位置しており、平面視において円形である。また、外周端１０は、上側および下側羽根群２の境界をなしている。上側および下側傾斜面１１は、軸方向ｚにおいて外周端１０を挟むように設けられている。上側傾斜面１１は、上に向ってテーパー状であり、下側傾斜面１１は、下に向ってテーパー状である。図示された例においては、各傾斜面１１は、円錐台（切頭円錐体）の側面によって構成されている。
　各羽根群２は、回転方向θに配列された複数の羽根部２０からなる。図１２に示すように、各羽根群２の複数の羽根部２０は、軸方向ｚにおける所定範囲に配置されている。また、上側羽根群２の複数の羽根部２０は、下側羽根群２の複数の羽根部２０に対し、周方向θにずれた位置に設けられている。このため、一の例では、上側羽根群２の複数の羽根部２０は、下側羽根群２の複数の羽根部２０に対して、軸方向ｚにおいて重ならない構成とされる。各羽根部２０の構成は、上述した攪拌羽根Ａ１の羽根部２０と同じである。
　図示した例では、各羽根群２を構成する複数の羽根部２０の個数は４である。また、各羽根群２において、４つの羽根部２０は、周方向θにおいて等ピッチで配列されており、周方向θに９０度ずつ離れている。
　図１１および図１２に示す例では、上側羽根群２の羽根部２０は、下側羽根群２の羽根部２０に対し、回転方向θにおいて４５度（９０度／２）ずれた位置に配置されている。
　図１４は、本開示の第４実施形態に基づく攪拌羽根Ａ４を示している。図示された攪拌羽根Ａ４は、上述した攪拌羽根Ａ３と同様に上下一対の羽根群２を備えており、例えば攪拌装置Ｂ３（図１３）に取り付けられて用いられる。各羽根部２０の構成は、上述した攪拌羽根Ａ１，Ａ３の羽根部２０と同様であり、前方湾曲部２７および後方湾曲部２８を有している。攪拌羽根Ａ４の平面図は、攪拌羽根Ａ１の平面図（図３）と同様である。攪拌羽根Ａ４において、上下の羽根群２を構成する複数の羽根部２０の個数は、互いに同数である。また、上側羽根群２の複数の羽根部２０は、回転方向θにおいて、下側羽根群２の複数の羽根部２０と同じ位置に設けられている。
　図１５は、本開示の第５実施形態に基づく攪拌羽根Ａ５を示している。図示された攪拌羽根Ａ５は、上下一対の羽根群２を備えている。各羽根部２０の構成は、上述した攪拌羽根Ａ２のものと同様であり、前方湾曲部２７を有するが、後方湾曲部２８は有していない。攪拌羽根Ａ５の平面図は、攪拌羽根Ａ２の平面図（図６）と同様である。上側羽根群２の複数の羽根部２０は、回転方向θにおいて、下側羽根群２の複数の羽根部２０に対し、４５度（９０度／２）ずれた位置に配置されている。
　次に、攪拌羽根Ａ３～Ａ５および攪拌装置Ｂ３の作用について説明する。
　図１６～図１８は、攪拌羽根Ａ３～Ａ５による攪拌の数値流体力学シミュレーションを用いた解析例を示している。図７および８の場合と同様に、各矢印は、その点における対象マテリアルの流れの向きを示しており（回転方向θ成分は考慮外）、図中の濃淡は、対象マテリアルの流速に対応するものであり、対象マテリアルの流速分布を示している（回転方向θ成分は考慮外）。色の淡い領域ほど相対的に流速が大きく（白色領域で流速最大）、色が濃い領域ほど相対的に流速が小さい（黒色領域で流速最小）。隣接する領域間の流速の比は、２．１５である。本解析の諸条件は、次のとおりである。容器８１の内径は２１０ｍｍである。対象マテリアルＴは、高粘度非ニュートン流体（カルボキシメチルセルロースナトリウム１．７ｗｔ％）であり、液深さは１５８ｍｍである。対象マテリアルＴの略中央に攪拌羽根Ａ３（図１６）、Ａ４（図１７）およびＡ５（図１８）が配置されている。攪拌羽根Ａ３～Ａ５の回転速度（周速）は、１０ｍ／ｓである。
　攪拌羽根Ａ３～Ａ５が方向θに回転すると、対象マテリアルＴも同じ方向に回転流れを生じる。また、図１６～図１８から理解されるように、攪拌羽根Ａ３～Ａ５の上方および下方から、対象マテリアルＴが攪拌羽根Ａ３～Ａ５に向かう流動が確認される。また、攪拌羽根Ａ３～Ａ５の軸方向ｚ中央（外周端１０付近）から、径方向ｒ外方に向かう流動が確認される。さらにこの流動は、容器８１の側壁に沿って、対象マテリアルＴの液面または容器８１の底面に向かう流れとなる。このような流れの結果、攪拌羽根Ａ３～Ａ５の回転軸心の左右両側において、それぞれ２つの渦が生じている。この渦を伴う流れは、主に対象マテリアルＴの混合に寄与する。また、攪拌羽根Ａ３～Ａ５の近傍、特に外周端１０付近において、流速が最大となっている。このような局所的に速い流速は、主に対象マテリアルＴの分散に寄与する。
　図１９は、図１６～図１８に示す流体解析例と同条件下において、攪拌羽根Ａ３～Ａ５と外径が同じである攪拌羽根Ｘ（図９）についての数値流体力学シミュレーションを用いた解析例を示している。図１９に示すように、攪拌羽根Ｘの外周端付近において、流速が最大となっている。また、攪拌羽根Ｘの回転軸心の左右両側において、２つの渦が認められる。しかしながら、容器８１の側壁や対象マテリアルＴの液面および容器８１の底面に近い領域においては、流速が顕著に小となっている。このことから、攪拌羽根Ａ３～Ａ５による混合は、攪拌羽根Ｘによる混合と比べて、容器８１のより広い範囲において適切に行われていることが分かる。
　攪拌羽根Ａ３～Ａ５による混合度が高いことの要因として、攪拌羽根Ａ１，Ａ２と同様に、各羽根部２０の前方湾曲部２７の寄与が挙げられる。前方湾曲部２７による強力な吸引とスムーズな移動は、対象マテリアルＴ全体の混合を生じさせる一因と考えられる。
　また、図１６および１７に示す攪拌羽根Ａ３，Ａ４の流体解析例と図１８に示す攪拌羽根Ａ５の流体解析例とを比較すると、図１６および１７における薄いトーンの領域（流速が速い領域）の方が、図１８における薄いトーンの領域よりも広い。この要因として、上述したように、攪拌羽根Ａ３，Ａ４が後方湾曲部２８を有することが挙げられる。すなわち、前方湾曲部２７による吸引の強化と後方湾曲部２８による吐出の強化とが相乗的に作用することにより、対象マテリアルＴ全体の混合が促進されたと考えられる。
　図２０～図２３は、攪拌羽根Ａ３～Ａ５および攪拌羽根Ｘによる攪拌の他の数値流体力学シミュレーションを用いた解析例を示す。これらの解析の条件は、図１６～図１９の場合と同様に、容器８１の内径が２１０ｍｍであり、対象マテリアルＴとして液深さ１５８ｍｍの高粘度非ニュートン流体（カルボキシメチルセルロースナトリウム１．７ｗｔ％）を用いている。この対象マテリアルＴの略中央に攪拌羽根Ａ３～Ａ５および攪拌羽根Ｘが配置されている。攪拌羽根Ａ３～Ａ５および攪拌羽根Ｘの回転周速は、１０ｍ／ｓである。これらの解析例では、対象マテリアルＴに、複数の粒状のマーカーを添加している。図中における各黒点が個々のマーカーを表している。マーカー数は、１０００個である。マーカーは初期段階では、攪拌羽根Ａ３～Ａ５および攪拌羽根Ｘの直上における略円板状領域に配置される。具体的には、マーカーの初期配置領域は、深さが対象マテリアルＴの液面から４０～５０ｍｍであり、横方向には、回転軸心を中心とする直径６０ｍｍの円内である。マーカー追跡時間は、上述した初期範囲にマーカーを存在させた時点から０．８１６８ｓ後までであり、これは、攪拌羽根Ａ３～Ａ５および攪拌羽根Ｘが６．５回転する時間に相当する。
　まず、図２０～図２２に示す解析例（攪拌羽根Ａ３～Ａ５）では、図２３に示す解析例（攪拌羽根Ｘ）と比べて、対象マテリアルＴのより広い範囲にマーカーが分布している。特に、図２３に示す解析例では、容器８１の側面付近や対象マテリアルＴの液面付近においては、マーカーを示す黒点がほとんど存在しない。これに対し、図２０～図２２に示す解析例では、容器８１の側面付近や対象マテリアルＴの液面付近に多数のマーカーが存在している。これは、図１６～図１９を参照して述べたように、攪拌羽根Ａ３～Ａ５が前方湾曲部２７を有することによる効果であると考えられる。
　次に、図２０の解析例（攪拌羽根Ａ３）と図２１の解析例（攪拌羽根Ａ４）とを比較すると、攪拌羽根Ａ３および攪拌羽根Ａ４よりも下方に存在するマーカー数に相違が見られる。具体的には、攪拌羽根Ａ３の下方に存在するマーカー数が１１０であるのに対し、攪拌羽根Ａ４の下方に存在するマーカー数は４７である。この違いは、以下の理由によるものと考えられる。
　攪拌羽根Ａ３および攪拌羽根Ａ４は、いずれも基部１に上下一対の傾斜面１１を有し、各傾斜面１１に複数の羽根部２０が設けられている点は同じである。また、各羽根部２０によって、対象マテリアルＴは径方向ｒ外方に吐出されるが、この吐出された流れは、軸方向ｚにおいて反対側に位置する羽根群２に向かう速度成分も有している。上述のとおり、攪拌羽根Ａ３においては、上下の羽根群２が回転方向θにおいて互いに半ピッチずれている。このため、攪拌羽根Ａ３による攪拌においては、上下の羽根群２から吐出された対象マテリアルＴの軸方向ｚ成分が、互いに干渉し合うことが相対的に少ない。すなわち、軸方向ｚにおいて、一方の羽根群２から他方の羽根群２側へ向かう流動が妨げられない。攪拌羽根Ａ３を用いた混合状態の観察では、渦を伴う比較的大きな流れが、攪拌羽根Ａ３が設けられた位置（外周端１０の位置）を超えて容器８１内全体を軸方向ｚに移動する（すなわち容器８１内を縦断する）現象が周期的に生じることが確認された。これは、軸方向ｚにおいて互いに上下に分離された渦流が（上下方向に移動することなく）存在することによる混合状態と比べて、対象マテリアルＴ全体の混合を促進するのに好ましい。一方、攪拌羽根Ａ４においては、上下の羽根群２が回転方向θにおいて互いに一致しているので、攪拌羽根Ａ３と同様の効果が奏されることは期待しがたい。このようなことから、攪拌羽根Ａ３による攪拌の方が、より多くのマーカーを軸方向ｚ下方に移動したと考えられる。
　なお、攪拌羽根Ａ４の攪拌により生ずる容器８１内の縦断流れは、攪拌羽根Ａ３の攪拌による縦断流れよりも弱いと考えられる。一方、上下の羽根群２から吐出される流れが合流することにより、径方向ｒのより広い範囲に流動を生じさせる効果が期待できる。これは、容器８１の内径が大きい場合に、対象マテリアルＴを適切に撹拌するのに適している。
　また、図２０の解析例（攪拌羽根Ａ３）と図２２の解析例（攪拌羽根Ａ５）とを比較すると、攪拌羽根Ａ３よりも下方に存在するマーカー数が１１０であるのに対し、攪拌羽根Ａ５よりも下方に存在するマーカー数は７２である。この相違は、上述したように、攪拌羽根Ａ３が後方湾曲部２８を有することによる効果であると考えられる。なお、攪拌羽根Ａ５においては、上下の羽根群２が回転方向θにおいて互いに半ピッチずれて設けられていることから、攪拌羽根Ａ４の解析例よりも多数のマーカーが下方に移動させられていることが分かる。
　図２４は、攪拌羽根Ａ３を用いた攪拌装置Ｂ３を示している。図示された攪拌装置Ｂ３は、２つの回転軸８２と、攪拌羽根Ａ３に加えて攪拌羽根８４を備えている。
　２つの回転軸８２は、駆動部８３によってそれぞれ回転駆動される。２つの回転軸８２の長さや回転速度は、適宜設定可能である。図示した例では、２つの回転軸８２は互いに平行であり、容器８１の中心（平面視）に設けられた回転軸８２の方が、他方の回転軸８２よりも長い。攪拌羽根８４は、攪拌羽根Ａ３よりも大きく（平面視）、容器８１の底部付近に配置される。平面視において、攪拌羽根８４の中心は、容器８１の中心と一致している。なお、容器８１に対する攪拌羽根８４の大きさに応じて、攪拌羽根８４の中心を、容器８１の中心から離間して配置するようにしてもよい。攪拌羽根８４は、例えば、容器８１内の対象マテリアルＴ全体の混合を促進することを目的として設けられる。
　図２４に示す例では、攪拌羽根Ａ３は、平面視における容器８１の中心から容器８１の側壁にオフセットした位置に設けられており、かつ、軸方向ｚにおいて攪拌羽根８４よりも上方に位置している。また、攪拌羽根８４は、中央回転軸８２の下端から水平方向に延びる複数のブレード（図示の例では２つ）を有している。各ブレードは、容器８１の内側面と干渉しない長さとされており、図示の例では、２つの回転軸８２間の離間距離よりも長い。一例として、特に限定されることなく、駆動時における単位時間当たりの回転数は、中央回転軸８２（延いては攪拌羽根８４）の方が、他方の回転軸８２（延いては攪拌羽根Ａ３）よりも少なくなるように設定される。
　上記構成の攪拌装置Ｂ３によっても、対象マテリアルＴの分散度および混合度を向上させることができる。また、攪拌羽根８４と攪拌羽根Ａ３とを併用することにより、より大容量の容器８１に収容された対象マテリアルＴでも適切に混合し、かつ分散させることができる。
　以上に述べた通り、本開示の攪拌羽根Ａ１～Ａ５によれば、攪拌羽根Ｘ（図９）よりも、対象マテリアルＴの混合度を格段に向上させることが可能である。なお、対象マテリアルＴの分散度を向上させるには、攪拌羽根Ａ１～Ａ５の回転速度を高めることが好ましい。この点、攪拌羽根Ａ１～Ａ５による対象マテリアルＴの混合効果は、攪拌羽根Ａ１～Ａ５の回転速度を高速にしたとしても十分に維持されうる。したがって、攪拌羽根Ａ１～Ａ５および攪拌装置Ｂ１，Ｂ３によれば、対象マテリアルＴの分散度と混合度の双方を向上させることができる。
　本開示に係る攪拌羽根および攪拌装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本開示に係る攪拌羽根および攪拌装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Claims (8)

  1. 　軸心周りに回転する攪拌羽根であって、
    　基部と、
    　前記基部の第１側に設けられ且つ前記軸心周りに配列された複数の第１羽根部と、を備えており、
    　前記複数の第１羽根部は、各々、前記軸心に垂直な径方向における内方端と、この内方端に繋がり且つ回転方向前方に凸である前方湾曲部と、を有する、攪拌羽根。
  2. 　前記各第１羽根部は、前記前方湾曲部に対して前記径方向外方に繋がり且つ前記回転方向後方に凸である後方湾曲部を有する、請求項１に記載の攪拌羽根。
  3. 　前記各第１羽根部は、前記軸心に平行な方向において前記基部から離間するほど前記回転方向前方に位置するように傾いている、請求項１または２に記載の攪拌羽根。
  4. 　前記軸心に平行な方向に対する前記各第１羽根部の傾斜角度は、前記径方向内方に向かうほど大である、請求項３に記載の攪拌羽根。
  5. 　複数の第２羽根部をさらに備える構成において、
    　前記基部は、前記第１側とは反対の第２側を有しており、前記複数の第２羽根部は、前記第２側に設けられ且つ前記軸心周りに配列されている、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の攪拌羽根。
  6. 　前記複数の第１羽根部は、前記回転方向における位置が、前記複数の第２羽根部とは異なる、請求項５に記載の攪拌羽根。
  7. 　前記基部は、互いに反対の方向に向かってテーパー状とされた第１傾斜面および第２傾斜面を有し、前記複数の第１羽根部は、前記第１傾斜面に設けられており、前記複数の第２羽根部は、前記第２傾斜面に設けられている、請求項５または６に記載の攪拌羽根。
  8. 　請求項１ないし７のいずれか１つに記載の攪拌羽根と、
    　攪拌対象を収容する容器と、
    　前記容器内に挿入され且つ前記攪拌羽根が取り付けられる回転軸と、
    を備える、攪拌装置。
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