JP5321823B2 - 撹拌装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば液状あるいはゲル状の食品や、化粧品や、液状ゴム材料など、流動材料を撹拌して乳化するのに好適な撹拌装置に関する。

液状あるいはゲル状の食品や、化粧品や、液状ゴム材料などを連続乳化するのに用いられる撹拌装置として、従来から、例えば下記の特許文献１，２のようなものが知られている。

図７は、特許文献１に開示された従来の撹拌装置を示すもので、すなわちこの撹拌装置１００は、縦型円筒容器１０１内に、モータ１０５で回転される回転軸１０２に設けた複数段の攪拌羽根１０３と、前記回転軸１０２の周囲に乳化処理対象の材料の流路を残すように、前記攪拌羽根１０３の間に水平に設けた複数段の仕切り板１０４とを備え、投入口１０１ａから連続的に投入される流動材料を攪拌羽根１０３で撹拌しながら、仕切り板１０４の内周の隙間１０６及び攪拌羽根１０３の外周の隙間１０７を通過させることにより、前記流動材料を連続乳化するものである。

しかしながら、この種の撹拌装置１００によれば、攪拌羽根１０３と仕切り板１０４によって流路がジグザグに形成されるため、例えば乳化処理対象の流動材料が高粘度でチキソ性の高い液状ゴム材料であるような場合、攪拌羽根１０３と仕切り板１０４との間の各混合室１０８における隅部に材料の滞留ゾーン１０８ａが形成されやすく、すなわちこの部分に処理対象の前記成形材料の一部が滞留してしまうおそれがある。そして液状ゴム材料のような高粘度でチキソ性の高い成形材料は、乳化処理完了後の物性として剪断に弱いという特性があるため、図８に示されるように、滞留ゾーン１０８ａに滞留した成形材料Ｂが、混合室１０８内で撹拌されながら送られる成形材料Ａとの境界で繰り返し剪断を受けることによって材料物性が低下することになる。このため、物性が低下した成形材料Ｂが、正常に撹拌・乳化された成形材料Ａの流れに乗ってこの材料Ａに混入し、加硫成形の際に成形不良が起こる原因となる。

また特許文献２に開示された撹拌装置でも、流路の隅部に材料の滞留ゾーンが形成されやすいため、同様の問題が起こるおそれがある。

特開平８−１９６８８７号公報 特開２００２−１０２６６７号公報

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、処理対象の材料の撹拌流路中に材料の滞留部が発生するのを防止して均質な撹拌・乳化を可能とする撹拌装置を提供することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る撹拌装置は、軸方向一端から軸方向他端へ向けて材料が送られる円筒容器と、この円筒容器内に同心的にかつ軸心の周りに回転可能に配置されたロータとを備え、前記円筒容器とその内周の前記ロータとの間に、径方向幅が相対的に広いマクロ撹拌空間と、このマクロ撹拌空間より径方向幅が相対的に狭いミクロ撹拌空間が、径方向幅が連続して変化する移行空間を介して軸方向交互に形成され、前記ロータに、前記マクロ撹拌空間に位置し、回転によって材料送り方向と逆向きの流れを発生させる撹拌羽根が設けられたものである。

また請求項２の発明に係る撹拌装置は、請求項１に記載の構成において、ロータの外周に、マクロ撹拌空間内に位置し、回転によって材料送り方向への流れを発生させる撹拌羽根が、回転によって材料送り方向と逆向きの流れを発生させる撹拌羽根と軸方向所定間隔で設けられたものである。

請求項３の発明に係る撹拌装置は、請求項１に記載の構成において、円筒容器が、軸方向一端を上側、軸方向他端を下側として設置されるものである。

本発明に係る撹拌装置によれば、第一マクロ撹拌空間では回転によって材料送り方向と逆向きの流れを発生させる撹拌羽根によって処理対象の流動材料のマクロ撹拌が行われ、ミクロ撹拌空間ではマクロ撹拌空間より径方向幅が相対的に狭くなっていることによって円筒容器とロータとの間で処理対象の流動材料が剪断を受けることによりミクロ撹拌が行われる。そして円筒容器内へその軸方向一端から供給される流動材料が、軸方向へ並んだマクロ撹拌空間とミクロ撹拌空間を、径方向幅が連続して変化する移行空間を介して交互に経由することによって撹拌・乳化されながら、軸方向他端へ送られるため、撹拌流路中に材料の滞留部が発生するのを防止して均質な処理を行うことができる。

また、マクロ撹拌空間内に、回転によって材料送り方向への流れを発生させる撹拌羽根を、回転によって材料送り方向と逆向きの流れを発生させる撹拌羽根と軸方向所定間隔で設けることによって、撹拌効率を向上することができる。

また、円筒容器が、軸方向一端を上側、軸方向他端を下側として設置されることによって、乳化処理対象の材料を重力によって円筒容器の軸方向一端からマクロ撹拌空間及びミクロ撹拌空間を交互に経由させて円筒容器の軸方向他端へ送ることができる。

本発明に係る撹拌装置の好ましい実施の形態を示す断面図である。 図１に示される実施の形態における撹拌羽根を示す斜視図である。 図１に示される実施の形態における第一マクロ撹拌空間による撹拌行程を示す説明図である。 図１に示される実施の形態における第一ミクロ撹拌空間による撹拌行程を示す説明図である。 図１に示される実施の形態における第二マクロ撹拌空間による撹拌行程を示す説明図である。 図１に示される実施の形態における第二ミクロ撹拌空間による撹拌行程を示す説明図である。 従来技術に係る撹拌装置の概略構造を示す断面図である。 図７の一部を拡大した断面図である。

以下、本発明に係る撹拌装置の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

まず図１に全体を示す撹拌装置において、参照符号１は軸方向一端を上側、軸方向他端を下側として軸心が略鉛直となるように設置された円筒容器、参照符号２はこの円筒容器１内に同心的に配置されたロータである。

円筒容器１の内周空間の軸方向一端（上端）には、ブロック状の端部材１１により円周方向等配形成された複数の材料供給ポート１１ａが開口しており、各材料供給ポート１１ａの上流側には不図示の材料供給ポンプが接続されている。また、円筒容器１の内周空間の軸方向他端（下端）には、漏斗状の端部材１２により形成された材料排出ポート１２ａが開口しており、すなわち円筒容器１の内周面とロータ２の外周面との間の空間には、上端の材料供給ポート１１ａから下端の材料排出ポート１２ａへ向けて、乳化処理対象の流動材料が送られるようになっている。

円筒容器１内には、上部がベアリング３１を介して回転可能に支持されると共に不図示のＡＣサーボモータ等により回転される回転軸３が同心的に挿入されており、ロータ２は、この回転軸３の外周に同心的に取り付けられることによって、回転軸３の軸心の周りに回転されるものである。

詳しくは、ロータ２は、上段ロータ２Ａと下段ロータ２Ｂを軸方向（上下）に並べて配置した二段構造となっている。そして、このうち上段ロータ２Ａの外周面は、上部小径円筒面２１と、その下端から下方へ向けて漸次大径になる第一円錐面２２と、この第一円錐面２２の下端から下方へ延びる大径円筒面２３と、この大径円筒面２３の下端から下方へ向けて漸次小径になる第二円錐面２４と、更にその下端にあって当該上段ロータ２Ａの下端に形成され前記上部小径円筒面２１と略同径の下部小径円筒面２５を有する。一方、下段ロータ２Ｂの外周面は、その上端にあって上段ロータ２Ａの下部小径円筒面２５と略同径の上部小径円筒面２６と、そこから下方へ向けて漸次大径になる第三円錐面２７と、その下端から延び、上段ロータ２Ａの大径円筒面２３と略同径の大径円筒面２８と、更にその下端から当該下段ロータ２Ｂの下端へ向けて漸次小径になる第四円錐面２９を有する。

このため、円筒容器１とその内周のロータ２（上段ロータ２Ａ及び下段ロータ２Ｂ）との間の空間には、径方向幅が相対的に広いマクロ撹拌空間Ｓ１，Ｓ５と、このマクロ撹拌空間Ｓ１，Ｓ５より径方向幅が相対的に狭いミクロ撹拌空間Ｓ３，Ｓ７が、径方向幅が連続して変化する移行空間Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６を介して軸方向交互に形成されている。

詳しくは、上段ロータ２Ａにおける上部小径円筒面２１の外周には径方向幅が相対的に広い第一マクロ撹拌空間Ｓ１が形成され、上段ロータ２Ａにおける大径円筒面２３の外周には第一マクロ撹拌空間Ｓ１より径方向幅が狭い（例えば4〜6ｍｍ程度）第一ミクロ撹拌空間Ｓ３が形成され、上段ロータ２Ａにおける下部小径円筒面２５及び下段ロータ２Ｂにおける上部小径円筒面２６の外周には径方向幅が第一マクロ撹拌空間Ｓ１と略同等の（相対的に広い）第二マクロ撹拌空間Ｓ５が形成され、下段ロータ２Ｂにおける大径円筒面２８の外周には径方向幅が第一ミクロ撹拌空間Ｓ３と略同等の（相対的に狭い）第二ミクロ撹拌空間Ｓ７が形成されている。

そして、上段ロータ２Ａにおける第一円錐面２２の外周には第一マクロ撹拌空間Ｓ１から第一ミクロ撹拌空間Ｓ３へ向けて径方向幅が連続して減少する第一移行空間Ｓ２が形成され、上段ロータ２Ａにおける第二円錐面２４の外周には第一ミクロ撹拌空間Ｓ３から第二マクロ撹拌空間Ｓ５へ向けて径方向幅が連続して増大する第二移行空間Ｓ４が形成され、下段ロータ２Ｂにおける第三円錐面２７の外周には第二マクロ撹拌空間Ｓ５から第二ミクロ撹拌空間Ｓ７へ向けて径方向幅が連続して減少する第三移行空間Ｓ６が形成されている。

ロータ２には、第一マクロ撹拌空間Ｓ１に位置する撹拌羽根４，５と、第二マクロ撹拌空間Ｓ５に位置する撹拌羽根６が取り付けられている。

第一マクロ撹拌空間Ｓ１に位置する撹拌羽根４，５のうち、上段の撹拌羽根４は、図２及び図３に示されるように、環状の取付座４１に円周方向等間隔で複数の羽根本体４２が突設されたものであって、図３に示されるように、取付座４１において上段ロータ２Ａの上端面に複数の螺子部材４３により取り付けられ、羽根本体４２は、矢印Ｒ方向への回転によって流体を下方へ送り出す流れ、すなわち図１に示される上端の材料供給ポート１１ａから下端の材料排出ポート１２ａへ向かう材料の流れに対して順方向の流れを発生させるように傾斜している。

また、第一マクロ撹拌空間Ｓ１に位置する撹拌羽根４，５のうち、下段の撹拌羽根５は、図１に示される上段ロータ２Ａの上部小径円筒面２１に円周方向等間隔で複数取り付けられるものであって、図２及び図３に示されるように、それぞれ取付板５１と、そこから外径側へ屈曲突出した羽根本体５２を有し、図３に示されるように、取付板５１において前記上部小径円筒面２１に複数の螺子部材５３により取り付けられ、羽根本体５２は、矢印Ｒ方向への回転によって流体を上方へ送り出す流れ、すなわち図１に示される上端の材料供給ポート１１ａから下端の材料排出ポート１２ａへ向かう材料の流れに対して逆方向の流れを発生させるように傾斜している。

また、第二マクロ撹拌空間Ｓ５に位置する撹拌羽根６は、図２及び図５に示されるように、環状の取付座６１に円周方向等間隔で複数の羽根本体６２が突設されたものであって、図５に示されるように、取付座６１において上段ロータ２Ａの下端面と下段ロータ２Ｂの上端面の間に挟み込まれた状態で複数の回り止めピン６３又は螺子部材により取り付けられ、羽根本体６２は、矢印Ｒ方向への回転によって流体を上方へ送り出す流れ、すなわち図１に示される上端の材料供給ポート１１ａから下端の材料排出ポート１２ａへ向かう材料の流れに対して逆方向の流れを発生させるように傾斜している。

以上のように構成された撹拌装置によれば、不図示の材料供給ポンプによって、円周方向等配状の各材料供給ポート１１ａから円筒容器１の内部空間の上端へ供給された乳化処理対象の流動材料（例えばゴム成形材料を得るための複数の材料や乳化剤）は、前記ポンプの圧力と、材料に作用する重力によって第一マクロ撹拌空間Ｓ１、第一移行空間Ｓ２、第一ミクロ撹拌空間Ｓ３、第二移行空間Ｓ４、第二マクロ撹拌空間Ｓ５、第三移行空間Ｓ６及び第二ミクロ撹拌空間Ｓ７を順次経由し、その過程で撹拌・乳化され、下端の材料排出ポート１２ａから排出される。

詳しくは、まず最も上流側にある第一マクロ撹拌空間Ｓ１では、図３に示されるように、回転軸３及び上段ロータ２Ａと一体に回転することによって材料送り方向に対する順方向の流れ（下方への流れ）を発生させる上段の撹拌羽根４と、材料送り方向に対する逆方向の流れ（上方への流れ）を発生させる下段の撹拌羽根５によって、乳化処理対象の流動材料がマクロ撹拌（粗撹拌）されながら、その下流側の第一移行空間Ｓ２を経由して第一ミクロ撹拌空間Ｓ３へ徐々に送られる。

第一移行空間Ｓ２は、上段ロータ２Ａにおける第一円錐面２２によって径方向幅が下流側へ向けて連続して減少するため、隅部などが存在せず、したがって流動材料の滞留ゾーンなども生じない。

ここで、第一移行空間Ｓ２内を第一ミクロ撹拌空間Ｓ３へ向けて送られる乳化処理対象の流動材料は、非回転の円筒容器１と、回転する上段ロータ２Ａとの間で、材料送り方向と直交する方向への剪断が与えられ、その作用は、円筒容器１と上段ロータ２Ａとの間の径方向幅が狭まるにつれて増大する。そして図４に示されるように、第一移行空間Ｓ２における最も径方向幅の狭い下流端部から、その狭い径方向幅を維持するように第一ミクロ撹拌空間Ｓ３が円筒状に延びているため、乳化処理対象の流動材料は、ここを通過する過程で、前記剪断作用によって粒子がより細かくなるミクロ撹拌（緻密な撹拌）を受けながら、その下流側の第二移行空間Ｓ４を経由して第二マクロ撹拌空間Ｓ５へ徐々に送られる。

第二移行空間Ｓ４は、上段ロータ２Ａにおける第二円錐面２４によって径方向幅が下流側へ向けて連続して拡大するため、隅部などが存在せず、したがって流動材料の滞留ゾーンなども生じない。

また、この第二移行空間Ｓ４内を下流側へ向けて乳化処理対象の流動材料が送られる過程で、非回転の円筒容器１と、回転する上段ロータ２Ａとの間に作用する剪断は、円筒容器１と上段ロータ２Ａとの間の径方向幅が徐々に拡大して行くのにつれて減少する。

第二移行空間Ｓ４の下流側の第二マクロ撹拌空間Ｓ５では、図５に示されるように、重力や材料供給ポンプの圧力による材料送り方向へ卓越した流れ（下方への流れ）に対して、逆方向の流れ（上方への流れ）を発生させる撹拌羽根６によって、乳化処理対象の流動材料が再度マクロ撹拌（粗撹拌）されながら、その下流側の第三移行空間Ｓ６を経由して第二ミクロ撹拌空間Ｓ７へ徐々に送られる。

そして第三移行空間Ｓ６は、下段ロータ２Ｂにおける第三円錐面２７によって径方向幅が下流側へ向けて連続して減少するため、隅部などが存在せず、したがって流動材料の滞留ゾーンなども生じない。

また、第三移行空間Ｓ６内を第二ミクロ撹拌空間Ｓ７へ向けて送られる乳化処理対象の流動材料は、非回転の円筒容器１と、回転する下段ロータ２Ｂとの間で、材料送り方向と直交する方向への剪断が与えられ、その作用は、円筒容器１と下段ロータ２Ｂとの間の径方向幅が狭まるにつれて増大する。そして図６に示されるように、第三移行空間Ｓ６における最も径方向幅の狭い下流端部から、その狭い径方向幅を維持するように第二ミクロ撹拌空間Ｓ７が円筒状に延びているため、乳化処理対象の流動材料は、ここを通過する過程で、前記剪断作用によって粒子がより細かくなるミクロ撹拌（緻密に撹拌）を受けながら、下段ロータ２Ｂにおける第四円錐面２９の外周を経由してその下流側の材料排出ポート１２ａへ向けて徐々に送られる。

以上のように、材料供給ポート１１ａから供給された乳化処理対象の流動材料は、第一マクロ撹拌空間Ｓ１、第一移行空間Ｓ２、第一ミクロ撹拌空間Ｓ３、第二移行空間Ｓ４、第二マクロ撹拌空間Ｓ５、第三移行空間Ｓ６及び第二ミクロ撹拌空間Ｓ７を順次経由する過程でマクロ撹拌及びミクロ撹拌を交互に受けることによって撹拌・乳化される。流路中に流動材料の滞留ゾーンも形成されないので、液状ゴムのような高粘度でチキソ性の高い成形材料の場合でも、滞留に起因する物性低下が起こらず、材料の均一な乳化を行うことができる。

また、従来技術では目標の乳化状態とするために、撹拌・乳化工程が完了した材料を再度撹拌装置に投入する場合があるが、図示の形態による撹拌装置では、マクロ撹拌空間Ｓ１，Ｓ５とミクロ撹拌空間Ｓ３，Ｓ７を軸方向交互に二段設けることによってワンパスで材料を連続乳化することができる。

なお、図示の形態ではマクロ撹拌空間とミクロ撹拌空間が交互に二段設けられているが、本発明は段数を限定するものではなく、処理対象の材料によっては一段のみ、あるいは三段以上とすることもできる。

また図２には、撹拌羽根４〜６として、それぞれ羽根本体４２，５２，６２を円周方向へ４枚有するものが例示されているが、羽根本体４２，５２，６２の枚数によって１回転あたりの撹拌の頻度が変化するので、乳化処理対象の流動材料の材質などに応じて適切に設定することによって、乳化の状態をコントロールすることが可能である。

また、図示の形態では円筒容器１とその内周のロータ２(及び回転軸３)が軸方向一端を上側、軸方向他端を下側として軸心が略鉛直となっているが、本発明は軸心が鉛直以外のものでも適用することができる。

１ 円筒容器
１１ａ 材料供給ポート
１２ａ 材料排出ポート
２ ロータ
２Ａ 上段ロータ
２Ｂ 下段ロータ
３ 回転軸
４〜６ 撹拌羽根
Ｓ１ 第一マクロ撹拌空間
Ｓ２ 第一移行空間
Ｓ３ 第一ミクロ撹拌空間
Ｓ４ 第二移行空間
Ｓ５ 第二マクロ撹拌空間
Ｓ６ 第三移行空間
Ｓ７ 第二ミクロ撹拌空間

Claims (3)

1. 軸方向一端から軸方向他端へ向けて材料が送られる円筒容器と、この円筒容器内に同心的にかつ軸心の周りに回転可能に配置されたロータとを備え、前記円筒容器とその内周の前記ロータとの間に、径方向幅が相対的に広いマクロ撹拌空間と、このマクロ撹拌空間より径方向幅が相対的に狭いミクロ撹拌空間が、径方向幅が連続して変化する移行空間を介して軸方向交互に形成され、前記ロータに、前記マクロ撹拌空間に位置し、回転によって材料送り方向と逆向きの流れを発生させる撹拌羽根が設けられたことを特徴とする撹拌装置。
2. ロータの外周に、マクロ撹拌空間内に位置し、回転によって材料送り方向への流れを発生させる撹拌羽根が、回転によって材料送り方向と逆向きの流れを発生させる撹拌羽根と軸方向所定間隔で設けられたことを特徴とする請求項１に記載の撹拌装置。
3. 円筒容器が、軸方向一端を上側、軸方向他端を下側として設置されることを特徴とする請求項１に記載の撹拌装置。

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