JP7733449B2 - 撹拌装置 - Google Patents

Description

本発明は撹拌装置に関する。

従来、被処理流体を撹拌するための撹拌装置が知られている。撹拌装置は、被処理流体の粘度等の性質に応じて様々な機能を有している。例えば、ヘアケア用品やスキンケア用品で用いられる乳化液は、油相（例えばシリコーンオイル）を微細化して水相中に分散させたものであり、このような乳化液を形成するため、油相にせん断力を与えて微細化する乳化方法が存在する。このような乳化液には、分散した粒子が分離しない安定した状態が長期にわたって要求される。また、低粘度の乳化液においては、分散した粒子にサブミクロン以下の粒子径が要求される。このような用途の撹拌装置としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。

国際公開第２０１９／０９３２８７号

特許文献１の撹拌装置は、ガイドリングの内部でディスパー翼を回転させることで、ガイドリングの内周面とディスパー翼の外周縁との間の空間内で、せん断力を撹拌対象物に与える。ところが被処理流体の粘度が高い場合、被処理流体が空間に連続的に流入せず、効率的に剪断処理を行えないかもしれない。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、剪断処理を効率的に行える撹拌装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために撹拌装置は、粒子を含有する被処理流体を収容する撹拌槽と、撹拌槽内に配置され被処理流体を撹拌する撹拌翼と、撹拌槽内の前記撹拌翼の底部側にあるディスパー空間の下端を定め、所定軸回りに回転することによりディスパー空間内の粒子を分散させる剪断翼とを備え、ディスパー空間の上端から剪断翼までの距離は、剪断翼の直径の５％～３５％である。

この構成により、剪断処理を効率的に行える。

実施形態による撹拌装置の縦断面図である。 図１のＡ－Ａ断面における断面図である。 撹拌装置の縦断面図である。 剪断翼の拡大図である。 変形例による撹拌装置の剪断翼の拡大図である。 実施例にて用いた剪断翼及びゲート翼との位置関係を示す模式図である。 実施例の測定結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態による撹拌装置について説明する。実施形態では、化粧品や食品等の種々の素材を乳化させるために用いられる撹拌装置を例に挙げ詳細な説明を行う。なお本発明は、乳化液を攪拌する攪拌装置に限られず、セルロースナノファイバーを分散処理する攪拌装置にも適用可能である。

図１は実施形態による撹拌装置の縦断面図であり、図２は図１のＡ－Ａ断面における断面図である。図１及び図２に示すように、撹拌装置１０は、被処理流体を収容する撹拌槽１２と、流動翼１４と、剪断翼１６と、ゲート翼１８とを備えている。流動翼１４、剪断翼１６、及びゲート翼１８は撹拌槽１２内に収容されており、それぞれ鉛直方向に延びる駆動軸回りに回転駆動する。流動翼１４、剪断翼１６、及びゲート翼１８は、撹拌槽１２外に設けられたモータ等の駆動部により別個に駆動される。したがって流動翼１４、剪断翼１６、及びゲート翼１８は、互いに独立して異なる回転速度で、異なる方向に回転可能である。流動翼１４、剪断翼１６、及びゲート翼１８の回転速度及び回転方向Ｒ３は、被処理流体の性質に応じて適宜決定される。

撹拌槽１２は、内周壁１２ａの側断面形状が円形の容器である。この撹拌槽１２は、上部に円筒状の直胴部２０を備え、下部に円錐台状の絞り部２２を備える。直胴部２０と絞り部２２とは、一体に形成されている。直胴部２０の内径は、上下方向で一定とされている。絞り部２２の内径は底部に向かうに従って小さくなる。図１では撹拌槽１２は上端部が開放されているが、上端部を閉鎖してもよい。撹拌槽１２の外部には、加熱・冷却部としてのジャケット部２４が形成されている。このジャケット部２４には熱媒又は冷媒が流れ、これにより撹拌槽１２内の被処理流体を加熱又は除熱（冷却）できる。

流動翼１４は、撹拌槽１２の内周壁１２ａに沿って設けられ、駆動軸回りに回転する。流動翼１４はリボン翼の形態を有しており、流動翼１４が回転すると撹拌槽１２の内周壁１２ａに沿って底部に向けた誘導流が形成される。撹拌槽１２内に誘導流が形成されると、被処理流体は混合され、底部に設けられた剪断翼１６により乳化される。

図１及び図２に示すように流動翼１４は、撹拌槽１２の内周壁１２ａに沿うように配置され、所定幅を有する２枚の流動翼本体２６と、これら２枚の流動翼本体２６を径内位置で支持する複数の支持棒２８、及び、流動翼本体２６を下方で連結支持する支持リング３０とを備える。流動翼本体２６、支持棒２８、及び支持リング３０は溶接等により一体とされる。各支持棒２８は上下方向に延びる直棒体であり、上方と下方とで流動翼本体２６に固定される。各支持棒２８は、流動翼用駆動軸３４を介して、撹拌槽１２の上方に設けられる流動翼用駆動部（図示しない）に接続される。支持リング３０は、各流動翼本体２６の下端同士を固定する。

各流動翼本体２６は湾曲帯状に形成されている。各流動翼本体２６は、直胴部２０内に配置された２枚の上部翼３６と、絞り部２２内に配置された２枚の下部翼３８とを備える。２枚の上部翼３６はそれぞれ、上面視において駆動軸回りを１８０度旋回するように延びる。２枚の上部翼３６は上面視において１８０度間隔をもって配置される。２枚の下部翼３８は上面視において駆動軸回りを９０度旋回するように延びる。上部翼３６は、撹拌槽１２の内周壁１２ａから一定距離をおいて配置され、周方向に一定の角度で傾斜しつつ旋回しながら頂部から底部に延びる。上部翼３６を回転させると、直胴部２０内の被処理流体は撹拌され、且つ底部に向けて流れる。

下部翼３８の直径は、絞り部２２の内側形状に対応している。具体的には下部翼３８の直径は頂部において直胴部２０の内周壁よりも僅かに小さく、底部において剪断翼１６の駆動軸の外径とほぼ同一になる。下部翼３８は、上面視にて、回転方向Ｒ３とは逆方向に膨出するよう湾曲した形状とされている（特に図２参照）。

上部翼３６と下部翼３８とは、接合部４０にて接続され両者は連続している。具体的には、図２に示すように、上部翼３６と下部翼３８は、上部翼３６を構成する帯状体の径内側端縁に、下部翼３８を構成する帯状体の表面が当接した状態で、接合部４０において溶接等により接続される。これにより上部翼３６と下部翼３８とが一体となっている。

下部翼３８は、上部翼３６により形成された旋回しつつ下方に向かう被処理流体を撹拌槽１２の中心に向けて流す。これにより被処理流体が剪断翼１６の方向に導かれる。

図３は撹拌装置の縦断面図である。より具体的には図３は、剪断翼及びその周辺を拡大した縦断面図である。剪断翼１６は、回転により被処理流体に剪断力を与える。剪断翼１６としては、ディスパー翼が用いられている。ディスパー翼は、回転可能な円板部４２と、円板部４２の外周に設けられた複数の剪断歯４４とを備える。剪断歯４４は、円板部４２の外周縁に沿って間欠的に配置され、円板部４２の面と直交して延びる。剪断歯４４は、上面視において円板部４２の外周縁の接線方向に対して傾斜して延びる。本実施形態の剪断歯４４は、円板部４２の上下方向に均等に突出しているが、少なくとも上下方向の一方に突出していればよく、上方向に突出した剪断歯４４と下方向に突出した剪断歯４４とを交互に配置することもできる。また、剪断歯４４を円板部４２の外周縁以外に設けることもできる。

剪断翼１６には、下方に延びる剪断翼用駆動軸４６が接続されている。なお、図示は省略しているが、撹拌槽１２と剪断翼用駆動軸４６との間には、撹拌対象物が漏れないようにシールが施されている。剪断翼用駆動軸４６は、撹拌槽１２の下方に設けられる剪断翼用駆動部（図示しない）に接続されている。これにより、剪断翼１６を上下方向に延びる縦軸まわりに回転させることができる。

図１に戻り、ゲート翼１８は、図示のように回転中心（縦軸）に対して対称形状である長方形枠状に形成されたゲート翼本体４８を備える。ゲート翼本体４８は、それぞれ棒状に形成された上側水平部材４８Ｕ、左側部材４８Ｌ、右側部材４８Ｒ、及び下側水平部材４８Ｄを一体に組み合わせて形成され、細長い棒状部材によるフレーム構造を有する。ゲート翼１８は、流動翼１４に対して逆方向に回転し、又は流動翼１４とは異なる回転数で流動翼１４と同方向に回転する。本実施形態ではゲート翼１８が「撹拌翼」に相当する。ゲート翼１８を回転させるためのゲート翼用駆動部（図示しない）は撹拌槽１２の上方に位置する。ゲート翼本体４８の上方に位置し、ゲート翼用駆動部に接続されるゲート翼用駆動軸５２と流動翼用駆動軸３４とは同心に配置される。なお、ゲート翼用駆動部は流動翼用駆動部と兼ねることができる。この場合、減速機等を介して流動翼１４とゲート翼１８とで異なる回転数（または異なる回転方向）の駆動力を供給するよう構成される。流動翼１４及びゲート翼１８の回転速度は剪断翼１６と比較して十分に遅く設定される。また流動翼１４と剪断翼１６が回転している間、ゲート翼１８は全く回転せず静止状態を維持してもよい。

流動翼１４とゲート翼１８とが組み合わせられたことで、撹拌槽１２内における、ゲート翼１８の回転に伴う撹拌対象物の移動と流動翼１４の回転に伴う撹拌対象物の移動とに差異が生じる。このため、撹拌槽１２内で撹拌対象物が流動翼１４と一致して動いてしまうような「供回り」を抑制でき、撹拌槽１２内の全体で円滑に撹拌対象物を流動させられる。

図４は、剪断翼の拡大図である。具体的には図４は、図３と同一の断面において流動翼１４を取り除いた状態を示す。剪断翼１６の上端とゲート翼１８の下端の間には、ディスパー空間Ｓが設けられている。ディスパー空間Ｓは、鉛直方向において剪断翼１６とゲート翼１８との間に設けられた空間であり、剪断翼１６とゲート翼１８が共働してディスパー空間Ｓ内に高剪断場を作り出す。ディスパー空間Ｓは上面視において剪断翼１６と重複する。つまりディスパー空間Ｓは、剪断翼１６の直径と同一の幅、剪断翼１６の上端からゲート翼１８の下端までの距離に相当する高さ、及び下側水平部材４８Ｄの厚みと同一の奥行きを有する板状空間である。剪断翼１６に剪断歯４４が設けられている場合、剪断翼１６の上端とは剪断歯４４の頂部をいう。剪断翼１６が剪断歯４４を有しておらず剪断翼１６が円板部４２のみで構成されている場合、剪断翼１６の上端とは円板部４２の上面をいう。したがって本実施形態では、ディスパー空間Ｓの下端は、剪断翼１６の構成部品の上端により定められる。ゲート翼１８の下端とは、枠状のゲート翼１８の最下部の下側水平部材４８Ｄの底面をいう。

ディスパー空間Ｓの高さ、つまりゲート翼１８の下端から剪断翼１６の上端までの距離Ｈは、ディスパー空間Ｓ内に被処理流体が十分に流入でき、かつディスパー空間内に高剪断場を作り出せるように最適化されている。具体的には距離Ｈは、剪断翼１６の直径Ｌ（つまり円板部４２の直径）の５％～３５％の範囲内に設定される。距離Ｈは、直径Ｌの５％～２５％であることがより好ましく、１０％～２５％であることが更に好ましい。発明者等の実験によれば、距離Ｈと直径Ｌとを上記範囲とすることにより、ディスパー空間Ｓ内に被処理流体が十分に流れ込み、ディスパー空間Ｓ内に形成される高剪断場内で被処理流体に十分な剪断力が作用することが判明した。これにより、粒子を被処理流体内で好適に分散させられる。距離Ｈが直径Ｌに対して小さすぎる（例えば５％未満になる）と、剪断翼１６とゲート翼１８との間に被処理流体が入り込みにくくなり、かつ剪断翼１６とゲート翼１８とが接触し易くなる傾向がある。この傾向は被処理流体の粘度が高い場合に特に顕著になる。反対に距離Ｈが直径Ｌに対して大きすぎる（例えば３５％よりも大きい）と、剪断翼１６とゲート翼１８によりディスパー空間内に十分な剪断力を生じさせられなくなる。

次に撹拌装置１０の動作を説明する。図１乃至図３を参照して、被処理流体が撹拌槽１２内に注入され、ゲート翼用駆動部、流動翼用駆動部、及び剪断翼駆動部がオン状態にされると、流動翼１４、剪断翼１６、及びゲート翼１８はそれぞれ予め決定された方向に回転駆動する。これにより流動翼本体２６が直胴部２０内の被処理流体を底部に向けて押し出し、撹拌槽１２内で内周壁１２ａに沿って底部に向かう誘導流Ｆが生じる。誘導流Ｆにより被処理流体が剪断翼１６に連続的に供給される。

剪断翼１６に供給された被処理流体の流れは、剪断翼用駆動軸４６に沿って頂部に向きを変え、ディスパー空間Ｓに向けて連続的に流れる。ディスパー空間Ｓ内及びその近傍では、剪断翼１６の回転により被処理流体に剪断力が作用し、被処理流体中に含まれる粒子が被処理流体中で分散する。その後、被処理流体は直胴部２０に向けて頂部方向に流れ、一連の循環を繰り返す。

以上のように撹拌装置１０によれば、ディスパー空間Ｓの寸法を剪断翼１６の直径に対して最適化することで被処理流体をディスパー空間Ｓ内に連続的に流せる。これにより被処理流体に含まれる粒子を好適に分散させられる。

また既存のゲート翼１８と剪断翼１６の組み合わせによりディスパー空間Ｓを定めることで、新たな部材を撹拌装置１０に組み込む必要がなくなる。

上述の実施形態では、既存のゲート翼１８の下側水平部材４８Ｄと剪断翼１６の間にディスパー空間Ｓを形成することとした。しかしながらディスパー空間Ｓは、剪断翼１６の上に配置され、剪断翼１６の回転速度よりも十分に低速な部材、又は他の静止している他の部材で形成されていてもよい。剪断翼１６が回転しているときに他方の部材が静止し、又は剪断翼１６よりも低速で回転している部材と剪断翼１６との間にディスパー空間を形成できれば、ディスパー空間内に十分な剪断力を発生させられる。

次に実施形態の変形例について説明する。

図５は変形例による撹拌装置の剪断翼の拡大図である。図５は、図４と同一の断面において流動翼１４を取り除いた状態を示す。

図５に示すように撹拌装置１００は、一対の側部材１０２を備える。一対の側部材１０２は、ゲート翼１８と一体にされ、ゲート翼１８の下側水平部材４８Ｄの底面から撹拌槽１２の底部に向けて延びる。一対の側部材１０２は、例えば角型の棒部材により形成される。一対の側部材１０２は、剪断翼１６の両側に配置され、上面視において剪断翼１６の中心と一直線上に並ぶ。側部材１０２の長さは剪断翼１６の下端よりも底部側まで延びるよう決定される。側部材１０２の径は被処理流体の粘度に応じて適宜決定され、被処理流体の粘度が高い場合には高負荷に耐えられるよう大きくするのがよい。側部材１０２及びゲート翼１８の下側水平部材４８Ｄは、剪断翼１６の三方を囲むような門形をなす。一対の側部材１０２は、ディスパー空間Ｓの幅方向の範囲を定める。本変形例では、ディスパー空間Ｓの下端は、剪断翼１６の構成部品の下端により定められる。したがって、この例においてディスパー空間Ｓは、側部材１０２及びゲート翼１８の下側水平部材４８Ｄにより囲まれる空間により定められる。ディスパー空間Ｓは、棒状の側部材１０２、及び棒状の下側水平部材４８Ｄからなるフレーム構造により定められる、とも言える。

側部材１０２から剪断翼１６までの距離Ｗは、ディスパー空間Ｓ内に被処理流体が十分に流入でき、かつディスパー空間Ｓ内に高剪断場を作り出せるように最適化されている。具体的には距離Ｗは、剪断翼１６の直径Ｌの５％～３５％の範囲内に設定される。距離Ｗは、直径Ｌの５％～２５％であることがより好ましく、１０％～２５％であることが更に好ましい。なお剪断翼１６が剪断歯４４を有する場合、距離Ｗは、実質的には円板部４２と側部材１０２との間の距離をいう。

実施形態では、剪断翼１６の頂部側に高剪断場を作り出せるよう距離Ｈを最適化したが、変形例ではこれに加えて剪断翼１６の側部にも高剪断場を作り出せるよう距離Ｗを最適化している。

このような変形例によれば、実施形態よりも更に好適に被処理流体に含まれる粒子を分散させられる。

変形例では側部材がゲート翼１８の下側水平部材４８Ｄの底面から延びる棒状部材であるとしたが、側部材の配置はこれに限られるものではない。側部材は、剪断翼１６の回転速度よりも十分に低速な部材、又は他の静止している部材で支持されていてもよい。剪断翼１６が回転しているときに側部材が静止し、又は剪断翼１６よりも低速で回転していれば、ディスパー空間内に十分な剪断力を発生させられる。

以下、本発明の実施例について説明する。実施例では、シミュレータを用いて、剪断翼の直径に対して剪断翼とゲート翼との間の距離を変化させたときの高剪断場の形成される模様を観測した。

図６は実施例にて用いた剪断翼１６及びゲート翼１８との位置関係を示す模式図である。剪断構造としては変形例による、側部材１０２を有する構造を用いた。剪断翼１６の直径に対する、剪断翼１６とゲート翼１８との間の距離（つまりディスパー空間Ｓの高さ）の割合をＢ１とする。

図７は、実施例の測定結果を示すグラフである。具体的には図７は、ディスパー空間を側面視したときに、ディスパー空間内における高剪断場（この例では２ＭＰａ以上の剪断力が発生している箇所）が占める割合と、値Ｂ１との関係を示すグラフである。図７に示すように、値Ｂ１が３５％を越えると高剪断場の割合が著しく低下する。

本発明は上述の実施形態又はその変形例に限定されるものではなく、実施形態等の各構成は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

上述の実施形態及び変形例を一般化すると、本発明に加えて以下のような態様が得られる。

粒子を含有する被処理流体を収容する撹拌槽と、
前記撹拌槽内に配置され前記被処理流体を撹拌する、剪断翼を含むロータのような駆動側部材と、
前記撹拌槽内の前記駆動側部材の底部側に配置され、前記ロータよりも低速で駆動し、又は前記ロータの駆動時に静止している固定側部材とを備え、
前記駆動部材と前記固定部材との間に隙間が形成され、隙間は前記駆動側部材の例えば直径のような寸法に基づいて決定される、撹拌装置。

この態様において隙間はディスパー空間に相当し、この構成によっても、被処理流体に含まれる粒子を分散させられる。

１０ 撹拌装置、 １２ 撹拌槽、 １４ 流動翼、 １６ 剪断翼、 １８ ゲート翼、 １００ 撹拌装置、 １０２ 側部材。

Claims (9)

1. 粒子を含有する被処理流体を収容する撹拌槽と、
   上側部材、左側部材、右側部材、及び下側水平部材が組み合わせて形成され、前記撹拌槽内に配置され前記被処理流体を撹拌する撹拌翼と、
   回転可能な円板部と、前記円板部の上方向に突出した剪断歯とを備え、前記剪断歯の上端が前記撹拌槽内の前記撹拌翼の底部側にあるディスパー空間の下端を定め、所定軸回りに回転することにより前記ディスパー空間内の粒子を分散させる剪断翼とを備え、
   前記下側水平部材の下端により定められる前記ディスパー空間の上端から前記剪断歯の上端までの距離は、前記剪断翼の直径の５％～３５％である、撹拌装置。
2. 前記剪断翼の側方に前記剪断翼から隙間をあけて配置され前記所定軸と平行に延び、前記撹拌翼と一体にされている側部材を備える、請求項１に記載の撹拌装置。
3. 前記撹拌翼の回転速度は、前記剪断翼と比較して遅く設定されている、請求項２に記載の撹拌装置。
4. 駆動軸回りに回転し、前記撹拌槽の内周壁に沿って底部に向けた誘導流を形成する流動翼を備える、請求項１に記載の撹拌装置。
5. 前記側部材の内周面から前記剪断翼の外周縁までの距離は、前記剪断翼の直径の５％～３５％である、請求項２に記載の撹拌装置。
6. 前記ディスパー空間の上端から前記剪断歯の上端までの距離は、前記剪断翼の直径の５％～２５％である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撹拌装置。
7. 前記ディスパー空間の上端から前記剪断歯の上端までの距離は、前記剪断翼の直径の１０％～２５％である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撹拌装置。
8. 前記側部材の内周面から前記剪断翼の外周縁までの距離は、前記剪断翼の直径の５％～２５％である、請求項２に記載の撹拌装置。
9. 前記側部材の内周面から前記剪断翼の外周縁までの距離は、前記剪断翼の直径の１０％～２５％である、請求項２に記載の撹拌装置。