JPH0148057B2

JPH0148057B2 -

Info

Publication number: JPH0148057B2
Application number: JP58191599A
Authority: JP
Inventors: Ryozo Inada
Original assignee: Sakata Inx Corp
Current assignee: Sakata Inx Corp
Priority date: 1983-10-13
Filing date: 1983-10-13
Publication date: 1989-10-17
Also published as: JPS6082148A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、各種分散物を製造するための分散機
にかかり、特に分散室中に充填したメデイアを強
制的に撹拌して分散すべき各種懸濁液を均一に粉
砕分散させるための連続式メデイア型分散装置に
関し、より好適には予備分散から仕上分散に到る
一連の処理に適する連続式分散機を提供する。

従来、塗料、印刷インキ、着色剤あるいは化粧
品等の各種コーテイング剤の製造工程において
は、ワニス等の液状媒体中に顔料、ワツクス等の
被粉砕体を微粉砕して均一に分散させる操作が必
要であり、そのためバツチ式ロールミル、ボール
ミル、連続式メデイアミル等の分散装置が使用さ
れている。しかし、これら粉砕分散操作における
作業性の向上、製品の品質ぶれの防止、あるいは
省エネルギー、省スペース、更には価格的優位性
からバツチ方式より連続方式でしかもメデイアを
用いた連続式メデイア型分散装置が広く利用され
てきている。

また、連続式メデイア型分散機の特殊なものと
しては、上述のような撹拌部材を用いず、回転軸
を特殊な形状の回転子となし、固定子内壁と当該
回転子外壁によつて、非常に小さな間隙を形成し
て、それを分散室となし、回転子の回転によつ
て、分散室中のメデイアを撹拌するような形式も
ある。なお、メデイアとしては、スチール、ガラ
ス、セラミツクあるいは類似の材料でできている
球形体を使用しそれぞれの粉砕、分散目的に応じ
てその粒径、充填量が決められる。

このメデイア型分散装置における粉砕又は分散
能力は、メデイアがいかに有効なずり応力を懸濁
液に付与するかによつて、その処理能力はもとよ
り、分散物の品質を大きく左右する。したがつ
て、メデイアの撹拌効率の向上が大きな課題であ
つた。

前述の撹拌部材を用いない特定の分散装置にあ
つては、回転子の回転速度を速めたり、あるい
は、分散室となる間隙をより狭まくすることによ
つて撹拌効果を向上している。

しかし、この形式の分散機においては、回転子
の壁面でもつてメデイアを撹拌する関係上、装置
の主要部分である回転子の側面あるいは固定子内
壁の摩耗損傷を防止するため回転数に制限があつ
たり、あるいは適性条件下で目的とする分散が出
来るような特定懸濁液の分散操作に適用すること
に限定される。

それゆえ、処理能力面で有利であり、また懸濁
液の種類、性質（粘度、硬度等）に関して制限が
少なく、しかも摩耗損傷等が生じれば、撹拌部材
のみの交換で対応出来る撹拌部材によるメデイア
撹拌形式の分散機が広く使用されている。

撹拌部材によつてメデイアを撹拌する形式の分
散機においては、メデイアの効率的撹拌を行うた
め、撹拌部材の形状をピン形状からデイスク状に
したり、デイスクに孔を設け、リング状あるいは
カム状に変形してメデイアの流れを制御したり、
固定子内壁にピンを設けてメデイア間の衝突性速
度差を向上したり、更には回転軸を太くすること
によつて、回転子の軸側の周速を大きくするなど
の改良がなされている。

しかしながら、回転子の上記改良は、メデイア
の撹拌効率を向上せしめる点では、ある程度の効
果は得られるが、撹拌部材あるいはメデイアの必
要以上の摩耗を促進する結果となつたり、撹拌部
材、回転軸あるいは分散室の各部分において、メ
デイアの撹拌効率に大きな差異が生じ、被粉砕物
の通過位置によつては、不十分な粉砕、分散作用
を受けることとなり粗大粒子のまま通過するいわ
ゆるシヨートパス現象が生じたり、あるいはメデ
イアが一局部又は吐出口に集中するいわゆる閉塞
現象が生じ、機械面、品質面、作業面、さらには
エネルギー効率において問題を有する。

それゆえ、分散装置の寿命を著しく縮めたり、
撹拌部材の取り換えをひんぱんに行なわねばなら
なかつた。また、未粉砕粗大粒子のシヨートパス
という現象は、分散物中の被粉砕体の粒度のばら
つきが生じ、均一で粒度分布のシヤープな理想的
分散物を得がたかつた。塗布、印刷インキのよう
に、分散の程度が製品の品質、性能に直接影響を
及ぼすものにあつては、粗大粒子の存在、分散物
の粒度分布の広がりは大きな問題となる。

本発明者は、従来装置の上記問題点を解決すべ
く鋭意研究を重ねた結果、それら問題点を解決し
たすぐれた連続式メデイア型分散装置を開発する
に致つた。

すなわち、本発明は、固定子内壁及び回転子外
壁及びメデイア分離器によつてかこまれた分部を
分散室となし、該分散室中にメデイアを充填し、
回転子外壁には回転子撹拌部材が固定され、回転
子の回転によつてメデイアを強制的に撹拌して懸
濁液を連続的に粉砕、分散させる連続式メデイア
型分散機において、回転子の形状が、逆円すい形
の上部に円筒形を組み合せたものであり、固定子
内壁も該回転子の形状に対応した形状で、回転子
外壁と固定子内壁との間隔を一定とした連続式メ
デイア型分散機を提供する。

以下、本発明に係る連続式メデイア型分散機を
図面を用いてより詳しく説明する。

第１図は、連続式メデイア型分散機の一参考具
体例の断面図を示すものであり、該分散機は撹拌
部材が取り付けられた逆円すい型の回転子と該回
転子に対応する形状の固定子内壁でもつて特徴づ
けられる。

１１は固定子内壁、１２は逆円すい状回転子外
壁を示し、該固定子内壁及び逆円すい状回転子外
壁とメデイア分離器によつてかこまれる部分でも
つて分散室１３が構成される。分散室には、メデ
イア１４が所定量充填されており、逆円すい状回
転子外壁１２及びその外壁に取り付けられた撹拌
部材１５の回転によつて強制的に撹拌される。ま
た、固定子内壁の外側には、冷却又は加熱のため
の媒体通路２４が形成されており、逆円すい状回
転子内部にも必要に応じて冷却又は加熱のための
媒体通路２０が形成される。そして、分散さるべ
き懸濁液は入口１７より圧力供給手段等により、
連続的に供給され、分散室内で粉砕、分散が行な
われ、分散物はメデイア分離器１８によつてメデ
イアと分離され、吐出口１９より連続的に排出さ
れる。

上記分散機においては、回転子外壁及び固定子
内壁を、逆円すい状になるよう形成しているた
め、回転子の回転軸が一定の角速度、ωで回転す
ると、懸濁液入口の近傍における回転子外壁上の
撹拌部材の先端（例えば、回転軸からr₁の半径に
ある場合）における周速v₁は、ω.r₁で示され、ま
た吐出口近傍における回転子撹拌部材の先端（半
径がr₂である場合）における周速v₂は同様ω・r₂
で示される。例えば撹拌部材の先端から固定子内
壁までの間隔を一定（間隔ｘ）とすると、撹拌部
材の先端と固定子内壁間のずり速度e₁及びe₂は、 e₁＝ω・r₁／ｘ e₂＝ω・r₂／ｘとなり、r₂＞r₁であることから、回転子の入口側
から吐出口に向つて、回転子外壁及びその撹拌部
材と固定子内壁間のずり速度が漸次に増大してい
く。

以上のように回転子の形状及び固定子内壁との
形状を特定することによつて、同じ回転数で回転
する回転子であつても入口近傍では比較的おだや
かなずり速度でもつてメデイアの撹拌と懸濁液の
粉砕、分散が行なわれ、漸次ずり速度を上昇せし
めて、撹拌力を高め、吐出口近傍では、最も大き
いずり速度でもつて、メデイアの撹拌、すなわち
粉砕、分散が行なわれる。被分散体の粒径が大き
い場合は微細な場合に比べ比較的容易に粉砕する
ことが出来るが、被粉砕体が微細になるにつれ
て、粉砕が困難となり、より高いエネルギーを必
要とする。それゆえ、分散室内で粉砕、分散作業
が進むにつれて、より高いずり速度による撹拌が
可能となり、より微細な分散物を得ることが出来
る。例えば、最大2000μ（２mm）程度の粒子を含
む予備混合物を、最大5μ程度の粒子とした分散
液を作る一連の処理に適用出来る。

更に上記装置の分散室は、上記特定した形状に
することによつて、懸濁液の単位進行巾あたりの
分散室容積は増大する。逆に言えば、懸濁液を定
量供給する場合、吐出口に近づくにつれて懸濁液
の進行速度が低下し、滞留時間が増大し、その分
だけ分散に寄与する時間も増大する。従つて、分
散室の吐出口に近づくにつれて、懸濁液の滞留時
間が増大する一方、メデイアのずり速度が増大す
るもので、分散エネルギーは相乗的に増大するも
のと言える。特にこの形状は起動時における運転
の過負荷を軽減できる利点がある。

以上のような形状を有する回転子及び固定子か
らなるメデイア型分散機を使用することによつ
て、分散効果にすぐれ、粗大粒子のシヨートパス
現象、メデイアの集中による閉塞現象を生じるこ
となく、微細で均一な粒度分布のシヤープな分散
物を効率よく得ることが出来る。また、メデイア
の撹拌速度を徐々に上昇させてゆく関係上撹拌部
材に無理がなく、摩耗損傷も少ない。また撹拌部
材でもつてメデイアを撹拌しているため、回転子
外壁及び固定子内壁の直接的な摩耗等は少ないも
のであり、撹拌部材を必要に応じ交換取付けする
だけで長期的使用に耐える。さらに、このように
被分散体の粒径に対応して徐々に粉砕、分散の力
をを大きくすることにより、初めから大きい力で
急激に粉砕、分散したものに比べ、その分散性が
すぐれ、得られた分散物例えば印刷インキあるい
は塗料のグロスが向上する。

第２図は、本発明に係る分散機の好ましい具体
例を示す。回転子の形状が単なる逆円すい状だけ
ではなく、逆円すい形及びその上部に円筒形を組
合せた形状（以下逆円すい円筒形という）を有す
る装置を示す。

第２図において、回転子は懸濁液入口側にあた
るＡ部分では逆円すい形を有し、吐出口側にあた
るＢ部分では、逆円すい形の最大径部分を径とす
る円筒形を有する。このような形状にすることに
よつて、逆円すい部分では、前述のとおり除々に
メデイアの撹拌速度を上昇させながら分散を行
い、逆円すい形の最終部分では最大の撹拌が行わ
れ、連続する次の円筒部分ではその撹拌をしばら
く維持した状態で更に一定の撹拌をつづけ、分散
をより確実にさせる。このような形状にすること
によつて、粗大粒子のシヨートパス現象はより確
実に防止することが出来る。

また第３図は、固定子内壁に対しても、撹拌部
材を取り付け、メデイアのより有効な撹拌を行つ
た場合の具体例である。１６は固定子内壁１１に
取り付けた撹拌部材を示す。回転子撹拌部材１５
に対向し、各回転子撹拌部材の隣り合う上下の中
間に位置する形で取り付けられている。なお、前
述の逆円すい形の回転子及び固定子からなる分散
機（第１図）の場合においても同様な固定子撹拌
部材を取り付けることは出来るものである。さら
に、固定子撹拌部材間あるいはそれに相当する位
置に波形隆起体２３を形成することが出来る。そ
の詳細は第５図で説明する。

ここで、回転子撹拌部材１５と固定子撹拌部材
１６のより具体的な大きさ、形状については、よ
り安定したずり速度でもつてメデイアを撹拌し、
より安定した分散を行うためには以下の説明する
条件を満足するものが特に好ましい。

すなわち、第２図及び第３図で示す逆円すい円
筒型からなる分散機においては、回転子の円筒部
分では、より確実な分散を行うための部分であ
り、この部分では、より安定したずり速度が得ら
れるような構成からなる撹拌部材を設けることが
好ましい。

第４図は、第３図で示した装置円筒部分で波形
隆起体を除いた一部を拡大した図面であり、固定
子撹拌部材１６及び回転子撹拌部材１５との相対
関係を示すものである。２２は回転子の中心軸を
示すものである。ここで固定子内壁１１に固定さ
れた撹拌部材１６は長方形状断面で示されてい
る。固定子撹拌部材１６−１と固定子内壁１１と
の下部接点Ａ、固定子撹拌部材１６−２と固定子
内壁１１との上部接点Ｂとし、Ａ、Ｂを通る水平
線と中心軸２２との交点をそれぞれＤ、Ｅとし、
Ａ、Ｂ点の中点をＣとした場合、三角形ADC及
び三角形BECが形成される。

粉砕、分散操作において、固定子内壁１１及び
固定子撹拌部材１６は固定され、回転子外壁１２
及び回転子撹拌部材１５は回転軸２２を中心とし
て回転し、分散室中のメデイアを強制的に撹拌す
ることになる。回転子の角速度をω、回転軸２２
より回転子撹拌部材の先端までの長さ、をR₂
とすると、回転子撹拌部材の先端での周速Ｖは
ω・R₂で示される。ここで三角形ADC及び三角
形BECの角ADC及び角BECをθとすると、回転
子撹拌部材の先端と固定子撹拌部材までの垂直間
隔又ははR₂tanθで表わされる。

回転子撹拌部材の先端下点Ｐ、上点Ｑと垂直関
係にある固定子撹拌部材Ｎ点、Ｏ点間のずり速度
e₃は以下のように表わされる。

e₃＝ω・R₂／＝ω・R₂／＝ω・R₂／
R₂tanθ＝ω／tanθとなる。

回転子撹拌部材の先端中央点Ｍと、それと水平
的に対応する固定子内壁の点Ｃ間のずり速度e₄は
以下のように表わされる。

e₄＝ω・R₂／で示され、＝＝と
すると、 e₄＝ω・R₂／＝ω・R₂／＝ω・R₂／＝ω・R₂／R₂tanθ＝ω／tanθ となる。

また、回転子外壁と固定子撹拌部材の先端Ｊま
たはＫまでの水平的間隔はまたはで表わさ
れ、またはをR₀とすると、回転子外壁に
おける周速度はωR₀で表わされる。ここで間隔
FJまたはをまたはの間隔と等しくする
と、回転子外壁Ｆ点、Ｇ点と固定子撹拌部材先端
Ｊ点、Ｋ点間のそれぞれのずり速度e₅は以下のよ
うに表わされる。

e₅＝ω・R₀／（＝）＝ω・R₀／（＝）＝ω・R₀／R₀tanθ＝ω／tanθ となる。

以上説明したように、回転子撹拌部材の先端下
点Ｐ、上点Ｑと垂直関係にある固定子撹拌部材Ｎ
点、Ｏ点間のそれぞれのずり速度e₃、回転子撹拌
部材の先端中央点Ｍとそれと水平的に対応する固
定子内壁の点Ｃ間のずり速度e₄、および回転子外
壁Ｆ点、Ｇ点と水平関係にある固定子撹拌部材先
端Ｊ点、Ｋ点間のそれぞれのずり速度e₅は、みな
ω／tanθとして一定値を示すことになる。従つ
て、分散室に充填されたメデイアの実質的に均一
な強制撹拌に近づけることが可能となり、シヨー
トパス現象あるいはメデイアの部分的集合が生じ
にくくなる。

第４図の構成は次のように要約される。

固定子、回転子の撹拌部材の太さをともにd₁と
し、角BEC、ADCの角度θを、Ｏ＜θ≦20゜と
し、次式(1)、(2)、(3)よりθとR₃とR₀を決めるこ
とにより、撹拌部材の太さd₁、長さ（R₂−R₀）、
（R₃−R₁）を特定することが出来る。

R₀＋R₀tanθ＝R₁ (1) R₂＋R₂tanθ＝R₃ (2) d₁＝２×（R₃−R₂）tanθ (3) 第５図は、第４図と同じ目的の図面であるが、
回転子撹拌部材の大きさ、形状等のより好ましい
具体例を示す。すなわち、回転子撹拌部材１５の
形状が、前述三角形BECおよびADCの斜辺、
CDに対応した台形状の断面（HIQP）を有する。
ここで台形状の回転子撹拌部材の先端中央点Ｍと
それに水平的に対応した固定子内壁の点Ｃとの間
隔＝とし、固定子撹拌部材の先端上点Ｊ
とこれに水平的に対応する回転子外壁の点Ｆとの
間隔＝とすると間隔、、、お
よびＬ〜Ｐに垂直対応するＪ〜Ｎ間のずり速度は
いずれもω／tanθで表わされ、一定値となる。

更に、固定子内壁の固定子撹拌部材の間に、
MCもしくはこれと近似の間隔を半径とする半円
を形成するような波形隆起体２３を形成した例を
示す。該波形隆起体を形成することによつて、回
転子撹拌部材の先端と該波形隆起体との間隔は一
定となり、波形隆起体のいずれの点に対してもず
り速度はω／tanθとなる。よつて、メデイアのよ
り均一な撹拌が可能となるものである。

第５図における両撹拌部材の構成は次のように
要約される。固定子撹拌部材の先端の垂直関係位
置における回転子撹拌部材の太さ及び固定子撹拌
部材の太さをともにd₂、角BEC・ADCの角度を、
０＜θ≦20゜とし、かつ長さ（R₃−R₂）と長さ
（R₂−R₁）を等しくすると、次式(1)、(2)、(3)より
θとR₃を決めることにより、撹拌部材の太さd₂
（回転子撹拌部材については固定子撹拌部材先端
に対応する位置の太さを意味する。）、長さ（R₂
−R₀）、（R₃−R₁）、回転子外壁半径R₀を特定す
ることが出来る。

R₀＋R₀tanθ＝R₁ (1) R₂＋R₂tanθ＝R₃ (2) d₂＝２×（R₃−R₁）tanθ＝４×（R₃−R₂）tanθ (3) これにより、回転子撹拌部材と固定子撹拌部材
の表面積がほぼ等しくなり、メデイアのより均一
な混合が可能となる。

なお、逆円すい部分では、第４図又は第５図で
示した円筒部の撹拌部材と同様の大きさ、形状の
撹拌部材を設けることが出来、又これらの上下間
隔、回転子外壁と固定子内壁の間隔も円筒部分と
同様にすることがより好ましい。

なお、第１〜５図においては、それぞれ断面図
のみを示しただけであるが、固定子、回転子撹拌
部材の断面が、上記の条件を満足するかぎり、円
柱ピン状、円すいピン状、あるいはそれら断面を
有するデイスク型、あるいは部分的に切断された
デイスク型であつても良い。その先端側は丸まつ
ているか、平らか、それらの変形か、種々の形状
をとりうる。

第６図は、第３図のＡ−Ａ線に沿つた横断面図
で、両撹拌部材のピン形式の場合の例を示す横断
面図である。

また第１図においては、回転子の取り付け方の
一例を示しているが、回転子の取付け方式等は必
要に応じて自由に変形出来る。また回転子内にも
冷媒等を通過させることによつてより効果的に熱
交換が可能である。

以上のような構成からなる本発明の分散機は、
各種材料からなる懸濁液の粉砕、分散等に使用出
来、以下のような効果が期待出来る。

分散室内のメデイアに対して、懸濁液の入口
側から吐出口にかけて漸次撹拌速度が高められ
るため、運転起動時の過負荷が軽減され、エネ
ルギーロスが少なく、被分散体の粒径に対応し
て徐々に粉砕、分散を実施でき、メデイアの部
分的集合や閉塞が生じにくく安定した分散が出
来る。

懸濁液の滞留時間は分散が進行するに伴つて
増大してゆくため、より確実な分散が出来、シ
ヨートパス現象が生じにくく、粒度が微細で、
しかも分布のシヤープな分散物が得られる。

逆円すい形と円筒形の回転子にすることによ
つて、円筒部でより確実な分散が可能となり、
微細で粒度分布のシヤープな分散物が同様得ら
れる。

固定子内壁、回転子外壁、各撹拌部材、メデ
イアの局部的摩耗変形又は破壊が少ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、連続式メデイア型分散機の一参考具
体例の縦断面図を示す。第２図は、第１図で示し
た逆円すい形の回転子の上部に円筒形を組み合わ
せた形状の本発明に係る連続式メデイア型分散機
の一具体例の縦断面図を示す。第３図は、固定子
内壁に対しても撹拌部材を取り付け、さらに該撹
拌部材間に波形隆起体を形成した本発明に係る連
続式メデイア型分散機の一具体例の縦断面図であ
る。第４図は、第３図で示した分散機（ただし波
形隆起体を除く）の回転子撹拌部材と固定子撹拌
部材との相対関係を示す、該分散機の一部を拡大
した図面である。第５図は、第４図と同じ目的の
より好ましい具体例を示す。第６図は、第３図に
おけるＡ−Ａ線に沿つた横断面図である。１１……固定子内壁、１２……回転子外壁、１
３……分散室、１４……メデイア、１５……回転
子撹拌部材、１６……固定子撹拌部材、１７……
材料入口、１８……メデイア分離器、１９……吐
出口、２０……媒体通路、２３……波形隆起体、
２４……媒体通路。

Claims

【特許請求の範囲】１固定子内壁、回転子外壁及びメデイア分離器
により囲まれた分散室、この分散室内に充填した
メデイアを強制的に撹拌して懸濁液を連続的に粉
砕、分散するための、半径方向に分散室に向かつ
て突出する回転子撹拌部材を有する回転可能に支
承された回転子からなる連続メデイア型分散装置
において、回転子が逆円すい形の上部に円筒形を
組み合わせた形状であり、固定子内壁も該回転子
の形状に対応した形状で、回転子外壁と固定子内
壁との間隔を一定とした連続式メデイア型分散
機。２冷却又は加熱のための装置を、回転子内側又
は固定子外側に設けた特許請求の範囲第１項に記
載の連続式メデイア型分散機。３固定子内壁、回転子外壁及びメデイア分離器
により囲まれた分散室、この分散室内に充填した
メデイアを強制的に撹拌して懸濁液を連続的に粉
砕、分散するための、半径方向に分散室に向かつ
て突出する回転子撹拌部材を有する回転可能に支
承された回転子からなる連続式メデイア型分散装
置において、回転子の形状が逆円すい形の上部に
円筒形を組み合わせた形状であり、固定子内壁も
該回転子の形状に対応した形状で、回転子外壁と
固定子内壁との間隔を一定とし、回転子撹拌部材
に対向し、該撹拌部材の中間の位置で、固定子内
壁上に固定子撹拌部材を設けた連続式メデイア型
分散機。４円筒部分において、固定子内壁に固定した撹
拌部材の隣り合う上下の中間に回転子撹拌部材を
位置させ、固定子撹拌部材の取り付け接点Ａ、Ｂ
点を通る水平線と回転子の回転軸との交点Ｄ点又
はＥ点、及びＡ、Ｂ点の中点Ｃとを結ぶ三角形
CDEが回転子外壁により区切られて出来る三角
形CIHに相当する位置に回転子撹拌部材を配置
し、回転子撹拌部材の先端と固定子内壁までの間
隔を回転子撹拌部材の先端と固定子撹拌部材
までの垂直間隔及びに等しく、かつ固定
子撹拌部材の先端と回転子外壁までの間隔及
びを三角形BEC及びADCが回転子外壁により
区切られる及びに等しくした特許請求の範
囲第３項記載の連続式メデイア型分散機。５円筒部分における回転子撹拌部材を、三角形
CDE内の台形断面（HIQP第５図）とした特許請
求の範囲第３項又は第４項記載の連続式メデイア
型分散機。６固定子内壁上の撹拌部材の間に、回転子撹拌
部材の先端から固定子内壁までの長さ、もし
くはこれと近似の間隔を半径とする波形隆起体
（第５図２３）を設けた特許請求の範囲第３項な
いし第５項のいずれかに記載の連続式メデイア型
分散機。７冷却又は加熱のための装置を、回転子内側又
は固定子外側に設けた特許請求の範囲第３項ない
し第６項のいずれかに記載の連続式メデイア型分
散機。