(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上述したような従来の撹拌措置では、被撹拌物の旋回流が衝突するバッフルの背後において上記被撹拌物が著しく減速して滞留が生じる傾向にあり、これにより原料や反応生成物などの濃度分布等が増大し、結果的に品質のバラツキが拡大する虞がある。上記傾向は、被撹拌物の物性にもよるが、特に撹拌中の重合などにより粘度が上昇するもので顕著となる。
【0007】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、被撹拌物の濃度等の均一化を促進することが可能な撹拌装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、
(1)被撹拌物を撹拌する撹拌装置であって、
前記被撹拌物を内部に収容する撹拌槽と、
前記撹拌槽内に配置され、前記被撹拌物を回転しながら撹拌する撹拌翼と、
撹拌軸を介して前記撹拌翼に接続され、前記撹拌翼を回転駆動する駆動手段とを備え、
前記撹拌槽の内壁の少なくとも一部において、前記撹拌軸方向と同じ軸方向の螺旋軸を有しかつ前記内壁に沿って螺旋状に連続する所定の凹部が形成されていることを特徴とする撹拌装置、
(2)撹拌槽の内壁の少なくとも一部の粗さが、算術平均粗さ(Ra)で1.0μm以下である前記(1)に記載の撹拌装置、
(3)螺旋軸方向における各凸部の寸法および各凹部の寸法は互いに同一であると共に、螺旋軸の径方向における前記各凸部の寸法および前記各凹部の寸法は互いに同一であって、
寸法L、寸法Sおよび寸法Dが、下記式(1)から(3)の関係をいずれも満たす前記(1)または(2)に記載の撹拌装置、並びに
0<S/L<1/2 (1)
0<2L/πD≦tan(15°) (2)
0<S/D≦0.2 (3)
(前記式(1)〜(3)中、Lは、螺旋軸方向における各凸部の寸法および各凹部の寸法である。Sは、螺旋軸の径方向における各凸部の寸法および各凹部の寸法である。Dは、撹拌槽を撹拌軸に直交する投影面に投影したときの投影像における前記撹拌
軸を横断する前記内壁間の寸法の最小値である。)
(4)撹拌槽が、ステンレス鋼、銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料で形成されている前記(1)から(3)のいずれか1項に記載の撹拌装置
に関する。
【0009】
なお、本明細書において「内壁」とは、撹拌槽の胴部表面のうちの被撹拌物に接液する表面を意味する。また、基準線とは、螺旋軸を含む面で撹拌槽を切断したときの切断面において、上記螺旋軸との距離が、上記螺旋軸と上記断面における内壁の輪郭線との距離の平均値に一致する点を通る上記螺旋軸に平行な仮想線を指す。また、「凸部」とは、上記切断面において、上記輪郭線が上記基準線よりも上記螺旋軸方向にオフセットしている内壁の部位を指し、「凹部」とは、上記切断面において、上記輪郭線が上記基準線よりも上記螺旋軸から離間する方向にオフセットしている内壁の部位を指す。また、「所定の凹部」とは、特定の周期を有するあらかじめ定められた形状の凹部を意味し、「内壁の粗さ」とは、不規則に形成された内壁の形状を意味するものであり、これら所定の凹部と内壁の粗さとは異なる概念である。
【発明の効果】
【0010】
本発明は、被撹拌物の濃度等の均一化を促進することができる撹拌装置を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明の撹拌装置は、被撹拌物を撹拌する撹拌装置であって、上記被撹拌物を内部に収容する撹拌槽と、上記撹拌槽内に配置され、上記被撹拌物を回転しながら撹拌する撹拌翼と、撹拌軸を介して上記撹拌翼に接続され、上記撹拌翼を回転駆動する駆動手段とを備え、上記撹拌槽の内壁の少なくとも一部において、上記撹拌軸方向と同じ軸方向の螺旋軸を有しかつ上記内壁に沿って螺旋状に連続する所定の凹部が形成されていることを特徴とする。
【0013】
以下、本発明の撹拌装置について図面を参照して説明するが、本発明は、当該図面に記載の実施形態にのみ限定されるものではない。
【0014】
図1は、本発明の一実施形態を示す概略断面図である。当該撹拌装置1は、
図1に示すように、概略的に、撹拌槽2と、撹拌翼3と、駆動手段5と、温調手段7とにより構成されている。
【0015】
撹拌槽2は、被撹拌物bを内部に収容する。この撹拌槽2は、具体的には、略円筒形状の胴部2aと、この胴部2aの一端を閉塞するように接続された略半回転楕円面形状の槽底部2bとを有している。
【0016】
この撹拌槽2は、被撹拌物bに接液する撹拌槽2の内壁6(接液部)が、撹拌槽2の内壁6の少なくとも一部(本実施形態では、内壁6の接液部全体)において、
図2に示すように、撹拌軸4方向と同じ軸方向の螺旋軸8を有しかつ内壁6に沿って螺旋状に連続する所定の凹部6aが形成されている。
【0017】
ここで、所定の凹部6aとしては、
図3に示すように、螺旋軸8方向における各凸部6bの寸法(幅)および各凹部6aの寸法(幅)が互いに同一(寸法L)であると共に、螺旋軸8の径方向における各凸部6bの寸法(高さ)および各凹部6aの寸法(深さ)が互いに同一(寸法S)であって、寸法L、寸法Sおよび寸法Dが、下記式(1)から(3)の関係をいずれも満たすことが好ましい。
【0018】
0<S/L<1/2 (1)
0<2L/πD≦tan(15°) (2)
0<S/D≦0.2 (3)
【0019】
上記式(1)〜(3)中、Lは、螺旋軸8方向における各凸部6bの寸法(幅)および各凹部6aの寸法(幅)である。Sは、螺旋軸8の径方向における各凸部6bの寸法(高さ)および各凹部6aの寸法(深さ)である。Dは、撹拌槽2を撹拌軸4に直交する投影面に投影したときの投影像における上記撹拌
軸4を横断する上記内壁6間の寸法の最小値である。
【0020】
ここで、寸法Lおよび寸法Sが上記式(1)で表される関係を満たすことで、乱流を容易に発生させ、かつ被撹拌物bの滞留防止性を向上させることができる。また、寸法Lおよび寸法Dが上記式(2)で表される関係を満たすことで、撹拌軸4方向の流れを促進させ、かつ乱流を容易に発生させることができる。さらに、寸法Sおよび寸法Dが上記式(3)で表される関係を満たすことで、乱流を容易に発生させ、かつ撹拌翼3の形状自由度を向上させることができる。
【0021】
このように、当該撹拌装置1が上記関係を満たすことで、被撹拌物bを効果的に撹拌することができ、当該被撹拌物bの濃度等をより均一化することができる。
【0022】
ここで、S/Lは、乱流を容易に発生させる観点から1/10以上が好ましく、被撹拌物bの滞留防止性を向上させる観点から1/3以下が好ましい。また、2L/πDは、撹拌軸4方向の流れを促進させる観点からtan(2°)以上が好ましく、乱流を容易に発生させる観点からtan(10°)以下であることが好ましい。さらに、S/Dは、乱流を容易に発生させる観点から0.05以上が好ましく、撹拌翼3の形状自由度を向上させる観点から0.15以下であることが好ましい。
【0023】
なお、内壁6における凹部6aが形成される部位は、特に限定されず、内壁6の一部のみに形成されていてもよいが、被撹拌物bの濃度等の均一化をより促進する観点から、内壁6全体に亘って形成されていることが好ましい。
【0024】
凹部6aを形成する方法としては、例えば、機械加工、エッチング、鋳造、鍛造、溶接、研摩、冶金、打ち出し板金、叩き出し板金などの方法を単独でまたは組み合わせて用いることができる。
【0025】
また、撹拌槽の内壁の少なくとも一部の粗さが、算術平均粗さ(Ra)で1.0μm以下であることが好ましい。このRa≦1.0μmは、JIS R 6010に規定されているP400相当の粒度の研磨材を用いて研磨した後、電解研磨を施すことによって得ることができる。これにより、ダストが内壁6に噛み込むのを防止することができ、撹拌槽2の内壁6への汚れの付着を抑制することができる。
【0026】
上記表面粗さを有する内壁6を形成する方法としては、例えば、電解研磨、メッキ、エッチング、砥石による研磨加工、サンドペーパー処理、レーザー加工などによる方法、またはこれらを組み合わせた方法等が挙げられる。
【0027】
撹拌翼3は、撹拌槽2内に配置され、被撹拌物bを回転しながら撹拌する。この撹拌翼3は、被撹拌物bの混合(混合、撹拌、分散などを総称して「混合」と称する)および濃度分布の均一化や、後述する温調手段7と被撹拌物bと間の伝熱を促進させる。撹拌翼3は板状の部材であり、後述する駆動手段5の動力を伝搬させるための撹拌軸4の一端側に垂直に固定されている。駆動手段5は、撹拌軸4を介して撹拌翼3に接続され、撹拌翼3を回転駆動する。駆動手段5としては、例えば、
図1に示すモータ51等を採用することができる。
【0028】
温調手段7は、被撹拌物bの温度を調整する。この温調手段7としては、被撹拌物bの加熱冷却が可能であれば特に限定されず、例えば、ジャケット、ラバーヒータ、ペルチェ素子等を採用することができる。なお、ジャケットなどを採用して撹拌槽2の外周から温度を調整する場合、上記撹拌槽2の外周の少なくともジャケットなどが接する表面を、例えば凹凸形状のような形状に形成することで、可能な限り伝熱面積(ジャケットなどと撹拌槽との接触面積)を広くすることが好ましい。これにより、上記ジャケットなどと撹拌槽2との間の伝熱を促進することができる。
【0029】
本実施形態の温調手段7は、ジャケット71が採用されている。このジャケット71は、具体的には、
図1に示すように撹拌槽2の外周にスパイラル状に捲かれており、ジャケット71の内部に流路72が設けられ、熱媒体cがジャケット71の下方に位置する入口73を介して流路72に投入され、この流路72を流通しながら被撹拌物bと熱交換(被撹拌物bを加熱または冷却)した後にジャケット71の上方に位置する出口74から排出される。
【0030】
熱媒体cは、入口73での温度が一定であれば使い捨ての流体(一過水など)または再使用可能な流体(循環水など)のいずれであってもよい。この熱媒体cとしては、流路72等の腐食劣化を防止する観点から、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのグリコール類、水、塩水、シリコーンオイル、熱風、蒸気を好適に用いることができる。これらは、単独でまたは組み合わせて用いてもよい。
【0031】
熱媒体cの流速としては、熱伝達性向上の観点から、0.3m/秒〜3.0m/秒であることが好ましく、1.0m/秒〜2.0m/秒であることがより好ましい。また、流路72内における熱媒体cの流れの方向としては特に限定されないが、熱交換を効率よく行う観点から、撹拌翼3の回転方向と反対の方向であることが好ましい。また、流路72内での熱媒体cの充填性向上の観点から、熱媒体cが撹拌槽2の下方(入口73)から上方(出口74)に向かって流れるようにすることも好ましい。
【0032】
上述した撹拌槽2、撹拌翼3および撹拌軸4を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼、鉄、銅、真鍮、アルミニウム、超硬などの金属系材料等を用いることができる。これらの中で、撹拌槽2としては、ステンレス鋼、銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料で形成されていることが好ましい。これにより、撹拌槽2を容易に形成することができ、加えて被撹拌物bを温調するときには撹拌槽2を介する伝熱の促進により被撹拌物bの温度をより迅速に調整することができる。
【0033】
また、これら撹拌槽2、撹拌翼3および撹拌軸4の接液部には、上記金属系材料の表面にホワイトアルミナ、グレイアルミナ、アルミナ−チタニア、アルミナ−マグネシア、ジルコニア−カルシア、ジルコニア−イットリア、ジルコニア−マグネシア、クロミア−チタニア、クロミア−シリカ−チタニア、タングステン、チタニア、クロミア、イットリア、ジルコニア、クロムカーバイト、マグネシア、セリア、タングステンカ−バイトなどのセラミックスを溶射により表面処理したものや、フッ素系素材によりライニングしたもの等を採用してもよい。
【0034】
以上のように、本実施形態では、上述した撹拌槽2と撹拌翼3と駆動手段5とを備え、撹拌槽2の内壁6の少なくとも一部において、撹拌軸4方向と同じ軸方向の螺旋軸8を有しかつ内壁6に沿って螺旋状に連続する所定の凹部6aが形成されているので、被撹拌物bの撹拌軸方向の流れを確実かつ容易に発生させることができると共に被撹拌物bの流れ状態を示すレイノルズ数を高めることができ、かつバッフルに起因する滞留の発生がない分、被撹拌物bの濃度等の均一化を促進することができる。その結果、例えば、被撹拌物が化学的に非反応である場合は、混合、溶解、分散などに要する時間を短縮することができ、被撹拌物が化学的に反応する場合は、上記混合など時間短縮に加えて反応を円滑に行わせることができる。
【0035】
また、バッフルを設けた場合、撹拌槽に比して狭小なバッフルと撹拌槽との連結部に異物が付着し易くなり、この異物が被撹拌物の汚染源になり得ると共に当該連結部の洗浄作業(異物の除去作業)に多大な労力を要するのに対し、当該撹拌装置1はバッフルを備えていない分、異物による汚染の防止および洗浄作業の効率化を図ることができる。
【0036】
なお、本発明は、上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【0037】
例えば、上述した実施形態では、凹部6aの螺旋が上面視反時計回りに槽底部2bから離間する撹拌装置1(
図2参照)について説明したが、
図6に示すように、上記凹部6aの螺旋は、上面視時計回りに槽底部2bから離間する撹拌装置であってもよい。また、螺旋状に連続する凹部6aは、それぞれ独立して複数形成されていてもよく、かかる場合、上述した上面視反時計回りのものと、上面視時計回りのものとが混在していてもよい。
【0038】
また、上述した実施形態では、内壁6は、隣り合う凸部6bと凹部6aとの間に、螺旋軸8に平行かつ基準線9に一致する面を有しない撹拌装置1について説明したが、上記面を有する撹拌装置であってもよい。
【0039】
また、上述した実施形態では、温調手段7を備えている撹拌装置1について説明したが、温調手段を備えていない撹拌装置も本発明の意図する範囲内である。
【実施例】
【0040】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。なお、以下に示す撹拌装置の各部位は、
図7に示す通りである。
【0041】
[実施例1]
実施例1の撹拌装置は、撹拌槽が槽径D=200mm、槽径基準位置の板厚t=1.5mm、胴部高さB=250mm(有効高さ200mm)の略円筒形状であり、上記撹拌槽の槽底部Aを略半回転楕円面形状とし、撹拌槽全体をSUS316L鋼で作製した。螺旋状に連続する凹部は、螺旋軸の径方向における各凸部の寸法および各凹部の寸法Sが8mm、隣り合う凸部と凹部からなる螺旋の1周期(2L)が35mmであり、上記凹部は連続する1つの凹部として内壁全体に亘って螺旋が上面視反時計回りに槽底部から離間するように形成した。また、撹拌槽の内壁は、JIS R 6010に規定の粒度P400相当の粒度を有する研磨剤を用いて研磨した後、電解研磨を施すことでRa=1.0μmに仕上げた。なお、上記有効高さとは、被撹拌物を受け入れ可能な撹拌槽内の胴部下端からの高さを意味する。また、縦50mm(=Y)、横10mm(=X)の流路を有するジャケットを撹拌槽の外周に設置し、上記胴部に沿って4周捲かれるように設置した。上記Raは、粗さ測定器(キーエンス社製レーザーマイクロスコープ、型番:VK−X150/160)を用いて測定したものである。
【0042】
また、撹拌軸は、φ10mmとした。撹拌翼は、翼径d=60mm、翼高さb=40mm、板厚1.5mmの2枚翼とし、翼底形状は槽底形状に合わせた。駆動手段は、モータとした。なお、本実施例においては、バッフルは未設置とした。
【0043】
[比較例1]
撹拌槽内壁に凹部を有しないこと以外は、実施例1と同様の構成の撹拌装置とした(
図5参照)。
【0044】
[比較例2]
撹拌槽に、撹拌軸を中心軸として90°間隔で、上記撹拌軸の径方向長さ15mm、軸方向長さ200mmおよび厚み1.5mmの板状のバッフルを4枚設置したこと以外、同様の構成の撹拌装置とした。
【0045】
<評価>
混合時間、レイノルズ数および滞留防止性を測定し、その結果を表1に示す。
【0046】
[混合時間]
被撹拌物として市販の水あめ、チオ硫酸ナトリウム(Na
2S
2O
3)およびヨウ素(I
2)を合計4Lを用いた。まず、十分に混合したヨウ素と水あめとの混合物を撹拌槽に入れ、撹拌モーターを作動させた後、ヨウ素1当量に対して1.1当量のチオ硫酸ナトリウムを上記混合物に投入した。次いで、上記投入の時点(反応開始時点)から脱色の進行が停止した時点(反応完了時点)までの時間を測定し、この測定値を混合時間とした。なお、脱色の進行は目視で判断した。
【0047】
[レイノルズ数]
上記[混合時間]測定における被撹拌物の反応完了後、撹拌槽の内壁から螺旋軸方向に30mmの任意の固定点3点にて撹拌中の被撹拌物の粘度を測定し、上記3点での粘度の測定値の算術平均値を用いてレイノルズ数を算出した。
【0048】
[滞留防止性]
槽内の被撹拌物としての混合液の脱色状況を目視にて観察することで滞留状態を判断した。このとき、凹部近傍の被撹拌物に脱色が十分に視認できる場合、滞留防止性は良好「○」、脱色が十分に視認できない場合、やや不良「△」、脱色が全く視認できない場合、不良「×」と評価した。
【0049】
【表1】