高剪断式連続分散装置
【課題】全ての原料に剪断エネルギーを確実に与えることにより、効率的な分散を行う連続式分散装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第１のローター１と第２のローター２とを対面に組み合わせ、２つのローター１、２間の空間に原料を外周方向に通過させて原料を分散する剪断式分散装置であって、第１のローター１を第１の方向Ｒ１に回転する第１の回転手段８と、第２のローター２を第１の方向Ｒ１とは逆の第２の方向Ｒ２に回転する第２の回転手段９とを備え、第１のローター１または第２のローター２の回転中心に前記原料が供給される原料排出口２０が設けられている剪断式分散装置。
【解決手段】第１のローター１と第２のローター２とを対面に組み合わせ、２つのローター１、２間の空間に原料を外周方向に通過させて原料を分散する剪断式分散装置であって、第１のローター１を第１の方向Ｒ１に回転する第１の回転手段８と、第２のローター２を第１の方向Ｒ１とは逆の第２の方向Ｒ２に回転する第２の回転手段９とを備え、第１のローター１または第２のローター２の回転中心に前記原料が供給される原料排出口２０が設けられている剪断式分散装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率よく複数の液体またはスラリー（粉末状の物質と液体の混合物）中の粉末状の物質を分散する連続分散装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高速回転する円形のローターと、回転しないステーターとの間の狭い空間に、複数の液体またはスラリーを通過させ、高速回転によって発生する高い遠心力と剪断力によって、複数の液体またはスラリー中の粉末状の物質を均一に連続的に分散する装置は公知である（例えば、特許文献１参照）。なお、「分散」とは、スラリー中の粉末状の物質を均一に分散する場合、あるいは、複数の液体を均一に混合する場合を意味するものとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１５３１６７号公報、図１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、回転しないステーターの壁面は速度がゼロであるため、ステーター壁面近傍の原料には剪断エネルギーが与えられにくく、分散効率が悪いという欠点があった。
また、剪断力によって原料は局所的には分散されるが、大きなスケールでみると分散状態が異なる部分が偏在することになり、均一な混合物を得るためには、大きなスケールで再混合する必要があった。このため、後工程にバッチ式の分散装置を別途設ける必要があった。
また、１回の処理では目的の分散状態に達しない場合は、原料を循環させるか、複数台の装置を接続して、繰り返し分散処理を行う必要があり、新たな循環用の設備や複数台の装置にかかるコスト・設置面積、または処理時間が増大するという問題があった。
本発明は、上記の問題に鑑みて成されたもので、全ての原料に剪断エネルギーを確実に与えることにより、また、剪断作用による局所的な分散機能と大きなスケールの分散機能とを組み込むことにより、効率的な分散を行う連続式分散装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る剪断式分散装置は、たとえば図１および図２に示すように、第１のローター１と第２のローター２とを対面に組み合わせ、２つのローター１、２間の空間に原料を外周方向に通過させて原料を分散する剪断式分散装置であって、第１のローター１を第１の方向Ｒ１に回転する第１の回転手段８と；第２のローター２を第１の方向Ｒ１とは逆の第２の方向Ｒ２に回転する第２の回転手段９とを備え；第１または第２のローター１の回転中心に前記原料が供給される原料排出口２０が設けられている。
【０００６】
このように構成すると、第１のローターと第２のローターとが逆の方向に回転するので、全ての原料に剪断エネルギーを確実に与えることができ、効率的な分散を行う連続式分散装置となる。
【０００７】
また、本発明の第２の態様に係る剪断式分散装置は、たとえば図１に示すように、第１の態様に係る剪断式分散装置において、原料排出口２０の外周側に第１のローター１の平面２１と第２のローター２の平面３１とにより隙間３が形成され；隙間３の外周側に、隙間３よりも第１のローター１と第２のローター２との間隔が広くなったバッファ部６が形成され；バッファ部６の外周に、第１のローター１と第２のローター２との間隔をバッファ部６より狭くする外周側面３２が第２のローター２に形成される。
このように構成すると、隙間が剪断作用による局所的な分散機能を有し、バッファ部が大きなスケールの分散機能を有するので、効率的な分散を行う連続式分散装置となる。
【０００８】
また、本発明の第３の態様に係る剪断式分散装置は、たとえば図１に示すように、第２の態様に係る剪断式分散装置において、外周側面３２が、第１のローター１の回転軸８と平行に、あるいは、回転中心方向に傾斜して形成される。
このように構成すると、外周側面が第１のローターの回転軸と平行に、あるいは、回転中心方向に傾斜して形成されるので、バッファ部の容量を超える量の原料が流入しない限り、バッファ部から原料が外周側に流れず、バッファ部に滞留する。よって、バッファ部に滞留している原料に向かって、隙間から新たな原料が高速流入し激しく混ざり合うため、原料がバッファ部で、より均一に分散される。
【０００９】
また、本発明の第４の態様に係る剪断式分散装置は、たとえば図４に示すように、第２または第３の態様に係る剪断式分散装置において、外周側面３２の先端が、回転中心方向に延伸した張り出し６２となっている。
このように構成すると、外周側面の先端が、回転中心方向に延伸した張り出しとなっているので、バッファ部の容量を超える量の原料が流入しない限り、バッファ部から原料が外周側に流れず、バッファ部に滞留する。よって、バッファ部に滞留している原料に向かって、隙間から新たな原料が高速流入し激しく混ざり合うため、原料がバッファ部で、より均一に分散される。
【００１０】
また、本発明の第５の態様に係る剪断式分散装置は、たとえば図１に示すように、第２ないし第４のいずれかの態様に係る剪断式分散装置において、隙間３が、原料排出口２０に隣接して配置される。
このように構成すると、隙間にある原料に第１のローターおよび第２のローターの回転による遠心力が作用して原料は外周側に流れようとして流速が増し、その内側には負圧が生じ、原料を原料排出口から隙間に吸引する。
【００１１】
また、本発明の第６の態様に係る剪断式分散装置は、たとえば図１に示すように、第２ないし第５のいずれかの態様に係る剪断式分散装置において、バッファ部６の外周側に、第１のローター１の平面２３と第２のローター２の平面３３とにより、隙間３の間隔以下の間隔の第２の隙間４が形成され；第２の隙間２の外周側に、第２の隙間４より第１のローター１と第２のローター２との間隔が広くなった第２のバッファ部７が形成され；第２のバッファ部７の外周に、第１のローター１と第２のローター２との間隔を第２のバッファ部７より狭くする第２の外周側面２４が第１のローター１に形成される。
このように構成すると、隙間およびバッファ部に加えて、第２の隙間が剪断作用による局所的な分散機能を有し、第２のバッファ部が大きなスケールの分散機能を有するので、繰り返し分散処理を効率的に行う連続式分散装置となる。
【００１２】
また、本発明の第７の態様に係る剪断式分散装置は、たとえば図１に示すように、第６の態様に係る剪断式分散装置において、バッファ部６は第１のローター１が窪むことにより形成され；外周側面３２は、第２のローター２に形成され；第２のバッファ部７は第２のローター２が窪むことにより形成され；第２の外周側面２４は第１のローター１に形成される。
このように構成すると、第１のローターと第２のローターとに交互の窪みを形成することにより、隙間、バッファ部、外周側面、第２の隙間、第２のバッファ部および第２の外周側面が形成されるので、局所的な剪断と、これよりも大きなスケールの平均化混合を、交互に連続的に行う分散装置の製造が容易となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、第１のローターと第２のローターとを対面に組み合わせ、２つのローター間の空間に原料を外周方向に通過させて原料を分散する剪断式分散装置であって、第１のローターを第１の方向に回転する第１の回転手段と、第２のローターを第１の方向とは逆の第２の方向に回転する第２の回転手段とを備え、第１のローターの回転中心に前記原料が供給される原料排出口が設けられているので、全ての原料に剪断エネルギーを効率的に与えることにより効率的な分散を行う剪断式分散装置となる。
また、原料排出口の外周側に第１のローターの平面と第２のローターの平面とにより隙間が形成され、隙間の外周側に、隙間よりも第１のローターと第２のローターとの間隔が広くなったバッファ部が形成され、バッファ部の外周に、第１のローターと第２のローターとの間隔をバッファ部より狭くする外周側面が第１のローターおよび／または第２のローターに形成されるので、局所的な剪断作用の後に大きなスケールの平均化混合作用を発生させ、局所的な剪断作用とこれよりも大きなスケールの平均化混合機能を組み込むことで、効率的な分散が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】２つのローターを組み合わせた状態の断面概略図である。
【図２】装置主要部の断面概略図である。
【図３】本発明及び従来装置の、断面速度分布の模式図である。
【図４】バッファ部の容量を増加させる場合の構造例である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、図中、互いに同一又は相当する装置等には同一符号を付し、重複した説明は省略する。本発明は、高速回転する２つのローターを互いに逆方向に回転するように組み合わせ、その間の狭い空間に原料を遠心力によって通過させ、複数の原料を均一に分散させる装置である。図１に示すように、凹凸を有する２枚のローター１・２を、回転中心軸を同一にして、鉛直方向に対向するように設置すると、それぞれの凹凸部の組み合わせによって、狭い隙間３〜５と広い空間６・７が交互に配列される構造となる。ここで、高い剪断力を発生させる狭い空間３〜５を剪断力発生部、これより大きなスケールの混合を行う広い空間６・７をバッファ部と呼ぶことにする。図２に示すように、ローター１・２はそれぞれ中空の回転軸８・９に接続され、これらの回転軸８・９は、軸受１５を介し強固に固定された軸受箱１６で支えられ（固定方法は図示せず）、ベルト、チェーン、歯車などと接続された電動機（図示せず）で駆動され、その回転方向Ｒ１・Ｒ２は互いに逆となる。ここでは、回転軸８・９をそれぞれ原料供給口１２・１４の側から見て、時計方向に回転することとする。回転数は、対象原料や目標とする分散の度合によって、任意に設定することができる。原料供給口１２・１４に供給された原料は、中空回転軸の中空部を貫流してローター１・２の回転中心に設けられた原料排出口２０から２枚のローター１・２の間に供給される。なお、ここでは中空回転軸９の原料排出口は栓１０によって原料が流入・流出しないようになっている。
【００１６】
本分散装置においては、図１でローター１・２の外径Dは２００ｍｍであり、高さｈ１及びｈ２はそれぞれ５５、１５ｍｍである。剪断力発生部３〜５の隙間は０．０５〜２ｍｍまで調整が可能である。なお、剪断力発生部３〜５の隙間は同一である必要はなく、ローター１・２の形状・寸法の設計により、目的に応じ適宜変更することができる。たとえば、剪断力発生部３、剪断力発生部４、剪断力発生部５と隙間の間隔を順次狭くすることにより、原料の凝集粒子を順次細かく分解すると、均一に分散しやすくなる。バッファ部６・７の外周側面３２・２４の角度α・βはそれぞれ５０度・７０度であるが、この角度に限定されるものではなく、ローター１・２の形状・寸法の設計により、鋭角あるいは直角として、すなわち、回転中心方向（中空回転軸８・９の方向）に傾斜してあるいは中空回転軸８・９と平行に、適宜選定することができる。また、本分散装置の場合の回転数はインバーター制御により０〜１７２０ｒｐｍの間で設定ができるが、電動機、プーリー、ギヤなどの選定によって適宜変更することができる。
【００１７】
ここで、図１を参照して、剪断力発生部３・４・５とバッファ部６・７の構成を説明する。上部ローター１の、下部ローター２と対面する面は、原料排出口２０の外周に回転軸に垂直な平面２１として形成される。平面２１の外周側に内周側面２２と平面２１に平行な平面２３と外周側面２４とで構成された窪みが形成される。外周側面２４は、平面２１の面よりも下部ローター２側に延伸し、その先端に平面２１に平行な平面２５が形成される。下部ローター２の上部ローター１と対面する面には、平面２１と平行に対向する平面３１が形成され、平面３１は内周側面２２を越えて外周側に延伸する。平面３１から外周側面３２が上部ローター１に向けて形成され、外周側面３２の先端から平面２３に平行に対面する平面３３が形成される。平面３３は、外周側面２４よりも内周側に位置する内周側面３４と平面２５に平行に対面する平面３５とで窪みを形成する。
【００１８】
上記の面を有する上部ローター１と下部ローター２とを組み合わせることにより、平面２１と平面３１とで剪断力発生部３を形成し、平面２３と平面３３とで剪断力発生部４を形成し、平面２５と平面３５とで剪断力発生部５を形成する。また、内周側面２２と平面２３と外周側面３２と平面３１とで囲まれた領域がバッファ部６を、内周側面３４と平面２３と外周側面２４と平面３５とで囲まれた領域がバッファ部７を形成する。外周側面２４は、平面２１の面よりも下部ローター２側に延伸してバッファ部７を形成するので、バッファ部７の容量が大きくなり、より大きなスケールでの分散による均一化が行われる。
【００１９】
なお、上記の例では、外周側面２４が平面２１の面より下部ローター２側に延伸するものとして説明したが、外周側面２４は平面２１の面と同じ位置までしか延伸せず、すなわち、平面２１と平面２５とが同一平面上であってもよい。このように構成すると、上部ローター１に１つの窪みを形成し、下部ローター２に１つの突起（外周側面３２と平面３３と内周側面３４で囲まれた部分）を形成することにより、３つの剪断力発生部３〜５と２つのバッファ部６・７を形成することができ、局所的な剪断と、この局所的部分よりも大きなスケールの平均化混合を、交互に連続的に行う分散装置の製造が容易となる。また、外周側面２４は平面２１の面の手前側までしか延伸していなくてもよい。
【００２０】
また、平面２１、２３、２５、３１、３３、３５は、回転軸に垂直で、互いに平行であるとして説明したが、それぞれ回転軸に垂直ではなく、また、互いに平行でなくてもよい。さらに、剪断力発生部３〜５を形成するために対面する平面同士も平行でなくてもよい。剪断力発生部３〜５の隙間が外周側に向けて狭くなるようにすることにより、原料の凝集粒子を順次細かく分解する構造とすることができる。
【００２１】
バッファ部６・７は、剪断力発生部３・４にて局所的な分散を受けた原料を混合するために液を貯留する領域であり、大きな容量を有する。そのために、たとえば、バッファ部６を形成するための平面３１の半径方向の長さＬ１は、平面２１と対向して剪断力発生部３を形成する半径方向の長さＬ２の、少なくとも０．５倍以上、通常は１倍以上の長さとする。また、バッファ部６の高さ（剪断力発生部３の隙間の間隔と内周側面２２の高さの和）は、剪断力発生部３の隙間の間隔の、少なくとも３倍以上、通常は５倍以上の高さとする。
【００２２】
図１において、原料の流れが矢印で示されている。便宜上、一つの流れしか示していないが、実際にはローター１・２によって構成される空間の至るところで同様の流れが発生している。ここで、再び図２も参照する。ローター１・２が回転している状態で、中空回転軸８に接続され回り止め（図示せず）が施された回転継手１１の原料供給口１２より原料を供給すると、原料は原料排出口２０から、２つのローター１・２の間に供給される。原料は２つのローター１・２から構成される剪断力発生部３、バッファ部６、剪断力発生部４、バッファ部７、剪断力発生部５の順に、遠心力の方向に沿って通過し、ローターの外周の原料排出部１３から排出される。原料が遠心力により外周方向に流れ、流速が増すので、原料排出口２０は負圧となり、原料排出口２０からの原料の流れは促進される。
【００２３】
なお、中空回転軸９の排出口の栓１０を除去し、原料供給口１４から別の原料を供給し、原料供給口１２から供給した原料とローター部で混合することもできるが、この場合はローター及び中空軸の中心軸を水平に設置するか、または原料供給用のポンプが必要となる。原料排出口２０における負圧は、通常、原料を中空回転軸９の高さだけ吸引するほどに大きくはないからである。
【００２４】
また、本分散装置では２つの回転軸はそれぞれ別個の電動機から駆動されるが、歯車などで動力を分配し、１台の電動機で駆動してもよい。これらの電動機、ベルト、チェーン、歯車などと、中空回転軸８・９が回転手段を構成する。
【００２５】
次に、原料の分散プロセスについて、図１を用いて説明する。まず原料は、１段目の剪断力発生部３を通過するときに高い剪断力を受け、乳化あるいは微粒子の凝集物の分解がなされる。このとき、２つのローター１・２が両方とも同じ速度で回転しているとすれば、剪断力発生部３のＡ−Ａ矢視及びＢ部の原料の速度分布は図３（ａ）に示すようになり、速度ゼロの部分は発生しない。一方、ローター１・２が片側しか回転しない従来の方式では、下部ローター２を固定とすると図３（ｂ）に示すような速度分布となり、下部ローター２の壁面の速度は回転方向でも遠心力による半径方向でもゼロとなるため、下部ローター２壁面近傍の原料は分散されにくい。本発明では、回転方向の速度がゼロとなる２つのローター１・２の中間位置でも遠心力による半径方向の速度はゼロとはならない。それは、その中間位置の両側で遠心力による半径方向の速度が同じ外側を向いて生じており、その剪断力（粘性）を受ける中間位置も同じ外側向きに引っ張られるからである。速度ゼロとなる部分がないため、原料に確実に剪断力を付与することができ、分散効果が得られる。厳密には、図３（ａ）Ａ−Ａ矢視に示すように、２つのローター壁面の中間位置では剪断力が弱くなるが、全く速度がない固定ローター壁面とは異なり、高速回転するため速度変動が激しく、分散効果に影響を及ぼすものではない。剪断力発生部で高い剪断力を受けて局所的に乳化あるいは微粒子の凝集物の分解および／あるいは分散がなされた原料は、剪断力発生部３から排出されたあと、１段目のバッファ部６に流入する。バッファ部６には、外周側にローター１・２間の間隔を狭くする外周側面３２が形成されているため、バッファ部６に流入した原料はバッファ部の容量を超える量の原料が流入しない限り、バッファ部から流出せず、滞留する。バッファ部６内の原料は、遠心力によってバッファ部６内の外周側面３２に押し付けられるが、バッファ部６の外周側面３２は図１に示すように流れに対し抵抗となるように傾斜がついているため、原料がこのバッファ部６から排出されるにはバッファ部の容量を超える原料がバッファ部６に流入する必要がある。このとき、先にバッファ部６に流入し滞留している原料は、後に剪断力発生部３からバッファ部６に高速流入してくる原料と激しく混じり合うことになり、局所的に乳化・分散した原料は、この局所的部分よりも大きなスケールでの混合によって平均化される。続いて、原料は２段目の剪断力発生部４とバッファ部７を通過して１段目と同様の分散が行われ、最終の３段目の剪断力発生部５を通過し、さらに分散が行われる。
【００２６】
ここで、原料の均一な混合を実現するには、本装置に供給される原料は、前工程の予備混合によって、剪断発生部の最小隙間のスケール以下の乳化や凝集物への分解がなされ、かつ、少なくとも最小剪断部の容量（体積＝剪断面積×隙間の大きさ）の単位以下の均一な混合がなされているのが好ましい。剪断発生部３の隙間を通過するスケールで液の乳化や凝集物の分解がなされていないと、剪断発生部３への流入時に、隙間よりも大きなスケールの液滴や凝集物が剪断発生部３の隙間に入り込みにくくなるため不均一な分散や詰まりの原因となったり、過大な応力の発生によって装置に損傷を与える原因ともなる。また、最小剪断部の体積単位の均一な混合とは、予備混合された原料を、最小剪断部と同等の体積分だけ任意に取り出した場合、その体積中の複数の原料の割合が一定ということであり、乳化や微粒子の凝集物の分解には無関係な状態である。たとえば、図１においては最小剪断部の容量は隙間３の部分となり、隙間３が０．１ｍｍのとき、その体積は約０．３ｍｌとなる。なお、本発明の分散機を予備混合に利用する場合は、これらの条件が全て当てはまる必要はない。
【００２７】
なお、バッファ部６・７の形状は、図１に示すような外周側面３２・２４が傾斜する形状に限定されるわけではなく、バッファ部６・７の容量をより増加させるためには、図４のように、バッファ部６・７の外周側面３２・２４の先端に、回転中心方向（中空回転軸８・９方向）に延伸する張り出し部６２・５４を有する構造にしてもよい。また、張り出し部６２の上部ローター４１の平面２３と対面する平面６３も剪断力発生部４を形成するので、剪断力発生部４の半径方向の長さを長くでき、局所的な分散をより多く行うことができる。同様に、張り出し部５４の下部ローター４２の平面３５と対面する平面５５もより大きな剪断力発生部５を形成して、局所的な分散をより多く行うことができる。
【００２８】
また、本説明では剪断力発生部は３段、バッファ部は２段の構成となっているが、この段数の組み合わせに限定されるわけではなく、対象原料や目標とする分散の度合によって任意の組み合わせをとることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１ 上部ローター
２ 下部ローター
３〜５ 剪断力発生部（隙間）
６、７ バッファ部
８、９ 中空回転軸（回転手段）
１０ 内部栓
１１ 回転継手
１２、１４ 原料供給口
１３ 原料排出部
１５ 軸受
１６ 軸受箱
２０ 原料排出口
２１、２３、２５、３１、３３、３５、５５、６３ 平面
２４、３２ 外周側面
６２、５４ 張り出し部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率よく複数の液体またはスラリー（粉末状の物質と液体の混合物）中の粉末状の物質を分散する連続分散装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高速回転する円形のローターと、回転しないステーターとの間の狭い空間に、複数の液体またはスラリーを通過させ、高速回転によって発生する高い遠心力と剪断力によって、複数の液体またはスラリー中の粉末状の物質を均一に連続的に分散する装置は公知である（例えば、特許文献１参照）。なお、「分散」とは、スラリー中の粉末状の物質を均一に分散する場合、あるいは、複数の液体を均一に混合する場合を意味するものとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１５３１６７号公報、図１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、回転しないステーターの壁面は速度がゼロであるため、ステーター壁面近傍の原料には剪断エネルギーが与えられにくく、分散効率が悪いという欠点があった。
また、剪断力によって原料は局所的には分散されるが、大きなスケールでみると分散状態が異なる部分が偏在することになり、均一な混合物を得るためには、大きなスケールで再混合する必要があった。このため、後工程にバッチ式の分散装置を別途設ける必要があった。
また、１回の処理では目的の分散状態に達しない場合は、原料を循環させるか、複数台の装置を接続して、繰り返し分散処理を行う必要があり、新たな循環用の設備や複数台の装置にかかるコスト・設置面積、または処理時間が増大するという問題があった。
本発明は、上記の問題に鑑みて成されたもので、全ての原料に剪断エネルギーを確実に与えることにより、また、剪断作用による局所的な分散機能と大きなスケールの分散機能とを組み込むことにより、効率的な分散を行う連続式分散装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る剪断式分散装置は、たとえば図１および図２に示すように、第１のローター１と第２のローター２とを対面に組み合わせ、２つのローター１、２間の空間に原料を外周方向に通過させて原料を分散する剪断式分散装置であって、第１のローター１を第１の方向Ｒ１に回転する第１の回転手段８と；第２のローター２を第１の方向Ｒ１とは逆の第２の方向Ｒ２に回転する第２の回転手段９とを備え；第１または第２のローター１の回転中心に前記原料が供給される原料排出口２０が設けられている。
【０００６】
このように構成すると、第１のローターと第２のローターとが逆の方向に回転するので、全ての原料に剪断エネルギーを確実に与えることができ、効率的な分散を行う連続式分散装置となる。
【０００７】
また、本発明の第２の態様に係る剪断式分散装置は、たとえば図１に示すように、第１の態様に係る剪断式分散装置において、原料排出口２０の外周側に第１のローター１の平面２１と第２のローター２の平面３１とにより隙間３が形成され；隙間３の外周側に、隙間３よりも第１のローター１と第２のローター２との間隔が広くなったバッファ部６が形成され；バッファ部６の外周に、第１のローター１と第２のローター２との間隔をバッファ部６より狭くする外周側面３２が第２のローター２に形成される。
このように構成すると、隙間が剪断作用による局所的な分散機能を有し、バッファ部が大きなスケールの分散機能を有するので、効率的な分散を行う連続式分散装置となる。
【０００８】
また、本発明の第３の態様に係る剪断式分散装置は、たとえば図１に示すように、第２の態様に係る剪断式分散装置において、外周側面３２が、第１のローター１の回転軸８と平行に、あるいは、回転中心方向に傾斜して形成される。
このように構成すると、外周側面が第１のローターの回転軸と平行に、あるいは、回転中心方向に傾斜して形成されるので、バッファ部の容量を超える量の原料が流入しない限り、バッファ部から原料が外周側に流れず、バッファ部に滞留する。よって、バッファ部に滞留している原料に向かって、隙間から新たな原料が高速流入し激しく混ざり合うため、原料がバッファ部で、より均一に分散される。
【０００９】
また、本発明の第４の態様に係る剪断式分散装置は、たとえば図４に示すように、第２または第３の態様に係る剪断式分散装置において、外周側面３２の先端が、回転中心方向に延伸した張り出し６２となっている。
このように構成すると、外周側面の先端が、回転中心方向に延伸した張り出しとなっているので、バッファ部の容量を超える量の原料が流入しない限り、バッファ部から原料が外周側に流れず、バッファ部に滞留する。よって、バッファ部に滞留している原料に向かって、隙間から新たな原料が高速流入し激しく混ざり合うため、原料がバッファ部で、より均一に分散される。
【００１０】
また、本発明の第５の態様に係る剪断式分散装置は、たとえば図１に示すように、第２ないし第４のいずれかの態様に係る剪断式分散装置において、隙間３が、原料排出口２０に隣接して配置される。
このように構成すると、隙間にある原料に第１のローターおよび第２のローターの回転による遠心力が作用して原料は外周側に流れようとして流速が増し、その内側には負圧が生じ、原料を原料排出口から隙間に吸引する。
【００１１】
また、本発明の第６の態様に係る剪断式分散装置は、たとえば図１に示すように、第２ないし第５のいずれかの態様に係る剪断式分散装置において、バッファ部６の外周側に、第１のローター１の平面２３と第２のローター２の平面３３とにより、隙間３の間隔以下の間隔の第２の隙間４が形成され；第２の隙間２の外周側に、第２の隙間４より第１のローター１と第２のローター２との間隔が広くなった第２のバッファ部７が形成され；第２のバッファ部７の外周に、第１のローター１と第２のローター２との間隔を第２のバッファ部７より狭くする第２の外周側面２４が第１のローター１に形成される。
このように構成すると、隙間およびバッファ部に加えて、第２の隙間が剪断作用による局所的な分散機能を有し、第２のバッファ部が大きなスケールの分散機能を有するので、繰り返し分散処理を効率的に行う連続式分散装置となる。
【００１２】
また、本発明の第７の態様に係る剪断式分散装置は、たとえば図１に示すように、第６の態様に係る剪断式分散装置において、バッファ部６は第１のローター１が窪むことにより形成され；外周側面３２は、第２のローター２に形成され；第２のバッファ部７は第２のローター２が窪むことにより形成され；第２の外周側面２４は第１のローター１に形成される。
このように構成すると、第１のローターと第２のローターとに交互の窪みを形成することにより、隙間、バッファ部、外周側面、第２の隙間、第２のバッファ部および第２の外周側面が形成されるので、局所的な剪断と、これよりも大きなスケールの平均化混合を、交互に連続的に行う分散装置の製造が容易となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、第１のローターと第２のローターとを対面に組み合わせ、２つのローター間の空間に原料を外周方向に通過させて原料を分散する剪断式分散装置であって、第１のローターを第１の方向に回転する第１の回転手段と、第２のローターを第１の方向とは逆の第２の方向に回転する第２の回転手段とを備え、第１のローターの回転中心に前記原料が供給される原料排出口が設けられているので、全ての原料に剪断エネルギーを効率的に与えることにより効率的な分散を行う剪断式分散装置となる。
また、原料排出口の外周側に第１のローターの平面と第２のローターの平面とにより隙間が形成され、隙間の外周側に、隙間よりも第１のローターと第２のローターとの間隔が広くなったバッファ部が形成され、バッファ部の外周に、第１のローターと第２のローターとの間隔をバッファ部より狭くする外周側面が第１のローターおよび／または第２のローターに形成されるので、局所的な剪断作用の後に大きなスケールの平均化混合作用を発生させ、局所的な剪断作用とこれよりも大きなスケールの平均化混合機能を組み込むことで、効率的な分散が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】２つのローターを組み合わせた状態の断面概略図である。
【図２】装置主要部の断面概略図である。
【図３】本発明及び従来装置の、断面速度分布の模式図である。
【図４】バッファ部の容量を増加させる場合の構造例である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、図中、互いに同一又は相当する装置等には同一符号を付し、重複した説明は省略する。本発明は、高速回転する２つのローターを互いに逆方向に回転するように組み合わせ、その間の狭い空間に原料を遠心力によって通過させ、複数の原料を均一に分散させる装置である。図１に示すように、凹凸を有する２枚のローター１・２を、回転中心軸を同一にして、鉛直方向に対向するように設置すると、それぞれの凹凸部の組み合わせによって、狭い隙間３〜５と広い空間６・７が交互に配列される構造となる。ここで、高い剪断力を発生させる狭い空間３〜５を剪断力発生部、これより大きなスケールの混合を行う広い空間６・７をバッファ部と呼ぶことにする。図２に示すように、ローター１・２はそれぞれ中空の回転軸８・９に接続され、これらの回転軸８・９は、軸受１５を介し強固に固定された軸受箱１６で支えられ（固定方法は図示せず）、ベルト、チェーン、歯車などと接続された電動機（図示せず）で駆動され、その回転方向Ｒ１・Ｒ２は互いに逆となる。ここでは、回転軸８・９をそれぞれ原料供給口１２・１４の側から見て、時計方向に回転することとする。回転数は、対象原料や目標とする分散の度合によって、任意に設定することができる。原料供給口１２・１４に供給された原料は、中空回転軸の中空部を貫流してローター１・２の回転中心に設けられた原料排出口２０から２枚のローター１・２の間に供給される。なお、ここでは中空回転軸９の原料排出口は栓１０によって原料が流入・流出しないようになっている。
【００１６】
本分散装置においては、図１でローター１・２の外径Dは２００ｍｍであり、高さｈ１及びｈ２はそれぞれ５５、１５ｍｍである。剪断力発生部３〜５の隙間は０．０５〜２ｍｍまで調整が可能である。なお、剪断力発生部３〜５の隙間は同一である必要はなく、ローター１・２の形状・寸法の設計により、目的に応じ適宜変更することができる。たとえば、剪断力発生部３、剪断力発生部４、剪断力発生部５と隙間の間隔を順次狭くすることにより、原料の凝集粒子を順次細かく分解すると、均一に分散しやすくなる。バッファ部６・７の外周側面３２・２４の角度α・βはそれぞれ５０度・７０度であるが、この角度に限定されるものではなく、ローター１・２の形状・寸法の設計により、鋭角あるいは直角として、すなわち、回転中心方向（中空回転軸８・９の方向）に傾斜してあるいは中空回転軸８・９と平行に、適宜選定することができる。また、本分散装置の場合の回転数はインバーター制御により０〜１７２０ｒｐｍの間で設定ができるが、電動機、プーリー、ギヤなどの選定によって適宜変更することができる。
【００１７】
ここで、図１を参照して、剪断力発生部３・４・５とバッファ部６・７の構成を説明する。上部ローター１の、下部ローター２と対面する面は、原料排出口２０の外周に回転軸に垂直な平面２１として形成される。平面２１の外周側に内周側面２２と平面２１に平行な平面２３と外周側面２４とで構成された窪みが形成される。外周側面２４は、平面２１の面よりも下部ローター２側に延伸し、その先端に平面２１に平行な平面２５が形成される。下部ローター２の上部ローター１と対面する面には、平面２１と平行に対向する平面３１が形成され、平面３１は内周側面２２を越えて外周側に延伸する。平面３１から外周側面３２が上部ローター１に向けて形成され、外周側面３２の先端から平面２３に平行に対面する平面３３が形成される。平面３３は、外周側面２４よりも内周側に位置する内周側面３４と平面２５に平行に対面する平面３５とで窪みを形成する。
【００１８】
上記の面を有する上部ローター１と下部ローター２とを組み合わせることにより、平面２１と平面３１とで剪断力発生部３を形成し、平面２３と平面３３とで剪断力発生部４を形成し、平面２５と平面３５とで剪断力発生部５を形成する。また、内周側面２２と平面２３と外周側面３２と平面３１とで囲まれた領域がバッファ部６を、内周側面３４と平面２３と外周側面２４と平面３５とで囲まれた領域がバッファ部７を形成する。外周側面２４は、平面２１の面よりも下部ローター２側に延伸してバッファ部７を形成するので、バッファ部７の容量が大きくなり、より大きなスケールでの分散による均一化が行われる。
【００１９】
なお、上記の例では、外周側面２４が平面２１の面より下部ローター２側に延伸するものとして説明したが、外周側面２４は平面２１の面と同じ位置までしか延伸せず、すなわち、平面２１と平面２５とが同一平面上であってもよい。このように構成すると、上部ローター１に１つの窪みを形成し、下部ローター２に１つの突起（外周側面３２と平面３３と内周側面３４で囲まれた部分）を形成することにより、３つの剪断力発生部３〜５と２つのバッファ部６・７を形成することができ、局所的な剪断と、この局所的部分よりも大きなスケールの平均化混合を、交互に連続的に行う分散装置の製造が容易となる。また、外周側面２４は平面２１の面の手前側までしか延伸していなくてもよい。
【００２０】
また、平面２１、２３、２５、３１、３３、３５は、回転軸に垂直で、互いに平行であるとして説明したが、それぞれ回転軸に垂直ではなく、また、互いに平行でなくてもよい。さらに、剪断力発生部３〜５を形成するために対面する平面同士も平行でなくてもよい。剪断力発生部３〜５の隙間が外周側に向けて狭くなるようにすることにより、原料の凝集粒子を順次細かく分解する構造とすることができる。
【００２１】
バッファ部６・７は、剪断力発生部３・４にて局所的な分散を受けた原料を混合するために液を貯留する領域であり、大きな容量を有する。そのために、たとえば、バッファ部６を形成するための平面３１の半径方向の長さＬ１は、平面２１と対向して剪断力発生部３を形成する半径方向の長さＬ２の、少なくとも０．５倍以上、通常は１倍以上の長さとする。また、バッファ部６の高さ（剪断力発生部３の隙間の間隔と内周側面２２の高さの和）は、剪断力発生部３の隙間の間隔の、少なくとも３倍以上、通常は５倍以上の高さとする。
【００２２】
図１において、原料の流れが矢印で示されている。便宜上、一つの流れしか示していないが、実際にはローター１・２によって構成される空間の至るところで同様の流れが発生している。ここで、再び図２も参照する。ローター１・２が回転している状態で、中空回転軸８に接続され回り止め（図示せず）が施された回転継手１１の原料供給口１２より原料を供給すると、原料は原料排出口２０から、２つのローター１・２の間に供給される。原料は２つのローター１・２から構成される剪断力発生部３、バッファ部６、剪断力発生部４、バッファ部７、剪断力発生部５の順に、遠心力の方向に沿って通過し、ローターの外周の原料排出部１３から排出される。原料が遠心力により外周方向に流れ、流速が増すので、原料排出口２０は負圧となり、原料排出口２０からの原料の流れは促進される。
【００２３】
なお、中空回転軸９の排出口の栓１０を除去し、原料供給口１４から別の原料を供給し、原料供給口１２から供給した原料とローター部で混合することもできるが、この場合はローター及び中空軸の中心軸を水平に設置するか、または原料供給用のポンプが必要となる。原料排出口２０における負圧は、通常、原料を中空回転軸９の高さだけ吸引するほどに大きくはないからである。
【００２４】
また、本分散装置では２つの回転軸はそれぞれ別個の電動機から駆動されるが、歯車などで動力を分配し、１台の電動機で駆動してもよい。これらの電動機、ベルト、チェーン、歯車などと、中空回転軸８・９が回転手段を構成する。
【００２５】
次に、原料の分散プロセスについて、図１を用いて説明する。まず原料は、１段目の剪断力発生部３を通過するときに高い剪断力を受け、乳化あるいは微粒子の凝集物の分解がなされる。このとき、２つのローター１・２が両方とも同じ速度で回転しているとすれば、剪断力発生部３のＡ−Ａ矢視及びＢ部の原料の速度分布は図３（ａ）に示すようになり、速度ゼロの部分は発生しない。一方、ローター１・２が片側しか回転しない従来の方式では、下部ローター２を固定とすると図３（ｂ）に示すような速度分布となり、下部ローター２の壁面の速度は回転方向でも遠心力による半径方向でもゼロとなるため、下部ローター２壁面近傍の原料は分散されにくい。本発明では、回転方向の速度がゼロとなる２つのローター１・２の中間位置でも遠心力による半径方向の速度はゼロとはならない。それは、その中間位置の両側で遠心力による半径方向の速度が同じ外側を向いて生じており、その剪断力（粘性）を受ける中間位置も同じ外側向きに引っ張られるからである。速度ゼロとなる部分がないため、原料に確実に剪断力を付与することができ、分散効果が得られる。厳密には、図３（ａ）Ａ−Ａ矢視に示すように、２つのローター壁面の中間位置では剪断力が弱くなるが、全く速度がない固定ローター壁面とは異なり、高速回転するため速度変動が激しく、分散効果に影響を及ぼすものではない。剪断力発生部で高い剪断力を受けて局所的に乳化あるいは微粒子の凝集物の分解および／あるいは分散がなされた原料は、剪断力発生部３から排出されたあと、１段目のバッファ部６に流入する。バッファ部６には、外周側にローター１・２間の間隔を狭くする外周側面３２が形成されているため、バッファ部６に流入した原料はバッファ部の容量を超える量の原料が流入しない限り、バッファ部から流出せず、滞留する。バッファ部６内の原料は、遠心力によってバッファ部６内の外周側面３２に押し付けられるが、バッファ部６の外周側面３２は図１に示すように流れに対し抵抗となるように傾斜がついているため、原料がこのバッファ部６から排出されるにはバッファ部の容量を超える原料がバッファ部６に流入する必要がある。このとき、先にバッファ部６に流入し滞留している原料は、後に剪断力発生部３からバッファ部６に高速流入してくる原料と激しく混じり合うことになり、局所的に乳化・分散した原料は、この局所的部分よりも大きなスケールでの混合によって平均化される。続いて、原料は２段目の剪断力発生部４とバッファ部７を通過して１段目と同様の分散が行われ、最終の３段目の剪断力発生部５を通過し、さらに分散が行われる。
【００２６】
ここで、原料の均一な混合を実現するには、本装置に供給される原料は、前工程の予備混合によって、剪断発生部の最小隙間のスケール以下の乳化や凝集物への分解がなされ、かつ、少なくとも最小剪断部の容量（体積＝剪断面積×隙間の大きさ）の単位以下の均一な混合がなされているのが好ましい。剪断発生部３の隙間を通過するスケールで液の乳化や凝集物の分解がなされていないと、剪断発生部３への流入時に、隙間よりも大きなスケールの液滴や凝集物が剪断発生部３の隙間に入り込みにくくなるため不均一な分散や詰まりの原因となったり、過大な応力の発生によって装置に損傷を与える原因ともなる。また、最小剪断部の体積単位の均一な混合とは、予備混合された原料を、最小剪断部と同等の体積分だけ任意に取り出した場合、その体積中の複数の原料の割合が一定ということであり、乳化や微粒子の凝集物の分解には無関係な状態である。たとえば、図１においては最小剪断部の容量は隙間３の部分となり、隙間３が０．１ｍｍのとき、その体積は約０．３ｍｌとなる。なお、本発明の分散機を予備混合に利用する場合は、これらの条件が全て当てはまる必要はない。
【００２７】
なお、バッファ部６・７の形状は、図１に示すような外周側面３２・２４が傾斜する形状に限定されるわけではなく、バッファ部６・７の容量をより増加させるためには、図４のように、バッファ部６・７の外周側面３２・２４の先端に、回転中心方向（中空回転軸８・９方向）に延伸する張り出し部６２・５４を有する構造にしてもよい。また、張り出し部６２の上部ローター４１の平面２３と対面する平面６３も剪断力発生部４を形成するので、剪断力発生部４の半径方向の長さを長くでき、局所的な分散をより多く行うことができる。同様に、張り出し部５４の下部ローター４２の平面３５と対面する平面５５もより大きな剪断力発生部５を形成して、局所的な分散をより多く行うことができる。
【００２８】
また、本説明では剪断力発生部は３段、バッファ部は２段の構成となっているが、この段数の組み合わせに限定されるわけではなく、対象原料や目標とする分散の度合によって任意の組み合わせをとることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１ 上部ローター
２ 下部ローター
３〜５ 剪断力発生部（隙間）
６、７ バッファ部
８、９ 中空回転軸（回転手段）
１０ 内部栓
１１ 回転継手
１２、１４ 原料供給口
１３ 原料排出部
１５ 軸受
１６ 軸受箱
２０ 原料排出口
２１、２３、２５、３１、３３、３５、５５、６３ 平面
２４、３２ 外周側面
６２、５４ 張り出し部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のローターと第２のローターとを対面に組み合わせ、前記２つのローター間の空間に原料を外周方向に通過させて前記原料を分散する剪断式分散装置であって：
前記第１のローターを第１の方向に回転する第１の回転手段と；
前記第２のローターを前記第１の方向とは逆の第２の方向に回転する第２の回転手段とを備え；
前記第１または第２のローターの回転中心に前記原料が供給される原料排出口が設けられた；
剪断式分散装置。
【請求項２】
前記原料排出口の外周側に前記第１のローターの平面と前記第２のローターの平面とにより隙間が形成され；
前記隙間の外周側に、前記隙間より前記第１のローターと前記第２のローターとの間隔が広くなったバッファ部が形成され；
前記バッファ部の外周に、前記第１のローターと前記第２のローターとの間隔を前記バッファ部より狭くする外周側面が前記前記第２のローターに形成された；
請求項１の剪断式分散装置。
【請求項３】
前記外周側面が、前記第１のローターの回転軸と平行に、あるいは、回転中心方向に傾斜して形成された；
請求項２の剪断式分散装置。
【請求項４】
前記外周側面の先端が、回転中心方向に延伸した張り出しとなっている；
請求項２または請求項３の剪断式分散装置。
【請求項５】
前記隙間が、前記原料排出口に隣接して配置される；
請求項２ないし請求項４のいずれか１項の剪断式分散装置。
【請求項６】
前記バッファ部の外周側に、前記第１のローターの平面と前記第２のローターの平面とにより、前記隙間の間隔以下の間隔の第２の隙間が形成され；
前記第２の隙間の外周側に、前記第２の隙間より前記第１のローターと前記第２のローターとの間隔が広くなった第２のバッファ部が形成され；
前記第２のバッファ部の外周に、前記第１のローターと前記第２のローターとの間隔を前記第２のバッファ部より狭くする第２の外周側面が前記第１のローターに形成された；
請求項２ないし請求項５のいずれか１項の剪断式分散装置。
【請求項７】
前記バッファ部は前記第１のローターが窪むことにより形成され；
前記外周側面は、前記第２のローターに形成され；
前記第２のバッファ部は前記第２のローターが窪むことにより形成され；
前記第２の外周側面は前記第１のローターに形成された；
請求項６の剪断式分散装置
【請求項１】
第１のローターと第２のローターとを対面に組み合わせ、前記２つのローター間の空間に原料を外周方向に通過させて前記原料を分散する剪断式分散装置であって：
前記第１のローターを第１の方向に回転する第１の回転手段と；
前記第２のローターを前記第１の方向とは逆の第２の方向に回転する第２の回転手段とを備え；
前記第１または第２のローターの回転中心に前記原料が供給される原料排出口が設けられた；
剪断式分散装置。
【請求項２】
前記原料排出口の外周側に前記第１のローターの平面と前記第２のローターの平面とにより隙間が形成され；
前記隙間の外周側に、前記隙間より前記第１のローターと前記第２のローターとの間隔が広くなったバッファ部が形成され；
前記バッファ部の外周に、前記第１のローターと前記第２のローターとの間隔を前記バッファ部より狭くする外周側面が前記前記第２のローターに形成された；
請求項１の剪断式分散装置。
【請求項３】
前記外周側面が、前記第１のローターの回転軸と平行に、あるいは、回転中心方向に傾斜して形成された；
請求項２の剪断式分散装置。
【請求項４】
前記外周側面の先端が、回転中心方向に延伸した張り出しとなっている；
請求項２または請求項３の剪断式分散装置。
【請求項５】
前記隙間が、前記原料排出口に隣接して配置される；
請求項２ないし請求項４のいずれか１項の剪断式分散装置。
【請求項６】
前記バッファ部の外周側に、前記第１のローターの平面と前記第２のローターの平面とにより、前記隙間の間隔以下の間隔の第２の隙間が形成され；
前記第２の隙間の外周側に、前記第２の隙間より前記第１のローターと前記第２のローターとの間隔が広くなった第２のバッファ部が形成され；
前記第２のバッファ部の外周に、前記第１のローターと前記第２のローターとの間隔を前記第２のバッファ部より狭くする第２の外周側面が前記第１のローターに形成された；
請求項２ないし請求項５のいずれか１項の剪断式分散装置。
【請求項７】
前記バッファ部は前記第１のローターが窪むことにより形成され；
前記外周側面は、前記第２のローターに形成され；
前記第２のバッファ部は前記第２のローターが窪むことにより形成され；
前記第２の外周側面は前記第１のローターに形成された；
請求項６の剪断式分散装置
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−６７７９４（Ｐ２０１１−６７７９４Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２２９９７（Ｐ２００９−２２２９９７）
【出願日】平成２１年９月２８日（２００９．９．２８）
【出願人】（０００１９１００９）新東工業株式会社 (474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２８日（２００９．９．２８）
【出願人】（０００１９１００９）新東工業株式会社 (474)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]