JP7394658B2 - 撹拌軸及びそれを備えた熱交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、中央流路に内管が挿入される二重管構造の撹拌軸及びそれを備えた熱交換装置に関する。

従来、二重管構造の混合機撹拌軸で、この撹拌軸の軸端を構成する内管と外管とを有し、軸内管を経て熱媒体が送入され内管と外管との間の環状間隙を経て熱媒体が返送される型式の熱媒体通過軸が知られている（例えば、特許文献１）。

この種の二重管構造のものでは、撹拌軸の熱が、撹拌軸を回転可能に支持する、比較的高温に弱い軸受やグランドパッキンにも伝わるので、撹拌軸の加熱温度が制限されるという問題がある。

そこで、この熱媒体通過軸は、環状間隙内の外管内面に接して、断熱材を充填した断熱スリーブを配置して撹拌軸の熱を軸受やグランドパッキンに伝わりにくくしている。また、断熱スリーブの代わりに排気可能な金属製ケースを設け、この内部を脱気して真空にすることも知られている。

特開昭５８－２０７９３７号公報

しかしながら、特許文献１のように、スリーブ内に断熱材を充填するのは面倒であり、また、スリーブを真空状態にする排気可能な構成にするためには、全体の構造が複雑になる、という問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、軸受部などの熱に弱い部分に熱媒体の熱を伝えにくくしながら、できるだけ高い温度の撹拌軸により被処理物を加熱しながら撹拌できるようにすることにある。

上記の目的を達成するために、第１の発明では、内部に熱媒体を流通させる熱媒体流路が形成され、外周に撹拌羽根が設けられた撹拌軸を対象とし、
上記撹拌軸は、
円柱状軸部と、
上記円柱状軸部の軸心を通る中央流路と、
上記円柱状軸部の外周よりも半径方向外側に延びる撹拌羽根と、
上記中央流路に挿入され、一端が上記中央流路に連通し、他端から熱媒体が供給され又は排出される熱媒体給排路を軸心に有する内管とを備えており、
上記内管の外側には、内管の外周との間に、上記中央流路と連通する内管外周流路と、該内管外周流路の外周を覆い、内部に密閉された真空空間が形成された筒状の真空部とが設けられている。

上記の構成によると、内管の熱媒体給排路及び内管外周流路には、高温の熱媒体が流通するが、その周りを覆う筒状の密閉された真空空間が形成された真空部によって、その外周の円柱状軸部へ熱が伝わりにくくなる。したがって、高温の熱媒体を内管の熱媒体給排路及び内管外周流路に流通させても、その外周を支持する軸受部やグランドパッキンに熱が伝わりにくくなる。このため、できるだけ高い温度の熱媒体を撹拌軸内部に流通させた場合でも、軸受部などの支持部が熱によって損傷することが避けられる。

第２の発明では、第１の発明において、
上記真空部の外周面と、上記円柱状軸部の内周面との間に円周方向に連続した空気層を形成する隙間が設けられている。

上記の構成によると、真空部の外周面と中央流路内面との間に空気層を形成する隙間が設けられているので、真空部の熱がさらに円柱状軸部に伝わりにくくなる。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、
上記真空部の外周に対応する上記円柱状軸部は、該円柱状軸部の外周との間に円周方向に連続する隙間を形成する円筒状スリーブで覆われている。

上記の構成によると、円柱状軸部の外周と円筒状スリーブの内周との間の隙間に形成された空気層により、円柱状軸部からの熱がさらに円筒状スリーブ外周の軸受部やグランドパッキンに伝わりにくくなる。

第４の発明の熱交換装置は、
第３の発明の撹拌軸と、
上記撹拌軸に連結され、上記中央流路及び上記熱媒体給排路の一方に熱媒体を供給し、上記中央流路及び上記熱媒体給排路の他方から戻ってきた熱媒体を回収するロータリジョイントと、
上記撹拌軸を、軸受部又はグランドパッキンを介して回転可能に支持するケーシングと、
上記熱媒体を、上記ロータリジョイントを介して供給及び回収する熱媒体循環装置とを備え、
上記円筒状スリーブは、上記軸受部又はグランドパッキンの内周に配置されている。

上記の構成によると、ロータリジョイントから高温の熱媒体を流通させても、軸受部等に熱が伝わりにくいので、軸受部等の熱による損傷を防ぎながら、効果的に被処理物を加熱しながら撹拌することができる。

以上説明したように、本発明によれば、軸受部などの熱に弱い部分に熱媒体の熱を伝えにくくしながらできるだけ高い温度の撹拌軸により被処理物を加熱しながら撹拌できる。

図２のＩ部拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る、撹拌軸を有する混練機の概要を示す断面図である。 図１のIII部拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

－混練機の構成－
図２に本願発明に係る熱交換装置としての混練機１０を示し、この混練機１０は、例えば、密閉箱状のケーシング１を有し、このケーシング１の一端上部に被処理物（原料）Ａの供給口２が設けられ、他端下部に排出口３が設けられた連続混練機である。また、ケーシング１の外周にはジャケット４が形成されており、このジャケット４内には、公知の熱媒体循環装置２０によって熱媒体Ｃが流通可能となっている。

ケーシング１には、図示しないモータにより回転可能に例えば一対の撹拌軸５０が支持されている。例えば、一端側がグランドパッキン７により軸支されるとともに、上記モータが接続され、他端は、グランドパッキン７及び軸受部８に軸支されると共に、熱媒体循環装置２０からの熱媒体Ｃを供給及び回収するロータリジョイント１４が接続されている。撹拌軸５０のロータリジョイント１４側には、例えば１個の逆送り用スクリュパドル１６が外嵌されている。撹拌軸５０のモータ側には、順送り用スクリュパドル１８が複数個外嵌されている。この順送り用スクリュパドル１８の形状は特に限定されない。上記逆送り用スクリュパドル１６は、順送り用スクリュパドル１８を、逆方向に取り付けたものでもよい。

図２に示すように、撹拌軸５０は、内部に熱媒体循環装置２０からの熱媒体Ｃを流通させる熱媒体流路が形成され、外周に被処理物Ａを撹拌するための撹拌羽根５３が設けられている。熱媒体流路は、後述する中央流路５２、羽根側流路５４、熱媒体給排路５５ａ等よりなる。

具体的には、撹拌軸５０は、円柱状軸部５１と、円柱状軸部５１の軸心を通る中央流路５２とを備えている。円柱状軸部５１の長手方向中央部分には、円柱状軸部５１の外周よりも半径方向外側に延び、軸方向に互いに間隔をあけて設けられる複数の撹拌羽根５３が突出形成されている。撹拌羽根５３には、一端が中央流路５２に連通し、撹拌羽根５３の内を通って他端が中央流路５２に連通する羽根側流路５４が形成されている。ただし、この撹拌羽根５３の形状は特に限定されず、例えば、連続する螺旋状のもので構成してもよいし、羽根側流路５４は形成されていなくてもよい。

中央流路５２には、中空軸状（管状）の仕切り部材５５が挿入されている。図１に示すように、仕切り部材５５は、例えば、ロータリジョイント１４の内管１９に溶接で連結されて撹拌軸５０と回転一体に支持されている。この仕切り部材５５は、内管１９の中心に延びる熱媒体給排路１９ａに連通する熱媒体給排路５５ａを軸心に有し、内管１９の基端側がロータリジョイント１４に接続されて熱媒体Ｃが供給され、開放された仕切り部材５５の他端から熱媒体Ｃを排出するように構成されている。仕切り部材５５は、中央流路５２に挿入され、中央流路５２を、撹拌羽根５３に対応する位置で上流側と下流側とで仕切って上流側を羽根側流路５４の一端に連通させ下流側を羽根側流路５４の他端に連通させる役割を有する。

上記中央流路５２の先端は、モータ側のグランドパッキン７の位置までは延びていない。このため、モータ側のグランドパッキン７は、撹拌軸５０内部に流通する熱媒体Ｃの熱の影響は受けにくい。

しかしながら、図１及び図３に拡大して示すように、ロータリジョイント１４側の内管１９の外側には、内管１９の外周との間に、中央流路５２と連通する内管外周流路２１が形成されているので、ロータリジョイント１４側のグランドパッキン７の内部は、熱媒体Ｃの影響を受けやすくなっている。

そこで、本実施形態では、内管外周流路２１の外周は、内部に真空空間が形成された筒状の真空部２２によって覆われている。例えば、この筒状の真空部２２は、中央流路５２の内径とほぼ同一の内径を有することで、内管１９の外周面との間で、仕切り部材５５と中央流路５２との間で形成された外側流路と連通する空間を形成している。その外径は、内部に適度な真空空間を形成できる程度の大きさに設定されている。この真空空間は、内管１９の成形時に例えば１０^－２～１０^－４Ｐａとなるように密閉されている。例えば、両端のフランジ部１９ｂ，１９ｃとの間に内径が中央流路５２と等しい第１パイプ１９ｄと、第１パイプ１９ｄよりも外径の大きい第２パイプ１９ｅとを密閉状に溶接するとよい。

さらに、真空部２２の外周面と、円柱状軸部５１の内周面との間に円周方向に連続した内側空気層２３を形成する隙間が確保されている。この隙間は、第２パイプ１９ｅの外径を、円柱状軸部５１に形成した貫通孔（中央流路５２）の内径よりも小さく設定することで確保される。

しかも、真空部２２の外周に対応する円柱状軸部５１は、この円柱状軸部５１の外周との間に円周方向に連続する隙間を形成する円筒状スリーブ２４で覆われている。例えば、円筒状スリーブ２４の長手方向中間の内径を長手方向両側端部よりも大きくすることで、円柱状軸部５１の外周との間に隙間が確保されている。この隙間によって、円周方向に連続する外側空気層２５が形成されている。

－混練機の作動－
次に、本実施形態に係る混練機１０の作動について説明する。

供給口２よりケーシング１内に原料Ａを供給すると、原料Ａは順送り用スクリュパドル１８の送り作用により、排出口３側に向かって送られ、撹拌羽根５３の回転による混練作用を受けて、加熱されながら十分に混練された後、排出口３から製品（混練被処理物）Ｂとして排出される。このとき、原料Ａの供給量を調整して、加熱度合を調節する。

この間、ケーシング１には、図示省略した出入口よりジャケット４内に熱媒体Ｃが循環され、原料Ａを加熱する。例えば、ケーシング１の内部は、３５０℃程度まで加熱される。また、図２に示すように、ロータリジョイント１４から内管１９の熱媒体給排路１９ａを通って熱媒体給排路５５ａにも熱媒体Ｃが供給され、中央流路５２の奥深くから、仕切り部材５５の外周、羽根側流路５４及び内管１９の内管外周流路２１を通って再び、ロータリジョイント１４に戻り、熱媒体循環装置２０に返送される。

本実施形態では、ケーシング１内部と同じ３５０℃程度まで撹拌軸５０を加熱するためには、内管１９の熱媒体給排路１９ａ及び内管外周流路２１には、高温の熱媒体が流通するが、その周りを覆う筒状の真空部２２によって、その外周の円柱状軸部５１へ熱が伝わりにくくなる。しかも、真空部２２の外周に内側空気層２３を形成する隙間が設けられているので、真空部２２の熱がさらに円柱状軸部５１に伝わりにくくなる。

また、円筒状スリーブ２４の内周の隙間に形成された外側空気層２５により、円柱状軸部５１からの熱がさらにグランドパッキン７や軸受部８に伝わりにくくなる。

したがって、ケーシング１内部と同じ３５０℃程度まで撹拌軸５０を加熱するために高温の熱媒体Ｃを内管１９の熱媒体給排路１９ａ及び内管外周流路２１に流通させても、その外周を支持するグランドパッキン７や軸受部８に熱が伝わりにくくなる。このため、できるだけ高い温度の熱媒体を撹拌軸５０内部全体に流通させてもグランドパッキン７、軸受部８などの支持部が熱によって損傷することが避けられる。

このように本実施形態では、真空部２２の周辺において、意図的に撹拌軸５０の外周へ温度が伝わりにくいゾーンを設定できる。内管１９は、管で構成されているので、長さ、外径、材質などを任意に変更できる。また、消耗時にも内管１９を交換すればよいので、交換を容易かつ安価に行える。さらに、撹拌軸５０単体での断熱性能評価を実施できるので、装着後のトラブルを効果的に防ぐことができる。また、撹拌軸５０において、真空層と空気層とを確保できるので、容易に断熱効果を向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る撹拌軸５０によると、グランドパッキン７、軸受部８などの熱に弱い部分に熱媒体の熱を伝えにくくしながらできるだけ高い温度の撹拌軸５０により被処理物を加熱しながら撹拌できる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態では、混練機１０において、撹拌軸５０を２本平行に並べているが、撹拌軸５０は、１本のみで使用されてもよい。

上記実施形態では、仕切り部材５５の内部にロータリジョイント１４から供給される熱媒体Ｃを熱媒体給排路１９ａ及び熱媒体給排路５５ａを通して中央流路５２内に供給するようにしているが、内管１９外周の中央流路５２内に供給され、内管１９及び仕切り部材５５の外周に沿いながら羽根側流路５４を通ってモータ側へ流れた熱媒体Ｃを、仕切り部材５５の熱媒体給排路５５ａ及び内管１９の熱媒体給排路１９ａを通してロータリジョイント１４側へ排出するようにしてもよい。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

１ ケーシング
２ 供給口
３ 排出口
４ ジャケット
７ グランドパッキン
８ 軸受部
１０ 混練機（熱交換装置）
１４ ロータリジョイント
１６ 逆送り用スクリュパドル
１８ 順送り用スクリュパドル
１９ 内管
１９ａ 熱媒体給排路
１９ｂ，１９ｃ フランジ部
１９ｄ 第１パイプ
１９ｅ 第２パイプ
２０ 熱媒体循環装置
２１ 内管外周流路
２２ 真空部
２３ 内側空気層
２４ 円筒状スリーブ
２５ 外側空気層
５０ 撹拌軸
５１ 円柱状軸部
５２ 中央流路
５３ 撹拌羽根
５４ 羽根側流路
５５ 仕切り部材
５５ａ 熱媒体給排路
Ａ 原料
Ｂ 製品
Ｃ 熱媒体

Claims (3)

1. 内部に熱媒体を流通させる熱媒体流路が形成され、外周に撹拌羽根が設けられた撹拌軸であって、
   円柱状軸部と、
   上記円柱状軸部の軸心を通る中央流路と、
   上記円柱状軸部の外周よりも半径方向外側に延びる撹拌羽根と、
   上記中央流路に挿入され、一端が上記中央流路に連通し、他端から熱媒体が供給され又は排出される熱媒体給排路（１９ａ，５５ａ）を内部に有する内管とを備えており、
   上記内管の外側には、内管の外周との間に、上記中央流路と連通する内管外周流路と、該内管外周流路の外周を覆い、軸受部によって回転可能に支持される上記円柱状軸部の領域において内部に密閉された真空空間が形成された筒状の真空部とが設けられており、
   上記内管の外周に設けたフランジ部（１９ｂ，１９ｃ）によって塞がれることにより、上記真空部の外周面と、上記円柱状軸部の内周面との間に円周方向に連続した空気層（２３）を形成する隙間が形成されている
   ことを特徴とする撹拌軸。
2. 請求項１に記載の撹拌軸において、
   上記真空部の外周に対応する上記円柱状軸部は、該円柱状軸部の外周との間に円周方向に連続する隙間を形成する円筒状スリーブで覆われている
   ことを特徴とする撹拌軸。
3. 上記請求項２に記載の撹拌軸と、
   上記撹拌軸に連結され、上記中央流路及び上記熱媒体給排路の一方に熱媒体を供給し、上記中央流路及び上記熱媒体給排路の他方から戻ってきた熱媒体を回収するロータリジョイントと、
   上記撹拌軸を、上記軸受部を介して回転可能に支持するケーシングと、
   上記熱媒体を、上記ロータリジョイントを介して供給及び回収する熱媒体循環装置とを備え、
   上記円筒状スリーブは、上記軸受部の内周に配置されている
   ことを特徴とする熱交換装置。

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