”低速撹拌機”と”高速撹拌機”

「撹拌をやさしく捉えてみよう【一般的なクリーム・乳液製造工程で必要な撹拌】」のページで，”低速撹拌機”と”高速撹拌機”に分類することをしました。

低速撹拌機は多くの撹拌機メーカーで取り扱われていますので，良く知られた一般的な撹拌機と言えます。

一方で，高速撹拌機はどちらかというと例外的と言えるので，特定の数少ないメーカーでしか取り扱っていません。

📝[memo]　ちなみに，みづほ工業が主力としているのは”高速撹拌機”です。

ここでは，代表的な”低速撹拌機”と”高速撹拌機”をピックアップして紹介します。

主な”低速撹拌機”

まずは，撹拌エネルギーの大部分が吐出作用に利用される”低速撹拌機”を紹介します。

プロペラミキサー

• 小さな動力で大きな吐出が得られ，さらにはコンパクトで比較的安価であることから，大容量の撹拌に使用されています。
• そして，一般的な使用範囲における羽根径は小さい特徴があります。そのため，高粘度流体には使用されません。
• タンク全体の流れを良くするために，槽内に別途邪魔板を取り付けたり，偏芯や傾斜させたプロペラミキサーを取り付けたりしています。

パドルミキサー

• 羽根の構造がシンプルであるため，大きな羽根であっても比較的安価です。
• 羽根径を大きくできることから，高粘度流体に対する撹拌にも適しています。
• 同じ吐出能力であっても，大きな撹拌エネルギーを要する平パドル型よりも，経済性の問題から，傾斜パドル型が多く使用されています。

📝[memo]　右図のように，液が接触すると斜め上または斜め下に流れ方向を変える働きを持つのが傾斜パドル型です。

アンカーミキサー

• 低粘度流体の場合，槽内を移動する流量は多いです。
• 特に，槽壁面付近の流速は他のミキサーと比較すると大きいため，槽壁面で熱交換をする場合は伝熱効果を高めることができます。

📝[memo]　高粘度流体を完全に移動させるためには，リボンミキサー等を使用して，強制的に液体を動かすようにしなければなりません。

主な”高速撹拌機”

次に，撹拌エネルギーの大部分が微細化作用に利用される”高速撹拌機”を紹介します。

ホモミキサー

• ホモミキサーは，固定化されて動かない部品「ケーシング」と高速で回転する「タービン羽根」から構成されています。
• 粒子がタービン羽根を通過すると，微細化作用が働きます。
• 多くの場合，乳化を目的に使用されています。

• 高速回転するタービン羽根とケーシングの間に生じる強力なせん断，衝撃，キャビテーション力によって撹拌されます。
• ケーシングとタービン羽根の隙間（クリアランス）は約0.5 [mm]であり，流体はこの隙間を通過して上部に押し出されます。
• このように，ホモミキサーは液を下から吸って上に吐出する流れを作り出します。

• ホモミキサーの回転方向を変えると，液を上から吸って下に吐出する流れを作り出します。
• 例えば，液面に浮いてしまうような原料を撹拌するときに使用することができます。

ディスパーミキサー

• ディスパーミキサーは，軸の先端に板が取り付けられており，その板の周囲がのこぎりの歯のようになった羽根が特徴です。
• どちらかというと，粉体を液体に分散させるサスペンション系に適しています。（高分子増粘剤等）
• 粒子が羽根に直接当たることによる衝撃力や，羽根とタンク壁面との間を通過することによるせん断力が働きます。

• 羽根が回転すると，上下の液が羽根の方に巻き込まれていきます。
• その後，粒子が羽根に直接当たることによる衝撃力で微細化作用が働きます。

ホモミキサーとディスパーミキサーの使用例

「撹拌をやさしく捉えてみよう【撹拌作用の使い分け】」のページで紹介したように，撹拌機における撹拌作用は，計器によって測定することができないのが実情です。

そのため，実際に撹拌機を使用してみないとわからないことが多いのですが，「ホモミキサー＝エマルション（液体中の液体の微細化）」，「ディスパーミキサー＝サスペンション（液体中の固体の微細化）」で使用すると良いとされています。

ただし，絶対にこのようなことが成り立つとは断言できませんが，次のような考え方から理解することができます。

考え方

ホモミキサーによる微細化作用として，せん断力を考えることが多いです。

「撹拌をやさしく捉えてみよう【撹拌をどのように利用するべきか？】」のページで紹介したように，せん断力は速度の差によって変形が生じる力を言います。

そのため，比較的変形しやすい液体のほうが，ホモミキサーによる微細化に適していると考えることができます。

📝[memo]　固体は自由に変形することができないですよね。

一方，ディスパーミキサーによる微細化作用として，衝撃力とせん断力を考えることが多いです。

📝[memo]　高速撹拌機による微細化作用を引き起こすために”せん断力”がメインになると説明しましたが，ディスパーミキサーに限っては衝撃力も考えます。

そのため，衝撃を与えて粉砕できる固体のほうが，ディスパーミキサーによる微細化に適していると考えることができます。

微細化作用のイメージ

最後に，上述した内容をイメージで捉えることをします。

ホモミキサーはせん断力をメインに付与するので「引っ張る力」が強い，ディスパーミキサーは衝撃力も付与するので「叩く力」が強いと仮定します。

そして，次のように想像すると，ホモミキサーとディスパーミキサーの使い分けが見えてきやすいと思います。

液体（餅）

液体を”餅”として考えてみます。

餅を引っ張ると伸びていき，最終的に引きちぎる（小さくなる）ことができます。

一方，餅を叩いても変形するだけで，小さくなることはありません。

固体（ガラス）

固体を”ガラス”として考えてみます。

ガラスは自由に変形しないので，引っ張っても小さくすることはできません。

一方，ガラスを叩くことで，容易に粉々（小さくなる）になります。

ウルトラミキサー（参考）

ここで紹介する”ウルトラミキサー”は，一般的な高速撹拌機ではありません。

「撹拌をやさしく捉えてみよう【撹拌装置で使用する主な撹拌羽根】」のページで触れている当社独自のものですが，ご参考までに紹介します。

• ウルトラミキサーは，回転フードから製品を内部へ吸い込み，側面から噴き出す流れを作り出します。
• このとき，スリット状の歯による直接的な切断によって微細化するため，粉体等の固体粒子の分散に適しています。

ウルトラミキサーによる粉砕効果

ウルトラミキサーの特徴を示した1つの事例です。

未処理のシリカゲル（3~7 [mm]程度）を25型の撹拌機で処理したものです。

ウルトラミキサーを使用すると，全てのシリカゲルを1 [mm]以下にすることができました。

他の撹拌機では，1 [mm]よりも大きなシリカゲルが残っています。

ウルトラミキサーでは，固体粒子の微細化に適していることが示唆されます。

ウルトラミキサーの使用例

ウルトラミキサーの構造を考えたとき，回転フードから吸引された粒子が何度もスリット間を通過するので，せん断力（＝「引っ張る力」）が強いと言えます。

また，当該粒子は何度もスリットに接触するため，衝撃力（＝「叩く力」）もが強いと言えます。

例えば，粒子が吸引される断面積と吐出される断面積について，ホモミキサーとウルトラミキサーを比べてみます。

吸引される断面積

• ホモミキサー：ケーシングの径に相当する円が断面積に相当します。
• ウルトラミキサー：回転フードの断面積は小さいです。

吐出される断面積

• ホモミキサー：吐出口（ソラマメ）の断面積に相当します。
• ウルトラミキサー：スリット間の隙間に相当し，その断面積は小さいです。

したがって，ウルトラミキサーの吸引/吐出される断面積は共に小さいため，粒子が進入されにくいことがわかります。

📝[memo]　吸引される断面積（＝入口）が狭いとそもそも粒子は進入されにくく，吐出される断面積（＝出口）が狭いと詰まってしまって粒子は進入されにくくなります。

このとき，粒子が適切に回転フードから吸引されるのであれば，ウルトラミキサーによって想定されるせん断力を付与するすることができ，期待される粒子が生成すると考えられます。