JP2019525832A - ニーダー反応器 - Google Patents

Abstract

原料の反応空間が形成されるチャンバーと、前記チャンバーの内部に設けられて回転する少なくとも一つの回転軸と、前記回転軸に回転可能に結合され、前記回転軸の長さ方向に配置される複数のパドルとを含み、前記複数のパドルの少なくとも一部は、複数の頂点を有する形状に形成される本体と、前記回転軸に挿入されるように、前記本体の中心に形成される貫通ホールと、前記頂点から突出し、前記回転軸の回転軌跡に一致する少なくとも一つの稜を含む形状に形成される突起とを含む、ニーダー反応器を提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、ニーダー反応器に関する。

一般に、ニーダー反応器とは、製造する原料物質が異なる液状体と、液状体または微細粉末とを粘性体に混ぜて均質化する装置を言う。ニーダー反応器は、原料が供給される供給部および排出される排出部が設けられる筒状ケーシングと、筒状ケーシング内に配置され、投入口側から排出口側に向かって配置される複数のパドルと、パドルが設けられている回転軸とを含む。ニーダー反応器では、パドルの回転により原料が混ぜ合わされ、生成された生成物を排出部から排出する。

最近では、新材料の開発などにより材料の種類が多くなり、ニーダー反応器の能力向上への要求が高まっている。

しかしながら、従来のニーダー反応器に用いられるパドルは、稜が円弧状をしているため、ニーダー反応器内で占める体積が大きい。また、パドルが偏心回転し、原料と接触して反応する接点が一つであるため、反応時間が長くなる。

本発明の目的は、多量の原料を注入できるニーダー反応器を提供することである。

また、本発明の目的は、原料の反応時間を短縮できるニーダー反応器を提供することである。

本発明の目的は、多量の原料を反応できるニーダー反応器を提供することである。

但し、本発明が解決しようとする技術的課題は前述の課題に限定されず、言及していない他の課題は、以下の記載から当業者に明確に理解されるだろう。

本発明の一実施形態によると、原料の反応空間が形成されるチャンバーと、前記チャンバーの内部に設けられて回転する少なくとも一つの回転軸と、前記回転軸に回転可能に結合され、前記回転軸の長さ方向に配置される複数のパドルとを含み、前記複数のパドルの少なくとも一部は、複数の頂点を有する形状に形成される本体と、前記回転軸に挿入されるように、前記本体の中心に形成される貫通ホールと、前記頂点から突出し、前記回転軸の回転軌跡に一致する少なくとも一つの稜を含む形状に形成される突起とを含む、ニーダー反応器を提供する。

前記パドルの前記本体は、正三角形状に形成することができる。

前記突起は、非対称形状に形成され、前記本体の厚さよりも厚く形成され、前記各頂点を取り囲むように設けることができる。

前記チャンバーは、前記原料が注入される注入部に隣接する第１の空間と、前記第１の空間に隣接して位置する第２の空間と、前記第２の空間に隣接して位置し、前記原料の反応により生成される生成物が排出される排出部に隣接する第３の空間とを含むことができる。

前記第１の空間及び前記第３の空間に配置される前記複数のパドルは、既に決定された角度ずつ互いにずれて配置することができる。

前記第３の空間に配置される前記パドルは、前記第１の空間に配置される前記パドルと反対方向にずれて配置することができる。

前記既に決定された角度は、１５度であってもよい。

前記回転軸は、第１の回転軸と、前記第１の回転軸の回転方向と同一および反対の方向の少なくとも一つの方向に回転する第２の回転軸とを含み、前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸に配置される前記複数のパドルは、交互に配置することができる。

前記原料は、ピロリドンを含むラクタムであってもよい。

本発明によると、パドルの形状を、直線を有する正三角形状に形成することで、パドルがチャンバー内に占める体積を小さくして、多量の原料を注入することができる。

また、本発明によると、パドルは、原料と接触する複数の接点を含んでいるため、原料との反応時間を短縮することができる。

本発明によると、原料との反応時間が短縮できるため、多量の原料を反応することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るニーダー反応器の平面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係るパドルの形状を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態に係るパドルの断面図である。 図４は、本発明の一実施形態に係るチャンバーの第１の空間〜第３の空間を示す図である。 図５ａは、本発明の一実施形態に係るパドルの形状によるニーダー反応器の反応時間及びチャンバーに占める原料の量を比較するための表である。 図５ｂは、本発明の一実施形態に係るパドルの形状によるニーダー反応器の反応時間に対する電流値を示すグラフである。 図６は、本発明の一実施形態に係るパドルと比較するために、他の形状のパドルを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の具体的な実施形態を説明する。但し、これは例示的実施形態に過ぎず、本発明を限定するものではない。

本発明を説明するにあたり、関連する公知技術に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明確にする虞があると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。また、後述する用語は、本発明における機能を考慮して定義された用語であり、使用者、運用者の意図または慣例などによって異なり得る。従って、その定義は、本明細書全般に亘る内容に基づいて行われるべきである。

本発明の技術的思想は、特許請求の範囲により決定される。また、以下の実施形態は、進歩的な本発明の技術的思想を、当業者に効率的に説明するための一手段に過ぎない。

図１は、本発明の一実施形態に係るニーダー反応器１００の平面図である。

図１に示すように、ニーダー反応器１００は、チャンバー２００と、回転軸３００と、パドル４００とを含むことができる。

まず、ニーダー反応器１００は、原料を反応して生成物を生成するための装置であってもよい。ここで、原料は、ピロリドンを含むラクタムであってもよく、それの反応によって生成される生成物は、バイオナイロンであってもよい。本発明の一実施形態に係るニーダー反応器１００は、バイオナイロンを製造するために用いられる装置であってもよい。しかし、これに限定されるものではない。

チャンバー２００は、原料の反応空間であってもよい。チャンバー２００は、水平方向に沿って長い筒状に形成することができる。これにより、チャンバー２００は、原料を注入する注入部２１０と、前記原料の反応によって生成される生成物を排出する排出部２２０とを含むことができる。また、チャンバー２００内への原料の供給、及び生成物の排出を可能にする少なくとも一つのスクリュー（図示せず）を含むことができる。

さらに、チャンバー２００は、原料が注入される注入部２１０に隣接する第１の空間Ｓ１と、第１の空間Ｓ１に隣接して位置する第２の空間Ｓ２と、第２の空間Ｓ２に隣接して位置し、前記原料の反応によって生成される生成物が排出される排出部２２０に隣接する第３の空間Ｓ３とを含むことができる。これらについては、後述することとする。

チャンバー２００は、内部に設けられて回転する少なくとも一つの回転軸３００を含むことができる。回転軸３００は、複数のパドル４００が回転するように、チャンバー２００の長さ方向に長く設けることができる。また、回転軸３００は、チャンバー２００内に２つ設けることができる。具体的には、回転軸３００は、第１の回転軸３００ａと、該第１の回転軸３００ａの回転方向と同一及び反対の方向の少なくとも一つの方向に回転する第２の回転軸３００ｂとを含むことができる。ここで、第１の回転軸３００ａと第２の回転軸３００ｂの回転方向は、時計回りにしてもよく、反時計回りにしてもよい。しかし、これらに限定されるものではなく、第１の回転軸３００ａを時計回りに回転し、第２の回転軸３００ｂを反時計回りに回転してもよい。すなわち、第１の回転軸３００ａ及び第２の回転軸３００ｂの回転方向は、同一でもよく異なっていてもよい。本発明では、第１の回転軸３００ａ及び第２の回転軸３００ｂがパドル４００を同一方向に回転させて、原料の反応により生成物を生成することができる。また、回転軸３００と結合して回転軸３００に動力を提供するための動力部（図示せず）を設けることができる。

パドル４００は、回転軸３００に回転可能に結合され、回転軸の長さ方向に複数配置することができる。

複数のパドル４００は、回転軸３００に挿入することができる。複数のパドル４００は、一定の間隔を置いて配置することができる。ここで、第１の回転軸３００ａ及び第２の回転軸３００ｂに配置される複数のパドル４００は、交互に配置することができる。すなわち、第１の回転軸３００ａに配置される複数のパドル４００と、第２の回転軸３００ｂに配置される複数のパドル４００とは、ずれて配置することができる。

複数のパドル４００は、回転軸３００により回転することによって、チャンバー２００内の原料と接触するように設けることができる。具体的には、パドル４００は、複数の突起４３０と接触することになり、前記原料の反応によって生成物を生成するようにすることができる。つまり、パドル４００は、前記原料と連続して接触することにより、材料が反応できるようにすることができる。

図２は、本発明の一実施形態に係るパドル４００の形状を示す図である。図３は、本発明の一実施形態に係るパドル４００の断面図である。

図２及び図３に示すように、複数のパドル４００の少なくとも一部は、本体４１０と、貫通ホール４２０と、突起４３０とを含むことができる。

本体４１０は、複数の頂点を有する形状に形成することができる。例えば、本体４１０は、正三角形状に形成することができる。本体４１０は、正三角形状に形成することによって、複数の頂点、すなわち３つの頂点を有することになる。これにより、パドル４００が回転すると、３つの頂点と原料の界面で連続して接触反応が大きく起こるようになる。

また、本体４１０は、直線を有する稜で形成することにより、チャンバー２００内に多量の原料を流入することができる。従来は、本体を、円弧形状を有する稜で形成したことにより、チャンバー２００内で占める体積が相対的に大きくなり、チャンバー２００内に流入できる原料の量が相対的に少なかった。

これに対し、本発明の一実施形態に係るパドル４００は、直線を有する稜で形成することにより、チャンバー２００内で占める体積が相対的に小さくなり、相対的に多い量の原料をチャンバー２００内に流入することができる。これにより、チャンバー２００内で反応できる原料の量が増加し、生成物の量も増加することになる。

貫通ホール４２０は、回転軸３００に挿入されるように、本体４１０の中心に形成することができる。貫通ホール４２０を本体４１０の中心に形成することにより、パドル４００は、回転軸３００を中心に回転することができる。これにより、パドル４００は、中心回転して、パドル４００の頂点、すなわち本体４１０の３つの頂点とチャンバー２００内の原料を接触反応させることができる。

突起４３０は、本体４１０の複数の頂点から突出し、回転軸３００の回転軌跡に一致する少なくとも一つの稜を含む形状に形成することができる。具体的には、突起４３０は、非対称形状に形成され、本体４１０の厚さよりも厚く形成され、３つの各頂点を取り囲むように設けることができる。ここで、突起４３０は、回転軌跡が一致する稜と、各頂点を取り囲む稜とが異なってもよい。

突起４３０は、原料と接触する接点であってもよい。突起４３０は、各頂点で本体４１０の厚さよりも厚く形成し、原料との接触面積を増加させることができる。これにより、突起４３０は、原料の反応が大きく起こるように、原料を混ぜ合わせる役割を果たすことができる。

また、突起４３０は、図３に示すように、回転軸３００の回転軌跡が一致する稜を含んでいる。反応により生成される生成物が例えば固体である場合には、反応によって原料が徐々に固化し、生成物（固体）の重量により回転軸の回転速度が低くなることがある。これを考慮し、突起４３０は、回転軸３００の回転軌跡に少なくとも一部が一致するようにして、生成物に作用する力が大幅に減少することがないようにする。つまり、突起４３０は、生成物（固体）に作用する力によってパドル４００を回転させる回転力が減少することがないようにし、安定した反応が起こるようにすることができる。

図４は、本発明の一実施形態に係るチャンバー２００の第１の空間Ｓ１〜第３の空間Ｓ３を示す図である。

図４に示すように、複数のパドル４００の少なくとも２つ以上のパドル４００は、決定された角度だけずれて配置することができる。具体的には、第１の空間Ｓ１及び第３の空間Ｓ３に配置される複数のパドル４００は、既に決定された角度ずつ互いにずれて配置することができる。すなわち、第３の空間Ｓ３に配置されるパドル４００は、第１の空間Ｓ１に配置されるパドル４００と反対方向にずれて配置することができる。

例えば、第１の空間Ｓ１に配置される複数のパドル４００のうち、第２の空間Ｓ２に隣接して配置されるパドル４００と、注入部２１０に隣接して配置されるパドル４００とで、頂点の位相差が発生し得る。例えば、第２の空間Ｓ２に隣接して配置されるパドルを第１のパドル４００ａといい、注入部２１０に隣接して配置されるパドルを第２のパドル４００ｂという。第１のパドル４００ａ及び第２のパドル４００ｂは、既に決定された角度ずつずれて配置することができる。

また、第３の空間Ｓ３に配置される複数のパドル４００のうち、第２の空間Ｓ２に隣接して配置されるパドル４００と、排出部２２０に隣接して配置されるパドル４００とで、頂点の位相差が発生し得る。例えば、第２の空間Ｓ２に隣接して配置されるパドルを第３のパドル４００ｃといい、排出部２２０に隣接して配置されるパドルを第４のパドル４００ｄという。第３のパドル４００ｃ及び第４のパドル４００ｄは、既に決定された角度ずつずれて配置することができる。

ここで、既に決定された角度は、１５度であってもよい。すなわち、第１の空間Ｓ１及び第３の空間Ｓ３に配置される複数のパドル４００は、１５度ずつ互いにずれて配置される。これにより、第１の空間Ｓ１に配置されるパドル４００の数だけ１５度ずつずれて配置することができる。また、第３の空間Ｓ３に配置されるパドル４００の数だけ１５度ずつずれて配置することができる。すなわち、第２のパドル４００ｂは、第１のパドル４００ａから１５度ずれて配置し、第４のパドル４００ｄは、第３のパドル４００ｃから１５度ずれて配置することができる。なお、既に決定された角度とは、回転軸３００の長さ方向から複数のパドル４００を見たときに、一のパドル４００の本体４１０の各頂点と、複数のパドル４００の中心と、一のパドル４００に隣接するパドル４００の本体４１０の各頂点とを結ぶ角度をいう。

また、第３のパドル４００ｃ及び第４のパドル４００ｄは、第１のパドル４００ａ及び第２のパドル４００ｂと反対方向にずれて配置することができる。すなわち、第３の空間Ｓ３に配置される複数のパドル４００は、第１の空間Ｓ１と反対方向にずれて配置することにより、接触して反応が進行される原料を第２の空間Ｓ２側に移動させることができる。すなわち、第３の空間Ｓ３は、反応が完了していない原料を第２の空間Ｓ２側に移動させて反応が完了するようにする。

図５ａは、本発明の一実施形態に係るパドル４００の形状によるニーダー反応器１００の反応時間およびチャンバー２００に占める原料の量を比較するための表である。図５ｂは、本発明の一実施形態に係るパドル４００の形状によるニーダー反応器１００の反応時間に対する電流値を示すグラフである。図６は、本発明の一実施形態に係るパドル４００と比較するために、他の形状のパドル１を示す図である。

以下では、説明を容易にするために、図６に示すパドル１（従来のパドル）をＡパドルといい、本発明の一実施形態に係るパドル４００をＢパドルという。また、複数のＡパドルを含むニーダー反応器をＡニーダー反応器といい、複数のパドルの少なくとも一部がＢパドルからなるニーダー反応器をＢニーダー反応器という。

図６に示すように、Ａパドルは、複数の頂点を有し、稜を円弧状に形成することができ、Ａパドルを回転させるために回転軸と結合するホールが偏心されている。また、Ａパドルは、前記複数の頂点から突出する突起が形成されている。

前述のように、本発明の一実施形態に係るパドルであるＢパドルは、複数の頂点を有する形状であり、正三角形状に形成することができる。また、Ｂパドルを回転させるために回転軸と結合するホールは、中心に形成されている。突起は、前記複数の頂点から突出し、回転軌跡に一致する少なくとも一つの稜を含んでいる。

図５ａは、Ａニーダー反応器とＢニーダー反応器の反応時間およびチャンバーで原料が占める量を調べた結果を示す表である。ここで、Ａニーダー反応器とＢニーダー反応器の反応条件（例えば、チャンバーの大きさ、原料の注入量など）は、一致している。

図５ａに示すように、Ａニーダー反応器の反応完了時間は、３３０分であるのに対し、Ｂニーダー反応器の反応完了時間は、２２０分である。Ａニーダー反応器は、複数のパドルが偏心回転しているので、原料と反応（重合）するための接触部が１つである。これに対し、Ｂニーダー反応器は、中心回転しているので、原料と反応（重合）するための接触部が３つである。つまり、Ｂニーダー反応器では、Ａニーダー反応器よりも複数の接触部が設けられているので、反応（重合）時間を短縮することができる。

また、同じサイズのチャンバー内で原料が占める割合は、Ａニーダー反応器の場合は５０％であり、Ｂニーダー反応器の場合は６０％である。つまり、Ａパドルの場合は、チャンバー内で占める体積がＢパドルよりも大きい。これにより、ＡパドルとＢパドルの体積の差だけチャンバー内で占める原料の量に差が発生することになる。これは生成物の量と直結するため、Ｂニーダー反応器は、Ａニーダー反応器よりも相対的に多い量の原料を反応して生成物を生成することができる。

図５ｂは、複数のＡパドルからなるＡニーダー反応器と、複数のパドルの少なくとも一部がＢパドルからなるＢニーダー反応器の反応時間による電流値を示すグラフである。

図５ｂにおいて、ｘ軸は反応時間、ｙ軸は電流値を示す。

Ａニーダー反応器とＢニーダー反応器を比較すると、Ａニーダー反応器では、一定の時間が経過した後に電流値が急激に上昇することを確認できる。Ａニーダー反応器では、反応による生成物（固体）の重量により過負荷状態になり、回転に大きな力（トルク）が必要とされ、動作に求められる電流値が急激に上昇することがある。

これに対し、Ｂニーダー反応器では、一定の時間が経過した後に上昇する電流値がＡニーダー反応器よりも小さい。Ｂニーダー反応器は、反応による生成物（固体）を回転させるために、Ｂパドルの回転軌跡に一致する少なくとも一つの稜を有する突起を含んでいる。つまり、突起は、Ｂパドルが生成物（固体）を回転するのに必要な力を分散できるので、回転に相対的に小さな力（トルク）が必要とされる。

本発明の一実施形態に係るニーダー反応器１００は、複数のパドル４００を用いて原料と接触反応することができる。また、複数のパドル４００は、本体４１０を正三角形状に形成することにより、チャンバー２００内で占める体積が小さくなり、チャンバー２００内に多い量の原料を注入することができる。

さらに、パドル４００は、複数の頂点から突出する突起４３０を含んでいる。突起４３０は、原料をよく混合するために、原料をかき混ぜることができる。

さらに、突起４３０は、回転軸３００の回転軌跡に一致する少なくとも一つの稜を含んでいるので、パドル４００を回転させる回転力が減少することがないようにし、安定した反応が起こるようにする。

これにより、本発明の一実施形態に係るニーダー反応器１００は、原料の反応時間を短縮することができ、生成物の量を増加させることができる。

以上、代表的な実施形態により本発明を詳細に説明したが、当業者であれば、本発明の範疇を逸脱しない範囲内で、前述した実施形態に対する様々な変形が可能であることを理解するはずである。従って、本発明の権利範囲は、説明した実施形態に限定されてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、その特許請求の範囲と均等なものによって定められるべきである。

１００：ニーダー反応器
２００：チャンバー
２１０：注入部
２２０：排出部
３００：回転軸
４００：パドル
４１０：本体
４２０：貫通ホール
４３０：突起

Claims (9)

1. 原料の反応空間が形成されるチャンバーと、
   前記チャンバーの内部に設けられて回転する少なくとも一つの回転軸と、
   前記回転軸に回転可能に結合され、前記回転軸の長さ方向に配置される複数のパドルとを含み、
   前記複数のパドルの少なくとも一部は、
   複数の頂点を有する形状に形成される本体と、
   前記回転軸に挿入されるように、前記本体の中心に形成される貫通ホールと、
   前記頂点から突出し、前記回転軸の回転軌跡に一致する少なくとも一つの稜を有する形状に形成される突起とを含む、ニーダー反応器。
2. 前記パドルの前記本体は、正三角形状に形成される、請求項１に記載のニーダー反応器。
3. 前記突起は、非対称形状に形成され、前記本体の厚さよりも厚く形成されて、前記各頂点を取り囲むように設けられる、請求項１に記載のニーダー反応器。
4. 前記チャンバーは、
   前記原料が注入される注入部に隣接する第１の空間と、
   前記第１の空間に隣接して位置する第２の空間と、
   前記第２の空間に隣接して位置し、前記原料の反応により生成される生成物が排出される排出部に隣接する第３の空間とを含む、請求項１に記載のニーダー反応器。
5. 前記第１の空間および前記第３の空間に配置される前記複数のパドルは、既に決定された角度ずつ互いにずれて配置される、請求項４に記載のニーダー反応器。
6. 前記第３の空間に配置される前記パドルは、前記第１の空間に配置される前記パドルと反対方向にずれて配置される、請求項５に記載のニーダー反応器。
7. 前記既に決定された角度は１５度である、請求項５に記載のニーダー反応器。
8. 前記回転軸は、
   第１の回転軸と、
   前記第１の回転軸の回転方向と同一及び反対の方向の少なくとも一つの方向に回転する第２の回転軸とを含み、
   前記第１の回転軸および前記第２の回転軸に配置される前記複数のパドルは、交互に配置される、請求項１に記載のニーダー反応器。
9. 前記原料は、ピロリドンを含むラクタムである、請求項１に記載のニーダー反応器。

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