ボールミキサー

球形混合機は、乾燥した、湿った、または湿った粉末を均一化または混合するための混合機です。液体も混合可能です。通常、バッチ混合プロセスに使用されます。球の内部が混合室を形成しています。この混合室内で混合工具が回転し、混合物を三次元的に攪拌します。この流動プロセスは、混合工具の回転軸が水平または垂直に配置されていない場合、非常に高い混合効率を実現します。最も良い混合効果は、回転軸が斜めに配置された場合に得られます。球形混合機は、合成反応器や真空混合乾燥機としても使用可能です。この場合、球は二重壁構造になっています。二重壁には熱伝達媒体が流れます。これにより、物質と熱の交換が行われます。

球形混合機は、少なくとも1つの回転混合工具を備えています。これにより、全バッチの完全な混合が保証されます。オプションで追加の混合工具を装備することも可能です。通常、これらは高速回転の切断工具または刃工具です。これらの工具は有効直径が小さく、混合プロセス中に凝集の分解を引き起こします。摩擦と衝撃効果を生じさせ、塊や凝集物を破砕します。

さらに、粉末を湿潤または被覆する必要がある場合、またはすべての粒子に対してこれが必要である場合にも非常に効果的です。その出力は、回転速度の約3.5乗に比例します。

球形混合機の製造メーカーは、市場にさまざまな構造を確立しています。一部のメーカーは混合軸を球の上部に斜めに配置し、他のメーカーは下部に斜めに配置しています。また、混合軸を球体の斜め下部に配置しているメーカーもあります。さらに、混合軸を斜め上部に配置し、追加の凝集防止ツールを斜め下部に配置しているメーカーもあります。一部のメーカーは、主混合ツールと凝集防止ツールの両方を球体の上部に配置しています。

球形混合機の主混合ツール

球形混合機の製造メーカーは、異なるツール形状を採用しています。一部のメーカーは、主混合ツールを空間的に曲げたアンカー形状に設計しています。他のメーカーは螺旋状のツールを使用しています。さらに他のメーカーはシャベル状のツールを採用しています。重要な点は、球内で回転する混合ツールが、その位置に関わらず常に球壁から同じ距離を保つことです。この距離は、重い混合物や付着しやすい混合物を混合する場合にも確保されなければなりません。この点で、混合ツールは特に形状安定性に優れた設計である必要があります。

混合物の充填

混合する成分は、混合室の上部から充填されます。これには、少なくとも1つの充填口が必要です。一部の球形ミキサーには複数の充填口が備わっています。遮断弁は、回転式フラップ、フラットスライド、またはボールセグメントスライドから選択できます。排出弁とは異なり、充填弁はデッドスペースのない構造である必要はありません。球体の上部には、通気口も設けられています。

混合物の排出

球形混合室の下端には遮断弁があります。この遮断弁は、閉じた状態で球の切り欠き形状になっている必要があります。このような構造のみがデッドスペースのない構造です。これにより、遮断弁の直上を含む球内のすべての体積が混合されます。

混合室の清掃と点検

一部の球形混合機には、点検のために開くことができる2つの半球があります。他のメーカーは、混合室に円形または楕円形の点検ドアを組み込んでいます。これらもデッドスペースがない構造でなければなりません。特にOmgaSeal^®構造が実証されています。湿式清掃のため、混合室に回転式タンク洗浄ノズルが設置されています。湿式清掃装置がミキサー内に常設されている構造もあります。

質問：球体を混合容器として使用する場合の利点は何ですか？

半径 r の球の体積は、次の式で計算できます：

V = 4/3 ⋅ r³ ⋅ π

半径 r の球の表面積は、次の式で計算できます。

O = 4 ⋅ r² ⋅ π

さまざまな回転対称体同士を比較すると、球は最も比表面積が小さいです。このことから、球形の混合室は、円筒形や円錐形の混合室よりも清掃が容易であると推測できます。一方、円錐形の混合室は、球形よりも粉状の混合物の残渣を効果的に排出できると考えられます。製造メーカーは、混合物を可能な限り汚染のない状態で製造することを目指しています。その際、混合装置の残渣の完全排出はますます重要な役割を果たしています。

水で満たされた球形混合機において、液面の高さに応じて水の体積を計算する場合、以下の式が近似値として適用されます：

V(𝑧) = π ⋅ z²⋅ (3 ⋅ r – 𝑧) /3

V: 水の体積

z: 液面の高さ

r: 空洞球の内径

混合ツールの存在を無視しているため、この式は近似値のみを提供します。実際の水量は少し少なくなります。

混合ツールの清掃と点検

動的に動く混合ツールの清掃は、特に重要な要素です。この部分は、球形混合機の混合室よりもはるかに複雑です。そのため、特別な要件が適用されます。その形状は、混合翼の流体力学的要件を満たす必要があります。さらに、EHEDGの衛生要件にも準拠する必要があります。

混合ツールは、シンプルな幾何形状である必要があります。

• 混合工具は、混合物の流れを促進し、圧縮効果を回避する必要があります。
• これは、微細な粉末だけでなく、片状や凝集した散粒体にも適用されます。
• 乾燥した流動性のある物質だけでなく、湿った流動性の悪い粉末にも適用されます。
• 混合工具は、可能な限り小さな表面積を有する必要があります。
• すべての領域が、簡単かつ人間工学的にアクセスできる構造でなければなりません。

あらゆる種類の混合作業に最適なミキサーの構造を見つけることができます。amixon^® を訪問して、既存の試験用ミキサー（円筒形、球形、円錐形、サイクロイド形）をお試しになることをお勧めします。

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• amixon^® では、混合試験に加えて、試験後のミキサーの洗浄も実施することをお勧めします。

混合物の種類や業界に応じて、適切な洗浄方法を採用する必要があります。これには、以下のものが含まれます。

1. 乾式洗浄
2. 湿った布による洗浄
3. 手動湿式清掃
4. 手動湿式清掃
5. 自動湿式清掃。

清掃方法（2）から（5）には、残留水乾燥という重要なテーマも含まれます。

混合作業では、2つまたは3つの清掃手順を交互に実施することが珍しくありません。汚染度と汚染許容度に応じて

湿式洗浄後の温水による冷却

食品業界のお客様は、自動湿式洗浄を熱水のみで実施することを希望される場合があります。界面活性剤の使用を一切避けたいからです。これは、洗浄水の温度を上昇させ、水流圧（流量と圧力）を調整することで可能です。洗浄後は、ミキサーをできるだけ早く乾燥させる必要があります。洗浄水が加熱される温度が高いほど、乾燥は速くなります。

通常、その後混合作業を再開する必要があります。ただし、これはミキサーが冷却されるまでできません。球形構造のため、冷却には他のミキサー構造よりもやや時間がかかります。空洞球からの熱放散は熱放射Q˙によって行われます。これはステファン・ボルツマンの法則で概算できます。

Q˙ = ε ⋅ σ ⋅ A ⋅ (T_s⁴ − T_u⁴)

Q˙: 放射熱量（ワット [W]）

ε: 表面放射率（次元なし、0 から 1 までの値）

σ: ステファン・ボルツマン定数 = 5.67 × 10⁻⁸ W/(m² K⁴)

A: 球の外表面積（平方メートル）[m²]

T_s: 球表面の絶対温度（ケルビン）[K]

T_u: 周囲の絶対温度（ケルビン）[K]

空洞球の冷却速度の推定

球の直径: 1,000 mm

材質: ステンレス鋼 1.4404（オーステナイト系、V4A）、内外面ともに研磨仕上げ

壁厚: 15 mm

表面放射率: 0.25

初期温度: 70 °C

周囲温度：15 °C

目標温度まで冷却：25 °C。

考慮すべき熱伝達メカニズムは2つあります：熱放射と空気による対流。これら2つの合計冷却能力は約2 kWです。純粋に計算上、冷却時間は4～5時間です。相対温度差が徐々に小さくなるため、冷却曲線は漸近的に進みます。この現象は次の指数関数でよく表せます：

T(t) = T_amb + (T_start − T_amb) ⋅ e^−kt

T: 温度変化

t: 時間

T_amb: 周囲温度

T_start: 初期温度

k: 冷却係数、約 8.59 × 10⁻⁵ 1/s

空洞球内の混合ツールも洗浄水によって加熱されます。混合室を開けない限り、迅速に冷却することはできません。この際、排出される水蒸気が生産環境に悪影響を及ぼす可能性があります。特に、空調システムが湿度を迅速に除去できない場合です。このため、水蒸気を乾燥した新鮮な空気で意図的に排出することが有効です。

液体添加と球形ミキサー内の液体分布

実践では、さまざまな粉末の混合に加え、その均一な湿潤も重要です。いわゆる液体添加ランスは、高速回転する粉砕工具の作用領域に接続されています。これにより、凝集物のない均一な最終製品を迅速に得ることができます。

このテーマについて、amixonは数多くのブログ記事を公開しています。ここでは、液体の表面張力、および温度変化やせん断負荷下でのレオロジー特性について解説しています。さらに、バルク固体の多孔性も重要な役割を果たします。固体と液体の界面の特徴、すなわち疎水性および親水性も同様に重要です。

「ボールミキサー」という名称に関する注記。

実際には、「空洞球形ミキサー」という名称よりも「動的に動く混合工具を備えた空洞球形ミキサー」という名称がより適切です。

「球形ミキサー」という名称は、衛生設備分野でも使用されています。これは、改変された水栓金具を指し、複数回穿孔された球体がレバーと接続されており、冷温水の流量を混合・調整する機能を備えています。