JP2004160288A

JP2004160288A - ホモジナイザー

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Publication number: JP2004160288A
Application number: JP2002326506A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Uesugi; 正和上杉; Masahiro Kadofuri; 正浩角振; Shotaro Mizobuchi; 庄太郎溝渕
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2022-11-11
Also published as: JP4005479B2; US20040090862A1; US20080175096A1; DE10351962A1; US7645067B2; DE10351962B4

Abstract

【課題】高圧ポンプ等の大がかりな設備を用いることなく、粒子径１μｍ程度と極めて微粒径のエマルジョンを生産することができ、しかも生産したエルジョンの粒径分布が目標とする粒径付近でシャープな特性を示すホモジナイザーを提供する。
【解決手段】所定の軸受隙間を介して固定部１と円盤状の攪拌ロータ２とを対向配置してスラスト動圧軸受３を構成し、前記固定部１に対する攪拌ロータ２の回転をスラスト動圧軸受３によって支承する一方、前記軸受隙間には互いに相溶性を具備しない複数の原液Ａ，Ｂを導入し、前記攪拌ロータ２の回転に伴い、前記軸受隙間内でこれら原液の混合攪拌を行うようにした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、互いに相溶性を有さない複数の液体を機械的に混合攪拌して微粒化、乳化、分散させる際に用いられるホモジナイザーに係り、特に、微粒化の際に目標とする粒径に合致したシャープな粒径分布を得るための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】水エマルジョン燃料ディーゼルエンジン（発明協会発行「発明２００１年７月号」第３６〜４２頁）
【非特許文献２】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｉｎｅｍａｔｉｃａ．ｃｈ／Ｅｎｇｌｉｓｃｈ／
【非特許文献３】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｒｇａｎｏ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄ／ｃｌｅａｒｍｉｘ／
【非特許文献４】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｇｅ．ｃｏ．ｊｐ／ｎａｎｏ／
【０００３】
近年、ディーゼルエンジンの排出ガス中に含まれる煤等の微細粒子状物質（ＳＰＭ）やＮＯ_Ｘが環境負荷の観点から大きな社会問題となっているが、この排出ガス問題を解決する方策として、水エマルジョン燃料を用いたディーゼルエンジンが提案され、商品化されている。この水エマルジョン燃料とは、軽油と水を混合して乳化させた燃料であり、この燃料を用いたディーゼルエンジンではＳＰＭやＮＯ_Ｘの排出量が著しく低下することが報告されている。
【０００４】
この水エマルジョン燃料は例えば油と水を１：１の割合で混合した後に、１μｍ程度の粒子にまで微粒化してエマルジョンとしたものであり、エンジンの安定的な燃焼を確保するためには、粒径分布があまり拡がらずに、１μｍを中心とした狭い領域に集中していることが重要である。
【０００５】
従来、水と油の如く、互いに相溶性を具備しない２つの液体を混合攪拌する装置としては、各種形式のホモジナイザが公知であり、食品や化学製品の生産設備、実験プラント等に多用されている。このうち、エマルジョンの生産に適したホモジナイザとしては、所謂ロータ・ステータ型ホモジナイザーや、高圧ホモジナイザが知られている。
【０００６】
ロータ・ステータ型ホモジナイザーとしては、ＫＩＮＥＭＡＴＩＣＡ社（スイス）製の商品名「メガトロン」（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｉｎｅｍａｔｉｃａ．ｃｈ／Ｅｎｇｌｉｓｃｈ／）や、オルガノ社製の商品名「クレアミックス」（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｒｇａｎｏ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄ／ｃｌｅａｒｍｉｘ／）等が知られている。これらロータ・ステータ型ホモジナイザーは、攪拌室内に固定された円筒状のステータと、このステータの中空部内に収容されると共にモータによって所定の回転数を与えられるロータとから構成されており、上記ステータ及びロータには複数の流路が放射状に形成されている。互いに相溶性をもたない２つの液体は混合された後にポンプによって上記ロータの中空部に対して供給され、これら液体が供給された状態でロータが回転を開始すると、上記液体には遠心力が作用し、かかる液体はロータに形成された放射状の流路から噴出して、ロータとステータとの隙間に浸入し、更にはステータの放射状流路に浸入する。ステータは回転せずに固定されていることから、ロータが回転を開始すると、ロータ及びステータの放射状流路に内に存在する液体には渦流れが発生し、また、ロータとステータの隙間に浸入した液体にはロータの回転速度に応じた剪断力が作用することになり、これら渦流れや剪断力のエネルギーによって２つの液体は均質化され、最終的にはステータに形成された放射状の流路からエマルジョンとなって外部に排出される。
【０００７】
このロータ・ステータ型のホモジナイザーにおいて２つの液体の均質化、換言すれば微粒化をより効率良く行うためには、ロータとステータとの間に導かれた液体に対して大きな剪断力を作用させることが重要であり、そのためにはステータの内周面とロータの外周面とが形成する隙間を小さく設定することが重要である。しかし、実際にはステータとロータとの隙間を余り小さく設定することはできず、粒子径１μｍと極めて微粒子のエマルジョンを生産するのには適さなかった。また、ロータの回転数を高める等して極めて大きなエネルギを投下すれば、微粒径のエマルジョンの生産を期待することはできるものの、生産したエマルジョンは粒径分布がシャープな特性を示さず、広い領域に分布してしまうといった不都合がある。
【０００８】
一方、後者の高圧ホモジナイザーとしては、例えば、ナノマイザー株式会社製の商品名「ナノマイザー」が知られている。この高圧ホモジナイザーは、孔径０．２５ｍｍ程度の細管が形成されたジェネレータと、このジェネレータの細管内に液体を圧入する高圧ポンプとから構成されており、エマルジョンとする２つの液体を混合した後に前記ジェネレータの細管を通過させることにより、かかる細管内で液体に対して衝撃波やキャビテーションのエネルギが作用し、このエネルギによって微粒径のエマルジョンが得られるようになっている。この高圧ホモジナイザーは前述のロータ・ステータ型のホモジナイザに比べて、単位体積当たりの液体に対するエネルギ投下量が大きいことから、より粒子径の小さなエマルジョンが得られるといった利点があるが、微粒化する液体の粘度に上限（５００ｃｐｓ程度）があり、処理できる液体の種類が限定されるといった問題点がある。また、極めて小さな内径の細管内を液体が通過することから、単位時間当たりに処理できる量が極めて少なく、処理量を増やすためには前記高圧ポンプが発生する圧力を高める必要があり、ポンプ設備が大がかりなものになってしまうといった問題点もあった。更に、１μｍ程度の微粒径のエマルジョンを生産することはできるものの、生産されたエマルジョンの粒径分布は前後に０．５μｍ程度の幅を有しており、やはり粒径分布がシャープな特性を示しているとは言えないものであった。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、高圧ポンプ等の大がかりな設備を用いることなく、粒子径１μｍ程度と極めて微粒径のエマルジョンを生産することができ、しかも生産したエルジョンの粒径分布が目標とする粒径付近でシャープな特性を示すホモジナイザーを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のホモジナイザーでは公知のスラスト動圧軸受の構成を利用するものである。スラスト動圧軸受は、例えば、３〜１０μｍ程度の軸受隙間を介して固定部と円盤状のスラスト板とを対向配置すると共に、かかる軸受隙間に水や油等の潤滑流体を導入したものであり、スラスト板の回転に伴って軸受隙間内に存在する潤滑流体が加圧され、固定部と回転するスラスト板との間に高圧の流体潤滑膜が形成されるようになっている。スラスト板はこの流体潤滑膜によって固定部に対して浮揚状態となり、そのままの状態で回転を支承される。このスラスト動圧軸受ではスラスト板を回転させると、潤滑流体とスラスト板との間に剪断力が作用し、この剪断力によって潤滑流体がスラスト板の周方向に連れ回されながら加圧され、前述の流体潤滑膜が形成される。従って、軸受隙間内に存在する潤滑流体にはスラスト板の回転に伴って剪断力が作用しており、この剪断力の作用によって潤滑流体に与えられるエネルギはスラスト板の回転速度によって自由に調整することかでき、その回転速度はスラスト板が固定部に対して非接触に保たれていることから、１分間当たり数万回転の高速回転を与えることも可能である。また、前述の如くスラスト動圧軸受では数μｍの軸受隙間を保った状態でスラスト板を高速回転させることが可能である。
【００１１】
以上の見地から、本願発明では、互いに相溶性を具備しない複数の原液をスラスト動圧軸受の軸受隙間に導入すると共に、前記スラスト板を攪拌ロータに見立て、かかる攪拌ロータの回転に伴って軸受隙間内の原液を混合攪拌するホモジナイザーを構成したものである。
【００１２】
このような本発明のホモジナイザーによれば、原液が導入されるスラスト動圧軸受の軸受隙間は数μｍと極めて小さいことから、攪拌ロータが回転すると、原液には極めて大きな剪断力が作用することとなり、この剪断力が原液に与えるエネルギによって該原液が微粒化され、互いに相溶性を具備しない複数の液をエマルジョンとすることができるものである。また、攪拌ロータの軸方向への移動を規制すれば、スラスト動圧軸受の軸受隙間は例えば３μｍ以下の大きさで一定に保持することも可能なので、粒径１μｍ以下のエマルジョンを安定的に生産することも可能となる。更に、このようにスラスト動圧軸受の構造を応用したホモジナイザーは、原液の粘性を問題とすることなくエマルジョンを生産することができるので、各種用途に幅広く適応可能であり、しかも高圧ポンプのような補機を必要としないので、極めて小型に構成することができ、例えば各種機器にインラインのホモジナイザとして装着することも可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明のロータ・ステータ型ホモジナイザーを詳細に説明する。
図１は本発明のホモジナイザーの基本構成を示す図である。この図に示されるように、本発明のホモジナイザーは、基本的には、固定部１と、この固定部１に対して対向配置された円盤状の攪拌ロータ２とから構成されており、前記攪拌ロータ２には図示外のモータによって一方向への回転が与えられるようになっている。攪拌ロータ２と固定部１とは例えば５μｍ程度の軸受隙間を介して対向しており、これら両者によってスラスト動圧軸受３が構成されている。攪拌ロータ２と固定部１は共にセラミクス材料から形成されており、軸受隙間内に形成される高圧流体に対して高い耐摩耗性を備えている。また、固定部１には前記軸受隙間に連通する導入口４が開設されており、互いに相溶性を具備しない２つの原液Ａ、Ｂが予め混合された状態でこの導入口４から軸受隙間に導入されるようになっている。
【００１４】
図２に示すように、固定部１と対向する攪拌ロータ２の一面には螺旋状の攪拌溝５が形成されている。尚、図２は平面図であり、攪拌溝５が形成された領域とそれ以外の領域とが判別し難いので、攪拌溝５の領域を網点で表してある。この攪拌溝５は深さ５〜５０μｍ程度に形成されており、攪拌ロータ２の回転に伴い、前記導入口４から軸受隙間内に導入された原液Ａ及びＢに対して剪断力を及ぼし、これら原液Ａ及びＢを加圧しながら混合攪拌するようになっている。また、螺旋状に形成された攪拌溝５の巻き方向は、図２中に矢線で示した攪拌ロータ２の回転方向に関し、軸受隙間内の原液Ａ及びＢを半径方向の内側から外側へ加圧する方向である。このことから、前記導入口４は攪拌ロータ２の回転中心の近傍に形成されており（図２中に破線で攪拌ロータ２上の対応位置を示す）、攪拌ロータ２が回転すると、原液Ａ及びＢが導入口４から軸受隙間内に自然吸引され、軸受隙間内では半径方向の内径側から外径側へ向かう流れが形成されるようになっている。
【００１５】
このような構成において、攪拌ロータ２を回転させると、前記攪拌溝５によって軸受隙間内に存在する原液Ａ及びＢが加圧され、かかる軸受隙間には原液Ａ及びＢを潤滑流体とした高圧の流体潤滑膜が形成される。これにより、攪拌ロータ２は固定部１に対して浮揚状態となり、かかる固定部１に対して非接触の状態でその回転が支承される。このように攪拌ロータ２は固定部１と非接触の状態を保ちながら回転するので、かかる攪拌ロータ２に対しては軸受隙間に存在する潤滑流体の粘性抵抗以外には殆ど回転抵抗が作用せず、これを毎分数万回転の高速で回転させることが可能である。但し、攪拌ロータ２の回転速度が高くなれば、その分だけ軸受隙間に大きな圧力が発生するので、この圧力に抗して攪拌ロータ２と固定部１との軸受隙間を一定の大きさに保つためには、攪拌ロータ２に対してその回転軸方向へ外力Ｆを作用させ、この外力Ｆを流体潤滑膜の圧力と釣り合わせることが必要である。
【００１６】
そして、このように攪拌ロータ２が高速で回転すると、導入口４から軸受隙間内に吸引された原液Ａ及びＢには大きな剪断力が作用し、この剪断力のエネルギによって原液Ａ及びＢは軸受隙間内を流動する最中に微細化され、最終的にはエマルジョンとなって攪拌ロータ２の外周縁から軸受隙間の外へ排出される。このとき、エマルジョンの粒径は攪拌ロータ２と固定部１との軸受隙間の大きさを調整することにより、コントロールすることが可能である。軸受隙間を３μｍ程度に設定すれば、粒径１μｍ以下のエマルジョンを得ることができる。また、攪拌ロータ２の回転速度を高めることにより、微粒化のために投下するエネルギ量を増加させることができるので、かかる回転速度の調整よってもエマルジョンの粒径を調整することが可能である。
【００１７】
従って、本発明のホモジナイザーによれば、水と油の如く互いに溶け合わない原液Ａ及びＢを混合してエマルジョンを生成し、しかもエマルジョンを構成する液滴粒子の粒径を目標とする大きさに自在に調整し、シャープな粒径分布のエマルジョンを得ることができるものである。また、攪拌ロータ２が回転を開始すれば、原液Ａ及びＢは軸受隙間に対して自然吸引されるので、ホモジナイザーに対して原液を供給するポンプも必要がなく、極めて簡易且つ小型なホモジナイザーを構成することができる。
【００１８】
図３は本発明を具体的に適用したホモジナイザーの第１実施例を示すものである。このホモジナイザは攪拌ロータ１０と、この攪拌ロータ１０を収容するハウジング２０とから構成されている。更に、前記ハウジング２０は、モータ２１を収容した円筒状のモータハウジング２２と、このモータハウジング２２の内周面に固定されたドーナッツ状の軸受リング２３と、前記攪拌ロータ１０とスラスト動圧軸受を構成する固定板（固定部）２４と、前記軸受リング２３と固定板２４との間隔を調整するスペーサリング２５と、前記モータハウジング２２の開口端を閉塞するエンドプレート２６とから構成されている。
【００１９】
前記攪拌ロータ１０は、回転主軸としてのジャーナル部１１と、このジャーナル部１１の一端から張り出した円盤状のフランジ部１２とから構成されて、回転軸中心に沿った縦断面が略Ｔ字状に形成されており、ジャーナル部１１を前記軸受リング２３に貫通させた状態でハウジング２０内に収容されている。ジャーナル部１１の先端にはモータロータ２１ａが固定されており、モータハウジング２２に固定されたモータステータ２１ｂと相まって前記モータ２１を構成している。このモータ２１により、攪拌ロータ１０に回転が与えられる。
【００２０】
ジャーナル部１１の外周面と軸受リング２３の内周面との間には５μｍ程度の軸受隙間が形成されており、前記軸受リング２３と攪拌ロータ１０のジャーナル部１１とがラジアル動圧軸受２７を構成している。このラジアル動圧軸受２７の軸受隙間に潤滑流体を導くため、前記軸受リング２３にはハウジング２０外から連通する供給孔２３ａが開設されている。ここで、ラジアル動圧軸受２７の潤滑流体としては、水や油等の液体を適宜選択することができる。攪拌ロータ１０のジャーナル部１１の外周面には、軸受リング２３の内周面と対向する位置に、周方向に繰り返し連続する深さ１０〜５０μｍ程度の加圧溝３０が形成されており、攪拌ロータ１０が回転すると、かかる加圧溝３０が軸受隙間に存在する潤滑流体を加圧し、ジャーナル部１１と軸受リング２３との隙間に高圧の流体潤滑膜を形成するようになっている。これにより、攪拌ロータ１０はジャーナル部１１が軸受リング２３の中心にセンタリングされた状態でその回転を支承される。
【００２１】
また、前記軸受リング２３と固定板２４との間に介装されたスペーサリング２５は、その軸方向の厚みが、攪拌ロータ１０のフランジ部１２の軸方向の厚みよりも僅かに厚く形成されており、かかるフランジ部１２を軸受リング２３と固定板２４との間に収容した際に、フランジ部１２の両側に軸受隙間が形成され、フランジ部１２の表裏両面が軸受リング２３及び固定板２４と相まって一対のスラスト動圧軸受３１，３２を構成するようになっている。このフランジ部１２の表裏両面に形成された一対のスラスト動圧軸受３１，３２によって、前記ハウジング２０内における攪拌ロータ１０の回転軸方向への移動が規制されている。
【００２２】
フランジ部１２の裏面側に位置するスラスト動圧軸受３１においては、周方向に繰り返し連続する深さ１０〜５０μｍ程度の螺旋状の加圧溝３３がフランジ部１２の裏面に形成されている。このスラスト動圧軸受３１の軸受隙間は前記ラジアル動圧軸受２７の軸受隙間と連通しており、供給孔２３ａからラジアル動圧軸受２７の軸受隙間に供給された潤滑流体がスラスト動圧軸受３１の軸受隙間に流動し、ここでも攪拌ロータ１０の回転に伴って高圧の流体潤滑膜を形成するようになっている。また、スラスト動圧軸受３１の軸受隙間において加圧された潤滑流体は、攪拌ロータ１０のフランジ部１２の外周縁から軸受隙間外へ排出され、スペーサリング２５に形成された排出孔２５ａからハウジング２０外へ排出される。
【００２３】
一方、フランジ部１２の表面側に位置するスラスト動圧軸受３２においては、やはり周方向に繰り返し連続する深さ１０〜５０μｍ程度の螺旋状の加圧溝３４がフランジ部１２の表面に形成されている。図４は固定板と対向する攪拌ロータの表面を示すものである。この図に示されるように、前記加圧溝３４は攪拌ロータの回転中心から螺旋状に延びており、固定板２４にはこの加圧溝３４の中心に対応して原液Ａの導入口２４ａが開設されている。加圧溝３４は攪拌ロータ１０が回転した際に、導入口２４ａから原液Ａを軸受隙間内に吸引し、かかる原液Ａをフランジ部１２の外周縁に向けて加圧するように作用する。すなわち、スラスト動圧軸受３２においては原液Ａが潤滑流体の役目を担っている。また、この加圧溝３４は原液Ａをハウジング２０内に吸引した後にフランジ部１２の外周縁に向けて送り出すポンプ溝としても機能している。
【００２４】
また、このフランジ部１２の表面には、前記加圧溝３４を半径方向の外側から取り囲むようにして、やはり螺旋状のポンプ溝３５が周方向へ繰り返すようにして形成されており、固定板２４にはこのポンプ溝３５に対向した位置に原液Ｂの導入口２４ｂが開設されている。このポンプ溝３５は、前記加圧溝３４よりも深い２０〜１００μｍ程度の深さに形成されており、攪拌ロータ１０が回転した際に、導入口２４ｂから原液Ｂを軸受隙間内に吸引し、かかる原液Ｂと加圧溝３４によって送られてきた原液Ａとを攪拌しながら、フランジ部１２の外周縁に向けて送り出すように作用する。
【００２５】
更に、このフランジ部１２の表面には、前記ポンプ溝３５を半径方向の外側から取り囲むようにして、放射状の攪拌溝３６が周方向へ繰り返し形成されており、これら攪拌溝３６はフランジ部１２の外周縁に解放されている。前記加圧溝３４及びポンプ溝３５の作用により、フランジ部１２と固定板２４との隙間を該フランジ部１２の外周縁に向けて流動する原液Ａ及びＢは、最終的にこの攪拌溝３６に流入した後、遠心力によって該攪拌溝３６から半径方向外側へ向けて排出される。
【００２６】
原液Ａ及び原液Ｂはこのようにして攪拌ロータ１０のフランジ部１２と固定板２４との間に吸い込まれ、かかる攪拌ロータ１０の回転に伴ってフランジ部１２の外周縁に向けて流動していくが、その過程において、ポンプ溝３５や攪拌溝３６の回転によって大きな剪断力を与えられ、この剪断力のエネルギによって微粒化されながら攪拌される。これにより、原液Ａ及び原液Ｂは均質化されたエマルジョンとなって攪拌溝３６からフランジ部１２の外周縁に排出される。攪拌溝３６から排出されたエマルジョンはスペーサリング２５と攪拌ロータ１０のフランジ部１２との間に形成された補集室３７に滞留した後に、スペーサリング２５に開設された取り出し孔２５ｂからハウジング２０外へ排出される。
【００２７】
このように構成された本実施例のホモジナイザーにおいては、攪拌ロータ１０のフランジ部１２と固定板２４との隙間がスラスト動圧軸受３２の軸受隙間となっており、一般的にスラスト動圧軸受の軸受隙間は数μｍ程度に設定することが可能なので、これらフランジ部１２と固定板２４との隙間も数μｍに設定することが可能である。このため、攪拌ロータ１０を回転させた際に、かかる隙間を流動する原液Ａ及びＢに対して大きな剪断力を作用させることができ、粒子径の小さなエマルジョンを効率良く生産することができるものである。
【００２８】
この実施例のように攪拌ロータ１０のフランジ部１２の表裏にスラスト動圧軸受３１，３２を設けた場合、各スラスト動圧軸受の軸受隙間で加圧された潤滑流体の圧力が等しくなるよう、かかるフランジ部１２は軸受リング２３と固定板２４との間で自ずと軸方向へ位置決めされることになる。この実施例の場合、スラスト動圧軸受３３１の加圧溝３３は攪拌ロータ１０のジャーナル部１１よりも外側に設けられており、攪拌ロータの回転中心から螺旋状に延びるスラスト動圧軸受３２の加圧溝３４よりも速い周速で回転することから、スラスト動圧軸受３１の軸受隙間に発生する潤滑流体の動圧は、スラスト動圧軸受３２の軸受隙間におけるそれよりも自ずと大きくなる。このため、スペーサリング２５の軸方向の厚みをフランジ部１２の厚みよりも大きめに設定した場合であっても、フランジ部１２の表面側におけるスラスト動圧軸受３２の軸受隙間を小さく維持することができるものである。例えば、フランジ部１２の外径４０ｍｍ、加圧溝３４の外径２０ｍｍ、加圧溝３３の外径４０ｍｍ、ジャーナル部１１の外径２２．５ｍｍ、スペーサリング２５によって形成されるフランジ部１２の表裏の軸受隙間の合計が２０μｍとした場合、攪拌ロータ１０を毎分５万回転で回転させると、スラスト動圧軸受３１の軸受隙間が１６μｍ、スラスト動圧軸受３２の軸受隙間が４μｍとなる。これにより、攪拌ロータ１０の回転起動時における固定板２４及び軸受リング２５との固体接触を可及的に避けながら、攪拌ロータ１０の定常回転時には固定板２４とフランジ部１２との隙間を極めて小さく設定することができ、かかる隙間に導入される原液Ａ及びＢに対して効率よく剪断力を作用させることが可能となる。
【００２９】
また、このホモジナイザーの場合、攪拌ロータ１０の回転によって製造されるエマルジョンの粒径はフランジ部１２と固定板２４との隙間の大きさに依存するので、かかる隙間の大きさを任意にコントロールすることができると、エマルジョンの粒径自体もある程度までコントロールすることができ、大変便利である。
【００３０】
このため、図３に示す第１実施例のホモジナイザーでは、各スラスト動圧軸受３１，３２の軸受隙間に通じる圧力解放孔２３ｂ，２４ｃを設け、これら圧力解放孔２３ｂ，２４ｃにリリーフ弁（図示せず）を設けて各軸受隙間内の圧力をコントロールすることにより、軸受リング２５と固定板２４との間におけるフランジ部１２の回転軸方向への位置調整を可能としている。これにより、製造するエマルジョンの粒径を目標とする粒径付近に略分布させることが可能となる。
【００３１】
この第１実施例のホモジナイザーでフランジ部１２の表面（固定板との対抗面）には加圧溝３４、ポンプ溝３５、攪拌溝３６が別々に形成されているが、フランジ部１２と固定板２４との間で吸い込んだ原液Ａ及びＢに対して充分な剪断力を与えることができ、しかもフランジ部１２を固定板２４と非接触の状態に保持することができるのであれば、図１に示した如く螺旋状の攪拌溝５のみをフランジ部１２の表面に形成しても差し支えない。但し、原液Ａ及びＢの吸込み、スラスト動圧軸受としての機能、原液Ａ及びＢの混合攪拌の各機能を効率よく行うためには、フランジ部１２の表面を中心縁領域、中間環状域、外側環状域に三分割し、本実施例の如く各領域に対して最適な形状の溝を形成するのが好ましい。
【００３２】
図５は本発明を具体的に適用したホモジナイザーの第２実施例を示すものである。このホモジナイザも第１実施例のホモジナイザーと略同一の構造を有し、スラスト動圧軸受の軸受隙間で原液Ａと原液Ｂの混合攪拌を行うものであるが、攪拌ロータ４０のフランジ部４２に形成された加圧溝４３、ポンプ溝４４、攪拌溝４５等の配置やパターンが第１実施例のものと異なっている。尚、第１実施例と同じ構成については、図５中に第１実施例と同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
攪拌ロータ４０のフランジ部４２の表面（固定板２４との対向面）には、潤滑流体としての原液Ａを加圧する加圧溝４３、原液Ｂを固定板５０とフランジ部４２との隙間に吸い込むポンプ溝４４、原液Ａと原液Ｂとを混合攪拌する攪拌溝４５が形成されている。図６に示すように、加圧溝４３は攪拌溝４５やポンプ溝４４よりも外径側に位置し、深さ１０〜５０μｍ程度で螺旋状に形成され、攪拌ロータ４０の回転に伴って原液Ａを攪拌ロータ４０の回転中心へ向けて加圧し、固定板５０とフランジ部４２との間に高圧の流体潤滑膜を形成する。これにより、攪拌ロータ４０は固定板５０に対して非接触の状態でその回転を支承される。また、固定板５０にはこの加圧溝４３と対向する位置に原液Ａの導入口５０ａが開設されており、攪拌ロータ４０の回転に伴って原液Ａが固定板５０とフランジ部４２との隙間に吸引されるようになっている。
【００３４】
上記ポンプ溝４４はフランジ部４２の表面の回転中心から外径ヘ向けて螺旋状に形成されている。このポンプ溝４４の深さは１０〜５０μｍ程度であり、前記加圧溝４３よりも深く形成される一方、攪拌ロータ４０の回転に伴って原液Ｂをフランジ部４２の外径側へ向けて加圧している。固定板５０にはこのポンプ溝４４と対向する位置、すなわち攪拌ロータ４０の回転中心に対向する位置に原液Ｂの導入口５０ｂが開設されており、攪拌ロータ４０が回転すると、ポンプ溝４４の発生する吸引力によって原液Ｂが導入口５０ｂから固定板５０とフランジ部４２との隙間に吸い込まれるようになっている。
【００３５】
一方、前記攪拌溝４５は加圧溝４３とポンプ溝４４との間で放射状に形成されており、その深さは２０〜１００μｍ程度である。従って、この攪拌溝４５に対しては、その外径側から原液Ａが、内径側から原液Ｂが流れ込み、攪拌ロータ４０の回転に伴ってこれら原液Ａ及びＢがフランジ部４２と固定板５０との隙間で混合攪拌されることになる。また、フランジ部４２には攪拌溝４５の最外径位置に対応して貫通孔４６が形成されており、攪拌溝４５で混合攪拌された原液Ａ及びＢはこの貫通孔４６を通ってフランジ部４２の裏面へ抜けるように構成されている。
【００３６】
フランジ部４２の裏面（軸受リング２３との対抗面）にはもう一つの攪拌溝４７が放射状に形成されており、貫通孔４６を通ってフランジ部４２の表面側から裏面側へ圧送された原液Ａ及びＢは、この第２の攪拌溝４７に流入した後、遠心力によって該攪拌溝４７から半径方向外側へ向けて排出される。
【００３７】
原液Ａ及び原液Ｂはこのようにして攪拌ロータ４０のフランジ部４２と固定板５０との間に吸い込まれ、かかる攪拌ロータ４０の回転に伴ってフランジ部４２の外周縁に向けて流動していくが、その過程において、フランジ部の表面側に設けられた第１の攪拌溝４５や裏面側に設けられた第２の攪拌溝４７の回転によって大きな剪断力を与えられ、この剪断力のエネルギによって微粒化されながら攪拌される。これにより、原液Ａ及び原液Ｂは均質化されたエマルジョンとなって第２の攪拌溝４７からフランジ部４２の外周縁に排出される。攪拌溝４７から排出されたエマルジョンはスペーサリング２５と攪拌ロータ４０のフランジ部４２との間に形成された補集室３７に滞留した後に、スペーサリング２５に開設された取り出し孔２５ｂからハウジング２０外へ排出される。
【００３８】
そして、この第２実施例のホモジナイザーにおいても、攪拌ロータ４０のフランジ部４２と固定板５０との隙間がスラスト動圧軸受の軸受隙間となっており、一般的にスラスト動圧軸受の軸受隙間は数μｍ程度に設定することが可能なので、これらフランジ部４２と固定板５０との隙間も数μｍに設定することが可能である。このため、攪拌ロータ４０を回転させた際に、かかる隙間を流動する原液Ａ及びＢに対して大きな剪断力を作用させることができ、粒子径の小さなエマルジョンを効率良く生産することができるものである。
【００３９】
特に、この第２実施例のホモジナイザでは、スラスト動圧軸受３１における加圧溝３３よりもスラスト動圧軸受３２における加圧溝４３の周速の方が速いので、フランジ部４２と固定板５０との隙間よりも、フランジ部４２と軸受リング２３との隙間が小さくなる傾向にある。このため、第１の攪拌溝４５によって原液Ａ及びＢを混合攪拌してエマルジョンとし後、更に、第１の攪拌溝４５から第２の攪拌溝４７に送られてきたエマルジョンを微粒化することができ、２段階の攪拌によって粒径の小さなエマルジョンを安定して製造することができるといった利点がある。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明のホモジナイザーによれば、原液が導入されるスラスト動圧軸受の軸受隙間は数μｍと極めて小さく、攪拌ロータが回転すると原液には極めて大きな剪断力が作用し、この剪断力によって粒子径１μｍ程度と極めて微粒径のエマルジョンを生産することが可能となる。また、生産したエルジョンの粒径分布も目標とする粒径付近でシャープな特性を示すものとなる。更に、スラスト動圧軸受それ自体がポンプとしての機能も発揮すので、高圧ポンプ等の大がかりな設備も不要となり、極めて小型で且つ簡易な構造のホモジナイザーを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のホモジナイザーの基本構成を示す断面図である。
【図２】図１に示した攪拌ロータに形成された攪拌溝を示す平面図である。
【図３】本発明を適用したホモジナイザーの第１実施例を示す断面図である。
【図４】第１実施例に係る攪拌ロータの表面に形成された加圧溝、ポンプ溝、攪拌溝を示す図である。
【図５】本発明を適用したホモジナイザーの第２実施例を示す断面図である。
【図６】第２実施例に係る攪拌ロータの表面に形成された加圧溝、ポンプ溝、攪拌溝を示す図である。
【符号の説明】
１…固定部、２…攪拌ロータ、３…スラスト動圧軸受、４…導入口、５…攪拌溝

Claims

所定の軸受隙間を介して固定部と円盤状の攪拌ロータとを対向配置してスラスト動圧軸受を構成し、前記固定部に対する攪拌ロータの回転をスラスト動圧軸受によって支承する一方、前記軸受隙間には互いに相溶性を具備しない複数の原液を導入し、前記攪拌ロータの回転に伴い、前記軸受隙間内でこれら原液の混合攪拌を行うことを特徴とするホモジナイザー。
前記固定部と対向する攪拌ロータの一面には複数の溝が周方向に沿って放射状又は螺旋状に配列されていることを特徴とする請求項１記載のホモジナイザー。
前記固定部と対向する攪拌ロータの一面を中心円領域、中間環状域及び外側環状域に三分割し、これら領域のうち、いずれか一つの領域には径方向に延びる攪拌溝が放射状に形成される一方、残余の二つの領域にはロータの回転に伴って軸受隙間内の原液を前記攪拌溝に流動させる螺旋状のポンプ溝が夫々形成され、前記固定部には攪拌ロータの各ポンプ溝に対向する位置に前記原液の導入口が夫々開設されていることを特徴とする請求項２記載のホモジナイザー。
前記固定部には軸受隙間に連通する圧力放出孔が設けられると共に、かる圧力放出孔には前記軸受隙間内の圧力を調整するリリーフ弁が接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のホモジナイザー。