JP2007301509A - 微粒化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来よりも原料導入における圧力損失と速度損失を抑えられ、部材内部に引張り応力による割れが生じることのないノズル手段を備えた微粒化装置の提供。
【解決手段】 微粒化装置において、固体粒子を含む高圧流体同士を衝突させるためのノズル手段として、高硬質材料からなるノズル本体に、ノズル本体外周面から軸心方向に形成された複数の貫通孔からなる高圧流体衝突用の流路と、これら衝突用流路同士の合流点から軸心方向に沿って形成された衝突後流体を導出するための導出流路とを設け、高圧流体をノズル本体の外周から前記高圧流体衝突用流路の各外周側端部開口へ導入するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、処理対象の原料液の高圧流体同士を衝突させる微粒化装置に関し、詳しくは、衝突部を構成するノズル手段に関するものである。

従来から、様々な分野の製品製造において、原料液の分散、乳化等を含む微粒化処理には、処理対象である原料液を高圧で噴射させ、その噴流同士をノズル手段を介して衝突させることによる衝撃を利用した微粒化装置が用いられている。

このような微粒化装置のなかでも、微粒化に効果的な剪断力を得るために、ノズル手段として狭くて長い流路を備えたものを用い、高圧原料液をその狭くて長い流路内を通過させて衝突させる方式のものがある。

この方式では、軸方向に二つ設けられた貫通孔からなる原料液導入流路同士が端部で軸方向と直交する方向に形成された溝により互いに連通された焼結ダイヤ製のディスクプレートに対して、溝なしディスクプレートを当接させることによって前記溝を塞いで、二つの導入流路から導入される高圧流体が直角に屈曲して中央で衝突するための加速流路となるノズル構成を備えたものがあった（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。この場合、溝なしディスクプレートにはその中心軸に沿って貫通孔が形成されており、加速流路となった溝部の中央の衝突位置から衝突後の流体を導出するものである。

また、対面配置された溝のないプレート間の間隙を導入流路として外周方向から中心部で衝突させ、一方のプレートの中心軸に沿って形成された導出流路から衝突後原料液を導出するノズル構成を備えたものもある（例えば、特許文献３。）。

特開平９−２０１５２２号公報 特許第２７８８０１０号公報 特開２００５−１４４３２９公報

しかしながら、焼結ダイヤは圧縮応力に対しては強いものの引張り応力には弱い性質があり、このような焼結ダイヤからなるディスクプレートに貫通孔や溝を形成して導入流路や加速流路を構成するものの場合、導入流路の内圧で引張り応力が生じると破断が生じる危険がある。そこで強度を向上させるための単結晶ダイヤモンドをプレート素材として用いることが考えられるが、上記のような屈曲した流路を形成するプレートは外形サイズが大きくならざるを得ず、高価な単結晶ダイヤを利用するのはコストがかかりすぎるだけでなく加工が困難で実用的ではなかった。

また、上記のような導入流路および屈曲部は、原料液は直交方向に曲げられてから圧力を流速に変えるために微小断面積の溝からなる加速流路内を進んでから衝突する構成となっているため、圧力損失が生じてしまっている。従ってまずは導入流路の口径を大きくすることにより圧力損失を無くすことが考えられるが、この場合、導入流路内に係る圧力はディスクプレートに大きな引張り応力を与えて破断を生じせしめる恐れがあり、単に導入流路口径を大きくすることはできなかった。

さらに、ディスクプレート同士の当接は、溝（加速流路）から原料液が外部に漏れないように接触面同士を強く押し付けてシールする必要がある。しかし従来はこのシールをネジの締め付けによって行っていたため、確実なシール力を得るために強く締め付けるとプレートに割れが生じ、これを避けるために締め付けが緩く不充分となると導入流路に発生する圧力よりもプレート接触面の面圧が低くなるため原料液が漏れてしまうことになる。このように、ネジ締め付けの加減は難しく、熟練を要するものであった。

また、溝なしプレート同士を互いに対面配置して形成された間隙を導入流路とする構成のものでは、原料液の導入までの圧力損失はなく外周全体に圧がかかるのでプレートには引張り応力がかからないが、高圧原料液は狭い隙間面を通るため、その壁面での速度損失が大きいという問題がある。

本発明の目的、上記問題点に鑑み、簡便な構成でありながら、従来よりも原料液の導入における圧力損失および速度損失を抑えつつ十分な衝突力が確保できると共に部材内部に引張り応力による割れが生じることのないノズル手段を備えた微粒化装置を提供することにある。また本発明は、さらにノズル手段内で部材割れなく充分なシール状態が容易に得られ、原料液の漏れを良好に防止できる微粒化装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る微粒化装置は、固体粒子を含む高圧流体同士を衝突させるためのノズル手段と、該ノズル手段へ前記高圧流体を導入するための導入流路とを備えた微粒化装置において、前記ノズル手段は、高硬質材料からなるノズル本体を備え、該ノズル本体は、ノズル本体外周面から軸心方向に形成された複数の貫通孔からなる高圧流体衝突用の流路と、これら衝突用流路同士の合流点から軸心方向に沿って形成された衝突後流体を導出するための導出流路とが設けられており、
前記導入流路に導かれた高圧流体を、前記ノズル本体の外周から前記高圧流体衝突用流路の各外周側端部開口へ導入するようにしたものである。

また、請求項２に記載の発明に係る微粒化装置は、請求項１に記載の微粒化装置において、前記高圧流体衝突用流路は、断面円形状を有することを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明に係る微粒化装置は、請求項２に記載の微粒化装置において、前記高圧流体衝突用流路は、両端開口部分が外側に向かって拡径するテーパ形状を有するものである。

また、請求項４に記載の発明に係る微粒化装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒化装置において、前記ノズル本体を、バネの付勢力によってノズル本体の導出流路が装置ハウジング部材に設けられた導出流路に同軸状に位置決めされた状態で前記ハウジング部材に押圧するシール手段を備えたものである。

請求項５に記載の発明に係る微粒化装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の微粒化装置において、前記高硬質材料が単結晶ダイヤモンドであることを特徴とするものである。

本発明の微粒化装置においては、１個の高硬質材料からなるノズル本体に、該本体外周面から軸心方向に放射状に形成された複数の貫通孔からなる高圧流体衝突用の流路（以下、衝突流路と記す）と、これら衝突流路同士の合流点から軸心方向に沿って形成された衝突後流体を導出するための導出流路とが設けられてなる高圧流体衝突用ノズル手段を備えたものであり、原料液の高圧流体がノズル本体の外周から各衝突流路の半径上の外周側端部開口へ導入されるものであるため、高圧流体が部材内で屈曲して形成された流路を進むことがなく、圧力損失なく良好に流速が増大されて充分な衝突力をもって衝突処理を行うことができるという効果がある。

また、本発明のノズル手段では、ノズル本体が一つの部材で構成できると共に流路の屈曲が必要ない分外形サイズも小さく抑えられるため、例えば高硬質材料として単結晶ダイヤモンドを用いてノズル本体を構成し、強度を向上させることができ、また高圧流体の導入時にはノズル本体の外周全体に圧力がかかって部材内部に引張り応力が生じることもないため、部材割れを回避できる。

本発明による微粒化装置は、原料液である高圧流体同士を衝突させるためのノズル手段として、高硬質材料からなるノズル本体に、該本体外周面から軸心方向に形成された複数の貫通孔からなる高圧流体衝突用の流路と、これら衝突流路同士の合流点から軸心方向に沿って形成された衝突後流体を導出するための導出流路とが設けられたものを備え、高圧流体がノズル本体の外周から各衝突流路の半径上の外周側端部開口へ導入されるものである。

即ち、本発明のノズル手段においては、複数の貫通孔からなる各衝突流路が軸心方向と直交方向に沿って設けられた場合はこれら衝突流路と導出流路とが側面視で略Ｔ字形状を形成することとなり、各衝突流路が軸心方向に対して角度をもって設けられればこれら衝突流路と導出流路とが側面視で略Ｙ字形状を形成することとなる。

このような各衝突流路の各外周側端部開口から導入される高圧流体は、互いに向かい合ってノズル本体軸心上の合流点へ向かって進み、該合流点で衝突し、衝突後には該合流点から軸心方向に沿って形成された導出流路からノズル本体外へ導出される。従って、本発明のノズル手段においては、高圧流体が部材内で屈曲して形成された流路を進むことなく導入できるため、圧力損失がなく良好に流速が増大されて充分な衝突力をもって衝突処理を行うことができる。

また、ノズル本体が一つの部材で構成できると共に流路の屈曲が必要ない分外形サイズも小さく抑えられるため、コスト高になることなく、単結晶ダイヤモンドなどの高硬度材質でノズル本体を構成して強度を向上させることも可能であり、また高圧流体の導入時にはノズル本体の外周全体に圧力がかかって部材内部に引張り応力が生じることもないため、部材割れを回避することができる。

一方、高圧流体の加速流路は、壁面抵抗による速度損失を抑えるためにより流路壁面を平滑に仕上げることが望まれるが、従来の加速流路を形成していた溝のように、断面半円形状や角形状であると平滑仕上げが困難であった。そこで、本発明においては、加速流路となる衝突流路を断面円形状とすることによって、流路壁面の平滑仕上げを容易とすることができる。即ち、衝突流路を断面円形状の通し穴とすれば、例えばワイヤによるラッピング仕上げを施すことが可能となり、流路壁面の精度の良い平滑仕上げで衝突流路内を進む高圧流体を加速して衝突速度を上げることができる。

また、本発明のノズル手段では、高圧流体の圧力をノズル本体の外周全体にかかるようにしたため、内圧を相殺することができるので各衝突流路の外周側端部の開口部分をそれぞれ外側に向かって拡径するテーパ形状とすることができ、このテーパ形状によって高圧流体の導入や加速をよりスムーズにすることができると共に、実質的に微小口径領域である加速流路が短くなって壁面抵抗による速度損失をさらに低減することができる。また、このようなテーパ状開口部分は上記の如く衝突流路を断面円形状とすることによって容易に加工形成できる。

なお、衝突流路と連通する側の導出流路端部が衝突空間となり、その口径の１／２が、高速流体が加速流路端から噴出されて互いに衝突するまでの衝突距離となるため、該導出流路の口径は、圧力損失が生じるほど狭くしすぎず、且つ速度損失が生じるほど長い衝突距離となるような広さにならないように適宜設定する。また導出流路の断面形状は必ずしも円形に限定されるものではなく、例えば、断面略長方形状でもかまわない。この場合、横方向の面積を拡げることにより、衝突距離を変更せずに、衝突後の原料液を排出しやすいようになっている。

また、溝ありプレートに溝なしプレートを当接させて加速流路を構成していた従来のノズル手段では、加速流路を漏れなくシールするためにプレート同士を押圧シールするのに締め加減の調整が困難な手段を必要としていたのに対して、本発明においては、高圧流体の加速流路となる衝突流路を単結晶ダイヤモンドからなるノズル本体という一つの部材に形成しているため、従来のようなシール手段を必要とせず、ノズル手段の構成を簡便にすることができる。

なお、本発明のノズル手段において、ノズル本体の導出流路から導出される衝突済み流体は、ノズル本体が設置される微粒化装置のハウジング部材に設けられた導出流路を経て装置外へ送られるため、流体の漏れのない導出のためには、このノズル本体側の導出流路と装置ハウジング部材側の導出流路とが良好なシール状態で連通される必要がある。

そこで、ノズル本体の導出流路がハウジング部材側の導出流路に対して同軸状に位置決めされた状態でノズル本体をハウジング部材へ押圧するシール手段を設ければ良い。このシール手段としては、ノズル本体が一つの部材からなり、且つ高圧流体の導入時に発生する圧力を利用できることから、ネジ等の強固で加減が困難な締め付け手段は必要なく、バネの付勢力を利用した簡便なもので充分である。

本発明の一実施例として、ノズル本体の外周面から中心軸方向に向かい合うように互いに等角度間隔で形成された二つの貫通孔からなる衝突流路と導出流路とが略Ｔ字状に設けられてなるノズル手段を備えた微粒化装置を図１に示す。図１（ａ）は本微粒化装置の概略構成を示す側断面図であり、（ｂ）はノズル手段の部分拡大図である。本実施例の微粒化装置１は、略カップ状のハウジング２にプラグ部材６を嵌合して内部に形成されるチャンバ９内に、プラグ部材６側の押さえ部材７とハウジング２側からバネ５により付勢されるノズル押さえ３との間でノズル手段１０が保持されるものである。

ノズル手段１０は、例えば単結晶ダイヤモンド等の高硬質材料からなるノズル本体１１に、軸心方向へ向かい合うように軸心と直交する半径方向に沿って形成された二つの貫通孔からなる高圧流体衝突用の衝突流路１２と、この衝突流路１２同士の合流点から軸心方向に沿って形成された衝突後流体を導出するための導出流路１３とが略Ｔ字状に設けられたものである。また本実施例において、ノズル手段１０へ高圧流体を導入するための導入流路１５は、ノズル押さえ３とプラグ側の押さえ部材７との間でノズル手段１０の外側空間に形成される。

従って、衝突処理対象原料である原料液は、ハウジング２の端部からチャンバ９およびノズル押さえ３に形成された供給流路４を経て導入流路１５へ送られ、この導入流路１５からノズル手段１０の外周面全体に圧をかける状態で供給され、ノズル本体外周面に開口する各衝突流路１２の端部開口からそれぞれ軸心上の合流点へ向かって導入され、該合流点にて衝突する。

従って、以上のような構成のノズル手段１０を備えた本実施例における微粒化装置１では、高圧流体がノズル本体１１内で屈曲する流路を進むことなく衝突流路１２へ導入されるため、圧力損失がなく良好に流速が増大されて充分な衝突力をもって衝突処理を行うことができる。

また、本実施例では、衝突流路１２を断面円形状の通し穴状とし、ワイヤによるラッピング仕上げで流路壁面が平滑仕上げされたものとした。これによって壁面抵抗が小さく、速度損失を低減することができる。さらに高圧流体の導入、加速をよりスムーズにするために各衝突流路１２の外周側端部の開口部分１２Ｘをそれぞれ外側に向かって拡径するテーパ形状とした。このテーパ状開口部分１２Ｘでは、高圧流体導入時に引張り応力が生じるが、前述のように本ノズル手段１０ではノズル本体１１の外周面全体に高圧流体の圧がかかることにより相殺されるため問題ない。

このようなテーパ状開口部分１２Ｘを設けることによって、導入された高圧流体が実質的に加速されるのは衝突流路１２のうちこのテーパ状開口部分１２Ｘ部分以外の軸心寄りの微小口径の領域であり、該領域が加速流路１２Ｙとなる。従ってテーパ状開口部分１２Ｘを設けることによって、結果的に衝突距離１３Ｌを大きくとって速度損失を招くことなく加速流路１２Ｙを短くすることができ、壁面抵抗による速度損失がさらに低減できる。

また、ノズル本体１１の導出流路１３は、衝突空間１３Ｘとなる衝突流路側の口径に対して出口側をテーパ状に拡径するものとした。このテーパ状出口１３Ｙによって導出流路１３の圧力損失が減少して衝突後流体の導出がスムーズになり、衝突空間１３Ｘでの圧力損失、速度損失の低減に寄与し、高圧流体同士の衝突をより良好なものにできる。

さらに、本実施例では、ノズル本体１１を装置ハウジング側、ここでは押さえ部材７に対して押圧固定し当接面を良好にシールして、ノズル本体１１の導出流路１３とハウジング側の導出流路８と間の流体漏れを防止するためのシール手段として、バネ５によるノズル押さえ３を設けた。

本実施例におけるノズル手段１０は、単結晶ダイヤ等の高硬質部材からなるノズル本体１１という一つの部材で構成されており、また、高圧流路導入時の圧がノズル本体１１の外周全体にかかった高圧流体導入時の圧も利用できることから、従来の二つのプレートの重なりによって構成された場合のようにネジ止め等の部材破損が生じる危険のある強固で調整加減が困難な締め付け手段は必要なく、上記のようなバネ５の付勢力を利用した簡便なものでノズル本体１１とハウジング間は良好なシール状態が得られ、流体漏れは充分に防止できる。

以上のような本実施例における微粒化装置１において高圧流体衝突実験を行ったところ、従来の部材内に屈曲した導入流路が設けられたノズル手段を用いた場合および溝無しディスクプレート対面配置によるノズル手段を用いた場合よりも、圧力損失や速度損失が少なくなった。

なお、上記実施例では、導出流路１３が断面円形で出口側がテーパ状に拡径したものの場合を示したが、本発明においては、導出流路の形状をこれに限定するものではなく、実際の微粒化工程における原料液や各条件に応じて、良好な衝突条件が得られる衝突空間が形成されると共に衝突後流体の導出がよりスムーズに行えるものであればよい。

例えば、図２（（ａ）はノズル手段の側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面矢視図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面矢視図）に示すノズル手段２０のように、ノズル本体２１に断面略長方形状で衝突空間から出口側に亘って同じ断面積で形成された導出流路２３が挙げられる。この導出流路２３を断面略長方形状としたことによって、横方向の面積を拡げることとなり、衝突距離を変更せずに、衝突後の原料液がスムーズに流れる。

また、上記実施例では、ノズル本体に外周面から軸心方向に向かい合う二つの貫通孔からなる衝突流路を軸心に対して直交する半径方向に沿って形成し導出流路と略Ｔ字形状を成すものの場合を示したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、図３に示すようにノズル本体３１に互いに等角度間隔で放射状に形成された３本以上の貫通孔からなる衝突流路３２を備えたノズル手段３０や、また例えば図４に示すように、軸心に対して角度をもって形成した衝突流路４２が導出流路４３と略Ｙ字形状を成すノズル手段４０を用いても良い。これら、衝突流路の数や角度は、実際の原料液や処理条件に応じてより高い衝突処理効率が望めるものを適宜選択すればよい。

また、本発明におけるノズル本体を構成する高硬質材料としては、上記実施例で用いた単結晶ダイヤモンドの他に、例えばサファイヤ等、加工が可能でありながら充分な高硬度を備えたものであれば種々の材質が採用可能である。

本発明の一実施例による微粒化装置略構成図であり、（ａ）は本微粒化装置の概略構成を示す側断面図であり、（ｂ）はノズル手段の部分拡大図である。 本発明によるノズル手段の別の例を示す概略構成図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面矢視図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面矢視図である。 本発明の他のノズル手段の構成を示す断面図である。 本発明の他のノズル手段の構成を示す側断面図である。

符号の説明

１：微粒化装置
２：ハウジング
３：ノズル押さえ
４：高圧流体供給流路
５：バネ
６：プラグ部材
７：押さえ部材
８：導出流路
９：チャンバ
１０，２０，３０，４０：ノズル手段
１１，２１，３１，４１：ノズル本体
１２，２２，３２，４２：衝突流路
１２Ｘ：テーパ状開口部分
１２Ｙ：加速流路
１３，２３，３３，４３：（ノズル本体の）導出流路
１３Ｘ：衝突空間
１３Ｙ：テーパ状出口
１３Ｌ：衝突距離
１５：導入流路

Claims (5)

1. 固体粒子を含む高圧流体同士を衝突させるためのノズル手段と、該ノズル手段へ前記高圧流体を導入するための導入流路とを備えた微粒化装置において、
   前記ノズル手段は、高硬質材料からなるノズル本体を備え、
   該ノズル本体に、ノズル本体外周面から軸心方向に形成された複数の貫通孔からなる高圧流体衝突用の流路と、これら衝突用流路同士の合流点から軸心方向に沿って形成された衝突後流体を導出するための導出流路とが設けられており、
   前記導入流路に導かれた高圧流体を、前記ノズル本体の外周から前記高圧流体衝突用流路の各外周側端部開口へ導入するようにしたことを特徴とする微粒化装置。
2. 前記高圧流体衝突用流路は、断面円形状を有することを特徴とする請求項１に記載の微粒化装置。
3. 前記高圧流体衝突用流路は、各開口部分が外側に向かって拡径するテーパ形状を有することを特徴とする請求項２に記載の微粒化装置。
4. 前記ノズル本体を、バネの付勢力によってノズル本体の導出流路が装置ハウジング部材に設けられた導出流路に同軸状に位置決めされた状態で前記ハウジング部材に押圧するシール手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒化装置。
5. 前記高硬質材料が単結晶ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の微粒化装置。
   

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