JP2009297690A - 乳化分散装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理流体に混入される混入物として、例えば油性の物質の乳化を良好に行えるのは無論のこと、比較的硬い粒状固形物を混入物とするものであっても、その乳化・分散を安定して行うことができる乳化分散装置を提供する。
【解決手段】乳化処理路１５に面するディスクバルブ１２の表面に、軸心周りにリング状を成す複数のリング状突起２０を備え、シート１１の表面に、リング状突起２０に補完的に組み合う複数のスリット２１を設け、ディスクバルブ１２及びシート１１の母材がステンレスから構成されるとともに、乳化処理路１５に面するディスクバルブ１２の表面及びシート１１の表面に、熱間等方圧加圧法により形成されるステライトＨＩＰ層３０を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディスクバルブと、このディスクバルブに対向して設けられるシートとを備え、ディスクバルブとシートとの間に径方向に形成される乳化処理路に、被処理流体を通過させて前記被処理流体を乳化する乳化分散装置に関する。

一般に、乳化分散装置は、被処理流体を一定圧力に昇圧する３連又は５連式プランジャーポンプ機構と、均質ディスク機構を備えて構成されており、プランジャーポンプ機構で加圧された被処理流体を均質ディスク機構に導入し、当該均質ディスク機構において、粒体分子間にせん断・激突等の相乗作用を瞬間的に発生させ、均質的な乳化状態を作り、液分離（浮遊・沈殿）を防ぐ装置である。均質ディスク機構は、ディスクバルブと、当該ディスクバルブに対向して設けられるシートとを備えて構成され、ディスクバルブとシートとの間に径方向に形成される乳化処理路に、被処理流体を通過させて被処理流体を乳化する。

このような乳化分散装置では、乳化処理路に面するディスクバルブとシートとの表面に、被処理流体の衝突による摩耗が発生する。摩耗が発生すると、乳化処理能が低下するとともに、得られる乳化物の品質が影響を受けるため、摩耗の程度が所定範囲内に収まっているうちに、ディスクバルブ及びシートを交換する必要がある。また、摩耗により発生する摩耗粉は機械の故障及び製品に害を与えるため、この摩耗を改善しなければならない。

従来、ディスクバルブとシートの材料としては、乳化分散装置が食品を取り扱う場合もありステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６）や、チタン、ハステロイが使用されていた。又、タングステンカーバイドを使用しているものもあった。

特開平８−１４１３７８号公報（〔００１２〕段落）

しかしながら、被処理流体に混入される混入物によっては、物体自体が硬く、従来型の材質としていたのでは、変形・破損等で実効的に使用継続できなかったり、十分な耐摩耗性を確保することができない場合も発生する。このような混入物としては、粒状固形物であるココアパウダー等を挙げることができる。一方、耐摩耗性がある材料を選択した場合、その材料を使用して、ディスクバルブ、シートの全てを製造すると、これら部材のコストが異常に高くなる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、被処理流体に混入される混入物として、例えば油性物質の乳化を良好に行えるのは無論のこと、比較的硬い粒状固形物を混入物とする場合も、その乳化・分散を安定して行うことができる乳化分散装置を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る、ディスクバルブと、前記ディスクバルブに対向して設けられるシートとを備え、前記ディスクバルブと前記シートとの間に径方向に形成される乳化処理路に、被処理流体を通過させて前記被処理流体を乳化する乳化分散装置の第１特徴構成は、前記乳化処理路に面する前記ディスクバルブの表面が、軸心周りにリング状を成す複数のリング状突起を備えた多段リング状に構成されるとともに、
前記乳化処理路に面する前記シートの表面が、前記ディスクバルブのリング状突起に補完的に組み合う複数のスリットが設けられた多段リング状に構成され、
前記ディスクバルブ及び前記シートの母材がステンレスから構成されるとともに、前記乳化処理路に面する前記ディスクバルブの表面及び前記シートの表面に、熱間等方圧加圧法により形成されるステライトＨＩＰ層を備えた点にある。

上記第１特徴構成によれば、シートに設けられたスリットとディスクバルブのリング状突起との間に乳化処理路を形成することで、経路を屈曲経路として乳化処理路長をある程度確保しながら径方向の短い距離で乳化処理を行うことができる。図６に、乳化処理路を様々な形状とした場合の、ディスクバルブの寿命（障害を伴わずに実効的な使用が可能な時間）及び摩耗による質量減少を検討した結果を示した。
図６（ａ）から（ｅ）は、検討の対象とした乳化処理路の形状を模式的に示したものである。
発明者が「フラット」と呼ぶ形状は、（ａ）に示すように、シートのディスクバルブ側端の内径部位に流路を下流側で絞る傾斜が設けられており、ディスクバルブのシート側面が平坦面とされているものである。
発明者が「シャープ」と呼ぶ形状は、（ｂ）に示すように、シートのディスクバルブ側端の内径部位から外径部位に亘って流路を下流側で絞る傾斜が設けられており、ディスクバルブのシート側面が平坦面とされているものである。
発明者が「多段」と呼ぶ形状は、（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように、シートのディスクバルブ側端面に、断面三角形状のスリットが設けられており、ディスクバルブのシート側端面に、断面三角形状の突起が設けられているものである。（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、それぞれ、段数が１段、２段、３段のものを示している。

図６（ｆ）は、乳化処理路を様々な形状とした場合の、ディスクバルブの寿命及び摩耗による質量減少を検討した結果を示したものである。
ディスクバルブの寿命は各線の終端点の位置で示している。例えば、フラットの場合は１Ｈｒであり、３段の場合は７Ｈｒ以上である。
ディスクバルブの質量減少は各線の傾きで示されている。例えば、フラットの場合は摩耗に伴う質量減少は小さい。これに対して、３段の場合は摩耗に伴う質量減少は大きい。

図６に示す結果から、乳化処理路を、多段とすることで、フラット或いはシャープとする場合より、摩耗量を所定量に抑えながら、実効的な使用時間を延ばすことができる。

一方、図５は、ステライトＨＩＰ層の有無に伴う質量減少を調べたものである。この例では、乳化処理路を、図６（ｄ）に示す本願実施形態が採用する形状としている。図５の記載形式は、図６（ｆ）の記載形式に従った。同図右上に材料種の差異を示した。同記載において、ＳＵＳ３１６は、シート及びディスクバルブの全体がＳＵＳ３１６からなるものを、ステライトは、シート及びディスクバルブの全体がステライトからなるものを示している。
一方、ＨＩＰと記載するものは、本願が対象とするものであり、ステンレス母材の必要部位にステライトＨＩＰ層を設けて、乳化処理路をステライトＨＩＰ層で挟むようにしたものである。
図５に示す結果から判明するように、乳化処理路に面する表面側に熱間等方圧加圧法で形成されたステライトＨＩＰ層を設けることで、微細な組織が実現され内部欠陥も除去されているため機械的特性が改善しており、寿命を延ばし、摩耗量を低減することができる。
さらに、母材をステンレスとし、その乳化処理路側に耐摩耗性の高いステライトＨＩＰ層を設けることで、母材を摩耗負荷に対する吸収層とすることができ、シート若しくはディスクバルブの全体をＨＩＰ材から構成する場合より、耐摩耗性を向上することができる。

このような乳化分散装置のディスクバルブを製造するには、
ステンレスからなるディスクバルブ母材を準備する準備工程と、
前記ディスクバルブ母材の前記リング状突起を形成する面側に、熱間等方圧加圧法により一定厚みのＨＩＰ材料層を形成するＨＩＰ材料層形成工程と、
前記ＨＩＰ材料層形成工程で形成された前記ＨＩＰ材料層に、前記リング状突起を形成する突起形成工程とを経て、前記ディスクバルブを製造することができる。

一方、乳化分散装置のシートを製造する製造するには、
ステンレスからなるシート母材を準備する準備工程と、
前記シート母材の前記スリットを形成する面側に、熱間等方圧加圧法により一定厚みのステライトＨＩＰ材料層を形成するＨＩＰ材料層形成工程と、
前記ＨＩＰ材料層形成工程で形成された前記ステライトＨＩＰ材料層に、前記スリットを形成するスリット形成工程とを経て、前記シートを製造することができる。

本発明に係る乳化分散装置の第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、ステライトＨＩＰ層が、乳化処理路に面する前記ディスクバルブの表面について、複数のリング状突起の底部まで形成され、乳化処理路に面する前記シートの表面について、複数のスリットの底部周辺まで形成されている点にある。

上記第２特徴構成によれば、乳化処理路に接する全面をステライトＨＩＰ層とする構成を簡単に実現でき、ステンレス母材にステライトＨＩＰ材料層を接合して、その後、所定の形状に加工する等の方法で、容易に、比較的複雑な形状のシート及びディスクバルブをも製造することができる。

本発明に係る乳化分散装置の第３特徴構成は、上記第１又は第２特徴構成に加えて、前記乳化処理路に面する前記ディスクバルブの表面に、軸心周りにリング状を成す２段のリング状突起を備えるとともに、
前記乳化処理路に面する前記シートの表面に、前記ディスクバルブのリング状突起に補完的に組み合う２段のスリットが設けられ、
前記リング状突起が断面形状が三角の突起であり、前記スリットが断面形状が逆三角形状のスリットである点にある。

上記第３特徴構成によれば、このように２段形状とすることで、図６に示すように、３段とする等、複雑な加工をすることなく、摩耗量を許容できる範囲に抑えることができる。さらに、スリット及び突起を、断面視、三角形状のものとすることで、例えば、単段のもので、断面形状を方形四角状とする場合より、摩耗を少なくできる。発明者らの検討では、この三角形状としては、軸心方向に対象軸を有する三角が好ましい。
結果、複数・最小のリング状突起とスリットとの組み合わせで、乳化を行える。

本発明に係る乳化分散装置の第４特徴構成は、上記第１から第３の何れかの特徴構成に加えて、前記シートが軸方向に伸びる被処理流体導入路を備え、
前記ディスクバルブの軸心を中心軸とし、前記被処理流体導入路側に伸びる円錐状突起が設けられている点にある。

上記第４特徴構成によれば、円錐状突起のシート側面と、シートの内径側部位とで間に狭い流路 を形成し、被処理流体導入路を実質的な乳化処理路として構成することで、有効に乳化処理を実行できる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、本願に係る乳化分散装置１００の構成を示す概略構成図である。同図に示すように、乳化分散装置１００は、被処理流体Ｌを受け入れる入口１０１から、乳化分散処理後の被処理流体を送出する出口１０２に向けて、プランジャーポンプ機構１０３、第１均質ディスク部１０４、第２均質ディスク部１０５を、記載順に備えて構成されている。

プランジャーポンプ機構１０３は、同図に示す例では、３連式プランジャーポンプ機構とされており、吸入ブロック１から順次、被処理流体Ｌを吸入圧縮し、高圧状態として第１均質ディスク部１０４に送りだす。

図２に示すように、第１均質ディスク部１０４は、シート１１、ディスクバルブ１２、インパクトリング１３を主要な構成部品とする均質ディスク機構１０から構成されている。
均質ディスク機構１０は、プランジャーポンプ機構１０３に接続される導入流路形成部材１４の先端に装着されるシート１１と、このシート１１に対向して設けられるディスクバルブ１２と、シート１１とディスクバルブ１２との間に径方向に延びて形成される乳化処理路１５の出口側（外径側）に設けられるインパクトリング１３を備え、インパクトリング１３とディスクバルブ１２との間に狭隘路１６を形成し、さらにその下流側に吐出流路形成部材１７を設けて、径方向に延びる吐出路１８としている。この吐出路１８は、第２均質ディスク部１０５への導入路となっている。

図２にも示すように、この均質ディスク機構１０に加圧導入される被処理流体Ｌは、水等の流体内に比較的大粒径の粒子（ココアパウダーだまり等の固体粒子の集合体、油・牛乳等の液体で比較的粒径の大きなもの）が不均一に混合した混合流体である。均質ディスク機構１０を通過させることで、この被処理流体Ｌは、粒径が小径化した粒子が流体内に、処理前の状態よりも均一に分散した状態とされる。第２均質ディスク部１０５は、第１均質ディスク部１０４で乳化分散された被処理流体Ｌを、さらに乳化分散する、もしくは、乳化分散状態を調える機能を果たす。

前記シート１１は、前記導入流路形成部材１４に嵌込される連結部１１ａと、導入流路形成部材１４の軸方向端面１４ａに当接されて、シート１１が位置決めされるシート本体部１１ｂと、導入流路形成部材１４とは反対側の軸方向端面である乳化処理路形成面１１ｃとを備えて構成されている。
前記ディスクバルブ１２は、図２に示すように概略円筒状部材として構成されている。このディスクバルブ１２は、シート１１に対向するシート側の軸方向端面が、乳化処理路形成面１２ａとされている。そして、このディスクバルブ１２は、シート１１とは反対側の端面側を位置決め機構１９により保持されており、この位置決め機構１９を調整することで、シート側の乳化処理路形成面１１ｃとディスクバルブ側の乳化処理路形成面１２ａとの間の隙間（乳化処理路１５の幅）を調整可能に構成されている。
前記インパクトリング１３は、当該乳化処理路１５の出口側（外径側）に配設されている。このインパクトリング１３には、乳化処理路１５を通過した被処理流体が衝突することで、この点からも、さらに乳化・分散が進む。このインパクトリング１３は、軸を、導入流路形成部材１４、シート１１、ディスクバルブ１２と同じくする概略円環状の部材である。吐出流路形成部材１７もまた、導入流路形成部材１４、シート１１、ディスクバルブ１２、インパクトリング１３と同軸の部材であり、当該インパクトリング１３を外径側及び軸方向で位置決め支持する。
前記吐出流路形成部材１７には、前記インパクトリング１２の軸方向下流側（図２において右側）に、径方向（図２において上側）の吐出口１７ａが設けられており、この吐出口１７ａに第２均質ディスク部１０５が接続される。
以上の構成を採用することで、ディスクバルブ１２とシート１１間に設けられる乳化処理路１５に、被処理流体Ｌを通過させ被処理流体Ｌを乳化することができる。

以上が均質ディスク機構１０の概略構成であるが、以下、本願の特徴構成に関して説明する。
図２に示すように、乳化処理路１５に面するディスクバルブ１２の表面（乳化処理路形成面）が、軸心周りにリング状を成す複数のリング状突起２０を備えた多段リング状に構成されるとともに、乳化処理路１５に面するシート１１の表面（乳化処理路形成面）が、前記ディスクバルブ１２のリング状突起２０に補完的に組み合う複数のスリット２１が設けられた多段リング状に構成されている。図示する例では、乳化処理路１５に面するディスクバルブ１２の表面（乳化処理路形成面）に、軸心周りにリング状を成す２のリング状突起２０を備え、乳化処理路１５に面するシート１１の表面（乳化処理路形成面）に、ディスクバルブ１２のリング状突起２０に補完的に組み合う２段のスリット２１が設けられている。さらに、シート１１が軸方向に伸びる被処理流体導入路２２には、ディスクバルブ１２の軸心を中心軸とし、前記リング状突起２１より高さが高く形成され、被処理流体導入路２２側に伸びる円錐状突起２３（中心突起）が設けられている。この円錐状突起２３は、事実上は、図面に示すように断面円錐台状とされている。従って、乳化処理路１５は、ディスクバルブ１２側に設けられる２重のリング状突起２０と、シート１１側に設けられる２重のスリット２１との間に、径方向で軸方向にジグザグ状となる乳化処理路１５が形成されている。

次に、シート１１、ディスクバルブ１２及びインパクトリング１３に関して、その素材を説明する。図３は、後に詳細に説明する本願におけるシート１１、ディスクバルブ１２の製造工程を示す図である。
この図から判明するように、シート１１及びディスクバルブ１２の母材はステンレス（具体的にはＳＵＳ３１６）とされている。さらに、乳化処理路１５に面するシート１１の表面（乳化処理路形成面）、及びディスクバルブ１２の表面（乳化処理路形成面）は、熱間等方圧加圧法により形成されるステライトのＨＩＰ層とされている。一方、インパクトリング１３は、ステンレス（ＳＵＳ３１６）を母材として、表面にステライト層を設けたものとされている。

以下、図３に基づいて、シート１１及びディスクバルブ１２との製造工程に関して説明する。
両部材は、ステンレス母材に対して、その所定部位にステライトＨＩＰ材料層３０を熱間等方圧加圧法により形成・接合し、このステライトＨＩＰ材料層３０を、切削及び研削加工により所定形状に形成することで、得ることができる。具体的には、ステライトとして、ステライト＃１或いはステライト＃６を使用する。
図３は、シート１１及びディスクバルブ１２の製造工程を示す図面である。
１．準備工程
シート１１及びディスクバルブ１２の製造に際しては、それぞれの素材を準備し（図３（ａ））、素材を概略円筒状に、且つ表面粗さをＨＩＰ材料層３０の接合に適切な表面粗さまで調整する（図３（ｂ））。
２．ＨＩＰ材料層形成工程
シート１１及びディスクバルブ１２の素材の乳化処理路形成面側に所定厚みのステライトＨＩＰ材料層３０を形成する。このステライトＨＩＰ材料層３０の厚みは、シート１１では、スリット２１の深さの３〜４倍程度の厚みとし、ディスクバルブ１２では、リング状突起２０の高さの３〜４倍程度の厚みに加え、円錐状突起２３の突出高さを加えた高さとされている。
ステライトＨＩＰ材料層３０の形成に際しては、素材の所定面にステライト粉体３１を配設し、両者を処理容器４０内に収納し（図３（ｃ））、容器４０内を真空引きした状態で、図４に示すような処理炉３００内で加圧状態で熱処理を施す（図３（ｄ））。図４において３０１はヒータを示しており、炉３００内はポンプ等の加圧装置により加圧されることを示している。この加圧状態は、容器４０を介して、内部に収納されているステライト粉末３１にも及ぶ。このとき、圧力は１００ＭＰａ以上（具体的には１００ＭＰａ）とされ、雰囲気温度は１０００℃以上（具体的には１１５０℃）とされる。このようにして、両者１１、１２の素材の乳化処理路形成面側に所定厚みのＨＩＰ材料層３０を形成することができる（図３（ｅ））。

３ 突起形成工程・スリット形成工程
上記のようにして得られたステライトＨＩＰ材料層３０に対して、シート１１の場合はスリット２１を、ディスクバルブ１２に関しては、円錐状突起２３及びリング状突起２０を形成する。形成にあたっては、切削及び研削加工を施す。このようにして、所定形状のシート１１及びディスクバルブ１２を得ることができる（図３（ｆ））。

本願に関連して、発明者らが行ったディスク摩耗試験結果を、先に説明した図５に基づいて紹介する。この摩耗試験は、ディスクバルブ１２に使用されていた従来材料（ＳＵＳ３１６とステライト：これらはシート１１とディスクバルブ１２との全体をそれぞれ従来材料で形成した）と、本願のようなＨＩＰ処理品とを、夫々製造し、通常運転条件（単位時間当たりの処理量７０リットル／Ｈｒ、被処理流体（ベース水に、ココアパウダーを、質量比水：ココア＝１０：１で混合したもの））で乳化分散処理した。
試験結果を図５に示した。同図の横軸は試験時間を、縦軸はディスクバルブの質量変化を示している。結果、ＨＩＰ処理品の質量変化が最も小さく、良好な結果を示した。

被処理流体に混入される混入物として、例えば油性の物質の乳化を良好に行えるのは無論のこと、比較的硬い粒状固形物を混入物とするものであっても、その乳化・分散を安定して行うことができる乳化分散装置を提供することができた。

乳化分散装置の概略構成を示す図 均質ディスク機構の構成を示す説明図 ディスクバルブ及びシートの製造工程を示す図 熱間等方圧加圧法の説明図 材料種に従った質量減少状態を示す図 乳化処理路の形状に従った質量減少状態を示す図

符号の説明

１０： 均質ディスク機構
１１： シート
１２： ディスクバルブ
１３： インパクトリング
１４： 導入流路形成部材
１５： 乳化処理路
１６： 狭隘路
１７： 吐出流路形成部材
１８： 吐出路
２０： リング状突起
２１： スリット
２３： 円錐状突起
３０： ステライトＨＩＰ材料層

Claims (6)

1. ディスクバルブと、前記ディスクバルブに対向して設けられるシートとを備え、前記ディスクバルブと前記シートとの間に径方向に形成される乳化処理路に、被処理流体を通過させて前記被処理流体を乳化する乳化分散装置であって、
   前記乳化処理路に面する前記ディスクバルブの表面が、軸心周りにリング状を成す複数のリング状突起を備えた多段リング状に構成されるとともに、
   前記乳化処理路に面する前記シートの表面が、前記ディスクバルブのリング状突起に補完的に組み合う複数のスリットが設けられた多段リング状に構成され、
   前記ディスクバルブ及び前記シートの母材がステンレスから構成されるとともに、前記乳化処理路に面する前記ディスクバルブの表面及び前記シートの表面に、熱間等方圧加圧法により形成されるステライトＨＩＰ層を備えた乳化分散装置。
2. 前記ステライトＨＩＰ層が、前記乳化処理路に面する前記ディスクバルブの表面について、前記複数のリング状突起の底部まで形成され、前記乳化処理路に面する前記シートの表面について、前記複数のスリットの底部周辺まで形成されている請求項１記載の乳化分散装置。
3. 前記乳化処理路に面する前記ディスクバルブの表面に、軸心周りにリング状を成す２段のリング状突起を備えるとともに、
   前記乳化処理路に面する前記シートの表面に、前記ディスクバルブのリング状突起に補完的に組み合う２段のスリットが設けられ、
   前記リング状突起が断面形状が三角の突起であり、前記スリットが断面形状が逆三角形状のスリットである請求項１又は２記載の乳化分散装置。
4. 前記シートが軸方向に伸びる被処理流体導入路を備え、
   前記ディスクバルブの軸心を中心軸とし、前記被処理流体導入路側に伸びる円錐状突起が設けられている請求項１〜３の何れか一項記載の乳化分散装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項記載の乳化分散装置のディスクバルブを製造する製造方法であって、
   ステンレスからなるディスクバルブ母材を準備する準備工程と、
   前記ディスクバルブ母材の前記リング状突起を形成する面側に、熱間等方圧加圧法により一定厚みのステライトＨＩＰ材料層を形成するＨＩＰ材料層形成工程と、
   前記ＨＩＰ材料層形成工程で形成された前記ステライトＨＩＰ材料層に、前記リング状突起を形成する突起形成工程とを実行して、前記ディスクバルブを製造する製造方法。
6. 請求項１〜４のいずれか一項記載の乳化分散装置のシートを製造する製造方法であって、
   ステンレスからなるシート母材を準備する準備工程と、
   前記シート母材の前記スリットを形成する面側に、熱間等方圧加圧法により一定厚みのステライトＨＩＰ材料層を形成するＨＩＰ材料層形成工程と、
   前記ＨＩＰ材料層形成工程で形成された前記ステライトＨＩＰ材料層に、前記スリットを形成するスリット形成工程とを実行して、前記シートを製造する製造方法。

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