JP2009518185A - 回転子及びこの回転子に対して逆向きに回転可能な先行羽根車（導入スクリュ）及び回転子に対して逆向きに回転可能な逆流回転子を持つホモジナイザー装置 - Google Patents

Abstract

流動性ないし粘性物質を分散しかつ／又は均質にするホモジナイザー装置（１００）であって、処理すべき複数の物質を導入するための１つ又は複数の開口を持つ容器（１１０）を持ち、容器（１１０）が、その底の中心範囲に物質を処理装置（１２０）へ供給する開口を持ち、処理装置（１２０）が同心的に設けられて互いに無関係に駆動可能な２つの円形に構成される歯付き環（１３０，１４０）を含み、これらの歯付き環（１３０，１４０）が所定の間隙を介して互いに分離されており、物質が中心範囲から間隙を通って歯付き環（１３０，１４０）の周範囲へ導かれるものにおいて、処理装置（１２０）内に更に搬送装置（１５０）が設けられて、圧力をかけて流動体を歯付き環（１３０，１４０）の方へ搬送することにより、キャビテーションの発生が大幅に防止される。
【選択図】図１

Description

本発明は、流動性ないし粘性物質を分散しかつ／又は均質にするホモジナイザー装置であって、処理すべき複数の物質を導入するための１つ又は複数の開口を持つ容器を持ち、容器が、その底の中心範囲に物質を処理装置へ供給する開口を持ち、処理装置が同心的に設けられて互いに無関係に駆動可能な少なくとも２つの円形に構成される歯付き環を含み、これらの歯付き環が所定の間隙を介して互いに分離されており、物質が中心範囲から間隙を通って歯付き環の周範囲へ導かれるものに関する。

最初にあげた種類の装置は従来技術において使用されて、粘性物質を歯付き環の高い回転数で均質にする。歯付き環の高い回転数には、処理すべき物質に作用する遠心力が伴って、ポンプ作用が生じて、物質を搬送する負圧を形成する。しかし公知の装置は、負圧の形成が物質にキャビテーションを形成し、これらのキャビテーションが一方では危険回転数から回転数の一層の上昇の際にもポンプ出力を制限し、他方では腐食及び早期の材料摩耗を促進する、という欠点を持っている。

従って本発明の課題は、高い効率でキャビテーションの形成を大幅に防止するホモジナイザー装置を提供することである。

最初にあげた種類の装置に対して、この課題は、処理装置内に更に搬送装置が設けられて、圧力をかけて物質を歯付き環の方へ搬送することによって解決される。

本発明の好ましい実施形態が従属請求項の対象である。

本発明による装置では、処理装置内に更に搬送装置が設けられて、圧力をかけて物質を歯付き環の方へ搬送するという特徴によって、処理装置に高い圧力が形成されて、処理すべき物質におけるキャビテーションの形成が防止される。

本発明によるホモジナイザー装置は、歯付き環分散装置に基いて動作する。この装置は本発明によれば真空処理装置へ組込まれている。

本発明を明らかにするために、真空処理装置の系統的な動作を以下に説明する。

真空処理装置は、乳濁液及び懸濁液をバッチ毎に即ち区分された不連続量で処理して、異なる粘度の均質にされた流動体を流動性ないし粘性にするのに役立つ。その際一般に処理容器内で、所定の時間連続的な処理が行われる。この目的のため処理容器の内部は、処理すべき製品の性質に応じて、３００ｍｂａｒ〜７００ｍｂａｒの局部ガス圧に設定され、このガス圧が適当な工業的真空とも称される。処理容器内に形成されるこの負圧のため、処理すべき液状又は粉末状製品の成分が、直接真空処理装置へ吸込まれる。

製品温度、加熱時間及び冷却時間のようなパラメータを考慮して、製品が必要な性質になるまで処理される。それから製品を抽気せねばならない。これは実際には８０ｍｂａｒ以下であるガス圧力値まで装置において真空を更に減少することによって行われる。

大抵の製品は、水分又は標準圧力（１０００ｍｂａｒ）で約１００℃の所にある沸点を持つ他の流動体を含んでいる。しかし処理容器に存在する工業的真空のため、これらの流動体の沸点は低下する。高い水分含有量を持つ製品の製造方法が例えば８５℃以上の温度での処理を望む場合、工業的真空の例えば５００ｍｂａｒの予め選ばれた値が、高い費用をかけてのみ得られる。なぜならば、水の沸点は５００ｍｂａｒの圧力では８１℃であり、従って常に水蒸気が処理容器へ流入して、処理容器内のガス圧力を高めるからである。他方処理すべき製品中に蒸気泡が形成され、対応する現象がキャビテーションと称される。

従来技術において公知の渦巻ポンプでは、キャビテーションの原因は一般に特に回転羽根車の羽根通路入口の範囲における局部的圧力減少であり、このような圧力減少の範囲は、羽根入口縁を搬送流動体が流れること及び回転羽根車の羽根から搬送流動体へのエネルギ伝達により不可避に形成される。しかしキャビテーションは、例えば案内羽根車の羽根の入口縁、ハウジング舌片、間隙環等のようにポンプにおける局部的圧力減少の他の範囲にも生じることがある。

歯付き環分散装置では、装置形状寸法（ポンプ羽根等）を介して製品がせん断間隙からいわば吸出されることによって、回転子がポンプ作用又は搬送作用を引受ける。これは、特に高い粘度の製品の場合著しく認められる製品の吸引作用及び慣性によってせん断間隙に負圧が生じることを意味する。この負圧は、容器内に存在する工業的真空の圧力に重畳される。

回転子の毎分約２５００回転の回転数から、流量は漸近的に限界値へ近づく。その理由は、回転子／固定子（分散装置）が流体機械の種類に数えられ、渦巻きポンプのように動作するからである。回転子／固定子（分散装置）においても、キャビテーションの最も頻度の多い原因は、処理流動体中を速く動かされる物体例えば回転羽根車又はプロペラにある。

ベルヌーイの法則によれば、流動体の流速が高いほど、その圧力は低い。圧力が流動体の蒸発圧力以下に低下するほど流速が高い場合、流動体は気体の状態に移行し、キャビテーションが生じる。適当な蒸発過程では、流動体中に気泡が生じる。所定の量の蒸発した気体状の水が示す空間範囲は、工業的真空の通常の圧力範囲において、同じ量の液体状の水が占める空間範囲の約１０００倍の大きさである。渦巻きポンプについて、渦巻きポンプにより搬送すべき流動体の気体割合が増加すると、渦巻きポンプの対応する搬送特性が低下し、即ちポンプの効率がキャビテーションにより低下するという重要な関係が経験的に確認されている。

この事態は、歯付き環分散装置の場合、せん断エネルギに有利なようにこの分散装置を一層高い周速で運転する努力とは矛盾する。蒸気泡形成の欠点は、せん断間隙にある破砕すべき小滴が、負圧により形成されて製品中に空所を形成する蒸気泡の中へそれることによって生じる。この事情は分散装置の効率に不利な影響を及ぼす。その原因を以下に略述する。

回転子の高い回転数のため製品に作用する遠心力により、製品が分散区域から投げ出される直後、圧力が下流で回転子のポンプ作用により上昇する。なぜならば、回転子が今やポンプ特性を引受けるからである。

この場合例えば管摩擦損失及び流れ損失に打勝たねばならない。この場合回転子直径、回転子回転数および回転子の形状寸法（回転子に取付けられるポンプ羽根の形状寸法）に関係して、４ｂａｒまでの圧力が生じる。

圧力が所定の閾値を超過すると、蒸発課程が再び停止し、キャビテーション泡中に生じる水蒸気がキャビテーション泡の外壁の範囲で凝縮し、既に形成されたキャビテーション泡が急激に崩壊する。流動体は衰弱するキャビテーションの体積を再び満たし、爆縮状に大きいエネルギでこの空間範囲へ流れ戻り、それにより流動体中に、たとえ短時間であっても最も強い衝撃圧力が生じ、それが数１０００ｂａｒの大きさをとることがある。この過程において、高い圧力ピークを持つ衝撃波が生じる。蒸気泡が例えば回転羽根車の羽根の固定した表面の範囲の近く又はこの範囲にあると、爆縮の際推計学的に方向づけられるマイクロジェットと称される流動体噴流が生じて、ある程度の確率で回転羽根車の表面へも高い速度で当たり、この羽根を侵食し、また衝撃的な圧力負荷により振動させ、それにより強い材料応力にさらす。その際キャビテーション等の作用により、クレータ状の材料除去が起こる。

従って本発明の一般的な要点は、キャビテーションをできるだけ少なくすることである。なぜならば、それにより生じる真空処理装置における損傷は可能な利得より大きいからである。

キャビテーションを防止するため本発明によれば、歯付き環分散装置において、一般に次の目的が実現される。
せん断間隙における蒸気泡形成を回避する。
歯付き環分散装置の自己吸入出力／自己搬送出力を減少する。
流れ方向に圧力が形成されるように、分散装置の個々の歯付き環の形状寸法を設計する。
分散装置のＮＰｓＨ値を減少する。

本発明による装置の第１の好ましい実施形態によれば、搬送装置が歯付き環の上流に設けられている。

本発明による装置の別の好ましい実施形態によれば、搬送装置が部分的に重なる２〜４個の羽根を持つ誘導スクリュ又は先行羽根車として構成されている。部分的に重なる３つの羽根が設けられているのがよい。

羽根がなるべく５０°〜８０°の角度範囲特に羽根が６５°の角度範囲で重なっており、羽根が約２０％〜４０％特に約３０％のピッチを持っているのがよい。

本発明による装置の更に別の好ましい実施形態によれば、誘導スクリュが、処理すべき物質を通す中空円筒内に設けられている。

本発明による装置の重要な好ましい実施形態によれば、両方の歯付き環が互いに逆向きに駆動可能である。運転様式に関係なく、両方の歯付き環がそれぞれ多数の同心的な歯列を持ち、第１群の歯列が回転子として作用し、第２群の歯列が回転子に対して逆向きに駆動可能な逆流回転子として作用する。逆流回転子が互いに同心的に設けられる内側歯列及び外側歯列を備えているのがよい。これに対し逆流回転子が、互いに同心的に設けられる３つの歯列を含んでいるのがよい。

特に歯付き環の範囲にキャビテーションが生じるのを防止するため、本発明の別の重要な実施形態によれば、逆流回転子の歯列のうち少なくとも一方の歯列の歯が、この歯列の接線に対して０°とは異なる角をなして設けられて、流動体圧力が歯列の中心の方へ発生される。歯列の中心の方へ発生される圧力によって、キャビテーションの発生が、従来の装置においてこれに関する最大の問題が現われている個所で、非常に効果的に防止される。その際特に内側歯列の歯も、この歯列の接線に対して０°とは異なる角をなして設けられて、回転の際流動体圧力が歯列の中心の方へ発生されるようになっており、逆向きに駆動される歯付き環において、歯が逆方向に向けられている。

多数の同心的な歯列が設けられ、第１群の歯列が回転子として作用し、第２群の歯列が回転子に対して逆向きに駆動可能な逆流回転子として作用することによって、上記の解決策の効果が更に高められる。

上記の原理に従って動作する装置の効果を更に高めるため特に、一般に内側歯列及び外側歯列の歯が、歯付き環の中心の方へ流動体圧力を発生する。これを行うため、外側歯列の歯において、短い直方体面の９０°とは異なる設定角が設けられているのがよい。この角は例えば約４５°に設定することができる。

逆流回転子の両方の歯列の歯がなるべくずれて設けられて、一方の歯列の歯の間隙が半径方向において他方の歯列の歯の範囲にないようにしている。この手段も、歯付き環の中心の方へできるだけ強い圧力の発生を援助する。

回転子の少なくとも一方の歯列の歯も、この歯列の接線に対してなるべく０°とは異なる角をなして設けられて、流動体圧力が歯列の中心の方へ発生され、１つの回転子歯列の歯が、回転子に対して逆向きに駆動される逆流回転子において、この歯列の接線に対して逆流回転子歯列の逆方向に向けられている。

周範囲において高められる摩擦により、半径と共に増大する半径方向の圧力勾配を生じるため、回転子の内側歯列の歯が、外側歯列の歯より大きい間隔を互いにとって設けられているのがよい。その際歯が直方体状に形成され、１つの歯付き環の２つの隣接する歯の間隔が歯の長さより小さく設定されている。

本発明による装置において、誘導スクリュを逆流回転子の１つ又は複数の歯列に固定的に連結すると、一般によいことがわかった。その際特に誘導スクリュと逆流回転子がこじんまりした装置の一部として構成され、逆流回転子が、同心的に、設けられる２つの歯列を持つ二重歯付き環として構成されている。本発明による装置の非常に重要な実施形態によれば、少なくとも１つの歯列なるべく内側歯列の歯が、この歯列の接続に対して０°とは異なる角をなして設けられて、流動体圧力が歯付き環の中心の方へ発生されるようにしている。

好ましい実施形低では、回転子の同心的な３つの歯列が次のように設けられ、即ち回転子の中間の歯列が逆流回転子の両方の歯列の間に設けられ、回転子の他の両方の歯列が、逆流回転子の両方の歯列の内側及び外側にある。

処理される物質が、反復処理用加工装置を通った後、再び容器へ戻ることができる、なるべく容器底の範囲への戻りが行われるのがよい。

本発明による装置が、図面に示されている好ましい実施例により以下に説明される。

流動性ないし粘性の物質を分散しかつ／又は均質にするための図１〜９に示す本発明によるホモジナイザー装置１００は、処理すべき物質を導入するための図示しない開口を持つ容器１１０を含んでいる。容器１１０は、その底の中心範囲に物質を処理装置１２０へ供給するための開口を持ち、処理装置１２０は、互いに無関係に駆動可能で同心的に設けられて円形に構成される２つの歯付き環１３０，１４０を含み、これらの歯付き環は所定の間隙を介して互いに分離されており、物質が中心範囲から間隙を通って歯付き環１３０，１４０の周範囲へ導かれる。本発明によれば、処理装置１２０に更に搬送装置１５０が設けられて、圧力をかけて物質を歯付き環１３０，１４０の方へ搬送する。

搬送装置１５０は、歯付き環１３０，１４０の上流に設けられて、部分的に重なる３つの羽根１５１を持つ誘導スクリュ１５０として構成されている。羽根１５１は約６５°の角度範囲で重なり、約３０％のピッチを持っている。

誘導スクリュ１５０は、処理すべき物質が通る中空円筒内に設けられている。

両方の歯付き環１３０，１４０はそれぞれ多数の歯列を持ち、第１群の歯列は回転子１３０として作用し、第２群の歯列は回転子１３０に対して逆向きに駆動可能な逆流回転子１４０として作用する。逆流回転子１４０は、互いに同心的に設けられる内側歯列１４１及び外側歯列１４２を含んでいる。

内側歯列１４１の歯はこの歯列の接線に対して０°とは異なる角をなして設けられて、回転の際流動体圧力が歯付き環の中心の方へ発生されるようにしている。内側歯列１４１及び外側歯列１４２の歯は、歯付き環の中心の方へ流動体圧力を発生し、この目的のため外側歯列１４２の歯には、直方体の面の９０°とは異なる設定角が設けられている。

逆流回転子１４０の両方の歯列１４１，１４２の歯はずれて設けられて、一方の歯列の歯の間隙が半径方向において他方の歯列の歯の範囲にないようにしている。逆流回転子１４０は互いに同心的に設けられる３つの歯列を含んでいる。

回転子１３０の歯列の歯は、この歯列の接線に対して０°とは異なる角をなして設けられて、流動体圧力が歯列の中心の方へ発生されるようにしており、回転子歯列の歯は、回転子１３０に対して逆向きに駆動される逆流回転子１４０では、この歯列の接線に対して逆流回転子歯列の逆方向に向けられている。この目的のため回転子１３０の内側歯列１３１の歯は、外側歯列の歯より大きい間隔で設けられている。

回転子１３０の歯列の歯はほぼ直方体状に構成され、１つの歯付き環の隣接する２つの歯の間隔は、歯の長さより小さく設定されている。

誘導スクリュ１５０及び逆流回転子１４０は、こじんまりした装置の一部として構成され、逆流回転子１４０は、同心的に設けられる２つの歯列１４１，１４２を持つ二重歯付き環として構成されている。

図示した実施例では、回転子１３０は、同心的に設けられる３つの歯列１３１，１３２，１３３を含み、回転子１３０の中間の歯列１３２は逆流回転子１４０の両方の歯列１４１，１４２の間に設けられ、回転子１３０の他の両方の歯列１３１，１３３は、逆流回転子１４０の両方の歯列１４１，１４２の内側及び外側にある。

物質は、処理装置１２０を通った後、反復処理のため再び容器１１０へ戻ることができ、その際容器１１０の底へ戻りが行われる。

本発明の上述した実施例は、請求項により規定される本発明による教示の一層良い理解のためにのみ役だち、この教示は実施例によっては限定されていない。

本発明によるホモジナイザー装置の好ましい実施例を一部切欠いた側面図で示す。 図１に示す本発明によるホモジナイザー装置の回転子を斜め上から見た図で示す。 図１に示す本発明によるホモジナイザー装置の回転子を上から見た図で示す。 図１に示す本発明によるホモジナイザー装置の回転子を側面図で示す。 本発明による装置の図１に示す実施例の逆流回転子を合体された誘導スクリュの実施例を斜め上から見た図で示す。 本発明による装置の逆流回転子の図５に示す実施例を下から見た図で示す。 本発明による装置の逆流回転子の図５に示す実施例を側面図で示す。 本発明による装置の誘導スクリュの図１に示す実施例を側面図で示す。 本発明による装置の誘導スクリュの図１に示す実施例を斜め上から見た図で示す。

Claims (26)

1. 流動性ないし粘性物質を分散しかつ／又は均質にするホモジナイザー装置（１００）であって、処理すべき複数の物質を導入するための１つ又は複数の開口を持つ容器（１１０）を持ち、これらの物質が容器（１１０）内で処理すべき流動体となるように混合され、容器（１１０）が、その底の中心範囲に物質を処理装置（１２０）へ供給する開口を持ち、処理装置（１２０）が同心的に設けられて互いに無関係に駆動可能な少なくとも２つの円形に構成される歯付き環（１３０，１４０）を含み、これらの歯付き環（１３０，１４０）が所定の間隙を介して互いに分離されており、物質が中心範囲から間隙を通って歯付き環（１３０，１４０）の周範囲へ導かれるものにおいて、処理装置（１２０）内に更に搬送装置（１５０）が設けられて、圧力をかけて流動体を歯付き環（１３０，１４０）の方へ搬送することを特徴とする、ホモジナイザー装置。
2. 搬送装置（１５０）が歯付き環（１３０，１４０）の上流に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 搬送装置（１５０）が部分的に重なる２〜４個の羽根（１５１）を持つ誘導スクリュとして構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 部分的に重なる３つの羽根（１５１）が設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 羽根（１５１）が５０°〜８０°の角度範囲で重なっていることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 羽根（１５１）が６５°の角度範囲で重なっていることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 羽根（１５１）が約２０％〜４０％のピッチを持っていることを特徴とする、請求項３〜６の１つに記載の装置。
8. 羽根（１５１）が約３０％のピッチを持っていることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 誘導スクリュ（１５０）が、処理すべき物質を通す中空円筒内に設けられていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の装置。
10. 両方の歯付き環（１３０，１４０）が互いに逆向きに駆動可能であることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の装置。
11. 両方の歯付き環（１３０，１４０）がそれぞれ多数の同心的な歯列を持ち、第１群の歯列が回転子（１３０）として作用し、第２群の歯列が回転子（１３０）に対して逆向きに駆動可能な逆流回転子（１４０）として作用することを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の装置。
12. 逆流回転子（１４０）が、互いに同心的に設けられる内側歯列（１４１）及び外側歯列（１４２）を含んでいることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 逆流回転子（１４０）の歯列（１４１，１４２）のうち少なくとも一方の歯列の歯が、この歯列の接線に対して０°とは異なる角をなして設けられて、流動体圧力が歯列の中心の方へ発生されることを特徴とする、請求項１１又歯１２に記載の装置。
14. 内側歯列（１４１）の歯が、この歯列の接線に対して０°とは異なる角をなして設けられて、回転の際流動体圧力が歯列の中心の方へ発生されることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
15. 内側歯列（１４１）及び外側歯列（１４２）の歯が、歯付き環の中心の方へ流動体圧力を発生することを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
16. 外側歯列（１４２）の歯において、短い直方体面の９０°とは異なる設定角が設けられていることを特徴とする、請求項１２〜１５の１つに記載の装置。
17. 逆流回転子（１４０）の両方の歯列（１４１，１４２）の歯がずれて設けられて、一方の歯列の歯の間隙が他方の歯列の歯の範囲にないようにしていることを特徴とする、請求項１２〜１６の１つに記載の装置。
18. 逆流回転子（１４０）が、互いに同心的に設けられる３つの歯列を含んでいることを特徴とする、請求項１１〜１７の１つに記載の装置。
19. 回転子（１３０）の少なくとも一方の歯列の歯が、この歯列の接線に対して０°とは異なる角をなして設けられて、流動体圧力が歯列の中心の方へ発生され、１つの回転子歯列の歯が、回転子（１３０）に対して逆向きに駆動される逆流回転子（１４０）において、この歯列の接線に対して逆流回転子歯列の逆方向に向けられていることを特徴とする、請求項１１〜１８の１つに記載の装置。
20. 回転子（１３０）の内側歯列（１３１）の歯が、外側歯列（１３３）の歯より大きい間隔を互いにとって設けられていることを特徴とする、請求項１１〜１９の１つに記載の装置。
21. 歯が直方体状に形成され、１つの歯付き環の２つの隣接する歯の間隔が歯の長さより小さく設定されていることを特徴とする、請求項１８〜２０の１つに記載の装置。
22. 誘導スクリュ（１５０）が逆流回転子（１４０）の１つ又は複数の歯列に固定的に連結されていることを特徴とする、請求項１１〜２１の１つに記載の装置。
23. 誘導スクリュ（１５０）と逆流回転子（１４０）がこじんまりした装置の一部として構成され、逆流回転子（１４０）が、同心的に設けられる２つの歯列（１４１，１４２）を持つ二重歯付き環として構成されていることを特徴とする、請求項２２に記載の装置。
24. 回転子（１３０）の同心的な３つの歯列が次のように設けられ、即ち回転子（１３０）の中間の歯列（１３２）が逆流回転子（１４０）の両方の歯列（１４１，１４２）の間に設けられ、回転子（１３０）の他の両方の歯列（１３１，１３３）が、逆流回転子（１４０）の両方の歯列（１４１，１４２）の内側及び外側にあることを特徴とする、請求項１８〜２３の１つに記載の装置。
25. 物質が、反復処理用加工装置（１２０）を通った後、再び容器（１１０）へ戻ることができることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の装置。
26. 容器底の範囲への戻りが行われることを特徴とする、請求項２５に記載の装置。

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