JP2009541028A - 固体および繊維を含む生成物の処理のための高圧ホモジナイザのヘッド - Google Patents

Abstract

固体および繊維を含む生成物の処理のためのヘッド（１）が設けられた高圧ホモジナイザが、取入領域（４）から排出領域（５）への、生成物の通路（３）を規定しているブロック（２）と、この通路内で取入領域から排出領域へと生成物をポンピングするように、往復移動によりブロック内を軸方向に移動可能なピストンと、通路内で生成物の移動機能として、通路を開閉するように、通路に動作的に作用する取入バルブ（７）および排出バルブ（８）とを具備する。通路は、ピストン（６）の移動を妨げない位置で、ブロックに配置された障害物のない直線通路であり、取入バルブおよび排出バルブは、ばねを有さず、取入領域および排出領域の間の中間位置で、通路に動作的に挿入される。パーティクルや凝集物、処理の間に重合を受け易い生成物を含む生成物を処理するために効果的である。

Description

本発明は、取入領域から排出領域への生成物（product）の通路を規定しているブロックと、この通路内で取入領域から排出領域へと生成物をポンピングするように、ブロック内で往復移動をする際に軸方向に移動可能なピストンと、本体の内部に配置され、かつ通路内の生成物の移動機能として、この通路を開閉するように、この通路に動作的に作用する取入バルブおよび排出バルブとを具備する、固体および繊維を含む生成物の処理のためのヘッドを有する高圧ホモジナイザに関する。

本発明は、生成物の処理のための高圧ホモジナイザおよびピストンポンプの技術分野に関する。特に、本発明は、パーティクル、凝集物（agglomerate）または繊維を含む生成物、即ちほぼ液状の生成物であるが、処理の間、固体部分（例えば、パーティクル、凝集物または繊維）が形成され易い生成物の処理のための高圧ホモジナイザおよびピストンポンプに関する。このような種類の生成物は、シヤー感度性（"shear-sensitive”）とも呼ばれており、特に、ポンピングやホモジナイゼーション（homogenisation）の間、生成物に加えられる機械的応力の影響によって重合される生成物が、このような形式に属することが注意されなければならない。

高圧ホモジナイゼーションおよびポンピングに関して、既知の技術の解決策では、以下に説明する形式のヘッドの使用を必要とする。

既知の技術の解決策に係るヘッドは、ブロックを有し、このブロックは、ブロックの内部に、取入領域から排出領域への生成物の通路を規定している。本体の内部では、押圧（plunging）ピストンが移動可能である。このピストンは、通路内で取入領域から排出領域へと生成物をポンピングするように、直線往復移動をする。特に、このピストンは、ブロック内に形成されたピストン自身のシート内で摺動し、通路を妨げる。このピストンは、外側死点と内側死点との間で移動可能であり、移動方向を逆にすることもできる。外側死点は、ピストンが長くブロック内に挿入されている位置に対応しており、内側死点は、ピストンが短く（即ちブロック自身に対して比較的引っ込んだ）ブロック内に挿入されている位置に対応している。

一般的に、ヘッドは、１つのクランクシャフトに接続された複数のピストン（例えば３つのピストン）を有する。これらピストンは、３６０°／ｎの角度だけ、互いにほぼオフセットされるようにして、互いに平行に動作する、即ちシャフトにより駆動される。ここで、ｎはポンピングピストンの数である。

この場合、ブロックは、各ピストンに対して、このブロック自身の内部に生成物の通路を規定している。この通路は、ピストンが、往復移動の間、ピストンの移動路に従って移動する領域（即ち前記ブロックにより規定されたシート）と交差している。従って、各ピストンは、移動の際、対応する通路を妨げてしまう。特に、ピストンが内側死点にあるとき、通路はほぼ自由であるが、ピストンが外側死点にあるとき、通路は塞がれている、即ち少なくとも部分的に遮られている。なぜならば、ピストンは、通路内に、即ちピストンの移動が、バルブ集合体の軸のように、擬シリンダ（pseudo-cylindrical）ホールと交差する所であるシリンダ内に挿入されているからである。さらに、この通路を妨げるピストンの移動の間、生成物は、ピストンとシートとの間に規定され、このピストン自体が移動する内部空間（または被面（jacket））を実質的に流れる。

それ故、このピストンの移動は、生成物が強い圧縮や剪断応力を受ける影響を含んでいる。これは、フィラメント、パーティクル、凝集物または繊維（生成物の可能な重合化による）の形成を引き起こしたり、制限された通路領域内への生成物の堆積の原因となったりする。

また、ヘッドは、排出バルブおよび取入バルブを有する。これらバルブは、生成物の移動に従って通路を開閉するように、生成物に作用する。特に、これらバルブの各々は、ばねに接続されたボールを有し、このボールは、ガイドに対して摺動可能である。複数のピストンおよび通路を用いた解決策では、ヘッドは、さらに、取入マニホルドおよび排出マニホルドを有する。これらマニホルドは、取入マニホルドが生成物に様々な通路（ピストンの移動の上流側）を与えて、排出マニホルドが同じ通路（ピストンの移動の下流側）から生成物を受けるように、これら通路に接続されている。各バルブは、対応するマニホルドと通路との間の合流点に位置しており、この合流点に作用する。

このような、既知の形式のヘッドを用いた、固体状態の構成要素や部分を含む生成物の高圧ホモジナイゼーションおよびポンピングは、いくつかの問題を有する。

標準的なヘッド内で、生成物は、分散された、即ち生成物にマシンによって（特にピストンによって）発生される応力の影響によって形成された固体状態物を堆積し易い。このような堆積は、最終的には、ポンプやホモジナイザの適切な動作を妨げ、実際には、取入バルブおよび排出バルブの自動的な動作をブロックし、それ故、生成物のポンピングを妨げてしまう。

特に、研究及び実験活動によって、本出願人は、特に高確率でのこのような生成が起こることや生成物の固体部分が堆積することに関して、このようなヘッド内の問題点（critical area）を明らかにしている。このような問題点が、既知のホモジナイザに関して上述されたヘッドを参照して、以下に説明される。

第１の問題点は、ポンピングバルブによって、即ち取入バルブおよび排出バルブによって生じる。なぜならば、これらバルブは、生成物（繊維、フィラメント等）の固体部分の堆積を促進し易いからである。

特に、ばねは、生成物の固体残量の堆積領域となり、最終的には、ボールの正確な軸の移動を妨げてしまう。従って、バルブの開閉移動を妨げ、この結果、マシンの連続的な機能性を低下させてしまう。このばねは、手動クリーニングのために、ヘッドおよび構成部品を分解することによってのみ、元に戻すことができる。

第２の問題点は、ピストンがシートに対して往復移動をする際の、ピストンのポンピングによって生じる。なぜならば、特に、生成物の強制的な通路を構成している内部空間が存在し、この内部空間は限定された断面積を有するからである。さらに、外側死点と内側死点との間の位置でのピストンの移動およびこの逆の移動が、通路を塞いだり、部分的に遮ったりするという事実は、生成物の凝集物の通路を妨げてしまい、この結果、生成物に加えられる圧力の影響によって生成物を重合する際に、固体の凝集物が発生する条件を与えてしまう。

第３の問題点は、排出マニホルドによって生じる。（排出）バルブから生じる生成物の軸方向の流れは、バルブの上方領域に当たる接線方向の流れ（tangential flow）に関連しており、この流れは、固体および重合部分のさらなる堆積、特に、ばねおよびバルブガイドの領域へのさらなる堆積を引き起こす。これは、バルブの動作の低下に影響を与えてしまい、この結果ホモジナイザ自体に影響を与えてしまう。

従って、このような生成物の処理に使用されるとき、既知のホモジナイザは、様々な欠点を有する。実際、このようなホモジナイザは、代表的には、処理開始の後、短時間で失敗したりうまく動作しなかったりすることにより停止することがある。

本発明の目的は、上述の欠点を取り除くことと、固体パーティクル、凝集物、繊維および生成物の重合構造体が存在しても、長期間、効果的かつ連続的な生成物の処理を可能にする高圧ホモジナイザを利用可能にすることと、である。この目的は、以下に記載の請求項によって特徴付けられる本発明のホモジナイザによって、十分に達成される。

ここに記載の装置および他の装置は、以下に記載の好ましい一実施の形態により容易に明らかになるであろう。これら添付図面は、本発明を限定するものではなく、一例として示される。

図１は、本発明に係るホモジナイザの横断面図である。 図２は、図１のヘッドの正面断面図である。

図において、符号１は、高圧ホモジナイザおよびポンプの、本発明に係るヘッドを示している。このヘッド１は、特に、固体および繊維を含む生成物の処理を意図している。特に、このヘッド１は、ポンピングやホモジナイゼーションの間に機械的応力を受けたとき、パーティクル、凝集物または繊維を含む生成物、即ちほぼ液体であり（例えば、重合の影響によって）固体部分が形成され易い生成物を処理することができる。

ヘッド１は、取入領域４から排出領域５への、生成物の少なくとも１つの通路３を規定しているブロック２を有する。また、このヘッド１は、前記通路３内で取入領域４から排出領域５へと生成物をポンピングするように、本体２内で軸方向に移動可能なピストン６を有する。さらに、このヘッド１は、少なくとも１つの取入バルブ７および排出バルブ８を有する。これら取入バルブおよび排出バルブは、前記ブロック２の内部に配置され、かつ通路内の生成物の移動機能として、この通路を開閉するように、この通路３に動作的に作用する。

本発明のホモジナイザ、特にヘッド１では、独自に、通路３が前記ピストン６の移動を妨げない位置で、前記ブロック２に配置されている。また、前記取入バルブ７および排出バルブ８は、前記取入領域４と排出領域５との間の中間位置で、この通路３に動作的に挿入されている。

ここに示される好ましい実施の形態では、前記取入バルブ７および排出バルブ８は、ばねを有しない。さらに、これらバルブは、生成物の通路のために有用な断面積を最大にするように形成されている。

特に、これらバルブの各々は、ガイド１０に対して移動可能なボール９を有する。本発明では、このガイドは、前記通路３内の生成物の移動を容易にするように独自に形成されており、バルブが開位置であるとき、通路３の制限を規定し、かつ生成物（例えば、端部、死点またはばねによって規定された内部空間）の固体／繊維／重合化／凝集物部分の堆積を促進することが可能である領域を、最小にすることができることが注意されなければならない。

本発明に係るホモジナイザは、前記ピストン６と相互作用するシーリング部材１１を有する。このシーリング部材１１は、ピストン６の摺動のためのシート１２に対して外側で前記ブロック２に取着されている。また、このシーリング部材１１は、ピストン６とヘッド１のブロック２との間にシールを与える。前記シート１２は、代表的にはほぼシリンダ形状であるので、以下ではシリンダと称されることが注意されなければならない。

特に、前記ピストン６は、ヘッド１により規定されたシリンダ１２内に摺動可能に接続されることが注意されなければならない。このピストン６は、駆動手段（例えばクランクシャフト）に動作的に接続されており、この駆動手段は、ピストン６の長軸に沿って、前記シリンダ１２内で直線往復移動を行わせる。

好ましくは、前記通路３は、ほぼ垂直方向に、即ち前記ピストン６の長軸に直交する方向に実質的に沿って延びている（development）ようにして、前記ブロック２に配置されていることが注意されなければならない。

前記通路３は、前記シート１２と連通している。前記ピストン６は、通路３に取り入れられた生成物に対してポンピング作用を行うことができるように、シリンダ１２を摺動する。

前記ピストン６は、前記ブロック２に摺動可能に接続されており、移動の間、処理される生成物が、ピストン６の外側面とブロック２との間に規定された内部空間に侵入するのを防ぐように、このピストン６の外側面は、予め設定された距離だけ、前記シリンダ１２を規定している表面から離れていることが注意されなければならない。これは、前記シーリング部材１１が、シリンダ１２に対して外部に配置されているので、可能である。特に、動的ガスケット１３が、このシーリング部材１１内に収容され、この動的ガスケットは、ヘッド１のブロック２の外側に、従ってシリンダ１２に対して外側に配置されている。ここに示される好ましい実施の形態では、シーリング部材１１は、ブロック２の外部に取着されたフランジによって、実質的に構成されている。

シーリング部材が、前記シリンダ１２（即ち前記ピストン６の摺動シート）の内部に配置されているならば、スペーサ、即ちこのピストン６と内部シーリング部材との間に介在される部材を使用する必要がある。この部材は、ポンピング状態の間、（スペーサ内で得られるスロットを通して）ピストンとスペーサとの間に生成物の好ましくない通路を含み得る。

前記ピストン６が移動可能なシート（即ちシリンダ１２）は、前記ブロック２によって規定された外側面によって、および、ピストン６の軸に、即ちこのピストン自体の移動の方向にほぼ直交する底面によって規定されている。さらに、このシート１２は、ピストン６が挿入される開口部を規定している。

ここに示される好ましい実施の形態では、シート１２を規定している底面は、前記ブロック２に取り外し可能に接続された前方フランジ１４により規定されている。この前方フランジ１４の存在により、検査およびクリーニング動作のために、前記シート１２および通路３へのアクセスが効果的に可能となる。

代わって、前記底面は、例えば、前記ブロック２自身によって、前方フランジの存在により規定されることができる。

このピストン６は、所定の距離を保って摺動するように、前記シリンダ１２に摺動可能に接続されている。この所定の距離は、前記底面から、即ち前記ピストン６の摺動方向に対して前記シート１２を規定しているヘッド１の表面からの所定の最小値よりも大きい。

特に、前記ピストン６の摺動方向で、このピストン６とシート１２の底面との間の間隔の所定の最小値は、このピストン６の摺動方向で評価された前記通路３の寸法に少なくともほぼ等しい。このピストンの移動の際、ピストン６は通路３を妨げないので、この通路３内の生成物の流れを効果的に促進する。

特に、このピストン６は、外側死点１６と内側死点１５との間で移動可能であり、また、このピストン６は、自身の移動の方向を逆にすることもできる。この外側死点１６は、ピストン６が長くブロック２内に挿入されている位置に対応しており、内側死点１５は、ピストンが短く（即ち本体に対して比較的引っ込んだ）ブロック２内に挿入されている位置に対応している。

前記外側死点１６では、ピストン６は、通路３を妨げない位置にある。このピストンの外側死点１６は、前記バルブ７、８を収容する垂直な通路３に侵入しないように、引っ込んだ位置であることが注意されなければならない。これは、この通路３に対する制限を回避して、生成物のための取入バルブ７と排出バルブ８との間に完全な自由通路を与える。

前記通路３は、前記ピストン６の軸に対して非対称的に、前記ブロック２の内部に配置されていることが注意されなければならない。即ち、この通路３から始まり前記軸に沿って評価されたブロック２の厚さは、このブロック２から離れたピストン６の移動方向で比較的大きい。それ故、前記通路３は、非対称的に、前記ブロックの内部に配置されている。この非対称性は、前記シート１２自身の開口部に対して、このシート１２の底部に、通路３の比較的近い間隔で配置されている。これは、ピストン６がこの通路３を妨げることなく、このピストン６（前記内側死点と外側死点との間の間隔によって与えられる）に所望の移動を確実に与えることを可能にする。

好ましくは、前記ヘッド１は、ホモジナイザのヘッドであり、対応する通路３に生成物をポンピングするように、前記ブロック２に対して各々が移動可能な複数のピストン６（図２には例として３つのピストンが示されている）と、各々が前記ブロック２の内部に配置され、かつ通路内での生成物の移動機能として、この通路を開閉するように、対応する通路３に動作可能に作用する複数の取入バルブ７および排出バルブ８（図２には例として３つの取入バルブおよび３つの排出バルブが示されている）と、排出領域５を規定するように、前記通路３の各々から生成物を受けることが可能な排出マニホルド１７と、取入領域４を規定するために、前記通路３の各々内の生成物を受けることが可能な取入マニホルド１８とを具備する。

本発明に係るホモジナイザでは、各排出バルブ８は、前記排出マニホルド１７から所定の間隔で、ヘッド１に配置されている。

特に、各排出バルブ８は、前記通路３自身が終端している排出マニホルド１７から所定の間隔である位置に、対応する通路３に作用するブロック２に関連している。このようにして、各排出バルブ８は、垂直方向に沿って、即ち通路３の前記軸（前記排出バルブ８と対応する取入バルブ７とを接続するラインによって実質的に規定された軸）に沿って向けられた生成物の流れによって通過される。

従って、前記排出バルブ８から所定の間隔である前記排出マニホルド１７の存在は、（複数のピストン６に対するマシンに対して）各ポンピングピストン６に達する生成物の流れの寄与を独自に集めることを可能にし、また、排出マニホルド１７の内部に生成物の流れに関係のない寄与なく、生成物の軸に対して横方向への流れによって、前記排出バルブ８の動作を確実にする。このことによって、バルブ自身に対して、生成物の接線方向の流れが起こることによって、排出バルブに材料が堆積することを効果的に避けることができる。

前記取入バルブ７は、前記取入マニホルド１８から所定の間隔である位置で、ヘッド１に関連していることが注意されなければならない。

従って、本発明によって利用可能なホモジナイザは、生成物の通路を有し、この通路には、実質的に、障害物、死点または他のいかなる固体部分の形成や堆積領域がない。

それ故、本発明によって利用可能なホモジナイザは、約６００バールの圧力に達するまで、信頼でき効率的な方法で、固体および繊維、即ちパーティクルや凝集物（または、一般的に、処理の間に重合を受け易い生成物）を含む生成物を処理するために、効果的である。

Claims (8)

1. 取入領域（４）から排出領域（５）への、生成物の通路（３）を規定しているブロック（２）と、
   この通路内（３）で前記取入領域（４）から前記排出領域（５）へと生成物をポンピングするように、往復移動により前記ブロック（２）内を軸方向に移動可能なピストン（６）と、
   前記ブロック（２）の内部に配置され、かつ前記通路内の生成物の移動機能として、前記通路を開閉するように、この通路（３）に動作的に作用する取入バルブ（７）および排出バルブ（８）とを具備する、固体および繊維を含む生成物をポンピングおよび加圧するための高圧ホモジナイザの圧縮ヘッドにおいて、
   前記通路（３）は、前記ピストン（６）の移動を妨げない位置で、前記ブロック（２）に位置された障害物のない直線通路であることと、
   前記取入バルブ（７）および排出バルブ（８）は、ばねを有さず、前記取入領域（４）および排出領域（５）の間の中間位置で、前記通路（３）に動作的に挿入されていることとの組合せを特徴とする圧縮ヘッド。
2. 前記取入バルブ（７）および排出バルブ（８）の形状は、生成物の前記通路（３）のために有用な断面積を最大にする請求項１の圧縮ヘッド。
3. 前記ピストン（６）と相互作用するシーリング部材（１１）を具備し、このシーリング部材は、前記ピストン（６）の摺動のためのシリンダ（１２）に対して外側で前記ブロック（２）に取着されている請求項１の圧縮ヘッド。
4. 前記ピストン（６）は、摺動シリンダ（１２）内で前記ブロック（２）に摺動可能に接続されており、移動の間、処理される生成物が、前記ピストン（６）の外側面と前記ブロック（２）との間に規定された内部空間に侵入するのを防ぐように、前記ピストン（６）の前記外側面は、予め設定された間隔だけ、前記シリンダ（１２）を規定している表面から離れている請求項１の圧縮ヘッド。
5. 前記ピストン（６）は、ヘッド（１）によって規定されたシリンダ（１２）に摺動可能に接続されており、また、摺動可能な前記ピストン（６）は、このピストン（６）の摺動方向で、前記シート（１２）を規定しているヘッド（１）の表面からの所定の最小値に少なくとも等しい距離に留まる請求項１の圧縮ヘッド。
6. 前記ピストン（６）の摺動方向で、このピストン（６）と前記シート（１２）を規定しているヘッド（１）の表面との間の間隔の前記所定の最小値は、前記摺動方向で、前記通路（３）の寸法と少なくとも等しい請求項５の圧縮ヘッド。
7. 前記通路（３）は、前記ピストン（６）の軸に対して非対称的に、前記ブロック（２）の内部に配置され、または、前記通路（２）から始まり前記軸に沿って評価された前記ブロック（２）の厚さは、このブロック（２）から前記ピストン（６）の方向で比較的大きい請求項１の圧縮ヘッド。
8. 対応する通路（３）に生成物をポンピングするように、前記ブロック（２）に対して各々が移動可能な複数のピストン（６）と、
   各々が前記ブロック（２）の内部に配置され、かつ前記通路内での生成物の移動機能として、この通路を開閉するように、前記対応する通路（３）に動作可能に作用する複数の取入バルブ（７）および排出バルブ（８）と、
   前記排出領域（４）を規定するように、前記通路（３）の各々から生成物を受けることが可能な排出マニホルド（１７）とをさらに具備し、
   前記排出バルブ（７）の各々は、前記排出マニホルド（１７）から所定の間隔で、このヘッド（１）に配置されている請求項１の圧縮ヘッド。

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