JP2015020146A - 物質処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 物質処理装置における貫通穴の閉塞又は閉塞による処理条件の変化の問題に対処する。【解決手段】 流体が流れ得る第１及び第２流路４１，４２と、中心軸の周りで回転可能な穴明部材５０を有する物質処理装置３０。穴明部材５０は、側周面５２と、穴明部材５０の内部に形成された空間５４と、側周面５２から空間５４に延びる複数の貫通穴５９を有する。側周面５２の一部分５５を第１流路４１に露出させ、側周面の他の一部分５６を第２流路に露出させ、穴明部材５０を回転させることにより、一部分５５及び他の一部分５６の側周面５２上の位置を変化させる。【選択図】 図５

Description

本発明は、物質の微細化、粉砕、混合、攪拌、乳化、分散等の処理を行う処理装置に関する。

物質の微細化、粉砕、混合、攪拌、乳化、分散等の処理を行う物質処理装置が知られている。処理対象の物質は、産業分野によって、固体（顔料、薬品、食料粉等）、液体（油、アルコール、水等）、気体（空気等）等様々である。均一な処理を実現するため、物質の処理は、一般的に、液体等の母剤（マトリクス）中に処理対象の物質（特に、母剤に対して不溶性又は低溶性の粒子状の物質）を分散させた状態で行われる。母剤中に処理対象の物質を分散させた状態のものを本願では「混合流体」又は単に「流体」と言う場合がある。

各種の物質を微粒化する（粒径を小さく及び／又は均一にする）ことにより優れた特性が発現することが知られている。

例えば、エマルジョン燃料（油中水滴型）は、燃料（母剤）中において水（物質）の粒子を分散／乳化したものであるが、水の粒径を超微細化する（例えば、１μｍ以下にする）ことにより、燃料としての保存安定性及び／又は燃焼特性を向上させることが可能である。

図１は、エマルジョン燃料の生成に使用し得る物質処理装置１０を示す。

物質処理装置１０は、母剤（燃料等）と物質（水等）の混合流体を供給する供給源（タンク等）１１と、供給管１２と、高圧ポンプ１３と、処理部１４と、排出管１５を有する。供給源１１は、母剤と物質を予備混合するためのミキサー１７を有し得る。

処理部１４は、中空円柱状の中央ブロック２１と、その両側に配置された一対の穴明板２２Ａ，Ｂを有する。中央ブロック２１の内部空間の穴明板２２Ａ，Ｂの間の部分が処理室２３である。穴明板２２Ａ，Ｂの両側には、中空円柱状の保持ブロック２４Ａ，Ｂが配置され、保持ブロック２４Ａ，Ｂをネジ２５等で締め付け固定することで、中央ブロック２１と保持ブロック２４Ａ，Ｂの間で穴明板２２Ａ，Ｂが保持される。保持ブロック２４Ａ，Ｂの内部には、混合流体が流れることができる第１流路２６Ａ及び第２流路２６Ｂが形成される。

穴明板２２Ａ，Ｂは、図２に示すように、複数の小径（１００〜１０００μｍ程度）の貫通穴２７を有する。処理室２３、第１、第２流路２６Ａ，Ｂは、概略同径同心であり、穴明板２２Ａ，Ｂの貫通穴２７は、処理室２３、第１、第２流路２６Ａ，Ｂと同径同心の円２８よりも内側の領域に配置される。したがって、穴明板２２Ａ，Ｂの貫通穴２７を介して、処理室２３と第１流路２６Ａの間及び処理室２３と第２流路２６Ｂの間で液体の流通が可能である。

物質処理装置１０では、高圧ポンプ１３により供給源１１から第１流路２６Ａに供給された混合流体が穴明板２２Ａの貫通穴２７を通って処理室２３に流入し、更に、穴明板２２Ｂの貫通穴２７を通って第２流路２６Ｂに流出する。このとき、小径の貫通穴２７を高圧の混合流体が通過する際の、及び／又は、処理室２３における擾乱、乱流、拡散、キャビテーション等の作用により、混合流体中の物質（水等）の粒子が極めて小さい粒径に微細化される。

処理部１４で処理された混合流体は、排出管１５から後工程１６に送られる。エマルジョン燃料の生成の場合、後工程１６は、燃料貯留槽、エンジン、燃焼炉等であり得る。

上記方式の物質処理装置１０は、極めて優れた微細化性能を有しており、物質処理装置１０を用いて燃料と水の混合流体を処理することにより、品質の高い（保存安定性及び燃焼性能に優れる）エマルジョン燃料の生成が可能になることが、経験的に確かめられている。

特開平１０−３３９７４号公報

物質処理装置１０を用いて物質の微細化、粉砕、混合、攪拌、乳化、分散等の処理を長時間に行った場合、混合流体中の固形異物や不純物等の析出等により貫通穴２７が閉塞する問題がある。貫通穴２７が閉塞すると、処理量の低下や処理圧の上昇、処理状態の変化（例えば、微粒化の程度や乳化状態の変化）等を生じため、処理部１４の分解清掃が必要となる。

例えば、エマルジョン燃料では、微粒化の程度や乳化状態の変化は、燃料特性（保存安定性、燃焼性能等）に影響を与え得るため、貫通穴２７の閉塞防止の必要性が高い。生成したエマルジョン燃料を直接エンジン等に供給するシステムでは、処理量や処理状態を長時間に渡って一定に保つことが必要であり、貫通穴２７の閉塞防止の必要性が特に高い。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、以下のいずれか一以上をその目的とする。

本発明の目的は、貫通穴の目詰まり、閉塞等を生じない物質処理装置、又は、貫通穴の目詰まり、閉塞等の可能性又は頻度が低い物質処理装置を提供することである。

本発明の他の目的は、長時間に渡って貫通穴の目詰まり、閉塞等を生じることなく物質の処理（混合、攪拌、分散、乳化、粉砕、微粒化等）を行うことが可能な物質処理装置を提供することである。

本発明の更に他の目的は、長時間に渡って処理量や処理状態の変化を生じることなく物質の処理を行うことが可能な物質処理装置を提供することである。

本願には下記の発明が開示される。

（１） 流体が流れ得る第１及び第２流路と、
回転可能な穴明部材を有する物質処理装置であって、
前記穴明部材は、側周面と、前記穴明部材の内部に形成された空間と、前記側周面から前記空間に延びる複数の貫通穴を有し、
前記側周面の一部分が前記第１流路に露出し、前記側周面の他の一部分が前記第２流路に露出し、
前記穴明部材を回転させることにより、前記一部分及び前記他の一部分の前記側周面上の位置が変化することを特徴とする物質処理装置。

（２） 前記第１及び／又は第２流路における流体の流量及び／又は圧力を計測する計測手段と、
前記穴明部材を回転させる駆動手段と、
前記計測手段により計測される前記流量及び／又は前記圧力に応じて前記駆動手段を動作させる制御手段を更に有することを特徴とする（１）に記載の物質処理装置。

（３） 前記貫通穴が前記側周面上において周方向に所定間隔で配列されており、
前記一部分及び／又は前記他の一部分の周方向の寸法が、前記所定間隔よりも大きいことを特徴とする（１）又は（２）に記載の物質処理装置。

（４） 前記一部分及び／又は前記他の一部分の周方向の寸法が、前記所定間隔の整数倍であることを特徴とする（３）に記載の物質処理装置。

（５） 前記穴明部材が前記穴明部材の回転軸に対して回転対称の形状を有することを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の物質処理装置。

（６） 前記穴明部材が円柱形状である（５）に記載の物質処理装置。

（１）の発明では、穴明部材は、側周面と、穴明部材の内部に形成された空間と、側周面から空間に延びる複数の貫通穴を有し、側周面の一部分が第１流路に露出し、側周面の他の一部分が第２流路に露出する。したがって、当該一部分に露出した貫通穴を介して第１流路から空間に混合流体を通過させ、当該他の一部分に露出した貫通穴を介して空間から第２流路に混合流体を通過させることにより、物質の処理を行うことが可能である。そして、穴明部材を回転させることにより、当該一部分及び当該他の一部分の側周面上の位置が変化する。したがって、回転前と回転後で、混合流体が通過する貫通穴を相違させことができる。よって、貫通穴の閉塞、目詰まり等が生じた場合は、穴明部材を回転させることで、閉塞、目詰まり等が無い状態で処理を行うことができる。穴明部材を１８０度回転させれば、逆洗の作用で閉塞、目詰まり等を取り除くことも可能である。

（２）の発明では、第１及び／又は第２流路における流体の流量及び／又は圧力によって閉塞、目詰まり等の有無を監視し、閉塞、目詰まり等が生じた場合に、制御手段の制御によって自動的に穴明部材を回転させることができる。

（３）の発明では、穴明部材をどのような角度で回転させても、常に、１つ以上の貫通穴が第１及び／又は第２流路に露出することになる。

（４）の発明では、第１流路に露出する貫通穴の合計断面積が穴明部材の回転前と回転後で変化せず、及び／又は、第２流路に露出する貫通穴の合計断面積が穴明部材の回転前と回転後で変化しないようにすることができる。これにより、穴明部材の回転による処理条件（処理量等）の変化を防止又は抑制できる。

穴明部材は、回転軸に対して回転対称の形状を有し得る。穴明部材は、好ましくは、ｎ回対称の柱状形状（６角柱、７角柱、８角柱等）であり、より好ましくは、円柱形状を有する。

本願において「及び／又は」は、「両方又はいずれか一方」を意味する。例えば、「Ａ及び／又はＢ」は、「Ａ及びＢ、又は、Ａ、又は、Ｂ」を意味する。

従来の物質処理装置１０を示す説明図 穴明板２２Ａ，Ｂの形状を示す説明図 本発明の１実施形態に従う物質処理装置３０を示す説明図 処理部３４の側面図 処理部３４の斜視図 処理部３４を切り欠いて示す説明図 穴明部材５０の斜視図（Ａ）、正面図（Ｂ）及び側面図（Ｃ） 貫通穴５９の例示的な配置を示す説明図 貫通穴５９の例示的な配置を示す説明図 本発明の１実施形態に従う物質処理装置１３０を示す説明図 穴明部材５０の変形形態を示す説明図 処理部３４の変形形態を示す説明図

図３は、好ましい実施形態に係る物質処理装置３０を示す。

物質処理装置３０は、母剤（例えば、燃料）と物質（例えば、水）の混合流体を供給する供給源（タンク等）３１と、供給管３２と、高圧ポンプ３３と、処理部３４と、排出管３５と、後工程３６を有する。供給源３１は、母剤と物質を予備混合するためのミキサー３７を有し得る。

図４、５は、処理部３４を側面及び斜めから示す。図６は、処理部３４の中央付近を切り出して左右から示す。図７は、穴明部材５０の斜視図（Ａ）、正面図（Ｂ）及び側面図（Ｃ）を示す。

図示のように、処理部３４は、ブロック４０及び穴明部材５０を有する。ブロック４０及び穴明部材５０は、硬質金属、セラミック等で形成し得る。

ブロック４０は、内部に通孔を有する。通孔の左端から穴明部材５０の部分が第１流路４１であり、通孔の右端から穴明部材５０の部分が第２流路４２である。第１，第２流路４１，４２は、混合流体を流すことが可能な任意形状、任意寸法の空間である。図では、断面形状が矩形（幅寸法Ｗ１，高さ寸法Ｈ１）の第１，第２流路４１，４２を示す。

図７に示すように、穴明部材５０は、同心同径の円形の底面５１，５１と、側周面（側面）５２と、底面５１の中心軸と一致する駆動軸５３を有する円柱状の部材である。穴明部材５０は、内部に中空の空間５４を有する。穴明部材５０は、第１、第２流路４１．４２の幅寸法Ｗ１と同じか或いはそれよりもわずかに小さい幅寸法Ｗ２を有し、第１、第２流路４１．４２の高さ寸法Ｈ１よりも大きい直径Ｒを有し得る。

図６に示すように、穴明部材５０は、側周面５２の一部分（第１領域）５５が第１流路４１に露出（当接）するように、また、側周面５２の他の一部分（第２領域）５６が第２流路４２に露出（当接）するように、ブロック４０の内部に収容されている。第１，第２領域５５，５６の幅寸法Ｗ３及び高さ寸法Ｈ２は、第１，第２流路４１，４２の幅寸法Ｗ１，高さ寸法Ｈ１と概略同じとなる。穴明部材５０と第１流路４１の境界、及び、穴明部材５０と第２流路４２の境界に、パッキング５７等のシール手段を有し得る。

穴明部材５０の駆動軸５３は、ブロック４０に形成された支持孔４３に回転可能に支持されている。駆動軸５３の一端又は両端は、ブロック４０の外部に配置された不図示のハンドルに機械的に連結されている。したがって、ハンドルを回転させることで、駆動軸５３の周りで穴明部材５０を回転させることが可能である。駆動軸５３と支持孔４３の境界に、Ｏ−リング５８（図５）等のシール手段を有し得る。

再度図７を参照すると、穴明部材５０は、側周面５２と空間５４を連通する小径（例えば、１００〜１０００μｍ程度）の任意形状の複数の貫通穴５９を有する。貫通穴５９の断面形状は円形であり得る。

図８は、側周面５２上における貫通穴５９の配置の例を示す。図８は、側周面５２を展開した状態で示されており、第１，第２領域５５，５６がハッチングで示されている。

この例では、貫通穴５９の配列は、幅方向に２列、周方向に１２列である。また、周方向の配列の間隔は、第１，第２領域５５，５６の周方向寸法Ｌよりも小さい一定値となっており、第１，第２領域５５，５６には、常に周方向にいくつかの貫通穴５９が含まれる。第１領域５５内の貫通穴５９は、第１流路４１との間で液体の流通が可能であり、第２領域５６内の貫通穴５９は、第２流路４２との間で液体の流通が可能である。第１、第２流路４１，４２に露出していない貫通穴５９を通って、第１、第２流路４１，４２と空間５４の間で液体を流出入させることはできない。

ハンドルを回転させることにより穴明部材５０を駆動軸５３の周りで回転させると、側周面５２上における第１，第２領域５５，５６の位置は、図８（Ａ）→図８（Ｂ）→図８（Ｃ）のように移動していく。（図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に対して９０度回転した状態を示し、図８（Ｃ）は、図８（Ａ）に対して１８０度回転した状態を示す。）したがって、穴明部材５０を回転させることで、第１、第２流路４１，４２との間で液体の流出入ができる貫通穴５９を変化させることが可能である。

貫通穴５９の周方向の配列の間隔Ｄを第１，第２領域５５，５６の周方向寸法Ｌの整数分の１にする（Ｄ＝Ｌ／Ｎ）ことにより、第１，第２領域５５，５６内の貫通穴５９の開口面積合計を穴明部材５０の回転の前後で一定に保つことが可能であり、穴明部材５０の回転によって処理量が変化することを防止することが可能である。

側周面５２上における貫通穴５９の配列、個数等は任意である。図９に、貫通穴５９の配列、個数の変形例を示す。図９（Ａ）の貫通穴５９は、幅方向の配列が３列であり、図９（Ｂ）の貫通穴５９は、千鳥状に配列されている。

物質処理装置３０では、供給源１１から第１流路４１に供給された高圧の混合流体が、第１領域５５内の貫通穴５９を通って空間５４に流入し、空間５４に流入した混合流体は、第２領域５６内の貫通穴５９を通って第２流路４２に流出する。このとき、小径の貫通穴５９を高圧の混合流体が通過する際の擾乱、乱流、拡散、キャビテーション等の作用により、物質の微細化、粉砕、混合、攪拌、乳化、分散等の処理が行われる。

ある時間に渡って物質の処理を行うことにより、貫通穴５９の閉塞を生じ得る。その場合、ハンドルによって穴明部材５０を回転させる（例えば、図８（Ａ）→図８（Ｂ））と、回転の前後で、第１，第２領域５５，５６内の貫通穴５９が変わるため、閉塞の無い状態で処理を継続することが可能である。図８（Ａ）→図８（Ｃ）のように、穴明部材５０を１８０度回転させると、逆洗の作用によって貫通穴５９の閉塞を取り除くことも可能である。これにより、物質処理装置３０を連続運転することができる時間を延長することが可能になり、及び／又は、貫通穴５９の閉塞解消のための分解清掃の頻度を減少させることが可能になる。

図１０は、他の実施形態に係る物質処理装置１３０を示す。図１０では、図３と共通する要素に共通の符号が付されている。

物質処理装置１３０は、物質処理装置３０と同様の構成に加え、排出管３５の混合流体の流量及び／又は圧力を計測する計測手段６１と、コンピュータ等で構成される制御手段６２と、制御手段６２の制御に従って動作する駆動軸５３と機械的に連結されたモーター等の駆動手段６３を有する。

物質処理装置１３０では、計測手段６１で計測される流量及び／又は圧力を制御手段６２において監視し、貫通穴５９の目詰まり、閉塞等によって流量及び／又は圧力が所定の基準値に達した場合に制御手段６２の制御により駆動手段６３を動作させることで穴明部材５０を回転させることが可能である。

計測手段６１の取付位置は、排出管３５には限定されない。例えば、供給管３２、第１流路４１及び／又は第２流路４２に計測手段６１を取り付けて、供給管３２、第１流路４１及び／又は第２流路４２の混合流体の流量及び／又は圧力を計測することも可能である。

本発明の物質処理装置は、供給源３１から燃料（母剤）と水（物質）の混合流体を供給することで、エマルジョン燃料の製造を行うことができる。本発明の物質処理装置は、任意の母剤中において任意の物質の微細化、粉砕、混合、攪拌、乳化、分散等の処理を行うために使用することができる。本発明の物質処理装置は、物質の微細化するための物質微粒化装置として特に好適に使用できる。

以上、好ましい実施形態に基づいて本発明を説明したが、上記実施形態における物質処理装置又はこれを構成する部材の形状、寸法、材質、機能、動作態様、制御態様等は例として記載したものであり、これらは特許請求の範囲に記載の発明の範囲内で任意に変更することが可能である。

例えば、上記実施形態では、穴明部材５０が円柱状の形状の場合を示したが、穴明部材５０は、他の任意の柱状形状（例えば、六角柱、八角柱等、回転軸に対して回転対称の形状）とすることも可能である。上記実施形態では、穴明部材５０の断面形状及び断面積が回転軸方向に一定である場合を示したが、図１１のように、穴明部材５０の断面形状及び断面積が回転軸方向で変化しても良い。（図１１（Ａ）では、回転軸方向中央中付近の断面積が大きく、図１１（Ｂ）では、回転軸方向中央付近の断面積が小さい。）

第１流路４１の形状、寸法と第２流路４２の形状、寸法は、同一である必要はない。同様に、第１領域５５の形状、寸法と第２領域５６の形状、寸法は同一である必要はない。

第１，第２流路４１，４２は、必ずしも、図４等のように、同一方向で配置されている必要はない。図１２のように、第１流路４１と第２流路４２を異なる角度（図は９０度）で配置しても良い。第１，第２流路４１，４２は、必ずしも、図４等のように、直線的な形状である必要はない。曲線形状、屈曲形状等でも良い。

１０・・・物質処理装置
１１・・・供給源
１２・・・供給管
１３・・・高圧ポンプ
１４・・・処理部
１５・・・排出管
１６・・・後工程
１７・・・ミキサー
２１・・・中央ブロック
２２Ａ，Ｂ・・・穴明板
２３・・・処理室
２４Ａ，Ｂ・・・保持ブロック
２５・・・ネジ
２６Ａ・・・第１流路
２６Ｂ・・・第２流路
２７・・・貫通穴
３０，１３０・・・物質処理装置
３１・・・供給源
３２・・・供給管
３３・・・高圧ポンプ
３４・・・処理部
３５・・・排出管
３６・・・後工程
３７・・・ミキサー
４０・・・ブロック
４１・・・第１流路
４２・・・第２流路
４３・・・支持孔
５０・・・穴明部材
５１・・・底面
５２・・・側周面
５３・・・駆動軸
５４・・・空間
５５・・・第１領域
５６・・・第２領域
５７・・・パッキング
５８・・・Ｏ−リング
５９・・・貫通穴
６１・・・計測手段
６２・・・制御手段
６３・・・駆動手段

Claims (6)

1. 流体が流れ得る第１及び第２流路と、
   回転可能な穴明部材を有する物質処理装置であって、
   前記穴明部材は、側周面と、前記穴明部材の内部に形成された空間と、前記側周面から前記空間に延びる複数の貫通穴を有し、
   前記側周面の一部分が前記第１流路に露出し、前記側周面の他の一部分が前記第２流路に露出し、
   前記穴明部材を回転させることにより、前記一部分及び前記他の一部分の前記側周面上の位置が変化することを特徴とする物質処理装置。
2. 前記第１及び／又は第２流路における流体の流量及び／又は圧力を計測する計測手段と、
   前記穴明部材を前記中心軸の周りで回転させる駆動手段と、
   前記計測手段により計測される前記流量及び／又は前記圧力に応じて前記駆動手段を動作させる制御手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載の物質処理装置。
3. 前記貫通穴が前記側周面上において周方向に所定間隔で配列されており、
   前記一部分及び／又は前記他の一部分の周方向の寸法が、前記所定間隔よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の物質処理装置。
4. 前記一部分及び／又は前記他の一部分の周方向の寸法が、前記所定間隔の整数倍であることを特徴とする請求項３に記載の物質処理装置。
5. 前記穴明部材が前記穴明部材の回転軸に対して回転対称の形状を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の物質処理装置。
6. 前記穴明部材が円柱形状である請求項５に記載の物質処理装置。

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