JP2017177037A - Nozzle for high pressure injection processing device, evaluation method for high pressure injection processing device, and high pressure injection processing method - Google Patents

Nozzle for high pressure injection processing device, evaluation method for high pressure injection processing device, and high pressure injection processing method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control energy in a nozzle by combining various nozzle chips different in diameter, to realize efficient micronization processing, and to use the nozzle according to purposes, such as micronization processing and defiberizing processing.SOLUTION: The high pressure injection processing device nozzle that generate and micronizes cavitation by high-pressure injecting a raw material mixed liquid from the nozzle by prescribed pressure is provided with: a nozzle tip Nn having a through-hole; and a nozzle holder Nh, and characterized in that the ratio (Wn/Dn) of the thickness Wn of the through-hole of the nozzle tip to the diameter Dn of the through-hole of the nozzle tip is set to 10 or higher, the diameter Dn of the through-hole is set to 0.16 mm or less, and efficient micronization and various micronization modes are realized by dividing the tip and changing the diameter thereof.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、原料の湿式微細化を行う際に用いられる高圧噴射処理装置のノズル、高圧噴射処理装置の評価方法、高圧噴射処理装置および高圧噴射処理方法に関する。   The present invention relates to a nozzle of a high-pressure injection processing apparatus, a method for evaluating a high-pressure injection processing apparatus, a high-pressure injection processing apparatus, and a high-pressure injection processing method that are used when performing wet micronization of raw materials.

微粒子、特にナノ粒子は、そのサイズがナノメートル(nm)オーダーであることで表面積が極めて大きくなり、量子サイズ効果によって特有の物性を示すことなどから、様々な分野で研究され利用が進められている。それら粒子は電子部品、顔料、化粧品、医薬品、食品、農薬等、各種材料分野で広範囲に利用されつつある。その一方で、ナノ粒子は凝集し易いことからナノ粒子の特性を有効活用するためには、ナノ粒子の性質に合った適切な分散や微細化処理が必要である。また、近年セルロースなどのナノファイバー化への効率的な解繊技術もその材料の実用化にとって重要な技術となっている。
高圧噴射処理装置は、原料の粒子が混合された原料混合液をノズルから高圧噴射することで粒子自体を微細化する装置であり、それら粒子を分散・微細化するために、広く実用化されている。
Fine particles, especially nanoparticles, have an extremely large surface area due to their nanometer (nm) order size, and exhibit specific physical properties due to quantum size effects, and are being studied and used in various fields. Yes. These particles are being widely used in various material fields such as electronic parts, pigments, cosmetics, pharmaceuticals, foods, and agricultural chemicals. On the other hand, since nanoparticles easily aggregate, in order to effectively utilize the characteristics of the nanoparticles, appropriate dispersion and miniaturization treatment suitable for the properties of the nanoparticles are required. In recent years, an efficient defibration technology for making nanofibers such as cellulose has become an important technology for practical use of the material.
The high-pressure injection processing device is a device that refines the particles themselves by high-pressure jetting the raw material mixture mixed with the raw material particles from the nozzle, and has been widely put into practical use in order to disperse and refine these particles. Yes.

一方、高圧噴射処理装置で処理中の原料混合液は、その場での評価方法が確立されておらず、プロセスの最適条件を見つけることが非常に困難であった。これまでは、高圧噴射処理装置で処理された溶液をサンプリングし、それをレーザ粒度分布装置で分析するなどして評価していた。このため、微細化処理の条件出しに時間がかかり、ビーズミル等のメディアを要する処理に比べて、この処理の高速性を十分に活かすことはできなかった。
特許文献1には、液中噴射によるウォータジェットのキャビテーション発生状態を検出する方法に関する実施例として、テスト用タンク内でのワークに対する異なるノズルでのウォータジェット噴射による壊食試験を行い、ジェット発生音をマイクロホンで検出し、その波形データをFFT処理してノズルごとのキャビテーション評価を行ったこと、得られた信号について、周波数0〜12.5kHzの範囲内の波形データをFFT処理した、との記述がある(その段落0026−0029)。
特許文献2には、高圧粉砕機を用いて材料の微粒子を作る方法に関し、粉砕機の各段に温度センサ、圧力センサ、音響センサを配置して、粉砕過程でのデータを収集して製品管理に利用する、との記述がある(その抄録文を参照)。
非特許文献1は、超音波分光法に関する論文であり、TiO懸濁液の粒径とそこを伝搬する超音波減衰に関する事例が報告されている。
On the other hand, an in-situ evaluation method has not been established for the raw material mixture being processed by the high-pressure injection processing apparatus, and it has been very difficult to find the optimum process conditions. Until now, the solution processed by the high-pressure jet processing apparatus was sampled and evaluated by analyzing it with a laser particle size distribution apparatus. For this reason, it takes time to determine the conditions for the miniaturization process, and the high speed of this process cannot be fully utilized as compared with a process that requires media such as a bead mill.
In Patent Document 1, as an example of a method for detecting a cavitation occurrence state of water jet by submerged injection, an erosion test by water jet injection with different nozzles is performed on a work in a test tank, and jet generation sound is detected. That the waveform data is subjected to FFT processing and the cavitation evaluation for each nozzle is performed, and the waveform data in the frequency range of 0 to 12.5 kHz is subjected to FFT processing for the obtained signal. (Paragraphs 0026-0029).
Patent Document 2 relates to a method for producing fine particles of a material using a high-pressure pulverizer, and a temperature sensor, a pressure sensor, and an acoustic sensor are arranged at each stage of the pulverizer to collect data in the pulverization process and manage the product (See the abstract text).
Non-Patent Document 1 is a paper on ultrasonic spectroscopy, and reports on cases relating to the particle size of TiO 2 suspension and attenuation of ultrasonic waves propagating therethrough.

上記特許文献1は、液中噴射されたウォータジェットのジェット発生音をマイクロホンで検出しており、検出し分析された音の最大周波数が12.5kHzであることから、低速で発生する低エネルギーのキャビテーションによる音を計測している。この場合、周波数が低いことから高圧噴射処理装置で処理中の原料混合液中の粒子径などの現象を正確に評価していない。また、特許文献2は、高圧粉砕機の各段にセンサを配置して、粉砕過程でのデータを収集して製品管理に利用する、との記載はあるが、その音響信号をどのように用いるのかについての記述はなく、当該音響信号の種別や周波数を示唆する記述もない。   The above-mentioned patent document 1 detects a jet generated sound of a water jet injected in a liquid with a microphone, and since the maximum frequency of the detected and analyzed sound is 12.5 kHz, low energy generated at a low speed is detected. Sounds due to cavitation are measured. In this case, since the frequency is low, phenomena such as the particle diameter in the raw material mixture being processed by the high-pressure injection processing apparatus are not accurately evaluated. In addition, Patent Document 2 describes that a sensor is arranged at each stage of the high-pressure crusher, and data in the crushing process is collected and used for product management. There is no description about whether or not, and there is no description that suggests the type or frequency of the acoustic signal.

実際のところ、高圧噴射処理装置のノズル下流に位置する低圧チャンバーで発生しているキャビテーションによる信号は、エネルギーが低いことから音響ノイズに近い周波数帯域である。原料混合液の粒子の微細化に際して、その微細化処理に適した大きな力は、ノズル孔内の高圧部分で発生しているエネルギーの高いキャビテーション崩壊に基づく衝撃や高速流のせん断力など、高圧領域の高速な流れが起こしている現象が主になると考えられた。そこで本願発明者は、高圧でのキャビテーション崩壊などの高エネルギーな現象を、限定した高い周波数が検出できるAEセンサを高圧噴射処理装置に取り付けることで選択的に検出できると考えた。
AEセンサは、アコースティック エミッション(Acoustic Emission)信号を検出するセンサである。アコースティック エミッションとは、一般に、固体が変形あるいは破壊する時に発生する音を弾性波として放出する現象のことであり、この弾性波はAE波とも呼ばれる超音波である。AEセンサによって、この超音波信号を検出する。
キャビテーションは、液体の流れの乱れによって局部的に低圧となる部分が生じ、その低圧部分が液体の蒸気圧を下回った時に気泡として発生し、その気泡が収縮し崩壊するときに、大きな衝撃力が生まれる現象である。当然雰囲気が高圧の方が、崩壊エネルギーは大きい。高圧領域で発生する破壊力の大きいキャビテーション利用しているのが、高圧噴射による微細化処理である。そのためこの装置の効率を高めるには、ノズルで高速な流れを実現し、なるべく高い圧力でキャビテーションを起こすことである。
まず本願発明者は、実際にAEセンサを高圧噴射処理装置に取り付けて、ノズルで発生する高周波のキャビテーションによる信号の検出を試みた。その結果、検出された前記高周波の信号と処理液の粒径や粘度との関係を把握することができた。そして、高圧噴射処理装置で処理中の原料混合液を、その場で評価する方法を見出し、これを特許出願した(特願2014−201744)。この中で、計測されるAE信号は、懸濁液中の流れによるものと、その中の粒子による2種類あることを明らかにしてきた。この流れによって発生するAE信号は、高速な流れとノズル側面などとの速度差の大きい場所で、キャビテーションが起き、それを基点としたジェット流が形成される領域で発生している。その境界では大きなせん断力が働く領域が形成される。この部分がノズルの微細化性能に強く関連する。つまり、流れに関するAE信号を大きくすることで、装置を含めたノズルの微細化特性が評価できることを示している。このことは、この値を大きくすることで装置の微粒化特性が上昇することと、また、懸濁液が粒子を含んだ液でなく、溶液だけの評価でノズルの定量的な評価が可能になることを意味している。なお、本発明ではノズル内の流れは速度の順に、層流、乱流、境界に気層を含むジェット流に変化するとする。
Actually, the signal due to cavitation generated in the low-pressure chamber located downstream of the nozzle of the high-pressure jet processing apparatus has a frequency band close to acoustic noise because of low energy. When refining the particles of the raw material mixture, the large force suitable for the refining process is the high pressure region such as impact due to high energy cavitation collapse generated in the high pressure part in the nozzle hole and shearing force of high-speed flow. It was thought that the phenomenon that caused the high-speed flow was mainly. Therefore, the present inventor considered that high energy phenomena such as cavitation collapse at high pressure can be selectively detected by attaching an AE sensor capable of detecting a limited high frequency to the high pressure injection processing apparatus.
The AE sensor is a sensor that detects an acoustic emission signal. Acoustic emission is generally a phenomenon in which sound generated when a solid is deformed or broken is emitted as an elastic wave, and this elastic wave is an ultrasonic wave also called an AE wave. This ultrasonic signal is detected by an AE sensor.
Cavitation occurs as a part where the pressure is locally low due to the disturbance of the flow of the liquid, and is generated as a bubble when the low pressure part falls below the vapor pressure of the liquid. When the bubble contracts and collapses, a large impact force is generated. It is a phenomenon that is born. Of course, the higher the atmosphere, the greater the decay energy. The cavitation with high destructive force generated in the high pressure region is utilized for the miniaturization process by high pressure injection. Therefore, to increase the efficiency of this device, it is necessary to realize a high-speed flow with the nozzle and to cause cavitation at as high a pressure as possible.
First, the present inventor tried to detect a signal by high-frequency cavitation generated by a nozzle by actually attaching an AE sensor to a high-pressure injection processing apparatus. As a result, it was possible to grasp the relationship between the detected high frequency signal and the particle size and viscosity of the treatment liquid. And the method of evaluating the raw material liquid mixture in process with a high-pressure-injection processing apparatus on the spot was discovered, and this was applied for a patent (Japanese Patent Application No. 2014-201744). Among these, it has been clarified that there are two types of AE signals to be measured due to the flow in the suspension and those due to the particles in the suspension. The AE signal generated by this flow is generated in a region where cavitation occurs at a place where the speed difference between the high-speed flow and the nozzle side surface is large, and a jet flow is formed based on the cavitation. At the boundary, a region where a large shear force is applied is formed. This part is strongly related to the miniaturization performance of the nozzle. That is, it is shown that by increasing the AE signal related to the flow, the miniaturization characteristics of the nozzle including the apparatus can be evaluated. This means that increasing this value increases the atomization characteristics of the device, and the suspension can be used for quantitative evaluation of the nozzle by evaluating only the solution, not the liquid containing particles. Is meant to be. In the present invention, the flow in the nozzle changes into laminar flow, turbulent flow, and jet flow including a gas layer at the boundary in the order of velocity.

従来技術として、様々なチャンバーやノズルが考案されている。例えば、特許文献3には、高速噴流の減衰を抑えると共に良好なキャビテーション効果を同時に得て、常に高い衝突エネルギーで充分な微細化性能が発揮できる衝突装置であるとして、「噴射ノズルから噴射された高速噴流を受け入れて通過させた後に出口開口から噴出して硬質体の表面へ衝突させる円筒状の高速流路について、噴射ノズル口径がD1、該噴射ノズルから流体を噴射させる噴射圧力P1が100MPa以上でレイノルズ数Reが45000以上120000以下の範囲にて、高速流路直径D2が数式1を満たすと共に、高速流路長L2が25mm≦L2≦55mmを満たす、衝突タイプの高圧噴射装置」(請求項1)とし、孔径とその長さについて言及されているものがある。   Various chambers and nozzles have been devised as conventional techniques. For example, Patent Document 3 states that a collision device that suppresses the attenuation of a high-speed jet and simultaneously obtains a good cavitation effect and can exhibit sufficient miniaturization performance with a high collision energy, is “injected from an injection nozzle. For a cylindrical high-speed flow path that receives and passes a high-speed jet and then jets from the outlet opening and collides with the surface of the hard body, the injection nozzle diameter is D1, and the injection pressure P1 for injecting fluid from the injection nozzle is 100 MPa or more. In the range where the Reynolds number Re is 45000 or more and 120,000 or less, the high-speed flow path diameter D2 satisfies Formula 1 and the high-speed flow path length L2 satisfies 25 mm ≦ L2 ≦ 55 mm. 1) and mention is made of the hole diameter and length.

また、特許文献4には、原料粒子を含む懸濁液を収容する原料タンクと、該原料タンクに対して直列循環回路で接続され、懸濁液中で回転力を与えられたビーズによって原料粒子を挟み込んで粉砕するビーズミルと、前記原料タンクに対して直列循環回路で接続され、加圧された高圧懸濁液をノズル装置によって高速噴射するジェットミルと、を備えている微細化装置において、 前記ジェットミルは、前記高圧懸濁液を高速噴射する1つ以上のノズル装置と、該ノズル装置から懸濁液が噴射される微細化空間を形成するチャンバーとを有し、前記ビーズミルは、前記ビーズが投入されると共に一端側導入口から他端側排出口へ懸濁液が流動する容器と、容器内でビーズおよび懸濁液を撹拌するための複数の略円盤状回転翼が互いに間隔を持って設けられている回転軸と、該回転軸を回転させる駆動装置とを有し、前記容器は、円筒形状を有し、該円筒の中心軸上に配置された前記回転軸と共に鉛直方向に対して予め定められた角度で傾斜していることを特徴とする微細化装置。」(請求項1)と、「前記ジェットミルのノズル装置は、同軸上に連結された2つ以上のオリフィスノズルを備えていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の微細化装置。」(請求項6)と、「前記ジェットミルのノズル装置は、前記2つ以上連結されたオリフィスノズルのそれぞれ下流端に拡径部を有することを特徴とする請求項5に記載の微細化装置(請求項7)とが開示されている。 Patent Document 4 discloses a raw material tank that contains a suspension containing raw material particles, and a raw material particle that is connected to the raw material tank by a serial circulation circuit and is given a rotational force in the suspension. In a miniaturization apparatus comprising: a bead mill that sandwiches and pulverizes; and a jet mill that is connected to the raw material tank in a series circulation circuit and jets a pressurized high-pressure suspension at high speed with a nozzle device, The jet mill has one or more nozzle devices that eject the high-pressure suspension at high speed, and a chamber that forms a micronized space in which the suspension is ejected from the nozzle device, and the bead mill includes the beads And a container in which the suspension flows from the inlet on one end side to the outlet on the other end, and a plurality of substantially disk-shaped rotating blades for stirring the beads and suspension in the container are spaced apart from each other. A rotating shaft provided on the center of the cylinder, and a drive device for rotating the rotating shaft. The container has a cylindrical shape, and the rotating shaft disposed on the central axis of the cylinder is perpendicular to the vertical direction. And a miniaturization apparatus that is inclined at a predetermined angle. (Claim 1) and "The nozzle device of the jet mill is provided with two or more orifice nozzles connected coaxially. (Claim 6) and "The nozzle device of the jet mill has an enlarged diameter portion at a downstream end of each of the two or more connected orifice nozzles." And the above-described miniaturization apparatus (Claim 7).

また、特許文献5には、「エチレン系単量体と、重合開始剤と、臨界ミセル濃度の0.5倍以下の界面活性剤と、分散安定剤とを水性媒体に加え、撹拌して単量体が油滴として分散している一次懸濁液を作り、この一次懸濁液をナノマイザー(登録商標)に通し、その際一次懸濁液に加える圧力を加減することにより単量体粒子の合着程度を加減して二次懸濁液を作り、これを加熱し重合させて重合体粒子を得る」大きさの揃った微細な重合体粒子の製造方法が開示されている。   Patent Document 5 states that “an ethylene monomer, a polymerization initiator, a surfactant having a critical micelle concentration of 0.5 times or less, and a dispersion stabilizer are added to an aqueous medium and stirred to give a simple substance. A primary suspension in which the monomer is dispersed as oil droplets is made, and this primary suspension is passed through a nanomizer (registered trademark), in which the pressure applied to the primary suspension is increased or decreased. A method for producing fine polymer particles having a uniform size is disclosed in which a secondary suspension is formed by adjusting the degree of coalescence, and this is heated and polymerized to obtain polymer particles.

特開2006−300640号公報JP 2006-300640 A 米国特許第6318649号明細書US Pat. No. 6,318,649 特開2010−036120号公報JP 2010-036120 A 特開2013−163162号公報JP 2013-163162 A 特開平07−292003号公報JP 07-292003 A 特許第4301441号公報Japanese Patent No. 4301441

DUKHIN, A. S. , GOETZ, P. J. , (1996) , Acoustic Spectroscopy for Concentrated Polydisperse Colloids with High Density Contrast, Langmuir, 12, pp. 4987-4997DUKHIN, A. S., GOETZ, P. J., (1996), Acoustic Spectroscopy for Concentrated Polydisperse Colloids with High Density Contrast, Langmuir, 12, pp. 4987-4997

従来の高圧噴射処理装置による微細化処理では、セルロースの解繊やナノ粒子の粉砕・分散処理に数十回の処理を必要とする場合が多くあった。また、エマルジョンの形成でも複数回の処理が必要になるため、装置には更なる微細化(破壊力の強化)と、更なる効率化(これまでより少ない回数で処理が完了できること)が求められている。そのため、様々な種類の装置や方法が提案されてきた。一つは、高速噴射後の低圧チャンバーでの改善、もう一つは、高圧ホモジナイザーやナノマイザーなど高圧部分のノズル部分での改良を行ったものである。
低圧チャンバーでの流体の衝突現象が微細化に有効であるとしたものとして、衝突型チャンバー(衝突タイプとしては特許文献3)、対向チャンバー(対向タイプとしては特許文献3と4)など様々なチャンバーが開発されてきた。
一方、ノズル部分の改良として、ゴーリン型の高圧ホモジナイザー(噴射圧34〜55MPa、ノズル計0.4〜6ミリメートル、流速208m/s)やナノマイザー(噴射圧:最大200MPa、スリット幅0.16〜0.2ミリメートル、最大流速290m/sec)などノズル部分の改良を考案したものもあったが、それら装置でのノズル内の平均速度は300m/s以下と遅いものであった。さらに、従来の特許文献3では、同径のノズルを多段にしているが、微細化は主にビーズを使用するものであり、ノズル構成は、あまり効果の得られない単なる多段構成になっている。
本願発明者らの研究・開発によれば、高圧噴射処理(高圧ジェットミル処理)の微細化に関わる大きな力は、衝突タイプや対向タイプの低圧チャンバー内の現象ではなく、主にノズル周辺で、高圧に加圧されたシリンダーによる圧力のエネルギーが運動エネルギーに換わり、その高速な流れにより発生するキャビテーションを基点としたジェット流の生成に伴う境界部分でのせん断力と、そのジェット流内部でのキャビテーションで起きていることをつきとめた。そのため、高圧シリンダーで加圧した圧力エネルギーを、速度を落とすことなく運動エネルギーに変換し、そこで発生するジェット流の高圧領域を増大させることができれば、高圧噴射処理における微細化限界や処理回数といった微細化特性を向上させることができる。つまり、効果的な微細化処理用ノズルには、流体抵抗を小さくし、かつ、その高圧領域が増大できる構成が必要になってくる。
それは、単にノズルの孔径を小さくしたというようなものでも、単に多段にしたものでもなく(特許文献4の請求項6と7を参照)、キャビテーション発生のメカニズムの客観的なデータに基づいて開発されたものである。
In the refinement process using a conventional high-pressure jet processing apparatus, there are many cases where dozens of processes are required for cellulose defibration and nanoparticle pulverization / dispersion. Also, since multiple processes are required to form an emulsion, the equipment must be further miniaturized (strengthening destructive force) and more efficient (processing can be completed in fewer times than before). ing. Therefore, various kinds of apparatuses and methods have been proposed. One is improvement in the low-pressure chamber after high-speed injection, and the other is improvement in the nozzle part of the high-pressure part such as a high-pressure homogenizer and nanomizer.
Various chambers such as collision-type chambers (Patent Document 3 as collision type) and counter-chambers (Patent Documents 3 and 4 as counter-type) are considered to be effective for miniaturization of fluid collision phenomena in low-pressure chambers. Has been developed.
On the other hand, as an improvement of the nozzle portion, gorin type high-pressure homogenizer (injection pressure 34 to 55 MPa, nozzle meter 0.4 to 6 mm, flow rate 208 m / s) and nanomizer (injection pressure: maximum 200 MPa, slit width 0.16 to 0) (2 millimeters, maximum flow velocity 290 m / sec), and others have devised improvements in the nozzle portion, but the average velocity in the nozzles in these devices was as slow as 300 m / s or less. Furthermore, in the conventional patent document 3, the nozzles of the same diameter are multistaged, but the miniaturization mainly uses beads, and the nozzle configuration is a simple multistage configuration that is not very effective. .
According to the research and development of the present inventors, the large force involved in miniaturization of high-pressure injection processing (high-pressure jet mill processing) is not a phenomenon in the collision type or opposed type low-pressure chamber, mainly around the nozzle, The energy of pressure generated by the cylinder pressurized to high pressure is converted into kinetic energy, and the shearing force at the boundary due to the generation of the jet flow based on the cavitation generated by the high-speed flow, and the cavitation inside the jet flow I figured out what was happening in Therefore, if the pressure energy pressurized by the high-pressure cylinder can be converted into kinetic energy without reducing the speed, and the high-pressure region of the jet flow generated there can be increased, the miniaturization limit and the number of treatments in the high-pressure injection process can be reduced. Can be improved. That is, an effective miniaturization nozzle requires a configuration that can reduce the fluid resistance and increase the high-pressure region.
It is not simply a reduction in the nozzle hole diameter, nor is it simply multi-staged (see claims 6 and 7 of Patent Document 4), and is developed based on objective data on the mechanism of cavitation generation. It is a thing.

従来の具体的なノズルの改良として、ナノマイザー(登録商標)と呼ばれる高圧湿式メディアレス微細化装置が開発されている(特許文献5)。このナノマイザーの原理は、試料を高圧ポンプに送り込み高速流を作り出し、特殊なノズル(ジェネレーター)を通過させ、その時に発生する超高速せん断力・衝撃波・キャビテーション等の作用により乳化・分散・破砕を行うものである。そして、この装置ではノズルは(特許文献5)に示すように、基板にスリットを形成して、このスリットに高速流を通過させる方法である。
しかしながら、上記スリットのような形状では、対向する平面のダイヤモンドの作製と、それらダイヤモンドなど硬い材料を0.2mm以下に精度良く加工する技術が必要になり、ノズル径を0.1mmと小さくすることは難しく高価なものになっている。そのため、実効的スリット幅は大きくなり、微細化処理に必要な速い流速を得ることが難しく、効率的な微細化処理を行うことはできなかった。また、ダイヤモンドを貼り合わせた構造のためにノズルの分解が難しく、ノズル詰まりが起きた場合のメンテナンスに関しても問題があった。
As a specific improvement of the conventional nozzle, a high-pressure wet medialess miniaturization apparatus called Nanomizer (registered trademark) has been developed (Patent Document 5). The principle of this nanomizer is to feed a sample into a high-pressure pump, create a high-speed flow, pass through a special nozzle (generator), and emulsify, disperse, and crush by the action of ultra-high-speed shearing force, shock wave, cavitation, etc. Is. In this apparatus, as shown in (Patent Document 5), the nozzle is a method of forming a slit in the substrate and allowing a high-speed flow to pass through the slit.
However, the shape like the above slits requires the production of diamonds on opposite planes and a technique for accurately processing hard materials such as diamonds to 0.2 mm or less, and reducing the nozzle diameter to 0.1 mm. Is difficult and expensive. Therefore, the effective slit width is increased, and it is difficult to obtain a high flow rate necessary for the miniaturization process, and an efficient miniaturization process cannot be performed. In addition, because of the structure in which diamond is bonded, it is difficult to disassemble the nozzle, and there is a problem with respect to maintenance when nozzle clogging occurs.

また特許文献6には、液中に所望の材料を乳化・分散させて乳化分散液を生成する装置および方法に関する技術において、ジェット流による液―液せん断によって乳化・分散を行う多段乳化・分散コントローラ1と、生成された乳化・分散液の圧力を多段階で減圧しバブリングが発生しない程度の圧力にまで下げる多段減圧モジュール3から構成され、前記多段乳化・分散コントローラ1に配置された吸収セル21−1,21−2,21−3,21−4,21−5,21−6の内径D1,D2,D3は、D2>D1>D3である乳化・分散システムが開示されている。
しかし前記乳化・分散システムは、気泡を発生させないために多段の吸収セルを使用したものであり、本願の高速流と高圧キャビテーション、高圧領域の拡大を利用した微細化処理に応用したものではなく、使用されるセル径のサイズは、0.5mm―1.0mmと大きすぎるため、300m/sの高速な流れを得ることは難しく、また、十分に高圧領域を拡大させた効果を得ることができないと考えられる。
Patent Document 6 discloses a multi-stage emulsification / dispersion controller that performs emulsification / dispersion by liquid-liquid shearing using a jet flow in a technique relating to an apparatus and method for generating an emulsified dispersion by emulsifying / dispersing a desired material in a liquid. 1 and an absorption cell 21 arranged in the multi-stage emulsification / dispersion controller 1, and the multi-stage depressurization module 3 that reduces the pressure of the generated emulsification / dispersion liquid in multiple stages to a pressure that does not cause bubbling. An emulsification / dispersion system in which inner diameters D1, D2, and D3 of -1,21-2, 21-3, 21-4, 21-5, and 21-6 are D2>D1> D3 is disclosed.
However, the emulsification / dispersion system uses a multi-stage absorption cell so as not to generate bubbles, and is not applied to the high-speed flow and high-pressure cavitation of the present application, and the miniaturization process using the expansion of the high-pressure region, The size of the cell diameter used is too large at 0.5 mm-1.0 mm, so it is difficult to obtain a high-speed flow of 300 m / s, and the effect of sufficiently expanding the high-pressure region cannot be obtained. it is conceivable that.

本発明は、高圧キャビテーションの発生とそれを基点としたジェット流によるせん断などを、微細化における破壊の現象をAE信号などの計測によって、現象を解明して開発されたもので、通孔を持つ硬いダイヤモンドチップ(ノズルチップ)とノズルホルダーという簡単なノズル構造で、微細化処理におけるこれまで以上の粒子径の減少や、処理回数の減少等の微細化特性が向上できる高圧噴射処理方法及び高圧噴射処理装置のノズルを提供することにある。また、本発明は、キャビテーションが発生する領域、ジェット流とその周囲の層流・渦流が生じる領域を制御・調整して、ナノ粒子やファイバーなどの様々な種類の微細化/解繊処理を可能とした高圧噴射処理方法及び高圧噴射処理装置のノズルを提供することにある。   The present invention was developed by elucidating the phenomenon of high-pressure cavitation generation and shearing caused by jet flow based on it, and measuring the phenomenon of destruction in miniaturization by measuring the AE signal, etc., and has a through hole. High pressure injection processing method and high pressure injection that can improve the miniaturization characteristics such as the reduction of particle diameter and the number of treatments more than ever in the miniaturization process with a simple nozzle structure of hard diamond tip (nozzle tip) and nozzle holder It is to provide a nozzle of a processing apparatus. In addition, the present invention controls and adjusts the area where cavitation occurs, the area where jet flow and the surrounding laminar flow and vortex flow occur, and enables various types of micronization / defibration processing such as nanoparticles and fibers. And a nozzle for a high-pressure injection processing apparatus.

(本願発明者のノズル径の考察)
ここで「キャビテーション」とは、高速で流れる液体中において、速度の増大に伴って圧力が低下する箇所が発生し、その箇所において液体が気体へ相変化し、非常に短い時間に蒸気のポケットが生まれ、このポケットが短時間でつぶれて消滅する現象と定義する。その短時間でつぶれて消滅するエネルギー(キャビテーションの崩壊に基づく衝撃)を使用して、原料混合液の粒子の微細化や解繊を行うことができる。
キャビテーションは圧力に比例した衝撃エネルギーをもつ現象である。そして「高圧キャビテーション」とは、高圧の雰囲気条件(大気圧は約0.1MPaであり、大気圧の10倍以上である数MPaを高圧とする)で発生するキャビテーションのことで、このキャビテーションは収縮時に圧力に比例した衝撃エネルギーをもつ。シリンダーで高圧に加圧されたノズルでは、この圧力により大気圧に近い低圧のキャビテーションよりはるかに大きな衝撃エネルギーが得られる。原料混合液の微細化は、主にこの高圧キャビレーションを使用して行っている。この現象は、ノズル内部とその周辺で発生している。実施例から、このような高圧での流れの状態は、層流や乱流だけでなく、非常に高速なジェット流を含んだ状態である。さらに、ノズル径が大きい場合にはノズル内部でジェット流と層流の境界がある状態に、ノズルが小さい場合にはジェット流とノズル側面がその境界になる状態の2種類があることが分かった。これらジェット流の境界は、キャビテーションによる気泡により、気層部分を含む乱流より不連続な状態になっている。この現象は実施例で示すように、実験的にある条件でノズル厚みを長くしても流速は変わらなかったこと、またセルロースなどファイバー形態の材料解繊では処理がすすむにしたがって、それらを含む懸濁液の粘度が100倍以上増加するにもかかわらず、懸濁液の流速が変わらなかったことから、この境界部分は、液をあまり含まない流体抵抗が非常に少ない状態である。この境界部分では強いせん断力が働き、その速度に比例した高いエネルギーのAE信号も発生する。また、その領域の広さはAE信号の大きさにも関連してくる。そのためこの周辺の状態は、強い微細化に重要な領域である。
一般的に、キャビテーションが起こる条件は、次式のキャビテーション数σの大きさで定義される。この式では、σが1以下でキャビテーションが発生し、0.6以下で流れのほとんど気泡状態になるスーパーキャビテーションになるとしている。この式で重要な点は、圧力が高くなるとキャビテーションは発生し難くなることである。そのため、高速な流れが必要になることとである。つまり、ノズル付近で、溶液は圧力エネルギーが運動エネルギーに変化することで加速され、溶液の圧力減少とともにキャビテーション数が1以下になったときに気泡が発生し、それを起点として高速なジェット流が発生することになる。
(Consideration of Inventor Nozzle Diameter)
Here, the term “cavitation” means that in a liquid flowing at high speed, a point where the pressure decreases as the speed increases is generated, and the phase of the liquid changes to a gas at that point, and the vapor pockets form in a very short time. Born and defined as a phenomenon in which this pocket collapses and disappears in a short time. Using the energy that collapses and disappears in a short time (impact based on the collapse of cavitation), the particles of the raw material mixture can be refined and defibrated.
Cavitation is a phenomenon with impact energy proportional to pressure. “High-pressure cavitation” refers to cavitation that occurs under high-pressure atmospheric conditions (atmospheric pressure is about 0.1 MPa, and a high pressure is several MPa that is 10 times or more of atmospheric pressure). Sometimes has impact energy proportional to pressure. In a nozzle pressurized to a high pressure by a cylinder, this pressure provides much greater impact energy than low pressure cavitation close to atmospheric pressure. Refinement of the raw material mixture is mainly performed using this high-pressure cavitation. This phenomenon occurs in and around the nozzle. According to the embodiment, such a high-pressure flow state includes not only laminar flow and turbulent flow but also a very high-speed jet flow. Furthermore, it was found that there are two types of states where there is a boundary between the jet flow and laminar flow inside the nozzle when the nozzle diameter is large, and where the jet flow and the side surface of the nozzle are the boundary when the nozzle is small. . The boundaries of these jet flows are more discontinuous than the turbulent flow including the air layer portion due to bubbles caused by cavitation. As shown in the examples, this phenomenon shows that the flow rate did not change even when the nozzle thickness was increased experimentally under certain conditions, and as the processing progressed in fiber-type material defibration such as cellulose, suspensions containing them were included. Even though the viscosity of the turbid liquid increased by 100 times or more, the flow rate of the suspension did not change. Therefore, this boundary portion is in a state of very low fluid resistance that does not contain much liquid. A strong shear force acts at this boundary portion, and a high energy AE signal proportional to the speed is also generated. Also, the size of the area is related to the size of the AE signal. Therefore, this peripheral state is an important region for strong miniaturization.
In general, a condition for causing cavitation is defined by the size of the cavitation number σ of the following equation. In this equation, cavitation occurs when σ is 1 or less, and super cavitation where the flow is almost bubbled when 0.6 or less. The important point in this equation is that cavitation is less likely to occur when the pressure increases. Therefore, a high-speed flow is necessary. In other words, near the nozzle, the solution is accelerated by changing the pressure energy to kinetic energy, and when the cavitation number becomes 1 or less as the pressure of the solution decreases, bubbles are generated. Will occur.

次に、その状態を概算する。
一般に、キャビテーション数σは(数2)で示すことができる。
ここで、Pはノズルの圧力、Pは流体の蒸気圧、ρは流体の密度、vは流体の速度を表している。この式で、σが1で、キャビテーションが発生、σが0.6以下ではスーパキャビテーションになることが知られている。
ノズル周辺では、エネルギー保存則(ベルヌーイの定理)より、噴射圧のエネルギーは運動エネルギーに変換され、流れの速度に応じて減圧する。そのとき、ある程度の圧力が下がったところで、キャビテーションが起こる。すなわち、σが1の場所がキャビテーション発生点で、それ以降下流側でσが1以下になり、キャビテーションが多く発生することになる。
次に、その発生条件について考察する。
ノズル内の溶液の圧力は、距離xが進むに従って初期の噴射圧PNIから、最終的に大気圧のPNOに変化する。圧力の速度変換分をxの関数としてPNv(x)とし、噴射圧は百MPaと非常に大きいので溶液の蒸気圧Pを無視すると、(数3)と(数4)が導ける。(数3)では、σが1以下の条件を付加してある。
この式は、高圧噴射されるノズル周辺では圧力が速度に変換され、噴射圧の2分の1以下になる圧力領域でキャビテーションが起きていることを示している。つまり、ノズル付近で、圧力が運動エネルギーに変換される加速領域が存在し、高圧シリンダーからの初期噴射圧力が2分の1になったところで、キャビテーションを起点としたジェット流が発生することを示している。このときジェット流内の高圧キャビテーションの最大圧力は初期噴射圧の2分の1である。加圧された溶液は流れの連続性からこの速度でノズル内を通過して行くことになる。その後、溶液はノズル出口から低圧のチャンバーに流れ、圧力が開放される。このとき、ジェット流の圧力は急に減少し、多くの気泡を含むスーパーキャビテーションの状態になる。このとき、流れは拡散するため、流れの速度は上がることなく減速し、そのためその周辺では強い撹拌状態になる。
このことは、高圧キャビテーションや強いせん断力を利用した微粒化処理を行うためには、ジェット流発生以降の高圧領域をなるべく拡大し、スーパーキャビテーションの状態を作らないことが重要になることを示している。
次に、ノズル付近の詳細な流れを考える。前記モデルからノズル入り口付近の加速領域で噴射圧が2分の1の場所で、高速な流れによるキャビテーションが発生し、それらの気層を境界としたジェット流が形成される。ここでは、流体抵抗が小さい状態である。ノズル付近で、層流とジェット流の2層構造による流れが発生していることになる。このジェット流の径がノズル径より大きい場合には、その境界はノズル側壁になり、この境界領域の液中の粒子には強いせん断力が働き、強い微細化作用が発生する。一方、ジェット流の径がノズル径より小さい場合には、ノズル側面との界面には、溶液の層流を挟むことになるので、ジェット流との界面には前述の場合より大きなせん断力は働かないことになる。つまり、前述の状態より微細化の力は弱くなり、その径を境界として、微粒化特性が大きく変化することになる。
ノズル出口では、圧力が下がりキャビテーション数が減少することから、気泡が多くなるスーパーキャビテーションの状態に変化する。この領域では微細化作用よりも、攪拌作用が強くなる。このことは、ノズルそのものを厚くすることや、ジェット流を発生させるノズルの下流側で、キャビテーション数が0.6から1の領域を長くすることで、微細化効率を増加させることが可能になることを示している。本発明の高圧噴射処理装置のノズルにおいては、ノズルチップを厚くすることと、ノズル構成を工夫することでこの領域の拡大を実現し、微粒化特性を向上させた。
高圧領域を維持拡大するには、小さい通孔のノズルチップだけでなく、ノズルを構成するノズルホルダーの径などの構成も重要になってくる。圧力を下げないためには、そのノズルホルダーの径はなるべく小さい方が良いが、現実的には0.8mm程度になる。ノズル構成に関しては、ノズルを多段にすることで、その構成を自由度高く設計することができる。具体的にはノズルチップ径とノズルホルダー径それらの厚みの組合せを変えることで、ジェット流の高圧領域を広くでき、微粒化特性を向上させることができる。このとき、溶液の速度は非常に重要なパラメータなので、高い速度が維持できるようなノズル構造が非常に大切になる。
Next, the state is estimated.
In general, the cavitation number σ can be expressed by (Expression 2).
Here, P N is the pressure of the nozzle, P V is the vapor pressure of the fluid, ρ is the density of the fluid, and v N is the velocity of the fluid. In this equation, it is known that when σ is 1, cavitation occurs, and when σ is 0.6 or less, super cavitation occurs.
In the vicinity of the nozzle, the energy of the injection pressure is converted into kinetic energy by the law of conservation of energy (Bernoulli's theorem), and the pressure is reduced according to the flow velocity. At that time, cavitation occurs when a certain pressure is reduced. That is, a place where σ is 1 is a cavitation occurrence point, and thereafter σ becomes 1 or less on the downstream side, and a lot of cavitation occurs.
Next, the generation conditions will be considered.
The pressure of the solution in the nozzle, from the initial injection pressure P NI as the distance x progresses, eventually changed to P NO atmospheric pressure. If the pressure conversion of pressure is P Nv (x) as a function of x and the injection pressure is as high as one hundred MPa, the equations (3) and (4) can be derived if the vapor pressure Pv of the solution is ignored. In (Expression 3), a condition that σ is 1 or less is added.
This equation shows that cavitation occurs in the pressure region where the pressure is converted into velocity around the nozzle subjected to high-pressure injection and becomes less than half of the injection pressure. In other words, there is an acceleration region in the vicinity of the nozzle where pressure is converted into kinetic energy, and when the initial injection pressure from the high-pressure cylinder is halved, a jet flow starting from cavitation is generated. ing. At this time, the maximum pressure of the high-pressure cavitation in the jet flow is half of the initial injection pressure. The pressurized solution will pass through the nozzle at this rate due to the flow continuity. Thereafter, the solution flows from the nozzle outlet into the low pressure chamber and the pressure is released. At this time, the pressure of the jet flow suddenly decreases and a state of super cavitation including many bubbles is obtained. At this time, since the flow is diffused, the flow velocity is reduced without increasing, so that a strong stirring state is formed in the vicinity thereof.
This indicates that in order to perform atomization using high-pressure cavitation and strong shearing force, it is important to expand the high-pressure area after the jet flow generation as much as possible and not create a super cavitation state. Yes.
Next, consider the detailed flow around the nozzle. From the model, cavitation due to high-speed flow occurs at a place where the injection pressure is ½ in the acceleration region near the nozzle entrance, and a jet flow is formed with these gas layers as a boundary. Here, the fluid resistance is low. A flow having a two-layer structure of a laminar flow and a jet flow is generated in the vicinity of the nozzle. When the diameter of the jet flow is larger than the nozzle diameter, the boundary becomes the nozzle side wall, and a strong shearing force acts on the particles in the liquid in the boundary region, thereby generating a strong refining action. On the other hand, when the diameter of the jet flow is smaller than the nozzle diameter, a laminar flow of the solution is sandwiched at the interface with the nozzle side surface, so that a larger shear force than that in the above case acts on the interface with the jet flow. There will be no. That is, the power of miniaturization is weaker than that in the above-described state, and the atomization characteristics greatly change with the diameter as a boundary.
At the nozzle outlet, the pressure decreases and the number of cavitations decreases, so that the state changes to a super cavitation state in which bubbles increase. In this region, the stirring action is stronger than the miniaturization action. This makes it possible to increase the miniaturization efficiency by increasing the thickness of the nozzle itself, or by increasing the area where the cavitation number is 0.6 to 1 on the downstream side of the nozzle that generates the jet flow. It is shown that. In the nozzle of the high-pressure jet processing apparatus of the present invention, this region is enlarged by increasing the nozzle tip and devising the nozzle configuration, and the atomization characteristics are improved.
In order to maintain and expand the high pressure region, not only the nozzle chip with a small through hole but also the configuration of the nozzle holder constituting the nozzle is important. In order not to lower the pressure, the diameter of the nozzle holder should be as small as possible, but in reality it is about 0.8 mm. With regard to the nozzle configuration, the configuration can be designed with a high degree of freedom by providing multiple nozzles. Specifically, by changing the combination of the nozzle tip diameter and the nozzle holder diameter and their thickness, the high pressure region of the jet flow can be widened and the atomization characteristics can be improved. At this time, since the speed of the solution is a very important parameter, a nozzle structure that can maintain a high speed is very important.

本願発明者は、これまでに開発した高圧噴射(高圧ジェットミル)処理の高圧キャビテーションなどのモニター装置によるデータと、様々な材料を処理したときの現象を考察した。
その中で処理回数を増やすと、懸濁液の粘度が大きく変化したが、その処理時間、つまり、ノズル内の平均速度はほとんど変化しなかった。また、ノズルの厚みを変えても、処理時間が大きく変化することはなかった。これらの実験事実は、ノズル内は、通常の層流や乱流の状態ではなく、気層を境界とした流体抵抗の小さなジェット流の状態になっているのではないかと考えられた。
これらの観点から、ノズル内の現象と改善方法を考察すると以下のようになる。
キャビテーションは、噴射の圧力エネルギーが運動エネルギーに変化する過程で、その速度変化に伴う圧力の低下による場所で発生する。そのためノズル内はノズル内の中央に発生する流れの速いジェット流領域とジェット流領域よりも流れの遅い層流部やノズルの側面周辺領域に分けられ、それらの速度差が大きい境界部分で最も強い微細化効果が発生している。
この有効な微細化の領域を拡大させるためには、(A)キャビテーションが発生しているノズルの通孔の厚みを大きくすること、(B)ノズル内の流速を速くすること(例えば、ノズルの通孔の径を小さくすることや、圧力を高めるなど)が考えられる。特に(A)は微細化処理の領域を増大させることにつながり、処理回数の減少につながる。(B)のノズル径の大きさは、ジェット流と層流の比率を変えることにつながり、後述のモード切り替えに重要な因子となる。しかし、エネルギー保存則(ベルヌーイの定理)から速度の理論的な最大値が決まることから(B)の改善には限界があるので、なるべく流体抵抗の少ないノズルが適していることになる。
上記(A)、(B)を考慮した高圧噴射処理装置及びそのノズルを使用することで、従来の衝突型や対向型の低圧チャンバーの構成でも微細化の破壊力が増し、ノズルの厚みに比例した効果的な微細化処理が実現でき、処理回数の大幅な減少と更に細かな粒子化処理ができる。
まず、溶液が通るノズル部分を厚くすることが重要である。この部分のノズル材質は、高速な流体や硬いセラミックスを含む懸濁液を高速で流すために、硬い材料が必要になる。そのため、長い寿命を得るためにダイヤモンドで作製される。しかし、硬い材料に径が0.1mm程度のノズル穴を数十mm開けることは非常に困難で、現実には数mmが限界である。さらに、大きなせん断力を得るためには、流れを高速にする必要があり、ノズルの流体抵抗は小さくしなければならない。したがって、流れの連続性から発生したジェット流の抵抗にならないようなノズルチップ径とノズルホルダー径とそれらノズル構成の最適化が必要になる。例えば、高圧部分の複数のノズル径の中心を同一線状に配置するなどである。従来の高圧部分での衝突や対向では、衝突部が抵抗になるため高速な流れは見込めないと考えられる。
また、ノズルでの現象を限定した周波数のAE信号で実験解明した結果、数100MPaと高い圧力で噴射される流体の流れは、層流やさらに乱流ではなく、ノズル中央部では境界に気泡を含むジェット流に、ノズル周辺では層流になっていることが示された。このAE信号は、高圧キャビテーションによるもので、主にジェット流の境界で発生していると考えられた。
また、そのジェット流の径の大きさは圧力が100から200MPaの範囲で0.17mmより大きくなることはなかった。そのため、高速なジェット流による大きなせん断力を活かすためには、ノズル径をそれ以下にしなければ効果的な微細化ができないことが分かった。一方、高圧領域を拡大するために、ノズルの厚みを必要以上に厚くすると、今度はノズル内の平均流速が減少し、高い微細化効果を得ることができなかった。つまり、ノズルには最適な形状が存在することが実験的に分かった。
両者の条件を満たすノズルとして、単独のノズルではノズル径Dnとその厚みのWnの比率(Wn/Dn)が非常に重要であった。ここで「ノズル径Dn」とは、ノズルチップのノズルの通孔(貫通穴)の直径のことであり、「ノズルの厚みWn」とは、ノズルチップの通孔の厚み(長さ)のことである(図3)。
一方、単独のノズルでは、ダイヤモンドチップなどの加工に限界があるので、Wn/Dnの大きなノズルを実現するためには、ノズルチップを積層することや、ノズルを分割し、実効的なノズル厚みを伸ばすことが重要になる。この方法として単独のノズルを多段にした構成が考えられるが、前記ノズル内の速度を落とさない構成が必要になる。単純に、同じ径のノズルを複数並べただけでは平均速度が減少し、AE信号も減少し、微粒化特性も劣化した。このとき、実験で得られたジェット流の最大径の大きさがその境界となっていた。この径の大きさを境界に、ジェット流との境界の大きなせん断力を積極的に応用した微細化ノズルと、層流を使用した解繊ノズルの2種類に分類できた。例えば、高圧側にジェット流の径の0.16mmより小さくし、それより後の低圧側にそのジェット流径よりも大きな径のノズルを使用することで、ジェット流に対するノズルの抵抗を増加させることなく、つまり速度減少が起こらなかった。AE信号も大きくなったことから、高圧領域が拡大した状態をつくることができた。その結果、微細化の効果が高まった。後段のノズルでは、ジェット流と層流部分ができるため溶液の攪拌作用も高く、さらに、微細化の効果が高まった。
一方、逆の構成にすることで、高圧での高速な層流を利用した解繊に適した構成とすることができた。
The inventor of the present application considered data by a monitoring device such as high-pressure cavitation of high-pressure injection (high-pressure jet mill) processing developed so far and phenomena when various materials were processed.
When the number of treatments was increased, the viscosity of the suspension changed greatly, but the treatment time, that is, the average speed in the nozzle hardly changed. Moreover, even if the thickness of the nozzle was changed, the processing time did not change greatly. From these experimental facts, it was considered that the inside of the nozzle was not in a normal laminar or turbulent state, but in a state of jet flow having a small fluid resistance with the gas layer as a boundary.
From these viewpoints, the phenomenon in the nozzle and the improvement method are considered as follows.
Cavitation occurs in the process of changing the pressure energy of the jet into kinetic energy, and is caused by the pressure drop accompanying the speed change. Therefore, the inside of the nozzle is divided into a jet flow area that is generated at the center of the nozzle and a laminar flow area that is slower than the jet flow area and the area around the side surface of the nozzle. A miniaturization effect has occurred.
In order to expand this effective area of finer scaling, (A) increasing the thickness of the nozzle hole in which cavitation occurs, (B) increasing the flow velocity in the nozzle (for example, the nozzle It is conceivable to reduce the diameter of the through hole or increase the pressure. In particular, (A) leads to an increase in the area of the miniaturization process, leading to a decrease in the number of processes. The size of the nozzle diameter in (B) leads to changing the ratio of the jet flow and the laminar flow, and becomes an important factor for mode switching described later. However, since the theoretical maximum value of the speed is determined from the energy conservation law (Bernoulli's theorem), there is a limit to the improvement in (B), so that a nozzle with as little fluid resistance as possible is suitable.
By using a high-pressure injection processing apparatus and nozzles that consider (A) and (B) above, the destructive force of miniaturization increases even in the configuration of conventional collision-type and counter-type low-pressure chambers, and is proportional to the thickness of the nozzle. Thus, an effective miniaturization process can be realized, and the number of processes can be greatly reduced and a finer graining process can be performed.
First, it is important to thicken the nozzle portion through which the solution passes. The nozzle material of this part requires a hard material in order to flow a high-speed fluid and a suspension containing hard ceramics at a high speed. Therefore, it is made of diamond to obtain a long life. However, it is very difficult to make a nozzle hole with a diameter of about 0.1 mm in a hard material by several tens of millimeters. In reality, several millimeters is the limit. Furthermore, in order to obtain a large shear force, the flow needs to be fast and the fluid resistance of the nozzle must be small. Therefore, it is necessary to optimize the nozzle tip diameter and the nozzle holder diameter and the nozzle configuration so as not to cause resistance to the jet flow generated from the flow continuity. For example, the centers of a plurality of nozzle diameters in the high pressure portion are arranged in the same line. In conventional collisions and oppositions at high-pressure parts, it is considered that a high-speed flow cannot be expected because the collision part becomes a resistance.
Also, as a result of experimentally elucidating the AE signal with a frequency that limited the phenomenon at the nozzle, the flow of fluid injected at a high pressure of several hundred MPa is not laminar or even turbulent, and bubbles are formed at the boundary in the center of the nozzle. The included jet stream was shown to be laminar around the nozzle. This AE signal was due to high-pressure cavitation, and was thought to be generated mainly at the boundary of the jet flow.
Further, the diameter of the jet flow did not exceed 0.17 mm when the pressure was in the range of 100 to 200 MPa. Therefore, it was found that effective miniaturization cannot be achieved unless the nozzle diameter is made smaller than that in order to make use of the large shearing force generated by the high-speed jet flow. On the other hand, when the thickness of the nozzle is increased more than necessary in order to expand the high pressure region, the average flow velocity in the nozzle is decreased, and a high miniaturization effect cannot be obtained. In other words, it has been experimentally found that the nozzle has an optimum shape.
As a nozzle that satisfies both conditions, the ratio of the nozzle diameter Dn to the thickness Wn (Wn / Dn) is very important for a single nozzle. Here, the “nozzle diameter Dn” is the diameter of the nozzle hole (through hole) of the nozzle tip, and the “nozzle thickness Wn” is the thickness (length) of the nozzle chip hole. (FIG. 3).
On the other hand, with a single nozzle, there is a limit to the processing of diamond chips and the like, so in order to realize a nozzle with a large Wn / Dn, it is necessary to stack nozzle chips or divide the nozzles to reduce the effective nozzle thickness. It becomes important to stretch. As this method, a configuration in which a single nozzle is multi-staged is conceivable, but a configuration in which the speed in the nozzle is not reduced is necessary. Simply by arranging a plurality of nozzles of the same diameter, the average speed decreased, the AE signal also decreased, and the atomization characteristics deteriorated. At this time, the maximum diameter of the jet flow obtained in the experiment was the boundary. Based on the size of this diameter, it was possible to classify the nozzle into two types: a miniaturized nozzle that positively applied a large shear force at the boundary with the jet flow, and a defibrating nozzle that uses laminar flow. For example, by using a nozzle having a diameter smaller than 0.16 mm of the jet flow diameter on the high pressure side and using a nozzle having a diameter larger than the jet flow diameter on the low pressure side thereafter, the resistance of the nozzle to the jet flow is increased. There was no speed reduction. Since the AE signal also increased, it was possible to create a state in which the high pressure region was expanded. As a result, the effect of miniaturization increased. In the latter stage nozzle, a jet flow and a laminar flow portion are formed, so that the stirring action of the solution is high, and further, the effect of miniaturization is enhanced.
On the other hand, by using the opposite configuration, it was possible to obtain a configuration suitable for defibration using a high-speed and high-speed laminar flow.

本発明の高圧噴射処理装置のノズルは、原料混合液をノズル内平均速度が300m/s以上となるように高圧噴射して微細化する高圧噴射処理装置のノズルにおいて、前記ノズルは通孔をもつノズルチップとノズルホルダーで構成され、前記ノズルチップの通孔の直径Dnは0.16mm以下で、かつ直径Dnに対する前記ノズルチップの前記通孔の厚みWnの比(Wn/Dn)は10以上45未満であることを特徴とする。
ここで「上流側」とは、高圧噴射処理装置内での原料混合液の流れに着目して上流位置にあるものを「上流側」という。
ここで「下流側」とは、高圧噴射処理装置内での原料混合液の流れに着目して下流位置にあるものを「下流側」という。
本発明者の実験によれば、微細化処理において一番単純なノズルの構造は、ノズルチップの通孔の厚みを大きくすることである。よって、前記ノズルチップの通孔の直径Dnに対する前記ノズルチップの前記通孔の厚みWnの比(Wn/Dn)を10以上45未満とし、ノズル内の平均流速が300m/s以上にすることで、効率的な微細化処理を可能とする。
当然高圧でキャビテーションを起こすためには速度を速くすることが重要である。シリンダーの能力にもよるがノズル径を小さくすることも有効である。一方、実際の処理の関係で、ノズル径を小さくするとその部分で詰まり易くなり、処理作業の効率性からノズル径は最小でも0.1mm以上必要あった方が望ましかった。実施例から、0.2mmなどの大きなノズル径とした場合には、ノズル内部には層流領域とジェット流領域の2種類が存在し、その平均速度は減少した。実用的な200MPaの噴射圧では、ジェット流の径には最大値があり、その大きさ以上にノズル径を大きくしても、層流領域が増加するだけで、平均速度は減少する傾向があった。ノズル径が0.2mmの場合、発生したジェット流径は0.16〜0.17mmと計算されたので、微細化にはそれ以下のノズル径が有効であることが導かれた。実施例でも、径が0.2mmのノズルは、高い微細化効果を示さなかった。
The nozzle of the high-pressure injection processing apparatus of the present invention is a nozzle of a high-pressure injection processing apparatus that performs high-pressure injection and refines the raw material mixture so that the average velocity in the nozzle is 300 m / s or more, and the nozzle has a through hole. The nozzle tip is composed of a nozzle holder and a nozzle holder. The diameter Dn of the through hole of the nozzle tip is 0.16 mm or less, and the ratio (Wn / Dn) of the thickness Wn of the through hole of the nozzle tip to the diameter Dn is 10 or more and 45. It is characterized by being less than.
Here, the “upstream side” refers to the “upstream side” that is in the upstream position by paying attention to the flow of the raw material mixture in the high-pressure injection processing apparatus.
Here, the “downstream side” refers to the “downstream side” that is in the downstream position with a focus on the flow of the raw material mixture in the high-pressure injection processing apparatus.
According to the experiments by the present inventors, the simplest nozzle structure in the miniaturization process is to increase the thickness of the through hole of the nozzle tip. Therefore, the ratio (Wn / Dn) of the thickness Wn of the nozzle tip to the diameter Dn of the nozzle tip through hole is set to 10 or more and less than 45, and the average flow velocity in the nozzle is set to 300 m / s or more. , Enabling efficient miniaturization processing.
Naturally, it is important to increase the speed in order to cause cavitation at high pressure. Although it depends on the capacity of the cylinder, it is also effective to reduce the nozzle diameter. On the other hand, due to the actual processing, when the nozzle diameter is reduced, the portion is likely to be clogged. From the viewpoint of the efficiency of processing work, it is desirable that the nozzle diameter should be at least 0.1 mm. From the example, when the nozzle diameter was large such as 0.2 mm, there were two types of laminar flow region and jet flow region inside the nozzle, and the average velocity decreased. At a practical 200 MPa injection pressure, the jet flow diameter has a maximum value, and even if the nozzle diameter is increased beyond that, the laminar flow area only increases and the average velocity tends to decrease. It was. When the nozzle diameter was 0.2 mm, the generated jet flow diameter was calculated to be 0.16 to 0.17 mm. Therefore, it was derived that a nozzle diameter smaller than that was effective for miniaturization. Even in the examples, the nozzle having a diameter of 0.2 mm did not show a high miniaturization effect.

本発明の高圧噴射処理装置のノズルは、原料混合液をノズル内平均速度が300m/s以上となるように高圧噴射して微細化する高圧噴射処理装置のノズルにおいて、ダイヤモンドで作製されるノズルチップの厚みを分割するために前記ノズルは通孔をもつ複数のノズルチップと複数のノズルホルダーで構成され、前記ノズルチップの通孔の直径Dnの少なくとも一つは0.16mm以下で、かつ前記ノズルチップの通孔の直径Dnのうち、一番小さい直径に対する複数の前記ノズルチップの通孔の厚みの合計の比を10以上45未満とすることを特徴とする。
ノズルチップをダイヤモンドチップ等の硬い材料で作製する場合、径が0.16mm以下でその厚みを大きくすることは、非常に困難で現実的ではない。しかし、本発明の高圧噴射処理装置用ノズルのように、通孔をもつ平坦なノズルチップとそのホルダーという単純なノズル構成、あるいはノズルチップを積層した単独ノズルと、それらの多段構成とすると、その製造が容易になる。
The nozzle of the high-pressure jet processing apparatus of the present invention is a nozzle tip made of diamond in a nozzle of a high-pressure jet processing apparatus that finely sprays a raw material mixture so that the average velocity in the nozzle is 300 m / s or higher. is the nozzle to divide the thickness is composed of a plurality of nozzle chips and a plurality of nozzle holder with holes, at least one of the following 0.16 mm, and the diameter Dn m through hole of the nozzle tip The ratio of the total thickness of the through holes of the plurality of nozzle chips to the smallest diameter among the diameters D nm of the through holes of the nozzle chips is set to be 10 or more and less than 45.
When the nozzle tip is made of a hard material such as a diamond tip, it is very difficult and impractical to increase the thickness with a diameter of 0.16 mm or less. However, like the nozzle for the high-pressure injection processing apparatus of the present invention, when a simple nozzle configuration having a flat nozzle tip having a through hole and its holder, or a single nozzle in which nozzle tips are stacked, and a multistage configuration thereof, Easy to manufacture.

本発明の高圧噴射処理装置のノズルは、前記ノズルは前記直径Dnの大きさが異なる複数のノズルチップと複数のノズルホルダーで構成されることを特徴とする。
本発明によれば、(E)ノズルチップを複数組み合わせることや、(F)通孔の直径が小さいノズルを一番上流側に配置し、その他のノズルは通孔の直径をある程度大きくする、(G)通孔の直径が小さいノズルを一番下流側に配置しその他のノズルは通孔の直径をある程度大きくする。上記(E)、(F)(G)を実現することによって、効率的な微細化処理が可能となり、実質的に長い通孔をもつノズルチップを使用した場合と同様の効果を得ることが可能になる。また、通孔の直径が大きいノズルを上流側に配置しその他のノズルは通孔の直径を小さくすることで、上流の高圧側でキャビテーションを起き難くし、速度勾配の大きな層流状態を形成し、減圧された下流側のノズルで発生する低いエネルギーのキャビテーションやせん断力が利用できる。この構成ではファイバーを切ることなく解繊することが可能となる。
このように、径の異なるノズルチップを種々組み合わせることによって、ノズル付近の流れをコントロールすることが可能となり、微細化処理用に適したノズルや、解繊処理用に適したノズル等、用途によって使い分けることが可能となる。
Nozzle of the high pressure injection apparatus of the present invention, the nozzle is characterized in that the size of the diameter Dn m is composed of a plurality of different nozzle tips and a plurality of nozzle holder.
According to the present invention, (E) a combination of a plurality of nozzle tips, (F) a nozzle having a small diameter of the through hole is arranged on the most upstream side, and the other nozzles have a large diameter of the through hole. G) A nozzle having a small diameter of the through hole is arranged on the most downstream side, and the diameter of the through holes of the other nozzles is increased to some extent. By realizing the above (E), (F), and (G), efficient miniaturization processing becomes possible, and it is possible to obtain the same effect as when a nozzle tip having a substantially long through hole is used. become. In addition, by arranging a nozzle with a large through hole diameter on the upstream side and reducing the diameter of the other nozzles on the upstream side, cavitation is less likely to occur on the upstream high pressure side, and a laminar flow state with a large velocity gradient is formed. The low-energy cavitation and shear force generated by the decompressed downstream nozzle can be used. With this configuration, it is possible to perform defibration without cutting the fiber.
In this way, by combining various nozzle tips with different diameters, it becomes possible to control the flow in the vicinity of the nozzles, and use them properly depending on the application, such as nozzles suitable for miniaturization processing and nozzles suitable for defibration processing. It becomes possible.

本発明の高圧噴射処理装置のノズルにおいては、前記複数のノズルチップが第1のノズルチップと第2のノズルチップから構成され、前記第2のノズルチップは前記第1のノズルチップよりも下流側に配置され、かつ前記第2のノズルチップの通孔の直径は前記第1のノズルチップの通孔の直径よりも大きく、0.16mm以上0.8mm以下の範囲としたことで、前記ノズル内平均速度を下げることなく高圧領域を増大させ、効率的な微細化処理を可能としたことを特徴とする。
本発明によれば、この構成では、ノズルチップの材料となる単結晶ダイヤモンドや、多結晶ダイヤモンド等の強硬質な材料に小さな孔を長く開ける必要がないため、製造が簡単となる。ダイヤモンドを貼り合わせるなど複雑な構造ではないため、安価に作製できるとともに、構造が単純なだけに流速を高速にすることもできる。効率的な微細化のためには、流れを高速にすることは非常に重要で、直線上に積層や多段とした配置は非常に有効である。
本発明によれば、直径が小さくかつ厚みが大きい通孔をもつノズルチップを形成できない場合には、(E)ノズルチップを複数組み合わせること、(F)通孔の直径が小さいノズルを一番上流側に配置し、その他のノズルは通孔の直径をある程度大きくする、上記(E)、(F)を実現することによって、効率的な微細化処理が可能となり、厚い通孔をもつノズルチップを使用した場合と同様の効果を得ることが可能となる。
In the nozzle of the high-pressure jet processing apparatus of the present invention, the plurality of nozzle chips are composed of a first nozzle chip and a second nozzle chip, and the second nozzle chip is downstream of the first nozzle chip. And the diameter of the through hole of the second nozzle chip is larger than the diameter of the through hole of the first nozzle chip, and is in the range of 0.16 mm or more and 0.8 mm or less. It is characterized by increasing the high-pressure region without lowering the average speed and enabling efficient miniaturization processing.
According to the present invention, in this configuration, it is not necessary to make a small hole long in a strong and hard material such as a single crystal diamond or a polycrystalline diamond used as a material for the nozzle tip, so that the manufacturing is simplified. Since it is not a complicated structure such as bonding diamond, it can be manufactured at low cost, and the flow rate can be increased because the structure is simple. For efficient miniaturization, it is very important to increase the flow speed, and stacking and multistage arrangement on a straight line are very effective.
According to the present invention, when a nozzle tip having a small diameter and large through hole cannot be formed, (E) a plurality of nozzle tips are combined, and (F) the nozzle having the small diameter of the through hole is the most upstream. By disposing the nozzles on the side and increasing the diameter of the through holes to some extent, and realizing the above (E) and (F), efficient miniaturization processing becomes possible, and a nozzle tip having a thick through hole is formed. It is possible to obtain the same effect as when used.

本発明の高圧噴射処理装置のノズルにおいては、前記複数のノズルチップは、一番上流側に配置された第3のノズルチップと第4のノズルチップから構成され、前記第4のノズルチップは第3のノズルチップよりも下流側に配置され、かつ前記第3のノズルチップの通孔の直径は第4のノズルチップの通孔の直径よりも大きく、0.16mm以上0.8mm以下の範囲としたことで、前記ノズル内平均速度を下げることなく高速な層流内のせん断力を利用したファイバーなどの適した解繊処理を可能としたことを特徴とする。
本発明によれば、上流側に径の大きなノズルチップを配置することで、層流領域の多い状態を形成でき、下流側のノズルで減圧された低エネルギーのキャビテーションやせん断力を利用した解繊処理が可能となる。
このように、径の異なるノズルチップを種々組み合わせることによって、ノズル内のエネルギーをコントロールすることが可能となり、微細化処理用に適したノズルや、解繊処理用に適したノズル等、用途によって使い分けることが可能となる。
In the nozzle of the high-pressure jet processing apparatus of the present invention, the plurality of nozzle chips are composed of a third nozzle chip and a fourth nozzle chip arranged on the most upstream side, and the fourth nozzle chip is the first nozzle chip. And the diameter of the through hole of the third nozzle chip is larger than the diameter of the through hole of the fourth nozzle chip, and ranges from 0.16 mm to 0.8 mm. As a result, it is possible to perform a suitable defibrating process such as a fiber using a shearing force in a high-speed laminar flow without reducing the average speed in the nozzle.
According to the present invention, by disposing a nozzle tip having a large diameter on the upstream side, a state having a large laminar flow region can be formed, and defibration utilizing low energy cavitation and shear force reduced by the downstream nozzle. Processing is possible.
In this way, by combining various nozzle tips with different diameters, it becomes possible to control the energy in the nozzles, and use them properly depending on the application, such as nozzles suitable for miniaturization processing and nozzles suitable for defibration processing. It becomes possible.

本発明の高圧噴射処理装置のノズルにおいては、ノズルチップ周辺の高圧領域の維持のために前記ノズルホルダーの通孔の直径は、0.8mm以下であることを特徴とする。特に、この効果は噴射圧が200MPaと高い場合に有効であった。
本発明によれば、通孔の直径が小さいノズルホルダーを使用した場合の方が、微細化効果が大きくなることを発見した。それは、通孔の直径が小さいノズルホルダー(0.8mm)を使用した場合、原料混合液10がノズルチップ領域からノズルホルダー領域へ移動する際の圧力低下が少ないため、そのホルダー内でも高圧領域が維持でき、高圧領域の拡大によって、微細化処理部分が増加したためである。
反対に通孔の直径が大きいノズルホルダー(10mm−30mm)を使用した場合は、原料混合液10がノズルチップ領域から、ノズルホルダー領域へ移動する際に急激な圧力変化が生じ、流れはジェット流ではなく、すぐに気泡を多く含むスーパーキャビテーション状態に移り、せん断力が減少したためと考えられる。
In the nozzle of the high pressure injection processing apparatus of the present invention, the diameter of the through hole of the nozzle holder is 0.8 mm or less in order to maintain a high pressure region around the nozzle tip. In particular, this effect was effective when the injection pressure was as high as 200 MPa.
According to the present invention, it has been discovered that the effect of miniaturization is greater when a nozzle holder having a small diameter of the through hole is used. This is because when a nozzle holder (0.8 mm) with a small diameter of the through hole is used, the pressure drop when the raw material mixture 10 moves from the nozzle tip region to the nozzle holder region is small, so that the high pressure region is also present in the holder. This is because the portion to be refined is increased by expanding the high-pressure region.
On the other hand, when a nozzle holder (10 mm-30 mm) having a large diameter of the through hole is used, a sudden pressure change occurs when the raw material mixture 10 moves from the nozzle tip region to the nozzle holder region, and the flow is a jet flow. Rather, it was thought that it immediately shifted to a super cavitation state containing a lot of bubbles and the shearing force decreased.

本発明の高圧噴射処理装置の評価方法は、所定圧力で原料混合液を高圧噴射してキャビテーションを生じさせて微細化する高圧噴射処理装置の評価方法であって、前記高圧噴射処理装置に、限定した周波数のAEセンサを取り付けて、キャビテーションによるAE信号を検出し、その値の大きさから微粒化特性の性能評価を行うことを特徴とする。
本発明によれば、キャビテーション等の状態はAE信号で評価できるため、前記高圧噴射処理装置にAEセンサを取り付けて、キャビテーションによるAE信号を検出し、ノズルや高圧シリンダー等の高圧噴射処理装置の評価を簡単に行うことが可能となる。
また本発明の高圧噴射処理装置は、原料混合液をノズル内平均速度が300m/s以上となるように高圧噴射して微細化または解繊する請求項1から6のいずれか一項記載のノズルを備えた高圧噴射処理装置において、前記原料混合液を加圧する高圧ポンプと、前記高圧ポンプを駆動及び制御することで前記原料混合液を100MPa以上に加圧する駆動制御部と、高圧シリンダーを備え、100MPa以上に加圧された前記原料混合液を前記高圧シリンダーと連結された前記ノズルに噴射させることで、微細化または解繊することを特徴とする。
そして本発明の高圧噴射処理方法は、原料混合液をノズル内平均速度が300m/s以上となるように高圧噴射して微細化または解繊する請求項1から6のいずれか一項記載のノズルを使用した高圧噴射処理方法において、前記原料混合液を加圧する高圧ポンプと、前記高圧ポンプを駆動及び制御することで前記原料混合液を100MPa以上に加圧する駆動制御部と、高圧シリンダーを備え、前記駆動制御部および前記高圧ポンプは原料混合液を100MPa以上に加圧し、前記高圧シリンダーと連結された前記ノズルに噴射することで、前記原料混合液を微細化または解繊することを特徴とする。
本発明者の実験によれば、前記ノズルチップの通孔の直径Dnに対する前記ノズルチップの前記通孔の厚みWnの比(Wn/Dn)を10以上45未満とし、ノズル内の平均流速が300m/s以上にすることで、効率的な微細化処理を可能とすることを発見した。ノズル内の平均流速を300m/s以上にするためには、高圧ポンプにおいて原料混合液を100MPa以上に加圧し、ノズルチップの通孔の直径Dnに対するノズルチップの通孔の厚みWnの比(Wn/Dn)を10以上45未満としたノズルを使用することで実現できた。よって、前記原料混合液を100MPa以上に加圧する高圧ポンプを使用し、その平均速度を300m/s以上にすることで、効率的な微細化処理を可能とする。
The evaluation method for a high-pressure injection processing apparatus of the present invention is an evaluation method for a high-pressure injection processing apparatus that generates high-pressure injection of a raw material mixture at a predetermined pressure to produce cavitation and refines the process, and is limited to the high-pressure injection processing apparatus. An AE sensor having the frequency described above is attached, an AE signal by cavitation is detected, and performance evaluation of atomization characteristics is performed from the magnitude of the value.
According to the present invention, since the state of cavitation or the like can be evaluated by an AE signal, an AE sensor is attached to the high-pressure injection processing device, and the AE signal due to cavitation is detected to evaluate the high-pressure injection processing device such as a nozzle or a high-pressure cylinder. Can be performed easily.
7. The nozzle according to claim 1, wherein the high-pressure injection processing apparatus of the present invention performs high-pressure injection of the raw material mixture so that the average velocity in the nozzle becomes 300 m / s or more to refine or defibrate. A high pressure pump that pressurizes the raw material mixture, a drive control unit that pressurizes the raw material mixture to 100 MPa or more by driving and controlling the high pressure pump, and a high pressure cylinder, The raw material mixed liquid pressurized to 100 MPa or more is sprayed to the nozzle connected to the high-pressure cylinder, thereby miniaturizing or defibrating.
The nozzle according to any one of claims 1 to 6, wherein in the high-pressure injection processing method of the present invention, the raw material mixture is injected under high pressure so that the average velocity in the nozzle is 300 m / s or more, and is refined or defibrated. A high-pressure pump that pressurizes the raw material mixture, a drive control unit that pressurizes the raw material mixture to 100 MPa or more by driving and controlling the high-pressure pump, and a high-pressure cylinder, The drive control unit and the high-pressure pump pressurize the raw material mixture to 100 MPa or more, and spray the raw material mixture into the nozzle connected to the high-pressure cylinder, thereby miniaturizing or defibrating the raw material mixture. .
According to the inventors' experiment, the ratio (Wn / Dn) of the thickness Wn of the nozzle tip to the diameter Dn of the nozzle tip through hole is 10 or more and less than 45, and the average flow velocity in the nozzle is 300 m. It has been found that an efficient miniaturization process can be achieved by setting it to / s or more. In order to increase the average flow velocity in the nozzle to 300 m / s or more, the raw material mixture is pressurized to 100 MPa or more in a high-pressure pump, and the ratio of the nozzle tip through-hole diameter Wn to the nozzle tip through-hole diameter Dn (Wn This was realized by using a nozzle having a / Dn) of 10 or more and less than 45. Therefore, an efficient miniaturization process is enabled by using a high-pressure pump that pressurizes the raw material mixture to 100 MPa or more and setting its average speed to 300 m / s or more.

この様にノズルチップとノズルホルダーに多くの組み合わせがある場合、各ノズルや高圧シリンダー等の装置の性能を定量的に評価する必要がある。しかし、従来微細化に関する装置の性能評価は非常に難しく、各種材料を実際に処理し、その後、粒度分布計や電子顕微鏡などで評価するしかなかった。特願2014−201744における発明によれば計測されるAE信号は、流れによるものと溶液中の粒子によるものの2種類あることを明らかにしている。この流れによって発生するAE信号は、キャビテーションを基点としてジェット流が形成される部分から発生している。この部分は、主にノズルチップの通孔側面におけるせん断力の範囲に関係している。この大きさはノズル固有のもので、AE信号の値が大きいほど微細化に関連する高圧領域が広く、効率的な微細化処理ができることを示している。
水などの溶液のみの処理で、このAE信号を計測することで、高圧キャビテーションやせん断力等の状態が評価できるため、高圧噴射処理装置にAEセンサを取り付けて信号を検出し、その大きさを比較することで、高圧シリンダーなどの装置の高圧発生部の性能を含めた前記ノズルの微細化性能の定量的評価を簡単に行うことができる。
Thus, when there are many combinations of nozzle tips and nozzle holders, it is necessary to quantitatively evaluate the performance of each nozzle, high-pressure cylinder, and other devices. However, it has been very difficult to evaluate the performance of conventional apparatuses for miniaturization, and various materials have been actually processed and then evaluated with a particle size distribution meter, an electron microscope, or the like. According to the invention in Japanese Patent Application No. 2014-201744, it has been clarified that there are two types of AE signals measured, which are due to flow and those due to particles in the solution. The AE signal generated by this flow is generated from a portion where a jet flow is formed with cavitation as a base point. This portion is mainly related to the range of shearing force on the side surface of the nozzle tip. This size is unique to the nozzle, and the larger the value of the AE signal, the wider the high-pressure region related to miniaturization, and the more efficient miniaturization processing can be performed.
By measuring this AE signal by processing only a solution such as water, the state of high-pressure cavitation, shearing force, etc. can be evaluated, so an AE sensor is attached to the high-pressure jet processing device to detect the signal and By comparing, it is possible to easily perform quantitative evaluation of the miniaturization performance of the nozzle including the performance of the high-pressure generating portion of an apparatus such as a high-pressure cylinder.

本発明の高圧噴射処理装置のノズルによれば、流れの速度を速くしノズルチップの通孔を厚くすることで、効率的な微細化処理を可能とした。また、本発明によれば、直径Dnに対するノズルチップの前記通孔の厚みWnの比の大きいノズルチップが製造できない場合でも、(E)ノズルチップを複数組み合わせること、(F)通孔の直径が小さいノズルを一番上流側に配置し、その他のノズルは通孔の直径をある程度大きくする、(G)通孔の直径が小さいノズルを一番下流側に配置し、その他のノズルは通孔の直径をある程度大きくする。上記(E)、(F)(G)を実現することによって、効率的な微細化処理が可能となり、長さが長い通孔をもつノズルチップを使用した場合と同様の効果を得ることが可能となった。さらに、ノズルチップの材質である単結晶ダイヤモンド、焼結ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等の強硬質な材質に小さな孔を長く開ける必要がないため、製造が簡単となった。
本発明によれば、上流側に径の大きなノズルチップを配置することで、高圧でキャビテーションを起きにくくすることで、速度勾配の大きな層流状態をつくり、下流側のノズルで発生している低いエネルギーのキャビテーションやせん断力を利用して、ファイバーを切断することなく解繊することが可能となる。
このように、径の異なるノズルチップを種々組み合わせることによって、ノズル付近の流れをコントロールすることが可能となり、微細化処理用に適したノズルや、解繊処理用に適したノズル等、用途によって使い分けることが可能となった。
According to the nozzle of the high-pressure jet processing apparatus of the present invention, an efficient miniaturization process is made possible by increasing the flow speed and increasing the thickness of the nozzle chip through hole. In addition, according to the present invention, even when a nozzle tip having a large ratio of the through hole thickness Wn of the nozzle tip to the diameter Dn cannot be manufactured, (E) a plurality of nozzle tips are combined, and (F) the diameter of the through hole is (G) A nozzle with a small diameter of the through hole is arranged at the most downstream side, and the other nozzles are arranged at the most upstream side. Increase the diameter to some extent. By realizing the above (E), (F), and (G), efficient miniaturization processing becomes possible, and it is possible to obtain the same effect as when a nozzle chip having a long through hole is used. It became. Furthermore, since it is not necessary to make long holes in a hard and hard material such as single crystal diamond, sintered diamond, and polycrystalline diamond, which are the nozzle tip materials, manufacturing is simplified.
According to the present invention, by arranging a nozzle tip having a large diameter on the upstream side, it becomes difficult to cause cavitation at a high pressure, thereby creating a laminar flow state having a large velocity gradient and generating low in the downstream nozzle. Using energy cavitation and shearing force, it becomes possible to defibrate without cutting the fiber.
In this way, by combining various nozzle tips with different diameters, it becomes possible to control the flow in the vicinity of the nozzles, and use them properly depending on the application, such as nozzles suitable for miniaturization processing and nozzles suitable for defibration processing. It became possible.

本発明の高圧噴射処理装置の高圧シリンダー500、低圧チャンバー40およびノズル400周辺の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the high pressure cylinder 500 of the high pressure injection processing apparatus of this invention, the low pressure chamber 40, and the nozzle 400 periphery. 上記実施形態のノズル400の概略構成例を示す模式図であり、(a)は単独ノズルN1のうち、ひとつのノズルチップとノズルホルダーで構成されたノズルを示し、(b)は多段のノズルN2(微細化処理用のノズル)を示し、(c)は多段のノズルN3(解繊処理用のノズル)を示し、(d)は単独ノズルN1のうち、ノズルチップが積層されたノズルを示す。It is a schematic diagram which shows the schematic structural example of the nozzle 400 of the said embodiment, (a) shows the nozzle comprised by one nozzle tip and the nozzle holder among the single nozzles N1, (b) shows the multistage nozzle N2. (Nozzle for refinement processing) is shown, (c) shows a multi-stage nozzle N3 (nozzle for defibrating treatment), and (d) shows a nozzle in which nozzle chips are stacked among the single nozzles N1. 本発明の第1の実施形態である単独のノズルN1を示す概略図であり、(a)はノズルN1を示す断面図で、(b)は、ノズルチップの通孔の直径Dnに対する厚みWnの比(Wn/Dn)を10とする例である。It is the schematic which shows the single nozzle N1 which is the 1st Embodiment of this invention, (a) is sectional drawing which shows the nozzle N1, (b) is thickness Wn with respect to the diameter Dn of the through-hole of a nozzle chip. In this example, the ratio (Wn / Dn) is 10. 本発明の第2の実施形態である多段のノズルN2を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the multistage nozzle N2 which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態である多段のノズルN3を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the multistage nozzle N3 which is the 3rd Embodiment of this invention. ノズルのノズルチップNn_sample内に発生する流体の状態を示す概略図であり、通孔の軸に平行な平面で切断した断面図である。It is the schematic which shows the state of the fluid which generate | occur | produces in the nozzle tip Nn_sample of a nozzle, and is sectional drawing cut | disconnected by the plane parallel to the axis | shaft of a through-hole. ノズルのノズルチップNn_sample内に発生する流体の状態を示す概念図であり、通孔の軸に垂直な平面で切断した断面図である。It is a conceptual diagram which shows the state of the fluid which generate | occur | produces in the nozzle tip Nn_sample of a nozzle, and is sectional drawing cut | disconnected by the plane perpendicular | vertical to the axis of a through-hole. 通孔の直径の異なるノズルチップを利用した場合の通孔内のジェット流と層流を示す概念図であり、(a)は通孔の直径が大きいノズルチップを利用した場合の通孔内のジェット流と層流を示し、(b)は通孔の直径が小さいノズルチップを利用した場合の通孔内のジェット流と層流を示したものである。It is a conceptual diagram which shows the jet flow and laminar flow in a through hole at the time of using the nozzle tip from which the diameter of a through-hole differs, (a) is the inside of a through-hole at the time of using a nozzle tip with a large diameter of a through-hole. A jet flow and a laminar flow are shown, and (b) shows a jet flow and a laminar flow in the through hole when a nozzle tip having a small diameter is used. ノズルaにおける各種噴射圧PのAE信号の電圧Vrms[mV]の時間経過変化を表すグラフである。It is a graph showing the time course change of the voltage V rms [mV] of the AE signals of various injection pressure P N at the nozzle a. ノズルbにおける各種噴射圧PのAE信号の電圧Vrms[mV]の時間経過変化を表すグラフである。Is a graph showing the time course change of the voltage V rms [mV] of the AE signals of various injection pressure P N at the nozzle b. ノズルcにおける各種噴射圧PのAE信号の電圧Vrms[mV]の時間経過変化を表すグラフである。Is a graph showing the time course change of the voltage V rms [mV] of the AE signals of various injection pressure P N at the nozzle c. ノズルdにおける各種噴射圧PのAE信号の電圧Vrms[mV]の時間経過変化を表すグラフである。Is a graph showing the time course change of the voltage V rms [mV] of the AE signals of various injection pressure P N at the nozzle d. ノズルa〜d,hとiにおける各種噴射圧Pによる平均速度v[m/sec]変化を表すグラフである。Nozzle to d, a graph representing the average velocity v N [m / sec] changes due to various injection pressure P N in h and i. ノズルa〜dにおける各種噴射圧PによるAE信号の電圧Vrms[mV]を表すグラフである。Is a graph showing the voltage V rms [mV] of the AE signal by the various injection pressure P N at the nozzle to d. ノズルeにおける各種噴射圧PのAE信号の電圧Vrms[mV]の時間経過変化を表すグラフである。Is a graph showing the time course change of the voltage V rms [mV] of the AE signals of various injection pressure P N at the nozzle e. ノズルfにおける各種噴射圧PのAE信号の電圧Vrms[mV]の時間経過変化を表すグラフである。Is a graph showing the time course change of the voltage V rms [mV] of the AE signals of various injection pressure P N at the nozzle f. ノズルgにおける各種噴射圧PのAE信号の電圧Vrms[mV]の時間経過変化を表すグラフである。Is a graph showing the time course change of the voltage V rms [mV] of the AE signals of various injection pressure P N at the nozzle g. ノズルd〜gにおける各種噴射圧Pによる平均速度v[m/sec]の変化を表すグラフである。It is a graph representing the average velocity v N changes in [m / sec] by various injection pressure P N at the nozzle D-G. ノズルc,e〜gにおける各種噴射圧PによるAE信号の電圧Vrms[mV]変化を表すグラフである。Nozzle c, is a graph showing the voltage V rms [mV] change in AE signal by the various injection pressure P N at E to G. 多段のノズル(同一径のノズルチップを複数組み合わせたもの)内に発生する溶液の流れを示す概略図であり、通孔の軸に平行な平面で切断した断面図である。It is the schematic which shows the flow of the solution which generate | occur | produces in a multistage nozzle (what combined multiple nozzle tips of the same diameter), and is sectional drawing cut | disconnected by the plane parallel to the axis | shaft of a through-hole. 多段のノズル(上流側に径の小さいノズルチップを配置したもの)内に発生する溶液の流れを示す概略図であり、通孔の軸に平行な平面で切断した断面図である。It is the schematic which shows the flow of the solution which generate | occur | produces in a multistage nozzle (what arrange | positioned the nozzle tip with a small diameter upstream), and is sectional drawing cut | disconnected by the plane parallel to the axis | shaft of a through-hole. 多段のノズル(上流側に径の大きなノズルチップを配置したもの)内に発生する溶液の流れを示す概略図であり、通孔の軸に平行な平面で切断した断面図である。It is the schematic which shows the flow of the solution which generate | occur | produces in a multistage nozzle (what arrange | positioned the nozzle tip with a large diameter upstream), and is sectional drawing cut | disconnected by the plane parallel to the axis | shaft of a through-hole. 本発明を適用した実施形態の高圧噴射処理装置のモニタリング方法の作業手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the operation | movement procedure of the monitoring method of the high pressure injection processing apparatus of embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した実施形態の高圧噴射処理装置のノズル部で発生するキャビテーションを示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the cavitation which generate | occur | produces in the nozzle part of the high pressure injection processing apparatus of embodiment to which this invention is applied. 高圧噴射された原料混合液中の粒子がキャビテーション崩壊によって微粒化される過程を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the process in which the particle | grains in the raw material liquid mixture injected by high pressure are atomized by cavitation collapse. 本発明に係るAEセンサの周波数特性(a)と噴射時に計測されたAE信号のスペクトラム(b)を示す図である。It is a figure which shows the spectrum (b) of the frequency characteristic (a) of the AE sensor which concerns on this invention, and the AE signal measured at the time of injection. ノズルc,dを使用した場合の懸濁液20中に存在するセルロースファイバー径(nm)の百分率度(Frequency percentage)(%)を示すグラフであり、(a)は噴射回数Nが5の場合であり、(b)は噴射回数Nが20の場合である。Is a graph showing the percentage of the cellulosic fiber diameter (nm) (Frequency percentage) ( %) present in the suspension 20 in the case of using nozzles c, and d, (a) is injection number N P is 5 a case, (b) shows the case of injection number N P is 20. ノズルb,c,hを使用した場合の懸濁液20中に存在するセルロースファイバー径(nm)の百分率度(Frequency percentage)(%)を示すグラフであり、(a)はNが5の場合であり、(b)はNが20の場合である。Is a graph showing the percentage of the cellulosic fiber diameter (nm) (Frequency percentage) ( %) present in the suspension 20 in the case of using a nozzle b, c, h, (a ) is N P is 5 (B) is a case where NP is 20. ノズルb,c,hにおける高圧噴射処理の懸濁液20中のセルロースファイバーの平均径DのN依存性を示すグラフである。Is a graph showing the nozzle b, c, a N P dependence of the average diameter D of the cellulose fibers in the suspension 20 of the high-pressure injection process in h. ノズルホルダーの通孔径を変えた場合のNが20のセルロースファイバー径(nm)の百分率度(Frequency percentage)(%)を示すグラフである。 N P when changing the through hole diameter of the nozzle holder is a graph showing cellulose insulation diameter of 20 percent of the (nm) a (Frequency percentage) (%). ノズルホルダーの通孔の直径の違いによるノズル内の現象を表す概念図であり、(a)はノズルホルダーの通孔の直径が小さい場合(0.8mm)であり、(b)はノズルホルダーの通孔の直径が大きい場合(10mm−30mm)である。It is a conceptual diagram showing the phenomenon in a nozzle by the difference in the diameter of the through-hole of a nozzle holder, (a) is a case where the diameter of the through-hole of a nozzle holder is small (0.8 mm), (b) is a nozzle holder This is the case where the diameter of the through hole is large (10 mm-30 mm). ノズルc,e,f,gを使用した場合のセルロースファイバー径(nm)の百分率度(Frequency percentage)(%)を示すグラフであり、(a)はNが5の場合であり、(b)はNが20の場合である。It is a graph which shows the percentage (Frequency percentage) (%) of the cellulose fiber diameter (nm) at the time of using the nozzles c, e, f, and g, (a) is a case where NP is 5, (b ) Is the case where NP is 20. ノズルc,e,f,gを使用した場合のセルロースファイバーの平均径DのN依存性を示すグラフである。Is a graph showing the N P dependence of the average diameter D of the cellulose fibers when used nozzles c, e, f, and g. 各種ノズルN1,N2,N3を使用した場合のセルロースの粘度ηのN依存性を示すグラフであり、(a)は単独のノズルN1を使用した場合であり、(b)は多段のノズルを使用した場合である。Is a graph showing the N P dependence of the viscosity of the cellulose η when using various nozzles N1, N2, N3, (a ) is a case of using a single nozzle N1, the (b) multi-stage nozzle This is the case. ノズルN1,N2,N3を使用し、20回処理を行った後、セルロース懸濁液を乾燥させて作製したセルロース膜のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the cellulose membrane produced by using the nozzle N1, N2, and N3, performing 20 times, and then drying a cellulose suspension. ノズルe(M010202)を使用して高圧噴射処理を行った場合のセルロースの電子顕微鏡像であり、(a)は300倍拡大像であり、(b)は5000倍拡大像である。It is the electron microscope image of a cellulose at the time of performing a high pressure injection process using the nozzle e (M010202), (a) is a 300 times magnified image, (b) is a 5000 times magnified image. ノズルg(M020201)を使用して高圧噴射処理を行ったセルロースの電子顕微鏡像であり、(a)は300倍拡大像であり、(b)は5000倍拡大像である。It is the electron microscope image of the cellulose which performed the high pressure injection process using the nozzle g (M020201), (a) is a 300 times magnified image, (b) is a 5000 times magnified image. ノズルb,cを使用した場合のPZT粉体の径(nm)の百分率度(Frequency percentage)(%)を示すグラフである。It is a graph which shows the percentage (Frequency percentage) (%) of the diameter (nm) of the PZT powder at the time of using the nozzles b and c. ノズルb,cを使用した場合のアルミナ微粒子の径(nm)の百分率度(Frequency percentage)(%)を示すグラフであり、(a)はNが5の場合であり、(b)はNが10の場合であり、(c)はNが20の場合である。It is a graph which shows the percentage (Frequency percentage) (%) of the diameter (nm) of the alumina fine particle at the time of using the nozzles b and c, (a) is a case where NP is 5, (b) is N The case where P is 10 and (c) is the case where NP is 20. 高圧噴射の噴射回数Nにおける懸濁液20中のアルミナ微粒子の平均径Dを示すグラフである。It is a graph showing the mean diameter D of the alumina particles in the suspension 20 in the injection number N P of the high-pressure injection. 噴射圧Pと実測されたノズル内の平均速度vの関係を示すグラフであり、(a)はノズルcの理論値vNJと実測値を示したもので、(b)はノズルdの理論値vNJと実測値を示したもので、(c)はノズルiの理論値vNJと実測値を示したものである。Is a graph showing the relationship between the average velocity v N in the nozzle which is measured with the injection pressure P N, (a) is shows the actual measurement value and the theoretical value v NJ nozzles c, (b) the nozzle d shows the actual measurement value and the theoretical value v NJ, shows the actual measurement value and the theoretical value v NJ (c), the nozzle i. 平均速度v[m/sec]とAE信号電圧Vrms(AE信号電圧の実効値)の関係を示すグラフであり、(a)ノズルチップの通孔の直径と厚みを変化させたノズルのデータを示し、(b)積層ノズルと多段ノズルのデータを示し、(c)多段ノズルのデータを示す。The average velocity v is a graph showing the relationship N [m / sec] and the AE signal voltage V rms (effective value of AE signal voltage), (a) data of the nozzles of varying diameter and thickness of the nozzle tip through hole (B) shows the data for the multi-layer nozzle and the multi-stage nozzle, and (c) shows the data for the multi-stage nozzle. 各噴射回数NにおけるAE信号電圧の時間経過変化を表すグラフである。Is a graph showing the time course change of the AE signal voltage at each injection number N P.

以下、本発明を適用した実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本願発明者らは、高圧噴射処理装置にAEセンサを取り付けて、高圧噴射の際にノズルから生じる周波数が0.2MHz以上のAE信号を検出し、ノズルの孔径や厚みの相違によるAE信号の違いを検討した。単独ノズルを使用した場合、溶液として水のみを噴射させた場合のAE信号強度と、各種材料を2〜20%の濃度の懸濁液にした場合の微細化実験を行い。それらの関連性を調べた。
Hereinafter, embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
The inventors of the present application attach an AE sensor to the high-pressure injection processing device, detect an AE signal having a frequency of 0.2 MHz or more generated from the nozzle during high-pressure injection, and the difference in the AE signal due to the difference in nozzle hole diameter and thickness. It was investigated. When a single nozzle is used, an AE signal intensity when only water is sprayed as a solution, and a miniaturization experiment when various materials are made into suspensions having a concentration of 2 to 20%. Their relationship was examined.

(AE信号に関して)
前述したように、高圧噴射処理における微細化現象は、主に高圧部分で発生するキャビテーションやせん断力にあることが分かった。高圧噴射処理装置内において発生するキャビテーションは、(C)低圧側で発生している低エネルギーのキャビテーション、(D)ノズル内で発生している高エネルギーのキャビテーションの(C)、(D)に分類される。原料混合液の粒子の微細化においては、本質的な強い作用は上述の(D)のキャビテーションの崩壊に基づく衝撃であるから、(D)のキャビテーションによるAE信号、すなわち高周波信号(0.2MHz以上)を、AEセンサを使用して計測することで、粒子の微細化の度合いや流れによる粉砕力などを評価することができる。
(Regarding AE signal)
As described above, it has been found that the miniaturization phenomenon in the high-pressure injection processing is mainly due to cavitation and shear force generated in the high-pressure portion. Cavitation generated in the high-pressure jet processing equipment is classified into (C) low energy cavitation generated on the low pressure side, (D) high energy cavitation generated in the nozzle (C), (D). Is done. In the refinement of the particles of the raw material mixture, an essential strong action is an impact based on the collapse of the cavitation described in (D) above. Therefore, an AE signal by cavitation in (D), that is, a high frequency signal (0.2 MHz or higher) ) By using an AE sensor, the degree of particle miniaturization, the pulverization force due to the flow, and the like can be evaluated.

本発明において使用する高圧噴射処理装置
図1は、本発明の高圧噴射処理装置の高圧シリンダー500、低圧チャンバー40およびノズル400周辺の概略構成を示すブロック図である。
本発明において、高圧噴射処理装置とは、高圧ポンプを駆動及び制御することで原料混合液を100MPa以上に加圧するための駆動制御部と、原料混合液10を100MPa以上に加圧する高圧ポンプと、原料混合液10を投入する原料タンクと高圧シリンダーが備わっている装置である。投入され100MPa以上に加圧された原料混合液(及び10内の粒子1a)はノズル400周辺で加速され、ノズル付近を通過するときに、高速な流れになりキャビテーションが発生する。そのとき、流れは、層流、乱流、さらに、初期噴射圧が半分の場所でキャビテーションが発生し、ジェット流が生成される。ジェット流内部では、高圧キャビテーションにより粒子1aは粉砕され粒子1cになる。その後、低圧チャンバー40にて、気泡の多いスーパーキャビテーション状態になり、撹拌され分散された粒子1cを有する懸濁液20が生成される。ここで、噴射の圧力エネルギーは運動エネルギーに変換され、最終的に熱になるので、懸濁液を冷却する熱交換器などが挿入される。この高圧噴射処理装置としては既知の装置が適用できる。符号600で示す矢印はAE信号の主な伝搬経路を示している。
次に、前記原料タンクに前記原料混合液10を投入し、前記高圧ポンプにて前記原料混合液10を100MPa以上に加圧して、前記ノズル400から前記原料混合液10を噴射させることで、粒子1aはさらに微細化され微粒子1bになり、懸濁液20とし、出口402から懸濁液20が排出される。この処理を図25(c)の1cになるまで、あるいは、その微細化の限界まで繰り返すことになる。これを噴射回数Nとする。処理効果が高いとは、同じ径の微粒子を得るためのNが小さいことを言っている。
前記チャンバー40には、シングルノズルチャンバー、斜向衝突チャンバー、ボール衝突チャンバー等の種類がある。
また、高圧噴射処理装置のモニタリング機器1を前記高圧噴射処理装置に取り付けて、ノズルや高圧シリンダー等の装置の性能評価を行うことが可能である。その場合、前記高圧噴射処理装置に取り付けるAEセンサ9と当該AEセンサ9から検出されたAE信号を処理して、装置の性能評価を判定する信号処理判定手段8を備える。
High-pressure injection apparatus Figure 1 for use in the present invention, the high-pressure cylinder 500 of the high-pressure injection apparatus of the present invention, is a block diagram showing the schematic configuration of the peripheral low pressure chamber 40 and nozzle 400.
In the present invention, the high-pressure injection processing device is a drive control unit for pressurizing the raw material mixture to 100 MPa or more by driving and controlling the high-pressure pump, a high-pressure pump for pressurizing the raw material mixture 10 to 100 MPa or more, It is an apparatus equipped with a raw material tank into which the raw material mixture 10 is charged and a high-pressure cylinder. The raw material mixture (and the particles 1a in 10) that has been charged and pressurized to 100 MPa or more is accelerated around the nozzle 400, and when passing through the vicinity of the nozzle, it becomes a high-speed flow and cavitation occurs. At that time, the flow is laminar, turbulent, and further, cavitation occurs at a place where the initial injection pressure is half, and a jet flow is generated. Inside the jet stream, the particles 1a are pulverized into particles 1c by high-pressure cavitation. Thereafter, in the low pressure chamber 40, a super cavitation state with a lot of bubbles is generated, and the suspension 20 having the stirred and dispersed particles 1c is generated. Here, since the pressure energy of injection is converted into kinetic energy and eventually becomes heat, a heat exchanger or the like for cooling the suspension is inserted. A known apparatus can be applied as the high-pressure jet processing apparatus. An arrow indicated by reference numeral 600 indicates a main propagation path of the AE signal.
Next, the raw material mixed solution 10 is charged into the raw material tank, the raw material mixed solution 10 is pressurized to 100 MPa or more with the high-pressure pump, and the raw material mixed solution 10 is injected from the nozzle 400, whereby particles 1 a is further refined to become fine particles 1 b, which are made into a suspension 20, and the suspension 20 is discharged from the outlet 402. This process is repeated until 1c in FIG. 25C or until the limit of miniaturization. This is referred to as injection number N P. The process is highly effective, saying that N P for obtaining the fine particles of the same diameter is small.
The chamber 40 includes various types such as a single nozzle chamber, an oblique collision chamber, and a ball collision chamber.
Further, it is possible to perform performance evaluation of devices such as nozzles and high pressure cylinders by attaching the monitoring device 1 of the high pressure injection processing device to the high pressure injection processing device. In that case, an AE sensor 9 attached to the high-pressure injection processing device and an AE signal detected from the AE sensor 9 are processed to include signal processing determination means 8 for determining performance evaluation of the device.

前記原料混合液10は、例えば粒子1a(原料)と水や有機溶媒との混合液である。用途によって界面活性剤を含むこともある。本発明において、前記原料混合液10に含まれる粒子1a(原料)は、酸化チタン、チタン酸バリウム、フェライト、アルミナ、シリカ、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)、その他既知の金属、酸化物、炭化物微粒子が挙げられる。また、セルロースやカーボンナノチューブCNTなどの、ファイバー形状の材料を使用することも可能である。前記原料混合液10は、前記微粒子やそれらの凝集体が含有された懸濁液状の液体である。   The raw material mixture 10 is, for example, a mixed solution of particles 1a (raw material) and water or an organic solvent. Depending on the application, a surfactant may be included. In the present invention, the particles 1a (raw material) contained in the raw material mixture 10 are titanium oxide, barium titanate, ferrite, alumina, silica, PZT (lead zirconate titanate), and other known metals, oxides, and carbides. Fine particles are mentioned. It is also possible to use a fiber-shaped material such as cellulose or carbon nanotube CNT. The raw material mixture 10 is a suspension liquid containing the fine particles and their aggregates.

図2は、上記実施形態のノズル400の概略構成例を示す模式図であり、(a)は単独ノズルN1のうち、ひとつのノズルチップとノズルホルダーで構成されたノズルを示し、(b)は多段のノズルN2(微細化処理用のノズル)を示し、(c)は多段のノズルN3(解繊処理用のノズル)を示し、(d)は単独ノズルN1のうちノズルチップが積層されたノズルを示す。
ノズルN1は単独のノズルであり、1つのノズルチップNnと1つのノズルホルダーNhから構成されたノズル(図2(a))と、複数積層されたノズルチップNnと1つのノズルホルダーNhで構成されたノズル(図2(d))がある。
ノズルN2,N3(図2(b),(c))は、複数(多段)のノズルチップNn(m=1,2,・・・,M)と複数(多段)のノズルホルダーNh(m=1,2,・・・,M)を組み合わせてノズルN2,N3を形成したものである。
前記ノズルN2は、一番上流側に位置するノズルチップNnの通孔の直径Dnを一番小さくし、その他のノズルチップNn,Nn,・・・,Nnの通孔の直径Dn,Dn,・・・,Dnは、前記ノズルチップNnの通孔の直径Dnよりも大きい値とすることで、効率的な微細化処理が可能なノズルとしたものである。
前記ノズルN3は、一番下流側に位置するノズルチップNnの通孔の直径Dnを小さくし、その他のノズルチップNn,Nn,・・・,NnM−1の通孔の直径Dn,Dn,・・・,DnM−1は直径Dnよりも大きな値とすることで、解繊処理に最適なノズルとしたものである。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration example of the nozzle 400 of the above-described embodiment, in which (a) illustrates a nozzle composed of one nozzle tip and a nozzle holder, and (b) illustrates a single nozzle N1. A multi-stage nozzle N2 (miniaturization nozzle) is shown, (c) is a multi-stage nozzle N3 (defibration nozzle), and (d) is a nozzle in which nozzle chips are stacked in the single nozzle N1. Indicates.
The nozzle N1 is a single nozzle, and is composed of a nozzle (FIG. 2A) composed of one nozzle chip Nn and one nozzle holder Nh, a plurality of stacked nozzle chips Nn and one nozzle holder Nh. There is a nozzle (FIG. 2 (d)).
The nozzles N2 and N3 (FIGS. 2B and 2C) include a plurality (multi-stage) nozzle tips Nn m (m = 1, 2,..., M) and a plurality (multi-stage) nozzle holders Nh m ( m = 1, 2,..., M) to form nozzles N2, N3.
The nozzle N2 is reduced most the diameter Dn 1 through hole nozzle tip Nn 1 located most upstream side, the other nozzle tip Nn 2, Nn 3, · · ·, the diameter of the through hole of Nn M Dn 2 , Dn 3 ,..., Dn M are nozzles that can be efficiently miniaturized by making the value larger than the diameter Dn 1 of the through hole of the nozzle tip Nn 1. .
The nozzle N3 is to reduce the diameter Dn M through hole of the nozzle tip Nn M located most downstream side, the other nozzle tip Nn 1, Nn 2, · · ·, the through hole of Nn M-1 diameter Dn 1 , Dn 2 ,..., Dn M-1 are nozzles that are optimal for the defibrating process by making the values larger than the diameter Dn M.

(本発明の第1の実施形態)
高圧噴射装置として、スギノマシン社のスターバーストミニHJP−25001を使用し、低圧キャンバーはすべてボール衝突チャンバーを使用した。
ノズル
図3は、本発明の第1の実施形態である単独のノズルN1を示す概略図であり、(a)はノズルN1を示す断面図で、(b)は、ノズルチップの通孔の直径Dnに対する厚みWnの比(Wn/Dn)を10とする例である。
前記ノズルN1は、厚みがWnで通孔の直径がDnのノズルチップNnと、通孔の厚みがWhで通孔の直径がDhのノズルホルダーNhから構成された単独のノズルである。
前記ノズルチップNnは上流側は前記原料タンク103と、下流側はノズルホルダーNhと接続され、前記ノズルチップNnの中心箇所には円柱状の通孔が設けられている。前記ノズルチップNnの材質は単結晶ダイヤモンドや、多結晶ダイヤモンド、焼結ダイヤモンド等の硬い材料である。
前記ノズルホルダーNhは、前記ノズルチップNnを固定するためのホルダーであり、上流側は高圧シリンダー部分に取り付けられ、下流側は低圧チャンバー4と接続されている。前記ノズルホルダーNhの中心箇所にも前記ノズルチップNnと同様に円柱状の通孔が設けられている。前記ノズルチップNhの材質はSUS630等のSUS系の金属である。
単独のノズルは、1つのノズルチップNnと1つのノズルホルダーNhから構成されたものや(図2(a))、複数積層されたノズルチップNnと1つのノズルホルダーNhで構成されたノズル(図2(d))がある。
ここで、ノズルホルダーのDhは、ノズルチップNnを固定していない箇所の通孔の直径のことであり、ノズルホルダーのWhは、ノズルチップNnを固定していない箇所の通孔の厚みのことである。
前記ノズルチップのDnはノズルN1内の流速を高速とするため0.2mm以下であることが好ましく、より好ましくは0.1mm〜0.16mm(0.16mm以下)がよい。そして前記ノズルチップのWnは、前記ノズルチップのDnとWnの比(Wn/Dn)が10以上(図3(b))となるように決定する。実際には、通孔は均一な径にはならないので、その最小径をDnと標記する。
また前記ノズルチップのDnと、前記ノズルホルダーのDhが、前記ノズルチップの通孔の直径Dn≦前記ノズルホルダーの通孔の直径Dhとなるように形成する。本発明の実施例では、前記ノズルチップのDnは0.1mmであり、前記ノズルホルダーのDhは0.8mmである。また、前記ノズルチップのWnは0.9〜4.5mmであり、前記ノズルホルダーのWhは5mmである。
(First embodiment of the present invention)
As a high-pressure injection device, a starburst mini HJP-25001 from Sugino Machine was used, and a ball collision chamber was used for all low-pressure cambers.
Nozzle FIGS. 3A and 3B are schematic views showing a single nozzle N1 according to the first embodiment of the present invention, FIG. In this example, the ratio of the thickness Wn to Dn (Wn / Dn) is 10.
The nozzle N1 is a single nozzle composed of a nozzle tip Nn having a thickness Wn and a through hole diameter Dn, and a nozzle holder Nh having a through hole thickness Wh and a through hole diameter Dh.
The nozzle tip Nn is connected to the raw material tank 103 on the upstream side and the nozzle holder Nh on the downstream side, and a cylindrical through hole is provided at the center of the nozzle tip Nn. The nozzle tip Nn is made of a hard material such as single crystal diamond, polycrystalline diamond, or sintered diamond.
The nozzle holder Nh is a holder for fixing the nozzle tip Nn, the upstream side is attached to the high pressure cylinder portion, and the downstream side is connected to the low pressure chamber 4. Similarly to the nozzle tip Nn, a cylindrical through hole is provided at the center of the nozzle holder Nh. The material of the nozzle tip Nh is a SUS metal such as SUS630.
A single nozzle is composed of one nozzle chip Nn and one nozzle holder Nh (FIG. 2A), or a nozzle composed of a plurality of stacked nozzle chips Nn and one nozzle holder Nh (see FIG. 2). 2 (d)).
Here, Dh of the nozzle holder is the diameter of the through hole where the nozzle tip Nn is not fixed, and Wh of the nozzle holder is the thickness of the through hole where the nozzle chip Nn is not fixed. It is.
Dn of the nozzle tip is preferably 0.2 mm or less, more preferably 0.1 mm to 0.16 mm (0.16 mm or less) in order to increase the flow rate in the nozzle N1. The Wn of the nozzle chip is determined so that the ratio (Wn / Dn) of Dn and Wn of the nozzle chip is 10 or more (FIG. 3B). Actually, since the through-hole does not have a uniform diameter, the minimum diameter is denoted as Dn.
The nozzle tip Dn and the nozzle holder Dh are formed such that the nozzle tip through hole diameter Dn ≦ the nozzle holder through hole diameter Dh. In an embodiment of the present invention, Dn of the nozzle tip is 0.1 mm, and Dh of the nozzle holder is 0.8 mm. The nozzle tip Wn is 0.9 to 4.5 mm, and the nozzle holder Wh is 5 mm.

(実験例1)
単独のノズルN1の実験例1
実験例1では、従来品であるノズルaと本発明の高圧噴射処理装置のノズルである(表1)のノズルb,c,dを使用し、AEセンサを前記高圧噴射処理装置のノズルa〜dで発生する超音波が検出できる場所に取り付け、前記高圧噴射処理装置のノズルa〜dから噴射圧P[MPa](P:50,100,150,200,240)(噴射圧P:ノズルの入口からノズル内へ液体を噴射する際の初期圧力)を変化させながら原料混合液を高圧噴射処理した。そして、前記高圧噴射処理を行う時に前記ノズルの孔内で生じる周波数が0.2MHz以上の超音波を前記AEセンサによって検出し、前記AEセンサからの信号レベルを検出し、時間経過による各噴射圧PのAE信号電圧の変化を計測した。
(Experimental example 1)
Experimental example 1 of single nozzle N1
In Experimental Example 1, the nozzle a which is a conventional product and the nozzles b, c and d of the high pressure injection processing apparatus of the present invention (Table 1) are used, and the AE sensor is used as the nozzle a to the high pressure injection processing apparatus. It is attached to a place where ultrasonic waves generated at d can be detected, and the injection pressure P N [MPa] (P N : 50, 100, 150, 200, 240) (injection pressure P N from the nozzles a to d of the high-pressure injection processing device. : The raw material mixture was subjected to high-pressure jetting treatment while changing the initial pressure when the liquid was jetted from the nozzle inlet into the nozzle. Then, when performing the high-pressure injection process, an ultrasonic wave having a frequency of 0.2 MHz or more generated in the nozzle hole is detected by the AE sensor, a signal level from the AE sensor is detected, and each injection pressure over time The change in the AE signal voltage of PN was measured.

その結果を図9〜図12に示す。 The results are shown in FIGS.

図9〜図12は、ノズルa〜dを使用した場合の各種噴射圧PをパラメータとしたAE信号電圧Vrmsの時間経過変化を表すグラフである。
ノズルaにおいては、ノズルチップのWnが短いことと、ノズルホルダーのDhがノズルチップのDnよりも急激に大きくなっているため、噴射圧Pが変化しても、AE信号Vrmsは約80mVで大きく変化しなかった。ノズルbを使用し、ノズルホルダーのDhを0.8mmと小さくした場合には、噴射圧Pが150MPaの場合に少しVrmsの減少が見られるが、200MPaにすると、Vrmsは120から150mVへと大きくなった。そして、ノズルcにおいてノズルチップのWnを1.5mmと厚くすると、Pが50MPaのような低圧の場合には変化は見られないが、Pが100MPa以上にすると、Vrmsは130mVと急激に大きくなった。さらに、240MPaにすると190mVまで、大きくなった。ノズルdにおいては、ノズルチップのDnを0.2mmと大きくすると、Pが50MPaと小さい場合には、Vrmsは100mVと大きいが、Pを上げても140mV以上になることはなかった。また、Pが100MPa以上で、Dnが0.1mmのノズルのVrmsより、大きくなることはなかった。これらの結果から、Vrmsは、ノズルチップのDnが0.2mmの場合よりも、0.1mmの場合のほうが大きく、ノズルチップのWnが厚い方が大きい傾向があることが示された。また、ノズルホルダーのDhも0.8mmと、小さい方がVrmsの値が大きくなることが分かった。
9 to 12 are graphs showing changes over time of the AE signal voltage V rms using various injection pressures PN as parameters when the nozzles a to d are used.
In the nozzle a, the Wn of the nozzle tip is short and the Dh of the nozzle holder is abruptly larger than the Dn of the nozzle tip. Therefore, even if the injection pressure PN changes, the AE signal V rms is about 80 mV. It did not change greatly. When the nozzle b is used and the Dh of the nozzle holder is reduced to 0.8 mm, a slight decrease in V rms can be seen when the injection pressure PN is 150 MPa, but at 200 MPa, the V rms is 120 to 150 mV. It became bigger. When the nozzle tip Wn is thickened to 1.5 mm in the nozzle c, no change is observed when the PN is as low as 50 MPa. However, when the PN is 100 MPa or more, the V rms is rapidly as 130 mV. Became bigger. Furthermore, when it was 240 MPa, it became large to 190 mV. In the nozzle d, when the Dn of the nozzle tip was increased to 0.2 mm, when the PN was as small as 50 MPa, the V rms was as large as 100 mV, but even if the PN was increased, it did not exceed 140 mV. Moreover, it was not larger than V rms of a nozzle having PN of 100 MPa or more and Dn of 0.1 mm. From these results, it was shown that V rms tends to be larger when the nozzle tip Dn is 0.1 mm and larger when the nozzle tip Wn is thicker than when the nozzle tip Dn is 0.2 mm. Further, it was found that the value of V rms increases as the Dh of the nozzle holder is as small as 0.8 mm.

(実験例2)
単独のノズルN1の実験例2(積層ノズル)
(表1)に示すノズルcにおいて使用したノズルチップを三枚積層した以下(表2)に示すノズルhとi(図2(d))および(表1)に示すa〜dを高圧噴射処理装置に取り付け、噴射圧P[MPa](P:50,100,150,200,240)(噴射圧P:ノズルの入口からノズル内へ液体を噴射する際の初期圧力)を変化させながら原料混合液を高圧噴射処理した。Pの変化による平均速度vとAE信号電圧Vrms(AE信号電圧の実効値)を計測した。
図13は、ノズルa〜d,hとiにおける各種噴射圧Pによる平均速度v[m/sec]変化を表すグラフであり、図14は、ノズルa〜dを使用した場合の、PによるVrms[mV]の変化を表すグラフである。
Dnが0.1mmのノズルにおいては、Wnを0.9mmから1.5mm(Wn/Dnは9から15)に大きくしても、vは同じ値を示した。ノズルチップを3つ積層し、Wnを4.5mmとしたノズルhの場合(Wn/Dnは45)には、vは小さくなった。一方、Dnが0.2mmの場合、Wn/Dnは7.5であるが、vは急激に小さくなった。
積層ノズルh(Wn/Dnは45)においては、ノズルチップのWnを大きくしたことにより、vが遅くなっており、300m/sを超えるのは、Pが150MPa以上からであった。Dnが0.15mmのノズルi(Wn/Dnは30)においては、ノズルチップを3つ積層しWnを大きくしても、Pが150MPa以下で、vはさほど小さくなられなかった。vの値を大きくするには、Dnは0.15mm以下であり、Wnも重要なパラメータであり、そのWnには最適な範囲があることが分かった。
(Experimental example 2)
Experimental example 2 of single nozzle N1 (stacking nozzle)
Three nozzle chips used in the nozzle c shown in (Table 1) were stacked, and the nozzles h and i shown in (Table 2) below (FIG. 2 (d)) and ad shown in (Table 1) were subjected to high-pressure injection processing. It is attached to the apparatus and the injection pressure P N [MPa] (P N : 50, 100, 150, 200, 240) (injection pressure P N : initial pressure when liquid is injected into the nozzle from the nozzle inlet) is changed. The raw material mixture was subjected to high-pressure injection treatment. The average speed v N and the AE signal voltage V rms (effective value of the AE signal voltage) due to the change in PN were measured.
FIG. 13 is a graph showing a change in average velocity v N [m / sec] due to various injection pressures P N at the nozzles a to d, h and i, and FIG. 14 is a graph showing the change in P when the nozzles a to d are used. 5 is a graph showing changes in V rms [mV] due to N.
In the nozzle with Dn of 0.1 mm, v N showed the same value even when Wn was increased from 0.9 mm to 1.5 mm (Wn / Dn was 9 to 15). Nozzle tip and three stacked, in the case of the nozzle h was the Wn and 4.5 mm (Wn / Dn is 45), v N was smaller. On the other hand, Dn is the case of 0.2 mm, Wn / Dn is a 7.5, v N became drastically reduced.
In the laminated nozzle h (Wn / Dn is 45), by which to increase the Wn of the nozzle tip, v N has become slower, exceeding the 300 meters / s is, P N was from above 150 MPa. In Dn is 0.15mm nozzle i (Wn / Dn is 30), increasing the three stacked Wn nozzle tip, P N is below 150 MPa, v N was not become so small. v To increase the value of N is, Dn is a 0.15mm or less, Wn is also an important parameter, for its Wn was found that there is an optimum range.

図14は、ノズルa〜dにおける各種噴射圧PによるAE信号の電圧Vrms[mV]を表すグラフである。
Dnが0.1mmの場合、Wnを0.9から1.5mmの大きくすると急激にVrmsが大きくなった。このDnでDhを小さくした場合、Pが50〜150MPaの範囲ではVrmsは減少し、200MPa以上の高いPで、Vrmsは増加した。一方、Dnを0.2mmと大きくすると、Vrmsは小さくなる傾向を示した。Vrmsの値は、Wnの値と関連していることが分かった。図13の結果も考慮するとDnが0.2mmでは、vの値が急激に小さくなることから、Vrmsの値にはvの大きさも重要になることが分かった。
Figure 14 is a graph showing the voltage V rms [mV] of the AE signal by the various injection pressure P N at the nozzle to d.
When Dn was 0.1 mm, V rms suddenly increased when Wn was increased from 0.9 to 1.5 mm. If a smaller Dh at this Dn, P N is V rms in the range of 50~150MPa decreases, at 200MPa higher than P N, V rms increased. On the other hand, when Dn was increased to 0.2 mm, V rms tended to decrease. It was found that the value of V rms is related to the value of Wn. In Dn is 0.2mm Considering the results of FIG. 13, v from the value of N is rapidly reduced, was found to be important also the magnitude of v N is the value of V rms.

実験例1,実験例2の結果から、ノズルdを使用した場合(ノズルチップのDnを0.2mmと大きくした)と流速vは遅くなり、Vrmsも小さくなった。これにより、ノズルチップのDnとWnが高圧キャビテーションの発生量を示すAE信号電圧Vrmsの大きさに、強く依存することが確かめられた。
以上のことは、高圧噴射処理装置においてノズルチップのDnは重要なパラメータであり、高圧キャビテーションを利用した微細化処理にはDnが小さく、Wnがなるべくく、Wn/Dnが10以上であるノズルが有効であることが示された。
実際の通孔は正確には厚み依存性を持っているが、ここではノズルチップ内の径の最小径をDnとしている。
Experimental Example 1, the results of Experimental Example 2, when using the nozzle d (nozzle tip Dn large as 0.2mm and was) a flow velocity v N becomes slower, V rms also becomes smaller. As a result, it was confirmed that Dn and Wn of the nozzle tip strongly depend on the magnitude of the AE signal voltage V rms indicating the amount of high voltage cavitation.
As described above, Dn of the nozzle tip is an important parameter in the high-pressure injection processing apparatus, and in the miniaturization processing using high-pressure cavitation, Dn is small, Wn is as small as possible, and Wn / Dn is 10 or more. It was shown to be effective.
The actual through hole has a thickness dependency, but here, the minimum diameter of the nozzle tip is Dn.

(本発明の第2の実施形態)
多段のノズル(微細化処理用のノズル)
図4は、本発明の第2の実施形態である多段のノズルN2を示す断面図である。
第1の実施形態であるノズルN1は、1つのノズルホルダーとノズルチップから構成された単独ノズルであった。実施例1、実施例2の結果から高圧キャビテーションを利用した微細化処理には、前記ノズルチップのDnが小さく、Wnがなるべく厚く、Wn/Dnが10以上のノズルが有効であることが分かったが、ノズルチップの材質である単結晶ダイヤモンドや、焼結ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等にWnを厚い状態でDnを小さく形成するのは非常に困難である。
したがって、本発明のノズルN2は、複数(多段)のノズルチップNn(m=1,2,・・・,M)と複数(多段)のノズルホルダーNh(m=1,2,・・・,M)を組み合わせてノズルN2を形成する。これは、第1の実施形態のノズルN1と同様の効果を可能としたものであり、その他の構成は第1の実施形態と同様であるため、同様の構成に関しては同一の符号を付して説明を省略する。
(Second embodiment of the present invention)
Multi-stage nozzle (nozzle for miniaturization)
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a multi-stage nozzle N2 according to the second embodiment of the present invention.
The nozzle N1 according to the first embodiment is a single nozzle composed of one nozzle holder and a nozzle tip. From the results of Example 1 and Example 2, it was found that the nozzle tip having a small Dn, a Wn as thick as possible, and a Wn / Dn of 10 or more is effective for the miniaturization process using high-pressure cavitation. However, it is very difficult to form a small Dn with a thick Wn in a single crystal diamond, a sintered diamond, a polycrystalline diamond or the like, which is a material of the nozzle tip.
Therefore, the nozzle N2 of the present invention includes a plurality (multi-stage) nozzle tips Nn m (m = 1, 2,..., M) and a plurality (multi-stage) nozzle holders Nh m (m = 1, 2,... ., M) are combined to form the nozzle N2. This enables the same effect as the nozzle N1 of the first embodiment, and the other configurations are the same as those of the first embodiment. Therefore, the same reference numerals are assigned to the same configurations. Description is omitted.

ノズルN2は、複数のノズルチップNn(m=1,2,・・・,M)と複数のノズルホルダーNh(m=1,2,・・・,M)から構成され、上流側から下流側へNn,Nh,Nn,Nh,Nn,Nh,・・・,Nn,Nhの順に並んで取り付けられており、前記ノズルチップNnの通孔と前記ノズルホルダーNhの通孔が全て同軸上となるように形成されている。
ノズルチップNn(m=1,2,・・・,M)とノズルホルダーNh(m=1,2,・・・,M)の数Mは、2個以上であることが好ましく、3個であることがより好ましい。
前記ノズルチップNn(m=1,2,・・・,M)の中心箇所には円柱状の通孔が設けられている。前記ノズルチップNnの材質は単結晶ダイヤモンドや、焼結ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等である。
前記ノズルホルダーNhは、前記ノズルチップNnを固定するためのホルダーであり、上流側は高圧シリンダー部500に取り付けられ、下流側は前記チャンバー400と接続されている。前記ノズルホルダーNhの中心箇所にも前記ノズルチップNn(m=1,2,・・・,M)と同様に円柱状の通孔が設けられている。前記ノズルチップNhの材質はSUS630等のSUS系の金属である。
一番上流側に位置するノズルチップNnは加圧された前記原料混合液10を前記チャンバー40に流入するための入口であり、上流側は前記原料タンク103からの管と接続され、下流側はノズルホルダーNhに取り付けられている。
前記ノズルチップNnの通孔の直径Dn(m=1,2,・・・,M)はノズルN2内の流速を高速とするため0.2mm以下であることが好ましい。また、一番上流側に位置するノズルチップNnの通孔の直径Dnを一番小さくし、その他のノズルチップNn,Nn,・・・,Nnの通孔の直径Dn,Dn,・・・,Dnは、(数5)のように直径Dnよりも大きい値とする。
The nozzle N2 is composed of a plurality of nozzle tips Nn m (m = 1, 2,..., M) and a plurality of nozzle holders Nh m (m = 1, 2,..., M). Nn 1 to the downstream side, Nh 1, Nn 2, Nh 2, Nn 3, Nh 3, ···, Nn M, mounted side by side in the order of Nh M, wherein the through hole of the nozzle tip Nn m nozzle through hole of the holder Nh m is formed all so as to be coaxial.
The number M of the nozzle tips Nn m (m = 1, 2,..., M) and the nozzle holder Nh m (m = 1, 2,..., M) is preferably 2 or more. More preferably.
A cylindrical through hole is provided at the center of the nozzle tip Nn m (m = 1, 2,..., M). The material of the nozzle tip Nn m is or a single crystal diamond, a sintered diamond, polycrystalline diamond or the like.
The nozzle holder Nh m is a holder for fixing the nozzle tip Nn m, upstream is attached to the high-pressure cylinder unit 500, the downstream side is connected to the chamber 400. Wherein in the center portion of the nozzle holder Nh m nozzle tip Nn m (m = 1,2, ··· , M) similarly to cylindrical through hole. The material of the nozzle tip Nh m is SUS-based metal such as SUS630.
The nozzle tip Nn 1 located on the most upstream side is an inlet for flowing the pressurized raw material mixture 10 into the chamber 40, and the upstream side is connected to a pipe from the raw material tank 103, and the downstream side Is attached to the nozzle holder Nh 1 .
The diameter Dn m (m = 1, 2,..., M) of the nozzle chip Nn m is preferably 0.2 mm or less in order to increase the flow velocity in the nozzle N2. Further, to reduce most the diameter Dn 1 through hole nozzle tip Nn 1 located most upstream side, the other nozzle tip Nn 2, Nn 3, ···, Nn M diameter Dn 2 through holes of Dn 3 ,..., Dn M is a value larger than the diameter Dn 1 as shown in (Equation 5).

直径Dnを0.1mm〜0.16mm(0.16mm以下)に、その他のDn(m=2,・・・,M)を0.16mm以上0.8mm以下とするのが好ましく、0.2mmがより好ましい。
また、前記ノズルチップNnの通孔の厚みWn(m=1,2,・・・,M)は、(数4)のように、前記ノズルチップNnの通孔の直径Dnに比べて前記ノズルチップNnの通孔の厚みWn(m=1,2,・・・,M)の合計を充分に大きくする(前記ノズルチップNnの通孔の直径Dnと前記ノズルチップNnの通孔の厚みWn(m=1,2,・・・,M)の合計の比を10以上とする)(数6)。
The diameter Dn 1 is preferably 0.1 mm to 0.16 mm (0.16 mm or less), and the other Dn m (m = 2,..., M) is preferably 0.16 mm to 0.8 mm. .2 mm is more preferable.
Further, the through hole thickness Wn m (m = 1, 2,..., M) of the nozzle chip Nn m is equal to the diameter Dn 1 of the through hole of the nozzle chip Nn 1 as shown in (Equation 4). compared the nozzle tip Nn m through hole in the thickness Wn m to (m = 1,2, ···, M ) total sufficiently to increase the (the diameter Dn 1 through hole of the nozzle tip Nn 1 of the nozzle The total ratio of the through-hole thicknesses Wn m (m = 1, 2,..., M) of the chip Nn m is 10 or more) (Equation 6).

(数5)、(数6)のようなノズルチップNnを使用することによって、直径が小さく、かつ長さが長い通孔をもつノズルチップを形成せずとも、(E)長さが短い通孔をもつノズルチップを複数組み合わせること、(F)通孔の直径が小さいノズルを一番上流側に配置しその他のノズルは通孔の直径をある程度大きくする、上記(E)、(F)を実現することによって、効率的な微細化処理が可能になり、長さが長い通孔をもつノズルチップを使用した場合と同様の効果を得ることが可能となる。さらに、ノズルチップとなる硬い材質である単結晶ダイヤモンド、焼結ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等の強硬質な材質に小さな孔を長く開ける必要がないため、製造が簡単となる。 (5), by using a nozzle tip Nn m, such as (6), without forming a nozzle tip with a long through-hole diameter is small and the length is shorter (E) Length (E), (F), wherein a plurality of nozzle tips having through holes are combined, (F) a nozzle having a small diameter of the through hole is arranged on the most upstream side, and the diameters of the other nozzles are increased to some extent. By realizing the above, efficient miniaturization processing becomes possible, and it becomes possible to obtain the same effect as when a nozzle chip having a long through-hole is used. Further, since it is not necessary to make a long hole in a hard and hard material such as single crystal diamond, sintered diamond, and polycrystalline diamond which are hard materials for the nozzle tip, the manufacturing is simplified.

(本発明の第3の実施形態)
多段のノズル(解繊処理用のノズル)
図5は、本発明の第3の実施形態である多段のノズルN3を示す断面図である。
第2の実施形態であるノズルN2は、上流側に径の小さいノズルチップを配置した多段のノズルであり、効率的な微細化処理を可能にするものであったが、本発明の多段のノズルN3は、上流側に径の大きなノズルチップを配置することで、解繊処理用のノズルを形成したものである。その他の構成は第2の実施形態と同様であるため、同様の構成に関しては同一の符号を付して説明を省略する。
(Third embodiment of the present invention)
Multi-stage nozzle (nozzle for defibrating treatment)
FIG. 5 is a sectional view showing a multi-stage nozzle N3 according to the third embodiment of the present invention.
The nozzle N2 according to the second embodiment is a multistage nozzle in which a nozzle tip having a small diameter is arranged on the upstream side, and enables efficient miniaturization processing. The multistage nozzle of the present invention N3 forms a nozzle for defibrating treatment by disposing a nozzle tip having a large diameter on the upstream side. Since the other configuration is the same as that of the second embodiment, the same reference numeral is assigned to the same configuration, and description thereof is omitted.

ノズルN3は、複数のノズルチップNn(m=1,2,・・・,M)と複数のノズルホルダーNh(m=1,2,・・・,M)から構成され、ノズルN3内において上流側から下流側へNn,Nh,Nn,Nh,Nn,Nh,・・・,Nn,Nhの順に並んで取り付けられており、前記ノズルチップNnの通孔と前記ノズルホルダーNhの通孔が全て同軸上となるように形成されている。
ノズルチップNn(m=1,2,・・・,M)とノズルホルダーNh(m=1,2,・・・,M)の数Mは、2個以上であることが好ましく、3個であることがより好ましい。
一番上流側に位置するノズルチップNnは加圧された前記原料混合液10を前記チャンバー40内に噴射するための入口であり、最も上流側に位置するノズルチップNnの通孔の直径Dnを大きくし、上流側から下流側へ配置されるノズルチップNn,・・・,NnM−1の通孔の直径Dn,・・・,Dnm−1をノズルチップNnの通孔の直径Dnと同様の大きさか、もしくは小さな値とする。そして、最も下流側に位置するノズルチップNnの通孔の直径Dnは、その他のノズルチップの通孔の直径Dn,Dn,・・・,Dnm−1よりも小さな値とする(数7)。
The nozzle N3 is composed of a plurality of nozzle tips Nn m (m = 1, 2,..., M) and a plurality of nozzle holders Nh m (m = 1, 2,..., M). in Nn 1 from the upstream side to the downstream side, Nh 1, Nn 2, Nh 2, Nn 3, Nh 3, ···, Nn M, mounted side by side in the order of Nh M, through the nozzle tip Nn m through hole of the a hole nozzle holder Nh m is formed all so as to be coaxial.
The number M of the nozzle tips Nn m (m = 1, 2,..., M) and the nozzle holder Nh m (m = 1, 2,..., M) is preferably 2 or more. More preferably.
The nozzle tip Nn 1 located on the most upstream side is an inlet for injecting the pressurized raw material mixture 10 into the chamber 40, and the diameter of the through hole of the nozzle tip Nn 1 located on the most upstream side. increasing the dn 1, nozzle tip Nn 2 disposed from the upstream side to the downstream side, ..., the diameter dn 2 through holes of Nn M-1, ..., a dn m-1 of the nozzle tip Nn 1 similar or size as the diameter Dn 1 through hole or a small value. Then, the diameter Dn M through hole of the nozzle tip Nn M which is located on the most downstream side, the diameter Dn 1 other nozzle tip through holes, Dn 2, · · ·, to a value smaller than Dn m-1 (Equation 7).

直径Dn,Dn,・・・,Dnm−1は0.16mm以上0.8mm以下とするのが好ましく、0.2mmとするのがより好ましい。最も下流側のDnを0.1mm〜0.16mm(0.16mm以下)とするのが好ましい。 The diameters Dn 1 , Dn 2 ,..., Dn m-1 are preferably 0.16 mm or more and 0.8 mm or less, and more preferably 0.2 mm. The most downstream Dn M is preferably 0.1 mm to 0.16 mm (0.16 mm or less).

(数7)のようなノズルチップNnを使用することによって、噴射圧が分圧され、高圧での層流内のせん断力と、その圧力損出による少し低いエネルギーのキャビテーションを利用したファイバー解繊処理をすることが可能となる。 By using the nozzle tip Nn M as shown in (Equation 7), the injection pressure is divided, and the fiber solution using the shear force in the laminar flow at a high pressure and the slightly low energy cavitation due to the pressure loss. It becomes possible to perform fiber processing.

このように、径の異なるノズルチップNnを種々組み合わせることによって、ノズル内のエネルギーをコントロールすることが可能となり、微細化処理用のノズルや、解繊処理用のノズル等、用途によって使い分けることが可能となる。 Thus, by combining various nozzle tip Nn m having different diameters, it becomes possible to control the energy in the nozzle, the nozzle and for fine processing, nozzles or the like for defibration treatment, be selected depending on the usage It becomes possible.

(実験例3)
多段のノズルN2の実験例3
実験例3において使用したノズルN2は、3段(M = 3)のノズルであり、使用したノズルチップNnは次の表3の通りである。
(Experimental example 3)
Experimental example 3 of multi-stage nozzle N2
Nozzles N2 used in Experimental Example 3 is a nozzle of the three stages (M = 3), a nozzle tip Nn m used were as follows in Table 3.

ノズルeは、一番上流側のノズルチップNnにおいて、その通孔の直径Dnを0.1mmのものを使用し、その他のノズルチップNn,Nnは、Dnよりも大きい0.2mmの径Dn,Dnのものを使用した。
ノズルfは、ノズルチップNn,Nn,Nnすべての通孔の直径Dn,Dn,Dnを0.1mmのものを使用した。
ノズルgは、一番上流側のノズルチップNnとその隣に位置するノズルチップNnの通孔の直径Dn,Dnを0.2mmのものを使用し、ノズルチップNnの通孔の直径Dnを直径Dn,Dnよりも小さい0.1mmのものを使用した。
ノズルe〜gすべてにおいて、ノズルチップNn,Nn,Nnの通孔の厚みDn,Dn,Dnの合計を4.5mmとした。
As the nozzle e, the most upstream nozzle tip Nn 1 having a diameter Dn 1 of the through hole of 0.1 mm is used, and the other nozzle tips Nn 2 and Nn 3 are larger than Dn 1 . Those having a diameter Dn 2 and Dn 3 of 2 mm were used.
As the nozzle f, nozzles having diameters Dn 1 , Dn 2 , Dn 3 of 0.1 mm for all the nozzle tips Nn 1 , Nn 2 , Nn 3 were used.
The nozzle g is a nozzle hole having a diameter Dn 1 , Dn 2 of 0.2 mm in the through hole of the nozzle chip Nn 1 on the most upstream side and the nozzle chip Nn 2 positioned adjacent thereto, and the through hole of the nozzle chip Nn 3 is used. the diameter Dn 3 were from smaller 0.1mm than the diameter Dn 1, Dn 2.
In all the nozzles e to g, the total of the through hole thicknesses Dn 1 , Dn 2 , Dn 3 of the nozzle tips Nn 1 , Nn 2 , Nn 3 was 4.5 mm.

実験例3では、ノズルe〜gを使用した高圧噴射処理装置において、AEセンサを前記高圧噴射処理装置のノズルe〜gで発生する超音波が検出できる場所に取り付け、前記高圧噴射処理装置のノズルe〜gから噴射圧P(P:50,100,150,200,240)を変化させながら原料混合液を高圧噴射処理した。そして、前記高圧噴射処理を行う時に、前記ノズルからの超音波を前記AEセンサによって検出し、各噴射圧Pをパラメータとした場合のAE信号電圧Vrmsを計測した。その結果を図15〜図17に示す。 In Experimental Example 3, in the high pressure injection processing apparatus using the nozzles e to g, an AE sensor is attached to a place where ultrasonic waves generated by the nozzles e to g of the high pressure injection processing apparatus can be detected, and the nozzle of the high pressure injection processing apparatus The raw material mixture was subjected to high-pressure injection processing while changing the injection pressure P N ( PN : 50, 100, 150, 200, 240) from e to g. Then, when performing the high-pressure injection process, ultrasonic waves from the nozzles were detected by the AE sensor, and the AE signal voltage V rms when each injection pressure PN was used as a parameter was measured. The results are shown in FIGS.

図15〜図17は、ノズルe〜gにおける各噴射圧PのAE信号電圧Vrmsの時間経過変化を表すグラフである。
小さい0.1mmの直径Dn,Dn,DnをもつノズルチップNn,Nn,Nnを多段構成にしたノズルfを使用した場合のVrms(図16)は、0.1mmのDnをもつノズルチップNnを単独構成にしたノズルcを使用した場合のVrms(図11)よりも、小さなVrmsしか得られなかった。また、上流側に0.2mmの直径Dn,DnをもつノズルチップNn,Nnを配置した多段構成のノズルgを使用した場合のVrms(図17)は、0.2mmの直径DnをもつノズルチップNnを単独構成にしたノズルdを使用した場合のVrms(図12)に近い値となった。そして、上流側に0.1mmの直径DnをもつノズルチップNnを配置した多段構成のノズルeを使用した場合のVrms(図15)は、0.1mmのDnをもつノズルチップNnを単独構成にしたノズルcを使用した場合(図11)に比較して、大きい値を得ることができ、噴射圧Pが50MPaという低い圧力値であっても、Vrmsが約220mVの大きな信号を得ることが可能であった。
このように上流側に径の小さなノズルチップを配置し、下流側に上流側よりも径の大きなノズルチップをおくことによって、Vrmsが上がった。
15 to 17 is a graph showing the time course change of the AE signal voltage V rms of the injection pressure P N at the nozzle E to G.
V rms (FIG. 16) when a nozzle f having a multistage configuration of nozzle tips Nn 1 , Nn 2 , Nn 3 having a small diameter Dn 1 , Dn 2 , Dn 3 of 0.1 mm is 0.1 mm Only V rms smaller than V rms (FIG. 11) in the case of using the nozzle c having a single nozzle tip Nn with Dn was obtained. In addition, V rms (FIG. 17) in the case where a multistage nozzle g in which nozzle tips Nn 1 and Nn 2 having diameters Dn 1 and Dn 2 of 0.2 mm are arranged on the upstream side is used is 0.2 mm in diameter. The value was close to V rms (FIG. 12) when the nozzle d having a single nozzle nozzle Nn having Dn was used. When V rms (FIG. 15) using a multi-stage nozzle e in which a nozzle tip Nn 1 having a diameter Dn 1 of 0.1 mm is arranged on the upstream side is used, the nozzle tip Nn having a Dn of 0.1 mm is Compared to the case where the nozzle c having a single configuration is used (FIG. 11), a large value can be obtained, and even if the injection pressure PN is a low pressure value of 50 MPa, a large signal with V rms of about 220 mV. It was possible to get
Vrms was increased by disposing a nozzle tip having a smaller diameter on the upstream side and placing a nozzle tip having a larger diameter on the downstream side than the upstream side.

(実験例4)
多段のノズルN2の実験例4
実験例1、実験例3で使用したノズルd〜gを用いて、P(P:50,100,150,200,240)の変化による平均速度v、とAE信号電圧Vrms(AE信号電圧の実効値)を計測した。その結果を図18、図19に示す。
(Experimental example 4)
Experimental example 4 of multi-stage nozzle N2
Using the nozzles d to g used in Experimental Example 1 and Experimental Example 3, the average speed v N due to the change of P N (P N : 50, 100, 150, 200, 240) and the AE signal voltage V rms (AE The effective value of the signal voltage was measured. The results are shown in FIGS.

図18は、ノズルd〜gにおける各種噴射圧Pによる平均速度v[m/sec]の変化を表すグラフであり、図19は、ノズルc,e〜gにおける各種噴射圧PによるAE信号の電圧Vrms[mV]変化を表すグラフである。
上流側に0.2mmのDn,DnをもつノズルチップNn,Nnを配置した多段構成のノズルgを使用した場合や上流側に0.1mmのDnをもつノズルチップNnを配置した多段構成のノズルeのv(図18)は、0.1mmのDnをもつノズルチップNnを単独構成にしたノズルa,b,cを使用した場合のvと同じであった。しかし、0.1mmのDn,Dn,DnをもつノズルチップNn,Nn,Nnを多段構成にしたノズルfを使用した場合のvは、理論値のvNJの80%まで減少した。
Figure 18 is a graph showing the average speed v changes in N [m / sec] by various injection pressure P N in the nozzle D-G, Figure 19, the nozzle c, AE by various injection pressure P N at e~g It is a graph showing voltage Vrms [mV] change of a signal.
When a multi-stage nozzle g having nozzle chips Nn 1 and Nn 2 having 0.2 mm Dn 1 and Dn 2 on the upstream side is used, or a nozzle chip Nn 1 having 0.1 mm Dn 1 on the upstream side is used. The v N (FIG. 18) of the arranged multi-stage nozzle e was the same as v N when the nozzles a, b, c having a single nozzle tip Nn having a Dn of 0.1 mm were used. However, when using the nozzle f having a multi-stage nozzle tip Nn 1 , Nn 2 , Nn 3 having 0.1 mm Dn 1 , Dn 2 , Dn 3 , v N is 80% of the theoretical value v NJ . Decreased to.

実験1〜4の結果の考察
rmsが大きくなったのは、ノズルチップが厚みくなった場合(単独構成の場合)と、上流側に径の小さなノズルチップを配置し、それ以降の下流側には大きな径のノズルチップを配置した場合(多段構成の場合)であった。また、vに関しては、単独構成の場合はノズルチップの径に依存し、径が小さいほどvが大きくなった。多段構成の場合は、同一径のノズルチップを多段に配置した場合のみvは遅くなった。この場合、実験時よく詰まる現象が発生し、この構成は実用性に劣ることが分かった。
径が異なるノズルチップを多段に配置した場合のvは、配置したノズルチップのうち最小径をもつノズルチップを単独で使用した場合のvと同じであった。
Consideration of the results of Experiments 1 to 4 V rms increased when the nozzle tip became thick (in the case of a single configuration) and when a nozzle tip with a small diameter was placed on the upstream side and the downstream side thereafter This is the case where a nozzle tip having a large diameter is arranged (in the case of a multi-stage configuration). With respect to v N, in the case of sole structure depends on the diameter of the nozzle tip, as v N diameter is smaller is larger. For multi-stage configuration, the nozzle tip of the same diameter only when placed in multiple stages v N slowed. In this case, a phenomenon of clogging often occurred during the experiment, and this configuration was found to be inferior in practicality.
V N when diameter is arranged different nozzle tips in multiple was the same as v N in the case of using the nozzle tip having a minimum diameter of the arranged nozzle tip alone.

噴射圧と溶液の速度の関係考察
ここでPとノズル内の溶液の速度を考察するために(表1)のノズルc(S01L15),d(S02L15)を使用した場合のPに対するvNJ(噴射圧Pの1/2でキャビテーションが起こり、その速度でノズル内を通過すると過程した場合の速度:理論値)の計算を行い、実測値(Measured)との比較を行った。図41に、上述した噴射圧の半分でジェット流が形成され、その速度でノズル内を通過すると仮定した理論値をvNJとして破線で、実測値のvを実線で示す。
Consideration of relationship between injection pressure and solution speed Here, in order to consider the speed of PN and the speed of the solution in the nozzle, v NJ with respect to PN when nozzles c (S01L15) and d (S02L15) in Table 1 are used. (occurs cavitation at half the injection pressure P N, the speed in the case of the process when passing through the nozzle at that rate: theory) performs calculation of were compared with the measured value (measured). In FIG. 41, a theoretical value assumed to form a jet flow at half the above-described injection pressure and pass through the nozzle at that speed is indicated by a broken line with v NJ , and a measured value v N is indicated by a solid line.

(a)はノズルc、(b)はノズルd、(c)はノズルiのvNJと実測値vを示す。Wn/Dnが15の(a)のvは、vNJに非常によく一致した。Wn/Dnが30の(c)では、vはPが200MPaの高圧では10%程度減少したが、低圧の100MPaでは同じ値になった。一方、(b)のWn/Dnが45と大きくなると、抵抗が増加し、vはvNJより減少した。Wn/Dnが45未満なら、噴射圧Pが100MPa以上で、vが300m/s以上にすることが可能であった。
また、ノズルを多段構成にした場合には、Dnが最小径のノズルチップと同じvになっていることから、ジェット流が発生した後の場所では、流体抵抗が小さいこととが示され、このモデルに問題がないことが確かめられた。効率の高い微細化を行うには、ノズル内のvがvNJに近くなるノズル構成にする必要があることが示された。
(A) shows the nozzles c, (b) the nozzle d, the measured value v N and v NJ (c), the nozzle i. Wn / Dn is 15 of (a) v N was very good agreement to v NJ. In Wn / Dn is 30 (c), v N has been reduced by about 10% in the high pressure P N is 200 MPa, it becomes the same value in the low pressure 100 MPa. On the other hand, it becomes greater as the Wn / Dn is 45 (b), resistance increases, v N was reduced from v NJ. If Wn / Dn is less than 45, the injection pressure P N is at least 100 MPa, v N were able to more 300 meters / s.
Further, when the nozzle multi-stage configuration, since the Dn have the same v N minimum diameter of the nozzle tip, in place after the jet stream is generated, indicated and that the fluid resistance is small, It was confirmed that there was no problem with this model. It was shown that in order to achieve high-efficiency miniaturization, a nozzle configuration in which v N in the nozzle is close to v NJ is necessary.

(実験例5)
ノズルの通孔径を変化させた場合のノズル内の流体の状態に関する考察(実験例5)
次に、(実験例1)で使用した単独のノズルc,dを利用し、ノズルc(Dn:0.1mm、Wn:1.5mm),ノズルd(Dn:0.2mm、Wn:1.5mm)のノズル内の流速を、処理時間から計算した。その結果を、表4に示す。
表4は、ノズルc(Dn:0.1mm、Wn:1.5mm)、ノズルd(Dn:0.2mm、Wn:1.5mm)を使用した場合の、ノズル内の流体の状態を示してある。
ここで、ノズル内の層流領域の速度は、ジェット流領域の速度に比べてはるかに小さいと仮定し、Pを50,100,150,200,240で変化させた場合のノズル内の平均速度vから、ノズル内のジェット流の径の概算を行った。このとき、ジェット流の速度は噴射圧の1/2の圧力として計算した。vはシリンダー容量、つまり、1回の処理容量をノズル径と処理時間の積で割ることで、容易に求めることができる。
0.1mmのノズルでは、当然ジェット流の径はPが50から240MPaの範囲で0.099mmとほとんど同じであるが、0.2mmのノズルでは、Pが50から200MPaの範囲で0.167〜0.170mmと計算された。
(Experimental example 5)
Consideration on the state of fluid in the nozzle when the nozzle hole diameter is changed (Experimental Example 5)
Next, the nozzles c (Dn: 0.1 mm, Wn: 1.5 mm), nozzles d (Dn: 0.2 mm, Wn: 1. The flow rate in the nozzle (5 mm) was calculated from the processing time. The results are shown in Table 4.
Table 4 shows the state of fluid in the nozzle when the nozzle c (Dn: 0.1 mm, Wn: 1.5 mm) and the nozzle d (Dn: 0.2 mm, Wn: 1.5 mm) are used. is there.
Here, it is assumed that the velocity of the laminar flow region in the nozzle is much smaller than the velocity of the jet flow region, and the average in the nozzle when PN is changed by 50, 100, 150, 200, 240. from the speed v N, it was carried out an estimate of the diameter of the jet flow in the nozzle. At this time, the jet flow velocity was calculated as a pressure half of the injection pressure. v N a cylinder capacity, that is, by dividing the one processing capacity by the product of the nozzle diameter and the processing time can be easily calculated.
The 0.1mm nozzles, but of course the diameter of the jet flow is almost the same as 0.099mm in the range of 240MPa from P N is 50, the 0.2mm nozzles, in the range of 200MPa from P N 50 0. It was calculated as 167 to 0.170 mm.

この結果から、このジェット流の最大径より大きな径をもつノズルでは、その側壁に液体の層流を介するため、大きなせん断力は得られないと考えられ、強い微細化には適さなくなる。これは、vが大きくノズルチップの通孔の径が0.16mm以下であれば、高い微粒化効率が得られることを示している。 From this result, it is considered that a nozzle having a diameter larger than the maximum diameter of the jet flow is not suitable for strong miniaturization because a large shear force cannot be obtained because a laminar flow of liquid is caused on the side wall. This is the diameter of v N is large nozzle tip through hole is equal to or less than 0.16 mm, shows that the high atomization efficiency.

ノズル内の流体の状態に関する考察
これらの結果から、ノズル内の流れの状態を考察した結果を図6と7に示す。ここではノズルのノズルチップNn_sample内に発生する流体の流れの状態を示す概略図を示し、図6は通孔の軸に平行な平面で切断した断面図であり、図7は通孔の軸に垂直な平面で切断した断面図である。
ノズルのノズルチップNn_sample内には主に以下(G),(H)二つの流体の流れが発生している。
(G)ジェット流:「ジェット流」とは、原料混合液において流れ方向を軸とした場合に軸中心箇所に発生する流れの速い領域のことであり、軸中心箇所の流れの速い領域と流れの遅い側面周辺領域(層流)の境界部分にキャビテーションによる気泡を含むものを「ジェット流」と定義する。高圧に噴射される原料混合液の流れは、層流から乱流、ジェット流へ変化する。発生したジェット流内部での速度変化(むら)は少ないが、ジェット流の境界での速度差は大きく、ここで大きなせん断力が働きこの周辺部分で微細化現象が起こる。AE信号も発生する。この部分では境界に気体を介するため流体抵抗は低い。
(H)層流:「層流」とは、ノズル径が大きな場合、ノズルの通孔の側面周辺領域で発生し、ジェット流領域の周りに発生する流れの遅い定常的な連続流で、流体抵抗が高い。
ノズルのノズルチップNn_sampleの原料混合液の入口付近において、高圧に加圧された溶液の圧力が運動エネルギーに変換される(エネルギー保存の法則)、その過程で溶液は減圧されてくる。前記溶液がある一定の速度を超えると、キャビテーションが発生し、ノズルチップNn_sample付近では、ジェット流領域と層流領域が発生するようになる(図6)。
このジェット流領域と層流領域の境界で、大きな速度差があり強い微細化作用が起こると考えられる。微細化効率を上げるためには、スーパーキャビテーションによる気泡状態を起こすことなく、このジェット流領域を広げること、つまり、速度が速く、通孔の厚いノズルチップを使用することが微粒化特性の向上に有効になる。
一方、高圧での早い層流部分は、層流内の大きな速度勾配からソフトな解繊処理に使用することができる。
Consideration on the state of the fluid in the nozzle From these results, the results of considering the state of the flow in the nozzle are shown in FIGS. Here, a schematic view showing the flow state of the fluid generated in the nozzle tip Nn_sample of the nozzle is shown, FIG. 6 is a cross-sectional view cut along a plane parallel to the axis of the through hole, and FIG. It is sectional drawing cut | disconnected by the perpendicular plane.
In the nozzle tip Nn_sample of the nozzle, the following two fluid flows are mainly generated (G) and (H).
(G) Jet flow: “Jet flow” is a fast flow region generated at the axial center when the flow direction is the axis in the raw material mixture. A jet stream is defined as one that includes bubbles due to cavitation at the boundary of the region around the slow side surface (laminar flow). The flow of the raw material mixture injected at a high pressure changes from laminar flow to turbulent flow and jet flow. Although the speed change (unevenness) in the generated jet flow is small, the speed difference at the boundary of the jet flow is large, and here, a large shearing force works and a fine phenomenon occurs in this peripheral portion. An AE signal is also generated. In this part, the fluid resistance is low because gas is passed through the boundary.
(H) Laminar flow: “Laminar flow” is a steady continuous flow that is generated in the peripheral region of the side surface of the nozzle through-hole when the nozzle diameter is large, and is generated around the jet flow region. Resistance is high.
In the vicinity of the inlet of the raw material mixture of the nozzle tip Nn_sample of the nozzle, the pressure of the solution pressurized to high pressure is converted to kinetic energy (energy conservation law), and the solution is depressurized in the process. When the solution exceeds a certain speed, cavitation occurs, and a jet flow region and a laminar flow region are generated in the vicinity of the nozzle tip Nn_sample (FIG. 6).
It is considered that there is a large speed difference at the boundary between the jet flow region and the laminar flow region, and a strong refining action occurs. In order to improve the atomization efficiency, expanding the jet flow area without causing a bubble state due to super cavitation, that is, using a nozzle tip with a high speed and a thick through-hole improves the atomization characteristics. validate.
On the other hand, an early laminar flow portion at high pressure can be used for soft defibration treatment due to a large velocity gradient in the laminar flow.

図8は、通孔の直径の異なるノズルチップを利用した場合の通孔内のジェット流と層流の違いを示す概念図であり、(a)は通孔の直径Dnが大きいノズルチップを利用した場合の通孔内のジェット流と層流を示し、(b)は通孔の直径Dnが小さいノズルチップを利用した場合の通孔内のジェット流と層流を示したものである。
上述の内容をまとめると、ノズルの通孔の直径を大きくすると層流部分が大きくなることがわかり、以下(I),(J)のように考えられる。
(I)Dnが小さい0.1mmのノズルcは、通孔全体にほぼジェット流が発生するため、ジェット流領域と層流領域の境界に発生する高圧キャビテーション領域を利用した微細化処理用として使用する(図8(b))。
(J)Dnが大きい0.2mmのノズルdは、中央部のみにジェット流が発生するため、その周辺の速度が遅い層流の流れを利用して解繊処理用に利用する(図8(a))。
このように、通孔の直径を変更することで、微細化処理用と解繊処理用を切り替えて使用することが可能となる。
FIG. 8 is a conceptual diagram showing the difference between the jet flow and laminar flow in the through-hole when using nozzle tips with different through-hole diameters, and (a) uses a nozzle tip with a large through-hole diameter Dn. (B) shows the jet flow and laminar flow in the through hole when a nozzle tip having a small diameter Dn is used.
Summarizing the above, it can be seen that the laminar flow portion becomes larger when the diameter of the nozzle hole is increased.
(I) Since the nozzle c of 0.1 mm with a small Dn generates almost a jet flow in the entire through hole, it is used for miniaturization processing using a high-pressure cavitation region generated at the boundary between the jet flow region and the laminar flow region. (FIG. 8B).
(J) Since a jet flow is generated only in the central portion of the nozzle d having a large Dn of 0.2 mm, it is used for defibrating treatment by using a laminar flow having a low velocity around the nozzle d (FIG. 8 ( a)).
In this way, by changing the diameter of the through hole, it is possible to switch between the use for fine processing and the use for defibrating processing.

多段のノズルを使用した場合のノズル内の流体の状態の考察
図20は、多段のノズルf(同一径のノズルチップを複数組み合わせたもの)内に発生する溶液の流れを示す概略図であり、通孔の軸に平行な平面で切断した断面図である。図21は、多段のノズルe(上流側に径の小さいノズルチップを配置したもの)内に発生する溶液の流れを示す概略図であり、通孔の軸に平行な平面で切断した断面図である。図22は、多段のノズルg(上流側に径の大きなノズルチップを配置したもの)内に発生する溶液の流れを示す概略図であり、通孔の軸に平行な平面で切断した断面図である。
多段のノズルを使用した場合のノズル内の流体の状態に関してであるが、ノズルfのように、ノズルチップNn,Nn,Nnすべての通孔の直径Dn,Dn,Dnを同一のものを使用した場合、上流で発生したジェット流と下流のノズルとの流れの衝突損出によって(図20)、流速が減少し(図18)、微細化の効果が減少(図16)したと考えられる。具体的には、最初のノズルチップで発生したジェット流が次のノズルチップに到達するまでに、周りの層流を巻き込んで高速な流れの径が大きくなり、ノズルチップで、衝突した部分が発生したためであると考えられる。また、ノズルチップの軸のずれによっても同様の現象が発生する。したがって、効率的な微細化処理を行う場合は、ジェット流径の膨張も考慮し、下流側のノズルチップの径を大きくすることが重要であることがわかる。
一方、多段ノズルeのように一番上流側のノズルチップNnにおいて、その通孔の直径Dnを小さいものを使用し、その他の下流側のノズルチップNn,Nnは、直径Dnよりも大きい径Dn,Dnのものを使用した場合、ジェット流との衝突による速度低下が起きなかったため速度減少もなく(図21)、微細化効率が上がる(図15)ものと思われる。
また、多段ノズルgのように一番上流側のノズルチップNnとその隣に位置するノズルチップNnの通孔の直径Dn,Dnを大きいものを使用し、最も下流側のノズルチップNnの通孔の直径Dnを、直径Dn,Dnよりも小さいものを使用した場合、上流側の径の大きいノズルチップNn,Nn内では、流量は小さい径のノズルで制限され、ノズルチップNn,Nn内ではジェット流は少なくほとんどが層流領域となっている。このときノズルチップNnにおいてジェット流は発生するが、エネルギーの一部がノズルチップNn,Nn内で速度に変換され、かつ層流領域は抵抗が大きく圧力損失があるので、径の小さいノズルチップNnでは、高圧部分のノズルの圧力損出により減圧されるので。AE信号の大きさは減少する(図17)。
FIG. 20 is a schematic diagram showing a flow of a solution generated in a multistage nozzle f (a combination of a plurality of nozzle tips having the same diameter) when a multistage nozzle is used . It is sectional drawing cut | disconnected by the plane parallel to the axis | shaft of a through-hole. FIG. 21 is a schematic view showing a flow of a solution generated in a multi-stage nozzle e (a nozzle tip having a small diameter arranged upstream), and is a cross-sectional view cut along a plane parallel to the axis of the through hole. is there. FIG. 22 is a schematic view showing a flow of a solution generated in a multistage nozzle g (with a nozzle tip having a large diameter on the upstream side), and is a cross-sectional view cut along a plane parallel to the axis of the through hole. is there.
Regarding the state of the fluid in the nozzle when a multi-stage nozzle is used, the diameters Dn 1 , Dn 2 , Dn 3 of all the nozzle tips Nn 1 , Nn 2 , Nn 3 are set as in the nozzle f. When the same one is used, the flow velocity is reduced (FIG. 18) and the effect of miniaturization is reduced (FIG. 16) due to collision loss between the jet flow generated upstream and the downstream nozzle (FIG. 20). It is thought that. Specifically, by the time the jet flow generated at the first nozzle tip reaches the next nozzle tip, the surrounding laminar flow is entrained and the diameter of the high-speed flow increases, and a collision occurs at the nozzle tip. This is probably because The same phenomenon occurs due to the deviation of the nozzle tip axis. Therefore, it is understood that it is important to increase the diameter of the nozzle tip on the downstream side in consideration of the expansion of the jet flow diameter when performing efficient miniaturization processing.
On the other hand, in the nozzle tip Nn 1 on the most upstream side like the multi-stage nozzle e, one having a small diameter Dn 1 of the through hole is used, and the other nozzle tips Nn 2 and Nn 3 on the downstream side have a diameter Dn 1. When the larger diameters Dn 2 and Dn 3 are used, the speed reduction due to the collision with the jet flow does not occur, so there is no speed reduction (FIG. 21), and the miniaturization efficiency is expected to increase (FIG. 15). .
Further, the most downstream nozzle tip, such as the multi-stage nozzle g, having the largest diameter Dn 1 , Dn 2 of the nozzle tip Nn 1 on the most upstream side and the nozzle tip Nn 2 located adjacent thereto is used. limiting diameter Dn 3 through hole of nn 3, when using smaller than the diameter Dn 1, Dn 2, greater nozzle tip nn 1 of the upstream side diameter, the nn within 2, the flow rate in the nozzle of a small diameter In the nozzle tips Nn 1 and Nn 2 , there is little jet flow and most of them are laminar flow regions. At this time, a jet flow is generated in the nozzle tip Nn 3 , but part of the energy is converted into a velocity in the nozzle tips Nn 1 and Nn 2 , and the laminar flow region has a large resistance and a pressure loss, so that the diameter is small. In the nozzle tip Nn 3 , the pressure is reduced by the pressure loss of the nozzle in the high pressure portion. The magnitude of the AE signal decreases (FIG. 17).

AEモニタリング装置を用いた高圧噴射処理装置のノズル評価(本発明のモニタリング方法)
本発明の高圧噴射処理装置はAEモニタリング装置を用いて、キャビテーションによるAE信号から、ノズルや高圧シリンダー等の装置の性能評価を行なうことができる。
図23は、本発明を適用した実施形態の高圧噴射処理装置のモニタリング方法の作業手順を示すフロー図である。本実施形態では、先ず、AEセンサを高圧噴射処理装置のノズルで発生する超音波を検出できる場所に取り付ける(ステップS1)。ノズルで発生した高い周波数の超音波が懸濁液中を通過し、それが高圧シリンダー、ノズル、チャンバー部材で伝搬できる構造になっている場合は、それらのどこに取り付けてもかまわない。次に、前記高圧噴射処理装置のノズルから所定圧力で原料混合液を高圧噴射処理する(ステップS2)。そして、前記高圧噴射処理を行う時に前記ノズル内で生じる周波数が0.2MHz以上の超音波を前記AEセンサによって検出し、前記AEセンサからの信号レベルの評価を行う(ステップS3)。そして、前記高圧噴射処理を繰り返すか否かを判定する(ステップS4)。
計測されるAEセンサからの信号レベルは、高速な溶液から発生する流体キャビテーション信号AEと、ノズル内の粒子から発生する粒子キャビテーション信号AEとの合計に、超音波の伝搬特性(減衰率)Attを反映したものになる。したがって、計測される信号強度AEは、次式のとおり、AE=(AE+AE)×Att、で示される。
この式では、懸濁液中の材料濃度が高い場合は、AEが大きくなり、粒径変化を正確に捉えることができる。一方、懸濁液濃度が低い場合はAEが大きくなるため、粒径の情報をもつAEは埋もれてしまう。そのため粒子の正確な評価はできなくなるが、このAEはノズル周辺の現象を示しており、それ大きくすることで装置の効率が上がると考えられる。つまり、ノズルの評価にAE信号の大きさを利用することができる。この測定は、溶液のみで1回で評価できる。
Nozzle evaluation of high-pressure injection processing apparatus using AE monitoring apparatus (monitoring method of the present invention)
The high-pressure injection processing apparatus of the present invention can evaluate the performance of apparatuses such as nozzles and high-pressure cylinders from AE signals by cavitation using an AE monitoring apparatus.
FIG. 23 is a flowchart showing a work procedure of the monitoring method of the high-pressure injection processing apparatus according to the embodiment to which the present invention is applied. In the present embodiment, first, the AE sensor is attached to a place where ultrasonic waves generated by the nozzles of the high-pressure injection processing apparatus can be detected (step S1). When the high frequency ultrasonic wave generated by the nozzle passes through the suspension and can be propagated by the high pressure cylinder, the nozzle and the chamber member, it may be attached to any of them. Next, the raw material mixture is subjected to high-pressure injection processing at a predetermined pressure from the nozzle of the high-pressure injection processing device (step S2). Then, an ultrasonic wave having a frequency of 0.2 MHz or more generated in the nozzle when performing the high-pressure injection process is detected by the AE sensor, and the signal level from the AE sensor is evaluated (step S3). Then, it is determined whether or not the high-pressure injection process is repeated (step S4).
Signal level from the AE sensor to be measured, and the fluid cavitation signal AE s generated from the high-speed solution, the sum of the particle cavitation signal AE p generated from the particles in the nozzle, ultrasonic propagation characteristic (attenuation ratio) It will reflect Att u . Therefore, the measured signal strength AE m is represented by the following equation: AE m = (AE s + AE p ) × Att u .
In this equation, when the material concentration in the suspension is high, the AE p increases and the change in particle size can be accurately captured. On the other hand, when the suspension concentration is low, AE s increases, and thus AE p having particle size information is buried. Therefore it can not be the exact evaluation of the particle, the AE s indicates the phenomenon of peripheral nozzles is believed that the efficiency of the device is increased by it greatly. That is, the magnitude of the AE signal can be used for nozzle evaluation. This measurement can be evaluated once with only the solution.

本発明のモニタリング機器
図24は、本発明を適用した実施形態の高圧噴射処理装置のモニタリング機器によって検出されるキャビテーションにより発生する信号を示す概念図である。信号には液から発生するキャビテーション信号AEと、粒子から発生するキャビテーション信号AE、さらに、それら超音波の伝搬特性(減衰率)Attが記載されている。本実施形態は、ノズル400から所定圧力で原料混合液10を高圧噴射し粒子を微粒化する高圧噴射処理装置のモニタリング機器1であって、前記高圧噴射処理装置に取り付けるAEセンサ9と当該AEセンサ9から検出されたAE信号を処理して判定する信号処理判定手段8を備える。前記AEセンサ9は、共振周波数が0.5MHzの共振型AEセンサである。前記信号処理判定手段8は、例えば、AEテスタ、FFTアナライザ、スペクトラム・アナライザ、デジタルオシロスコープ、その他の実効値計算記録表示装置などが挙げられ、AE信号を処理してノズルや高圧シリンダー等の性能を判定するプログラムも含まれる。
図24において、符号500は高圧シリンダー部、符号400はノズルである。
Monitoring Device of the Present Invention FIG. 24 is a conceptual diagram showing signals generated by cavitation detected by the monitoring device of the high pressure injection processing apparatus of the embodiment to which the present invention is applied. A cavitation signal AE s generated from the liquid in the signal, the cavitation signal AE p generated from the particles, further, their ultrasonic propagation characteristics (attenuation ratio) Att u is described. The present embodiment is a monitoring device 1 of a high-pressure injection processing device that atomizes particles by high-pressure injection of a raw material mixture 10 from a nozzle 400 at a predetermined pressure, and includes an AE sensor 9 attached to the high-pressure injection processing device and the AE sensor 9 includes a signal processing determination unit 8 that processes and determines the AE signal detected from 9. The AE sensor 9 is a resonant AE sensor having a resonant frequency of 0.5 MHz. Examples of the signal processing determination means 8 include an AE tester, an FFT analyzer, a spectrum analyzer, a digital oscilloscope, and other effective value calculation recording / displaying devices. The AE signal is processed to improve the performance of a nozzle, a high pressure cylinder, and the like. A program for judging is also included.
In FIG. 24, reference numeral 500 denotes a high-pressure cylinder portion, and reference numeral 400 denotes a nozzle.

図24において、ノズル400内の液体の流速は、ノズル径D1とAEセンサ9の信号発生時間から求めることができる。まず噴射物が水などの溶液のみ場合を考える。キャビテーション数σから流体のキャビテーション状態を推測すると、σが1より小さい場合、キャビテーションが発生している状態になる。ノズル400の出口付近では、径の大きな低圧チャンバーで減圧され、σは0.6以下になっており、そこではスーパーキャビーション状態、すなわち、ノズルの側面には気泡が多く、強い撹拌効果が得られる状態になっている。この減圧雰囲気では収縮速度が落ち崩壊エネルギーも急激に減少する。この領域では、強いキャビテーション崩壊による微粒化の作用は得られない。   In FIG. 24, the flow rate of the liquid in the nozzle 400 can be obtained from the nozzle diameter D1 and the signal generation time of the AE sensor 9. First, consider the case where the propellant is only a solution such as water. Assuming the cavitation state of the fluid from the cavitation number σ, if σ is smaller than 1, cavitation occurs. In the vicinity of the outlet of the nozzle 400, the pressure is reduced in a low-pressure chamber having a large diameter, and σ is 0.6 or less, where there is a super cavitation state, that is, there are many bubbles on the side of the nozzle, and a strong stirring effect is obtained. It is in a state that can be. In this reduced-pressure atmosphere, the shrinkage rate decreases and the decay energy also decreases rapidly. In this region, the effect of atomization due to strong cavitation collapse cannot be obtained.

次に、ノズル400内に粒径が数ミクロンの大きな粒子がある懸濁液の場合には、粒子からキャビテーションによる信号AEが発生する。これはその数や粒子形態で異なる大きさを示す。キャビテーションは、流体が固体表面を流れるときに負圧になる部分が発生し、それが流体の蒸気圧より下がったときに発生するから、粒径が大きくなると気泡の基になる負圧部分も大きくなるため、そのエネルギー、すなわち、高周波のAE信号の信号レベルが大きくなると考えられる。この信号レベルから、懸濁液中の粒子径を推測することができる。これは、流体だけの時よりもキャビテーションが発生しやすい。 Next, in the case of a suspension in which large particles having a particle size of several microns are present in the nozzle 400, a signal AE p due to cavitation is generated from the particles. This shows different sizes depending on the number and particle form. Since cavitation occurs when a fluid flows on the surface of a solid, a negative pressure occurs, and when it falls below the vapor pressure of the fluid, the negative pressure that becomes the basis of bubbles increases as the particle size increases. Therefore, the energy, that is, the signal level of the high-frequency AE signal is considered to increase. From this signal level, the particle size in the suspension can be estimated. This is more likely to cause cavitation than with fluid alone.

実際の計測では、図24に示すように低圧のチャンバー40方向から伝搬する超音波のAE信号と高圧のシリンダー方向の懸濁液10の液中を伝搬してくる超音波のAE信号が考えられる。
ここで、信号の発生と伝搬経路について述べる。図24に示すように、キャビテーション数の変化から、キャビテーションはノズルの途中から発生し、その後スーパーキャビテーションになる。ノズル後半では、チャンバー40方向には多くのキャビテーションがあることに加えて、さらにスーパーキャビテーション状態であることから、溶液とこの部分には大きな音響インピーダンスの違いが起きている。その結果、チャンバー40の方向へは、反射が大きく発生した超音波は伝搬し難い。よって、超音波はノズル400の進行方向とは反対方向の、キャビテーションを起こしていない液中を伝搬してくると考えられる。超音波の溶液中の伝搬速度を計算してみると、超音波の伝搬速度は1500m/sと、流速の400m/sより大きいので、この方向の伝搬は可能である。
In actual measurement, as shown in FIG. 24, an ultrasonic AE signal propagating from the low pressure chamber 40 direction and an ultrasonic AE signal propagating through the liquid in the suspension 10 in the high pressure cylinder direction can be considered. .
Here, signal generation and propagation paths will be described. As shown in FIG. 24, due to the change in the number of cavitations, cavitation occurs in the middle of the nozzle and then becomes super cavitation. In the second half of the nozzle, in addition to the presence of many cavitations in the direction of the chamber 40, there is a further difference in acoustic impedance between the solution and this part because of the super cavitation state. As a result, it is difficult for an ultrasonic wave having a large reflection to propagate in the direction of the chamber 40. Therefore, it is considered that the ultrasonic wave propagates in the liquid in the direction opposite to the traveling direction of the nozzle 400 and not causing cavitation. When the propagation velocity of the ultrasonic wave in the solution is calculated, the propagation velocity of the ultrasonic wave is 1500 m / s, which is larger than the flow velocity of 400 m / s. Therefore, propagation in this direction is possible.

ノズル400内にはAE信号にはAEとAEの発生源があり、図24のようにAEセンサ9を取り付けた場合、懸濁液10の液中を伝搬してきた信号を多く検出する。このことは、当然その伝搬特性(減衰率)の影響を受けることを示している。非特許文献1(超音波分光法に関する論文)によれば、伝搬特性(減衰特性)は、粒子径に大きく依存するとされている。非特許文献1では、1ミクロン以上の粒子を含む懸濁液では、周波数1MHz以下でも超音波減衰が大きいことを示している。このことは、計測される信号はこれらの周波数特性の影響を受けたものである。 In the nozzle 400, there are AE p and AE s generation sources in the AE signal. When the AE sensor 9 is attached as shown in FIG. 24, many signals propagated in the liquid of the suspension 10 are detected. This naturally shows that it is influenced by the propagation characteristic (attenuation rate). According to Non-Patent Document 1 (a paper on ultrasonic spectroscopy), propagation characteristics (attenuation characteristics) are said to depend largely on the particle diameter. Non-Patent Document 1 shows that a suspension containing particles of 1 micron or more has a large ultrasonic attenuation even at a frequency of 1 MHz or less. This is because the signal to be measured is affected by these frequency characteristics.

上述のように、計測されるAE信号AEは、溶媒から発生する流体キャビテーション信号AEと、ノズル内の粒子から発生する粒子キャビテーション信号AEとの合計に、超音波の伝搬特性(減衰率)Attを反映したものになる。したがって、計測される信号強度AEは、次式のとおり、AE=(AE+AE)×Att、で示される。
この式では、懸濁液の材料濃度が高い場合は、AEが大きくなり、粒径変化を正確に捉えることができる。一方、懸濁液の材料濃度が低い場合はAEが大きくなるため、粒径の情報をもつAEは埋もれてしまうが、AEはノズル周辺の現象を示しており、それ大きくすることで装置の効率が上がると考えられ、この情報を高圧シリンダーなどのそれを駆動させる高圧発生部を含めたノズルの微粒化特性の評価として使用することができる。
As described above, the measured AE signal AE m is the sum of the fluid cavitation signal AE s generated from the solvent and the particle cavitation signal AE p generated from the particles in the nozzle. ) Att u is reflected. Therefore, the measured signal strength AE m is represented by the following equation: AE m = (AE s + AE p ) × Att u .
In this equation, when the material concentration of the suspension is high, AE p increases and the change in particle size can be accurately captured. On the other hand, when the material concentration of the suspension is low, the AE s increases, so the AE p having the particle size information is buried, but the AE s indicates a phenomenon around the nozzle. It is believed that the efficiency of the device will increase, and this information can be used as an evaluation of the atomization characteristics of the nozzle including the high pressure generator that drives it, such as a high pressure cylinder.

図25は、高圧噴射された原料混合液10内で起こるキャビテーションと、それによる微粒化を模式的に示す図である。図25において、符号1aは微粒化する直前の原料の粒子であり、符号1bは微粒化の途中段階の粒子であり、符号1cは微粒化された粒子である。
粒子の溶液中の流れを考えた場合には、キャビテーションのでき方は粒子形態にも大きく依存する。例えば、図25(a)に示すように、原料混合液10内の粒子1aが凝集体などの歪(いびつ)な形態の場合、曲率が急に小さくなる部分で負圧になり易く、その箇所を起点としたキャビテーション700が発生し、その崩壊が起こる。この収縮過程では、接触している粒子を引き込む圧力と、崩壊による衝撃がその部分にかかる。つまり、ネッキングなどの粒子形態が歪な粒子ではより効果的な微粒化処理ができることになる。
一方、図25(b)に示すように、粒子1bが焼結体などの球状形態では、負圧になり易い部分が減少する。つまり、キャビテーション700の大きさも減少し、その崩壊エネルギーも小さくなる。図25(c)に示すように、粒子1cが微小な球状になった状態では、キャビテーション大きさは小さくなり、その崩壊エネルギーも減少して行く。その結果、その崩壊による衝撃が粒子1cを破壊するに必要な応力を上回らなくなると考えられ、微粒化が進まなくなる。この状態が微粒化処理の終了を意味する。この効果によって、高圧噴射処理は粒子径の揃った単分散の懸濁液を作製することができる。
FIG. 25 is a diagram schematically showing cavitation that occurs in the high-pressure jetted raw material mixture 10 and atomization caused thereby. In FIG. 25, reference numeral 1a represents raw material particles immediately before atomization, reference numeral 1b represents particles in the middle of atomization, and reference numeral 1c represents atomized particles.
When considering the flow of particles in a solution, the way of cavitation depends greatly on the particle morphology. For example, as shown in FIG. 25 (a), in the case where the particles 1a in the raw material mixture 10 are in a distorted form such as an aggregate, negative pressure is likely to occur at a portion where the curvature suddenly decreases. Cavitation 700 is generated starting from, and its collapse occurs. In this contraction process, the pressure that draws the particles in contact and the impact due to the collapse are applied to the part. That is, a more effective atomization process can be performed with particles having a distorted particle shape such as necking.
On the other hand, as shown in FIG. 25 (b), when the particle 1b has a spherical shape such as a sintered body, the portion that tends to be negative pressure decreases. That is, the size of the cavitation 700 is also reduced, and its decay energy is also reduced. As shown in FIG. 25 (c), when the particle 1c is in a minute spherical shape, the size of the cavitation becomes smaller and its decay energy also decreases. As a result, it is considered that the impact due to the collapse does not exceed the stress necessary to destroy the particles 1c, and the atomization does not proceed. This state means the end of the atomization process. Due to this effect, the high-pressure spray treatment can produce a monodispersed suspension with a uniform particle size.

このことは、高圧噴射処理で起こっている高圧部分でのキャビテーションは、当然、その粒子径よりも大きくならず、粒子径が小さくなればなるほど、微粒化現象は生じ難くなり、低圧チャンバー内の低エネルギーキャビテーションとスーパーキャビテーションによる強い撹拌の効果しか利用できなくなることを意味している。この破壊力―微粒化の限界のため、懸濁液中の粒子径や形態に変化がなくなる。そのときが、高圧噴射による微粒化処理の終了を示している(図25(c))。付け加えると、直接的な微粒化にはつながらないが、この粒子表面での衝撃は超音波洗浄などに比べてはるかに強く、それによる粒子表面のコンタミ除去や形状の球体化などの作用を期待することができる。これらの現象が、高圧噴射処理の特長をなしている。   This is because the cavitation in the high pressure part occurring in the high pressure injection process is naturally not larger than the particle size, and the smaller the particle size, the less the atomization phenomenon occurs. It means that only the effect of strong agitation by energy cavitation and super cavitation can be used. Due to this destructive force—the limit of atomization, there is no change in the particle size or morphology in the suspension. At that time, the end of the atomization process by high-pressure injection is shown (FIG. 25C). In addition, although it does not lead to direct atomization, the impact on this particle surface is much stronger than ultrasonic cleaning, etc., and expects effects such as particle surface contamination removal and shape sphere formation. Can do. These phenomena are the features of high-pressure injection processing.

図26(a)は、本発明に係るAEセンサの周波数特性と計測された信号の周波数スペクトラムを示す図である。グラフの縦軸は信号のレベル(dB)であり、グラフの横軸は周波数(MHz)である。図26(b)は、コントロール基準として、水だけをノズル400から噴射させたときのAE信号の周波数スペクトラムを示す図である。符号91は、共振型AEセンサである。符号92は、広帯域型AEセンサである。実験に使用した共振型AEセンサ91は、共振周波数が0.5MHz近傍にあり、かつ、周波数が0.2MHz未満の低周波領域では受信感度が−20dB以下であることから、ノズル400内で生じる高周波のAE信号700を選択的に検出するのに適している(図24、図26)。広帯域型AEセンサ92は、検知できる周波数帯域が広く、周波数が0.2MHz未満の低周波領域のキャビテーション信号も検出する虞がある(図26)。そのため、広帯域型AEセンサ92を用いる場合は、バンドパスフィルタ回路などの回路を用いた周波数の急峻なフィルタリングが必要になる。しかし、大きな低周波信号で増幅アンプが飽和することもあり、高感度な計測には適さない欠点がある。   FIG. 26A is a diagram showing the frequency characteristics of the AE sensor according to the present invention and the frequency spectrum of the measured signal. The vertical axis of the graph is the signal level (dB), and the horizontal axis of the graph is the frequency (MHz). FIG. 26B is a diagram showing a frequency spectrum of the AE signal when only water is ejected from the nozzle 400 as a control reference. Reference numeral 91 denotes a resonance type AE sensor. Reference numeral 92 denotes a broadband AE sensor. The resonance type AE sensor 91 used in the experiment is generated in the nozzle 400 because the resonance frequency is in the vicinity of 0.5 MHz and the reception sensitivity is −20 dB or less in the low frequency region where the frequency is less than 0.2 MHz. This is suitable for selectively detecting the high-frequency AE signal 700 (FIGS. 24 and 26). The wideband AE sensor 92 has a wide frequency band that can be detected, and may detect a low-frequency cavitation signal having a frequency of less than 0.2 MHz (FIG. 26). Therefore, when using the broadband AE sensor 92, it is necessary to perform sharp filtering of the frequency using a circuit such as a band-pass filter circuit. However, the amplification amplifier may be saturated with a large low-frequency signal, which is not suitable for highly sensitive measurement.

(実験例6)
ノズルチップの通孔の直径の違いによるセルロースの微細化状態の変化
本発明の高圧噴射処理装置のノズルとして単独のノズルN1である(表1)のノズルc(S01L15),d(S02L15)を使用して、水に対して濃度が2%のセルロース粉を含む原料混合液10を、Pが200MPaの条件で繰り返し高圧噴射処理した。粒度分布の測定には、動的光散乱方式のマルバーン社のゼータサイザーナノZSを用いて測定した。代表的なNが5の場合とNが20の場合の懸濁液20中に存在するセルロースファイバーの粒度分布を図27に示す。このファイバーの粒度分布に関しては、個数基準で記載してある。
(Experimental example 6)
Changes in the refinement state of cellulose due to the difference in the diameter of the nozzle chip through-holes The nozzles c (S01L15) and d (S02L15) in Table 1 are used as the nozzles of the high-pressure jet processing apparatus of the present invention. Then, the raw material mixed solution 10 containing cellulose powder having a concentration of 2% with respect to water was repeatedly subjected to high pressure injection treatment under the condition that PN was 200 MPa. The particle size distribution was measured by using Zetasizer Nano ZS manufactured by Malvern, Inc. of dynamic light scattering method. The particle size distribution of the cellulose fibers when the the N P representative N P 5, is present in suspension 20 in the case of 20 shown in FIG. 27. The fiber particle size distribution is described on a number basis.

図27は、ノズルc,dにおける懸濁液20中に存在するセルロースファイバー径(nm)の百分率度(Frequency percentage)(%)を示すグラフであり、(a)はNが5の場合であり、(b)はNが20の場合である。
ノズルチップのDnが0.1mmのノズルc(S01L15)とノズルチップのDnが0.2mmのノズルd(S02L15)を比較すると、Nが5の場合とNが20の場合のどちらの場合でも、ノズルc(S01L15)を使用して高圧噴射処理を行った懸濁液20が、液中にファイバー径の小さいセルロースが存在する割合が高くなった。このことは、Dnが小さいノズルチップを使用したほうが微細化効果が高くなることを示している。
FIG. 27 is a graph showing the percentage (%) of the cellulose fiber diameter (nm) present in the suspension 20 at the nozzles c and d. (A) is the case where NP is 5. Yes, (b) is the case where NP is 20.
When Dn of the nozzle tip is 0.1mm nozzle c and (S01L15) Dn of the nozzle tip is to compare the nozzle d (S02L15) of 0.2 mm, if when N P is 5 and N P is either in the case of 20 However, the ratio of the suspension 20 that has been subjected to the high-pressure spraying process using the nozzle c (S01L15) increased in the presence of cellulose having a small fiber diameter. This indicates that the use of a nozzle chip with a small Dn increases the effect of miniaturization.

(実験例7)
ノズルチップの厚みの違いによるセルロースの微細化状態の変化
本発明の高圧噴射処理装置のノズルとして単独ノズルN1である(表1)のノズルb(S01L09),c(S01L15)と、(表2)のノズルh(S010101L45)を使用して、セルロースを含む原料混合液10を、Pが200MPaの条件で繰り返し高圧噴射処理した。代表的なNが5の場合とNが20の場合の懸濁液20中に存在するセルロースファイバーの粒度分布を測定した。その結果を図28と図29に示す。
ここでノズルhは、通孔の直径Dn,Dn,Dnであるノズルチップを連続して間隔を空けずにつなぎ合わせることで形成したものである。
(Experimental example 7)
Change in refinement state of cellulose due to difference in nozzle tip thickness Nozzles b (S01L09) and c (S01L15) of (No. 1) (Table 1), which is a single nozzle N1 as a nozzle of the high-pressure injection processing apparatus of the present invention, (No. 2) No. h (S010101L45) was used, and the raw material mixed solution 10 containing cellulose was repeatedly subjected to high pressure injection treatment under the condition of PN of 200 MPa. Representative N P is the case of 5 and N P was measured particle size distribution of the cellulose fibers present in the suspension 20 in the case of 20. The results are shown in FIGS.
Here, the nozzle h is formed by continuously connecting nozzle tips having the diameters Dn 1 , Dn 2 , and Dn 3 of the through holes without gaps.

図28は、ノズルb,c,hにおける懸濁液20中に存在するセルロースファイバー径(nm)の百分率度(Frequency percentage)(%)を示すグラフであり、(a)は噴射回数Nが5の場合であり、(b)は噴射回数Nが20の場合である。図29は、ノズルb,c,hにおける高圧噴射処理の懸濁液20中のセルロースの平均径DのN依存性を示すグラフである。
ノズルチップのWnが0.9mmのノズルb(S01L09)、ノズルチップのWnが1.5mmのノズルc(S01L15)およびノズルチップの通孔の厚みの合計が4.5mmのノズルh(S010101L45)を比較すると、Nが5の場合とNが20の場合のどちらの場合でも、ノズルh(S010101L45)、ノズルc(S01L15)、ノズルb(S01L09)の順に高圧噴射処理を行った懸濁液中に、ファイバー径の小さいセルロースが存在する割合が高くなることが示された。Wnが大きいノズルチップを使用した方が、微細化の効果は高くなった。
Figure 28 is a graph showing the percentage of the cellulosic fiber diameter (nm) (Frequency percentage) ( %) present in the suspension 20 in the nozzle b, c, h, is (a) the number of injections N P 5 is the case of, (b) shows the case of injection number N P is 20. Figure 29 is a graph showing the nozzle b, c, a N P dependence of the average diameter D of the cellulose in the suspension 20 of the high-pressure injection process in h.
A nozzle b (S01L09) having a nozzle tip Wn of 0.9 mm, a nozzle c (S01L15) having a nozzle tip Wn of 1.5 mm, and a nozzle h (S010101L45) having a total nozzle hole thickness of 4.5 mm. the suspension By comparison, subjected to high-pressure injection process in the order of even if N P is 5 and N P is either in the case of 20, the nozzle h (S010101L45), nozzle c (S01L15), nozzle b (S01L09) It was shown that the ratio of cellulose having a small fiber diameter increases. The effect of miniaturization became higher when a nozzle tip having a large Wn was used.

(実験例8)
ノズルホルダーの通孔の直径の違いによるセルロースの微細化状態の変化
本発明の高圧噴射処理装置のノズルとして単独ノズルN1である(表1)のノズルa(S01L09D10−30)(ノズルホルダーの通孔の直径Dhが10mm〜30mm)とノズルc(S01L15D08)(Dhが0.8mm)を使用して、セルロースを含む原料混合液10を、Pが200MPaの条件で繰り返し高圧噴射処理した。Nが20の場合のそれぞれの懸濁液20中に存在するセルロースファイバーの粒度分布を図30に示す。
(Experimental example 8)
Change in refinement state of cellulose due to difference in diameter of nozzle holder through-hole Nozzle a (S01L09D10-30) (nozzle holder through-hole) as single nozzle N1 (Table 1) as a nozzle of the high-pressure jet treatment apparatus of the present invention The raw material mixed solution 10 containing cellulose was repeatedly subjected to high pressure injection treatment under the condition of PN of 200 MPa using a nozzle c (S01L15D08) (Dh of 0.8 mm). FIG. 30 shows the particle size distribution of cellulose fibers present in each suspension 20 when NP is 20.

図30は、ノズルホルダーの通孔の直径の違いにおける懸濁液20中に存在するセルロースファイバー径(nm)の百分率度(Frequency percentage)(%)を示すグラフであり、図31は、ノズルホルダーの通孔の直径の違いによるノズル内の現象を表す概念図であり、(a)はノズルホルダーの通孔の直径が小さい場合(0.8mm)であり、(b)はノズルホルダーの通孔の直径が大きい場合(10mm−30mm)である。
ノズルホルダーのDhが0.8mmのノズルc(S01L15D08)、Dhが10mm―30mmのノズルi(S01L09D10−30)を比較すると、ノズルc(S01L15D08)を使用して高圧噴射処理を行った懸濁液20が、液中にファイバー径の小さいセルロースが存在する割合が高くなった。したがって、通孔の直径が小さいノズルホルダーを使用した場合のほうが、微細化効果が大きくなった。これは、Dhが小さいノズルホルダーを使用した方が、原料混合液10がノズルチップ領域からノズルホルダー領域へ流れる際に圧力低下が少ないため、高圧領域が拡大していることを示している。ノズルチップ内と同様の効果が、ノズルホルダー内でも発生すると考えられる。一方、Dhが大きいノズルホルダーを使用した場合には、原料混合液10がノズルチップ領域からノズルホルダー領域へ流れる際に急激な圧力減少が生じ、すぐにスーパーキャビテーション状態に移行し、攪拌作用のみになってしまうと考えられる。
FIG. 30 is a graph showing the percentage (%) of the cellulose fiber diameter (nm) present in the suspension 20 in the difference in the diameter of the nozzle holder through-hole, and FIG. It is a conceptual diagram showing the phenomenon in a nozzle by the difference in the diameter of the through-hole of (a), (a) is a case where the diameter of the through-hole of a nozzle holder is small (0.8 mm), (b) is the through-hole of a nozzle holder This is when the diameter is large (10 mm-30 mm).
Comparing the nozzle c (S01L15D08) with a nozzle holder Dh of 0.8 mm and the nozzle i (S01L09D10-30) with a Dh of 10 mm-30 mm, the suspension subjected to the high-pressure injection process using the nozzle c (S01L15D08) No. 20, but the proportion of cellulose having a small fiber diameter in the liquid increased. Therefore, the effect of miniaturization was greater when a nozzle holder having a small diameter of the through hole was used. This indicates that the use of the nozzle holder having a small Dh shows that the high pressure region is expanded because the pressure drop is small when the raw material mixture 10 flows from the nozzle tip region to the nozzle holder region. It is considered that the same effect as in the nozzle tip also occurs in the nozzle holder. On the other hand, when a nozzle holder with a large Dh is used, when the raw material mixture 10 flows from the nozzle tip region to the nozzle holder region, a sudden pressure decrease occurs, and the state immediately shifts to the super cavitation state, and only the stirring action occurs. It is thought that it will become.

(実験例9)
多段のノズルN2,N3の違いによるセルロースの解繊変化
本発明の高圧噴射処理装置のノズルとして多段のノズルN2,N3である(表3)のノズルe(M010202),f(M010101),g(M020201)と、比較例として単独のノズルN1である(表1)のノズルc(S01L15)を使用して、セルロースを含む原料混合液10を、Pが200MPaの条件で繰り返し高圧噴射処理した。代表的なNが5の場合と、Nが20の場合の懸濁液20中に存在するセルロースファイバーの粒度分布を図32と図33に示す。
(Experimental example 9)
Changes in cellulose defibration due to the difference between the multistage nozzles N2 and N3 As nozzles of the high-pressure injection processing apparatus of the present invention, the nozzles e (M010202), f (M010101) and g (Table 3) are the multistage nozzles N2 and N3. M020201) and the nozzle c (S01L15) of Table 1 as a single nozzle N1 as a comparative example were used, and the raw material mixed solution 10 containing cellulose was repeatedly subjected to high-pressure injection treatment under the condition of PN of 200 MPa. And for a typical N P 5, the particle size distribution of the cellulose fibers N P is present in the suspension 20 in the case of 20 shown in FIGS. 32 and 33.

図32は、ノズルc,e,f,gにおける懸濁液20中に存在するセルロースファイバー径(nm)の百分率度(Frequency percentage)(%)を示すグラフであり、(a)はNが5の場合であり、(b)はNが20の場合である。図33は、ノズルc,e,f,gを使用した場合のセルロースの平均ファイバー径DのN依存性を示すグラフである。
が5の場合とNが20の場合のどちらの場合でも、ノズルe(M010202)を使用して高圧噴射処理を行った懸濁液20が、液中にファイバー径の小さいセルロースが存在する割合が高くなった。一方、全てのノズルチップのDnが同じサイズ(0.1mm)であるノズルf(M010101)は、Nが5の場合と20の場合のどちらの場合でも、その他のノズルの中で、液中に一番径の大きいセルロースが存在する割合が高くなった。したがって、一番上流側に位置するノズルチップNnの通孔の直径Dnを一番小さくし(0.1mm)、その他のノズルチップNn,Nnの通孔の直径Dn,Dnを前記ノズルチップNnの通孔の直径Dnよりも大きい値(0.2mm)としたノズルN2が微細化処理に一番適していることがわかる。全てのノズルチップの通孔の径が同じサイズ(0.1mm)であるノズルは、流速の低下により微細化特性は劣化した。
Figure 32 is a nozzle c, e, is a graph showing f, the percentage of the cellulose fiber diameter (nm) present in the suspension 20 in g a (Frequency percentage) (%), is (a) the N P This is the case of 5, and (b) is the case of NP = 20. Figure 33 is a graph showing nozzle c, e, f, the N P dependence of the average fiber diameter D of the cellulose in the case of using g.
Even when N P is the case of 5 and N P is either in the case of 20, the suspension 20 subjected to high-pressure injection process using the nozzle e (M010202) is, there is less cellulose having fiber diameters in the liquid The percentage to do became high. On the other hand, the nozzle Dn of all of the nozzle tip are of the same size (0.1mm) f (M010101), even if N P is in either cases of 5 and 20, among other nozzle, submerged The ratio of the cellulose having the largest diameter in the case was high. Therefore, the most upstream side to the smallest diameter Dn 1 through hole nozzle tip Nn 1 located (0.1 mm), the diameter Dn 2 other nozzle tip Nn 2, Nn of holes, Dn 3 it can be seen that the nozzle N2 which was the nozzle tip Nn 1 through hole larger than the diameter Dn 1 (0.2 mm) is best suited to fine processing. The nozzles having the same diameter (0.1 mm) of the through holes of all the nozzle tips deteriorated the miniaturization characteristics due to the decrease in the flow rate.

(実験例10)
各種のノズルN1,N2,N3の違いによるセルロースの粘度変化
本発明の高圧噴射処理装置の単独のノズルN1である(表1)のノズルb(S01L09),c(S01L15),d(S02L15)の3種類のノズルを使用して、Pを200MPaで、セルロース粉を2%濃度含む原料混合液10を、Pが200MPaの条件で繰り返し高圧噴射処理した。
また、本発明の高圧噴射処理装置の多段のノズルN2である(表3)のノズルe(M010202),f(M010101),g(M020201)と、比較例として単独のノズルN1である(表1)のノズルc(S01L15)に対して、単独ノズルN1と同様のP、原料混合液10を、Pが200MPaの条件で繰り返し高圧噴射処理した。この場合のNを変化させた場合の懸濁液20中のセルロースの粘度ηを図34に示す。
(Experimental example 10)
Change in viscosity of cellulose due to differences in various nozzles N1, N2, and N3 Nozzles b (S01L09), c (S01L15), and d (S02L15) of Table 1 are the single nozzle N1 of the high-pressure jet processing apparatus of the present invention. Using three types of nozzles, the raw material mixed solution 10 containing PN at 200 MPa and cellulose powder at a concentration of 2% was repeatedly subjected to high pressure injection treatment under the conditions of PN of 200 MPa.
Further, the nozzles e (M010202), f (M010101), and g (M020201) of the multistage nozzle N2 (Table 3) of the high-pressure injection processing apparatus of the present invention, and a single nozzle N1 as a comparative example (Table 1) the nozzle c (S01L15) of) the same P N alone nozzle N1, the raw material mixture 10, P N is high-pressure injection process repeated under conditions of 200 MPa. The viscosity of the cellulose in the suspension 20 in the case where the N P is changed when η shown in FIG. 34.

単独ノズルN1による粘度ηの変化の考察
図34は、各種ノズルN1,N2,N3における懸濁液20中のセルロースのηのN依存性を示すグラフであり、(a)は単独のノズルN1を使用した場合であり、(b)は多段のノズルを使用した場合である。
単独ノズルN1の場合、ノズルチップのWnが大きいほど少ないNでηが上昇した。このことは、ノズルチップのWnの大きさによって高圧キャビテーション領域が拡大することを意味している。結果として、ノズルc(S01L15)はノズルb(S01L09)の2倍の処理能力を示している。
一方、ノズルh(S010101L45)は、Nが少ない場合はηが上昇しないが、Nの増大に伴って徐々にηが上がることが確認できた。これは、速度が遅いためにせん断力が小さくなるが、微細化の効果がある高圧領域がある程度維持されるためと考えられる。
セルロースのηの変化を見ると、ηは最初は水とほぼ同じ1mPa・secであるが、Nが10になると、270mPa・secと非常に大きくなった。このことは、ηの変化が大きくても、処理時間は変わらなかった。つまり、ノズル内のジェット流の速度はほとんど変わらないことを示している。この結果は、ノズル内は層流ではなく、粘性に依存しないジェット流の状態になっていることを示している。
流れが遅く層流を一部に含むと考えられるノズルd(S02L15)は、ηの上昇が最も少なかった。つまり、ノズルに求められる性能としては、流体抵抗が少なくノズル全体がジェット流になる構造で、ノズルチップ側壁と接する側面を大きくした構造がその効率に優れると考えられる。
多段構成にした場合には、ノズルホルダーの通孔の径はなるべく小さい方が、ノズルチップ以降の圧力が下がりにくく、微粒化に有効な高圧キャビテーション領域が上昇し、効率が上がると考えられる。
ノズルチップのDnが0.2mmのノズルを使用し、噴射圧Pを200MPaで高圧処理した場合のジェット流の径が約0.16mmであることを考えると、最適なノズルチップのDnは0.16mm以下で、その厚みをWnとすると、Wn/Dnが15から45以下のノズルが、最も微粒化効率が高いと考えられる。計測されたAE信号電圧Vrmsの大きさもηの上昇の傾向と一致し、このVrmsの値をノズルの微細化性能の定量的な指針とすることができる。
Consideration view of change in viscosity η due alone nozzles N1 34 is a graph showing various nozzle N1, N2, N3 N P dependence of η of cellulose in the suspension 20 in, (a) represents a single nozzle N1 (B) is a case where multistage nozzles are used.
For a single nozzle N1, eta rises with a small N P as Wn of the nozzle tip is large. This means that the high-pressure cavitation region is enlarged depending on the size of Wn of the nozzle tip. As a result, the nozzle c (S01L15) has twice the processing capacity of the nozzle b (S01L09).
On the other hand, the nozzle h (S010101L45) is when N P is small η is not increased, it was confirmed that the gradual η increases with increasing N P. This is considered to be because the shearing force is reduced because the speed is low, but the high-pressure region having the effect of miniaturization is maintained to some extent.
Looking at changes in eta cellulose, eta is initially about the same 1 mPa · sec and water and N P is 10, becomes very large and 270 MPa · sec. This means that the processing time did not change even when the change in η was large. That is, it shows that the speed of the jet flow in the nozzle hardly changes. This result shows that the inside of the nozzle is not a laminar flow but a jet flow that does not depend on viscosity.
Nozzle d (S02L15), which is thought to be slow in flow and partially including laminar flow, had the smallest increase in η. In other words, the performance required for the nozzle is considered to be excellent in efficiency because it has a structure in which the entire nozzle is in a jet flow with little fluid resistance and the side surface in contact with the nozzle tip side wall is enlarged.
In the case of a multistage configuration, it is considered that when the diameter of the nozzle holder through hole is as small as possible, the pressure after the nozzle tip is less likely to decrease, the high-pressure cavitation region effective for atomization increases, and the efficiency increases.
Considering that the diameter of the jet flow is about 0.16 mm when a nozzle having a nozzle tip Dn of 0.2 mm is used and the injection pressure PN is high pressure treatment at 200 MPa, the optimum nozzle tip Dn is 0. When the thickness is .16 mm or less and the thickness is Wn, a nozzle having a Wn / Dn of 15 to 45 or less is considered to have the highest atomization efficiency. The magnitude of the measured AE signal voltage V rms also coincides with the increasing tendency of η, and this value of V rms can be used as a quantitative guide for nozzle miniaturization performance.

多段のノズルN2,N3による粘度ηの変化の考察
ノズルe(M010202)のみノズルc(S01L15)の特性を上まわった。これは、ノズル下流の高圧領域の拡大とともに、ジェット流周辺部の溶液の攪拌の効果により、数μmのセルロースの塊が完全に解繊し、ファイバー状の粒子密度が増大したことによる。そのため、ノズルe(M010202)で、処理した懸濁液の透明度が最も高くなった。
一方、ノズルg(M020201)のようなノズルの下流側にノズルチップのDnが小さいものを配置した構成では、ノズルの上流側において層流部の圧力が損失した後にジェット流が発生するために、微粒化効率は減少した。
Consideration of change in viscosity η by multi-stage nozzles N2 and N3 Only nozzle e (M010202) exceeded the characteristics of nozzle c (S01L15). This is because the mass of cellulose of several μm was completely defibrated and the density of fiber-like particles increased due to the effect of stirring the solution in the periphery of the jet flow along with the expansion of the high pressure region downstream of the nozzle. Therefore, the transparency of the suspension treated with nozzle e (M010202) was the highest.
On the other hand, in the configuration in which the nozzle tip having a small Dn is arranged on the downstream side of the nozzle like the nozzle g (M020201), the jet flow is generated after the laminar flow portion pressure is lost on the upstream side of the nozzle. The atomization efficiency decreased.

(実験例11)
ノズルN1,N2,N3を使用して高圧噴射処理を行った懸濁液20中のセルロースの構造変化に関して
本発明の高圧噴射処理装置のノズルN1,N2,N3である(表1)のノズルc(S01L15)と、(表3)のノズルe(M010202),g(M020201)を使用して、Pを200MPaの条件で高圧噴射処理を20回行い、乾燥させたセルロース膜を作製した。その膜のX線回折パターン分析と、乾燥試料の電子顕微鏡観察を行った。観察倍率は300倍および5000倍にし、微細構造を観察した。その結果を図35、図36、図37に示す。
(Experimental example 11)
Nozzle c of (Table 1) which is nozzle N1, N2, N3 of the high-pressure injection processing apparatus of the present invention regarding the structural change of cellulose in the suspension 20 subjected to high-pressure injection processing using the nozzles N1, N2, N3 Using (S01L15) and nozzles e (M010202) and g (M020201) shown in (Table 3), a high-pressure jet treatment was performed 20 times under the condition of PN of 200 MPa, and a dried cellulose membrane was produced. X-ray diffraction pattern analysis of the film and electron microscope observation of the dried sample were performed. The observation magnification was 300 times and 5000 times, and the fine structure was observed. The results are shown in FIG. 35, FIG. 36, and FIG.

図35は、ノズルN1,N2,N3を使用して高圧噴射処理を行ったセルロース膜の回折パターンを示す図であり、図36は、ノズルe(M010202)を使用して高圧噴射処理を行ったセルロースの電子顕微鏡像であり、(a)は300倍拡大像であり、(b)は5000倍拡大像である。図37は、ノズルg(M020201)を使用して高圧噴射処理を行ったセルロースの電子顕微鏡像であり、(a)は300倍拡大像であり、(b)は5000倍拡大像である。
解繊タイプのノズルg(M020201)で高圧噴射処理を行ったセルロースが最も(200)のピークが高く、構造を破壊せずに解繊できたことを示してる。
また解繊タイプのノズルg(M020201)とノズルe(M010202)で高圧噴射処理したセルロースの電子顕微鏡像を比較すると、解繊タイプのノズルg(M020201)には繊維が絡まった状態が観察された。高倍率で拡大した像では、ファイバー径はより細くなっていた。よって、解繊タイプのノズルg(M020201)は、セルロースをソフトに解繊し、繊維状の構造に損傷を与えていないことが分かった。
以上の結果から、こちらの構成の方が結晶への損傷も少なく、ファイバー長が長い傾向を示していた。したがって長いファイバー作製する場合には、このノズル構成にし、高圧での高速な層流を利用した損傷の少ない微細化処理が適していた。単に噴射圧Pを下げるのでなく、ノズル構成によって調整し、噴射圧力をその役割に応じて使用することで、処理プロセス全体の効率を構造させることができる。
FIG. 35 is a diagram showing a diffraction pattern of a cellulose film subjected to high pressure injection processing using nozzles N1, N2, and N3, and FIG. 36 shows high pressure injection processing performed using nozzle e (M010202). It is an electron microscope image of a cellulose, (a) is a 300 times magnified image, (b) is a 5000 times magnified image. FIG. 37 is an electron microscopic image of cellulose that has been subjected to high-pressure spraying using the nozzle g (M020201), (a) is a 300-fold magnified image, and (b) is a 5000-fold magnified image.
Cellulose subjected to high-pressure spraying with a defibrating nozzle g (M020201) has the highest (200) peak, indicating that it could be defibrated without destroying the structure.
Further, when the electron microscopic images of cellulose subjected to the high-pressure jet treatment with the defibrating nozzle g (M020201) and the nozzle e (M010202) were compared, a state in which fibers were entangled was observed in the defibrating nozzle g (M020201). . In the image magnified at high magnification, the fiber diameter was narrower. Therefore, it was found that the defibration type nozzle g (M020201) defibrated cellulose softly and did not damage the fibrous structure.
From the above results, this configuration showed less damage to the crystal and a longer fiber length. Therefore, when manufacturing a long fiber, this nozzle configuration is suitable, and a miniaturization process with little damage using a high-speed and high-speed laminar flow is suitable. Rather than simply reducing the injection pressure PN , the efficiency of the entire processing process can be structured by adjusting the nozzle configuration and using the injection pressure according to its role.

(実験例12)
単独ノズルN1によるPZT粉体の粒度分布
PZT粉体の約30wt%の懸濁液を原料混合液10として、(表1)のノズルb(S01L09),c(S01L15)を使用して、Pを200MPaの条件で2回処理(Nが2)を行った。処理後の懸濁液20中に存在するPZT粉体の粒度分布を図38に示す。この微粒子の粒度分布に関しては、体積基準で記載してある。
(Experimental example 12)
A suspension of approximately 30 wt% of the particle size distribution PZT powder PZT powder by single nozzle N1 as the raw material mixture 10, using a nozzle (Table 1) b (S01L09), c (S01L15), P N twice processing (N P is 2) was carried out under the conditions of 200MPa. The particle size distribution of the PZT powder present in the suspension 20 after the treatment is shown in FIG. The particle size distribution of the fine particles is described on a volume basis.

図38は、ノズルb,cにおける懸濁液20中に存在するPZT粉体の径(nm)の百分率度(Frequency percentage)(%)を示すグラフである。
ノズルチップの通孔の厚みWnが大きいほど、高い微粒化性能を示した。
FIG. 38 is a graph showing the percentage (%) of the diameter (nm) of the PZT powder existing in the suspension 20 at the nozzles b and c.
The higher the thickness Wn of the nozzle chip through hole, the higher the atomization performance.

(実験例13)
単独ノズルN1によるナノサイズアルミナ微粒子の径の変化
ナノサイズアルミナ微粒子を原料混合液10の原料として、(表1)のノズルb(S01L09),c(S01L15)を使用して、Pが200MPaの条件で処理を行った。代表的なNが5,10,20の場合の懸濁液20中に存在するナノサイズアルミナ微粒子の径(nm)の百分率度(Frequency percentage)(%)と、アルミナ微粒子の平均径DのN依存性を評価した。その結果を図39、図40に示す。この微粒子の粒度分布に関しては、体積基準で記載してある。
(Experimental example 13)
Change in diameter of nano-sized alumina fine particles by single nozzle N1 Using nano-sized alumina fine particles as a raw material of the raw material mixture 10, nozzles b (S01L09) and c (S01L15) in (Table 1) are used, and PN is 200 MPa. Processing was performed under conditions. And the percentage of the representative N P is the diameter of the nano-sized alumina particles present in the suspension 20 in the case of 5,10,20 (nm) (Frequency percentage) (%), the average diameter D of the fine alumina particles It was to evaluate the N P dependence. The results are shown in FIGS. 39 and 40. The particle size distribution of the fine particles is described on a volume basis.

図39は、ノズルb,cにおける懸濁液20中に存在するナノサイズアルミナ微粒子の径(nm)の百分率度(Frequency percentage)(%)を示すグラフであり、(a)はNが5の場合であり、(b)はNが10の場合であり、(c)はNが20の場合である。図40は、アルミナ微粒子の平均径DのN依存性を示すグラフである。
どのNでも、ノズルc(S01L15)はノズルb(S01L09)よりも、小さな径になっていることが分かる。アルミナ微粒子の平均径Dが150nmになるNを比較するとノズルc(S01L15)はノズルb(S01L09)に比べて4倍の性能を持っていた。ゼータ電位Vζに関しては、両者の違いはあまりなかった。この結果は100nmのサイズの粒子においても、ノズルチップを厚くすることで微粒化効率が進むことが確認できた。
Figure 39 is a graph showing the diameter of the nano-sized alumina particles present in the suspension 20 in the nozzle b, c percentage of the (nm) a (Frequency percentage) (%), is (a) the N P 5 (B) is the case where NP is 10, and (c) is the case where NP is 20. FIG 40 is a graph showing the N P dependence of the average diameter D of the fine alumina particles.
In any N P, nozzle c (S01L15) rather than the nozzle b (S01L09), it can be seen that has a small diameter. If the average diameter D of the alumina particles to compare N P to become 150nm nozzle c (S01L15) had four times the performance compared to the nozzle b (S01L09). Regarding the zeta potential V ζ , there was not much difference between the two. As a result, it was confirmed that even when the particle size is 100 nm, the atomization efficiency is increased by increasing the thickness of the nozzle tip.

(実験例14)
(表1)のノズルaを使用し、2%濃度のセルロースを処理した場合のNのAE信号電圧Vrmsの変化を計測した。ここでのPは200MPaである。
その結果を図43に示す。図43は、各噴射回数NにおけるAE信号電圧の時間経過変化を表すグラフである。粘度ηは初期の1mPa・sec程度から、Nが10で、140mPa・secにも上昇しているにも関わらず、その処理時間は2.25秒と、ほとんど変化しなかった。このことはノズル内の平均速度がほぼ一定であることを示している。一方、VrmsはNが10まで、Nに比例して上昇するが、それ以降上昇は少なくなった。この変化はηの変化と良く対応し、セルロースの微細化の状態を上手くモニタリングできていることが分かる。
(Experimental example 14)
Using the nozzle a in (Table 1), was measured the change in AE signal voltage V rms of N P when treated cellulose 2% concentration. Here, PN is 200 MPa.
The result is shown in FIG. Figure 43 is a graph showing the time course change of the AE signal voltage at each injection number N P. Viscosity η from about the initial 1 mPa · sec, at N P is 10, even though also risen to 140 mPa · sec, the processing time and 2.25 seconds, was hardly changed. This indicates that the average speed in the nozzle is almost constant. On the other hand, V rms is N P up to 10, rises in proportion to N P, increase thereafter was less. This change corresponds well with the change of η, and it can be seen that the state of refinement of cellulose can be monitored well.

以上をまとめると、ノズルや高圧シリンダー等の高圧噴射処理装置の微細化特性の定量的性能評価に、AE信号電圧Vrmsの大きさを使用することは非常に有効で、その値が大きいほど微粒化効果は高かった。また、Vrmsには大きな速度依存性があることが分かった。つまり高圧領域を長くしても、微粒化のせん断力に関連する速度が大きくなければ、高い微細化効果は得られなかった。その境界の速度は300m/s周辺であった。つまりノズル構造とともに300m/s以上の速度が達成できることで、高い微粒化性能を実現することができる。
そして、以下(ア)、(イ)、(ウ)を導き出すことができる。
(ア)同じ径なら、ノズルチップが厚い方が、大きなAE信号電圧が得られた。
(イ)ノズルチップを積層するよりも分割した方が速度減少が少なく、大きなAE信号電圧が得られた。
(ウ)高圧側に径の小さなノズルチップを置く方が、低圧でも大きなAE信号電圧が得れていた。
In summary, it is very effective to use the magnitude of the AE signal voltage V rms for quantitative performance evaluation of the miniaturization characteristics of high-pressure injection processing devices such as nozzles and high-pressure cylinders. The conversion effect was high. It was also found that V rms has a large speed dependency. That is, even if the high pressure region is lengthened, a high refining effect cannot be obtained unless the speed related to the shearing force of atomization is large. The boundary speed was around 300 m / s. That is, a high atomization performance can be realized by achieving a speed of 300 m / s or more together with the nozzle structure.
The following (a), (b), and (c) can be derived.
(A) When the diameter was the same, a larger AE signal voltage was obtained with a thicker nozzle tip.
(A) The speed reduction was less when the nozzle chips were divided than when the nozzle chips were stacked, and a large AE signal voltage was obtained.
(C) A large AE signal voltage was obtained by placing a nozzle tip having a small diameter on the high voltage side even at a low voltage.

(実験例15)
(表1)(表2)(表3)に示すノズルb,c,d,e,f,g,h,iを高圧噴射処理装置に取り付け、原料混合液を高圧噴射処理し、AE信号を計測した。その解析から平均速度vに対するVrmsを求めた結果を図42に示す。これは、これまで実施したvとVrms関係をまとめたグラフであり、(a)はノズルチップの通孔の直径と厚みを変化させたノズルの結果を示し、(b)は積層ノズルと多段ノズルの結果を示し、(c)多段ノズルの結果を示す。
Dnが0.1mmで、Wnが0.9mmと薄い場合、vが400m/sより大きくなるとVrmsが大きくなった。厚みWnが1.5mmになると、その倍程度の大きさに変化した。Wn/Dnの高い単独ノズルでは、300m/sを超えると急激にvが大きくなった。つまり、300m/s以上の平均速度と、それを活かすノズル構造が必要になることが分かる。多段にした方がvに比例してVrmsが大きくなる傾向があった。このことは、厚みが大きいほど、AE信号が大きくなることを示している。
を0.2mmにすると、vが300m/s以上でVrmsは急激に大きくなった。これは、Dを大きくするとノズル内でのジェット流境界の表面積が多くなるため、計測されるAE信号量が増加することを示している。
また、ノズルチップを積層より多段にした方が、vの減少が少なくAE信号は大きくなった。これは、AE信号が大きくなることからも、ノズルを多段構成にし、それらのノズルホルダー部分を利用することで、高圧領域がより拡大できることを示している。多段構成の中では、上流側にDnが小さい0.1mmの通孔径のノズルチップを配置し、それ以降、ジェット流の速度減少が起きないような構成で、かつ高圧が維持できるようにしたノズルが最もAE信号が大きくなった。つまり、その構成のノズルが最も微粒化特性が良いことになる。これらの傾向は、実際に各種ノズルを使用した場合のセラミックやセルロース処理の粒径変化と良く対応がとれていた。つまり、AE信号の大きさにより、ノズルの微粒化性能を定量的に評価できることが示された。
(Experimental example 15)
(Table 1) (Table 2) Nozzles b, c, d, e, f, g, h, i shown in (Table 3) are attached to a high-pressure injection processing apparatus, the raw material mixture is subjected to high-pressure injection processing, and an AE signal is output. Measured. The result of obtaining V rms with respect to the average speed v N from the analysis is shown in FIG. This is a graph summarizing the relationship between V N and V rms carried out so far, (a) shows the results of nozzles with the diameter and thickness of the nozzle tip through-hole changed, (b) shows the stacking nozzle and The result of a multistage nozzle is shown, (c) The result of a multistage nozzle is shown.
Dn is at 0.1mm, Wn is a case 0.9mm and a thin, v N is V rms is large becomes greater than 400m / s. When the thickness Wn was 1.5 mm, the size changed to about twice that. At high alone nozzles of Wn / Dn, rapidly v N is greater when more than 300 meters / s. That is, it can be seen that an average speed of 300 m / s or more and a nozzle structure that makes use of it are necessary. There was a tendency for V rms to increase in proportion to v N in the case of multiple stages . This indicates that the AE signal increases as the thickness increases.
If the D N to 0.2 mm, v N is V rms at 300 meters / s or more it is sharply increased. This indicates that when DN is increased, the surface area of the jet flow boundary in the nozzle increases, and thus the amount of AE signal measured increases.
Also, better to the nozzle tip in multiple stages from the lamination, v is less AE signal decrease of N is increased. This indicates that the high-pressure region can be further expanded by using a multi-stage nozzle and utilizing these nozzle holder portions because the AE signal becomes large. In the multi-stage configuration, a nozzle tip having a 0.1 mm through hole diameter with a small Dn is arranged on the upstream side, and thereafter, a nozzle that does not cause a decrease in the jet flow velocity and that maintains a high pressure. However, the AE signal was the largest. That is, the nozzle having the configuration has the best atomization characteristics. These tendencies corresponded well to changes in the particle size of ceramic and cellulose treatment when various nozzles were actually used. That is, it was shown that the atomization performance of the nozzle can be quantitatively evaluated by the magnitude of the AE signal.

一方、ジェット流の境界で最も大きなせん断力が働き、その周辺で微細化処理が進む。その高圧キャビテーション部分からAE信号が発生とするので、Dnを大きくすることで、その表面付近の強い微細化領域は増加し、AE信号も大きくなると考えられるが、ジェット流の中心部は流れの速度差があまりないため、境界領域ほど大きな微細化効果は期待できない。そのため単独ノズルでは、DnによるAEの大きさと、処理効率は必ずしも一致しない場合がある。その場合、その表面積で規格化すれば良いことになる。
また、高圧に加圧するシリンダー部のポンプ能力や配管の膨張などから、急激に数百MPaに加圧できない場合もある。この場合、圧力の立ち上がりが鈍り、溶液の速度が規定値に達しない時間が発生する。ここで処理された懸濁液は、微細化効果がほとんど無い状態でノズル内を通過することになり、未処理部分が増加し、全体として処理効率が劣化する。この微細化効果のモニターリングとしてAE信号の変化が有効であると考えられ、その平均値でノズルや装置の微細化に関する性能評価が可能になる。
On the other hand, the largest shearing force acts at the boundary of the jet flow, and the miniaturization process proceeds in the vicinity. Since the AE signal is generated from the high-pressure cavitation portion, it is considered that increasing Dn increases the strong miniaturization region near the surface and increases the AE signal, but the center of the jet flow is the flow velocity. Since there is not much difference, the effect of miniaturization as large as the boundary region cannot be expected. Therefore, with a single nozzle, the size of AE due to Dn may not always match the processing efficiency. In that case, what is necessary is just to normalize with the surface area.
In some cases, the pressure cannot be rapidly increased to several hundred MPa due to the pumping capacity of the cylinder portion that pressurizes to a high pressure or the expansion of piping. In this case, the pressure rises slowly, and a time during which the solution speed does not reach the specified value occurs. The suspension treated here passes through the nozzle in a state where there is almost no miniaturization effect, the untreated portion increases, and the processing efficiency as a whole deteriorates. It is considered that the change of the AE signal is effective as monitoring of the miniaturization effect, and the performance evaluation regarding the miniaturization of the nozzle and the apparatus can be performed with the average value.

以上、本実施の形態では、ボール衝突チャンバーを配置したもので説明したが、本発明は、ボール衝突チャンバーに限らずシングルノズルチャンバー、斜向衝突チャンバー等も適用可能である。このように、本発明は本実施の形態に限られず、湿式の微細化装置に広く適用可能である。   As described above, in this embodiment, the ball collision chamber is disposed. However, the present invention is not limited to the ball collision chamber, and a single nozzle chamber, an oblique collision chamber, and the like can be applied. As described above, the present invention is not limited to the present embodiment, and can be widely applied to wet microfabrication apparatuses.

N1,N2,N3 本発明の高圧噴射処理装置のノズル、
Nn,Nn1,Nn2,Nn3 ノズルチップ、
Nh,Nh1,Nh2,Nh3 ノズルホルダー、
1 モニタリング機器、
8 信号処理判定手段(FFTアナライザ)、
9 AEセンサ(共振型AEセンサ)、
10 原料混合液、
20 分散液(懸濁液)、
1a 微粒子の凝集体、
1c 微粒子、
40 チャンバー、
400 本発明の高圧噴射処理装置のノズル、
402 出口、
500 高圧シリンダー部、
600 AE信号の主な伝搬経路、
AE 計測されるAE信号の強度、
AE 粒子のキャビテーションによる信号、
AE 溶液のキャビテーションによる信号、
Att 超音波の伝搬特性(減衰率)、
高圧噴射の噴射回数、
rms AE信号電圧
N1, N2, N3 Nozzle of the high-pressure jet processing apparatus of the present invention,
Nn, Nn1, Nn2, Nn3 nozzle tip,
Nh, Nh1, Nh2, Nh3 nozzle holder,
1 monitoring equipment,
8 Signal processing judgment means (FFT analyzer),
9 AE sensor (resonant AE sensor),
10 Raw material mixture,
20 dispersion (suspension),
1a Agglomerates of fine particles,
1c fine particles,
40 chambers,
400 Nozzle of the high-pressure jet processing apparatus of the present invention,
402 Exit,
500 high pressure cylinder part,
600 AE signal main propagation path,
AE m intensity of AE signal measured,
AE p- particle cavitation signal,
Signal due to cavitation of AE s solution,
Att u ultrasonic propagation characteristic (attenuation ratio),
The number of injections of N P high-pressure injection,
V rms AE signal voltage

Claims (9)

原料混合液をノズル内平均速度が300m/s以上となるように高圧噴射して微細化する高圧噴射処理装置のノズルにおいて、前記ノズルは通孔をもつノズルチップとノズルホルダーで構成され、前記ノズルチップの通孔の直径Dnは0.16mm以下で、かつ直径Dnに対する前記ノズルチップの前記通孔の厚みWnの比(Wn/Dn)は10以上45未満であることを特徴とする高圧噴射処理装置のノズル。   In a nozzle of a high-pressure injection processing apparatus that finely squeezes a raw material mixture by high-pressure injection so that the average velocity in the nozzle is 300 m / s or more, the nozzle is composed of a nozzle tip having a through hole and a nozzle holder, and the nozzle The diameter Dn of the through hole of the tip is 0.16 mm or less, and the ratio (Wn / Dn) of the through hole thickness Wn of the nozzle tip to the diameter Dn is 10 or more and less than 45, Equipment nozzle. 原料混合液をノズル内平均速度が300m/s以上となるように高圧噴射して微細化する高圧噴射処理装置のノズルにおいて、ダイヤモンドで作製されるノズルチップの厚みを分割するために前記ノズルは通孔をもつ複数のノズルチップと複数のノズルホルダーで構成され、前記ノズルチップの通孔の直径Dnの少なくとも一つは0.16mm以下で、かつ前記ノズルチップの通孔の直径Dnのうち、一番小さい直径に対する複数の前記ノズルチップの通孔の厚みの合計の比を10以上45未満とすることを特徴とする高圧噴射処理装置のノズル。 In a nozzle of a high-pressure injection processing apparatus that finely squeezes the raw material mixture by high-pressure injection so that the average velocity in the nozzle becomes 300 m / s or more, the nozzle is passed through in order to divide the thickness of the nozzle tip made of diamond. It is composed of a plurality of nozzle chips and a plurality of nozzle holder having a bore, at least one of the following 0.16mm diameter Dn m through hole of the nozzle tip, and of diameter Dn m through hole of the nozzle tip A nozzle of a high-pressure injection processing apparatus, wherein a ratio of a total thickness of through holes of the plurality of nozzle tips to a smallest diameter is 10 or more and less than 45. 前記ノズルは前記直径Dnの大きさが異なる複数のノズルチップと複数のノズルホルダーで構成されることを特徴とする請求項2記載の高圧噴射処理装置のノズル。 The nozzle nozzle for high-pressure injection apparatus according to claim 2, wherein the size of the diameter Dn m is composed of a plurality of different nozzle tips and a plurality of nozzle holder. 前記複数のノズルチップは、第1のノズルチップと第2のノズルチップから構成され、前記第2のノズルチップは前記第1のノズルチップよりも下流側に配置され、かつ前記第2のノズルチップの通孔の直径は前記第1のノズルチップの通孔の直径よりも大きく、0.16mm以上0.8mm以下の範囲としたことで、前記ノズル内平均速度を下げることなく高圧領域を増大させ、効率的な微細化処理を可能としたことを特徴とする請求項2または3記載の高圧噴射処理装置のノズル。   The plurality of nozzle chips are composed of a first nozzle chip and a second nozzle chip, the second nozzle chip is arranged on the downstream side of the first nozzle chip, and the second nozzle chip The diameter of the through hole of the first nozzle tip is larger than the diameter of the through hole of the first nozzle tip and is in the range of 0.16 mm or more and 0.8 mm or less, thereby increasing the high pressure region without lowering the average speed in the nozzle. The nozzle of the high-pressure jet processing apparatus according to claim 2, wherein an efficient miniaturization process is enabled. 前記複数のノズルチップは、一番上流側に配置された第3のノズルチップと第4のノズルチップから構成され、前記第4のノズルチップは第3のノズルチップよりも下流側に配置され、かつ前記第3のノズルチップの通孔の直径は第4のノズルチップの通孔の直径よりも大きく、0.16mm以上0.8mm以下の範囲としたことで、前記ノズル内平均速度を下げることなく高速な層流内のせん断力を利用したファイバーなどの適した解繊処理を可能としたことを特徴とする請求項2または3記載の高圧噴射処理装置のノズル。   The plurality of nozzle chips is composed of a third nozzle chip and a fourth nozzle chip arranged on the most upstream side, and the fourth nozzle chip is arranged on the downstream side of the third nozzle chip, And the diameter of the through hole of the third nozzle tip is larger than the diameter of the through hole of the fourth nozzle tip and is in the range of 0.16 mm or more and 0.8 mm or less, thereby reducing the average speed in the nozzle. The nozzle of the high-pressure jet processing apparatus according to claim 2 or 3, wherein a suitable defibrating process such as a fiber using a shearing force in a laminar flow at a high speed is possible. ノズルチップ周辺の高圧領域の維持のために前記ノズルホルダーの通孔の直径は、0.8mm以下であることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の高圧噴射処理装置のノズル。   The nozzle of the high-pressure injection processing apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein a diameter of the through hole of the nozzle holder is 0.8 mm or less in order to maintain a high-pressure region around the nozzle tip. . 所定圧力で原料混合液を高圧噴射してキャビテーションを生じさせて微細化する高圧噴射処理装置の評価方法であって、前記高圧噴射処理装置にAEセンサを取り付け、AE信号を検出し、その値の大きさから微粒化特性の性能評価を行うことを特徴とする高圧噴射処理装置の評価方法。   An evaluation method of a high pressure injection processing apparatus that finely injects a raw material mixture at a predetermined pressure to generate cavitation, and an AE sensor is attached to the high pressure injection processing apparatus to detect an AE signal, A method for evaluating a high-pressure jet processing apparatus, wherein performance evaluation of atomization characteristics is performed based on size. 原料混合液をノズル内平均速度が300m/s以上となるように高圧噴射して微細化または解繊する請求項1から6のいずれか一項記載のノズルを備えた高圧噴射処理装置において、前記原料混合液を加圧する高圧ポンプと、前記高圧ポンプを駆動及び制御することで前記原料混合液を100MPa以上に加圧する駆動制御部と、高圧シリンダーを備え、100MPa以上に加圧された前記原料混合液を前記高圧シリンダーと連結された前記ノズルに噴射させることで、微細化または解繊することを特徴とする高圧噴射処理装置。   The high-pressure injection processing apparatus including the nozzle according to any one of claims 1 to 6, wherein the raw material mixture is finely pulverized or defibrated by high-pressure injection so that the average velocity in the nozzle is 300 m / s or more. A high-pressure pump that pressurizes the raw material mixture, a drive control unit that pressurizes the raw material mixture to 100 MPa or more by driving and controlling the high-pressure pump, and a high-pressure cylinder, and the raw material mixture that is pressurized to 100 MPa or more A high-pressure injection processing apparatus characterized in that a liquid is injected into the nozzle connected to the high-pressure cylinder, thereby miniaturizing or defibrating. 原料混合液をノズル内平均速度が300m/s以上となるように高圧噴射して微細化または解繊する請求項1から6のいずれか一項記載のノズルを使用した高圧噴射処理方法において、前記原料混合液を加圧する高圧ポンプと、前記高圧ポンプを駆動及び制御することで前記原料混合液を100MPa以上に加圧する駆動制御部と、高圧シリンダーを備え、前記駆動制御部および前記高圧ポンプは原料混合液を100MPa以上に加圧し、前記高圧シリンダーと連結された前記ノズルに噴射することで、前記原料混合液を微細化または解繊することを特徴とする高圧噴射処理方法。   The high-pressure injection processing method using a nozzle according to any one of claims 1 to 6, wherein the raw material mixture is finely pulverized or defibrated by high-pressure injection so that the average velocity in the nozzle is 300 m / s or more. A high-pressure pump that pressurizes the raw material mixture; a drive control unit that pressurizes the raw material mixture to 100 MPa or more by driving and controlling the high-pressure pump; and a high-pressure cylinder. A high-pressure injection processing method, comprising pressurizing a mixed liquid to 100 MPa or more and spraying the mixed liquid to a nozzle connected to the high-pressure cylinder to refine or defibrate the raw material mixed liquid.
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