JP2017205739A - 分散装置用ノズル、そのノズルを備えた分散装置、及び分散方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分散質をより細かく分散できるノズルを容易に形成することができる分散装置用ノズル、そのノズルを備えた分散装置、及び分散方法を提供する。【解決手段】第１ノズル穴１６が形成された保護板１２Ａと、前記保護板１２Ａに重ねて設けられ、第２ノズル穴２４が形成された合わせ板１４Ａとを備え、前記合わせ板１４Ａは、同一平面状に配置された一対の分割板２０を有し、前記一対の分割板２０の対向面の間に前記第２ノズル穴２４が形成され、前記対向面に単結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンドで形成された超硬部２６が設けられ、前記第２ノズル穴２４によって、前記処理液の進行方向に直交する第１軸側内面間の距離が、前記進行方向及び前記第１軸に直交する第２軸内面間の距離より短いオリフィス部１８が形成されていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、分散装置用ノズル、そのノズルを備えた分散装置、及び分散方法に関する。

分散質として例えば固形物を細かく分散する装置は、固形物を含有した処理液にせん断力を与え、当該せん断力により固形物を細かく分散する（例えば、特許文献１及び２）。上記特許文献１の分散装置は、オリフィス部の下流側にオリフィス部よりも断面が拡大された噴出穴が形成されている。上記特許文献２の分散装置は、カーボンナノチューブと、両性イオン界面活性剤と、極性溶媒とを含有した処理液を高圧かつ高速でオリフィス部に通過させることで、カーボンナノチューブを分散させる。

特開昭６０−１６８５５４号公報 特開２０１５−１３７７２号公報

ノズルにおいて固形物に大きなせん断力を与えるには、固形物を含有した粘度の高い処理液を用いることや、小さいノズル径を有するノズルを用いることが有効である。ところが、粘度の高い処理液や、小さいノズル径を有するノズルを用いた場合、固形物がノズルに詰まってしまうという問題があった。またノズルは通常、単結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンド等の硬質な材料に微細な穴を設けて形成するが、所望の形状の穴を硬質な材料に形成することは容易ではない。

そこで本発明は、分散質をより細かく分散できるノズルを容易に形成することができる分散装置用ノズル、そのノズルを備えた分散装置、及び分散方法を提供することを目的とする。

本発明に係るノズルは、加圧された処理液がノズルを通過することによって、前記処理液に含まれる分散質を分散させる分散装置用ノズルにおいて、第１ノズル穴が形成された保護板と、前記保護板に重ねて設けられ、第２ノズル穴が形成された合わせ板とを備え、前記合わせ板は、同一平面状に配置された一対の分割板を有し、前記一対の分割板の対向面の間に前記第２ノズル穴が形成され、前記対向面に単結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンドで形成された超硬部が設けられ、前記第２ノズル穴によって、前記処理液の進行方向に直交する第１軸側内面間の距離が、前記進行方向及び前記第１軸に直交する第２軸内面間の距離より短いオリフィス部が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る分散装置は、上記分散装置用ノズルを備えたことを特徴とする。

本発明に係る分散方法は、加圧された処理液がノズルを通過する工程を備え、前記処理液に含まれる分散質を分散させる分散方法において、第１ノズル穴が形成された保護板と、前記保護板に重ねて設けられ第２ノズル穴が形成された合わせ板とを有し、前記合わせ板は、同一平面状に配置された一対の分割板を有し、前記一対の分割板の対向面の間に前記第２ノズル穴が形成され、前記対向面に、単結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンドで形成された超硬部が設けられ、前記第１ノズル穴と前記第２ノズル穴とが一部で重なることによって、前記処理液の進行方向に直交する第１軸において、前記ノズルの全体で流速がほぼ一定であり、前記進行方向及び前記第１軸に直交する第２軸において前記ノズルの中央がより流速が速い前記ノズルに、前記処理液を通過させることを特徴とする。

本発明によれば、合わせ板は、一対の分割板の間に第２ノズル穴が形成されているので、合わせ板に対する穴あけ加工をせずに、オリフィス部を容易に形成することができる。

本実施形態に係る分散装置の構成を示す模式図である。 本実施形態に係る分散装置用ノズルの構成を示す斜視図である。 本実施形態に係る合わせ板の構成を示す図であり、図３Ａは平面図、図３Ｂは図３Ａに示すＡ−Ａ断面図である。 本実施形態に係る分散装置用ノズルの構成を示す図であり、図４Ａは平面図、図４Ｂは図４Ａに示すＡ−Ａ断面図である。 変形例に係る分散装置用ノズル（１）の構成を示す平面図である。 変形例に係る合わせ板（１）の構成を示す平面図である。 変形例に係る合わせ板（２）の構成を示す平面図である。 変形例に係る合わせ板（３）の構成を示す平面図である。 変形例に係る合わせ板（４）の構成を示す平面図である。 変形例に係る合わせ板（５）の構成を示す断面図である。 変形例に係る分散装置用ノズル（２）の構成を示す断面図である。 変形例に係る合わせ板（６）の構成を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

（全体構成）
図１に示す分散装置１は、圧縮機２、ノズル１０Ａ、及び冷却部４を備える。圧縮機２には、逆止弁６を介して処理液供給部３が接続されている。圧縮機２には、逆止弁６を介して処理液供給部３が接続されている。圧縮機２は、動力５に接続されており、吐出口が圧縮配管７の一側に接続されている。圧縮配管７の他側は、ノズル１０Ａの入り口に接続されている。ノズル１０Ａの出口は、排出配管８の一側に接続されている。排出配管８の他側は、冷却部４に接続されている。分散装置１は、処理液供給部３から供給された処理液が、ノズル１０Ａを通過することにより、前記処理液に含まれる分散質を分散し得るように形成されている。

ノズル１０Ａは、図２に示すように、保護板１２Ａと、合わせ板１４Ａとを有する。保護板１２Ａは、第１ノズル穴１６が厚さ方向に形成されている。保護板１２Ａは、金属、例えば、鉄、ステンレスなどで形成される。本実施形態の場合、保護板１２Ａは、円板状の部材で形成されており、円形の第１ノズル穴１６を有する。合わせ板１４Ａは、保護板１２Ａに対し、下流側に配置される。

合わせ板１４Ａは、図３に示すように、同一平面状に配置された一対の分割板２０を有し、一対の分割板２０の対向面２１の間に第２ノズル穴２４が形成されている。本図の場合、一対の分割板２０の間には、間隔保持部２２が設けられている。

分割板２０は、直線状の対向面２１を有する板本体２３と、超硬部２６とからなる。板本体２３は、保護板１２Ａと同様の金属製部材であり、直線部２５に保持溝２８が設けられている。超硬部２６は、電着やろう付けにより、保持溝２８に固定されている。超硬部２６は、板本体よりも硬い材料である、単結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンドで形成されている。間隔保持部２２は、保護板１２Ａと同様の金属製部材であり、一対の分割板２０の対向面２１間を所定の距離に保持し得る厚さに形成されている。間隔保持部２２は、高さが合わせ板１４Ａの厚さ方向の長さと同じ長さを有する。

本実施形態の場合、分割板２０は、半円形の板状部材である。保持溝２８は、板本体２３の直線部２５から半径方向に凹んだ溝であり、分割板２０の対向面２１において板本体２３の直線部２５と超硬部２６の表面の間に段差が生じないように形成されている。

合わせ板１４Ａは、対向面２１を対向させた状態で一対の分割板２０を同一平面状に配置し、対向面２１間に間隔保持部２２を配置して、分解可能に一体化することにより形成される。合わせ板１４Ａは上記のように構成されることにより、一対の分割板２０の対向面２１と、間隔保持部２２で囲まれた第２ノズル穴２４が形成される。なお、本図において、処理液の進行方向をＦ、進行方向に直交する第１軸をＸ、前記進行方向Ｆ及び前記第１軸Ｘに直交する第２軸をＹとする。

第２ノズル穴２４は、対向面２１間の第１軸Ｘに平行な距離（第１軸側内面間の距離）をａ、間隔保持部２２間の第２軸Ｙに平行な距離（第２軸側内面間の距離）をｂとすると、距離ａは距離ｂより短くなるように形成されている。距離ａは、例えば、１ｎｍ〜１０ｍｍとすることができる。距離ａは、好ましくは１０ｎｍ〜０．５ｍｍとすることができる。好ましい距離ａの、下限が１０ｎｍであるのは多層ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）の直径が１０ｎｍ程度だからであり、上限が０．５ｍｍであるのはＣＮＴの長さが０．５ｍｍ程度のものが存在するからである。

距離ｂは、０．０１ｍｍ〜１００ｍｍとすることができる。距離ｂは、好ましくは０．０１〜５ｍｍとすることができる。好ましい距離ｂの上限が５ｍｍであるのは、それ以上のサイズの単結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンドを入手することが困難だからである。

ノズル１０Ａは、図４に示すように、保護板１２Ａ及び合わせ板１４Ａを同軸上に重ねて、図示しない固定手段により軸方向に固定される。保護板１２Ａ及び合わせ板１４Ａを重ねたことにより、オリフィス部１８が形成される。ノズル１０Ａは、保護板１２Ａ側（図４Ｂにおける上側）を上流側に配置して圧縮配管７及び排出配管８に接続される。

圧縮配管７及び排出配管８に接続される際、ノズル１０Ａは、図示しない外周保持部により合わせ板１４Ａが半径方向に保持されるのが好ましい。合わせ板１４Ａは、半径方向に保持されることにより、処理液がオリフィス部１８を通過する際、第２ノズル穴２４を広げる方向（合わせ板１４Ａの半径方向）に働く力によって、上記距離ｂが変化しないようにすることができる。

オリフィス部１８は、圧縮配管７の内径に比べ、微細に形成されている。オリフィス部１８は、保護板１２Ａ及び合わせ板１４Ａを重ねたことにより、第２ノズル穴２４に比べ、第２軸Ｙ側内面間の距離が多少短くなるが、上記距離ｂに影響を与えるほどではない。したがって本実施形態では、オリフィス部１８は、実質的に第２ノズル穴２４によって構成される。

（動作及び効果）
次に上記のように構成された分散装置１の動作及び効果を説明する。まず、処理液供給部３に処理液を投入する。処理液は、分散媒と、分散質としての固形物とを含む。処理液は、大きいせん断力を得る観点から、１（ｍＰａ・ｓ）を超える粘度を有するのが好ましく、１００（ｍＰａ・ｓ）を超えるのがより好ましい。

分散媒としては、例えば塗膜形成物としての樹脂と、溶媒とを含む。例えば、分散媒は、樹脂としてのポリイミド（ＰＩ）と、溶媒としてのＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）とで作製してもよい。また分散媒は、樹脂としてのポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）と、溶媒としての水とで作製してもよい。さらに分散媒は、樹脂としてのポリアミドイミド（ＰＡＩ）と、溶媒としてのＮＭＰとで作製してもよい。

固形物は、アスペクト比が１０を超える部材、例えば、ＣＮＴやカーボンナノファイバ、銀ナノワイヤ、無機ナノチューブ、セルロースナノファイバー、炭素繊維等を用いることができる。またアスペクト比が５０を超える固形物を用いるのが好ましい。この場合、固形物は、例えば直径１０ｎｍ×長さ０．５μｍである。

圧縮機２は接続された動力５によって駆動し、処理液供給部３から供給された上記処理液を押し出す。押し出された処理液は、圧縮配管７を通じてノズル１０Ａへ到達する。ノズル１０Ａに到達した処理液は、第１ノズル穴１６、オリフィス部１８の順に通過していく（図４）。オリフィス部１８は、圧縮配管７に比べ流路が微細に形成されていることにより、処理液の圧力は、オリフィス部１８直前で１０〜２００ＭＰａになる。

処理液は、オリフィス部１８を通過する際、高速流となる。オリフィス部１８を通過することにより、処理液は大きいせん断力を受ける。前記せん断力によって処理液に含まれる固形物がより細かく分散する。このようにして固形物がより細かく分散した分散液が作製される。オリフィス部１８を通過した直後の分散液は、高温である。分散装置１は、排出配管８を通じて冷却部４に分散液を供給し、分散液を所定温度に冷却してから、排出し得る。

本実施形態の場合、オリフィス部１８は長円形状に形成されていることにより、第１軸Ｘと第２軸Ｙとで流速分布が異なる。すなわち、第２軸Ｙにおいて、流速は、オリフィス部１８の全体で流速がほぼ一定となる。したがって、処理液は、第２軸Ｙ近傍においてせん断速度（速度勾配ともいう。）が小さい。処理液は、せん断速度が小さい領域、すなわち第２軸Ｙ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において、受けるせん断力が小さい。したがって処理液に含まれる固形物は、第２軸Ｙ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において、詰まることなくスムーズにオリフィス部１８内を通過する。

一方、第１軸Ｘにおいて、流速は、オリフィス部１８の中央がより速い。すなわち処理液は、第１軸Ｘ近傍においてせん断速度が大きい。処理液及び処理液に含まれる固形物は、大きなせん断速度が生じる領域（高せん断速度領域）、すなわち第１軸Ｘ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において大きいせん断力を受ける。高せん断速度領域におけるせん断力によって固形物は、より細かく分散する。

上記のように本実施形態の場合、オリフィス部１８入口に到達した固形物は、第１軸Ｘ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において、大きいせん断力を受けることにより、より細かく分散する。固形物は、大きいせん断力を受けることによって、仮にオリフィス部１８の流路に詰まったとしても、第２軸Ｙに平行な方向に向きを変えることによって、スムーズにオリフィス部１８内を通過することができる。

このようにオリフィス部１８は、第１軸Ｘ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍において処理液に大きいせん断力を与えながら、第２軸Ｙ及び進行方向Ｆを含む平面と平行な面近傍においては処理液が受けるせん断力が小さいので、スムーズに処理液を通過させる。

したがって分散装置１は、オリフィス部１８全体として、処理液に含まれる固形物が流路に詰まるのを防止しながら、固形物をより細かく分散させることができる。

本実施形態の場合、合わせ板１４Ａは、一対の分割板２０の間に第２ノズル穴２４が形成されている。したがってノズル１０Ａは、合わせ板１４Ａに対する穴あけ加工をせずに、距離ａが、距離ｂより短いオリフィス部１８を容易に形成することができる。

合わせ板１４Ａは、間隔保持部２２の厚さを変えることで、第２ノズル穴２４の上記距離ａを容易に変更することができる。したがってノズル１０Ａは、処理液に応じ、分散能力を容易に調整することができる。

ノズル１０Ａは、合わせ板１４Ａを分解することにより、オリフィス部１８を容易に清掃することができる。

ノズル１０Ａは、保護板１２Ａを上流側に配置したことにより、オリフィス部１８を通過する処理液によって間隔保持部２２が摩耗することを防止できる。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。以下、変形例について、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。なお上記実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。

上記実施形態の場合、保護板１２Ａの第１ノズル穴１６は、円形である場合について説明したが、本発明はこれに限らない。図５に示すように保護板１２Ｂは、正方形又は矩形の第１ノズル穴３０を有している。本変形例のノズル１０Ｂは、一対の分割板２０の間に第２ノズル穴２４が形成されているので、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

上記実施形態の場合、合わせ板１４Ａは、一対の分割板２０と間隔保持部２２を有する場合について説明したが、本発明はこれに限らない。図６に示すように超硬部３４は、凹部３５が形成されており、分割板３３の保持溝２９に固定されている。合わせ板１４Ｂは、凹部３５同士を組み合わせることにより第２ノズル穴３６が形成されている。本変形例の合わせ板１４Ｂは、一対の分割板３３の間に第２ノズル穴３６が形成されているので、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本変形例の場合、超硬部３４に形成された凹部３５により第２ノズル穴３６を形成することとしたから、間隔保持部２２を省略でき、その分、部品点数を低減することができる。本変形例に関し、図７に示す合わせ板１４Ｃのように、超硬部３８は、所定の第２ノズル穴４０を形成し得る厚さを有することとしてもよい。また図８に示す合わせ板１４Ｄのように、外形が多角形である分割板４２を用いてもよい。

上記実施形態の場合、合わせ板１４Ａは、１つの第２ノズル穴２４を有する場合について説明したが、本発明はこれに限らない。図９に示す合わせ板１４Ｅのように、一対の分割板２０の間に配置された連結部４４を備えることとしてもよい。連結部４４は、分割板２０と同じ金属製の板状部材であり、分割板２０の保持溝２８に面する両側面に保持溝４６が形成されている。当該保持溝４６には、超硬部２６が固定されている。超硬部２６が固定された連結部４４の両側に、間隔保持部２２を介して一対の分割板２０を配置することにより、２つの第２ノズル穴２４を形成することができる。本変形例の合わせ板１４Ｅは、一対の分割板２０の間に第２ノズル穴２４が形成されているので、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本変形例の場合、合わせ板１４Ａは、２つの第２ノズル穴２４を有するので、単位時間あたりに処理される処理液の量を増やすことができる。

図１０に示す合わせ板１４Ｆのように、超硬部５０を上流側で保持する押え部５２が形成されていてもよい。押え部５２は、一対の分割板４９の対向面５１側における上流側の角部を、厚さ方向に凹となるように加工して形成されている。超硬部２６は、押え部５２に固定さている。合わせ板１４Ｆは、上記実施形態と同様の効果に加え、押え部５２が超硬部２６を保持することにより、オリフィス部１８を通過する処理液によって、超硬部２６が下流側へ押し出され分割板２０から脱落することを防止することができる。

合わせ板は、図１１に示すように、同軸上に複数個（本図の場合２個）を組み合わせてもよい。本図の場合、上流側に配置された合わせ板１４Ｆの第２ノズル穴２４に対し、下流側に配置された合わせ板１４Ｇの第２ノズル穴５４をより小さく形成してもよい。合わせ板１４Ｇは、間隔保持部５４の厚さが合わせ板１４Ｆの間隔保持部２２より小さいことにより、第２ノズル穴２４より小さい第２ノズル穴５６が形成されている。これによりノズル１０Ｃは、段階的に小さくなるオリフィス部１８，５８を備えることができる。

上記実施形態の場合、分散質として固形物を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、分散質は液体であってもよい。分散装置１は、分散媒と分散質が分離している処理液を、乳化することができる。

図１２に示すように、第２ノズル穴６４は、上流から下流に向かって、先細となるように形成されていてもよい。本図に示す間隔保持部６２は、分割板２０の対向面６１に面する両面に、上流から下流に向かって厚さが細くなる傾斜面を有する。超硬部６０は、間隔保持部６２側の側面に、上流から下流に向かって、間隔保持部６２と反対方向に傾斜する傾斜面を有する。合わせ板１４Ｈは、上流から下流に向かって、先細となる第２ノズル穴６４を有することにより、ゲル状物や容易に変形する分散質を分散する場合に適用することができる。また、合わせ板１４Ｈは、第２ノズル穴６４を上流面と下流面を逆にして、上流から下流に向かって、先太となるように配置して使用してもよい。

上記実施形態の場合、間隔保持部２２は、高さが、合わせ板１４Ａの厚さ方向の長さと同じ長さを有する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、合わせ板１４Ａの厚さ方向の長さより短くてもよい。また合わせ板１４Ａの厚さは、適宜選択できることはいうまでもない。

上記実施形態の場合、オリフィス部１８は、実質的に第２ノズル穴２４によって構成される場合について説明したが、本発明はこれに限らない。すなわちオリフィス部１８は、第２ノズル穴２４の上記距離ｂに比べ、より小さい開口からなる第１ノズル穴１６を有する保持板を用いることによって、実質的に第１ノズル穴と第２ノズル穴とで形成することとしてもよい。

１ 分散装置
２ 圧縮機
３ 処理液供給部
１０Ａ〜１０Ｃ ノズル
１２Ａ、１２Ｂ 保護板
１４Ａ〜１４Ｈ 合わせ板
１６、３０ 第１ノズル穴
１８，５８ オリフィス部
２０、３３、４２、４９ 分割板
２１、５１、６１ 対向面
２２、５４、６２ 間隔保持部
２４、３６、４０、５４、５６、６４ 第２ノズル穴
２６、３４、３８、６０ 超硬部
５２ 押え部
Ｆ 進行方向
Ｘ 第１軸
Ｙ 第２軸

Claims (8)

1. 加圧された処理液がノズルを通過することによって、前記処理液に含まれる分散質を分散させる分散装置用ノズルにおいて、
   第１ノズル穴が形成された保護板と、
   前記保護板に重ねて設けられ、第２ノズル穴が形成された合わせ板と
   を備え、
   前記合わせ板は、同一平面状に配置された一対の分割板を有し、前記一対の分割板の対向面の間に前記第２ノズル穴が形成され、
   前記対向面に単結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンドで形成された超硬部が設けられ、
   前記第２ノズル穴によって、前記処理液の進行方向に直交する第１軸側内面間の距離が、前記進行方向及び前記第１軸に直交する第２軸内面間の距離より短いオリフィス部が形成されている
   ことを特徴とする分散装置用ノズル。
2. 前記超硬部は、前記合わせ板に固定されていることを特徴とする請求項１記載の分散装置用ノズル。
3. 前記処理液の下流側に前記超硬部を押える押え部が設けられていることを特徴とする請求項２記載の分散装置用ノズル。
4. 前記合わせ板を外周から保持する外周保持部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の分散装置用ノズル。
5. 前記分割板の対向面に連結部が設けられており、前記分割板と前記連結部の間にそれぞれ前記第２ノズル穴が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の分散装置用ノズル。
6. 前記保護板及び前記合わせ板が複数からなり、
   前記オリフィス部が、前記処理液の進行方向に向かって、多段階状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の分散装置用ノズル。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の分散装置用ノズルを備えたことを特徴とする分散装置。
8. 加圧された処理液がノズルを通過する工程を備え、前記処理液に含まれる分散質を分散させる分散方法において、
   第１ノズル穴が形成された保護板と、前記保護板に重ねて設けられ第２ノズル穴が形成された合わせ板とを有し、
   前記合わせ板は、同一平面状に配置された一対の分割板を有し、前記一対の分割板の対向面の間に前記第２ノズル穴が形成され、
   前記対向面に、単結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンドで形成された超硬部が設けられ、
   前記第１ノズル穴と前記第２ノズル穴とが一部で重なることによって、前記処理液の進行方向に直交する第１軸において、前記ノズルの全体で流速がほぼ一定であり、前記進行方向及び前記第１軸に直交する第２軸において前記ノズルの中央がより流速が速い前記ノズルに、前記処理液を通過させることを特徴とする分散方法。

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