JP2018008240A - 液体乳化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エマルションを効率的に生成できる液体乳化装置の提供をする。【解決手段】水と油などの相互に交じり合わない分散媒と分散質からなる液体Ｌを収容する容器１と、容器１内に突出し、超音波を照射する超音波ホーン２と、容器１内の液体Ｌを撹拌する撹拌器３を備える。【選択図】 図１

Description

この発明は、超音波を用いて、２種類の相互に交じり合わない液体を乳化させて、エマルションを生成する技術に関する。

従来より、超音波エネルギーを利用して、界面活性剤などの乳化剤を使用せずに、水と油などの２種類の相互に交じり合わない液体を乳化させ、エマルションを生成する方法が知られている。

例えば、特許文献１には、超音波エネルギーを利用して、分散媒に分散質を均一に分散させて、エマルションを得る超音波式分散装置が開示されている。特許文献１の超音波式分散装置は、分散媒の上に浮かばせた分散質の上方から超音波ホーンなどの超音波発生手段により超音波を照射し、超音波を液面に伝播させ、分散質と分散媒を乳化させて、エマルションを生成する。

特開２００７−８３１６０

従来の超音波式の乳化装置は、エマルションを生成できるが、超音波ホーンは先端面からしか超音波を液体に照射できないため、乳化に時間がかかってしまっていた。そのため、短時間で液全体を乳化できる液体乳化装置の開発が望まれている。

そこで、本発明は、エマルションを効率的に生成できる液体乳化装置の提供を目的とする。

前記課題を解決するための手段は、液体を収容した容器に、前記容器内の液体を撹拌する撹拌器と、超音波ホーンを備える。前記構成によると、撹拌器が容器内の液体を撹拌して、容器内に流れを作り出し超音波ホーンの端面に液体を送り込める。

また、前記超音波ホーンは前記容器の側方から、前記容器内に突出され、前記撹拌器は前記容器の上方から設けられるようにしてもよい。前記構成によると、超音波ホーンが容器の側方に設けられ、撹拌器が容器の上方に設けられているため、容器が小さい場合でも超音波ホーンと撹拌器を液体乳化装置に無理なく設けられる。

また、前記超音波ホーンは前記容器に対し、先端が下方に向けて斜めに取り付けられてもよい。前記構成によると、乳化処理中に超音波ホーンに液体が付着したとしても、容器内に自然に滴下するため、超音波ホーンに付着したまま乳化される前の液体が残ってしまって、乳化が不十分になってしまう問題が生じない。さらに、液体を排出する際に、全ての液体を残さず排出できる。

また、前記超音波ホーンの先端位置を調整する調整装置を有するようにしてもよい。前記構成によると、分散媒と分散質の界面の位置に合わせて超音波ホーンの先端位置が変えられるため、分残媒と分散質の分量や比率が変わって、界面の位置が変わったりしても界面へ超音波を照射できるので、効率的にエマルションを生成できる。

本発明の液体乳化装置によれば、撹拌器が容器内を撹拌するため、超音波ホーンの先端面周辺だけでなく、容器内の分散媒と分散質を短時間で効率的に乳化できる。

本実施の形態に係る液体乳化装置を示す縦断面図である。 本実施の形態に係る超音波ホーンの先端部の深さ方向の移動を説明する縦断面図である。

以下に、図示した本実施の形態に基づいて、図面を参照しながら説明する。いくつかの図面を通して付された同じ符号は、同じ部品か対応する部品を示す。

図１に示すように、本実施の形態に係る液体乳化装置Ａは、乳化させる液体Ｌを収容する容器１と、容器１内の液体Ｌを撹拌する撹拌器３と、容器１内に突出されて任意の周波数の超音波を照射できる超音波ホーン２を備えて構成されている。

本実施の形態に係る容器１は、椀型で、液体Ｌを収容できるようになっている。なお、容器１の形状は、これに限られず、液体Ｌが収容できればよい。ここで、容器１内に収容される液体Ｌは、エマルションを得るための２種類の相互に交じり合わない分散媒と分散質の２液で構成されている。分散媒と分散質の例としては、水と油などが挙げられるが、これに限定されるものではない。

また、容器１は、側方に開口される挿入口１ａを有しており、底部は容器１内に収容された液体Ｌを乳化後に排出する排出通路１ｂに連通している。

挿入口１ａは、超音波ホーン２を挿通可能な径とされて、側方から開口して内部に通じている。また、排出通路１ｂには、排出通路１ｂを開閉可能な排出バルブＶが設けられており、容器１内で乳化処理を行う際には、排出バルブＶは閉弁され、乳化処理後の液体Ｌを容器１内から排出する際には、排出バルブＶが開弁される。さらに、容器１の上側開口には、蓋部材５が装着されており、容器１内を密閉できるようになっている。また、蓋部材５には、肉を貫通して外方から容器１内へ通じる取付孔５ａが設けられている。

また、本実施の形態に係る容器１の側方には、容器１に対して、容器１への取付側が下方に向くような傾斜姿勢でホーン取付部材６が取り付けられている。ホーン取付部材６は、一端が挿入口１ａの開口を取り囲むようにして容器１に斜めに取り付けられる筒部６ａと、筒部６ａの他端に設けられて筒部６ａの外径よりも大径の環状のフランジ部６ｂを有している。フランジ部６ｂには、容器１の反対側に設けられる環状の溝６ｃが設けられると共に、溝６ｃに蓋をしてフランジ部６ｂとの間に環状隙間を形成する環状の押え板６ｄが積層される。フランジ部６ｂに対し、押え板６ｄは、ボルト６ｅによって固定されるようになっている。

つづいて、本実施の形態に係る超音波ホーン２は、円柱状のホーン本体２ａと、ホーン本体２ａの後端に取り付けられる振動子４と、ホーン本体２ａの外周に設けられるフランジ２ｂを備える。

振動子４は、電極を圧電素子で挟むようにして形成され、圧電素子に交番電圧をかけると圧電素子が伸び縮みを繰り返して振動する。この振動が、振動子４に連結されたホーン本体２ａに伝わり、ホーン本体２ａの先端の端面２ｃから超音波を照射できる。振動子４の圧電素子にかける交番電圧の周波数の調整によって、超音波の周波数を任意の周波数に変更できる。

超音波ホーン２は、ホーン取付部材６を介して容器１に取り付けられる。ホーン取付部材６のフランジ部６ｂに設けられた溝６ｃの外径は、超音波ホーン２のフランジ２ｂの外径よりも僅かに大きくなっており、フランジ２ｂの溝６ｃ内への挿入が可能となっている。フランジ２ｂの表裏にゴム製の環状のシール７，８を積層して、これらをフランジ部６ｂの溝６ｃ内へ挿入する。そうしておいてから、押え板６ｄをフランジ部６ｂへボルト連結するとフランジ２ｂがシール７，８と共にフランジ部６ｂと押え板６ｄとで挟持され超音波ホーン２がホーン取付部材６に保持される。このように超音波ホーン２を取り付けると、超音波ホーン２のフランジ２ｂがシール７，８によって弾性支持されてホーン取付部材６に取り付けられる。そのため、振動子４から発振される振動が端面２ｃまで良好に伝達され超音波を照射できる。

ホーン取付部材６は、容器１に対し、容器１への取付側を下方へ、反取付側を上方に向けて傾斜して設けられているため、容器１に挿入される超音波ホーン２も容器１への取付側を下方へ、反取付側を上方に向けて取り付けられる。なお、ホーン取付部材６を水平に容器１に取り付けて、超音波ホーン２を容器１に対して水平に設けるようにしてもよい。

また、フランジ２ｂがシール７，８によって挟み込まれてシールされているため、容器１内の液体Ｌが溝６ｃ内に侵入してもフランジ部６ｂと押え板６ｄとの間から外部へ漏洩しないようになっている。

次に撹拌器３について説明する。前述したように、蓋部材５には、蓋部材５の肉を貫通して外方から容器１内へ通じる取付孔５ａが設けられている。本実施の形態に係る撹拌器３は、蓋部材５の取付孔５ａに回転自在に挿入されて容器１内に突出する回転シャフト３ａと、回転シャフト３ａの図中下端に設けられる撹拌翼３ｂと、回転シャフト３ａの基端側に設けられ回転シャフト３ａを回転駆動するモータＭを備える。モータＭは、本体Ｍ２と、本体Ｍ２に対して回転駆動させられるシャフトＭ１とを備えている。そして、モータＭは、図１に示すようにシャフトＭ１と回転シャフト３ａが、カップリング９を介して連結され、本体Ｍ２は回転しないように固定されている。そのため、モータＭを駆動すると、回転シャフト３ａが回転して、撹拌翼３ｂを回転駆動でき、これにより、容器１内の液体Ｌを撹拌できる。

なお、撹拌翼３ｂは、プロペラ翼やパドル翼等を用いればよいが、これに限らず、容器１内に収容された液体Ｌを撹拌できるものであればよい。

次に、本実施の形態に係る液体乳化装置Ａによる乳化処理の作動を説明する。まず、乳化させたい分散媒と分散質からなる液体Ｌ、例えば水と油を容器１内に投入する。すると、油は疎水性であるため、界面張力が働き、容器１内は比重の軽い油が上に、比重の重い水が下となって、水と油の間に界面Ｉが形成される。

そして、液体Ｌに対し、超音波ホーン２による界面Ｉへの超音波照射と、撹拌器３による液体Ｌの撹拌を同時に行う。

これによると、超音波ホーン２による超音波照射と同時に撹拌器３によって容器１内の液体Ｌの撹拌を行うため、容器１内に流れができ、超音波が照射される端面２ｃに液体Ｌが絶えず送り込まれる。

液体Ｌは、超音波が照射されると、キャビテーションが発生し、このキャビテーションによる気泡が破裂する衝撃波によって、液体Ｌの粒子が微粒化し分散して乳化され、エマルションが生成される。また、両液の界面Ｉに超音波が照射されているため、液体Ｌは効率的に乳化される。

以下、本実施の形態に係る液体乳化装置Ａの効果について説明する。本実施の形態においては、液体乳化装置Ａが、液体Ｌを収容した容器１に、液体Ｌの界面Ｉに超音波を照射して液体Ｌを乳化させる超音波ホーン２と、液体Ｌを撹拌する撹拌器３を備えている。この構成によると、容器１内で液体Ｌが撹拌されて、容器１内に流れができ、超音波ホーン２が超音波を照射する端面２ｃに液体Ｌが撹拌して送り込まれる。つまり、このように容器１内で流れができると、超音波ホーン２の先端面で生成されたエマルションが先端面近傍に留まらず、乳化されていない液体が順次先端面へ送り込まれる。よって、容器１内の液体Ｌは、効率的に乳化され、容器１内の液体Ｌの全部を短時間で乳化できる。さらに、一度に乳化処理できる液体Ｌの分量も増加するため、量的な制限がなくなる利点がある。

また、本実施の形態においては、超音波ホーン２は容器１の側方から、容器１内に突出され、撹拌器３は容器１の上方から設けられている。そのため、容器１が小さい場合であっても、超音波ホーン２と、撹拌器３を容器１に無理なく設けられる。

また、本実施の形態に係る液体乳化装置Ａの超音波ホーン２は、容器１に対し、先端が下方に向けて斜めに取り付けられている。そのため、乳化処理中にホーン取付部材６の筒部６ａと超音波ホーン２のホーン本体２ａの環状隙間に液体Ｌが侵入しても、筒部６ａ内に留まらずに落下する。よって、ホーン本体２ａと筒部６ａの環状隙間に液だまりができるのを防止できると共に、この環状隙間に乳化される前の液体Ｌが入り込んでしまって、乳化が不十分になってしまう問題も生じない。また、液体Ｌを排出する際に、液体Ｌの全部を残さず排出できる。
この際、超音波ホーン２の取付角度は、液体Ｌが落下する角度であればよいが、例えば、流れ勾配となる１０度以上が好ましく、４５度が最も好ましい。

加えて、本実施の形態においては、超音波ホーン２が容器１の下方に向けて、斜めに取り付けられているため、長さの異なる別の超音波ホーンに取り換えて、深さ方向に超音波ホーンの先端の位置を変更できる。これにより、液体Ｌに含まれる液の構成比率や、液体Ｌの液量が変わったとしても、乳化させるために最も好ましい照射位置である界面Ｉに超音波を的確に照射できる。

また、図示されていないが、液体乳化装置Ａには、超音波ホーン２の先端位置を変更できる調整装置が設けられてもよい。

本実施の形態に係る超音波ホーン２は、先端が容器１の下方に向けて斜めに取り付けられているため、図２に示すように超音波ホーン２の位置が実線位置にある場合には、超音波ホーン２の先端の端面２ｃは容器１に対して浅い位置に位置決めできる。また、超音波ホーン２を実線位置よりも容器１内に突出させる破線位置にした場合には、超音波ホーン２の先端の端面２ｃは容器１に対して深い位置に位置決めできる。

よって、超音波ホーン２の先端位置を変更できる調整装置を備えると、液体Ｌの界面Ｉの位置に合わせて超音波ホーン２の先端の端面２ｃ位置が変えられるため、２種類の液体の分量や構成比率を変えて、界面位置がＩ１からＩ２に変わったとしても界面Ｉに超音波を的確に照射できる。

以下、調整装置の具体例を挙げて説明するが、調整装置の構造は超音波ホーン２の容器１内における端面２ｃの位置を深さ方向に移動できれば下記構造には限定されない。

例えば、ホーン取付部材６の筒部６ａを容器１側とフランジ部６ｂ側の二つのピースに分け、フランジ部側ピースの内周と容器側ピースの外周にそれぞれネジ溝を設けて、フランジ部側ピースの中に容器側ピースを挿入する調整装置であってもよい。これにより、フランジ部側ピースを回転させると、フランジ部側ピース内を容器側ピースが移動するため、ホーン取付部材６の筒部６ａの長さを調整できる。

そのため、筒部６ａの長さを伸ばすと、ホーン本体２ａの容器１内への突出量が減少し、ホーン本体２ａの先端位置が容器１に対して浅くなる。反対に、筒部６ａの長さを縮めると、ホーン本体２ａの容器１内への突出量が増加するため、ホーン本体２ａの先端位置が容器１に対して深くなる。よって、ホーン本体２ａの端面２ｃの位置を界面Ｉの位置に合わせて深さ方向に移動できるようになる。

または、フランジ部６ｂの軸方向幅を大きくし溝６ｃの深さを深くして、溝６ｃに積層されるシール７，８の厚みや枚数を変えて、溝６ｃに挿入される超音波ホーン２のフランジ２ｂの位置を軸方向に変えられる調整装置にしてもよい。これにより、超音波ホーン２の端面２ｃの位置を界面Ｉの位置に合わせて深さ方向に変更できる。

あるいは、ホーン本体２ａを本体側とフランジ２ｂより先端側の二つのピースに分け、先端側のピースが本体側にねじ込み式で着脱自在に連結して調整装置を構成してもよい。この構成によると、長さの異なる先端側ピースを用意すれば、先端側ピースを任意の長さの先端側ピースに付け替えられるため、界面Ｉの位置に合わせて超音波ホーン２の端面２ｃの位置を深さ方向に変更できる。

以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱なく改造、変形及び変更ができるのは当然である。

１・・・容器、２・・超音波ホーン、３・・・撹拌器、Ａ・・・液体乳化装置、Ｌ・・・液体

Claims (4)

1. 容器と、
   前記容器内に収容される液体を撹拌する撹拌器と、
   前記容器内に突出する超音波ホーンを備えることを特徴とする液体乳化装置。
2. 前記超音波ホーンは前記容器の側方から、前記容器内に突出され、
   前記撹拌器は前記容器の上方から設けられることを特徴とする請求項１に記載の液体乳化装置。
3. 前記超音波ホーンは前記容器に対し、先端が下方に向けて斜めに取り付けられることを特徴とする請求項１または２に記載の液体乳化装置。
4. 前記超音波ホーンの先端位置を調整する調整装置を有することを特徴とする請求項３に記載の液体乳化装置。
   

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