JP2021071084A - プランジャポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】プランジャポンプのシリンダ内において、シリンダの内周面と、プランジャの外周面と、の間に配置された高圧シールのシール性を維持することができるプランジャポンプを提供する。【解決手段】本発明のプランジャポンプは、シリンダと、シリンダにおける加圧室内を、シリンダの軸方向に往復動可能に配置され、外周面が洗浄流路と径方向に対向する円筒状のプランジャと、シリンダの内周面と、プランジャの外周面と、の間のうち、洗浄流路よりも加圧室の手前側に位置する部分に配置された高圧シールと、シリンダの内周面と、プランジャの外周面と、の間のうち、高圧シールよりも加圧室の手前側に位置する部分に配置され、かつゲル状の高分子材料により形成された環状のシールリングと、を備え、高圧シールおよびシールリングは、プランジャが加圧室内を往復動する際に、常にプランジャの外周面と接触している。【選択図】図１

Description

本発明はプランジャポンプに関する。

従来、試料を微粒化して均一化させるホモジナイザーユニットとして、微粒化装置ユニットが知られている。

このような微粒化装置ユニットとして、例えば下記特許文献１には、内部に微粒化流路が形成された微粒化装置を備え、容器から供給された試料を、高圧ポンプにより微粒化装置の微粒化流路内に供給して通過させることで、試料を均一化させる構成が開示されている。

特許第３１４９３７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、プランジャポンプのシリンダ内において、試料中の粒子が、プランジャの外周面に付着することで、プランジャのシリンダ内での動作に支障がでるおそれがあった。
このような支障を抑制するために、シリンダの内部につながり、プランジャの外周面を洗浄する洗浄液が流下する洗浄流路を形成し、シリンダの内周面とプランジャの外周面との間に高圧シールを配置することで、試料と洗浄液とを隔離する構成が考えられる。
しかしながら、このような構成を採用すると、試料中の粒子が、高圧シールのうち、周辺部材との接触部分に目詰まりを起こし、高圧シールのシール性が次第に悪くなるという問題があった。

そこで本発明は、プランジャポンプのシリンダ内において、シリンダの内周面と、プランジャの外周面と、の間に配置された高圧シールのシール性を維持することができるプランジャポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るプランジャポンプは、円筒状の加圧室、および外部から加圧室の内側に向けて、加圧室を構成する壁面の外部と内部とを連通する洗浄流路が形成されたシリンダと、シリンダにおける加圧室内を、シリンダの軸方向に往復動可能に配置され、外周面が洗浄流路と径方向に対向する円筒状のプランジャと、加圧室内のうち、シリンダの内周面と、プランジャの外周面と、の間に位置する部分に配置され、プランジャの外周面と全周にわたって接触する高圧シールと、加圧室内のうち、シリンダの内周面と、プランジャの外周面と、の間であって、高圧シールよりも加圧室における軸方向の奥側に位置する部分に配置され、全周にわたって高圧シールと接触し、かつゲル状の高分子材料により形成された環状のシールリングと、を備え、高圧シールおよびシールリングは、プランジャが加圧室内を往復動する際に、常にプランジャの外周面と接触している。

また、シールリングは、弾性体であってもよい。

本発明のプランジャポンプでは、加圧室内のうち、シリンダの内周面と、プランジャの外周面と、の間に位置する部分に高圧シールが配置され、高圧シールに対して加圧室の奥側に位置する部分に、高圧シールと全周にわたって接触するシールリングが配置されている。このため、試料が充填される加圧室側から、試料中の粒子が流れてきても、高圧シール側に流れ込むのをシールリングにより遮ることができる。これにより、プランジャポンプのシリンダ内において、シリンダの内周面と、プランジャの外周面と、の間に配置された高圧シールのシール性を維持することができる。

微粒化装置ユニットの構成例を示す概念図である。 オリフィスホモジナイザの構造を示す断面図である。 オリフィスホモジナイザの径方向の断面図である。 図１におけるＡ部拡大図である。

本発明の一態様に係るプランジャポンプ５１について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、プランジャポンプ５１が利用される微粒化装置ユニット１の構成例を模式的に示す概念図である。図１に示すように、微粒化装置ユニット１は、試料を微粒化して均一化させるホモジナイザーユニットである。微粒化装置ユニット１は主に、供給容器３０、プランジャポンプ５１、微粒化装置１０、熱交換器８０、およびこれらを接続する配管４０、４１、４２、４３を備えている。

微粒化装置１０は、試料が内部を通過することで、該試料を微粒化する微粒化流路を有している。微粒化装置１０は、オリフィスホモジナイザあるいは単にオリフィスと呼称されることもある。ここで、微粒化装置１０の構造について、図２および図３を用いて詳述する。

図２は微粒化装置１０の縦断面図であり、図２のＡ−Ａ線における断面図が図３（ａ）であり、図２のＢ−Ｂ線における断面図が図３（ｂ）であり、図２のＣ−Ｃ線における断面図が図３（ｃ）である。

微粒化装置１０は、第１ブロック２１と第２ブロック２２、そして第１ブロック２１と第２ブロック２２の間に介装される第３ブロック２３により形成されている。第１ブロック２１において、複数の流路部１１、１２が形成されている（図２および図３（ａ）参照）。また、第２ブロック２２においても、複数の流路部１８、１９が形成されている。

第１ブロック２１と第３ブロック２３との接合面に、第１空隙部１４が形成されている。この第１空隙部１４が複数の流路部１１、１２を単一に集合させる集合部１３となる（図２および図３（ｂ）参照）。集合部１３（第１空隙部１４）のうち、流路方向における流路部１１、１２と反対側は第３ブロック２３となり、第３ブロック２３内にオリフィス流路部１５が形成されている（図２および図３（ｃ）参照）。

オリフィス流路部１５の下流側においても、第３ブロック２３と第２ブロック２２との接合面にも、第２空隙部１６が形成されている。この第２空隙部１６がオリフィス流路部１５を分岐させて複数の流路部１８、１９と接続する分岐部１７となる。すなわち、微粒化流路は、流路部１１、１２、オリフィス流路部１５、および流路部１８、１９により構成されている。

流路部１１、１２および流路部１８、１９の内直径（Ｄ１）は相互に同一であり、オリフィス流路部１５の内直径（Ｄ２）よりも大きく形成されている。具体的には、内直径（Ｄ１）は、内直径（Ｄ２）の５ないし７倍である。また、第１空隙部１４の距離（Ｄ３）は内直径（Ｄ１）と同等に規定される。従って、オリフィス流路部１５は小径流路部である。

次に、微粒化装置１０を用いた際の作用を説明する。被処理物を有機溶媒中に分散させた試料は、流路部１１、１２を経由して集合部１３（第１空隙部１４）に進入する。ここで、オリフィス流路部１５は流路部１１、１２よりも狭小であるため、試料の流量は低下する。そして、試料（圧送流体）の圧力変化が生じ、それぞれの流路部１１、１２から流入した試料は集合部１３において衝突する。このときの試料中の被処理物同士は衝突時のエネルギーにより破砕される。このように、試料が流路部１１、１２からオリフィス流路部１５へ流動するごとに、試料中の被処理物同士の衝突が進み、結果として試料は粉砕される。

図示の流路部１１、１２および流路部１８、１９それぞれは、ともに２つずつ形成されているが、流路部１１、１２および流路部１８、１９の形成数は、試料が流れればよいので、１以上あればよい。ただし、試料中の被処理物の衝突を促すため、流路部１１、１２および流路部１８、１９それぞれの形成数は、ともに２以上であることがさらに望ましい。

次に、微粒化装置ユニット１における試料の流れについて図１を用いて説明する。
まず、メインルートである微粒化流路について説明する。
図１に示すように、供給容器３０は、微粒化流路に試料を供給する。供給容器３０には、微粒化前の試料および微粒化流路を通過した後であって、まだ十分に微粒化されていない試料が充填される。

供給容器３０は、微粒化流路の最も上流側に設けられており、図示の通り、弁７０を備えた配管４０を介して、プランジャポンプ５１と接続されている。
プランジャポンプ５１のうち、配管４０が接続される部分には、弁７１が介在されている。

プランジャポンプ５１は、配管４０を介して弁７１並びに微粒化装置１０に接続されている。弁７１を開くことで、供給容器３０からの試料を、配管４１に流すことができ、弁７１を閉じることで、供給容器３０からの試料が配管４１に流出するのを防止するとともに、プランジャポンプ５１により押し出された試料が供給容器３０側に逆流するのを防止することができる。

プランジャポンプ５１は、シリンダ５１Ａとプランジャ５１Ｂとにより構成されている。シリンダ５１Ａの内部をプランジャ５１Ｂが往復動することで、シリンダ５１Ａの内部に試料を充填し、シリンダ５１Ａ内の試料を外部に送り出すことができる。

本実施形態に係るプランジャポンプ５１のシリンダ５１Ａの内部には、円筒状の加圧室が形成されている。プランジャ５１Ｂは円筒状をなし、シリンダ５１Ａの加圧室内を往復動可能に挿入、配置されている。
プランジャ５１Ｂは、例えば図示しないクランク機構の回転により、図４に示す軸線Ｏの延びる方向に往復道する。これにより、プランジャポンプ５１は、試料を配管４１から吸引することができるとともに、試料を配管４１に押し出すことができる。

プランジャポンプ５１には更に、配管４１が弁７１を介して接続されている。配管４１は、弁７２を介して、微粒化装置１０の一方側の端部と接続されている。微粒化装置１０の他方側の端部は、弁７２を介して配管４２と接続されている。配管４２は更に熱交換器８０の一方側の端部に接続されている。

熱交換器８０は、微粒化装置１０による微粒化工程によって、試料が熱をもった場合に、その熱を除去する機能を果たす。そして、熱交換器８０の他方側の端部に接続された配管４３が、供給容器３０内に接続されている。
このようにして、供給容器３０、プランジャポンプ５１、微粒化装置１０、および熱交換器８０の内部を試料が循環する微粒化流路が形成されている。

なお、図示の例では、微粒化装置ユニット１は取出容器を備えておらず、供給容器３０から複数回にわたって微粒化流路を通過することにより、充分に微粒化された試料を取り出す構成を示しているが、このような態様に限られない。供給容器３０とは別に、取出容器を設けてもよい。
また、微粒化装置ユニット１は、例えば配管４１に接続されたドレン（不図示）等を介して、均一化された試料を取出すような構成であってもよい。

微粒化装置ユニットが備える各弁７０、７１、７２を開閉することで、それぞれの位置において、試料を流したり、試料の流れを堰き止めたりすることができる。
微粒化装置ユニット１はまた、プランジャポンプ５１の動作や、各弁７０、７１、７２等の開閉を制御する制御部（図示せず）を備えてもよい。制御部は、微粒化装置ユニット１において、試料が、微粒化流路をループして、目標とする粒度まで微粒化流路を流動するように、プランジャポンプ５１および各弁７０、７１、７２の開閉を制御する。

以上のような構成を有する微粒化装置ユニット１において、試料を微粒化する処理手順について説明する。

はじめに、被処理物は有機溶媒中に分散されて試料となる。分散は供給容器３０で行われる。
微小化の対象である被処理物は、例えば、セルロース、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ、複合金属酸化物（スピネル、ペロブスカイト等の結晶質）等の多岐にわたる物質である。分散を通じて微小化することにより、樹脂等に混合する際の均一な分散性が高まる。そのため、素材の性能向上が見込まれる。

次に、弁７０、および配管４０と接続された弁７１を開くともに、プランジャ５１Ｂをシリンダ５１Ａ内から引き出すことで、プランジャポンプ５１のシリンダ５１Ａ内に試料を充填する。そして、配管４０と接続された弁７１を閉じるとともに、配管４１と接続された一対の弁７２を開いた状態で、プランジャ５１Ｂをシリンダ５１Ａ内に押し込むことで、試料を、配管４１を介して、微粒化装置１０に供給する（高圧で押し出す）。

これにより、前述の構造を有する微粒化装置１０を通過することで微粒化（均一化）された試料が、熱交換器８０の内部を通過する。ここで、試料からの放熱が行われる。そして、試料は配管４３を経由して、供給容器３０に充填される。

この動作を複数回繰り返すことにより、試料が微粒化流路を複数回通過する。即ち、複数回にわたって試料が微粒化されるとともに、試料の均一化が実現される。
なお、当該処理は、微粒化装置ユニット１に設けられた制御部により実行されてもよいし、オペレータからの指示を受け付けた制御部が実行することとしてもよい。そして、試料が充分に均一化されると、供給容器３０から資料が取り出される。

次に、サブルートである洗浄液流路について説明する。
図１に示すように、プランジャポンプ５１には洗浄液配管９１を介して、フラッシングポンプ９２および洗浄液弁９３が連結されている。洗浄液配管９１は、洗浄液タンク９０に接続されている。フラッシングポンプ９２および洗浄液弁９３は、制御部（図示せず）に接続され、それぞれの駆動や開閉が制御される。
すなわち、洗浄液弁９３を開いた状態で、フラッシングポンプ９２を駆動させることで、洗浄液タンク９０内の有機溶媒を洗浄液として、プランジャポンプ５１に供給することができる。ここで、有機溶媒は、試料に用いられるものと同じものが使用される。

図１に示すように、シリンダ５１Ａには、外部から加圧室の内側に向けて連通する洗浄流路５１Ｃが形成されている。洗浄流路５１Ｃは、プランジャ５１Ｂが往復移動する方向であるシリンダ５１Ａの軸方向に対して直交する径方向に延びている。洗浄流路５１Ｃは、加圧室を構成する壁面の外部と内部とを連通している。洗浄流路５１Ｃは、プランジャ５１Ｂの外周面と、径方向に対向している。
洗浄流路５１Ｃは、プランジャ５１Ｂを径方向に挟む位置に一対配置されている。一対の洗浄流路５１Ｃには、洗浄液配管９１がそれぞれ接続されている。

図４は、図１におけるＡ部拡大図である。図４に示すように、シリンダ５１Ａの加圧室内において、シリンダ５１Ａの内周面とプランジャ５１Ｂの外周面との間には、径方向の隙間が形成されている。この径方向の隙間のうち、洗浄流路５１Ｃよりも加圧室の奥側に位置する部分には、高圧シール６０が配置されている。ここで、加圧室において、シリンダ５１Ａの軸方向に沿って、プランジャ５１Ｂの先端部側を奥側といい、プランジャ５１Ｂの基端部側を手前側という。高圧シール６０は、試料と洗浄液とを隔離し、高圧に加圧された試料が、洗浄液側に漏れるのを防いでいる。

高圧シール６０は、シリンダ５１Ａの内周面、およびプランジャ５１Ｂの外周面と全周にわたって接触している。高圧シール６０の軸方向の端面には、軸方向に窪む凹部が形成されている。高圧シール６０は、凹部の空間が小さくなるように、径方向に押圧されて僅かに弾性変形した状態で、シリンダ５１Ａの内周面と、プランジャ５１Ｂの外周面と、の間に配置されている。このため、高圧シール６０は、径方向の外側に向けて広がるように付勢されている。

シリンダ５１Ａの内周面と、プランジャ５１Ｂの外周面と、の間のうち、高圧シール６０よりも加圧室の手前側に位置する部分にシールリング６１が配置されている。シールリング６１は、環状を呈している。シールリング６１は、全周にわたって高圧シール６０と接触している。また、シールリング６１は、高圧シール６０の軸方向の端面の全域に接触している。
そして高圧シール６０およびシールリング６１は、プランジャ５１Ｂが加圧室内を往復動する際に、常にプランジャ５１Ｂの外周面と接触している。

シールリング６１は、弾性体である。本実施形態では、シールリング６１は、ゲル状の高分子材料により形成されている。このような高分子材料としては、シリコーンゲル、ポリアクリル酸ナトリウムゲル、ポリウレタンゲル等が挙げられる。また、その他の材料として、例えば、スチレンブタジエンゴム又はフッ素樹脂ゴム等を採用してもよい。

以上説明したように、本実施形態に係るプランジャポンプ５１によれば、加圧室内のうち、シリンダ５１Ａの内周面と、プランジャ５１Ｂの外周面と、の間に位置する部分に高圧シール６０が配置され、高圧シール６０に対して加圧室の手前側に位置する部分に、高圧シール６０と全周にわたって接触するシールリング６１が配置されている。このため、試料が充填される加圧室側から、試料中の粒子が流れてきても、高圧シール６０側に流れ込むのをシールリング６１により遮ることができる。これにより、プランジャポンプ５１のシリンダ５１Ａ内において、シリンダ５１Ａの内周面と、プランジャ５１Ｂの外周面と、の間に配置された高圧シール６０のシール性を維持することができる。

また、シールリング６１が、弾性体であるので、シールリング６１を高圧シール６０に対して軸方向に押し付けるように配置することで、シールリング６１が弾性的に変形しながら、高圧シール６０と接触することができる。これにより、高圧シール６０とシールリング６１との間に隙間が生じるのを抑制し、シールリング６１によるシール性能を高めることができる。

また、シールリング６１が、ゲル状の高分子材料により形成されているので、高圧シール６０に対するシールリング６１の密着性を顕著に確保することができる。このため、より一層効果的に、シールリング６１により高圧シール６０周辺へのシール性能を高めることができる。

なお、上記実施形態においては、シールリング６１がゲル状の合成樹脂材料により形成されている構成を示したが、このような態様に限られない。シールリング６１の材質は例えばエラストマ等の弾性体であってもよい。
また、微粒化装置１０の流路の構造については、任意に変更可能である。

また、前述した変形例に限られず、これらの変更例を選択して適宜組み合わせてもよいし、その他の変形を施してもよい。

１ 微粒化装置ユニット
１０ 微粒化装置
３０ 供給容器
５１ プランジャポンプ
５１Ａ シリンダ
５１Ｂ プランジャ
５１Ｃ 洗浄流路
６０ 高圧シール
６１ シールリング

Claims (2)

1. 円筒状の加圧室、および外部から前記加圧室の内側に向けて、前記加圧室を構成する壁面の外部と内部とを連通する洗浄流路が形成されたシリンダと、
   前記シリンダにおける前記加圧室内を、前記シリンダの軸方向に往復動可能に配置され、外周面が前記洗浄流路と径方向に対向する円筒状のプランジャと、
   前記加圧室内のうち、前記シリンダの内周面と、前記プランジャの外周面と、の間に位置する部分に配置され、前記プランジャの外周面と全周にわたって接触する高圧シールと、
   前記加圧室内のうち、前記シリンダの内周面と、前記プランジャの外周面と、の間であって、前記高圧シールよりも加圧室における前記軸方向の奥側に位置する部分に配置され、全周にわたって前記高圧シールと接触し、かつゲル状の高分子材料により形成された環状のシールリングと、を備え、
   前記高圧シールおよび前記シールリングは、前記プランジャが前記加圧室内を往復動する際に、常に前記プランジャの外周面と接触しているプランジャポンプ。
2. 前記シールリングは、弾性体であることを特徴とする請求項１に記載のプランジャポンプ。

Images