JP2022550740A - 遠心分離機およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

液体混合物を重相および軽相に清澄化するための遠心分離機は、軸Ｘの周りを回転可能で分離空間１０６を収容する遠心分離機ボウルと、分離空間の半径方向外側にあるスラッジ空間１２とを有する。遠心分離機ボウルは、液体混合物を分離空間１０６に供給するための気密入口４と、分離された清澄化された軽相のための第１の気密出口１と、分離された重相のための第２の気密出口２と、スラッジ空間１２の外側位置から第２の気密出口２まで延びる複数の出口導管５とを備え、出口導管５のそれぞれが、ノズル２０または渦ダイオード７の形で流れ制限を有する。そのような遠心分離機を制御する方法であって、出口導管（５）を通る安定した流れを提供するために、出口導管（５）を通る安定した流れが維持される、重相の流量および密度の値の組み合わせが確立され、第２の気密出口（２）における重相の流量および密度が、連続的または断続的に測定され、ＰＬＣ（５２）によって前記値の組み合わせと比較され、第２の気密出口（２）および／または第１の気密出口（３）における流量が、安定した流れが維持されるように調整される。

Description

本発明は、液体混合物を重相と軽相とに分離するための遠心分離機と、そのような遠心分離機を制御する方法に関する。

［序章］
酵母(yeast)を含む分離された重相が収集されるスラッジ（沈殿物）空間を有する、ビールの清澄化用遠心分離機において、清澄化されたビールが密閉された出口またはペアリングディスク出口を通って遠心分離機から出る一方、酵母は分離機ボウルの周囲の出口を断続的に開くことによる排出によって取り出される。分離機への供給物(feed)の酵母濃度は一定にはほど遠いため、可能な限り最良の結果を得るために操作を最適化することは困難である。例えば、酵母濃度が高い場合、酵母タンクの底から供給物を採取するとき、スラッジ空間の過充填と、不十分な清澄化につながることとを避けるために、頻繁な周辺排出が必要である。その場合、分離機のスループット容量は、必要な排出頻度によって制限される。清澄化されたビールの濁度は、ＰＬＣ制御を使用することによって、排出のきっかけとするための入力信号としてよく使用される。

上述した遠心分離機の改良は、米国特許第９，１８６，６８７号明細書に開示されている。この文献には、清澄化された液体のための第１の機械的にシールされた出口と、酵母濃縮物のための第２の機械的にシールされた出口と、周辺での断続的な排出のための第３の出口と、を備えた遠心分離機が記載されている。酵母濃縮物は、スラッジ空間の周辺に近い位置から第２の出口まで一連のパイプの中に流れ込んでいる。酵母濃縮物を第２の出口に流すことで、濃縮物パイプの詰まりを回避するために、排出頻度を必要な速度まで下げることができる。第２の出口で遠心分離機を離れる酵母細胞は、遠心分離に耐える可能性が高く、次の醸造バッチに使用され得るが、第３の出口で断続的に排出される酵母細胞の多くは死んでおり、それ以上の発酵には使用できない。

米国特許第９，１８６，６８７号明細書

本発明の目的は、酵母濃縮物などの重相をスラッジ空間から出口に運ぶような導管における目詰まりのリスクを低減することである。

上述した目的は、液体混合物を重相および軽相に清澄化するための遠心分離機であって、軸の周りを回転可能で、分離空間を収容する遠心分離機ボウルと、分離空間の半径方向外側のスラッジ空間とを有する、遠心分離機において、液体混合物を分離空間に供給するための気密入口と、分離され清澄化された軽相のための第１の気密出口と、分離された重相のための第２の気密出口と、スラッジ空間の外側位置から第２の気密出口まで延びる複数の出口導管であって、それぞれの出口導管がノズルまたは渦ダイオードの形の流れ制限を有している、複数の出口導管（５）と、を含んでなる、遠心分離機における第１の態様によって実現される。

本発明者らは、例えば、米国特許第９，１８６，６８７号明細書に記載されている分離機において、濃縮パイプのマニホルドが不安定な構成であり得ることを見出した。もし、１つのパイプが酵母濃度の乱れ、例えばわずかに高い酵母濃度を取得した場合、このパイプの濃縮物が、より高密度でより粘稠になる。これにより、マニホルドの他のパイプと比較して、そのパイプの流量が減少する。流量の減少が、パイプ内の酵母濃度のさらなる増加につながり、その結果、乱れは自己増幅し、濃縮パイプが詰まるまで増幅が大きくなる。

気密分離機の分離機ボウルにおいて、分離機内の圧力降下を補償し得るポンプ装置（ディスク／パイプのペアリング）が分離機内にないため、低い圧力降下が重要である。本発明者らは、驚くべきことに、スラッジ空間の外側位置から第２の気密出口まで延びる複数の出口導管のそれぞれに、ノズルまたは渦ダイオードの形で流れ制限を導入することにより、そのような導管を有する分離機の安定性を改善すること、つまり１本のパイプの濃縮物が高密度でより粘性になるリスクを低減することを見出した。換言すれば、流れ制限を導入し、それにより圧力降下を生じさせることによって、作動中における出口導管のマニホルドのより安定した構成を達成することができ、それにより、目詰まりのリスクを低減する。

したがって、分離機は、気密された入口および出口を備えた気密分離機であり得る。結果として、分離機は、分離された液体の軽相または重相を遠心分離機ボウルから運ぶためのいかなるペアリング装置を含まなくてもよい。したがって、分離機は、分離された軽相および重相の流れが外部バルブで制御されるように配置され得る。

第１の態様のさらなる実施形態によれば、出口導管が少なくとも部分的にパイプとして形作られている。

第１の態様のさらなる実施形態によれば、出口導管の断面が円形である。

第１の態様のさらなる実施形態によれば、流れ制限が交換可能な部品の形態である。

第１の態様のさらなる実施形態によれば、流れ制限が、それぞれの出口導管に対して１つの渦ダイオードまたはノズルを有するリング片に形成されている。

第１の態様のさらなる実施形態によれば、出口導管は、遠心分離機ボウルと共に回転するポンプホイールを備えたインペラの外径の近くまで、分離されたチャネルとして続き、少なくとも１つの流れ制限が、ポンプホイールの外径の近くの出口導管の端部に配置されている。一例として、すべての出口導管の流れ制限は、ポンプホイールの外径の近くの端部に配置され得る。これは、流れ制限の安定化機能を維持しながら、最小半径のセクションの圧力が増加され得るという点で有利であり得る。

第１の態様のさらなる実施形態によれば、重相用の第２の気密出口が、軽相用の第１の気密出口上の機械式シールよりも大きい直径の機械式シールを有する。

第１の態様のさらなる実施形態によれば、重相出口機械式シールの半径は、ディスクスタックの外半径より２０％大きい。

第１の態様のさらなる実施形態によれば、遠心分離機ボウルは、その周辺に断続的な排出のための第３の出口を有する。

第１の態様のさらなる実施形態によれば、制御弁が、第２の気密出口に配置されている。

第１の態様のさらなる実施形態によれば、制御弁が、第１の気密出口に配置されている。

一実施形態によれば、分離機は、制御ユニットと、分離された重相の密度および流量を測定する第２の気密出口に配置された、少なくとも１つの測定装置とをさらに備える。少なくとも１つの測定装置は、密度および流量のデータを制御ユニットに送信するように適合され、分離された重相の流量を調整するように構成され得る。したがって、分離機は、第２の気密出口の下流に配置された制御弁を含み、制御ユニットは、少なくとも１つの測定装置から受け取ったデータに基づいて、この制御弁を通る流量を制御するように構成され得る。

第１の態様のさらなる実施形態によれば、少なくとも１つの測定装置は、第２の気密出口に配置され、どのデバイスがプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）に接続され、密度および流量をそれぞれ表すデータを送信するように適合されているか、密度および流量を測定する。ＰＬＣは、データを処理して、流量および密度の値の組み合わせが、出口導管を通る安定した流れに対応する所定の値の範囲内にあるかどうかを決定するように適合され、アクチュエータは、流量および密度の値の組み合わせが所定の範囲内にない場合、ＰＬＣによって送信される訂正信号に応答して制御弁の一方または両方を操作するように適合され得る。

上述した目的は、第２の態様において、遠心分離機を制御する方法によって実現され、この方法では、出口導管を通る安定した流れを提供するために、出口導管を通る安定した流れが維持される、重相の流量および密度の値の組み合わせが確立され、第２の気密出口における重相の流量および密度が、連続的または断続的に測定され、ＰＬＣによって前記値の組み合わせと比較され、第２の気密出口の流量が、安定した流れが維持されるように調整される。

第２の態様のさらなる実施形態によれば、ＰＬＣは、安定限界曲線下で導管が詰まる可能性がある、安定限界曲線へのマージンを伴って、第２の気密出口における流量および密度の組み合わせに対応する曲線に従うように設定されている。

本発明のさらなる特徴および利点は、添付の特許請求の範囲および以下の詳細な説明を検討することで明らかになるであろう。

それらの特定の特徴および利点を含む、本発明の様々な態様および／または実施形態は、以下の詳細な説明および添付の図面で論じられる例示的な実施形態から容易に理解されるであろう。

図１は、本発明による遠心分離機のローターと入口および出口とを示す。 図２は、本発明による遠心分離機の実施形態の詳細を示す。 図３は、本発明による遠心分離機のさらに別の実施形態の詳細を示す。 図４は、目的とされる動作モードを示すグラフを示す。 図５は、本発明を使用する遠心分離機システムの概略図を示す。 図６は、本発明による渦ノズルの実施形態を示す。 図６ａは、本発明による渦ノズルの実施形態を示す。 図７は、本発明を適用することができる遠心分離機を示す。

図７は、流体混合物を清澄化された液体の軽相とスラッジ／堆積物の重相とに分離するための遠心分離機１００を示す。遠心分離機１００は、フレーム１０２と、ベアリング構成１０３においてフレーム１０２によって回転可能に支持されている中空スピンドル１１と、ローターケース１０５を有する遠心分離機ボウル１８とを備えている。ローターケース１０５は、スピンドル１１の軸方向上端に固定的に隣接しており、駆動装置１０４が、回転軸（Ｘ）の周りでスピンドル１１と共に遠心分離機ボウル１８を回転させることを可能にする。駆動装置１０４は、モーターのローター（回転子）がスピンドル１１に固定されているか、またはスピンドル１１の一部であるダイレクトドライブモーターであるか、或いは、ベルト駆動またはギア駆動を介して別個のモーターから回転運動を伝達するトランスミッションを含み得る。ローターケース１０５は、処理される流体混合物の効果的な分離を達成するために、分離ディスクのスタック１３が配置されている分離空間１０６を取り囲んでいる。分離機ボウル１８の中央に、分配器１９ａがスピンドル１１に同軸に配置されている。分配器１９ａは、分離ディスクの前記スタック１３がローターケース１０５と中央に同軸に取り付けられているこしき(nave)として機能している。スタック１３は、フルストコニカル(frustoconical)形状を有し、表面拡大インサートの例である。少数の分離ディスクのみが示されているが、スタック１３は、例えば、２００個を超える分離ディスクのような、１００個を超える分離ディスクを含み得る。分離ディスクの前記スタック１３の半径方向外側の遠心分離機ボウル１８には、流体混合物のより重い内容物を受容するためのスラッジ空間１２がある。ローターケース１０５は、分離された液体軽相を排出するための機械的に密閉された液体出口１と、分離された液体軽相よりも高密度の相を排出するための重相出口２とを有する。分離された重相を分離空間１０６から運ぶためのチャネルの形態の多数の出口導管５が存在する。チャネルは、別個のパイプの形態であり得るか、或いは、ボウル壁の一部を形成するチャネルであり得る。出口導管５は、分離空間１０６の半径方向外側位置から重相出口２まで延びる。図１でより詳細に見られるように、出口導管５は、半径方向外側位置に配置された導管入口５ａと、半径方向内側位置に配置された導管出口５ｂとを有する。さらに、出口導管５は、導管入口５ａから導管出口５ｂまでの半径方向平面に対して上向きに傾斜して配置されている。それぞれの出口導管は、渦ダイオード７の形で流れ制限を有する。流れ制限はまた、圧力降下を引き起こす図２のような単純なノズル２０であり得る。渦ダイオードの形での流れ制限は、粘度が増加するにつれて圧力降下が減少し、複数の出口導管５からなるマニホルドの安定性が向上するため好ましい。単純なノズル２０は、粘度に依存しない圧力降下を有し、同様に機能しない。導管５の断面を減少させることによって圧力降下を増加させることは、これが濃度の増加とともに圧力降下を増加させるので、機能しない。

図３では、出口導管５は、遠心分離機ボウル１８と共に回転するポンプホイール１５ａを備えたインペラ１５の外径の近くまで分離されたチャネルとして続いており、ここで、渦ダイオード７（またはノズル２０）の形態の流れ制限７は、ポンプホイール１５ａの外径の近くの導管５の端部に配置されている。

したがって、渦ノズルは、特にビールの分離において、キャビテーション(cavitation)またはデガッシング(degassing)のリスクを低減するために、インペラ１５の周囲に近いインペラ１５内に配置される。したがって、ノズルの安定化機能を維持しながら、半径が最小のセクションの圧力を上げることができる。これが機能するためには、すべての濃縮管からの流路がノズル２０までずっと分離されていることが必要である。

一般的に使用される分離機出口ポンプホイールは、湾曲したベーンを備えた標準的な遠心ポンプホイールとして設計されている。本発明によるポンプホイールは、出口導管５が、ポンプホイールの外径での流れ制限までずっと別個の閉じた導管として続くので、これとは異なる。この流れ制限は、渦ダイオード７または単なるプレーンノズル２０の形態であり得る。ポンプホイール内に延びる出口導管５の部分は、湾曲したチャネルの形態および／または放射状チャネルの形態であり得る。

図１では、出口導管５は、スラッジ空間１２内でディスクスタックの直径よりも大きい直径まで延びるパイプとして実行される。ビールを清澄化する場合、出口導管５を流れる重相は酵母濃縮物である。

スピンドル１１は中空であり、その中心に回転軸と平行に、分離機ボウル１８に分離される流体混合物を供給するための入口チャネル４を有する。前記入口チャネル４は、流体混合物を分配チャネル１９に導き、分配チャネル１９は、ローターの中心から円錐形分離機ディスク１３のスタックの分配穴１４に流体混合物を運ぶ。清澄化された液体は、ディスクスタックの中心から取り出され、分離された液相を排出するために、液体出口１によって分離機を離れる。重い濃縮物および堆積物は、スラッジ空間１２に送られる。濃縮物および堆積物は、第２の出口２によって、或いは、断続的な排出のための排出ポート３のいずれかによってスラッジ空間１２を離れ得る。排出ポート３の開閉は、油圧作動式スライドボウル底部１０によって管理される。

第１の出口１および第２の出口２は、機械式シール６ａ、６ｂを有する。これは気密設計であるため、ハーメチックシール（気密シール）とも呼ばれる。入口チャネル４はまた、前記入口チャネルの静止部分と中空スピンドル１１の下端との間を密封する機械式シールを有し、これにより、入口チャネルと周囲との間の連通を防止する。この機械式シールは、この図には示されていない。

ノズル２０または渦ダイオード７によって引き起こされる圧力降下を出口導管５の圧力降下に加え、遠心力に対して重相濃縮物を分離機の中心に押し出すのに必要な圧力を加える場合、遠心分離機ボウルの直径が軽相の出口よりも大きい相の出口を有することが有利である。流量の考慮から直径が設定される場合のように、直径が通常よりも大きい重相出口機械式シールを有することがさらに好ましい。特に、重相出口機械式シールの半径Ｒ_ｓｅａｌとディスクスタック１３の外半径Ｒ_ｄｉｓｃとの比が２０％より大きい場合に有利である。

分離機のトップに入口があり、第１の出口１または第２の出口２の１つが中空スピンドル１１を通るように設計を再配置することも可能である。

渦ダイオード７またはノズル２０は交換可能である。これは、実際のプロセス要求に合わせて調整するためである。内部寸法の異なる多数の渦ダイオードまたはノズルインサートがあるため、簡単に、サイズを混同したり、小さなインサートの１つを紛失したりする。これは、図６に示されるように、渦ダイオード７が単一の部品に設計されている場合に回避され得る。ここでは、すべての渦チャンバ７がリング片９に機械加工されている。図６には示されていないが、漏れを防ぐためにＯリングまたはガスケットが配置される。同じ種類の配置がノズル２０にも使用され得る。渦ダイオード７の中央ボア２１は、図６ａに示される交換可能なリング８に形成されている。図６または図６ａには示されていないが、漏れを防ぐためにＯリングまたはガスケットが配置される。同じ種類の配置が、プレーンノズル２０にも使用され得る。

図４は、第２の出口における流量と酵母濃度の安定性グラフを示している。グラフの不安定な領域での第２の出口流量および濃度の組み合わせで分離機を運転させると、出口導管５の詰まりにつながる。このグラフは、導管が詰まることなく安定した動作を表す、破線曲線を示している。線上に点が付いている線は、安定限界曲線であり、その下では、前述した導管詰まりのリスクが大きい。この曲線は、経験から作成され得る。図５は、ビールを清澄化するための用途における、制御装置および調整装置を備えた遠心分離機のスキームを示している。濃縮相における流量および密度は、第２の出口２に配置された流量トランスミッタ５０（ＦＴ）と密度トランスミッタ５１（ＤＴ）とによって測定され、結果信号が、プログラマブルロジックコントローラ(programmable logic controller)５２またはＰＬＣに送られる。ＰＬＣ５２は、流量トランスミッタ５０および密度トランスミッタ５１からそれぞれ信号を受信している。

流量トランスミッタおよび密度トランスミッタは、流量および密度の両方の測定値を導き出すことができるコリオリ(Coriolis)型質量流量計の代わりに使用され得る。

ＰＬＣ５２は、重相のために第２の気密出口２に配置された第１の制御弁５３を制御するようにプログラムされ、図４の安定領域グラフ、好ましくは図４の破線に続く、流量および密度パラメータを維持する。つまり、安定性の限界にいくらかのマージンがある。図４の制御ラインは直線として描かれているが、曲線にもなり得る。

ＰＬＣ５２は、代わりに、或いはまた、軽相のために第１の気密出口１に配置された第２の制御弁５４を制御するようにプログラムされ得る。

第２の出口から排出される酵母／細胞培養物の生存率が高いため、さらなる発酵に再利用され得るが、断続的な排出によって分離機を離れる細胞はほとんど死んでいる。このように濃縮物を再利用する場合、第２の流出の濃度を低くしても、清澄化された第１の出口液体（ビール）の製品損失は発生しない。

前述したことは、様々な例示的な実施形態の例示であり、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ規定されることを理解されたい。当業者は、例示的な実施形態を変更することができ、添付の特許請求の範囲によって規定されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態の異なる特徴を組み合わせて、本明細書に記載されたもの以外の実施形態が作成され得ることを理解するであろう。

１ 液体出口
２ 重相出口
３ 排出ポート
４ 入口チャネル
５ 出口導管
５ａ 導管入口
５ｂ 導管出口
６ａ、６ｂ 機械式シール
７ 渦ダイオード
８ リング
９ リング片
１０ ボウル底部
１１ スピンドル
１２ スラッジ空間
１３ スタック
１４ 分配穴
１５ インペラ
１５ａ ポンプホイール
１８ 遠心分離機ボウル
１９ａ 分配器
２０ ノズル
２１ 中央ボア
５０ 流量トランスミッタ（ＦＴ）
５１ 密度トランスミッタ（ＤＴ）
５２ プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）
１００ 遠心分離機
１０２ フレーム
１０３ ベアリング構成
１０４ 駆動装置
１０５ ローターケース
１０６ 分離空間

Claims (14)

1. 液体混合物を重相および軽相に清澄化するための遠心分離機であって、軸（Ｘ）の周りを回転可能で、分離空間（１０６）を収容する遠心分離機ボウルと、前記分離空間の半径方向外側のスラッジ空間（１２）とを有する、遠心分離機において、
   液体混合物を前記分離空間（１０６）に供給するための気密入口（４）と、
   分離され清澄化された軽相のための第１の気密出口（１）と、
   分離された重相のための第２の気密出口（２）と、
   前記スラッジ空間（１２）の外側位置から前記第２の気密出口（２）まで延びる複数の出口導管（５）であって、それぞれの出口導管（５）がノズル（２０）または渦ダイオード（７）の形の流れ制限を有している、複数の出口導管（５）と、
   を含んでなることを特徴とする、遠心分離機。
2. 前記出口導管（５）が少なくとも部分的にパイプとして形作られていることを特徴とする、請求項１に記載の遠心分離機。
3. 前記出口導管（５）の断面が円形であることを特徴とする、請求項１または２に記載の遠心分離機。
4. 前記流れ制限（７、２０）が交換可能な部品の形態であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の遠心分離機。
5. 前記流れ制限（７、２０）が、それぞれの出口導管（５）に対して１つの渦ダイオード（７）またはノズル（２０）を有するリング片（９）に形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の遠心分離機。
6. 重相用の前記第２の気密出口（２）が、軽相用の前記第１の気密出口（１）上の機械式シール（６ａ）よりも大きい直径の機械式シール（６ｂ）を有していることを特徴とする、請求項１に記載の遠心分離機。
7. 重相出口機械式シール（６ｂ）の半径（Ｒ_ｓｅａｌ）とディスクスタック（１３）の外半径（Ｒ_ｄｉｓｃ）との間の比率が２０％大きいことを特徴とする、請求項６に記載の遠心分離機。
8. 前記遠心分離機ボウル（１８）は、その周辺に断続的な排出のための第３の出口（３）を有していることを特徴とする、請求項１に記載の遠心分離機。
9. 前記出口導管（５）は、前記遠心分離機ボウル（１８）と共に回転するポンプホイール（１５ａ）を備えたインペラ（１５）の外径の近くまで、分離されたチャネルとして続き、少なくとも１つの前記流れ制限（７）が、前記ポンプホイール（１５ａ）の外径の近くの出口導管（５）の端部に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の遠心分離機。
10. 制御弁（５３）が前記第２の気密出口（２）に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の遠心分離機。
11. 制御弁（５４）が前記第１の気密出口（１）に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の遠心分離機。
12. 少なくとも１つの測定装置（５０、５１）は、前記第２の気密出口（２）に配置され、どのデバイスがプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）（５２）に接続され、密度および流量をそれぞれ表すデータを送信するように適合されているか、どのＰＬＣ（５２）がデータを処理して、流量および密度の値の組み合わせが、前記出口導管（５）を通る安定した流れに対応する所定の値の範囲内にあるかどうか、密度および流量を測定し、
    アクチュエータは、前記流量および密度の値の組み合わせが所定の範囲内にない場合、前記ＰＬＣ（５２）によって送信される訂正信号に応答して前記制御弁（５３、５４）の一方または両方を操作するように適合されていることを特徴とする、請求項１０に記載の遠心分離機。
13. 請求項１～１２のいずれか一項に記載の遠心分離機を制御する方法であって、前記出口導管（５）を通る安定した流れを提供するために、前記出口導管（５）を通る安定した流れが維持される、重相の流量および密度の値の組み合わせが確立され、前記第２の気密出口（２）における重相の流量および密度は、連続的または断続的に測定され、前記ＰＬＣ（５２）により前記値の組み合わせと比較され、前記第２の気密出口（２）および／または前記第１の気密出口（３）における流量が、安定した流れが維持されるように調整されていることを特徴とする、方式。
14. 前記ＰＬＣは、安定限界曲線下で導管（５）が詰まる可能性がある、安定限界曲線へのマージンを伴って、前記第２の気密出口（２）における流量および密度の組み合わせに対応する曲線に従うように設定されていることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。

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