JP4605722B2 - 超高圧連続式ホモジナイザー - Google Patents

Description

本発明は、超高圧下における液体用連続式ホモジナイザーに関する。

前記装置は、食品、製薬、化粧品、化学製品部門に応用され、さらに一般的には、ワクチン、健康促進剤、酵素や診断に役立つ調剤物のようなバイオ製品における、液中のセル破壊処理に使用される。

すべてのセル破壊技術の目標は、前処理機械や、化学物質を用いることによって、生産的なセルの分散を達成することであり、それはつまり、汚染セルを破壊し、同時に後の生産過程に有用である、セルが分解された物質を遊離させることである。

超高圧ホモジナイザーの使用は、メカニカルセル破壊技術としては一般的なものであるが、高圧領域から低圧領域かけて圧力をかけられた配管で、ホモジナイジングバルブと呼ばれる適切なバルブを使用し、必要な圧力を発生させる配給側にプランジャーポンプを適用し、対象となる液体のコントロールされたセルの分散を引き起こすという利点を有する。

ＰＲ９９Ａ００００４５は本願出願人によるものであるが、高圧化における液体処理のためのポンプを記述している。前記ポンプは、液体供給位置から液体配給位置にかけての圧力チャンバー中にレシプロプランジャーを含んでおり、それぞれのプランジャーのブロックは、ポンプチャンバーと、ブロックに固定された側面のコンテナに収納された、供給バルブと配給バルブとをつないでいる。それぞれのブロックは、お互いに固定される二つの部分もしくは板からなり、ポンプ室と供給バルブおよび配給バルブとを接続する内部多岐管を収納するために、内部溝を有している。

先行技術は様々なタイプのポンプを含むが、しかしながら、ホモジナイザーの操作範囲は、５００バールから最大１５００バールの圧力領域である。前記装置の研究は、徐々に操作圧を増加させることに着目されてきた。

数年来、このようなホモジナイザーは、操作圧の連続的な増加を実現することにより進化してきた。研究は二つの点に着目され、ひとつは内部パイプの構造と形状について、すべての断面形状のバリエーションの中から、穴やエッジの接続点を排除することを究明し、他方ではパイプや特にそれらの接続点が受ける圧力に対して、より耐久性のある特殊な材料を究明していた。

初期の研究は、徐々に高い操作圧を達成していき、最大１５００バールを超えたが、材料の品質の研究はなされなかった。なぜなら、それらが装置の最終コストに関して有しているインパクトは、商業的な範囲に限定されるからである。実験室でのコンピューターによる流体シミュレーションによって、出願人は、高圧ホモジナイザーに使用される圧力チャンバー、取り込みパイプ、供給パイプ、ポンプ、ホモジナイジングバルブを構成する部品群を分析した。

出願人の研究と実験は、幾何学的な同一性と、従来のタイプの装置を用いた場合に比べて、プロトタイプが約３倍の圧力値で操作できるという技術的評価を得た。

本発明の目的は、４０００バールを超える圧力に到達することができるが、部分を構成する材料は、計算上従来とほぼ同等の流体圧を受ける、ホモジナイザーを提供することである。

本発明のその他の目的は、メーカーの製造コストも、エンドユーザーのメンテナンスコストも増加しないが、４０００バールを超える圧力に達することのできるホモジナイザーを提供することである。

前記目的は、まさにクレーム中に記載されているように、本出願に開示された装置によって達成される。

上記目的を達成するために、本発明に係るホモジナイザーは、特に、液体供給位置と液体配給位置の間における圧力チャンバー中に、少なくとも一つのレシプロプランジャーを含むポンプ部分を含むホモジナイザーであって、
それぞれのプランジャーのためのブロックは、圧力チャンバーと、好ましくは円柱状の形状を有するコンテナに収納された供給バルブと、配給バルブとを接続し、ブロックの上部と下部はスタッドボルトのような取り外し可能な方法で接続されており、
内部の多岐管は圧力室と供給バルブと配給バルブとを接続するものであって、以下の特徴を有する。
すなわち、本発明に係るホモジナイザーは、さらに、多岐管の近くにおいてプランジャーが、その円柱面で作用する動的自己活性（self-energising）シール装置を有し、それぞれのバルブの上流と下流との位置において、そして一般的には多くの構成部品間の接続において、内部に適切な外形と断面を有する自己活性シールが挿入されている、はみ出し防止リングを含む、静的シールシステムを有する。

配給バルブユニットは、もし複数であれば、それは常にプランジャーと同じ数になるが、配給多岐管によって、お互いに接続される。そして配給多岐管は、それぞれの圧力チャンバーから、圧力をかけられた液体の流れを受ける。

同様に、同等の供給バルブユニットも、もし複数であれば、お互いに供給多岐管で接続される。さらに、それぞれの供給バルブに対して、その間に挿入されるようにサポートフランジが用いられても良い。

前記、もしくはその他の特徴は、図を参照しつつ説明する。ただし、これらの好適な実施形態の記述は、発明の範囲を限定するものではない。
図１は、ホモジナイザーのポンプ部分を含む区間の側面方向からの断面図、
図２は、シングルレシプロポンプのガイドチャンバーを含む区間の側面方向からの拡大断面図、
図３は、圧力チャンバーとバルブを接続する多岐管を含む区間の側面方向からの拡大断面図、
図４は、逆止供給バルブを含む区間の側面方向からの拡大断面図である。
第１実施形態

上記の図の中で１は、ホモジナイザー全体を示している。そのボディ２は、概ね既知の方法で動作するクロスヘッドガイド位置３を収納している。クロスヘッドガイド位置３の終端のクランプ４は、圧力チャンバーまたはシリンダ６に続くレシプロポンプ５を固定している。

プランジャー５は、好ましくは、純シリコンナイトライドＳｉ_３Ｎ_４のようなセラミックでできている。

圧力チャンバーは、第１ブロック７の内側に、スタッドボルトで収納フランジ９及び固定フランジ１０を固定することで、形成される。収納フランジ９及び固定フランジ１０は、いずれも、好ましくは円柱形状で、それらの間には、圧力チャッンバーと同軸に、プランジャー５のガイドチャンバー１１が形成されている。

圧力チャンバー６と、プランジャー５のガイドチャンバー１１との同軸調整の問題を避けるため、それと同時に、ブロック７に、まず収納フランジ９取り付け、後に固定フランジ１０を取り付ける一連の組立を容易にするため、ブロック７と収納フランジ９は、その他方に向かう面上に、複数の円柱状の連接・位置決めピン１２を有している。それに対して、固定フランジ１０は、収納フランジ９に向かう表面に、先端を切った円柱状形状を有し、収納フランジ９の表面の凹所に係合するように設計された突出１３を有している。

固定フランジ１０の内部には、ガイドチャンバー１１穴の断面を広げることによって形成されたシート１４があり、自己潤滑性の高分子材料、好ましくはＰＥＥＫ材によって作られた、プランジャー５のためのガイドブッシュ１５を収納し、そのブッシュ１５の一端１５ａはガイドチャンバー１１穴の断面の拡張部分に接触し、反対の一端１５ｂは弾性ストップリングで止められる。前記ガイドブッシュ１５は、好ましくは、二つもしくはそれ以上の縦の切り込みにより特徴づけられる。その切り込みは、摩擦力を制限するために、ブッシュ１５とプランジャー５の接触面積を減少させ、また、固定フランジ１０に形成された潤滑油供給パイプ１７からの、潤滑油の排出を可能にする。その潤滑油供給パイプ１７は、好ましくは、ガイドチャンバーを通過する軸の方向と垂直で、固定フランジ１０が収納フランジ９と接触する表面と水平の角度に形成されている。

前記潤滑油供給パイプ１７には、水もしくはその他の液体又はエマルジョンが供給され、その一端１７ａはガイドチャンバー１１のプランジャー５まで貫通しており、反対の一端１７ｂは固定フランジ１０の側面まで続いている。

ハウジングフランジ９の内部は、ガイドチャンバー１１を形成している穴に沿って、肩部２０によってお互いに仕切られた、断面部分１８の第１拡張と、断面部分１９の第２拡張が存在する。断面部分１８の第１拡張は、レシプロプランジャー５の表面で働く第１動的シール装置２１の挿入と関係している。前記シール装置２１は第１自己活性シール２２を有している。前記自己活性シール２２は、好ましくはシングルシールリップを有するように形成され、好ましくは高分子ＰＥ材とＰＥＥＫ材のような、高分子材料の複合材で形成される。そして、前記自己活性シール２２は、エラストマで作られた活性リングに嵌合している。

第１自己活性シールとベアリングアセンブリ２３はお互いに面しており、肩部２０によって第１自己活性シール２２の上方への動きを、固定フランジ１０の突起１３によってベアリングアセンブリ２３の下方への動きを、それぞれ止めている。突起１３は、ＰＥＥＫ材のブッシュ１５を、ハウジングフランジ９に対して中心に位置決めする。

ベアリングアセンブリ２３は、好ましくはニトロニック６０のような、特殊な平滑なステンレスによって作られ、第１自己活性シール２２と同軸に並んで置かれ、適切にサイズを合わせたスレッドのようなハウジングから、引き抜き式で装着される。なお、第２自己活性シール２５は、高圧を封じこめる寸法と形状を有しており、好ましくはショア硬度９０から９８のポリウレタンで形成される。さらに、自己活性シール２５は、ブロック７の表面によって上方への動きを止められ、肩部２０によって下方への動きを止められる。シール２５はプランジャー５と接触せず、ブロック７とチャンバー６の間に圧力をかけられた液体を封止するように設計されている。また、シール２５はさらに、外周はみ出し防止リング３９にはめ込まれていても良い。

２６は２６ａと２６ｂからなる二つの部分もしくは板からなるブロックを示しており、好ましくは図１に示すスタッドボルトナットのような、固定手段でお互いに強固に留められている。

二つのプレート２６ａと２６ｂの内側は、溝が機械加工されており、内側に多岐管２７が収納されるように設計されている。多岐管２７は、好ましくは半球形状で、圧力チャンバー６と、供給逆止弁２８および配給逆止弁２９とをつないでいる。前記逆止弁２８，２９は、中央ブロック２６と配給多岐管４０または下方支持フランジ４１との間にそれぞれ挿入されている、コンテナ３０に収納されている。

ブロック２６は一つのピースで構成されていてもよく、その場合、機械加工ツールで直接、ブロック２６の反対側の背面に向けて、溝３１、３２および多岐管穴２７を形成する。

供給逆止弁２８は、供給パイプを形成している溝３１によって、内部多岐管２７に接続されている。配給逆止弁２９は、配給パイプを形成している溝３２によって多岐管２７と接続されている。

供給パイプと配給パイプは、ポンプチャンバー６の軸が通過する面を基準として、鏡面対称形状に配置され、前記基準面から通常、４５度から６２度、好ましくは５６度の角度で形成される。

さらには、多岐管２７と、供給パイプ３１と、配給パイプ３２との内部面は、液体の圧力に曝されることになるため、手研磨、マイクロショットピーニングおよび電解研磨等の手法により、穴が繋ぎあわせられる交点にできるエッジ等を、研磨もしくは曲面処理されている。

それぞれの逆止バルブ２８，２９の空洞は、逆止バルブの上流の空洞３３と、下流にある空洞３４が、図４に示すようにバルブコンテナ３０の上下面に接近して形成される。

前記第３静的シール装置３５は、第３空洞３８に、内部多岐管２７に接近して、多岐管と圧力チャンバー６の接続位置に、正確に挿入される（図３）。

それぞれのはみ出し防止リング３６は、対応する空洞３３，３４，３８の高さ方向に、好ましくは０．１mmの、干渉領域を形成するように設計される。それによりリングは、組み立てた状態において、空洞との間にメカニカルシールを形成すると同時に、先に述べた自己活性シール３７の正確な動作を保証する。

４０は、二つまたはそれ以上の配給バルブ２９ユニットを接続している配給多岐管を示している 。さらに４１は、供給多岐管ポンプに接続される、おのおののプランジャーの供給バルブ２８のサポートフランジを表している。

図１は、ホモジナイザーのポンプ部分を含む区間の側面方向からの断面図である。 図２は、単作動レシプロポンプのガイドチャンバーを含む区間の側面方向からの拡大断面図である。 図３は、圧力チャンバーとバルブを接続する多岐管を含む区間の側面方向からの拡大断面図である。 図４は、逆止供給バルブを含む区間の側面方向からの拡大断面図である。

符号の説明

５…レシプロプランジャー
６…圧力チャンバー
２０…第１シール装置
２４…第２シール装置
２７…多岐管
２８…供給バルブ
２９…配給バルブ
３５…第３シール装置

Claims (18)

1. ガイドチャンバー（１１）から圧力チャンバー（６）にかけて、すなわち、液体供給位置から液体配給位置にかけて往復動作をする、少なくとも一つのプランジャー（５）と、
   圧力チャンバー（６）と、プランジャーに係る少なくとも一つの供給バルブ（２８）および、プランジャーに係る少なくとも一つの配給バルブ（２９）とを接続している、それぞれのプランジャーに係るブロック（２６）と、
   圧力チャンバーと供給バルブ（２８）および配給バルブ（２９）とを接続する、内部多岐管（２７）と、
   それぞれが多岐管（２７）と繋がっており、一方が供給バルブ（２８）で終点となる少なくとも一つの供給パイプ（３１）と、他方が配給バルブ（２９）で終点となる少なくとも一つの配給パイプ（３２）とを有し、
   さらに、供給バルブ（２８）および配給バルブ（２９）が、ブロック（２６）に固定されて分離しているコンテナ（３０）にそれぞれ収納されており、
   以下の（I）ないし（III）に記載の装置のうち、少なくともいずれか一つの装置を有することを特徴とする、液体用超高圧連続式ホモジナイザー。
   （I）ガイドチャンバー（１１）の周辺で、かつ、プランジャー（５）の表面と接触して位置し、加圧中に、プランジャー（５）のシールを構成するように設計された、動的シール装置（２１）。
   （II）圧力チャンバー（６）とガイドチャンバー（１１）との接合位置に接近して存在し、ブロック（７）と、動的シール装置（２１）の収納フランジ（９）とが加圧される間に、ポンプで発生した圧力を封じこめるように設計されている第２静的シール装置（２４）。
   （III）それぞれのバルブ（２８），（２９）の上流と下流または、多岐管（２７）と圧力チャンバー（６）の接合点に位置し、おのおのが空洞（３３），（３４），（３８）に収納され、液体が流出するのを防ぐように設計されている第３静的シール装置（３５）。
2. 動的シール装置（２１）が、
   エラストマーで作られた活性リングを有する、少なくともひとつの第１自己活性シール（２２）と、
   第１自己活性シール（２２）と同軸かつ並んであり、
   適切にサイズが決められたスレッドによる引き抜き方式でそのハウジングに備え付けられた、少なくともひとつのベアリングアセンブリ（２３）と、
   を有することを特徴とする、
   請求項１に記載のホモジナイザー。
3. 第１自己活性シール（２２）が、
   シングルシールリップを有し、プラスチック材料の複合材により作られていることを特徴とする、
   請求項２に記載のホモジナイザー。
4. ベアリングアセンブリ（２３）は特殊平滑ステンレスで作られていることを特徴とする、
   請求項２に記載のホモジナイザー。
5. 第２静的シール装置（２４）が、
   超高圧封止を可能にする寸法および外形であって、
   必要に応じて外部はみ出し防止リング（３９）に嵌合されている、第２自己活性静的シール（２５）を有する、
   請求項１に記載のホモジナイザー。
6. 第３静的シール装置（３５）が、
   直交する対称軸を通る断面において、
   長方形の断面形状と、円形リング形状の断面形状とを有する、
   少なくとも一つのはみ出し防止リング（３６）と、
   それぞれのはみ出し防止リング（３６）の中にある少なくとも一つの第３自己活性シール（３７）と、
   を有することを特徴とする、
   請求項１に記載のホモジナイザー。
7. それぞれのはみ出し防止リング（３６）が、
   より効果的なメカニカルシールを達成するために、空洞（３３），（３４），（３８）と高さ方向に干渉を発生しながら嵌合するように設置されている、
   請求項６に記載のホモジナイザー。
8. それぞれのはみ出し防止リング（３６）の干渉量は、そのリングを収納する空洞（３３），（３４），（３８）の高さ方向に０．１ｍｍに設定されている、
   請求項７に記載のホモジナイザー。
9. 液体からの圧力に曝される、多岐管（２７）、供給パイプ（３１）及び配給パイプ（３２）の内部表面が、
   手研磨、経路の交点に発生するエッジの流線化、マイクロショットピーニング又は化学研磨をされている、
   請求項１に記載のホモジナイザー。
10. プランジャー（５）が、
    純シリコンナイトライドＳｉ_３ Ｎ _４ でつくられている、
    請求項１に記載のホモジナイザー。
11. 動的シール装置（２１）が、
    ガイドチャンバー（１１）に収納され、
    ブロック（７）に含まれる圧力チャンバーの外側にある固定フランジ（１０）によって固定され、装備されている、
    請求項１に記載のホモジナイザー。
12. 潤滑または冷却液の供給溝（１７）が、
    固定フランジ（１０）上において、動的シール装置（２１）に極めて軸が近接するように配置されている、
    請求項１に記載のホモジナイザー。
13. プランジャーが、
    固定フランジ（１０）に収納され、
    位置決めを行う突出部（１３）によって収納フランジ（９）に対して中心位置決めをされた、
    突起（１５）からなるガイドを有する、
    請求項１に記載のホモジナイザー。
14. 収納フランジ（９）が、
    円柱ピン（１２）によってブロック（７）に対して中心位置決めされる、
    請求項１３に記載のホモジナイザー。
15. 配給多岐管（４０）が、
    配給バルブ（２９）に接続している、
    請求項１に記載のホモジナイザー。
16. それぞれのプランジャーの供給バルブ（２８）の支持フランジ（４１）が、ポンプの低圧力供給多岐管に接続されている、
    請求項１に記載のホモジナイザー。
17. 自己活性シール（３７）と、はみ出し防止リング（３６）とからなる、それぞれの静的シール装置（３５）が、
    供給多岐管とホモジナイジングバルブとの接続を含む、すべての高圧シール範囲に適用され得る、
    請求項１に記載のホモジナイザー。
18. 配給多岐管（４０）の外に取り付けてある、適切なホモジナイジングバルブを具備することを特徴とする、
    請求項１から請求項１７のいずれかに記載のホモジナイザー。

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