JP5021234B2 - 微粒化装置 - Google Patents

Description

本発明は、処理対象の原料液の高圧流体同士を衝突させる微粒化装置に関し、詳しくは、衝突部を構成するノズル手段に関するものである。

従来から、様々な分野の製品製造において、原料液の分散、乳化等を含む微粒化処理には、処理対象である原料液を高圧で噴射させ、その噴流同士をノズル手段を介して衝突させることによる衝撃を利用した微粒化装置が用いられている。

このような微粒化装置のなかでも、微粒化に効果的な剪断力を得るために、ノズル手段として狭くて長い流路を備えたものを用い、高圧原料液をその狭くて長い流路内を通過させて衝突させる方式のものがある。この方式では、例えば図２に示すように、軸方向に二つ設けられた貫通孔からなる原料液導入流路２１と両導入流路２１同士を軸方向と直交する方向で連通する溝２２とが設けられた焼結ダイヤ製のディスクプレート２０に、溝なしディスクプレート２３を前記溝２２を塞いで加速流路２２Ｘを形成するように当接させ、加速流路２２Ｘを経て衝突した衝突後原料液をその衝突部２２Ｙから溝なしディスクプレート２３の中心軸に沿って形成された貫通孔（導出流路２４）を通じて導出するノズル構成を備えたものがあった（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

また、対面配置された溝のないプレート間の間隙を導入流路として外周方向から中心部で衝突させ、一方のプレートの中心軸に沿って形成された導出流路から衝突後原料液を導出するノズル構成を備えたものもある（例えば、特許文献３。）。

特開平９−２０１５２２号公報 特許第２７８８０１０号公報 特開２００５−１４４３２９公報

しかしながら、上記のようなディスクプレート（２０，２３）に形成された貫通孔や溝によって原料液の導入流路や加速流路、衝突部が構成される場合、ディスクプレート２０に貫通孔を形成するために、プレートとして比較的大きな外形のものが必要となるが、焼結ダイヤを用いても、圧縮応力に対しては強いものの引張り応力には弱い性質がある。

一方、上記のような導入流路２１及び屈曲部では、原料液は直交方向に曲げられてから圧力を流速に変えるために微小断面積の溝２２からなる加速流路内を進んでから衝突する構成となっているため、圧力損失が生じてしまっている。そこで導入流路２１の口径Ｄ４を大きくして圧力損失を無くすことが考えられるが、この場合、導入流路２１内に係る圧力はディスクプレート２０に引張り応力を与えるため、口径Ｄ４を大きくするとこの引張り応力も大きくなって破断が生じる危険があり、むやみに口径Ｄ４を大きくすることはできなかった。

また、溝２２からなる加速流路２２Ｘの長さを小さくすることで抵抗を減少させ、圧力損失を小さくしようとする場合には、導入流路２１の口径Ｄ４を大きくすることで加速流路２２Ｘは短くなるが前述のとおり導入流路２１が内圧で割れる危険がある。そこで溝なしディスクプレート２３の導出流路２４の口径Ｄ５を大きくすることで加速流路２２Ｘを短くすることが考えられるが、この場合、加速流路２２Ｘを出てから衝突位置２２Ｙまで、即ち導出流路２４の口径の半径である衝突距離２２Ｌが長くなって衝突までに高圧の原料液が減速し、十分な衝突力が得られなくなってしまう。また、加速流路２２Ｘを途中まで拡げても、その拡げた通路に引張り応力が発生し、やはり破断しやすくなってしまう。

さらに、ディスクプレート（２０，２３）同士の当接は、溝２２から原料液が外部に漏れないように接触面同士を強く押し付けてシールする必要があるが、押し付け力は通常ネジの締め付けによって行われているため、確実なシール力を得るために強く締め付けるとプレートは割れ、これを避けるために締め付け力が不充分となると導入流路２１に発生する圧力よりプレート接触面の面圧が低くなるため原料液が漏れてしまうことになる。このように、ネジ締め付けの加減は難しく、熟練を要するものであった。

また、互いに対面配置された溝なしプレート同士間の間隙を導入流路とする構成のものでは、原料液の導入までの圧力損失はなく外周全体に圧がかかるのでプレートには引張り応力がかからないが、高圧液は狭い隙間面を通るため、その壁面での速度損失が大きいという問題がある。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、簡便な構成でありながら、従来よりも原料液の導入における圧力損失および速度損失を抑えつつ十分な衝突力が確保できると共に部材内部に引張り応力による割れが生じることのないノズル手段を備えた微粒化装置を提供することにある。また本発明は、さらにノズル手段内で発生する背圧に起因する原料液の漏れが良好に防止できる微粒化装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る微粒化装置では、固体粒子を含む高圧流体同士を衝突させるためのノズル手段と、該ノズル手段へ前記高圧流体を導入するための導入流路とを備えた微粒化装置において、前記ノズル手段は、互いに対面状態で同軸に重ね合わされた円盤状の第１プレートと第２プレートとを備え、第２プレートは、中心軸に沿って形成された貫通孔を有し、第１プレートと第２プレートのいずれかに、これら両プレート同士の当接状態で前記貫通孔と連通するように当接面上の半径方向に沿って形成された複数の溝部を有し、前記第１プレートは、前記第２プレートより小さい外径を有し、第２プレートの第１プレート当接面外周面領域を露呈させるものであり、前記導入流路に導かれた高圧流体を、第１プレート外周からそれぞれ半径上で開口する各溝部へ導入するようにしたものである。

また、請求項２に記載の発明に係る微粒化装置では、請求項１に記載の微粒化装置において、バネによる付勢力と、高圧流体が前記導入流路へ導入される際の発生圧とによって第１プレートを第２プレートに対して押圧するシール手段を備えているものである。

本発明の微粒化装置においては、中心軸に沿って貫通孔が形成された円盤状の第２プレートとこれに当接する円盤状の第１プレートとが互いに対面状態で同軸上に重ね合わされてなる高圧流体衝突用ノズル手段を備えており、第１プレートと第２プレートとのいずれれかの当接端面上の半径方向に沿って前記貫通孔に連通するように形成された複数の溝部が他方のプレートで塞がれることによって高圧流体の加速流路が形成され、プレートの外周から各溝部へ高圧流体が導入されるものであるため、高圧流体が部材を貫通して形成された曲がる流路を進むことなく導入できるため、圧力損失がなく良好に流速が増大されて充分な衝突力をもって衝突処理を行うことができ、それと共にプレート内部に引張り応力を生じるような流路もないためプレート割れが生じないという効果がある。

本発明による微粒化装置は、材料固体粒子を含む高圧流体同士を衝突させるためのノズル手段として、主に円盤状の第１プレートと第２プレートとを互いに対面させた状態で同軸状に重ね合わせてなるものを備えたものであり、第１プレートと第２プレートのいずれかの当接端面上に半径方向に沿って二つ以上の溝部が形成され、高圧流体の導入流路によって高圧流体がプレートの外周からそれぞれ半径上で開口する各溝部へその開口から導入されるものである。

即ち、本発明の微粒化装置においては、第１プレートまたは第２プレートに形成された溝部が他方のプレートによって上面が塞がれることによって、高圧流体が衝突する加速流路が形成され、各溝部の半径上の外周側開口から中心軸方向へ向かって導入された高圧流体同士がこの加速流路を進んでプレートの中心軸位置で衝突され、衝突後に第２プレートの中心軸に沿って形成された貫通孔から衝突済み流体として導出されるものである。

従って、本発明のノズル手段においては、高圧流体が部材を貫通して形成された曲がる流路を進むことなく導入できるため、圧力損失がなく良好に流速が増大されて充分な衝突力をもって衝突処理を行うことができ、それと共にプレート内部に引張り応力を生じるような流路もないためプレートに割れが生じることもない。

また、本発明のノズル手段は、第１プレートと第２プレートという別体の部材同士により構成されるものであるため、両者を互いに異なる外径のものとすることができる。例えば、導出流路となる貫通孔が形成されている第２プレートに対して第１プレートを外径の小さいものに変更できる。従って、第２プレートと第１プレートとの当接により溝部の上面が覆われて形成される加速流路は、衝突距離（加速流路端から衝突位置までの導出流路口径の半径に相当）を大きくして過大な引張り応力をかけることなく小さいままで、第１プレートを第２プレートより外径の小さいものにするだけで簡単に短くすることができ、衝突力の向上が図れる。また、この加速流路は、第１プレートの外径を適宜変更することによって任意の長さに調節できる。

また、上記のように第１プレートを第２プレートより外径の小さいものとした場合、第２プレートには高圧流体導入時にプレート外周全体と前記露呈面に対して流体圧がかかり、その後面には反力が生じるためプレートにはほぼ外面全体から圧縮方向の力が作用し引張り応力が生じない。さらにこの第２プレートに対して第１プレートを押圧するシール手段として、高圧流体を導入流路へ導入する際の発生圧を利用することによって、これにバネによる付勢力を加えるという簡便な構成で、従来のネジ止めのような締め加減が困難で熟練を要するような強固な手段を必要とせずに、充分に第１と第２のプレート当接面における原料漏れを防止することができる。

なお、本発明におけるノズル手段を構成する第１および第２プレートは、従来のものと同様の材質で形成してもよいが、焼結ダイヤなど、加工可能なものでより強度の高いものが望まれる。また、本発明で云う微粒化とは、材料粒子の粉砕、分散、乳化を含むものである。

本発明の一実施例による微粒化装置として、第２プレートに貫通孔と断面半円形状の溝部とを備えてなる場合を図１に示す。図１（ａ）は本微粒化装置の概略構成を示す側断面図であり、（ｂ）はノズル手段の部分拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ矢視図である。

本実施例の微粒化装置１は、略カップ状のハウジング２にプラグ部材６を嵌合して内部に形成されるチャンバ９内に、プラグ部材６側の押さえ部材７とハウジング２側からバネ５により付勢されるノズル押さえ３との間でノズル手段１０が保持されるものである。

ノズル手段１０は、押さえ部材７側に配置される円盤状の第２プレート１２と、該第２プレート１２に対してノズル押さえ３に対して押圧される円盤状の第１プレート１１とから構成されており、これら第１と第２のプレート（１１，１２）との間に高圧流体の衝突部が形成されるものである。従って、ノズル手段１０へ高圧流体を導入するための導入流路１５は、ノズル押さえ３とプラグ側の押さえ部材７との間のノズル手段１０の外側空間で形成されている。

従って、衝突処理対象原料である固体粒子を含む高圧流体は、ハウジング２の端部からチャンバ９およびノズル押さえ３に形成された供給流路４を経て導入流路１５へ供給され、該導入流路１５よりノズル手段１０へその外周方向からノズル手段１０内部の衝突部へ導入される。

本実施例においては、第２プレート１２には、その中心軸に沿って貫通孔１３が形成されており、押さえ部材７およびプラグ部材６に配設されている衝突済み流体の導出流路８に連通されている。また第２プレート１２は、第１プレート１１と当接する側の端面上にその半径方向に沿って貫通孔１３と連通するよう互いに等角度間隔で２つの溝部１４が形成されている。

従って、この２つの溝部１４は同一直径上にならび、第１プレート１１に覆われて高圧流体を衝突させるための加速流路１４Ｘとなる。このとき、溝部１４は第１プレート１１の外周端縁部で前記直径上の両端側（各半径上の外周端側）でそれぞれ開口し、加速流路１４Ｘの導入口となる。よって導入流路１５よりプレート外周方向から導入される原料液の高圧流体は、溝部１４の直径方向両側の２箇所の開口部からそれぞれ対向方向に導入され、加速流路１４Ｘを経て進み、溝部１４の中心位置、即ち第２プレート１２および貫通孔１３の中心軸位置１４Ｙへ向かい該衝突位置１４Ｙで互いに衝突する。

以上のような構成のノズル手段１０を備えた微粒化装置１では、高圧流体がプレート部材内で曲がる流路を進むことなく加速流路１４Ｘへ導入できるため、圧力損失がなく良好に流速が増大されて充分な衝突力をもって衝突処理を行うことができ、それと共にプレート内部に引張り応力を生じるような貫通流路もないため第２プレート１２に割れが生じることもない。

さらに、実施例においては、第１プレート１１の外径Ｄ１を第２プレート１２の外径Ｄ２より小さいものとした。これによって第２プレート１２と第１プレート１１との当接により溝部１４の上面が覆われて形成される加速流路１４Ｘは、衝突距離１４Ｌ（加速流路１４Ｘ端から衝突位置１４Ｙまでの導出流路口径Ｄ３の半径に相当）を大きくして過大な引張り応力をかけることなく小さいままで、簡単に短くすることができ、衝突力の向上が図れる。このように本実施例のノズル手段１０は、第１プレート１１と第２プレート１２という別体の部材同士により構成されるものであるため、両者を互いに異なる外径のものとすることができ、加速流路１４Ｘを、第１プレート１１の外径を適宜変更することによって任意の長さに調節できる。

また、このように第１プレート１１の外径Ｄ１を第２プレート１２の外径Ｄ２より小さいものとすることによって、第２プレート１２の溝部１４は第１プレート１１との当接面の外周面領域において露呈された状態となり、高圧流体導入の際には、第２プレート１２の外周および前記露呈部に圧力がかかり、プレート１２の後面で反力が発生する。このため、第２プレート１２にはほぼ外周面全体から圧縮方向への力が作用することとなり、さらに引張り応力がかからなくなる。

また本実施例においては、第２プレート１２に対して第１プレート１１を押圧するシール手段として、ノズル押さえ３において高圧流体供給流路４からの高圧流体導入の際に発生する圧力を利用している。即ち、第１プレート１１には非高圧流体導入時においてノズル押さえ３のバネ５による付勢力のみが作用しているのに対して、高圧流体導入時には上記の発生力がさらに作用する。従って、本実施例においては、微粒化処理工程時に生じる高圧流体導入による発生力を利用することによって、ノズル押さえ３にバネ５を設けるという簡便な構成で、従来のネジ止めのような締め加減が困難で熟練を要するような強固な手段を必要とすることなく、第１プレート１１と第２のプレート１２との当接面における原料漏れを充分に防止することができる。

このような本実施例における微粒化装置１において高圧流体衝突実験を行ったところ、第１プレート１１が第２プレート１２と同一外径のものの場合であっても、図２の従来タイプのノズル手段を用いた場合では割れが生じてしまうような処理時間を経ても、より高い微粒化性能が問題なく維持され、また従来の溝無しディスクプレート対面配置によるノズル手段を用いた場合よりも速度損失がない分、良好な微粒化が行われる。

さらに、第１プレート１１の外径Ｄ１を例えば第２プレート１２の外径Ｄ２の１／２まで小さくしていった場合、両プレートが同一外径の場合よりも微粒化できる。

なお上記実施例においては、ノズル手段として、加速流路を構成するための溝部１４を第２プレート１２の半径方向に沿って二つ設けた場合を示したが、本発明においては、これに限定するものではない。例えば、図３、図４に示すように、第２プレート１２の半径方向に沿って３本以上という多数の溝部１４を設けた構成とすることによって微粒化処理の効率化を図ることができる。このように多くの溝部を設ける場合、放射状に、さらには互いに等角度間隔で形成すればより効率的で均一な衝突状態が得られる。

また、あらかじめそれぞれ異なる溝部本数のものを複数用意しておき、実際の原料液に応じて望ましい衝突処理効率が得られるものを適宜選択して用いてもよい。さらに、図５、図６に示すように、第２プレート３２は貫通孔３３のみを形成し、第１プレート３１の方に適した本数の溝部３４を設けたノズル手段としてもよく、第２プレート１２に設けた場合と効果は変わりない。

なお、溝部の断面形状は、上記実施例に示す半円形に限るものではなく、半楕円形、角形状など、種々の物が使用可能であるが、原料液が抵抗無くよりスムーズに流通できる形状の物が望ましい。

本発明の一実施例による微粒化装置の概略構成図であり、（ａ）は本微粒化装置の概略構成を示す側断面図であり、（ｂ）はノズル手段の部分拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ矢視図である。 従来の微粒化装置のノズル手段の一例を示す概略構成図である。 本発明の他のノズル手段の構成を示す概略斜視図である。 本発明の他のノズル手段の構成を示す概略斜視図である。 本発明の他のノズル手段の構成を示す概略斜視図である。 本発明の他のノズル手段の構成を示す概略斜視図である。

符号の説明

１：微粒化装置
２：ハウジング
３：ノズル押さえ
４：高圧流体供給流路
５：バネ
６：プラグ部材
７：押さえ部材
８：導出流路
９：チャンバ
１０：ノズル手段
１１，３１：第１プレート
１２，３２：第２プレート
１３，３３：貫通孔
１４，３４：溝部
１４Ｘ：加速流路
１４Ｙ：衝突位置
１４Ｌ：衝突距離
１５：高圧流体導入流路
２０：ディスクプレート
２１：導入流路
２２：溝
２２Ｘ：加速流路
２２Ｙ：衝突位置
２２Ｌ：衝突距離
２３：溝なしディスクプレート
２４：導出流路

Claims (2)

1. 固体粒子を含む高圧流体同士を衝突させるためのノズル手段と、該ノズル手段へ前記高圧流体を導入するための導入流路とを備えた微粒化装置において、
   前記ノズル手段は、互いに対面状態で同軸に重ね合わされた円盤状の第１プレートと第２プレートとを備え、
   第２プレートは、中心軸に沿って形成された貫通孔を有し、
   第１プレートと第２プレートのいずれかに、これら両プレート同士の当接状態で前記貫通孔と連通するように当接面上の半径方向に沿って形成された複数の溝部を有し、
   前記第１プレートは、前記第２プレートより小さい外径を有し、第２プレートの第１プレート当接面外周面領域を露呈させるものであり、
   前記導入流路に導かれた高圧流体を、第１プレート外周からそれぞれ半径上で開口する各溝部へ導入するようにしたことを特徴とする微粒化装置。
2. バネによる付勢力と、高圧流体が前記導入流路へ導入される際の発生圧とによって第１プレートを第２プレートに対して押圧するシール手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の微粒化装置。

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