JP5592900B2 - ホモジナイザーまたは高圧ポンプの膜式ポンプヘッド - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つのポンプヘッドをポンプハウジング内部に配備したホモジナイザー（均質化装置）または高圧ポンプの膜式ポンプヘッドであって、さらに、製品の入口および出口を備えた製品チャンバと、作動するピストンが内部に配置された流体圧作動チャンバとを含み、製品チャンバおよび流体圧作動チャンバが二重の膜によって隔離された膜式ポンプヘッドに関するものである。

均質化は工業的な工程であり、かなりの期間にわたって使用されてきた。その目的は、例えばミルクのような脂肪乳濁液において最大寸法の脂肪粒体をより小さい寸法の脂肪粒体に砕き、これにより脂肪乳濁液を安定化させることである。例えばミルクに関しては、これはクリームの凝固が防止されることを意味しており、今日では消費者が消費するミルク全体の大部分は均質化されたものである。

均質化は、通常は、高い入口圧力にある脂肪乳濁液が非常に狭い間隙を通して高速度で圧送されるようにして、機械的工程で行われる。脂肪乳濁液の脂肪粒体はその後、とりわけ脂肪乳濁液が極めて高速度で間隙を出る時に生じる乱流によって砕かれる。この高速度の流速は間隙後方に低い静圧力を発生し、これによりキャビテーション気泡が発生する。これらのキャビテーション気泡は破裂時にきわめて高圧で瞬間的な圧力パルスを発生し、このパルスが脂肪粒体の細胞膜を破壊するのに必要とされるかなり大きな力を与える。

市販され、一般に入手可能なホモジナイザーは、均質化に必要とされる高圧力を生み出すピストンポンプと、実際に均質化が行われる逆圧（counter pressure）装置とによって基本的に構成されている。ピストンポンプは、通常は、駆動モーターの回転運動を直線運動に変換する機械的構造とされる。ピストンポンプのピストンは、この直線運動によって駆動される。

ピストンポンプのピストンは、機械内部に発生する高圧力に耐えて機能するピストンシールを備えている。食品関係においては、例えば製品の一部をシールから漏出させてシールの潤滑を行うことは不可能であるので、シールの寿命は受入れがたいほどに短縮されてしまう。衛生上の欠点に加えて、これは製品の大きな損失を生むことになる。シールを有効なものとするには、さらに加えて、たとえシールが周囲の機械構造における鋼材と同程度の応力を受けるとしても、シールを比較的柔軟な材料で構成しなければならない。これもまた短寿命にする作用因子となる。

ホモジナイザーに使用されている今日のピストンポンプは、さらに製造費がきわめて高価となる鍛造ポンプブロックを備えている。

流体圧で駆動される、すなわち通常のピストンポンプで圧送される作動流体によって駆動される膜式ポンプは、ピストンポンプと同様なシール問題の影響を受けることはない。これは、作動流体を圧送するピストンに備えられるピストンシールが作動流体の僅かな管理された漏れを許容され、その漏洩した作動流体がシールとピストンとを潤滑するからである。これが可能なのは、作動流体が二重の膜によって製品から隔離されているからである。このようなシール概念は、ほとんど無制限のピストンシール寿命を与える。

膜式ポンプヘッドは、通常は、ホモジナイザーに適用することができない。何故なら、膜の直径は、既存ピストンの行程容積に対応するためにきわめて大きくならざるを得ず、その結果、膜式ポンプヘッドを備えたピストンポンプは従来のピストン機械に比べてかなり大きなピストン中心間距離を必要とすることになるからである。

両側に等しい圧力が作用するために圧力が均等化される膜式ポンプヘッドの膜が、ヘッドを製品チャンバと流体圧作動チャンバとに分割している。その結果、膜は通常のピストンシールが受ける圧力差の影響は受けない。それ故に、圧力差を受けたならば発生する高圧力に耐えることができないであろう材料で膜を作ることができるようになる。その結果、膜式ポンプヘッドは、従来のピストンポンプで生じ得るかなり高い圧力に耐えることも可能になる。

均質化のために膜式ポンプヘッドを使用する装置は、米国特許第６１７４１４４号明細書に記載されている。それにおいて、複数のポンプヘッドは流体圧作動チャンバおよび製品チャンバが形成されるように平行に配置され、また、１つの製品チャンバおよび１つの流体圧作動チャンバはそれぞれ１つの膜によって隔離されている。各個の流体圧作動チャンバ内では１つのピストンが作動し、また、ピストンと平行となるように膜が配向されている。この実施例では、ピストン行程容積で要求される直径の膜に適した空間とするならば、ポンプブロックはかなり大きく高価となるであろう。これは、ポンプブロックの横断面が膜の直径と同程度に大きくなければならないからであり、それに加えて、膜を固定するための空間が必要となるからである。同様に、この実施例は膜に対する比較的具合の悪い加圧状態および比較的大きな流量損失を生じるのである。

米国特許第６１７４１４４号明細書

本発明の１つの目的は、ポンプブロックを大きくし過ぎることなく、膜式ポンプの利点を全て満たすホモジナイザーの膜式ポンプヘッドを提供することである。

本発明の他の目的は、ポンプブロックをかなり簡単に製造できるようにして、それによりかなり安価にすることである。

本発明のさらに他の目的は、膜に対する具合の良い加圧状態を実現することである。

本発明のさらに他の目的は、ピストンと膜との間において生じる流量損失を最小限に減らすことである。

本発明のさらに他の目的は、ピストン中心間距離を維持したまま膜式ポンプヘッドを既存のピストンポンプに取付けできるようにすることである。

これらのおよびその他の目的は、冒頭に記載した形式の膜式ポンプヘッドに対し、ピストンの長手方向に対して１５〜７５゜の角度で膜を配向するという特徴を与える本発明によって達成された。

本発明の好ましい実施例は、特許請求の範囲の欄に記載した従属請求項の特徴を与えたものである。

添付図面を参照して、本発明の１つの好ましい実施例を以下に非常に詳細に説明する。

膜式ポンプヘッドの概略図である。 本発明によるポンプブロックの一部断面とした頂平面図である。 本発明によるポンプブロックの一部断面とした側立面図である。

図１は、基本的に示される膜式ポンプヘッド１を示す。この膜式ポンプヘッド１はポンプハウジング２を含み、ポンプハウジング２は内部に製品チャンバ３および流体圧作動チャンバ４を形成されている。製品チャンバ３および流体圧作動チャンバ４は膜５で隔離されている。

製品チャンバ３は製品入口２０に連結されている。製品入口２０はバルブ６を備えている。製品チャンバ３は製品出口７にも連結されている。製品出口７はバルブ８を備えている。

作動流体、好ましくはオイルで充満された流体圧作動チャンバ４の内部でピストン９が作動する。ピストン９は、ポンプハウジング２に対してシール１０でシールされている。シール１０は高圧力に耐える形式のシールであり、作動流体によって絶えず潤滑されている。作動流体の過剰となる量は導管１１を通して作動流体容器１２に導かれるようになされており、作動流体容器１２は必要に応じて導管１３および一方向バルブ１４を通して流体圧作動チャンバ４に作動流体を補充する。

膜５は、通常、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のような熱可塑性材料、または食品との使用を承認されている他の材料で作られる。このような膜５は、通常は８０００時間の寿命を有している。膜５は作動流体で支持され、圧力が均等化される、すなわち両側に等しい圧力が作用するので、極端な力や応力の影響を受けることはない。膜５は食品用の機器に使用されるので、二重の膜５が使用される。両方の膜５の間は真空とされる。真空空間の一方の側端は一方向バルブ１５に連結され、他側端は毛細管チューブ１６に連結され、毛細管チューブ１６は圧力センサー１７に連結されている。膜５の一方が破損または破裂して漏れが発生したとするならば、毛細管チューブ１６の圧力は上昇し、圧力センサー１７は膜５に欠陥が生じたという趣旨の警報を発する。

材料工学の観点から、膜５はその直径のほぼ１／１０しか動くことができない。その結果、膜式ポンプヘッド１の行程容積、すなわちピストン９の変位を決めるのは膜５の直径となる。均質化工程は或る大きさの行程容積を必要とするので、通常のピストンポンプと同じ行程長さをピストン９に与える膜の直径が必要となる。

既存のホモジナイザーに膜式ポンプヘッド１のための空間を与えるために、図２から明らかとなるように、膜５はピストン９の長手方向に対して１５〜７５゜に配向された。膜５はピストン９の長手方向に対して４５゜に配向されることが好ましい。膜５をピストン９の長手方向に対して１５〜７５゜、好ましくは４５゜に配向することで、ポンプハウジング２の寸法は最小限に抑えられることになる。例えば、同じポンプハウジング２において、膜５がピストン９の長手方向に対して９０゜に配向された場合よりも、約３０％ほど直径の大きな膜５を備えることが可能になる。本発明によれば、膜５は機械の全体寸法に影響を与えない方法で配置される。膜５はその移動方向に物理的な移動限界を有するので、通常、これはねじ結合用の追加の面積部分のある必然的に大きな直径を必要とすることになる。

ピストン９の長手方向に対して膜５を１５〜７５゜、好ましくは４５゜に配向する点において、膜５に対する流れの角度が非常に有利となるので、膜５のより具合の良い加圧状態が得られることになる。流れの角度が有利となることにより、ピストン９と膜５との間における流量損失はさらに小さくなり、これはホモジナイザーの全体的なエネルギー消費を減少させる。

ポンプブロック１８はホモジナイザーに含まれる複数のポンプハウジング２で構成される。図２において、３つのポンプハウジング２が図示され、それらのポンプハウジング２が結合されてポンプブロック１８を形成している。各ポンプハウジング２は隣接のポンプハウジング２によって支持されており、このことは従来のピストンポンプまたは膜式ポンプに使用されているポンプハウジングよりもポンプハウジング２を小さくできるようにする。ポンプブロック１８の２つの最外側部分は補強される必要がある。本発明によりポンプハウジング２を共に一体化することにより、加圧時に漏洩を起こさないように各ポンプハウジング２の剛性を十分に大きくしなければならないという必要性はなくなる。

本発明は、結合体に十分に大きな弾性特性を与えるタイロッド１９によってポンプブロック１８を一体部材として保持できるようにすると同時に、その一体部材（即ち結合体）が小さな空間しか占めないことを可能にする。ピストン９の長手方向に対して１５〜７５゜、好ましくは４５゜に膜５を配向することにより、膜５が加圧された時にポンプブロック１８を一緒に保持するタイロッド１９に作用する力の約３０％ほどの減少が達成されることになる。これらのタイロッド１９は、クランク機構のポンプブロックを膜５のシール面に固定してシールを行うタイロッド（図示せず）と共に作用する。タイロッド１９に作用する３０％ほど小さい力は材料の消耗を軽減し、また、タイロッド１９およびポンプブロック１８の両方を小さな寸法にし向ける。

本発明は、タイロッド１９または結合ボルトの本数の削減を可能にし、その結果、膜式ポンプヘッド１を緊締するために、関連する円環状のクランプ面積部分と共に多数のボルトが必要とされる従来の円形状の膜式ポンプヘッド１よりも、ポンプブロック１８の外径はかなり小型になる。本発明はまた、ポンプブロック１８を結合するボルトに代えて、タイロッド１９を使用可能にする。これによれば、結合体に必要とされる弾性特性を得ることも可能になる。本発明は必要とされるボルトまたはタイロッド１９が少ない本数で済む点で、ポンプブロック１８に必要な作動流体ダクトを一体化するための空間も形成できることになる。

膜式ポンプのピストン９が後退方向へ移動するとき、流体圧作動チャンバ４の内部空間は増大する。これはさらに膜５をピストン９と同じ方向へ移動させる。製品入口２０のバルブ６は開かれ、製品が製品チャンバ３内部へ吸入される。膜式ポンプのピストン９が前進方向へ移動するとき、流体圧作動チャンバ４の空間は減少する。これはさらに膜５をピストン９と同じ方向へ移動させる。製品出口７のバルブ８は開かれ、製品は製品出口７を通して製品チャンバ３から流出する。

製品および作動流体は二重の膜５により密閉状態で隔離され区分されているので、特別な無菌ホモジナイザーを製造するために将来必要とされることはない。無菌機械におけるのと同様に、ピストン９の何れの部分も製品に全く接触しない。ピストン９を殺菌する必要がなく、ホモジナイザーの全体的な殺菌時間を減少できる。この結果、無菌ホモジナイザーの蒸気消費は最小限に抑えられる。

今日のホモジナイザーは最も一般的に水冷ピストン９を備えている。これは、水冷ピストンが連続的に水洗されて冷却および潤滑が行われ、これによりシール１０の寿命が延長されるからである。従来のピストンポンプを膜式ポンプに交換することで、水冷の必要性はなくなり、ホモジナイザーの水消費は根本的に減少されることになる。

本発明による膜式ポンプヘッド１は二重の膜５を有するので、同時に両方の膜５が破損する可能性はない。その結果、一方の膜５に欠陥が生じたことを示す警報が発せられた場合でも生産を停止する必要はなく、通常の生産停止時間内に膜５を交換することができる。一般に、実際にはルーチンワークとして、所定の予め定められた時間を経過した後に膜５は交換されるべきである。

従来のホモジナイザーは最も一般的には２５ＭＰａ（２５０バール）の圧力で作動する。膜式ポンプヘッド１を備えたホモジナイザーは、特に膜５が金属製であるならば、かなりの高圧力で作動できる。従って、現在技術のホモジナイザーよりも実質的に高い圧力で作動するホモジナイザーを将来製造することが可能である。

前述の説明から明らかとなるように、本発明は、膜式ポンプの全ての利点を満たし、また、既存のホモジナイザーに組込むことのできるホモジナイザーの膜式ポンプヘッドを実現するのである。膜がピストンの長手方向に対して角度を付される点で、既存の膜式ポンプが示すよりも小型のポンプブロックを得ることができる。さらに、ポンプブロックは簡単に製造でき、これにより一層安価にできると同時に、製造時に環境に与える影響は小さくなる。本発明による膜式ポンプヘッドはさらに具合の良い膜の加圧状態を示し、また、流量損失が減少されてホモジナイザーの全体的なエネルギー消費は減少される。

Claims (6)

1. 少なくとも１つのポンプヘッド（１）をポンプハウジング（２）の内部に配備したホモジナイザーまたは高圧ポンプの膜式ポンプヘッド（１）であり、さらに、製品の入口（２０）および出口（７）を備えた製品チャンバ（３）と、作動するピストン（９）が内部に配置された流体圧作動チャンバ（４）とを含み、製品チャンバ（３）および流体圧作動チャンバ（４）が二重の膜（５）によって隔離された膜式ポンプヘッド（１）であって、ピストン（９）の長手方向に対して１５〜７５゜の角度に膜（５）が配向されたことを特徴とする膜式ポンプヘッド（１）。
2. ピストン（９）の長手方向に対して４５゜の角度に膜（５）が配向されたことを特徴とする請求項１に記載の膜式ポンプヘッド（１）。
3. 複数のポンプハウジング（２）がポンプブロック（１８）を形成し、ポンプブロック（１８）はタイロッド（１９）によって一体部材として保持されることを特徴とする請求項１に記載の膜式ポンプヘッド（１）。
4. 膜（５）が熱可塑性材料で作られたことを特徴とする請求項１に記載の膜式ポンプヘッド（１）。
5. 膜（５）がポリテトラフルオロエチレンで作られたことを特徴とする請求項４に記載の膜式ポンプヘッド（１）。
6. 膜（５）が金属で作られたことを特徴とする請求項１に記載の膜式ポンプヘッド（１）。

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