JP5630029B2 - ノズル及び分散装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノズル及び分散装置、特に、セラミックスラリーを製造する際に、凝集粒子を分散させるためのノズル及び該ノズルを備えた分散装置に関する。

従来、セラミックスラリーを製造する際に凝集粒子を分散させために、特許文献１に記載の分散装置が知られている。この分散装置では、ノズルに凝集粒子を含むセラミックスラリーを高速でジェット流として通過させることにより、凝集粒子に伸縮応力を作用させ、分散させている。

図４に示すように、この種のノズル５０は、セラミックスラリーのジェット流Ａの上流側から先細のテーパ部５１、小径のストレート部５２、大径の開口部５３が形成されている。ジェット流Ａはノズル５０を高速で通過することにより、伸縮応力を受け、凝集粒子が分散することになる。

しかしながら、開口部５３はストレート部５２の１０〜１００倍の内径を有しているため、ストレート部５２から大径の開口部５３に出たジェット流Ａの周囲に旋回流Ｂが発生するという問題点を有していた。旋回流Ｂの発生によって分散に寄与するエネルギーが減少し、分散効率が低下する。

そこで、図５に示すノズル５０のように、凝集粒子を分散させる領域Ｃを比較的小径の開口部５３とすることが考えられる。しかし、この場合でも、開口部５３を出たジェット流Ａが大きく減圧されることによって出口部分ａでキャビテーション（気泡、空洞）が発生し、その崩壊時に発生する高圧でノズル５０にエロージョン（壊食）が生じる。

また、図６に示すノズル５０のように、分散領域Ｃにおいて開口部５３を下流側に広がったテーパ状とすることも考えられる。この場合では、旋回流の発生を抑えることは可能であるが、テーパ状の内壁面近傍で圧力損失が発生し、やはり、分散に寄与するエネルギーが減少し、分散効率が低下する。

ＷＯ２００６−０９８０９１号公報

そこで、本発明の目的は、分散効率の低下を抑制できるとともにキャビテーション、エロージョンの発生をも防止できるノズル及び分散装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の第１の形態であるノズルは、
セラミックスラリーをジェット流として通過させて凝集粒子を分散させるためのノズルであって、
ジェット流を噴き出す噴き出し開口部と、該噴き出し開口部の下流側であって凝集粒子を分散させる分散領域に内径が異なる複数の分散開口部とを有し、
前記分散領域は前記噴き出し開口部に接続されており、かつ、前記複数の分散開口部の内径は前記分散領域の入口側からジェット流の流れに沿って段階的に大きく形成されており、
前記分散領域の下流側にジェット流の下流側に広がったテーパ状の接続部を有し、さらに、前記テーパ状の接続部に接続された背圧調整管を備えていること、
を特徴とする。

本発明の第２の形態である分散装置は、
セラミックスラリーの凝集粒子を分散させる分散ユニットを備えた分散装置において、
前記分散ユニットは、セラミックスラリーをジェット流として通過させるノズルを備え、
前記ノズルはジェット流を噴き出す噴き出し開口部と、該噴き出し開口部の下流側であって凝集粒子を分散させる分散領域に内径が異なる複数の分散開口部とを有し、前記分散領域は前記噴き出し開口部に接続されており、かつ、前記複数の分散開口部の内径は前記分散領域の入口側からジェット流の流れに沿って段階的に大きく形成されており、
前記ノズルは、前記分散領域の下流側にジェット流の下流側に広がったテーパ状の接続部を有し、さらに、前記テーパ状の接続部に接続された背圧調整管を備えていること、
を特徴とする。

前記ノズル及び分散装置において、ジェット流の下流側であって凝集粒子を分散させる領域には複数の分散開口部がジェット流の流れに沿って内径が段階的に大きく形成されているため、換言すれば、ジェット流の流路（凝集領域）は階段状に複数回に分けて拡大されているため、流路が１段で拡大している従来例に比べて、ジェット流の周囲に発生する旋回流が抑制され、分散効率の低下を抑制できる。しかも、流路内での減圧が段階的に行われるため、キャビテーションの発生が抑制され、ノズルにエロージョンが生じることもなく、ノズルの寿命が長くなる。

本発明によれば、セラミックスラリーの凝集粒子を分散させる効率の低下を抑制できるとともにキャビテーション、エロージョンの発生をも防止できる。

本発明に係る分散装置の一実施例を示す概略構成図である。 前記分散装置を構成する分散ユニットを示す断面図である。 前記分散ユニットに搭載されているノズルを示す断面図である。 従来のノズルの第１例を示す断面図である。 従来のノズルの第２例を示す断面図である。 従来のノズルの第３例を示す断面図である。

以下、本発明に係るノズル及び分散装置の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部品、部分には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

（分散装置、図１参照）
分散装置１は、図１に示すように、セラミックスラリーを投入する投入タンク１０と、プレポンプ１１と、セラミックスラリーに高圧をかけるシリンダーポンプ１３と、セラミックスラリーの凝集粒子を分散させる分散ユニット１５と、セラミックスラリーを冷却するための熱交換器２０と、排出タンク２１とで構成されている。シリンダポンプ１３の入口側及び出口側には逆止弁１２，１４が配置されている。投入タンク１０とプレポンプ１１との間の流路にはスラリーの有無や気泡の混入を検出するセンサ（図示しない）が設置されている。さらに、排出タンク２１から投入タンク１０へはスラリーを搬送する循環ライン２２が設置されている。プレポンプ１１はダイヤフラムポンプ、ギアポンプ、ターボポンプなどである。

以上の構成からなる分散装置１における処理手順の概略を説明する。（１）セラミックスラリーを投入タンク１０に投入する。（２）プレポンプ１１を駆動して、投入タンク１０から排出タンク２１までの流路をスラリーで満たし、流路容積分のスラリーを初期排出する。（３）シリンダーポンプ１３を駆動してスラリーを加圧し、スラリーを分散ユニット１５へ供給する。（４）分散ユニット１５では以下に説明するようにスラリーはジェット流として噴流し、凝集粒子が分散される。（５）分散ユニット１５から流出したスラリーは高温であり、熱交換器２０にて冷却される。（６）冷却後のスラリーは排出タンク２１へ排出される。（７）必要であれば、スラリーは排出タンク２１から再び投入タンク１０へ循環され、分散処理が再度実行される。（８）分散処理が終了すると、投入タンク１０へ溶媒を投入し、プレポンプ１１にて投入タンク１０から排出タンク２１までの流路に残ったスラリーを排出タンク２１に戻す。使用されるセラミックスラリーの粘度は１０〜１０００ｍＰａ・ｓであり、処理圧力は１０〜５００ＭＰａである。

（分散ユニット及びノズル、図２、図３参照）
分散ユニット１５は、図２に示すように、スラリーのジェット流Ａの上流側から接続管１６、ノズル１７、背圧調整管１８を同軸上に接続固定したものである。接続管１６はテーパ状の導入部１６ａと大径のストレート部１６ｂとを備えている。ノズル１７は、先細のテーパ部１７ａと小径のストレート部（噴き出し開口部）１７ｂと第１分散開口部１７ｃと第２分散開口部１７ｄとジェット流Ａの下流側に広がったテーパ状の接続部１７ｅとを備えている。背圧調整管１８はストレート部１８ａとジェット流Ａの下流側に広がったテーパ部１８ｂとを備えている。

接続管１６のテーパ部１６ａの開口角度は６０°であり、ストレート部１６ｂはノズル１７のテーパ部１７ａの開口径よりも大きな内径とされている。背圧調整管１８は、外周に形成したテーパ部１８ｃをノズル１７のテーパ状の接続部１７ｅに嵌合されており、ストレート部１８ａはノズル１７の出口部分よりも若干小さくかつストレート部１７ｂよりも大きい内径を有し、ノズル１７の出口部分に背圧を与えることで、接続部１７ｅのａ部分（図３参照）に発生するキャビテーションを抑制する。

ノズル１７に関して、凝集粒子を分散させる領域Ｃに形成された第１分散開口部１７ｃ及び第２分散開口部１７ｄはストレート形状であり、第１分散開口部１７ｃの内径はストレート部（噴き出し開口部）１７ｂの内径よりも大きく、第２分散開口部１７ｄの内径は第１分散開口部１７ｃの内径よりも大きい。それぞれ、ジェット流Ａの上流側の内径の３倍以下とされている。具体的には、図３に示すように、ストレート部１７ｂの内径ｄ１は０．６ｍｍであり、第１分散開口部１７ｃの内径ｄ２は０．８ｍｍであり、第２分散開口部１７ｄの内径ｄ３は１．６ｍｍである。

以上の構成からなる分散ユニット１５において、接続管１６から流入したセラミックスラリーはノズル１７のテーパ部１７ａで圧縮されてストレート部１７ｂから噴き出し、高速のジェット流Ａとしてノズル１７を通過する。そして、第１分散開口部１７ｃ、第２分散開口部１７ｄを通過することにより圧縮が開放される。これにて、スラリー内の凝集粒子に伸縮応力が作用し、凝集粒子が分散する。

ノズル１７にはジェット流Ａの流れに沿って内径が段階的に大きくなる第１分散開口部１７ｃ及び第２分散開口部１７ｄが形成されているため、換言すれば、ジェット流Ａの流路（分散領域Ｃ）は階段状に複数回に分けて拡大されているため、流路が１段で拡大している従来例に比べて、ジェット流Ａの周囲に発生する旋回流が抑制され、分散効率の低下を抑制できる。しかも、流路内での減圧が段階的に行われるため、キャビテーションの発生が抑制され、ノズル１７にエロージョンが生じることもなく、ノズル１７の寿命が長くなる。

前述のように、第１分散開口部１７ｃ及び第２分散開口部１７ｄの内径は上流側の内径の３倍以下とされている。３倍を超えるとジェット流Ａの周辺に発生する旋回流の抑制効果が薄れ、分散に寄与するエネルギーが減少する。特に、第２分散開口部１７ｄの内径が３倍を超えると、段差部でキャビテーションが発生しやすくなり、ノズル１７の内壁のエロージョン（壊食）につながる。

（他の実施例）
なお、本発明に係るノズル及び分散装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。

特に、セラミックスラリーの流路の構成は任意である。前記実施例において、ノズルにはストレート部の下流側に２段階に広がる第１分散開口部及び第２分散開口部を設けているが、３段階以上に広がる分散開口部を設けてもよい。また、セラミックスラリーを加圧するシリンダーポンプは一つのみ図示しているが、処理圧力の脈動を抑制するため、２以上のシリンダーポンプを並列に配置してもよい。さらに、流路に設けたスラリーを検出するためのセンサとしては、光学センサ、近接センサ、超音波センサ、コリオリ式センサなど種々の形式のものを使用することができる。

以上のように、本発明は、ノズル及び分散装置に有用であり、特に、セラミックスラリーの凝集粒子を分散させる効率の低下を抑制できるとともにキャビテーション、エロージョンの発生をも防止できる点で優れている。

１…分散装置
１５…分散ユニット
１７…ノズル
１７ｂ…ストレート部（噴き出し開口部）
１７ｃ…第１分散開口部
１７ｄ…第２分散開口部
Ａ…ジェット流
Ｃ…分散領域

Claims (6)

1. セラミックスラリーをジェット流として通過させて凝集粒子を分散させるためのノズルであって、
   ジェット流を噴き出す噴き出し開口部と、該噴き出し開口部の下流側であって凝集粒子を分散させる分散領域に内径が異なる複数の分散開口部とを有し、
   前記分散領域は前記噴き出し開口部に接続されており、かつ、前記複数の分散開口部の内径は前記分散領域の入口側からジェット流の流れに沿って段階的に大きく形成されており、
   前記分散領域の下流側にジェット流の下流側に広がったテーパ状の接続部を有し、さらに、前記テーパ状の接続部に接続された背圧調整管を備えていること、
   を特徴とするノズル。
2. 前記複数の分散開口部の内径はジェット流の上流側の内径の３倍以下であること、を特徴とする請求項１に記載のノズル。
3. 前記背圧調整管はストレートな内径部を有していること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のノズル。
4. セラミックスラリーの凝集粒子を分散させる分散ユニットを備えた分散装置において、
   前記分散ユニットは、セラミックスラリーをジェット流として通過させるノズルを備え、
   前記ノズルはジェット流を噴き出す噴き出し開口部と、該噴き出し開口部の下流側であって凝集粒子を分散させる分散領域に内径が異なる複数の分散開口部とを有し、前記分散領域は前記噴き出し開口部に接続されており、かつ、前記複数の分散開口部の内径は前記分散領域の入口側からジェット流の流れに沿って段階的に大きく形成されており、
   前記ノズルは、前記分散領域の下流側にジェット流の下流側に広がったテーパ状の接続部を有し、さらに、前記テーパ状の接続部に接続された背圧調整管を備えていること、
   を特徴とする分散装置。
5. 前記複数の分散開口部の内径はジェット流の上流側の内径の３倍以下であること、を特徴とする請求項４に記載の分散装置。
6. 前記背圧調整管はストレートな内径部を有していること、を特徴とする請求項４又は請求項５に記載の分散装置。

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