JP6236091B2 - 高圧ホモジナイザー - Google Patents

Description

本発明は、高圧ホモジナイザーに関する。

高圧流体処理、特に、乳濁液微粉化（エマルジョン・マイクロナイゼーション）用途、分散の安定化、および流体における制御下での細胞破壊／分解においてよく知られている通り、ホモジナイザーと呼ばれる装置がよく用いられている。このような装置は、一般に、クランクシャフト（またはカムシャフト）を用いて往復運動(alternating motion)で移動する複数のピストンを備えたポンプを備える。複数のピストンは、同期しており、３６０°／ｎの角度で互いにずらして配置されている（オフセットされている）。ここで、ｎは、移動して、機械の処理部の内部にある流体の圧力を上昇させるポンピングピストンの数である（ピストンの数は、一般的には一から最大で八つの範囲である）。

特に、ホモジナイザーは、高圧領域から低圧領域へ、または、いずれにせよ複数の低圧領域の１つへと、被処理流体を強制的に通す調節弁（ホモジナイジング（均質化）バルブ）を備える。ピストンポンプはバルブの上流側に配置され、クランクシャフトを移動させる電気モータによって駆動される。

またモータとポンプとの間には、プーリーシステムで構成された減速ギアユニット、また場合によっては、平行軸型または遊星型の減速ギアシステムと、が配置されている。
この運動連鎖(kinematic chain)は、シャフトの回転運動を往復直線運動に変換して、その運動をポンプピストンへと剛性的に伝達するよう機能する。このように、各ピストンは、被処理流体に脈動圧縮作用を与える。個々のピストン脈動が、（クランクシャフトの様々なクランク間の相対的な角度により作られる固定のオフセットに関連して）マニホルドにおいて互いに合成されて、その結果一つの脈動が生じ、それは均質化バルブに直接掛かる。

各ポンピングピストンは、それ自身の圧縮チャンバにおいて、０からｐ_maxバール(bar)の範囲の脈動圧力を生じる。ここで、ｐ_max＝その機械の設計最大値であり、２０００バールを超えることもある。

ホモジナイザーにピストンが一つだけ設置されている場合、同じように均質化バルブおよびポンピングバルブの下流側の要素（例えば変換器（トランスデューサー））に全脈動０〜ｐ_maxが掛かる。

ピストンが複数の場合には、生じた脈動の振幅は、単一のピストンから構成されるポンプの場合と比較して減衰されるが、それにもかかわらずポンプの下流側にも脈動が掛かる。

さらに、クランクシャフト（またはカムシャフト）は、クランク間の相対的角度が固定された状態で構成されており、したがって、それぞれの脈動間のオフセットもまた固定された状態である。結果、生じる脈動は減衰されるが、常に一定というではなく、消えることはない。

しかしながら、上述した既知のホモジナイザーには、多くが、個々の部材の寿命に関連するいくつかの欠点がある。実際、流体の圧力および脈動流は、均質化バルブの移動する機械的部品に相当大きい潜在的な衝撃を与える。

固定要素に対して短い軸方向距離で動作するバルブのそれぞれの可動要素に影響を与えるこうした衝撃により、バルブの全体構造が、特に脈動の低ピーク位相において、破損しやすくなる。

また、ポンプ作用により、脈動を受ける個々の部材が疲労荷重サイクルを受け、その結果、これらの部材の寿命が大幅に短くなる。
部材の摩耗（その部材の寿命を決定する）は、クランクシャフトのｒｐｍ（脈動回数）および流体ポンプ圧に直接影響する。

このため、高い動作性能（ポンプのポンピング速度および圧力）では、圧縮において協働するすべての部材は寿命が非常に短くなることになる。
ＵＳ６８２７４７９は、一定の幾何学的形状を有するノズルバルブと、油圧ピストンの前進移動（トラベル）速度を制御するためのシステムと、を開示する。この開示では、ピストン移動速度の制御により圧力を直接調整している（後者について行動の自由を持つことなく）。実用的には、ピストンの前進移動速度が固定されると（運動則(law of motion)、したがって流量）、均質化圧力が自動的に固定され、システムは実質的に一つの自由度を有するだけである。
発明の開示
これに関連して、本発明の基本的な技術課題は、上述の従来技術の欠点を克服するホモジナイザーを提案することである。

特に、本発明は、ポンプ運転において協働する個々の部材の寿命を低減する機械的な効果を最小限としながら高圧で用いることができるホモジナイザーを提供することを目的とする。

特に、本発明は、均質化バルブおよび前述の部材に損傷を与える応力を低減するために、脈動ポンピング効果を除去可能なホモジナイザーを提供することを目的とする。
上述の技術課題および特定の目的は、添付の特許請求の範囲における一以上の請求項に記載した技術的特徴を備える本発明のホモジナイザーによって十分に達成される。

本発明のさらなるの特徴および利点は、以下の図面を参照して、概略的でありしたがって限定するものではない、ホモジナイザーの好ましい実施形態であるが他の形態を排除するものではない実施形態から、明らかとなろう。

均質化される液体にポンプ作用を与える部材の動作方式の概略図を示す。 均質化される液体のポンプ作用の動作サイクルのブロック化方式を示す。 ホモジナイザーのフィードバック制御方式を示す。

添付の概略的な図面を参照して、高圧ホモジナイザー全体を１として示す。
発明の好ましい実施形態の詳細な説明
ホモジナイザーは、複数のポンピングピストン２ａ，２ｂを備える。それぞれのポンピングピストンは、単一のマニホルド６に向かって均質化される液体を送出することにより、均質化される液体をポンピングする（汲み出す）よう構成される。単一のマニホルドによって、ポンピングされた液体は収集される。

なお、以下の説明では、二つのシリンダ３ａ，３ｂだけを説明するが、それらは単なる例示であって、限定するものではないことを記載しておく。したがって、ホモジナイザーのタイプ、用途および均質化される液体の流量に応じて、任意の数のシリンダおよび同数のピストンを用いることができる。

均質化される液体を受け取る均質化バルブ（既知のタイプのものであり、詳述・例示しない）がマニホルド６に配置される。バルブに入る液体の圧力値および流量は、前述のポンピングピストン２ａ，２ｂの作用によって決まる。

好ましくは、それぞれのピストン２ａ，２ｂは、それぞれの油圧シリンダ３ａ，３ｂと対応している
ホモジナイザー１が複数の油圧シリンダ３ａ，３ｂを備えており、複数の油圧シリンダのそれぞれには、それぞれのポンピングストン２ａ，２ｂが割り当てられていることは有用である。

それぞれの油圧シリンダ３ａ，３ｂは、油をシリンダ３ａ，３ｂへ油を送出する比例バルブを有するそれぞれに対応する油圧回路を備える。
油圧回路は、それぞれのシリンダ３ａ，３ｂの、したがってそれぞれのピストン２ａ，２ｂの往復運動則を、比例オイルバルブによって制御された油の供給を通じて、管理することができる。

実際、既知のタイプであり、詳述・例示しない比例バルブは、シリンダ３ａ，３ｂへの油の圧力および流量を、したがってピストン２ａ，２ｂの推力および移動速度を調整する。

ホモジナイザー１はさらに、個々のピストン２ａ，２ｂの運動則を制御するためにポンピングピストン２ａ，２ｂを制御し調整する電子システム５を備える。
特に、図２における方式において例示する通り、電子制御・調整システム５は、それぞれの油圧シリンダ３ａ，３ｂの比例バルブに接続されて、これにより、個々のシリンダへの油の圧力および流量（したがって、その推力および移動速度、結果としてポンピングピストンの推力および移動速度）を調整する。

ピストン２ａ，２ｂによってポンピングされる均質化される液体の圧力値を確認するために、同様に、システム５はマニホルド６に配置された変換器に接続されることが有用である。このように、流量および圧力を安定に保持するために、比例バルブの機能パラメータ(functional parameters)は、マニホルド６に検出された圧力に応じて個々のシリンダ３ａ，３ｂへの油の供給を調整することにより、変更される。

ピストン２ａ，２ｂによってポンピングされる均質化される液体の圧力値を確認するためにマニホルド６に配置された変換器に接続されるシステム５は、均質化バルブの可動部を駆動する空気圧シリンダを作動させる圧縮空気比例バルブの機能パラメータを変更することができ、したがって、流量とは独立してマニホルド６において検出された圧力値に応じて一定圧力設定値(fixed pressure set point)を調整することができる。

ＵＳ６８２７４７９とは異なり、本発明の均質化は、油圧ポンピングピストンの前進移動速度をも調整する同じソフトウェア（電子システム５に組み込まれている）によって制御されるフィードバックシステムを用いて調整される幾何学的形状が可変である均質化バルブによって行われる。ピストンの移動速度が固定であったとしても（運動則、流量）、圧力値を決める自由がまだ残されている。すなわち、システムは、独立して管理可能な二つの自由度（流量および圧力）を有しており、圧力と流量とを任意に組み合わせて、同じ安定したパターンとすることができる。

ＵＳ６８２７４７９においては、ピストン速度が上昇する（低下する）と、同様に均質化圧力が上昇する（低下する）。一方、本発明においては、図３の革新的な方式により、ピストン速度が上昇する場合、均質化圧力を上昇または低下させることができ、そして、ピストン速度が低下する場合、均質化圧力を上昇または低下させることができる。

また、同じタイプの調整を完全に手動の動作モードで行うこともできる。
図１を参照して、個々の油圧シリンダ３ａ，３ｂは、グラフ４ａ，４ｂに示すパルスパターンを有することを記載しておく。シリンダ３ａ，３ｂのパターンは、個々のピストン２ａ，２ｂの運動が互い違いとなるように設定される。言いかえれば、第一ピストン２ａ（製品を供給している）は次第にその速度が上昇し、したがって、流量が上昇する（グラフ４ａ）。第一ピストン２ａが最大速度に達すると、最大速度が所定の時間保持され、そしてそのストロークのほとんど端部になると、ゼロへと達する低下傾斜が始まる。この低下位相において、第二ピストン３ｂ（後退しながら吸引する）では、同時に、第一ピストン２ａの低下傾きと同じ傾きで上昇傾斜が始まる（グラフ４ｂ）。

それぞれのシリンダ３ａ，３ｂ（したがってそれぞれのピストン２ａ，２ｂ）に対して電子システム５によって別々に制御可能なこの位相オフセットによって、パルスパターン７（グラフ４ｃ）で示す速度の合計、したがって一定の流量が得られる。上に説明し図示した例において、前述のパルスパターン７によって一定の流量が得られるよう連係するのは、二つのシリンダ３ａ，３ｂだけであった。しかしながら、複数のシリンダ（三以上）の場合には上昇傾斜と低下傾斜との間の過渡的状況を排除するよう、したがって、脈動効果を排除するよう、ピストン２ａ，２ｂの個々の往復運動がシステム５によって調整される。

したがって、均質化液体は一定流量で均質化バルブへとポンピングされる。このことは、初期の過渡的状況の間以外、均質化圧力は一定であることを意味し、その結果、所期の目的の一つが達成される。

システム５は、シリンダ３ａ，３ｂのそれぞれの油圧回路の個々の比例バルブを独立して直接調整することにより、脈動運動が生じたり、種々のピストン間の位相オフセットが固定されたりする問題を回避する点で有用である。

言いかえれば、こうして、電子システム５の動作ソフトウェアプログラムにおいて設定された位相オフセットに応じて、それぞれのピストンの適切な運動則を構成して組み合わせることによって、確実に流量そのものの総量を一定（パルスパターン７の結果）とするよう、一定の圧力とするよう、マニホルド６における流量の組み合わせを生成することができる。さらに、均質化される液体製品の粘度およびシリンダ２ａ，２ｂの吸込圧力に変化があった場合、位相オフセットを変更することもできる。

したがって、ポンピング動作の脈動作用をもはや受けることがないので、いくつかの重要な機械的な部材は保護されることになる。特に、均質化バルブは、個々のピストン２ａ，２ｂのパルスパターン７により、処理される液体を一定の圧力および流量で受け取るという効果を奏する。

この利点は、シリンダ３ａ，３ｂが油圧シリンダであり、したがって、単一の動作ソフトウェアプログラムによって独立して調整されうるという事実から得られる。
また、二つのピストン（グラフ４ｃ）の上昇／低下過渡的状況はほんの毎分５〜６回であり、いずれの場合も、毎分１５回未満であり（ピストン速度の低減の結果として）、約１６０ｒｐｍで正確に回転する従来技術のクランクシャフトの約１６０回脈動／分と比べると著しく小さく、いずれの場合も、仮想カムにおけるピストン自体が上昇・低下速度傾斜を有することによって減衰できる。

一定の流量および圧力が理想的な状態であるので、このことは重要であるが、しかし実際にはピストンが入れ換わる位相における過渡的状態は、ポンピングバルブを通る逆流があることを意味する。これにより、想定圧力からの小さいずれが生じる。ずれは、印加される最大圧力に応じて変化し、好ましくは０〜１００のバールの範囲である。それでも、この想定圧力は、ピストン移動の中央位相の間には完全に一定の状態にある。

一分間当たりのサイクルの数が非常に小さいことにより、疲労荷重サイクルを受ける部材の寿命が延び、均質化バルブが損傷する可能性が低下する。圧力ピーク（正または負圧）が低減され、したがって、固定部品と可動部品との間で衝撃が生じる可能性も低減されるからである。

さらにホモジナイザー１は、非常に用途が広く、処理される液体の高い圧力および粘度にも適応可能であることを示している。この利点もまた、個々のシリンダ３ａ，３ｂを独立して調整できる可能性から得られる。

０から４０００バールの圧力で動作できる本ホモジナイザーのさらなる利点は、ホモジナイザーを完全に遠隔から制御できるということにある。
本ホモジナイザーにより実行される均質化手順では、それぞれのピストンの運動則が、位相オフセットに応じて創出され組み合わせられる。位相オフセットはユーザによって設定可能であってよく、それによって、マニホルドの内部において複数のバルブ／ポンピングピストンの下流側の流量を組み合わせることができる。これにより、前述の流量の総量を一定とでき、ひいては均質化バルブの圧力を一定にできる。

傾斜の始まりと終わりとをソフトウェアを介して完全に制御することができる適切な速度傾斜を利用することによって、第二ピストンの始動と第一ピストンの停止との間の位相オフセットを調整することは可能である。

被処理流体の最大動作圧および粘度が変化するとき、最適な方法で、過渡的状態の際のあらゆる圧力ピークの振幅を減衰するよう、オフセットを変更することができる。
本ホモジナイザーは、１０００から４０００バールの範囲にわたる圧力に特に適しており、食品、化学、製薬、生物工学およびナノ粒子分野といった多くの分野において利用できる。

用いられるソフトウェアプログラムは、二つの特定のコントロールカード（軸コントロールカード）と組み合わせて軸を移動させる制御・自動化に基づく。
軸コントロールカードは、比例バルブを介してアクチュエータに（そして、したがってポンピングピストンに）、その移動を制御するために、接続され、同時に、ピストン自体の内部に配置されたリニアエンコーダーを用いてその絶対位置を検出し、ソフトウェアプログラムがピストンの位置および移動を超高精度に制御できるよう、コマンドおよびフィードバックに基づいた調整ループを構成する。

したがって、軸コントロールソフトウェアプログラムは、ピークを最小にするよう予め調整することにより運動反転の位相を最適化するためにカスタマイズ（個別調整）される仮想カムに従って、ピストンを移動させることができる。

ソフトウェアプログラムは、コントロールパネルから、または遠隔信号を介してコマンドを受信し、粘度が異なる流体がある状態における異なる圧力において可能な最も線形な動作を取得する目的で、ピストンの運動を作動させ、その動作（ワーキング）パラメータ（仮想カムの進行（アドバンス）および設計（デザイン））を変更する。

Claims (4)

1. 均質化される液体をマニホルド（６）に向かって送出する複数のポンピングピストン（２ａ，２ｂ）と、
   前記マニホルド（６）へとポンピングで送出される前記均質化される液体を受け取るよう前記マニホルド（６）に配置されるとともに前記ポンピングピストン（２ａ，２ｂ）の下流側に配置される均質化バルブと、
   前記ポンピングピストン（２ａ，２ｂ）を制御し調整するために個々のポンピングピストン（２ａ，２ｂ）の運動則を独立して制御する電子システム（５）と、
   を備える高圧ホモジナイザーであって、
   前記電子システム（５）は、マニホルド（６）に配置された変換器に接続され、前記ポンピングピストン（２ａ，２ｂ）によってポンピングされる均質化される液体の、前記マニホルド（６）において検出される圧力に応じて前記ポンピングピストン（２ａ，２ｂ）に対応する個々の油圧シリンダ（３ａ，３ｂ）への油の供給を調整可能であることにより、前記油の流量および圧力を安定的に維持し、維持された前記油の前記流量および前記圧力によって前記均質化バルブの可動部を駆動する空気圧シリンダを作動させる圧縮空気比例バルブの機能パラメータを変更することができ、前記機能パラメータの変更によって固定された圧力設定値を、前記油の前記流量とは独立して、前記マニホルド（６）において検出される前記均質化される液体の前記圧力値に応じて調整することができ、個々の前記ポンピングピストン（２ａ，２ｂ）は毎分１５回未満の上昇／低下の過渡的状況を有するホモジナイザー。
2. 請求項１に記載のホモジナイザーであって、それぞれの前記ポンピングピストンはそれぞれの前記油圧シリンダ（３ａ，３ｂ）と対応付けられているホモジナイザー。
3. 請求項２に記載のホモジナイザーであって、それぞれの油圧シリンダ（３ａ，３ｂ）は、前記油を前記油圧シリンダへと送出する前記圧縮空気比例バルブを有するそれぞれの油圧回路を備えるホモジナイザー。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のホモジナイザーであって、前記電子システム（５）は、個々の前記油圧シリンダ（３ａ，３ｂ）への前記油の前記圧力および前記流量を調整するよう、それぞれの前記油圧シリンダの前記圧縮空気比例バルブに接続されるホモジナイザー。
   
   

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