JP6755487B2 - 微粒化ユニット、微粒化装置及び微粒化方法 - Google Patents

Description

本発明は、微粒化ユニット、微粒化装置及び微粒化方法に関する。

素材を懸濁した液体を超高圧で衝突させることにより、瞬間的に乳化、分散または微粉砕を行う微粒化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような装置によれば、導入側ディスクと中間ディスクの対向面のいずれかに形成された溝状通路内に案内された流体は、加速されるとともに対向流となって衝突し、圧力変化、衝撃波等が複合された状態にて微粒化が行われ、速やかに中間ディスクの貫通孔に案内されるとともにその微粒化作用が維持され、さらに、中間ディスクと排出側ディスクの対向面のいずれかに形成された溝状通路に衝突してその流れが流路と直交する方向に変えられることによって再度微粒化が行われ、微粒化の効率を高めることができる。

特開平０９−２０１５２１号公報

しかしながら、近年、様々な流体に対する微粒化要求、例えば、より多くの流体に対する微粒化要求や、微粒化時間のさらなる短縮化、微粒化後の粒径のさらなる小径化といった要求が高まってきている。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、微粒化時間のさらなる短縮化や粒径のさらなる小径化が可能な微粒化ユニット、微粒化装置及び微粒化方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る微粒化ユニットは、微粒化すべき流体を通過させる筒部と、該筒部の中心軸線方向に沿って前記筒部内に嵌入して配された流路形成部と、を備え、該流路形成部が、第一貫通孔、第二貫通孔、及び第三貫通孔が配された導入側ディスクと、該導入側ディスクの下流側に該導入側ディスクと密着して配され、第四貫通孔が中心部に配された中間ディスクと、該中間ディスクの下流側に該中間ディスクと密着して配され、第五貫通孔及び第六貫通孔が配された排出側ディスクと、を備え、前記第一貫通孔が、前記導入側ディスクの中心部に配され、前記第二貫通孔及び前記第三貫通孔が、前記第一貫通孔を中心に離間した位置に配され、前記第一貫通孔、前記第二貫通孔、及び前記第三貫通孔の各孔径よりも小さい幅にて形成された導入側溝状通路が、前記中間ディスクと前記導入側ディスクとが対向する何れかの表面に配され、前記導入側溝状通路を介して前記第一貫通孔、前記第二貫通孔、及び前記第三貫通孔が連通され、前記第五貫通孔及び前記第六貫通孔の各孔径よりも小さい幅にて形成された排出側溝状通路が、前記中間ディスクと前記排出側ディスクとが対向する何れかの表面に配され、前記排出側溝状通路を介して前記第五貫通孔及び前記第六貫通孔が連通されている。

また、本発明に係る微粒化ユニットは、前記第一貫通孔が、前記第二貫通孔及び前記第三貫通孔よりも小径に形成されている。

さらに、本発明に係る微粒化ユニットは、前記導入側溝状通路の断面積をＡ１、前記第四貫通孔の断面積をＡ２、前記排出側溝状通路の断面積をＡ３とするとき、各断面積の関係がＡ１＜Ａ２＜Ａ３である。

また、本発明に係る微粒化ユニットは、前記導入側溝状通路及び前記排出側溝状通路の各断面形状が丸溝又はＵ字溝である。

また、本発明に係る微粒化装置は、微粒化すべき流体が貯留される試料部と、前記流体を押圧する高圧部と、本発明に係る微粒化ユニットと、を備える。

また、本発明に係る微粒化方法は、一方向に流れる微粒化すべき流体を、前記一方向に流れる第一流体と、該第一流体に対して垂直方向にかつ互いに反対方向に分かれて流れる第二流体及び第三流体と、に分岐する第一工程と、前記第二流体と前記第三流体とを対向させて互いに衝突させ、かつ、前記第一流体と合流させて前記一方向に流れる第四流体とする第二工程と、前記第四流体を第五流体及び第六流体に分岐する第三工程と、を備える。

本発明によれば、微粒化時間の短縮化や粒径の小径化等の微粒化効率をさらに高めることができる。

本発明の一実施形態に係る微粒化装置を示す全体概念図である。 本発明の一実施形態に係る微粒化ユニットの構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る微粒化ユニットの導入側ディスクの平面図である。 本発明の一実施形態に係る微粒化ユニットの中間ディスクの平面図である。 本発明の一実施形態に係る微粒化ユニットの排出側ディスクの平面図である。 本発明の一実施形態に係る微粒化方法を示すフロー図である。

本発明に係る一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
本実施形態に係る微粒化装置１は、図１に示すように、微粒化ユニット１０と、微粒化すべき流体Ｌが貯留される試料部１１と、流体Ｌを押圧する高圧部１２と、これらを接続する配管１３と、を備えている。

ここで、本発明における流体Ｌとは、液体または粉体からなる素材を含む液状流体を示す。そして、素材として液体を選択する場合は乳化が行われ、粉体を選択する場合は分散，微粉砕が行われる。乳化においては、各種疎水物の水中での微小液滴化、各種親水物の油中での微小液滴化等が示され、分散においては微粒子の金属酸化物，その他無機顔料，有機顔料等の液中での凝集解砕が示され、微粉砕においては金属酸化物，その他無機顔料，有機顔料等の液中での単粒子の微小化が示される。

微粒化ユニット１０は、図２に示すように、流体Ｌを通過させる筒部１５と、筒部１５の中心軸線Ｃ１方向に沿って筒部１５内に嵌入して配された流路形成部１６と、を備えている。

流路形成部１６は、略同一径の円板状に形成された導入側ディスク１７と、中間ディスク１８と、排出側ディスク２０と、を備えている。中間ディスク１８は、導入側ディスク１７の下流側に中心軸線Ｃ１方向に密着して配されている。また、排出側ディスク２０は、中間ディスク１８の下流側に中心軸線Ｃ１方向に密着して配されている。

各ディスク１７，１８，２０は、セラミックス、超硬合金、ダイヤモンド等の耐摩耗性部材から構成され、略同一径にて形成されている。導入側ディスク１７と排出側ディスク２０とは略同一の板厚にて形成され、中間ディスク１８は、導入側ディスク１７及び排出側ディスク２０の板厚よりも薄い板厚にて形成されている。

導入側ディスク１７には、図３に示すように、第一貫通孔１７Ａ、第二貫通孔１７Ｂ、及び第三貫通孔１７Ｃが配されている。第一貫通孔１７Ａは第二貫通孔１７Ｂ及び第三貫通孔１７Ｃよりも小径に形成されて導入側ディスク１７の中心部に配されている。第二貫通孔１７Ｂ及び第三貫通孔１７Ｃは略同一径に形成されて、導入側ディスク１７の中心部に対して略対称位置に配されている。

第一貫通孔１７Ａ、第二貫通孔１７Ｂ、第三貫通孔１７Ｃの各孔径よりも小さい幅にて形成された導入側溝状通路２１が中間ディスク１８と対向する導入側ディスク１７の表面に直線状に配されている。そして、導入側溝状通路２１を介して第一貫通孔１７Ａ、第二貫通孔１７Ｂ、及び第三貫通孔１７Ｃが連通されている。なお、導入側溝状通路２１は、導入側ディスク１７ではなく、第一貫通孔１７Ａ、第二貫通孔１７Ｂ、及び第三貫通孔１７Ｃが対向する中間ディスク１８側の表面に配されていてもよい。

中間ディスク１８には、図４に示すように、第四貫通孔１８Ａが中心部に配されている。第四貫通孔１８Ａは第一貫通孔１７Ａよりも小径に形成されている。

排出側ディスク２０には、図５に示すように、第五貫通孔２０Ａ及び第六貫通孔２０Ｂが、略同一径にて排出側ディスク２０の中心部を挟んで対称位置に配されている。

第五貫通孔２０Ａ及び第六貫通孔２０Ｂの各孔径よりも小さい幅にて形成された排出側溝状通路２２が、中間ディスク１８と対向する排出側ディスク２０の表面に配されている。そして、排出側溝状通路２２を介して第五貫通孔２０Ａ及び第六貫通孔２０Ｂが連通されている。なお、排出側溝状通路２２は、排出側ディスク２０ではなく、第五貫通孔２０Ａ及び第六貫通孔２０Ｂが対向する中間ディスク１８側の表面に配されていてもよい。

ここで、導入側溝状通路２１の断面積をＡ１、第四貫通孔１８Ａの断面積をＡ２、排出側溝状通路２２の断面積をＡ３とするとき、各断面積の関係がＡ１＜Ａ２＜Ａ３となっている。また、導入側溝状通路２１及び排出側溝状通路２２の各断面形状は丸溝又はＵ字溝となっている。

微粒化ユニット１０と試料部１１との間には逆止弁２３が配されている。逆止弁２３は、試料部１１から流体Ｌが流出するときに挿通可能な向きとなっている。高圧部１２は、内部に流体Ｌを引き込み、かつ、加圧して排出可能な構成となっている。

次に、本実施形態に係る微粒化ユニット１０の作用について、微粒化方法と合わせて説明する。本実施形態に係る微粒化方法は、図６に示すように、一方向に流れる微粒化すべき流体Ｌを、同方向に流れる第一流体Ｌ１と、第一流体Ｌ１に対して垂直方向にかつ互いに反対方向に分かれて流れる第二流体Ｌ２及び第三流体Ｌ３と、に分岐する第一ステップ（Ｓ１）と、第二流体（Ｌ２）と第三流体（Ｌ３）とを対向させて互いに衝突させ、かつ、第一流体（Ｌ１）と合流させて第一流体Ｌ１と同一方向に流れる第四流体Ｌ４とする第二ステップ（Ｓ２）と、第四流体Ｌ４を第五流体Ｌ５及び第六流体Ｌ６に分岐する第三ステップ（Ｓ３）と、を備える。
まず、試料部１１内に貯留された流体Ｌは、高圧部１２によって試料部１１から排出された後、加圧されて超高速流体となって微粒化ユニット１０内に導入される。

第一ステップ（Ｓ１）では、導入された流体Ｌは、筒部１５内で導入側ディスク１７に到達したところで、第一貫通孔１７Ａを通過する第一流体Ｌ１と、第二貫通孔１７Ｂ、第三貫通孔１７Ｃのそれぞれを通過する第二流体Ｌ２及び第三流体Ｌ３と、に分岐して流れる。すなわち、第二流体Ｌ２及び第三流体Ｌ３は、第一流体Ｌ１に対して垂直方向にかつ互いに反対方向に分かれて流れる。

第二ステップ（Ｓ２）では、第二流体Ｌ２及び第三流体Ｌ３が、第二貫通孔１７Ｂ、第三貫通孔１７Ｃのそれぞれを通過した後、中間ディスク１８に衝突しながら導入側溝状通路２１内を導入側ディスク１７の中心部に向けて強制的に方向が変えられる。そして、互いが対向する方向に加速されて流れる。さらに、第一貫通孔１７Ａを通過した第一流体Ｌ１と衝突して、再び中心軸線Ｃ１上を流れる第四流体Ｌ４となる。このとき、メインの微粒化が行われる。

第四流体Ｌ４は、中間ディスク１８の第四貫通孔１８Ａに案内され、衝突エネルギーが一部開放されるとともに、導入側ディスク１７の導入側溝状通路２１の中心部分にて発生する摩耗を軽減させる。このとき、衝突によって生じた乱流はその状態が維持される。

第三ステップ（Ｓ３）では、第四貫通孔１８Ａを通過した第四流体Ｌ４が、さらに排出側ディスク２０に衝突しながら排出側溝状通路２２内を排出側ディスク２０の外周側に向かって第五流体Ｌ５及び第六流体Ｌ６に分岐して流れる。この間に再度微粒化が行われる。こうして、第五貫通孔２０Ａを通過した第五流体Ｌ５及び第六貫通孔２０Ｂを通過した第六流体Ｌ６は、排出側ディスク２０から筒部１５内に排出され、再び合流して微粒化ユニット１０から排出される。

この微粒化ユニット１０、微粒化装置１及び微粒化方法によれば、第一貫通孔１７Ａが導入側ディスク１７の中心部に配され、第二貫通孔１７Ｂ及び第三貫通孔１７Ｃが第一貫通孔１７Ａを中心に挟んだ対称位置、すなわち、外周側に配されている。このことから、第二貫通孔１７Ｂを通過した第二流体Ｌ２及び第三貫通孔１７Ｃを通過した第三流体Ｌ３は、中間ディスク１８に衝突して導入側溝状通路２１を流れる際に乱流となって流速が低下する。一方、第一貫通孔１７Ａを通過した第一流体Ｌ１は、導入時の速度が比較的維持された状態で乱流となって流れていく。そのため、流れの状態や流速の異なる流体同士を衝突させることによって、粒子径をより短時間でより好適に微細化することができ、より均一に分散させることができる。

特に、流体Ｌとして、例えば、カーボンナノチューブ又はカーボンブラックと分散媒とが混合されている場合は、より好適な微粒化効果を得ることができる。また、フェニトイン、酸化チタン、又は流動パラフィンと分散媒とが混合されている場合は、より好適な粉砕効果を得ることができる。

また、第一貫通孔１７Ａが、第二貫通孔１７Ｂ及び第三貫通孔１７Ｃよりも小径に形成される。そのため、第一流体Ｌ１の流量のみが突出することのないよう絞って合流させることができる。

さらに、導入側溝状通路２１の断面積をＡ１、第四貫通孔１８Ａの断面積をＡ２、排出側溝状通路２２の断面積をＡ３とするとき、各断面積の関係がＡ１＜Ａ２＜Ａ３である。このため、流体Ｌが各ディスク１７，１８，２０を通過する毎に圧力差を受けながら衝突し、微粒化が行われることになる。また、中間ディスク１８に形成されている第四貫通孔１８Ａの径を調整すれば、導入側溝状通路２１内の流速を調整することができる。

また、導入側溝状通路２１及び排出側溝状通路２２の各断面形状が丸溝又はＵ字溝であるので、流量係数を大きくすることができる。

また、各ディスク１７，１８，２０における流体衝突部分の摩耗を軽減して、長期にわたり安定した微粒化作用を発揮することができ、且つ微粒化効果が高められるという長所を有する。また、微粒化効果が高められる分、高圧ポンプ及びその動力を小さくすることができ、それにより省エネを図ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本実施形態では各ディスク１７，１８，２０を円板状としたが、形状はこれに限らず、四角，六角等の多角形で構成することもできる。

また、試料部１１には流体Ｌが貯留されるとしているが、試料部１１及び流体Ｌは一種類に限らない。例えば、水系流体を貯留する試料部と油系流体を貯留する別の試料部とを備え、両者を混合させる構造のものであっても構わない。

１ 微粒化装置
１０ 微粒化ユニット
１１ 試料タンク
１２ 高圧ポンプ
１３ 配管
１５ 筒部
１６ 流路形成部
１７ 導入側ディスク
１７Ａ 第一貫通孔
１７Ｂ 第二貫通孔
１７Ｃ 第三貫通孔
１８ 中間ディスク
１８Ａ 第四貫通孔
２０ 排出側ディスク
２０Ａ 第五貫通孔
２０Ｂ 第六貫通孔
２１ 導入側溝状通路
２２ 排出側溝状通路
２３ 逆止弁
Ｃ１ 中心軸線
Ｌ 流体
Ｌ１ 第一流体
Ｌ２ 第二流体
Ｌ３ 第三流体
Ｌ４ 第四流体
Ｌ５ 第五流体
Ｌ６ 第六流体
Ｓ１ 第一ステップ
Ｓ２ 第二ステップ
Ｓ３ 第三ステップ

Claims (6)

1. 微粒化すべき流体を通過させる筒部と、
   該筒部の中心軸線方向に沿って前記筒部内に嵌入して配された流路形成部と、
   を備え、
   該流路形成部が、
   第一貫通孔、第二貫通孔、及び第三貫通孔が配された導入側ディスクと、
   該導入側ディスクの下流側に該導入側ディスクと密着して配され、第四貫通孔が中心部に配された中間ディスクと、
   該中間ディスクの下流側に該中間ディスクと密着して配され、第五貫通孔及び第六貫通孔が配された排出側ディスクと、
   を備え、
   前記第一貫通孔が、前記導入側ディスクの中心部に配され、前記第二貫通孔及び前記第三貫通孔が、前記第一貫通孔を中心に離間した位置に配され、
   前記第一貫通孔、前記第二貫通孔、及び前記第三貫通孔の各孔径よりも小さい幅にて形成された導入側溝状通路が、前記中間ディスクと前記導入側ディスクとが対向する何れかの表面に配され、前記導入側溝状通路を介して前記第一貫通孔、前記第二貫通孔、及び前記第三貫通孔が連通され、
   前記第五貫通孔及び前記第六貫通孔の各孔径よりも小さい幅にて形成された排出側溝状通路が、前記中間ディスクと前記排出側ディスクとが対向する何れかの表面に配され、前記排出側溝状通路を介して前記第五貫通孔及び前記第六貫通孔が連通された微粒化ユニット。
2. 前記第一貫通孔が、前記第二貫通孔及び前記第三貫通孔よりも小径に形成されている請求項１に記載の微粒化ユニット。
3. 前記導入側溝状通路の断面積をＡ１、前記第四貫通孔の断面積をＡ２、前記排出側溝状通路の断面積をＡ３とするとき、各断面積の関係がＡ１＜Ａ２＜Ａ３である請求項１又は２に記載の微粒化ユニット。
4. 前記導入側溝状通路及び前記排出側溝状通路の各断面形状が丸溝又はＵ字溝である請求項１から３の何れか一つに記載の微粒化ユニット。
5. 微粒化すべき流体が貯留される試料部と、
   前記流体を押圧する高圧部と、
   請求項１から４の何れか一つに記載の微粒化ユニットと、
   を備える微粒化装置。
6. 一方向に流れる微粒化すべき流体を、前記一方向に流れる第一流体と、該第一流体に対して垂直方向にかつ互いに反対方向に分かれて流れる第二流体及び第三流体と、に分岐する第一ステップと、
   前記第二流体と前記第三流体とを対向させて互いに衝突させ、かつ、前記第一流体と合流させて前記一方向に流れる第四流体とする第二ステップと、
   前記第四流体を第五流体及び第六流体に分岐する第三ステップと、
   を備える微粒化方法。
   

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