JP7049798B2 - 微粒化装置 - Google Patents

Description

本発明は、微粒化装置に関する。

従来、このような分野の技術として、例えば下記特許文献１に記載されるものがある。特許文献１には、円筒状の撹拌槽と、径方向に貫通する複数の貫通孔を有するとともに撹拌槽と同心状に配置された円筒状回転羽根と、を備える微粒化装置が開示されている。この微粒化装置では、撹拌槽と回転羽根との間に複数の貫通孔を有する中間層部材を更に設けることにより、微粒化しようとする対象物にせん断応力を加えて微粒化の効率向上が図られている。

特開２０１６－８７５９０号公報

しかし、上述の微粒化装置では、それぞれ貫通孔を有する回転羽根と中間層部材とで２段階の微粒化機構しか形成されていないため、対象物を微粒化するのに限界があり、微粒化の性能を高めることは困難であった。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、微粒化の性能を高めることができる微粒化装置を提供することを目的とする。

本発明に係る微粒化装置は、ケーシングと、前記ケーシングに対して回転自在に設けられるロータと、を少なくとも備える微粒化装置であって、前記ロータは、周壁に複数の貫通孔がそれぞれ設けられるとともに、同心状に配置される複数のロータ円筒部を有することを特徴としている。

本発明に係る微粒化装置では、ロータは周壁に複数の貫通孔が設けられるとともに同心状に配置される複数のロータ円筒部を有するので、これらのロータ円筒部を用いて複数段階の微粒化機構を形成することができる。このため、対象物を微粒化する性能を高めることができ、微粒化の効率を向上することができる。

本発明に係る微粒化装置において、前記ケーシングに固定して設けられるとともに前記ロータと同一軸線上に配置されるステータを更に備え、前記ステータは、周壁に複数の貫通孔が設けられるとともに、隣接する前記ロータ円筒部同士の間に挿入される主ステータ円筒部を少なくとも一つ有することが好ましい。

本発明に係る微粒化装置において、前記ロータ円筒部及び前記主ステータ円筒部に設けられる貫通孔は、それぞれ円形であることが好ましい。

本発明に係る微粒化装置において、前記ロータ円筒部に設けられる貫通孔と前記主ステータ円筒部に設けられる貫通孔とは、孔径が異なることが好ましい。

また、本発明に係る微粒化装置において、前記ロータ円筒部及び前記主ステータ円筒部
に設けられる貫通孔の孔径は、径方向の内側から外側に行くにつれて大きくなるようにされていることが好ましい。

また、本発明に係る微粒化装置において、前記ステータは、前記複数のロータ円筒部のうち最も径方向の内側に位置するロータ円筒部よりも内側に配置されるとともに、周壁に複数の貫通孔が設けられる副ステータ円筒部を更に有することが好ましい。

また、本発明に係る微粒化装置において、前記副ステータ円筒部に設けられる貫通孔は、円形であり、前記ロータ円筒部、前記主ステータ円筒部及び前記副ステータ円筒部に設けられる貫通孔の孔径は、径方向の内側から外側に行くにつれて大きくなるようにされていることが好ましい。

更に、本発明に係る微粒化装置において、前記ケーシングの内壁面には、複数の窪みが設けられていることが好ましい。

更に、本発明に係る微粒化装置において、微粒化しようとする対象物を前記ケーシングの内部に充填する充填部と、微粒化された前記対象物を前記ケーシングの外部に排出する排出部と、を更に備えることが好ましい。

更に、本発明に係る微粒化装置において、前記ロータの上端から延設されるとともに、微粒化しようとする対象物の流れを整流する整流部材を更に備えることが好ましい。

本発明によれば、微粒化の性能を高めることができる。

第１実施形態に係る微粒化装置を示す分解斜視図である。 第１実施形態に係る微粒化装置を示す断面図である。 第２実施形態に係る微粒化装置を示す断面図である。 微粒化装置の周速度と粒子径との関係を示す図である。 微粒化装置の周速度と標準偏差との関係を示す図である。 粒子径と標準偏差との関係について発明品と従来品との比較結果を示す図である。 粒子径と標準偏差との関係について発明品と従来品との比較結果を示す図である。 粒子径と相対粒子量（頻度）との関係について発明品と従来品との比較結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る微粒化装置の実施形態を説明する。図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。また、以下の説明において、特に断らない限り、「軸線」はロータの回転軸の軸線、「内側」は径方向の内側、「外側」は径方向の外側をそれぞれ指す。更に、図面においては、発明の理解を容易にするため、各構成部分の間の距離や間隔などを実物より大きく或いは小さく描かれている場合がある。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態に係る微粒化装置を示す分解斜視図であり、図２は第１実施形態に係る微粒化装置を示す断面図である。本実施形態の微粒化装置１は、いわゆるロータ・ステータ型のインライン式微粒化装置であって、微粒化しようとする対象物にロータ及びス
テータに設けられた貫通孔を通過させながら、せん断応力を加えることにより該対象物を微粒化させる装置である。

ここで、インライン式微粒化装置は、微粒化しようとする対象物を装置内に循環させることなく、連続的に微粒化処理を行う装置のことであり、微粒化のバラツキの低減効果を期待できる。また、インライン式微粒化装置は閉鎖系であるので、外部からのゴミや異物等の混入を防ぐことができ、コンタミネーションの防止効果も期待できる。

また、微粒化しようとする対象物とは、食品、薬品、化粧品、工業化学製品等の原料となる液体、又は液体と粉体との混合物を意味する。食品には乳業、飲料も含まれ、工業化学製品には電池材料等も含まれている。更に、微粒化とは、微粒化処理を介して対象物の粒子径を小さくすることを意味する。微粒化処理には、乳化、分散、撹拌、混合操作等が含まれている。

図１及び図２に示すように、本実施形態の微粒化装置１は、主として、有底円筒状のケーシング２と、ケーシング２の内部に回転自在に収容されたロータ３と、ケーシング２に固定して設けられたステータ４と備えている。ケーシング２は、例えばアルミニウムやステンレス等の金属材料によって形成されており、円板状の底部２１と、底部２１の周縁から立設された円筒状の周壁部２２とを有する。

底部２１の中央位置には、ロータ３の回転軸３２（後述する）を気密状態で挿通させうる軸孔２１ａが設けられており、軸シール２３によって気密状態が維持されている。ケーシング２の内壁面（すなわち、周壁部２２の内壁面）には、複数の窪み２２ａが設けられている。これらの窪み２２ａは、周壁部２２の全内壁面に亘って規則正しく配置されている。また、周壁部２２の底部２１に隣接する位置には、ケーシング２の内部と連通し、微粒化された対象物をケーシング２の外部に排出するための排出管（排出部）２４が設けられている。

ロータ３は、例えばアルミニウムやステンレス等の金属材料によって形成されており、ケーシング２に対して回転自在に設けられている。このロータ３は、円形状の底板部３１と、底板部３１の中央位置に貫設された回転軸３２と、底板部３１から立設された２つのロータ円筒部（第１ロータ円筒部３３，第２ロータ円筒部３４）とを有する。回転軸３２は、その軸線Ｌがケーシング２の中心軸と重なるように配置されている。回転軸３２の下端部は、上述した底部２１の軸孔２１ａに挿通されて外部に露出し、図示しないモータと連結されている。これによって、回転軸３２はモータに回転駆動される。

第１ロータ円筒部３３と第２ロータ円筒部３４とは、回転軸３２の軸線Ｌを中心として所定の距離で離れて同心状に配置されており、径方向の外側から内側に向かって第１、第２の順になっている。第１ロータ円筒部３３と第２ロータ円筒部３４は、底板部３１に対して同じ高さを有する。

第１ロータ円筒部３３の周壁には、該周壁を貫通する貫通孔３３ａが複数設けられている。これらの貫通孔３３ａは、第１ロータ円筒部３３の周壁の全範囲に亘り所定のパターンで配列されている。同様に、第２ロータ円筒部３４の周壁にも、該周壁を貫通する貫通孔３４ａが複数設けられている。そして、これらの複数の貫通孔３４ａは、第１ロータ円筒部３３に設けられた貫通孔３３ａと対応し、同じ配列パターン且つ同じ位置を有するように形成されている。

ステータ４は、例えばアルミニウムやステンレス等の金属材料によって形成されており、ケーシング２の開口を覆うように形成された円環板状の蓋部４１と、蓋部４１から垂設
されて上述の第１ロータ円筒部３３と第２ロータ円筒部３４との間に挿入される１つの主ステータ円筒部４２とを有する。このステータ４は、ロータ３と同一軸線上に配置されており、例えばボルトナット（図示せず）によってケーシング２と気密状態で締結されている。このようにすれば、対象物のリーク（すなわち、ケーシング２外部への漏れ）を防止することができる。

主ステータ円筒部４２の周壁には、該周壁を貫通する貫通孔４２ａが複数設けられている。これらの複数の貫通孔４２ａは、第１ロータ円筒部３３に設けられた貫通孔３３ａ及び第２ロータ円筒部３４に設けられた貫通孔３４ａと対応し、同じ配列パターンを有するように形成されても良く、異なる配列パターンを有するように形成されても良い。

また、本実施形態の微粒化装置１は、ケーシング２の内部に対象物を充填する充填部５を備えている。充填部５は、略中空の円錐台状を呈しており、ステータ４の蓋部４１から上方に延設されるとともに、回転軸３２の軸線Ｌと同一軸線上に配置されている。充填部５の上端は外方に開放し、その下端は蓋部４１の中央位置に設けられた連通孔４１ａを介してケーシング２の内部と連通する。なお、連通孔４１ａの直径は、回転軸３２の外径よりも大きくなっている。この充填部５は、ステータ４と一体的に形成されることが好ましい。

充填部５の内部には、回転軸３２の上端と固定されるとともに軸線Ｌに沿って上方に延設され、対象物の流れを整流する整流キャップ（整流部材）５１が設けられている。整流キャップ５１は、上方に向かって縮径された円錐台状を呈しており、接着やねじ止め等で回転軸３２の上端と固定され、回転軸３２の回転に伴って回転される。ここで、整流キャップ５１はねじ止めで回転軸３２の上端と固定されることが好ましい。このようにすれば、整流キャップ５１を簡単に取り外すことができるので、整流キャップ５１の修理や交換等の作業を容易に行うことができる。

ロータ３とステータ４との組立状態において、主ステータ円筒部４２が第１ロータ円筒部３３と第２ロータ円筒部３４との間に挿入されているため、これらの円筒部は、内側から外側に向かって第２ロータ円筒部３４、主ステータ円筒部４２、第１ロータ円筒部３３の順で同心状に配置されている。

これによって、本実施形態の微粒化装置１では、３段階の微粒化機構が形成される。すなわち、装置内部に充填される対象物に第２ロータ円筒部３４の貫通孔３４ａ（１段目）、主ステータ円筒部４２の貫通孔４２ａ（２段目）、第１ロータ円筒部３３の貫通孔３３ａ（３段目）を順次に通過させてせん断応力を加える構造となっている。このようにすれば、ケーシング２の内部空間を有効に利用しつつ、微粒化パターンの多様化を図ることができる。例えば１段目を予備乳化、２段目を本乳化、３段目を凝集抑制にすることで、乳化パターンの多様化を実現できる。

本実施形態において、第１ロータ円筒部３３に設けられた貫通孔３３ａ、第２ロータ円筒部３４に設けられた貫通孔３４ａ、及び主ステータ円筒部４２に設けられた貫通孔４２ａはそれぞれ円形であることが好ましい。このように円形の貫通孔を採用する場合は、矩形状、Ｕ字状等の貫通孔を採用する場合と比べて、貫通孔の加工効率を向上しつつ、ぬれ縁の長さを長く確保することができる。

また、第１ロータ円筒部３３の貫通孔３３ａ、第２ロータ円筒部３４の貫通孔３４ａ、及び主ステータ円筒部４２の貫通孔４２ａは、孔径が同じであっても良く、それぞれ異なっても良い。そして、孔径が異なった場合には、内側から外側に行くにつれて孔径が大きくなるように形成されるのが好ましい。例えば、最も内側に位置する第２ロータ円筒部３
４の貫通孔３４ａの孔径を１ｍｍ、中間に位置する主ステータ円筒部４２の貫通孔４２ａの孔径を２ｍｍ、最も外側に位置する第１ロータ円筒部３３の貫通孔３３ａの孔径を３ｍｍとする。このようにすれば、微粒化の性能を高めることができるので、対象物の粒子径をより小さくすることが可能になる。

以上のように構成された微粒化装置１では、対象物が充填部５を介してケーシング２の内部に充填される。その際に、対象物は充填部５の整流キャップ５１によって整流されるので、よりスムーズに回転軸３２と第２ロータ円筒部３４との間の空間に充填される。そして、内部に充填された対象物は、ロータ３の高速回転で生じた遠心力によって第２ロータ円筒部３４の壁面に押し付けられ、貫通孔３４ａを通過し第２ロータ円筒部３４と主ステータ円筒部４２との間の隙間に押し込まれる。その際に、第２ロータ円筒部３４の高速回転で生じたせん断応力を受け、所定のサイズまで微粒化される。

その後、対象物が更に主ステータ円筒部４２の貫通孔４２ａと第１ロータ円筒部３３の貫通孔３３ａを順次に通過し、せん断応力によって更に微粒化される。そして、最も外側に位置する第１ロータ円筒部３３の貫通孔３３ａを通過した対象物は、排出管２４を介してケーシング２の外部に排出される。

本実施形態の微粒化装置１では、それぞれ貫通孔を有する第１ロータ円筒部３３、第２ロータ円筒部３４、及びこれらの間に挿入される主ステータ円筒部４２によって、３段階の微粒化機構が形成される。このため、対象物を微粒化する性能を高めることができ、微粒化の効率を向上することができる。また、これによって、装置容積を有効的に活用することができるので、微粒化装置１の容積効率の向上、スケールアップ及び能力の調整も可能になる。更に、ケーシング２の内壁面に複数の窪み２２ａが設けられているので、これらの窪み２２ａによって、乱流をより発生し易くなるので、微粒化の性能を更に高めることができる。

＜第２実施形態＞
図３は第２実施形態に係る微粒化装置を示す断面図である。本実施形態の微粒化装置１Ａは、ステータ４Ａが副ステータ円筒部４３を更に有する点において、上述の第１実施形態と相違している。その他の構造は第１実施形態と同様のため、その重複説明を省略する。

図３に示すように、ステータ４Ａは、主ステータ円筒部４２のほか、更に副ステータ円筒部４３を有する。副ステータ円筒部４３は、第２ロータ円筒部３４よりも内側に配置されており、主ステータ円筒部４２と同心状に形成されている。

副ステータ円筒部４３の周壁には、該周壁を貫通する貫通孔４３ａが複数設けられている。これらの複数の貫通孔４３ａは、主ステータ円筒部４２に設けられた貫通孔４２ａと対応し、同じ配列パターン且つ同じ位置を有するように形成されている。これによって、本実施形態の微粒化装置１Ａでは、貫通孔４３ａを有する副ステータ円筒部４３（１段目）、貫通孔３４ａを有する第２ロータ円筒部３４（２段目）、貫通孔４２ａを有する主ステータ円筒部４２（３段目）、貫通孔３３ａを有する第１ロータ円筒部３３（４段目）とで４段階の微粒化機構が形成される。

このような構造を有する微粒化装置１Ａは、上述の第１実施形態と同様な作用効果を得られるほか、４段階の微粒化機構を有するので、微粒化の性能を一層高めることができる。

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は実施例の範囲に限定されるものでは
ない。

＜実施例＞
本実施例では、第１実施形態の微粒化装置１を用いて、第２ロータ円筒部３４の貫通孔３４ａの孔径、主ステータ円筒部４２の貫通孔４２ａの孔径及び第１ロータ円筒部３３の貫通孔３３ａの孔径を表１に示す組み合わせにし、５種類の発明品を試作した。そして、これらの発明品を利用し、周速度と粒子径との関係、周速度と標準偏差との関係について調べた。なお、ここでの粒子径は粒子径の中央値（メイディアン、ｄ５０ともいう）のことであり、周速度の単位はメートル／秒（ｍ／ｓ）である。

使用した対象物は、発明品１～５で同一で、原料乳を分離して得られた乳脂肪量含量（脂肪率）４７％、ＳＮＦ（無脂乳固形分）４．７％の分離クリームであった。また、通液量は１５０Ｌ／ｈであった。

図４は微粒化装置の周速度と粒子径との関係を示す図である。図４に示すように、全種類の発明品において、周速度の増加に伴って対象物の粒子径が小さくなることが分かった。特に、周速度が３５ｍ／ｓ以上で対象物の粒子径を好適に小さくできた。そして、５種類の発明品のうち、発明品５で示す組み合わせが最も小さい粒子径を得ることができた。

図５は微粒化装置の周速度と標準偏差との関係を示す図である。図５に示すように、いずれの発明品において、標準偏差は周速度の増加に伴って小さくなることが分かった。特に、周速度が３０ｍ／ｓ以上で標準偏差がより小さくなり、周速度が４０ｍ／ｓ以上で標準偏差がさらに小さくできた。また、孔径の組み合わせ（すなわち、発明品種類）によって標準偏差に大きな差はないことが分かった。

＜比較例１＞
また、比較のため、従来の乳化装置としてプランジャタイプのホモゲナイザー（三和機械株式会社製のホモゲナイザーＨ２０）（従来品）を用いて、上記実施例と同じ条件で上記発明品との比較評価を行った。その際に、圧力を無圧から２．５ＭＰａまでの間で変化させた。

図６は粒子径と標準偏差との関係について発明品と従来品との比較結果を示す図である。図６から分かるように、各発明品は、従来品では調整できない位小さい標準偏差を得ることができた。これによって、本発明はより単分散に近い乳化・分散が可能であることが証明された。

＜比較例２＞
また、第１実施形態の微粒化装置１を発明品とし、下記３種類の従来品に対し、粒子径と標準偏差との関係、及び粒子径と相対粒子量（頻度）との関係を調べた。３種類の従来品は、三和機械株式会社製のホモゲナイザーＨ２０（図７及び図８において「ホモゲナイ
ザー」で示す）、大平洋機工株式会社製のキャビトロンＣＤ１０００（図７及び図８において「キャビトロン」で示す）、ＩＫＡ社製のミキサーＤＲ２０００／０４と三和機械株式会社製のホモゲナイザーとの組み合わせ（図７及び図８において「ＩＫＡミキサー８０Ｈｚ＋ホモゲナイザー」で示す）であった。

使用した対象物は、全ての従来品と発明品で同一で、原料乳を分離して得られた乳脂肪量含量（脂肪率）４７％、ＳＮＦ（無脂乳固形分）４．７％の分離クリームであった。

図７は粒子径と標準偏差との関係について発明品と従来品との比較結果を示す図である。図７から分かるように、発明品は、各従来品では調整できない位小さい標準偏差を得ることができた。これによって、本発明はより単分散に近い乳化・分散が可能であることが証明された。

図８は粒子径と相対粒子量（頻度）との関係について発明品と従来品との比較結果を示す図である。図８から分かるように、発明品は従来品と比べて微粒化の能力（すなわち性能）が高いことが証明された。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、上述の実施形態において、ケーシング２の周壁部２２の内壁面の全範囲に亘って複数の窪み２２ａを設ける例を説明したが、窪みを内壁面に部分的に設けても良く、または窪みを設けなくても良い。

また、ロータ円筒部及び主ステータ円筒部の数は、上述の実施形態に限定されずに、必要に応じて増やしても良い。例えば、ステータは、複数のロータ円筒部のうち最も径方向の外側に位置するロータ円筒部よりも外側に配置されるとともに、周壁に複数の貫通孔が設けられる副ステータ円筒部を更に有するようにされても良い。すなわち、第１ロータ円筒部３３の外側に副ステータ円筒部を更に設けても良い。

また、ロータ円筒部及び主ステータ円筒部の貫通孔の配列パターンは上述の実施形態に限定されずに、例えば千鳥状に配置されても良い。更に、上述の実施形態ではインライン式の微粒化装置を挙げて説明したが、本発明は装置内に対象物を循環させながら微粒化を行うバッチ式にも適用される。

また、上述の実施形態では、ステータを備える微粒化装置について説明したが、ステータは必ずしも備える必要がなく、例えばケーシングと、該ケーシングに対して回転自在に設けられるとともに複数のロータ円筒部を有するロータとを備える微粒化装置であっても良い。この場合には、複数のロータ円筒部を用いて複数段階の微粒化機構を形成することができるので、対象物を微粒化する性能を高めることができる。また、この場合において、ケーシングの周壁部の内壁面に複数の窪みを設けても良く、設けなくても良い。

更に、上述の第１実施形態において、第１ロータ円筒部３３の貫通孔３３ａ、第２ロータ円筒部３４の貫通孔３４ａ、及び主ステータ円筒部４２の貫通孔４２ａは内側から外側に行くにつれて孔径が大きくなるように形成される例を説明したが、これらの貫通孔は内側から外側に行くにつれて孔径が小さくなるように形成されても良く、或いは開口比率が内側から外側に行くにつれて可変になるように形成されても良い。

１，１Ａ 微粒化装置
２ ケーシング
３ ロータ
４，４Ａ ステータ
５ 充填部
２１ 底部
２２ 周壁部
２２ａ 窪み
２４ 排出管（排出部）
３１ 底板部
３２ 回転軸
３３ 第１ロータ円筒部
３４ 第２ロータ円筒部
３３ａ，３４ａ，４２ａ，４３ａ 貫通孔
４１ 蓋部
４２ 主ステータ円筒部
４３ 副ステータ円筒部
５１ 整流キャップ（整流部材）
Ｌ 軸線

Claims (6)

1. ケーシングと、前記ケーシングに対して回転自在に設けられるロータと、前記ケーシングに固定して設けられるとともに前記ロータと同一軸線上に配置されるステータと、を少なくとも備える微粒化装置であって、
   前記ロータは、径方向の外側から内側に向かって同心状に配置された第１ロータ円筒部及び第２ロータ円筒部を有し、前記第１ロータ円筒部の周壁及び前記第２ロータ円筒部の周壁にはそれぞれ単一の孔径を有する円形の貫通孔が複数設けられ、
   前記ステータは、前記第１ロータ円筒部と前記第２ロータ円筒部との間に挿入される主ステータ円筒部を有し、前記主ステータ円筒部の周壁には単一の孔径を有する円形の貫通孔が複数設けられ、
   前記第２ロータ円筒部の貫通孔の孔径、前記主ステータ円筒部の貫通孔の孔径、及び前記第１ロータ円筒部の貫通孔の孔径は、前記第２ロータ円筒部、前記主ステータ円筒部及び前記第１ロータ円筒部の順で大きくなるようにされていることを特徴とする微粒化装置。
2. 前記ステータは、前記第２ロータ円筒部の内側に配置されるとともに、周壁に単一の孔径を有する円形の貫通孔が複数設けられる副ステータ円筒部を更に有する請求項１に記載の微粒化装置。
3. 前記副ステータ円筒部の貫通孔の孔径、前記第２ロータ円筒部の貫通孔の孔径、前記主ステータ円筒部の貫通孔の孔径、及び前記第１ロータ円筒部の貫通孔の孔径は、前記副ステータ円筒部、前記第２ロータ円筒部、前記主ステータ円筒部及び前記第１ロータ円筒部の順で大きくなるようにされている請求項２に記載の微粒化装置。
4. 前記ケーシングの内壁面には、複数の窪みが設けられている請求項１～３のいずれか一項に記載の微粒化装置。
5. 微粒化しようとする対象物を前記ケーシングの内部に充填する充填部と、
   微粒化された前記対象物を前記ケーシングの外部に排出する排出部と、を更に備える請求項１～４のいずれか一項に記載の微粒化装置。
6. 前記ロータの上端から延設されるとともに、微粒化しようとする対象物の流れを整流する整流部材を更に備える請求項１～５のいずれか一項に記載の微粒化装置。

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