JP7323154B2 - プランジャポンプ - Google Patents

Description

本発明はプランジャポンプに関する。

従来、試料を微粒化して均一化させるホモジナイザーユニットとして、微粒化装置ユニットが知られている。

このような微粒化装置ユニットとして、例えば下記特許文献１には、内部に微粒化流路が形成された微粒化装置を備え、容器から供給された試料を、高圧ポンプにより微粒化装置の微粒化流路内に供給して通過させることで、試料を均一化させる構成が開示されている。

特許第３１４９３７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、プランジャポンプのシリンダ内において、試料中の粒子が、プランジャの外周面に付着することで、プランジャのシリンダ内での動作に支障がでるおそれがあった。

そこで本発明は、プランジャポンプのシリンダ内において、プランジャの外周面に試料中の粒子が付着するのを防ぐことができるプランジャポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のプランジャポンプは、円筒状の加圧室、および外部から加圧室の内側に向けて連通する洗浄流路が形成されたシリンダと、シリンダにおける加圧室内を往復動可能に配置された円筒状のプランジャと、シリンダの内周面と、プランジャの外周面と、の間のうち、洗浄流路と接続された部分に配置され、プランジャの外周面と接触する洗浄部材と、を備え、洗浄部材は、洗浄流路への洗浄液の流入にともなって、プランジャの外周面を摺動する。

また、洗浄部材は、プランジャの外周面に対して、全周にわたって延びてもよい。

また、洗浄部材は、プランジャの中心軸と直交する方向に対して交差して延びるととともに、周方向に間隔をあけて配置された複数の羽根部材により構成されてもよい。

本発明のプランジャポンプでは、シリンダの内周面と、プランジャの外周面と、の間のうち、洗浄流路と接続された部分に、プランジャの外周面と接触する洗浄部材が配置されている。
そして、洗浄部材が、洗浄流路への洗浄液の流入にともなって、プランジャの外周面を摺動する。このため、プランジャの外周面に付着した試料の粒子を、洗浄部材により剥離して洗浄することができる。このようにして、プランジャポンプ内の洗浄流路において、プランジャの外周面に試料中の粒子が付着するのを防ぐことができる。

微粒化装置ユニットの構成例を示す概念図である。 オリフィスホモジナイザの構造を示す断面図である。 オリフィスホモジナイザの径方向の断面図である。 微粒化装置ユニットにおけるメインルートを説明する概念図である。 微粒化装置ユニットにおけるサブルートを説明する概念図である。 プランジャポンプの一部断面図である。 図６に示すプランジャポンプのＤ部拡大図である。 図７に示す洗浄部材における（ａ）正面図、（ｂ）側面図である。 洗浄部材の動作を説明する図である。 洗浄流路の変形例を示す図である。

本発明の一態様に係るプランジャポンプについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、プランジャポンプが利用される微粒化装置ユニット１の構成例を模式的に示す概念図である。図１に示すように、微粒化装置ユニット１は、試料を微粒化して均一化させるホモジナイザーユニットである。微粒化装置ユニット１は、微粒化装置１０、供給容器３０、取出容器３１、およびこれらを接続する配管４０、４１、４２、４３を備えている。

微粒化装置１０は、試料が内部を通過することで、該試料を微粒化する微粒化流路を有している。微粒化装置１０は、オリフィスホモジナイザあるいは単にオリフィスと呼称されることもある。ここで、微粒化装置１０の構造について、図２および図３を用いて詳述する。

図２は微粒化装置１０の縦断面図であり、図２のＡ－Ａ線における断面図が図３（ａ）であり、図２のＢ－Ｂ線における断面図が図３（ｂ）であり、図２のＣ－Ｃ線における断面図が図３（ｃ）である。

微粒化装置１０は、第１ブロック２１と第２ブロック２２、そして第１ブロック２１と第２ブロック２２の間に介装される第３ブロック２３により形成される。第１ブロック２１において、複数の流路部１１、１２が形成される（図２および図３（ａ）参照）。また、第２ブロック２２においても、複数の流路部１８、１９が形成される。

第１ブロック２１と第３ブロック２３との接合面に意図的に第１空隙部１４が形成される。この第１空隙部１４が複数の流路部１１、１２を単一に集合させる集合部１３となる（図２および図３（ｂ）参照）。集合部１３（第１空隙部１４）のうち、流路方向における流路部１１、１２と反対側は第３ブロック２３となり、第３ブロック２３内にオリフィス流路部１５が形成される（図２および図３（ｃ）参照）。

オリフィス流路部１５の下流側においても、第３ブロック２３と第２ブロック２２との接合面にも意図的に第２空隙部１６が形成される。この第２空隙部１６がオリフィス流路部１５を分岐させて複数の流路部１８、１９と接続する分岐部１７となる。すなわち、微粒化流路は、流路部１１、１２、オリフィス流路部１５、および流路部１８、１９により構成されている。

流路部１１、１２および流路部１８、１９の内直径（Ｄ１）は相互に同一であり、オリフィス流路部１５の内直径（Ｄ２）よりも大きく形成される。具体的には、内直径（Ｄ１）は、内直径（Ｄ２）の５ないし７倍である。また、第１空隙部１４の距離（Ｄ３）は内直径（Ｄ１）と同等に規定される。従って、オリフィス流路部１５は小径流路部である。

次に、微粒化装置１０を用いた際の作用を説明する。被処理物を有機溶媒中に分散させた試料は、流路部１１、１２を経由して集合部１３（第１空隙部１４）に侵入する。ここで、オリフィス流路部１５は流路部１１、１２よりも狭小であるため、試料の流量は低下する。そして、試料（圧送流体）の圧力変化が生じ、それぞれの流路部１１、１２から流入した試料は集合部１３において衝突する。このときの試料中の被処理物同士は衝突時のエネルギーにより破砕される。このように、試料が流路部１１、１２からオリフィス流路部１５へ流動するごとに、試料中の被処理物同士の衝突が進み、結果として試料は粉砕される。

図示の流路部１１、１２および流路部１８、１９それぞれは、ともに２つずつ形成されているが、流路部１１、１２および流路部１８、１９の形成数は、試料が流れればよいので、１以上あればよい。ただし、試料中の被処理物の衝突を促すため、流路部１１、１２および流路部１８、１９それぞれの形成数は、ともに２以上であることがさらに望ましい。

次に、微粒化装置ユニット１における試料の流れについて図４および図５を用いて、説明する。
図４は、微粒化装置ユニット１におけるメインルートである微粒化処理ルートを説明する概念図である。ここで、微粒化処理ルートとは、微粒化装置ユニット１における試料を微粒化するために試料が移動する経路のことである。この図では、メインルートを実線で示し、後述するサブルートを破線で示している。

図５は、微粒化装置ユニット１におけるサブルートである洗浄液ルートを説明する概念図である。ここで、洗浄液ルートは、微粒化装置ユニット１に含まれるプランジャポンプ５１のプランジャ５１Ｂを洗浄するための洗浄液を流す経路のことである。この図では、メインルートを破線で示し、サブルートを実線で示している。

まず、メインルートである微粒化処理ルートについて、図４を用いて説明する。
図４に示すように、供給容器３０は、微粒化流路に試料を供給する。供給容器３０は、微粒化経路の最も上流側に設けられており、図示の通り、弁７１に配管４０を介して接続されている。供給容器３０には、微粒化前の試料および図４の矢印に示されるように、微粒化経路を通過した後であって、まだ十分に微粒化されていない試料が充填される。なお、図４および図５においては、取出容器３１から供給容器３０までの詳細な構成については、省略している。

取出容器３１は、試料が完全に均一化されたのちに、試料を取り出すための容器である。

なお、微粒化装置ユニット１は、取出容器３１を備えずに（備えていてもよい）、配管４０からドレン８６等を介して、均一化された試料を取出すような構成であってもよい。図１では、取出容器３１およびドレン８６の両方を備えた構成を示している。

プランジャポンプ５１は、配管４０を介して弁７１並びに微粒化装置１０に接続されている。弁７１を開くことで、供給容器３０からの試料を、配管４１に流すことができ、弁７１を閉じることで、供給容器３０からの試料が配管４１に流出するのを防止するとともに、プランジャポンプ５１により押し出された試料が供給容器３０側に逆流するのを防止することができる。

プランジャポンプ５１は、シリンダ５１Ａとプランジャ５１Ｂとにより構成されている。シリンダ５１Ａの内部をプランジャ５１Ｂが往復動することで、シリンダ５１Ａの内部に試料を充填し、シリンダ５１Ａ内の試料を外部に送り出すことができる。

図６は、プランジャポンプ５１の一部断面図である。図６に示すように、本実施形態に係るプランジャポンプ５１のシリンダ５１Ａの内部には、円筒状の加圧室が形成されている。プランジャ５１Ｂは円筒状をなし、シリンダ５１Ａの加圧室内を往復動可能に挿入、配置されている。
プランジャ５１Ｂは、例えば図示しないクランク機構の回転により、図６に示す矢印の方向に往復道する。これにより、プランジャポンプ５１は、試料を配管４１から吸引することができるとともに、試料を配管４１に押し出すことができる。

微粒化装置１０には、更に、配管４３を介して、弁７３並びに弁７５が接続されている。弁７３を開くことで、微粒化装置１０からの試料を、配管４３に流すことができ、弁７３を閉じることで、微粒化装置１０からの試料が配管４３に流出するのを防止することができる。また、弁７５を開くことで、微粒化装置１０からの試料を、ドレン８６に流すことができ、弁７５を閉じることで微粒化装置１０からの試料がドレン８６側に流出するのを防止することができる。

弁７３には、配管４３が接続され、配管４３は、取出容器３１に接続されている。配管４３には、熱交換器８０が設けられていてもよく、微粒化装置１０による微粒化工程によって、試料が熱をもった場合に、その熱を除去する機能を果たす。

微粒化装置ユニット１はまた、プランジャポンプ５１や各弁７１、７３、７５等の開閉を制御する制御部（図示せず）を備えてもよい。制御部は、微粒化装置ユニット１において、試料が、微粒化経路をループして、目標とする粒度まで微粒化経路を流動するように、プランジャポンプ５１および各弁７１、７３、７５の開閉を制御する。

以上のような構成を有する微粒化装置ユニット１において、試料を微粒化する処理手順について説明する。

はじめに、被処理物は有機溶媒中に分散されて試料となる。分散は供給容器３０で行われる。

微小化の対象である被処理物は、例えば、セルロース、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ、複合金属酸化物（スピネル、ペロブスカイト等の結晶質）等の多岐にわたる物質である。分散を通じて微小化することにより、樹脂等に混合する際の均一な分散性が高まる。そのため、素材の性能向上が見込まれる。

次に、弁７１を開くともにプランジャ５１Ｂをシリンダ５１Ａ内から引き出すことで、プランジャポンプ５１のシリンダ５１Ａ内に試料を充填する。そして、弁７１を閉じた状態で、プランジャ５１Ｂをシリンダ５１Ａ内に押し込むことで、試料を、配管４１を介して、微粒化装置１０に供給する（高圧で押し出す）。

試料の微粒化が十分でない場合には、プランジャ５１Ｂを押し込むタイミングでは、弁７３を開き、弁７５を閉じた状態にする。前述の構造を有する微粒化装置１０を通過することで微粒化（均一化）された試料は、配管４２、弁７３、配管４３を通って、取出容器３１に供給される。このとき、試料は、配管４３を通る際に、必要に応じて、熱交換器８０によって排熱されてもよい。そして、取出容器３１に供給された試料は再び、供給容器３０に供され、微粒化処理が施される。

この動作を複数回繰り返すことにより、試料が微粒化流路を複数回通過する。即ち、複数回にわたって試料が微粒化されるとともに、試料の均一化が実現される。なお、当該処理は、微粒化装置ユニット１に設けられた制御部により実行されてもよいし、オペレータからの指示を受け付けた制御部が実行することとしてもよい。

一方、試料の微粒化が十分な場合には、取出容器３１に供給された試料を、取り出すこととしてもよいし、プランジャ５１Ｂを押し込むタイミングで、弁７３を閉じ、弁７５を開いた状態にすることで、ドレン８６から試料を取り出すこととしてもよい。

次にサブルートである洗浄ルートについて、図５を用いて説明する。
図５に示すように、プランジャポンプ５１には洗浄液配管９１を介して、フラッシングポンプ９２および洗浄液弁９３が連結されている。洗浄液配管９１は、洗浄液タンク９０に接続されている。フラッシングポンプ９２および洗浄液弁９３は、制御部（図示せず）に接続され、それぞれの駆動や開閉が制御される。
すなわち、洗浄液弁９３を開いた状態で、フラッシングポンプ９２を駆動させることで、洗浄液タンク９０内の有機溶媒を洗浄液として、プランジャポンプ５１に供給することができる。ここで、有機溶媒は、試料に用いられるものと同じものが使用される。

図６に示すように、シリンダ５１Ａには、外部から加圧室の内側に向けて連通する洗浄流路５１Ｃが形成されている。洗浄流路５１Ｃは、プランジャ５１Ｂが往復移動する方向であるシリンダ５１Ａの軸方向に対して直交する径方向に延びている。
洗浄流路５１Ｃは、プランジャ５１Ｂを径方向に挟む位置に一対配置されている。一対の洗浄流路５１Ｃには、洗浄液配管９１がそれぞれ接続されている。

シリンダ５１Ａの加圧室内において、シリンダ５１Ａの内周面とプランジャ５１Ｂの外周面との間には、径方向の隙間が形成されている。この径方向の隙間には、複数のパッキン６０が軸方向に並べて配置されている。
そして本実施形態では、図７に示すように、シリンダ５１Ａの内周面と、プランジャ５１Ｂの外周面と、の間のうち、洗浄流路５１Ｃと接続された部分に洗浄部材８５が配置されている。図７は、図６に示すプランジャポンプ５１のＤ部拡大図である。

図７に示すように、洗浄部材８５は、シリンダ５１Ａの内周面と、プランジャ５１Ｂの外周面と、の間のうち、パッキン６０が配置されていない部分に配置されている。
洗浄部材８５は、連結環８２に、複数の羽根部材８１が設けられており、プランジャ５１Ｂは、連結環８２内に挿入される。洗浄部材８５は、プランジャ５１Ｂ周りを周方向に回動することにより、羽根部材８１がプランジャ５１Ｂの外周面に接触することで、プランジャ５１Ｂを洗浄する。以下詳細に説明する。
洗浄部材８５は、プランジャ５１Ｂの外周面と接触している。洗浄部材８５の構造について、図８を用いて詳述する。図８（ａ）は、図７に示す洗浄部材８５における正面図、図８（ｂ）は側面図である。

図８に示すように、洗浄部材８５は、プランジャ５１Ｂの外周面に全周にわたって延びている。洗浄部材８５は、周方向に間隔をあけて配置された複数の羽根部材８１と、複数の羽根部材８１を連結する連結環８２により構成されている。
羽根部材８１および連結環８２は、例えば金属材料等の一定の剛性を備えた材質により形成されている。

図８（ｂ）に示すように、羽根部材８１は、プランジャ５１Ｂの中心軸と直交する径方向に対して交差して延びている。
羽根部材８１の先端部は、プランジャ５１Ｂの外周面に接触している。羽根部材８１の先端部は、プランジャ５１Ｂの外周面に、全周にわたって周方向に間隔をあけて接触している。

複数の羽根部材８１それぞれの先端部において、プランジャ５１Ｂの外周面との接触角度は、互いに同等となっている。図示の例では、羽根部材８１は、周方向に等間隔をあけて配置されている。なお、羽根部材８１は周方向に等間隔に配置しなくてもよい。

連結環８２は、環状部材であり、複数の羽根部材８１それぞれの軸方向の端部に連結されている。図８（ａ）に示すように、連結環８２は羽根部材８１の軸方向の両端部に一対配置され、羽根部材８１を軸方向に挟んで保持している。
図８（ｂ）に示すように、連結環８２は、羽根部材８１における軸方向の端部において、径方向の中央部に配置されている。

次に、洗浄部材８５の動作について図９を用いて説明する。図９は、洗浄部材８５の動作を説明する図である。
図９に示すように、洗浄部材８５は、洗浄流路５１Ｃへの洗浄液の流入にともなって、軸方向回りに周回する周方向に回転しながら、プランジャ５１Ｂの外周面を摺動する。

この際、洗浄流路５１Ｃから流入してきた洗浄液である有機溶媒が、図９に実線の矢印で示すように、羽根部材８１に案内されて、羽根部材８１が傾斜する向きに沿って流れる。
これにより、有機溶媒が羽根部材８１を周方向の一方側に向けて、押圧することで、図９に破線の矢印で示すように、洗浄部材８５が周方向の一方側に向けて回転する。

洗浄部材８５が周方向に回転する過程において、羽根部材８１の先端部は、プランジャ５１Ｂの外周面を摺動する。
これにより、プランジャ５１Ｂの外周面に付着していた試料中の粒子が剥離され、プランジャ５１Ｂの外周面の清浄度を確保することができる。

また、プランジャ５１Ｂが軸方向の移動に伴って、プランジャ５１Ｂの外周面のうち、洗浄部材８５が洗浄する範囲が軸方向に広がることとなる。
つまり、洗浄時には、プランジャ５１Ｂを完全に引いた状態（もしくは、プランジャ５１Ｂを完全に押し込んだ状態）から、徐々にプランジャ５１Ｂを押し込んでいく（もしくは、プランジャ５１Ｂを引き出していく）ことで、プランジャ５１Ｂの洗浄部材８５による洗浄位置を変えることができ、プランジャ５１Ｂの広範囲に渡っての洗浄が可能になる。

そして、有機溶媒は流入してきた洗浄流路５１Ｃとは反対側の洗浄流路５１Ｃから排出される。なお、有機溶媒の一部は、加圧室内に留まり、洗浄部材８５とともに、プランジャ５１Ｂの外周面上を回転することもある。

以上説明したように、本実施形態に係るプランジャポンプ５１によれば、シリンダ５１Ａの内周面と、プランジャ５１Ｂの外周面と、の間のうち、洗浄流路５１Ｃと接続された部分に、プランジャ５１Ｂの外周面と接触する洗浄部材８５が配置されている。
そして、洗浄部材８５が、洗浄流路５１Ｃへの洗浄液の流入にともなって、プランジャ５１Ｂの外周面を摺動する。このため、プランジャ５１Ｂの外周面に付着した試料の粒子を、洗浄部材８５により剥離して洗浄することができる。このようにして、プランジャポンプ５１内の洗浄流路５１Ｃにおいて、プランジャ５１Ｂの外周面に試料中の粒子が付着するのを防ぐことができる。

また、洗浄部材８５が、プランジャ５１Ｂの外周面に対して、全周にわたって延びているので、プランジャ５１Ｂの外周面を全周にわたって洗浄することができる。

また、洗浄部材８５における羽根部材８１が、プランジャ５１Ｂの中心軸と直交する方向に対して交差して延びるととともに、周方向に間隔をあけて配置されているので、羽根部材８１に案内された有機溶媒の流れにより、洗浄部材８５を円滑に回転させることができる。

ここで、洗浄流路５１Ｃの変形例について、図１０を用いて説明する。図１０は、洗浄流路５１Ｃの変形例を示す図である。
図１０に示すように、変形例に係る洗浄流路５１Ｃは、軸方向から見た側面視で軸方向と直交する径方向に対して傾斜している。

洗浄流路５１Ｃが傾斜する方向は、側面視において、洗浄部材８５における羽根部材８１が延びる向きに沿っている。このように洗浄流路５１Ｃを傾斜させることで、洗浄流路５１Ｃから流入した有機溶媒の向きを、羽根部材８１が延びる向きと予め同等にしておくことが可能になる。これにより、有機溶媒の流入する勢いを、円滑に洗浄部材８５の回転に利用することができる。

また、上記実施形態においては、微粒化装置ユニット１においては、試料を一方向にのみ流動することとなっているが、微粒化装置１０を往復道する構成をとってもよい。即ち、図１において、ドレン８６が設けられている箇所に、別のプランジャポンプ５１を設けて、微粒化装置１０内を試料が往復するような構成をとってもよい。

また、微粒化装置１０の流路の構造については、任意に変更可能である。

また、前述した変形例に限られず、これらの変更例を選択して適宜組み合わせてもよいし、その他の変形を施してもよい。

１ 微粒化装置ユニット
１０ 微粒化装置
３０ 供給容器
３１ 取出容器
５１ プランジャポンプ
５１Ａ シリンダ
５１Ｂ プランジャ
５１Ｃ 洗浄流路
８０ 洗浄部材
８１ 羽根部材
８２ 連結環

Claims (2)

1. 円筒状の加圧室、および外部から前記加圧室の内側に向けて連通する洗浄流路が形成されたシリンダと、
   前記シリンダにおける前記加圧室内を往復動可能に配置された円筒状のプランジャと、
   前記シリンダの内周面と、前記プランジャの外周面と、の間のうち、前記洗浄流路と接続された部分に配置され、前記プランジャの外周面と接触し、前記プランジャの中心軸と直交する方向に対して交差して延びるととともに、周方向に間隔をあけて配置された複数の羽根部材により構成されている洗浄部材と、を備え、
   前記洗浄部材は、前記洗浄流路への洗浄液の流入にともなって、前記プランジャの外周面を摺動するプランジャポンプ。
2. 前記洗浄部材は、前記プランジャの外周面に対して、全周にわたって延びていることを特徴とする請求項１に記載のプランジャポンプ。

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