JP7326241B2 - 乳化用スリットチャンバーおよび乳化装置 - Google Patents

Description

本発明は、原料スラリーを乳化処理するための乳化用スリットチャンバーおよび乳化装置に関する。

従来、乳化装置（乳化用スリットチャンバー）としては、ボールミル、コロイドミル、分散機、ホモジナイザー、微粒化装置等が用いられてきた。
また、乳化性能を得るためには、乳化用スリットチャンバーの構成が重要であり、乳化用スリットチャンバーを構成するノズルやライナーの構造の改良が各種されている。
例えば、流路を硬質のプレート材からなる２枚のライナー部材によって閉塞し、流入側に配設された第１のライナー部材には、板面中心に対して対象位置に、上記ノズルから噴出された各混合液が通過可能な２つの第１の透孔を貫通形成すると共に、一方の板面に上記透孔の端部を連通させる溝部を形成し、また、上記第１のライナー部材に密着して流出側に配設された第２のライナー部材には、第１のライナー部材との密着対向面に、上記第１の溝部と直交する第２の溝部を形成すると共に、この第２の溝部の両外方端に、排出用の２つの第２の透孔を貫通形成し、混合液がこれらのライナー部材を通過する間に上記乳化を行うようにしたことを特徴とする乳化装置がある（例えば、特許文献１参照）。

平２―２６１５２５号公報

前記した従来の乳化装置では、第１、第２のライナー部材に透孔や案内溝を形成しているものの、混合液（以下、原料スラリーという）がライナー部材、透孔および案内溝の内面や端面を衝突および通過する際に、構造的に弱い部分や応力が集中する箇所から破断してしまう、という課題があった。

さらに、ライナー部材は小さく、薄い形状をしているため、破断した際のメンテナンス性の向上に関しても要望があった。

そこで、本発明では、前記した問題に対し、乳化用スリットチャンバーを構成する部材にかかる応力集中を緩和し、メンテナンス性能を向上した乳化用スリットチャンバーおよび乳化装置を提供すること、を課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、増圧機によって１００～２４５ＭＰａまで加圧した原料スラリーを乳化するための乳化用スリットチャンバーであって、チャンバー流路から原料スラリーを導入する第１および第２の上流側導水孔を有する上流ノズルと、上流ノズルの出口側端面を接触させた状態で配置され、原料スラリーを導入する第１および第２の下流側導水孔を有する下流ノズルと、上流ノズルと下流ノズルを挿入する固定溝を有するとともに、チャンバー流路と連結され、上流ノズルと下流ノズルを通過することで、乳化した原料スラリーを噴射する噴射口を有するチャンバー本体と、を備え、下流ノズルは、第１および第２の下流側導水孔を結ぶ乳化補助流路と、乳化補助流路と直交し、第１および第２の上流側導水孔と連通する乳化流路とを備えること、を特徴とする。

この構成では、下流ノズルに、乳化補助流路と乳化流路を備えたことによって、上流ノズルと下流ノズルにかかる応力を分散することができ、チャンバー内にかかる応力集中を緩和することができる。

前記した乳化用スリットチャンバーにおいて、乳化補助流路の断面視で左右方向の幅は、乳化流路の断面視で上下方向の幅よりも小さいこと、を特徴とする。

この構成では、上流ノズルの第１、第２の上流側導水孔に導水される原料スラリーは、第１、第２の上流側導水孔から下流ノズルの入口側端面に衝突した後、それぞれ下流ノズルの内側方向に直角的に移動し、縮径された乳化流路で乳化された後、再度衝突することによって乳化が促進されるとともに、乳化補助流路の流路が乳化流路の流路よりも大きいことで、乳化後の再凝集も抑制される。その乳化流路内の動きが重要であり、縮径の程度によって流量を調整することができる。

前記した乳化用スリットチャンバーにおいて、乳化流路の深さは、乳化補助流路の深さよりも小さいこと、を特徴とする。

この構成では、乳化流路で縮径された状態で乳化が促されることが重要であり、上記構造によって、より乳化性能を向上させることができる。

前記した乳化用スリットチャンバーにおいて、乳化流路の断面視で上下方向の幅は、第１および第２の上流側導水孔の直径よりも小さいこと、を特徴とする。

この構成では、直角的かつ縮径された乳化流路で原料スラリーの乳化が促されることが重要であり、上記構造によって、より乳化性能を向上させることができる。

前記した乳化用スリットチャンバーにおいて、下流ノズルの出口側端面を接触させた状態で配置され、原料スラリーを噴射ノズルの噴射口へ導水する荷重受けノズルによって、下流ノズルに荷かる応力集中を緩和するように配置されること、を特徴とする。

この構成では、弾性部材と荷重受けノズルで各種ノズルの固定を柔軟にしたことによって、特定部位に偏荷重や応力集中が発生しない構成とすることができる。

前記した乳化用スリットチャンバーにおいて、上流ノズルの第１、第２の上流側導水孔の間の位置に、窪みを形成すること、を特徴とする。

この構成では、乳化補助流路と乳化流路が交差する場所であり、乳化中の原料スラリーが衝突する箇所であるため、窪みを形成することで、流路内部にかかる応力を緩和することができる。

また、本発明の乳化装置は、前記した乳化用スリットチャンバーを含み、原料スラリーを貯留する原料タンクと、原料タンクの前記原料スラリーを圧送する給液ポンプと、給液ポンプから圧送される原料スラリーを加圧する前記増圧機と、乳化用スリットチャンバーと、を備えることを特徴する。

この構成では、本発明の乳化用スリットチャンバーを用いることで、装置寿命を延ばし、メンテナンス性能を向上することができる。

本発明の乳化用スリットチャンバーによれば、チャンバーの構成部材にかかる応力集中を緩和し、メンテナンス性能を向上した乳化用スリットチャンバーおよび乳化装置を提供することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。

（乳化用スリットチャンバーの構成）
本実施形態の乳化用スリットチャンバー１は、図１に示すように、加圧された原料スラリーを乳化するためのものである。乳化用スリットチャンバー１は、原料スラリーが入口側（ＩＮ）から出口側（ＯＵＴ）に向かって供給され、チャンバー流路２と、チャンバー流路２と連結されるチャンバー本体３と、チャンバー本体３の固定溝３ａ内に上流ノズル４、下流ノズル５および荷重受けノズル７と、噴射口８が配置されている。

上流ノズル４は、図２（ａ）に示すように、円板を一部切り欠いた形状の部材であり、断面視で左右に第１、第２の上流側導水孔９ａ、９ｂを有する。また、下流ノズル５は、図２（ｂ）に示すように、円板を一部切り欠いた形状の部材であり、断面視で上下に第１、第２の下流側導水孔１０ａ、１０ｂを有する。さらに、荷重受けノズル７は、図２（ｃ）に示すように、第１、第２の下流側導水孔１０ａ、１０ｂと同様の位置に、第１、第２の下流側導水孔１０ａ、１０ｂよりも一回り大きい孔を２つ有する。上流ノズル４、下流ノズル５、荷重受けノズル７の材質としては、超硬や焼結ダイヤ等の硬度の高いものを用いることが望ましい。

下流ノズル５は、第１、第２の下流側導水孔１０ａ、１０ｂを結ぶ乳化補助流路１１ａと、乳化補助流路１１ａと直交し、第１、第２の上流側導水孔９ａ、９ｂと連通する乳化流路１２ａを有する。
チャンバー流路２に供給される原料スラリーが第１、第２の上流側導水孔９ａ、９ｂを通り、下流ノズル５の入口側端面に衝突する。その後、原料スラリーは、乳化流路１２ａを通って乳化され、乳化補助流路１１ａおよび第１、第２の下流側導水孔１０ａ、１０ｂを通って、噴射口８から乳化物が噴射される。

また、乳化補助流路１１ａの断面視で左右方向の幅は、乳化流路１２の断面視で上下方向の幅よりも小さく設定することができる。原料スラリーが通過する第１、第２の上流側導水孔９ａ、９ｂから下流ノズル５の入口側端面に衝突した後、直角状に移動し、縮径された乳化流路１２ａで原料スラリーが乳化される。

乳化装置１００の起動時には、一時的に第１、第２の上流側導水孔９ａ、９ｂ付近の内部空間に充填される原料スラリーの流れが乱れるが、噴射口８から乳化物が噴射され続けることによって、内部空間の乱れがなくなり、流れが調整されていく。

また、乳化流路１２ａの深さは、乳化補助流路１１ａの深さよりも小さく設定することができる。その結果、前述の縮径時、拡径時の乳化性能の向上を促進させることができる。

乳化流路１２ａの断面視で上下方向の幅は、第１、第２の上流側導水孔９ａ、９ｂの直径よりも小さく設定することができる。その結果、前述の縮径時、拡径時の乳化性能の向上を促進させることができる。

その他、乳化補助流路１１ａや乳化流路１２ａの流路内に表面処理を施すことや、流路を凹凸形状とすること等も想定できる。

また、図１に示すように、チャンバー本体３の固定溝３ａ内に上流ノズル４、下流ノズル５、荷重受けノズル７の順に配置しているが、応力集中を防ぐためのさらなる措置として、チャンバー流路３と上流ノズル４の間に、弾性部材６を配置する。弾性部材６としては、Oリングが最適であるが、上流ノズル４および下流ノズル５を中心として、荷重受けノズル７との相性に応じて各種変更できる。また、固定溝３ａの形状としても、円筒状、角筒状等、相互に配置される部材に応じて各種変更できる。

さらに、下流ノズル５の出口側端面を接触させた状態で配置され、乳化物をチャンバー本体３の噴射口８へ導水する荷重受けノズル７を配置する。弾性部材と荷重受けノズル７で各種ノズルの固定を柔軟にしたことによって、特定部位に偏荷重や応力集中が発生しない構成とすることができる。

（乳化装置の構成）
乳化装置１００の構成としては、図３に示すように、原料スラリーを貯留する原料タンク１０１と、原料タンク１０１の原料スラリーを圧送する給液ポンプ１０２と、給液ポンプ１０２から圧送される原料スラリーを加圧する増圧機１０３と、加圧された原料スラリーを乳化処理する乳化用スリットチャンバー１で構成する。

次に、図４を用いて、従来の上流ノズル４Ａおよび下流ノズル５Ａと、本発明の上流ノズル４および下流ノズル５にかかる応力集中について、有限要素法を用いて比較した解析結果を説明する。

従来の上流ノズル４Ａおよび下流ノズル５Ａの構成としては、上流ノズル４Ａに第１、第２の上流側導水孔９Ａ、９Ｂと乳化補助流路１１Ａを備えるとともに、下流ノズル５Ａに第１、第２の下流側導水孔１０Ａ、１０Ｂと乳化流路１２Ａを形成したものである。本発明の構成と類似するが、本発明では下流ノズル５に形成する乳化補助流路１１ａを従来の構成においては、上流ノズル４Ａに形成していた。

従来と本発明の構成のそれぞれに対し、２００ＭＰａでの応力集中について、有限要素法を用いて解析結果を比較した。

従来の構成の場合、上流ノズル４Ａの第１、第２の上流側導水孔９Ａ、９Ｂの出口側周辺部の中心において、最大４５１ＭＰａの応力が発生したことが判明した。これは、上流ノズル４Ａの入口側端面に対して垂直方向に、原料スラリーの流れ方向の圧力がかかるとともに、第１、第２の上流側導水孔９Ａ、９Ｂと乳化補助流路１１Ａの内側の肉厚が薄い箇所に、第１、第２の上流側導水孔９Ａ、９Ｂの内周にかかる圧力が中心方向に対してかかることによって、全方向から応力が集中していることが推測できる。この結果により、従来の構成においては、上流ノズル４Ａの寿命を短くする要因となっていたことも推測できる。

本発明の構成の場合、上流ノズル４の第１、第２の上流側導水孔９ａ、９ｂの出口側周辺部の中心において、最大３３５ＭＰａの応力が発生したことが判明した。従来の上流ノズル４Ａおよび下流ノズル５Ａに係る応力よりも小さい値となった。これは、本発明において、従来の第１、第２の上流側導水孔９Ａ、９Ｂと乳化補助流路１１Ａの内側の肉厚が薄い箇所をなくすために、乳化補助流路１１ａを下流ノズル５に形成したことによって、応力が分散されたことが理由であると考えられる。

また、従来と本発明における乳化用スリットチャンバーの寿命試験も実施した。寿命試験は、図３の乳化装置１００に従来と本発明の乳化用スリットチャンバーを装着し、増圧機１０３を通して、２００ＭＰａの圧力の原料スラリーを乳化させる処理を行った。

その結果、従来の構成の場合、試験開始から８０時間で上流ノズル４Ａが破断したのに対し、本発明の構成の場合、上流ノズル４が破断することなく、試験開始から２００時間を経過後も使用できた。

（乳化用スリットチャンバーの変形例）
以下に、図５を用いて、乳化用スリットチャンバー１の変形例を説明する。

最適な実施例としては、前記の本発明の構成同様、上流ノズル４における第１、第２の上流側導水孔９ａ、９ｂに連通する形で、下流ノズル５に乳化補助流路１１ａ、乳化流路１２ａ、第１の下流側導水孔１０ａ、第２の下流側導水孔１０ｂ、を備えるものである。

第１の変形例としては、図５（ａ）に示すように、最適な実施例において、上流ノズル４における第１、第２の上流側導水孔９ａ、９ｂに連通する形で、下流ノズル５の乳化流路１２ａが配置されていた構成を変更し、下流ノズル５に第２の乳化流路１２ｂを形成する構成である。

この構成によれば、原料スラリーの乳化を最も促す乳化流路１２ａ、１４が２本存在することで、乳化物を２倍処理することができる。

第２の変形例としては、図５（ｂ）に示すように、最適な実施例において、上流ノズル４における第１、第２の上流側導水孔９ａ、９ｂに連通する形で、下流ノズル５の乳化流路１２ａが配置されていた構成を変更し、下流ノズル５に第２の乳化流路１２ｂ、さらに、第３、第４の上流側導水孔９ｃ、９ｄを形成する構成である。

この構成によれば、原料スラリーの乳化を最も促す乳化流路１２ａ、１２ｂが２本存在することで、乳化物を２倍処理することができる。第１の変形例の場合は、上流側導水孔９ａ、９ｂを通過する原料スラリーを分岐する形で乳化処理を施せるが、第２の変形例の場合は、第３、第４の上流側導水孔９ｃ、９ｄを増やしたことによって、乳化流路１２ａ、第２の乳化流路１２ｂそれぞれに対し、均等な乳化物を供給することが可能になる。

第３の変形例としては、図５（ｃ）に示すように、最適な実施例において、上流ノズル４における第１、第２の上流側導水孔９ａ、９ｂに連通する形で、下流ノズル５の乳化流路１２ａが配置され、さらに、上流ノズル４の下流側導水孔１０ａ、１０ｂに乳化補助流路１１ａが形成されていた構成を変更し、下流ノズル５に第３、第４の下流側導水孔１０ｃ、１０ｄおよび第２の乳化補助流路１１ｂを形成するとともに、上流ノズル４における上流側導水孔９ａ、９ｂに上流側導水孔９ｃを形成する構成である。

この構成によれば、第３、第４の下流側導水孔１０ｃ、１０ｄおよび第２の乳化補助流路１１ｂを形成したことによって、乳化物がより潤滑に通過することによって、乳化物の処理流量の調整を施すことができ、さらに、不要な詰まり等も防止することができる。

最適な実施例および第１～３の変形例を例示したが、これらの構成だけでなく、上流側導水孔９および下流側導水孔１０の孔数や、乳化補助流路１１ａおよび乳化流路１２ａの流路数を変更することで、乳化した原料スラリーの完成品の処理量の増加や作業効率の向上を図ることができることは言うまでもない。

また、前記変形例とは別であるが、上流ノズル４の変形例として、図６に示すように、上流ノズル４の出口側端面において、第１、第２の上流側導水孔９ａ、９ｂの間に、窪み４ａを形成することもできる。下流ノズル５の乳化補助流路１１ａと乳化流路１２ａが交差しあう箇所において、対向する乳化流路１２ａから噴射された原料スラリーが衝突し、衝突噴流によって上流ノズル４が磨耗および壊食するため、上流ノズル４の出口側端面に窪み４ａを形成することによって、こうした磨耗および壊食を抑制することに繋がる。

また、前記説明においては、下流ノズル５の入口側端面に乳化補助流路１１ａと乳化流路１２ａなどを形成することを説明したが、下流ノズル５の変形例として、図７に示すように、荷受けノズル７と接触する下流ノズル５の出口側端面に、補助流路１１ｂと乳化流路１２ｂを形成することもできる。

乳化流路１２ａと乳化流路１２ｂを同じ幅と深さで形成すれば、乳化流路１２ａが経時使用して使えなくなった場合でも、下流ノズル５の入口側端面と出口側端面を入れ替え、乳化流路１２ｂを使用することで継続使用が可能となる。すなわち、ノズルの寿命を従来よりも２倍増やすことが出来る。

また、乳化流路１２ａと乳化流路１２ｂを異なる幅と深さにした場合、乳化流路１２ａと乳化流路１２ｂでは乳化性能と流量が異なるため、用途に応じた使い分けが可能となる。

ここで、本実施形態の乳化装置１００における乳化処理手順の流れについて説明する。なお、乳化用スリットチャンバー１の構成としては、前記最適な実施例を用いる。

まず、原料タンク１０１内に乳化対象となる原料を投入しスラリー状に調整する。次に、原料タンク１０１内の原料スラリーが給液ポンプ１０２によって、増圧器１０３の増圧室内に圧送される。圧送された原料スラリーは、増圧器１０３によって加圧された状態となる。そして、加圧された原料スラリーは、乳化用スリットチャンバー１に供給される。

乳化用スリットチャンバー１内のチャンバー流路２内に供給された原料スラリーは、上流ノズル４の第１、第２の上流側導水孔９ａ、９ｂに入った後、下流ノズル５の端面に衝突し、直角的に軌道を変えて乳化流路１２ａで縮径されることでせん断応力およびキャビテーション効果を得、さらに対向する１２ａから原料スラリーが噴射し、噴射液同士の衝突力を得て乳化される。乳化材料は、乳化補助流路１１ａを経て、噴射口８から噴射される。なお、この処理は１回だけでなく、複数回繰り返す構成とすることもできる。

本実施形態の乳化用スリットチャンバー１を示した側面図である。 本実施形態の上流ノズル４と下流ノズル５を示した断面図である。 本実施形態の乳化用スリットチャンバー１を有した乳化装置の構成図である。 従来と本発明における上流ノズル４、４Ａおよび下流ノズル５、５Ａにかかる応力集中について、有限要素法を用いて比較した解析結果である。 （a）本実施形態の変形例１、（b）本実施形態の変形例２、（c）本実施形態の変形例３を示した断面図である。 本実施形態の上流ノズル４の変形例を示した断面図である。 本実施形態の下流ノズル５の変形例を示した断面図である。

１ 乳化用スリットチャンバー
２ チャンバー流路
３ チャンバー本体
３ａ 固定溝
４ 上流ノズル
４ａ 窪み
５ 下流ノズル
６ 弾性部材
７ 荷重受けノズル
８ 噴射口
９ａ 第１の上流側導水孔
９ｂ 第２の上流側導水孔
９ｃ 第３の上流側導水孔
９ｄ 第４の上流側導水孔
１０ａ 第１の下流側導水孔
１０ｂ 第２の下流側導水孔
１０ｃ 第３の下流側導水孔
１０ｄ 第４の下流側導水孔
１１ａ 乳化補助流路
１１ｂ 第２の乳化補助流路（乳化補助流路）
１２ａ 乳化流路
１２ｂ 第２の乳化流路（乳化流路）
１３ 補助流路
１００ 乳化装置
１０１ 原料タンク
１０２ 給液ポンプ
１０３ 増圧器

Claims (7)

1. 増圧機によって１００～２４５ＭＰａまで加圧した原料スラリーを乳化するための乳化用スリットチャンバーであって、
   チャンバー流路から前記原料スラリーを導入する第１および第２の上流側導水孔を有する上流ノズルと、
   前記上流ノズルの出口側端面を接触させた状態で配置され、前記原料スラリーを導入する第１および第２の下流側導水孔を有する下流ノズルと、
   前記上流ノズルと前記下流ノズルを挿入する固定溝を有するとともに、前記チャンバー流路と連結され、前記上流ノズルと前記下流ノズルを通過することで、乳化した前記原料スラリーを噴射する噴射口を有するチャンバー本体と、を備え、
   前記下流ノズルは、前記第１および第２の下流側導水孔を結ぶ乳化補助流路と、
   前記乳化補助流路と直交し、第１および第２の前記上流側導水孔と連通する乳化流路とを備えること、を特徴とする乳化用スリットチャンバー。
2. 前記乳化補助流路の断面視で左右方向の幅は、前記乳化流路の断面視で上下方向の幅よりも小さいこと、を特徴とする請求項１記載の乳化用スリットチャンバー。
3. 前記乳化流路の深さは、前記乳化補助流路の深さよりも小さいこと、を特徴とする請求項１または２に記載の乳化用スリットチャンバー。
4. 前記乳化流路の断面視で上下方向の幅は、前記第１および第２の上流側導水孔の直径よりも小さいこと、を特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の乳化用スリットチャンバー。
5. 前記下流ノズルの出口側端面を接触させた状態で配置され、前記原料スラリーを前記チャンバー本体の噴射口へ導水する荷重受けノズルによって、前記下流ノズルに荷かる応力集中を緩和するように配置されること、
   を特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の乳化用スリットチャンバー。
6. 前記上流ノズルにおいて、前記第１、第２の上流側導水孔の間の位置に、窪みを形成すること、を特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の乳化用スリットチャンバー。
7. 前記原料スラリーを貯留する原料タンクと、
   前記原料タンクの前記原料スラリーを圧送する給液ポンプと、
   前記給液ポンプから圧送される前記原料スラリーを加圧する前記増圧機と、
   前記請求項１～６のいずれかに記載の乳化用スリットチャンバーと、を備えることを特徴する乳化装置。

Images