JP7381899B2 - 超音波ホモジナイザー - Google Patents

Description

本発明は、超音波を照射して分散を行う超音波ホモジナイザーに関する。

超音波ホモジナイザーでは、液中に配置された振動子を超音波領域の振動数で振動させ、振動面（照射面）から液中に照射される超音波により発生するキャビテーションにより液中に粉体等の物質を分散させている。例えば特許文献１では、縦長の円筒容器の軸に沿って軸方向に振動する振動子を配置し、円筒容器の側面上方から混合液を供給し、側面下方から混合液を排出している。また、振動子の軸方向に沿って所定間隔で円環状の振動面（照射面）を平行に多数設け、振動面同士の隙間に形成される複数の超音波照射領域で効果的にキャビテーションを発生させている。

特開２０１１－０１７８８６号公報

しかし、特許文献１の構成では、振動面同士の間の混合液に効果的に超音波キャビテーションを発生させることができるものの、混合液の多くは、振動面同士の間に形成される超音波照射領域よりも外側の円筒内周面寄りの領域を内周面に沿って流れる。そのため混合液の多くは超音波キャビテーションに触れることなく排出され、十分な分散効果は得られない。

本発明は、超音波ホモジナイザー内を流れる混合液に効果的に超音波キャビテーションを発生させ、超音波ホモジナイザーの分散性能を向上することを課題としている。

本発明の第１の発明である超音波ホモジナイザーは、超音波発生手段と、前記超音波発生手段で発生した超音波を照射する照射ホーンと、前記照射ホーンの照射面を内部に収容するホルダと、前記ホルダの下端面に形成され、混合液を前記ホルダ内に取り込む取込口と、前記ホルダにおいて、前記取込口よりも上方に形成され、前記ホルダ内に取り込まれた混合液を排出する排出口とを備え、前記取込口の開口面積は前記照射ホーンの照射面積よりも小さく、前記照射ホーンの照射面は前記取込口の上方に臨むように配置されるとともに、前記排出口を前記ホルダの周囲に複数設け、各排出口と接続された排出配管の下流を合流させることを特徴としている。

本発明の第２の発明である超音波ホモジナイザーは、第１の発明において、前記照射ホーンの振動中心にフランジを取り付け、前記フランジを前記ホルダに固定することを特徴としている。

本発明の第３の発明である超音波ホモジナイザーは、第１または第２の発明において、前記ホルダの周囲に冷却用の媒体を通過させるジャケットが設けられ、前記ジャケットの上方に前記排出口が設けられることを特徴としている。

本発明によれば、超音波ホモジナイザー内を流れる混合液に効果的に超音波キャビテーションを発生させ、超音波ホモジナイザーの分散性能を向上することができる。

本発明の一実施形態の超音波ホモジナイザーの縦断面図である。 図１の超音波ホモジナイザーのホルダを中心とする一部拡大縦断面図である。 照射ホーンとホルダの径方向の配置を示す平面図である。 本実施形態の超音波ホモジナイザーを用いたユニットの構成を示すブロック図である。 変形例の超音波ホモジナイザーのアウトレット部および混合液排出管の配置を示す一部拡大縦断面図である。 変形例の超音波ホモジナイザーのアウトレット部の配置を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態の超音波ホモジナイザーの縦断面図であり、図２は、ホルダ１２を中心とする超音波ホモジナイザー１０の部分拡大縦断面図である。

本実施形態の超音波ホモジナイザー１０は、液体と粉体、液体と液体など様々な混合液が注入されるホルダ１２と、所定の周波数、強度、波形の超音波を発生する超音波発生装置１４とを備える。

超音波発生装置１４は、超音波発振器１４Ａ、超音波振動子１４Ｂ、ブースター１４Ｃ、照射ホーン１４Ｄを備える。超音波発振器１４Ａは、設定される所定の周波数、強度、波形に対応する駆動信号を発生し、これを超音波振動子１４Ｂへ供給（印加）する。超音波振動子１４Ｂは、超音波発振器１４Ａからの駆動信号により振動し、超音波振動子１４Ｂで発生した超音波振動は、ブースター１４Ｃにおいて振幅が増幅されて照射ホーン１４Ｄへと伝達される。これにより照射ホーン１４Ｄは、所定の周波数、強度、波形で軸に沿って上下方向に振動される。照射ホーン１４Ｄは、例えば円筒形状を呈し、軸を垂直にしてその下端部がホルダ１２内に挿入される。

照射ホーン１４Ｄは、ホルダ１２の上部開口縁１８に取り付けられたフランジ部材２０によってその振動中心が保持され、ホルダ１２に対して所定位置に固定される。フランジ部材２０は、例えばネジ２２などの取り付け部材によりホルダ１２の上部開口縁１８に取り付けられる。

ホルダ１２は、照射ホーン１４Ｄが挿入されるとともに混合液が供給される混合液槽２４をその中央に備える。混合液槽２４の周囲には、その外周を取り囲むように、冷却液（冷却媒体）が流通する冷却槽（ジャケット）２６が配置される。混合液槽２４は円筒形状を呈し、上部開口縁１８を通して外部へと開放される。

混合液槽２４の底面の中央にはインレット部（取込口）２４Ａが設けられ、混合液供給管２８Ａが接続される。混合液槽２４の上方外側部にはアウトレット部（排出口）２４Ｂが設けられ、混合液排出管２８Ｂが接続される。すなわち、混合液は、混合液槽２４の底部中央から流入し、上方外側部から排出される。

一方、冷却槽２６の下方外側部にはインレット部２６Ａが設けられ、冷却液供給管３０Ａが接続される。また、冷却槽２６の上方外側部において、例えば混合液槽２４を挟んでインレット部２６Ａとは略反対側には、アウトレット部（排出口）２６Ｂが設けられ、冷却液排出管３０Ｂが接続される。なお、冷却液は、超音波振動によるホルダ１２内の混合液の温度上昇を抑える。

図２に示されるように、円筒形の照射ホーン１４Ｄの振動面（照射面）である下端面１４Ｅは、混合液槽２４の底面から所定距離を隔て、インレット部（取込口）２４Ａの上方に臨むように配置され、これにより混合液槽２４と照射ホーン１４Ｄの下端面１４Ｅとの間には一定間隔の流路が形成される。

図３は、照射ホーン１４Ｄとホルダ１２の径方向の配置を示す平面図であり、混合液槽２４のインレット部２４Ａの内周面、照射ホーン１４Ｄの外周面、混合液槽２４の外周壁、冷却槽２６の外周壁の位置が描かれる。図３に示されるように、本実施形態において、混合液槽２４のインレット部２４Ａの内周面、照射ホーン１４Ｄの外周面、混合液槽２４の外周壁、冷却槽２６の外周壁は略同心円的に配置され、照射ホーン１４Ｄの外周面と混合液槽２４の内周面の間には一定間隔の流路が形成される。

インレット部２４Ａの取込口の内径は、照射ホーン１４Ｄの外径よりも小さく、取込口の開口面積は照射ホーン１４Ｄの照射面積よりも小さい。インレット部２４Ａから混合液槽２４内に流入された混合液は、照射ホーン１４Ｄの下端面中央に向けて略垂直上向に流れ込み、照射ホーン１４Ｄの下端面１４Ｅに当たって略水平方向に放射状に流れの向きを変える。混合液は、混合液槽２４の底面と照射ホーン１４Ｄの間に形成された流路に沿って放射状に径方向外側に流れる。

同構成によりインレット部２４Ａの取込口から流入した混合液は全て、混合液槽２４の底面と照射ホーン１４Ｄの間に形成された流路に沿って流れ、混合液は照射ホーン１４Ｄの下端面１４Ｅ近くをこれに沿って移動することとなる。そのため、混合液体の粉体は照射ホーン１４Ｄの振動面(照射面)である下端面１４Ｅが発生する超音波キャビテーションによって効率的に一様に混合液中に分散される。

放射状に流れる混合液が混合液槽２４の内周面近くに達すると、内周面に当たって上向きに流れが変えられる。これにより混合液は、混合液槽２４の内周面と照射ホーン１４Ｄの外周面の間の流路に沿って上昇し、アウトレット部２４Ｂから排出される。

一方、インレット部２６Ａから冷却槽２６内に流入した冷却液は、混合液槽２４の外周面と冷却槽２６の内周面の間に形成される円環状の流路に沿って流れ、反対側のアウトレット部２６Ｂから排出される。すなわち、混合液槽２４内を流れる混合液と冷却槽２６内を流れる冷却液の間では、混合液槽２４の側壁を通して熱交換が行われ、混合液が冷却される。

図４は、複数の超音波ホモジナイザー１０をユニットとして用いる場合の構成を示すブロック図である。図２に示される実施形態では、４台の超音波ホモジナイザー１０が並列に接続さている。すなわち、混合液は、各超音波ホモジナイザー１０のホルダ１２に分配されて供給され、各ホルダ１２から排出される混合液は、再び合流される。

以上のように、本実施形態の超音波ホモジナイザーによれば、超音波ホモジナイザーの構成では、ホルダに流入する混合液が全て照射ホーンの振動面の近傍に沿って移動するので、混合液には効果的に超音波キャビテーションが発生し、混合液内の粉体は効率的に一様に分散される。

次に図５、図６を参照して、本実施形態の超音波ホモジナイザーの変形例について説明する。なお、図５は、変形例の超音波ホモジナイザーのアウトレット部および混合液排出管の配置を示す模式的な一部拡大縦断面図であり、図６は、変形例の超音波ホモジナイザーのアウトレット部の配置を示す図５のＡ－Ａ断面図である。なお、実施形態と同様の構成に関しては同一参照符号を用い、その説明を省略する。

実施形態の超音波ホモジナイザー１０の混合液槽２４の上方外側部には、１つのアウトレット部２４Ｂが設けられたが、変形例の超音波ホモジナイザー３２のホルダ３４では、外周部に沿って複数のアウトレット部（排出口）３６が設けられる。各アウトレット部３６には、それぞれ混合液排出管（排出配管）３８が接続され、混合液排出管３８の各々は下流部Ｃにおいて合流される。なお、図５に示される合流位置Ｃは模式的なものであり、その配置は任意である。

複数のアウトレット部３６は、混合液槽２４の上方外側部の同じ高さに、混合液槽２４の円筒軸周りに例えば等間隔で（回転対称に）配置される。図６では、アウトレット部３６が放射状に４つ設けられている。なお、アウトレット部３６の数は４つに限定されるものではなく、３つや６つなどでもよい。また、冷却槽２６に設けられる冷却液のアウトレット部２６Ｂは、インレット部２６Ａの反対側において、アウトレット部３６と競合しない位置に配置される。図５において、アウトレット部２６Ｂは、アウトレット部３６の下方に配置されているが、アウトレット部３６同士の間の同じ高さに配置することも可能である。

以上のように変形例の構成においても、実施形態と同様の効果が得られる。更に、変形例では、混合液槽内の流れが全周に亘ってより一様になるため、より分散の効率が向上する。

なお、超音波ホモジナイザーが発生する超音波の振幅や周波数、波形は、調整可能であることが好ましい。また、本実施形態では、複数の超音波ホモジナイザーを並列に接続してユニットとしていたが、複数の超音波ホモジナイザーを直列に接続してユニットとしてもよい。また、本実施形態では、冷却液を冷媒として用いたが、気体を冷却媒体として用いることもできる。

１０、３２ 超音波ホモジナイザー
１２、３４ ホルダ
１４ 超音波発生装置
１４Ｄ 照射ホーン
２０ フランジ部材
２４ 混合液槽
２４Ａ インレット部（取込口）
２４Ｂ、３６ アウトレット部（排出口）
２６ 冷却槽（ジャケット）
２６Ｂ アウトレット部（排出口）

Claims (3)

1. 超音波発生手段と、
   前記超音波発生手段で発生した超音波を照射する照射ホーンと、
   前記照射ホーンの照射面を内部に収容するホルダと、
   前記ホルダの下端面に形成され、混合液を前記ホルダ内に取り込む取込口と、
   前記ホルダにおいて、前記取込口よりも上方に形成され、前記ホルダ内に取り込まれた混合液を排出する排出口とを備え、
   前記取込口の開口面積は前記照射ホーンの照射面積よりも小さく、前記照射ホーンの照射面は前記取込口の上方に臨むように配置されるとともに、
   前記排出口を前記ホルダの周囲に複数設け、各排出口と接続された排出配管の下流を合流させる
   ことを特徴とする超音波ホモジナイザー。
2. 前記照射ホーンの振動中心にフランジを取り付け、前記フランジを前記ホルダに固定することを特徴とする請求項１に記載の超音波ホモジナイザー。
3. 前記ホルダの周囲に冷却用の媒体を通過させるジャケットが設けられ、前記ジャケットの上方に前記排出口が設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波ホモジナイザー。

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