JP7424252B2

JP7424252B2 - 分散装置

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Publication number: JP7424252B2
Application number: JP2020149513A
Authority: JP
Inventors: 豊羽片; 晴光浅野; 啓太鈴木; 克明小田木
Original assignee: Sintokogio Ltd
Current assignee: Sintokogio Ltd
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2024-01-30
Anticipated expiration: 2040-09-07
Also published as: JP2021041400A

Description

本発明は、スラリー状又は液体状の混合物内の物質を分散させる分散装置に関する。

従来、高速回転するローターと回転しないステータとの間の狭い間隙に、複数の液体又はスラリーを通過させ、高速回転により発生する高い剪断力で複数の液体又はスラリー中の粉末状の物質を連続的に分散する装置が知られている。ここで、「分散」とは、スラリー中の粉末状の物質を微細化して均一に存在させること、若しくはスラリー中の粉末状の物質を均一に存在させること、又は複数の液体を均一に混合することを意味する。

下記特許文献１は、上記構成の装置が開示された具体例である。ここに開示された装置は、ローターとステータとの間に供給された混合物が、ローターの回転軸側に逆流するのを防止するための構成として、エアパージシール機構を備えている。
この分散装置においては、混合物をローターとステータとの間に供給した際に、正常な運転形態として、混合物が遠心力によりローターの半径方向外方へ移動し、最終的にローター、ステータ間の間隙から外部へ放出される。しかし、供給する混合物の量が所定の値を超えた場合、混合物の供給圧力によって該混合物がローターの回転軸側へ逆流する。逆流した混合物は、回転軸を支承する軸受に侵入して回転軸及びローターの回転に支障を与える。

そこで上記装置は、回転軸の外側の空間に所定の圧力を持ったエアーを供給し、当該空間に連通するローター、ステータ間の間隙にエアーを導入し、当該エアーの圧力によって混合物が回転軸側へ逆流するのをを防止する構成（エアパージシール機構）を採用したのである。

特許第５７６８９４６号公報

ところで、上記特許文献１記載の装置が採用するエアパージシール機構は、ローター、ステータ間の間隙に供給する混合物の量が、同間隙から排出される分散処理後の混合物の量より多くなったときに軸受け側への逆流を防止するものであるが、混合物の量が所定の量を超え、混合物の供給圧力が回転軸の外側空間に供給するエアー圧力より大きくなったとき、回転軸側への逆流は発生してしまう問題があった。

また、逆流が発生しない形態で分散処理されていても、ローター、ステータ間の間隙に導入されるエアーによって混合物が乾燥し、混合物の品質が変わってしまうと問題があった。
また、エアーの供給によって混合物に多数の気泡が含まれてしまい、混合物の流動性が低下して排出され難くなったり、後工程で混合物の脱泡処理が必要となる問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、混合物の回転軸側への逆流を防止して正常な運転を確保し、混合物の乾燥、混合物へ気泡が含まれることを抑えた分散装置を提供することを課題としている。

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。
すなわち、本発明は、スラリー状又は液体状の混合物を供給して、これを分散させる剪断式の分散装置であって、軸受と、該軸受に上下方向の軸線を中心として回転自在に支持された回転軸と、固定されたステータと、該ステータの下面に対向するように配置され、前記回転軸に固定されて該回転軸により回転駆動されるローターと、前記回転軸外側の空間を経て、前記ローターの上面と前記ステータの下面との間の、前記混合物が供給される間隙にエアーを供給するエアパージシール機構と、を備え、前記ステータには、前記ローターの上面に開口端が位置するように混合物供給口が設けられ、前記間隙内における前記開口端と前記回転軸との間には、前記ローターと前記ステータとのいずれか一方に基部が固定され、他方に先端部が弾性的に当接するシール部材が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、ローターとステータとの間の間隙内にシール部材が設けられているから、混合物が回転軸方向へ逆流することがなく、また回転軸側からエアーが混合物内に侵入することもなく、常に正常運転が確保され、混合物の乾燥、混合物内へのエアーの混入が防止される。

本発明の一態様においては、前記シール部材を基準として、前記ローターの半径方向外方側に供給される前記間隙内の混合物の供給圧力Ｐ１を検出する第１の圧力センサーと、同前記ローターの半径方向内方側に供給される前記間隙内のエアー圧力Ｐ２を検出する第２の圧力センサーと、前記第１の圧力センサー、前記第２の圧力センサーの出力に基づいて前記エアー圧力Ｐ２、又は前記混合物供給口に供給する混合物の量を制御する制御装置と、を備えていることを特徴とする。

この一態様によれば、ローター、ステータ間の間隙内において、シール部材よりローターの半径方向外方側の混合物供給圧力Ｐ１と、シール部材より回転軸側のエアー圧力Ｐ２とを制御することによって、シール部材の変形を抑えることができ、エアー圧力Ｐ１を高めて混合物の供給量を増やすことができ、装置の生産能力を高めることができる。

本発明の一態様においては、前記シール部材は、弾性材料から形成された部材であって、前記基部から延出してその先端が他方に弾性的に当接するリップと、を備えていることを特徴とする。
この一態様によれば、装置の運転時に、シール部材のリップがローター又はステータに摺接し、シール部材が的確にシール機能を果たして混合物の回転軸方向への逆流を防止する。

本発明の一態様においては、前記ステータには、その下面に前記回転軸の軸線を中心とする環状溝が形成され、前記シール部材は、前記環状溝に固定される環状の前記基部と、該基部から拡径しつつ前記ローターの上面へ延び、その先端部が該上面に当接する前記リップと、を備えていることを特徴とする。
この一態様によれば、シール部材のリップが拡径しつつローターの上面へ延び、その先端部がローターの上面に当接するので、リップの弾性変形がスムーズになされて高いシール機能を得ることができる。
上記構成の装置においては、分散の程度を混合物の種類や分散の目的によって調整するため、ローターとステータとの間隙厚さを調整し、適切な剪断力に変える必要が発生する。その際、間隙厚さが変化しても、シール部材のリップがその弾性によって間隙厚さの変化に追従し、シール機能を持続することができる。

本発明の一態様においては、前記混合物供給口の内面には、前記第１の圧力センサーが設けられ、前記ステータには、その中心部に前記回転軸を挿通する回転軸挿通孔が形成され、前記ローターは、前記回転軸挿通孔から下方へ突出する前記回転軸の下端部に固定され、前記回転軸挿通孔の内面には、前記第２の圧力センサーが設けられていることを特徴とする。
この一態様によれば、ローター、ステータ間の間隙に連通する空間で混合物供給圧力Ｐ１とエアー圧力Ｐ２とが検出される。

本発明によれば、混合物の回転軸側への逆流を防止して正常な運転を確保することができ、混合物の乾燥、混合物へ気泡が含まれることを防いで混合物の品質劣化を防止することができる。

本発明の一実施形態として示した分散装置の要部縦断面図である。本発明の一実施形態におけるシール部材の拡大断面図である。本発明の別の実施形態として示した分散装置の要部縦断面図である。本発明の変形例におけるシール部材の拡大断面図である。本発明の変形例におけるシール部材の拡大断面図である。本発明の変形例におけるシール部材の拡大断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態である分散装置の要部を示す図である。
図に示す分散装置１は、回転駆動されるローター２と、該ローター２の上面に対向して配置されるステータ３とを備えており、ローター２とステータ３との間の間隙４にスラリー状又は液体状の混合物５を供給し、該混合物５を遠心力によりローター２の外周方向へ通過させることによって分散させる剪断式の分散装置である。

図において符号６は、分散後の混合物５を受ける容器である。容器６は、容器本体７と、容器本体７の上部外方に張り出すように設けられた張り出し壁部８とを備えている。容器６の上方には、カバーユニット９が配設されている。カバーユニット９は、軸受保持部材１０とステータ保持部材１１とを備えている。軸受保持部材１０は、筒状に形成されたものであって、その下部に外方に張り出す環状凸部１２を有し、その中心孔１３内には軸受１４が固定されている。
軸受１４は、下端に外方へ張り出すフランジ部１４ａを有し、フランジ部１４ａがボルト１５により軸受保持部１０に固定されている。軸受１４には、ローター２を回転駆動するための回転軸１６が、上下方向の軸線を中心として回転自在に支承されている。回転軸１６は、図示しないモータ及び減速機構によって回転駆動される。

ステータ保持部材１１は、その中心部に回転軸配置孔２１を有するとともに回転軸配置孔２１の上部に係合凹所２２を有し、その下端部外周に外方へ突出する環状凸部２３を有する。また、このステータ保持部材１１には、混合物５を間隙４に供給するための供給通路２４が形成されている。このステータ保持部材１１には、軸受保持部材１０が固定されている。すなわち、軸受保持部材１０の下端部が係合凹所２２内に嵌入され、軸受保持部材１０の環状凸部１２がボルト２５によりステータ保持部材１１に固定されている。
この場合、軸受保持部材１０の下端面と係合凹所２２の底面との間にはエアー導入空間２６が形成されている。また、ステータ保持部材１１には、供給通路２４に連通するように混合物供給管２７が固定されている。混合物供給管２７には、図示しない混合部供給源から混合物５が供給される。

ステータ保持部材１１の下面側にはステータ３が配置されている。ステータ３は、円盤状に形成されたものであって、その中心部に回転軸挿通孔３１を有し、回転軸挿通孔３１から一定寸法半径方向外方へ離間した位置に上下方向に貫通する混合物供給口３２を有し、さらにステータ３の下面に回転軸挿通孔３１を囲む環状溝３３を有する。
混合物供給口３２の開口端３２ａは、間隙４及びローター２の上面２ａに臨んで位置している。環状溝３３は、開口端３２ａと回転軸挿通孔３１との間に位置している。また、混合物供給口３２の内面には第１の凹所３４が形成され、回転軸挿通孔３１の内面には第２の凹所３５が形成されている。

このステータ３は、回転軸挿通孔３１内に回転軸１６を挿通した状態で、かつ、その上面をステータ保持部材１１の下面に当接させた状態で該ステータ保持部材１１に保持されている。この場合、ステータ３は、容器６の張り出し壁部８上に配置された第１の拘束部材３６と、該拘束部材３６をステータ保持部材１１の環状凸部２３に固定するボルト３７と、第１の拘束部材３６と張り出し壁部８とを拘束する第２の拘束部材３８とによってステータ保持部材１１に保持される。
上記のようにステータ保持部材１１に保持されたステータ３は、回転軸１６の周りの定位置に固定された状態となっている。また、ステータ３の混合物供給口３２は、ステータ保持部材１１の供給通路２４と連通するように位置している。

上記の構成において、エアー導入空間２６には、図示しないエアー供給源から加圧されたエアーが供給されるようになっている。エアー導入空間２６に導入されたエアーは、回転軸１６の外周面と回転軸配置孔２１の内面との間、及び回転軸１６の外周面と回転軸挿通孔３１の内面との間に形成されている微小な空間３９を通って、回転軸１６側からローター２とステータ３との間の間隙４に導かれる。このように回転軸１６側から間隙４内へ加圧されたエアーを供給する構成はエアパージシール機構４０を構成している。
また、混合物供給管２７には、図示しない混合物供給源から混合物５が供給されるようになっている。混合物供給管２７に供給された混合物５は、供給通路２４を通って混合物供給口３２に到り、混合物供給口３２からローター２とステータ３との間の間隙４内に供給される。

ステータ３の下面に設けられた環状溝３３内には、ローター２との間の間隙４をシールするシール部材４１が設けられている。シール部材４１は、エラストマー等の弾性材料から形成されたものであって、環状溝３３内に固定されるように環状に形成されている。シール部材４１の環状に延在する一部の形状が図２に示されている。
図２に示すようにシール部材４１は、環状溝３３内に固定される断面略矩形の基部４２と、該基部４２から拡径しつつ斜め下方に延出するリップ４３とを備えている。リップ４３は、適度に弾性変形できるように薄厚であり、基部４２から先端部に行くに従い厚みが小となるように形成され、先端部がローター２の上面２ａに弾性的に当接する。
シール部材４１が間隙４内に設けられている位置は、環状溝３３の位置からして、混合物供給口３２の開口端３２ａと回転軸１６との間である。かくしてシール部材４１は、間隙４内をローター２の半径方向外方と半径方向内方とに仕切る。

ステータ３の第１の凹所３４内には第１の圧力センサー４５が設けられており、第２の凹所３５内には第２の圧力センサー４６が設けられている。
第１の圧力センサー４５は、シール部材４１を基準として、ローター２の半径方向外方側に供給される間隙４内の混合物５の供給圧力Ｐ１を検出するものである。第２の圧力センサー４６は、シール部材４１を基準として、ローター２の半径方向内方側に供給される間隙４内のエアーの圧力を検出するものである。これら第１、第２の圧力センサー４５，４６の出力は制御装置４８に送られるようになっている。
制御装置４８は、混合物５の供給量の制御、その他装置各部の制御を行うほか、第１、第２の圧力センサー４５，４６の出力に基づいて、間隙４内に供給されるエアーの圧力を制御する。

ローター２は、円盤状に形成されたものであって、その中心部に貫通孔５１を有し、貫通孔５１の上部には係合凹所５２が形成されている。係合凹所５２の底面には、複数の係合穴５３が形成されている。また、ローター２の底面には、その外周部に環状の溝５４が形成されている。
このローター２は、係合凹所５２内に回転軸１６の下端部を嵌入し、その上面２ａをステータ３の下面に対向させて回転軸１６に固定されている。固定は、係合穴５３と回転軸１６の下面に形成された係合穴５５との間に係合ピン５６を挿入し、ローター２の下面側から貫通孔５１内にボルト５７を挿入し、このボルト５７を回転軸１６の下面に形成された雌ねじ穴５８にねじ込んで締め付けることによりなされている。
上記の構成において、ローター２、ステータ３間の間隙の寸法は、図示しない調整機構により調整できるようなっており、分散後の混合物に含まれる粒子の径に応じて調整できるようになっている。

容器６は、ローター２の外周面を囲むように設けられた側壁部６１と、側壁部６１の下面を閉塞する底壁部６２とを備えている。ローター２の外周面と側壁部６１との間は、分散処理後の混合物５が流動落下する空間とされており、流動落下に適切な間隔が開けられている。側壁部６１の下端部と底壁部６２の外周縁との交差部には上方から落下する分散後の混合物５を排出する排出機構６３が設けられている。排出機構６３は、混合物５を排出する排出管６４と、排出管６４内の混合物５を負圧吸引する吸引機構６５とを備えている。図１には１つの排出管６４と吸引機構６５の一部のみが示されているが、分散装置１はこれらの構成体が底壁部６２の外周部に複数設けられていて、混合物５が複数の上記構成体から容器６の外部へ排出されるように構成されていても良い。

容器６の内部には、間隙４から流動落下する混合物５を排出管６４に導くようにガイド部材６６が設けられている。ガイド部材６６は、環状に形成された部材であって、側壁部６１に対する間隔がローター２と同じようにとれるよう形成されたものである。
ガイド部材６６の上面には環状凸部６７が形成されており、この環状凸部６７はローター２の下面に形成された溝５４内に位置している。この構成により、間隙４から流動落下する混合物５は、容器６の中央部側に流動することなく、スムーズに排出管６４に導かれる。
なお、図１において符号６８は、分散処理された混合物５を側壁部６１の外部から冷却する冷却機構である。

次に、上記のように構成された分散装置１について、混合物５を分散処理する場合の動作について説明する。
分散装置１の起動に際しては、予めローター２とステータ３との間の間隙４の寸法、ローター２の回転数、エアパージシール機構４０により供給するエアー圧力の大きさ、混合物４の時間当たりの供給量等を設定しておく。
そして、制御装置４８を操作して分散装置１を起動すると、図示しないモータが回転して回転軸１６が回転し、ローター２が回転駆動される。ローター２が回転すると、ステータ３に設けたシール部材４１のリップ４３がローター２の上面２ａに当接しつつ同上面を相対的に摺動する。したがって、シール部材４１は、ローター２が回転した状態において、間隙４を、このシール部材４１を基準としてローター２の半径方向外方と半径方向内方、すなわち回転軸１６方向とに仕切ることになる。

一方、エアパージシール機構４０が起動してエアー導入空間２６内に加圧されたエアーが導入され、このエアーが回転軸１６の外周面と、軸受保持部材１０の回転軸配置孔２１の内面及びステータ３の回転軸挿通孔３１の内面との間の空間３９を通り、回転軸１６側からローター２とステータ３との間の間隙４に供給される。
また、制御装置４８は、図示しない混合物供給源から混合物５を混合物供給管２７に供給する。混合物５は、供給通路２４を通って混合物供給口３２に供給され、この混合物供給口３２からローター２とステータ３との間の間隙４に供給される。

間隙４に供給された混合物５は、ローター２の回転により遠心力によってローター２の半径方向外方に移動し、この移動の際狭い間隙４内で分散される。分散処理された混合物５は、間隙４の外周端から容器６の側壁部６１に衝突し、その後ローター２の外周面と側壁部６１との間の空間を通り、更にガイド部材６６と側壁部６１との間の空間を通って排出管６４内に流動する。排出管６４内に流動した混合物５は、吸引機構６５により容器６の外部へ排出される。

上記の動作において、間隙４内に供給される混合物５の供給圧力Ｐ１によっては、混合物供給口３２から間隙４内に供給された混合物５がローター２の半径方向内方、すなわち回転軸１６方向へ移動することがある。この分散装置１においては、間隙４内にシール部材４１が設けられているので、間隙４内の混合物５が回転軸１６方向に逆流しても、混合物５はシール部材４１に移動を阻止されて回転軸１６側に到ることはない。
したがって、混合物５が回転軸１６側に逆流し、空間３９を経て軸受１４に侵入することがなく、常に軸受１４の機能を確保してローター２の正常回転を維持することができる。

一方、この分散装置１においては、装置の運転時に回転軸１６側からエアーが間隙４内に供給されている。この際間隙４内のエアーは、シール部材４１で遮断されるので、混合物５が供給されている領域に侵入することがない。
したがって、エアーが混合物５に触れて混合物５が乾燥することがない。また、エアーが混合物５に混入するのを防止することができる。

ここで、間隙４内の混合物５の供給圧力Ｐ１とエアー圧力Ｐ２とに一定の値以上の差が生じると、シール部材４１のリップ４３が変形してシール部材４１の両側間に隙間が生じ、混合物５の逆流等が生じる惧れがある。しかし、この分散装置１においては、制御装置４８が第１、第２の圧力センサー４５、４６の出力に基づいて圧力Ｐ１、Ｐ２が均衡するように制御する。したがって、リップ４３の変形が防止され上記逆流等の問題が生じない。
また、間隙４がシール部材４１によって物理的に遮断されているので、混合物５の乾燥、混合物５へのエアーの混入を考慮することなくエアーの圧力を従来より高めることができ、したがってシール効果が高い状態で混合物５の供給量を増やすことが可能となり、装置の生産性を高めることができる。

また、本実施形態におけるシール部材４１は、基部４２からリップ４３の先端部に行くに従い厚みが小となるように形成され、リップ４３の先端部がローター２の上面２ａに弾性的に当接する。従って、分散装置１の剪断力を調整するため、ローター２とステータ３との間隙４の厚さを調整し、間隙４の厚さが変化しても、シール部材４１のリップ４３がその弾性によって間隙厚さの変化に追従し、シール機能を持続することができる。

上記の実施の形態では、シール部材として、弾性材料から形成され、基部４１とリップ４３とを備えたものを用いているが、このシール部材は他の材料、構成からなるものでもよい。
例えば、各種のグランドパッキンの構成を採用することができ、繊維糸を編み込んだブレードパッキンとすることもできる。

図３は、本発明の別の実施形態を示す図である。この実施形態が上記の実施形態と異なる点は、シール部材４１を上記の実施形態のようにステータ３側に設けるのではなく、ローター２側に設けたことであり、その他の構成は上記の実施形態と同一である。
すなわち、この実施形態では、ローター２の上面２ａに、貫通孔５１の軸線を中心とする環状溝３３Ａが形成されており、この環状溝３３Ａにはシール部材４１Ａの基部４２Ａが固定されている。シール部材４１Ａは、上記の実施形態のシール部材４１と同一構成であり、そのリップ４３Ａの先端部はステータ３の下面に当接している。この実施形態においては、装置を起動させてローター２が回転すると、シール部材４１Ａがステータ３の下面を摺動する。
この実施形態においても、シール部材４１Ａが間隙４内を仕切るので、上記の実施形態と同様の作用、効果を得ることができる。

図４から図５は、本発明の変形例におけるシール部材の拡大断面図である。
図４に示すように、本変形例では、基部４２の上部にスペーサー４２ａを備えている。本変形例におけるスペーサー４２ａは、環状のリング形状を有し、環状溝３３、３３Ａの底部に固定される。このスペーサー４２ａは、ローター２とステータ３との間隙４の厚さを調整した際、リップ４３の高さを調節するため用いられる。このスペーサー４２ａにより、ローター２とステータ３との間隙４の厚さに追随して、リップ４３の当接によるシール効果を確実なものとすることができる。

図５に示すシール部材４１ｂは、先端部としてリップ４３ｂとリップ４３ｃの２つのリップを備えている。本変形例では、リップ４３ｂと４３ｃの２つのリップによって、シール効果をより確実なものとすることができる。なお、リップの数は２つに限定されるものではなく、処理する混合物の性状や分散処理の種々の状況に応じて３つ以上のリップを有するシール部材を採用してよい。

図６に示すシール部材４１ｅは、上述の実施形態におけるシール部材４１の内側にシール部材４１ｄを隣接して配置したものである。この場合、環状溝３３、３３Ａの幅は、シール部材４１と４１ｄの両方が固定できるように拡張される。本変形例では、シール部材を２重にすることにより確実なシール効果を得ることができる。なお、本変形例では、環状溝３３、３３Ａの幅を拡張して２つのシール部材４１、４１ｄを一つの溝に固定するようにしたが、これに限定されず、環状溝を別途設けて２つの環状溝にシール部材４１、４１ｄをそれぞれ別個に固定するように構成してよい。

１分散装置
２ローター
２ａローターの上面
３ステータ
４間隙
５混合物
１４軸受
１６回転軸
３１回転軸挿通孔
３２混合物供給口
３２ａ開口端
３３環状溝
３９空間
４０エアパージシール機構
４１シール部材
４２基部
４３リップ（先端部）
４５第１の圧力センサー
４６第２の圧力センサー
４８制御装置

Claims

スラリー状又は液体状の混合物を供給して、これを分散させる剪断式の分散装置であって、
軸受と、
該軸受に上下方向の軸線を中心として回転自在に支持された回転軸と、
固定されたステータと、
該ステータの下面に対向するように配置され、前記回転軸に固定されて該回転軸により回転駆動されるローターと、
前記回転軸外側の空間を経て、前記ローターの上面と前記ステータの下面との間の、前記混合物が供給される間隙にエアーを供給するエアパージシール機構と、
を備え、
前記ステータには、前記ローターの上面に開口端が位置するように混合物供給口が設けられ、
前記間隙内における前記開口端と前記回転軸との間には、前記ローターと前記ステータとのいずれか一方に基部が固定され、他方に先端部が弾性的に当接するシール部材が設けられている、分散装置。
前記シール部材を基準として、前記ローターの半径方向外方側に供給される前記間隙内の混合物の供給圧力Ｐ１を検出する第１の圧力センサーと、同前記ローターの半径方向内方側に供給される前記間隙内のエアー圧力Ｐ２を検出する第２の圧力センサーと、
前記第１の圧力センサー、前記第２の圧力センサーの出力に基づいて前記エアー圧力Ｐ２、又は前記混合物供給口に供給する混合物の量を制御する制御装置と、
を備えている請求項１記載の分散装置。
前記シール部材は、弾性材料から形成された部材であって、前記基部から延出してその先端が他方に弾性的に当接するリップと、を備えている請求項１又は２記載の分散装置。
前記ステータには、その下面に前記回転軸の軸線を中心とする環状溝が形成され、
前記シール部材は、前記環状溝に固定される環状の前記基部と、該基部から拡径しつつ前記ローターの上面へ延び、その先端部が該上面に当接する前記リップと、を備えている請求項３記載の分散装置。
前記混合物供給口の内面には、前記第１の圧力センサーが設けられ、
前記ステータには、その中心部に前記回転軸を挿通する回転軸挿通孔が形成され、
前記ローターは、前記回転軸挿通孔から下方へ突出する前記回転軸の下端部に固定され、
前記回転軸挿通孔の内面には、前記第２の圧力センサーが設けられている、請求項４記載の分散装置。