JP7471573B2 - High pressure injection treatment equipment - Google Patents

High pressure injection treatment equipment Download PDF

Info

Publication number
JP7471573B2
JP7471573B2 JP2020048280A JP2020048280A JP7471573B2 JP 7471573 B2 JP7471573 B2 JP 7471573B2 JP 2020048280 A JP2020048280 A JP 2020048280A JP 2020048280 A JP2020048280 A JP 2020048280A JP 7471573 B2 JP7471573 B2 JP 7471573B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nozzle
pressure
raw material
cavitation
stage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020048280A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021146269A (en
Inventor
聡 岩坪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyama Prefecture
Original Assignee
Toyama Prefecture
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyama Prefecture filed Critical Toyama Prefecture
Priority to JP2020048280A priority Critical patent/JP7471573B2/en
Publication of JP2021146269A publication Critical patent/JP2021146269A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7471573B2 publication Critical patent/JP7471573B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Description

本発明は、原料の湿式微細化を行う際に用いられる高圧ノズルの噴射流循環方法及び高圧噴射処理装置に関する。 The present invention relates to a method for circulating the jet flow from a high-pressure nozzle and a high-pressure jet processing device used when wet-micronizing raw materials.

微粒子、特にナノ粒子は、そのサイズがナノメートル(nm)オーダーであることで表面積が極めて大きくなり、量子サイズ効果によって特有の物性を示すことなどから、様々な分野で研究され利用が進められている。それら粒子は電子部品、顔料、化粧品、医薬品、食品、農薬等、各種材料分野で広範囲に利用されつつある。特にナノ粒子は凝集し易いことからナノ粒子の特性を有効活用するためには、ナノ粒子の性質に合った適切な分散や微細化処理が必要である。また、近年セルロースなどのナノファイバー化への効率的な解繊技術もその材料の実用化にとって重要な技術となっている。これら微細化処理において、原料の粒子が混合された原料液をノズルから高圧噴射することで粒子自体を微細化する高圧噴射処理装置は、それら粒子を分散・微細化するために、広く実用化されている。 Microparticles, especially nanoparticles, are being studied and used in various fields because their size on the order of nanometers (nm) gives them an extremely large surface area and they exhibit unique physical properties due to the quantum size effect. These particles are being used widely in various material fields, such as electronic parts, pigments, cosmetics, pharmaceuticals, food, and pesticides. In particular, nanoparticles tend to aggregate easily, so in order to effectively utilize the properties of nanoparticles, appropriate dispersion and micronization processing that suits the properties of the nanoparticles is necessary. In recent years, efficient fiber defibration technology for nanofiberization of cellulose and other materials has also become an important technology for the practical use of these materials. In these micronization processes, high-pressure injection processing equipment, which micronizes the particles themselves by high-pressure injection from a nozzle with a raw material liquid mixed with the raw material particles, has been widely used to disperse and micronize these particles.

しかしながら、高圧噴射処理装置で処理された液の状態に関して、その場での評価方法が確立されておらず、プロセスの最適条件を見つけることが非常に困難であった。これまでは、高圧噴射処理装置で処理された溶液をサンプリングし、それをレーザ粒度分布装置で分析するなどして評価していた。このため、微細化処理の条件出しに時間がかかり、ビーズミル等のメディアを要する処理に比べて、この処理の高速性を十分に活かすことはできなかった。
また、従来高圧噴射処理処理では、低圧側のチャンバでの流体の衝突現象が微細化に有効であると考えられ、衝突型チャンバ、対向チャンバなど様々なチャンバが開発されてきた。しかし、これらの装置での微細化処理は、数十回の処理を必要とする材料もあり、更なる効率化が求められていた。
However, there is no established method for on-site evaluation of the state of the liquid processed by the high-pressure jet processing device, making it extremely difficult to find the optimal conditions for the process. Until now, the liquid processed by the high-pressure jet processing device was sampled and analyzed with a laser particle size distribution device for evaluation. For this reason, it took a long time to find the conditions for the micronization process, and the high speed of this process could not be fully utilized compared to processes that require media such as a bead mill.
In addition, in conventional high-pressure injection processing, it is believed that the collision phenomenon of fluids in a low-pressure chamber is effective for microfabrication, and various chambers such as collision-type chambers and opposed chambers have been developed. However, microfabrication processing with these devices requires dozens of processes for some materials, and further efficiency improvements are required.

このような背景から本発明者は、原料の湿式微細化を行う際に用いられる高圧噴射処理装置のモニタリング方法及び高圧噴射処理装置のモニタリング機器について、いくつかの提案と開発を行った。
特許文献1には、原料液をノズル内平均速度が300m/s以上となるように高圧噴射して微細化または解繊する請求項1から6のいずれか一項記載のノズルを備えた高圧噴射処理装置において、前記高圧噴射処理装置にAEセンサを取り付け、AE信号を検出し、その値の大きさから微細化特性の性能評価を行うことを特徴とする高圧噴射処理装置の評価方法が開示されている。
In light of this background, the present inventors have proposed and developed several monitoring methods and monitoring devices for high-pressure injection processing apparatuses used in wet-type pulverization of raw materials.
Patent Document 1 discloses a method for evaluating a high-pressure jet processing device equipped with a nozzle according to any one of claims 1 to 6, which performs high-pressure jet processing by high-pressure jetting such that the average velocity inside the nozzle is 300 m/s or more to finely pulverize or defibrate the raw material liquid, the method comprising attaching an AE sensor to the high-pressure jet processing device, detecting an AE signal, and evaluating the performance of the fine-pulverization characteristics from the magnitude of the AE signal.

特許文献2には、「(請求項1) 高圧ノズルから所定圧力で原料液を高圧噴射して粒子を微粒化する高圧噴射処理装置におけるモニタリング方法であって、前記原料液を高圧噴射する作業を複数回繰り返す作業において前記高圧ノズル内で生じるキャビテーションによる信号を検出し、前記信号のレベルを所定時間内の実効値で評価し、高圧噴射処理の前後での前記実効値の変化量が設定範囲内となったときに前記粒子が微粒化されたと判定することを特徴とする高圧噴射処理装置のモニタリング方法」と、「(請求項2) 前記高圧噴射処理装置にAEセンサを取り付けて、前記高圧噴射の際に前記高圧ノズル内で生じる周波数が0.2MHz以上のキャビテーションによるAE信号を検出することを特徴とする請求項1記載の高圧噴射処理装置のモニタリング方法」が開示されている。 Patent document 2 discloses "(Claim 1) A monitoring method for a high-pressure injection processing device that atomizes particles by high-pressure injection of raw material liquid from a high-pressure nozzle at a predetermined pressure, the monitoring method for the high-pressure injection processing device is characterized in that a signal caused by cavitation occurring in the high-pressure nozzle during an operation in which the operation of high-pressure injection of the raw material liquid is repeated multiple times is detected, the level of the signal is evaluated as an effective value within a predetermined time, and when the amount of change in the effective value before and after the high-pressure injection process falls within a set range, it is determined that the particles have been atomized" and "(Claim 2) The monitoring method for the high-pressure injection processing device described in claim 1, characterized in that an AE sensor is attached to the high-pressure injection processing device and an AE signal caused by cavitation with a frequency of 0.2 MHz or more occurring in the high-pressure nozzle during the high-pressure injection is detected."

非特許文献には、超音波分光法に関する論文であり、TiOスラリーの粒径とそこを伝搬する超音波減衰に関する事例が報告されている。 In the non-patent literature, a paper on ultrasonic spectroscopy reports an example of the particle size of a TiO2 slurry and the attenuation of ultrasonic waves propagating therethrough.

特開2017-177037号公報JP 2017-177037 A 特許第6221120号公報Patent No. 6221120

DUKHIN, A.S., GOETZ, P. J., (1996), Acoustic Spectroscopy for Concentrated Polydisperse Cllods with High Density Contrast, Langmuir, 12, pp. 4987-4997DUKHIN, A. S. , GOETZ, P. J. , (1996), Acoustic Spectroscopy for Concentrated Polydisperse Clados with High Density Contrast, Langmuir, 12, pp. 4987-4997

従来高圧噴射処理は、低圧側のチャンバでの流体の衝突現象が微細化に有効であると考えられ、衝突型チャンバ、対向チャンバなど様々なチャンバが開発されてきた。しかし、これらの装置での微細化には、数十回の処理を必要とする材料もあり、更なる効率化が求められていた。
高圧噴射処理で利用しているキャビテーションは、液体の流れの乱れによって局部的に低圧となる部分が生じ、その低圧部分が液体の蒸気圧を下回った時に気泡として発生し、その気泡が収縮し崩壊するときに、大きな衝撃力が生まれる現象である。この処理は、主にキャビテーションを微細化に応用してるので、この方法はなるべく高圧でキャビテーションを起こすことで、より大きな破壊力を得ることができる。このとき高圧で発生する高エネルギー、すなわち高い周波数のキャビテーションの状態をモニタリングすることで、破壊の過程と投入した粒子を含む溶液の原料液の状態を評価できる(特許文献1)。
In conventional high-pressure injection processing, it is believed that the collision phenomenon of fluids in a low-pressure chamber is effective for microfabrication, and various chambers have been developed, such as collision-type chambers and opposed chambers. However, microfabrication with these devices requires some materials to be processed dozens of times, and further efficiency improvements are needed.
Cavitation used in high-pressure injection processing is a phenomenon in which localized low pressure areas are generated due to turbulence in the liquid flow, and when the low-pressure areas fall below the vapor pressure of the liquid, bubbles are generated, and when the bubbles contract and collapse, a large impact force is generated. Since this processing mainly applies cavitation to microparticulation, this method can obtain a larger destructive force by generating cavitation at as high a pressure as possible. By monitoring the state of the high energy generated at this time at high pressure, i.e., the high-frequency cavitation, the destruction process and the state of the raw solution containing the introduced particles can be evaluated (Patent Document 1).

本発明者は、上記キャビテーションによる微細化効率を上げるには、なるべくエネルギーの高い高圧の領域でキャビテーションを発生される方法が良いことを研究により明らかにし、高圧ノズルを一段から多段構成にし、2段目以降に高圧キャビテーション領域を形成することで、微細化に関係する領域を拡大させ、効率を向上させた(特許文献1)。その中で、キャビテーションが多く起こってるにもかかわらず、粒子が微細化されていない現象があった。そして今回の実験から、ノズル内に使用されていない微細化領域が存在することをつきとめ、さらに効率を上げるために噴射による流れを利用し、ノズル内の微細化に使用されていない微細化領域に、積極的に原料を送り込む機構を設けた新規ノズルを発明した。 The inventor has found through research that in order to increase the efficiency of the above-mentioned micro-refining by cavitation, it is best to generate cavitation in a high-pressure region with as much energy as possible. By changing the high-pressure nozzle from a single stage to a multi-stage configuration and forming a high-pressure cavitation region from the second stage onwards, the region related to micro-refining is expanded and efficiency is improved (Patent Document 1). However, there was a phenomenon in which particles were not micro-refined even though there was a lot of cavitation. From this experiment, it was discovered that there was an unused micro-refining region within the nozzle, and in order to further increase efficiency, a new nozzle was invented that utilizes the flow caused by the injection and has a mechanism for actively sending raw material to the micro-refining region within the nozzle that is not being used for micro-refining.

本発明の目的は、更なる微細化の効率化と有効な解繊が可能になる高精度な高圧ノズルの噴射流循環方法及び高圧噴射処理装置を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a high-precision high-pressure nozzle jet flow circulation method and high-pressure jet processing device that enables further efficient fine fiberization and effective defibration.

本発明は、原料液を高圧噴射して微細化する高圧ノズルにおいて、高圧ノズルの通孔から噴射された原料液の一部を高圧ノズルの上流側の通孔に戻すための戻し手段を設けて、高圧ノズルの通孔から再度高圧噴射させることを特徴とする高圧ノズルの噴射流循環方法である。前記戻し手段は、高圧ノズルの通孔から噴射された原料液の一部をその噴射流の反動を利用して高圧ノズルの上流側の通孔に戻すために形成された戻し通路であるか、及び/又は、流体の流れを利用しベンチュリ効果によって減圧状態を作り出すためのアスピュレータ機構を備えるものであることを特徴とする。また、前記戻し手段は、高圧ノズルの通孔から噴射された原料液の一部をその噴射流を利用して高圧ノズルの上流側の通孔に戻すために形成された戻し通路であり、かつ、前記高圧ノズルの通孔の近傍位置に設けられる戻し通路であり、原料液の一部は、噴射される原料液の周囲に生じる噴射液を含み、この噴射液が前記高圧ノズルの通孔の近傍位置に設けられる前記戻し通路により前記高圧ノズルの上流側の通孔に戻されることを特徴とする。ここで、「その噴射流を利用する」とは、通孔に戻される対象となる原料液がノズル高圧ノズル内の領域にあるものでも良く、低圧チャンバに高圧ノズルを配置して、アスピュレータ機構を設けて低圧チャンバに噴出した原料液を戻すものであっても良い。アスピュレータ機構とは、流体の流れを利用し、ベンチュリ効果によって減圧状態を作り出すための機構のことであり、本発明は高速に噴射されている流れに巻き込まれるように、原料液を取り込む現象を利用している。 The present invention is a method for circulating the jet flow of a high-pressure nozzle, which is characterized in that in a high-pressure nozzle that atomizes raw material liquid by high-pressure jetting, a return means is provided for returning a portion of the raw material liquid jetted from the through hole of the high-pressure nozzle to the through hole on the upstream side of the high-pressure nozzle, and the raw material liquid is jetted again at high pressure from the through hole of the high-pressure nozzle. The return means is a return passage formed to return a portion of the raw material liquid jetted from the through hole of the high-pressure nozzle to the through hole on the upstream side of the high-pressure nozzle by utilizing the reaction of the jet flow, and/or is provided with an aspulator mechanism for creating a reduced pressure state by the Venturi effect using the flow of the fluid. The return means is a return passage formed to return a portion of the raw material liquid jetted from the through hole of the high-pressure nozzle to the through hole on the upstream side of the high-pressure nozzle by utilizing the jet flow, and is a return passage provided in the vicinity of the through hole of the high-pressure nozzle, and a portion of the raw material liquid includes the jet liquid generated around the jetted raw material liquid, and this jet liquid is returned to the through hole on the upstream side of the high-pressure nozzle by the return passage provided in the vicinity of the through hole of the high-pressure nozzle. Here, "using the jet flow" may mean that the raw material liquid to be returned to the through hole is in the area inside the high-pressure nozzle, or that a high-pressure nozzle is placed in a low-pressure chamber and an aspulator mechanism is provided to return the raw material liquid jetted into the low-pressure chamber. The aspulator mechanism is a mechanism that uses the flow of a fluid to create a reduced pressure state by the Venturi effect, and the present invention uses the phenomenon in which the raw material liquid is drawn in by being caught up in the high-speed jet flow.

また、ノズルチップとノズルホルダからなる高圧ノズルを複数収容するノズルケースの外周壁に前記戻し通路を設けるとともに、前記ノズルチップ及び/又は前記ノズルホルダの側面部に高圧ノズルの通孔に導く連絡通路を設けるか、前記ノズルチップと前記ノズルホルダとの隙間に高圧ノズルの通孔に導く連絡通路を設けるか、又は、前記高圧ノズル間にスペーサを介在させて、前記スペーサに高圧ノズルの通孔に導く連絡通路を設けることが好ましい。
本発明によれば、キャビテーションが起こっているがその部分に原料が流れていない領域に、原料液を供給することにより、微細化の効率化が図られる。このため、従来複数回の微細化処理を繰り返す必要があったが、処理回数の大幅な減少が期待できる。
It is also preferable to provide the return passage on the outer peripheral wall of a nozzle case that houses a plurality of high-pressure nozzles each consisting of a nozzle tip and a nozzle holder, and to provide a communication passage leading to the through hole of the high-pressure nozzle on the side portion of the nozzle tip and/or the nozzle holder, or to provide a communication passage leading to the through hole of the high-pressure nozzle in the gap between the nozzle tip and the nozzle holder, or to interpose a spacer between the high-pressure nozzles and provide a communication passage in the spacer that leads to the through hole of the high-pressure nozzle.
According to the present invention, the efficiency of the micro-fine grains can be improved by supplying the raw material liquid to the area where cavitation occurs but the raw material does not flow in that area. Therefore, it is expected that the number of times of the micro-fine grains treatment, which has been required in the past, can be significantly reduced.

高圧噴射処理による微細化方法には2通りの作用効果がある。一つは、高圧噴射によるノズル内の高速な流れの境界付近の大きな速度差による「せん断」である。他の一つは、高圧噴射による高速な流体によって引き起こされる負圧による「キャビテーション」(液体の流れの中で圧力差により短時間に泡の発生と消滅が起きる物理現象)である。「せん断」は速度差に基づくものであるから、高速・高圧で噴射される流体の界面でのみ行われる。そのため、液全体にその効果が及びにくく、微細化特性は余り良くない。一方、キャビテーションは通孔から噴射した流れの外側に、クラウド状態に多く発生するため、その部分を上手く利用することでその効果を液全体に及び易くすることができる。そこで、キャビテーションの有効利用をするために、ノズル構造の工夫によって、微細化特性の向上を指向した。
本願発明者は単独のノズルの構成であった高圧ノズルを多段化することでキャビテーションの利用効率が向上し、微細化性能が上がった構成を実現し、さらに改良を試みたが、上記モニタリングによる測定データで、キャビテーションは多く発生しているが、微細化の効率が上がらない結果がいくつかあった。つまり、ノズル内で高いエネルギーのキャビテーションが起きているが、それが原料液に作用していない領域があると考えられた。その領域は高圧ノズル内部にあると考え、戻し通路によってその部分に材料を供給することで微細化効率が大幅に向上した。具体的には、多段化したノズルに戻し通路(戻し手段)を設けた装置を試作し、その実験結果を調べた。
The high-pressure injection process has two types of effects. One is "shear" caused by a large speed difference near the boundary of the high-speed flow inside the nozzle due to high-pressure injection. The other is "cavitation" (a physical phenomenon in which bubbles are generated and disappear in a short time due to pressure differences in a liquid flow) caused by negative pressure caused by the high-speed fluid due to high-pressure injection. Since "shear" is based on the speed difference, it only occurs at the interface of the fluid injected at high speed and high pressure. Therefore, its effect is difficult to extend to the entire liquid, and the micronization characteristics are not very good. On the other hand, cavitation often occurs in a cloud state on the outside of the flow injected from the through hole, so by making good use of that part, it is possible to make the effect more likely to extend to the entire liquid. Therefore, in order to make effective use of cavitation, we aimed to improve the micronization characteristics by devising a nozzle structure.
The inventors of the present application improved the efficiency of cavitation by increasing the number of stages of the high-pressure nozzle, which was previously a single nozzle, and realized a configuration with improved micronization performance. They then attempted to make further improvements, but the measurement data from the above monitoring showed that although cavitation occurred frequently, there were some results in which the efficiency of micronization did not improve. In other words, it was thought that there was an area in the nozzle where high-energy cavitation was occurring but where it was not acting on the raw material liquid. It was thought that this area was inside the high-pressure nozzle, and the efficiency of micronization was greatly improved by supplying material to this area through a return passage. Specifically, a prototype device was made with a multi-stage nozzle and a return passage (return means), and the experimental results were examined.

微細化の具体的な作用としては、1.せん断による微細化として、ジェット流境界付近の大きな速度勾配のある領域(図11に示す領域(a))と、2.高圧キャビテーションによる微細化として、圧力が高いジェット流の外側の領域(図11に示す領域(b))の2種類がある。単独ノズルの場合、上記領域(b)はノズルチップの近くで圧力が少し高くなっているが、微細化できるほど高いエネルギーのキャビテーションでないため原料液が微細化されないと考えられる。そこで、多段の高圧ノズル構成で高圧領域を拡大し、さらに、その高圧部分に原料を補給する機構、すなわち高圧ノズルケースの通孔Naから噴射された原料液を再度高圧ノズルケース内の通孔Naに戻す戻し通路を形成して、噴射された原料液の一部を高圧ノズルの上流側の通孔に戻して、高圧噴射させる構造とした。このとき、戻し通路Nt1,Nt2には、流体を利用してベンチュリ効果によって減圧状態を作り出すアスピュレータAs(英語:Aspirator)機構が働くことや流れの反動により、液がノズル内に戻ることが重要である。 Specific actions of atomization include: 1. atomization by shear in the region with a large velocity gradient near the boundary of the jet flow (region (a) in Figure 11); and 2. atomization by high-pressure cavitation in the region outside the jet flow where the pressure is high (region (b) in Figure 11). In the case of a single nozzle, the pressure in region (b) is slightly higher near the nozzle tip, but the cavitation energy is not high enough to atomize the raw material liquid, so it is thought that the raw material liquid is not atomized. Therefore, a multi-stage high-pressure nozzle configuration is used to expand the high-pressure region, and a mechanism for replenishing the raw material to the high-pressure portion is formed, that is, a return passage is formed to return the raw material liquid sprayed from the through hole Na of the high-pressure nozzle case back to the through hole Na in the high-pressure nozzle case, and a part of the sprayed raw material liquid is returned to the through hole on the upstream side of the high-pressure nozzle for high-pressure spraying. At this time, it is important that the return passages Nt1 and Nt2 have an aspirator mechanism that uses the fluid to create a reduced pressure state through the Venturi effect, and that the liquid returns to the nozzle due to the reaction of the flow.

(多段ノズルでのアスピュレータの効果)
これまでの本願発明者の研究を基に、ノズル内の液の流れについて考察する。流れには、大きく分けて、層流、乱流、ジェット流の3つがあり、噴射速度が大きくなると、後者に移る。本発明の微細化のための装置では、高圧で噴射された流れはジェット流になっているので、その境界には大きな速度勾配があるが、その内部はほぼ一様な速度を持っている。そのためこのジェット流の中で大きなせん断力が働くことはほとんどない。一方、流れの境界部分には、大きなせん断力が働く。また、ある圧力下で速度差が大きくなると、その外側にキャビテーションが起こるようになる。一般的には、キャビテーションクラウドと呼ばれる現象が起きる。この状態で微細化の作用のある領域は、(a)大きなせん断力のある境界部分と、(b)流れの外側で発生するキャビテーションの2種類で、微細化の観点から重要な条件をあげる(図11参照)。
(a)大きなせん断力のある境界部分を大きくするには、流れの速度をなるべく下げないことが必要である。つまり、速い流れが起こるように、流れの抵抗となる部分を作らないことが重要である。
(b)キャビテーションによる破壊、または微細化を強くするには、高い速度でなるべく高圧の領域でキャビテーションを起こすことが必要になる。
上記(a)は障害物がなく直進性に優れた流れを起こすことと、層流などが起きないようにノズル径を調整することが必要である。例えば、径の大きさ制限などがある。
また、上記(b)は圧力が下がらないように、なるべく高圧部分を拡張した構造(多段ノズル構造で排出側に向かって通孔が大きくなる)が有効になる。
しかしながら、単純に高圧ノズルを多段構成にした場合は、高いエネルギーのキャビテーションが発生している領域は増加するが、構造上その部分には微細化される原料の循環がなく、ノズルホルダなどへの損傷があるだけで効率が上がらないことがあった。
例えば、図9に示す高圧噴射装置(多段構造)の場合には、低圧チャンバ側のノズル出口では、流れによる負圧によって、原料が少し内部に入ることも考えられるが、高圧キャビーションが働くノズル内までに入り込む原料はほとんど無い。そこで噴射後、低圧チャンバ内に滞留する原料液を高圧ノズルの通孔に戻し、再度高圧噴射するためのアスピュレータAsを設けることで微細化効率が向上できると仮定した。
(Effect of aspulator on multi-stage nozzle)
Based on the research of the inventors of the present application, the flow of liquid in a nozzle is considered. There are three types of flow: laminar flow, turbulent flow, and jet flow. When the injection speed increases, the flow moves to the latter type. In the device for atomization of the present invention, the flow injected at high pressure becomes a jet flow, so there is a large velocity gradient at the boundary, but the inside has an almost uniform velocity. Therefore, large shear forces hardly act in this jet flow. On the other hand, large shear forces act on the boundary part of the flow. Also, when the velocity difference becomes large under a certain pressure, cavitation occurs outside. Generally, a phenomenon called cavitation cloud occurs. In this state, there are two types of regions where atomization occurs: (a) the boundary part with large shear forces and (b) cavitation occurring outside the flow. Important conditions from the viewpoint of atomization are given below (see FIG. 11).
(a) In order to enlarge the boundary area with large shear force, it is necessary to keep the flow speed as low as possible. In other words, it is important to avoid creating any part that acts as resistance to the flow so that a fast flow can occur.
(b) In order to enhance the destruction or atomization caused by cavitation, it is necessary to cause cavitation at a high speed and in a region of as high pressure as possible.
The above (a) requires that there be no obstacles and that a flow with excellent linearity be generated, and that the nozzle diameter be adjusted to prevent laminar flow, etc. For example, there is a restriction on the size of the diameter.
In addition, in the case of (b) above, a structure in which the high-pressure portion is expanded as much as possible (a multi-stage nozzle structure in which the through holes become larger toward the discharge side) is effective in preventing the pressure from dropping.
However, simply configuring high-pressure nozzles in multiple stages increases the area where high-energy cavitation occurs, but due to the structure, there is no circulation of the raw material to be atomized in that area, and efficiency may not increase simply because of damage to the nozzle holder, etc.
For example, in the case of the high-pressure injection device (multi-stage structure) shown in Fig. 9, it is conceivable that the raw material may enter the nozzle outlet on the low-pressure chamber side slightly due to the negative pressure caused by the flow, but almost no raw material enters the nozzle where the high-pressure cavitation works. Therefore, it was assumed that the efficiency of micronization could be improved by providing an aspulator As for returning the raw material liquid remaining in the low-pressure chamber after injection to the through hole of the high-pressure nozzle and injecting it again at high pressure.

本発明では、アスピュレータ機構や流れに反動が働くような構造で、前記高圧ノズルを分割して、この分割した隙間を介して、低圧チャンバから高圧ノズルの通孔に戻し、再度高圧噴射させることも可能である。また、高圧ノズルを分割して、その分割した隙間を利用して、ノズルの通孔と前記戻し通路と連結させることで、前記戻し通路を容易に製造することもできる。 In the present invention, it is possible to divide the high-pressure nozzle using an aspirator mechanism or a structure that applies a reaction force to the flow, and return the air from the low-pressure chamber to the through hole of the high-pressure nozzle through the divided gap, and then spray it again at high pressure. In addition, the return passage can be easily manufactured by dividing the high-pressure nozzle and using the divided gap to connect the nozzle through hole and the return passage.

本発明の前記高圧ノズルは、ノズルチップとノズルホルダで構成される高圧ノズルを複数連結させた多段式であり、前記複数連結させた高圧ノズルを収容するノズルケースを備え、前記ノズルケースには戻し通路を設け、N番目のノズルホルダに設けられた通孔の近傍領域の原料液を一番上流側の第1番目の高圧ノズルの直後の位置に戻すことを特徴とする。
なお、本発明の前記高圧ノズルは多段式であり、複数の高圧ノズルと高圧ノズルとの間にスペーサが介在されて、前記スペーサに切り欠きや溝を設けるか、あるいは貫通孔を開けるか、スペーサを分割するなどして連絡通路を設け、前記ノズルケースの戻し通路と連結されて戻し手段(アスピュレータ)を構成し、高圧ノズルの通孔Naに、原料を戻すことが好ましい(図5(b))。このとき、高速な流れに影響がでないように低圧側のノズル径を高圧側のものより大きくし、また、戻し手段(アスピュレータ)を構成する戻し通路と連絡通路も、その噴射流に影響がでないように流れの方向に対して軸対称に設置することが好ましい。
本発明によれば、複数の高圧ノズルによる多段式の場合、低圧チャンバ内に滞留している原料液の一部を低圧チャンバから前記戻し手段で高圧ノズルの通孔に戻すことで、これまで使用できていなかったキャビテーション領域での処理も可能となる。それに加えて、流路が曲がることにより(戻し通路に角部のコーナーを設けることにより)、原料に大きなせん断力を加えることも可能になる(図28(a)参照)。これらの作用により、効率的な微細化や解繊が実現できる。ただしこの効果を出すためには、戻し手段を構成する連絡通路をノズルチップの直前に設けることなど、直線的な流れを妨害しないことが重要である。
The high-pressure nozzle of the present invention is a multi-stage type in which a plurality of high-pressure nozzles, each of which is composed of a nozzle tip and a nozzle holder, is connected together, and is provided with a nozzle case that houses the plurality of connected high-pressure nozzles. The nozzle case is provided with a return passage, and the raw material liquid in the area adjacent to the through hole provided in the Nth nozzle holder is returned to a position immediately behind the first high-pressure nozzle on the most upstream side.
In addition, it is preferable that the high-pressure nozzle of the present invention is a multi-stage type, and spacers are interposed between the multiple high-pressure nozzles, and communication passages are provided by providing notches or grooves in the spacers, or by opening through holes or dividing the spacers, and these are connected to the return passages of the nozzle case to form a return means (aspulator) that returns the raw material to the through holes Na of the high-pressure nozzle (Figure 5 (b)). In this case, the nozzle diameter on the low-pressure side is made larger than that on the high-pressure side so as not to affect the high-speed flow, and the return passages and communication passages that constitute the return means (aspulator) are preferably installed axially symmetrically with respect to the flow direction so as not to affect the jet flow.
According to the present invention, in the case of a multi-stage system using multiple high-pressure nozzles, a part of the raw material liquid remaining in the low-pressure chamber is returned from the low-pressure chamber to the through-hole of the high-pressure nozzle by the return means, which enables processing in the cavitation region that could not be used before. In addition, by bending the flow path (by providing a corner in the return passage), it becomes possible to apply a large shear force to the raw material (see FIG. 28(a)). These actions enable efficient fine reduction and defibration. However, in order to achieve this effect, it is important not to interfere with the linear flow, for example by providing the communication passage constituting the return means immediately before the nozzle tip.

本発明は、前記高圧ノズルの通孔は高圧ノズルの中央に形成され、前記戻し通路は高圧ノズルの通孔に対して前記高圧ノズルを軸とする対称な外周位置に複数設けられていることを特徴とする。ここで、前記戻し通路を高圧ノズルの通孔に対して対称位置に複数配置し、それらの合計した直径の大きさが前記高圧ノズル直径Dnmのより大きいことが好ましい。
本発明によれば、高圧ノズルの通孔より処理できる量に加えて、下流側の大きくなったノズル通孔部分で、キャビテーションなどの微細化作用を受ける体積が増加するために、原料の効率的な微細化や解繊が可能になる。
The present invention is characterized in that the through hole of the high pressure nozzle is formed in the center of the high pressure nozzle, and the return passage is provided in a plurality of positions symmetrically around the outer periphery of the through hole of the high pressure nozzle with the high pressure nozzle as an axis. Here, it is preferable that the return passages are arranged in a plurality of positions symmetrically around the through hole of the high pressure nozzle, and that the total diameter of the return passages is larger than the high pressure nozzle diameter Dnm.
According to the present invention, in addition to the amount that can be processed through the high-pressure nozzle hole, the enlarged nozzle hole portion on the downstream side increases the volume that is subjected to the micronizing effect such as cavitation, making it possible to efficiently micronize and defibrate the raw material.

本発明によれば、高いエネルギーのキャビテーションが起こっているが、戻し手段により、微細化に利用されていなかった領域に原料を供給することで、効率的な微細化を図ることができる。このため、従来の装置外で循環経路を形成して、複数回の微細化を行う場合に比べて、非常に高効率な微細化が行われ、本発明の高圧噴射装置に1回の微細化は、従来の複数回の噴射に相当し、より均一な微細化が可能になる。その結果、単分散の懸濁液や均一なファイバーの作製が容易に達成できる。 According to the present invention, high-energy cavitation occurs, but efficient micronization can be achieved by using a return means to supply raw material to areas that have not been used for micronization. Therefore, compared to conventional cases where a circulation path is formed outside the device and multiple micronizations are performed, extremely efficient micronization is achieved, and one micronization with the high-pressure injection device of the present invention is equivalent to multiple conventional injections, making more uniform micronization possible. As a result, the production of monodispersed suspensions and uniform fibers can be easily achieved.

本発明を適用した実施形態の高圧噴射処理装置の高圧ノズル部で発生するキャビテーションを示す概念図である。1 is a conceptual diagram showing cavitation occurring in a high-pressure nozzle of a high-pressure injection processing device according to an embodiment of the present invention. 本発明を適用した実施形態の高圧噴射処理装置のモニタリング方法の作業手順を示すフロー図である。FIG. 1 is a flow chart showing the procedure of a monitoring method for a high-pressure injection treatment device according to an embodiment of the present invention. 高圧噴射された原料液中の粒子がキャビテーション崩壊によって微粒化される過程を模式的に示す図である。1A to 1C are diagrams illustrating a process in which particles in a raw material liquid injected at high pressure are atomized by cavitation collapse. 高圧噴射処理装置における多段式高圧ノズルの模式的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic diagram of a multi-stage high-pressure nozzle in a high-pressure injection treatment device. 高圧噴射処理装置における単独の高圧ノズルを示す概略図であり、(a)はノズルN1を示す断面図で、(b)は、ノズルチップの通孔の直径Dnに対する厚みWnの比(Wn/Dn)を10とする例である。1A and 1B are schematic diagrams showing a single high-pressure nozzle in a high-pressure injection processing device, in which (a) is a cross-sectional view showing the nozzle N1, and (b) is an example in which the ratio (Wn/Dn) of the thickness Wn to the diameter Dn of the nozzle tip through hole is 10. 本発明を適用した第1の実施の形態に使用される高圧ノズルを示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a high-pressure nozzle used in the first embodiment to which the present invention is applied. 本発明を適用した上記実施の形態に使用される多段式高圧ノズルのみの構成を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of only a multi-stage high-pressure nozzle used in the above embodiment to which the present invention is applied. 本発明を適用した上記実施の形態に使用される多段式高圧ノズルのみの構成を示す展開図である。FIG. 2 is a development view showing the configuration of only the multi-stage high-pressure nozzle used in the above embodiment to which the present invention is applied. 本発明を適用した上記実施の形態に使用される多段式高圧ノズルを収容し、戻し通路を設けたノズルケースを示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a nozzle case that houses a multi-stage high-pressure nozzle used in the above embodiment to which the present invention is applied and has a return passage. 本発明を適用した上記実施の形態に使用されるノズルケースに多段式高圧ノズルが収容された状態を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a state in which a multi-stage high-pressure nozzle is housed in a nozzle case used in the above embodiment to which the present invention is applied. 単独の高圧ノズル周辺の噴射液の流れ及び、微細化領域を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the flow of the jet liquid around a single high-pressure nozzle and the atomized region. 本発明を適用した上記実施の形態の多段式高圧ノズルと噴射流の循環状態を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the multi-stage high-pressure nozzle of the above embodiment to which the present invention is applied and the circulation state of the jet flow. 本発明を適用した上記実施の形態の多段式高圧ノズルと噴射流の循環状態を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the multi-stage high-pressure nozzle of the above embodiment to which the present invention is applied and the circulation state of the jet flow. 本発明における実験において単独ノズルによるAEの大きさと処理液の粘度ηを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the magnitude of AE and the viscosity η of the treatment liquid when a single nozzle is used in an experiment according to the present invention. 本発明における実験において多段式高圧ノズルを用いた場合のAEとηを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing AE and η when a multi-stage high-pressure nozzle is used in an experiment in the present invention. 本発明における実験においてアスピュレータをN2-N3間に1本配置した多段式高圧ノズルを用いた場合のAEとηを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing AE and η when a multi-stage high-pressure nozzle in which one aspulator is disposed between N2 and N3 is used in an experiment in the present invention. 本発明における実験においてアスピュレータをN1-N2間に1本配置した多段式高圧ノズルを用いた場合のAEとηを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing AE and η when a multi-stage high-pressure nozzle having one aspulator disposed between N1 and N2 is used in an experiment according to the present invention. 本発明における実験においてアスピュレータをN2-N3間に2本配置した多段式高圧ノズルを用いた場合のAEとηを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing AE and η when a multi-stage high-pressure nozzle having two aspulators arranged between N2 and N3 is used in an experiment according to the present invention. 本発明における実験においてアスピュレータをN1-N2間に2本配置した多段式高圧ノズルを用いた場合のAEとηを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing AE and η when a multi-stage high-pressure nozzle having two aspulators arranged between N1 and N2 is used in an experiment of the present invention. 本発明における実験においてアスピュレータをN1-N2間に中間体を配した多段式高圧ノズルを用いた場合のAEとηを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing AE and η when an aspulator is used as a multi-stage high-pressure nozzle having an intermediate body disposed between N1 and N2 in an experiment according to the present invention. 本発明における実験においてアスピュレータをN1-N2間に中間体を配し、N2の直前にアスピュレータを2本配置した多段式高圧ノズルを用いた場合のAEとηを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing AE and η when an aspulator is used in an experiment of the present invention, in which an intermediate aspulator is disposed between N1 and N2 and a multi-stage high-pressure nozzle in which two aspulators are disposed immediately before N2 is used. 本発明における実験においてアスピュレータをN1-N2間に中間体を配し、中間体にアスピュレータを2本配置した多段式高圧ノズルを用いた場合のAEとηを示す図である。FIG. 13 is a graph showing AE and η when an intermediate body is disposed between N1 and N2 and a multi-stage high-pressure nozzle having two aspulators disposed on the intermediate body is used in an experiment according to the present invention. 本発明における実験において5段構造の多段式高圧ノズルを用いた場合のAEとηを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing AE and η when a multi-stage high-pressure nozzle having a five-stage structure is used in an experiment in the present invention. 本発明における実験において5段構造の多段式高圧ノズルのN1-N2間にアスピュレータを2本配置した場合のAEとηを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing AE and η when two aspulators are arranged between N1-N2 of a five-stage multi-stage high-pressure nozzle in an experiment according to the present invention. 本発明における実験において使用する微細化前の原料の顕微鏡画像である。1 is a microscope image of a raw material before being pulverized, used in an experiment in the present invention. 本発明における実験において単独の高圧ノズルを使用して微細化した原料の顕微鏡画像である。1 is a microscope image of a feedstock atomized using a single high pressure nozzle in an experiment according to the present invention. 本発明における実験において多段式高圧ノズル(3段)を使用して微細化した原料の顕微鏡画像である。1 is a microscope image of a raw material pulverized using a multi-stage high-pressure nozzle (three stages) in an experiment of the present invention. 本発明における実験においてN1-N2間にアスピュレータを2本配置した多段式高圧ノズル(3段)を使用して微細化した原料の顕微鏡画像である。This is a microscope image of a raw material that was pulverized using a multi-stage high-pressure nozzle (3 stages) with two aspirators arranged between N1 and N2 in an experiment of the present invention. 本発明における実験の結果をまとめたもので、使用した各種ノズルの処理回数Npと処理液の粘度ηを示した図である。FIG. 11 is a diagram summarizing the results of an experiment in the present invention, showing the number of treatments Np and the viscosity η of the treatment liquid for each type of nozzle used. 多段式高圧ノズルの内部において微細化が起こっている箇所を示した模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a location where atomization occurs inside a multi-stage high-pressure nozzle. 本発明を適用した実施の形態の多段式高圧ノズルにおいて、アスピュレータの有効な配置位置を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an effective arrangement position of an aspulator in a multi-stage high-pressure nozzle according to an embodiment of the present invention. 本発明を適用した別の実施の形態の多段式高圧ノズルを示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a multi-stage high-pressure nozzle according to another embodiment of the present invention. 本発明を適用した別の実施の形態の多段式高圧ノズルを示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a multi-stage high-pressure nozzle according to another embodiment of the present invention. 本発明を適用した別の実施の形態の多段式高圧ノズルを示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a multi-stage high-pressure nozzle according to another embodiment of the present invention. 本発明を適用した別の実施の形態の多段式高圧ノズルを示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a multi-stage high-pressure nozzle according to another embodiment of the present invention. 本発明を適用した別の実施の形態の多段式高圧ノズルを示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a multi-stage high-pressure nozzle according to another embodiment of the present invention.

以下、本発明を適用した実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 The following describes in detail an embodiment of the present invention with reference to the drawings.

(本発明において使用する高圧噴射処理装置の構成)
図1は、本発明の高圧噴射処理装置の高圧チャンバ500と、低圧チャンバ40および高圧ノズル400(ノズルケース100)周辺の概略構成を示すブロック図である。
以下、原料液10の移動方向に関し、高圧噴射処理装置の高圧チャンバ側を上流側、低圧チャンバ側を下流側として詳細を説明する。
本発明において、高圧噴射処理装置は、高圧ポンプを駆動及び制御することで原料液を100MPa以上に加圧するための駆動制御部と、原料液10を100MPa以上に加圧する高圧ポンプ、原料液10を投入する原料タンクと高圧チャンバが備わっている装置である。投入され100MPa以上に加圧された原料液10(及び10内の粒子1a)は高圧ノズル400周辺で加速され、ノズルを通過するときに高速な流れ、つまりジェット流になり、その周辺にキャビテーションが発生する。そのキャビテーションにより原料液中の粒子が微細化される。その後、低圧チャンバ40内にて、気泡の多いスーパーキャビテーション状態になり、撹拌され微細化された粒子を有する懸濁液20が生成され、出口402から排出される。この処理を繰り返すことになる。この噴射回数をNで表し、処理効果が高いとは、同じ径の微粒子を得るためのNが小さいことを言う。
前記低圧チャンバ40内には、シングルノズルチャンバ、斜向衝突チャンバ、ボール衝突チャンバ等の種類があり、高圧ノズル400(ノズルケース100)を収納配置するものである。
(Configuration of the high-pressure injection treatment device used in the present invention)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a high-pressure chamber 500, a low-pressure chamber 40, and a high-pressure nozzle 400 (nozzle case 100) and its surroundings of the high-pressure injection processing device of the present invention.
The direction of movement of the raw material liquid 10 will be described in detail below, with the high pressure chamber side of the high pressure injection processing device being the upstream side and the low pressure chamber side being the downstream side.
In the present invention, the high-pressure injection processing device is a device equipped with a drive control unit for pressurizing the raw material liquid to 100 MPa or more by driving and controlling the high-pressure pump, a high-pressure pump for pressurizing the raw material liquid 10 to 100 MPa or more, a raw material tank for introducing the raw material liquid 10, and a high-pressure chamber. The raw material liquid 10 (and the particles 1a in 10) introduced and pressurized to 100 MPa or more is accelerated around the high-pressure nozzle 400, and becomes a high-speed flow, i.e., a jet flow, when passing through the nozzle, and cavitation occurs around it. The particles in the raw material liquid are finely divided by the cavitation. After that, in the low-pressure chamber 40, a supercavitation state with many bubbles is created, and a suspension 20 containing stirred and finely divided particles is generated and discharged from the outlet 402. This process is repeated. The number of injections is represented by N P , and a high processing effect means that the N P required to obtain fine particles of the same diameter is small.
The low pressure chamber 40 includes a single nozzle chamber, an oblique collision chamber, a ball collision chamber, etc., and houses and arranges the high pressure nozzle 400 (nozzle case 100).

(原料について)
前記原料混合液10は、例えば粒子1a(原料)と水や有機溶媒との混合液である。用途によって界面活性剤を含むこともある。本発明において、前記原料混合液10に含まれる粒子1a(原料)は、酸化チタン、チタン酸バリウム、フェライト、アルミナ、シリカ、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)、その他既知の金属、酸化物、炭化物微粒子が挙げられる。また、セルロースやカーボンナノチューブCNTなどの、ファイバー形状の材料を使用することも可能である。前記原料混合液10は、前記微粒子やそれらの凝集体が含有された懸濁液状の液体である。
(About ingredients)
The raw material mixture 10 is, for example, a mixture of particles 1a (raw material) and water or an organic solvent. A surfactant may be included depending on the application. In the present invention, the particles 1a (raw material) contained in the raw material mixture 10 include titanium oxide, barium titanate, ferrite, alumina, silica, PZT (lead zirconate titanate), and other known metal, oxide, and carbide fine particles. It is also possible to use fiber-shaped materials such as cellulose and carbon nanotubes (CNT). The raw material mixture 10 is a suspension-like liquid containing the fine particles and their aggregates.

(AE信号について)
微細化の状況を評価するために、高圧噴射処理装置のモニタリング機器1を前記高圧噴射処理装置に取り付けて、高圧ノズルや高圧チャンバ等の装置の性能評価を行うことが可能である。その場合、前記高圧噴射処理装置に取り付けるAEセンサ9と当該AEセンサ9から検出されたAE信号を処理して、装置の性能評価を判定する信号処理判定手段8を備える。
前述したように、高圧噴射処理における微細化現象は、主に高圧部分で発生するキャビテーションによって起こる。高圧噴射処理装置内において発生するキャビテーションは、(1)低圧チャンバなどの低圧側で発生している低エネルギーのキャビテーションと(2)高圧ノズル内で発生している高エネルギーのキャビテーションに分類される。原料液の粒子の微細化は、上述の(2)のキャビテーションの崩壊に基づく衝撃であるから、(2)の高エネルギーのキャビテーションによるAE信号、すなわち高周波信号(0.2MHz以上)を、AEセンサを使用して計測することで、粒子の微細化の度合いや流れによる粉砕力などを評価することができる。
(About AE signals)
In order to evaluate the state of miniaturization, it is possible to attach a monitoring device 1 for the high-pressure injection processing device to the high-pressure injection processing device and perform performance evaluation of the device such as the high-pressure nozzle and the high-pressure chamber. In this case, the device is provided with an AE sensor 9 attached to the high-pressure injection processing device and a signal processing and evaluation means 8 for processing the AE signal detected by the AE sensor 9 and judging the performance evaluation of the device.
As mentioned above, the micronization phenomenon in high-pressure injection processing is mainly caused by cavitation occurring in the high-pressure part. Cavitation occurring in the high-pressure injection processing device is classified into (1) low-energy cavitation occurring on the low-pressure side such as the low-pressure chamber and (2) high-energy cavitation occurring in the high-pressure nozzle. Since the micronization of the raw material liquid particles is an impact based on the collapse of the cavitation (2) mentioned above, the degree of micronization of the particles and the crushing force due to the flow can be evaluated by measuring the AE signal due to the high-energy cavitation (2), i.e., the high-frequency signal (0.2 MHz or more), using an AE sensor.

前記信号処理判定手段は、AEセンサからの信号を周波数とレベルが判るように出力するとともに良否判定することが可能な機器である。前記信号処理判定手段としては、AEテスタ、FFTアナライザ、スペクトラム・アナライザ、デジタルオシロスコープ、その他の実効値計算記録表示装置などが挙げられる。AEテスタは、プリアンプ、フィルタ、ディスクリミネータ、及びレートメータを組み合わせた機器であり、市販品を適用することができる。 The signal processing and judgment means is a device that can output a signal from an AE sensor so that the frequency and level can be determined, and can also judge whether the signal is good or bad. Examples of the signal processing and judgment means include an AE tester, an FFT analyzer, a spectrum analyzer, a digital oscilloscope, and other devices that calculate and record effective values. The AE tester is a device that combines a preamplifier, a filter, a discriminator, and a rate meter, and a commercially available product can be used.

高圧噴射処理装置としては、前記モニタリング方法を実行するための共振型AEセンサと当該共振型AEセンサからの信号を処理して判定する信号処理判定手段を備え、前記原料液を高圧噴射する作業を複数回繰り返す作業では、前記信号処理判定手段によって前記粒子の微細化処理が完了したと判定されるまで高圧噴射処理を繰り返す構成とすることができる。前記原料液を高圧噴射する作業を複数回繰り返す作業では、前記AE信号のレベルを所定時間内の実効値で評価し、高圧噴射処理の前後での前記実効値の変化量が設定範囲内となったときに、前記粒子の微細化処理が完了したと判定することができる。 The high-pressure injection processing device can be configured to include a resonant AE sensor for executing the monitoring method and a signal processing and judgment means for processing and judging a signal from the resonant AE sensor, and in an operation in which the work of high-pressure injection of the raw material liquid is repeated multiple times, the high-pressure injection process can be repeated until the signal processing and judgment means judges that the particle micronization process is complete. In an operation in which the work of high-pressure injection of the raw material liquid is repeated multiple times, the level of the AE signal can be evaluated as an effective value within a predetermined time, and when the amount of change in the effective value before and after the high-pressure injection process falls within a set range, it can be judged that the particle micronization process is complete.

(本発明のモニタリング方法について)
図2は、本発明を適用した実施形態の高圧噴射処理装置のモニタリング方法の作業手順を示すフロー図である。本実施形態では、先ず、AEセンサを高圧噴射処理装置の高圧ノズルで発生する超音波が検出できる場所に取り付ける(ステップS1)。ノズルで発生した高い周波数の超音波が、懸濁液(スラリー)中を通過し、それが高圧チャンバ、高圧ノズル、低圧チャンバを構成する部材で伝搬する構造になっている場合は、それらのどこに取り付けてもかまわない。次に、前記高圧噴射処理装置の高圧ノズルから所定圧力で原料混合液を高圧噴射処理する(ステップS2)。そして、前記高圧噴射処理を行う時に前記ノズル内で生じる周波数が0.2MHz以上の超音波を前記AEセンサによって検出し、前記AEセンサからの信号レベルの評価を行う(ステップS3)。そして、前記高圧噴射処理を繰り返すか否かを判定する(ステップS4)。ステップS4にて、信号レベルの変化がある場合、まだ前記粒子が十分に微粒化されていないと判定し、前記高圧噴射処理を繰り返す。ステップS4にて、信号レベルの変化がなくなった場合、あるいは、所定のレベルに達した場合、前記粒子が微粒化されていると判定し、処理を終了する。
(Regarding the monitoring method of the present invention)
FIG. 2 is a flow diagram showing the procedure of the monitoring method of the high-pressure injection processing device according to the embodiment of the present invention. In this embodiment, first, the AE sensor is attached to a location where ultrasonic waves generated by the high-pressure nozzle of the high-pressure injection processing device can be detected (step S1). If the high-frequency ultrasonic waves generated by the nozzle pass through the suspension (slurry) and are propagated by the members constituting the high-pressure chamber, the high-pressure nozzle, and the low-pressure chamber, the AE sensor may be attached to any of them. Next, the raw material mixture is subjected to high-pressure injection processing at a predetermined pressure from the high-pressure nozzle of the high-pressure injection processing device (step S2). Then, the AE sensor detects ultrasonic waves having a frequency of 0.2 MHz or more generated in the nozzle during the high-pressure injection processing, and the signal level from the AE sensor is evaluated (step S3). Then, it is determined whether or not to repeat the high-pressure injection processing (step S4). If there is a change in the signal level in step S4, it is determined that the particles have not yet been sufficiently atomized, and the high-pressure injection processing is repeated. If there is no change in the signal level in step S4, or if the signal level reaches a predetermined level, it is determined that the particles have been atomized, and the processing is terminated.

(本発明のモニタリング機器について)
図1における600は本発明を適用した実施形態の高圧噴射処理装置のモニタリング機器によって検出されるキャビテーションにより発生する信号を示す概念図である。信号には流れにより液から発生するキャビテーション信号AEと、粒子から発生するキャビテーション信号AE、さらに、それら超音波の伝搬特性(減衰率)Attが記載されている。本実施形態は、高圧ノズル400から所定圧力で原料液10を高圧噴射し粒子を微細化する高圧噴射処理装置のモニタリング機器1であって、前記高圧噴射処理装置に取り付けるAEセンサ9と当該AEセンサ9から検出されたAE信号を処理して判定する信号処理判定手段8を備える。前記AEセンサ9は、共振周波数が0.5MHzの共振型AEセンサである。前記信号処理判定手段8は、例えば、AEテスタ、FFTアナライザ、スペクトラム・アナライザ、デジタルオシロスコープ、その他の実効値計算記録表示装置などが挙げられる。
(Regarding the monitoring device of the present invention)
1 is a conceptual diagram showing a signal generated by cavitation detected by a monitoring device of a high-pressure jet processing device according to an embodiment of the present invention. The signal includes a cavitation signal AE s generated from the liquid due to the flow, a cavitation signal AE p generated from the particles, and the propagation characteristics (attenuation rate) Attu of those ultrasonic waves. This embodiment is a monitoring device 1 for a high-pressure jet processing device that high-pressure jets a raw material liquid 10 from a high-pressure nozzle 400 at a predetermined pressure to micronize particles, and includes an AE sensor 9 attached to the high-pressure jet processing device and a signal processing and judgment means 8 that processes and judges the AE signal detected by the AE sensor 9. The AE sensor 9 is a resonant type AE sensor with a resonant frequency of 0.5 MHz. The signal processing and judgment means 8 can be, for example, an AE tester, an FFT analyzer, a spectrum analyzer, a digital oscilloscope, or other effective value calculation and recording display device.

高圧ノズル400内の液体の流速は、ノズル径とAEセンサ9の信号発生時間から正確に求めることができる。高圧ノズル400の出口付近では、σは0.6以下になっており、そこではスーパーキャビーションの状態、すなわち、ノズルの側面には気泡が多く、強い撹拌効果が得られる状態になっていると考えられる。
一方、高圧ノズル400から低圧チャンバ40に入った領域では、その減圧雰囲気ではキャビテーションの崩壊エネルギーも急激に減少する。この領域では、強いキャビテーション崩壊による微細化の作用は得られない。キャビテーションの発生は、そのスーパーキャビテーションから、流速がゼロ近くまで落ち着くまで、しばらく続き最終的には消滅する。このため、高圧ノズル400の内部で発生している高エネルギーのキャビテーションは短時間で消滅するが、低圧チャンバ内では、しばらく低圧キャビテーションが発生する。この影響で低周波のAE信号は噴射終了後も尾を引いたようにしばらく発生し続けることになる。なお、前記低圧チャンバは、符号40で示される構成要素であり、高圧ノズルを収納する(図1)。
The flow velocity of the liquid in the high-pressure nozzle 400 can be accurately determined from the nozzle diameter and the signal generation time of the AE sensor 9. Near the outlet of the high-pressure nozzle 400, σ c is 0.6 or less, which is considered to be a state of supercavitation, that is, a state in which there are many bubbles on the side of the nozzle and a strong stirring effect can be obtained.
On the other hand, in the region from the high-pressure nozzle 400 into the low-pressure chamber 40, the cavitation collapse energy also decreases rapidly in the reduced pressure atmosphere. In this region, the effect of fine particle breakage due to strong cavitation collapse cannot be obtained. The occurrence of cavitation continues for a while from the supercavitation until the flow velocity settles to near zero, and finally disappears. Therefore, the high-energy cavitation occurring inside the high-pressure nozzle 400 disappears in a short time, but low-pressure cavitation occurs for a while in the low-pressure chamber. As a result, the low-frequency AE signal continues to be generated for a while, as if it has a lingering effect, even after the end of injection. The low-pressure chamber is a component indicated by the symbol 40, and houses the high-pressure nozzle (FIG. 1).

高圧ノズル400内に粒径が数ミクロンの大きな粒子がある原料液(スラリー)の場合には、粒子からキャビテーションによる信号AEが発生する。これはその数や粒子形態で異なる大きさを示す。キャビテーションは、流体が固体表面を流れるときに負圧になる部分が発生し、それが流体の蒸気圧より下がったときに発生するから、粒径が大きくなると気泡の基になる負圧部分も大きくなるため、そのエネルギー、すなわち、高周波のAE信号の信号レベルが大きくなると考えられる。この信号レベルから、スラリー中の粒子径を推測することができる。これは、流体だけの時よりもキャビテーションが発生しやすいため、この信号は高圧ノズル400の入り口近くから発生し始めることになる。 In the case of raw material liquid (slurry) containing large particles with a particle size of several microns in the high-pressure nozzle 400, a signal AEp due to cavitation is generated from the particles. This shows different sizes depending on the number and particle shape. Cavitation occurs when a part that becomes negative pressure when a fluid flows on a solid surface is generated and the pressure drops below the vapor pressure of the fluid. Therefore, it is considered that the negative pressure part that is the source of bubbles becomes larger as the particle size increases, and therefore the energy, i.e., the signal level of the high-frequency AE signal, becomes larger. From this signal level, the particle size in the slurry can be estimated. This is because cavitation is more likely to occur in the slurry than in the case of only the fluid, and this signal begins to be generated near the entrance of the high-pressure nozzle 400.

実際の計測においては、図1に示すように低圧チャンバ40方向から伝搬する超音波のAE信号と高圧チャンバ500方向の原料液10の液中を伝搬してくる超音波のAE信号が考えられる。
次に、発生する信号とその伝搬経路について述べる。キャビテーション数の変化から、キャビテーションはノズルの途中から発生し、その後スーパーキャビテーションになる。ノズル後半は、スーパーキャビテーションの状態であることと、低圧チャンバ40方向には多くの大きな低圧キャビテーションがあるため、この部分の原料液には、原料液とこの部分には大きな音響インピーダンスの違いが起きている。その結果、低圧チャンバ40の方向へは、反射が大きく発生した超音波は伝搬し難い。よって、AE信号として測定される超音波は高圧ノズル400の進行方向とは反対方向の、キャビテーションを起こしていない液中を伝搬してくると考えられる。その超音波の溶液中の伝搬速度を計算してみると、超音波の伝搬速度は1500m/sと、流速の400m/sより大きいので、この方向で、効率よく伝搬する。
In actual measurements, as shown in FIG. 1, there may be considered an AE signal of ultrasonic waves propagating from the direction of the low pressure chamber 40 and an AE signal of ultrasonic waves propagating through the liquid material 10 in the direction of the high pressure chamber 500.
Next, the generated signal and its propagation path will be described. From the change in the cavitation number, cavitation occurs in the middle of the nozzle, and then becomes supercavitation. Since the latter half of the nozzle is in a state of supercavitation and there are many large low-pressure cavitations in the direction of the low-pressure chamber 40, there is a large difference in acoustic impedance between the raw material liquid in this part and this part. As a result, the ultrasonic waves that are largely reflected and generated are difficult to propagate in the direction of the low-pressure chamber 40. Therefore, it is considered that the ultrasonic waves measured as AE signals propagate in the liquid where cavitation is not occurring in the opposite direction to the traveling direction of the high-pressure nozzle 400. When the propagation speed of the ultrasonic waves in the solution is calculated, the propagation speed of the ultrasonic waves is 1500 m/s, which is greater than the flow speed of 400 m/s, so they propagate efficiently in this direction.

高圧ノズル400内では、AE信号にはAEとAEの発生源があり、AEセンサ9を取り付けた場合、懸濁液(スラリー)10の液中を伝搬してきた信号が多く検出される。このことは、当然その伝搬特性(減衰率)の影響を受ける。伝搬特性(減衰特性)は、粒子径に大きく依存するとされており、1ミクロン以上の粒子を含むスラリーの超音波減衰は大きいことを示している。 In the high pressure nozzle 400, the AE signal has sources of AEp and AEs , and when the AE sensor 9 is attached, many signals propagating through the suspension (slurry) 10 are detected. This is naturally influenced by the propagation characteristics (attenuation rate). The propagation characteristics (attenuation characteristics) are said to be highly dependent on the particle size, and it is shown that ultrasonic attenuation is large in a slurry containing particles of 1 micron or more.

上述のように、計測されるAE信号AEは、溶媒から発生する流体キャビテーション信号AEと、高圧ノズル内の粒子から発生する粒子キャビテーション信号AEとの合計に、超音波の伝搬特性(減衰率)Attを反映したものになる。したがって、計測される信号強度AEは、次式のとおり、AE=(AE+AE)×Att、で示される。
この式では、スラリー濃度が高い場合は、AEが大きくなり、粒径変化を正確に捉えることができる。一方、スラリー濃度が低い場合はAEが大きくなるため、粒径の情報をもつAEは埋もれてしまう。そのため、正確な評価はできなくなる。
As described above, the measured AE signal AEm is the sum of the fluid cavitation signal AEs generated from the solvent and the particle cavitation signal AEp generated from the particles in the high-pressure nozzle, and reflects the ultrasonic propagation characteristic (attenuation rate) Attu . Therefore, the measured signal strength AEm is expressed by the following equation: AEm = ( AEs + AEp ) x Attu .
In this formula, when the slurry concentration is high, AEp becomes large and the change in particle size can be accurately captured. On the other hand, when the slurry concentration is low, AEs becomes large and AEp , which contains information on particle size, is buried. As a result, accurate evaluation cannot be performed.

図3は、高圧噴射された原料液10内で起こるキャビテーションと、それによる微細化を模式的に示す図である。図3において、符号1aは微細化する直前の原料の粒子であり、符号1bは微細化の途中段階の粒子であり、符号1cは微細化された粒子である。
流れを考えた場合には、キャビテーションのでき方は粒子形態にも大きく依存する。例えば、図3(a)に示すように、原料液10内の粒子1aが凝集体などの歪(いびつ)な形態の場合、曲率が急に小さくなる部分で負圧になり易く、その箇所を起点としたキャビテーション700が発生し、その崩壊が起こる。この収縮過程では、接触している粒子を引き込む圧力と、崩壊による衝撃がその部分にかかる。つまり、ネッキングした歪な粒子ではより効果的な微細化処理ができることになる。
一方、図3(b)に示すように、粒子1bが球状形態では、負圧になり易い部分が減少する。つまり、キャビテーション700の大きさも減少し、その崩壊エネルギーも小さくなる。図3(c)に示すように、粒子1cが微小な球状になった状態では、キャビテーション大きさは小さくなり、その崩壊エネルギーも減少して行く。その結果、その崩壊による衝撃が粒子1cを破壊するに必要な応力を上回らなくなると考えられ、微細化は進まなくなる。この状態が微細化処理の終了を意味する。この効果によって、高圧噴射処理は粒子径の揃った単分散のスラリーを作製することができる。
Fig. 3 is a schematic diagram showing cavitation occurring in the raw material liquid 10 injected at high pressure and the resulting atomization. In Fig. 3, reference numeral 1a denotes raw material particles immediately before atomization, reference numeral 1b denotes particles in the middle of the atomization process, and reference numeral 1c denotes atomized particles.
When considering the flow, the way in which cavitation occurs also depends greatly on the particle shape. For example, as shown in Fig. 3(a), if the particles 1a in the raw material liquid 10 have a distorted shape such as an aggregate, negative pressure is likely to occur at the part where the curvature suddenly becomes small, and cavitation 700 occurs starting from that point, causing the particles to collapse. During this contraction process, the pressure that draws in the particles in contact and the impact of the collapse are applied to that part. In other words, more effective micronization can be achieved with distorted particles that have undergone necking.
On the other hand, as shown in FIG. 3(b), when the particles 1b are spherical, the areas that are easily subject to negative pressure are reduced. In other words, the size of the cavitation 700 is reduced, and the collapse energy is also reduced. As shown in FIG. 3(c), when the particles 1c are in a minute spherical shape, the cavitation size is reduced, and the collapse energy is also reduced. As a result, it is considered that the impact due to the collapse does not exceed the stress required to destroy the particles 1c, and the micronization does not proceed. This state means that the micronization process is completed. Due to this effect, the high-pressure injection process can produce a monodisperse slurry with a uniform particle size.

このことは、この高圧噴射装置は、粒子径が小さくなればなるほど、微細化現象は生じ難くなり、低圧チャンバ40で起こっている低エネルギーキャビテーションとスーパーキャビテーションによる強い撹拌の効果しか利用できなくなることを意味している。この破壊力―微細化の限界のため、スラリー中の粒子径や形態に変化がなくなる。これが、高圧噴射による微細化処理の限界であり、処理が終了したことを示している。
付け加えると、この高圧噴射装置では、この粒子表面での衝撃は直接的な微細化にはつながらないが、超音波洗浄などに比べてはるかに強く、それによる粒子表面のコンタミ除去や形状の球体化などの作用を期待することができる。これらが、高圧噴射処理の特長をなしている。
This means that the smaller the particle diameter, the more difficult it becomes for this high-pressure injection device to produce the micronization phenomenon, and only the effect of strong stirring by low-energy cavitation and supercavitation occurring in the low-pressure chamber 40 can be utilized. Due to this destructive force--the limit of micronization, there is no change in the particle diameter or shape in the slurry. This is the limit of the micronization process by high-pressure injection, and indicates that the process has ended.
In addition, although the impact on the particle surface with this high-pressure injection device does not directly lead to finer particles, it is much stronger than ultrasonic cleaning, etc., and it is expected to have the effect of removing contaminants from the particle surface and making the particle into a spherical shape. These are the features of high-pressure injection processing.

(懸濁液の粘度について)
原料の微細化は、前記AE信号の判定に加え、高圧噴射処理後の懸濁液の粘度ηによっても評価できる。例えば、セルロースをナノファイバー化する微細処理の場合には、まず、原料粒子の微細化から始まり、次に作製された微粒子のナノファイバー化が起こり、ナノファイバーの凝集体を形成する。さらに、処理を進めるとその作製された凝集体も小さくなっていく(ナノファイバーの長さが短くなる)過程を経る。この変化は、凝集体の絡まりと関係するので、微細化性能は粘度変化として測定できる。つまり、微細化性能は最大粘度の大きさと、そのときの処理回数Nで評価できることになる。
なお、粘度計は、一般的な回転式や振動式粘度計などが適用できる。
(About the viscosity of the suspension)
In addition to the AE signal, the refining of the raw material can also be evaluated by the viscosity η of the suspension after the high-pressure injection process. For example, in the case of a refining process to turn cellulose into nanofibers, the process starts with the refining of the raw material particles, followed by nanofiberization of the produced fine particles, forming nanofiber aggregates. Furthermore, as the process proceeds, the produced aggregates also go through a process of becoming smaller (the length of the nanofibers becomes shorter). This change is related to the entanglement of the aggregates, so the refining performance can be measured as a change in viscosity. In other words, the refining performance can be evaluated by the magnitude of the maximum viscosity and the number of treatments N P at that time.
As the viscometer, a general rotational or vibration type viscometer can be used.

(多段式の高圧ノズルについて)
図4は多段式高圧ノズルN2を示す断面図である。
本発明の実施の形態である高圧ノズルは、1つのノズルホルダNhとノズルチップNnから構成されており、微細化処理には、前記ノズルチップのDnが小さく、Wnがなるべく厚く、Wn/Dnが10以上のノズルが有効であることが分かった(図5(b)参照)が、ノズルチップの材質である単結晶ダイヤモンドや、焼結ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等にWnを厚い状態でDnを小さく形成するのは非常に困難である。
したがって、本発明高圧ノズルは複数(多段)のノズルチップNn(m=1,2,・・・,M)と複数(多段)のノズルホルダNh(m=1,2,・・・,M)を組み合わせて形成する。
(Multi-stage high-pressure nozzle)
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the multi-stage high-pressure nozzle N2.
The high-pressure nozzle according to the embodiment of the present invention is composed of a single nozzle holder Nh and a nozzle tip Nn. It has been found that for micro-finishing, a nozzle in which Dn of the nozzle tip is small, Wn is as thick as possible, and Wn/Dn is 10 or more is effective (see FIG. 5(b)). However, it is very difficult to form a small Dn when Wn is thick in the material of the nozzle tip, such as single crystal diamond, sintered diamond, or polycrystalline diamond.
Therefore, the high pressure nozzle of the present invention is formed by combining a plurality (multi-stage) of nozzle tips Nn m (m=1, 2, . . . , M) and a plurality (multi-stage) of nozzle holders Nh m (m=1, 2, . . . , M).

多段式高圧ノズルは、複数のノズルチップNn(m=1,2,・・・,M)と複数のノズルホルダNh(m=1,2,・・・,M)から構成され、上流側から下流側へNn,Nh,Nn,Nh,Nn,Nh,・・・,Nn,Nhの順に並んで取り付けられており、前記ノズルチップNnの通孔と前記ノズルホルダNhの通孔が全て同軸上となるように形成されている。
ノズルチップNn(m=1,2,・・・,M)とノズルホルダNh(m=1,2,・・・,M)の数Mは、2個以上であることが好ましく、3個であることがより好ましい。
前記ノズルチップNn(m=1,2,・・・,M)の中心箇所には円柱状の通孔が設けられている。前記ノズルチップNnの材質は単結晶ダイヤモンドや、焼結ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等である。
前記ノズルホルダNhは、前記ノズルチップNnを固定するためのホルダであり、上流側は高圧チャンバ500に取り付けられ、下流側は低圧チャンバ40と接続されている。前記ノズルホルダNhの中心箇所にも前記ノズルチップNn(m=1,2,・・・,M)と同様に円柱状の通孔が設けられている。前記ノズルホルダNhの材質はSUS630等のSUS系の金属である。
一番上流側に位置するノズルチップNnは加圧された前記原料混合液10を下流側の低圧チャンバ40に向け高圧噴射するための入口であり、ノズルホルダNhに収納され取り付けられている。
前記ノズルチップNnの通孔の直径Dn(m=1,2,・・・,M)は多段式高圧ノズル内の流速を高速とするため0.2mm以下であることが好ましい。また、一番上流側に位置するノズルチップNnの通孔の直径Dnを一番小さくし、その他のノズルチップNn,Nn,・・・,Nnの通孔の直径Dn,Dn,・・・,Dnは、直径Dnよりも大きい値とする。
The multi-stage high-pressure nozzle is composed of multiple nozzle tips Nn m (m = 1, 2, ..., M) and multiple nozzle holders Nh m (m = 1, 2, ..., M), which are attached in a line from the upstream side to the downstream side in the order Nn 1 , Nh 1 , Nn 2 , Nh 2 , Nn 3 , Nh 3 , ..., Nn M , Nh M , and the through holes of the nozzle tips Nn m and the nozzle holders Nh m are all formed so as to be coaxial with each other.
The number M of nozzle tips Nn m (m=1, 2, . . . , M) and nozzle holders Nh m (m=1, 2, . . . , M) is preferably two or more, and more preferably three.
A cylindrical through-hole is provided at the center of the nozzle tip Nn m (m=1, 2, ..., M). The material of the nozzle tip Nn m is single crystal diamond, sintered diamond, polycrystalline diamond, or the like.
The nozzle holder Nhm is a holder for fixing the nozzle tip Nnm , and is attached to the high pressure chamber 500 on the upstream side and connected to the low pressure chamber 40 on the downstream side. A cylindrical through hole is provided in the center of the nozzle holder Nhm as in the nozzle tip Nnm (m = 1, 2, ..., M). The material of the nozzle holder Nhm is a SUS-based metal such as SUS630.
The nozzle tip Nn1 located on the most upstream side is an inlet for high-pressure spraying of the pressurized raw material mixture 10 toward the low-pressure chamber 40 on the downstream side, and is housed and attached in a nozzle holder Nh1 .
The diameter Dn m (m = 1, 2, ..., M) of the through hole of the nozzle tip Nn m is preferably 0.2 mm or less in order to achieve a high flow rate in the multi-stage high pressure nozzle. The diameter Dn 1 of the through hole of the nozzle tip Nn 1 located most upstream is set to be the smallest, and the diameters Dn 2 , Dn 3 , ..., Dn M of the through holes of the other nozzle tips Nn 2 , Nn 3 , ..., Nn M are set to be larger than the diameter Dn 1 .

直径Dnを0.1mm~0.16mm(0.16mm以下)に、その他のDn(m
=2,・・・,M)を0.16mm以上0.8mm以下とするのが好ましく、0.2mmがより好ましい。
また、前記ノズルチップNnの通孔の厚みWn(m=1,2,・・・,M)は、(数4)のように、前記ノズルチップNnの通孔の直径Dnに比べて前記ノズルチップNnの通孔の厚みWn(m=1,2,・・・,M)の合計を充分に大きくする(前記ノズルチップNnの通孔の直径Dnと前記ノズルチップNnの通孔の厚みWn(m=1,2,・・・,M)の合計の比を10以上とする)。
Diameter Dn 1 is 0.1 mm to 0.16 mm (0.16 mm or less), and other Dn m (m
= 2, ..., M) is preferably 0.16 mm or more and 0.8 mm or less, and more preferably 0.2 mm.
In addition, the thickness Wnm (m = 1, 2, ..., M) of the through hole of the nozzle chip Nnm is made sufficiently larger than the diameter Dn1 of the through hole of the nozzle chip Nn1 , as shown in (Equation 4) (the ratio of the diameter Dn1 of the through hole of the nozzle chip Nn1 to the sum of the thicknesses Wnm (m = 1, 2, ..., M) of the through hole of the nozzle chip Nnm is made 10 or more ).

前記多段式の高圧ノズルを使用することによって、直径が小さく、かつ長い通孔をもつノズルチップを形成せずとも、短い通孔をもつノズルチップを複数組み合わせること、通孔の直径が小さいノズルを一番上流側に配置し、その他のノズルは通孔の直径をある程度大きくすることによって、効率的な微細化処理が可能になる。つまり、せん断力が及ぶ領域に関しては、長い通孔をもつノズルチップを使用した場合と同様の効果を得ることが可能となる。さらに、多段式は高圧キャビテーション領域の体積を大きくすることが可能になり、さらに処理効率が向上する。また、ノズルの作製に当たっては、ノズルチップとなる硬い材質である単結晶ダイヤモンド、焼結ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等の強硬質な材質に小さな孔を長く開ける必要がないため、製造が簡単となる。 By using the multi-stage high-pressure nozzle, efficient micro-processing can be achieved by combining multiple nozzle tips with short holes, placing the nozzle with the smallest diameter hole on the most upstream side, and making the diameter of the holes in the other nozzles somewhat larger, without forming a nozzle tip with a small diameter and long holes. In other words, it is possible to obtain the same effect as when a nozzle tip with a long hole is used in the area where the shear force is applied. Furthermore, the multi-stage type makes it possible to increase the volume of the high-pressure cavitation area, further improving processing efficiency. In addition, when making the nozzle, there is no need to drill long small holes in the hard material that will become the nozzle tip, such as single crystal diamond, sintered diamond, or polycrystalline diamond, making it easier to manufacture.

(本発明の第1の実施形態)
高圧噴射処理装置としては、スギノマシン社のスターバーストミニHJP-25001を使用し、低圧チャンバ40はすべてボール衝突チャンバを使用した。
(First embodiment of the present invention)
As the high-pressure injection treatment device, a Starburst Mini HJP-25001 manufactured by Sugino Machine Co., Ltd. was used, and as the low-pressure chambers 40, ball collision chambers were used.

図6~図10は、本実施の形態の多段式高圧ノズルの詳細を示す図である。
図6は、高圧ノズル400の断面斜視図であり、ノズルチップNnがノズルホルダNhに組み込まれ、ノズルチップNn、ノズルホルダNhそれぞれに通孔Nan、Nahが同軸上に設けられていることが示されている。
図7は、高圧ノズル400が複数配置された多段式高圧ノズルの構造を示す斜視図であり、高圧ノズルが3つ配置され(上流側からN1、N2、N3)、高圧ノズル間に上流側から第1のスペーサ5A、第2のスペーサ5Bを介在させることが示されている。
図8は、図7で示した多段式高圧ノズルの展開図であり、第1のスペーサ5Aには連絡通路としての溝が通孔を軸に上下対称に2本設けられている。
図9は、多段式の高圧ノズルを収納するノズルケース100の断面斜視図であり、原料液が高圧噴射される通孔Nacと、高圧噴射の後低圧チャンバ40内に滞留する懸濁液を高圧ノズルへ戻すための一対の戻し通路Nt1、Nt2が設けられている。
そして前記一対の戻し通路Nt1とNt2は通孔Nacを軸とし、対称の位置に設けられると共に、図8で示された第1のスペーサに設けられた連絡通路に接続される。
これらの戻し通路Nt1、Nt2や連絡通路は通孔を軸とし、対称に複数設けられても良く、十字状や、さらに細かな間隔の放射状に設けられていても良い。
図10は、3つの高圧ノズル(N1、N2、N3)と、高圧ノズル間に介在する第1のスペーサ5A、第2のスペーサ5Bをノズルケース100に収納した状態を示す断面斜視図であり(a)、原料液の噴射流と、噴射後の懸濁液が高圧ノズルへ戻る流れの関係を示す断面図である(b)。
なお、実際の装置の当該多段式高圧ノズルは、N1の上流側の面に配される漏れ防止を目的とした円環状のシール部材(パッキン)を介して高圧噴射処理装置の高圧チャンバ500側へ押し込まれるように格納するが、図を明確化させるため図示しない。
6 to 10 are diagrams showing the details of the multi-stage high-pressure nozzle of this embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional perspective view of the high-pressure nozzle 400, showing that the nozzle tip Nn is incorporated into the nozzle holder Nh, and that the nozzle tip Nn and the nozzle holder Nh are respectively provided with through holes Nan and Nah on the same axis.
Figure 7 is an oblique view showing the structure of a multi-stage high-pressure nozzle in which multiple high-pressure nozzles 400 are arranged, and shows that three high-pressure nozzles are arranged (N1, N2, N3 from the upstream side) and a first spacer 5A and a second spacer 5B are interposed between the high-pressure nozzles from the upstream side.
FIG. 8 is a development view of the multi-stage high-pressure nozzle shown in FIG. 7, and the first spacer 5A is provided with two grooves as communication passages, vertically symmetrical with respect to the axis of the through hole.
FIG. 9 is a cross-sectional perspective view of a nozzle case 100 that houses a multi-stage high-pressure nozzle, and is provided with a through hole Nac through which the raw material liquid is sprayed at high pressure, and a pair of return passages Nt1, Nt2 for returning the suspension remaining in the low-pressure chamber 40 after high-pressure spraying to the high-pressure nozzle.
The pair of return passages Nt1 and Nt2 are provided at symmetrical positions with respect to the through hole Nac as an axis, and are connected to the communication passage provided in the first spacer shown in FIG.
These return passages Nt1, Nt2 and communication passages may be provided in a plurality of symmetrical positions with respect to the through hole as an axis, or may be provided in a cross shape or radially at finer intervals.
Figure 10 is a cross-sectional perspective view (a) showing three high-pressure nozzles (N1, N2, N3) and a first spacer 5A and a second spacer 5B interposed between the high-pressure nozzles stored in a nozzle case 100, and a cross-sectional view (b) showing the relationship between the spray flow of the raw material liquid and the flow of the suspension returning to the high-pressure nozzle after spraying.
In addition, the multi-stage high-pressure nozzle of the actual device is stored by being pushed into the high-pressure chamber 500 of the high-pressure injection processing device via a circular sealing member (packing) arranged on the upstream surface of N1 to prevent leakage, but this is not shown in the figure to clarify the drawing.

ここで、高圧ノズル(N1、N2、N3)は、それぞれ通孔Nanを設けたノズルチップと通孔Nahを設けたノズルホルダで構成され、ノズルチップNnの通孔径Dnは、ノズルホルダNhの通孔径Dhよりも小さく形成されている。また、前記戻し通路Nt1,Nt2はノズルケース100に、通孔を軸に対称位置に複数配置し、それらの合計した径の断面積が前記高圧ノズルの通孔最大直径Dnmの断面積と、通孔最小直径Dnmの断面積の差より大きいことを特徴とする。
例えば、前記多段式高圧ノズルでは、高圧噴射後の懸濁液を上流側の第1番目のノズルN1と第2番目のノズルN2の間のノズル通孔Naに前記戻し通路・連絡通路を介して戻すことが好ましい例である。前記戻し通路Nt1、Nt2は、ノズルケース100と高圧ノズル400との境界のノズルケース側に設けると、作製が比較的容易である。
Here, the high-pressure nozzles (N1, N2, N3) are each composed of a nozzle tip provided with a through hole Nan and a nozzle holder provided with a through hole Nah, and the through hole diameter Dn of the nozzle tip Nn is smaller than the through hole diameter Dh of the nozzle holder Nh. Also, the return passages Nt1, Nt2 are arranged in a plurality of positions symmetrically about the through hole axis in the nozzle case 100, and the cross-sectional area of the total diameters of these is larger than the difference between the cross-sectional area of the maximum through hole diameter Dnm of the high-pressure nozzle and the cross-sectional area of the minimum through hole diameter Dnm.
For example, in the multi-stage high-pressure nozzle, it is preferable to return the suspension after high-pressure injection to the nozzle through hole Na between the first nozzle N1 and the second nozzle N2 on the upstream side via the return passage and the communication passage. If the return passages Nt1 and Nt2 are provided on the nozzle case side of the boundary between the nozzle case 100 and the high-pressure nozzle 400, it is relatively easy to manufacture.

以下、戻し通路Ntと連絡通路5cから成る、低圧チャンバ内の懸濁液を高圧ノズルへ戻す機構を、アスピュレータAsとして説明する。
(多段ノズルでのアスピュレータ効果について)
これまでの研究から、高圧ノズル内の噴射液の流れについて考察する。高圧で噴射された流れ(ジェット流)の内部は、ほぼ一様な速度を持っているので、この中で大きなせん断力が働くことは少ない。一方、流れの外側の境界部分には大きな速度勾配があるため、大きなせん断力が働く。さらに、その部分の速度勾配が大きくなると、離れた外側にはキャビテーションが広がる(図11)。
この現象を考えると微細化の作用のある領域は、(a)大きなせん断力のある境界部分と、(b)流れの外側で発生するキャビテーションの2種類であることになる。
(a)大きなせん断力のある境界部分での微細化効果を大きくするには、流れの速度をなるべく下げないことが必要になる。つまり、拡散する流れより、直線的な流れが有効である。
(b)キャビテーションによる微細化効果を大きくするには、高い速度でなるべく高い圧力領域でキャビテーションを起こすことが必要になる。上記(a)は直進性に優れた流れが発生できる高圧ノズルが好ましい。また、上記(b)は圧力が下がらないように、なるべく高圧部分を広げた構造(多段式高圧ノズル構造)が有効である。
しかし、単純に多段構成にした場合には、高いエネルギーのキャビテーションが発生している領域は増加するが、構造上その部分には微細化される原料の供給がなく、高圧ノズルの損傷があるだけで処理効率は上がらない。
例えば、図12に示す多段構造の場合には、低圧側の高圧ノズル出口では、流れによる負圧によって、原料が少し内部に入っていることも考えられるが、微細化される高圧キャビーションが働く高圧ノズル内に入り込む原料はほとんど無い。そこで、低圧チャンバ40から原料を高圧ノズルへ戻す、戻し手段(アスピュレータ)を設けることで、微細化の効率が向上すると考えられる。以下のノズル構造で実験を進め、その効果を検討した。
Hereinafter, the mechanism for returning the suspension in the low-pressure chamber to the high-pressure nozzle, which is composed of the return passage Nt and the communication passage 5c, will be described as an aspulator As.
(About the aspirator effect in multi-stage nozzles)
Based on previous research, we consider the flow of injected liquid inside a high-pressure nozzle. The inside of a flow (jet flow) injected at high pressure has an almost uniform velocity, so large shear forces are unlikely to act there. On the other hand, there is a large velocity gradient at the outer boundary of the flow, so large shear forces act there. Furthermore, if the velocity gradient in that area becomes large, cavitation will spread to the far outside (Figure 11).
Considering this phenomenon, there are two types of regions where the micro-dispersion occurs: (a) boundary areas where there is a large shear force, and (b) cavitation that occurs outside the flow.
(a) In order to maximize the particle size reduction effect at the boundary where there is a large shear force, it is necessary to keep the flow speed as low as possible. In other words, a linear flow is more effective than a diffusing flow.
(b) To increase the micronization effect of cavitation, it is necessary to cause cavitation at a high speed and in a pressure range as high as possible. For (a) above, a high-pressure nozzle capable of generating a flow with excellent linearity is preferable. For (b) above, a structure in which the high-pressure portion is as wide as possible (multi-stage high-pressure nozzle structure) is effective in preventing pressure drop.
However, simply adopting a multi-stage structure increases the area where high-energy cavitation occurs, but due to the structure, there is no supply of raw material to be finely divided in that area, and the processing efficiency does not increase, as the high-pressure nozzle is simply damaged.
For example, in the case of the multi-stage structure shown in Fig. 12, it is possible that a small amount of raw material may enter the outlet of the high-pressure nozzle on the low-pressure side due to the negative pressure caused by the flow, but almost no raw material enters the high-pressure nozzle where the high-pressure cavitation for fine particle size works. Therefore, it is considered that the efficiency of fine particle size can be improved by providing a return means (aspulator) that returns the raw material from the low-pressure chamber 40 to the high-pressure nozzle. Experiments were carried out with the following nozzle structure to examine its effects.

(実験の詳細)
結晶性セルロース粉末の2%原料液を作製し、スギノマシン社製スターバーストミニHJP-25001に各種試作ノズルをつけて、200MPaにて高圧噴射させた。その処理中のAE信号と、処理後の粘度を測定した。粘度計は、株式会社セコニックの振動式粘度計VM-10Aを用いて測定した。この高圧噴射処理では、セルロースの粒子が微細化し、さらにナノファイバー化が進む。そのため、液中にナノファイバーが多くなると、液の粘度が上昇する。さらに微細化が進むと、作製されたナノファイバー(正確には、ナノファイバーの凝集体)の長さが短くなることから、粘度は減少する傾向を示す。このため、装置の微細化性能は、なるべく少ない処理回数で大きな粘度に達する回数と、その粘度の大きさで評価することができる。
アスピュレータAsの効果を調べるため、以下の実験を行った。多段式高圧ノズルの標記は、例えば、上流側第1ノズルN1の通孔径Dnが0.1mm、第2ノズルN2の通孔径Dnが0.2mm、下流側第3ノズルN3の通孔径Dnが0.2mmの場合を、「M010202」とし、高圧ノズル間にアスピュレータAsを配置して実験を行った。ここで、M010202の多段式高圧ノズルで、アスピュレータAsの挿入箇所を「A」、挿入箇所が2箇所(通孔を軸に対称となるように配置)の場合「AA」と示す。すなわち図13は、本発明の高圧噴射装置の原理を説明する模式図であり、「M01AA0202」と表される。
(Experimental details)
A 2% raw material solution of crystalline cellulose powder was prepared, and various prototype nozzles were attached to a Starburst Mini HJP-25001 manufactured by Sugino Machine Co., Ltd., and the solution was sprayed at high pressure at 200 MPa. The AE signal during the process and the viscosity after the process were measured. The viscometer was a vibration viscometer VM-10A manufactured by Sekonic Co., Ltd. The cellulose particles were finely divided and nanofiberization was further promoted in this high-pressure spray process. Therefore, as the amount of nanofibers in the liquid increases, the viscosity of the liquid increases. As the nanofibers are further reduced in length (more precisely, as agglomerates of nanofibers) the viscosity tends to decrease. Therefore, the micronization performance of the device can be evaluated by the number of times that a large viscosity is reached with as few treatments as possible, and the magnitude of that viscosity.
In order to investigate the effect of the aspulator As, the following experiment was carried out. The notation of the multi-stage high-pressure nozzle is, for example, "M010202" when the through-hole diameter Dn1 of the upstream first nozzle N1 is 0.1 mm, the through-hole diameter Dn2 of the second nozzle N2 is 0.2 mm, and the through-hole diameter Dn3 of the downstream third nozzle N3 is 0.2 mm, and the experiment was carried out by arranging the aspulator As between the high-pressure nozzles. Here, in the multi-stage high-pressure nozzle M010202, the insertion position of the aspulator As is indicated as "A", and when there are two insertion positions (arranged symmetrically around the through-hole), it is indicated as "AA". That is, FIG. 13 is a schematic diagram for explaining the principle of the high-pressure injection device of the present invention, and is indicated as "M01AA0202".

実験の内容は以下の通りでる。
実験A_アスピュレータAsが1本の場合
高圧ノズル(N1:Dn=0.1mm+Dh=0.8mm、N2:Dn=0.2mm+Dh=0.8mm、N3:Dn=0.2mm+Dh=0.8mm
(a) M010202 :アスピュレータAsがないものである。
(b) M0102A02:高圧ノズルN2-N3間に、アスピュレータAsを1本配置した。
(c) M01A0202:高圧ノズルN1-N2間に、アスピュレータAsを1本配置した。

実験B_アスピュレータAsが2つの場合
高圧ノズル(実験Aと同条件)
(d) M0102AA02:ノズルN2-N3間に、アスピュレータAsを2本配置した。
(e) M01AA0202:ノズルN1-N2間に、アスピュレータAsを2本配置した。

実験C_アスピュレータAsが2つで、その位置を中間部分とノズルチップ直前に配置した場合
高圧ノズル(N1:Dn=0.1mm+Dh=0.8mm、N1のDhと同じ通孔径0.8mmの中間部分、N2:Dn=0.2mm+Dh=0.8mm)
(f) M010802 :アスピュレータAsがないもの。
(g) M0108AA02:高圧ノズルN2の直前に、アスピュレータAsを2本配置した。
(h) M01AA0802:高圧ノズルN1-N2の中間に、アスピュレータAsを2本配置した。
実験D_アスピュレータAsが2つで、後段を伸ばした場合
高圧ノズル(実験Aと同条件のN1、実験Aと同条件のN2を4個(N3、N4、N5))
(i) M0102020202:アスピュレータAsを入れないもの。
(j) M01AA02020202:ノズルN1-N2間にアスピュレータAsを2本配置し、後段を長くした。
The contents of the experiment are as follows:
Experiment A - When there is one aspulator As High pressure nozzle (N1: Dn1 = 0.1 mm + Dh1 = 0.8 mm, N2: Dn2 = 0.2 mm + Dh2 = 0.8 mm, N3: Dn3 = 0.2 mm + Dh3 = 0.8 mm
(a) M010202: No aspirator As.
(b) M0102A02: One aspulator As was placed between the high-pressure nozzles N2 and N3.
(c) M01A0202: One aspulator As was placed between the high-pressure nozzles N1 and N2.

Experiment B - When there are two aspirators As, high pressure nozzle (same conditions as Experiment A)
(d) M0102AA02: Two aspulators As were placed between nozzles N2 and N3.
(e) M01AA0202: Two aspulators As were placed between the nozzles N1 and N2.

Experiment C - When there are two aspirators As, positioned at the middle part and just before the nozzle tip High pressure nozzle (N1: Dn1 = 0.1 mm + Dh1 = 0.8 mm, middle part with through hole diameter of 0.8 mm, same as Dh1 of N1, N2: Dn2 = 0.2 mm + Dh2 = 0.8 mm)
(f) M010802: Without aspirator As.
(g) M0108AA02: Two aspirators As were placed immediately before the high pressure nozzle N2.
(h) M01AA0802: Two aspulators As were placed between the high-pressure nozzles N1 and N2.
Experiment D - When there are two aspirators As and the rear stage is extended, high pressure nozzle (N1 under the same conditions as in Experiment A, and four N2 under the same conditions as in Experiment A (N3, N4, N5))
(i) M0102020202: No aspulator As is inserted.
(j) M01AA02020202: Two aspulators As were placed between nozzles N1 and N2, and the latter stage was made longer.

ここで、アスピュレータAsを十分に働かせるには、戻し通路Nt1,Nt2の総断面積の値から単一口の径に換算した径dを求めた場合、それは低圧側の最大ノズルの通孔の径より大きいことが必要である。また、高圧側のノズルホルダ部分の圧力がなるべく下がらないことも重要になる。そのため、先頭のノズル径をd、それ以降の最小ノズル径をdとすると、次の関係が必要になる。 Here, in order to make the aspurator As work fully, when the diameter dA converted into the diameter of a single nozzle from the total cross-sectional area value of the return passages Nt1 and Nt2 is calculated, it must be larger than the diameter of the through hole of the largest nozzle on the low pressure side. It is also important that the pressure in the nozzle holder part on the high pressure side does not drop as much as possible. Therefore, if the diameter of the first nozzle is d1 and the diameter of the smallest nozzle thereafter is d2 , the following relationship is required.

このとき、dはdより小さい条件が加わり、上記数式1で、dはなるべく小さな値にすることが好ましい。実験は、加工精度の関係から、dを1mm程度にして実験を行った。 In this case, the condition that d1 is smaller than d2 is added, and it is preferable to set dA to as small a value as possible in the above formula 1. In the experiment, dA was set to about 1 mm due to the relationship with the processing accuracy.

(単独ノズル)
参考に、単独ノズルを使用した場合のAEの大きさと処理液の粘度ηの関係を図14に示す。
単独ノズルは「S01N」で示し、市販されているノズルチップの通孔径Dnが0.1mmのノズルを使用したが、処理回数Nを上げるとηとAE信号VAEが増加する傾向を示すが、120回処理を行ってもηは500mPa・secにしかならなかった。
(Single nozzle)
For reference, the relationship between the size of the AE and the viscosity η of the treatment liquid when a single nozzle is used is shown in FIG.
The single nozzle is designated "S01N" and a commercially available nozzle tip with a through-hole diameter Dn of 0.1 mm was used. As the number of treatments N P increased, η and the AE signal V AE tended to increase, but even after 120 treatments, η was only 500 mPa sec.

(実験A)
M010202の3段ノズルを使用して処理したAE信号の大きさとセルロース懸濁液の粘度変化を図15に示す。この構成は、単独ノズルよりAE信号も大きく、ηもNが10で600mPa・secまで,大きくなった。また、水だけで噴射した場合のAEも単独ノズルより、大きな値を示していた。ノズル内でキャビテーションが多く発生していることが分かる。
(M0102A02の多段式ノズル+アスピュレータ1本)
前記M010202のN2-N3間にアスピュレータAsを1本配置した、M0102A02の3段ノズルを使用した場合、AE信号は更に大きくなり、ηは少し大きな値を示した(図16)。
(M01A0202の多段式ノズル+アスピュレータ1本)
一方、M010202のN1-N2間にアスピュレータAsを1本配置した、M01A0202の3段ノズルを使用した場合、前記M0102A02と比較すると、ηが大きくなったことが分かる(図17)。
この実験Aにより、単独ノズルよりも多段式ノズル(3段)、多段式ノズル(3段)よりも、多段式ノズル(3段)+アスピュレータ1本と、AE信号の値、ηの値がともに上昇したことから、微細化性能が向上することが実証された。
(Experiment A)
The magnitude of the AE signal and the change in viscosity of the cellulose suspension treated using the M010202 three-stage nozzle are shown in Figure 15. With this configuration, the AE signal was larger than with a single nozzle, and η was also larger, reaching 600 mPa·sec at an N P of 10. The AE when spraying only water was also larger than with a single nozzle. It can be seen that a lot of cavitation occurs inside the nozzle.
(M0102A02 multi-stage nozzle + 1 aspirator)
When a single aspulator As was disposed between N2-N3 of the M010202 and a three-stage nozzle of M0102A02 was used, the AE signal became even larger and η showed a slightly larger value (FIG. 16).
(M01A0202 multi-stage nozzle + 1 aspirator)
On the other hand, when a single aspulator As is disposed between N1 and N2 of M010202, and a three-stage nozzle of M01A0202 is used, it can be seen that η is larger than that of the above-mentioned M0102A02 (FIG. 17).
This experiment A demonstrated that the AE signal value and η value were both higher for the multi-stage nozzle (3 stages) than for a single nozzle, and for the multi-stage nozzle (3 stages) + one aspulator than for the multi-stage nozzle (3 stages), thereby improving the micro-fineness performance.

(実験B)
次に、M010202の3段ノズルの、通孔を軸として対称に2本のアスピュレータAsを配置した場合であるが、最初AE信号は減少した。しかし、セルロースの微細化を進めるにしたがって、AE信号が大きくなる傾向があった。
すなわち、アスピュレータAsを2本配置することで、アスピュレータより前のノズルの背圧が減少しAE信号は下がるが、微細化が進むにしたがって、原料のηが増加しノズル内の圧力が上昇し、AEが大きくなったと考えられる。
このように、アスピュレータを2本配置した場合でも、その配置位置(戻し位置)によって違いが見て取れ、M0102AA02の構成(図18)よりも、AEの絶対値が大きくないM01AA0202の構成(図19)で、最も高い粘度(900mPa・sec)になったことは、セルロースを微細化するに必要なエネルギーをもつキャビテーション領域に原料液(懸濁液)を最も有効に供給できた結果であると考えられる。
(Experiment B)
Next, in the case of the three-stage nozzle of M010202, in which two aspulators As are arranged symmetrically around the axis of the through hole, the AE signal initially decreased, but as the cellulose was refined, the AE signal tended to increase.
That is, by arranging two aspulators As, the back pressure of the nozzle before the aspulators is reduced and the AE signal falls, but as the miniaturization progresses, the η of the raw material increases, the pressure inside the nozzle rises, and the AE becomes larger.
As described above, even when two aspulators were arranged, differences could be seen depending on their arrangement (return position). The highest viscosity (900 mPa sec) was achieved with the M01AA0202 configuration (Figure 19), in which the absolute value of AE was not larger than that of the M0102AA02 configuration (Figure 18). This is thought to be the result of the raw material liquid (suspension) being most effectively supplied to the cavitation region, which has the energy necessary to micronize the cellulose.

(実験C)
実験に使用したノズルチップは通孔径Dnが0.1mmまたは0.2mmで、ノズルホルダの通孔径Dhは0.8mmであったので、通孔径が0.8mmの中間部分を第1ノズルN1と第2ノズルN2の間に入れたノズルを作製した。
このノズルをM010802と記載する。この場合、アスピュレータAsはなく、第1ノズルN1の後から大きなキャビテーションが起きていた。AEの大きさはNに依らずほぼ一定であった。ηはM010202と同様に大きくなった。この結果は、この構成でもキャビテーションが原料の微細化にある程度貢献しているが、使用されていないキャビテーションが多く存在していることを示している(図20)。
そこで、アスピュレータAsを0.2mmのノズルチップの直前に通孔を軸に対称となるように2本配置した場合の3段ノズルM0108AA02で実験すると、水だけのAEは単独ノズルより小さくなったが、セルロース懸濁液を入れることで、非常に大きなAEが発生した。このAEは微細化したセルロースから出ていると考えられる。この場合は、流速が落ちず、高い微細化性能が得られた。また、Nが3までは、各処理の中で最も大きなηを示すが、その後、ηとAEが減少し始めるのは速かった。通孔の径が変化するところにアスピュレータAsを設置すると、ηの最大値からの減少が速くなっていくことが分かった(図21)。
次に、中間部分に2本のアスピュレータAsを配置した場合の構成になる3段ノズルM01AA0802の微細化特性を示す。このノズル構成は、水だけのAEは大きいが、セルロース懸濁液のAEはあまり大きくならなかった。さらに、ηも大きくなっていないことから、余り微細化が進まなかったことが分かる。また、AEとηの間に相関がなかった。この相関がないことは、Nで流れの状態が大きく変化したことを示している。そこで、AEのデータから流速を求めると、その流速はM010802よりも低くなっていた。特に、水だけの場合には100Pa以下の低圧で急激に流速が減少していた。これらの結果は、アスピュレータAsを第2の高圧ノズルから遠ざけ、N1-N2間の途中に設置することで、ノズルホルダ内の直線的な流れが乱されたため起こったと考えられる。つまり、アスピュレータAsの配置場所としては、ノズル内のジェット流れを乱さないことが重要で、第2の高圧ノズル(ノズルチップ)の直前に配置することが好ましいことが分かった。これらの結果から、図22にそのジェット流の様子を示す。
(Experiment C)
The nozzle tip used in the experiment had a through hole diameter Dn of 0.1 mm or 0.2 mm, and the nozzle holder had a through hole diameter Dh of 0.8 mm, so a nozzle was created in which an intermediate portion with a through hole diameter of 0.8 mm was placed between the first nozzle N1 and the second nozzle N2.
This nozzle is referred to as M010802. In this case, there was no aspulator As, and large cavitation occurred after the first nozzle N1. The magnitude of AE was almost constant regardless of NP . η was large, similar to M010202. This result shows that, although cavitation contributes to the atomization of the raw material to some extent in this configuration, there is a lot of unused cavitation (Figure 20).
Therefore, when an experiment was conducted with the three-stage nozzle M0108AA02, in which two aspulators As were placed symmetrically around the axis of the through hole just before the 0.2 mm nozzle tip, the AE of water alone was smaller than that of the single nozzle, but a very large AE was generated by adding a cellulose suspension. This AE is thought to be coming from the finely refined cellulose. In this case, the flow rate did not decrease, and high fineness performance was obtained. In addition, up to N P 3, the largest η was shown among all the treatments, but after that, the η and AE began to decrease quickly. It was found that when the aspulator As was placed at a place where the diameter of the through hole changed, the decrease in η from the maximum value became faster (Figure 21).
Next, the micronization characteristics of the three-stage nozzle M01AA0802, which is configured when two aspulator As are arranged in the middle part, are shown. With this nozzle configuration, the AE of water alone is large, but the AE of the cellulose suspension does not increase much. Furthermore, since η does not increase, it can be seen that the micronization did not progress very much. There was also no correlation between AE and η. This lack of correlation indicates that the flow state changed significantly at N P. Therefore, when the flow velocity was calculated from the AE data, it was lower than that of M010802. In particular, in the case of water alone, the flow velocity decreased rapidly at low pressures of 100 Pa or less. It is believed that these results occurred because the linear flow in the nozzle holder was disturbed by placing the aspulator As away from the second high-pressure nozzle and midway between N1 and N2. In other words, it was found that it is important to place the aspulator As so as not to disturb the jet flow in the nozzle, and it is preferable to place it just before the second high-pressure nozzle (nozzle tip). From these results, the state of the jet flow is shown in Figure 22.

(実験D)
3段ノズルのM010202の後段に、ノズルチップの通孔径Dnが0.2mmの高圧ノズルを2つ加えた5段構造のM0102020202を作製し、その微細化性能を評価した。
AE信号はM010202よりも小さく、ηの増加もそれより少し悪くなった。この場合は、流れの抵抗が増えて、流速が減少したことから、M010202より微細化性能が悪くなったと考えられる(図23)。
次に、5段構造ノズルのM0102020202にアスピュレータAsを2本配置し、M01AA02020202の微細化特性を評価した。この場合は、アスピュレータAsの追加によりηの増加があったが、3段ノズルのM01AA0202よりηの大きさが小さいことから、装置の微細化特性は劣化した。これも後段が長くなり、流速が減少した影響が現れていると考えられる(図24)。
(Experiment D)
A five-stage structure M01020202 was produced by adding two high-pressure nozzles with a nozzle tip through-hole diameter Dn of 0.2 mm to the rear stage of the three-stage nozzle M010202, and its micronization performance was evaluated.
The AE signal was smaller than that of M010202, and the increase in η was also slightly worse than that of M010202. In this case, the flow resistance increased and the flow velocity decreased, which is thought to have resulted in worse refinement performance than M010202 (Figure 23).
Next, two aspulators As were placed on the five-stage nozzle M0102020202, and the atomization characteristics of M01AA02020202 were evaluated. In this case, the addition of the aspulators As increased η, but the magnitude of η was smaller than that of the three-stage nozzle M01AA0202, so the atomization characteristics of the device deteriorated. This is also thought to be due to the longer rear stages and the reduced flow rate (Figure 24).

次に、微細化処理する前の原料の光学顕微鏡像(図25)、標準ノズルS01N、M010202と、アスピュレータAsを備えたM01AA0202ノズルで処理されたセルロース微粒子とセルロースナノファイバー(CNF)凝集体の像を示す(図26~図28)。
S01Nでは、ナノファイバー化されていない多くのセルロース微粒子が存在し、数百μmの大きな凝集体を形成していた。Nを30まで上げてもまだ多くの微粒子が残っている状態で、この懸濁液は白濁した状態であった。それに対してM010202ノズルでは、数μmのセルロース微粒子と数十μmのセルロースナノファイバー(CNF)凝集体が観察され、Nを30にすると黒く写っているセルロース微粒子はより小さく、薄く写っているCNF凝集体も小さくなり、懸濁液の透明度は大きく上昇した。
さらに、アスピュレータAsを備えたM01AA0202ノズルでは、観察される黒い数μmのセルロース微粒子は非常に少なくなり、薄く写っているCNF凝集体の大きさも数十μmと小さく、この懸濁液は非常に高い透明度を示した。以上の結果から、多段のノズル構成、さらにアスピュレータAsを加えることで、微細化性能が大きく向上することが確認できた。
以上のことから、高圧噴射装置でのセルロースのナノファイバー化は、以下に示すようになることが分かった。まず、原料粒子の微細化から始まり、次に作製された微粒子のナノファイバー化が起こり、CNF凝集体を形成する。さらに、処理を進めると作製されたCNF凝集体も小さくなっていく過程を経る。この凝集体などの形態やそれらの絡まりの変化は、粘度の変化として測定できる。つまり、微細化性能は、最大粘度の大きさと、そのときの処理回数Nで評価でき、多段ノズル構成とアスピュレータAsの追加により、従来の単独ノズルに比べて、非常に高い微細化性能が実現できたことが確かめられた。
Next, optical microscope images of the raw material before micronization are shown (Figure 25), and images of cellulose microparticles and cellulose nanofiber (CNF) aggregates processed with the standard nozzles S01N and M010202, and the M01AA0202 nozzle equipped with an aspulator As are shown (Figures 26 to 28).
With the S01N nozzle, many cellulose fine particles were present that had not been converted into nanofibers, forming large aggregates of several hundred μm. Even when the N P was increased to 30, many fine particles remained, and the suspension was cloudy. In contrast, with the M010202 nozzle, cellulose fine particles of several μm and cellulose nanofiber (CNF) aggregates of several tens of μm were observed, and when the N P was increased to 30, the cellulose fine particles that appeared black became smaller, and the CNF aggregates that appeared lighter also became smaller, and the transparency of the suspension increased significantly.
Furthermore, with the M01AA0202 nozzle equipped with an aspulator As, the number of black cellulose fine particles of several μm observed was extremely small, and the size of the faintly visible CNF aggregates was also small at several tens of μm, and the suspension showed very high transparency. From the above results, it was confirmed that the micronization performance was greatly improved by using a multi-stage nozzle configuration and adding an aspulator As.
From the above, it was found that the nanofiberization of cellulose using a high-pressure injection device is as follows. First, the raw material particles are refined, then the fine particles produced are converted into nanofibers, and CNF aggregates are formed. As the process proceeds, the CNF aggregates produced also go through a process of becoming smaller. Changes in the morphology of these aggregates and their entanglement can be measured as changes in viscosity. In other words, the refinement performance can be evaluated by the magnitude of the maximum viscosity and the number of treatments N P at that time, and it was confirmed that the multi-stage nozzle configuration and the addition of the aspulator As achieved significantly higher refinement performance than a conventional single nozzle.

(実験の検証)
様々な多段式高圧ノズル構成でのセルロース懸濁液の処理による粘度変化を、図29にまとめると、M01AA0202、M0108AA02など、ノズルN1-N2間にアスピュレータAsを、通孔を軸に対称に2本配置する構造が、最も微細化性能が高くなった。
以上の結果から、多段式高圧ノズルのシステムにおけるアスピュレータAs配置の効果をまとめると、次のようになる。
(Experimental Verification)
The change in viscosity caused by the treatment of a cellulose suspension with various multi-stage high-pressure nozzle configurations is summarized in Figure 29. The structures in which two aspulators As are arranged symmetrically around the axis of the through hole between the nozzles N1 and N2, such as M01AA0202 and M0108AA02, showed the highest refining performance.
From the above results, the effect of the arrangement of the aspulator As in the multi-stage high-pressure nozzle system can be summarized as follows.

多段式の高圧ノズルにアスピュレータAsを配置することにより、単独ノズルやアスピュレータを配置しない多段式高圧ノズルと比べ、処理回数が少なくても粘度の大きなセルロースナノファイバー(CNF)懸濁液が得られ、微細化性能が大幅に向上した。また、アスピュレータを配置することで、最初のAE信号は小さくなるが、Nを増加し、微細化を進めるにしたがってAE信号が大きくなる傾向が見られた。特にNが10以下での粘度上昇が大きくなり、高圧で発生した強いキャビテーションを上手く原料液に与え、微細化できていた。
図30を用いて、この結果を模式的に示す。原料液は高圧チャンバの上流側(左)から低圧チャンバの下流側(右)に高圧噴射されている。図中のハッチング部分は本来キャビテーションなどの微細化作用が働いていると仮定している部分だが、その部分には原料液が循環していないないため、原料液全体の微細化が起こらないことを示している。この場合、微細化は主にノズル出口近くのジェット流近傍でのみ起こっている(a)。そこに、アスピュレータAsや、低圧チャンバ内の流れの反動を利用すると、原料が高圧のキャビテーションとせん断が働いている径が大きい第2ノズルの内部に供給されることになる(b)。これによって、大幅に微細化性能が向上したと考えられる。
By arranging an aspulator As in a multi-stage high-pressure nozzle, a cellulose nanofiber (CNF) suspension with high viscosity was obtained even with fewer treatments compared to a single nozzle or a multi-stage high-pressure nozzle without an aspulator, and the micronization performance was significantly improved. In addition, by arranging an aspulator, the initial AE signal became smaller, but as the N P was increased and the micronization proceeded, the AE signal tended to become larger. In particular, the viscosity increase was large when the N P was 10 or less, and the strong cavitation generated by the high pressure was successfully applied to the raw material liquid, allowing for micronization.
The results are shown in Fig. 30. The raw material liquid is high-pressure injected from the upstream side (left) of the high-pressure chamber to the downstream side (right) of the low-pressure chamber. The hatched area in the figure is the area where it is assumed that the atomization action such as cavitation is working, but since the raw material liquid does not circulate in that area, it is shown that the whole raw material liquid is not atomized. In this case, atomization mainly occurs only in the vicinity of the jet flow near the nozzle outlet (a). If an aspulator As or the reaction of the flow in the low-pressure chamber is used there, the raw material is supplied to the inside of the second nozzle with a larger diameter where high-pressure cavitation and shear are working (b). It is believed that this has significantly improved the atomization performance.

実験では、アスピュレータAsを配置する位置に関して、高圧ノズルN1とN2との間(N2の直前)に配置した結果が最も優れており、原料液の効率的な微細化に適した構造であった。特に、処理回数Nが1~5と少ないところで、粘度の増加が大きくなったことが重要である。
単独の標準ノズルで粘度が、500mPa・secを超えるのはNが120以上必要であるのに対して、3段のM010202の高圧ノズルでは、Npが10で500mPa・secを超え、更に高圧ノズルN1とN2の間に、アスピュレータAsを、通孔を軸に対象となるように2本配置したM01AA0202では、Nが5でその値を遙かに超えることが出来た。また、原料を水だけにした場合には、アスピュレータAsを配置することで、予想どおりその場所の圧力が減少し、AEの値は小さくなった。しかし、原料液にセルロース粉末を加えた場合には、アスピュレータAsを入れる場所が高圧ノズルN2-N3間の場合はNが5~10で急激に増加、高圧ノズルN1-N2間の場合はNが2以上で急激に増加した。これはある程度微細化が進むと、大きなセルロースナノファイバー(CNF)凝集体が形成され、その充填によりアスピュレータ通路内の圧力が上昇することにより、AE信号が上昇したと考えられる。
また、M01AA0202の構成では、キャビテーションによるAEの増加とともに、ノズル径が0.1から0.2mmに変わるところで、アスピュレータAsから供給される原料の流れの方向が変わるので、CNF凝集体にかかるせん断力も大きくなると考えられる。そのため、最も効率よく微細化され高いηを示したが、凝集体の微細化効果も大きくなることから、ηは最大値を取った後に、急激に減少した。
このように、第1ノズルで細いジェット流を作製し、第2以降のノズルで圧力を下げないような構成にすることで、高い微細化性能が実現できた。さらにアスピュレータAsの追加により、原料液になるべく多くのキャビテーションの効果を与えることができ、微細化の処理効率が向上することが明らかになった。ただしこのとき、微細化性能を下げないためにはジェット流の速度を下げないことが必要であった。
In the experiment, the position of the aspulator As was the best when it was placed between the high pressure nozzles N1 and N2 (just before N2), and this structure was suitable for efficient atomization of the raw material liquid. It is particularly important that the increase in viscosity was large when the number of treatments N P was as small as 1 to 5.
A single standard nozzle requires an NP of 120 or more to exceed 500 mPa·sec in viscosity, whereas the three-stage M010202 high-pressure nozzle exceeded 500 mPa·sec at an Np of 10, and the M01AA0202, which had two aspulators As placed between the high-pressure nozzles N1 and N2, symmetrically about the axis of the through-hole, far exceeded that value at an NP of 5. When the raw material was water alone, the pressure at the location of the aspulator As was reduced as expected, and the AE value became smaller. However, when cellulose powder was added to the raw material liquid, the AE value increased rapidly at an NP of 5 to 10 when the aspulator As was placed between the high-pressure nozzles N2 and N3, and increased rapidly at an NP of 2 or more when the aspulator As was placed between the high-pressure nozzles N1 and N2. This is thought to be because when the fiber is finely divided to a certain extent, large cellulose nanofiber (CNF) aggregates are formed, and the pressure inside the aspirator passage increases as the aggregates fill up, causing the AE signal to increase.
In addition, in the configuration of M01AA0202, the direction of the flow of the raw material supplied from the aspulator As changes when the nozzle diameter changes from 0.1 to 0.2 mm, along with the increase in AE due to cavitation, so it is considered that the shear force applied to the CNF aggregates also increases. Therefore, it was most efficiently refined and showed a high η, but since the effect of refining the aggregates also increased, η rapidly decreased after reaching a maximum value.
In this way, by creating a thin jet stream with the first nozzle and configuring the second and subsequent nozzles so as not to reduce the pressure, high micronization performance was achieved. Furthermore, by adding the aspulator As, it was possible to give as much cavitation effect as possible to the raw material liquid, and it became clear that the micronization processing efficiency was improved. However, at this time, it was necessary not to reduce the speed of the jet stream in order to avoid a decrease in the micronization performance.

総括として、高圧噴射装置の多段の高圧ノズル部分にアスピュレータ機構を追加することと、原料液の噴射速度下げないことで、微細化性能を大きく向上できることが分かった。
また、高圧噴射装置では上記過程で微細化が進むが、途中大きなCNF凝集体が形成されるときには、アスピュレータAsの部分で流路を90度変えた場合(図31(a)参照)、凝集体は入り口に入った途端に流れの速い領域になるため、凝集体の一部がノズルに押しつけられ、凝集体全体に非常に高いせん断力が働くことになる。一方、ノズルの前方に、その部分を設けた場合には、ノズル部分で押さえられることは無くなるため、前者の様に凝集体に大きなせん断力加わることはなくなる(図31(b)参照)。両者を比較すると、アスピュレータAsをノズルチップの直前に入れた場合のほうが、より微細化性能が上がった。
つまり、アスピュレータAsの位置も微細化性能に関連する重要なパラメータであり、本実施の形態はキャビテーションとせん断力を高めた優れた微細化方式であると言える。
In summary, it was found that the micro-refining performance can be significantly improved by adding an aspulverizer mechanism to the multi-stage high-pressure nozzle part of the high-pressure injection device and by not reducing the injection speed of the raw material liquid.
In addition, in the high-pressure injection device, the CNFs are refined in the above process, but when large CNF aggregates are formed along the way, if the flow path is changed by 90 degrees at the aspulator As (see FIG. 31(a)), the aggregates enter a fast-flowing area as soon as they enter the inlet, so part of the aggregate is pressed against the nozzle, and a very high shear force acts on the entire aggregate. On the other hand, if this part is provided in front of the nozzle, the aggregates are no longer held down by the nozzle, so a large shear force is not applied to the aggregates as in the former case (see FIG. 31(b)). Comparing the two, the refinement performance is improved when the aspulator As is placed just before the nozzle tip.
In other words, the position of the aspulator As is also an important parameter related to the micronization performance, and this embodiment can be said to be an excellent micronization method that enhances cavitation and shear force.

(本発明の他の実施の形態)
前記実験結果では、第1スペーサ5Aの下流側(N2のノズルチップの直前)に連絡通路5cを設けた第1の実施の形態が最も良い実験結果が得られたが、他の実施形態を以下に示す(図32~図36)。
図32(a)(b)は、第1の実施の形態と同様に高圧ノズル400(N1,N2,N3)が複数配置された多段式高圧ノズル構造を示す図であり、複数の高圧ノズルがノズルケース101に収納される。そして、高圧ノズル間にスペーサ5A,5Bが介在されており、前記スペーサ5Aまたは5Bを一部切り欠いた連絡通路5c(図はスペーサ5Bに連絡通路を備える)、あるいは貫通穴(図示しない)が形成されており、ノズルケース101に設けられた、通孔を軸に上下対象に形成された戻し通路Nt1、Nt2と連結され、アスピュレータAsを構成している。したがって、高圧噴射により、低圧チャンバに滞留する原料液は戻し通路Ntと連絡通路5cを介して通孔Naに戻されて、再度高速噴射される。
(Another embodiment of the present invention)
In the above experimental results, the best experimental results were obtained for the first embodiment in which the communication passage 5c is provided on the downstream side of the first spacer 5A (just before the N2 nozzle tip), but other embodiments are shown below (Figures 32 to 36 ).
32(a) and (b) are diagrams showing a multi-stage high-pressure nozzle structure in which a plurality of high-pressure nozzles 400 (N1, N2, N3) are arranged as in the first embodiment, and a plurality of high-pressure nozzles are housed in a nozzle case 101. Spacers 5A and 5B are interposed between the high-pressure nozzles, and a communication passage 5c (the spacer 5B has a communication passage in the figure) or a through hole (not shown) is formed by cutting out a part of the spacer 5A or 5B, and is connected to return passages Nt1 and Nt2 formed symmetrically above and below the through hole provided in the nozzle case 101, forming an aspulator As. Therefore, by high-pressure injection, the raw material liquid remaining in the low-pressure chamber is returned to the through hole Na via the return passage Nt and the communication passage 5c, and is injected again at high speed.

図33は、高圧ノズル400を構成するノズルホルダNhに貫通穴を設け連絡通路5cとし、ノズルケースに設けられた戻し通路と連結され、アスピュレータAsを構成していることを示す図である。
本実施の形態では、ノズルホルダNhに設けられた連絡通路5cの位置は、図42(a)(b)で示すようにA-Aの範囲内であれば、どの位置にあっても良く、ノズルホルダNhの下流側の側端に設ける場合は切り欠いて設けられていても良い。
FIG. 33 is a diagram showing how a through hole is provided in the nozzle holder Nh constituting the high-pressure nozzle 400 to serve as a communication passage 5c, which is connected to a return passage provided in the nozzle case to form an aspulator As.
In this embodiment, the position of the communication passage 5c provided in the nozzle holder Nh may be anywhere within the range A-A as shown in Figures 42 (a) and (b), and if it is provided at the downstream side end of the nozzle holder Nh, it may be provided by cutting out.

また、戻し通路と連絡通路から構成されるアスピュレータAsは、ノズルの通孔Naを軸として対称に設けられ、十字状に形成されていてもよく(図34(a)(b))、さらに本数を放射状に増加させて設けても良い。
更に図35のように、前記スペーサ5A(または5B)を分割して、分割した中央の隙間を連絡通路5cと通孔とし、戻し通路Ntと連結させて、アスピュレータAsを構成することもできる。
In addition, the aspulator As, which is composed of a return passage and a communication passage, may be provided symmetrically with respect to the nozzle through hole Na as an axis and formed in a cross shape (FIGS. 34(a) and (b)), or the number of aspulators may be increased radially.
Furthermore, as shown in FIG. 35, the spacer 5A (or 5B) can be divided, and the central gap formed by the division can be used as a communication passage 5c and a through hole, which can be connected to the return passage Nt to form an aspulator As.

図36は、複数の高圧ノズルのうち、上流側の高圧ノズルN1がノズルケース102の上流側から収容され、下流側の高圧ノズルN2、N3がノズルケース102の下流側から収容され、ノズルケース102に配したねじ溝Nyとねじ込み押さえ部材Njによって隙間なく螺合される。
また、ノズルケース102には高圧ノズルN1とN2,N3の間とを隔離する隔離壁40aが設けられ、連絡通路5cが形成されており、戻し通路Nt1,Nt2と連結されている。すなわち、ノズルケース102の全体にわたって戻し通路、連絡通路によるアスピュレータAsが構成された例である。
In Figure 36, of the multiple high-pressure nozzles, the upstream high-pressure nozzle N1 is housed from the upstream side of the nozzle case 102, and the downstream high-pressure nozzles N2 and N3 are housed from the downstream side of the nozzle case 102, and are screwed together without any gaps by the screw groove Ny arranged in the nozzle case 102 and the screw-in holding member Nj.
In addition, the nozzle case 102 is provided with a partition wall 40a that separates the high-pressure nozzles N1, N2, and N3, and a communication passage 5c is formed therein, which is connected to the return passages Nt1 and Nt2. In other words, this is an example in which an aspulator As is formed by return passages and communication passages throughout the entire nozzle case 102.

以上、上記実施の形態では、多段式高圧ノズルにおいて、ノズルホルダやノズルケース、スペーサに通孔や連絡通を設けた構成で、低圧チャンバ内に滞留する原料液を通孔に戻す構成を示したが、本発明はこれら実施の形態に限られず、多段式高圧ノズルに広く適用可能である。 In the above embodiments, a multi-stage high-pressure nozzle is configured with holes and communication passages in the nozzle holder, nozzle case, and spacer, and the raw material liquid remaining in the low-pressure chamber is returned to the holes, but the present invention is not limited to these embodiments and can be widely applied to multi-stage high-pressure nozzles.

400,N1,N2,N3 高圧ノズル、
Nn,Nn,Nn,Nn,Nn ノズルチップ、
Nh,Nh,Nh,Nh,Nh ノズルホルダ、
Nt,Nt1,Nt2 戻し通路、
100,101,102 ノズルケース、
Nan ノズルチップの通孔、
Nah ノズルホルダの通孔、
Nac ノズルケースの通孔、
5A 第1のスペーサ、
5B 第2のスペーサ、
5c 連絡通路、
8 信号処理判定手段、
9 AEセンサ、
10 原料液、
1a,1b 微粒子の凝集体(スラリー)、
1c 微粒子、
20 懸濁液、
40 低圧チャンバ、
40a 隔離壁、
402 低圧チャンバからの排出口、
500 高圧チャンバ、
600 AE信号の伝播経路、
AE 計測されるAE信号の強度、
AE 粒子のキャビテーションによる信号、
As アスピュレータ、
Att 超音波の伝搬特性(減衰率)、
Np 高圧噴射処理の噴射回数、
rms AE信号電圧

400, N1, N2, N3 high pressure nozzle,
Nn, Nn1 , Nn2 , Nn3 , NnM nozzle tips,
Nh, Nh 1 , Nh 2 , Nh 3 , Nh M nozzle holder,
Nt, Nt1, Nt2 return passages,
100, 101, 102 nozzle case,
Nan nozzle tip through hole,
Nah: nozzle holder through hole,
NAC nozzle case through hole,
5A first spacer,
5B second spacer,
5c Connecting passage,
8 signal processing and determination means,
9 AE sensor,
10 Raw material liquid,
1a, 1b Aggregates of fine particles (slurry),
1c microparticles,
20 suspensions,
40 low pressure chamber,
40a Partition wall,
402 outlet from low pressure chamber;
500 high pressure chamber,
600 AE signal propagation path,
AE m is the measured AE signal strength,
AE p signal due to particle cavitation,
As Aspulator,
Att u Ultrasonic propagation characteristics (attenuation rate),
Np: number of injections of high pressure injection treatment,
Vrms AE signal voltage

Claims (3)

高圧ノズルの通孔から低圧チャンバに所定圧力で原料液を噴射して原料液中の粒子を微細化する高圧噴射処理装置において、前記高圧ノズルはその上流側の通孔径が最小となるように形成されているとともに、低圧チャンバ側に噴射された原料液の一部をその噴射流を利用して前記高圧ノズルの上流側に戻すための戻し通路と、前記戻し通路が前記高圧ノズルの通孔径が最小の部分よりも下流側部分に接続するための連絡通路を備えることを特徴とする高圧噴射処理装置。A high-pressure injection treatment apparatus for injecting a raw material liquid at a predetermined pressure from a through hole of a high-pressure nozzle into a low-pressure chamber to reduce particles in the raw material liquid, the high-pressure nozzle being formed so that the through hole diameter on the upstream side thereof is smallest, the high-pressure injection treatment apparatus being equipped with a return passage for returning a portion of the raw material liquid injected into the low-pressure chamber side to the upstream side of the high-pressure nozzle by utilizing the injection flow, and a communication passage for connecting the return passage to a portion of the high-pressure nozzle downstream of the portion with the smallest through hole diameter.
前記高圧ノズルは、ノズルチップとノズルチップを固定してノズルチップよりも大きな通孔径を有するノズルホルダで構成される高圧ノズルを複数連結させた多段式であり、前記戻し通路を上流側N番目の高圧ノズルとその次のN+1番目の高圧ノズルとの間に設けられた連絡通路と接続させるか、又は、前記戻し通路を上流側N番目のノズルチップとN+1番目のノズルチップの間に設けた連絡通路に接続させることを特徴とする請求項1に記載の高圧噴射処理装置。The high-pressure nozzle is a multi-stage type in which a plurality of high-pressure nozzles are connected together, the high-pressure nozzles being composed of nozzle tips and nozzle holders to which the nozzle tips are fixed and having a larger through-hole diameter than the nozzle tips, and the return passage is connected to a communication passage provided between the upstream Nth high-pressure nozzle and the next N+1th high-pressure nozzle, or the return passage is connected to a communication passage provided between the upstream Nth nozzle tip and the N+1th nozzle tip.
前記連絡通路が高圧ノズルを構成するN+1番目のノズルチップの直前に形成され、前記通孔に戻されることを特徴とする請求項2に記載の高圧噴射処理装置。3. The high-pressure injection treatment device according to claim 2, wherein the communication passage is formed immediately before an (N+1)th nozzle tip constituting the high-pressure nozzle and returns to the through hole.
JP2020048280A 2020-03-18 2020-03-18 High pressure injection treatment equipment Active JP7471573B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020048280A JP7471573B2 (en) 2020-03-18 2020-03-18 High pressure injection treatment equipment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020048280A JP7471573B2 (en) 2020-03-18 2020-03-18 High pressure injection treatment equipment

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021146269A JP2021146269A (en) 2021-09-27
JP7471573B2 true JP7471573B2 (en) 2024-04-22

Family

ID=77847601

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020048280A Active JP7471573B2 (en) 2020-03-18 2020-03-18 High pressure injection treatment equipment

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7471573B2 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002067887A (en) 2000-08-30 2002-03-08 Nippon Vinylon Kk Variable jet direction diffusion nozzle and liquid jet device
JP2004188315A (en) 2002-12-11 2004-07-08 Asmo Co Ltd Washer nozzle and washer apparatus
JP2017177037A (en) 2016-03-31 2017-10-05 富山県 Nozzle for high pressure injection processing device, evaluation method for high pressure injection processing device, and high pressure injection processing method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002067887A (en) 2000-08-30 2002-03-08 Nippon Vinylon Kk Variable jet direction diffusion nozzle and liquid jet device
JP2004188315A (en) 2002-12-11 2004-07-08 Asmo Co Ltd Washer nozzle and washer apparatus
JP2017177037A (en) 2016-03-31 2017-10-05 富山県 Nozzle for high pressure injection processing device, evaluation method for high pressure injection processing device, and high pressure injection processing method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021146269A (en) 2021-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11498332B2 (en) Apparatus and method for acoustophoretic printing
Li et al. Effects of nozzle inner surface roughness on the cavitation erosion characteristics of high speed submerged jets
KR101573123B1 (en) Nozzle for blasting liquid detergents with dispersed abrasive particles
US6318649B1 (en) Method of creating ultra-fine particles of materials using a high-pressure mill
EP3266744B1 (en) Apparatus and method for preparing graphene by exfoliation of graphite using a pulsed or cavitating waterjet
US6394429B2 (en) Device and method for fluid aeration via gas forced through a liquid within an orifice of a pressure chamber
US8528406B2 (en) Method for non-contact particle manipulation and control of particle spacing along an axis
US10807099B2 (en) Device for preparing nanofragmented product and method for preparing nanofragmented product
Makuta et al. Generation of micro gas bubbles of uniform diameter in an ultrasonic field
US11090620B2 (en) Device for counter collision treatment including nozzle adjustment means
KR20110053775A (en) A dispersing apparatus for nano powders using intensity focused ultrasonics wave and a dispersing method using thereof
JP7471573B2 (en) High pressure injection treatment equipment
Watanawanyoo et al. Experimental investigations on spray characteristics in twin-fluid atomizer
Yan et al. Drop-on-demand drop formation of polyethylene oxide solutions
JP3151706B2 (en) Jet collision device
JP6845387B2 (en) High-pressure injection processing equipment nozzle, high-pressure injection processing equipment evaluation method, high-pressure injection processing equipment and high-pressure injection processing method
CN100425349C (en) Striking cavity for liquid-phase super-fine disintegration
WO2017010451A1 (en) Wet disperser
JP2006016222A (en) Method for rupturing carbon nanotube and carbon nanotube
CN111366505B (en) Particle size follow-up detection device adopting cavitation impact crushing coupled fine particle dispersion laser scattering method
Gunamgari et al. Experimental investigation on abrasive water jet cutting of high strength aluminium 7068 alloy
Lim et al. Analysis of an acoustic fountain generated by using an ultrasonic plane wave for different water depths
Łapa et al. Investigation of aerosol droplets diameter generated in aerosol jet printing
Zhang Influence of piezoelectric atomizer pores on ultrasonic atomization effect
JP2004124133A (en) Production method of metal particle

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230216

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20231213

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20231219

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240112

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240315

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240401

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7471573

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150