JPH0459032A - 超音波乳化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、乳化或いは混合等のプロセスを要する広範囲
の産業界において利用できるか、特に、液と液との乳化
、中でも、比較的低粘性の液体同士、例えば冷間圧延用
の潤滑面のように浦と水の分散液を大量に連続処理する
ようなプロセスへ適用する超音波乳化装置に関するもの
である。

（従来の技術） 超音波に乳化分散作用のあることは古くから知られ、機
械的回転撹拌機と並んで、超音波乳化装置（超音波ホモ
ジナイザー）は種々の産業界に幅広く利用されている。

これらの超音波乳化装置は、いずれも、超音波発振器、
超音波変換器、ホーン及びセルから基本的に構成される
が、これらの各構成要素について説明する。

超音波発振器は、超音波音源を駆動するための高周波電
源であり、多くの回路方式かあるか、最近ではほとんど
半導体（トランジスタ、ザイリス夕）が用いられ、温度
、負荷等で変動する振動系全体の共振周波数を自動的に
補足することのできる自動追尾発振方式が一般的である
。

超音波変換器は、電気エネルギーを機械的振動に変換す
るエネルギー変換器で、変換素子と共振系を構成する金
属体との一体構造を振動子と呼ぶ。

素子の材質には、利用する原理から磁歪方式と圧電方式
との２方式かあり、磁歪方式には、純ニッケル、アルミ
鉄合金及びフェライトを用いたもの、圧電方式には、ジ
ルコン・チタン酸鉛（ＰＺＴ）を用いたものかあるが、
最近では変換効率の優れた圧電方式が主流である。圧電
方式では、磁器であるＰＺＴを変換素子とするもので、
高用力密度を要する強力超音波発生源として、この圧電
磁器を金属で挟みボルトにて締結した、いわゆるランジ
ュバン型の振動子か用いられている。

ホーンは、変換器で生じた振動を共振を利用して所定の
振幅に増幅するための金属製の振動伝播体である。ホー
ンの形状としては、代表的には、エキスポーネンシャル
（指数）ホーン、コニカル（円錐）ホーン、ステップ（
段付き）ホーン等の種類があり、増幅率や工作性により
使い分けられる。

セルは、円筒状であり、互いに不溶性の２種以上の異液
混合流に超音波振動を均一に付与し、乳化処理を行うた
めの乳化室を構成する容器であり、ホーンに接して配置
され、導入口と排出口を備えている。

次に、乳化処理が行われる主要部分について、代表的な
装置で図を用いて説明する。

第５図は乳化分散作用が行われるセル回りの拡大断面を
示すものである。ホーン１及び分散工具２は、その断面
が一般には円形で、長さがそれぞれ共振条件を成立させ
るため、縦波の波長の半分１２になっている。分散工具
２は、交換作業などメンテナンス性の確保のためにホー
ン１とネジ込みにより分割できるようになっているか、
両者が一体構造で、ホーン１て工具２を兼ねている場合
もある。ホーン１或いは工具２の材質としては、耐食性
、振動の伝達効率及び耐エロージヨン性の大きいことが
重要であり、一般には、工具鋼或いはチタン等が用いら
れる。セル３は、工具２を囲むように配置され、工具２
に対向する位置に導入口４（ノズル）、工具側方に排出
口６が設けられている。乳化室５は、工具２の振動面と
セル３の一部である対向板７との間隙に位置する。乳化
室５の間隙８は、分散効果に影響を与えるので、可変で
調整ができるような構造となっている。又、工具２の周
面とセル３との間には処理液が工具周面に沿って均一に
流れるように間隙か形成されている。

このような構造の装置において、予め分散混合された分
散相となるべき液体と分散媒となるべき液体とは、ポン
プ或いは他の方法で導入口４から乳化室５の中へ送り込
まれ、工具２の振動面に向かって進み、これに衝突し、
更に、工具２を包み込むように進み、排出口６から排出
される。工具２の振動面近傍では、キャビテーションが
生じており、処理液は、この振動面に衝突する際、キャ
ビテーションにより分散乳化作用を受ける。処理液の流
れとしては、逆も可能であり、はぼ同じ乳化効果が得ら
れるものと考えられている。

次に、作用について説明する。

超音波による乳化分散のメカニズムについては、１９２
７年のウッドとルーミスの研究発表以来、主に２つに作
用、即ち、キャビテーション作用と界面撹乱作用とによ
るものであると提唱されてきた。

キャビテーション作用は、超音波により液体に生じる圧
力振幅が静圧を越える場合、正圧と負圧とが交互に繰り
返し加わり、微細な空洞の成長・収縮を繰り返す過程で
、非常に大きい圧力を発生し、これによって乳化分散効
果がもたらされると考えられている。又、界面撹乱作用
は、液体中で濃度差のある異相界面に合うと、超音波反
射が起こり、音圧を呈し、この音圧作用で激しい機械的
撹乱を起こし、これによって分散効果がもたらされるも
のと考えられていた。しかし、最近では、乳化分散作用
は、液相と固体振動面との接触衝突作用が主因であり、
この衝突作用は振動面上に発生する真空層の生成消滅の
繰り返し、即ちキャビテージョン作用に起因することが
定説にされている。

このことは超音波を超音波伝播に殆ど問題ないと考えら
れる薄膜（厚さ２０μｍのサラン膜）を介して間接照射
した場合、液中にはキャビテーションは生じているもの
の、乳化は僅かしか進まないという実験結果によっても
裏付けられる。つまり、乳化には、キャビテーション作
用だけでなく、振動面への衝突作用が複合化して相乗的
に作用するものと考えられるようになってきている。

以上述べた超音波による乳化分散メカニズムを踏まえる
と、乳化効果の向上を図るためには、振動面に処理液を
十分に接触衝突させなければならないが、主要な影響因
子として超音波の衝撃力或いは照射時間を大きくするこ
とが効果的であることが判明している。例えば、衝撃力
を高める、即ち振動加速度α（−ξω２−ξ（２πｆ）
２）を増大（即ち、周波数ｆ或いは振幅ξをそれぞれ高
く或いは大きくすること）すれば、より微細な分散粒子
径を得ることができ、乳化を促進することができる。又
、超音波照射時間（処理液の流量をＱ　ｃｃ／　ｓｅｅ
　、工具２の面積を５ｃｒｌ、分散工具２と対向板７と
のギャップ（乳化室の軸方向の長さをいい、以下ギャッ
プという。）８をＣとすると、超音波照射時間ｔは、ｔ
　＝　ＣＳ　／　Ｑｓｅｃ）を長くすれば、分散安定性
を改善することかできる。

以上のことから、超音波による乳化能力向上の方策をま
とめると、 （１）　　振動面に処理液が十分に接触衝突すること。

（２）振動振幅或いは周波数を大きく或いは高くするこ
と。

（３）照射時間を長くすること。

の３項目を極力満足するように、振動系や乳化室の構造
を設計することかポイントである。

次に、−船釣な装置仕様と使用条件について示す。

超音波条件と乳化特性との関係は前述したように超音波
による乳化分散のメカニズムの研究からほぼ明らかにさ
れており、分散相・分散媒の組合せや、目標粒径によっ
て条件の幅はあるが、大体、周波数では、１８〜３０ｋ
ｌｌｚ　、振幅では、両振幅で１０μｍ程度以上が一般
的である。

以上の説明で構成された装置は、小さいスペースで効率
のよい連続処理ができるため、従来回転運動を主動力と
してきたバッチ式機械混合撹拌機に代わってユニット、
或いは、プラントに組み込み使われている。

（発明が解決しようとする課題） 超音波のエネルギー的利用の場における共通の課題とし
て、振動エネルギーの効率化のために共振条件を利用す
ることに起因する装置上の諸制約がある。即ち、振動条
件の中でも主要な条件である周波数や振幅は共振条件成
立のために大きな制約を受けており、それぞれ周波数は
前述したように一つの振動子毎に固定され、大きく変更
させることは不可能であり、又、振幅も振動子の形状制
約や発振器の機能限界で大きく制約されている。

従って、これらの制約があるため装置の大出力化が阻ま
れ、適用が小規模なプロセスに限定されている。乳化へ
の適用においても、より大量の液体の連続処理が求めら
れるプロセスへ適用を図るためには、従来から単位装置
当たりの大出力化を含めて乳化処理能力の飛躍的向上か
求められている。

乳化処理能力を向上させる方法の一つとして振動系の高
出力化かあるが、効率性、安定性、メンテナンス性、等
の観点から制約が多いので、乳化作用の能率を向上させ
る観点、即ち、照射時間を大きくする観点から各種の方
策か提案されている。

例えば、衝突回数増については、工具面拡大や多段化等
の工夫を凝らした装置が既に考案され、実用化されてい
る。例えば、衝突面拡大は、第６図に示すようにホーン
１先端に面積を拡大した薄肉の円盤状の工具２を接続す
る方策や工具内部に混合液を通す工夫を施した装置かあ
る。第６図は、面積の拡大と共に、処理液が円盤の表裏
面に触れるよう衝突回数増の工夫がなされている。しか
し、これらは、前述したような工具の形状制約があるた
め、形状変更に伴う振動エネルギー効率低下により大幅
な能力改善は望めない。

又、多段化は、乳化分散作用向上に最も効果的な方策で
あり、能力は増すものの、ｉｌｌ。位振動子の出力上限
かあるため多数の振動子が配列され複雑な装置になるた
め、処理能力に比例して設備費が増え、スケールメリッ
トか享受できない。つまり、より大量な液体の連続処理
が求められるプロセスへ適用を図るためには、従来法で
は、複雑な装置から構成されるため、投資コストやメン
テナンス性の問題か生じ、実用化が阻まれていた。

更に、照射時間即ち滞留時間（ｔ＝Ｃ３／Ｑｓｅｅ）を
長くする方策も考えられ、具体的には、ギャップＣの拡
大、面積Ｓの拡大成いは流ｆｔＱの低減の何れかか選択
できる。しかし、ギヤ、ツブを拡大すると振動面との十
分な接触が行われなくなることによる乳化能力低減を招
くという問題があり、又、面積の拡大についても、反比
例して振幅が低減するため能力低減を余儀無くされると
いう問題が生ずる。残された方策である流量を低減する
方策は、確かに乳化粒径の分布が微細粒径側ヘシフトす
ることによる乳化効果は増すか、当然処理能力増にはな
らず、結局、何れの場合も、処理能力を増すことはでき
ない。

以上述べてきたように、従来の超音波乳化技術では、よ
り均一で分散安定性の高い大量の乳化液の連続処理が求
められるプロセスに適用するには、装置の信頼性の確保
や投資コストの点で問題があった。本発明は、こうした
従来の超音波乳化技術における課題を解決するためにな
されたものであり、特に乳化処理能力を向上できる簡易
構造の超音波乳化装置を提供することを目的とするもの
である。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明は以下の構成を要旨
とする。すなわち本発明は、■セルとこれに挿入された
分散工具間に形成され、不溶性の２種以上の異液混合液
を満たし、超音波振動を付与するための円筒状の乳化室
において、該混合液中での超音波振動の伝播方向が該乳
化室の軸方向と平行になるように超音波振動付与装置を
配設してなり、該乳化室の軸方向の長さが該混合液中に
生じる超音波振動の半波長と同じかもしくは半波長の整
数倍に設定されていることを特徴とする超音波乳化装置
であり、また■前記発明において、乳化室に超音波振動
を反射する対向板を設けたことを特徴とし、更に■前記
対向板の側方に処理液の導入口を設けたことを特徴とす
るものである。

発明者たぢは、液体同士の乳化分散の大量処理可能な方
策を探索し、従来定説とされていた振動面近傍のキャビ
テーション作用に加えて、その効果か極めて小さいとさ
れていた界面撹乱作用による乳化分散作用も効率良く併
用することにより、乳化分散効果を数倍に向上できる効
果を見出した。

即ち、本発明は、比較的簡単な構造で乳化分散を行う装
置を提供するもので、基本的な構成は従来の乳化装置と
同じであり、本発明の特徴は乳化室内の形状にある。即
ち、乳化室内のセルと工具とのギャップを乳化室内の液
中に生じる音波の波長の１／２或いはその整数倍にとり
、乳化室内に満たされた混合液体中に超音波振動による
定在波を効率的に生じさせ、この定住波による界面撹乱
作用との相乗効果により乳化の大幅な促進を図ることが
できるものである。

以ドに本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の乳化装置の１実施例について概略を示
した図であり、本図でその構造上の特徴を説明する。

本発明の基本的な構成は従来と同じであるが、第１に乳
化室５の形状に特徴がある。従来の装置では、乳化は振
動面近傍のキャビテーションによる衝突効果のみとされ
ていたため、液体に均一に衝突作用を与えるためには、
乳化室５におけるセル３と工具２とのギャップ８は極力
小さく、−船釣には２〜３ｍｍ位にとられているが、本
発明では、ギャップ８を広げ、半波長（周波数２０ｋｌ
ｌｚて、約３７ｍｍ）と同じにして従来の１０倍以上に
している。

つまり、ギャップ８を液中の音波の半波長の長さ１３に
することにより、乳化室５に満たされた混合液体中に超
音波振動による共振条件から定在波が生じるようにして
いる。従来は、乳化分散はキャビテーションの衝突効果
のみによるとされていたため、ギャップ８をひろげるこ
とは均一な衝突効果の観点から好ましくないと考えられ
ており、確かに後述の実施例に示されるようにギャップ
８を拡げると乳化効果は一時劣る傾向かあるか、半波長
１３まて広げると乳化効果は改善される。定在波は、ギ
ャップか半波長に限らず半波長の整数倍でも生じるため
、例えば半波長の２倍でも乳化効果の促進は認められる
。

本発明では、振動系そのものには形状変更等の振動効率
を低減させるような改造は加える必要はなく、むしろ振
動の利用効率を高める点に特徴かある。更に、定在波を
効果的に生じさせたり、乳化作用の均一化のためには、
対向板７の形状や材質、導入口４形状や配置或いは乳化
室５内の流れの分布等も厳密には影響があると考えられ
るか、振動系に求められるような精密な加工や調整をし
なくても、大きな改善効果を得ることができる。

又、本発明では、処理能力増大ばかりでなく、乳化安定
性の向上も同時に図ることができるが、これは、振動の
伝播方向１１と処理液の流れ方向９とが平行であるため
、ギャップ８の拡大がそのまま照射時間の増加にも効く
ためである。

本発明に基づく装置は、振動の伝播方向ＩＩと処理液の
流れ方向９とか平行であればよく、伝播方向流れ方向が
逆の場合や、流れ方向か伝播方向と同じ部分と逆の部分
とが存在する場合（例えば、第１図で、振動子中心に孔
か設けられ、導入口４にその孔を用いる場合）でも、同
様な効果が得られる。第２図は導入口４を乳化室５の側
方に設けて乳化室５内の流れ９が振動伝播方向１１と平
行であり、対向板７の中心のノズル４の定在波への影響
を小さくするために工夫されたセル３の形状の例である
。

（実　施　例） 圧延潤滑油として用いられるエマルジョン浦の乳化に用
いた場合について述べる。

現在、圧延潤滑油の乳化は、乳化剤を用いる化学的手段
により主に行われているが、乳化剤省略による潤滑油の
単価低減、スラッジの分離がし易く長寿命化が図れる等
のコストダウンを狙いとして、従来から乳化に超音波振
動を利用することは考えられていた。例えば、既に（特
願昭４８−８００８０］　６ 「潤滑油の乳化法」）に示すように潤滑油の乳化に適用
する試みはなされており、容易に１０μｍ以下の粒径分
布か達成できることが確認されている。

困みに、この場合、周波数２０に敗、電源出力］、ｋＷ
で、１０Ω／　ｍ　ｉ　ｎまでの乳化処理かり能である
ことが判明している。

圧延に用いられる潤滑油は、圧延材の表面品質と密接な
関係があるため、予め決められた粒径分布範囲におさま
るよう厳しく管理されている。例えば、ＳＵＳの場合、
平均粒径で３μｍ位が最適で、小さずぎると、ヒート・
スクラッチ、大きすぎると、オイル・ピットという欠陥
が圧延製品に生じる。しかも、高速圧延に対応するよう
冷却機能を強化するため、数千、Ｑ／ｌ１ｌｉｎもの大
量の潤滑油が循環しており、大量の処理能力が必要であ
る。これに適用する場合、既存の乳化装置では、全量処
理には装置が数百台にもなり非現実的であり、循環系内
にて分離する油分に見合っただけの装置を備える前提で
も、−合力たりの処理能力が循環量の１９６未満である
ため、台数か嵩み実用化には到底至らない状況である。

従って、これら大量に連続処理を行うプロセスへ適用す
るためには、単位装置の処理能力の大幅向上や乳化安定
性の改善が解決されねばならない状況にあった。

圧延潤滑油の乳化条件は、前に述べた圧延材表面の欠陥
防止のために、３μｍの粒径を境の目安として管理され
ている。従って、乳化特性の評価の尺度には、全粒径分
布に占める粒径４μｍ未満の粒界の重量分布率を乳化指
数（％）と決め、乳化効果を評価した。粒径分布の旧測
はコールタ−・カウンターを用いた。装置の詳細仕様は
第１表に、用いた潤滑油の特性は第２表に示した。

第３図は、ギャップが乳化効果におよぼす影響について
示した図で、乳化効果は乳化指数を用いた。水中での音
速は約１．５００ｍ　／　ｓｅｅであるため、−波長λ
は、約７５ｍｍになるが、ギャップがλ／２やλの条件
ては、乳化能力か向上し、乳化指数の改善として現れて
いる。第４図は、乳化処理量か乳化効果におよほす影響
について示した図で、ギャップがλ／２の場合であるか
、５ｇ／ｍｉｎまでは高い乳化指数を維持できることが
示されている。従来装置との能力比較を第３図と第４図
を用いて行うと、従来装置（ギャップ２〜３ｍｍ）の処
理量５ρ／ｍｉｎの場合の乳化指数（５０％）に見合う
処理量は、本発明の装置では約１５Ω／　ｍ　ｉ　ｎと
、約３倍の処理能力向上が図れることを示している。

従って、潤滑油循環への適用については、処理能力増に
見合い乳化装置の台数が１／３に削減が図れる結果、採
算性が向上し、具体的適用力柚Ｊ能となっている。

尚、界面撹乱作用による乳化分散作用の向上効果は、エ
マルジョン生成、つまり液と液との分散においてその効
果か認められ、特に比較的低粘性の液体同士の場合に顕
著であり、振動面近傍のキャビテーションか分散に支配
的と考えられる液中への粒子の分散、即ちデイスパージ
ョン生成にはその効果は小さい。

来 （１）振動子材質 り２）振動子型式 ％式％ （７）ホーン材質 （８）ホーン形状 （９）ホーン寸法 （１０）増幅率 （１１）振　幅 （１２）乳化室内系 （１３）導入口寸法 （１４）排出口寸法 １表 ＺＴ （高Ｑ値タイプ：Ｑ＝（ｉｏｏ） ボルト締めランジュバン型 ００　Ｗ ０ｋＨｚ Φ９０＊２００ｍｍ ｕｍ ＳＮＣ相当 ストレート （ステップホーン形式） ％式％ （１）主成分　　パラフィン系鉱物油 ジメチルエステル　５％ ブチルステアレート　１５％ 乳化剤含まず （２）粘度　１０ｃＳｔ　　　ａｔ　４０℃り３）比重
　０，８６ （発明の効果） 本発明は構造か極めて簡単であり、特に、低粘性の油な
どを大量に連続的に乳化処理するプロセスにおいて、−
船釣乳化装置に比べ数倍の乳化処理能力の改善や、乳化
安定性の改善を図ることができるため、乳化装置台数削
減により投資コスト削減、省スペース、省エネルギー、
メンテナンス性の改善等のメリットか期待できる。

尚、本発明に用いられる振動系自体は従来−膜面に用い
られているものと何ら変わらないため、既存の乳化装置
の振動系に手を加えることなく、セルの改造だけで容易
に乳化能力向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、本発明による乳化装置の乳化作用
が行われる主要部分の断面を示す説明図、第３図は、本
発明による乳化装置のギャップと乳化効果（指数）を示
した図、第４図は、乳化効果の処理量と乳化特性との関
係を示した図、第５図、第６図は、従来の乳化装置の乳
化作用か行われる主要部分の断面の拡大である。 ］・・・ホーン　　　　　　　２・・・分散工具３・・
・セ　ル　　　　　　　４・・・導入口５・・・乳化室
　　　　　　　６・・・排出ロア・・・対向板　　　　
　　　８・・・ギャップ９・・・処理液流れ方向　　　
１０・・・シール部１１・・・振動伝播方向 １２・・・半波長（ホーン内） １３・・・半波長（処理液中） １４・・・導入口ヘッダ−

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）セルとこれに挿入された分散工具端面間に形成さ
   れ不溶性の２種以上の異液混合液を満たし超音波振動を
   付与するための円筒状の乳化室において、該混合液中で
   の伝播方向が該乳化室の軸方向と平行になるように超音
   波振動付与装置を配設してなり、該乳化室の軸方向の長
   さが該混合液中に生じる超音波振動の半波長と同じかも
   しくは半波長の整数倍に設定されていることを特徴とす
   る超音波乳化装置。
2. （２）乳化室に超音波振動の反射能を有する対向板を設
   け、この反射板表面と分散工具端面間の軸方向の長さが
   、混合液中に生じる超音波振動の半波長もしくは半波長
   の整数倍に設定されていることを特徴とする請求項１記
   載の超音波乳化装置。
3. （３）対向板の側方に処理液の導入口を設けたことを特
   徴とする請求項１記載の超音波乳化装置。