JPWO2016125900A1 - 高粘度材料へのガス混入方法及びガス混入装置 - Google Patents

Abstract

ガスが混入された高粘度材料を後工程に連続的かつ脈動がない状態で供給するとともに、様々な粘度の高粘度材料に対応することができ、さらに高粘度材料の発泡倍率を簡単に変更できること。ガス混入装置１は、高粘度材料が流れることが可能な管路空間に近接して設けられたガスの吐出口１４と、吐出口１４を介して管路空間と連通可能なシリンダ１１、該シリンダの内部に配置されたピストン１２、及び、該ピストンをシリンダの内部で上死点及び下死点の間で移動させる駆動手段を備えるピストンポンプ１０と、吐出口１４を開閉する吐出弁３０と、シリンダ空間へのガスの吸入口を開閉する吸入弁２０と、を備え、シリンダ１１は、ピストン１２が上死点にあるとき所定体積のシリンダ空間を形成し、ピストン１２が下死点に向かって移動されるときピストンの先端は吐出口に接近する。

Description

本発明は、高粘度材料を発泡させる等の目的で、高粘度材料にガスを混入させる方法及び装置に関する。

従来、加圧した高粘度材料にガスを混入させた後、大気環境下で塗布することで発泡させる発泡性ガスケット等を製造する目的で、複数の方法又は装置が開示されている。例えば、特開平１０−２７２３４４号公報には、ピストンがシリンダ内を往復移動して吸入行程と吐出行程を行うピストンポンプを用い、ピストンポンプの吸入行程においてシリンダ内にガスを供給し、ピストンが吸入端に達して吸入行程が終了しかつシリンダ内に調整された圧力のガスが充填された状態となった後で、シリンダ内に高粘度材料を供給し、高粘度材料の供給の終了後にピストンポンプの吐出行程を行い、吐出行程においてガス及び高粘度材料を管路に吐出する高粘度材料へのガスの混入方法が開示されている。

また、特開平０９−９４４５０号公報には、同一の経路によって流動性材料とガスとを、１〜５ｋｇ／ｃｍ^２程度の比較的低圧の圧力で交互に送り出す工程と、経路の途中において、高圧ポンプによって流動性材料及びガスを１００〜４００ｋｇ／ｃｍ^２程度の高圧に加圧する工程と、を有することを特徴とする流動性材料にガスを混入させる方法が開示されている。

特開平１０−２７２３４４号公報 特開平０９−９４４５０号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術では、高粘度材料へガスを混入させるのに、ガスの吸入行程、高粘度材料の供給行程、及びガスと高粘度材料の吐出行程と、３つの行程が必要となり、動作サイクルの時間が長くなるという課題があった。

また、特許文献２に開示されている技術では、流動性材料に高粘度のものを使用すると、流動性材料とガスとを比較的低圧の圧力で交互に送り出す前半の工程において、経路内を圧送するのに長い時間を要してしまう恐れがあった。

また、特許文献１及び特許文献２に開示されている技術では、ピストンポンプ内に高粘度材料又は流動性材料を供給するため、ピストンポンプに高粘度材料又は流動性材料を供給するための弁機構、さらに、高粘度材料又は流動性材料の規定量が正確にピストンポンプに供給されたか否かを判断する機構が必要であった。さらに、同じピストンポンプに高粘度材料又は流動性材料と、ガスとを供給するため、高粘度材料又は流動性材料の発泡倍率を２倍以外の倍率にしようとすると、ガスを負圧の状態又は加圧して供給するための機構が必須となっていた。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、簡単な方法及び構成によって、高粘度材料へのガス混入を可能とする方法及び装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の高粘度材料へのガス混入方法は、高粘度材料が流れることが可能な管路とシリンダとを連通するように設けられた吐出口を閉じ、前記シリンダの内部に配置されたピストンを前記吐出口から離れるように移動させることにより所定体積のシリンダ空間を前記シリンダ内に形成し、前記シリンダ空間に所定圧力のガスを充填し、前記ピストンを前記吐出口に向かって移動させることによって前記ガスを圧縮し、前記吐出口を開放することによって、前記管路を流れる高粘度材料に圧縮されたガスを混入させる、各工程を備えることを特徴としたものである。

本発明によれば、シリンダを管路に連通させるための吐出口を開放することによって、該吐出口から、所定体積のシリンダ空間に蓄えられた所定圧力のガスを吐出し、該ガスを管路を流れてきた高粘度材料に混入させることができる。

本発明の好ましい態様は、前記吐出口を閉じる工程から前記吐出口を開放する工程までの一連の工程は、高粘度材料が所定量流れる毎に、繰り返されることを特徴とする。本態様によれば、高粘度材料に混入されるガスの量、及び、高粘度材料の量を正確に制御できるので、高粘度材料の発泡倍率を正確に維持することができる。また、ガスが混入された高粘度材料を後工程に連続的に供給することが可能となる。ここで、「高粘度材料が所定量に流れる毎」とは、「管路空間を高粘度材料が所定量流れる毎」を含むことは勿論のこと、たとえガスが管路空間内に高粘度材料流れていない状態や一定量が流れていない状態であっても、管路空間に連通する配管内で高粘度材料が所定量吐出されたり流れている場合なども含んでいる。

本態様において、さらに好ましくは、高粘度材料の前記所定量、前記シリンダ空間の前記所定体積、及び、ガスの前記所定圧力のうち少なくともいずれかを調整することによって、前記高粘度材料の発泡倍率を簡単かつ正確に制御することが可能となる。

本発明の別の好ましい態様では、前記ピストンが前記吐出口に向かって移動される動作終端で、前記ピストンの先端が、前記吐出口が形成された前記シリンダの端部の内側と隙間無く適合することを特徴とする。本態様によれば、シリンダ内のデッドスペースを実質的にゼロとすることができるので、高粘度材料に混入されるガスのさらに正確な計量が可能となる。

本発明の方法において、例えば、前記吐出口は、前記管路の側壁において高粘度材料の流れに面するように設けられ、前記吐出口を閉じる工程は、前記吐出口と対向する、前記管路の側壁の位置から弁体を延ばし、該弁体を前記吐出口に着座させる工程とすることができる。

また、前記シリンダ空間を形成する前記シリンダの側壁に、吸入口を設け、前記シリンダ空間に所定圧力のガスを充填する工程は、前記吸入口からガスを導入した後、前記吸入口に前記シリンダ空間外部から弁体を着座させる工程である、とすることができる。

また、上記課題を解決するため、本発明のガス混入装置は、シリンダと、高粘度材料が流れることが可能な管路と該シリンダとを連通させるため前記シリンダの端部に形成されたガスの吐出口と、前記シリンダにガスを充填するため該シリンダに形成された吸入口と、前記シリンダの内部で第１の位置及び第２の位置の間で摺動されるピストンとを備える、ピストンポンプと、前記吐出口を開閉する吐出弁と、を備え、前記シリンダは、前記ピストンが前記第１の位置にあるとき、所定体積のシリンダ空間を形成することを特徴として構成したものである。

本発明のガス混入装置によれば、高粘度材料を、ガスを圧縮するピストンポンプとは別のポンプによって圧送することができ、ガスを高粘度材料に混入させることのみにピストンポンプを用いることができる。また、同様に、高粘度材料の圧送には別のポンプを用いるため、連続的に高粘度材料を供給することができる。さらに、ピストンポンプに設けられる、高精度が要求される弁機構の数を減らすとともに、構造を簡単なものとすることができる。

好ましい本発明のガス混入装置は、前記吐出弁を閉じ、前記ピストンを前記所第１の位置に移動させて前記所定体積のシリンダ空間を形成し、前記吸入口から所定圧力のガスを前記シリンダ空間に充填し、前記ピストンを前記第２の位置に向かって移動させることによって前記ガスを圧縮し、前記吐出弁を開放することによって、前記管路空間を流れる高粘度材料に圧縮されたガスを混入させる、各工程を実行するように制御される。

好ましくは、前記吐出弁を閉じる工程から前記吐出弁を開放する工程までの一連の工程は、高粘度材料が所定量流れる毎に、繰り返されることを特徴とする。このようにピストンポンプは、ガスのみを圧縮するため、ピストンポンプの所定時間内（高粘度材料の所定の流量毎）の動作回数を変更することによって、高粘度材料の発泡倍率を、広範囲にわたって設定することができる。

さらに、高粘度材料の前記所定量、シリンダ空間の所定体積、及び、ガスの前記所定圧力のうち少なくともいずれかを調整することによって、前記高粘度材料の発泡倍率を制御することができる。

前記高粘度材料の発泡倍率を制御するため前記シリンダ空間の前記所定体積を調整する場合、例えば、前記第１の位置を変更するように前記ピストンを制御するようにしてもよい。

さらに好ましい態様では、前記ピストンが前記第２の位置にあるとき、前記ピストンの先端は前記シリンダの前記端部の内側と適合することを特徴とする。この場合、前記ピストンの先端は前記吐出口が形成された前記シリンダの端部の内側と相補的な形状を有するのが好ましい。本態様によれば、ピストンポンプのシリンダ内のデッドスペースを実質的にゼロとすることができるので、高粘度材料に混入されるガスのさらに正確な計量が可能となる。

本発明のガス混入装置は、例えば、前記吐出口は、前記管路の側壁において高粘度材料の流れに面するように設けられ、前記吐出弁は、前記吐出口と対向する、前記管路の側壁の位置から延びて前記吐出口に着座可能な弁体を備えていてもよい。

本発明のガス混入装置は、例えば、前記吸入口は、前記シリンダ空間を形成する前記シリンダの側壁に設けられ、前記吸入弁は、前記シリンダ空間外部から延びて前記吸入口に着座可能な弁体を備えていてもよい。

好ましい前記弁体は、ニードルであることを特徴とする。

本発明のガス混入装置は、例えば、前記吐出口は、前記管路の内部に、前記管路空間に面して設けられ、前記吐出口と連通する前記シリンダ空間の少なくとも一部は、前記管路内に形成されているように構成することができる。

これらの本発明の高粘度材料へのガス混入装置、及び高粘度材料へのガス混入装置の好ましい例によれば、上述した本発明の高粘度材料へのガス混入方法と同様の作用効果を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る高粘度材料へのガス混入装置を備えるガス混入システムの回路図である。 本実施形態に係るガス混入装置の断面図（ピストンが第１の位置まで上昇した状態）である。 本実施形態に係るガス混入装置の断面図（図２のガス混入装置で吸入弁が開放された状態）であって、ピストンポンプにガスを吸入させる工程を説明する図である。 本実施形態に係るガス混入装置の断面図（図２のガス混入装置で、吸入弁が閉じ、ピストンが第２の位置まで下降し、吐出弁が開放された）であって、ピストンポンプで生成した圧縮ガスを高粘度材料へ混入させる工程を説明する図である。

以下、本発明の、高粘度材料へのガス混入装置の実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明の高粘度材料へのガス混入方法は、本発明の高粘度材料へのガス混入装置を用いて実施される。

図１は本発明の一実施形態に係る高粘度材料へのガス混入装置１を説明するための回路図、図２はガス混入装置１に備えられたピストンポンプ１０を説明する図である。

図１に示すように、本実施形態の高粘度材料へのガス混入装置１は、高粘度材料が流れる管路空間（管路４７によって形成された高粘度材料の通路として形成される）にガスを吐出するためのピストンポンプ１０と、ピストンポンプ１０から管路４７へのガス供給を制御する吐出弁３０とを少なくとも備える。さらに、ガス混入装置１は、ピストンポンプ１０を駆動させる駆動部１５と、ピストンポンプ１０へのガス供給を制御する吸入弁２０と、を備えるのが好ましく、図１では、これらの構成も備えた実施例を示している。

ガス混入装置１は、図１に示す一例としてのガス混入システム２に組み込むことができる。ガス混入システム２は、ガス混入装置１の他、高粘度材料を貯蔵するタンク４０と、該タンク４０に貯蔵された高粘度材料を圧送する圧送ポンプ４１と、圧送ポンプ４１から圧送された高粘度材料を管路４７に導く管路５０と、ガスを吸入弁２０を介してピストンポンプ１０に供給するガスコンプレッサ４３と、管路４７から送られてきた、ガスが混入された高粘度材料が流れる管路５２と、管路５２から送られてきた、ガスが混入された高粘度材料を吐出するためにガンの先端に取り付けられたノズル４６と、を備えている。

管路５０、４７、５２は、別々の管路として構成され、この順にこれら管路内を高粘度材料が流れるように、溶接若しくはフランジ等を用いて接続されたものであってもよい。勿論、管路５０、４７、５２は、最初から一体の管路として構成されたものであってもよい。

タンク４０として、例えば、公知のペール缶やドラム缶等を用いてもよいが、これに限定されるものではない。また、タンク４０内に貯蔵される高粘度材料としては様々なものがあり、例えば、ポリウレタン、変成シリコン、エポキシ、シリコーン、アクリル、加硫ゴム、PVCやアクリル等のプラスチゾルなどおよびこれらの混合物さらにはグリス、食用クリーム、美容クリーム等があるが、これらに限定されるものではない。

圧送ポンプ４１は、高粘度材料を圧送できるものであればどの様なものでも構わない。圧送ポンプ４１として、ペール缶やドラム缶用のピストンポンプやプランジャーポンプとして例えばエアモーター式のダブルアクションポンプなどや圧送時の脈動が発生しないギヤポンプやネジポンプ等の回転型ポンプを採用することもできるが、これに限定されるものではない。また、圧送ポンプ４１に、定流量ポンプを組み込み、高粘度材料を一定流量で圧送できるようにしてもよい。

この高粘度材料を圧送する圧力は、高粘度材料の粘度にもよるが、２０〜３００ｋｇ／ｃｍ^２が好ましく、５０〜２００ｋｇ／ｃｍ^２がより好ましい。これは、圧送する圧力が５０ｋｇ／ｃｍ^２より低くなると、高粘度材料が発泡した際、その気泡が粗くなる恐れがあるからであり、２０ｋｇ／ｃｍ^２より低くなると、その傾向がより顕著になるとともに、気泡の大きさが均一でなくなる恐れがあるからである。また、圧力が２００ｋｇ／ｃｍ^２より高くなると、装置の各構成部品の加圧性能及び耐圧性能を確保するために設備が高額となるからであり、３００ｋｇ／ｃｍ^２より高くなると、その傾向がより顕著になるからである。

高粘度材料の吐出圧力は、ノズル４６の直前（吐出直前）で測定された圧力値を用いると3-20MPa、好ましくは、5-12MPa、より好ましくは、6-10MPaである。

圧送されてくる高粘度材料の流量を計測するため、圧送ポンプ４１とピストンポンプ１０の吐出弁３０との間に流量計が設けられていてもよい。吐出弁３０とノズル４６の間に流量計や底流量装置が設けられてもよい。

ガスコンプレッサ４３は、例えば０〜１ＭＰａ若しくは０〜０．５ＭＰａなどの比較的低圧のガスを供給するコンプレッサとして構成することができる。ガスの種類としては、空気（大気圧の空気、低圧空気、圧縮空気）、炭酸ガス、窒素ガス、酸素、アルゴン、クリプトン等の様々な気体を採用することができる。また、高粘度材料に供給するガスを大気中の空気とした場合には、ガスコンプレッサ４３も用いることができるが、その代わりに、大気中の空気を取り入れるための空気取入れ口を設け、該空気取入れ口４３から導入された大気圧の空気をピストンポンプ１０に供給するようにしてもよい。この場合、空気を濾過し、粉塵等を除去する空気フィルタを空気取入れ口と吸入弁２０との間に設けてもよい。さらに、ガスコンプレッサ４３や空気取入れ口の代わりに、ガスタンク、及びガス圧力を調整する圧力調整機構としての調整弁等を備える構成を用いることができる。また、ガスの圧力も、そのときの製造条件に応じて、大気圧より加圧した正圧又は大気圧より圧力が低い負圧とすることができる。

低圧ガスを使用することにより、耐圧安全性を考慮した設計が不要となる。例えば、構成部品（配管やバルブ等）を低強度の材質で作ったり肉厚を薄くしたりすることが可能となる。さらには、ガス流量の制御を容易にし、ガス注入の信頼性や取り扱いの安全性を向上させることができる。これによってガス混入システム全体の軽量化、小型化を図ることができる。勿論、本発明は、使用目的や状況に応じて高圧ガスを取り扱う態様を含んでおり、低圧ガスの使用に限定されるものではない。

ノズル４６は、ガスが混入された高粘度材料を、ワークに対して塗布等するためのもので、高粘度材料を任意に吐出させることができる。ノズル４６は、任意の方法で使用することが可能であり、例えば、ハンドヘルド式のノズルでも、マニピュレータの先端に取り付けられたノズルのいずれでもよい。

ノズル４６へのガス−高粘度材料の混合物の供給方法として、１台のガス混入装置１から吐出された混合物をノズル４６に供給する形態は勿論のこと、２台以上のガス混入装置１を配置し、それらを並列若しくは交互に運転することによって、混合物の供給量を増加させたり、或いは、連続的な混合物の供給を可能にすることができる。

さらには、ガス混入装置１（１台若しくは上記した２台以上）とノズル４６との間に、計量装置を配置し、この計量装置により定量的に高粘度材料をノズル４６に提供してもよい。また、２つ以上の計量シリンダを配置し、これらの計量シリンダの交互運転で、連続的にガス混入された高粘度材料をノズル４６に提供してもよい。

ピストンポンプ１０によって、ガスが混入され管路４７、５２を流れてノズル４６に至る高粘度材料は、管路内を流れるうちに、高粘度材料内をガスが分散撹拌される。このガスの分散撹拌効果を増加させるために、高粘度材料へピストンポンプ１０によってガスが混入された後の管路４７の経路や、管路５２に、ミキサーを設けてもよい。このミキサーとして、例えば、管の内部に螺旋状のエレメントを直列に複数設けた、スタティックミキサーや、ダイナミックミキサー等の公知のミキサーが採用されてもよい。

さらに、ガス混入装置１は、ガス混入装置１の各構成要素を制御する図示しない制御部を備えていてもよい。制御部は、ＣＰＵ、メモリ、又はリレー、タイマー等から構成され、駆動部１５、吸入弁２０、吐出弁３０、圧送ポンプ４１、流量計、ノズル４６等と接続され、これらの構成要素と協動して、高粘度材料へのガス混入装置１を動作させる。例えば、制御部は、高粘度材料の流量を検出する上記した流量計の信号に基づいて、高粘度材料が所定量流れる毎に、シリンダポンプ１を１サイクル駆動するなどの制御を行う。

次に図２を用いてピストンポンプ１０の詳細な構成について説明する。

図２に示すように、ピストンポンプ１０は、シリンダ１１と、シリンダ１１の内部空間をその軸方向に沿って駆動部１５により第１の位置（例えば上死点）及び第２の位置（例えば下死点）の間で摺動可能に構成されたピストン１２と、シリンダ１１の側壁に設けられたガスの吸入口１３と、ガスの吐出口１４と、を備える。シリンダ１１の内部空間は、管路４７の外周部の内部にまで延びており、当該内部空間の終端である高粘度材料の通路付近に、吐出口１４が形成されている。シリンダ１１は、ピストン１２が第１の位置（上死点）にあるとき、ピストン１２によって画定された所定体積のシリンダ空間を形成する。

ピストン１２は、ピストン１２の圧縮行程の動作終端（ピストン１２の第２の位置（下死点））において、ピストン１２の先端と吐出口１４が形成されたシリンダ１１の端部の内側とが隙間なく適合するのが好ましい。ここで、「隙間なく適合」とは、ピストン１２の先端が、吐出口１４が形成されたシリンダ１１の端部の内側と相補的な形状を有しているため、ピストン１２が第２の位置（下死点）にあるとき、ピストン１２の先端がシリンダ１１の端部内側とほぼ完全に適合可能であることを意味している。これによって、シリンダ内にデッドスペースが無くなり、ガス量をより正確に制御することができる。或いは、「隙間なく適合」には、当該「隙間」が事実上ゼロであるような適合の仕方も含まれている。例えば、ピストン１２の先端が吐出口１４が形成されたシリンダ１１の端部の内側と相補的な形状を有し、ピストン１２が第２の位置（下死点）にあるとき、ピストン１２の先端とシリンダ１１の端部内側との間の距離が、０であるか、或いは当該距離が非常に小さく、２ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下となることを意味している。

吸入口１３は、ピストンポンプ１０のシリンダ１１側壁に設けられている。好ましくは、吸入口１３は、ピストン１２の吸入行程の動作終端近傍に設けられるのがよい。ピストン１２が吸入行程の動作終端（第１の位置（例えば上死点））又はその近傍にあるとき、上記の吸入弁２０によって開かれ、ここからシリンダ１１の内部空間にガスが導入される。吐出口１４は、ピストン１２が圧縮行程を開始し動作終端（下死点）近傍に到達したとき、上記の吐出弁３０によって開かれ、圧縮ガスを管路４７内の高粘度材料内へ混入する。なお、管路４７は、ピストンポンプ１０の近傍では、ピストンポンプ１０の構成部品と一体に形成されているが、ピストンポンプ１０の前後等、他の構成要素と接続される部分は、公知の配管、耐圧ホース等が採用される。

吸入弁２０は、図２にも示すように、ピストンポンプ１０のシリンダ１１の側壁に設けられ、ピストンポンプ１０の吸入口１３を開閉する。本実施形態の高粘度材料へのガス混入装置１では、吸入弁２０に一例としてニードル弁を採用している。ニードル弁２０は、ニードル軸２１と、ガス導入口２２と、駆動部２３とを備える。ニードル軸２１は、シリンダ１１の軸に直交する方向に沿って延在するのが好ましく、当該方向に沿って摺動する。ガス導入口２２は、ガスコンプレッサ４３から供給されるガスを、ニードル弁２０に導入するためのもので、ニードル弁２０の筐体の側面に設けられていてもよい。

駆動部２３は、ニードル軸２１をその長さ方向に沿って前進又は後退させる。ニードル軸２１は、その先端が吸入口１３に嵌って該吸入口を閉じるまで前進することができる（図では左側に移動）。ニードル軸２１が吸入口に嵌った位置から後退（図では右側に移動）したとき吸入口１３が開かれシリンダ１１とガス導入口２２とが連通する。駆動部２３として、公知の空気シリンダや電動モータを用いることができるが、これに限定されるものではない。また、ニードル弁２０には、吸入口１３側の先端部に、ニードル軸２１を案内するための弁ガイド２１ａが設けられていてもよい。

吐出弁３０は、ピストンポンプ１０のシリンダ１１先端に設けられ、ピストンポンプ１０の吐出口１４を開閉する。本実施形態の高粘度材料へのガス混入装置１では、吐出弁３０に一例としてニードル弁を採用している。ニードル弁３０は、管路４７によって形成された管路空間４７ａを挟んで、ピストンポンプ１０の吐出口１４と対向する位置に設けられ、ニードル軸３１と、駆動部３６とを備える。ニードル軸３１は、その先端が管路空間４７ａ内を通過して吐出口１４に嵌まるようシリンダ１１の軸と同軸上に設けられている。

駆動部３６は、ニードル軸３１を前進又は後退させる。ニードル軸３１は、その先端が吐出口１４に嵌るって該吐出口を閉じるまで前進することができる（図では上側に移動）。このとき、ニードル軸３１が吐出口１４に嵌った位置から後退（図では下側に移動）したときは吐出口１４が開かれシリンダ１１と管路４７とが連通する。駆動部３６として、公知の空気シリンダや電動モータを用いることができるが、これに限定されるものではない。また、ニードル弁３１には、管路４７内に、ニードル軸３１を案内するための弁ガイドが設けられていてもよい。このような弁ガイドは、円柱状の本体と、ニードル軸３１をその中で上下に移動可能に貫通させる縦孔と、管路空間４７ａと連通しその内部を高粘度材料が移送される横孔とを備えて構成してもよい。

なお、ニードル軸２１、３１の先端は、図では模式的に表しているが、気密性を向上させるために、円錐形、円錐台や半球状等の様々な形状にすることができる。また、吸入弁や吐出弁として、ニードル弁に限定されず、吸入口１３、吐出口１４を開閉することが可能な弁であれば任意構成の弁を用いることができる。例えば、ピストンがニードル状ではないピストンバルブ、チェック弁、或いは、吸入口を開閉する機構を採用することもできる。

次に、以上説明した各構成要素の機能を踏まえて、本実施形態の高粘度材料へのガス混入装置１の動作を図１〜図４を参照して説明する。図１、図２は既に説明した通りである。図３はピストンポンプ１０にガスを吸入させる工程を説明する図、図４はピストンポンプ１０で生成した圧縮ガスを高粘度材料へ混入させる工程を説明する図である。

先ず、高粘度材料が入ったタンク４０から、圧送ポンプ４１によって、高粘度材料を、管路４７を通じて下流側に圧送する。なお、図２〜４においては、高粘度材料は、管路４７内を矢印ａ１に示すように、左から右に向かって移送されているものとする。

なお、高粘度材料が所定の量、移送されたことを監視、判断するため、本実施形態では、例えば、以下の方法のうち一つが採用される。
（１）定量装置を備えた圧送ポンプ４１と連動しピストンポンプ１０を作動させる。
（２）１ストロークの容量が既知な圧送ポンプ４１のサクション（容量が決まっている）をカウントして、ピストンポンプ１０を作動させる。
（３）圧送ポンプ４１やピストンポンプ１０とは別に設置した定流量装置や定流量付き吐出ガンと連動して、ピストンポンプ１０を作動させる（シリンダのガス容量の変更は、ガスの圧力の変更・調整やピストンのストロークによって実施する）。
（４）圧送ポンプ４１やピストンポンプ１０とは別に設置したブースターポンプやシリンダ駆動式の吐出ガンを用い、使用量に応じてピストンポンプ１０を作動させる。
（５）流量計の測定値に基づいて、高粘度材料が所定の量、移送されたタイミングを判断し、当該タイミングに従ってピストンポンプ１０を作動させる。

ガス混入装置１は、高粘度材料（図中矢印ａ１）が所定の量流れる毎にピストンポンプ１０の１サイクルが実行されるように制御される。なお、高粘度材料が所定の量流れたタイミングをピストンポンプ１の各動作のいずれの時点に対応させるかは、ピストンポンプ１０の１サイクルと流れた高粘度材料の量とが一定の関係を維持することができる限り、任意好適に変更可能である。以下、ピストンポンプ１０の１サイクルを説明する。

図２に示すように、ピストンポンプ１０に接続された吸入弁２０と吐出弁３０が閉じられた状態で、ピストン１２が吸入行程の動作終端まで、すなわち第２の位置から第１の位置まで移動する。このとき、シリンダ１１内に所定体積のシリンダ空間が形成されるが、吸入弁２０と吐出弁３０が閉じられているため、シリンダ１１内は真空となる。

次に、図３に示すように、吸入弁２０の駆動部２３によってニードル軸２１が後退（図では右側に移動。）される。すると、吸入口１３が開かれ、シリンダ１１とガス導入口２２とが連通し、シリンダ１１内の所定体積のシリンダ空間に圧縮前のガスが流入する（図中矢印ａ２）。そして、ニードル軸２１を前進（図では左側に移動。）させ吸入弁２０を閉じると、シリンダ１１内にはガスが充填され、密閉された状態となる。すなわち、吸入弁２０が所定時間に亘って開放され、所定量のガスがシリンダ１１内に蓄積された時点で吸入弁２０が閉じられる。次に、高粘度材料が所定量流れるまでピストン１２の動作が停止される。

次に、ピストン１２を圧縮行程側に移動させ、シリンダ１１内に充填されたガスを圧縮する。すなわち、ピストンを第１の位置から第２の位置まで下降させる。ピストン１２が圧縮行程の動作終端（下死点）近傍に達したときに、吐出弁３０を開放する。すなわち、吐出弁３０の駆動部３６によってニードル軸３１を後退（図では下側に移動。）させ吐出口１４を開く。すると、図４に示すように、圧縮されたガスが管路４７内を圧送される高粘度材料の中に混入されるとともに、ピストン１２は圧縮行程の動作終端（下死点）に達する。次にニードル軸３１を前進（図では上方向に移動。）させ、吐出弁３０を閉じると高粘度材料へのガス混入の１サイクルが終了する。

なお、上記ピストン１２の動作終端近傍とは、好ましくは、ガスを１／５〜１／１００に圧縮したピストン位置、好ましくは１／１０〜１／３０に圧縮したピストン位置である。このときガスの圧力よりも材料の圧力が高い場合には、材料がガス流出口１４から逆流しシリンダ内に流入し、ガスシリンダ内で材料とガスが混合される。もし、材料の圧力がガス圧よりも大きすぎると比較的小さな口径の吐出口１４と材料の流入速度とによってもたらされる、せん断力により材料が変質する場合がある。また、ガス圧が材料圧よりも大きすぎる場合には、材料がシリンダ内に流入しないため、ガスと材料の混合性が悪化する場合がある。従って、ガス圧と材料圧とを適度に調整することによって、材料が変質しない範囲で混合性を高めることができる。

そして、再び高粘度材料が所定の量移送されると、上記の動作を繰り返すのである。なお、管路４７内を圧送されている高粘度材料は、既に述べたように高圧のため、混入された空気もその圧力に応じて圧縮され、その体積が縮小されている。このため、空気を高粘度材料へ混入させても、高粘度材料の流量に影響を与えることが殆どなく、脈動等を生じることもない。

次に、ガスが混入された高粘度材料は管路４７、５２を流れる間に、撹拌されていき、これによって混入されたガスの気泡が微細化され、高粘度材料内を分散する。微細な気泡が分散した高粘度材料は、ノズル４６から吐出されてワーク等に塗布される。高粘度材料がノズル４６から吐出されると、それまで高圧であった高粘度材料は、大気圧環境下におかれる。すると、高粘度材料に混入されたガスの気泡が膨張し、混入されたガスの量に応じた発泡倍率で発泡する。なお、高粘度材料中への気泡の分散を促進させるために、必要に応じてミキサーを用いてもよい。

以上説明したように、本実施形態の高粘度材料へのガス混入装置及び高粘度材料へのガス混入装置を使用した高粘度材料へのガス混入方法によれば、高粘度材料の所定の流量毎にピストンポンプを動作させるため、ピストンポンプの動作タイミングを変更することにより高粘度材料へのガス混入比率、すなわち高粘度材料の発泡倍率を自由に変更することができる。例えば、シリンダ空間１１ａの容積が５０ｍｌであり、シリンダ１１に導入されたガスが大気圧であると仮定した場合、高粘度材料が５０ｍｌ移送される毎にピストンポンプを１サイクル動作させれば、発泡倍率は約２倍となる。同様に、高粘度材料が１００ｍｌ移送される毎にピストンポンプを１サイクル動作させれば発泡倍率は約１．５倍、高粘度材料が２５ｍｌ移送される毎にピストンポンプを１サイクル動作させれば発泡倍率は約３倍となる。シリンダ１１に導入されたガスの圧力を変更させたり、シリンダ空間１１ａの容積を変更させることによっても上記発泡倍率は変更可能であることはいうまでもない。シリンダ空間１１ａの容積を変更するため、例えばピストン１２の第１の位置を変更するように、ピストン１２の動作を変更することができる。

すなわち、本発明の実施例において、発泡倍率を変更する手段として、次の手段のうちいずれか１つ、或いは、２つ以上の組み合わせがある。
（１）ピストンポンプ１サイクル当たりの高粘度材料の供給量の変更（ピストンポンプの１サイクルの速度及び高粘度材料の供給量のいずれかを変えるか或いは両方を変える）
（２）シリンダ空間１１ａに導入されるガスの圧力の変更
（３）シリンダ空間１１ａの容積の変更（例えばピストン１２の第１の位置の変更）

特に、従来の一つのピストンポンプ内にガスと高粘度材料を一緒に入れて圧縮する方法では、発泡倍率を２倍より低くしようとすると、ピストンポンプ内に充填するガスを大気圧より圧力の低い負圧とする必要があり、負圧タンク等を付加するためその構成が複雑となっていた。また、発泡倍率を２倍より高くしようとすると、予めピストンポンプに充填するガスの圧力を高める必要があり、上記同様に圧力タンク等が必要となるとともに、ガスの圧力が高くなると、後から充填する高粘度材料がピストンポンプ内に規定量充填できなくなり、発泡倍率の誤差が生じていた。一方、本実施形態の高粘度材料へのガス混入装置では、ピストンポンプの動作回数を増減するのみで、発泡倍率を簡単に変更できるばかりでなく、負圧タンクや圧力タンク等が不要となり、装置の構成を簡素なものとすることができる。

同様に、従来の一つのピストンポンプ内にガスと高粘度材料を一緒に入れて圧縮する方法では、ピストンポンプのデッドスペースを増やさないために、高粘度材料を供給又は吐出するポートを大きくすることができず、高粘度材料の種類によってはポートの通過時に剪断力がかかり、高粘度材料が変質する恐れがあった。一方、本実施形態の高粘度材料へのガス混入装置では、シリンダ１１内のガスを予め圧縮して、高粘度材料とガスとの圧力差を小さくすることが可能であり、その場合、シリンダ内に高粘度材料が逆流することを少なくすることができ、そのような心配がない。なお、上述した通り、ガスの圧縮による高粘度材料の逆流防止は、ガスと材料との混合性を良好に維持する範囲で行われるのが好ましい。

また、高粘度材料を圧送する圧送ポンプと、ガスを圧縮するピストンポンプとは、互いに独立した構成となっているため、ピストンポンプの動作が高粘度材料の移送に影響しない。これにより、一組の圧送ポンプとピストンポンプしか備えず、かつ、バッファタンクを設けない構成であっても、ガスが混入された高粘度材料を連続的に送ることができ、さらに、任意のタイミングで止めることもできる。

同様に、高粘度樹脂を圧送する圧送ポンプと、ガスを圧縮するピストンポンプとは、互いに独立した構成となっており、ピストンポンプの動作回数を増減するだけでガスの混入量を制御できるため、高粘度材料の流量や圧送ポンプの大きさが変わっても、ある程度までは同じ容積のピストンポンプで対応することができる。

また、従来のように高粘度材料を多段階に圧送するのではなく、最初から高粘度材料を所定の圧力で圧送しているため、高粘度材料を圧送する圧送ポンプが一つですみ、構成が簡素なものとなる。

また、高粘度材料へ混入するガスとして大気圧の空気以外を用い、ガスタンク、及び調整弁等を備える他の実施形態においては、ピストンポンプの動作タイミングを変更せずとも、ピストンポンプに供給する圧縮前のガスの圧力を調整することで、高粘度材料の発泡倍率を変更することができる。例えば、シリンダ空間１１ａの容積が５０ｍｌで、シリンダ空間１１ａに供給する圧縮前のガスの圧力が１気圧の場合、高粘度材料が５０ｍｌ移送される毎にピストンポンプを１サイクル動作させれば発泡倍率は約２倍となるが、ピストンポンプに供給する圧縮前のガスの圧力を２気圧とすることで発泡倍率は約３倍となり、０．５気圧とすることで発泡倍率を約１．５倍とすることができる。

さらに、上述の高粘度材料の所定の流量毎にピストンポンプの動作タイミングを変更することによって高粘度材料へのガス混入比率を調整する方式と、ピストンポンプに供給する圧縮前のガスの圧力を調整することによって高粘度材料へのガス混入比率を調整する方式とを併用させることで、同じ容積のピストンポンプで広範囲の量のガスを高粘度材料に混入させることができ、一つのピストンポンプで様々な容量の圧送ポンプに幅広く対応させることができる。

なお、上述の高粘度材料へのガス混入装置及び高粘度材料へのガス混入方法は、本発明の例示であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲においてその構成を適宜変更することができる。

例えば、図２等に示すガス混入装置１では、管路４７を構成要件の一つとし、管路４７の側壁の内部にまでシリンダ空間１１ａが延在し、管路空間４７ａに近接して吐出口１４が設けられている。しかし、管路空間４７ａに近接して吐出口１４が設けることができれば、管路４７の側壁の内部にまでシリンダ空間１１ａを形成する必要はない。このような状況として、管路４７の側壁が非情に薄く、吐出口１４を管路４７の外側に設けたとしても、管路空間４７ａに非常に近接して吐出口１４を配置できるような場合（管路４７に、吐出口１４用の孔のみが形成される）が考えられる。このような場合には、本発明のガス混入装置１の構成要件から、管路４７を除外することが可能となる。すなわち、本発明のガス混入装置１を、管路４７（或いは管路の一部分）が存在しない態様で提供することができる。

また、本発明は、開示されているシリンダ１１と管路４７との位置関係（管路４７に対してシリンダ１１の長さ方向が直交する位置関係）に限定されず、例えばシリンダ１１が管路４７に対して斜めや平行に配置された態様も考えられる。

また、上記実施例では、吸入弁２０、吐出弁３０として、ニードル弁を用いていたが、シリンダ空間の開閉及び管路空間の開閉を行うことができれば、任意形式の弁、例えばゲート式の弁などを用いることもできる。

動作タイミングに関しても、開示された例に限られず、所定体積で所定圧力のガスを所定量の高粘度材料に混入させることができれば、任意のタイミングで各構成要件を動作させることが可能となる。

さらに、上記例では、ガス混入装置１の吸入口１３を開閉する構成要件として、吸入弁２０を用いていたが、本発明において、シリンダ空間１１ａにガスを充填することができる限り、吸入弁２０を省略することもできる。例えば、図示しないガス供給手段から所定圧力のガスを弁無しで吸入口を介してシリンダ空間１１ａに導入する態様も考えられる。

さらに、上記例では、本発明の高粘度材料へのガス混入方法は、本発明の実施例として開示された、ガス混入装置１を含むガス混入装置システム２によって実行されているが、本発明の方法は、開示されたガス混入装置１やシステム２を使用する例には限定されるものではない。例えば、吸入口１３や吐出口１４を開閉する手段は、開示された吸入弁２０や吐出弁３０以外の開閉構成でも可能である。また、シリンダ１１と管路４７との位置関係も上述の通り任意好適に変更可能である。

１・・高粘度材料へのガス混入装置
１０・・ピストンポンプ、１１・・シリンダ、１１ａ・・シリンダ空間、１２・・ピストン、１３・・吸入口、１４・・吐出口、１５・・駆動部
２０・・吸入弁（ニードル弁）、２１・・ニードル軸、２２・・ガス導入口、２３・・駆動部、
３０・・吐出弁（ニードル弁）、３１・・ニードル軸、３６・・駆動部、
４０・・タンク、４１・・圧送ポンプ、４２・・流量計、４３・・空気取入れ口、４４・・空気フィルタ、４５・・ミキサー、４６・・ノズル、４７・・管路、４７ａ・・管路空間

Claims (15)

1. 高粘度材料へのガス混入方法であって、
   高粘度材料が流れることが可能な管路とシリンダとを連通するように設けられた吐出口を閉じ、
   前記シリンダの内部に配置されたピストンを前記吐出口から離れるように移動させることにより所定体積のシリンダ空間を前記シリンダ内に形成し、
   前記シリンダ空間に所定圧力のガスを充填し、
   前記ピストンを前記吐出口に向かって移動させることによって前記ガスを圧縮し、
   前記吐出口を開放することによって、前記管路を流れる高粘度材料に圧縮されたガスを混入させる、各工程を備えることを特徴とする、方法。
2. 前記吐出口を閉じる工程から前記吐出口を開放する工程までの一連の工程は、高粘度材料が所定量流れる毎に、繰り返されることを特徴とする、請求項１に記載の高粘度材料へのガス混入方法。
3. 高粘度材料の前記所定量、前記シリンダ空間の前記所定体積、及び、ガスの前記所定圧力のうち少なくともいずれかを調整することによって、前記高粘度材料の発泡倍率を制御することを特徴とする請求項２に記載の高粘度材料へのガス混入方法。
4. 前記ピストンが前記吐出口に向かって移動される動作終端で、前記ピストンの先端が、前記吐出口が形成された前記シリンダの端部の内側と隙間無く適合することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高粘度材料へのガス混入方法。
5. 前記吐出口は、前記管路の側壁において高粘度材料の流れに面するように設けられ、
   前記吐出口を閉じる工程は、前記吐出口と対向する、前記管路の側壁の位置から弁体を延ばし、該弁体を前記吐出口に着座させる工程である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高粘度材料へのガス混入方法。
6. 前記シリンダ空間を形成する前記シリンダの側壁に、吸入口を設け、
   前記シリンダ空間に所定圧力のガスを充填する工程は、前記吸入口からガスを導入した後、前記吸入口に前記シリンダ空間外部から弁体を着座させる工程である、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高粘度材料へのガス混入方法。
7. ガス混入装置であって、
   シリンダと、高粘度材料が流れることが可能な管路と該シリンダとを連通させるため前記シリンダの端部に形成された吐出口と、前記シリンダにガスを充填するため該シリンダに形成された吸入口と、前記シリンダの内部で第１の位置及び第２の位置の間で摺動されるピストンとを備える、ピストンポンプと、
   前記吐出口を開閉する吐出弁と、
   を備え、
   前記シリンダは、前記ピストンが前記第１の位置にあるとき、所定体積のシリンダ空間を形成する、
   ことを特徴とする、ガス混入装置。
8. 前記ガス混入装置は、
   前記吐出弁を閉じ、
   前記ピストンを前記第１の位置に移動させて前記所定体積のシリンダ空間を形成し、
   前記吸入口から所定圧力のガスを前記シリンダ空間に充填し
   前記ピストンを前記第２の位置に向かって移動させることによって前記ガスを圧縮し、
   前記吐出弁を開放することによって、前記管路を流れる高粘度材料に圧縮されたガスを混入させる、各工程を実行するように制御される、請求項７に記載の高粘度材料へのガス混入装置。
9. 前記吐出弁を閉じる工程から前記吐出弁を開放する工程までの一連の工程は、高粘度材料が所定量流れる毎に、繰り返されることを特徴とする、請求項８に記載の高粘度材料へのガス混入装置。
10. 高粘度材料の前記所定量、前記シリンダ空間の前記所定体積、及び、ガスの前記所定圧力のうち少なくともいずれかを調整することによって、前記高粘度材料の発泡倍率を制御することを特徴とする、請求項９に記載のガス混入装置。
11. 前記ピストンが前記第２の位置にあるとき、前記ピストンの先端は前記シリンダの前記端部の内側と適合することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の高粘度材料へのガス混入装置。
12. 前記ピストンの先端は前記吐出口が形成された前記シリンダの端部の内側と相補的な形状を有する、請求項１１に記載の高粘度材料へのガス混入装置。
13. 前記吐出口は、前記管路の側壁において高粘度材料の流れに面するように設けられ、
    前記吐出弁は、前記吐出口と対向する、前記管路の側壁の位置から延びて前記吐出口に着座可能な弁体を備えることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の高粘度材料へのガス混入装置。
14. 前記吸入口を開閉する吸入弁を更に備え、
    前記吸入口は、前記シリンダ空間を形成する前記シリンダの側壁に設けられ、
    前記吸入弁は、前記シリンダ空間外部から延びて前記吸入口に着座可能な弁体を備えることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の高粘度材料へのガス混入装置。
15. 前記弁体は、ニードルであることを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の高粘度材料へのガス混入装置。

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