特開 2024-70060 微粒化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024070060

(43)【公開日】2024-05-22

(54)【発明の名称】微粒化装置

(51)【国際特許分類】

   B02C 19/06 20060101AFI20240515BHJP

【ＦＩ】

B02C19/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022180425

(22)【出願日】2022-11-10

(71)【出願人】

【識別番号】000132161

【氏名又は名称】株式会社スギノマシン

(74)【代理人】

【識別番号】110000165

【氏名又は名称】弁理士法人グローバル・アイピー東京

(72)【発明者】

【氏名】常本 真嗣

(72)【発明者】

【氏名】村山 誠悟

(72)【発明者】

【氏名】東城 裕一

(72)【発明者】

【氏名】森岡 勇樹

【テーマコード（参考）】

4D067

【Ｆターム（参考）】

4D067CA03

4D067CA07

4D067CA08

(57)【要約】

【課題】噴射される原料の衝突エネルギーを最大限に利用する一次的な微粒化と、球体と球体ホルダの隙間で原料をすり潰す二次的な微粒化を行う微粒化装置を提供する。
【解決手段】微粒化装置は、原料Ｍを処理する噴射チャンバー５であって、原料Ｍの導入側に配置される前側チャンバーホルダ１０と、原料Ｍの排出側に配置される後側チャンバーホルダ１１と、を有する噴射チャンバー５と、原料Ｍを衝突させる球体１４と、噴射チャンバー５内に配置され、球体１４を収容するノズルホルダ１５、１６であって、原料Ｍの導入側に配置される保護ホルダ１５と、原料Ｍの排出側に配置される球体ホルダ１６と、を有するノズルホルダ１５、１６と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料を処理する噴射チャンバーであって、
前記原料の導入側に配置される前側チャンバーホルダと、
前記原料の排出側に配置される後側チャンバーホルダと、
を有する噴射チャンバーと、
前記原料を衝突させる球体と、
前記噴射チャンバー内に配置され、前記球体を収容するノズルホルダであって、
前記原料の導入側に配置される保護ホルダと、
前記原料の排出側に配置される球体ホルダと、
を有するノズルホルダと、
を有する微粒化装置。

【請求項2】

前記前側チャンバーホルダと前記後側チャンバーホルダの間に配置される中間支持部材を更に有し、
前記中間支持部材は、前記球体を収容する窪み部を有する、
請求項１に記載の微粒化装置。

【請求項3】

前記球体ホルダは、前記球体を収容する収容溝を有する、
請求項１または２に記載の微粒化装置。

【請求項4】

前記収容溝は、球面形状を有する、
請求項３に記載の微粒化装置。

【請求項5】

前記収容溝の表面に、曲線部用保護膜が形成される、
請求項３または４に記載の微粒化装置。

【請求項6】

断面視で前記球体の前端を起点とする前記球体の外周線は、前記中間支持部材の開口線よりも前側に位置する、
請求項１～５のいずれかに記載の微粒化装置。

【請求項7】

前記球体ホルダの後側に配置されるノズル受け部材を更に有する、
請求項１～６のいずれかに記載の微粒化装置。

【請求項8】

前記前側チャンバーホルダと前記後側チャンバーホルダとの間隔を調整し、前記原料の前記球体への衝突距離を調整する衝突距離調整部を更に有する、
請求項１～７のいずれかに記載の微粒化装置。

【請求項9】

前記球体ホルダは、前記球体を収容する収容部を有し、
前記収容部の位置を調整することで、前記原料の前記球体への衝突位置を調整する偏心位置調整部を更に有する、
請求項１～８のいずれかに記載の微粒化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ノズルから高圧噴射した原料の微粒化を行う微粒化装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、原料を高圧噴射する際の衝撃を利用し、原料の粒子を微粒化する微粒化装置が知られている。

【0003】

特許第３６８６５２８号公報（以下、「特許文献１」）に記載の流体衝突装置は、硬質体への衝突力を利用する。特許文献１の流体衝突装置では、チャンバー内に偏心状態で回転可能に支承された硬質球体に、噴射ノズルから噴射された高圧流体を衝突させる。そして、ボールを回転させて衝撃をボールの回転で逃がしながら微粒化処理を行う。

【0004】

特開２０１０－３６１１９号公報（以下、「特許文献２」）に記載の微粒化装置は、ハウジング内に載置されて球状硬質体を回転自在に支承するボールホルダを前後で把持するチャンバーを有する。

【0005】

特許第５０８６２０３号公報（以下、「特許文献３」）に記載の微粒化装置は、回転可能に支承される球体に原料を噴射することで微粒化させるとともに、チャンバー内の流路の直径や長さを特定の条件で設定するチャンバーを有する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１において、高圧状態の原料の衝突エネルギーは、球体の表面の一部を損傷させる可能性がある。そのため、ノズルと球体の距離を確保する必要があり、衝突距離が長くなる。これは、微粒化よりもチャンバーの寿命を優先するものである。

【0007】

特許文献２や特許文献３において、硬質体が球状であるなど、衝突表面が曲面で衝突点周辺に流体を逃がすことのできる空間が形成されるのであれば、衝突距離を実質的に０ｍｍとして、高速流路の出口開口を硬質体衝突点に接触させることができる。この場合、衝突エネルギーが大きくなり、効率的に微粒化できる。しかし、特許文献２や特許文献３には、硬質体を支承する構造は開示されているものの、具体的なチャンバーの構造は開示されていない。

【0008】

本発明は、噴射される原料の衝突エネルギーを最大限に利用する一次的な微粒化と、球体と球体ホルダの隙間で原料をすり潰す二次的な微粒化を行う微粒化装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の第1の観点は、
原料を処理する噴射チャンバーであって、
前記原料の導入側に配置される前側チャンバーホルダと、
前記原料の排出側に配置される後側チャンバーホルダと、
を有する噴射チャンバーと、
前記原料を衝突させる球体と、
前記噴射チャンバー内に配置され、前記球体を収容するノズルホルダであって、
前記原料の導入側に配置される保護ホルダと、
前記原料の排出側に配置される球体ホルダと、
を有するノズルホルダと、
を有する微粒化装置である。

【発明の効果】

【0010】

本発明の微粒化装置によれば、噴射される原料の衝突エネルギーを最大限に利用する一次的な微粒化と、球体と球体ホルダの隙間で原料をすり潰す二次的な微粒化を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態の微粒化装置の構成図

【図2】実施形態の噴射チャンバーの断面図

【図3】実施形態の噴射チャンバーの詳細断面図

【図4】衝突距離調整前の実施形態の噴射チャンバーの断面図

【図5】衝突距離調整後の実施形態の噴射チャンバーの断面図

【図6】偏心位置調整前の実施形態の噴射チャンバーの断面図

【図7】偏心位置調整後の実施形態の噴射チャンバーの断面図

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。

【0013】

図１に示すように、本実施形態の微粒化装置１は、処理対象の原料Ｍの粉砕、分散、乳化等を行う。微粒化装置１は、原料タンク２と、給液ポンプＰと、増圧機３と、高圧フィルタ４と、噴射チャンバー５と、熱交換器６と、排出口７と、を有する。

【0014】

原料タンク２は、原料Ｍを貯留する。原料タンク２の形状や大きさは、原料Ｍの物性（酸性、アルカリ性）や分量等を考慮して変更できる。
給液ポンプＰは、原料タンク２から供給される原料Ｍを増圧機３に供給する。

【0015】

増圧機３は、ピストンの往復によって、加圧室内の圧力を上昇または下降させる。これにより、増圧機３は、微粒化装置１内を通過する流体の圧力を１０～３００ＭＰａの範囲内で加圧する。
高圧フィルタ４は、増圧機３で加圧された原料Ｍに混在する粗大粒子や不純物等のコンタミを取り除く。

【0016】

図２～図７に示すように、噴射チャンバー５は、高圧フィルタ４で粗大粒子や不純物等のコンタミが取り除かれた原料Ｍをノズルチップ１２から噴射する。これにより、噴射チャンバー５は、原料Ｍを一次的に微粒化する。ノズルチップ１２は、内側にオリフィス等を配置することで、原料Ｍを噴射させる。

【0017】

噴射チャンバー５は、前側チャンバーホルダ１０と、後側チャンバーホルダ１１とを有する。前側チャンバーホルダ１０は、原料Ｍの導入側に配置される。前側チャンバーホルダ１０の導入側に形成するチャンバーホルダ導入口１０ａから、原料Ｍを導入する。チャンバーホルダ導入口１０ａは、ノズルチップ１２と連通する。チャンバーホルダ導入口１０ａの内径は、ノズルチップ１２よりも大きい。チャンバーホルダ導入口１０ａに、順次、原料Ｍを導入できる。

【0018】

前側チャンバーホルダ１０は、排出側に溝をする。ノズルチップ１２の一部または全部が前側チャンバーホルダ１０の溝に埋め込まれることが望ましい。中間支持部材１３は、導入側に溝を有する。前側チャンバーホルダ１０に埋め込まれた箇所と反対側のノズルチップ１２の一部または全部が、中間支持部材１３の溝に埋め込まれることが望ましい。

【0019】

前側チャンバーホルダ１０と中間支持部材１３を連結する際、隙間を設ける。この隙間内に漏れてきた原料Ｍが噴射チャンバー５の細部に留まることのないように、前側チャンバーホルダ１０が貫通孔１０ｂを有してもよい。貫通孔１０ｂは、前側チャンバーホルダ１０と中間支持部材１３で形成される隙間の原料Ｍが最小限抜ける孔であればよい。

【0020】

後側チャンバーホルダ１１は、原料Ｍの排出側に配置される。前側チャンバーホルダ１０と後側チャンバーホルダ１１は、固定具（不図示）によって連結されることで、噴射チャンバー５内を密閉した状態に保つ。なお、固定具は、前側チャンバーホルダ１０と後側チャンバーホルダ１１の内側に凹凸等を配置して連結するものや、外側から固定するもの等であればよい。

【0021】

噴射チャンバー５は、内部に、原料Ｍを衝突させる球体１４を収容するノズルホルダを有する。ノズルホルダは、保護ホルダ１５と、球体ホルダ１６とを有する。保護ホルダ１５は、原料Ｍの導入側に配置される。球体ホルダ１６は、原料Ｍの排出側に配置される。保護ホルダ１５と球体ホルダ１６は、前側チャンバーホルダ１０と後側チャンバーホルダ１１の内部にはめ込まれて固定される。保護ホルダ１５と球体ホルダ１６の内部に形成される空間に球体１４が配置される。

【0022】

球体ホルダ１６の後側に、ノズル受け部材１７が配置される。球体ホルダ１６内において、原料Ｍと球体１４の衝突による微粒化処理が行われる。その後、処理後の原料Ｍを排出口７へ排出する際、直接排出すると噴射チャンバー５内の加圧状態を維持することが難しくなる。そのため、ノズル受け部材１７内で処理後の原料Ｍを一時的に受け止める。その後、後側チャンバーホルダ１１の後側に形成されるチャンバーホルダ排出口１１ａから処理後の原料Ｍを排出する。

【0023】

球体ホルダ１６は、排出側に、排出口７へ繋がる排出口を有する。図３に示すように、球体ホルダ１６は、収容溝１６ａの排出側に、複数の球体ホルダ用排出口（１６ｃ、１６ｄ）を有する。球体ホルダ１６が１つの球体ホルダ用排出口のみを有する場合、球体ホルダ用排出口が球体１４によって塞がれてしまう可能性がある。そのため、球体ホルダ１６は、複数の球体ホルダ用排出口（１６ｃ、１６ｄ）を有することが望ましい。本実施形態の球体ホルダ１６は、第１の球体ホルダ用排出口１６ｃと、第２の球体ホルダ用排出口１６ｄとを有する。第１の球体ホルダ用排出口１６ｃと、第２の球体ホルダ用排出口１６ｄは、排出口７へ処理後の原料Ｍを排出する。例えば、球体ホルダ１６に球体１４が嵌った状態において、球体１４の中心線Ｌ１から上下のどちらかに離した位置に各球体ホルダ用排出口（１６ｃ、１６ｄ）を形成することが好ましい。

【0024】

ノズル受け部材１７は、球体ホルダ用排出口（１６ｃ、１６ｄ）から排出された処理後の原料Ｍを一時的に収容した後、排出口７から排出する。ノズル受け部材１７は、ノズル受け部材用貯留環１７ａと、ノズル受け部材用排出口１７ｂと、を有する。ノズル受け部材用貯留環１７ａは、球体ホルダ用排出口（１６ｃ、１６ｄ）から排出された処理後の原料Ｍを一時的に貯留する空間を画定する。ノズル受け部材用排出口１７ｂは、排出口７に連通しており、ノズル受け部材用貯留環１７ａで貯留した処理後の原料Ｍを排出する。

【0025】

球体１４は、原料Ｍを微粒化する。球体１４は、球体ホルダ１６の収容溝１６ａの形状に合わせた大きさを有することが望ましい。球体１４の大きさは、０．１～２０ｍｍ、より好ましくは、１０～２０ｍｍである。粗大粒子や不純物等のコンタミの混入を最小限に留めるために、球体１４の材質は、樹脂やセラミックであることが望ましい。球体１４の形状は、真円状、楕円状等で、好ましくは、真円状であることが望ましい。球体１４の表面に各種コーティングを施すことで、硬度強化や耐摩耗性向上等を実現できる。

【0026】

前側チャンバーホルダ１０と後側チャンバーホルダ１１の間に、中間支持部材１３を配置してもよい。中間支持部材１３は、ノズルチップ１２と保護ホルダ１５を緩衝しながら固定する。ノズルチップ１２から高圧状態の原料Ｍが噴射される。そのため、ノズルチップ１２を安定して支持することにより、微粒化性能が安定する。中間支持部材１３にノズルチップ１２が支持されるとともに、中間支持部材１３と前側チャンバーホルダ１０が固定されることにより、緩衝機能を備えながら、強固に固定できる。また、中間支持部材１３は、前側チャンバーホルダ１０と後側チャンバーホルダ１１を緩衝しながら固定させる。

【0027】

中間支持部材１３は、球体１４を収容する窪み部１５ａを有する。これにより、ノズルチップ１２と球体１４の距離を短くできる。窪み部１５ａは、球体１４の一部を収容できる大きさであればよい。

【0028】

球体ホルダ１６は、球体１４を収容する収容溝１６ａを有する。球体１４は、収容溝１６ａ内で支承された状態で回転し、球体１４に対する原料Ｍの衝突エネルギーを分散する。
収容溝１６ａは、球面形状を有する。高圧状態の原料Ｍが球体１４に衝突すると、収容溝１６ａ内で球体１４が回転し、原料Ｍが球体１４と収容溝１６ａの隙間ですり潰される。なお、収容溝１６ａは、球体１４の形状に合わせた形状を有すればよい。収容溝１６ａは、球面形状に限られず、曲面形状や多角形状でもよい。

【0029】

図２や図３に示すように、収容溝１６ａの深さは、球体１４の直径よりも浅い。収容溝１６ａから球体１４の一部が突出することによって、収容溝１６ａ内に球体１４が安定的に収容される。これにより、原料Ｍのすり潰しによる二次的な微粒化を施すことができる。
収容溝１６ａから突出する球体１４の一部は、窪み部１５ａに収容される。これにより、球体１４の位置が安定する。図３に示すように、断面視で球体１４の前端を起点とする球体１４の外周線Ｌ３は、中間支持部材１３の開口線Ｌ４よりも前側に位置する。これにより、球体１４の球体ホルダ１６内での位置が安定する。つまり、球体ホルダ１６の収容溝１６ａが深い場合には、収容溝１６ａの内側で球体１４が不必要に動いてしまい、収容溝１６ａの表面と球体１４の表面同士が衝突する回数が多くなる。そのため、球体１４および収容溝１６ａが損傷しやすい。一方、球体１４の外周線Ｌ３が中間支持部材１３の開口線Ｌ４よりも前側に位置することで、球体１４が動ける幅が規制され、球体１４の位置が安定する。その結果、球体１４と収容溝１６ａの隙間が安定し、その隙間を通過する原料Ｍがムラなく微粒化処理される。球体１４は、収容溝１６ａから突出した状態で、収容溝１６ａ内を回転する。これにより、高圧状態の原料Ｍによって、球体１４がダイレクトに衝撃を受けることを抑制し、衝突による損傷を低減させる。

【0030】

収容溝１６ａの表面には、曲線部用保護膜１６ｂが形成される。これにより、球体１４と収容溝１６ａで生じる衝突や摩擦による損傷を抑制できる。曲線部用保護膜１６ｂは、球体１４よりも硬い材質の部材や膜である。曲線部用保護膜１６ｂは、収容溝１６ａの表面に張り付けられる。
なお、曲線部用保護膜１６ｂを外付けする形態に限られず、収容溝１６ａの表面にディンプルや面荒らしを施すことで、原料Ｍの微粒化を促進させてもよい。

【0031】

収容溝１６ａと同様、窪み部１５ａの表面にも、保護膜等を形成してもよい。窪み部１５ａ内に球体１４の一部が収容された状態で、高圧の原料Ｍが球体１４に衝突した反動で、収容溝１６ａの表面と球体１４が接触する可能性がある。窪み部１５ａの表面に保護膜を形成することにより、窪み部１５ａと球体１４の衝突や摩擦による損傷を抑制できる。

【0032】

図４および図５に示すように、噴射チャンバー５は、衝突距離調整部１１ｂ、１３ａを有してもよい。衝突距離調整部１１ｂ、１３ａは、前側チャンバーホルダ１０と後側チャンバーホルダ１１の間隔を調整することで、原料Ｍの球体１４への衝突距離を調整する。例えば、中間支持部材１３の外側に凹部１３ａを形成するとともに、後側チャンバーホルダ１１の内側に凸部１１ｂを形成する。凹部１３ａと凸部１１ｂを噛み合わせ、前後方向にそれぞれ配置調整することで、衝突距離を変更できる。図４は、最短の衝突距離を有する噴射チャンバー５を示す。この状態から、衝突距離調整部１３ａ、１１ｂを調整することで、図５に示すように、前側チャンバーホルダ１０と後側チャンバーホルダ１１の間隔が大きくなり、衝突距離が遠くなる。

【0033】

なお、衝突距離の調整によって、保護ホルダ１５と球体ホルダ１６が密閉されなくなると、規定の圧力の範囲内で処理が施せない。そのため、保護ホルダ１５と球体ホルダ１６の接触部に、衝突距離調整用連結部１８を設けることが望ましい。衝突距離調整用連結部１８は、衝突距離調整部１３ａ、１１ｂに連動して伸縮する連結具や、連動せずに伸縮する連結具であればよい。

【0034】

図６および図７に示すように、球体ホルダ１６は、球体１４を収容する収容部１６ｅと、偏心位置調整部１６ｆ、１６ｇとを有してもよい。偏心位置調整部１６ｆ、１６ｇは、収容部１６ｅの位置を調整することで、原料Ｍの球体１４への衝突位置を調整する。例えば、偏心位置調整部（偏心調整用把手）１６ｇを調整することで、収容部１６ｅの偏心位置を上下方向に変更できる。また、収容部１６ｅの上下移動に伴い、原料Ｍが内部に入り込まないように、球体ホルダ１６は、偏心位置調整用連結部１６ｈを有する。球体１４の中心線Ｌ１と中間支持部材１３の中心線Ｌ２を偏心させることで、球体ホルダ１６内で球体１４が回転する。図６は、球体１４に対して原料Ｍの衝突位置を偏心させた状態を示す。偏心位置調整部１６ｇ、１６ｈを調整することで、図７に示すように、収容部１６ｅに配置される球体１４の位置が下がる。

【0035】

熱交換器６は、微粒化処理後の原料Ｍの温度が適温になるように温度を調整する。多くの原料Ｍは、高温になり過ぎると、物性に悪影響を及ぼすことがある。そのため、原料Ｍの温度を５～３５℃で調整することが望ましい。

【0036】

排出口７は、噴射チャンバー５で処理された原料Ｍを排出する。原料Ｍを１回だけ処理する場合は、排出口７から排出された原料Ｍを回収タンク（不図示）に溜める。原料Ｍを複数回処理する場合は、排出口７から排出された原料Ｍを噴射チャンバー５に戻し、再度、微粒化処理を施した後に、排出口７から排出された原料Ｍを回収タンク（不図示）に溜める。

【0037】

以下、本実施形態の微粒化装置１における微粒化処理手順について説明する。
まず、原料タンク２内に処理対象となる原料Ｍを投入し、スラリー状に調整する。次に、原料タンク２内の原料Ｍが、給液ポンプＰによって、増圧機３に供給される。供給された原料Ｍは、増圧機３によって加圧される。加圧された原料Ｍは、高圧フィルタ４を通った後、噴射チャンバー５に供給され、噴射される。なお、この処理を複数回繰り返してもよい。

【0038】

ここで、噴射チャンバー５内の微粒化処理の手順を詳細に説明する。

【0039】

まず、ノズルチップ１２から噴射される原料Ｍを球体１４に衝突させる。これにより、原料Ｍは、一次的に微粒化される。また、球体１４の中心方向ではなく、球体１４の偏心した位置に原料Ｍを噴射する。これにより、原料Ｍが球体１４に衝突した際に、球体１４は球体ホルダ１６内を回転する。球体ホルダ１６の収容溝１６ａは、球体１４の曲面と同様の曲面形状を有する。そのため、球体１４は、過度に収容溝１６ａに衝突することなく、回転する。球体１４の回転に伴い、原料Ｍが球体１４と収容溝１６ａの隙間ですり潰されて、二次的に微粒化される。

【0040】

以上、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることは言うまでもない。

【符号の説明】

【0041】

１ 微粒化装置
２ 原料タンク
３ 増圧機
４ 高圧フィルタ
５ 噴射チャンバー
６ 熱交換器
７ 排出口
１０ 前側チャンバーホルダ
１０ａ チャンバーホルダ導入口
１１ 後側チャンバーホルダ
１１ａ チャンバーホルダ排出口
１１ｂ 衝突距離調整部（凸部）
１２ ノズルチップ
１３ 中間支持部材
１３ａ 衝突距離調整部（凹部）
１４ 球体
１５ 保護ホルダ
１５ａ 窪み部
１６ 球体ホルダ
１６ａ 収容溝
１６ｂ 曲線部用保護膜
１６ｃ 第１の球体ホルダ用排出口
１６ｄ 第２の球体ホルダ用排出口
１６ｅ 収容部
１６ｆ 偏心位置調整部（ネジ部）
１６ｇ 偏心位置調整部（偏心調整用把手）
１６ｈ 偏心位置調整用連結部
１７ ノズル受け部材
１７ａ ノズル受け部材用貯留環
１７ｂ ノズル受け部材用排出口
１８ 衝突距離調整用連結部
Ｌ１ 球体の中心線
Ｌ２ 中間支持部材の中心線
Ｌ３ 球体の外周線
Ｌ４ 中間支持部材の開口線
Ｍ 原料

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】