(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象材料を流体に混合したスラリー混合液を少なくとも一対のノズル手段から噴射して互いに衝突させることにより前記対象材料を微粒化する噴流衝合装置において、
内部チャンバを有するハウジングと、
前記チャンバ内に互いに所定衝突角度で高圧流体を噴射する第１と第２のノズル手段と、
前記チャンバ外で対象材料を貯蔵すると共に、前記第１および第２のノズル手段へそれぞれ前記対象材料を供給する材料供給手段を有する材料タンクと、
前記チャンバ外で混合用流体を貯蔵する流体タンクと、
前記第１および第２のノズル手段へそれぞれ前記流体タンク内の混合用流体を加圧して供給する加圧手段と、を備え、
前記第１および第２のノズル手段は、それぞれ前記材料タンクから供給される対象材料の導入口と、前記加圧手段から供給される高圧の混合用流体の導入口を有し、内部に形成される混合用流体の高速噴流によって発生する吸引力により、前記材料タンクから材料を前記導入口を介して吸い込み、前記高速噴流に合流させて材料と流体を混合しつつ高速スラリー混合液流を噴射するものであり、この合流部のノズル流路内壁面に沿って、該内壁面と材料流体混合噴流体とを隔てる空気層を形成するための機構を備えたことを特徴とする噴流衝合装置。
【請求項２】
前記衝突後のスラリー混合液の回収部が、前記材料タンクおよび前記流体タンクへ材料と流体とを分別回収可能に連通して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の噴流衝合装置。
【請求項３】
前記空気層形成機構は、前記合流部のノズル流路内に該流路の中心軸と同軸で配置され、前記ノズル流路の内径より小さい外径の略筒状リングと、前記ノズル手段の該筒状リングを挟んで前記材料導入口と対向する位置に前記ノズル流路と外部とを連通して形成された空気取り入れ口とを備え、
該筒状リングは、全外周に亘って多数の貫通孔を有し、これら貫通孔のうちの数個が前記材料導入口と連通することを特徴とする請求項１に記載の噴流衝合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体同士の衝突を利用して、材料物質の粉砕による微粒化または乳化や微細粒子の分散などの流体の均質化を行う噴流衝合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、流体内の材料物質を微粒子化したり、微細粒子の分散や乳化による流体の均質化を行う装置として、高圧流体同士の衝突を利用するものが用いられている。そのうちの一例として、特開平６−４７２６４号公報に開示されている乳化装置が挙げられる。
【０００３】
この装置は、高圧ポンプによって加圧された乳化あるいは分散すべき流体を互いに対向方向に噴射させて正面衝突させることによって乳化分散を行うものであり、高圧流体を導入する流路よりも小さい径のノズルが形成された二つの板状体を流路に対して垂直に且つ対向して配することによりその間に乳化部空間を形成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の如き従来の噴流衝合装置では、予め対象材料を液体に混合攪拌しておき、スラリー状混合液として直接加圧しながらノズルへ供給している。したがって、微粒子化前の材料を含むスラリー状混合液が装置のポンプやバルブ、配管等を流れるため、周囲の部材壁面への衝撃により装置に損傷が生じやすく、部品の交換等のメンテナンスも頻繁で装置全体の寿命も短く、コスト高になってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、ポンプや配管等の装置部材への損傷を低減し、従来に比べて長寿命化および低コスト化が可能な噴流衝合装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る噴流衝合装置は、対象材料を流体に混合したスラリー混合液を少なくとも一対のノズル手段から噴射して互いに衝突させることにより前記対象材料を微粒化する噴流衝合装置において、内部チャンバを有するハウジングと、前記チャンバ内に互いに所定衝突角度で高圧流体を噴射する第１と第２のノズル手段と、前記チャンバ外で対象材料を貯蔵すると共に、前記第１および第２のノズル手段へそれぞれ前記対象材料を供給する材料供給手段を有する材料タンクと、前記チャンバ外で混合用流体を貯蔵する流体タンクと、前記第１および第２のノズル手段へそれぞれ前記流体タンク内の混合用流体を加圧して供給する加圧手段と、を備え、前記第１および第２のノズル手段は、それぞれ前記材料タンクから供給される対象材料の導入口と、前記加圧手段から供給される高圧の混合用流体の導入口を有し、内部に形成される混合用流体の高速噴流によって発生する吸引力により、前記材料タンクから材料を前記導入口を介して吸い込み、前記高速噴流に合流させて材料と流体を混合しつつ高速スラリー混合液流を噴射するものであり、この合流部のノズル流路内壁面に沿って、該内壁面と材料流体混合噴流体とを隔てる空気層を形成するための機構を備えたものである。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明に係る噴流衝合装置は、請求項１に記載の噴流衝合装置において、前記衝突後のスラリー混合液の回収部が、前記材料タンクおよび前記流体タンクへ材料と流体とを分別回収可能に連通して設けられていることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明においては、対象材料と混合用流体とを材料タンクと流体タンクとに別々に貯蔵し、流体タンクから混合用流体がポンプ等の加圧手段を介して加圧して第１と第２の各ノズル手段に専用導入口を通して供給され、材料タンクから対象材料が各ノズル手段に流体用とは別の導入口を通して供給され、各ノズル手段内部で噴射直前に混合されるものである。
【０００９】
従って、本発明の噴流衝合装置では、高圧流体は、材料を含まない状態で装置内のポンプや配管を送られるため、従来のスラリー混合液状態で加圧されて高圧圧力計および配管を送られる場合のような部材を損傷させるような衝撃はほとんど発生せず、部材の交換間隔や装置寿命が長くなり、メンテナンスに係る手間やコストが大幅に低減できる。特に、ノズル手段内部では、ウォータージェットノズルで混合用流体のみによるジェット流を形成した後にこのジェット流に対象材料を合流させることができるので、スラリー状混合液がウォータージェットノズルを通る従来の構成に比べてウォータージェットノズルへの損傷も小さく、ノズル手段そのものの寿命も長くなる。
【００１０】
さらに、対象材料が通る部分は、装置全体のうちの限られた少部分だけであるため、衝突処理後の無駄となる装置内残留量も極めて小さくなると同時に必要洗浄領域も少なくなるため、工程時間全体の短縮化と共に生産性の向上効果が得られる。
【００１１】
また、請求項２に記載した如く、衝突後の流体をチャンバ底部から導入する回収部を、材料タンクおよび流体タンクへ材料と流体とを分別回収可能に連通しておけば、材料を再び第１および第２ノズルへ供給して衝突処理を繰り返すことが容易にでき、対象材料を所望の粒径となるまで何度も衝突処理を行うことができる。この場合、装置内で材料の閉回路が構築できるので、材料の濃度低下を生じることなく効率的な微粒化処理が行える。
【００１２】
上記のような回収部から材料を回収して再びノズル手段へ供給し、衝突処理を繰り返す場合では、材料の供給形態は高濃度スラリー状態である。このように材料の供給形態は、上記のようなスラリー混合液であったり、あるいは、液状材料や乾燥粉体である場合がある。
【００１３】
各ノズル手段内部での高速噴流体と材料との混合は、ノズル手段内部を流れる高速噴流体によって発生する吸引力によって、材料タンクから材料を導入口を介してノズル内部に吸い込み、高速噴流体に合流させる構成が最も効率的である。
【００１４】
但し、材料の供給形態が液体またはスラリー混合液である場合、この合流部がこれら液体で満たされてジェットの威力を著しく低下させたり、材料を導入口へ逆流させて、材料の高圧流体との均一な混合が困難となる場合もある。これを防ぐには、混合部が液体で満たされることがないように、材料供給を断続的に行うしかなく、処理効率を低下させてしまう。
【００１５】
そこで、本発明は、合流部のノズル流路内壁面に沿って、該内壁面と材料流体混合噴流体とを隔てる空気層を形成するための機構を各ノズル手段に設ける。
【００１６】
この空気層形成機構としては、例えば、合流部のノズル流路の内径より小さい外径で全外周に亘って多数の貫通孔を有するの略筒状リングを、前記ノズル流路内に該流路の中心軸と同軸で配置すると共に、ノズル手段の該筒状リングを挟んで材料導入口と対向する位置にノズル流路と外部とを連通して形成された空気取り入れ口とを設ける構成が挙げられる。
【００１７】
このとき筒状リングの多数の貫通孔のうちの数個が材料導入口と連通するものとすれば、ノズル流路内を高速噴流体が流れるとき、合流部では該噴流体は筒状リング内を進み、この際生じる吸引力によって、筒状リングの貫通孔のうち材料導入口と連通している数個からは材料が筒状リング内に吸い込まれ、高速噴流体と合流、混合される。一方、その他の貫通孔を介した吸引力により、空気取り入れ口から筒状リングとノズル流路内との間に空気が外部から取り込まれ、空気の層が形成される。この構成により、合流部のノズル流路内が液体で満たされることは回避され、材料の逆流も、高速噴流の減速も抑制されて効率的な材料粒体の混合、噴射が維持される。
【００１８】
また、回収部では材料粒子を含む流体が回収されるが、粒子の沈殿によって粒子の沈殿下層と流体の上澄み層とで自然分離が生じる場合は、その回収部の上層を流体タンクに見立てて、上澄み流体を該上層部から加圧手段を介して第１および第２ノズルへ循環供給する配管とすれば、混合用流体の効率的な使用と共に装置設計も簡便となる。
【００１９】
なお、本発明では、第１および第２のノズルから噴出された高圧流体は、その軌跡がチャンバ内の一点で角度を有して交叉するように各ノズル手段の噴射方向を定めるが、これは、各ノズル手段に対向するノズル手段からの噴射流のうち、衝突し損なった流体が直接同士討ち的に衝突してノズル手段を構成する部材に損傷を生じることがないように両ノズル手段を配するものである。
【００２０】
また、本発明では、２つのノズル手段によって２方向から流体を噴射、衝突させる構成に限らず、３方向以上から噴射させる構成としても良い。いずれの場合も、各ノズル手段はハウジングの周上に等角度間隔で配置するものとすることによって、効率よくで噴射流の流体エネルギーを利用できる。
【００２１】
また、各ノズル手段から噴出した高圧流体のうち、前記一点で衝突し損なった流体がハウジング内壁に衝突してチャンバ内を損傷することを防ぐために、前記一点の先方にそれぞれのノズル手段に対峙する位置に噴流受け止め手段を備えておくことが好ましい。この噴流受け止め手段としては、衝突してくる噴流を斜めに受け止めた分力として流体力を分散させる硬質部材や、噴流の流体エネルギーを自身の運動エネルギーとして消費する可動硬質部材、またはこれらの組み合わせ等が挙げられる。
【００２２】
具体的なものとしては、例えば回転自在な硬質ボールがある。これは、噴流の衝突を受けてその流体エネルギーを分力として分散させると共に自身が回転して流体エネルギーを消費することができる。硬質ボールとしては、セラミックボールや超硬合金ボール、ダイヤモンドボール等が挙げられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態として、同一構成の２つのノズルヘッド（ノズル手段）からの噴流で衝突を行う噴流衝合装置を図１に示す。図１は、本装置の全体構成を示す概略構成図であり、図２（ａ）は本装置のノズルヘッドの構成を示す概略断面図、（ｂ）はノズルヘッド内の混合部の構成を示す部分拡大断面図である。
【００２４】
本装置は、内部に衝合部が形成されるチャンバ１と、その衝合点に向けて互いに所定角度で噴流軌跡を交叉させる位置に配置された第１のノズルヘッド１０ａおよび第２のノズルヘッド１０ｂと、これら第１および第２のノズルヘッド（１０ａ，１０ｂ）へ超高圧ポンプ３を介して送られる混合用流体としての水２０を貯蔵する水タンク２と、衝突により微粒化処理を行う対象である材料粒体３０を貯蔵し、この材料粒体３０をそれぞれ第１および第２のノズルヘッド（１０ａ，１０ｂ）へ材料供給管（７ａ，７ｂ）を介して供給する材料タンク５、とから主に構成されている。
【００２５】
チャンバ１内には、対峙する各ノズルヘッドの噴流軌跡上にセラミックボール（９ａ，９ｂ）がそれぞれ回転自在に配置されている。これらセラミックボール（９ａ，９ｂ）は、対応するノズルヘッドからの噴流のうち、衝突し損なった噴流を偏心位置で受け止め、その流体エネルギーを分力として分散させると同時に自身の回転によって流体エネルギーを消費するものであり、噴流によるチャンバ内壁の損傷を防ぐことができる。
【００２６】
また、本実施形態では、水タンク２は、衝突後の混合流体がチャンバ１底部から排出される回収部ともなっており、水タンク２内で回収された混合流体は材料粒体の沈殿により、下層の高濃度混合粒体層と、上澄み上層とに自然分離するものとし、上層の上澄みを混合用流体として第１および第２のノズルヘッド（１０ａ，１０ｂ）へ再度繰り返し送られるように、水タンク２の上方を超高圧ポンプ３への水供給配管４に連通する構成とした。
【００２７】
また、材料粒体３０は、所望の粒径が得られるまで繰り返し衝突処理を行うため、水タンク２の下方を材料回収管８を介して材料タンク５へ連通し、回収後に水タンク２の底部に溜る材料粒体の高濃度混合流体を再び材料タンク５へ戻す構成とした。すなわち、本装置では、材料粒体はスラリー混合液の形態で各ノズルヘッド（１０ｑａ，１０ｂ）へ供給されるものである。
【００２８】
各ノズルヘッド（１０ｑａ，１０ｂ）は、超高圧ポンプ３から加圧されてそれぞれ高圧水供給用分岐配管（４ａ，４ｂ）を介して送られてくる高圧水を導入して噴出するウォータージェットノズル部（１１ａ，１１ｂ）と、材料タンク５から材料粒体をスラリー混合液の状態で供給する材料供給管（７ａ、７ｂ）に連通して内部に材料粒体を導入する材料導入口（１６ａ，１６ｂ）を備え、ウォータージェットノズル部（１１ａ，１１ｂ）から噴出されてくる高速噴流水と材料スラリーを混合して衝合点へ向けて噴出するミキシングノズル（１２ａ，１２ｂ）とから構成されている。
【００２９】
このミキシングノズル（１２ａ，１２ｂ）では、ノズル流路内をウォータージェットノズル部（１１ａ，１１ｂ）から噴出されてくる高速噴流水が流れて発生する吸引力によって、材料導入口１６から材料スラリーがノズル流路内に吸い込まれて高速噴流水に合流し、混合されるものである。
【００３０】
本実施形態では、このミキシングノズル（１２ａ，１２ｂ）の合流部（１３ａ，１３ｂ）が液体で満たされて材料スラリーの逆流や高速噴流の減速が生じるのを防ぐため、ノズル流路内壁面に沿って該内壁面と材料流体混合噴流体とを隔てる空気層を形成するための機構として、合流部（１３ａ，１３ｂ）に、合流部のノズル流路内径より小さい外径で全外周に亘って多数の貫通孔１５を有するの略筒状リング（１４ａ，１４ｂ）を、ノズル流路中心軸と同軸で配置すると共に、ミキシングノズル（１２ａ，１２ｂ）の筒状リング（１４ａ，１４ｂ）を挟んで材料導入口（１６ａ，１６ｂ）と対向する位置にノズル流路と外部とを連通して形成された空気取り入れ口（１７ａ，１７ｂ）とを設けた。なおこの筒状リング（１４ａ，１４ｂ）の多数の貫通孔１５のうちの数個を材料導入口（１６ａ，１６ｂ）と連通するものとした。
【００３１】
従って、ノズル流路内を高速噴流体が流れるとき、合流部（１３ａ，１３ｂ）では該噴流体は筒状リング（１４ａ，１４ｂ）内を進み、この際生じる吸引力によって、筒状リング（１４ａ，１４ｂ）の貫通孔１５のうち材料導入口（１６ａ，１６ｂ）と連通している数個からは材料スラリーが筒状リング（１４ａ，１４ｂ）内に吸い込まれて高速噴流体と合流、混合される。
【００３２】
一方、その他の貫通孔１５を介した吸引力により、空気取り入れ口（１７ａ，１７ｂ）から筒状リング（１４ａ，１４ｂ）とノズル流路内との間に空気が外部から取り込まれ、空気の層が形成される。この構成により、合流部のノズル流路内が液体で満たされることは回避され、材料の逆流も、高速噴流の減速も抑制されて効率的な材料粒体の混合、噴射が維持される。
【００３３】
以上の如き構成の噴流衝合装置による材料粒体の衝突微粒化は、以下の通りである。まず、水タンク２と材料タンク５へそれぞれ混合用水２０と処理対象の材料粒体の高濃度スラリー溶液３０を充填しておく。
【００３４】
衝突処理工程は、超高圧ポンプ３の始動により開始する。超高圧ポンプ３により水タンク２内から水２０が汲み上げられ加圧された高圧水が各分岐配管（４ａ，４ｂ）を介して第１ノズルヘッド１０ａおよび第２ノズルヘッド１０ｂへ送られる。各ノズルヘッド（１０ａ，１０ｂ）では、高圧水がウォータージェットノズル（１１ａ，１１ｂ）からミキシングノズル（１２ａ，１２ｂ）内へ噴出され、この高圧噴射水は合流部（１３ａ，１３ｂ）で筒状リング（１４ａ，１４ｂ）内をノズル先端へ進む。
【００３５】
この筒状リング（１４ａ，１４ｂ）内を流れる高圧噴射水によって貫通孔１５に発生する吸引力で、空気取り入れ口（１７ａ，１７ｂ）を介して合流部（１３ａ，１３ｂ）の内壁面と筒状リング（１４ａ，１４ｂ）との間に外部から空気が取り入れられると同時に、一部の貫通孔１５および材料導入口（１６ａ，１６ｂ）から各材料供給管（７ａ，７ｂ）を介して材料タンク５内の材料スラリーが筒状リング（１４ａ，１４ｂ）内に吸い込まれて高圧噴射水に合流・混合される。
【００３６】
この材料混合流体は、各ノズル先端からチャンバ１内の衝突点に向けて噴出されて互いに衝突することにより、流体内の材料粒子を粒子同士の衝突粉砕で微粒化し、チャンバ１の底部に溜る。なお、ノズル先端から噴出され衝突点で噴流同士で衝突し損なった材料混合流体は、セラミックボール（９ａ，９ｂ）に直接衝突して微粒化され、チャンバ１の底部に同様に溜る。
【００３７】
材料タンク５内の材料粒子３０が全てノズルヘッド（１０ａ、１０ｂ）へ供給され、衝突処理が済んだら、超高圧ポンプ３の駆動を停止し、チャンバ１の底部に溜った処理済み材料混合液を水タンク２へ排出する。所定時間経過後、材料混合液内の材料粒体３０が沈殿して上澄み層と材料粒体の沈殿下層とが自然に分離した後、水タンク２の下層部を材料粒体３０の高濃度スラリーとして材料回収管８からレベルコントロール６を介して材料タンク５に戻し、再び超高圧ポンプ３の駆動を再開し、水タンク２の上澄み層の水２０を吸い上げて各ノズルヘッド（１０ａ，１０ｂ）への高圧水供給を行う。これによって、材料流体３０に２度目の衝突処理が行われる。以上の操作を繰り返して材料流体３０の衝突処理を複数度行うことにより、所望粒径まで微粒化させることができる。
【００３８】
以上のように、本実施形態の噴流衝合装置では、材料スラリーが超高圧ポンプおよびその供給配管やウォータージェットノズルを通ることがないため、従来のように装置のほぼ全配管を材料スラリーが通過する場合に比べて、装置損傷が格段に低減され、ノズルヘッドを始め、ポンプやバルブ等の部品を長寿命化できる。また、装置内配管に材料粒体が残留する部分が激減するため、処理工程後の洗浄も容易であると同時に、残留材料の無駄も極めて少なくなるため、処理工程全体の短縮化と高効率化、コスト低減が可能となった。
【００３９】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の噴流衝合装置においては、噴射直前に対象材料を高速噴流体に混合するものであるため、装置部材への損傷が大幅に低減し、従来に比べて長寿命化と共に処理工程の効率向上および低コスト化が可能となるという効果がある。
【００４０】
また、本発明の噴流衝合装置では、ノズル手段内部の材料と高速噴流体との合流部に、ノズル流路内壁に空気の層を形成する機構をさらに設けることによって、材料の供給形態がスラリー混合液であっても合流部が液体で満たされることが防止され、高速噴流体の減速や材料スラリーの逆流を生じることなく効率的な対象材料の混合、噴射を持続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による噴流衝合装置の全体構成を示す概略構成図である。
【図２】図１の噴流衝合装置のノズルヘッドの構成を示す説明図であり、（ａ）はノズルヘッドの概略断面図、（ｂ）はノズルヘッドの合流部を説明する部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１：チャンバ
２：水タンク
３：超高圧ポンプ
４：水供給管
４ａ，４ｂ：高圧水供給分岐配管
５：材料タンク
６：レベルコントロール
７ａ，７ｂ：材料供給管
８：材料回収管
９ａ，９ｂ：セラミックボール
１０ａ，１０ｂ：ノズルヘッド
１１ａ，１１ｂ：ウォータージェットノズル
１２ａ，１２ｂ：ミキシングノズル
１３ａ，１３ｂ：合流部
１４ａ，１４ｂ：筒状リング
１５：貫通孔
１６ａ，１６ｂ：材料導入口
１７ａ，１７ｂ：空気取り入れ口
２０：水
３０：材料粒体
【図１】
0003712588.tif 000002
【図２】
0003712588.tif 000003