(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の流体を裁断微粒子化して混合し、且つ混合流体の粒子サイズが１μｍ以下の長期間分離しない高品質な流体の混合処理や乳化処理を大量に安価で行い得る流体の微粒子化混合装置の提供。【解決手段】流体流路を有する管体１の一端から複数の流体を供給する流体供給部２と、管体１の内部に設けられた流体を微粒子化混合する微粒子化混合部３と、管体１の他端に設けられた微粒子化混合後の流体を排出する流体排出部５を備えた流体の微粒子化混合装置であって、流体供給部２から加圧され供給された流体を微粒子化混合部３の金属線又はプラスチック線の充填物に衝突させ、前記充填物の鋭い角で裁断し、前記充填物の衝突による共振振動で複数の流体を微粒子化し、前記充填物が内包する多数の空間を前記微粒子化した複数の流体が通過する際に流体どうしを繰り返し衝突させ混合し、複数の流体の混合や乳化処理を連続的に大量に安価に行う微粒子化混合装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流路を形成する管体と、
この管体内に設けられた微粒子化混合部と、
前記管体の一方の端部に設けられ複数の流体を前記微粒子化混合部に供給する流体供給部と、
前記管体の他方の端部に設けられ微粒子化混合後の流体を排出する流体排出部と、
を有し、
前記微粒子化混合部は、
外周面に鋭角な突起物で形成された線材で充填されており、
前記流体の通流による衝突により前記線材の充填物は共振振動を生じて前記流体を微粒子化し、
前記微粒子化された複数の流体が前記微粒子化混合部に存在する多数の空間を通過する際、流体どうしが衝突を繰り返して混合され、複数の流体の微粒子化混合が連続的に行われることを特徴とする複数の流体の微粒子化混合装置。
【請求項２】
前記微粒子化混合部に充填された前記線材はカールした金属線又はプラスチック線であることを特徴とする請求項１に記載の流体の微粒子化混合装置。
【請求項３】
前記微粒子化混合部の前記充填物の充填形態は、複数の流体が通過できる空間を有し、前記充填物の単位体積当たりの重量を、空間が全くないソリッドな同一素材の充填物の単位体積当たりの重量の１０％〜８０％の重量比の範囲で充填することを特徴とする請求項１に記載の流体の微粒子化混合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の流体の微粒子化混合を行うための流体の微粒子化混合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
食品、化粧品、化学薬品、燃料油の分野においては、複数の流体を用いた微粒子化混合や乳化はジェットミル（jet mill）型、熱や化学触媒を用いた化学反応型、或は特殊な構造のバッチ方式の撹拌装置が主流であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２００７１５号公報
【特許文献２】特開平１０−２４２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在、複数の流体の微粒子化混合や乳化処理は広い分野で行われている。化粧品や食料品分野では製品の安全性と乳化の長期安定性が求められており、他方、化学薬品や燃料油分野では生産工程の安全性と混合製品や乳化製品の長期安定性と、連続生産が可能であることが求められている。しかしながら、特許文献１と特許文献２の様な処理装置では混合製品や乳化製品の流体の粒子サイズが１マイクロメートル〜５００マイクロメートルと大きく長期間安定的に乳化状態を維持することが困難であり、バッチ処理であるため連続生産が難しく、完全密閉構造でないため化学薬品や燃料油の処理において生産工程の安全性が弱いという問題を抱えている。
【０００５】
本発明は、上記諸問題にかんがみてなされたものであって、その目的とするところは、複数の流体の微粒子化混合や乳化の連続処理が可能であり、微粒子化混合や乳化後の流体粒子のサイズを１マイクロメートル以下に微小化でき、密閉された構造で生産工程の安全性を保つことが可能な流体の微粒子化混合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の流体の微粒子化混合装置は、流体流路を形成する管体と、この管体内に設けられた微粒子化混合部と、前記管体の一方の端部に設けられ複数の流体を前記微粒子化混合部に供給する流体供給部と、前記管体の他方の端部に設けられ微粒子化混合後の流体を排出する流体排出部とを有し、前記微粒子化混合部は、外周面に鋭角な突起物で形成された線材で充填されており、前記流体の通流による衝突により前記線材の充填物は共振振動を生じて前記流体を微粒子化し、前記微粒子化された複数の流体が前記微粒子化混合部に存在する多数の空間を通過する際、流体どうしが衝突を繰り返して混合され、複数の流体の微粒子化混合が連続的に行われることを特徴とする。
【０００７】
前記微粒子化混合部に充填された前記線材はカールした金属線又はプラスチック線であることを特徴とする。
【０００８】
前記微粒子化混合部の前記充填物の充填形態は、複数の流体が通過できる空間を有し、前記充填物の単位体積当たりの重量を、空間が全くないソリッドな同一素材の充填物の単位体積当たりの重量の１０％〜８０％の重量比の範囲で充填することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の流体の微粒子化混合装置によれば、複数の流体の微粒子化混合や乳化を連続処理し短時間に大量生産が可能であり、微粒子化混合や乳化後の流体粒子のサイズを１マイクロメートル以下に微小化でき、密閉された構造で生産工程の安全性を保つことができる。
【００１０】
上記流体の微粒子化混合装置の前記充填物の充填密度を上記範囲で変化させれば、粘性の違う複数の流体の微粒子化混合や乳化処理を効率良く行え、微粒子化混合や乳化処理後の流体の粒子サイズを可能な限り小さく保つことができた。
【００１１】
また、上記流体の微粒子化混合装置は構造全体が密閉状態にあるので、生産工程の安全性を保ちながら複数の流体の微粒子化混合や乳化処理を連続して大量に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本発明にかかる流体の微粒子化混合装置の実施形態を示す概略断面図である。
【図２】図２は図１に示した微粒子化混合部の充填物の側面図である。
【図３】図３は図１に示した微粒子化混合部の充填物の断面形状を示した断面図である。
【図４】図４は図１に示した微粒子化混合部の充填物の充填形態を示した側面図である。
【図５】図５は流体が充填物に衝突して生じる共振振動の振動数を示したグラフである。
【図６】図６は実施例１であるエマルジョン（emulsion）燃料油の乳化処理を説明するための概略断面図である。
【図７】図７は実施例１で製造した重油エマルジョン燃料油の水の粒子サイズを示すグラフである。
【図８】図８は実施例１で製造した軽油エマルジョン燃料油の水の粒子サイズを示すグラフである。
【図９】図９は実施例１で製造した重油エマルジョン（emulsion）燃料油の水の含有量と発熱量の関係を示したグラフである。
【図１０】図１０は実施例２である水の浄化処理を説明するための概略断面図である。
【図１１】図１１は実施例２である水の浄化処理装置で発生させたオゾン空気バブルの粒子サイズを計測するための計測装置の概略図である。
【図１２】図１２は実施例２である水の浄化処理装置で発生させたオゾン空気バブルの粒子サイズを計測したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の流体の微粒子化混合装置の実施の形態について、図１乃至図４を参照して詳細に説明する。
【００１４】
前記流体の微粒子化混合装置の構造は、図１に示す様に、流体流路を形成する管体１と、この管体内に設けられた微粒子化混合部３と、前記管体の一方の端部に設けられ複数の流体を前記微粒子化混合部に供給する流体供給部２と、前記管体の他方の端部に設けられ微粒子化混合後の流体を排出する流体排出部５とを有し、前記微粒子化混合部３は断面積が0.01平方ミリメートル〜100平方ミリメートルの外周面に図3で示す様な形状３-２ａ、３-２ｂ、３-２ｃ、３-２ｄ、３-２ｅ、３-２ｆ、３-２ｇの鋭角な突起物で形成された線材で充填されており、前記流体の通流による衝突により前記線材の充填物は共振振動を生じて前記流体を微粒子化し、前記微粒子化された複数の流体が前記微粒子化混合部に存在する多数の空間を通過する際、流体どうしが衝突を繰り返して混合され、複数の流体の微粒子化混合が連続的に行われることを特徴とする複数の流体の微粒子化混合装置である。
【００１５】
また、前記充填物は、図２で示す様な形状３-1ａ、３-１ｂ、３-１ｃ、３-１ｄ、３-１ｅ のカールした金属線、またはプラスチック線である事を特徴とする。
【００１６】
前記充填物の充填形態は、図４に示す様に複数の流体が通過できる空間を有し、前記充填物の単位体積当たりの重量を、空間が全くないソリッドな同一素材の充填物の単位体積当たりの重量の１０％〜８０％の重量比の範囲で充填することを特徴とする。
【００１７】
前記管１の内部には、微粒子化混合部３の前面と後面に微粒子化混合部の充填物を固定するためのメッシュ４が設置されている。
【００１８】
複数の流体が前記微粒子化混合部３の前記充填物に高速で衝突すると、前記充填物の鋭角の角で裁断され、前記充填物に流体が衝突することによる共振振動で流体原料の粒子が微細化され、多数の空間が存在する前記充填物の空間を流体原料が通過すると、繰り返し流体同士どうしがぶつかり合い混合して、短時間で流体の粒子サイズが１マイクロメートル以下の微粒子化混合や乳化が可能になる。
流体の衝突による前記充填物の共振振動数ｆは以下の数1の式で計算できる。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
以下は、上記計算式の文字の説明である。
ｄ：線径 (ミリメートル)
Ｄ：コイル中心径（ミリメートル）= (コイルの外径＋コイルの内径）／２
ｎ：両端固定の有効巻数 (回)
Ｇ：横弾性係数（kgf/平方ミリメートル）
γ：単位体積当たりの重量（kgf/立方ミリメートル）
π：円周率
【００２１】
前記充填物の線材としてステンレス鋼（SUS304）を使用し、充填物の側面形状を図３の(a)規則的な周期の螺旋カール状3-1aとし、充填物の断面形状を図２の(f)突起のある円形3-2fとし、充填物の寸法を直径3ミリメートル、線径を2ミリメートルとした場合、充填物どうしがきつく接触している場所が振動の節になるので、節と節の間が共振を起こすことになる。節と節の間の前記規則的な周期の螺旋カール状ステンレス鋼線の巻き数は、上記文字の両端固定の有効巻数ｎに該当する。充填密度からかんがみ、有効巻数ｎを2回〜10回とし、この条件の下での上記計算式の各文字の値は以下の様になる。
ｄ = 1ミリメートル
Ｄ = (3ミリメートル+1ミリメートル)/2 = 2ミリメートル
ｎ = 2回〜10回  
Ｇ = 7000kgf/平方ミリメートル
γ = 7.7 X 10^(-6)kgf/立方ミリメートル
π = 3.14   
【００２２】
図５は、上記文字の値を用いて計算した前記充填物の共振振動数の結果のグラフである。図５の共振振動数グラフから、共振振動は10,000Hz〜40,000Hzの間で生じていることが分かる。共振振動の振動数が低いと強力に流体を微粒子化でき、振動数が高いと流体の粒子サイズが小さくなると言われており、本発明の前記充填物の共振振動数が広範囲で発生することから、効率よく流体の微粒子化混合や乳化が行われていることが分かる。
【実施例１】
【００２３】
次に図６に基づいて、本発明にかかる流体の微粒子化混合装置を、エマルジョン（emulsion）燃料の乳化処理に適用した場合を、実施例１として説明する。エマルジョン（emulsion）燃料とは燃料油と水を乳化させた乳化燃料の事である。  
【００２４】
図６は、エマルジョン（emulsion）燃料の乳化処理装置の概略断面図であって、図１で示した本発明である流体の微粒子化混合装置の流体供給部２の前方にポンプＰを配した構成である。ポンプＰを起動させエマルジョン（emulsion）燃料の流体原料である油と水を高速で流体供給部２に加圧し注入する構造になっている。
【００２５】
ポンプＰを起動させると流体供給部２に供給されたエマルジョン（emulsion）燃料の前記流体原料は高圧で管１内に噴出される。管１内に噴出された流体原料は微粒子化混合部３に高速で衝突する。微粒子化混合部３は図２に示す様な形状３-1ａ、３-１ｂ、３-１ｃ、３-１ｄ、３-１ｅ の金属線又はプラスチック線の充填物でできていて、その断面の角は図３に示す様な形状３-２ａ、３-２ｂ、３-２ｃ、３-２ｄ、３-２ｅ、３-２ｆ、３-２ｇで鋭角に加工されており、図４に示す様に多数の空間が存在する程度の充填密度で充填されているので、前記充填物に流体原料が高速で衝突すると、流体原料は前記充填物の鋭角の角で裁断され、流体原料の衝突による前記充填物の共振振動で流体原料の水の粒子が微細化され、前記充填物には多数の空間が存在しているので、前記空間を流体原料が通過する際、流体原料どうしが衝突を繰りし混合が行われることにより、エマルジョン（emulsion）燃料の乳化処理を連続的に行うことができる。乳化処理が完了したエマルジョン（emulsion）燃料は流体噴出部６より出力される。一般的に、乳化状態にある非常に小さい流体粒子は、時間が経っても流体粒子のブラウン運動の影響で分離が緩やかに進行し、大きな流体粒子の乳化状態より長期間安定であると言われている。
【００２６】
本発明の流体の微粒子化混合装置の目標の一つである流体の微粒子化の効果を測定するために、実施例１の方法で製造した油８０％、水２０％の重油エマルジョン（emulsion）燃料と軽油エマルジョン（emulsion）燃料の水の粒子サイズを計測した。その結果は図７及び図８に示す様に５０３ナノメートル〜９２６ナノメートルの微粒子化が達成できた。従来技術で処理した水の粒子サイズは１マイクロメートル〜５００マイクロメートルが限界であるが、本発明の流体の微粒子化混合装置を用いた場合、従来技術の装置より小さい１マイクロメートル以下の粒子サイズの微粒子化が可能になった。この様に水の粒子が微細化されたことにより、乳化状態が安定的に維持され、従来技術では難しかった１ヵ月以上にわたり乳化した流体の分離がないエマルジョン（emulsion）燃料が製造できた。製造にかかる運転コストはポンプの稼働費のみで従来技術よりも少ない金額であった。又、本発明の流体の微粒子化混合装置で乳化処理した重油エマルジョン（emulsion）燃料の燃焼性能試験を重油エマルジョン（emulsion）燃料の水の含有量と発熱量の関係を調べる方法で行った結果、図９に示した様に水の含有量が１０％〜３０％の範囲で重油エマルジョン（emulsion）燃料の発熱量が重油100％と比べて遜色なくほぼ同等であった。この結果は、本発明の流体の微粒子化混合装置で製造したエマルジョン（emulsion）燃料が従来技術で製造した重油エマルジョン（emulsion）燃料より水の微粒化が達成できたことにより、優れた燃焼性能を持っていることが証明された。
【実施例２】
【００２７】
次に、図１０に基づいて、本発明にかかる流体の微粒子化混合装置を、水の浄化処理に適用した場合を、実施例２として説明する。
【００２８】
図１０は水の浄化処理の概略断面図であって、図１で示した本発明である流体の微粒子化混合装置の流体供給部２の流路の壁面にオゾン空気供給部６を配し、オゾン空気供給部６より前部の流路にポンプＰを配し、流体排出部５の後方に、水の浄化処理タンク７と浄化を行う汚水の入り口８と浄化水の循環入り口９とオーバーフロー遮蔽版１０と浄化された水の出口１１とを配する構成とする。
【００２９】
図１０の浄化を行う汚水の入り口８に浄化したい原水を導入し、前記オゾン空気供給部６にオゾン発生器により製造されたオゾン空気を導入する。
【００３０】
図１０のポンプＰを起動させると、浄化を行う汚水の入り口８より前記汚水が吸引され、浄化水の循環入り口９を経由して、汚水はポンプで加圧され前記オゾン空気供給部６が有る流路に放出され負圧化し、オゾン空気供給部６からオゾン空気が吸引される。管１に導入された汚水とオゾン空気の混合流体は高速で微粒子化混合部３に導入される。微粒子化混合部３に充填されている充填物は、図２で示す様な形状３-1ａ、３-１ｂ、３-１ｃ、３-１ｄ、３-１ｅの金属線又はプラスチック線の構造物で、図3で示す様な形状３-２ａ、３-２ｂ、３-２ｃ、３-２ｄ、３-２ｅ、３-２ｆ、３-２ｇの鋭角の突起を持つ。前記充填物は図４に示した様な充填形態で充填されていて多数の空間が存在する。汚水とオゾン空気が微粒子化混合部３に放出されると、オゾン空気は前記充填物の鋭角の角で裁断され、流体原料の衝突による前記充填物の共振振動でオゾン空気の粒子が微細化され、前記充填物の多数の空間を通過する際、オゾン空気は前記充填物の空間で衝突を繰り返し、微小なオゾンバブルとなって浄化したい汚水の中に拡散される。浄化したい汚水とオゾンバブルを蓄えたタンク７の中でこの循環を繰り返すと汚水は徐々に浄化される。汚水は浄化が完了するとオーバーフロー遮蔽版１０を超えて浄化された水の出口１１より排出される。
【００３１】
次に、実施例２の水の浄化処理装置で発生させたオゾン空気バブルの粒子サイズを測定する方法を説明する。流体である水の内部に気体である微細なオゾン空気バブルを多数導入すると、光の乱反射で白濁状態になる。オゾン空気バブルのサイズが１マイクロメートル以下になると、光の乱反射が軽減されて白濁状態から透明度が増加してくる。この原理を利用して図１０に示す様に前記流体排出部５の流路の延長線上に直角な方向で、水の浄化処理タンク７の一方の壁面に発光装置１２を、相対する反対側の面に受光装置１３を付け、オゾン空気バブルを含む水の透明度を光の通過量として測定した。図１０の水の浄化処理の概略断面図に記載のポンプＰを起動させてオゾン空気バブルを水中に拡散させ、空気バブルを含む水の透明度をオゾン空気バブルが存在しない水の透明度を１００％として、光の通過量を時間の経過と共に測定した。図１２が測定した結果のグラフである。測定結果から、ポンプＰ起動後の２分後に透明度が最も低くなり、その後透明度が増し、５分を経過した以降の透明度は空気バブルが存在しない水の９２％で一定になった。図１２のオゾン空気バブルを含む水の透明度の計測結果から、本発明にかかる流体の微粒子化混合装置を、水の浄化処理に適用した実施例２において、オゾン空気バブルのサイズが目標の１マイクロメートル以下である事が証明できた。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明装置の優れた機能は、流体である液体やジェル（gel）や気体の微粒子化混合を安価で安全で環境に配慮した方法で可能にしたことである。このことから本発明技術は、微粒子化混合や乳化を必要とする食品業界、化粧品業界、塗料業界、及び燃料油業界や廃油の再処理業界等で利用可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１：  管
２：  流体供給部
３：  微粒子化混合部
３-１ａ、３-１ｂ、３-１ｃ、３-１ｄ、３-１ｅ：  線材の側面図
３-２ａ、３-２ｂ、３-２ｃ、３-２ｄ、３-２ｅ、３-２ｆ、３-２ｇ：  線材の断面図
４：  メッシュ
５：  流体排出部
６：  オゾン空気供給部    
７：  水の浄化処理タンク  
８：  浄化を行う汚水の入り口  
９：  浄化水の循環入り口  
１０：  オーバーフロー遮蔽版      
１１：  浄化された水の出口  
１２：  発光装置
１３：  受光装置
１４：  発光装置用電源
１５：  透明度測定用電圧計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2018034107.tif 000013
【図１１】
2018034107.tif 000014
【図１２】
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