(57)【要約】物質の微粒化装置（３０）は、ポンプ部材（９）とジェネレータ部材（１２）を備える。ポンプ部材（９）は、駆動装置（１）によりシリンダ（１７）内を往復運動して、原料流体を加圧するピストン（１３）を有する。ジェネレータ部材（１２）は、ポンプ部材（９）内で加圧された原料流体を、内部に設けられた穴部（２６）に通して、穴部（２６）のノズル特性に応じて、原料流体に含まれる物質を微粒化する。ピストン（１３）とシリンダ（１７）の閉塞端の間には圧力室（１４）が形成される。圧力室（１４）のシリンダ（１７）側面には取込口（１５）が形成される。シリンダ（１７）の閉塞端（１８）には送込口（１６）が形成される。吐出行程前半で、取込口（１５）を介して、原料流体は圧力室（１４）内から投入槽（１０）に送り込まれる。吐出行程後半で、ピストン（１３）の側面により取込口（１５）は直接閉塞され、かつ、送込口（１６）を介して、原料流体は圧力室（１４）内からジェネレータ部材（１２）に送り込まれる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端を開口して他端を閉塞したシリンダと、投入槽から前記シリンダ内に原料流体を導入するための菅と、駆動装置により前記シリンダ内を往復運動して、前記シリンダ内の原料流体を加圧するピストンと、を有するポンプ部材と、
前記ポンプ部材内で加圧された原料流体を、内部に設けられた穴部に通して、前記穴部のノズル特性に応じて、前記原料流体に含まれる物質を微粒化するジェネレータ部材と、を備え、
前記ピストンと前記シリンダの閉塞端の間には圧力室が形成され、
前記圧力室のシリンダ側面には、前記管の一端が開口して取込口が形成され、
前記シリンダの閉塞端には送込口が形成され、
前記ピストンの第１行程で、前記送込口は閉塞され、かつ、前記取込口を介して、前記原料流体は前記投入槽から前記圧力室内に取り込まれ、
前記ピストンの第２行程前半で、前記取込口を介して、前記原料流体は前記圧力室内から前記投入槽に送り込まれ、
前記ピストンの第２行程後半で、前記ピストンの側面により前記取込口は直接閉塞され、かつ、前記送込口を介して、前記原料流体は前記圧力室内から前記ジェネレータ部材に送り込まれる、ことを特徴とする物質の微粒化装置。
【請求項２】
前記ポンプ部材は、前記送込口を開閉するための逆支弁を有することを特徴とする請求項１に記載の物質の微粒化装置。
【請求項３】
前記ジェネレータ部材は、前記微粒化された物質を含んだ原料流体を排出槽に送り込むための出口孔を有する出口部を備えることを特徴とする請求項１に記載の物質の微粒化装置。
【請求項４】
ジェネレータ部材は、
一端を前記シリンダに連結して他端を前記出口部に連結した外ケースと、
前記外ケース内に収容され、かつ、一方の端部を前記出口部に固定した内ケースと、をさらに備え、
前記外ケースと前記内ケースの間には、中空室が形成され、
前記外ケースの一端には、前記送込口を介して、前記圧力室と前記中空室を連通する連通孔が形成され、
前記内ケースの内部には、一端を閉塞して他端を前記出口孔に開口した中心通路が形成され、
前記内ケースの側面には、一端を前記中心通路に開口して他端を前記中空室に開口した複数の前記穴部が形成されることを特徴とする請求項３に記載の物質の微粒化装置。
【請求項５】
前記内ケースはセラミック製であることを特徴とする請求項４に記載の物質の微粒化装置。
【請求項６】
前記内ケースの一方の端部は、前記出口部の端面に形成された凹部に固定されることを特徴とする請求項４に記載の物質の微粒化装置。
【請求項７】
前記内ケースの一方の端部は、前記出口部の端面に形成された第１凹部に固定され、
前記内ケースの他方の端部は、前記シリンダの端面に形成された第２凹部に固定されることを特徴とする請求項４に記載の物質の微粒化装置。
【請求項８】
前記シリンダに設けられた雌ねじ部と、前記外ケースの一端に設けられた雄ねじ部を螺合することにより、前記外ケースは前記シリンダに連結されることを特徴とする請求項４に記載の物質の微粒化装置。
【請求項９】
前記シリンダに設けられた雄ねじ部と、前記外ケースの一端に設けられた雌ねじ部を螺合することにより、前記外ケースは前記シリンダに連結されることを特徴とする請求項４に記載の物質の微粒化装置。
【請求項１０】
前記外ケースの他端に設けられた雌ねじ部と、前記出口部に設けられた雄ねじ部を螺合することにより、前記外ケースは前記出口部に連結されることを特徴とする請求項４に記載の物質の微粒化装置。
【請求項１１】
前記外ケースの他端に設けられた雄ねじ部と、前記出口部に設けられた雌ねじ部を螺合することにより、前記外ケースは前記出口部に連結されることを特徴とする請求項４に記載の物質の微粒化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、食品、化学、薬品等の各業界で扱われる物質を微粒化する装置に関し、特に、原料流体に高い圧力を与える加圧器（ポンプなど）を用いて、原料流体に含まれる物質を微粒化する装置に関する。
【背景技術】  流体に高い圧力を与える加圧器（ポンプなど）として、３連型のプランジャ式ポンプが知られている（特開２００１−２７１７６２号公報を参照のこと）。従来は、このポンプを用いて、原料流体を吸入加圧して、ジェネレータ（又はナノマイザ）に吐出することにより、原料流体に含まれる物質は微粒化されていた。
プランジャ式ポンプは、クランクケースに回転自在に支持されたクランク軸に、コンロッドを介して連結された３つのプランジャを有する。クランク軸の回転に伴って、各プランジャが往復運動することにより、プランジャ式ポンプは圧力室内部の原料流体を加圧する。より詳細には、圧力室の一端に配置された各プランジャが往復運動すると、圧力室の他端下部に配置された吸入用の逆止弁を介して、原料流体が投入槽から圧力室に吸入されて、また、圧力室の他端上部に配置された吐出用の逆止弁を介して、加圧された原料流体が圧力室からジェネレータに吐出される。この機構により、原料流体には１５０ＭＰａ程度の高圧が与えられて、原料流体に含まれる物質は、ジェネレータの内部に設けられたノズルの特性に応じて、所望の粒度に微粒化される。
原料を変える場合には、投入から排出まで、先の原料流体が接触したすべての部材を洗浄することで、コンタミレス化が図られる。これにより、次の原料流体に含まれる物質が、先の原料流体に含まれる物質と混ざるといった問題は生じない。しかしながら、従来の加圧器は、多くの部材を有するため、各部材の洗浄には多くの手間が掛かる。
また、吸入用の逆止弁は、原料流体の性質に依存して、いくつかの問題を抱えている。逆止弁は、弁座、弁体、及びコイルスプリングから構成される。弁座は投入槽と圧力室の間に設けられる。弁体は金属製の球体である。コイルスプリングの一端は弁体に、他端は逆支弁の内部にそれぞれ連結される。プランジャ式ポンプの加圧動作時に、コイルスプリングは、弁体を弁座に押し付けて、原料流体が圧力室から投入槽に逆流することを防ぐ。
このような構成をとる吸入用の逆止弁において、原料流体の性質に依存して、次の３つの問題が生じる。１つ目は、原料流体の粘性が高いと、粘性流体により逆止弁内が詰まる。それゆえ、投入槽に圧送ポンプを設けて、粘性流体を逆止弁内から強制的に押し出す必要がある。２つ目は、原料流体に含まれる物質の粒度が大きいと、その物質により弁体と弁座の間に隙間が常に作られ、ポンプの加圧動作時に、原料流体が逆流してしまう。３つ目は、原料流体に含まれる複数の物質に比重の違いがあると、比重の大きい物質が投入槽の底に沈殿する。それゆえ、撹拌器を用いて、投入槽内での複数の物質の分布を均一にする必要がある。
本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、吐出行程前半で、原料流体を圧力室から投入槽に逆流させ、吐出行程後半で、原料流体を圧力室から投入槽に逆流させない機構を有したポンプを内蔵し、かつ、洗浄し易い微粒化装置を提供することを目的とする。
【発明の開示】
上記の目的を達成するために、本発明は、一端を開口して他端を閉塞したシリンダと、投入槽から前記シリンダ内に原料流体を導入するための菅と、駆動装置により前記シリンダ内を往復運動して、前記シリンダ内の原料流体を加圧するピストンと、を有するポンプ部材と、前記ポンプ部材内で加圧された原料流体を、内部に設けられた穴部に通して、前記穴部のノズル特性に応じて、前記原料流体に含まれる物質を微粒化するジェネレータ部材と、を備え、前記ピストンと前記シリンダの閉塞端の間には圧力室が形成され、前記圧力室のシリンダ側面には前記管の一端が開口して取込口が形成され、前記シリンダの閉塞端には送込口が形成され、前記ピストンの第１行程で、前記送込口は閉塞され、かつ、前記取込口を介して、前記原料流体は前記投入槽から前記圧力室内に取り込まれ、前記ピストンの第２行程前半で、前記取込口を介して、前記原料流体は前記圧力室内から前記投入槽に送り込まれ、前記ピストンの第２行程後半で、前記ピストンの側面により前記取込口は直接閉塞され、かつ、前記送込口を介して、前記原料流体は前記圧力室内から前記ジェネレータ部材に送り込まれる、ことを特徴とする物質の微粒化装置を提供する。
本発明によれば、ピストンの第２行程前半において、原料流体が圧力室内から投入槽に逆流することにより、投入槽内で、比重の異なる複数の原料は撹拌されるため、投入槽内に撹拌器を設置する必要はなくなる。また、ピストンの第２行程後半において、取込口はピストンの側面で直接塞がれるため、原料流体の性質に依存することなく、圧力室内の原料流体が投入槽に逆流することは、確実に回避される。さらに、構成部材の数が少ないため、装置全体の洗浄がし易くなる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明のポンプ部材を内蔵した微粒化装置を含む微粒化処理システムの構成図である。
図２は、ピストンが上死点に位置するときの、図１のＩＩ−ＩＩ線による拡大部分断面図である。
図３は、ピストンが下死点に位置するときの、図１のＩＩ−ＩＩ線による拡大部分断面図である。
図４は、本実施形態の第１変形例を示す、図１の  ＩＩ−ＩＩ線による拡大部分断面図である。
図５は、本実施形態の第２変形例を示す、図１のＩＩ−ＩＩ線による拡大部分断面図である。
図６は、本実施形態の第３変形例を示す、図１のＩＩ−ＩＩ線による拡大部分断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  図１乃至３を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図１に示すように、微粒化処理システム５０は、駆動装置１、投入槽１０、排出槽１１、微粒化装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃから構成される。
駆動装置１は、クランク軸２とモータ３を備える。クランク軸２は、クランクケース軸受４に回転自在に支持されたクランク部５と、回転方向で１２０度位相をずらして配置されたクランクピン６ａ，６ｂ，６ｃと、から構成される。モータ３は、クランク軸２を回転する。
クランク軸２は、クランクピン６ａ，６ｂ，６ｃにそれぞれ連結したコンロッド７ａ，７ｂ，７ｃを介して、ヨーク付きピストン軸８ａ，８ｂ，８ｃに連結される。
クランク軸２が、矢印Ｒ方向に回転すると、コンロッド７ａ，７ｂ，７ｃの揺動により、ピストン軸８ａ，８ｂ，８ｃは、矢印Ｓ方向に往復運動する。ピストン軸８ａ，８ｂ，８ｃの下端には、後述するピストン１３（図２及び３参照）がそれぞれ一体に結合する。
微粒化装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、ポンプ部材（プロセッサ）９ａ，９ｂ，９ｃとジェネレータ部材（ナノマイザ）１２ａ，１２ｂ，１２ｃから構成される。ポンプ部材９ａ，９ｂ，９ｃは、ジェネレータ部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃに一体接続される。ポンプ部材９ａ，９ｂ，９ｃには、原料流体を微粒化装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃに投入するための投入槽１０が、管２２を介して連通される。ジェネレータ部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃには、微粒化された原料生成物（試料）を排出するための排出槽１１が連通される。
次に、微粒化装置３０の構成について、詳細に説明する。最初にポンプ部材９の構成を説明し、２番目にジェネレータ部材１２の構成を説明する。なお、微粒化装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃはすべて同一の構造をとる。
図２及び図３に示すように、ポンプ部材９は、ピストン１３、シリンダ１７、管２２、連結部３５を有する。シリンダ１７の一端は開口し、他端は連結部３５により閉塞されている。なお、シリンダ１７の他端を閉塞端１８と名付ける。ピストン１３の一端はピストン軸８に一体に連結されて、クランク軸２の回転に伴って、シリンダ１７内を往復運動する。
ピストン１３の他端とシリンダ１７の閉塞端１８との間には、密閉された圧力室１４が形成される。ピストン１３には、ピストンパッキン１９が２個設けられる。ピストン軸８には、ピストン軸パッキン２０が４個設けられる。ピストンパッキン１９とピストン軸パッキン２０が、ピストン１３と一体的にシリンダ１７内を摺動することで、圧力室１４は密閉される。
シリンダ１７の他端には、連結部３５が嵌合される。連結部３５は中央部に連通孔３１を有する。連通孔３１の一端（送込口１６）は閉塞端１８で圧力室１４に開口し、他端はジェネレータ部材１２の外ケース２３に形成された連通孔３２の一端に開口する。連通孔３１には、逆止弁２１が設けられる。ピストン１３の下降時に、逆止弁２１は開いて、加圧された原料流体をジェネレータ部材１２に送り込む。ピストン１３の上昇時に、逆止弁２１は閉じて、ジェネレータ部材１２に送り込まれた原料流体の逆流を防ぐ。
管２２を介して、ポンプ部材９を投入槽１０に連通するために、管２２は、シリンダ１７の側面に連結される。管２２の一端（取込口１５）はシリンダ１７の内面で開口し、他端は投入槽１０の底面で開口する。管２２とシリンダ１７は、管２２の側面に設けた雄ねじ部をシリンダ１７の側面に設けた雌ねじ部に螺合することにより、互いに接続される。
ピストン１３の往復行程を詳細に説明する。図２に示すように、ピストン１３が下死点から上昇する場合（吸入行程）、逆止弁２１は閉塞されて、ジェネレータ部材１２に送り込まれた原料流体の逆流を防ぐ。ピストン１３の上昇に伴って、取込口１５は開口するため、投入槽１０の原料流体は、管２２を介して、圧力室１４に取り込まれる。
上死点から下降する場合（吐出行程）、前半では、取込口１５は開口しているので、圧力室１４内の原料流体が、管２２を介して投入槽１０に逆流する。後半では、図３に示すように、取込口１５はピストン１３の側面で塞がれるため、圧力室１４内で加圧された原料流体は、送込口１６からジェネレータ部材１２に送り込まれる。ピストン１３の下死点において、ピストンパッキン１９及びピストン軸パッキン２０は取込口１５の上側に位置するので、原料流体の流圧によるパッキンの損傷は回避される。
従来のポンプでは、投入槽とポンプ部材を連通する管の内部には、吸入用の逆止弁が設けられていたので、吐出行程で、圧力室内の原料流体が投入槽に逆流することは回避された。しかしながら、本発明では、ピストン１３の側面で取込口１５が閉塞されるまで、すなわち、吐出行程後半まで、取込口１５は圧力室１４に対して開口するので、圧力室１４内の原料流体は投入槽１０に逆流する。この逆流により、ポンプ部材９の充填効率は低下するが、管２２の内径は小さいので、逆流の量はわずかである。したがって、ポンプ部材９の充填効率に対する影響は微小である。また、この逆流により、投入槽１０内で、比重の異なる複数の原料は撹拌されるため、投入槽１０内に撹拌器を設置する必要はなくなる。さらに、吐出行程後半において、取込口１５はピストン１３の側面で塞がれるため、原料流体の性質に依存することなく、圧力室１４内の原料流体が投入槽１０に逆流することは、確実に回避される。
なお、ピストン１３の上下方向の平均速度は、コンロッド７ａ，７ｂ，７ｃをクランクピン６ａ，６ｂ，６ｃにそれぞれ偏心連結することにより、変えられるので、ポンプ効率を上げることができる。
次に、ジェネレータ部材１２の構成を詳細に説明する。図２及び３に示すように、ジェネレータ部材１２は、外ケース２３、内ケース２４、及び出口部２８を有する。外ケース２３の上端面中央に設けられた雄ねじ部３６は、ポンプ部材９の下端面中央に形成された雌ねじ部３７に螺合される。これにより、ジェネレータ部材１２はポンプ部材９に連結される。また、外ケース２３の雄ねじ部３６の中央部には連通孔３２が形成される。連通孔３２の一端を連結部３５の連通孔３１に開口させ、他端を中空室２５に開口させることにより、加圧された原料流体は中空部２５に送り込まれる。外ケース２３の内部には、一端を閉塞して、他端を開口したセラミック製の中空室２５が形成される。中空室２５の他端に形成された雌ねじ部３８は、出口部２８の雄ねじ部３９に螺合される。これにより、外ケース２３は出口部２８に連結される。また、内ケース２４は、中空室２５の内部に収容される。内ケース２４の下端部は、雄ねじ部３９の上端面中央に、内ケース２４と同径で形成された凹部４０に挿入されて、内ケース２４は出口部２８に固定される。
内ケース２４の内部には、中心通路２７が軸方向に沿って形成され、側面には穴部２６が径方向に沿って複数形成される。穴部２６の一端は中空室２５に開口し、他端は中心通路２７に開口する。中心通路２７の一端は閉塞され、他端は出口部２８に設けられた出口孔の一端に開口する。
例えば、内ケース２４は、直径４０ｍｍ、長さ４０ｍｍの円筒体である。穴部２６は、０．１ｍｍ以上かつ０．４ｍｍ以下の範囲内の直径を有し、内ケース２４の側面において、径方向にｎ個（ｎは２以上かつ８以下）配置され、かつ、軸方向にｍ個（ｍは１以上）配置される。内ケース２１はセラミック製でなので、穴部２６は容易に形成される。
加圧された原料流体に含まれる物質は、穴部２６のノズル特性に応じて微粒化される。ポンプ部材９のピストン行程容積（例えば、ピストン直径４０ｍｍ、ストローク４０ｍｍ）に対して、穴部２６の全容積は圧倒的に小さい。したがって、穴部２６内で原料流体に加わる圧力は、ポンプ部材９内で原料流体に加わる圧力と比較して大きくなる。すなわち、原料流体は、超高速流となって、穴部２６内を通過して、穴部２６のノズル特性に応じて、原料流体に含まれる物質は微粒化される。さらに、中心通路２４内で原料流体は超高速で互いに衝突して、原料流体に含まれる物質は微粒化される。微粒化された原料（原料生成物）は、出口部２５の出口孔の他端から排出槽１１に排出される。
原料を変える場合や、装置内で詰まりが生じた場合には、コンタミレス化を図るために、投入から排出まで、先の原料流体が接触したすべての部材を洗浄して、点検する必要がある。微粒化装置３０は、出口部２８、内ケース２６、外ケース２３、連結部３５、逆止弁２１、管２２、シリンダ１７、及びピストン１３に容易に分解されるので、洗浄及び点検作業を簡単に行なうことができる。
本実施形態の第１変形例として、図４に示すように、外ケース２３の下端面中央に形成された雄ねじ部４１を、出口部２８の上端面中央に形成された雌ねじ部４２に螺合することにより、外ケース２３と出口部２８を連結してもよい。この場合、中空室２５は、雄ねじ部４１の端面中央で開口している。これにより、中空室２５は確実に密閉されるとともに、容易に出口部２８は外ケース２３から脱着される。
本実施形態の第２変形例として、図５に示すように、第１変形例に記述した外ケース２３と出口部２８の連結に加えて、ポンプ部材９の下端面中央に形成された雄ねじ部４３を、外ケース２３の上端面中央に形成された雌ねじ部４４に螺合することにより、ポンプ部材９とジェネレータ部材１２を連結してもよい。この場合、ポンプ部材９の雄ねじ部４３の中央部には、連結部３５の一部が嵌合され、かつ、外ケース２３の雌ねじ部４４の底面中央には、連通孔３２の一端が開口している。また、外ケース２３の雌ねじ部４４の底面には、パッキン３３が設けられる。これにより、第１変形例と比べて、外ケース２３は、軸方向に長くなるので、使用者は外ケース２３を容易に掴むことができる。
本実施形態の第３変形例として、第１変形例に記述した外ケース２３と出口部２８の連結に加えて、図６に示すような、ポンプ部材９とジェネレータ部材１２の連結を採用してもよい。ポンプ部材９の下端面中央には、雌ねじ部４５が形成される。内ケース２４と同径の凹部４７は、雌ねじ部４５の底面中央に形成される。凹部４７の底面中央には溝部４８が形成される。溝部４８の両端には、一端を中空室２５に開口させた連通孔４９の他端が開口する。連結部３５の連通孔３１の他端は、溝部４８の底面中央に開口する。これにより、加圧された原料流体は、連通孔３１、溝部４８、連通孔４９を介して、圧力室１４から中空室２５に送り込まれる。
外ケース３６の両端には雄ねじ部４１，４６が形成され、雄ねじ部４１，４６の端面中央には、中空室２５がそれぞれ開口している。外ケース２３の雄ねじ部４６をポンプ部材９の雌ねじ部４５に螺合することにより、外ケース２３はポンプ部材９に連結される。このとき、内ケース２４の両端部は、凹部４０，４７の間に挟まれて、中空室２５内に収容されている。これにより、中空室２５は、ポンプ部材９と出口部２８の間で確実に密閉される。
本実施形態の第４変形例として、ポンプ部材９において、シリンダ１７にパッキンを固定的に設けてもよい。
本実施形態の第５変形例として、駆動装置１において、クランク軸を回転させるモータは、電気油圧、空圧などの動力式、手動式、または、クランク軸を含むクランク機構を、電動制御による駆動方式機構としてもよい。
本実施形態の第６変形例として、微粒化処理システム５０において、微粒化装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃを水平方向に配置し、投入槽１０を微粒化装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃの上方に配置し、排出槽１１を微粒化装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃの下方に配置してもよい。
【産業上の利用可能性】  本発明の微粒化装置により、吐出行程前半で、原料流体は圧力室から投入槽に逆流し、吐出行程後半で、原料流体は圧力室から投入槽に逆流しない。また、本発明の微粒化装置により、構成部材は簡略化されるので、洗浄作業がし易くなる。
【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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【国際調査報告】
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