(57)【要約】【課題】  高圧噴射処理装置で処理中の原料混合液を、その場で評価することが可能な高圧噴射処理装置のモニタリング方法を提供する。【解決手段】  高圧ノズルから所定圧力で原料混合液を高圧噴射し粒子を微粒化する高圧噴射処理装置に、ＡＥセンサを取り付けて（ステップＳ１）、前記高圧噴射の際に前記高圧ノズル内で生じる周波数が０．２ＭＨｚ以上の高周波ＡＥ信号を検出し（ステップＳ２）、検出された前記ＡＥ信号のレベルに基づいて前記粒子の微粒化度合いを判定する（ステップＳ３）。【選択図】  図１
2016070821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ノズルから所定圧力で原料混合液を高圧噴射して粒子を微粒化する高圧噴射処理装置における前記粒子の微粒化度合いのモニタリング方法であって、前記高圧噴射処理装置にＡＥセンサを取り付けて、前記高圧噴射の際に前記高圧ノズル内で生じる周波数が０．２ＭＨｚ以上のキャビテーションによるＡＥ信号を検出し、検出された前記信号のレベルに基づいて前記粒子の微粒化度合いを判定することを特徴とする高圧噴射処理装置のモニタリング方法。
【請求項２】
前記ＡＥセンサは、０．２〜１０ＭＨｚの間に共振周波数がある共振型ＡＥセンサであることを特徴とする請求項１記載の高圧噴射処理装置のモニタリング方法。
【請求項３】
前記原料混合液を高圧噴射する作業を複数回繰り返す作業において、前記信号のレベルを所定時間内の実効値で評価し、高圧噴射処理の前後での前記実効値の変化量が設定範囲内となったときに前記粒子が微粒化されたと判定することを特徴とする請求項１または２記載の高圧噴射処理装置のモニタリング方法。
【請求項４】
高圧ノズルから所定圧力で原料混合液を高圧噴射して粒子を微粒化する高圧噴射処理装置における前記粒子の微粒化度合いのモニタリング機器であって、前記高圧噴射処理装置に取り付けるＡＥセンサと当該ＡＥセンサからのＡＥ信号を処理して判定する信号処理判定手段を備え、前記高圧噴射処理装置に前記ＡＥセンサを取り付けて、前記高圧噴射の際に前記高圧ノズル内で生じる周波数が０．２ＭＨｚ以上のＡＥ信号を検出し、検出された前記信号のレベルに基づいて前記信号処理判定手段が前記粒子の微粒化度合いを判定することを特徴とする高圧噴射処理装置のモニタリング機器。
【請求項５】
前記ＡＥセンサは、０．２〜１０ＭＨｚの間に共振周波数がある共振型ＡＥセンサであることを特徴とする請求項４記載の高圧噴射処理装置のモニタリング機器。
【請求項６】
前記原料混合液を高圧噴射する作業を複数回繰り返す作業において、前記ＡＥ信号のレベルを所定時間内の実効値で評価し、高圧噴射処理の前後での前記実効値の変化量が設定範囲内となったときに前記粒子が微粒化されたと判定することを特徴とする請求項４または５記載の高圧噴射処理装置のモニタリング機器。
【請求項７】
請求項４から６のいずれか一項記載の高圧噴射処理装置のモニタリング機器を備え、前記原料混合液を高圧噴射する作業を複数回繰り返す作業において、前記モニタリング機器の信号処理判定手段によって前記粒子が微粒化されたと判定されるまで高圧噴射処理を繰り返す構成であることを特徴とする高圧噴射処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料の湿式微粒化を行う際に用いられる高圧噴射処理装置のモニタリング方法、及び高圧噴射処理装置のモニタリング機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
微粒子、特にナノ粒子はそのサイズがナノメートル（ｎｍ）オーダーであることで表面積が極めて大きくなり、量子サイズ効果によって特有の物性を示すことなどから、様々な分野で研究され利用が進められている。近年、ナノ粒子は電子部品、顔料、化粧品、医薬品、食品、農薬等、各種材料分野で広範囲に利用されつつある。その一方で、ナノ粒子は凝集し易いことからナノ粒子の特性を有効活用するためには、ナノ粒子の性質に合った適切な分散処理が必要となる。
【０００３】
高圧噴射処理装置は、原料の粒子が混合された原料混合液を高圧ノズルから高圧噴射することで粒子自体を壊さずに微粒化する装置であり、既に実用化されている。
【０００４】
従来、高圧噴射処理装置で処理中の原料混合液は、その場での評価方法が確立されておらず、プロセスの最適条件を見つけることが困難であった。従来は、高圧噴射処理装置で処理された分散液をサンプリングし、それをレーザ粒度分布装置で分析するなどして評価していた。このため、微粒化の条件だしに時間がかかり、ビーズミル等のメディアを要する処理に比べて、この処理の高速性を活かすことができなかった。
【０００５】
特許文献１には、液中噴射によるウォータジェットのキャビテーション発生状態を検出する方法に関する実施例として、テスト用タンク内でのワークに対する異なるノズルでのウォータジェット噴射による壊食試験を行い、ジェット発生音をマイクロホンで検出し、その波形データをＦＦＴ処理してノズルごとのキャビテーション評価を行ったこと、得られたＡＥ信号について、周波数０〜１２．５ｋＨｚの範囲内の波形データをＦＦＴ処理した、との記述がある（その段落００２６−００２９）。
【０００６】
特許文献２には、高圧粉砕機を用いて材料の微粒子を作る方法に関し、粉砕機の各段に温度センサ、圧力センサ、音響センサを配置して、粉砕過程でのデータを収集して製品管理に利用する、との記述がある（その抄録文を参照）。
【０００７】
非特許文献１は、超音波分光法に関する論文であり、ＴｉＯ２スラリーの粒径とそこを伝搬する超音波減衰に関する事例が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３００６４０号公報
【特許文献２】米国特許第６３１８６４９（Ｂ１）明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】DUKHIN, A. S., GOETZ, P. J., (1996), Acoustic Spectroscopy for Concentrated Polydisperse Colloids with High Density Contrast, Langmuir, 12, pp. 4987-4997
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１は、液中噴射されたウォータジェットのジェット発生音をマイクロホンで検出しており、検出し分析された音の最大周波数が１２．５ｋＨｚであることから、低速で発生する低エネルギーのキャビテーションによる音を計測している。この場合、高圧噴射処理装置で処理中の原料混合液中の粒子径を評価していない。また、特許文献２は、高圧粉砕機の各段にセンサを配置して、粉砕過程でのデータを収集して製品管理に利用する、との記載はあるが、その音響信号をどのように用いるのかについての記述はなく、当該音響信号の種別や周波数を示唆する記述もない。
【００１１】
実際のところ、高圧噴射処理装置の高圧ノズルから低圧のチャンバーで発生している低エネルギーのキャビテーションによる低周波のＡＥ信号は、音響ノイズに近い周波数帯域である。原料混合液の粒子の微粒化に際して、その微粒化の本質的な作用は高圧ノズル内で発生しているキャビテーション崩壊に基づく衝撃であるから、その高エネルギーのキャビテーションによるＡＥ信号、すなわち、高周波信号が微粒化に関する本質的なものである。
【００１２】
そこで本願発明者は、高い周波数が検出できるＡＥセンサを高圧噴射処理装置に取り付けることで、高エネルギーのキャビテーションによるＡＥ信号を選択的に検出できるのではないか、と考えた。
【００１３】
ＡＥセンサは、アコースティック エミッション（Acoustic Emission）信号を検出するセンサである。アコースティック エミッションとは、一般に、固体が変形あるいは破壊する時に発生する音を弾性波として放出する現象のことであり、この弾性波はＡＥ波とも呼ばれる超音波である。ＡＥセンサによってこの超音波信号を検出する。
【００１４】
キャビテーションは、液体の流れの乱れによって局部的に低圧となる部分が生じ、その低圧部分が液体の蒸気圧を下回った時に気泡として発生し、その気泡が収縮し崩壊するときに、大きな衝撃力が生まれる現象である。このキャビテーションを利用しているのが、ジェットミルによる微粒化処理であり、高圧でキャビテーションを起こすことで、大きな破壊力を得ている。本願では、この高圧で起っている高エネルギー、すなわち高い周波数のキャビテーションをモニタリングすることで、投入した粒子を含む溶液の原料混合液内部の状態を評価できることを示している。
補足すると、従来は水力発電所のタービンの損傷や船舶のスクリュの損傷を診断する目的で、ＡＥセンサが用いられていたが、ＡＥセンサを高圧噴射処理装置に取り付けて、高エネルギーのキャビテーションによる高周波信号を検出し、前記粒子の微粒化度合いをモニタリングするという発想は従来技術にはないものである。
【００１５】
そこで、本願発明者は、実際にＡＥセンサを高圧噴射処理装置に取り付けて、高圧ノズル内で発生する高周波のキャビテーションによる信号の検出を試みた。その結果、検出された前記高周波の信号と処理液の粒径や粘度との関係を把握することができた。すなわち、高圧噴射処理装置で処理中の原料混合液を、その場で評価する方法を見出したのである。
【００１６】
上述の課題に鑑みて、本発明の目的は高圧噴射処理装置で処理中の原料混合液を、その場で評価することが可能な高圧噴射処理装置のモニタリング方法、及び高圧噴射処理装置のモニタリング機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の高圧噴射処理装置のモニタリング方法は、高圧ノズルから所定圧力で原料混合液を高圧噴射して粒子を微粒化する高圧噴射処理装置における前記粒子の微粒化度合いのモニタリング方法であって、前記高圧噴射処理装置にＡＥセンサを取り付けて、前記高圧噴射の際に前記高圧ノズル内で生じる周波数が０．２ＭＨｚ以上のキャビテーションによるＡＥ信号を検出し、検出された前記信号のレベルに基づいて前記粒子の粒径や粘度の変化などの微粒化度合いを判定することを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、ＡＥセンサを用いて、原料混合液の粒子を微粒化するに際して前記高圧ノズル内で発生する高周波のＡＥ信号を選択的に検出するので、前記粒子の微粒化度合いを、その場で評価することができる。そして、前記高圧ノズルから液中噴射された後に、低圧なチャンバー内で発生する低エネルギーのキャビテーションによるＡＥ信号は、検出周波数を０．２ＭＨｚ以上の周波数に限定することで、本質的に粒子の状態を反映しないＡＥ信号を取り除き、モニタリングのＳ／Ｎ比は高くなる。
【００１９】
本願発明者は、実機での実験等によって、ノズル径と長さから前記ノズル内の高圧領域で発生する高エネルギーのキャビテーションによる信号は、高圧ノズルの滞在時間などからその周波数は０．２ＭＨｚ以上であることを突き止めた。
【００２０】
また、本願発明者による実験等によって、この手法の微粒化処理は、ノズル径の１／２から１ミクロン程度までが適していることと、その領域での溶液内の超音波減衰の粒子径依存性から、サブミクロンまでの粒子のモニタリングには０．５ＭＨｚの周波数が適していることが判明した。この処理で凝集体を解すなどの場合は、数十ｎｍまでの微粒化が可能であるが、この場合には、非特許文献１より超音波減衰の粒子径依存性から減衰率が激変する数ＭＨｚの方が適している。しかし、周波数が高くなるほどその信号強度は小さくなるので、実用的な範囲は０．２〜１０ＭＨｚの周波数のモニタリングになる。
【００２１】
例えば、２点周波数を選ぶとすれば、低エネルギーのキャビテーションの影響を受けずサブミクロンまでの粒子のモニタリングに適している０．５ＭＨｚの周波数と、１ミクロン以下の粒子のモニタリングに適している５ＭＨｚの周波数を使用することで、より高度なモニタリングをすることが可能となる。これは、上述の非特許文献１（超音波分光法に関する論文）にて、ＴｉＯ２の超音波分光事例が報告されていることからも理解できる。この非特許文献１には、粒子径が１０００ｎｍで、周波数が１ＭＨｚ以上で大きな減衰が始まり、粒子径がさらに小さく５００ｎｍになると、その減衰特性が高周波の方にシフトすることと、周波数が数ＭＨｚの範囲では粒子が小さくなればなるほど、その減衰が小さくなることが示されている。
【００２２】
本発明は、前記ＡＥセンサは、０．２〜１０ＭＨｚの間に共振周波数がある共振型ＡＥセンサであることを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、高圧噴射処理装置で効果のある粉砕に伴う微粒化度合いをモニタリングするので、より最適な処理が実施できる。また、高精度なプロセスの品質管理方法として使用することもできる。
【００２４】
そして、本発明はキャビテーション発生の粒子径依存性とその混合液中の伝搬特性を利用したものであるから、前記キャビテーションによるＡＥ信号のうち、周波数が０．２〜１０ＭＨｚの範囲内の信号をモニタリングすることが好ましい。
【００２５】
本発明において、前記粒径に依存する信号の検出限界は、キャビテーションの発生機構と密接に関連している。つまり、キャビテーションの発生は粒子の形状依存性があることである。例えば球状粒子の場合は、原理的に流体の抵抗が少なくキャビテーションが発生しにくいために、前記原料混合液は、前記粒子が５質量％であったが、ネッキングした凝集体の場合は、その形態が歪なために大きなキャビテーションが起こり易く、前記粒子濃度が０．１質量％までは検出が可能であった。一般的に、この処理は生産性向上のためなるべく高濃度で行うので、実用上の前記原料混合液の濃度限界の問題はない。
【００２６】
本発明は、前記原料混合液を高圧噴射する作業を複数回繰り返す作業において、前記ＡＥ信号のレベルを所定時間内の実効値で評価し、高圧噴射処理の前後での前記実効値の変化量が設定範囲内となったときに、前記粒子の微粒化処理が完了したと判定することを特徴とする。
【００２７】
本発明によれば、前記高周波信号のレベルを所定時間内の実効値で評価することで、外部からのノイズの影響をより一層受け難くなる。よって、高圧噴射処理の前後での前記実効値の変化量が設定範囲内となったときに、前記粒子の微粒化処理が完了したと判定する判定基準が、客観的かつ再現性の高い値となる。
【００２８】
本発明の高圧噴射処理装置のモニタリング機器は、高圧ノズルから所定圧力で原料混合液を高圧噴射し粒子を微粒化する高圧噴射処理装置における前記粒子の微粒化度合いのモニタリング機器であって、前記高圧噴射処理装置に取り付けるＡＥセンサと当該ＡＥセンサからの信号を処理して判定する信号処理判定手段を備え、前記高圧噴射処理装置に前記ＡＥセンサを取り付けて、前記高圧噴射の際に前記高圧ノズル内で生じる周波数が０．２ＭＨｚ以上のＡＥ信号を検出し、検出された前記信号のレベルに基づいて前記信号処理判定手段が前記粒子の微粒化度合いを判定することを特徴とする。
また、この高周波数のＡＥ信号によって正確な噴射時間を計測することができる。そのため、ノズル内の流速、高圧での粘度を計算することができ、スラリーの状態変化をより正確に把握できる。
【００２９】
本発明は、前記高圧噴射処理装置内で生じるキャビテーションによるＡＥ信号のうち、高圧ノズル内で生じる周波数が０．２ＭＨｚ以上の信号を前記ＡＥセンサによって選択的に検出し、信号処理判定手段により検出された前記高周波信号のレベルに基づいて、前期粒子の微粒化度合いをモニタリングし判定する。この方法では、その場での前記粒子の微粒化度合いを評価することができるために、高圧噴射処理の有効性と、異常の発生が直ちに判定できる。
【００３０】
ＡＥセンサには、広帯域型ＡＥセンサと共振型ＡＥセンサとがある。広帯域型ＡＥセンサは、周波数が０．２ＭＨｚ未満の微粒化とは関係のない低エネルギーキャビテーションによる信号やシリンダー駆動の最初に起こる機械本体のノイズを検出する虞があるため、低周波数帯で急峻な減衰特性を有するフィルタリング回路を用いて不要な低周波数帯の信号除去が必要となる。一方、共振型ＡＥセンサは、動作周波数の帯域が狭いので、高周波のキャビテーション信号を選択的に検出するのに適している。また、共振型ＡＥセンサは、その構造上広帯域型ＡＥセンサと比較して受信感度が高いため、Ｓ／Ｎ比が良いという利点がある。よって、本発明は、共振型ＡＥセンサを用いることが好ましい。
【００３１】
前記信号処理判定手段は、ＡＥセンサからの信号を周波数とレベルが判るように出力するとともに良否判定することが可能な機器である。前記信号処理判定手段としては、ＡＥテスタ、ＦＦＴアナライザ、スペクトラム・アナライザ、デジタルオシロスコープ、その他の実効値計算記録表示装置などが挙げられる。ＡＥテスタは、プリアンプ、フィルタ、ディスクリミネータ、及びレートメータを組み合わせた機器であり、市販品を適用することができる。
【００３２】
本発明の高圧噴射処理装置は、前記モニタリング方法を実行するための共振型ＡＥセンサと当該共振型ＡＥセンサからの信号を処理して判定する信号処理判定手段を備え、前記原料混合液を高圧噴射する作業を複数回繰り返す作業において、前記信号処理判定手段によって前記粒子の微粒化処理が完了したと判定されるまで高圧噴射処理を繰り返す構成であることを特徴とする。
【００３３】
本発明によって、処理回数毎のバッチ処理から、処理材料を材料投入口に戻すループ処理が可能になるから、所望のサイズの微粒子を自動的に得ることが可能な構成の高圧噴射処理装置が実現できる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の高圧噴射処理装置のモニタリング方法、並びに、本発明の高圧噴射処理装置のモニタリング機器によれば、ＡＥセンサによって前記高圧ノズルから低圧チャンバーに噴射された後に低圧で低速で発生している低周波のキャビテーションによる信号は、音響ノイズとして除外しつつ、原料混合液の粒子を微粒化するに際して必要な前記高圧ノズル内で発生する高エネルギーのキャビテーションによる信号を選択的に検出しているので、前記粒子の微粒化度合いをその場で評価することができる。
【００３５】
本発明によれば、選択的な周波数検出と高い感度を有する共振型ＡＥセンサを用いることで、高周波のキャビテーションによるＡＥ信号強度から処理液の粒径や粘度との関係をより正確に把握することができる。本発明によれば、前記高周波のＡＥ信号のレベルとして所定時間内の実効値を用いることで、外部からのノイズの影響を受け難くなる。よって、客観的かつ再現性の高い判定基準値によって前記粒子が微粒化されたと判定できる構成となり、合理的な微粒化処理が行われることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明を適用した実施形態の高圧噴射処理装置のモニタリング方法の作業手順を示すフロー図である。
【図２】本発明を適用した実施形態の高圧噴射処理装置の高圧ノズル部で発生するキャビテーションを示す概念図である。
【図３】高圧噴射された原料混合液中の粒子がキャビテーション崩壊によって微粒化される過程を模式的に示す図である。
【図４】本発明を適用した実施形態の衝突チャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けた状態とキャビテーションにより発生した超音波の伝搬経路を模式的に示す図である。
【図５】本発明を適用した実施形態のシングルチャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けた状態とキャビテーションにより発生した超音波の伝搬経路を模式的に示す図である。
【図６】本発明に係るＡＥセンサの周波数特性（ａ）と噴射時に計測されたＡＥ信号のスペクトラム（ｂ）を示す図である。
【図７】本実施形態の衝突チャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けて、水を噴射させたときのＡＥ信号電圧ＶＡＥの時間変化を高圧噴射の圧力をパラメータとして示した図である。（ａ）は一定時間内のＶＡＥの最大値の計測結果、（ｂ）は一定時間内のＶＡＥの実効値の計測結果、（ｃ）は高圧噴射圧力ＰｃとＶＡＥの最大値Ｖｍａｘと実効値Ｖｒｍｓの関係を示す図である。
【図８】本実施形態の衝突チャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けて、水を噴射させたときのＡＥセンサの帯域による違いを示した図で、広帯域と共振型の結果を示してある。（ａ）は、高圧シリンダーが押し出している全過程でのＶＡＥの値、（ｂ）は噴射終了部分のＶＡＥを拡大して示した図である。
【図９】本実施形態の衝突チャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けて、非晶質含水アルミニウムケイ酸塩と粘土の複合体を水に混合した原料液における高圧噴射処理の圧力とＶＡＥの噴射時間との関係を、噴射回数Ｎｐをパラメータとして示した図である。（ａ）はＶＡＥの最大値での計測結果であり、（ｂ）はＶＡＥの実効値での計測結果である。（ｃ）は噴射回数ＮｐとＶＡＥの実効値の関係を示す図である。
【図１０】本実施形態の衝突チャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けて、非晶質含水アルミニウムケイ酸塩からなる粉体を水に混合した原料液における、噴射回数Ｎｐによる粒径とＶＡＥの関係を示す図である。（ａ）は広帯域型ＡＥセンサ信号の結果であり、（ｂ）は共振型ＡＥセンサ信号の結果である。
【図１１】本実施形態の衝突チャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けて、非晶質含水アルミニウムケイ酸塩からなる粉体を水に混合した原料液における、高圧噴射処理による粘度ηとＶＡＥの関係を示すグラフ図であり、（ａ）は広帯域型ＡＥセンサ信号の結果、（ｂ）は共振型ＡＥセンサ信号の結果である。
【図１２】本実施形態の衝突チャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けて、非晶質含水アルミニウムケイ酸塩からなる粉体を水に混合した原料液におけるＡＥセンサの帯域によるＶＡＥの違いを示した図で、それぞれ広帯域型と共振型ＡＥセンサの結果を示してある。（ａ）は、高圧シリンダーが押し出している全過程でのＶＡＥで、（ｂ）はＶＡＥの終了時間の部分を拡大して示した図である。
【図１３】本実施形態のシングルチャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けて、球状の酸化アルミニウムを水に混合した原料液を処理した場合のＶＡＥの実効値と粒径の関係を示す図である。
【図１４】本実施形態のシングルチャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けて、凝集体である酸化銅とシリカを水に混合した原料液を処理した場合のＶＡＥの実効値と粒径の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下本発明を適用した実施形態について、図を参照して詳細に説明する。
【００３８】
本発明のモニタリング方法
図１は、本発明を適用した実施形態の高圧噴射処理装置のモニタリング方法の作業手順を示すフロー図である。本実施形態では、先ず、ＡＥセンサを高圧噴射処理装置の高圧ノズルで発生する超音波が検出できる場所に取り付ける（ステップＳ１）。ノズルで発生した高い周波数の超音波が、スラリー中を通過し、それが高圧シリンダー、高圧ノズル、チャンバー部材で伝搬できる構造になっている場合は、それらのどこに取り付けてもかまわない。次に、前記高圧噴射処理装置の高圧ノズルから所定圧力で原料混合液を高圧噴射処理する（ステップＳ２）。そして、前記高圧噴射処理を行う時に前記ノズル内で生じる周波数が０．２ＭＨｚ以上の超音波を前記ＡＥセンサによって検出し、前記ＡＥセンサからの信号レベルの評価を行う（ステップＳ３）。そして、前記高圧噴射処理を繰り返すか否かを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ４にて、信号変化がある場合、まだ前記粒子が十分に微粒化されていないと判定し、前記高圧噴射処理を繰り返す。ステップＳ４にて、信号変化がなくなった場合、あるいは、所定のレベルに達した場合、前記粒子が微粒化されていると判定し、処理を終了する。
【００３９】
原料について
本発明において、原料が金属酸化物である場合の例としては、酸化チタン、チタン酸バリウム、フェライト、アルミナ、シリカ、その他既知の金属酸化物微粒子が挙げられる。
本発明において、原料混合液は、前記微粒子やそれらの凝集体が含有されたスラリー状の液体である。前記原料混合液の溶媒は水であるか、または既知の水溶液である。
【００４０】
高圧噴射処理装置について
本発明において、高圧噴射処理装置とは、高圧ポンプを油圧駆動及び制御する油圧発生・制御部と、原料混合液１０を加圧する高圧ポンプと、原料混合液１０を投入する原料タンクと高圧シリンダーが備わっており、投入され加圧された原料混合液１０内の粒子１ａを前記高圧シリンダーと連結された高圧ノズルで噴射させ加速して衝突させることで粒子１ａを微細化して粒子１ｃとするとともに分散させる低圧のチャンバーと、前記チャンバーにて微粒化され分散された粒子１ｃを有する懸濁液２０を冷却する熱交換器などから構成される。前記高圧噴射処理装置としては既知の装置が適用できる。
【００４１】
本発明のモニタリング機器
図２は、本発明を適用した実施形態の高圧噴射処理装置のモニタリング機器によって検出されるキャビテーションにより発生する信号を示す概念図である。信号には液から発生するキャビテーション信号ＡＥｓと、粒子から発生するキャビテーション信号ＡＥｐ、さらに、それら超音波の伝搬特性（減衰率）Ａｔｔｕが記載されている。本実施形態は、高圧ノズル４００から所定圧力で原料混合液１０を高圧噴射し粒子を微粒化する高圧噴射処理装置のモニタリング機器１であって、前記高圧噴射処理装置に取り付けるＡＥセンサ９と当該ＡＥセンサ９から検出されたＡＥ信号を処理して判定する信号処理判定手段８を備える。前記ＡＥセンサ９は、共振周波数が０．５ＭＨｚの共振型ＡＥセンサである。前記信号処理判定手段８は、例えば、ＡＥテスタ、ＦＦＴアナライザ、スペクトラム・アナライザ、デジタルオシロスコープ、その他の実効値計算記録表示装置などが挙げられる。
【００４２】
図２において、符号５００は高圧シリンダー部、符号４００は高圧ノズル、符号Ｄ１はノズル径、符号Ｌ１はノズル長さである。実施例で使用した装置では、高圧ノズル４００のノズル径Ｄ１は、例えば、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであった。また、高圧ノズル４００のノズル長さＬ１は、例えば、１．０ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲であった。
【００４３】
図２において、高圧ノズル４００内の液体の流速は、ノズル径Ｄ１とＡＥセンサ９の信号発生時間から求めることができる。まず噴射物が流体であるの水溶液のみ場合を考える。ここで高圧ノズル４００の長さＬ１を５．０ｍｍとし、圧力はその長さに比例して減少すると仮定する。キャビテーション数σｃから流体のキャビテーション状態を推測すると、σｃが１より小さい場合、キャビテーションが発生している状態になる。計算の結果、高圧ノズル４００の出口から１．６ｍｍ内側からキャビテーションが起こることが概算された。これは、時間に換算すると３．８４μｓｅｃ以内で発生していなければならない。周波数で表すと０．２６ＭＨｚ以上の高周波信号が、水による高圧ノズル４００内部でのキャビテーションによる信号ＡＥｓをモニターしていることになる。また、高圧ノズル４００の出口付近では、σｃは０．６以下になっており、そこではスーパーキャビーションの状態、すなわち、ノズルの側面には気泡が多く、強い撹拌効果が得られる状態になる。
一方、高圧ノズル４００から低圧チャンバーに入った領域では、その減圧雰囲気では収縮速度が落ち崩壊エネルギーも急激に減少する。この領域では、強いキャビテーション崩壊による微粒化の作用は得られない。ここでは、発生した大きな気泡の一部は完全に収縮するものと、高速な乱流で形が歪になり一部が分解した小さな気泡ができる。その過程は、流速がゼロ近くに減少するまでしばらく続き最終的には消滅する。このため、高圧ノズル４００の内部で発生している高エネルギーのキャビテーションは短時間で消滅するが、低圧のチャンバー内の乱流により新たに低圧キャビテーションが発生することになる。この影響で低周波のＡＥ信号は噴射終了後も尾を引いたようにしばらく発生し続けることになる。なお、前記チャンバーは、図４と図５に、符号４０で示される構成要素である。
【００４４】
つまり、高周波のＡＥ信号は噴射を止めてすぐになくなるが、低周波のＡＥ信号はしばらく続く（図８を参照）。大気圧の超音波処理では、周波数が１ＭＨｚでキャビテーション気泡が消滅することが知られている。高圧水の環境下では消滅時間はさらに短いと考えられ、高圧ノズル４００内の高周波のキャビテーションによる信号は、さらに速く消滅すると考えられる。
次に、高圧ノズル４００内に粒径が数ミクロンの大きな粒子があるスラリーの場合には、粒子からキャビテーションによる信号ＡＥｐが発生する。これはその数や粒子形態で異なる大きさを示す。キャビテーションは、流体が固体表面を流れるときに負圧になる部分が発生し、それが流体の蒸気圧より下がったときに発生するから、粒径が大きくなると気泡の基になる負圧部分も大きくなるため、そのエネルギー、すなわち、高周波のＡＥ信号の信号レベルが大きくなると考えられる。この信号レベルから、スラリー中の粒子径を推測することができる。これは、流体だけの時よりもキャビテーションが発生しやすいため、この信号は高圧ノズル４００の入り口近くから発生し始めることになる。
【００４５】
実際の計測では、図２に示すように低圧のチャンバー４０方向から伝搬する超音波のＡＥ信号と高圧のシリンダー方向のスラリー１０の液中を伝搬してくる超音波のＡＥ信号が考えられる。
ここで、信号の発生と伝搬経路について述べる。図２に示すように、キャビテーション数の変化から、キャビテーションはノズルの途中から発生し、その後スーパーキャビテーションになる。ノズル後半では、チャンバー４０方向には多くのキャビテーションがあることに加えて、さらにスーパーキャビテーション状態であることから、液とこの部分には大きな音響インピーダンスの違いが起きている。その結果、チャンバー４０の方向へは、反射が大きく発生した超音波は伝搬し難い。よって、超音波は高圧ノズル４００の進行方向とは反対方向の、キャビテーションを起こしていない液中を伝搬してくると考えられる。超音波の溶液中の伝搬速度を計算してみると、超音波の伝搬速度は１５００ｍ／ｓと、流速の４００ｍ／ｓより大きいので、この方向の伝搬は可能である。
【００４６】
高圧ノズル４００内では、ＡＥ信号にはＡＥｐとＡＥｓの発生源があり、図２のようにＡＥセンサ９を取り付けた場合、スラリー１０の液中を伝搬してきた信号を多く検出する。このことは、当然その伝搬特性（減衰率）の影響を受けることを示している。非特許文献１（超音波分光法に関する論文）によれば、伝搬特性（減衰特性）は、粒子径に大きく依存するとされている。非特許文献１では、１ミクロン以上の粒子を含むスラリーでは、周波数１ＭＨｚ以下でも超音波減衰が大きいことを示している。このことは、計測される信号はこれらの周波数特性の影響を受けたものである。
したがって、高圧ノズル４００内部のキャビテーション生成面から発生した超音波が高圧シリンダー５００のスラリーを伝搬してくるＡＥ信号は、大きな粒径依存の減衰特性の影響を受けた情報になっている。
【００４７】
上述のように、計測されるＡＥ信号ＡＥｍは、溶媒から発生する流体キャビテーション信号ＡＥｓと、高圧ノズル内の粒子から発生する粒子キャビテーション信号ＡＥｐとの合計に、超音波の伝搬特性（減衰率）Ａｔｔｕを反映したものになる。したがって、計測される信号強度ＡＥｍは、次式のとおり、ＡＥｍ＝（ＡＥｓ＋ＡＥｐ）×Ａｔｔｕ、で示される。
この式では、スラリー濃度が高い場合は、ＡＥｐが大きくなり、粒径変化を正確に捉えることができる。一方、スラリー濃度が低い場合はＡＥｓが大きくなるため、粒径の情報をもつＡＥｐは埋もれてしまう。そのため、正確な評価はできなくなる。
【００４８】
図３は、高圧噴射された原料混合液１０内で起こるキャビテーションと、それによる微粒化を模式的に示す図である。図３において、符号１ａは微粒化する直前の原料の粒子であり、符号１ｂは微粒化の途中段階の粒子であり、符号１ｃは微粒化された粒子である。
流れを考えた場合には、キャビテーションのでき方は粒子形態にも大きく依存する。例えば、図３（ａ）に示すように、原料混合液１０内の粒子１ａが凝集体などの歪（いびつ）な形態の場合、曲率が急に小さくなる部分で負圧になり易く、その箇所を起点としたキャビテーション７００が発生し、その崩壊が起こる。この収縮過程では、接触している粒子を引き込む圧力と、崩壊による衝撃がその部分にかかる。つまり、ネッキングなどの粒子形態が歪な粒子ではより効果的な微粒化処理ができることになる。
一方、図３（ｂ）に示すように、粒子１ｂが焼結体などの球状形態では、負圧になり易い部分が減少する。つまり、キャビテーション７００の大きさも減少し、その崩壊エネルギーも小さくなる。図３（ｃ）に示すように、粒子１ｃが微小な球状になった状態では、キャビテーション大きさは小さくなり、その崩壊エネルギーも減少して行く。その結果、その崩壊による衝撃が粒子１ｃを破壊するに必要な応力を上回らなくなると考えられ、微粒化が進まなくなる。この状態が微粒化処理の終了を意味する。この効果によって、高圧噴射処理は粒子径の揃った単分散のスラリーを作製することができる。
【００４９】
このことは、高圧噴射処理で起こっている高圧部分でのキャビテーションは、当然、その粒子径よりも大きくならず、粒子径が小さくなればなるほど、微粒化現象は生じ難くなり、低圧のチャンバーで起こっている低エネルギーキャビテーションとスーパーキャビテーションによる強い撹拌の効果しか利用できなくなることを意味している。この破壊力―微粒化の限界のため、スラリー中の粒子径や形態に変化がなくなる。そのときが、高圧噴射による微粒化処理の終了を示している（図３（ｃ））。この傾向は、後述する実験事実と合致している。
付け加えると、直接的な微粒化にはつながらないが、この粒子表面での衝撃は超音波洗浄などに比べてはるかに強く、それによる粒子表面のコンタミ除去や形状の球体化などの作用を期待することができる。これらの現象が、高圧噴射処理の特長をなしている。
【００５０】
図４は、本実施形態の高圧噴射処理装置のモニタリング機器１を衝突チャンバー４１の周辺部に取り付けた状態を模式的に示す図である。ここで、衝突チャンバー４１は、原料混合液１０を１つの高圧ノズル４００から液中に噴射させてセラミックボール４１３に衝突させ、出口４０２から懸濁液２０を排出するタイプである。例えば、高圧ノズル４００は、単結晶ダイヤモンド等を使用している。例えば、セラミックボール４１３は窒化珪素等からなる。図４と図５において、符号６００で示す矢印は超音波の主な伝搬経路を示している。
図５は、本実施形態の高圧噴射処理装置のモニタリング機器１をシングルチャンバー４２の周辺部に取り付けた状態を模式的に示す図である。ここで、シングルノズルチャンバー４２は、原料混合液１０を１つの高圧ノズル４００から液中に噴射させて、出口４０２から懸濁液２０を排出するタイプである。実験の結果、衝突チャンバー４１とシングルノズルチャンバー４２とではＡＥ信号の差は見られず、衝突チャンバー４１のセラミックボール４１３とチャンバー内壁との接触による信号発生の影響がないことが確かめられ、この手法の有効性が確認された。
【００５１】
図６（ａ）は、本発明に係るＡＥセンサの周波数特性と計測された信号の周波数スペクトラムを示す図である。グラフの縦軸は信号のレベル（ｄＢ）であり、グラフの横軸は周波数（ＭＨｚ）である。図６（ｂ）は、コントロール基準として、水だけを高圧ノズル４００から噴射させたときのＡＥ信号の周波数スペクトラムを示す図である。符号９１は、共振型ＡＥセンサである。符号９２は、広帯域型ＡＥセンサである。実験に使用した共振型ＡＥセンサ９１は、共振周波数が０．５ＭＨｚ近傍にあり、かつ、周波数が０．２ＭＨｚ未満の低周波領域では受信感度が−２０ｄＢ以下であることから、高圧ノズル４００内で生じる高周波のＡＥ信号７００を選択的に検出するのに適している（図２、図６）。広帯域型ＡＥセンサ９２は、検知できる周波数帯域が広く、周波数が０．２ＭＨｚ未満の低周波領域のキャビテーション信号も検出する虞がある（図６）。そのため、広帯域型ＡＥセンサ９２を用いる場合は、バンドパスフィルタ回路などの回路を用いた周波数の急峻なフィルタリングが必要になる。
【００５２】
比較例
図７は、本実施形態の衝突チャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けて、水を噴射させたときのＡＥ信号電圧ＶＡＥの時間変化を高圧噴射の圧力をパラメータとして示した図である。（ａ）はＶＡＥの最大値での計測結果、（ｂ）はＶＡＥの実効値での計測結果、（ｃ）は高圧噴射圧力ＰｃとＶＡＥの最大値Ｖｍａｘと実効値Ｖｒｍｓの関係を示す図である。
水のみの場合、高圧噴射圧力を５０ＭＰａ、１００ＭＰａ、１５０ＭＰａ、２００ＭＰａ、２４０ＭＰａと圧力を上げても信号はほとんど変化しなかった。グラフ図を見ると、突発的なＶｍａｘでの評価よりも、平均的なＶｒｍｓで評価することが好ましい。ここでは、共振型ＡＥセンサを用いて実験を行った。高圧噴射の最大圧力は２４０ＭＰａである。
【００５３】
図８は、本実施形態の衝突チャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けて、水を噴射させたときのＡＥセンサの帯域によるＶＡＥの違いを示した図で、広帯域と共振型の結果を示してある。（ａ）は、高圧シリンダーが押し出している全過程でのＶＡＥで、（ｂ）は噴射終了の部分のＶＡＥを拡大して示した図である。
同じ現象を計測しているにもかかわらず、共振型ＡＥセンサ９２の方が、広帯域型ＡＥセンサ９１と比較して、ＡＥ信号の減衰時間が早いことが分かる。これは、広帯域型ＡＥセンサでは、低エネルギーの信号も計測していることを意味し、高圧でのキャビテーションをモニターするためには、高い周波数のみ計測しなければならないことを示している。
【００５４】
実施例１
図９は、衝突チャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けて、非晶質含水アルミニウムケイ酸塩からなる粉体を水に混合した原料液における高圧噴射処理の圧力とＡＥ信号電圧ＶＡＥの噴射時間との関係を、噴射回数Ｎｐをパラメータとして示した図である。（ａ）はＶＡＥの最大値での計測結果、（ｂ）はＶＡＥの実効値での計測結果である。（ｃ）は噴射回数ＮｐとＶＡＥの実効値の関係を示す図である。共振型ＡＥセンサを用いて計測を行った。ここで、ＡＥアンプの検波の時定数は１．５ｍｓｅｃ、最大値と実効値の計測時間間隔は１０ｍｓｅｃとした。共振型ＡＥセンサを用いて実験を行った。高圧噴射の圧力は２００ＭＰａである。高圧噴射の噴射回数Ｎｐを１回、２回、３回、４回、５回と噴射回数を増やすと、ＡＥ信号レベルの実効値は噴射回数が増えるにしたがって増加した。図を見ると、突発的なＶｍａｘでの評価よりも、平均的なＶｒｍｓで評価することがより適切であることが分かる。
【００５５】
図１０は、本実施形態の衝突チャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けて、非晶質含水アルミニウムケイ酸塩からなる粉体を水に混合した原料液における、高圧噴射の噴射回数Ｎｐによる粒径とＶＡＥの関係を示す図である。（ａ）は広帯域型ＡＥセンサの結果、（ｂ）は共振型ＡＥセンサの結果である。
図１１は、本実施形態の衝突チャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けて、非晶質含水アルミニウムケイ酸塩と粘土の複合体を水に混合した原料液における、高圧噴射処理による粘度ηとＶＡＥの関係を示す図であり、（ａ）は広帯域型ＡＥセンサ信号、（ｂ）は共振型ＡＥセンサ信号である。
これらの過程を見ると、突発的なノイズを含む最大値Ｖｍａｘでの評価よりも、ある時間の実効値Ｖｒｍｓで評価した方が、また、低周波成分を含まない共振型ＡＥセンサによって得られる信号の方が粒径変化に良く対応している、といえる。
【００５６】
図１２は、本実施形態の衝突チャンバー型高圧噴射処理装置にモニタリング機器を取り付けて、非晶質含水アルミニウムケイ酸塩と粘土の複合体を水に混合した原料液におけるＡＥセンサの帯域によるＶＡＥの違いを示した図で、広帯域と共振型の結果を示してある。（ａ）は、高圧シリンダーが押し出している全過程でのＶＡＥで、（ｂ）はＶＡＥの終了時間の部分を拡大して示した図である。
共振型ＡＥセンサ９２の方が、広帯域型ＡＥセンサ９１と比較して、ＡＥ信号の減衰時間が早くなっている。高圧噴射の噴射回数Ｎｐが３以降はほぼ同じ時間で終了している。これは、大幅な微粒化は２回目で終了していることを示し、４、５回は、サブミクロンの粒子数が増加し、粘度が上昇することに対応している。高周波のＡＥ信号はこの変化を的確に捉えている。
一方、広帯域型ＡＥセンサ９１では、高圧噴射の噴射回数Ｎｐが多くなっても、終了時間と大きさの変化がなく、低エネルギーのキャビテーションによる信号で、微粒化に伴う粒径や粘度変化の情報が埋もれていた。この実験結果は、粒径など微粒化に伴うスラリーの状態変化を計測するには、低い周波数をカットした高い周波数だけの計測が有効であり、共振型ＡＥセンサを使用することが適していることを示している。
【００５７】
実施例２
図１３は、本実施形態の高圧噴射処理装置のモニタリング機器１を取り付けて、球状酸化アルミニウムを水に混合した原料液における、信号と受信感度の関係を示すグラフ図である。ここでは、スラリーを濃度が１ｍｏｌ／リットルで水と混合した原料混合液を、高圧噴射の圧力が２４５ＭＰａで高圧噴射し、共振型ＡＥセンサ９２で計測した。図１３によれば、粒径が３μｍ以上では径が減少すれば信号の大きさも減少するＡＥｐの傾向が、それ以下の径では、逆に増加するＡｔｔｕの傾向があることが理解できる。
このことは、初期に投入したスラリーの粒径が分かっていれば、この変化は予想できるので、数ミクロンまでの微粒化が起こったか、あるいは、ナノサイズまで進行しているかを知ることも可能になる。高圧噴射処理の最適化としては、信号の実効値に変化がなく安定になれば、スラリー内の粒子径の変化がないので、処理を中止すれば良いことになる。
【００５８】
実施例３
図１４は、本実施形態の高圧噴射処理装置のモニタリング機器１を取り付けて、凝集体になっている酸化銅とシリカを水に混合した原料液におけるＡＥ信号と粒径Ｄの関係を示す図である。濃度が０．１ｍｏｌ／リットルとなるようにＣｕＯ＋ＳｉＯ２複合粒子と水と混合したスラリーを、高圧噴射の圧力が２４５ＭＰａで高圧噴射し、共振型ＡＥセンサ９２でＡＥ信号を計測した。図１４によれば、濃度が０．１ｍｏｌ／リットルと薄いにも関わらず、粒径が８００ｎｍ以上で粒子キャビテーションのＡＥｐの変化、それ以下の粒径では、超音波の伝搬特性（減衰率）Ａｔｔｕの変化が良く計測されている。
凝集体の方が、ＡＥｐ信号が大きく、０．１ｍｏｌ／リットルの低濃度でも計測可能であることが分かった。粒子形状にもよるが、この手法の濃度適用範囲は実用上十分に広いことを示している。
この結果は、粒子形状が球ではキャビテーションが起こりにくく、その形状が歪な方が大きなキャビテーションが発生することを示し、処理された粒子は、最終的に球状で安定することを意味している。本発明はこの特性を利用する場合のモニタリングにも有効である。
【符号の説明】
【００５９】
１                      本発明の高圧噴射処理装置のモニタリング機器、
８                      信号処理判定手段（ＦＦＴアナライザ）、
９                      ＡＥセンサ（共振型ＡＥセンサ）、
１０                    原料混合液、
２０                    分散液（懸濁液）、
１ａ                    微粒子の凝集体、
１ｃ                    微粒子、
４００                  高圧ノズル、
ＡＥｐ                  粒子のキャビテーションによる信号、
ＡＥｓ                  溶液のキャビテーションによる信号、
Ａｔｔｕ                超音波の伝搬特性（減衰率）、
Ｎｐ                    高圧噴射の噴射回数、
ＶＡＥ                    ＡＥ信号のレベル（電圧値）
【図１】
2016070821.tif 000003
【図２】
2016070821.tif 000004
【図３】
2016070821.tif 000005
【図４】
2016070821.tif 000006
【図５】
2016070821.tif 000007
【図６】
2016070821.tif 000008
【図７】
2016070821.tif 000009
【図８】
2016070821.tif 000010
【図９】
2016070821.tif 000011
【図１０】
2016070821.tif 000012
【図１１】
2016070821.tif 000013
【図１２】
2016070821.tif 000014
【図１３】
2016070821.tif 000015
【図１４】
2016070821.tif 000016