(57)【要約】【課題】  径の異なるノズルチップを種々組み合わせることによって、ノズル内のエネルギーをコントロールすることが可能となり、微細化処理の効率化の実現と、微細化処理用のノズルや、解繊処理用のノズル等、用途によって使い分けることが可能となる。【解決手段】  ノズルから所定圧力で原料混合液を高圧噴射してキャビテーションを生じさせて微細化する高圧噴射処理装置のノズルであって、前記ノズルは通孔をもつノズルチップＮｎとノズルホルダーＮｈで構成され、前記ノズルチップの前記通孔の直径Ｄｎに対する前記ノズルチップの前記通孔の厚みＷｎの比（Ｗｎ／Ｄｎ）を１０以上かつ前記通孔の直径Ｄｎを０．１６ｍｍ以下とし、チップを分割し、その径を変えることで、効率的な微細化と各種微細化モードを実現したことを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料混合液をノズル内平均速度が３００ｍ／ｓ以上となるように高圧噴射して微細化する高圧噴射処理装置のノズルにおいて、前記ノズルは通孔をもつノズルチップとノズルホルダーで構成され、前記ノズルチップの通孔の直径Ｄｎは０．１６ｍｍ以下で、かつ直径Ｄｎに対する前記ノズルチップの前記通孔の厚みＷｎの比（Ｗｎ／Ｄｎ）は１０以上４５未満であることを特徴とする高圧噴射処理装置のノズル。
【請求項２】
原料混合液をノズル内平均速度が３００ｍ／ｓ以上となるように高圧噴射して微細化する高圧噴射処理装置のノズルにおいて、ダイヤモンドで作製されるノズルチップの厚みを分割するために前記ノズルは通孔をもつ複数のノズルチップと複数のノズルホルダーで構成され、前記ノズルチップの通孔の直径Ｄｎｍの少なくとも一つは０．１６ｍｍ以下で、かつ前記ノズルチップの通孔の直径Ｄｎｍのうち、一番小さい直径に対する複数の前記ノズルチップの通孔の厚みの合計の比を１０以上４５未満とすることを特徴とする高圧噴射処理装置のノズル。
【請求項３】
前記ノズルは前記直径Ｄｎｍの大きさが異なる複数のノズルチップと複数のノズルホルダーで構成されることを特徴とする請求項２記載の高圧噴射処理装置のノズル。
【請求項４】
前記複数のノズルチップは、第１のノズルチップと第２のノズルチップから構成され、前記第２のノズルチップは前記第１のノズルチップよりも下流側に配置され、かつ前記第２のノズルチップの通孔の直径は前記第１のノズルチップの通孔の直径よりも大きく、０．１６ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の範囲としたことで、前記ノズル内平均速度を下げることなく高圧領域を増大させ、効率的な微細化処理を可能としたことを特徴とする請求項２または３記載の高圧噴射処理装置のノズル。
【請求項５】
前記複数のノズルチップは、一番上流側に配置された第３のノズルチップと第４のノズルチップから構成され、前記第４のノズルチップは第３のノズルチップよりも下流側に配置され、かつ前記第３のノズルチップの通孔の直径は第４のノズルチップの通孔の直径よりも大きく、０．１６ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の範囲としたことで、前記ノズル内平均速度を下げることなく高速な層流内のせん断力を利用したファイバーなどの適した解繊処理を可能としたことを特徴とする請求項２または３記載の高圧噴射処理装置のノズル。
【請求項６】
ノズルチップ周辺の高圧領域の維持のために前記ノズルホルダーの通孔の直径は、０．８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の高圧噴射処理装置のノズル。
【請求項７】
所定圧力で原料混合液を高圧噴射してキャビテーションを生じさせて微細化する高圧噴射処理装置の評価方法であって、前記高圧噴射処理装置にＡＥセンサを取り付け、ＡＥ信号を検出し、その値の大きさから微粒化特性の性能評価を行うことを特徴とする高圧噴射処理装置の評価方法。
【請求項８】
原料混合液をノズル内平均速度が３００ｍ／ｓ以上となるように高圧噴射して微細化または解繊する請求項１から６のいずれか一項記載のノズルを備えた高圧噴射処理装置において、前記原料混合液を加圧する高圧ポンプと、前記高圧ポンプを駆動及び制御することで前記原料混合液を１００ＭＰａ以上に加圧する駆動制御部と、高圧シリンダーを備え、１００ＭＰａ以上に加圧された前記原料混合液を前記高圧シリンダーと連結された前記ノズルに噴射させることで、微細化または解繊することを特徴とする高圧噴射処理装置。
【請求項９】
原料混合液をノズル内平均速度が３００ｍ／ｓ以上となるように高圧噴射して微細化または解繊する請求項１から６のいずれか一項記載のノズルを使用した高圧噴射処理方法において、前記原料混合液を加圧する高圧ポンプと、前記高圧ポンプを駆動及び制御することで前記原料混合液を１００ＭＰａ以上に加圧する駆動制御部と、高圧シリンダーを備え、前記駆動制御部および前記高圧ポンプは原料混合液を１００ＭＰａ以上に加圧し、前記高圧シリンダーと連結された前記ノズルに噴射することで、前記原料混合液を微細化または解繊することを特徴とする高圧噴射処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料の湿式微細化を行う際に用いられる高圧噴射処理装置のノズル、高圧噴射処理装置の評価方法、高圧噴射処理装置および高圧噴射処理方法に関する。
【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。それら粒子は電子部品、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や微細化処理が必要である。また、近年セルロースなどのナノファイバー化への効率的な解繊技術もその材料の実用化にとって重要な技術となっている。
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ノズルから高圧噴射することで粒子自体を微細化する装置であり、それら粒子を分散・微細化するために、広く実用化されている。
【０００３】
一方、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非常に困難であった。これまでは、高圧噴射処理装置で処理された溶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、微細化処理の条件出しに時間がかかり、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十分に活かすことはできなかった。
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）。
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）。
非特許文献１は、超音波分光法に関する論文であり、ＴｉＯ２懸濁液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。
【０００４】
上記特許文献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、周波数が低いことから高圧噴射処理装置で処理中の原料混合液中の粒子径などの現象を正確に評価していない。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。
【０００５】
実際のところ、高圧噴射処理装置のノズル下流に位置する低圧チャンバーで発生しているキャビテーションによる信号は、エネルギーが低いことから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細化に際して、その微細化処理に適した大きな力は、ノズル孔内の高圧部分で発生しているエネルギーの高いキャビテーション崩壊に基づく衝撃や高速流のせん断力など、高圧領域の高速な流れが起こしている現象が主になると考えられた。そこで本願発明者は、高圧でのキャビテーション崩壊などの高エネルギーな現象を、限定した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選択的に検出できると考えた。
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。
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。当然雰囲気が高圧の方が、崩壊エネルギーは大きい。高圧領域で発生する破壊力の大きいキャビテーション利用しているのが、高圧噴射による微細化処理である。そのためこの装置の効率を高めるには、ノズルで高速な流れを実現し、なるべく高い圧力でキャビテーションを起こすことである。
まず本願発明者は、実際にＡＥセンサを高圧噴射処理装置に取り付けて、ノズル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。そして、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、これを特許出願した（特願２０１４−２０１７４４）。この中で、計測されるＡＥ信号は、懸濁液中の流れによるものと、その中の粒子による２種類あることを明らかにしてきた。この流れによって発生するＡＥ信号は、高速な流れとノズル側面などとの速度差の大きい場所で、キャビテーションが起き、それを基点としたジェット流が形成される領域で発生している。その境界では大きなせん断力が働く領域が形成される。この部分がノズルの微細化性能に強く関連する。つまり、流れに関するＡＥ信号を大きくすることで、装置を含めたノズルの微細化特性が評価できることを示している。このことは、この値を大きくすることで装置の微粒化特性が上昇することと、また、懸濁液が粒子を含んだ液でなく、溶液だけの評価でノズルの定量的な評価が可能になることを意味している。なお、本発明ではノズル内の流れは速度の順に、層流、乱流、境界に気層を含むジェット流に変化するとする。
【０００６】
従来技術として、様々なチャンバーやノズルが考案されている。例えば、特許文献３には、高速噴流の減衰を抑えると共に良好なキャビテーション効果を同時に得て、常に高い衝突エネルギーで充分な微細化性能が発揮できる衝突装置であるとして、「噴射ノズルから噴射された高速噴流を受け入れて通過させた後に出口開口から噴出して硬質体の表面へ衝突させる円筒状の高速流路について、噴射ノズル口径がＤ１、該噴射ノズルから流体を噴射させる噴射圧力Ｐ１が１００MPａ以上でレイノルズ数Ｒｅが４５０００以上１２００００以下の範囲にて、高速流路直径Ｄ２が数式１を満たすと共に、高速流路長Ｌ２が２５ｍｍ≦Ｌ２≦５５ｍｍを満たす、衝突タイプの高圧噴射装置」（請求項１）とし、孔径とその長さについて言及されているものがある。
【０００７】
【数１】
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また、特許文献４には、原料粒子を含む懸濁液を収容する原料タンクと、該原料タンクに対して直列循環回路で接続され、懸濁液中で回転力を与えられたビーズによって原料粒子を挟み込んで粉砕するビーズミルと、前記原料タンクに対して直列循環回路で接続され、加圧された高圧懸濁液をノズル装置によって高速噴射するジェットミルと、を備えている微細化装置において、 前記ジェットミルは、前記高圧懸濁液を高速噴射する１つ以上のノズル装置と、該ノズル装置から懸濁液が噴射される微細化空間を形成するチャンバーとを有し、前記ビーズミルは、前記ビーズが投入されると共に一端側導入口から他端側排出口へ懸濁液が流動する容器と、容器内でビーズおよび懸濁液を撹拌するための複数の略円盤状回転翼が互いに間隔を持って設けられている回転軸と、該回転軸を回転させる駆動装置とを有し、前記容器は、円筒形状を有し、該円筒の中心軸上に配置された前記回転軸と共に鉛直方向に対して予め定められた角度で傾斜していることを特徴とする微細化装置。」（請求項１）と、「前記ジェットミルのノズル装置は、同軸上に連結された２つ以上のオリフィスノズルを備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の微細化装置。」（請求項６）と、「前記ジェットミルのノズル装置は、前記２つ以上連結されたオリフィスノズルのそれぞれ下流端に拡径部を有することを特徴とする請求項５に記載の微細化装置（請求項７）とが開示されている。
【０００８】
また、特許文献５には、「エチレン系単量体と、重合開始剤と、臨界ミセル濃度の０．５倍以下の界面活性剤と、分散安定剤とを水性媒体に加え、撹拌して単量体が油滴として分散している一次懸濁液を作り、この一次懸濁液をナノマイザー（登録商標）に通し、その際一次懸濁液に加える圧力を加減することにより単量体粒子の合着程度を加減して二次懸濁液を作り、これを加熱し重合させて重合体粒子を得る」大きさの揃った微細な重合体粒子の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３００６４０号公報
【特許文献２】米国特許第６３１８６４９号明細書
【特許文献３】特開２０１０−０３６１２０号公報
【特許文献４】特開２０１３−１６３１６２号公報
【特許文献５】特開平０７−２９２００３号公報
【特許文献６】特許第４３０１４４１号公報
【非特許文献】
【００１０】
【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】
【００１１】
従来の高圧噴射処理装置による微細化処理では、セルロースの解繊やナノ粒子の粉砕・分散処理に数十回の処理を必要とする場合が多くあった。また、エマルジョンの形成でも複数回の処理が必要になるため、装置には更なる微細化（破壊力の強化）と、更なる効率化（これまでより少ない回数で処理が完了できること）が求められている。そのため、様々な種類の装置や方法が提案されてきた。一つは、高速噴射後の低圧チャンバーでの改善、もう一つは、高圧ホモジナイザーやナノマイザーなど高圧部分のノズル部分での改良を行ったものである。
低圧チャンバーでの流体の衝突現象が微細化に有効であるとしたものとして、衝突型チャンバー（衝突タイプとしては特許文献３）、対向チャンバー（対向タイプとしては特許文献３と４）など様々なチャンバーが開発されてきた。
一方、ノズル部分の改良として、ゴーリン型の高圧ホモジナイザー（噴射圧３４〜５５ＭＰａ、ノズル計０．４〜６ミリメートル、流速２０８ｍ／ｓ）やナノマイザー（噴射圧：最大２００ＭＰａ、スリット幅０．１６〜０．２ミリメートル、最大流速２９０ｍ／ｓｅｃ）などノズル部分の改良を考案したものもあったが、それら装置でのノズル内の平均速度は３００ｍ／ｓ以下と遅いものであった。さらに、従来の特許文献３では、同径のノズルを多段にしているが、微細化は主にビーズを使用するものであり、ノズル構成は、あまり効果の得られない単なる多段構成になっている。
本願発明者らの研究・開発によれば、高圧噴射処理（高圧ジェットミル処理）の微細化に関わる大きな力は、衝突タイプや対向タイプの低圧チャンバー内の現象ではなく、主にノズル周辺で、高圧に加圧されたシリンダーによる圧力のエネルギーが運動エネルギーに換わり、その高速な流れにより発生するキャビテーションを基点としたジェット流の生成に伴う境界部分でのせん断力と、そのジェット流内部でのキャビテーションで起きていることをつきとめた。そのため、高圧シリンダーで加圧した圧力エネルギーを、速度を落とすことなく運動エネルギーに変換し、そこで発生するジェット流の高圧領域を増大させることができれば、高圧噴射処理における微細化限界や処理回数といった微細化特性を向上させることができる。つまり、効果的な微細化処理用ノズルには、流体抵抗を小さくし、かつ、その高圧領域が増大できる構成が必要になってくる。
それは、単にノズルの孔径を小さくしたというようなものでも、単に多段にしたものでもなく（特許文献４の請求項６と７を参照）、キャビテーション発生のメカニズムの客観的なデータに基づいて開発されたものである。
【００１２】
従来の具体的なノズルの改良として、ナノマイザー（登録商標）と呼ばれる高圧湿式メディアレス微細化装置が開発されている（特許文献５）。このナノマイザーの原理は、試料を高圧ポンプに送り込み高速流を作り出し、特殊なノズル（ジェネレーター）を通過させ、その時に発生する超高速せん断力・衝撃波・キャビテーション等の作用により乳化・分散・破砕を行うものである。そして、この装置ではノズルは（特許文献５）に示すように、基板にスリットを形成して、このスリットに高速流を通過させる方法である。
しかしながら、上記スリットのような形状では、対向する平面のダイヤモンドの作製と、それらダイヤモンドなど硬い材料を０．２ｍｍ以下に精度良く加工する技術が必要になり、ノズル径を０．１ｍｍと小さくすることは難しく高価なものになっている。そのため、実効的スリット幅は大きくなり、微細化処理に必要な速い流速を得ることが難しく、効率的な微細化処理を行うことはできなかった。また、ダイヤモンドを貼り合わせた構造のためにノズルの分解が難しく、ノズル詰まりが起きた場合のメンテナンスに関しても問題があった。
【００１３】
また特許文献６には、液中に所望の材料を乳化・分散させて乳化分散液を生成する装置および方法に関する技術において、ジェット流による液―液せん断によって乳化・分散を行う多段乳化・分散コントローラ１と、生成された乳化・分散液の圧力を多段階で減圧しバブリングが発生しない程度の圧力にまで下げる多段減圧モジュール３から構成され、前記多段乳化・分散コントローラ１に配置された吸収セル２１−１，２１−２，２１−３，２１−４，２１−５，２１−６の内径Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、Ｄ２＞Ｄ１＞Ｄ３である乳化・分散システムが開示されている。
しかし前記乳化・分散システムは、気泡を発生させないために多段の吸収セルを使用したものであり、本願の高速流と高圧キャビテーション、高圧領域の拡大を利用した微細化処理に応用したものではなく、使用されるセル径のサイズは、０．５ｍｍ―１．０ｍｍと大きすぎるため、３００ｍ／ｓの高速な流れを得ることは難しく、また、十分に高圧領域を拡大させた効果を得ることができないと考えられる。
【００１４】
本発明は、高圧キャビテーションの発生とそれを基点としたジェット流によるせん断などを、微細化における破壊の現象をＡＥ信号などの計測によって、現象を解明して開発されたもので、通孔を持つ硬いダイヤモンドチップ（ノズルチップ）とノズルホルダーという簡単なノズル構造で、微細化処理におけるこれまで以上の粒子径の減少や、処理回数の減少等の微細化特性が向上できる高圧噴射処理方法及び高圧噴射処理装置のノズルを提供することにある。また、本発明は、キャビテーションが発生する領域、ジェット流とその周囲の層流・渦流が生じる領域を制御・調整して、ナノ粒子やファイバーなどの様々な種類の微細化／解繊処理を可能とした高圧噴射処理方法及び高圧噴射処理装置のノズルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（本願発明者のノズル径の考察）
ここで「キャビテーション」とは、高速で流れる液体中において、速度の増大に伴って圧力が低下する箇所が発生し、その箇所において液体が気体へ相変化し、非常に短い時間に蒸気のポケットが生まれ、このポケットが短時間でつぶれて消滅する現象と定義する。その短時間でつぶれて消滅するエネルギー（キャビテーションの崩壊に基づく衝撃）を使用して、原料混合液の粒子の微細化や解繊を行うことができる。
キャビテーションは圧力に比例した衝撃エネルギーをもつ現象である。そして「高圧キャビテーション」とは、高圧の雰囲気条件（大気圧は約０．１ＭＰａであり、大気圧の１０倍以上である数ＭＰａを高圧とする）で発生するキャビテーションのことで、このキャビテーションは収縮時に圧力に比例した衝撃エネルギーをもつ。シリンダーで高圧に加圧されたノズルでは、この圧力により大気圧に近い低圧のキャビテーションよりはるかに大きな衝撃エネルギーが得られる。原料混合液の微細化は、主にこの高圧キャビレーションを使用して行っている。この現象は、ノズル内部とその周辺で発生している。実施例から、このような高圧での流れの状態は、層流や乱流だけでなく、非常に高速なジェット流を含んだ状態である。さらに、ノズル径が大きい場合にはノズル内部でジェット流と層流の境界がある状態に、ノズルが小さい場合にはジェット流とノズル側面がその境界になる状態の２種類があることが分かった。これらジェット流の境界は、キャビテーションによる気泡により、気層部分を含む乱流より不連続な状態になっている。この現象は実施例で示すように、実験的にある条件でノズル厚みを長くしても流速は変わらなかったこと、またセルロースなどファイバー形態の材料解繊では処理がすすむにしたがって、それらを含む懸濁液の粘度が１００倍以上増加するにもかかわらず、懸濁液の流速が変わらなかったことから、この境界部分は、液をあまり含まない流体抵抗が非常に少ない状態である。この境界部分では強いせん断力が働き、その速度に比例した高いエネルギーのＡＥ信号も発生する。また、その領域の広さはＡＥ信号の大きさにも関連してくる。そのためこの周辺の状態は、強い微細化に重要な領域である。
一般的に、キャビテーションが起こる条件は、次式のキャビテーション数σの大きさで定義される。この式では、σが１以下でキャビテーションが発生し、０．６以下で流れのほとんど気泡状態になるスーパーキャビテーションになるとしている。この式で重要な点は、圧力が高くなるとキャビテーションは発生し難くなることである。そのため、高速な流れが必要になることとである。つまり、ノズル付近で、溶液は圧力エネルギーが運動エネルギーに変化することで加速され、溶液の圧力減少とともにキャビテーション数が１以下になったときに気泡が発生し、それを起点として高速なジェット流が発生することになる。
【００１６】
次に、その状態を概算する。
一般に、キャビテーション数σは（数２）で示すことができる。
【数２】
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ここで、ＰＮはノズルの圧力、ＰＶは流体の蒸気圧、ρは流体の密度、ｖＮは流体の速度を表している。この式で、σが１で、キャビテーションが発生、σが０．６以下ではスーパキャビテーションになることが知られている。
ノズル周辺では、エネルギー保存則（ベルヌーイの定理）より、噴射圧のエネルギーは運動エネルギーに変換され、流れの速度に応じて減圧する。そのとき、ある程度の圧力が下がったところで、キャビテーションが起こる。すなわち、σが１の場所がキャビテーション発生点で、それ以降下流側でσが１以下になり、キャビテーションが多く発生することになる。
次に、その発生条件について考察する。
ノズル内の溶液の圧力は、距離ｘが進むに従って初期の噴射圧ＰＮＩから、最終的に大気圧のＰＮＯに変化する。圧力の速度変換分をｘの関数としてＰＮｖ（ｘ）とし、噴射圧は百ＭＰａと非常に大きいので溶液の蒸気圧Ｐｖを無視すると、（数３）と（数４）が導ける。（数３）では、σが１以下の条件を付加してある。
【数３】
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【数４】
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この式は、高圧噴射されるノズル周辺では圧力が速度に変換され、噴射圧の２分の１以下になる圧力領域でキャビテーションが起きていることを示している。つまり、ノズル付近で、圧力が運動エネルギーに変換される加速領域が存在し、高圧シリンダーからの初期噴射圧力が２分の１になったところで、キャビテーションを起点としたジェット流が発生することを示している。このときジェット流内の高圧キャビテーションの最大圧力は初期噴射圧の２分の１である。加圧された溶液は流れの連続性からこの速度でノズル内を通過して行くことになる。その後、溶液はノズル出口から低圧のチャンバーに流れ、圧力が開放される。このとき、ジェット流の圧力は急に減少し、多くの気泡を含むスーパーキャビテーションの状態になる。このとき、流れは拡散するため、流れの速度は上がることなく減速し、そのためその周辺では強い撹拌状態になる。
このことは、高圧キャビテーションや強いせん断力を利用した微粒化処理を行うためには、ジェット流発生以降の高圧領域をなるべく拡大し、スーパーキャビテーションの状態を作らないことが重要になることを示している。
次に、ノズル付近の詳細な流れを考える。前記モデルからノズル入り口付近の加速領域で噴射圧が２分の１の場所で、高速な流れによるキャビテーションが発生し、それらの気層を境界としたジェット流が形成される。ここでは、流体抵抗が小さい状態である。ノズル付近で、層流とジェット流の２層構造による流れが発生していることになる。このジェット流の径がノズル径より大きい場合には、その境界はノズル側壁になり、この境界領域の液中の粒子には強いせん断力が働き、強い微細化作用が発生する。一方、ジェット流の径がノズル径より小さい場合には、ノズル側面との界面には、溶液の層流を挟むことになるので、ジェット流との界面には前述の場合より大きなせん断力は働かないことになる。つまり、前述の状態より微細化の力は弱くなり、その径を境界として、微粒化特性が大きく変化することになる。
ノズル出口では、圧力が下がりキャビテーション数が減少することから、気泡が多くなるスーパーキャビテーションの状態に変化する。この領域では微細化作用よりも、攪拌作用が強くなる。このことは、ノズルそのものを厚くすることや、ジェット流を発生させるノズルの下流側で、キャビテーション数が０．６から１の領域を長くすることで、微細化効率を増加させることが可能になることを示している。本発明の高圧噴射処理装置のノズルにおいては、ノズルチップを厚くすることと、ノズル構成を工夫することでこの領域の拡大を実現し、微粒化特性を向上させた。
高圧領域を維持拡大するには、小さい通孔のノズルチップだけでなく、ノズルを構成するノズルホルダーの径などの構成も重要になってくる。圧力を下げないためには、そのノズルホルダーの径はなるべく小さい方が良いが、現実的には０．８ｍｍ程度になる。ノズル構成に関しては、ノズルを多段にすることで、その構成を自由度高く設計することができる。具体的にはノズルチップ径とノズルホルダー径それらの厚みの組合せを変えることで、ジェット流の高圧領域を広くでき、微粒化特性を向上させることができる。このとき、溶液の速度は非常に重要なパラメータなので、高い速度が維持できるようなノズル構造が非常に大切になる。
【００１７】
本願発明者は、これまでに開発した高圧噴射（高圧ジェットミル）処理の高圧キャビテーションなどのモニター装置によるデータと、様々な材料を処理したときの現象を考察した。
その中で処理回数を増やすと、懸濁液の粘度が大きく変化したが、その処理時間、つまり、ノズル内の平均速度はほとんど変化しなかった。また、ノズルの厚みを変えても、処理時間が大きく変化することはなかった。これらの実験事実は、ノズル内は、通常の層流や乱流の状態ではなく、気層を境界とした流体抵抗の小さなジェット流の状態になっているのではないかと考えられた。
これらの観点から、ノズル内の現象と改善方法を考察すると以下のようになる。
キャビテーションは、噴射の圧力エネルギーが運動エネルギーに変化する過程で、その速度変化に伴う圧力の低下による場所で発生する。そのためノズル内はノズル内の中央に発生する流れの速いジェット流領域とジェット流領域よりも流れの遅い層流部やノズルの側面周辺領域に分けられ、それらの速度差が大きい境界部分で最も強い微細化効果が発生している。
この有効な微細化の領域を拡大させるためには、（Ａ）キャビテーションが発生しているノズルの通孔の厚みを大きくすること、（Ｂ）ノズル内の流速を速くすること（例えば、ノズルの通孔の径を小さくすることや、圧力を高めるなど）が考えられる。特に（Ａ）は微細化処理の領域を増大させることにつながり、処理回数の減少につながる。（Ｂ）のノズル径の大きさは、ジェット流と層流の比率を変えることにつながり、後述のモード切り替えに重要な因子となる。しかし、エネルギー保存則（ベルヌーイの定理）から速度の理論的な最大値が決まることから（Ｂ）の改善には限界があるので、なるべく流体抵抗の少ないノズルが適していることになる。
上記（Ａ）、（Ｂ）を考慮した高圧噴射処理装置及びそのノズルを使用することで、従来の衝突型や対向型の低圧チャンバーの構成でも微細化の破壊力が増し、ノズルの厚みに比例した効果的な微細化処理が実現でき、処理回数の大幅な減少と更に細かな粒子化処理ができる。
まず、溶液が通るノズル部分を厚くすることが重要である。この部分のノズル材質は、高速な流体や硬いセラミックスを含む懸濁液を高速で流すために、硬い材料が必要になる。そのため、長い寿命を得るためにダイヤモンドで作製される。しかし、硬い材料に径が０．１ｍｍ程度のノズル穴を数十ｍｍ開けることは非常に困難で、現実には数ｍｍが限界である。さらに、大きなせん断力を得るためには、流れを高速にする必要があり、ノズルの流体抵抗は小さくしなければならない。したがって、流れの連続性から発生したジェット流の抵抗にならないようなノズルチップ径とノズルホルダー径とそれらノズル構成の最適化が必要になる。例えば、高圧部分の複数のノズル径の中心を同一線状に配置するなどである。従来の高圧部分での衝突や対向では、衝突部が抵抗になるため高速な流れは見込めないと考えられる。
また、ノズルでの現象を限定した周波数のＡＥ信号で実験解明した結果、数１００ＭＰａと高い圧力で噴射される流体の流れは、層流やさらに乱流ではなく、ノズル中央部では境界に気泡を含むジェット流に、ノズル周辺では層流になっていることが示された。このＡＥ信号は、高圧キャビテーションによるもので、主にジェット流の境界で発生していると考えられた。
また、そのジェット流の径の大きさは圧力が１００から２００ＭＰａの範囲で０．１７ｍｍより大きくなることはなかった。そのため、高速なジェット流による大きなせん断力を活かすためには、ノズル径をそれ以下にしなければ効果的な微細化ができないことが分かった。一方、高圧領域を拡大するために、ノズルの厚みを必要以上に厚くすると、今度はノズル内の平均流速が減少し、高い微細化効果を得ることができなかった。つまり、ノズルには最適な形状が存在することが実験的に分かった。
両者の条件を満たすノズルとして、単独のノズルではノズル径Ｄｎとその厚みのＷｎの比率（Ｗｎ／Ｄｎ）が非常に重要であった。ここで「ノズル径Ｄｎ」とは、ノズルチップのノズルの通孔（貫通穴）の直径のことであり、「ノズルの厚みＷｎ」とは、ノズルチップの通孔の厚み（長さ）のことである（図３）。
一方、単独のノズルでは、ダイヤモンドチップなどの加工に限界があるので、Ｗｎ／Ｄｎの大きなノズルを実現するためには、ノズルチップを積層することや、ノズルを分割し、実効的なノズル厚みを伸ばすことが重要になる。この方法として単独のノズルを多段にした構成が考えられるが、前記ノズル内の速度を落とさない構成が必要になる。単純に、同じ径のノズルを複数並べただけでは平均速度が減少し、ＡＥ信号も減少し、微粒化特性も劣化した。このとき、実験で得られたジェット流の最大径の大きさがその境界となっていた。この径の大きさを境界に、ジェット流との境界の大きなせん断力を積極的に応用した微細化ノズルと、層流を使用した解繊ノズルの２種類に分類できた。例えば、高圧側にジェット流の径の０．１６ｍｍより小さくし、それより後の低圧側にそのジェット流径よりも大きな径のノズルを使用することで、ジェット流に対するノズルの抵抗を増加させることなく、つまり速度減少が起こらなかった。ＡＥ信号も大きくなったことから、高圧領域が拡大した状態をつくることができた。その結果、微細化の効果が高まった。後段のノズルでは、ジェット流と層流部分ができるため溶液の攪拌作用も高く、さらに、微細化の効果が高まった。
一方、逆の構成にすることで、高圧での高速な層流を利用した解繊に適した構成とすることができた。
【００１８】
本発明の高圧噴射処理装置のノズルは、原料混合液をノズル内平均速度が３００ｍ／ｓ以上となるように高圧噴射して微細化する高圧噴射処理装置のノズルにおいて、前記ノズルは通孔をもつノズルチップとノズルホルダーで構成され、前記ノズルチップの通孔の直径Ｄｎは０．１６ｍｍ以下で、かつ直径Ｄｎに対する前記ノズルチップの前記通孔の厚みＷｎの比（Ｗｎ／Ｄｎ）は１０以上４５未満であることを特徴とする。
ここで「上流側」とは、高圧噴射処理装置内での原料混合液の流れに着目して上流位置にあるものを「上流側」という。
ここで「下流側」とは、高圧噴射処理装置内での原料混合液の流れに着目して下流位置にあるものを「下流側」という。
本発明者の実験によれば、微細化処理において一番単純なノズルの構造は、ノズルチップの通孔の厚みを大きくすることである。よって、前記ノズルチップの通孔の直径Ｄｎに対する前記ノズルチップの前記通孔の厚みＷｎの比（Ｗｎ／Ｄｎ）を１０以上４５未満とし、ノズル内の平均流速が３００ｍ／ｓ以上にすることで、効率的な微細化処理を可能とする。
当然高圧でキャビテーションを起こすためには速度を速くすることが重要である。シリンダーの能力にもよるがノズル径を小さくすることも有効である。一方、実際の処理の関係で、ノズル径を小さくするとその部分で詰まり易くなり、処理作業の効率性からノズル径は最小でも０．１ｍｍ以上必要あった方が望ましかった。実施例から、０．２ｍｍなどの大きなノズル径とした場合には、ノズル内部には層流領域とジェット流領域の２種類が存在し、その平均速度は減少した。実用的な２００ＭＰａの噴射圧では、ジェット流の径には最大値があり、その大きさ以上にノズル径を大きくしても、層流領域が増加するだけで、平均速度は減少する傾向があった。ノズル径が０．２ｍｍの場合、発生したジェット流径は０．１６〜０．１７ｍｍと計算されたので、微細化にはそれ以下のノズル径が有効であることが導かれた。実施例でも、径が０．２ｍｍのノズルは、高い微細化効果を示さなかった。
【００１９】
本発明の高圧噴射処理装置のノズルは、原料混合液をノズル内平均速度が３００ｍ／ｓ以上となるように高圧噴射して微細化する高圧噴射処理装置のノズルにおいて、ダイヤモンドで作製されるノズルチップの厚みを分割するために前記ノズルは通孔をもつ複数のノズルチップと複数のノズルホルダーで構成され、前記ノズルチップの通孔の直径Ｄｎｍの少なくとも一つは０．１６ｍｍ以下で、かつ前記ノズルチップの通孔の直径Ｄｎｍのうち、一番小さい直径に対する複数の前記ノズルチップの通孔の厚みの合計の比を１０以上４５未満とすることを特徴とする。
ノズルチップをダイヤモンドチップ等の硬い材料で作製する場合、径が０．１６ｍｍ以下でその厚みを大きくすることは、非常に困難で現実的ではない。しかし、本発明の高圧噴射処理装置用ノズルのように、通孔をもつ平坦なノズルチップとそのホルダーという単純なノズル構成、あるいはノズルチップを積層した単独ノズルと、それらの多段構成とすると、その製造が容易になる。
【００２０】
本発明の高圧噴射処理装置のノズルは、前記ノズルは前記直径Ｄｎｍの大きさが異なる複数のノズルチップと複数のノズルホルダーで構成されることを特徴とする。
本発明によれば、（Ｅ）ノズルチップを複数組み合わせることや、（Ｆ）通孔の直径が小さいノズルを一番上流側に配置し、その他のノズルは通孔の直径をある程度大きくする、（Ｇ）通孔の直径が小さいノズルを一番下流側に配置しその他のノズルは通孔の直径をある程度大きくする。上記（Ｅ）、（Ｆ）（Ｇ）を実現することによって、効率的な微細化処理が可能となり、実質的に長い通孔をもつノズルチップを使用した場合と同様の効果を得ることが可能になる。また、通孔の直径が大きいノズルを上流側に配置しその他のノズルは通孔の直径を小さくすることで、上流の高圧側でキャビテーションを起き難くし、速度勾配の大きな層流状態を形成し、減圧された下流側のノズルで発生する低いエネルギーのキャビテーションやせん断力が利用できる。この構成ではファイバーを切ることなく解繊することが可能となる。
このように、径の異なるノズルチップを種々組み合わせることによって、ノズル付近の流れをコントロールすることが可能となり、微細化処理用に適したノズルや、解繊処理用に適したノズル等、用途によって使い分けることが可能となる。
【００２１】
本発明の高圧噴射処理装置のノズルにおいては、前記複数のノズルチップが第１のノズルチップと第２のノズルチップから構成され、前記第２のノズルチップは前記第１のノズルチップよりも下流側に配置され、かつ前記第２のノズルチップの通孔の直径は前記第１のノズルチップの通孔の直径よりも大きく、０．１６ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の範囲としたことで、前記ノズル内平均速度を下げることなく高圧領域を増大させ、効率的な微細化処理を可能としたことを特徴とする。
本発明によれば、この構成では、ノズルチップの材料となる単結晶ダイヤモンドや、多結晶ダイヤモンド等の強硬質な材料に小さな孔を長く開ける必要がないため、製造が簡単となる。ダイヤモンドを貼り合わせるなど複雑な構造ではないため、安価に作製できるとともに、構造が単純なだけに流速を高速にすることもできる。効率的な微細化のためには、流れを高速にすることは非常に重要で、直線上に積層や多段とした配置は非常に有効である。
本発明によれば、直径が小さくかつ厚みが大きい通孔をもつノズルチップを形成できない場合には、（Ｅ）ノズルチップを複数組み合わせること、（Ｆ）通孔の直径が小さいノズルを一番上流側に配置し、その他のノズルは通孔の直径をある程度大きくする、上記（Ｅ）、（Ｆ）を実現することによって、効率的な微細化処理が可能となり、厚い通孔をもつノズルチップを使用した場合と同様の効果を得ることが可能となる。
【００２２】
本発明の高圧噴射処理装置のノズルにおいては、前記複数のノズルチップは、一番上流側に配置された第３のノズルチップと第４のノズルチップから構成され、前記第４のノズルチップは第３のノズルチップよりも下流側に配置され、かつ前記第３のノズルチップの通孔の直径は第４のノズルチップの通孔の直径よりも大きく、０．１６ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の範囲としたことで、前記ノズル内平均速度を下げることなく高速な層流内のせん断力を利用したファイバーなどの適した解繊処理を可能としたことを特徴とする。
本発明によれば、上流側に径の大きなノズルチップを配置することで、層流領域の多い状態を形成でき、下流側のノズルで減圧された低エネルギーのキャビテーションやせん断力を利用した解繊処理が可能となる。
このように、径の異なるノズルチップを種々組み合わせることによって、ノズル内のエネルギーをコントロールすることが可能となり、微細化処理用に適したノズルや、解繊処理用に適したノズル等、用途によって使い分けることが可能となる。
【００２３】
本発明の高圧噴射処理装置のノズルにおいては、ノズルチップ周辺の高圧領域の維持のために前記ノズルホルダーの通孔の直径は、０．８ｍｍ以下であることを特徴とする。特に、この効果は噴射圧が２００ＭＰａと高い場合に有効であった。
本発明によれば、通孔の直径が小さいノズルホルダーを使用した場合の方が、微細化効果が大きくなることを発見した。それは、通孔の直径が小さいノズルホルダー（０．８ｍｍ）を使用した場合、原料混合液１０がノズルチップ領域からノズルホルダー領域へ移動する際の圧力低下が少ないため、そのホルダー内でも高圧領域が維持でき、高圧領域の拡大によって、微細化処理部分が増加したためである。
反対に通孔の直径が大きいノズルホルダー（１０ｍｍ−３０ｍｍ）を使用した場合は、原料混合液１０がノズルチップ領域から、ノズルホルダー領域へ移動する際に急激な圧力変化が生じ、流れはジェット流ではなく、すぐに気泡を多く含むスーパーキャビテーション状態に移り、せん断力が減少したためと考えられる。
【００２４】
本発明の高圧噴射処理装置の評価方法は、所定圧力で原料混合液を高圧噴射してキャビテーションを生じさせて微細化する高圧噴射処理装置の評価方法であって、前記高圧噴射処理装置に、限定した周波数のＡＥセンサを取り付けて、キャビテーションによるＡＥ信号を検出し、その値の大きさから微粒化特性の性能評価を行うことを特徴とする。
本発明によれば、キャビテーション等の状態はＡＥ信号で評価できるため、前記高圧噴射処理装置にＡＥセンサを取り付けて、キャビテーションによるＡＥ信号を検出し、ノズルや高圧シリンダー等の高圧噴射処理装置の評価を簡単に行うことが可能となる。
また本発明の高圧噴射処理装置は、原料混合液をノズル内平均速度が３００ｍ／ｓ以上となるように高圧噴射して微細化または解繊する請求項１から６のいずれか一項記載のノズルを備えた高圧噴射処理装置において、前記原料混合液を加圧する高圧ポンプと、前記高圧ポンプを駆動及び制御することで前記原料混合液を１００ＭＰａ以上に加圧する駆動制御部と、高圧シリンダーを備え、１００ＭＰａ以上に加圧された前記原料混合液を前記高圧シリンダーと連結された前記ノズルに噴射させることで、微細化または解繊することを特徴とする。
そして本発明の高圧噴射処理方法は、原料混合液をノズル内平均速度が３００ｍ／ｓ以上となるように高圧噴射して微細化または解繊する請求項１から６のいずれか一項記載のノズルを使用した高圧噴射処理方法において、前記原料混合液を加圧する高圧ポンプと、前記高圧ポンプを駆動及び制御することで前記原料混合液を１００ＭＰａ以上に加圧する駆動制御部と、高圧シリンダーを備え、前記駆動制御部および前記高圧ポンプは原料混合液を１００ＭＰａ以上に加圧し、前記高圧シリンダーと連結された前記ノズルに噴射することで、前記原料混合液を微細化または解繊することを特徴とする。
本発明者の実験によれば、前記ノズルチップの通孔の直径Ｄｎに対する前記ノズルチップの前記通孔の厚みＷｎの比（Ｗｎ／Ｄｎ）を１０以上４５未満とし、ノズル内の平均流速が３００ｍ／ｓ以上にすることで、効率的な微細化処理を可能とすることを発見した。ノズル内の平均流速を３００ｍ／ｓ以上にするためには、高圧ポンプにおいて原料混合液を１００ＭＰａ以上に加圧し、ノズルチップの通孔の直径Ｄｎに対するノズルチップの通孔の厚みＷｎの比（Ｗｎ／Ｄｎ）を１０以上４５未満としたノズルを使用することで実現できた。よって、前記原料混合液を１００ＭＰａ以上に加圧する高圧ポンプを使用し、その平均速度を３００ｍ／ｓ以上にすることで、効率的な微細化処理を可能とする。
【００２５】
この様にノズルチップとノズルホルダーに多くの組み合わせがある場合、各ノズルや高圧シリンダー等の装置の性能を定量的に評価する必要がある。しかし、従来微細化に関する装置の性能評価は非常に難しく、各種材料を実際に処理し、その後、粒度分布計や電子顕微鏡などで評価するしかなかった。特願２０１４−２０１７４４における発明によれば計測されるＡＥ信号は、流れによるものと溶液中の粒子によるものの２種類あることを明らかにしている。この流れによって発生するＡＥ信号は、キャビテーションを基点としてジェット流が形成される部分から発生している。この部分は、主にノズルチップの通孔側面におけるせん断力の範囲に関係している。この大きさはノズル固有のもので、ＡＥ信号の値が大きいほど微細化に関連する高圧領域が広く、効率的な微細化処理ができることを示している。
水などの溶液のみの処理で、このＡＥ信号を計測することで、高圧キャビテーションやせん断力等の状態が評価できるため、高圧噴射処理装置にＡＥセンサを取り付けて信号を検出し、その大きさを比較することで、高圧シリンダーなどの装置の高圧発生部の性能を含めた前記ノズルの微細化性能の定量的評価を簡単に行うことができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の高圧噴射処理装置のノズルによれば、流れの速度を速くしノズルチップの通孔を厚くすることで、効率的な微細化処理を可能とした。また、本発明によれば、直径Ｄｎに対するノズルチップの前記通孔の厚みＷｎの比の大きいノズルチップが製造できない場合でも、（Ｅ）ノズルチップを複数組み合わせること、（Ｆ）通孔の直径が小さいノズルを一番上流側に配置し、その他のノズルは通孔の直径をある程度大きくする、（Ｇ）通孔の直径が小さいノズルを一番下流側に配置し、その他のノズルは通孔の直径をある程度大きくする。上記（Ｅ）、（Ｆ）（Ｇ）を実現することによって、効率的な微細化処理が可能となり、長さが長い通孔をもつノズルチップを使用した場合と同様の効果を得ることが可能となった。さらに、ノズルチップの材質である単結晶ダイヤモンド、焼結ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等の強硬質な材質に小さな孔を長く開ける必要がないため、製造が簡単となった。
本発明によれば、上流側に径の大きなノズルチップを配置することで、高圧でキャビテーションを起きにくくすることで、速度勾配の大きな層流状態をつくり、下流側のノズルで発生している低いエネルギーのキャビテーションやせん断力を利用して、ファイバーを切断することなく解繊することが可能となる。
このように、径の異なるノズルチップを種々組み合わせることによって、ノズル付近の流れをコントロールすることが可能となり、微細化処理用に適したノズルや、解繊処理用に適したノズル等、用途によって使い分けることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の高圧噴射処理装置の高圧シリンダー５００、低圧チャンバー４０およびノズル４００周辺の概略構成を示すブロック図である。
【図２】上記実施形態のノズル４００の概略構成例を示す模式図であり、（ａ）は単独ノズルＮ１のうち、ひとつのノズルチップとノズルホルダーで構成されたノズルを示し、（ｂ）は多段のノズルＮ２（微細化処理用のノズル）を示し、（ｃ）は多段のノズルＮ３（解繊処理用のノズル）を示し、（ｄ）は単独ノズルＮ１のうち、ノズルチップが積層されたノズルを示す。
【図３】本発明の第１の実施形態である単独のノズルＮ１を示す概略図であり、（ａ）はノズルＮ１を示す断面図で、（ｂ）は、ノズルチップの通孔の直径Ｄｎに対する厚みＷｎの比（Ｗｎ／Ｄｎ）を１０とする例である。
【図４】本発明の第２の実施形態である多段のノズルＮ２を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態である多段のノズルＮ３を示す断面図である。
【図６】ノズルのノズルチップＮｎ＿ｓａｍｐｌｅ内に発生する流体の状態を示す概略図であり、通孔の軸に平行な平面で切断した断面図である。
【図７】ノズルのノズルチップＮｎ＿ｓａｍｐｌｅ内に発生する流体の状態を示す概念図であり、通孔の軸に垂直な平面で切断した断面図である。
【図８】通孔の直径の異なるノズルチップを利用した場合の通孔内のジェット流と層流を示す概念図であり、（ａ）は通孔の直径が大きいノズルチップを利用した場合の通孔内のジェット流と層流を示し、（ｂ）は通孔の直径が小さいノズルチップを利用した場合の通孔内のジェット流と層流を示したものである。
【図９】ノズルａにおける各種噴射圧ＰＮのＡＥ信号の電圧Ｖｒｍｓ［ｍＶ］の時間経過変化を表すグラフである。
【図１０】ノズルｂにおける各種噴射圧ＰＮのＡＥ信号の電圧Ｖｒｍｓ［ｍＶ］の時間経過変化を表すグラフである。
【図１１】ノズルｃにおける各種噴射圧ＰＮのＡＥ信号の電圧Ｖｒｍｓ［ｍＶ］の時間経過変化を表すグラフである。
【図１２】ノズルｄにおける各種噴射圧ＰＮのＡＥ信号の電圧Ｖｒｍｓ［ｍＶ］の時間経過変化を表すグラフである。
【図１３】ノズルａ〜ｄ，ｈとｉにおける各種噴射圧ＰＮによる平均速度ｖＮ［ｍ／ｓｅｃ］変化を表すグラフである。
【図１４】ノズルａ〜ｄにおける各種噴射圧ＰＮによるＡＥ信号の電圧Ｖｒｍｓ［ｍＶ］を表すグラフである。
【図１５】ノズルｅにおける各種噴射圧ＰＮのＡＥ信号の電圧Ｖｒｍｓ［ｍＶ］の時間経過変化を表すグラフである。
【図１６】ノズルｆにおける各種噴射圧ＰＮのＡＥ信号の電圧Ｖｒｍｓ［ｍＶ］の時間経過変化を表すグラフである。
【図１７】ノズルｇにおける各種噴射圧ＰＮのＡＥ信号の電圧Ｖｒｍｓ［ｍＶ］の時間経過変化を表すグラフである。
【図１８】ノズルｄ〜ｇにおける各種噴射圧ＰＮによる平均速度ｖＮ［ｍ／ｓｅｃ］の変化を表すグラフである。
【図１９】ノズルｃ，ｅ〜ｇにおける各種噴射圧ＰＮによるＡＥ信号の電圧Ｖｒｍｓ［ｍＶ］変化を表すグラフである。
【図２０】多段のノズル（同一径のノズルチップを複数組み合わせたもの）内に発生する溶液の流れを示す概略図であり、通孔の軸に平行な平面で切断した断面図である。
【図２１】多段のノズル（上流側に径の小さいノズルチップを配置したもの）内に発生する溶液の流れを示す概略図であり、通孔の軸に平行な平面で切断した断面図である。
【図２２】多段のノズル（上流側に径の大きなノズルチップを配置したもの）内に発生する溶液の流れを示す概略図であり、通孔の軸に平行な平面で切断した断面図である。
【図２３】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２４】本発明を適用した実施形態の高圧噴射処理装置の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２５】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２６】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２７】ノズルｃ，ｄを使用した場合の懸濁液２０中に存在するセルロースファイバー径（ｎｍ）の百分率度（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）（％）を示すグラフであり、（ａ）は噴射回数ＮＰが５の場合であり、（ｂ）は噴射回数ＮＰが２０の場合である。
【図２８】ノズルｂ，ｃ，ｈを使用した場合の懸濁液２０中に存在するセルロースファイバー径（ｎｍ）の百分率度（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）（％）を示すグラフであり、（ａ）はＮＰが５の場合であり、（ｂ）はＮＰが２０の場合である。
【図２９】ノズルｂ，ｃ，ｈにおける高圧噴射処理の懸濁液２０中のセルロースファイバーの平均径ＤのＮＰ依存性を示すグラフである。
【図３０】ノズルホルダーの通孔径を変えた場合のＮＰが２０のセルロースファイバー径（ｎｍ）の百分率度（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）（％）を示すグラフである。
【図３１】ノズルホルダーの通孔の直径の違いによるノズル内の現象を表す概念図であり、（ａ）はノズルホルダーの通孔の直径が小さい場合（０．８ｍｍ）であり、（ｂ）はノズルホルダーの通孔の直径が大きい場合（１０ｍｍ−３０ｍｍ）である。
【図３２】ノズルｃ，ｅ，ｆ，ｇを使用した場合のセルロースファイバー径（ｎｍ）の百分率度（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）（％）を示すグラフであり、（ａ）はＮＰが５の場合であり、（ｂ）はＮＰが２０の場合である。
【図３３】ノズルｃ，ｅ，ｆ，ｇを使用した場合のセルロースファイバーの平均径ＤのＮＰ依存性を示すグラフである。
【図３４】各種ノズルＮ１，Ｎ２，Ｎ３を使用した場合のセルロースの粘度ηのＮＰ依存性を示すグラフであり、（ａ）は単独のノズルＮ１を使用した場合であり、（ｂ）は多段のノズルを使用した場合である。
【図３５】ノズルＮ１，Ｎ２，Ｎ３を使用し、２０回処理を行った後、セルロース懸濁液を乾燥させて作製したセルロース膜のＸ線回折パターンを示す図である。
【図３６】ノズルｅ（Ｍ０１０２０２）を使用して高圧噴射処理を行った場合のセルロースの電子顕微鏡像であり、（ａ）は３００倍拡大像であり、（ｂ）は５０００倍拡大像である。
【図３７】ノズルｇ（Ｍ０２０２０１）を使用して高圧噴射処理を行ったセルロースの電子顕微鏡像であり、（ａ）は３００倍拡大像であり、（ｂ）は５０００倍拡大像である。
【図３８】ノズルｂ，ｃを使用した場合のＰＺＴ粉体の径（ｎｍ）の百分率度（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）（％）を示すグラフである。
【図３９】ノズルｂ，ｃを使用した場合のアルミナ微粒子の径（ｎｍ）の百分率度（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）（％）を示すグラフであり、（ａ）はＮＰが５の場合であり、（ｂ）はＮＰが１０の場合であり、（ｃ）はＮＰが２０の場合である。
【図４０】高圧噴射の噴射回数ＮＰにおける懸濁液２０中のアルミナ微粒子の平均径Ｄを示すグラフである。
【図４１】噴射圧ＰＮと実測されたノズル内の平均速度ｖＮの関係を示すグラフであり、（ａ）はノズルｃの理論値ｖＮＪと実測値を示したもので、（ｂ）はノズルｄの理論値ｖＮＪと実測値を示したもので、（ｃ）はノズルｉの理論値ｖＮＪと実測値を示したものである。
【図４２】平均速度ｖＮ［ｍ／ｓｅｃ］とＡＥ信号電圧Ｖｒｍｓ（ＡＥ信号電圧の実効値）の関係を示すグラフであり、（ａ）ノズルチップの通孔の直径と厚みを変化させたノズルのデータを示し、（ｂ）積層ノズルと多段ノズルのデータを示し、（ｃ）多段ノズルのデータを示す。
【図４３】各噴射回数ＮＰにおけるＡＥ信号電圧の時間経過変化を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を適用した実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本願発明者らは、高圧噴射処理装置にＡＥセンサを取り付けて、高圧噴射の際にノズルから生じる周波数が０．２ＭＨｚ以上のＡＥ信号を検出し、ノズルの孔径や厚みの相違によるＡＥ信号の違いを検討した。単独ノズルを使用した場合、溶液として水のみを噴射させた場合のＡＥ信号強度と、各種材料を２〜２０%の濃度の懸濁液にした場合の微細化実験を行い。それらの関連性を調べた。
【００２９】
（ＡＥ信号に関して）
前述したように、高圧噴射処理における微細化現象は、主に高圧部分で発生するキャビテーションやせん断力にあることが分かった。高圧噴射処理装置内において発生するキャビテーションは、（Ｃ）低圧側で発生している低エネルギーのキャビテーション、（Ｄ）ノズル内で発生している高エネルギーのキャビテーションの（Ｃ）、（Ｄ）に分類される。原料混合液の粒子の微細化においては、本質的な強い作用は上述の（Ｄ）のキャビテーションの崩壊に基づく衝撃であるから、（Ｄ）のキャビテーションによるＡＥ信号、すなわち高周波信号（０．２ＭＨｚ以上）を、ＡＥセンサを使用して計測することで、粒子の微細化の度合いや流れによる粉砕力などを評価することができる。
【００３０】
本発明において使用する高圧噴射処理装置
図１は、本発明の高圧噴射処理装置の高圧シリンダー５００、低圧チャンバー４０およびノズル４００周辺の概略構成を示すブロック図である。
本発明において、高圧噴射処理装置とは、高圧ポンプを駆動及び制御することで原料混合液を１００ＭＰａ以上に加圧するための駆動制御部と、原料混合液１０を１００ＭＰａ以上に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いる装置である。投入され１００ＭＰａ以上に加圧された原料混合液（及び１０内の粒子１ａ）はノズル４００周辺で加速され、ノズル付近を通過するときに、高速な流れになりキャビテーションが発生する。そのとき、流れは、層流、乱流、さらに、初期噴射圧が半分の場所でキャビテーションが発生し、ジェット流が生成される。ジェット流内部では、高圧キャビテーションにより粒子１ａは粉砕され粒子１ｃになる。その後、低圧チャンバー４０にて、気泡の多いスーパーキャビテーション状態になり、撹拌され分散された粒子１ｃを有する懸濁液２０が生成される。ここで、噴射の圧力エネルギーは運動エネルギーに変換され、最終的に熱になるので、懸濁液を冷却する熱交換器などが挿入される。この高圧噴射処理装置としては既知の装置が適用できる。符号６００で示す矢印はＡＥ信号の主な伝搬経路を示している。
次に、前記原料タンクに前記原料混合液１０を投入し、前記高圧ポンプにて前記原料混合液１０を１００ＭＰａ以上に加圧して、前記ノズル４００から前記原料混合液１０を噴射させることで、粒子１ａはさらに微細化され微粒子１ｂになり、懸濁液２０とし、出口４０２から懸濁液２０が排出される。この処理を図２５（ｃ）の１ｃになるまで、あるいは、その微細化の限界まで繰り返すことになる。これを噴射回数ＮＰとする。処理効果が高いとは、同じ径の微粒子を得るためのＮＰが小さいことを言っている。
前記チャンバー４０には、シングルノズルチャンバー、斜向衝突チャンバー、ボール衝突チャンバー等の種類がある。
また、高圧噴射処理装置のモニタリング機器１を前記高圧噴射処理装置に取り付けて、ノズルや高圧シリンダー等の装置の性能評価を行うことが可能である。その場合、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、装置の性能評価を判定する信号処理判定手段８を備える。
【００３１】
前記原料混合液１０は、例えば粒子１ａ（原料）と水や有機溶媒との混合液である。用途によって界面活性剤を含むこともある。本発明において、前記原料混合液１０に含まれる粒子１ａ（原料）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、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、その他既知の金属、酸化物、炭化物微粒子が挙げられる。また、セルロースやカーボンナノチューブＣＮＴなどの、ファイバー形状の材料を使用することも可能である。前記原料混合液１０は、前記微粒子やそれらの凝集体が含有された懸濁液状の液体である。
【００３２】
図２は、上記実施形態のノズル４００の概略構成例を示す模式図であり、（ａ）は単独ノズルＮ１のうち、ひとつのノズルチップとノズルホルダーで構成されたノズルを示し、（ｂ）は多段のノズルＮ２（微細化処理用のノズル）を示し、（ｃ）は多段のノズルＮ３（解繊処理用のノズル）を示し、（ｄ）は単独ノズルＮ１のうちノズルチップが積層されたノズルを示す。
ノズルＮ１は単独のノズルであり、１つのノズルチップＮｎと１つのノズルホルダーＮｈから構成されたノズル（図２（ａ））と、複数積層されたノズルチップＮｎと１つのノズルホルダーＮｈで構成されたノズル（図２（ｄ））がある。
ノズルＮ２，Ｎ３（図２（ｂ），（ｃ））は、複数（多段）のノズルチップＮｎｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）と複数（多段）のノズルホルダーＮｈｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）を組み合わせてノズルＮ２，Ｎ３を形成したものである。
前記ノズルＮ２は、一番上流側に位置するノズルチップＮｎ１の通孔の直径Ｄｎ１を一番小さくし、その他のノズルチップＮｎ２，Ｎｎ３，・・・，ＮｎＭの通孔の直径Ｄｎ２，Ｄｎ３，・・・，ＤｎＭは、前記ノズルチップＮｎ１の通孔の直径Ｄｎ１よりも大きい値とすることで、効率的な微細化処理が可能なノズルとしたものである。
前記ノズルＮ３は、一番下流側に位置するノズルチップＮｎＭの通孔の直径ＤｎＭを小さくし、その他のノズルチップＮｎ１，Ｎｎ２，・・・，ＮｎＭ−１の通孔の直径Ｄｎ１，Ｄｎ２，・・・，ＤｎＭ−１は直径ＤｎＭよりも大きな値とすることで、解繊処理に最適なノズルとしたものである。
【００３３】
（本発明の第１の実施形態）
高圧噴射装置として、スギノマシン社のスターバーストミニＨＪＰ−２５００１を使用し、低圧キャンバーはすべてボール衝突チャンバーを使用した。
ノズル
図３は、本発明の第１の実施形態である単独のノズルＮ１を示す概略図であり、（ａ）はノズルＮ１を示す断面図で、（ｂ）は、ノズルチップの通孔の直径Ｄｎに対する厚みＷｎの比（Ｗｎ／Ｄｎ）を１０とする例である。
前記ノズルＮ１は、厚みがＷｎで通孔の直径がＤｎのノズルチップＮｎと、通孔の厚みがＷｈで通孔の直径がＤｈのノズルホルダーＮｈから構成された単独のノズルである。
前記ノズルチップＮｎは上流側は前記原料タンク１０３と、下流側はノズルホルダーＮｈと接続され、前記ノズルチップＮｎの中心箇所には円柱状の通孔が設けられている。前記ノズルチップＮｎの材質は単結晶ダイヤモンドや、多結晶ダイヤモンド、焼結ダイヤモンド等の硬い材料である。
前記ノズルホルダーＮｈは、前記ノズルチップＮｎを固定するためのホルダーであり、上流側は高圧シリンダー部分に取り付けられ、下流側は低圧チャンバー４と接続されている。前記ノズルホルダーＮｈの中心箇所にも前記ノズルチップＮｎと同様に円柱状の通孔が設けられている。前記ノズルチップＮｈの材質はＳＵＳ６３０等のＳＵＳ系の金属である。
単独のノズルは、１つのノズルチップＮｎと１つのノズルホルダーＮｈから構成されたものや（図２（ａ））、複数積層されたノズルチップＮｎと１つのノズルホルダーＮｈで構成されたノズル（図２（ｄ））がある。
ここで、ノズルホルダーのＤｈは、ノズルチップＮｎを固定していない箇所の通孔の直径のことであり、ノズルホルダーのＷｈは、ノズルチップＮｎを固定していない箇所の通孔の厚みのことである。
前記ノズルチップのＤｎはノズルＮ１内の流速を高速とするため０．２ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０．１ｍｍ〜０．１６ｍｍ（０．１６ｍｍ以下）がよい。そして前記ノズルチップのＷｎは、前記ノズルチップのＤｎとＷｎの比（Ｗｎ／Ｄｎ）が１０以上（図３（ｂ））となるように決定する。実際には、通孔は均一な径にはならないので、その最小径をＤｎと標記する。
また前記ノズルチップのＤｎと、前記ノズルホルダーのＤｈが、前記ノズルチップの通孔の直径Ｄｎ≦前記ノズルホルダーの通孔の直径Ｄｈとなるように形成する。本発明の実施例では、前記ノズルチップのＤｎは０．１ｍｍであり、前記ノズルホルダーのＤｈは０．８ｍｍである。また、前記ノズルチップのＷｎは０．９〜４．５ｍｍであり、前記ノズルホルダーのＷｈは５ｍｍである。
【００３４】
（実験例１）
単独のノズルＮ１の実験例１
実験例１では、従来品であるノズルａと本発明の高圧噴射処理装置のノズルである（表１）のノズルｂ，ｃ，ｄを使用し、ＡＥセンサを前記高圧噴射処理装置のノズルａ〜ｄで発生する超音波が検出できる場所に取り付け、前記高圧噴射処理装置のノズルａ〜ｄから噴射圧ＰＮ［ＭＰａ］（ＰＮ：５０，１００，１５０，２００，２４０）（噴射圧ＰＮ：ノズルの入口からノズル内へ液体を噴射する際の初期圧力）を変化させながら原料混合液を高圧噴射処理した。そして、前記高圧噴射処理を行う時に前記ノズルの孔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を検出し、時間経過による各噴射圧ＰＮのＡＥ信号電圧の変化を計測した。
【００３５】
【表１】
2017177037.tif 000007
その結果を図９〜図１２に示す。
【００３６】
図９〜図１２は、ノズルａ〜ｄを使用した場合の各種噴射圧ＰＮをパラメータとしたＡＥ信号電圧Ｖｒｍｓの時間経過変化を表すグラフである。
ノズルａにおいては、ノズルチップのＷｎが短いことと、ノズルホルダーのＤｈがノズルチップのＤｎよりも急激に大きくなっているため、噴射圧ＰＮが変化しても、ＡＥ信号Ｖｒｍｓは約８０ｍＶで大きく変化しなかった。ノズルｂを使用し、ノズルホルダーのＤｈを０．８ｍｍと小さくした場合には、噴射圧ＰＮが１５０ＭＰａの場合に少しＶｒｍｓの減少が見られるが、２００ＭＰａにすると、Ｖｒｍｓは１２０から１５０ｍＶへと大きくなった。そして、ノズルｃにおいてノズルチップのＷｎを１．５ｍｍと厚くすると、ＰＮが５０ＭＰａのような低圧の場合には変化は見られないが、ＰＮが１００ＭＰａ以上にすると、Ｖｒｍｓは１３０ｍＶと急激に大きくなった。さらに、２４０ＭＰａにすると１９０ｍＶまで、大きくなった。ノズルｄにおいては、ノズルチップのＤｎを０．２ｍｍと大きくすると、ＰＮが５０ＭＰａと小さい場合には、Ｖｒｍｓは１００ｍＶと大きいが、ＰＮを上げても１４０ｍＶ以上になることはなかった。また、ＰＮが１００ＭＰａ以上で、Ｄｎが０．１ｍｍのノズルのＶｒｍｓより、大きくなることはなかった。これらの結果から、Ｖｒｍｓは、ノズルチップのＤｎが０．２ｍｍの場合よりも、０．１ｍｍの場合のほうが大きく、ノズルチップのＷｎが厚い方が大きい傾向があることが示された。また、ノズルホルダーのＤｈも０．８ｍｍと、小さい方がＶｒｍｓの値が大きくなることが分かった。
【００３７】
（実験例２）
単独のノズルＮ１の実験例２（積層ノズル）
（表１）に示すノズルｃにおいて使用したノズルチップを三枚積層した以下（表２）に示すノズルｈとｉ（図２（ｄ））および（表１）に示すａ〜ｄを高圧噴射処理装置に取り付け、噴射圧ＰＮ［ＭＰａ］（ＰＮ：５０，１００，１５０，２００，２４０）（噴射圧ＰＮ：ノズルの入口からノズル内へ液体を噴射する際の初期圧力）を変化させながら原料混合液を高圧噴射処理した。ＰＮの変化による平均速度ｖＮとＡＥ信号電圧Ｖｒｍｓ（ＡＥ信号電圧の実効値）を計測した。
図１３は、ノズルａ〜ｄ，ｈとｉにおける各種噴射圧ＰＮによる平均速度ｖＮ［ｍ／ｓｅｃ］変化を表すグラフであり、図１４は、ノズルａ〜ｄを使用した場合の、ＰＮによるＶｒｍｓ［ｍＶ］の変化を表すグラフである。
Ｄｎが０．１ｍｍのノズルにおいては、Ｗｎを０．９ｍｍから１．５ｍｍ（Ｗｎ／Ｄｎは９から１５）に大きくしても、ｖＮは同じ値を示した。ノズルチップを３つ積層し、Ｗｎを４．５ｍｍとしたノズルｈの場合（Ｗｎ／Ｄｎは４５）には、ｖＮは小さくなった。一方、Ｄｎが０．２ｍｍの場合、Ｗｎ／Ｄｎは７．５であるが、ｖＮは急激に小さくなった。
積層ノズルｈ（Ｗｎ／Ｄｎは４５）においては、ノズルチップのＷｎを大きくしたことにより、ｖＮが遅くなっており、３００ｍ／ｓを超えるのは、ＰＮが１５０ＭＰａ以上からであった。Ｄｎが０．１５ｍｍのノズルｉ（Ｗｎ／Ｄｎは３０）においては、ノズルチップを３つ積層しＷｎを大きくしても、ＰＮが１５０ＭＰａ以下で、ｖＮはさほど小さくなられなかった。ｖＮの値を大きくするには、Ｄｎは０．１５ｍｍ以下であり、Ｗｎも重要なパラメータであり、そのＷｎには最適な範囲があることが分かった。
【００３８】
【表２】
2017177037.tif 000008
【００３９】
図１４は、ノズルａ〜ｄにおける各種噴射圧ＰＮによるＡＥ信号の電圧Ｖｒｍｓ［ｍＶ］を表すグラフである。
Ｄｎが０．１ｍｍの場合、Ｗｎを０．９から１．５ｍｍの大きくすると急激にＶｒｍｓが大きくなった。このＤｎでＤｈを小さくした場合、ＰＮが５０〜１５０ＭＰａの範囲ではＶｒｍｓは減少し、２００ＭＰａ以上の高いＰＮで、Ｖｒｍｓは増加した。一方、Ｄｎを０．２ｍｍと大きくすると、Ｖｒｍｓは小さくなる傾向を示した。Ｖｒｍｓの値は、Ｗｎの値と関連していることが分かった。図１３の結果も考慮するとＤｎが０．２ｍｍでは、ｖＮの値が急激に小さくなることから、Ｖｒｍｓの値にはｖＮの大きさも重要になることが分かった。
【００４０】
実験例１，実験例２の結果から、ノズルｄを使用した場合（ノズルチップのＤｎを０．２ｍｍと大きくした）と流速ｖＮは遅くなり、Ｖｒｍｓも小さくなった。これにより、ノズルチップのＤｎとＷｎが高圧キャビテーションの発生量を示すＡＥ信号電圧Ｖｒｍｓの大きさに、強く依存することが確かめられた。
以上のことは、高圧噴射処理装置においてノズルチップのＤｎは重要なパラメータであり、高圧キャビテーションを利用した微細化処理にはＤｎが小さく、Ｗｎがなるべくく、Ｗｎ／Ｄｎが１０以上であるノズルが有効であることが示された。
実際の通孔は正確には厚み依存性を持っているが、ここではノズルチップ内の径の最小径をＤｎとしている。
【００４１】
（本発明の第２の実施形態）
多段のノズル（微細化処理用のノズル）
図４は、本発明の第２の実施形態である多段のノズルＮ２を示す断面図である。
第１の実施形態であるノズルＮ１は、１つのノズルホルダーとノズルチップから構成された単独ノズルであった。実施例１、実施例２の結果から高圧キャビテーションを利用した微細化処理には、前記ノズルチップのＤｎが小さく、Ｗｎがなるべく厚く、Ｗｎ／Ｄｎが１０以上のノズルが有効であることが分かったが、ノズルチップの材質である単結晶ダイヤモンドや、焼結ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等にＷｎを厚い状態でＤｎを小さく形成するのは非常に困難である。
したがって、本発明のノズルＮ２は、複数（多段）のノズルチップＮｎｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）と複数（多段）のノズルホルダーＮｈｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）を組み合わせてノズルＮ２を形成する。これは、第１の実施形態のノズルＮ１と同様の効果を可能としたものであり、その他の構成は第１の実施形態と同様であるため、同様の構成に関しては同一の符号を付して説明を省略する。
【００４２】
ノズルＮ２は、複数のノズルチップＮｎｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）と複数のノズルホルダーＮｈｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）から構成され、上流側から下流側へＮｎ１，Ｎｈ１，Ｎｎ２，Ｎｈ２，Ｎｎ３，Ｎｈ３，・・・，ＮｎＭ，ＮｈＭの順に並んで取り付けられており、前記ノズルチップＮｎｍの通孔と前記ノズルホルダーＮｈｍの通孔が全て同軸上となるように形成されている。
ノズルチップＮｎｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）とノズルホルダーＮｈｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）の数Ｍは、２個以上であることが好ましく、３個であることがより好ましい。
前記ノズルチップＮｎｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）の中心箇所には円柱状の通孔が設けられている。前記ノズルチップＮｎｍの材質は単結晶ダイヤモンドや、焼結ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等である。
前記ノズルホルダーＮｈｍは、前記ノズルチップＮｎｍを固定するためのホルダーであり、上流側は高圧シリンダー部５００に取り付けられ、下流側は前記チャンバー４００と接続されている。前記ノズルホルダーＮｈｍの中心箇所にも前記ノズルチップＮｎｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）と同様に円柱状の通孔が設けられている。前記ノズルチップＮｈｍの材質はＳＵＳ６３０等のＳＵＳ系の金属である。
一番上流側に位置するノズルチップＮｎ１は加圧された前記原料混合液１０を前記チャンバー４０に流入するための入口であり、上流側は前記原料タンク１０３からの管と接続され、下流側はノズルホルダーＮｈ１に取り付けられている。
前記ノズルチップＮｎｍの通孔の直径Ｄｎｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）はノズルＮ２内の流速を高速とするため０．２ｍｍ以下であることが好ましい。また、一番上流側に位置するノズルチップＮｎ１の通孔の直径Ｄｎ１を一番小さくし、その他のノズルチップＮｎ２，Ｎｎ３，・・・，ＮｎＭの通孔の直径Ｄｎ２，Ｄｎ３，・・・，ＤｎＭは、（数５）のように直径Ｄｎ１よりも大きい値とする。
【００４３】
【数５】
2017177037.tif 000009
【００４４】
直径Ｄｎ１を０．１ｍｍ〜０．１６ｍｍ（０．１６ｍｍ以下）に、その他のＤｎｍ（ｍ＝２，・・・，Ｍ）を０．１６ｍｍ以上０．８ｍｍ以下とするのが好ましく、０．２ｍｍがより好ましい。
また、前記ノズルチップＮｎｍの通孔の厚みＷｎｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）は、（数４）のように、前記ノズルチップＮｎ１の通孔の直径Ｄｎ１に比べて前記ノズルチップＮｎｍの通孔の厚みＷｎｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）の合計を充分に大きくする（前記ノズルチップＮｎ１の通孔の直径Ｄｎ１と前記ノズルチップＮｎｍの通孔の厚みＷｎｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）の合計の比を１０以上とする）（数６）。
【００４５】
【数６】
2017177037.tif 000010
【００４６】
（数５）、（数６）のようなノズルチップＮｎｍを使用することによって、直径が小さく、かつ長さが長い通孔をもつノズルチップを形成せずとも、（Ｅ）長さが短い通孔をもつノズルチップを複数組み合わせること、（Ｆ）通孔の直径が小さいノズルを一番上流側に配置しその他のノズルは通孔の直径をある程度大きくする、上記（Ｅ）、（Ｆ）を実現することによって、効率的な微細化処理が可能になり、長さが長い通孔をもつノズルチップを使用した場合と同様の効果を得ることが可能となる。さらに、ノズルチップとなる硬い材質である単結晶ダイヤモンド、焼結ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等の強硬質な材質に小さな孔を長く開ける必要がないため、製造が簡単となる。
【００４７】
（本発明の第３の実施形態）
多段のノズル（解繊処理用のノズル）
図５は、本発明の第３の実施形態である多段のノズルＮ３を示す断面図である。
第２の実施形態であるノズルＮ２は、上流側に径の小さいノズルチップを配置した多段のノズルであり、効率的な微細化処理を可能にするものであったが、本発明の多段のノズルＮ３は、上流側に径の大きなノズルチップを配置することで、解繊処理用のノズルを形成したものである。その他の構成は第２の実施形態と同様であるため、同様の構成に関しては同一の符号を付して説明を省略する。
【００４８】
ノズルＮ３は、複数のノズルチップＮｎｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）と複数のノズルホルダーＮｈｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）から構成され、ノズルＮ３内において上流側から下流側へＮｎ１，Ｎｈ１，Ｎｎ２，Ｎｈ２，Ｎｎ３，Ｎｈ３，・・・，ＮｎＭ，ＮｈＭの順に並んで取り付けられており、前記ノズルチップＮｎｍの通孔と前記ノズルホルダーＮｈｍの通孔が全て同軸上となるように形成されている。
ノズルチップＮｎｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）とノズルホルダーＮｈｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）の数Ｍは、２個以上であることが好ましく、３個であることがより好ましい。
一番上流側に位置するノズルチップＮｎ１は加圧された前記原料混合液１０を前記チャンバー４０内に噴射するための入口であり、最も上流側に位置するノズルチップＮｎ１の通孔の直径Ｄｎ１を大きくし、上流側から下流側へ配置されるノズルチップＮｎ２，・・・，ＮｎＭ−１の通孔の直径Ｄｎ２，・・・，Ｄｎｍ−１をノズルチップＮｎ１の通孔の直径Ｄｎ１と同様の大きさか、もしくは小さな値とする。そして、最も下流側に位置するノズルチップＮｎＭの通孔の直径ＤｎＭは、その他のノズルチップの通孔の直径Ｄｎ１，Ｄｎ２，・・・，Ｄｎｍ−１よりも小さな値とする（数７）。
【００４９】
【数７】
2017177037.tif 000011
【００５０】
直径Ｄｎ１，Ｄｎ２，・・・，Ｄｎｍ−１は０．１６ｍｍ以上０．８ｍｍ以下とするのが好ましく、０．２ｍｍとするのがより好ましい。最も下流側のＤｎＭを０．１ｍｍ〜０．１６ｍｍ（０．１６ｍｍ以下）とするのが好ましい。
【００５１】
（数７）のようなノズルチップＮｎＭを使用することによって、噴射圧が分圧され、高圧での層流内のせん断力と、その圧力損出による少し低いエネルギーのキャビテーションを利用したファイバー解繊処理をすることが可能となる。
【００５２】
このように、径の異なるノズルチップＮｎｍを種々組み合わせることによって、ノズル内のエネルギーをコントロールすることが可能となり、微細化処理用のノズルや、解繊処理用のノズル等、用途によって使い分けることが可能となる。
【００５３】
（実験例３）
多段のノズルＮ２の実験例３
実験例３において使用したノズルＮ２は、３段（Ｍ ＝ ３）のノズルであり、使用したノズルチップＮｎｍは次の表３の通りである。
【００５４】
【表３】
2017177037.tif 000012
【００５５】
ノズルｅは、一番上流側のノズルチップＮｎ１において、その通孔の直径Ｄｎ１を０．１ｍｍのものを使用し、その他のノズルチップＮｎ２，Ｎｎ３は、Ｄｎ１よりも大きい０．２ｍｍの径Ｄｎ２，Ｄｎ３のものを使用した。
ノズルｆは、ノズルチップＮｎ１，Ｎｎ２，Ｎｎ３すべての通孔の直径Ｄｎ１，Ｄｎ２，Ｄｎ３を０．１ｍｍのものを使用した。
ノズルｇは、一番上流側のノズルチップＮｎ１とその隣に位置するノズルチップＮｎ２の通孔の直径Ｄｎ１，Ｄｎ２を０．２ｍｍのものを使用し、ノズルチップＮｎ３の通孔の直径Ｄｎ３を直径Ｄｎ１，Ｄｎ２よりも小さい０．１ｍｍのものを使用した。
ノズルｅ〜ｇすべてにおいて、ノズルチップＮｎ１，Ｎｎ２，Ｎｎ３の通孔の厚みＤｎ１，Ｄｎ２，Ｄｎ３の合計を４．５ｍｍとした。
【００５６】
実験例３では、ノズルｅ〜ｇを使用した高圧噴射処理装置において、ＡＥセンサを前記高圧噴射処理装置のノズルｅ〜ｇで発生する超音波が検出できる場所に取り付け、前記高圧噴射処理装置のノズルｅ〜ｇから噴射圧ＰＮ（ＰＮ：５０，１００，１５０，２００，２４０）を変化させながら原料混合液を高圧噴射処理した。そして、前記高圧噴射処理を行う時に、前記ノズルからの超音波を前記ＡＥセンサによって検出し、各噴射圧ＰＮをパラメータとした場合のＡＥ信号電圧Ｖｒｍｓを計測した。その結果を図１５〜図１７に示す。
【００５７】
図１５〜図１７は、ノズルｅ〜ｇにおける各噴射圧ＰＮのＡＥ信号電圧Ｖｒｍｓの時間経過変化を表すグラフである。
小さい０．１ｍｍの直径Ｄｎ１，Ｄｎ２，Ｄｎ３をもつノズルチップＮｎ１，Ｎｎ２，Ｎｎ３を多段構成にしたノズルｆを使用した場合のＶｒｍｓ（図１６）は、０．１ｍｍのＤｎをもつノズルチップＮｎを単独構成にしたノズルｃを使用した場合のＶｒｍｓ（図１１）よりも、小さなＶｒｍｓしか得られなかった。また、上流側に０．２ｍｍの直径Ｄｎ１，Ｄｎ２をもつノズルチップＮｎ１，Ｎｎ２を配置した多段構成のノズルｇを使用した場合のＶｒｍｓ（図１７）は、０．２ｍｍの直径ＤｎをもつノズルチップＮｎを単独構成にしたノズルｄを使用した場合のＶｒｍｓ（図１２）に近い値となった。そして、上流側に０．１ｍｍの直径Ｄｎ１をもつノズルチップＮｎ１を配置した多段構成のノズルｅを使用した場合のＶｒｍｓ（図１５）は、０．１ｍｍのＤｎをもつノズルチップＮｎを単独構成にしたノズルｃを使用した場合（図１１）に比較して、大きい値を得ることができ、噴射圧ＰＮが５０ＭＰａという低い圧力値であっても、Ｖｒｍｓが約２２０ｍＶの大きな信号を得ることが可能であった。
このように上流側に径の小さなノズルチップを配置し、下流側に上流側よりも径の大きなノズルチップをおくことによって、Ｖｒｍｓが上がった。
【００５８】
（実験例４）
多段のノズルＮ２の実験例４
実験例１、実験例３で使用したノズルｄ〜ｇを用いて、ＰＮ（ＰＮ：５０，１００，１５０，２００，２４０）の変化による平均速度ｖＮ、とＡＥ信号電圧Ｖｒｍｓ（ＡＥ信号電圧の実効値）を計測した。その結果を図１８、図１９に示す。
【００５９】
図１８は、ノズルｄ〜ｇにおける各種噴射圧ＰＮによる平均速度ｖＮ［ｍ／ｓｅｃ］の変化を表すグラフであり、図１９は、ノズルｃ，ｅ〜ｇにおける各種噴射圧ＰＮによるＡＥ信号の電圧Ｖｒｍｓ［ｍＶ］変化を表すグラフである。
上流側に０．２ｍｍのＤｎ１，Ｄｎ２をもつノズルチップＮｎ１，Ｎｎ２を配置した多段構成のノズルｇを使用した場合や上流側に０．１ｍｍのＤｎ１をもつノズルチップＮｎ１を配置した多段構成のノズルｅのｖＮ（図１８）は、０．１ｍｍのＤｎをもつノズルチップＮｎを単独構成にしたノズルａ，ｂ，ｃを使用した場合のｖＮと同じであった。しかし、０．１ｍｍのＤｎ１，Ｄｎ２，Ｄｎ３をもつノズルチップＮｎ１，Ｎｎ２，Ｎｎ３を多段構成にしたノズルｆを使用した場合のｖＮは、理論値のｖＮＪの８０％まで減少した。
【００６０】
実験１〜４の結果の考察
Ｖｒｍｓが大きくなったのは、ノズルチップが厚みくなった場合（単独構成の場合）と、上流側に径の小さなノズルチップを配置し、それ以降の下流側には大きな径のノズルチップを配置した場合（多段構成の場合）であった。また、ｖＮに関しては、単独構成の場合はノズルチップの径に依存し、径が小さいほどｖＮが大きくなった。多段構成の場合は、同一径のノズルチップを多段に配置した場合のみｖＮは遅くなった。この場合、実験時よく詰まる現象が発生し、この構成は実用性に劣ることが分かった。
径が異なるノズルチップを多段に配置した場合のｖＮは、配置したノズルチップのうち最小径をもつノズルチップを単独で使用した場合のｖＮと同じであった。
【００６１】
噴射圧と溶液の速度の関係考察
ここでＰＮとノズル内の溶液の速度を考察するために（表１）のノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５），ｄ（Ｓ０２Ｌ１５）を使用した場合のＰＮに対するｖＮＪ（噴射圧ＰＮの１／２でキャビテーションが起こり、その速度でノズル内を通過すると過程した場合の速度：理論値）の計算を行い、実測値（Ｍｅａｓｕｒｅｄ）との比較を行った。図４１に、上述した噴射圧の半分でジェット流が形成され、その速度でノズル内を通過すると仮定した理論値をｖＮＪとして破線で、実測値のｖＮを実線で示す。
【００６２】
（ａ）はノズルｃ、（ｂ）はノズルｄ、（ｃ）はノズルｉのｖＮＪと実測値ｖＮを示す。Ｗｎ／Ｄｎが１５の（ａ）のｖＮは、ｖＮＪに非常によく一致した。Ｗｎ／Ｄｎが３０の（ｃ）では、ｖＮはＰＮが２００ＭＰａの高圧では１０％程度減少したが、低圧の１００ＭＰａでは同じ値になった。一方、（ｂ）のＷｎ／Ｄｎが４５と大きくなると、抵抗が増加し、ｖＮはｖＮＪより減少した。Ｗｎ／Ｄｎが４５未満なら、噴射圧ＰＮが１００ＭＰａ以上で、ｖＮが３００ｍ／ｓ以上にすることが可能であった。
また、ノズルを多段構成にした場合には、Ｄｎが最小径のノズルチップと同じｖＮになっていることから、ジェット流が発生した後の場所では、流体抵抗が小さいこととが示され、このモデルに問題がないことが確かめられた。効率の高い微細化を行うには、ノズル内のｖＮがｖＮＪに近くなるノズル構成にする必要があることが示された。
【００６３】
（実験例５）
ノズルの通孔径を変化させた場合のノズル内の流体の状態に関する考察（実験例５）
次に、（実験例１）で使用した単独のノズルｃ，ｄを利用し、ノズルｃ（Ｄｎ：０．１ｍｍ、Ｗｎ：１．５ｍｍ），ノズルｄ（Ｄｎ：０．２ｍｍ、Ｗｎ：１．５ｍｍ）のノズル内の流速を、処理時間から計算した。その結果を、表４に示す。
表４は、ノズルｃ（Ｄｎ：０．１ｍｍ、Ｗｎ：１．５ｍｍ）、ノズルｄ（Ｄｎ：０．２ｍｍ、Ｗｎ：１．５ｍｍ）を使用した場合の、ノズル内の流体の状態を示してある。
ここで、ノズル内の層流領域の速度は、ジェット流領域の速度に比べてはるかに小さいと仮定し、ＰＮを５０，１００，１５０，２００，２４０で変化させた場合のノズル内の平均速度ｖＮから、ノズル内のジェット流の径の概算を行った。このとき、ジェット流の速度は噴射圧の１／２の圧力として計算した。ｖＮはシリンダー容量、つまり、１回の処理容量をノズル径と処理時間の積で割ることで、容易に求めることができる。
０．１ｍｍのノズルでは、当然ジェット流の径はＰＮが５０から２４０ＭＰａの範囲で０．０９９ｍｍとほとんど同じであるが、０．２ｍｍのノズルでは、ＰＮが５０から２００ＭＰａの範囲で０．１６７〜０．１７０ｍｍと計算された。
【００６４】
【表４】
2017177037.tif 000013
【００６５】
この結果から、このジェット流の最大径より大きな径をもつノズルでは、その側壁に液体の層流を介するため、大きなせん断力は得られないと考えられ、強い微細化には適さなくなる。これは、ｖＮが大きくノズルチップの通孔の径が０．１６ｍｍ以下であれば、高い微粒化効率が得られることを示している。
【００６６】
ノズル内の流体の状態に関する考察
これらの結果から、ノズル内の流れの状態を考察した結果を図６と７に示す。ここではノズルのノズルチップＮｎ＿ｓａｍｐｌｅ内に発生する流体の流れの状態を示す概略図を示し、図６は通孔の軸に平行な平面で切断した断面図であり、図７は通孔の軸に垂直な平面で切断した断面図である。
ノズルのノズルチップＮｎ＿ｓａｍｐｌｅ内には主に以下（Ｇ），（Ｈ）二つの流体の流れが発生している。
（Ｇ）ジェット流：「ジェット流」とは、原料混合液において流れ方向を軸とした場合に軸中心箇所に発生する流れの速い領域のことであり、軸中心箇所の流れの速い領域と流れの遅い側面周辺領域（層流）の境界部分にキャビテーションによる気泡を含むものを「ジェット流」と定義する。高圧に噴射される原料混合液の流れは、層流から乱流、ジェット流へ変化する。発生したジェット流内部での速度変化（むら）は少ないが、ジェット流の境界での速度差は大きく、ここで大きなせん断力が働きこの周辺部分で微細化現象が起こる。ＡＥ信号も発生する。この部分では境界に気体を介するため流体抵抗は低い。
（Ｈ）層流：「層流」とは、ノズル径が大きな場合、ノズルの通孔の側面周辺領域で発生し、ジェット流領域の周りに発生する流れの遅い定常的な連続流で、流体抵抗が高い。
ノズルのノズルチップＮｎ＿ｓａｍｐｌｅの原料混合液の入口付近において、高圧に加圧された溶液の圧力が運動エネルギーに変換される（エネルギー保存の法則）、その過程で溶液は減圧されてくる。前記溶液がある一定の速度を超えると、キャビテーションが発生し、ノズルチップＮｎ＿ｓａｍｐｌｅ付近では、ジェット流領域と層流領域が発生するようになる（図６）。
このジェット流領域と層流領域の境界で、大きな速度差があり強い微細化作用が起こると考えられる。微細化効率を上げるためには、スーパーキャビテーションによる気泡状態を起こすことなく、このジェット流領域を広げること、つまり、速度が速く、通孔の厚いノズルチップを使用することが微粒化特性の向上に有効になる。
一方、高圧での早い層流部分は、層流内の大きな速度勾配からソフトな解繊処理に使用することができる。
【００６７】
図８は、通孔の直径の異なるノズルチップを利用した場合の通孔内のジェット流と層流の違いを示す概念図であり、（ａ）は通孔の直径Ｄｎが大きいノズルチップを利用した場合の通孔内のジェット流と層流を示し、（ｂ）は通孔の直径Ｄｎが小さいノズルチップを利用した場合の通孔内のジェット流と層流を示したものである。
上述の内容をまとめると、ノズルの通孔の直径を大きくすると層流部分が大きくなることがわかり、以下（Ｉ），（Ｊ）のように考えられる。
（Ｉ）Ｄｎが小さい０．１ｍｍのノズルｃは、通孔全体にほぼジェット流が発生するため、ジェット流領域と層流領域の境界に発生する高圧キャビテーション領域を利用した微細化処理用として使用する（図８（ｂ））。
（Ｊ）Ｄｎが大きい０．２ｍｍのノズルｄは、中央部のみにジェット流が発生するため、その周辺の速度が遅い層流の流れを利用して解繊処理用に利用する（図８（ａ））。
このように、通孔の直径を変更することで、微細化処理用と解繊処理用を切り替えて使用することが可能となる。
【００６８】
多段のノズルを使用した場合のノズル内の流体の状態の考察
図２０は、多段のノズルｆ（同一径のノズルチップを複数組み合わせたもの）内に発生する溶液の流れを示す概略図であり、通孔の軸に平行な平面で切断した断面図である。図２１は、多段のノズルｅ（上流側に径の小さいノズルチップを配置したもの）内に発生する溶液の流れを示す概略図であり、通孔の軸に平行な平面で切断した断面図である。図２２は、多段のノズルｇ（上流側に径の大きなノズルチップを配置したもの）内に発生する溶液の流れを示す概略図であり、通孔の軸に平行な平面で切断した断面図である。
多段のノズルを使用した場合のノズル内の流体の状態に関してであるが、ノズルｆのように、ノズルチップＮｎ１，Ｎｎ２，Ｎｎ３すべての通孔の直径Ｄｎ１，Ｄｎ２，Ｄｎ３を同一のものを使用した場合、上流で発生したジェット流と下流のノズルとの流れの衝突損出によって（図２０）、流速が減少し（図１８）、微細化の効果が減少（図１６）したと考えられる。具体的には、最初のノズルチップで発生したジェット流が次のノズルチップに到達するまでに、周りの層流を巻き込んで高速な流れの径が大きくなり、ノズルチップで、衝突した部分が発生したためであると考えられる。また、ノズルチップの軸のずれによっても同様の現象が発生する。したがって、効率的な微細化処理を行う場合は、ジェット流径の膨張も考慮し、下流側のノズルチップの径を大きくすることが重要であることがわかる。
一方、多段ノズルｅのように一番上流側のノズルチップＮｎ１において、その通孔の直径Ｄｎ１を小さいものを使用し、その他の下流側のノズルチップＮｎ２，Ｎｎ３は、直径Ｄｎ１よりも大きい径Ｄｎ２，Ｄｎ３のものを使用した場合、ジェット流との衝突による速度低下が起きなかったため速度減少もなく（図２１）、微細化効率が上がる（図１５）ものと思われる。
また、多段ノズルｇのように一番上流側のノズルチップＮｎ１とその隣に位置するノズルチップＮｎ２の通孔の直径Ｄｎ１，Ｄｎ２を大きいものを使用し、最も下流側のノズルチップＮｎ３の通孔の直径Ｄｎ３を、直径Ｄｎ１，Ｄｎ２よりも小さいものを使用した場合、上流側の径の大きいノズルチップＮｎ１，Ｎｎ２内では、流量は小さい径のノズルで制限され、ノズルチップＮｎ１，Ｎｎ２内ではジェット流は少なくほとんどが層流領域となっている。このときノズルチップＮｎ３においてジェット流は発生するが、エネルギーの一部がノズルチップＮｎ１，Ｎｎ２内で速度に変換され、かつ層流領域は抵抗が大きく圧力損失があるので、径の小さいノズルチップＮｎ３では、高圧部分のノズルの圧力損出により減圧されるので。ＡＥ信号の大きさは減少する（図１７）。
【００６９】
ＡＥモニタリング装置を用いた高圧噴射処理装置のノズル評価（本発明のモニタリング方法）
本発明の高圧噴射処理装置はＡＥモニタリング装置を用いて、キャビテーションによるＡＥ信号から、ノズルや高圧シリンダー等の装置の性能評価を行なうことができる。
図２３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ノズルで発生する超音波を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懸濁液中を通過し、それが高圧シリンダー、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）。
計測されるＡＥセンサからの信号レベルは、高速な溶液から発生する流体キャビテーション信号ＡＥｓと、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、懸濁液中の材料濃度が高い場合は、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、懸濁液濃度が低い場合は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。そのため粒子の正確な評価はできなくなるが、このＡＥｓはノズル周辺の現象を示しており、それ大きくすることで装置の効率が上がると考えられる。つまり、ノズルの評価にＡＥ信号の大きさを利用することができる。この測定は、溶液のみで１回で評価できる。
【００７０】
本発明のモニタリング機器
図２４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、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、ＡＥ信号を処理してノズルや高圧シリンダー等の性能を判定するプログラムも含まれる。
図２４において、符号５００は高圧シリンダー部、符号４００はノズルである。
【００７１】
図２４において、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。まず噴射物が水などの溶液のみ場合を考える。キャビテーション数σから流体のキャビテーション状態を推測すると、σ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。ノズル４００の出口付近では、径の大きな低圧チャンバーで減圧され、σ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っている。こ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。
【００７２】
次に、ノズル４００内に粒径が数ミクロンの大きな粒子がある懸濁液の場合には、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、懸濁液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。
【００７３】
実際の計測では、図２４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懸濁液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２４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、溶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。
【００７４】
ノズル４００内にはＡＥ信号にはＡＥｐとＡＥｓの発生源があり、図２４のようにＡＥセンサ９を取り付けた場合、懸濁液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懸濁液では、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。
【００７５】
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、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、懸濁液の材料濃度が高い場合は、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、懸濁液の材料濃度が低い場合はＡＥｓが大きくなるため、粒径の情報をもつＡＥｐは埋もれてしまうが、ＡＥｓはノズル周辺の現象を示しており、それ大きくすることで装置の効率が上がると考えられ、この情報を高圧シリンダーなどのそれを駆動させる高圧発生部を含めたノズルの微粒化特性の評価として使用することができる。
【００７６】
図２５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２５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。
粒子の溶液中の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２５（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２５（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２５（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懸濁液を作製することができる。
【００７７】
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、低圧チャンバー内の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、懸濁液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２５（ｃ））。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。
【００７８】
図２６（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２６（ｂ）は、コントロール基準として、水だけをノズル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、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２４、図２６）。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２６）。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。しかし、大きな低周波信号で増幅アンプが飽和することもあり、高感度な計測には適さない欠点がある。
【００７９】
（実験例６）
ノズルチップの通孔の直径の違いによるセルロースの微細化状態の変化
本発明の高圧噴射処理装置のノズルとして単独のノズルＮ１である（表１）のノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５），ｄ（Ｓ０２Ｌ１５）を使用して、水に対して濃度が２％のセルロース粉を含む原料混合液１０を、ＰＮが２００ＭＰａの条件で繰り返し高圧噴射処理した。粒度分布の測定には、動的光散乱方式のマルバーン社のゼータサイザーナノＺＳを用いて測定した。代表的なＮＰが５の場合とＮＰが２０の場合の懸濁液２０中に存在するセルロースファイバーの粒度分布を図２７に示す。このファイバーの粒度分布に関しては、個数基準で記載してある。
【００８０】
図２７は、ノズルｃ，ｄにおける懸濁液２０中に存在するセルロースファイバー径（ｎｍ）の百分率度（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）（％）を示すグラフであり、（ａ）はＮＰが５の場合であり、（ｂ）はＮＰが２０の場合である。
ノズルチップのＤｎが０．１ｍｍのノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５）とノズルチップのＤｎが０．２ｍｍのノズルｄ（Ｓ０２Ｌ１５）を比較すると、ＮＰが５の場合とＮＰが２０の場合のどちらの場合でも、ノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５）を使用して高圧噴射処理を行った懸濁液２０が、液中にファイバー径の小さいセルロースが存在する割合が高くなった。このことは、Ｄｎが小さいノズルチップを使用したほうが微細化効果が高くなることを示している。
【００８１】
（実験例７）
ノズルチップの厚みの違いによるセルロースの微細化状態の変化
本発明の高圧噴射処理装置のノズルとして単独ノズルＮ１である（表１）のノズルｂ（Ｓ０１Ｌ０９），ｃ（Ｓ０１Ｌ１５）と、（表２）のノズルｈ（Ｓ０１０１０１Ｌ４５）を使用して、セルロースを含む原料混合液１０を、ＰＮが２００ＭＰａの条件で繰り返し高圧噴射処理した。代表的なＮＰが５の場合とＮＰが２０の場合の懸濁液２０中に存在するセルロースファイバーの粒度分布を測定した。その結果を図２８と図２９に示す。
ここでノズルｈは、通孔の直径Ｄｎ１，Ｄｎ２，Ｄｎ３であるノズルチップを連続して間隔を空けずにつなぎ合わせることで形成したものである。
【００８２】
図２８は、ノズルｂ，ｃ，ｈにおける懸濁液２０中に存在するセルロースファイバー径（ｎｍ）の百分率度（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）（％）を示すグラフであり、（ａ）は噴射回数ＮＰが５の場合であり、（ｂ）は噴射回数ＮＰが２０の場合である。図２９は、ノズルｂ，ｃ，ｈにおける高圧噴射処理の懸濁液２０中のセルロースの平均径ＤのＮＰ依存性を示すグラフである。
ノズルチップのＷｎが０．９ｍｍのノズルｂ（Ｓ０１Ｌ０９）、ノズルチップのＷｎが１．５ｍｍのノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５）およびノズルチップの通孔の厚みの合計が４．５ｍｍのノズルｈ（Ｓ０１０１０１Ｌ４５）を比較すると、ＮＰが５の場合とＮＰが２０の場合のどちらの場合でも、ノズルｈ（Ｓ０１０１０１Ｌ４５）、ノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５）、ノズルｂ（Ｓ０１Ｌ０９）の順に高圧噴射処理を行った懸濁液中に、ファイバー径の小さいセルロースが存在する割合が高くなることが示された。Ｗｎが大きいノズルチップを使用した方が、微細化の効果は高くなった。
【００８３】
（実験例８）
ノズルホルダーの通孔の直径の違いによるセルロースの微細化状態の変化
本発明の高圧噴射処理装置のノズルとして単独ノズルＮ１である（表１）のノズルａ（Ｓ０１Ｌ０９Ｄ１０−３０）（ノズルホルダーの通孔の直径Ｄｈが１０ｍｍ〜３０ｍｍ）とノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５Ｄ０８）（Ｄｈが０．８ｍｍ）を使用して、セルロースを含む原料混合液１０を、ＰＮが２００ＭＰａの条件で繰り返し高圧噴射処理した。ＮＰが２０の場合のそれぞれの懸濁液２０中に存在するセルロースファイバーの粒度分布を図３０に示す。
【００８４】
図３０は、ノズルホルダーの通孔の直径の違いにおける懸濁液２０中に存在するセルロースファイバー径（ｎｍ）の百分率度（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）（％）を示すグラフであり、図３１は、ノズルホルダーの通孔の直径の違いによるノズル内の現象を表す概念図であり、（ａ）はノズルホルダーの通孔の直径が小さい場合（０．８ｍｍ）であり、（ｂ）はノズルホルダーの通孔の直径が大きい場合（１０ｍｍ−３０ｍｍ）である。
ノズルホルダーのＤｈが０．８ｍｍのノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５Ｄ０８）、Ｄｈが１０ｍｍ―３０ｍｍのノズルｉ（Ｓ０１Ｌ０９Ｄ１０−３０）を比較すると、ノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５Ｄ０８）を使用して高圧噴射処理を行った懸濁液２０が、液中にファイバー径の小さいセルロースが存在する割合が高くなった。したがって、通孔の直径が小さいノズルホルダーを使用した場合のほうが、微細化効果が大きくなった。これは、Ｄｈが小さいノズルホルダーを使用した方が、原料混合液１０がノズルチップ領域からノズルホルダー領域へ流れる際に圧力低下が少ないため、高圧領域が拡大していることを示している。ノズルチップ内と同様の効果が、ノズルホルダー内でも発生すると考えられる。一方、Ｄｈが大きいノズルホルダーを使用した場合には、原料混合液１０がノズルチップ領域からノズルホルダー領域へ流れる際に急激な圧力減少が生じ、すぐにスーパーキャビテーション状態に移行し、攪拌作用のみになってしまうと考えられる。
【００８５】
（実験例９）
多段のノズルＮ２，Ｎ３の違いによるセルロースの解繊変化
本発明の高圧噴射処理装置のノズルとして多段のノズルＮ２，Ｎ３である（表３）のノズルｅ（Ｍ０１０２０２），ｆ（Ｍ０１０１０１），ｇ（Ｍ０２０２０１）と、比較例として単独のノズルＮ１である（表１）のノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５）を使用して、セルロースを含む原料混合液１０を、ＰＮが２００ＭＰａの条件で繰り返し高圧噴射処理した。代表的なＮＰが５の場合と、ＮＰが２０の場合の懸濁液２０中に存在するセルロースファイバーの粒度分布を図３２と図３３に示す。
【００８６】
図３２は、ノズルｃ，ｅ，ｆ，ｇにおける懸濁液２０中に存在するセルロースファイバー径（ｎｍ）の百分率度（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）（％）を示すグラフであり、（ａ）はＮＰが５の場合であり、（ｂ）はＮＰが２０の場合である。図３３は、ノズルｃ，ｅ，ｆ，ｇを使用した場合のセルロースの平均ファイバー径ＤのＮＰ依存性を示すグラフである。
ＮＰが５の場合とＮＰが２０の場合のどちらの場合でも、ノズルｅ（Ｍ０１０２０２）を使用して高圧噴射処理を行った懸濁液２０が、液中にファイバー径の小さいセルロースが存在する割合が高くなった。一方、全てのノズルチップのＤｎが同じサイズ（０．１ｍｍ）であるノズルｆ（Ｍ０１０１０１）は、ＮＰが５の場合と２０の場合のどちらの場合でも、その他のノズルの中で、液中に一番径の大きいセルロースが存在する割合が高くなった。したがって、一番上流側に位置するノズルチップＮｎ１の通孔の直径Ｄｎ１を一番小さくし（０．１ｍｍ）、その他のノズルチップＮｎ２，Ｎｎの通孔の直径Ｄｎ２，Ｄｎ３を前記ノズルチップＮｎ１の通孔の直径Ｄｎ１よりも大きい値（０．２ｍｍ）としたノズルＮ２が微細化処理に一番適していることがわかる。全てのノズルチップの通孔の径が同じサイズ（０．１ｍｍ）であるノズルは、流速の低下により微細化特性は劣化した。
【００８７】
（実験例１０）
各種のノズルＮ１，Ｎ２，Ｎ３の違いによるセルロースの粘度変化
本発明の高圧噴射処理装置の単独のノズルＮ１である（表１）のノズルｂ（Ｓ０１Ｌ０９），ｃ（Ｓ０１Ｌ１５），ｄ（Ｓ０２Ｌ１５）の３種類のノズルを使用して、ＰＮを２００ＭＰａで、セルロース粉を２％濃度含む原料混合液１０を、ＰＮが２００ＭＰａの条件で繰り返し高圧噴射処理した。
また、本発明の高圧噴射処理装置の多段のノズルＮ２である（表３）のノズルｅ（Ｍ０１０２０２），ｆ（Ｍ０１０１０１），ｇ（Ｍ０２０２０１）と、比較例として単独のノズルＮ１である（表１）のノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５）に対して、単独ノズルＮ１と同様のＰＮ、原料混合液１０を、ＰＮが２００ＭＰａの条件で繰り返し高圧噴射処理した。この場合のＮＰを変化させた場合の懸濁液２０中のセルロースの粘度ηを図３４に示す。
【００８８】
単独ノズルＮ１による粘度ηの変化の考察
図３４は、各種ノズルＮ１，Ｎ２，Ｎ３における懸濁液２０中のセルロースのηのＮＰ依存性を示すグラフであり、（ａ）は単独のノズルＮ１を使用した場合であり、（ｂ）は多段のノズルを使用した場合である。
単独ノズルＮ１の場合、ノズルチップのＷｎが大きいほど少ないＮＰでηが上昇した。このことは、ノズルチップのＷｎの大きさによって高圧キャビテーション領域が拡大することを意味している。結果として、ノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５）はノズルｂ（Ｓ０１Ｌ０９）の２倍の処理能力を示している。
一方、ノズルｈ（Ｓ０１０１０１Ｌ４５）は、ＮＰが少ない場合はηが上昇しないが、ＮＰの増大に伴って徐々にηが上がることが確認できた。これは、速度が遅いためにせん断力が小さくなるが、微細化の効果がある高圧領域がある程度維持されるためと考えられる。
セルロースのηの変化を見ると、ηは最初は水とほぼ同じ１ｍＰａ・ｓｅｃであるが、ＮＰが１０になると、２７０ｍＰａ・ｓｅｃと非常に大きくなった。このことは、ηの変化が大きくても、処理時間は変わらなかった。つまり、ノズル内のジェット流の速度はほとんど変わらないことを示している。この結果は、ノズル内は層流ではなく、粘性に依存しないジェット流の状態になっていることを示している。
流れが遅く層流を一部に含むと考えられるノズルｄ（Ｓ０２Ｌ１５）は、ηの上昇が最も少なかった。つまり、ノズルに求められる性能としては、流体抵抗が少なくノズル全体がジェット流になる構造で、ノズルチップ側壁と接する側面を大きくした構造がその効率に優れると考えられる。
多段構成にした場合には、ノズルホルダーの通孔の径はなるべく小さい方が、ノズルチップ以降の圧力が下がりにくく、微粒化に有効な高圧キャビテーション領域が上昇し、効率が上がると考えられる。
ノズルチップのＤｎが０.２ｍｍのノズルを使用し、噴射圧ＰＮを２００ＭＰａで高圧処理した場合のジェット流の径が約０．１６ｍｍであることを考えると、最適なノズルチップのＤｎは０.１６ｍｍ以下で、その厚みをＷｎとすると、Ｗｎ／Ｄｎが１５から４５以下のノズルが、最も微粒化効率が高いと考えられる。計測されたＡＥ信号電圧Ｖｒｍｓの大きさもηの上昇の傾向と一致し、このＶｒｍｓの値をノズルの微細化性能の定量的な指針とすることができる。
【００８９】
多段のノズルＮ２，Ｎ３による粘度ηの変化の考察
ノズルｅ（Ｍ０１０２０２）のみノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５）の特性を上まわった。これは、ノズル下流の高圧領域の拡大とともに、ジェット流周辺部の溶液の攪拌の効果により、数μｍのセルロースの塊が完全に解繊し、ファイバー状の粒子密度が増大したことによる。そのため、ノズルｅ（Ｍ０１０２０２）で、処理した懸濁液の透明度が最も高くなった。
一方、ノズルｇ（Ｍ０２０２０１）のようなノズルの下流側にノズルチップのＤｎが小さいものを配置した構成では、ノズルの上流側において層流部の圧力が損失した後にジェット流が発生するために、微粒化効率は減少した。
【００９０】
（実験例１１）
ノズルＮ１，Ｎ２，Ｎ３を使用して高圧噴射処理を行った懸濁液２０中のセルロースの構造変化に関して
本発明の高圧噴射処理装置のノズルＮ１，Ｎ２，Ｎ３である（表１）のノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５）と、（表３）のノズルｅ（Ｍ０１０２０２），ｇ（Ｍ０２０２０１）を使用して、ＰＮを２００ＭＰａの条件で高圧噴射処理を２０回行い、乾燥させたセルロース膜を作製した。その膜のＸ線回折パターン分析と、乾燥試料の電子顕微鏡観察を行った。観察倍率は３００倍および５０００倍にし、微細構造を観察した。その結果を図３５、図３６、図３７に示す。
【００９１】
図３５は、ノズルＮ１，Ｎ２，Ｎ３を使用して高圧噴射処理を行ったセルロース膜の回折パターンを示す図であり、図３６は、ノズルｅ（Ｍ０１０２０２）を使用して高圧噴射処理を行ったセルロースの電子顕微鏡像であり、（ａ）は３００倍拡大像であり、（ｂ）は５０００倍拡大像である。図３７は、ノズルｇ（Ｍ０２０２０１）を使用して高圧噴射処理を行ったセルロースの電子顕微鏡像であり、（ａ）は３００倍拡大像であり、（ｂ）は５０００倍拡大像である。
解繊タイプのノズルｇ（Ｍ０２０２０１）で高圧噴射処理を行ったセルロースが最も（２００）のピークが高く、構造を破壊せずに解繊できたことを示してる。
また解繊タイプのノズルｇ（Ｍ０２０２０１）とノズルｅ（Ｍ０１０２０２）で高圧噴射処理したセルロースの電子顕微鏡像を比較すると、解繊タイプのノズルｇ（Ｍ０２０２０１）には繊維が絡まった状態が観察された。高倍率で拡大した像では、ファイバー径はより細くなっていた。よって、解繊タイプのノズルｇ（Ｍ０２０２０１）は、セルロースをソフトに解繊し、繊維状の構造に損傷を与えていないことが分かった。
以上の結果から、こちらの構成の方が結晶への損傷も少なく、ファイバー長が長い傾向を示していた。したがって長いファイバー作製する場合には、このノズル構成にし、高圧での高速な層流を利用した損傷の少ない微細化処理が適していた。単に噴射圧ＰＮを下げるのでなく、ノズル構成によって調整し、噴射圧力をその役割に応じて使用することで、処理プロセス全体の効率を構造させることができる。
【００９２】
（実験例１２）
単独ノズルＮ１によるＰＺＴ粉体の粒度分布
ＰＺＴ粉体の約３０ｗｔ％の懸濁液を原料混合液１０として、（表１）のノズルｂ（Ｓ０１Ｌ０９），ｃ（Ｓ０１Ｌ１５）を使用して、ＰＮを２００ＭＰａの条件で２回処理（ＮＰが２）を行った。処理後の懸濁液２０中に存在するＰＺＴ粉体の粒度分布を図３８に示す。この微粒子の粒度分布に関しては、体積基準で記載してある。
【００９３】
図３８は、ノズルｂ，ｃにおける懸濁液２０中に存在するＰＺＴ粉体の径（ｎｍ）の百分率度（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）（％）を示すグラフである。
ノズルチップの通孔の厚みＷｎが大きいほど、高い微粒化性能を示した。
【００９４】
（実験例１３）
単独ノズルＮ１によるナノサイズアルミナ微粒子の径の変化
ナノサイズアルミナ微粒子を原料混合液１０の原料として、（表１）のノズルｂ（Ｓ０１Ｌ０９），ｃ（Ｓ０１Ｌ１５）を使用して、ＰＮが２００ＭＰａの条件で処理を行った。代表的なＮＰが５，１０，２０の場合の懸濁液２０中に存在するナノサイズアルミナ微粒子の径（ｎｍ）の百分率度（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）（％）と、アルミナ微粒子の平均径ＤのＮＰ依存性を評価した。その結果を図３９、図４０に示す。この微粒子の粒度分布に関しては、体積基準で記載してある。
【００９５】
図３９は、ノズルｂ，ｃにおける懸濁液２０中に存在するナノサイズアルミナ微粒子の径（ｎｍ）の百分率度（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）（％）を示すグラフであり、（ａ）はＮＰが５の場合であり、（ｂ）はＮＰが１０の場合であり、（ｃ）はＮＰが２０の場合である。図４０は、アルミナ微粒子の平均径ＤのＮＰ依存性を示すグラフである。
どのＮＰでも、ノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５）はノズルｂ（Ｓ０１Ｌ０９）よりも、小さな径になっていることが分かる。アルミナ微粒子の平均径Ｄが１５０ｎｍになるＮＰを比較するとノズルｃ（Ｓ０１Ｌ１５）はノズルｂ（Ｓ０１Ｌ０９）に比べて４倍の性能を持っていた。ゼータ電位Ｖζに関しては、両者の違いはあまりなかった。この結果は１００ｎｍのサイズの粒子においても、ノズルチップを厚くすることで微粒化効率が進むことが確認できた。
【００９６】
（実験例１４）
（表１）のノズルａを使用し、２％濃度のセルロースを処理した場合のＮＰのＡＥ信号電圧Ｖｒｍｓの変化を計測した。ここでのＰＮは２００ＭＰａである。
その結果を図４３に示す。図４３は、各噴射回数ＮＰにおけるＡＥ信号電圧の時間経過変化を表すグラフである。粘度ηは初期の１ｍＰａ・ｓｅｃ程度から、ＮＰが１０で、１４０ｍＰａ・ｓｅｃにも上昇しているにも関わらず、その処理時間は２．２５秒と、ほとんど変化しなかった。このことはノズル内の平均速度がほぼ一定であることを示している。一方、ＶｒｍｓはＮＰが１０まで、ＮＰに比例して上昇するが、それ以降上昇は少なくなった。この変化はηの変化と良く対応し、セルロースの微細化の状態を上手くモニタリングできていることが分かる。
【００９７】
以上をまとめると、ノズルや高圧シリンダー等の高圧噴射処理装置の微細化特性の定量的性能評価に、ＡＥ信号電圧Ｖｒｍｓの大きさを使用することは非常に有効で、その値が大きいほど微粒化効果は高かった。また、Ｖｒｍｓには大きな速度依存性があることが分かった。つまり高圧領域を長くしても、微粒化のせん断力に関連する速度が大きくなければ、高い微細化効果は得られなかった。その境界の速度は３００ｍ／ｓ周辺であった。つまりノズル構造とともに３００ｍ／ｓ以上の速度が達成できることで、高い微粒化性能を実現することができる。
そして、以下（ア）、（イ）、（ウ）を導き出すことができる。
（ア）同じ径なら、ノズルチップが厚い方が、大きなＡＥ信号電圧が得られた。
（イ）ノズルチップを積層するよりも分割した方が速度減少が少なく、大きなＡＥ信号電圧が得られた。
（ウ）高圧側に径の小さなノズルチップを置く方が、低圧でも大きなＡＥ信号電圧が得れていた。
【００９８】
（実験例１５）
（表１）（表２）（表３）に示すノズルｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉを高圧噴射処理装置に取り付け、原料混合液を高圧噴射処理し、ＡＥ信号を計測した。その解析から平均速度ｖＮに対するＶｒｍｓを求めた結果を図４２に示す。これは、これまで実施したｖＮとＶｒｍｓ関係をまとめたグラフであり、（ａ）はノズルチップの通孔の直径と厚みを変化させたノズルの結果を示し、（ｂ）は積層ノズルと多段ノズルの結果を示し、（ｃ）多段ノズルの結果を示す。
Ｄｎが０．１ｍｍで、Ｗｎが０．９ｍｍと薄い場合、ｖＮが４００ｍ／ｓより大きくなるとＶｒｍｓが大きくなった。厚みＷｎが１．５ｍｍになると、その倍程度の大きさに変化した。Ｗｎ／Ｄｎの高い単独ノズルでは、３００ｍ／ｓを超えると急激にｖＮが大きくなった。つまり、３００ｍ／ｓ以上の平均速度と、それを活かすノズル構造が必要になることが分かる。多段にした方がｖＮに比例してＶｒｍｓが大きくなる傾向があった。このことは、厚みが大きいほど、ＡＥ信号が大きくなることを示している。
ＤＮを０．２ｍｍにすると、ｖＮが３００ｍ／ｓ以上でＶｒｍｓは急激に大きくなった。これは、ＤＮを大きくするとノズル内でのジェット流境界の表面積が多くなるため、計測されるＡＥ信号量が増加することを示している。
また、ノズルチップを積層より多段にした方が、ｖＮの減少が少なくＡＥ信号は大きくなった。これは、ＡＥ信号が大きくなることからも、ノズルを多段構成にし、それらのノズルホルダー部分を利用することで、高圧領域がより拡大できることを示している。多段構成の中では、上流側にＤｎが小さい０．１ｍｍの通孔径のノズルチップを配置し、それ以降、ジェット流の速度減少が起きないような構成で、かつ高圧が維持できるようにしたノズルが最もＡＥ信号が大きくなった。つまり、その構成のノズルが最も微粒化特性が良いことになる。これらの傾向は、実際に各種ノズルを使用した場合のセラミックやセルロース処理の粒径変化と良く対応がとれていた。つまり、ＡＥ信号の大きさにより、ノズルの微粒化性能を定量的に評価できることが示された。
【００９９】
一方、ジェット流の境界で最も大きなせん断力が働き、その周辺で微細化処理が進む。その高圧キャビテーション部分からＡＥ信号が発生とするので、Ｄｎを大きくすることで、その表面付近の強い微細化領域は増加し、ＡＥ信号も大きくなると考えられるが、ジェット流の中心部は流れの速度差があまりないため、境界領域ほど大きな微細化効果は期待できない。そのため単独ノズルでは、ＤｎによるＡＥの大きさと、処理効率は必ずしも一致しない場合がある。その場合、その表面積で規格化すれば良いことになる。
また、高圧に加圧するシリンダー部のポンプ能力や配管の膨張などから、急激に数百ＭＰａに加圧できない場合もある。この場合、圧力の立ち上がりが鈍り、溶液の速度が規定値に達しない時間が発生する。ここで処理された懸濁液は、微細化効果がほとんど無い状態でノズル内を通過することになり、未処理部分が増加し、全体として処理効率が劣化する。この微細化効果のモニターリングとしてＡＥ信号の変化が有効であると考えられ、その平均値でノズルや装置の微細化に関する性能評価が可能になる。
【０１００】
以上、本実施の形態では、ボール衝突チャンバーを配置したもので説明したが、本発明は、ボール衝突チャンバーに限らずシングルノズルチャンバー、斜向衝突チャンバー等も適用可能である。このように、本発明は本実施の形態に限られず、湿式の微細化装置に広く適用可能である。
【符号の説明】
【０１０１】
Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３                本発明の高圧噴射処理装置のノズル、
Ｎｎ，Ｎｎ１，Ｎｎ２，Ｎｎ３    ノズルチップ、
Ｎｈ，Ｎｈ１，Ｎｈ２，Ｎｈ３    ノズルホルダー、
１                              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、
４０                            チャンバー、
４００                          本発明の高圧噴射処理装置のノズル、
４０２                          出口、
５００                          高圧シリンダー部、
６００                          ＡＥ信号の主な伝搬経路、
ＡＥｍ                          計測されるＡＥ信号の強度、
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、
Ｖｒｍｓ                            ＡＥ信号電圧
【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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