JP2009000642A - 乳化及び粉砕装置、乳化及び粉砕方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した乳化ができるばかりでなく、ガソリンを乳化したエマルジョン燃料を製造することができ、ナノメーターレベルへの極細かな粉砕が可能な乳化及び粉砕装置を提供する。
【解決手段】平滑な円筒状の内周面を有すると共に内外方向に貫通する複数のスリットが形成された外側ロータと、平滑な円筒状の外周面を有すると共に内外方向に貫通する複数のスリットが形成され、外側ロータに挿入されることにより外周面が外側ロータの内周面と微小な隙間を有して対面する内側ロータと、処理材料の入口及び出口が形成され、外側ロータと内側ロータとが組み付けられたロータアッシーを回転自在に収納するケースと、外側ロータ及び内側ロータを逆方向に回転させる駆動手段とを有している。ケースの入口から導入された処理材料が外側ロータと内側ロータとの間の隙間に入った後、これらの隙間を通過してスリットからケースの内部に流れ出る。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガソリンやオイル等の疎水性液体を水と乳化させるための乳化処理を行ったり、粉体を極めて細かく粉砕する処理を行うための乳化及び粉砕装置に関する。又、本発明は、上記処理を行うための乳化及び粉砕方法に関する。

特開平５−４９９１２号公報には、疎水性液体を水と乳化させる乳化装置が記載されている。この装置は、回転するロータをステータ内に挿入し、ステータを回転させながらロータとステータとの間に液体を通過させる構造となっている。又、ステータの内周面に突起状の刃体を複数形成する一方、ロータの外周面にも突起状の刃体を複数形成し、これらの刃体の間に液体を通過させることにより液体に剪断力を付与して乳化させるようになっている。

特開２０００−２７９７８７号公報には、土壌等の粉体を粉砕する粒状化装置が記載されている。この装置は、外側ロータの内部に内側ロータを偏心させて挿入し、外側ロータ及び内側ロータを逆方向に回転させながら、これらの間に粉体を供給して粉砕する構造となっている。外側ロータ及び内側ロータには、相手側に突出する刃体を形成し、これらの刃体を通過する粉体を粉砕するようになっている。
特開平５−４９９１２号公報 特開２０００−２７９７８７号公報

しかしながら、上述した従来装置では、乳化を十分に行うことができないと共に極細かい粒子にまで粉砕することができない問題を有している。このため、特開平５−４９９１２号公報の装置を用いる場合には、疎水性液体、水の他に乳化剤としての界面活性剤を多く用いる必要がある。さらに、同公報の装置では、ガソリンを乳化させることができず、例えば、ガソリンと水とが乳化されたエマルジョン燃料を製造する装置としては不向きとなっている。特開２０００−２７９７８７号公報の装置では、極細かな粒子に粉砕できないため、粉砕された粉体の適用範囲が限定されている。さらに、いずれの装置においても、乳化専用又は粉砕専用のいずれか一方に用いられるものであり、乳化及び粉砕の双方に適用できる汎用性を有していない。

本発明は、以上の従来装置の問題点を考慮してなされたものであり、界面活性剤を用いなくても乳化ができるばかりでなく、ガソリンを乳化したエマルジョン燃料を製造することができ、更には、ナノメーターレベルへの極細かな粉砕を行うことができる乳化及び粉砕装置、乳化及び粉砕方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明の乳化及び粉砕装置は、平滑な円筒状の内周面を有すると共に内外方向に貫通する複数のスリットが形成された外側ロータと、平滑な円筒状の外周面を有すると共に内外方向に貫通する複数のスリットが形成され、前記外側ロータに挿入されることにより前記外周面が外側ロータの内周面と微小な隙間を有して対面する内側ロータと、処理材料の入口及び出口が形成され、前記外側ロータと内側ロータとが組み付けられたロータアッシーを回転自在に収納するケースと、外側ロータ及び内側ロータを逆方向に回転させる駆動手段とを有して構成されており、前記ケースの入口から導入された処理材料が外側ロータと内側ロータとの間の隙間に入った後、これらの隙間を通過して前記スリットからケースの内部に流れ出ることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の乳化及び粉砕装置であって、前記外側ロータの内周面と内側ロータとの外周面との隙間がナノメーターレベルであることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の乳化及び粉砕装置であって、前記外側ロータ及び内側ロータは、回転軸が一直線上に位置していることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の乳化及び粉砕装置であって、前記外側ロータの内周面又は内側ロータの外周面の少なくとも一方にダイヤモンドチップが埋め込まれていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の乳化及び粉砕装置であって、前記内側ロータの内周面に羽根プレートが設けられていることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の乳化及び粉砕装置であって、前記羽根プレートの表面にダイヤモンドチップが埋め込まれていることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項記載の乳化及び粉砕装置であって、前記外側ロータの外面が磁石膜によって覆われていることを特徴とする。

請求項８記載の発明の乳化及び粉砕方法は、外側ロータの平滑な円筒状の内周面と内側ロータの平滑な円筒状の外周面とを微小な隙間を介して対面させ、前記外側ロータ及び内側ロータを逆方向に回転させながら処理材料を前記隙間内を通過させて処理することを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項８記載の乳化及び粉砕方法であって、前記外側ロータの内周面と内側ロータの内周面との隙間をナノメーターレベルに設定することを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項８又は９記載の乳化及び粉砕方法であって、前記隙間内を通過した処理材料を再度、隙間内に供給する循環を繰り返すことを特徴とする。

本発明によれば、外側ロータと内側ロータとを組み付けた状態において、外側ロータの内周面と内側ロータの外周面との間の隙間がナノメーターレベル等の微小な隙間となっている。そして、外側ロータ及び内側ロータを逆方向に回転させながら外側ロータと内側ロータとの間の隙間に処理材料を導入すると、処理材料には、剪断力や混合力等の処理力がナノメーターレベルで作用する。これにより、液体粒子をナノメーターレベルの極細かな粒子とすることができ、処理材料だけでの乳化が可能となり、乳化剤が不要となる。又、極めて細かな粒子となるため、ガソリン等の界面力が大きく乳化しにくい材料であっても、乳化剤を用いることなく水との乳化が可能となる。従って、エマルジョン燃料を製造することができる。さらに、処理材料が粉体の場合には、ナノメーターレベルの極めて細かな粒子となるため、応用範囲が拡大する。例えば、カーボン等を粉砕したものを自動車用バッテリーの電極に適用した場合、大きな負荷電流にも対応できるばかりでなく、極めて長寿命となる。

以下、本発明を図示する実施形態により具体的に説明する。なお、各実施形態において同一の部材には同一の符号を付して対応させてある。

（第１実施形態）
図１〜図３は本発明の第１実施形態における乳化及び粉砕装置１を示す。乳化及び粉砕装置１は、ケース２とケース２内に収納されたロータアッシー３と、駆動手段４とを備えている。

ケース２は中空状となっており、その内部に収納室５が形成され、収納室５内にロータアッシー３が収納される。ケース２は処理材料の入口６と出口７とを有している。この実施形態において入口６はケース２の上部に設けられ、出口７はケース２の側面下部に設けられている。処理材料１００は入口６を通じてロータアッシー３内に導入され、ロータアッシー３から流出した後、収納室５を通って出口７から排出される。

ロータアッシー３は外側ロータ１０と内側ロータ２０とが組み付けられることにより構成される。外側ロータ１０及び内側ロータ２０は、剛性が高く、且つ耐摩耗性が大きく、更には耐腐食性を有した材質が用いられる。この材料としては、例えば、ステンレス、ＴｉＣ等の超硬質合金を用いることができる。

図３に示すように、外側ロータ１０は有底円筒形状に形成されており、その内周面（図示省略）は円筒状となっている。又、内周面は研磨により平滑な面に加工されている。外側ロータ１０には、複数のスリット１１が形成されている。複数のスリット１１は、外側ロータ１０の内外方向に貫通するものであり、外側ロータ１０における側面に等間隔となるように形成されている。

又、外側ロータの頂面１０ａには導入用スリット１２が内外方向に貫通するように形成されている。導入用スリット１２は、ケース２の入口６からの処理材料１００をロータアッシー３の内部に導入するものである。導入用スリット１２は外側ロータ１０の回転中心を中心とした所定長さの円弧状となっており、等間隔で複数が形成される。

図１及び図３に示すように、外側ロータ１０は駆動手段４の構成部材である第１モータ４ａに接続されている。第１モータ４ａの回転軸４ｃは外側ロータの頂面１０ａの中心に連結されており、第１モータ４ａが矢印Ｒ方向に回転すると外側ロータ１０を同方向Ｒに回転させる。

内側ロータ２０は、図３に示すように外側ロータ１０と同様に有底円筒形状に形成されている。内側ロータ２０の外周面２３は円筒状となっており、研磨によって平滑な面に加工されている。内側ロータ２０にも、複数のスリット２１が形成される。複数のスリット２１は、内側ロータ２０の内外方向に貫通するように形成されており、外側ロータ１０のスリット１１と同様に内側ロータ２０の側面に等間隔となるように設けられている。

内側ロータ２０は外側ロータ１０の内部に挿入され、この挿入によってロータアッシー３が組み付けられる。内側ロータ２０及び外側ロータ１０を組み付けた状態においては、外側ロータ１０の内周面と内側ロータ２０の外周面２３とが微小な隙間を有して対面する。この対面状態においては、外側ロータ１０のスリット１１と内側ロータ２０のスリット２１とが略同じ位置となる。

図１及び図３に示すように、内側ロータ２０は駆動手段４の構成部材である第２モータ４ｂに接続されている。第２モータ４ｂの回転軸４ｄは内側ロータ２０の底面の中心に連結されており、第２モータ４ｂが矢印Ｌ方向に回転すると内側ロータ２０を同方向Ｌに回転させる。内側ロータ２０の回転方向Ｌは、外側ロータ１０の回転方向Ｒとは逆となっている。

外側ロータ１０の内周面と内側ロータ２０の外周面２３との隙間は、できる限り小さいことが望ましい。この間隔としては、ナノメーターレベル（ｎｍレベル）が良好である。ｎｍレベルとすることにより、後述するように、界面活性剤を必要としない乳化ができると共に、粉体を極めて細かに粉砕することができる。隙間をｎｍレベルとする加工は、数値制御を行うことにより可能である。

図１及び図３に示すように、駆動手段４を構成する第１モータ４ａ及び第２モータ４ｂはそれぞれの回転軸４ｃ、４ｄが一直線上に位置している。このように回転軸４ｃ、４ｄが一直線上に位置することにより、ｎｍレベルの隙間で対面していても、外側ロータ１０と内側ロータ２０はかじることなく円滑に回転することができる。

次に、この実施形態の乳化及び粉砕装置１を用いた乳化処理について説明する。モータ４ａ、４ｂを駆動して外側ロータ１０及び内側ロータ２０を逆方向に回転させる。これらのロータ１０、２０の回転数としては、５０００〜６００００ｒｐｍの範囲で適宜選択することができる。又、用いる処理材料１００の性状、材質によっても適宜選択できるものである。

ロータ１０、２０の回転状態に対し、ケース２の入口６からオイル等の疎水液体、水を注入する。注入された疎水液体及び水は、ｎｍレベルとなっている外側ロータ１０の内周面と内側ロータ２０の外周面２３との隙間を通過する。隙間を通過する際には、剪断力や混合力がｎｍレベルで作用し、疎水液体を水がナノ化される。これにより、疎水液体及び水とが乳化したエマルジョンとなる。生成したエマルジョンは、外側ロータ１０のスリット１１からケース２の収納室５内に流出し、出口７から排出される。このように、ｎｍレベルでの剪断力や混合力が作用するため、乳化剤を用いることなくエマルジョンを生成することができる。しかも、生成したエマルジョンは安定した性状であり、長時間放置しても分離することがない。なお、必要に応じて乳化剤を添加しても良い。

以上のように、ｎｍレベルで乳化するため、ガソリンであっても水とのエマルジョンを生成することができる。生成したＷ／Ｏ型のエマルジョン燃料はガソリンエンジンにそのまま供給して燃焼させることができる。これにより、ガソリン燃料の消費量を削減することができる。なお、ガソリンと水とを乳化させる際には、ナトリウム等のアルカリ金属の水溶液をアルカリ水として添加しても良く、これにより、乳化を更に促進することができる。

この実施形態において、図１に示すようにダイヤモンドチップ３０が設けられる。ダイヤモンドチップ３０は、外側ロータ１０の内周面又は内側ロータ２０の外周面２３のいずれか一方、又は双方に埋め込みにより設けられるものである。このように設けられたダイヤモンドチップ３０は、どんな処理材料１００よりも硬質であり、処理材料１００に対する剪断力を極めて有効に作用させる。従って、更に細かな粉砕が可能となる。又、ダイヤモンドチップ３０は乳化力を増大させるため、乳化に対しても有効に作用することができる。なお、ダイヤモンドチップ３０は必要がなければ配置しなくても良い。

次に、処理材料１００として、粉体を用いた場合を説明する。処理材料１００としての粉体は、上述と同様に外側ロータ１０の内周面と内側ロータ２０の外周面２３との隙間に導入され、隙間を通過する際にｎｍレベルの処理力が作用する。これにより、粉体をｎｍレベルまで粉砕することができる。例えば、粒径５．２μｍのカーボン粉は２５ｎｍの粒径まで粉砕でき、粒径１５．７μｍの亜鉛粉は４１ｎｍの粒径まで粉砕でき、粒径５４．９μｍのニッケル粉は４１ｎｍの粒径まで粉砕できる。このような粉砕は、粉砕時間、粉砕圧力を変更することによりさらなる微細な粒径とすることができる。

この発明では、処理材料１００を繰り返して処理することができる。繰り返しのための循環処理は、外側ロータ１０の内周面と内側ロータ２０の外周面２３との隙間に導入されて排出された処理材料１００を再度、入口６から上記隙間に導入することにより可能である。この循環処理を行うことにより、更に良好な乳化及び微細粒径への粉砕が可能となる。

（第２実施形態）
図４及び図５は本発明の第２実施形態における乳化及び粉砕装置４１を示す。この実施形態の乳化及び粉砕装置４１においては、ロータアッシー３における内側ロータ２０に羽根プレート３３を設けるものである。

羽根プレート３３は、内側ロータ２０の内周面に設けられるものであり、内側ロータ２０の内周面から同ロータ２０の中心方向に向かって径方向に伸びている。羽根プレート３３は、内側ロータ２０の内周面に複数が等間隔で設けられている。

以上のように、羽根プレート３３を設けた構造では、処理材料１００を強固に攪拌できる。すなわち、ケース２の入口６から導入用スリット１２を通じて外側ロータ１０の内部に導入された処理材料１００は、内側ロータ２０の羽根プレート３３に衝突し、その衝撃によって流動力が付加されて攪拌される。従って、処理材料１００が粉体の場合は、極めて細かに粉砕でき、処理材料１００がオイル及び水の場合は、乳化力が大きくなって安定した乳化状態とすることができる。

図４及び図５に示す構造においては、羽根プレート３３の表面にダイヤモンドチップ（図示省略）を埋設することができる。埋設されたダイヤモンドチップは硬質であるため、処理材料１００に衝突することにより大きな剪断力を作用させることができる。これにより、さらに細かな粉砕や更に安定した乳化が可能となる。

（第３実施形態）
以上の第１及び第２実施形態の乳化及び粉砕装置１，４１においては、外側ロータ１０の外面に磁石膜（図示省略）を設けても良い。磁石膜は外側ロータ１０の外面を覆うように設けられるものである。このように磁石膜によって外側ロータ１０の外面を覆うことにより、外側ロータ１０の内部に磁場が形成され、この磁場が外側ロータ１０の内部に導入された処理材料１００に作用する。従って、更に細かな粉砕や安定した乳化が可能となる。かかる磁場は、第１実施形態で説明した粉砕時間、粉砕圧力と協働させることができるものであり、粉砕時間、粉砕圧力と共に磁石膜の磁力を調整することにより、更に微細な粒径への粉砕が可能となる。なお、磁石膜の形成は、薄い磁石を外側ロータ１０の外面に巻き付けることにより簡単に行うことができる。

以上の実施形態では、駆動手段４として第１モータ４ａ及び第２モータ４ｂを用いているが、モータを単一とし、歯車等を介して外側ロータ１０及び内側ロータ２０を逆方向に回転させる構造としても良い。

本発明の第１実施形態における乳化及び粉砕装置の全体断面図である。 第１実施形態の乳化及び粉砕装置の平面図である。 第１実施形態におけるロータアッシーの分解斜視図である。 本発明の第２実施形態における乳化及び粉砕装置の全体断面図である。 第２実施形態におけるロータアッシーの分解斜視図である。

符号の説明

１ 乳化及び粉砕装置
２ ケース
３ ロータアッシー
４ 駆動手段
４ａ 第１モータ
４ｂ 第２モータ
４ｃ、４ｄ 回転軸
５ 収納室
６ 入口
７ 出口
１０ 外側ロータ
１０ａ 外側ロータの頂面
１１ スリット
１２ 導入用スリット
２０ 内側ロータ
２１ スリット
２３ 外周面
３３ 羽根プレート
４１ 乳化及び粉砕装置
１００ 処理材料
Ｒ、Ｌ 回転方向

Claims (10)

1. 平滑な円筒状の内周面を有すると共に内外方向に貫通する複数のスリットが形成された外側ロータと、
   平滑な円筒状の外周面を有すると共に内外方向に貫通する複数のスリットが形成され、前記外側ロータに挿入されることにより前記外周面が外側ロータの内周面と微小な隙間を有して対面する内側ロータと、
   処理材料の入口及び出口が形成され、前記外側ロータと内側ロータとが組み付けられたロータアッシーを回転自在に収納するケースと、
   外側ロータ及び内側ロータを逆方向に回転させる駆動手段とを有して構成されており、
   前記ケースの入口から導入された処理材料が外側ロータと内側ロータとの間の隙間に入った後、これらの隙間を通過して前記スリットからケースの内部に流れ出ることを特徴とする乳化及び粉砕装置。
2. 前記外側ロータの内周面と内側ロータとの外周面との隙間がナノメーターレベルであることを特徴とする請求項１記載の乳化及び粉砕装置。
3. 前記外側ロータ及び内側ロータは、回転軸が一直線上に位置していることを特徴とする請求項１又は２記載の乳化及び粉砕装置。
4. 前記外側ロータの内周面又は内側ロータの外周面の少なくとも一方にダイヤモンドチップが埋め込まれていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の乳化及び粉砕装置。
5. 前記内側ロータの内周面に羽根プレートが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の乳化及び粉砕装置。
6. 前記羽根プレートの表面にダイヤモンドチップが埋め込まれていることを特徴とする請求項５記載の乳化及び粉砕装置。
7. 前記外側ロータの外面が磁石膜によって覆われていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の乳化及び粉砕装置。
8. 外側ロータの平滑な円筒状の内周面と内側ロータの平滑な円筒状の外周面とを微小な隙間を介して対面させ、前記外側ロータ及び内側ロータを逆方向に回転させながら処理材料を前記隙間内を通過させて処理することを特徴とする乳化及び粉砕方法。
9. 前記外側ロータの内周面と内側ロータの内周面との隙間をナノメーターレベルに設定することを特徴とする請求項８記載の乳化及び粉砕方法。
10. 前記隙間内を通過した処理材料を再度、隙間内に供給する循環を繰り返すことを特徴とする請求項８又は９記載の乳化及び粉砕方法。
    

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