JP4397014B2 - 噴流衝合装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば高圧流体噴流同士を衝突させて流体中の媒質の微粒子化、分散化を行うための噴流衝合装置に関するものであり、詳しくはそのノズルの構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば化粧品や食品、薬品、塗料、などの様々な分野において製品素材の微粒子を得るために、流体同士の衝突による衝撃を利用して流体中の媒質の微粒子化や分散化を行う噴流衝合装置が用いられてきた。
【０００３】
この噴流衝合装置の構成としては、高圧ポンプで加圧された２種の流体を、互いに各噴射方向の延長線が一点で交差するように、高圧流体の導入口側から噴射出口にかけて連続的に縮径するオリフィス流路を持つ一対のノズルから噴射させて衝突させるもの（例えば、特許文献１参照。）が一般的である。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３１５１７０６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、噴流衝合装置における高圧スラリー流体同士の衝突では、衝突し損なった流体が対向位置にあるノズル側に衝突し、部材に損傷を生じせしめてノズル外形状が変化して装置に組み込まれている固定状態が不安定になって衝合位置にズレが生じたり、また、図３に示すように、高圧流体が導入されるノズル３０のオリフィス流路３４内が導入口側から摩耗（図中点線）が進んで吐出側まで摩耗し、当初の口径Ｄが大きく広がって吐出流量が増加することにより噴流を噴射するための圧が下がってしまうなど、良好な衝突を長く維持するのは困難であり、このような問題を回避するには、ノズル自体を硬度の高い材質とする必要があった。
【０００６】
そこで、従来より、利用可能な高硬度物質として天然ダイヤモンドがノズルの材質として採用されていた。例えば、天然八面体ダイヤモンドに、オリフィス流路を形成してノズルを構成し、噴流衝合装置に組み込んでいた。
【０００７】
しかしながら、ダイヤモンドは、結晶中に不純物が含まれているとその量によって硬度が異なってしまうものである。天然ダイヤモンドでは不純物として主に窒素が含まれており、その含有率にバラツキがあるため、硬度にも、例えばヌープ硬度で９０００〜１２０００ｋｇ／ｍｍの間でバラツキが生じている。このような硬度にバラツキがあるダイヤモンドから成形されたノズルでは、硬度の弱い箇所から摩耗が進む。
【０００８】
従って、ダイヤモンド製ノズルにおいてもオリフィス流路の内壁面にスラリーによる摩耗が生じ、いずれは口径が大きくなって良好なスラリー流体の噴射、衝突が維持できなくなり、噴射ノズルとしての寿命は長くない。従って、ノズル交換等の衝合装置のメンテナンスのための手間もかかり、作業効率の低下を招いていた。
【０００９】
またダイヤモンドノズルの衝合装置内の固定方法としては、図４に示すように、ノズル３０の噴流入口３１と出口３２を除く外周領域を焼結金属部材３３で保持させ、この焼結金属部材３３を位置決め固定することによってノズル３０がその噴流入口３１を装置内に配管された高圧流体導入路出口に合致させると共に出口３２方向を衝突位置に向けた状態で装置内への組み込み固定がなされていた。
【００１０】
しかしながら、装置内に配管された高圧流体導入路出口から供給される高圧流体がスラリーを含むものである場合、ノズル３０を保持している焼結金属部材３３のノズル噴流入口側の周辺領域にも高圧スラリー流体が衝突してしまい、ノズル３０の脇部分から壊食が進んで流体の漏れが発生し、ノズル３０の位置決めが維持できなくなると共にノズルへの高圧スラリー噴流の導入に不良が生じて良好にスラリー噴射ができなくなってしまう。このようなノズルの良好な固定が維持できなくなる状態がノズル寿命よりも早く来てしまうこともあり、衝合装置のメンテナンスの手間が増加して更なる作業効率の低下を招くこともあった。
【００１１】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、従来よりも作業効率の向上が可能となる噴流衝合装置を提供することにある。また、本発明は、従来より耐摩耗性が高く寿命を長期化できるノズルの提供を目的とするものである。また本発明は、ノズルの良好な固定状態が従来より長く維持できるノズル固定手段の提供を他の目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る噴流衝合装置は、少なくとも２つのノズルから噴射される高圧スラリー流体の噴流同士を互いに衝突させる噴流衝合装置において、前記ノズルが人工単結晶ダイヤモンドから構成され、前記ノズルの噴流の入口側面と出口側面に｛１１０｝結晶面を配置したものであり、前記ノズルの噴流入口から出口にかけて形成された流路は、連続的に縮径するオリフィス流路と、該オリフィス流路に続く均一口径のストレート流路とを有する二段階流路であることを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明に係る噴流衝合装置は、請求項１に記載の噴流衝合装置において、前記ノズルを構成するダイヤモンドが人工単結晶十二面体ダイヤモンドであることを特徴とするものである。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明に係る噴流衝合装置は、請求項１に記載の噴流衝合装置において、前記ノズルの噴流入口および出口を除く外側領域を保持する焼結金属部材を介して前記ノズルを噴流衝合装置内の予め定められた位置に固定する固定手段を備えており、前記焼結金属部材は、前記ノズルの噴流入口周辺領域を覆い、装置内に配管された高圧スラリー流体導入路の出口と前記ノズル噴流入口とを所定間隔をもって連通する開口路を備えたカバー部を有するものである。
【００１７】
本発明においては、噴流衝合装置のノズルを、従来用いていた天然ダイヤモンドに比べて不純物も少なく、硬度のバラツキも小さい人工単結晶ダイヤモンドから構成したことにより、従来よりノズル全体の耐摩耗性を向上させたものである。
【００１８】
特に、このノズルを構成する人工単結晶ダイヤモンドを、耐摩耗性の高い｛１１０｝結晶面が露呈されている人工単結晶十二面体ダイヤモンドとすることによって、噴流に晒される機会の多い噴流の入口側面と出口側面にこの｛１１０｝結晶面を配置すれば、ノズル自体がより高い耐摩耗性を有することとなり、噴流衝合装置への固定状態も長期に亘り安定してノズルとして寿命がより長く、交換作業等の手間も省けて装置メンテナンス等の作業効率が向上する。
【００１９】
この場合、噴流入口から出口への流路の中心軸方向は、｛１１０｝結晶面と直交する方向と一致し、最も耐摩耗性の高い｛１１１｝結晶面とも平行な関係となり、流路内壁面も従来より耐摩耗性の高いものとなる。なお、天然ダイヤモンドであっても十二面体であれば同様に｛１１０｝結晶面を噴流入口側面及び出口側面に配置することによる効果は期待できるが、前記噴流流路の中心軸方向を、簡単に最も耐摩耗性の高い｛１１１｝結晶面と平行な関係にするのには人工ダイヤモンドであることが望ましい。
【００２０】
さらに、ノズルの噴流入口から出口への流路を、連続的に縮径するオリフィス流路と、該オリフィス流路に続く均一口径のストレート流路とを有する二段階の流路とすることによって、図２の断面図に点線で示すように、たとえ入口側で摩耗が始まっても、ストレート流路の出口側の口径Ｄは変わらず、出口端まで摩耗するには長い時間が必要となるため、噴流流路の長寿命化が実現され、ノズルの寿命の長期化に寄与する。
【００２１】
なお、ストレート流路は、長いほどノズル寿命は長くなるが、実際には加工に限度があるため、その口径に応じて加工可能な長さまでとすることが望ましい。例えば、現状では、ストレート流路の口径が０．２ｍｍ以上であれば、そのストレート流路長さを０．４ｍｍ程度とすることができ、またストレート流路の口径が０．２ｍｍ未満の場合はその流路長さは２ｄ（直径）程度となる。
【００２２】
また、本発明においては、ノズルを噴流衝合装置内に固定するための固定手段として、ノズルの噴流入口および出口を除く外側領域を保持する焼結金属部材にノズルの噴流入口周辺領域を覆うカバー部を設けることによって、ノズル脇に高圧スラリー流体の衝突による壊食の発生を防ぐことが可能となる。
【００２３】
これによって、ノズルの位置ずれやスラリー流体の漏れが回避され、良好なノズルの固定状態が長期に亘って維持でき、その分、焼結金属部材の交換、津切り直しなどの固定手段に対するメンテナンスの手間が省け、作業効率の低下を抑えられる。なお、カバー部には、装置内に配管された高圧スラリー流体導入路の出口とノズル噴流入口とを所定間隔をもって連通する開口路を形成しておくが、この開口路は、ノズル流路の入口側オリフィス流路と連続してスムーズな高圧スラリー流体の導入が行えるように、内周面を該オリフィス流路とほぼ同じ傾斜のテーパ状に設定することが好ましい。
【００２４】
なお、このカバー部は、ノズルの出口側を支持している焼結金属部材とは別体に成型しておき、ノズル保持の際に互いに嵌合する構成で良いが、製造が可能であれば一体的な構成としてもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態として、人工単結晶十二面体ダイヤモンドから構成されたノズルを組み込んだ噴流衝合装置を図１に示す。図１（ａ）は本装置の概略縦断面図、（ｂ）はノズル固定部の構成を示す断面図であり、（ｃ）はノズルの流路形状を示す部分縦断面図である。図２は、本装置に用いられるノズルのスラリー流体噴射に伴う摩耗状態を説明する模式図である。
【００２６】
本実施形態では、衝合装置としての基本構成は従来と同様のものであり、ハウジングを構成する筒状本体１によって形成される内部チャンバ２の互いに対向する内壁位置に、一対のノズル（３ａ，３ｂ）がぞれぞれ固定用の焼結金属部材１２を介して押さえ部材（８ａ，８ｂ）によって所定の噴射角度で互いの噴射軌跡が内部チャンバ２のほぼ中心軸上の一点で交差するように固定されている。この交差点が、各ノズル（３ａ，３ｂ）から噴射される噴流同士が衝突させられる衝合点である。
【００２７】
また、各ノズル（３ａ，３ｂ）から噴射されるスラリー流体は、タンクから供給される高圧流体が筒状本体１の一端開口にネジ嵌めされた第１のプラグ７に形成されている導入口を通り、流体導入路（１１ａ，１１ｂ）を介して送られ、噴射衝突して微粒子化された後は、筒状本体１の他端開口にネジ嵌めされている第２のプラグ１０に形成された導出口を経て回収される構成となっている。
【００２８】
本実施形態におけるノズル（３ａ，３ｂ）は、図１（ｂ）に示すように、人工単結晶十二面体ダイヤモンドの互いに対面する｛１１０｝結晶面を流体の入口側面６と出口側面７に配置し、両面と直交する方向を中心軸方向とした流体流路を形成した。この流体流路は、入口側から連続的に縮径するオリフィス流路４と、該オリフィス流路から出口側にかけて続く均一口径のストレート流路５とから構成されるものである。
【００２９】
また、ノズル（３ａ，３ｂ）を装置内へ組み込むための固定部としてノズル（３ａ，３ｂ）をそれぞれ保持する焼結金属部材（１２ａ，１２ｂ）は、ノズル（３ａ，３ｂ）を出口側から支持する出口側部材１３と、ノズル（３ａ，３ｂ）の入口周辺領域を覆うカバー部材１４との互いに嵌合する２部材から構成されるものである。
【００３０】
このカバー部材１４には、高圧スラリー流体の導入路（１１ａ，１１ｂ）の出口とノズル噴流入口とを所定間隔をもって連通する開口路１５が形成されているが、この開口路１５は、ノズル流路の入口側オリフィス流路４と連続してスムーズな高圧スラリー流体の導入が行えるように、内周面を該オリフィス流路４とほぼ同じ傾斜のテーパ状に形成されている。
【００３１】
以上のようなカバー部材１４の存在によって、高圧スラリー流体がノズル（３ａ，３ｂ）脇部分の焼結金属部分に衝突して、ノズル（３ａ，３ｂ）の位置連れや流体漏れを生じ生じせしめるような壊食の発生は防がれ、本焼結金属部材（１２ａ，１２ｂ）を用いた固定においては、ノズル（３ａ，３ｂ）の良好か固定状態が長期間維持される。
【００３２】
上記の人工単結晶１２面ダイヤモンドからなり、オリフィス流路４とストレート流路５との二段階流路を備えたノズル（３ａ，３ｂ）を試験例１として組み込んだ噴流衝合装置において、従来の天然八面体ダイヤモンドからなり図３の断面図に示すオリフィス流路を備えたノズルが組み込まれた場合を対照例として、ヒュームドシリカのスラリー流体の噴流衝突による分散を行った場合のノズルの寿命を測定した。この時、ノズル（３ａ，３ｂ）はストレート流路５が口径０．３５ｍｍ，長さ０．４ｍｍ〜０．５ｍｍとした。噴射条件は、処理圧力２００ＭＰａで初期流量６．８Ｌ／ｍｉｎに設定した。
【００３３】
また、天然八面体ダイヤモンドから構成し、噴流入口側面及び出口側面を｛１１１｝結晶面としたノズルで、本実施形態と同じ設計の二段階流路を設けたノズルに関して、試験例２として上記と同様に寿命の測定を行った。実際の寿命測定は、２００ＭＰａにおいて連続的噴射の開始から６．８Ｌ／ｍｉｎであった流量が９Ｌ／ｍｉｎとなった時点までの時間を測定し、寿命として各ノズルの場合で比較した。その結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】

【００３５】
表１からも明らかなように、本実施形態における噴流衝合装置では、人工単結晶十二面体ダイヤモンドに前記オリフィス流路４とそれに続くストレート流路５との二段階流路を形成してなるノズルを用いた（試験例１）ことによって、従来タイプのノズルを用いた場合（対照例）に比べてノズル寿命が約２倍と大幅に延長することができた。このとき、試験例１のノズルでは摩耗による外形状変形も抑えられ、装置への固定状態は安定していた。
【００３６】
このような優れたノズルの寿命延長効果は、従来と同材料である正八面体ダイヤモンドで前記二段階流路を形成してなるノズルの場合（試験例２）の結果から分かるように、素材改善によるものだけでなく、ノズルの流体噴射流路の形状にも大きく起因するものであった。即ち、ノズル自体の耐摩耗性の向上と、ストレート流路５を設けることによって流体流路の摩耗による口径変化への影響が軽減されたことが確認された。
【００３７】
以上のような、人工単結晶十二面体ダイヤモンドを素材としてその｛１１０｝結晶面を入口側面および出口側面として前記二段階流体流路を形成してなるノズルを組み込んだ本実施形態の噴流衝合装置によれば、スラリー流体の噴射、衝突の繰り返しにおいて、従来よりノズル寿命が長期化し、ノズル交換等の装置メンテナンスが簡略化できるので、作業効率の向上が可能となる。
【００３８】
なお、以上の実施形態においては、二つのノズルからスラリー流体を噴射、衝突させる噴流衝合装置について説明したが、本発明はこれに限らず、三つ以上のノズルを備えて３つ以上のスラリー噴流を互いに衝突させる場合においても同様に有効であることは言うまでもない。むしろ、装置に組み込まれるノズル数が多いほど、ノズル交換等のメンテナンス作業に手間がかかることから、本発明おけるノズルの長寿命化は作業効率の向上に大きく影響する。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明による噴流衝合装置においては、人工単結晶十二面体ダイヤモンドからなるノズルを組み込むことにより、ノズルが従来より耐摩耗性が高くて寿命の長期化が可能となったため、ノズル交換等の装置メンテナンスが簡略化でき、作業全体の効率向上を図ることができるという効果がある。
【００４０】
また、人工単結晶十二面体ダイヤモンドからなるノズルの流体噴射流路の形状を、入口側から連続的に縮径するオリフィス流路とこれに続く均一な口径のストレート流路とから構成することによって、流体噴射流路の摩耗による口径の広がりの出口側への影響が軽減され、さらなるノズル寿命の長期化が可能となる。
【００４１】
さらに、ノズルを衝合装置に固定する手段として、ノズルの噴流入口および出口を除く外側領域を保持する焼結金属部材にノズルの噴流入口周辺領域を覆うカバー部を設けることによって、ノズル脇部分からの流体の漏れやノズルの位置ずれ等を生じるような、スラリー流体の衝突による固定部の壊食が防がれるため、その分、固定部の交換等のメンテナンスの手間が省かれ、作業効率の低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による噴流衝合装置を示す概略構成図である、（ａ）は全体の縦断面図、（ｂ）は本装置のノズル固定の構成を示す縦断面図、（ｃ）は本装置のノズルの流路形状を示す部分縦断面図である。
【図２】本発明におけるノズルのスラリー流体噴出に伴う流路の摩耗状態を説明する模式図である。
【図３】従来の噴流衝合装置に用いられていたノズルの流路形状を説明する縦断面図である。
【図４】従来の噴流衝合装置におけるノズル固定部の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１：筒状本体
２：内部チャンバ
３ａ，３ｂ：（人工単結晶十二面体ダイヤモンド）ノズル
４：オリフィス流路
５：ストレート流路
Ｄ：流体流路出口側口径
６：入口側面（｛１１０｝結晶面）
７：出口側面（｛１１０｝結晶面）
８ａ，８ｂ：押さえ部材
９：第１のプラグ
１０：第２のプラグ
１１ａ，１１ｂ：流体導入路
１２ａ，１２ｂ：金属焼結部材
１３：出口側部材
１４：カバー部材
１５：開口路
３０：（天然八面体ダイヤモンド）ノズル
３１：入口
３２：出口
３３：焼結金属部材
３４：オリフィス流路

Claims (3)

1. 少なくとも２つのノズルから噴射される高圧スラリー流体の噴流同士を互いに衝突させる噴流衝合装置において、
   前記ノズルが人工単結晶ダイヤモンドから構成され、前記ノズルの噴流の入口側面と出口側面に｛１１０｝結晶面を配置したものであり、
   前記ノズルの噴流入口から出口にかけて形成された流路は、連続的に縮径するオリフィス流路と、該オリフィス流路に続く均一口径のストレート流路とを有する二段階流路であることを特徴とする噴流衝合装置。
2. 前記ノズルを構成するダイヤモンドが人工単結晶十二面体ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１に記載の噴流衝合装置。
3. 前記ノズルの噴流入口および出口を除く外側領域を保持する焼結金属部材を介して前記ノズルを噴流衝合装置内の予め定められた位置に固定する固定手段を備えており、
   前記焼結金属部材は、前記ノズルの噴流入口周辺領域を覆い、装置内に配管された高圧スラリー流体導入路の出口と前記ノズル噴流入口とを所定間隔をもって連通する開口路を備えたカバー部を有することを特徴とする請求項１に記載の噴流衝合装置。

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