JP4163261B2 - 均質化弁 - Google Patents

Description

発明の背景
均質化（homogenization）とは、流体内の成分を分解して混ぜ合わす処理である。一つの身近な例は、乳脂肪球を分解して牛乳全体中に分布させる牛乳均質化（乳化）である。均質化は、また、シリコン油のような他のエマルジョンを処理したり、顔料、制酸剤、および紙被膜のような分散の処理に用いられる。
均質化を行なう最も一般的な装置は均質化弁（homogenization valve）である。エマルジョンまたは分散液は高圧下で弁に導入され、この弁は流れ制限器として機能して強い乱流を作り出す。高圧流体が、通常、狭い弁間隙を通って圧力のより低い環境内に押し出される。
弁間隙を取り囲む領域で均質化が起る。流体は過度の圧力低下を起こして、急速に加速される。理論は、この領域における乱流とキャビテーションの両方が、均質化を容易にするメカニズムであると提案している。
初期の均質化弁には一つの弁板があった。この弁板は、機械的または液圧に代表される何らかの作動装置によって、弁座に押しつけられるものであった。例えば、牛乳は、このような弁と弁座の間の環状開口または弁スリットを通して絞り出された。
初期の弁は構造が比較的簡単であるという利点を有していたが、牛乳を高流量で効率的に扱うことができなかった。均質化は、比較的小さい弁間隙で極めて効率的に起り、この弁間隙が、所定の圧力に対して、牛乳の流量を制限する。したがって、単一の均質化弁の直径またはサイズを大きくしなれば、流量を大きくすることができなかった。
初期の均質化弁よりも新しい均質化弁の設計は、弁間隙を最適にしながら、高流量としている点で、成功している。これらの設計の最良の例が、本件譲受人に譲渡されたウイリアム・Ｄ・パンドルフェ（William D.Pandolfe）の米国特許第4,352,573号、および第4,383,769号に開示されており、これらの特許は、その全文が本願明細書の一部をなすものとしてここに引用されている。多数の環状の弁部材が、積み重ねられる。積み重ねられた弁部材の中央孔が、一般的には高圧な共通チャンバを形成する。各弁部材の上端面および／または下端面に、中央孔と同心状の環状溝が形成されている。これらの溝は、弁部材を通して延びた軸方向を向く円形状のポートを介して、相互に流体が流れ得るように連通しており、これらの溝とポートとが、第２の一般的には低圧なチャンバを形成している。各弁部材において、中央孔と溝の間の壁は面取りされ、ナイフエッジを設ける。各ナイフエッジは、隣接する弁部材の対向する弁表面から小さい間隔をあけて弁座を形成している。この設計で、任意の流量に対して最適の弁間隔を維持できる。積み重ねられた弁部材にさらに弁部材を加えるだけで、高流量に対応できる。
発明の概要
均質化弁設計の継続的な進歩は、一般的に、２つの重要な事項によって推進される。第１に、むらなく十分に均質化された製品が望まれている。牛乳の貯蔵寿命は、均質化からクリーム分離が外観に影響し始めるまでの時間によって制限される。これは、均質化処理の逆であって、乳脂が全乳（bulk milk）から再び分離される。第２の事項は、第１の事項との両立が難しい均質化のコストであって、このコストのほとんどは、消費エネルギーによって支配される。
均質化された牛乳の乳脂肪球の大きさによって、クリーム分離の起る速度が決まる。これにより、貯蔵寿命を伸ばすには、均質化処理によって、均質化された牛乳中の乳脂肪球を小さくすることが重要である。乳脂肪球が小さいほど、脂肪が十分に分散されて、多くの乳脂肪球が合体して顕著なクリーム分離を生じるのに時間が長くかかる。しかし、均質化を一層完全にするには、一般的に、圧力を高くしなければならず、圧力が高いほどエネルギー入力を大きくする必要があるので、前記第２の重要な事項をそこなう。
しかし、均質化された牛乳中の乳脂肪球の大きさの標準偏差もまた、牛乳の貯蔵寿命を決めるのに、ある役割を果たす。一般的に、小さい乳脂肪球を生じさせる弁設計があり、これは、貯蔵寿命を長くさせる。しかし、弁間隙を取り囲む領域の特性のために、乳脂肪球の中には、弁を通る時に均質化処理をほとんどまたは全く逃れるものもある。均質化された牛乳中のこれら大きい乳脂肪球は、比較的大量の脂肪を含んでおり、極めて小さい乳脂肪球に比較して、急速にクリームになる。これにより、所定サンプルの牛乳中で乳脂肪球の平均の大きさが小さくても、比較的少ないが大きい乳脂肪球があるために、貯蔵寿命はなお比較的短い。
本発明は前記パンドルフェの特許に開示された設計に適用できる改良された弁部材設計に関する。一般的には、本発明の原理は、他の均質化弁構造にも適用できる。
一般的に、本発明の一構成にかかる均質化弁において、流れ制限表面は、横方向に延びる弁間隙の両側で相互に対向する。対向する表面の下流終端が、少なくとも弁のチャタリングを抑制するのに必要なだけ流れ方向にずれている。このずれによるオーバラップのない弁は、不安定になりがちで、その結果、作動寿命が短くなることが研究によって実証されている。しかし、本発明では、このオーバラップを十分に小さくして、均質化ゾーンが混合層と一致（converge）すること、すなわち、混合層の全幅にわたって延びることを確実にしている。その結果、流体のどの部分もこのゾーンを迂回できないので、均質化が完全となる。
安定性のために、好ましい実施形態において、対向する表面の下流終端は少なくとも弁間隙の高さだけ流れ方向にずれているが、均質化を完全にするために、このずれは、弁間隙高さの約１０倍よりも大きくないことが、理論的に示唆されている。0.003インチよりも小さい、実際には0.0010〜0.0020インチの弁間隙を用いた牛乳均質化（乳化）の実験で、このずれ、またはオーバラップは約0.0010インチよりも大きいが、常に0.025インチより小さいのがよいことが示されている。
好ましい均質化弁は、中央孔と軸方向流体通路とを形成する環状弁部材の重合体を備える。この構造は、５００ガロン／分以上の流量が必要とされる実用装置に適用できる。環状ばねが、隣接する弁部材対の位置合わせに用いられ、このばねは、弁部材に形成されたばね溝に収められている。介在する環状弁間隙を通って中央孔と軸方向流体通路の間を流体が通過する時に、均質化が起る。好ましくは、各隣接する弁部材対の対向する表面の一つがナイフエッジ形ランドであり、その全長は、常に0.06インチよりも小さく、好ましくは0.015〜0.020インチである。
種々の新規な構成および部品の組合せの詳細、ならびに他の利点を含む本発明の上記および他の特徴は、添付の図面を参照して詳述され、請求の範囲において指摘される。本発明の特定の実施形態は図により示されるが、発明をそれに限定するように示したものではないと理解される。本発明の原理および構成は、本発明の範囲から外れない範囲で種々の実施形態に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
添付の図面において、異なる図を通じて同一部品には同一符号が用いられる。図面の寸法は正確ではない。本発明の原理を例示ために、強調している。
図１は、本発明にかかる弁部材を示す均質化装置の断面図である。
図２は、均質化装置の弁部材重合体における新規な弁部材の部分切取斜視図である。
図３は、従来の均質化弁と新規な均質化弁の弁間隙領域を示す、積み重ねられた弁部材（弁部材重合体）の部分垂直断面図である。
図４は、従来の弁間隙領域と、この弁間隙から出て来る流体の流れ状態とを示す断面図である。
図５は、本発明にかかるノズル開口の上下面の間に存在するオーバラップのない弁間隙領域の断面図である。
図６は、本発明にかかる適度のオーバラップのみの弁を示す、弁領域の断面図である。
図７は、実用規模の牛乳均質化中の、種々の弁オーバラップ距離について、均質化圧力の関数とし液体粒子の大きさを示すプロット図である。
図８は、毎時４０ガロンの流量での注入牛乳を用いての種々の均質化圧力について、オーバラップの関数とし液体粒子直径を示すプロット図である。
好適な実施形態の説明
図１は、前記パンドルフェの特許で開示された設計に関連した均質化装置の断面図である。この装置は、本発明の原理に基づいて構成された弁部材１００を有し、これらの部材の詳細は、図２に示される。
図１および図２の両方を参照して、入口フランジ１１４に形成された入口ポート１１２が、高圧流体を弁部材重合体（弁部材が積み重ねられたもの）１１６へ搬送する。ほぼ環状の弁部材を貫通して形成した中央孔１０３によって形成された内チャンバ１１８に、高圧流体が導入される。次に、この高圧流体は、弁部材１００を軸方向に貫く複数のアキシャルポート１２２と、弁部材に設けた環状溝１２４とによって形成された低圧チャンバ１２０に、弁間隙１０２を通って絞り出される。低圧チャンバに１２０入った流体は、排出フランジアセンブリ１３０の排出ポート１２６に入る。
弁部材１００の重合体１１６は、ベース弁部材１３２を介して、入口フランジ１１４にシールされている。最上部の弁部材は、内チャンバ１１８を上方からシールする頭部弁プラグ１４０と係合する。この頭部弁プラグ１４０は、アクチュエータアセンブリによって、液圧的または空気圧的に付勢され、このアセンブリは、Ｏリング１４８を介してシールされたアクチュエータピストン１４６を取り囲むアクチュエータ本体１４４を備える。ピストン１４６は、アクチュエータロッド１５０によって頭部弁プラグ１４０に連結されている。本体１４４と排出フランジアセンブリ１３０の間に、アクチュエータ案内板１５２が存在する。空洞１５４の液圧流体または空気力の圧力を変えることによって、弁部材１００を径方向にたわませて、弁間隙１０２の大きさを調節できる。
ベース弁部材１３２と他の弁部材１００は相互に位置合わせされて、Ｓ字状弁ばね１３４によって、重合体構造が維持される。Ｓ字状弁ばね１３４は、各弁部材１００の周縁部に形成された、向かい合うばね溝１３６，１３８内に閉じ込められている。
図３は、弁間隙の周りの弁部材の断面図であり、従来の弁間隙領域１６０と、本発明の均質化弁の弁間隙領域１７０とを示す。
両方の間隙の高さは、好ましくは、0.0015〜0.0020インチであり、通常は、約0.0018インチである。しかし、いずれにしても、0.003インチよりも小さい。この寸法は、弁座または弁ランド１５８と、これに対向する主として平坦な弁表面１５６の間の垂直距離として決められる。大きい流量を達成しようとして、流れ制限表面である弁座１５８と弁表面１５６間の間隙を0.003インチよりも単に大きくすると、均質化効率が低くなることが実験で示されている。
好ましい実施形態では、弁座はナイフエッジ形状である。間隙の上流、かつ高圧側で、弁座１５８は角度４５度で面取りされ、弁表面１５６に向かって傾斜している。この間隙において、弁座１５８は、0.06インチよりも短い距離、理想的には約0.015〜0.020インチに渡って平坦である。間隙１０２の下流、かつ低圧側では、５〜９０度、またはそれ以上の角度、例示の実施形態では４５度の角度で弁表面１５６から傾斜して離れる。
従来の弁間隙領域１６０において、弁間隙１０２を通過する流体は、比較的短い弁座または弁ランド１５８を通過する時に加速される。隣接する弁部材は、平坦な弁表面１５６を呈し、この弁表面１５６は径方向外方に延び、間隙１０２を通る流体の流れの方向に平行である。弁ランド１５８よりも径方向に長く延びる弁表面１５６の全長は、許容度が厳密に規制されていないが、比較的長くなる傾向があり、約0.055インチである。
図４は、従来の弁間隙領域１６０を通過する流体の流れ状態を例示する。流体が弁ランド１５８の終端１８７を通過する直前、弁ランド１５８と弁表面１５６の間の流れは、全て層流１８０である。この空間で均質化は少しも起らないが、ここで流体は大きく加速される。弁間隙を通過した後、流体の層流部分１８０は間隙１０２からの距離が増すにつれて減少する。弁表面１５６から離れた層は、層流特性のない乱流の複数の三次元高・低速混合層１８２に徐々に変わる。全体として、この乱流の混合層は約α＝5.7度の角度で弁間隙の下流にくさび型に広がる。この乱流混合層１８２のエネルギー放出がピークになって、均質化フロント（前線）またはゾーン１８４ができる箇所があり、この均質化フロントまたはゾーン１８４で複数の混合層１８２が合体し、完全に乱流となり、ここで、均質化の大部分が起こる。流体の圧力および速度に含まれるエネルギーが、一般的に、乳脂肪球の分裂、またはエマルジョンもしくは分散液の成分の混合に変換されるのは、ここである。
均質化フロントの位置は、２つの方法で決めることができる。0.0018インチの牛乳均質化用の普通の弁間隙では、均質化フロントは弁ランド面の後端１８７から約0.012インチの所を中心としている。しかし、一般的には、均質化フロントは弁間隙の大きさの約６〜１０倍の距離に渡って広がる。この関係は、他の弁構造にも一般化できる。
この従来の弁設計の問題は、乱流混合層１８２と均質化ゾーンまたはフロント１８４との間に不完全な一致があることである。したがって、弁間隙１０２を通過する流体は、不完全に均質化される。乱流混合層１８２を通過するが均質化層１８４を避ける部分は、均質化が不完全となる。
周波数を２倍にしたＮｄ−ＹＡＧレーザを用いて弁を通過する着色した油の液体粒子の顕微鏡写真を集めて研究が行われた。この研究によって、完全な均質化をそこなう、さらなるメカニズムが存在することが、示唆された。層流の流れ領域１８６が、弁表面１５６にくっついて、均質化フロント１８４を越えて延びていることがわかった。これにより、流体中の比較的大きい非均質種が、均質化ゾーン１８４を迂回する。この影響によって、高い均質化圧力をかけた時でも、これらの弁タイプで均質化された牛乳内に大きい不均質な組織のあることが説明される。これによって、均質化製品内の乳脂肪球の大きさの標準偏差が比較的大きくなる。
図３に戻って、本発明にかかる弁間隙領域１７０において、間隙１０２を形成する対向する面の終端は、なお、相互にずれている。しかし、弁表面１５６は弁ランド１５８の終端により近い所１８８で終端する。オーバラップはあるが、このオーバラップの長さは厳密に規制されている。
図５は、オーバラップのない場合に、弁間隙１０２から出て来る流体の流れ状態を示す。層流１８０の領域は、弁間隙から延び、上部および下部が減少して弁表面の終端から離れて移動していく、三角形状断面を現している。しかし、最も重要なことは、均質化ゾーンまたはフロント１８４が、乱流混合層１８２と一致する、つまり、乱流混合層１８２の全体に生じることである。実際、弁から出る全ての流体が約５間隙（弁間隙の５倍）距離の所に存在するこのゾーン１８４を通過して完全に均質化される。
図６に示すように、オーバラップがあっても（オーバラップ＝６弁間隙（弁間隙の６倍））、乱流混合層１８２と均質化ゾーン１８４の一致は起こる。均質化フロントは、弁ランド１５８の終端１８７から、弁間隙高さの約５〜８倍の所に存在する。
さらに、弁表面１５６からの壁効果には、層流１８０をゾーン１８４を越えて延ばすまでの力はない。代わりに、表面１５６の早い切断、つまり弁間隙１０２寄りで終端されていると、層流の流れ場１８０が完全に撹乱されて、均質化ゾーン１８４が間隙１０２から出る流体を完全に含む。
より一般的には、面取り角度β（例示では４５度）が乱流混合層の発散角α（5.7度）に近付かない限り、弁表面１５６と弁座１５８による壁効果は起こらない。通常、この角度βは、層流が壁にくっつく危険を避けるために、少なくとも１０度である。
従来の弁間隙高さを用いた時に、オーバラップが１０弁間隙または約0.02インチである場合に、この一致が起こることが実験で分かっている。最適なオーバハングは約８弁間隙、または0.016インチ以下のオーバラップである。
図７は、異なるオーバラップの弁について、均質化された牛乳の平均脂肪球直径を圧力の関数として関係づける実験の結果を表すプロットである。弁オーバラップ0.025インチ（□）、0.040インチ（△）、および標準の0.055インチ（◆）の間では、性能は基本的に同一である。均質化圧力1,100〜1,200psiでは、平均の脂肪球の直径が約0.90μｍとなる。しかし、オーバラップを0.010インチ（●）または0.0インチ（オーバラップなし）（○）とすると、同一の均質化圧力範囲で乳脂肪球の直径が約0.80μｍに下がる。この実験で、オーバラップが１０弁間隙長、または約0.025インチよりも小さいと、十分に良好な均質化を達成できることが分かる。
しかし、ある状況下で、望ましい最小オーバラップのあることが実験で示されている。図７のプロットの生成において、ゼロオーバラップ形状のものについてデータ点を集めた時、ナイフエッジ形ランドが広範な損傷を受けた。この影響は、弁重合体からのノイズレベルが正常より高いことで、立証された。一万ガロンの流量の運転後に、ナイフエッジを観察すると、広範なチッピングが見られた。これは、ゼロオーバラップの動作で、不安定になったことを示している。オーバラップがないか、またはオーバラップが１弁間隙長よりも小さい場合に、このように不安定になると予測される。図１の設計の場合、これは、約0.0015〜0.0020インチよりも小さいオーバラップである。
図８は実験室の装置を用いて対応する低流量で行った実験の結果を示す。プロットは、毎時４０ガロン流量で牛乳を注入して３つの均質化圧力（１０００ｐｓｉ（○）、１２００ｐｓｉ（□）、および１４００ｐｓｉ（△））について、液体粒子径をオーバラップまたはオーバハングの関数としてとったものである。この低流量でも、オーバラップを小さくすると均質化が良好となり、実用条件での実験と一致する。
本発明は、好適な実施形態を参照して詳述したが、請求の範囲によって明らかにされる本発明の趣旨と範囲を逸脱しないで、形式または細部を種々変更できることは、当業者に理解されるであろう。

Claims (13)

1. 横方向に延びる弁間隙（１７０）の両側で相互に対向する流れ制限表面（１５６，１５８）を備えた均質化弁であって、前記対向する表面の下流終端（１８８，１８７）が少なくとも前記弁間隙の高さだけ流れ方向にずれているが、このずれが前記弁間隙高さの１０倍以下である均質化弁。
2. 請求項１において、前記弁間隙の高さが0.0010〜0.0020インチ（0.0254〜0.0508mm）の間であり、前記対向する表面の下流終端（１８８，１８７）が0.025インチ（0.635mm）よりも短い距離だけずれている均質化弁。
3. 請求項１または２のいずれかにおいて、さらに、中央孔（１１８）と軸方向流体通路（１２０）を形成する環状弁部材（１００）の重合体を備え、前記中央孔と前記軸方向流体通路の間を、介在する環状弁間隙（１０２）を通って流体が通過する時に、均質化が起こる均質化弁であって、前記対向する表面（１５６，１５８）が、各隣接する弁部材対（１００，１００）によって形成されている均質化弁。
4. 請求項３において、さらに、前記隣接する弁部材対（１００，１００）の位置合わせを行う環状ばね（１３４）を備え、前記ばねは前記弁部材（１００）に形成されたばね溝（１３６，１３８）に収められている均質化弁。
5. 請求項３または４のいずれかにおいて、前記各隣接する弁部材対（１００，１００）の対向する表面の一つがナイフエッジ形ランドである均質化弁。
6. 請求項５において、前記各隣接する弁部材対（１００，１００）の対向する表面の一つの全長が0.015〜0.020インチ（0.381〜0.508mm）である均質化弁。
7. 中央孔（１１８）と軸方向流体通路（１２０）を形成する環状弁部材（１００）の重合体であって、対向する弁表面（１５６）と弁座（１５８）によって形成されて前記中央孔と前記軸方向流体通路の間に介在する環状弁間隙（１０２）を通って前記中央孔と前記軸方向流体通路の間を流体が通過する時に均質化が起こり、前記間隙は0.003インチ（0.0762mm）よりも小さく、前記弁表面と前記弁座の下流終端（１８８，１８７）が少なくとも前記弁間隙の高さだけ流れ方向にずれているが、このずれが0.025インチ（0.635mm）よりも小さい環状弁部材の重合体と、隣接する前記弁部材対を位置合わせする環状ばね（１３４）であって、前記弁部材に形成されたばね溝（１３６，１３８）に収められている環状ばねとを備えた均質化弁。
8. 請求項７において、前記弁座（１５８）がナイフエッジ形ランドである均質化弁。
9. 請求項７または８のいずれかにおいて、前記間隙において、前記弁座（１５８）の長さが0.06インチ（1.524mm）よりも短い距離に渡って平坦である均質化弁。
10. 横方向に延びる弁間隙（１７０）の両側で相互に対向する弁表面（１５６）と弁座（１５８）を有する弁を通って低圧環境に流体を送り出す工程と、前記弁間隙（１７０）から流体を送り出し、混合層が均質化ゾーンに一致できるようにする工程とを備えた均質化方法であって、
    前記対向する表面の下流終端（１８８，１８７）が少なくとも前記弁間隙の高さだけ流れ方向にずれているが、このずれが前記弁間隙高さの１０倍以下である均質化方法。
11. 請求項１０において、さらに、前記弁表面（１５６）が前記弁座（１５８）から0.003インチ（0.0762mm）よりも小さく離され、前記弁座に対する前記弁表面の終端（１８８）のずれが、0.025インチ（0.635mm）よりも小さく制限されている均質化方法。
12. 横方向に延びる弁間隙（１７０）の両側で相互に対向する弁表面（１５６）および弁座（１５８）を形成する積み重ねられた弁部材（１００）の間に、流体を送り出す工程と、前記弁間隙（１７０）から流体を送り出し、混合層が均質化ゾーンに一致できるようにする工程とを備えた均質化方法であって、
    前記弁部材に形成されたばね溝（１３６，１３８）に収められた環状ばね（１３４）で前記弁部材の位置合わせが維持され、
    前記弁座が前記弁表面から0.003インチ（0.0762mm）よりも小さく離されており、
    前記弁座（１５８）に対して前記弁表面の下流終端（１８８）が少なくとも前記弁間隙の高さだけ流れ方向にずれているが、このずれが0.025インチ（0.635mm）よりも小さく制限されている均質化方法。
13. 請求項１２において、さらに、前記弁座（１５８）がナイフエッジランド形状に形成されている均質化方法。

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