JP2002508238A - 流体のエアレーションのためのデバイスおよび方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、0.1から100ミクロン台のサイズを有する球状気泡を使用するエアレーション方法を提供する。本発明のバブルの単分散を生成するためのデバイスは、気体ストリームのソースを含み、出口開口を有する圧力チャンバ内に圧力保持された液体を通して気体を押し出す。圧力チャンバ内の液体によって包み込まれた気体ストリームは、チャンバの出口オリフィスから外に流れ、実質的に直径が均一なバブルの単分散が得られる。バブルは、サイズが小さく、従来のシステムに比較して比較的少量のエネルギで生成される。このテクノロジの応用は、単分散のバブルを用いた下水の酸素添加から、魚を飼育するための水の酸素添加に及ぶ。

Description

【発明の詳細な説明】

（発明の分野） 本発明は、概して小さい微粒子の形成に関し、より具体的に言えば、非常に小
さくサイズが均一な気泡を生成することが重要となる分野に関する。 （発明の背景） ミクロン台のサイズを有する微小滴の単分散スプレーは、科学および技術の多
くの分野における適用の可能性から科学者ならびに技術者の関心を惹いている。
多分散のエアロゾルの類別（たとえば微分易動度解析の使用、すなわちB.Y. Liu
（リウ）ほかによる「A Submicron Standard and the Primary Absolute Calibr
ation of the Condensation Nuclei Counter（濃縮核酸カウンタのサブミクロン
標準および1次絶対較正）」J. Coloid Interface Sci.（コロイド界面サイエン ス・ジャーナル）47：155-171（1974年）、または毛管マイクロジェットのレイ リー・タイプのブレークアップ・プロセス、すなわちレイリー卿による「On the
instability of jets（ジェットの不安定性について）」Proc. London Math. S
oc.（ロンドン数学学会議事録）10：4-13（1879年）による類別）が、この種の 応用に必要とされるミクロン台のサイズを有する微小滴の単分散エアロゾルを生
成するために、現在使用されている方法である。類別プロセスの間におけるエア
ロゾル標本のかなりの損失は、ある種の応用に対するこのテクニックの使用を厳
しく制限する可能性がある。これに対し、毛管ブレークアップにおいては、微小
滴のサイズのばらつき範囲を非常に狭くすることが可能であるが、微小滴の直径
が、ジェットの直径によって決定される（概略でジェットの直径の2倍）。した がって、非常にサイズのばらつき範囲の狭いミクロン台の微小滴のスプレーを生
成する上で、毛管マイクロジェットの生成およびコントロールが非常に重要にな
る。 数十ナノメートルから数百マイクロメートルに及ぶ範囲の直径を伴う毛管マイ
クロジェットは、高い電界（数kV）を使用して周知の円錐ジェット電子スプレー
を形成することによって生成に成功している。電子スプレーに関する理論的およ
び実験的な結果ならびに数値計算は、特に、M. Cloupean（クラウピーン）ほか による「Electrostatic Spraying of Liquids in Cone Jet Mode（円錐ジェット
・モードにおける液体の静電スプレー）」J. Electrostat（静電気ジャーナル）
22：135-159（1989年）、Fernandez de la Mora（フェルナンデス・デ・ラ・モ ラ）ほかによる「The Current Transmitted through an Electrified Conical M
eniscus（帯電円錐メニスカスを介して伝達される電流）」J. Fluid Mech.（流 体メカニズム・ジャーナル）260：155-184（1994年）、およびLoscertales（ロ シャーテイルズ）（1994年）、A.M. Ganan-Calvo（ガニャン・キャルボ）ほかに
よる「Current and Droplet Size in the Electrospraying of Liquids: Scalin
g Laws（液体の電子スプレーにおける微小滴のサイズ：スケーリング規則）」J.
Aerosol Sci.（エアロゾル・サイエンス・ジャーナル）28：249-275（1997年）
、Hartman（ハートマン）ほかによる、1997年2月28〜3月1日にセビリアで開催さ
れたESF Workshop on Electrospray（電子スプレーに関するESFワークショップ ）の報告書「Electrohydrodynamic Atomization in the Cone-Jet Mode（円錐ジ
ェット・モードにおける電子流体力学的アトマイゼーション）」（1997年）から
知ることができる（Special Issue for Electrosprays（電子スプレーに関する 特別版）（1994年）に包含されている報告書も参照されたい）。電子スプレー・
テクニックにおいては、アトマイジングされる流体が帯電された毛管ニードルを
介してゆっくりと噴射される。印加電圧およびフロー・レートが特定の範囲にあ
る間は、ほぼ円錐形のメニスカスがニードルの出口に形成され、その頂点は非常
に薄く、帯電されたジェットがもたらされる。このジェットは、微小滴サイズの
ばらつき範囲が非常に狭いことにより特徴付けされる、強く帯電された微小滴の
微細なエアロゾルに分裂する。これに代えて純粋に機械的な手段を使用する毛管
マイクロジェットの生成は、非常に細いチューブ（通常は直径が数ミクロン台）
を通して液体を噴射するために高圧が必要になること、およびこの種の細いチュ
ーブが液体内の不純物によって容易に目詰まりすることなどのいくつかの理由か
ら、ほとんどの応用に制限がある。 本発明は、上記の不都合を有することなく、かつ電子スプレー・アトマイザと
優位に対抗し得る、機械的な手段に基づいてサイズが均一な単分散の気泡を生成
する新しいテクニックを提供する。このテクニックを用いて生成されるジェット
の直径は、1マイクロメートル未満から数十マイクロメートルまでの範囲におい て容易にコントロールすることができる。 （発明の要約） 本発明は、0.1から100ミクロン台のサイズを有する球状気泡を使用するエアレ
ーション方法を提供する。本発明のバブルの単分散を生成するためのデバイスは
、気体ストリームのソースを含み、出口開口を有する圧力チャンバ内に圧力保持
された液体を通して気体を押し出す。圧力チャンバ内の液体によって包み込まれ
た気体ストリームは、チャンバの出口オリフィスから外に流れ、実質的に直径が
均一なバブルの単分散が得られる。バブルは、サイズが小さく、従来のシステム
に比較して比較的少量のエネルギで生成される。このテクノロジの応用は、単分
散のバブルを用いた下水の酸素添加から、魚を飼育するための水の酸素添加に及
ぶ。 （好ましい実施態様の詳細な説明） 本エアロゾルデバイスおよび方法の説明に入る前に、本発明がここで説明する
特定の要素ならびにステップに限定されることなく、当然のことながらその変形
も可能であることを理解しておく必要がある。また、これにおける用語が、特定
の実施例を説明する目的のためにのみ使用されており、限定を意図していないこ
とを理解する必要がある。 ここで、これにおいて、ならびに特許請求の範囲において単数形の「a」（不 定冠詞の「a」）、「and」（アンド）および「the」（定冠詞）が、文脈によっ て明らかにそれが示されていない限り、複数の参照を包含することに注意しなけ
ればならない。したがって、たとえばバブルとの言及は、複数のバブルを包含し
、気体との言及は、気体の混合ならびに当業者には周知のその等価物を包含し、
このほかも同様になる。 特に定義しない限りにおいては、これに使用しているテクニカル用語および科
学用語は、本発明が属する分野の当業者が有する共通の理解に同じである。これ
において、説明するものと類似もしくは等価であるあらゆる方法および材料を本
発明の実施ないしはテストに使用し得るが、以下は好ましい方法ならびに材料に
ついて説明する。ここで言及された刊行物は、刊行物が引用した方法や材料と関
連して、参照として方法や材料を開示、言及するために組み込まれている。 ここで論じている刊行物は、本出願の出願日以前におけるその開示のためにの
み提供されている。これに含まれるいっさいは、本発明が、先行発明によってこ
の種の刊行物に先立つ権利を有しないことの容認として解釈されるべきではない
。さらに、提示した発表の日が実際の発表の日と異なることもあり、それぞれに
ついて確認を要する。 （定義） ここでは、「バブル」、「バブルの分散」および「バブルの単分散」という用
語を相互に交換可能に使用し、本発明のデバイスおよび方法を使用して分散され
る均一なサイズの気体もしくは気体調合体の微粒子を指す。微粒子は、一般に球
であり、1ないしは複数の気体もしくは気体の層から構成される。 ここでは、「空気」、「微粒子のない空気」およびこれに類似の用語を相互に
交換可能に使用し、他の物質が実質的に存在しない任意体積の空気、特に、調合
体の微粒子等の意図的に添加される微粒子を含まない空気を記述するために使用
する。空気は、各種の気体成分の混合物であり、当然のことながら変動はあるが
、通常、体積の約21%分の酸素を含む。空気には、それ以外の気体またはその他 の空中浮遊微粒子が含まれることもある。本発明において使用するための空気は
、望ましくない微粒子または気体状物質を除去するため、フィルタリングまたは
処理されることもあり、また、フィルタリングを行わない状態の空気が使用され
ることもある。空気は、水性流体たとえば水の酸素添加において、本発明の使用
に好ましい気体である。 ここで使用している「気体」および「気体調合体」は、本発明の方法を使用し
て分散させることが望まれる任意の気体もしくは気体の混合物を指す。たとえば
、調合体を、フィルタリングを行った空気またはフィルタリングを行っていない
空気から構成してもよい。空気等の気体には、特定の気体が加えられることもあ
り、たとえば酸素添加においては、使用する空気にO₂が追加される。気体調合体
は、気体の中に分散させて懸濁させた微粒子物質を含むこともある。気体を飲料
（たとえば水、コーラ等）を炭酸化するためのCO₂とし、あるいは好ましくない 汚染物質、たとえば放射性または環境上の有毒物質を含む気体とすることもでき
る。 ここで使用している「エアレーション」という用語は、気体状の物質が流動性
の流体内に分散することを言い、たとえば拡散表面を提供し、気体から分子また
は化合物を流動性の流体に渡すことを言う。この用語は、空気の拡散自体に限定
されず、空気の使用が好ましいが、任意の気体、たとえばO₂、CO₂、水素、窒素 等、およびこれらの混合気体を流動性の流体に渡すことを指す。流体のエアレー
ションは、好ましくは、本発明のデバイスから周囲の流体にバブルを放出するこ
とに続いて、流体‐バブルの界面を介した分子および／または化合物の拡散を可
能にする。しかしながら流体エアレーションは、CO₂の添加による飲料の炭酸化 のように、審美的な目的からも行われることがある。 （デバイス概要） ここでは各種の実施例を示し、説明するが（図1、2および3）、これらを使用 して安定した毛管マイクロジェットおよび／またはサイズにおいて実質的に均一
な微粒子の分散を得ることができる。各種実施例は本発明の一部であるが、これ
らは、安定した毛管マイクロジェットおよび／または均一な微粒子の分散の形成
という本発明の本質を伝達し得る例示のデバイスとして提供されているに過ぎな
い。 基本的なデバイスは、（1）第1の流体、好ましくは気体を供給するための手段
；および（2）第2の流体が供給される圧力チャンバからなり、第2の流体は、好 ましくは液体とし、圧力チャンバの出口開口から外に流出する。圧力チャンバの
出口開口は、第1の流体を供給するための手段の流路と直線上に並んでいる。図1
、2および3に示した実施例は、第1の流体を供給するための各種の手段が存在し 得ることを明確に表している。当業者であれば、これ以外の第1の流体のフロー ・ストリームを供給するための手段が可能なことも明らかであろう。 さらに当業者であれば、この開示を読むことによって、これ以外の構成により
、第1の流体を供給するための手段を囲む圧力チャンバを形成し得ることも明ら かであろう。これらの変形実施例は、ここに開示する基本概念の結果、つまり安
定した毛管マイクロジェットの形成、および／またはサイズにおいて均一性の高
い微粒子の分散の形成が得られる限り、本発明によって包含される。本発明の説
明を簡略にする目的から、しばしば第1の流体を供給するための手段が円筒状の チューブ（図1参照）として参照され、第1の流体が概して気体として参照されて
いる。この気体は、このデバイスの所望の用途に応じて任意の気体とすることが
できるが、好ましくは空気とする。たとえばこの気体を、液体のエアレーション
を行うための小さいバブルの生成に使用される空気として気体媒体を提供し、そ
れを通じて液体中に成分を拡散することができる。さらにまた簡略化の目的から
、第2の流体がここでは概して液体、たとえば水として説明されている。本発明 は、供給手段から放出され、安定したマイクロジェット、つまり当該気体マイク
ロジェットを収束させ、圧力チャンバの出口から外に流出させる、周囲の水流と
の相互作用に起因するマイクロジェットを形成する気体調合体を用いて一般的に
説明されている。 マイクロジェットの形成ならびにその加速、および最終的な微粒子の形成は、
第2の流体（たとえば液体）を保持している圧力チャンバの出口オリフィスを通 過するときに気体が受ける急峻な加速に関連する急激な減圧に基づく。この流体
は、チャンバから出ると、液体と気体の間に特定の圧力差を受け、続いてそれが
第1の流体（たとえば液体）の圧力チャンバの出口ポート近傍の流体表面上に強 く屈曲したゾーンを作って、尖点を形成し、その結果、圧力チャンバの出口ポー
トを通じて抽出される気体の量が補充される限り、安定したマイクロジェットが
得られる。つまり、ガラスのレンズまたは眼球のレンズが所定のポイントに光を
集光する場合と同じ態様で、流体のフローが気体を包み、安定したマイクロジェ
ットに収束させる。この周囲の液体のフローによる収束の効果は、実質的にその
直径が圧力チャンバの出口オリフィスの直径より小さい気体のストリームを生み
出す。これにより気体は、圧力チャンバのオリフィスから、当該オリフィスと接
触することなく流出することが可能になり、ストリームおよび結果的に得られる
微粒子の直径がチャンバの出口オリフィスの直径より小さくなることを含めた利
点が提供される。このことは、非常に直径の小さいホールの正確な加工が困難な
ことから特に望ましい。さらに、収束効果（および安定したインターフェイスカ
スプ）がない場合には、開口から出る気体のフローは、出口開口の直径より大き
な直径を持つ。 ここに述べる説明は、概して、気体が液体に包まれて出口オリフィスを通り、
圧力チャンバから離れ、その直後に液体の周囲環境に入ることを示しているが、
この環境は、疎水性または親水性の液体のいずれとすることもできる。この構成
は、圧力チャンバの出口開口を囲む液体内に移動する、非常に小さく、均一性の
高いバブルを形成する必要があるとき特に有用である。気体を非常に小さく均一
性の高いバブルの形にする必要性は、各種の産業上の応用において生じる。たと
えば、水に酸素添加しなければならない状況は、小規模の家庭用水槽および大容
量の養殖場を含めて各種存在する。追加の酸素は、魚の成長レートを促進するこ
とが可能であり、それによって養殖場の生産性が向上する。別の実施例において
は、酸素または空気のバブルが液体の下水に送り込まれて処理を促進する。本発
明のさらに別の応用においては、放射性物質によって汚染された気体等の汚染気
体から小さい均一のバブルを形成して、それを液体中に吹き込み、液体内に気体
中の汚染物質を拡散させて、それにより気体を浄化することができる。液体は、
当然のことながら占有する体積が小さく、そのため汚染された有毒気体より廃棄
が実質的に容易になる。 当業者であれば、以下に開示する各種の実施例に係る変形が、個別の好ましい
結果を得る上で有用であることを理解されよう。次に具体的なデバイスについて
説明する。 （図1の実施例） 図1を参照して、供給手段を流体の圧力チャンバ内に気体を供給する円筒状フ ィーディング・ニードルとする本発明の第1の実施例について説明する。 図1に示した実施例の構成要素は次のとおりである。 1. フィーディング・ニードル ― 液体ソースおよびチューブとして一般的
に参照することもある。 2. アトマイジングする気体を分散するためにインサートするために使用され
るフィーディング・ニードルの端部。 3. 圧力チャンバ。 4. 流体のインレットとして使用されるオリフィス。 5. アトマイジングする液体を排出するために使用されるフィーディング・ニ
ードルの端部。 6. 抽出が生じるオリフィス。 7. アトマイジング生成物（スプレー） ― エアロゾルと呼ぶこともある。 D₁＝フィーディング・ニードルの直径；D₀＝マイクロジェットが通過するオリ
フィスの直径；e＝抽出が生じるオリフィスの軸方向の長さ；H＝フィーディング
・ニードルからマイクロジェットのアウトレットまでの距離；P₀＝チャンバ内の
圧力；P_a＝大気圧。 本発明のデバイスは、各種の設計において構成可能であるが、それぞれの設計
は、すべて基本的に図1に示した基本的な構成要素をすべて含むか、あるいはそ れに等しい機能をもたらし、希望の結果が得られる構成要素を含むことになろう
。具体的に述べれば、本発明のデバイスは、第１流体、たとえば気体の調合体を
供給し得る少なくとも1つの第１流体のソース（たとえば開口2を有するフィーデ
ィング・ニードル）および気体を放出し得る出口開口5からなる。フィーディン グ・ニードル1もしくは、少なくともその出口開口5は、圧力チャンバ3によって 囲まれている。チャンバ3は、チャンバ3内に第２流体（たとえば液体）を供給す
るために使用されるインレット開口4および、圧力チャンバからの流体およびフ ィーディング・ニードル3からの気体の調合体が放出されてエアロゾルが形成さ れる出口開口6を備える。第１流体が気体な場合液体に放出され、バブルを形成 するのが好ましい。 図1において、フィーディング・ニードルおよび圧力チャンバは、バブル形成 において粒子サイズが小さく均一であるとする希望の結果を得るべく構成されて
いる。バブルが、0.1ないしは100ミクロンの範囲のサイズを有する。任意のバブ
ルの微粒子は、すべておおむね等しい直径を有し、その相対標準偏差は、±10% から±30%、より好ましくは±0.01%から±10%とする。エアロゾルの微粒子が、1
ないしは5ミクロンの範囲の粒子直径を有するということは、別の微粒子が異な る直径を有し、あるものは1ミクロンの直径を、別のものは5ミクロンの直径を有
するということを意味しているわけではない。所定の分散バブルにおける微粒子
はすべて（好ましくは90%以上）、±0.01%から±30%までの範囲において同一の 直径を有する。たとえば、所定のエアロゾルの微粒子は、2ミクロン±0.01%から
2ミクロン±10%までの直径を有する。 このような単分散の均一バブルは、上記の構成要素ならびに構成を使用して生
成される。しかしながら、当業者であれば、これ以外の構成要素ならびに構成を
案出することができよう。それぞれの設計の目的は、流体を供給し、それにより
第2流体から第1流体表面に作用する接線方向の粘性応力によって加速され、安定
化される安定した毛管マイクロジェットを生成することである。第2流体によっ て生成される安定した毛管マイクロジェットは、圧力気体エリアを離れ（たとえ
ば、圧力チャンバを離れ、圧力チャンバのオリフィスから出る）、希望のサイズ
および均一性を持った微粒子またはバブルに分裂する。 使用するパラメータ・ウインドウ（つまり、使用する液体の特性、使用するフ
ロー・レート、フィーディング・ニードルの直径、オリフィスの直径、圧縮比等
に関する特定の値のセット）は、実質的に任意の液体との互換性が確保されるべ
く充分に大きくし（動的粘度の範囲は10^-5〜1kg・m^-1・s^-1）、それによって、フ ィーディング・ニードルの端部に現れる毛管マイクロジェットが絶対的に安定に
なり、ジェットの破断によってもたらされる摂動が上流に移動することが不可能
になる。下流においてマイクロジェットは、わずかに開いたタップから落ちる層
流毛管ジェットと同様の態様で、毛管の不安定性（たとえば1878年のLondon Mat
h. Soc.（ロンドン数学学会議事録）にあるRayleigh（レイリー）による「On th
e instability of jets」（ジェットの不安定性について）4〜13ページを参照さ
れたい）の効果のみによって、等しく形成されたバブルに分裂する。 静止した、安定な界面が形成されると、フィーディング・ポイントのアウトレ
ットにあるバブルの端部に現れる毛管ジェットが、ノズル内に、それと軸を等し
くして引き出される。バブルからガスジェットが現れた後、気体は、その表面を
流れる液体ストリームの作用がもたらす接線方向の圧力によって加速され、それ
が漸進的にジェットの断面積を小さくする。換言すれば、それが圧力チャンバの
出口オリフィスに向かって、その中へと移動するとき、流体フローがレンズとし
て作用し、気体マイクロジェットを収束させ、安定させる。本発明の第1の流体 が気体であり、第2の流体が液体であるときは、第1の流体の慣性が低くなり、気
体は、付随するバブルの尖頭からそれが生じた直後に急速に減速される。この場
合、マイクロジェットが非常に短くなり、気体‐液体界面の安定した尖頭と見分
けることはほとんど不可能になる。 本発明の第1の流体が気体であり、第2の流体が液体であり、2つの流体のスト リームが気体雰囲気中に放出されるとき、規則的な間隔を持つ気体のバブル形成
を伴った液体ジェットが形成される。このバブルの規則性は高く、液体ジェット
が非常に規則的な態様で変形し、その結果、単分散性の高い中空微小滴のストリ
ームが得られる。これらの中空微粒子の内側の気体を、適切な化学物質、熱また
は機械的な手段を使用して処理し、デバイスからの放出時に膨張させて中空微粒
子をさらに微細な微小滴に粉砕してもよい。それに代えて、使用する液体が硬化
性であれば、中空微小滴を硬化させて、中空の固体形状とすることもできる。 第2の流体のフローによって第1の流体表面に作用する力は、不規則な表面振動
を防止する充分な安定性を有する必要がある。つまり、気体および流体の運動に
おける乱流が回避され、かつ気体速度が高い場合においても、オリフィスの特性
サイズによって流体の運動の層流性（ジェットおよびノズルまたはホールの内側
表面に形成される境界層に類似）が保証される必要がある。 （安定した毛管マイクロジェット） 図4は、本発明の方法を使用してバブルを形成する気体と流体の相互作用を示 している。フィーディング・ニードル60は、内側の半径をR₁とする円形の出口開
口61を有し、気体62をその端部から外に吐出し、R₁からR₁にニードルの肉厚を加
えた値までの範囲の半径を有するドロップを形成する。その後、ドロップの周囲
は、図1および図4に示したチューブ（つまりフィーディング・ニードル）5の拡 大図に図示されるように狭められて周囲が一段と小さくなる。排出される液体の
フローは、2つの流体の界面64において、液体と周囲の液体の相互作用の後、安 定した尖頭を形成する有限量の流線流63からなる。また周囲の気体は、有限数の
気体流線流65を形成し、それが固体表面および排出される液体と相互作用して、
事実上の収束ファネル66を形成する。排出される流体は、この収束ファネル66に
よって収束され、その結果、安定した毛管マイクロジェット67が生成され、その
安定性は、圧力チャンバ69の開口68を出るまで維持される。圧力チャンバを出た
後のマイクロジェットは、分裂を開始し、単分散の微粒子70を形成する。 液体の抽出およびそれに続くジェット形成後の加速に影響する気体フローは、
非常に速い必要があるが、同時に、脆弱な毛管界面（ジェットから現れるドロッ
プの表面）の摂動を回避するために均一である必要がある。 図4に示されるように、毛管60の出口開口61は、圧力チャンバ69の平面内の出 口開口68の近傍に配置されている。この出口開口68は、最小直径D₀を有し、厚さ
eの平面部材に備えられている。直径D₀は、この開口が円錐形の構成を有し、円 錐形の小径側端部が液体フローのソースに近い側に配置されることから、最小直
径と呼ばれる。つまり、この出口開口はファネル形状のノズルであるも、たとえ
ば漏刻形の構成等のこれ以外の開口構成も可能である。圧力チャンバ内の液体は
、この出口開口から連続的に流出する。この液体のフローは、気体ドロップをチ
ューブから放出させ、当該気体がチューブの端部から離れ、圧力チャンバの出口
開口の方向に移動するに従ってその周囲を小さくする。 実際の使用においては、最大の流体の加速（およびその結果としてもたらされ
る、所定パラメータのセットに関してもっとも安定した尖頭ならびにマイクロジ
ェット）を惹き起こす開口の形状が、圧力チャンバにおける円錐形の開口になる
と理解することができる。円錐形の開口は、狭い側の端部を気体フローのソース
に向けて配置される。 チューブ60の端部61と出口開口68の開始位置までの距離がHである。ここで、 好ましくはR₁、D₀、Hおよびeが、すべて100ミクロン台となることに注意された い。たとえば、R₁＝400m、D₀＝150m、H＝1mm、e＝300mとなる。しかしながら、 それぞれはこれらのサイズの1/100倍から10倍の値をとることができる。 気体ストリームの末端は、出口開口68を介して生じる印加された圧力の降下P₁ が、最大曲率のポイントに現れる液体‐気体表面張力の応力/R*より優勢になる とき、圧力チャンバ69の出口開口68からの臨界距離、たとえば出口開口から1/R*
の距離において尖頭形状になる。 その後、ドロップ尖頭から放出される気体のフロー・レートQが、毛管から定 常的に供給される場合には、定常状態が確立される。これが本発明の基本的な特
徴である安定した毛管尖頭であり、安定したマイクロジェットを形成するために
必要になる。より詳細に述べれば、代表値d_jの直径を有する安定した薄い気体ジ
ェットが、安定した先頭形状からから滑らかに放出され、この薄い気体ジェット
がミクロン台からミリメートル台までの範囲にわたって延びる。安定したマイク
ロジェットの長さは、非常に短い場合（たとえば1ミクロン）から非常に長い場 合（たとえば50mm）まで多様であり、その長さは、（1）気体のフロー・レート 、（2）圧力チャンバの出口開口外を流れる気体および流体ストリームのレイノ ルズ数、および(3)ガスジェットのウエバー数に依存する。ガスジェットは、ス ーパークリティカル・フローに到達したとき得られる安定した毛管マイクロジェ
ットである。上記に述べたように、気体ジェットの場合は、マイクロジェットが
安定したカスプから殆ど区別できないくらい小さくすることができる。このジェ
ットは、気体に印加された圧力の降下P_gが、液体‐気体界面に作用する最大表面
張力の応力に比較して充分に大きい（/d_j台）ことを条件に、安定した振る舞い を見せる。この安定したマイクロジェットは、他の力を必要とせずに、すなわち
荷電流体に作用させる電気的な力といった追加の力を必要とすることなく形成さ
れる。しかしながら、一部の応用においては、たとえば微粒子を所定表面に付着
させるために微粒子に電荷を与えると好ましいことがある。収束ファネルを形成
する流体フローによって毛管から出る気体の形状は、尖頭状のメニスカスを形作
り、結果的にそれが安定したマイクロジェットをもたらす。これは、本発明の基
礎をなす特徴である。 最終的にマイクロジェットは、表面張力の効果に起因して不安定になる。下流
に移動する微小自然摂動の結果としてもたらされる不安定は、マイクロジェット
の分裂を支配する最速成長摂動とともに、最終的に、図4に示した均一なサイズ の単分散のバブル70を作り出す。このマイクロジェットは、当初不安定化される
ことがあっても、出口開口の周縁表面に触れることなく、圧力チャンバの出口オ
リフィスを通過して外に出る。 （安定したマイクロジェットの数学） 円柱座標系（r,z）を使用し、安定したマイクロジェット、すなわち「スーパ ークリティカル・フロー」を受ける液体ジェットの形状解析を行う。チューブか
ら出た流体によって形成される尖頭状メニスカスは、第2不混和流体のフローが 作る圧力勾配によって圧力チャンバの出口に向かって引っ張られる。 チューブの口に形成される尖頭状メニスカスは、流体ストリームが作る圧力勾
配によって、ホールに向かって引っ張られる。このメニスカスの尖頭から、P₁に
起因する吸い込み効果および、流体からジェット表面に軸方向に作用する接線方
向の粘性応力_sの両方の作用によって、半径r＝の形状を伴う安定した気体のスレ
ッドがホールを通って抽出される。この構成に関する平均運動量の方程式は、次
のように表すことができる。（仮にR_gがガスコンスタントでTが温度であった場 合、D_p1<<P_gR_gTとする。） d/d_z{P_l + (_gQ²) / (2^{2 4})} = 2_s / （1） これにおいてQは、フィーディング・チューブから出たときの気体のフロー・ レート、P_gは気体の圧力、_gは気体の濃度であり、粘性の外延項は、続いて論拠 を示すように、運動エネルギ項に比べて無視可能であると仮定している。気体の
圧力Pgは、次に示す毛管方程式によって与えられる。 P_g = P_l + / （2） これにおいては液体‐気体の表面張力である。例に示されるように圧力降下P_g は、表面張力の応力/に比べて充分に大きく、解析において後者を無視し得ると する論拠となる。このシナリオは、マイクロジェットが絶対的に安定であるとす
るフロー・レートの全範囲にわたって維持される。実際、所定の圧力降下P₁につ
いて、安定したジェット条件においてスプレー化が可能な最小の気体フロー・レ
ートは、表面張力が運動の「抵抗」様に作用することから（式（1）右辺に負の 項として現れる）、表面張力の応力/が、流体の運動エネルギ(P_gのオーダー)と 同程度のときに達成される。つまり、 Q_min = {(d_j ³) / _g)}^1/2 （3） Q_minに比較してフロー・レートQが充分に大きい場合には、軸方向における平 均運動量の式が次のように表される。 d / d_z (₁Q²) / 2^{2 4}) = dP₁ / d_z + 2_s / （4） これにおいては、流体フローに関する2つの駆動力が右辺に置かれていること がわかる。一般的に、液体の圧力勾配が、平均値において、表面応力に帰する粘
性剪断項2_s/より充分に大きいことである。一方、気体内の軸方向の粘性力は圧 力よりはるかに小さい。以上により、式（4）内のすべての粘性項を無視できる とする論拠が得られた。ここで、気体フローに関するこの制限は、ほとんどのミ
クロン・クラスの外延フローとは対照的に平均においていわば等エントロピーに
なる（液体がほぼイルアーベルヌーイの方程式に従う）。したがって、両方の流
体の停滞領域から出口まで式（4）を積分することにより、ホール出口における ジェットの直径に関するシンプルかつ普遍的な次式を得ることができる。 d_j = (8₁ / ²P_g)^1/4 Q^1/2 （5） これは、所定の圧力降下P₁が幾何学的パラメータ（ホールおよびチューブの直
径、チューブとホールの間の距離等）、液体ならびに気体の粘性、および液体‐
気体の表面張力に関して独立であることを示している。 提案されたアトマイゼーションシステムは、明白に、噴霧を形成するために使
われる霧化される液体と気体の供給を必要としている。両者とも安定したパラメ
ータウィンドウ内にシステムが存在するのを確実に流量で供給されねばならない
。 必要なフロー・レートが個別のセルのそれを上回るときは多重化が有効である
。より具体的に述べれば、複数のフィーディング・ソースまたはフィーディング
・ニードルを使用すれば、エアロゾルが生成されるレートを上げることができる
。使用するフロー・レートは、フロー間の質量比がそれぞれの服用の処方に矛盾
のないことを保証する必要がある。 気体と流体は何らかの形式の連続供給システムから引き出される。（例えば、前
者はコンプレッサや圧力タンク、後者は容積ポンプや圧力ボトル。） 多重化が必要な場合は、セル間における液体のフロー・レートを可能な限り均一
にすべきであり、これには、複数の毛管ニードルを通じた推進力、異なるフィー
ディング・ポイントの間に均一なフローを分配し得る多孔媒体もしくはその他の
媒体が必要になる。 各個別の乾燥微粒子アトマイゼーション・デバイスは、マイクロジェットから
現れるドロップのアンカーを可能にする直径0.002〜2mm（好ましくは0.01〜0.4m
m）の少なくとも1つのフィーディング・ポイント（毛管ニードル、開口したマイ
クロチャンネルを伴うポイント、連続するエッジ上の微小突起等）、ドロップに
正対しフィーディング・ポイントから0.01〜2mm（好ましくは0.2〜0.5mm）だけ 離隔された直径0.002〜2mm（好ましくは0.01〜0.25mm）の小オリフィスから構成
されることになる。オリフィスは、高い圧力にあるドロップ周囲の抽出流体を、
アトマイジング生成物が生じる低い圧力のゾーンに伝える。このディバイスは、
各種の材料（金属、高分子、セラミクス、ガラス）を使用して作ることができる
。 図1は、テストを行ったプロトタイプを示しており、これにおいてアトマイジ ングする気体はシステムの一端2にインサートされ、流体は、特殊なインレット4
を介して圧力チャンバ3内に導入される。このプロトタイプは、アトマイジング された液体が吐出される大気圧P_aを超える圧力が10ミリバールから2000ミリバー
ルまでの気体供給レートにおいてテストされた。フィーディング・ニードル1を 囲むエンクロージャ全体の圧力は、P₀＞P_aとした。気体の供給圧P_lは、常に流体
の推進圧力P_oよりわずかに高くする必要がある。ニードルおよび気体システム内
の圧力降下に応じて、圧力差（P_l−P₀＞0）とアトマイジングする流体の液体の フロー・レートQは、フローが層流である限り線形になり、このプロトタイプの 場合もその例に漏れていない。臨界寸法は、ニードルからプレートまでの距離（
H）、ニードルの直径（D₀）、マイクロジェット6が吐出されるオリフィスの直径
（d₀）、およびオリフィスの軸方向の長さe（つまりオリフィスが作られるプレ ートの厚さ）である。このプロトタイプにおいては、距離（D₀＝0.45mm、d₀−0.
2mm）およびe−0.5mmを一定にしてHを0.3から0.7mmまでの範囲で変化させた。結
果として得られたスプレー7のクオリティには、動作レジーム（つまり定常ドロ ップおよびマイクロジェット）が維持される限り、Hの変化に伴う明確な変動は なかった。しかしながらシステムは、距離Hがより長い（約0.7mm）とき安定性に
影響が現れた。このほかのアトマイザ寸法は、ニードル（その直径）周辺のゾー
ンがフィーディング・ニードルに対して相対的に充分大きくなっている限り、ス
プレーないしはプロトタイプの機能に影響を与えることがなかった。 （ウェーバ数） 安定した毛管マイクロジェットを確保し、それの単分散微粒子へのブレークア
ップをコントロールするためのパラメータ調整は、ウェーバ数および液体対気体
の速度比、つまりV_l/V_gで表されるによって支配される。ウェーバ数つまり「We 」は、次式を用いて定義される。 We = (₁V_l ²d) / これにおいて、₁は気体の濃度、dは安定したマイクロジェットの直径、は液体
‐気体の表面張力、V_l ²は気体速度の二乗である。 本発明を実施するときは、安定した毛管マイクロジェットを生成するために、
ウェーバ数が1より大きくなるように調整する必要がある。しかしながら、微粒 子のばらつきを単分散にする（つまり各微粒子が±0.1%から±30%までの範囲に おいて同一サイズを有する）ためには、ウェーバ数が約40を下回るべくパラメー
タを調整する必要がある。単分散のエアロゾルは、ウェーバ数が約1から約40ま での範囲のとき（1≦We≦40）得られる。 （オーネソージ数） ジェットのブレークアップにおける粘性の相対的な重要度は、2つの特性時間 、すなわち、粘性時間t_vとブレーク時間t_bの間の比として定義されるオーネソー
ジ数から評価することができる。ブレーク時間t_bは、次式によって与えられる（
レイリー（1878年）参照）。 t_b = (_ld² / )^1/2 （2） ジェット表面の摂動は、粘性拡散によって次式相当の時間t_vで伝播される。 t_v≒ _ld² / _l （3） これにおいて、₁は液体の粘性である。したがってオーネソージ数Ohは、次式 を用いて表すことができる。 Oh = ₁ / (_ld)^1/2 （4） この比が1より充分に小さければ、粘性は、検討している現象において本質的 な役割を持たない。実際に実施した実験におけるオーネソージ数の最大値が3.7 ×10^-2程度に低いことから、ジェットのブレークアップ・プロセスの間において
は粘性の本質的な影響がない。 （図2の実施例） 当業者であれば、この開示を読むことによって多様な構成要素の構成ならびに
流体タイプが明らかになることであろう。これらの構成ならびに流体は、ソース
から第2の流体を擁する圧力チャンバの出口ポートに向かう第1の流体の安定した
毛管マイクロジェットを生成し得る限り、本発明に包含されることになる。安定
したマイクロジェットは、フィーディング・ソースから圧力チャンバの出口ポー
トに向かって流れ、圧力チャンバ内の第2の流体から、マイクロジェットを形成 する第1の流体表面に作用する圧力によって加速され安定化される。第2の流体は
、各種のパラメータが適正にチューニングされ、あるいは調整されたとき、収束
ファネルを形成する。たとえば、速度、圧力、粘性および第1の流体と第2の流体
の混和性が、第2の流体によって形成されたファネルの中心に向かって収束する 、希望どおりの結果の、第1の流体の安定したマイクロジェットを得るべく選択 される。これらの結果は、第1の流体が流出する開口のサイズ、両方の流体が吐 出される開口のサイズ、およびこれら2つの開口の間の距離等を含めたデバイス の物理的なパラメータを調整またはチューニングすることによっても得られる。 図1に示した実施例は、それ自体、各種の構成にアレンジすることができる。 さらに、先にも触れたが、この実施例に複数のフィーディング・ニードルを備え
ることも考えられる。複数のフィーディング・ニードルは、図2に示すように、 同心に構成して単一構造とすることができる。 図2に示した実施例の構成要素は次のとおりである。 21. フィーディング・ニードル ― 流体のソースまたはチューブ。 22. アトマイジングする液体をインサートするために使用されるフィーディ ング・ニードルの端部。 23. 圧力チャンバ。 24. 流体のインレットとして使用されるオリフィス。 25. アトマイジングする気体を排出するために使用されるフィーディング・ ニードルの端部。 26. 抽出が生じるオリフィス。 27. アトマイジング生成物（スプレー）つまりエアロゾル。 28. アトマイジングする第1の気体（微粒子内側の核）。 29. アトマイジングする第2の流体（微粒子外側のコーティング）。 30. マイクロジェットを生成するための流体。 31. フィーディング・ニードルの内側チューブ。 32. フィーディング・ニードルの外側チューブ。 D＝フィーディング・ニードルの直径；d＝マイクロジェットが通過するオリフ
ィスの直径；e＝抽出が生じるオリフィスの軸方向の長さ；H＝フィーディング・
ニードルからマイクロジェットのアウトレットまでの距離；＝表面張力；P₀＝チ
ャンバ内の圧力；P_a＝大気圧。 図2に示した実施例は、好ましくは別の物質によって囲まれた物質の球状微粒 子の形成を試みるとき使用される。図2に示したデバイスは、図1に示したデバイ
スと同一の基本構成要素からなり、さらに第1の円筒状フィーディング・ソース3
1の周囲に、それと同心に配置された第2のフィーディング・ソース32を備える。
この第2のフィーディング・ソースを、それぞれが内側のソースと同心に配置さ れる1ないしは複数の追加のフィーディング・ソースによって包み込んでもよい 。 プロセスは、液体‐気体または液体‐液体（互いに不混和性の場合）の界面相
が、2つの流体の結合吸引が生じる間に、一方の流体の吸引が始まるポイントに 達するとこの界面相が受けるミクロ吸引に基づいている。この相互作用は、流体
を他方によって物理的に包み込み、最終的に球状のドロップに分裂する毛管マイ
クロジェットを形成する。2つの流体（気体‐液体）に代えて、同心チューブを 使用した噴射によって、同心で流れる3ないしはそれ以上の流体を使用すると、2
ないしはそれ以上の異なる流体の層からなる毛管ジェットが形成され、それが分
裂したとき、異なる複数の流体からなる概略で同心の球状の層が形成される。外
側の球のサイズ（その厚さ）および、内側の球のサイズ（その体積）は、正確に
調整可能である。これによってさまざまな用途に用いられるバブル層を作ること
ができる。 この方法は、一方の液体または気体の核、およびそれを包み込む別の（1ない しは複数の）液体または気体からなる毛管マイクロジェットの分裂を基礎にして
おり、それぞれの液体または気体は、安定した毛管ジェットを形成し、かつマイ
クロジェットが形成されてからそれが分裂するまでの間に拡散によって互いに混
合しない態様において特殊な噴射ヘッドによって同心形式で噴射される。毛管マ
イクロジェットが、適正な動作条件の下に球状のドロップに分裂するとき、詳細
を後述するが、これらのドロップは球形の核を呈し、そのサイズおよび偏心率は
コントロールすることができる。 2つの原料を含む球の場合は、噴射ヘッド25が、1ミリメートル台の外形を有す
る2本の同心チューブからなる。内側チューブ31を介して微小球の核を構成する ことになる原料が噴射され、内側チューブ31と外側チューブ32の間からコーティ
ングが噴射される。外側チューブ32の流体は、これらの流体がフィーディング・
ニードルから出るときチューブ31の流体と結合し、その結果、噴射されるこれら
の流体が、噴射チューブの端部に正対する微小オリフィス24を通る気体または液
体ストリームによって加速される。オリフィス24を通じて降下する圧力が充分で
あれば、噴射される液体の量に変化がない限り、完全に静止した毛管ジェットを
液体が形成する。このマイクロジェットは、オリフィスの壁に接触することなく
、気体ストリームまたはチューブ32からの気体によって形成されるファネルに包
まれてそこを通過する。この流体ファネルが排出流体を収束させることから、形
成される微粒子のサイズが出口オリフィスのサイズ26によって支配されなくなる
。 パラメータが適切に調整されていれば、出口オリフィス26における流体の運動
は均一であり、粘性力は充分に小さく、それがフローまたは液体の特性を変化さ
せること、たとえば、ある種の複雑性および脆弱性を有する生化学分子供試体が
ある場合には、微小オリフィスを通るフローに関連して現れる粘性力がこれらの
物質を退化させることがあるが、そういったことがなくなる。 図2は、フィーディング・ニードル21の簡略図であり、それには、2つの不混和
性流体からなる微小球を構成することになる流体28、29の内側フローおよび外側
フローを提供する同心チューブ30、31が備わる。オリフィス26を介した圧力差P₀ −P_a（P₀＞P_a）は、チャンバ23内に導入された流体のフローを設定し、それが出
口においてマイクロジェットを包み込む。圧力差P₀−P_aが、移動方向と逆に作用
する勾配を作り出す表面張力との比較において充分に大きければ、液体を移動さ
せる同じ圧力勾配が、この軸方向にホール26を通ってマイクロジェットを移動さ
せる。 内側ジェットおよび外側ジェットの最小サイズに関しては、（a）外側の液体2
9と液体30の表面張力1ならびに外側の液体29と内側の液体28（たとえば気体）の
表面張力2、および（b）オリフィス26を介したP＝P₀−P_aにそれぞれ依存する2つ
の制限がある。まず、圧力におけるジャンプPが充分に大きく、表面張力の有害 な影響を最小にできなければならない。しかしながらこれは、ひじょうに控えめ
な圧力の増加によって達成され、たとえば、0.05N/mの表面張力を有するガス（ 水道水）の10ミクロンのジェットであれば、圧力における必要最小ジャンプは0.
05（N/m）/0.00001m＝P＝50ミリバールとなる。しかし、ドロップが均一のサイ ズを持つためには、これに加えてマイクロジェットの分裂が規則的かつ軸対称で
なければならず、そのため、外側気体の表面張力1およびマイクロジェットの外 径の両方に依存する所定の値を超えて過剰にPを大きくすることができない。実 験的にこの圧力差は、表面張力1を20倍してマイクロジェットの外側半径で除し た値を超えて大きくできないことが明らかになった。 したがって、マイクロジェットの内側ならびに外側の直径が与えられたとき、
最小と最大の間の動作圧力の範囲が決まることになるが、実験的には、その最小
値の2ないしは3倍程度の圧力において最適な結果が得られている。 気体の粘性の値は、それより高い粘性_maxを有する気体が、この気体について 予想されるジェットの直径dおよびオリフィスを介した差Pに関する次に示す不等
式を立証するものでなければならない。 _max≦ Pd²D / Q それにより圧力勾配は、気体がオリフィスに向かって吸引されるとき、それが
もたらす粘性抵抗の外延力に打ち勝つことができる。 さらに、微小球の核の同心性を達成するためには、各気体間の速度関係が、濃
度の二乗根v1/v2＝(2/1)^1/2に従って移動すること、および両方のジェット、つ まり内側ジェットおよび外側ジェットを、可能な限りもっとも対称な構成とする
ことが前提となる必要があり、それぞれの液体が異なる速度を有している場合に
はそれが得られないことから（図2）、それぞれの液体は、非常に類似した濃度 を有していなければならない。それにもかかわらず、規定パラメータの範囲内に
おいて、2つの気体間の表面張力2によって、微小球の中心に向かって核が移動す
る傾向にあることが実験的に立証された。 内側チューブ31（通常は突出することになる方）の平面と、オリフィスの平面
の間の距離は、液体間および液体との表面張力およびそれらの粘性値に応じて、
ゼロから外側チューブ32の外径の3倍までの範囲の値となり得る。通常は、それ ぞれ個々の構成ならびに使用する液体のセットに関して、実験的に最適距離が判
断される。 提案分散システムは、明らかに、結果として得られるバブルに使用する流体が
特定のフロー・パラメータを有することを必要とする。したがって、この用途の
ためのフローは、 ‐安定性のパラメータ・ウインドウ内にシステムが入る適切なフローでなけれ
ばならない。必要なフローが個別のセルのそれを上回るとき、あるいは多層構造
の微粒子を得るために、多重化（つまり複数セットの同心チューブ）が使用され
ることもある。 ‐流体間の質量の関係は、個々のアプリケーションの仕様内に入る適切なもの
でなければならない。もちろん特別な用途では何らかの手段により大量のガスが
供給されることもあるが、このことはアトマイザの機能の妨げにはならない。 したがって、気体を連続供給するための任意の手段（コンプレッサ、プレッシ
ャー・ディポジット等）および液体を連続供給するための任意の手段（容量ポン
プ、圧力ボトル等）が使用されることがある。多重化が望まれるときは、各種セ
ル間の液体のフローを可能な限り均一化しなければならず、それには、複数の毛
管ニードルを介したインパルス、異なるフィーディング・ポイントの間に均一な
フローを分配し得る多孔媒体もしくはその他の媒体が必要になることもある。 それぞれのアトマイジング・デバイスは、それぞれにマイクロジェットが発出
するドロップのアンカーが可能な、0.05から2mmまでの範囲、好ましくは0.1から
0.4mmまでの範囲の直径を有する同心チューブ31、32、および当該ドロップに正 対し、フィーディング・ポイントから0.001から2mmまでの範囲、好ましくは0.2 から0.5mmまでの範囲の距離だけ離隔された微小オリフィス（0.001から2mmまで の範囲、好ましくは0.1から0.25mmまでの範囲の直径を有する）からなる。これ らのオリフィスは、より高い圧力においては液体にドロップを包み込ませ、より
低い圧力においては分散が達成されるエリアに接触させる。 （図3の実施例） 図1および図2に示した実施例は多くの点で類似している。いずれも、好ましく
は円形の出口開口を有するフィーディング・ニードルの形状を持ったフィーディ
ング・ピースを有する。さらに、いずれもが圧力チャンバの出口開口を有し、そ
れがフィーディング・ソースから出る流体の流路正面に直接配置されている。フ
ィーディング・ソースの流路と圧力チャンバの出口開口アライメントを正確に維
持することは、特にデバイスが複数のフィーディング・ニードルを備えるとき技
術的な困難を伴う。図3に示した実施例は、構成要素のアライメントを単純化す べく設計されている。図3に示した実施例は、平面フィーディング・ピースを使 用し、これにおいては流体が通過する微小開口を介した圧力差がもたらす抽出効
果によって、圧力チャンバの複数の出口ポートを介した複数のマイクロジェット
の放出が可能になり、その結果、複数のエアロゾル・ストリームが得られる。図
3には単一の平面フィーディング部材を示しているが、当然のことながら複数の 平面フィーディング部材を伴うデバイスを作ることも可能であり、それにおいて
は、それぞれの平面フィーディング部材が、それを囲む圧力チャンバに備わる線
形配列のアウトレット・オリフィスに流体を供給する。それに加えて、フィーデ
ィング部材が必ずしも厳密に平面である必要はなく、2つのフィーディング・ソ ースの間を概略で同一の空間距離に維持する2つの面からなる屈曲したフィーデ ィング・デバイスも考えられる。この種の屈曲したデバイスは、たとえば円、半
円、楕円、半長円等のように、任意レベルの曲率を有しているものとすることが
できる。 図3に示した実施例の構成要素は次のとおりである。 41. フィーディング・ピース 42. 分散される気体をインサートするために使用されるフィーディング・ピ ースの端部。 43. 圧力チャンバ。 44. 液体のインレットとして使用されるオリフィス。 45. 分散される気体を排出するために使用されるフィーディング・ピースの 端部。 46. 抽出が生じるオリフィス。 47. 分散バブル。 48. 分散される原料を含んだ第1の流体。 49. マイクロジェットを生成するための第2の流体。 50. フィーディング・ピースの端部に正対する推進チャンバの壁。 51. フィーディング・ピースを通る流体をガイドするためのチャンネル。 d_j＝形成されるマイクロジェットの直径；_A＝第1の流体（48）の濃度；_B＝第2
の流体（49）の濃度；_A＝第1の流体（48）の速度；_B＝第2の流体（49）の速度；
e＝抽出が生じるオリフィスの軸方向の長さ；H＝フィーディング・ニードルから
マイクロジェットのアウトレットまでの距離；P₀＝チャンバ内の圧力； p_g＝気体圧力における変化；P_a＝大気圧；Q＝容量フロー・レート。 提案の分散デバイスは、第1の流体48が流れる平面フィーディング・チャンネ ルを構成するフィーディング・ピース41からなる。このフローは、フィーディン
グ・ピース41の平面上に構成された、ボアが均一な1ないしは複数のチャンネル を介して好ましく指向される。第2の流体49の推進フローを保持する圧力チャン バ43は、このフィーディング・ピース41を収容し、チャンバの壁50の外側より高
く維持された圧力の下に置く。推進チャンバの壁52に形成された1ないしは複数 のオリフィス、開口またはスロット（アウトレット）46は、フィーディング・ピ
ースのエッジと正対している。好ましくはフィーディング・ピース41の各ボアま
たはチャンネルが、アウトレット46と実質的に心合わせされた流路を有する。 第２の流体４９が液体であり第１の流体４８が気体であった場合、液体の方がよ
りいっそう粘性を有し気体がより低い密度を有していることが事実上、液体およ
び気体の速度を均等化する。形成される気体マイクロスレッドはきわめて短く、
その破壊ゾーンが殆どいつも層状のフローリングストリームに位置するため、形
成されたマイクロバブルのサイズの分散は殆どいつも小さい。体積気体流量Q_gお
よび液体過剰圧力ΔP₁における気体の直径は次式によって与えられる。 d_j = (8_g / ²P_g)^1/4 Q_g ^1/2 液体の速度が遅く、液体と気体の間に相対速度が存在しないときは、マイクロ
スレッドの直径とバブルの直径の間にレイリーの関係（つまりd＝1.89d_j）が導 かれる。 （水の酸素添加） 酸欠から死亡する魚は、ほかのどの原因よりも多い。低酸素レベルが（1）酸 化還元電位（ORP）を下げること、（2）病原となる病気の進行を補助すること、
および（3）多くの市販バイオフィルタの機能を不能にすることから、低酸素状 態に置かれた魚は、病気、寄生虫および感染症に侵されやすくなる。さらにスト
レスが魚の活動レベル、成長レートを低下させ、可能性としては適正な発育を妨
げる。連続的な健康が得られる最小の酸素は、酸素対水の比にして約6ppmであり
、これは、約24グラムの酸素を1000ガロンの水に溶解させることに等しい。魚は
、平均して体重10ポンド当たり18グラムの酸素を1時間に消費する。酸素レベル4
〜5ppmにおいては、低レベルのストレスおよび不活発な給餌応答が観察される。
酸素レベル2〜4ppmにおいては、給餌応答がなくなり、深刻なストレスおよび無 活動が観察され、約1〜2ppmの酸素レベルにおいては、一般に死に至る。ただし これらの数値は、多くの変量（たとえば水温、水質、魚の体調、他の気体のレベ
ル等）がすべて実際の酸素必要量に影響することから、単なるガイドラインの域
を出るものではない。 適切なエアレーションは、基本的に水の流れの静かさならびに方向、および気
泡のサイズならびに量という2つのファクタに依存する。後者に関して言えば、 （1）気泡が小さいほど空気と水の接触面積が増加して酸素が拡散する面積が広 がることから、また（2）気泡が小さいほど長く水に懸濁していることになり、 酸素が水に拡散する時間が長くなることから、気泡は小さいほど好ましい。 本発明のテクノロジは、魚の適正な成長および維持のため、水のエアレーショ
ンを行う方法を提供する。この種の用途のための本発明のデバイスは、酸素添加
された気体、好ましくは空気を第1の流体として供給し、液体、好ましくは水を 第2の流体として供給する。フィーディング・ソースに供給される空気は、周囲 の水流によって収束され、2つの流体の界面に安定した尖頭を形成する。気体の 核、好ましくは空気の核を含んだ微粒子が、エアレーションが望まれる液体媒体
の中に放出される。 （液体または気体に変わるバブル） 図7および図8は、液体内（図7）または気体内（図8）にバブルが形成される態
様を示すとき役立つ。図7において、中空フィーディング・ソース71に気体のフ ローが連続供給され、それが、液体73のフローが連続供給される圧力チャンバ74
内において、液体73のフローによって包み込まれる安定した尖頭72を形成する。
液体73は、チャンバ74の外の、液体73と同一もしくはそれとは異なる液体75に流
れ込む。 気体の尖頭72は、細くなって毛管スーパークリティカル・フロー76となり、そ
の後チャンバ74の出口開口77に入る。出口開口77のポイント78においてこのスー
パークリティカル・フロー76は、不安定になり始めるが、出口開口77を離れるま
では臨界毛管フローの形を維持する。出口開口77を離れると、気体ストリームが
分裂し、それぞれが形状ならびにサイズにおいて実質的に互いに等しいバブル79
を形成する。このバブルは、1つのバブルと別のバブルの量における相違が（測 定した物理的な直径において）、±0.01%から±30%までの標準偏差の範囲に含ま
れる程度に均一であり、好ましくはそれを1%未満とする。つまり、バブルのサイ
ズにおける均一性は、図1との関連から前述した液体微粒子形成時に形成される 微粒子の均一性より高い。 バブル79内の気体は、液体75内に拡散する。バブルが小さいほど液体75と接触
する表面積が大きく得られる。バブルが小さいほど液体75と接触する表面積が大
きく得られることから、同一体積の気体が少数のバブルとして存在する場合の拡
散レートより速い拡散レートが得られる。たとえば、それぞれが1立方ミリメー トルの気体を含む10個のバブルの方が、10立方ミリメートルの気体を含む1個の バブルよりはるかに短時間で液体内に拡散する。さらに、小さいバブルの方が大
きいバブルより液体表面まで上昇する速度が遅い。液体内における上昇レートが
遅いということは、気体のバブルと液体がより長時間接触していることを意味し
、それによって液体内の拡散する量が増加する。 したがって、小さいバブルほど、より多くの酸素を水（たとえば汚水または育魚
水）に拡散または有毒ガス（たとえば放射ガス）を液体に拡散し、毒素を排除す
るために濃縮させることができる。バブルがサイズにおいて非常に均一であるこ
とから、液体に拡散される気体の量は一律に計算することが可能となり、酸素を
炭酸飲料に拡散する際などの用途に用いられる場合に重要である。 図8は、図7に示した構成と同一の構成であるが、液体75が気体80に置き換わっ
ている。バブル79のストリームが分離するとき、液体73が外側の球状カバーを形
成し、それによって中空微小滴81が作られ、それが気体80内に浮く。この中空微
小滴81は、空気動力学的直径より大きな物理的直径、すなわち実際の直径を有し
ている。 中空微小滴は、同一直径の液体微小滴に比較すると、空気中における落下速度が
非常に遅い。空気中において中空微小滴８１が短時間に落ち着き、あるいは落下
しないことから、気化することができ、気化された液体を周囲の空気に拡散する
ことが可能である。最終的には中空微小滴８１が破裂し、多くの小さい微粒子を
形成し、微粒子を周囲の空気に拡散させる。 したがって、中空の液滴空気動力学的直径は、実際の物理的直径に比べて非常
に小さいことが理解される。破裂して非常に小さな粒子を形成する中空液滴８１
を形成するとは、冷却システムにおける水霧形成を含む広範囲の異なった応用に
利用される。 （エマルジョン） 図9は、図7および図8に類似である。しかしながらフィーディング・ソース71 は、図7におけるように気体72ではなく、液体82のストリームを供給し、それに おいてはこの液体を液体73と混和性のあるものとすることもできるが、好ましく
はそれと不混和性とする。さらに液体73は、液体75と同一または異なるものとす
ることができるが、好ましくは液体75と不混和とする。このような液体の構成を
使用したエマルジョンの形成は各種の分野において適用可能性を有し、特にそれ
は、形成される液体微粒子が約1から約200ミクロンまでの範囲のサイズを持つこ
とが可能であり、1つの微粒子と別の微粒子のサイズ差における標準偏差が0.01%
と低いことによる。1つの微粒子と別の微粒子のサイズのばらつきは、約30%まで
変動し得るが、好ましくはそれを±5%未満とし、より好ましくは±1%未満とする
。 このシステムは、液体82を出口オリフィス77の外に放出し、液体82の球83を生
成する。それぞれの球83は、実際の物理的直径を有し、それにおける他の球83と
のばらつきは、標準偏差において±0.01%から±30%まで、好ましい場合には10% もしくはそれ未満、より好ましい場合には1%もしくはそれ未満となる。球83のサ
イズおよび液体82のフロー・レートは、それぞれの球83が、投与される単一の微
粒子（たとえば単一細胞）を含むべく試験。 球８３のストリームがセンサーおよび（または）任意の好適なタイプの電源を
流れ通過し、それぞれの球の液体８２のサンプル分析を可能とする。 図９における液体７５は、気体（たとえば空気）とすることができる。液体８
２は、第二液体７３に囲まれ、好適な香りを有した水（たとえば香水）となり得
る。その場合このシステムは、中心に水を有し、薬剤に外側がコーティングされ
た微粒子83を形成する。この種の水／薬剤微粒子は、薬効の高い薬剤を肺に投与
することになる。 以上、本発明をその具体的な実施例を参照して説明してきたが、当業者であれ
ば、本発明の真意ならびにその範囲を逸脱することなく、各種の変更ならびに等
価物による置換が可能であることを理解する必要がある。それに加えて、個別の
状況、原料、物質の組成、プロセス、プロセスの1ないしは複数のステップを本 発明の目的、真意ならびに範囲に適合させるべく、多くの変形を行うことも可能
である。これらの変形はすべて、これに添付する特許請求の範囲に含まれるべく
意図されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 調合体のソースとして円筒状のフィーディング・ニードルを伴う本発
明の一実施例の基本的な構成要素を示した概要図である。

【図２】 調合体のソースとして2本の同心チューブを伴う本発明の別の実施例 を示した概要図である。

【図３】 調合体の、楔形の平面ソースを示す本発明のさらに別の実施例の概要
図である。 （Ａ）平面フィーディング・ソースおよび流体の相互作用を示す側方断面を図示
している。 （Ｂ）正面から見た圧力チャンバの開口を示しており、アトマイジング生成物を
デバイスから排出するための複数の開口を図示している。 （Ｃ）平面フィーディング部材内にオプションで形成されるチャンネルを図示し
ている。これらのチャンネルは、圧力チャンバの開口と心合わせされている。

【図４】 安定した毛管マイクロジェットが形成され、かつ出口開口を通過して
その後単分散のエアロゾルを形成する態様を示す概要図である。

【図５】 350のd_j/d_o対Q/Q_oの測定値をプロットしたデータのグラフである。

【図６】 空気に散布した後の本発明における方法を利用して形成された均等な
分散および均一サイズのエアーバブルを示した顕微鏡写真である。

【図７】 図1に示したタイプのデバイスの臨界エリアにおける概要図であり、 気体が液体に包まれ、液体内に放出されてバブルを形成する態様を示している。

【図８】 図7と同じ概要図であるが、バブルが気体内に流れ込む。

【図９】 図7と同じ概要図であるが、2つの不混和性液体が気体内に流れ込む。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ， ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，Ｌ Ｔ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ， ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，Ｕ Ａ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ Ｆターム(参考） 4D029 AA01 AB03 BB13 DD01 4F033 QA10 QB02X QB03Y QB12X QC05 QD04 QD11 QD20 QE09 4G035 AB16 AE13

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体内に気体を拡散させるためのバブルの単分散であって、
   液体中の気体バブルからなり、各バブルが、1つのバブルと別のバブルの間の直 径における標準偏差が約±0.01%から±30%までの範囲であるという意味において
   概略で同一の直径を有することを特徴とするバブルの単分散。
2. 【請求項２】 前記単分散は、1000を超えるバブルからなり、前記バブルは
   、約0.1ミクロンから約100ミクロンまでの範囲の直径を有することを特徴とする
   、前記請求項1記載のバブルの単分散。
3. 【請求項３】 前記気体は、前記流体に溶解可能な化合物により汚染されて
   いることを特徴とする、前記請求項1記載のバブルの単分散。
4. 【請求項４】 前記気体は、空気、酸素、および二酸化炭素からなるグルー
   プから選択され、前記液体は水性であり、水、甘味添加水、および下水からなる
   グループから選択され；かつ、 前記バブルは、圧力チャンバ内の第2の液体を通るソースからの気体のフロー ・ストリームによって生成され、それにおいて前記第2の液体は、前記気体のフ ロー・ストリームを包み込み、それを前記第1の液体内に収束させつつ前記圧力 チャンバの出口開口の外に押し出され、さらにそれにおいて、前記収束された気
   体のフロー・ストリームは、分裂して前記バブルを形成することを特徴とする、
   前記請求項1記載のバブルの単分散。
5. 【請求項５】 前記バブルは、約±5%もしくはそれ未満の標準偏差において
   、物理的直径がそれぞれ互いに実質的に同一であることを特徴とする、前記請求
   項2記載のバブルの単分散。
6. 【請求項６】 前記標準偏差は、約1%もしくはそれ未満であることを特徴と
   する、前記請求項5記載のバブルの単分散。
7. 【請求項７】 気体の通過する気体入口ポートと気体出口ポートを有した気
   体の供給手段と 前記第一の流体用出口ポートを囲むエリアに圧力した第２の流体を供給するた
   めの圧力チェンバであって、第２の流体用入口ポートおよび、第２流体用出口ポ
   ートを含む圧力チェンバとより構成し、 第２流体出口ポートが気体出口ポートと一直線上に位置させたことを特徴とす
   る流体のエアレーションのためのデバイス。
8. 【請求項８】 第2流体がソリューション、サスペンション、およびエマル ジョンより成るグループから選択した形の液体であり、 前記第1の流体を供給するための第1の手段は、円筒状のチャンネルであって、
   それにより前記第1の流体用入り口ポートおよび前記第1の流体用出口ポートがそ
   れぞれ円形になるチャンネルを内側に擁するフィーディング・ニードルであり；
   かつ、 前記フィーディング・ニードルの出口ポートは、約0.002から約2mmまでの範囲
   の直径を有し、前記圧力チャンバの出口ポートは、約0.002mmから約2mmまでの範
   囲の直径を有することを特徴とする前記請求項７記載のデバイス。
9. 【請求項９】 前記気体を供給するための第1の手段は、第1の平面部材の表
   面と、該第1の平面部材の表面と平行に配置される第2の平面部材の表面の間に形
   成された平面チャンネルであることを特徴とする、前記請求項7記載のデバイス 。
10. 【請求項１０】 前記第1の平面部材は、さらに複数のチャンネルを備え、 前記圧力チャンバは、各チャンネルの流路の正面に配置される複数の圧力流体の
    出口ポートを備え； それにおいて各チャンネルは、約0.01mmから約0.4mmまでの範囲の直径を有し 、圧力チャンバの出口ポートは、約0.01mmから約0.25mmまでの範囲の直径を有す
    ることを特徴とする、前記請求項9記載のデバイス。
11. 【請求項１１】 流体をエアレーションする方法において： ソース開口から気体を第1の液体内に、前記第1の液体を通る気体のフロー・ス
    トリームが形成される態様で押し出すステップであり、それにおいて前記気体が
    、第2の液体内に拡散される分子からなるものとするステップ； 前記第1の液体を、前記ソース開口を囲む圧力チャンバ内から、前記圧力チャ ンバの出口オリフィス外に移動させるステップであって、前記気体のフロー・ス
    トリームが前記出口オリフィスから前記第2の液体内に流れ、それにおいて前記 フロー・ストリームが分裂して前記第2の液体内に前記気体のバブルを形成する ステップ；および、 前記気体のバブル内の前記第2の液体内に拡散させるステップ； を含むことを特徴とする方法。
12. 【請求項１２】 前記バブルは、約0.1ミクロンから約100ミクロンまでの範
    囲のサイズを有し； 前記バブルは、1つの微粒子と別の微粒子の間の直径における偏差が約±0.01%
    から約±30%までの範囲であるという意味において実質的に同一の直径を有する ことによって特徴付けられ； 前記バブルは前記圧力チャンバの前記出口オリフィスから規則的な空間的間隔
    で放出され；かつ、 前記バブルが、約1ミクロンから約20ミクロンまでの範囲の直径を有し、空気 および酸素からなるグループから選択された気体からなることを特徴とする前記
    請求項11記載の方法。
13. 【請求項１３】 第1の液体と不混和の第2の流体内にある、第1の液体の球 状微粒子からなる単分散エマルジョンにおいて、前記球は、約±0.00%から約±3
    0%までの標準偏差において、互いに同一の物理的直径を有することを特徴とする
    単分散エマルジョン。
14. 【請求項１４】 前記単分散エマルジョンは、約0.1ミクロンから約100ミク
    ロンまでの範囲の直径を有し、1つの微粒子と別の微粒子の間のサイズ偏差が約 ±5%もしくはそれ未満である、1000を超える数の球状微粒子からなることを特徴
    とする前記請求項13記載の単分散エマルジョン。