JP2002508250A - 均一なサイズの球状微粒子を生成するデバイスおよび方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 0.1から100ミクロン台のサイズを有する球状微粒子が、各種タイプのシステムおよびデバイスによって生成される。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。小さい液体の微粒子も生成することができる。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、薬理的に活性な薬剤の単分散エアロゾルを用いた吸入治療まで広範にわたる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （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、（1）非 常に小さくサイズが均一な固体微粒子、液体微粒子、または気泡を生成すること
が重要となる分野、および／または（2）小さいノズル開口が長時間にわたって 流体の放出に使用されるとき、ノズルの目詰まりの回避が重要となる分野に関す
る。

【０００２】 （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。
最近は、肺吸入を介した患者への投薬の可能性が世界中の製薬会社によって実際
に調査されている。R.F. Service（サービス）「Drug Delivery Takes a Deep B
reath（投薬の深呼吸）」Science（サイエンス）277：1199-1200（1997年）。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 Calibrat
ion 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 i
nstability of jets（ジェットの不安定性について）」Proc. London Math. Soc
.（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液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
優位に対抗し得る純粋に機械的な手段に基づいて安定した微細毛管ジェットを生
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。

【０００３】 （発明の要約） 単分散の形の液体の球状微粒子をはじめ、単分散の形のバブルの球状微粒子が
開示されており、それにおいて微粒子は0.1から100ミクロン台のサイズを有する
。微粒子は、ここで開示している各種タイプのシステムおよびデバイスによって
生成される。デバイスは、液体または気体が押し出される、液体または気体スト
リームの1次ソースを含み、気体または液体が圧力チャンバ内に圧力保持される 。圧力チャンバは、出口開口を有し、そこから周囲の気体または液体によって包
まれてストリームが流出する。このストリームが出口開口に向かって流れるとき
、それが安定した毛管マイクロジェットを形成し、チャンバから出るとそのジェ
ットが分裂する。特定のパラメータを適切に選択すれば、微粒子またはバブルが
すべて、サイズにおいて実質的に均一になり、たとえば±3%から±10%までとい うように、その偏差の程度も非常に小さくなる。これらの微粒子およびバブルは
、従来のこれに匹敵するシステムにおいてこれらを生成するために使用されるエ
ネルギの量に比較すると、比較的少ない量のエネルギを用いて生成される。小さ
な液体の微粒子は、燃料噴射エンジンおよび、吸入による投薬のためのエアロゾ
ルの生成を含めた各種の応用に使用することができる。小さいバブルは、気体の
除染および、下水または酸素を必要とする魚あるいは水生植物もしくは動物が棲
息する水への酸素添加を含めた各種の応用に使用することができる。

【０００４】 （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、たとえば微粒子との言及は、複数の微粒子を包含し
、流体との言及は、流体のミックスおよび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、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、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。

【０００５】 （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。以下に示す
説明は、1もしくはそれを超えるウェーバ数を得るべくパラメータを調整したと き、安定したマイクロジェットが得られるが、ウェーバ数が40未満となるように
パラメータを調整しないと、マイクロジェットの分裂が望ましい単分散を提供し
ないことを明らかにする。 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の流体が概して液体とし
て参照されている。この液体は、本発明が適用されるデバイス全体に基づいて任
意の液体とすることができる。たとえば、この液体は、吸入用のエアロゾルを生
成するために使用される薬理的に活性な薬剤の調合体とすることも可能であり、
内燃エンジンまたは、炭化水素燃料を燃焼させるヒータもしくはその他のデバイ
スに使用される燃料インジェクタとの関連から、炭化水素燃料とすることも可能
である。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気体として 説明されており、当該気体が空気であることが好ましいことも少なくない。しか
しながら、第1の流体を気体、第2の流体を液体とすることも可能であり、あるい
は、第1および第2の流体が互いに充分に異なり（不混和）、供給手段から圧力チ
ャンバの出口開口に移動する第1の流体の安定したマイクロジェットが形成可能 であることを条件にすれば、両方の流体を液体としてもよい。気体‐液体、液体
‐気体、および液体‐液体といった異なる組み合わせはあるが、本発明は、一般
に、供給手段から放出されて、周囲の空気フローとの相互作用によって安定した
マイクロジェットを形成、つまり空気フローによって収束されて圧力チャンバの
出口から外に流れ出るマイクロジェットを形成する液体の調合体を用いて説明さ
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液体 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
液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、気体のフローが液体を包み、安定したマイクロジェットに収束させる。こ
の周囲の気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液体のストリームを生み出す。これにより液体
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、（1）出口オリフィスの詰まりを実質的に排除すること、 （2）オリフィス開口上の物体（たとえばバクテリア又は残留微粒子）との接触 に起因する汚染を実質的に排除すること、および（3）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（および安定したマイクロ
ジェット）がない場合には、開口から出る流体のフローは、出口開口の直径の約
2倍になる。これ以外の特徴としては、チャンバから出た後の微粒子が、液体の 速度より速度が大きい周囲の気体ストリームの加速効果によって凝塊形成の傾向
を持たないことが挙げられる。 これらすべての利点は、1つのシステムから得られ、しかもそのシステムは、 気体中にエアロゾル化した液体の微粒子を形成するか、あるいは液体中に単分散
のバブルを形成するための他のシステムと比較すると、非常に少ない量のエネル
ギしか消費しない。より具体的に述べれば、気体ストリームに液体中を通過させ
るため、あるいは液体ストリームに気体中を通過させるために、所定の理想的な
最少量のエネルギが必要になる。さらに、小さい球状微粒子またはバブルを形成
するために（表面張力等の特性に基づく）エネルギが必要になる。ここに開示し
た方法を使用することによって、安定した毛管マイクロジェットが形成され、毛
管スーパークリティカル・フローが得られる。これらの特性は、理想的なシステ
ムに必要とされる最少量のエネルギに実質的に近いエネルギ量、つまりこの種の
結果を得るために他のシステムにおいて必要となる理想的な最少量のエネルギ量
を使用してフロー・ストリームを移動させ、微粒子またはバブルを生成する。あ
る種の応用においては、このことが特に重要になる。たとえば、下水処理におい
ては、大量の気体（空気または酸素）を下水中に送り込まなければならない。バ
ブルを小さくしてバブル数を多くするほど、より大量のエネルギが必要になる。
しかしながら、バブルが小さいほど水との接触面積が大きくなり、より多くの酸
素を水中に拡散することができる。さらに、バブルが小さいとその上昇が遅くな
り、空気と水の接触がより長時間にわたって得られ、水の酸素添加がさらに向上
する。 ここに述べる説明は、概して、流体が気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、その直後に気体の周囲環境に入ることを示しているが、
この環境は、通常大気圧で保持された空気、またはそれに代えて内燃エンジン内
の気体（加熱、圧力された空気）とすることができる。しかしながら、第1の流 体が気体であり、第2の流体が液体であるとき、チャンバ外側に存在する流体も 液体になることがある。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。上記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
等の有毒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。

【０００６】 （図1の実施例） 図1を参照して、供給手段を気体の圧力チャンバ内に液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 ― 流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。 3. 圧力チャンバ。 4. 気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、流動可能な第１流体を供給し得る少
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）および当該調合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（たとえば気体）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気体およびフィーデ ィング・ニードル3からの液体の調合体が放出されて出口開口6を備える。第１流
体が液体であった場合、気体に放出されエアロゾルを作る。第１流体が気体であ
った場合、液体に放出されバブルを作る。 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、エアロゾル 生成において粒子サイズが小さく均一であるかバブル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。微粒子が、0.1ないしは100ミクロ
ンの範囲のサイズを有する。任意の所定エアロゾルの微粒子又はバブルは、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±3%から±20%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。所定のエアロゾルにおける微粒子はすべて（好ましくは90
%以上）、±3%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±3%から2ミクロン±10%までの直径を有 する。同じ偏差がバブル調合体にも適用される。 このような単分散のエアロゾルは、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又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、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^-4〜1kg・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 Math. Soc. （ロンドン数学学会議事録）にあるRayleigh（レイリー）による「On the insta
bility 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、等しく形成されたドロップに分裂する。 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
ットにあるドロップ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。ドロップからジェットが現れた後、液体は、その表面を
流れる気体ストリームの作用がもたらす接線方向のスイープ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、気体フローがレン
ズとして作用し、マイクロジェットを収束させ、安定させる。 第2の流体（たとえば気体）のフローによって第1の流体（たとえば液体）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気体の運動の層流性（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。

【０００７】 （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アトマイジング生成物を形成する液体と気体 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、液体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、液体と周囲の気体の相 互作用の後、安定した尖頭を形成する有限量の液体流線流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。排出される液体は、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。圧力チャンバ内の気体は
、この出口開口から連続的に流出する。この気体のフローは、液体ドロップをチ
ューブから放出させ、当該液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、最大の気体の加速（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、狭い側の端部を液体フローのソース
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。 液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P_g 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液体のフロー・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液体ジ
ェットが、安定した先頭形状からから滑らかに放出され、この薄い液体ジェット
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）液体のフロー・レート 、および（2）圧力チャンバの出口開口外を流れる気体ストリームのレイノルズ 数に依存する。液体ジェットは、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。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。ジェットは 、わずかに放物的な軸方向速度プロファイルを有し、その多くがマイクロジェッ
トの安定性に寄与している。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気体フローによって毛管から出る液体の形状は、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。 安定した毛管マイクロジェットは、出口から離れる方向において、チューブか
らかなりの長さにわたって安定に維持される。液体は、この時点において「スー
パークリティカル・フロー」を経ることになる。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エアロゾル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。
これは、本発明の重要な利点を提供し、出口開口68（ノズルと呼ぶこともできる
）が液体の残渣および／または析出によって目詰まりすることがない。目詰まり
は、非常に小さいノズルにとって主要な問題であり、一般にクリーニングもしく
はノズルの交換によって対処されている。流体とノズル開口表面との接触がある
ときは、流体のフローが遮断されたとき、一部の流体がノズルに接触した状態で
残る。ノズル表面上に残った液体は蒸発して残渣を生じる。多数回にわたって使
用した後は、残渣が蓄積されて目詰まりが生じる。本発明は、実質的にこの目詰
まりの問題を軽減し、あるいは解決する。

【０００８】 （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
ら出た液体によって形成される尖頭状メニスカスは、気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、気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、P_gに
起因する吸い込み効果および、気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液体のスレ
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。 d{P_l + (₁Q²) / (2^{2 4})} / d_z = 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液体のフロー・ レート、P_lは液体の圧力、₁は液体の濃度であり、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。それに
加えて、液体の蒸発効果も無視している。液体の圧力P_lは、次に示す毛管方程式
によって与えられる。 P_l = P_g + / （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P_g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流体フロー・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(₁Q²)/(2^{2 4})と同程
度のときに達成される。つまり、 Q_min = {(d_j ³) / ₁)}^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{(₁Q²) / (2^{2 4})} / d_z = dP_g / 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。この方程式は、次に示す単純化を仮定することにより、積分すること
ができる。すなわち、ホールの直径Dと同程度もしくはそれより小さい値の厚さL
の薄い平面（これによって気体フローにおける下流の摂動が最小化される）を使
用すること、および、ホール出口までの圧力勾配が、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、軸方向の粘性項は 、ホール直径Dが、実際に半径方向ならびに軸方向の両方においてホールの入り 口における気体フローに関連付けられる特性距離となることから、O{(²Q / D²d_j ² )になる。この項は、P_g>>²/D² ₁（これは、たとえばD≒10mかつP_z≧100ミリバー
ル程度の小さいホールの直径および圧力降下を用いる場合、100センチポアズ程 度の粘性を有する液体に関して適用できる）とすれば、実際の状況においては、
圧力勾配に比較すると非常に小さくなる。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、流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P_g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。この直径は、気体圧力が
出口の後においても一定に維持されることから、分裂ポイントまでほぼ一定に維
持される。

【０００９】 （単分散の微粒子） 以上、「スーパークリティカル・フロー」を受ける安定したマイクロジェット
を説明し、本発明のこの側面が各種の産業上の応用、特に微小ホールを通過する
流体によって目詰まり問題を生じている分野においてどのように使用可能である
かということを示した。これに等しい重要性を持つ本発明の側面は、マイクロジ
ェットが圧力チャンバを離れた後に得られる。 マイクロジェットが圧力チャンバを出るとき、液体の圧力P_lが（気体の圧力P_g と同様に）軸方向にほとんど一定となり、ジェットの直径は毛管の不安定性によ
って分裂するポイントまで、ほぼ一定に維持される。ウェーバ数、We = (_{g g} ²d_j)
/ = 2P_gd_j/（これにおいて_gは、オリフィスにおいて測定した気体の速度である
）を定義すると、特定の実験値We_c≒40以下においてブレークアップ・モードは 軸対称であり、その結果として得られる微小滴ストリームは、気体フローのゆら
ぎが微小滴の凝集に寄与しないとすれば（これらのゆらぎは、気体ストリームの
摂動プロファイルが流体ジェットのブレークアップ領域周縁に完全に現れると生
じる）、単分散であるとして特性決定される。このWe_c値を超えると、軸対称擾 乱に結合した波状非軸対称擾乱が顕著になる。大きなWe数については、波状擾乱
の非線形成長レートが、軸対称擾乱のそれを圧倒する傾向が見られる。この場合
、結果として得られるスプレーは、著しい多分散を示す。このことから、パラメ
ータをコントロールし、結果的なウェーバ数を40ないしはそれ未満に抑えること
によって、形成される微粒子が実質的に同一サイズとなることがわかる。このサ
イズ変動は約±3%から±30%までであり、より好ましくは±3%から±10%とする。
これらの微粒子には、たとえば0.1ミクロンから50ミクロンまでの希望するサイ ズを持たせることができる。 シェッド速度は、ジェットのブレークアップに影響し、したがって微粒子の形
成に影響する。ホール出口から上流の加速領域においては、気体ストリームが層
流になる。代表的なレイノルズ数の値は、気体の特性速度として音速相当の速度
を考えるのであれば、500から6000までの範囲になる。ホール出口の下流におい ては、気体ストリームと停滞した気体の間の円柱状の混合層が、古典的なケルビ
ン‐ヘルムホルツ不安定性によって不安定になる。この層厚の成長レートは、フ
ローのレイノルズ数に依存し、Dをホールの直径とするとき、_g/D近傍の周波数に
おいて渦環が形成される。われわれの実験的なテクニックにおいて見い出した代
表的な_gおよびDの値は、MHz台の周波数を導いたが、これはドロップ生成の周波 数に匹敵する（t_b ^-1台）。 液体のフロー・レートおよびホール直径が与えられれば、ジェット表面の決定
済みの波長の摂動を励起する押揚げシステムとして渦が作用する態様で、気体速
度（または気体ストリームを駆動する圧力差）に依存する共振周波数を調整（チ
ューニング）することができる。得られた実験結果は、2つの気体‐液体共軸ジ ェットの間に明らかに異なる結合度を示した。一方のセットの実験結果において
は、約5.7ミクロンの微粒子サイズを有することが明らかになり、その標準偏差 は12%であった。この結果は、ジェットのブレークアップの結果として得られる 微小滴のサイズにおけるばらつきを最小にすべく気体の速度を適正に調整して得
られた。この場合の液体ジェットのフロー・レートおよびその直径は、それぞれ
0.08l・s^-1および3mである。データは、MALVERN INSTRUMENTS（モールバーン・イ
ンスツルメンツ）のMASTERSIZER（マスターサイザ）を使用して収集した。結合 度が小さくなるに従って、異なる波長のジェット表面の摂動が励起され、サイズ
の分布に見られるように、スプレーのばらつきが増加する。 多くの各種の産業上の応用にとって、サイズにおいて均一な微粒子を得ること
、あるいはサイズにおいて均一な液体微粒子のエアロゾルを生成することは極め
て望ましい。たとえば、約2ミクロン±3%の直径を有するべく薬理的に活性な薬 剤を含む流体調合体を設計し、生成するといったことである。このような微粒子
は、肺内投薬用に患者の肺に吸入させることができる。さらに、微粒子サイズを
調整し、気道の特定エリアに照準することもできる。 オリフィス出口の上流においては、乱流レジーム、すなわち高い周波数を有し
、液体‐気体界面に摂動を起こさせる気体フロー内の乱流のゆらぎを回避するた
めに気体フローが層流になる必要がある、オリフィスにおいて到達するレイノル
ズ数は次式により与えられる。 Re = (_gd₀) / _g≒4000 これにおいて_gは気体の速度である。この数が非常に大きいにもかかわらず、 大きな圧力勾配（高い収束性のジオメトリ）が下流に存在し、そのため乱流レジ
ームが発生する可能性が非常に低くなっている。 本発明と従来の空気式アトマイザ（大きなウェーバ数を有する）の基本的な相
違は、本発明のねらいが液体‐気体界面の破断にあるのではなく、その逆、つま
り毛管ジェットが得られるまで界面の安定性を高めることにある。ジェットは、
抽出の結果からもたらされる圧力降下が充分に高い場合には非常に薄くなり、従
来の空気式アトマイザにおける液体‐気体界面の無秩序な破断の結果として得ら
れるドロップより、はるかに均一なサイズのドロップに分裂する。 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する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。 気体と液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0.01〜0.4mm）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気体を、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。このアトマイザは、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 ングする液体はシステムの一端2にインサートされ、推進気体は、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100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。液体の供給圧P_lは、常 に気体の推進圧力P_oよりわずかに高くする必要がある。ニードルおよび液体供給
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＝0.45
mm、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。

【００１０】 （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 = (_gV_g ²d) / これにおいて、_g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_g 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±3%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。

【００１１】 （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) / ₁ （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。

【００１２】 （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接線方向の粘性応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. 気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。 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の流体（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気体。 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コーティングされた物質 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31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3
2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。外側のコーティングは各種の目的に使用され、それには、微粒子を
コーティングして微粒子が互いに接着することを防止するため；内側の活性コン
パウンド（たとえば薬理的に活性な薬剤）の効果の持効性を得るため、および／
またはフレーバーを遮断するため、および；それに含まれる別のコンパウンド（
たとえば薬理的に活性な薬剤）の安定性を保護するためといった目的が含まれる
。 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。たとえば、コーティングの厚さは異なった製造イベントで変え
ることが可能なので、徐々に厚さが減少し、内容物（例えば調薬的に活性な薬物
）のリリースを制御する効果をもつコーティングされた微粒子を得ることができ
る。このコーティングは、微粒子の劣化、反応、あるいは互いの接着を防止する
に過ぎない。 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（通常は液体）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。この気体ファネルが液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における液体の運動
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内に導入された気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、気体を移動さ
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と気体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液体（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）/0.00
001m＝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、外側流体と気体の表面張力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。 液体の粘性の値は、それより高い粘性_maxを有する液体が、この液体について 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、液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、各液体間の速度関係が、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つの液体間の表面張力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。 2つの液体およびその外側で気体を使用する場合は、内側チューブ31が、外側 チューブ32の直径を超えて外側チューブ32に差し込まれない限り、かつ内側チュ
ーブ31が、その直径の2倍を超えて外側チューブ32より突出しない限り、ジェッ トの特性を実質的に変えることなく、同心チューブの開口を含む平面間の距離を
変更することができる。もっとも良い結果は、内側チューブ31を、外側チューブ
32から内側チューブ31の直径と実質的に等しい距離だけ突出させたときに得られ
ている。2本を超えるチューブを使用する場合にも、これと同じ評価基準が有効 であり、包含される側のチューブ（内側チューブ）を、包含する側のチューブ（
外側チューブ）を超えて、前者のチューブの直径と実質的に等しい距離だけ突出
させる。 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、液体間および気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。 提案アトマイジング・システムは、明らかに、結果として得られるスプレーに
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吸引気体にドロップを包み込ませ、
より低い圧力においてはアトマイジングが達成されるエリアに接触させる。

【００１３】 （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. 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・ピースの端部。 43. 圧力チャンバ。 44. 気体のインレットとして使用されるオリフィス。 45. 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・ ピースの端部。 46. 抽出が生じるオリフィス。 47. アトマイジング生成物（スプレー）つまりエアロゾル。 48. アトマイジングする原料を含んだ第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）の液体濃度；_B ＝第2の流体（49）の液体濃度；_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。 提案の拡散デバイスは、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。 マイクロジェットの形成およびその加速は、第2の流体49が気体のとき、図1お
よび図2の実施例について前述したプロセスと同様に、第2の流体49がオリフィス
46を通過するときに受ける急な加速の結果として生じる急激な圧力降下に基づい
ている。 第2の流体49が気体であり、第1の流体48が液体の場合は、形成されるマイクロ
スレッドが極めて長く、液体の速度が気体の速度よりはるかに遅くなる。実際、
低い気体速度は、液体の流れの速度を一段と遅くし、結果的に、液体表面に垂直
な応力、つまり圧力によってマイクロジェットが実際に生成され、加速される。
このため、この現象に対する1つの有効な近似は、気体の圧縮性を無視可能であ るとして、これに生じる圧力差が両方の流体（液体および気体）に同一の単位体
積当たりの運動エネルギをもたらすと仮定することである。前後に圧力差P_gを生
じているオリフィスを、容量フロー・レートQで通過する濃度_lの液体から形成さ
れるマイクロジェットの直径d_jは、次式によって与えられる。 d_j = {(8_l) / (²P_g)}^1/4 Q^1/2 Ganan-Calvo（ガニャン・キャルボ）によるPhysical Review Letters（フィジ
カル・レビュー・レターズ）80:285-288（1998年）を参照されたい。 マイクロジェットの直径d_jと、結果として得られるドロップの直径d（オーバ ースコア付き）の間の相関は、一方において液体に働く粘性力と表面張力の間の
比に依存し、他方においては気体に働く動的な力と表面張力の間の比に依存する
（つまり、それぞれオーネソージ数とウェーバ数）（Hinds（ヒンズ）（Aerosol
Technology, John & Sons（エアロゾル・テクノロジ；ジョン・アンド・サンズ
出版）1982年）、Lefevre（レフェブレ）（Atomization and Sprays, Hemispher
e Pub. Corp.（アトマイゼーションおよびスプレー；ヘミスフェア・パブリッシ
ング・コーポレーション）1989年）および、Bayvel & Orzechowski（ベイベルお
よびオルツェコフスキー）（Liquid Atomization, Taylor & Francis（液体のア
トマイゼーション；テーラー・アンド・フランシス出版）1993年））。中程度以
下の気体速度および低い粘性においては、この関係がレイリーによって発見され
た毛管不安定性に関するそれと概略で等しくなる。 d（オーバースコア付き）= 1.89d_j 液体マイクロジェットが非常に長いことから、高いフロー・レートにおいて理
論的な破断ポイントが、気体ジェットによって作られる乱流ゾーン内に置かれ、
そのため、気体内の乱流のゆらぎが、多少不均一な形に液体マイクロジェットを
不安定化または破断する。この結果、ドロップ・サイズの均一性という利点が失
われる。 これに対して、第2の流体49が液体であり、第1の流体48が気体のときは、液体
の粘性が気体よりはるかに高いという事実、および気体の方がはるかに疎である
という事実から、形成される気体のマイクロスレッドがはるかに短くなるが、そ
の破断ゾーンがほとんど常に層流のストリーム内に位置することから、形成され
るマイクロバブルのサイズにおけるばらつきが、ほとんど常に小さくなる。気体
の容量フロー・レートQ_gおよび液体の過剰圧力P₁において、気体マイクロジェッ
トの直径は次式から求まる。 d_j = {(8_g) / (²P_l)}^1/4 Q_g ^1/2 これにおいて_gは気体の濃度である。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。 両方の流体48、49がともに液体であり、ほとんど粘性がなければ、これらの相
対速度が次のようにその密度比から求まる。 v_A / v_B = (_B / _A)^1/2 容量フロー・レートをQ_Aとし、過剰圧力をP_Bとするとき、第1の液体のマイク ロジェットの直径は次式により与えられる。 d_j = {(8_A) / (²P_B)}^1/4 Q_A ^1/2 両方の流体48、49の速度がマイクロジェット内で迅速に平衡する粘性において
は、第1の液体のマイクロジェットの直径が次式により与えられる。 d_j = {(8_B) / (²P_B)}^1/4 Q_A ^1/2 提案のアトマイゼーションシステムは、明らかに散乱プロセスにおいて適切な
フロー・レートの流体48、49の供給を必要とする。つまり： （1） 両方のフロー・レートが安定したパラメータ・ウインドウ内に入るべ く、システムに関してそれらを調整する必要がある。 （2） 各フロー間の質量比は、それぞれの服用の仕様と矛盾しないものとす る必要がある。明らかに、外部の手段の使用がアトマイザの動作を妨げるには及
ばないことから、特殊な服用（たとえばバーニング、薬剤の吸引）においても、
外部の手段の使用によって気体のフロー・レートを増加させることが可能である
。 （3） したがって液体および気体を、任意タイプの連続供給システム（たと えば前者にはコンプレッサまたは圧力タンク、後者には容量ポンプまたは圧力ボ
トル）によって調剤することができる。 （4） アトマイザーは、各種の材料（金属、ポリマー、セラミクス、ガラス ）から構成することができる。

【００１４】 （投薬デバイス） 本発明のデバイスは、投薬、たとえばエアロゾル化した医薬調剤の肺投与に使
用することができる。このデバイスは、患者に吸入投与するための薬理的に活性
な薬剤のエアロゾル化された微粒子を生成する。このデバイスは、調合体が一端
に補給され、出口開口を介して放出されるチャンネル等の液体フィーディング・
ソースを備える。フィーディング・チャンネルは、圧力チャンバによって囲まれ
、圧力チャンバ内には気体が供給され、供給された気体はその開口から放出され
る。気体が放出される開口は、フィーディング・チャンネルから放出される液体
の流路のちょうど正面に備わる。液体が圧力チャンバの開口から出てエアロゾル
化されるまで、液体の安定した毛管ジェットが維持されるべく、圧力気体がフィ
ーディング・チャンネルから流出する液体を包み込むように、各種のパラメータ
が調整される。約1から5ミクロンまでの範囲の均一な直径を有するエアロゾル化
された微粒子は、患者の肺に吸入された後、患者の循環系に到達する。

【００１５】 （乾燥微粒子の製造） 本発明の方法は、乾燥微粒子の大量製造にも適用することができる。この種の
微粒子は、肺投与に適した薬剤を含む散乱性の高い医薬微粒子を提供する上で役
立つ。形成される医薬の微粒子は、微粒子サイズが小さいこと（たとえば直径1 、2、3、4、または5ミクロン）、および微粒子と微粒子の間のサイズの一致性（
たとえば直径における差が3から30%まで）から、乾燥パウダ吸入器に特に適して
いる。この種の微粒子は、治療を必要としている患者に正確かつ厳密な量の散乱
性微粒子を提供することによって、投薬を改善することになる。乾燥微粒子は、
微粒子サイズ標準としての機能も提供することから、各種の応用においても有用
である。 乾燥微粒子の生成においては、第1の流体を好ましくは液体、第2の流体を好ま
しくは気体とするが、概して不混和性であれば、2種類の液体を使用することも できる。所望のサイズ範囲（たとえば約1ミクロンから約5ミクロンまで）でアト
マイジングされた微粒子。第1の流体の液体は、好ましくは高濃度の溶質を含む 溶液とする。それに代えて、第1の流体の液体を高濃度の懸濁された物質を含む 懸濁液とする。いずれの場合においても、アトマイゼーション時に液体が迅速に
蒸発し（形成される微粒子が非常にサイズが小さいことから）非常に小さい乾燥
した微粒子が残される。

【００１６】 （燃料噴射装置） 本発明のデバイスは、エアロゾル化された燃料の微細なスプレーをエンジンの
燃焼室に導く燃料噴射ノズルとして機能させることによって、内燃エンジン内へ
の燃料の導入に使用することができる。この燃料噴射ノズルは、圧力チャンバお
よび燃料ソースを伴う独特な燃料繰り出しシステムを備える。アトマイジングさ
れた所望のサイズ範囲内（たとえば5ミクロンから約500ミクロン、好ましくは10
から100ミクロンまで）の燃料の微粒子が、燃料供給開口を介して供給される液 体燃料調合体から生成される。この燃料は、たとえば、フィーディング・ニード
ルのチャンネルを通じて押し出し、当該ニードルの出口開口から外に放出すると
いった、任意の望ましい方法で供給することができる。同時に、調合体が供給さ
れる部位、たとえばニードルの出口開口を少なくとも囲む圧力チャンバ内に収め
られた第2の流体が、供給される燃料流路の正面、たとえばフィーディング・ニ ードルから放出される燃料の正面に配置された開口から押し出される。各種のパ
ラメータは、安定した燃料‐気体の界面および、燃料の安定した毛管ジェットを
確保すべく調整され、それが圧力チャンバの開口から出るとき、アトマイジング
された燃料微粒子の形成が可能になる。 本発明の燃料インジェクタは、従来のインジェクタより優れた特筆すべき利点
が3つある。第1は、燃料が吐出される出口オリフィスに流れ込む気体（たとえば
空気）によって燃料ストリームが包み込まれることから、当該出口オリフィス周
縁と燃料が接触しないことである。このため、オリフィスの目詰まりが排除ない
しは実質的に減殺される。第2は、オリフィスから出た燃料が、サイズにおいて 実質的に均一な非常に小さい微粒子を形成し、そのためより高速で、よりコント
ロールされた燃料の燃焼が可能になることである。第3は、ここで説明する方法 を使用することによって、燃料のエアロゾル化された微粒子の生成に必要なエネ
ルギ量が、他の方法に必要とされるそれより実質的に小さくなることである。

【００１７】 （マイクロファブリケーション） 分子アッセンブリは、極めて高い精度で指定された対象のファブリケーション
に「ボトムアップ」アプローチをもたらした。分子アッセンブリには、顕微鏡法
、たとえば走査電子顕微鏡法等のテクニックを用いて配列が可能な微小アッセン
ブリ・コンポーネントを使用する対象の構成が含まれる。分子の自己アッセンブ
リは、化学合成における関連ストラテジであり、1から100ナノメートル程度まで
の微小な寸法および、10⁴から10¹⁰ダルトンまでの分子量を有する非生物学的構 造の生成の可能性を伴う。微小電子析出およびマイクロエッチングもまた、明確
なパターン化された表面を有する対象のマイクロファブリケーションに使用する
ことができる。 所望のサイズ範囲内（たとえば約0.001ミクロンから約0.5ミクロンまで）でア
トマイジングされた微粒子を生成し、対象のマイクロファブリケーションのため
のビルディング・ブロックとしての機能、あるいは対象のマイクロアッセンブリ
のための自己アッセンブリ用のテンプレートとしての機能を得る、アッセンブリ
・コンポーネントとしてそれを機能させることができる。それに加えて、本発明
の方法は、アトマイジング生成物を使用し、対象表面の選択部分を除去すること
によって、その表面にコンフィグレーションおよび／またはパターンをエッチン
グすることができる。

【００１８】 （水のエアレーション） 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。本発明の第1の流体が液体であり、第2の流体が気体であると
きは、第1の流体の慣性が低くなり、気体は、付随する微小滴の尖頭からそれが 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
、安定した尖頭と見分けることはほとんど不可能になる。

【００１９】 （スペクトログラフ解析） 図1に示した実施例を変形して解析デバイスを提供することができる。信号が フィーディング・ソース1からの液体の安定した毛管マイクロジェットに指向さ れてそこを通るように、信号エミッタ（たとえば赤外線）を配置する。このエミ
ッタに対抗させて信号レシーバ・コンポーネントを配置する。つまり、フィーデ
ィング・ニードル1から出るフロー・ストリームがエミッタとレシーバのちょう ど間に位置する。2本のフィーディング・ニードルを使用すれば、たとえばアト マイジングする原料が溶解された溶媒のフロー・ストリームを提供することがで
きる。2つの測定は同時に行われ、当業界において周知のマイクロプロセッサ・ デバイスによって溶媒の測定値が減じられて、注目する物質のみの純粋な解析が
行われる。 溶媒に溶解され、もしくは懸濁されたコンパウンドの解析に加えて、この方法
は、たとえば血液または尿といった体液等の材料の解析にも使用することができ
る。この方法は、広範な各種のシステムの動作に適合可能であり、それについて
は、たとえば1992年6月30日に交付された米国特許第5,126,022号および、ここで
参照している特許ならびに出版物を参照されたい。本発明は、他の多くのシステ
ムに必要とされるような荷電分子を移動させるための電界を使用する必要がない
。つまり、本発明を介して非極性分子を毛管マイクロジェットを通じて移動させ
ることができる。安定した毛管マイクロジェットが形成され、維持されるこの方
法によって、大きなプロテイン、ヌクレオチド・シーケンス、細胞、およびその
他の生体適合物質等の物質が、物理的な応力によって破壊されることがない。

【００２０】 （液体または気体に変わるバブル） 図6および図7は、液体内（図6）または気体内（図7）にバブルが形成される態
様を示すとき役立つ。図6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、育魚水）の中に拡散し、またはより多く
の有毒ガス（例えば放射ガス）を流体に拡散し、処分されるべく毒素を濃縮させ
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、これは炭
酸飲料への酸素の拡散時といった特定の利用に重要なことであるが、液体内に拡
散する気体の量を一律に計算することが可能になる。 図7は、図6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、肺の中にそれを吸入することが可能になる。最終的には
中空微小滴81が破裂し、多くのより小さい微粒子を形成し、溶媒が蒸発した後に
は、それが非常に細かい乾燥微粒子を形成し得る。このように、中空微小滴の空
気動力学的直径は、実際の物理的直径に比較すると非常に小さくなることがわか
る。破裂して非常に微細な微粒子を形成する中空微小滴81の生成は、内燃エンジ
ンも含めて広範多岐にわたる応用に適用することが可能であり、内燃エンジンに
おいては、液体73として燃料（たとえばガソリン、ディーゼル燃料、ジェット燃
料）が使用されて中空微小滴が形成され、中空微小滴81が燃焼室に噴射され、そ
こで中空微小滴が破裂し、より小さな微粒子が形成されて燃焼する。破裂して微
細なミストを形成する中空微小滴の形成に必要な燃料の量は、現存する他の空気
式の方法のいずれと比較しても最小になる。

【００２１】 （エマルジョン） 図8は、図6および図7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6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
。 1つの応用においては、図8に示した構成が流動物の血液細胞学的ソーティング
に使用される。液体82は、血液、プラスマ、またはたとえば赤血球および白血球
細胞、HIV感染細胞、またはバイオプシーからの悪性と見られる細胞等の任意タ イプの細胞を含む流動可能な適切な液体とする。液体73は、液体82と同一もしく
は異なる液体とし得るが、好ましくは液体82と不混和の、たとえば水性液体82と
不混和のオイルとする。 このシステムは、液体82を出口オリフィス77の外に放出して、液体82の球83を
形成する。それぞれの球83が有する実際の物理的直径は、±0.01%から±30%まで
、好ましくは10%ないしはそれ未満、より好ましくは1%ないしはそれ未満の標準 偏差において他の球83と等しい。球83のサイズおよび液体82のフロー・レートは
、球83が、検査する単一の微粒子（たとえば単一の細胞）を含むべくコントロー
ルされる。球83のストリームを所望の任意タイプのセンサおよび／またはエネル
ギ・ソースに通過させれば、それにより液体82のサンプルの細胞ごとの解析、よ
り詳細に述べれば、各球83内の各微粒子（たとえば細胞）の、微粒子ごとの解析
が可能になる。液体73は、球83内の任意の微粒子の解析に大きな影響を与えない
ものとする必要がある。 球83内の単一の細胞は、マイクロ・エレクトロ・メカニズム（MEM）における 細胞のレーザ・ソーティング・テクニックを使用して解析することができる。 一実施例においては、このソーティングによって、望ましくない微粒子（たと
えば感染している細胞または癌様細胞）を識別し、破棄することを考慮している
。残りの細胞は、この後、それを抽出した患者（たとえばヒト）に再注入される
。球83のサイズは、出口オリフィス77のサイズによって支配されることなく、オ
リフィス77の目詰まりも回避され、非常に小さい、解析するタイプの細胞の直径
に概略で等しい球83を作ることができる。

【００２２】 （食品および化粧品） 均一なサイズ（標準偏差が0.01%から30%）の小さい（1ミクロンから200ミクロ
ン）微粒子のエマルジョンを生成することは、質の高い食品および化粧品を製造
する上で重要になる。小球83のオイルのエマルジョンは、サラダのドレッシング
、ミルク、マヨネーズ、およびチョコレート等の食品の味、舌触りまたはテクス
チャ、および全体的な均質性に重要である。さらに、図8に示したシステムは、 食品および化粧品に発色剤および保存料を均等に分布させる上で役立つ。微粒子
サイズを小さくし、均一性を高めることにより、添加が必要な（しかし望ましく
ない）成分の量を少量に抑えつつ、従来テクノロジを介してより多くの量が添加
された場合に等しい効果を得ることが可能になる。

【００２３】 （燃料エマルジョン） 図8において液体75は、内燃エンジンの燃焼室内にある気体（たとえば空気） とすることができる。液体82は、炭化水素燃料である第2の液体73によって包み 込まれる水になることもある。その場合システムは、中心に水を含み外側が燃料
でコーティングされた微粒子83を形成する。この種の水／燃料微粒子が燃焼され
ると、全体的な燃焼室温度および望ましくない排出物質の形成がともに抑えられ
、しかも、エンジンの圧縮比が低下することもなければ、その熱力学サイクルの
効率が犠牲にされることもない。このシステムは、水と燃料の比によって容易に
調整することができるパラメータとして温度を扱う。水／燃料比を調整し、それ
によって温度を調整すれば、熱力学サイクルを再設計し、それによって出力対清
浄度の比を最適化することが可能になる。 このシステムは、2種類の異なる燃料を同時に使用することができる。オクタ ン価の高い燃料（ガソリン）を液体73として使用し、オクタン価の低い燃料（デ
ィーゼル燃料）を包み込む。任意タイプのオクタン価が低い安価な燃料の球83が
、任意タイプのオクタン価が高い高価な燃料の層によってコーティングされる。
これらの球が燃焼室に入ると、オクタン価の高い燃料が最初に燃焼して反応を生
じ、それがオクタン価の低い燃料の燃焼を惹き起こす。このシステムを使用すれ
ば、内側のオクタン価が87のガソリンの核をオクタン価が92のガソリンによりコ
ーティングし、実質的にオクタン価が92のガソリンと同じ性能をより低いコスト
において得ることができる。図7に示したような燃料の中空微小滴の形成は、微 小滴が図7に示した態様で破裂したとき、微細なミストが得られるという利点も もたらす。

【００２４】 （例） 以下に示す例は、完全な開示および本発明を具体化し、使用する方法の説明を
当業者に提供するために示したものであり、これには発明者がその発明であると
考える部分の範囲を制限する意図はなく、また以下の実験が、実施されたすべて
ないしは唯一の実験であることを表す意図もない。使用した数値（たとえば量、
温度等）に関しての精度を保証すべく努力はなされているが、実験誤差ならびに
偏差があることを考慮する必要がある。特に示さない限り、割合は重量による割
合であり、分子量は平均の分子量であり、温度は摂氏温度であり、圧力は大気圧
もしくはその近傍の圧力であるとする。 表1に、16種類の異なる液体の特性を示した。 表1：使用液体および24.5℃におけるいくつかのその物理的な特性（：kg/m³、
：センチポアズ、：N/m）。プロットにおいて使用している記号を併記する。

【００２５】

【表１】

【００２６】 表1に示した液体は、図1に示したタイプのフィーディング・ニードルを通じて
押し出される。フィーディング・ニードルの端部5の内側半径をR₀とする。出口 オリフィス6の直径をD、圧力チャンバ3の壁の肉厚をLとする。次に示す寸法：（
それぞれ、D＝0.15、0.2、および0.3mm；L＝0.1、0.2、および0.35mm；R₀＋0.2 、0.4、および0.6mm）を有する3つのデバイスについてテストを行い、チューブ の口からオリフィスまでの距離Hについては、H＝0.5mmからH＝1.5mmまでの範囲 でいくつかに変化させて使用した。ジェットの直径は、ホールの出口において測
定し、それぞれ圧力差P_gおよびフロー・レートQの関数としてプロットした。こ のテクニックは、1ミクロン未満のジェットの直径まで考慮しているが、ここで の考察においては、より高いフロー・レートおよび直径を使用し、測定誤差を最
小化している。 すべてのデータを縮約するため、われわれは式（3）および（5）から、所定の
P_gに関する安定したレジームにおいて達成可能な最小値に基づいて基準のフロー
・レートQ₀およびd₀を定義した。 Q₀ = {⁴ / (₁P_g ³)}^1/2， d₀ = / P_g （6） これらの定義は、次に示すように（5）に無次元の式という利点をもたらす。 d_j / d₀ = (8 / ²)^1/4(Q / Q₀)^1/2 （7） これにより、（4）において表面張力の項を無視することの有効性をチェック することができる（つまり、Q/Q₀は大きくなければならない）。 ここで、測定したd_jが式（5）に従っているときは、表面張力が式（7）におい
て相殺されることに注意されたい。また、d_j/d₀＝We/2となる点にも注意が必要 である。 図5に、d_j/d₀対Q/Q₀についての350個の測定値をプロットした。実線は、液体 の粘性ならびに表面張力と独立の理論的な予測（7）を表している。ホールおよ びチューブの直径をはじめ、チューブとホールの間の距離を変化させた使用は、
d_jに、評価できるほどの影響を及ぼさない。実験データの縮約および単純な理論
モデルとの一致は非常に優れている。最後に、Qの実験値が少なくともQ₀の4倍は
大きく（最大のケースでは数百倍の大きさになった）、式（4）において表面張 力を無視することの論拠が得られている。 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】 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７】 図6と同じ概要図であるが、バブルが気体内に流れ込む。

【図８】 図6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 QA01 QA05 QA07 QA08 QB02Y QB03X QB12Y QB14X QB15X QB17 QB18 QD04 QD21 QD23 QE01 QE09 QF02Y 4G035 AB20 AB37 AB54 AC39 AE13

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第1の液体内の気体バブルの単分散であって、各バブルが、1
   つの微粒子と別の微粒子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1つのバブルと別のバブルの間の直径における偏差は±5
   %未満であり； それにおいて前記単分散は、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し；か
   つ、 前記気体は、空気および酸素からなるグループから選択され、前記液体は水性
   であ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】 前記気体は有毒物質により汚染されており、前記有毒物質は
   前記液体内に溶解可能であり、前記液体は水性であ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】 前記水性液体は下水であることを特徴とする、前記請求項3 記載のバブルの単分散。
5. 【請求項５】 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。
6. 【請求項６】 液体内に気体の分子を拡散させる方法において： 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
   、前記第1の液体および第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1および第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。
7. 【請求項７】 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；かつ、 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
   で放出されることを特徴とする前記請求項6記載の方法。
8. 【請求項８】 前記バブルは、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7記載の方法。
9. 【請求項９】 エアロゾル化された微粒子を生成するデバイスにおいて： 第1の流体を供給するための、第1の流体用入り口ポートおよび第1の流体用出 口ポートを含む第1の手段； 前記第1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
   の圧力チャンバであって、第2の流体用入り口ポートおよび、第2の流体用出口ポ
   ートを含む圧力チャンバ；を備え、 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デバイス。
10. 【請求項１０】 前記フィーディング・ニードルの出口ポートは、約0.01mm
    から約0.4mm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0.0
    1mmから約0.25mmまでの範囲の直径を有し、それにおいて前記デバイスは、約10^{- 4} から1kg/m/秒の範囲の動的粘度を有する第1の流体をそこにインサートすること
    を特徴とする前記請求項9記載のデバイス。
11. 【請求項１１】 前記第1の流体は、約0.3×10^-3から5×10^-2kg/m/秒の範囲
    の粘度を有する液体であり、 前記液体は、約0.01nl/秒から約100l/秒の範囲のレートで前記チャンネルを介
    して押し出され、前記気体は、前記圧力チャンバの前記開口を介して、約50m/秒
    から約2000m/秒の範囲のレートで押し出されることを特徴とする前記請求項9記 載のデバイス。
12. 【請求項１２】 前記第1の流体は液体であり、前記チャンネルを介して約1
    nl/秒から約10l/秒の範囲のレートで押し出され、前記気体は、前記圧力チャン バの前記開口を介して、約100から500m/秒の範囲のレートで押し出されることを
    特徴とする前記請求項9記載のデバイス。