JP2007098227A - 液体中に気泡または液滴を生成する装置及び液体中に気泡または液滴を生成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 気泡または液滴を生成するための機械的動力源を用いることなく、且つ、気泡または液滴の径を的確に調整する。
【解決手段】 第１物質の液体２０２中に気泡または液滴２１８を生成する装置１００であって、第１物質の液体２０２が収容される第１収容部１１０と、第２物質の液体２１２が収容される第２収容部１２０と、第２収容部１２０内の第２物質の液体２１２を加熱して蒸気とする加熱手段１３０と、第２収容部１２０内の蒸気２１４を第１収容部１１０へ導く導管１４０と、導管１４０により導かれた蒸気２１４を含む気体を第１収容部１１０内の第１物質の液体２０２中に吐出する吐出口１５０と、吐出口１５０における気体の吐出量を制御する吐出制御部１６０と、を備え、吐出口１５０から吐出して形成された初期気泡１７０が、第１物質の液体２０２により冷却されて気泡または液滴２１８が生成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体中に気泡または液滴を生成する装置及び方法に関する。

液体中に気泡を生成する古典的な方法として、気体を過飽和度まで加圧した後に、急激に減圧して気泡を析出させる方法が知られている。しかし、このような方法では、生成される気泡の量は過飽和度に依存するので気泡の生成量に限界があることから、現在ではあまり用いられていない。

液体中に微小な気泡を生成する装置としては、末広がりの細い流路が形成されたノズルを有する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の装置では、ノズルにポンプを用いて液体を供給するとともに、コンプレッサ等を介して気体を供給し、ノズルの絞り部分から細い流路へ気液混合体を流通させている。

また、他の装置として、旋回流を生じた液体の中心に、旋回軸方向へ気体を流通させることにより微小な気泡を生じさせる装置が知られている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。
特許文献２に記載の装置では、ポンプを用いて円筒状の装置内に液体を送出することにより旋回流を生じさせている。さらに、吐出側にはキャビテーションノズルが備えられ、微小気泡の発生が促進されるようになっている。
特許文献３に記載の装置では、メガホン状の容器内に、ポンプ等により加圧された液体が供給することにより旋回流を生じさせている。

さらに、微小な液滴を生成する実験装置として、液滴とする液体を収容する蒸発容器と、他の液体で予め満たされ、蒸発容器にて生じた蒸気が吐出され他の液体で満たされている凝縮容器と、を備えたものが発表されている（例えば、非特許文献１参照）。蒸発容器には蒸気が流出するノズルが接続されており、ノズルから吐出された蒸気は気泡を形成した後、ノズルから離脱し凝縮して液滴となる。この実験装置では、凝縮容器は蒸発容器に近接してその直上に配され、ノズルは蒸発容器の上方から突出してできる限り短く形成されている。これにより、蒸発容器内の蒸気はほとんど冷却されることなく凝縮容器内へ吐出され、好適な条件下で実験を行うことができる。
特開２００３−２３０８２４号公報 特開２００３−１２６６６５号公報 国際公開第ＷＯ００／６９５５０号パンフレット Koichi Terasaka, Tirto Prakoso, Wan-Yong Sun, Hideki Tsuge, "Two-Phase Bubble Formation with Condensation at Nozzle Submerged in Immiscible Liquid", Journal of Chemical Engineering of Japan, 2000, Volume 33, No. 1, pp. 113-119

しかしながら、特許文献１〜３に記載の装置では、気泡を生成するためにポンプ等の機械的動力源が必要であり、装置が大型化するという問題点がある。また、ポンプ等により局所的に液体を送出していることから、液体の対流が必ず生じ、静的な状態で気泡のみを分散させることができないという問題点もある。
また、非特許文献１に記載の実験装置は、蒸発容器で生成された蒸気がそのまま凝縮容器内へ吐出されるので、蒸気の吐出量、吐出圧力等は蒸発容器の加熱状態によって定まってしまう。すなわち、蒸気の吐出量、吐出圧力等を制御するには蒸発容器の加熱状態を調整しなければならず、生成される液滴の大きさの調整を自在に行うことは極めて困難である。また、蒸発容器と凝縮容器を上下に近接させているので、配管等のレイアウトの自由度が低くなるという課題もある。このように、この実験装置は、あくまで好適な実験を行うために提案されたものであり、実用化には種々の課題を有している。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、液体中に気泡または液滴を生成する装置及び方法であって、気泡または液滴を生成するための機械的動力源を用いることなく、且つ、気泡または液滴の径を的確に調整することのできる装置及び方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明によれば、
第１物質の液体中に気泡または液滴を生成する装置であって、
前記第１物質の液体が収容される第１収容部と、
第２物質の液体が収容される第２収容部と、
前記第２収容部内の前記第２物質の液体を加熱して蒸気とする加熱手段と、
前記第２収容部内の前記蒸気を含む気体を前記第１収容部へ導く導管と、
前記導管により導かれた気体を、前記第１収容部内の前記第１物質の液体中に吐出する吐出口と、
前記吐出口における気体の吐出量を制御する吐出制御部と、を備え、
前記吐出口から吐出して形成された初期気泡が、前記第１物質の液体により冷却されて前記気泡または前記液滴が生成されるように構成されたことを特徴とする。

この装置によれば、加熱手段を作動させると、第２収容部内の第２物質の液体が蒸気となり、第２収容部内の圧力が上昇する。第２収容部内の圧力が上昇すると、蒸気が導管内を第１収容部側へ向かって自動的に流通する。この蒸気を含む気体は吐出口へ到達すると第１物質の液体中に吐出され、第１物質の液体中にて初期気泡となる。ここで、気体の吐出量は吐出制御部により制御され、初期気泡の大きさは吐出量に依存することから、吐出制御部を用いて気泡径が調整される。
第１物質の液体中に生成された初期気泡は、吐出口から離脱した後、第１物質により冷却されて縮小または液化して第１物質の液体中に気泡または液滴が生成される。このとき、第２物質は体積が減少することから、第１物質中に初期気泡より小さな気泡または液滴が生成される。尚、第１物質より第２物質の沸点が低いことが好ましい。これにより、気泡または液滴を第１物質中に安定的に生成することができる。
また、この装置によれば、導管により蒸気が案内されるようにしたので、第１収容部と第２収容部の相互の位置関係を比較的自由に設定することができる。これにより、例えば、第２物質の供給部、第１物質の回収機構等の要件により、第１収容部と第２収容部を近接させることができない場合であっても、気泡または液滴の生成に支障をきたすことはない。尚、ここでいう「導管」には、例えば第２収容部に直接設けられたノズルのように、第２収容部と一体的に設けられ内部流体の排出部として機能する部品等は含まない。

また、上記装置において、
前記吐出制御部は、前記導管に設けられたバルブを含む構成とすることができる。

この装置によれば、バルブの開閉状態により蒸気の吐出量が制御され、初期気泡の径の調整が簡単容易である。このバルブは、手動であっても自動であってもよい。

また、上記装置において、
前記導管内の前記蒸気を加熱する補助加熱手段を備えた構成とすることができる。

この装置によれば、補助加熱手段により導管内の蒸気を加熱することにより、導管内における蒸気の温度低下を防止して、吐出前の蒸気の凝縮を阻止することができる。

また、上記装置において、
前記補助加熱手段は、前記導管における前記バルブから下流側にて蒸気を加熱する構成とすることができる。

この装置によれば、導管における第２収容部側から最も離隔した部位にて蒸気を加熱することができ、効率よく蒸気の凝縮阻止を行うことができる。また、吐出直前の蒸気を加熱することができることから、液化した第２物質の第１物質への流入も効果的に阻止される。

また、上記装置において、
前記導管を覆う断熱材を備えた構成とすることができる。

この装置によれば、断熱材により導管内外の熱交換が抑制され、導管内における蒸気の温度低下を抑制することができる。

また、上記装置において、
第３物質の気体を前記第２収容部または前記導管に供給する供給部を備え、
前記第１物質の液体中に前記第２物質及び前記第３物質の混合気体が吐出されるよう構成することができる。

この装置によれば、第１物質の液体中に第２物質と第３物質の混合気体が吐出されると、第２物質と第３物質の２重の気泡または液滴となる。

また、上記装置において、
前記第１物質と前記第２物質は同じ物質であり、
前記吐出口から吐出された前記第２物質が液化して前記第１物質の液体と同化する構成とすることができる。

この装置によれば、第２物質が凝縮して液体となって、第１物質の液体と同化するので、第３物質の液滴または気泡が第１物質の液体中に生成される。このように、初期気泡の一部が第１物質と同化することから、第３物質の液滴または気泡を格段に小さくすることができる。また、第２物質と第３物質の混合比を調整することにより、第３物質の液滴または気泡の径を制御することが可能となり、実用に際して極めて有利である。

また、上記装置において、
前記第１物質の液体中に、前記第３物質の気泡が生成される構成とすることができる。

この装置によれば、第３物質の微小な気泡を得ることができる。

また、上記装置において、
前記第１物質の液体中に、前記第３物質の液滴が生成される構成とすることができる。

この装置によれば、第３物質の微小な液滴を得ることができる。

また、上記装置において、
前記供給部は、
前記第３物質の気体が収容されるガス容器と、
前記ガス容器と、前記第２収容部または前記導管と、を接続する接続管と、
前記接続管に設けられたバルブと、を有する構成とすることができる。

この装置によれば、ガス容器に収容された第３物質の気体は、接続管を通じて第２収容部内または導管内に流入する。第３物質の流入量はバルブの開閉状態で調整され、これによって第２物質と第３物質の混合比を調整することができる。

また、上記装置において、
前記第２物質または前記第３物質として、前記第１物質の液体に溶解するものを選択することができる。

これにより、第２物質または第３物質が溶解して第１物質の液体中に分散する。第２物質が溶解した場合は、第３物質を主成分とする液滴または気泡が生成される。第３物質が溶解した場合は、第２物質を主成分とする液滴または気泡が生成される。このように、第２物質または第３物質が第１物質に溶解するので、生成される液滴または気泡を格段に小さくすることができる。また、第２物質と第３物質の混合比を調整することにより、生成される液滴または気泡の径を制御することが可能となり、実用に際して極めて有利である。

また、上記装置において、
前記第２物質または第３物質として、前記第１物質の液体と化学反応により液化または固化するものを選択することができる。

このようにすれば、初期気泡を構成する第２物質または第３物質の少なくとも一部が、第１物質の液体と化学反応により液化または固化する結果、生成される液滴または気泡の径が初期気泡のものより小さくなる。また、第２物質と第３物質の混合比を調整することにより、生成される液滴または気泡の径を制御することが可能となり、実用に際して極めて有利である。

また、上記装置において、
前記吐出口は、前記導管の先端に設けられたノズルに形成される構成とすることができる。

この装置によれば、導管内の気体は、ノズルから第１物質の液体中に吐出される。

また、上記装置において、
前記ノズルは、複数の細孔を有し、前記第１物質の液体中に前記蒸気を分散して吐出する構成とすることができる。

この装置によれば、ノズルから吐出された初期気泡は、第１物質の液体中にて分散するので、第１物質の液体中における気泡または液滴を均一にすることができる。また、気泡同士または液滴同士の衝突を抑制し、合体による気泡または液滴の径の拡大を抑制することができる。

また、上記装置において、
前記ノズルは、前記気体の流通経路が、吐出口に向かって縮径するよう形成される構成とすることができる。

この装置によれば、ノズルを流通する気体が吐出口に向かって絞られ、吐出される気泡の径を小さくすることができる。

以上、本発明の構成について説明したが、本発明は、これに限られず様々な態様を含む。たとえば、本発明によれば、
第１物質の液体中に気泡または液滴を生成する方法であって、
第２物質の液体を加熱して蒸気を得る気化工程と、
前記気化工程にて得られた前記蒸気を、吐出量を調整しつつ前記第１物質の液体中に吐出し、前記蒸気の初期気泡を生成する吐出工程と、
前記吐出工程にて生成された前記初期気泡が凝縮され、前記第１物質の液体中に前記第２物質の液滴を得る凝縮工程と、を含むことを特徴とする方法が提供される。

また、上記方法において、
前記気化工程にて得られた前記第２物質の蒸気と、第３物質の気体とを混合する混合工程を含み、
前記吐出工程にて、前記第１物質の液体中に前記第２物質と前記第３物質の混合気体の初期気泡が生成され、
前記凝縮工程にて、前記初期気泡内の前記第２物質の前記蒸気が凝縮され、前記第１物質の液体中に前記第３物質の気泡または液滴を内包する前記第２物質の液滴を得るようにすることができる。

また、上記方法において、
前記第１物質と前記第２物質とを同じ物質とし、
前記凝縮工程にて、前記第１物質の液体中に前記第３物質の気泡または液滴を得るようにすることができる。

本発明によれば、第２物質を液体から蒸気として、第２物質自体の圧力を上昇させるようにしたので、気泡または液滴を生成するための機械的動力源を用いることなく気泡または液滴を生成することができる。従って、装置の軽量化及び小型化を図ることができる。また、この機械的動力源に起因して、第１物質の液体に対流が生じるようなこともなく、静的な条件で液体中に安定的に気泡または液滴を生成して分散させることができる。
また、吐出制御部により吐出時の気泡径が調整されることから、最終的に得られる気泡または液滴の径を的確に調整することができる。また、吐出制御部を設けたことにより、加熱手段により第２物質を気化する際の圧力と、蒸気を第１物質の液体中に吐出する際の圧力と、が独立して制御され、第２物質の気化条件と第２物質の吐出条件とを異なる条件とすることができる。従って、第２物質の加熱を最適な条件で行い、加熱状態に依存することなく第２物質を吐出させることができ、これによっても安定的な気泡または液滴の生成が可能となる。

図面を参照しつつ、本発明による所定物質の液体中に他の物質の気泡または液滴を生成する装置及び方法の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、説明のため、各物質の液体にはスクリーンにより着色して図示することとする。

図１及び図２は本発明の第１の実施形態を示すものであって、図１は装置の概略構成説明図、図２はノズルの断面図である。

この装置１００は、第１物質の液体２０２中に第２物質を含む物質の液滴２１８を生成する装置である。図１では、第１物質として油を用い、第２物質として水を用いている。このように、第１物質より第２物質の沸点が低いことが好ましく、これにより気泡または液滴を第１物質中に安定的に生成することができる。図１に示すように、装置１００は、第１物質の液体２０２が収容される第１収容部１１０と、第２物質の液体２１２が収容される第２収容部１２０と、第２収容部１２０内の第２物質の液体２１２を加熱して蒸気（気体）２１４を得る加熱手段としてのヒータ１３０と、第２収容部１２０内の蒸気２１４を第１収容部１１０へ案内する導管１４０と、導管１４０により案内された蒸気２１４を第１収容部１１０内の第１物質の液体２０２中に吐出する吐出口１５０と、吐出口１５０からの蒸気２１４の吐出量を制御する吐出制御部１６０と、を備えている。そして、吐出口１５０から吐出して形成された初期気泡１７０が、前記第１物質の液体２０２により冷却されて液滴２１８が生成される。本実施形態においては、吐出口１５０から吐出される気体は第２物質の蒸気２１４のみであり、初期気泡１７０中の成分は第２物質のみである。

図１に示すように、第１収容部１１０は、上方を開放した箱状の容器である。第１収容部１１０は第１物質の液体２０２が供給されており、導管１４０が上方から第１物質の液面の下側まで延在している。導管１４０の先端にはノズル１４２が設けられ、ノズル１４２から下方へ向かって導管１４０内の気体が吐出される。また、図１に示すように、第１収容部１１０の側部及び下部は、冷却ジャケット１１２により覆われている。冷却ジャケット１１２内には冷却水１１４が流通しており、冷却水の温度を調整することができるよう構成されている。第１収容部１１０には、内部の流体を排出可能な抜き出し管が形成されている。

第２収容部１２０は密閉された容器である。第２収容部１２０内には第２物質の液体２１２が供給されており、第２収容部１２０内の下側にはヒータ１３０の加熱部１３２が配されている。すなわち、第２収容部１２０内に貯留する液体２１２は、ヒータ１３０の加熱部１３２により直接的に加熱されるよう構成されている。また、第２収容部１２０の上側には導管１４０が接続されている。さらに、第２収容部１２０には、内部の圧力を表示する圧力計１２２が設けられている。さらにまた、第２収容部１２０のほぼ全部分が、断熱ジャケット１２４により覆われている。

導管１４０は、一端が第２収容部１２０の内部と連通し、他端が第１収容部１１０の内部で開口している。導管１４０の先端には着脱自在なノズル１４２が取り付けられており、ノズル１４２に前述の吐出口１５０が形成されている。図２に示すように、ノズル１４２は流体の流通経路が吐出口１５０に向かって縮径するよう形成される。本実施形態においては、ノズル１４２は断熱材により構成されている。

また、吐出制御部１６０は、導管１４０に設けられたバルブ１６２を含んでおり、バルブ１６２により導管１４０の所定箇所の開閉状態を変化させることができるよう構成されている。本実施形態においては、バルブ１６２は手動である。

また、装置１００は、導管１４０内の蒸気２１４を加熱する補助ヒータ１４４を備えている。補助加熱手段としての補助ヒータ１４４は、導管１４０のバルブ１６２からノズル１４２側を覆うよう構成されている。さらに、装置１００は、導管１４０を覆う断熱材１４６を備えている。本実施形態においては、断熱材１４６は、バルブ１６２から第２収容部１２０側を覆うよう構成されている。

この装置１００によれば、ヒータ１３０を作動させると、第２収容部１２０内の第２物質の液体２１２が沸騰して蒸気２１４となり、第２収容部１２０内の圧力が上昇する。第２収容部１２０内の圧力が上昇すると、蒸気２１４が導管１４０内を第１収容部１１０側へ向かって自動的に流通する。ここで、第２収容部１２０が断熱ジャケット１２４により覆われていることから、第２収容部１２０における外部との熱交換が抑制され、ヒータ１３０の加熱効率を高めるとともに、外部の雰囲気温度の変化等による第２収容部１２０内の温度変化を抑制することができる。

また、断熱材１４６により導管１４０内外の熱交換が抑制され、導管１４０内における蒸気２１４の温度低下は抑制される。そして、バルブ１６２からノズル１４２の吐出直前の区間で蒸気２１４が加熱されることから、導管１４０内における蒸気２１４の温度低下を効率的に抑制して、吐出前の蒸気２１４の凝縮を防止することができる。

この蒸気２１４はノズル１４２の吐出口１５０へ到達すると第１物質の液体２０２中に吐出され、第１物質の液体２０２中にて初期気泡１７０となる。このとき、ノズル１４２を流通する蒸気２１４が吐出口１５０に向かって絞られ、吐出圧力が上昇し吐出口１５０自体の径が小さいことと相俟って、吐出される初期気泡１７０の径を小さくすることができる。

また、蒸気２１４の吐出量は吐出制御部１６０により制御され、初期気泡１７０の大きさは吐出量に依存することから、吐出制御部１６０を用いて初期気泡１７０の径が調整される。本実施形態においては、バルブ１６２の開閉状態により蒸気２１４の吐出量が制御され、初期気泡１７０の径の調整が簡単容易である。

図１に示すように、第１物質の液体２０２中に生成された第２物質の初期気泡１７０は、ノズル１４２の吐出口１５０から離脱した後、第１物質により冷却されて両物質同士の界面から凝縮していき、気泡２１６と液滴２１８の２相状態となる。この状態からさらに凝縮が進行し、第１物質の液体中に第２物質の液滴２１８が生成される。このとき、第２物質は凝縮により体積が激減することから、第１物質中に微小な液滴２１８が生成される。具体的には、気泡２１６から液滴２１８へ変化する際に、体積が約１０００分の１となるので直径が約１０分の１となる。そして、最終的に得られる液滴の直径として、約１０μｍ程度のものが実験的に確認されている。このように、第２物質の液滴２１８が生成された第１物質の液体２０２は、抜き出し管から排出され、製品として次のプロセスへ送出される。

すなわち、第１物質の液体２０２中に液滴２１８を生成するこの方法は、第２物質の液体２１２を加熱して蒸気を得る気化工程と、気化工程にて得られた蒸気２１４を吐出量を調整しつつ第１物質の液体２０２中に吐出し蒸気２１４の初期気泡１７０を生成する吐出工程と、吐出工程にて生成された蒸気２１４の初期気泡１７０が凝縮され、第１物質の液体２０２中に第２物質の液滴２１８を得る凝縮工程と、を含んでいる。

ここで、第２物質の気泡２１６が凝縮する際に、第１物質の液体２０２に熱量が付与されることとなるが、第１収容部１１０の外側は内部温度が一定の冷却ジャケット１１２により覆われている。これにより、第１物質の液体２０２の温度は略一定に保たれ、気泡２１６、液滴２１８の生成条件が変動するようなことはない。

このように、本実施形態の装置１００によれば、第２物質を液体２１２から蒸気２１４として、第２物質自体の圧力を上昇させるようにしたので、液滴２１８を生成するための機械的動力源を用いることなく液滴２１８を生成することができる。従って、装置１００の軽量化及び小型化を図ることができる。また、第１物質の液体２０２に機械的動力源に起因する対流が生じるようなこともなく、静的な条件で安定的に液滴２１８を生成することができる。

また、吐出制御部１６０により吐出時の初期気泡１７０の径が調整されることから、最終的に得られる液滴２１８の径を的確に調整することができる。また、吐出制御部１６０を設けたことにより、ヒータ１３０により第２物質を気化する際の圧力と、蒸気２１４を第１物質の液体２０２中に吐出する際の圧力と、が独立して制御され、第２物質の気化条件と第２物質の吐出条件とを異なる条件とすることができる。従って、第２物質の加熱を最適な条件で行い、加熱状態に依存することなく第２物質を吐出させることができ、これによっても安定的な液滴２１８の生成が可能となる。

さらに、導管１４０により蒸気２１４が案内されるようにしたので、第１収容部１１０と第２収容部１２０の相互の位置関係を比較的自由に設定することができる。これにより、例えば、第２物質の供給部、第１物質の回収機構等の要件により、第１収容部１１０と第２収容部１２０を近接させることができない場合であっても、液滴の生成に支障をきたすことはない。

尚、第１の実施形態においては、第２収容部１２０に第２物質の液体２１２が予め貯留しているものを示したが、例えば、図３に示すように、第２物質の液体２１２がポンプ１８０により連続的に第２収容部１２０内へ補給されるものであってもよい。この場合には第２収容器内の第２物質液体２１２が枯渇することはなくなる。
また、図３に示すように、第１収容部１１０に抜き出し管に加えて流入管を設け、流入管から第１物質を補給し、抜き出し管から第２物質を含む第１物質を排出してもよい。この場合も、図３に示すように冷却ジャケット１１２を備える構成が好ましいが、例えば第１収容部１１０内に補給される第１物質の液体２０２を予冷しておけば、第１収容部内の温度を一定に保つことができるので、冷却ジャケット１１２を省略する構成としても差し支えない。また、流入管からの第１物質の補給速度と、抜き出し管から第２物質を含む第１物質の排出速度を調整することにより、第１収容部１１０内の液体の容量を自在に変化させることができる。
また、前記実施形態においては、第１収容部１１０に第１物質の液体２０２が予め貯留しているものを示したが、例えば、図４に示すように、第１物質の液体２０２の流通経路に初期気泡１７０を吐出するようにし、液滴２１８が生成された第１物質の液体２０２が連続的に回収されるようにしてもよい。ここでいう「流通経路」とは、例えば、図４に示すように、第１物質の液体２０２が連続的に第１収容部１１０ａに入り、第２物質の液滴２１８を伴って下流側から連続的に排出される経路をさす。この場合、流通経路を形成する流通管が第１収容部１１０ａをなす。この系においても、流通管の構造をもつ第１収容部１１０ａが冷却ジャケット持つことが望ましいが、蒸気２１４から第１物質の液体２０２に付される熱量に比べて、流通管を流れる第１物質の熱量が十分大きければ液温はそれほど上昇しないので冷却ジャケットを省略する構成としても差し支えない。

また、第１の実施形態においては、吐出制御部１６０としてバルブ１６２を設けたものを示したが、吐出制御部１６０は、例えば、ノズル１４２の吐出口１５０を開閉するシャッタ等であってもよい。すなわち、吐出制御部１６０を構成する部品や、部品の設置箇所等は任意である。また、バルブ１６２の開閉を手動で行わずに、第２収容部１２０内の圧力、ヒータ１３０の加熱履歴等に基づいて、バルブ１６２の開閉を自動的に制御するようにしてもよい。この場合、圧力、加熱履歴に加えて、第２収容部１２０内の温度も検出するようにすると、第２物質の蒸気２１４の状態をより詳細に把握することができ、液滴２１８の直径の精度等が向上させることができる。

また、第１の実施形態においては、ノズル１４２における気体の流通経路が１つのものを示したが、例えば、図５に示すように、ノズル１４８が複数の細孔１４８ａを有し、第１物質の液体２０２中に蒸気２１４を拡散して吐出するものであってもよい。図５には、ノズル１４８の気体の流通経路が放射状に複数存在して、初期気泡１７０が互いに離隔して吐出されるものを図示している。この他、複数の細孔を有する多孔質部材を吐出口１５０に設けて、蒸気２１４を分散して吐出するよう構成してもよい。

また、第１の実施形態においては、導管１４０におけるバルブ１６２から第２収容部１２０側を断熱材１４６で覆い、導管１４０におけるバルブ１６２から吐出口１５０側を補助ヒータ１４４で覆ったものを示したが、例えば、断熱材１４６により導管１４０を全体的に覆ってもよいし、補助ヒータ１４４により導管１４０を全体的に覆ってもよい。また、補助ヒータ１４４及び断熱材１４６の構成は任意である。さらに、例えば、図３に示すように、液滴２１８の生成状態に影響が少ない系であるならば、補助ヒータ１４４及び断熱材１４６を設けない構成としてもよい。さらにまた、加熱手段、冷却ジャケット１１２、断熱ジャケット１２４等についても構成は任意であるし、図３に示すように、断熱ジャケット１２４を設けない構成としてもよい。

図６は本発明の第２の実施形態を示すものであって、図６は装置の概略構成説明図である。

図６に示すように、この装置３００は、所定物質の液体２０２中に他の物質の気泡２２４及び液滴２１８を生成する装置である。図６では、第１物質として油を用い、第２物質として水を用い、第３物質として空気が用いられている。図６に示すように、装置３００は、第１の実施形態の装置１００の構成に加え、第３物質の気体２２２を第２収容部１２０に供給する供給部３１０を備え、第１物質の液体２０２中に第２物質及び第３物質の混合気体が吐出されるよう構成されている。

供給部３１０は、第３物質の気体２２２が収容されるガスボンベ３１２と、ガスボンベ３１２と第２収容部１２０を接続する接続管３１４と、接続管３１４に設けられた元栓バルブ３１６及び流量調整バルブ３１８と、を有する。ガス容器としてのガスボンベ３１２には、大気圧に比して高圧な空気が封入されており、各バルブ３１６，３１８が開状態であると、空気が第２収容部１２０内へ流入するようになっている。すなわち、第２収容部１２０内は、第２物質の蒸気２１４と第３物質の気体２２２の混合気体２４２が充満している。

以上のように構成された装置３００では、第１物質の液体２０２中に第２物質と第３物質の混合気体２４２が吐出されると、第２物質と第３物質の混合した初期気泡１７０が生成された後、第２物質が凝縮して第２物質の部分は液滴２１８となる。そして、この系においては、第３物質である空気は凝縮しないことから、第３物質は第２物質の液滴２１８中に気泡２２４となって液滴２１８と気泡２２４の２相状態となる。尚、この液滴２１８と気泡２２４の２相体（２相泡）として、所定の実験条件にて、直径が約２５μｍのものが得られることが確認されている。

すなわち、この２相泡を得る方法は、第１実施形態で説明した気化工程、吐出工程及び凝縮工程に加えて、気化工程にて得られた第２物質の蒸気２１４と第３物質の気体２２２とを混合する混合工程を含んでいるということができる。そして、吐出工程にて、第１物質の液体２０２中に第２物質と前記第３物質の混合気体２４２の初期気泡１７０が生成され、凝縮工程にて初期気泡１７０内の第２物質の蒸気２１４が凝縮され、第１物質の液体２０２中に第３物質の気泡２２４を内包する第２物質の液滴２１８を得ることとなっている。

このように、本実施形態の装置３００では、第１の実施形態と同様に、液滴２１８を生成するための機械的動力源を用いることなく液滴２１８を生成することができ、装置３００の軽量化及び小型化を図ることができるし、第１物質の液体２０２に機械的動力源に起因する対流が生じるようなことがなく、静的な条件で安定的に液滴２１８を生成することができる。

また、吐出制御部１６０により吐出時の初期気泡１７０の径が調整されることから、最終的に得られる液滴２１８及び気泡２２４の径を的確に調整することができる。本実施形態においても、ヒータ１３０により第２物質を気化する際の圧力と、第１物質の液体２０２中に吐出する際の圧力と、が独立して制御され、安定的な液滴２１８及び気泡２２４の生成が可能である。さらに、第１収容部１１０と第２収容部１２０の相互の位置関係を比較的自由に設定することができる。

尚、第２の実施形態においては、第３物質として非凝縮のものを選定したものを示したが、第３物質として凝縮するものを選定してもよい。この場合は、第２物質と第３物質の２相液滴が得られる。

さらに、第２物質および第３物質が凝縮することなく、これらの混合気泡を得るようにしてもよい。特に、第２物質および第３物質として、互いに反応しあう気体を選択した場合、以下のような効果を奏する。第一に、第２物質と第３物質との反応の場が、分散媒に取り囲まれた気泡の内部に局限されるため、反応が爆発的に進行することが抑制され、反応装置の安全性を向上させることができる。第二に、反応の場となる気泡のサイズを高精度に制御できるため、懸濁重合に適用した場合、得られる重合体の粒子サイズや性状を均一にすることが可能となる。

また、第２物質または前記第３物質として、第１物質の液体２０２に溶解するものを選択してもよい。この場合、第２物質または第３物質が溶解して第１物質の液体中に分散する。第２物質が溶解した場合は、第３物質を主成分とする液滴または気泡が生成される。第３物質が溶解した場合は、第２物質を主成分とする液滴または気泡が生成される。このように、第２物質または第３物質が第１物質に溶解するので、生成される液滴または気泡を格段に小さくすることができる。この場合も、第２物質と第３物質の混合比を調整することにより、生成される液滴または気泡の径を制御することが可能となり、実用に際して極めて有利である。

さらに、第２物質または第３物質として、第１物質の液体との化学反応により液化または固化するものを選択してもよい。このようにすれば、初期気泡を構成する第２物質または第３物質の少なくとも一部が、第１物質の液体との化学反応により液化または固化する結果、生成される液滴または気泡の径が初期気泡のものより小さくなる。この場合も、第２物質と第３物質の混合比を調整することにより、生成される液滴または気泡の径を制御することが可能となり、実用に際して極めて有利である。

また、第２の実施形態においては、ガス容器としてガスボンベ３１２を用いたものを示したが、第３物質の気体２２２は高圧で封入されている必要はなく、例えば、ガス容器は常圧で気体２２２を収容するものであり、ファン等により第２収容部１２０側へ第３物質の気体２２２が送出されるものであってもよい。

また、第２の実施形態においては、第３物質の気体２２２が第２収容部１２０へ導かれるものを示したが、例えば、導管１４０へ導かれる構成であってもよい。さらに、第２物質及び第３物質が連続的に供給され、第１物質が連続的に回収されるものであってもよい。

図７は本発明の第３の実施形態を示すものであって、図７は装置の概略構成説明図である。

図７に示すように、この装置４００は、所定物質の液体２０２中に他の物質の気泡２２４を生成する装置である。図７では、第１物質及び第２物質として水を用い、第３物質として空気が用いられている。図７に示すように、装置４００は、第１物質を油から水とした点を除いては、第２の実施形態の装置３００の構成と同様である。すなわち、第３物質の気体２２２を第２収容部１２０に供給する供給部３１０を備え、第１物質の液体２０２中に第２物質及び第３物質の混合気体が吐出されるよう構成されている。

以上のように構成された装置４００では、第２の実施形態と同様に、第１物質の液体２０２中に第２物質と第３物質の混合気体２５２が吐出されると、第２物質と第３物質の混合した初期気泡１７０が生成された後、第２物質が凝縮して第２物質の部分は液滴となる。ここで、初期気泡１７０のサイズは、ノズル１４２の形状や吐出量といった因子によって決定される。しかしながら、こうした因子の調整には制約があるため、気泡サイズ縮小化には一定の限界がある。本実施形態によれば、こうした限界を超えた気泡の微小化を実現することができる。本実施形態では、ノズル先端で発生した初期気泡１７０が第１物質の液体（分散媒）２０２中に分散する過程で、初期気泡１７０に含まれている第１物質が液体２０２中で凝縮する。液体２０２も第１物質により構成されているので、結局、初期気泡１７０の一部が液体２０２と同化することとなり、この結果、初期気泡１７０は液体２０２中で縮小することとなる。尚、図７においては、説明のため、第２物質が占有していた体積分だけ第１物質と異なる着色状態として図示している。このように、第２物質の液滴２１８の体積が、そのまま第１物質の液体２０２の体積となることから、第３物質の気泡２２４を格段に小さくすることができる。また、第２物質と第３物質の混合比を調整することにより、第３物質の気泡２２４の径を制御することが可能となり、実用に際して極めて有利である。尚、この気泡２２４として、所定の実験条件にて、直径が約８μｍのものが得られることが確認されている。

この気泡２２４を得る方法は、第２実施形態で説明した気化工程、吐出工程、混合工程及び凝縮工程を含み、第１物質と前記第２物質とを同じ物質とし、凝縮工程にて第１物質の液体２０２中に第３物質の気泡２２４を得る方法であるといえる。

尚、第３の実施形態においては、第３物質として非凝縮のものを選定したものを示したが、第３物質として凝縮するものを選定してもよい。この場合は、第３物質の液滴が得られる。

また、第３の実施形態においても、ガス容器を常圧で収容するものとしてもよいし、第３物質の気体２２２が導管１４０へ導かれる構成であってもよい。さらに、第２物質及び第３物質が連続的に供給され、第１物質が連続的に回収されるものであってもよい。

また、第１〜第３の実施形態において、導管１４０内に生じた凝縮液を回収する回収機構を設けたり、導管１４０の第２収容部１２０側に元栓を設けたりしてもよいし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

本発明の第１の実施形態を示すものであって、液体中に気泡または液滴を生成する装置の概略構成説明図である。 ノズルの断面図である。 変形例を示す装置の概略構成説明図である。 変形例を示す装置の概略構成説明図である。 変形例を示すノズルの断面図である。 本発明の第２の実施形態を示すものであって、液体中に気泡または液滴を生成する装置の概略構成説明図である。 本発明の第３の実施形態を示すものであって、液体中に気泡または液滴を生成する装置の概略構成説明図である。

符号の説明

１００ 液体中に気泡または液滴を生成する装置
１１０ 第１収容部
１１０ａ 第１収容部
１１２ 冷却ジャケット
１１４ 冷却水
１２０ 第２収容部
１２２ 圧力計
１２４ 断熱ジャケット
１３０ ヒータ
１３２ 加熱部
１４０ 導管
１４２ ノズル
１４４ 補助ヒータ
１４６ 断熱材
１４８ ノズル
１４８ａ 細孔
１５０ 吐出口
１６０ 吐出制御部
１６２ バルブ
１７０ 初期気泡
１８０ ポンプ
２０２ 第１物質の液体
２１２ 第２物質の液体
２１４ 第２物質の蒸気
２１６ 第２物質の気泡
２１８ 第２物質の液滴
２２２ 第３物質の気体
２２４ 第３物質の気泡
２４２ 混合気体
３００ 液体中に気泡または液滴を生成する装置
３１０ 供給部
３１２ ガスボンベ
３１４ 接続管
３１６ 元栓バルブ
３１８ 流量調整バルブ
４００ 液体中に気泡または液滴を生成する装置

Claims (18)

1. 第１物質の液体中に気泡または液滴を生成する装置であって、
   前記第１物質の液体が収容される第１収容部と、
   第２物質の液体が収容される第２収容部と、
   前記第２収容部内の前記第２物質の液体を加熱して蒸気とする加熱手段と、
   前記第２収容部内の前記蒸気を含む気体を前記第１収容部へ導く導管と、
   前記導管により導かれた気体を、前記第１収容部内の前記第１物質の液体中に吐出する吐出口と、
   前記吐出口における気体の吐出量を制御する吐出制御部と、を備え、
   前記吐出口から吐出して形成された初期気泡が、前記第１物質の液体により冷却されて前記気泡または前記液滴が生成されるように構成されたことを特徴とする装置。
2. 前記吐出制御部は、前記導管に設けられたバルブを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記導管内の前記蒸気を加熱する補助加熱手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記補助加熱手段は、前記導管における前記バルブから下流側にて前記蒸気を加熱することを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記導管を覆う断熱材を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 第３物質の気体を前記第２収容部または前記導管に供給する供給部を備え、
   前記第１物質の液体中に前記第２物質及び前記第３物質の混合気体が吐出されるよう構成したことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記第１物質と前記第２物質は同じ物質であり、
   前記吐出口から吐出された前記第２物質が液化して前記第１物質の液体と同化することを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記第１物質の液体中に、前記第３物質の気泡が生成されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記第１物質の液体中に、前記第３物質の液滴が生成されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
10. 前記供給部は、
    前記第３物質の気体が収容されるガス容器と、
    前記ガス容器と、前記第２収容部または前記導管と、を接続する接続管と、
    前記接続管に設けられたバルブと、を有することを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記第２物質または前記第３物質として、前記第１物質の液体に溶解するものが選択されることを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記第２物質または前記第３物質として、前記第１物質の液体と化学反応により液化または固化するものが選択されることを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記吐出口は、前記導管の先端に設けられたノズルに形成されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記ノズルは、複数の細孔を有し、前記第１物質の液体中に前記蒸気を分散して吐出することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記ノズルは、前記気体の流通経路が、前記吐出口に向かって縮径するよう形成されることを特徴とする請求項１３または１４に記載の装置。
16. 第１物質の液体中に気泡または液滴を生成する方法であって、
    第２物質の液体を加熱して蒸気を得る気化工程と、
    前記気化工程にて得られた前記蒸気を、吐出量を調整しつつ前記第１物質の液体中に吐出し、前記蒸気の初期気泡を生成する吐出工程と、
    前記吐出工程にて生成された前記初期気泡が凝縮され、前記第１物質の液体中に前記第２物質の液滴を得る凝縮工程と、を含むことを特徴とする方法。
17. 前記気化工程にて得られた前記第２物質の蒸気と、第３物質の気体とを混合する混合工程を含み、
    前記吐出工程にて、前記第１物質の液体中に前記第２物質と前記第３物質の混合気体の初期気泡が生成され、
    前記凝縮工程にて、前記初期気泡内の前記第２物質の前記蒸気が凝縮され、前記第１物質の液体中に前記第３物質の気泡または液滴を内包する前記第２物質の液滴を得ることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１物質と前記第２物質とを同じ物質とし、
    前記凝縮工程にて、前記第１物質の液体中に前記第３物質の気泡または液滴を得ることを特徴とする請求項１７に記載の方法。

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