JP2011528278A - 剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションの生成によって液体を混合するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションの生成によって液体を混合するための装置１００であって、前記装置は、少なくとも１つの入口１Ａと、予混合チャンバ２であって、上流端３及び下流端４を有し、予混合チャンバ２の上流端４が少なくとも１つの入口１Ａと液体連通している、予混合チャンバ２と、オリフィス構成要素５であって、上流端６及び下流端７を有し、オリフィス構成要素５の上流端６が予混合チャンバ２の下流端４と液体連通しており、ジェットで液体を噴霧し液体中に剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションを生成するように構成される、オリフィス構成要素５と、二次混合チャンバ８であって、オリフィス構成要素５の下流端７と液体連通している、二次混合チャンバ８と、剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションを液体に生成した後に液体を排出するために二次混合チャンバ８と液体連通している少なくとも１つの出口９であって、二次混合チャンバ８の下流端に位置づけられた、少なくとも１つの出口９と、を備え、オリフィス構成要素５は、互いに直列に配列された少なくとも２つのオリフィスユニット１０及び１１を備え、各オリフィスユニットは、少なくとも１つのオリフィス１３を備えるオリフィスプレート１２と、オリフィスプレート１２より上流に位置づけられ、オリフィスプレート１２と液体連通しているオリフィスチャンバ１４と、を備え、近隣のオリフィスプレートは互いに分離されている、装置が開示される。装置１００を使用して、剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションの生成によって液体を混合するためのプロセスが更に開示される。

Description

本発明は、剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションの生成によって混合するための装置及び方法を目的とし、当該技術分野において既知の代替的な剪断力、乱流、及び／又はキャビテーション装置に見られる混合と同じ程度の混合をより低い入力圧によって達成するものである。

キャビテーションとは、蒸気泡を液体中に形成するプロセスを指す。これは、迅速に動く固形物の使用を通じて（インペラとして）、流体力学的に、又は高周波数の音波によるなどの数々の方式で行うことができる。気泡は、形成場所より更に下流で崩壊するとき、特定量のエネルギーを放出するが、このエネルギーを利用して、化学的又は物理的な転換を起こすことが可能である。

流体力学的キャビテーションを生成するための１つの具体的な装置として、液体ホイッスルが知られている。液体ホイッスルについては、「Ｅｍｕｌｓｉｏｎｓ−Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ」（第３版、Ｐａｕｌ Ｂｅｃｈｅｒ、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ａｎｄ Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、ＮＹ、ＮＹ、２００１）と題する書籍の第１２章「Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ Ｅｍｕｌｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ」に説明されている。液体ホイッスルの一例は、Ｓｏｎｉｃ Ｃｏｒｐ．（米国コネチカット州ストラットフォード）が製造するＳＯＮＯＬＡＴＯＲ（登録商標）高圧ホモジナイザーである。この液体ホイッスルは、加圧されている液体を、オリフィスを通してナイフのようなブレードを内部に有するチャンバ内に誘導する。液体はブレードに向けられ、ブレードに対する液体の作用は、ブレードを可聴周波数又は超音波周波数で振動させる。流体力学的キャビテーションは、オリフィスから下流のチャンバにて液体中で生成される。

液体ホイッスルは長年にわたって使用されてきたものであり、化学、パーソナルケア、製薬、並びに食品及び飲料産業において、微細な、均一の、及び安定したエマルション、分散液、及びブレンドを即座に作り出すために、単一又は多供給のインラインシステムとして使用されてきた。

しかし、そのような装置の改善が望ましくあり得ることが見出された。現在の液体ホイッスル装置は、場合によっては１００ＭＰａ（１０００バール）までに及ぶ非常に高い動作圧の下で液体ホイッスルに入るように混合されることが意図される液体を必要とする。動作圧とは、液体が液体ホイッスル装置に入る際の液体の圧力を意味するものと理解される。これは、液体ホイッスル装置内での液体の効率的な混合を確保する。しかし、そのような高圧を達成するには費用がかかり、エネルギー消費が高く、Ｓｏｎｏｌａｔｏｒ（登録商標）８高圧ホモジナイザーのような大型でかさばる設備の使用を必要とする。そのような高圧に伴う別の問題は、それらが混合デバイス内の構成要素の浸食を引き起こす場合があることである。これは、通常、高圧液によって引き起こされる機械的磨耗によるものであるが、混合されている液体の化学特性によって悪化する場合もある。

「Ｅｍｕｌｓｉｏｎｓ−Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ」（第３版、Ｐａｕｌ Ｂｅｃｈｅｒ、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ａｎｄ Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、ＮＹ、ＮＹ、２００１）と題する書籍の第１２章「Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ Ｅｍｕｌｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ」

当該技術分野には、より低い圧力が使用できるにも関わらず代替の高圧装置で見られるのと同程度の混合をなお達成できるように、剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションの生成によって液体を混合するための装置の改善の必要がある。

また、当該技術分野では、高圧混合装置の内部構成要素の浸食を最低限にする必要もある。

驚くべきことに、直列に配列された２つ以上のオリフィスを備える本発明の装置では、通常必要とされるより低い圧力が必要であったにも関わらず、既知の剪断力及び／又はキャビテーション混合装置で見られるのと匹敵する程度の混合が達成されたことがわかった。

本発明の第１の態様は、剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションの生成によって液体を混合するための装置１００であって、前記装置は、
少なくとも１つの入口１Ａと、
予混合チャンバ２であって、上流端３及び下流端４を有し、予混合チャンバ２の上流端４が少なくとも１つの入口１Ａと液体連通している、予混合チャンバ２と、
オリフィス構成要素５であって、上流端６及び下流端７を有し、オリフィス構成要素５の上流端６が予混合チャンバ２の下流端４と液体連通しており、ジェットで液体を噴霧し液体中に剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションを生成するように構成される、オリフィス構成要素５と、
二次混合チャンバ８であって、オリフィス構成要素５の下流端７と液体連通している、二次混合チャンバ８と、
剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションを液体に生成した後に液体を排出するために二次混合チャンバ８と液体連通している少なくとも１つの出口９であって、二次混合チャンバ８の下流端に位置づけられた、少なくとも１つの出口９と、
を備え、
オリフィス構成要素５は、互いに直列に配列された少なくとも２つのオリフィスユニット１０及び１１を備え、
各オリフィスユニットは、少なくとも１つのオリフィス１３を備えるオリフィスプレート１２と、オリフィスプレート１２より上流に位置づけられ、オリフィスプレート１２と液体連通しているオリフィスチャンバ１４と、を備え、
近隣のオリフィスプレートは互いに分離されている、装置である。

本発明の第２の態様は、先行する請求項のいずれかに記載の装置１００を使用して、剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションの生成によって液体を混合するためのプロセスであって、
−少なくとも１つの液体を装置１００の入口１Ａに１０ｋＰａ〜５ＭＰａ（０．１バール〜５０バール）の動作圧で導入する工程と、
−その液体が装置１００を通過するようにする工程と、
−その液体の剪断力又はキャビテーションの生成の後に液体を出口９から排出する工程と、を含む。

本発明の装置１００の詳細。 本発明のオリフィス構成要素５の詳細。

本発明の状況において、用語「ａ」及び「ａｎ」は、「少なくとも１つ」を意味する。

本発明の「２つのオリフィス」又は「２つのオリフィスユニット」と言うとき、本明細書では、「少なくとも２つのオリフィス」又は「少なくとも２つのオリフィスユニット」を意味する。

「剪断力」とは、本明細書では、ある物質の構造において、その層が互いに対して横に変位したときに圧力によって生成されるひずみを意味する。

「乱流」とは、本明細書では、流体の不規則かつ無秩序な流れを意味する。

「キャビテーション」とは、本明細書では、液体の流体力学によって液体中に気泡が形成されること、及び更なる下流にてそれらの気泡が崩壊することを意味する。

「動作圧」とは、本明細書では、液体が少なくとも１つの入口１Ａに入る際の液体の圧力を意味する。

本発明は、剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションの生成によって混合するための装置及び方法を目的とする。特定の実施形態では、剪断力を誘起するための装置及び方法の能力は、混合に有用であり得るだけでなく、液体中の固体粒子の分散のため、液体中の液体の分散のため、及び固体粒子を離散させる際にも有用であり得ることを理解すべきである。特定の実施形態では、剪断力を誘起し及び／又はキャビテーションを生成するための装置及び方法の能力は、液滴及び／又は小胞の形成にも有用であり得る。

図１は、剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションの生成によって液体を混合するための装置１００の非限定的な一実施形態を示し、前記装置は、少なくとも１つの入口１Ａと予混合チャンバ２とを備える。予混合チャンバは、上流端３及び下流端４を有し、上流端４は少なくとも１つの入口１Ａと液体連通している。装置１００はまた、オリフィス構成要素５を備え、オリフィス構成要素５は上流端６及び下流端７を有する。オリフィス構成要素の上流端６は、予混合チャンバ２の下流端４と液体連通しており、オリフィス構成要素５は、ジェットで液体を噴霧し液体中に剪断力又はキャビテーションを生成するように構成される。二次混合チャンバ８は、オリフィス構成要素５の下流端７と液体連通している。少なくとも１つの出口９は、剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションを液体に生成した後に液体を排出するために二次混合チャンバ８と連通しており、二次混合チャンバ８の下流端に位置づけられる。

液体は、所望の動作圧で入口１Ａに導入することができる。液体は、所望の動作圧で、標準的な液体ポンプ装置を使用して導入することができる。液体は入口から予混合チャンバ２に流入し、次いで、オリフィス構成要素５に流入する。次いで、液体は、オリフィス構成要素５から出て二次混合チャンバ８に流入し、その後出口９を通って装置１００を出る。

図２に示されているように、オリフィス構成要素は、互いに直列に配列された少なくとも２つのオリフィスユニット１０及び１１を備える。各オリフィスユニットは、少なくとも１つのオリフィス１３を備えるオリフィスプレート１２と、オリフィスプレートより上流に位置づけられ、オリフィスプレートと液体連通しているオリフィスチャンバ１４と、を備える。一実施形態では、オリフィスユニット１０は、オリフィスプレート１２に隣接してその上流に位置づけられたオリフィスブラケット１５を更に備え、オリフィスブラケット１５の壁は、オリフィスチャンバ１４を通る通路を画定する。

別の実施形態では、装置１００は、直列に配列された少なくとも５つのオリフィスユニットを備える。更に別の実施形態では、装置１００は、直列に配列された少なくとも１０のオリフィスユニットを備える。

装置１００は、オリフィス構成要素５に対向する二次混合チャンバ８内に配置されたナイフ様のブレードのようなブレード１６を少なくとも１つ更に備えてもよいが、必要ではない。

この装置１００の構成要素は、噴射器構成要素、入口ハウジング２４、予混合チャンバハウジング２５、オリフィス構成要素ハウジング１９、オリフィス構成要素５、二次混合チャンバハウジング２６、ブレードホルダー１７、及びブレード１６の先端とオリフィス構成要素５の排出口との間の距離を調整するための調整構成要素３１を含むことができる。また、二次混合チャンバ８内の圧力を変化させるために、二次混合チャンバ８の下流に位置づけられる絞り弁（装置１００の外部にあってよい）があることが望ましい場合もある。入口ハウジング２４、予混合チャンバハウジング２５、及び二次混合チャンバハウジング２６は、任意の好適な構成であってよい。好適な構成としては、楕円形又は他の適切な形の断面を有する円筒形の構成が挙げられるが、これらに限定されない。これらの構成要素のそれぞれの構成が同じである必要はない。一実施形態では、これらの構成要素は、概して、実質的に円筒形の内面とほぼ円筒形の外面とを有する円筒形要素を備える。

これらの構成要素は、任意の好適な材料で作製することができ、ステンレススチール、ＡＬ６ＸＮ、Ｈａｓｔａｌｌｏｙ、及びチタンが挙げられるが、これらに限定されない。ブレード１６及びオリフィス構成要素５の少なくとも一部が、より高い表面硬度又はより高い硬度の材料で作製されることが好ましい場合がある。より高い表面硬度又はより高い硬度の好適な材料については、米国仮特許出願第６０／９３７，５０１号（２００７年６月２８日付出願）に記載されている。装置１００の構成要素は、上述の材料の固形ブロックからそれを機械加工することによって（ただしこれに限定されない）、任意の適切なやり方で作製することができる。構成要素を任意の適切なやり方で接合又は共に保持することができる。

本明細書に記載したような装置１００の様々な要素は、共に接合される。本明細書で使用される用語「接合された」は、要素を他の要素に直接取付けることによって一方の要素が他方の要素に直接固定される構成、要素を中間体部材（単数又は複数）に取付け、次にそれを他の要素に取付けることによって、一方の要素が他方の要素に間接的に固定される構成、一方の要素が他方の要素によって保持される構成、及び一方の要素が他方の要素と一体である、すなわち、一方の要素が他方の要素の一部である構成を含む。特定の実施形態では、本明細書に記載されている構成要素の少なくともいくつかに、ねじ、締結、又はプレスによる接続を提供して、それらを共に接合することが望ましい場合がある。本明細書に記載されている構成要素の１つ以上は、例えば、締結されること、ピンによって共に保持されること、又は別の構成要素内に嵌るように構成されることが可能である。

装置１００は、少なくとも１つの入口１Ａを備え、典型的には、１つを超える材料を装置１００に供給できるように、入口１Ａ及び１Ｂのような２つ以上の入口を備える。装置１００は、そのような任意の数の異なる材料を装置１００に供給できるように、任意の適切な数の入口を備えることができる。別の実施形態では、２つの液体のプレミックスを装置１００の１つの入口のみに導入することができる。このプレミックスを、次いで、それが装置１００を通して供給される際に、剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションにさらす。

装置１００はまた、少なくとも１つのドレン、又は少なくとも１つの、入口及びドレンの両方の役割を果たす二重目的の双方向流れ導管を備えることができる。入口及び任意のドレンは装置１００の残りの部分に対して任意の好適な配向に配置することができる。入口及び任意のドレンは、例えば、装置１００の残りの部分に対して軸方向に、径方向に、又は接線方向に配向することができる。それらは、装置１００の長手方向軸に対して任意の好適な角度を形成することができる。入口及び任意のドレンは、装置の側部に配置することができる。入口及びドレンが装置の側部に配置される場合、それらは装置の残りの部分に対して任意の好適な配向を取ることができる。

一実施形態では、装置１００は、装置の残りの部分に対して軸方向に配向された射出器構成要素の形態の１つの入口１Ａを備える。射出器構成要素は第１の材料のための入口を備える。

第１の液体を、入口１Ａを通して装置１００に導入することができる。第１の液体は任意の好適な液体又は気体を含むことができる。いくつかの実施形態では、第１の液体が２つ以上の異なる相、すなわち多相を含むことが望ましい場合がある。異なる相は、１つ以上の液相、気相、又は固相を含むことができる。液体の場合、液体がキャビテーションのために十分な溶解気体を含有することが望ましいことが多い。好適な液体には、水、油、溶媒、液化ガス、スラリー、及び室温では通常固体である溶融材料が挙げられるが、これらに限定されない。溶融固体材料には、ワックス、有機材料、無機材料、ポリマー、脂肪族アルコール、及び脂肪酸が挙げられるが、これらに限定されない。

第１の液体はまた、中に固体粒子を有することができる。粒子は任意の好適な材料を含むことができる。粒子は、巨視的粒子及びナノ粒子を含む、いずれの好適なサイズであることもできる。これらの粒子は、第１の液体中に任意の好適な量で存在することができる。

装置１００は、第２の入口１Ｂも備える。第２の入口１Ｂは、第１の液体の追加的な流れを装置に導入するために使用することができるか、又は装置に第２の液体を導入するために使用することができる。第２の液体が装置に供給される場合、第２の液体は、第１の液体と共に説明した一般的な材料のタイプのいずれかを含むことができる。また、第２の液体は、熱しても熱さなくてもよい。液体は、ポンプ及びポンプに電力を供給するモーターの使用（ただしこれに限定されない）を含む、任意の好適な方式によって装置１００に供給することができる。ポンプは、所望の動作圧下で液体を装置１００に供給することができる。

従来の剪断力、乱流、及び／又はキャビテーション装置の動作圧は約０．６９ＭＰａ〜６９ＭＰａ（６．９バール〜６９０バール）である。本発明の好ましい動作圧はそれより低いにも関わらず、従来の装置で見られるのと同程度の液体混合が達成可能である。一実施形態では、装置１００は、１０ｋＰａ〜５ＭＰａ（０．１バール〜５０バール）の動作圧を有する。別の実施形態では、装置１００の動作圧は、２５ｋＰａ〜２ＭＰａ（０．２５バール〜２０バール）である。更に別の実施形態では、装置１００の動作圧は、５０ｋＰａ〜１ＭＰａ（０．５バール〜１０バール）である。装置１００が、所望により、従来の装置で見られる、より高い圧力（最高６９ＭＰａ（６９０バール））でも動作し得ることに注目すべきである。

一実施形態では、装置１００は、少なくとも１つのドレン、又は入口及びドレンの両方の役割を果たすことができる二重目的の双方向流れ導管を更に備える。この実施形態では、第２の入口１Ｂ、入口／ドレンの組み合わせ、及び射出器構成要素は、例えば高圧ポンプによるなど、高圧下で材料を装置１００に供給することが可能であるように、高圧接続部を備えることができる。入口は、例えば、約０．６９ＭＰａ〜６９ＭＰａ（６．９バール〜６９０バール）以上、あるいは約１．３８ＭＰａ〜３４．５ＭＰａ（１３．８バール〜３４５バール）の圧力下で液体を操作できる接続部を備えてもよい。この実施形態では、第２の入口１Ｂ及び入口／ドレンの組み合わせは、対向する構成に配列され、それぞれ、装置１００の重力的上部及び底部に位置づけられる。これは、装置を洗浄するときに装置１００のより良いドレン性をもたらす。

予混合チャンバ２は、上流端３、下流端４、及び内壁を有する。特定の実施形態では、予混合チャンバ２の少なくとも一部分に、初期は軸方向に対称である先細の収縮ゾーン１８が（射出器の下流端の位置より前に）設けられることによって、上流混合チャンバ２のサイズ（例えば、直径）が、予混合チャンバ２の下流端４に向かってオリフィス構成要素５に近づくにつれて小さくなることが更に望ましい場合がある。

いくつかの実施形態では、装置１００の洗浄をより容易にするために、本明細書に記載されている装置１００には、オリフィス構成要素５への液体の通路に液体バッフル又は回転翼が実質的にないことが望ましい。代替実施形態では、バッフル又は回転翼を使用して、軸方向に対称な流れを作り出すことができる。

オリフィス構成要素５は、任意の好適な構成であってよい。いくつかの実施形態では、オリフィス構成要素５は単一の構成要素を備えることができる。他の実施形態では、オリフィス構成要素５は、オリフィス構成要素システムの１つ以上の構成要素を備えてよい。オリフィス構成要素５システムの１つの非限定的な実施形態を、図２により詳細に示す
この装置はオリフィス構成要素５を備え、このオリフィス構成要素は、少なくとも１つの第１のオリフィスユニット１０及び１つの第２のオリフィスユニット１１を備える。

図２に示される実施形態では、オリフィス構成要素５はオリフィス構成要素ハウジング１９を備える。第１のオリフィスユニット１０は、第１のオリフィス１３と第１のオリフィスチャンバ１４とを備える第１のオリフィスプレート１２を備える。一実施形態では、第１のオリフィスユニット１０は、第１のオリフィスブラケット１５を更に備える。第２のオリフィスユニット１１もまた、第２のオリフィス２１と、第２のオリフィスチャンバ２３と、所望により第２のオリフィスブラケット２２と、を備える、第２のオリフィスプレート２０を備える。これらの構成要素をより詳細に見ると、オリフィス構成要素ハウジング１９は、側壁と、開かれた上流端６と、（第２のオリフィス２１のための開口部を除き）実質的に閉じた下流端７と、を有する、ほぼ円筒形の構成要素である。

ここで第１のオリフィスユニット１０を参照すると、オリフィスチャンバ１４は、オリフィスプレート１２より上流に位置づけられて、それと液体連通している。第１のオリフィスブラケット１５は、第１のオリフィスプレート１２に隣接しその上流にあるオリフィス構成要素ハウジング９の中に嵌るサイズ及び構成にされて、第１のオリフィスプレート１２をオリフィス構成要素ハウジング９内の定位置に保持する。第１のオリフィスブラケット１５は、第１のオリフィスチャンバ１４を通る通路を画定する内壁を有する。

第２のオリフィスユニット１１は、第１のオリフィスユニット１０と実質的に同じ構造である。

オリフィスユニット１０及び１１は、オリフィス構成要素５内に直列に配列される。任意の数のオリフィスユニットをオリフィス構成要素５内に直列に配列することができる。各オリフィスプレートは、少なくとも１つのオリフィスを備えることができる。オリフィスは、装置１００を通る液体の流れを可能にする限りは、オリフィスプレート上のどこに配列されてもよい。各オリフィスプレートは、次のオリフィスプレートと異なる配向で配列される少なくとも１つのオリフィスを備えることができる。一実施形態では、各オリフィスプレートは、近隣のオリフィスプレートのオリフィスと比較すると中央から外れるように配列された少なくとも１つのオリフィスを備える。一実施形態では、オリフィスプレート内のオリフィスのサイズは、その場で大きく又は小さくして、すなわち、オリフィスプレートを変更又は取り外しすることなく、調整することができる。

第１のオリフィスブラケット１５及び第２のオリフィスブラケット２２は、それらが装置１００の動作中に第１のオリフィスプレートを固定する限りは、任意の好適な形又はサイズであってよい。図１及び２は、オリフィスブラケット２２の配向及びサイズの非限定的な例を示す。別の実施形態では、オリフィスブラケット２２は、第２のオリフィスプレート２０と第１のオリフィスプレート１２との間の距離の半分のみ延在してもよい。更に別の実施形態では、第２のオリフィスブラケット２２は、第２のオリフィスプレート２０と第１のオリフィスプレート１２との間の距離の４分の１のみ延在してもよい。

一実施形態では、オリフィスプレート１２は、その中心軸周りに９０度回転できるように枢着されている。中心軸は、装置１００の長さに沿って走る中心線２７に対してそれが垂直である限り、任意の中心軸であってよい。一実施形態では、中心軸は中心線２８に沿っていてもよい。オリフィス１２がその中心軸周りに９０度移動できるようにすることによって、第１のオリフィスチャンバ１４及び／又は第２のオリフィスチャンバ２３内の余分な材料の蓄積をより容易に取り除くことができる。一実施形態では、第１のオリフィスブラケット１５のサイズ及び／又は配向を調整して、第１のオリフィスプレート１２の回転を可能にすることができる。例えば、一実施形態では、第１のオリフィスブラケット１５を固定解除し、第１のオリフィスプレート１２から離れる上流方向へ予混合チャンバ２に向けて移動させることができる。次いで、オリフィスプレート１２を固定解除して、９０度回転させることができる。いったん装置１００を洗浄したら、第１のオリフィスプレート１２をその元の動作構成に戻し、次いで、第１のオリフィスブラケット１５がある場合は、それをその元の動作位置に戻すことができる。第２のオリフィスプレート２０及び存在する任意の追加のオリフィスプレートも枢着されていてよい。第２のオリフィスブラケット２２及び存在する任意の他のオリフィスブラケットもまた、第１のオリフィスブラケット１５で説明されたやり方で調整可能であってよい。

どの２つのオリフィスプレートも、互いに分離されていなければならない。すなわち、近隣のオリフィスプレート同士が接触してはならない。「近隣の」とは、本明細書では、直列している隣のオリフィスプレートを意味する。近隣の２つのプレートが接触していると、オリフィス間での液体の混合が達成できない。一実施形態では、第１のオリフィスプレート１２と第２のオリフィスプレート２０との間の距離は１ｍｍ以上である。

オリフィス構成要素５の要素は、実質的に連続した内面を有する壁によって画定されたチャネルを形成する。結果として、オリフィス構成要素５は、要素間に隙間があるとしてもほとんどなく、先行技術の装置より洗浄しやすくなることが可能である。隣接する要素間のどの接合部も、電気研磨法又はラッピングのような機械的な継ぎ目技法によって高度に機械加工されるので、液体はたとえ高圧下でもそのような要素間の継ぎ目に入ることができない。

オリフィス要素５及びその構成要素は、任意の好適な材料（単数又は複数）から作製されることができる。好適な材料としては、ステンレススチール、工具鋼、チタン、焼結炭化タングステン、ダイアモンド（例えば、バルクダイアモンド）（天然及び人工）、及びダイアモンドコーティングされた材料（ただしこれに限定されない）を含む上記材料のいずれかによるコーティングが挙げられるが、これらに限定されない。

オリフィス構成要素５及びその要素は、任意の好適なやり方で形成することができる。オリフィス構成要素システム５の要素のいずれも、バルク形態で入手可能である上記の材料の固体片から形成され得る。要素はまた、上記指定の材料のうちの１つの固体片から形成されてもよく、これは、上記指定の１つ以上の異なる材料によってその表面の少なくとも一部分にわたってコーティングされてもされなくてもよい。装置１００は、他の剪断力、乱流、及び／又はキャビテーション装置より低い動作圧を必要とするので、高圧での機械的な及び／又は化学的な磨耗によるその内部要素の浸食は起こりにくくなる。これは、その内部要素にダイアモンドコーティングのような高価なコーティングが必要ではなくなる可能性を意味する。

他の実施形態では、中に第１のオリフィス１３及び第２のオリフィス２１を有するオリフィス構成要素５は、図２に示されるオリフィス構成要素の構成のような任意の好適な構成を有する単一の構成要素を備えることができる。そのような単一の構成要素は、ステンレススチールなどの任意の好適な材料で作製され得るが、これに限定されない。他の実施形態では、上述のオリフィス構成要素５の２つ以上の要素を単一の構成要素として形成することができる。

第１のオリフィス１３及び第２のオリフィス２１は、単独で、又は何らかの他の構成要素との組み合わせで構成されて、流体を混合する、並びに／あるいは流体中に又は流体の混合物中に剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションを生成する。第１のオリフィス１３及び第２のオリフィス２１は、それぞれ、任意の好適な構成であってよい。好適な構成には、スロット形、眼形、猫目形、楕円形、三角形、正方形、矩形、いずれかの他の多角形の形状、又は円形が挙げられるが、これらに限定されない。

ブレード１６は、前縁部２９を含む前方部分、及び後縁部３０を含む後方部分を有する。ブレード１６はまた、上面７０、下面７２、及び上面と下面との間で測定される厚さを有する。加えて、ブレード１６は、一対の側縁部、及びこれらの側縁部間で測定される幅を有する。

ブレード１６は、任意の好適な構成を有することができる。ブレード１６は、ブレードの厚さが、前縁部２９と後縁部３０との間の距離の一部分に沿って前縁部２９から後縁部３０に向かう方向に前縁部２９から増加する、先細になった部分を含むことができる。一実施形態では、ブレード１６は、その前縁部を形成する単一の先細になった又は鋭くなった縁部を有する。ブレード１６の前縁部２９を鋭くしてもよいが、他の実施形態では、それを鋭くする必要はない。他の実施形態では、ブレード１６は、鋭くなった縁部のいずれかがブレード１６の前縁部２９を形成するように配向された状態でブレード１６が装置１００に挿入されることができるように、２つ、３つ、又は４つ以上の先細になった又は鋭くなった縁部を有することができることを理解すべきである。ブレード１６は、任意の好適な寸法を有することができる。

図１に示されるように、ブレード１６が装置１００の中に挿入されると、ブレード１６の後方部分の一部分は装置内部に締結されるか、ないしは別の方法で、その部分が固定されるように接合される。ブレード１６は、それが装置内部に接合されることができるように、任意の好適な方式で構成され得る。

ブレード１６は、任意の好適な材料（単数又は複数）を含むことができる。ブレード１６は、望ましくは、処理される流体と化学的に適合性がある材料（単数又は複数）を含む。ブレード１６に好適な材料には、オリフィス構成要素５及びその構成要素で使用するのに好適であるとして本明細書で記載される、任意の材料（単数又は複数）が挙げられるが、これらに限定されない。しかしながら、本明細書で指定された材料が所望の耐化学性のすべてを必ずしも有さないことを理解すべきである。

図１に示されるように、いくつかの実施形態では、装置１６は、ブレードホルダー１７を備えてもよい。

装置１００は、少なくとも１つの出口又は排出口９を備える。

装置１００は、１つ以上の追加の入口を備えてもよい。これらの追加の入口は、装置１００のどこに位置づけられてもよく、更なる液体の追加を可能にすることができる。一実施形態では、第２のオリフィスユニットが追加の入口を備える。別の実施形態では、第２の混合チャンバが追加の入口を備える。これは、オリフィス構成要素５を出た液体に、追加される更なる液体を追加することを可能にする。

使用と使用との合間に装置１００をより容易に洗浄可能にするように、装置１００の内部には隙間、引っ込んだ場所、及び割れ目が実質的に一切ないことも望ましい。本明細書に記載されている装置１００の一実施形態では、オリフィス構成要素５は、一体式構造物に形成されるいくつかの要素を備える。この一体式オリフィス構成要素５の構造物は、予混合チャンバハウジングにユニットとして嵌るものであり、それを定位置に保持するための支持体ブロックを必要とせず、そのような隙間を排除する。

装置１００及びそのための構成要素の様々な他の実施形態もまた可能である。ブレードホルダー１７は、１つを超えるブレード１６を保持するように構成することができる。例えば、ブレードホルダー１７は、２つ以上のブレードを保持するように構成することができる。

液体中に剪断力、乱流及び／又はキャビテーションを生成することにより混合するためのプロセスも、本明細書において企図される。このプロセスは、装置１００、例えば上記のものを利用する。このプロセスは、液体がオリフィス構成要素５を通過するように、少なくとも１つの液体を予混合チャンバ２に導入することを含む。少なくとも１つの液体は、ポンプ及びポンプに電力を供給するモーターの使用が挙げられるがこれに限定されない任意の好適な方式によって、装置１００に供給されることができる。このポンプは、所望の圧力下で入口１Ａ及び１Ｂを通して、少なくとも１つの液体を装置に供給することができる。液体又は液体の混合物は、圧力下でオリフィス構成要素５を通過する。任意の好適な圧力を使用できる。一実施形態では、装置１００は、１０ｋＰａ〜５ＭＰａ（０．１バール〜５０バール）の動作圧を有する。別の実施形態では、装置１００の動作圧は、２５ｋＰａ〜２ＭＰａ（０．２５バール〜２０バール）である。更に別の実施形態では、装置１００の動作圧は、５０ｋＰａ〜１ＭＰａ（０．５バール〜１０バール）である。オリフィス構成要素５は、単独又は他の何らかの構成要素との組み合わせのいずれかで構成されて、液体を混合する、並びに／あるいは剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションを液体中に又は液体の混合物中に生成する。

このプロセスは、ブレード１６のような、オリフィス構成要素５に対向する二次混合チャンバ８内に配置されたブレードを提供する工程を更に含んでもよい。ブレード１６が使用される場合、プロセスは、液体をジェット流に形成し、液体にキャビテーションを生み出すために十分な強度にてブレードが調和振動するように誘起するのに十分な力で、振動可能なブレードに対してジェット流を衝突させる工程を含んでもよい。キャビテーションは、流体力学によるものでも音響によるものでもよい。

所与の体積の液体は、装置１００内で任意の好適な滞留時間及び／又は滞留時間分布を有することができる。いくつかの好適な滞留時間には、約１ミリ秒〜約１秒、又はそれを超えるものが挙げられるが、これらに限定されない。液体は、任意の好適な流速で装置１００を流れることができる。好適な流速は、約１〜約１，５００Ｌ／分、若しくはそれを超える範囲であるか、又は約５〜約１，０００Ｌ／分が挙げられるがこれに限定されない範囲内に入る流速の任意のより狭い範囲である。

このプロセスを用いて、化学工業、日用品産業、パーソナルケア産業、医薬品産業、並びに食品及び飲料産業において、これらに限定されないが、界面活性剤、エマルション、分散液、及びブレンドのような多くの異なる種類の製品を作製することができる。

以下の実施例は、どのようにして本発明の装置１００が当該技術分野で既知の代替的な高圧装置より低い動作圧を利用しながらもそれらの代替的装置と同程度の液体混合を達成するかを実証する。高い剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションの混合装置という状況では、分散又は乳化の度合いは平均粒径又は平均粒径分布の比較によって評価され得る。高い剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションの混合装置は、粒子を含む分散及び／又は乳化組成物を生成し、これらの粒子はある範囲の粒径を有する。特定の動作圧を要求する特定の平均粒径を達成することが望ましい。また、特定の粒径分布を達成することも望ましい。概して、より小さい粒子がより高いパーセンテージで要求されるほど、より高い動作圧が必要である。

（実施例１）
２つの液体をそれぞれ別々の入口から装置１００に供給した。第１の液体は、溶融カチオン性界面活性剤（１００％溶融ジエチルエステルジメチルアンモニウムクロリド）組成物であった。第２の液体は、水であった。生成された最終組成物は、カチオン性界面活性剤６％、水９４％であった。

同じ組成物をＳｏｎｏｌａｔｏｒ（登録商標）８高圧ホモジナイザーに、やはり２つの別々の供給物として供給した。Ｓｏｎｏｌａｔｏｒ内のオリフィスは、１．１ｍｍ^２であった。

両装置とも、当該技術分野で既知の標準技法を用いたＡｓｈｃｒｏｆｔ圧力計を使用して測定した際に４００ｋＰａ＋／−２０ｋＰａ（４バール＋／−０．２バール）の動作圧で使用した。流速は、当該技術分野で既知の標準技法を用いたＥｎｄｒｅｓｓ ＆ Ｈａｕｓｅｒ Ｐｒｏｍａｓｓ Ｍ流速計を使用して測定した際に５ｋｇ／分＋／−０．２５ｋｇ／分に維持した。

本発明の装置は、それぞれが近隣のプレートから１２ｍｍ離間された４つのオリフィスプレートを有して調製された。各プレートは、直径１．９ｍｍの円形オリフィスを１つ備えた。オリフィスは、装置１００の中央線２７に沿って互いに整列した。

表１に示されるように、４００ｋＰａ（４バール）の圧力で、標準的なＭａｌｖｅｒｎ Ｚｅｔａ Ｓｉｚｅｒ測定セルを用いたＭａｌｖｅｒｎ Ｚｅｔａ Ｓｉｚｅｒ Ｎａｎｏ−ＺＳ粒径分布分析器を使用して測定されたとき、装置１００がより小さい平均粒径を生成した（試料は測定前に１００倍に希釈された）ことは、同じ圧力では装置１００の液体−液体分散がＳｏｎｏｌａｔｏｒ ８より優れていることを示唆するものである。本発明の装置はまた、当該技術分野で既知の技法を用いる「ボブとカップ」の同心シリンダ測定システム（具体的には、Ａｎｔｏｎ Ｐａａｒ ＣＣ２７（直径２７ｍｍ）ボブとＡｎｔｏｎ Ｐａａｒ ＣＣ２７ステンレススチールカップ）を用いるＡｎｔｏｎ Ｐａａｒ Ｒｈｅｏｍｅｔｅｒを２１℃で用いて測定されたとき、より低い粘度を有する組成物を生成した。

当業者であれば、実施例１で得られたような小胞性分散液の事例では、粒径が小さいほど分散液の粘度が低いことを理解するであろう。

（実施例２）
２つの液体をそれぞれ別々の入口から装置１００に供給した。第１の液体は、溶融カチオン性界面活性剤（１００％溶融ジエチルエステルジメチルアンモニウムクロリド）組成物であった。第２の液体は水であった。生成された最終組成物は、カチオン性界面活性剤１０％、水９０％であった。

同じ組成物をＳｏｎｏｌａｔｏｒ（登録商標）８高圧ホモジナイザーに、やはり２つの別々の供給物として供給した。Ｓｏｎｏｌａｔｏｒ内のオリフィスは、０．６５ｍｍ^２であった。

粒径０．２μｍ未満の粒子を９５％有する粒径母集団を含む組成物を生成するために必要な動作圧は、当該技術分野で既知の標準的技法を用いてＡｓｈｃｒｏｆｔ圧力計を用いて測定した。これを、０．５μｍ未満、及び最終的には１．０μｍ未満の粒子を９５％有する粒径母集団を有する組成物について繰り返した。

本発明の装置は、それぞれが近隣のプレートから１５ｍｍ離間した５つのオリフィスプレートを有して調製された。各プレートは、直径１．９ｍｍの円形オリフィスを１つ備えた。オリフィスは、装置１００の中央線２７に沿って互いに整列した。

試料を１００倍希釈し、当該技術分野で既知の標準的な技法を用いて、Ｈｏｒｉｂａ ＬＡ−９２０レーザー散乱粒径分布分析器を使用して粒径分布を測定した。

表２に見られるように、装置１００は、Ｓｏｎｏｌａｔｏｒ（登録商標）８高圧ホモジナイザーより低い圧力を使用して所与の所望の粒径分布を達成する。

（実施例３）
この実施例では、界面活性剤を乳化剤として用いてポリジメチルシロキサンを水中にて乳化した。２つの液体をそれぞれ別々の入口から装置１００に供給した。第１の液体はポリジメチルシロキサンの油性組成物であった。第２の液体は水中乳化剤組成物であった。生成された最終組成物はポリジメチルシロキサン６０％、水３４％、及び乳化剤６％であった。乳化剤は、Ｔｅｒｇｉｔｏｌ（登録商標）１５Ｓ−１２（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なポリグリコールエーテル（非イオン性）界面活性剤）６０％と、Ｔｅｒｇｉｔｏｌ（登録商標）１５Ｓ−５（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能な非イオン性二級アルコールエトキシレート）４０％との混合物から成るものであった。

同じ組成物をＳｏｎｏｌａｔｏｒ（登録商標）８高圧ホモジナイザーに、やはり２つの別々の供給物として供給した。Ｓｏｎｏｌａｔｏｒ内のオリフィスは、０．３５ｍｍ^２であった。

装置１００を５００ｋＰａ（５バール）の動作圧で使用し、Ｓｏｎｏｌａｔｏｒ（登録商標）８高圧ホモジナイザーを２０ＭＰａ（２００バール）の動作圧で使用した。動作圧は、当該技術分野で既知の標準的な技術を用いてＡｓｈｃｒｏｆｔ圧力計を用いて測定した。

装置１００は、５つのオリフィスプレートを有して構成され、各プレートは近隣のオリフィスプレートから６ｍｍ離間して配置された。各プレートは、直径１．９ｍｍの円形オリフィスを１つ備えた。オリフィスは、装置１００の中央線２７に沿って互いに整列した。

１部の試料を１００部の脱イオン水で希釈し、次いで、標準的なＭａｌｖｅｒｎ Ｓ測定セルを用いるＭａｌｖｅｒｎ Ｓ（静電光散乱粒径分布分析器）を用いて粒径測定を実行した。

表３に示されるように、５００ｋＰａ（５バール）の動作圧で、装置１００は粒子母集団の９０％を３．５８μｍ未満のサイズにした。しかし、２０ＭＰａ（２００バール）の動作圧でも、Ｓｏｎｏｌａｔｏｒ ８は粒子母集団の９０％をせいぜい１０．０６μｍ未満のサイズにしたに過ぎなかった。

本明細書に開示される寸法及び値は、列挙された正確な数値に厳しく制限されるものとして理解されるべきでない。それよりむしろ、特に指定されない限り、こうした各寸法は、列挙された値とその値周辺の機能的に同等の範囲の両方を意味することを意図する。例えば、「４０ｍｍ」として開示された寸法は、「約４０ｍｍ」を意味することを意図する。

Claims (9)

1. 剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションの生成によって液体を混合するための装置（１００）であって、前記装置は、
   少なくとも１つの入口（１Ａ）と、
   予混合チャンバ（２）であって、上流端（３）及び下流端（４）を有し、前記予混合チャンバ（２）の前記上流端（４）が前記少なくとも１つの入口（１Ａ）と液体連通している、予混合チャンバ（２）と、
   オリフィス構成要素（５）であって、上流端（６）及び下流端（７）を有し、前記オリフィス構成要素（５）の前記上流端（６）が前記予混合チャンバ（２）の下流端（４）と液体連通しており、ジェットで液体を噴霧し液体中に剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションを生成するように構成される、オリフィス構成要素（５）と、
   二次混合チャンバ（８）であって、前記オリフィス構成要素（５）の下流端（７）と液体連通している、二次混合チャンバ（８）と、
   剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションを液体に生成した後に液体を排出するために前記二次混合チャンバ（８）と液体連通している少なくとも１つの出口（９）であって、前記二次混合チャンバ（８）の下流端に位置づけられた、少なくとも１つの出口（９）と、
   を備え、
   前記オリフィス構成要素（５）は、互いに直列に配列された少なくとも２つのオリフィスユニット（１０）及び（１１）を備え、
   各オリフィスユニットは、少なくとも１つのオリフィス（１３）を備えるオリフィスプレート（１２）と、前記オリフィスプレート（１２）より上流に位置づけられ、前記オリフィスプレート（１２）と液体連通しているオリフィスチャンバ（１４）と、を備え、
   近隣のオリフィスプレートは互いに分離されている、装置。
2. 各オリフィスユニットが、前記オリフィスプレート（１２）に隣接してその上流に位置づけられたオリフィスブラケット（１５）を更に備え、前記オリフィスブラケット（１５）の壁が、前記オリフィスチャンバ（１４）を通る通路を画定する、請求項１に記載の装置（１００）。
3. 任意の２つの近隣のオリフィスプレート間の距離が１ｍｍ以上である、請求項１又は２に記載の装置（１００）。
4. 前記装置（１００）が第２の入口１Ｂを更に備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置（１００）。
5. 前記オリフィスプレート（１２）がその中心軸周りに９０度回転できるように枢着されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置（１００）。
6. 前記装置（１００）がブレード（１６）を更に備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置（１００）。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の装置１００を使用して、剪断力、乱流、及び／又はキャビテーションの生成によって液体を混合するためのプロセスであって、
   −少なくとも１つの液体を前記装置（１００）の前記入口（１Ａ）に１０ｋＰａ〜５ＭＰａ（０．１バール〜５０バール）の動作圧で導入する工程と、
   −前記液体が前記装置（１００）を通過するようにする工程と、
   −前記液体の剪断力又はキャビテーションの生成の後に前記液体を前記出口（９）から排出する工程と、
   を含む、プロセス。
8. 前記動作圧が２５ｋＰａ〜２ＭＰａ（０．２５バール〜２０バール）である、請求項７に記載のプロセス。
9. 前記動作圧が５０ｋＰａ〜１ＭＰａ（０．５バール〜１０バール）である、請求項７又は８に記載のプロセス。

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