JP2017035643A

JP2017035643A - 微粒子分散方法

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Publication number: JP2017035643A
Application number: JP2015156399A
Authority: JP
Inventors: 茂雄細川; Shigeo Hosokawa; 浅見　圭一; Keiichi Asami; 圭一浅見
Original assignee: Kobe University NUC; Nihon Spindle Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kobe University NUC; Nihon Spindle Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2015-08-06
Publication date: 2017-02-16
Anticipated expiration: 2035-08-06
Also published as: JP6666668B2

Abstract

【課題】微粒子の破壊を抑制し、微粒子を液体中に均一に分散する方法を提供することを目的とする。【解決手段】微粒子が凝集した凝集体と気泡とが液体に混合された混合液を分散流路部３に通過させて、微粒子が液体中に分散した分散液を得る微粒子分散方法であって、分散流路部３は、混合液が内部を通過する管状の部位であって、出口の断面積が入口の断面積よりも小さい部位である縮小部位（ＮＡ１〜ＮＡ４）を有し、混合液を縮小部位に通過させる縮小部位通過ステップを実行し、縮小部位通過ステップによって気泡が膨張することで凝集体の凝集を解除して微粒子を液体に分散させる。【選択図】図３

Description

本発明は、微粒子が凝集した凝集体と気泡とが液体に混合された混合液を分散流路部に通過させて、微粒子が液体中に分散した分散液を得る微粒子分散方法に関する。

液体同士の混合、固体と液体の混合などの混合過程は、様々な分野で用いられている。混合はその過程で含まれる相 (固相、液相、気相) によって、液体同士の混合である液液系混合、液体の連続相内に気泡を分散させる気液系混合、固体粒子を液体中に分散させる固液系混合などに分類される。近年では、機能性粒子と溶液の固液系混合による新たな機能性複合材料の開発の他、工業分野、医療分野、食品分野など様々な分野で固液系混合の利用が広がっている。

工業分野では、リチウムイオン二次電池の正極材の製造工程で固液系混合が利用される。例えばリチウムイオン二次電池の正極材には、コバルト酸リチウムなどの粉体とバインダー溶液の混合物が利用される。この両者の混合が不均一になると、電池の性能や寿命に悪影響を与える。このため、粒子をより均一に混合することが求められる。

医療分野では、医薬品の製造における製剤工程などで固液系混合が利用される。製剤工程では、主薬と呼ばれる薬効のある粉体と、主薬の薬効をうまく引き出すために添加する水やエタノールなどの液体が混合される。この固液系混合において、主薬が不均一に分布すると、薬効のばらつきなどの問題が発生する。このため、製剤工程では主薬を均一に分布させる混合技術が必要不可欠である。

食品分野では、様々な食品の製造工程で固液系混合が利用される。例えばパン生地は、穀物や豆から作られた穀粉と水などの液体を混合して製造される。この混合工程において、穀粉が液体中でより均一に混合できれば、より均質なパン生地が製造できる。以上のように、いずれの分野においても固液系混合が製品の性能や品質を左右する重要な工程となっている。

固液系混合、すなわち微粒子と液体の混合に使用される装置には様々な種類があり、用途によって使い分けられる。代表的な混合装置として、容器回転式、機械攪拌式、流動攪拌式が挙げられる。

容器回転式の混合装置は、円錐形、円筒形などの容器が外部の駆動装置により回転・振動・揺動され、容器内の微粒子および液体が対流・攪拌され混合される形式である。例えば特許文献１に記載された混合攪拌装置は、混合する対象物を収容するための円筒状の容器と、容器をその円筒軸を中心に回転自在に支持する回転台座であって、円筒軸に略直交する軸を中心に回転する台座と、容器をその円筒軸を中心に回転させる手段とを有し、容器が円筒軸と円筒軸に略直交する軸との周りに回転され、混合が行われる。

機械攪拌式の混合装置は、混合容器は固定され、容器内に設置したスクリューなどの攪拌羽根の回転により、容器内の微粒子および液体が攪拌・混合される形式である。例えば特許文献２に記載された混合装置では、混合槽に液体と粉体を投入し、混合槽内の液体中に挿入したプロペラミキサーの攪拌羽根を回転させて液体と粉体とが混合される。

流動攪拌式の混合装置は、容器に空気を吹き込むことにより旋回流・ジェット流などを誘起し、粒子および溶液を対流で分散・混合する形式である。例えば特許文献３に記載された装置では、容器の底に近接して圧縮空気インレット手段が配置され、所定のパルス状の量および繰り返しで空気インレットの開口を通して圧縮空気が導入され、容器内の液体および他の材料が空気誘起でブレンドおよび混合される。

登録実用新案第３１９０９９３号公報特開２００４−２８３７３２号公報特表昭６１−５０１０８１号公報

上述したいずれの混合装置においても、外部から力を加えることにより大規模な流動を発生させ、発生するせん断応力を利用して微粒子と溶液とを混合している。そうすると、せん断応力は攪拌羽根や容器内壁の近傍など一部の領域に集中的に発生するので、凝集した微粒子が十分に分散されず液体中に残留する場合があった。また、せん断応力が過大になり、微粒子を砕いてしまう場合があった。そこで本発明は、微粒子の破壊を抑制し、微粒子を液体中に均一に分散する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る微粒子分散方法の特徴構成は、微粒子が凝集した凝集体と気泡とが液体に混合された混合液を分散流路部に通過させて、前記微粒子が前記液体中に分散した分散液を得る微粒子分散方法であって、
前記分散流路部は、前記混合液が内部を通過する管状の部位であって、出口の断面積が入口の断面積よりも小さい部位である縮小部位を有し、
前記混合液を前記縮小部位に通過させる縮小部位通過ステップを実行し、前記縮小部位通過ステップによって前記気泡が膨張することで前記凝集体の凝集を解除して前記微粒子を前記液体に分散させる点にある。

これらの特徴構成によれば、縮小部位通過ステップにおいて、混合液が縮小部位を通過する。縮小部位は、出口の断面積が入口の断面積よりも小さい部位であるから、出口における混合液の流速が入口に比べて大きくなる。そうすると、出口における混合液の圧力が入口に比べて小さくなるので、混合液の中の気泡が膨張する。気泡の膨張により、気泡の周囲の液体は押しのけられて、気泡の周囲に複雑な流れが誘起される。この湧き出し流により、混合液の内部において凝集体の凝集解除および微粒子と液体との混合が促進される。したがって、微粒子を液体中に均一に分散することができる。また、攪拌羽根などの固体が凝集体に触れることが抑制されるため、微粒子の破壊を抑制することができる。

上記目的を達成するための本発明に係る微粒子分散方法の特徴構成は、微粒子が凝集した凝集体と気泡とが液体に混合された混合液を分散流路部に通過させて、前記微粒子が前記液体中に分散した分散液を得る微粒子分散方法であって、
前記分散流路部は、前記混合液が内部を通過する管状の部位であって、出口の断面積が入口の断面積よりも大きい部位である拡大部位を有し、
前記混合液を前記拡大部位に通過させる拡大部位通過ステップを実行し、前記拡大部位通過ステップによって前記気泡が収縮することで前記凝集体の凝集を解除して前記微粒子を前記液体に分散させる点にある。

上記の特徴構成によれば、拡大部位通過ステップにおいて、混合液が拡大部位を通過する。拡大部位は、出口の断面積が入口の断面積よりも大きい部位であるから、出口における混合液の流速が入口に比べて小さくなる。そうすると、出口における混合液の圧力が入口に比べて大きくなるので、混合液の中の気泡が収縮する。気泡の収縮により、気泡の周囲の液体が気泡に向けて流れ込み、気泡の周囲に複雑な流れが誘起される。この気泡へ向けての吸込み流により、混合液の内部において凝集体の凝集解除および微粒子と液体との混合が促進される。したがって、微粒子を液体中に均一に分散することができる。また、攪拌羽根などの固体が凝集体に触れることが抑制されるため、微粒子の破壊を抑制することができる。

本発明に係る微粒子分散方法の別の特徴構成は、前記縮小部位通過ステップを実行した後に前記拡大部位通過ステップを実行する縮小拡大ステップを実行する点にある。

上記の特徴構成によれば、縮小部位通過ステップを実行した後に拡大部位通過ステップを実行するから、気泡は膨張の後に収縮することになる。そうすると気泡の周囲では、上述の湧き出し流が生じた後に気泡への吸込み流が生じるから、より複雑な液体の流れが生じることになる。したがって、微粒子を液体中にさらに均一に分散することができる。

本発明に係る微粒子分散方法の別の特徴構成は、
前記分散流路部は、前記縮小部位の下流側に前記拡大部位が配置されて構成される縮小拡大部位を有し、
前記縮小拡大ステップを複数回繰り返して実行する点にある。

上記の特徴構成によれば、混合液が分散流路部の縮小拡大部位を通過することで縮小拡大ステップが行われ、縮小拡大ステップが複数回繰り返して実行されるので、混合液にて上述の湧き出し流と吸込み流が複数回繰り返して生じることになる。これにより、混合液にて複雑な液体の流れが何度も繰り返して生じ、微粒子を液体中にさらに均一に分散することができる。

本発明に係る微粒子分散方法の別の特徴構成は、前記縮小部位通過ステップにおいて前記混合液の圧力低下による減圧沸騰が発生する点にある。

減圧沸騰とは、液体の圧力が低下して液体の飽和蒸気圧を下回った際に液体の内部において気化が発生する現象である。縮小部位通過ステップにおいて減圧沸騰が発生すると、混合液中の気泡が増加する。そうすると縮小部位通過ステップまたは拡大部位通過ステップにおいて、湧き出し流または吸込み流がさらに多く発生することになる。また、液体の気化により気泡が大きく膨張するので、大きな湧き出し流が発生することになる。さらに、液体中に微粒子がある場合、微粒子が核となって減圧沸騰の気泡の発生が促進される。
すると微粒子が凝集した凝集体が液体中にある場合では、凝集体の内部で気泡が発生することになる。そうすると、凝集体は内部から力を受け、凝集が解除されて微粒子が液体中に分散される。すなわち上記の特徴構成によれば、減圧沸騰によって微粒子と液体との混合がさらに促進されることとなる。なお縮小部位通過ステップにおける減圧沸騰は、適当な流速にて混合液を縮小部位に通過させることにより、縮小部位の出口にて混合液の圧力が低下することにより生じる。

本発明に係る微粒子分散方法の別の特徴構成は、前記縮小部位の出口を通過する前記混合液の流速を、前記縮小部位の出口を通過する際の前記混合液の圧力が前記液体の飽和蒸気圧と等しくなる流速である閾値流速と比べて大きくなる状態にて、前記縮小部位通過ステップを実行する点にある。

上記の特徴構成によれば、縮小部位通過ステップにおいて、縮小部位の出口を通過する混合液の流速が閾値流速と比べて大きくなるから、混合液の圧力が液体の飽和蒸気圧よりも小さくなる。そうすると、混合液で減圧沸騰が発生し、液体中や凝集体内部で気泡が発生する。よって縮小部位通過ステップまたは拡大部位通過ステップにおいて、湧き出し流または吸込み流がさらに多く発生する。また、液体の気化により気泡が大きく膨張し、大きな湧き出し流が発生するとともに拡大部において気化した液体分子の凝縮により気泡が大きく収縮し、大きな吸い込み流れが発生することになる。さらに、凝集体内部での気泡発生により凝集体が内部から力を受け、凝集が解除されて微粒子が液体中に分散される。従って、微粒子と液体との混合がさらに促進されることとなる。

本発明に係る微粒子分散方法の別の特徴構成は、前記拡大部位は、前記混合液の流れの内壁からの剥離が生じない形状とされている点にある。

拡大部位において、混合液の流れの内壁からの剥離が生じると、剥離が生じない場合に比べて混合液の流れの実質的な拡大が抑制される。そうすると、混合液の流速の低下が抑制されて、圧力の上昇も抑制されてしまう。したがって、拡大部位における気泡の収縮が抑制されてしまうことになる。上記の特徴構成は、拡大部位は混合液の流れの剥離が生じない形状とされているから、気泡の収縮を抑制しないので、気泡の収縮により微粒子の分散を行うに際して好適である。

以上の通り本発明によれば、微粒子の破壊を抑制しつつ、微粒子を液体中に均一に分散する方法を提供することができる。

微粒子分散装置の概略図分散流路部の正面図および側面図分散流路部を通過する気泡の状態を示す概略図気泡の膨張・収縮の状態を示す概念図気泡の膨張・収縮の状態を示す概念図凝集体内部での気泡発生により凝集が解除される状態を示す概念図円錐ディフューザの内壁の形状を示す概略図円錐ディフューザのディフューザ線図拡大部位の内壁の形状を示す概略図微粒子分散装置におけるポンプ回転数と流速および圧力との関係を示すグラフ分散流路部を通過する気泡の膨張および収縮の様子を示す写真分散流路部を通過する気泡の膨張および収縮の様子を示す写真分散流路部を通過する気泡の膨張および収縮の様子を示す写真分散流路部を通過する気泡の膨張および収縮の割合を示すグラフ微粒子分散方法により凝集解除された凝集体の状態を示す写真分散流路部を通過する凝集体の様子を示す写真

＜微粒子分散装置＞
微粒子分散方法の説明に先立ち、微粒子分散方法が実行される微粒子分散装置について図面に基づいて説明する。

図１に示す微粒子分散装置Ｅは、タンク１と、供給流路部２と、分散流路部３と、排出流路部４とを有する。分散流路部３の一方の端とタンク１とが供給流路部２により接続され、分散流路部３の他方の端とタンク１とが排出流路部４により接続されている。排出流路部４にはポンプ５が設けられている。ポンプ５は液体ＬＩ（混合液ＭＩ）を分散流路部３からタンク１に向けて送出し、この作用により液体ＬＩ（混合液ＭＩ）が微粒子分散装置Ｅの内部をタンク１、供給流路部２、分散流路部３、排出流路部４の順に流れて循環する。

供給流路部２は、バルブ６と、圧力計７と、気泡混合部８とを有する。バルブ６は、分散流路部３を流れる混合液ＭＩの流量を調節する。圧力計７は、分散流路部３に流入する混合液ＭＩの圧力を測定する。気泡混合部８は、供給流路部２を流れる混合液ＭＩに気泡ＢＵを混合する。気泡混合部８は具体的には、一端が大気に開放され、一端が供給流路部２に接続されたバルブにより構成されている。

微粒子ＰＡが凝集した凝集体ＡＧが、タンク１に貯留された液体ＬＩに混合され、ポンプ５が運転され、混合液ＭＩが微粒子分散装置Ｅを循環する。気泡混合部８によって、あるいは混合液ＭＩの内部で生じた減圧沸騰によって、混合液ＭＩに気泡ＢＵが混合される。このようにして、微粒子ＰＡが凝集した凝集体ＡＧと気泡ＢＵとが液体ＬＩに混合された混合液ＭＩを分散流路部３に通過させて、微粒子分散方法が実行される。

＜分散流路部＞

図２を用いて分散流路部３について説明する。分散流路部３は上壁面３１ａ、下壁面３１ｂ、側壁面３１ｃおよび３１ｄを有している。そして上壁面３１ａ、下壁面３１ｂ、側壁面３１ｃおよび３１ｄに囲まれて、混合液ＭＩの流路ＦＰが形成されている。側壁面３１ｃおよび３１ｄは互いに平行な平面として形成され、かつ混合液ＭＩの流れる方向に平行な平面となっている。側壁面３１ｃと３１ｄとの間の距離をｌ₃と表す。そして上壁面３１ａと下壁面３１ｂは、それぞれ側壁面３１ｃおよび３１ｄに対して垂直に形成されている。従って、流路ＦＰの断面は矩形状、厳密には長方形となっている。

本実施形態では、混合液ＭＩの流れる方向が水平方向に一致し、かつ側壁面３１ｃおよび３１ｄが鉛直方向に平行となるように、分散流路部３が配置されている。なお以下、混合液ＭＩの流れる方向（すなわち水平方向）を＋Ｘ方向、鉛直上方向を＋Ｙ向、＋Ｘ方向および＋Ｙ方向に垂直で側壁面３１ｃから側壁面３１ｄへ向かう方向を＋Ｚ方向として説明する。分散流路部３において混合液ＭＩは＋Ｘ方向に流れるから、以下、＋Ｘ方向を下流側、−Ｘ方向を上流側ということがある。

上壁面３１ａおよび下壁面３１ｂはいずれも、側壁面３１ｃおよび３１ｄに対して垂直、かつ、混合液ＭＩの流れる方向に沿って延びる面として形成されている。上壁面３１ａおよび下壁面３１ｂの＋Ｚ方向視での形状は、正弦曲線となっている。そして上壁面３１ａおよび下壁面３１ｂの正弦曲線の波長および周期は同一である。上壁面３１ａと下壁面３１ｂとは、正弦曲線の位相を１８０°異ならせた状態で、互いに平行に、所定の間隔を空けて形成されている。

つまり図２に示される様に、上壁面３１ａの山（＋Ｙ方向の最大変位点）と下壁面３１ｂの谷（−Ｙ方向の最大変位点）とがＸ方向に関して同じ位置にある。この位置において上壁面３１ａと下壁面３１ｂとの距離は最大となる。この距離をｌ１と表す。そして上壁面３１ａの谷と下壁面３１ｂの山とがＸ方向に関して同じ位置にある。この位置において上壁面３１ａと下壁面３１ｂとの距離は最少となる。この距離をｌ２と表す。すなわち上壁面３１ａと下壁面３１ｂとは、山と谷、谷と山とが向き合って配置される。

ここで上壁面３１ａの山および谷を通りＸ方向に垂直な平面で、流路ＦＰを区画する。
その境界を、上流側から順に境界３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ、３２ｇ、３２ｈ、３２ｉとする。つまり境界３２ａ〜３２ｉのＸ方向の位置は、上壁面３１ａの９個の山・谷と同じ位置である。境界３２ａから境界３２ｂにかけて、上壁面３１ａと下壁面３１ｂとの距離は単調に減少するから、流路ＦＰの断面積は単調に減少する。よって境界３２ｂの断面積は、境界３２ａの断面積よりも小さい。分散流路部３における境界３２ａから境界３２ｂまでの部位を、縮小部位ＮＡ１と定義する。縮小部位ＮＡ１は、混合液ＭＩが内部を通過する管状の部位であって、出口（境界３２ｂ）の断面積が入口（境界３２ａ）の断面積よりも小さい部位である。縮小部位ＮＡ１において、流路ＦＰの断面積は単調に減少している。

境界３２ｂから境界３２ｃにかけて、上壁面３１ａと下壁面３１ｂとの距離は単調に増加するから、流路ＦＰの断面積は単調に増加する。よって境界３２ｃの断面積は、境界３２ｂの断面積よりも大きい。分散流路部３における境界３２ｂから境界３２ｃまでの部位を、拡大部位ＢＲ１と定義する。拡大部位ＢＲ１は、混合液ＭＩが内部を通過する管状の部位であって、出口（境界３２ｃ）の断面積が入口（境界３２ｂ）の断面積よりも大きい部位である。拡大部位ＢＲ１において、流路ＦＰの断面積は単調に増加している。

以下同様に分散流路部３において、境界３２ｃから境界３２ｄまでの部位を縮小部位ＮＡ２と定義し、境界３２ｄから境界３２ｅまでの部位を拡大部位ＢＲ２と定義する。境界３２ｅから境界３２ｆまでの部位を縮小部位ＮＡ３と定義し、境界３２ｆから境界３２ｇまでの部位を拡大部位ＢＲ３と定義する。境界３２ｇから境界３２ｈまでの部位を縮小部位ＮＡ４と定義し、境界３２ｈから境界３２ｉまでの部位を拡大部位ＢＲ４と定義する。縮小部位ＮＡ２〜ＮＡ４では、流路ＦＰの断面積は単調に減少し、出口の断面積は入口の断面積よりも小さい。拡大部位ＢＲ２〜ＢＲ４では、流路ＦＰの断面積は単調に増加し、出口の断面積は入口の断面積よりも大きい。

ここで縮小部位ＮＡ１の下流側には、拡大部位ＢＲ１が配置され、もって縮小拡大部位ＣＯ１を構成している。同様に、縮小部位ＮＡ２、３、４の下流側には、それぞれ拡大部位ＢＲ２、３、４が配置され、もって縮小拡大部位ＣＯ２、３、４を構成している。

以上述べた通り図２に示す分散流路部３は、混合液ＭＩが内部を通過する管状の部位であって、出口の断面積が入口の断面積よりも小さい部位である縮小部位ＮＡ１〜４を有し、出口の断面積が入口の断面積よりも大きい部位である拡大部位ＢＲ１〜４を有している。そして分散流路部３は、縮小部位の下流側に拡大部位が配置されて構成される縮小拡大部位ＣＯ１〜４を有している。

＜微粒子分散方法＞
次に図３を用いて、上述した微粒子分散装置Ｅで実行される微粒子分散方法について説明する。微粒子分散装置Ｅに液体ＬＩを満たし、タンク１に微粒子ＰＡが凝集した凝集体ＡＧを投入する。ポンプ５を動作させると、液体ＬＩおよび凝集体ＡＧが微粒子分散装置Ｅの内部をタンク１、供給流路部２、分散流路部３、排出流路部４の順に流れる。
そして気泡混合部８のバルブを僅かに開き、供給流路部２を流れる液体ＬＩに気泡を混合する。そうすると、凝集体ＡＧと気泡ＢＵとが液体ＬＩに混合された混合液ＭＩが分散流路部３に導入される。

分散流路部３に導入された混合液ＭＩは、縮小部位ＮＡ１、拡大部位ＢＲ１、縮小部位ＮＡ２、拡大部位ＢＲ２、縮小部位ＮＡ３、拡大部位ＢＲ３、縮小部位ＮＡ４、拡大部位ＢＲ４を、この順に通過する。そして分散流路部３を通過した混合液ＭＩは、排出流路部４を通ってタンク１へと戻る。このようにして混合液ＭＩは、ポンプ５が動作している間、繰り返し分散流路部３を通過する。

ここで分散流路部３における混合液ＭＩの流速ｕ、および混合液ＭＩの圧力Ｐの変化について説明する。混合液ＭＩを非圧縮性流体とみなすと、質量保存則より次の関係が成立する。

従って分散流路部３において、断面積Ｓの大きい領域では流速ｕが小さくなり、断面積Ｓの小さい領域では流速ｕが大きくなる。なお、Ｑは体積流量であり、一定である。

次に、分散流路部３において、混合液ＭＩの流線に沿って以下の関係が成り立つ（ベルヌーイの式）。なお、摩擦等による損失を無視している。

ここでρは混合液ＭＩの密度であり、定数である。式１と式２から次式が得られる。

すなわち分散流路部３において、断面積Ｓが大きい領域では流速ｕが小さく、圧力Ｐが大きくなり、断面積Ｓが小さい領域では流速ｕが大きく、圧力Ｐが小さくなる。そうすると、混合液ＭＩに混合されて分散流路部３を流れる気泡ＢＵは、混合液ＭＩの圧力Ｐの変化の影響を受け、膨張・収縮し、直径（気泡径ｄ）が変化することになる。

図３に、分散流路部３の断面積Ｓ、混合液ＭＩの流速ｕおよび圧力Ｐ、気泡ＢＵの直径である気泡径ｄの、Ｘ方向に関しての変化の概要がグラフで示されている。断面積Ｓが減少する縮小部位ＮＡ１〜ＮＡ４では、流速ｕが増加し、圧力Ｐが減少するので、気泡径ｄが増加すなわち気泡ＢＵが膨張する。断面積Ｓが増加する拡大部位ＢＲ１〜ＢＲ４では、流速ｕが減少し、圧力Ｐが増加するので、気泡径ｄが減少すなわち気泡ＢＵが収縮する。

図４に示すように、縮小部位ＮＡ１〜ＮＡ４にて気泡ＢＵが膨張すると、気泡ＢＵの周囲の液体ＬＩが気泡ＢＵにより押しのけられる。これにより、気泡ＢＵの中心から外側へ向けて液体ＬＩが流れる湧き出し流が発生する。また拡大部位ＢＲ１〜ＢＲ４にて気泡ＢＵが収縮すると、収縮前に気泡ＢＵが占めていた空間に液体ＬＩが流れ込む。これにより、気泡ＢＵの中心へ向けて液体ＬＩが吸い込まれる吸込み流が発生する。そして混合液ＭＩが分散流路部３を通過し、さらに微粒子分散装置Ｅの内部を複数回循環することで、上述した湧き出し・吸い込みが繰り返して行われる。

混合液ＭＩに複数の気泡ＢＵが存在すると、縮小部位ＮＡ１〜ＮＡ４にて気泡ＢＵが膨張する際には、それぞれの気泡ＢＵから湧き出し流が生じる（図５左側）。また拡大部位ＢＲ１〜ＢＲ４にて気泡ＢＵが収縮する際には、それぞれの気泡ＢＵから吸い込み流が生じる（図５右側）。このような場合、複数の気泡ＢＵからの湧き出し流・吸い込み流が合わさって、さらに大きな強い流れとなる。また複数の気泡ＢＵに囲まれた気泡ＢＵでは、他の気泡ＢＵからの湧き出し流・吸い込み流の影響を受けて、液体ＬＩが微細な渦をえがくように流れる場合がありうる。さらには、液体ＬＩの流れに乗って凝集体ＡＧ同士が衝突したり、一つの凝集体ＡＧが複数の気泡ＢＵへの吸い込み流に引かれて解砕する場合もありうる。このようにして、複数の気泡ＢＵが混合された混合液ＭＩが分散流路部３を通過することにより、気泡ＢＵと同程度の大きさの複雑な流れが液体ＬＩに誘起され、凝集体ＡＧの解砕、および微粒子ＰＡと液体ＬＩとのマイクロスケールの混合が行われる。

微粒子ＰＡが凝集した凝集体ＡＧを液体ＬＩに混合した場合、凝集体ＡＧの内部に気泡ＢＵが存在しうる。また後述する減圧沸騰が発生した場合、微粒子ＰＡを核として気泡ＢＵが成長する可能性が高い。この場合にも、凝集体ＡＧの内部に気泡ＢＵが発生・存在することになる。この場合の凝集体ＡＧの解砕、および微粒子ＰＡと液体ＬＩとの混合について図６を用いて説明する。

図６の（１）は、凝集体ＡＧの内部に気泡ＢＵが存在する状態を模式的に示している。この状態で凝集体ＡＧが縮小部位ＮＡ１を通過すると、凝集体ＡＧの内部に存在する気泡ＢＵが膨張する。そうすると、微粒子ＰＡは湧き出し流によって凝集体ＡＧの外側に向けて力を受けるから、凝集力の弱い部位から凝集体ＡＧの解砕が生じる（図６（２））。

凝集体ＡＧと気泡ＢＵが拡大部位ＢＲ１を通過すると、今度は気泡ＢＵが収縮し、気泡ＢＵの中心へ向かう吸い込み流が生じる。すると、気泡ＢＵの周囲の微粒子ＰＡは気泡ＢＵの中心へ向かう力を受け、凝集体ＡＧの解砕がさらに進行し、微粒子ＰＡが液体ＬＩに分散する（図６（３））。以後同様に、気泡ＢＵが縮小部位ＮＡ２、３を通過する際には気泡ＢＵが膨張し（図６（４）、（６））、気泡ＢＵが拡大部位ＢＲ２、３を通過する際には気泡ＢＵが収縮する（図６（５）、（７））。微粒子ＰＡが強固に凝集している場合であっても、気泡ＢＵが膨張・収縮を繰り返すと、気泡ＢＵの表面すなわち気液界面が凝集体ＡＧを繰り返し横切る。これにより凝集体ＡＧがほぐされ、微粒子ＰＡが液体ＬＩに分散する。

以上述べた通り、微粒子分散装置Ｅにて実行される微粒子分散方法では、微粒子ＰＡが凝集した凝集体ＡＧと気泡ＢＵとが液体ＬＩに混合された混合液ＭＩを分散流路部３に通過させて、微粒子ＰＡが液体ＬＩ中に分散した分散液を得る。微粒子分散方法では、混合液ＭＩを縮小部位ＮＡ１〜ＮＡ４に通過させる縮小部位通過ステップが実行される。縮小部位通過ステップでは、気泡ＢＵが膨張することで凝集体ＡＧの凝集を解除して微粒子ＰＡを液体に分散させる。

また微粒子分散方法では、混合液ＭＩを拡大部位ＢＲ１〜ＢＲ４に通過させる拡大部位通過ステップが実行される。拡大部位通過ステップでは、気泡ＢＵが収縮することで凝集体ＡＧの凝集を解除して微粒子を液体に分散させる。

加えて上述の微粒子分散方法では、縮小部位通過ステップを実行した後に拡大部位通過ステップが実行され（縮小拡大ステップ）、縮小拡大ステップが複数回繰り返して実行される。

なお上述の微粒子分散方法では、縮小部位通過ステップにおいて混合液ＭＩの圧力低下による減圧沸騰を発生させる場合がある。減圧沸騰は、縮小部位ＮＡ１〜ＮＡ４の出口を通過する混合液ＭＩの流速ｕを、縮小部位ＮＡ１〜ＮＡ４の出口を通過する際の混合液の圧力Ｐが液体ＬＩの飽和蒸気圧Ｐ_vと等しくなる流速である閾値流速ｕ_vと比べて大きくすることにより発生する。

減圧沸騰は、液体の圧力が低下して液体の飽和蒸気圧を下回った際に発生する。以下、縮小部位ＮＡ４の出口である境界３２ｈにて減圧沸騰が発生する条件を例として説明する。

境界３２ｈおける混合液ＭＩの圧力をＰ、流速をｕとする。上掲した式２の右辺の定数をＰ_Tとおいて式２を変形すると、次の式３が得られる。

減圧沸騰を発生させるためには、Ｐ＜Ｐ_v（飽和蒸気圧）となればよい。したがって、次の式５が満たされるとき、減圧沸騰が発生する。

ここでＰ_Tは、混合液ＭＩの流線に沿った任意の位置で一定の値をとるが（ベルヌーイの定理）、例えば分散流路部３の入口である境界３２ａにおける混合液ＭＩの圧力Ｐ₀、流速ｕ₀を用いて次式で計算できる。

また閾値流速ｕ_vは、式４において圧力Ｐ＝Ｐvとなる流速ｕであるから、次式により計算できる。

以上の関係から、ポンプ５を制御して分散流路部３に流入する混合液ＭＩの圧力と流速を制御することにより、縮小部位ＮＡ１〜ＮＡ４にて減圧沸騰を発生させることができる。

なお拡大部位ＢＲ１〜ＢＲ４は、混合液ＭＩの流れの内壁（上壁面３１ａおよび下壁面３１ｂ）からの剥離が生じない形状とされている。剥離が生じない形状は、例えば次の様にして決定することができる。

図７に示す一般的な円錐ディフューザについて、流れの内壁からの剥離が生じない条件は、図８に示すディフューザ線図を用いて求めることができる。図８のディフューザ線図において、Ｃ_p ^**線より右側の領域では、剥離が生じず流れが安定する。すなわち、Ｃ_p ^**線より右側の領域に位置するように２ｌ₃／ｌ₂（以下、ｎとおく。）およびＳ₁／Ｓ₂の値（断面積の面積比）を決定すれば、剥離が生じない。この時のディフューザ内壁の傾きθの正接は、図７から次の様に表すことができる。

上掲の議論を適用して、拡大部位ＢＲ１〜ＢＲ４における内壁（上壁面３１ａおよび下壁面３１ｂ）の傾きが式８のｔａｎθ以下であれば、混合液ＭＩの流れの剥離は生じないと考えられる。

図９に示す拡大部位ＢＲ１〜ＢＲ４の内壁の形状において、傾きが式８のｔａｎθ以下となる条件は、次の様に求められる。拡大部位ＢＲ１〜ＢＲ４の内壁の形状を表す関数ｙ（ｘ）を、ａ、ｂを定数として次の様におく。

この関数の最大の傾きはｘ＝π／２ｂで発生するから、その傾きが式８で表される角度以内となればよい。すなわち、以下の関係が成り立てばよい。

式９、式１０より、ｂが以下のように求まる。
したがって、拡大部位ＢＲ１〜ＢＲ４の内壁の形状を表す関数ｙ（ｘ）は次の様に表すことができる。

以上の様にして、２ｌ₃／ｌ₂およびＳ₁／Ｓ₂の値を適切に決定し、それに基づいて混合液ＭＩの内壁（上壁面３１ａおよび下壁面３１ｂ）の形状を決定することで、拡大部位ＢＲ１〜ＢＲ４を、内壁からの流れの剥離が生じない形状とすることができる。

＜気泡の膨張収縮実験＞
上述の微粒子分散装置Ｅを用いて、気泡の膨張および収縮を確認する実験を行った。混合液ＭＩには微粒子ＰＡは混合せず、液体ＬＩとして水道水を用いて実験を行った。実験に用いた微粒子分散装置Ｅの寸法等を表１に示す。

まず予備実験として、ポンプの回転数Ｎとの分散流路部３の入口における混合液ＭＩの流速ｕ₀および圧力Ｐ₀の関係を調べて、図１０に示す関係が得られた。ポンプ５の回転数Ｎを増加させると、流速ｕ₀が増加し、圧力Ｐ₀が低下する。回転数Ｎ＝４５Ｈｚ以降は、回転数Ｎが増加しても流速ｕ₀および圧力Ｐ₀はほぼ一定となる。

高速度カメラにて境界３２ｈ（縮小部位ＮＡ４の出口、拡大部位ＢＲ４の入口）付近の状態を観察したところ、回転数Ｎを増加させると、Ｎ＝４５Ｈｚ付近で減圧沸騰が発生した。回転数Ｎの増加に伴い、減圧沸騰により発生する気泡の数と大きさが増加した。

次に、気泡混合部８で気泡を混合しながら、回転数Ｎ＝３０Ｈｚ、４４Ｈｚ、４８Ｈｚの３条件にてポンプ５を運転させ、境界３２ｈ付近での気泡の様子を撮影した。撮影した画像を図１１〜図１３に示す。そして撮影した画像を画像処理して気泡の直径を算出し、供給流路部２の流路ＦＰにおける位置と気泡の直径との関係を調べた。その結果を図１４に示す。また実験条件を次の表２に示す。

図１１に、回転数Ｎ＝３０Ｈｚでの気泡の状態を示す。画像中点線の丸は、流路ＦＰを通過する同一の気泡を示している。（１）で画像の左端にある気泡は、画像中央の断面積が小さい部位（境界３２ｈ）に向かうにつれて膨張した（（２）、（３））。そして境界３２ｈを通過した後、気泡は収縮した（（４）、（５））。後述する図１４に示される通り、気泡の直径は１．２倍程度変化した。

図１２に、回転数Ｎ＝４４Ｈｚでの気泡の状態を示す。回転数Ｎ＝３０Ｈｚでの結果と同様に、気泡は境界３２ｈに向かうにつれて膨張し（（１）、（２）、（３））、境界３２ｈを通過した後収縮した（（４）、（５））。後述する図１４に示される通り、気泡の直径は１．５倍程度変化した。

図１３に、回転数Ｎ＝４８Ｈｚでの気泡の状態を示す。回転数Ｎ＝３０Ｈｚおよび４４Ｈｚでの結果と同様に、気泡は境界３２ｈに向かうにつれて膨張したが（（１）、（２）、（３））、境界３２ｈを通過した後の（４）では、（３）よりも気泡は大きくなった。上述したように回転数Ｎ＝４８Ｈｚは減圧沸騰が発生する条件である。この減圧沸騰により生じた気体（水蒸気）が気泡に加わることで、（４）の気泡が大きくなったと考えられる。（５）では、（４）より気泡は収縮している。なお境界３２ｈの下流側には、点線の丸で示した気泡の他にも大きく膨張した気泡が複数見られる。後述する図１４に示される通り、本条件では、点線の丸で示した気泡の直径は６．５倍も変化した。

図１４は、上述した回転数Ｎ＝３０Ｈｚ、４４Ｈｚ、４８Ｈｚの３条件における気泡の直径の変化を、横軸を流路ＦＰにおける位置にとってプロットしたグラフである。横軸Ｌは境界３２ａからの距離であり、０．６３ｍが境界３２ｈに対応する。なお縦軸は、流路ＦＰでの各位置における気泡径ｄを、撮影領域左端での気泡径ｄ₀で除して無次元化している。３０Ｈｚおよび４４Ｈｚでは、気泡はＬ＝０．６３ｍ付近を頂点として膨張・収縮した。４８Ｈｚでは、気泡径のピークはＬ＝０．６３ｍよりも若干下流側となった。これは、減圧沸騰により生じた気体（水蒸気）が気泡に加わった点が影響していると考えられる。

以上の実験から、縮小部位通過ステップにおいて気泡が膨張すること、拡大部位通過ステップにおいて気泡が収縮すること、縮小部位通過ステップにおいて減圧沸騰が発生することが確かめられた。

＜微粒子の混合・凝集体の解砕実験＞
次に、微粒子分散方法による微粒子ＰＡの混合・凝集体ＡＧの解砕の実験を行った。微粒子ＰＡおよび凝集体ＡＧとして、カーボンナノチューブを使用し、液体ＬＩとして水道水を使用した。

まず、微粒子分散装置Ｅのポンプ５を停止させた状態でタンク１へカーボンナノチューブを投入し、手動でかき混ぜた後、タンク１から凝集体ＡＧを採取してＮ＝０Ｈｚのサンプルとした。次に、回転数Ｎ＝４４Ｈｚと４８Ｈｚの２つの条件にてポンプ５を１０分間運転して停止した。それぞれの運転の後、タンク１から凝集体ＡＧを採取してＮ＝４４Ｈｚ、４８Ｈｚのサンプルとした。その他の運転条件は、表２に示される先の実験の条件と同様である。図１５に３つのサンプルの顕微鏡写真を示す。

Ｎ＝０Ｈｚのサンプルでは、５００〜１０００μｍ程度のカーボンナノチューブの凝集体が、さらに複数個連結された状態となっている。これに対して、Ｎ＝４４Ｈｚのサンプルでは、Ｎ＝０Ｈｚで見られた凝集体の間の連結は解消され、凝集体同士が幾分分離している。また、凝集体の大きさがＮ＝０Ｈｚに比べて若干小さくなっており、５００μｍ以下の大きさの凝集体も多数見られる。Ｎ＝４８Ｈｚのサンプルでは、１０００μｍを超える凝集体は殆ど見られず、Ｎ＝４４Ｈｚのサンプルと比べて凝集体が明らかに小さくなっている。

図１６は、回転数Ｎ＝４８Ｈｚでポンプ５を運転中、境界３２ｈ付近を通過する凝集体を高速度カメラで撮影した画像である。画像中点線の丸は、流路ＦＰを通過する同一の凝集体を示している。（１）で画像の左端にある凝集体は、境界３２ｈを通過した後の（４）では大きく膨らんだように見える。そして（５）に示される凝集体は、（１）の凝集体よりも小さくなっている。回転数Ｎ＝４８Ｈｚは減圧沸騰が発生する条件であるから、（４）にて凝集体の内部に減圧沸騰による気泡が発生し、点線の丸で示す凝集体の一部が解砕されたものと考えられる。

以上の実験から、縮小部位通過ステップおよび拡大部位通過ステップを実行することにより、凝集体の凝集を解除して微粒子が液体に分散されることが確かめられた。

＜他の実施形態＞
（１）上述の実施形態では、上壁面３１ａおよび下壁面３１ｂの形状を正弦曲線としたが、他の曲線としてもよいし、各境界の間の区間で直線としてもよい。

（２）上述の実施形態では分散流路部３は、断面の形状を矩形とし、角筒の幅が周期的・連続的に変化する形状とした。これを分散流路部３の断面を円形または楕円形とし、円筒の内径が周期的・連続的に変化する形状としてもよい。

（３）上述の実施形態では分散流路部３は、縮小部位と拡大部位が接続された縮小拡大部位が４つ直線的に接続される形態とした。しかし縮小部位、拡大部位、縮小拡大部位の数は４つに限られず、１つ以上あればよい。また縮小部位のみ、拡大部位のみを備える構成も可能である。またそれらの配置は螺旋状や１８０°折り返す形態も可能である。

（４）上述の実施形態では、微粒子分散装置Ｅの内部を混合液ＭＩが循環する形態とし、混合液ＭＩが分散流路部３を何度も通過する形態とした。しかし、混合液ＭＩが分散流路部３を１回のみ通過する形態も可能である。例えば粉体を液体に混合した薬品を連続的に製造する製造ラインに分散流路部３を組み込んで、粉体と液体の混合液が分散流路部３を通過して混合される形態も可能である。この場合、分散流路部３が多数の縮小部位と拡大部位を有すると好適である。

なお上述の実施形態（他の実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明の微粒子分散方法によれば、微粒子の破壊を抑制しつつ、微粒子を液体中に均一に分散する方法を提供することができる。

１：タンク
３：分散流路部
ＢＲ１〜４：拡大部位
ＮＡ１〜４：縮小部位
ＣＯ１〜４：縮小拡大部位
ＰＡ：微粒子
ＡＧ：凝集体
ＢＵ：気泡
ＬＩ：液体
ＭＩ：混合液
ＦＰ：流路

Claims

微粒子が凝集した凝集体と気泡とが液体に混合された混合液を分散流路部に通過させて、前記微粒子が前記液体中に分散した分散液を得る微粒子分散方法であって、
前記分散流路部は、前記混合液が内部を通過する管状の部位であって、出口の断面積が入口の断面積よりも小さい部位である縮小部位を有し、
前記混合液を前記縮小部位に通過させる縮小部位通過ステップを実行し、前記縮小部位通過ステップによって前記気泡が膨張することで前記凝集体の凝集を解除して前記微粒子を前記液体に分散させる微粒子分散方法。
前記分散流路部は、前記混合液が内部を通過する管状の部位であって、出口の断面積が入口の断面積よりも大きい部位である拡大部位を有し、
前記混合液を前記拡大部位に通過させる拡大部位通過ステップを実行し、前記拡大部位通過ステップによって前記気泡が収縮することで前記凝集体の凝集を解除して前記微粒子を前記液体に分散させる請求項１に記載の微粒子分散方法。
前記縮小部位通過ステップを実行した後に前記拡大部位通過ステップを実行する縮小拡大ステップを実行する請求項２に記載の微粒子分散方法。
前記分散流路部は、前記縮小部位の下流側に前記拡大部位が配置されて構成される縮小拡大部位を有し、
前記縮小拡大ステップを複数回繰り返して実行する請求項３に記載の微粒子分散方法。
前記縮小部位通過ステップにおいて前記混合液の圧力低下による減圧沸騰が発生する請求項１から４のいずれか一項に記載の微粒子分散方法。
前記縮小部位の出口を通過する前記混合液の流速を、前記縮小部位の出口を通過する際の前記混合液の圧力が前記液体の飽和蒸気圧と等しくなる流速である閾値流速と比べて大きくなる状態にて、前記縮小部位通過ステップを実行する請求項１から５のいずれか一項に記載の微粒子分散方法。
前記拡大部位は、前記混合液の流れの内壁からの剥離が生じない形状とされている請求項２から４のいずれか一項に記載の微粒子分散方法。
微粒子が凝集した凝集体と気泡とが液体に混合された混合液を分散流路部に通過させて、前記微粒子が前記液体中に分散した分散液を得る微粒子分散方法であって、
前記分散流路部は、前記混合液が内部を通過する管状の部位であって、出口の断面積が入口の断面積よりも大きい部位である拡大部位を有し、
前記混合液を前記拡大部位に通過させる拡大部位通過ステップを実行し、前記拡大部位通過ステップによって前記気泡が収縮することで前記凝集体の凝集を解除して前記微粒子を前記液体に分散させる微粒子分散方法。