JP2021090967A - キャビテーションが低減された相互作用チャンバ - Google Patents

Abstract

【課題】キャビテーションを減少させ、マイクロチャネルを通過する流速を増大させる、相互作用チャンバを提供する。【解決手段】高せん断処理装置又は高圧ホモジナイザである、相互作用チャンバ５０は、入口孔５４及び下端部６２を有する入口チャンバ５２と、出口孔５８及び上端部６４を有する出口チャンバ５６と、入口孔５４を出口孔５８と流体連通するマイクロチャネル６０であって、入口チャンバ５２からマイクロチャネル流入部６３は下端部６２からある距離だけオフセットされている、マイクロチャネル６０と、マイクロチャネル流入部６３においてマイクロチャネル６０の少なくとも１つの側壁に位置する少なくとも１つのテーパ状フィレット６６，６８、及び、入口チャンバ５２の径の周りに延びる上部フィレット６８、の内の少なくとも１つと、を備える相互作用チャンバである。【選択図】図９

Description

本開示は、概して相互作用チャンバ内のキャビテーションを低減する装置及び方法に関し、より具体的には、流体処理装置及びホモジナイザ、例えば高せん断流体処理装置及び高圧ホモジナイザ、において用いられる相互作用チャンバ内のキャビテーションを低減する装置及び方法に関する。

相互作用チャンバは、典型的には、１つ以上の入口チャンバから１つ以上のマイクロチャネルを通って１つ以上の出口シリンダで排出される流体が流れることによって動作する。マイクロチャネルへ流れ込む流体の遷移は、キャビテーション、即ち液体内の蒸気キャビティ（泡）を形成する物理的挙動、をもたらし得る。キャビテーションは、圧力下での急速な変化の結果である。圧力が蒸気圧より下まで低下すると、液体が沸騰し蒸気の泡が形成される。

マイクロチャネル内のキャビテーションに関していくつかの不利益がある。第１に、キャビテーションは、流体圧力が下流で回復した場合に内破することがあり、強い衝撃波を生成する可能性がある。これは、相互作用チャンバ及び下流配管の内面に重大なダメージを与える可能性がある（例えば、チャンバの性能及び寿命を大きく低下させる、構成要素の摩耗）。キャビテーションはまた、局所的な高温点をもたらし、特定の感熱性材料を損傷させる可能性がある。第２に、形成されたキャビティは、マイクロチャネル内に留まり特定の体積を占めるので、高アスペクト比を有する特定の固体分散物又は材料を処理する場合に、マイクロチャネルを通る流れがせき止められる可能性があり、目詰まりの問題が起こり得る。第３に、マイクロチャネル流入部の付近で有効断面積が低下することで、最も深刻なキャビテーションを有する場所では、流量が制限され、その結果、チャネル排出部での平均流速がより低くなってしまう。これは、マイクロチャネル排出部での流体のエネルギーを低下させ、特定の用途のための処理効率の低下させることにつながる可能性がある。

本開示は、キャビテーションを減少させ、マイクロチャネルを通過する流速を増大させる、相互作用チャンバを提供する。本明細書に記載された相互作用チャンバは、（ｉ）キャビテーションの減少／除去による、目詰まりの減少、（ｉｉ）マイクロチャネル前のより高いエネルギーによる、より高い処理効率、（ｉｉｉ）種々の感熱材料の取扱い能力をもたらす、マイクロチャネル内におけるより低い局所温度、（ｉｖ）より長寿命のチャンバをもたらす、マイクロチャネル内のより少ない摩耗、の１つ以上を提供する。

包括的な実施形態では、相互作用チャンバは、好ましくは高せん断処理装置又は高圧ホモジナイザである、流体処理装置用又は流体ホモジナイザ用の相互作用チャンバであって、入口孔及び下端部を有し好ましくは入口シリンダである入口チャンバと、出口孔及び上端部を有し好ましくは出口シリンダである出口チャンバと、前記入口孔を前記出口孔と流体連通するマイクロチャネルであって、前記入口チャンバから前記マイクロチャネルへの流入部は前記入口チャンバの前記下端部からある距離だけオフセットされている、マイクロチャネルと、（ｉ）マイクロチャネル流入部において前記マイクロチャネルの少なくとも１つの側壁に位置する少なくとも１つのテーパ状フィレット、（ｉｉ）前記入口チャンバから前記出口チャンバに向かって内側に収束する前記マイクロチャネルの少なくとも１つの側壁、（ｉｉｉ）前記入口チャンバから前記出口チャンバに向かって角度が付けられた前記マイクロチャネルの少なくとも１つの上壁及び底壁、及び、（ｉｖ）前記入口チャンバの径の周りに延びる上部フィレット、の内の少なくとも１つと、を備える。

他の包括的な実施形態では、相互作用チャンバは、好ましくは高せん断処理装置又は高圧ホモジナイザである、流体処理装置用又は流体ホモジナイザ用の複数スロットの相互作用チャンバであって、入口孔及び下端部を有し好ましくは入口シリンダである入口チャンバと、前記入口孔と流体連通する入口プレナムと、出口孔及び上端部を有し好ましくは出口シリンダである出口チャンバと、前記出口孔と流体連通する出口プレナムと、前記入口プレナムを前記出口プレナムに連結することによって前記入口孔と前記出口孔とを流体的に連結する複数のマイクロチャネルであって、前記複数のマイクロチャネルのそれぞれは、前記入口チャンバの前記下端部からある距離だけオフセットされている、マイクロチャネル流入部を含む、複数のマイクロチャネルと、を備え、（ｉ）前記入口プレナムの幅が前記入口チャンバの直径より小さい、及び、（ｉｉ）前記入口プレナムの高さが前記入口チャンバの直径に割り込んでいる、の内の少なくとも１つである。

他の包括的な実施形態では、相互作用チャンバは、好ましくは高せん断処理装置又は高圧ホモジナイザである、流体処理装置用又は流体ホモジナイザ用の相互作用チャンバであって、入口孔及び下端部を有し好ましくは入口シリンダである入口チャンバと、出口孔及び上端部を有し好ましくは出口シリンダである出口チャンバと、前記入口孔を前記出口孔と流体連通するマイクロチャネルと、流体が前記入口チャンバから前記マイクロチャネルに入るときのキャビテーションを低減させる手段と、を備える。

他の包括的な実施形態では、相互作用チャンバは、好ましくは高せん断処理装置又は高圧ホモジナイザである、流体処理装置用又は流体ホモジナイザ用の相互作用チャンバであって、好ましくは流入シリンダである流入チャンバと、好ましくは出口シリンダである出口チャンバと、入口及び出口を有し前記流入チャンバ及び前記出口チャンバと流体連通するマイクロチャネルと、を備え、前記流入チャンバは、前記流入チャンバの上部に又はその付近に入口孔を有し、前記流入チャンバの底部の上方の位置でマイクロチャネル入口を受ける。

他の包括的な実施形態では、相互作用チャンバは、好ましくは高せん断処理装置又は高圧ホモジナイザである、流体処理装置用又は流体ホモジナイザ用の相互作用チャンバであって、入口孔及び下端部を有し好ましくは入口シリンダである入口チャンバと、出口孔及び上端部を有し好ましくは出口シリンダである出口チャンバと、前記入口孔を前記出口孔と流体連通するマイクロチャネルであって、前記マイクロチャネルから前記出口チャンバへの排出部は前記出口チャンバの前記上端部からある距離だけオフセットされている、マイクロチャネルと、（ｉ）マイクロチャネル排出部において前記マイクロチャネルの少なくとも１つの側壁に位置する少なくとも１つのテーパ状フィレット、（ｉｉ）前記入口チャンバから前記出口チャンバに向かって内側に収束する前記マイクロチャネルの少なくとも１つの側壁、（ｉｉｉ）前記入口チャンバから前記出口チャンバに向かって角度が付けられた、前記マイクロチャネルの少なくとも１つの上壁及び底壁、及び（ｉｖ）前記入口チャンバの径の周りに延びる上部フィレット、の内の少なくとも１つと、を備える。

他の包括的な実施形態では、流体処理システムは、本明細書に記載の相互作用チャンバの上流又は下流に位置する副処理モジュール（ＡＰＭ）を含む。

他の包括的な実施形態では、乳剤の製造方法は、本明細書に記載の相互作用チャンバに流体を通過させること、を備える。

他の包括的な実施形態では、小径粒子の製造方法は、本明細書に記載の相互作用チャンバに粒子の流れを通過させること、を備える。

他の包括的な実施形態では、流体処理システムは、本明細書に記載の相互作用チャンバを含み、前記相互作用チャンバの前記マイクロチャネル内で流体を０ｋｐｓｉ超４０ｋｐｓｉ未満で流れさせる。

本開示の実施形態は、添付の図面を参照し、一例に過ぎないがさらに詳細に説明される。

図１は、相互作用チャンバの実施形態の上部斜視図を示す。 図２は、図１の相互作用チャンバの側断面図を示す。 図３は、図１の相互作用チャンバのキャビテーション効果の図を示す。 図４は、図１の相互作用チャンバのキャビテーション効果の図を示す。 図５は、図１の相互作用チャンバ内の速度分布図を示す。 図６は、相互作用チャンバの実施形態の上部斜視図を示す。 図７は、図６の相互作用チャンバの側断面図を示す。 図８は、相互作用チャンバの実施形態の下部斜視図を示す。 図９は、図８の相互作用チャンバの側断面図を示す。 図１０は、相互作用チャンバの実施形態の上部斜視図を示す。 図１１は、図１０の相互作用チャンバの側断面図を示す。 図１２は、図１０の相互作用チャンバの上面図を示す。 図１３は、相互作用チャンバの実施形態の上部斜視図を示す。 図１４は、図１３の相互作用チャンバの側断面図を示す。 図１５は、図１の相互作用チャンバのキャビテーション効果の図を示す。 図１６は、図１４の相互作用チャンバのキャビテーション効果の図を示す。 図１７は、図１の相互作用チャンバ内の速度分布図を示す。 図１８は、図１４の相互作用チャンバ内の速度分布図を示す。 図１９は、粒径分布図を示す。 図２０は、粒径分布図を示す。 図２１は、相互作用チャンバの実施形態の上部斜視図を示す。 図２２は、図２１の相互作用チャンバの側断面図を示す。 図２３は、図１の相互作用チャンバのキャビテーション効果の図を示す。 図２４は、図２１の相互作用チャンバのキャビテーション効果の図を示す。 図２５は、図１の相互作用チャンバ内の速度分布図を示す。 図２６は、図２１の相互作用チャンバ内の速度分布図を示す。 図２７は、粒径分布図を示す。 図２８は、粒径分布図を示す。 図２９は、相互作用チャンバの実施形態の上部斜視図を示す。 図３０は、図２９の相互作用チャンバの側断面図を示す。 図３１は、図２９の相互作用チャンバの上面図を示す。 図３２は、相互作用チャンバの実施形態の上部斜視図を示す。 図３３は、図３２の相互作用チャンバの側断面図を示す。 図３４は、図３２の相互作用チャンバの上面図を示す。 図３５は、図３２の相互作用チャンバのキャビテーション効果の図を示す。 図３６は、図３２の相互作用チャンバ内の速度分布の図を示す。 図３７は、相互作用チャンバの実施形態の上部斜視図を示す。 図３８は、図３７の相互作用チャンバの側断面図を示す。 図３９は、相互作用チャンバの実施形態の上部斜視図を示す。 図４０は、図３９の相互作用チャンバの側断面図を示す。 図４１は、図３７の相互作用チャンバのキャビテーション効果の図を示す。 図４２は、図３９の相互作用チャンバのキャビテーション効果の図を示す。 図４３は、相互作用チャンバの実施形態の上部斜視図を示す。 図４４は、相互作用チャンバの実施形態の上部斜視図を示す。 図４５は、粒径分布図を示す。 図４６は、相互作用チャンバの実施形態の上部斜視図を示す。 図４７は、相互作用チャンバの実施形態の上部斜視図を示す。 図４８は、相互作用チャンバの実施形態の上部斜視図を示す。

本開示の説明の前に、本開示は記載された特定の装置及び方法に限定されないことが理解されるべきである。本明細書で用いられた用語は、特定の実施形態のみの説明のためであり、本開示の範囲が添付の特許請求の範囲にのみ限定されるので、限定を意図するものではない。

本開示及び添付の特許請求の範囲に用いられるように、単数形「１つの（a）」、「１つの（an）」及び「その（the）」は、文脈上明確な指示がなければ複数の指示対象を含む。本明細書に記載された方法及び装置は、本明細書に具体的に記載されない要素を欠いていてもよい。

図１及び図２は、相互作用チャンバ１の作用部分の全体の形状及び概略を示す。相互作用チャンバ１は、入口孔４を備える入口チャンバ２と、出口孔８を備える出口チャンバ６と、出口チャンバ６に入口チャンバ２を接合させるとともに入口孔４を出口孔８と流体連通するマイクロチャネル１０と、を含む。入口チャンバ２及び出口チャンバ６は、好ましくはシリンダである。図１及び図２では、マイクロチャネル１０は、入口チャンバ４の下端部１２及び出口チャンバ６の上端部１４において、出口チャンバ６に入口チャンバ２を接合させる。即ち、下端部１２及び上端部１４はマイクロチャネル１０を越えて延びていない。入口チャンバ２がマイクロチャネル１０と合う場所にある開口部がマイクロチャネル流入部１３であり、マイクロチャネル１０が出口チャンバ６と合う場所にある開口部がマイクロチャネル排出部１５である。以下により詳細に記載されるように、マイクロチャネル流入部１３においてキャビテーションはしばしば発生する。

図１及び図２の相互作用チャンバ１は、単一の入口及び単一の出口によって形成されるＺ形状のため、本明細書では概してＺ型の相互作用チャンバと呼ぶ。相互作用チャンバ１等のＺ型チャンバは、マイクロチャネル内の高せん断の生成により粒径を小さくすることと、外側チャンバ壁に流体を作用させることと、において有益である。

使用中、流入する流体は、入口孔４に入り、入口チャンバ２を通過し、その後、マイクロチャネル流入部１３の近くで９０°曲がってマイクロチャネル１０に入る。流体は、その後、マイクロチャネル１０から出て、マイクロチャネル排出部１５の近くでさらに９０°曲がって出口チャンバ６に入り、出口チャンバ６を通過し、出口孔８を通って排出される。マイクロチャネル１０から排出された後、流体流は、出口チャンバ６の上端部１４により１つの側に制限されたジェットを形成する。

マイクロチャネル流入部１３での鋭い曲がりを備えるマイクロチャネル１０への流体流の移行は、通常はキャビテーションをもたらす。図３及び図４は、計算流体力学シミュレーションを用いたキャビテーション効果の図を示す。図３では、蒸気体積率（ＶＶＦ）は、マイクロチャネルの内部並びにマイクロチャネルの流入部及び排出部という種々の断面位置におけるコンター図としてプロットされている。図３のＶＶＦプロットでは、本明細書に記載された他のＶＶＦプロットと同様に、０は純粋な液相を表し、１は純粋な蒸気相を表す。慣例により、ＶＶＦ≧０．５は、通常蒸気相を示す。概して０．５を超えるものは、マイクロチャネルの断面積が減少した場合に、マイクロチャネルを通過する流量を減少させる蒸気ポケット示すので、望ましくないと考えられる。入口チャンバ２からマイクロチャネル１０を通過して出口チャンバ６への流体通路全体を示す図４から分かるように、キャビテーションは、相互作用チャンバ内の２つの場所でしばしば発生する。（ｉ）マイクロチャネル流入部の領域、及び、（ｉｉ）排出孔、である。

図５は、マイクロチャネル１０内の速度分布の例を示す。図示されるように、流速は、最初はキャビティが存在するためマイクロチャネル流入部の付近で不均等である。速度は、その後チャネルの下流端部で次第により均等になり、大きさも減少する。より低いチャネル排出速度は、出口領域における散逸又は衝突のために流体が持つ運動エネルギーがより低いことを意味する。エネルギー散逸は、乳化処理等の多くのプロセスの最終粒径に直接関係しており、エネルギー散逸が大きいほど通常は粒径が小さくなる。エネルギー散逸は、適切な微粒径を作り出すシステムの能力を損なう可能性がある。しかし、衝撃波によって生成される力／圧力スパイクは、粒子を均質化し、又は混合・崩壊を助け、より小さな粒径及び分布を達成することができる。従って、マイクロチャネル流入部のキャビテーションは通常望ましくない現象である一方、マイクロチャネル出口のキャビテーションはある用途にとっては好ましい現象である。概して、キャビテーションが制御されると、システムの性能を向上させることができる。

図６及び図７は、本開示により改良されたＨ型の相互作用チャンバ３０の作用部分の実施形態を示す。相互作用チャンバ３０は、入口孔３４を備える入口チャンバ３２と、出口孔３８を備える出口チャンバ３６と、出口チャンバ３６に入口チャンバ３２を接合させるとともに入口孔３４を出口孔３８と流体連通するマイクロチャネル４０と、を含む。入口チャンバ３２及び出口チャンバ３６は、好ましくはシリンダである。マイクロチャネル４０は、マイクロチャネル４０が入口チャンバ３２と合う場所にあるマイクロチャネル流入部４３と、マイクロチャネル４０が出口チャンバ３６と合う場所にあるマイクロチャネル排出部４５と、を含む。図示されるように、マイクロチャネル４０は、入口チャンバ３２の下端部４２から距離Ｄ１であり出口チャンバ３６の上端部４４から距離Ｄ２である位置に位置する。Ｄ１及びＤ２は、同一の又は異なる距離であることができる。一実施形態では、Ｄ１及びＤ２は、０．００１〜１インチ、好ましくは０．０１〜０．０３インチ、の範囲内とすることができる。流れがマイクロチャネル４０に入ってマイクロチャネル流入部４３及びマイクロチャネル排出部４５でのキャビテーションのレベルを低減させるときに、相互作用チャンバ３０のマイクロチャネル４０と下端部４２及び／又は上端部４４との間に距離Ｄ１及びＤ２を設けることで、流れが効率化することが見出された。即ち、マイクロチャネル４０を下端部４２の上方に配置することで、下端部４２に流体のプールが形成され、これによりキャビテーションが抑止される。

図６及び図７の相互作用チャンバ３０は、単一の入口及び単一の出口によって形成されるＨ形状のため、本明細書では概してＨ型の相互作用チャンバと呼ぶ。ＨチャンバとＺチャンバとの違いは、マイクロチャネル流入部から入口チャンバの下端部までの距離、及び／又は、マイクロチャネル排出部から出口チャンバの上端部までの距離、である。Ｚ型のチャンバのように、相互作用チャンバ３０等のＨ型のチャンバは、マイクロチャネル内の高せん断の生成により粒径を低減させることと、外側チャンバ壁に流体を作用させることと、において有益である。

図８及び図９は、本開示により改良されたＨ型の相互作用チャンバ５０の作用部分の他の実施形態を示す。相互作用チャンバ５０は、入口孔５４を備える入口チャンバ５２と、出口孔５８を備える出口チャンバ５６と、出口チャンバ５６に入口チャンバ５２を接合させるとともに入口孔５４を出口孔５８と流体連通するマイクロチャネル６０と、を含む。入口チャンバ５２及び出口チャンバ５６は、好ましくはシリンダである。マイクロチャネル６０は、マイクロチャネル６０が入口チャンバ５２と合う場所にあるマイクロチャネル流入部６３と、マイクロチャネル６０が出口チャンバ５６と合う場所にあるマイクロチャネル排出部６５と、を含む。マイクロチャネル４０のように、マイクロチャネル６０は入口チャンバ５２の下端部６２から距離Ｄ１に位置する。相互作用チャンバ５０は、さらに、好ましくは丸みが付いたテーパ状フィレット６６，６８の追加によって、マイクロチャネル流入部６３の周りの鋭い縁部が取り除かれている。一実施形態では、テーパ状フィレット６６，６８は、０．００１〜１インチ、又は、好ましくは０．００３〜０．０１インチ、の範囲内とすることができる。示された実施形態では、上部フィレット６８が入口チャンバ５２の直径全体を取り囲んでいるのに対し、下部フィレット６６はマイクロチャネル６０にのみ位置している（即ち、マイクロチャネルと同程度の広さである）。この構成は、（上部フィレット６８をマイクロチャネル６０の幅と同等な幅に製造するのではなく）入口チャンバ５２の直径全体を取り囲むように上部フィレット６８を製造する方が容易であり、当該構成が同等の効果を奏するので、有益である。入口チャンバ５２を製造するために、上部フィレット６８がマイクロチャネル６０の直上に配置されるように、上部フィレット６８を含む第１の入口チャンバ部を第２の入口チャンバ部に加えることができる。一実施形態では、第１の入口チャンバ部は、図８及び図９において上部フィレット６８を含みその上方にある入口チャンバ５２の一部であり、第２の入口チャンバ部は、図８及び図９において上部フィレット６８の下方にある入口チャンバ５２の一部である。

下部フィレット６６若しくは上部フィレット６８のいずれかは、入口チャンバ５２の直径全体を取り囲むように製造することができ、又は、いずれかのフィレットはマイクロチャネル流入部６３にのみ配置させることができる。マイクロチャネル５０は、マイクロチャネル流入部６３の２つの側壁において側部フィレット６９をさらに含むことができる。マイクロチャネル排出部６５は、マイクロチャネル流入部６３と同様に、即ち、上部、下部及び／又は側部のフィレットを備え、並びに、出口チャンバ５６の上端部６４及びマイクロチャネル排出部６５の間に距離を設けて、形成することもできる。相互作用チャンバ５０が効率化された流れのパターンを提供し、キャビテーションを完全に排除することが見出された。

図１０〜図１２は、本開示により改良されたＨ型の相互作用チャンバ７０の作用部分の他の実施形態を示す。相互作用チャンバ７０は、入口孔７４を備える入口チャンバ７２と、出口孔７８を備える出口チャンバ７６と、出口チャンバ７６に入口チャンバ７２を接合させるとともに入口孔７４を出口孔７８と流体連通するマイクロチャネル８０と、を含む。入口チャンバ７２及び出口チャンバ７６は、好ましくはシリンダである。マイクロチャネル８０は、マイクロチャネル８０が入口チャンバ７２と合う場所にあるマイクロチャネル流入部８３と、マイクロチャネル８０が出口チャンバ７６と合う場所にあるマイクロチャネル排出部８５と、を含む。マイクロチャネル４０のように、マイクロチャネル８０は入口チャンバ７２の下端部８２から距離Ｄ１に位置する。マイクロチャネル８０は、出口チャンバ７６の上端部８４からある距離に形成することもできる。相互作用チャンバ７０は、マイクロチャネル８０の傾斜状の複数の側壁８６をさらに備え、側壁は入口チャンバ７２から出口チャンバ７６に向かって収束している。また、相互作用チャンバ７０は、傾斜状の底壁８７を備え、底壁８７は入口チャンバ７２から出口チャンバ７６に向かって収束している。図１０〜図１２において傾斜していない上壁８８は、入口チャンバ７２から出口チャンバ７６に向かって収束するように設けることもできる。種々の実施形態において、側壁８６、底壁８７及び上壁８８の１つ以上は、入口チャンバ７２から出口チャンバ７６に向かってコンスタントに収束することができ、又は、マイクロチャネル８０の長さの一部のみにおいて収束することができる。種々の実施形態において、側壁８６、底壁８７及び上壁８８の傾斜角は、１°と３０°との間とすることができる。他の実施形態では、マイクロチャネル８０は、入口チャンバ７２と出口チャンバ７６とについて傾斜（下り又は上り）させることができ、及び／又は、マイクロチャネル流入部８３はマイクロチャネル排出部８５の上方若しくは下方のある距離に位置することができ、それは、マイクロチャネル流入部８３における９０°の鋭い曲がりの排除とマイクロチャネル排出部８５からの排出とを助ける。相互作用チャンバ７０が、与えられた寸法のチャネル排出部において最も高い流体エネルギーを提供することが見出された。

図１３及び図１４は、本開示により改良されたＨ型の相互作用チャンバ１００の作用部分の他の実施形態を示す。相互作用チャンバ１００は、入口孔１０４を備える入口チャンバ１０２と、出口孔１０８を備える出口チャンバ１０６と、出口チャンバ１０６に入口チャンバ１０２を接合させるとともに入口孔１０４を出口孔１０８と流体連通するマイクロチャネル１１０と、を含む。入口チャンバ１０２及び出口チャンバ１０６は、好ましくはシリンダである。マイクロチャネル１１０は、マイクロチャネル１１０が入口チャンバ１０２と合う場所にあるマイクロチャネル流入部１１３と、マイクロチャネル１１０が出口チャンバ１０６と合う場所にあるマイクロチャネル排出部１１５と、を含む。図示されるように、マイクロチャネル１１０は、入口チャンバ１０２の下端部１１２から距離Ｄ１である位置に位置する。一実施形態では、Ｄ１は、０．００１〜１インチ、好ましくは０．０１〜０．０３インチ、の範囲内とすることができる。マイクロチャネル１１０は、出口チャンバ１０６の上端部１１４からある距離に形成することもできる。

図１５及び図１６は、それぞれ計算流体力学シミュレーションを用いた、相互作用チャンバ１及び相互作用チャンバ１００のキャビテーションの図を示す。図１５及び図１６は、マイクロチャネル内の蒸気体積率（ＶＶＦ）を示す。両方のチャンバは、基本的に同じマイクロチャネル寸法を有するが、相互作用チャンバ１００はチャネル流入部のキャビテーション効果を低減させる。相互作用チャンバ１００は、それゆえ、ある材料についてチャネル流入部での材料の目詰まりを低減させることができる。

図１７及び図１８は、それぞれ計算流体力学シミュレーションを用いた、相互作用チャンバ１（ＩＸＣ−１）及び相互作用チャンバ１００（ＩＸＣ−１００）についての速度分布図である。図１７及び図１８は、相互作用チャンバ１００のマイクロチャネル内で速度がより均等であり、相互作用チャンバ１００のチャネル排出速度がより高い、ことを示す。具体的には、相互作用チャンバ１００の平均チャネル排出速度は約１１％増加している。これは、相互作用チャンバ１００を通過する流体がチャネル通過後に散逸する運動エネルギーをより多く持っており、特定の用途に対しより小さい粒子を生産する可能性があることを意味する。

相互作用チャンバ１００は、固体分散体（目詰まり試験）であって３つの異なる乳剤を用いて実験室において試験された。目詰まり試験の結果を表１に示し、乳化の結果を表２、表３及び表４に示す。３つの分散体は、水中に大豆ミールを分散させることによって作られた。分散体１は５％の大豆ミール懸濁液であり、分散体２は５．５％の大豆ミール懸濁液であり、分散体３は６％の大豆ミール懸濁液であった。

表１に、相互作用チャンバ１と相互作用チャンバ１００との両方について、各乳化の各実験の過程における目詰まりの発生数を示す。「部分的」な目詰まりは、機械が目詰まりしたがそのストロークを完遂することができたことを意味する。「完全」な目詰まりは、ピストンが相互作用チャンバを通過する流体を押し続けることができなかったことを意味する。上記のように、相互作用チャンバ１００は、相互作用チャンバ１と比べて、部分的な目詰まりを排除し、完全な目詰まりを低減させる。表１は、同じマイクロチャネル寸法の相互作用チャンバ１の排出チャンバを目詰まりさせる可能性がある特定の条件において、相互作用チャンバ１００が目詰まりを低減又は排除できることを示す。

以下の表では、前向き及び逆向きの両方の構成で種々の相互作用チャンバが試験された。逆向きの構成は、入口チャンバを出口チャンバとし出口チャンバを入口チャンバとして入れ替えることだと理解されるべきである。従って、本明細書において実施された逆向きの試験は、本質的に、入口、出口及び１又は複数のマイクロチャネルが逆の構成に位置する、相互作用チャンバの追加実施形態の試験である。本明細書に記載された相互作用チャンバの実施形態のいずれも逆の構成でも構成することができ、入口チャンバは出口チャンバであり、出口チャンバは入口チャンバである、と考えられる。

表２は、実験時の相互作用チャンバ１及び相互作用チャンバ１００のそれぞれについての平均粒径及び多分散指数（“ＰＤＩ”）を示す。示されるように、相互作用チャンバ１００は、相互作用チャンバ１に比べて粒径を小さくさせる。表２は、相互作用チャンバ１と比較して相互作用チャンバ１００の乳剤１の乳化特性がわずかに良いことを示しており、相互作用チャンバ１００は前向き又は逆向きのいずれかの方向で作動する。Ｚ平均径は、第１回通過及び第２回通過の両方について約１０ｎｍ小さい。

表３は、相互作用チャンバ１並びに相互作用チャンバ１００（前向き及び逆向き）の両方と、２つの異なるＹ型の相互作用チャンバ（例えば、図４３）と、について、実験時の分布に基づき体積の１０％未満（Ｄ１０）、５０％未満（Ｄ５０）、９０％未満（Ｄ９０）及び９５％未満（Ｄ９５）にある粒子の直径を示す。即ち、Ｄ１０は直径を参照し粒子の１０％がこの径未満であり、Ｄ５０は直径を参照し粒子の５０％がこの径未満であり、Ｄ９０は直径を指し粒子の９０％がこの径未満であり、Ｄ９５は直径を参照し粒子の９５％がこの径未満である。上記のように、９５％での結果は、１０％での結果に比べてはるかに特徴的である。

相互作用チャンバ１００は、Ｙチャンバ１及びＹチャンバ２と比べられた。２つのＹチャンバは、下流ＡＰＭと異なるサイズのマイクロチャネルを備えた。Ｙチャンバ２のマイクロチャネルは、Ｙチャンバ１のマイクロチャネルより大きい断面積を有していた。Ｚチャンバと同様、Ｙチャンバは乳化処理について有益である。この場合、比較のためにこの例ではＹチャンバが用いられる。表３は、乳剤２について相互作用チャンバ１００がより良好な乳化の結果を提供することを示す。表３は、第１回通過及び第２回通過の両方について相互作用チャンバ１００がＹチャンバ１より優れていることも示している。

図１９及び図２０は、１回通過（図１９）及び２回通過（図２０）後の表３のチャンバについての粒径分布を示す。図１９及び図２０は、第１回通過後のすべての結果及び第２回通過後の２つの結果について、粒径分布が二峰性であることを示している。第２のピークは、処理された試料中に残る、より大きな粒子を表し、当該粒子は、しばしば乳剤の不安定性の原因となり、後で行う滅菌濾過時にフィルタの詰まりを招く。乳化処理の１つの目標は、大きな粒子の存在を低減／除去することである。図２０に示すように、第２回通過後の相互作用チャンバ１について第２のピークは依然として存在する。相互作用チャンバ１００について、第２のピークは大きく低減されたか又は完全に排除されている。逆方向で作動する相互作用チャンバ１００もまた、当該処理剤及び処理条件の下でＹ型チャンバより優れている。

表３と同様に、表４は、相互作用チャンバ１並びに相互作用チャンバ１００（前向き及び逆向き）の両方と、２つの異なるＹ型の相互作用チャンバと、について、実験時の分布に基づき体積の１０％未満（Ｄ１０）、５０％未満（Ｄ５０）、９０％未満（Ｄ９０）及び９５％未満（Ｄ９５）にある粒子の直径を示す。表４は、乳剤３について、逆方向の構成を用いて相互作用チャンバ１００によって製造された乳剤は、相互作用チャンバ１と類似していることを示す。しかしながら、結果として得られた粒径は、前向きの構成において作動する場合においてより小さい。第２回通過後の相互作用チャンバ１００についての粒径は、相互作用チャンバ１又はＹ型チャンバについてのものより約４０ｎｍ〜９０ｎｍ小さい。

図２１及び図２２は、本開示により改良されたＨ型の相互作用チャンバ１２０の作用部分の他の実施形態を示す。相互作用チャンバ１２０は、入口孔１２４を備える入口チャンバ１２２と、出口孔１２８を備える出口チャンバ１２６と、出口チャンバ１２６に入口チャンバ１２２を接合させるとともに入口孔１２４を出口孔１２８と流体連通するマイクロチャネル１３０と、を含む。入口チャンバ１２２及び出口チャンバ１２６は、好ましくはシリンダである。マイクロチャネル１３０は、マイクロチャネル１３０が入口チャンバ１２２と合う場所にあるマイクロチャネル流入部１３３と、マイクロチャネル１３０が出口チャンバ１２６と合う場所にあるマイクロチャネル排出部１３５と、を含む。図示されるように、マイクロチャネル１３０は、入口チャンバ１２２の下端部１３２から距離Ｄ１であり出口チャンバ１２６の上端部１３４から距離Ｄ２である位置に位置する。Ｄ１及びＤ２は、同一の又は異なる寸法であることができる。相互作用チャンバ１２０は、さらに、マイクロチャネル流入部１３３の上部、下部及び側部における丸みの付いたフィレット１３６の追加によって、マイクロチャネル流入部１３３の周りの鋭い縁部が取り除かれている。この設計は、チャネル流入部に面取り又はフィレットを追加することにより、さらにマイクロチャネル流入部のキャビテーション効果を低減又は排除し流れを効率化させる、ことが意図されている。丸みの付いたフィレットは、マイクロチャネル排出部１３５の１つ以上の側部に追加することもできる。

図２３及び図２４は、それぞれ計算流体力学シミュレーションを用いた、相互作用チャンバ１及び相互作用チャンバ１２０のキャビテーションの図を示す。図２３及び図２４は、マイクロチャネル内の蒸気体積率を示す。両方のチャンバは、基本的に同じマイクロチャネル寸法を有するが、相互作用チャンバ１２０はチャネル流入部でのキャビテーション効果が完全に排除されている。相互作用チャンバ１２０は、それゆえ、ある材料についてチャネル流入部での材料の目詰まりを低減させることができる。

図２５及び図２６は、それぞれ計算流体力学シミュレーションを用いた、相互作用チャンバ１及び相互作用チャンバ１２０についての速度分布図である。図２５及び図２６は、相互作用チャンバ１２０のマイクロチャネル内で速度がより均等であり、相互作用チャンバ１２０のチャネル排出速度がより高い、ことを示す。具体的には、相互作用チャンバ１２０の平均チャネル排出速度は約１０％増加している。これは、相互作用チャンバ１２０を通過する流体がチャネル通過後に散逸する運動エネルギーをより多く持っており、特定の用途に対しより小さい粒子を生産する可能性があることを意味する。キャビテーション効果の排除に関して他に有益なことは、マイクロチャネル流入部の付近のキャビテーションについてのピーク温度の低下である。チャネル内の最大予測温度は、８５℃から６８℃まで約１７℃と大きく低下する。

相互作用チャンバ５０（ＩＸＣ−５０）は、３つの異なる乳剤を用いて実験室において試験された。図５〜図７は、相互作用チャンバ１に対する相互作用チャンバ５０の乳化の結果を示す。

表５は、実験時の相互作用チャンバ１及び相互作用チャンバ５０のそれぞれについての平均粒径及び多分散指数（“ＰＤＩ”）を示す。表６及び表７は、実験時の分布に基づき体積の１０％未満（Ｄ１０）、５０％未満（Ｄ５０）、９０％未満（Ｄ９０）及び９５％未満（Ｄ９５）にある粒子の直径を示す。表５は、相互作用チャンバ１に比べて、乳剤１について相互作用チャンバ５０の乳化特性がわずかに良いことを示す。Ｚ平均径は、第１回通過及び第２回通過について約７〜１０ｎｍ小さい。表６は、前向き及び逆向きの両方の構成において作動する場合に、相互作用チャンバ５０は乳剤２についてより良好な乳化の結果をもたらすことを示している。Ｄ５０は、第１回通過及び第２回通過のそれぞれについて、相互作用チャンバ１に比べて約２０ｎｍ及び３０ｎｍ小さい。表６は、第１回通過及び第２回通過の両方について相互作用チャンバ５０がＹチャンバ１より優れていることも示している。表７は、前向きの構成において作動する場合に、相互作用チャンバ５０は乳剤３についてより良好な乳化の結果をもたらすことを示している。第２回通過後の相互作用チャンバ５０についての粒径は、相互作用チャンバ１又はＹ型チャンバについてのものより約５０ｎｍ〜１００ｎｍ小さい。

図２７及び図２８は、１回通過（図２７）及び２回通過（図２８）後の表６のチャンバについての粒径分布を示す。図２７及び図２８は、第１回通過後のすべての結果及び第２回通過後の２つの結果について、粒径分布が二峰性であることを示している。第２のピークは、処理された試料中に残る、より大きな粒子を表し、当該粒子は、しばしば乳剤の不安定性の原因となる。従って、乳化処理の１つの目標は、大きな粒子の存在を低減／除去することである。図２８に示すように、第２回通過後の相互作用チャンバ１について第２のピークは依然として存在する。相互作用チャンバ５０について、前向き及び逆向きの両方の構成において第２のピークは完全に除去されている。逆方向で作動する相互作用チャンバ５０もまた、当該処理剤及び処理条件の下でＹチャンバ１より優れている。

図２９〜図３１は、本開示により改良されたＨ型の相互作用チャンバ１４０の作用部分の他の実施形態を示す。相互作用チャンバ１４０は、入口孔１４４を備える入口チャンバ１４２と、出口孔１４８を備える出口チャンバ１４６と、出口チャンバ１４６に入口チャンバ１４２を接合させるとともに入口孔１４４を出口孔１４８と流体連通するマイクロチャネル１５０と、を含む。入口チャンバ１４２及び出口チャンバ１４６は、好ましくはシリンダである。マイクロチャネル１５０は、マイクロチャネル１５０が入口チャンバ１４２と合う場所にあるマイクロチャネル流入部１５３と、マイクロチャネル１５０が出口チャンバ１４６と合う場所にあるマイクロチャネル排出部１５５と、を含む。マイクロチャネル４０のように、マイクロチャネル１５０は入口チャンバ１４２の下端部１５２から距離Ｄ１に位置する。マイクロチャネル１５０は、出口チャンバ１４６の上端部１５４からある距離に形成することもできる。相互作用チャンバ１４０は、マイクロチャネル１５０の傾斜状の複数の側壁１５６をさらに備え、側壁１５６は入口チャンバ１４２から出口チャンバ１４６に向かって収束している。種々の実施形態において、側壁１５６は入口チャンバ１４２から出口チャンバ１４６に向かってコンスタントに収束することができ、又は、側壁１５６はマイクロチャネル１５０の長さの一部のみにおいて収束することができる。種々の実施形態において、傾斜は、４つ全てのチャネル表面、１対のチャネル表面（上下若しくは左右のいずれか）、又は、単一のチャネル表面、に追加することができる。種々の実施形態において、側壁１５６及び／又は上壁及び／又は底壁の傾斜角は、１°と３０°との間とすることができる。１又は複数のチャネル表面に傾斜を追加する場合、チャネル排出部における断面積及び寸法は、好ましくは同一に維持される。即ち、既存の相互作用チャンバを修正する場合、マイクロチャネル排出部を同一の断面寸法に維持し、マイクロチャネル流入部で断面積を増加させる。

図３２〜図３４は、本開示により改良されたＨ型の相互作用チャンバ１６０の作用部分の他の実施形態を示す。相互作用チャンバ１６０は、入口孔１６４を備える入口チャンバ１６２と、出口孔１６８を備える出口チャンバ１６６と、出口チャンバ１６６に入口チャンバ１６２を接合させるとともに入口孔１６４を出口孔１６８と流体連通するマイクロチャネル１７０と、を含む。入口チャンバ１６２及び出口チャンバ１６６は、好ましくはシリンダである。マイクロチャネル１７０は、マイクロチャネル１７０が入口チャンバ１６２と合う場所にあるマイクロチャネル流入部１７３と、マイクロチャネル１７０が出口チャンバ１６６と合う場所にあるマイクロチャネル排出部１７５と、を含む。マイクロチャネル４０のように、マイクロチャネル１７０は入口チャンバ１６２の下端部１７２から距離Ｄ１に位置する。マイクロチャネル１７０は、出口チャンバ１６６の上端部１７４からある距離に形成することもできる。相互作用チャンバ１６０は、マイクロチャネル１７０の傾斜状の上壁１７６及び底壁１７８をさらに備え、上壁及び底壁は入口チャンバ１６２から出口チャンバ１６６に向かって収束している。種々の実施形態において、上壁及び底壁の一方のみが傾斜状であってもよく、又は、マイクロチャネル流入部１７３における断面積がマイクロチャネル排出部１７５における断面積と同一となるように、上壁及び底壁の両方が平行に傾斜状となっていてもよい。

図３５及び図３６は、それぞれ計算流体力学シミュレーションを用いた、相互作用チャンバ１６０についての蒸気体積率の図及び速度プロファイル図である。示されるように、相互作用チャンバ１６０は、チャネル流入部のキャビテーション効果を大幅に排除している。相互作用チャンバ１６０は、それゆえ、ある材料についてこの位置での材料の目詰まりを低減させる。さらに、チャネル壁部に傾斜を追加することによって、マイクロチャネル排出部において最大限の速度が達成される。予測される平均チャネル排出速度は相互作用チャンバ１６０について約２１％増加し、それは、流体が散逸ための運動エネルギーをより多く持ち、より小さな粒径をもたらすことができることを意味する。相互作用チャンバ１４０及び相互作用チャンバ１６０が、与えられた寸法のチャネル排出部において最も高い流体エネルギーを提供することが見出された。キャビテーション効果の低減についての他の利点は、マイクロチャネル流入部の付近のキャビテーションについてのピーク温度の低下である。チャネル内の最大予測温度は、８４℃から７０℃まで約１４℃と大きく低下する。

別の実施形態では、相互作用チャンバ３０、相互作用チャンバ５０、相互作用チャンバ７０、相互作用チャンバ１００、相互作用チャンバ１２０、相互作用チャンバ１４０及び相互作用チャンバ１６０の任意の特徴を組み合わせることができる。例えば、マイクロチャネルは、収束する壁部、テーパ状フィレット、及び、マイクロチャネルと入口チャンバの底壁との間の距離Ｄ１、のうち１つ以上を備えて製造されることができる。入口チャンバ及び出口チャンバは、各実施形態と逆であってもよく、図示された入口チャンバは出口チャンバとなり、図示された出口チャンバは入口チャンバとなる。さらに、同様の概念を、複数スロットのＨ型相互作用チャンバ及びＹ型相互作用チャンバ等、他の種類の相互作用チャンバに用いることができる。他の実施形態では、マイクロチャネルは、種々の形状、例えば、長方形、正方形、台形、三角形又は円形、を有することができる。マイクロチャネルは、入口チャンバと出口チャンバとについて傾斜（下り又は上り）させることができ、及び／又は、マイクロチャネル流入部はマイクロチャネル排出部の上方若しくは下方のある距離に位置することができ、それは、マイクロチャネル流入部における９０°の曲がりの排除とマイクロチャネル排出部からの排出とを助ける。

図３７及び図３８は、複数スロットの相互作用チャンバ２００の作用部分の実施形態を示す。相互作用チャンバ２００は、入口孔２０４を備える入口チャンバ２０２と、出口孔２０８を備える出口チャンバ２０６と、入口プレナム２１０と、出口プレナム２１２と、出口プレナム２１２に入口プレナム２１０を連結させる複数のマイクロチャネル２１４と、を含む。入口チャンバ２０２及び出口チャンバ２０６は、好ましくはシリンダである。各マイクロチャネル２１４は、マイクロチャネル２１４が入口プレナム２１０と合う場所にあるマイクロチャネル流入部２１６と、マイクロチャネル２１４が出口プレナム２１２と合う場所にあるマイクロチャネル排出部２１７と、を含む。使用中、流入する流体は、入口孔２０４に入り、入口チャンバ２０２及び入口プレナム２１０を通過し、その後、マイクロチャネル流入部２１６において複数のマイクロチャネル２１４に入る。流体は、その後、マイクロチャネル排出部２１７から複数のマイクロチャネル２１４を出て、出口プレナム２１２に入り、出口チャンバ２０６を通過し、出口孔２０８を通って排出される。

図３９及び図４０は、本開示により改良された複数スロットの相互作用チャンバ２２０の作用部分の実施形態を示す。相互作用チャンバ２２０は、入口孔２２４を備える入口チャンバ２２２と、出口孔２２８を備える出口チャンバ２２６と、入口プレナム２３０と、出口プレナム２３２と、出口プレナム２３２に入口プレナム２３０を連結させる複数のマイクロチャネル２３４と、を含む。入口チャンバ２２２及び出口チャンバ２２６は、好ましくはシリンダである。各マイクロチャネル２３４は、マイクロチャネル２３４が入口プレナム２３０と合う場所にあるマイクロチャネル流入部２３６と、マイクロチャネル２３４が出口プレナム２３２と合う場所にあるマイクロチャネル排出部２３７と、を含む。

図３９及び図４０に示すように、入口プレナム２３０の幅Ｗは入口チャンバ２２６の直径より小さくなるように狭くされており、入口プレナム２３０の高さＨは、入口プレナム２３０の高さＨが入口チャンバ２２６の直径の中まで延び、又は、入口チャンバ２２６の直径に割り込むように、高くされている。即ち、入口チャンバ２２６と入口プレナム２３０とは共通の下端部２３８を共有し、入口チャンバ２２６のテーパ状の直径の一部は、下端部２３８の端まで又は下端部２３８寸前まで下がるように延びている。マイクロチャネル２３４は、入口チャンバ２２６及び入口プレナム２３０の下端部２３８から距離Ｄ１に位置する。マイクロチャネル２３４は入口プレナム２３０から延びるが、マイクロチャネル２３４の当該位置により、入口プレナム２３０に割り込む入口チャンバ２２２の丸みが付けられた部分と同じ高さにマイクロチャネル流入部２３６が配置される。

図３９及び図４０に示された設計は、入口チャンバ２２２を通って流れる流体が入口チャンバ２２２の下端部２３８に到達する前に入口プレナム２３０へ入ることができるようにする。この設計は、プレナム２３０内の望ましくない流れの再循環領域、及び、複数のマイクロチャネル２３４間の不十分な流れの分配を回避することが見出された。示された実施形態では、入口プレナム２３０の幅は、入口チャンバ２２６の直径の約半分まで狭くされている。別の実施形態では、入口プレナム２３０の幅は０．００１〜１インチの範囲内とすることができ、入口プレナム２３０の高さは０．００１〜１インチの範囲内とすることができる。図３９及び図４０に示されていないが、出口プレナム１３０の幅が出口チャンバ１２６の直径より狭くされ、出口プレナム１３２の高さが高くされるように、出口プレナム１３２を同様に構成することができる。複数のマイクロチャネルは、同一又は異なる断面積及び寸法を有することができる。

図４１及び図４２は、それぞれ計算流体力学シミュレーションを用いた、相互作用チャンバ２００及び相互作用チャンバ２２０についての速度プロファイルを示す。図４１に示すように、相互作用チャンバ２００の速度プロファイルは、チャネル間で均等に分布していない。この不均等は、マイクロチャネル間で処理された材料のばらつきと特定の材料の目詰まりとをもたらす可能性がある。相互作用チャンバ２２０は、図４２の全てのチャネルに亘り、均等な速度プロファイルによってマイクロチャネル間の流れの特性のばらつきを低減させる。これにより、特定の材料を処理する場合の目詰まりの発生が少なくなる。さらに、相互作用チャンバ２２０のチャネル内の最大予測温度は、８４℃から６９℃まで約１５℃と大きく低下する。

図４３は、Ｙ型の相互作用チャンバ２５０の作用部分の実施形態を示す。相互作用チャンバ２５０は、入口孔２５４を備える２つの入口チャンバ２５２と、出口孔２５８を備える２つの出口チャンバ２５６と、２つの出口チャンバ２５６に連結された出口プレナム２６０と、出口プレナム２６０に２つの入口チャンバ２５２を連結させる複数のマイクロチャネル２６２と、を含む。入口チャンバ２５２及び出口チャンバ２５６は、好ましくはシリンダである。使用中、流入する流体は、入口孔２５４に入り、２つの入口チャンバ２５２を通過し、その後、マイクロチャネル２６２に入る。流体は、その後、マイクロチャネル２６２を出て、出口プレナム２６０に入り、２つの出口チャンバ２５６を通過し、出口孔２５８を通って排出される。マイクロチャネルの出口はまた、面取りを有することで、発散ジェット又は収束ジェットを形成してもよい。

図４３の相互作用チャンバ２５０は、２つの入口及び２つの出口によって形成されるＹ形状のため、本明細書では概してＹ型の相互作用チャンバと呼ぶ。相互作用チャンバ２５０等のＹ型の相互作用チャンバは、対向するマイクロチャネルからの２つのジェット流を用いて、出口プレナムで２つの流体を作用させる。即ち、２つのジェット流は、出口プレナム内で互いに衝突する。

図４４は、本開示により改良されたＨ作用ジェット（ＨＩＪ型）の相互作用チャンバ３００の作用部分の実施形態を示す。相互作用チャンバ３００は、入口孔３０４を備える２つの入口チャンバ３０２と、出口孔３０８を備える２つの出口チャンバ３０６と、２つの出口チャンバ３０６に連結された出口プレナム３１０と、出口プレナム３１０に２つの入口チャンバ３０２を連結させる複数のマイクロチャネル３１２と、を含む。入口チャンバ３０２及び出口チャンバ３０６は、好ましくはシリンダである。図示されるように、マイクロチャネル３１２は、入口チャンバ３０２の下端部３１４から距離Ｄ１に位置する。一実施形態では、Ｄ１は、０．００１〜１インチ、好ましくは０．０１〜０．０３インチ、の範囲内とすることができる。流れがマイクロチャネル３１２に入ってキャビテーションのレベルを低下させるときに、マイクロチャネル３１２と入口チャンバ３０２の下端部３１４との間に距離Ｄ１を設けることで、流れが効率化することが見出された。

図４４の相互作用チャンバ３００は、Ｈ形状、及び、出口プレナム内で作用ジェットを形成する少なくとも２つのマイクロチャネルの使用により、本明細書では概してＨＩＪ型の相互作用チャンバと呼ぶ。Ｙ型チャンバとＨＩＪ型チャンバとの違いは、マイクロチャネル流入部から入口チャンバの下端部までの距離である。Ｙ型チャンバのように、相互作用チャンバ３００等のＨＩＪ型チャンバは、出口プレナム内の２つの対向するジェットの作用による粒径の低減において有益である。

表８は、上記のＹチャンバ１及びＹチャンバ２と比較した、相互作用チャンバ３００についての乳化の結果を示す。

計算流体力学（“ＣＦＤ”）は、相互作用チャンバ３００についての平均チャネル排出速度が約４％増加することを予測し、それは、流体がその後のジェット作用のためのより多くの運動エネルギーを持つことを意味する。２つの液体ジェットの衝突により得られるエネルギー散逸がより高くなる場合、より小さい液滴が形成され安定を維持することができる。表８は、相互作用チャンバ３００が乳剤２についてより良好な乳化の結果をもたらすことを示している。全ての通過について、特にＤ９０及びＤ９５値について例えば第２回通過では１６ｎｍ〜７０ｎｍ、粒径が小さくなっている。さらに、しばしば乳化の不安定をもたらす大粒子の存在を示す第２ピークの体積率は、第２回通過について、Ｙチャンバ１に比べて約８８％低く（０．２１％対１．８２％）、Ｙチャンバ２に比べて約９０％低い（０．２１％対２．０５％）。図４５は、相互作用チャンバ３００における第２回通過後の乳剤２について、粒径分布及び第２ピークの領域を図示する。

図４６は、本開示により改良されたＨＩＪ型の相互作用チャンバ３２０の作用部分の実施形態を示す。Ｈ作用型のジェットチャンバ３２０は、入口孔３２４を備える２つの入口チャンバ３２２と、出口孔３２８を備える２つの出口チャンバ３２６と、２つの出口チャンバ３２６に連結された出口プレナム３３０と、出口プレナム３３０に２つの入口チャンバ３２２を連結させる複数のマイクロチャネル３３２と、を含む。入口チャンバ３２２及び出口チャンバ３２６は、好ましくはシリンダである。マイクロチャネル３３２は、入口チャンバ３０２の下端部３１４から距離Ｄ１に位置する。相互作用チャンバ３２０は、さらに、マイクロチャネル３３２の長さを短くする。一実施形態では、マイクロチャネルの長さは約４５％短くなり、予測される平均チャネル排出速度は約９％増加する。これは、２つの作用ジェットに散逸のためのより大きなエネルギーを持たせ、より小さい安定粒子を形成させる。

図４７は、本開示により改良されたＨＩＪ型の相互作用チャンバ３４０の作用部分の実施形態を示す。Ｈ作用型のジェットチャンバ３４０は、入口孔３４４を備える２つの入口チャンバ３４２と、出口孔３４８を備える２つの出口チャンバ３４６と、２つの出口チャンバ３４６に連結された出口プレナム３５０と、出口プレナム３５０に２つの入口チャンバ３４２を連結させる複数のマイクロチャネル３５２と、を含む。入口チャンバ３４２及び出口チャンバ３４６は、好ましくはシリンダである。マイクロチャネル３５２は、入口チャンバ３５２の下端部３４４から距離Ｄ１に位置する。相互作用チャンバ３４０は、さらに、マイクロチャネル流入部の上壁、下壁及び側壁におけるテーパ状フィレット３５４の追加によって、マイクロチャネル３５２の流入部の周りの鋭い縁部が取り除かれている。一実施形態では、テーパ状フィレット３５４は、０．００１〜１インチの範囲内とすることができる。さらに、フィレット３５４の上側部分３５６は、２つの入口チャンバ３４２の外周部の全周に延びている。相互作用チャンバ３４０が、効率化した流れのパターンを提供し、キャビテーションを完全に取り除くことが見出された。この実施形態では、予測される平均チャネル排出速度は相互作用チャンバ２５０に比べて約１１％増加しており、それは、２つの作用ジェットが散逸のためのエネルギーをより多く持ち、より小さい安定粒子を形成することを可能にする。

図４８は、本開示により改良されたＨＩＪ型の相互作用チャンバ３６０の作用部分の実施形態を示す。Ｈ作用型のジェットチャンバ３６０は、入口孔３６４を備える２つの入口チャンバ３６２と、出口孔３６８を備える２つの出口チャンバ３６６と、２つの出口チャンバ３６６に連結された出口プレナム３７０と、出口プレナム３７０に２つの入口チャンバ３６２を連結させる複数のマイクロチャネル３７２と、を含む。入口チャンバ３６２及び出口チャンバ３６６は、好ましくはシリンダである。マイクロチャネル３７２は、入口チャンバ３６２の下端部３７４から距離Ｄ１に位置する。相互作用チャンバ３６０は、マイクロチャネル３７２の傾斜状の複数の側壁３７６をさらに備え、側壁は入口チャンバ３６２から出口プレナム３７０に向かって収束している。マイクロチャネル３７２の上壁及び側壁は、同様に、入口チャンバ３６２から出口プレナム３７０に向かって収束する傾斜状とすることができる。種々の実施形態において、側壁３７６、底壁及び／又は上壁は、入口チャンバ３６２から出口プレナム３７０に向かってコンスタントに収束することができ、又は、マイクロチャネル３７２の長さの一部のみにおいて収束することができる。一実施形態では、側壁３７６、底壁及び／又は上壁の傾斜角は、１°と３０°との間とすることができる。相互作用チャンバ３６０が、与えられた寸法のチャネル排出部において最も高い流体エネルギーを提供することが見出された。

別の実施形態では、上述の相互作用チャンバの任意の特徴を組み合わせることができる。さらに、上記の全ての実施形態を、本明細書に記載された相互作用チャンバの上流又は下流に位置する副処理モジュール（ＡＰＭ）を備えて使用することができる。ＡＰＭは、上流又は下流に配置された場合に相互作用チャンバ全域で圧力降下を約５％〜３０％減少させることができる、単一スロット又は多数スロットの、特大のＺ型のＨ型チャンバである。一実施形態では、ＡＰＭが相互作用チャンバの上流又は下流のいずれかに位置するように、ＡＰＭを本明細書に記載された相互作用チャンバと直列に配置することができる。

本明細書に記載された好適な実施形態に対する様々な変更及び修正が、当業者には明らかであることが理解されるべきである。そのような変更及び修正は、本発明の主題の精神及び範囲から逸脱することなく、また、意図される利点を損なうことなく、行うことができる。それゆえ、そのような変更及び修正が添付の特許請求の範囲によってカバーされることが意図される。

本開示の追加的な観点

本明細書に記載された発明の主題は、単独で、又は、本明細書に記載された他の任意の１つ以上の観点との組み合わせで、有用となり得る。前述の説明を制限することなく、本開示の第１の観点において、相互作用チャンバは、好ましくは高せん断処理装置又は高圧ホモジナイザである、流体処理装置用又は流体ホモジナイザ用の相互作用チャンバであって、入口（inlet）孔及び下端部を有し好ましくは入口シリンダである入口チャンバと、出口（outlet）孔及び上端部を有し好ましくは出口シリンダである出口チャンバと、前記入口孔を前記出口孔と流体連通するマイクロチャネルであって、前記入口チャンバから前記マイクロチャネルへの流入部（entrance)は前記入口チャンバの前記下端部からある距離だけオフセットされている、マイクロチャネルと、（ｉ）マイクロチャネル流入部において前記マイクロチャネルの少なくとも１つの側壁に位置する少なくとも１つのテーパ状フィレット、（ｉｉ）前記入口チャンバから前記出口チャンバに向かって内側に収束する前記マイクロチャネルの少なくとも１つの側壁、（ｉｉｉ）前記入口チャンバから前記出口チャンバに向かって角度が付けられた前記マイクロチャネルの少なくとも１つの上壁及び底壁、及び、（ｉｖ）前記入口チャンバの径の周りに延びる上部フィレット、の内の少なくとも１つ、少なくとも２つ、少なくとも３つ又は４つ全てと、を備える。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第２の観点によれば、前記相互作用チャンバは、Ｈ型相互作用チャンバ、Ｙ型相互作用チャンバ、Ｚ型相互作用チャンバ及びＨＩＪ型相互作用チャンバの内の少なくとも１つである。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第３の観点によれば、前記マイクロチャネルから前記出口チャンバまでの排出部（exit）は、（ｉ）前記出口チャンバの前記上端部からある距離だけオフセットされている、及び、（ｉｉ）少なくとも１つの第２のテーパ状フィレットを含む、の内の少なくとも１つ又はその両方である。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第４の観点によれば、前記マイクロチャネル流入部と前記入口チャンバの前記下端部との間の前記距離は、０．００１〜１インチ、好ましくは０．０１〜０．０３インチ、の範囲内である。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第５の観点によれば、前記少なくとも１つのテーパ状フィレットは、（ｉ）丸みが付けられたフィレットである、及び、（ｉｉ）前記マイクロチャネル流入部において前記マイクロチャネルの複数の側部に位置する、の内の少なくとも１つ又はその両方である。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第６の観点によれば、（ｉ）両方の側壁が前記入口チャンバから前記出口チャンバに向かって収束する、及び、（ｉｉ）前記上壁及び前記底壁の両方が前記入口チャンバから前記出口チャンバに向かって収束する、の内の少なくとも１つ又はその両方である。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第７の観点によれば、相互作用チャンバは、好ましくは高せん断処理装置又は高圧ホモジナイザである、流体処理装置用又は流体ホモジナイザ用の複数スロットの相互作用チャンバであって、入口孔及び下端部を有し好ましくは入口シリンダである入口チャンバと、前記入口孔と流体連通する入口プレナムと、出口孔及び上端部を有し好ましくは出口シリンダである出口チャンバと、前記出口孔と流体連通する出口プレナムと、前記入口プレナムを前記出口プレナムに連結することによって前記入口孔と前記出口孔とを流体的に連結する複数のマイクロチャネルであって、前記複数のマイクロチャネルのそれぞれは、前記入口チャンバの前記下端部からある距離だけオフセットされている、マイクロチャネル流入部を含む、複数のマイクロチャネルと、を備え、（ｉ）前記入口プレナムの幅が前記入口チャンバの直径より小さい、及び、（ｉｉ）前記入口プレナムの高さが前記入口チャンバの直径に割り込んでいる、の内の少なくとも１つ又はその両方である。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第８の観点によれば、前記相互作用チャンバは、Ｈ型相互作用チャンバ、Ｙ型相互作用チャンバ、Ｚ型相互作用チャンバ及びＨＩＪ型相互作用チャンバの内の少なくとも１つである。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第９の観点によれば、（ｉ）前記出口プレナムの幅が前記出口チャンバの直径より小さく、前記出口プレナムの高さが前記出口チャンバに割り込んでいる、（ｉｉ）少なくとも１つのマイクロチャネルが前記出口チャンバの前記上端部からある距離だけオフセットされている、及び、（ｉｉｉ）前記入口プレナムが前記入口チャンバと前記下端部を共有している、の内の少なくとも１つ又はその両方である。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第１０の観点によれば、前記相互作用チャンバは、前記マイクロチャネル流入部の１つに位置する少なくとも１つのテーパ状フィレットを含む。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第１１の観点によれば、前記少なくとも１つのテーパ状フィレットは、前記マイクロチャネル流入部において前記マイクロチャネルの複数の側部に位置する。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第１２の観点によれば、相互作用チャンバは、好ましくは高せん断処理装置又は高圧ホモジナイザである、流体処理装置用又は流体ホモジナイザ用の相互作用チャンバであって、入口孔及び下端部を有し好ましくは入口シリンダである入口チャンバと、出口孔及び上端部を有し好ましくは出口シリンダである出口チャンバと、前記入口孔を前記出口孔と流体連通するマイクロチャネルと、流体が前記入口チャンバから前記マイクロチャネルに入るときのキャビテーションを低減させる手段と、を備える。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第１３の観点によれば、前記相互作用チャンバは、流体が前記出口チャンバに向かって前記マイクロチャネルから排出されるときのキャビテーションを低減させる手段を含む。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第１４の観点によれば、流体が前記入口チャンバから前記マイクロチャネルに入るときのキャビテーションを低減させる前記手段は、（ｉ）テーパ状フィレット、（ｉｉ）前記下端部と前記入口孔との間のオフセット距離、（ｉｉｉ）前記入口チャンバから前記出口チャンバに向かって収束するマイクロチャネル壁部、及び、（ｉｖ）前記入口チャンバの径の周りに延びるフィレット、の内の少なくとも１つ、少なくとも２つ、少なくとも３つ又は４つ全てを含む。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第１５の観点によれば、流体が前記出口チャンバに向かって前記マイクロチャネルから排出されるときのキャビテーションを低減させる前記手段は、（ｉ）テーパ状フィレット、（ｉｉ）前記上端部と前記出口孔との間のオフセット距離、（ｉｉｉ）前記入口チャンバから前記出口チャンバに向かって収束するマイクロチャネル壁部、及び、（ｉｖ）前記出口チャンバの径の周りに延びるフィレット、の内の少なくとも１つ、少なくとも２つ、少なくとも３つ又は４つ全てを含む。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第１６の観点によれば、相互作用チャンバは、好ましくは高せん断処理装置又は高圧ホモジナイザである、流体処理装置用又は流体ホモジナイザ用の相互作用チャンバであって、好ましくは流入（entry）シリンダである流入チャンバと、好ましくは出口シリンダである出口チャンバと、入口及び出口を有し前記流入チャンバ及び前記出口チャンバと流体連通するマイクロチャネルと、を備え、前記流入チャンバは、前記流入チャンバの上部に又はその付近に入口孔を有し、前記流入チャンバの底部の上方の位置でマイクロチャネル入口を受ける。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第１７の観点によれば、前記マイクロチャネルは、前記入口が前記出口とは異なる高さとなるように位置する。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第１８の観点によれば、前記入口は、前記出口より高い位置にある。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第１９の観点によれば、前記マイクロチャネルは、テーパ状、傾斜状又はその両方である。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第２０の観点によれば、前記マイクロチャネルの前記出口は、前記出口チャンバの上部の位置又は前記出口チャンバの上部の下方の位置において、前記出口チャンバと接合する。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第２１の観点によれば、マイクロチャネル出口は、前記出口チャンバの前記上部の下方に位置する。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第２２の観点によれば、前記マイクロチャネル入口は入口チャンバの底部の上方に配置され、マイクロチャネル出口は前記出口チャンバの上部の下方に配置される。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第２３の観点によれば、前記マイクロチャネルは、複数のマイクロチャネルを含む。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第２４の観点によれば、複数のマイクロチャネルは、前記流入チャンバと前記複数のマイクロチャネルへの前記入口との間に配置される、第１の中間プレナム又はリザーバと接続する。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第２５の観点によれば、前記プレナムは、前記マイクロチャネル入口の下方に延びている。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第２６の観点によれば、前記相互作用チャンバは、前記マイクロチャネルからの前記出口と前記出口チャンバとの間に配置される第２の中間プレナムを含む。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第２７の観点によれば、前記相互作用チャンバは、Ｈ型相互作用チャンバ、Ｙ型相互作用チャンバ、Ｚ型相互作用チャンバ及びＺ型相互作用チャンバの内の少なくとも１つである。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第２８の観点によれば、少なくとも１つのマイクロチャネルは、長方形、正方形、台形、三角形又は円形の断面形状を有する。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第２９の観点によれば、流体処理システムは、本明細書に記載の相互作用チャンバの上流又は下流に位置する副処理モジュール（ＡＰＭ）を含む。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第３０の観点によれば、前記流体処理システムは、複数の相互作用チャンバを含み、前記複数の相互作用チャンバの内の少なくとも１つは、本明細書に記載の相互作用チャンバである。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第３１の観点によれば、前記流体処理システムは、直列又は並列に位置する複数の相互作用チャンバを含む。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第３２の観点によれば、前記流体処理システムは、本明細書に記載の少なくとも１つの相互作用チャンバの上流に位置するＡＰＭ、及び／又は、本明細書に記載の少なくとも１つの相互作用チャンバの下流に位置するＡＰＭを含む。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第３３の観点によれば、乳剤の製造方法は、本明細書に記載の相互作用チャンバに流体を通過させること、を備える。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第３４の観点によれば、小径粒子の製造方法は、本明細書に記載の相互作用チャンバに粒子の流れを通過させること、を備える。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第３５の観点によれば、流体処理システムは、本明細書に記載の相互作用チャンバを含み、前記相互作用チャンバの前記マイクロチャネル内で流体を０ｋｐｓｉ超４０ｋｐｓｉ未満で流れさせる。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第３６の観点によれば、相互作用チャンバは、好ましくは高せん断処理装置又は高圧ホモジナイザである、流体処理装置用又は流体ホモジナイザ用の相互作用チャンバであって、入口孔及び下端部を有し好ましくは入口シリンダである入口チャンバと、出口孔及び上端部を有し好ましくは出口シリンダである出口チャンバと、前記入口孔を前記出口孔と流体連通するマイクロチャネルであって、前記マイクロチャネルから前記出口チャンバへの排出部は前記出口チャンバの前記上端部からある距離だけオフセットされている、マイクロチャネルと、（ｉ）マイクロチャネル排出部において前記マイクロチャネルの少なくとも１つの側壁に位置する少なくとも１つのテーパ状フィレット、（ｉｉ）前記入口チャンバから前記出口チャンバに向かって内側に収束する前記マイクロチャネルの少なくとも１つの側壁、（ｉｉｉ）前記入口チャンバから前記出口チャンバに向かって角度が付けられた、前記マイクロチャネルの少なくとも１つの上壁及び底壁、及び（ｉｖ）前記入口チャンバの径の周りに延びる上部フィレット、の内の少なくとも１つ、少なくとも２つ、少なくとも３つ又は４つ全てと、を備える。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第３７の観点によれば、前記相互作用チャンバは、Ｈ型相互作用チャンバ、Ｙ型相互作用チャンバ、Ｚ型相互作用チャンバ、Ｚ型相互作用チャンバ及びＨＩＪ型相互作用チャンバの内の少なくとも１つである。

本明細書に列挙されたいずれかの他の観点又は観点の組合せと組み合わせて用いられ得る、本開示の第３８の観点によれば、前記少なくとも１つのテーパ状フィレットは、（ｉ）丸みが付けられたフィレットである、及び、（ｉｉ）マイクロチャネル流入部において前記マイクロチャネルの複数の側部に位置する、の内の少なくとも１つ又はその両方である。

本出願は、２０１４年５月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／００５，７８３号の優先権を主張し、上記出願内容の全体が本出願に取り込まれる。

Claims (1)

1. 好ましくは高せん断処理装置又は高圧ホモジナイザである、流体処理装置用又は流体ホモジナイザ用の相互作用チャンバであって、
   入口孔及び下端部を有し好ましくは入口シリンダである入口チャンバと、
   出口孔及び上端部を有し好ましくは出口シリンダである出口チャンバと、
   前記入口孔を前記出口孔と流体連通するマイクロチャネルであって、前記入口チャンバから前記マイクロチャネルへの流入部は前記入口チャンバの前記下端部からある距離だけオフセットされている、マイクロチャネルと、
   （ｉ）マイクロチャネル流入部において前記マイクロチャネルの少なくとも１つの側壁に位置する少なくとも１つのテーパ状フィレット、（ｉｉ）前記入口チャンバから前記出口チャンバに向かって内側に収束する前記マイクロチャネルの少なくとも１つの側壁、（ｉｉｉ）前記入口チャンバから前記出口チャンバに向かって角度が付けられた前記マイクロチャネルの少なくとも１つの上壁及び底壁、及び、（ｉｖ）前記入口チャンバの径の周りに延びる上部フィレット、の内の少なくとも１つと、
   を備える、相互作用チャンバ。

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