JP3681561B2

JP3681561B2 - 物質の均一混合方法及び混合装置

Info

Publication number: JP3681561B2
Application number: JP35290598A
Authority: JP
Inventors: 幸久武内; 伸夫高橋
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: JPH11262644A; US6200013B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電制御型液滴吐出手段を用いた物質の均一混合方法及び混合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造や微細な化学反応、化学分析、あるいは分泌物量の少ない神経細胞などの特殊細胞の分泌物分析のような微量生体物質の迅速な分析といった、バイオテクノロジー分野の研究等において、微量な物質の混合−反応操作が必要とされている。
また、反応速度の非常に速い物質混合、重合度を精密に制御したい化学反応操作においても、大量に反応物を混合し、反応させると、均一混合が完了する前に、既に混合が進んだ部分は反応が進行し、一方、未混合部分では反応が始まらず、結果として均一な反応物を得られないため、微小な一定量づつを混合させ、常に均一に反応を制御する技術が必要とされている。
そして、なお、上記のような操作や制御技術が不十分な場合には、反応速度を抑制するため、反応容器を低温に冷却する等の対策を採っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、微量な物質の混合−反応操作を可能とする物質の均一混合方法及び混合装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明によれば、圧電制御型液滴吐出手段を２以上配置し、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士を衝突させることにより均一に混合することを特徴とする物質の均一混合方法が提供される。
本発明においては、２つの圧電制御型液滴吐出手段を配置し、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士の衝突角を約９０°とほぼ直角とすることや、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士の衝突角を０〜２０°と小さくすることができる。
【０００５】
また、本発明では、２つの圧電制御型液滴吐出手段を配置し、各液滴吐出手段から微小液滴を平行に吐出させるとともに、それぞれの微小液滴に対して逆電荷を帯電させ、平行飛行中に相互の逆電荷による静電気によって引き合い合体させるようにすることも好ましい。
【０００６】
さらに、本発明では、２つの圧電制御型液滴吐出手段を配置するとともに、不活性物質でコーティングされた斜面上に、第一の液滴吐出手段から第一の微小液滴を吐出、付着させた後、第二の液滴吐出手段から第二の微小液滴を吐出し、第一の微小液滴に衝突させるようにすることも可能である。
【０００７】
また、本発明によれば、圧電制御型液滴吐出手段を２以上配置するとともに、該液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士を衝突させる衝突手段を設けたことを特徴とする物質の均一混合装置が提供される。
この混合装置においては、圧電制御型液滴吐出手段を２個配置し、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士の衝突角が約９０°となるように各液滴吐出手段の吐出方向を設定したり、また、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士の衝突角が０〜２０°となるように各液滴吐出手段の吐出方向を設定することができる。
【０００８】
また、圧電制御型液滴吐出手段を２個配置し、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴に対して予め逆電荷を帯電させるとともに、それぞれの微小液滴が平行に吐出されるように各液滴吐出手段の吐出方向を設定することも好ましく、さらに、圧電制御型液滴吐出手段を２個配置するとともに、不活性物質でコーティングされた斜面を設け、該斜面上の所定位置に第一の微小液滴の吐出方向を設定した第一の液滴吐出手段と、前記第一の微小液滴が付着された斜面上の位置に、第二の微小液滴の吐出方向を設定した第二の液滴吐出手段を設けることも好ましいものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の物質の均一混合方法及び装置は、圧電制御型液滴吐出手段を２以上配置し、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士を衝突させることによって各微小液滴を均一に混合するものであり、このように均一混合させることで、両物質を均一に反応させ、均一な反応物を得るものである。
【００１０】
本発明で用いる圧電制御型液滴吐出手段としては、具体的には、液体を噴射させる複数のノズル孔が設けられたノズル部に対して、該ノズル孔に対応する一つまたは複数の液体加圧室が設けられたポンプ部を接合し、該液体加圧室の壁部の一部を圧電／電歪素子によって変形させて該液体加圧室に圧力を生じさせることにより、該液体加圧室に供給される液体を、前記ノズル孔から噴射させるようにした液滴吐出装置であり、これらのノズル部及びポンプ部をジルコニアセラミックスで構成してなる装置が望ましい。
【００１１】
この液滴吐出装置の一例を図５に示す。
図５において、ノズル部１１は、複数のノズル孔１２が設けられた薄肉平板状のノズルプレート１３をジルコニアセラミックスのグリーンシートで形成し、一方、ポンプ部２１は、複数の窓部２８が形成されたスペーサプレート２５と、スペーサプレート２５の一方の側に重ね合わされて窓部２８を覆蓋する閉塞プレート２３とを、同じくそれぞれジルコニアセラミックスのグリーンシートで形成し、全体を積層し、一体焼成して構成されている。なお、閉塞プレート２３には液体流入口１６が設けられている。
そして、閉塞プレート２３の外面上には、下部電極３１、圧電／電歪層３２および上部電極３３からなる圧電／電歪素子２２が形成されている。
【００１２】
上記のような液滴吐出装置によれば、上部電極３３と下部電極３１との間に電界が生じると、圧電／電歪層３２が変形し、窓部２８が覆蓋されて形成されたキャビティ（液体加圧室）１５の容積が減少することにより、キャビティ１５内に充填された液体がキャビティ１５に連通するノズル孔１２から噴射される。
【００１３】
以上のように、本発明においては、液滴吐出装置はその構成材料がすべてジルコニアセラミックスで構成されていると、例えば、アセトン系、塩酸系などのセラミック材料前駆体の液体を用いる場合であっても、適用が可能であり、耐薬品性、耐熱性、靭性にも優れる。
【００１４】
本発明では、上記のような圧電制御型の液滴吐出装置を２以上配置して、各液滴吐出装置から吐出される微小液滴同士を衝突させることによって各微小液滴を均一に混合し、これにより、両物質を均一に反応させ、均一な反応物を得る。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明に係る均一混合装置を、図面に示す実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。
（実施例１）
図１は、本発明に係る物質の均一混合装置の一実施例を示す模式図である。
図１において、圧電制御型の液滴吐出機が２個配置されており、吐出機１と吐出機２はそれぞれ吐出される微小液滴同士の衝突角θが９０°となるように吐出方向が設定されている。
【００１６】
混合すると反応する物質Ａ、Ｂを、各々吐出機１、２から微小液滴として吐出し、空中で衝突させる。衝突点３で衝突して均一混合された混合物４は、次いで各物質Ａ，Ｂの慣性力により定まる所定方向に飛行し、混合物回収容器５にて回収される。
各吐出機１、２から衝突点３までの距離Ｌ１、Ｌ２については、垂直落下させる距離Ｌ１は、重力と空気抵抗が均衡して一定速度となる上で十分な長距離とする一方で、水平吐出させる距離Ｌ２は、衝突点３までの時間バラツキを小さくして衝突点到達タイミングを安定させることで、困難な微粒子同士の空中衝突確率を高めることができる。具体的には、水平距離Ｌ２は、１〜２ｍｍの範囲とすることが好ましい。
【００１７】
図１の装置においては、反応速度の速い物質Ａ，Ｂの混合を、短時間に微量で均一混合して反応させることが可能であり、しかも、衝突角θが９０°前後で物質Ａ，Ｂ各々の速度ベクトルが異なるため、非常に微細な液滴（混合物）を作製することができる。
【００１８】
（実施例２）
図２は、本発明に係る物質の均一混合装置の他の実施例を示す模式図である。
図２において、圧電制御型の液滴吐出機が２個配置されており、吐出機１と吐出機２はそれぞれ吐出される微小液滴同士の衝突角θが０〜２０°となるように吐出方向が設定されている。なお、この実施例では、吐出機１と吐出機２のそれぞれノズル近傍に、偏向電極６、７が付設されている。
【００１９】
吐出機１、２から、混合すると反応する物質Ａ、Ｂの各液滴に対して互いに逆電荷の正電荷、負電荷に帯電して吐出させる一方、ノズル近傍に設けた偏向電極６、７により各液滴の飛行方向のアライメント（整列度）を容易とすることができる。
【００２０】
このように微小液滴同士の衝突角θを０〜２０°とすると、衝突で得られた混合物と、衝突しなかった未反応液滴Ａ，Ｂとの分離を完全にすることができる。すなわち、混合物（衝突粒子）は１粒子として安定飛行するため、未反応液滴Ａ，Ｂと異なる落下点となり、回収容器９（９ａ、９ｂ、９ｃ）のうち、９ｂにおいて混合物のみを分別回収することができる。
更に、衝突点３の後流側に偏向電極８を配置することで、回収容器９へ向けた未衝突液滴（粒子）Ａ，Ｂの吸引アライメントが可能となり、未衝突粒子と混合物（衝突粒子）との分離をより容易に行うことができる。
【００２１】
（実施例３）
図３は、本発明に係る物質の均一混合装置のさらに他の実施例を示す模式図である。
図３において、圧電制御型の液滴吐出機が２個配置されており、吐出機１と吐出機２はそれぞれ吐出される微小液滴Ａ，Ｂに対して予め逆電荷を帯電させ、かつ、それぞれの微小液滴Ａ，Ｂが平行に吐出される（衝突角θが０°）ように吐出方向が設定されている。
【００２２】
この装置では、微小液滴Ａ，Ｂが飛行中に逆電荷の静電力により引き寄せ合って合体するが、各液滴の飛行方向について比較的軽難易度のアライメントであっても、各液滴の衝突確率を高めることができる。
また、図３に示すように、未衝突液滴（粒子）Ａ，Ｂの回収容器９ａ、９ｃとアースとの間の電流値あるいは電流差をモニタリングすることにより、衝突発生率（逆にいえば、衝突失敗率）を電気的に知ることができる。即ち、帯電した未衝突粒子Ａ，Ｂが多く回収されるほど、アース電流値ｉが増大するので、この電流値ｉをフィードバックすれば、吐出方向のアライメント補正を容易に行うことができる。
さらに、この実施例では、図２と同様に、衝突点３の後流側に偏向電極８を配置しており、未衝突粒子と混合物（衝突粒子）との分離をより容易に行っている。
【００２３】
（実施例４）
図４は、本発明に係る物質の均一混合装置のさらに別の実施例を示す模式図である。
図４において、圧電制御型の液滴吐出機が２個配置されており、吐出機１及び吐出機２はともに、ポリテトラフルオロエチレン（商品名：テフロン）などのような不活性物質２０でコーティングした斜面１７上の所定位置Ｘに微小液滴の吐出方向を設定している。
【００２４】
この装置では、吐出機１から斜面１７上の所定位置Ｘに微小液滴Ａを吐出、付着させた後、吐出機２により当該斜面１７上の所定位置Ｘに微小液滴Ｂを吐出することにより、両液滴を衝突させている。この場合、一方の微小液滴Ａが静止しているため、アライメントが極めて容易となる。
この実施例においては、微小液滴Ａ，Ｂを必要に応じて交互に吐出、混合させた後、混合物重量が増加した時点で混合物１０を重力により落下させ、下流側に配置した回収容器５で受けて回収することにより、衝突点Ｘでの混合・反応量を常に一定量以下に制御することができる。
【００２５】
また、図４に示すように、斜面１７における衝突点Ｘの裏面に第１の制御電極１８を配置し、かつ微小液滴Ａ，Ｂに同極性（この場合、正電荷）の電荷に帯電させて吐出させることにより、斜面１７の傾斜角度を所定に設定することと組み合わせて、混合物１０の重量が所望量に到達した後、落下させ、回収することができる。
すなわち、微小液滴Ａ，Ｂを正電荷に帯電させておき、かつ第１の制御電極１８を負電荷に帯電させておけば、重力に抗して大きな混合物を傾斜面に滞留させることができる。そして、所定の量に達したら、第１の制御電極１８にゼロないし正電荷を付与することで、混合物１８を落下させ、回収することができる。
なお、その際、落下を確実にするために、下流側の斜面１７の裏面に、さらに第２の制御電極１９を配置してもよい。
【００２６】
以上、本発明を実施例に従って説明してきたが、上記いずれの実施例においても、微小液滴の吐出から混合物（通常は反応物）の回収に至る空間の雰囲気を制御することが好ましい。
すなわち、下記のように雰囲気制御を行うことができる。
▲１▼気流による液滴の飛行曲がりと、それによる衝突発生率の低下を防止するために、対流等を抑制した雰囲気、あるいは、必要に応じて、一定の気流に制御した雰囲気とする。
▲２▼混合物、即ち反応生成物の純度や反応性をコントロールするため、窒素等の不活性ガスやＨＥＰＡフィルタ等による無塵雰囲気を保持する。
▲３▼反応速度を制御するために、雰囲気温度を低温に保つ。その場合、必要に応じて、液滴吐出装置は加熱してもよい。
【００２７】
また、本発明においては、液滴を帯電させる方法として、たとえば、ノズルの外に飛行経路に帯電させるための電極を別途配置してもよく、あるいは液滴吐出装置のノズル近傍の流路に金属部材を配置し、該金属部材に電圧を印加してもよい。
【００２８】
なお、本発明においては、液滴の安定吐出が必要であり、仮に、例えば流路の液体の粘度や比重が変動すると、吐出が不安定となり、所望の物質混合を達成できない。そこで、このような場合には、直ちにその変動を察知し、状況に応じて運転を停止する必要がある。
そのための手段として、特開平８−２０１２６５号公報に開示されているように、液体の粘度等の流体特性を、圧電／電歪層に振動を励起する電圧を印加し、その振動に伴う電気的定数の変化を検出する、電源と電気的定数監視手段を用いることにより、監視することが望ましい。
【００２９】
具体例としては、任意の圧電／電歪層に対して、所定の間隔で、吐出駆動用の電源からの電気的接続をリレーで切り離し、同時に、共振周波数を測定する手段をリレーにより接続し、その時点でのインピーダンスあるいは共振周波数を電気的に測定させる。これにより、液体の粘度が装置の安定吐出範囲内にあるか否かを監視し、安定吐出不能となる前に円転を停止し、必要な回復処置を取ることが可能となる。
【００３０】
上記のような構成を採用すれば、液滴吐出装置自体を、監視用センサとして使用できるため、構成が簡単になると同時に、監視機能の信頼性が高まり、また装置自体の故障も早期に検知でき、好ましい。
また、液体の粘度を監視するのみならば、上記のインピーダンスあるいは共振周波数を測定する圧電／電歪層は１個のみでもよいが、装置の故障検知を目的とする場合には、すべての圧電／電歪層を個別に監視するような構成とすることが望ましい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、微量な物質の混合−反応操作を可能とする物質の均一混合方法及び混合装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る物質の均一混合装置の一実施例を示す模式図である。
【図２】本発明に係る物質の均一混合装置の他の実施例を示す模式図である。
【図３】本発明に係る物質の均一混合装置のさらに他の実施例を示す模式図である。
【図４】本発明に係る物質の均一混合装置のさらに別の実施例を示す模式図である。
【図５】圧電制御型の液滴吐出装置の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…吐出機、２…吐出機、３…衝突点、４…混合物、５…回収容器、６，７，８…偏向電極、９…回収容器、１０…混合物、１１…ノズル部、１２…ノズル孔、１３…ノズルプレート、１５…キャビティ、１６…液体流入口、１７…斜面、１８…第１の制御電極、１９…第２の制御電極、２０…不活性物質、２１…ポンプ部、２２…圧電／電歪素子、２３…閉塞プレート、２５…スペーサプレート、２７…基板プレート、２８…窓部、３１…下部電極、３２…圧電／電歪層、３３…上部電極。

Claims

圧電制御型液滴吐出手段を２以上配置し、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士を衝突させることにより均一に混合することを特徴とする物質の均一混合方法。
２つの圧電制御型液滴吐出手段を配置し、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士の衝突角が約９０°である請求項１記載の混合方法。
２つの圧電制御型液滴吐出手段を配置し、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士の衝突角が０〜２０°である請求項１記載の混合方法。
２つの圧電制御型液滴吐出手段を配置し、各液滴吐出手段から微小液滴を平行に吐出させるとともに、それぞれの微小液滴に対して逆電荷を帯電させ、平行飛行中に相互の逆電荷による静電気によって引き合い合体させるようにした請求項１記載の混合方法。
２つの圧電制御型液滴吐出手段を配置するとともに、不活性物質でコーティングされた斜面上に、第一の液滴吐出手段から第一の微小液滴を吐出、付着させた後、第二の液滴吐出手段から第二の微小液滴を吐出し、前記第一の微小液滴に衝突させるようにした請求項１記載の混合方法。
圧電制御型液滴吐出手段を２以上配置するとともに、該液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士を衝突させる衝突手段を設けたことを特徴とする物質の均一混合装置。
圧電制御型液滴吐出手段を２個配置し、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士の衝突角が約９０°となるように各液滴吐出手段の吐出方向を設定した請求項６記載の混合装置。
圧電制御型液滴吐出手段を２個配置し、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士の衝突角が０〜２０°となるように各液滴吐出手段の吐出方向を設定した請求項６記載の混合装置。
圧電制御型液滴吐出手段を２個配置し、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴に対して予め逆電荷を帯電させるとともに、それぞれの微小液滴が平行に吐出されるように各液滴吐出手段の吐出方向を設定した請求項６記載の混合装置。
圧電制御型液滴吐出手段を２個配置するとともに、不活性物質でコーティングされた斜面を設け、該斜面上の所定位置に第一の微小液滴の吐出方向を設定した第一の液滴吐出手段と、前記第一の微小液滴が付着された斜面上の位置に、第二の微小液滴の吐出方向を設定した第二の液滴吐出手段を設けた請求項６記載の混合装置。