JP5176103B2 - 混合流発生装置および混合流の発生方法 - Google Patents
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Description
C 磁界発生手段
C1〜C3 コイル
FA,FB,FAB 液体
H 貫通孔
L0 パイプPの中心軸
P パイプ
P1 パイプ上流部
P2 パイプ中流部
P3 パイプ下流部
P4 液体送出口OUT1の下流側に接続された流路
R ロータ
IN1,IN2 液体導入口
OUT1 液体送出口
パイプPは、図1に示すように、液体導入口IN1,IN2を有するパイプ上流部P1と、液体導入口IN1,IN2から導入された液体FA,FBの流れを調整するためのパイプ中流部P2と、液体送出口OUT1を有するパイプ下流部P3と、がそれぞれ別個に成形されたものとなっている。パイプ上流部P1とパイプ下流部P3は、大径開口部と小径開口部とを両端に有する漏斗状のものとなっており、パイプ中流部P2は、径の等しい開口部を両端に有する円筒状のものとなっている。パイプ上流部P1とパイプ下流部P3の大径開口部は、パイプ中流部P2の両端に設けられた各開口部と略同一の寸法となっており、それぞれがパイプ中流部P2の各開口部に接続されている。
パイプ上流部P1には、液体FA,FBを導入するための液体導入口IN1,IN2が設けられている。液体導入口IN1,IN2は、合計2箇所以上に設けられていればよく、その配置も特に限定されないが、本実施態様の混合流発生装置においては、図1に示すように、液体導入口IN1から導入された液体FAと液体導入口IN2から導入された液体FBとがパイプ上流部P1の内部で垂直に交わるように、液体導入口IN1をパイプ上流部P1の小径開口部に設けて、液体導入口IN2をパイプ上流部P1の側周部に設けている。パイプ上流部P1における液体導入口IN1近傍の内周面は、液体FAを円滑に案内できるように、テーパ状に形成されている。液体導入口IN1,IN2は、互いに垂直でなく傾けて配置してもよい。
パイプ中流部P2(パイプP)の内半径r1は、ロータRの外半径r2や、液体FA,FBの流量などによって異なり、特に限定されないが、パイプ中流部P2の混合流を層流支配とするために、通常、内半径r1と外半径r2との差が2mm以下となるように設定することが好ましい。内半径r1と外半径r2との差は、1.5mm以下であるとより好ましく、1mm以下であるとさらに好ましい。本実施態様の混合流発生装置においては、内半径r1が4mm、外半径r2が3mmで内半径r1と外半径r2との差が1mmとなるように設定されている。パイプ中流部P2の長さは、ロータRの長さなどによっても異なり、特に限定されないが、本実施態様のパイプPにおいては26mmとなっている。パイプPの厚さは1mmとなっている。
パイプ下流部P3には、液体FA,FBが混合された液体FABを送出するための液体送出口OUT1が設けられている。液体送出口OUT1は、1箇所以上に設けられていればよく、その配置も特に限定されないが、本実施態様の混合流発生装置においては、図1に示すように、パイプPの内周面とロータRの外周面との隙間を環状に流れる液体FA,FBを真直ぐパイプPの外部へ送出できるように、液体送出口OUT1をパイプ下流部P3の小径開口部に設けている。パイプ下流部P3における液体送出口OUT1近傍の内周面は、液体FA,FBを円滑に案内できるように、テーパ状に形成されている。
磁界発生手段Cは、図3に示すように、パイプ中流部P2の外周部に配されており、パイプ中流部P2の中心軸L0を中心とした回転磁界を発生するためのものとなっている。本実施態様の混合流発生装置においては、磁界発生手段Cとして、パイプPの中心軸L0を中心として120°の回転対称に配された3本のコイルC1〜C3を用いている。各コイルC1〜C3の中心軸L1〜L3は、パイプ中流部P2の中心軸L0に対して垂直となっている。この磁界発生手段Cは、位相が120°ずつ遅れた正弦波状の三相交流電流がコイルC1〜C3に流されると、パイプPの中心軸L0を中心として一定の回転速度で一定の強さを維持しながら回転する回転磁界を発生するものとなっている。前記回転磁界の回転速度は、交流電流I1〜I3の周波数を変えることによって容易に調節することができ、前記回転磁界の強さは、交流電流I1〜I3の大きさを変えることによって容易に調節することができる。
ロータRは、円柱状のものとなっている。ロータRの下流側の端部は、先細りに形成されており、後述するピボット軸受Bに支持されるようになっている。また、ロータRの上流側の端部も、先細りに形成されており、液体導入口IN1から導入された液体FAの流れが乱されないようになっている。本実施態様のロータRにおいて、ロータRの上流側の端部と下流側の端部を形成するテーパ面は、いずれもその母線がロータRの中心軸に対して30°の角度をなすように形成されている。ロータRの長さは、特に限定されないが、本実施態様のロータRにおいては、上流側の端部から下流側の端部までの長さが約40mmとなっている。
ピボット軸受Bは、ロータRの先細りに形成された下流側の端部(ピボット)を支持するためのものとなっている。本実施態様のピボット軸受Bは、図1と図4に示すように、円盤状のものとなっており、その片面の中心にピボット穴を設けている。本実施態様のピボット軸受において、ピボット穴は、その開口径が0.5mmで深さが約0.4mmとなっており、その内壁面はテーパ状に形成されている。ピボット穴の内壁面を形成するテーパ面は、その母線がピボット軸受Bの中心軸に対して32.5°の角度をなすように形成されており、ロータRの下流側の端部を略1点で支持するものとなっている。
次に、本発明の混合流発生装置を用いて行うのに好適な混合流の発生方法について説明する。本発明の混合流の発生方法は、交互流や螺旋流などの混合流を発生させるためのものとして好適である。この場合には、液体導入口IN1,IN2に供給する液体FA,FBとして、互いに相溶しない液体を選択すると好ましい。これにより、液体FAと液体FBとの間に形成される界面の状況を容易に調整することができるようになるためである。以下においては、特に好適な例である交互流を発生させる場合を例に挙げて説明する。
次に、本発明の混合流発生装置の動作を確認するために、下記初期条件で実験を行った。
液体FA:水道水(青色に着色),流量50mL/分
液体FB:シリコーンオイル,粘度10cst,流量50mL/分
ロータRの回転速度:300rpm
本発明の混合流発生装置は、様々な用途に用いることができるが、化学反応や抽出を行わせるための混合流を発生させるためのものとして好適に用いることができる。中でも、層流支配下において、交互流や螺旋流などの混合流を発生させるためのものとして好適であり、特に、交互流を発生させるためのものとして好適なものである。また、小型化が容易であることから、マイクロリアクタとして実用化することもできる。中でも、化学薬品のスクリーニングのための合成反応試験に用いられるマイクロリアクタや、新しい化学プロセスの開発研究などに用いられるマイクロリアクタとしての実用化が期待される。また、一部のファインケミカルの分野で研究開発が進められている、製品を工業的に製造するためのマイクロリアクタとしての実用化も期待される。
Claims (15)
- 2種以上の液体を混合して混合流を発生させるための混合流発生装置であって、
[1]上流側に複数の液体導入口を有し、下流側に液体送出口を有するパイプPと、
[2]パイプPの外周部に配されて、パイプPの中心軸L0を中心とした回転磁界を発生する磁界発生手段Cと、
[3]パイプPの内部に収容されて、下流側の端部が先細りに形成され、前記回転磁界の発生によって中心軸L0を中心に回転する円柱状のロータRと、
[4]液体導入口と液体送出口との間に配されて、ロータRの下流側の端部を支持するピボット軸受Bと、
を備え、
液体導入口からパイプPの内部に導入された液体を通すための貫通孔がピボット軸受Bに設けられた混合流発生装置。 - 複数の液体導入口のうち少なくとも1つの液体導入口がパイプPの上流側の端部に設けられ、残りの液体導入口のうち少なくとも1つの液体導入口がパイプPの側周部に設けられ、液体送出口がパイプPの下流側の端部に設けられてなる請求項1記載の混合流発生装置。
- 2種以上の液体を混合して混合流を発生させるための混合流発生装置であって、
[1]上流側に複数の液体導入口を有し、下流側に液体送出口を有するパイプPと、
[2]パイプPの外周部に配されて、パイプPの中心軸L0を中心とした回転磁界を発生する磁界発生手段Cと、
[3]パイプPの内部に収容されて、下流側の端部が先細りに形成され、前記回転磁界の発生によって中心軸L0を中心に回転する円柱状のロータRと、
[4]液体導入口と液体送出口との間に配されて、ロータRの下流側の端部を支持するピボット軸受Bと、
を備え、
複数の液体導入口のうち少なくとも1つの液体導入口がパイプPの上流側の端部に設けられ、残りの液体導入口のうち少なくとも1つの液体導入口がパイプPの側周部に設けられ、液体送出口がパイプPの下流側の端部に設けられ、パイプPの側周部に設けられた液体導入口が、パイプPの中心軸L 0 と平行な方向に細長いスリット状に形成されるとともに、短手方向に沿った幅がパイプPの内半径r 1 とロータRの外半径r 2 との差δr以下に設定されてなる混合流発生装置。 - 磁界発生手段Cが中心軸L0を中心として回転対称に配された複数のコイルからなる請求項1〜3いずれか記載の混合流発生装置。
- ロータRが磁化されてなる請求項1〜4いずれか記載の混合流発生装置。
- パイプPの中心軸L0が鉛直方向に配されてなる請求項1〜5いずれか記載の混合流発生装置。
- パイプPの内半径r1とロータRの外半径r2との差が2mm以下である請求項1〜6いずれか記載の混合流発生装置。
- 液体送出口の下流側に断面積が10mm2以下の流路が接続されてなる請求項1〜7いずれか記載の混合流発生装置。
- 請求項1〜8いずれか記載の混合流発生装置を用いて混合流を発生させる混合流の発生方法。
- 複数の液体導入口から互いに相溶しない液体を導入する請求項9記載の混合流の発生方法。
- パイプPの内周面とローラRの外周面との隙間で各液体間の界面が螺旋状に現われる螺旋流を発生させ、該螺旋流を各液体間の界面が流れ方向に繰り返し現われる交互流に変換して液体送出口の下流側に接続された流路に流す請求項10記載の混合流の発生方法。
- 請求項11記載の混合流の発生方法によって交互流を発生させ、液体送出口の下流側に接続された流路で化学反応を進行させる化学反応方法。
- 請求項11記載の混合流の発生方法によって交互流を発生させ、液体送出口の下流側に接続された流路で抽出を進行させる抽出方法。
- 2種以上の液体を混合して混合流を発生させるための混合流発生装置を用いる抽出方法であって、
[1]上流側に複数の液体導入口を有し、下流側に液体送出口を有するパイプPと、
[2]パイプPの外周部に配されて、パイプPの中心軸L0を中心とした回転磁界を発生する磁界発生手段Cと、
[3]パイプPの内部に収容されて、下流側の端部が先細りに形成され、前記回転磁界の発生によって中心軸L0を中心に回転する円柱状のロータRと、
[4]液体導入口と液体送出口との間に配されて、ロータRの下流側の端部を支持するピボット軸受Bと、
を備えてなる混合流発生装置を用いて、複数の液体導入口から互いに相溶しない液体を導入し、パイプPの内周面とローラRの外周面との隙間で各液体間の界面が螺旋状に現われる螺旋流を発生させ、該螺旋流を液体送出口の下流側に接続された流路に流し、該流路で抽出を進行させる抽出方法。 - 2種以上の液体を混合して混合流を発生させるための混合流発生装置を用いる抽出方法であって、
[1]上流側に複数の液体導入口を有し、下流側に液体送出口を有するパイプPと、
[2]パイプPの外周部に配されて、パイプPの中心軸L0を中心とした回転磁界を発生する磁界発生手段Cと、
[3]パイプPの内部に収容されて、下流側の端部が先細りに形成され、前記回転磁界の発生によって中心軸L0を中心に回転する円柱状のロータRと、
[4]液体導入口と液体送出口との間に配されて、ロータRの下流側の端部を支持するピボット軸受Bと、
を備えてなる混合流発生装置を用いて、複数の液体導入口から互いに相溶しない液体を導入し、パイプPの内周面とローラRの外周面との隙間で各液体間の界面が螺旋状に現われる螺旋流を発生させ、該螺旋流を各液体間の界面が流れ方向に繰り返し現われる交互流に変換して液体送出口の下流側に接続された流路に流し、該流路で抽出を進行させる抽出方法。
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