JPH0628720B2 - 均一液滴の製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は均一液滴をつくるための装置に関する。さらに
詳しくは、とくに天然高分子物質または合成高分子物質
を含む高粘度溶液を開口部から一定の流速で周期的な乱
れを加えながら噴出させることによって均一な液滴をう
る装置に関する。かかる製造装置によってえられた均一
液滴を固化したばあい、粒径の揃った球状粒子をうるこ
とができる。かくしてえられた球状粒子はイオン交換樹
脂の母材、クロマトグラフィー用充填剤、酵素固定用担
体、アフィニティークロマトグラフィー用担体などに利
用することができる。

［従来の技術］ 近年、一定の流速の噴流に周期的な乱れを加えて均一液
滴をうる技術（以下、振動法という）が見出された。

特開昭52-129686 号公報には、微小な均一ポリマー粒子
をつくるために振動法を応用することが開示されてい
る。特開昭59-112833 号公報にはマイクロカプセルをつ
くるために、また特公昭56-33134号公報には無機化合物
の均一粒子をつくるために振動法を応用することが開示
されている。これらの公報に記載された応用例では開口
部を有するノズル部分全体に振動エネルギーを加えるこ
とによって開口部から出る液体に周期的な流速の乱れが
与えられている。一般に質量M(g)の物体を振動数f(Hz)
振幅2D（cm）で振動させるために必要な力Ｆ(dyn)は次
式で与えられている。

Ｆ＝Ｍ・（２πf）^２・Ｄ たとえばノズルと振動伝達部を加えた質量が1000ｇ、振
動数が10000Hz 、振幅が10μｍであるときにはＦは約２
×10_９dyn である。この振動を電磁コイルで安定して発
生させようとすると、数十KVA という莫大な電力が必要
である。したがって、ノズルを直接振動させることは、
とくに振動数が高いばあいは不経済である。

特開昭61-83202号公報には、重合性モノマーを均一な液
滴にするために振動法を利用することが開示されてい
る。振動はそれ自体が容器の一部を構成している圧電素
子で直接重合性モノマーに加えられるので、前記応用例
のように大きなエネルギーは必要ではない。しかしなが
ら、重合性モノマーのような低粘度液体ではなく、ポリ
マー溶液のような高粘度液体を使用したときには、この
圧電素子に大きな圧力が加わるので、圧電素子が破壊さ
れたり、安定に振動しなくなることが予想される。ま
た、液体を加温したときにも安定に振動しなくなるおそ
れがある。

ダブリュー・イー・イェイツ(W.E.Yates)らはダブリュ
ー・イー・イェイツ(W.E.Yates)およびエヌ・ビー・ア
ケッソン(N.B.Akesson)共著、プロシーディングス・オ
ブ・イクラス(Proc. ICLASS)-1978 (181 〜185 頁およ
び459 〜460 頁、1978年)に開示されているように振動
発生源に磁歪素子を利用した均一液滴の製造装置を開発
した。この製造装置では、振動伝達部はシリンダーとの
あいだにおいて液体をシールするという役割りも兼ね、
固定台のなかでポッティング剤で埋めこまれており、そ
の先端に振動棒が固定されている。当業者にはよく知ら
れているように、振動伝達部は磁歪素子で発生した振動
と共振し、かつその微小振幅を増幅する機能を併せもつ
ように精密に設計されている。また振動棒も磁歪素子の
振動と共振し、かつその先端でもっとも大きな振幅がえ
られるように精密に設計されている。したがって、振動
伝達部が加熱されたり、振動伝達部や振動棒に外力が加
えられると磁歪素子と共振しなくなり、一定の振動が発
生しなくなる。ダブリュー・イー・イェイツ(W.E.Yate
s)らの装置では振動伝達部を一定の温度に保ったり、外
力を振動棒の先端部分のみに制限することができない。
したがって、ダブリュー・イー・イェイツらの装置で
は、高温の液体や高圧力の液体を均一に液滴化すること
はできないと考えられる。

振動法によって均一な液滴をつくるための種々の条件が
ティー・サカイ(T.Sakai)によってティー・サカイ、プ
ロシーディングス・オブ・イクラス−1982，37〜45頁、
1982年（T.Sakai,Proc.ICLASS-1982，P37 〜45，1982）
に開示されているように、詳しく調べられている。そし
て均一な液滴が安定に生成しているときには、液体の粘
度と表面張力、開口部から押し出される液体の噴流の流
速、開口部の口径および周期的な乱れの振動数と変位を
含むパラメーターが特定の範囲（以下、この範囲を同調
している状態という）にあることが見出された。一般的
な傾向として液体の粘度が高く、開口部の口径が小さく
なるほど同調する噴流の流速および振動数は大きくな
る。すなわち、高分子物質を含む液体からの粒径の小さ
い液滴をつくるためには、開口部の口径を小さくし、そ
して噴流の流速と振動数を大きくしなければならない。
同時にこのような液体は高温かつ高圧であるばあいが多
い。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のように従来の製造装置では、高粘度液体から粒径
の小さい均一な液滴をうることは困難であり、さらにこ
の液体が高温かつ高圧であれば、このような液体を従来
の装置で均一な液滴にすることは一層困難となる。

本発明の目的は、高粘度のみならず、高温かつ高圧の液
体であっても均一な液滴にすることができる製造装置を
提供することである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、液体の供給内と該液体の出口である開口部を
有するシリンダー内に振動発生源と連結された振動棒が
上下方向に1000〜40000 Hzの振動数で振動するように挿
入され、該シリンダーと振動棒がＯリングでシールされ
てなる均一液滴の製造装置に関する。

［実施例］ つぎに本発明の均一液滴の製造装置を図面を用いて詳し
く説明する。

第１図は本発明の均一液滴の製造装置の一実施態様を示
す断面図である。

第１図において、シリンダー(2)は固定台(1)に固定さ
れ、さらにかかる固定を強固なものとするために、該シ
リンダー(2)および固定台(1)はシリンダー固定用ナット
(4)で締付けられている。該シリンダー(2)には、液体の
供給口(9)および開口部(12)が設けられ、さらに振動棒
(6)との摺動部にはＯリング(7)が設けられ、該シリンダ
ー(2)と該振動棒(6)とがシールされる。

前記振動棒(6)の上部には、振動棒(6)を上下に微小振動
させる振動発生源（図示されず）からの振動を振動棒
(6)に伝えるために振動伝達部(5)が設けられている。

前記振動発生源として磁歪素子や電歪素子を用いるばあ
いには、これらの素子と振動伝達部(15)および振動棒
(6)はひとつの共振体を形成するように構成される。振
動発生源として電磁コイルが用いられるばあいには、振
動棒(6)は直接振動発生源の可動部に接続される。この
ばあい、振動棒(6)の自重を小さくするために該振動棒
(6)のシリンダー(2)との摺動部以外の部分を細くし、該
振動棒(6)の先端部(16)のみを第１図に示されるように
大きくすることが望ましい。第１図は振動発生源として
磁歪素子を使用したばあいであるが、該磁歪素子はとく
に高い振動数の振動、たとえば超音波振動（振動数：約
2000〜4000Hz）を発生させることができるので好まし
い。本発明の製造装置を用い、前記のような高い振動数
を与えたときに、とくに均一な液滴がえられるので好ま
しい。

前記振動数は1000〜40000Hz 、なかんづく3000〜40000H
z であるのが好ましい。該振動数は1000Hz未満であるば
あい、均一な液滴をうるのが困難となり、また40000Hz
をこえるばあいは、形成された液滴間の距離が小さくな
り、液滴同士の衝突による合体頻度が大きくなるために
均一な液滴をうることが困難になる。

前記振動棒(6)は、当業者にはよく知られている該振動
棒(6)のノードと呼ばれる変位が零になる部分で前記し
たようにＯリング(7)でシリンダー(2)とシールされ、該
Ｏリング(7)によって摺動による摩擦はほとんど無視す
ることができる。ノズル(5)と振動棒(6)の先端部(16)と
のあいだの距離は、シリンダー(2)のネジ(11)とシリン
ダー固定用ナット(4)によって任意に調整される。

振動棒(6)の先端部(16)とノズル(5)面までの距離は２〜
20mm、なかんづく５〜15mmであるのが好ましい。該距離
は２mm未満であるばあい、振動数を超音波領域まで大き
くするとキャビテーションが生じ、振動棒(6)の先端や
ノズル(5)の内面が腐食されるおそれがある。また20mm
をこえると振動棒(6)によって与えられた乱れがノズル
(5)の内面に至るまでに減衰し、開口部(12)から出る液
体には伝わらず、均一な液滴がされにくくなる。

ノズル(5)はノズル固定用ナット(3)によってシリンダー
(2)に固定される。ノズル(5)とシリンダー(2)との間に
はＯリング(8)でシールされる。

前記開口部(12)は１または２以上の直径 500μｍ以下、
なかんづく10〜 250μｍ、とくに20〜100μｍの円形孔
であるのが好ましい。

前記開口部(12)の直径が 500μｍをこえるばあい、粒径
が1000μｍ以下の均一な液滴がえられなくなることがあ
る。また、前記開口部(12)の形状としては、たとえば円
形、スリット形、矩形、多重管状形などがあげられる
が、とくにこれらのなかでも円形であるばあい、多くの
用途に使用しうる球状の液滴がえられるので好ましい。

また必要ならばヒーター(13)でシリンダー(2)内の液体
を加熱することができるようにしてもよい。温度センサ
ー(14)は液体を加熱したときの加熱温度を管理するため
に用いてもよい。とくに液体を高温に保つ必要がある場
合には、振動伝達部(15)を冷却して共振状態を保持しな
ければならない。冷却水出入口(10)はそのために使用さ
れる。

本発明の製造装置には、低粘度の液体はもちろんのこ
と、高粘度液体も微小な均一液滴にすることができる
が、該液体の好ましい粘度範囲は10〜2000cP、さらに好
ましくは50〜2000cPである。かかる粘度範囲内にある液
体が使用されるのは、該液体の粘度が10cP未満であるば
あい、本発明の製造装置でえられた均一な液滴をさらに
固化して粒子としたときに、一般に充分な機械的強度を
有さないばあいが多く、実用上の価値が乏しくなり、ま
た2000cpをこえると粘度が大きすぎて均一な液滴が形成
される同調条件がえられなくなるからである。

なお、本発明においてヒーター(13)でシリンダー(2)内
の液体を加熱するばあいには、振動伝達部(15)および振
動棒(6)と振動伝達部(15)との連結部から振動棒(6)がＯ
リング(7)と接する部分までを、たとえば冷却水を流す
などして冷却するのが好ましい。

つぎに、本発明の製造装置を用いて高粘度液体や高温、
高圧の高粘度流体を微小な液滴にする方法について説明
する。

ギヤーポンプなどによって一定流量で送られる液体を、
液体入口(9)からシリンダー(2)内に注入し、振動棒(6)
から周期的な圧力変化を該液体に与えながら、開口部(1
2)から噴出させる。

前記のように液体の粘度が高く、開口部(12)の口径が小
さくなるにしたがって同調する噴流の流速と振動数は大
きくなる。したがって液体に加わる圧力も大きくなる。
本発明の製造装置は、その構造から容易に理解すること
ができるように、数十気圧以上の耐圧を有する。また液
体の粘度が高くなると同調する乱れの大きさ、すなわち
振動棒(6)によって開口部(12)の液体に与えられる圧力
変化の大きさも大きくなる。この大きさはノズル(5)と
振動棒(6)の先端部(16)との間の距離を小さくすること
によって調整することができる。しかしながら、粘度が
およそ2000cPをこえると口径が 100μｍ以下の開口部を
使用するばあいには大きな圧力変化を加えても均一な液
滴がえられなくなる。このような液体を用いたばあいで
あってもヒーター(13)で加熱し、粘度を下げることがで
きれば均一な液滴にすることができる。

高分子物質を含む溶液から均一液滴を形成させ、それを
ゲル化剤に接触させて固化することによってつくられた
粒子が前記の用途に使用しうる程度の機械的強度をもつ
ためには、もとの溶液中の高分子物質の濃度は少なくと
も約５重量％必要である。このような溶液は、温度にも
もちろんよるが少なくとも10cP程度の粘度を有する。し
たがって本発明の製造装置においては10〜2000cP、好ま
しくは50〜2000cPの粘度を有する液体がおもに使用され
る。

このような高粘度の液体でも、液滴径がおよそ1000μｍ
以上であれば、開口部を直接振動させる従来の製造装置
によって均一な液滴にすることができる。しかしなが
ら、液滴径が 250μｍ以下になると同調する振動数はお
よそ3000Hz以上になり、前記したように開口部を直接振
動させるためには高エネルギーが必要になるので、本発
明の製造装置のように液体にみだれを加えるほうが経済
的である。

液滴の粒径が均一であるかどうかは常法によって確認す
ることができる。すなわち、ストロボスコープの点滅周
期を液滴の発生周期に同調させながら拡大鏡で観察する
か、あるいはストロボ撮影することによって、均一液滴
が形成されているばあいには、粒径の揃った液滴が等間
隔で並んでいる状態が確認される。

つぎに本発明の均一液滴の製造装置を実施例に基づいて
さらに詳細に説明するが、本発明はかかる実施例のみに
限定されるものではない。

実施例１ 酢酸セルロース（酸化度61.5％）をその濃度が７重量％
となるようにN-メチル -2-ピロリドンに溶解した。この
溶液の粘度は64℃で350cP であった。またこの溶剤の25
℃における表面張力は41dyn ／cmであった。

この溶液を第１図の装置を使用して直径50μｍの円形孔
である開口部(12)から流速2500cm／sec で空気中に噴出
させた。ここで、振動棒(6)の先端からノズル(5)までの
距離を15mmとし、ポリマー溶液の温度を64℃に保ち、磁
歪素子（図示せず）と振動伝達部(15)を経て連結した振
動棒(6)の振動数を25KHz とし、その先端部(16)の振幅
をおよそ５μｍにして均一な液滴ができるように、各条
件を同調させた。このときシリンダー(2)内の圧力は、1
5.9kg／cm²で安定して均一な液滴が形成された。

実際に均一な液滴が形成されているかどうかは、ノズル
から約５cm下方の液滴をストロボスコープ（（株）菅原
研究所製、MSX-1A型）を点滅させて接写撮影することに
よって確認した。第２図はその写真であるが、均一な直
径（約 155μｍ）を有する液滴(17)が等間隔で並んでい
ることが観察された。

実施例２ 酢酸セルロース（酸化度55％）をその濃度が16重量％と
なるようにジメチルスルフォキシドに溶解した。この溶
液の粘度は 130℃で380cP であった。またこの溶剤の25
℃における表面張力は43dyn/cmであった。

この溶液を第１図の装置を使用して直径50μｍの円形の
開口部(12)から、流速2800cm／sec で空気中に噴出させ
た。ここで、振動棒(6)の先端からノズル(5)までの距離
は５mmとし、ポリマー溶液の温度は 130℃に保ち、振動
棒(6)の振動数は25KHz とし、その先端部(16)の振幅
は、およそ５μｍにした。このとき、シリンダー(2)内
のポリマー溶液の圧力は16.2kg／cm²であった。これら
の条件下で均一な液滴（粒径：約 115μｍ）が安定して
えられた。

実施例３ ポリスチレンをその濃度が７重量％となるようにN-メチ
ル -2-ピロリドンに溶解した。この溶液の粘度は90℃で
250cP であった。

この溶液を第１図の装置を使用して、直径35μｍの円形
の開口部(12)から流速2000cm／sec で空気中に噴出させ
た。ここで、振動棒(6)の先端からノズル(5)までの距離
を15mmとし、ポリマー溶液の温度を９０℃に保ち、振動
棒(6)の振動数を25KHz とし、その先端部(16)の振幅を
およそ５μｍにした。このとき、シリンダー(2)内のポ
リマー溶液の圧力は、29kg／cm²で、安定して均一な液
滴（粒径：約 115μｍ）がえられた。

上記の結果からわかるように本発明の製造装置を用いた
ばあい、従来の製造装置では不可能であった、高粘度の
液体さらには高温、高圧かつ高粘度の液体から微小な均
一液滴をつくることができることがわかる。

［発明の効果］ 本発明の均一液滴の製造装置によれば、高粘度のみなら
ず、高温かつ高圧の液体であっても均一な液滴をうるこ
とができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例で用いた均一液滴の製造装置の
概略断面図、第２図は本発明の実施例１でえられた均一
液滴の接写撮影写真のスケッチ図である。 （図面の主要符号） (2)：シリンダー (6)：振動棒 (7)：Ｏリング (9)：供給口 (12)：開口部 (15)：振動伝達部 (17)：均一液滴

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体の供給口と該液体の出口である開口部
   を有するシリンダー内に振動発生源と連結された振動棒
   が上下方向に1000〜40000 Hzの振動数で振動するように
   挿入され、該シリンダーと振動棒とがＯリングでシール
   されてなる均一液滴の製造装置。
2. 【請求項２】振動発生源が磁歪素子である特許請求の範
   囲第１項記載の製造装置。
3. 【請求項３】振動発生源が電歪素子である特許請求の範
   囲第１項記載の製造装置。
4. 【請求項４】振動発生源が電磁コイル式振動子である特
   許請求の範囲第１項記載の製造装置。
5. 【請求項５】シリンダーを加熱する手段を有する特許請
   求の範囲第１項記載の製造装置。
6. 【請求項６】振動伝達部および振動棒と振動伝達部との
   連結部から振動棒がＯリングと接する部分までを冷却す
   る手段を有する特許請求の範囲第１項または第２項記載
   の製造装置。
7. 【請求項７】液体の粘度が10〜2000cPである特許請求の
   範囲第１項記載の製造装置。
8. 【請求項８】シリンダーが１または２以上の直径500 μ
   ｍ以下の円形の開口部を有するものである特許請求の範
   囲第１項記載の製造装置。
9. 【請求項９】振動棒の振動数が3000〜40000 Hzである特
   許請求の範囲第１項記載の製造装置。