JPS59136127A - 液滴生成法およびそれに用いる装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液滴径のそろった液滴群を生成する方法および
それに用いる装置に関する。

粒径のそろった液滴群をうる方法として、オリアイス孔
から生成する層流液体噴流に規則的な圧力パルスを与え
、該噴流を規則正しく等体積の液ＫＡ群に分断する方法
が知られている。

この方法は、Ｔｏ＋ｎｏｔｉｋａ（Ｐｒｏａ、　Ｒａｙ
、　Ｓｏｃ、、　Ａｌ５０　、３２２（１９３５））の
液体柱の安定性に関する研究により原理的に知られてい
る。その機構は、液体柱の表面に加えられた微小な乱れ
が時間とともに成長し、その振幅が液体柱の半径に等し
くなり液体柱が分断され、乱れの波長に応じ液滴が生成
されるというものである。したがって、液体柱状噴流の
表面に周期的に微小な乱れを加えてやれば粒径のそろっ
た液滴を生成させることが可能になる。

前記のオリアイス孔から生成する層流液体噴流に規則的
な圧力パルスを与える方法は、圧力パルスにより層流液
体噴流表面に微小な乱れを発生させようというものであ
る。

この分野の研究は、現在も数多くの研究者により行なわ
れているが、液ン１頂径の均一な液滴群をうる方法とし
ては未だ１聚的に完成したものとはいい難い。現在のと
ころ、既往の定性的な研究より、この方法で粒径のそろ
った液滴を生成するためには液滴にすべき液体の物性、
液滴を生成させる雰囲気の物性、オリフィス孔径、噴流
速度によって決まる適当な振動数を選べばよいことがわ
かっている。しかし、どの程度の強さの振幅を与えれば
よいかということについては不明確であり、従来、振動
発生機構の消、費電力が振幅の代わりに用いられてきた
。

たとえば、米国のＨａａａはＡＩ（Ｍ　Ｊｏｔｕ”ｎａ
ｘ、　ｖｏｌ　２１゜３８３（１９７５）で値上の方法
に基づき、バイブレータ−の往復振動で、１個のオリア
イス孔と１個の液体導入口よりなる液体容器に取り付け
たピストンを動かして圧力パルスを発生させ、粒径のそ
ろった液滴群を生成する装置を開示している。そのばあ
い、与える振動の強さはバイブレータ−に加える電力で
設定されている。

また米国のＹａｔｅｓらはＰｒｏｃｅｅｄｉｑｓ　ｏｆ
工０ＬＡＳ’７８゜１８１（１９７８）で同じく値上の
方法に基づき、ＩＥ電セラミックの体積変化で１２１個
のオリフィス孔と２個の液体導入口よりなる液体容器に
圧カバルスを発生させ、粒径のそろった液滴群を生成す
る装置を開示している。このばあい、与える振動の強さ
は圧電セラミックに加える電力で設定されている。

しかし、圧力パルスの振幅を振動発生機構（バイブレー
タ−１圧電セラミツクなど）の消費電力で代用すること
は、 （１）振動発生機ｔｎには特性があり、消費電力と発生
する圧カバルスの関係は、振動発生機構により異なる （２）一般に装置は種々の固有振動数をもっており、同
じ振動発生機を用いた装置でも、消費電力と発生する圧
カバルスの関係は振動数により変わる といったことがら普偏性に欠け、粒径のそろっだ液滴を
生成できる電力の範囲は個々の液滴生成装置によって異
なり、そのつどその範囲を測定しなければならないとい
う欠点があった。

本発明者らはこの方法に基づく液滴生成装置を試作し、
粒径のそろった液滴を生成できる条件を検削し、数種類
の系で粒径のそろった液滴を生成することのできるオリ
フィス孔径、噴流速度、振動数および振動発生１ｊ！４
構の消費電力の範囲を求めた。ここでいつ液滴径のそろ
った液滴を生成できる条件とは、ストロボスコープを用
い液滴生成現象を加えた圧力パルスの振動数で同期させ
ることができたばあいの条件を意味する。同期しないば
あいでは、生成液適の液滴径が不ぞろいであることは、
たとえばＨａａａ（ＡＩＯルＪ、ｖｏ：ｉ　２１．６８
５（１９７５））の文献にも述べられているとおりであ
る。

実験の結果、液滴径のそろった液滴を生成できる条件の
範囲は系によってはかなり狭い範囲のものもあり、また
液滴径のそろった液滴を生成するために必要とされる消
費電力は装置の形状や振動発生機構の種類によって異な
り、液滴径のそろった液滴を生成するための制御因子と
して不適当であることが確認された。

本発明者らはさらに鋭意研究を重ねた結果、装置形状お
よび振動発生機構が墨なっても振動数が同じばあい圧力
パルスの振幅と液滴径のそろった液滴を生成しうる条件
が普偏的な関係にあることを見出し、本発明を完成する
に至った。

すなわち本発明は、オリアイス孔から流出する層流液体
噴流に振動発生機構を用いて規則的な圧力パルスを与え
る際、噴流速度と流出されるべき液体の圧力パルスとを
検出し、噴流速度の変化に応じて圧力パルスの振動数お
よび（または）振幅を調整するべく振動発生機構を制御
することを特徴とする液滴径のそろった液滴の生成法に
関する。

液滴径のそる“つた液滴を生成できる圧力パルスの振動
数とｔ％　ｌ’？ｉ１　条件は、流出されるべき液体の
物性、該液体が噴出される雰囲気の物性、オリフィス孔
径および噴流速度によって決まる。

それらのうち噴流速度以外は対象とする液体や周囲の環
境、装置の構成によって決定されるものであって容易に
調整できるものではない。本発明は前記のごとく、噴流
速度と圧力パルスの振動数および振幅との本発明者らに
よって初めて見出された普偏的な関係を利用し、噴流速
度に応じて振動発生機構を制御して圧力パルスの振動数
と振幅とを液滴径のそろった液滴を生成しうる範囲内に
調整するものである。

したがって、一旦具体的な流出されるべき液体の物性、
該液体が噴出される雰囲気の物性、オリフィス孔径およ
び噴流速度と圧力パルスの振動数および振幅との関係を
測定すれば、振動発生機構が異なっても噴流速度に応じ
て振動発生機構を制御し、液滴径のそろった液滴を生成
せしめることができる。

本発明の方法は、液滴径のそろった液滴を生成できる圧
力パルス条件が狭く振動発生機構を厳密に操作して所望
の圧力パルスを発生させなければならないはあいにその
効果をとくに発揮することができる。臣カパルス条件が
狭いケースとしては、たとえば圧力パルスり振動数が小
さいばあい、たとえば６０〜３０００ＺＩｚのばあいや
、液中で液滴の生成を行なうばあいがあげられる。

本発明の方法はたとえば抽出装器の液滴生成部や重合体
粒子、核燃料などの粒径のそろった粒子の製造が要求さ
れるプロセスに利用することができるが、それらの分野
のみに限られず、液滴径のそろった液滴が要求される技
術分野に広く利用できる。

本発明の方法を実施するのに用いる装置としては、オリ
フィス孔と流出されるべき液体の導入口とをそれぞれ少
なくとも１個有する液体容器に該液体容器内部の流出さ
れるべき液体に圧力パルスを生ぜしめる振動発生機構と
流出されるべき液体の圧力パルスの検出器とが設けられ
てなる液滴発生部と、該液滴発生部に供給される液体の
流量検出部と、前記振動発生機構の制御部とから構成さ
れており、該制御部が流出されるべき液体を前記液体容
器に供給される流量の検出値から算出されたオリフィス
孔からの噴流速度に応じて圧力パルスの振動数および（
または）ｔＡ幅を調整するように設定されてなるものが
好ましい。

圧力パルスの検出器の検出部には高い精度が要求される
ので、検出部に圧電型圧力変換器を用いるのが好ましい
。

つぎに本発明の装置の実雁態様を図に基づいて説明する
が、本発明はかかる実ｆａ　ＴＬｎ梯のみに限られるも
のではない。

第１図に示す実施態様において、液１ｉｉ’：ｌにされ
るべき液体は流Ｍ泪（１）を経て液体容器（２）に入り
、オリフィス板（３）のオリフィス孔（４）より噴出さ
れ液筒（５）となる。振動発生機ＩＶＵは発信器（６）
と振動発生機（７）とダイヤフラム（８）から構成され
ており、圧力パルスは発信器（６）によりドライブされ
る振動発生機（７）の振動を液体容器（２）に設けられ
ているダイヤフラム（８）に伝えることにより生ずる。

液体容器（２）には圧電型圧力変換器（９）が設けられ
ており、液体容器（２）内の圧力パルスを検出する。

発信器（６）をコントロールするための制御部（１０）
には流量計（１）からの流量情報と圧力変換器（９）か
らの圧力パルスの振動数および振幅の情報が入力される
。制御部αＯ）は、添置情報に基づきオリフィスからの
液体の噴流速度を算出し、えられた噴流速度に応じて圧
力パルスをあらかじめ設定された条件の範囲内に調整す
るべく発信器（６）に制御信号な出力する。この制御部
００）に用いる回路は通常のものでよい。また液体容器
（２）内の圧力パルスが前記設定条件内にあるかどうか
を■力変換器（９）からの信号により比較し、もしズレ
があるときは再度調整を行なう。

第２図に本発明の装置の別の実施態様の（）ヒε略図を
示す。この実施態様では振動発生機構が発信器（１１）
と圧電セラミック（ロ）とから構成されている。

つぎに本発明を実施例および比較例をあげて説明するが
、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 振動発生機として動電形振励発生機を使用し、第１図に
示す装置を用いて水中に液滴径のそろつたトルエン滴群
を生成させた。オリアイス板として直径０　、４ｍｍの
孔を１個有するものを用いた。またダイヤプラムとして
ス、テンレス製の断面形状が波形の厚さ０．１ｍｍのも
ので、直径が６ｏｍと５．５ｃｍの２種類のものを用い
た。

圧力パルスの振動数を２００Ｈｚに設定し、液体の噴流
速度を変化させたときの液滴径（１，０〜１．１ｍｍ）
がそろった液滴を生成できる圧力パルスを生ぜしめうる
圧電型圧力変換器よりえられた圧力振幅の上限値をそれ
ぞれ測定した。その結果を第６図に示す。第６図中台は
直径６ａｍのダイヤプラムを用いたとき、・・Ｏ・・・
は直径３．５ｃｍのダイヤフラムを用いたときのグラフ
である。

第６図に示すように、異なる直径のダイヤフラムを用い
ても噴流速度に対する圧力パルス振幅の上限値はほぼ一
致している。

比較例１ 実施例１と同一の条件で水中にトルエン滴を生成させ、
液体の噴流速度を変化させたときの液滴径（１，０〜１
．１ｍｍ）がそろつ、た液滴を生成できる圧力パルスの
振幅を生せしめるために振動発生機に加えられる電圧の
上限値を測定した。

結果を第４図に示す。第４図中÷は直径６ｏｍのダイヤ
フラムを用いたとき、・・・○・・・は直径５．５ｃｍ
のダイヤプラムを用いたときのグラフである。

第４図に示すごとく、電圧と噴流速度との関係はダイヤ
フラムの直径が変わると著しく異なり、電■で制御する
ときは振動発生機構が変わるごとに制御値を変更しなけ
ればならない。

実施例２ 第２図に示す振動発生機として圧電セラミックを用いた
装置を用いたほかは実施例１と同一条件で、噴流速度を
変化させたときの圧電型圧力変換器によりえられた圧力
振幅の上限値を測定した。その結果を第６図に・・・口
・・・で示す。

第６図に示すように、実施例１でえられたダイヤプラム
を用いたときの結果によく一致している。

実施例１〜２の結果から、圧力パルスの振幅は振動発生
機構によらず一定の関係にあり、液滴径のそろった液滴
を生成せしめうる条件の制御に用いる因子としてきわめ
て適当であることがわかる。

実施例６ 第２図に示ず液滴生成装置に直径０゜Ｑｍｍのオリフィ
ス孔を有するオリフィス板を取り付け、１１０Ｈ２の振
動数の圧力パルスを用いたほかは実施例２と同様にして
液滴径のそろったトルエン第１１を生成できる圧力パル
スの振幅の上限値および下限値を噴流速度６０〜６７ｃ
ｍ／ｓ＠ａの範囲で測定した。その結果、第５図に斜線
で示す部分が液滴径（１，７〜１．８ｍｍ　）のそろっ
たトルエン滴を生成できる条件範囲であることがわがっ
た。

つぎに制御部α０）を噴流速度が変化しても圧力パルス
の振幅が第５図に示す範囲に入るように設定した。

まずトルエンをオリアイス孔での噴流速度が約６２ｏｒ
ｒＶＢｅｃ　　になるように液体容器に導入したところ
、制御部はトルエンの圧力パルスの振幅が１．５　Ｘ　
１０　　ｂａｒとなるように圧電セラミックの人力を制
御しく第５図中の（Ｎ点）、その結果液滴径（１，７５
ｍｍ）のそろったトルエン滴が水中に生成された。

つぎにトルエンの導入速度に外乱を加えてオリフィス孔
での噴流速度が約６５ａｍ／ｅｓｃになるように変えた
ところ、制御部はトルエンの圧力パルスの振幅が３．４
　Ｘ　１Ｏ−３ｂａｒとなるように圧電セラミックの人
力を制御しく第５図中の（Ｂ１点）、その結果液淘径（
１，８ｍｍ）のそろったトルエン滴を生成せしめること
ができた。

比較例２ 制御部θ０）に噴流速度による圧力パルスの振幅の制御
条件を設定しなかったほかは実施例６と同じ条件（第５
図中の（Ａ）点）でトルエン滴を水中に生成せしめた。

ついでトルエンの導入速度に外乱を加えてオリフィス孔
での噴流速度が約６５ｃｍ／ｓｅｃとなるように変えた
ところ（第５図中の（０）点）、液滴径の不ぞろいなト
ルエン滴群が生成された。

実施例４ 振動発生機として圧電セラミックを用いた第２図に示す
装置に直径０．４ｍｍのオリアイス孔を有するオリフィ
ス板を取すイ」け、１６０Ｈｚおよび２４０Ｈｚの振動
数の圧力パルスを用いてそれぞれ水中に−均一な液滴径
（１，０ｍｍ）のスチレンモノマーｉｉ’、’ｉｉが生
成されうる圧力パルスの振幅と噴流速度の関係をｖ１フ
ベた。結果を第６図に示す。第６図において実線で囲ま
れた領域および点ｐ）！で囲まれた領域は、それぞれ１
６０Ｈｚおよび２４０Ｈｚの４％動数の圧力パルスを用
いたばあいに均一な液滴径のスチレンモノマー滴かえら
れる条件範囲である。

つぎに制御部０りを噴流速度が変化しても圧力パルスの
振幅および振動数の両者が第６図に示す実線または点線
で囲まれた領域のいずれかに入るように設定した。

まずスチレンモノマーをオリアイス孔での噴流速度が約
６５ａｍ／ｓθ◇となるように液体容器に導入したとこ
ろ、制御部はスチレンモノマーの圧力パルスの振動数が
１６０Ｈｚ　、振幅′が１　、３　Ｘ　１０−’ｂａｒ
となるように圧電セラミックの入力を制御しく第６図中
の（Ｄ）点）、その結果液滴径１．Ｏｍｍの均一なスチ
レンモノマー滴が生成された。

つぎにスチレンモノマーの導入速度に外乱ヲ加えてオリ
フィス孔での噴流速度が約１００ｃｍ／ｓｅａとなるよ
うに変えたところ、制御部は噴流連Ｖ振動数がほぼ一定
になるようにスチレンモノマーの圧力パルスの振動数と
して２４０Ｈｚを選んだのち、圧力パルスの振幅を６　
、８　Ｘ　１Ｏ−６ｂ　ａｒになるように圧電セラミッ
クの入力を制御しく第６図中の（純点）、その結果液滴
径１．（１ｍｍの均一なスチレンモノマー滴が生成され
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一実施態様のブロック図、第２
図は本発明の装置の別の実施態様のブロック図、第６図
は実施例１〜２でそれぞれ測定した噴流速度と圧電型圧
力変換器でえられた均一な液滴をうるための圧力パルス
の振幅）上限値との関係を示すグラフ、第４図は比較例
１で測定した噴流速度と振動発生機に加える均一な液滴
をうるための電圧の上限値との関係を示すグラフ、第５
図は実施例６で測定した噴流速度と圧電型圧力変換器で
えられた均一な液滴をうるための圧力パルスの振幅の領
域を示すグラフ、第６図は実施例４で測定した１　６０
Ｈ２および２４０Ｈ２の圧力パルスの振動数における噴
流速度と圧電型圧力変換器でえられた均一な液滴をうる
ための圧力パルスの振幅の領域を示すグラフである。 （図面の主要符号） （１戸流量計 （２）：液体容器 （４）ニオリフイス孔 （５）：液　滴 （６）、０υ：発信器 （７）：振動発生機 （８）：ダイヤ７ラム （９）：圧電型圧力変換器 θ０）：制御部 θ２）二圧電セラミック 第１岡 第２図 第３図 噴５Ａｔｔ　（ｃｍ／５ｅｃ） 第４図 噴彊逮度（ｃｍ／ｓｅｃ） 第５園 ５０　　　６０　　　７０　　　８０ 悄：ｉＬ、ａｘ　＜ａｍ／５ｅｃ） ７６図 噴う丸速哀（ｃｍ／ｓｅｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　オリフィス孔から流出する層流液体噴流に振動発生
   機構を用いて規則的な圧力パルスを与える際、噴流速度
   と流出されるべき液体の圧力パルスとを検出し、噴流速
   度の変化に応じて圧力パルスの振動数および（または）
   振幅をＩｉｌ、＋Ｊ整するべく振動発生機構を制御する
   ことを特徴とする液滴径のそろった液滴の生成法。 ２ＦＥ、カハルスの振動数が３０〜５０００Ｈｚ　（７
   ）　範囲テある特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６　液中で液滴生成を行なう特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ４　オリアイス孔と流出されるべき液体の導入　６０と
   をそれぞれ少なくとも１個有する液体容器に該液体容器
   内部の流出されるべき液体に圧力パルスを生せしめる振
   動発生機構と流出されるべき液体の圧カバルスの検出器
   部が設けられてなる液滴発生部と、該液滴発生部に供給
   される液体の流鳳検出部と、前記振動発生機構の制御部
   とから構成されており、該制御部が流出されるべき液体
   を前記液体容器に供給される流量の検出値から算出され
   たオリフィス孔からの噴流速度に応じて圧力パルスの振
   動数および（または）振幅を調整するように設定されて
   なる液滴径のそろった液滴の生成装置。 ５　前記圧力パルスの検出器の検出部がｌ：Ｅ′ＮＬ型
   圧力変換器で構成されてなる特許請求の範囲第４項記載
   の装置。 ６　液中で液滴の生成を行なう特許請求の範囲第４項記
   載の装置。