JPWO2006109741A1 - Mixed flow generator and mixed flow generation method - Google Patents

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Abstract

駆動軸を設けなくともロータを回転させることが可能な混合流発生装置を提供する。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、上流側に液体導入口IN1,IN2を有して下流側に液体送出口OUT1を有するパイプPと、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、パイプPの内部に収容されて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、が備えられたものとした。Provided is a mixed flow generator capable of rotating a rotor without providing a drive shaft. A mixed flow generator for mixing two or more kinds of liquids to generate a mixed flow includes a pipe P having liquid inlets IN1 and IN2 on the upstream side and a liquid delivery port OUT1 on the downstream side, and a pipe P And a magnetic field generating means C for generating a rotating magnetic field centered on the central axis L0 of the pipe P, and rotating around the central axis L0 by the generation of the rotating magnetic field. And a cylindrical rotor R.

Description

本発明は、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と、それを用いた混合流の発生方法とに関する。   The present invention relates to a mixed flow generator for mixing two or more liquids to generate a mixed flow, and a mixed flow generation method using the mixed flow generator.

従来より、種々の混合流発生装置が提案されており、例えば、特許文献1には、複数種の液体が導入されるパイプの内部にロータを収容し、該ロータを回転駆動することによって、前記パイプの内周面と前記ロータの外周面との隙間を流れる液体を混合する化学反応用の装置が記載されている。この装置では、前記ロータが前記パイプの外部に設けられたモータに駆動軸を介して連結されており、前記モータを駆動することによって前記ロータを回転駆動するものとなっている。   Conventionally, various mixed flow generators have been proposed. For example, in Patent Document 1, a rotor is accommodated in a pipe into which a plurality of types of liquids are introduced, and the rotor is driven to rotate. An apparatus for chemical reaction is described in which liquid flowing through a gap between an inner peripheral surface of a pipe and an outer peripheral surface of the rotor is mixed. In this apparatus, the rotor is connected to a motor provided outside the pipe via a drive shaft, and the rotor is rotationally driven by driving the motor.

しかし、特許文献1の装置では、駆動軸を軸支するための貫通孔をパイプやパイプに取り付けられる蓋体などに設ける必要があり、駆動軸と前記貫通孔との隙間には、パイプの外部に液体が漏れることのないように、何らかのシールを施す必要があった。ところが、前記シールを液密性の高いものとすると、駆動軸に作用する摩擦力が大きくなって、ロータが円滑に回転しなくなるばかりか、シールの磨耗やそれによる発熱など、新たな不具合が生じるおそれもあった。また、特許文献1の装置は、駆動軸やシールの存在が支障となるために、寸法の小型化が困難であった。   However, in the apparatus of Patent Document 1, it is necessary to provide a through hole for pivotally supporting the drive shaft in a pipe or a lid attached to the pipe, and the gap between the drive shaft and the through hole is outside the pipe. It was necessary to provide some kind of seal so that no liquid leaks. However, if the seal is highly liquid-tight, the frictional force acting on the drive shaft increases, and the rotor does not rotate smoothly, and new problems such as wear of the seal and heat generated thereby occur. There was also a fear. In addition, the device of Patent Document 1 has difficulty in reducing the size because the presence of the drive shaft and the seal becomes an obstacle.

近年のMEMS(Micro Electro Mechanical System)の進展に伴って、化学工学や生物工学などの分野においても装置の小型化が積極的に行われるようになっており、反応場の寸法が微小化されたマイクロリアクタとよばれる化学反応器が注目を集めるようになってきている。マイクロリアクタは、単にスペースを節約したり、環境に対する負荷を軽減したりすることができるというだけでなく、以下のように、化学反応器としても優れた性能を発揮するために、化学薬品のスクリーニングのための合成反応試験や、新しい化学プロセスの開発研究などにおいて、その実用化が期待されている。   With the recent progress of MEMS (Micro Electro Mechanical System), miniaturization of devices has been actively carried out in the fields of chemical engineering and biotechnology, and the dimensions of the reaction field have been miniaturized. Chemical reactors called microreactors are gaining attention. The microreactor not only saves space and reduces the environmental burden, but also exhibits excellent performance as a chemical reactor as follows. Therefore, it is expected to be put to practical use in synthetic reaction tests and research and development of new chemical processes.

すなわち、マイクロリアクタは、(1)反応場の寸法が小さいために、混合や抽出に要する時間を短縮することができることや、(2)反応場を流れる液体の体積に対する表面積の割合が高くなるために、液体と液体の界面での反応や分子移動を効率的に行うことができることや、(3)反応場を流れる液体の熱容量が小さく熱交換が速やかに行われるために、精密な温度制御を容易に行うことができるなどの利点をも有している。   That is, in the microreactor, (1) the size of the reaction field is small, so that the time required for mixing and extraction can be shortened, and (2) the ratio of the surface area to the volume of the liquid flowing through the reaction field is increased. , It enables efficient reaction and molecular movement at the interface between liquids and liquids, and (3) the heat capacity of the liquid flowing through the reaction field is small and heat exchange is performed quickly, making precise temperature control easy. There are also advantages such as being able to be performed.

しかしながら、反応場の寸法を小さくしていくと、従来のマクロなスケールでの反応とは異なった流動現象が発現するようになる。例えば、反応場を流れる液体のレイノルズ数が小さくなるために、層流が支配的になることや、反応場を流れる液体の体積に対する表面積の割合が大きくなるために、表面張力の影響が大きくなることなどが挙げられる。このように、反応場の寸法が小さくなると、マクロなスケールにおける機械的撹拌による乱流発生などとは大きく異なった現象が発現することになるので、それをうまく制御することが重要になってくる。   However, when the size of the reaction field is reduced, a flow phenomenon different from the reaction at the conventional macro scale appears. For example, since the Reynolds number of the liquid flowing through the reaction field becomes small, the laminar flow becomes dominant, and the ratio of the surface area to the volume of the liquid flowing through the reaction field becomes large, so the influence of the surface tension becomes large. And so on. In this way, when the reaction field size is reduced, a phenomenon that is significantly different from the generation of turbulent flow due to mechanical agitation at a macro scale will appear, so it is important to control it well. .

マイクロリアクタにおいて、反応場を流れる液体の流動状態を調整する方法は、多数提案されており、その中には、互いに相溶しない2種類の液体を反応場である流路に同時に流して流路内に並行二相流を発生させるものや、互いに相溶しない2種類の液体を反応場である流路に交互に流して流路内に交互流を発生させるものなどもある(非特許文献1を参照。)。特に、交互流を発生させる方法は、並行二相流を発生させる方法と比較して、抽出率を大きくできることが分かっており、この優劣は、交互流のピッチを流路径よりもはるかに長くした場合においても確認されている。   In a microreactor, a number of methods for adjusting the flow state of a liquid flowing through a reaction field have been proposed. Among them, two types of liquids that are not compatible with each other are simultaneously flowed into a flow path that is a reaction field. That generate a parallel two-phase flow, and those that cause two types of liquids that are not compatible with each other to flow alternately in a flow path as a reaction field to generate an alternating flow in the flow path (see Non-Patent Document 1). reference.). In particular, it has been found that the method of generating the alternating flow can increase the extraction rate compared with the method of generating the parallel two-phase flow, and this superiority or inferiority makes the pitch of the alternating flow much longer than the channel diameter. It has also been confirmed in some cases.

このことは、接触する界面までの分子移動の距離を考えれば驚きであるが、レイノルズ数が小さく、層流が支配的である微細な流路内での交互流において、分子移動に有利な特別な流動状態が発現していると考えられる。例えば、各相内において循環流が発生して撹拌と同じような効果が得られ、結果として界面近郷の境膜厚みが減少して界面における分子移動速度が増加するような現象が生じていると推定することができる。   This is surprising considering the distance of molecular movement to the contacting interface, but it is a special advantage that is advantageous for molecular movement in alternating flow in a fine channel where the Reynolds number is small and laminar flow is dominant. It is thought that a proper flow state is expressed. For example, a circulation flow is generated in each phase, and the same effect as stirring is obtained. As a result, a phenomenon occurs in which the thickness of the boundary membrane at the interface decreases and the molecular movement speed at the interface increases. Can be estimated.

また、特許文献2には、容器に導入される2以上の物質を攪拌混合する装置であって、容器を非磁性材料によって形成し、容器内部に配した攪拌子に磁性体を装着し、回転磁界を発生するための巻線を容器の外部に配置したものが記載されている。この装置では、巻線から発生された回転磁界によって容器の内部に収容された攪拌子を回転させるものとなっており、攪拌混合する物質は、容器の下面に設けられた導入口から供給されるようになっている。特許文献2には、攪拌子の下面中央(上流側の端部の中央)に設けた尖頭を容器の下側の内壁面に接触させた状態で攪拌子を回転することについても記載されている。   Patent Document 2 is an apparatus that stirs and mixes two or more substances introduced into a container. The container is formed of a non-magnetic material, and a magnetic body is attached to a stirrer disposed inside the container, and rotated. There is a description in which windings for generating a magnetic field are arranged outside a container. In this apparatus, the stirrer housed in the container is rotated by a rotating magnetic field generated from the winding, and the substance to be stirred and mixed is supplied from an inlet provided on the lower surface of the container. It is like that. Patent Document 2 also describes that the stirrer is rotated in a state where the tip provided at the center of the lower surface of the stirrer (the center of the upstream end) is in contact with the lower inner wall surface of the container. Yes.

この特許文献2の装置は、攪拌子が回転磁界によって回転されるので、特許文献1の装置に見受けられた欠点を有さないものの、攪拌子が自重によって支持される構造のものとなっていた。このため、攪拌子を軽くすると、容器の下側から供給された物質によって攪拌子の尖頭が容器の下側の内壁面から浮き上がってしまい、攪拌子の中心軸がぶれるおそれがあるなど、攪拌子を安定して回転させることができるものとはなっていなかった。したがって、攪拌子を軽く寸法の小さいものとして、装置を小型化することが困難であった。   Since the stirrer is rotated by a rotating magnetic field, the apparatus of Patent Document 2 has a structure in which the stirrer is supported by its own weight although it does not have the disadvantages found in the apparatus of Patent Document 1. . For this reason, if the stirrer is lightened, the tip of the stirrer may be lifted from the inner wall of the lower side of the container due to the substance supplied from the lower side of the container, and the central axis of the stirrer may be shaken. The child was not supposed to be able to rotate stably. Therefore, it has been difficult to reduce the size of the apparatus by making the stirring bar light and small in size.

米国特許出願公開第2004/0013587号明細書US Patent Application Publication No. 2004/0013587 特開平03−181324号公報Japanese Patent Laid-Open No. 03-181324 園田 康夫、外3名、“3次元マイクロリアクター内流動状態の制御と流動状態が反応速度に及ぼす影響”,化学工学会第70年会予稿集(CD−ROM),平成17年2月,講演番号J215Yasuo Sonoda and three others, “Control of the flow state in the three-dimensional microreactor and the effect of the flow state on the reaction rate”, Proceedings of the 70th Annual Meeting of the Chemical Society of Japan (CD-ROM), February 2005, Lecture Number J215

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、駆動軸を設けなくともロータを回転させることが可能な混合流発生装置を提供することを目的とする。また、構造が簡素で小型化に適し、化学反応装置として好適に用いることもできる混合流発生装置を提供することも本発明の目的である。さらに、これらの混合流発生装置を用いて行うことが好適な混合流の発生方法を提供することも本発明の目的である。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a mixed flow generator capable of rotating a rotor without providing a drive shaft. It is another object of the present invention to provide a mixed flow generator that has a simple structure, is suitable for miniaturization, and can be suitably used as a chemical reaction apparatus. Furthermore, it is also an object of the present invention to provide a method for generating a mixed flow that is preferably performed using these mixed flow generators.

上記課題は、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L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L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提供することによって解決される。The above-described problem is a mixed flow generator for mixing two or more liquids to generate a mixed flow, [1] having a plurality of liquid inlets on the upstream side and a liquid delivery port on the downstream side. a pipe P having, disposed on the outer peripheral portion of the [2] pipe P, a magnetic field generating means C for generating a rotating magnetic field with respect to the center axis L 0 of the pipe P, it is housed inside the [3] pipe P Te, the downstream end is formed in the tapered arrangement between the a cylindrical rotor R which rotates around the center axis L 0 by the generation of the rotating magnetic field, [4] a liquid inlet and a liquid outlet This is solved by providing a mixed flow generating device including a pivot bearing B that supports the downstream end of the rotor R.

これにより、駆動軸を設けなくともロータRを回転させることが可能になるだけでなく、ロータRに作用する摩擦力を小さくすることや、ロータRの周囲を流れる液体によってロータRの中心軸を高い精度でパイプPの中心軸Lに自動的に一致させることも可能になる(自動調芯効果)。This not only makes it possible to rotate the rotor R without providing a drive shaft, but also reduces the frictional force acting on the rotor R, and the central axis of the rotor R by the liquid flowing around the rotor R. it becomes possible to automatically coincide with the center axis L 0 of the pipe P with high precision (automatic alignment effect).

ここで、「混合流」とは、各液体が均一に混合された状態にある流れだけでなく、各液体が均一には混合しておらず界面が存在している状態にある流れをも含む概念であるものとする。なかでも、本発明の混合流発生装置は、層流支配下における流れを調整するものとして好適である。層流支配下における流れとしては、各液体間の界面が流れ方向に繰り返し現われる交互流や、各液体間の界面が螺旋状に現われる螺旋流などが例示される。   Here, the “mixed flow” includes not only a flow in which each liquid is uniformly mixed but also a flow in which each liquid is not mixed uniformly and an interface exists. It is assumed to be a concept. Especially, the mixed flow generator of this invention is suitable as what adjusts the flow under laminar flow control. Examples of the flow under laminar flow include an alternating flow in which the interfaces between the liquids repeatedly appear in the flow direction, and a spiral flow in which the interfaces between the liquids appear in a spiral shape.

また、「回転磁界」は、ある軸を中心に一定の回転速度で一定の強さを維持しながら回転する磁界を意味することもあるが、これに限定されず、回転速度や強さが変化しながら回転する磁界をも含む概念であるとする。   “Rotating magnetic field” may mean a magnetic field that rotates around a certain axis at a constant rotational speed while maintaining a constant strength, but is not limited to this, and the rotational speed and strength change. The concept also includes a rotating magnetic field.

上記の混合流発生装置において、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をピボット軸受Bに設けると好ましい。これにより、パイプPの内部を流れる液体を各貫通孔Hの周辺部で切断して、液体送出口の下流側に接続された流路を流れる混合流を交互流とすることも可能になると推測される。   In the above mixed flow generator, it is preferable that a through hole for allowing the liquid introduced into the pipe P from the liquid inlet to be provided in the pivot bearing B. As a result, it is assumed that the liquid flowing inside the pipe P can be cut at the peripheral portion of each through-hole H, and the mixed flow flowing through the flow path connected to the downstream side of the liquid delivery port can be made to be an alternating flow. Is done.

複数の液体導入口に供給する液体は、混合流発生装置で発生させる混合流の種類などによっても異なり、特に限定されないが、それぞれの液体導入口から互いに相溶しない液体を導入すると好ましい。このような場合には、流路内において、それぞれの液体の間で形成される界面の状況を調整することができ、本発明のマイクロリアクタを採用する意義も高まる。   The liquid supplied to the plurality of liquid inlets varies depending on the type of the mixed flow generated by the mixed flow generator and is not particularly limited. However, it is preferable to introduce liquids that are not compatible with each other from the respective liquid inlets. In such a case, the situation of the interface formed between each liquid in the flow path can be adjusted, and the significance of adopting the microreactor of the present invention is enhanced.

パイプPの向きは、特に限定されないが、その中心軸Lが鉛直方向と平行になるように配されていると好ましい。これにより、重力によるロータRの偏心を防止して、ロータRの中心軸をパイプPの中心軸Lに高い精度で一致させることが可能となる。この場合には、パイプPを、液体導入口が設けられた側が鉛直上向きとなるように配すると好ましい。Orientation of the pipe P is not particularly limited, preferably the center axis L 0 is arranged to be vertically parallel. This prevents eccentricity of rotor R due to gravity, it is possible to match the central axis of the rotor R with high accuracy to the central axis L 0 of the pipe P. In this case, it is preferable to arrange the pipe P so that the side on which the liquid inlet is provided is vertically upward.

パイプPの内半径rやロータRの外半径rは、液体導入口から導入される液体や発生させる混合流の種類などによって異なり、特に限定されないが、混合流発生装置で層流支配の混合流を発生する場合には、通常、内半径rと外半径rとの差が2mm以下となるように設定される。The inner radius r 1 of the pipe P and the outer radius r 2 of the rotor R vary depending on the liquid introduced from the liquid inlet and the type of mixed flow to be generated, and are not particularly limited. When a mixed flow is generated, the difference between the inner radius r 1 and the outer radius r 2 is normally set to be 2 mm or less.

液体送出口の下流側には、通常、パイプPの内部で発生した混合流を流すための流路が接続される。液体送出口の下流側に接続された流路は、化学反応や抽出を進行させるための反応流路として利用できる。液体送出口の下流側に接続される流路の断面積は、特に限定されないが、該流路内の流れを層流支配とするためには、通常、10mm以下に設定される。A flow path for flowing a mixed flow generated inside the pipe P is usually connected to the downstream side of the liquid delivery port. The channel connected to the downstream side of the liquid delivery port can be used as a reaction channel for advancing chemical reaction and extraction. The cross-sectional area of the flow path connected to the downstream side of the liquid delivery port is not particularly limited, but is usually set to 10 mm 2 or less in order to control the flow in the flow path as laminar flow.

液体導入口や液体送出口の配置は、液体導入口が液体送出口よりも上流側に位置していれば特に限定されないが、複数の液体導入口のうち少なくとも1つの液体導入口をパイプPの上流側の端部に設け、残りの液体導入口のうち少なくとも1つの液体導入口をパイプPの側周部に設け、液体送出口をパイプPの下流側の端部に設けると好ましい。これにより、パイプPの上流側の端部に設けられた液体導入口から導入された液体と、パイプPの側周部に設けられた液体導入口から導入された液体とを、パイプPの内部で螺旋状に絡ませやすくすることが可能になる。従って、後述する交互流や螺旋流を綺麗に発生させることも容易になる。   The arrangement of the liquid inlet and the liquid outlet is not particularly limited as long as the liquid inlet is positioned upstream of the liquid outlet, but at least one liquid inlet of the plurality of liquid inlets is connected to the pipe P. It is preferable to provide at the upstream end, provide at least one liquid inlet among the remaining liquid inlets at the side periphery of the pipe P, and provide the liquid outlet at the downstream end of the pipe P. As a result, the liquid introduced from the liquid inlet provided at the upstream end of the pipe P and the liquid introduced from the liquid inlet provided in the side periphery of the pipe P It becomes possible to make it easy to get entangled in a spiral. Therefore, it becomes easy to generate an alternating flow and a spiral flow, which will be described later, neatly.

このとき、パイプPの側周部に設けられた液体導入口をスリット状に形成しておくと好ましい。これにより、パイプPの側周部に設けられた液体導入口からパイプPの内部に帯状の流れを導入することが可能になり、パイプPの上流側の端部に設けられた液体導入口から導入された液体と、パイプPの側周部に設けられた液体導入口から導入された液体とを、パイプPの内部で螺旋状に絡ませることがさらに容易になる。   At this time, it is preferable that the liquid inlet provided in the side periphery of the pipe P is formed in a slit shape. Thereby, it becomes possible to introduce a belt-like flow into the inside of the pipe P from the liquid inlet provided in the side peripheral portion of the pipe P, and from the liquid inlet provided in the upstream end of the pipe P. It becomes easier to spirally entangle the introduced liquid and the liquid introduced from the liquid introduction port provided in the side periphery of the pipe P inside the pipe P.

磁界発生手段Cは、パイプPの中心軸Lを中心とした回転磁界を発生できるものであれば特に限定されず、例えば、パイプPの外周部を機械的に回転する永久磁石のようなものであってもよいが、中心軸Lを中心として回転対称に配された複数のコイルであると好ましい。これにより、磁界発生手段Cの構造を簡素化して、混合流発生装置をさらに小型化することが可能になる。また、各コイルに流す交流電流の大きさや周波数を変化させるだけで、前記回転磁界の強さや回転速度を調整することができるようになるために、ロータRを容易に制御することもできるようになる。磁界発生手段Cとして用いるコイルの本数は、2本以上であれば特に限定されないが、通常、3本以上に設定され、より好ましくは、3n本に設定される。Magnetic field generating means C is not particularly limited as long as it can generate a rotating magnetic field with respect to the center axis L 0 of the pipe P, for example, like a permanent magnet for mechanically rotating the outer periphery of the pipe P it may be, but preferably a plurality of coils disposed in rotational symmetry about the central axis L 0. Thereby, the structure of the magnetic field generation means C can be simplified, and the mixed flow generation device can be further downsized. Further, since the strength and rotation speed of the rotating magnetic field can be adjusted only by changing the magnitude and frequency of the alternating current flowing through each coil, the rotor R can be easily controlled. Become. The number of coils used as the magnetic field generating means C is not particularly limited as long as it is 2 or more, but is usually set to 3 or more, more preferably 3n.

ロータRは、前記回転磁界の発生によって回転するものであれば特に限定されず、誘導電動機に用いられるロータのように、誘導電流を流すための導体部(コイルなど)を備えたものを用いてもよいが、同期電動機に用いられるロータのように、磁化されたものを用いると好ましい。これにより、混合流発生装置を、ロータRのすべりが無く制御しやすいものとするだけでなく、大きなトルクを発揮しやすいものとすることもできる。ただし、「ロータRが磁化されてなる」とは、ロータR全体が磁化された磁性体からなる場合と、磁化された磁性体をロータRに固定した場合とのいずれの場合をも含む概念であるものとする。ロータRは、通常、その中心軸に対して磁極が回転対称に現われるように磁化される。   The rotor R is not particularly limited as long as it is rotated by the generation of the rotating magnetic field, and a rotor provided with a conductor (such as a coil) for flowing an induced current is used like a rotor used in an induction motor. However, it is preferable to use a magnetized one such as a rotor used in a synchronous motor. Thereby, not only the mixed flow generator can be easily controlled without slipping of the rotor R, but also a large torque can be easily produced. However, “the rotor R is magnetized” is a concept including both the case where the entire rotor R is made of a magnetized magnetic body and the case where the magnetized magnetic body is fixed to the rotor R. It shall be. The rotor R is normally magnetized so that the magnetic poles appear rotationally symmetric with respect to the central axis.

以上のように、本発明によって、駆動軸を設けなくともロータRを回転させることが可能になり、駆動軸のための特別なシール構造を省略できるなど、混合流発生装置の構造を簡素化することができる。したがって、混合流発生装置の生産コストを低減できるだけでなく、混合流発生装置を大幅に小型化することも可能となる。ゆえに、マイクロリアクタと呼ばれる小型の反応装置に組み込むものとして好適な混合流発生装置を提供することも可能となる。   As described above, according to the present invention, it is possible to rotate the rotor R without providing a drive shaft, and the special seal structure for the drive shaft can be omitted, and the structure of the mixed flow generator is simplified. be able to. Therefore, not only can the production cost of the mixed flow generator be reduced, but also the mixed flow generator can be greatly reduced in size. Therefore, it is also possible to provide a mixed flow generator suitable for incorporation into a small reactor called a microreactor.

本発明の混合流発生装置をパイプPの中心軸Lを含む鉛直面で切断した状態を示した断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in which the mixed flow generator of the present invention is cut along a vertical plane including a central axis L 0 of a pipe P. 本発明の混合流発生装置を図1におけるY−Yで切断した状態を示した断面図である。The mixed flow generating apparatus of the present invention is a cross-sectional view showing a state taken along a Y 1 -Y 1 in Fig. 本発明の混合流発生装置を図1におけるY−Yで切断した状態を示した断面図である。The mixed flow generating apparatus of the present invention is a cross-sectional view showing a state taken along a Y 2 -Y 2 in FIG. 1. 本発明の混合流発生装置を図1におけるY−Yで切断した状態を示した断面図である。The mixed flow generating apparatus of the present invention is a cross-sectional view showing a state taken along a Y 3 -Y 3 in Fig. パイプPの内部を螺旋状に絡み合って流れる液体Fと液体Fとを示した図である。Is a diagram showing the liquid F A and the liquid F B flowing intertwined inside of the pipe P spirally. 液体送出口OUTの下流側に接続された流路の内部を螺旋状に絡み合って流れる液体Fと液体Fとを示した図である。It is a diagram showing the liquid F A flowing inside the downstream-connected flow path of the liquid delivery port OUT 1 intertwined spirally and the liquid F B. 液体送出口OUTの下流側に接続された流路の内部を短いピッチで交互に流れる液体Fと液体Fとを示した図である。Is a diagram showing the liquid F A and the liquid F B flowing inside the downstream-connected flow path of the liquid delivery port OUT 1 alternately at short pitches. 液体送出口OUTの下流側に接続された流路の内部を長いピッチで交互に流れる液体Fと液体Fとを示した図である。The internal flow passage connected to the downstream side of the liquid outlet OUT 1 is a diagram showing the liquid F A and the liquid F B flowing to the alternating long pitch.

符号の説明Explanation of symbols

B ピボット軸受
C 磁界発生手段
〜C コイル
,F,FAB 液体
H 貫通孔
パイプPの中心軸
P パイプ
パイプ上流部
パイプ中流部
パイプ下流部
液体送出口OUTの下流側に接続された流路
R ロータ
IN,IN 液体導入口
OUT 液体送出口
B pivot bearing C field generating means C 1 -C 3 coils F A, F B, F AB Liquid H through-hole L 0 central axis of the pipe P P pipe P 1 pipe upstream portion P 2 pipe midstream portion P 3 pipe downstream portion P 4 Flow path connected to the downstream side of the liquid delivery port OUT 1 R Rotor IN 1 , IN 2 Liquid introduction port OUT 1 Liquid delivery port

本発明の混合流発生装置の好適な実施態様を、図面を用いてより具体的に説明する。図1は、本発明の混合流発生装置をパイプPの中心軸Lを含む鉛直面で切断した状態を示した断面図である。図2は、本発明の混合流発生装置を図1におけるY−Yで切断した状態を示した断面図である。図3は、本発明の混合流発生装置を図1におけるY−Yで切断した状態を示した断面図である。図4は、本発明の混合流発生装置を図1におけるY−Yで切断した状態を示した断面図である。本発明の混合流発生装置は、図1に示すように、液体を流すためのパイプPと、回転磁界を発生するための磁界発生手段Cと、前記液体の流れを調整するためのロータRと、を備えたものとなっている。A preferred embodiment of the mixed flow generator of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a state in which the mixed flow generator of the present invention is cut along a vertical plane including the central axis L 0 of the pipe P. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which the mixed flow generator of the present invention is cut along Y 1 -Y 1 in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in which the mixed flow generator of the present invention is cut along Y 2 -Y 2 in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in which the mixed flow generator of the present invention is cut along Y 3 -Y 3 in FIG. As shown in FIG. 1, the mixed flow generator of the present invention includes a pipe P for flowing a liquid, magnetic field generating means C for generating a rotating magnetic field, and a rotor R for adjusting the flow of the liquid. , Has become.

[パイプP]
パイプPは、図1に示すように、液体導入口IN,INを有するパイプ上流部Pと、液体導入口IN,INから導入された液体F,Fの流れを調整するためのパイプ中流部Pと、液体送出口OUTを有するパイプ下流部P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Pとパイプ下流部P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P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Pとパイプ下流部Pの大径開口部は、パイプ中流部P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Pの各開口部に接続されている。
[Pipe P]
Pipe P, as shown in FIG. 1, adjusting the pipe upstream portion P 1 having a liquid inlet port IN 1, IN 2, a liquid inlet port IN 1, the liquid introduced from IN 2 F A, the flow of F B The pipe midstream portion P 2 for performing the above and the pipe downstream portion P 3 having the liquid delivery port OUT 1 are separately formed. Pipe upstream portion P 1 and the pipe downstream portion P 3 is adapted as a funnel-shaped with a large diameter opening and the small diameter opening at both ends, the pipe midstream portion P 2 has at both ends an equal opening diameters It has a cylindrical shape. Large diameter opening of the pipe upstream portion P 1 and the pipe downstream portion P 3 is a respective opening and substantially the same dimensions provided at both ends of the pipe midstream portion P 2, respectively of the pipe midstream portion P 2 Connected to each opening.

パイプPの素材は、特に限定されないが、鉄などの強磁性体であると、ロータRがパイプPによって磁気遮蔽された状態となり、磁界発生手段Cによって発生した磁界がパイプPの内部で著しく弱まるおそれがあるために、通常、ガラス、セラミックス、プラスチック、アルミニウム、銅、ステンレス鋼などの非磁性体が選択される。具体的にどの素材を選択するかは、液体F,Fとの相性などを考慮して適宜決定される。本例の混合流発生装置では、パイプ上流部Pとパイプ下流部Pの素材にオーステナイト系のステンレス鋼を採用し、パイプ中流部Pの素材に石英ガラスを採用している。The material of the pipe P is not particularly limited, but if it is a ferromagnetic material such as iron, the rotor R is magnetically shielded by the pipe P, and the magnetic field generated by the magnetic field generating means C is significantly weakened inside the pipe P. Since there is a possibility, normally nonmagnetic materials, such as glass, ceramics, plastics, aluminum, copper, and stainless steel, are selected. The specific material to be selected is appropriately determined in consideration of the compatibility with the liquids F A and F B. In mixed flow generator of the present embodiment employs the austenitic stainless steel of the pipe upstream portion P 1 and the pipe downstream portion P 3 material, employs a quartz glass pipe midstream P 2 material.

[パイプ上流部P
パイプ上流部Pには、液体F,Fを導入するための液体導入口IN,INが設けられている。液体導入口IN,IN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INから導入された液体Fと液体導入口INから導入された液体Fとがパイプ上流部Pの内部で垂直に交わるように、液体導入口INをパイプ上流部Pの小径開口部に設けて、液体導入口INをパイプ上流部Pの側周部に設けている。パイプ上流部Pにおける液体導入口IN近傍の内周面は、液体F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IN,INは、互いに垂直でなく傾けて配置してもよい。
[Pipe upstream part P 1 ]
Liquid inlets IN 1 and IN 2 for introducing liquids F A and F B are provided in the pipe upstream portion P 1 . The liquid inlets IN 1 and IN 2 may be provided at a total of two or more places, and the arrangement thereof is not particularly limited, but in the mixed flow generator of this embodiment, as shown in FIG. as the liquid F B introduced from the liquid F a and the liquid inlet iN 2 introduced from the mouth iN 1 intersect perpendicularly with the pipe upstream portion P 1, the pipe upstream portion P 1 of the liquid inlet port iN 1 The liquid inlet IN 2 is provided in the side peripheral portion of the pipe upstream portion P 1 . The inner peripheral surface of the liquid introduction port IN 1 near the pipe upstream portion P 1, as the liquid F A can be smoothly guided, and is formed in a tapered shape. The liquid inlets IN 1 and IN 2 may be arranged not inclined to each other but inclined.

また、本実施態様の混合流発生装置においては、液体導入口INを、パイプPの中心軸Lと平行な方向に細長いスリット状に形成しており、液体導入口INからパイプ上流部Pの内部に導入された液体Fの流れが帯状となるようにしている。液体導入口INの短手方向に沿った幅は、パイプP(パイプ上流部P)の内半径rとロータRの外半径rとの差δrや、液体Fと液体Fとの流量比などによって適宜調整され、特に限定されないが、パイプ上流部Pの内部で螺旋流を生じやすくするためには、通常、δr以下に設定される。本実施態様の混合流発生装置において、液体導入口INの短手方向に沿った幅は、δr/2(=0.5mm)となっている。また、液体導入口INの長手方向に沿った幅は3mmとなっている。Further, in the mixed flow generating device of the present embodiment, the liquid inlet port IN 2 is formed in a slit shape in a direction parallel to the central axis L 0 of the pipe P, and the pipe upstream portion from the liquid inlet port IN 2. flow of the liquid F B which is introduced into the P 1 is set to be strip-shaped. The width of the liquid inlet IN 2 along the short direction is the difference δr between the inner radius r 1 of the pipe P (pipe upstream portion P 1 ) and the outer radius r 2 of the rotor R, the liquid F A and the liquid F B. It is appropriately adjusted depending on the flow ratio of, but not limited, to prone to helical flow in the pipe upstream portion P 1 is typically set below [delta] r. In the mixed flow generation device of this embodiment, the width of the liquid inlet IN 2 along the short direction is δr / 2 (= 0.5 mm). Further, the width along the longitudinal direction of the liquid inlet IN 2 is 3 mm.

さらに、本実施態様の混合流発生装置においては、図2に示すように、液体導入口IN2の内壁を構成する一の面をパイプ上流部Pの内周面と接するように接続しており、液体Fを液体導入口INからパイプ上流部Pの内周面の接線方向に導入することができるようになっている。これにより、液体導入口INから導入されてパイプ上流部Pの内周面とロータRの外周面との隙間で環状になって流れている液体Fの外周部に、液体Fを滑らかな角度で当てることが可能になり、パイプPの内部で螺旋流を容易に発生させることができるようになる。図2においては、ロータRは矢印Aの向きに回転している。Furthermore, in the mixed flow generating device of this embodiment, as shown in FIG. 2, one surface constituting the inner wall of the liquid inlet IN 2 is connected so as to be in contact with the inner peripheral surface of the pipe upstream portion P 1. cage, which is a liquid F B to be able to introduce the tangential direction of the inner peripheral surface from the liquid inlet iN 2 of the pipe upstream portion P 1. Thus, the outer peripheral portion of the liquid F A which is introduced from the liquid introduction port IN 1 flows become annularly gap between the inner and outer circumferential surfaces of the rotor R of the pipe upstream portion P 1, the liquid F B It becomes possible to apply at a smooth angle, and a spiral flow can be easily generated inside the pipe P. In FIG. 2, the rotor R rotates in the direction of arrow A.

[パイプ中流部P
パイプ中流部P(パイプP)の内半径rは、ロータRの外半径rや、液体F,F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Pの混合流を層流支配とするために、通常、内半径rと外半径r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rと外半径r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rが4mm、外半径rが3mmで内半径rと外半径rとの差が1mmとなるように設定されている。パイプ中流部P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。
[Pipe midstream part P 2 ]
The inner radius r 1 of the pipe midstream portion P 2 (pipe P) varies depending on the outer radius r 2 of the rotor R, the flow rates of the liquids F A and F B , and is not particularly limited, but the mixed flow of the pipe midstream portion P 2 In general, it is preferable to set the difference between the inner radius r 1 and the outer radius r 2 to be 2 mm or less. The difference between the inner radius r 1 and the outer radius r 2 is more preferably 1.5 mm or less, and even more preferably 1 mm or less. In the mixed flow generator of this embodiment, the inner radius r 1 is set to 4 mm, the outer radius r 2 is set to 3 mm, and the difference between the inner radius r 1 and the outer radius r 2 is set to 1 mm. The length of the pipe midstream portion P 2 are also different depending on the length of the rotor R, is not particularly limited, in the pipe P of the present embodiment has a 26 mm. The thickness of the pipe P is 1 mm.

[パイプ下流部P
パイプ下流部Pには、液体F,Fが混合された液体FABを送出するための液体送出口OUTが設けられている。液体送出口OUT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F,F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OUTをパイプ下流部Pの小径開口部に設けている。パイプ下流部Pにおける液体送出口OUT近傍の内周面は、液体F,Fを円滑に案内できるように、テーパ状に形成されている。
[Pipe downstream part P 3 ]
The pipe downstream portion P 3 is provided with a liquid outlet OUT 1 for sending out the liquid F AB in which the liquids F A and F B are mixed. The liquid delivery port OUT 1 only needs to be provided at one or more places, and the arrangement thereof is not particularly limited, but in the mixed flow generation device of this embodiment, as shown in FIG. The liquid delivery port OUT 1 is provided at the small diameter opening of the pipe downstream portion P 3 so that the liquids F A and F B flowing annularly through the gap between the rotor R and the outer peripheral surface of the rotor R can be sent straight out of the pipe P. . The inner peripheral surface of the liquid outlet OUT 1 near the pipe downstream portion P 3, the liquid F A, as the F B can be smoothly guided, and is formed in a tapered shape.

[磁界発生手段C]
磁界発生手段Cは、図3に示すように、パイプ中流部Pの外周部に配されており、パイプ中流部Pの中心軸L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Lを中心として120°の回転対称に配された3本のコイルC〜Cを用いている。各コイルC〜Cの中心軸L〜Lは、パイプ中流部Pの中心軸L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C〜Cに流されると、パイプPの中心軸L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I〜I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I〜I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。
[Magnetic field generating means C]
Magnetic field generating means C, as shown in FIG. 3, are arranged on the outer periphery of the pipe midstream portion P 2, and intended to generate a rotating magnetic field with respect to the center axis L 0 of the pipe midstream portion P 2 It has become. In the mixed flow generating device of the present embodiment, three coils C 1 to C 3 arranged in a rotational symmetry of 120 ° about the central axis L 0 of the pipe P are used as the magnetic field generating means C. The central axes L 1 to L 3 of the coils C 1 to C 3 are perpendicular to the central axis L 0 of the pipe midstream portion P 2 . This magnetic field generating means C is configured to maintain a constant rotational speed around the central axis L 0 of the pipe P when a sinusoidal three-phase alternating current having a phase delayed by 120 ° is passed through the coils C 1 to C 3 . A rotating magnetic field that rotates while maintaining the strength is generated. The rotational speed of the rotating magnetic field can be easily adjusted by changing the frequency of the alternating currents I 1 to I 3 , and the strength of the rotating magnetic field changes the magnitude of the alternating currents I 1 to I 3. Can be adjusted easily.

コイルC〜Cの取り付け構造は、特に限定されないが、本実施態様の磁界発生手段Cにおいては、コイルC〜Cを等間隔に固着したシートSをパイプ中流部Pの外周部に巻回することによって取り付けている。これにより、コイルC〜Cを狭いスペースで密に配することが可能になり、混合流発生装置をさらに小型化することができる。シートSは、通常、コイルC〜Cが固着された側の面を内側にして巻回される。シートSの素材は、特に限定されないが、各コイルC〜Cで発生した磁界がシートSを伝搬して他のコイルC〜Cで発生する磁界に影響を及ぼすのを防止するために、通常、非磁性体が選択される。コイルC〜Cの内部には、鉄などの強磁性体からなる芯材を設けておくと、パイプPの内部に発生する回転磁界の強さを大きく確保することができる。The structure for attaching the coils C 1 to C 3 is not particularly limited, but in the magnetic field generating means C of this embodiment, the sheet S with the coils C 1 to C 3 fixed at equal intervals is attached to the outer peripheral portion of the pipe midstream portion P 2 . It is attached by winding on. As a result, the coils C 1 to C 3 can be densely arranged in a narrow space, and the mixed flow generator can be further downsized. The sheet S is usually wound with the surface on the side to which the coils C 1 to C 3 are fixed facing inward. The material of the sheet S is not particularly limited, but in order to prevent the magnetic field generated in each of the coils C 1 to C 3 from propagating through the sheet S and affecting the magnetic field generated in the other coils C 1 to C 3. Usually, a non-magnetic material is selected. If a core material made of a ferromagnetic material such as iron is provided inside the coils C 1 to C 3 , the strength of the rotating magnetic field generated inside the pipe P can be ensured.

[ロータR]
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INから導入された液体F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。
[Rotor R]
The rotor R is cylindrical. The downstream end of the rotor R is tapered and is supported by a pivot bearing B described later. Further, the upstream end of the rotor R is also formed in the tapered flow of introduced liquid F A from the liquid inlet port IN 1 is prevented disturbed. In the rotor R of this embodiment, the tapered surfaces forming the upstream end portion and the downstream end portion of the rotor R are such that the generatrix thereof forms an angle of 30 ° with the central axis of the rotor R. Is formed. The length of the rotor R is not particularly limited, but in the rotor R of this embodiment, the length from the upstream end to the downstream end is about 40 mm.

ロータRの素材は、磁界発生手段Cによって発生した回転磁界によって回転するものであれば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、永久磁石によって形成している。ロータRに用いる永久磁石としては、サマリウムコバルト磁石やフェライト磁石などの化合物磁石や、KS磁石鋼やMK磁石鋼などの合金磁石が例示される。本実施態様の混合流発生装置においては、耐腐食性に優れているサマリウムコバルト磁石を円柱状に成形したものをロータRとして用いている。本実施態様のロータRは、全体が一体的に成形されたものとなっており、その中心軸を通る平面で分けた片側がN極で、その反対側がS極となるように磁化されているが、これに限定されない。例えば、複数の永久磁石を貼り合わせてロータRを形成するような場合には、磁極の数を3極以上とすることもできる。   The material of the rotor R is not particularly limited as long as it is rotated by a rotating magnetic field generated by the magnetic field generating means C, but in the mixed flow generating device of this embodiment, it is formed by a permanent magnet. Examples of permanent magnets used for the rotor R include compound magnets such as samarium cobalt magnets and ferrite magnets, and alloy magnets such as KS magnet steel and MK magnet steel. In the mixed flow generating apparatus of this embodiment, a samarium cobalt magnet that is excellent in corrosion resistance and formed into a cylindrical shape is used as the rotor R. The rotor R of the present embodiment is integrally molded as a whole, and is magnetized so that one side divided by a plane passing through the central axis is an N pole and the opposite side is an S pole. However, it is not limited to this. For example, when the rotor R is formed by bonding a plurality of permanent magnets, the number of magnetic poles can be three or more.

[ピボット軸受B]
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。
[Pivot bearing B]
The pivot bearing B is for supporting a downstream end (pivot) formed in a tapered shape of the rotor R. As shown in FIGS. 1 and 4, the pivot bearing B of this embodiment has a disk shape, and is provided with a pivot hole at the center of one surface thereof. In the pivot bearing of this embodiment, the pivot hole has an opening diameter of 0.5 mm and a depth of about 0.4 mm, and its inner wall surface is formed in a tapered shape. The tapered surface forming the inner wall surface of the pivot hole is formed so that the generatrix thereof forms an angle of 32.5 ° with respect to the central axis of the pivot bearing B, and the downstream end of the rotor R is substantially 1 It is to support in terms of points.

また、ピボット軸受Bには、図4に示すように、液体F,Fを通すための貫通孔Hを設けている。このような構成を採用することで、パイプPの内部を流れる液体F,Fを各貫通孔Hの周辺部で切断して、パイプ下流部Pの液体送出口OUTから流れる混合流FABを交互流とすることも可能になると推測される。貫通孔Hの数や配置は、特に限定されないが、複数個の貫通孔HをパイプPの中心軸Lを中心として回転対称に設けた方が好ましい。これにより、パイプPの内部を流れる液体F,Fを各貫通孔Hの周辺部で規則正しく切断して、パイプ下流部Pの液体送出口OUTから流れる混合流FABをピッチの揃った交互流とすることも可能であると推測されるためである。本実施態様のピボット軸受Bにおいては、4個の貫通孔H〜Hを、ピボット穴を中心として回転対称に設けている。貫通孔H〜Hの合計の開口面積は、液体F,Fの流量などによっても異なり、特に限定されないが、本実施態様のピボット軸受Bにおいては、約21mmとなっている。Further, as shown in FIG. 4, the pivot bearing B is provided with a through hole H for allowing the liquids F A and F B to pass through. By adopting such a configuration, the liquids F A and F B flowing inside the pipe P are cut at the peripheral portions of the respective through holes H, and the mixed flow flowing from the liquid delivery port OUT 1 of the pipe downstream portion P 3 is obtained. It is presumed that F AB can be made to alternate flow. The number and arrangement of the through holes H are not particularly limited, but it is preferable that the plurality of through holes H be provided rotationally symmetrically about the central axis L 0 of the pipe P. Accordingly, the liquids F A and F B flowing inside the pipe P are regularly cut at the peripheral portions of the respective through holes H, and the mixed flow F AB flowing from the liquid delivery port OUT 1 of the pipe downstream portion P 3 is aligned with the pitch. This is because it is presumed that alternate flow is possible. In the pivot bearing B of this embodiment, the four through holes H 1 to H 4 are provided rotationally symmetrically about the pivot hole. The total opening area of the through holes H 1 to H 4 varies depending on the flow rates of the liquids F A and F B and is not particularly limited, but is about 21 mm 2 in the pivot bearing B of the present embodiment.

[混合流の発生方法]
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IN,INに供給する液体F,F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Fと液体F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。
[Generation method of mixed flow]
Next, a method for generating a mixed flow suitable for use with the mixed flow generator of the present invention will be described. The mixed flow generation method of the present invention is suitable for generating a mixed flow such as an alternating flow or a spiral flow. In this case, it is preferable to select liquids that are incompatible with each other as the liquids F A and F B supplied to the liquid inlets IN 1 and IN 2 . This is because the situation of the interface formed between the liquid F A and the liquid F B can be easily adjusted. In the following, a case where alternating flow, which is a particularly preferable example, is generated will be described as an example.

生じさせる交互流のピッチは、必ずしも均一でなくてもよいが、略均一であることが好ましい。これにより、液体送出口OUTの下流側に接続された流路で行う化学反応や抽出の再現性を高めることが可能になる。ここで、「交互流のピッチ」とは、液体送出口OUTの下流側に接続された流路を流れる一の液滴の先端から、次に流れてくる同じ種類の液滴の先端までの距離のことをいう。交互流のピッチは、液体送出口OUTの下流側に接続された流路Pの断面積や、液体Fや液体Fの流量を変えることによって調整することができる。The pitch of the alternating flow to be generated is not necessarily uniform, but is preferably substantially uniform. Thus, it is possible to increase the reproducibility of the chemical reaction and extraction carried out in a flow path connected to the downstream side of the liquid outlet OUT 1. Here, the “alternate flow pitch” means from the tip of one droplet flowing through the flow path connected to the downstream side of the liquid outlet OUT 1 to the tip of the same type of droplet that flows next. It means distance. The pitch of the alternating flow can be adjusted by changing the cross-sectional area of the flow path P 4 connected to the downstream side of the liquid delivery port OUT 1 and the flow rates of the liquid F A and the liquid F B.

具体的に交互流のピッチをいくらに設定するかは、液体送出口OUTの下流側に接続された流路Pの断面積や、化学反応や抽出の種類などによって異なるが、短く設定しすぎると、流路Pを流れる液体FABの分離回収が困難になるおそれがあるために、通常、0.01mm以上となるように設定する。交互流のピッチは、0.05mm以上であると好ましく、0.2mm以上であるとより好ましい。ところが、交互流のピッチが長すぎると、流路Pで行う化学反応や抽出の速度がそれ程速くならず、交互流を発生させる意義が低下するために、通常、30mm以下に設定される。交互流のピッチは、20mm以下であると好ましく、10mm以下であるとより好ましい。Specifically, how much the pitch of the alternating flow is set depends on the cross-sectional area of the flow path P 4 connected to the downstream side of the liquid delivery port OUT 1 , the type of chemical reaction or extraction, but is set short. If it is too large, it may be difficult to separate and collect the liquid F AB flowing through the flow path P 4, and therefore, it is usually set to be 0.01 mm or more. The pitch of the alternating flow is preferably 0.05 mm or more, and more preferably 0.2 mm or more. However, if the pitch of the alternating flow is too long, not the rate of a chemical reaction or extraction conducted in the flow path P 4 is so fast, the significance of generating alternating flow to decrease, typically set to 30mm or less. The pitch of the alternating flow is preferably 20 mm or less, and more preferably 10 mm or less.

液体送出口OUTの下流側に接続された流路Pの断面積も、特に限定されないが、小さすぎると、流路Pを流れる液体FABの分離回収が困難になるおそれがあるために、通常、1×10−4mm以上に設定される。流路Pの断面積は、1×10−3mm以上であると好ましく、1×10−2mm以上であるとより好ましく、5×10−2mmであるとさらに好ましい。ところが、流路Pの断面積が大きすぎると、流路Pで行う化学反応や抽出の速度がそれ程速くならないばかりか、そもそも液体FABが乱流となって交互流が発生しないおそれもあるために、通常、10mm以下に設定される。流路Pの断面積は、5mm以下であることが好ましく、3mm以下であるとより好ましい。The cross-sectional area of the flow path P 4 connected to the downstream side of the liquid delivery port OUT 1 is not particularly limited, but if it is too small, it may be difficult to separate and recover the liquid F AB flowing through the flow path P 4. Usually, it is set to 1 × 10 −4 mm 2 or more. The cross-sectional area of the flow path P 4 is preferably 1 × 10 −3 mm 2 or more, more preferably 1 × 10 −2 mm 2 or more, and further preferably 5 × 10 −2 mm 2 . However, if the cross-sectional area of the flow path P 4 is too large, the speed of the chemical reaction and extraction performed in the flow path P 4 will not be so high, and the liquid F AB may be turbulent in the first place and there is a possibility that alternating flow will not occur. Therefore, it is usually set to 10 mm 2 or less. Sectional area of the flow path P 4 is preferably 5 mm 2 or less, more preferably 3 mm 2 or less.

液体F,Fの流量比も、特に限定されないが、流動状態を安定させるためには、1/9〜9/1であること好ましく、2/8〜8/2であるとより好ましい。The flow ratio of the liquids F A and F B is not particularly limited, but is preferably 1/9 to 9/1, more preferably 2/8 to 8/2, in order to stabilize the flow state.

[実験結果]
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F:水道水(青色に着色),流量50mL/分
液体F: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
[Experimental result]
Next, in order to confirm the operation of the mixed flow generator of the present invention, an experiment was performed under the following initial conditions.
Liquid F A : Tap water (colored blue), flow rate 50 mL / min Liquid F B : Silicone oil, viscosity 10 cst, flow rate 50 mL / min Rotor R rotation speed: 300 rpm

その結果、図5に示すように、パイプPの内部で、液体Fと液体Fの界面が螺旋状に形成されて流れているのが確認できた。このとき、図6に示すように、液体送出口OUTの下流側に接続された流路Pの内部でも、液体Fと液体Fの界面が螺旋状に形成されて流れているのが確認できた。このように、パイプPの内部や液体送出口OUTの下流側に接続された流路で螺旋流を生じさせることによって、並行二相流の場合と比較して、液体Fと液体Fの界面の面積を増大させることができるので、反応効率を向上することができると考えられる。As a result, as shown in FIG. 5, in the pipe P, the interface of the liquid F A and the liquid F B was confirmed that flows is formed in a spiral shape. At this time, as shown in FIG. 6, in the interior of the liquid delivery port OUT 1 on the downstream side is connected to the flow path P 4, the interface of the liquid F A and the liquid F B is flowing spirally formed Was confirmed. Thus, by generating a spiral flow in the flow path connected to the inside of the pipe P or the downstream side of the liquid delivery port OUT 1 , the liquid F A and the liquid F B are compared with the case of the parallel two-phase flow. It is considered that the reaction efficiency can be improved because the area of the interface can be increased.

続いて、液体送出口OUTの下流側に接続された流路の先端部(液体送出口OUTに接続されていない側の端部)を押し潰して、該流路の内部圧力を高めてみると、図7に示すように、螺旋状に形成されていた界面が途切れて、液体Fと液体Fとが繰り返し現われる交互流が発生しているのが確認できた。さらに、液体Fの流量を大きくすると、図8に示すように、液体Fの容積比が高くなった交互流が発生しているのが確認できた。このように、液体送出口OUTの下流側に接続された流路で交互流を生じさせることによって、既述の分子移動に有利な特別な流動状態を発現させ、並行二相流の場合と比較して、液体Fと液体Fとの反応効率を向上することができると考えられる。Subsequently, crushed tip of the connected flow path downstream of the fluid outlet OUT 1 (the end on the side not connected to the liquid delivery port OUT 1), to increase the internal pressure of the flow path Looking, as shown in FIG. 7, the interrupted surface which has been formed in a spiral shape, the liquid F a and alternating stream and repeatedly appearing liquid F B was confirmed that has occurred. Moreover, increasing the flow rate of the liquid F A, as shown in FIG. 8, alternate flow volume ratio was higher in the liquid F A was confirmed that has occurred. As described above, by generating an alternating flow in the flow path connected to the downstream side of the liquid delivery port OUT 1 , a special flow state advantageous for the molecular movement described above is expressed, and in the case of the parallel two-phase flow and In comparison, it is considered that the reaction efficiency between the liquid F A and the liquid F B can be improved.

以上の実験結果から、本発明の混合流発生装置は、各条件を変化させることで、層流支配下において、螺旋流や交互流など、化学反応や抽出に好ましい混合流を発生できるものであることが分かった。   From the above experimental results, the mixed flow generator of the present invention can generate a mixed flow preferable for chemical reaction and extraction, such as spiral flow and alternating flow, under the control of laminar flow by changing each condition. I understood that.

[用途]
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。
[Usage]
The mixed flow generator of the present invention can be used for various applications, but can be suitably used as a device for generating a mixed flow for performing a chemical reaction or extraction. Among them, it is suitable for generating a mixed flow such as an alternating flow and a spiral flow under the control of a laminar flow, and particularly suitable for generating an alternating flow. In addition, since it can be easily miniaturized, it can be put to practical use as a microreactor. In particular, it is expected to be put to practical use as a microreactor used in synthetic reaction tests for screening chemicals, and as a new reactor for research and development of new chemical processes. In addition, it is expected to be put into practical use as a microreactor for industrial production of products, which is being researched and developed in some fine chemical fields.

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L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L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。
A mixed flow generator for mixing two or more liquids to generate a mixed flow,
[1] A pipe P having a plurality of liquid inlets on the upstream side and a liquid outlet on the downstream side;
[2] arranged on the outer periphery of the pipe P, a magnetic field generating means C for generating a rotating magnetic field with respect to the center axis L 0 of the pipe P,
[3] is accommodated in the pipe P, the downstream end is formed in a tapered, a cylindrical rotor R which rotates around the center axis L 0 by the generation of the rotating magnetic field,
[4] A pivot bearing B disposed between the liquid inlet and the liquid outlet and supporting the downstream end of the rotor R;
A mixed flow generator comprising:
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に設けられた請求項1記載の混合流発生装置。   The mixed flow generator according to claim 1, wherein the pivot bearing B is provided with a through hole through which the liquid introduced into the pipe P from the liquid inlet is passed. 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又は2記載の混合流発生装置。   At least one liquid inlet among the plurality of liquid inlets is provided at the upstream end of the pipe P, and at least one liquid inlet among the remaining liquid inlets is provided at the side periphery of the pipe P, The mixed flow generator according to claim 1, wherein the liquid delivery port is provided at an end portion on the downstream side of the pipe P. パイプPの側周部に設けられた液体導入口がスリット状に形成されてなる請求項3記載の混合流発生装置。   The mixed flow generator according to claim 3, wherein the liquid inlet provided in the side periphery of the pipe P is formed in a slit shape. 磁界発生手段Cが中心軸L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1〜4いずれか記載の混合流発生装置。Magnetic field generating means C is mixed flow generating apparatus according to any one of the center axis L 0 comprising a plurality of coils disposed in rotational symmetry around the claims 1-4. ロータRが磁化されてなる請求項1〜5いずれか記載の混合流発生装置。   The mixed flow generator according to claim 1, wherein the rotor R is magnetized. パイプPの中心軸Lが鉛直方向に配されてなる請求項1〜6いずれか記載の混合流発生装置。Mixed flow generating apparatus according to claim 6, wherein any one of the center axis L 0 of the pipe P is arranged in the vertical direction. パイプPの内半径rとロータRの外半径rとの差が2mm以下である請求項1〜7いずれか記載の混合流発生装置。Mixed flow generator of difference claims 1-7, wherein one is 2mm or less between the outer radius r 2 of the inner radius r 1 and the rotor R of the pipe P. 液体送出口の下流側に断面積が10mm以下の流路が接続されてなる請求項1〜8いずれか記載の混合流発生装置。The mixed flow generator according to any one of claims 1 to 8, wherein a flow path having a cross-sectional area of 10 mm 2 or less is connected to the downstream side of the liquid delivery port. 請求項1〜9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。   A mixed flow generation method for generating a mixed flow using the mixed flow generation device according to claim 1. 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10記載の混合流の発生方法。   The method for generating a mixed flow according to claim 10, wherein liquids that are not compatible with each other are introduced from a plurality of liquid inlets. 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す請求項11記載の混合流の発生方法。   A spiral flow in which the interface between the liquids appears spirally in the gap between the inner peripheral surface of the pipe P and the outer peripheral surface of the roller R is caused to flow through a flow path connected to the downstream side of the liquid delivery port. The method for generating a mixed flow according to claim 11. 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11記載の混合流の発生方法。   A spiral flow in which the interface between the liquids appears spirally in the gap between the inner peripheral surface of the pipe P and the outer peripheral surface of the roller R, and the spiral flow is changed into an alternating flow in which the interface between the liquids repeatedly appears in the flow direction. The method for generating a mixed flow according to claim 11, wherein the mixed flow is passed through a flow path connected downstream of the liquid delivery port. 請求項12又は13記載の混合流の発生方法によって交互流又は螺旋流を発生させ、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。   A chemical reaction method in which an alternating flow or a spiral flow is generated by the mixed flow generation method according to claim 12 or 13 and a chemical reaction is advanced in a flow path connected to the downstream side of the liquid delivery port. 請求項12又は13記載の混合流の発生方法によって交互流又は螺旋流を発生させ、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。   An extraction method in which an alternating flow or a spiral flow is generated by the mixed flow generation method according to claim 12 or 13, and the extraction proceeds in a flow path connected to the downstream side of the liquid delivery port.
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