JPWO2012086685A1 - 流体混合器及び流体混合方法 - Google Patents

流体混合器及び流体混合方法 Download PDF

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Abstract

構造簡易で安価に分散相をマイクロレベルないしはサブマイクロレベルに微細化するとともに均一化するために、両端に開口部を有する筒状の混合器本体に、一端開口部から導入した第１流体を軸線方向に流動させて他端開口部から導出する軸線流路と、混合器本体の周壁に形成した本体導入孔から導入した第２流体を混合器本体の内周面に沿わせて軸線流路の軸線を中心とする螺旋状に旋回させながら流動させて第１流体と第２流体とを混合して他端開口部から導出する螺旋流路を形成した。

Description

本発明は、複数種類の流体を混合する流体混合器及び流体混合方法に関する。ここで、流体とは液体ないしは気体であり、液体と液体、液体と気体、及び、気体と気体を混合することができる。特に、エマルションの分散相を微細化かつ均一化することができる。エマルションとは，分散質及び分散媒が共に液体である分散系溶液のことを指す。
従来、流体混合器の一形態として、特許文献１に開示された乳化装置がある。かかる乳化装置は、直状に伸延する分散相流路に、分散相流路の軸線廻りに旋回する旋回流路を介して、分散相流路に対して直交方向に伸延する一対の連続相流路を接続し、分散相流路と同一軸線上で旋回流路よりも下流側に混合流路を形成して構成している。
このように構成して、分散相流路を通して供給した分散相と、連続相流路を通して供給した連続相を、旋回流路を介して合流させるとともに、混合流路を通して混合させることでエマルションとなすようにしている。
特開２００９−２７９５０７
ところが、前記した乳化装置は、板状の液体導入部と合流流路部と混合流路部と液体導出部とを積層させて構成し、各部に形成した流路形成路を接続して、分散相流路と連続相流路と旋回流路と混合流路を形成しているが、構造が複雑で各流路形成路の加工成形が煩雑になっている。そのため、乳化装置は製造コストが高価な上に、分散相をサブマイクロレベルに微細化することができるものではなかった。
そこで、本発明は、構造簡易で安価に分散相をマイクロレベルないしはサブマイクロレベルに微細化するとともに均一化することができる流体混合器及び流体混合方法を提供することを目的とする。
請求項１記載の発明に係る流体混合器は、両端に開口部を有する筒状の混合器本体に、一端開口部から導入した第１流体を軸線方向に流動させて他端開口部から導出する軸線流路と、混合器本体の周壁に形成した本体導入孔から導入した第２流体を混合器本体の内周面に沿わせて軸線流路の軸線を中心とする螺旋状に旋回させながら流動させて第１流体と第２流体とを混合して他端開口部から導出する螺旋流路を形成したことを特徴とする。
かかる流体混合器は、例えば、連続相としての第２流体を収容した容器内に配置し、分散相としての第１流体を混合器本体の一端開口部から他端開口部に向けて軸線流路を通して軸線方向に沿って流動させる（例えば、他端開口部側からポンプで引き入れる）。そうすることで、軸線流路内を減圧させることができて、第２流体を本体導入孔から混合器本体内に引き込みながら導入することができる。続いて、混合器本体の本体導入孔から混合器本体内に引き込まれながら導入された第２流体は、軸線流路を流動している第１流体の周囲にて螺旋流路を通して螺旋状に旋回流動されて、第１流体を螺旋流路の全域において剪断・分散する。その結果、第１流体と第２流体が均一に混和される。
この際、第２流体は、螺旋流路を通して軸線流路の軸線を中心とする螺旋状に旋回流動される。つまり、軸線流路の外周側から軸線中心（同芯）に向けて漸次旋回半径を小さくしながら旋回される。そのため、旋回流動が軸線中心側で加速されて高速で第１流体に剪断作用し、第１流体を微細かつ均等に分散する。
請求項２記載の発明に係る流体混合器は、請求項１記載の発明に係る流体混合器であって、前記混合器本体の外周を被覆体により一定の間隔を保持して被覆し、被覆体に、その周壁に形成した被覆体導入孔から導入した第２流体を被覆体の内周面に沿わせて軸線流路の軸線を中心に旋回させながら流動させて混合器本体の本体導入孔に導入させる旋回流路を形成して、軸線流路を軸線流動する第１流体と、その周囲を螺旋状に旋回流動する第２流体とを、螺旋流路の全域において混合させて他端開口部から導出させるようにしたことを特徴とする。
かかる流体混合器は、例えば、連続相としての第２流体を収容した容器内に配置し、分散相としての第１流体を混合器本体の一端開口部から他端開口部に向けて軸線流路を通して軸線方向に沿って流動させる（例えば、他端開口部側からポンプで引き入れる）。そうすることで、軸線流路内を減圧させることができて、第２流体を被覆体の被覆体導入孔から被覆体内に引き込みながら導入することができる。そして、被覆体内に導入された第２流体は、旋回流路を通して旋回されるとともに、混合器本体の本体導入孔から混合器本体内に引き込まれながら導入される。続いて、混合器本体の本体導入孔から混合器本体内に引き込まれながら導入された第２流体は、軸線流路を流動している第１流体の周囲にて螺旋流路を通して螺旋状に旋回流動されて、第１流体を螺旋流路の全域において剪断・分散する。その結果、第１流体と第２流体が均一に混和される。
この際、第２流体は、旋回流路で予備的に軸線流路の軸線を中心に旋回され、続いて、螺旋流路を通して軸線流路の軸線を中心とする螺旋状に旋回流動される。つまり、軸線流路の外周側から軸線中心（同芯）に向けて漸次旋回半径を小さくしながら旋回される。そのため、旋回流動が軸線中心側で加速されて高速で第１流体に剪断作用し、第１流体を微細かつ均等に分散する。
また、流体混合器は、両端に開口部を有する筒状の混合器本体と、混合器本体の外周を一定の間隔を保持して被覆する被覆体とで構成することができるため、合成樹脂等により軽量で構造簡易かつ安価に製造することができる。
請求項３記載の発明に係る流体混合器は、請求項１又は２記載の発明に係る流体混合器であって、前記混合器本体は、一端開口部から他端開口部に向かって漸次拡径させて形成した基端側筒状部と、基端側筒状部の終端から他端開口部まで略同径に形成した先端側筒状部とを具備し、先端側筒状部の周壁には、その長手方向との間に一定の鋭角をなして伸延するスリット状の本体導入孔を複数個形成するとともに、各本体導入孔は単一仮想螺旋に沿わせてかつその伸延方向に間隔を開けて配置したことを特徴とする。
かかる流体混合器では、混合器本体の基端側筒状部を漸次拡径させて形成し、先端側筒状部を基端側筒状部の終端から他端開口部まで略同径に形成して、先端側筒状部内において第２流体が螺旋状に旋回流動されるようにしているため、基端側筒状部から先端側筒状部に流動される第１流体と、先端側筒状部において螺旋状に旋回流動される第２流体との混和性と旋回性を促進させることができる。
この際、本体導入孔は、先端側筒状部の周壁には、その長手方向との間に一定の鋭角をなして伸延するスリット状に複数個形成するとともに、複数個の本体導入孔は単一仮想螺旋上に配置しているため、本体導入孔から導入された第２流体は混合器本体内で堅実に螺旋状に旋回される。
請求項４記載の発明に係る流体混合器は、請求項２又は３記載の発明に係る流体混合器であって、前記被覆体の周壁には、その長手方向に沿って伸延するスリット状の被覆体導入孔を形成したことを特徴とする。
かかる流体混合器では、被覆体導入孔を被覆体の周壁にその長手方向に沿って伸延するスリット状に形成しているため、被覆体導入孔から導入された第２流体は被覆体の内周面に沿って流動されて堅実に旋回される。したがって、連続相としての第２流体が、外周における予備的な旋回流から内周における螺旋状の旋回流に変化して、高速の旋回流となって分散相としての第１流体に剪断・分散化作用する。その結果、第１流体がサブマイクロレベルで微細化かつ均一化される。
請求項５記載の発明に係る流体混合方法は、軸線流路をその軸線方向に沿って流動する第１流体と、その外周において、旋回流路を通して旋回流動させた後に、螺旋流路を通して螺旋状に旋回流動する第２流体とを、軸線流路の軸線方向に流動させながら混合することを特徴とする。
かかる流体混合方法は、軸線流路をその軸線方向に沿って流動する第１流体に対して、その外周において、旋回流路を通して予備的に旋回流動させた後に、螺旋流路を通して高速化して螺旋状に旋回流動する第２流体を、軸線流路の軸線方向に流動させながら混和させることができる。その結果、分散相としての第１流体が微細化されるとともに、連続相としての第２流体に均一に分散される
請求項６記載の発明に係る流体混合方法は、請求項５記載の発明に係る流体混合方法であって、第２流体を収容した容器内で、前記軸線流路内で第１流体を軸線方向に沿って流動させて軸線流路内を減圧させることで、前記容器内に収容した第２流体を軸線流路内に吸引するとともに、軸線流路の軸線方向に螺旋状に旋回流動させることを特徴とする。
かかる流体混合方法では、軸線流路内で第１流体を軸線方向に沿って流動させることで軸線流路内を減圧して、第２流体を旋回させながら導入して第１流体に剪断・分散化作用させることができる。そのため、分散相としての第１流体の微細化と連続相としての第２流体への均一化を良好に確保することができる。しかも、かかる混合流体を短時間に安価に生成することができる。
本発明は次のような効果を奏する。すなわち、本発明に係る流体混合装置は、構造簡易で軽量・コンパクトかつ安価に製造することができる。そのため、必要な初期コストに対する効果は非常に大きい。そして、流体混合装置の洗浄作業やメンテナンス作業を迅速かつ簡単に行うことができる。また、本発明に係る流体方法は、分散相としての第１流体を効率良く剪断・分散することができる。しかも、第１流体をマイクロレベルないしはサブマイクロレベルに微細化するとともに均一化することができる。そのため、短時間に大量の混合流体を安価に生成することができる。特に、本発明は、液相−液相の２相を高速で旋回混流させることによりマイクロエマルション（マイクロオーダーのエマルション）を生成することができるものであり、乳化速度を飛躍的に向上させることができるものである。したがって、エマルションの短時間・大量・安価生成に好適なものである。
第１実施形態としての流体混合装置の説明図。 第１実施形態としての流体混合器の断面正面説明図。 第２実施形態としての流体混合装置の説明図。 第２実施形態としての流体混合器の断面正面説明図。 第２実施形態としての流体混合器の断面右側面説明図。 第２実施形態としての流体混合器の正面説明図。 図６のI-I線断面図。 混合器本体の正面説明図。 混合器本体の展開説明図。 本体導入孔の説明図。 混合器本体の右側面説明図。 被覆体の正面説明図。 図１２のII-II線断面図。 第１実施形態としての流体混合装置の第１変形例の断面正面説明図。 第１実施形態としての流体混合装置の第２変形例の断面正面説明図。 第１実施形態としての流体混合装置の第３変形例の断面正面説明図。 第２実施形態としての流体混合器の変形例の断面正面説明図。 図１７のIII-III線断面図。 混合器本体により生成されたエマルションの分散相を形成する油滴径（粒子径）の測定結果を示すグラフ。 本発明に係る流体混合器により生成されたエマルションの分散相を形成する油滴径（粒子径）の測定結果を示すグラフ。 オレイン酸を導入したマイクロエマルションのマイクロスコープ画像。 鋭角θ２が２４°の流体混合器を使用して５０ミリリットル／分のオレイン酸を導入したマイクロエマルションの粒度分布図。 鋭角θ２が１５°の流体混合器を使用して５０ミリリットル／分のオレイン酸を導入したマイクロエマルションの粒度分布図。 鋭角θ２が３０°の流体混合器を使用して５０ミリリットル／分のオレイン酸を導入したマイクロエマルションの粒度分布図。 １００ミリリットル／分のオレイン酸を導入したマイクロエマルションの粒度分布図。 流量２３リットル／分のマイクロエマルションの粒度分布図。 オレイン酸の粒子数の表示。 種々の油の粘度と粒度分布測定において確認された平均粒子径及び粒子数の表示。 水と大豆油で生成されたマイクロエマルションの粒度分布図。 水と菜種油で生成されたマイクロエマルションの粒度分布図。 水とコーン油で生成されたマイクロエマルションの粒度分布図。 水とオリーブ油で生成されたマイクロエマルションの粒度分布図。 水と椿油で生成されたマイクロエマルションの粒度分布図。 マイクロエマルション化した椿油（処理直後）の写真。 マイクロエマルション化した椿油の３ヶ月後（処理後３ヶ月放置）の写真。
以下に、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１に示す１は第１実施形態としての流体混合装置であり、かかる流体混合装置１は図２に示す第１実施形態としての流体混合器１０を具備している。また、図３に示す１は第２実施形態としての流体混合装置であり、かかる流体混合装置１は図４に示す第２実施形態としての流体混合器１０を具備している。これら第１実施形態ないしは第２実施形態としての流体混合装置１は、図１及び図３に示すように、第１流体Ｆ１と第２流体Ｆ２を混合する装置である。本実施形態では、第１流体Ｆ１は分散相としての液体（例えば、油）として、また、第２流体Ｆ２は連続相としての液体（例えば、水）として説明する。
［流体混合装置１の説明］
第１実施形態（第２実施形態）としての流体混合装置１は、図１（図３）に示すように、上面が開口した容器状の第２流体収容部２内に第２流体Ｆ２を収容し、第２流体Ｆ２中に第１実施形態（第２実施形態）としての流体混合器１０を配置している。流体混合器１０の一端側（基端側）には、第１連通路としての第１連通パイプ３を介して、第１流体Ｆ１を収容した第１流体収容部４を連通連結している。流体混合器１０の他端側（先端側）には、第２連通路としての第２連通パイプ５を介して、吸引ポンプＰの吸込口（図示せず）を連通連結している。吸引ポンプＰの吐出口（図示せず）には、第３連通路としての第３連通パイプ６を介して、混合流体Ｆ３を収容する混合流体収容部７を連通連結している。
このように構成して、吸引ポンプＰを吸引作動させることで、第１流体収容部４内の第１流体Ｆ１を第１連通パイプ３を通して流体混合器１０内に導入するとともに、吸引効果により減圧された流体混合器１０内に第２流体収容部２内の第２流体Ｆ２を導入して、流体混合器１０内で第１流体Ｆ１と第２流体Ｆ２を混合させて混合流体Ｆ３となすようにしている。そして、混合流体Ｆ３を第２連通パイプ５→吸引ポンプＰ→第３連通パイプ６を通して混合流体収容部７に収容するようにしている。また、混合流体Ｆ３は、混合流体収容部７から適宜回収することができる。
［流体混合器１０の説明］
第１実施形態としての流体混合器１０は、図１及び図２に示すように、両端に開口部を有する円筒状の混合器本体１１のみから構成している。また、第２実施形態としての流体混合器１０は、図３及び図４に示すように、混合器本体１１の外周を円筒状の被覆体３０により一定の間隔を保持して被覆するとともに、同心円状（二重筒状）に配置して構成している。そして、第２実施形態としての流体混合器１０は、被覆体３０中に混合器本体１１を抜き差し自在に挿入して、混合器本体１１の基端部を被覆体３０から突出させた状態となして構成している。ここで、流体混合器１０は、合成樹脂等により薄肉軽量に形成して、構造簡易かつ安価に製造している。しかも、被覆体３０から混合器本体１１を抜き取ることで、簡単に分解して、それぞれ洗浄作業やメンテナンス作業をすることができる。
第１実施形態としての流体混合器１０は、図１及び図２に示すように、混合器本体１１の基端部に、柔軟性素材により形成した第１連通パイプ３の先端部を着脱自在に外嵌して連通連結している。そして、混合器本体１１の先端部外周面には、柔軟性素材により形成した第２連通パイプ５の基端部を着脱自在に外嵌して連通連結している。
第２実施形態としての流体混合器１０は、図３及び図４に示すように、混合器本体１１の基端部に、柔軟性素材により形成した第１連通パイプ３の先端部を着脱自在に外嵌して連通連結している。そして、混合器本体１１の先端部外周面に、弾性ゴム素材にて円筒状に形成したスペーサ２０を外嵌し、スペーサ２０の外周面と被覆体３０の先端部内周面との間に、第２連通パイプ５の基端部を着脱自在に嵌入して連通連結している。
このように構成した第１・第２実施形態の流体混合器１０は、第１・第２連通パイプ３,５から簡単に着脱可能として、流体混合器１０の洗浄作業やメンテナンス作業が楽に行えるようにしている。
（混合器本体１１の説明）
混合器本体１１は、図８〜図１１に示すように、一端開口部１２から他端開口部１３に向かって漸次拡径させて漏斗状に形成した基端側筒状部１６と、基端側筒状部１６の終端から他端開口部１３まで略同径に形成した円筒状の先端側筒状部１７と先端筒状部１８とから直状に形成している。Ｌ１は混合器本体１１の長手幅、Ｌ２は基端側筒状部１６の長手幅である。θ１は基端側筒状部１６の周面傾斜角度である。Ｄ１は一端開口部１２の内径、Ｄ２は他端開口部１３の内径、Ｄ３は先端側筒状部１７の内径である。
先端側筒状部１７の周壁は、軸線方向に軸線方向幅Ｌ３〜Ｌ７の間隔で五等分割し、各軸線方向幅Ｌ３〜Ｌ７内には、その長手方向との間に一定の鋭角θ２（例えば、２０°〜３０°の範囲）をなして伸延するスリット状の本体導入孔１５を形成している（本実施形態では５個）。そして、各本体導入孔１５は、先端側筒状部１７の周壁に描いた単一仮想螺旋Ｓに沿わせて配置するとともに、単一仮想螺旋Ｓの伸延方向に一定の間隔を開けて配置している。単一仮想螺旋Ｓは、図９に示すように、先端側筒状部１７を展開させた状態では仮想直線を描いており、この仮想直線上に一定の間隔を開けてスリット状の内側導入孔１５を形成している。そして、円筒状に屈曲させて形成した本来の先端側筒状部１７において、この仮想直線が単一仮想螺旋Ｓを描いている。Ｌ８は先端筒状部１８の軸線方向幅である。
各本体導入孔１５は、単一仮想螺旋Ｓ上において、先端側筒状部１７の周壁の一部を切欠するとともに、他端開口部１３側の一端を円周方向に切欠した一側端縁部１７ａを内方へ屈曲させることで、一端開口部１２側から他端開口部１３側に向かって漸次拡径状に開口させて形成している。Ｗ１は本体導入孔１５の最大開口幅である。
一側端縁部１７ａは、外方（先端側筒状部１７の半径方向）へ凸状に屈曲する外表面が本体導入孔１５から導入される第２流体Ｆ２の導入案内面として機能する一方、内表面が旋回流動される第２流体Ｆ２の旋回案内面として機能する。したがって、単一仮想螺旋Ｓに沿わせて配置された各本体導入孔１５を形成する一側端縁部１７ａが、第２流体Ｆ２を堅実に螺旋状に旋回案内する。
混合器本体１１内には、図２に示すように、一端開口部１２から導入した第１流体Ｆ１を軸線方向に流動させて他端開口部１３から導出する直状の軸線流路１４を形成している。また、混合器本体１１の先端側筒状部１７の周縁部には螺旋流路１９を形成しており、螺旋流路１９では本体導入孔１５から導入された第２流体Ｆ２が先端側筒状部１７の内周面に沿って軸線流路１４の軸線を中心として軸線流路１４の外周を螺旋状に旋回されながら流動されるようにしている。そして、螺旋流路１９を流動する第２流体Ｆ２が、軸線流路１４を流動する第１流体Ｆ１に剪断・分散作用して混和し、混和した後に他端開口部１３から混合流体Ｆ３として導出されるようにしている。
（被覆体３０の説明）
被覆体３０は、図６,図７,図１２及び図１３に示すように、一端開口部３１から他端開口部３２に向かって漸次拡径させて漏斗状に形成した被覆基端筒状部３３と、被覆基端筒状部３３の終端から他端開口部３２に向かって略同径にて伸延する円筒状の被覆本体３４と、被覆本体３４の終端から他端開口部３２まで伸延する円筒状の被覆先端筒状部３５とから直状に形成している。一端開口部３１の内周縁部には、混合器本体１１の基端側筒状部１６の外周面中途部が当接するようにしている。Ｌ９は被覆体３０の長手幅、Ｌ１０は被覆基端筒状部３３の軸線幅、Ｌ１１は被覆本体３４の長手幅、Ｌ１２は被覆先端筒状部３５の軸線幅である。Ｄ４は一端開口部３１の内径、Ｄ５は他端開口部３２の内径である。θ３は被覆基端筒状部３３の周面傾斜角度であり、周面傾斜角度θ３＞周面傾斜角度θ１となしている。
被覆本体３４の周壁には、全幅にたって長手方向に沿って直状に伸延するスリット状の被覆体導入孔３６を複数（本実施形態では２個）形成している。２個一対の被覆体導入孔３６は、被覆体３０の軸線を中心とする点対称の位置に配置している。各被覆体導入孔３６は、被覆本体３４の長手幅Ｌ１１にわたって周壁を軸線方向に直状に切欠するとともに、両端を円周方向に切欠した一側端縁部３４ａを内方へ屈曲させることで、一端開口部１２から他端開口部１３に向かって略同一幅に開口させて形成している。
一側端縁部３４ａは、外方（被覆本体３４の半径方向）へ凸状に屈曲する外表面が外側導入孔３６から導入される第２流体Ｆ２の導入案内面として機能する一方、内表面が旋回流動される第２流体Ｆ２の旋回案内面として機能する。したがって、点対称の位置に配置された一対の被覆体導入孔３６を形成する一側端縁部３４ａが、第２流体Ｆ２を堅実に旋回案内する。
被覆本体３４の内周面と混合器本体１１の先端側筒状部１７の外周面との間には、図５に示すように一定の間隔Ｗ３が保持された円筒状の旋回流路３７を形成して、この旋回流路３７内で第２流体Ｆ２が旋回流動されるようにしている。ここで、旋回流路３７の幅となる一定の間隔Ｗ３は、混合器本体１１の内径以下でその内径の半分以上、好ましくは、その内径と略同径となすことができる。そして、旋回流路３７では、被覆体導入孔３６から導入された第２流体Ｆ２が被覆本体３４の内周面に沿って軸線流路１４の軸線を中心に旋回されながら流動するとともに、混合器本体１１の内側導入孔１５から混合器本体１１内に導入されるようにしている。Ｗ２は被覆体導入孔３６の最大開口幅である。
被覆本体３４の周壁に形成した被覆体導入孔３６の長手幅Ｌ１１内には、混合器本体１１の先端側筒状部１７の周壁に形成した５個の本体導入孔１５を配置して、被覆体導入孔３６を通して被覆本体３４内に導入された第２流体Ｆ２が旋回流路３７内で旋回されながら５個の本体導入孔１５を通して混合器本体１１内に導入されるようにしている。
このように構成することによって、図４及び図５に示すように、混合器本体１１内の軸線流路１４を第１流体Ｆ１が軸線方向に沿って流動されると、混合器本体１１内の軸線流路１４が減圧される。そして、その減圧効果により第２流体収容部２内に収容した第２流体Ｆ２は、被覆体導入孔３６を通して被覆本体３４内に旋回されながら導入されて、被覆本体３４内の旋回流路３７で旋回流動される。さらに、旋回流路３７で旋回流動されている第２流体Ｆ２は、本体導入孔１５を通して混合器本体１１内に導入されるとともに、軸線流路１４を軸線流動されている第１流体Ｆ１の周囲にて螺旋状に旋回流動されて、螺旋流路１９の全域において、第１流体Ｆ１と旋回混流される。また、このようにして、第１流体Ｆ１と第２流体Ｆ２とが旋回混流されて混合された混合流体Ｆ３を生成し、混合流体Ｆ３は他端開口部１３から導出される。
この際、連続相としての第２流体Ｆ２は、旋回流路３７で予備的に軸線流路１４の軸線を中心に旋回され、続いて、螺旋流路１９を通して軸線流路１４の軸線を中心とする螺旋状に旋回流動される。つまり、軸線流路１４の外周側から軸線中心（同芯）に向けて漸次旋回半径を小さくしながら旋回される。そのため、旋回流動されている第２流体Ｆ２が、軸線中心側で加速されて高速で分散相としての第１流体Ｆ１に剪断作用する。その結果、第１流体Ｆ１は微細かつ均等に分散される。したがって、第１流体Ｆ１に第２流体Ｆ２を高速で旋回混流させることができて、第１流体Ｆ１と第２流体Ｆ２を均一に混和させることができる。
また、混合器本体１１の基端側筒状部１６を漸次拡径させて形成しているため、基端側筒状部１６内を流動される第１流体Ｆ１の分散性を漸次高めることができる。先端側筒状部１７を基端側筒状部１６の終端から先端筒状部１８まで略同径に形成して、先端側筒状部１７内において第２流体Ｆ２が螺旋状に旋回流動されるようにしているため、基端側筒状部１６から先端側筒状部１７に流動される第１流体Ｆ１と、先端側筒状部１７において螺旋状に旋回流動される第２流体Ｆ２との混和性と旋回性を促進させることができる。
本体導入孔１５は、先端側筒状部１７の周壁には、その長手方向との間に一定の鋭角θ２をなして伸延するスリット状に５個形成するとともに、５個の本体導入孔１５は単一仮想螺旋Ｓ上に配置しているため、本体導入孔１５から導入された第２流体Ｆ２は混合器本体１１内で堅実に螺旋状に旋回される。また、被覆体導入孔３６は、被覆本体３４の周壁にその長手方向に沿って伸延するスリット状に形成しているため、被覆体導入孔３６から導入された第２流体Ｆ２は被覆本体３４の内周面に沿って流動されて堅実に旋回される。したがって、連続相としての第２流体Ｆ２が、外周における予備的な旋回流から内周における螺旋状の旋回流に変化して、高速の旋回流となって分散相としての第１流体Ｆ１に堅実に剪断・分散化作用する。その結果、第１流体Ｆ１がサブマイクロレベルで微細化かつ均一化される。このように、第１実施形態としての流体混合器１０は、少なくとも軸線流路１４と螺旋流路１９を具備する構成とし、第２実施形態としての流体混合器１０は、これらの流路１４,１９に加えて旋回流路３７を具備する構成としていることに特徴を有する。
なお、本実施形態では、第１実施形態ないしは第２実施形態としての流体混合器１０を備えた流体混合装置１により、第１流体Ｆ１と第２流体Ｆ２をそれぞれ液体として、液体と液体を混合させる形態について説明してきたが、流体混合器１０を備えた流体混合装置１は、液体と気体、又は、気体と気体を混合させる形態とすることもできる。また、流体混合器１０を形成する各部の大きさ等は、第１・第２流体Ｆ１,Ｆ２の粘度等に適応させて設定することができる。
次に、流体混合装置１と第２流体収容部２と流体混合器１０の変形例について説明する。なお、前記した構成と共通する箇所には同一符号を付して説明する。
［流体混合装置１の第１変形例の説明］
流体混合装置１の第１変形例について説明する。すなわち、図１４は第１実施形態としての流体混合装置１の第１変形例の断面正面説明図である。かかる第１変形例としての流体混合装置１は、図１４に示すように、第１実施形態としての流体混合器１０を第１変形例である閉塞ケース状に形成した第２流体収容部２により囲繞して構成している。すなわち、基端側筒状部１６の中途部外周面と第２連通パイプ５の基端部外周面との間に位置する混合器本体１１の部分を、第１変形例である第２流体収容部２により囲繞して構成している。第１変形例である第２流体収容部２は、円筒状の周壁形成体４０と、周壁形成体４０の一側端部に連設した一側端壁形成体４１と、周壁形成体４０の他側端部に連設した他側端壁形成体４２とから形成して、内部に第２流体Ｆ２を収容可能としている。４３は基端側筒状部１６の中途部周面に取り付ける基端側取付部、４４は第２連通パイプ５の基端部外周面に取り付ける先端側取付部である。
周壁形成体４０の基端側には、第２流体供給パイプ４５の先端部を連通連結している。そして、第２流体供給パイプ４５の先端開口部４６は周壁形成体４０の内周面でかつ下流側に指向させて、先端開口部４６から吸引・流入される第２流体Ｆ２が混合器本体１１の軸線廻りに螺旋状の旋回流となされるようにしている。第２流体供給パイプ４５の基端部は第２流体貯留源（図示せず）に連通連結している。
このように構成することによって、第１流体Ｆ１が混合器本体１１内を吸引・流動されると、混合器本体１１内が減圧されて、第２流体貯留源の第２流体Ｆ２が第２流体供給パイプ４５を通して先端開口部４６から第２流体収容部２内に吸引・流入され、吸引・流入された第２流体Ｆ２が混合器本体１１の軸線廻りに螺旋状の旋回流となされる。その結果、第１変形例である第２流体収容部２内には予備な旋回流路３７が形成されて、第２流体Ｆ２が旋回されながら本体導入孔１５を通して混合器本体１１内に吸入される。
［流体混合装置１の第２変形例の説明］
流体混合装置１の第２変形例について説明する。すなわち、図１５は第１実施形態としての流体混合装置１の第２変形例の断面正面説明図である。かかる第２変形例としての流体混合装置１は、図１５に示すように、前記した第１変形例としての流体混合装置１と基本的構造を同じくしているが、第２流体収容部２を周壁形成体４０の内周面に螺旋状の旋回手段５０を配設して構成した第２変形例の第２流体収容部２となして、第２変形例の第２流体収容部２内に吸引・流入された第２流体Ｆ２が混合器本体１１の軸線廻りに堅実な螺旋状の旋回流となされるようにして、第２変形例の第２流体収容部２内に予備な旋回流路３７が形成されるようにしている点で異なる。
すなわち、第２変形例の第２流体収容部２は、旋回手段５０として、円筒状の周壁形成体４０の内周面に沿わせて、帯状の旋回案内片５１を周壁形成体４０の軸線廻りに螺旋状かつ周壁形成体４０の内方に凸条に取り付けて構成している。そして、第２変形例の第２流体収容部２内に吸引・流入された第２流体Ｆ２が旋回案内片５１の側壁に沿って流動されて、周壁形成体４０の軸線廻りに螺旋状かつ周壁形成体４０の内方に凸条に混合器本体１１の外周で形成されて、堅実に旋回されながら本体導入孔１５を通して混合器本体１１内に吸入されるようにしている。なお、第２変形例の第２流体収容部２は、円筒状の周壁形成体４０の内周面に凹条溝を周壁形成体４０の軸線廻りに螺旋状に形成して構成し、第２流体Ｆ２が凹条溝に沿って螺旋状の旋回流となされて、旋回されながら本体導入孔１５を通して混合器本体１１内に吸入されるようにすることもできる。
このように、流体混合装置１の第２変形例では、第１変形例である第２流体収容部２に旋回手段５０を配設して第２変形例としての第２流体収容部２を具備する構成とすることで、第２変形例である第２流体収容部２に予備な旋回流路３７を堅実に形成する旋回流路形成機能を保持させている。つまり、第２変形例である第２流体収容部２は旋回流路形成機能を保持する被覆体３０としても機能するようにしている。
［流体混合装置１の第３変形例の説明］
流体混合装置１の第３変形例について説明する。すなわち、図１６は第１実施形態としての流体混合装置１の第３変形例の断面正面説明図である。かかる第３変形例としての流体混合装置１は、図１６に示すように、第２実施形態としての流体混合器１０を第３変形例である閉塞ケース状に形成した第２流体収容部２により囲繞して構成している。すなわち、第３変形例としての第２流体収容部２は、被覆基端筒状部３３の基端部外周面と第２連通パイプ５の基端部外周面との間に位置する被覆体３０の部分を囲繞して構成している。第３変形例としての第２流体収容部２は、円筒状の周壁形成体６０と、周壁形成体６０の一側端部に連設した一側端壁形成体６１と、周壁形成体６０の他側端部に連設した他側端壁形成体６２とから形成して、内部に第２流体Ｆ２を収容可能としている。６３は被覆基端筒状部３３の中途部周面に取り付ける基端側取付部、６４は被覆先端筒状部３５の基端部外周面に取り付ける先端側取付部である。
周壁形成体６０の基端側には、第２流体供給パイプ６５の先端部を連通連結している。そして、第２流体供給パイプ６５の先端開口部６６は周壁形成体６０の内周面でかつ下流側に指向させて、先端開口部６６から吸引・流入される第２流体Ｆ２が被覆体３０の軸線廻りに螺旋状の旋回流となされるようにしている。第２流体供給パイプ６５の基端部は第２流体貯留源（図示せず）に連通連結している。
このように構成することによって、第１流体Ｆ１が混合器本体１１内を吸引・流動されると、混合器本体１１内が減圧されて、第２流体貯留源の第２流体Ｆ２が第２流体供給パイプ６５を通して先端開口部６６から第２流体収容部２内に吸引・流入され、吸引・流入された第２流体Ｆ２が被覆体３０の軸線廻りに螺旋状の旋回流となされる。その結果、第１変形例である第２流体収容部２内には予備な旋回流路３７が形成されて、第２流体Ｆ２が旋回されながら被覆体導入孔３６を通して被覆体３０内に吸入される。
［第２実施形態としての流体混合器１０の変形例の説明］
第２実施形態としての流体混合器１０の変形例について説明する。すなわち、図１７は第２実施形態としての流体混合器１０の変形例の断面正面説明図、図１８は図１７のIII-III線断面図である。かかる第２実施形態としての流体混合器１０の変形例は、図１７及び図１８に示すように、被覆本体３４には、その内周面の接線方向に直状に伸延して被覆本体３４を貫通する被覆体導入孔７０を多数個整列させて形成している。すなわち、被覆体導入孔７０は、被覆本体３４の軸線方向に一定の間隔をあけて形成するとともに、円周方向に一定の間隔（本実施形態では円周廻りに６０°の間隔をあけて６個形成している）をあけて形成している。そして、円周方向に隣接する被覆体導入孔７０は、被覆本体３４の外周面においてその軸線方向に伸延する略仮想螺旋上に配置している。
このように構成して、図１８に示すように、被覆本体３４内には多数個の被覆体導入孔７０をそれぞれ通して第２流体Ｆ２が反時計廻りに吸入されるようにしている。そして、被覆本体３４内の旋回流路３７では第２流体Ｆ２が混合器本体１１の内周面に沿って、その軸線廻りに螺旋状の旋回流となされるようにしている。旋回流となされた第２流体Ｆ２は反時計廻りに旋回されながら本体導入孔１５を通して混合器本体１１内に吸入されるようにしている。
近年、マイクロエマルション生成の手法は、半導体分野で用いられるフォトレジストを用いて基盤上に微細な溝を形成し、油（あるいは水）を押し出すことによって生成する手法に移りつつある。この手法は均一な粒子径を生成できる利点がある反面、微細加工等の単価が高いことや生成されるエマルション数の時間効率が悪いなどの欠点が挙げられる。一方、本実施形態に係る流体混合装置１は、低コストでマイクロエマルションを生成可能なことや、マイクロエマルションを生成する時間効率が高い等の効果を奏する。つまり、水-油を引き入れるポンプ出力の可変制御のみで多量から少量までの均一なマイクロエマルションの生成が可能であり、スケールアップが容易である。さらには、界面活性剤等の乳化剤を含まないマイクロエマルションの生成、つまり、安定性のあるマイクロエマルションの生成が可能である。
［実施例１］
実施例１では、図１に示す第１実施形態の流体混合装置１によりエマルションの生成実験を行った。すなわち、第１実施形態に係る流体混合器１０を使用してエマルションの生成実験を行った。
Ｄ２＝１２ｍｍ、内径Ｄ３＝１１ｍｍ、各軸線方向幅Ｌ３〜Ｌ７＝１５ｍｍ、周面傾斜角度θ１＝７.５°、鋭角θ２＝２４°、最大開口幅Ｗ１＝１ｍｍである。
また、第１流体Ｆ１（分散相）として（食用）油を使用し、第２流体Ｆ２（連続相）として水道水を使用した。そして、吸引ポンプＰの排水量を２３リットル／分に設定して、油の導入量が１００ミリリットル／分となる条件下で、１分当たり１００ミリリットルのエマルションを生成した。
この実験で生成したエマルションに含有されている油滴の大きさ（粒子径）は、レーザー回折式粒度分布測定装置（ＳＡＬＤ−２２００、株式会社島津製作所製）を用いて測定した。その測定結果を図１９に示す。
図１９のグラフに示すように、実施例１ではエマルションに含まれる油滴の殆どは、その粒子径が１０μｍ〜１００μｍの範囲に微細化されていた。
この測定結果より、本実施形態の混合器本体１１は、マイクロレベルの微粒の油滴を生成することができるという優れた性能を有していることが分かった。
［実施例２］
実施例２では、図３に示す第２実施形態の流体混合装置１によりエマルションの生成実験を行った。すなわち、実施例１の実験で使用した混合器本体１１に被覆体３０を装着することで、第２実施形態の流体混合器１０を組み立てて、この流体混合器１０を使用してエマルションの生成実験を行った。
ここで、使用した被覆体３０の長手幅Ｌ９＝１１３ｍｍ、軸線幅Ｌ１０＝１４ｍｍ、長手幅Ｌ１１＝８３ｍｍ、軸線幅Ｌ１２＝１６ｍｍ、内径Ｄ４＝７ｍｍ、内径Ｄ５＝２８ｍｍ、周面傾斜角度θ３＝３４°最大開口幅Ｗ２＝１ｍｍ、一定の間隔Ｗ３＝８ｍｍである。
実施例１と同様に、第１流体Ｆ１（分散相）として（食用）油を使用し、第２流体Ｆ２（連続相）として水道水を使用した。そして、吸引ポンプＰの排水量を２３リットル／分に設定して、油の導入量が１００ミリリットル／分となる条件下で、１分当たり１００ミリリットルのエマルションを生成した。
この実験で生成したエマルションに含有されている油滴の大きさ（粒子径）は、レーザー回折式粒度分布測定装置（ＳＡＬＤ−２２００、株式会社島津製作所製）を用いて測定した。その測定結果を図２０に示す。
図２０のグラフに示すように、実施例２ではエマルションに含まれる油滴の殆どは、その粒子径が約１μｍを中心に均一に構成されていることを確認した。
この測定結果より、第２実施形態の流体混合器１０は、サブマイクロレベルの極めて微粒の油滴を生成することができるという優れた性能を有しており、しかも、粒子径が均一な油滴を生成できるという優れた性能を有していることが分かった。また、これにより、第２実施形態の流体混合器１０は極めて優れたエマルション生成能力（流体混合能力）を備えていることが分かった。
［実施例３］
次に、エマルション化する対象として、食用油の主要成分であるオレイン酸を用いて実施例２と同様の実験を行った。かかる実験では鋭角θ２を１５°、３０°に変更した実験も行った。更に、物理化学的要素としてエマルション化する油の粘度に着目し、粘度の異なる大豆油、菜種油、コーン油、オリーブ油、及び椿油を用いて調査した。なお、分散溶媒としては水（水道水）を用いた。
また、生成されたエマルションの評価として、粒子観察をマイクロスコープ（株式会社キーエンス製）、粒子径を粒度分布装置（株式会社島津製作所製）、粒子数をパーティクルカウンター（ベックマン・コールター株式会社製）によってそれぞれ観測した。
（結果と考察）
・オレイン酸
１）鋭角θ２を２４°に形成した流体混合器１０を使用して、５０ミリリットル／分でオレイン酸を導入させた場合のマイクロエマルション（生成される量：１６リットル／分）について、マイクロスコープ画像を図２１、粒度分布図を図２２にそれぞれ示す。図２１によって、生成されたエマルションが球状を形成していることが確認でき（比較的大きな粒子径で約２μｍ）、図２２により約０.７μｍ（モード径）にピークを持つ比較的均一性の取れたエマルションが生成されていることを確認した。また、パーティクルカウンターによって、生成されたエマルション数は約３３×１０６個/mL（３μｍ以下の総量）であった。
２）鋭角θ２を１５°に形成した流体混合器１０を使用して、同様にマイクロエマルションを生成した。その粒度分布図を図２３に示す。図２３により約０.１７８μｍ（モード径）にピークを持つ比較的均一性の取れたエマルションが生成されていることを確認した。
３）鋭角θ２を３０°に形成した流体混合器１０を使用して、同様にマイクロエマルションを生成した。その粒度分布図を図２４に示す。図２４により約０.７０８μｍ（モード径）にピークを持つ比較的均一性の取れたエマルションが生成されていることを確認した。
以上の結果から、本実施形態に係る流体混合器１０が油のマイクロエマルション化技術に好適であることを確認した。そして、鋭角θ２は３０°、２４°、１５°の順でモード径が小さくかつ均一化されていることを確認した。その結果、鋭角θ２を変えることにより、分散相としての第１流体Ｆ１のモード径に影響を与えることができることが分かった。つまり、第１流体Ｆ１の粒子径をある程度制御できることが分かった。
次いで、実産業への展開を検討した場合、生成されるマイクロエマルションの時間効率が重要となる。そこに大きな要素として加わるものが、導入する（エマルション化される）油量とポンプ圧である。以下、それぞれについて検討した。
・導入する油（オレイン酸）量
導入する油（オレイン酸）量を前述の５０ミリリットル／分から１００ミリリットル／分に上げ、粒度分布測定をした結果を図２５に示す。図２２とほぼ同様の粒子径を確認した。更に、オレイン酸の導入量を１３０ミリリットル／分まで上げたが、大きな変動は確認されなかった。
一方，粒子数は導入量に依存して増加することが確認された（図２７参照）。
・ポンプ圧
ポンプ圧は流量に依存することから、流体混合器１０、及び配管（第１連通パイプ３と第２連通パイプ５）の径や長さなどの吸引ポンプＰ以外を同一条件にした環境下で、２種類の吸引ポンプＰを用いて全体の流量から評価した（流量：１６リットル／分、及び、２３リットル／分）。
図２６にオレイン酸導入量が５０ミリリットル／分、生成されるマイクロエマルションの流量が２３リットル／分の際の粒度分布図を示す。図２２に比べピークが約０.５μｍとより小さい位置になった。これは、全体の流量が上がったものの、導入されるオレイン酸量が固定されているため、同時に導入される水（分散溶媒）のみが増加、つまり、エマルション化されるオレイン酸に対して分散溶媒の水の比率が上がった結果、オレイン酸の旋回分散力が向上したためと考えられる。
一方、どちらのポンプ（全体流量）においても、粒子数はオレイン酸の導入量のみに支配されることが確認された（図２７参照）。
・導入する油の粘性の影響
液相−液相の旋回混流によってマイクロエマルション化させる場合、その粒子径等は、それら溶液の組成よりも物理化学的な要素による影響が大きい。本実施例３における実験では特に、導入する油の粘性について評価した。本実験で用いた種々の油の粘度、粒度分布測定において確認された平均粒子径、及び粒子数をそれぞれ図２８に示す。また、粒度分布測定の例として、図２９に大豆油、図３０に菜種油、図３１にコーン油、図３２にオリーブ油、図３３に椿油での測定結果をそれぞれ示す。
平均粒子径及び粒子数等に油の粘度の影響は殆ど無く、上述の項目オレイン酸及び導入する油（オレイン酸）の結果を含め、粒子径はポンプ圧、粒子数は導入量によって支配されることを確認した。
・安定性
図３４はマイクロエマルション化した椿油（処理直後）、図３５はマイクロエマルション化した椿油の３ヶ月後（処理後３ヶ月放置）である。界面活性剤等の乳化剤なしで、安定なマイクロエマルションを生成することができたことを確認した。
・まとめ
流体混合装置１を利用したマイクロエマルション化技術について検討した。その結果、生成されるエマルションの平均粒子径及び粒子数等にその粘性の影響は殆ど無く、粒子径はポンプ圧、粒子数は導入量によって支配されることを確認した。
１ 流体混合装置
２ 第２流体収容部
３ 第１連通パイプ
４ 第１流体収容部
７ 混合流体収容部
１０ 流体混合器
１１ 混合器本体
１２ 一端開口部
１３ 他端開口部
１４ 軸線流路
１５ 本体導入孔
１６ 基端側筒状部
１７ 先端側筒状部
１７ａ 一側端縁部
１８ 先端筒状部
１９ 螺旋流路
３０ 被覆体
３４ 被覆本体
３４ａ 一側端縁部
【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、複数種類の流体を混合する流体混合器及び流体混合方法に関する。ここで、流体とは液体ないしは気体であり、液体と液体、液体と気体、及び、気体と気体を混合することができる。特に、エマルションの分散相を微細化かつ均一化することができる。エマルションとは、分散質及び分散媒が共に液体である分散系溶液のことを指す。
背景技術
［０００２］
従来、流体混合器の一形態として、特許文献１に開示された乳化装置がある。かかる乳化装置は、直状に伸延する分散相流路に、分散相流路の軸線廻りに旋回する旋回流路を介して、分散相流路に対して直交方向に伸延する一対の連続相流路を接続し、分散相流路と同一軸線上で旋回流路よりも下流側に混合流路を形成して構成している。
［０００３］
このように構成して、分散相流路を通して供給した分散相と、連続相流路を通して供給した連続相を、旋回流路を介して合流させるとともに、混合流路を通して混合させることでエマルションとなすようにしている。
先行技術文献
特許文献
［０００４］
特許文献１：特開２００９−２７９５０７
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００５］
ところが、前記した乳化装置は、板状の液体導入部と合流流路部と混合流路部と液体導出部とを積層させて構成し、各部に形成した流路形成路を接続して、分散相流路と連続相流路と旋回流路と混合流路を形成しているが、構造が複雑で各流路形成路の加工成形が煩雑になっている。そのため、乳化装置は製造コストが高価な上に、分散相をサブマイクロレベルに微細化するこ
【０００２】
とができるものではなかった。
［０００６］
そこで、本発明は、構造簡易で安価に分散相をマイクロレベルないしはサブマイクロレベルに微細化するとともに均一化することができる流体混合器及び流体混合方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［０００７］
請求項１記載の発明に係る流体混合器は、両端に開口部を有する筒状の混合器本体に、一端開口部から吸引ポンプにより吸引して導入した第１流体を軸線方向に流動させて他端開口部から導出する軸線流路と、容器状の第２流体収容部に収容した第２流体を第１流体の流動による減圧効果から生じる吸引により混合器本体の周壁に形成した本体導入孔を介して第１流体の軸線流路の外周から導入し、混合器本体の内周面に沿わせて軸線流路の軸線を中心とする螺旋状に旋回させながら流動させて第１流体と第２流体とを混合して他端開口部から導出する螺旋流路を形成し、しかも、前記混合器本体の周壁には、その長手方向との間に一定の鋭角をなして伸延するスリット状の本体導入孔を複数個形成するとともに、各本体導入孔の伸延方向は単一仮想螺旋に沿わせて、かつ、本体導入孔はその伸延方向に多数間隔を開けて配置したことを特徴とする。
［０００８］
かかる流体混合器は、連続相としての第２流体を容器状の第２流体収容部に収容して配置し、分散相としての第１流体を混合器本体の一端開口部から他端開口部に向けて吸引ポンプにより軸線流路を通して軸線方向に沿って流動させる。そうすることで、第１流体の流動による減圧効果から生じる吸引により第２流体を混合器本体の周壁に形成した本体導入孔を介して第１流体の軸線流路の外周から導入することができる。続いて、混合器本体の本体導入孔から混合器本体内に引き込まれながら導入された第２流体は、軸線流路を流動している第１流体の周囲にて螺旋流路を通して螺旋状に旋回流動されて、第１流体を螺旋流路の全域において剪断・分散する。その結果、第１流体と第２流体が均一に混和される。
［０００９］
この際、第２流体は、螺旋流路を通して軸線流路の軸線を中心とする螺旋状に旋回流動される。つまり、軸線流路の外周側から軸線中心（同芯）に向けて漸次旋回半径を小さくしながら旋回される。そのため、旋回流動が軸線中心側で加速されて高速で第１流体に剪断作用し、第１流体を微細かつ均等に分散する。
［００１０］
【０００３】
［００１１］
かかる流体混合器では、混合器本体の周壁に複数個の本体導入孔を形成しており、本体導入孔は混合器本体の長手方向との間に一定の鋭角をなして伸延するスリット状となして、単一仮想螺旋に沿わせて、かつ、その伸延方向に多数間隔を開けて配置しているため、本体導入孔から導入された第２流体は混合器本体内で堅実に螺旋状に旋回される。
［００１２］
請求項３記載の発明に係る流体混合器は、請求項１記載の発明に係る流体混合器であって、前記混合器本体は、一端開口部から他端開口部に向かって漸次拡径させて形成した基端側筒状部と、基端側筒状部の終端から他端開口部まで略同径に形成した先端側筒状部とを具備し、他端開口部には連通パイプを介して吸引ポンプの吸込口を連通連結したことを特徴とする。
［００１３］
かかる流体混合器では、混合器本体の基端側筒状部を漸次拡径させて形成し、先端側筒状部を基端側筒状部の終端から他端開口部まで略同径に形成して、先端側筒状部内において第２流体が螺旋状に旋回流動されるようにしているため、基端側筒状部から先端側筒状部に流動される第１流体と、先端側筒状部において螺旋状に旋回流動される第２流体との混和性と旋回性を促進させることができる。
【０００４】
［００１４］
請求項４記載の発明に係る流体混合器は、請求項１又は３記載の発明に係る流体混合器であって、前記混合器本体の外周を被覆体により一定の間隔を保持して被覆し、被覆体に、その周壁に形成した被覆体導入孔から導入した第２流体を被覆体の内周面に沿わせて軸線流路の軸線を中心に旋回させながら流動させて混合器本体の本体導入孔に導入させる旋回流路を形成して、軸線流路を軸線流動する第１流体と、その周囲を螺旋状に旋回流動する第２流体とを、螺旋流路の全域において混合させて他端開口部から導出させるようにしたことを特徴とする。
［００１５］
かかる流体混合器では、例えば、連続相としての第２流体を収容した容器内に配置し、分散相としての第１流体を混合器本体の一端開口部から他端開口部に向けて軸線流路を通して軸線方向に沿って流動させる（例えば、他端開口部側からポンプで引き入れる）。そうすることで、軸線流路内を減圧させることができて、第２流体を被覆体の被覆体導入孔から被覆体内に引き込みながら導入することができる。そして、被覆体内に導入された第２流体は、旋回流路を通して旋回されるとともに、混合器本体の本体導入孔から混合器本体内に引き込まれながら導入される。続いて、混合器本体の本体導入孔から混合器本体内に引き込まれながら導入された第２流体は、軸線流路を流動している第１流体の周囲にて螺旋流路を通して螺旋状に旋回流動されて、第１流体を螺旋流路の全域において剪断・分散する。その結果、第１流体と第２流体が均一に混和される。
［００１６］
この際、第２流体は、旋回流路で予備的に軸線流路の軸線を中心に旋回され、続いて、螺旋流路を通して軸線流路の軸線を中心とする螺旋状に旋回流動される。つまり、軸線流路の外周側から軸線中心（同芯）に向けて漸次旋回半径を小さくしながら旋回される。そのため、旋回流動が軸線中心側で加速されて高速で第１流体に剪断作用し、第１流体を微細かつ均等に分散する。
また、流体混合器は、両端に開口部を有する筒状の混合器本体と、混合器本体の外周を一定の間隔を保持して被覆する被覆体とで構成することができるため、合成樹脂等により軽量で構造簡易かつ安価に製造することができる。
［００１７］
請求項５記載の発明に係る流体混合器は、請求項４記載の発明に係る流体混合器であって、前記被覆体の周壁には、その長手方向に沿って伸延するスリット状の被覆体導入孔を形成したことを特徴とする。
［００１８］
かかる流体混合器では、被覆体導入孔を被覆体の周壁にその長手方向に沿って伸延するスリット状に形成しているため、被覆体導入孔から導入された第２流体は被覆体の内周面に沿って流動されて堅実に旋回される。したがって、連続相としての第２流体が、外周における予備的な旋回流から内周における螺旋状の旋回流に変化して、高速の旋回流となって分散相としての第１流体に剪断・分散化作用する。その結果、第１流体がサブマイクロレベルで微細化かつ均一化される。
［００１９］
請求項６記載の発明に係る流体混合方法は、吸引ポンプにより吸引されて軸線流路をその軸線方向に沿
【０００５】
って流動する第１流体と、軸線流路の外周に設けた容器状の第２流体収容部に収容し、第１流体の流動による減圧効果から生じる吸引により前記第２流体収容部から混合器本体の周壁に形成したスリット状の本体導入孔を介して螺旋流路内に導入して螺旋状に旋回流動する第２流体とを、軸線流路の軸線を中心とする螺旋状に旋回させながら混合し、しかも、スリット状の本体導入孔は一定の鋭角をなして伸延し単一仮想螺旋に沿って伸延方向に多数間隔を開けて配設されていることを特徴とする。
［００２０］
かかる流体混合方法は、吸引ポンプにより吸引されて軸線流路をその軸線方向に沿って流動する第１流体に対して、軸線流路の外周に設けた容器状の第２流体収容部に収容して、第１流体の流動による減圧効果から生じる吸引により第２流体収容部から混合器本体の周壁に形成したスリット状の本体導入孔を介して螺旋流路内に導入して螺旋状に旋回流動する第２流体を、軸線流路の軸線方向に流動させながら混和させることができる。この際、スリット状の本体導入孔は一定の鋭角をなして伸延し単一仮想螺旋に沿って伸延方向に多数間隔を開けて配設されているため、本体導入孔から導入された第２流体は混合器本体内で堅実に螺旋状に旋回される。その結果、分散相としての第１流体が微細化されるとともに、連続相としての第２流体に均一に分散される。
［００２１］
［００２２］
発明の効果
［００２３］
本発明は次のような効果を奏する。すなわち、本発明に係る流体混合器は、構造簡易で軽量・コンパクトかつ安価に製造することができる。そのため、必要な初期コストに対する効果は非常に大きい。そして、流体混合器の洗浄作業やメンテナンス作業を迅速かつ簡単に行うことができる。また、本発明に係る流体混合方法は、分散相としての第１流体を効率良く剪断・分散することができる。しかも、第１流体をマイクロレベルないしはサブマイクロレベルに微細化するとともに均一化することができる。そのため、短時間に
【０００６】
大量の混合流体を安価に生成することができる。特に、本発明は、液相−液相の２相を高速で旋回混流させることによりマイクロエマルション（マイクロオーダーのエマルション）を生成することができるものであり、乳化速度を飛躍的に向上させることができるものである。したがって、エマルションの短時間・大量・安価生成に好適なものである。
図面の簡単な説明
［００２４］
［図１］第１実施形態としての流体混合装置の説明図。
［図２］第１実施形態としての流体混合器の断面正面説明図。
［図３］第２実施形態としての流体混合装置の説明図。
［図４］第２実施形態としての流体混合器の断面正面説明図。
［図５］第２実施形態としての流体混合器の断面右側面説明図。
［図６］第２実施形態としての流体混合器の正面説明図。
［図７］図６のＩ−Ｉ線断面図。
［図８］混合器本体の正面説明図。
［図９］混合器本体の展開説明図。
［図１０］本体導入孔の説明図。
［図１１］混合器本体の右側面説明図。
［図１２］被覆体の正面説明図。
［図１３］図１２のＩＩ−ＩＩ線断面図。
［図１４］第１実施形態としての流体混合装置の第１変形例の断面正面説明図。
［図１５］第１実施形態としての流体混合装置の第２変形例の断面正面説明図。
［図１６］第１実施形態としての流体混合装置の第３変形例の断面正面説明図。
［図１７］第２実施形態としての流体混合器の変形例の断面正面説明図。
［図１８］図１７のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。
［図１９］混合器本体により生成されたエマルションの分散相を形成する油滴径（粒子径）の測定結果を示すグラフ。
［図２０］本発明に係る流体混合器により生成されたエマルションの分散相を形成する油滴径（粒子径）の測定結果を示すグラフ。

Claims (6)

  1. 両端に開口部を有する筒状の混合器本体に、一端開口部から導入した第１流体を軸線方向に流動させて他端開口部から導出する軸線流路と、混合器本体の周壁に形成した本体導入孔から導入した第２流体を混合器本体の内周面に沿わせて軸線流路の軸線を中心とする螺旋状に旋回させながら流動させて第１流体と第２流体とを混合して他端開口部から導出する螺旋流路を形成したことを特徴とする流体混合器。
  2. 前記混合器本体の外周を被覆体により一定の間隔を保持して被覆し、
    被覆体に、その周壁に形成した被覆体導入孔から導入した第２流体を被覆体の内周面に沿わせて軸線流路の軸線を中心に旋回させながら流動させて混合器本体の本体導入孔に導入させる旋回流路を形成して、
    軸線流路を軸線流動する第１流体と、その周囲を螺旋状に旋回流動する第２流体とを、螺旋流路の全域において混合させて他端開口部から導出させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の流体混合器。
  3. 前記混合器本体は、一端開口部から他端開口部に向かって漸次拡径させて形成した基端側筒状部と、基端側筒状部の終端から他端開口部まで略同径に形成した先端側筒状部とを具備し、
    先端側筒状部の周壁には、その長手方向との間に一定の鋭角をなして伸延するスリット状の本体導入孔を複数個形成するとともに、各本体導入孔は単一仮想螺旋に沿わせてかつその伸延方向に間隔を開けて配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の流体混合器。
  4. 前記被覆体の周壁には、その長手方向に沿って伸延するスリット状の被覆体導入孔を形成したことを特徴とする請求項２又は３記載の流体混合器。
  5. 軸線流路をその軸線方向に沿って流動する第１流体と、その外周において、旋回流路を
    通して旋回流動させた後に、螺旋流路を通して螺旋状に旋回流動する第２流体とを、軸線
    流路の軸線方向に流動させながら混合することを特徴とする流体混合方法。
  6. 第２流体を収容した容器内で、前記軸線流路内で第１流体を軸線方向に沿って流動させ
    て軸線流路内を減圧させることで、前記容器内に収容した第２流体を軸線流路内に吸引す
    るとともに、軸線流路の軸線方向に螺旋状に旋回流動させることを特徴とする請求項５記
    載の流体混合方法。
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