WO2006109741A1

WO2006109741A1 - 混合流発生装置および混合流の発生方法

Info

Publication number: WO2006109741A1
Application number: PCT/JP2006/307487
Authority: WO
Inventors: Koichi Suzumori; Takefumi Kanda; Akinori Muto; Yusaku Sakata
Original assignee: Okayama University NUC
Current assignee: Okayama University NUC
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2007-10-08
Also published as: JP5176103B2; JPWO2006109741A1

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。　

Description

明細書

混合流発生装置および混合流の発生方法

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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。

[0003] 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つて、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。

[0004] 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つており、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ぐ以下のように、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、新しいィ匕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。 [0005] 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。

[0006] し力しながら、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。

[0007] 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。 ) o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力つており、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。

[0008] 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力レイノルズ数が小さぐ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。

[0009] 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つて、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卷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、卷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力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、ても記載されて、る。

[0010] 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力も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。

[0011] 特許文献 1 :米国特許出願公開第 2004Z0013587号明細書

特許文献 2：特開平 03— 181324号公報

非特許文献 1：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 J215

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0012] 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口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。課題を解決するための手段

[0013] 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ノィプ 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

0

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

0

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。

[0014] 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つてロータ Rの中心軸を高、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

0

能になる（自動調芯効果)。

[0015] 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ぐ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。

[0016] 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。

[0017] 上記の混合流発生装置において、液体導入ロカパイプ 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。

[0018] 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ロカゝ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。 [0019] ノイブ 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

0

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

0

場合には、ノイブ 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。

[0020] 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

1 2

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!：との差が 2m

1 2

m以下となるように設定される。

[0021] 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、 10mm²以下に設定される。

[0022] 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!/、れば特に限定されな、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ロカ導入された液体と、パイプ Pの側周部に設けられた液体導入ロカゝら導入された液体とを、ノイブ 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。

[0023] 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ロカパイプ 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、ノイブ 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。

[0024] 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ィ

0

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。

[0025] 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ぐ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が磁ィ匕されてなる」とは、ロータ R全体が磁ィ匕された磁性体力ゝらなる場合と、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ィ匕される。

発明の効果

[0026] 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ぐ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。

図面の簡単な説明

[0027] [図 1]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

0

を示した断面図である。

[図 2]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]本発明の混合流発生装置を図 1における Y— Υで切断した状態を示した断面

2 2

図である。

[図 4]本発明の混合流発生装置を図 1における Υ— Υで切断した状態を示した断面

3 3

図である。

[図 5]ノイブ Ρ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

A B

る。

[図 6]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。

A B

[図 7]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。

A B

[図 8]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。

A B

符号の説明

B ピボット軸受

C 磁界発生手段

c〜c コイル

1 3

F , F , F 液体

A B AB

H 貫通孔

L パイプ Pの中心軸

0

P パイプ

P パイプ上流部

P パイプ中流部

2

P

3 パイプ下流部

P 液体送出口 OUTの下流側に接続された流路

4 1

R ロータ

IN , IN 液体導入口

1 2

OUT 液体送出口発明を実施するための最良の形態

[0029] 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

0

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

2 2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

3 3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。

[0030] [パイプ P]

ノイブ 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

1 2 1 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ノィプ中流

1 2 A B

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

2 1 3

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

1 3

とを両端に有する漏斗状のものとなっており、ノイブ中流部 P

2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 P

1とパイプ下流部 3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

2

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。

2

[0031] ノイブ 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がパイブ 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

A B

混合流発生装置では、パイプ上流部 P

1とパイプ下流部 Pの

3 素材にオーステナイト系のステンレス鋼を採用し、ノイブ中流部 Pの素材に石英ガラスを採用している。

2

[0032] [パイプ上流部 P ]

ノィプ上流部 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ぐその配

1 2

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

1 A 2

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

B 1 1

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

1 2 1

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

1 1 A

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

1 2

く傾けて配置してもよい。

[0033] 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

2

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力もパイプ

0 2

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

1 B

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

2 1 1 外半径 rとの差 δ ι: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

2 A B

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、 δ ι: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

2 の短手方向に沿った幅は、 S rZ2( = 0. 5mm)となっている。また、液体導入口 IN

2 の長手方向に沿った幅は 3mmとなって!/、る。

[0034] 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 IN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

2 1

、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

B 2 1

ができるようになつている。これにより、液体導入口 IN力も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

1 A 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

B

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。

[0035] [パイプ中流部 P ]

2

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

2 1 2 A B 量などによって異なり、特に限定されないが、ノイブ中流部 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

1 2

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ぐ lmm

1 2

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 1^ が 4mm、外半径 r力^ mmで内半径 rと外半径 rとの差が lmmとなるように設定され

2 1 2

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

2

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 lmmとなっている。

[0036] [パイプ下流部 P ]

3

ノイブ下流部 Pには、液体 F , Fが混合された液体 F を送出するための液体送

3 A B AB

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ぐ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を真直ぐノイブ Pの外部へ送出できるように、液体送出口 OUTをパイプ下

A B 1 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

3 3 1 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。

A B

[0037] [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、

2

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

2 0

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

0 1 3 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

1 3 1 3 2 0

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

1 3 0

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〜1の周波数を変えることによって容易に調

1 3

節することができ、前記回転磁界の強さは、交流電流 I〜ιの大きさを変えることによ

1 3

つて容易に調節することができる。

[0038] 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

1 3 2 周部に卷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〜

1 cを狭いスぺー 3

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卷回される。シー

1 3

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

1 3

搬して他のコイル c〜

1 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 3

常、非磁性体が選択される。コイル c〜cの内部には、鉄などの強磁性体力なる

1 3

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さる。

[0039] [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

1から導入された液体 F

Aの流れが乱されないようになつている。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、 V、ずれもその母線がロータ尺の中心軸に対して 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!/、る。

[0040] 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ノレ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極となるように磁ィ匕されている力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。 [0041] [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。

[0042] 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

A B

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

A B

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

3 1

混合流 F 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、

AB

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

0

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

A B

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

3 1 る混合流 F 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

AB

。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

1 4

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

1 4 A B 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 21mm²となっている。

[0043] [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

1 2

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

A B

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

A B

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。 [0044] 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 O UT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

1 4 A B

とによって調整することができる。

[0045] 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

4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 F の分離回収が困難になるおそれがあるた

4 AB

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ぐ 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

4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ぐ 10mm以下であるとより好ましい。

[0046] 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、が

1 4

、小さすぎると、流路 Pを流れる液体 F の分離回収が困難になるおそれがあるため

4 AB

に、通常、 1 X 10^_4mm²以上に設定される。流路 Pの断面積は、 1 X 10^_3mm²以上

4

であると好ましぐ l X 10^_2mm²以上であるとより好ましぐ 5 X 10^_2mm²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で行う化学反応ゃ抽

4 4

出の速度がそれ程速くならないばかりか、そもそも液体 F が乱流となって交互流が

AB

発生しないおそれもあるために、通常、 10mm²以下に設定される。流路 Pの断面積

4 は、 5mm²以下であることが好ましぐ 3mm²以下であるとより好ましい。

[0047] 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

A B

Z9〜9Zlであること好ましぐ 2Z8〜8Z2であるとより好ましい。

[0048] [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 ：シリコーンオイル，粘度 lOcst,流量 50mLZ分

B

ロータ Rの回転速度： 300rpm

[0049] 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

A B

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 O UT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

1 4 A B

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 o UT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

A B

効率を向上することができると考えられる。

[0050] 続、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 OU T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

A B

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

Aの流量を大きくすると、図 8に示すように、液体 Fの容積比が高くなつた交互流が発生しているの

A

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

A B

考えられる。

[0051] 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力つた。

[0052] [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、化学反応ゃ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ゃ、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ィ匕も期待される。

Claims

請求の範囲 [1] 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、ノイブ Pの中心軸 Lを中心とした回転磁界を発生

0

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、

0

[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。

[2] 液体導入ロカもパイプ 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。

[3] 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。

[4] ノイブ 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。

[5] 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力な

0

る請求項 1〜4いずれか記載の混合流発生装置。

[6] 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。

[7] 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

0

流発生装置。

[8] 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

1 2

ずれか記載の混合流発生装置。

[9] 液体送出口の下流側に断面積が 10mm²以下の流路が接続されてなる請求項 1〜

8 ヽずれか記載の混合流発生装置。

[10] 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。

[11] 複数の液体導入口から互いに相溶しな！ヽ液体を導入する請求項 10記載の混合流の発生方法。

[12] 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。

[13] 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。

[14] 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。