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混合流発生装置および混合流の発生方法

国内特許コード	P110005358
掲載日	2011年8月18日
出願番号	特願2007-512982
登録番号	特許第5176103号
出願日	平成18年4月7日(2006.4.7)
登録日	平成25年1月18日(2013.1.18)
国際出願番号	JP2006307487
国際公開番号	WO2006109741
国際出願日	平成18年4月7日(2006.4.7)
国際公開日	平成18年10月19日(2006.10.19)
優先権データ	特願2005-111760 (2005.4.8) JP
発明者	鈴森康一神田岳文武藤明徳阪田祐作
出願人	国立大学法人岡山大学
発明の名称	混合流発生装置および混合流の発生方法
発明の概要	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ＩＮ_１，ＩＮ_２を有して下流側に液体送出口ＯＵＴ_１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Ｌ_０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Ｌ_０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。
従来技術、競合技術の概要	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。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。近年のＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）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。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。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。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。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。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。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。【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／００１３５８７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
産業上の利用分野	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。
特許請求の範囲	【請求項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、パイプＰの中心軸Ｌ_０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_０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、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に設けられた混合流発生装置。【請求項2】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記載の混合流発生装置。【請求項3】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_０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_０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、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、パイプＰの側周部に設けられた液体導入口が、パイプＰの中心軸Ｌ_０と平行な方向に細長いスリット状に形成されるとともに、短手方向に沿った幅がパイプＰの内半径ｒ_１とロータＲの外半径ｒ_２との差δｒ以下に設定されてなる混合流発生装置。【請求項4】磁界発生手段Ｃが中心軸Ｌ_０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１～３いずれか記載の混合流発生装置。【請求項5】ロータＲが磁化されてなる請求項１～４いずれか記載の混合流発生装置。【請求項6】パイプＰの中心軸Ｌ_０が鉛直方向に配されてなる請求項１～５いずれか記載の混合流発生装置。【請求項7】パイプＰの内半径ｒ_１とロータＲの外半径ｒ_２との差が２ｍｍ以下である請求項１～６いずれか記載の混合流発生装置。【請求項8】液体送出口の下流側に断面積が１０ｍｍ^２以下の流路が接続されてなる請求項１～７いずれか記載の混合流発生装置。【請求項9】請求項１～８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。【請求項10】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９記載の混合流の発生方法。【請求項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１０記載の混合流の発生方法。【請求項12】請求項１１記載の混合流の発生方法によって交互流を発生させ、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13】請求項１１記載の混合流の発生方法によって交互流を発生させ、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。【請求項14】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用いる抽出方法であって、［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_０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_０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用いて、複数の液体導入口から互いに相溶しない液体を導入し、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し、該流路で抽出を進行させる抽出方法。【請求項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を用いる抽出方法であって、［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_０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_０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用いて、複数の液体導入口から互いに相溶しない液体を導入し、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し、該流路で抽出を進行させる抽出方法。
国際特許分類(IPC)	B01F 13/08 磁気混合機 B01J 19/00 化学的，物理的，または物理化学的プロセス一般；それらに関連した装置 H02K 7/14 機械的負荷，例．可搬工具またはファン，との構造的結合
Fターム	4G036AC26 撹拌具が軸受を介して支持されるもの 4G075AA13 液体の製造，処理（ＡＡ１４優先） 4G075AA39 少量多品種製品の製造，処理 4G075BA10 その他（反応を伴うもの）＊ 4G075BB03 溶解，抽出，溶融 4G075BB05 分離，混合 4G075BD03 流下 4G075BD08 放射流，遠心流 4G075BD15 液体―液体接触 4G075BD22 並流接触 4G075CA43 交番磁界，回転磁界 4G075DA02 レイアウトあり 4G075EA01 縦型 4G075EB25 スパイラル管 4G075EC06 管体 4G075EC11 攪拌部材 4G075ED08 垂直回転軸を有する 5H607BB01 電動機 5H607BB05 交流機 5H607BB14 径方向空隙型 5H607BB25 立軸型 5H607CC05 機械装置（負荷，原動機等） 5H607DD02 回転子，可動子 5H607DD06 無軸（回転子自体が軸となるもの） 5H607FF08 流体が回転子を通過するもの 5H607GG02 スラスト軸受 5H607GG09 すべり軸受
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