(57)【要約】【課題】異なる複数の液体を接触すると同時に超音波処理し、混合、乳化又は分散することができ、かつ低振動で分散・乳化が可能であり、軽量・小型化が可能な超音波分散装置を提供する。【解決手段】超音波を発生する圧電体と、該圧電体と面接触し２液以上の液体を混合、乳化又は分散させる構造体とからなり、該構造体が２以上の流入管と、１つの流出管と、該流入管と該流出管とが連結してなる混合部とを具備し、２液以上の液体がそれぞれ該流入管を通って該混合部へ流入し、更に該混合部で超音波を受けつつ衝突して混合、乳化又は分散処理された後、混合、乳化又は分散された液剤が流出管を通って流出するように構成された超音波分散装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を発生する圧電体と、該圧電体と面接触し２液以上の液体を混合、乳化又は分散させる構造体とからなり、該構造体が２以上の流入管と、１つの流出管と、該流入管と該流出管とが連結してなる混合部とを具備し、２液以上の液体がそれぞれ該流入管を通って該混合部へ流入し、更に該混合部で超音波を受けつつ衝突して混合、乳化又は分散処理された後、混合、乳化又は分散された液剤が流出管を通って流出するように構成された超音波分散装置。
【請求項２】
前記流出管が、前記圧電体と前記構造体とが接触する面近傍から面外方向に延びるように配設されてなる請求項１に記載の超音波分散装置。
【請求項３】
前記流出管が、前記圧電体と前記構造体とが接触する面に略直交する方向に延びるように配設されてなる請求項２に記載の超音波分散装置。
【請求項４】
前記流入管が、前記圧電体と前記構造体とが接触する面と略平行な方向に配設されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の超音波分散装置。
【請求項５】
前記圧電体と前記構造体とが接触する面から前記混合部の中心までの距離が超音波の波長の１／８の整数倍である請求項１〜４のいずれかに記載の超音波分散装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽量、小型化が可能な超音波分散装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を使用して、乳化、分散する技術は一般的によく知られている。
例えば、特許文献１では、狭い流路中に乳化すべき２液相を通過せしめて連続乳化を行う超音波連続乳化装置が提案されている。また、特許文献２では、ボルト締めランジュバン製の超音波振動子を使用した超音波乳化装置が開示されている。さらに、特許文献３では、金属管の外周にカラーを設け、そのカラーの外周に超音波変換器を固定する管状超音波処理装置が開示され、特許文献４では、超音波振動子の超音波振動を、超音波伝送体を介して処理槽内の超音波放射体に伝え、この超音波放射体から照射される超音波により処理槽内の被処理流体を超音波処理する装置が開示されている。
しかしながら、これらの超音波処理装置は、いずれも予め複数の液を混合した後、混合液を管内又は槽内通過させるものであり、異なる複数の液体を接触させると同時に超音波処理し、混合、乳化又は分散するものではなかった。
更に、特許文献２〜４等の公知の超音波乳化装置は、エネルギーを多く必要とする（数１００Ｗから１ｋＷ程度）ので有線式であり、線の取り回しや使用場面が限られるといった問題があった。
【０００３】
【特許文献１】特公昭３５−１４０００号公報
【特許文献２】特開平４−５９０３２号公報
【特許文献３】特表平６−５０４４８３号公報
【特許文献４】特開２００５―１９２１１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、異なる複数の液体を接触すると同時に超音波処理することにより、低振動で混合、乳化又は分散が可能であり、軽量・小型化が可能な超音波分散装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、超音波を発生する圧電体と、該圧電体と面接触し２液以上の液体を混合、乳化又は分散させる構造体とからなり、該構造体が２以上の流入管と、１つの流出管と、該流入管と該流出管とが連結してなる混合部とを具備し、２液以上の液体がそれぞれ該流入管を通って該混合部へ流入し、更に該混合部で超音波を受けつつ衝突して混合、乳化又は分散処理された後、混合、乳化又は分散された液剤が流出管を通って流出するように構成された超音波分散装置を提供するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明により、異なる複数の液体を接触すると同時に超音波処理することにより、低振動で混合、乳化又は分散が可能な超音波分散装置を提供することができる。更に、低振動に加えて、構造体の外側から振動させ、超音波のエネルギーを構造体全体でその内部に集中させることにより、乾電池や充電池での使用が容易となり、使用場所を選ぶ必要がなくなり、かつ軽量・小型化し得る超音波分散装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の超音波分散装置の実施の態様について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の超音波分散装置の一実施態様を示す断面模式図である。
図１に示すように、超音波分散装置１は、超音波を発生する圧電体１０と、圧電体１０と面接触し２液以上の液体を混合、乳化又は分散させる構造体２０とからなる。構造体２０は、２つ以上の流入管２１、２１' と、１つの流出管２２と、流入管２１、２１' と流出管２２とが連結してなる混合部３０とを具備する。
流入管２１、２１' は、圧電体１０と構造体２０とが接触する面と略平行な方向に配設されている。また、流出管２２は、圧電体１０と構造体２０とが接触する面近傍から面外方向に延びるように配設されることが好ましく、図１に示すように、圧電体１０と構造体２０とが接触する面に略直交する方向に延びるように配設されることが特に好ましい。
なお、圧電体１０と構造体２０とが接触する面は、通常、接着剤で超音波振動に耐えられる強度に接着・固定される。
流入管２１、２１' 及び流出管２２の管内断面形状は、円形、楕円形、正方形、長方形等のいずれでも良い。
混合部３０は、図１において円の点線で囲われた部分を示し、流入管２１、２１' と流出管２２との連結部２３のみならず、流入管２１、２１' の一部及び流出管２２の一部をも含む。
本発明においては、混合、乳化又は分散前の液体を「液体」といい、混合、乳化又は分散後の液体を「液剤」という。
【０００８】
本発明の超音波分散装置１は、上記の構成の装置により、２液以上の液体がそれぞれ流入管２１、２１' を通って混合部３０へ流入し、更に混合部３０で超音波を受けつつ衝突して混合、乳化又は分散し、混合、乳化又は分散された液剤が流出管２２を通って流出することを特徴とする。超音波の圧力と振動により活性化され混合、乳化又は分散され易い状態になった複数の液体が衝突することにより、一気に混合、乳化又は分散が進行し、混合、乳化又は分散した液剤が流出管２２内で超音波振動により更に安定な混合、乳化又は分散状態となる。
混合部３０に超音波振動エネルギーを集中するためには、圧電体１０と構造体２０とが接触した面から前記混合部の中心（特に、連結部２３の中心）までの距離を超音波の波長の長さの１／８の整数倍とすることが好ましい。
【０００９】
本発明の超音波分散装置１に用いられる圧電体１０及び構造体２０の形状は、立方体、直方体、四角柱等でも良いが、円板状、円盤状又はドーナツ状が好ましい。圧電体１０の外径は構造体２０の外径より小さくても良いし、同じでも良い。
圧電体１０は、圧電振動子のみでも良いが、圧電振動子に増幅用ホーンが付属したものでも良い。圧電振動子を作動する発振回路及び電源（電池等）は、超音波分散装置１の外部に設置されるのが好ましい。
【００１０】
図２は、本発明の超音波分散装置の他の実施態様を示す断面模式図である。図２−ａ乃至図２−ｇでは、いずれも流入管２１、２１' が、圧電体１０と構造体２０とが接触する面と略平行な方向に配設されている。また、図２−ａ乃至図２−ｄ、図２−ｆ及び図２−ｇでは、流出管２２は、圧電体１０と構造体２０とが接触する面に略直交する方向に延びるように配設されている。図２−ｅでは、流出管２２は、圧電体１０と構造体２０とが接触する面と略平行な方向に配設されている。
【００１１】
図２−ａでは、液体及び液剤の滞留時間を長くとるために混合部３０にポット形状の液体及び液剤の滞留部を設けている。これにより、液体及び液剤が超音波振動を受ける時間が長くなるので、更に安定な混合、乳化又は分散状態の液剤が得られることとなる。
図２−ｂでは、流入管２１、２１' の管内断面積（内径）を流出管２２の管内断面積（内径）より小さくすることにより、液体の衝突時の衝撃度を高めて、混合、乳化又は分散性を向上する。図示はしないが逆に流入管２１、２１'の管内断面積を流出管２２の管内断面積より大きくすることにより、管の詰まりを防止できる。
図２−ｃでは、流入管２１、２１' の管内断面積（内径）を流出管２２の管内断面積（内径）より大きくすると共に、流入管２１、２１' それぞれを折り曲げ、液体が連結部２３で衝突する前に、それぞれの液体が単独で予備衝突し、液体の活性を高めて、混合、乳化又は分散性を向上する。
【００１２】
図２−ｄでは、圧電体１０を大口径の円板状とし、外径を構造体２０の外径と同じとしたので、それぞれの液体が衝突前に流入管２１で超音波をより長時間受けるので、より活性化され、混合、乳化又は分散性を向上する。
図２−ｅでは、流出管２２が、圧電体１０と構造体２０とが接触する面と略平行な方向に配設されているので、液剤が流出管２２で超音波振動を受ける時間が短くなり、液剤の混合、乳化又は分散状態の安定性という点では、図２−ａ乃至図２−ｄ及び図２−ｆ乃至図２−ｇには及ばない。
一方、図２−ｆ及び図２−ｇでは、構造体２０中の流出管２２の長さを長くしたことにより、超音波振動エネルギーの強い管内部分を２カ所得ることができので、乳化又は分散した液剤が流出管２２内で、更に強力な超音波振動を受け、更に安定な混合、乳化又は分散状態となり、特に好ましい。
【００１３】
図３は、本発明の超音波分散装置の実施態様の構造体の液体の流入及び液剤の流出の経路を示す平面模式図である。図３−ａ乃至図３−ｈにおいては、圧電体１０と構造体２０とが接触する面と略平行な方向に流入管２１、２１' 、２１'' 、２１''' が配設されている。図３−ａ乃至図３−ｆにおいては、圧電体１０と構造体２０とが接触する面近傍から面外方向に延びるように流出管２２が配設されている。
図３−ａ及び図３−ｂでは、いずれも流入管２１、２１' が２つ存在し、図３−ａは流入管２１、２１' が互いに対向して、同一直線を形成するように配設され、図３−ｂは、流入管２１、２１' が互いにＶ字形を形成するように配設されている。２つの流入管２１、２１' が成す角度は、５〜１８０°、好ましくは３０〜１８０°まで自由に採り得る。
【００１４】
図３−ｃ乃至図３−ｅでは、流入管２１、２１' 、２１'' が３つ存在し、図３−ｃでは、流入管２１、２１' 、２１'' が互いにＹ字形を形成するように配設され、図３−ｄでは、互いにＴ字形を形成するように配設されている。また、図３−ｅでは、３つの流入管２１、２１' 、２１'' が矢印形を形成するように配設されている。３つの流入管２１、２１' 、２１'' の内、２つが成す角度は、５〜３５０°、好ましくは３０〜３００°まで自由に採り得る。
図３−ｆでは、流入管２１、２１' 、２１'' 、２１''' が４つ存在し、互いに略十字形を形成するように配設されている。
図３−ｇでは、圧電体１０と構造体２０とが接触する面と略平行な方向に２つの流入管２１、２１' 及び１つの流出管２２が配設されている。
図３−ｈは、予め予備的に混合した液体を一直線に連結された流入管２１から流出管２２へ衝突することなくスムーズに流すものであり、比較例に相当するものである。
【００１５】
本発明の超音波分散装置１に用いられる構造体２０の材質として、例えば、アクリル樹脂（伝達速度：２，７００ｍ／ｓ、振幅：０．９７μｍｐ−ｐ、ヤング率：９ＭＰａ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ＡＢＳ)樹脂（伝達速度：２，２１０ｍ／ｓ、振幅：１．１５μｍｐ−ｐ、ヤング率：４ＭＰａ）、ポリエチレン樹脂（伝達速度：１，９５０ｍ／ｓ、振幅：１．４８μｍｐ−ｐ、ヤング率：３ＭＰａ）、ポリウレタン樹脂（硬度４０）（伝達速度：１，６００ｍ／ｓ、振幅：０．０２μｍｐ−ｐ、ヤング率：２ＭＰａ）、アルミニウム合金５０５６（伝達速度：５，２１１ｍ／ｓ、振幅：０．０２μｍｐ−ｐ、ヤング率：７１ＭＰａ）等が用いられる。材質は単体で良いが、複合系（樹脂又は金属からなる材料を一体成形されたもの等）でも良い。また構造体の材質で特に伝達速度が高く、ヤング率が低い樹脂で特性が良い。
ここで、伝達速度及び振幅は、図４に示す振動速度測定箇所（距離：Ｌ）にて振動速度計を用いて測定した。なお、図４−ａは本発明の超音波分散装置１の断面模式図である。図４−ｂは図４−ａの装置１を上から見た平面模式図である。
【００１６】
本発明の超音波分散装置１に用いられる液体として、例えば、乳化した液剤を製造する場合は、水相成分の液体及び油相成分の液体が好適に用いられる。例えば油相成分としてサラダ油、水相成分として精製水を用い、（油５−２０％）の乳化液剤を製造する場合が挙げられる。水相成分同士を混合する場合としては、精製水と水溶性の１，３−ブチレングリコールを混合し、例えば５％水溶液を製造する場合が挙げられる。油相成分同士を混合する場合としては、パラメトキシケイ皮酸２−エチルヘキシルとメチルシクロポリシロキサンとを混合し、質量比（１：１）の混合物を製造する場合が挙げられる。
また、油相成分、水相成分の少なくとも一方が、多液であったり、固形分を入れたものであっても良い。例えば、油相成分がパラメトキシケイ皮酸２−エチルヘキシル及びメチルシクロポリシロキサンに固形分セタノールを溶かした混合物、並びにパラメトキシケイ皮酸２−エチルヘキシルとメチルシクロポリシロキサンとの混合物であって、水相成分として精製水と１，３−ブチレングリコールとの混合物を用い、これら３種の液体を混合して、乳化液剤を製造する場合が挙げられる。
本発明の超音波分散装置１を用いて、２液以上の液体を混合、乳化又は分散させて１種の液剤を製造することにより、乳化液剤を使用する直前に製造することができる。また、界面活性剤を含まない形で、乳化液剤や微粒子分散液剤等を製造することができる。
【実施例】
【００１７】
実施例に用いた圧電体等の形状・材料、超音波条件及び評価方法
１．圧電体
タブレット（形状：ドーナッツ）型圧電振動子（タムラ製作所社製、商標「ＴＢＬＥ１５０７」）及びディッシュ（形状：円板状）型圧電振動子（同、商標「ＴＤＳＥ２０」）に、エポキシ系２液硬化型接着剤を用いて、構造体を接着した。実施例１〜３、６、８、９及び比較例２はタブレット型、４、５、７、１０はディッシュ型とした。また、比較例１は構造体を接着せずにタブレット型のみとした。
また、比較例３〜５はボルト締めランジュバン型（ＢＬＴ）振動子とした。
２．液体及び液剤
実施例１〜１０は、いずれも油相成分としてサラダ油、水相成分として精製水を用い、油１０％の乳化液剤を製造した。比較例１〜５は、いずれも油相成分としてのサラダ油と水相成分としての精製水を予め手でシェイキングし混合した液体を用いた。
３．構造体の形状及び材料
実施例１〜４及び６〜８は、いずれも図２−ｆ及び図３−ａ記載の形状（太い円筒と細い円筒の複合形状）で、太い円筒部分の直径は２０ｍｍ、厚さは１６．６ｍｍであり、細い円筒部分の直径は１０ｍｍ、厚さは５．５ｍｍであった。材料として実施例１〜４及び７ではＡＢＳ樹脂（伝達速度：２，２１０ｍ／ｓ、振幅：１．１５μｍｐ−ｐ、ヤング率：４ＭＰａ）を、実施例６ではポリエチレン樹脂（伝達速度：１，９５０ｍ／ｓ、振幅：１．４８μｍｐ−ｐ、ヤング率：３ＭＰａ）を、実施例８ではアルミニウム合金５０５６（伝達速度：５，２１１ｍ／ｓ、振幅：０．０２μｍｐ−ｐ、ヤング率：７１ＭＰａ）を用いた。実施例５は図２−ｆ及び図３−ａ記載の形状で、太い円筒部分の直径は２０ｍｍ、厚さは２０．３ｍｍであり、細い円筒部分の直径は１０ｍｍ、厚さは６．８ｍｍであった。材料としてアクリル樹脂（伝達速度：２，７００ｍ／ｓ、振幅：０．９７μｍｐ−ｐ、ヤング率：９ＭＰａ）を用いた。
実施例９及び１０は構造体の波長をずらした例で、図２−ｆ及び図３−ａ記載の形状で、太い円筒部分の直径は２０ｍｍ、厚さは１８ｍｍであり、細い円筒部分の直径は１０ｍｍ、厚さは５．５ｍｍであった。材料としてＡＢＳ樹脂を用いた。
比較例１及び３〜５は、液体を１００ｍｌビーカーに計量し、比較例１は圧電体に防水を施した素子を直接液体に接触させ、比較例３〜５は、ボルト締めランジュバン型（BLT）振動子を直接液体に接触させた。比較例２は、図２−ｅ及び図３−ｈ記載の形状で、太い円筒部分の直径は２０ｍｍ、厚さは１１．１ｍｍで液を通過させた。
４．超音波条件
実施例１〜１０及び比較例１及び２はいずれも１００ｋＨｚ、比較例３〜５はボルト締めランジュバン型（ＢＬＴ）振動子は７０ｋＨｚの超音波をそれぞれ発生させた。また、実施例１〜７、９、１０及び比較例５では、充電池単３型４本を使用し、２Ｗの出力の電源を用いた。実施例８ならびに比較例３及び４の電源は、Ｗ数を表１及び２に示した。
５．乳化状態の評価
以下の評価基準により、目視にて評価した。
良好：得られた液剤は白濁であり、良好に乳化していた。
やや良好：得られた液剤にわずかに分離が見られたが、ほぼ良好に乳化しており実用上問題なかった。
やや不良：得られた液剤に分離が見られ、乳化が不十分であった。
不良：得られた液剤は分離し、乳化していなかった。
【００１８】
実施例１〜１０及び比較例１〜５
上記のものを用い、表１及び２に示す条件で、実施例１〜１０及び比較例１〜５の１５種類の得られた乳化液剤の乳化状態を評価した。結果を表１及び２に示す。
【００１９】
【表１】
2008253947.tif 000003
【００２０】
【表２】
2008253947.tif 000004
【００２１】
表１及び２により明らかなように、実施例１〜１０の本発明の超音波分散装置は、比較例１及び２の超音波分散装置と比較して、異なる複数の液体の衝突と超音波処理とを同時に行う相乗効果によって、低振動で分散・乳化が可能となり、乾電池や充電池での使用が容易となるので、使用場所を選ぶ必要がなくなり、かつ軽量・小型化ができる超音波分散装置を提供するができた。さらに、本発明の超音波分散装置を用いることにより、界面活性剤を含まない形で、新鮮な乳化液剤や微粒子分散液剤等を製造することができることとなった。
実施例９及び１０は構造体の波長を超音波の波長の１／８の整数倍からずらしたので、実施例２及び4の良好な乳化状態と比較して、やや良好な乳化状態のレベルに留まったが、実用上問題のない乳化状態であった。
充電池単３タイプを８本使用することにより、１０Ｗの電力を圧電体に付加可能であるが、充電池の重量がおよそ２５０ｇ近くになる。軽量・小型化を目的としている機器で、本体重量を２００ｇ以上とすると重く操作性が悪くなることから、実施例１〜１０において、１０Ｗ以下の電力、特に実施例１〜７、９及び１０において、２Ｗの電力で良好な乳化状態を得たのは、驚くべき効果と言える。
一方、ボルト締めランジュバン型（ＢＬＴ）振動子を用いた比較例３及び４は、複数の液体を衝突させることなく、良好な乳化状態を得たが、ＡＣ電源を必要とし、超音波分散装置を軽量・小型化することができなかった。比較例５は付加電力が低いためＢＬＴ振動子を有効に作動させることができず、乳化状態は不十分であった。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の超音波分散装置は、化粧品、薬品、食品、ヘアケア製品等の液剤商品を使用直前に簡便に製造する超音波分散装置として好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の超音波分散装置の一実施態様を示す断面模式図である。
【図２】本発明の超音波分散装置の他の実施態様を示す断面模式図である。
【図３】本発明の超音波分散装置の実施態様の構造体の液体の流入及び液剤の流出の経路を示す平面模式図である。
【図４】本発明の超音波分散装置の振動速度の測定箇所を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００２４】
１：超音波分散装置
１０：圧電体
２０：構造体
２１：流入管
２２：流出管
２３：連結部
３０：混合部
【図１】
2008253947.tif 000005
【図２】
2008253947.tif 000006
【図３】
2008253947.tif 000007
【図４】
2008253947.tif 000008