(57)【要約】【課題】所望の粒子径と粒度分布が得られるテイラー反応装置を提供する。【解決手段】外筒１と、外筒１内で回転する内筒２とを備え、外筒１と内筒２との間に形成された隙間空間１０で複数本のテイラー渦が発生するテイラー反応装置であって、隙間空間１０には、複数本のテイラー渦Ｔ間の流動を抑制する遮蔽板６が設けられている。遮蔽板６は、環状のリブであって、外筒１の内壁面から内方に突出するように形成されている。遮蔽板６に接しているテイラー渦Ｔ間の接触面積を低減して、テイラー渦Ｔ間の拡散を抑制し、滞留時間の短いまま流出する粒子の割合を低減できる。このため同じテイラー渦Ｔの中で粒子が所望の径まで成長してから、次のテイラー渦Ｔへ移るので、最終的には所望の粒子径の粒子と粒子径分布の小さい粒子が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外筒と、該外筒内で回転する内筒とを備え、前記外筒と前記内筒との間に形成された隙間空間が複数本のテイラー渦が発生するテイラー渦発生領域であるテイラー反応装置であって、
前記隙間空間には、テイラー渦間の流動を抑制する遮蔽板が設けられている
ことを特徴とするテイラー反応装置。
【請求項２】
前記遮蔽板は、複数枚が設けられており、隣接する遮蔽板間の間隔は、テイラー渦の幅寸法の整数倍である
ことを特徴とする請求項１記載のテイラー反応装置。
【請求項３】
前記遮蔽板は、環状のリブであって、前記外筒の内壁面から内方に突出するように形成されている
ことを特徴とする請求項１または２記載のテイラー反応装置。
【請求項４】
前記遮蔽板は、環状のリブであって、前記内筒の外周面から外方に突出するように形成されている
ことを特徴とする請求項１または２記載のテイラー反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テイラー反応装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粒度分布に特長を有するミクロンメートルスケールの微粒子を製造するためには、ガスや溶液の化学反応を利用する“成長法”が一般的に用いられる。この成長法は２段階の工程を踏むものであり、第１段階で微粒子の核を生成させ、第２段階で核を成長させ、所望の粒子径にするものである。この溶液同士の“成長法”では、供給液同士が化学反応を起こす局所的な場所での濃度変化を制御することが重要である。
【０００３】
しかるに、従来から成長法によく利用されている撹拌槽では、ア）撹拌槽内にデッドゾーンが生じる、イ）せん断が弱い、ウ）滞留時間が不均一等、の原因により化学反応の引き起こされる撹拌槽内部の領域において供給液の濃度が不均一となるという欠点があり、そのため所望の粒子径と粒度分布を有する微粒子が得られないことがあった。
【０００４】
このような欠点を解消するため、特許文献１の従来技術ではテイラー反応装置を２台用いることで粒子の成長を制御する方法が提案された。
上記従来技術は、供給液同士を反応させ、核を生成させる第１段目のテイラー反応装置と粒子の結晶成長を行う第２段目のテイラー反応装置の２台を備えている。第１段目のテイラー反応装置における流動状態は、やや斜めのドーナツ状の擬似管路が形成され、供給液は螺旋状に併走して化学反応が引き起こされる。この結果、化学反応の生成箇所における濃度変化を制御し、良好な微粒子の製造を可能としたと説明されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の従来技術では、テイラー反応装置を２台用いるので、設置スペースが大きくなるとか、２台のテイラー反応装置の間で順序よく化学反応させることが困難とかの問題があり、現実には所望の粒子径や粒度分布を得ることが困難であった。
【０００６】
さらに、上記従来例に限らず、一般にテイラー反応装置では、つぎのような問題があった。
図６に示すように、一般的なテイラー反応装置は、静止させた外筒１０１と回転させる内筒１０２を有し、外筒１０１と内筒１０２との間の隙間空間である槽１１０の一端に供給管１０３を取付け、他端に排出口１０４を設けている。槽１１０に溶液を入れて内筒１０２を回転させ、回転数が一定の範囲内において槽１１０内にテイラー渦が発生する。図７（Ａ）に示すように、テイラー渦Ｔはドーナツ状の旋回する流体であり、一つ一つのテイラー渦Ｔは独立した流動体である。そして、隣接するテイラー渦Ｔに対しては、内筒まわりの旋回方向も逆であり、同図（Ｂ）に示すように、各テイラー渦Ｔの断面内の流れも互いに逆向きである。
【０００７】
こうしたテイラー渦が槽１１０内で隣接して何本も発生し、溶液自体は少しづつ隣のテイラー渦に移っていって、溶液同士が撹拌され少しづつ粒子が成長していって最終的には所望の粒径の粒子が排出される。
【０００８】
しかしながら、なかには充分に成長しきらない粒子が次々と隣接するテイラー渦に移っていき、所望の粒径に至らない粒子が発生することがあった。
この結果、粒度分布が広がり均一な粒子が得られない等の問題が生じていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2011−83768号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記事情に鑑み、所望の粒子径と粒度分布が得られるテイラー反応装置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】
【００１１】
第１発明のテイラー反応装置は、外筒と、該外筒内で回転する内筒とを備え、前記外筒と前記内筒との間に形成された隙間空間が複数本のテイラー渦が発生するテイラー渦発生領域であるテイラー反応装置であって、前記隙間空間には、テイラー渦間の流動を抑制する遮蔽板が設けられていることを特徴とする。
第２発明のテイラー反応装置は、第１発明において、前記遮蔽板は、複数枚が設けられており、隣接する遮蔽板間の間隔は、テイラー渦の幅寸法の整数倍であることを特徴とする。
第３発明のテイラー反応装置は、第１または第２発明において、前記遮蔽板は、環状のリブであって、前記外筒の内壁面から内方に突出するように形成されていることを特徴とする。
第４発明のテイラー反応装置は、第１または第２発明において、前記遮蔽板は、環状のリブであって、前記内筒の外周面から外方に突出するように形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１発明によれば、遮蔽板によってテイラー渦同士間の接触面積を低減できるので、テイラー渦間での溶液の拡散を抑制し、滞留時間の短いまま流出する粒子の割合を低減することができる。このため同じテイラー渦の中で粒子が所望の径まで成長してから、次のテイラー渦へ移るので、最終的には所望の粒子径の粒子と粒子径分布の小さい粒子が得られる。
第２発明によれば、遮蔽板の間隔がテイラー渦幅寸法の整数倍であると、隣り合うテイラー渦の間を遮蔽板が仕切ることになるので、テイラー渦による撹拌作用を阻害することなく、同じテイラー渦の中での粒子成長を行わせることができる。
第３発明によれば、遮蔽板と内筒との間に隙間ができるので、隣接するテイラー渦間での接触を抑制しながら、内筒との間の隙間を通じて粒子移動が可能なので、複数本のテイラー渦による連続撹拌を実施できる。
第４発明によれば、遮蔽板と外筒との間に隙間ができるので隣接するテイラー渦間での接触を抑制しながら、外筒との間の隙間を通じて粒子移動が可能なので、複数本のテイラー渦による連続撹拌を実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るテイラー反応装置Ａの縦断面斜視図である。
【図２】図１に示したテイラー反応装置Ａの断面正面図である。
【図３】遮蔽板の作用説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るテイラー反応装置Ｂの断面正面図である。
【図５】実施例１におけるテイラー渦内の平均滞留時間を示すグラフである。
【図６】従来より一般的なテイラー反応装置の説明図である。
【図７】テイラー渦の説明図であって、（Ａ）はドーナツ状流動の説明図、（Ｂ）は断面流れの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
つぎに、本発明の実施形態を説明する。
まず、図１および図２に基づき、本実施形態におけるテイラー反応装置Ａの基本構造を説明する。
１は外筒で、２は内筒である。外筒１は外板１ａと内板１ｂとから二重筒に構成されており、空洞１ｃは加温媒体を通すために利用される。また、この外筒１は静止状態で用いられる。
【００１５】
内筒２は中実または中空の軸状物であって外筒１内に同心状で挿入されている。そして、モータ等の駆動源に接続されて、回転可能となっている。外筒１の内壁面と内筒２の外表面との間には隙間空間１０が形成されており、その隙間空間１０は筒軸方向に延びている。すなわちドーナツ状の隙間空間１０が長く延びた形状となっている。そして、この隙間空間１０がテイラー渦発生領域であり撹拌槽として機能する。
【００１６】
外筒１の長手方向一端部（図面中の右端部）には供給口３が設けられている。図示のように、フランジ５に形成してもよく、外筒１に設けてもよい。供給口３は外部から隙間空間１０に反応前溶液を供給する導入口である。
外筒１の長手方向他端部（図面中の左端部）には、排出口４が設けられている。排出口４からは隙間空間１０内の反応後溶液が排出される。
【００１７】
本実施形態のテイラー反応装置Ａでは、内筒２を適当な回転数で回転させることにより、隙間空間１０に充填された溶液にテイラー渦Ｔを生成させることができる。
【００１８】
テイラー渦Ｔは、図７に基づき既述したように、隙間空間１０内において生ずるドーナツ状の流動体であって、内筒２のまわりで周方向に流動し、周方向の流れの向きが隣接するテイラー渦Ｔ間で逆向きである。また、各テイラー渦Ｔの断面内でも渦状に流動しているが、その向きも隣接するテイラー渦Ｔ間で逆向きである。
【００１９】
つぎに、本発明に係るテイラー反応装置の特徴を説明する。
本発明では、隙間空間１０にテイラー渦Ｔ間の流動を抑制する遮蔽板６が設けられている。図１および図２の第１実施形態では、遮蔽板６は環状のリブであって、外筒１（その内板１ｂ）の内壁面から内方に突出するように形成されている。
【００２０】
遮蔽板６は１枚または複数枚が設けられ、その設置領域は供給口３付近から排出口４付近までの間である。また、遮蔽板６は設置領域の全部にわたって設けてもよく、部分的に設けてもよい。
遮蔽板６を複数枚設ける場合、隣接する遮蔽板６、６間の間隔ｄは、テイラー渦Ｔの幅寸法の偶数倍であることが好ましい。換言すれば、間隔ｄはテイラー渦Ｔの
２倍、４倍が好ましい。
このような間隔ｄで遮蔽板６を配置すると、発生しているテイラー渦Ｔの流れを阻害することなく、隣接するテイラー渦Ｔ、Ｔの間に遮蔽板６を位置させることができ、効果的に隣接するテイラー渦Ｔ、Ｔ間の接触を抑制できるからである。
【００２１】
図３に示すように、遮蔽板６は隣接するテイラー渦Ｔ、Ｔの間に挿入するものであるので、遮蔽板６の板厚６ｗは薄い程よい。つまり、厚いとテイラー渦Ｔの幅を狭めることによって、自然な流動を阻害しかねないが、遮蔽板６が薄いとテイラー渦Ｔの流れを阻害することはない。
【００２２】
また、遮蔽板６であるリブ先端と内筒２の外周面との間は、わずかな隙間６ｏをあけていることが望ましい。この隙間寸法は、内筒２の外径が80〜90ｍｍ、外筒１の内径が90〜100ｍｍの装置において、約１ｍｍが望ましい数値である。
かかる数値の隙間６ｏがあると、テイラー渦Ｔを構成している大部分の流体が遮蔽板６によって隣接するテイラー渦Ｔ間の接触を抑制しながら、わずかの流体は隙間６ｏを通って隣接するテイラー渦に流れ込むので、溶液が供給口３から排出口４に至る複数段のテイラー渦Ｔを順々に移っていくことが可能となる。この移動によって、粒子が順々に成長していくことが可能となる。
【００２３】
つぎに、第１実施形態に係るテイラー反応装置の使用方法を説明する。
外筒１が静止した状態で、内筒２をモータ等で回転させる。反応前の溶液は供給口３から流入させ、化学反応を終えた生成物を排出口４から排出する。
【００２４】
この間に、遮蔽板６を設けた領域では、図３に示すように、テイラー渦Ｔは２枚の遮蔽板６で囲まれた空間で流動し、隣接するテイラー渦Ｔとはほとんど接触しない。このため、テイラー渦間の拡散を抑制し、滞留時間の短いまま流出する粒子の割合を低減することができる。
ただし、隙間６ｏから多少の溶液が隣接するテイラー渦Ｔに移っていくので、同じテイラー渦の中で粒子が所望の径まで成長してから、次のテイラー渦へ移るので、最終的には所望の粒子径の粒子と粒子径分布の小さい粒子が得られる。
【００２５】
つぎに第２実施形態のテイラー反応装置Ｂを説明する。
本実施形態のテイラー反応装置Ｂでは、遮蔽板１６は、環状のリブであって、内筒２の外周面から外方に突出するように形成されている。このような形態の遮蔽板１６であっても、テイラー渦Ｔ、Ｔ間の接触を抑制する機能は同じである。このため、隣接するテイラー渦Ｔ、Ｔ間での接触を抑制しながら、外筒１との間の隙間を通じて粒子移動が可能なので、複数本のテイラー渦Ｔによる連続撹拌を実施できる。
【実施例】
【００２６】
つぎに、図１のテイラー反応装置を用いた実施例１、２を説明する。実施例１は隙間空間内１０に幅１．５ｃｍのテイラー渦が２６個が発生するテイラー反応装置を用いて遮蔽板６を１枚隙間空間１０の中間位置（供給側から５番目と６番目のテイラー渦の間）に設けたものであり、実施例２は遮蔽板６を２枚用いたものである。設置位置は、隙間空間１０の中間位置（実施例１に加え、供給側から１５番目と１６番目のテーラー渦の間）に設けている。
【００２７】
Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ社製の表計算ソフトＥｘｃｅｌを用いて、テイラー反応装置Ａ内部の流動状態をモデル化し、遮蔽板６を設けた装置における粒子の滞留時間分布を計算した。外筒１と内筒２の間における隙間空間１０の空間体積をＶ［ｍ３］、供給口３より投入する液量Ｑ［Ｌ／ｍｉｎ］とする。テイラー渦Ｔ内部での混合は急激に進行するため、完全混合状態とした。テイラー渦Ｔ間の混合に関しては、濃度勾配に起因した拡散流量Ｑ‘［Ｌ／ｍｉｎ］としてモデル化を行った。外筒1と内筒1の断面積の差（隙間空間１０の断面積）をＳ［ｍ２］、遮蔽板６の軸方向断面積をＳ’［ｍ２］とすれば、遮蔽板６の挿入により、拡散流量Ｑ‘’［Ｌ／ｍｉｎ］は、Ｑ‘’＝（Ｓ‘／Ｓ）Ｑ’  となる。
【００２８】
図５にＳ‘／Ｓ  ＝０．１での計算結果を示す。遮蔽板６を挿入しない場合（図の基準）、拡散流量Ｑ’の影響により、滞留時間分布は１槽の完全混合状態に漸近し、０．２τまでの初期流出は２０％になる。一方、Ｓ‘／Ｓ＝０．１を満足できるような遮蔽板６を１枚挿入した実施例１によると、０．２τ程度までの初期流出を１１％程度まで抑制することが可能となる。遮蔽板６を２枚挿入した実施例２によると、０．２τまでの初期流出を５％程度まで抑制することができる。
【００２９】
図５のグラフをさらに説明する。縦軸は排出口での流出割合と考えられる。初期流出の割合として、時間t/平均滞留時間τが0〜0.2の範囲で評価する場合、基準では山が存在しているため、この領域での面積が多く（初期に流出しやすく、）なるが、遮蔽板６を導入すると分布が立ち上がっている間なので面積が小さく（初期に流出しにくく）なる。つまり、右側分布に形状がシフトするほど粒子の滞留時間が増加するので初期流出が減少する、と理解できる。
【符号の説明】
【００３０】
１  外筒
２  内筒
３  供給口
４  排出口  
６  遮蔽板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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