(57)【要約】【課題】温度、圧力等に左右されることなく、気体の送る量を安定かつ容易に制御し、気体と液体との混合を精度良く行うことのできる気液混合システムを得る。【解決手段】液体と少なくとも１種類の気体とを混合するマイクロ混合器３を有する気液混合システムであって、気体の質量流量を制御してマイクロ混合器に供給する質量流量制御調節弁２ａ，２ｂをマイクロ混合器３への気体供給路に備えるとともに、液体をマイクロ混合器に送る液体供給路に液体供給用のポンプ７を備えたことにより、気体と液体との混合を精度良く行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体と少なくとも１種類の気体とを混合するマイクロ混合器を有する気液混合システムにおいて、
前記気体の質量流量を制御して前記マイクロ混合器に供給する質量流量制御調節弁を前記マイクロ混合器への気体供給路に備えるとともに、液体をマイクロ混合器に送る液体供給路に液体供給用のポンプを備えたことを特徴とする気液混合システム。
【請求項２】
複数の流路が合流して１つの排出路を形成した構造を有するマイクロ混合器を用いて液体と気体とを混合する気液混合方法において、
複数の流路のうちの少なくとも１つの流路が気体供給路として用いられると共に少なくとも１つの流路が液体供給路として用いられるようになっており、
前記液体供給路にそれぞれ一定流量の液体を連続的に送り、
前記気体供給路に質量流量制御を介して一定流量の気体を連続的に送ることで、前記排出路から気液混合体を取り出すようになったことを特徴とする気液混合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体と少なくとも１種類の気体とを混合する気液混合システム及び気液混合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学薬品、化粧品等の製造工程においては、気体と液体を混合することが従来から行われている。この気液混合をマイクロミキサ、マイクロリアクタ等のマイクロ混合器を用いて行う場合、気体の流量の制御は減圧弁、絞り弁とフローメータによるものが一般的である。図３は従来の気液混合を行う構成の概要図を示すもので、気体をマイクロ混合器１０１に送る気体供給路１０２には、減圧弁１０３、絞り弁１０４、フローメータ１０５が設けられている。そして、上記気体と混合される液体をマイクロ混合器１０１に送る液体供給路１０８には、ポンプ１０６、二分岐継手１０、圧力計１０７が設けられている。
【０００３】
上記の構成により、気体は減圧弁１０３、絞り弁１０４、フローメータ１０５を通ることによって流量の制御が行われ、気体供給路１０２を通じてマイクロ混合器１０１に供給される。
【０００４】
一方、ポンプ１０６から送り出された液体は、圧力計１０７、液体供給路１０８を通ってマイクロ混合器１０１に供給される。この際に圧力計１０７は二分岐継手１０を介して分岐された液体供給路内の圧力であって液体供給路９と等しい液体の圧力を検出する。そして、供給された気体と液体はマイクロ混合器１０１で混合されて出力される。
【０００５】
なお、２種類の液体を混合するマイクロ混合器は従来から知られているが、このマイクロ混合器は２種類の液体同士を混合するものであって、気体と液体とを混合するものではない（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３４６３５３号公報（段落（０００２）、（０００３））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来では一般的に図３に示した構成により気体と液体との混合を行っている。この場合、気体の流量を制御するに際して体積流量を測定してこれに基づいて制御するが、気体の体積は圧力、温度によって液体（気体との混合によって化学反応を起こす反応液体と、化学反応を起こさない液体の両方を含む）より大きく変動する。
【０００７】
また、マイクロミキサ、マイクロリアクタ等のマイクロ混合器では内径の極めて小さい細い流路に液体を通すため圧力損失が生じるが、気体と液体とでは発生する圧力損失が異なり制御が難しい。さらに気体との混合によって化学反応を起こす液体である反応液体の流量や粘度、気液の反応による発熱によっても気体の体積に影響を与え、気体を送り込むために必要な圧力が変動するので制御が困難となる。具体的には、気体と液体が混合されて流れる通路内に生じた圧力損失が増大したときは、液体が気体供給路に逆流したり、また、液体を送り出すポンプがプロペラ型ポンプ等の場合には、液体に混合する気体がポンプ側に逆流したりする。このため、気体の流れを正確に制御できないという課題があった。
【０００８】
本発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、温度、圧力等に左右されることなく、気体の送る量を安定かつ容易に制御し、気体と液体との混合を精度良く行うことのできる気液混合システム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】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の請求項１にかかる気液混合システムは、
液体と少なくとも１種類の気体とを混合するマイクロ混合器を有する気液混合システムにおいて、
前記気体の質量流量を制御して前記マイクロ混合器に供給する質量流量制御調節弁を前記マイクロ混合器への気体供給路に備えるとともに、液体をマイクロ混合器に送る液体供給路に液体供給用のポンプを備えたことを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の請求項２にかかる気液混合方法は、
複数の流路が合流して１つの排出路を形成した構造を有するマイクロ混合器を用いて液体と気体とを混合する気液混合方法において、
複数の流路のうちの少なくとも１つの流路が気体供給路として用いられると共に少なくとも１つの流路が液体供給路として用いられるようになっており、
前記液体供給路にそれぞれ一定流量の液体を連続的に送り、
前記気体供給路に質量流量制御を介して一定流量の気体を連続的に送ることで、前記排出路から気液混合体を取り出すようになったことを特徴としている。
【００１１】
請求項１にかかる気液混合システム及び請求項２にかかる気液混合方法によると、気体は、その質量流量が質量流量制御調節弁によって制御され、常に安定してマイクロ混合器に供給されるので、気体の体積が圧力、温度により変動することによる課題を解消し、液体との混合が精度良く行われる。
【００１２】
また、液体をマイクロ混合器に送る液体供給路に液体供給用のポンプが備えられていても、液体が気体の質量流量制御調節弁側に流れ込むのを防止でき、液体をマイクロ混合器に確実に送り、気体との混合を精度良く行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る気液混合システム及び気液混合方法によれば、気体は温度、圧力等に左右されることなく質量流量制御が行われ、一定の流量が安定してマイクロ混合器に送られるので、液体との混合が精度良く行われる。
【００１４】
また、気体は質量流量制御調節弁で自動的に質量流量制御が行われてマイクロ混合器に送られるとともに、液体はポンプによりマイクロ混合器に確実に送られるので、その両者の混合が精度良く行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態にかかる気液混合システムについて図面に基づいて説明する。なお、以下に示した配管の具体的な寸法はあくまで一例を示したもので、本発明で利用するマイクロ混合器に適用できる径の小さい配管であれば、この寸法関係に限定されるものではない。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態にかかる気液混合システムの構成を示すブロック図である。分岐弁１は、質量流量制御調節弁２ａと質量流量制御調節弁２ｂのいずれかを選択する。この分岐弁１とマイクロ混合器３との間にはチェック弁５と継手部６とが設けられている。
【００１７】
そして、入口側に１／８（外径３．２ｍｍ）の継手部２ａ−１、２ｂ−１を有する質量流量制御調節弁２ａ，２ｂの出口側から分岐弁１に至る気体供給路４はそれぞれ例えば１／４（外径６．４ｍｍ）の配管、分岐弁１からチェック弁５に至る気体供給路４は例えば１／４（外径６．４ｍｍ）のＳＵＳ管、チェック弁５から継手部６に至る気体供給路４は例えば１／８（外径３．２ｍｍ）のＳＵＳ管、継手部６からマイクロ混合器３に至る気体供給路４は、例えば１／８（外径３．２ｍｍ）のサイズを有し、例えばフッ素樹脂（テフロン（登録商標））等の耐食性と外部からチューブ内の視認性に優れた樹脂製チューブでそれぞれ接続されている。この樹脂製チューブの端部には、継手部６およびマイクロ混合器３に接続するための例えばフッ素樹脂（テフロン（登録商標））等の耐食性に優れた樹脂製継手４−１，４−２が設けられている。
【００１８】
分岐弁１は質量流量が制御されて質量流量制御調節弁２ａから出力された気体Ａか、質量流量が制御されて質量流量制御調節弁２ｂからの気体Ｂのいずれかを選択してチェック弁５に供給する。この質量流量制御調節弁２ａ、質量流量制御調節弁２ｂとしては、例えば特開２０００−０２０１３７号公報に開示された流量制御装置を用いる。この流量制御装置は例えば気体の流れる流路２１と、この流路２１を流れる気体の流量を制御する調節弁２２と、流路２１を流れる気体の流量を検出する流量検出センサ２３と、この流量検出センサ２３により検出された流量検出値に基づいて出力流量が一定となるように調節弁２２を制御する制御部２４とから構成されている。
【００１９】
上記流量検出センサ２３としては半導体技術を利用した熱式の微小質量流量センサを用いる。この微小質量流量センサは、例えば特開２００２−１２２４５４号公報に開示されたフローセンサ等が好適に用いられる。このフローセンサは、シリコンチップのダイアフラム上に形成された発熱部とこの発熱部の上流側および下流側であって前記ダイアフラム上に形成された２つの温度検出部を有し、これら２つの温度検出部によって検出される温度の差を一定に保つために必要な発熱部に対する供給電力から流速に対応する流量を求めたり、あるいは一定電流または一定電力で発熱部を加熱し、２つの温度検出部によって検出される温度の差から流量を求めたりすることができる。
【００２０】
ポンプ７は液体を加圧して液体供給路９に送り出す。この際に圧力計８は二分岐継手１０を介して分岐された液体供給路内の圧力であって液体供給路９と等しい液体の圧力を検出し、この検出値をポンプ７の制御部（図示せず）に供給して、ポンプ７から送り出される液体の圧力が設定以上に上昇した場合の保護を行う。このポンプ７から送り出された液体は例えば１／８（外径３，２ｍｍ）のＳＵＳ管からなる液体供給路９を通じてマイクロ混合器３に供給される。ポンプ８としては、ピストン、ベーンポンプ等の容量可変型ポンプ、または歯車、ねじポンプ等の定容量型ポンプ、ターボ型ポンプ等のいずれでも良く、一定の流量の液体を送るために使用される。
【００２１】
なお、ここでいう「一定の流量」は使用されるポンプの性能によって決まる。例えば、ポンプを駆動する電動モータの回転数が製品仕様として保証されているポンプにおいては、吐出流量自体は保証されていない。回転数の変動幅が±５％であっても吐出量の変動幅は±１０％かもしれない。このようなポンプにおいては、実際の吐出量の変動幅である±１０％を含む流量を「一定の流量」とみなす。どのような流量性能を持つポンプを使用するかは、用途の必要性に応じて決定されることである。
【００２２】
次に上述した気液混合システムの動作（作用）について説明する。気体Ａは質量流量制御調節弁２ａで温度、圧力等に左右されることなく質量流量制御が行われ一定の質量流量で分岐弁１に供給される。一方、気体Ｂも質量流量制御調節弁２ｂで温度、圧力等に左右されることなく質量流量制御が行われ一定の質量流量で分岐弁１に供給される。
【００２３】
ここで、分岐弁１は気体Ａを使用するのであれば、質量流量制御調節弁２ａを選択して気体Ａをチェック弁５に送る。気体Ｂを使用するのであれば、質量流量制御調節弁２ｂを選択して気体Ｂをチェック弁５に送る。そして、チェック弁５から送り出された気体Ａまたは気体Ｂは樹脂製チューブからなる気体供給路４を通じてマイクロ混合器３に供給される。
【００２４】
一方、ポンプ７によって送り出された液体は、液体供給路９を通じてマイクロ混合器３に供給される。マイクロ混合器３では供給された気体Ａまたは気体Ｂと液体が混合されて出力される。
【００２５】
上記のように、本発明は質量流量制御調節弁２ａまたは質量流量制御調節弁２ｂを気体供給路に設けたことにより、気体Ａまたは気体Ｂの質量流量制御が温度、圧力等に左右されることなく行われ、一定の流量としてマイクロ混合器３に供給されるので、気体を送る量を安定かつ容易に制御することができ、液体との混合が精度良く行われる。
【００２６】
上記の実施形態は気体Ａまたは気体Ｂをいずれか一方を選択して液体と混合する場合について説明したが、選択することなく常に１種類の気体と１種類の液体とを混合することは勿論、２種類以上の気体と１種類の液体を混合することもできる。
【００２７】
図２は２種類の気体と１種類の液体を混合する気液混合システムの構成図を示すブロック図である。気体Ａは質量流量制御調節弁２ａ、チェック弁５ａ、継手部６ａを有する気体供給路４ａを経てマイクロ混合器３に供給される。入口側に継手部２ａ−１を有する質量流量制御調節弁２ａからチェック弁５ａに至る気体供給路４ａは例えば１／４（外径６．４ｍｍ）の配管、チェック弁５ａから継手部６ａに至る気体供給路４ａは例えば１／８（外径３，２ｍｍ）のＳＵＳ管で接続され、継手部６ａからマイクロ混合器３に至る気体供給路４ａは例えば１／８（外径３，２ｍｍ）の樹脂製チューブで接続されている。
【００２８】
また、気体Ｂは質量流量制御調節弁２ｂ、チェック弁５ｂ、樹脂製継手６ｂを経てマイクロ混合器３に供給される。入口側に継手部２ｂ−１を有する質量流量制御調節弁２ｂからチェック弁５ｂに至る気体供給路４ｂは例えば１／４（外径６．４ｍｍ）の配管、チェック弁５ｂから継手部６ｂに至る気体供給路４ｂは例えば１／８（外径３，２ｍｍ）のＳＵＳ管で接続され、継手部６ｂからマイクロ混合器３に至る気体供給路４ｂは例えば１／８（外径３，２ｍｍ）の樹脂製チューブで接続されている。
【００２９】
液体はポンプ７で液体供給路９を経てマイクロ混合器３に供給される。このポンプ７からマイクロ混合器３に至る液体供給路９の間は例えば１／８（外径３，２ｍｍ）の配管で接続されている。
【００３０】
上記の質量流量制御調節弁２ａ，２ｂ、チェック弁５ａ，５ｂ、樹脂製継手６ａ，６ｂ、マイクロ混合器３、ポンプ７、圧力計８、二分岐継手１０等は、図１に示した質量流量制御調節弁２ａ，２ｂ、チェック弁５、樹脂製継手６、マイクロ混合器３、ポンプ７、圧力計８と同じものであるから重複説明は省略する。
【００３１】
次に上述した気液混合システムの動作（作用）について説明する。気体Ａは質量流量制御調節弁２ａで温度、圧力等に左右されることなく質量流量制御が行われ一定の流量としてチェック弁５ａに供給され、例えば１／８（外径３，２ｍｍ）のＳＵＳ管、継手部６ａに接続された例えば１／８（外径３，２ｍｍ）の樹脂製チューブを経てマイクロ混合器３に供給される。
【００３２】
また、気体Ｂは質量流量制御調節弁２ｂで温度、圧力等に左右されることなく質量流量制御が行われ、一定の流量としてチェック弁５ｂに供給され、例えば１／８（外径３，２ｍｍ）のＳＵＳ管、継手部６ｂに接続された例えば１／８（外径３，２ｍｍ）の樹脂製チューブを経てマイクロ混合器３に供給される。
【００３３】
一方、ポンプ７で圧力計８に送られた液体は、この圧力計８から銅管の液体供給路９を経てマイクロ混合器３に供給される。このようにして、マイクロ混合器３に供給された気体Ａ、気体Ｂおよび液体はマイクロ混合器３内で混合されて出力される。
【００３４】
上述の気液混合システムよれば、気体Ａは質量流量制御調節弁２ａ、気体Ｂは質量流量制御調節２ｂによって、それぞれ温度、圧力等に左右されることなく質量流量制御が行われ、一定の流量としてマイクロ混合器３に供給されるので、２種類の気体Ａ、気体Ｂの送る量を安定かつ容易に制御することができるので、液体との混合が精度良く行われる。
【００３５】
なお、図示の実施形態においては、一端にチェック弁５を接続したＳＵＳ管の他端に継手部６を設け、この継手部６とマイクロ混合器３の間を透明な樹脂製チューブで接続した構成であるが、これは樹脂製チューブの透明性を利用して液体が気体供給路に逆流したことを目視により迅速に確認できるようにしたものである。したがって、透明な樹脂製チューブの接続は必ず必要なものではない。また、ＳＵＳ管の代わりに銅管を用いても良い。
【００３６】
以上説明したように、本発明に係る気液混合システム及び気液混合方法によると、従来のようにマイクロ混合器を用いて液体と少なくとも１種類の気体とを混合する場合、特に気体との混合によって化学反応を起こす液体である反応液体の流量や粘度、気液の反応による発熱によって気体の体積に影響を与え、気体を送り込むために必要な圧力が変動するので制御が困難となっていた問題を解決できた。具体的には、気体と液体が混合されて流れる通路内に生じた圧力損失が増大したときは、液体が気体供給路に逆流したり、液体を送り出すポンプがプロペラ型ポンプの場合、液体に混合する気体がポンプ側に逆流したりして気体の流れを正確に管理制御できないという問題を解決できた。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態にかかる気液混合システムの構成を示すブロック図である。
【図２】２種類の気体と１種類の液体を混合する気液混合システムの構成図を示すブロック図である。
【図３】従来の気液混合を行う構成の概要図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    分岐弁
２ａ，２ｂ    質量流量制御調節弁
２ａ−１，２ｂ−１    継手部
３    マイクロ混合器
４，４ａ，４ｂ    気体供給路
４−１，４−２    樹脂製継手
５，５ａ，５ｂ    チェック弁
６，６ａ，６ｂ    継手部
７    ポンプ
８    圧力計
９    液体供給路
１０    二分岐継手
２１    流路
２２    調節弁
２３    流量検出センサ
２４    制御部
１０１    マイクロ混合器
１０２    気体供給路
１０３    減圧弁
１０４    絞り弁
１０５    フローメータ
１０６    ポンプ
１０７    圧力計
１０８    液体供給路
Ａ，Ｂ    気体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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