JPH08504664A - 粒状材料の製造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 液滴の噴霧乾燥により固体粒子を製造する方法。液滴は液体配合物を複数のジェット（Ｊ）（図６）として、各ジェットが破断して狭い粒度分布の液滴となる様式で発射することにより形成される。液滴は融合開始前に、液滴のスリップ流れを破壊し、および／または液滴を加速することにより融合を低下させるように調整されたガス流（Ｇ）と接触する。

Description

【発明の詳細な説明】 粒状材料の製造 本発明は、液体配合物のアトマイゼーションおよび飛散中の液滴の少なくとも 部分的な相変化を伴う方法により固体粒子を製造することに関するものである。 多数の工業的および他の（たとえば薬剤）用途にとって、狭い粒度分布範囲の 粒状材料を製造することが望ましい。 液体配合物から工業的規模で固体粒状材料を製造するための噴霧乾燥機は周知 であり、一般に液体配合物がアトマイザーによりその中へ噴霧される塔を含み、 この塔内へ噴霧物との接触のために高温のガスが導入される。種々の形態のアト マイザー、たとえば小さな液滴のための二液型空気圧ノズル（ｔｗｏ−ｆｌｕｉ ｄ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｎｏｚｚｌｅ）、一液型ノズル、および高速回転ディ スク型アトマイザーが慣用される。 しかし既存の工業的規模の噴霧乾燥機は、粒度が精確に制御される可能性のあ る用途、特に１ｍｍ未満、殊に５００ミクロン未満のＳＭＤ（ソーター平均直径 、Ｓａｕｔｅｒ Ｍｅａｎ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）の狭い粒度分布を必要とする用 途には、そのままでは利用されない。また既存の工業的規模の噴霧乾燥機は、乾 燥を行うために用いるガスに同伴し、のちにそれから分離されなければならない 微粒子をかなりの量生じる傾向がある。ガス洗浄のための分離装置は、噴霧乾燥 機プラントの建設において著しい資本経費となる。従って、厳密に制御された粒 度を最少の微粒子生成において製造することができる装置および方法が求められ ている。 バーグランドおよびリウ（Ｂｅｒｇｌｕｎｄ，Ｌｉｕ）（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅ ｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ ７，Ｎｏ．２ ，１９７３年２月，１４６−１５３頁）より、単分散に近い粒度からなるエーロ ゾルを生成することが知られている。加圧下にディスク中の単一オリフィスを通 して液体を供給し、電気的に駆動される圧電気セラミックによってディスクを一 定の周期数で機械的に撹乱して（ｄｉｓｔｕｒｂ）、これによりジェットを均一 な液滴に破断することにより、液滴が単一液体ジェットから形成される。こうし て形成された液滴は、次いで液滴流を円錐形に分散させる作用をする乱流空気ジ ェッ トと共に、他のオリフィスに貫通される。得られたエーロゾルは希釈され、垂直 プラスチックチューブを貫通する空気流により輸送される。液滴が揮発性溶剤中 の不揮発性溶質からなる場合、この空気は溶剤を蒸発させることにより液滴を乾 燥させる作用もする。バーグランドおよびリウの文献に示されたこのエーロゾル 発生装置は、エーロゾルの研究、エーロゾルのサンプリングおよび測定用計測器 の目盛り定め、粒子制御装置、たとえばサイクロン、フィルターおよびスクラバ ーの試験に用いるための、ならびに粒状の空気汚染物質の作用を研究するための 、単分散エーロゾルを生成することを意図している。 単分散スプレーの製造のために、多重オリフィスノズルにより形成される液体 ジェットの表面に循環式撹乱を誘発する音波装置を用いることは、バウズ（ＬＦ Ｂｏｕｓｅ）によりＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＥＡ−１ ９７５，６１８−６２２頁の報文に示されている。 英国特許Ａ−１４５４５９７号明細書には、液体のプリリング（ｐｒｉｌｌｉ ｎｇ）法が示されており、その際液体は加圧下に平坦な多孔板を貫通し、流れ方 向に周期的な圧力変動を受ける。これらの孔は互いに異なる角度に向けられてい ると示されているが、その理由は提示されていない。得られた液滴は凝固して、 １２００ミクロン以上のオーダーの平均直径を有する粒子を形成する。 欧州特許Ａ−８６７０４号明細書には、多数のニードルから液滴を分配し、こ れが粉末材料の流動床上に落下することによって完全に球形の多孔質顆粒を製造 する方法が示され、その際、液滴のサイズおよび形状は、液滴を形成する各ニー ドルと同軸の層状空気流を発生させて、これにより各ニードルから個々に放出さ れる液滴をこの層状空気流によりスキム（ｓｋｉｍ）することによって制御され る。 本発明は、制御された狭い粒度分布をもつ固体粒子を製造するための改良法、 特に実質的に１ｍｍ未満、たとえば８００ミクロン以下、場合により５００ミク ロン未満のソーター平均直径をもつ固体粒子の工業的規模での製造を提供するこ とを目的とする。 本発明によれば、固体粒子の製造方法であって、 液体本体から、互いに発散した（ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ）ジェットのアレイ（ａｒ ｒａｙ）を発射し； これらのジェットを撹乱してそれらを破断し、狭い粒度分布の液滴流となし； 得られた液滴流のアレイをガス流と接触させて各流れにおける液滴の融合（ｃｏ ａｌｅｓｃｅｎｃｅ）を低下させ；そして 液滴を飛散中に強制的または自然に、少なくとも部分的に凝固させる ことを含む方法が提供される。 好ましくはガス流は乱流であり、ジェット発射の方向に対して横方向に液滴に 可変性の変位力（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒｃｅ）を付与するように液 滴流と接触する。あるいは、またはさらに、ガス流はジェットのアレイの全般的 な移動方向において液滴に加速を与えるように調整しうる。 本発明者らは、液体ジェットの破断を制御することによって狭い液滴粒度分布 をもつ比較的大型の液滴（一般に平均直径２０００ミクロン）を製造することが できるが、実質的にこれより小さな液滴（たとえば約５００ミクロン未満）が必 要である場合、液滴の粒度分布は著しく増大することを確認した。本発明者らは 、これが以下の事実に起因することを見出した。すなわち、制御された液体ジェ ット撹乱を伴う方法によって狭い粒度分布をもつ小さな液滴を最初は製造するこ とができるが、その後各ジェットに由来する液滴の融合が起こり、これが最初の 粒度分布に著しい影響を及ぼす。このような融合は流れの中の液滴の粒度が、流 れの中の連続した液滴が流れの中の液滴に対する推進力の低下のため接近して融 合する傾向のあるものである場合（すなわちスリップ流れ（ｓｌｉｐ ｓｔｒｅ ａｍｉｎｇ））に起こりやすい。 本発明においては、このような融合を低下させ、これにより最初の狭い液滴粒 度分布を実質的に維持しうるために、ガス流を用いる。前記のように、乱流状の ガス流により液滴の流れを破壊し、および／または各流れの中の液滴を加速して 推進力により誘発される融合を克服することによって、融合を低下させることが できる。 本発明の第２観点においては、固体粒子の製造装置であって、 液体本体から液体配合物をジェットのアレイとして排出するための装置； これらのジェットを撹乱してそれらを破断し、狭い粒度分布の液滴を含む液滴流 のアレイとなすための装置； これらの液滴流をガス流と接触させ、これにより融合開始前に各流れの中の液滴 を分散させてそれらの融合を低下させるための装置；および 液滴を飛散中に少なくとも部分的に凝固させるための装置 を含む装置が提供される。 好ましくはガス流と液体ジェットまたは液滴流との接触は、各流れ中の液滴が ジェット発射の方向に対して横方向に可変性の変位力を受けるように、および／ またはジェットのアレイの全般的な移動方向に液滴の加速をもたらすように行わ れる。 通常、ガス流速の大きさはジェットが発射される速度の大きさを上回る。好ま しくはガス流速は少なくともジェットの速度の２倍の大きさをもつ。 液体配合物は、もちろん液滴が飛散中に少なくとも部分的に凝固しうるもので ある。 好ましくは液滴の凝固は、ガスとの相互作用により行われる。相互作用の性質 は種々の形態をとることができる：たとえば場合により、それは液滴とガスの間 の熱伝達を伴うものであってもよく（熱の流れはガスから液滴へ、またはその逆 である）、またはそれはガスと液体配合物の間の化学反応を伴うものであっても よい。たとえば液滴が飛散中に照射を受け、適切な液体配合物の場合にこれによ り液体配合物の成分間の化学反応を開始または助成することができる。 場合により、ガスは凝固過程で実質的に受動的な役割を果たすこともできる： たとえば液体配合物は、液滴が飛散中にガスの助成なしに凝固するものであって もよい。液体配合物は、放射線、たとえばＵＶ、ＩＲまたは可視光線の照射を受 けた際に凝固するものであってもよい。この場合、本発明方法は液滴を飛散中に 放射線照射することを含みうる。 飛散中に凝固が起こる必要度は、液体配合物の性質に依存するであろう。部分 的に凝固した粒子が採集表面上に堆積した際に互いに粘着する傾向をもたないな らば、凝固は場合によりごく部分的であればよい。この場合、凝固の完了は粒子 がもはや飛散していない時点で起こるであろう。 その飛散中に部分的または完全に凝固した液滴は、それらが採集表面上に堆積 するまでガス流により互いに分離した状態に保持されるであろうが、液滴を分離 状態に保持する必要性があるのは液滴が融合する可能性のある状態の期間中のみ であることは自明であろう。従ってガス流は、融合が起こる可能性のある部分の 液滴軌道にわたって液滴分離の維持に有効であればよいにすぎない。 本発明の好ましい観点によれば、液体配合物を液体配合物の本体から互いに発 散した複数のジェットとして発射することによりジェットを形成し、その液体配 合物本体に圧力パルスを付与し、従って同時にジェットがこの圧力パルスを受け 、これにより破断して狭い粒度分布の液滴になる。 たとえばジェットに音響圧力パルスにより誘発される摂動（ｐｅｒｔｕｒｂａ ｔｉｏｎ）を与え、その結果ジェットを実質的に単一サイズの液滴に破断するこ とができる。 圧力パルスは、有利には音響変換器、たとえば液体配合物の本体内に浸漬され た、またはそれと接触した圧電気変換器または磁気歪み装置により発生される。 圧力パルス発生装置は、通常は目的とする液滴サイズを達成するのに適した予 め定められた振幅および周波数のパルスを発生するように調整され、選択的に変 更しうる振幅および／または周波数出力を生じることができ、これによりこれら のパラメーターを液体配合物の性質および目的とする液滴サイズに従って変更し うることが好都合である。振幅および周波数はその液体配合物につき経験的に決 定することができ、通常はそれぞれ０．５−５ミクロンおよび１−３００ｋＨｚ の範囲にある。好ましくはパルス周波数はジェットが共鳴するものである。 通常は液体配合物は、一対の架空の円錐形表面間で互いに発散した多数のジェ ットとして発射される。 好ましくはジェットは曲線からなる（ｃｕｒｖｉｌｉｎｅａｒ）、外側へ凸形 の表面内に形成されたオリフィスのアレイから発射され、従って表面の曲率がジ ェットの軌道を決定する。曲線からなる表面は全般的に球の一部（ｐａｒｔ−ｓ ｐｈｅｒｉｃａｌ）であって、各ジェットが他のジェットと平行でなく、かつ互 いに発散するものであることが有利である。 パルス発生装置は、オリフィスが形成されている表面の形状に実質的に一致す る波面（ｗａｖｅｆｒｏｎｔ）をもつ圧力波を発生するように、従って各オリフ ィ ス部位に実質的に等しいエネルギーが付与されるように設計されることが好まし い。たとえばオリフィスが球の一部の形状をもつプレート内などに形成されてい る場合、パルス発生装置は、球の一部のプレートの曲率中心と実質的に一致する （架空の）発生源をもつ全般的に球形の波面を有する圧力パルスを発生するよう に設計されることが好ましい。 一般にジェット、従ってそれに由来する液滴流は垂直に下方へ、その垂直線に 対して傾斜した軌道で発射される。 現在好ましい態様においては、オリフィスは球の一部の形状をもつ中低そりの （ｄｉｓｈｅｄ）プレート内において、そのプレートの周辺領域の位置に形成さ れ、かつ各ジェットにプレートの周縁方向へ向かう運動成分を付与するように配 列され、その際プレートが容器の一部を形成し、これに液体配合物が加圧下に供 給され、これにより液体がオリフィスを通して押し出される。プレートは好まし くはジェットが全般的に下方へ排出されるように配向され、かつ液滴に接触する ガスをプレートの外側周縁を通過して半径方向に内側へ流して、要求される飛沫 同伴（ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ）を行わせる。 本発明の好ましい態様においてはガスはジェットのアレイに対して半径方向に 内側へ向けられるが、本発明者らは液体を環状のジェットのアレイとして排出し 、それらを液滴融合の阻止または低下のために、環状のアレイ内の、ある位置か ら半径方向に外側へ向けられたガス流と接触させる可能性を排除しない。 圧力パルスが液体に直接に付与される変形様式においては、オリフィスから放 出されるジェットのアレイに付与される撹乱は、定常音波（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｔａｎｄｉｎｇ ｗａｖｅ）を液体内で発生させることにより生じさせること ができ、その定常波の振幅はオリフィスの形成されているプレートに対して全般 的に平行な平面内において変動するものである。 圧力パルスを液体本体に直接に付与する代わりに、ジェットに付与される撹乱 は、オリフィスのアレイが形成されているプレートを物理的に振動させることに より発生してもよい。たとえばプレートを共鳴圧電気駆動システムにより振動さ せることができる。しかしこのような様式はプレート自身の振動にエネルギーが 消費されるので好ましくはない。 一般にオリフィスの数は２００以上、たとえば２０００−３０００であろう。 オリフィス直径は実際には目的とする平均粒径に依存する；たとえばオリフィス は１０−５００ミクロンの直径であろう。 ジェットから液体への破断は層状ジェット破断（ｌａｍｉｎａｒ ｊｅｔ ｂ ｒｅａｋ ｕｐ）によることが望ましい。液体配合物がオリフィスから排出され る際の一般的なジェット速度は３−２０ｍ ｓｅｃ¹であり、ジェットのレイノ ルズ数は１０−１０，０００であろう。 ガス流は好ましくは液滴が横方向の変位を受ける乱流性のものであり、これに より液滴が相互に加速されるほか、スリップ流れが阻止され、または減少する傾 向がある。ガス流は一般に１×１０⁴−１×１０⁶のレイノルズ数を有する。 液滴と接触させるために用いられるガス流の速度は用いられるジェット速度に 依存し、通常は５−３０ｍ ｓｅｃ¹のオーダーであり、１０⁵−１０⁶のレイノ ルズ数を与える。飛沫同伴用のガスを液滴凝固の実施または助成のために利用す る場合、その温度はそのガスが凝固メカニズムに際して熱供与体として機能する か、または熱受容体として機能するかに応じて（たとえば凍結または蒸発）、一 般に−８０ないし５００℃の範囲であってよい。 ジェットの軌道は、ジェットが液滴への破断開始前にガス流中へ進入するか、 または破断後であれば有意の液滴融合が起こる前に進入するように調整されるこ とが好都合である。 添付の図面を参照して以下に本発明を実施例により説明する： 図１は、粒子を製造するための本発明による装置の模式図である； 図２は、図１に示した装置のジェット発生用オリフィスプレートの下側平面図 である； 図３は、オリフィスプレート内のオリフィスの形状を示す部分断面図である； 図４は、定常音波の発生を可能にするために調節性が備えられたジェット発生 装置の１態様を示す模式図である； 図４Ａは、図４の態様に対応する図であって、それにより液体本体内に発生し た定常音波の形状を示すものである； 図５は、定常音波がジェットの放出される多孔プレート付近で発生するジェッ ト発生装置の他の態様の模式図である； 図６は、液滴発生装置の模式図であって、ガス流と液滴流との相互作用の性質 を説明するものである； 図７Ａ−７Ｄは、単一ジェットオリフィスからの種々の距離における液滴粒度 分布を示すグラフであり、横軸は液滴直径、縦軸は液体の質量％である。 図面の図１−３を参照すると、示された装置はガス入口１２をその上端に備え 、その下端が粉末採集ホッパー１４として形成された主容器１０を含み、ホッパ ーセクション１４は出口１６を備え、これを通して粉末を取り出すことができる 。容器１０はガス入口付近に、チャンバー２０を規定するジェット発生装置１８ を収容し、チャンバーへ粉末の製造に適した液体配合物が加圧下に入口２２を経 て供給される。液体配合物は下方へ向いたプレート２６内に形成されたオリフィ ス２４のアレイ（図２参照）を通って装置１８から駆出される。プレートは、液 体が入口１２を通して供給される乱流状のガス流と接触するために、オリフィス からプレート２６の対称軸より遠ざかる方へ向かう半径方向の運動成分を含む多 数の互いに拡散するジェットとして放出されるように構成される。ガスは装置１ ８を囲む環状の間隙３６を貫通し、内側へ伸びたバフル３８によりそらされ、こ れにより内側へ向いたガス流が形成される。チャンバー２０の長さは、オリフィ スに層状の液流が進入するのを保証するように選定される。 図示したように、プレート２６は球の一部の形状をもち、オリフィス２４はプ レート２６の中心帯域の周りに広がる環状の帯域に配置され（図２参照）、各オ リフィス２４はその軸が、プレートに対して実質的に法線であり、かつプレート ２６の弯曲のため残りのオリフィス軸と実質的に平行でないように形成される。 こうして各オリフィスから放出される各ジェット、従って液滴流は、それに隣接 するものに対して拡散し、かつ発生するジェットは下方へ向かってプレート２６ の対称軸と同軸である暈（ｈａｌｏ）状に発射される。 プレート２６はその全範囲にわたって球の一部であるとして示されているが、 これが必ずしも必須ではない。オリフィスはプレートの中心の穿孔されていない 領域を囲む環状の領域に限定されるからである。図示された態様においては、オ リフィスは等距離の三角形のピッチで配列されている（ただし他の配列、たとえ ば半径方向分布も可能である）。たとえば別の態様（図示されていない）におい ては、オリフィスはプレート２６の対称軸と同軸の半径方向に等間隔を置いた円 形の列として分布し、各列のオリフィスが互いに円周方向に等間隔を置き、かつ ある列のオリフィスが隣接列のオリフィスから円周方向にジグザグに配列され、 ただし半径方向にはそれと１段階離れた列のオリフィスと整列している。液滴直 径をウェーバー方程式（のちに述べる）に基づいて計算して、一般に各列のオリ フィスは中心間で約４滴直径分の間隔を置き、かつ隣接列は約６滴直径分の間隔 を置く。 図３に示すように、各オリフィス２４は皿座ぐり（ｃｏｕｎｔｅｒｓｕｎｋ） 孔として形成され、皿座ぐり部分２４ａはプレート２６の内面に配置される。他 のオリフィス構造：たとえば深座ぐり（ｃｏｕｎｔｅｒｂｏｒｅｄ）オリフィス 、または皿座ぐりもしくは深座ぐりのない真っすぐな円衝形の中ぐりも採用しう る。各オリフィスの円筒形部分２４ｂは、層状ジェットの形成を保証するために 、好ましくは１０を越えない縦横比Ｌ／Ｄを有する。 各ジェットから実質的に単分散液滴へと制御下に破断を行うために、オリフィ ス２４から放出されるジェットは撹乱される。図示された態様においては、これ はチャンバー２０を占める液体の本体内に音響圧力パルスを発生させることによ り達成され、このために装置１８には電気音響変換器２８、たとえば圧電気変換 器が収容される。変換器は信号送信機３０および増幅器３２により作動し、各パ ルスがプレート２６から放出されるすべての液体ジェットを同時に、実質的に同 程度に撹乱するように、液体本体内に音響圧力パルスを発生させる。パルスの周 波数および振幅を、液体の特性、たとえばその粘度、密度、ならびにニュートン 特性および非ニュートン特性に関連して適宜選択することにより、液体ジェット を破断して実質的に単分散液滴となすことができる。 変換器２８はプレート２６の内側曲率と一致する波面を有する圧力パルスを発 生するように、すなわち圧力パルス波面が実際にプレート２６の内表の曲率中心 と実質的に一致する実質的な発生源をもつように設計される。適切な形状の圧力 パルス波面を形成するために、変換器は集合的に目的形状の結合波面を形成する ように互いに配向した２個以上の変換器素子からなるものであってもよい。 本発明の１形態においては、変換器は５−２５ｋＨｚのパルスを発生する超音 波変換器からなり、その配置は好ましくは変換器の曲率とプレート２６内に形成 された多孔アレイの曲率との間で定常音波が確立するものである。変換器とこの アレイの距離は、四分の一波長（ｑｕａｒｔｅｒ ｗａｖｅ ｌｅｎｇｔｈ）の 偶数倍に設定される。音波の波長は、のちに述べるように液体の音響特性および 操作の周波数の関数である。ただし定常波条件を確立することが好ましいが、理 想的な定常波条件からの有意の偏差は、プレート２６において発生する撹乱がジ ェットを破断して実質的に単分散液滴を生成するのに十分なものである限り許容 しうることが経験的に示された。 図４を参照すると、この態様においては変換器２８は調節のために、装置１８ のハウジングの通路セクション５０内に、変換器の前面５２が全般的にプレート ２６の曲率と一致し、実質的にそれと同心の形状であるように取り付けられる。 液体は装置のハウジング内へ、入口５４および通路セクション５０を経て供給さ れ、変換器本体と通路セクション５０の間には液体を濾過するための環状フィル ター装置５６がある。通路セクションは円錐形セクションへと開いており、その 大きい方の直径の末端には多孔プレート２６が結合している。この液体供給様式 、およびプレート２６の孔の構造は、層状ジェットの発生を保証するものである 。 変換器本体は、スピンドル６４によって作動するリンク仕掛け（ｌｉｎｋａｇ ｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）６２により軸方向に調節可能なロッド６０の足を 形成するディスク５８に取り付けられる。スピンドルはねじ山を備え、回転のた めに、支柱６６の対応するねじ山を備えた中ぐりに受容され、これによりハンド ル６８により行われるスピンドルの回転はスピンドルをその軸の方向へ移動させ 、その結果ロッドおよび変換器２８が上下運動する。こうして変換器は定常音波 を発生すべく調整しうる。実際には特定の周波数の変換器操作のためには、音響 センサー、たとえばプローブハイドロフォン（ｐｒｏｂｅ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎ ｅ）（図示されていない）をプレート２６の内表に接近して配置し、信号誘導セ ンサーが定常波条件を指示するまで変換器を調整することにより、定常波条件を 検知することができる。定常波の振幅はプレートに対して法線方向に変動し、図 ４Ａに陰影Ｘにより示され、アンチノード（ａｎｔｉ−ｎｏｄｅ）が参照記号Ａ で指 示されている。 図５は、図１の態様において使用しうるジェット発生装置の別の態様を示す。 この態様においては、定常音波は多孔プレート２６の中心に配置された円筒形の ボディを有する変換器７０と、変換器７０と同軸であって、装置１８のハウジン グの円錐形セクション７４の延長部を形成する環状レフレクター構造体７２との 間で生じる。液体は通路セクション７６を経て、セクション７４へ供給される。 変換器７０を適切な周波数（または変換器７０とレフレクター７２との間の適切 な半径方向間隔）で操作すると、定常音波が成立し、その振幅はプレート２６に 対して平行な平面内で変動する。定常音波の形状は陰影Ｘにより示され、アンチ ノードは点Ａにある。この態様においてはプレート２６は全般的に平面であるも のとして示されるが、ジェットの発散を保証するためにそれに弯曲が与えられて もよい。あるいは平面プレート２６は、ジェットのアレイが互いに発散するのを 保証するために、適切な角度で開けられたジェット発生孔を備えていてもよい。 図１、４および５の各態様において、変換器のアクティブ前面とプレートの間 （図１および４の場合）、または変換器とレフレクターの間（図５の場合）に四 分の一波長の偶数倍があるように定常音波を発生させることが好ましい。このよ うな状況では、完全なレフレクターである表面において反射が起こった場合、か つ液体中で有意の減衰がない場合、圧力振幅はノードにおける自由音場値（ｆｒ ｅｅ ｆｉｅｌｄ ｖａｌｕｅ）より多数倍大きく、アンチノードにおいてはゼ ロとなる可能性がある。間隔が四分の一波長の偶数倍でない場合、圧力の増加（ ｇａｉｎ）はその限界に達するまでははるかに低く、間隔が四分の一波長の奇数 倍である場合、理想的条件下ではノードにおける圧力はノードにおける自由音場 値に等しく、他のいずれかにおいてはそれに応じてより低い。 実際には、音響エネルギーが反射される表面は完全なレフレクターではなく（ たとえば多孔プレートは複雑なインピーダンスをもつであろう）、かつ液体も同 様に本質的に、または液体中のガス分もしくは固形分のため、実質的な減衰を生 じ、その結果ジェット発生装置における条件は通常は理想的ではないであろう。 それにもかかわらず非理想的な場合ですら、変換器と多孔アレイまたは図５の環 状レフレクターにより構成される対向する反射面との間の四分の一波長の偶数倍 の間隔に基づく定常音波を確立することにより、ジェットに対する効果的な撹乱 を生じることにつき通常は利点が得られるであろう。前記のように、目的とする 定常波はハイドロフォンプローブにより音響水準を監視することによって確立し うる。 ただし生成する液滴には、図６に関して詳述する様式で液滴と相互作用するよ うに調整されたガス流、すなわち入口１２から出口３４へ流れるガスが接触する 。ガス流が存在しない場合には、前記のスリップ流れ効果のため、特に約１００ −３００ｍｍのジェット破断点内でジェットの破断により形成された液滴は融合 する傾向があり、その結果、粒度分布が不都合な影響を受けることが確認された 。液滴とガス流を適切な様式で接触させることにより、実質部分の液滴の融合が 防止され、こうして実質的に単一サイズの粒子からなる粉末製品を得ることがで きる。 液滴から粉末への変換は多様な方法で行うことができる。特に好都合な方法は 、液滴を同伴するために用いられるガスを利用し、液滴を飛散中に分離状態に維 持することによるものである。たとえば液体配合物の性質に応じて、液滴に熱を 伝達し、または液滴から熱を吸収するために、ガスを加熱または冷却することが できる。ただし前記のように、凝固（または部分凝固）を保証するための他のメ カニズムも除外されない。用いられるガスは通常は空気であるが、たとえば酸化 を防止するために必要である場合、またはガスが液滴との化学反応により凝固を 行わせる場合には、他のガスも除外されず、また必要であろう。 凝固を行わせるためにいずれのメカニズムを採用するとしても、液滴はガス流 の影響下で軌道をたどり、飛散中に少なくとも部分的に凝固し、最終的に粉末と して主容器１０のホッパーセクション１４内に堆積する。次いで粉末を連続的に 、またはバッチ式で出口１６から取り出すことができる。 一般に用いられる液体配合物は、密度７００−１５００ｋｇ／ｍ³、粘度１０ ³ −１０ ¹ｐａ・ｓ、および空気中での表面張力０．０３０−０．０７３Ｎｍを 有する。オリフィス直径は通常は、生成する液滴が１ｍｍより若干小さい中央直 径（ｍｅｄｉａｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ）をもつものであり、１０−５００ミクロ ンの一般的オリフィス直径が１０−０．５バールＧの一般的な圧力降下、および ジェ ット速度３−２０ｍ ｓｅｃ ¹を与え、レイノルズ数は１−１０⁴である。変換 器は周波数１−２００ｋＨｚ、一般的な振幅０．５−５ミクロンにおいて作動す る。ガス流速は一般に５−３０ｍ ｓｅｃ ¹であり、ガスレイノルズ数１０⁵− １０⁶を与える。 次いで図６を参照すると、これはたとえば図１の態様に示したジェット発生装 置の設計に際して生じる特定の考察事項を説明する。プレート２６の中央領域は ジェット発生オリフィスを含まず、ジェットの発生は参照記号ＡＲで示した環状 の領域に限定される。環状領域ＡＲの内端および外端において発生するジェット はＪ_IおよびＪ_oで表示され、平明にするためにこれらの端の間にあるジェットは 省略されている。ガス流は矢印Ｇで表示され、一方側のみを示したがガス流Ｇは 装置１８の外周全体の周りにおいて、プレート２６の対称軸Ｓの方へ内側に向か うことは自明であろう。Ｃ点はプレート２６の曲率中心を表し、すべてのジェッ トは外挿するとＣ点で交わる軸を有する。 液体が最初は連続リガメントとしてオリフィスから放出され、次いでこれが装 置内の液体本体を経て付与される音響パルスの影響下で破断して、個々の液滴流 となる。寸法ａは、破断が起こる前に各ジェットが移動する距離を表す。寸法ｂ は、ジェットの破断点と融合開始（ガス流Ｇが存在しない場合）との間で各液滴 流が移動する距離を表す。寸法ａおよびｂは異なる液体および操作条件（たとえ ばオリフィス直径、ジェット速度など）につき異なるであろうが、一般に寸法ａ は５０ｍｍのオーダーであり、寸法ｂは１００−３００ｍｍである。ガス流Ｇは それが寸法ｂ内で、すなわち融合開始前に、内側のジェットの列に衝突するよう に調整される。 ガス流Ｇは、２種類のメカニズムのいずれか一方または両方によって融合を低 下させる。１つのメカニズムは、液滴に横方向の力を付与することにより液滴の スリップ流れを破壊することによるものであり；このためにはガス流は横方向の 力が可変性の乱流であることが好都合である。第２のメカニズムは、連続した液 滴の間隔が少なくとも有意の規模で融合が起こりうる地点にまで狭まり得ない程 度に、各液流中の液滴をガス流によって加速することによるものである。実際に はこの加速は、通常はガス流Ｇにより付与される加速の結果として液滴間隔が増 大するものである。ガス流Ｇはこれらのメカニズムのいずれか一方を保証するこ とを目標とすればよいが、好ましい様式においてはガス流は、両方のメカニズム が有効であり、これと同時に融合開始前にすべての液滴流にガス流が衝突するこ とを保証するように調整される。これはガス流Ｇの方向を適宜傾斜させ、目的と する加速が得られるようにガス流に速度を与えることによって、またジェット発 生オリフィスの分布を半径方向に内側に向かって適宜制限することによって、容 易に実施しうることは理解されるであろう。後者の状況においては、オリフィス がプレート２６の中心に近いほど液滴流はガス流の接触前に遠くへ移動し、その 結果ガス流は融合の減少または阻止において有効性が低下する（有効であるとし ても）ことは理解されるであろう。 一般にオリフィスは、軸Ｓに対する内側および外側ジェットＪ_IおよびＪ_oの傾 斜角度θが３０−６０°となるように環状領域ＡＲ全般にわたって分布する。 本発明のより良い理解を補助するために、次いでガス流と液滴流との相互作用 の効果を示した図７Ａ−７Ｄを参照する。図７Ａは５０ミクロンのオリフィスか らジェット速度６ｍ ｓｅｃ^-1で放出される、音響パルスを付与した単一ジェッ トにより得られる粒度分布を示す。液体配合物は圧力４バールを付与したグリセ リン／水（粘度１０ｃＰ）である。この場合、破壊／加速用のガス流はない。粒 度分布はオリフィスから１５ｍｍの距離において測定された。ＳＭＤ（ソーター 平均直径）は１２５ミクロンであることが認められ、その位置では狭い粒度分布 であることが分かるであろう。 図７Ｂおよび７Ｃは前記と同じ１組のパラメーターに関するものであるが、た だし粒度分布はオリフィスからそれぞれ１５０および２１５ｍｍの距離において 測定された。これらの場合、最初に得られた狭い粒度分布がかなり広がっており 、ＳＭＤは実質的にそれぞれ２１１および２２５ミクロンに増大したことが分か るであろう。 図７Ｄも図７Ａに関して述べたものと同じ１組のパラメーターに関するもので あるが、ただしこの場合ジェットは流量１５０リットル ｈｒ^-1（約４０ｍ ｓ ｅｃ^-1）のガス流中へ発射され、粒度分布はオリフィスから２１５ｍｍの距離に おいて測定された。粒度分布はわずかに広がったが、狭い状態を維持しているこ とが認められるであろう（ＳＭＤは、この場合１１３ミクロンであると測定され た）。 前記のように、音波発生変換器から四分の一波長の偶数倍に相当する距離に配 置されたオリフィスのアレイにつき定常波条件を用いて液滴発生装置を操作する ことが好ましい。一定のオリフィス直径およびジェット速度においては、この距 離は次式により与えられる最適破断周波数（いわゆるウェーバー（Ｗｅｂｅｒ） 周波数）ｆ_wを計算することにより決定しうる： ｆ_w ＝ ｕ_j／ｌ_v 式中のｕ_jはジェット速度（ｍ／ｓ）であり、ｌ_vはジェット破断をもたらす最も 生長の速い音波撹乱（ｆａｓｔｅｓｔ ｇｒｏｗｉｎｇ ｗａｖｅ ｄｉｓｔｕ ｒｂａｎｃｅ）の波長であって、次式により与えられる： ｌ_v ＝ πＤ_j√２［１＋３ｚ］^1/2 式中のｚはオネソア（Ｏｎｈｅｓｏｒｅ）数、ｚ＝ｎ／（ｓｄＤ_j）^1/2であり、 Ｄ_jはオリフィス直径／ジェット直径（ｍ）であり； ｎは液体の粘度（Ｎｓ／ｍ²）であり； ｓは液体の表面張力（Ｎ／ｍ）であり；そして ｄは液体の密度（ｋｇ／ｍ³）である。 たとえば水（ｓ＝０．０７２Ｎ／ｍ，ｄ＝１０００ｋｇ／ｍ³，ｎ＝０．００ １Ｎｓ／ｍ²）を用いると、層状ジェット速度７ｍ／ｓｅｃおよびオリフィス直 径２００ミクロンにつき、ウェーバー周波数ｆ_wは５５２０Ｈｚである。 ｌ_sおよびｃがそれぞれ水中での音の波長および速度であるとすれば、 ｌ_s ＝ ｃ／ｆ_w ＝ １４５０／５５２０ ＝ ０．２６２ｍ である。 従って定常波条件を得るためには、オリフィスのアレイはプレートと変換器の 距離がｍｌ_s／４（ここでｍは偶数の整数である）に相当する位置にある必要が ある。最大および最小の減衰信号は、ｍ＝２である場合、すなわちプレートと変 換器の距離が０．１３１ｍである場合に得られるであろう。 本発明をさらに以下の実施例により説明する。 実施例１ 水に溶解した分散剤を、図４に示したものと同様な液滴生成装置を用いて制御 下にジェット破断処理した。分散剤溶液は、液滴となした場合に熱空気との接触 により乾燥しうる、２０℃で下記の物理的特性を備えたものであった： 表面張力 ０．０６３Ｎ／ｍ 密度 １２１７ｋｇ／ｍ³ 粘度 ０．０１４Ｎｓ／ｍ² オリフィス直径は２００ミクロンであり、層状ジェット速度（液体供給圧力を制 御することにより得られる）は７．１ｍ／ｓｅｃに設定された。対応するウェー バー周波数は前記の方法で６９３０Ｈｚであると計算され、プレートと変換器の 距離はこれに従って定常波条件を得るべく設定された（ｍ＝２）。 速度１９．５ｍ／ｓ（垂直方向に測定）を有し、液滴に融合開始前に衝突する 方向に向けられた乱流状の加速用ガス場に液滴流を付与した場合、オリフィスプ レートの垂直方向下方に８６０ｍｍの間隔を置いた位置において測定した液滴粒 度分布は著しく狭いことが認められ、ソーター平均直径４５０ミクロン、標準偏 差８１ミクロンを与えた。 比較例１ 前記実施例を前記に詳述したものと同じ液体配合物および条件で反復し、ただ し層状ジェット速度６．６ｍ／ｓ（対応するウェーバー周波数は６４１０Ｈｚで あると計算された）であり、ガス流は存在しなかった。オリフィスプレートと変 換器の距離はこれに従って定常波条件を得るべく設定された（ｍ＝２）。オリフ ィスプレートの垂直方向下方に８６０ｍｍの間隔を置いた位置において行われた 液滴粒度分布測定は著しく多量の融合を示すことが認められ、この場合のＳＭＤ は７１８ミクロン、標準偏差２８８ミクロンであった。 実施例２ 前記実施例１に述べた液体配合物を、図１に示した形態の工業的規模の噴霧乾 燥塔内で粉末粒子に変換した。液滴発生装置は、多数の同心列状に配列された約 ５００個のオリフィスを備えた、球の一部のプレートを含み、オリフィス間のピ ッチ５ｍｍ、列間のピッチ５ｍｍであった。外側の列は球の一部のプレートの垂 直対称軸から１４０ｍｍの垂直距離に配置された。流量３．３Ｎ ｍ³ ｓ^-1（ ２０℃において）のガスを３２０℃の温度に加熱し、液滴発生装置を囲む環状ダ クトを経て、ダクトを出る時点での高温のガスのレイノルズ数が２×１０⁵（３ ２０℃において）となるように塔に導入した。ダクトは、ガスが垂直線に対して 約３０°の角度で半径方向に内側へ向かうように配向された。 液体は、出口速度６．６ｍ ｓ ¹の層状ジェットを発生する速度で液滴発生装 置に供給された。ジェットは、垂直線に対して外側の列のジェットの場合におけ る４５°から、内側の列のジェットの場合における３０°に及ぶ角度で、球の一 部のプレートから放出された。 変換器は定常波条件を設定すべく配置され（ｍ＝２）、計算されたウェーバー 周波数７４７０Ｈｚに従って操作された。得られた粒度分布をフリッチュ粒度測 定装置（Ｆｒｉｔｓｃｈ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅｒ）により分粒したもの を下記に示す： 分類（ミクロン） 各分類の重量％ １００−２００ ４ ２００−３００ ３１ ３００−４００ ４５ ４００−５００ １１ ５００−６００ ５ ６００−７００ ４ 平均粒度（質量に基づく）は約３４４ミクロンであることが認められた。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｈ Ｕ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＭＧ，ＭＮ ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ， ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＳ，ＶＮ (72)発明者 フェアークロウ，アンソニー・ルパート・ ナイジェル イギリス国クリーヴランド ティーエス 15・９エイアール，ストックトン―オン― ティーズ，ヤーム，スインバーンズ・ヤー ド ４ (72)発明者 アントニーニ，アルジェンドロ・マーティ ン イギリス国ランカシャー ビービー１・１ ピーズィー，ブラックバーン，シェイヅワ ース，バロウデール・アベニュー 59 (72)発明者 ムンロ，ロバート・ジェームズ イギリス国クリーヴランド ティーエス 16・５エイダブリュー，ストックトン―オ ン―ティーズ，ハートバーン，グリーン ズ・グローブ 38 (72)発明者 リップスコム，リン・ウィルフレッド イギリス国ハンプシャー ジーユー34・３ エルダブリュー，セルボーン，（番地な し） ローワー・ノアー・ヒル・ファーム

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．固体粒子の製造方法であって、 液体本体から、互いに発散したジェットのアレイを発射し； これらのジェットを撹乱してそれらを破断し、狭い粒度分布の液滴流となし； 得られた液滴流のアレイをガス流と接触させて各流れにおける液滴の融合を低下 させ：そして 液滴を飛散中に強制的または自然に、少なくとも部分的に凝固させる ことを含む方法。 ２．ガス流速の大きさはジェットが発射される速度の大きさを上回る、請求項 １に記載の方法。 ３．液滴の凝固がガスとの相互作用により行われる、請求項１に記載の方法。 ４．さらに、液体配合物の本体に圧力パルスを付与しながら液体を複数のジェ ットとして発射し、従って同時にジェットが該圧力パルスを受け、これにより破 断して狭い粒度分布の液滴になることを含む、請求項１−３のいずれか１項に記 載の方法。 ５．液体が曲線からなる表面から、互いに発散した多数のジェットとして発射 され、これらのジェットが曲線からなる該表面と交わる一対の架空の円錐形表面 間に包含される、請求項１−４のいずれか１項に記載の方法。 ６．固体粒子の製造装置であって、 液体本体から液体配合物をジェットのアレイとして排出するための装置； これらのジェットを撹乱してそれらを破断し、狭い粒度分布の液滴を含む液滴流 のアレイとなすための装置； これらの液滴流をガス流と接触させ、これにより融合開始前に各流れの中の液滴 を分散させてそれらの融合を低下させるための装置；および 液滴を飛散中に少なくとも部分的に凝固させるための装置 を含む装置。 ７．撹乱装置が、ジェットを同時に撹乱し、かつそれらを破断して狭い粒度分 布の液滴となすように、液体本体に圧力パルスを付与すべく操作可能である、請 求項６に記載の装置。 ８．圧力パルスが、液体配合物の本体内に浸漬された、またはそれと接触した 音響変換器により発生する、請求項７に記載の装置。 ９．パルス周波数はジェットが共鳴するものである、請求項８に記載の装置。 １０．排出装置は液体が排出されるオリフィスのアレイを規定するプレートを 含み、かつ該プレートと変換器のアクティブ表面との距離間隔が液体本体内で発 生する音波の四分の一波長の偶数倍に実質的に相当する、請求項６−９のいずれ か１項に記載の装置。 １１．ジェットが、曲線からなる、外側へ凸形の表面内に形成されたオリフィ スのアレイから発射され、従って該表面の曲率がジェットの軌道を決定する、請 求項６−９のいずれか１項に記載の装置。 １２．パルス発生装置は、オリフィスが形成されている表面の形状に実質的に 一致する波面を有する圧力波を発生すべく設計された、請求項７−９のいずれか １項に記載の装置。 １３．液滴とガス流の接触は、液滴がジェット発射の方向に対して横方向に可 変性の変位力を受け、および／またはジェットのアレイの全般的な移動方向へ加 速されるものである、請求項６−１２のいずれか１項に記載の装置。 １４．液体配合物を噴霧乾燥して粒状製品を製造する方法であって、 （ａ）液体配合物を収容した容器から液体配合物を下方へ向かうジェットのア レイとして発射し； （ｂ）容器に収容された液体配合物内で、ジェットを撹乱し、実質的に同時に それらを破断して狭い粒度範囲の液滴流となす様式で、音波を発生させ； （ｃ）液滴の融合開始前に、液滴流を乱流状のガス流と接触させて液滴の融合 を低下させ；そして （ｄ）液滴が塔内を下降するのに伴って、液滴を該ガスとの相互作用により少 なくとも部分的に凝固させる ことを含む方法。 １５．ガス流は、液滴がガス流によりジェット発射の方向に対して横方向に可 変性の変位力を受けるものである、請求項１４に記載の方法。 １６．液滴がガス流によりジェットのアレイの全般的な移動方向に加速される 、 請求項１４または１５に記載の方法。 １７．ガスが液滴の発射される多孔プレートを囲む環状の通路を経て導入され 、該ガス流がジェットのアレイに対して内側へ、液滴流を融合開始前に横切るよ うに向けられる、請求項１−５および１４−１６のいずれか１項に記載の方法。 １８．液体配合物が全般的に球の形状を有するプレート内のオリフィスを通し て発射され、かつ音波を波面が全般的にプレートの形状に一致する様式で発生さ せ、その周波数が実質的にジェットの共鳴周波数に相当し、かつプレートと音波 を発生する変換器のアクティブ前面との間に実質的に定常波条件が支配する、請 求項１−５および１４−１６のいずれか１項に記載の方法。 １９．固体粒子を製造するための噴霧乾燥装置であって、 （ａ）塔； （ｂ）液体配合物を収容した容器から液体配合物を予め定められた速度および 直径の下方へ向かうジェットのアレイとして排出するための、塔の上部に位置す る装置； （ｃ）これらのジェットを撹乱してそれらを破断し、狭い粒度分布の液滴を含 む液滴流のアレイとなすための装置； （ｄ）これらのジェットの速度の大きさを上回る大きさの速度のガス流を、ガ スが液滴流と融合開始前に接触する様式で塔に導入し、これにより各流れの中の 液滴を分散させてそれらの融合を低下させるための装置：ならびに （ｅ）液滴が塔内を下降するのに伴って、液滴を少なくとも部分的に凝固させ るための装置 を含む装置。 ２０．液滴を少なくとも部分的に凝固させるための装置が、ガス流を塔に導入 するための装置により構成される、請求項１９に記載の装置。 ２１．排出装置が全般的に球の一部の形状を有する多孔プレートを含み、その オリフィスを通して液体が排出され、撹乱装置が、容器に収容された液体と接触 し、かつ該プレートに対して相補的な形状であるアクティブ前面を有する電気音 響変換器を含み、変換器がジェットの共鳴周波数（ウェーバー周波数）に実質的 に相当する周波数で操作され、かつ変換器とプレートが、容器に収容された液体 内に定常音波条件を設定する間隔で配置された、請求項１９または２０に記載の 装置。