JP2014117635A - 流体混合器および流体混合器を用いた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】互いに混合されにくい流体であっても効果的に混合することができ、コンパクトな構成の流体混合器および流体混合器を用いた装置を提供する。
【解決手段】本発明は、主流体が流入する主流体入口４と混合流体が流出する混合流体出口５とを有する主流路１と、副流体が流入する副流体入口６を有する副流路２と、主流路と副流路とを連通する複数の連通流路３とを含む、複数の流体を混合する流体混合器に関する。主流路に合流する連通流路の合流部８の端部１０の断面形状が、主流路の流路軸線方向の長さよりも主流路の流路軸線方向に直行する方向の長さの方が長く形成され、主流路の流路断面形状が変化している。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学工場、半導体製造分野、食品分野、医療分野、バイオ分野などの各種産業における流体輸送配管に用いられる流体混合器および流体混合器を用いた装置に関するものである。

従来、配管内に装着して管内を流れる流体を均一に混合する方法として、図１０に示すように捻り羽根状のスタティックミキサーエレメント１０１を用いたものが一般的であった（例えば、特許文献１参照）。通常、スタティックミキサーエレメント１０１は、矩形板をその長手軸線周りに１８０度捻ったものを最小単位部材として、複数の最小単位部材を、捻り方向が交互に異なる方向になるように一体的に直列に結合した構造を有している。このスタティックミキサーエレメント１０１を管１０２内に配置し、管１０２の両端部にメールコネクター１０３を取り付け、フレアー１０５を装着して締付ナット１０４を締め付けることによりスタティックミキサーが形成される。このとき、スタティックミキサーエレメント１０１の外径が管１０２の内径にほぼ等しく設計されて、流体が撹拌されるようになっている。

特開２００１−２０５０６２号公報

しかしながら、前記従来のスタティックミキサーを用いた流体の混合方法は、スタティックミキサーの上流側で主流体と副流体とを不均一に混合した混合流体を撹拌、混合している。そのため、主流体と副流体が互いに混合されにくい流体の場合は、効果的に混合することができないおそれがある。特に、主流体と副流体の粘度が大きく異なる場合は、混合流体中の成分をスタティックミキサーエレメント１０１で細かく分割、分散しにくくなる傾向にある。また、スタティックミキサーは内部にスタティックミキサーエレメント１０１を配置していることから、混合流体によっては、スタティックミキサーエレメント１０１に混合流体中の成分が付着し堆積するおそれがある。

主流体と副流体の粘度が大きく異なるような場合は、特に図示しないものの、配管ラインにタンクを設置し、タンク内で混合流体を均一に混合させる方法があるが、タンクを設置するためには広いスペースが必要となるだけでなく、装置が大掛かりになってしまう。

それゆえ、本発明の目的は、互いに混合されにくい流体であっても効果的に混合することができ、コンパクトな構成の流体混合器および流体混合器を用いた装置を提供することである。

請求項１の発明によれば、複数の流体を混合する流体混合器において、主流体が流入する主流体入口と混合流体が流出する混合流体出口とを有する主流路と、副流体が流入する副流体入口を有する副流路と、前記主流路と前記副流路とを連通する複数の連通流路とを含み、前記主流路に合流する前記連通流路の合流部の端部の断面形状が、前記主流路の流路軸線方向の長さよりも前記主流路の流路軸線方向に直行する方向の長さの方が長く形成され、前記主流路の流路断面形状が変化していることを特徴とする流体混合器が提供される。

すなわち、請求項１の発明では、副流路と主流路とを連通する複数の連通流路によって、副流体が多段階に分割されて主流体に混合されるので、主流体と副流体とを効果的に混合させることができる。特に、主流体に主流体と同等またはそれ以上の量の副流体を混合させる場合に、主流体と副流体とを効果的に混合させることができる。また、連通流路が主流路に合流する合流部における連通流路の合流部の端部の断面形状が、主流路の流路軸線方向の長さよりも主流路の流路軸線方向に直行する方向の長さの方が長く形成されているので、主流体と副流体との接触面積を大きくすることができ、主流体と副流体を効果的に混合させることができる。また、主流路の流路断面形状が変化しているので、主流路の内部で混合流体を撹拌することができ、主流体と副流体を効果的に混合させることができる。特に、低い粘度を有する流体に高い粘度を有する流体を混合させるような、主流体と副流体との粘度差が大きく、主流体と副流体とを均一に混合することが難しい場合に、主流体と副流体を効果的に混合させることができる。ここで、本発明において、「流路断面形状が変化する」とは、同一種類の形状の寸法を変化させることも含まれる。例えば、円形状の直径を変化させた場合、流路断面形状が変化したこととなる。

請求項２の発明によれば、少なくとも一つの前記合流部の下流において、前記主流路の流路断面積が段階的に拡大されることを特徴とする流体混合器が提供される。

すなわち、請求項２の発明では、合流部から下流側の主流路の流路断面積が段階的に拡大されているので、連通流路を流れる薬液を円滑に主流路に流入させることができる。

請求項３の発明によれば、前記連通流路の前記合流部の端部の断面形状における前記主流路の流路軸線方向に直行する方向の長さが前記主流路の流路軸線方向に直行する方向の最大長さと略同一であることを特徴とする流体混合器が提供される。

すなわち、請求項３の発明では、連通流路の合流部の端部の断面形状における主流路の流路軸線方向に直行する方向の長さが主流路の流路軸線方向に直行する方向の最大長さと略同一となっているので、合流部における主流体と副流体との接触面積を最大限に大きくすることができ、主流体と副流体を効果的に混合させることができる。

請求項４の発明によれば、前記主流路は、前記流体入口と、前記主流体入口に接続する第一流路と、前記第一流路に接続する螺旋流路と、前記螺旋流路に接続する第二流路と、前記第二流路に接続する前記混合流体出口とを含み、前記副流路は前記螺旋流路の螺旋形状の内側に位置するように形成され、複数の前記連通流路は、前記副流路の異なる位置から各々分岐し、前記螺旋流路の異なる位置において前記螺旋流路と各々接続することを特徴とする流体混合器が提供される。

すなわち、請求項４の発明では、主流路が、前記流体入口と、主流体入口に接続する第一流路と、第一流路に接続する螺旋流路と、螺旋流路に接続する第二流路と、第二流路に接続する混合流体出口とから形成され、副流路が螺旋流路の螺旋形状の内側に位置するように形成され、主流路と副流路は連通流路によって連通されているので、流体混合器をコンパクトに形成することができる。

請求項５の発明によれば、外周面に螺旋溝が形成され、内部に前記主流体入口と前記螺旋溝とを接続する前記第一流路と、前記混合流体出口と前記螺旋溝とを接続する前記第二流路とが形成され、内部に前記副流路が形成され、かつ前記副流路と前記螺旋溝とを接続する前記連通孔が形成された本体部と、前記本体部の外周面と嵌合する筐体とを具備し、前記螺旋溝および前記筐体の内周面により前記螺旋流路を形成し、前記連通孔が前記連通流路となることを特徴とする流体混合器が提供される。

すなわち、請求項５の発明では、上記のような本体部および筐体を形成したことによって、混合性能に優れているだけでなく、部品点数が少なく、単純かつコンパクトな形状を有する流体混合器を形成することができる。

請求項６の発明によれば、前記本体部には、一方の端面に前記主流体入口と前記副流体入口とが形成され、かつ他方の端面に前記混合流体出口が形成されることを特徴とする流体混合器が提供される。

すなわち、請求項６の発明では、主流体入口、副流体出口および混合流体出口が本体部の端面に形成されたことによって、単純かつコンパクトな形状を有する流体混合器を形成することができる。

請求項７の発明によれば、請求項１〜６のいずれか１項に記載の流体混合器と、前記流体混合器に複数の異種流体を導く流路を形成する流路形成手段と、を備えることを特徴とする流体混合器を用いた装置が提供される。

すなわち、請求項７の発明では、上述の流体混合器と前記流路形成手段とを備えることにより、多様な異種流体を混合する装置を形成することができる。

請求項１〜６に記載の発明によれば、主流体と副流体を効果的に混合することができ、加えて、コンパクトな形状の流体混合器を提供することができる。

請求項７に記載の発明によれば、さらに、多様な異種流体を混合する装置を提供することができる。

本発明の第一の実施形態に係る流体混合器を示す模式図である。 本発明の第一の実施形態に係る流体混合器の合流部の拡大斜視図である。 本発明の第二の実施形態に係る流体混合器の概略構成を示す斜視図である。 螺旋流路の外径の中心軸線と交差するＡ‐Ａ線に沿った、図３に示される流体混合器の断面図である。 螺旋流路の外径の中心軸線と交差しないＢ‐Ｂ線に沿った、図３に示される流体混合器の断面図である。 本発明の第三の実施形態に係る流体混合器を示す縦断面図である。 本発明の第四の実施形態に係る流体混合器を示す縦断面図である。 本発明の流体混合器を用いた装置の実施形態を示す模式図である。 本発明の流体混合器を用いた装置の実施形態の変形例を示す模式図である。 従来のスタティックミキサーを示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明が本実施形態に限定されないことは言うまでもない。

―第一の実施形態―
以下、図１〜２を参照して、本発明の第一の実施形態に係る流体混合器について説明する。

図１を参照すると、第一の実施形態の流体混合器は、主流路１、副流路２および連通流路３から構成されている。主流路１は、主流体が流入する開口部である主流体入口４と混合流体が流出する開口部である混合流体出口５とを有している。副流路２は、副流体が流入する開口部である副流体入口６を有している。連通流路３は、副流路２の分岐部７で副流路２から分岐し、主流路１の合流部８で主流路１と合流し、主流路１と副流路２とを連通している。

第一の実施形態では、主流路１は流路断面が円形状と楕円形状を交互に連続的につなげた形状で形成されており、合流部８の流路断面形状は楕円形状であり、合流部８には連通流路３の合流部端部１０の形状に相当する開口が設けられている。主流路１の流路断面積は混合流体出口５に近づくにつれて合流部８ごとに段階的に拡大している。すなわち、合流部８ａ〜８ｂまでの区間の流路断面積より合流部８ｂ〜８ｃまでの区間の流路断面積の方が大きく、８ｂ〜８ｃまでの区間の流路断面積より合流部８ｃ〜８ｄまでの区間の流路断面積の方が大きい。第一の実施形態では、合流部８の流路断面積は、合流部８ａ〜８ｄの直近の上流側の主流路１の流路断面積と、合流部８ａ〜８ｄで合流する連通流路３ａ〜３ｄの合流部端部１０ａ〜１０ｄの流路断面積との和とほぼ同じになるように形成されている。しかしながら、全ての合流部８において、合流部８の流路断面積が拡大されていなくてもよく、合流部８のうちの１つのみの流路断面積が拡大されていてもよい。あるいは、主流路１の流路断面積は主流体入口４から混合流体出口５まで一定であってもよい。

副流路２は、流路断面形状が例えば円形状であり、流路断面積は一定である。各連通流路３ａ〜３ｄは、各々の間隔がほぼ同じになるように配置され、各々の長さがほぼ同じになるように形成されている。また、連通流路３の流路断面積は一定であるが、その流路断面形状は、分岐部端部９と合流部端部１０とで異なっており、分岐部端部９では円形状に形成されている。その一方で、図２を参照すると、合流部端部１０では、連通流路３の流路断面形状は楕円形状に形成されている。楕円形状の短軸は主流路の流路軸線方向と同じ方向となり、楕円形状の長軸は、第一の実施形態の構成では主流路の径方向、つまり主流路の流路軸線方向に直行する方向と同じ方向となるように形成され、さらに、その長軸の長さは主流路の流路軸線方向に直行する方向の最大長さとほぼ同じになるように形成されている。第一の実施形態では、連通流路３の合流部端部１０の断面形状は楕円形状に形成されているが、合流部端部１０の断面形状の主流路１の流路軸線方向の長さよりも主流路１の流路軸線方向に直行する方向の長さの方が長く形成されていればよく、特に限定されない。楕円形状の他には、例えば、長方形、平行四辺形、三日月型などが挙げられる。

次に、図１を用いて本発明の第一の実施形態に係る流体混合器の作用について説明する。

最初に、流体混合器よりも上流側に位置する配管ラインを流れる、第一の実施形態では水である主流体が主流体入口４から主流路１に流入する。同様に、流体混合器よりも上流側に位置する配管ラインを流れる、第一の実施形態では薬液である副流体が副流体入口６から副流路２に流入する。第一の実施形態では、薬液の粘度は水の粘度よりも大きい。薬液が副流体入口６から分岐部７ａに到達すると、薬液は分岐され連通流路３ａに流入する。連通流路３ａを流れる薬液が合流部８ａに到達すると、薬液は連通流路３ａから主流路１に流入する。このとき、合流部８ａを経て主流路１に流入した薬液の量は、合流部８ａを流れる水に混ざりやすい量となるように予め設定されている。同様に、分岐部７ｂ〜７ｄに到達した薬液はそれぞれ分岐され連通流路３ｂ〜３ｄ、合流部８ｂ〜８ｄを経て主流路１に流入する。このとき、合流部８ｂ〜８ｄを経て主流路１に流入した薬液の量は、それぞれ、合流部８ｂ〜８ｄを流れる混合流体に混ざりやすい量となるように予め設定されている。このように、水に混ざりやすい量の薬液を、水に対して多段階に分割して流入させることによって、水と薬液とを効果的に混合させることができる。水と薬液とを効果的に混合させることができる理由としては、水に流入した薬液の量が増加するに連れて水と薬液との混合流体の粘度が増加し、混合流体と薬液との粘度差が小さくなることが一因として挙げられる。

副流路２を流れる薬液が主流路１を流れる水に流入すると、主流路１を流れる流体の流量が増加する。ここで、主流路１の流路断面積は合流部８ａ〜８ｄごとに段階的に拡大されており、合流部８ａ〜８ｄのそれぞれの流路断面積はそれぞれの合流部８ａ〜８ｄの直近の上流側の主流路１と連通流路３ａ〜３ｄの分岐部端部１０ａ〜１０ｄの流路断面積の和とほぼ同じになるように形成されているので、連通流路３ａ〜３ｄを流れる薬液を円滑に主流路１に流入させることができる。

第一の実施形態では、連通流路３ａ〜３ｄの合流部端部１０ａ〜１０ｄの流路断面形状は楕円形状となっており、楕円形状の長軸が主流路１の流路軸線方向に直行する方向と同じ方向に形成されているので、水と薬液を混合させやすくなる。特に、楕円形状の長軸が主流路１の流路軸線方向に直行する方向の最大長さとほぼ同じ長さで短軸が長軸に比べて十分に短い細長い形状にすると、薬液を主流路１の流路軸線方向に直行する方向の広範囲にわたってほぼ同時に流入させることができ、その結果、水と薬液との接触面積を大きくすることができ、水と薬液を効果的に混合させることができる。特に、薬液の粘度が水の粘度と大きく異なり、水と薬液とを均一に混合することが難しい場合は、水と薬液との接触面積を大きくすると効果的に混合させることができる。

連通流路３ａから合流部８ａを経て主流路１に流入した薬液は、主流路１で水と混合され、混合流体となって主流路１を下流側へ流れて合流部８ｂに到達する。このとき、主流路１の合流部８ａ〜８ｂの区間は、流路断面積が一定の状態でその流路断面形状が楕円形状から円形状を経て再び楕円形状になるように連続的に変化している。そのため、主流路１の内部で混合流体が、主流路１の形状変化に伴う圧力損失を抑えながら撹拌、混合される。また、主流路１の形状変化をもって主流体と副流体とを混合させることができるので、混合流体中の成分が主流路の内部に付着および堆積することを防止することができる。

混合流体が合流部８ｂに到ると、副流路２から分岐された薬液が主流路１に流入し、混合流体と薬液が混合され主流路１を合流部８ｃに向かって流れる。合流部８ｂ〜８ｃの区間においても、主流路１は流路断面積が一定の状態でその流路断面形状が連続的に変化しているので、混合流体は主流路１の内部でさらに撹拌される。混合流体が合流部８ｃ、８ｄに到ると、合流部８ａ、８ｂと同様に、副流路２から分岐された薬液が主流路１に流入し、混合流体と薬液が混合され、主流路１を下流に向かって流れて混合流体出口５を経て流体混合器の外部に流出する。合流部８ｃ〜８ｄの区間および合流部８ｄから混合流体出口５までの区間においても、主流路１は流路断面積が一定の状態でその流路断面形状が連続的に変化しているので、混合流体は主流路１の内部でさらに撹拌される。

このように、流体混合器の内部で主流体に副流体を多段階に分割して流入させることができるとともに、それぞれの段階で主流体と副流体とが混ざりやすい比率となるように副流体を流入させることができるので、流体混合器に流入した主流体と副流体とを効果的に混合させることができる。また、主流体に副流体が流入するたびに撹拌、混合することができるので、主流体と副流体とを効果的に混合させることができる。従って、主流体の粘度と副流体の粘度とが大きく異なるような、主流体と副流体とを均一に混合することが難しい場合に好適である。さらには、主流体の粘度と副流体の粘度とが大きく異なり、かつ高粘度の流体を当該高粘度の流体よりも小量の低粘度の流体に混合させるような、主流体と副流体とを均一に混合することがより難しい場合に特に好適である。

―第二の実施形態―
以下、図３〜５を参照して、本発明の第二の実施形態に係る流体混合器について説明する。第二の実施形態が第一の実施形態と異なる点は、主流路１が螺旋流路２２を有し、副流路２が螺旋流路２２の螺旋形状の内部に配置されている点である。なお、第一の実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付して説明する。

第二の実施形態の流体混合器は主流路１と副流路２と連通流路３とから構成されている。主流路１は、主流体が流入する主流体入口４と、主流体入口４に接続する第一流路２１と、第一流路２１に接続する螺旋流路２２と、螺旋流路２２に接続する第二流路２３と、第二流路２３から混合流体が流出する混合流体出口５とから形成されている。第二の実施形態では、第一流路２１と第二流路２３はいずれも直線状の流路である。第一流路２１の流路軸線は螺旋流路２２の外径の中心軸線から離間した位置に配置されており、第二流路２３の流路軸線は螺旋流路２２の外径の中心軸線とほぼ同じ位置に配置されている。第二の実施形態では、螺旋流路２２は流路断面積が一定であり、流路断面形状は四角形であり、正方形と長方形の流路断面を連続的につなげて形成されている。

副流路２は副流体が流入する副流体入口６を有する直線状の流路である。副流路２の流路断面積は一定であり、流路断面形状は円形状である。副流路２の流路軸線は螺旋流路２２の外径の中心軸線とほぼ同じ位置に配置されており、副流路２の一部は螺旋流路２２の螺旋形状の内側に位置するように配置されている。

連通流路３は、副流路２の互いに異なる位置に等間隔に形成された分岐部７ａ〜７ｄにおいて副流路２から分岐し、主流路１に合流部８ａ〜８ｄで合流している。連通流路３の流路断面積は一定であり、連通流路３の流路断面形状は、一定であると共に、螺旋流路２２の流路軸線方向が短辺となりかつ螺旋流路２２の流路軸線方向と直交する方向が長辺となる長方形である。

次に、図３〜５を用いて本発明の第二の実施形態に係る流体混合器の作用について説明する。

流体混合器よりも上流側に位置する配管ラインを流れる、第二の実施形態では水である主流体が主流体入口４から主流路１に流入する。同様に、流体混合器よりも上流側に位置する配管ラインを流れる、第二の実施形態では薬液である副流体が副流体入口６から副流路２に流入する。薬液が副流体入口６から分岐部７ａに到達すると、薬液は分岐され連通流路３ａに流入する。連通流路３ａを流れる薬液が合流部８ａに到達すると、薬液は連通流路３ａから主流路１に流入する。同様に、分岐部７ｂ〜７ｄに到達した薬液はそれぞれ分岐され連通流路３ｂ〜３ｄ、合流部８ｂ〜８ｄを経て主流路１に流入する。

連通流路３ａ〜３ｄの合流部端部１０ａ〜１０ｄの流路断面形状は長方形であり、長方形の長辺が合流部８ａ〜８ｄにおける主流路１の幅とほぼ同じ長さになっている。従って、薬液を主流路１の流路軸線方向に直行する方向の広範囲にわたってほぼ同時に流入させることができ、その結果、合流部８ａ〜８ｄにおける水と薬液との接触面積を大きくすることができ、水と薬液を効果的に混合させることができる。また、主流路１は、互いに隣接する合流部８ａ〜８ｄ同士の間の区間のそれぞれにおいて、流路断面積が一定であり、かつその流路断面形状が連続的に変化しているので、主流路１を流れる混合流体は流路断面形状の変化に伴う圧力損失を抑えながら撹拌および混合される。

また、主流路１が、主流体入口４と、主流体入口４に接続する第一流路２１と、第一流路２１に接続する螺旋流路２２と、螺旋流路２１に接続する第二流路２２と、前記第二流路に接続する前記混合流体出口とから形成され、副流路２が螺旋流路２２の螺旋形状の内側に位置するように形成され、主流路１と副流路２は連通流路３によって連通されているので、流体混合器をコンパクトに形成することができる。

―第三の実施形態―
以下、図６を参照して、本発明の第三の実施形態に係る流体混合器について説明する。第三の実施形態が第二の実施形態と異なる点は、流体混合器が主に本体部３１と筐体３２から構成されている点である。なお、第一および第二の実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付して説明する。

第三の実施形態では、本体部３１は例えばポリ塩化ビニル（以下、ＰＶＣと記す）製である。本体部３１は柱状に、ここでは円柱状に形成されている。本体部３１の両端部外周面には本体部３１と筐体３２とを水密状態に維持する止水部材３６が装着される環状溝３７が設けられている。本体部３１の一方の端面には副流体入口６が形成され、本体部３１の内部には副流体入口６に接続された副流路２が本体部３１の中心軸と同軸に設けられている。副流体入口６には雌ネジ部３３が設けられている。また、副流路２は、流路断面形状が円形状であり、流路断面積が一定である有底孔から形成され、他端面に向かって延設されている。副流路２の複数個所には細長いスリット状の開口が等間隔に形成されており、開口は分岐部７となり、分岐部７において連通流路３が副流路２と接続される。

本体部３１の一方の端面には主流体入口４が形成され、本体部３１の内部には主流体入口４に接続される第一流路２１が本体部３１の中心軸から離間した位置に設けられている。主流体入口４には雌ネジ部３４が設けられている。また、第一流路２１は一部が副流路２と平行に形成され、その他の部分が副流路２と垂直に形成されたＬ字状の流路である。また、本体部３１の他方の端面には混合流体出口５が形成され、本体部３１の内部には混合流体出口５に接続される第二流路２３が設けられている。混合流体出口５には雌ネジ部４０が設けられている。また、第二流路２３は一部が副流路２の流路軸線と同軸に形成され、その他の部分が副流路２の流路軸線と垂直に形成されたＬ字状の流路である。

本体部３１の外周面には螺旋溝３５が設けられており、螺旋溝３５の一端部は第一流路２１に接続しており、他端部は第二流路２３に接続している。螺旋溝３５の流路断面積は一定であり、流路断面形状は四角形状であり正方形と長方形の間で連続的に変形している。また、螺旋溝３５の複数個所には細長いスリット状の開口が等間隔に形成されており、開口は合流部８となり、合流部８において連通流路３が螺旋溝３５と接続される。螺旋溝３５の流路断面形状は各々の合流部８で最も浅くかつ最も幅が広くなるように形成されている。そして、螺旋溝３５は、合流部８ａから螺旋溝３５に沿って本体部３１の他端面に近づくに連れて螺旋溝３５の深さが深くかつ幅が狭くなり、さらに本体部３１の他端面に近づくに連れて螺旋溝３５の深さが浅くかつ幅が広くなり、合流部８ｂに達すると合流部８ａと同じ形状となる。合流部８ｂ〜８ｃの区間、合流部８ｃ〜８ｄの区間の流路断面形状も合流部８ａ〜８ｂの区間の流路断面形状と同一に形成される。

また、本体部３１の外周面には、副流路２の内周面に形成されたスリット状の開口である分岐部７と螺旋溝３５の底面に形成されたスリット状の開口である合流部８とを各々連通する複数の連通孔が形成され、連通孔は連通流路３となる。連通流路３の流路断面形状は分岐部７および合流部８を形成する開口と同形状であり、開口部の長手方向の長さは、合流部８における螺旋溝３５の幅とほぼ同じ長さとなっている。また、連通流路３の流路断面積は一定であり、各々の連通流路３は同じ長さで、一定の間隔で設けられている。また、連通流路３は副流路２に対して垂直に設けられている。

筐体３２は例えばＰＶＣ製であり、円筒形に形成されている。筐体３２の内径は本体部３１の外径よりもわずかに大径に形成され、筐体３２の長さは本体部３１の長さとほぼ同じ長さに形成されている。また、筐体３２の両端部外周面には雄ネジ部３８が形成されている。本体部３１を筐体３２に嵌合させることによって、筐体３２の内周面と本体部３１の螺旋溝３５とから螺旋流路２２が形成される。

キャップナット３９は例えばＰＶＣ製であり、円筒形に形成されている。一方の端部内周に筐体３２の雄ネジ部３８に螺合される雌ネジ部４２が設けられている。他端部には内周方向へ突出する内鍔部４１が設けられている。キャップナット３９の内鍔部４１が本体部３１の端面に当接するように、キャップナット３９が筐体３２に螺合されることで、本体部３１が筐体３２の内部に固定される。

次に、図６を用いて本発明の第三の実施形態に係る流体混合器の作用について説明する。

流体混合器よりも上流側に位置する配管ラインを流れる、第三の実施形態では水である主流体が主流体入口４から主流路１に流入する。同様に、流体混合器よりも上流側に位置する配管ラインを流れる、第三の実施形態では薬液である副流体が副流体入口６から副流路２に流入する。薬液が副流体入口６から分岐部７ａに到達すると、薬液は分岐され連通流路３ａに流入する。連通流路３ａを流れる薬液が合流部８ａに到達すると、薬液は連通流路７ａから主流路１に流入する。同様に、分岐部７ｂ〜７ｄに到達した薬液はそれぞれ分岐され連通流路３ｂ〜３ｄ、合流部８ｂ〜８ｄを経て主流路１に流入する。

合流部８ａ〜８ｄでは、合流部８を形成する開口の長手方向の長さが合流部８における螺旋溝３５の幅とほぼ同じ長さになっていることから、水と薬液の接触面積が大きくなっているため、水と薬液を効果的に混合させることができる。特に、水の粘度と薬液の粘度とが大きく異なり、水と薬液とを均一に混合することが難しい場合に特に好適である。

連通流路３ａから合流部８ａを経て主流路１に流入した薬液は、主流路１で水と混合され、混合流体となって主流路１を下流側へ流れて合流部８ｂに到達する。このとき、主流路１は流路断面積が一定の状態でその流路断面形状が連続的に変化しているので、主流路１の内部で混合流体が主流路１の形状変化に伴う圧力損失を抑えながら撹拌、混合することができる。また、主流路１の流路断面形状の変化をもって水と薬液とを混合させることができるので、流体中の成分が主流路１の内部に付着および堆積することを防止することができる。

混合流体が合流部８ｂに到ると、副流路２から分岐された薬液が主流路１に流入し、混合流体と薬液が混合され主流路１を合流部８ｃに向かって流れる。合流部８ｂ〜８ｃの区間も、主流路１は流路断面積が一定の状態でその流路断面形状が連続的に変化しているので、混合流体は主流路１の内部でさらに撹拌される。混合流体が合流部８ｃ、８ｄに到ると、合流部８ａ、８ｂと同様に、副流路２から分岐された薬液が主流路１に流入し、混合流体と薬液が混合され、主流路１を下流に向かって流れて混合流体出口５を経て流体混合器の外部に流出する。合流部８ｃ〜８ｄの区間および合流部８ｄから混合流体出口５までの区間も、主流路１は流路断面積が一定の状態でその流路断面形状が連続的に変化しているので、混合流体は主流路１の内部でさらに撹拌される。このように、流体混合器に流入した主流体と副流体は、流体混合器の内部で主流体に副流体を多段階に分割して流入することができ、さらに主流体に副流体が流入するたびに撹拌、混合することができるので、主流体と副流体とを効果的に混合させることができる。特に、主流体の粘度と副流体の粘度とが大きく異なるような、主流体と副流体とを均一に混合することが難しい場合に特に好適である。

第三の実施形態の流体混合器は、本体部３１、筐体３２、キャップナット４９から構成されているため、部品点数が少なく、分解および組立が容易である。また、分解した状態の本体部３１は、外周に螺旋溝３５が形成され、内部に副流路２、連通流路３、第一流路２１、第二流路２３が形成された単純かつ入り組んだ部分が少ない構造であるため、洗浄を容易かつ確実に行うことができる。また、主流路１の一部が副流路２に対し同心状に形成される螺旋流路２２で形成されているので、主流路１の長さが長くなっても流体混合器をコンパクトに形成することができる。

上述の実施形態において、副流路２の流路断面積は一定となっているが、特に限定されない。例えば、下流側に向かって流路断面積を小さくしてもよい。同様に、上述の実施形態において、副流路２の流路断面形状は一定となっているが、特に限定されない。例えば、分岐部７の周辺部分とその他の部分とで流路形状を変化させてもよい。

上述の実施形態において、連通流路３同士の間の間隔は一定となっているが、連通流路３ごとに間隔が異なっていてもよく、特に限定されない。例えば、副流体の添加量が増加するに連れて、主流体に副流体が混合されにくくなるような場合は、添加回数が増加するに連れて連通流路３同士の間の間隔を長くしてもよい。また、上述の実施形態において、全ての連通流路３の流路断面形状や流路断面積は一定となっているが、連通流路３ごとに流路断面形状や流路断面積が異なっていてもよく、特に限定されない。例えば、連通流路３ごとに副流体の流量を調整したいような場合は、連通流路３ごとに流路断面形状や流路断面積を変化させてもよい。また、上述の実施形態において、連通流路３の長さは一定となっているが、特に限定されない。また、上述の実施形態において、それぞれの連通流路３の流路断面積や流路断面形状は分岐部７から合流部８まで一定となっているが、連通流路３の途中で流路断面形状や流路断面積を変化させてもよく、特に限定されない。例えば、合流部８での副流体の流速を分岐部７よりも速くしたい場合は、連通流路３の流路断面積を分岐部７から合流部８にかけて連続的に小さくしてもよい。また、上述の実施形態において、連通流路３は主流路１に垂直に接続されているが、連通流路３がどのような角度で主流路１に接続されてもよく、特に限定されない。

上述の実施形態において、螺旋流路２２の流路断面積は一定となっているが、流路断面積を変化させてもよく、特に限定されない。例えば、主流体と副流体との混合を早めたいような場合は、流路断面積を変化させることによって混合流体を撹拌することができる。また、上述の実施形態において、螺旋流路２２の流路断面形状は四角形状であり正方形と長方形の間で連続的に変形しているが、正方形と長方形以外の形状でもよく、特に限定されない。例えば、流路断面形状を半円形状にすることによって流路内周面に混合流体中の成分が堆積することをより防止することができる。また、上述の実施形態において、螺旋流路２２の流路断面形状は規則的に変化しているが、流路断面形状の変化に規則性を設ける必要はなく、特に限定されない。例えば、副流体の添加量が増加するに連れて副流体が主流体に混合されにくくなるような場合は、添加回数が増加するに連れて流路断面形状の変化を複雑にしてもよい。また、上述の実施形態において、螺旋流路２２の旋回方向は一方向のみとなっているが、途中で反転させてもよく、特に限定されない。また、上述の実施形態において、螺旋流路２２における撹拌効果を増加させるために、螺旋流路２２の内周面に凹凸を設けてもよい。また、螺旋流路２２に接続される第一流路２１および第二流路２２はともにＬ字状の流路であるが、螺旋流路２２に接続されていればどのような形状でもよく、特に限定されない。

また、第三の実施形態において、主流体入口４、副流体入口６および混合流体出口５は本体部３１の端面に設けられているが、流体混合器の周囲の配管の構成を考慮して適宜設計すればよく、特に限定されない。例えば、主流体入口４、副流体入口６および混合流体出口５を流体混合器の側面に設けてもよい。また、第三の実施形態において、主流体入口４、副流体入口６および混合流体出口５には流体混合器に配管を接続するための雌ネジ部３３、３４、４０が形成されているが、流体混合器と配管との接続は特に限定されず、ネジ接続のほかに、ソケット接続、フランジ接続などをはじめとする公知の接続手段を用いることができる。

なお、上述の実施形態に係る流体混合器の作用の説明では、主流体を水、副流体を薬液として説明したが、主流体および副流体は後述するような流体でもよく、特に限定されない。

―第四の実施形態―
以下、図７を参照して、本発明の第四の実施形態に係る流体混合器について説明する。第四の実施形態が第三の実施形態と異なる点は、主流路１の流路断面積が段階的に増加している点である。なお、第一〜第三の実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付し、以下では、第三の実施形態との相違点について主に説明する。

本体部３１の外周面には螺旋溝３５が設けられており、螺旋溝３５と筐体３２の内周面から螺旋流路２２が形成される。螺旋流路２２は第一流路２１と第二流路２３に接続し、これら第一流路２１、螺旋流路２２及び第二流路２３と、主流体が流入する主流体入口４と、第二流路２３から混合流体が流出する混合流体出口５とから、主流路１が形成されている。ここで、主流路１の流路断面積は合流部８ごとに段階的に拡大されており、合流部８ａ〜８ｄのそれぞれの流路断面積は、合流部８ａ〜８ｄの直近の上流側の螺旋流路２２の流路断面積と、連通流路３ａ〜３ｄの分岐部端部１０ａ〜１０ｄの流路断面積との和とほぼ同じになるように形成されている。また、第一流路２１の流路断面積は、螺旋流路２２の最上流側の流路断面積とほぼ同じになるように形成され、第二流路２３の流路断面積は螺旋流路２２の最下流側の流路断面積とほぼ同じになるように形成されている。

第四の実施形態に係る流体混合器における主流体に副流体が混合される作用は、第三の実施形態と同様なので説明を省略する。このとき、第四の実施形態の流体混合器は、主流体に副流体が流入するたびに主流路１の流路断面積が増加するため、副流体を円滑に主流体に流入させることができる。

次に、図８、図９を参照して上述の流体混合器を用いた装置について説明する。

図８は、本発明に係る流体混合器を用いた装置の一例を示す図である。図８では、２つの流体が各々流れるライン５１、５２が本発明に係る流体混合器５３のそれぞれ主流体入口５７、副流体入口５６に接続されている。各流体はそれぞれポンプ５４、５５により供給され、流体混合器５３で混合された各流体は混合流体出口５８から流出される。このときの流体は気体、液体、固体、粉体等のいずれでもよく、固体、粉体については、あらかじめ気体または液体と混合しておいてもよい。本発明に係る流体混合器５３は、主流体の粘度と副流体の粘度とが大きく異なるような流体に対して、特に好適に用いることができる。なお、流体混合器５３に副流路５６を２つ以上形成し、３つ以上の流体が流れるラインを流体混合器５３に接続させるように装置を構成し、３つ以上の流体が流体混合器５３によって混合されるようにしてもよい。

図９は、図８の変形例を示す図である。図９では、２つの物質が各々流れるライン６１、６２が、本発明に係る流体混合器６３の主流体入口６４および副流体入口６５にそれぞれ接続されるとともに、流体混合器６３の下流側に接続されるライン６６と他の流体が流れるライン６７が他の本発明に係る流体混合器７０の主流体入口６９および副流体入口６８にそれぞれ接続されている。これにより、３つ以上の流体を同時に混合すると混合ムラが生じやすい流体を混合させる場合に、最初に混合した２つの流体を均一に混合した後に、他の流体を混合して均一に混合させることにより、効率よく混合ムラのない均一な混合を行うことができる。

本装置によって混合される異種流体の組み合わせについてさらに説明する。本装置によって混合される異種流体の組み合わせとしては、例えば、主流体として水を、副流体としてｐＨ調整剤、液体肥料、漂白剤、殺菌剤、界面活性剤または液体薬品のいずれかを流し、これらを流体混合器５３、６３、７０で混合させるようにしてもよい。また、主流体として第一の液体薬品を、副流体として第二の液体薬品または金属を流し、これらを流体混合器５３、６３、７０で混合させるようにしてもよい。また、主流体として廃液を、副流体としてｐＨ調整剤または凝集剤を流し、これらを流体混合器５３、６３、７０で混合させるようにしてもよい。また、主流体として第一の樹脂を、副流体として第二の樹脂、溶剤、硬化剤または着色剤を流し、これらを流体混合器５３、６３、７０で混合させるようにしてもよい。また、主流体として第一の食品原料を、副流体として第二の食品原料、食品添加剤、調味料、不燃性ガス等を流し、これらを流体混合器５３、６３、７０で混合させるようにしてもよい。

図８または図９の装置において、流体混合器５３、６３、７０の上流側にヒーターまたは気化器を設けてもよく、流体混合器５３、６３、７０の下流側に熱交換器を設けてもよい。さらに、流体混合器５３、６３、７０に接続する前の一方の流体が流れるラインに計測器を配置し、その計測器で計測されたパラメーターに応じて他方の流体が流れるラインのポンプの出力を調整する制御部を設けてもよく、他方の流体の流れるラインに制御弁を配置し、計測器のパラメーターに応じて制御弁の開度を調整する制御弁を設けてもよい。このとき、計測器は、必要な流体のパラメーターを計測できるものであれば、流量計、流速計、濃度計またはｐＨ測定器でもよい。また、互いに分離しやすいような流体を混合したような場合は、必要に応じて、流体混合器５３、６３、７０の下流側のラインにスタティックミキサーを設置してもよい。

本発明に係る流体混合器の本体部３１、筐体３２、キャップナット４９などの各部品の材質は、樹脂製であればＰＶＣ、ポリプロピレン、ポリエチレンなどいずれでもよい。特に流体に腐食性流体を用いる場合は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオロライド、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂などのフッ素樹脂であることが好ましい。本体部３１または筐体３２を形成する部材または部材の一部を透明または半透明な材質で形成してもよく、この場合には流体の混合の状態を目視で確認できるため好適である。また、流体混合器に流す物質によっては、各部品の材質は、鉄、銅、銅合金、真鍮、アルミニウム、ステンレス、チタンなどの金属またはこれらの合金であってもよい。

なお、上記第一の実施形態〜第四の実施形態を任意に組み合わせて流体混合器を構成してもよい。すなわち、本発明の特徴および機能を実現できる限り、本発明は上述の実施形態の流体混合器に限定されない。

１ 主流路
２ 副流路
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 連通流路
４ 主流体入口
５ 混合流体出口
６ 副流体入口
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ 分岐部
８，８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ 合流部
９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ 分岐部端部
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 合流部端部
２１ 第一流路
２２ 螺旋流路
２３ 第二流路
３１ 本体部
３２ 筐体
３３ 雌ネジ部
３４ 雌ネジ部
３５ 螺旋溝
３６ 止水部材
３７ 環状溝
３８ 雄ネジ部
３９ キャップナット
４０ 雌ネジ部
４１ 内鍔部
４２ 雌ネジ部
５１ ライン
５２ ライン
５３ 流体混合器
５４ ポンプ
５５ ポンプ
５６ 副流体入口
５７ 主流体入口
５８ 混合流体出口
６１ ライン
６２ ライン
６３ 流体混合器
６４ 主流体入口
６５ 副流体入口
６６ ライン
６７ ライン
６８ 副流体入口
６９ 主流体入口
７０ 流体混合器

Claims (7)

1. 複数の流体を混合する流体混合器において、
   主流体が流入する主流体入口と混合流体が流出する混合流体出口とを有する主流路と、
   副流体が流入する副流体入口を有する副流路と、
   前記主流路と前記副流路とを連通する複数の連通流路と、
   を含み、
   前記主流路に合流する前記連通流路の合流部の端部の断面形状が、前記主流路の流路軸線方向の長さよりも前記主流路の流路軸線方向に直行する方向の長さの方が長く形成され、
   前記主流路の流路断面形状が変化していることを特徴とする、
   流体混合器。
2. 少なくとも一つの前記合流部の下流において、前記主流路の流路断面積が段階的に拡大されることを特徴とする、
   請求項１に記載の液体混合器。
3. 前記連通流路の前記合流部の端部の断面形状における前記主流路の流路軸線方向に直行する方向の長さが前記主流路の流路軸線方向に直行する方向の最大長さと略同一であることを特徴とする、
   請求項１または請求項２に記載の流体混合器。
4. 前記主流路は、前記主流体入口と、前記主流体入口に接続する第一流路と、前記第一流路に接続する螺旋流路と、前記螺旋流路に接続する第二流路と、前記第二流路に接続する前記混合流体出口とを含み、
   前記副流路は前記螺旋流路の螺旋形状の内側に位置するように形成され、
   複数の前記連通流路は、前記副流路の異なる位置から各々分岐し、前記螺旋流路の異なる位置において前記螺旋流路と各々接続することを特徴とする、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体混合器。
5. 外周面に螺旋溝が形成され、内部に前記主流体入口と前記螺旋溝とを接続する前記第一流路と、前記混合流体出口と前記螺旋溝とを接続する前記第二流路とが形成され、内部に前記副流路が形成され、かつ前記副流路と前記螺旋溝とを接続する連通孔が形成された本体部と、
   前記本体部の外周面と嵌合する筐体と、
   を具備し、
   前記螺旋溝および前記筐体の内周面により前記螺旋流路を形成し、
   前記連通孔が前記連通流路となることを特徴とする、
   請求項４に記載の流体混合器。
6. 前記本体部には、一方の端面に前記主流体入口と前記副流体入口とが形成され、かつ他方の端面に前記混合流体出口が形成されることを特徴とする、
   請求項５に記載の流体混合器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の流体混合器と、前記流体混合器に複数の異種流体を導く流路を形成する流路形成手段と、を備えることを特徴とする、
   流体混合器を用いた装置。

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