JPH08206480A

JPH08206480A - スタティックミキサ装置

Info

Publication number: JPH08206480A
Application number: JP7034198A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Ogura; 忠小倉; Masahiko Horie; 雅彦堀江
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 1996-08-13

Abstract

(57)【要約】【構成】柱状部である円筒形状のパイプ11と、前記パイ
プの外周面に形成され前記パイプの外周を螺旋状に包囲
する羽根状の突起部であるエレメント12，12′及び13，
13′等から成るスタティックミキサ要素を管内に配して
成る伝熱管。【効果】この伝熱管によれば、熱交換時に粘度が増大す
る流体等を熱交換する場合であっても、伝熱管の管の内
壁に前記流体の高粘度化物が付着しないので、高い伝熱
効率を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スタティックミキサ装
置に関し、より詳細には、流体ないし流動体を加熱又は
冷却する熱交換に用いることのできるスタティックミキ
サ要素、スタティックミキサ装置、さらに伝熱管に関
し、特に、加熱又は冷却すると粘度が増大する流体ない
し流動体の熱交換に好適な伝熱管に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のスタティックミキサ装置として
は、一般に、図２に示される形状のスタティックミキサ
要素を円筒形状の管の内部に配置したものが使用されて
いる。

【０００３】図２は、スタティックミキサ要素をその長
手方向に対して直角方向から見た図である。このスタテ
ィックミキサ要素21は、ねじり羽根形状をしたエレメン
ト（ねじり羽根）22が複数接合して成るものである。前
記エレメント22は、例えばステンレス等の金属板の長手
方向の中心軸の回りにねじって（エレメント22の場合は
180゜）形成することができる。エレメントの端面間は例
えばろう接により溶接する。

【０００４】スタティックミキサ装置を伝熱管として用
いる場合は、前記管の外側に加熱源又は冷却源を設け、
加熱又は冷却しようとする流体は管の内側を通過させ
る。管の内側を通過する流体は、スタティックミキサ要
素により分割・混合・攪拌されつつ加熱又は冷却されて
熱交換が行なわれる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、加熱又は冷却
すると粘度が増大する流体ないし流動体の熱交換を、従
来の伝熱管を用いて行なうと、十分な伝熱効率が得られ
ないことがあった。

【０００６】例えば、でんぷん等を含有するため粘性が
高い高粘性物質を冷却しようとすると、冷却によりさら
に粘性が増大するため、冷却されやすい伝熱管の内壁近
傍に沿ってより粘性の高いもの（スケール）が管状に形
成し付着し、境膜抵抗が増大し伝熱（冷却）効率が著し
く低下する傾向がある。特に、より広い伝熱面積を確保
するために伝熱管の口径をより大きくする場合は、前記
の傾向がより一層顕著に現われる。

【０００７】本発明は、従来技術の上記問題点を解決す
るスタティックミキサ要素、スタティックミキサ装置及
び伝熱管を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、次のス
タティックミキサ要素、スタティックミキサ装置及び伝
熱管により上記目的を達成することができる。

【０００９】柱状部と、前記柱状部の外周を螺旋状
に包囲する２以上の羽根状の突起部を含み、前記柱状部
の軸方向において隣接する２つの羽根状の突起部の端部
と端部の間は、前記柱状部の軸の回りに互いにずれて配
されるスタティックミキサ要素（請求項１）。

【００１０】上記本発明のスタティックミキサ要素
を管の内部に配して成るスタティックミキサ装置（請求
項４）。

【００１１】スタティックミキサ要素を管の内部に
配して成るスタティックミキサ装置であって、前記管の
内部のスタティックミキサ要素の一部を、連続して又は
非連続に上記本発明のスタティックミキサ要素で置き換
えて成るスタティックミキサ装置（請求項５）。

【００１２】ここで、スタティックミキサ要素とは、流
体ないし流動体が流れる管内に配されて、前記流体等を
分割、混合、攪拌するものであり、一般には、２以上の
邪魔板（典型的には、ねじり羽根）を、それらの端面が
交叉するように管の流路方向に接合したものであり、本
発明のスタティックミキサ要素を含む。

【００１３】上記本発明のスタティックミキサ装置
から成る伝熱管（請求項７）。

【００１４】本発明のスタティックミキサ要素におい
て、柱状部の周方向に関し羽根状の突起部を２以上有す
ること（請求項２）、柱状部の軸方向において隣接する
２つの羽根状の突起部の螺旋の回転方向が逆である端部
間接行部を含むこと（請求項３）は、それぞれ好まし
い。

【００１５】本発明のスタティックミキサ装置は、好ま
しくは、管の長手方向におけるスタティックミキサ装置
の全長Ａに対する本発明のスタティックミキサ要素の管
の長手方向における長さの合計Ｂの比Ｂ／Ａが０．５以
上になるように、管の内部のスタティックミキサ要素を
本発明のスタティックミキサ要素で置き換えて成るもの
にする（請求項６）。

【００１６】本発明の伝熱管は、好ましくは、熱交換さ
れるべき流体ないし流動体の流入する側の管の内部のス
タティックミキサ要素を、本発明のスタティックミキサ
要素にする（請求項８）。

【００１７】

【作用】本発明のスタティックミキサ要素は、通常は、
流体ないし流動体が流れる管中に配して使用する。ここ
で、流体ないし流動体は、少なくとも流動性を有するも
のであれば良く、気体、液体等の流体のみから成るもの
に限られず、これらに固体（例えば、粉状体ないし粒状
体）が分散したものも含まれる。前記固体は、前記流体
に一部ないし全部溶解していてもよく、前記流体に溶解
していなくてもよい。

【００１８】本発明のスタティックミキサ要素を、流体
ないし流動体（以下、流体等という。）が流れる管中に
配すると、流体等は、スタティックミキサ要素の柱状部
の外周と管の内壁との間を、前記羽根状の突起部に沿っ
て螺旋状に流れる。

【００１９】その際、柱状部の軸方向において隣接する
２つの羽根状の突起部の端部と端部の間は、柱状部の軸
の回りに互いにずれて配されているので、上流側の突起
部側から流出した流体等は、隣接する下流側の突起部の
端部によって分割、混合される。

【００２０】本発明のスタティックミキサ要素は、柱状
部の外周を螺旋状に包囲する羽根状の突起部を２以上含
むので、前記突起部の数に応じて流体等は分割、混合さ
れ、攪拌される。

【００２１】本発明のスタティックミキサ装置は、流体
等の熱交換に用いる伝熱管として使用できる。即ち、上
述のように流体等が流れる管の外側に加熱源又は冷却源
を設けて、前記流体等を加熱又は冷却することができ
る。特に、加熱又は冷却すると粘度が増大する流体等の
熱交換を行う場合であっても、管の内壁に流体等が高粘
度化したものが付着しないので、高い伝熱効率を得るこ
とができる。その理由は、次のように考えられる。

【００２２】本発明の伝熱管は、本発明の前記スタティ
ックミキサ要素を管内に配して成るので、熱交換時にお
ける流体等は、管の中心部分を避けて管の内壁とスタテ
ィックミキサ要素の柱状部外周の間を分割、混合されつ
つ螺旋状に流れる。即ち、管の径方向における流体等の
層の厚さが薄くなると共に、流体が良好に攪拌され管の
径方向における流体等の温度差がきわめて小さくなる。
そのため、加熱又は冷却すると粘度が増大する流体等の
熱交換を行う場合でも、径方向における温度差が小さい
ので、径方向における流体等の粘度もほぼ均一である。
よって、径方向において流体等が流れやすい部分と流れ
にくい部分が生じることが防止されるので、管の内壁に
高粘度化物が付着しなくなる、と考えることができる。

【００２３】

【好適な実施態様】

（スタティックミキサ要素）柱状部の寸法は、好ましく
は、軸（高さ）方向の長さが径の長さと同等あるいはよ
り長いものにする。

【００２４】羽根状の突起部は、柱状部の外周を螺旋状
に包囲するものである。本発明のスタティックミキサ要
素は、かかる羽根状の突起部を少なくとも２以上有す
る。柱状部の軸方向において隣接する２つの羽根状の突
起部の端部と端部の間は、柱状部の軸の回りに互いにず
れて配されている。そのため、スタティックミキサ装置
の管の管内に配置された場合に、柱状部の外周壁と前記
管の内壁の間を羽根状の突起部に沿って螺旋状に流れる
流体等の流れは、羽根状の突起部の端部で分割される。
柱状部の周方向における羽根状の突起部の数を増加させ
ることにより、流体等の混合性をより一層向上させるこ
とができる。

【００２５】羽根状の突起部は、柱状部の外周を必ずし
も１周（360°）包囲する必要はなく、例えば30°以上
にすることができ、好ましくは９０゜〜２７０゜（より
好ましくは１８０゜程度）にする。

【００２６】羽根状の突起部の螺旋の程度は、柱状部の
直径がＬである場合において、柱状部の中心軸を中心と
して柱状部の外周を180゜包囲したと仮定したときの包囲
された柱状部の中心軸方向の長さが１Ｌ〜３Ｌ（より好
ましくは１．５Ｌ〜２Ｌ）になる程度にすることができ
る。

【００２７】羽根状の突起部は、柱状部の軸方向のある
一定の長さ区間に２以上属するようにすることができ
る。かかる区間内の２以上の羽根状の突起部は、それら
の螺旋の回転方向を全て同じ方向にすることができ、ま
た、少なくとも一のものの回転方向を他のものとは逆の
方向にしても良い。

【００２８】柱状部及び羽根状の突起部の材質は、伝熱
管に使用する場合は、熱交換時の温度範囲内において耐
熱性を有するものであれば良く、例えば、金属、セラミ
ックス、あるいはこれらの双方から成るものにすること
ができる。

【００２９】柱状部として内部が空洞のパイプ状のもの
を用いると、軽量化することができる。

【００３０】柱状部と羽根状の突起部は、それぞれ別体
のものとして形成しそれらを接合しても良く、あるいは
初めから一体形のものを形成しても良い。

【００３１】柱状部は、円柱ないし楕円柱等のような略
円形で良いが、三角柱、四角柱あるいは、五角以上の多
角柱にすることもできる。一般的には、柱状部の外形
は、スタティックミキサ要素を配する管の内部空間の形
状に沿ったものにすることができる。例えば、スタティ
ックミキサ要素を配する管の内部空間が円柱であれば、
柱状部の形状は、前記円柱形の内部空間の径より小さい
径の円柱にする。

【００３２】（スタティックミキサ装置）スタティック
ミキサ装置は、本発明のスタティックミキサ要素を管内
に配して成るものである。スタティックミキサ要素は、
柱状部の軸方向と前記管の軸方向が概ね一致するように
管内に配置する。前記管が屈曲している場合は、スタテ
ィックミキサ要素も前記管に沿って屈曲したものにす
る。

【００３３】スタティックミキサ要素と前記管は、スタ
ティックミキサ要素が流体等により管から押し流されな
いように規制された状態であれば必ずしも固定する必要
はないが、必要に応じて接合等により固定することもで
きる。

【００３４】スタティックミキサ装置を構成する管の形
状及び寸法は、少なくとも本発明のスタティックミキサ
要素を管内に配することができるように設定すれば良い
が、管の内径ＬＬと柱状部の外径Ｌの長さの比ＬＬ／Ｌ
は、好ましくは１．２〜１．６（より好ましくは１．
４）にする。

【００３５】また、スタティックミキサ要素の羽根状の
突起部の高さＴは、管の内部に配することができる長さ
にし、好ましくは、（管の内径−柱状部の外径）／２に
限りなく近いものが良い。

【００３６】（伝熱管）本発明のスタティックミキサ装
置は、流体等を加熱又は冷却する熱交換に用いる伝熱管
として使用できる。

【００３７】スタティックミキサ装置の管の外側には加
熱源又は冷却源を設ける。

【００３８】加熱源としては、電気ヒータ、水蒸気等の
加熱流体がある。冷却源としては、例えば水等の冷却流
体がある。加熱又は冷却流体は、好ましくは、加熱又は
冷却しようとする流体等の流れの方向に対し逆の方向に
流れるようにする。かかる加熱又は冷却流体は、例え
ば、スタティックミキサ装置の管の外側に当該管に対し
て管の径方向断面が同心状になるように設けられた外管
とスタティックミキサ装置の管（内管）の間の円筒状の
空間部を通過させる。

【００３９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１により説明す
る。

【００４０】図１は、本発明のスタティックミキサ要素
をその長手方向に対して直角方向から見た図である。

【００４１】図１のスタティックミキサ要素は、柱状部
である円筒形状のパイプ11と、前記パイプの外周面に形
成された羽根状の突起部であるエレメント12，12′及び
13，13′等から成る。

【００４２】各々のエレメントは、柱状部の外周を柱状
部の長手方向の中心軸の回りに角度180°で螺旋状に包
囲する。

【００４３】エレメント12と12′は、柱状部の前記中心
軸に対して対称に形成されている。エレメント13と13′
も同様であるが、螺旋状に包囲する方向（螺旋の回転方
向）がエレメント12及び12′とは逆方向になっている。

【００４４】エレメント12の端部12ａとエレメント13の
端部13ａは、柱状部の長手方向の中心軸の回りに角度90
°だけずれている。スタティックミキサ要素の柱状部の
軸方向（長手方向）において隣接する他のエレメント間
も同様である。

【００４５】このように、図１では、柱状部の周方向に
関し羽根状の突起部を２つ有している。より詳細には、
柱状部の軸方向の一定の長さ区間において２つの突起部
を有している。前記突起部の２つの螺旋の回転方向は同
一であるが、突起部を３つ以上にしたり、回転方向が逆
方向の突起部を混在させたり、柱状部の周方向において
突起部の少なくとも１つの端部が他の突起部の端部から
柱状部の軸方向にずらすこともできる。

【００４６】スタティックミキサ要素の柱状部の軸方向
において隣接する２つのエレメントは、エレメント12と
13のように螺旋の回転方向が逆になっている。

【００４７】パイプの両端面には、キャップ14が設けら
れているので、パイプの内部への流体等の流入を防止す
る。

【００４８】図１に示したスタティックミキサ要素は、
本発明の一実施例を示したものであり、柱状部の形状及
び寸法、エレメントの数、エレメントの形状、エレメン
トの形成位置等は適宜設定することができる。

【００４９】例えば、図１では、羽根状の突起部である
エレメントの柱状部軸方向における長さは、ほぼ一定で
あるが、必ずしも一定にする必要はなく、柱状部の端部
側からもう一方の端部側にかけて柱状部の軸方向におけ
るエレメントの長さをしだいに長く又は短くしてもよい
し、長いエレメントと短いエレメントを不規則に組合せ
てもよい。

【００５０】また、図１では、柱状部の外周を螺旋状に
包囲する羽根状の突起部であるエレメントの、柱状部の
中心軸回りのエレメントのねじり角（即ち、柱状部の中
心軸を中心として、１つのエレメントの端部からもう一
方の端部に至るまでに前記の中心軸の回りを回転した角
度）は、ほとんどのものがほぼ180゜の一定値であるが、
必ずしも一定にする必要はなく、柱状部の端部側からも
う一方の端部側にかけて、エレメントの一部ないし全部
の前記ねじり角を次第に大きく又は小さくしてもよく、
また、不規則にしても良い。

【００５１】また、図１では、柱状部の径はほぼ一定で
あるが、柱状部の一方の端部側からもう一方の端部側に
かけて、柱状部の径の一部ないし全部を次第に大きくし
たり、又は小さくすることもできる。柱状部の径が次第
に小さくなる範囲では、羽根状の突起部の高さを次第に
大きくなるようにして、スタティックミキサ要素として
の径を一定に保つようにしてもよい。

【００５２】また、前記ねじり角は、例えば30°以上に
することができ、例えば180°±135°、180°±90°、1
80°±45°の範囲内にすることができる。

【００５３】前記スタティックミキサ要素を配置する管
は、例えば内部に円柱形状の空間部を有するもので良
く、かかる空間の径ＬＬとパイプの径Ｌの長さの比ＬＬ
／Ｌは、好ましくは１．１〜１．５（より好ましくは
１．２〜１．３）にする。

【００５４】スタティックミキサ装置を構成する管に
は、前記図１のスタティックミキサ要素の他に従来のス
タティックミキサ要素も配置することができる。即ち、
流体等が流出する側の部分を従来のスタティックミキサ
要素（例えば図２のもの）で置き換えることができる。
これにより圧力損失の増大を抑制することができる。

【００５５】本発明のスタティックミキサ要素の部分を
従来のスタティックミキサ要素で置き換える場合におけ
る従来のスタティックミキサ要素の使用割合は、流体等
の性状に応じて設定するが、通常は５０％以下にする。
また、本発明のスタティックミキサ要素は、流体等が流
入する側である前段部、中段部又は後段部のいずれかに
集中して設けることができ、あるいは管の全体に分散し
て設けることもできる。

【００５６】（評価試験１）スタティックミキサ要素は
図２に示された従来のものを用いるという条件で、比重
1.2ｇ／cm³、粘度50000cps、温度95℃の塗工液を流量10
00リットル／Ｈで流した場合に、総括伝熱係数142kcal
／m²・Ｈr・℃で前記塗工液を50℃に冷却するように設
計された熱交換器を用いて熱交換を行なった。

【００５７】冷却は、30℃の冷却水で行なった。

【００５８】塗工液の成分は、炭酸カルシウム、ポバー
ル、澱粉及び水である。

【００５９】なお、熱交換器の型式は、Ｄｙ社のＳＭＨ
ＥＤ−100Ａ（13）／Ｓ×８基直列である。

【００６０】従来のスタティックミキサ要素を用いた場
合には、上記設計にもかかわらず、管の内面に塗工液が
付着し境膜抵抗が増大し、総括伝熱係数の実測値は67kc
al／m²・Ｈr・℃であり、前記塗工液は70℃までしか冷
却されなかった。

【００６１】これに対して、図１に示す本発明のスタテ
ィックミキサ要素を用いた場合には、総括伝熱係数の実
測値は144kcal／m²・Ｈr・℃であり、前記塗工液を47℃
まで冷却することができた。なお、塗工液の伝熱管内に
おける流速は、上記従来のスタティックミキサ要素を用
いた場合よりも上昇している。

【００６２】（評価試験２）スタティックミキサ要素は
図２に示された従来のものを用いるという条件で、比重
1.1ｇ／cm³、粘度100,000cps、温度100℃の澱粉含有食
品原料を流量400リットル／Ｈで流した場合に、総括伝
熱係数108kcal／m²・Ｈr・℃で前記澱粉含有食品原料を
15℃に冷却するように設計された熱交換器を用いて熱交
換を行なった。

【００６３】冷却は、1.7℃の冷却水を用いて行なっ
た。

【００６４】澱粉含有食品原料の成分は、小麦粉、牛
乳、水及び砂糖等である。

【００６５】なお、熱交換器の型式は、Ｇ社のＳＭＨＥ
Ｄ−80Ａ（14）／Ｓ×16基直列である。

【００６６】図１に示す本発明のスタティックミキサ要
素を用いた場合には、総括伝熱係数の実測値は139kcal
／m²・Ｈr・℃であり、前記澱粉含有食品原料を11.2℃
まで冷却することができた。

【００６７】上記評価試験に使用した本発明のスタティ
ックミキサ要素は、図１に示される形状のものであり、
最大径（エレメント部の径）71.5mm、パイプ径48.6mm、
全長1508.2mm、材質は金属製（ＳＵＳ304）である。

【００６８】上記評価試験に使用した従来のスタティッ
クミキサ要素は、図２に示される形状のものであり、最
大径71.5mm、全長1519mmで、材質は金属製（ＳＵＳ30
4）である。

【００６９】

【発明の効果】本発明のスタティックミキサ要素は、柱
状部と、前記柱状部の外周を螺旋状に包囲する２以上の
羽根状の突起部を含み、前記柱状部の軸方向において隣
接する２つの羽根状の突起部の端部と端部の間は、前記
柱状部の軸の回りに互いにずれて配されているので、流
体ないし流動体がスタティックミキサ要素の中心軸近傍
を避け前記柱状部の外周に沿って乱流状態で流れるよう
に設計されている。

【００７０】本発明のスタティックミキサ装置は、本発
明のスタティックミキサ要素を管の内部に配して成るの
で、前記管の内部を通過する流体等は、良好に分割、混
合、攪拌される。特に、高粘度化した流体等について
も、良好に、分割、混合、攪拌される。

【００７１】本発明の伝熱管は、本発明の前記スタティ
ックミキサ要素を管内に配して成るので、加熱又は冷却
すると粘度が増大する流体等を熱交換する場合であって
も、伝熱管の管の内壁に前記流体等の高粘度化部分が付
着しないので、高い伝熱効率を得ることができる。

【００７２】本発明の伝熱管を使用して良好に熱交換で
きる高粘性物質としては、例えば澱粉、たまご、フレー
バー等の混合物であるカスタードクリーム、ポリビニル
アルコール（ＰＶＡ）、炭酸カルシウム、澱粉、ＴｉＯ
等の混合物であるコーティング材原料、みそ（冷却）等
がある。なお、本発明のスタティックミキサ装置は、こ
れらの高粘性物質も良好に攪拌することができる。

【００７３】前記カスタードクリームは、例えばクッキ
ング後のもの（100〜120℃で粘度5000cp）を40℃（粘度
５万〜10万cp）以下に冷却する場合でも良好に熱交換で
きる。

【００７４】また、前記コーティング材原料は、クッキ
ング後のもの（100℃で粘度2000〜3000cp）を40℃（粘
度７万cp）以下に冷却する場合でも良好に熱交換でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスタティックミキサ装置に使用するこ
とができるスタティックミキサ要素を、その長手方向に
対して直角方向から見た図である。

【図２】従来のスタティックミキサ装置に典型的に使用
されている従来のスタティックミキサ要素を、その長手
方向に対して直角方向から見た図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】柱状部と、前記柱状部の外周を螺旋状に包
囲する２以上の羽根状の突起部を含み、前記柱状部の軸方向において隣接する２つの羽根状の突
起部の端部と端部の間は、前記柱状部の軸の回りに互い
にずれて配されることを特徴とするスタティックミキサ
要素。
【請求項２】前記柱状部の周方向に関し前記羽根状の突
起部を２以上有することを特徴とする請求項１に記載の
スタティックミキサ要素。
【請求項３】前記柱状部の軸方向において隣接する２つ
の羽根状の突起部の螺旋の回転方向が逆である端部間接
行部を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のス
タティックミキサ要素。
【請求項４】請求項１〜３の一に記載のスタティックミ
キサ要素を管の内部に配して成ることを特徴とするスタ
ティックミキサ装置。
【請求項５】スタティックミキサ要素を管の内部に配し
て成るスタティックミキサ装置であって、前記管の内部
のスタティックミキサ要素の一部を、連続して又は非連
続に請求項１〜３の一に記載のスタティックミキサ要素
で置き換えて成ることを特徴とするスタティックミキサ
装置。
【請求項６】前記管の長手方向における前記スタティッ
クミキサ装置の全長Ａに対する前記請求項１〜３の一に
記載のスタティックミキサ要素の前記管の長手方向にお
ける長さの合計Ｂの比Ｂ／Ａが０．５以上になるよう
に、前記管の内部のスタティックミキサ要素を前記請求
項１〜３の一に記載のスタティックミキサ要素で置き換
えて成ることを特徴とする請求項５に記載のスタティッ
クミキサ装置。
【請求項７】請求項４〜６の一に記載のスタティックミ
キサ装置から成る伝熱管。
【請求項８】熱交換されるべき流体ないし流動体の流入
する側の管の内部のスタティックミキサ要素は、請求項
１〜３の一に記載のスタティックミキサ要素であること
を特徴とする請求項７に記載の伝熱管。