JP2007289904A - 静止型流体混合器 - Google Patents

Abstract

【課題】小流量に対応するのが難しいことや、加熱／冷却する場合内部単位流量当たりの伝熱面積を大きくすることも難しいという問題を解決し、流体の流れを利用して、回転機器を用いずに流体を混合することを特徴とする静止型流体混合器を提供する。
【解決手段】円柱２に右回りの溝３、左回りの溝５を彫りそれを円管内に装填して、円管内壁と円柱上の溝とで形成する流路６を利用することで、溝の幅、溝の深さを選択して、小流量にも対応出来るようにした。また、円管外部に外套あるいは、円柱内部を空筒にして、外部からまたは内部から加熱／冷却する方法により、混合される内部流体当たりの伝熱面積を稼ぐことも可能になった。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流れを利用して、回転機器を用いずに流体を混合することを特長とする混合器に関するものである。

流体の流れる管内に１８０度捻った板を、右捻り、左捻りと交互に設置し、流体を管内に流すだけで、分割、捻り、合体を繰り返し混合させる「静止型混合器」がる。
流体を1/2に分割して捻り、次にまた1/2に分割して捻ることを繰り返し、捻り部分を通過するごとに分割／混合が繰り返されるので、捻り部品の数をｎ個とすると(1/2)＾ｎに分割／混合することが出来るというものである。

従来の静止型混合器は上記したように、シンプルな構造で流体を流すだけで混合できると言う優れた特長を持っている一方、次のような問題を抱えている。

＜発明で解決しようとする課題１＞
静止型混合器を小流量の流体に適用する場合に流速を落とすと混合が不十分になるという問題がある。
相互に溶解して均一な混合液を形成しない２流体を管内に流し、その流速により流体を切って捻るということを繰り返して混合（エマルジョン化）する場合、ある程度、流速が大きくならないと、折角、分割しても会合が起きてしまう。
流速が遅いと右捻り部品から流体が流出して、左捻り部品に進入するときに分離が起きたり、捻り部品部を通過する時に、捻りが緩やかで混合が進まないという問題がある。
それを解決するために、静止型混合器の管径を小さくして流速を大きくすれば良いのであるが、管径を小さくしてその中に捻り部品を設置するのが難しくなるので、内径５ｍｍφ位が最低で、小流量の場合には工作が困難になり提供できないという問題がある。
この問題を解決するのが本発明の課題の一つである。

＜発明で解決しようとする課題２＞
静止型混合器に外管を設けて、混合器内を流れる流体に外部から加熱または除熱する場合、混合器内径＝Dｃｍとし、流速＝Ｌｃｍ／sec
とすると、体積流量＝π＊D^2＊L／４ cm3/sec となる。
伝熱面積＝π＊D＊L cm2/secであるから、単位流体体積当たりの伝熱面積＝４／Ｄ cm2/cm3 と決まってしまう。
即ち、単位体積当たりの伝熱面積を大きくしようとすると、管径を小さくしなければならないという問題がある。
この問題を解決するのが本発明のもう一つの課題である。

そこで、本発明は上記課題を解決するため、種々工夫をした。

＜円管内に円柱を設けることにより、流路を狭めることにより解決する＞
基本的には管内に円柱を置くことにより、円管内の流路を狭めることで、管径が大きくても流速を稼ぐことが出来ると言うことある。
それを極端にすれば、円管内径と円柱径とを同じにしてしまえば、流路はゼロになるので、その円柱の表面にネジのような溝を彫ることにより、円管内壁と円柱との間に流路を作ることができるということに気が付いたのである。

請求項１では、円管内に、円柱体の表面に右回りの溝を2本以上設けた部品と、左回りの溝を２本以上設けた部品とを、スペースを空けて円管内に積層し、流体を円管内壁と円柱状部品に設けられた溝とで形成された螺旋状の流路に流し、スペース部で合体後、再び複数の螺旋状流路に分割されることを繰り返す構造を提案した。（図１A、B、C 参照）
図１Ａには、円柱に右回りの溝2本彫った部品と図１Ｂに左回りの溝を彫った部品の二つを示し、円管内に装填することにより円管内壁と円柱に掘られた溝とで形成する流路が示されている。また、右回り溝の彫られた円柱部品と、左回り溝の彫られた円柱部品とは９０°ずらして、また、両者の間にスペースを設けるためのスペーサーが描かれている。
図1Cには、円柱部品を切り開いて展開した図を示している。右回り溝２本180°ずらし、左回り溝２本を180°ずらし彫ったものを展開して、それらを上下９０°ずらして示している。
円管サイズや内部に設置する円柱のサイズは大きくても、設ける溝の深さと幅で流路の大きさは調整できるので、小流量でも流速を稼ぎ得る構造が可能である。

請求項２では、円柱体表面に彫る溝の本数とその位置関係を工夫し、2本の場合、１８０° ３本の場合１２０°、４本の場合９０°と均等に割付け、溝が上面と下面に到達するまで、９０〜１８０°〜３６０°捻じれるように配置することを提案した。
従来のこの種の液体混合器では、流路は2本、角度は１８０°と決まっているが本発明では、流路を2本以上に、しかも各流路を種々の角度に捻ることも可能になるので、1区分での分割数が増すし、流路内での混合を促進することが可能になった。（図２A、B、C 参照）
図２Ａには円柱に右回り溝を４本、図２Ｂには円柱に左回り溝を４本彫られた部品を示した。
図２Cには、円柱部品を切り開いて展開した図を示した。右回り溝を彫った円柱の展開図と左回り溝を彫った円柱の展開図を４５°ずらして上下に配置して示した。

請求項３では、円柱状部品を円管内に積層して充填する場合に、円柱状部品と円柱状部品との間に円管内壁との間に空隙をつくり、複数の溝を流れてきた流体を一旦その空隙で合体させるべくスペーサーを挟んで積層することを提案した。（図１〜図４参照）

この提案によって、従来のスタティックミキサーでは、分割／捻り（混合）／分割を繰り返すのに対して、本発明では、分割／捻り（混合）／混合／分割を繰り返すことが出来るようになると共に、構成部品の組み立てを容易にすることが出来るようになった。

請求項４では、円柱状部品の上面及び下面に凸部、凹部を設けて、積層するとき、右回り部品と左回り部品とが適切な角度で接合し、しかも流体が合体／分割する為の空隙を作れるようにすることを提案した。
この提案により、スペーサー機能を持った円柱状部品のみの積層で、分割／捻り／混合セクションを作ることが出来、しかも円柱状部品を適切な角度に固定することができる。（図４、図５参照）
図４Ａには円柱上部品の上面、下面にスペーサーの突起を嵌め込んで、右回り溝の彫られた円柱部品と左回りの溝の彫られた円柱状部品との間にスペースを設けるとともに、両部品を一定の角度で配置出来るようにしたところを示した。図４Ｂでは円柱上部品とスペーサーとを一体にして、しかも、所定の角度を維持出来るようにした構造を示した。
図５には、円管内に右回り溝、左回り溝の彫られた円柱状部品をスペーサーを挟んで積層し円管内に装填した図を示した。

請求項５では、同一円柱体表面に右回り溝を２本、左回り溝を2本彫り、右回り溝、左回り溝どうしは１８０°ずらし、左回り溝を右回り溝と９０°ずらすことにより、４５°進行するごとに左右回り溝が交差する円柱体を、円管内に装填して、円管内壁と円柱体上の溝とで形成される流路に流体を流し、分割、／合体を繰り返し流体の混合を促進することを提案した。更に、請求項６では、円柱体表面の右ネジ溝と左ネジ溝の交差するところに、円周に沿って溝を設け複数の溝を流れてきた流体を混合するスペースを作る構造提案した。
このスペースは流路の交差するところ全てに設置する必要は無く、図６のように数個交差毎にスペースを設けても良い。
図７には、図６の構造物を作る段階を示した。
先ず、円柱に右周り溝と左回り溝を彫り、次いで流路の交差するところに円周に沿った溝を彫り、両流路を通って来た流体を大きく合流させるスペースを設ける。それを円管内に装填して完成する。

請求項７には、円柱状部品を装填した円管外部に、更に円管を設け、円管と円管との間隙に加熱用流体または冷却用流体を流して、内部で混合させながら、管外より加熱または冷却できる構造にすることを提案した。（図８参照）

請求項８には、円管内部に送入する円柱部品の内部を空筒として、その空筒部に外部より加熱用流体または、冷却用流体を流して、円柱（内部空筒）内部より加熱または冷却できる構造の混合器を提案した。（図９参照）
図８には外部から加熱または冷却する構造を、図９には、内部より加熱または冷却する構造を示したが、両者を組み合わせて、管外／管内両方から、加熱／冷却する構造にすることも可能である。

本発明に近い従来構造の静止型混合器と本発明の精製型混合器の比較を計算例で示してみる。
従来構造の静止型混合器（図１０Ｂ）として内径を４ｍｍφの円管内に、厚さ＝０．２ｍｍの板を１８０°捻って装填、５ｍｍ毎に1枚、計２４枚装填し、全長＝120mmを考える。
流体線流速＝1000mm/secで使用するとして、体積流量を求めると 4.56ml/secとなる。
次に本発明の静止型混合器（図１０Ａ）として、円管内径＝10mmφ、円柱には幅＝1mm、深さ＝1mmの溝を、右回り2本、左回り２本、垂直距離＝10mm進行毎に180°捻って彫ったものを考える。
円管内壁と円柱の溝との間には 1mm□の流路が４個形成されているので、流路断面積＝0.04cm2となる。同じ体積流量の流体を流すと、線流速＝114mm/secとなり円管内径は ２．５倍になっても、溝幅と溝深さを適当に設定すれば、同等の線流速が稼げているのが判る。また、分割／混合の起きる回数は、従来静止型混合器では２４回であるのに対し、本発明の静止型混合器では、図１０Aに示した如く、10ｍｍ毎に６回混合（合流）／分割が起きるので、全体流量に換算すれば３回混合（合流）／分割が起きる。従来法と同じ回数に合わせるなら、全長＝80mmで良いことになる。逆に、同じ全長＝120mmとするなら、混合／分割回数＝３６回にもなることが判る。
また、従来の静止型混合器の円管部の表面積＝15cm2であるのに対し、本発明の場合、同じ混合／分割数に抑えれば、円管部表面積＝２５cm2、同じ管長に合わせるならば、円管部表面積＝37.7cm2になる。即ち、伝熱面積も大きく稼げることが判る。
本発明の流体混合器は、構造がシンプルで流量が少ない流体の混合が可能になるばかりでなく、混合しながら加熱／冷却を行うとき、流体流量当たりの伝熱面積を大きく取ることが可能である。

本発明の流体混合器の基本的な構造は図１、図２に示した。円柱に右回り溝と左回り溝を設け、それを円管内に交互に装填して、図５の如く流体を供給し、溝と円管内壁との間に出来た流路を流体が流れると、流体が分割／捻り／合流／分割・・・と繰り返して、２流体が混合される。
製作が簡単でしかも、分割／捻り／合流／分割・・・の頻度を稼げる図６の構造は最も好ましいものである。

静止型流体混合器は広く利用されていることであり、本発明の混合器も利用される分野は広いお考えられる。特に新しい分野として、燃料電池発電システムにおける改質原料である炭化水素と水（水蒸気）、メタノールと水（水蒸気）の混合やガソリン／エタノール混合燃料を製造する場合や、燃料油と水とを混合してエマルジョン燃料を製造する等、産業上利用される分野は広いと考えられる。

右回り溝２本彫った円柱（図１Ａ）、左回り溝２本彫った円柱（図１Ｂ）と 円柱部を切り開いた展開図（図1Ｃ）示した。 右回り溝４本彫った円柱（図２Ａ）、左回り溝４本彫った円柱（図２Ｂ）と 円柱部を切り開いた展開図（図２Ｃ）を示した。 円柱を円管内に装填するとき、円柱と円柱の間にスペーサーを設ける図を示した 円柱にスペーサーの一部を挿し込む溝を設け、スペーサーにより、円柱どうしが所定の角度を維持するような構造を示した。 円柱部品とスペーサー複数個を円管内に装填した図を示した。流体は下降流でも、上昇流でも良い。（水平に置くことも可能） １本の円柱に右回り溝2本と左回り溝2本を彫って、両溝の交差するところに円周に沿って溝を彫り合流スペースを設けた（図６Ａ）。それを円管内に装填した。（図６Ｂ） 円柱部を切り開いた展開図（図６Ｃ、図６Ｄ）を示した。 図６の混合器を製作する手順を示した。 混合器に外套を設け、外部より加熱／冷却できる構造を示した。 混合器内円柱の内部を空筒として、内部より加熱／冷却できる構造を示した。 本発明混合器（図１０Ａ）と従来混合器（図１０Ｂ）の比較計算用の図

符号の説明

１ 円管
２ 円柱（右回り、左回りの溝が彫られている円柱）
３ 右回り溝
４ スペーサー
５ 左回り溝
６ 円管内壁と円柱に彫られて溝とで形成される流路
７ 混合器入口流体
８ 混合器入口流体
９ 混合器出口流体
１０ 右回り溝
１１ 左回り溝
１２ 右回り左回り全流路を一旦合流させるスペースを作る溝
１３ 加熱／冷却流体（入口）
１４ 加熱／冷却流体（出口）
１５ 断熱材
１６ 右回り溝と左回り溝の交差点＝流体の合流／分割点

Claims (8)

1. 円柱体の表面に右回りの溝を設けた部品と左回りの溝を設け部品とをスペースを空けて円管内に積層し、円管内壁と円柱状部品に設けられた溝とで形成された螺旋状の流路に流体を流し、スペース部で合体後、再び複数の螺旋状流路に分割されることを繰り返すことにより、流体の混合を促進することを特長とする混合器。
2. 円柱体表面に彫る溝の本数とその位置関係は、2本の場合、１８０° ３本の場合１２０°、４本の場合９０°と均等に割付け、溝が上面と下面に到達するまで、９０〜１８０〜３６０°捻じれるように配置することを特長とする請求項１の円柱状部品
3. 円柱状部品を円管内に積層して充填する場合に、円柱状部品と円柱状部品との間にスペーサーを設けて積層し、空隙をつくり、複数の溝を流れてきた流体を一旦その空隙で合体させるようにすることを特長とする請求項１の混合器
4. 円柱状部品の上面及び下面に凸部、凹部を設けて、積層するとき、右回り部品と左回り部品とが適切な角度で接合し、しかも流体が合体／分割する為の空隙を作れるようにすることを特長とした請求項１、請求項２、請求項３の円柱状部品
5. 円柱体表面に右回り溝を２本、左回り溝を2本彫り、右回り溝、左回り溝どうしは１８０°ずらし、左回り溝を右回り溝と９０°ずらすことにより、４５°進行するごとに左右回り溝が交差する円柱体を、円管内に装填して、円管内壁と円柱体上の溝とで形成される流路に流体を流し、分割、／合体を繰り返し流体の混合を促進することを特長とする混合器。
6. 円柱体表面の右回り溝と左周り溝の交差するところに、円周に沿って溝
   を設け複数の溝を流れてきた流体を混合するスペースを作る構造を特長とする請求項５の混合器
7. 円管外部に更に円管を設け、その間隙に加熱または冷却用流体を流して、
   内部で混合させながら、管外より加熱または冷却できる構造にすることを特長とする請求項１〜請求項６の混合器
8. 円管内部に送入する円柱部品の内部を空筒として、その空筒部に加熱、
   または冷却用流体を流して、円柱（内部空筒）内部より加熱または冷却できることを特長とする請求項１〜請求項６の混合器
   

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