JP2011156502A - 液体混合方法及び液体混合装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】液体混合装置は、A液タンク1aに収容されたA液を送液するためのA液配管3aと、B液タンク1bに収容されたB液を送液するためのB液配管3bと、A液配管3aとB液配管3bが合流された混合液配管7を備えている。A液タンク1a及びB液タンク1bは圧力調整できる容器である。A液タンク1a内の圧力を調節するためのA液タンク内圧力調節機構17aと、B液タンク1b内の圧力を調節するためのB液タンク内圧力機構17bを備えている。A液タンク内圧力調節機構17aによってA液タンク1a内でA液面に加える圧力と、B液タンク内圧力調節機構17bによってB液タンク1b内でB液面に加える圧力とを相対的に変化させることによって、混合液でのA液とB液の混合比率を変化させる。
【選択図】図1
Description
図14に示す液体混合装置は、A液タンク101aからのA液配管103aとB液タンク101bからのB液配管103bをティーズ105にて結合し、ティーズ105からの混合液配管107に設けられたミキサー109でA液とB液を混合させ、その混合液をユースポイントに送液する系である。この系では、重力落下にて、配管103a,103b,107内の流速を確保する。
送液ポンプ117a,117bにて、A液タンク101aとB液タンク101bからA液とB液をバッファタンク119に入れる。A液とB液の流量の調整には、A液流量計113a、B液流量計113bの指示値が使用される。
バッファタンク119に設置されているミキサー121によりA液とB液を混合し、混合が終了した後、混合液はユースポイントへと送液される。
送液ポンプ117a,117bにて、A液タンク101aとB液タンク101bからA液とB液をバッファタンク119に入れる。バッファタンク119には、液面計123が設置されており、まずバッファタンク119が空の状態から、送液ポンプ117aを稼働させて、指定の液面になるまで、A液をバッファタンク119に入れる。次に送液ポンプ117bを稼働させ、指定の液面になるまで、B液バッファタンク119に入れる。バッファタンク119内の液面高さにより、バッファタンク119に入ったA液及びB液の容量が求められる。その容量値から、A液とB液の混合比率が計算より求められる。その後、バッファタンク119に設置してあるミキサー121によりA液とB液を混合し、混合が終了した後、混合液はユースポイントへと送液される。
前者は、バッファタンクなしで、流量計113a,113bによりA液とB液の液流量を随時測定し、その測定データより混合比率を計算して、指定混合値になるように制御した混合液をユースポイントに送液することができる。
後者の図17は流量計113a,113bを使用して、図18は液面計123を使用して、バッファタンク119内の液容量を求めて混合比率を算出している。
図14,図15,図19の液体混合装置における流量可変バルブ111a,111bは、バルブの開度を調整して流量を調整するもので、一般的に使用されるが、液体の種類、温度、圧力、動作速度により、それに合ったものが選定される。流量可変バルブの種類によっては、高価であったり、複雑なため信頼性が低下したりする問題があった。また、耐薬品性を要求される場合は、接液部にフッ素樹脂を使用しなければならず、フッ素樹脂が有するクリープ特性により、再現性が劣るという問題があった。
この系では、A液タンク125a内の加圧により、配管103a,103b,107内の流速が確保される。
A液、B液ともに合流部分に流れ込む状況(後述する実施例での比例領域)では、各液へ加わる圧力比率により、流量が比例して、混合される。
各種条件の変動として、例えば、A液タンク液面高さ、B液タンク液面高さが変化すると、A液、B液の流量が変化することが知られている(特許文献2を参照。)。また、発明者の知見として、A液、B液の温度、配管の温度、A液流量、B液流量により、混合液のA液とB液の混合比率は変化する。そのことから、A液、B液への液面へ加える圧力値だけでは所望の混合比率の混合液を得ることができない場合がある。
また、A液タンク、B液タンクからユースポイントまで、流量比で細い配管であったり、各液の粘度が高かったりする場合は、送液に必要な圧力が高圧になる場合が多い。
その場合、従来技術では、A液タンク、B液タンクは高耐圧タンクである必要があった。
また、高耐圧タンクはその構造上、肉厚で頑丈な構造で大型になり、安全弁の装備等でタンク自体のコストアップになる問題がある。
さらに、A液タンク、B液タンクの圧力調整は、微差圧でよく、精度の高い圧力制御が可能となる。
さらに、A液タンク内及びB液タンク内が負圧(大気圧よりも小さい圧力)又は大気圧になる場合には、A液タンク内圧力調節機構及びB液タンク内圧力調節機構として、加圧機構は不要であり、A液タンク外部(大気圧)とA液タンク内部との流通路に設けられた弁の開度、及び、B液タンク外部(大気圧)とB液タンク内部との流通経路に設けられた弁の開度を制御するだけで、それぞれのタンク内圧力の調整が可能となる。
また、本発明の液体混合装置において、上記混合液配管が分岐された第1分岐配管及び第2分岐配管と、上記第1分岐配管の出口に接続された圧力調整できる容器からなる分岐配管タンクと、上記分岐配管タンク内の圧力を調節するための分岐配管タンク内圧力調節機構と、をさらに備えているようにしてもよい。
ここで、第2分岐配管の出口は、例えばユースポイントであり、大気圧であってもよいし、大気圧よりも大きい圧力であってもよい。
精度の高い分岐比率を得るためには、第1分岐配管もしくは第2分岐配管又はその両方の液流量をセンサーで測定して、所望値からのずれ量に基づいて第1分岐配管内と第2分岐配管内の差圧を制御して、各分岐配管内で所望の流量を得るようにすればよい。
また、送液ポンプを用いる場合は、送液ポンプは混合液配管又は第2分岐配管に配置される。
本発明の液体混合装置では、A液タンク及びB液タンクは圧力調整できる容器であり、A液タンク内の圧力を調節するためのA液タンク内圧力調節機構と、B液タンク内の圧力を調節するためのB液タンク内圧力機構とを備え、A液タンク内圧力調節機構によってA液タンク内でA液面に加える圧力と、B液タンク内圧力調節機構によってB液タンク内でB液面に加える圧力とを相対的に変化させることによって、混合液でのA液とB液の混合比率を変化させるようにした。
これにより、バッファタンク、A液流量可変バルブ、B液流量可変バルブ、A液用送液ポンプ、B液用送液ポンプ及びアスピレータを用いることなく、所望の混合比率のA液とB液の混合液を得ることができ、液体混合装置の製造コストを低減できる。
本発明の液体混合装置において、混合液配管が分岐された第1分岐配管及び第2分岐配管と、第1分岐配管の出口に接続された圧力調整できる容器からなる分岐配管タンクと、分岐配管タンク内の圧力を調節するための分岐配管タンク内圧力調節機構と、をさらに備えているようにしてもよい。
これにより、ストップバルブなどの切替え弁を用いることなく、混合液配管内を流れる液を第1分岐配管と第2分岐配管に分岐することができる。
この場合、測定部の測定データに基づき、混合液が所望のA液とB液の混合比率になるようにA液タンク内でA液面に加わる圧力とB液タンク内でB液面に加わる圧力とをフィードバック制御をかける制御部を備えているようにすれば、迅速かつ自動で所望の混合比率の混合液を得ることができる。
この場合、A液流量計及びB液流量計の測定データに基づき、混合液が所望のA液とB液の混合比率になるようにA液タンク内でA液面に加わる圧力とB液タンク内でB液面に加わる圧力とをフィードバック制御をかける制御部を備えているようにすれば、迅速かつ自動で所望の混合比率の混合液を得ることができる。
A液を収容するためのA液タンク1aと、B液を収容するためのB液タンク1bが設けられている。A液タンク1aに収容されたA液を送液するためのA液配管3aと、B液タンク1bに収容されたB液を送液するためのB液配管3bと、A液配管3aとB液配管3bを合流させるためのティーズ5と、ティーズ5に接続され、A液とB液の混合液を送液するための混合液配管7が設けられている。
A液タンク1a及びB液タンク1bとして20L(リットル)タンクを用いた。A液タンク1aには純水を入れた。B液タンク1bには、濃度が4.2wt%(重量パーセント)のIPA(イソプロピルアルコール)を入れた。A液タンク1a、B液タンク1bは、ともに圧力調整できる容器であり、±2000Pa(約±0.02kg/cm2)の微圧の圧力制御ができるポリエチレン製のものである。
図3は、図2に理論カーブを表示した図である。
図3に示すように、A液飽和領域と、比例領域と、B液飽和領域に分けられる。A液(純水)だけを混合液流路7に流したいならば、この例では、差圧を−1200Pa以下にすればよい。また、B液(IPA 4.2wt%)だけを混合液流路7に流したいならば、差圧を+1200Pa以上にすればよい。
A液タンク1a及びB液タンク1bとして20Lタンクを用いた。A液タンク1aには、純水を入れた。B液タンク1bには、濃度が1wt%のIPAを入れた。A液タンク1a、B液タンク1bは、ともに圧力調整できる容器であり、±2000Pa(約±0.02kg/cm2)の微圧の圧力制御ができるポリエチレン製のものである。
図5に示すように、A液飽和領域と、比例領域に分けられる。A液(純水)だけを混合液配管7に流したいならば、この例では、差圧を−1000Pa以下にすればよい。
この例では、B液飽和領域を得るためにはB液タンク1bへ桁違いの圧力を加えなければならない状況で、B液タンク1bの耐圧以上なので、データはないが、必ずその領域があることは容易に推定できる。
この実施例では、図1に示した実施例と比較して、ティーズ21、廃液配管(第1分岐配管)23、ユースポイント配管(第2分岐配管)25、廃液タンク(分岐配管タンク)27、圧力調節用配管29及び廃液タンク内圧力調節機構31をさらに備えている。
廃液タンク27には、廃液タンク27内の圧力を調節するための圧力調節用配管29及びA液タンク内圧力調節機構31が接続されている。圧力調節機構31は例えば加圧及び減圧の動作が可能なものである。廃液タンク内圧力調節機構31は、例えばエアー圧によって廃液タンク27内の圧力を調節する。圧力調節機構31の動作は制御部19によって制御される。
表3は、ユースポイント側への流量と、廃液タンク内に加える圧力との関係を示す表である。
廃液タンク31内の圧力を−2000Paよりも低くすれば、混合液配管7内の液体はすべてティーズ21から廃液配管23を介して廃液タンク31側へ向かう。
また、廃液タンク31内の圧力を2000Pa以上にすれば、混合液配管7内の液体はすべてティーズ21からユースポイント配管25を介してユースポイント側へ向かう。
ティーズ21の箇所で、ポンプ13による圧力が10000Paであり、廃液タンク31の圧力が10000Pa以上の状態では、圧力調節用配管29を通じて廃液タンク31内に加えているエアー圧が廃液配管23を逆流してユースポイントに向かう。
ユースポイント配管25内での流量調整をすばやく行なう場合は、ポンプ13を制御するのではなく、図7の比例領域を積極的に利用して、制御してもよい。
図8の実施例は図1の実施例に対して、図9の実施例は図6の実施例に対して、測定部11に替えて、A液配管3aにA液流量計33aを、B液配管3bにB液流量計33bを備えたものである。
これらの実施例において、流量計33a,33bの指示値に基づき、混合液での混合比率は計算で求められることができる。制御部19は、流量計33a,33bの指示値に基づき、所望の混合比率になるように圧力調節機構17a,17bの動作を制御する。
燃料電池で、携帯機器向けの小型のものとして、直接メタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)がある。DMFC型燃料電池の燃料供給は、メタノール濃度3〜5wt%の濃度のメタノール水溶液で行なう。メタノール濃度が高いと、燃料極で未反応なメタノールが電解質膜を透過して空気極へ到達するクロスオーバー現象が発生して、発電効率が低下する問題が発生する。他方、メタノール濃度が低くいと、発電効率が落ちる。したがって、常に最適なメタノール濃度を供給することが望まれる。また、濃度の濃いメタノールを、水で最適な濃度に希釈して使用することができれば、メタノール燃料体積の減少ができ、より小型にすることができる。
メタノールの入ったA液タンク1aにA液配管3aの一端が接続されている。A液配管3aの他端は混合部35に接続されている。
水の入ったB液タンク1bにB液配管3bの一端が接続されている。B液配管3bの他端は混合部35に接続されている。混合部35には、配管3a,3bからのメタノール及び水が混合された所望濃度の希釈メタノールを流すためのユースポイント配管25と、所望濃度でない希釈メタノールを流すための廃液配管23も接続されている。ユースポイント配管25にはポンプ13が設けられている。
混合部35は、ガラスのエッチングで内部に配管が形成されたチップ37と、チップ37を支持するための金属製の枠部39と、配管3a,3b,23,25をチップ37に接続するための継手41,43,45,47を備えている。チップ37はマイクロ流体デバイスである。
A液配管3aに接続されるチップ内A液配管49aと、B液配管3bが接続されるチップ内B液配管49bが設けられている。配管49a,49bは下流側で合流されてチップ内混合液配管51に接続されている。チップ内混合液配管51の下流側にミキシング部(混合器)53が設けられている。チップ内混合液配管51には、ミキシング部53よりも下流側にセンサー部55が設けられている。センサー部55は、混合後のメタノール濃度の測定に用いられる小空間である。
ミキシング部53は2つの広い箇所61,63を備えている。上流側の広い箇所61と下流側の広い箇所63は2本の配管65,67で接続されている。
図11に示すように、ミキシング部53は2段に設けられているので、図12に示した混合パターンを2段繰り返すことにより、液体は完全に混合される。
チップ内A液配管49aの溝幅は1mmである。チップ内B液配管49bの溝幅は4mmである。チップ内廃液配管57の溝幅及びチップ内ユースポイント配管59の溝幅はどちらも1mmである。
図6に示した実施例と同様に、A液タンク1a、B液タンク1b、廃液タンク27に対して、圧力調節用配管15a,15b,29及びタンク内圧力調節機構17a,17b,31が設けられている。タンク内圧力調節機構17a,17b,31の動作を制御するための制御部19が設けられている。
メタノール濃度が4wt%よりも濃い場合、メタノール側の流量を減少させるように、A液タンク1aに加えている圧力からB液タンク1bに加えている圧力を引いた差圧を減少させるように制御する。メタノール濃度が4wt%よりも薄い場合は、その逆の制御が行なわれる。制御部19の制御により、タンク内圧力調節機構17a,17bは圧力調節用配管15a,15bを介してタンク1a,1b内で液面に加える圧力を制御する。この加える圧力は、大気圧に対して正圧にも負圧にもなる。制御圧力範囲は、±200Paの微圧の制御で十分である。
また、A液、B液、C液の3液混合でも同じで、その場合は、4分岐継手でもよいし、複数の3分岐継手を組み合わせてもよい。
3液以上の混合は、この例の2液混合の方法の組み合わせで行なうことができる。
また、分岐に関しても、2方向の分岐のみ例を記載しているが、3方向以上でも、2方向分岐の組み合わせで実現できることは明白である。
また、上記実施例では、送液ポンプ13を備えているが、本発明において重力落下により送液できる場合には送液ポンプは必ずしも必要でない。
1b B液タンク
3a A液配管
3b B液配管
7 混合液配管
9 ミキサー(混合器)
11 測定部
13 送液ポンプ
17a A液タンク内圧力調節機構
17b B液タンク内圧力調節機構
19 制御部
23 廃液配管(第1分岐配管)
25 ユースポイント配管(第2分岐配管)
27 廃液タンク(第1分岐配管タンク)
31 廃液タンク内圧力調節機構(分岐配管タンク内圧力調節機構)
33a A液流量計
33b B液流量計
49a チップ内A液配管
49b チップ内B液配管
51 チップ内混合液配管
53 ミキシング部(混合器)
57 チップ内廃液配管(第1分岐配管)
59 チップ内ユースポイント配管(第2分岐配管)
77 測定部
Claims (15)
- A液タンクに収容されたA液を送液するためのA液配管と、B液タンクに収容されたB液を送液するためのB液配管とを合流させて混合液配管へ導き、混合液配管でA液とB液を所望の比率で混合した混合液を得る液体混合方法において、
送液手段として送液ポンプ又は重力落下を用い、
前記A液タンク及び前記B液タンクとして圧力調整できる容器を用い、
前記A液タンク内でA液面に加わる圧力と前記B液タンク内でB液面に加わる圧力とを相対的に変化させることによって、A液を送液する能力とB液を送液する能力を制御してA液流量とB液流量を変化させ、混合液でのA液とB液の混合比率を変化させることを特徴とする液体混合方法。 - 前記A液タンク内でA液面に加わる圧力と前記B液タンク内でB液面に加わる圧力は、前記タンクを設置している場所の大気圧に対して負圧、又は前記大気圧から前記大気圧の約1.1倍の圧力の範囲内である請求項1に記載の液体混合方法。
- 前記A液タンク及び前記B液タンクとして耐圧が約−0.1MPa〜約10000Paの範囲内であるものを用い、その耐圧の範囲内でA液面に加わる圧力とB液面に加わる圧力を制御する請求項1に記載の液体混合方法。
- 前記混合液配管の出口に第1分岐配管及び第2分岐配管を接続し、
前記第1分岐配管の出口に圧力調整できる容器からなる分岐配管タンクを接続し、
前記第1分岐配管タンク内の圧力を変化させることによって、前記第1分岐配管側へ流れる液と前記第2分岐配管側へ流れる液の流量比率を変化させる請求項1から3のいずれか一項に記載の液体混合方法。 - 前記第1分岐配管タンクとして耐圧が約−0.1MPa〜約10000Paの範囲内の低耐圧のものを用い、その耐圧の範囲内で前記第1分岐配管タンク内の圧力を制御する請求項4に記載の液体混合方法。
- A液タンクに収容されたA液を送液するためのA液配管と、B液タンクに収容されたB液を送液するためのB液配管と、A液配管とB液配管が合流された混合液配管とを備えた液体混合装置において、
送液ポンプ又は重力落下により送液を行ない、
前記A液タンク及び前記B液タンクは圧力調整できる容器であり、
前記A液タンク内の圧力を調節するためのA液タンク内圧力調節機構と、前記B液タンク内の圧力を調節するためのB液タンク内圧力機構とを備え、
前記A液タンク内圧力調節機構によって前記A液タンク内でA液面に加える圧力と、前記B液タンク内圧力調節機構によって前記B液タンク内でB液面に加える圧力とを相対的に変化させることによって、A液を送液する能力とB液を送液する能力を制御して、混合液でのA液とB液の混合比率を変化させることを特徴とする液体混合装置。 - 前記A液タンク内圧力調節機構と前記B液タンク内圧力調節機構は、前記A液タンク内でA液面に加わる圧力と前記B液タンク内でB液面に加わる圧力が、前記タンクを設置している場所の大気圧に対して負圧、又は前記大気圧から前記大気圧の約1.1倍の圧力の範囲内になるように前記A液タンク内の圧力と前記B液タンク内の圧力を調節する請求項6に記載の液体混合装置。
- 前記A液タンク及び前記B液タンクは耐圧が約−0.1MPa〜約10000Paの範囲内の低耐圧のものであり、
前記A液タンク内圧力調節機構及び前記B液タンク内圧力調節機構はその耐圧の範囲内でA液面に加わる圧力とB液面に加わる圧力を調節する請求項6に記載の液体混合装置。 - 混合液中のA液濃度又はB液濃度の少なくとも一方を測定するために前記混合液配管に設けられた測定部を備えている請求項6から8のいずれか一項に記載の液体混合装置。
- 前記測定部の測定データに基づき、混合液が所望のA液とB液の混合比率になるように前記A液タンク内圧力調節機構及び前記B液タンク内圧力調節機構にフィードバック制御をかける制御部を備えている請求項9に記載の液体混合装置。
- 前記A液配管に設けられたA液流量計と、前記B液配管に設けられたB液流量計を備えている請求項6から8のいずれか一項に記載の液体混合装置。
- 前記A液流量計及び前記B液流量計の測定データに基づき、混合液が所望のA液とB液の混合比率になるように前記A液タンク内圧力調節機構及び前記B液タンク内圧力調節機構にフィードバック制御をかける制御部を備えている請求項11に記載の液体混合装置。
- A液とB液を混合するために前記混合液配管に設けられた混合器を備えている請求項6〜12のいずれか一項に記載の液体混合装置。
- 前記混合液配管が分岐された第1分岐配管及び第2分岐配管と、
前記第1分岐配管の出口に接続された圧力調整できる容器からなる分岐配管タンクと、
前記分岐配管タンク内の圧力を調節するための分岐配管タンク内圧力調節機構と、をさらに備えている請求項6〜13のいずれか一項に記載の液体混合装置。 - 前記第1分岐配管タンクは耐圧約−0.1MPa〜約10000Paの範囲内の低耐圧のものであり、
前記分岐配管タンク内圧力調節機構はその耐圧の範囲内で前記第1分岐配管タンク内の圧力を制御する請求項14に記載の液体混合装置。
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