JP2012135737A

JP2012135737A - 静止型ミキシング機構

Info

Publication number: JP2012135737A
Application number: JP2010290768A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Yamamoto; 将之山本; Yorikazu Shigesada; 頼和重定; Satoshi Kameo; 聡亀尾
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-19

Abstract

【課題】配管中に配設した静止型ミキシング機構において、限られた設置スペースにおいて十分な攪拌性能を実現しつつ、圧力損失を小さく、また流路方向の長さ寸法を短くできる構成を実現する。
【解決手段】配管２の中心部分に配されるハブ３と、このハブ３から径方向に突出して複数設けられそれぞれが下流側に向かうにつれて位相が変化するとともに配管２に対して回転不能であるベーン４とを有し、状態又は成分が異なる流体が同時に流通している場合にベーン４間の空間Ｓを通過することにより螺旋状の旋回流となる静止型ミキシング機構１を採用する。
【選択図】図３

Description

流体を流通させるための配管中に配設してなる静止型ミキシング機構に関する。

従来より、流体を流通させるための配管中に配設してなる静止型ミキシング機構として、種々の構成のものが考えられてきている。

その一例として、航空機の空調装置に用いられ、ミキシングチャンバ（混合室）を備えたものが挙げられる（例えば、特許文献１を参照）。このような静止型ミキシング機構のミキシングチャンバは、箱形をなし、その内部の空間で第１の流体、例えば高温の空気と第２の流体、例えば低温の空気とを均一に混合させるためのチャンバ本体と、このチャンバ本体内に第１の流体を導入するための第１の導入口と、前記チャンバ本体内に第２の流体を導入するための第２の導入口と、前記チャンバ本体内で混合された流体を外部に導出させるための導出口とを有する。なお、３種類以上の流体を均一に混合させるためのミキシングチャンバも、導入口の数が混合させるべき流体の種類に対応して増加する以外は同様の構成を有する。

ところで、前記特許文献１記載のもののようなミキシングチャンバを備えた静止型ミキシング機構においては、配管系の中途に前記チャンバ本体を設ける必要があるが、このようなチャンバ本体は、その内部で複数の流体を十分均一に混合させる必要から、内部空間を大きくとる必要がある。また、高温の抽気と低温のラムエアとを熱交換させるための熱交換器を通過した配管中の空気や、エアサイクルシステム中に設けられ内部にバイパス通路を有する熱交換器を通過した配管中の空気は、配管内の部位により温度分布にムラがあるが、このような配管中の空気の温度分布を均一にするために内部に大きな空間を有するチャンバを配設することは、スペースの無駄となる場合がある。

そこで、状態の異なる流体が同時に内部を通過可能な配管内部に配設可能な静止型ミキシング機構が種々考えられている。

しかし、前記特許文献２記載のもの構成は、気体の流れを衝突筒体に衝突させて逆流させることにより攪拌していることから、配管中の流体の流れと逆流した気体との衝突により流体の流れに大きな乱れが発生し、従って圧力損失が大きくなる。

また、前記特許文献３記載の構成は、配管中にその法線が流路方向に対して角度を有するとともに孔を多数設けたベーンを配設するものであるが、流体がベーンの上流側端縁に達すると流体の流れの方向が静止型混合器の上流側端縁において大きく変化し、また、孔を通過する流体の流れとベーンの面に沿う流体の流れとが互いに影響しあって流体の流れに乱れが発生し、圧力損失が大きくなる。

さらに、前記非特許文献１記載の構成は、配管中にひねり羽根を９０°ずつ位相を変化させつつ複数配するものであるが、十分なミキシング効果を得るにはひねり羽根を少なくとも４〜６個直列に配置する必要があり、ひねり羽根の長さは半径の１．４〜２倍であるので、静止型ミキシング機構全体としては半径の６倍以上の長さを有し、圧力損失が大きくなる。

そして、このような課題は、航空機の空調装置に用いられるものに限らず、状態の異なる流体を攪拌するための静止型ミキシング機構には一般に存在する。

特開２００１−２１３３９８号公報特開平９−２９９７７６号公報特開２００７−２９９３６号公報

静止型混合器，日刊工業新聞社，ｐ．６

本発明は以上の点に着目し、限られた設置スペースにおいて十分な攪拌性能を実現しつつ、圧力損失が小さく流路方向長さ寸法が短い静止型混合器を備えたミキシング機構を実現することを目的とする。

すなわち本発明に係る静止型ミキシング機構は、配管中に配設してなる静止型ミキシング機構であって、配管の中心部分に配されるハブと、このハブから径方向に突出して複数設けられそれぞれが下流側に向かうにつれて位相が変化するとともに配管に対して回転不能であるベーンとを有し、状態又は成分が異なる流体が同時に流通している場合に前記ベーン間の空間を通過することにより螺旋状の旋回流となることを特徴とする。

このようなものであれば、ベーン間を通過した空気の流れが旋回流となり、気体の流れが流路方向に単位距離進んだ場合の実質的な流路長さを長くすることができる。また、ベーン間を通過した空気の流れが旋回流となることから、流体の大半が配管の管壁近傍を流通するので、実質的な流路面積が小さくなり、前述したように実質的な流路長さが長くなることと併せて、実質的な流速を高くできる。すなわち、実質的な流路長さを長くしさらに実質的な流速を高くすることにより、単位長さ当たりのミキシング効果を高めることができる。従って、配管内部にこの静止型ミキシング機構を配することにより設置スペースの削減を図り、さらにこの静止型ミキシング機構の流路方向の長さを小さくできるとともに、圧力損失を小さくして空調効率を向上させることができる。

なお、本発明において、「状態又は成分が異なる流体が同時に流通」とは、温度、濃度、密度等の物理量のうち少なくとも１つが異なる複数種類の流体が同一配管内を同時に流通している状態全般を示す概念である。

特に、前記ベーンの上流側端部が、流路方向に平行に延伸している導入部であるものであれば、空気をベーン間の空間に円滑に導入することができるので、圧力損失を低下させることができる。

また、前記ハブの上流側端縁を上流側に向かうにつれ径が小さくなる形状に形成しているものであれば、ハブの上流側端縁付近を通過する空気がベーン間の空間に円滑に導入されるので、この点からも圧力損失を低下させることができる。

そして、前記ハブの下流側端縁を下流側に向かうにつれ径が小さくなる形状に形成しているものであれば、ハブの下流側端縁近傍に渦を発生させて効果的に空気を攪拌するようにしつつ、空気の流れの乱れを少なくして圧力損失の低下を抑えることができる。

本発明の静止型ミキシング機構の構成によれば、限られた設置スペースにおいて十分な攪拌性能を実現しつつ、静止型混合器による圧力損失を小さく、また静止型混合器の流路方向の長さ寸法を短くできる。

本発明の一実施形態に係る静止型ミキシング機構を示す斜視図。同実施形態に係る静止型ミキシング機構を示す正面図。同実施形態に係る静止型ミキシング機構を示す側面図。同実施形態に係る静止型ミキシング機構を示す背面図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る静止型ミキシング機構１は、航空機に用いられ、流体たる空気を内部に流通させてなる空調装置の配管２中に配設してなり、配管２の中心部分に配されるハブ３と、このハブ３から径方向に突出して複数、具体的には４枚設けられそれぞれが下流側に向かうにつれて位相が変化するとともに配管２に対して回転不能なベーン４とを有する。また、この静止型ミキシング機構１の流路方向の長さは、配管２の半径の約１．５倍である。なお、より具体的な配設箇所として、例えば、抽気とラムエアとの熱交換を行うための熱交換器の下流や、空調装置のエアサイクルマシンを構成するタービンの下流に設けられバイパス通路を内部に有する熱交換器の下流等が考えられる。

前記ハブ３は、流路方向に延伸する概略円柱状の部材であり、流路方向に直交する平面で切断した場合の断面形状が流路方向寸法の全域にわたって円形かつ同一形状であるハブ本体３１と、このハブ本体３１の上流側端縁に一体に設けられ、前記ハブ本体３１とその表面が滑らかに連続する回転楕円体状をなす上流側ガイド部３２と、前記ハブ本体３１の下流側端縁に一体に設けられ、前記ハブ本体３１とその表面が滑らかに連続する回転楕円体状をなす下流側ガイド部３３とを備えている。

一方、前記ベーン４は、前記ハブ本体３１から外方に突出する板状の部材で、本実施形態では互いに周方向に９０°ずつ離間している。このベーン４は、上流側に位置し流路方向に平行に延伸している導入部４１と、この導入部４１に隣接して設けてなり下流側に向かうにつれて位相が変化する旋回流生成部４２とをそれぞれ有する。前記旋回流生成部４２は、図３に示すように、下流側に向かうにつれ単位長さ当たりの位相の変化率を大きく形成している。そして、互いに隣接するベーン４の旋回流生成部４２間の空間Ｓを空気が通過することにより旋回流が生成される。

この静止型ミキシング機構１内を空気が通過する際の空気の流れを以下に述べる。

まず、空気の流れが静止型ミキシング機構１の上流側端縁に達すると、配管２の中心部を流通する空気は上流側ガイド部３２に衝突し、上流側ガイド部３２の表面にガイドされて静止型ミキシング機構１のベーン４間の空間Ｓに達する。一方、その他の部位を流通する空気の大部分はそのまま流路方向に進み静止型ミキシング機構１のベーン４間の空間Ｓに達する。そして、残りの空気は、前記ベーン４の上流側端縁に衝突してベーン４の表面にガイドされ、ベーン４間の前記空間Ｓに達する。前記空間Ｓに達した空気の流れは、まずベーン４の導入部４１間の部位をそのまま直進し、次いで、ベーン４の旋回流生成部４２間の部位に達する。前記旋回流生成部４２間の部位に達した空気の流れはそのまま旋回流生成部４２間の部位を通過することにより螺旋状の旋回流となる。ベーン４の下流側端縁を通過した空気の流れの大部分は螺旋状の旋回流としてそのまま配管２中を流通する。また、下流側ガイド部３３の下流側に隣接する部位では、渦が発生する。そして、静止型ミキシング機構１を通過した空気は、螺旋状の旋回流として配管２中を流通することにより、また、その下流側に生成した渦と衝突することにより攪拌される。より具体的には、この静止型ミキシング機構１の下流側端縁から配管２の半径の１．５倍だけ離間した位置において、配管２内を流通する空気の温度は略一様となる。

以上に述べたように、本実施形態に係る静止型ミキシング機構１の構成によれば、ベーン４間の空間Ｓを通過した空気の流れが旋回流となり、空気の流れが流路方向に単位距離進んだ場合の実質的な流路長さを長くすることができる。また、ベーン間を通過した空気の流れが旋回流となることから、流体の大半が配管の管壁近傍を流通するので、実質的な流路面積が小さくなり、前述したように実質的な流路長さが長くなることと併せて、実質的な流速を高くできる。すなわち、静止型ミキシング機構１の構成を採用すれば、実質的な流路長さを長くしさらに実質的な流速を高くすることができるので、単位長さ当たりのミキシング効果を高めることができる。従って、この静止型ミキシング機構１の流路方向の長さを小さくできるとともに、圧力損失を小さくして空調効率を向上させることができる。加えて、温度が異なる空気の流れを配管２中に流通させた状態でこの静止型ミキシング機構１を通過させ攪拌する構成を採用しているので、二重管構造を採用することなく簡単な構成により旋回流を利用した静止型ミキシング機構１を実現できる。

また、前記ベーン４の上流側端部を、流路方向に平行に延伸する導入部４１としているので、空気をベーン４間の空間Ｓに円滑に導入することができ、従って、圧力損失を低下させることができる。

さらに、前記ハブ３の上流側端縁に位置する上流側ガイド部３２を回転楕円体状に形成しているので、ハブ３の上流側端縁付近を通過する空気がベーン４間の空間に円滑に導入され、この点からも圧力損失を低下させることができる。

そして、前記ハブ３の下流側端縁に位置する下流側ガイド部３３も回転楕円体状に形成しているので、ハブ３の下流側端縁近傍に渦を発生させて効果的に空気を攪拌するようにしつつ、空気の流れの乱れを少なくして圧力損失の低下を抑えることができる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限られない。

例えば、上述した実施形態では、ベーンの上流側端部を流路方向に平行に延伸している導入部としているが、このような導入部は省略してもよい。但し、その場合であっても、ベーンの上流側端縁の延伸方向と流路方向とがなす角度は小さい方が望ましい。

また、上述した実施形態では、前記ハブの上流側端縁の上流側ガイド部及び前記ハブの下流側端縁の下流側ガイド部をいずれも半回転楕円体に形成しているが、これら上流側ガイド部及び下流側ガイド部の形状は、いずれも半回転楕円体に限らず、半球状や、円錐状や、円錐の底面側に円柱を接合した形状等、上流側に向かうにつれ径が小さくなる形状であれば上述した実施形態と同様の効果は得られる。さらに、ハブ本体の形状も、円柱状に限らず、多角形柱状等、他の形状を採用してもよい。ハブ本体の形状を多角形柱状とした場合、上流側ガイド部及び下流側ガイド部の形状は、その側面がハブ本体と連続する角錐状とするとよい。一方、圧力損失が多少大きくなっても攪拌性能をより重視したい場合等においては、上流側ガイド部及び下流側ガイド部の一方又は両方を省略してもよい。

加えて、上述した実施形態では、ベーンの枚数を４枚、静止型ミキシング機構の流路方向の長さを配管の半径の約１．５倍としているが、これらはあくまで一例に過ぎず、ベーンの枚数及び流路方向の長さは適宜増減してももちろんよい。

そして、航空機の空調装置以外にも、例えば、液体状薬剤を流通させるための第１の配管と、水等の希釈用の流体を流通させるための第２の配管と、これら第１及び第２の配管の合流箇所から外部に希釈後の薬剤を導くための第３の配管とを有する配管系において、第３の配管内の流体を攪拌するため設けられる静止型ミキシング機構等、配管内に状態又は成分が異なる流体が同時に流通している場合に同配管内の流体を攪拌すべく設けられる静止型ミキシング機構一般に本発明を適用してもよい。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。

１…静止型ミキシング機構
２…配管
３…ハブ
４…ベーン

Claims

配管中に配設してなる静止型ミキシング機構であって、配管の中心部分に配されるハブと、このハブから径方向に突出して複数設けられそれぞれが下流側に向かうにつれて位相が変化するとともに配管に対して回転不能であるベーンとを有し、状態又は成分が異なる流体が同時に流通している場合に前記ベーン間の空間を通過することにより螺旋状の旋回流となることを特徴とする静止型ミキシング機構。
前記ベーンの上流側端部が、流路方向に平行に延伸している導入部である請求項１記載の静止型ミキシング機構。
前記ハブの上流側端縁を上流側に向かうにつれ径が小さくなる形状に形成している請求項１又は２記載の静止型ミキシング機構。
前記ハブの下流側端縁を下流側に向かうにつれ径が小さくなる形状に形成している請求項１、２又は３記載の静止型ミキシング機構。
航空機の空調装置の配管中に配設してなる請求項１、２、３又は４記載の静止型ミキシング機構。