JP2012187496A - 流体混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】噴流を広範囲・広角に噴出させることのできる流体混合装置を提供する。
【解決手段】流体混合器１は、流体流路を有する管体１０の流路の一方向から加圧された第１流体（例えば空気Ｆ０）を供給して第１流体Ｆ０に負圧を発生させると共に、管体１０の側壁に設けた流体吸引口から第２流体Ｆ１を吸入し、第１流体Ｆ０と第２流体Ｆ１とを混合することにより微細流体粒子の噴流を発生する。この噴流により、流体混合器１の下流に配置された樹脂製の羽根車２が軸３を中心に回転し、これにより微細流体粒子は広範囲・広角に噴出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、２種以上の流体を混合してマイクロバブルなどの微細流体粒子を含む噴流を広範囲に発生させるのに好適な流体混合装置に関する。

流体混合器は、加圧流体（第１流体）を円管（パイプ）内に供給することにより負圧を発生させ、この負圧により他の１または複数の流体（第２流体）を自動的に吸引し、微細化して、例えばマイクロバブルを含む液噴流や、ミストを含む気体噴流を噴出するものである。そして、このような流体混合器としては、円管内部に負圧をさせる手段として球体を配置すると共に下流側に小孔を設けたものがある（例えば、特許文献１）。この流体混合器では、円管に例えば高圧水を導くと、球体の下流側で水圧が下がって負圧が発生し、小孔から空気が吸引されてマイクロバブルが発生する。また、球体に代えて、円管内部に絞り（オリフィス）を配置し、下流側に小孔の代わりに多孔質管を設けるタイプもある（例えば、特許文献２）がある。

特開２００８−０８０２５９号公報 特開２００８−１７３６３１号公報

上記の流体混合器では、いずれもマイクロバブルを含む噴流が遠方まで到達するという特徴を有しているものの、噴出角が小さい。そのため用途により広範囲・広角に噴出させる必要がある場合には、その流体混合器を複数個、同時に用いる必要があり、設備費用が嵩むという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易な構成で、噴流を広範囲・広角に噴出させることのできる流体混合装置を提供することにある。

本発明による流体混合装置は、流体流路を有する管体の前記流路の一方向から加圧された第１流体を供給して前記第１流体に負圧を発生させると共に、前記管体の側壁に設けた流体吸引口から１または複数種類の第２流体を吸入し、前記第１流体と第２流体とを混合することにより微細流体粒子の噴流を発生する流体混合器と、前記流体混合器により発生した噴流によって回転し、前記噴流の噴霧角を拡大する羽根車とを備えたものである。羽根車は、流体混合器からの噴流により自動的に回転可能な程度に軽量であり、好ましくは樹脂製プロペラである。

本発明による流体混合装置では、流体混合器により発生した噴流によって羽根車が自動的に、即ち、モーターなどの駆動力なしで回転する。この羽根車の回転により噴流に遠心力が発生することによって噴霧角が拡大し、更には、羽根車の羽根による剪断作用によって、微細流体粒子がより微細化される。

流体混合器としては、円管内部に負圧発生手段として球体を配置すると共に下流側に小孔を設けるタイプの混合器でも、球体に代えて、円管内部に絞り（オリフィス）を配置し、下流側に小孔の代わりに多孔質管を設けるタイプの混合器でもよい。

例えば、後者の流体混合器は、長手方向の一端から加圧された流体が供給される管体と、前記管体内に配置され、供給された前記流体の圧力を急激に低下させて下流側に負圧を発生させるオリフィスと、前記オリフィスの下流側の前記管体の内側に設けられた、多孔質材料または多孔性膜よりなる流体吸引管と、前記流体吸引管の外側に設けられた流体室とを備えている。

本発明の流体混合装置によれば、流体混合器の下流に、噴流により自動的に回転可能な羽根車を設けるようにしたので、回転による羽根車の遠心力によって噴霧角が拡大し、更には羽根車による剪断作用によって微細流体粒子がより微細化される。

本発明の一実施の形態に係る流体混合装置の全体構成を表す図である。 図１に示した流体混合器の具体的構成を表す断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 羽根車による噴霧効果を確認するための配管構成を表す図である。 実施例および比較例による噴霧分布を表す特性図である。 実施例および比較例の噴霧液滴の粒径分布を表す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る流体混合装置の全体構成を表している。この流体混合装置は、流体混合器１の下流に羽根車２を配置したものであり、この羽根車２が流体混合器１が発生した微細流体粒子Ｓの噴流によって軸３を中心に水平に回転可能となっている。

流体混合器１は、流体流路を有する管体１０の流路の一方向から加圧された第１流体（例えば空気）を供給して加圧流体Ｆ０（第１流体）に負圧を発生させると共に、管体１０の側壁に設けた流体吸引口から１または複数種類の吸引流体Ｆ１（第２流体）を吸入し、加圧流体Ｆ０と吸引流体Ｆ１とを混合することにより微細流体粒子Ｓの噴流を発生するものである。

ここに、微細流体粒子Ｓとは、液体に気体が包まれたマイクロバブルまたはナノバブルだけでなく、エマルジョン（周囲の液と溶け合わない微細液滴）、またはミストあるいはドライミスト（霧状液滴）なども含む。マイクロバブルは粒径１０μｍ〜５００μｍ程度、ナノバブルは粒径０．１μｍ〜１０μｍ程度のものをいう。また、ミストとは３０μｍ〜５００μｍ程度の粒径をもつ液滴、ドライミストとは１μｍ〜３０μｍ程度の粒径をもつ液滴をいう。

すなわち、加圧された流体として高圧液体が供給された場合、流体吸引管を通じて気体が吸引されればマイクロバブルまたはナノバブルが発生し、周囲の液と溶け合わない液体が吸引されればエマルジョンが発生し、気体と周囲の液と溶け合わない液体とが吸引されればマイクロバブルまたはナノバブルとエマルジョンとが同時に発生する。

他方、加圧された流体として高圧気体が供給された場合、流体吸引管を通じて液体または気体が吸引されれば、それらが気流中に混入して混合され、液体のみが吸引されればミストまたはドライミストが発生する。更に、加圧された液体と吸引された液体とが反応して気体の飛沫群または固体の飛翔群を発生すること、あるいは、加圧された気体と吸引された気体とが反応して液体の飛沫群を発生することもありうる。

流体混合器１としては、円管内部に負圧発生手段として球体を配置すると共に下流側に小孔を設けるタイプの混合器（例えば特許文献１）でも、球体に代えて、円管内部に絞り（オリフィス）を配置し、下流側に小孔の代わりに多孔質管を設けるタイプの混合器（例えば特許文献２）でもよい。

図２および図３は流体混合器１の一例を表すものであり、管体１０の内部にオリフィス２０が配設された構成を有している。管体１０は、オリフィス２０を境界位置として長手方向に沿って上流側の第１領域１０Ａと下流側の第２領域１０Ｂとに分かれており、下流側の第２領域１０Ｂに流体吸引管３０および流体室４０が設けられている。

管体１０は、例えば、ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリ塩化ビニルもしくはポリアミド等のプラスチック、またはステンレス鋼もしくは黄銅などの金属により構成された円管であり、上流側の第１領域１０Ａには上述した加圧流体Ｆ０が供給され、下流側の第２領域１０Ｂにおいて吸引流体Ｆ１が吸引されて微細流体粒子Ｓが発生するようになっている。管体１０の第１領域１０Ａ側の端部は、加圧流体Ｆ０の供給口であり、加圧ポンプまたは外部の水道管等（図示せず）が接続されている。

第２領域１０Ｂ側の端部は、微細流体粒子Ｓを放出するための出口１０Ｃとなっている。第２領域１０Ｂ側の端部は、出口１０Ｃに近いほど管内の断面積が広くなる末広がりのテーパ形状を有していることが好ましい。発生した微細流体粒子Ｓの拡散を良くすることができるからである。

加圧流体Ｆ０の流量Ｑは、例えば、円管の内径が１１ｍｍ前後の場合、１０ｌ／ｍｉｎ以上８０ｌ／ｍｉｎ以下であることが好ましく、円管の内径が異なる場合は｛（内径）ｍｍ／１１ｍｍ｝の比の２乗に比例して増減させることが好ましい。

オリフィス２０は、加圧流体Ｆ０の圧力を急激に低下させて第２領域１０Ｂに負圧を発生させるためのものである。オリフィス２０の採用により、この流体混合器１は、負圧発生体を管体内に配設するよりも、構造が簡単になり、低コストで容易に作製可能となる。オリフィス２０の開口径の管体１０の内径に対する比率は、例えば０．３〜０．７であることが好ましい。負圧の大きさを調節でき、吸引流体Ｆ１の流量や微細流体粒子Ｓのサイズを変えることができるからである。

流体吸引管３０は、管体１０の内部に上述した吸引流体Ｆ１を供給するためのものであり、管体１０と同一内径を有すると共に厚みが２ｍｍ以下である。これにより、この流体混合器１では、より多量の吸引流体Ｆ１を吸引して加圧流体Ｆ０に混合させることができるようになっている。流体吸引管３０は管体１０と同一内径であるので、オリフィス２０の開口径の流体吸引管３０の内径に対する比率は、管体１０の場合と同様に、例えば０．３〜０．７である。これにより、オリフィス２０の下流側を急拡大させ、第２領域１０Ｂにおける負圧の度合いを大きくすることができる。流体吸引管３０の厚みを２ｍｍ以下とするのは、流体吸引管３０通過時の流動抵抗が厚さと共に増すので、厚すぎると吸引流量が過少または吸引できなくなるからである。

流体吸引管３０は、ポリエチレンあるいはポリプロピレンなどのプラスチック，ステンレス鋼，黄銅などの金属，セラミックスまたはガラスなどの多孔質材料または多孔性膜よりなる円管である。ここに「多孔性膜」とは、多数の小孔をもつ膜をいい、小孔は例えばエッチングまたはプレス等により穿孔されたものである。多孔質材料の細孔径または多孔性膜の小孔径は、用途に応じて変えることができ、これにより微細流体粒子Ｓの流量および粒径を制御することもできる。流体吸引管３０の管体１０との連結構造は特に限定されないが、例えば、管体１０の内壁面には段差状の凹部１１が設けられ、この凹部１１により流体吸引管３０が係止されているようにすることができる。

流体室４０は、液体吸引管３０を介して管体１０の内部へ吸引流体Ｆ１が円滑に吸引されるようにするためのものであり、管体１０および流体吸引管３０を一周して、環状に設けられている。流体室４０の具体的な構成については特に限定されないが、例えば、管体１０の第１領域１０Ａと第２領域１０Ｂとの間には、管体１０を一周する間隙を有し、この間隙の管体１０内の端部に流体吸引管３０が設けられ、間隙の外側は封止部材４１で塞がれ、流体吸引管３０と封止部材４１との間の環状空間が流体室４０となっている。なお、封止部材４１の構成材料については特に限定されないが、例えば、管体１０と同様の材料により構成することができる。封止部材４１と管体１０との間には、気密用のＯリング４２を設けることが好ましい。分解が容易となり、流体吸引管３０に目詰まり等が生じた際には簡単に交換できるからである。しかし、封止部材４１は、接着剤あるいは溶接等により管体１０に直接接合されていてもよい。

流体室４０は、吸引流体Ｆ１を吸引するための吸引口４３を介して例えば後述の配管１０３に連通している。この吸引口４３には、吸入弁（図示せず）が設けられていることが好ましい。吸入弁の開度を調節することにより、発生する微細流体粒子Ｓのサイズまたは流量を変えることができるからである。

この流体混合器１では、管体１０に加圧流体Ｆ０を導くと、オリフィス２０の周りでは流路が狭いため高剪断流れとなり第２領域１０Ｂ側の静圧Ｐがエネルギー保存式（ベルヌーイの式）を満たすように低くなる。この静圧Ｐは加圧流体Ｆ０の流量がある程度大きくなると大気圧以下（負圧）となる。その結果、吸引流体Ｆ１が、配管１０３（後述の図４），流体室４０，および多孔質材料または多孔性膜よりなる流体吸引管３０を順に介して管体１０の内部に自動的に吸引（自吸）される。吸引された吸引流体Ｆ１は高剪断流れによりせん断され、加圧流体Ｆ０と混合されて微細流体粒子Ｓとして放出される。

ここでは、流体吸引管３０が、管体１０と同一内径を有しているので、オリフィス２０の下流側の第２領域１０Ｂにおける負圧の度合いが大きくなると共に、流体吸引管３０の厚みが２ｍｍ以下と薄肉なので、吸引流体Ｆ１の吸引に対する抵抗が小さくなる。よって、より多量の吸引流体Ｆ１が管体１０内に吸引され、オリフィス２０の後方に生じた高速な循環渦Ｖｘにより吸引流体Ｆ１が剪断されて加圧流体Ｆ０と混合され、微細流体粒子Ｓが多量に発生する。

この流体混合器１では、流体吸引管３０が管体１０と同一内径を有しているので、オリフィス２０下流側の第２領域１０Ｂにおける負圧の度合いを大きくすることができると共に、流体吸引管３０の厚みを２ｍｍ以下と薄肉にしたので、吸引流体Ｆ１の吸引に対する抵抗を小さくすることができる。よって、より多量の吸引流体Ｆ１を管体１０内に吸引させ、加圧流体Ｆ０と混合させることができ、多量の微細流体粒子Ｓが容易に発生する。また、オリフィス２０により加圧流体Ｆ０の圧力を急激に低下させて第２領域１０Ｂに負圧を発生させるようにしたので、球状の負圧発生体を管体内に配設するよりも、構造が簡単になり、低コストで容易に作製可能とすることができる。

羽根車２は、このような流体混合器１からの噴流によって軸３を中心に、即ち微細流体粒子Ｓの噴出方向に対して直交する面内で、自動的に回転するもので、これにより噴流の噴霧角が拡大されるようになっている。軸３は管体１０の中心軸に沿った線上にあることが望ましい。羽根車２としては、流体混合器２からの噴流により容易に回転可能な程度に軽量である必要がある。羽根車２は、高速回転を実現するために慣性モーメントの小さい材料により構成されていることが好ましく、具体的には肉厚０．５ｍｍ以下の樹脂または比重４．５以下の金属であることが好ましい。羽根車２の材料として、例えばＰＥＴ（ポリエチレン テレフタレート）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＣ(ポリカーボネート）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（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体）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ポリアミド樹脂、ポリアクリレート樹脂、ＡＢＳ樹脂、シリコン樹脂、ナイロン、ベークライト、メラミン樹脂またはフェノール樹脂などの樹脂製プロペラを用いることができる。上記のような樹脂に限らず、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、銅、ステンレス、真鍮、ジュラルミンまたはマグネシウム合金などの金属を用いることも可能であるが、中でも上記のように比重４．５以下で比較的軽量のアルミニウム、チタンまたはこれらの金属を含む合金やマグネシウム合金を使用することが好ましい。

このような羽根車２を有する本実施の形態の流体混合装置では、流体混合器１により発生した噴流によって羽根車２が自動的に、即ち、モーターなどの駆動力なしで回転する。この羽根車２の回転により噴流に遠心力が発生することによって噴霧角が拡大し、広範囲に噴霧させることができる。更には、羽根車２の羽根による剪断作用によって、微細流体粒子Ｓがより微細化される。

上記流体混合器１は噴流が遠方まで到達するという特徴を有しているものの、噴出角が小さい。そのため、従来、広範囲・広角に噴出させる必要がある場合には、その流体混合器１を複数個、同時に用いる必要があり、設備費用が嵩むという問題があった。また、固定した板に噴流を衝突させて噴霧角を拡げるという技術もあるが、このような方法では上記羽根車のような剪断作用は発生しないので、微細流体粒子をより微細化させることはできない。これに対して、本実施の形態では軽量の羽根車２を流体混合器１の下流に配置し、噴流により自動的に回転させるようにしたので、簡易な構成で、安価に噴霧角を拡大できると共に、微細流体粒子をより微細化することができる、という効果を奏する。

（実施例）
上記流体混合装置、即ち樹脂製の羽根車２を有する流体混合器１（実施例１）による噴霧量の分布を調べた。併せて、流体混合器１の下流に真鍮製の羽根車を配置した場合（実施例２）、羽根車２がない流体混合器１のみの場合（比較例）についても噴霧量の分布を調べた。

流体混合器１の管体１０へは、図４に示したように、空気圧縮機１００から配管１０１を通じて圧縮空気（Ｆ０）を供給し、流体混合器１の吸引口４３（図２）へは水槽１０２から配管１０３を通じて水（Ｆ１）を供給した。配管１０１には減圧弁１０４、圧力計１０５（ＰG ）および空気流量計１０６（ＱG ）、配管１０３には水流量計１０７（ＱL ）をそれぞれ配設した。また、管体１０の入り口および流体室４０それぞれに圧力計１０８，１０９（ＰG ）を配置し、Ａ／Ｄ変換器１１０を通じてコンピュータ（ＰＣ）１１１により各部の圧力を測定した。なお、流体混合器１の出口１０Ｃの直径７ｍｍ、オリフィス２０の直径４．５８ｍｍとし、流体吸引管３０としてファイバーポーラス多孔体を用いた。羽根車２の直径は２５ｍｍ、肉厚は０．５ｍｍとし、空気流量はＱG ＝１４０ ｌ／ｍｉｎ、水流量はＱL ＝１ ｌ／ｍｉｎとした。

羽根車２は流体混合器１の下流（真下）４ｃｍの位置に配置し、同じく流体混合器１の真下５０ｃｍの位置に多数（８５本）の試験管１１２を水平面に十文字状に並べた。

図５は、試験管１１２の補集結果に基づいて噴霧量の半径方向の分布を表したものである。この結果からも明らかなように、樹脂製の羽根車２を用いた実施例１の場合が実施例２および比較例に比べて最も噴霧量が広がり、略均一に分布していることが分かる。真鍮製の羽根車を用いた実施例２の場合は、樹脂製の羽根車２と比べて重いので慣性モーメントが大きく回転速度が遅くなる。そのため噴霧量の広がりは小さくなる。但し、金属製の羽根車であっても、例えばアルミニウム薄板のように軽量であれば、実施例１と同程度の効果を得ることができるものである。

図６は、実施例１および比較例について噴霧液滴の粒径を液浸法で測定した結果を表したものである。実施例１では羽根車２により粒径が微細化していることが分かる。なお、実施例１の場合は、液浸法では捕獲できないほど細かい霧状の液滴が漂っていたので、実際の両者の粒径の差はより大きい。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、管体１０が円管である場合について説明したが、管体１０は、オリフィス２０の形状との相対的な関係で下流側に負圧を発生できるものであれば、その形状は任意である。

加えて、例えば、上記実施の形態において説明した流体の種類、または流量あるいは微細流体粒子の発生条件などは限定されるものではなく、他の流体としてもよく、または他の流量あるいは発生条件としてもよい。例えば、加圧流体Ｆ０および吸引流体Ｆ１は、流体混合器の使用目的に応じて適宜選択されるものであり、他の気体や液体でもよい。例えば、加圧流体Ｆ０としては、上記実施の形態で説明した水のほか、空気、水蒸気、不活性ガス、酸素あるいはオゾン等の支燃性ガス、可燃性ガスまたは不燃性ガスを用いることができる。吸引流体Ｆ１は、上述した空気および洗浄剤のほか、水，消火液，ガス吸着液，殺虫剤，消毒剤，空気清浄剤，入浴剤，芳香剤あるいは消臭剤等でもよい。加圧流体Ｆ０に水、吸引流体Ｆ１に水と溶け合わない油等を用いればエマルジョンを発生できる。

この流体混合器は、一般的な噴霧、マイクロバブルの発生などにおいて、より広範囲・広角に噴出する方が効果的である場合に有効である。例えば、噴霧の場合には、気化冷却、消化、薬液散布、沈塵あるいは排ガス等のガスの吸着などに効果的であり、マイクロバブル発生では、海・湖・貯水池などの広いところで貧酸素の水に酸素を補給する場合などに効果的である。

１…流体混合器、２…羽根車、３…軸、１０…管体、１０Ａ…第１領域、１０Ｂ…第２領域、１０Ｃ…出口、２０…オリフィス、３０…流体吸引管、４０…流体室、４１…封止部材、４２…Ｏリング、４３…吸引口、Ｆ０…加圧流体、Ｆ１…吸引流体、Ｓ…微細流体粒子

Claims (3)

1. 流体流路を有する管体の前記流路の一方向から加圧された第１流体を供給して前記第１流体に負圧を発生させると共に、前記管体の側壁に設けた流体吸引口から１または複数種類の第２流体を吸入し、前記第１流体と第２流体とを混合することにより微細流体粒子の噴流を発生する流体混合器と、
   前記流体混合器により発生した噴流によって回転し、前記噴流の噴霧角を拡大する羽根車と
   を備えたことを特徴とする流体混合装置。
2. 前記羽根車は、樹脂製または比重４．５以下の金属製のプロペラである
   請求項１記載の流体混合装置。
3. 前記流体混合器は、
   長手方向の一端から加圧された流体が供給される管体と、
   前記管体内に配置され、供給された前記流体の圧力を急激に低下させて下流側に負圧を発生させるオリフィスと、
   前記オリフィスの下流側の前記管体の内側に設けられた、多孔質材料または多孔性膜よりなる流体吸引管と、
   前記流体吸引管の外側に設けられた流体室と
   を備えた、請求項１または２に記載の流体混合装置。

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