JP2012187496A - 流体混合装置 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2011052585A JP2012187496A (ja) | 2011-03-10 | 2011-03-10 | 流体混合装置 |
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WO2014075440A1 (zh) * | 2013-06-16 | 2014-05-22 | Lu Luhua | 泡沫抑尘转运系统及泡沫箱组件 |
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-
2011
- 2011-03-10 JP JP2011052585A patent/JP2012187496A/ja not_active Withdrawn
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