JP2015009190A - 混合器用部材および混合器 - Google Patents

Abstract

【課題】 異なる種類の流体を短時間で十分に混合することができる。
【解決手段】
管状構造体１１は、一方向Ｄに沿って配列された複数の部分管状部材４０からなるとともに、第１部分管状部材４０ｃと、第１部分管状部材４０ｃの上流側に隣接して配置される第２部分管状部材４０ｄとを有しており、第１部分管状部材４０ｃは、第１部分外面４４ｃおよび内面４５ｃに開口を有する貫通孔４６を有し、第２部分管状部材４０ｄは、第２当接面４３ｄから下流側に向けて突出した突出部５０を備え、突出部５０の外側面５２の少なくとも一部は、第１部分管路４０ｃの内面４５ｃの少なくとも一部の領域と間隙４９を介して対向する対向領域５３を有し、貫通孔４６における内面側の開口４７は、対向領域５３に対向する位置に配置され、外部流体Ｓが、貫通孔４６および間隙４９を通して管路１２に導入される混合器用部材１０を提供する。
【選択図】図５

Description

本発明は、混合器用部材および混合器に関する。

従来から、例えば反応ガスを用いて半導体材料ウエハを加工する半導体製造装置の分野や、各種化学物質を混合させる化学プラント分野、高温蒸気と低温蒸気とを混合して所望の設定温度の蒸気を得るための発電プラント分野など色々な産業分野において、気体と気体、気体と液体、液体と液体等の流体同士を混合させるための混合器が用いられている。

混合器の種類として、例えば流体と流体とを混入させた容器を回転駆動や揺動駆動させてこれら流体を混合させる、駆動機構を備えた動的混合器や、駆動機構を有さない、いわゆる静止混合器がある。

下記特許文献１には静止混合器の一例が開示されている。下記特許文献１に記載の静止混合器は、一方向に沿って複数の部分管状部材が配列されて構成された、一方向に沿って長い管路を有する管状構造体を有している。下記特許文献１の静止混合器では、複数の部分管状部材それぞれが一方向に沿って伸びた部分管路を備えており、これら部分管路が連通して一方向に沿って長い管路を構成している。また部分管状部材それぞれに、部分管状部材の外面および部分管路の内面に開口を有する貫通孔が複数設けられており、各部分管状部材の外側にある外部流体がこれら貫通孔を通って部分管路に流れ込むことで、管状構造体の管路を一方向に沿って流れる主流体と混合されるよう構成されている。

特開２００６−３２６４９８号公報

特許文献１記載の静止混合器では、部分管状部材に設けられた貫通孔のみによって、管路へ流れこむ外部流体の流れの方向が調整されている。このため特許文献１の静止混合器では、外部流体は貫通孔の方向に沿って流れ込む単調な流れとして管路内に流れ込むのみであり、このような単調な流れのみでは、外部流体は管路を流れる主流体と効率よく（すなわち、短時間で十分に）混合され難いといった課題があった。

また、主流体や外部流体として、腐食性ガスや高温の気体を流す場合など、管状構造体を例えばセラミックス等の難加工性部材で構成する必要があるが、セラミックス等に比較的複雑な形状の貫通孔を形成することはコストの面でも難しい。このため、静止混合器としてセラミックス等の材料を用いる必要がある場合などは、貫通孔の形状がより単調になってしまい、主流体と外部流体との混合効率がさらに悪くなるといった課題もあった。

上記課題を解決するために本発明は、一方向に沿って長い管路を有する管状構造体を備え、前記管状構造体の外側の外部流体を前記管路に導入して、前記管路を流れる主流体に前記外部流体を混合させる混合器用部材であって、前記管状構造体は、前記一方向に沿って配列された複数の部分管状部材からなるとともに、第１部分管状部材と、該第１部分管状部材の上流側に隣接して配置される第２部分管状部材とを有しており、前記第１部分管状部材は、前記管路の一部を構成する第１部分管路と、前記第２部分管状部材と当接する
第１当接面と、前記管状構造体の外面の一部を構成する第１部分外面と、該第１部分外面および前記第１部分管路の内面に開口を有する貫通孔とを有し、前記第２部分管状部材は、前記管路の一部を構成する第２部分管路と、前記第１当接面と当接する第２当接面と、前記外面の一部を構成する第２部分外面と、前記第２当接面よりも前記第２部分管路側に配置された、前記第２当接面から下流側に向けて突出した突出部とを備え、前記突出部の外側面の少なくとも一部は、前記第１部分管路の前記内面の少なくとも一部の領域と間隙を介して対向する対向領域を有し、前記貫通孔における前記第１部分管路の内面側の前記開口は、前記対向領域と対向する位置に配置されているとともに、前記外部流体が、前記貫通孔および前記間隙を通して前記管路に導入されることを特徴とする混合器用部材を提供する。

本発明はまた、上述の混合器用部材と、前記混合器用部材が内部に配置された外側管路を有する、前記一方向に沿って長い外側管状部材と、を備え、前記外側管路の内周面と前記混合器用部材の前記外面とは少なくとも一部が離れ、前記外側管路の前記内周面と前記混合器用部材の前記外面とで囲まれた、前記一方向に沿って連続した前記外部流体の流路を構成しており、前記流体供給部は前記外部流体を前記流路に流すことを特徴とする混合器を併せて提供する。

本発明の混合器用部材および混合器によれば、異なる種類の流体を短時間で十分に混合することができる。

本発明の混合器用部材の一実施形態である混合器用部材１０を備えて構成された、本発明の混合器の一例である混合器１の概略斜視図である。 図２（ａ）は図１に示す混合器１のＡ−Ａ´断面における断面図であり、図２（ｂ）は図１に示す混合器１のＢ−Ｂ´断面における断面図である。 図３（ａ）は図２（ａ）の一部の拡大図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の一部の拡大図である。 図４（ａ）は図２（ｂ）の一部の拡大図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の一部の拡大図である。 図５（ａ）は、混合器用部材１０が備える第２部分管状部材の斜視図であり、図５（ｂ）は、混合器用部材１０が備える第１部分管状部材４０ｃの斜視図である。 図６は、混合器用部材１０の一部を拡大して示す斜視図である。 図７は図１に示す混合器１のＣ―Ｃ´断面（図３（ａ）および図４（ａ）等を参照）における断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

混合器用部材１０は、図１に矢印で示す一方向Ｄ（図１〜６における上下方向）に沿って長い管路１２を有する管状構造体１１を備え、管状構造体１１の外側の外部流体Ｓ（図２〜図４中の矢印Ｓで流れを示している）を管路１２に導入して、管路１２を流れる主流体Ｍ（図２〜４中の矢印Ｍで流れを示している）に外部流体Ｓを混合させる部材である。以下、主流体Ｍおよび外部流体Ｓがいずれも気体の場合を例に説明するが、流体は液体でも気体でもよく特に限定されない。

混合器１は、混合器用部材１０と、混合器用部材１０が内部に配置された外側管路３を有する、一方向Ｄに沿って長い外側管状部材２とを備えている。外側管路３の内周面３Ａと混合器用部材１０の外面１０Ｂとは少なくとも一部が離れ、外側管路３の内周面３Ａと
混合器用部材１０の外面１０Ｂとで囲まれた、一方向に沿って連続した外部流体Ｓの流路３１を構成している（図２、図３、図４等を参照）。

なお、外側管路３の内周面３Aの一方向Ｄに直交する断面は円形状である。混合器用部
材１０の外面１０Ｂは、図５〜図７等に示すように、一方向Ｄに平行で内周面３Ａから離れている平面状部分１７と、外側管路３の内周面３Ａと当接している当接部分１９とを備えている。図１に示すＢ−Ｂ´断面（図３に対応）は、当接部分１９を通る断面であり、図１に示すＡ―Ａ´断面（図２に対応）は、当接部分１９以外の領域を通っている断面である。本実施形態では、平面状部分１７と外側管路３の内周面３Ａとで囲まれた領域が流路３１となっている。

なお混合器１は、主流体Ｍが封入されたガスボンベと流量調整バルブとを備えた図示しない主流体供給機構と、外部流体Ｓが封入されたガスボンベと流量調整バルブとを備えた図示しない外部流体供給機構と接続されている。

より具体的には、混合器用部材１０の管路１２の図１および図２中に示されている上側の端部が、図示しない主流体供給機構と接続されており、混合器用部材１０の管路１２の上側の端部から主流体Ｍが管路１２内に供給される。また、混合器１の流路３１の図１および図２に示されている上側の端部が、図示しない外部流体供給機構と接続されており、混合器１の流路３１の図１〜図３中の上側の端部から、外部流体Ｓが管路３１内に供給される。混合器用部材１０の管路１２の下側の端部は、例えば主流体Ｍと外部流体Ｓの混合ガスをプラズマによって分解してその分解生成物を得るための図示しない反応室と接続している。この反応室は図示しない真空ポンプ等によって排気されており、この真空ポンプによる排気の作用によって、管路１２内に供給された主流体Ｍは、図１〜図６中の上側から下側に向かう方向に沿って管路１２内を流れている。また、混合器１の管路３１の下側の端部も図示しない真空ポンプに接続されており、真空ポンプによる排気の作用によって、図示しない外部流体供給機構から管路３１内に供給された外部流体Ｓは、図１〜図６中の上側から下側に向かう方向に沿って管路３１内を流れている。なお、管路３１の例えば図１〜図６における下側端部を閉塞し、管路３１内に外部流体Ｓを満たした状態としてもよく、主流体供給機構や外部流体供給機構等の構成は特に限定されない。

管状構造体１１は、図２〜図６等に示すように、一方向に沿って配列された複数の部分管状部材４０からなるとともに、第１部分管状部材４０ｃと、第１部分管状部材４０ｃの上流側に隣接して配置される第２部分管状部材４０ｄとを有している。なお、図３および図４では、第１部分管状部材４０ｃと第２部分管状部材４０ｄの部分を抜き出して図示している。

本実施形態では、７個の部分管状部材４０（部分管状部材４０ａ〜４０ｇ）が配列されており、図２に示している最上部の部分管状部材４０ｇと最下部の部分管状部材４０ａとを除いた、５個の部分管状部材４０ｂ〜４０ｆはいずれも同様の形状を有している。なお、図６の斜視図では、混合器用部材１０のうち、部分管状部材４０ｂ〜４０ｆについて図示している。本実施形態のように、第１部分管状部材と第２部分管状部材とはいずれも同様の形状を有していてもよく、またそれぞれ異なる形状を有していてもよく、形状の詳細については特に限定されない。

部分管状部材４０ａ〜４０ｇはいずれもアルミナを主成分とするセラミックスからなる。また、外側管状部材２も一方向に沿って配列された複数の部分外側部材２０ａ〜２０ｇを有して構成されており、部分外側部材２０ａ〜２０ｇもいずれもアルミナを主成分とするセラミックスからなる。部分管状部材４０ａと部分外側部材２０ａ、部分管状部材４０ｂと部分外側部材２０ｂ、部分管状部材４０ｃと部分外側部材２０ｃ、部分管状部材４０
ａと部分外側部材２０ａ、部分管状部材４０ｄと部分外側部材２０ｄ、部分管状部材４０ｅと部分外側部材２０ｅ、部分管状部材４０ｆと部分外側部材２０ｆ、部分管状部材４０ｇと部分外側部材２０ｇは、それぞれ上述の当接部分１９において、ガラス質の接合層（図示せず）を介して接合されていると。また、一方向Ｄに沿って隣接する部分管状部材同士、および部分外側部材同士の当接部も、ガラス質の接合層（図示せず）を介して接合されている。

図３および図４等に示すように、第１部分管状部材４０ｃは、管路１２の一部を構成する第１部分管路４２ｃと、第２部分管状部材４０ｄと当接する第１当接面４３ｃと、管状構造体１１の外面１０Ｂの一部を構成する第１部分外面４４ｃと、第１部分外面４４ｃおよび第１部分管路４２ｃの内面４５ｃに開口を有する貫通孔４６とを有している。なお、第１部分管状部材４２ｃの第１部分外面４４ｃの側の貫通孔４６の開口４７は、上述の平面状部分１７に対応する領域に設けられており、管路３１を流れる外部流体Sは、開口４
７を通って貫通孔４６に流入して管路１２に向けて流れる。

第２部分管状部材４０ｄは、管路１２の一部を構成する第２部分管路４２ｄと、第１当接面４３ｃと当接する第２当接面４３ｄと、外面１０Ｂの一部を構成する第２部分外面４４ｄと、第２当接面４３ｄよりも第２部分管路４２ｄ側に配置された、第２当接面４３ｄから下流側に向けて突出した突出部５０とを備えている（図３および図４等参照）。

なお、第１当接面４３ｃおよび第２当接面４３ｄは一方向Ｄに直交し、第１当接面４３ｃは第１部分外面４４ｃに連続しているとともに、第２当接面４３ｄは第２部分外面４４ｄに連続している。一方向Ｄに沿って配置された第１部分管状部材４０ｃと第２部分管状部材４０ｄが、一方向Ｄに直交する第１当接面４３ｃと一方向にＤに直交する第２当接面４３ｄとで接合しているので、第１部分管状部材４０ｃと第２部分管状部材４０ｄそれぞれに一方向Ｄと交わる方向の余分な力が加わった場合でも、第１部分管状部材４０ｃと第２部分管状部材４０ｄに割れや欠け等が生じ難く、第１部分管状部材４０ｃと第２部分管状部材４０ｄとを比較的強固に結合しておくことができる。加えて、第１当接面４３ｃは第１部分外面４４ｃに連続し、第２当接面４３ｄは第２部分外面４４ｄに連続しており、外面１０Ｂには第１部分管状部材４０ｃと第２部分管状部材４０ｄとの間隙は現れていないので、このような間隙を作用点として、第１部分管状部材４０ｃと第２部分管状部材４０ｄとの接合部分に比較的大きな力がかかることが防止されており、第１部分管状部材４０ｃと第２部分管状部材４０ｄに割れや欠け等がより生じ難くなっている。

突出部５０の外側面５２の少なくとも一部は、第１部分管路４０ｃの内面４５ｃの少なくとも一部の領域と間隙４９を介して対向する対向領域５３を有している。本実施形態では、外側面５２の全体が対向領域５３となっている。貫通孔４６における第１部分管路４２ｃの内面側の開口４８は、対向領域５３に対向する位置に配置されているとともに、外部流体Ｓが、貫通孔４６および間隙４９を通して管路１２に導入される。

混合器用部材１０はこのように、第２当接面４３ｄから下流側に向けて突出した突出部５０を備えるとともに、貫通孔４６の内面側の開口４８は、突出部５０の外側面５２（の対向領域５３）に対向する位置に配置されているので、貫通孔４６を通って管路１２に向けて流れた外部流体Ｓは、外側面５２（対向領域５３）に当たってその流れが拡散されて、それぞれが様々な方向に向かって進む外部流体Ｓの様々な流れの成分が生じる。間隙４９は管路１２に繋がっているので、突出部５０の外側面５２に当たった後の外部流体Ｍは、間隙４９を通じて管路１２内に様々な方向で拡がっていくことができる。

また混合器用部材１０では、一方向Ｄに平行な断面において、主流体Ｍの流れのより下流側に近づくにしたがって、突出部５０の外側面５２は管路１２の中心軸Ｏに近づいてい
る（図２および図３等参照）。このため、一方向Ｄに平行な断面においては、貫通孔４６を通って管路１２に向けて流れた外部流体Ｓは、外側面５２（対向領域５３）に当たった後に、この外側面５２に沿って徐々に中心軸Ｃに近づいていく方向に流れの向きが調整される。これにより、貫通孔４６の開口４８の近傍のみでなく、管路１２の中心軸Ｃに近い部分まで外部流体Ｓを十分に拡散させることができる。

また、第１部分管状部材４０ｃは貫通孔４６を複数備えており、１つの貫通孔のみから外部流体Ｓを管路１２に流入させる場合に比べて、管路１２内により均等に外部流体Ｓを拡散させることができる。

また、管路１２の一方向Ｄに直交する断面は円形状であり、貫通孔４６はいずれも、この円形状の断面の中心Ｏ’を通る仮想直線Ｖに対して傾いている（図７参照）。このため、貫通孔４６を取って管路１２に導入される外部流体Ｓの流れは、管路１２の中心軸Ｏ’に真っ直ぐ向かう方向に流れるのみでなく、中心軸Ｏ’に近づきながらも管路１２内の周方向に沿って進むようにも流れるので、管路１２内の全体に外部流体Ｓをより均等に拡散させることができる。

このように混合器用部材１０は、第１部分管状部材４０ｃに設けられた貫通孔４６によって、さらには第２部分管状部材４０ｄの突出部５０の外側面５２によって、外部流体Ｓの流れを拡散しつつその方向を調整することで、管路１２を流れる主流体Ｍと外部流体Ｓとを効率良く（すなわち、短時間で十分に）混合することができる。

また、第２部分管状部材４０ｄに突出部５０を設け、第１部分管状部材４０ｃの貫通孔４６の開口４８の位置を調整しておくのみで、主流体Ｍと外部流体Ｓとを効率良く混合することができるので、セラミックス等の難加工性の材料を用いた場合も、複数の流体を効率よく混合させるこができる混合器を比較的安価に構成することができる。また、本実施形態の混合器用部材１０は、７個の部分管状部材４０（部分管状部材４０ａ〜４０ｇ）のうち、上端の部分管状部材４０ｇと下端の部分管状部材４０ａとを除いた５個の部分管状部材４０ｂ〜４０ｆは、いずれも同様の形状を有しているので、複数の部分管状部材４０ｂ〜４０ｄを同一の金型を用いて安価に製造することができる。さらに、複数の部分管状部材を一方向に沿って並べるのみで、短時間で容易に混合器用部材を組立てることができる。また、部分管状部材の積層数を調整することで管状構造体の全体の長さを容易に調整することも可能であり、設計自由度も高く、様々な種類の用途に適用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の各種実施形態に限定されるものでない。例えば部分管状部材の材質や形状、外側管状部材の材質や形状等は特に限定されない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよいのはもちろんである。

１ 混合器
２ 外側管状部材
３ 外側管路
３Ａ 内周面
１０ 混合器用部材
１０Ｂ 外面
１１ 管状構造体
１２ 管路
１７ 平面状部分
１９ 当接部分
２０ａ〜２０ｇ 部分外側部材
３１ 流路
４０ａ〜４０ｇ 部分管状部材
４２ｃ 第１部分管路
４２ｄ 第２部分管路
４３ｃ 第１当接面
４３ｄ 第２当接面
４４ｃ 第１部分外面
４４ｄ 第２部分外面
４５ｃ 内面
４６ 貫通孔
４７、４８ 開口
４９ 間隙
５０ 突出部
５２ 外側面
５３ 対向領域
Ｄ 一方向
Ｍ 主流体
Ｏ 中心軸
Ｓ 外部流体

Claims (8)

1. 一方向に沿って長い管路を有する管状構造体を備え、前記管状構造体の外側の外部流体を前記管路に導入して、前記管路を流れる主流体に前記外部流体を混合させる混合器用部材であって、
   前記管状構造体は、前記一方向に沿って配列された複数の部分管状部材からなるとともに、第１部分管状部材と、該第１部分管状部材の上流側に隣接して配置される第２部分管状部材とを有しており、
   前記第１部分管状部材は、前記管路の一部を構成する第１部分管路と、前記第２部分管状部材と当接する第１当接面と、前記管状構造体の外面の一部を構成する第１部分外面と、該第１部分外面および前記第１部分管路の内面に開口を有する貫通孔とを有し、
   前記第２部分管状部材は、前記管路の一部を構成する第２部分管路と、前記第１当接面と当接する第２当接面と、前記外面の一部を構成する第２部分外面と、前記第２当接面よりも前記第２部分管路側に配置された、前記第２当接面から下流側に向けて突出した突出部とを備え、
   前記突出部の外側面の少なくとも一部は、前記第１部分管路の前記内面の少なくとも一部の領域と間隙を介して対向する対向領域を有し、前記貫通孔における前記第１部分管路の内面側の前記開口は、前記対向領域と対向する位置に配置されているとともに、前記外部流体が、前記貫通孔および前記間隙を通して前記管路に導入されることを特徴とする混合器用部材。
2. 前記一方向に平行な断面において、
   前記主流体の流れのより下流側に近づくにしたがって、前記突出部の前記外側面は前記管路の中心軸に近づいていることを特徴とする請求項１記載の混合器用部材。
3. 前記第１当接面および前記第２当接面は前記一方向に直交し、
   前記第１当接面は前記第１部分外面に連続しているとともに、前記第２当接面は前記第２部分外面に連続していることを特徴とする請求項１または２記載の混合器用部材。
4. 前記管路の前記一方向に直交する断面は円形状であり、
   前記貫通孔は、前記断面の中心を通る仮想直線に対して傾いていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の混合器用部材。
5. 前記第１部分管状部材は、前記貫通孔を複数備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の混合器用部材。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の混合器用部材と、
   前記混合器用部材が内部に配置された外側管路を有する、前記一方向に沿って長い外側管状部材と、を備え、
   前記外側管路の内周面と前記混合器用部材の前記外面とは少なくとも一部が離れ、前記外側管路の前記内周面と前記混合器用部材の前記外面とで囲まれた、前記一方向に沿って連続した前記外部流体の流路を構成しており、前記流体供給部は前記外部流体を前記流路に流すことを特徴とする混合器。
7. 前記外側管路の前記内周面の前記一方向に直交する断面は円形状であり、
   前記混合器用部材の前記外面は、前記一方向に平行で前記内周面から離れている平面状部分と、前記外側管路の前記内周面と当接している当接部分とを備えていることを特徴とする請求項６記載の混合器。
8. 前記第１部分管状部材の前記第１部分外面の側の前記貫通孔の前記開口は、前記平面状
   部分に対応する領域に設けられていることを特徴とする請求項７記載の混合器。

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