JP2533742B2 - 流体混合装置及び混合方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は流体を混合する装置と方法に関する。

従来技術 工業的プロセスの多くは異なる流体を混合したりまた
は一つの流体を他の流体に希釈することを伴うものであ
る。例えば、いろいろな水の取扱過程において使用され
る液体の高分子電解質（liquid polyelectrolyte）は、
ときどき工業用の応用のために、一般的に１に対して20
0の容量比で水に希釈される。しかしこの比は変更され
得る。希釈のために要求される水の量が多量であるの
で、高分子電解質のみを移送し、現場で混合するように
すると必要以上高価にならない。というのは、移送コス
トが実質的に縮小されるからである。多くの液体高分子
電解質は一般的に、高い粘性を有し且つ（または）混合
を抑制するような化学的性質を有する水との混合は容易
ではない。他の実例では、あるプロセスでは、流体を使
用する前にはその流体が均質になるように、その単一の
流体を混合することもある。

一般的に、液体高分子電解質と水のような二つの異な
る流体が混合される時には、互いの流体は、初め純粋に
それ自身からなる領域内にあり、純粋に他の流体からな
る領域によって囲まれている。それらの流体を混合する
ために、それらの領域は一緒にされる。混合表面領域は
上記の二つの純粋領域の間で現れる。混合は、分子が一
つの純粋領域から他の純粋領域に侵み込むようにして起
こる。これは前述の混合表面でのみ起こり得る。従っ
て、単位体積当たりの混合表面領域が増加するにつれ
て、希釈中の流体の特定の体積に対して混合を促進させ
る。一般的に、一つの流体の単一の体積がもっと小さい
体積に分割されるにつれて、単位体積当たりの全体の表
面領域は増加する。

混合表面領域を増やすことは、希釈中の流体に対して
剪断力を加えることによって達成される。この剪断力
は、流体の一部に作用すると、他の部分より異なる速さ
でその一部を動かすようになり、単一の純粋領域を容積
的に小さい複数の領域に分割する。結果として、特定の
流体の体積に対して単位体積当たりの混合表面積は増加
される。

剪断を引き起こすにはいくつかの方法がある。剪断を
引き起こす一つの方法は、その流体内で何らかの部材を
引き回すことである。これにより、機械的に純粋領域を
分割することができる。これはスプーンでオイルと酢を
かき混ぜることと同様である。流体に剪断を引き起こす
他の方法は、流体中に乱流を発生させることである。乱
流は違った速度と方向に流体流を発生させ、同時に違っ
た方向に純粋領域の部分に作用を引き起こし、これによ
り、より小さい純粋領域を作り出し、このようにして流
体の単位体積当たりの混合表面領域を増加させる。液体
の高分子電解質のように流体が高い粘性を持つ時、より
小さい領域に分割することはもっと扱いにくい。したが
って、混合はもっと難しい。

粘性の高分子電解質流体を水に希釈することが必要と
なるような応用分野では、その混合溶液は実質的に均一
でなければならない。さらに、混合することは短い時間
でなされるべきである、というのは、その混合物が“古
く”ならしめるような保管場所を必要とすること無しに
すぐに使用され得るからである。

液体高分子電解質と水を混合するための装置は、USP
4,886,368（発明者:L.トニー キング）に開示されてい
る。この特許は、二つの流体を“塗りつける”（smea
r）装置を記述している。彼は、厚い部分を作ること無
しに、水中に薄い膜としての液体高分子電解質を注入す
ることにより、単位体積当たりの混合表面領域を増加す
るようにした。'368特許中では、駆動軸が円筒上のチャ
ンバー内で回転する。駆動軸の外側の周囲に溝が設けら
れてチャンバーの長さに延びている。チャンバの壁と駆
動軸の外径と間の空間は小さく、0.005インチのオーダ
ーである。水はチャンバに導入され、駆動軸上で溝を通
って流れチャンバの後から流れ出る。液体高分子電解質
は駆動軸とチャンバの中間点でチャンバ内に半径方向か
ら導入される。チャンバの壁と駆動軸との間の環状の間
隙領域は小さい。'368特許では、水と高分子電解質とは
一緒に“塗りつけられた”状態になると述べている。す
なわち、高分子電解質の薄い膜と水の薄い層が一緒に圧
縮され混合される。

発明の概要 本発明の混合機は、高い粘性の流体を均一な溶液に効
率良く混合する装置を供給する。この混合装置は流体が
実質的に均一であるように澄んだ単一の流体も混合でき
る。混合装置は凝集や塊りにすることなしに混合過程の
いろいろな所ですべての粘性の流体に十分に高い剪断圧
力を与える。ここで用いる「流体」という言葉は流れる
ことが可能な任意の物質ということであり、純粋な液体
だけでなく流体に懸濁した固体をも含むものである。

本発明の目的は、粘性流体を均一の液体に混合する混
合装置を提供することにある。短い時間で均一の溶液を
供給する混合装置を提供することが発明の他の目的であ
る。水と液体高分子電解質を均一の溶液に混合する混合
装置を提供することが発明の他の目的である。粘性流体
を混合すること無しには装置を通過することを許さない
混合装置を提供することが発明の他の目的である。本発
明の混合装置はロータとケースとを有する。内孔がロー
タの長さに延びている。混合用導管が内孔からロータの
外側に通じる。ロータはケース内で回転できるように設
けられている。ケースの端に高分子電解質と水の取入口
が、ケースの他端に導出口が設けられている。高分子電
解質と水はロータが回るにつれて取入口を通して導入さ
れる。流体はロータの内孔を通して流体圧力によって押
しやられる。流体圧力と遠心力は流体を混合用導管を通
して流れさす原因となる。最後に、流体圧力は混合物を
導出口から押し出される。流体は内孔に入り、混合口か
ら出ていく時に剪断圧力を与えられる。チャンバ内のす
べての段階で、流体は乱流にさらされる。スリーブはロ
ータの周囲のケース内に設けられる。スリーブは取入口
を囲むが、しかし導出口は囲まない。スロットはスリー
ブに沿ったポイントに置かれる。流体が混合用導管を出
るにつれて、ロータによってスリーブ内で回転させられ
る。流体は流体圧力によってスロットから押し出され、
そこで剪断力を受け、さらに混合が促進する。従って、
混合物は導出口をでる時、混合物は実質的に均一となっ
ている。

図面の簡単な説明 発明の具体的実例となる図面である。

図１は本発明の混合装置の好ましい実施例の部分断面
正面図を示す。

図２は図１の混合装置の正面図である。

図３は図１の混合装置のロータの正面図である。

図４は図３の４−４線に沿った断面図である。

図５は図３のロータの斜視図である。

図６はスリップを取り出した側面図である。

図７は図６のスリーブの正面図である。

図８は水と液体高分子電解質を混合するための実用上
の操作に使われる混合機の概略図である。

発明の詳細な説明 図１は本発明の混合機１の好ましい実施例の部分断面
正面図を示す。混合機１は、円筒状ケース２の内部で回
転できるように設けられたロータ62を有する。円筒状ケ
ース２は中心に開口部を有し、混合機１の外部壁の輪郭
を画定する。ケース２は304ステンレススチールのよう
な非腐食性の材料からなる。ケース２の壁はケース２の
前端３から後端４まで延び、ケース２内の空間をすべて
取り囲んでいるロータチャンバ６を画定する。ケース２
の壁の一部は、前端３と後端４の両端においてケースの
軸から放射状にフランジがつけられ、これが前フランジ
８と後フランジ10を形成する。前フランジ８と後フラン
ジ10はおのおの前面8a,10aと後面8b,10bを持つ平面リン
グである。フランジ8,10は、等しい外径と、ボルトを取
り付けが可能な程度の厚みを有する。放射状の混合物を
取り出すための開口部12はケース２の上部付近の後端４
に近い壁に開口されている。混合物取り出しパイプ13は
混合物取り出し開口部12に設けられている。上述のよう
に混合物取り出し開口部12は、混合された流体高分子電
解質や水に対して導管として働くものである。

ケースの壁に近い位置の前フランジ８の前面8a内と後
フランジ10の後面10b内には夫々環状の溝14a,14bが設け
られている。溝14a,14bの中心はケース２の軸と一致し
ている。上述のように溝14a,14bはＯリング22a,22bがそ
の内部に保持され、そして、Ｏリング22a,22bは夫々、
前フランジ８と前プレート16の間の接合部と後フランジ
10と後プレート18の間の接合部とをシールしている。

ケース２の前端３と後端４は、各々、前プレート16と
後プレート18によって覆われている。前プレート16は、
ケース２の前フランジ８の外径と同じ寸法の外径を持つ
前面16aと後面16bを持つ平円板である。前プレート16は
幾つかの等間隔の点（図２の６つのボルト20）において
ケース２の前フランジ８にボルト締めされる。Ｏリング
22aは、混合機１から前フランジ８と前プレート16の間
から流体が流れるのを妨げる。

前プレート16には二つの取入口がある。第１の取入口
24は水の取入口として働き、第２の取入口26は高分子電
解質の取入口として働くものである。ここで用いる流体
としては、流体中に懸濁された固体を含む任意の流れる
物質を含む。二つの取入口を設けた例が好ましい実施例
中で示されるが、混合機１は、取入口を更に追加しても
等しく作用するので３またはそれ以上の流体も混合する
ことができることは理解されるべきである。さらに、単
一の取入口は、単一の流体を混合してそれを実質的に均
一にするために使うことができる。水の取入口24は、実
質的に、高分子電解質の取入口26の径よりも大きい。図
に示した実施例では、水の取入口24の径は高分子電解質
の取入口26の径の２倍である。水の取入口の結合部28は
水の取入口24と接続され、前プレート16の前面16aのに
設けらている。同様に、高分子電解質の導入チューブ30
が高分子電解質の取入口26に接続され、前プレート16の
前面16aの設けられている。

水の取入口24は、前プレート16とは必ずしも同心では
ないものの、それの中心付近に位置している。高分子電
解質取入口26はケース２の壁の近くに位置し、高分子電
解質取入口26はケース２の軸と壁との間にある。

環状の前部ノッチ32aが前プレート16の後面16bに位置
している。前部ノッチ32aの中心はケース２の軸と一致
している。前部ノッチ32aの内径は水の取入口24と高分
子電解質取入口26の両方を完全に囲っている。前部ノッ
チ32aの外径はロータチャンバ６内を囲っている。上述
のように、前部ノッチ32aはケース２内でスリーブ42を
支持するために使われる。

ケース２の後端４は後プレート18によって覆われてい
る。後プレート18は、ケース２の後フランジ10の外径と
同じ寸法の外径を持つ前面18aと後面18bを持つところの
平円盤である。Ｏリング22bは後フランジ10と後面10b内
の後溝14内に位置され、そしてケース２の後フランジ10
と後プレート18の接合部をシールするように、後面10と
後プレート18をぴったりと結合させている。したがっ
て、流体は後フランジ10と後プレート18の間で漏れるこ
とはない。

シールフッティング（footing）34は後プレート18に
設けられる。シールフッティング34は、ケース２の軸と
同軸の円筒状のカップ壁40とベース38と後プレート18の
前面18aの開口36とを有した円筒状のカップである。シ
ールフッティング壁40は開口36から後プレート18の後面
18bに向けてベース38まで伸びている。ベース38は開口3
6のシールフッティング壁の末端に設けられている平板
円である。ベース38には環状の駆動軸ホール39が設けら
れている。駆動軸ホール39の中心はケース２の軸と一致
している。駆動軸56は駆動軸ホール39を通して後方より
ケース２内で軸方向に回転する。以下に述べるように円
筒状シール74が駆動軸56の回りのシールフッティング34
内に設けられている。

後プレート18の後面18aに環状の後部ノッチ32bが設け
られている。後部ノッチ32bの中心はケース２の軸と一
致する。後部ノッチ32bの外径はシールフッティング34
の開口36を囲んでいる。後部ノッチ36bはケース２の軸
から同じ距離に位置する。前部ノッチ32aと後部ノッチ3
2bは共にケース２の軸から同じ距離に位置しているの
で、円筒状のスリーブ42はケース２と同軸に設けられて
いる。

図1,6,7で示される円筒状のスリーブ42は、304ステン
レス鋼のような非腐食性の材料からなる薄い壁のチュー
ブである。スリーブ42はロータチャンバ６内に設けられ
ている。スリーブ42の端は前部ノッチ32aと後部ノッチ3
2b内にきつくフィットしている。スリーブ42はケース２
と同軸であり、ロータチャンバ６よりも小さな径を持っ
ている。従って、混合ゾーン44がケース２の壁とスリー
ブ42の間に作り出される。

前部分46aと後部分46bとを有する駆動軸ハウジング46
は後プレート18の外側に設けられている。駆動軸ハウジ
ング46はケース２内と同軸で円筒状である。駆動軸ハウ
ジング46の前部分46aが放射状にフランジ形成されて駆
動軸フランジ48となり、この駆動軸フランジ48は後プレ
ート18と後フランジ10と同じ外径を持つ。後フランジ1
0、後プレート18と駆動軸フランジ48はいくつかの等間
隔な点において一緒にボルト締めされる。

駆動軸ハウジング46とケース２と同軸で、駆動軸ハウ
ジング46の長さを有した駆動軸チャンバ50が設けられて
いる。駆動軸チャンバ50は、前部分46aにおいてシール
フッティング34を包み込むために充分な大きさを有す
る。駆動軸ハウジング46が後プレート18の外部に設けら
れる時は、シールフッティング34は駆動軸ハウジング46
の前部分46aの駆動軸チャンバ50内に位置する。シール
摩耗検出ホール52は、シールフッティング34のベース38
の後面38aの真下の駆動軸ハウジング46の前部分46aに位
置する。

駆動軸チャンバ50の半径は駆動軸ハウジング46の後部
分46bで狭められている。ボールベアリングサポート54
が後部分46bの中心部に駆動軸チャンバ50内に設けられ
ている。

駆動軸56は、ケース２の軸に対して自由に回転するよ
うに、ボールベアリングサポート54を備える。ボールベ
アリングサポート54はケース２の軸線から駆動軸56がた
わむことを妨げる。

駆動軸56は、ケース２の軸に沿い、ロータチャンバ
６、シール74、シールフッティング34のベース38内に駆
動軸ホール39とそして駆動軸チャンバ50を貫通し、駆動
軸ハウジング46の後端を越えた所で終端している。ロー
タチャンバ６内の駆動軸56の部分で駆動軸56の外径に設
けられるキー58は、駆動軸56から放射方向に突き出して
いる。以下に述べるように、キー58はロータ62を駆動軸
56に関する回転から妨げる。

駆動軸56は1100rpmで回転させる馬力のモータ60と接
続される。モータ60は図に示すように駆動軸56を回転さ
せる。任意の回転手段が本発明で使用することができ
る。

実質的に円筒状のロータ62（図３〜５に示される）
が、ケース２のロータチャンバ６内のスリーブ42内で駆
動軸56と同軸に設けられている。ロータ62の外径は、円
筒状の混合領域64がスリーブ42の内壁とロータ62の外壁
との間に形成されるように、スリーブ42の内径より（約
８分の１インチ）も小さくなっている。ロータ62はロー
タチャンバ６ほど軸方向に長くない。従って、前置ロー
タキャビティ66と後置ロータキャビティ68とが、ロータ
62、スリーブ42とそして前プレート16と後プレート18と
の夫々の間に形成される。

ロータ62は前端62aと後端62bを持つ。ロータ62の前後
端62a,62bにおいて、夫々の端部に位置する円筒状の穴
によって前カップ70と後カップ72が形成される。カップ
70,72は駆動軸56より大きい外径を持ち、ロータ62と同
軸である。

シール74はシールフッティング34に設けられる。シー
ル74はシールフッティング34の壁40の内側に位置してい
る円筒状チューブである。シール74は駆動軸56を包み込
むが、その回転を妨げることはない。シール74は、シー
ル74と後カップ72の間に流体が流れないように、ロータ
62の後カップ72と密封するように嵌合している。

駆動軸56は、後カップ72で、シール74の前で後カップ
72内で嵌合するフランジを形成する。それはロータ62が
駆動軸56に沿って滑り下がるのを防いでいる。ワッシャ
ー76は前カップ70に嵌合している。ボルト78が駆動軸56
の端に締め付けられている。ボルト78は前カップ70に対
してワッシャー76を保持し、故に駆動軸56の前からロー
タ62を滑り外れるのを防いでいる。

等しい半径の環状断面区画を持つ円筒状の内孔88は、
ロータの軸と平行にロータ60の全体の長さに延びてい
る。内孔88は、高分子電解質の取入口26と同じようにケ
ースの軸から離れた所に位置する。従って、ロータ62が
回転すると、各々の内孔88は、周期的に高分子電解質取
入口26に直接隣接して一列に並ぶことになる。

図２は混合機１の正面図である。ボルト20は前プレー
ト16の周囲に沿って等しく一定の間隔をおいて離間して
いる。前プレート16はスタンド80の上で締められてい
る。スタンド80は、ユーザが混合機１を操作しようと考
える場所、例えば仕事場の床のようなところにボルト締
めされる。水の取入口結合部28は前プレート16の中心付
近に設けられる。高分子電解質導入チューブ30は水の取
入口結合部28の直接上部で、水の取入口結合部28より前
プレート16の外径近くに設けられる。図で示した例で
は、取入口は垂直に配置したが、流体がロータ62の前の
ロータチャンバ６内に即ち前置ロータキャビティ66内に
導入される限りは、取入口24,26はケース２または前プ
レート16内の任意の位置に配置してもよい。

図３はロータ62の正面図である。据え付け孔82がロー
タの中心に配置され、円筒状の据え付けチャンバ84を形
成している。据え付けチャンバ84はロータ62と同軸で前
カップ70か後カップ72まで延びでいる（図４）。実質的
に矩形の断面部を持つ溝であるところのキー溝86がロー
タ62内に刻まれて、そして据え付けチャンバ84の外径に
配置されている。キー溝86は駆動軸56のキー58より少し
大きい。ロータ62が駆動軸56上に設けられている時、キ
ー58はキー溝86内に嵌合し、そして駆動軸56は据え付け
チャンバ84内に嵌合する。

６つの内孔88はロータ62の長さに延びている。それら
内孔88の中心は、他の内孔から60度の等間隔になってい
る。内孔88は、ロータ62がケース２内に位置するとき
は、それら内孔が高分子電解質取入口26と同じくケース
の軸から等距離の所に配置されるように、ロータ62内の
一点において位置する。内孔88の直径は、前カップ70、
後カップ72のどれともオーバラップしない程度の、そし
て、内孔がロータ62の外側の円筒状の壁まで延びない程
度のものである。好ましい例として、６つの内孔88を使
用したが、違った数の内孔でも本発明は充分使用でき
る。

図４は図３の４−４線に沿ったロータの断面図であ
る。それぞれの内孔88からロータ62の外側の混合領域64
につながるところの複数の混合用導管90が設けられてお
り、図では５つの混合用導管90が示されている。混合用
導管90は直接内孔88からロータの外側につながり、ケー
ス２の軸に対して垂直に延びている。混合用導管90の数
が多すぎると短絡の可能性が増大するので多くすべきで
はない。特に高分子電解質は完全に混合されないうちに
高分子電解質取入口26から混合物導出用開口部12に滑り
抜けるかもしれない。この問題は、図に示す例では、高
分子電解質が内孔88内で所定の距離移動しなければなら
ないので、避けられる。

図５は図３のロータ62だけを取り出した斜視図であ
る。内孔88から通ずる混合用導管90の中心はロータ62の
長さに沿って均等間隔に設けられる。混合用導管90の中
心はロータの外側の円筒状の壁に沿って延びているロー
タ62の軸に平行な直線に位置する。

図６はスリーブ42だけを取り出した側面図である。ス
リーブ42に３つのスロット92が設けられ、それぞれのス
ロット92は実質的に矩形をしており円周方向よりも軸方
向に長い。好ましい例ではおおよそ10対１である。スロ
ット92はスリーブ42の軸方向に沿って等間隔に配置され
る。

図７は図６のスリーブ42だけを取り出した正面図であ
る。図７に示されるように、スロット92は等角度で配置
されている（すなわち、スリーブ42の周囲に沿って120
度ほど離れている。） 図８は、高分子電解質の処理／送りシステムで使用さ
れる混合機１の概略図である。混合機１はモータ60の隣
のスタンド80に設けられる。モータ60は結合用ケース94
内で駆動軸56と結合される。計量可能な第１の計量ポン
プ（metering pump）96は高分子電解質導入チューブ30
に接続され、高分子電解質の流れを調節する。このポン
プ96は可変スピードのDCモータによって駆動される排水
ポンプ（positive displacement pump）であるが、十分
能力があるならば任意のポンプ手段を用いてもよい。35
psigで0.25〜30gpmの典型的な水の供給が水の取入口結
合部28に接続される。

図８に、混合物導出パイプ13が、混合された流体を保
存する保存用タンク100に接続されていることが示され
ている。マイクロプロセッサーのようなコントロール要
素と結合したコントロールパネル102が、混合される流
体の割合が調節されるように、計量ポンプ96、モータ6
0、保存用タンク100と結合している。さらに保存用タン
ク100が一杯になると、システムは自動的に閉じられ
る。混合流体は保存用タンク100から第２の計量ポンプ1
01に供給される。この第２の計量ポンプは混合された流
体を工程に供給する。代替案として、混合物導出パイプ
13から混合された流体が、保存用タンクを使用すること
なく、直接連続的に工程に供給されるようにすることも
できる。

図８のシステムを操作するには、コントロールパネル
102を使ってモータ60をオンする。それによって図１の
混合機１内の駆動軸56が回転する。駆動軸56が回転する
と、駆動軸56に固定されて設けられたロータ62が回転す
る。水がその圧力と流速で結合部28に導入される。水の
入口の速度は水導入結合部28上でバルブ104によって調
整される。水圧が水導入結合部28上のレギュレータバル
ブ106によって測定される。流速は水導入結合部28上の
スロットリングバルブ98によって測定される。

水導入結合部28を通過した水は水の取入口24に入る。
水は、第１の取入口24を通過した後は前置ロータキャビ
ティ66に入いる。このキャビティ内では、水は前プレー
ト16、スリーブ42、ロータ62と接触する。ロータ62は回
転しているので、水は、前置ロータキャビティ66内でう
ず巻き始める。導入される水の圧力によって水が押さ
れ、ロータ62を通して、内孔88を沿って、混合用導管90
からロータチャンバ６を満たしていく。

高分子電解質のような希釈される流体は、流体の高分
子電解質の供給体から計量ポンプ96により第２の導入チ
ューブ30に吸い出される。高分子電解質の流速は、計量
ポンプ96を調節するコントロールパネル102から注意深
く調整される。高分子電解質は第２の導入チューブ30に
通して流れ、第２の取入口26を通り、前置ロータキャビ
ティ66のうず巻いている水に流れ込む。高分子電解質の
粘度は変化するので、例えば、典型的な体積比で高分子
電解質１に対して水200ぐらいの高分子電解質はうず巻
いている水にゆっくりと導入される。これは水の中に高
分子電解質の細い流れを作り出す。それによって、高分
子電解質と水の間の混合表面領域を単位体積当たりにお
いて増加させ、このようにして混合を促進させる。

さらに高分子電解質と水が前置ロータキャビティ66に
導入されるにつれて、流体はロータチャンバ６の後方に
押しやられていく。混合物は混合物導出パイプ13から流
れ出る。この導出流はロータチャンバ６の後方で圧力を
減少し、そしてそれによって流れはロータチャンバ６の
前方から後方にかけて増加する。

うず巻いている混合物は、前置ロータキャビティ66か
らロータ６の内孔88の中に、内孔88の長さ方向に沿って
押しやられる。混合物が内孔88に入るにつれて、夫々の
内孔88の端が混合物を剪断し、流体の球を粉砕しなが
ら、それによって、流体の混合を促進する。内孔88の回
転は、内孔に流体を押しやりながら、ロータ62の中心の
周りに流体を回転させる。この回転は流体に遠心力を受
けさせる。この遠心力は、流体を、混合用導管90からロ
ータ６の外側の円筒状の壁とスリーブ42の間の混合領域
64内に押し込む。流体は、混合領域64内に入るにつれ
て、混合用導管90を通過しながら混合用導管90の端で剪
断される。この剪断は、まだ水と混合されていない高分
子電解質の液滴を粉砕することによって、混合を増大さ
せることとなる。

それぞれの内孔88内の流体は非常に攪乱され、結果と
して混合をさらに進める。この攪乱は、内孔88の壁との
摩擦により、前置ロータキャビティ66からのさらなる流
体の導入による遠心力により、混合用導管90から出てく
る流体の流れにより、生じる。

混合用導管90を出ると、流体はスリーブ42とロータ62
により画定される混合領域64内に入る。ロータ62の回転
はロータチャンバ６の周りに流体を引きずる攪乱を作り
出す。スリーブ42は静止している。これが流体を剪断
し、高分子電解質の液滴を粉砕し、混合を増大させる高
い攪乱流パターンを作り出す。

ロータ62の前部62aの近くの混合用導管90を出た混合
物は、ロータの後部62bの方へ進行し、ロータ62の後部
の混合用導管90を出てくる混合物と混合される。このこ
とが、混合過程の違った段階からの混合物が一緒に混合
されることになるので、混合を増加させることになる。

混合用導管90を出てくる流体はスリーブ42内で回転さ
れる。さらに混合用導管90から流体が出てくるにつれ
て、流体はスリーブ42のスロット92から押し出される。
スロット92の端が再び流体を剪断することになる。流体
はそれから混合ゾーン44内でロータチャンバ６の後部に
前進する。流体がこのようにして前進するにつれて、別
のスロット92から出てきた流体と混合され、攪乱流にさ
らされることになる。これはさらに混合を増大させる。

最後に、ロータ６の後部近くにおいて、この段階では
実質的に均一であろう混合された流体が混合物導出開口
部12からでてくることになる。そして、直接的に化学プ
ロセスか又は保存用タンク100に導入される。

液体高分子電解質は、混合が混合機１内の多くの場所
で異なった態様で行なわれるので、完全に水に混合させ
ることになる。初めは、高分子電解質は、早い速度で水
がかき混ぜられているところの前置ロータキャビティ66
内の水の中にゆっくりと導入されながら、希釈される。
それから流体は内孔88をでるにつれて、それぞれの内孔
の端によって剪断される。内孔88内で流体は回転する乱
流に巻き込まれ、混合をさらに増大させる。流体が混合
用導管90に入ったり、出たりするにつれて、それらは再
び剪断される。ロータ62とスリーブ42の間の混合領域64
において、流体は、回転するロータ62と静止しているス
リーブ42の間でトラップされたときに、再び乱流にさら
される。流体は混合物導出開口部12に向けて流れるにつ
れて混合用導管90から出てくる流体と混合され、結果と
してさらに混合される。流体はスリーブ42のスロット92
を通して流れるので、再び剪断される。流体がケース２
の壁とスリーブ42との間の混合領域44内を後方に向けて
流れるにつれて、スリーブ内の後方のスロット92から流
れ出る別の流体と混合される。流体は混合物導出開口部
12に向けて混合領域44内を流れるにつれて、乱流にさら
され、さらに混合される。この混合の結果として流出し
た流体は実質的に均一となる。

Claims (20)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも第１の流体と第２の流体を混合
   するための装置であって、 中空の円筒状のケースと、 ケースの中空部分に設けられた第１の流体と第２の流体
   を注入するための導入手段と、 このケース内でこのケースと同軸に回転自在に設けられ
   た駆動軸と、 このケースと同軸でケース内の前記駆動軸に固定して設
   けられた円筒状ロータと、 このケースに固定して設けられ、ケースと同軸であり、
   前記ロータと導入手段を囲む円筒スリーブと、 前記ロータの軸に平行で前記ロータの長さの主要な部分
   を通して延びた少なくとも２つの円筒状の内孔と、 各々の内孔からロータの外壁に通じる少なくとも１つの
   導管と、 前記スリーブ内の少なくとも１つのスロットとを具備す
   る混合装置。
2. 【請求項２】前記ケースが、第１の端と第２の端と、前
   記第１の端に設けられた前プレートと第２の端に設けら
   れた後プレートとを有する円筒状チューブを具備するこ
   とを特徴とする請求項１の混合装置。
3. 【請求項３】前記ロータは、前記チューブの前記第１の
   端と前記ロータの間に前置ロータキャビティが形成され
   るように、前記チューブより小さい径であることを特徴
   とする請求項２の混合装置。
4. 【請求項４】前記導入手段は前記前プレートに位置する
   ことを特徴とする請求項２の混合装置。
5. 【請求項５】この混合装置から混合された流体を移送す
   るための導出手段をさらに具備し、 この導出手段は前記円筒状のチューブ内の前記第２の端
   近くに位置していることを特徴とする請求項２の混合装
   置。
6. 【請求項６】前記ロータは６つの円筒状の内孔を有し、
   各々の内孔は５つ導管を有することを特徴とする請求項
   １の混合装置。
7. 【請求項７】前記スリーブに３つのスロットを有し、夫
   々のスロットは隣接するスロットから120度離れてお
   り、スリーブの長さに沿って等間隔で離間していること
   を特徴とする請求項１の混合装置。
8. 【請求項８】前記導入手段は、第１の流体のための第１
   の入口と第２の流体のための第２の入口都を有し、前記
   第１の入口はケースの軸から内孔と同じ距離離れている
   ことを特徴とする請求項１の混合装置。
9. 【請求項９】前記第１の流体は水であり、前記第２の流
   体は液体高分子電解質であることを特徴とする請求項１
   の混合装置。
10. 【請求項１０】前記ロータの内孔はこのロータの全体の
    長さ延びていることを特徴とする請求項１の混合装置。
11. 【請求項１１】さらに駆動軸を回転させる手段を有する
    ことを特徴とする請求項１の混合装置。
12. 【請求項１２】少なくとも第１の流体と第２の流体を混
    合するための装置であって、 側壁と、第１の円形端壁と第２の円形端壁とを有する円
    筒状チャンバとを具備する中空のケースと、 前記ケース内でこのケースと同軸に回転自在に設けられ
    た駆動軸と、 この駆動軸を回転させる手段と、 前記チャンバ内で同軸に配置され前記駆動軸に設けられ
    た円筒状ロータであって、前記ロータと前記第１の端壁
    との間に少なくとも１つの前置ロータキャビティが設け
    られるように、前記チャンバよりも全ての方向で小さい
    寸法である円筒状ロータと、 前置ロータキャビティ内に第１の流体と第２の流体を注
    入するための導入手段と、 前記ロータと前記導入手段とを囲む前記ケース内で同軸
    に設けられた円筒状スリーブであって、前記ロータとこ
    のスリーブとの間で混合領域が形成され、このスリーブ
    と前記側壁との間に混合ゾーンが形成されるうにされた
    前記円筒状スリーブと、 前記ロータの軸に平行に延びた少なくとも１つの内孔で
    あって、前記前置ロータキャビティからこの前置ロータ
    キャビティの末端のチャンバ内の一点に通じた少なくと
    も１つの内孔と、 前記内孔から前記混合領域に通じ、前記チャンバの軸に
    垂直に延びる少なくとも１つの導管と、 前記スリーブ内の少なくとも１つのスロットと、 前記側壁の前記前置ロータキャビティの末端に位置する
    導出手段とを具備することを特徴とする混合装置。
13. 【請求項１３】前記導入手段は、前記第１の流体ための
    第１の入口と前記第２の流体のための第２の入口とを有
    し、これらの第１と第２の入口は前記第１の円形端壁に
    配置されていることを特徴とする請求項12の混合装置。
14. 【請求項１４】前記第１の入口は前記ケースの軸から前
    記内孔と同じ距離離れていることを特徴とする請求項13
    の混合装置。
15. 【請求項１５】少なくとも１つの流体を混合するための
    装置であって、 前端，後端と側壁とを有する円筒と、 この円筒の軸に平行で前記前端から前記後端を通して延
    びる少なくとも２つの内孔と、 前記内孔に前記流体を注入する手段と、 それぞれの内孔から円筒の側壁の外側まで通じる円筒内
    の少なくとも２つの導管とを具備し、 流体の混合は前記シリンダが回転するにつれて内孔内で
    生じ、前記流体が前記導管を通して側壁の外側へ通過す
    るにつれて生じることを特徴とする混合装置。
16. 【請求項１６】さらに円筒を囲む中空のケースを有し、
    そして前記導管は前記円筒の軸に垂直に延びることを特
    徴とする請求項15の混合装置。
17. 【請求項１７】第１の端と第１の端の末端の第２の端と
    を有する円筒状チャンバを画定する中空のケースと、 前記チャンバ内で前記ケースと同軸に回転するように設
    けられた駆動軸と、 前記チャンバの前記第１の端に位置する取入口と前記チ
    ャンバの前記第２の端に位置する導出口とを有する流体
    の取入口と、 前記チャンバ内の前記駆動軸に設けられたロータであっ
    て、前記チャンバの前記第１の端から第２の端まで至り
    チャンバの軸に平行に延びる内孔を有し、さらにロータ
    は内孔からケースのチャンバに至る導管を有し、前記チ
    ャンバの第１の端と第２の端との間に位置した前記ロー
    タとを具備し、 流体が前記取入口から前記導出口に進む時、流体の実質
    的な量は内孔とロータの導管を通り抜けることを特徴と
    する流体混合機。
18. 【請求項１８】前記取入口は前記チャンバの軸から内孔
    と同じ位置にあることを特徴とする請求項17の混合機。
19. 【請求項１９】少なくとも２つの流体を混合する方法で
    あって、 第１の流体を第２の流体に導入し、結合した流体を作り
    出す工程と、 この結合した流体を、ロータの軸に平行に延び、円筒状
    ロータ内に位置する内孔に注入することにより、結合し
    た流体を剪断する工程と、 ロータを回転させることによって内孔内で結合した流体
    を混合する工程と、 導管の軸は内孔の軸に垂直であり、内孔から通じる導管
    に結合した流体を移送することにより結合した流体を混
    合する工程と、 結合した流体をロータが回転する時に導管から移送する
    ことにより、結合した流体を剪断する工程と、 固定された円筒状のスリーブと回転するロータとの間で
    結合した流体を処理することにより結合した流体を混合
    する工程と、 結合した流体をスリーブのスロットを通して移送するこ
    とにより結合した流体を混合する工程とからなることを
    特徴とする流体の混合方法。
20. 【請求項２０】前記第１の流体を第２の流体に導入する
    時に、前記第２の流体をうず巻かせる工程をさらに有す
    ることを特徴とする請求項19の混合方法。