JP4369999B2 - 混合装置 - Google Patents

Description

本発明は混合装置に関する。
混合の操作は、一般に２つの異なる作用：分散混合（dispersive mixing）および分配混合（distributive mixing）を含むと理解されている。分散混合において、混合される材料の各部分は、固体であれ流体であれ、加えられた応力によって変化したジオメトリー（geometry）をそれぞれ有する。これは、一般に各部分の平均寸法を減少するとともに、その数を増加することとなって現れる。分配混合においては、材料の各部分は、固体であれ流体であれ、互いに関して、種々の材料の部分の分配に関して空間的な均一性を得るために、一緒にブレンドされる。従って、良好な混合操作は通常、分散および分配混合作用の両方が起こることを必要とする。
分配混合は、主に混合装置のジオメトリーの関数であり、公知のミキサーは、一般に、ランダムな分配混合または組織化された（または規則的な）分配混合のいずれかを与える２つの一般的なタイプに分類される。ランダムな分配ミキサーは、材料をランダムに攪拌することによって混合を行い、タンブルブレンダーおよびリボンブレンダーのような公知のミキサーを含む。一方、組織化された分配ミキサーは、幾何学的にコントロールされるシーケンスであって、材料を分割すること、再配向させること、および再結合することのシーケンスを規則正しく繰り返すことによって混合を行い、静的混合装置（スタティック・ミキサー）およびキャビティ・トランスファー・ミキサー（cavity transfer mixer）を含む。
対照的に、分散混合は主に、材料に加えられる力、圧力、応力およびひずみの関数である。一般に、分散混合において必要とされる材料の寸法の減少は、材料に応力を加えることによって達成される。この加えられた応力は、通常、圧縮応力、引張応力、または剪断応力の形をとる。流体材料を混合するために、応力を与える方法として広く実施されている方法は、剪断を適用することによるものであった。それは、機械によって２つの相対的に移動する表面と接する流体中に存在する抵抗力を用いることによって、剪断を容易に実施できるためである。そのようなミキサーには、例えば、密閉式のローター／ステーター・ミキサーが含まれ、当該ミキサーにおいて、材料はローターとステーターの表面の間で剪断される。剪断応力を加えることはまた、互いに対して移動していない１つまたは複数の面の上で、例えばチャンネルの壁の間で、流体材料を押し進めることによっても実施され得る。この場合、流体において十分な剪断応力を生成することがなお可能であるが、それは、面上で流体を進ませるために、何らかの形態のポンピング（pumping；または吸入排出）エネルギーを与えることによってのみ可能である。尤も、別のメカニズム、即ち、伸張流または拡張流（extensional flow）のメカニズムは、実際には剪断応力よりもずっと大きくなり得る圧縮応力および引張応力に流体材料をさらすことが可能であると長い間認識されている。
伸張流は、引張または圧縮応力下に流体をさらす面の間で流体を押し進めるために、流体が加圧されることを必要とする。そのような面は、流れている材料がその流路に沿って質量保存則により加速または減速される場合には、一般に流れの方向に向き、あるいは、流れている材料が、例えば衝突により流体の運動量が変化することによって減速され、従って圧縮される場合には、一般に流れの方向を横切るように向く。従って、分散のために伸張流を基礎として作動するように意図された公知のミキサーは、上流側に配置された高圧ポンプの形態の外部の加圧手段を必要とするものであった（ポンプが必要であることは、上述したように移動しない面の間での剪断流（shear flow）を基礎として作動するミキサーにも同様に当て嵌まる）。混合される材料の所定部分が応力を加えるサイクルに何回か付される必要がたびたびある場合、ミキサーを経由して伸張流および剪断流を与えるために必要とされる全体の圧力が極めて高くなり得ることは明らかである。更に、伸張流および剪断流が最大限の効率で、即ち、最小限の圧力損失で生じることを確保するようなミキサーを設計する必要があるが、それは比較的高価である。
本発明の目的は、上述の不都合を回避する、または軽減する混合装置を提供することである。
本発明によれば、材料を混合する混合装置であって、
１つまたは複数のフロー・チャンネル、ならびに少なくとも２つの部材であって、
一方が他方の内部に偏心的に取り付けられてそれらの間でチャンバーを規定しているか、あるいは軸方向に取り付けられて向かい合うそれらの面の間でチャンバーを規定している部材であって、互いに対して回転可能であり、それにより材料を前記フロー・チャンネルおよびチャンバーを通過させるポンピング力（pumping force）を生成し、それにより前記フロー・チャンネルおよび／または前記チャンバー内で材料を応力下にさらし、その結果、伸張−分散混合（extensional-dispersive mixing）および／または剪断−分散混合（shear-dispersive mixing）を生ぜしめる部材
を含む装置が提供される。
好ましくは、装置は更に、材料を分配混合させるようになっている。
ミキサーは、好ましくは、材料が１組のチャンネルから別の組のチャンネルへポンピング（pumping）される（または送られる）ように構成された個々のチャンネル部材により規定される複数の応力発生（stress-inducing：または応力誘導）フロー・チャンネルを少なくとも２組含む。
ポンピング力は、２組の前記応力誘導フロー・チャンネルを通過する聞及び／またはそれらの間で、材料に与えることができる。
チャンネルは、互いに平行であるか、収束している（または先細りである）か、あるいは拡散している（または拡がっている）側部を有し、いずれのチャンネルもミキサーの単一のチャンネル規定部材内に全部含まれていてよく、あるいは１つのチャンネル部材の面内に形成され、ミキサーの他の要素（例えばもう１つのチャンネル規定部材）の隣接する面によって境界付けられていてよい。チャンネルは、例えば、概して同心の部材内の放射状（または半径方向）のチャンネルであってよく、軸方向に並べられた部材内の軸方向のチャンネルであってよい。
チャンバーは好ましくは、ミキサーのチャンネル規定部材の間に設けられ、ランダムな分配混合ならびに剪断−分散混合および伸張−分散混合を混合成分に与える。チャンバーは、例えば、同心の又は偏心した面の間の環状の空間であってよく、あるいは、平行な又は平行でない面の間の軸状の空間であってよい。チャンバーは、チャンネル部材が接触することになり得るように、十分に小さいものであってよい。
ポンピング作用は、例えば、遠心力または抵抗力に起因するものであってよく、あるいは、滑り羽根型回転ポンピング、ギアポンピング、またはピストンポンピングのような容量形ポンピングの形式であってよい。
本発明の好ましい態様において、逆流混合を実施するための手段が設けられ、当該手段においてチャンネル（またはチャンネルの組の間のチャンバー）内のフローの方向は、チャンネル（またはチャンバー）にわたる圧力差の方向が反転した結果、ポンピング・サイクルの一部の間、逆になる。逆方向で生じるフローの量は、チャンネル（またはチャンバー）の構造単独で、あるいはそれが関連してコントロールされ、チャンネル（またはチャンバー）において、ある方向のフローは、それが反対の方向である場合に比べてより大きな抵抗を受ける。この場合において、チャンネル（またはチャンバー）は、一方の方向において、他方の方向に流れる場合と比べて、より多量のフローを通過させるバルブとして作用するように設計することができ、また、同時に材料に対して適当な混合作用を与え得る。別法として、逆方向において生じるフローの量は、一方の方向におけるポンピング効果が他方向のそれよりも大きくなるように、ポンピング作動機構を設計することによりコントロールしてよい。この逆流は、混合ユニット内での滞留時間を増加させる点において有利な効果を有し、それにより、混合作用に付す回数は材料のどの部分についても増加する。本発明の幾つかの実施態様においては、混合操作が実質的に静的であるように、混合の間中、いずれの方向においても正味のフローがなくてもよい（ミキサーは共通の入口／出口を有してもよい）。
本発明の装置は、単一の材料、または流体および固体の混合物を含む複数の異なる材料、あるいは、実際には流体に類似するように挙動し得る固体だけを混合するために用いることができる（本明細書において、「混合」なる用語は、混合分野（または混合を用いる産業）にわたって使用されるものであり、例えば、材料をより小さい構成要素に粉砕するための分散混合があり、これは、より小さいそれらの構成要素を全体としての材料に分配する分配混合と組み合わせてよい）。
次に本発明の実施態様を、添付した図面を参照して、例を挙げて説明する：
図１は、本発明の第１の実施態様の混合装置の断面側面図である；
図２は、図１の実施態様の断面端面図である；
図３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅおよび３ｆは、別のタイプの種々のチャンネル構造の拡大図である；
図４は、図１の混合装置に対する改変を図示する、断面側面図である；
図５は、本発明の第３の実施態様の断面側面図である；
図６は、図５の混合装置の断面端面図である。
図１および２を参照して、例示のミキサーは、ローター１とローターシャフト２とを含み、ローターシャフト２は、外部の手段（図示せず）によって駆動され、入口１３と出口１４とを有する概して円筒形のハウジング３の内部に取り付けられる。２個の固定されたステーターリング４（各々が、半径方向応力誘導（または半径方向応力を引き起こす）チャンネル５の組を規定する）は、ハウジング３の内部で支持される平面６に取り付けられ、そして、点Ｘを通る軸を中心とし、かつこれに垂直である（図２を参照のこと）。ローター１は、半径方向応力誘導チャンネル８の組を規定する単一のローターリング７を含み、ローターリング７は、点Ｙを通る軸を有するローターシャフト２を中心とする（図２を参照のこと）。ローターリング７は、ローターの軸に対して垂直な平面９上にて支持される。
ローター１の回転軸は、ステーターリング４の同心軸に対して平行であり、距離ＸＹだけずれている。この結果、ローターリング７はステーターリング４に対して偏心して回転する。ローターリング７は、内側のステーターリング４の外面と外側のステーターリング４の内面との間に取り付けられた複数の羽根１０を有する。羽根１０は、ローターリング７に対して半径方向に、ステーターリング４に対して円周方向に滑動可能であり、軸方向に延在して、片側でローターの平面９に対して、ならびにもう片側でステーターの平面６に対して滑動する。
ローターリング７、ローター平面９、ステーターリング４、ステーター平面６、および羽根１０の面の組合せは、ステーターリング４間に規定される環状チャンバーの内部にてローターリング７の各側にそれぞれ存在する１組の内側および外側コンパートメント（区画または区分）１１を取り囲むように働く。即ち、２つのコンパートメント１１が、隣接する羽根１０のそれぞれの対の間に規定され、また、ローターリング７と内側ステーターリング４との間に内側コンパートメント１１が、また、ローターリング７と外側ステーターリング４との間に外側コンパートメント１１が規定される。ローターリング７が回転すると、各コンパートメント１１は、それと共にそれぞれの羽根１０の間で回転し、各コンパートメントの体積は、ステーターリング４に対するローターリング７の偏心によって、コンパートメントが回転するにつれて連続的に増加し、また、減少する。従って、各コンパートメント１１が膨張する時に材料がこのコンパートメント１１に引き込まれ、コンパートメントが収縮する時に放出されるというポンピング動作が提供される。材料は、隣接するリングに半径方向に配置されたチャンネル５および８を主に通って各コンパートメントに入り、そして出るが、ローターリング７とステーター平面６との間ならびにステーターリング４とローター平面９との間の環状空間１２を通って材料の流れが生じ得、その量は制御可能である。
運転の際に、混合されるべき材料が、入口１３を通って入り、内側ステーターリング４内のフロー・チャンネル５を通って、膨張する内側コンパートメント１１（これは、内側ステーターリング４と回転しているローターリング７との間に規定される）に半径方向に引き込まれる。同時に、内側ステーターリング４とローターリング７との間に規定される、収縮する内側コンパートメント１１は、ローターリングのフロー・チャンネル８を通って、ローターリング７と外側ステーターリング４との間に規定される外側コンパートメント１１に材料を半径方向にポンピングする（または送る）。収縮する内側コンパートメント１１のポンピング動作に加えて、ローターリング７と外側ステーターリング４との間に規定される外側コンパートメント１１が膨張すると、材料は、また、チャンネル８を通って引き込まれる。このようにして、内側コンパートメント１１の収縮とこれに対応する外側コンパートメント１１の膨張との組合せによって、材料は、それぞれの対の羽根１０の間に規定される各対の内側および外側コンパートメント１１の間のローターリング７を通って半径方向外側に向かって流れる。同様に、ローターリング７と外側ステーターリング４との間に規定される外側コンパートメント１１が収縮すると、材料は、外側ステーターリング４内に規定されるチャンネル５を通って出口１４を有する環状部にポンピングされる。このようにして、材料は、単にローターリング７の回転によって、装置を通って入口１３から出口１４に連続的にポンピングされる。
図１および２に例示されるチャンネル５および８の各々の断面積は、半径方向外側に向かう方向に収束する（または次第に減少する）。各チャンネル５／８におけるこの収束は、チャンネル内に含まれる材料に伸張応力および剪断応力を与え、これにより、材料を伸張−分散および剪断−分散混合の組合せに供する。応力の量は、各チャンネル５および８のジオメトリー（または形状寸法）と、各チャンネル５および８にかかる圧力差によって生じる流量との両方に関連する。例えば、チャンネルのジオメトリーは、伸張および／または剪断応力の程度を変化させるように選択され得る。例えば、チャンネルは、伸張応力がほぼゼロにまで減少し、剪断−分散混合のみがチャンネル５および８の内部で起こるような形状とすることもできる。
チャンネル５および８によって提供される伸張−分散および剪断−分散混合に加えて、材料がステーターリング４とローターリング７との間を通ることによる分配混合もまた存在する。即ち、各内側コンパートメント１１が、内側ステーターリングの各チャンネル５から材料を連続して受け取り、よって、ローターリング７内の各チャンネル８が、内側ステーターリングの各チャンネルから材料を受け取る。更に、各外側コンパートメント１１から出口１４を有する環状部へ送られる材料は、それぞれのコンパートメント１１が回転するにつれて、外側ステーターリング４の各チャンネル５に分配される。従って、入口１３を通って入る材料は、内側ステーターリング内の全てのチャンネル５を通って分配され、内側ステーターリング４内の各チャンネル５を通過する材料は、その後、ローターリング７の全てのチャンネルに分配され、ローターリング７内の各チャンネル８を通過する材料は、外側ステーターリング４の全てのチャンネル５に分配される。
また、ステーターリング４に対するローターリング７の回転によって、コンパートメント１１の内部で生じるいくらかの剪断分散と、コンパートメント１１の「テーパー」ジオメトリーに起因するいくらかの伸張−分散混合とが存在する。
加えて、ミキサーを通るネット・フロー（または正味の流れ）は、上述のように入口から出口１４であるが、各コンパートメント１１が収縮する時に、半径方向内側および外側の両方に向かうポンピング力が存在し、各コンパートメント１１が膨張する時も同様に、ミキサーの半径方向外側および半径方向内側部分の両方から材料が引き込まれることが、理解されるであろう。これもまた有用である。より詳細には、図１および２に例示される各チャンネル５／８を通る材料フローは、チャンネルのジオメトリーと材料との間の相互作用の結果、半径方向内側方向によりも、半径方向外側方向により大きい。この相互作用は、材料の粘度、材料−表面の影響、ならびに流れの速度の大きさおよび方向を含む多数の要因の関数である。半径方向外側に向かうバイアスは、ミキサーの入口１３から出口１４へ半径方向外側に向かう方向の、材料のネット・フローをもたらす。しかしながら、図示したジオメトリーにおいては、ローター１の一回転の一部の間に、材料は半径方向内側に向かっても流れることができるので、材料が逆方向で混合作用に付される逆混合が起こる。この逆混合作用は、ミキサー内での材料の滞留時間を増加させ、特に、生じる積極的な混合の量を増加させるように機能する。ミキサーを通過する材料のどの部分をも、全体として効率的なポンピングを用いる場合に得られるであろうよりも多い回数で混合エレメントに通過させるからである。しかしながら、例示した構造は、必要な量の分散混合を達成するためにチャンネルを通して材料を押し進めるのに必要なポンピング効率性と、ミキサー内での必要な滞留時間を達成するために所望されるポンピングの非効率性との間でバランスさせることが必要である。
従って、図１および２に例示されるミキサーを通る材料フローの方向についてのバイアス（または偏り）は、チャンネルの構造によって著しく影響を受け得る。図３ａ〜３ｆは、いくつかの別法のチャンネル構造を例示し、この構造においては、材料フローの方向を、矢印で示す方向で主に上に向かうものとした。図３ａは、図１および２に例示されるタイプの半径方向に収束するチャンネル１５を示す。図３ｂは、傾斜したチャンネル１６を示し、この場合、ディスクの回転方向がチャンネル内のフローの方向性に影響する。図３ｃは、半径方向に収束するチャンネル１７を示し、この場合、内側端部の面積が外側端部のそれよりも大きく、よって、一方向のフローにもう一方よりも大きい抵抗を与える。図３ｄは、半径方向に収束／発散する対のチャンネル１８を示し、この場合、内側端部の面積が外側端部のそれよりも大きく、よって、一方向のフローにもう一方よりも大きい抵抗を与える。図３ｅは、傾斜を有し、半径方向に収束するチャンネル１９を示し、この場合、ディスクの回転方向がチャンネル内の流れの方向性に影響する。図３ｆは、ばねで力が加えられる（ｓｐｒｉｎｇ−ｌｏａｄｅｄ）ボールバルブ２０を有するチャンネル２０を示し、この場合、半径方向内側に向かう方向の流れを防止するように、ボールが穴に着座し、他方、半径方向外側に向かう方向のフローを可能にするために、ボールがその位置から離れてばねの圧力に抗して移動する。これらの図において図解した形状は、例示の目的のみであって、他の構造形状が可能であることが理解されるであろう。例えば、優先的な流れ方向を引き起こすか、あるいは与えるために、多くの別のバルブ作用（または流れ調節作用）、例えば、本来的なバルブ調節（ｐｏｓｉｔｉｖｅ−ｖａｌｖｉｎｇ）、またはダイアフラムバルブタイプの仕切り（またはゲーティング）技術、または渦を起こす技術、または流体拡大（ｆｌｕｉｄ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）技術を用いることができる。
図１および２に示される一般的な構造において、チャンネル５および８を適切な位置に配置し、寸法決めることによって、ミキサーを通る優先的なフロー方向を確立することも可能である。例えば、膨張する全てのコンパートメント１１に対して、隣接する内側リングのチャンネルを、隣接する外側リングのチャンネルよりも大きい寸法としてよく、これに対して、収縮する全てのコンパートメント１１に対しては、この逆とする。高いポンピング効率のための別のアレンジメントは、膨張するコンパートメントに隣接する外側リングに、また、収縮するコンパートメントに隣接する内側リングにチャンネルを配置しないことである。
図１および２を参照して、放射状のチャンネル５および８が、ローターリング７と各ステーターリング４の内部においてそれぞれ全体的に取り囲まれて示されることに留意されたい。別のアレンジメントを図４に示し、ここでは、各チャンネル５および８は、それぞれのリング４および７の軸方向に外側（または軸から離れる方向）の端部（またはエッジ）にて規定される。従って、各チャンネルは、そのそれぞれのリングの内部において全体的に取り囲まれず、隣接する平面６または９によって少なくとも片側にて境界付けられている。図２に示す断面端面図は、図４にあてはまり、図３に例示される一般的なチャンネル構造も同様である。
また、チャンネルは、その軸に垂直な断面が円形に制限されないことに留意されたい；例えば、楕円形または長円形断面などの曲がっているが円形ではない断面、または、矩形断面などの１つ以上の平坦または直線的な側部を有する断面もまた本発明の実施態様としてあてはまる。実際に、後者のタイプの非円形断面の使用は装置の製造を簡素化し得、また、更なる混合利点、例えば、チャンネルのジオメトリーとチャンネル内での材料の流れ特性とに追加の自由度が与えられることにより剪断応力および伸張応力が増加し得る。
更に別の改変として、図４に示されるチャンネル５は、環状部、即ち単一の環状応力誘導フロー・チャンネルを形成するために、円周方向に本質的に連続して形成され得る（これは、本実施態様において羽根１０によって仕切られる）。
本発明の実施態様のもう１つの例において、図５および６は、主な軸方向フローを有する混合システムを図解し、材料は入口部２２にて入り、出口部２３にて出る。この例におけるミキサーは、ハウジング２６の内部に取り付けられたローターシャフト２４（これは、何らかの外部の手段（図示せず）によって回転的に駆動される）を含み、このローターシャフト２４にローターディスク２５が同心上に配置され、ハウジング２６は、３つの同心上に配置されたステーターディスク２７を含む。各ローターおよびステーターディスクは、軸方向に整列された応力誘導フロー・チャンネル２８、例えば、図３に示されるタイプのフロー・チャンネルを含み、この場合、各チャンネルが、それぞれのディスクの内部で全体的に取り囲まれているか、あるいは、ディスクの周囲に配置され、ハウジングの内面は取り囲む面を形成する。この例においては、ステーターディスク２７は、ローターシャフト２４の回転軸に対して垂直な面上に取り付けられ、他方、ローターディスク２５は、ステーターディスク２７の面に対して傾斜した面上に配置される。ローターディスク２５は互いに平行なものとして示されるが、これは必須ではなく、別のアレンジメントが等しく可能である。各ステーターディスク２７は、ローターシャフト２４の外面とハウジング２６の内面との間に取り付けられた複数の羽根２９を含み、羽根２９は、ローター２４の表面に対して軸方向に、ハウジング２６に対して円周方向に滑動可能である。羽根２９は、ステーターディスク２７内に配置されたスロットの内部から軸方向に延在し、これにより、ローターディスク２５の面に対して滑動する。
ローターディスク２５、ステーターディスク２７、ローターシャフト２４、ハウジング、および羽根２９の面の組合せは、コンパートメント３０の組を取り囲むように働く。ステーターディスク２７に対してローターディスク２５が平行でないために、ローターディスク２５が回転すると、各コンパートメントは連続的により大きくなり、また、より小さくなる。従って、各コンパートメント３０が膨張する時に材料がこのコンパートメント３０に引き込まれ、コンパートメントが収縮する時にこのコンパートメント３０から放出されるというポンピング作用が提供される。材料は、隣接するディスクの内部に軸方向に配置されたチャンネル２８を通って各コンパートメントに入り、そして出るが、制御可能な量の材料フローが、ローターディスク２５とハウジング２６との間に規定される環状空間を通って生じ得、これにより、チャンネル２８以外の空間の内部での混合を提供する。
図５に示されるジオメトリーにおいては、羽根２９は、個々の羽根の構造と、隣接するコンパートメント３０間の円周方向移動フローが混合のために所望される程度とに依存して、各羽根と各ローターディスク２５の傾斜面との間の滑動動作の線に沿って、各コンパートメント３０を密封しても、しなくてもよいことが理解されよう（例えば、各羽根は、複数の隣接する個々に滑動可能なセクションを含み得る）。
運転の際に、各チャンネル２８から軸方向に入る材料は、ステーターディスク２７とローターディスク２５との間のコンパートメント３０を通って、隣接するディスクの内部に含まれるチャンネル２８に連続して実質的に分配される。得られる分散および分配混合作用は、図１および２の半径方向流式混合の例において前述したものと同様である。
従って、図５および６の軸方向流式ミキサーは、ミキサー装置内でポンピング動作が混合動作と組合される、本発明の可能な実施態様の広い範囲を例示する。しかしながら、ポンピング動作は、これらの例にて説明した羽根タイプに限定されず、他のタイプのポンピング、例えば容量形ポンピング（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｐｕｍｐｉｎｇ）、遠心ポンピング（ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｕｍｐｉｎｇ）、または前進流ポンピング（ｄｒａｇ−ｆｌｏｗ ｐｕｍｐｉｎｇ）など（但し、これらに限定されない）の別の手段を具体化するものを等しく含み得る。実際、図１、２および４の実施態様では、ローターリング７の回転による上述のポンピング動作に加えて、ある量の遠心ポンピングが起こると考えられる遠心ポンピングの程度は、ミキサーの構造と混合する材料とに依存し、低粘度の材料および高い回転速度の場合に比較的実質的なものとなり得る。
本発明に従ってミキサーに組み込まれ得る別のポンピング動作の例として、図１、２および４のミキサーは、羽根を取り除くだけで遠心ポンピングを提供するように容易に改変され得る。そのようなアレンジメントでは、ローターリング７が回転すると、各半径方向フロー・チャンネルに含まれる材料は、材料を半径方向外側に向かう方向に押し進める遠心力に供され得る。よって、材料が、上流のステーターのフロー・チャンネル５およびチャンバーから、ローターのフロー・チャンネル８に引き込まれ、その後、外側の（下流の）チャンバーおよびステーターのフロー・チャンネル５に押し進められるというポンピング動作が提供される。また、ローターリング７とステーター平面６との間ならびにステーターリング４とローター平面９との間の環状空間を通る制御可能な材料フローが存在し得る。
そのような遠心ポンピング・ミキサーでは、ローターリングとステーターリングとの間に規定されるチャンバーに存在する材料は、ローターリング７とステーターリング４との間の過酷な剪断作用に供され、また、応力誘導チャンネル内で生じる応力（応力の程度はチャンバーの相対的寸法によって部分的に影響を受ける）に加えて、チャンバーが周方向にテーパー形状になっていることに起因する伸張フローに供されることが理解されるであろう。別法では、ステーターおよびローターリングは、互いに同心状に（即ち、ＸＹのずれを実質的にゼロにまで減少させて）取り付けられてよく、この場合、依然として遠心ポンピングが存在するが、テーパー形状でなくなったチャンバーの内部では著しい伸張−分散混合は存在しない（所望であれば、そのような実施態様において分配混合を増強させるために、羽根を設けてよい）。また更なる改変例として、同心状のステーターおよびローターリングが、互いに接触して滑動するように寸法決めされてよい。
図１、２および４の羽根を有するタイプのミキサーに関して説明した構造細部および操作細部の多くが、上述の遠心ポンピングの改変に等しく適用されることが理解されるであろう。
更なる別法として、図１、２および４のミキサーは、前進流（または推進流）ポンピングを提供するために改変され得る。この場合、ローターリング７の偏心取り付けを維持してよいが、好ましくは羽根は省略される。ローターリング７が、ステーターリング４に対して偏心して回転すると、その間に規定される環状チャンバーは、膨張領域および圧縮領域を含むことになる。混合すべき材料が十分に高い粘度を有する場合、ローター７の動きによって材料に与えられる推進力は、材料を圧縮領域から隣接する半径方向フロー・チャンネルを通って外にポンピングするのに十分となる。図２に示すものと同様のアレンジメントでは、一連の交互に存在する圧縮および膨張領域が、半径方向で効果的にもたらされる。半径方向フロー・チャンネル５および８が、一方向に対してもう一方の方向よりも優先的に半径方向フローを偏らせることが可能である場合、ミキサーを通る材料のネット・フローが得られる。
他のポンピング・メカニズム（またはポンピング・メカニズムの組合せ）を利用する別の構成が、適当な当業者には容易に構成されるであろう。
図示されるミキサーの例は、限定された数の混合段階を図解することに留意されたい。２つ以上の混合段階が、付加的なローターおよびステーターステージの手段によって提供されてよく、あるいは、より少ない段階が、例えば、リングの数を１つのステーターリングと１つのローターリングとに減少させることによって、設けられてもよいことは、本発明の要旨である。例えば、図１に示される半径方向流式ミキサーは、２つのステーターリングと１つのローターリングを含む。追加の数のローターリングおよびステーターリングが、この数に加えられてよく、この時、各ステーターリングは、他のステーターリングと概して同心状であり、ステーターディスクの同じ面上にあり、一般に各ローターリングは、他のローターリングと同心状であり、ローターディスクの同じ面上にあり、また、ローターリングおよびステーターリングは、半径方向に存在する交互の層を図１に示される一般的様式で形成する。図５を参照しながら、２つのローターリングと３つのステーターリングが示されるもう１つの例が考慮され得る。追加の数のローターリングおよびステーターリングを、ローターの回転軸に沿った位置にて装置に追加でき、そして、ローターディスクとステーターディスクとが互い違いに軸に沿って配置される。
従って、本発明は、単一の混合装置内に複数の混合段階が存在することを可能にすることが示される。個々のステージが、他のステージと同一体積の材料を含まなくてよいことは、本発明のもう１つの要旨である。この体積の変動は、図２に例示され、この場合、連続するリング間に規定される環状チャンバーに含有される材料の体積は、リングの直径の増加の結果として、半径方向で増加する。この特徴は、混合操作における特定の段階の後または前に混合システムに導入される材料（例えば、希釈流体）の付加的なストリームと共に操作される際の、混合システムの性能を考える場合に重要である。例えば、図１に示されるタイプの多段階（またはマルチステージ）ミキサーにおいては、入口を通って混合システムに入る材料の、ある程度の初めの混合を達成するために、第１段階が用いられ、他方、第２段階に配置される注入口３１での材料の添加は、そのような材料が初めに混合された材料と一緒に混合され、出口部へ送られることを可能にする。連続する段階にて体積が膨張するという特徴によって、連続的混合段階にて材料が供されている個々の混合作用を著しく変えることなく、混合システムが材料の体積増加に対処できる。
段階間で異なる体積を提供する混合システムの性能の別の特徴として、反対の状況が、先行する段落で説明した半径方向流式混合システムにあてはまり得る、即ち、反対方向（即ち、半径方向内側に向かう方向）のフローを、例えば中間段階にてミキサーから材料が引き出されるような状況で、使用できる。ここで、フロー方向の反転が、上述のチャンネルの向きの反転によりポンピング作用を反転することによって達成され得ることに留意すべきである。
また、個々の混合装置のポンピングおよび混合性能を、ローターの回転速度または混合装置のジオメトリー（より詳細には、ステーターに対するローターのジオメトリー上の関係）を調節することによって、操作の前、または操作の間に変え得ることも、本発明の特徴である。例えば、図１および２の半径方向流式ミキサーにおいて、ステーターに対するローターの偏心量は、ポンピング流量に影響し、従って混合効率に影響する：この偏心は恒久的に設定されてよく、よってミキサーの最終的な性能を確立し、あるいは、一時的に設定されてよく、この場合には相対的なポンピング性能および従って混合性能を設定できる。図２に示される例においては、この一時的な調節は、ローターの軸をステーターの軸に向かってより近くに動かすことを要し、これによって、装置のポンピング効率が減少するが、例えば、恐らく装置の分配混合能力を増強させる。図５および６に示される例においては、性能に対するバリエーションは、ステーターディスクに対するローターディスクの傾きを変えることによって同様に達成され得る。
本発明は、例えば化学、食品、ヘルスケア、医薬、石油化学、およびポリマー産業などの混合を要する全ての産業に亘って、流体混合の全ての領域における用途を有する。また、本発明は、固体混合の領域における用途を有し、この場合、そのような固体は、付与される力に本質的に流体に似た様式で応答するとみなすことができ、あるいは、固体が全体として流体（または流体および固体の任意の組合せ）に類似する様式で挙動できる程度まで、固体が細分化される。

Claims (32)

1. 材料を混合するための混合装置であって、１つまたはそれ以上の応力発生フロー・チャンネルと、一方が他方の内部にて偏心して、それらの間にチャンバーを規定するように取り付けられた少なくとも２つの部材とを有して成り、これら部材は相対的に回転可能であり、それによって、フロー・チャンネルおよびチャンバーに材料を通過させるポンピング力を生成し、それによって、該フロー・チャンネルおよび／または該チャンバー内で材料を応力下にさらし、その結果、伸張−分散および／または剪断−分散混合を生ぜしめる装置。
2. それぞれのチャンネル部材によって規定される複数の応力発生フロー・チャンネルを少なくとも２つの組で有して成り、チャンネル部材は、１つの組の応力発生フロー・チャンネルまたは各応力発生フロー・チャンネルからもう１つの組の１つまたはそれ以上の応力発生フロー・チャンネルに材料がポンピングされるように構成されている、請求項１に記載の混合装置。
3. 前記少なくとも２つの部材の少なくとも１つが、前記チャンネル部材の１つを含んで成り、前記応力発生フロー・チャンネルの２つの組を通過する間および／またはそれらの間で材料にポンピング力が与えられるようになっている、請求項２に記載の混合装置。
4. 材料を連続的に受容するように配置された応力発生フロー・チャンネルを３組以上有して成り、応力発生フロー・チャンネルの各組の間で材料にポンピング力が与えられる、請求項３に記載の混合装置。
5. 前記少なくとも２つの部材は、ポンピングが前記応力発生フロー・チャンネルに対して交互に方向転換して該応力発生フロー・チャンネルを通過する逆流を生じさせるように適用される、請求項１〜４のいずれかに記載の混合装置。
6. 前記少なくとも２つの部材は、容量形移動、遠心力および前進流の１つまたはそれ以上によりポンピング力を生じるように適用される、請求項１〜５のいずれかに記載の混合装置。
7. 前記少なくとも２つのチャンネル部材は、それらの間に前記チャンバーを規定するように相対的に配置され、該チャンバーが少なくとも１つのコンパートメントを含んで成り、材料は応力発生フロー・チャンネルの２つの組の間で該コンパートメントを通過し、運転に際して、コンパートメントまたは各コンパートメントの体積が連続的に増加および減少して容量形ポンピングをもたらす、請求項２に記載の混合装置。
8. 前記少なくとも２つのチャンネル部材の一方が他方に対して回転するように取り付けられ、回転するチャンネル部材は、該少なくとも２つのチャンネル部材の間で延在する１つまたはそれ以上の仕切部材を有して、前記チャンバーを仕切って前記少なくとも１つのコンパートメントを規定し、該少なくとも１つのコンパートメントは回転するチャンネル部材と共に回転するようになっており、該チャンバーのジオメトリーは、該少なくとも１つのコンパートメントが回転すると、該少なくとも１つのコンパートメントの体積が連続的に増加および減少するようになっており、該少なくとも１つのコンパートメントの体積はその角度位置によって決まる、請求項７に記載の混合装置。
9. 前記少なくとも２つのチャンネル部材の一方が回転しない他方に対して回転するように取り付けられ、回転しないチャンネル部材は、該少なくとも２つのチャンネル部材の間で延在する１つまたはそれ以上の仕切部材を有して、前記チャンバーを仕切って前記少なくとも１つのコンパートメントを規定し、該チャンバーのジオメトリーは、回転するチャンネル部材が回転すると、該少なくとも１つのコンパートメントの体積が連続的に増加および減少するようになっており、該少なくとも１つのコンパートメントの体積は回転するチャンネル部材の角度位置によって決まる、請求項７に記載の混合装置。
10. 前記少なくとも２つのチャンネル部材は、直径が順次増加する少なくとも実質的に環状であり、１つのチャンネル部材が他方を包囲するようになっている、請求項８または９に記載の混合装置。
11. 前記少なくとも２つのチャンネル部材は１つまたはそれ以上の対になっており、対または各対のチャンネル部材は相互に偏心して取り付けられている、請求項１０に記載の混合装置。
12. 前記少なくとも２つのチャンネル部材は１つまたはそれ以上の対になっており、対または各対のチャンネル部材の一方のチャンネル部材は固定されている、請求項１０に記載の混合装置。
13. 前記チャンネル部材を少なくとも３つ有して成り、そのうち２つが同心状で固定状態であり、３つ目のものは他の２つの間で偏心状態で回転するように取り付けられている、請求項１０に記載の混合装置。
14. フロー・チャンネルの各組は複数の応力発生フロー・チャンネルを含んで成る、請求項２〜４および７〜１３のいずれかに記載の装置。
15. フロー・チャンネルは、フロー・チャンネルの１つの組の各チャンネルからポンピングされる材料がフロー・チャンネルのもう１つの組の幾つかのフロー・チャンネルの間で分配されて分配混合が達成されるように構成される、請求項２〜４および７〜１４のいずれかに記載の装置。
16. フロー・チャンネルは、応力発生フロー・チャンネルの１つの組の各応力発生フロー・チャンネルがチャンネルのもう１つの組の複数のフロー・チャンネルから材料を受け取って材料の割り込みまたは交互配置（interleave）および分配混合を更に促進するように構成される、請求項１５に記載の装置。
17. 前記チャンネル部材を複数の対で有して成り、各対はその間にそれぞれのチャンバーを規定し、それぞれのチャンバーの体積がチャンネル部材の連続する対の間で変化して、混合の中間段階において、混合装置から材料を引き出し、あるいはそれに加えることができる、請求項２〜４および７〜１６のいずれかに記載の装置。
18. 前記応力発生フロー・チャンネルの体積がチャンネル部材の連続する対の間で変化して、混合の中間段階において、混合装置から材料を引き出し、あるいはそれに加えることができる、請求項２〜４および７〜１７のいずれかに記載の装置。
19. 前記チャンネル部材の複数の対であって各対がその間にそれぞれのチャンバーを規定する複数の対と、隣接するチャンネル部材の間で延在してそれぞれのチャンバーを仕切る１つまたはそれ以上の仕切り部材とを有して成り、仕切り部材または各仕切り部材とチャンネル部材の隣接する壁との間で空間が形成され、チャンネル部材の連続する対の間に規定される連続するチャンバーの間でその空間のサイズが変化して、混合の中間段階において、混合装置から材料を引き出し、あるいはそれに加えることができる、請求項２〜４および７〜１８のいずれかに記載の混合装置。
20. 応力発生フロー・チャンネルの各組のチャンネルは、前記それぞれのチャンネル部材によって部分的に、また、隣接するチャンネル部材であってよいもう１つの部材によって部分的に規定される、請求項２〜４および７〜１９のいずれかに記載の混合装置。
21. 逆流をもたらすポンピングの方向の反転時に、正味の下流への流れが存在するように、応力発生フロー・チャンネルは下流方向の流れを優先する構成になっている、請求項５に記載の混合装置。
22. 応力発生フロー・チャンネルには、下流方向の流れを優先するバルブ手段が設けられている、請求項２１に記載の混合装置。
23. 材料を混合するための装置であって、ハウジング内で軸方向に取り付けられた少なくとも２つのチャンネル部材の各々で規定された１つまたはそれ以上のフロー・チャンネルを有して成り、該フロー・チャンネルの少なくとも１つは応力発生フロー・チャンネルであり、該チャンネル部材の少なくとも１つはもう１つへと延在するシャフト上で回転可能で、これら２つのチャンネル部材の間で該シャフトの周りにチャンバーが規定されるようになっており、チャンネル部材の一方は、該２つのチャンネル部材の間で延在する１つまたはそれ以上の仕切部材を備えて、該チャンバーを仕切って２つまたはそれ以上のコンパートメントを規定し、これらチャンネル部材は平行でない対抗する面を有し、回転するチャンネル部材が回転すると、コンパートメントまたは各コンパートメントの体積が、該シャフトに対するその角度位置に応じて連続的に増加および減少するようになっている装置。
24. 前記チャンネル部材は実質的にディスクの形状であり、隣接するチャンネル部材は前記平行でない面を形成するように相互に角度付けられている、請求項２３に記載の装置。
25. 前記ハウジングは略円筒状であり、チャンバーまたは各チャンバーがハウジングの壁によって部分的に規定されるようになっている、請求項２３または２４に記載の装置。
26. 各チャンネル部材が複数の前記応力発生チャンネルを規定する、請求項２３〜２５のいずれかに記載の装置。
27. 前記フロー・チャンネルは、第１の前記チャンネル部材の各チャンネルからポンピングされる材料が第２の前記チャンネル部材の複数のチャンネルの間で分配され、これによって分配混合が達成されるように構成される、請求項２３〜２６のいずれかに記載の装置。
28. フロー・チャンネルは、第１の前記チャンネル部材によって規定される各チャンネルが第２の前記チャンネル部材によって規定される複数のチャンネルから材料を受け取って材料の割り込みまたは交互配置（interleave）および分配混合を更に促進するように構成される、請求項２７に記載の装置。
29. 前記チャンネル部材の複数の対であってその間にそれぞれのチャンバーを規定する複数の対を有して成り、それぞれのチャンバーの体積がチャンネル部材の連続する対の間で変化して、混合の中間段階において、混合装置から材料を引き出し、あるいはそれに加えることができる、請求項２３〜２８のいずれかに記載の装置。
30. 前記応力発生チャンネルの体積が隣接するチャンネル部材の間で変化して、混合の中間段階において、混合装置から材料を引き出し、あるいはそれに加えることができる、請求項２３〜２９のいずれかに記載の装置。
31. 逆流をもたらすポンピングの方向の反転時に、正味の下流への流れが存在するように、前記フローチャンネルの少なくとも幾つかが下流方向の流れを優先する構成になっている、請求項２３〜３０のいずれかに記載の装置。
32. 前記フロー・チャンネルには、下流方向の流れを優先するバルブ手段が設けられている、請求項３１に記載の装置。

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