JP4554283B2

JP4554283B2 - 流体混合装置

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Publication number: JP4554283B2
Application number: JP2004173484A
Authority: JP
Inventors: 富士男廣木; 敦史湯本; 直毅丹羽; 圭治郎山本
Original assignee: TAMA-TLO, LTD.
Current assignee: TAMA-TLO, LTD.
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2024-06-11
Also published as: JP2005349317A

Description

本発明は流体混合装置に関し、特に気体同士、液体同士、固気二相流同士または気体と固気二相流などを混合する流体混合装置に関する。

気体同士や液体同士などの流体の混合は、例えば図７に示すＹ字型流体混合装置を用いて行うことができる。
Ｙ字型流体混合装置は、第１流体１００が流される第１流入口１０１と第２流体１１０が流される第２流入口１１１が合流部１２０で合流して混合し、第１流体１００と第２流体１１０の混合物が取り出し口１３０から取り出される構成である。

上記のＹ字型流体混合装置において、第１流体と第２流体をそれぞれ同時に流入させても、流体の物性値やレイノルズ数などの影響で、合流部において混合しないで実質的に分離したままで取り出し口から出てきてしまい、均一に混合させることが困難なことがある。
そこで、第１流体と第２流体をより均一に混合するために、外部からのエネルギーを用いて、第１流体と第２流体の取り出し口への流入を機械的に制御し、均一に混合する方法がある。より具体的には、図７に示すように、第１流体と第２流体を交互に取り出し口に流入するようにする。この交互に流入させる流体の量をより少なくすることにより、第１流体と第２流体をより均一に混合することが可能となる。

ところで、近年、ナノテクノロジーの重要性が高まりつつあり、ナノサイズオーダーの材料技術が発展してきており、ナノサイズの粒子（以下ナノ粒子とも称する）はナノテクノロジーを支える基幹技術であり、ナノ粒子の製造技術が急速に進展している。
ナノ粒子のアプリケーションとしては、種々の分野に渡る多種多様な用途が検討さており、近年、例えば、反応、コーティング、焼結、粉砕、混練、造粒、打錠および成形など、各層材料プロセスの工程にナノ粒子を利用する技術が注目を集めている。

中でも、設計の高度化および複雑化に伴い、製造した２種類あるいはそれ以上の異なった物質、性質の粉体を混ぜ合わせて一様な均一組成を得る精密混合技術の開発が期待されている。
とりわけ、ナノ粒子の生成から混合までを一体のドライプロセスで行うことがでいる技術の開発に大きな注目が集められている。

ここで、上記のような２つの流体に含まれるナノ粒子などの粉体の混合や、その他の２つの流体の混合を行うのに、図７に示すようなＹ字型混合装置のように外部からの電気などのエネルギーを必要とせず、機械的な可動部を持たない流体混合装置が求められている。
山本圭治郎、野本明、川島忠雄、中土宣明：同軸対向衝突噴流の発振現象、油圧と空気圧（１９７５）ｐｐ６８−７７

解決しようとする問題点は、２つの流体に含まれるナノ粒子などの粉体の混合や、その他の２つの流体の混合を行うのに、外部からの電気などのエネルギーを用いず、機械的な可動部を用いないで均一に混合することが困難である点である。

本発明の流体混合装置は、略矩形形状の第１噴き出し口を有する第１混合ノズルと、前記第１噴き出し口と同じ形状の第２噴き出し口を有し、前記第１混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第２混合ノズルとを有し、第１噴き出し口から第１流体を噴き出し、前記第２噴き出し口から第２流体を噴き出し、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間において前記第１流体と前記第２流体とを混合する。

上記の本発明の流体混合装置は、第１混合ノズルの第１噴き出し口と、第２混合ノズルの第２噴き出し口が同軸上に対向して配置されている。
第１噴き出し口と第２噴き出し口は同じ略矩形形状であり、第１噴き出し口から第１流体を噴き出し、第２噴き出し口から第２流体を噴き出して、第１噴き出し口と第２噴き出し口の間の空間において第１流体と第２流体とを混合する。

上記の本発明の流体混合装置は、好適には、前記略矩形形状の短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が２．９以上である。
また、好適には、前記第１混合ノズルと前記第２混合ノズルのノズル間距離が、前記略矩形形状の短辺の長さの４〜３５倍の距離である。

上記の本発明の流体混合装置は、好適には、前記第１混合ノズルは、前記第１噴き出し口の近傍において、前記第１噴き出し口へと向かって前記第１流体が流れる空間の広さが、前記第１噴き出し口に近い下流側よりも前記第１噴き出し口から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有し、前記第２混合ノズルは、前記第２噴き出し口の近傍において、前記第２噴き出し口へと向かって前記第２流体が流れる空間の広さが、前記第２噴き出し口に近い下流側よりも前記第２噴き出し口から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有する。

上記の本発明の流体混合装置は、好適には、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間を挟んで対向するように、前記略矩形形状の長辺方向に配置され、前記第１流体と前記第２流体が前記略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止する一対の仕切り板を有し、前記略矩形形状の短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が１．４以上である。
さらに好適には、前記一対の仕切り板の間の距離が、前記略矩形形状の長辺の長さと略等しい。

本発明の流体混合装置は、２つの流体に含まれるナノ粒子などの粉体の混合や、その他の２つの流体の混合を行うのに、同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して、外部からの電気などのエネルギーを用いず、機械的な可動部を用いないで混合することができる。

以下に、本発明に係る流体混合装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

第１実施形態
図１（ａ）は本実施形態に係る流体混合装置の模式構成図である。
第１混合ノズル１０の第１噴き出し口１１と、第２混合ノズル２０の第２噴き出し口２１が同軸上に対向して配置されている。
第１噴き出し口１１と第２噴き出し口２１は同じ略矩形形状であり、第１噴き出し口１１から第１流体を第１噴流１２として噴き出し、第２噴き出し口２１から第２流体を第２噴流２２として噴き出して、第１噴き出し口１１と第２噴き出し口２１の間の空間（混合領域ＭＲ）において、第１流体と第２流体とを混合する。

本実施形態に係る流体混合装置は、装置内に２つの流体を導入する矩形の吹き出し口が形成された混合ノズルを持ち、混合することを目的とした２つの流体の流路は、それぞれこの混合ノズルに接続される。混合ノズルの対向する噴き出し口から噴き出された流体は、噴流となって互いに衝突する。

図１（ｂ）〜（ｄ）は、上記の第１流体と第２流体とが混合するメカニズムを説明する模式図である。このメカニズムは、非特許文献１に記載の同軸対向衝突噴流の発振現象を利用したものである。
これらの図面において、相対的に高圧である領域を実線で囲み、相対的に低圧である領域を破線で囲んで示している。

図１（ｂ）に示すように、第１混合ノズル１０の第１噴き出し口１１から圧力Ｐ₁で第１流体の第１噴流１２を噴き出し、一方、第２混合ノズル２０の第２噴き出し口２１から圧力Ｐ₂で第２流体の第２噴流２２を噴き出す。
このとき、第１噴き出し口１１と第２噴き出し口２１の間の空間において、第１噴流１２と第２噴流２２が噴流となって衝突する。
この第１噴流１２と第２噴流２２が衝突することにより、第１噴き出し口１１と第２噴き出し口２１の間の空間の中心部に高圧Ｐ_Mの領域が生じ、この結果、第１噴流１２と第２噴流２２の流れが不安定となる。

上記のように流れが不安定となった第１噴流１２および第２噴流２２は、図１（ｃ）に示すように、なんらかの外乱によって互いに逆方向に偏向する。第１噴流１２および第２噴流２２の偏向側は巻込みのために低圧となり、逆に非偏向側は噴流の干渉のために高圧となり、さらに衝突面は高圧であるので、第１噴流１２および第２噴流２２の偏向はますます増加する。
第１噴流１２および第２噴流２２の偏向が大きくなると、双方の噴流は互いにすれ違う。このすれ違い面は双方の噴流の巻き込みにより低圧となる。

上記の圧力低下は、各ノズルの噴き出し口（１１，２１）のノズル軸に垂直方向に圧力分布を逆転させ、第１噴流１２および第２噴流２２を再び引き寄せて衝突状態を形成する。圧力分布が各ノズルの噴き出し口（１１，２１）のノズル軸に垂直方向に逆転しているので、第１噴流１２および第２噴流２２の偏向も逆転し、図１（ｄ）に示すような状態となる。

上記の各ノズルの噴き出し口（１１，２１）のノズル軸に垂直方向に圧力分布と噴流の偏向が逆転する過程が繰り返され、同軸対向して衝突する噴流の発振が生じる。この発振を持続させることで、第１噴流１２と第２噴流２２を混合することができる。

第１噴流１２と第２噴流２２の混合に適した第１混合ノズル１０および第２混合ノズル２０の形状やノズル間距離、ストロハル数などは、流体の種類やレイノルズ数によって決められる。

例えば、混合しようとする流体の種類などによって依存するが、第１混合ノズル１０の第１噴き出し口１１および第２混合ノズル２０の第２噴き出し口２１において、略矩形形状の短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が２．９以上であることが好ましい。２．９未満では第１噴流１２と第２噴流２２の混合が不均一になりやすくなり、好ましくない。さらには、アスペクト比を４〜６に設定するとより均一に混合することができるので好ましい。
また、第１混合ノズルと第２混合ノズルのノズル間距離は、略矩形形状の短辺の長さの４〜３５倍の距離であることが好ましい。この距離が４倍未満あるいは３５倍を越えると、第１噴流１２と第２噴流２２の混合が不均一になりやすくなり、好ましくない。

さらに、第１噴き出し口１１と第２噴き出し口２１の間の空間を挟んで対向するように、略矩形形状の長辺方向に配置され、第１流体と第２流体が略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止する一対の仕切り板（例えば図２の仕切り板３０，３１参照）を有し、略矩形形状の短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が１．４以上であることが好ましい。
上記の仕切り板を設けることにより、衝突した噴流が発振しやすくなって、より均一に混合することができるが、この場合の均一に混合可能なアスペクト比の範囲は上記の範囲よりも広がり、１．４以上となる。この場合でも、さらに好ましくは、アスペクト比が２．９以上、またさらに好ましくは４〜６である。
またさらに、一対の仕切り板（３０，３１）の間の距離は、略矩形形状の長辺の長さと略等しいことがさらに好ましい。これにより第１流体の第１噴流１２と第２流体の第２噴流２２が、各噴き出し口の略矩形形状の長辺方向に拡散していくのが防止され、発振しやすくする効果を高めることができる。

上記の本実施形態に係る流体混合装置によれば、同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して、気体同士あるいは液体同士などの混合を行うのに、外部からの電気などのエネルギーを用いず、機械的な可動部を用いないで混合することができる。

さらに、例えば気体の噴流中にナノ粒子などの粉体を流した固気二相流同士を混合することで、２つの噴流中の異種材料粉体を精密混合することも可能である。例えば、超音速フリージェットＰＶＤ装置において、蒸発源から得た異種ナノ粒子を混合し、これを対象基板上に蒸着させることで異種材料を均一に物理蒸着することができる。
また、μ−ＴＡＳ（ｍｉｃｒｏ−ＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍ）のマイクロフルイディクス素子として活用することも可能である。

また、本実施形態に係る流体混合装置は、機械的可動部を必要としないため、加工・寸法の制約が少なくコンパクトな形状にすることができるため、狭い空間にも設置できる。

第２実施形態
本実施形態は、第１実施形態に係る流体混合装置をより具体的にした流体混合装置である。
図２（ａ）は、本実施形態に係る流体混合装置の模式構成図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す流体混合装置の構造を示すために部分毎に分解して示した模式図である。
また、図３（ａ）は図２（ａ）の流体混合装置のＡ方向からの側面図であり、図３（ｂ）はＢ方向からの正面図である。
また、図４（ａ）は図２（ａ）の流体混合装置のＣ−Ｃ’における断面図であり、図４（ｂ）は平面Ｄにおける断面図である。

略矩形形状の第１噴き出し口１１が設けられた円盤状の第１混合ノズル１０と、同じく略矩形形状の第２噴き出し口２１が設けられた円盤状の第２混合ノズル２０とが、一対の仕切り板（３０，３１）で架橋するように接続されている。
第１噴き出し口１１と第２噴き出し口２１の間の空間が、第１流体の第１噴流と第２流体の第２噴流を混合させる混合領域ＭＲとなる。

第１混合ノズル１０、第２混合ノズル２０および一対の仕切り板（３０，３１）は、例えば一体に形成されており、例えば真鍮やステンレスなどの材料から、ＮＣ付きワイヤーカット放電加工装置などを用いて形成されている。あるいは、例えば各部分毎に形成されたものが組み立てられていてもよい。

本実施形態のように一対の仕切り板（３０，３１）を設けている場合には、第１噴き出し口１１と第２噴き出し口２１の形状は、混合させる流体の種類などにもよるが、短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が、前述のように、１．４以上以上となっていることが好ましく、２．９以上であることがさらに好ましく、４〜６であることがまたさらに好ましい。
また、第１混合ノズル１０の第１噴き出し口１１と第２混合ノズル２０の第２噴き出し口２１の間のノズル間距離ｃは、混合させる流体の種類など例えば第１噴き出し口１１および第２噴き出し口２１の略矩形形状の短辺ａの長さの４〜３５倍の距離であることが前述のように好ましい。
例えば、２つの気体の流体に含まれるナノ粒子などの粉体の混合させる場合には、第１噴き出し口１１および第２噴き出し口２１の略矩形形状の短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が４、ノズル間距離が略矩形形状の短辺ａの長さの１６倍程度と設定することができる。

また、一対の仕切り板（３０，３１）の間の距離ｄは、第１噴き出し口１１および第２噴き出し口２１の略矩形形状の長辺の長さｂと略等しく設けられている。

図５は、本実施形態に係る流体混合装置を用いて流体を混合する様子を示す模式図である。
例えば、第１混合ノズル１０の混合領域ＭＲと反対側の面に、第１流体供給管４０を接続し、一方、第２混合ノズル２０の混合領域ＭＲと反対側に面に、第２流体供給管４１を接続する。
ここで、第１流体供給管４０から第１流体を供給し、第２流体供給管４１から第２流体を供給する。第１流体は第１噴流１２となって第１噴き出し口１１から混合領域ＭＲへと噴き出し、また、第２流体は第２噴流２２となって第２噴き出し口２１から混合領域ＭＲへと噴き出し、同軸対向衝突噴流の発振現象により、第１流体と第２流体が混合領域ＭＲで混合する。
混合した流体（５０，５１）は、混合領域ＭＲに臨む開口部（３２，３３）から混合領域ＭＲの外部へと流れだし、例えば混合した流体（５０，５１）がさらに合流した流体５２として流れていき、所望の目的に利用される。

ここで、第１流体供給管４０および第２流体供給管４１で供給する流体の圧力と、各流体を噴き出す前の混合領域の圧力は、流体の種類などにもよるが、第１流体と第２流体が十分均一に混合するように設定する。
例えば、各流体を噴き出す前の混合領域の圧力を大気圧（０．１ＭＰａ）とする場合、第１流体供給管４０および第２流体供給管４１で供給する流体の圧力を１．１ＭＰａ、噴き出し口の上流と下流における圧力比を１１と設定することができる。
また、例えば、各流体を噴き出す前の混合領域の圧力を大気圧より減圧する場合には、第１流体供給管４０および第２流体供給管４１で供給する流体の圧力を６０〜９０ｋＰａ、各流体を噴き出す前の混合領域の圧力を０．５〜２ｋＰａとし、噴き出し口の上流と下流における圧力比を例えば４５程度に設定することができる。

上記の第１流体と第２流体の混合の状況は、例えば、流体混合装置の混合領域における圧力の振動を観測することで、確認することが可能である。
また、超音速フリージェットＰＶＤ装置において蒸発源から得た異種ナノ粒子を混合する装置として用いるような場合には、成膜された蒸着膜の均一性を測定することで、第１流体と第２流体の混合の状況を確認することができる。

第１実施形態と同様に、本実施形態に係る流体混合装置によれば、同軸対向衝突噴流の発振現象を利用して、気体同士あるいは液体同士などの混合を行うのに、外部からの電気などのエネルギーを用いず、機械的な可動部を用いないで混合することができる。

第３実施形態
図６（ａ）は本実施形態に係る流体混合装置の模式構成図であり、図６（ｂ）は模式断面図である。
第１混合ノズル１０および第２混合ノズル２０が、第１噴き出し口１１および第２噴き出し口２１の近傍において、第１噴き出し口１１および第２噴き出し口２１へと向かって第１流体および第２流体が流れる空間の広さが、それぞれ、第１噴き出し口１１および第２噴き出し口２１に近い下流側よりも第１噴き出し口１１および第２噴き出し口２１から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有しており、これ以外は第１実施形態に係る流体混合装置と同様の構成である。

本実施形態に係る流体混合装置は、第１混合ノズル１０および第２混合ノズル２０から噴き出す第１噴流１２と第２噴流２２の噴流速度を高め、第１流体と第２流体をより均一に混合させることができる。

本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、第１流体と第２流体が混合領域から各噴き出し口の略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止する一対の仕切り板は、設けられている方が好ましいが、必ずしもなくてもよい。
混合する流体は、気体同士、液体同士あるいは固気二相流同士など、種々の流体に適用することができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本発明の流体混合装置は、気体同士あるいは液体同士、さらには気体の噴流中にナノ粒子などの粉体を流した固気二相流同士を混合する装置に適用でき、例えば超音速フリージェットＰＶＤ装置において蒸発源から得た異種ナノ粒子を混合する装置に適用できる。

図１（ａ）は第１実施形態に係る流体混合装置の模式構成図であり、図１（ｂ）〜（ｄ）は、第１流体と第２流体とが混合するメカニズムを説明する模式図である。図２（ａ）は、第２実施形態に係る流体混合装置の模式構成図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す流体混合装置の構造を示すために部分毎に分解して示した模式図である。図３（ａ）は図２（ａ）の流体混合装置のＡ方向からの側面図であり、図３（ｂ）はＢ方向からの正面図である。図４（ａ）は図２（ａ）の流体混合装置のＣ−Ｃ’における断面図であり、図４（ｂ）は平面Ｄにおける断面図である。図２は図５は、第２実施形態に係る流体混合装置を用いて流体を混合する様子を示す模式図である。図６（ａ）は第３実施形態に係る流体混合装置の模式構成図であり、図６（ｂ）は模式断面図である。図７は従来例に係るＹ字型流体混合装置の模式図である。

符号の説明

１０…第１混合ノズル
１１…第１噴き出し口
１２…第１噴流
２０…第２混合ノズル
２１…第２噴き出し口
２２…第２噴流
３０，３１…仕切り板
３２，３３…開口部
４０…第１流体供給管
４１…第２流体供給管
５０，５１…混合した流体
５２…合流した流体
１００…第１流体
１０１…第１流入口
１１０…第２流体
１１１…第２流入口
１２０…合流部
１３０…取り出し口
ＭＲ…混合領域

Claims

略矩形形状の第１噴き出し口を有する第１混合ノズルと、
前記第１噴き出し口と同じ形状の第２噴き出し口を有し、前記第１混合ノズルと同軸上に対向して設けられた第２混合ノズルと
を有し、
第１噴き出し口から第１流体を噴き出し、前記第２噴き出し口から第２流体を噴き出し、前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間において前記第１流体と前記第２流体とを混合し、
前記第１噴き出し口と前記第２噴き出し口の間の空間を挟んで対向するように、前記略矩形形状の長辺方向に配置され、前記第１流体と前記第２流体が前記略矩形形状の長辺方向に拡散していくのを防止する一対の仕切り板を有し、
前記略矩形形状の短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が１．４以上である
流体混合装置。
前記略矩形形状の短辺の長さａと長辺の長さｂのアスペクト比（ｂ／ａ）が２．９以上である
請求項１に記載の流体混合装置。
前記第１混合ノズルと前記第２混合ノズルのノズル間距離が、前記略矩形形状の短辺の長さの４〜３５倍の距離である
請求項１に記載の流体混合装置。
前記第１混合ノズルは、前記第１噴き出し口の近傍において、前記第１噴き出し口へと向かって前記第１流体が流れる空間の広さが、前記第１噴き出し口に近い下流側よりも前記第１噴き出し口から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有し、
前記第２混合ノズルは、前記第２噴き出し口の近傍において、前記第２噴き出し口へと向かって前記第２流体が流れる空間の広さが、前記第２噴き出し口に近い下流側よりも前記第２噴き出し口から遠い上流側ほど広いテーパー形状となっている部分を有する
請求項１に記載の流体混合装置。
前記一対の仕切り板の間の距離が、前記略矩形形状の長辺の長さと略等しい
請求項１に記載の流体混合装置。