JP4892183B2 - 流体混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、静止型混合器を備える流体混合装置、更に詳しくは、混合しようとする液体などを確実に静止型混合器に流入させて良好な混合物を得ることができる流体混合装置に関する。

静止型混合器は、それ自体は駆動部がなく、流体を流し入れることにより、流体の分割、集合などを繰り返させ、複数の流体を混合することができる混合器である。
かかる静止型混合器としては、例えば、長方形状の板を１８０度捻ったエレメントを交互に直列状に配したスタティック型ミキサーや、複数の貫通孔部が穿設されてなる複数種のディスク形のエレメントを重ねて筒状ケース体内に収納したミキサー（例えば、特開２０００−２５４４６９に記載のもの）などが知られている。
特に後者のミキサーは、小型化でき、且つ相溶性の悪い流体でも確実に混合できることから、静止型混合器として優れている。

そして、これら静止型混合器を組み込んだ流体混合装置は、従来、図９に示すような装置が知られている。
具体的には、第１流体を混合器１００に供給する第１流体供給機構は、第１流体が入れられた容器１０１と、第１流体を吐出するポンプ１０２と、流入路、流出路及び返送路の流路を切り替えるボールバルブ１０３とを備えている。また、第２流体を混合器１００に供給する第２流体供給機構も同様に、第２流体が入れられた容器１０４と、これを吐出するポンプ１０５と、流入路、流出路及び返送路の流路を切り替えるボールバルブ１０６とを備えている。かかる第１流体及び第２流体の流出路は、配管を介して静止型混合器１００の流入部１０７の端部に設けられたチーズ部１０８にそれぞれ接続されている。
この流体混合装置は、ボールバルブ１０３，１０６を開いて流入路と流出路の流路を開放することにより、第１流体及び第２流体がチーズ部１０８で合流し、配管を介して流入部１０７に流れ、静止型混合器１００を通過する間に両者を混合することができるようになっている。

しかしながら、混合する流体の流量や粘度は一定ではなく、その種類に応じて様々であるため、上記従来の装置構成では、混合する液などの流量や粘度などの相違により、両者が所定割合で同時に混合器に流入せず、その結果、十分に混ざり合った混合物を得ることができないという問題点がある。
例えば、高粘度の液体と低粘度の液体を混合する場合、低粘度の液体が流れ易いことから、高粘度の液体がチーズ部などで滞り、当初は低粘度の液体だけが混合器の流入部に流れ込み、事後所々で、高粘度の液体が塊状となって流入部に流れ込む現象が起こる。よって、混合器に２液が所定割合で同時に流入せず、混合ムラを生じる。

また、混合しようとする流体を変える場合には、水などの洗浄液を流して各部に残存する流体を洗い流す必要がある。
しかしながら、上記従来の装置構成では、流体の流路を変える弁としてボールバルブを用いているので、ボール弁体とこれを包むハウジングの隙間に流体の一部が溜まり、この部分に溜まった残部は、ボールバルブの構造上、単に洗浄液を流しただけだけでは、確実に除去することができない。
従って、より精密な混合物を得ようとする場合には、液などの流体を変更する度にボールバルブを分解して残部を除去する必要があるという問題点がある。

特開２０００−２５４４６９公報

そこで、本発明は、混合する複数の流体を静止型混合器に同時に流入させることができる流体混合装置を提供することを課題とする。また、本発明は、混合する流体を変更する際に、洗浄液を流すだけで残部の除去を行うことができる流体混合装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記問題点について鋭意研究したところ、混合しようとする流体が合流する部分に於いて何れかの流体が滞りを生じることに着目し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、外管が連結された流入部を有し且つ前記流入部から液体である第１流体及び第２流体を流し入れることにより両者を混合する静止型混合器と、第１流体を混合器に流す第１流体流出路と、第２流体を混合器に流す第２流体流出路と、を備えており、前記第１流体よりも粘度が低い液体又は前記第１流体よりも流量が大きい液体であり、前記第１流体流出路が、前記外管の内側から外管の長手方向に沿って突設された導入管からなり、前記導入管の外径がその先端に向かうに従って小さくなっており、前記導入管先端の流出口から前記第１流体が流出するように構成されていると共に、前記第２流体流出路の流出口の中心線が前記導入管の流出口の中心線に対して交わらず且つ前記外管と導入管の間に形成された間隙に向かって第２流体が流出するように、前記外管の側方に第２流体流出路の流出口が開口されている流体混合装置を提供する。

かかる流体混合装置は、第２流体流出路の流出口の中心線が導入管の流出口の中心線に対して交わらないように偏心させているので、第２流体は、第１流体の流れの周りに入り込み、第１流体の流れを一方向から周回するような渦流を生じながら第１流体と合流する。さらに、第１流体流出路に相当する導入管の外側に外管が設けられてなる２重管構造を有し、外管と導入管の間隙に向かって第２流体が流出するように、第２流体流出路の流出口が外管に側方に開口されているので、第２流体は、より確実に渦流を生じながら第１流体と混じることとなる。
また、導入管の外径はその先端に向かうに従って小さくなっているので、導入管の流出口から出た第１流体がその先端面で滞留することを防止できる。

さらに、本発明の好ましい態様では、第１流体が流入する第１流体流入路と、前記第１流体流出路と、第１流体を供給源に戻す第１流体返送路の３路と、を有し、前記第１流体流入路と第１流体流出路との流路又は第１流体流入路と第１流体返送路との流路を切り替えるピストンバルブからなる三方弁をさらに備えている上記流体混合装置を提供する。
かかる流体混合装置は、三方弁がピストンバルブからなるので、流体を変更する際に、水などの洗浄液を流すだけで、ピストンバルブ内の各流路に残存する残部を洗い流すことができる。

さらに、本発明の好ましい態様では、上記導入管が、異なる口径の導入管に交換可能とされている上記流体混合装置であり、例えば、流量の異なる流体に変更する場合、流出口の口径が異なる導入管に交換することにより、確実且つ簡易に混合する流体の流速を調整することができる。

本発明の流体混合装置は、混合器へ導入する前段階で、第１流体と第２流体を確実に混ざり合わせることにより、混合する流体を静止型混合器に同時に流入させることができる。
従って、混合ムラのない良好な混合物を得ることができる流体混合装置を提供することができる。
また、本発明の流体混合装置は、混合する流体を変更する際、洗浄液を流すだけで残部の除去を行うことができる。
従って、操作性に優れ、又メンテナンス容易な流体混合装置を提供することができる。

以下、本発明について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の流体混合装置の概略模式図を示す。図２は、第１流体供給機構の一部であるピストンバルブの縦断面図を示し、図３は、そのＡ−Ａ線で切った断面図を、図４は、図３のＢ−Ｂ線で切った端面図を示す。
図１に於いて、１は、本発明の流体混合装置を示す。
流体混合装置１は、流入部２１が設けられた静止型混合器２と、第１流体を流入部２１へと送る第１流体供給機構３と、第２流体を流入部２１へと送る第２流体供給機構５とを有し、混合器２の下流側には、配管４を介して混合物の貯留される貯留容器６が設けられている。
静止型混合器２は、２以上の流体を流し入れることにより、両者を混合することができる混合器であれば特に限定されず、従来公知のもの、例えば、上記したスタティック型ミキサーやディスク収納型ミキサーなどを用いることができる。本実施形態では、混合性に優れていること、省スペース化を図れることなどから、ディスク収納型ミキサー（例えば、特開２０００−２５４４６９に記載のものなど）が用いられている。

具体的に該混合器２は、図３に示すように、筒状ケース体２２と、筒状ケース体２２内に重ねて収納された複数の板状体２３と、筒状ケース体２２の上流側に設けられた流入部２１と、筒状ケース体２２の下流側に設けられた流出部２４とを備えている。
板状体２３は、図５に示すように、ディスク形で、その表面側から裏面側に貫通する貫通孔部２５が複数形成されている。貫通孔部２５は、板状体２３の表面及び裏面の相対位置に、最も面積が大きい円形の表面開口部２６及び裏面開口部２７が形成され、且つ板厚方向の中途部に貫通面積が最小となる最小開口部２８が形成されていると共に、表面開口部２６及び裏面開口部２７から最小開口部２８に向かうに従い次第に縮径する縮径開口部２９が連設された形状に形成されている。
尚、図３に於いて、流入部２１の内周面には、後述するピストンバルブ７と直接に接続するため、ネジが刻設されている。また、流出部２４には、得られた混合物を送るための配管（図示せず）が接続されている

第１流体供給機構３は、図１に示すように、第１流体が入れられる容器３１と、この容器３１に貯められた第１流体を吐出するポンプ３２と、第１流体の流路を切り替える三方弁としてのピストンバルブ７と、を備えている。
このピストンバルブ７は、図２及び図３に示すように、ポンプ３２から送られてくる第１流体が流入する第１流体流入路７１と、混合器２の流入部２１に接続され且つ第１流体を混合器２に流す第１流体流出路７２と、第１流体を容器３１へ戻す第１流体返送路７３と、の３つの流路を有し、これらの流路の開閉切替を行うピストン弁体７４が設けられている。

具体的には、バルブ本体７５には、ピストン弁体７４が摺動可能な長状孔部７６が形成されている。第１流体流入路７１は、長状孔部７６の長手方向と略直交する方向に、長状孔部７６に連通する孔を穿設することにより形成されている。第１流体流出路７２は、第１流体流入路７１の右方に所定間隔をあけ且つ長状孔部７６及び第１流体流入路７１と略直交する方向に、長状孔部７６に連通する孔を穿設することにより形成されている。また、第１流体返送路７３は、第１流体流入路７１の左方に上記と同じ間隔をあけ且つ前記第１流体流出路７２と逆向きに、長状孔部７６に連通する孔を穿設することにより形成されている。
尚、第１流体流入路７１及び第１流体返送路７３の内周面には、配管４が溶接されている。

ピストン弁体７４は、直棒状体からなり、各路７１，７２，７３の両側近傍位置の長状孔部７６に内嵌されたパッキン８を介して、長状孔部７６内に水密状に嵌入されている。このピストン弁体７４は、後端部に設けられた操作レバー９を前後に振ることによって長状孔部７６に沿って摺動可能である。また、ピストン弁体７４の中途部には、図６にも示すように、縮径部７７が形成されている。この縮径部７７は、第１流体流入路７１と第１流体流出路７２の形成間隔及び第１流体流入路７１と第１流体返送路７３の形成間隔と略同長さで形成されている。
かかる構成からなるピストンバルブ７は、図２に示すようにピストン弁体７４を前方側へ移動させることにより、第１流体流入路７１及び第１流体流出路７２の流出口にピストン弁体７４の縮径部７７が跨って位置し、これにより、第１流体流入路７１から流れ込む第１流体は、縮径部７７と長状孔部７６との間を通り、第１流体流出路７２へ流出するようになっている。一方、ピストン弁体７４を後方側へ移動させると、第１流体流入路７１及び第１流体返送路７３の流出口にピストン弁体７４の縮径部７７が跨り、第１流体流入路７１から流れ込む第１流体は、縮径部７７と長状孔部７６の間隙を通じて、第１流体返送路７３へ流れ、配管４を介して容器３１へ戻るようになっている。

また、第１流体流出路７２の上方位置に於いて、バルブ本体７５の一部分を刳り貫くことにより、後述する導入管１０を着脱するための取付孔７８が形成されている。この取付孔７８は、第１流体流出路７２に連通され、第１流体流出路７２の開口中心を中心とする円形状に形成されている。尚、取付孔７８の内周面には、導入管１０を着脱するため、ネジが刻設されている。
さらに、この取付孔７８の上方側に於いて、更に大径に刳り貫くことにより、バルブ本体７５に、取付孔７８の外径よりも大径の管状部７９（外管に相当する）が形成されている。この管状部７９は、第１流体流出路７２の開口中心を中心とする円形状に形成されており、取り付けられた導入管１０の先端よりも長く形成されている。この管状部７９は、その先端側が円筒体に形成され、バルブ本体７５の外側へ突設されている。また、この突設された管状部７９の円筒体外周面には、ネジが刻設され、混合器２の流入部２１が直結されている。

上記取付孔７８に取り付けられた導入管１０は、図７にも示すように、内部に長手方向に真っ直ぐ伸びる貫通孔１１が形成され、その外周面の下端側には、取付孔７８に螺合するネジ１４が形成されていると共に、操作具（例えばレンチなど）を嵌めるための操作部１２（例えば六角面など）が形成されている。
かかる導入管１０は、取付孔７８及び第１流体流出路７２に対して水密状に取付けられており、従って、導入管１０先端の流出口１３が第１流体流出路７２の流出口となっている。
この導入管１０は、例えばネジ作用により、バルブ本体７５に着脱可能であるため、図８（ａ）及び（ｂ）に示すような、流出口１３の口径の異なる導入管１０に交換することができる。例えば、口径の小さい導入管１０としては、同図（ｂ）に示すように導入管１０の先端側の肉厚を薄くすることにより、導入管１０の先端面１０ａの面積が狭く形成されたものが好ましい。なぜなら、同図（ａ）のように、導入管１０の先端面１０ａが広く形成されていると、導入管１０の流出口１３から出た第１流体が、この先端面１０ａで滞留する虞があるからである。

また、導入管１０の外形は、管状部７９の内径よりも小さく形成されており、従って、導入管１０の外周面と管状部７９の内周面の間には、環状の間隙１５が確保されている。
この間隙１５に第２流体が流れ込むように、バルブ本体７５の管状部７９の側方には、第２流体流出路５１の流出口が形成されている（図３及び図４参照）。
この第２流体流出路５１は、図４に示すように、その流出口の中心線Ｙが、導入管１０の流出口１３の中心線Ｘに対して交わらないように形成されている。すなわち、管状部７９の内周面に開口された第２流体流出路５１の流出口は、その中心点を通る軸心延長線Ｙが導入管１０の流出口１３の中心点を通る軸心延長線Ｘに交わらず、偏心されている。

また、第２流体流出路５１の流出口の形成位置は、導入管１０先端よりも上方位置、導入管１０先端の近傍位置、導入管１０の中途位置、導入管１０の下端位置の何れでもよいが、図３に示すように、第２流体流出路５１は、その流出口が導入管１０の下端位置（間隙１５の下端位置）に対面するように開口されていることが好ましい。なぜなら、流体変更のため洗浄する際に、洗浄液を間隙１５の隅々に容易に行き渡らせ、残部を早期に除去できるからである。
さらに、導入管１０は、長く形成されている方が第２流体の渦流形成に有利であるが、他方、余りに長すぎると残部を洗い流す際に時間がかかる。これらを考慮して、導入管１０の長さＨは適宜設計されるものであるが、通常、５０ｍｍ程度が好ましいと考えられる。
尚、図２に於いて、１６は、圧力センサーを示し、１７は、ピストン弁体７４の端部を支持する支持キャップを示し、１８は、ピストンバルブ７などを取り付けるための台座を示す。また、図４に於いて、１９は、圧力センサー１６の取付孔を示す。

次に、第２流体供給機構５は、図１に示すように、第２流体が入れられる容器５２と、この容器５１に貯められた第２流体を吐出するポンプ５３と、第２流体の流路を切り替える三方弁としてのピストンバルブ５４と、を備えている。
第２流体供給機構５側のピストンバルブ５４は、上記導入管１０が設けられていない点を除いて、上記第１流体供給機構３のピストンバルブ７と同様の構造である。
そして、該ピストンバルブ５４から流れ出る第２流体は、図３に及び図４に示すように、配管４を介して、上記ピストンバルブ７に形成された第２流体流出路５１に流れ、間隙１５内に流出する。

上記流体混合装置１は、当初、両流体が返送路側へと流れるように、第１流体供給機構３のピストンバルブ７及び第２流体供給機構５のピストンバルブ５４の流路を開き、その状態でポンプ３２，５３を作動させる。適当な時間、流入路から返送路へと両者を循環させることにより、管内の脱気を行うことができる。
そして、脱気完了後、両者が流出路側へと流れるようにピストンバルブ７，５４の流路を開くことにより、第１流体は、導入管１０の流出口１３から混合器２の流入部２１へと流れ、一方、第２流体は、導入管１０と管状部７９との間隙１５に流れ込む。この際、第２流体流出路５１の流出口の中心線Ｙが、第１流体流出口７２の流出口１３の中心線Ｘに対して交わらないように設けられているので、第２流体は、図４に示すように導入管１０の外周面の周りを一方向から周回する渦流を生じながら上昇して第１流体と合流する。
このように第１流体の流れの周りに、渦流となった第２流体が合流するので、第１流体は第２流体に巻き込まれ、よって、何れかの流体が混合器２に流入する前段階で滞り難く、両者を同時に混合器２へ流入させることができる。
また、上記装置は、三方弁に形成された管状部内に、第１流体流出路に相当する導入管が設けられ、且つ、管状部と導入管の間隙に向かって第２流体が流れるように構成されている。このように三方弁の中に第１流体と第２流体の合流部分が組み込まれているので、装置全体の小型化を図ることができる。

混合しようとする流体の種類は、流動可能な物質であれば特に限定されず、同種又は異種の液体−液体、気体−液体、固体−液体などの任意のものを組み合わせて使用することができる。中でも、本発明の流体混合装置１は、液体同士の混合、特に、粘度や流量の異なる液体を混合する際に効果的である。この場合には、上記渦流を形成し易いことから、第１流体よりも粘度の低い液体や流量の大きい液体を、第２流体とすることが好ましい。

次に、混合しようとする流体を交換する場合には、容器３１，５２に水などの洗浄液を入れ、ポンプ３２，５３を作動させて各路及び混合器２などに残った残部を洗い流す。
この際、本発明の第１流体供給機構３及び第２流体供給機構５の三方弁は、ピストンバルブ７，５４からなるので、その内部に残存する残部を、洗浄液を流すだけで除去することができる。
また、流体変更時に、必要に応じて導入管１０を交換することができる。例えば、変更後の第１流体の流量が、第２流体の流量に比して低くなる場合には、口径の小さな導入管１０に交換することにより、両者の流速を調整することができる。又、逆の場合には、口径の大きな導入管１０に交換すればよい。

以上のように、上記流体混合装置は、混合しようとする流体を静止型混合器２にほぼ同時に流入させることができ、混合ムラのない混合物を作ることができる。
尚、本発明の流体混合装置は、上記に示した各構成例に限定されず、本発明の意図する範囲で適宜設計変更することができる。
例えば、上記各実施形態では、バルブ本体７５に管状部７９が形成され、この内部に導入管１０が挿入されていると共に、前記管状部７９に混合器２の流入部２１が直結されているため、装置全体の小型化を図ることができるので好ましいが、本発明は、バルブ本体７５に管状部７９及び導入管１０が一体的に設けられている態様に限定されない。例えば、バルブ本体７５に別途の管（外管）を接続し、この管の内側に且つ管の長手方向に沿って第１流体が流出する導入管１０を嵌入すると共に、この管の側方から第２流体流出路５１の流出口が設けられた態様に変更することも可能である。

また、本発明の流体混合装置は、２種類の流体を混合するものに限られず、例えば、管状部７９（外管）に流出口を２以上設けることにより、３種類以上の流体を同時に混合することも可能である。
さらに、上記各実施形態では、第２流体供給機構５側のピストンバルブ５４から流れ出る第２流体は、配管４を介して、第１流体供給機構３側のピストンバルブ７の第２流体流出路５１に流れ込むように構成されているが、例えば、配管４を介さずに、第２流体供給機構５側のピストンバルブ５４の流出口を第１流体供給機構３側のピストンバルブ７の第２流体流出路５１に直接的に接続してもよい。
尚、第１流体供給機構３や第２流体供給機構５の三方弁は、ピストンバルブに限られず、ボールバルブなどその他の三方弁に変更することもできる。

本発明の流体混合装置の概略模式図。 第１流体供給機構のピストンバルブ及び混合器を示し、該ピストンバルブの縦断面を含む一部省略側面図。 図２のＡ−Ａ線断面図。但し、圧力センサーは不図示。また、板状体は断面で示していない。 図３のＢ−Ｂ線端面図。但し、圧力センサーは不図示。 （ａ）は、板状体の平面図、（ｂ）は、同Ｃ−Ｃ線断面図。 ピストンバルブのピストン弁体を示す側面図。 （ａ）は、導入管の平面図、（ｂ）は、同Ｄ−Ｄ線断面図。 （ａ）、（ｂ）共に、本発明の導入管の変形例を示す平面図及びその縦断面図。 従来の流体混合装置の概略模式図。

符号の説明

１…流体混合装置、１０…導入管、１１…貫通孔、１２…操作部、１３…流出口、１５…間隙、２…静止型混合器、２１…流入部、２２…筒状ケース体、２３…板状体、２４…流出部、２５…貫通孔部、２６…表面開口部、２７…裏面開口部、２８…最小開口部、２９…縮径開口部、３…第１流体供給機構、３１…容器、３２…ポンプ、４…配管、５…第２流体供給機構、５１…第２流体流出路、５２…容器、５３…ポンプ、５４…ピストンバルブ（三方弁）、６…貯留容器、７…ピストンバルブ（三方弁）、７１…第１流体流入路、７２…第１流体流出路、７３…第１流体返送路、７４…ピストン弁体、７５…バルブ本体、７６…長状孔部、７７…縮径部、７８…取付孔、７９…管状部（外管）、８…パッキン、９…操作レバー、Ｘ…第１流体流出路の流出口の中心線、Ｙ…第２流体流出路の流出口の中心線

Claims (3)

1. 外管が連結された流入部を有し且つ前記流入部から液体である第１流体及び第２流体を流し入れることにより両者を混合する静止型混合器と、
   第１流体を混合器に流す第１流体流出路と、
   第２流体を混合器に流す第２流体流出路と、を備えており、
   前記第２流体が、前記第１流体よりも粘度が低い液体又は前記第１流体よりも流量が大きい液体であり、
   前記第１流体流出路が、前記外管の内側から外管の長手方向に沿って突設された導入管からなり、前記導入管の外径がその先端に向かうに従って小さくなっており、前記導入管先端の流出口から前記第１流体が流出するように構成されていると共に、
   前記第２流体流出路の流出口の中心線が前記導入管の流出口の中心線に対して交わらず且つ前記外管と導入管の間に形成された間隙に向かって第２流体が流出するように、前記外管の側方に第２流体流出路の流出口が開口されていることを特徴とする流体混合装置。
2. 第１流体が流入する第１流体流入路と、前記第１流体流出路と、第１流体を供給源に戻す第１流体返送路の３路と、を有し、前記第１流体流入路と第１流体流出路との流路又は第１流体流入路と第１流体返送路との流路を切り替えるピストンバルブからなる三方弁をさらに備えている請求項１に記載の流体混合装置。
3. 前記導入管が、異なる口径の導入管に交換可能とされている請求項１又は２に記載の流体混合装置。

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