JP5684006B2 - ミキサー装置 - Google Patents

Description

本発明は、自己吸入作用を持つ静止混合器としてのミキサー装置に関する。

従来から、各種の「静止混合器」が提案され、例えば（１）エジェクターで液体中に気体を吸引させ、渦巻きポンプ等の遠心式ポンプで攪拌混合させる装置、（２）ポンプ出口部に連接させた静止型ミキサーで攪拌混合させる装置（特許文献１）、（３）ミキサーの内部に回転する攪拌器を装備させて、機械的に攪拌混合させる装置（特許文献２）などが提案されている。（２）静止型ミキサーでの攪拌混合方法に着目すると、従来の静止型ミキサーは、その流れ方向で、複数枚の金網を構成して絞り効果で分散を図ったり（特許文献３）、捩れ板を挿入して攪拌混合を図ったり、あるいは、複数個の並列ジェットで相互の流速差で剪断応力を働かせたり（上述の特許文献１）して流体の混合を図り、これらをポンプ出口部に連接させて、気液混合流体の均質化やマイクロバブル化を図っている。

本出願人も、既に「気液混合装置（ＰＣＴ／ＪＰ２０１０／００２２５２）」を提案している。当該技術は、一対の対抗ジェットにより流体を直角に衝突させて、この衝突のエネルギーにより当該流体を粉砕・分散・拡散させて混合作用を得ている。

特許第４００２４３９号公報 特開２００９−３９６００号公報 特開２００８−２８９９９０号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、例えば、「静止混合器」に対し混合流体を予め上流側で混合して供給するか、あるいは対抗するジェットにポンプ等を用いて流体を供給し当該流体を衝突させて混合供給するか、いずれかの方式以外になく、これらの技術では、混合流体を予め混合させる機器や、流体供給用のポンプ等が必要となっていた。
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、余分な機器類を必要とすることなく、簡易な構成で流体混合できるミキサー装置を提供することにある。

本発明は、ミキサー・エレメントがハウジングに圧入された本体を備え、前記本体が、流出方向に１８０度以下のなす角度を持って形成された一対のジェット孔と、前記一対のジェット孔の合流部に設けられ、前記一対のジェット孔から噴射される第１の流体の微細化・均質混合化を図るために、前記第１の流体同士を衝突させる衝突空間と、前記衝突空間の背後に設けられた第２の流体を吸引する吸引孔と、前記衝突空間に連続して出口に向かって開放される円錐状空間と、を備え、前記衝突空間が前記円錐状空間の頂点に近い位置に設けられ、前記一対のジェット孔から噴射される第１の流体同士の衝突により前記衝突空間の背後に生じる負圧により前記吸引孔から第２の流体を吸引し、当該衝突空間内で第１および第２の流体を衝突させて混合する構成としたことを特徴とする。

流体の噴流による発生負圧を利用し、他の流体を吸引して混合させた後に、下流に供給する機器としては、所謂、ベンチュリ効果を利用した機器が知られている。
それらの中で、（１）空気供給により、例えば水を吸引して霧化を図る「霧吹き」や、同じく空気供給により洗浄油（灯油）を吸引して自動車部品を洗浄する機器、あるいは、（２）養殖池等での空気供給のために、循環ポンプにより水を供給し、そのベンチュリ効果により、空気吸引して気液混在流体を供給する機器（前出の、エジェクター方式）などが存在している。
これらの機器は、その何れもが大気圧近傍で同圧「吸引流体も供給流体も同じ圧力下」において行われている。このため、例えば供給流体が「液体（水）」で、吸引流体が「気体（空気）」の場合は、その混合領域は、大気圧近傍のため、基本的には、液中（水槽）に多孔質セラミックスを介して空気供給する条件と類似であり、液中の空気溶存度は、単に液体温度により一義的に決定されてしまう。

一方、本出願人が既申請の「気液混合装置（ＰＣＴ／ＪＰ２０１０／００２２５２）」では、混合領域は、対抗するジェットからの衝突空間のため、大凡、ジェット入口圧力の２倍の圧力空間となる。このため、この衝突領域に、吸引流体を導けば、「供給流体と吸引流体」とを、高い圧力下で作用させる事が可能となる。
しかしながら、既申請の装置では、出口部と軸状に、吸引流体流出孔を設けているため、吸引作用が行われない。

本発明では、一対のジェット孔から噴射される第１の流体同士を衝突空間内で流出方向にθＪ＝１８０度以下のなす角度を持って衝突させる構成としたため、前記衝突空間の背後に生じる負圧により前記吸引孔から第２の流体を吸引でき、Ｖの噴出速度を与える、対抗ジェットの両者の向きを、同じθＪ／２の角度で流体の出口側に傾けることにより、「Ｖ・ｓｉｎθＪ／２」の速度エネルギーから生じる負圧「＝ρ・（Ｖ・ｓｉｎθＪ／２）²／２」により、流体の吸引機能を発揮させることができる。この負圧は、「θＪ／２」を鋭角にするに連れて、衝突エネルギーが小さくなる代わりに、生成負圧を大きくできる。
したがって、対抗ジェットから噴出する流体の速度エネルギーを利用して、異種の第１の流体及び第２の流体を自己吸引させて、当該異種流体を対抗ジェット流体の高圧下で混在させることができる。
また、被吸引流体のエネルギーで他の流体を吸引し、その流体を衝突領域の高圧下で作用させることで、流体相互の反応性を高めることができる。例えば吸引流体を「オゾン」とすると、対抗ジェットから噴出される流体の高圧下「＝衝突空間」にオゾンを供給し、その反応性を高めることができる。

この場合において、前記ミキサー・エレメントが一対のジェット孔を１乃至複数組備えていてもよい。
前記流体出口が角度θｆを持った末広がりの円錐状を成し、第１および第２の流体を対向ジェットの衝突部分で高圧混合させた後に、前記円錐状の流体出口で拡散混合させる構成としてもよい。
前記吸引孔に流量調整弁やポンプを連接させ、当該吸引孔から吸引される流体流量を管理可能としてもよい。
前記一対のジェット孔から液体を供給し、前記吸引孔より気体を吸引させてもよい。
前記一対のジェット孔から水道水を供給し、前記吸引孔より環境下の空気を吸引させて、水の霧化を図り散水してもよい。
前記一対のジェット孔に消火ホース先端部を連通し、当該一対のジェット孔に高圧水を供給し、前記吸引孔より二酸化炭素を吸引させて、高濃度・二酸化炭素水を生成させて放水するようにしてもよい。

本発明では、対抗ジェットから噴出する流体の速度エネルギーを利用して、異種の第１の流体及び第２の流体を自己吸引させて、当該異種流体を対抗ジェット流体の高圧下で混在させることができる。

本発明の一実施の形態を示すシステム図である。 Ａはミキサー・エレメントを示す端面図、Ｂは断面図である。 ミキサー・エレメントの要部の拡大図である。 別実施の形態を示すシステム図である。

以下、本発明の一実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、例えば学校の運動場や都会の炎暑の地域空間などに水を噴霧する噴霧システムを示している。この実施の形態では、水道水（〜０．２ＭＰａ〜）の噴流による発生負圧を利用し、運動場または上記の地域空間の空気を吸引して混合させた後に、当該運動場または上記の地域空間に噴霧し、外部エネルギーがゼロで、水の気化潜熱により、環境温度を低下させて涼しい環境を作ることが可能である。類似の考えで、圧縮空気を噴射して、霧吹きの方法で、水を霧化させて冷却を図る方法があるが、本実施の形態では、圧縮空気などを利用せずに、上述したように、水道の水圧を利用するため、外部エネルギーがゼロの上、流体供給管が、水供給管のみで、構成が簡単な特徴を有する。

図１において、１は支持バーを示している。この支持バー１には、複数個のミキサー・エレメント３，３，３…が取り付けられている。ミキサー・エレメント３，３，３…には水道水Ｓの供給ホース５が接続され、ミキサー・エレメント３の内部では、水道水Ｓ（第１の流体）の噴流による発生負圧を利用して、運動場または上記地域空間の空気Ｋ（第２の流体）を吸引して混合させた後に、霧化した混合流体Ｒを噴霧する。
ミキサー・エレメント３，３，３…は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、樹脂製のハウジング３１を有して構成されている。樹脂製のハウジング３１内には、Ｏ−リング３２を介して、樹脂性の本体３３が圧入されている。なお、樹脂製ハウジングは、ＳＵＳ等の金属製であってもよい。

この本体３３には、流出方向に１８０度以下のなす角度「θＪ」を持って、一対の対向ジェット孔（＝内径φｄ１の一対のジェット孔）７，７が設けられている。図示の例では、φｄ１の細孔のジェット７が旋盤加工されているが、加工法はこれに囚われず、ＳＵＳ等の金属製の薄板にフォト・エッチング等の技術で製造されたものであってもよい。あるいは、ＳＵＳ細管を挿入して構成されてもよい。
対向ジェット孔７，７の合流部には、内径φｄｃの円柱状の衝突空間９が設けられ、この衝突空間９に連続して出口に向かって角度θｆで開放される円錐状空間（流体出口１１）が形成され、最下流の位置にリング部１２が形成されている。当該円錐部の頂点に近い場所に、内径φｄｃの上記衝突空間９が設けられている。衝突空間９の内径φｄｃの大きさは、「（φｄｃ）２≧ｎ（φｄ１）２」の関係で構成される。但し、ｎ＝ジェット数である。対抗ジェット７，７は流量に応じて「１乃至複数組」設けられる。
当該ジェット孔７には、雌ネジ部７Ａが設けられ、エルボ８（図１）が接続されて、エルボ８に上記供給ホース５が接続されている。

一対のジェット孔７には供給ホース５（図１）を介して水道水Ｓ（水道圧力＝〜０．２ＭＰａ〜）が供給される。水道水Ｓは、内径φｄ１の細孔ジェットより噴射され、内径φｄｃの円柱状衝突空間９で激しく衝突する。衝突の際の運動量が流体出口１１の出口方向に向いているため、衝突空間９の背後には負圧が発生する。この衝突空間９の背後には内径φｄｇ（φｄｇ＜φｄｃ）の吸引孔１３が貫通形成される。
この構成では、吸引孔１３は、運動場または上記の地域空間に開放している。そして、衝突空間９の背後に負圧が発生することで、当該負圧を利用して、上記吸引孔１３から運動場または上記地域空間の空気Ｋが吸引される。

つぎに、衝突空間９内での混合原理を説明する。
図３に示すように、一対のジェット孔７からの噴流を、衝突空間９において互いに衝突させることにより、流体の微細化・均質混合が図られる。すなわち、当該ジェット孔７の向きを流出方向に１８０度以下のなす角度θｊで衝突させる。この結果、出口部に、Ｖｊ・ｃｏｓ（θｊ／２）（ｍ／ｓｅｃ）の速度で吐出される。これによると「θｊ」を「１８０°」よりも小にするに連れ、その速度は大となり、負圧も増加する。一方で、衝突速度は、２・Ｖｊ・ｓｉｎ（θｊ／２）のため、「θｊ」を「１８０°」よりも小にするに連れ、衝突速度は小さくなる。このため、「θｊ＝１２０°」を基本として、衝突エネルギーと、必要となる吸引気体量との関係から、最適な「θｊ」が決定される。θｊ≧１２０°の領域では、流体の微細化及び混合性能の追及が基本の設計となる一方で、θｊ≦１２０°の領域では、吸引気体量の増加が基本の設計となる。

本実施の形態では、一対のジェット孔７からの噴流を、衝突空間９において互いに衝突させることで、対抗ジェット７，７から噴出する水道水の速度エネルギーを利用して、空気を自己吸引させて、当該空気と水道水とを対抗ジェット７，７の水道水の高圧下で混在させるため、混在流体の微細化・均質混合が図られ、微細化された混在流体を運動場または上記の地域空間に噴霧でき、外部エネルギーがゼロで、水の気化潜熱により、環境温度を低下させて涼しい環境ができる。

図４は、別実施の形態を示し、ミキサー・エレメント３を、魚の養殖池等の水槽２１内に没入させている。ミキサー・エレメント３の構成は、図２に示す構成と同一である。この例では、ミキサー・エレメント３の一対のジェット孔７に循環ホース２２が接続され、循環ホース２２は、その途中に循環ポンプ２３に接続されて、循環ホース２２の先端が水槽２１内に没入されている。また、ミキサー・エレメント３の吸引孔１３にはエアーホース２４が接続され、エアーホース２４には流量の調整弁２５が接続され、エアーホース２４の端部は大気に開放されている。

循環ポンプ２３を駆動すると、水槽２１内の水Ｓが吸引されて、循環ホース２２を介して一対のジェット孔７に供給される。
水槽２１内の水は、図２を参照し、内径φｄ１の細孔ジェットより噴射され、内径φｄｃの円柱状衝突空間９で激しく衝突する。衝突の際の運動量が流体出口１１の出口方向に向いているため、衝突空間９の背後には負圧が発生する。
この衝突空間９の背後には内径φｄｇの吸引孔１３が貫通形成され、上記負圧により、この吸引孔１３を通じてエアーホース２４の端部から空気Ｋが吸引される。すなわち、対抗ジェット７，７から噴出する水槽２１内の水Ｓの速度エネルギーを利用して、空気Ｋを自己吸引させて、空気Ｋと水槽２１内の水Ｓとを対抗ジェット７，７の水槽２１内の水Ｓの高圧下で混在させることで、混在流体の微細化・均質混合が図られ、微細化された混合流体Ｒが水槽２１内の水中に気泡として供給される。この構成によれば、エアーホース２４に設けた調整弁２５の開度調整により気泡を制御できる。
すなわち調整弁２５の開度を大きくすれば、大量の空気が大きな気泡状態で供給され、調整弁２５の開度を絞ったときには、マイクロバブル状態で供給され、これにより養殖池等における溶存酸素濃度（＝生体の利用可能酸素量）を調整できる。

尚、別の応用例として、図示は省略したが、ミキサー・エレメント３の一対のジェット孔７に水道水を供給し、吸引孔１３から二酸化炭素を吸引する構成としてもよい。
この構成では、ミキサー・エレメント３を例えば農場などに配置し、二酸化炭素の溶存度を高めた混合流体Ｒを農場などの植物に散布でき、農場での植物育成に多大な効果を発揮できる。一般的に、水の霧化を図る場合は、コンプレッサーを用いて行われる。しかし、この技術では、水道水を、当該ミキサーに導くことにより、吸引空気あるいは吸引二酸化炭素などを用いて、水の微粒子化が可能になるため、外部エネルギー＝ゼロで、農場の水散布などが可能となる。

上記作用を確実にするために、図２に示すように、角度θｆで開放される円錐状空間（流体出口１１）の先端部に、「φｄｃ」の内径を有する円柱状空間（衝突空間９）を設け、当該空間９に、「θｊ」の角度を有する内径「φｄｊ」の一対の対抗するジェット孔７，７を設け。そして、その背後に生成される負圧による吸引作用により、流体吸引させるために、円柱状空間９に連接させて、内径「φｄｇ」の細孔流路（吸引孔１３）を設ける。この結果、対抗ジェットに流体供給することにより、「φｄｇ」から、異種の流体が吸引され、吸引された「流体」は、対抗ジェットの衝突面に導かれ、「Ｐ＝２ρ・（Ｖｊ・ｓｉｎ（θｊ／２））²／２」の高圧下で混合される。このように、混合領域（衝突空間９）が、高圧下のため、対抗ジェット流体が例えば、「水」等の液体で、吸引流体が「空気」等の気体の場合、液体の衝突領域での液体中の「空気含有率」は、その圧力に比例して増加する。反応性の低い気体の場合は、ミキサー前で混合させても問題ないが、反応性の高い「オゾン」の場合、加圧することにより、「２Ｏ₃」から「３Ｏ₂」に戻るため、その効果が失われる。一方、本実施の形態のように、対抗ジェット流体が例えば、「水」等の液体で、反応性のある「オゾン」を吸引気体として使用した場合、発生オゾン量のままで、高圧反応領域に導けるため、単純に混合させるよりも、オゾンの反応効果を高められ、例えば、水中の細菌等の滅菌効果を向上できる。

つぎに、別実施の形態を説明する。
火災を消火させる場合には、一般的に、放水が行われる。この火災は、可燃物の存在、可燃物の（引火／燃焼）温度、酸化剤の存在の、三つの要素により継続されることが知られている。放水は、これらの三要素の中で、「可燃物の（引火／燃焼）温度」を下げることにより消火を図るものである。
本実施の形態では、ミキサー・エレメント３の一対のジェット孔７に水道水を供給し、吸引孔１３から二酸化炭素を吸引する構成とした場合、他の気体に比して、二酸化炭素の水への溶解度が大きいことに加え、高圧下で混合させるために、二酸化炭素の溶解度がその圧力に比例して、更に高められる。この高濃度二酸化炭素水を、火災に適用した場合、水そのものによる「可燃物の（引火／燃焼）温度」を下げる効果に加え、高濃度二酸化炭素水が火炎に触れることにより、放水中の二酸化炭素が溶出し、酸化剤の存在を阻害するため、消炎効果が更に高められる。

本実施の形態では、φｄｃの円柱状の衝突空間９を設け、対抗ジェット孔７，７の向きを、流体出口１１方向に傾けることにより、その背後に「負圧」を生成させて、吸引孔１３から異種の流体を吸引させ、衝突空間９の高圧領域で両者の流体の混合を図り、反応性のある流体の場合は、その効果を促進できる。

例えば、気体の、水等の液体の溶解度は、ヘンリーの法則により、流体圧力に比例し、温度に反比例する関係にある。この結果、単純に、ベンチュリ効果による水等の液体中へのオゾン供給の場合に比較して、溶存オゾン量が大きく増加するため、例えば、水中細菌の滅菌等の化学反応に優れることが期待できる。あるいは、二酸化炭素の液体としての水等の溶解度が高いと同時に、前述のように、気体溶解度は圧力に比例するため、高圧衝突領域（衝突空間９）では、二酸化炭素溶存度はその圧力に比例して増加する。この二酸化炭素含有流体を、そのまま高圧下で供給した場合、例えば、消火のための噴水では、燃焼体を、水で冷却して延焼を防止すると共に、二酸化炭素含有水が、火炎に触れる事により、溶解していた二酸化炭素が放出されて、酸化剤としての酸素（空気）を排除するため、相乗効果によって、単なる放水よりも、消火能力に優れる効果が期待できる。このため、出口方向と逆の中央部の、対抗ジェットの背部に、出口と軸状に、吸引孔１３を設けて、出口方向に、斜め状に配置した「対抗ジェットによる吸引力」を利用して、異種流体を吸引できるようにした。また、吸引孔１３に連接させて、流量調整弁２５等を設けて、吸引流体の流量を調整できる構成とした。

以上、一実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものでないことは明らかである。例えば、角度θｆで開放される円錐状空間（流体出口１１）の最下流位置にリング部１２を設けているが、リング部１２は図２に示す軸方向長さの２倍以上の長さとしてもよい。
また、燃焼改善やＮＯｘ低減のために、燃料中に水を混在させた「水エマルジョン燃料」が知られている。しかし、一般的に、水と油は溶解しないため、均質混合させることは難しい。このため、両者の混合の仲介のために、界面活性剤が使用され、あるいは、外部から機械的に攪拌混合させる例がある。
本実施の形態では、このような「水エマルジョン燃料」を製造する上でも有効である。すなわち、対抗ジェット孔７，７には、「燃料」を供給し、吸引孔１３からは、「対抗ジェットによる吸引力」を利用して、「水」を供給すると、吸引された「水」は、燃料相互の衝突空間にて燃料と共に、微粒化・拡散混合が図られ、効率的に、「水エマルジョン燃料」を生成することができる。

１ 支持バー
３，３，３… ミキサー・エレメント
３１ ハウジング
３３ 本体
７，７ ジェット
９ 衝突空間
１１ 流体出口
１２ リング部
１３ 吸引孔

Claims (7)

1. ミキサー・エレメントがハウジングに圧入された本体を備え、
   前記本体が、流出方向に１８０度以下のなす角度を持って形成された一対のジェット孔と、前記一対のジェット孔の合流部に設けられ、前記一対のジェット孔から噴射される第１の流体の微細化・均質混合化を図るために、前記第１の流体同士を衝突させる衝突空間と、前記衝突空間の背後に設けられた第２の流体を吸引する吸引孔と、前記衝突空間に連続して出口に向かって開放される円錐状空間と、を備え、前記衝突空間が前記円錐状空間の頂点に近い位置に設けられ、
   前記一対のジェット孔から噴射される第１の流体同士の衝突により前記衝突空間の背後に生じる負圧により前記吸引孔から第２の流体を吸引し、
   当該衝突空間内で第１および第２の流体を衝突させて混合する構成としたことを特徴とするミキサー装置。
2. 前記ミキサー・エレメントが一対のジェット孔を１乃至複数組備えたことを特徴とする請求項１に記載のミキサー装置。
3. 前記流体出口が角度θｆを持った末広がりの円錐状を成し、第１および第２の流体を対向ジェットの衝突部分で高圧混合させた後に、前記円錐状の流体出口で拡散混合させることを特徴とする請求項１または２に記載のミキサー装置。
4. 前記吸引孔に流量調整弁やポンプを連接させ、当該吸引孔から吸引される流体流量を管理可能としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のミキサー装置。
5. 前記一対のジェット孔から液体を供給し、前記吸引孔より気体を吸引させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のミキサー装置。
6. 前記一対のジェット孔から水道水を供給し、前記吸引孔より環境下の空気を吸引させて、水の霧化を図り散水することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のミキサー装置。
7. 前記一対のジェット孔に消火ホース先端部を連通し、当該一対のジェット孔に高圧水を供給し、前記吸引孔より二酸化炭素を吸引させて、高濃度・二酸化炭素水を生成させて放水することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のミキサー装置。

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