JP5935969B2 - スタティックミキサー - Google Patents
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Description
円筒状の管路内に設けられた旋回流発生用翼体および上記管路内にこの旋回流発生用翼体と同軸に、かつこの旋回流発生用翼体の下流側に設けられた渦崩壊用ノズル部を有し、
上記旋回流発生用翼体が、上記管路の中心軸から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように設けられた板状の複数の翼からなることを特徴とするスタティックミキサーである。
第1の管路と、
上記第1の管路内に上記第1の管路を閉塞するように設けられた閉塞部材と、
上記閉塞部材の複数箇所に上記閉塞部材を貫通して設けられた円筒状の第2の管路と、
上記第2の管路内に設けられた旋回流発生用翼体および上記第2の管路内にこの旋回流発生用翼体と同軸に、かつこの旋回流発生用翼体の下流側に設けられた渦崩壊用ノズル部を有し、
上記旋回流発生用翼体が、上記第2の管路の中心軸から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように設けられた板状の複数の翼からなることを特徴とするスタティックミキサーである。
〈第1の実施の形態〉
[スタティックミキサー]
図1に、第1の実施の形態によるスタティックミキサーを示す。図1に示すように、このスタティックミキサーにおいては、円筒状の管路11の内部に、旋回流発生用翼体12および渦崩壊用ノズル13が互いに同軸に固定して設けられている。管路11の上流側の一端11aから液体が流入し、下流側の他端11bから液体が出てゆく。渦崩壊用ノズル13は旋回流発生用翼体12の下流側に設けられている。旋回流発生用翼体12と渦崩壊用ノズル13とは、典型的には所定の間隔をおいて互いに離れて設けられるが、必要に応じて両者を接触させてもよい。
ρe 〜(ue /ve )2 re =Γe -2re
以上とする必要がある。ただし、ve は渦崩壊用ノズル13の出口における旋回流の周方向速度である。すなわち、
ρe ≧Γe -2re
とする。
このスタティックミキサーの動作について説明する。
図1に示すように、管路11の一端11aから、予め気体が混合された液体が供給される。この液体は、まず旋回流発生用翼体12に到達し、この旋回流発生用翼体12の翼12aと翼12aとの間の空間を流れ、翼12aが下流側に向かって湾曲していることにより旋回流発生用翼体12の円周方向に向きを変えられることにより旋回流となって、旋回流発生用翼体12と渦崩壊用ノズル13との間の渦流部を進む。この際、旋回流発生用翼体12に到達した液体は、この旋回流発生用翼体12の中心部が複数の翼12aの交差部からなり、中心部の径が小さいことにより、ほとんど閉塞されないため、旋回流発生用翼体12の出口に後流がほとんど発生しない。旋回流発生用翼体12を出た液体が、渦流部を通って渦崩壊用ノズル13に入ると、旋回流は縮流され、循環に比べて流れが卓越することで渦崩壊が起きる。この渦崩壊により大きな気泡が細かく潰され、マイクロバブルとなって渦崩壊用ノズル13の出口から放出される。こうして、マイクロバブルが入った液体が管路11の他端11bから出てゆく。ここで、渦崩壊用ノズル13の最小断面、すなわち渦崩壊部13bの断面における旋回流の回転周波数fe は、縮流部13aにおいて循環が保存されるとすると、渦流部における旋回流の回転周波数をf、管路11の内径をD、渦崩壊部13bの内径をDe としたとき、fe =(D/De )2 fとなる。
旋回流発生用翼体12によって発生する旋回流は、翼12aによって生成される角運動量フラックスから見積もることができる。ただし、二次流の影響を無視し、翼12aから吐き出される液体の流速は管路11の断面内の半径方向に変化しないと仮定する。
さらに、渦崩壊部13bで生成される気泡径は、Hinze スケールDc 程度であり、
第1の製造方法では、旋回流発生用翼体12および渦崩壊用ノズル13をそれぞれ単体として製作し、これらの旋回流発生用翼体12および渦崩壊用ノズル13を管路11内に挿入することによりスタティックミキサーを製造する。
[スタティックミキサー]
図12AおよびBに、第2の実施の形態によるスタティックミキサーを示す。ここで、図12Aは縦断面図、図12Bは正面図である。図12AおよびBに示すように、このスタティックミキサーにおいては、円筒状の管路21の内部にこの管路21を閉塞する閉塞部材22が設けられている。この閉塞部材22に、管路21よりも径が小さい複数の管路23がこの閉塞部材22を貫通して所定の配置で設けられている。各管路23の内部に、旋回流発生用翼体12および渦崩壊用ノズル13が互いに同軸に固定して設けられている。渦崩壊用ノズル13は旋回流発生用翼体12の下流側に設けられている。旋回流発生用翼体12と渦崩壊用ノズル13とは、典型的には所定の間隔をおいて互いに離れて設けられるが、両者を接触させてもよい。この場合、管路21の一端21aから液体が流入し、各管路23を通って、管路21の他端21bから液体が出てくる。このスタティックミキサーは、管路21内に第1の実施の形態によるスタティックミキサーを複数配置したものに相当する。
このスタティックミキサーの動作について説明する。
図12に示すように、管路21の一端21aから、予め気体が混合された液体が供給される。この液体は、閉塞部材22を貫通して設けられた管路23の入口から入って旋回流発生用翼体12に到達し、この旋回流発生用翼体12の翼12aと翼12aとの間の空間を流れ、翼12aが下流側に向かって湾曲していることにより旋回流発生用翼体12の円周方向に向きを変えられることにより旋回流となって渦流部を進む。この際、旋回流発生用翼体12に到達した液体は、この旋回流発生用翼体12の中心部が複数の翼12aの交差部からなり、中心部の径が小さいことにより、ほとんど閉塞されないため、旋回流発生用翼体12の出口に後流がほとんど発生しない。旋回流発生用翼体12を出た液体が、渦流部を通って渦崩壊用ノズル13に入ると、旋回流は縮流され、循環に比べて流れが卓越することで渦崩壊が起きる。この渦崩壊により大きな気泡が細かく潰され、マイクロバブルとなって渦崩壊用ノズル13の出口から放出される。こうして、管路21の他端21bからマイクロバブルが入った液体が出てゆく。ここで、渦崩壊用ノズル13の最小断面、すなわち渦崩壊部13bの断面における旋回流の回転周波数fe は、縮流部13bにおいて循環が保存されるとすると、渦流部における旋回流の回転周波数をf、管路23の内径をD、渦崩壊部13bの第1の部分b1の内径をDe としたとき、fe =(D/De )2 fとなる。
[実施例1]
図13は実施例1のスタティックミキサーの斜視図である。図14Aはこのスタティックミキサーの平面図、図14Bは正面図、図14Cは断面図(図14BのA−A線に沿っての断面図)である。図14A、BおよびCに各部の寸法を示す。
図17は実施例2のスタティックミキサーの斜視図である。図18Aはこのスタティックミキサーの正面図、図18Bは断面図(図18AのA−A線に沿っての断面図)である。図18Aおよび図18Bに各部の寸法を示す。
図19に示すように、円柱状の閉塞部材22に軸対称の円柱状の孔22aを形成する。この孔22aの下流部には渦崩壊用ノズル13が一体的に形成されている。旋回流発生用翼体12は別途、単体で製作する。そして、この旋回流発生用翼体12を、閉塞部材22に形成された各孔22aに、渦崩壊用ノズル13と反対側から挿入することによりスタティックミキサーを製造する。
第3の実施の形態においては、第2の実施の形態によるスタティックミキサーの上流側に旋回流型マイクロバブル発生装置が設けられる。
スタティックミキサー31として実施例1のスタティックミキサーを用いた。旋回流型マイクロバブル発生装置として抵抗係数が1〜2程度のものを用いた。この程度の抵抗係数はスタティックミキサー31の抵抗係数に比べて無視することができる。
スタティックミキサー31として実施例2のスタティックミキサーを用いた。旋回流型マイクロバブル発生装置として抵抗係数が1〜2程度のものを用いた。
第4の実施の形態においては、スタティックミキサーの気泡微粒化性能を検証する。
図37は、Qw =38L/min、Qa =1L/min、P=44kPa、f=19の条件で実験を行った結果を示す写真である。
一方で、K−ST42の場合には、配置された箇所で、合体した気泡も絶えず微粒化されるため、特に給気量が多い場合に有利となる。
したがって、このスタティックミキサー43は、管路41内において気泡の合体が抑制できるように界面活性剤などを混入した液体中への気泡の分散、もしくは、前記実験のようにタンク内への気泡の分散などで使用する場合に効果的である。
第5の実施の形態においては、スタティックミキサーへの気体供給方法について説明する。
ポンプを通過させることができない特殊の気体を供給することができる。
図38および図39に示すように、管路21のスタティックミキサー31の上流部に縮流部51を設け、その上流部の管路21の外壁にタンク52を設ける。管路21の外壁には管路21とタンク52とを連通させるための排出口53が設けられている。タンク52と管路21内の縮流部11との間に給気管54が設けられており、この給気管54を通してタンク52内の気体を管路21内に供給することができるようになっている。給気管54の途中には、気体流量調節用弁55が取り付けられている。タンク52にはまた、空気以外の気体を供給する場合に用いられる逆止弁56および給気管57が取り付けられている。
管路21への送液を停止すると、重力によりタンク52内の液体が管路21の出口に向かって排出される。排出口53は、液体の表面張力に比べて重力が支配的となる程度の大きさ(内径が3mm以上)とする。液体の排出が起こり難い場合や空気以外の気体を供給する場合は、逆止弁56によりタンク52内に気体を供給する。
第6の実施の形態においては、スタティックミキサーへの気体供給方法について説明する。
高濃度マイクロバブル発生手段として使用されている気体溶解タンクの代わりに、スタティックミキサーと気体放出装置とを使用することで装置全体の大きさが小さくなる。
図44に示すように、この加圧式マイクロバブル発生装置においては、管路61に気体溶解タンク62が取り付けられている。この気体溶解タンク62の上面には弁63および排出管64が取り付けられている。気体溶解タンク62はポンプ揚程により加圧下にあり、この気体溶解タンク62内の気泡65を溶解させるためのものである。ここで生成された過飽和液体が例えば細孔部66を通過し、衝撃を与えられることで再気泡化し、マイクロバブルが生成される。
図45に示すように、水平配置された管路21の途中に気体供給タンク71が設けられ、この気体供給タンク71の上面に弁72が取り付けられ、この弁72に排出管73が接続されている。管路21の下流側に第2の実施の形態によるスタティックミキサー31が取り付けられている。気体供給タンク71とこのスタティックミキサー31との間に従来のスタティックミキサー、例えば特許文献3に開示されたものやKenicsタイプのスタティックミキサー74が4個、直列接続配置されている。また、管路21の気体供給タンク71の上流側には、例えば特許文献3に開示されたものやKenicsタイプのスタティックミキサー74が6〜12個、直列接続配置されている。
例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、形状、構造、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、形状、構造、配置などを用いてもよい。
Claims (10)
- 円筒状の管路内に設けられた旋回流発生用翼体および上記管路内にこの旋回流発生用翼体と同軸に、かつこの旋回流発生用翼体の下流側に設けられた渦崩壊用ノズル部を有し、
上記旋回流発生用翼体は、上流側の先端を半球状に形成した円柱部を中心に有し、この円柱部から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように板状の複数の翼を設けたもの、または、上記管路の中心軸から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように板状の複数の翼が設けられ、中心部が上記複数の翼の交差部からなるものであり、
上記渦崩壊用ノズル部は縮流部および渦崩壊部を有し、上記縮流部は上記渦崩壊部に向かって断面積が徐々に減少しており、上記渦崩壊部との境界部において上記渦崩壊部と同一の断面形状を有し、
上記渦崩壊部は、円筒状の第1の部分と下流側に向かって広がった形状の第2の部分とを有し、上記第1の部分の内周面と上記第2の部分の端面とがなす角度をθ0 としたとき、90度≦θ0 <180度であり、
上記旋回流発生用翼体の半径をR、上記第1の部分の内半径をre 、上記旋回流発生用翼体の中心軸に平行な方向と上記複数の翼の下流側の終端部とがなす角度をθf (ただし、θ f は65度以下)、上記管路に流される液体の流量、密度および表面張力係数をそれぞれQ、ρおよびσとしたとき、
- 上記旋回流発生用翼体の上記複数の翼の枚数が2枚以上であることを特徴とする請求項1記載のスタティックミキサー。
- 上記複数の翼は上記管路の中心軸の方向に投影したときに隙間が現れないように構成されていることを特徴とする請求項1または2記載のスタティックミキサー。
- 上記第1の部分の直径をD e 、上記第1の部分の内周面と上記第2の部分の端面との間のエッジ部の曲率半径をδ e としたとき、δ e ≧D e /2であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載のスタティックミキサー。
- 第1の管路と、
上記第1の管路内に上記第1の管路を閉塞するように設けられた閉塞部材と、
上記閉塞部材の複数箇所に上記閉塞部材を貫通して設けられた円筒状の第2の管路と、
上記第2の管路内に設けられた旋回流発生用翼体および上記第2の管路内にこの旋回流発生用翼体と同軸に、かつこの旋回流発生用翼体の下流側に設けられた渦崩壊用ノズル部とを有し、
上記旋回流発生用翼体は、上流側の先端を半球状に形成した円柱部を中心に有し、この円柱部から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように板状の複数の翼を設けたもの、または、上記第2の管路の中心軸から放射状に、かつ下流側に向かうにつれて湾曲するように板状の複数の翼が設けられ、中心部が上記複数の翼の交差部からなるものであり、
上記渦崩壊用ノズル部は縮流部および渦崩壊部を有し、上記縮流部は上記渦崩壊部に向かって断面積が徐々に減少しており、上記渦崩壊部との境界部において上記渦崩壊部と同一の断面形状を有し、
上記渦崩壊部は、円筒状の第1の部分と下流側に向かって広がった形状の第2の部分とを有し、上記第1の部分の内周面と上記第2の部分の端面とがなす角度をθ 0 としたとき、90度≦θ 0 <180度であり、
上記旋回流発生用翼体の半径をR、上記第1の部分の内半径をr e 、上記旋回流発生用翼体の中心軸に平行な方向と上記複数の翼の下流側の終端部とがなす角度をθ f (ただし、θ f は65度以下)、上記第1の管路に流される液体の流量、密度および表面張力係数をそれぞれQ、ρおよびσとしたとき、
- 上記旋回流発生用翼体の上記複数の翼の枚数が2枚以上であることを特徴とする請求項5記載のスタティックミキサー。
- 上記複数の翼は上記第2の管路の中心軸の方向に投影したときに隙間が現れないように構成されていることを特徴とする請求項5または6記載のスタティックミキサー。
- 上記第1の部分の直径をD e 、上記第1の部分の内周面と上記第2の部分の端面との間のエッジ部の曲率半径をδ e としたとき、δ e ≧D e /2であることを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項記載のスタティックミキサー。
- 上記複数の上記第2の管路内の上記渦崩壊用ノズル部から発生される旋回流のサーキュレーションの総和が0であることを特徴とする請求項5〜8のいずれか一項記載のスタティックミキサー。
- 上記閉塞部材の上流側の部分の上記第1の管路内に旋回流型マイクロバブル発生ノズルが設けられていることを特徴とする請求項5〜9のいずれか一項記載のスタティックミキサー。
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