JP6234723B2

JP6234723B2 - 流体混合装置

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Publication number: JP6234723B2
Application number: JP2013142712A
Authority: JP
Inventors: 賢一最上; 俊明中田
Original assignee: MG Grow Up Corp; Malufuku Suisan Co Ltd
Current assignee: MG Grow Up Corp; Malufuku Suisan Co Ltd
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2033-07-08
Also published as: JP2015013274A

Description

本発明は、流体を混合する流体混合装置、具体的には、例えば、液体と液体、液体と気体、粉体と液体、を微細化かつ均一化して混合する流体混合装置に関する。

流体混合装置の一形態として、特許文献１に開示されたものがある。すなわち、特許文献１には、中央部に流体の流入口を形成した円板状の第１拡散エレメントに、円板状の第２拡散エレメントを対向させて配置するとともに、両拡散エレメントの間に中央部側の流入口から流入した流体を周縁部側に向けて半径方向に流動させて拡散・混合する拡散・混合流路を形成した拡散・混合ユニットと、中央部に流体の流出口を形成した円板状の第１集合エレメントに、円板状の第２集合エレメントを対向させて配置すると共に、両集合エレメントの間に周縁部側から流入した流体を中央部側に向けて半径方向に流動させて集合・混合する集合・混合流路を形成した集合・混合ユニットとを具備し、拡散・混合流路の終端部と集合・混合流路の始端部を接続した流体混合装置が開示されている。

そして、第１・第２拡散エレメントの対向面と第１・第２集合エレメントの対向面には適切な同一の深さと大きさの六角形の凹部群をハニカム構造に形成するとともに、対向する凹部同士を相互に連通するように位置を違えて配置して、拡散・混合流路と集合・混合流路において、流体が蛇行しながら合流と分流（分散）を繰り返しながら半径方向に流動するようにしている。

特開平９−５２０３４号公報

ところが、特許文献１に開示された流体混合装置は、中央部側の流入口から流入した流体を周縁部側に向けて半径方向に流動させて拡散・混合する拡散・混合流路と、周縁部側から流入した流体を中央部側に向けて半径方向に流動させて集合・混合する流路構造を同様に形成しているために、混合分散機能の高い拡散・混合流路と比べて，集合・混合側流路は分散数がはるかに少ないにもかかわらず拡散・混合流路と同程度の圧力損失が生じていた。そのため、流体混合装置に流体を加圧して供給する加圧ポンプの電力消費量の低減さらには処理済み流体の流出量の増大化（効率化）が望まれていた。

そこで、本発明は、圧力損失を低減させて、加圧ポンプの電力消費量の低減化を図ることができるとともに、混合処理済み流体の流出量の増大化（効率化）を図ることができる流体混合装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明に係る流体混合装置は、混合処理対象である複数の異なる流体を加圧状態にて導入する導入口を設けた混合ケース内に、導入口から導入された複数の異なる流体を混合する混合ユニットを配設し、混合ケースには、混合ユニットにより混合された混合流体を導出する導出口を設けた流体混合装置であって、混合ケース内には、混合ユニットを配設するとともに、導入口と混合ユニットとの間に導入口側溜り空間を形成する一方、混合ユニットと導出口との間に導出口側溜り空間を形成して、各溜り空間の間に混合ユニットを連通させて配置するとともに、混合ユニットに設けた流入口は、導入口側に向けて開口配置する一方、混合ユニットに設けた流出口は、導出口側に向けて開口配置し、混合ユニットは、板状の第１エレメントと第２エレメントの面同士を対向状に配置して、両エレメントの始端縁部間を流入口となす一方、両エレメントの終端縁部間を流出口となし、両エレメントの各対向面には、同一の深さと大きさの凹部を有する凹部群を形成するとともに、対向する凹部群の凹部同士は、相互に連通するように位置を違えて配置して、対向する凹部間において、流体が蛇行しながら合流と分流を繰り返しながら流入口側から流出口側に向けて流動するように構成し、しかも、流入口側から流出口側に向けて流動する流体の流動方向の幅よりも、流体の流動方向と直交する方向の幅を広幅に形成して、大量の流体が混合ユニット中を流動して通過するようにしたことを特徴とする。
このように構成した流体混合装置では、混合ケース内の導入口と導出口との間において、導入口側溜り空間と導出口側溜り空間との間に混合ユニットを連通させて配置しているため、混合ケース内を流動する流体は、流動抵抗のない各溜り空間と、流動抵抗となる混合ユニットを直列的に通過することで堅実に脈流となる。
すなわち、流動抵抗が殆どない各溜り空間内を流動する流体の流速は比較的大きいものの、混合機能を有する混合ユニット中を流動する流体は流動抵抗を受けてその流速が比較的低減される。そのため、混合ケース内を流動する流体の流速は大→小→大と変化（激変）されて、流体の流れが堅実な脈流となる。その結果、混合ユニット中を流動する際はもとより、混合ケース内において脈流となって流動する際にもせん断効果が生起されて、相乗的なせん断効果が得られる。

請求項２記載の発明に係る流体混合装置は、混合処理対象である複数の異なる流体を加圧状態にて導入する導入口を設けた混合ケース内に、導入口から導入された複数の異なる流体を混合する複数の混合ユニットを配設し、混合ケースには、混合ユニットにより混合された混合流体を導出する導出口を設けた流体混合装置であって、混合ケース内には、導入口側から導出口側に向けて複数の混合ユニットを相互に間隔をあけて直列的に配設して、混合ユニット間に中継溜り空間を形成するとともに、導入口と最上流側に配置した混合ユニットとの間に導入口側溜り空間を形成する一方、最下流側に配置した混合ユニットと導出口との間に導出口側溜り空間を形成して、各溜り空間の間に各混合ユニットを連通させて配置するとともに、各混合ユニットに設けた流入口は、導入口側に向けて開口配置する一方、各混合ユニットに設けた流出口は、導出口側に向けて開口配置し、混合ユニットは、板状の第１エレメントと第２エレメントの面同士を対向状に配置して、両エレメントの始端縁部間を流入口となす一方、両エレメントの終端縁部間を流出口となし、両エレメントの各対向面には、同一の深さと大きさの凹部を有する凹部群を形成するとともに、対向する凹部群の凹部同士は、相互に連通するように位置を違えて配置して、対向する凹部間において、流体が蛇行しながら合流と分流を繰り返しながら流入口側から流出口側に向けて流動するように構成し、しかも、流入口側から流出口側に向けて流動する流体の流動方向の幅よりも、流体の流動方向と直交する方向の幅を広幅に形成して、大量の流体が混合ユニット中を流動して通過するようにしたことを特徴とする。
このように構成した流体混合装置では、混合ケース内の導入口と導出口との間において、導入口側溜り空間と中継溜り空間との間に混合ユニットを連通させて配置し、中継溜り空間と中継溜り空間との間に混合ユニットを連通させて配置及び/又は中継溜り空間と導出口側溜り空間との間に混合ユニットを連通させて配置しているため、混合ケース内を流動する流体は、流動抵抗のない各溜り空間と、流動抵抗となる各混合ユニットを交互に直列的に通過することで堅実に脈流となる。

すなわち、流動抵抗が殆どない各溜り空間内を流動する流体の流速は比較的大きいものの、混合機能を有する各混合ユニット中を流動する流体は流動抵抗を受けてその流速が比較的低減される。そのため、混合ケース内を流動する流体の流速は大→小→大→小→大と変化（激変）されて、流体の流れが堅実な脈流となる。その結果、各混合ユニット中を流動際はもとより、混合ケース内において脈流となって流動する際にもせん断効果が生起されて、相乗的なせん断効果が得られる。

また、各混合ユニットの上流側と下流側にはそれぞれ各溜り空間を配置して、各混合ユニットに設けた流入口は導入口側に向けて開口配置する一方、各混合ユニットに設けた流出口は導出口側に向けて開口配置しているため、混合ケース内における圧力損失を低減させることができる。そのため、流体混合装置に流体を加圧して供給する加圧ポンプの電力消費量の低減を図ることができるとともに、混合処理済み流体の流出量（導出量）の増大化（効率化）を図ることができる。

請求項３記載の発明に係る流体混合装置は、複数の混合ユニットを積層状に重合配置して混合ユニット積層体となしたことを特徴とする。

このように構成した流体混合装置では、混合ケース内に、混合ユニットを積層状に重合配置して形成した単数又は複数の混合ユニット積層体を配設しているため、これらの混合ユニット積層体により多量の混合流体を生成することができる。したがって、混合流体の生成効率を高めることができる。

前記した混合ユニットは、板状の第１エレメントと第２エレメントの面同士を対向状に配置して、両エレメントの始端縁部間を流入口となす一方、両エレメントの終端縁部間を流出口となし、両エレメントの各対向面には同一の深さと大きさを有する複数の凹部群を流入口側から流出口側に向けて間隔をあけて区分して形成するとともに、対向する凹部同士は相互に連通するように位置を違えて配置して、各凹部群の対向する凹部間には流体が蛇行しながら合流と分流を繰り返しながら流入口側から流出口側に向けて流動するように構成している。

このように構成した流体混合装置では、例えば加圧ポンプにより導入口を通して混合ケースに混合処理対象である複数の異なる流体を加圧状態にて導入し、混合ケース内に配設した混合ユニットないしは混合ユニット積層体により導入された複数の異なる流体を混合して、混合された混合流体を導出口から混合ケース外に導出することができる。

そして、混合ユニットでは、面同士を対向状に配置した板状の第１エレメントと第２エレメントの始端縁部間である流入口から複数の異なる流体を流入させて、両エレメントの終端縁部間である流出口から流出させるまでの間に、流入した流体を対向する凹部群の凹部間にて合流と分流を繰り返しながら蛇行させて流動させることにより、堅実に混合流体を生成することができる。

この際、対向する凹部群の凹部間において、連続相と分散相からなる流体が蛇行しながら流動する際に受けるせん断力により、分散相としての流体が微細化された混合流体が生成される。

このように、対向する凹部群の凹部間に流体が蛇行しながら合流と分流を繰り返しながら流入口から流出口に至る連続的な流路において、分散相としての流体が異なるせん断力を受けながら複数回にわたって微細化されるため、マイクロレベルないしはナノレベルへの微細化生成も堅実にかつ効率良く行うことができる。

本発明によれば、次のような効果が生起される。すなわち、本発明では、圧力損失を低減させることができるため、流体混合装置に流体を加圧して供給する加圧ポンプの電力消費量の低減を図ることができるとともに、混合処理済み流体の流出量（導出量）の増大化（効率化）を図ることができる。

本発明に係る流体混合装置を具備する混合流体生成装置の概念説明図。流体混合装置の斜視説明図。図２のI-I線断面説明図。図２のII-II線断面説明図。混合ユニットの拡大平面説明図（ａ）と断面拡大側面説明図（ｂ）。ＤＯ値の経時的測定結果を示す表。

以下に、本発明に係る流体混合装置について図面を参照しながら説明するが、その前にこの流体混合装置を具備する混合流体生成装置について図面を参照しながら説明する。

［混合流体生成装置の説明］
図１に示すＡは混合流体を生成する混合流体生成装置であり、混合流体生成装置Ａは、本発明に係る流体混合装置Ｍを具備している。本実施形態では、連続相としての流体として水や海水等の処理水Ｗを採用し、また、分散相としての流体として空気、酸素ガス、窒素ガス等の気体を採用した気液混合流体の生成について説明する。すなわち、混合流体生成装置Ａは、処理水Ｗを収容した上面開口箱型のタンクＴの底部に循環パイプＪの基端部を接続し、循環パイプＪの先端部をタンクＴ内の処理水Ｗ中に挿入することで、タンクＴ内と循環パイプＪ中で流体を循環させる循環流路Ｃｙを形成している。循環パイプＪの中途部には気体供給パイプＫ１を介して気体供給部Ｋ２を連通連結するとともに、気体供給部Ｋ２の下流側に位置させて流体混合装置Ｍを連通連結している。流体混合装置Ｍは、気体供給部Ｋ２から供給された気体と処理水Ｗの気液混相にせん断力を作用させることで、気体を超微細な気泡を有する気泡群となして処理水Ｗと混合するように構成している。

タンクＴの下流側に位置する循環パイプＪの中途部には吸込ポンプＰａと吐出ポンプＰｂとを直列的に隣接させて配設している。そして、上流側に配置した吸込ポンプＰａの吐出口と下流側に配置した吐出ポンプＰｂの吸込口との間に位置する循環パイプＪの部分に気体供給パイプＫ１を介して気体供給部Ｋ２を接続している。ここで、吸込ポンプＰａの吐出圧は吐出ポンプＰｂの吸込圧以下に設定している。Ｖ１は気体供給パイプＫ１の中途部に設けた気体供給量調整弁、Ｖ２は循環パイプＪの先端部に取り付けた圧力調整弁、ＷｋはタンクＴ内に溶媒である処理水Ｗを随時供給可能とした処理水供給部である。

上記した循環流路Ｃｙには逆洗流路Ｂｗを連通連結している。すなわち、流体混合装置Ｍの直上流側に位置する循環パイプＪの部分に、上流側三方弁Ｖ３を介して逆洗用迂回パイプＵの一側端部を連通連結する一方、流体混合装置Ｍの直下流側に位置する循環パイプＪの部分に、下流側三方弁Ｖ４を介して逆洗用迂回パイプＵの一側端部を連通連結している。逆洗用迂回パイプＵの中途部には中途部三方弁Ｖ５を設けて、中途部三方弁Ｖ５を介して排水収容部Ｈを連結している。逆洗流路Ｂｗは、上・下流側三方弁Ｖ３,Ｖ４を介して循環パイプＪと逆洗用迂回パイプＵを連通させることで形成される。そして、タンクＴ内に収容した洗浄水を吸込ポンプＰａ及び／又は吐出ポンプＰｂにより逆洗流路Ｂｗ内で所要回数だけ循環させることで、流体混合装置Ｍの下流側から上流側に洗浄水を逆流させて流体混合装置Ｍ内を洗浄（逆洗）処理することができる。逆洗処理後は、逆洗用迂回パイプＵの中途部に設けた中途部三方弁Ｖ５を介して排水収容部Ｈに洗浄排水を排出することができる。その後は、各三方弁Ｖ３,Ｖ４,Ｖ５を復元操作することで循環流路Ｃｙを復元するとともに、タンクＴ内に処理水Ｗを収容することで流体混合処理を再開することができる。

このように構成した混合流体生成装置Ａでは、吸込ポンプＰａと吐出ポンプＰｂを協働させることで、それらの間に配設した気体供給部Ｋ２から供給される気体が、吸込ポンプＰａの吐出口からの吐出圧を受けるとともに、吐出ポンプＰｂの吸込口からの吸引圧（エジェクタ効果）を受けて、円滑かつ安定して吸入される。その結果、処理水Ｗに混入される気体の量を一定に確保することができる。また、本実施形態では処理水Ｗと気体との混合流体の生成能力を確保したまま消費電力が小さい吸込ポンプＰａと吐出ポンプＰｂを組み合わせて協働使用することができるので、混合流体生成装置Ａの製造コストやランニングコストを低減させることができる。

例えば、処理水Ｗと窒素ガスを循環流路Ｃｙ中に循環させる処理作業を所定循環回数ないしは所定時間行うことにより、処理水Ｗに溶存している酸素を放出させるとともに、窒素ガスを処理水Ｗ中に溶解させて処理水Ｗを窒素水となすことができる。混合流体生成装置Ａによれば、例えば、１ｔの処理水ＷのＤＯ値（溶存酸素量）を６０分以内に１ｍｇ／Ｌ以下となすことができる（図６参照）。

また、上・下流側三方弁Ｖ３,Ｖ４を操作して逆洗流路Ｂｗを形成することで、流体混合装置Ｍの下流側から上流側に洗浄水を逆流させて流体混合装置Ｍ内を洗浄（逆洗）処理することができる。逆洗処理後は、中途部三方弁Ｖ５を介して排水収容部Ｈに洗浄排水を排出することができる。その後は、各三方弁Ｖ３,Ｖ４,Ｖ５を復元操作することで簡単に流体混合処理を再開することができる。このように、適宜逆洗処理をすることで、流体混合装置Ｍの流体混合機能を良好に確保することができる。

［流体混合装置の説明］
流体混合装置Ｍについて、図２〜図５を参照しながら説明する。流体混合装置Ｍは、図２〜図５に示すように、混合処理対象である複数の異なる流体（本実施形態では処理水Ｗと気体）Ｒを加圧状態にて導入する導入口１１を設けた混合ケース１０内に、導入口１１から導入された流体Ｒを混合する複数の混合ユニット２０を配設し、混合ケース１０には混合ユニット２０により混合された混合流体Ｒｍ（本実施形態では処理水Ｗと気体の気液混合流体）を導出する導出口１２を設けて構成している。

混合ケース１０内には、導入口１１側から導出口１２側に向けて複数の混合ユニット２０を相互に間隔をあけて直列的に配設して、混合ユニット２０間に中継溜り空間Ｓｈを形成するとともに、導入口１１と最上流側に配置した混合ユニット２０との間に導入口側溜り空間Ｓｕを形成する一方、最下流側に配置した混合ユニット２０と導出口１２との間に導出口側溜り空間Ｓｄを形成して、各溜り空間Ｓｕ,Ｓｈ,Ｓｄの間に混合ユニット２０を連通させて配置している。

混合ユニット２０は、板状の第１エレメント３０と第２エレメント４０の面同士を対向状に配置して、両エレメント３０,４０の始端縁部間を流入口５０となす一方、両エレメント３０,４０の終端縁部間を流出口５１となし、両エレメント３０,４０の各対向面３１,４１には同一の深さと大きさを有する複数の凹部群３２,４２を流入口５０側から流出口５１側に向けて間隔をあけて区分して形成するとともに、対向する凹部３４,４４同士は相互に連通するように位置を違えて配置して、各凹部群３２,４２の対向する凹部３４,４４間には流体Ｒが蛇行しながら合流と分流を繰り返しながら流入口５０側から流出口５１側に向けて流動するように構成している。

そして、本実施形態の流体混合装置Ｍは、複数（本実施形態では１０個）の混合ユニット２０を積層状に重合配置して混合ユニット積層体６０を形成して、混合ケース１０内の導入口１１と導出口１２との間において、導入口側溜り空間Ｓｕと中継溜り空間Ｓｈとの間、中継溜り空間Ｓｈと中継溜り空間Ｓｈとの間、及び、中継溜り空間Ｓｈと導出口側溜り空間Ｓｄとの間に、それぞれ混合ユニット積層体６０を配設している。つまり、本実施形態では、混合ケース１０内に複数（本実施形態では４個）の混合ユニット積層体６０を上流側から下流側に向けて一定の間隔をあけて直列的に配設している。各混合ユニット２０の流入口５０は導入口１１側に向けて開口配置する一方、各混合ユニット２０の流出口５１は導出口１２側に向けて開口配置している。

このように構成した流体混合装置では、以下のような作用効果が生起される。すなわち、混合ケース１０内の導入口１１と導出口１２との間において、導入口側溜り空間Ｓｕと中継溜り空間Ｓｈとの間、中継溜り空間Ｓｈと中継溜り空間Ｓｈとの間、及び、中継溜り空間Ｓｈと導出口側溜り空間Ｓｄとの間にそれぞれ混合ユニット２０を連通させて配置しているため、混合ケース１０内を流動する流体Ｒは、流動抵抗のない各溜り空間Ｓｕ,Ｓｈ,Ｓｄと、流動抵抗となる各混合ユニット２０を交互に直列的に通過することで堅実に脈流となる。

すなわち、流動抵抗が殆どない各溜り空間Ｓｕ,Ｓｈ,Ｓｄ内を流動する流体Ｒの流速は比較的大きいものの、混合機能を有する各混合ユニット２０中を流動する流体Ｒは流動抵抗を受けてその流速が比較的低減される。そのため、混合ケース１０内を流動する流体Ｒの流速は大→小→大→小→大と変化（激変）されて、流体Ｒの流れが堅実な脈流となる。その結果、各混合ユニット２０中を流動際はもとより、混合ケース１０内において脈流となって流動する際にもせん断効果が生起されて、相乗的なせん断効果が得られる。

また、各混合ユニット２０の上流側と下流側にはそれぞれ各溜り空間Ｓｕ,Ｓｈ,Ｓｄを配置して、各混合ユニット２０の流入口５０は導入口１１側に向けて開口配置する一方、各混合ユニット２０の流出口５１は導出口１２側に向けて開口配置しているため、混合ケース１０内における圧力損失を低減させることができる。そのため、流体混合装置Ｍに流体を加圧して供給する吸込ポンプＰａと吐出ポンプＰｂの電力消費量の低減を図ることができるとともに、混合処理済み流体である混合流体Ｒｍの流出量（導出量）の増大化（効率化）を図ることができる。

また、本実施形態では、吸込ポンプＰａと吐出ポンプＰｂにより導入口１１を通して混合ケース１０に流体Ｒを加圧状態にて導入し、混合ケース１０内に配設した混合ユニット２０により流体Ｒを混合して、混合された混合流体Ｒｍを導出口１２から混合ケース１０外に導出することができる。

そして、混合ユニット２０では、面同士を対向状に配置した板状の第１エレメント３０と第２エレメント４０の始端縁部間である流入口５０から流体Ｒを流入させて、両エレメント３０,４０の終端縁部間である流出口５１から流出させるまでの間に、流入した流体Ｒを各凹部群３２,４２の対向する凹部３４,４４間にて合流と分流を繰り返しながら蛇行させて流動させることにより、堅実に混合流体Ｒｍを生成することができる。

この際、連続相と分散相からなる流体Ｒが流入口側（上流側）の凹部群３２,４２間を蛇行しながら流動する際に受けるせん断力により分散相としての流体（本実施形態では気体）が微細化された混合流体Ｒｍが生成される。

このように、各凹部群３２,４２の対向する凹部３４,４４間に流体Ｒが蛇行しながら合流と分流を繰り返しながら流入口５０から流出口５１に至る連続的な流路において、分散相としての流体が異なるせん断力を受けながら複数回にわたって微細化されるため、マイクロレベルないしはナノレベルへの微細化生成も堅実にかつ効率良く行うことができる。

本実施形態の流体混合装置Ｍでは、混合ケース１０内に、混合ユニット２０を積層状に重合配置して形成した複数の混合ユニット積層体６０を配設しているため、これらの混合ユニット積層体６０により多量の混合流体Ｒｍを生成することができる。したがって、混合流体Ｒｍの生成効率を高めることができる。その結果、流体混合装置Ｍには、流体Ｒを一度通過（１パス）させるだけでも混合精度（例えば、微細化性と均一化性）の高い混合流体Ｒｍの生成することができ、所定回数通過させることで短時間に所望の混合流体Ｒｍを得ることができる。

次に、前記した流体混合装置Ｍの構成をより具体的に説明する。すなわち、混合ケース１０は、一方向（本実施形態では左右方向）に伸延する四角形箱型に形成しており、左右方向に伸延する四角形板状の天井部１３及び底部１４と、天井部１３及び底部１４の前後左右側縁部間に介設した四角形板状の前・後・左・右側壁部１５,１６,１７,１８とにより形成している。右側壁部１８の中央部には円形の導入口１１を設けて、導入口１１に循環パイプＪの中途部の上流側端部を連通連結し、循環パイプＪを通して導入口１１から流体Ｒを加圧状態にて導入するようにしている。左側壁部１７の中央部には導入口１１よりも小径で円形の導出口１２を設けて、導出口１２に循環パイプＪの中途部の下流側端部を連通連結し、混合ユニット２０により混合された混合流体Ｒｍを導出口１２から循環パイプＪを通して導出するようにしている。

混合ユニット２０の凹部群３２は、開口形状が（底面視）正六角形で有底筒状の凹部３４を幅方向（本実施形態では前後方向）にわたって隙間のない状態で伸延方向（本実施形態では左右方向）に複数列（本実施形態では４列）隣接させて垂設し、凹部３４を下方に向けて開口させている。いわゆるハニカム状に多数の凹部３４が形成されている。

また、混合ユニット２０の凹部群４２は、第２エレメント４０の対向面４１の流入口５０側に底面視正六角形で有底筒状の凹部４４を幅方向（本実施形態では前後方向）にわたって隙間のない状態で伸延方向（本実施形態では左右方向）に複数列（本実施形態では４列）隣接させて突設し、凹部４４を上方に向けて開口させている。いわゆるハニカム状に多数の凹部４４が形成されている。

凹部群３２を形成する凹部３４と凹部群４２を形成する凹部４４同士は、対向させて配置するとともに相互に連通するように位置を違えて配置している。つまり、凹部３４（４４）の中心位置に、凹部４４（３４）の角部４６（３６）が位置する状態で当接している。したがって、例えば、第１エレメント３０の凹部３４側から第２エレメント４０の凹部４４側に流体Ｒが流れる場合を考えると、流体Ｒは、２つの流路に分流（分散）されることになる。すなわち、第１エレメント３０の凹部３４の中央位置に位置された第２エレメント４０の角部４６は、流体Ｒを分流する分流部として機能する。逆に、第２エレメント４０側から第１エレメント３０側に流体Ｒが流れる場合を考えると、２方から流れてきた流体Ｒが１つの凹部３４に流れ込むことで合流することになる。この場合、第２エレメント４０の凹部４４の中央位置に位置された第１エレメント３０の角部３６は、合流部として機能する。

混合ユニット２０は、アクリル樹脂等の合成樹脂により各パーツ（構成部材）を形成して、これらを接着剤により一体的に接着することで一体的に構成することも、また、ステンレス鋼等の合金により各パーツを形成して、これらをビス止めにより一体的に組み付けることで一体的に構成するもできる。

本実施形態では、流体Ｒの流動幅である混合ユニット２０の左右幅Ｗ２（導入口から導出口へ向けて流動する流体Ｒの流動方向の幅）よりも、流体Ｒの流入・流出幅である混合ユニット２０の前後幅Ｗ５（流体Ｒの流動方向と略直交する方向の幅であって、前・後壁部１５,１６の間隔と同一幅）を広幅となした帯状に形成している。導入口側溜り空間Ｓｕの左右幅Ｗ１は混合ユニット２０の左右幅Ｗ２と略同一幅となし、中継溜り空間Ｓｈの左右幅Ｗ３は混合ユニット２０の左右幅Ｗ２の略二分の一幅となし、導出口側溜り空間Ｓｄの左右幅Ｗ４は混合ユニット２０の左右幅Ｗ２と略同一幅となしている。各溜り空間Ｓｕ,Ｓｈ,Ｓｄの前後幅と上下幅は混合ケース１０の内面の前後幅と上下幅と同一である。そして、導入口側溜り空間Ｓｕの下流側面と最上流側に配置した第１の混合ユニット積層体６０の各流入口５０とが面接触して連通し、第１の混合ユニット積層体６０の各流出口５１と最上流側に形成した第１の中継溜り空間Ｓｈの上流側面とが面接触して連通し、第１の中継溜り空間Ｓｈの下流側面と第２の混合ユニット積層体６０の各流入口５０とが面接触して連通し、第２の混合ユニット積層体６０の各流出口５１と第２の中継溜り空間Ｓｈの上流側面とが面接触して連通し、第２の中継溜り空間Ｓｈの下流側面と第３の混合ユニット積層体６０の各流入口５０とが面接触して連通し、第３の混合ユニット積層体６０の各流出口５１と第３の中継溜り空間Ｓｈの上流側面とが面接触して連通し、第３の中継溜り空間Ｓｈの下流側面と第４の混合ユニット積層体６０の各流入口５０とが面接触して連通し、第４の混合ユニット積層体６０の各流出口５１と導出口側溜り空間Ｓｄの上流側面とが面接触して連通している。

このようにして、導入口１１から導入されて導入口側溜り空間Ｓｕに充満した流体Ｒは、第１の混合ユニット積層体６０の各流入口５０から各混合ユニット２０内に並列状態に流入して、各混合ユニット２０内で蛇行しながら合流と分流（分散）を繰り返しながら流動することで、せん断力を受けて分散相である気体が微細化されるとともに均一に混合された混合流体Ｒｍとなる。

続いて、混合流体Ｒｍは、第１の混合ユニット積層体６０の各混合ユニット２０の各流出口５１から流出されて、第１の中継溜り空間Ｓｈに充満される。第１の中継溜り空間Ｓｈに充満された混合流体Ｒｍは、第２の混合ユニット積層体６０の各流入口５０から各混合ユニット２０内に並列状態に流入して、各混合ユニット２０内で第１の混合ユニット積層体６０と同様に混合処理される。その結果、分散相である気体がさらに微細化されるとともに均一に混合された混合流体Ｒｍとなる。

続いて、混合流体Ｒｍは、第２の混合ユニット積層体６０の各混合ユニット２０の各流出口５１から流出されて、第２の中継溜り空間Ｓｈに充満される。第２の中継溜り空間Ｓｈに充満された混合流体Ｒｍは、第３の混合ユニット積層体６０の各流入口５０から各混合ユニット２０内に並列状態に流入して、各混合ユニット２０内で第２の混合ユニット積層体６０と同様に混合処理される。その結果、分散相である気体がさらに微細化されるとともに均一に混合された混合流体Ｒｍとなる。

続いて、混合流体Ｒｍは、第３の混合ユニット積層体６０の各混合ユニット２０の各流出口５１から流出されて、第３の中継溜り空間Ｓｈに充満される。第３の中継溜り空間Ｓｈに充満された混合流体Ｒｍは、第４の混合ユニット積層体６０の各流入口５０から各混合ユニット２０内に並列状態に流入して、各混合ユニット２０内で第３の混合ユニット積層体６０と同様に混合処理される。その結果、分散相である気体がさらに微細化されるとともに均一に混合された混合流体Ｒｍとなる。

続いて、混合流体Ｒｍは、第４の混合ユニット積層体６０の各混合ユニット２０の各流出口５１から流出されて、導出口側溜り空間Ｓｄに充満される。導出口側溜り空間Ｓｄに充満された混合流体Ｒｍは、導出口１２から導出される。

各混合ユニット２０においては、流体Ｒの流動幅である各混合ユニット２０の左右幅よりも流体Ｒの流入・流出幅である各混合ユニット２０の前後幅Ｗ５を広幅に形成しているため、大量の流体Ｒが短時間に各混合ユニット２０を流動して通過する。

このように、混合ケース１０内では、流体Ｒないしは混合流体Ｒｍが導入口１１→導入口側溜り空間Ｓｕ→第１の混合ユニット積層体６０→第１の中継溜り空間Ｓｈ→第２の混合ユニット積層体６０→第２の中継溜り空間Ｓｈ→第３の混合ユニット積層体６０→第３の中継溜り空間Ｓｈ→第４の混合ユニット積層体６０→導出口側溜り空間Ｓｄ→導出口１２と流動する。

この際、混合ケース１０内では、比較的流路抵抗が小さい各溜り空間Ｓｕ,Ｓｈ,Ｓｄと比較的流路抵抗が大きい第１〜第４混合ユニット積層体６０とが交互に配置されているため、混合ケース１０内を流動する流体Ｒないしは混合流体Ｒｍの流速が間欠的に激変する脈流となすことができる。そのため、流体Ｒは、各混合ユニット２０中を流動する際にせん断力を受けることはもとより、混合ケース１０内においても脈流となって流動される際にせん断力を受ける。その結果、流体Ｒに作用させるせん断効果を増大させて、分散相をナノレベル（１μｍ以下）に微細化することができるとともに、大量に混合流体Ｒｍを生成することができる。

また、本実施形態では、混合ケース１０内に所要枚数（１０枚）の混合ユニット２０を積層状に重合させて配設することで混合ユニット積層体６０をコンパクトに形成することができるとともに、複数（４個）の混合ユニット積層体６０を上流側から下流側に間隔をあけて配設することで、各混合ユニット２０による流体混合処理を同時に平行して効率良く行うことができる。したがって、混合ケース１０内にコンパクトに配設された適当な個数の混合ユニット２０により適量の混合流体Ｒｍを効率良く生成するとともに、混合ケース１０から導出させることができる。

前記のように構成した流体混合装置Ｍは、水中ポンプの吐出部に導入口１１を接続して、水中ポンプの吸入部から吸入した異なる複数の流体を、吐出部から流体混合装置Ｍ内に吐出して流体混合装置Ｍ内を流動させることで、流体混合処理を行うこともできる。

前記した流体混合装置Ｍを具備する混合流体生成装置Ａにより気液混合流体を生成する実験を行った。すなわち、連続相としての流体として海水を採用し、分散相としての流体として窒素ガスを採用した。タンクＴ内に塩分濃度３.４％の海水を収容し、循環パイプＪを通して海水を循環させるとともに、気体供給部Ｋ２から窒素を３.０Ｌ／ｍｉｎ供給した。この際、（株）鶴見製作所製の陸上ポンプ（出力：２.２ｋＷ）である吐出ポンプＰｂからの吐出量は２６０.０Ｌであった。なお、本実験では吸込ポンプＰａは使用しなかった。

生成された気液混合流体（窒素海水）の溶存酸素量であるＤＯ値(Dissolved Oxygen)を測定した。その結果は、図６（ＤＯ値の経時的測定結果を示す表）に示す通りであり、実験開始時のＤＯ値が７.２４ｍｇ／Ｌであったのに対し、１時間混合処理後には０.１７ｍｇ／Ｌに激減していた。

そして、ナノサイト社製のナノ粒子解析装置「NanoSight NS500」により１μm以下（ナノレベル）の窒素等の気泡総数を測定した。その結果は、原海水のナノバブル密度が０.９２億個／ｍｌであったのに対し、１時間混合処理後のナノバブル密度は２.３０億個／ｍｌであり、２.５倍に倍増していた。

上記した本実験では、流体混合装置Ｍを具備する混合流体生成装置Ａにより気液混合流体を生成することで、ＤＯ値を能率良く低減化できるとともに、ナノバブル密度を倍増化できることが確認できた。その結果、流体混合装置Ｍは、流体のせん断効率・微細化効率が良いことが分かった。

Ａ混合流体生成装置
Ｍ流体混合装置
Ｃｙ循環流路
Ｊ循環パイプ
Ｋ１気体供給パイプ
Ｋ２気体供給部
Ｒ流体
Ｒｍ混合流体
Ｗ処理水
１０混合ケース
１１導入口
１２導出口
２０混合ユニット
３０第１エレメント
４０第２エレメント
５０流入口
５１流出口

Claims

混合処理対象である複数の異なる流体を加圧状態にて導入する導入口を設けた混合ケース内に、導入口から導入された複数の異なる流体を混合する混合ユニットを配設し、混合ケースには、混合ユニットにより混合された混合流体を導出する導出口を設けた流体混合装置であって、
混合ケース内には、混合ユニットを配設するとともに、導入口と混合ユニットとの間に導入口側溜り空間を形成する一方、混合ユニットと導出口との間に導出口側溜り空間を形成して、
両溜り空間の間に混合ユニットを連通させて配置するとともに、混合ユニットに設けた流入口は、導入口側に向けて開口配置する一方、混合ユニットに設けた流出口は、導出口側に向けて開口配置し、
混合ユニットは、板状の第１エレメントと第２エレメントの面同士を対向状に配置して、両エレメントの始端縁部間を流入口となす一方、両エレメントの終端縁部間を流出口となし、
両エレメントの各対向面には、同一の深さと大きさの凹部を有する凹部群を形成するとともに、対向する凹部群の凹部同士は、相互に連通するように位置を違えて配置して、
対向する凹部間において、流体が蛇行しながら合流と分流を繰り返しながら流入口側から流出口側に向けて流動するように構成し、
しかも、流入口側から流出口側に向けて流動する流体の流動方向の幅よりも、流体の流動方向と直交する方向の幅を広幅に形成して、大量の流体が混合ユニット中を流動して通過するようにしたことを特徴とする流体混合装置。
混合処理対象である複数の異なる流体を加圧状態にて導入する導入口を設けた混合ケース内に、導入口から導入された複数の異なる流体を混合する複数の混合ユニットを配設し、混合ケースには、混合ユニットにより混合された混合流体を導出する導出口を設けた流体混合装置であって、
混合ケース内には、導入口側から導出口側に向けて複数の混合ユニットを相互に間隔をあけて直列的に配設して、混合ユニット間に中継溜り空間を形成するとともに、導入口と最上流側に配置した混合ユニットとの間に導入口側溜り空間を形成する一方、最下流側に配置した混合ユニットと導出口との間に導出口側溜り空間を形成して、
各溜り空間の間に各混合ユニットを連通させて配置するとともに、各混合ユニットに設けた流入口は、導入口側に向けて開口配置する一方、各混合ユニットに設けた流出口は、導出口側に向けて開口配置し、
混合ユニットは、板状の第１エレメントと第２エレメントの面同士を対向状に配置して、両エレメントの始端縁部間を流入口となす一方、両エレメントの終端縁部間を流出口となし、
両エレメントの各対向面には、同一の深さと大きさの凹部を有する凹部群を形成するとともに、対向する凹部群の凹部同士は、相互に連通するように位置を違えて配置して、
対向する凹部間において、流体が蛇行しながら合流と分流を繰り返しながら流入口側から流出口側に向けて流動するように構成し、
しかも、流入口側から流出口側に向けて流動する流体の流動方向の幅よりも、流体の流動方向と直交する方向の幅を広幅に形成して、大量の流体が混合ユニット中を流動して通過するようにしたことを特徴とする流体混合装置。
混合ユニットは、その複数を積層状に重合配置して混合ユニット積層体となしたことを特徴とする請求項１又は２記載の流体混合装置。