JP6540120B2 - 混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、混合装置に関する。

シリカ、アルミナ、炭酸カルシウム、タルク、酸化チタン等の無機粒子は、水性媒体や油性媒体中に分散した状態でスラリーとして使用されている（例えば、特許文献１参照）。

スラリーを製造する際、例えば、水等の第１の液体と、有機溶媒中に分散剤が溶解した第２の液体を混合し、この混合液に、上記のような無機粒子が液媒体中に分散した分散液である第３の液体を混合する。このような方法は、例えば、以下のような混合装置を用いて行われる。

上記混合装置としては、第１の液体が流下する第１の流路（主流路）と、第１の流路の途中に合流し、第２の液体が流下する第２の流路（副流路）と、第３の液体が流下し、第１の流路の第２の流路が合流している部分よりも下流側にて第１の流路と合流する第３の流路（副流路）とを有するものが挙げられる。

上記のような混合装置において、一般的には、図９に示すように、第２の流路は、第１の流路の直線状の部分に直交して合流している。また、第１の流路に合流するときの第２の液体の流速は、第１の流路内での第１の液体の流速よりも遅い。さらに、第２の液体の比重は、第１の液体の比重よりも小さく、相溶性が悪いことがある。これらのことが相まって、図９に示すように、第２の液体は、第１の流路に合流した途端に第１の液体によって下流側に流され、第２の液体は、第１の液体との間に界面が存在したまま管壁に沿って流下していく。すなわち、第１の液体と第２の液体との混合が不十分となる。

第１の液体と第２の液体とが均一に混合されていないまま第３の液体と合流してしまうと、第１の液体、第２の液体および第３の液体を均一に混合することが困難になる。この場合、第２の液体中の成分が、第３の液体中の無機粒子にムラなく接触することができず、無機粒子に対して十分な反応が得られない。

特開平１１−２０７６０４号公報

本発明の目的は、簡単な構成で、第１の液体と第２の液体とを均一に混合することができる混合装置を提供することにある。

このような目的は、下記（１）〜（１５）の本発明により達成される。
（１） 第１の液体に、前記第１の液体よりも比重が小さい第２の液体を混合する混合装置であって、
前記第１の液体が流下し、途中が屈曲した屈曲部を有する主流路としての第１の流路と、
前記第２の液体が流下し、前記屈曲部で前記第１の液体と合流する副流路としての第２の流路とを有し、
前記第２の液体は、前記屈曲部において前記第１の液体よりも小さい流量かつ遅い流速で前記第１の液体に合流し、前記第１の液体とともに流下することを特徴とする混合装置。

（２） 前記第１の流路は、前記屈曲部の上流側でかつ前記屈曲部の直近に位置する直線状の上流側直線状部と、前記屈曲部の下流側でかつ前記屈曲部の直近に位置する直線状の下流側直線状部とを有しており、
前記第２の流路は、前記屈曲部の直近に位置する第２の流路側直線状部を有している上記（１）に記載の混合装置。

（３） 前記下流側直線状部と前記第２の流路側直線状部とは、平行である上記（２）に記載の混合装置。

（４） 前記上流側直線状部と前記下流側直線状部とのなす角度は、直角である上記（３）に記載の混合装置。

（５） 前記上流側直線状部と前記下流側直線状部とのなす角度は、鋭角である上記（３）に記載の混合装置。

（６） 前記上流側直線状部での前記第１の液体の流量Ｒ_１と、前記第２の流路側直線状部での前記第２の液体の流量Ｒ_２との比Ｒ_１／Ｒ_２は、２０〜１５０である上記（２）ないし（５）のいずれかに記載の混合装置。

（７） 前記上流側直線状部、前記屈曲部および前記下流側直線状部の内径φｄ_１は、一定であり、
前記第２の流路側直線状部の内径φｄ_２は、前記内径φｄ_１よりも小さい上記（２）ないし（７）のいずれかに記載の混合装置。

（８）前記内径φｄ_１は、２０ｍｍ以下で、前記内径φｄ_２は、前記内径φｄ_１との比ｄ_１／ｄ_２ が１〜１０である上記（７）に記載の混合装置。

（９） 前記上流側直線状部での前記第１の液体のレイノルズ数は、４０００以下である上記（２）ないし（８）のいずれかに記載の混合装置。

（１０） 前記第１の流路には、前記屈曲部が複数設けられており、
前記第２の流路は、前記複数の屈曲部のいずれかに選択的に接続可能になっている上記（１）ないし（９）のいずれかに記載の混合装置。

（１１） 前記屈曲部を第１屈曲部としたとき、前記第１の流路は、前記第１屈曲部よりも下流側に位置し、途中が屈曲した第２屈曲部を有し、
前記第１の液体および前記第２の液体とはそれぞれ異なる第３の液体が流下し、前記第２屈曲部で前記第１の液体および前記第２の液体の混合液と合流する副流路としての第３の流路をさらに有する上記（１）ないし（１０）のいずれかに記載の混合装置。

（１２） 前記第２屈曲部での前記混合液のレイノルズ数は、前記第１屈曲部での前記第１の液体のレイノルズ数よりも大きい上記（１１）に記載の混合装置。

（１３） 前記第３の流路は、前記複数の屈曲部に選択的に接続可能になっている上記（１２）に記載の混合装置。

（１４） 前記第１の液体は、水を含み、
前記第２の液体は、液状の添加剤または溶媒と、該溶媒中に溶解した添加剤とを含み、
前記第３の液体は、水系分散媒中に分散された無機粒子を含んでいる上記（１１）ないし（１３）のいずれかに記載の混合装置。

（１５） 前記水は、水であり、
前記添加剤は、オレイン酸であり、
前記無機粒子は、アルミナである上記（１４）に記載の混合装置。

本発明によれば、第１の液体と第２の液体とが均一に混合された混合液を得ることができる。

また、第１の液体と、第２の液体とを混合した混合液に、無機粒子が分散された分散液を混合してスラリーを得る場合、第２の液体に含まれる成分は、無機粒子にムラなく接触することとなる。よって、無機粒子に均一に第２の液体に含まれる成分を反応させる処理を行うことができる。よって、第２の液体に含まれる成分を親水性の分散剤とすれば、無機粒子の親水性を高めることにより、スラリーにおいて無機粒子同士が引き合い、凝集することを防止または抑制することができ、無機粒子が均一に分散されたスラリーを得ることができる。また、第２の液体に別の成分を用いることで、所望する成分が付与された無機粒子を得ることができる。

さらに、本発明によれば、各液体を均一に撹拌するための撹拌装置等を別途設けるのを省略することができる。よって、簡単な構成で第１の液体と第２の液体とを均一に混合することができる。

本発明の混合装置（第１実施形態）を示す概略構成図である。 図１に示す合流部の拡大断面図である。 図２に示す複数のジョイントのうちの１つのジョイントを示す拡大図である。 図３に示すジョイント内で第１の液体と第２の液体とが混合される過程を示す模式図であって、（ａ）が、各液体が合流する直前の状態を示す図、（ｂ）が、各液体が合流した状態を示す図、（ｃ）が、各液体が均一に混合された状態を示す図である。 図３に示すジョイント内で第１の液体と第２の液体とが混合される過程を示す模式図であって、（ａ）が、各液体が合流する直前の状態を示す図、（ｂ）が、各液体が合流した状態を示す図、（ｃ）が、各液体が均一に混合された状態を示す図である。 図２に示すジョイントに各配管を接続した形態の一例を示す図である。 図２に示すジョイントに各配管を接続した形態の一例を示す図である。 本発明の混合装置（第２実施形態）が備えるジョイント内で第１の液体と第２の液体とが混合される過程を示す模式図であって、（ａ）が、各液体が合流する直前の状態を示す図、（ｂ）が、各液体が合流した状態を示す図、（ｃ）が、各液体が均一に混合された状態を示す図である。 従来の混合装置において第１の流路と第２の流路とが合流している部分を示す模式図である。

以下、本発明の混合装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の混合装置（第１実施形態）を示す概略構成図である。図２は、図１に示す合流部の拡大断面図である。図３は、図２に示す複数のジョイントのうちの１つのジョイントを示す拡大図である。図４は、図３に示すジョイント内で第１の液体と第２の液体とが混合される過程を示す模式図であって、（ａ）が、各液体が合流する直前の状態を示す図、（ｂ）が、各液体が合流した状態を示す図、（ｃ）が、各液体が均一に混合された状態を示す図である。図５は、図３に示すジョイント内で第１の液体と第２の液体とが混合される過程を示す模式図であって、（ａ）が、各液体が合流する直前の状態を示す図、（ｂ）が、各液体が合流した状態を示す図、（ｃ）が、各液体が均一に混合された状態を示す図である。図６は、図２に示すジョイントに各配管を接続した形態の一例を示す図である。図７は、図２に示すジョイントに各配管を接続した形態の一例を示す図である。

なお、図１〜図６（図７についても同様）では、液体の流れを矢印で図示しており、その矢印が指している方向、すなわち、液体が流れていく方向を「上流」または「上流側」と言い、その反対側を「下流」または「下流側」と言う。

また、本明細書中では、「層流」とは、液体のレイノルズ数Ｒｅが２３００以下の状態のことを言い、「乱流」とは、液体のレイノルズ数Ｒｅが４０００以上の状態のことを言い、この間に位置する液体のレイノルズ数Ｒｅが２３００〜４０００の範囲を「乱流遷移流」と言う。

図１に示す混合装置１００は、例えば研磨剤等に使用されるスラリーＳを製造するための装置である。このスラリーＳは、有機溶媒または無機溶媒中に粒子が分散した懸濁体である。

混合装置１００は、第１の液体Ｌ１が流下する第１の流路１０を有する第１の液体供給ライン１と、第２の液体Ｌ２が流下する第２の流路２０を有する第２の液体供給ライン２と、第３の液体Ｌ３が流下する第３の流路３０を有する第３の液体供給ライン３と、冷却部５と、洗浄用ライン６と、洗浄用ライン７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄとを有している。

混合装置１００では、第１の流路１０が主流路となっており、第２の流路２０と第３の流路３０とが副流路となっている。また、混合装置１００では、第１の液体供給ライン１に、第２の液体供給ライン２と第３の液体供給ライン３とがそれぞれ異なる位置で接続されている。そして、第１の液体Ｌ１、第２の液体Ｌ２および第３の液体Ｌ３が順次混合されてスラリーＳとなる。以下、混合装置１００の各部について説明する。

図１に示すように、第１の液体供給ライン１は、第１の液体Ｌ１が貯留された第１の液体貯留部１１と、配管１２と、ポンプ１３と、圧力計１４と、圧力計１５と、配管１２の途中にそれぞれ設けられた手動弁１７ａ、１７ｂ、１７ｃとを有している。

第１の液体貯留部１１には、第１の液体Ｌ１が貯留されている。この第１の液体Ｌ１は、特に限定されないが、本実施形態では純水である。また、第１の液体貯留部１１は、貯留された第１の液体Ｌ１を排出する排出口１１１を有している。この排出口１１１には、配管１２が接続されている。

配管１２は、複数本の管体が図示しないジョイントで連結されて、全体として、途中が複数個所屈曲した一本の管体で構成されている。また、配管１２の内側は、第１の流路１０として機能する。配管１２の内径φｄ_１は、その長手方向に沿って一定となっている。この内径φｄ_１は、１〜２０ｍｍ程度となっている（図３参照）。また、内径φｄ_１は、第１の液体の流量や粘性等の物性を考慮して決定される。本実施形態のように純水を用いる場合の内径φｄ_１の例としては、小型実験装置で流量が１０〜数１０ｍＬ／分の場合で１〜５ｍｍ、より大型で流量が数１０〜３００ｍＬ／分の場合で３〜１０ｍｍ、さらに大型で流量が３００ｍＬ以上の場合には１０〜２０ｍｍの範囲が好ましい。

また、配管１２は、第２の液体供給ライン２と第３の液体供給ライン３とがそれぞれ合流する合流部１６と、合流部１６よりも下流側に設けられ、配管１２の一部が蛇行した蛇行部１８を有している。さらに、図１には示していないが、合流部１６を電気ヒータ等により加熱することで、第１の流路１０内を流れる第１の液体Ｌ１を適切な温度に加熱し、第２の液体Ｌ２および第３の液体Ｌ３との混合や反応に適した温度に制御することができる。この場合、合流部の適切な位置に温度計を設け、配管内温度を測定することができる。また、蛇行部１８よりもさらに下流側には、圧力制御装置や、混合液の回収装置、分離装置等の装置を設置することができる。

合流部１６は、配管１２が多数回屈曲を繰り返して、全体として蛇行した形状をなしているか、または螺旋状の形状をしている。これにより、前記電気ヒータ等による加熱を行なう場合、加熱に十分な流通時間を得るためには配管長さを長くする必要があるが、長い配管を小さな体積内に収めることを可能とし、装置を小型化することができる。そして、合流部１６の途中には、ジョイント６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈが設けられている。ジョイント６ａ〜６ｈは、上流側からこの順に配置されている。これらジョイント６ａ〜６ｈは、それぞれ、第２の液体供給ライン２と第３の液体供給ライン３とが接続可能になっている。ジョイントの数や位置は限定するものではなく、適切な数や位置に変更可能なものである。

蛇行部１８は、圧力計１５よりも下流側に設けられている。この蛇行部１８は、冷却部５の冷却水に浸かっている。また、この蛇行部１８は、合流部１６と同様に多数回屈曲を繰り返して全体として蛇行した形状をなしているか、または螺旋状の形状をしている。これにより、蛇行部１８を通過するスラリーＳを小さな体積内で効率よく冷却することができる。

なお、合流部１６、蛇行部１８は、水平な面内で蛇行していてもよく、垂直な面内で蛇行していてもよいが、特に、合流部１６は、螺旋状で上流側を上方、下流側が下方としているのが好ましい。さらに、合流部１６内で上方への折り返しが無い形状とすると、特に好ましい。これは、第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２に比重差がある場合や、無機粒子を含むスラリー液の場合には、重力の影響を受け、分離や沈降が発生する不具合を防ぐ効果がある。

配管１２の途中で、かつ、合流部１６の上流側には、ポンプ１３が設けられている。
このポンプ１３は、第１の液体貯留部１１に貯留されている第１の液体Ｌ１を下流側に送液するものである。ポンプ１３としては、特に限定されず、例えば、ギアポンプ、ローラーポンプ、ピストンポンプ、ダイアフラムポンプ、遠心ポンプ、チューブポンプ、シリンジポンプ等が挙げられる。ポンプ１３の下流に設けられた圧力計１４としては、特に限定されず、例えば、ブルドン管圧力計やベローズ式圧力計、ダイアフラム式等の圧力センサや圧力伝送器等が挙げられる。また、液体や蒸気による圧力計の破損や腐食がある場合には、隔膜付き圧力計を用いることが好ましい。

合流部１６の下流側で、かつ、冷却部５の上流側には、圧力計１５が設けられている。圧力計１５は、圧力計１４と同様の構成であり、合流部１６から流下して冷却部５に流下する以前の第１の液体Ｌ１の圧力を計測するものである。これにより、合流部１６で第１の液体Ｌ１、第２の液体Ｌ２および第３の液体Ｌ３が正常に合流しているか否かを知ることができる。これは、圧力計１４と圧力計１５の圧力差を監視することで、合流部１６における配管１２の閉塞を推測することが可能となるためである。特に、各液体の混合により固形物が発生する場合や、無機粒子等を含むスラリーの場合や、スラリーの場合で各液体の混合により凝集物が発生する場合には、固形物が配管１２内に付着することや、配管１２内で固形物が沈降し堆積することで、配管１２内の有効流路面積が減少し、最終的には配管１２が閉塞するという問題がある。このような問題により有効流路面積が減少した場合、圧力計１４と圧力計１５の圧力差が大きくなるため、合流部１６で正常に合流しているかを判断することが可能となる。圧力計１５は、合流部１６の途中にも設置し、より細かく各位置の監視をすることも可能である。また、蛇行部１８の下流側にも圧力計を設け、蛇行部１８内の状態を監視することも可能である。

ポンプ１３の下流側でかつ合流部１６の上流側には、圧力計１４が設けられている。この圧力計１４は、配管１２内の圧力を計測するものである。これにより、ポンプ１３から送り出された第１の液体Ｌ１が合流部１６を流下する以前の第１の液体Ｌ１の圧力を知ることができる。よって、例えば、第１の液体Ｌ１の圧力が所望の範囲から外れていた場合、ポンプ１３の作動を調節するか、蛇行部１８よりさらに下流に設置した圧力制御装置を調整することができる。合流部１６を加熱し、かつ配管１２内の液体は液相を保つように条件を設定する場合、配管１２内の圧力は飽和蒸気圧よりも大きな圧力に保つ必要がある。従って、配管１２内の圧力が飽和蒸気圧よりも低下する可能性がある場合、配管１２内の圧力を上げる方向へ装置を調整することで、所望の状態を保つことが可能となる。

手動弁１７ａは、第１の液体貯留部１１の下流側の直近に設けられている。この手動弁１７ａは、手動で開閉操作を行うことができ、「開」状態では、第１の液体貯留部１１から第１の液体Ｌ１を配管１２内に流下させることができる。

手動弁１７ｂ、１７ｃは、それぞれ手動弁１７ａと同様の構成となっている。手動弁１７ｂは、手動弁１７ａとポンプ１３との間に設けられている。また、手動弁１７ｃは、ポンプ１３と圧力計１４との間に設けられている。例えば、ポンプ１３で不具合が生じた場合、手動弁１７ｂ、１７ｃを「閉」状態とすることにより、ポンプ１３での第１の液体Ｌ１の流れを停止させることができ、ポンプ１３のメンテナンスを行うことができる。

なお、スラリーＳを生成する際には、これら手動弁１７ａ〜１７ｃは、「開」状態となっている。

図１に示すように、第２の液体供給ライン２は、第２の液体Ｌ２が貯留された第２の液体貯留部２１と、配管２２と、ポンプ２３と、圧力計２４と、フィルタ２５と、配管２２の途中に設けられた手動弁２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄと、配管２２の途中に設けられた弁２８とを有している。

第２の液体貯留部２１には、第２の液体Ｌ２が貯留されている。この第２の液体Ｌ２は、液状の添加剤または、溶媒と該溶媒中に溶解した添加剤である。この添加剤としては、第３の液体Ｌ３中の成分と反応して固形物を形成するものや、第３の液体に無機粒子を含むスラリーを用いた場合には、無機粒子の表面に反応し、親水性を高めることで無機粒子の分散性を向上させるものや、逆に疎水性を高めることで無機粒子の凝集力を高める等を目的とした成分を用いることができる。例えば、疎水性を高める場合には、カルボキシ基を含む脂肪酸が挙げられる。具体的には、短鎖脂肪酸としてギ酸や酢酸、プロピオン酸、酪酸、中鎖脂肪酸としてヘプタン酸やヘキサン酸、アジピン酸、長鎖脂肪酸としてオレイン酸、ステアリン酸、リノール酸、ベヘン酸、エルカ酸等が挙げられる。その他、ジカルボン酸やアミノ酸を用いることもできる。

また、第２の液体貯留部２１は、貯留された第２の液体Ｌ２を排出する排出口２１１を有している。この排出口２１１には、配管２２が接続されている。

配管２２は、複数本の管体が図示しないジョイントで連結され、全体として、途中が複数個所屈曲した管体で構成されている。また、配管２２の内側は、第２の流路２０として機能する。

図３に示すように、配管１２および配管２２の内径は、その長手方向に沿って一定となっている。配管内径が２０ｍｍよりも大きい場合、各種撹拌装置や、スタティックミキサー等の可動部の無い撹拌装置等を用いることができる。また、流量が十分に多く、直線配管内においても乱流となる場合には、容易に均一混合することができる。しかし、流量が小さい場合には、直線配管内では層流となるため混合性が著しく悪化する。また、配管内径が２０ｍｍ以下の場合には撹拌装置により配管内抵抗が増えることや、粒子を含む液体の場合には撹拌装置部分で粒子による閉塞が発生するため、撹拌装置を用いることができず、２種類の液体を均一に混合することが難しい。さらに、配管内径が１０ｍｍ以下の場合は、配管内に突起物を設けるだけでも閉塞の原因となり得るため難易度が上がり、配管内径が５〜６ｍｍ以下では著しく困難となる。ただし、一般にマイクロ流路と言われるような流路径が０．１〜０．５ｍｍ以下の場合には、流路内を容易に乱流化しやすいため、この限りでは無い。

また、この配管２２の内径φｄ_２は、配管１２の内径φｄ_１と等しいか内径φｄ_１よりも小さい方が混合性が高い。これは、第１の液体の流量よりも、第２の液体の流量が小さいため、混合性を向上させるためには第２の液体の流速を上げた方が混合しやすいためである。ここで、内径φｄ_１との比ｄ_１／ｄ_２は１〜１０の範囲が好ましい。内径の比ｄ_１／ｄ_２は、第１の液体と第２の液体の流量の比により決定される。

また、配管２２は、途中で弁２８、手動弁２７ｂを介して配管２２ａに繋がっている。図示の構成では、配管２２ａは、ジョイント６ｃにコネクタ２６を介して接続されている。第２の液体の混合位置の変更を容易にするために、弁２８と手動弁２７ｂの間に分岐を設け、分岐後の下流側に手動弁２７ｂと同様の手動弁を設け、合流部１６のジョイントに接続しておくこともできる。これにより、分岐より下流側に設けた手動弁の開閉のみで、直ちに第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２の合流位置を変更することが可能となる。

図３に示すように、コネクタ２６は、円筒状をなし、内側に配管２２ａを挿通している。また、コネクタ２６は、下流側の端部に外径が縮径した縮径部２６１を有している。この縮径部２６１は、ジョイント６ｃに着脱可能に挿入され、嵌合している。また、コネクタ２６は、ジョイント６ａ〜６ｈに選択的に挿入することができる。

なお、配管２２ａは、コネクタ２６から突出しており、下流側の端部が、後述の屈曲部１０２内まで突出して設けられている。なお、配管２２ａのコネクタ２６から突出している部分の内側は、第２の流路側直線状部となっている。

配管２２の途中で、かつ、配管２２ａに接続する以前の部分には、ポンプ２３が設けられている。このポンプ２３は、ポンプ１３と同様の構成となっており、第２の液体貯留部２１に貯留されている第２の液体Ｌ２を下流側に送液するものである。

ポンプ２３の下流側で、かつ、弁２８に接続する以前の部分には、圧力計２４が設けられている。この圧力計２４は、圧力計１４と同様の構成であり、配管２２内の圧力を計測するものである。

ポンプ２３の上流側にはフィルタ２５が設けられている。フィルタ２５は、第２の液体Ｌ２中の固形物や不純物を除去するものである。これにより、固形物や不純物が実質的に除去された第２の液体Ｌ２を流下させることができる。さらに、フィルタ２５がポンプ２３の上流側に設けられていることにより、ポンプ２３内に不純物が残存するのも防止することができる。

手動弁２７ａ、２７ｂは、手動弁１７ａ〜１７ｃと同様の構成になっている。手動弁２７ａは、第２の液体貯留部２１の下流側で、かつ、ポンプ２３の上流側に設けられている。また、手動弁２７ｂは、配管２２ａの途中に設けられている。

なお、スラリーＳを生成する際には、これら手動弁２７ａ〜２７ｂは、「開」状態となっている。

また、圧力計２４の下流側で、かつ、配管２２ａに接続した部分の上流側には、弁２８が設けられている。弁２８に電気弁を用いた場合は、図示しない制御部と電気的に接続されており、その作動が制御される。これにより、例えば、圧力計２４が計測した圧力が所望の範囲から外れたときに自動で「閉」状態とすることができる。または、弁２８に手動弁を用いた場合は、第２の液体供給ライン２に不具合があった場合に、直ちに「閉」状態とすることで、第２の液体の供給を停止することができる。

図１に示すように、第３の液体供給ライン３は、第３の液体Ｌ３が貯留された第３の液体貯留部３１と、配管３２と、ポンプ３３と、流量計３４と、温度計３５と、配管３２の途中に設けられた手動弁３７ａ、３７ｂ、３７ｃとを有している。

第３の液体貯留部３１には、第３の液体Ｌ３が貯留されている。この第３の液体Ｌ３は、本実施形態では、溶媒（水系溶媒または非水系溶媒）中に無機粒子が分散された分散液である。この無機粒子としては、特に限定されないが、例えば、アルミナや酸化チタン等の金属酸化物や、シリカ、炭酸カルシウム、タルク、窒化ホウ素等の非金属酸化物が挙げられる。

また、第３の液体貯留部３１は、貯留された第３の液体Ｌ３を排出する排出口３１１を有している。この排出口３１１には、配管３２が接続されている。

配管３２は、複数本の管体が図示しないジョイントで連結されている。また、配管３２の内径は、その長手方向に沿って一定となっている。この配管３２の内側は、第３の流路３０として機能する。図５に示すように、配管３２の内径φｄ_３は、本実施形態では、配管１２の内径φｄ_１よりも小さく、配管２２の内径φｄ_２よりも大きく、例えば、１．５〜１０ｍｍ程度となっている。

また、配管３２の下流側の端部は、コネクタ２６と同様の構成のコネクタを介してジョイント６ｄに接続されている。また、配管３２は、第１の液体供給ライン１のジョイント６ａ〜６ｈに選択的に接続可能になっている。

また、配管３２は、途中が蛇行した蛇行部３２１を有している。この蛇行部３２１は、合流部１６や蛇行部１８と同様に多数回屈曲を繰り返して全体として蛇行した形状をなしているか、または螺旋状の形状をしている。合流部１６と同様に電気ヒータ等により加熱することで、第３の流路３０内を流れる第３の液体を適切な温度に加熱し、第１の液体および第２の液体との混合や反応に適した温度に制御することができる。特に、第１の液体と第２の液体の混合液が、高温では混合状態を保つが、温度が低下すると各液に分離する場合には、第１の液体と第２の液体の高温の混合液に、常温の第３の液体を混合させると温度が低下して分離することがある。従って、第３の液体を適切な温度に加熱することで、第３の液体を、第１の液体と第２の液体の混合液と混合させた場合にも分離を起こす温度以上に保つ効果を得ることができる。逆に、第１の液体と第２の液体の高温の混合液に、それよりも温度の低い第３の液体を混合することで、各液体の成分を分離するとともに、分離した成分で第３の液体中に含まれる無機粒子表面を被覆することも可能である。蛇行部３２１は、配管形状により加熱部の体積を小さくすることができ、第３の液体Ｌ３を効率よく加熱することができる。

蛇行部３２１の上流側には、ポンプ３３が設けられている。ポンプ３３は、ポンプ１３、２３と同様の構成となっている。

流量計３４は、ポンプ３３の上流側に設けられている。この流量計３４は、配管３２内の第３の液体Ｌ３の流量を計測するものである。これにより、第３の液体Ｌ３の流量を知ることができ、流量が適切であるか否かを判断することができる。

また、蛇行部３２１の下流側には、温度計３５が設けられている。この温度計３５は、配管３２内の第３の液体Ｌ３の温度を計測するものである。これにより、合流前の第３の液体の温度を監視し、第１の液体と第２の液体の混合液との合流後の状態を制御することが可能となる。

手動弁３７ａは、手動弁１７ａ〜１７ｃおよび手動弁２７ａ、２７ｂと同様の構成になっている。手動弁３７ａは、第３の液体貯留部３１の下流側の直近に設けられている。手動弁３７ｂは、流量計３４とポンプ３３との間に設けられている。手動弁３７ｃは、ポンプ３３と蛇行部３２１との間に設けられている。

なお、スラリーＳを生成する際には、これら手動弁３７ａ〜３７ｃは、「開」状態となっている。

このような混合装置１００では、合流部１６のジョイント６ｃが設けられている部分において、第１の液体Ｌ１に第２の液体Ｌ２が合流して混合液Ｍとなる。この混合液Ｍがさらに合流部１６内を流下し、ジョイント６ｄが設けられている部分で第３の液体Ｌ３と合流してスラリーＳとなる。このスラリーＳは、さらに合流部１６から下流側に流下し、冷却部５で冷却される。

冷却部５は、冷却水が貯留された冷却水貯留部５１を有している。この冷却水貯留部５１には、第１の液体供給ライン１の蛇行部１８が浸されており、蛇行部１８を通過するスラリーＳを冷却するものである。

洗浄用ライン７ａは、配管１２の手動弁１７ａと手動弁１７ｂとの間の部分と、配管３２の手動弁３７ａと流量計３４との間の部分とを接続している。

洗浄用ライン７ｂは、配管１２の手動弁１７ｂとポンプ１３との間の部分と、配管３２の流量計３４と手動弁３７ｂとの間の部分とを接続している。

洗浄用ライン７ｃは、配管１２の手動弁１７ａと手動弁１７ｂとの間の部分と、配管３２の手動弁３７ｂとポンプ３３との間の部分とを接続している。

洗浄用ライン７ｄは、配管１２の手動弁１７ｃと圧力計１４との間の部分と、配管３２のポンプ３３と手動弁３７ｃとの間の部分とを接続している。

また、洗浄用ライン７ａの途中には、手動弁７１ａが設けられ、洗浄用ライン７ｂの途中には、手動弁７１ｂが設けられ、洗浄用ライン７ｃの途中には、手動弁７１ｃが設けられ、洗浄用ライン７ｄの途中には、手動弁７１ｄが設けられている。

これら手動弁７１ａ〜７１ｄを「開」状態とすることにより、第１の液体供給ライン１と第３の液体供給ライン３とを、合流部１６よりも上流側にて連通させることができる。これにより、例えば、水等の洗浄液を第１の液体供給ライン１と第３の液体供給ライン３とに一括して流下させることができる。よって、第１の液体供給ライン１と第３の液体供給ライン３とを一括して洗浄することができる。その結果、混合装置１００の洗浄を容易に行うことができる。

なお、混合装置１００では、スラリーＳを生成する際には、手動弁７１ａ〜７１ｄを「閉」状態としておく。

次に、合流部１６に設けられているジョイント６ａ〜６ｈについて説明するが、これらジョイント６ａ〜６ｈは、略同様の構成であるため、以下では、図２において第２の液体供給ライン２が接続されているジョイント６ｃについて代表的に説明する。

図３に示すように、ジョイント６ｃは、外形形状がＴ字状をなす筒状体で構成されている。ジョイント６ｃは、３本の直線状の筒状体６１、６２、６３を有し、これらの一端がそれぞれ連結されたものである。筒状体６１と筒状体６３とは、同一直線上に配置されている。筒状体６２は、筒状体６１および筒状体６３に対して直交するように配置されている。また、筒状体６１〜６３の内側は、それぞれ連通している。

筒状体６１は、その開口付近に、内径および外径が拡径した拡径部６１１を有している。また、筒状体６２は、その開口付近に、内径および外径が拡径した拡径部６２１を有している。そして、筒状体６３も同様に、その開口付近に、内径および外径が拡径した拡径部６３１を有している。

拡径部６１１には、第２の液体供給ライン２のコネクタ２６が着脱可能に挿入されている。また、拡径部６２１および拡径部６３１には、配管１２が挿入され、嵌合している。なお、ジョイント６ｃの拡径部６１１〜６３１を除く部分の内径は、配管１２の内径φｄ_１と同じ大きさになっている。

このようなジョイント６ｃでは、筒状体６２の内側と筒状体６３の内側とが第１の液体Ｌ１が流下する第１の流路１０として機能する。また、ジョイント６ｃでは、第１の流路１０は、直線状の直線状部（上流側直線状部）１０１と、屈曲した部分である屈曲部１０２と、直線状の直線状部（下流側直線状部）１０３とに分けることができる。

直線状部１０１は、屈曲部１０２の上流側で、かつ、屈曲部１０２の直近に位置している。直線状部１０３は、屈曲部１０２の下流側で、かつ、屈曲部１０２の直近に位置している。

図４（ａ）に示すように、ジョイント６ｃの上流側から流下してきた第１の液体Ｌ１は、層流もしくは乱流遷移流の状態で直線状部１０１を流下し、流下方向前方に位置するジョイント６ｃの管壁６０ｃにぶつかる。そして、管壁６０ｃにぶつかった第１の液体Ｌ１は、直線状部１０１を流下してくる第１の液体Ｌ１に対して逆流することとなる。この逆流した第１の液体Ｌ１と、直線状部１０１を流下してきた第１の液体Ｌ１とがぶつかり合うことにより、屈曲部１０２では、第１の液体Ｌ１は、乱流となる。そして、第１の液体Ｌ１は、乱流のまま直線状部１０３を流下する。ただし、混合液Ｍは流量と配管径、物性によるが、ある程度の長さを流下した後には再び層流もしくは乱流遷移流になることもある。

ここで、図２〜図４に示すように、混合装置１００では、第２の液体供給ライン２が筒状体６１に接続されている。さらに、前述したように、第２の液体供給ライン２の配管２２の端部は、屈曲部１０２まで突出して設けられている。これにより、図４（ｂ）に示すように、合流した第２の液体Ｌ２は、すぐさま、乱流となっている第１の液体Ｌ１によって撹拌されて、分散していく。そして、図４（ｃ）に示すように、屈曲部１０２の下流側の直線状部１０３を流下するときには、第１の液体Ｌ１中に第２の液体Ｌ２が均一に分散した混合液Ｍとなる。なお、混合液Ｍは、直線状部１０３では、乱流のままである。ただし、混合液Ｍは流量と配管径、物性によるが、ある程度の長さを流下した後には再び層流もしくは乱流遷移流になることもある。

また、前述したように、第２の流路２０を流下する第２の液体Ｌ２の流量Ｒ_２は、屈曲部１０２を流下する第１の液体Ｌ１の流量Ｒ_１よりも小さい。このため、第２の液体Ｌ２と第１の液体Ｌ１との混合は、流量の多い第１の液体Ｌ１の流れの状態が支配的となる。また、第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２は比重が異なることが多く、さらには、液体状の添加剤もしくは添加剤を溶解した第２の液体Ｌ２の方が第１の液体Ｌ１よりも比重が小さいことが多い。よって、混合装置１００では、小さい流量Ｒ_２でかつ比重が小さい第２の液体Ｌ２を、大きい流量Ｒ_１でかつ比重が大きく、さらに乱流となっている第１の液体Ｌ１で撹拌することとなる。

ここで、第１の液体Ｌ１の流量Ｒ_１と第２の液体Ｌ２の流量Ｒ_２との比Ｒ_１／Ｒ_２は、通常は１に近い方が好ましいとされ、１０を超えると均一な混合が難しくなる。しかし、本発明を用いることで２０〜１５０の範囲でも対応可能で大きな効果があり、特に５０〜１３０の範囲で著しい効果を得ることができる。これにより、第１の液体Ｌ１の流量Ｒ_１と第２の液体Ｌ２の流量Ｒ_２との差を十分に大きくすることができる。よって、少量の第２の液体Ｌ２を、大量の第１の液体Ｌ１で撹拌することとなる。このことが、上述した第１の液体Ｌ１が乱流になっていること、比重の大小関係および流速の大小関係と相まって、さらに確実に、第２の液体Ｌ２が第１の液体Ｌ１中に均一に分散した混合液Ｍとすることができる。

以上のようにして、均一に混合された混合液Ｍは、合流部１６内を流下していき、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、ジョイント６ｄ内において第３の液体Ｌ３と合流する。

混合液Ｍは、第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２との合流部１６において乱流となり混合され、さらにジョイント６ｄに到達するまでに均一に混合される。混合液Ｍの流量と配管径、物性によるが、混合液Ｍはジョイント６ｄに乱流のまま到達するか、あるいは、ある程度の長さを流下した後には再び層流もしくは乱流遷移流になった状態でジョイント６ｄに到達する。

図５（ａ）には、乱流のままジョイント６ｄに到達した場合を示す。ジョイント６ｄに到達した混合液Ｍは、直線状部１０１を流下する。そして、流下方向前方に位置するジョイント６ｄの管壁６０ｄにぶつかる。管壁６０ｄにぶつかった混合液Ｍは、直線状部１０１を流下してくる混合液Ｍに対して逆流することとなる。この逆流した混合液Ｍと、直線状部１０１の混合液Ｍとがぶつかることにより、ジョイント６ｄの屈曲部１０２では、もともと乱流であった混合液Ｍのレイノルズ数Ｒｅがさらに上昇する。もし、混合液Ｍが層流もしくは乱流遷移流の状態で到達した場合でも、第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２の合流部と同様の作用で混合液Ｍは乱流になり、レイノルズ数Ｒｅが上昇する。

そして、図５（ｂ）に示すように、混合液Ｍに合流した第３の液体Ｌ３は、すぐさま、レイノルズ数Ｒｅが高い状態の混合液Ｍによって撹拌されて、分散していく。そして、図５（ｃ）に示すように、ジョイント６ｄの直線状部１０３を流下するときには、混合液Ｍと第３の液体Ｌ３とが均一に混合された状態となる。このため、混合液Ｍ中の成分は、第３の液体Ｌ３中の無機粒子に、ムラなく接触して、無機粒子の表面との反応を行うことができる。

ところで、前述したように、ジョイント６ａ〜６ｈには、配管２２ａおよび配管３２がそれぞれ選択的に接続可能になっている。

例えば、第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２とが比較的均一に混合しにくい条件（流量、流速、組成等）の場合には、図６に示すような構成が有効である。

図６では、合流部１６の外周から電気ヒータにより加熱しているものとする。第２の液体が流下する配管２２ａは、ジョイント６ｃに接続されている。第１の液体Ｌ１は合流部１６内の第１の流路１０を流れながら加熱されることで、ジョイント６ｃまでに第２の液体Ｌ２との混合に適した温度になる。また、第３の液体Ｌ３が流下する配管３２は、ジョイント６ｆに接続されている。

このような構成によれば、第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２とを、混合に適した温度、かつ、できるだけ上流側で混合することができる。そして、その混合液Ｍは、合流部１６において、第３の液体Ｌ３が合流するまでにできるだけ長い距離を通過することとなり、下流に流れて行く最中に流れの乱れによる混合や、拡散による混合が進む。以上より、図６に示す構成は、第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２とが比較的均一に混合しにくい条件の場合に有効である。

一方、図７に示す構成は、第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２とは比較的混合し易い条件ではあるが、混合液Ｍと第３の液体Ｌ３とは比較的混合しにくい条件の場合に有効である。

図７では、合流部１６の外周から電気ヒータにより加熱しているものとする。第２の液体Ｌ２が流下する配管２２ａは、ジョイント６ａに接続されている。また、第３の液体Ｌ３が流下する配管３２は、ジョイント６ａの直近のジョイント６ｂに接続されている。

このように、図７の構成では、スラリーＳができるだけ上流側で生成される。よって、スラリーＳとなってからできるだけ長い距離を通過することとなる。その結果、混合液Ｍと第３の液体Ｌ３とを、より確実に混合することができる。以上より、図７に示す構成は、混合液Ｍと第３の液体Ｌ３とは比較的混合しにくい条件の場合に有効である。

このように、本発明によれば、第１の流路１０の屈曲した部分に第２の流路２０を接続するという簡単な構成で、第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２とを均一に混合することができる。よって、第１の液体供給ライン１の合流部１６よりも下流側に別途、撹拌装置を設けるのを省略することができる。さらに、第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２とが均一に混合されることにより、第３の液体Ｌ３中の無機粒子に均一に表面処理を施すことができる。

＜第２実施形態＞
図８は、本発明の混合装置（第２実施形態）が備えるジョイント内で第１の液体と第２の液体とが混合される過程を示す模式図であって、（ａ）が、各液体が合流する直前の状態を示す図、（ｂ）が、各液体が合流した状態を示す図、（ｃ）が、各液体が均一に混合された状態を示す図である。

以下、これの図を参照して本発明の混合装置の第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

本実施形態は、第１の流路（ジョイント）の構成が異なること以外は前記第１実施形態と同様である。

図８（ａ）に示すように、混合装置１００Ａでは、直線状部１０１と直線状部１０３とのなす角度θは、鋭角になっている。また、この角度θとしては、４５〜８０°であるのが好ましく、５５〜７０°であるのがより好ましい。これにより、図８（ｂ）に示すように、第２の液体Ｌ２は、配管２２ａから屈曲部１０２に流下した途端に、斜め前方から流下してきた第１の液体Ｌ１がぶつかることとなる。よって、第２の液体Ｌ２は、拡散する。そして、図８（ｃ）に示すように、乱流となった第１の液体Ｌ１に撹拌され、第１の液体Ｌ１と第２の液体Ｌ２とは、均一に混合される。

さらに、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、配管２２ａの下流側の端部は、直線状部１０１の中心軸Ｏ_１と直線状部１０３の中心軸Ｏ_２との交点Ｃと重なっている。このため、配管２２ａから屈曲部１０２に流下した第２の液体Ｌ２に対して、最も流速の速い第１の液体Ｌ１が確実に斜め前方からぶつかることとなる。よって、上記効果を確実に発揮することができる。

以上、本発明の混合装置を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、混合装置を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。

なお、本発明の混合装置は、前記各実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。

また、前記各実施形態では、第２の液体供給ライン（第３の液体供給ラインについても同様）の配管の下流側の端部は、コネクタよりも下流側に突出して、ジョイント内の屈曲部に位置しているが、本発明ではこれに限定されず、コネクタから突出していなくてもよい。

１００、１００Ａ 混合装置
１ 第１の液体供給ライン
１０ 第１の流路
１０１ 直線状部
１０２ 屈曲部
１０３ 直線状部
１１ 第１の体貯留部
１１１ 排出口
１２ 配管
１３ ポンプ
１４ 圧力計
１５ 圧力計
１６ 合流部
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ 手動弁
１８ 蛇行部
２ 第２の液体供給ライン
２０ 第２の流路
２１ 第２の液体貯留部
２１１ 排出口
２２、２２ａ 配管
２３ ポンプ
２４ 圧力計
２５ フィルタ
２６ コネクタ
２６１ 縮径部
２７ａ、２７ｂ 手動弁
２８ 弁
３ 第３の液体供給ライン
３０ 第３の流路
３１ 第３の液体貯留部
３１１ 排出口
３２ 配管
３２１ 蛇行部
３３ ポンプ
３４ 流量計
３５ 温度計
３６ コネクタ
３７ａ、３７ｂ、３７ｃ 手動弁
５ 冷却部
５１ 冷却水貯留部
６ 洗浄用ライン
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ ジョイント
６０ｃ、６０ｄ 管壁
６１ 筒状体
６１１ 拡径部
６２ 筒状体
６２１ 拡径部
６３ 筒状体
６３１ 拡径部
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 洗浄用ライン
７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ 手動弁
Ｃ 交点
φｄ_１、φｄ_２、φｄ_３ 内径
Ｌ１ 第１の液体
Ｌ２ 第２の液体
Ｌ３ 第３の液体
Ｍ 混合液
Ｏ_１ 中心軸
Ｏ_２ 中心軸
Ｒ_１ 流量
Ｒ_２ 流量
Ｒｅ レイノルズ数
Ｓ スラリー
θ 角度

Claims (15)

1. 第１の液体に、前記第１の液体よりも比重が小さい第２の液体を混合する混合装置であって、
   前記第１の液体が流下し、途中が屈曲した屈曲部を有する主流路としての第１の流路と、
   前記第２の液体が流下し、前記屈曲部で前記第１の液体と合流する副流路としての第２の流路とを有し、
   前記第２の液体は、前記屈曲部において前記第１の液体よりも小さい流量かつ遅い流速で前記第１の液体に合流し、前記第１の液体とともに流下することを特徴とする混合装置。
2. 前記第１の流路は、前記屈曲部の上流側でかつ前記屈曲部の直近に位置する直線状の上流側直線状部と、前記屈曲部の下流側でかつ前記屈曲部の直近に位置する直線状の下流側直線状部とを有しており、
   前記第２の流路は、前記屈曲部の直近に位置する第２の流路側直線状部を有している請求項１に記載の混合装置。
3. 前記下流側直線状部と前記第２の流路側直線状部とは、平行である請求項２に記載の混合装置。
4. 前記上流側直線状部と前記下流側直線状部とのなす角度は、直角である請求項３に記載の混合装置。
5. 前記上流側直線状部と前記下流側直線状部とのなす角度は、鋭角である請求項３に記載の混合装置。
6. 前記上流側直線状部での前記第１の液体の流量Ｒ_１と、前記第２の流路側直線状部での前記第２の液体の流量Ｒ_２との比Ｒ_１／Ｒ_２は、２０〜１５０である請求項２ないし５のいずれか１項に記載の混合装置。
7. 前記上流側直線状部、前記屈曲部および前記下流側直線状部の内径φｄ_１は、一定であり、
   前記第２の流路側直線状部の内径φｄ_２は、前記内径φｄ_１よりも小さい請求項２ないし６のいずれか１項に記載の混合装置。
8. 前記内径φｄ_１は、２０ｍｍ以下で、前記内径φｄ_２は、前記内径φｄ_１との比ｄ_１／ｄ_２ が１〜１０である請求項７に記載の混合装置。
9. 前記上流側直線状部での前記第１の液体のレイノルズ数は、４０００以下である請求項２ないし８のいずれか１項に記載の混合装置。
10. 前記第１の流路には、前記屈曲部が複数設けられており、
    前記第２の流路は、前記複数の屈曲部のいずれかに選択的に接続可能になっている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の混合装置。
11. 前記屈曲部を第１屈曲部としたとき、前記第１の流路は、前記第１屈曲部よりも下流側に位置し、途中が屈曲した第２屈曲部を有し、
    前記第１の液体および前記第２の液体とはそれぞれ異なる第３の液体が流下し、前記第２屈曲部で前記第１の液体および前記第２の液体の混合液と合流する副流路としての第３の流路をさらに有する請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の混合装置。
12. 前記第２屈曲部での前記混合液のレイノルズ数は、前記第１屈曲部での前記第１の液体のレイノルズ数よりも大きい請求項１１に記載の混合装置。
13. 前記第３の流路は、前記複数の屈曲部に選択的に接続可能になっている請求項１２に記載の混合装置。
14. 前記第１の液体は、水を含み、
    前記第２の液体は、液状の添加剤または溶媒と、該溶媒中に溶解した添加剤とを含み、
    前記第３の液体は、水系分散媒中に分散された無機粒子を含んでいる請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載の混合装置。
15. 前記水は、水であり、
    前記添加剤は、オレイン酸であり、
    前記無機粒子は、アルミナである請求項１４に記載の混合装置。

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