JP6925020B2

JP6925020B2 - 混合装置及び混合方法

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Publication number: JP6925020B2
Application number: JP2017056568A
Authority: JP
Inventors: 清吾酒井; 光理都築
Original assignee: Yokohama National University NUC
Current assignee: Yokohama National University NUC
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2021-08-25
Anticipated expiration: 2037-03-22
Also published as: JP2018158291A

Description

本開示は、混合装置及び混合方法に関する。

特許文献１は、連続式の混合装置を開示する。流体の導入によって混合槽内に旋回流が生じる。旋回流は渦流として流体出口方向に流れる。混合槽の形状としては、例えば、円筒形、楕円筒形、円錐、円錐台、卵形が例示される（同文献の段落００１２参照）。

特開２００６−１６７６００号公報

小型で混合性能が高く、大量処理可能な混合装置が望まれる。

本開示の一態様に係る混合装置は、少なくとも、第１内面（１１）、前記第１内面（１１）に対面する第２内面（２２）、及び前記第１内面（１１）の外周と前記第２内面（２２）の外周を接続する周面（３３）から画定される内部空間を有する混合部（５）と、
前記周面（３３）に沿う流体の流れを生じさせるべく前記混合部（５）の内部空間に流体を供給する複数の流体供給部（４０）と、
前記周面（３３）に沿う流体の流れから生じる渦流により混合された流体を排出するための流体排出部（５０）を備え、
前記第１及び第２内面（１１，２２）の間隔（ｔ５）は、前記周面（３３）に沿う流体の流れから生じる２次流れに応じて前記第１内面（１１）側の第１渦（Ｕ１）と前記第２内面（２２）側の第２渦（Ｕ２）が前記周面（３３）の内側の位置に生じるように設定され、
前記流体排出部（５０）は、前記第１内面（１１）及び／又は前記第２内面（２２）に設けられた開口（ＯＰ５）を有し、前記渦流により混合された流体が前記開口（ＯＰ５）を介して前記混合部（５）の内部空間から流出する。

幾つかの実施形態においては、前記第１及び／又は第２内面（１１，２２）が円形状又は楕円形状である。

幾つかの実施形態においては、前記周面（３３）沿いの流体の流れる方向に沿う前記周面（３３）の長さ（Ｌ３５）は、前記周面（３３）沿いの流体の流れる方向において隣接する前記周面（３３）の間の前記流体供給部（４０）の開口の幅（Ｗ４５）よりも大きい。

幾つかの実施形態においては、前記渦流は、前記周面（３３）から離れるに応じて流速が高められる強制渦領域を含む。

幾つかの実施形態においては、前記周面（３３）沿いの流体の流れる方向において前記流体供給部（４０）から離間するに応じて前記第１及び／又は第２渦（Ｕ１，Ｕ２）の強さが増す。

幾つかの実施形態においては、前記周面（３３）は、前記第１及び第２内面（１１，２２）の間を弧状に延びる弧状面を有する。

幾つかの実施形態においては、前記第１及び第２内面（１１，２２）の間隔をｔ５とし、前記周面（３３）から規定される前記混合部（５）の内部空間の最大幅又は最大直径をｒ５とする時、５＜（ｒ５／ｔ５）を満足する。

幾つかの実施形態においては、前記開口（ＯＰ５）の最大幅又は直径をｒ５１とし、前記周面（３３）から規定される前記混合部（５）の内部空間の最大幅又は直径をｒ５とする時、５＜（ｒ５／ｒ５１）を満足する。

幾つかの実施形態においては、前記流体排出部（５０）は、前記渦流が流れる流路を有する。

幾つかの実施形態においては、前記流体供給部（４０）が区分された複数の流路を有する。

本開示の一態様に係る混合方法は、少なくとも、第１内面（１１）、前記第１内面（１１）に対面する第２内面（２２）、及び前記第１内面（１１）の外周と前記第２内面（２２）の外周を接続する周面（３３）から画定される混合部（５）の内部空間に複数の流体供給部（４０）を介して２以上の異なる流体を供給し、前記周面（３３）に沿う流体の流れを生じさせる工程と、
前記周面（３３）沿いの前記流体の流れから生じる渦流により混合された流体を前記混合部（５）から排出する工程を含み、
前記周面（３３）に沿う流体の流れから生じる２次流れに応じて前記第１内面（１１）側の第１渦（Ｕ１）と前記第２内面（２２）側の第２渦（Ｕ２）が前記周面（３３）の内側の位置に生じ、
前記周面（３３）に沿う流体の流れから生じる渦流により混合された流体が、前記第１内面（１１）及び／又は前記第２内面（２２）に設けられた開口（ＯＰ５）を介して排出される。

本開示の一態様によれば、小型で混合性能が高く、大量処理可能な混合装置が提供される。

本開示の一態様に係る混合装置の概略的な斜視図である。本開示の一態様に係る混合装置の概略的な斜視図であり、図１に示したものの反対側を示す。本開示の一態様に係る混合装置の概略的な上面模式図である。本開示の一態様に係る混合装置の側面模式図である。本開示の一態様に係る混合装置において混合部の周面に沿う流体の流れから生じる２次流れに応じて混合部の第１内面側の第１渦と第２内面側の第２渦が周面の内側の位置に生じることを示す模式図である。本開示の別態様に係る混合装置の概略的な斜視図である。本開示の別態様に係る混合装置の概略的な斜視図であり、図６に示したものの反対側を示す。本開示の更なる別態様に係る混合装置の概略的な斜視図であり、流体供給部が２段に構成される。シミュレーションに基づく渦流の速度変化を示す図である。シミュレーションに基づく渦流の速度変化を示すグラフである。横軸が無次元の半径位置（０が渦中心の位置であり、１が渦中心から最も離れた位置である）を示し、縦軸が流速を示す。流速を段階的に高めることにより渦流の下流側での最大速度が高められることも示される。図１２で参照される角度位置を示す参考図である。シミュレーションに基づく２次流れの生成を示す図である。図１１に示した各角度において２次流れにより一対の渦が形成されることが示される。電気伝導度法に基づいて決定された実施例に係る混合装置の滞留時間分布関数の無次元時間上の軌跡を示す。実施例の混合装置における平均滞留時間と流入速度の関係を示すグラフである。実施例の混合装置における目標とする混合濃度に達するのに要する時間を示すグラフである。図１７で参照される角度位置を示す参考図である。実施例における混合装置の混合状態の観測結果を示すグラフである。角度位置毎の目標濃度に対するトレーサーの濃度分散を示す。角度位置毎の目標濃度に対するトレーサーの濃度分散を示す。

以下、図１乃至図１９を参照しつつ、本発明の非限定の実施形態例について説明する。開示の１以上の実施形態例及び実施形態例に包含される各特徴は、個々に独立したものではない。当業者は、過剰説明を要せず、各実施形態例及び／又は各特徴を組み合わせることができる。また、当業者は、この組み合わせによる相乗効果も理解可能である。実施形態例間の重複説明は、原則的に省略する。参照図面は、発明の記述を主たる目的とするものであり、作図の便宜のために簡略化されている場合がある。

以下の記述において、ある混合装置及び／又は混合方法に関して記述される複数の特徴が、これらの特徴の組み合わせとして理解される他、他の特徴とは独立した個別の特徴として理解される。個別の特徴は、他の特徴との組み合わせを必須とすることなく独立した個別の特徴として理解されるが、１以上の他の個別の特徴との組み合わせとしても理解される。個別の特徴の組み合わせの全てを記述することは当業者には冗長である他なく、省略される。個別の特徴は、「幾つかの実施形態」、「幾つかの場合」、「幾つかの例」といった表現により明示される。個別の特徴は、例えば、図面に開示された混合装置及び／又は混合方法にのみ有効であるものではなく、他の様々な混合装置及び／又は混合方法にも通用する普遍的な特徴として理解される。

図１は、本開示の一態様に係る混合装置の概略的な斜視図である。図２は、本開示の一態様に係る混合装置の概略的な斜視図であり、図１に示したものの反対側を示す。図３は、本開示の一態様に係る混合装置の概略的な上面模式図である。図４は、本開示の一態様に係る混合装置の側面模式図である。図５は、本開示の一態様に係る混合装置において混合部の周面に沿う流体の流れから生じる２次流れに応じて混合部の第１内面側の第１渦と第２内面側の第２渦が周面の内側の位置に生じることを示す模式図である。

図１乃至図５の参照から分かるように、幾つかの場合、混合装置１００は、混合部５と、複数の流体供給部４０を有し、少なくとも一つの流体排出部５０を有する。混合部５は、図５の参照から良く分かるように、第１内面１１、第１内面１１に対面する第２内面２２、第１内面１１の外周と第２内面２２の外周を接続する周面３３を有し、また、少なくともこれらの面から画定される内部空間を有する。流体供給部４０は、周面３３に沿う流体の流れを生じさせるべく混合部５の内部空間に流体を供給する。流体排出部５０は、周面３３に沿う流体の流れから生じる渦流により混合された流体を混合部５から排出する。流体排出部５０が２以上設けられる例も想定される。流体排出部５０は、後述の開口ＯＰ５を有し、オプションとして、混合部５の開口ＯＰ５を介して流入する渦流が流れる流路を有する。

流体供給部４０は、周面３３に沿う流体の流れを生じさせるべく混合部５の内部空間に流体を供給する。流体供給部４０を介して混合部５へ流体を供給する様々な態様が検討される。幾つかの例では、複数の流体供給部４０は、第１流体の供給のために設けられた流体供給部と、第２流体の供給のために設けられた流体供給部を含む。混合部５により混合されるべき流体の数は、２つに限られるべきではなく、２以上であるものと理解される。目標とする混合（例えば、濃度比、質量比）の混合物を得るため、ある流体のために用いられる流体供給部４０の本数やその流路幅又は径が適切に設定される。流体供給部４０は、周面３３に設けられた開口を介して混合部５の内部空間へ流体を供給する。別例では、流体供給部４０は、第１内面１１及び／又は第２内面２２に設けられた開口を介して混合部５の内部空間へ流体を供給する。

上述した混合されるべき第１流体と第２流体は、異種類又は異成分の流体であり得る。例えば、第１流体は、第１成分の液体であり、第２流体は、第２成分の液体である。例えば、第１流体は、第１種類の粉体であり、第２流体は、第２種類の粉体である。流体は、液体や粉体といった流動材を意味するものと理解される。流体は、食品、薬品、自動車、機械といった様々な分野で用いられる流体であり得る。なお、幾つかの場合、粘度１〜５００ｍＰａ・Ｓ以下の流体が用いられる（流体の粘度は、細管式粘度計計測に即して計測するものとする）。

流体供給部４０の流路から混合部５の内部空間に供給された流体は、混合部５の周面３３に沿って流れ、結果として、混合部５の内部空間には渦流が形成される。混合部５に形成された渦流により混合された流体が流体排出部５０を介して排出される。流体排出部５０の流路を流れる流体は渦流を維持し得る。混合部５の下流側での渦流の維持は、流体の混合状態の維持又は向上に貢献し得る。流体排出部５０の流出口に渦流の程度を低減するための邪魔板が設けられ得る。一つの混合装置１００から排出された流体は、更なる混合のため、又は、濃度比の段階的な調整のため、別の同一構成又は異構成の混合装置１００へ供給され得る。

幾つかの実施形態においては、第１及び第２内面１１，２２の間隔ｔ５は、周面３３に沿う流体の流れから生じる２次流れに応じて第１内面１１側の第１渦Ｕ１と第２内面２２側の第２渦Ｕ２が周面３３の内側の位置に生じるように設定される。第１及び第２渦Ｕ１，Ｕ２といった一対の渦によって流体の混合が促進され、混合装置１００の混合性能が高められる。後述の実施例から裏付けられるように周面３３沿いを流体が流れるに応じて渦流の中心に向かう径方向の濃度分散が小さくなり、混合の促進が裏付けられる。

２次流れやこれに応じて形成される第１及び第２渦の形成メカニズムについて確証するわけではないが、次のように推測できる。周面３３沿いに流れる流体には遠心力により周面３３に向かう流れが生じるが、周面３３の近傍では水圧が高くなり、より低い水圧側への流れが生じる。第１及び第２内面１１，１２の間隔の設定によって、周面３３から第１内面１１又は第２内面１２に向かって流体が流れるよりは第１内面１１又は第２内面１２に沿って周面３３から離れる方向に流体が流れる。周面３３から十分に離れた位置では遠心力が優位となり、周壁部３０に向かう流れが支配的になる。このような２次流れによって第１及び第２渦Ｕ１，Ｕ２が生じ、混合装置１００の混合性能が高められる。

周面３３は、第１及び第２内面１１，２２の間を弧状に延びる弧状面を有することができ、これにより、２次流れの形成が促進される。周面３３は、渦流の中心に関する径方向外側に凹んだ弧状面を有し得る。

周面３３沿いに流れる流体によって混合部５の内部空間には渦流が形成される。混合部５の内部空間に供給された流体は、渦流の中心に向かって周壁部３０から次第に離れるように螺旋状に流れる。渦流は、混合部５の第１内面１１と第２内面１２の間隔ｔ５により、渦流の中心軸ＡＸに沿って螺旋状に流れることが抑制される。渦流は、第１内面１１と第２内面１２の間隔ｔ５により「平面的な渦流」として形成され得る。幾つかの場合、第１内面１１と第２内面２２の間隔ｔ５と、流体供給部４０の内面４１から画定される最大幅又は最大直径ｒ４１が一致する。

幾つかの場合、第１及び第２内面１１，２２の間隔をｔ５とし、周面３３から規定される混合部５の内部空間の最大幅又は最大直径をｒ５とする時、５＜（ｒ５／ｔ５）を満足する。かかる場合、渦Ｕ１，Ｕ２がより確実に形成され得る。

幾つかの場合、周面３３沿いの流体の流れる方向に沿う周面３３の長さＬ３５は、周面３３沿いの流体の流れる方向において隣接する周面３３の間の流体供給部４０の開口の幅Ｗ４５よりも大きい。渦Ｕ１，Ｕ２のより十分な形成が促進される。

幾つかの場合、第１及び／又は第２内面１１，２２が円形状又は楕円形状である。この場合、上述の周面３３の長さＬ３５は、第１又は第２内面１１，２２の周方向沿いの長さである。同様、周方向沿いで隣接する周面３３の間の流体供給部４０の開口の幅Ｌ４５も、第１又は第２内面１１，２２の周方向沿いの幅である。

幾つかの場合、周面３３沿いの流体の流れる方向において流体供給部４０から離間するに応じて第１及び／又は第２渦Ｕ１，Ｕ２の強さが増す。従って、周面３３の長さＬ３５を十分な長さとするべく、適切な個数の流体供給部４０が設けられる。流体供給部４０の個数は、２以上であり得る。流体供給部４０の個数は、幾つかの場合、４つ以上であり得る。流体供給部４０の個数は、幾つかの場合、６つ以下であり得る。

第１及び第２渦Ｕ１，Ｕ２の存在は、流体（例えば、水）に適切なトレーサー（例えば、色素、顔料、蛍光材）を導入し、適切な方法でトレーサーの流れを観察することにより裏付け可能である。例えば、カメラにより観察されるトレーサーの流れが、第１及び第２渦Ｕ１，Ｕ２の存在を直接的に裏付ける。第１及び第２渦Ｕ１，Ｕ２を直接的に観察しなくとも、後述の図１６乃至図１９に示すような観測に基づいて第１及び第２渦Ｕ１，Ｕ２の存在が裏付けられる。後述の光輝度測定法に依拠して第１及び第２渦の存在が検証されるものとする。

幾つかの場合、第１内面１１と第２内面２２が平行に配され、上述の渦流の形成又は安定化が促進される。幾つかの場合、第１内面１１と第２内面２２の少なくとも一方又は両方が平坦面であり、渦流の流れが阻害されない。追加的又は代替的に、第１内面１１と第２内面２２の少なくとも一方又は両方には渦流の流れを案内する渦巻き状の凹部（又は弧状凹部）が形成され、渦流の円滑な流れが促進される。

幾つかの実施形態においては、流体排出部５０は、第１内面１１及び／又は第２内面２２に設けられた開口ＯＰ５を有し、渦流により混合された流体が開口ＯＰ５を介して混合部５の内部空間から流出する。幾つかの実施形態においては、流体排出部５０は、渦流により混合された流体が流れる流路を有し、この流路の内面が第１内面１１及び／又は第２内面２２に接続される。渦流により十分に混合された流体の排出が促進される。流体排出部５０の開口ＯＰ５は、円形状、楕円形状、又は他の形状（例えば、矩形状）であり得る。好適な幾つかの場合、開口ＯＰ５は、円形又は楕円形状である。

幾つかの場合、渦流は、周面３３から離れるに従って流速が高くなる強制渦領域を含み得る。幾つかの場合、渦流の中心寄りに強制渦領域が形成される。強制渦領域においてより早い速度で流体が流れ、流体がより十分に混合され得る。

混合部５の周面３３から混合部５の内部空間の最大幅又は最大直径ｒ５が規定される。なお、周面３３が対向して配置されない場合、周面３３又はその延長面によって混合部５の内部空間の最大幅又は最大直径ｒ５が規定される。流体供給部４０は、流体の流路を画定する内面４１を有する。流体供給部４０の内面４１の断面形状は、円形状又は矩形状であり得る。流体供給部４０は、その内面４１から画定される最大幅又は最大直径ｒ４１を有する。流体排出部５０は、流体の排出のための開口ＯＰ５を有する。流体排出部５０は、流体の流路を画定する内面５１を有し得る。流体排出部５０の内面５１の断面形状は、円形状又は矩形状であり得る。開口ＯＰ５の最大幅又は最大直径ｒ５１は、流路を画定する内面５１から画定される最大幅又は最大直径に等しいが、必ずしもこの限りではない。流体排出部５０の内面５１は、混合部５の第１又は第２内面１１，２２に接続される。

幾つかの場合、５＜（ｒ５／ｒ５１）を満足する。幾つかの場合、５＜（ｒ５／ｒ４１）を満足する。幾つかの場合、（２０×ｒ５１）＞ｒ５＞（５×ｒ５１）を満足する。幾つかの場合、（２０×ｒ４１）＞ｒ５＞（５×ｒ４１）を満足する。必ずしもこの限りではないが、幾つかの場合、ｒ４１＝ｒ５１である。

混合装置１００に他の撹拌手段を組み込むことも想定される。混合装置１００のみにより十分な混合が得られるため、混合装置１００に他の撹拌手段を組み込む必要はなく、この場合、混合装置１００の簡素化又は低コスト化が促進される。

混合部５の外観又は外形、流体供給部４０の外観又は外形、流体排出部５０の外観又は外形が、混合装置１００の製造方法又は組立方法に依拠して様々な変更がされ得る。流体供給部４０は、流体に対して流路を提供するための部分である。混合部５は、流体の混合のための混合空間を提供するための部分である。流体排出部５０は、混合部５から流体を排出させるための部分である。混合部５、流体供給部４０、及び流体排出部５０は、幾つかの場合、流路又は内部空間を画定するための部材、例えば、平板、筒材の接合によって構築されるが、必ずしもこの限りではない。

幾つかの場合、混合部５、流体供給部４０、及び流体排出部５０が、半導体プロセス技術を用いて構築され得る。シリコン基板のエッチングによって第１基板に凹部下半分を形成し、第２基板に凹部上半分を形成し、第１基板と第２基板を貼り合わせることにより混合装置１００が構築される。凹部下半分と凹部上半分は、図１乃至図４に示した混合装置１００を中心軸ＡＸに直交する平面で上下に分割したものと同一の空間を画定する。第１基板又は第２基板の貫通孔が流体排出部５０として用いられ得る。中心軸ＡＸは、渦流の中心に設定される。シリコン基板以外の基板、例えば、樹脂基板も採用可能である。

幾つかの場合、混合部５、流体供給部４０、及び流体排出部５０が、射出成形技術を用いて構築され得る。混合部５の内部空間、流体供給部４０の流路、及び流体排出部５０の流路と同一形状の分割コアが用いられる。上型と下型のキャビティーに対して分割コアが配置された状態で溶融樹脂が供給され、金型が冷却される。金型から取り出された成形品によって（又は更なる必要な加工又は処理を経て）混合装置１００が構築される。

幾つかの場合、混合装置１００は、混合部５として容器本体を有し、流体供給部４０として流体供給部材を有し、流体排出部５０として流体排出部材を有する。幾つかの場合、容器本体は、中空の円盤材であり、第１内面１１が設けられた第１板１０と、第２内面２２が設けられた第２板２０と、第１板１０の外周と第２板２０の外周を接続する周壁部３０を有する。周壁部３０には上述の周面３３が設けられる。幾つかの場合、第１板１０及び／又は第２板２０が円板であり、実質的に同一の直径を有する。必ずしもこの限りではないが、少なくとも一方の円板の中心には開口ＯＰ５が設けられ得る。なお、第１板１０及び／又は第２板２０が楕円形状であるとしても同様の効果が得られることは言うまでも無い。

流体供給部材が容器本体の周壁部３０に対して接続される。流体供給部材の流路と容器本体の内部空間が空間連通する。流体排出部材の開口ＯＰ５が、容器本体の第１板１０及び／又は第２板２０に設けられる。流体排出部材の流路と容器本体の内部空間が開口ＯＰ５を介して空間連通し得る。幾つかの場合、流体供給部４０は、周面３３の接線方向沿いに延びる。図３から分かるように、流体供給部４０（流体供給部材）は、仮想円Ｃ１の接線方向Ｄ２に沿って延びる。流体供給部４０（流体供給部材）は、周壁部３０の接線方向Ｄ１沿いに延びる。

幾つかの場合、円形状の混合部５（容器本体）の中心点（或いは、開口ＯＰ５上に設けられた中心軸ＡＸ）に関して第１角度範囲θ１に流体供給部４０（流体供給部材）の開口が割り当てられ、円形状の混合部５（容器本体）の中心点（或いは、開口ＯＰ５上に設けられた中心軸ＡＸ）に関して第２角度範囲θ２に周面３３（周壁部３０）が割り当てられる。幾つかの場合、第１角度範囲θ１に対応する開口の幅Ｗ４５は、第２角度範囲θ２に対応する周面３３の長さＬ３５よりも小さい。幾つかの実施形態において、１５°＜θ１＜５０であり、５０°＜θ２＜７５°である。

適切に設定された流速で流体が流体供給部４０を介して混合部５に供給され、混合部５の周面３３近傍の２次流れに応じた一対の渦と、混合部５における渦流の相乗効果により、流体の混合が促進される。流体供給部４０から混合部５への流体の流入速度が流体の種類等に応じて適切に設定される。混合部５の内部空間や、流体供給部４０及び流体排出部５０の流路の寸法が流体の種類や目標とする混合比に応じて適切に設定される。

図６は、本開示の別態様に係る混合装置の概略的な斜視図である。図７は、本開示の別態様に係る混合装置の概略的な斜視図であり、図６に示したものの反対側を示す。図６及び図７から分かるように、周壁部３０が平板に構成され、周面３３が（中心軸ＡＸに直交する）平面に構成され得る。流体供給部４０の断面形状が矩形状に構成され得る。このような実施形態においても上述と同様の効果が得られる。

図８は、本開示の更なる別態様に係る混合装置の概略的な斜視図であり、流体供給部が２段に構成される。接線方向に延びる流体供給部４０が２段に分割されている。幾つかの場合、流体供給部４０は、区分された複数の流路を有する。区分された流路の本数は２以上であり得る。区分された流路の本数は２つに限定されない。図８に示すように、流体供給部４０は、流路上段部４０ａと流路下段部４０ｂを有し得る。流路上段部４０ａと流路下段部４０ｂが隔壁部により空間連通されず、各流路に流体が別々に流れる。区分された各流路（流路上段部４０ａと流路下段部４０ｂ）の各断面形状（各断面積）は同一又は非同一である。区分された各流路（流路上段部４０ａと流路下段部４０ｂ）に同一又は異なる流体が流され得る。

上述の記述から次の混合方法も理解される。混合方法は、（Ｉ）少なくとも、第１内面１１、第１内面１１に対面する第２内面２２、及び第１内面１１の外周と第２内面２２の外周を接続する周面３３から画定される混合部５の内部空間に複数の流体供給部４０を介して２以上の異なる流体を供給し、周面３３に沿う流体の流れを生じさせる工程と、（ＩＩ）周面３３沿いの流体の流れから生じる渦流により混合された流体を混合部５から排出する工程を含む。ここで、周面３３に沿う流体の流れから生じる２次流れに応じて第１内面１１側の第１渦Ｕ１と第２内面２２側の第２渦Ｕ２が周面３３の内側の位置に生じる。更に、周面３３に沿う流体の流れから生じる渦流により混合された流体が、第１内面１１及び／又は第２内面２２に設けられた開口ＯＰ５を介して排出される。

以下、シミュレーション結果について開示又は検討する。シミュレーションのため、第１流体として水（密度９９８．２ｋｇ／ｍ²、粘性１．００２×１０^-3Ｐａ・ｓ）を用いた。第１流体に混合されるべき第２流体（以下、トレーサーと呼ぶ）としてＮａＣｌ水溶液（密度１００２．２ｋｇ／ｍ²、粘性１．００３×１０^-3Ｐａ・ｓ、拡散係数１．２×１０^-9）を用いた。水とトレーサーの流入速度が同一であり、０．２〜１ｍ／ｓで変化させた。定常流動解析で流動場の解析を行った後、その解析データを基に非定常拡散解析で０．０４秒間トレーサーを流入させ、その後１０秒間の時間範囲にわたるシミュレーション結果を得た。

図９及び図１０は、シミュレーションに基づく渦流の速度変化を示す。図１０の横軸が無次元の半径位置（０が渦中心の位置であり、１が渦中心から最も離れた位置である）を示し、縦軸が流速を示す。流入速度（ｖ）を段階的に高めることにより渦流の下流側での最大速度が高められることも示される。図１０は、ｖ＝０．２ｍ／ｓ、ｖ＝０．３ｍ／ｓ、ｖ＝０．４ｍ／ｓ、ｖ＝０．５ｍ／ｓ、ｖ＝０．６ｍ／ｓと流入速度を変えた時の渦流の速度波形の変化も示す。ｖ＝０．２ｍ／ｓ、ｖ＝０．３ｍ／ｓ、ｖ＝０．４ｍ／ｓ、ｖ＝０．５ｍ／ｓ、ｖ＝０．６ｍ／ｓの順で最大速度が高くなる。

図９及び図１０は、周面３３から渦中心に向かって離れるに従って流速が高くなる強制渦領域の存在を裏付ける。強制渦領域においてより早い速度で流体が流れ、トレーサーが水により十分に混合される。

図１１は、図１２で参照される角度位置を示す参考図である。図１２は、シミュレーションに基づく２次流れの生成を示す図である。図１１に示した各角度において２次流れにより一対の渦が形成されることが示される。図１１及び図１２は、周面３３沿いの流体の流れる方向において流体供給部４０から離間するに応じて第１及び／又は第２渦Ｕ１，Ｕ２の強さが増すことを裏付ける。例えば、角度４０°において角度３０°よりも強い第１及び第２渦Ｕ１，Ｕ２が形成されることが見て分かる。

実施例１において、アクリル材（アクリル板、アクリル筒）を用いて混合装置を試作した。流体供給部の径２０ｍｍ、流体排出部の径２０ｍｍ、混合部の直径２００ｍｍ、周面３３の半径１０ｍｍとした。

図１３は、電気伝導度法に基づいて決定された実施例１に係る混合装置の滞留時間分布関数の無次元時間上の軌跡を示す。図１３において、パラメーターＮに関して、Ｎ＝４とＮ＝１０の滞留時間分布関数の無次元時間上の軌跡も併せて示される。０．２ｍ／ｓ、０．３ｍ／ｓ、０．４ｍ／ｓ、０．５ｍ／ｓ、０．６ｍ／ｓと流入速度を変えた場合の滞留時間分布関数の無次元時間上の軌跡は、Ｎ＝４とＮ＝１０の滞留時間分布関数の無次元時間上の軌跡の間にある。従って、実施例１における混合装置ではＮ＝４〜１０の混合特性が得られることが裏付けられた。図１３から裏付けられるように、流入速度を高めると滞留時間分布関数の軌跡のピークが幅広になり、またピーク高さが低くなる。

電気伝導度法による滞留時間分布関数の決定方法に関して、まず、定常状態になるまで第１流体（水）が流される。次に、第２流体（トレーサー）が瞬間的に流入される。混合装置の流体排出部から流出される流体の電気伝導度が計測される。従って、トレーサーとして、ＮａＣｌ溶液といった濃度と電気伝導度に相関がある材料が用いられる。これにより時間経過に応じた電気伝導度の変化が得られる。次に、電気伝導度を濃度（ｗ／ｖ）に変換し、濃度（ｗ／ｖ）を濃度（ｍｏｌ／Ｌ）に変換する。このように算出された濃度（ｍｏｌ／Ｌ）の時間変化から滞留時間分布関数と平均滞留時間が算出される。

滞留時間分布関数は、次式により算出される。

ここで、Ｃ（ｔ）が出口のトレーサー濃度である。
Ｃ（ｔ）が、時間０〜∞まで積分したＣ（ｔ）で除算される。

平均滞留時間は、次式により算出される。

無次元時間

を用いると、滞留時間分布関数Ｅ（ｔ）は、次式から算出される。

ここで、Ｃ（θ）が出口のトレーサー濃度である。

次式が満足される。

混合装置においては混合の程度が高められるに従い、押し出し流れの滞留時間分布関数から完全混合流れの滞留時間分布関数に接近する。完全混合槽列モデルでは、等しい容積の完全混合槽の直列と考える。混合の程度が槽の個数Ｎにより表される。Ｎ個の完全混合槽列に対する滞留時間分布関数は、次式により与えられる。

図１４は、実施例の混合装置における平均滞留時間と流入速度の関係を示すグラフである。図１５は、実施例の混合装置における目標とする混合濃度に達するのに要する時間を示すグラフである。図１４において一点鎖線がシミュレーション結果を示す。図１４において二点鎖線が実施例の観測結果を示す。図１５においてＮ＝４の変化曲線が一点鎖線で示され、Ｎ＝１０の変化曲線が二点鎖線で示される。図１５の縦軸は、出口のトレーサー濃度を目標トレーサー濃度Ｃｇで除算した値である。図１４は、流入速度が大きくなると、平均滞留時間が低くなることを示す。図１５は、目標とする出口のトレーサー濃度に許容範囲内の時間で到達することを示す。

図１６は、図１７で参照される角度位置を示す参考図である。図１７は、実施例における混合装置の混合状態の観測結果を示すグラフである。図１７のグラフは、光輝度測定法による観測により作成されたものである。トレーサーとしてメチレンブルーを用いた。流入速度０．３ｍ／ｓとした。カメラの撮像フレーム速度は、４８０ｆｐｓとした。定常状態になるまで水を流入させ、トレーサーを一定濃度で流入させた。なお、光輝度測定法では、光源と高速カメラが用いられる。高速カメラは、中心軸ＡＸに直交する撮像面を有する。従って、カメラにより得られる画像の輝度値は、混合部の第１内面と第２内面の間に存在するメチレンブルーの積算値に対応する。カメラを用いたトレーサー濃度の観察から、図１６の各角度位置におけるトレーサーの濃度分散（concentration variance）が得られる。上流側の角度位置２０°と下流側の角度位置５０°の間で濃度分散（concentration variance）が小さくなることが確認でき、第１及び第２渦の存在が確認できた。角度位置２０°から角度位置５０°に向かって第１及び第２渦の強さが増すことも確認できた。図１８及び図１９は、参考のため、角度位置毎の目標濃度に対するトレーサーの濃度分散（concentration variance）を示す。なおトレーサーの濃度分散Ｍは次式から算出される。

Cg：目標濃度、C(x,t)：任意の時間t、任意の位置ｘにおける濃度

上述の教示を踏まえると、当業者をすれば、各実施形態に対して様々な変更を加えることができる。請求の範囲に盛り込まれた符号は、参考のためであり、請求の範囲を限定解釈する目的で参照されるべきものではない。

５混合部
１１第１内面
２２第２内面
３３周面
４０流体供給部
５０流体排出部
Ｕ１第１渦
Ｕ２第２渦

Claims

少なくとも、第１内面（１１）、前記第１内面（１１）に対面する第２内面（２２）、及び前記第１内面（１１）の外周と前記第２内面（２２）の外周を接続する周面（３３）から画定される内部空間を有し、前記第１及び第２内面（１１，２２）が円形状又は楕円形状である混合部（５）と、
前記周面（３３）に沿う流体の流れを生じさせるべく前記混合部（５）の内部空間に流体を供給する複数の流体供給部（４０）と、
前記周面（３３）に沿う流体の流れから生じる渦流により混合された流体を排出するための流体排出部（５０）を備え、
前記第１及び第２内面（１１，２２）の間隔（ｔ５）は、前記周面（３３）に沿う流体の流れから生じる２次流れに応じて前記第１内面（１１）側の第１渦（Ｕ１）と前記第２内面（２２）側の第２渦（Ｕ２）が前記周面（３３）の内側の位置に生じるように設定され、
前記流体排出部（５０）は、前記第１内面（１１）及び／又は前記第２内面（２２）に設けられた開口（ＯＰ５）を有し、前記渦流により混合された流体が前記開口（ＯＰ５）を介して前記混合部（５）の内部空間から流出し、
前記第１及び第２内面（１１，２２）の間隔をｔ５とし、前記周面（３３）から規定される前記混合部（５）の内部空間の最大幅又は最大直径をｒ５とする時、
５＜（ｒ５／ｔ５）を満足する、混合装置。
少なくとも、第１内面（１１）、前記第１内面（１１）に対面する第２内面（２２）、及び前記第１内面（１１）の外周と前記第２内面（２２）の外周を接続する周面（３３）から画定される内部空間を有し、前記第１及び第２内面（１１，２２）が円形状又は楕円形状である混合部（５）と、
前記周面（３３）に沿う流体の流れを生じさせるべく前記混合部（５）の内部空間に流体を供給する複数の流体供給部（４０）と、
前記周面（３３）に沿う流体の流れから生じる渦流により混合された流体を排出するための流体排出部（５０）を備え、
前記第１及び第２内面（１１，２２）の間隔（ｔ５）は、前記周面（３３）に沿う流体の流れから生じる２次流れに応じて前記第１内面（１１）側の第１渦（Ｕ１）と前記第２内面（２２）側の第２渦（Ｕ２）が前記周面（３３）の内側の位置に生じるように設定され、
前記流体排出部（５０）は、前記第１内面（１１）及び／又は前記第２内面（２２）に設けられた開口（ＯＰ５）を有し、前記渦流により混合された流体が前記開口（ＯＰ５）を介して前記混合部（５）の内部空間から流出し、
前記第１及び第２内面（１１，２２）の間隔と同じ方向における前記流体供給部（４０）の内面の幅が、前記第１及び第２内面（１１，２２）の間隔に略等しい、混合装置。
前記周面（３３）沿いの流体の流れる方向に沿う前記周面（３３）の長さ（Ｌ３５）は、前記周面（３３）沿いの流体の流れる方向において隣接する前記周面（３３）の間の前記流体供給部（４０）の開口の幅（Ｗ４５）よりも大きい、請求項１又は２に記載の混合装置。
前記渦流は、前記周面（３３）から離れるに応じて流速が高められる強制渦領域を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の混合装置。
前記周面（３３）沿いの流体の流れる方向において前記流体供給部（４０）から離間するに応じて前記第１及び／又は第２渦（Ｕ１，Ｕ２）の強さが増す、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の混合装置。
前記周面（３３）は、前記第１及び第２内面（１１，２２）の間を弧状に延びる弧状面を有する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の混合装置。
前記開口（ＯＰ５）の最大幅又は直径をｒ５１とし、前記周面（３３）から規定される前記混合部（５）の内部空間の最大幅又は直径をｒ５とする時、
５＜（ｒ５／ｒ５１）を満足する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の混合装置。
前記流体排出部（５０）は、前記渦流が流れる流路を有する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の混合装置。
前記流体供給部（４０）が区分された複数の流路を有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の混合装置。
少なくとも、第１内面（１１）、前記第１内面（１１）に対面する第２内面（２２）、及び前記第１内面（１１）の外周と前記第２内面（２２）の外周を接続する周面（３３）から画定される混合部（５）の内部空間に複数の流体供給部（４０）を介して２以上の異なる流体を供給し、前記周面（３３）に沿う流体の流れを生じさせる工程にして、前記第１及び第２内面（１１，２２）が円形状又は楕円形状である工程と、
前記周面（３３）沿いの前記流体の流れから生じる渦流により混合された流体を前記混合部（５）から排出する工程を含み、
前記周面（３３）に沿う流体の流れから生じる２次流れに応じて前記第１内面（１１）側の第１渦（Ｕ１）と前記第２内面（２２）側の第２渦（Ｕ２）が前記周面（３３）の内側の位置に生じ、
前記周面（３３）に沿う流体の流れから生じる渦流により混合された流体が、前記第１内面（１１）及び／又は前記第２内面（２２）に設けられた開口（ＯＰ５）を介して排出され、
前記第１及び第２内面（１１，２２）の間隔をｔ５とし、前記周面（３３）から規定される前記混合部（５）の内部空間の最大幅又は最大直径をｒ５とする時、
５＜（ｒ５／ｔ５）を満足する、混合方法。
少なくとも、第１内面（１１）、前記第１内面（１１）に対面する第２内面（２２）、及び前記第１内面（１１）の外周と前記第２内面（２２）の外周を接続する周面（３３）から画定される混合部（５）の内部空間に複数の流体供給部（４０）を介して２以上の異なる流体を供給し、前記周面（３３）に沿う流体の流れを生じさせる工程にして、前記第１及び第２内面（１１，２２）が円形状又は楕円形状である工程と、
前記周面（３３）沿いの前記流体の流れから生じる渦流により混合された流体を前記混合部（５）から排出する工程を含み、
前記周面（３３）に沿う流体の流れから生じる２次流れに応じて前記第１内面（１１）側の第１渦（Ｕ１）と前記第２内面（２２）側の第２渦（Ｕ２）が前記周面（３３）の内側の位置に生じ、
前記周面（３３）に沿う流体の流れから生じる渦流により混合された流体が、前記第１内面（１１）及び／又は前記第２内面（２２）に設けられた開口（ＯＰ５）を介して排出され、
前記第１及び第２内面（１１，２２）の間隔と同じ方向における前記流体供給部（４０）の内面の幅が、前記第１及び第２内面（１１，２２）の間隔に略等しい、混合方法。