JP7457194B1

JP7457194B1 - 渦流式流体混合器

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Publication number: JP7457194B1
Application number: JP2023133698A
Authority: JP
Inventors: 康太隈元
Original assignee: 1/1ASAHI YUKIZAI CORPORATION
Current assignee: 1/1ASAHI YUKIZAI CORPORATION
Priority date: 2023-08-18
Filing date: 2023-08-18
Publication date: 2024-03-27
Anticipated expiration: 2043-08-18

Abstract

【課題】異なる種類の流体を混合させるインライン式の流体混合器において、流体が内部に滞留する部位を生じさせないようにする。【解決手段】渦流式流体混合器１１は、筒形状の周側壁１３とその両端に設けられ互いと対向する第１の端壁１５及び第２の端壁１７とによって規定される渦室２５と、周側壁１３に開口する入口流路１９と、第１の端壁１５に開口する出口流路２１と、出口流路２１の中間部に接続され、出口流路２１を流れる流体に添加流体を添加させる少なくとも一つの添加流路２３とを備える。出口流路２１は、第１の端壁１５の概略中心を通るように設けられ、渦室２５は、入口流路１９を介して流入した流体が渦室２５内で旋回流を生じ、旋回流を生じながら出口流路２１から流出するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、化学工場、半導体製造分野、食品分野、医療分野、バイオ分野などの各種産業における流体輸送配管に使用され、渦流を用いて２種以上の流体を混合する渦流式流体混合器に関する。

化学工場、半導体製造分野、食品分野、医療分野、バイオ分野などの各種産業分野において、管内を流れる流体を混合する方法としては、例えば特許文献１に開示されているような捩じり羽根状のスタティックミキサーエレメントを管内に装着したスタティックミキサーを用いるのが一般的である。通常、スタティックミキサーエレメントは、長方形板を長手軸線周りに１８０度捩じったものを最小単位部材として、複数の最小単位部材を直列に結合した構造を有している。典型的なスタティックミキサーでは、長方形板を１８０度だけ右回転方向へ捩じった形状である右エレメントの端部（捩じり軸方向の端部）と長方形板を１８０度だけ左回転方向へ捩じった形状である左エレメントの端部（捩じり軸方向の端部）とが流体の流れ方向の複数の箇所において互いに直交するように接合された状態で管内に設置されている。このような構成によって、管内を流通する流体が一つのエレメントを通過するごとに二分割されると共に、流体がエレメントの捩じれ面に沿って流れることで、管中央部から管壁部への転換の作用、流れの捩じり方向の反転の作用を与えられて攪拌され、流体が配管の径方向に均一に混合される。

特開２００１－２０５０６２号公報

特許文献１に記載されているようなスタティックミキサーでは、管内にスタティックミキサーエレメントが着脱可能に挿入されて、配置されているだけであり、管壁とエレメントの外周部との隙間が存在する。このような隙間には、流体が滞留しやすくなる。また、攪拌のためにスタティックミキサーエレメントの形状を複雑にすると、滞留部を生じやすくなる。このような流体の滞留は、流体の劣化の原因や、スラリーの固化の原因となる。特に、半導体の製造に用いられる場合など、薬液の混合にスタティックミキサーが使用される場合、薬液の滞留は、薬液の劣化を招き、劣化した薬液の半導体ウエハへの塗布は不良品の原因となる。また、スラリーの混合のためにスタティックミキサーを使用する場合、スラリーの固化はメンテナンスの頻度の増加を招く。

よって、本発明の目的は、従来技術に存する問題を解決して、異なる種類の流体を混合させるインライン式の流体混合器において、流体が内部に滞留する部位を生じさせないようにすることにある。

本発明は、上記目的に鑑み、概略円筒形状の周側壁と該周側壁の両端に設けられ互いと対向する第１の端壁及び第２の端壁とによって規定される渦室と、入口流路中心軸線に沿って延び且つ前記周側壁に開口する入口流路と、出口流路中心軸線に沿って延び且つ前記第１の端壁に開口する直線状の出口流路と、前記出口流路の中間部に接続され、前記出口流路を流れる流体に添加流体を添加させる少なくとも一つの添加流路とを備え、前記出口流路は、前記出口流路中心軸線が前記第１の端壁の概略中心を通るように設けられ、前記渦室は、前記入口流路を介して流入した流体が前記渦室内で渦状の旋回流を生じ、旋回流を生じながら前記出口流路から流出するように構成されており、前記添加流路は、前記出口流路内に旋回流が生じている領域において前記出口流路に接続され、前記添加流路から添加された添加流体が旋回流の作用で前記出口流路内の流体と攪拌されて混合されるようにした渦流式流体混合器を提供する。

上記渦流式流体混合器では、円筒形状の周側壁とその両端に設けられた互いに対向する第１の端壁及び第２の端壁とによって渦室が規定され、入口流路が渦室の周側壁に開口すると共に、出口流路が第１の端壁に開口している。また、出口流路中心軸線が第１の端壁の概略中心を通るように出口流路が設けられており、流体が入口流路から渦室内に流入すると渦室内で渦状の旋回流を生じるようになっている。さらに、渦室が円筒形状の周側壁を有し、出口流路中心軸線が第１の端壁の概略中心を通るように設けられているので、渦室内の流体が旋回流を生じながら出口流路から流出する。したがって、出口流路内にも旋回流が生じる。この出口流路の旋回流に添加流体が添加流路から添加されるので、添加流体が旋回流の作用で出口流路の流体と攪拌され、混合される。

前記入口流路は、前記入口流路中心軸線が前記第１の端壁の中心と前記第２の端壁の中心とを結ぶ渦室中心軸線から離れた位置を通るように設けられていることが好ましく、流体が前記入口流路から前記周側壁に対して接線方向に流入するように設けられていることがさらに好ましい。

また、前記出口流路の長さは前記出口流路の直径の７．５倍以上であることが好ましい。

加えて、前記添加流路は、前記添加流路の中心軸線が前記出口流路の上流端から前記出口流路中心軸線の方向に前記出口流路の直径の８倍以内の距離に配置されるように設けられることが好ましく、前記添加流路の中心軸線が前記出口流路の上流端から前記出口流路中心軸線の方向に前記出口流路の直径の４倍以内の距離に配置されるように設けられることがさらに好ましい。

一つの実施形態では、前記第２の端壁がダイヤフラムによって構成されているようになっていてもよい。この場合、前記ダイヤフラムが、前記第１の端壁に対して接近離反するように駆動部によって移動されるようにすることができる。

また、一つの実施形態では、前記渦流式流体混合器が前記添加流路から前記出口流路に添加される添加流体の流量を調整するための流量調整弁をさらに備えてもよい。

本発明によれば、入口流路から渦室内に流入した流体が渦室内で旋回流を生じ、渦室内の流体が旋回流を生じながら出口流路から流出する。この結果、出口流路内にも旋回流が生じ、この出口流路の旋回流に添加流体が添加流路から添加されると、添加流体が旋回流の作用で出口流路の流体と攪拌され、混合される。したがって、流路内にスタティックミキサーエレメントを設けることなく混合が可能となると共に、渦室内でも円筒形状の周側壁に沿って流体が流れるので、滞留部を生じさせることを抑制することができる。

内部が見えるように一部を破断して、本発明の第１の実施形態による渦流式流体混合器の全体構成を示す部分破断斜視図である。図１に示されている渦流式流体混合器の入口流路から供給されて渦室を経て出口流路から排出される主流体に添加流体が添加されて混合されるときの主流体及び添加流体の流れを表す流線を模式的に示す説明図である。本発明の第２の実施形態による渦流式流体混合器を側方から見た模式図である。本発明の第３の実施形態による渦流式流体混合器を側方から見た模式図である。数値シミュレーションにおいて使用した渦流式流体混合器の構成及び寸法を示す説明図である。数値シミュレーションにおいて使用した渦流式流体混合器の構成及び寸法を示す説明図である。渦流式流体混合器を用いた数値シミュレーションにおいて、出口流路の下流端（渦室と接続される端部と反対側の端部）における各領域で得られる混合流体のパッシブスカラーの最大値及び最小値の時間変化を示すグラフである。渦流式流体混合器を用いた数値シミュレーションによって得られた、出口流路の直径（出口流路径）に対する出口流路の長さ（出口流路長さ）の比と出口流路の下流端の各領域で得られる混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差との相関を示すグラフである。主流体と添加流体の流量の第１の組み合わせの下で、渦流式流体混合器を用いた数値シミュレーションによって得られた、出口流路と添加流路との合流位置と出口流路の下流端の各領域で得られる混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差との相関を示すグラフである。主流体と添加流体の流量の第２の組み合わせの下で、渦流式流体混合器を用いた数値シミュレーションによって得られた、出口流路と添加流路との合流位置と出口流路の下流端の各領域で得られる混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差との相関を示すグラフである。本発明の他の実施形態による渦流式流体混合器の全体構成を示す斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明による渦流式流体混合器の実施の形態を説明する。最初に、図１を参照して、第１の実施形態の渦流式流体混合器１１の全体構成を説明する。

渦流式流体混合器１１は、中心軸線に沿って延びる概略円筒形状の周側壁１３と、周側壁１３の中心軸線方向の両端に互いに対向するように設けられた第１の端壁１５及び第２の端壁１７と、入口流路１９と、出口流路２１と、出口流路２１の中間部に接続される添加流路２３とを備える。第１の端壁１５と第２の端壁１７とは同じ概略円形状を有し、周側壁１３の中心軸線方向の両端部を閉塞するように設けられており、周側壁１３と第１の端壁１５と第２の端壁１７とによって取り囲まれた空間が渦室２５を構成している。第１の端壁１５の中心と第２の端壁１７の中心とを結ぶように延びる渦室中心軸線Ｏは、周側壁１３の中心軸線と一致しており、第１の端壁１５及び第２の端壁１７と垂直に延びている。

入口流路１９は、渦室中心軸線Ｏと垂直な方向の入口流路中心軸線Ｐ１に沿って延び、周側壁１３に開口している。入口流路中心軸線Ｐ１は入口流路１９の断面の中心を通るように延びている。また、出口流路２１は、渦室２５から外部へ渦室中心軸線Ｏと平行で且つ第１の端壁１５に垂直な出口流路中心軸線Ｐ２に沿って延びており、渦室２５の第１の端壁１５に開口している。出口流路中心軸線Ｐ２は出口流路２１の断面の中心を通るように延びている。図示されている実施形態では、入口流路１９及び出口流路２１は共に円形断面形状を有する円管によって構成されている。しかしながら、入口流路１９及び出口流路２１の断面は、円形状に限定されるものではなく、楕円形状や四角形状のような多角形状とすることも可能である。また、図示されている実施形態では、入口流路１９は、ストレート形状の円管によって構成されているが、渦室２５内に流体を流入させることができれば、ノズル形状など他の形状としてもよい。

入口流路１９は、入口流路中心軸線Ｐ１が渦室中心軸線Ｏから離れた偏心位置を通るように設けられている。したがって、入口流路１９から流入した流体は、渦室２５内で周側壁１３に当たって周側壁１３に沿って流れて旋回流を生じ、渦流となって出口流路２１へと向かい出口流路２１から流出する。入口流路１９は、旋回流を生じやすくするために、入口流路１９から渦室２５内に流入する流体が周側壁１３に沿って流れるように設けられることが好ましい。図示されている実施形態では、入口流路１９は、概略円筒形状の周側壁１３の接線方向に延びて入口流路中心軸線Ｐ１が接線と平行となるように周側壁１３に接続されており、流体が入口流路１９から渦室２５内に周側壁１３に対して実質的に接線方向に流入するようになっている。

出口流路２１は、出口流路中心軸線Ｐ２が第１の端壁１５と垂直に延び且つ第１の端壁１５の概略中心を通るように、すなわち出口流路中心軸線Ｐ２が実質的に渦室中心軸線Ｏと一直線上に整列して延びるように、設けられている。このような構成により、図２に示されているように、入口流路１９から流入した流体が渦室２５内で周側壁１３に沿って流れて渦状の旋回流を生じながら出口流路２１へ向かって、旋回流のまま渦室２５から出口流路２１へ排出される。したがって、出口流路２１において渦室２５から出口流路２１への入口（渦室２５と出口流路２１との接続端すなわち出口流路２１の上流端）の少なくとも近傍では、旋回流を維持して渦流状態のまま下流側に流れる。

添加流路２３は、添加流路中心軸線Ｐ３に沿って延び、出口流路２１において上述の旋回流が生じている範囲において、渦室２５から出口流路２１への入口（すなわち出口流路２１の上流端）の近傍に接続されて、合流部を形成している。すなわち、合流部は、渦室２５から出口流路２１に排出される主流体が旋回流を維持している間に添加流路２３から添加流体を主流体に添加させるように構成されている。出口流路２１と添加流路２３との合流部（合流位置）は、添加流路２３の添加流路中心軸線Ｐ３が出口流路２１の入口（すなわち出口流路２１の上流端）から出口流路２１の直径の８倍以内の距離の範囲内に位置するように設けられていることが好ましく、添加流路中心軸線Ｐ３が出口流路２１の直径の４倍以内の距離の範囲内に位置するように設けられていることがさらに好ましい。

図示されている第１の実施形態では、出口流路２１と添加流路２３とが垂直に延びるように、直線状の出口流路２１の上流端の近傍に一本の直線状の添加流路２３の一方の端部が接続されて、Ｔ字形状の流路が形成されており、入口流路１９に供給された主流体である流体Ａが渦室２５を経て出口流路２１の上流端に流入し且つ添加流路２３の他方の端部から添加流体である流体Ｂが供給されて、合流部で流体Ａと流体Ｂとが合流されるようになっている。合流部の形状はＴ字形状に限定されるものではなく、例えば添加流路２３が出口流路２１に斜めに合流するＹ字形状等としてもよい。また、図示されている第１の実施形態では、添加流路２３の添加流路中心軸線Ｐ３は、設置スペースを小さくする目的で、入口流路１９の入口流路中心軸線Ｐ１と平行に延び、入口流路１９と添加流路２３とが渦室２５に対して同じ側に配置されているが、添加流路中心軸線Ｐ３が入口流路中心軸線Ｐ１と平行に延びている必要も、入口流路１９と添加流路２３とが渦室２５に対して同じ側に配置されている必要もなく、添加流路２３は任意の方向に延びるようにすることができる。さらに、二つ以上の添加流路２３が出口流路２１に接続されるようにしてもよく、３種類以上の流体を合流させるようにしてもよい。添加流路２３は、出口流路２１と同様に、断面が円形状である直線状の円管であることが好ましいが、円管に限定されるものではなく、任意の形状の断面を有する配管とすることができる。

渦流式流体混合器１１では、入口流路中心軸線Ｐ１が渦室中心軸線Ｏから離れた偏心位置を通り、出口流路中心軸線Ｐ２が入口流路中心軸線Ｐ１から離れた位置を通って延びる。したがって、渦室２５内では、入口流路１９に供給されて渦室２５に流入する主流体が周側壁１３に当たって周側壁１３に沿って流れて旋回流を生じ、渦流となって出口流路２１へと向かい出口流路２１に排出される。また、図２に示されているように、渦室２５内の主流体が旋回流を生じたまま出口流路２１から排出され、出口流路２１内で主流体が旋回流を生じている範囲内で添加流路２３から添加流体が主流体に添加され合流する。したがって、出口流路２１内の旋回流の主流体に添加流路２３から添加された添加流体は、旋回流の攪拌作用により、主流体内に拡散され、異なる種類の流体の濃度のバラつき（濃度分布のムラ）を減少させることができる。このことから、出口流路２１内において旋回流が維持されている限り、出口流路２１は、長いほど、また、主流体の流速が高いほど、濃度のバラつきを減少させる効果を高めることができ、出口流路２１は、その長さが出口流路２１の直径の７．５倍以上であることが好ましい。

なお、本発明による渦流式流体混合器は、渦室２５内で渦状の旋回流を生じさせて、旋回流を維持したまま出口流路２１内に主流体を排出し、出口流路２１内で旋回流を生じた主流体に添加流路２３から添加流体を添加させるようになっていれば、異なる種類の流体の濃度のバラつき（濃度分布のムラ）を減少させる効果を奏することができる。したがって、渦流式流体混合器は、図１に図示されている実施形態の構成に限定されるものではない。

例えば、図３に示されている第２の実施形態による渦流式流体混合器５１のように、第２の端壁をダイヤフラム１７’によって構成してもよい。第２の実施形態では、図示されていない駆動部によってダイヤフラム１７’を駆動して第１の端壁１５に接近及び離反させ、渦室２５の容積を増減させて渦室２５内における流体（主流体）の流速を調整することができるようになっている。駆動部は、手動式、エア駆動式、電動式など様々な駆動方式を採用することができる。渦室２５内における流体（主流体）の流速を調整することによって、渦室２５内及び出口流路２１における主流体の旋回速度を変化させて、混合される流体の種類に応じて、より濃度ムラの少ない適切な混合を行うことが可能となる。

図４は、添加流路２３上に流量調整バルブ６３を設けた第３の実施形態による渦流式流体混合器６１を示している。第３の実施形態による渦流式流体混合器６１では、流量調整バルブ６３によって、添加流路２３から出口流路２１に添加される添加流体の流量を変化させ、主流体と添加流体との混合比率を調整することができるようになっている。しかしながら、添加流路２３から出口流路２１に添加される添加流体の流量を調整することができれば、流量調整バルブ６３を設ける位置は、添加流路２３上に限定されるものではない。例えば、添加流体の供給源と添加流路２３との間に流量調整バルブ６３を設けてもよい。また、添加流体ではなく主流体の流量を変化させるようにしてもよく、例えば図示されていない流量調整バルブを設けて、入口流路１９から渦室２５内に供給される主流体の流量を調整できるようにしてもよい。この場合も同様に、入口流路１９上に流量調整バルブを設けてもよく、主流体の供給源と入口流路１９との間に流量調整バルブを設けてもよい。

なお、図３及び図４に示されている第２の実施形態による渦流式流体混合器５１及び第３の実施形態による渦流式流体混合器６１では、図１に示されている第１の実施形態の渦流式流体混合器１１と共通する構成要素には、同じ参照符号が付されている。また、同じ参照符号が付された構成要素は、同様の構成を有している。したがって、ここでは、第１の実施形態の渦流式流体混合器１１と共通する構成要素についての説明は省略する。

以下に、図１に示されている第１の実施形態の渦流式流体混合器１１と同様の構成の渦流式流体混合器を用いた数値シミュレーションによる解析結果を説明する。以下の説明では、説明を分かりやすくするために、数値シミュレーションで使用される渦流式流体混合器の各構成について、渦流式流体混合器１１と同じ参照符号を付する。

数値シミュレーションは、特に記載が無い限り、図５及び図６に示されているような構成及び寸法を有した渦流式流体混合器１１を用いて行った。詳細には、渦室２５が直径２０ｍｍ、高さ４ｍｍの円筒形状を有しており、入口流路中心軸線Ｐ１が渦室２５の中心から８ｍｍだけ離れた位置を通るように、直径４ｍｍの円管形状の入口流路１９が周側壁１３に接続されている。また、直径Ｄ、長さＬ１の円管形状の出口流路２１が渦室中心軸線Ｏと一直線上に整列する出口流路中心軸線Ｐ２に沿って延びるように第１の端壁１５に接続されている。すなわち、出口流路２１は第１の端壁１５の中心を通り且つ第１の端壁１５と垂直な出口流路中心軸線Ｐ２に沿って第１の端壁１５から延びている。さらに、直径４ｍｍの円管形状の添加流路２３が、出口流路２１の中心を通り且つ出口流路中心軸線Ｐ２と垂直な添加流路中心軸線Ｐ３に沿って出口流路中心軸線Ｐ２から１５ｍｍだけ離れた位置まで延び、出口流路２１と第１の端壁１５とが接続される出口流路２１の上流端から添加流路２３の添加流路中心軸線Ｐ３までの距離がＬ２となるように、出口流路２１に接続されている。このような構成の渦流式流体混合器１１において、入口流路１９に主流体として青水を供給すると共に添加流路２３に添加流体として赤水を供給し、入口流路１９から供給されて渦室２５を経て旋回流の状態で出口流路２１から排出される主流体に添加流路から添加流体を添加して両流体を合流させ、主流体と添加流体が合流、混合されて生成された混合流体のパッシブスカラーを出口流路２１の下流端において求める。パッシブスカラーは、混合流体の色に関し、赤を１（赤水の濃度が１００％）、青を０（赤水の濃度が０％）とみなした濃度の代用指標である。

最初に、出口流路２１の下流端（渦室２５と接続される端部と反対側の最も下流側に位置する端部）における径方向の位置による混合流体の濃度のバラつき（濃度分布のムラ）を数値シミュレーションにより確認した。数値シミュレーションでは、図５及び図６に示された構成及び寸法を有し、出口流路２１の直径ＤをΦ４ｍｍ、出口流路２１の長さＬ１を８０ｍｍ、出口流路２１の上流端から添加流路中心軸線Ｐ３までの距離Ｌ２を５ｍｍとした渦流式流体混合器１１を使用し、入口流路１９に主流体として青水を８００ｍＬ／分で供給すると共に添加流路２３に添加流体として赤水を２００ｍＬ／分で供給して、主流体に添加流体を添加して混合させた混合流体のパッシブスカラーを出口流路２１の下流端において求め、パッシブスカラーを指標として青水と赤水の混ざり方を評価した。

図７は出口流路２１の下流端における混合流体のパッシブスカラーの経時変化を示すグラフである。図７では、出口流路２１の下流端における断面を複数の領域に分割して各領域における混合流体のパッシブスカラーを求め、求められた各領域のパッシブスカラーの最大値の経時変化を実線で、最小値の経時変化を破線で示している。図７に示されているように、出口流路２１の下流端では、混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値がほぼ同じで、出口流路２１の下流端における混合流体のパッシブスカラーの領域間の差がほとんどなく、時間変化もほとんどない状態となっている。すなわち、図７から、出口流路２１の下流端では、径方向及び流れ方向における混合流体の濃度分布のムラがほとんどなく、十分に混合されていることが分かる。したがって、渦流式流体混合器１１を用いることによって、異なる種類の流体の径方向の位置及び流れ方向による濃度のバラつき（濃度分布のムラ）が減少されており、濃度の均一化の効果が得られていることが確認された。

次に、出口流路２１の長さＬ１が混合流体の濃度のバラつき（濃度分布のムラ）に与える影響を数値シミュレーションにより確認した。数値シミュレーションでは、図５及び図６に示される構成及び寸法を有するが、出口流路２１の上流端から添加流路中心軸線Ｐ３までの距離Ｌ２を５ｍｍとし、出口流路２１の直径ＤをΦ４ｍｍに固定して直径Ｄに対する出口流路２１の長さＬ１の比を５～２５の範囲で変えた渦流式流体混合器１１を使用し、出口流路２１の下流端において混合流体のパッシブスカラーを求めた。また、直径Ｄに対する長さＬ１の比を変えた出口流路２１を有した各渦流式流体混合器１１について、比較を可能にするために同一の混合比を維持しつつ、異なる主流体と添加流体の流量の組み合わせの下で、上記の数値シミュレーションを行い、出口流路２１の下流端において混合流体のパッシブスカラーを求めた。

図８は、同一の混合比を維持しつつ変えた主流体と添加流体の流量の各組み合わせについて、出口流路２１の直径Ｄに対する出口流路２１の長さＬ１の比と出口流路２１の下流端における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差との相関を示す折れ線グラフである。図８では、出口流路２１の直径Ｄに対する出口流路２１の長さＬ１の比を横軸とし、出口流路２１の下流端における断面を分割した複数の領域の各々で求めた混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差を縦軸として、数値シミュレーションの結果が示されている。図８において、記号「◆」は入口流路１９に供給される主流体の流量が０．２Ｌ／分で且つ添加流路２３に供給される添加流体の流量が０．０５Ｌ／分である場合、記号「▲」は入口流路１９に供給される主流体の流量が０．４Ｌ／分で且つ添加流路２３に供給される添加流体の流量が０．１Ｌ／分である場合、記号「■」は入口流路１９に供給される主流体の流量が０．８Ｌ／分で且つ添加流路２３に供給される添加流体の流量が０．２Ｌ／分である場合、記号「●」は入口流路１９に供給される主流体の流量が１．６Ｌ／分で且つ添加流路２３に供給される添加流体の流量が０．４Ｌ／分である場合における出口流路２１の直径Ｄに対する出口流路２１の長さＬ１の比と出口流路２１の下流端における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差との関係を示す。

図８から、出口流路２１の直径Ｄに対する出口流路２１の長さＬ１の比が大きくなるほど、出口流路２１の下流端における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差が小さくなっていることが分かる。出口流路２１の下流端の断面の各領域における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差が小さいことは、出口流路２１の下流端において混合流体が均一に混合されていることを意味する。したがって、出口流路２１の直径Ｄに対する出口流路２１の長さＬ１の比を大きくするほど、混合流体をより均一に混合させる効果が高められる。これは、出口流路２１の長さＬ１が長くなるほど、また、出口流路２１を流れる主流体の流速が高いほど、旋回流の作用で添加流体が主流体内に分散されていくからであると考えられる。図７に示される数値シミュレーションの条件及び結果と、図８に示される数値シミュレーションの条件及び結果とを考慮すると、出口流路２１の長さＬ１は、出口流路２１の直径Ｄの７．５倍以上であることが好ましいと言える。

さらに、出口流路２１と添加流路２３との合流部（接続箇所）の位置（合流位置）が混合流体の濃度のバラつき（濃度分布のムラ）に与える影響を数値シミュレーションにより確認した。数値シミュレーションでは、図５及び図６に示される構成及び寸法を有するが、出口流路２１の直径ＤをΦ４ｍｍ、Φ６ｍｍ、Φ８ｍｍ及びΦ１０ｍｍとした場合について、出口流路２１の長さＬ１を出口流路２１の直径Ｄの２５倍すなわち２５Ｄにし且つ出口流路２１の上流端から添加流路中心軸線Ｐ３までの距離Ｌ２を出口流路２１の直径Ｄの１倍、２倍、４倍、８倍及び１２倍すなわちＤ，２Ｄ，４Ｄ，８Ｄ及び１２Ｄに変えた渦流式流体混合器１１を使用し、出口流路２１の下流端において混合流体のパッシブスカラーを求めた。

図９及び図１０は、それぞれ、数値シミュレーションにおいて入口流路１９に供給される主流体の流量が０．２Ｌ／分で且つ添加流路２３に供給される添加流体の流量が０．０５Ｌ／分である場合と入口流路１９に供給される主流体の流量が１．６Ｌ／分で且つ添加流路２３に供給される添加流体の流量が０．４Ｌ／分である場合に得られた、出口流路２１と添加流路の合流位置と出口流路２１の下流端における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差との相関を示す折れ線グラフである。なお、比較を可能にするために、図９及び図１０を得るための数値シミュレーションでは、同一の混合比が維持されるように主流体と添加流体の流量の比が同一になるように設定されている。図９及び図１０では、「出口流路２１の直径Ｄ」に対する「出口流路中心軸線Ｐ２の方向における出口流路２１の上流端から添加流路中心軸線Ｐ３までの距離Ｌ２」の比によって合流位置を表して横軸とし、出口流路２１の下流端における断面を分割した複数の領域の各々で求めた混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差を縦軸として、数値シミュレーションの結果が示されている。図９及び図１０において、記号「◆」は出口流路２１の直径ＤがΦ１０ｍｍである場合、記号「▲」は出口流路２１の直径ＤがΦ８ｍｍである場合、記号「■」は出口流路２１の直径ＤがΦ６ｍｍである場合、記号「●」は出口流路２１の直径ＤがΦ４ｍｍである場合における合流位置（「出口流路２１の直径Ｄ」に対する「出口流路中心軸線Ｐ２の方向における出口流路２１の上流端から添加流路中心軸線Ｐ３までの距離Ｌ２」の比）と出口流路２１の下流端における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差との相関を示す。

図９及び図１０から、主流体と添加流体の流量に関わらず、出口流路２１と添加流路２３との合流位置が、出口流路２１の上流端に近いほど、すなわち渦室２５に近いほど、出口流路２１の下流端における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差が小さくなっていることが分かる。上述したように、出口流路２１の下流端の断面の各領域における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差が小さいことは、出口流路２１の下流端において混合流体が均一に混合されていることを意味する。したがって、出口流路２１と添加流路２３との合流位置が、出口流路２１の上流端に近いほど、すなわち渦室２５に近いほど、混合流体をより均一に混合させる効果が高められる。これは、出口流路２１と添加流路２３との合流位置が、出口流路２１の上流端に近いほど、渦室２５内で生じた旋回流の強さが出口流路２１においても維持され、旋回流により、より高い攪拌効果が得られるからと考えられる。また、図９及び図１０に示される結果から、出口流路２１と添加流路２３との合流位置（出口流路中心軸線Ｐ２の方向における出口流路２１の上流端から添加流路中心軸線Ｐ３までの距離Ｌ２）は、出口流路２１の上流端に近いことが好ましく、特に、出口流路２１の直径Ｄの８倍以内の距離の範囲内に設けられていることが好ましく、出口流路２１の直径Ｄの４倍以内の距離の範囲内に設けられていることがさらに好ましいと言える。

さらに、図９と図１０の対比から、渦室２５の容積が一定という条件下では、主流体の流量が多いほど、出口流路２１と添加流路２３との合流位置が出口流路２１の上流端から離れても、出口流路２１の下流端における混合流体のパッシブスカラーの最大値と最小値の差を小さく抑えることができることが分かる。したがって、渦室２５の容積が一定という条件下では、主流体の流量が多いほど、混合流体をより均一に混合させる効果が高められる。

以上、図示されている実施形態を参照して、本発明による渦流式流体混合器１１，５１，６１を説明したが、本発明は図示されている実施形態に限定されるものではない。例えば、図示されている実施形態では、出口流路２１に一つの添加流路２３が接続され、２種類の流体が合流するようになっているが、出口流路２１に二つ以上の添加流路２３が接続され、３種類以上の流体が合流するようにしてもよい。

また、図１１に示されているように、出口流路２１の下流にさらに別の渦流式流体混合器７１を設けてもよい。この場合の渦流式流体混合器７１は、中心軸線に沿って延びる筒形状の周側壁７３と、周側壁７３の中心軸線方向の両端に互いに対向するように設けられた第１の端壁７５及び第２の端壁７７と、第１の端壁７５に開口する出口流路７９とを備え、周側壁７３と第１の端壁７５と第２の端壁７７とによって取り囲まれた空間が渦室を構成するようになっており、渦流式流体混合器１１の出口流路２１が渦流式流体混合器７１の渦室に開口するように周側壁７３に接続される。また、出口流路２１の出口流路中心軸線Ｐ２が渦流式流体混合器７１の渦室の中心軸線から離れた偏心位置を通るように、出口流路２１が周側壁７３に接続され、出口流路７９はその中心軸線が出口流路２１の出口流路中心軸線Ｐ２から離れた位置を通って延びるように設けられている。渦流式流体混合器１１の出口流路２１がこのような構成の渦流式流体混合器７１に接続されているとき、出口流路２１から渦流式流体混合器７１の渦室内に流入する流体は渦流式流体混合器７１の渦室内で旋回流となって渦流を生じた後に出口流路７９から排出される。したがって、出口流路２１から渦流式流体混合器７１の渦室に流入した流体は、渦室内において渦流の作用で攪拌され、より均一に混合される。

１１渦流式流体混合器
１３周側壁
１５第１の端壁
１７第２の端壁
１７’ ダイヤフラム
１９入口流路
２１出口流路
２３添加流路
２５渦室
５１渦流式流体混合器
６１渦流式流体混合器
７１渦流式流体混合器
７３周側壁
７５第１の端壁
７７第２の端壁
７９出口流路

Claims

概略円筒形状の周側壁と該周側壁の両端に設けられ互いと対向する第１の端壁及び第２の端壁とによって規定される渦室と、
入口流路中心軸線に沿って延び且つ前記周側壁に開口する入口流路と、
出口流路中心軸線に沿って延び且つ前記第１の端壁に開口する直線状の出口流路と、
前記出口流路の中間部に接続され、前記出口流路を流れる流体に添加流体を添加させる少なくとも一つの添加流路と、
を備え、
前記出口流路は、前記出口流路中心軸線が前記第１の端壁の概略中心を通るように設けられ、前記渦室は、前記入口流路を介して流入した流体が前記渦室内で渦状の旋回流を生じ、旋回流を生じながら前記出口流路から流出するように構成されており、前記添加流路は、前記出口流路内に旋回流が生じている領域において前記出口流路に接続され、前記添加流路から添加された添加流体が旋回流の作用で前記出口流路内の流体と攪拌されて混合されることを特徴とする渦流式流体混合器。
前記入口流路は、前記入口流路中心軸線が前記第１の端壁の中心と前記第２の端壁の中心とを結ぶ渦室中心軸線から離れた位置を通るように設けられている、請求項１に記載の渦流式流体混合器。
前記入口流路は、流体が前記入口流路から前記周側壁に対して接線方向に流入するように設けられている、請求項２に記載の渦流式流体混合器。
前記出口流路の長さは前記出口流路の直径の７．５倍以上である、請求項１に記載の渦流式流体混合器。
前記添加流路は、前記添加流路の中心軸線が前記出口流路の上流端から前記出口流路中心軸線の方向に前記出口流路の直径の８倍以内の距離に配置されるように設けられる、請求項１に記載の渦流式流体混合器。
前記添加流路は、前記添加流路の中心軸線が前記出口流路の上流端から前記出口流路中心軸線の方向に前記出口流路の直径の４倍以内の距離に配置されるように設けられる、請求項５に記載の渦流式流体混合器。
前記第２の端壁がダイヤフラムによって構成されている、請求項１に記載の渦流式流体混合器。
前記ダイヤフラムが、前記第１の端壁に対して接近離反するように駆動部によって移動される、請求項７に記載の渦流式流体混合器。
前記渦流式流体混合器が前記添加流路から前記出口流路に添加される添加流体の流量を調整するための流量調整弁をさらに備える、請求項１に記載の渦流式流体混合器。