JPH0512018B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、流体流れの各種成分を混合するため
のいろいろな混合部材を備えた、従来から静止ミ
キサーと称されている静止材料混合装置（以下、
単に「ミキサー」とも称する）に関する。本発明
の教示に従つて各静止混合部材を巧みに構成すれ
ば、従来の同等の装置に比べて優れた混合作用が
得られる。

従来の技術 静止ミキサーは、その名の通り運動部品を使用
しないので、効果的に作動するように構成すれ
ば、動的ミキサーより優れた経済的利点を提供す
ることは古くから認識されている。即ち、静止装
置は、一般に、製造コストが安く、維持費が極め
て安く、しかも、ミキサー製品の使用にあたり使
用者に長い有効寿命を提供する。

静止ミキサーを製造する従来技術の方法は、一
般に、ミキサーの各構成部材を費用のかかる機械
加工、金型成形、鋳造又はその他の方法で製造
し、各構成部材と導管とを、あるいは導管内に挿
入した各構成部材を何らかの態様で恒久的に結合
することから成る。しかしながら、このような方
法は、製造が困難で製造コストが高く、従つて得
られる最終製品のコストが高くなる。しかも、従
来のミキサーの多くは、特に導管の内壁に沿つて
流れる材料については不完全な混合しか達成でき
ない。このいわゆる「壁なすりつけ」現象は、導
管内で層流を生じる流体の放物線状の速度分布
（流体の速度が導管の内壁面沿いにおいて小さく
又はゼロになる）に起因する。

静止ミキサー技術における画期的な改良は、本
出願人の先行米国特許第3923288号に開示された
教示に代表される。同特許の発明による静止材料
混合装置は、導管内に嵌合する複数の互いに嵌め
合わされ、突き合わされ、軸線方向にオーバーラ
ツプした混合部材から成るものであり、各部材間
の軸線方向のオーバーラツプ領域が、被混合材料
内に複合速度ベクトルを導入する混合マトリツク
スを設定する。

上記米国特許第3923288号に開示されているよ
うなｎ個の混合部材の集合体内へ単一の流体流れ
を導入すると、その流れは、2ⁿ個の流れに分割さ
れる。なぜなら、各混合部材がそれぞれ流体流れ
を２×２個の流れに分割するからである。

上記米国特許第3923288号に開示されているよ
うな混合部材の混合効率を2ⁿ個の流れ分割以上に
増大させることができる装置が、本出願人の先行
米国特許第4614440号に開示されている。同特許
は、基本的には、複数個の個別ビスケツト状分節
体を備えた導管の形をした流体流れ混合のための
静止材料混合装置を教示している。それらのビス
ケツト状分節体（以下、単に「ビスケツト」又は
「分節体」とも称する）は、共通の長手軸線上に
整列して配置され、各ビスケツトは複数の開口を
有し、各開口内には流体流れは回転角速度を誘起
する混合素子が配設される。実質的にすべての混
合素子が流体に同じ向きの回転傾向を誘起するよ
うにし、混合作用を向上させるために各隣接する
ビスケツトの開口を意図的に不整列にする（ずら
せる）べきであると教示されている。

第１図は、上記本出願人の米国特許第4614440
号において教示された典型的なビスケツト状分節
体を示す。平面図で示されたこのビスケツト状分
節体１０は、中央開口又は穴５と周辺開口又は穴
６を有する。中央穴５を中心とする六角形の穴配
列を有するビスケツトが、同特許に開示されたビ
スケツト状分節体の代表的なものである。

同特許では、開口５，６内には、それらを通る
流体に回転速度を誘起する実際上任意の形態の混
合素子を配設することができると教示されてい
る。そのような混合素子の代表的なものは、上記
米国特許第3923288号に開示されているので、同
特許を参照されたい。そのような混合素子は、本
出願の添付図面の第３，４図に符号１３で示され
ている。これらの素子は、ビスケツトの開口を通
る流体に同じ向きの回転傾向を誘起又は付与す
る。

被混合流体の回転の向き及び態様は、第２図に
矢印３１，３２によつて概略的に示されている。
上記米国特許第4614440号においては、第３図に
示される部材１０，１１等のような多数の長手方
向に整列させたビスケツト状分節体を設けるこ
と、及び各隣接するビスケツト状分節体の開口を
互いにずらせるべきであることが教示されてい
る。開口のこの不整列即ちずれは、第２図の平面
図に示されており、それによれば穴６の幾何学的
中心は、その下に隣接するビスケツト１１の穴６
Ａの周縁と一致している。この不整列は、各隣接
するビスケツト間で角度的にほぼ30゜変位させた
結果である。このように各隣接するビスケツトを
ずらせなければ、第１図の開口６のような、流体
の流れ方向でみて上流側の開口又は穴（セル又は
オリフイスとも称する）内へ導入された流体は、
各下流側のビスケツトの開口を通つて素通りして
しまい、流体流は多少は混合されるが、セル間
（開口間）混合が生じないことが認められた。第
２図に示されるように各ビスケツトをずらせるこ
とによつて、例えばビスケツト１１の各セルは、
その上流のビスケツト１０の２つのセルから材料
（流体）を受取ることができるので、混合作用が
高められる。各開口即ちセル内に配設される螺旋
状の混合素子１３は、いずれも、同じ「向き」を
与えられているので、各隣接ビスケツトをずらせ
たことによる正味効果は、材料を何度も分割し再
合流させることである。開口に挿入された螺旋状
の混合素子により作用的に螺旋状とされた開口を
有する各ビスケツトが流体の流れを12回分割し再
合流させるからである。

更に、混合現象を高める手段として、一部のビ
スケツトの開口を閉塞することが好ましいことが
認められた。理想的には、閉塞開口は、１つおき
のビスケツトに設けることであり、ビスケツトの
幾何学的中心に設けるのが最も好ましいとされて
いる。第４図は、そのような構成を例示したもの
であり、ビスケツト１０，１１，１２が分解透視
図で示され、ビスケツト１０の中心穴５から流出
した流体流は経路符号１７で示されている。仮
に、ビスケツト１１の中心穴５Ａが閉塞されてい
ないとすれば、経路１７に沿つて流れる流体は、
長手方向に整列したすべての中心開口５，５Ａ，
５Ｂを通つて素通りし、隣接する開口間の混合が
生じない。しかし、ビスケツト１１の中心開口５
Ａを閉塞しておけば、上流のビスケツト１０の中
心開口５から流出した流体は、ビスケツト１１の
中心開口ではなく周辺開口６Ａ，７Ａ…に通さ
れ、経路１７Ａ，１７Ｂ…を通り、ビスケツト１
２に向う。ビスケツト１２において流体流１７
Ａ，１７Ｂは、更に分割され、中心開口５Ｂは、
閉塞されていないので、他の隣接する混合開口と
同様に流体を受け入れる。

先行特許においては、系内の中心開口の１つ又
はそれ以上を閉塞する場合は、閉塞開口を有する
ビスケツトから流出した流体が下流で閉塞されて
いない中心開口に遭遇することができるようにビ
スケツトを互いに離隔させることが好ましいと教
示されていた。第３図は、上記米国特許第
4614440号に開示された構成を例示するものであ
り、導管２０内に嵌合されたビスケツト１０，１
１等は、互いに嵌め合わせ又は掛止関係をなすよ
うに歯形切欠きを有している。更に閉塞された中
心開口を有するビスケツト内及びその周りにおけ
る流体の流れを適正にするように各ビスケツト間
に間〓１８が設けられている。間〓１８は、更に
導管２０全体を通しての圧力降下を減少させる働
きをする。

ビスケツト状分節体１０，１１等から成る積重
型静止混合器は、従来技術の混合器に比べて大幅
に優れた混合作用を可能とした。例えば、上記米
国特許第3923288号に示されるようなｎ個の混合
部材の集合体に単一の流体流を導入した場合、そ
の流体流を2ⁿ個に分割する。しかしながら、上記
米国特許第4614440号に開示された発明を実施し
た場合、2in（5.08cm）径のミキサーは2²ⁿ型ミキサ
ーのように機能する。従つて、導管内に８個のビ
スケツトを装填したミキサーにおいて、各ビスケ
ツトに６個の周辺穴を設けたとすれば、６×2ⁿ個
（６×2⁸個即ち６×256個）ではなく、６×2²ⁿ個
即ち６×2¹⁶個（６×65536個）（ｎ＝ビスケツト
の個数）の流れ分割が得られる。このように米国
特許第4614440号の発明の実施において得られる
改良係数は、分数65536／256（即ち、65536÷256
＝256）によつて表わされる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、ポリマー材の流れに添加すべき
液状着色剤又は潤滑剤等の低粘性液体を導入する
のは非常に困難である。なぜなら、静止ミキサー
技術では大抵の場合、少量の低粘性添加剤は、適
正に混合されずにミキサー内を素通りする傾向が
あるからである。

低粘性の添加剤を多数の穴を有するスパージヤ
（散布器）又はスロツト付スパージヤパイプを用
いて導入することによりこの問題を解決する試み
が従来からなされてきた。しかしながら、この解
決方法は、比較的粘性の高い材料が流れパターン
を支配してしまうので満足なものではなく、その
ようなスパージヤは、その穴又はスロツトから添
加剤を均一に分配するためには１つの特定の流速
でしか作動することができない。従つて、必然的
に添加剤注入のための穴又はスロツトの非対称の
詰まりが生じる。

本発明者は、上記米国特許第4614440号に開示
された積重型静止ミキサーは、本発明の教示によ
る改変を加えることによつて、非常に少量の低粘
性液体を非常に高い粘性の押出しメルト（溶融
物）又はその他の高粘性流体内へ導入するのに特
に適合したものとすることができることを見出し
た。

又、本発明者は、単一のビスケツト状分節体を
用いることによつて層流状態下での混合を大幅に
改良することができること、及び、多数のビスケ
ツト状分節体を用いることが必ずしも必須ではな
いことを見出した。

問題点を解決するための手段 本発明は、上記問題点を解決するために、円筒
形導管内で流体流れを混合するための静止材料混
合装置であつて、導管の長手軸線に沿つて整列さ
せた個別のビスケツト状分節体から成る装置を提
供する。ビスケツトは、複数の開口を有し、それ
らの開口内には、該開口を通る流体に回転角速度
を誘起する混合素子を配設する。それらの実質的
にすべての混合素子が、流体に同じ向きの回転傾
向を誘起するものとする。

本発明の要旨は、導管の長手軸線に実質的に整
列する円錐形のプラグを設けることによつて混合
作用を向上させることができることを見出したこ
とにある。このプラグは、そのベースがビスケツ
トの上流側の端面上に位置し、それがなければビ
スケツトの長手軸線に沿つて存在するであろう開
口を閉塞するように位置づけする。この円錐形プ
ラグの頂点は、そのベースの上流側に位置し、主
流体流内へ添加剤等の流体を該プラグのほぼ頂点
のところへ排出するように配置された流体導入ポ
ートから流出する流体を受取る。

実施例 本発明の要点は、大量処理流に混合すべき流体
成分を流れの中心部に、かつ、第１〜４図に示さ
れたビスケツト状混合部材の円錐形突起の頂点の
ところに供給することによつて驚くほど効果的な
混合が得られることを見出したことにある。高い
粘性の流体流内へ少量の低粘性成分を導入すると
いうような困難な混合系でも、本発明を実施する
ことによつて効率的に混合することができる。

第５図は、ビスケツト状部材３３を導管２０内
に配設し、矢印３４の方向に流れる主流体流に真
向いに直面するように配置した本発明の第１実施
例を示す。又、第３，４図に示された構成とは異
なりビスケツト状部材３３の前面５１及び後面５
２を斜面とすることも、混合作用を向上させる１
つの手段であることが認められた。このように斜
面とすることは、ビスケツト状部材（以下、単に
「ビスケツト」とも称する）３３の両端面に「死
点」（流れの滞留点）が生じるのを防止する。そ
のような死点は、流体棚のような作用をし、さも
なければビスケツト状部材内を貫流して混合物の
一部となる流体成分を捕捉してしまう。第５図の
実施例では、添加すべき流体は、流体導入ポート
２９からビスケツト３３及び円筒形導管２０の長
手軸線上に実質的に整列させた円錐形プラグ２１
の頂点へ供給される。円錐形プラグの底面は、ビ
スケツト３３の上流側端面に配置し、プラグがな
ければビスケツトの長手軸線上に存在するであろ
う開口を閉塞する。第５図に示されるように、円
錐形プラグ２１の頂点は、流体導入ポート２９か
ら流出する流体が最初に接触する点を設定する。

第５図の実施例では、主流体３４の流れに導入
すべき添加剤等の流体は、円筒形導管２０の側壁
を貫通して半径方向に該導管内へ延長させた第１
供給管部分２７と、第１供給管部分に連結し、実
質的に導管２０の長手軸線に沿つて延長した第２
供給管部分２８とから成る総体的にＬ字形の供給
管手段２６により第２供給管部分２８の先端の流
体導入ポート２９から主流３４の流れ方向に差向
けられる。

第６図は、本発明の別の実施例を示す。この実
施例では、流体導入ポート３７は、円錐形プラグ
２１ａの一体部分として形成されている。本実施
例では、主流体３４の流れに導入すべき添加剤等
の流体は、円筒形導管２０の側壁を貫通して半径
方向にビスケツト３３内へ延長させた第１供給管
部分３５と、第１供給管部分に連結し、実質的に
ビスケツトの長手軸線に沿つて延長した第２供給
管部分３６とから成る供給管手段により流体導入
ポート３７へ供給され、円錐形プラグ２１ａの実
質的にに頂点から流体導入ポート３７を通して排
出される。

第６図の実施例では、流体導入ポート即ち供給
点３７から流出する流体は、円錐形プラグ２１ａ
を被つてその円錐形プラグの表面の周りに均一に
こぼれ出る瀑布状となり、ビスケツト３３の複数
個の半径方向外方の開口即ち周辺開口（「穴」、
「セル」又は「オリフイス」とも称する）６の
各々に実質的に等量づつ流入する。

第７図は、本発明の更に別の実施例を示す。こ
の実施例では、前端に円錐形部分４０を備え、内
部に１つ又はそれ以上のビスケツト３３に空洞４
１を備えた延長部３８を設けることができる。空
洞４１内には、矢印３４の方向に流れる主流体の
流れに熱エネルギーを与えるための、あるいは該
流れから熱エネルギーを奪うための好便の表面を
提供するように加熱素子又は冷却素子を収容する
ことができる。この実施例は、延長部３８をビス
ケツト３３によつて支持させることができ、しか
も、従来技術におけるように導管２０の外周面に
設けられた加熱素子又は冷却素子よりはるかに効
率が高いので、非常に好適である。この実施例に
よれば、矢印３４の方向に流れ、流体供給管手段
２６から流出した流体は、延長部３８の周辺に設
けられた複数のオリフイス３９の内外を通つた
後、ビスケツト３３及びその周辺混合穴６に達す
る。

空洞４１内には、本発明の精神及び範囲から逸
脱することなく実際上任意の加熱素子又は冷却素
子を用いることができる。例えば、抵抗加熱器の
コイル（図示せず）を空洞４１内に配設し、流体
の流れに所要の熱エネルギーを供給するように加
減抵抗器と熱電対との組合せによつて制御するこ
とができる。

円錐形プラグ２１，２１ａ等はビスケツト３３
にその長手軸線に沿つて嵌着させる別個の部材と
して図示されているが、ビスケツト３３を円錐形
素子２１又は２１ａを一体に備えた単一部片とし
て機械加工してもよいことは明らかであろう。本
発明を実施する上での唯一の要件は、ビスケツト
の上流側の端面から円錐形の突起を突出させるこ
とと、その円錐形突起に、主流体流れに混合させ
るための添加流体を受取る受容表面を提供するよ
うに上流方向に向けた頂点を設けることである。
この構成により、添加流体をビスケツトの混合オ
リフイス６の各々に等量づつ流入させる表面が形
成される。

添付図ではビスケツト部材３３は、その中心軸
線上に配置された円錐形プラグの周りに放射状に
延長した６個のオリフイス６を有するものとして
例示されているが、本発明の精神及び範囲から逸
脱することなく実際上任意の数のオリフイスを用
いることができる。

発明の効果 本発明は、ポリエチレンにシリコーン油を添加
する操作、ポリエチレンに粘着付与剤としてポリ
ブタンを添加する操作、あるいはナイロン及びそ
の他のポリマー材内へ着色剤を添加する操作など
の困難な混合作業を向上させることが認められ
た。そのような混合作業は、従来は二軸スクリユ
ー押出機をもつてしても非常に困難であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、先行技術のビスケツトの平面図、第
２図は、先行技術の積重された２つのビスケツト
の平面図、第３図は、ビスケツト状分節体の積重
体から成る先行技術の積重型静止混合器の断面
図、第４図は、第３図の混合器の３つのビスケツ
トの分解透視図、第５図は、本発明の第１実施例
の静止型混合装置の断面図、第６図は、本発明の
第２実施例の静止型混合装置の断面図、第７図
は、本発明の第３実施例の静止型混合装置の断面
図である。 図中、５は中心開口、６は周辺開口、２０は円
筒形導管、２１，２１ａは円錐形プラグ、２６は
供給手段、２７，３５は第１供給管部分、２８，
３６は第２供給管部分、３８は延長部、３９はオ
リフイス、４０は円錐形部分、４１は空洞、５１
は前端面、５２は後端面である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 円筒形導管内で流体流を混合するために該円
   筒形導管内に配設された静止型材料混合装置であ
   つて、長手軸線に沿つて整列させたビスケツトを
   含み、該ビスケツトは、複数個の開口を有し、該
   開口内には、それを通る流体流に回転角速度を誘
   起する混合素子が配設されており、それらの混合
   素子の実質的にすべてが、それを通る流体流に同
   じ向きの回転作用を誘起する静止型材料混合装置
   において、前記長手軸線に沿つて実質的に整列し
   た円錐形プラグが配置されており、該円錐形プラ
   グの底面は、前記ビスケツトの上流面に配置され
   て、プラグがなければビスケツトの長手軸線上に
   存在するであろういずれかの開口を閉塞し、該円
   錐形プラグの頂点は、その底面より上流に位置し
   ており、前記流体流内へ別の流体を該円錐形プラ
   グの実質的に頂点のところに排出させるように流
   体導入ポートが配置されていることを特徴とする
   静止型材料混合装置。 ２ 円筒形導管内で流体流を混合するために該円
   筒形導管内に配設された静止型材料混合装置であ
   つて、長手軸線に沿つて整列させたビスケツトを
   含み、該ビスケツトは、その幾何学的中心から半
   径方向外方に配置された２個又はそれ以上の開口
   を有し、該開口内には、それを通る流体流に回転
   角速度を誘起する混合素子が配設されており、そ
   れらの混合素子の実質的にすべてが、それを通る
   流体流に同じ向きの回転作用を誘起する静止型材
   料混合装置において、前記長手軸線に沿つて実質
   的に整列した円錐形プラグが配置されており、該
   円錐形プラグの底面は、前記ビスケツトの幾何学
   的中心上に配置され、該円錐形プラグの頂点は、
   その底面より上流に位置しており、前記流体流内
   へ別の流体を該円錐形プラグの実質的に頂点のと
   ころに排出させるように配置された流体導入ポー
   トを有することを特徴とする静止型材料混合装
   置。