JPWO2011105596A1 - インライン型流体混合装置 - Google Patents

Abstract

第一入口部（２０）から第一通路部（１６）にかけて第一入口流路（３）を形成する第一流路形成手段（２）と、第二入口部（２１）から第二通路部（１９）にかけて第二入口流路（４）を形成する第二流路形成手段（１，２）と、細径部（８）から拡径部（９）および出口部（２２）にかけて流路面積が拡大され、かつ、細径部（８）の端部において第一入口流路（３）および第二入口流路（４）にそれぞれ連通する出口流路（５）を形成する第三流路形成手段（１）と、第一入口流路（３）および第二入口流路（４）の少なくとも一方において旋回流を発生させる旋回流発生手段（１２）とを備えるインライン型流体混合装置を提供する。

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用いられる流体混合装置に関する。特に配管ライン内で複数の流体を混合して均一に撹拌することのできるインライン型流体混合装置に関する。

従来、複数の流体をインラインで混合する方法としては図１３に示すような縮径部１０４、スロート部１０５、拡径部１０６が連続して形成された絞り流路を有するベンチュリ管を使用した方法が用いられている。図１３では、入口流路１０１から流入した主流体は、縮径部１０４、スロート部１０５、拡径部１０６の順で通過して出口流路１０３へ流出する。この場合、スロート部１０５の断面積は入口流路１０１及び出口流路１０３の断面積よりも小さく設計されている。このため、スロート部１０５を流れるときに流速が増大し、これによりスロート部１０５の部分で負圧が生じる。その結果、スロート部１０５付近に連通されている吸引流路１０２から負圧によって副流体が吸引され、主流体と混合されて出口流路１０３から流出する。このようなインライン型流体混合装置の利点は、副流体を注入するための特別な装置、例えばポンプ等が不要となることである。
しかしながら、このような流体混合装置では、吸引される流体がスロート部１０５の内周に連通した吸引流路１０２より周方向に偏った方向から合流するため、流路内で混合ムラが起こりやすい。この混合ムラを回避して、より均一に混合撹拌するためにはインライン型流体混合装置の下流側にさらに静止型のミキサー等を設置する必要がある。
上記の問題点を解決するため、図１４に示すようなジェットノズルを用いた液体混合装置（特許文献１参照）が提案されている。この液体混合装置は、原水通路１０７に、薬液導入ポンプ１０８により吐出される薬液のエジェクタ１０９とエジェクタ１０９の下流側に設けられたミキサ１１０とを備え、エジェクタ１０９のノズル部材１１１の直ぐ下流側に、ノズル部材１１１のジェット１１２より断面積の大きい負圧発生空間１１３が設けられる。ノズル部材１１１の内部通路１１４には、原水通路１０７から原水が導入され、導入された原水がジェット１１２から噴射されることにより負圧発生空間１１３に負圧が発生して、導入連絡通路１１５から薬液が導入される。
このようなエジェクタ１０９を用いると、導入連絡通路１１５から流入する薬液は、ノズル部材１１１の外壁１１６に沿って全周方向から原水へと混入される。このため、従来のベンチュリ管を用いた混合方法に比べて薬液をより均一に混ぜることが可能となる。

特開２００９−１５４０４９

しかしながら、上述した従来の液体混合装置においては、導入連絡通路１１５から流入する薬液は、ノズル部材１１１の外壁１１６の外周における最短ルートの流路を通って負圧発生空間１１３へ偏って流れ易い。つまり、図１４の下側から負圧発生空間１１３へは薬液が流れにくい。このため、原水と薬液との十分な混合ができずに混合ムラが発生しやすい。この混合ムラを回避するためには、エジェクタ１０９の下流側に静止型のミキサー等を設置する必要があり、この場合には装置全体が複雑になり、装置の製造コストが増大する。
一方、ノズル部材１１１のジェット１１２の断面積をさらに小さくして原水が噴射される速度を増加させることで、混合効果を高めることは可能である。しかしながら、原水の流速が一定以上になると、キャビテーションが発生し、発生したキャビテーションによってエジェクタ１０９の下流側に位置する配管の内壁が損傷するおそれがある。
本発明の目的は、複数の流体を均一に混合することが可能で、且つ、キャビテーションが発生するような条件下でも配管内壁の損傷を防止することが可能なインライン型流体混合装置を提供することである。
上記目的を達成するために本発明のインライン型流体混合装置は、第一入口部と、長手方向に延設された第一通路部とを有し、第一入口部から第一通路部にかけて第一入口流路を形成する第一流路形成手段と、第二入口部と、第一通路部の周囲を包囲するテーパ面に沿って延設された第二通路部とを有し、第二入口部から第二通路部にかけて第二入口流路を形成する第二流路形成手段と、細径部と、拡径部と、出口部とを有し、細径部から拡径部および出口部にかけて流路面積が拡大され、かつ、細径部の端部において第一入口流路および第二入口流路にそれぞれ連通する出口流路を形成する第三流路形成手段と、第一入口流路および第二入口流路の少なくとも一方において旋回流を発生させる旋回流発生手段とを備えることを特徴とする。

図１は、本発明の第一の実施形態のインライン型流体混合装置を示す縦断面図である。
図２は、図１の要部拡大図である。
図３は、図１のインライン型流体混合装置の本体に形成された溝部を示す正面図である。
図４は、図１のインライン型流体混合装置の本体に形成された溝部の他のバリエーションを示す正面図である。
図５は、比較試験用のインライン型流体混合装置の本体に形成された溝部を示す正面図である。
図６は、本発明の第一の実施形態のインライン型流体混合装置の性能を示すグラフである。
図７は、本発明の第二の実施形態のインライン型流体混合装置のノズルに形成された溝部を示す正面図である。
図８は、図７のノズルに形成された溝部の他のバリエーションを示す正面図である。
図９ａは、本発明の第三の実施形態のインライン型流体混合装置の本体を示す縦断面図である。
図９ｂは、図９ａの変形例を示す図である。
図１０は、本発明の第四の実施形態のインライン型流体混合装置のノズルを示す側面図である。
図１１ａは、本発明の第五の実施の形態のインライン型流体混合装置を示す断面図である。
図１１ｂは、図１１ａのノズルを示す斜視図である。
図１２は、本発明の第六の実施形態のインライン型流体混合装置を示す縦断面図である。
図１３は、従来のベンチュリ管を示す縦断面図である。
図１４は、従来の液体混合装置を示す縦断面図である。

−第一の実施の形態−
以下、図１〜図６を参照して本発明の第一の実施の形態に係るインライン型流体混合装置について説明する。図１は、本発明の第一の実施の形態に係るインライン型流体混合装置の構成を示す縦断面図であり、図２は、図１の要部拡大図である。この流体混合装置は、外形が略円柱状の本体１と、本体１に嵌合される、外形が略円柱状のノズル部材２とを有する。
本体１の一端面には、ノズル部材２が嵌挿される受容部６が設けられ、他端面には、出口流路５を形成する出口開口部２２が設けられている。受容部６の内周面の開口側には雌ネジ部１１が設けられている。受容部６の底面２３には円環状溝部１０が設けられ、円環状溝部１０の外周面は雌ネジ部１１の略延長線上に位置している。本体１の内部には、受容部６の底面中心部に形成され、出口開口部２２に向けて円錐台形状に縮径する縮径部７と、縮径部７に連設され、円筒面をなすスロート部（細径部）８と、スロート部８に連設され、出口開口部２２に向けて円錐台形状に拡径する拡径部９とが、それぞれ本体１の中心軸（円柱の中心軸）と同軸上に設けられている。これら縮径部７とスロート部８と拡径部９とにより、縮径部７から出口開口部２２にかけてベンチュリ効果を有する出口流路５が形成されている。なお、拡径部９の端部から出口開口部２２までは、円筒面により流路が形成されている。
図３は、本体１の受容部６の底面２３の正面図（図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図）である。図３に示すように、本体１の外周面には、周方向所定位置（図３では頂部）に第二入口開口部２１が設けられ、第二入口開口部２１は円環状溝部１０に連通している。受容部６の底面２３には、円環状溝部１０から縮径部７の周縁にかけて複数の放射曲線状の溝部１２が周方向等間隔に設けられている。
図１に示すように、ノズル部材２は、外周面に雄ネジ部１５が設けられた円柱部１３と、円柱部１３の一端面に円柱部１３と同軸上でかつ円錐台形状に突設された突出部１４とを有する。円柱部１３の他端面には第一入口開口部２０が設けられ、突出部１４の端面には吐出口１６が設けられている。ノズル部材２の内部には、流路の途中から吐出口１６に向けて縮径された円錐台形状のテーパ部１７がノズル部材２の中心軸と同軸上に設けられ、第一入口開口部２０から吐出口１６にかけて、出口側で絞られる第一入口流路３が形成されている。なお、第一入口開口部２０からテーパ部１７の一端部およびテーパ部１７の他端部から吐出口１６までは、円筒面により流路が形成されている。
ノズル部材２の雄ネジ部１５は、円柱部１３の端面２４が本体１の受容部６の底面２３に当接するまで本体１の受容部６の雌ネジ部１１に密封状態で螺合され、ノズル部材２が本体１の受容部６に嵌挿されている。このとき、本体１の縮径部（凹部）７内に突出部（凸部）１４が収容され、本体１の受容部６の底面２３に設けられた溝部１２とノズル部材２の突出部１４側の端面２４とによって連通流路１８が形成されている。さらに、本体１の縮径部７の内周面（テーパ面）とノズル部材２の突出部１４の外周面（テーパ面）との間にはクリアランスが設けられ、このクリアランスによりテーパ面に沿って環状流路１９が形成されている。
これにより、第二入口開口部２１から円環状溝部１０、連通流路１８、および環状流路１９を通って本体１のスロート部８に連通し、出口側で絞られる第二入口流路４が形成されている。なお、本体１の受容部６の底面２３とノズル部材２の突出部１４側の端面２４とが当接せずに、両者の間に適度なクリアランスが設けられても良い。クリアランスが設けられる場合、そのクリアランスの部分と溝部１２の部分とが、円環状溝部１０と環状流路１９とを連通する連通流路１８を形成する。
溝部１２の形状は図３に示したものに限らず、例えば図４に示すように、ノズル部材２内の第一入口流路３の中央軸線に対し偏芯して直線状に複数の溝部１２ｂを設けてもよい。すなわち、ノズル部材２内の流路中央軸線とは交差せずに径方向外側に延びる直線に沿って溝部１２ｂを設けてもよく、旋回流を発生させるために縮径部７の周縁部の円周に対し正接して連通していれば、溝部１２の形状は特に限定されない。溝部１２の断面形状及び溝部１２の本数についても特に限定されない。
なお、本体１およびノズル部材２の材質は、使用する流体によって侵されない材質であれば特に限定されず、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどいずれでも良い。特に流体に腐食性流体を用いる場合は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオロライド、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂などのフッ素樹脂であることが好ましい。フッ素樹脂製であれば腐食性流体に用いることができ、腐食性ガスが透過しても配管部材の腐食のおそれがないため好適である。本体１またはノズル部材２の構成材を透明または半透明な部材としてもよく、この場合には流体の混合の状態を目視で確認できるため好適である。流体混合器に流す物質によっては各部品の材質は鉄、銅、銅合金、真鍮、アルミニウム、ステンレス、チタンなどの金属や合金であっても良い。特に流体が食品である場合、衛生的で寿命の長いステンレスが好ましい。本体とノズルとの組立方法は螺着、溶接、溶着、接着、ピン止め、嵌め合わせ等の内部流体の密閉性が保たれる方法であればいずれの方法でもよい。第一入口開口部２０、第二入口開口部２１及び出口開口部２２にはそれぞれ流体を導入及び排出するための配管（図示せず）が接続されるが、その接続方法は特に限定されない。
以下、本発明の第一の実施形態の動作について説明する。本発明の第一の実施の形態に係るインライン型流体混合装置においては、第一入口開口部２０から主流体を導入して発生した負圧によって第二入口開口部２１から副流体が吸引される場合と、第二入口開口部２１から主流体を導入して絞り流路に発生した負圧によって第一入口開口部２０から副流体が吸引される場合のいずれかを選ぶことができる。
まず、より効果的に両流体の混合を行うことができる第二入口開口部２１から主流体を導入する場合について説明する。
図１において、第二入口開口部２１からポンプなどの圧送手段により導入された主流体は、第二入口流路４を通過して流れる。すなわち、円環状溝部１０から連通流路１８及び環状流路１９を経て本体１のスロート部８へ流入する。円環状溝部１０から連通流路１８へと主流体が流れる際、流路の開口面積が縮小するために、円環状溝部１０内で一時的に主流体が満たされる。この状態から主流体は連通流路１８を通って環状流路１９へと流れるため、スロート部８に流路の全周から均一に主流体が流れ込む。このとき、連通流路１８は、環状流路１９に対し主流体の流れが放射曲線状となるように形成されているため、円環状溝部１０に導入された主流体は、環状流路１９内を旋回しながら環状流路１９の全周から均一にスロート部８へ流れる。スロート部８へ流入した主流体は旋回流となって出口流路５を流れる。すなわち、拡径部９を通って出口開口部２２へ向かうが、旋回流は拡径部９の内周面に沿って流れるため、旋回流の回転半径は徐々に大きくなる。
第二入口開口部２１から環状流路１９を経てスロート部８へ流入した主流体は、絞り流路である縮径部７、スロート部８、拡径部９を順次流れ、これによりベンチュリ効果によってスロート部８で負圧が発生する。スロート部８に負圧が発生することにより、スロート部８には、ノズル部材２の第一入口開口部２０、第一入口流路３および突出部１４先端の吐出口１６を介して副流体が吸引され、スロート部８で主流体に合流する。スロート部８には、環状流路１９を介して全周から偏ることなく主流体が旋回流として流れ込んでおり、この旋回流によって生じる主流体の撹拌作用により、主流体と副流体とがムラなく均一に混合される。
このとき、混合された流体の流速が速くなると、スロート部８から拡径部９へ流れるときにキャビテーションが発生する。しかしながら、本実施の形態では、環状流路１９からスロート部８へ流入した主流体は旋回流となって拡径部９の内周面に沿って流れるので、キャビテーションにより発生した気泡は管路の軸心付近に集められる。このため、管壁がキャビテーションによって損傷することを防止できる。また、キャビテーションの作用により主流体と副流体はさらに撹拌され、一層ムラなく均一に混合される。
一般に配管内を流れる流体の流速が速くなると流体の静圧は低下する。しかし、配管内を流れる流体では、同じ流量であっても通常の軸方向流れよりも旋回流の方が回転による流れが加わるため、絶対的な流速が速くなり、静圧の低下はより大きい。従って、本実施形態のように、環状流路１９からスロート部８へ主流体を流すことで絞り流路に負圧を発生させ、第一入口流路３から導入される副流体を吸引する場合には、旋回流を発生させて混合させた方が負圧は大きくなり、より多くの副流体を第一入口流路３から吸引することができる。これにより副流体を吸引する能力が高くなり、主流体と副流体との混合比率の調整範囲を拡大できる。このように旋回流を発生させることで、広範囲の混合比率に調節が可能なインライン型流体混合装置を得ることができる。
ここで、環状流路１９から主流体が旋回流として流入した場合（実験例１）と旋回せずに流入した場合（比較例１）の流量測定試験の試験結果について説明する。この流量測定試験におけるインライン型流体混合装置のスロート部８の内径は６ｍｍであり、ノズル部材２の吐出口１６の内径は３ｍｍである。試験に用いた装置の第二入口開口部２１にはポンプにより主流体（水）を導入し、第一入口開口部２０には圧送手段を用いずに副流体（水）を導入し、各開口部２０、２１付近に設置させた流量計で流量を測定した。
〔実験例１〕
実験例１では、図２に示すように本体１の溝部１２を放射曲線状に形成し、旋回流が発生するように装置を構成する。この装置を用いて、装置内に流す主流体の流量を変化させたときの第二入口流路４に導入した主流体（水）の流量と、第一入口流路３から吸引された副流体（水）の流量を測定した。
〔比較例１〕
比較例１では、図５に示すように本体１の溝部２５を中心軸から放射状に形成し、旋回流が発生しないように装置を構成する。この装置を用いて、装置内に流す主流体の流量を変化させたときの第二入口流路４に導入した主流体（水）の流量と、第一入口流路３から吸引された副流体（水）の流量を測定した。
図６は、上記実験例１および比較例１における試験結果を示す特性図である。図中、横軸は第二入口開口部２１に導入した主流体（水）の流量、縦軸は第一入口開口部２０から吸引された副流体（水）の流量である。図６より、同じ流量でも旋回流を発生させた方（実験例１）が旋回流を発生させない場合（比較例１）よりも副流体の吸引量が多いことがわかる。
次に、第一入口開口部２０から主流体を導入する場合について説明する。
第一入口開口部２０からポンプなどの圧送手段により導入された主流体は、第一入口流路３を通過して流れる。すなわち、テーパ部１７を経て吐出口１６よりスロート部８へ流入する。このとき、テーパ部１７で流路が絞られることにより主流体の流速が増加し、増速された主流体は吐出口１６からスロート部８へ流れ、スロート部８で負圧が発生する。スロート部８で負圧が発生することにより、第二入口開口部２１から環状流路１９を通って副流体が吸引される。吸引された副流体は、放射曲線状の連通流路１８を通過することで旋回流となり、スロート部８へ流入する。主流体と副流体が混合する作用は、第二入口開口部２１から主流体を導入したときと同様なので、説明を省略する。
以上のように本実施の形態に係るインライン型流体混合装置によれば、第一入口開口部２０と第二入口開口部２１のいずれから主流体を導入しても、スロート部８で発生させた負圧により副流体を吸引することができる。このため、副流体を流す流路側にポンプなどの圧送手段を設ける必要がなく、部品点数を低減できる。また、旋回流を発生させることで撹拌効果が得られるとともに、副流体の吸引量を増加させることができる。
なお、上記実施の形態では、主流体を第一入口開口部２０および第二入口開口部２１のいずれか一方から導入し、流路に負圧を発生させていずれか他方の入口流路から副流体を吸引するようにしたが、ポンプ等の圧送手段を補助的に用いて副流体をインライン型流体混合装置内へ導入してもよい。このとき、圧送手段による吐出圧が低圧であっても、良好な流体混合の効果が得られる。この場合にも、旋回流による撹拌効果とキャビテーションによる配管内壁の損傷を防止する効果が得られる。
上記実施の形態では、ノズル部材２の突出部１４の形状を円錐台形状としたが、円柱形状としてもよい。突出部１４の長さは縮径部７の軸線長さとほぼ同じか若干短くすることが好ましい。ノズル部材２の吐出口１６の内径は本体１のスロート部８の内径より小さい方が好ましく、例えばスロート部８の内径に対する比率αは０．５〜０．９倍であることが好ましい。すなわち、吐出口１６の内径をスロート部８の内径より小さくしてスロート部８での流体混合を高めるためには、吐出口１６からスロート部８へ流入する流速が速い方がよく、αは０．９倍以下であることが好ましい。また、吐出口１６を介して流れる流体の流量を確保するためには、αは０．５倍以上であることが好ましい。一方、突出部１４の出口開口部２２側の端面の周縁部外径は、スロート部８の内径より僅かに小径であることが好ましく、スロート部８の内径に対する比率βは０．７〜０．９５倍であることが好ましい。すなわち、周縁部外径をスロート部８の内径より小さくして環状流路１９からスロート部８へ流入する螺旋流をスロート部８の流路内周面に沿って流れ易くするためには、βは０．７倍以上であることが好ましい。また、縮径部７の内周面に対しクリアランスを設けて環状流路１９を形成するためには、βは０．９５倍以下であることが好ましい。
インライン型流体混合装置により混合される異種流体としては、気体、液体等の物質の相が異なる流体、物質の温度、濃度、粘土等が異なる流体、物質そのものの種類が異なる流体等、いかなるものでもよい。例えば一方を液体、他方を気体として、液体に気体を混合して溶解させる場合にも適用できる。この場合、液体をキャビテーションが発生する条件で流体混合装置内に一方の流路から導入すれば、キャビテーション現象によって液体に溶存している気体が気泡となって液体から脱気されるために、他方の流路から導入される別の気体（たとえばオゾンガス等）を効果的に溶け込ませることが可能となる。
−第二の実施の形態−
図７、図８を参照して本発明の第二の実施形態について説明する。第二の実施の形態が第一の実施の形態と異なるのは、連通流路１８の構成である。すなわち第一の実施の形態では、本体１の受容部６の底面２３に溝部１２を設けて連通流路１８を形成したが、第二の実施の形態では、ノズル部材２の突出部１４側の端面２４に溝部を設ける。図７は、第二の実施の形態に係るインライン型流体混合装置の要部構成を示す図であり、ノズル部材２を図１の出口開口部２２側から見たときの正面図である。なお、図１，２と同一の箇所には同一の符号を付し、以下では第一の実施の形態との相違点を主に説明する。
図７に示すように、ノズル部材２の端面２４には連通流路１８を形成する複数の溝部２６が周方向均等に設けられている。なお、図示は省略するが、本体１の受容部６の底面２３に溝部は形成されていない。溝部２６はノズル部材２の端面の外周縁から突出部１４の根元周縁に設けられた外周溝部２７の円周に対して正接して連通するように放射曲線状に設けられ、本体１にノズル部材２を螺合したときにノズル部材２の溝部２６と本体１の受容部６の底面２３とによって連通流路１８が形成される。これにより、第二入口開口部２１から円環状溝部１０、連通流路１８、環状流路１９を通って本体１のスロート部８に連通する第二入口流路４が形成される。この場合、連通流路１８を流れた流体は、突出部１４の外周面に沿った旋回流となる。本実施形態の他の構成及び動作は第一の実施形態と同様なので説明を省略する。
なお、溝部２６は図７に示すような放射曲線状に限らず、図８に示すような流路の中央軸線に対して偏芯して直線状に形成された溝部２６ｂであってもよく、外周溝部２７の円周に対して正接して連通していればその形状は特に限定されない。また、溝の断面形状及び溝の本数についても特に限定されない。
本実施形態のようにノズル部材２側に溝部２６を設けることよって、分解時の溝部２６の清掃が容易になる。また、ノズル部材２を、溝部２６の構成を変化させた他のノズル部材２に交換することで、主流体の導入条件や副流体の吸引条件を容易に変更することができる。
−第三の実施の形態−
図９ａ，９ｂを参照して本発明の第三の実施形態について説明する。第三の実施の形態が第一の実施の形態と異なるのは、連通流路１８の構成である。すなわち、第一の実施の形態では、本体１とノズル部材２とが嵌合するテーパ面の径方向外側の受容部底面２３に溝部１２を設けて連通流路１８を形成したが、第三の実施の形態では、テーパ面に溝部を設ける。図９ａは、第三の実施の形態に係るインライン型流体混合装置を構成する本体１の構成を示す縦断面図である。なお、図１，２と同一の箇所には同一の符号を付し、以下では第一の実施の形態との相違点を主に説明する。
図９ａに示すように、本体１の縮径部７の内周面には螺旋状の溝部（螺旋溝部）２８が形成されている。ノズル部材２は、本体１の受容部６の底面２３とノズル部材２の突出部１４側の端面２４との間に適度なクリアランスを保つように本体１に螺合され、このクリアランスにより連通流路１８が形成されるとともに、ノズル部材２の突出部１４の外周面と本体１の縮径部７の螺旋溝部２８とによって環状流路１９が形成される。これにより、第二入口開口部２１から円環状溝部１０、連通流路１８、環状流路１９を通って本体１のスロート部８に連通する第二入口流路４が形成される。この場合、環状流路１９を流れる流体は、突出部１４の外周面に沿った旋回流となる。本実施形態の他の構成は第一の実施形態と同様なので説明を省略する。
次に、第三の実施形態の動作について説明する。第二入口開口部２１から連通流路１８を経て環状流路１９へ流入した主流体は、螺旋溝部２８によって形成された螺旋状の環状流路を流れることで環状流路１９内を旋回しながらスロート部８へ流入する。スロート部８へ流入した主流体は、旋回流のまま出口流路５の拡径部９を通り、出口開口部２２へ向かう。本実施形態の他の動作は第一の実施形態と同様なので説明を省略する。
なお、螺旋溝部２８の本数及び溝の断面形状については特に限定されない。縮径部７の内周面とノズル部材２の突出部１４の外周面とは当接してもよく、適度なクリアランスを保ってもよい。縮径部７の内周面と突出部１４の外周面とを当接させることによって、縮径部７と突出部１４の流路軸線を合わせることができる。縮径部７と突出部１４の流路軸線を合わせることは、特に小口径の場合に重要である。また、縮径部７の内周面と突出部１４の外周面との間のクリアランスを調整することによって、主流体の導入条件や副流体の吸引条件を調整することができる。
縮径部７の内周面の全域にわたって螺旋溝部２８を形成するのではなく、図９ｂに示すように縮径部７の上流側端部から中間部にかけてのみ螺旋溝部２８を形成し、中間部よりも下流側を平坦に形成してもよい。この構成によれば、縮径部７と突出部１４との間の環状流路１９は、螺旋溝部２８を含む旋回部３７と、螺旋溝部２８の下流側に単なるクリアラスが形成された平坦部３８とを有する。旋回部３７の長さは、旋回流を発生させることができれば特に限定されず、平坦部３８の長さは、旋回部３７で発生した旋回流を環状流路１９の全周から均一にスロート部８に流入させることができれば特に限定されない。
−第四の実施の形態−
図１０を参照して本発明の第四の実施形態について説明する。第三の実施の形態では、本体１の縮径部７の内周面に螺旋溝部２８を形成したが、第四の実施形態では、ノズル部材２の突出部１４の外周面に螺旋溝部を形成する。図１０は、第四の実施の形態に係るインライン型流体混合装置を構成するノズル部材２の構成を示す側面図である。なお、図１，２と同一の箇所には同一の符号を付し、以下では第一の実施の形態との相違点を主に説明する。
図１０に示すように、ノズル部材２の突出部１４の外周面には螺旋溝部２９が形成されている。ノズル部材２は、本体１の受容部６の底面２３とノズル部材２の突出部１４側の端面２４との間に適度なクリアランスを保つように本体１に螺合され、このクリアランスにより連通流路１８が形成されるとともに、ノズル部材２の突出部１４の螺旋溝部２９と本体１の縮径部７の内周面とによって環状流路１９が形成される。これにより、第二入口開口部２１から円環状溝部１０、連通流路１８、環状流路１９を通って本体１のスロート部８に連通する第二入口流路４が形成される。この場合、環状流路１９を流れる流体は、突出部１４の外周面に沿った旋回流となる。本実施形態の他の構成及び動作については第三の実施形態と同様であるので説明を省略する。
−第五の実施の形態−
図１１ａ、図１１ｂを参照して本発明の第五の実施の形態について説明する。第五の実施の形態が上述した他の実施の形態と異なるのは、主にノズル部材２の形状である。すなわち、第五の実施の形態では、円柱部１３と突出部１４との間に、外形が細径の中間部３１を設ける。図１１ａは、第五の実施の形態に係るインライン型流体混合装置の構成を示す縦断面図であり、図１１ｂは、図１１ａのノズル部材２の構成を示す斜視図である。なお、図１，２と同一の箇所には同一の符号を付し、以下では第一の実施の形態との相違点を主に説明する。
図１１ａに示すように、本体１は、円筒部３２ａと円筒部３２ａの中間部側面から突設された接続部３２ｂとを有する略Ｔ字状の筒状ケーシング部３４と、ケーシング部３４内に嵌合された流路部３６とによって構成されている。接続部３２ｂの端部には第二入口開口部２１が設けられている。円筒部３２ａの両端部内周面には、それぞれ雌ねじ部３３が設けられている。
流路部３６は、一端部側に外形が略円柱形状の小径部３６ａを有し、他端部側に外形が略円柱形状でかつ小径部３６ａよりも大径の大径部３６ｂとを有する。大径部３６ｂの端部外周面には雄ねじ部３５ａが設けられ、雄ねじ部３５ａはケーシング部３４の雌ねじ部３３に螺合し、流路部３６がケーシング部３４に嵌合されている。この嵌合状態では、ケーシング部３４と小径部３６ａとの間に円環状溝部１０が形成され、円環状溝部１０は接続部３２ａ内の流路に連通している。流路部３４の内部には、縮径部７とスロート部８と拡径部９とが連設され、出口流路５が形成されている。
ノズル部材２は、円柱部１３と突出部１４との間に、ノズル部材２の中心軸と同軸上に外形が略円柱形状の中間部３１を有する。中間部３１の外径は、中間部３１に隣接する円柱部１３の外径および突出部１４の外径よりも小さく、ノズル部材２の外周面には中間部３１によって凹部が形成されている。図１１ｂに示すように、突出部１４の外周面には、大径側に螺旋溝部２９ａが設けられ、小径側に螺旋溝部２９の底面と連なるように円錐面２９ｂが形成されている。環状溝部２９ａの外周面の傾斜角度（テーパ角度）と縮径部７の内周面の傾斜角度（テーパ角度）は互いに等しい。円柱部１３の端部外周面には雄ねじ部３５ｂが設けられている。図１１ａに示すように雄ねじ部３５ｂはケーシング部３４の雄ねじ部３３に螺合し、ノズル部材２はケーシング部３４内に嵌合している。
この嵌合状態では、突出部１４の螺旋溝部２９ａにおける外周面が流路部３６の縮径部７の内周面に当接し、螺旋溝部２９ａの周囲および円錐面２９ｂの周囲には、それぞれ旋回部３７および平坦部３８よりなる環状流路１９が形成されている。また、中間部３１の周囲には、流路部３６の上流側端面と、円柱部１３の下流側端面と、中間部３１の外周面と、突出部１４の上流側端面とにより、連通流路１８が形成されている。これにより第二入口開口部２１から円環状溝部１０、連通流路１８、環状流路１９を通ってスロート部８に連通する第二入口流路４が形成される。
このような構成により、第二入口開口部２１を介して導入された主流体は連通流路１８を流れ、突出部１４の上流側の端面から旋回部３７に流入する。旋回部３７に流入した主流体は、旋回流となり、その後、平坦部３８を流れることによって環状流路１９の全周から均一にスロート部８へ流入する。
本実施の形態において、環状流路１９の平坦部３７の上流側と下流側の流路断面積は略同一であることが好ましい。これにより主流体が平坦部３７を流れるときに、主流体の流速や流量、旋回流の流れの変動が抑えられ、良好な流れを維持できる。このため、第二入口流路４から流入した主流体の流れにより、スロート部８に安定して効率的に副流体を吸い込むことができる。
本実施の形態において、突出部１４の下流側端面と縮径部７の下流側縁部（縮径部７とスロート部８との接続部）とは、ノズル部材２の中心軸線に垂直な互いに同一の面上、もしくは突出部１４の端面が縮径部７の縁部よりやや上流側に位置することが好ましい。すなわち、凹部（縮径部７）の下流側縁部と凸部（突出部１４）の下流側端面とが、略同一面上に設けられることが好ましい。この場合、主流体が環状流路１９を通過すると、環状流路１９の出口付近で流路断面積が拡大することによりキャビテーションが発生すると思われる。したがって、キャビテーションが発生しやすい箇所で主流体と副流体とが合流することにより、主流体と副流体をより均一に混合できる。
なお、縮径部７の下流側縁部と突出部１４の下流側端面との位置関係においては、これらを同一面上に設けようとしても、各部品の寸法公差や組立誤差などにより、突出部１４の端面が縮径部７の縁部の上流側または下流側にずれる場合がある。このように突出部１４の端面と縮径部７の縁部とが完全に同一面上になく、一方が他方の上流側または下流側にずれるような場合も、実質的には同一面上にあるものとして、本明細書では同一面上と呼ぶ。すなわち、同一面上とは、完全な同一面だけでなく、ほぼ同一面上にある場合も含む。
本実施の形態では、ケーシング部３４と流路部３６とにより本体１が構成され、ケーシング部３４に流路部３６とノズル部材２とが螺合される。このような構成により、連通流路１８や環状流路１９の形状を容易に変更することができ、主流体と副流体の流れを適宜修正することができる。なお、本実施の形態の他の構成および動作は第四の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。旋回部３７と平坦部３８を突出部１４に代えて縮径部７に設けてもよい。
−第六の実施の形態−
図１２を参照して本発明の第六の実施形態について説明する。第一の実施の形態では、本体１とノズル部材２との対向面の間に形成される第二入口流路４において旋回流を発生させるようにしたが、第六の実施の形態では、ノズル部材２の内部の第一入口流路３において旋回流を発生させるように構成する。図１２は、第六の実施の形態に係るインライン型流体混合装置の構成を示す縦断面図である。なお、図１，２と同一の箇所には同一の符号を付し、以下では第一の実施の形態との相違点を主に説明する。
図１２に示すように、本体１の第一入口流路３内には、外径がテーパ部１７の上流の第一入口流路３の内径とほぼ等しく形成された捻り羽根形状の旋回子３０が挿入されて配置されている。なお、図示は省略するが、本体１とノズル部材２には溝部（図３の溝部１２等）は形成されていない。ノズル部材２は、本体１の受容部６の底面２３とノズル部材２の突出部１４側の端面２４との間に適度なクリアランスを保つように本体１に螺合され、このクリアランスにより連通流路１８が形成されるとともに、ノズル部材２の突出部１４の外周面と本体１の縮径部７の内周面とによって環状流路１９が形成される。第一入口流路３では、旋回子３０の捻りによって旋回流が発生し、この旋回流は吐出口１６からスロート部８へ流入する。なお、旋回流を発生させるのであれば、旋回子３０の形状は捻り羽根形状に限らない。本実施形態の他の構成は第一の実施形態と同様なので説明を省略する。
次に、第六の実施形態の動作について説明する。図１２において、第一入口開口部２０からポンプなどの圧送手段により第一入口流路３へ導入された主流体は、旋回子３０の作用によって第一入口流路３内で旋回流となり、テーパ部１７を経て突出部１４先端の吐出口１６より本体１のスロート部８へと流入する。テーパ部１７で流路が絞られたことによりスロート部８で負圧が発生するが、旋回流は流路の外周側ほど絶対的な流速が早くなるため、発生する負圧も外周部のほうが大きくなる。従って、スロート部８の内周面と連続して形成された環状流路１９の開口部付近には大きな負圧が発生することとなり、第二入口開口部２１から副流体が効果的に吸引される。このとき、スロート部８で主流体と副流体が混合されるが、混合された主流体と副流体は、スロート部８の流路全周から旋回流として流入される主流体の撹拌作用によりムラなく均一に混合される。
一方、第二入口開口部２１からポンプなどの圧送手段により主流体を導入した場合には、第二入口開口部２１から環状流路１９を経てスロート部８へ流入した主流体は、絞り流路である縮径部７、スロート部８、拡径部９を通過することでベンチュリ効果によってスロート部８で負圧が発生する。これによりノズル部材２の突出部先端に設けられた吐出口１６からは、第一入口開口部２０から第一入口流路３に副流体が吸引される。吸引された副流体は旋回子３０を通過することで旋回流となり、スロート部８へ流入する。主流体と副流体が混合する作用は第一入口開口部２０から主流体を導入したときと同様なので説明を省略する。
なお、上記第一の実施の形態〜第五の実施の形態では、第二入口開口部２１から流入する流体が旋回流となるように構成し、上記第六の実施の形態では、第一入口開口部２０から流入する流体が旋回流となるように構成したが、第一入口開口部２０及び第二入口開口部２１から流入する流体がともに旋回流となるように構成してもよい。すなわち、第一の実施の形態〜第六の実施の形態を任意に組み合わせてインライン型流体混合装置を構成してもよい。第一入口開口部２０及び第二入口開口部２１から流入する流体がともに旋回流となるように構成する場合には、吐出口１６からスロート部８へ流入する旋回流と環状流路１９からスロート部８へ流入する旋回流とが互いに干渉し合うことにより、撹拌効果を高めた混合を行うことができる。より撹拌効果を高めるためには、それぞれの旋回流が互いに逆方向に回転するように構成することが好ましい。
上記実施の形態では、ノズル本体２に第一入口開口部２０（第一入口部）を設けるとともに、テーパ部１７および吐出口１６（第一通路部）を長手方向に延設して、第一入口開口部２０から吐出口１６にかけて第一入口流路３を形成したが、第一流路形成手段の構成は上述したものに限らない。本体１に第二入口開口部２１（第二入口部）を設けるとともに、本体１とノズル部材２との対向面（第二通路部）において連通流路１８および環状流路１９を形成し、第二入口開口部２１から環状流路１９にかけて第二入口流路４を形成したが、少なくとも吐出口１６の周囲を包囲するテーパ面に沿って通路を形成するのであれば、第二流路形成手段の構成は上述したものに限らない。本体１に縮径部７とスロート部８（細径部）と拡径部９と出口開口部２２（出口部）とを設けて、縮径部７から出口開口部２２にかけて出口流路５を形成したが、第三流路形成手段の構成は上述したものに限らない。すなわち、本体１とノズル部材２とにより第一入口流路３、第二入口流路４および出口流路５を形成したが、他の部材を用いてこれら流路３〜５を形成してもよい。本体１にテーパ状に縮径する縮径部７を、ノズル部材２にテーパ状に突出する突出部１４を設けて両者を嵌合するようにしたが、本体１とノズル部材２の構成もこれに限らない。
上記実施の形態では、本体１とノズル部材２との対向面に周方向複数の溝部１２，２５〜２９，１２ｂ，２６ｂを設けて、あるいはノズル部材２の第一入口流路３に旋回子３０を配設して旋回流を発生させるようにしたが、旋回流発生手段の構成はこれに限らない。本体１の縮径部７（凹部）の内周面とノズル部材２の突出部１４（凸部）の外周面の両方に溝部を設けてもよく、本体１の端面２３とノズル部材２の端面２４の両方に複数の溝部を設けてもよい。また、縮径部７内周面と突出部１４外周面の両方および端面２３，２４の両方に複数の溝部を設けてもよい。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態のインライン型流体混合装置に限定されない。
本発明のインライン型流体混合装置によれば以下のような効果が得られる。
（１）第一入口流路もしくは第二入口流路から導入される流体のどちらか一方が旋回流となることで、合流した流体同士を効果的に混合・撹拌することができる。このため、下流側に別途静止型のミキサーを設ける必要がなく、コンパクトで低コストの構成を実現できる。
（２）旋回流はベンチュリ管の内壁面およびその下流側の配管内壁に沿って流れる。この流れがキャビテーション発生条件下で保護層として機能すると同時に、キャビテーション現象によって生成した気泡は配管中央へ寄せ集められるため、配管内壁の損傷を防止できる。

１ 本体
２ ノズル部材
３ 第一入口流路
４ 第二入口流路
５ 出口流路
６ 受容部
７ 縮径部
８ スロート部
９ 拡径部
１０ 円環状溝部
１１ 雌ネジ部
１２、１２ｂ 溝部
１３ 円柱部
１４ 突出部
１５ 雄ネジ部
１６ 吐出口
１７ テーパ部
１８ 連通流路
１９ 環状流路
２０ 第一入口開口部
２１ 第二入口開口部
２２ 出口開口部
２３ 底面
２４ 端面
２５ 溝部
２６、２６ｂ 溝部
２７ 外周溝部
２８ 螺旋溝部
２９ 螺旋溝部
３０ 旋回子
３１ 中間部
３２ａ 円筒部
３２ｂ 接続部
３４ ケーシング部
３６ 流路部
３７ 旋回部
３８ 平坦部

Claims (14)

1. 第一入口部と、長手方向に延設された第一通路部とを有し、前記第一入口部から第一通路部にかけて第一入口流路を形成する第一流路形成手段と、
   第二入口部と、前記第一通路部の周囲を包囲するテーパ面に沿って延設された第二通路部とを有し、前記第二入口部から前記第二通路部にかけて第二入口流路を形成する第二流路形成手段と、
   細径部と、拡径部と、出口部とを有し、前記細径部から前記拡径部および前記出口部にかけて流路面積が拡大され、かつ、前記細径部の端部において前記第一入口流路および前記第二入口流路にそれぞれ連通する出口流路を形成する第三流路形成手段と、
   前記第一入口流路および前記第二入口流路の少なくとも一方において旋回流を発生させる旋回流発生手段とを備えることを特徴とするインライン型流体混合装置。
2. 円錐台形状の凹部が形成された本体と、
   前記凹部に嵌合される凸部が形成されたノズル部材とを備え、
   前記第一入口流路は、前記ノズル部材の内部に形成され、
   前記第二入口流路は、前記凹部に前記凸部が嵌合された状態で互いに対向する前記本体と前記ノズル部材との間に形成され、
   前記出口流路は、前記本体の内部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインライン型流体混合装置。
3. 前記第二入口流路は、前記凹部の内周面と前記凸部の外周面との間、および前記凹部が形成された前記本体の端面と前記凸部が形成された前記ノズル部材の端面との間に形成され、
   前記旋回流発生手段は、前記凹部の内周面と前記凸部の外周面の少なくとも一方、およびまたは前記本体の端面と前記ノズル部材の端面の少なくとも一方に、周方向に複数設けられた溝部により構成されることを特徴とする請求項２に記載のインライン型流体混合装置。
4. 前記溝部は、前記凹部の内周面と前記凸部の外周面の少なくとも一方に設けられ、
   前記凹部および前記凸部は、前記凹部に前記凸部を嵌合させたときに、前記凹部の内周面と前記凸部の外周面とが互いに同一の傾斜角となり、かつ、前記凹部の内周面と前記凸部の外周面の少なくとも一部が互いに当接するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のインライン型流体混合装置。
5. 前記溝部は、前記凹部および前記凸部の少なくとも一方の上流側端部から中間部にかけて設けられ、前記中間部の下流側には、前記凹部の内周面と前記凸部の外周面との間に、流路断面積が一定の流路が形成されていることを特徴とする請求項４に記載のインライン型流体混合装置。
6. 前記溝部は、径方向外側にかけて放射曲線状に形成されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載のインライン型流体混合装置。
7. 前記溝部は、前記第一入口流路の中央軸線とは交差せずに径方向外側に延びる直線に沿って形成されていることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載のインライン型流体混合装置。
8. 前記溝部は、前記凹部の内周面と前記凸部の外周面の少なくとも一方に螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載のインライン型流体混合装置。
9. 前記本体は、
   両端部の内周面に雌ねじ部が設けられた円筒部と、該円筒部の側面から突設され、端部に前記第二入口部が設けられた接続部とを有するケーシング部と、
   一端部に前記ケーシング部の一端側の前記雌ねじ部に螺合する雄ねじ部が設けられ、他端部に前記凹部が設けられ、内部に前記出口流路が形成された流路部とを有し、
   前記ノズル部材は、
   前記第一入口流路側の一端部に形成された前記凸部と、
   前記第一入口流路の反対側の他端部に形成され、外周面に前記ケーシング部の他端側の前記雌ねじ部に螺合する雄ねじ部が設けられた円柱部と、
   前記凸部と前記円柱部との間に形成された略円柱形状の中間部とを有し、
   前記中間部の外径は、前記円柱部の外径よりも小さく、かつ、前記中間部に連なる前記凸部の端部の外径よりも小さく、
   前記第二入口流路は、前記凹部の内周面と前記凸部の外周面との間、および前記中間部の周囲に形成されていることを特徴とする請求項３〜８のいずれか１項に記載のインライン型流体混合装置。
10. 前記凹部の下流側縁部と前記凸部の下流側端面とが、略同一面上に設けられていることを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項に記載のインライン型流体混合装置。
11. 前記旋回流発生手段は、前記第一入口流路に配設された旋回子を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のインライン型流体混合装置。
12. 前記旋回子は、捻り羽根形状であることを特徴とする請求項１１に記載のインライン型流体混合装置。
13. 前記第一流路形成手段は、前記第一入口流路の流体出口側端部が前記出口流路の流体入口側端部よりも小径となるように前記第一入口流路を形成することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のインライン型流体混合装置。
14. 前記旋回流発生手段は、前記第入口一流路において一方向に旋回流を発生させ、前記第二入口流路において前記一方向とは反対方向に旋回流を発生させることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のインライン型流体混合装置。

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