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明細書 :混合装置及び混合方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2018-158291 (P2018-158291A)
公開日 平成30年10月11日(2018.10.11)
発明の名称または考案の名称 混合装置及び混合方法
国際特許分類 B01F   5/00        (2006.01)
B01F   3/08        (2006.01)
B01F   3/18        (2006.01)
FI B01F 5/00 G
B01F 3/08 Z
B01F 3/18
請求項の数または発明の数 11
出願形態 OL
全頁数 16
出願番号 特願2017-056568 (P2017-056568)
出願日 平成29年3月22日(2017.3.22)
発明者または考案者 【氏名】酒井 清吾
【氏名】都築 光理
出願人 【識別番号】504182255
【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学
個別代理人の代理人 【識別番号】110000523、【氏名又は名称】アクシス国際特許業務法人
審査請求 未請求
テーマコード 4G035
Fターム 4G035AB37
4G035AB49
4G035AC44
4G035AE13
要約 【課題】混合装置の混合性能を高めることが望まれる。
【解決手段】混合装置(100)の混合部(5)の内部空間を画定する第1及び第2内面(11,22)の間隔(t5)は、第1及び第2内面(11,22)の外周を接続する周面(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。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)を有する。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開口(OP5)を介して混合部(5)の内部空間から流出する。
【選択図】図5
特許請求の範囲 【請求項1】
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、混合装置。
【請求項2】
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、請求項1に記載の混合装置。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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。
【請求項5】
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。
【請求項6】
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。
【請求項7】
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、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の混合装置。
【請求項8】
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7のいずれか一項に記載の混合装置。
【請求項9】
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8のいずれか一項に記載の混合装置。
【請求項10】
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9のいずれか一項に記載の混合装置。
【請求項11】
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、混合方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本開示は、混合装置及び混合方法に関する。
【背景技術】
【0002】
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)。
【先行技術文献】
【0003】

【特許文献1】特開2006-167600号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【課題を解決するための手段】
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【発明の効果】
【0016】
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。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】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】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】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】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】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6】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】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8】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。
【図9】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。
【図10】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11】図12で参照される角度位置を示す参考図である。
【図12】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13】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。
【図14】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】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16】図17で参照される角度位置を示す参考図である。
【図17】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18】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。
【図19】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。
【発明を実施するための形態】
【0018】
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。

【0019】
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。

【0020】
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。

【0021】
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。

【0022】
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。

【0023】
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)。

【0024】
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。

【0025】
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。

【0026】
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。

【0027】
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。

【0028】
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。

【0029】
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。

【0030】
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。

【0031】
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。

【0032】
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。

【0033】
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。

【0034】
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。

【0035】
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。

【0036】
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。

【0037】
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。

【0038】
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。

【0039】
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。

【0040】
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。

【0041】
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。

【0042】
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。

【0043】
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。

【0044】
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。

【0045】
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。

【0046】
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。

【0047】
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。

【0048】
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。

【0049】
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。

【0050】
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。

【0051】
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。

【0052】
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。

【0053】
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】
【0054】
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。
【実施例】
【0055】
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。
【実施例】
【0056】
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。
【実施例】
【0057】
滞留時間分布関数は、次式により算出される。
【数1】
JP2018158291A_000003t.gif
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。
【実施例】
【0058】
平均滞留時間は、次式により算出される。
【数2】
JP2018158291A_000004t.gif
【実施例】
【0059】
無次元時間
JP2018158291A_000005t.gif 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。
【数3】
JP2018158291A_000006t.gif
ここで、C(θ)が出口のトレーサー濃度である。
【実施例】
【0060】
次式が満足される。
【数4】
JP2018158291A_000007t.gif
【実施例】
【0061】
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。
【数5】
JP2018158291A_000008t.gif
【実施例】
【0062】
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。
【実施例】
【0063】
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。
【数6】
JP2018158291A_000009t.gif
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
【実施例】
【0064】
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。
【符号の説明】
【0065】
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
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9
【図11】
10
【図12】
11
【図13】
12
【図14】
13
【図15】
14
【図16】
15
【図17】
16
【図18】
17
【図19】
18