JP6232683B2 - 静的混合構造、流体混合方法および混合流体製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、流体自体のもつエネルギーにより流体を混合する静的混合構造に関し、より詳しくは、圧力損失を抑えながら流体の混合が行えるようにする静的混合構造に関する。

静的混合装置として、例えば下記特許文献１に開示されているようなものがある。この静的混合装置は、円筒状の配管に複数のオリフィス板を配置して構成されている。これらすべてのオリフィス板は、配管の軸方向にみたときに隣接する２枚のオリフィス板同士の間で重ならないように複数の穴を有している。これらの穴はすべて円形である。

このような構成であるので、配管に入った流体は、オリフィス板の穴を順次通過しながら分割・合流を繰り返す。この結果、流体が混合される。

つまり、流体の混合は、穴を通過した流体の直進を阻止して行う構成であって、穴を通過した流体は行く手を阻まれて分割・合流し、オリフィス板間を通ったのち、下流側のオリフィス板における近い穴に流れ込む。

しかし、前述のように隣接する２枚のオリフィス板の穴は円形で、穴同士が配管の軸方向において互いに重ならないように配設された構成であるので、圧力損失が大きい。

特開２０１１−１２１０３８号公報

そこで、この発明は、圧力損失が小さくても流体の混合ができるようにすることを主な目的とする。

そのための第１の手段は、流体が通過する流路に、該流路を塞ぐ方向に広がり、前記流体を通過させる複数の通過部と前記流体の通過を阻止する閉塞部を有した板状の混合エレメント部を、前記流路の長手方向に間隔をあけて複数備えて、互いに隣接する前記混合エレメント部の前記通過部と前記閉塞部の少なくとも一部が流路方向視において重なる配置とした静的混合構造であって、前記混合エレメント部が前記流路を構成する部分と別部材であるとともに、前記混合エレメント部の間隔を保持するスペーサを備え、前記スペーサが、隣接する別のスペーサを連結する連結構造を有し、前記混合エレメント部が複数枚で一組となる混合エレメント群を備え、前記混合エレメント群のうちの一の混合エレメント部の前記通過部が、同一の混合エレメント群のうちの他の混合エレメント部の前記閉塞部によって流路方向視において閉じられるように、前記混合エレメント部の前記通過部と前記閉塞部が配設されるとともに、前記混合エレメント群のうちの一の混合エレメント部の前記通過部または前記閉塞部における縁部の少なくとも一部と、該混合エレメント部に対して流路方向視において隣接する他の混合エレメント部の前記閉塞部または前記通過部における縁部の少なくとも一部に、前記一の混合エレメント部と前記隣接する他の混合エレメント部が同一平面上で重なっていると仮定したときに互いに接する又は近接する直線状の近隣縁部が形成された静的混合構造である。

課題を解決するための第２の手段は、流体が通過する流路に、該流路を塞ぐ方向に広がり、前記流体を通過させる複数の通過部と前記流体の通過を阻止する閉塞部を有した板状の混合エレメント部を、前記流路の長手方向に間隔をあけて複数備えて、互いに隣接する前記混合エレメント部の前記通過部と前記閉塞部の少なくとも一部が流路方向視において重なる配置とした静的混合構造を用いて前記流体を混合する流体混合方法であって、前記混合エレメント部が前記流路を構成する部分と別部材であるとともに、前記混合エレメント部の間隔を保持するスペーサを備え、前記スペーサが、隣接する別のスペーサを連結する連結構造を有し、前記混合エレメント部が複数枚で一組となる混合エレメント群を備え、前記混合エレメント群のうちの一の混合エレメント部の前記通過部が、同一の混合エレメント群のうちの他の混合エレメント部の前記閉塞部によって流路方向視において閉じられるように、前記混合エレメント部の前記通過部と前記閉塞部を配設するとともに、前記混合エレメント群のうちの一の混合エレメント部の前記通過部または前記閉塞部における縁部の少なくとも一部と、該混合エレメント部に対して流路方向視において隣接する他の混合エレメント部の前記閉塞部または前記通過部における縁部の少なくとも一部に、前記一の混合エレメント部と前記隣接する他の混合エレメント部が同一平面上で重なっていると仮定したときに互いに接する又は近接する直線状の近隣縁部を形成して、前記一の混合エレメント部における前記通過部を通った流体が直進することを、前記隣接する他の混合エレメント部の前記閉塞部が阻止して流体を分割するとともに、その流体を前記閉塞部に隣接する前記通過部に前記近隣縁部を通して速やかに迂回させて合流させ、流体を混合する流体混合方法である。

課題を解決するための第３の手段は、前記流体混合方法を利用した
流体を混合させる混合流体製造方法である。

これらの構成では、流路を流れる流体が混合エレメント群に流入するとき、混合エレメント部の閉塞部が流体を分割するとともに、通過部がその流体を合流させて下流側に通過させる。この混合エレメント部の下流側で隣接する別の混合エレメント部では、上流側の通過部を通った流体を閉塞部が遮り、前述と同様に流体の分割をするとともに、通過部がその流体を合流させて下流側に流す。このような流動が順次行われる過程において、上流側の混合エレメント部の通過部を通った流体は、流路方向視において近くに存在する閉塞部の近隣縁部とその近傍部分においてより多く流れ、流体は混合される。

この発明によれば、流体の流動性を確保しながらも流体の分割・合流を行う構成であるので、圧力損失が低くても流体の混合を行うことができる。

静的混合構造の概略構造と作用を示す斜視図。 静的混合構造を適用した管体の斜視図。 静的混合構造を適用した管体の分解斜視図。 図２の管体の断面図。 混合ユニットの分解斜視図。 混合エレメント部の平面図。 混合ユニットにおける混合エレメント部の断面図（図７（ａ））と、作用状態の説明図（図７（ａ））。 混合ユニットにおける混合エレメント部の断面図（図８（ａ）、（図８（ｂ））。 混合ユニットの分解斜視図。 流動解析のための条件を説明する説明図。 流動解析結果。 流動解析結果。 静的混合構造を適用した管体の断面図。 混合部材の斜視図（図１３（ａ）、（図１３（ｂ））。 静的混合構造を適用した混合管体の斜視図。 他の例に係る混合エレメント部とスペーサの斜視図。 図１５に示した混合エレメント部の平面図（図１６（ａ））と、混合エレメント群の断面図（図１６（ｂ））。 混合部材の斜視図。 他の例に係る混合エレメント部の平面図。

この発明を実施するための一形態を、以下図面を用いて説明する。
図１は、静的混合構造１１の概略構造と作用を示す斜視図であり、この静的混合構造１１は、流体が流路１２を通過する間に流体の持つエネルギーにより流体を混合するものである。流体の混合は、流路１２を塞ぐ方向に広がる複数枚の混合エレメント部１３によって行う。これら混合エレメント部１３は流路１２の長手方向に間隔をとって配設されている。

混合エレメント部１３は、流路１２の全体を塞ぐ大きさであり、混合エレメント部１３の外形形状は、流路１２における混合エレメント部１３を設ける部分の断面形状に合わせて形成される。図１に示した例における流路１２は、その長手方向と直交する方向での縦断面形状が円形であり、混合エレメント部１３は流路１２の長手方向と直交する方向に広がるように設けるものである。このため、混合エレメント部１３の外形形状も円形である。流路１２の縦断面形状が円形以外の、例えば四角形などであれば、混合エレメント部１３の外形形状はそれと同じ四角形などに形成される。

混合エレメント部１３の厚さは、流体の性状や流速、流量等の条件に応じて適宜設定される。混合エレメント部１３の材料には、金属や合成樹脂など適宜のものを使用できる。

混合エレメント部１３は、流体が流れるに従って流体に分割と合流を行わせるため、流体を通過させる複数の通過部１４と、流体の通過を阻止する閉塞部１５を有する。前記通過部１４は流体が通過する構造であればよく、この例においては貫通した穴で形成されている。

このような混合エレメント部１３は、複数枚で一組の混合エレメント群１６を構成する。そして、混合エレメント群１６のうちの一の混合エレメント部１３の通過部１４が、同一の混合エレメント群１６のうちの他の混合エレメント部１３の閉塞部１５によって流路方向視において閉じられるように、混合エレメント部１３の通過部１４と閉塞部１５が配設されている。図１に示した例では、２枚の混合エレメント部１３で構成される混合エレメント群１６を示している。図１においては便宜上３枚の混合エレメント部１３をあらわしている。

静的混合構造１１に必要な混合エレメント部１３の枚数は、少なくとも一組の混合エレメント群１６を構成できる枚数であればよい。二組以上の混合エレメント群１６を有する場合には、配列する混合エレメント部１３の枚数は、必ずしも混合エレメント群１６を構成する混合エレメント部１３の枚数の整数倍に限られるものではない。例えば、混合エレメント部１３が２枚で一組の混合エレメント群１６を構成する場合に、５枚の混合エレメント部１３を備えて静的混合構造１１を構成することもできる。

流路方向視において閉じる・閉じられる関係にある閉塞部１５と通過部１４は、それらの縁部１７に、流路方向視において互いに接する又は近接する近隣縁部１８を有する。つまり、混合エレメント群１６のうちの一の混合エレメント部１３の通過部１４または閉塞部１５における縁部１７の少なくとも一部と、この混合エレメント部１３に対して流路方向視において隣接する他の混合エレメント部１３の閉塞部１５または通過部１４における縁部１７の少なくとも一部に、前記一の混合エレメント部１３と前記隣接する他の混合エレメント部１３が同一平面上で重なっていると仮定したときに互いに接する又は近接する近隣縁部１８が形成されている。

このような構成の静的混合構造１１の適用例を、以下に説明する。

図２は、静的混合構造１１を適用した管体２１の一部を示す斜視図で、図３はその分解斜視図、図４は断面図である。

これらの図に示すように管体２１は、断面円形の流路１２を形成するもので、管体２１の上流側の内周面に、その下流側の内周面よりも内径が大きい大径部２２を有している。静的混合構造１１の要部である混合ユニット３１は、管体２１の大径部２２とそれより下流側の小径部２３との間の段差部２４に先端を当接した状態で保持される。

混合ユニット３１は、図５に示したように、流路１２を構成する部分とは別体の混合エレメント部１３と、この混合エレメント部１３を保持するとともに混合エレメント部１３間の間隔を保持するスペーサ３２で構成される。図２〜図４の例における混合エレメント部１３は、２枚で一組となって混合エレメント群１６を構成するもので、この混合エレメント群１６を２個連続して備えている。つまり、混合エレメント部１３もスペーサ３２もそれぞれ４個ずつ有し、図５に示したように、混合エレメント部１３もスペーサ３２も一種類で、それぞれすべて同一形状である。

混合エレメント部１３は、図６に示したように、通過部１４と閉塞部１５を有する部分の形状を含む全体が回転対称の形状である。通過部１４は、中心側から外周側に延びる少なくとも２辺１７ａを有する形状であり、中央部を除く部分に、内周側部分と外周側部分に分けて配設されている。具体的には、すべての通過部１４の縁部１７が、中心側から外周側に真っ直ぐに延びる２辺１７ａを有する形状であり、これら２辺１７ａの間は、中心側の部分よりも外周側の部分のほうが周方向に幅広となっている。つまり、内周側部分において略扇形をなす４個の通過部１４が円周方向に沿って等間隔に配置され、外周部分においては、湾曲した略長方形をなす４個の通過部１４が、内周側部分の通過部と互い違いになるように円周方向に沿って等間隔に配置されている。

これら通過部１４と外周縁を除いた部分が閉塞部１５であり、閉塞部１５の配置及び形状は、通過部１４の配置及び形状と同様である。つまり、内周側部分の４個の通過部１４と外周側部分の４個の通過部１４の間に、それぞれ４個の閉塞部１５が存在することになる。

内周側部分の４個の通過部１４よりも内側である混合エレメント部１３の中央部も流体の通過を阻止する部分であり、この部分は中央閉塞部３３である。

通過部１４と閉塞部１５の形成に当たっては、混合エレメント部１３の通過部１４及び閉塞部１５が形成される領域における通過部１４の総面積割合が、閉塞部１５の総面積割合の近似値以上であるとともに、混合エレメント部１３の通過部１４の総面積割合が、混合エレメント群１６を構成するすべての混合エレメント部１３において近似するように設定する。前記の通過部１４及び閉塞部１５が形成される領域とは、混合エレメント部１３の中央部と外周縁以外の部分が存在する範囲である。

混合エレメント群１６が２枚の混合エレメント部１３で構成されるものである場合には、通過部１４の総面積割合は、閉塞部１５の総面積割合の近似値となり、３枚以上の混合エレメント部１３で構成されるものである場合には近似値より大きくなる。このように設定することで、各混合エレメント部１３の通過部１４の総面積割合は最大となるとともに、混合エレメント群１６を構成するすべての混合エレメント部１３において通過部１４の総面積割合は均等もしくはほぼ均等な状態となる。

つまり、前述のように内周側部分と外周側部分のそれぞれに４個の通過部１４と４個の閉塞部１５を設ける場合には、各通過部１４と各閉塞部１５における径方向に延びる直線状の２辺１７ａ間の角度は、４５度、または４５度程度（４５度に近い角度）とする。

通過部１４と閉塞部１５における中心側から外周側に延びる２辺１７ａの間を４５度に設定すると、図６に示したように、一の混合エレメント部１３に対して、他の混合エレメント部１３を周方向に４５度ずらして重ねたときに、図７（ａ）の断面図（図６のＡ−Ａ断面図）に示したように、一の混合エレメント部１３のすべての通過部１４が、混合エレメント部１３の厚さ方向、つまり流路方向視において隣接する他の混合エレメント部１３の閉塞部１５で閉じられることになる。

そしてこのとき、一の混合エレメント部１３の通過部１４および閉塞部１５と、他の混合エレメント部１３の閉塞部１５および通過部１４が、それぞれ補完し合うような状態となるので、一の混合エレメント部１３の通過部１４または閉塞部１５における縁部１７の一部と、他の混合エレメント部１３の閉塞部１５または通過部１４の縁部１７の一部が、前記近隣縁部１８となる。縁部１７の一部は、具体的には図６に示したように、内周側部分と外周側部分の通過部１４における径方向に延びる２辺部分１８ａと、内周側部分の通過部１４における外周側において周方向に延びる円弧状部分１８ｂと、外周側部分の通過部１４における内周側において円周方向に延びる円弧状部分１８ｃである。

これら近隣縁部１８は、図７（ａ）に示したように、流路方向視にのびる仮想延長線３５上で並ぶ。

このように隣り合う混合エレメント部１３同士が同一平面上で重なっていると仮定したときに互いに接するようにするほか、例えば図８（ａ）に示したように重複するようにしても、図８（ｂ）に示したように僅かに離れるようにしてもよい。

また、混合エレメント部１３における外周縁に形成された４個の切欠きは、前記スペーサ３２を相対回転不可能に係合する係合凹部３４である。係合凹部３４は、外周側部分の通過部１４同士の中間位置に対応する位置に形成されている。

前記スペーサ３２は、合成樹脂や金属で形成され、図５に示したように、混合エレメント部１３の大きさに対応した短円筒形状である。円筒形状の周面の一部には、上下方向に延びてスペーサ３２を周方向で分断する切り溝３６を有し、径方向に拡縮変形可能である。

スペーサ３２の上端面には、混合エレメント部１３の係合凹部３４と係合する係合突部３７が形成されている。係合凹部３４と係合突部３７は嵌合対応する形状であり、係合によって、相互間で相対回転不可能となる。係合突部３７の長さは、混合エレメント部１３の厚さと同じである。

これら係合突部３７の先端には連結突部３８が延設されている。この連結突部３８は、スペーサ３２同士を連結するための連結構造の一方である。連結突部３８の長さは適宜設定されるが、たとえば混合エレメント部の連結凹部３９と同じ程度であるとよい。

連結構造は、隣接する別のスペーサ３２に対してこのスペーサ３２と同一方向に隣接する別の混合エレメント部１３を周方向に角度をずらして配置できるようにするものである。このため、スペーサ３２の下端面には、前記連結突部３８が嵌合する連結凹部３９が形成されている。この連結凹部３９は、混合エレメント部１３同士を４５度ずらして配設するため、連結突部３８の中間位置に対応する位置に形成されている。連結凹部３９の高さは連結突部３８に対応する高さである。

スペーサ３２はこのような構成であるので、スペーサ３２の連結凹部３９の上端位置からスペーサ３２の上端面（係合突部３７の根元位置）までの長さが、混合エレメント部１３間の隙間に対応する長さである。この長さは、所望の混合条件に応じて適宜設定される。

また、スペーサ３２の肉厚は、図４に示したように、管体２１の大径部２２の内径と、小径部２３の内径との差に対応する厚さに設定されている。これにより、管体２１の小径部２２の内周面とスペーサ３２の内周面が面一となる。

このような構成の混合エレメント部１３とスペーサ３２は、図９に示したように、１個ずつ組み合わせされたのち、必要数、すなわち少なくとも２段以上積み重ねられて混合ユニット３１となり、図３に示したように管体２１に備えられる。

混合ユニット３１の組み立てに際してスペーサ３２の連結突部３８と連結凹部３９を連結すると、隣接する混合エレメント部１３同士が自動的に所定角度ずつ周方向にずれた状態になるので、作業性が良い。

また、スペーサ３２には切り溝３６が形成されているので、管体２１の大径部２２に挿入するときに若干縮径させれば、挿入が容易である。スペーサ３２は、挿入後に弾性復帰して拡径するので管体２１に対して良好な保持状態が得られる。

以上のように構成された静的混合構造１１では、次のようにして流体の混合を行う。つまり、図１に示したように、上流側に位置する混合エレメント部１３の閉塞部１５が流体の直進を阻止して流体を分割し、近隣の通過部１４に流入させる。この通過部１４では分割された流体が合流して流下する。流下した流体は、下流側で隣接する別の混合エレメント部１３の閉塞部１５によって再び直進を阻止されて分割される。流体のこのような分割と合流が、複数個所で同時に行われ、繰り返される。

流体がこのように流れるとき図７（ｂ）に示したように、流路方向視において隣接する混合エレメント部１３同士の閉塞部１５と通過部１４の縁部１７の一部には近隣縁部１８が形成されているので、流体は、閉塞部１５で直進を遮られて方向を変え、主に隣接する通過部１４に流れる。このとき、通過部１４と閉塞部１５の総面積割合は近似している、つまり略同一であり、２枚一組とする混合エレメント部１３における通過部１４の総面積割合は最大であるので、流体が通過する面積は大きい。このため、圧力損失を小さくしつつ、流体の混合を行うことができる。

混合する複数種類の流体の供給態様は問わないが、たとえば二重管を用いて流路１２内の内側と外側に分けて同時に供給することができる。この場合には、流路１２が断面円形のときには、流体の供給は、各流体が同心円状に分割された状態で行う。

管体２１の小径部２３の内周面とスペーサ３２の内周面は面一であるので、流体が流動するときに、流体の流路１２が狭められることはなく一定である。この点からも流体の流動性を確保できる。

流体の分割と合流のための混合エレメント部１３は、板状であり、貫通した穴からなる通過部１４を形成した構成であるので、製造が容易で、安価に得られる。

そのうえ混合エレメント部１３は中央閉塞部３３を有するので、複数の通過部１４の形成で得られる閉塞部１５の形状を安定したものとすることができる。このため、流体の流速が早い場合や流量が多い場合でも、耐久性を得られる。また、回転対称の形状を得やすいので、前述のように混合エレメント部１３同士を周方向に角度をずらして配設する構成を容易に得ることに資する。

混合エレメント部１３は、混合エレメント部１３同士を周方向に角度をずらして配設する構成であるため、組み立て構造が簡素である。

しかも、すべての混合エレメント部１３の形状は同一であるので、より安価に製造できる上に、部材の管理等も容易である。

同様に、スペーサ３２もすべて同一の形状であるので、安価に製造でき、部材の管理等の省力化も図れる。

また、係合構造も連結構造も突部（係合突部３７、連結突部３８）と凹部（係合凹部３４、連結凹部３９）で構成しているので、構造が簡素であるうえに、組み付け作業も容易である。しかも、係合突部３７の先に連結突部３８を一体に形成しているので、いわば係合構造と連結構造を一部供用することになり、この点でも構造が簡素である。これら係合構造と連結構造が各部材の位置関係を定めるので、所望の混合が確実に行える。

このように、主に圧力損失を小さくしながらも流体の十分な混合が行える。

したがって、この静的混合構造１１を用いた流体混合方法では、前述のような近隣縁部１８を介しての流体の流動を通じて、圧力損失が小さい状態で良好に流体を混合できる。また、この静的混合構造１１を用いた混合流体製造方法においても、前述のような近隣縁部１８を介しての流体の流動を通じて、圧力損失が小さい状態で良好に流体を混合できる。このため、さまざまな形状や性状の流路１２での流体の混合に広く利用できる。特に圧力損失が小さいので、たとえば細い管体２１や柔軟な管体２１での流体の混合にも適用可能である。

流体の混合状態を検証すべく、流動解析を行ったところ、つぎのような結果が得られた。

流動解析は、図１、図６に示した形状の混合エレメント部１３を１０組、つまり２０枚、図１０に示したようにすべて等間隔で並べた状態で行った。混合エレメント部１３の厚さは１ｍｍで、混合エレメント部１３の間隔ａは１ｍｍである。流入口と最上流の混合エレメント部１３との間と、最下流の混合エレメント部１３と流出口との間には、ともに４ｍｍの非混合流路部１２ａを設定した。このため、流路における混合エレメント部１３を有する範囲は４０ｍｍ程度となる。加えて、断面円形の流路の内径は１６．１ｍｍである。

また、流体には水を想定して、流体密度を１０００ｋｇ／ｍ^３、流体粘度を１．０×１０^−３Ｐａ・Ｓとし、流入速度を１．０ｍ／ｓとした。使用ソフトウェアは、株式会社アールフローの流動解析ソフトウェア「ＲＦＬＯＷ」を使用し、基礎方程式は、非圧縮ナビエ−ストークス方程式で、乱流モデルは、標準ｋ−εモデルである。

流体の供給は、２種類の流体が内周側と外周側に同面積ずつ同時に流すように設定した。つまり、内周側の流体が断面円形の流れとなり、外周側の流体が、内周側の流体を取り囲む断面ドーナツ形の流れとなる。

図１１がその結果である。図１１の縦なが長方形の下側が流体の入口で、上側が流体の出口である。また、縦なが長方形のすべての部分が流路である。２種類の流体は色の違いで表されている。入口における真ん中部分の色の白い部分と、その両側の色の濃い部分が、それぞれ混合されるべき流体を表している。２種類の流体が混合されたことは、白い部分と濃い部分の中間の色になることで判る。色と流体の関係については、図面右横に掲載しているスケールを参照されたい。

図１１の流路を、下から上にみると、非混合流路部では流体の混合は、２種類の流体の境界部分だけであるが、３組６枚の混合エレメント部を通過するときには、ほぼ完全に混合されていることがわかる。

比較例として、混合エレメント部を備えない状態の解析を行った。そのほかの条件は、流路の長さも含めて図１１の場合と同じである。その結果は図１２の通りである。

つまり、入口から入った２種類の流体は、それぞれ出口に向けて流れるが、それらの境界部分において混ざり合う部分は次第に広がるが、出口に至っても、２種類の流体が全体的に混じり合うことはない。

これら図１１、図１２から、混合エレメント部１３が流体の混合に大きく貢献することがわかる。しかも、その混合は４０ｍｍよりも短い範囲で行え、迅速な混合がなされていることもわかる。

以下、その他の例を説明する。この説明において、前述の構成と同一または同等の部位については同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。

図１３は、管体２１における混合ユニット３１部分より上流側に、混合する流体を流入させる流入路２５を備えた例を示している。

図１４（ａ）は、混合エレメント部１３にスペーサ３２が一体成形された例を示す斜視図である。この、スペーサ３２と混合エレメント部１３が一体となった混合部材１３ａの形状は、切り溝３６（図５参照）部分を除いて、前述の混合エレメント部１３にスペーサ３２を係合した形状と同一である。切り溝３６に相当する縮径可能な構造を設けてもよい。この混合部材１３ａは、複数連結して使用される。

図１４（ｂ）に示したように、混合エレメント部１３の両面側にスペーサ３２を形成したものであってもよい。

このような構成の混合部材１３ａを用いた場合には、前述の作用効果を得られるほかに、部品点数を低減できる利点がある。

図１５は、静的混合構造１１を管体２１の内部に形成した例を示す斜視図である。すなわち、静的混合構造１１を内蔵する混合管体２７である。混合管体２７の上流側の端部には、上流側管体２７ａが接続され、混合管体２７の下流側の端部には下流側管体２７ｂが接続される。

混合管体２７は、長手方向の中間部分に、所望の必要な枚数の混合エレメント部１３を、所定の間隔を隔てて備えている。間隔は流体の性状や流速、流量等の条件に応じて適宜設定される。

図示例の混合エレメント部１３の通過部１４と閉塞部１５の形状は、図６等に示したものと同一であるが、混合エレメント部１３の数は５枚として、２．５組の混合エレメント群１６を備えるようにしている。

混合管体２７は、既存の管体に図１４（ａ）や図１４（ｂ）に示したような混合部材１３ａを挿入して構成することもできる。また、混合管体２７の接続は、上流側管体２７ａや下流側管体２７ｂを直接接続するほか、上流側管体２７ａの外周端部及び下流側管体２７ｂの内周端部にネジを配したり、適宜の継手部材を介して接続したりするなどしてもよい。

このような混合管体２７を用いた場合も、前述のような作用効果が得られる。また、上流側管体２７ａと下流側管体２７ｂの接続を、接続スリーブ（図示せず）で覆うようにして行えば、既存の管路に適用することもできる。

図１６は、３枚の混合エレメント部１３で一組の混合エレメント群１６を構成する場合の混合エレメント部１３とスペーサ３２を示している。すなわち、混合エレメント群１６を構成する１枚の混合エレメント部の通過部１４が、図１７（ａ）、図１７（ｂ）に示すように、一組をなす２枚以上の他の混合エレメント部１３における閉塞部１５の組み合わせで流路方向において閉じられるように形成されている。

混合エレメント部１３の通過部１４は、図１７（ａ）に示したように、略扇形形状に４個形成され、各通過部１４の中心側から外周側に延びる２辺１７ａがなす角度は６０度に設定されている。このため、これら通過部１４の間に設けられる同じく略扇形形状の閉塞部１５における中心側から外周側に延びる２辺１７ａのなす角度は３０度である。６０度または３０度であるほか、これに近い角度にしてもよい。

スペーサ３２と係合する係合凹部３４は、閉塞部１５の周方向の中間位置に形成されている。

このような形状の混合エレメント部１３は、スペーサ３２を介して配設されると、図１７（ｂ）の断面図（切断箇所は図６（ａ）のＢ−Ｂ）に示したような状態となる。つまり、各通過部１４および各閉塞部１５の縁部１７のうちの中心側から外周側に延びる２辺１７ａのうちの少なくとも一方と、外周側において周方向に延びる部分の一部が近隣縁部１８となる。図１７（ｂ）においては、一組の混合エレメント群１６のみを示したので、配列方向（流路方向）における両側の混合エレメント部１３の通過部１４及び閉塞部１５では２辺１７ａのうち一方のみが近隣縁部１８であるが、これらに隣接して混合エレメント部１３が配設されれば、他方も近隣縁部１８となる。

スペーサ３２は、図１６に示したように、混合エレメント部１３を３０度ずつずらしながら配置できるように、連結凹部３９の位置を、連結突部３８同士の間の中間位置よりも一方側にずれた位置としている。

このように構成された混合エレメント部１３とスペーサ３２を有する静的混合構造１１においても、前述の２枚で一組をなす混合エレメント部を用いた前述の場合と同様に、閉塞部１５で流体の直進を遮りながらも、流体を通過させる通過部１４の面積が大きくとれるので、圧力損失を小さくできる。しかも、縁部１７の一部に近隣縁部１８を有するので、流体の流動を一部で促して、混合を促進する。

図１６、図１７の例では、３枚の混合エレメント部１３で一組の混合エレメント群１６を構成するので、各混合エレメント部１３の通過部１４の総面積割合が、２枚で一組の混合エレメント群１６を構成する混合エレメント部１３の場合（図６参照）よりもさらに大きいので、近隣縁部１８を有することと相まって、より一層圧力損失を低く抑えながら、良好な混合を行わせることができる。

図１８は、スペーサ３２を混合エレメント部１３の中央閉塞部３３に備えた混合部材１３ａの例を示す斜視図である。この混合部材１３ａは、前述の図６に示した混合エレメント部１３と同じ通過部１４および閉塞部１５を有する混合エレメント部１３と、この混合エレメント部１３の中央閉塞部３３の片面に立設したスペーサ３２を有する。

スペーサ３２は、四角柱形状であり、混合エレメント部１３におけるスペーサ３２と反対側の面には、スペーサ３２の先端部が嵌合する連結凹部３９を備えている。スペーサ３２の先端部が連結突部３８である。連結凹部３９は、混合エレメント部１３を４５度ずつずらしながら連結できるように、周方向におけるスペーサ３２の向きから４５度ずらした状態にしている。

このような構成の混合部材１３ａは、スペーサ３２の先端の連結突部３８を、他の混合部材１３ａの連結凹部３９に差し込んで、必要数連結して混合ユニット３１として、流路１２に保持して使用する。

図１９は、他の例に係る混合エレメント部１３の平面図である。この図に示すように、混合エレメント部１３の通過部１４および閉塞部１５は、基本的に直線状に延びる形状である。

具体的には、流路１２に対応させた外形形状の外周部分を除く内側に、通過部１４と閉塞部１５が等間隔で平行に形成されている。間隔とは、外形形状が円形であるので、通過部１４や閉塞部１５の幅方向のうちで最も幅広となる部分の間隔のことである。

図１９の混合エレメント部１３は、２枚で一組となるもので、一方の混合エレメント部１３は、３個の通過部１４と、これらの間に位置する２個の閉塞部１５を有する。他方の混合エレメント部１３は、３個の閉塞部１５と、これらの間に位置する２個の閉塞部１４を有する。

一方の混合エレメント部１３の中間位置の通過部１４の両側において中心側から外周側に延びる２辺１７ａと、他方の混合エレメント部１３の中間位置の閉塞部１５の両側において中心側から外周側に延びる２辺１７ａが、対応する近隣縁部１８である。また、一方の混合エレメント部１３の左右両位置の通過部１４において中心側から外周側に延びる直線状の１辺１７ｂと、他方の混合エレメント部１３の左右両側位置の閉塞部１５において中心側から外周側に延びる直線状の１辺１７ｂが、対応する近隣縁部１８である。

このような混合エレメント部１３は、前述の図５に示したようなスペーサ３２を用いたり、流路１２内に一体成形したりして、使用される。混合エレメント部１３の通過部１４と閉塞部１５が直線状であるので、１組の混合エレメント群１６ごとに、通過部１４と閉塞部１５の延びる向きを変えて配設することもできる。

このような構成の混合エレメント部１３を備えた場合も、前述と同様に、小さい圧力損失で必要な混合を行うことができる。

この発明の構成と前述の一形態の構成との対応において、
この発明の係合構造は、前述の係合凹部３４、係合突部３７に対応し、
同様に、
連結構造は、前述の連結凹部３８、連結突部３９に対応するも、
この発明は前述の構成のみに限定されるものではなく、その他の構成を採用することもできる。

例えば、前述の例においては、通過部と閉塞部の境界の端面が混合エレメント部の厚さ方向に直角である構造を示したが、この端面を傾斜させることもできる。傾斜させることによって、流体の流動に変化をつけることが可能である。

また、通過部と閉塞部の形状が異なる複数種類の混合エレメント部を組み合わせて静的混合構造を構成してもよい。

さらに、前述の例においては、混合エレメント部が２枚で一組の混合エレメント群を構成する例と、３枚で一組の混合エレメント群を構成する例を示したが、４枚以上で一組の混合エレメント群を構成するようにしてもよい。

１１…静的混合構造
１２…流路
１３…混合エレメント部
１３ａ…混合部材
１４…通過部
１５…閉塞部
１６…混合エレメント群
１７…縁部
１７ａ，１７ｂ…中心側から外周側に延びる辺
１８…近隣縁部
３１…混合ユニット
３２…スペーサ
３３…中央閉塞部
３４…係合凹部
３７…係合突部
３８…連結突部
３９…連結凹部

Claims (12)

1. 流体が通過する流路に、該流路を塞ぐ方向に広がり、前記流体を通過させる複数の通過部と前記流体の通過を阻止する閉塞部を有した板状の混合エレメント部を、前記流路の長手方向に間隔をあけて複数備えて、互いに隣接する前記混合エレメント部の前記通過部と前記閉塞部の少なくとも一部が流路方向視において重なる配置とした静的混合構造であって、
   前記混合エレメント部が前記流路を構成する部分と別部材であるとともに、
   前記混合エレメント部の間隔を保持するスペーサを備え、
   前記スペーサが、隣接する別のスペーサを連結する連結構造を有し、
   前記混合エレメント部が複数枚で一組となる混合エレメント群を備え、
   前記混合エレメント群のうちの一の混合エレメント部の前記通過部が、同一の混合エレメント群のうちの他の混合エレメント部の前記閉塞部によって流路方向視において閉じられるように、前記混合エレメント部の前記通過部と前記閉塞部が配設されるとともに、
   前記混合エレメント群のうちの一の混合エレメント部の前記通過部または前記閉塞部における縁部の少なくとも一部と、該混合エレメント部に対して流路方向視において隣接する他の混合エレメント部の前記閉塞部または前記通過部における縁部の少なくとも一部に、前記一の混合エレメント部と前記隣接する他の混合エレメント部が同一平面上で重なっていると仮定したときに互いに接する又は近接する直線状の近隣縁部が形成された
   静的混合構造。
2. 前記混合エレメント部における前記通過部および前記閉塞部の縁部が、中心側から外周側に半径方向に沿って放射状に延びる少なくとも２辺と、周方向に延びる円弧状の辺を有する形状であるとともに、
   前記２辺のうちの少なくとも一方が前記近隣縁部である
   請求項１に記載の静的混合構造。
3. 前記混合エレメント部の前記通過部及び前記閉塞部が形成される領域における前記通過部の総面積割合が、前記混合エレメント群を構成する各混合エレメント部における前記通過部の総面積割合を最大とするものであるとともに、
   前記混合エレメント部の前記通過部の総面積割合が、前記混合エレメント群を構成するすべての前記混合エレメント部において均等又は略均等である
   請求項１または請求項２に記載の静的混合構造。
4. 前記混合エレメント部の中央部に、前記流体の通過を阻止する中央閉塞部を有する
   請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の静的混合構造。
5. 前記混合エレメント部における前記通過部と前記閉塞部を有する部分の形状が回転対称形状である
   請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の静的混合構造。
6. 前記混合エレメント群におけるすべての混合エレメント部の形状が同一であるとともに、
   隣接する混合エレメント部同士が周方向に角度をずらして配設される
   請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の静的混合構造。
7. 前記混合エレメント群を構成する１枚の混合エレメント部の前記通過部が、一組をなす２枚以上の他の混合エレメント部における前記閉塞部の組み合わせで流路方向視において閉じられるように形成された
   請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の静的混合構造。
8. 前記混合エレメント部とスペーサとの間に、相互を相対回転不可能に係合する係合構造が形成された
   請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載の静的混合構造。
9. 前記スペーサと前記混合エレメント部が一体成形された
   請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載の静的混合構造。
10. 前記スペーサが、前記流路内に収まる円筒形状であるとともに、
    前記スペーサに、前記スペーサを周方向で分断して拡縮変形可能する切り溝が形成された
    請求項１から請求項９のうちいずれか一項に記載の静的混合構造。
11. 流体が通過する流路に、該流路を塞ぐ方向に広がり、前記流体を通過させる複数の通過部と前記流体の通過を阻止する閉塞部を有した板状の混合エレメント部を、前記流路の長手方向に間隔をあけて複数備えて、互いに隣接する前記混合エレメント部の前記通過部と前記閉塞部の少なくとも一部が流路方向視において重なる配置とした静的混合構造を用いて前記流体を混合する流体混合方法であって、
    前記混合エレメント部が前記流路を構成する部分と別部材であるとともに、
    前記混合エレメント部の間隔を保持するスペーサを備え、
    前記スペーサが、隣接する別のスペーサを連結する連結構造を有し、
    前記混合エレメント部が複数枚で一組となる混合エレメント群を備え、
    前記混合エレメント群のうちの一の混合エレメント部の前記通過部が、同一の混合エレメント群のうちの他の混合エレメント部の前記閉塞部によって流路方向視において閉じられるように、前記混合エレメント部の前記通過部と前記閉塞部を配設するとともに、
    前記混合エレメント群のうちの一の混合エレメント部の前記通過部または前記閉塞部における縁部の少なくとも一部と、該混合エレメント部に対して流路方向視において隣接する他の混合エレメント部の前記閉塞部または前記通過部における縁部の少なくとも一部に、前記一の混合エレメント部と前記隣接する他の混合エレメント部が同一平面上で重なっていると仮定したときに互いに接する又は近接する直線状の近隣縁部を形成して、
    前記一の混合エレメント部における前記通過部を通った流体が直進することを、前記隣接する他の混合エレメント部の前記閉塞部が阻止して流体を分割するとともに、その流体を前記閉塞部に隣接する前記通過部に前記近隣縁部を通して速やかに迂回させて合流させ、流体を混合する
    流体混合方法。
12. 請求項１１に記載の流体混合方法を利用した
    混合流体製造方法。
    

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