JP2002085950A

JP2002085950A - 流体混合装置

Info

Publication number: JP2002085950A
Application number: JP2000281087A
Authority: JP
Inventors: Toshikazu Onishi; 敏和大西; Yoshiyuki Sawada; 喜行沢田; Seiichi Taniguchi; 誠一谷口; Yoshimi Matsuura; 良視松浦
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2000-09-18
Publication date: 2002-03-26
Also published as: EP1346763A1; US20030164409A1

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の流体の供給・停止を切替えかつこれらを
混合する装置に関して、流体の滞留の少ない、円滑な混
合を可能とする流体混合装置を供給する。【解決手段】１の流体の流れに対して他の流体の供給・
停止を行う切替弁を設け、当該切替弁の流体排出部に設
けられたノズルの先端を前記１の流体の流れの中心部分
に配することにより、他の流体の流速が１の流体の流速
に比べて大きい場合や流体の供給・停止を繰り返す場合
であっても、簡易な構成で当該他の流体と１の流体との
速やかな混合が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、複数の流体の供給
・停止を切替え、かつこれらを混合する装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、複数の流体を混合させる行為
は、化学工業をはじめ多くの分野で実用されている。通
常は、２つの流体の場合には、図３（Ａ）のように各々
の配管を単純に接続すれば均一濃度になる。また、１つ
の流れに複数の流体を合流混合するに際しても、図３
（Ｂ）のような構成で十分目的を果すことができる。特
に、流体が気体の場合には、拡散も容易に起こり、一般
には、気体の混合に特別な手法を採用することは少な
い。

【０００３】しかし、上記の場合であっても、短時間で
十分な混合状態を作り出したい場合や後述のような流体
の流量条件下で混合が充分に行われない場合は、混合部
後段の流路に所定の空間（以下「バッファ」という）を
設けたり、流路一部を拡張・縮小したり、それを繰り返
したり、或いは流路に障壁を設ける等の手法がとられて
いる。いずれも、被混合流体の流れを乱流にして混合を
容易にすることを主眼においている。図４にそれらの簡
略図を示す。

【０００４】また、一般に各流体の供給・停止を制御す
る場合は、各混合点の手前に切替弁を設け、その切替弁
の開状態・閉状態を外部から指示する方法を採ることが
多い。このとき図５のようにブロックに流路パターンを
形成し、切替弁２２をそのブロック５０上に配設するこ
とで省スペース化・ハイブリッド化・高速応答化を図る
手法もよく使用されている。ここで、流路ａからは１の
流体、流路ｂからは他の流体が導入され混合部２４にお
いて混合され、ＯＵＴより排出される。図６は、切替弁
６２がブロック６１に取付けられた状態の一例を示して
いる。他の流体は、図５における流路ｂから切替弁本体
６２の弁部６４の内部空間６５に導入されるが、切替弁
６２が図６（Ｂ）開状態の時、他の流体は弁部６４とシ
ール部６６の間に生じた空隙を通過して流体排出路６３
から放出され、（Ａ）閉状態の時は、弁部６４で遮断さ
れる。切替弁６２が（Ｂ）開状態においては、１の流体
の流れに対し、流体排出路６３に繋がるブロック内に設
けられた流路から他の流体が排出され、混合が始まる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術を用
いた流体混合装置を上記の分野に適用する場合において
は、以下のような課題を克服する必要があった。

【０００６】他の流体の流速が１の流体の流速に比べて
一定値以上になると、切換弁排出口からの１の流体の流
れの一部分が閉塞状態になったり、一部分層流を形成し
たままの状態が続き、他の流体との混合が起こりにくい
あるいは起こらない場合がある。例えば、上述の他の流
体の流路が内径４ｍｍのような細管の場合、１の流体の
流速の約１０倍以上の流速となるとこうした現象が生じ
ることが、発明者の実験によって確認されている。図６
（Ｂ）は、この時の状態を模式的に表わしている。１の
流体が他の流体の層流を形成する層内に取り込まれ、拡
散が妨げられている状態を示している。極端な場合に
は、流体排出路から流体が殆ど排出されない状態も起こ
りうる。

【０００７】上記の現象は流体の供給・停止を繰り返す
場合に生じ易く、特に、停止から供給に切替えた直後に
は、定常状態に達するまでに相当な時間がかかる場合が
発生したり、極端な場合には他の流体の流れが壁にな
り、１の流体の供給ができなくなる状態が継続する場合
が発生する。

【０００８】前者においては、既述のように、図４のよ
うなバッファ等を設けることが一般的であるが、これら
を流路に追加することは、切替弁を含めたブロック化に
よる機能の集約・省スペースに反するものであり、応答
速度を早めようとする方向にも逆行することとなる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる課題を
解決するために、流体混合装置において以下の特徴を有
する。

【００１０】複数の流体の供給・停止を切替えかつこれ
らを混合する装置に関し、１の流体の流れに対して他の
流体の供給・停止を行う切替弁を設け、当該切替弁の流
体排出部に設けられたノズルの先端を前記１の流体の流
れの中心部分に配することを特徴とする。（請求項１）
こうした特徴を有する装置を使用することにより、ノズ
ルの先端からの円滑な他の流体の排出が可能となり、簡
易な構成で当該他の流体と１の流体との速やかな混合が
可能となる。

【００１１】上記〔００１０〕の特徴を有する装置であ
って、ノズルから供給される流体の流れ方向が、１の流
体の流れ方向と同方向であるとともに、所定の角度を有
することを特徴とする。（請求項２）こうした特徴を有
する装置を使用することにより、１の流体の圧力の影響
を受け難い状態でノズルの先端からの円滑な他の流体の
排出が可能となり、簡易な構成で当該他の流体と１の流
体との速やかな混合が可能となる。

【００１２】上記〔００１０〕の特徴を有する装置であ
って、１の流体の流れに挿入したノズルの方向が、１の
流体の流れ方向と直交することを特徴とする。（請求項
３）こうした特徴を有する装置を使用することにより、
円滑にノズルの先端から排出した他の流体がノズルによ
って発生したカルマン渦等に巻き込まれ、簡易な構成で
当該他の流体と１の流体との速やかな混合が可能とな
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、具体例として図面を参照しながら説明する。

【００１４】図２は、本発明を利用した複数の流体の供
給・停止を切替えかつこれらを混合する装置の具体的な
実施形態の１つである標準ガス発生装置を示す。基準ガ
スＡ及び対象ガスＢを、予め数種類の流量を設定してお
いたマスフローコントローラ２１の一部又は全部を使用
して一定比率で混合したガス（以下「標準ガス」とい
う）を発生する。図２では対象ガス用マスフローコント
ローラ（２１ｂ〜２１ｅ）を４つ配置した例を示してい
る。

【００１５】具体的には、切替弁２２ａ・２２ｄを開状
態にし、フィルタ２３を経由して基準ガスＡをマスフロ
ーコントローラ２１ａに導入する。次に、１つのマスフ
ローコントローラで対象ガスＢを供給する場合には、切
替弁２２ｃ・２２ｅを開状態にし、フィルタ２３を経由
して対象ガスをマスフローコントローラ２１ｂに導入す
る。両者はポイント２４において集合し混合された標準
ガスＣとして混合装置２０の外部に排出される。マスフ
ローコントローラ２１を予め所定の流量に設定しておけ
ば、標準ガス発生に必要な流量に応じたマスフローコン
トローラ２１を選択することが可能であり、図２のよう
に４つの種類を用意しておけば、各スフローコントロー
ラを１つまたはこれらの組み合わせにより計２４通りの
濃度の標準ガスの発生が可能となる。

【００１６】図１は、本発明の具体的な実施の形態の１
つを表わす。つまり、図２における混合のポイントで切
替弁２が配管ブロック１に取付けられた状態をあらわし
たものである。

【００１７】図１（Ａ）のように、他の流体つまり対象
ガスＢの供給・停止を行う切替弁２の流体排出部にノズ
ル部３を設けて、ノズル部の先端４を前記１の流体つま
り基準ガスＡの流れの中心部分に配置する。一般に、流
体が一定の管径を有する流路内を所定の流量で流れると
き、図１（Ｃ）のように管の中心部が最も流速が小さく
管壁に近い部分では非常に流速が大きくなる。ここで、
矢印の長さは管内の各位置における流速の大きさを表し
ている。従って、基準ガスＡの流れの中心部から対象ガ
スＢを注入すると、両者の流速比率は、管壁から注入す
る場合に比べ，数分の１程度に落とすことができる。ま
た、このとき、対象ガスＢは、内径が細くなったノズル
部の先端４から注入されるため、先端部では非常に大き
な流速をもって基準ガスＡの流れに吹き出す。従って、
基準ガスＡと対象ガスＢとの流速比は、ノズル３を用い
ない場合に比べ大幅に小さくなり、切換弁排出口での対
象ガスＢの閉塞状態や基準ガスＡとの混合不良の発生を
阻止し、ノズル部の先端４からの円滑な流体の排出が可
能となり、円滑な混合が得られることとなる。図１
（Ｂ）は切換弁２が開状態のときの対象ガスＢと基準ガ
スＡの混合状態を表している。具体的には、発明者の実
験から、基準ガスＡを流量４L／minで内径φ４mmの内管
に流し、そこに対象ガスＢを流量８mL／minで抽入する
場合、ノズル内径φ２mm以内であれば非常に良好な混合
が可能であることの知見が得られている。

【００１８】図１（Ａ）では、ノズル３から供給される
対象ガスＢの流れ方向が、基準ガスＡの流れ方向と直交
する場合を表しているが、基準ガスＡの流れ方向と同方
向であるとともに、所定の角度を有する場合にも同様の
効果を得ることが可能である。つまり、ノズル３を被混
合流体の流れの中心に設けた場合であっても、図１
（Ｄ）のように対象ガスＢの流れの方向を基準ガスＡの
流れの方向と同一方向の場合は、基準ガスＡの流速が非
常に早いとやはり対象ガスＢ及びその近傍の基準ガスＡ
は層流状態となり易く、本発明の課題に近い状態が生じ
る可能性がある。この時、ノズル３から流出する対象ガ
スＢの流れを、基準ガスＡの流れに対し一定の角度を設
けることは、こうした状態を壊すこととなり、両者の混
合を容易にすることができる。

【００１９】ノズル３を基準ガスＡの流れ方向と直交す
るように配設した場合、ノズル３以降の管内では例えば
カルマン渦が発生することが知られている。本発明で
は、こうしたノズル部の先端４から吹き出した対象ガス
Ｂが、吹き出し直後からそのカルマン渦に巻き込まれる
ように移動し、一種の乱流状態が発生するため対象ガス
Ｂと混合し易くなり、非常に速やかな混合が可能とな
る。

【００２０】以上のような働きは、切替弁を閉状態から
開状態に移行する場合には、特に有効である。つまり、
閉状態では、ノズル先端の近傍では基準ガスＡが層流に
近い状態であり、かつその近傍に比べ先端部表面での流
速が大きい状態が維持される。ノズルからの対象ガスＢ
の大きな流速は、こうした状態を壊す働きがあり、対象
ガスＢを基準ガスＡの流れに注入することができるとと
もに両者の混合を容易にすることができる。

【００２１】

【発明の効果】以上のような特徴を有する装置を使用す
ることにより、ノズルの先端からの円滑な他の流体の排
出が可能となり、他の流体の流速が１の流体の流速に比
べて大きい場合や流体の供給・停止を繰り返す場合であ
っても、簡易な構成で当該他の流体と１の流体との速や
かな混合が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施方法を示した説明図である。

【図２】本発明を利用した標準ガス発生装置の一例を示
した説明図である。

【図３】従来の実施方法を示した説明図である。

【図４】従来の実施方法を示した説明図である。

【図５】流路パターンの実施例を示した説明図である。

【図６】従来の実施方法を示した説明図である。

【符号の説明】

１、５０、６１ブロック２、２２、６２切換弁３ノズル部４ノズル部の先端２１マスフローコントローラ２３フィルタ２４混合ポイント６３流体排出部６４弁部６６シール部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷口誠一京都市南区吉祥院宮の東町２番地株式会社堀場製作所内 (72)発明者松浦良視京都市南区吉祥院宮の東町２番地株式会社堀場製作所内Ｆターム(参考） 4G035 AB02 AC17 AE13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の流体の供給・停止を切替えかつこ
れらを混合する装置に関し、１の流体の流れに対して他
の流体の供給・停止を行う切替弁を設け、当該切替弁の
流体排出部に設けられたノズルの先端を前記１の流体の
流れの中心部分に配することを特徴とする流体混合装
置。
【請求項２】ノズルから供給される流体の流れ方向
が、１の流体の流れ方向と同方向であるとともに、所定
の角度を有することを特徴とする請求項１の流体混合装
置。
【請求項３】１の流体の流れに挿入したノズルの方向
が、１の流体の流れ方向と直交することを特徴とする請
求項１の流体混合装置。