JP5106918B2 - インラインミキサー構造 - Google Patents

Description

本発明は、複数種類の流体を混合させて均一な混合流体を形成するインラインミキサー構造に関する。

従来、複数種類の流体を混合することにより、均一な混合流体を形成することが行われている。このような流体混合を行う装置としてはミキサー（混合機）が知られており、たとえばパイプ状の流路に固定羽根を多数配列し、分割・合流を繰り返しながら混合を行う方式のスタティックミキサーがある。このようなスタティックミキサーは分割の数と繰り返しの数により混合効率が決まるため、たとえば円錐面に無数の旋回羽根を有する両円錐コマと、円錐受け皿との組合せにより無数の乱流剪断を繰り返す構成にして、混合効率を高めたものも提案されている。（たとえば、特許文献１参照）
特開平５−２１２２５９号公報

上述したミキサーは、たとえば半導体製造装置における薬液と超純水（ＤＩＷ）とを混合させて混合液とする装置のように、小型化とともに混合効率を高めることが求められている。特に、必要に応じて並列配置が容易なインラインミキサーについても、装置の小型化及び高効率化を達成することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型で混合効率のよいインラインミキサー構造を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明は、複数種類の流体を混合させて均一な混合流体を形成するインラインミキサー構造において、軸線方向へ貫通する空間部を備えた筒状のミキサー本体と、前記空間部の上流側から挿入して一体化されるプラグ状部材とを備え、前記プラグ状部材の軸線方向に形成された内部流路の下流側端部を閉じて前記空間部へ放射状に流出させる放射流路と、空間部断面の軸中心から偏心させた位置で前記ミキサー本体の外周面を貫通するように形成された偏心流体流路とが同一断面上に位置していて、前記放射流路から流出される流体と前記偏心流体流路から流出される流体とが直接衝突するように合流して混合されることを特徴とするものである。

このような本発明のインラインミキサー構造によれば、軸線方向へ貫通する空間部を備えた筒状のミキサー本体と、前記空間部の上流側から挿入して一体化されるプラグ状部材とを備え、前記プラグ状部材の軸線方向に形成された内部流路の下流側端部を閉じて前記空間部へ放射状に流出させる放射流路と、空間部断面の軸中心から偏心させた位置で前記ミキサー本体の外周面を貫通するように形成された偏心流体流路とが同一断面上に位置していて、前記放射流路から流出される流体と前記偏心流体流路から流出される流体とが直接衝突するように合流して混合されるので、放射流路を通ってプラグ状部材からミキサー本体の内周面へ向けて放射状に流出する流体と、ミキサー本体の偏心流体流路から空間部内へ流入する流体とが衝突するようにして合流する。このとき、偏心流体流路から流入する流体は、流路方向が空間部断面の軸中心から偏心されているので、空間部の内壁面に沿って旋回する旋回流を形成しやすくなる。

上記のインラインミキサー構造において、前記偏心流体流路の流体出口は、前記プラグ状部材から流体を放射状に流出させる流体出口との間に隙間空間を形成する位置に開口していることが好ましく、これにより、比較的狭い隙間空間内で放射状に流出する流体（放射流体）と旋回流を形成する流体（旋回流体）とが、近接した位置で互いの流れを分断するように衝突して合流するので、二つの流れを効率よく均一に混合させて混合流体を形成することができる。

上記のインラインミキサー構造においては、前記空間部の内部で流体どうしを合流させる位置より下流側に、内壁面から突出する邪魔板を周方向へ配列して設けることが好ましく、これにより、混合流体をさらに撹拌することができる。
また、上記のインラインミキサー構造においては、前記邪魔板の下流側に前記空間部を塞ぐ板材を設け、該板材には、前記邪魔板から周方向へ位置をずらして外周部を切り欠いた開口部を設けることが好ましく、これにより、開口部が混合流体の流出路となるので、混合流体を半径方向に導く流れが形成されてより一層撹拌が促進される。
なお、上述した邪魔板及び開口部については、複数を周方向へ交互に等ピッチに配置することで、より一層撹拌を促進することができる。

上記のインラインミキサー構造において、前記空間部の出口端部側には、前記混合流体を流出させる出口開口の外周部に、前記混合流体の滞留用空間を設けることが好ましく、これにより、一端出口開口外周部に滞留した流れが、出口側端部の中心部にある出口開口から流出するようになるので、撹拌効率のさらなる向上が可能となる。

上述した本発明によれば、プラグ状部材から放射状に流出する放射流体と、ミキサー本体の偏心流体流路から流出して旋回流を形成する旋回流体とが、空間部の内部で直接衝突するように合流して均一に混合されるので、良好な混合効率を得ることができる。また、放射流路から流出する放射流体と偏心流体流路から流出される旋回流体とを衝突させて混合流体を形成するための可動部がなく、従って、小型で信頼性や耐久性の面でも優れたインラインミキサーとすることができる。
また、放射流体と旋回流体とを比較的狭い隙間空間で衝突させる構成、邪魔板や開口部を切り欠いた板材の設置、さらに、滞留用空間の設置により撹拌効率が向上するので、より一層良好な混合効率を得ることができる。

以下、本発明に係るインラインミキサー構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１から図４に示すインラインミキサーＭは、たとえば薬液と超純水（ＤＩＷ）のような２種類の液体（流体）を混合させて均一な混合液体を形成する装置である。このインラインミキサーＭは、軸線方向の両端に開口する薬液入口１及び混合液出口２と、軸線方向に連通する薬液出口１及び混合液出口２間を連通する流路３と交差するように設けられた純水入口４とを備えている。なお、薬液入口１、混合液出口２及び純水入口４は、いずれも内ネジが切られた雌の管路接続口である。

上述したインラインミキサーＭは、ミキサー本体１０とプラグ状部材２０とを一体に組み合わせた構成とされる。ここで使用するミキサー本体１０及びプラグ部材２０は、薬液と接液することを考慮して、たとえばフッ素樹脂等のように、耐薬品性に優れている成形部品を採用することが好ましい。
一方のミキサー本体１０は、軸線方向（紙面水平方向）へ貫通する空間部１１を備えている筒状の部材であり、この空間部１１がインラインミキサーＭの流路３となる。円形断面とした空間部１１には、その上流側となる一端部側開口として、後述するプラグ部材２０をねじ込むためのプラグ連結口１２が設けられている。このプラグ連結口１２には、プラグ部材２０と螺合させるための内ネジが形成されている。

また、空間部１１の下流側となる他端部側開口として、２種類の液体を均一に混合させた混合液体を流出させる混合液出口２が設けられている。この混合液出口２にも、管路接続用の内ネジが形成されている。
さらに、空間部１１には、水平方向と交差するように紙面上方へ連通して開口する純水入口４が設けられ、この純水入口４にも管路接続用の内ネジが形成されている。そして、純水入口４と流路３との間を連通させる純水流路５は、図１（ｂ）に示すように、流路３の軸線から偏心（オフセット）した位置に設けられている。

すなわち、純水流路５は、空間部１１の断面形状において、円形断面の軸中心から偏心した位置でミキサー本体１０の外周面を貫通するように形成された偏心流体流路となり、純水流路５の軸線と、流路３となる空間部１１の軸線とは、互いに交差しないように偏心している。
図示の例では、純水流路５の外周側壁面が、円形断面とした流路３の接線と略一致するように偏心している。換言すれば、図１（ｂ）の構成例では、純水流路５の軸線を流路３の軸線から紙面右側へ偏心させている。

プラグ状部材２０は、複数段の異なる径を有する円筒状部材である。プラグ状部材２０の上流側となる最大径の一端部側には、薬液入口１となる開口が形成されている。この薬液入口１は、プラグ状部材２０の軸中心を通って下流側へ形成された内部流路の薬液流路２１と連通している。この薬液流路２１は、プラグ連結口１２からミキサー本体１０の空間部１１内へ挿入されて段階的に径が小さくなるプラグ部２２を通り、下流側の先端が閉止部２３により閉じられている。プラグ部２２の下流側には、空間部１１の内径より小径とした先端細径部２４が設けられている。
すなわち、プラグ部２２は、空間部１１へねじ込んで一体化した状態で、先端細径部２４の外周面と空間部１１の内壁面との間に、流路３の断面と比較してかなり狭い隙間寸法の隙間空間Ｓを形成している。なお、図中の符号６は、ミキサー本体１０にプラグ部材２０をねじ込んで一体化した両部材の接合部において、空間部１１の上流側へ流体が流出するのを防止するシール用のＯリングである。

上述した薬液流路２１は、薬液入口１から先端部細径部２４に設けられた閉止部２３まで直線状に形成されており、閉止部２３よりやや上流側となる先端細径部２４の外周側へ開口するようにして薬液出口２５が設けられている。この薬液出口２５は、たとえば図１（ａ）のＡ−Ａ断面のように、純水流路５と同一断面上で一致する位置に開口していることが好ましく、このような薬液出口２５を先端細径部２４の外周に等ピッチで複数設けることにより、薬液流路２１に流入した薬液は、薬液出口２５から空間部１１へ放射状に流出する。すなわち、薬液出口２５は、薬液流路２１から流路３となる空間部１１へ向けて流体の薬液を放射状に流出させて流す放射流路となる。なお、図示の例では、４つの薬液出口２５を９０度ピッチに配置してあるが、これに限定されることはない。

このように構成されたインラインミキサーＭは、ミキサー本体１０のプラグ連結口１２にプラグ状部材２０をねじ込んで一体化すると、流路３と薬液流路２１とが同一軸線状に位置する。そして、薬液入口１から薬液を供給するとともに、純水入口４から純水を供給すると、２種類の流体は以下に説明するように流れて均一に混合される。
薬液入口１から導入された薬液は、薬液流路２１を通って流れ、先端部近傍に開口する薬液出口２５から隙間空間Ｓへ向けて放射状に流出する。
一方、純水入口４から導入された超純水は、流体流路３に対して純水流路５を通って流れ、空間隙間Ｓへ向けて流入する。このとき、純水流路５が流路３となる空間部１１の軸線から偏心している偏心流体流路となるので、円形断面の空間部１１内に流入した超純水は、空間部１１の内壁面に沿って流れる旋回流となる。

従って、狭い空間隙間Ｓにおいては、放射状に流出する放射流体の薬液と、旋回流を形成する旋回流体の超純水とが合流して衝突するので、互いの流れが効率よく均一に混合されて混合流体となる。特に、純水流路５の偏心により、純水流路５の外周側壁面が円形断面とした空間部１１の接線と略一致していれば、空間部１１の内壁面に沿って旋回する大きな旋回流を効率よく発生させることができる。
また、空間隙間Ｓのように比較的狭い空間で放射流体と旋回流体とを衝突させるため、二つの流体は近接した位置で互いの流れを分断するようにして勢いよく衝突しながら合流する。このため、放射流体及び旋回流体の二つの流れは、互いに効率よく混合された均一の混合流体となる。
こうして形成された混合液は、空間部１１の流路３を下流側へ流れて、混合液出口３から図示省略の管路へ流出する。

ところで、効率のよい混合による均一化を行わせるのに好適な放射流体及び旋回流体の合流位置については、上述した空間隙間Ｓのように比較的狭い空間で、しかも、両流体が略同一断面上で直接衝突するようにして合流することが好ましい。しかし、混合による均一化の効率面では不利になるものの、互いの流体が空間部１１の軸線方向にずれた位置に流出した後に合流したり、あるいは、空間隙間Ｓより下流側となる空間部１１内で合流するなど、目的や流体の特性等に応じて種々の変形例が可能である。

また、上述した空間部１１において、放射流体の薬液と旋回流体の超純水とが合流して混合による均一化がなされた後、混合液が混合液出口４へ向けて流れる下流側の流路３には、邪魔板１３を周方向へ配列して設けることが好ましい。この邪魔板１３は、空間部１３の内壁面から内側へ突出する部材であり、図示の例では、周方向へ９０度ピッチに４カ所設けられており、特に混合液の旋回流を乱して撹拌する作用が得られる。従って、混合液がさらに撹拌されることで、より一層の混合による均一化が促進される。

また、上述した邪魔板１３の下流側には、空間部１１の軸方向流れを塞ぐようにして、板材１４が設けられている。この板材１４には、空間部１１の流路断面積と比較して小さな開口部１４ａが設けられている。この開口部１４ａは、板材１４の外周部を切り欠いて設けた混合液の出口流路であり、上述した邪魔板１３の周方向位置からずらして配置されている。すなわち、図示の例では、図２に示すように、９０度ピッチで４カ所設けた邪魔板１３の間に位置するように、４５度ずれた位置に周方向へ９０度ピッチで４カ所配置されている。従って、空間部１１の周方向には、邪魔板１３と開口部１４ａとが交互に４５度ピッチで配置されている。

このような構成とすることにより、邪魔板１３で旋回流を乱され混合液の流れは、直進方向を板材１４に塞がれているため、混合液の出口流路となる開口部１４ａへ流れ方向を変化させる必要が生じることとなる。このため、混合液を半径方向へ導く流れが形成されるので、より一層撹拌を促進することにより混合による均一化の効率が向上する。
なお、ここでは邪魔板１３と併用するものとして説明したが、開口部１４ａを切り欠いた板材１４単独であっても、混合液を半径方向へ導く流れを形成して撹拌を促進することができる。

ところで、上述した邪魔板１３及び板材１４は、各々独立して取り付けたり、または、ミキサー本体１０と一体成形するなどして設けてもよいが、たとえば図５に示すような一体成形部品を使用してもよい。
図４に示す邪魔板付き板材３０は、開口部１４ａを切り欠いた板材１４の一面から邪魔板１３を突出させた樹脂成形部品である。このような別体部品を採用すれば、ミキサー本体１０の空間部１１内に挿入して所望の位置に固定し、邪魔板１３及び板材１４として使用することができる。

さらに、空間部１１の出口端部側には、すなわち、空間部１１内の混合液出口２の上流側近傍には、たとえば図１（ａ）に示すように、混合液を流出させる出口開口１５の外周部に、混合液の滞留用空間となる凹部１６を設けることが望ましい。この凹部１６は、空間部１１の内径を絞った出口開口１５の外周側壁面に形成したリング状凹部空間であり、混合液出口２へ向かう混合液の流れは、少なくとも一部が一端凹部１６に滞留した後に中央部に開口する出口開口１５から流出する。このため、混合液の流れに乱れが生じ、より一層の撹拌を受けた後に出口開口１５から混合液出口２に流出するので、撹拌効率の向上が期待できる。

このように、本発明のインラインミキサー構造によれば、プラグ状部材２０の薬液出口２５のような放射流路から放射状に流出する放射流体（薬液）と、ミキサー本体１０に形成された純水流路５のような偏心流体流路から流出して旋回流を形成する旋回流体（超純水）とが、空間部１１の内部で直接衝突するように合流して均一に混合されるので、良好な混合効率を得ることができる。また、放射流体と旋回流体とを衝突させて混合流体を形成するための可動部がなく、従って、小型で信頼性や耐久性の面でも優れたインラインミキサーＭとすることができる。
また、放射流体と旋回流体とを比較的狭い隙間空間Ｓで衝突させる構成、邪魔板１３や開口部１４ａを切り欠いた板材１４の設置、さらに、滞留用空間となる凹部１６の設置によっても撹拌効率が向上するので、より一層良好な混合効率を得ることができる。

ところで、上述した実施形態では、薬液と超純水とを均一に混合して混合液とするインラインミキサーＭについて説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、他の液体どうしの混合による均一化だけでなく、気体や粉体を混合する場合にも適用可能である。
また、混合する流体は２種類に限定されることはなく、たとえば上述したインラインミキサーＭを直列に連結することで、３種類またはそれ以上の流体を均一に混合させることが可能である。さらに、ミキサー本体１０に偏心させて設けた純水入口４及び純水流路５に相当する流体供給経路について、同様に偏心させたものを複数設けることで、混合する流体の数を増してもよい。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係るインラインミキサー構造の一実施形態を示す図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 図１に示したインラインミキサー構造の平面図である。 邪魔板付き板材の概要を示す斜視図である。

１ 薬液入口
２ 混合液出口
３ 流路
４ 純水入口
５ 純水流路
１０ ミキサー本体
１１ 空間部
１３ 邪魔板
１４ 板材
１４ａ 開口部
１５ 出口流路
１６ 凹部
２０ プラグ状部材
２１ 薬液流路
２２ プラグ部
２３ 閉止部
２４ 先端細径部
２５ 薬液出口
３０ 邪魔板付き板材
Ｍ インラインミキサー
Ｓ 空間隙間

Claims (5)

1. 複数種類の流体を混合させて均一な混合流体を形成するインラインミキサー構造において、
   軸線方向へ貫通する空間部を備えた筒状のミキサー本体と、前記空間部の上流側から挿入して一体化されるプラグ状部材とを備え、
   前記プラグ状部材の軸線方向に形成された内部流路の下流側端部を閉じて前記空間部へ放射状に流出させる放射流路と、空間部断面の軸中心から偏心させた位置で前記ミキサー本体の外周面を貫通するように形成された偏心流体流路とが同一断面上に位置していて、前記放射流路から流出される流体と前記偏心流体流路から流出される流体とが直接衝突するように合流して混合されることを特徴とするインラインミキサー構造。
2. 前記偏心流体流路の流体出口は、前記プラグ状部材から流体を放射状に流出させる流体出口との間に隙間空間を形成する位置に開口していることを特徴とする請求項１に記載のインラインミキサー構造。
3. 前記空間部の内部で流体どうしを合流させる位置より下流側に、内壁面から突出する邪魔板を周方向へ配列して設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のインラインミキサー構造。
4. 前記邪魔板の下流側に前記空間部を塞ぐ板材を設け、該板材には、前記邪魔板から周方向へ位置をずらして外周部を切り欠いた開口部が設けら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ミキサー構造。
5. 前記空間部の出口端部側には、前記混合流体を流出させる出口開口の外周部に、前記混合流体の滞留用空間が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のインラインミキサー構造。

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