混合分散装置および混合分散システム
【課題】低動力で安定して物体を液体中に混合分散させる混合分散装置と、比重の異なる物体と液体とを混合分散装置へ容易に移送可能な混合分散システムを提供する。
【解決手段】この混合分散装置１では、直管２、３と円錐状管６とを組み合わせた構成によってキャビテーションを発生させ、物体１２を液体１１中に混合分散させる。混合分散装置内部における圧力損失は小さいため、低動力で物体１２を液体１１中に混合分散させることができる。この混合分散システムでは、液体１１と物体１２とが共に貯留されている貯留槽１０内部に細管を設け、液体１１の液面１２を浮遊する物体を吸引できるように、細管の開口部を液体１１の液面に連結する。物体１２を移送するための細管を物体導入孔８に接続すると、流路３ａ内の負圧により物体１２を吸引し、ポンプなどの動力源を使用せず物体１２を混合分散装置１へ導入することができる。
【解決手段】この混合分散装置１では、直管２、３と円錐状管６とを組み合わせた構成によってキャビテーションを発生させ、物体１２を液体１１中に混合分散させる。混合分散装置内部における圧力損失は小さいため、低動力で物体１２を液体１１中に混合分散させることができる。この混合分散システムでは、液体１１と物体１２とが共に貯留されている貯留槽１０内部に細管を設け、液体１１の液面１２を浮遊する物体を吸引できるように、細管の開口部を液体１１の液面に連結する。物体１２を移送するための細管を物体導入孔８に接続すると、流路３ａ内の負圧により物体１２を吸引し、ポンプなどの動力源を使用せず物体１２を混合分散装置１へ導入することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、混合分散装置および混合分散システムに関し、特に、物体を液体中に混合分散させる混合分散装置および混合分散システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
気体、液体、粉体などの物体を液体中に混合分散させる装置として、従来、種々の装置が知られている。たとえば、槽内で攪拌器を高速回転させ混合する装置、容器内に液体を導入して旋回流を形成させ混合する装置が知られている。
【０００３】
液体中に混合分散させる物体の液体に対する親和性が低い、すなわち物体と液体とが相互に混じり合わない場合がある。このような物体は液体中に分散させても、物体同士が合体することで界面の表面積を小さくする作用が働く。よって、液体に対する親和性が低い物体は、静止状態では最終的には液体と分離するため、液体中への混合分散は困難である。
【０００４】
これに対し、静止状態では混合が困難な２種類以上の液体を、キャビテーションを用いて乳化させる流体混合装置が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
【０００５】
この流体混合装置は、筒型の混合ケースと、混合ケースの一方側に設けられ混合ケース内に２層の噴流を噴出する二重構造の導入口と、混合ケースの他方側に設けられ２種類の流体（流体Ａと流体Ｂ）の乳化液を排出する排出口とを備えている。混合ケースはその内部に、拡径ノズルと縮径部材とガイド部材とを含んでいる。拡径ノズルは、二重構造の導入口にその基部が連接し、混合ケースの内側に向かって拡径しながら突出して設けられている。縮径部材は、拡径ノズルの先端に設けられている。ガイド部材は、下流方向に徐々に縮径して設けられており、乳化液を排出口へ円滑に導く。また、二重構造の導入口には、それぞれ移送パイプが接続されている。個々の移送パイプには、それぞれ移送ポンプが設置されている。
【０００６】
２種類の流体（流体Ａと流体Ｂ）は、混合ケース内に、別々の移送パイプを通じて移送される。流体Ａと流体Ｂとは、二重構造の導入口を介して、混合ケース内に噴出する。拡径ノズル内において、噴出した流体Ａと流体Ｂとによってせん断力が発生する。このせん断力によって流体Ａおよび流体Ｂに負圧が加わり、流体Ａまたは流体Ｂが飽和蒸気圧より低圧となると沸騰して気泡が発生する（この現象をキャビテーションといい、発生する気泡をキャビテーション気泡という）。キャビテーション気泡は、拡径ノズル付近の負圧の中で成長して大きくなるが、その後流体が圧力を回復して正圧になると崩壊する。キャビテーション気泡の崩壊によって、局所的に圧力波が発生する。このとき、圧力波の衝撃で流体Ａと流体Ｂとの粒子が破壊され、さらに小さな粒子となって混ざり合い、エマルション（乳化液）ができる。
【特許文献１】特開２０００−１７６２６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の流体混合装置においては、拡径ノズルの先端に設けられる縮径部材を流体が通過するときに、流体の圧力を上昇させ、キャビテーション気泡を崩壊させる。この縮径部材は流体の流れに対する抵抗として作用し、圧力損失増加の原因となる。よって液体を移送するための移送ポンプの所要動力が増大していた。また、縮径部材近傍におけるキャビテーション気泡の崩壊により発生する圧力波によって、縮径部材の表面が損傷する壊食が発
生する可能性があった。
【０００８】
また、従来の流体混合装置においては、２種類の流体の比重が異なる場合、それぞれの流体を混合ケース内に移送するために、移送ポンプを２基必要としていた。よって混合分散装置の製造コストが増加するとともに、２基の移送ポンプを運転させるための所要動力を必要とすることから、ランニングコストも増加していた。さらに、比重の小さい物体を移送するときに、移送パイプへ吸引されにくいという問題があった。
【０００９】
したがって、この発明の主たる目的は、キャビテーションを用いて物体を液体中に混合分散させる混合分散装置であって、低動力で安定してキャビテーション気泡の発生および崩壊を起こさせることができ、装置を構成する部品の損傷を抑制し長寿命化を達成可能な混合分散装置を提供することである。また、この発明の他の目的は、比重の異なる物体と液体とを混合分散装置へ容易に移送可能な混合分散システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る混合分散装置は、物体を液体中に混合分散する混合分散装置であって、相対的に大きな径の円柱状の大径流路を有する大管径部と、大径流路に連通しておりかつ相対的に小さな径の円柱状の小径流路を有する小管径部と、小径流路に連通しておりかつ小径流路から徐々に径が大きくなる円錐状流路を有する円錐状管径部とを備えている。小管径部の端面と小管径部の内周面とが当該混合分散装置の縦断面において縮流部を構成する。小管径部の端面が大径流路に接触している。そして、物体は、円錐状管径部よりも上流側において当該混合分散装置へ導入され、円錐状流路において物体を液体中に混合分散する。
【００１１】
この場合は、直管と円錐状管とを組み合わせた構成によって混合分散装置が形成される。混合分散装置内部の物体および液体の流路において、大管径部から小管径部への急縮小を除き、流体抵抗は小さい。すなわち、混合分散装置内部における圧力損失は小さい。よって、移送ポンプの所要動力を小さくでき、低動力で物体を液体中に混合分散させることができる。また、キャビテーション気泡の崩壊は円錐状管径部の円錐状流路において発生する。よって、円錐状管径部よりも上流側、すなわち円錐状管径部から小管径部へ向かう側において物体を混合分散装置へ導入することで、効率よく物体を液体中に混合分散させることができる。また、気泡が崩壊する箇所の近傍には、円錐状流路の漸次拡大を除き、流れに対する抵抗がない。そのため、壊食の発生を抑制することができ、混合分散装置の長寿命化を達成することができる。
【００１２】
好ましくは、円錐状流路は、中心軸と母線とがなす角度が３°以上７°以下である円錐状の空間である。この場合は、小管径部における液体の流速が最大となるような円錐状流路の形状を選択することができる。その結果、キャビテーション気泡の発生効率が向上し、混合分散の処理能力が向上する。
【００１３】
また好ましくは、小管径部には、小径流路へ物体の少なくとも一部を導くように、小径流路と外部空間とを連通させる物体導入孔が形成されている。この場合は、物体を移送するための動力を使用せず、物体導入孔を介して、物体を混合分散装置へ導入することができる。
【００１４】
すなわち、混合分散装置の内部では、小径流路において最も液体の流速が大きくなる。小径流路における液体の圧力は、ベルヌィの定理に基づき、外気圧に比して負圧となる。よって、小管径部に小径流路よりも細い（流体抵抗の高い）物体導入孔を形成し、物体を移送するための細管を物体導入孔に接続すると、小径流路内の負圧により物体を吸引し、ポンプなどの動力源を使用せずとも物体を混合分散装置へ導入することができる。
【００１５】
また好ましくは、物体導入孔は、小管径部の大径流路に接触している端面と小管径部の端面から下流、すなわち小管径部から円錐状管径部に向かう側に向かって２ｍｍの距離を隔てた位置との間の位置に接続されている。この場合は、物体導入孔を介して、より容易に物体を混合分散装置へ導入することができる。すなわち、小管径部の端面付近では剥離流の影響によって液体が最も高流速となり、液体の圧力が最も低くなる。最も圧力が低くなる位置へ物体導入孔を設けることによって、より容易に、小径管路内の負圧により物体を吸引することができる。
【００１６】
この発明に係る混合分散システムは、貯留槽と、送液用ポンプと、混合分散装置とを直列に連結してなる。貯留槽には、液体と、液体よりも比重が小さい物体とが貯留されている。貯留槽の内部には、細管が設けられる。細管は、混合分散装置の小径流路へ物体の少なくとも一部を導くための物体導入孔へ連通する。細管は、その開口部が液体の液面に接触するように、配置される。
【００１７】
一つの貯留槽内に液体と物体とが共に貯留され、物体の比重が液体よりも小さい場合、物体を液体と共に吸引して混合分散装置へ導入するのは困難である。そこで、液体の液面を浮遊する物体を吸引できるように、貯留槽の内部に細管を設け、細管の開口部が液体の液面に接触するように細管を配置する。これによって、細管から物体を吸引することができる。したがって物体導入孔を介して物体を小径流路へ導入できるので、円錐状流路において物体を液体中へ混合分散することができる。
【００１８】
また好ましくは、細管は、物体の液体に対する親和性と同じ傾向の親和性を有する物質により形成されている。この場合は、物体を細管内により容易に吸引することができる。すなわち、物体が液体に対し高い親和性を有する（すなわち、物体が液体に溶けやすい、または混じりやすい）のであれば、細管を液体に対し高い親和性を有する物質により形成することにより、毛管現象により物体は細管内部へ吸引されやすくなる。一方、物体が液体に対し低い親和性を有する（すなわち、物体が液体に溶けにくい、または混じりにくい）のであれば、細管を液体に対し低い親和性を有する物質により形成することにより、細管の開口部周辺に物体が集まるため、物体は細管内部へ吸引されやすくなる。
【００１９】
また好ましくは、細管は、開口部が貯留槽の内部において液体に５０％以上１００％未満没するように形成されている。この場合は、物体を細管へより効率的に吸引することができる。すなわち、気体を優先的に吸引し物体が吸引されない事態を防止することができる。または、細管が液体に没し、液体よりも比重の小さい物体を吸引できない事態を防止することができる。
【００２０】
また好ましくは、細管は、液体の液面の変動に追動可能である。この場合は、貯留槽の内部において液体の液面レベルが変動する場合でも、液体よりも比重が小さい物体を常に細管へ吸引することができる。
【００２１】
また好ましくは、貯留槽の内部において、細管の開口部と反対側の端部が液体に没し、開口部が最も液面側に位置する。この場合は、気体を細管へ優先的に吸引し物体が吸引されない事態を防止することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、この混合分散装置によると、低動力で安定してキャビテーション気泡の発生および崩壊を起こさせることができ、装置を構成する部品の損傷を抑制し混合分散装置の長寿命化を達成可能である。また、この混合分散システムによると、比重の異なる物体を混合分散装置へ容易に移送可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１の混合分散システムの全体を示す模式図である。図１に示すように、混合分散装置１は、大管径部２と、小管径部３と、円錐状管径部６とを備えている。大管径部２は、相対的に大きな径の円柱状の大径流路２ａを有している。小管径部３は、大径流路２ａに連通しておりかつ相対的に小さな径の円柱状の小径流路３ａを有している。円錐状管径部６は、小径流路３ａに連通しておりかつ小径流路３ａから徐々に径が大きくなる円錐状流路６ａを有している。
【００２５】
混合分散システムは、貯留槽１０と、送液用ポンプ２０と、混合分散装置１とを直列に連結してなる。配管系１６は、貯留槽１０と送液用ポンプ２０とを連通する。配管系１７は、送液用ポンプ２０と混合分散装置１の大管径部２とを連通する。配管系１８は、混合分散装置１の円錐状管径部６に連結している。
【００２６】
大径流路２ａ、小径流路３ａ、および円錐状流路６ａは、共通の中心軸Ｘを有している。大管径部２の外周面、小管径部３の外周面、および円錐状管径部６の外周面は、中心軸Ｘとする１つの円柱の周面内に含まれている。
【００２７】
小管径部３の端面３ｂと小管径部３の内周面３ｃとは、混合分散装置１の縦断面において、縮流部４を構成している。また、小管径部３の端面３ｂが大径流路２ａに接触している。
【００２８】
図１に示すように、貯留槽１０には、液体１１と、液体１１よりも比重が小さい物体１２とが貯留されている。物体１２は液体であってもよく、粉体であってもよい。また、物体１２は、たとえばタンクのような閉空間である貯留槽１０の内部に液体１１とともに貯留されている、気体であってもよい。また、気体、液体もしくは粉体である物体１２は、液体１１が貯留されている貯留槽とは別のタンクやボンベに貯留されていてもよい。
【００２９】
次に、実施の形態１の混合分散システムを用いて、物体１２を液体１１中に混合分散する例を説明する。液体１１としてたとえば水を、物体１２としてたとえば油を用いることができる。送液用ポンプ２０を駆動させると、貯留槽１０に貯留されている液体１１と物体１２とは共に、配管系１６を介して送液用ポンプ２０へ吸い込まれる。その後液体１１と物体１２とは共に、送液用ポンプ２０から吐き出され、配管系１７を介して、混合分散装置１の大径流路２ａへ導入される。
【００３０】
大径流路２ａへ導入された液体１１と物体１２とは、小径流路３ａへ到る。大径流路２ａから小径流路３ａへかけて、流路断面積が急激に小さくなる（急縮小）。それにより、液体１１と物体１２との流速は急激に上昇する。
【００３１】
この実施の形態においては、小管径部３の端面３ｂと小管径部３の内周面３ｃとは、角度が略９０°である縮流部４を構成している。そのため、大径流路２ａを流れる液体は、小管径部３の端面３ｂに衝突する。その結果、液体の圧力は、縮流部４の近傍の小径流路３ａ内の位置５で最も低くなる。それは、縮流部４によって流れの向きが急に変えられるため、縮流部４の近傍の位置５において、剥離流が発生するためである。すなわち、位置５での液体１１の圧力は、局所的に発生する剥離流によって、他の位置での液体１１の圧力よりも低くなっている。
【００３２】
図２は、図１に示す領域ＩＩ付近の流速ベクトルを示す図である。図２に示すように、小管径部３では、縮流部４によって流れの向きが急に変えられており、縮流部４の近傍の位置５において、剥離流が発生している。そのため、液体１１と物体１２との流速は、位置５において他の位置よりも速くなっている。すなわち、液体１１の圧力は、位置５において他の位置よりも低くなっている。
【００３３】
図３は、図１に示す混合分散装置内部の壁面における液体の圧力を示すグラフである。図３において、縦軸は、液体１１の圧力を示す。また横軸は、混合分散装置１の軸方向位置を示す。すなわち、混合分散装置１の内部の壁面部の、中心軸Ｘに沿った方向の位置を示す。軸方向位置Ａは、大管径部２と小管径部３との接続する位置を示す。軸方向位置Ｂは、小管径部３と円錐状管径部６との接続する位置を示す。軸方向位置Ｃは、円錐状管径部６の内部の圧力上昇部７の位置を示す。
【００３４】
図３に示すように、軸方向位置Ａにおいて、液体１１の圧力は急激に減少する。このとき液体１１の流速が一定値以上になると、小径流路３ａにおける液体１１の圧力は、大気圧に対して負圧となり、液体１１の飽和蒸気圧以下になる。たとえば、室温大気圧下で液体として水を使用し、大管径部直径２０ｍｍ、小管径部直径４ｍｍ、小管径部の軸方向長さ３０ｍｍ、円錐状管径部の母線６ｂと中心軸Ｘとがなす角度（θ）４°、円錐状管径部の軸方向長さ４０ｍｍである混合分散装置１を使用し、大管径部入口に０．０４５ＭＰａの圧力を与えた場合、大管径部で９ｍ／ｓｅｃの流速が発生し、小管径部の圧力は０．００３４ＭＰａ（０．０３４気圧）となる。
【００３５】
液体１１の圧力が飽和蒸気圧以下になると、液体１１は、その内部に含まれている微小な気泡またはごみを核として沸騰する。沸騰現象によって液体１１が気化し、液体１１と同一組成の気体で満たされた気泡が液体中に発生する。これが、キャビテーションである。小管径部３から円錐状管径部６にかけて液体１１の低圧が維持されるために、キャビテーションにより発生した気泡（キャビテーション気泡）は膨張する。
【００３６】
円錐状流路６ａの断面積は、小管径部３側から下流側へ向かって徐々に大きくなる。そのため、円錐状流路６ａにおいて液体１１の流速は減少する。その結果、図３に示すように、軸方向位置Ｃ付近で急激に圧力が上昇する。キャビテーション気泡は、この急激な圧力上昇および円錐状流路６ａにおいて生じている乱流によって崩壊する。キャビテーション気泡の崩壊によって、物体１２は粉砕され微細化して、液体１１中に混合分散される。
【００３７】
図４は、キャビテーションを利用して物体を微細化する模式図である。図４において、（Ａ）は物体１２が液体または、粉体の集合体である場合、（Ｂ）は物体１２が気体である場合をそれぞれ示す。
【００３８】
図４（Ａ）に示すように、液体または、粉体の集合体である、物体１２ａの、周囲の液体１１の圧力上昇によって、物体１２ａに外力が加えられる。また、物体１２ａの近傍におけるキャビテーション気泡の崩壊により発生するマイクロジェットの衝撃波によって、物体１２ａに外力が加えられる。これらの外力が物体１２ａの内圧を上回ると、物体１２ａは崩壊し微細化され、液体１１中に混合分散される。
【００３９】
また、図４（Ｂ）に示すように、物体１２が気体である場合、キャビテーション気泡に気体である物体１２が取り込まれ、気泡１２ｂを形成する。液体１１の急激な圧力上昇および乱流によって、気泡１２ｂに外力が加えられる。外力が気泡１２ｂの内圧を上回ると、気泡１２ｂは崩壊する。気泡１２ｂが崩壊し微細気泡になるとともに、気体である物体１２は微細化され、液体１１中に混合分散される。
【００４０】
微細化され液体１１中に混合分散された物体１２と、液体１１とは、図１に示すように、円錐状管径部６に接続されている配管系１８へ排出される。以上のように、この実施の形態の混合分散システムによって、キャビテーションを用いて物体１２を液体１１中に混合分散させることが可能である。
【００４１】
この実施の形態の混合分散装置１は、小径流路３ａの終端から徐々に断面積が大きくなる円錐状流路６ａを有している。そのため、小径流路３ａの終端の近傍において生じる圧力損失を低減することができる。圧力損失が小さいということは、液体１１が流れ易い、すなわち、液体１１の流速が大きいことを意味する。つまり、ベルヌィの定理を考慮すると、この実施の形態の混合分散装置１は、液体の静圧が下がり易い構造を有している。
【００４２】
このとき、小管径部３における液体１１の流速が最大となるような円錐状流路６ａの形状を選択することができる。図５は、小管径部における液体の流速と角度θとの関係を示すグラフである。図５において、縦軸は、小管径部３における液体１１の流速を示す。また横軸は、図１に示す角度θ、すなわち、円錐状管径部６における母線６ｂと中心軸Ｘとのなす角度を示す。
【００４３】
図５に示すように、小管径部３における液体１１の流速は、角度θが約４°であるときに最大値を示す。角度θが３°以上７°以下の範囲であれば、液体１１の流速が最も大きい範囲にあるといえる。すなわち、円錐状流路６ａは、中心軸Ｘと母線６ｂとがなす角度θが３°以上７°以下である円錐状の空間であれば、小管径部３における液体１１の静圧が最も下がりやすい。その結果、最も小さな動力で負圧部を形成してキャビテーションを発生させることが可能である。その結果、キャビテーション気泡の発生効率を向上させ、混合分散の処理能力を向上させることができる。
【００４４】
混合分散装置１の寸法に関しては、大管径部２の直径は、小管径部３に対して剥離流を形成するに十分大きく、かつ流速低下が生じない寸法であればより好ましく、たとえば１８ｍｍ以上２２ｍｍ以下とすることができる。また小管径部３の直径は、小径流路３ａにおける液体１１の圧力を飽和蒸気圧以下とできる寸法であればよく、たとえば３ｍｍ以上６ｍｍ以下とすることができる。また小管径部３の長さは、後述する物体導入口８の形成に支障がない程度に長く、流体抵抗が大きくならない程度に短い寸法であればより好ましく、たとえば５ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすることができる。また円錐状管径部６における角度θは流体抵抗が小さくなる角度範囲であればより好ましく、たとえば３°以上７°以下とすることができる。また円錐状管径部６の長さは、短すぎると急に管径の異なる流路に出たのと同じことになり流体抵抗が大きくなるため、流体抵抗が大きくならない程度に長い寸法であればより好ましく、たとえば３０ｍｍ以上とすることができる。
【００４５】
以上説明したように、直管である大管径部２および小管径部３と、円錐状管である円錐状管径部とを組み合わせた構成によって、混合分散装置１が形成される。混合分散装置１の内部の物体１２および液体１１の流路において、大管径部２から小管径部３への急縮小を除き、流体抵抗は小さい。すなわち、混合分散装置１の内部における圧力損失は小さい。よって、送液用ポンプ２０の所要動力を小さくでき、低動力で物体１２を液体１１中に混合分散させることができる。また、キャビテーション気泡の崩壊は円錐状管径部６の円錐状流路６ａにおいて発生するため、円錐状管径部６よりも上流側において物体１２を混合分散装置１へ導入することで、効率よく物体１２を液体１１中に混合分散させることができる。
【００４６】
また、キャビテーション気泡が崩壊する箇所、すなわち円錐状管径部６の円錐状流路６ａにおける圧力上昇部７の近傍には、円錐状流路６ａの漸次拡大を除き、流れに対する抵
抗がない。そのため、キャビテーション気泡の崩壊に伴い発生する圧力波が壊食を起こすことを抑制することができ、混合分散装置１の長寿命化を達成することができる。
【００４７】
なお、この実施の形態においては、液体１１と物体１２とは送液用ポンプ２０へ吸い込まれるときに既に混在していたが、液体１１と物体１２とは別々に混合分散装置１に導入されてもよい。その場合、物体１２を液体１１中に混合分散させるために、キャビテーション気泡の崩壊が起こる円錐状管径部６よりも上流側において、物体１２を液体１１に混在させる必要がある。たとえば配管系１７、大管径部２または小管径部３において物体１２を液体１１に混在させることができる。
【００４８】
また、送液用ポンプ２０は、混合分散装置１の上流側に配置され、送液用ポンプ２０により加圧された液体１１が混合分散装置１に導入されたが、送液用ポンプ２０は混合分散装置１の下流側に配置されてもよい。その場合、混合分散装置１はポンプの吸引側に配されるため、混合分散装置１内部における液体の圧力は、図３に示される圧力よりも負圧側となる。よって、小径流路３ａにおける液体１１の圧力は、飽和蒸気圧以下に達する。そのため、小径流路３ａにおいて、キャビテーション気泡が発生する。発生したキャビテーション気泡の崩壊によって、物体１２は液体１１中へ混合分散される。このとき、円錐状流路６ａにおける圧力上昇は、図３に示す圧力上昇よりも緩やかであると考えられ、その結果、円錐状流路６ａにおいて、全てのキャビテーション気泡を崩壊させるほどに液体１１の圧力が十分上昇しないことも考えられる。しかし、送液用ポンプ２０の内部において必ず液体１１は圧力上昇するため、キャビテーション気泡は送液用ポンプ２０の内部において必ず崩壊する。すなわち、混合分散装置１および混合分散装置１の下流側に配置された送液用ポンプ２０において、物体１２が液体１１中に混合分散する混合分散システムとなると考えられる。したがって、物体１２を液体１１中へ混合分散する効果が同様に奏される。
【００４９】
（実施の形態２）
図６は、実施の形態２の混合分散システムの全体を示す模式図である。実施の形態２の混合分散システムと、上述した実施の形態１の混合分散システムとは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態２では、小管径部が図６に示すような構成となっている点で実施の形態１とは異なっている。
【００５０】
具体的には、図６に示すように、小管径部３には物体導入孔８が形成されている。物体導入孔８は、小径流路３ａと混合分散装置１の外部とを連通するように形成されている。物体導入孔８の、混合分散装置１の外部側の端部において、物体導入用配管系３０が連結されている。物体導入用配管系３０は、貯留槽１０と物体導入口８とを連通している。
【００５１】
混合分散装置１の内部では、小径流路３ａにおいて最も液体１１の流速が大きくなる。小径流路３ａにおける液体１１の圧力は、ベルヌィの定理に基づき、外気圧に比して負圧となる。このとき、小管径部３に小径流路３ａよりも細い（流体抵抗の高い）物体導入孔８を形成し、物体１２を移送するための細管としての物体導入用配管系３０を物体導入孔８に接続すれば、小径流路３ａ内の負圧により物体１２を吸引し、ポンプなどの動力源を使用せずとも物体１２を混合分散装置１へ導入することができる。その結果、より低動力で物体１２を液体１１中に混合分散させることができる。
【００５２】
図７は、図６に示す貯留槽の内部を示す模式図である。図７に示すように、貯留槽１０の内部には、液体１１と、液体１１よりも比重が小さい物体１２とが貯留されている。また、貯留槽１０の内部には細管３１が設けられている。細管３１の一方の端部には開口部３２が設けられており、他方の端部は物体導入用配管系３０へ連結している。物体１２は、開口部３２を介して細管３１へ吸引され、物体導入用配管系３０を経由して、物体導入
孔８から混合分散装置１の小管径部３へ導入される。細管３１の開口部３２は、物体１２を含んだ液体１１の液面に接触している。
【００５３】
一つの貯留槽１０内に液体１１と物体１２とが共に貯留され、物体１２の比重が液体１１よりも小さい場合、物体１２を液体１１と共に吸引して混合分散装置１へ導入するのは困難である。そこで、液体１１の液面を浮遊する物体１２を吸引できるように、貯留槽１０の内部に細管３１を設け、細管３１の開口部３２が物体１２を含んだ液体１１の液面に接触するように細管３１を配置する。これによって、細管３１から物体１２を吸引することができる。したがって物体導入孔８を介して物体１２を小径流路３へ導入できるので、円錐状流路６において物体１２を液体１１中へ混合分散することができる。
【００５４】
なお、図６に示すように、配管系１８には、三方弁２１が設置されている。三方弁２１と貯留槽１０とを連通するように、還流用配管系２２が設けられている。液体１１中に混合分散された物体１２と、液体１１とは、円錐状管径部６に接続されている配管系１８へ排出される。このとき、液体１１と物体１２との混合分散が不十分と判断されれば、還流用配管２２を介して、液体１１と物体１２とを再度貯留槽１０へ戻すことができる。物体１２が十分液体１１中に混合分散されたと判断された時点で、三方弁２１が切り替えられ、液体１１と物体１２とは外部へと繋がる配管系１９へ排出される。
【００５５】
（実施の形態３）
図８は、実施の形態３の混合分散システムの全体を示す模式図である。実施の形態３の混合分散システムと、上述した実施の形態２の混合分散システムとは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態３では、小管径部が図８に示すような構成となっている点で実施の形態２とは異なっている。
【００５６】
具体的には、図８に示すように、物体導入孔８は、位置５において小径流路３ａに接続されている。すなわち、物体導入孔８は、剥離流が発生しやすく液体１１の圧力が負圧となりやすい位置である、大径流路２ａに接触している小管径部３の端面３ｂと、端面３ｂから下流に向かって２ｍｍの距離を隔てた位置との間の位置５に接続されている。液体１１の圧力が最も負圧となりやすい位置である端面３ｂから下流に向かって０．５ｍｍの距離を隔てた位置に、物体導入口８が接続されるとより好ましい。小管径部３の位置５付近では、図２に示すように、剥離流の影響によって最も液体１１が高流速となり、最も液体１１の圧力が低くなる。最も圧力が低くなる位置へ物体導入孔８を設けることによって、より容易に、小管径路８内の負圧により物体１２を吸引することができる。すなわち、物体導入孔８を介して、より容易に物体１２を混合分散装置１へ導入することができる。
【００５７】
（実施の形態４）
図９は、実施の形態４の貯留槽の内部を示す模式図であり、貯留槽をその上面から見た模式図である。図９に示すように、貯留槽１０の内部には細管３１が設けられている。細管３１の一方の端部には開口部３２が設けられており、他方の端部は物体導入用配管系３０へ連結している。物体１２は、液体１１に対し低い親和性を有する物質からなる。親和性とは、ある物質が他の物質と容易に結合する性質や傾向である。すなわち、液体１１に対し低い親和性を有する物体１２は、液体１１に溶けにくい、または混じりにくい。そのため、液体１１から分離して互いに集まる性質をもつ。
【００５８】
たとえば、液体１１が水、物体１２が油の場合、水の分子は液体であるから乱雑に激しく動いている。ところがここに疎水性分子が入ってくると、その付近の水分子は、疎水性分子と結合を作れないので、隣の水分子と水素結合を作ってしまい、動きがとれなくなる。つまり乱雑さが減少し、熱力学的にはエントロピーが減少し不安定になる。したがって、逆に疎水性分子が水から出て行く、すなわち油は油だけで集まる方が熱力学的に安定に
なる。このような、疎水性物質が水と分離する作用を疎水性相互作用という。
【００５９】
疎水性相互作用によって、液体１１に対し親和性の低い物体１２は、物体１２同士が集まって液体１１と接触する面積を減らそうとする。このとき、細管３１が液体１１に対し親和性の低い物質により形成されていると、物体１２は液体１１内での表面積を減らすため、開口部３２周辺に凝集する。したがって、物体１２を容易に細管３１の内部へ吸引することができる。
【００６０】
なお、実施の形態４においては、物体１２が液体１１に対し低い親和性を有する物質からなる例について説明したが、物体１２が液体１１に対し高い親和性を有する物質からなる場合は、細管３１を液体１１に対し高い親和性を有する物質により形成することができる。物体１２が液体１１に対し高い親和性を有する（すなわち、物体１２が液体１１に溶けやすい、または混じりやすい）のであれば、細管３１を液体１１に対し高い親和性を有する物質により形成することにより、毛管現象により物体１２は細管３１内部へ吸引されやすくなる。すなわち、細管３１を、物体１２の液体１１に対する親和性と同じ傾向の親和性を有する物質により形成することによって、物体１２を細管３１内に、より容易に吸引することができる。
【００６１】
（実施の形態５）
図１０は、実施の形態５の貯留槽の内部を示す模式図である。図１１は、細管の比重が小さい場合を示す模式図である。図１２は、細管の比重が大きい場合を示す模式図である。図１０に示すように、貯留槽１０の内部には細管３１が設けられている。細管３１の一方の端部には開口部３２が設けられており、他方の端部は物体導入用配管系３０へ連結している。また貯留槽１０の内部には、液体１１と、液体１１よりも比重が小さい物体１２とが貯留されている。
【００６２】
図１０〜図１２に示すように、物体１２は液体１１よりも比重が小さいため、貯留槽１０の内部において物体１２は液体１１の液面に浮かんでいる。このとき、図１１に示すように、細管３１の開口部３２において液面から出ており外気と接する部分が大きいと、物体１２よりも流体抵抗の少ない外気を吸引しやすくなる。逆に、図１２に示すように、細管３１の開口部３２が全て液体１１中に没していると、液面に浮かんでいる物体１２を吸引することができない。したがって、図１０に示すように、細管３１の開口部３２が貯留槽１０の内部において、開口部３２の面積のうち５０％以上１００％未満が液体１１中に没するように形成されていると、物体１２を細管３１へより効率的に吸引することができる。開口部３２の面積のうち９９％が液体１１に没するように細管３１が形成されていれば、より好ましい。これにより、貯留槽１０内部において、気体を優先的に吸引し物体１２が吸引されない事態、または、液体１１よりも比重の小さい物体１２を吸引できない事態を防止することができる。たとえば、細管３１の材質および形状を液体１１の比重に合わせ調整することにより、開口部３２の５０％以上１００％未満が常に液面１１中に没するように、細管３１を形成することができる。たとえば、細管３１の材質の比重を、液体１１の比重に対し９０％以上９９％以下とすることができる。たとえば、液体１１が水であり、物体１２の水に対する親和性（親水性）が低い場合には、細管３１の材質にはポリエチレン（比重約０．９５）を用いることができ、またポリアミド樹脂（比重約１．１）やフッ素樹脂（比重約２．２）をポーラス化（多孔質化）処理やその他の任意の方法により比重を調整して用いることができる。またたとえば、液体１１が水であり、物体１２の親水性が高い場合には、細管３１の表面および内面をガラスコーティングなどの親水化処理することができる。
【００６３】
（実施の形態６）
図１３は、実施の形態６の貯留槽の内部を示す模式図である。図１３において、（Ａ）
は物体１２を含んだ液体１１の液面が低い場合、（Ｂ）は物体１２を含んだ液体１１の液面が高い場合をそれぞれ示す。図１３に示すように、貯留槽１０の内部には細管３１が設けられている。細管３１の一方の端部には開口部３２が設けられており、他方の端部は可動部３０ａへ連結している。可動部３０ａは、物体導入用配管系３０と細管３１とを連通している。また貯留槽１０の内部には、液体１１と、液体１１よりも比重が小さい物体１２とが貯留されている。
【００６４】
可動部３０ａが設けられているため、細管３１は、貯留槽１０の内部において、物体１２を含んだ液体１１の液面の変動に対し追動可能である。すなわち、細管３１は、物体１２を含んだ液体１１の液面の上下動に関わらず常に液面付近にある。そのため、貯留槽１０の内部において物体１２を含んだ液体１１の液面高さが変動する場合でも、液体１１よりも比重が小さく液面に浮かんでいる物体１２を、常に容易に細管３１へ吸引することができる。たとえば、可動部３０ａをフレキシブルチューブなどの可撓性のある部材により作製することができる。また、細管３１の材質および形状を液体１１の比重に合わせ調整することにより、細管３１が常に液面付近にあるように、細管３１を形成することができる。たとえば、細管３１の材質の比重を、液体１１の比重に対し９０％以上９９％以下とすることができる。たとえば、液体１１が水であり、物体１２の水に対する親和性（親水性）が低い場合には、細管３１の材質にはポリエチレン（比重約０．９５）を用いることができ、またポリアミド樹脂（比重約１．１）やフッ素樹脂（比重約２．２）をポーラス化（多孔質化）処理やその他の任意の方法により比重を調整して用いることができる。またたとえば、液体１１が水であり、物体１２の親水性が高い場合には、細管３１の表面および内面をガラスコーティングなどの親水化処理することができる。
【００６５】
（実施の形態７）
図１４は、実施の形態７の貯留槽の内部を示す模式図である。図１５は、細管が液体に没していない場合を示す模式図である。図１５に示すように、細管３１の開口部３２側が物体１２を含んだ液体１１の液面にあり、細管３１の他方の端部３３側が外気中にあると、物体１２を細管３１に吸引しようとするとき、重力の関係により外気が細管３１に吸引されやすくなり、物体１２の吸引効率が低下する。そこで、図１４に示すように、細管３１の開口部３２側が液体１１の最も液面側にあり、細管３１の他方の端部３３側が液体中に没するよう、細管３１を配置する。これにより、液体１１の液面に浮かんでいる物体１２を容易に細管３１へ吸引することができ、気体を細管３１へ優先的に吸引し物体１２が吸引されない事態を防止することができる。
【００６６】
なお、実施の形態１から実施の形態７までの説明においては、図１、図６または図８に示すような構成の混合分散装置１を用いる混合分散システムの例を述べているが、混合分散装置の構成はこれらに限られない。以下、混合分散装置の変形例について説明する。
【００６７】
図１６は、混合分散装置の変形例１を示す模式図である。図１７は、図１６におけるＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線による断面図である。図１６に示すように、混合分散装置１００はその内部に、気体、液体、粉体などの物体１１２と液体１１１が混合された混合体１１３を生成する空間１０１を有している。混合分散装置１００には、空間１０１内へ物体を導くように物体導入口１０４が設けられている。また、混合分散装置１００には、空間１０１内へ液体を導くように液体導入口１０２が設けられている。さらに、混合分散装置１００には、空間１０１から外部へ混合体１１３を吐出する吐出口１０３が設けられている。物体導入口１０４には、物体導入管１０５が接続されている。図１７に示すように、物体導入管１０５は、内壁構成部材１０６を含んでいる。
【００６８】
内壁構成部材１０６の一例としては、フッ素樹脂を含む材料が考えられる。一般に、フッ素樹脂は高い化学安定性を有している。そのため、オゾンなどの酸化力の強い気体が物
体導入管１０５を介して空間１０１に導かれる場合においても、フッ素樹脂を含む材料からなる内壁構成部材１０６を含んでいる物体導入管１０５の内壁面は腐食されない。内壁構成部材１０６は、たとえば、薄肉パイプとして物体導入管１０５内に嵌め込まれてもよい。また、内壁構成部材１０６は、物体導入管１０５の主材料となる基材の表面にフッ素皮膜処理によって形成されてもよい。
【００６９】
空間１０１は、エゼクタ構造を有している。エゼクタ構造は、いわゆるベンチュリ管によって構成されている。ベンチュリ管は、図１６のように、縮流部１１６、細管部としてのスロート部１１４、および拡散部１１７を含んでいる。縮流部１１６は、上流側から下流側へ、すなわち液体導入口１０２側から吐出口１０３側へ、徐々に流路の断面積が小さくなる円錐状の空間である。また、拡散部１１７は、上流側から下流側へ除々に流路の断面積が大きくなる円錐状の空間である。さらに、スロート部１１４の一方端は、縮流部１１６の最も断面積が小さい端部に接続されている。また、スロート部１１４の他方端は、拡散部１１７の最も断面積が小さい端部に接続されている。スロート部１１４は円柱状の空間である。
【００７０】
混合分散装置１００が使用されるときには、混合分散装置１００は液体中へ浸漬されるかまたは配管系へ接続される。混合分散装置１００においては、液体１１１が液体導入口１０２から縮流部１１６へ流れこむように、ポンプなどが用いられる。
【００７１】
混合分散装置１００が駆動されるときには、加圧された液体１１１が液体導入口１０２から縮流部１１６へ導入される。縮流部１１６の流路の断面積が除々に小さくなるため、液体１１１の流速は除々に大きくなる。それにより、液体１１１の流速は、スロート部１１４において最も大きくなる。そのため、スロート部１１４においては、液体１１１の動圧が最も大きくなる。したがって、ベルヌィの定理にしたがって、スロート部１１４においては、静圧が最も小さくなる。その結果、スロート部１１４の圧力は、大気圧を基準として、負圧になる。スロート部１１４が負圧になると、外部から物体導入管１０５および物体導入口１０４を介してスロート部１１４へ物体１１２が吸引される。
【００７２】
このとき液体１１１の流速が一定値以上になると、スロート部１１４における液体１１１の圧力は、液体１１１の飽和蒸気圧以下になる。液体１１１の圧力が飽和蒸気圧以下になると、キャビテーションが発生する。すなわち、液体１１１は、その内部に含まれている微小な気泡またはごみを核として沸騰する。沸騰現象によって液体１１１が気化し、液体１１１と同一組成の気体で満たされたキャビテーション気泡が液体中に発生する。
【００７３】
拡散部１１７の流路の断面積は、スロート部１１４の流路の断面積よりも大きい。そのため、液体１１１がスロート部１１４から拡散部１１７へ流れると、液体１１１の流速は低下する。それにより、拡散部１１７の液体１１１においては、動圧が低下し、静圧が増加する。キャビテーション気泡は、この急激な圧力上昇によって崩壊する。その結果、物体１１２は拡散部１１７において粉砕される。その結果、物体１１２は微細化され、微細化された物体１２０は液体１１１に混合される。その結果、混合体１１３が吐出口１０３から外部へ吐出される。
【００７４】
混合分散装置１００の寸法に関しては、たとえば、縮流部１１６の長さが２０ｍｍであり、縮流部１１６の入口の内径が４０ｍｍであり、スロート部１１４の内径が４ｍｍであり、スロート部１１４の長さが３０ｍｍであり、拡散部１１７の長さが１００ｍｍであり、拡散部１１７の広がり角ψが８°であり、物体導入管１０５の内径が０．１ｍｍであるものとする。液体導入口１０２における液体１１１の圧力は、たとえば、０．０５ＭＰａであるものとする。
【００７５】
液体１１１中に混合分散される物体１１２が気体である場合、微細化された物体１２０は、直径が１００μｍ以下の気泡である微細気泡である。微細気泡は、単位体積あたりの表面積が大きく、気体と液体１１１との単位体積あたりの接触面積が増加する。また微細気泡は、液体の表面張力に起因する自己加圧効果と、微細気泡の浮力が小さいために微細気泡が液体１１１中に滞留しやすくなる滞留効果を有している。そのため微細気泡は、極めて高い溶解能力を有する。したがって、微細気泡が混合分散装置１００内部の液体または外部の液体１１１に混合されることによって、気体である物体１１２が液体１１１に効率的に溶解され得る。一般的には、気体が液体１１１に効率的に溶解されるためには、微細気泡の直径が５０μｍ〜１００μｍ以下であることが望ましいと言われている。この混合分散装置１００においては、直径が平均３５μｍである微細気泡が発生するものとする。
【００７６】
気体である物体１１２は、オゾン、酸素または空気などのいかなる気体であってもよいが、オゾンなどの酸化力の強い気体が用いられる場合には、フッ素樹脂を含む材料により内壁構成部材１０６を作製することにより、フッ素樹脂の耐薬品性が特に有効に作用する。物体導入管１０５の内壁面である内壁構成部材１０６のみがフッ素樹脂材料で形成されていれば、物体導入管１０５の内壁表面部以外の部分を、たとえば金属材料のような強度が大きい材料を用いて形成することができる。そのため、物体導入管１０５の設計のバリエーションが豊富になる。その結果、物体導入管１０５の設計が容易になる。
【００７７】
また、物体導入管１０５の表面上には、フッ素樹脂材料によって皮膜処理が施されていてもよい。これによれば、フッ素樹脂材料の使用量が低減される。この場合、内壁構成部材１０６のフッ素皮膜の膜厚は１μｍ以上であることが好ましい。なぜならば、フッ素皮膜の膜厚が１μｍ未満である場合には、物体１１２としてオゾンなどの酸化力の強い物質が使用されるときに、物体１１２がフッ素皮膜を浸透して物体導入管１０５の基材を腐食させるためである。
【００７８】
物体導入管１０５の基材の表面がフッ素皮膜処理される方法としては、たとえば、次のような第１〜第４の方法がある。
【００７９】
第１の方法においては、まず、真空中で基材を回転させながら基材の表面にフッ素皮膜が塗布される。次に、そのフッ素皮膜が乾燥させられる。その後、フッ素皮膜が焼成される。
【００８０】
第２の方法においては、まず、混合分散装置１００の物体導入管１０５以外の部分が、真空中でＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）溶液中へ浸漬される。次に、混合分散装置１００が大気中に置かれる。それにより、ＰＴＦＥが、大気の圧力によって押され、物体導入管１０５内を通過する。その後、物体導入管１０５内のＰＴＦＥが乾燥するように焼成される。
【００８１】
第３の方法としては、混合分散装置１００がＰＴＦＥ溶液中に浸漬された状態で駆動される。それにより、物体導入管１０５内をＰＴＦＥが通過する。その結果、ＰＴＦＥ膜が、物体導入管１０５の内壁面に塗布され、その後、乾燥するように焼成される。
【００８２】
第４の方法としては、混合分散装置１００がテトラフルオロエチレン溶液に浸漬され、重合反応によりフッ素皮膜が物体導入管１０５の内壁面上に付着する。
【００８３】
また、フッ素樹脂の成型によって、物体導入管１０５全体がフッ素樹脂材料で形成されていてもよい。これによれば、物体導入管１０５の製造工程が簡略化される。また、フッ素樹脂は金属ではないため、物体導入管１０５と他の金属との接触に起因する電解腐食の
発生が防止される。その結果、物体導入管１０５にピンホールが形成されるなどの物体導入管１０５の劣化を防止することができる。また、混合分散装置１００および物体導入管１０５全体が、フッ素樹脂の一体成型によって形成されてもよい。このような一体成型によれば、部品点数が低減される。
【００８４】
なお、物体導入管１０５の数は、１本に限定されず、２本以上あってもよい。物体導入管５が２本以上設けられる混合分散装置１００によれば、個々の物体導入管１０５が別々の物体を導入することにより、２種類以上の物体を液体に溶解させることができる。なお、液体１１１は、水に限定されずいかなる液体であってもよく、たとえば有機溶剤または油などであってもよい。
【００８５】
また、物体１１２は、吸引力によってスロート部１１４へ導かれてもよいが、押圧力によってスロート部１１４へ押し込まれてもよい。また、液体も、吸引力によってスロート部１１４へ導かれてもよいが、押圧力によってスロート部１１４へ押し込まれてもよい。
【００８６】
以上のように、混合分散装置の変形例１においては、空間１０１がベンチュリ管によって構成され、キャビテーション気泡がベンチュリ管を通過する液体１１１中において発生する。そのため、空間１０１内の激しい乱流流れ場または空間内の急激な圧力変化を利用して効率的にキャビテーション気泡を崩壊させ、物体１１２を液体１１１中に混合分散させることができる。液体１１１中に混合分散される物体１１２が気体である場合は、気体と液体１１１との接触面積の増加、自己加圧効果、および滞留効果によって、高い溶解能力が得られる。その結果、気体が液体１１１中に効率的に溶解され得る。
【００８７】
さらに、ベンチュリ管によれば、液体導入口１０２を通過する液体１１１の流れる方向と吐出口１０３を通過する液体１１１の流れる方向とが同一である。そのため、液体１１１の圧力損失が小さい。したがって、液体導入口１０２から空間１０１へ供給される液体１１１に与えられる圧力が小さい場合においても、物体１１２を液体１１１中に混合分散させることができる。また、たとえば、水などの液体中に混合分散装置１００を浸けて、液体中に意図的に流れを生じさせることができる。また、混合分散装置１００を配管系に組み込むことができる。
【００８８】
図１８は、混合分散装置の変形例２を示す模式図である。図１９は、図１８におけるＸＩＸ−ＸＩＸ線による断面図である。図１８に示すように、混合分散装置２００はその内部に、気体、液体、粉体などの物体２１２と液体２１１が混合された混合体２１３を生成する、旋回流が生じ得る形状からなる空間２０１を有している。図１８および図１９に示すように、空間２０１の形状は、円柱状であるが、旋回流が生じ得る形状であれば、多角柱状などの他の形状であってもよい。
【００８９】
空間２０１の側面には液体導入口２０２が設けられている。液体導入口２０２は、空間２０１内において旋回流を生じさせるように空間２０１へ液体を導く配管に接続されている。また、空間２０１の一方の底面には、物体導入口２０４が設けられている。また、物体導入口２０４には物体導入管２０５が接続されている。外部から物体導入管２０５を介して空間２０１へ物体２１２が導かれる。また、空間２０１の他方の底面には、吐出口２０３が設けられている。混合体２１３が、吐出口２０３を中心として旋回するように、吐出口２０３から外部へ吐出される。
【００９０】
物体導入管２０５は、内壁構成部材２０６を含んでいる。内壁構成部材２０６は、たとえば、フッ素樹脂によって形成されてもよい。フッ素樹脂は高い化学安定性を有しているため、物体２１２としてオゾンなどの酸化力の強い気体が使用される場合においても、物体導入管２０５の内壁面の腐食が防止される。
【００９１】
空間２０１は、断面が円形である円柱形状をなしている。液体導入口２０２は、図１８および図１９に示されるように、空間２０１の側面に設けられており、一方の底面に平行な円形断面の接線方向に沿って延びる液体導入用配管に接続されている。このように、円柱状の空間２０１の側面の接線方向に沿って延びる液体導入用配管に接続された液体導入口２０２が設けられているため、空間２０１内において旋回流を高い効率で発生させることができる。
【００９２】
物体導入口２０４は、一方の底面のほぼ中心位置に設けられている。一方の底面の中心位置においては、旋回流に起因して、圧力が最も小さくなる。そのため、物体導入口２０４が円形の底面の中心位置に設けられていれば、物体２１２が円柱状の空間１内へ効率的に吸引される。
【００９３】
各部の寸法に関しては、たとえば、液体導入口２０２の内径が４ｍｍであり、物体導入管２０５の内径が０．１ｍｍであり、吐出口２０３の内径６ｍｍ、かつ、円柱状の空間２０１の内径５０ｍｍ、円柱状の空間２０１の長さが６０ｍｍであるものとする。液体導入口２０２を通過する液体２１１の圧力は、たとえば、０．１０ＭＰａであるものとする。
【００９４】
混合分散装置２００が使用されるときには、少なくとも吐出口２０３は液体中に挿入される。このとき、液体導入口２０２から空間２０１へ液体２１１が押圧力によって導入される。それにより、空間２０１内において旋回流２２１が生成される。そのため、空間２０１の中心軸およびその近傍に負圧部が形成される。この負圧部によって物体導入口２０４から空間２０１へ物体２１２が吸引される。その結果、圧力が最も低い空間２０１の中心軸およびその近傍を物体２１２が通過する。このとき、空間２０１の中心軸に沿う細い紐状の物体通過部が形成される。
【００９５】
この空間２０１では、物体導入口２０４から吐出口２０３までの間において紐状の物体通過部が形成される。それにより、混合分散装置２００の外部の液体の流れの速度と混合分散装置２００内の旋回流２２１の速度との差に起因して、物体通過部が剪断される。その結果、物体２１２は粉砕されて微細化され、微細化された物体２２０が効率的に発生する。
【００９６】
混合分散される物体２１２が気体である場合、微細化された物体２２０は、直径が１００μｍ以下の気泡である微細気泡である。微細気泡は、単位体積あたりの表面積が大きく、かつ、自己加圧効果および滞留効果も有しているため、極めて高い溶解能力を有している。そのため、微細気泡が液体２１１へ溶解されることによって、気体である物体２１２が液体２１１に効率的に混合される。気体が液体２１１に効率的に溶解されるためには、微細気泡の直径は一般にφ５０μｍ〜１００μｍであることが望ましいと言われている。この混合分散装置２００においては、平均径４０μｍの気泡が発生するものとする。
【００９７】
なお、液体導入口２０２は、図１９において旋回流２２１が時計回り旋回するように設けられているが、旋回流が反時計回りに旋回するように設けられていてもよい。また、物体２１２は、吸引力によって空間２０１へ導かれてもよいが、押圧力によって空間２０１へ押し込まれてもよい。
【００９８】
以上のように、混合分散装置の変形例２においては、空間２０１が旋回流を生じさせ得るような形状に構成されており、液体導入口２０２が空間２０１内において旋回流を生じさせ得るような位置に設けられている。液体２１１中に混合分散される物体２１２が気体である場合は、旋回流の中心部に形成される負圧部において、空間２０１内の急激な圧力変化または空間内の激しい乱流流れ場を利用して効率的に微細気泡を発生させることがで
きる。その結果、液体２１１と気体との接触面積の増加、自己加圧効果、および滞留効果による高い溶解能力が得られる。その結果、気体は、効率的に液体２１１中に溶解することができる。
【００９９】
さらに、旋回流を生じさせる空間２０１が形成される場合には、ベンチュリ管が用いられる場合と異なり、細管を設ける必要がない。そのため、旋回流が生じる空間２０１の径をベンチュリ管によって形成される空間の径よりも大きくすることができる。したがって、たとえば、水などの液体中にスラリーなどの懸濁物質が多く含まれている場合においても、液体が流れる空間２０１が懸濁物質によって閉塞されることが防止される。
【０１００】
また、混合体２１３は、吐出口２０３を中心部として旋回しながら吐出口２０３から吐出される。そのため、たとえば、混合分散装置２００が、水などの液体中に浸漬されている場合に、液体の元来の流れが、吐出口２０３から吐出される混合体２１３によって大きく阻害されることがない。
【０１０１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
この発明の混合分散装置および混合分散システムは、物体としての油を液体としての水中に混合分散させ、Ｏ／Ｗエマルションを生成する用途に、特に有利に適用され得る。たとえば、食器洗い乾燥機に利用する場合は、食用油を洗浄水中に乳化することによって、洗浄した食用油が食器に再付着することを防止でき、洗浄効率の向上および節水の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】この発明の実施の形態１の混合分散システムの全体を示す模式図である。
【図２】図１に示す領域ＩＩ付近の流速ベクトルを示す図である。
【図３】図１に示す混合分散装置内部の壁面における液体の圧力を示すグラフである。
【図４】キャビテーションを利用して物体を微細化する模式図である。
【図５】小管径部における液体の流速と角度θとの関係を示すグラフである。
【図６】実施の形態２の混合分散システムの全体を示す模式図である。
【図７】図６に示す貯留槽の内部を示す模式図である。
【図８】実施の形態３の混合分散システムの全体を示す模式図である。
【図９】実施の形態４の貯留槽の内部を示す模式図である。
【図１０】実施の形態５の貯留槽の内部を示す模式図である。
【図１１】細管の比重が小さい場合を示す模式図である。
【図１２】細管の比重が大きい場合を示す模式図である。
【図１３】実施の形態６の貯留槽の内部を示す模式図である。
【図１４】実施の形態７の貯留槽の内部を示す模式図である。
【図１５】細管が液体に没していない場合を示す模式図である。
【図１６】混合分散装置の変形例１を示す模式図である。
【図１７】図１６におけるＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線による断面図である。
【図１８】混合分散装置の変形例２を示す模式図である。
【図１９】図１８におけるＸＩＸ−ＸＩＸ線による断面図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１ 混合分散装置、２ 大管径部、２ａ 大径流路、３ 小管径部、３ａ 小径流路、３ｂ 端面、３ｃ 内周面、４ 縮流部、５ 位置、６ 円錐状管径部、６ａ 円錐状流路、６ｂ 母線、７ 圧力上昇部、８ 物体導入孔、１０ 貯留槽、１１ 液体、１２ 物体、１２ａ 液体または粉体である物体、１２ｂ 気泡、１６，１７，１８，１９ 配管系、２０ 送液用ポンプ、２１ 三方弁、２２ 還流用配管系、３０ 物体導入用配管系、３０ａ 可動部、３１ 細管、３２ 開口部、３３ 端部、１００ 混合分散装置、１０１ 空間、１０２ 液体導入口、１０３ 吐出口、１０４ 物体導入口、１０５ 物体導入管、１０６ 内壁構成部材、１１１ 液体、１１２ 物体、１１３ 混合体、１１４ スロート部、１１６ 縮流部、１１７ 拡散部、１２０ 微細化された物体、２００
混合分散装置、２０１ 空間、２０２ 液体導入口、２０３ 吐出口、２０４ 物体導入口、２０５ 物体導入管、２０６ 内壁構成部材、２１１ 液体、２１２ 物体、２１３ 混合体、２２０ 微細化された物体、２２１ 旋回流、Ｘ 中心軸、θ 角度。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、混合分散装置および混合分散システムに関し、特に、物体を液体中に混合分散させる混合分散装置および混合分散システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
気体、液体、粉体などの物体を液体中に混合分散させる装置として、従来、種々の装置が知られている。たとえば、槽内で攪拌器を高速回転させ混合する装置、容器内に液体を導入して旋回流を形成させ混合する装置が知られている。
【０００３】
液体中に混合分散させる物体の液体に対する親和性が低い、すなわち物体と液体とが相互に混じり合わない場合がある。このような物体は液体中に分散させても、物体同士が合体することで界面の表面積を小さくする作用が働く。よって、液体に対する親和性が低い物体は、静止状態では最終的には液体と分離するため、液体中への混合分散は困難である。
【０００４】
これに対し、静止状態では混合が困難な２種類以上の液体を、キャビテーションを用いて乳化させる流体混合装置が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
【０００５】
この流体混合装置は、筒型の混合ケースと、混合ケースの一方側に設けられ混合ケース内に２層の噴流を噴出する二重構造の導入口と、混合ケースの他方側に設けられ２種類の流体（流体Ａと流体Ｂ）の乳化液を排出する排出口とを備えている。混合ケースはその内部に、拡径ノズルと縮径部材とガイド部材とを含んでいる。拡径ノズルは、二重構造の導入口にその基部が連接し、混合ケースの内側に向かって拡径しながら突出して設けられている。縮径部材は、拡径ノズルの先端に設けられている。ガイド部材は、下流方向に徐々に縮径して設けられており、乳化液を排出口へ円滑に導く。また、二重構造の導入口には、それぞれ移送パイプが接続されている。個々の移送パイプには、それぞれ移送ポンプが設置されている。
【０００６】
２種類の流体（流体Ａと流体Ｂ）は、混合ケース内に、別々の移送パイプを通じて移送される。流体Ａと流体Ｂとは、二重構造の導入口を介して、混合ケース内に噴出する。拡径ノズル内において、噴出した流体Ａと流体Ｂとによってせん断力が発生する。このせん断力によって流体Ａおよび流体Ｂに負圧が加わり、流体Ａまたは流体Ｂが飽和蒸気圧より低圧となると沸騰して気泡が発生する（この現象をキャビテーションといい、発生する気泡をキャビテーション気泡という）。キャビテーション気泡は、拡径ノズル付近の負圧の中で成長して大きくなるが、その後流体が圧力を回復して正圧になると崩壊する。キャビテーション気泡の崩壊によって、局所的に圧力波が発生する。このとき、圧力波の衝撃で流体Ａと流体Ｂとの粒子が破壊され、さらに小さな粒子となって混ざり合い、エマルション（乳化液）ができる。
【特許文献１】特開２０００−１７６２６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の流体混合装置においては、拡径ノズルの先端に設けられる縮径部材を流体が通過するときに、流体の圧力を上昇させ、キャビテーション気泡を崩壊させる。この縮径部材は流体の流れに対する抵抗として作用し、圧力損失増加の原因となる。よって液体を移送するための移送ポンプの所要動力が増大していた。また、縮径部材近傍におけるキャビテーション気泡の崩壊により発生する圧力波によって、縮径部材の表面が損傷する壊食が発
生する可能性があった。
【０００８】
また、従来の流体混合装置においては、２種類の流体の比重が異なる場合、それぞれの流体を混合ケース内に移送するために、移送ポンプを２基必要としていた。よって混合分散装置の製造コストが増加するとともに、２基の移送ポンプを運転させるための所要動力を必要とすることから、ランニングコストも増加していた。さらに、比重の小さい物体を移送するときに、移送パイプへ吸引されにくいという問題があった。
【０００９】
したがって、この発明の主たる目的は、キャビテーションを用いて物体を液体中に混合分散させる混合分散装置であって、低動力で安定してキャビテーション気泡の発生および崩壊を起こさせることができ、装置を構成する部品の損傷を抑制し長寿命化を達成可能な混合分散装置を提供することである。また、この発明の他の目的は、比重の異なる物体と液体とを混合分散装置へ容易に移送可能な混合分散システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る混合分散装置は、物体を液体中に混合分散する混合分散装置であって、相対的に大きな径の円柱状の大径流路を有する大管径部と、大径流路に連通しておりかつ相対的に小さな径の円柱状の小径流路を有する小管径部と、小径流路に連通しておりかつ小径流路から徐々に径が大きくなる円錐状流路を有する円錐状管径部とを備えている。小管径部の端面と小管径部の内周面とが当該混合分散装置の縦断面において縮流部を構成する。小管径部の端面が大径流路に接触している。そして、物体は、円錐状管径部よりも上流側において当該混合分散装置へ導入され、円錐状流路において物体を液体中に混合分散する。
【００１１】
この場合は、直管と円錐状管とを組み合わせた構成によって混合分散装置が形成される。混合分散装置内部の物体および液体の流路において、大管径部から小管径部への急縮小を除き、流体抵抗は小さい。すなわち、混合分散装置内部における圧力損失は小さい。よって、移送ポンプの所要動力を小さくでき、低動力で物体を液体中に混合分散させることができる。また、キャビテーション気泡の崩壊は円錐状管径部の円錐状流路において発生する。よって、円錐状管径部よりも上流側、すなわち円錐状管径部から小管径部へ向かう側において物体を混合分散装置へ導入することで、効率よく物体を液体中に混合分散させることができる。また、気泡が崩壊する箇所の近傍には、円錐状流路の漸次拡大を除き、流れに対する抵抗がない。そのため、壊食の発生を抑制することができ、混合分散装置の長寿命化を達成することができる。
【００１２】
好ましくは、円錐状流路は、中心軸と母線とがなす角度が３°以上７°以下である円錐状の空間である。この場合は、小管径部における液体の流速が最大となるような円錐状流路の形状を選択することができる。その結果、キャビテーション気泡の発生効率が向上し、混合分散の処理能力が向上する。
【００１３】
また好ましくは、小管径部には、小径流路へ物体の少なくとも一部を導くように、小径流路と外部空間とを連通させる物体導入孔が形成されている。この場合は、物体を移送するための動力を使用せず、物体導入孔を介して、物体を混合分散装置へ導入することができる。
【００１４】
すなわち、混合分散装置の内部では、小径流路において最も液体の流速が大きくなる。小径流路における液体の圧力は、ベルヌィの定理に基づき、外気圧に比して負圧となる。よって、小管径部に小径流路よりも細い（流体抵抗の高い）物体導入孔を形成し、物体を移送するための細管を物体導入孔に接続すると、小径流路内の負圧により物体を吸引し、ポンプなどの動力源を使用せずとも物体を混合分散装置へ導入することができる。
【００１５】
また好ましくは、物体導入孔は、小管径部の大径流路に接触している端面と小管径部の端面から下流、すなわち小管径部から円錐状管径部に向かう側に向かって２ｍｍの距離を隔てた位置との間の位置に接続されている。この場合は、物体導入孔を介して、より容易に物体を混合分散装置へ導入することができる。すなわち、小管径部の端面付近では剥離流の影響によって液体が最も高流速となり、液体の圧力が最も低くなる。最も圧力が低くなる位置へ物体導入孔を設けることによって、より容易に、小径管路内の負圧により物体を吸引することができる。
【００１６】
この発明に係る混合分散システムは、貯留槽と、送液用ポンプと、混合分散装置とを直列に連結してなる。貯留槽には、液体と、液体よりも比重が小さい物体とが貯留されている。貯留槽の内部には、細管が設けられる。細管は、混合分散装置の小径流路へ物体の少なくとも一部を導くための物体導入孔へ連通する。細管は、その開口部が液体の液面に接触するように、配置される。
【００１７】
一つの貯留槽内に液体と物体とが共に貯留され、物体の比重が液体よりも小さい場合、物体を液体と共に吸引して混合分散装置へ導入するのは困難である。そこで、液体の液面を浮遊する物体を吸引できるように、貯留槽の内部に細管を設け、細管の開口部が液体の液面に接触するように細管を配置する。これによって、細管から物体を吸引することができる。したがって物体導入孔を介して物体を小径流路へ導入できるので、円錐状流路において物体を液体中へ混合分散することができる。
【００１８】
また好ましくは、細管は、物体の液体に対する親和性と同じ傾向の親和性を有する物質により形成されている。この場合は、物体を細管内により容易に吸引することができる。すなわち、物体が液体に対し高い親和性を有する（すなわち、物体が液体に溶けやすい、または混じりやすい）のであれば、細管を液体に対し高い親和性を有する物質により形成することにより、毛管現象により物体は細管内部へ吸引されやすくなる。一方、物体が液体に対し低い親和性を有する（すなわち、物体が液体に溶けにくい、または混じりにくい）のであれば、細管を液体に対し低い親和性を有する物質により形成することにより、細管の開口部周辺に物体が集まるため、物体は細管内部へ吸引されやすくなる。
【００１９】
また好ましくは、細管は、開口部が貯留槽の内部において液体に５０％以上１００％未満没するように形成されている。この場合は、物体を細管へより効率的に吸引することができる。すなわち、気体を優先的に吸引し物体が吸引されない事態を防止することができる。または、細管が液体に没し、液体よりも比重の小さい物体を吸引できない事態を防止することができる。
【００２０】
また好ましくは、細管は、液体の液面の変動に追動可能である。この場合は、貯留槽の内部において液体の液面レベルが変動する場合でも、液体よりも比重が小さい物体を常に細管へ吸引することができる。
【００２１】
また好ましくは、貯留槽の内部において、細管の開口部と反対側の端部が液体に没し、開口部が最も液面側に位置する。この場合は、気体を細管へ優先的に吸引し物体が吸引されない事態を防止することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、この混合分散装置によると、低動力で安定してキャビテーション気泡の発生および崩壊を起こさせることができ、装置を構成する部品の損傷を抑制し混合分散装置の長寿命化を達成可能である。また、この混合分散システムによると、比重の異なる物体を混合分散装置へ容易に移送可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１の混合分散システムの全体を示す模式図である。図１に示すように、混合分散装置１は、大管径部２と、小管径部３と、円錐状管径部６とを備えている。大管径部２は、相対的に大きな径の円柱状の大径流路２ａを有している。小管径部３は、大径流路２ａに連通しておりかつ相対的に小さな径の円柱状の小径流路３ａを有している。円錐状管径部６は、小径流路３ａに連通しておりかつ小径流路３ａから徐々に径が大きくなる円錐状流路６ａを有している。
【００２５】
混合分散システムは、貯留槽１０と、送液用ポンプ２０と、混合分散装置１とを直列に連結してなる。配管系１６は、貯留槽１０と送液用ポンプ２０とを連通する。配管系１７は、送液用ポンプ２０と混合分散装置１の大管径部２とを連通する。配管系１８は、混合分散装置１の円錐状管径部６に連結している。
【００２６】
大径流路２ａ、小径流路３ａ、および円錐状流路６ａは、共通の中心軸Ｘを有している。大管径部２の外周面、小管径部３の外周面、および円錐状管径部６の外周面は、中心軸Ｘとする１つの円柱の周面内に含まれている。
【００２７】
小管径部３の端面３ｂと小管径部３の内周面３ｃとは、混合分散装置１の縦断面において、縮流部４を構成している。また、小管径部３の端面３ｂが大径流路２ａに接触している。
【００２８】
図１に示すように、貯留槽１０には、液体１１と、液体１１よりも比重が小さい物体１２とが貯留されている。物体１２は液体であってもよく、粉体であってもよい。また、物体１２は、たとえばタンクのような閉空間である貯留槽１０の内部に液体１１とともに貯留されている、気体であってもよい。また、気体、液体もしくは粉体である物体１２は、液体１１が貯留されている貯留槽とは別のタンクやボンベに貯留されていてもよい。
【００２９】
次に、実施の形態１の混合分散システムを用いて、物体１２を液体１１中に混合分散する例を説明する。液体１１としてたとえば水を、物体１２としてたとえば油を用いることができる。送液用ポンプ２０を駆動させると、貯留槽１０に貯留されている液体１１と物体１２とは共に、配管系１６を介して送液用ポンプ２０へ吸い込まれる。その後液体１１と物体１２とは共に、送液用ポンプ２０から吐き出され、配管系１７を介して、混合分散装置１の大径流路２ａへ導入される。
【００３０】
大径流路２ａへ導入された液体１１と物体１２とは、小径流路３ａへ到る。大径流路２ａから小径流路３ａへかけて、流路断面積が急激に小さくなる（急縮小）。それにより、液体１１と物体１２との流速は急激に上昇する。
【００３１】
この実施の形態においては、小管径部３の端面３ｂと小管径部３の内周面３ｃとは、角度が略９０°である縮流部４を構成している。そのため、大径流路２ａを流れる液体は、小管径部３の端面３ｂに衝突する。その結果、液体の圧力は、縮流部４の近傍の小径流路３ａ内の位置５で最も低くなる。それは、縮流部４によって流れの向きが急に変えられるため、縮流部４の近傍の位置５において、剥離流が発生するためである。すなわち、位置５での液体１１の圧力は、局所的に発生する剥離流によって、他の位置での液体１１の圧力よりも低くなっている。
【００３２】
図２は、図１に示す領域ＩＩ付近の流速ベクトルを示す図である。図２に示すように、小管径部３では、縮流部４によって流れの向きが急に変えられており、縮流部４の近傍の位置５において、剥離流が発生している。そのため、液体１１と物体１２との流速は、位置５において他の位置よりも速くなっている。すなわち、液体１１の圧力は、位置５において他の位置よりも低くなっている。
【００３３】
図３は、図１に示す混合分散装置内部の壁面における液体の圧力を示すグラフである。図３において、縦軸は、液体１１の圧力を示す。また横軸は、混合分散装置１の軸方向位置を示す。すなわち、混合分散装置１の内部の壁面部の、中心軸Ｘに沿った方向の位置を示す。軸方向位置Ａは、大管径部２と小管径部３との接続する位置を示す。軸方向位置Ｂは、小管径部３と円錐状管径部６との接続する位置を示す。軸方向位置Ｃは、円錐状管径部６の内部の圧力上昇部７の位置を示す。
【００３４】
図３に示すように、軸方向位置Ａにおいて、液体１１の圧力は急激に減少する。このとき液体１１の流速が一定値以上になると、小径流路３ａにおける液体１１の圧力は、大気圧に対して負圧となり、液体１１の飽和蒸気圧以下になる。たとえば、室温大気圧下で液体として水を使用し、大管径部直径２０ｍｍ、小管径部直径４ｍｍ、小管径部の軸方向長さ３０ｍｍ、円錐状管径部の母線６ｂと中心軸Ｘとがなす角度（θ）４°、円錐状管径部の軸方向長さ４０ｍｍである混合分散装置１を使用し、大管径部入口に０．０４５ＭＰａの圧力を与えた場合、大管径部で９ｍ／ｓｅｃの流速が発生し、小管径部の圧力は０．００３４ＭＰａ（０．０３４気圧）となる。
【００３５】
液体１１の圧力が飽和蒸気圧以下になると、液体１１は、その内部に含まれている微小な気泡またはごみを核として沸騰する。沸騰現象によって液体１１が気化し、液体１１と同一組成の気体で満たされた気泡が液体中に発生する。これが、キャビテーションである。小管径部３から円錐状管径部６にかけて液体１１の低圧が維持されるために、キャビテーションにより発生した気泡（キャビテーション気泡）は膨張する。
【００３６】
円錐状流路６ａの断面積は、小管径部３側から下流側へ向かって徐々に大きくなる。そのため、円錐状流路６ａにおいて液体１１の流速は減少する。その結果、図３に示すように、軸方向位置Ｃ付近で急激に圧力が上昇する。キャビテーション気泡は、この急激な圧力上昇および円錐状流路６ａにおいて生じている乱流によって崩壊する。キャビテーション気泡の崩壊によって、物体１２は粉砕され微細化して、液体１１中に混合分散される。
【００３７】
図４は、キャビテーションを利用して物体を微細化する模式図である。図４において、（Ａ）は物体１２が液体または、粉体の集合体である場合、（Ｂ）は物体１２が気体である場合をそれぞれ示す。
【００３８】
図４（Ａ）に示すように、液体または、粉体の集合体である、物体１２ａの、周囲の液体１１の圧力上昇によって、物体１２ａに外力が加えられる。また、物体１２ａの近傍におけるキャビテーション気泡の崩壊により発生するマイクロジェットの衝撃波によって、物体１２ａに外力が加えられる。これらの外力が物体１２ａの内圧を上回ると、物体１２ａは崩壊し微細化され、液体１１中に混合分散される。
【００３９】
また、図４（Ｂ）に示すように、物体１２が気体である場合、キャビテーション気泡に気体である物体１２が取り込まれ、気泡１２ｂを形成する。液体１１の急激な圧力上昇および乱流によって、気泡１２ｂに外力が加えられる。外力が気泡１２ｂの内圧を上回ると、気泡１２ｂは崩壊する。気泡１２ｂが崩壊し微細気泡になるとともに、気体である物体１２は微細化され、液体１１中に混合分散される。
【００４０】
微細化され液体１１中に混合分散された物体１２と、液体１１とは、図１に示すように、円錐状管径部６に接続されている配管系１８へ排出される。以上のように、この実施の形態の混合分散システムによって、キャビテーションを用いて物体１２を液体１１中に混合分散させることが可能である。
【００４１】
この実施の形態の混合分散装置１は、小径流路３ａの終端から徐々に断面積が大きくなる円錐状流路６ａを有している。そのため、小径流路３ａの終端の近傍において生じる圧力損失を低減することができる。圧力損失が小さいということは、液体１１が流れ易い、すなわち、液体１１の流速が大きいことを意味する。つまり、ベルヌィの定理を考慮すると、この実施の形態の混合分散装置１は、液体の静圧が下がり易い構造を有している。
【００４２】
このとき、小管径部３における液体１１の流速が最大となるような円錐状流路６ａの形状を選択することができる。図５は、小管径部における液体の流速と角度θとの関係を示すグラフである。図５において、縦軸は、小管径部３における液体１１の流速を示す。また横軸は、図１に示す角度θ、すなわち、円錐状管径部６における母線６ｂと中心軸Ｘとのなす角度を示す。
【００４３】
図５に示すように、小管径部３における液体１１の流速は、角度θが約４°であるときに最大値を示す。角度θが３°以上７°以下の範囲であれば、液体１１の流速が最も大きい範囲にあるといえる。すなわち、円錐状流路６ａは、中心軸Ｘと母線６ｂとがなす角度θが３°以上７°以下である円錐状の空間であれば、小管径部３における液体１１の静圧が最も下がりやすい。その結果、最も小さな動力で負圧部を形成してキャビテーションを発生させることが可能である。その結果、キャビテーション気泡の発生効率を向上させ、混合分散の処理能力を向上させることができる。
【００４４】
混合分散装置１の寸法に関しては、大管径部２の直径は、小管径部３に対して剥離流を形成するに十分大きく、かつ流速低下が生じない寸法であればより好ましく、たとえば１８ｍｍ以上２２ｍｍ以下とすることができる。また小管径部３の直径は、小径流路３ａにおける液体１１の圧力を飽和蒸気圧以下とできる寸法であればよく、たとえば３ｍｍ以上６ｍｍ以下とすることができる。また小管径部３の長さは、後述する物体導入口８の形成に支障がない程度に長く、流体抵抗が大きくならない程度に短い寸法であればより好ましく、たとえば５ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすることができる。また円錐状管径部６における角度θは流体抵抗が小さくなる角度範囲であればより好ましく、たとえば３°以上７°以下とすることができる。また円錐状管径部６の長さは、短すぎると急に管径の異なる流路に出たのと同じことになり流体抵抗が大きくなるため、流体抵抗が大きくならない程度に長い寸法であればより好ましく、たとえば３０ｍｍ以上とすることができる。
【００４５】
以上説明したように、直管である大管径部２および小管径部３と、円錐状管である円錐状管径部とを組み合わせた構成によって、混合分散装置１が形成される。混合分散装置１の内部の物体１２および液体１１の流路において、大管径部２から小管径部３への急縮小を除き、流体抵抗は小さい。すなわち、混合分散装置１の内部における圧力損失は小さい。よって、送液用ポンプ２０の所要動力を小さくでき、低動力で物体１２を液体１１中に混合分散させることができる。また、キャビテーション気泡の崩壊は円錐状管径部６の円錐状流路６ａにおいて発生するため、円錐状管径部６よりも上流側において物体１２を混合分散装置１へ導入することで、効率よく物体１２を液体１１中に混合分散させることができる。
【００４６】
また、キャビテーション気泡が崩壊する箇所、すなわち円錐状管径部６の円錐状流路６ａにおける圧力上昇部７の近傍には、円錐状流路６ａの漸次拡大を除き、流れに対する抵
抗がない。そのため、キャビテーション気泡の崩壊に伴い発生する圧力波が壊食を起こすことを抑制することができ、混合分散装置１の長寿命化を達成することができる。
【００４７】
なお、この実施の形態においては、液体１１と物体１２とは送液用ポンプ２０へ吸い込まれるときに既に混在していたが、液体１１と物体１２とは別々に混合分散装置１に導入されてもよい。その場合、物体１２を液体１１中に混合分散させるために、キャビテーション気泡の崩壊が起こる円錐状管径部６よりも上流側において、物体１２を液体１１に混在させる必要がある。たとえば配管系１７、大管径部２または小管径部３において物体１２を液体１１に混在させることができる。
【００４８】
また、送液用ポンプ２０は、混合分散装置１の上流側に配置され、送液用ポンプ２０により加圧された液体１１が混合分散装置１に導入されたが、送液用ポンプ２０は混合分散装置１の下流側に配置されてもよい。その場合、混合分散装置１はポンプの吸引側に配されるため、混合分散装置１内部における液体の圧力は、図３に示される圧力よりも負圧側となる。よって、小径流路３ａにおける液体１１の圧力は、飽和蒸気圧以下に達する。そのため、小径流路３ａにおいて、キャビテーション気泡が発生する。発生したキャビテーション気泡の崩壊によって、物体１２は液体１１中へ混合分散される。このとき、円錐状流路６ａにおける圧力上昇は、図３に示す圧力上昇よりも緩やかであると考えられ、その結果、円錐状流路６ａにおいて、全てのキャビテーション気泡を崩壊させるほどに液体１１の圧力が十分上昇しないことも考えられる。しかし、送液用ポンプ２０の内部において必ず液体１１は圧力上昇するため、キャビテーション気泡は送液用ポンプ２０の内部において必ず崩壊する。すなわち、混合分散装置１および混合分散装置１の下流側に配置された送液用ポンプ２０において、物体１２が液体１１中に混合分散する混合分散システムとなると考えられる。したがって、物体１２を液体１１中へ混合分散する効果が同様に奏される。
【００４９】
（実施の形態２）
図６は、実施の形態２の混合分散システムの全体を示す模式図である。実施の形態２の混合分散システムと、上述した実施の形態１の混合分散システムとは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態２では、小管径部が図６に示すような構成となっている点で実施の形態１とは異なっている。
【００５０】
具体的には、図６に示すように、小管径部３には物体導入孔８が形成されている。物体導入孔８は、小径流路３ａと混合分散装置１の外部とを連通するように形成されている。物体導入孔８の、混合分散装置１の外部側の端部において、物体導入用配管系３０が連結されている。物体導入用配管系３０は、貯留槽１０と物体導入口８とを連通している。
【００５１】
混合分散装置１の内部では、小径流路３ａにおいて最も液体１１の流速が大きくなる。小径流路３ａにおける液体１１の圧力は、ベルヌィの定理に基づき、外気圧に比して負圧となる。このとき、小管径部３に小径流路３ａよりも細い（流体抵抗の高い）物体導入孔８を形成し、物体１２を移送するための細管としての物体導入用配管系３０を物体導入孔８に接続すれば、小径流路３ａ内の負圧により物体１２を吸引し、ポンプなどの動力源を使用せずとも物体１２を混合分散装置１へ導入することができる。その結果、より低動力で物体１２を液体１１中に混合分散させることができる。
【００５２】
図７は、図６に示す貯留槽の内部を示す模式図である。図７に示すように、貯留槽１０の内部には、液体１１と、液体１１よりも比重が小さい物体１２とが貯留されている。また、貯留槽１０の内部には細管３１が設けられている。細管３１の一方の端部には開口部３２が設けられており、他方の端部は物体導入用配管系３０へ連結している。物体１２は、開口部３２を介して細管３１へ吸引され、物体導入用配管系３０を経由して、物体導入
孔８から混合分散装置１の小管径部３へ導入される。細管３１の開口部３２は、物体１２を含んだ液体１１の液面に接触している。
【００５３】
一つの貯留槽１０内に液体１１と物体１２とが共に貯留され、物体１２の比重が液体１１よりも小さい場合、物体１２を液体１１と共に吸引して混合分散装置１へ導入するのは困難である。そこで、液体１１の液面を浮遊する物体１２を吸引できるように、貯留槽１０の内部に細管３１を設け、細管３１の開口部３２が物体１２を含んだ液体１１の液面に接触するように細管３１を配置する。これによって、細管３１から物体１２を吸引することができる。したがって物体導入孔８を介して物体１２を小径流路３へ導入できるので、円錐状流路６において物体１２を液体１１中へ混合分散することができる。
【００５４】
なお、図６に示すように、配管系１８には、三方弁２１が設置されている。三方弁２１と貯留槽１０とを連通するように、還流用配管系２２が設けられている。液体１１中に混合分散された物体１２と、液体１１とは、円錐状管径部６に接続されている配管系１８へ排出される。このとき、液体１１と物体１２との混合分散が不十分と判断されれば、還流用配管２２を介して、液体１１と物体１２とを再度貯留槽１０へ戻すことができる。物体１２が十分液体１１中に混合分散されたと判断された時点で、三方弁２１が切り替えられ、液体１１と物体１２とは外部へと繋がる配管系１９へ排出される。
【００５５】
（実施の形態３）
図８は、実施の形態３の混合分散システムの全体を示す模式図である。実施の形態３の混合分散システムと、上述した実施の形態２の混合分散システムとは、基本的に同様の構成を備えている。しかし、実施の形態３では、小管径部が図８に示すような構成となっている点で実施の形態２とは異なっている。
【００５６】
具体的には、図８に示すように、物体導入孔８は、位置５において小径流路３ａに接続されている。すなわち、物体導入孔８は、剥離流が発生しやすく液体１１の圧力が負圧となりやすい位置である、大径流路２ａに接触している小管径部３の端面３ｂと、端面３ｂから下流に向かって２ｍｍの距離を隔てた位置との間の位置５に接続されている。液体１１の圧力が最も負圧となりやすい位置である端面３ｂから下流に向かって０．５ｍｍの距離を隔てた位置に、物体導入口８が接続されるとより好ましい。小管径部３の位置５付近では、図２に示すように、剥離流の影響によって最も液体１１が高流速となり、最も液体１１の圧力が低くなる。最も圧力が低くなる位置へ物体導入孔８を設けることによって、より容易に、小管径路８内の負圧により物体１２を吸引することができる。すなわち、物体導入孔８を介して、より容易に物体１２を混合分散装置１へ導入することができる。
【００５７】
（実施の形態４）
図９は、実施の形態４の貯留槽の内部を示す模式図であり、貯留槽をその上面から見た模式図である。図９に示すように、貯留槽１０の内部には細管３１が設けられている。細管３１の一方の端部には開口部３２が設けられており、他方の端部は物体導入用配管系３０へ連結している。物体１２は、液体１１に対し低い親和性を有する物質からなる。親和性とは、ある物質が他の物質と容易に結合する性質や傾向である。すなわち、液体１１に対し低い親和性を有する物体１２は、液体１１に溶けにくい、または混じりにくい。そのため、液体１１から分離して互いに集まる性質をもつ。
【００５８】
たとえば、液体１１が水、物体１２が油の場合、水の分子は液体であるから乱雑に激しく動いている。ところがここに疎水性分子が入ってくると、その付近の水分子は、疎水性分子と結合を作れないので、隣の水分子と水素結合を作ってしまい、動きがとれなくなる。つまり乱雑さが減少し、熱力学的にはエントロピーが減少し不安定になる。したがって、逆に疎水性分子が水から出て行く、すなわち油は油だけで集まる方が熱力学的に安定に
なる。このような、疎水性物質が水と分離する作用を疎水性相互作用という。
【００５９】
疎水性相互作用によって、液体１１に対し親和性の低い物体１２は、物体１２同士が集まって液体１１と接触する面積を減らそうとする。このとき、細管３１が液体１１に対し親和性の低い物質により形成されていると、物体１２は液体１１内での表面積を減らすため、開口部３２周辺に凝集する。したがって、物体１２を容易に細管３１の内部へ吸引することができる。
【００６０】
なお、実施の形態４においては、物体１２が液体１１に対し低い親和性を有する物質からなる例について説明したが、物体１２が液体１１に対し高い親和性を有する物質からなる場合は、細管３１を液体１１に対し高い親和性を有する物質により形成することができる。物体１２が液体１１に対し高い親和性を有する（すなわち、物体１２が液体１１に溶けやすい、または混じりやすい）のであれば、細管３１を液体１１に対し高い親和性を有する物質により形成することにより、毛管現象により物体１２は細管３１内部へ吸引されやすくなる。すなわち、細管３１を、物体１２の液体１１に対する親和性と同じ傾向の親和性を有する物質により形成することによって、物体１２を細管３１内に、より容易に吸引することができる。
【００６１】
（実施の形態５）
図１０は、実施の形態５の貯留槽の内部を示す模式図である。図１１は、細管の比重が小さい場合を示す模式図である。図１２は、細管の比重が大きい場合を示す模式図である。図１０に示すように、貯留槽１０の内部には細管３１が設けられている。細管３１の一方の端部には開口部３２が設けられており、他方の端部は物体導入用配管系３０へ連結している。また貯留槽１０の内部には、液体１１と、液体１１よりも比重が小さい物体１２とが貯留されている。
【００６２】
図１０〜図１２に示すように、物体１２は液体１１よりも比重が小さいため、貯留槽１０の内部において物体１２は液体１１の液面に浮かんでいる。このとき、図１１に示すように、細管３１の開口部３２において液面から出ており外気と接する部分が大きいと、物体１２よりも流体抵抗の少ない外気を吸引しやすくなる。逆に、図１２に示すように、細管３１の開口部３２が全て液体１１中に没していると、液面に浮かんでいる物体１２を吸引することができない。したがって、図１０に示すように、細管３１の開口部３２が貯留槽１０の内部において、開口部３２の面積のうち５０％以上１００％未満が液体１１中に没するように形成されていると、物体１２を細管３１へより効率的に吸引することができる。開口部３２の面積のうち９９％が液体１１に没するように細管３１が形成されていれば、より好ましい。これにより、貯留槽１０内部において、気体を優先的に吸引し物体１２が吸引されない事態、または、液体１１よりも比重の小さい物体１２を吸引できない事態を防止することができる。たとえば、細管３１の材質および形状を液体１１の比重に合わせ調整することにより、開口部３２の５０％以上１００％未満が常に液面１１中に没するように、細管３１を形成することができる。たとえば、細管３１の材質の比重を、液体１１の比重に対し９０％以上９９％以下とすることができる。たとえば、液体１１が水であり、物体１２の水に対する親和性（親水性）が低い場合には、細管３１の材質にはポリエチレン（比重約０．９５）を用いることができ、またポリアミド樹脂（比重約１．１）やフッ素樹脂（比重約２．２）をポーラス化（多孔質化）処理やその他の任意の方法により比重を調整して用いることができる。またたとえば、液体１１が水であり、物体１２の親水性が高い場合には、細管３１の表面および内面をガラスコーティングなどの親水化処理することができる。
【００６３】
（実施の形態６）
図１３は、実施の形態６の貯留槽の内部を示す模式図である。図１３において、（Ａ）
は物体１２を含んだ液体１１の液面が低い場合、（Ｂ）は物体１２を含んだ液体１１の液面が高い場合をそれぞれ示す。図１３に示すように、貯留槽１０の内部には細管３１が設けられている。細管３１の一方の端部には開口部３２が設けられており、他方の端部は可動部３０ａへ連結している。可動部３０ａは、物体導入用配管系３０と細管３１とを連通している。また貯留槽１０の内部には、液体１１と、液体１１よりも比重が小さい物体１２とが貯留されている。
【００６４】
可動部３０ａが設けられているため、細管３１は、貯留槽１０の内部において、物体１２を含んだ液体１１の液面の変動に対し追動可能である。すなわち、細管３１は、物体１２を含んだ液体１１の液面の上下動に関わらず常に液面付近にある。そのため、貯留槽１０の内部において物体１２を含んだ液体１１の液面高さが変動する場合でも、液体１１よりも比重が小さく液面に浮かんでいる物体１２を、常に容易に細管３１へ吸引することができる。たとえば、可動部３０ａをフレキシブルチューブなどの可撓性のある部材により作製することができる。また、細管３１の材質および形状を液体１１の比重に合わせ調整することにより、細管３１が常に液面付近にあるように、細管３１を形成することができる。たとえば、細管３１の材質の比重を、液体１１の比重に対し９０％以上９９％以下とすることができる。たとえば、液体１１が水であり、物体１２の水に対する親和性（親水性）が低い場合には、細管３１の材質にはポリエチレン（比重約０．９５）を用いることができ、またポリアミド樹脂（比重約１．１）やフッ素樹脂（比重約２．２）をポーラス化（多孔質化）処理やその他の任意の方法により比重を調整して用いることができる。またたとえば、液体１１が水であり、物体１２の親水性が高い場合には、細管３１の表面および内面をガラスコーティングなどの親水化処理することができる。
【００６５】
（実施の形態７）
図１４は、実施の形態７の貯留槽の内部を示す模式図である。図１５は、細管が液体に没していない場合を示す模式図である。図１５に示すように、細管３１の開口部３２側が物体１２を含んだ液体１１の液面にあり、細管３１の他方の端部３３側が外気中にあると、物体１２を細管３１に吸引しようとするとき、重力の関係により外気が細管３１に吸引されやすくなり、物体１２の吸引効率が低下する。そこで、図１４に示すように、細管３１の開口部３２側が液体１１の最も液面側にあり、細管３１の他方の端部３３側が液体中に没するよう、細管３１を配置する。これにより、液体１１の液面に浮かんでいる物体１２を容易に細管３１へ吸引することができ、気体を細管３１へ優先的に吸引し物体１２が吸引されない事態を防止することができる。
【００６６】
なお、実施の形態１から実施の形態７までの説明においては、図１、図６または図８に示すような構成の混合分散装置１を用いる混合分散システムの例を述べているが、混合分散装置の構成はこれらに限られない。以下、混合分散装置の変形例について説明する。
【００６７】
図１６は、混合分散装置の変形例１を示す模式図である。図１７は、図１６におけるＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線による断面図である。図１６に示すように、混合分散装置１００はその内部に、気体、液体、粉体などの物体１１２と液体１１１が混合された混合体１１３を生成する空間１０１を有している。混合分散装置１００には、空間１０１内へ物体を導くように物体導入口１０４が設けられている。また、混合分散装置１００には、空間１０１内へ液体を導くように液体導入口１０２が設けられている。さらに、混合分散装置１００には、空間１０１から外部へ混合体１１３を吐出する吐出口１０３が設けられている。物体導入口１０４には、物体導入管１０５が接続されている。図１７に示すように、物体導入管１０５は、内壁構成部材１０６を含んでいる。
【００６８】
内壁構成部材１０６の一例としては、フッ素樹脂を含む材料が考えられる。一般に、フッ素樹脂は高い化学安定性を有している。そのため、オゾンなどの酸化力の強い気体が物
体導入管１０５を介して空間１０１に導かれる場合においても、フッ素樹脂を含む材料からなる内壁構成部材１０６を含んでいる物体導入管１０５の内壁面は腐食されない。内壁構成部材１０６は、たとえば、薄肉パイプとして物体導入管１０５内に嵌め込まれてもよい。また、内壁構成部材１０６は、物体導入管１０５の主材料となる基材の表面にフッ素皮膜処理によって形成されてもよい。
【００６９】
空間１０１は、エゼクタ構造を有している。エゼクタ構造は、いわゆるベンチュリ管によって構成されている。ベンチュリ管は、図１６のように、縮流部１１６、細管部としてのスロート部１１４、および拡散部１１７を含んでいる。縮流部１１６は、上流側から下流側へ、すなわち液体導入口１０２側から吐出口１０３側へ、徐々に流路の断面積が小さくなる円錐状の空間である。また、拡散部１１７は、上流側から下流側へ除々に流路の断面積が大きくなる円錐状の空間である。さらに、スロート部１１４の一方端は、縮流部１１６の最も断面積が小さい端部に接続されている。また、スロート部１１４の他方端は、拡散部１１７の最も断面積が小さい端部に接続されている。スロート部１１４は円柱状の空間である。
【００７０】
混合分散装置１００が使用されるときには、混合分散装置１００は液体中へ浸漬されるかまたは配管系へ接続される。混合分散装置１００においては、液体１１１が液体導入口１０２から縮流部１１６へ流れこむように、ポンプなどが用いられる。
【００７１】
混合分散装置１００が駆動されるときには、加圧された液体１１１が液体導入口１０２から縮流部１１６へ導入される。縮流部１１６の流路の断面積が除々に小さくなるため、液体１１１の流速は除々に大きくなる。それにより、液体１１１の流速は、スロート部１１４において最も大きくなる。そのため、スロート部１１４においては、液体１１１の動圧が最も大きくなる。したがって、ベルヌィの定理にしたがって、スロート部１１４においては、静圧が最も小さくなる。その結果、スロート部１１４の圧力は、大気圧を基準として、負圧になる。スロート部１１４が負圧になると、外部から物体導入管１０５および物体導入口１０４を介してスロート部１１４へ物体１１２が吸引される。
【００７２】
このとき液体１１１の流速が一定値以上になると、スロート部１１４における液体１１１の圧力は、液体１１１の飽和蒸気圧以下になる。液体１１１の圧力が飽和蒸気圧以下になると、キャビテーションが発生する。すなわち、液体１１１は、その内部に含まれている微小な気泡またはごみを核として沸騰する。沸騰現象によって液体１１１が気化し、液体１１１と同一組成の気体で満たされたキャビテーション気泡が液体中に発生する。
【００７３】
拡散部１１７の流路の断面積は、スロート部１１４の流路の断面積よりも大きい。そのため、液体１１１がスロート部１１４から拡散部１１７へ流れると、液体１１１の流速は低下する。それにより、拡散部１１７の液体１１１においては、動圧が低下し、静圧が増加する。キャビテーション気泡は、この急激な圧力上昇によって崩壊する。その結果、物体１１２は拡散部１１７において粉砕される。その結果、物体１１２は微細化され、微細化された物体１２０は液体１１１に混合される。その結果、混合体１１３が吐出口１０３から外部へ吐出される。
【００７４】
混合分散装置１００の寸法に関しては、たとえば、縮流部１１６の長さが２０ｍｍであり、縮流部１１６の入口の内径が４０ｍｍであり、スロート部１１４の内径が４ｍｍであり、スロート部１１４の長さが３０ｍｍであり、拡散部１１７の長さが１００ｍｍであり、拡散部１１７の広がり角ψが８°であり、物体導入管１０５の内径が０．１ｍｍであるものとする。液体導入口１０２における液体１１１の圧力は、たとえば、０．０５ＭＰａであるものとする。
【００７５】
液体１１１中に混合分散される物体１１２が気体である場合、微細化された物体１２０は、直径が１００μｍ以下の気泡である微細気泡である。微細気泡は、単位体積あたりの表面積が大きく、気体と液体１１１との単位体積あたりの接触面積が増加する。また微細気泡は、液体の表面張力に起因する自己加圧効果と、微細気泡の浮力が小さいために微細気泡が液体１１１中に滞留しやすくなる滞留効果を有している。そのため微細気泡は、極めて高い溶解能力を有する。したがって、微細気泡が混合分散装置１００内部の液体または外部の液体１１１に混合されることによって、気体である物体１１２が液体１１１に効率的に溶解され得る。一般的には、気体が液体１１１に効率的に溶解されるためには、微細気泡の直径が５０μｍ〜１００μｍ以下であることが望ましいと言われている。この混合分散装置１００においては、直径が平均３５μｍである微細気泡が発生するものとする。
【００７６】
気体である物体１１２は、オゾン、酸素または空気などのいかなる気体であってもよいが、オゾンなどの酸化力の強い気体が用いられる場合には、フッ素樹脂を含む材料により内壁構成部材１０６を作製することにより、フッ素樹脂の耐薬品性が特に有効に作用する。物体導入管１０５の内壁面である内壁構成部材１０６のみがフッ素樹脂材料で形成されていれば、物体導入管１０５の内壁表面部以外の部分を、たとえば金属材料のような強度が大きい材料を用いて形成することができる。そのため、物体導入管１０５の設計のバリエーションが豊富になる。その結果、物体導入管１０５の設計が容易になる。
【００７７】
また、物体導入管１０５の表面上には、フッ素樹脂材料によって皮膜処理が施されていてもよい。これによれば、フッ素樹脂材料の使用量が低減される。この場合、内壁構成部材１０６のフッ素皮膜の膜厚は１μｍ以上であることが好ましい。なぜならば、フッ素皮膜の膜厚が１μｍ未満である場合には、物体１１２としてオゾンなどの酸化力の強い物質が使用されるときに、物体１１２がフッ素皮膜を浸透して物体導入管１０５の基材を腐食させるためである。
【００７８】
物体導入管１０５の基材の表面がフッ素皮膜処理される方法としては、たとえば、次のような第１〜第４の方法がある。
【００７９】
第１の方法においては、まず、真空中で基材を回転させながら基材の表面にフッ素皮膜が塗布される。次に、そのフッ素皮膜が乾燥させられる。その後、フッ素皮膜が焼成される。
【００８０】
第２の方法においては、まず、混合分散装置１００の物体導入管１０５以外の部分が、真空中でＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）溶液中へ浸漬される。次に、混合分散装置１００が大気中に置かれる。それにより、ＰＴＦＥが、大気の圧力によって押され、物体導入管１０５内を通過する。その後、物体導入管１０５内のＰＴＦＥが乾燥するように焼成される。
【００８１】
第３の方法としては、混合分散装置１００がＰＴＦＥ溶液中に浸漬された状態で駆動される。それにより、物体導入管１０５内をＰＴＦＥが通過する。その結果、ＰＴＦＥ膜が、物体導入管１０５の内壁面に塗布され、その後、乾燥するように焼成される。
【００８２】
第４の方法としては、混合分散装置１００がテトラフルオロエチレン溶液に浸漬され、重合反応によりフッ素皮膜が物体導入管１０５の内壁面上に付着する。
【００８３】
また、フッ素樹脂の成型によって、物体導入管１０５全体がフッ素樹脂材料で形成されていてもよい。これによれば、物体導入管１０５の製造工程が簡略化される。また、フッ素樹脂は金属ではないため、物体導入管１０５と他の金属との接触に起因する電解腐食の
発生が防止される。その結果、物体導入管１０５にピンホールが形成されるなどの物体導入管１０５の劣化を防止することができる。また、混合分散装置１００および物体導入管１０５全体が、フッ素樹脂の一体成型によって形成されてもよい。このような一体成型によれば、部品点数が低減される。
【００８４】
なお、物体導入管１０５の数は、１本に限定されず、２本以上あってもよい。物体導入管５が２本以上設けられる混合分散装置１００によれば、個々の物体導入管１０５が別々の物体を導入することにより、２種類以上の物体を液体に溶解させることができる。なお、液体１１１は、水に限定されずいかなる液体であってもよく、たとえば有機溶剤または油などであってもよい。
【００８５】
また、物体１１２は、吸引力によってスロート部１１４へ導かれてもよいが、押圧力によってスロート部１１４へ押し込まれてもよい。また、液体も、吸引力によってスロート部１１４へ導かれてもよいが、押圧力によってスロート部１１４へ押し込まれてもよい。
【００８６】
以上のように、混合分散装置の変形例１においては、空間１０１がベンチュリ管によって構成され、キャビテーション気泡がベンチュリ管を通過する液体１１１中において発生する。そのため、空間１０１内の激しい乱流流れ場または空間内の急激な圧力変化を利用して効率的にキャビテーション気泡を崩壊させ、物体１１２を液体１１１中に混合分散させることができる。液体１１１中に混合分散される物体１１２が気体である場合は、気体と液体１１１との接触面積の増加、自己加圧効果、および滞留効果によって、高い溶解能力が得られる。その結果、気体が液体１１１中に効率的に溶解され得る。
【００８７】
さらに、ベンチュリ管によれば、液体導入口１０２を通過する液体１１１の流れる方向と吐出口１０３を通過する液体１１１の流れる方向とが同一である。そのため、液体１１１の圧力損失が小さい。したがって、液体導入口１０２から空間１０１へ供給される液体１１１に与えられる圧力が小さい場合においても、物体１１２を液体１１１中に混合分散させることができる。また、たとえば、水などの液体中に混合分散装置１００を浸けて、液体中に意図的に流れを生じさせることができる。また、混合分散装置１００を配管系に組み込むことができる。
【００８８】
図１８は、混合分散装置の変形例２を示す模式図である。図１９は、図１８におけるＸＩＸ−ＸＩＸ線による断面図である。図１８に示すように、混合分散装置２００はその内部に、気体、液体、粉体などの物体２１２と液体２１１が混合された混合体２１３を生成する、旋回流が生じ得る形状からなる空間２０１を有している。図１８および図１９に示すように、空間２０１の形状は、円柱状であるが、旋回流が生じ得る形状であれば、多角柱状などの他の形状であってもよい。
【００８９】
空間２０１の側面には液体導入口２０２が設けられている。液体導入口２０２は、空間２０１内において旋回流を生じさせるように空間２０１へ液体を導く配管に接続されている。また、空間２０１の一方の底面には、物体導入口２０４が設けられている。また、物体導入口２０４には物体導入管２０５が接続されている。外部から物体導入管２０５を介して空間２０１へ物体２１２が導かれる。また、空間２０１の他方の底面には、吐出口２０３が設けられている。混合体２１３が、吐出口２０３を中心として旋回するように、吐出口２０３から外部へ吐出される。
【００９０】
物体導入管２０５は、内壁構成部材２０６を含んでいる。内壁構成部材２０６は、たとえば、フッ素樹脂によって形成されてもよい。フッ素樹脂は高い化学安定性を有しているため、物体２１２としてオゾンなどの酸化力の強い気体が使用される場合においても、物体導入管２０５の内壁面の腐食が防止される。
【００９１】
空間２０１は、断面が円形である円柱形状をなしている。液体導入口２０２は、図１８および図１９に示されるように、空間２０１の側面に設けられており、一方の底面に平行な円形断面の接線方向に沿って延びる液体導入用配管に接続されている。このように、円柱状の空間２０１の側面の接線方向に沿って延びる液体導入用配管に接続された液体導入口２０２が設けられているため、空間２０１内において旋回流を高い効率で発生させることができる。
【００９２】
物体導入口２０４は、一方の底面のほぼ中心位置に設けられている。一方の底面の中心位置においては、旋回流に起因して、圧力が最も小さくなる。そのため、物体導入口２０４が円形の底面の中心位置に設けられていれば、物体２１２が円柱状の空間１内へ効率的に吸引される。
【００９３】
各部の寸法に関しては、たとえば、液体導入口２０２の内径が４ｍｍであり、物体導入管２０５の内径が０．１ｍｍであり、吐出口２０３の内径６ｍｍ、かつ、円柱状の空間２０１の内径５０ｍｍ、円柱状の空間２０１の長さが６０ｍｍであるものとする。液体導入口２０２を通過する液体２１１の圧力は、たとえば、０．１０ＭＰａであるものとする。
【００９４】
混合分散装置２００が使用されるときには、少なくとも吐出口２０３は液体中に挿入される。このとき、液体導入口２０２から空間２０１へ液体２１１が押圧力によって導入される。それにより、空間２０１内において旋回流２２１が生成される。そのため、空間２０１の中心軸およびその近傍に負圧部が形成される。この負圧部によって物体導入口２０４から空間２０１へ物体２１２が吸引される。その結果、圧力が最も低い空間２０１の中心軸およびその近傍を物体２１２が通過する。このとき、空間２０１の中心軸に沿う細い紐状の物体通過部が形成される。
【００９５】
この空間２０１では、物体導入口２０４から吐出口２０３までの間において紐状の物体通過部が形成される。それにより、混合分散装置２００の外部の液体の流れの速度と混合分散装置２００内の旋回流２２１の速度との差に起因して、物体通過部が剪断される。その結果、物体２１２は粉砕されて微細化され、微細化された物体２２０が効率的に発生する。
【００９６】
混合分散される物体２１２が気体である場合、微細化された物体２２０は、直径が１００μｍ以下の気泡である微細気泡である。微細気泡は、単位体積あたりの表面積が大きく、かつ、自己加圧効果および滞留効果も有しているため、極めて高い溶解能力を有している。そのため、微細気泡が液体２１１へ溶解されることによって、気体である物体２１２が液体２１１に効率的に混合される。気体が液体２１１に効率的に溶解されるためには、微細気泡の直径は一般にφ５０μｍ〜１００μｍであることが望ましいと言われている。この混合分散装置２００においては、平均径４０μｍの気泡が発生するものとする。
【００９７】
なお、液体導入口２０２は、図１９において旋回流２２１が時計回り旋回するように設けられているが、旋回流が反時計回りに旋回するように設けられていてもよい。また、物体２１２は、吸引力によって空間２０１へ導かれてもよいが、押圧力によって空間２０１へ押し込まれてもよい。
【００９８】
以上のように、混合分散装置の変形例２においては、空間２０１が旋回流を生じさせ得るような形状に構成されており、液体導入口２０２が空間２０１内において旋回流を生じさせ得るような位置に設けられている。液体２１１中に混合分散される物体２１２が気体である場合は、旋回流の中心部に形成される負圧部において、空間２０１内の急激な圧力変化または空間内の激しい乱流流れ場を利用して効率的に微細気泡を発生させることがで
きる。その結果、液体２１１と気体との接触面積の増加、自己加圧効果、および滞留効果による高い溶解能力が得られる。その結果、気体は、効率的に液体２１１中に溶解することができる。
【００９９】
さらに、旋回流を生じさせる空間２０１が形成される場合には、ベンチュリ管が用いられる場合と異なり、細管を設ける必要がない。そのため、旋回流が生じる空間２０１の径をベンチュリ管によって形成される空間の径よりも大きくすることができる。したがって、たとえば、水などの液体中にスラリーなどの懸濁物質が多く含まれている場合においても、液体が流れる空間２０１が懸濁物質によって閉塞されることが防止される。
【０１００】
また、混合体２１３は、吐出口２０３を中心部として旋回しながら吐出口２０３から吐出される。そのため、たとえば、混合分散装置２００が、水などの液体中に浸漬されている場合に、液体の元来の流れが、吐出口２０３から吐出される混合体２１３によって大きく阻害されることがない。
【０１０１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
この発明の混合分散装置および混合分散システムは、物体としての油を液体としての水中に混合分散させ、Ｏ／Ｗエマルションを生成する用途に、特に有利に適用され得る。たとえば、食器洗い乾燥機に利用する場合は、食用油を洗浄水中に乳化することによって、洗浄した食用油が食器に再付着することを防止でき、洗浄効率の向上および節水の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】この発明の実施の形態１の混合分散システムの全体を示す模式図である。
【図２】図１に示す領域ＩＩ付近の流速ベクトルを示す図である。
【図３】図１に示す混合分散装置内部の壁面における液体の圧力を示すグラフである。
【図４】キャビテーションを利用して物体を微細化する模式図である。
【図５】小管径部における液体の流速と角度θとの関係を示すグラフである。
【図６】実施の形態２の混合分散システムの全体を示す模式図である。
【図７】図６に示す貯留槽の内部を示す模式図である。
【図８】実施の形態３の混合分散システムの全体を示す模式図である。
【図９】実施の形態４の貯留槽の内部を示す模式図である。
【図１０】実施の形態５の貯留槽の内部を示す模式図である。
【図１１】細管の比重が小さい場合を示す模式図である。
【図１２】細管の比重が大きい場合を示す模式図である。
【図１３】実施の形態６の貯留槽の内部を示す模式図である。
【図１４】実施の形態７の貯留槽の内部を示す模式図である。
【図１５】細管が液体に没していない場合を示す模式図である。
【図１６】混合分散装置の変形例１を示す模式図である。
【図１７】図１６におけるＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線による断面図である。
【図１８】混合分散装置の変形例２を示す模式図である。
【図１９】図１８におけるＸＩＸ−ＸＩＸ線による断面図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１ 混合分散装置、２ 大管径部、２ａ 大径流路、３ 小管径部、３ａ 小径流路、３ｂ 端面、３ｃ 内周面、４ 縮流部、５ 位置、６ 円錐状管径部、６ａ 円錐状流路、６ｂ 母線、７ 圧力上昇部、８ 物体導入孔、１０ 貯留槽、１１ 液体、１２ 物体、１２ａ 液体または粉体である物体、１２ｂ 気泡、１６，１７，１８，１９ 配管系、２０ 送液用ポンプ、２１ 三方弁、２２ 還流用配管系、３０ 物体導入用配管系、３０ａ 可動部、３１ 細管、３２ 開口部、３３ 端部、１００ 混合分散装置、１０１ 空間、１０２ 液体導入口、１０３ 吐出口、１０４ 物体導入口、１０５ 物体導入管、１０６ 内壁構成部材、１１１ 液体、１１２ 物体、１１３ 混合体、１１４ スロート部、１１６ 縮流部、１１７ 拡散部、１２０ 微細化された物体、２００
混合分散装置、２０１ 空間、２０２ 液体導入口、２０３ 吐出口、２０４ 物体導入口、２０５ 物体導入管、２０６ 内壁構成部材、２１１ 液体、２１２ 物体、２１３ 混合体、２２０ 微細化された物体、２２１ 旋回流、Ｘ 中心軸、θ 角度。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体を液体中に混合分散する混合分散装置であって、
相対的に大きな径の円柱状の大径流路を有する大管径部と、
前記大径流路に連通しておりかつ相対的に小さな径の円柱状の小径流路を有する小管径部と、
前記小径流路に連通しておりかつ前記小径流路から徐々に径が大きくなる円錐状流路を有する円錐状管径部とを備え、
前記小管径部の端面と前記小管径部の内周面とが当該混合分散装置の縦断面において縮流部を構成し、前記小管径部の端面が前記大径流路に接触しており、
前記物体は、前記円錐状管径部よりも上流側において当該混合分散装置へ導入され、
前記円錐状流路において前記物体を前記液体中に混合分散する、混合分散装置。
【請求項２】
前記円錐状流路は、中心軸と母線とがなす角度が３°以上７°以下である円錐状の空間である、請求項１に記載の混合分散装置。
【請求項３】
前記小管径部は、前記小径流路へ前記物体の少なくとも一部を導くように、前記小径流路と外部空間とを連通させる物体導入孔を有している、請求項１または請求項２に記載の混合分散装置。
【請求項４】
前記物体導入孔は、前記小管径部の前記大径流路に接触している前記端面と前記小管径部の前記端面から下流に向かって２ｍｍの距離を隔てた位置との間の位置に接続されている、請求項３に記載の混合分散装置。
【請求項５】
液体と、前記液体よりも比重が小さい物体とが貯留されている貯留槽と、
送液用ポンプと、
請求項３または請求項４に記載の混合分散装置とを直列に連結してなる混合分散システムであって、
前記貯留槽の内部に設けられると共に、前記混合分散装置の小径流路へ前記物体の少なくとも一部を導くための物体導入孔へ連通する、細管を含み、
前記細管の開口部が前記液体の液面に接触するように前記細管は配置される、混合分散システム。
【請求項６】
前記細管は、前記物体の前記液体に対する親和性と同じ傾向の前記親和性を有する物質により形成されている、請求項５に記載の混合分散システム。
【請求項７】
前記細管は、前記開口部が前記貯留槽の内部において前記液体に５０％以上１００％未満没するように形成されている、請求項５または請求項６に記載の混合分散システム。
【請求項８】
前記細管は、前記液体の液面の変動に追動可能である、請求項５から請求項７のいずれかに記載の混合分散システム。
【請求項９】
前記貯留槽の内部において、前記細管の前記開口部と反対側の端部が前記液体に没し、前記開口部が最も液面側に位置する、請求項５から請求項８のいずれかに記載の混合分散システム。
【請求項１】
物体を液体中に混合分散する混合分散装置であって、
相対的に大きな径の円柱状の大径流路を有する大管径部と、
前記大径流路に連通しておりかつ相対的に小さな径の円柱状の小径流路を有する小管径部と、
前記小径流路に連通しておりかつ前記小径流路から徐々に径が大きくなる円錐状流路を有する円錐状管径部とを備え、
前記小管径部の端面と前記小管径部の内周面とが当該混合分散装置の縦断面において縮流部を構成し、前記小管径部の端面が前記大径流路に接触しており、
前記物体は、前記円錐状管径部よりも上流側において当該混合分散装置へ導入され、
前記円錐状流路において前記物体を前記液体中に混合分散する、混合分散装置。
【請求項２】
前記円錐状流路は、中心軸と母線とがなす角度が３°以上７°以下である円錐状の空間である、請求項１に記載の混合分散装置。
【請求項３】
前記小管径部は、前記小径流路へ前記物体の少なくとも一部を導くように、前記小径流路と外部空間とを連通させる物体導入孔を有している、請求項１または請求項２に記載の混合分散装置。
【請求項４】
前記物体導入孔は、前記小管径部の前記大径流路に接触している前記端面と前記小管径部の前記端面から下流に向かって２ｍｍの距離を隔てた位置との間の位置に接続されている、請求項３に記載の混合分散装置。
【請求項５】
液体と、前記液体よりも比重が小さい物体とが貯留されている貯留槽と、
送液用ポンプと、
請求項３または請求項４に記載の混合分散装置とを直列に連結してなる混合分散システムであって、
前記貯留槽の内部に設けられると共に、前記混合分散装置の小径流路へ前記物体の少なくとも一部を導くための物体導入孔へ連通する、細管を含み、
前記細管の開口部が前記液体の液面に接触するように前記細管は配置される、混合分散システム。
【請求項６】
前記細管は、前記物体の前記液体に対する親和性と同じ傾向の前記親和性を有する物質により形成されている、請求項５に記載の混合分散システム。
【請求項７】
前記細管は、前記開口部が前記貯留槽の内部において前記液体に５０％以上１００％未満没するように形成されている、請求項５または請求項６に記載の混合分散システム。
【請求項８】
前記細管は、前記液体の液面の変動に追動可能である、請求項５から請求項７のいずれかに記載の混合分散システム。
【請求項９】
前記貯留槽の内部において、前記細管の前記開口部と反対側の端部が前記液体に没し、前記開口部が最も液面側に位置する、請求項５から請求項８のいずれかに記載の混合分散システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００８−３６４６８（Ｐ２００８−３６４６８Ａ）
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１０１１５（Ｐ２００６−２１０１１５）
【出願日】平成１８年８月１日（２００６．８．１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１日（２００６．８．１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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