(57)【要約】【課題】２以上の流体の混合状態の判断指標となるべき混合性能の測定方法を提供する。【解決手段】本発明に係る混合性能測定方法は、混合装置で混合した流体を撮影した円形画像を画像処理プログラムにより処理してピクセルの輝度を求め、全ピクセルのうち高輝度側から上位５０％のピクセルの輝度を用いて前記流体の混合状態の判断指標とする。例えば、前記上位５０％のピクセルの輝度の平均値を混合度ｂｍとして流体の混合状態の判断指標とすることができる。【選択図】図１５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合装置で混合した流体を撮影した円形画像を画像処理プログラムにより処理してピクセルの輝度を求め、全ピクセルのうち高輝度側から上位５０％のピクセルの輝度を用いて前記流体の混合状態の判断指標とする、混合性能測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の混合性能測定方法において、
ミキサー取付部に前記混合装置を設置し、前記ミキサー取付部の上流に設置する配管により所定流量の水を供給して水の流れが安定した後に水流中に着色した水溶液を注入し、前記ミキサー取付部の下流に前記上流側の配管と同じ内径を有する透明配管を設置し、前記透明配管の管径方向からレーザーシート光を照射して該透明配管の配管断面画像をカメラにより撮影し、
前記配管断面画像を前記円形画像として画像処理プログラムにより処理してピクセルの輝度を求め、全ピクセルのうち高輝度側から上位５０％のピクセルの輝度の平均値を混合度ｂｍとして流体の混合状態の判断指標とする、混合性能測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の混合性能測定方法において、
前記円形画像の全ピクセルのうち輝度が所定しきい値以上のピクセルを蛍光画素とし、
前記蛍光画素の画素数を前記円形画像の全画素数に対する百分率として表したものを分散度Ｍとし、当該分散度Ｍを混合による流体の拡がりを表す指標とする、混合性能測定方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の混合性能測定方法において、
前記円形画像の全ピクセルのうち輝度が所定しきい値以上のピクセルを蛍光画素とし、
前記蛍光画素の輝度の中央値を中央濃度ｂmedとし、当該中央濃度ｂmedを混合による流体の代表濃度を表す指標とする、混合性能測定方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の混合性能測定方法において、
前記円形画像の全ピクセルの各輝度（ｂ＝０〜２５５）での画素数ｎ（ｂ）に対して指数関数的に重み付けしたｎ’（ｂ）＝ｎ（ｂ）ｂ／２５５を定義し、このｎ’（ｂ）が最大となる輝度を最大濃度ｂ’maxとし、当該最大濃度ｂ’maxを濃厚な塊の存在を示す指標とする、混合性能測定方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の混合性能測定方法において、
前記円形画像の全ピクセルのうち輝度が所定しきい値以上のピクセルを蛍光画素とし、
前記円形画像の全ピクセルの各輝度（ｂ＝０〜２５５）での画素数ｎ（ｂ）に対して指数関数的に重み付けしたｎ’（ｂ）＝ｎ（ｂ）ｂ／２５５を基に、このｎ’（ｂ）の中央値を中央濃度ｂmedとし、この中央濃度ｂmed＋３０をしきい値として抽出した各々の濃厚塊について前記蛍光画素数を前記円形画像の全画素数に対する百分率として表したものを濃厚塊の大きさＬとする、混合性能測定方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の混合性能測定方法において、
前記円形画像の全ピクセルのうち輝度が所定しきい値以上のピクセルを蛍光画素とし、
本流の水に対して比重の異なる他の流体を混合した場合、比重差に応じて混合した他の流体が塊になって存在するこの塊の偏りを表す指標として偏在度Ｄev.を、以下のようにして求める、混合性能測定方法。
前記円形画像の各画素に対して下部から上部にかけて−１から１の位置情報ｐを与え、各位置情報ｐに対して輝度によって重み付けしたｐ’＝ｂ／ｂmaxを求める（ここで、ｂmaxは各画素における輝度ｂの最大値である。）。
各画素のｐ’について最大値ｐ’maxおよび最小値ｐ’minを求め、最大値ｐ’max±０．５の画素、最小値ｐ’min±０．５の画素に対してｐ’の中央値を算出し、それぞれｐ’max±0.5、ｐ’min±0.5とする。
前記蛍光画素数の２．５％をｎ2.5、ｐ’＝ｐ’max±０．５の画素数をｎmax±0.5とし、ｐ’maxに対してｎ2.5を用いて補正したｐ’max,c、及びｐ’minに対してｎ2.5を用いて補正したｐ’min,cを、以下のように場合分けして求め、ｐ’max,cとｐ’min,cの和が−１から１の値で示される偏在度Ｄev.とする。
【数１】
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【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合性能測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体を配管内部で可動部無しに混合する静的混合装置として特許文献１に開示されたスタティックミキサーがある。このものは、管軸を中心として所定角度捻じられたバッフル板であるミキシングエレメントが、管状ハウジング内に軸方向に沿って複数配列されている。当該静的混合装置において、流体は、管状ハウジング内を移動する過程で、ミキシングエレメントによって分割・転換・反転作用を受け混合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平１−３１９２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示される静的混合装置では、特許文献１の第５図及び第６図に示されるように、配管断面視において、流体が流入するミキシングエレメントは管軸中心を通り配管断面を２分割する１本の直線として存在するのみであるため、流体は平面的に２分割されるだけである。この場合、例えば２つの流体の混合において、流体の流量比が大きく一方の流体の流量が小さく小流量であるときには、配管断面視において管軸中心を通り配管断面を２分割する１本の直線として存在するミキシングエレメントによって小流量の流体が分割されなければならず、混合され難いという問題点があった。このことは、２成分以上を含む流体であって各成分の濃度差が大きく、流体内で各成分が不均一に分布している場合において、流体内で各成分が均一に分布するように混合するときも同様である。
【０００５】
それゆえ、２以上の流体の流量の差、又は、流体中の成分の濃度差が大きくても確実に混合することが可能で、小さなスペースで混合することができる混合技術を提供することが要望される。また、混合状態の判断指標となるべき混合性能の測定方法の提供が要望される。
【０００６】
本発明は、前記に鑑みてなされたものであり、２以上の流体の混合状態の判断指標となるべき混合性能測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る混合性能測定方法は、
混合装置で混合した流体を撮影した円形画像を画像処理プログラムにより処理してピクセルの輝度を求め、全ピクセルのうち高輝度側から上位５０％のピクセルの輝度を用いて前記流体の混合状態の判断指標とする。
【０００８】
前記混合性能測定方法において、
ミキサー取付部に前記混合装置を設置し、前記ミキサー取付部の上流に設置する配管により所定流量の水を供給して水の流れが安定した後に水流中に着色した水溶液を注入し、前記ミキサー取付部の下流に前記上流側の配管と同じ内径を有する透明配管を設置し、前記透明配管の管径方向からレーザーシート光を照射して該透明配管の配管断面画像をカメラにより撮影し、
前記配管断面画像を前記円形画像として画像処理プログラムにより処理してピクセルの輝度を求め、全ピクセルのうち高輝度側から上位５０％のピクセルの輝度の平均値を混合度ｂｍとして流体の混合状態の判断指標とすることができる。
【０００９】
前記混合性能測定方法において、
前記円形画像の全ピクセルのうち輝度が所定しきい値以上のピクセルを蛍光画素とし、
前記蛍光画素の画素数を前記円形画像の全画素数に対する百分率として表したものを分散度Ｍとし、当該分散度Ｍを混合による流体の拡がりを表す指標とすることができる。
【００１０】
前記混合性能測定方法において、
前記円形画像の全ピクセルのうち輝度が所定しきい値以上のピクセルを蛍光画素とし、
前記蛍光画素の輝度の中央値を中央濃度ｂmedとし、当該中央濃度ｂmedを混合による流体の代表濃度を表す指標とすることができる。
【００１１】
前記混合性能測定方法において、
前記円形画像の全ピクセルの各輝度（ｂ＝０〜２５５）での画素数ｎ（ｂ）に対して指数関数的に重み付けしたｎ’（ｂ）＝ｎ（ｂ）ｂ／２５５を定義し、このｎ’（ｂ）が最大となる輝度を最大濃度ｂ’maxとし、当該最大濃度ｂ’maxを濃厚な塊の存在を示す指標とすることができる。
【００１２】
前記混合性能測定方法において、
前記円形画像の全ピクセルのうち輝度が所定しきい値以上のピクセルを蛍光画素とし、
前記円形画像の全ピクセルの各輝度（ｂ＝０〜２５５）での画素数ｎ（ｂ）に対して指数関数的に重み付けしたｎ’（ｂ）＝ｎ（ｂ）ｂ／２５５を基に、このｎ’（ｂ）の中央値を中央濃度ｂmedとし、この中央濃度ｂmed＋３０をしきい値として抽出した各々の濃厚塊について前記蛍光画素数を前記円形画像の全画素数に対する百分率として表したものを濃厚塊の大きさＬとすることができる。
【００１３】
前記混合性能測定方法において、
前記円形画像の全ピクセルのうち輝度が所定しきい値以上のピクセルを蛍光画素とし、
本流の水に対して比重の異なる他の流体を混合した場合、比重差に応じて混合した他の流体が塊になって存在するこの塊の偏りを表す指標として偏在度Ｄev.を、以下のようにして求めることができる。
【００１４】
前記円形画像の各画素に対して下部から上部にかけて−１から１の位置情報ｐを与え、各位置情報ｐに対して輝度によって重み付けしたｐ’＝ｂ／ｂmaxを求める（ここで、ｂmaxは各画素における輝度ｂの最大値である。）。
各画素のｐ’について最大値ｐ’maxおよび最小値ｐ’minを求め、最大値ｐ’max±０．５の画素、最小値ｐ’min±０．５の画素に対してｐ’の中央値を算出し、それぞれｐ’max±0.5、ｐ’min±0.5とする。
前記蛍光画素数の２．５％をｎ2.5、ｐ’＝ｐ’max±０．５の画素数をｎmax±0.5とし、ｐ’maxに対してｎ2.5を用いて補正したｐ’max,c、及びｐ’minに対してｎ2.5を用いて補正したｐ’min,cを、以下のように場合分けして求め、ｐ’max,cとｐ’min,cの和が−１から１の値で示される偏在度Ｄev.とする。
【００１５】
【数１】
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【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、２以上の流体の混合状態の判断指標となるべき混合性能の測定方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】形態１の流体の混合方法に使用される混合ユニットを示す分解斜視図である。
【図２】形態１の流体の混合方法に使用される混合ユニットを形成する混合エレメントの平面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）及び図２（ｂ）の混合エレメントが積層された状態の平面図である。
【図３】形態１の流体の混合方法に使用される混合ユニット内部の流体の流動状態を示す断面図である。図３（ａ）は積層方向の流動状態を、図３（ｂ）は半径方向の流動状態を示している。
【図４】形態１の流体の混合方法における変形例１に使用される混合ユニットを示す分解斜視図である。
【図５】形態１の流体の混合方法における変形例１に使用される混合ユニットを形成する混合エレメントが積層された状態の平面図である。
【図６】形態１の流体の混合方法における変形例２に使用される混合エレメントの平面図である。図６（ｃ）は、図６（ａ）及び図６（ｂ）の混合エレメントが積層された状態の平面図である。
【図７】形態１の流体の混合方法における変形例３に使用される混合エレメントの平面図である。図７（ｃ）は、図７（ａ）及び図７（ｂ）の混合エレメントが積層された状態の平面図である。
【図８】形態１の流体の混合方法における変形例４に使用される混合エレメントの平面図である。図８（ｃ）は、図８（ａ）及び図８（ｂ）の混合エレメントが積層された状態の平面図である。
【図９】形態１の流体の混合方法における変形例５に使用される混合エレメントの斜視図である。
【図１０】形態１の流体の混合方法における変形例５に使用される混合エレメントが積層された状態での、積層方向の流動状態を示す断面図である。
【図１１】形態１の流体の混合方法における混合エレメントを分割構造とした場合の例を示した斜視図である。
【図１２】形態２の流体の混合方法に使用される静的混合装置内部の流体の流動状態を示す断面図である。
【図１３】形態２の流体の混合方法における変形例１に使用される静的混合装置内部の流体の流動状態を示す断面図である。
【図１４】形態２の流体の混合方法における変形例２に使用される静的混合装置内部の流体の流動状態を示す断面図である。
【図１５】図１５（ａ）は混合状態の測定装置の概略フロー図、図１５（ｂ）は混合度ｂｍを示すヒストグラム及び対応する配管断面画像である。
【図１６】混合状態の測定に使用された混合エレメントの平面図である。図１６（ｃ）は、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）の混合エレメントが積層された状態の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（形態１「混合ユニットによる流体の混合方法」）
図１及び図２に示すように、本発明に係る流体の混合方法に使用される混合ユニット１Ａは、混合体２Ａを構成する第１の貫通孔２２及び第２の貫通孔２３を設けた混合エレメント２１ａ，２１ｂと、混合エレメント２１ａ，２１ｂの積層方向の両端部に設けられた円板状の第１の板３及び第２の板４とを備える。第１の板３及び第２の板４は、例えば、適宜な位置に配された４本のボルト１１及びナット１２の固定手段にて混合エレメント２１ａ，２１ｂの積層方向の両端面に密接して取り付けられている。よって、固定手段を取り外すと、混合エレメント２１ａ，２１ｂ、第１の板３、第２の板４に分解される。
【００１９】
第１の板３は、ボルト用孔１３を有する円板で形成されている。第２の板４は、ボルト用孔１４とともに、中央部に流体Ａが流入又は流出する円形の開口部４１を有する円板で形成されている。第１の板３及び第２の板４は、混合体２Ａを構成する混合エレメント２１ａ，２１ｂと略同一の外径を有する。
【００２０】
図２に示すように、混合エレメント２１ａ（図２（ａ）），２１ｂ（図２（ｂ））には、略四角形の第１の貫通孔２２が複数形成されるとともに、中央部に第１の貫通孔２２より大きい内径を有する略円形の第２の貫通孔２３が形成されている。第２の貫通孔２３は、第２の板４の開口部４１の内径と略同一、かつ略同心に配設される。第２の貫通孔２３は、各混合エレメント２１ａ，２１ｂ間で積層方向に連通しており、混合体２Ａの中空部２４を形成する。複数の第１の貫通孔２２は、第２の貫通孔２３の中心点を中心として同心円状に配設され、全体として千鳥状に配列されている。一方の混合エレメント２１ａでは、内周部に配設される第１の貫通孔２２は閉じており、外周部に配設される第１の貫通孔２２は外周面に向かって開放されている。他方の混合エレメント２１ｂでは、内周部分に配設される第１の貫通孔２２は内周面に向かって開放され、外周部に配設される第１の貫通孔２２は閉じている。
【００２１】
図２（ｃ）及び図３に示したように、各混合エレメント２１ａ，２１ｂは第１の貫通孔２２の配列パターンを異ならせているため、各々の第１の貫通孔２２は、積層方向に隣接する混合エレメント２１ａ，２１ｂの第１の貫通孔２２に対して半径方向及び周方向に部
分的に位置がずれて重なり合うように配置され、混合エレメント２１ａ，２１ｂの延在方向（積層方向に対して略垂直方向）に連通している。
【００２２】
混合ユニット１Ａは、混合体２Ａの両端部に第１の板３及び第２の板４が対向配置されているので、混合体２Ａ内部に流入した流体Ａは、積層方向両端部の混合エレメント２１ａ，２１ｂの第１の貫通孔２２から流出することが妨げられる。従って、図３（ａ），（ｂ）に示したように、流体Ａは、混合体２Ａ内部を混合エレメント２１ａ，２１ｂの積層方向とともに延在方向にも確実に流通する。そして流体Ａは、混合ユニット１Ａ内部を内周部から外周部へ流通させられる。
【００２３】
以上の混合ユニット１Ａに、例えば、流体Ａを適宜な圧送手段により第２の板４の開口部４１を経由して中空部２４に流入させると、流体Ａは中空部２４の内周面に開く混合エレメント２１ｂの第１の貫通孔２２から混合体２Ａ内部に流入する。続いて、流体Ａは、当該第１の貫通孔２２に連通する他の第１の貫通孔２２を通り抜け、当該他の第１の貫通孔２２に連通する他の第１の貫通孔２２を通り抜ける流れを繰り返す。最終的に、流体Ａは、混合体２Ａの外周面に開く混合エレメント２１ａの第１の貫通孔２２を介して混合体２Ａの外部へ流出する。
【００２４】
この間、混合体２Ａ内部の流体Ａは、複数の第１の貫通孔２２により混合エレメント２１ａ，２１ｂの延在方向に分割、合流されながら、内周部から外周部に向かって略放射状に流動し（図３（ｂ）参照）、同時に、混合エレメント２１ａ，２１ｂの積層方向にも分割、合流されながら流動する（図３（ａ）参照）。
【００２５】
以上により、流体Ａは、混合体２Ａ内部において、半径方向への二次元的（平面的）な分割と合流だけではなく、混合エレメント２１ａ，２１ｂの層厚方向にも分割と合流が行われ、混合体２Ａ内部で広がりをもった三次元的な分割と合流が行われる。よって、この混合ユニット１Ａによれば、流体Ａに対して高い混合効果が発揮される。
【００２６】
混合体２Ａを構成する混合エレメント２１ａ，２１ｂの各第１の貫通孔２２は千鳥状に配列されているので、当該第１の貫通孔２２と上下の他の第１の貫通孔２２との間で流体Ａが流出、流入する際に、流体Ａの流れが容易に分割、合流させられるから、効率的に混合される。したがって、流体Ａの流量が少ない場合でも、流体Ａは分割、合流されて良好に混合される。
【００２７】
第２の貫通孔２３は、第１の貫通孔２２より大きい内径を有するので、各混合エレメント２１ａ，２１ｂの第２の貫通孔２３によって形成される中空部２４を流れる際の流動抵抗は、混合体２Ａ内部を流れる際の流動抵抗と比較して小さい。従って、流体Ａは、混合エレメント２１ａ，２１ｂの積層枚数が多い場合でも、積層方向の位置に関らず略均等に各混合エレメント２１ａ，２１ｂの内周部に到達し、混合体２Ａ内部を内周部から外周部へ略均等に流れる。このような中空部２４を備えることで、中空部２４を設けない場合と比較して、混合ユニット１内部の積層方向に略均等に流体Ａが入りやすくなる。
【００２８】
混合ユニット１Ａは、混合エレメント２１ａ，２１ｂ、第１の板３、第２の板４により構成されているので、混合エレメント２１ａ，２１ｂの積層枚数を多くすることにより流体の流れる流路面積を大きくすることができるので、多くの流体を混合することができる。
【００２９】
（変形例１）
図４は、形態１の変形例１による混合ユニット１Ｂの構成部品を示す分解斜視図である。図５は、混合エレメント２１ｃが隣接する混合エレメント２１ｃと積層したときの
第１の貫通孔２２の重なりを示す平面図である。第１の貫通孔２２が重なっている部分は着色して示している。
【００３０】
混合ユニット１Ｂは、図１に示した混合ユニット１Ａと同様、円板から構成される混合エレメント２１ｃを複数枚（ここでは６枚）積層した混合体２Ｂを、第１の板３及び第２の板４により、適宜な位置に配された４本のボルト１１及びナット１２の固定手段にて両側から挟持して構成される。
【００３１】
混合エレメント２１ｃは、円形の第１の貫通孔２２を複数有し、中央部に略円形の第２の貫通孔２３を有している。第２の貫通孔２３の内径は、第２の板４の貫通孔４１の内径と略同一、かつ略同心である。混合エレメント２１ｃが積層されることにより、第２の貫通孔２３は中空部２４を形成する。各第１の貫通孔２２は、その内径及びピッチが略同一である。
【００３２】
図５に示すように、複数の第１の貫通孔２２の一部は、互いに隣接する混合エレメント２１ｃの第１の貫通孔２２とその位置をずらせて、部分的に重なり合うように配置され、混合エレメント２１ｃの延在する方向に連通する。複数の第１の貫通孔２２の一部は、混合エレメント２１ｃの内周面及び外周面に開いている。
【００３３】
以上のような混合ユニット１Ｂによっても、複数の第１の貫通孔２２は混合エレメント２１ｃの延在する方向及び積層方向に流通可能に連通するように形成される。従って、流体Ａは、混合ユニット１Ｂ内部を内周部から外周部へ、又はその逆に外周部から内周部へ流通させられ、半径方向及び積層方向に三次元的に分割と合流が行われ、流体Ａは良好に混合される。
【００３４】
（変形例２）
図１〜３に示される混合エレメント２１ａ又は２１ｂでは、内側部又は外側部に配設される一方の第１の貫通孔２２は内側面又は外側面に向かって開いているが、図６に示すように、内側部及び外側部に配設される第１の貫通孔２２が閉じているが異なる内径及び外径を有する混合エレメント２１ｄ（図６（ａ））及び２１ｅ（図６（ｂ））を使用して混合ユニット１を形成することもできる。
【００３５】
図６（ａ）に示される混合エレメント２１ｄの外径及び内径は、図６（ｂ）に示される隣接する混合エレメント２１ｅの外径及び内径よりも小さい。第２の貫通孔２３は混合エレメント２１ａ及び２１ｂと同様に、略中央部に略円形状に配されている。これにより、混合体２の内周部には混合エレメント２１ｄの第１の貫通孔２２が開放され、混合体２内部外周部にはエレメント２１ｅの第１の貫通孔２２が開放される（図６（ｃ））。なお、図６（ｃ）においては、積層状態を分かりやすくするために混合エレメント２１ｅを着色して示している。
【００３６】
以上のように混合エレメント２１ｄ及び２１ｅを形成しても、複数の第１の貫通孔２２は混合エレメント２１ｄ及び２１ｅの延在する方向及び積層方向に流通可能に連通するように形成される。そのため、流体Ａは、混合体２の内周部に開放される混合エレメント２１ｄの第１の貫通孔２２から混合体２内部に流入し、混合体２内部を連通する複数の第１の貫通孔２２を内周部から外周部に流通し、混合体２の外周部に開放される混合エレメント２１ｅの第１の貫通孔２２から混合体２外部に流出する。そして流体Ａは混合体２内部を流通する際に半径方向及び積層方向に三次元的に分割と合流され、良好に混合される。
【００３７】
また、混合エレメント２１ｄ又は２１ｅのように内側部及び外側部に配設される第１の貫通孔２２が閉じている混合エレメント２１と、内側部及び外側部に配設される第１の貫
通孔２２が開放されている混合エレメント２１の組み合わせにより、各混合エレメント２１の半径方向の仕切壁２５ａ及び円周方向の仕切壁２５ｂを位置を違えて配設することにより、上記と同様に流体Ａを混合体２内部に流入させ、流出させてもよい。
【００３８】
（変形例３）
図７に示されるように、２種類の混合エレメント２１ｆ（図７（ａ））と２１ｇ（図７（ｂ））の積層状態（図７（ｃ））において、周方向に隣接する第１の貫通孔２２同士の重なり部分の面積が非均等になるように半径方向の仕切壁２５ａが配設されていてもよい。これにより、流体は第１の貫通孔２２を通り抜ける際に周方向に対して非均等に分割される。
【００３９】
（変形例４）
図８に示されるように、２種類の混合エレメント２１ｈ（図８（ａ））と２１ｉ（図８（ｂ））における第１の貫通孔２２の間の仕切壁のうち、半径方向の仕切壁２５ａを一方向側に湾曲する略インボリュート曲線状としてもよい。混合エレメント２１ｈ，２１ｉをこのように形成することにより、混合ユニット１から流出する流体Ａの流れを渦巻状の流れとすることができる。
【００４０】
（変形例５）
図９に示されるような混合エレメント２１ｊを使用して図１０に示される混合ユニット１Ｃを形成してもよい。混合エレメント２１ｊは、中央部には第２の貫通孔２３を設けずに四角形状の第１の貫通孔２２を全面に有し、かつ外周部に第１の貫通孔２２が開放しない枠部２６を有している。第１の板３の外周形状は、隣接する混合エレメント２１ｊの外周部分の第１の貫通孔２２が開放されるように、混合エレメント２１ｊよりも小径に形成されている。
【００４１】
図１０は、混合エレメント２１ｊが３枚積層された混合ユニット１Ｃの内部を流体Ａが流れる様子を示した断面図である。混合ユニット１Ｃをこのように構成することによっても、適宜な圧送手段により混合ユニット１Ｃに流入させられた流体Ａは、第２の板４の貫通孔４１を介して混合体２Ｃに流入し、混合エレメント２１ｊの連通する第１の貫通孔２２を流通しながら混合体２Ｃ内部を半径方向及び積層方向に三次元的に分割と合流され良好に混合される。そして流体Ａは、混合体２Ｃの一端に配設された第１の板３の外周部に開放されている第１の貫通孔２２から流出する。
【００４２】
さらに本発明に係る混合エレメント２１は、上記形態及び各変形例に限定されず、種々の変更を施すことが可能である。例えば、混合エレメント２１の第１の貫通孔２２は円形や四角形状に限らず、三角形、六角形、長方形等の多角形形状としてもよい。
【００４３】
また、混合体２は、混合エレメント層２１が層厚方向に形成された階層構造を有する一体物により構成されていてもよい。この場合、混合体２は、例えば、３Ｄプリンター等の３次元造形装置等により製作することができる。また、混合ユニット１についても、混合体２と同様に３Ｄプリンター等の３次元造形装置等により製作することができる。
【００４４】
また、混合エレメント２１、第１の板３及び第２の板４等は、各種形状の分割構造とすることができる。この場合、大型の混合ユニット１であっても容易に製作することができる。図１１に示すように、混合エレメント２１が環状の形状を有する場合には、扇形形状の分割体２７による分割構造とすることができる。また、混合エレメント２１が四角形の場合には、矩形形状の分割体による分割構造とすることができる。
【００４５】
また、流体Ａは、混合体２の外周部に開放される混合エレメント２１の第１の貫通孔２
２から混合体２内部に流入し、混合体２の内周部に開放される混合エレメント２１の第１の貫通孔２２から流出してもよい。図１０に示される形態５の場合であれば、流体Ａは、混合体２Ｃの一端に配設された第１の板３の外周部に開放されている第１の貫通孔２２から流入し、第２の板４の開口部４１から流出してもよい。
【００４６】
（形態２「静的混合装置による流体の混合方法」）
図１２は、形態２による流体の混合方法において、静的混合装置内部を流体Ａが流れる様子を示した断面図である。静的混合装置５Ａは、フランジ５３を有する円筒状のケーシング５０に、入口５１及び出口５２を有する外周円板状のフランジ５４が着脱自在に装着している。ケーシング５０の内部には、混合ユニット１が配設されている。
【００４７】
混合ユニット１は４つの混合体２から形成され、各混合体２は混合エレメント２１を複数枚（ここでは３枚）と、中央部に貫通孔４１を有しケーシング５０の内径と略同一の外径を有する第２の板４及び混合体２の外径と略同一の外径を有する第１の板３から構成される。
【００４８】
さらに詳細には、ケーシング５０の入口５１側には、第２の板４が配設され、続いて３枚の混合エレメント２１から形成される第１混合体２ａが配設され、続いて第１の板３が配設されている。続いて第２混合体２ｂ、第２の板４、第３混合体２ｃ、第１の板３、第４混合体２ｄ、第２の板４が順次配設されている。隣接する第１混合体２ａと第２混合体２ｂは、１枚の第１の板３を共用して２つの混合要素１ａ，１ｂを構成する。隣接する第３混合体２ｃと第４混合体２ｄも同様に１枚の第１の板３を共用して２つの混合要素１ｃ，１ｄを構成する。また、隣接する第２混合体２ｂと第３混合体２ｃは、１枚の第２の板４を共用して２つの混合要素１ｂ，１ｃを構成する。
【００４９】
混合ユニット１はケーシング５０内に、ボルト及びナットや弾性体等による適宜な方法により固定される。第１の板３、第２の板４及び混合体２による混合ユニット１も、ボルト及びナットのような適宜な固定手段により固定される。
【００５０】
各混合体２ａ〜２ｄを形成する混合エレメント２１は、例えば、混合エレメント２１ａ，２１ｂのように第１の貫通孔２２を複数有し、中央部に第２の板４の貫通孔４１の内径と略同一、かつ略同心である円形の第２の貫通孔２３を有している。混合エレメント２１が積層されることにより、第２の貫通孔２３は第１中空部２４ａ、第２中空部２４ｂ、第３中空部２４ｃ及び第４中空部２４ｄを構成する。
【００５１】
ケーシング５０の内周部と、第１混合体２ａ及び第２混合体２ｂの外周部との間には第１環状空間部５５ａが、並びに、第３混合体２ｃ及び第４混合体２ｄの外周部との間には第２環状空間部５５ｂが形成される。
【００５２】
以上の構成を有する静的混合装置５Ａに、例えば、流体Ａは、適宜な圧送手段により入口５１から流入し、第１中空部２４ａに流入する。続いて、流体Ａは、第１中空部２４ａの内周面に開く第１の貫通孔２２から第１混合体２ａ内部に流入し、連通する第１の貫通孔２２を外周方向へ流通する。続いて、流体Ａは、第１混合体２ａの外周面に開く第１の貫通孔２２から流出し、第１環状空間部５５ａに流入する。
【００５３】
続いて、流体Ａは、第２混合体２ｂの外周面に開く第１の貫通孔２２から第２混合体２ｂ内部に流入し、連通する第１の貫通孔２２を内周方向へ流通する。そして、流体Ａは、第２中空部２４ｂの内周面に開く第１の貫通孔２２から流出し、第２中空部２４ｂに流入する。
【００５４】
その後、流体Ａは、第３中空部２４ｃ→第３混合体２ｃ→第２環状空間部５５ｂ→第４混合体２ｄ→第４中空部２４ｄを経由して出口５２から流出する。以上のように、流体Ａは、各混合体２ａ〜２ｄの内部を内周部から外周部へ、又は外周部から内周部へ放射状に、混合体２内部を連通する第１の貫通孔２２を流通することにより、半径方向及び積層方向に三次元的に分割と合流され効率的に混合される。以上により、静的混合装置５Ａの入口５１から流入した流体Ａは、良好に混合されて出口５２から流出する。
【００５５】
本静的混合装置５Ａを使用した流体の混合方法によれば、各混合体２ａ〜２ｄの両端部に対向配置されている第１の板３及び第２の板４により、流体Ａが混合体２内部を流れる方向を内周部から外周部へ、又は外周部から内周部へと変えることができる。そのため、流体Ａは、より多くの連通する第１の貫通孔２２を流通するので、さらに流体Ａの混合度を高めることができる。
【００５６】
また、各中空部２４ａ〜２４ｄ及び各環状空間部５５ａ，５５ｂは第１の貫通孔２２に対して十分な大きさを有するため、流体Ａが各中空部２４ａ〜２４ｄ及び各環状空間部５５ａ，５５ｂを流れる際の流動抵抗は、各混合体２ａ〜２ｄ内部を流れる際の流動抵抗と比較して小さい。従って、流体Ａは、混合エレメント２１の積層枚数が多い場合でも、積層方向の位置に関らず略均等に各混合エレメント２１の内周部又は外周部に到達し、各混合体２ａ〜２ｄ内部を内周部から外周部へ、又はその逆に外周部から内周部へ略均等に流れる。
【００５７】
（変形例１）
図１３は、形態２の変形例１による流体の混合方法において、静的混合装置５Ｂ内部を流体Ａが流れる様子を示した断面図である。本変形例１における静的混合装置５Ｂは、各混合体２ａ〜２ｄを構成する混合エレメント２１の外径がケーシング５０の内径と略同一であるため、図１２の静的混合装置５Ａと異なり環状空間部５５ａ，５５ｂを有しておらず、第１の板３の外径は、第２の板４や混合体２の外径よりも小さい。そのため、流体Ａは、第１混合体２ａと第２混合体２ｂとの間、第３混合体２ｃと第４混合体２ｄとの間では、外周部で互いに連通する第１の貫通孔２２間で流通する。
【００５８】
このような構成によっても、流体Ａは、各混合体２ａ〜２ｄ内部の連通する第１の貫通孔２２を混合エレメント２１の延在する方向に流通することにより混合される。本変形例１では、混合エレメント２１の外径及び第２の板４の外径がケーシング５０の内径と略同一であるため、これらのケーシング５０の内部への設置が容易である。
【００５９】
（変形例２）
図１４は、形態２の変形例２による流体の混合方法において、静的混合装置５Ｃ内部を流体Ａが流れる様子を示した断面図である。本変形例２における静的混合装置５Ｃでは、第１混合体２ａ〜第４混合体２ｄを構成する混合エレメント２１が第２の貫通孔２３を有さない点を除いては、図１３の静的混合装置５Ｂと同じである。本変形例２には、例えば、図９に示した混合エレメント２１ｊが適用される。
【００６０】
このような構成によっても、流体Ａは、各混合体２ａ〜２ｄ内部の連通する第１の貫通孔２２を混合エレメント２１の延在する方向に流通することにより混合される。本変形例２では、混合エレメント２１の外径及び第２の板４の外径がケーシング５０の内径と略同一であるため、これらのケーシング５０の内部への設置が容易であり、また、混合エレメント２１が第２の貫通孔２３を有さないので製作が容易である。
【００６１】
本発明に係る流体の混合方法に使用される静的混合装置５は、混合ユニット１の形態及び各変形例と同様に上記の静的混合装置５の形態及び各変形例に限定されず、本発明の範囲内で変形して実施することができる。例えば、混合エレメント２１、第１の板３及び第２の板４の外周形状は特に円形には限定されない。外周形状が円形でなくても、いずれの発明を実施する上においては何の支障もないからである。
【００６２】
（実施形態）
（実験１）
本発明に係る流体の混合方法について、混合状態を測定した結果を以下に示す。図１５（ａ）は混合状態の測定に使用した実験装置で、図１５（ｂ）は混合状態の判断指標となる混合度ｂｍについて示したものである。
【００６３】
図１５（ａ）に示されるミキサー取付部に、特許文献１に開示されている静的混合器（以下、「ケニックス型静的混合器」とする。）、又は本願流体の混合方法に使用される混合ユニット１を設置し、上流から内径２５ｍｍの塩ビ製配管により所定流量の水を供給して水の流れが安定した後に、水流中にマイクロフィーダー（図示せず）により着色した高粘性水溶液を注入した。ケニックス型静的混合器又は混合ユニット１の下流には、上流の塩ビ製配管と同じ内径２５ｍｍの透明アクリル製配管が設置され、波長５３２ｎｍのレーザーシート光が照射され、照射された配管断面における水と着色した高粘水性溶液の混合状況の画像を高速ビデオカメラにより撮影した。
【００６４】
ケニックス型静的混合器は、内径２７ｍｍの配管内に長さ４１ｍｍのミキシングエレメントを６組備えたもので、フランジ部分を含めた全長は２７５ｍｍである。混合ユニット１は、図１６（ａ）及び（ｂ）に示される外径２１ｍｍ、内径１４ｍｍ、厚さ１ｍｍの混合エレメント２１ｋ及び２１ｍを１枚ずつ積層したものを一組とし、第２の板４の上流及び下流に各々５組ずつ配し、さらにその両端に第１の板３を配したものである。第２の板４の内径は混合エレメント２１の内径と同じ１４ｍｍ、第１の板３の外径は混合エレメント２１の外径と同じ２１ｍｍである。図１６（ｃ）は、図１６（ａ）及び（ｂ）に示される混合エレメント２１が積層した状態を示した平面図で、分かりやすくするために図１６（ａ）の混合エレメント２１を着色して示している。高粘性水溶液としては、ダイセル（株）製のＣＭＣ２２６０を水中に溶解させ、和光純薬工業（株）製ローダミンＢにより着色したものを使用した。
【００６５】
図１５（ｂ）において、円形部の内部は、レーザーシート光が照射された透明アクリル製配管断面を高速ビデオカメラにより撮影した画像を画像処理プログラムにより処理したものである。ヒストグラムの横軸は蛍光領域の輝度ｂ、縦軸はピクセル数ｎであり、ヒストグラムは円形部の内部の画像において各輝度ｂのピクセル数ｎを示している。別途の測定により着色した高粘性水溶液の濃度が低いと輝度ｂが低く、逆に濃度が高いと輝度ｂが高いという関係が明らかである。そのため、高い輝度ｂを有するピクセルは高粘性水溶液の濃度が高い未混合領域を示し、低い輝度ｂを有するピクセルは高粘性水溶液の濃度が低い良好な混合領域を示す。配管断面の画像にある全ピクセルの輝度を平均した場合には、良好な混合領域まで混合指標の対象になってしまうため、全ピクセルのうち高輝度側から上位５０％のピクセルの輝度の平均値を混合度ｂｍとして混合状態の判断指標とした。
【００６６】
表１に水流速０．５ｍ／ｓｅｃ．、着色高粘性水溶液中のＣＭＣ濃度０．７５重量％（粘度約３００ｍＰａ・ｓ）、水に対する着色高粘性水溶液濃度０．２重量％における混合度ｂｍを示した。表２には、表１の実験条件から着色高粘性水溶液中のＣＭＣ濃度を１．５重量％（粘度約１０００ｍＰａ・ｓ）に変更した場合の混合度ｂｍを示した。
【表１】
2020128994.tif 000004
【表２】
2020128994.tif 000005
【００６７】
表１及び表２から、断面画像により算出された混合度ｂｍについては、混合ユニット１出口のｂｍがケニックス型静的混合器出口のｂｍより低く、流体の混合性能において混合ユニット１がケニックス型静的混合器より優れた混合性能を示していることが分かる。これは、ケニックス型静的混合器は、流体を管軸中心を通り配管断面を２分割する１本の直線として存在するミキシングエレメントにより平面的に２分割するだけであるのに対し、混合ユニット１は、流体を半径方向への二次元的（平面的）な分割と合流だけではなく、混合エレメント２１の層厚方向にも分割と合流が行われ、三次元的に分割と合流が行われるからである。水と着色高粘性水溶液の流量の差が大きいため、混合度ｂｍの差が顕著に現れている。
【００６８】
なお、表１及び表２に示された実験結果は水に対する着色高粘性水溶液の濃度が０．２重量％における混合度ｂｍであるが、０．２重量％より高くても低くてもよい。また、着色高粘性水溶液の粘度は約３００〜１０００ｍＰａ・ｓであるが、約３００〜１０００ｍＰａ・ｓより高くても低くてもよい。
【００６９】
（実験２）
実験２は、水に対する着色高粘性水溶液（ダイセル社製のＣＭＣ２２６０、着色高粘性水溶液中のＣＭＣ濃度０．７５重量％）の濃度が０．０１重量％となる超低濃度又は超小流量の割合で混合した場合について、混合特性を評価した。
ここで、着色物質のローダミンＢ（和光純薬工業社製）が水中にすみやかに溶解して高粘性水溶液と同一の拡散挙動をとらないおそれがあり、高粘性水溶液の濃厚な部分が小さいとその存在が抽出されないおそれがある。そこで、着色物質には、ローダミンＢに代えて疎水性物質であるクラチ社製のＫＲＣ−Ｆ０３０を使用した。また、配管断面の画像撮影において、デジタルカメラの特性より着色物質が無い部分でも輝度が一定値を示すことがあるため、配管断面の画像の全ピクセルのうち輝度（０〜２５５）がしきい値３０以上のピクセル（画素）を蛍光画素とした。さらに、混合状態の判断には、以下の評価指標（分散度、中央濃度、最大濃度、濃厚塊の大きさ、偏在度）を定義した。その他は、上記実験１と同様の実験方法により行った。
【００７０】
（１）分散度：Ｍ
蛍光画素数を配管断面の全画素数に対する百分率として表したものを分散度Ｍとした。この分散度Ｍは、配管内において混合による流体の拡がりを表す指標となり、分散度Ｍが高いほど流体の混合性能が高いと評価できる。
【００７１】
（２）中央濃度：ｂmed
蛍光画素の輝度の中央値を中央濃度ｂmedとした。この中央濃度ｂmedは、蛍光画素の輝度の平均値に比べて外れ値の影響を受けにくく画像の代表的な輝度と言えるので混合による流体の代表濃度を表す指標となり、中央濃度ｂmedが小さいほど流体の混合性能が高いと評価できる。
【００７２】
（３）最大濃度：ｂ’max
各輝度（ｂ＝０〜２５５）の画素数ｎ（ｂ）に対して指数関数的に重み付けしたｎ’（ｂ）＝ｎ（ｂ）ｂ／２５５を定義し、ｎ’（ｂ）が最大となる輝度を最大濃度ｂ’maxとした。この最大濃度ｂ’maxは、輝度が高く濃厚な塊の存在を示す指標となり、最大濃度ｂ’maxが小さいほど流体の混合性能が高いと評価できる。
【００７３】
（４）濃厚塊の大きさ：Ｌ
最大濃度ｂ’maxを決定する際に用いたｎ’（ｂ）を基に、中央濃度ｂmed＋３０をしきい値として抽出した各々の濃厚塊についてその蛍光画素数を配管断面の全画素数に対する百分率として表したものを濃厚塊の大きさＬとした。この場合、濃厚塊の大きさＬの大きい順に５個を抽出した。濃厚塊の大きさＬは、小さいほど流体の混合性能が高いと評価できる。
【００７４】
（５）偏在度：Ｄev.
本流の流体に対して比重の異なる他の流体を混合した場合、比重差に応じて混合した他の流体が偏在し、ある程度の大きさ（塊）になって存在するので、塊の偏りを表す指標として偏在度Ｄev.を、以下のようにして求めた。
配管断面の画像の各画素に対して下部から上部にかけて−１から１の位置情報ｐを与える。
混合する他の流体の偏在は濃度差として現れるため、各位置情報ｐに対して輝度によって重み付けしたｐ’＝ｂ／ｂmaxを求める。ここで、ｂmaxは各画像における輝度ｂの最大値である。ｐ’は混合した流体の塊が高濃度かつ中心から離れるほど高くなるので、各画素のｐ’について最大値ｐ’maxおよび最小値ｐ’minを求める。塊の大きさを反映させるため、最大値ｐ’max±０．５の画素、最小値ｐ’min±０．５の画素に対してｐ’の中央値を算出し、それぞれｐ’max±0.5、ｐ’min±0.5とする。偏在の程度は蛍光画素数に依存するため、蛍光画素数の２．５％をｎ2.5、ｐ’＝ｐ’max±０．５の画素数をｎmax±0.5とし、ｐ’maxに対してｎ2.5を用いて補正したｐ’max,c、及びｐ’minも同様にしてｐ’min,cを、以下のように場合分けして求める。
【００７５】
【数２】
2020128994.tif 000006
【００７６】
そして、ｐ’max,cとｐ’min,cの和を偏在度Ｄev.とした。この偏在度Ｄev.は、−１から１の値であり、その絶対値が１に近づくほど混合した他の流体の塊が偏在していると評価でき、一方、絶対値が０に近づくほど混合した流体の均一化が進んでおり流体の混合性能が高いと評価できる。
【００７７】
実験において、配管断面の画像のうち蛍光画素が多く現れた１０枚の画像に対して、上記の評価指標を求め、その平均値を求めた。表３に評価指標の結果を示した。なお、濃厚塊の大きさＬは最大のものを示した。
【００７８】
【表３】
2020128994.tif 000007
【００７９】
表３より、中央濃度、偏在度について、ケニックス型静的混合器と、混合ユニット（実施例）との間で大差はなかった。分散度について、混合ユニットはケニックス型静的混合器よりも高く、流体の拡散性能に優れてることがわかる。また、最大濃度について、混合ユニットはケニックス型静的混合器よりも低く、且つ濃厚塊の大きさでは、混合ユニット
がケニックス型静的混合器よりも小さくなっていたことから、混合ユニットは、ケニックス型静的混合器よりも流体の分割性能に優れていることがわかる。従って、混合する流体が０．０１重量％の割合の低濃度又は小流量の流体の混合方法において、混合ユニットは、ケニックス型静的混合器よりも優れた混合性能を発揮することがわかった。
【００８０】
（実験３）
実験３は、着色高粘性水溶液としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ２２６０）水溶液に比べて水との相溶性が高いグリセリン（粘度約８８０ｍＰａ・ｓ）を使用し、また、水に対するグリセリン（着色高粘性水溶液）の濃度が０．０１重量％となる割合で混合した場合について、混合特性を評価した。
グリセリンの着色物質は、和光純薬工業社製のローダミンＢを使用した。また、混合状態の判断には、分散度、中央濃度、最大濃度によって混合特性を評価した。その他は、上記実験２と同様の実験方法により行った。表４に評価指標の結果を示した。
【００８１】
【表４】
2020128994.tif 000008
【００８２】
表４より、グリセリンは、ミキサー無しの場合でも分散度が１００%となり、水中ですみやかに溶解していた。中央濃度、最大濃度について、混合ユニットは、ケニックス型静的混合器に比べて小さく、流体を均等に分散させる性能、細かく分割する性能が高いことがわかる。従って、混合ユニットは、低濃度又は小流量であり且つ相溶性が高い流体同士の混合方法においても優れた混合性能を発揮することがわかった。
【００８３】
（実験４）
実験４は、着色高粘性流体として水とは疎水性の流体である食用油（日清オイリオ社製）を使用し、また、水に対する食用油の濃度が０．０１重量％となる割合で混合した場合について、配管断面の撮影画像における食用油の濃厚塊の鉛直方向の径（粒子径）を測定し、混合特性を評価した。
表５に食用油の粒子径を示した。なお、表中、Ｄ１０は粒度分布における頻度の累計１０％の粒子径であり、Ｄ５０は粒度分布における頻度の累計５０％の粒子径（メジアン径）であり、Ｄ９０は粒度分布における頻度の累計９０％の粒子径である。
【００８４】
【表５】
2020128994.tif 000009
【００８５】
配管断面の画像を観察したところ、食用油（着色高粘性流体）の濃厚塊は、ミキサー無しでは配管上部に存在していたが、ケニックス型静的混合器では全体に小さく存在し、混合ユニットでは全体にさらに細分化されて存在していた。
表５より、食用油の粒子径は、Ｄ１０、Ｄ５０、Ｄ９０のいずれも、混合ユニットがケニックス型静的混合器よりも小さく、食用油を細分化する性能に優れることがわかる。また、混合ユニットではＤ１０、Ｄ５０、Ｄ９０が接近し、シャープな粒度分布を示すことから、食用油の微細化と均一化が進んでいることがかわる。従って、混合ユニットは、低濃度又は小流量であり且つ水と油のような疎水性の流体の混合方法においても優れた混合性能を発揮することがわかった。
【００８６】
（その他）
混合される流体Ａは、気体や液体に限定されるものではなく、気体と液体の混合物、気体や液体と粒状物質のような固体との混合物あるいはその他であってもよい。
【００８７】
用途としては、大流量の流体中への小流量の流体の混合が必要とされる中和、水処理における液体凝集剤の溶解、飲料への香料等微量成分の混合等の操作が挙げられる。また、流体中の各成分の濃度分布を均一にする用途以外にも、例えば、温度が異なる同一種の流体を混合して均一な温度とする用途にも適用することができる。
【００８８】
以上に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慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、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及び範囲内でのすべての修正や変形を含むものである。
【符号の説明】
【００８９】
１  混合ユニット
２  混合体
３  第１の板
４  第２の板
５  静的混合装置
２１  混合エレメント
２２  第１の貫通孔
２３  第２の貫通孔
２４  中空部
４１  （第２の板の）貫通孔
５５  環状空間部
Ａ，Ｂ  流体
【図１】
2020128994.tif 000011
【図２】
2020128994.tif 000012
【図３】
2020128994.tif 000013
【図４】
2020128994.tif 000014
【図５】
2020128994.tif 000015
【図６】
2020128994.tif 000016
【図７】
2020128994.tif 000017
【図８】
2020128994.tif 000018
【図９】
2020128994.tif 000019
【図１０】
2020128994.tif 000020
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2020128994.tif 000024
【図１５】
2020128994.tif 000025
【図１６】
2020128994.tif 000026