(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
管内に装着するねじり羽根状エレメントの外縁部に、前記管の内周面との間に隙間を形成するスペーサ部を有することを特徴とするスタティックミキサーエレメント。
【請求項２】
前記スペーサ部は、ねじり羽根状エレメントの外周部の突起であることを特徴とする請求項１に記載のスタティックミキサーエレメント。
【請求項３】
前記スペーサ部の形状は、ねじり羽根状エレメントの外周の端部がｒ加工ないし角部の面取りにより形成された形状と同様の形状であることを特徴とする請求項１に記載のスタティックミキサーエレメント。
【請求項４】
請求項１〜３のスタティックミキサーエレメントのうちの少なくとも１種を管内に装着したことを特徴とするスタティックミキサー。
【請求項５】
粘度１５０ｍＰａ・ｓ以下の低粘性流体を請求項４のスタティックミキサーを用いて混合する混合工程を含むことを特徴とする流体の混合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スタティックミキサーエレメント、スタティックミキサー、及び流体の混合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スタティックミキサーとしては、例えば、ねじり羽根状エレメント等のスタティックミキサーエレメントの外周端面を管の内周面に接合して管内に配設したものや、スタティックミキサーエレメントを管内に着脱自在に配設したものがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、スタティックミキサーに代表される静止型管内混合器の内部混合素子（いわゆるスタティックミキサーエレメント）と前記内部混合素子を配設する外管との隙間（即ち、内部混合素子の外径と外管の内径の差）は、極力０に近い方が好ましいという考え方が当業者の通則であった。なぜならば、スタティックミキサーエレメントと外管との間に隙間がある場合には、混合する２種類以上の液体における低粘性側の液体が該隙間を通じて混合されずに通りぬけてしまうという現象、いわゆる液体のショートカットが生じ、これが混合不良の原因の一つとなるからである。
【０００４】
この現象は、２種以上の流体の粘度比あるいは流量比が大きい場合には特に顕著になる。この混合不良を防止する最大の手段は、外管とスタティックミキサーエレメントの外周端部との隙間が前記外管の長手方向において完全に無くなるようにする、いわゆるエッジシールにすればよく、そのためのスタティックミキサーの製造方法やスタティックミキサーエレメントの外管への固定方法も種々検討されている。
【０００５】
しかしながら、外管とスタティックミキサーエレメントが異材質である場合等のように、外管へのスタティックミキサーエレメントの接合が極めて困難であるか、あるいはできない場合がある。また、定期的なオーバーホール時に外管からスタティックミキサーエレメントを取り外し、スタティックミキサーエレメント及び外管の内壁面の洗浄を十分に行い微量の不純物の混入をも防止する等の理由で、外管の中へスタティックミキサーエレメントを着脱自在に装着したい場合がある。
【０００６】
そのような場合には、外管及びスタティックミキサーエレメントの機械的精度を上げることにより、外管の内周面とスタティックミキサーエレメントの外周部の間の隙間を極力小さくし、外管の内部空間にスタティックミキサーエレメントを着脱自在に装着していた。
【０００７】
一方、スタティックミキサーは、混合対象である液体の種類を変更する際に洗浄が必要となるが、スタティックミキサーエレメントを外管から取り外して洗浄するのではなく、設備の作業効率をできるだけ低下させないようにするために、通常は、外管にスタティックミキサーエレメントを組付けた状態での洗浄いわゆるＣＩＰ洗浄（Ｃｌｅａｎｉｎｇ  ｉｎ  Ｐｌａｃｅ）を行う。ところが、外管の内周面とスタティックミキサーエレメントの外周部の間の隙間を極力小さくしたスタティックミキサーは、ＣＩＰ洗浄に時間がかかり過ぎるという問題点を有していた。
【０００８】
本発明の第１の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、短時間でＣＩＰ洗浄を行うことができると共に、混合対象である流体を十分に混合することができるスタティックミキサーエレメントを提供することである。また、本発明の第２の目的は、短時間でＣＩＰ洗浄を行うことができると共に、混合対象である流体を十分に混合することができるスタティックミキサーを提供することである。また、本発明の第３の目的は、前記スタティックミキサーエレメントを用いた流体の混合方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を鑑みて鋭意研究を行ったところ、外管の内周面とスタティックミキサーエレメントの外周部の間の隙間を極力小さくしているために、そのようなごくわずかな間隔の隙間にはさまって滞留ないし付着する流体は極めて除去しにくく、十分に洗浄するには洗浄媒体と時間がより多く必要になるということ、及び、前記隙間をある程度広げる場合は十分な混合能力を保持したまま前記隙間にはさまって滞留ないし付着する流体が除去しやすくなるということを見出し本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明の上記第１の目的は、管内に装着するねじり羽根状エレメントの外縁部に、前記管の内周面との間に隙間を形成するスペーサ部を有するスタティックミキサーエレメントにより達成することができる。前記スペーサ部は、ねじり羽根状エレメントの外周部の突起にすることができる。また、前記スペーサ部の形状は、ねじり羽根状エレメントの外周の端部がｒ加工ないし角部の面取りにより形成された形状と同様の形状にすることができる。
【００１１】
また、本発明の上記第２の目的は、上記本発明のスタティックミキサーエレメントのうちの少なくとも１種を管内に装着したスタティックミキサーにより達成することができる。また、本発明の上記第３の目的は、粘度１５０ｍＰａ・ｓ以下の低粘性流体を上記本発明のスタティックミキサーを用いて混合する混合工程を含む流体の混合方法により達成することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
〔スタティックミキサーエレメント〕
本発明のスタティックミキサーエレメントは、管内に装着するねじり羽根状エレメントの外縁部（好ましくは管の内周壁面に近接する外周端部、より好ましくは管の内周壁面に近接する外周端面）に、混合対象の流体が洗浄流体で短時間に置き換わることができる程度の間隔の隙間を前記管の内周壁面と前記エレメントの外縁部の間に形成するスペーサ部を有するものであればよい。
【００１３】
スペーサ部の形状は、突起（例えば、半球状、角柱状、円柱状等の突起）にすることができ、また、ねじり羽根状エレメントの外周の端部がｒ加工ないし角部の面取りにより形成された形状と同様の形状にすることができる。なお、端部がｒ加工ないし角部の面取りにより形成された形状と同様の形状は、機械的な加工だけでなく、例えば、樹脂あるいはセラミック粉末を原料として型を用いて形成することができる。
【００１４】
スペーサ部としての突起は、スタティックミキサーエレメントを管の内部の空間部に装着した場合に、管の内周壁面とスタティックミキサーエレメントの外周面（突起を除く外周面）との間隔（隙間）が好ましくは０．５〜１ｍｍになるような突起にする。
【００１５】
〔スタティックミキサー〕
本発明のスタティックミキサーは、本発明のスタティックミキサーエレメントのうちの少なくとも１種を管内に着脱自在に装着したものにすることができる。スタティックミキサーエレメントの形状及び寸法は、本発明の効果を損なわない範囲において、スタティックミキサーエレメントを装着する管の形状に応じて適宜設定することができる。例えば、本発明のスタティックミキサーエレメントの外径（スペーサ部を含む外径）を管の内径にできるだけ近づけ、本発明のスタティックミキサーエレメントが管内でがたつかないようにして装着することができる。
【００１６】
〔流体の混合方法〕
本発明の流体の混合方法は、粘度１５０ｍＰａ・ｓ以下（好ましくは１００ｍＰａ・ｓ以下、より好ましくは８０ｍＰａ・ｓ以下、さらに好ましくは５０ｍＰａ・ｓ以下）の低粘性流体を本発明のスタティックミキサーを用いて混合する混合工程を含むことができる。また、混合対象を変更する場合、先の混合工程と後の混合工程の間に、先の混合工程で残存した混合対象の流体をスタティックミキサーから除去する洗浄工程を設けることができる。
【００１７】
本発明のスタティックミキサーエレメントないし本発明のスタティックミキサーを使用して十分な効果が期待できるのは、特に、混合対象の流体の粘度が１００ｍＰａ・ｓ以下の低粘性流体（低粘性液体と気体がある）である。このような低粘性流体を使用した後に洗浄する（即ち、残存する混合対象の流体を洗浄流体で置き換えて前記混合対象の流体を除去する）場合は、前記低粘性流体を残留させることなく短時間で洗浄でき、他の種類の液体への切り替えを良好に行うことができ、尚かつ充分な混合も可能である。
【００１８】
〔用途〕
本発明のスタティックミキサーエレメント、スタティックミキサー及び流体の混合方法のそれぞれは、不純物がごくわずかに混入した場合でも不良品になってしまうような製品を製造するための原料の混合に好適に用いることができる。例えば、半導体製造用高純度ガスの混合、半導体洗浄液やエッチング液を製造するための原料を調合・希釈等して、半導体洗浄液やエッチング液を調製する用途に特に好適に使用される。
【００１９】
上記用途で使用する場合には、液体の入れ替え時（混合対象の液体の変更時）に前液（前に混合した液）がスタティックミキサー内にごくわずかに残存していても、それが粒子レベルで製品の品質に影響がでる。これらの対策として通常用途では、隙間を極力小さくすることで、前液の残留を極力抑制していたが、本発明では、図１の（ａ）及び（ｂ）のようにスタティックミキサーエレメント１１Ａ、１１Ｂの周辺部（外周端面）にそれぞれ突起１２Ａ、１２Ｂを設けている。
【００２０】
そして、図２に示すように、このようなスタティックミキサーエレメントを管２１の内部の略円柱形状の内部空間に装着してスタティックミキサーにする。このようなスタティックミキサーでは、管の長手方向にわたり、混合対象の流体の流れ方向（管の長手方向）に対して垂直方向の断面において、管の内周壁面とスタティックミキサーエレメントの外周面（突起部を除く）との間に一定の間隔で環状の隙間２０を設けることができる。なお、図２における２２は締付ナットであり、２３はメールコネクターであり、２４はフレアーである。
【００２１】
また、図３に示すように、スタティックミキサーエレメントの外周縁部をｒ加工ないし角部の面取りにより形成された形状と同様の形状にする場合には、管２１の内周壁面とスタティックミキサーエレメントとの隙間に滞留ないし付着して残存する混合対象であった流体を、さらに効率よく短時間で洗浄流体に置換して除去することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図４で説明するインライン型流体混合装置は、主流体と調整剤Ａもしくは調整剤Ｂのいずれかと切替え可能に混合することを目的とした混合装置である。
【００２３】
このインライン型流体混合装置は、管路４７Ａ、４７Ｂ又は４７Ｃを介してそれぞれ導かれた主流体、調整剤Ａ及び調整剤Ｂのそれぞれを圧送するポンプ４４Ａ、４４Ｂ及び４４Ｃと、前記各々のポンプから接続路４８Ａ、４８Ｂ又は４８Ｃを介して出力された主流体、調整剤Ａ及び調整剤Ｂの脈動をそれぞれ抑制する脈動抑制弁４３Ａ、４３Ｂ及び４３Ｃと、主流体、調整剤Ａ又は調整剤Ｂの逆流を阻止するための逆止弁４９Ａ，４９Ｂ及び４９Ｃとを備え、それら逆止弁を通過した主流体と、調整剤Ａ又は調整剤Ｂが合流するように制御された切替弁４２により通過する主流体と調整剤Ａ又は調整剤Ｂとを合流させた２流体の混合流体がスタティックミキサ４１に供給されるようになっている。
【００２４】
上記ポンプ４４Ａ、４４Ｂ及び４４Ｃは定量性のポンプであればよく、好ましくは容積型ポンプ（例えば、容積型の空気ポンプ）がよい。また、前記ポンプのそれぞれから送り出される流体の脈動を抑制するための脈動抑制弁４３Ａ、４３Ｂ及び４３Ｃが取り付けられているが、これらの脈動抑制弁は、脈動が発生しない場合、あるいは、発生する脈動が小さいため著しい問題が生じない場合等は設けるには及ばない。
【００２５】
脈動抑制弁としては、例えば特開平６−２９５２０９号公報に開示されている流体コントロールバルブのように、入力側流体の圧力に拘らず出力側流体の圧力を制御圧に対応する値に保持することにより、出力側流体の脈動を抑制出来る構成のものを使用することができる。すなわち、このような脈動抑制弁は、流量が増大して出口の圧力が増大した場合には、脈動抑制弁内に取り付けられているダイヤフラムを変形させて流体の通路を小さくすることにより流体の通過抵抗を大きくし、反対に量が減少して出口の圧力が小さくなった場合には、脈動抑制弁内に取り付けられているダイヤフラムを変形させて流体の通路を大きくすることにより、流体の通過抵抗を小さくする操作を繰り返すことで流体の脈動を防ぐことが出来る。
【００２６】
また、レギュレーター４５Ａ、４５Ｂ及び４５Ｃのそれぞれは、上記脈動抑制弁４３Ａ、４３Ｂ又は４３Ｃの出力側圧力を設定するための制御圧（空気圧）ＰA、ＰB、ＰCを手動操作量に従ってそれぞれ出力する。尚ここでは図示していないが、上記脈動抑制弁の出力圧を監視するための圧力計が、脈動抑制弁及び逆止弁の間にそれぞれ設けられている。
【００２７】
スタティックミキサ４１は、２種類の流体すなわち主流体と調整剤Ａ又は主流体と調整剤Ｂのいずれかを切り替えて混合するためのものである。
【００２８】
典型的なスタティックミキサは、たとえば長方形の板を１８０°だけ右回転方向へねじったような形状である右ねじれ羽根の端部（ねじり軸方向の端部）と長方形の板を１８０°だけ左回転方向へねじったような形状である左ねじれ羽根の端部（ねじり軸方向の端部）とが、流体の流れ方向すなわちスタティックミキサの長手方向（前記ねじれ羽根のねじり軸方向）の複数箇所において互いに直交するように接合したスタティックミキサエレメントを円筒状の管内の空間部に備えて構成されたものであって、前記管内を流通する流体を分割しつつその流体に転換、反転作用を与えることにより、流体を均質に混合するものである。
【００２９】
スタティックミキサ４１の構造は、上記スタティックミキサにおける前記エレメントの外周部に突起が設けられたものであり、流体の流れ方向に対して垂直方向におけるスタティックミキサーエレメントの断面において同心円（外管の内周面による外円とスタティックミキサーエレメントの外周面による内円）状に配置する前記外円と内円の間に一定の間隔で略環状の隙間を設けている。
【００３０】
このようにすることにより、スタティックミキサ内の混合素子（１１Ａ、１１Ｂ）と円筒管との間での液体の滞留ないし付着を防止することが出来る。また、ｒ加工することにより、隙間部の滞留をさらに改善することが出来る。従って、液体の切替時に前液の残留がないため洗浄に時間をかける必要がない。
【００３１】
また、本装置で使用される流体は、半導体製造用高純度ガス、半導体洗浄液、及びエッチング液等の調合・希釈等に使用される流体で粘性は１００ｍＰａ・ｓ以下であるために、上記隙間があることによる混合不良は生じない。ここで混合不良を生じないために、好ましくは、外管の内周面とスタティックミキサーエレメントの外周面との間の隙間が０．５〜１．０ｍｍとなるように加工する。
【００３２】
脈動抑制弁４３Ａ、４３Ｂ又は４３Ｃよりも下流側であってスタティックミキサ４１よりも上流側のミキシングポイントに設けられている切替弁４２としては、好ましくは、主流体へ調整剤の供給を停止した時の主流体内への調整剤の混入を防ぎ、主流体の成分の配合や濃度等の精度を高く保つことができる切替弁、特に、主流体へ供給する調整剤の種類を変更する際に変更前の調整剤の主流体への混入を防ぎ、主流体の成分の配合や濃度等の精度を高く保つことができる切替弁を用いる。このような切替弁の一例としては、例えば、特開平１０−２９２８７１号公報に記載のマニホールドバルブを用いることができる。
【００３３】
即ち、前記公報には、副流体入口と、その副流体入口と連通する上向きの連通流路と、その連通流路の上端を開閉する弁装置と、上記連通流路の上端が位置する流路壁面の下側に供給用開口が形成された主流路とを備え、上記副流体入口から前記連通流路及び供給用開口を通って上向きに主流路へ供給される副流体を、上記連通流路上端の開閉により主流路内への供給及び供給停止を行うようにした旨のマニホールドバルブが記載されている。このようなマニホールドバルブを切替弁（ミキシング弁）４２として取り付ければ、調整剤切替え時の作業性が格段によくなる。
【００３４】
〈液置換特性試験〉
図５は、混合対象である液体切替え時の洗浄における除去すべき液体の残留量を比較するための液置換特性試験の概略を説明するための図である。液置換特性試験の方法は、次のとおりである。
【００３５】
（１）試験対象のスタティックミキサーの内部に硫酸（濃度９５％）を満液状態にして３０分間静置する。（２）試験対象のスタティックミキサーの内部から硫酸を排出し、計測機器を接続する。即ち、前記スタティックミキサーの上流側に導電率センサー▲１▼を取り付け、下流側に導電率センサー▲２▼を取り付け、前記導電率センサー▲１▼及び▲２▼を導電率計に接続する。（３）導電率センサー▲１▼よりも上流側から純水を流し、導電率センサー▲１▼及び▲２▼により純水の導電率の変化を測定する。
【００３６】
上記方法により、硫酸の残留状態を測定しようとしたものである。出口部（スタティックミキサーの下流側）の導電率Ａに対する入口部（スタティックミキサーの上流側）の導電率Ｂの比Ｂ／Ａを１００倍した値を回復率（％）として定義して評価した。
【００３７】
測定は、本発明で提案したミキサーエレメント、従来のミキサーエレメント、及びミキサーエレメントのない管（長さ１８０ｃｍ、内径１０ｍｍ）のみの場合に対してそれぞれ３回行い、それらの平均をとった。前記本発明で提案したミキサーエレメントは、エレメント外径１０ｍｍ（その内、凸部高さは０．５ｍｍ）で管内面との接触部が凸部のみとなるものであり、これを前記管に装着して測定した。従来のミキサーエレメントは、エレメント外径１０ｍｍで管内面との接触部がエレメント外周全域となるものであり、これを前記管に装着して測定した。
【００３８】
測定結果を図６に示す。図６は、測定時間（経過時間）に対する回復率の変化を示す図である。なお、図６における通常ミキサー平均値とは、上記従来のミキサーエレメントを上記管内に装着し各測定時間ごとに３回測定した平均値のことである。また、ミキサーなし平均値とは、上記管のみを用い各測定時間ごとに３回測定した平均値のことである。スペーサーミキサー平均値とは、上記本発明のミキサーエレメントを上記管内に装着し各測定時間ごとに３回測定した平均値のことである。
【００３９】
なお、表１に、ミキサー無しの場合（上記管のみを用いた場合）とミキサー有りの場合（上記従来のミキサーエレメントを上記管内に装着した場合）について、回復率測定時間（経過時間）と回復率の結果を示す。
【００４０】
【表１】
0003677424.tif 000002
【００４１】
図６に示された結果によれば、本発明のミキサーエレメントは、従来のミキサーエレメントに比べて回復率が非常によい数値を示しており、短時間で洗浄することができ洗浄性に優れているということがわかる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明のスタティックミキサーエレメントは、管内に装着するねじり羽根状エレメントの外縁部に、前記管の内周面との間に隙間を形成するスペーサ部を有するので、管内に装着してスタティックミキサーにして使用した場合に、十分な混合能力を保持することができると共に、前記隙間にはさまって滞留ないし付着する流体を除去しやすいので、ＣＩＰ洗浄を短時間で行うことができる。そのため、混合対象の流体を変更する場合に、残存する変更前の流体を短時間で十分に除去し、新たな混合対象の流体への切り替えを短時間で良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１の（ａ）及び（ｂ）のそれぞれは、本発明のスタティックミキサーエレメントの一例を、前記エレメントのねじり軸に対して直角方法から視た図である。
【図２】図２は、本発明のスタティックミキサーエレメントの一例を外管の内部へ取り付けて成るスタティックミキサーの前記外管の長手方向の概略断面図である。
【図３】図３の（ａ）は、従来のスタティックミキサーエレメントにおけるｒ加工していない外周端部の一部を示す部分図であり、図３の（ｂ）は、外周端部をｒ加工した本発明のスタティックミキサーエレメントの一例におけるｒ加工した部分の一部を示す部分図である。
【図４】図４は、本発明のスタティックミキサーエレメントの一例を用いたスタティックミキサーを構成部材の一つとして含むインライン型流体混合装置の概略を示す図である。
【図５】図５は、液置換特性試験の概略を示す図である。
【図６】図６は、測定時間（経過時間）に対する回復率の変化を示す図である。
【符号の簡単な説明】
１１Ａ、１１Ｂ  ：スタティックミキサーエレメント（混合素子）
１２Ａ、１２Ｂ  ：突起
２１  ：管
４１  ：スタティックミキサ
４２  ：調整剤切替弁
４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ  ：脈動抑制弁
４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ  ：ポンプ
４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ  ：レギュレーター
【図１】
0003677424.tif 000003
【図２】
0003677424.tif 000004
【図３】
0003677424.tif 000005
【図４】
0003677424.tif 000006
【図５】
0003677424.tif 000007
【図６】
0003677424.tif 000008