(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１液を導入する第１液導入口と、第２液を導入する第２液導入口と、圧縮性流体を導入する圧縮性流体導入口と、上記圧縮性流体導入口から導入した圧縮性流体を流入させたのち滴状化して流出する第１オリフィスと、上記第１オリフィスから流出した滴状化気液混合流体を流入させたのちさらに滴状化して流出する第２オリフィスと、上記第１液導入口から導入した第１液を上記第１オリフィスから流出した滴状化気液混合流体に流入させる第１液流入路と、上記第２液導入口から導入した第２液を上記第２オリフィスから流出した滴状化気液混合流体に流入させる第２液流入路と、上記第２オリフィスからの滴状化気液混合流体に上記第２液流入路からの第２液を混合させた２液混合滴状化流体を吐出する吐出具とを備え、上記第１オリフィスの流出口を上記第１液流入路内に位置決めし、上記第２オリフィスの流出口を上記第２液流入路内に位置決めしていることを特徴とする混合攪拌装置。
【請求項２】
第２液流入路と吐出具の流体通路との接続部分において、第２液流入路の内径より吐出具の流体通路の内径の方が大きく設定されている請求項１記載の混合攪拌装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合攪拌装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、トンネル工事（例えば、ＮＡＴＭ，ＴＢＭ，シールドマシンによるトンネル工事）等では、地山安定化，岩盤固結，空洞充填等のための各種工法の使用材料として、セメント系モルタル，エアモルタル，水ガラス系材料，ウレタン等が用いられている。そして、モルタル等を使用する場合には、その混合攪拌を機械攪拌式ミキサーにより行い、これで練ったものをポンプで注入している。また、水ガラス系材料，ウレタン等を使用する場合には、その混合攪拌を静止ミキサーにより行い、エアー吹き込み等と組み合わせて実施している。通常、機械攪拌式ミキサーは流動性の乏しい高粘度材料の場合や、作業性より混合性能の確保を重視する場合に採用されており、現場施工への適用を重視する場合には、サイズ，重量面から可搬性，操作性に優れる静止ミキサーが有利であり、多く使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、静止ミキサーの場合には、その形状が固定されており、形式ユニットごとの混合性能の条件範囲が狭い。このため、気温変化や流体粘度変化の影響を受けやすいこと、流量（流速）を増減する以外に混合度の調節機能がないことから第１液と第２液の比率が大きくなると充分に混合できないこと等の制約がある。そして、これらの制約が実用上の弱点となっており、品質管理（保証）面での不利さに繋がっている。また、材料特性（混合比率，粘度）、材料等の変更をする際に、多くの候補機種の中から型式選定、すなわち最適条件検討をその都度実施しなければならず、煩雑なうえに、時間を要する。しかも、静止ミキサーの場合には、繰り返して使用する際に、洗浄に関して厄介な問題がある。すなわち、静止ミキサーは、ユニット構造でありながら相当量の洗浄液を必要とし、廃液処理も不可欠である。特に、反応・硬化タイプの薬液混合に使用する場合には、配管のみならずミキサー部自体を守るために洗浄力の高い溶剤系を使用し、手早く実施しなければならないという時間的制約まで加わる。また、洗浄回路まで含めると、全体のシステムは益々大掛かりとなる。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、第１液と第２液の比率が変化しても混合可能であり、また、材料特性等の変更に容易に対応可能であり、しかも、洗浄に際して洗浄液が不要である等の利点がある混合攪拌装置の提供をその目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の混合攪拌装置は、第１液を導入する第１液導入口と、第２液を導入する第２液導入口と、圧縮性流体を導入する圧縮性流体導入口と、上記圧縮性流体導入口から導入した圧縮性流体を流入させたのち滴状化して流出する第１オリフィスと、上記第１オリフィスから流出した滴状化気液混合流体を流入させたのちさらに滴状化して流出する第２オリフィスと、上記第１液導入口から導入した第１液を上記第１オリフィスから流出した滴状化気液混合流体に流入させる第１液流入路と、上記第２液導入口から導入した第２液を上記第２オリフィスから流出した滴状化気液混合流体に流入させる第２液流入路と、上記第２オリフィスからの滴状化気液混合流体に上記第２液流入路からの第２液を混合させた２液混合滴状化流体を吐出する吐出具とを備え、上記第１オリフィスの流出口を上記第１液流入路内に位置決めし、上記第２オリフィスの流出口を上記第２液流入路内に位置決めしているという構成をとる。
【０００６】
すなわち、本発明の混合攪拌装置は、圧縮性流体導入口から導入した圧縮性流体を流入させたのち滴状化（本発明において、滴状化とは、霧状化を含む意味であり、霧状化の方が好ましい）して流出する第１オリフィスと、この第１オリフィスから流出した滴状化気液混合流体を流入させたのちさらに滴状化して流出する第２オリフィスとを備え、上記第１オリフィスの流出口を上記第１液流入路内に位置決めし、上記第２オリフィスの流出口を上記第２液流入路内に位置決めしている。そして、まず、量の多い方（すなわち、混合比率の高い方）を第１液として準備し、量の少ない方（すなわち、混合比率の低い方）を第２液として準備する。ついで、第１液導入口から導入した第１液を第１オリフィスから流出した滴状化気液混合流体に吸い込まれるように流入させて両者を混合させる。つぎに、これを第２オリフィス内に流入させたのちさらに滴状化して流出させることにより、第１液と圧縮性流体との混合度を向上させるとともに、この第１液を混合させた滴状化気液混合流体に、第２液導入口から導入した第２液を吸い込まれるように流入させて両者を混合させる。つぎに、この２液混合滴状化流体を吐出具内に通し、吐出具内で生じる乱流により、両液および滴状化気液混合流体をさらに混合させたのち、吐出具から吐出するものである。
【０００７】
このように、本発明の混合攪拌装置は、機械攪拌式ミキサーや静止ミキサーのように機械的攪拌機構を利用した構造ではなく、流体工学を利用した構造（すなわち、圧縮性流体を利用し、ベルヌーイ定理による霧化混合およびレイノルズ則による乱流攪拌理論に基づく構造）であり、単純な構造で、効率よく２液を混合攪拌することができる。また、機械攪拌式ミキサーや静止ミキサーに比べ、材料特性（混合比率，粘度等）・材料等の変更に簡単な調節で対応可能である。すなわち、この対応は、両オリフィスの穴径、第１オリフィスと第１液流入路との隙間および第２オリフィスと第２液流入路との隙間、圧縮性流体の圧縮性流体導入口への入気条件（圧力，流量等）等の調節により可能であり、品質管理（保証）面で安定している。しかも、洗浄時に、各導入口から圧縮性流体を導入することにより、ブロー洗浄が可能になり、洗浄液が不要であるうえ、洗浄回路を含めたシステムが殆ど大型化しない。したがって、環境に優しく、屋外施工には好適である。また、上記清掃により繰り返し使用が可能になる。さらに、材質の選定により、軽量，コンパクト化が最大限可能となり、可搬性，操作性に優れる。さらに、上記第１オリフィスの流出口を上記第１液流入路内に位置決めし、上記第２オリフィスの流出口を上記第２液流入路内に位置決めし、第１液を圧縮性流体とともに２つのオリフィスに通しているため、第１液として、混合攪拌する材料混合比率の大きな材料（流量の多い材料）や高粘度の材料を選択することにより、効率よい霧化が可能になる。
【０００８】
本発明において、第２液流入路と吐出具の流体通路との接続部分において、第２液流入路の内径より吐出具の流体通路の内径の方が大きく設定されている場合には、第２液流入路を通過した第２液が吐出具の流体通路に流入する際に、第２液が、第２オリフィスから流出した滴状化気液混合流体とともに、より外方に拡がって乱流拡散が最大限に作用するため、上記滴状化気液混合流体と第２液との混合度がアップする。
【０００９】
つぎに、本発明を詳しく説明する。
【００１０】
本発明の混合攪拌装置では、各導入口，両オリフィス，両液流入路は、分割可能な、もしくは分割不可能なブロックに形成されている。このようなブロックや両オリフィスに用いる材料としては、施工状況や混合攪拌する材料により各種の材料が選定されるが、ねじ加工の可能な材料として、例えば、アルミ，ステンレス，鉄，樹脂等の材料が好適に用いられる。
【００１１】
本発明に用いる吐出具としては、施工状況や混合攪拌する材料により各種の材料が選定されるが、例えば、鋼管，塩ビ管，樹脂パイプ等の管類が好適に用いられる。また、吐出具の長さは、１．０〜４．０ｍが妥当である。
【００１２】
本発明に用いる圧縮性流体としては、空気，窒素，炭酸ガス等の気体が用いられ、コンプレッサー等により圧縮された状態、もしくは圧縮ボンベとの配管接続で圧縮性流体導入口に導入される。トンネル工事等では、酸欠等安全面から空気が好ましい。
【００１３】
本発明に用いる第１液と第２液の混合比は、１：１〜１００：１が可能であるが、一般に１：１〜１０：１の比率で用いられる。薬液としては、２液硬化型の薬液はいずれも使用できるが、例えば、イソシアネート成分とポリオール成分を反応させる２液硬化型（発泡）ウレタン、水ガラスと酸等の硬化剤を反応させる水ガラス系薬液、もしくはイソシアネートと水ガラスを反応させるシリカレジン等が挙げられる。薬液の粘度は低いほうが好ましい。粘度が３０００ｃｐｓより高くなると、滴が大きくなり混合状態が悪くなる。この場合には、加温する等して通常１０００ｃｐｓ以下で使用する。
【００１４】
本発明の混合攪拌装置は、例えば、トンネル工事等の地山安定化，岩盤固結，空洞充填等の各種工法、トンネル等の地中構造物周囲の空隙および空洞充填、地山表面空洞（抜け部）への吹き付け、建築構造物の吹き付け施工、浮き桟橋等の人工構造物の内部空間へのウレタン充填等に用いられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
【００１６】
図１〜図３は本発明の混合攪拌装置の一実施の形態を示している。この実施の形態では、混合攪拌装置は、第１ブロック１と、この第１ブロック１に着脱自在にボルト５止めされる第２ブロック２と、この第２ブロック２に着脱自在にボルト（図示せず）止めされる第３ブロック３とを備えており、この第３ブロック３にノズル４が着脱自在に固定されている。
【００１７】
上記第１ブロック１には、その一側面（図面では、左側面）に、円筒状の凹部を設けることにより圧縮空気導入穴１０（この圧縮空気導入穴１０の開口が圧縮空気導入口１１となる）が形成されており、この圧縮空気導入穴１０に圧縮空気供給ホース（図示せず）が連結している。また、上記第１ブロック１には、その他側面（図面では、右側面）から圧縮空気導入穴１０の軸方向に沿って、上記圧縮空気導入穴１０と同心状で、この圧縮空気導入穴１０の内径より小径円筒状の第１流路１３が形成されている（図４参照）。そして、上記圧縮空気導入穴１０の奥端面（図面では、右端面）と第１流路１３の先端面（図面では、左端面）とが、上記圧縮空気導入穴１０および第１流路１３と同心状で、これら圧縮空気導入穴１０，第１流路１３の内径より小径円筒状の中間穴１２を介して連通している。
【００１８】
上記第１ブロック１には、その外周面の所定部分（図面では、上側部分）から内側に延びて上記第１流路１３の先端側の所定部分（図面では、上側部分）に至る第１液導入路１５（この第１液導入路１５の上端開口が第１液導入口１６となる）が形成されており、この第１液導入路１５に第１液供給ホース（図示せず）が連結している。そして、上記第１液導入路１５と第１流路１３とで第１液流入路が構成されている。
【００１９】
上記中間穴１２には、その内周面にねじ部（図示せず）が形成されており、このねじ部に、円筒状の１次霧化オリフィス１７の左側部外周面に形成されたねじ部（図示せず）がら合している。この１次霧化オリフィス１７には、その右端部内周面に、円錐台状の傾斜部１８ａと、この傾斜部１８ａの右端開口に続く小径円筒状の絞り部１８が形成されており、この絞り部１８の右端開口が１次霧化オリフィス１７の右端開口になっている。そして、上記１次霧化オリフィス１７の左端開口が中間穴１２の左端開口に面一状で位置決めされ、かつ、その右端開口が第１液導入路１５の右端部よりさらに右側に飛び出した位置に位置決めされた状態で、上記中間穴１２に１次霧化オリフィス１７が固定されている。
【００２０】
また、上記第２ブロック２は、その左側面（すなわち、上記第１ブロック１の右側面との接続面）に、上記圧縮空気導入穴１０と同心状で、上記１次霧化オリフィス１７の絞り部１８の内径より大径円筒状の連通穴２０が穿設されている。また、上記第２ブロック２には、その右側面から上記圧縮空気導入穴１０の軸方向に沿って、上記圧縮空気導入穴１０と同心状で、上記連通穴２０の内径より大径円筒状の第２流路２１が形成されている（図５参照）。そして、上記連通穴２０の右端開口と第２流路２１の左端開口とが、上記圧縮空気導入穴１０と同心状で、上記連通穴２０より大径円筒状で、第２流路２１より小径円筒状の中間穴２２を介して連通している。
【００２１】
上記第２ブロック２には、その外周面の所定部分（図面では、上側部分）から内側に延びて上記第２流路２１の先端側の所定部分（図面では、上側部分）に至る第２液導入路２４（この第２液導入路２４の上端開口が第２液導入口２５となる）が形成されており、この第２液導入路２４に第２液供給ホース（図示せず）が連結している。そして、上記第２液導入路２４と第２流路２１とで、第２液流入路が構成されている。
【００２２】
上記中間穴２２には、その内周面にねじ部（図示せず）が形成されており、このねじ部に、円筒状の２次霧化オリフィス２６の左側部外周面に形成されたねじ部（図示せず）がら合している。この２次霧化オリフィス２６には、その右端部内周面に、円錐台状の傾斜部２７ａと、この傾斜部２７ａの右端開口に続く小径円筒状の絞り部２７が形成されており、この絞り部２７の右端開口が２次霧化オリフィス２６の右端開口になっている。また、この２次霧化オリフィス２６は、その内径が上記連通穴２０の内径と同じに設定されている。そして、上記２次霧化オリフィス２６の左端開口が中間穴２２の左端開口に面一状で位置決めされ、かつ、その右端開口が第２流路２１の右端開口に面一状で位置決めされた状態で、上記中間穴２２の内周面に２次霧化オリフィス２６が固定されている。
【００２３】
上記第３ブロック３およびノズル４は円筒状であり、第３ブロック３の内周面に形成された複数の凹部（図示せず）に、ノズル４の左端部外周面に形成された複数の凸部（図示せず）が着脱自在に係合している。このようなノズル４の右端開口は蓋２９で閉塞されているとともに、その右端部に、４つの円形穴からなる吐出口４ａが等間隔をあけて穿設されている。このノズル４の内径は上記第２流路２１の内径と同じに設定されている。図１において、３０はＯリングである。なお、この実施の形態では、第１液として、イソシアネート（粘度５０ｃｐｓ）を用い、第２液として、ポリオール（粘度７０ｃｐｓ）を用い、第１液と第２液の配合比＝７：１で使用される２液硬化型発泡ウレタンを用いている。
【００２４】
上記構成において、まず、圧縮空気供給ホースから圧縮空気導入口１１を介して圧縮空気導入穴１０に圧縮空気を導入し、第１液供給ホースから第１液導入口１６を介して第１液導入路１５に第１液を導入し、第２液供給ホースから第２液導入口２５を介して第２液導入路２４に第２液を導入する。ついで、圧縮空気導入穴１０に導入した圧縮空気は一次霧化オリフィス１７に流入し、この１次霧化オリフィス１７を通過する間に流速が速まるとともに圧力が減小（負圧化）した（ベルヌーイ定理）のち、１次霧化オリフィス１７の絞り部１８でさらに増速・負圧化され、１次霧化オリフィス１７から噴出する。この噴流は流路断面積が急拡大となるため、圧縮空気は流速が減小するとともに圧力が増大しつつ、膨脹拡散する。一方、第１液導入路１５に導入した第１液は第１流路１３に流入したのち、１次霧化オリフィス１７から噴出した圧縮空気に吸い込まれるようにして合流し、この圧縮空気の膨脹拡散によって霧化される。
【００２５】
つぎに、霧化した第１液と圧縮空気との混合流体は、２次霧化オリフィス２６を通過・噴出することにより、１次霧化オリフィス１７通過・噴出による霧化と同様の作用を繰り返す。すなわち、２次霧化オリフィス２６を通過する間に流速が速まるとともに圧力が減小したのち、２次霧化オリフィス２６の絞り部２７でさらに増速・負圧化され、２次霧化オリフィス２６から噴出する。この気液噴流は流路断面積が急拡大となるため、圧縮空気は流速が減小するとともに圧力が増大しつつ、膨脹拡散する。一方、第２液導入路２４に導入した第２液は第２流路２１に流入したのち、２次霧化オリフィス２６から噴出した気液に吸い込まれるようにして合流し、この圧縮空気の膨脹拡散によって霧化される。このようにして、２次霧化オリフィス２６の絞り部２７の出口近傍および第３ブロック３の入口近傍において、第２液と第１液とは霧化混合され、２液混合滴状化流体が得られる。この実施の形態において、「霧化混合」とは、霧化により液体が細やかな粒状体となり、その表面積が数百〜数千倍に増大し、その結果、霧化状態で第２液と第１液とを混合させることにより、その接触面積が増えて混合性が大幅に向上する方法である。つぎに、２液混合滴状化流体は、直ぐに大気に開放されることなく、ノズル４内を流れるため、ノズル４内において圧縮空気の乱流化による渦流が生じ、さらに混合されたのち、ノズル４の吐出口４ａから四方に吐出される。この実施の形態では、ノズル４内で乱流となるように、ノズル４の内径に対応する以上の空気を圧縮空気導入口１１から導入しており、その結果として、レイノズル数２３００以上となっている。
【００２６】
このように、上記実施の形態では、１次霧化オリフィス１７および２次霧化オリフィス２６を用いて、第１液および第２液を混合攪拌するため、充分な混合攪拌が行える。また、単純な構造で、効率のよい混合攪拌が行えるうえ、材料特性（混合比率，粘度等）・材料等の変更に容易に対応することができる。すなわち、混合比率の大きな第１液と霧化能率の高い１次霧化オリフィス１７とを組み合わせることで効率よく霧化することができる。しかも、ノズル４での乱流攪拌を利用することにより、ノズル４内部を混合室として有効利用することができる。さらに、混合攪拌の終了後、洗浄液を使用することなく、各導入口１１，１６，２５に圧縮空気を供給することにより、ブロー洗浄による内部清掃を行うことができ、各ブロック１〜３のブロック本体は何度でも使用可能である。さらに、各ブロック１〜３ごとに分解可能であり、清掃も容易である。
【００２７】
図６は本発明の混合攪拌装置の他の実施の形態を示している。この実施の形態では、ノズル４の内径を第２ブロック２の第２流路２１の内径よりも大きく設定している。このものでは、第２流路２１を通過したのちノズル４内に流入する第２液および噴出気液がより外方に拡がるため、ノズル４内でより大きな乱流拡散が生じ、この乱流拡散により混合効果がアップする。それ以外の部分は上記実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。この実施の形態でも、上記実施の形態と同様の作用・効果を奏する。
【００２８】
図７は図１に示すノズル４の変形例を示している。この変形例では、ノズル４が円筒状体で構成されている。したがって、図７のノズル４には、図１に示すような蓋２９や４つの吐出口４ａが設けられていない。それ以外の部分は図１に示すノズル４と同様である。また、図７のノズル４を用いた場合にも、図１に示すノズル４を用いた場合と同様の作用・効果を奏する。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の混合攪拌装置は、機械攪拌式ミキサーや静止ミキサーのように機械的攪拌機構を利用した構造ではなく、流体工学を利用した構造（すなわち、圧縮性流体を利用し、ベルヌーイ定理による霧化混合およびレイノルズ則による乱流攪拌理論に基づく構造）であり、単純な構造で、効率よく２液を混合攪拌することができる。また、機械攪拌式ミキサーや静止ミキサーに比べ、材料特性（混合比率，粘度等）・材料等の変更に簡単な調節で対応可能である。すなわち、この対応は、両オリフィスの穴径、第１オリフィスと第１液流入路との隙間および第２オリフィスと第２液流入路との隙間、圧縮性流体の圧縮性流体導入口への入気条件（圧力，流量等）等の調節により可能であり、品質管理（保証）面で安定している。しかも、洗浄時に、各導入口から圧縮性流体を導入することにより、ブロー洗浄が可能になり、洗浄液が不要であるうえ、洗浄回路を含めたシステムが殆ど大型化しない。したがって、環境に優しく、屋外施工には好適である。また、上記清掃により繰り返し使用が可能になる。さらに、材質の選定により、軽量，コンパクト化が最大限可能となり、可搬性，操作性に優れる。さらに、上記第１オリフィスの流出口を上記第１液流入路内に位置決めし、上記第２オリフィスの流出口を上記第２液流入路内に位置決めし、第１液を圧縮性流体とともに２つのオリフィスに通しているため、第１液として、混合攪拌する材料混合比率の大きな材料（流量の多い材料）を選択することにより、効率よい霧化が可能になる。
【００３０】
本発明において、第２液流入路と吐出具の流体通路との接続部分において、第２液流入路の内径より吐出具の流体通路の内径の方が大きく設定されている場合には、第２液流入路を通過した第２液が吐出具の流体通路に流入する際に、第２液が、第２オリフィスから流出した滴状化気液混合流体とともに、より外方に拡がって乱流拡散が最大限に作用するため、上記滴状化気液混合流体と第２液との混合度がアップする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の混合攪拌装置の一実施の形態を示す断面図である。
【図２】上記混合攪拌装置の左側面図である。
【図３】上記混合攪拌装置の右側面図である。
【図４】第１ブロックの説明図である。
【図５】第２ブロックの説明図である。
【図６】本発明の混合攪拌装置の他の実施の形態を示す断面図である。
【図７】ノズルの変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
４  ノズル
１１  圧縮空気導入口
１６  第１液導入口
１７  １次霧化オリフィス
２５  第２液導入口
２６  ２次霧化オリフィス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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