(57)【要約】【課題】微少な流量で供給される複数種類の液体を良好に混合する。【解決手段】２種類の液体Ａ，Ｂを混合する場合、液体Ａを第１ポンプＰAで、また液体Ｂを第２ポンプＰBで、合流点１６に送り出す。これらのポンプの吐出期間はずらされており、交互に液体Ａ，Ｂが吐出される。液体Ａ，Ｂは合流すると流れの方向に層をなして流れる。流路の中央付近と壁近傍とで、流速が異なり、隣接する層の間の接触面積が大きくなり、流れが層流状態であっても混合が進み、効率よく２液の混合が行われる。【選択図】図４
2005144215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の液体を混合する液体混合装置であって、
前記液体の種類ごとに備えられ、当該種類の液体を単一の流路に向けて間欠的に吐出するポンプを有し、異なる種類の液体を吐出するポンプ相互の前記吐出期間がずれている、
液体混合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液体混合装置であって、前記異なる種類の液体を吐出するポンプ相互の吐出期間が重ならない、液体混合装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の液体混合装置であって、前記単一の流路の流れは層流となる流速領域に用いる、液体混合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数種類の液体を混合する装置、特に液体の流れを利用して混合を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数種類の液体を一つの流路で送りつつ混合する場合、流路内に翼、例えば平板を捩ったような形状のものを、いくつか固定配置する装置が用いられることがある。流れる液体は、翼にあたって、旋回し、撹拌され、この結果、複数種類の液体が混合される。また、流路内に配置した翼を回転させて、混合する装置も知られていている。また、図１２に示されるように、混合する複数種類（図においては２種類）の液体の境界面が大きくなるように流路絡み合わせた装置も知られている。２種類の液体が、それぞれ流れる流路１００，１０２が、凹凸に形成された壁１０４で隔てられており、この壁は、流れに沿って、所定の位置まで達している。壁がとぎれた後は、２種類の液体の境界は壁の凹凸に類似した形状となり、その後流れに沿って混合が進む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
微少な流量の液体を混合する場合、流速が低く、流れが層流となり、層間の混合が進まない。前述の流路内に固定の翼を配置した装置においても、翼に沿って層状の流れが形成され、局部的な乱流による混合が進まない。また、翼と流路壁の隙間を流れる流体も混じり合うことがなく、効率的に混合を行うことができない。翼などを回転させて撹拌する装置においては、微少流量の流体を流すための流路は狭く、回転する構造物を流路内に配置することが困難である。さらに、２種類の液体の境界の壁の形状を工夫して、２液の接触面積を増やす場合には、全体の体積が大きくなる傾向があり、また装置内に残留する液が多くなり、液の使用量に無駄が多くなるという問題があった。
【０００４】
本発明は、流れが層流になるような微少な流量においても有利に混合される液体混合装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の液体混合装置は、混合対象となる複数の種類の液体ごとに、これらの液体を単一の流路に向けて間欠的に吐出するポンプを有し、これらのポンプの吐出期間が、互いにずれている。したがって、単一の流路に達した流体は、そこで流れの方向に層をなすように積層されるが、流れるに従って前後の層が拡散などにより混じり合い、混合が進む。
【０００６】
異なる種類の液体を吐出するポンプの相互の吐出期間が重ならないようにすることが好ましい。吐出期間が重なる、つまり異なる種類の液体を扱うポンプが同時に吐出すると、この異なる種類の流体が合流した位置において、流れの左右方向に層が形成され、層流の場合にこの層は維持されて混合が進まない。そこで、前述のように吐出期間が重ならないようにして左右方向に層が形成される区間が生じないようにして、混合が進むようにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態の２種類の液体Ａ，Ｂを混合する液体混合装置１０の概略構成を示す図である。液体Ａが流れる第１支流路１２、液体Ｂが流れる第２支流路１４が合流点１６にて合流し、その下流は、液体Ａ，Ｂの双方が流れる本流路１８となる流路が形成されている。第１支流路１２の図中下端は、液体Ａを蓄えたタンク（不図示）に接続されており、第２支流路１４も同様に液体Ｂを蓄えたタンク槽（不図示）に接続されている。さらに、第１および第２支流路１２，１４には、それぞれ第１ポンプＰAおよび第２ポンプＰBが設けられ、それぞれの支流路１２，１４に接続されているタンクより、対応する液体を合流点１６に向けて送り出す。
【０００８】
図２は、第１、第２ポンプＰA，ＰBの概略構造を示す断面図である。なお、これらのポンプ ＰA，ＰBは同一の構造を有している。第１ポンプＰAは、基板２０をその厚み方向に掘り下げ、掘り下げられた部分の開口部をダイアフラム２２で覆って、ポンプ室２４を形成して、作製されている。さらに、ポンプ室２４の底にあたる基板２０には、基板の表裏を貫通して二つの穴２６，２８が形成されている。これらの穴の一方が、取り扱う液体が吸い込まれる吸込口２６であり、他方が液体が吐出される吐出口２８である。吸込口２６，吐出口２８には、それぞれ逆止弁３０，３２が設けられ、液体が一定の方向に流れるようにしている。ダイアフラム２２には、圧電素子３４が貼付されている。圧電素子３４は、不図示の電源より電力が供給されると変形し、これに伴いダイアフラム２２も変形して、ポンプ室２４の容積が増減する。ポンプ室２４の容積変化により、液体が吸込口２６からポンプ室２４に吸い込まれ、またポンプ室２４から吐出口２８より吐出される。
【０００９】
第１および第２ポンプＰA，ＰBで送り出された流体は、合流点１６に向かい、合流点１６より下流は一つの本流路１８を流れる。
【００１０】
図３および図４は、第１および第２ポンプＰA，ＰBの吐出・吸込動作のタイミングと、そのときの流体の流れを示す図である。
【００１１】
図３（ａ）の上に示すチャートが第１ポンプＰAの吐出、吸込動作のタイミングを示している。横軸の上が吐出側、下が吸込側である。下に示すチャートが第２ポンプＰBのものであり、第１のポンプＰAと同様に、上が吐出側、下が吸込側である。図３（ａ）は、二つのポンプＰA，ＰBの吐出タイミングが一致していることを示しており、図３（ｂ）は、そのときの流れの様子を示している。吐出タイミングが一致すると、合流点１６において、二つのポンプから同時に液体が送り込まれ、図示するように、液体Ａ，液体Ｂが流れの方向に対し左右に別れて、層を形成する。流量が少なく、流れの状態が層流となる場合には、この層が形成されたまま下流に向かい、液体Ａ，Ｂがほとんど混合しない。２種類の液体を混合させるために、本実施形態の液体混合装置１０では、第１ポンプＰA、第２ポンプＰBの吐出期間を、例えば図４に示すようにずらしている。
【００１２】
図４（ａ）に示すように、第１ポンプＰA、第２ポンプＰBの吐出期間はずらされており、二つのポンプを合わせた吐出タイミングが最も下段のチャートに示されている。吐出期間をずらした場合の流れの様子が図４（ｂ）に示されている。液体Ａ、液体Ｂが流れの方向に層をなすようにして流れる。流れが層流であると、流路の中央付近の流れが速く、壁付近の流れが遅くなり、液体Ａ，Ｂの境界が弓状に湾曲して、２液の接触面が増加して混合が促進される。この結果、下流に向かって二つの液の混合が進む。
【００１３】
図５は、より多くの種類の液体を扱う混合装置の例を示す図であり、特に４種類の液体Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを取り扱う液体混合装置４０が示されている。図５（ａ）に示すように、液体の種類ごとにポンプＰA，ＰB，ＰC，ＰDが設けられており、これらのポンプそれぞれは、図２に示すポンプと同様の構成を有している。流路は、ポンプＰAとポンプＰBのそれぞれからの流路が合流点４２で合流し、ポンプＰCとポンプＰDのそれぞれからの流路が合流点４４で合流する。さらに、ポンプＰA，ＰBからの流路と、ポンプＰC，ＰDからの流路が合流点４６で合流する。４つのポンプは、互いの吐出期間が重ならないようにして、ポンプＰA、ポンプＰB、ポンプＰC、ポンプＰDの順に吐出が行われる。合流点４２以降では、図５（ｂ）に示すように液体Ａと液体Ｂが流れの方向に層をなす。前述のように、実際には、下流に行くに従って２液は混合するが、ここでは、簡略的に各液の層を明確に示している。液体Ｃと液体Ｄの合流点４４以降も同様に図５（ｃ）のように２種類の液体が流れ方向に層をなす。４種類の液体が合流する合流点４６において、液体Ｂの層の最も上流の位置（図示するＸ１の位置）がこの合流点４６に位置し、また液体Ｃの層の最も下流の位置（図示するＹの位置）が合流点４６に位置するとき、ポンプＰC，ＰDが駆動されると、図５（ｄ）のように、４個のポンプの駆動順に液体の層が並ぶ。
【００１４】
合流点４２から合流点４６までの距離および合流点４４から合流点４６までの距離を調整することで、一旦作られた１種類の液体の１層の中に、他の種類の液体を割り込ませることができる。例えば、液体Ｂの層の途中の位置（図示するＸ２の位置）が合流点４６に位置するときに、ポンプＰC，ＰDを駆動すると、図６に示すように、液体Ｂの一つの層に液体Ｃ，Ｄの層を割り込ませることができる。この場合、液体Ｂの、他の種類の液体Ａ，Ｃ，Ｄに接触する面積が増加し、液体の混合がより促進される。このように液体Ａ，Ｂ側だけで調整するのではなく、液体Ｃ，Ｄ側でも調整を行うことによって、液体Ｃの層、液体Ｄの層にも、液体Ａまたは液体Ｂの層を割り込ませることが可能である。また、ポンプの駆動順序をＰA，ＰC，ＰB，ＰDなどとして、ＰA，ＰBの組とＰC，ＰDの組との間で交互に駆動することにより、相互に相手の組の１層の間に、自分の組の層を割り込ませるようにすることができ、混合がより促進される。
【００１５】
以上、２種類、４種類の液体を混合する装置について述べたが、３種類および５種類以上の液体を混合する装置も同様に構成することができる。
【００１６】
以上の液体混合装置１０，４０においては、圧電素子の変形を利用してダイアフラムを駆動するポンプを用いたが、圧電素子の代わりに、ソレノイドコイルを用いてダイアフラムを駆動するポンプを用いることもできる。コイルに通電することによりアーマチャを突出させ、また通電を停止したときにアーマチャを引き込むようにすれば、通電により、前述のダイアフラムポンプと同様にパルス駆動が可能である。さらに、機械駆動、流体駆動のポンプなどを利用することができる。また、液体混合装置１０，４０で用いたポンプは、吐出期間が極短いパルス駆動ポンプであり、各ポンプの吐出期間をずらし、重ならないようにすることが容易にできる。カム、クランクなどで駆動するポンプの場合、ポンプごとの吐出期間が比較的長く、ポンプ同士の吐出期間の重なりが長くなる傾向がある。各ポンプの吐出期間をずらすために、ロストモーションポンプを用いることができる。
【００１７】
図７は、流体圧ポンプにおけるロストモーション機構の一例を示す図である。プランジャ７０は、クランク機構７２により駆動され、図中左右方向に往復運動する。プランジャ７０の往復運動は、流体圧室７４の容積変動を生じさせ、これにより可撓性のチューブ７６が収縮、膨張を繰り返す。このチューブ７６の動作により取扱い流体室７８の容積が変動し、取扱い流体が送り出される。以上の動作は、一般的な流体圧ポンプに共通のものである。
【００１８】
この例のロストモーション機構の要部は、プランジャ７０とスリーブ８０の構造にある。プランジャ７０は、その先端（図中右側）に、すり鉢状の穴８２が形成され、この穴８２内の空間は、流体圧室７４と一体となっている。また、すり鉢状の穴８２の底の近傍に、プランジャ７０の外側面に通じる貫通孔８４が設けられている。スリーブ８０の内周面は、プランジャ７０の外側面に接する面の一部が穿たれた形状を有する。すなわち、図に示す、プランジャ７０軸線に直交する破線と、斜めに交差する破線の間に挟まれる部分のスリーブ８０の内周面は、プランジャ７０の外側面と間隔があいている。以下、この部分を間隙部８６と記す。この間隙部８６は、更にスリーブの外側面に連通する連通孔８８により外部と接続されている。
【００１９】
プランジャ７０が、図８（ａ）に示すように、左側にあって、貫通孔８４がスリーブ８０の内周面によりふさがれた状態であると、プランジャ７０の運動が流体を介してチューブ７６に伝達される。しかし、図８（ｂ）のように、プランジャ７０が右方向に移動し、貫通孔８４が間隙部８６に係ると、流体圧室７４は、すり鉢状の穴８２、貫通孔８４、間隙部８６を介して外部と連通した状態となる。したがって、プランジャ７０の運動は、チューブ７６に伝達されない。すなわち、貫通孔８４がスリーブ８０の内周面でふさがれているときは、プランジャ７０の動きが有効に利用され、貫通孔８４が間隙部８６に位置するときは、プランジャ７０の動きが有効に利用されず、取扱い流体の吐出を引き起こさない。
【００２０】
さらに、図示するロストモーション機構は、プランジャ７０の有効なストローク量を変更することが可能である。プランジャ７０の周囲には歯車９０が形成されており、更に、これに噛み合うピニオン９２を有する調整軸９４が設けられている。調整軸９４を回転させると、スリーブ７０がその軸回りに回転し、図８（ｃ）に示すように間隙部８６の向きが変わる。これにより、貫通孔８４が移動する直線と、間隙部８６の境界線の交点が変化し、有効なストローク量が変更される。
【００２１】
以上のロストモーション機構によれば、プランジャ７０が右方向に移動する吐出工程の初期において、取扱い液が吐出され、貫通孔８４が、間隙部８６に達した時点で吐出されなくなる。また、取扱い液が吐出される期間、すなわち吐出量が変更可能である。
【００２２】
図９は、図７に示されたロストモーション機構を備えた３個のポンプＰA，ＰB，ＰCにより、液体混合装置を構成した場合の、吐出量にかかるタイミングチャートを示す図である。軸の上が吐出側で下が吸込側である。個々のポンプＰA，ＰB，ＰCは、吐出行程の初めの部分（図中、斜線を施した部分）で吐出を行う。一番下のチャートは、各ポンプの吐出期間を重ねて表したもので、一部、２個ポンプの吐出期間が重なっている。このときの、合流した配管部分での液体の様子が図１０に示されている。各ポンプの吐出期間が重なっている部分では、流れの方向に対して、左右に層が形成される部分もあるが、全体として、流れの方向に層が形成される。これにより混合が促進される。なお、各液体の層の境界は、図においては明瞭に示しているが、実際には、下流に向けて混合が進み、境界がぼやけていく。
【００２３】
図１１は、機械的なロストモーション機構の一例を示す図である。基本的な機構は、駆動軸５０に固定された偏心カム５２により、クロスヘッド５４を往復動させて、図の左側のダイアフラム室５６の容積変化を生じさせて、不図示のダイアフラムを変形させるものである。ばね５８は、クロスヘッド５４を、その右端を偏心カム５２に当接させるように付勢している。クロスヘッド５４が、図中右方向に動いて、所定の位置に達すると、ストッパ６０に当接し、その後偏心カム５２と分離して、動きが停止する。偏心カム５２は、ひき続き回転し、停止しているクロスヘッド５４が、その表面に当接すると、クロスヘッド５４をばね５８の付勢力に抗して左方向へ押し動かす。したがって、偏心カム５２によるストロークのうち、クロスヘッド５４がストッパ６０に当接して、偏心カム５２から離れる期間、偏心カムの動きが無効になり、吐出が行われないことになる。また、ストッパ６０にはねじ６２が設けられ、ストッパ６０の進出量を調整して、クロスヘッド５４のストローク量を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施形態の液体混合装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１のポンプＰA，ＰBの構造を示す図である。
【図３】図１の装置において、二つのポンプの吐出を同時に行った場合を示す図である。
【図４】図１の装置において、二つのポンプの吐出をずらして行った場合を示す図である。
【図５】４種類の液体を混合する装置の構成を示す図である。
【図６】図５の装置により送り出された液体の、合流点以降の様子を示す図である。
【図７】液圧式のロストモーション機構の一例を示す図である。
【図８】図７の機構の動作説明図である。
【図９】ロストモーション機構を有するポンプにより構成した液体混合装置の各ポンプの吐出タイミングを示すチャートである。
【図１０】図９のチャートに従って送り出された液体の様子を示す図である。
【図１１】機械式のロストモーション機構の一例を示す図である。
【図１２】従来の液体混合装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  液体混合装置、１２  第１支流路、１４  第２支流路、１６  合流点、１８  本流路、ＰA  第１ポンプ、ＰB  第２ポンプ、Ａ，Ｂ  液体。
【図１】
2005144215.tif 000003
【図２】
2005144215.tif 000004
【図３】
2005144215.tif 000005
【図４】
2005144215.tif 000006
【図５】
2005144215.tif 000007
【図６】
2005144215.tif 000008
【図７】
2005144215.tif 000009
【図８】
2005144215.tif 000010
【図９】
2005144215.tif 000011
【図１０】
2005144215.tif 000012
【図１１】
2005144215.tif 000013
【図１２】
2005144215.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成16年8月4日(2004.8.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の液体を混合する液体混合装置であって、
前記液体の種類ごとに備えられ、当該種類の液体を単一の流路に向けて間欠的に吐出するポンプを有し、流路の合流点付近において前記単一の流路は、一つのポンプの吐出流路と略同一の断面積を有し、異なる種類の液体を吐出するポンプ相互の前記吐出期間がずれている、
液体混合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液体混合装置であって、前記異なる種類の液体を吐出するポンプ相互の吐出期間が重ならない、液体混合装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の液体混合装置であって、前記単一の流路の流れは層流となる流速領域に用いる、液体混合装置。
【請求項４】
複数種類の液体を混合する液体混合装置であって、
前記液体の種類ごとに備えられ、当該種類の液体を単一の流路に向けて間欠的に吐出するポンプを有し、異なる種類の液体を吐出するポンプ相互の前記吐出期間がずれており、合流点付近の前記単一の流路において、異なる種類の液体が、流れの方向に層をなして送られる、
液体混合装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
第１および第２ポンプＰA ，ＰB で送り出された流体は、合流点１６に向かい、合流点１６より下流は一つの本流路１８を流れる。図４（ｂ）にも示されるように、合流点１６付近の支流路１２，１４および本流路１８は略同一の断面積を有している。