(57)【要約】２種以上の独立するオフセットされた流体輸送フラクタル（６、７）により、２種以上の流体を流体が互いに接触する前に別個にかつ同時にスケーリングし混ぜ合わすことが可能になる。 本装置により高速で均質な撹拌または反応の少なくとも一方がもたらされる。
2004530547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２種の流体を撹拌する構造であって、同構造は少なくとも２種の流体輸送フラクタルを有し、ここで各前記フラクタルは複数の流体出力に分岐する各々の流体入力を有し、前記フラクタルは互いにオフセットされるよう位置づけられ、各フラクタルは通過する独立の流れを促進するよう構成され、別個のオフセットフラクタルからの流体出口は互いに均質的に点在させられるよう構成され、前記流体出口はこれら出口から出て行く流体が同出口の断面積を通過するように配置される構造。
【請求項２】
前記オフセットフラクタルの前記出口を出て行く流れが、他のオフセットフラクタルから出て行く対応する流れと共に、撹拌された流れの配列へと融合される請求項１の構造。
【請求項３】
前記撹拌された流れの配列が単一の流れへと更に融合される請求項２の構造。
【請求項４】
単一の流れへの前記融合する工程がフラクタル配置を用いることで達成され、ここで流れの方向が上記フラクタル配置の小さい尺の端から上記フラクタル配置の大きい尺の端までである請求項３の構造。
【請求項５】
上記流れの少なくとも幾らかが、取り囲む容器に配置された流れチャネルの内部に保持され、そのため熱交換流体が上記囲まれた流れチャネルの外面を通過できるようになる請求項１の構造。
【請求項６】
上記流れチャネルの少なくとも幾らかが容器に囲まれ、そのため上記容器が上記構造を支持構造物に取り付けるために利用可能になる請求項１の構造。
【請求項７】
上記流れの少なくとも幾らかが流れチャネルに保持され、ここで前記流れチャネルが容器に取り囲まれ、そのため上記容器が上記流れチャネルを支持する請求項１の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の背景
本発明は撹拌装置および反応装置に関する。特に、本発明は１種以上の流体を撹拌し反応させる装置についてのものである。本発明は多相の環境と同様に単相の環境でも用途が見出される。
【背景技術】
【０００２】
多くの流体処理は効率的な撹拌を利用している。殆ど全ての従来技術の撹拌装置、例えば、混合機や、インペラや、静的ミキサや、噴流装置（ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）などは、撹拌される流体を流体が互いに実際に接触している状態でスケーリングし混ぜ合わせる。該方法は流体混合物の本体内に種々の不均質性を生成する結果となる恐れがある。上記の不均質性は、流体の本体内で発生する撹拌処理または反応処理の少なくとも一方に害を及ぼす場合がある。例えば、従来の撹拌装置を用いることで流体混合物の本体内で濃度や温度が大規模に不均質になる恐れがある。
【０００３】
更に、従来の撹拌装置は一般に、流体混合物に大規模の乱流を引き起こすことに依存する。乱流は、その結果、流体本体内で渦を形成することになる恐れがあり、その渦は多くの場合、反応槽そのものと同じくらい大きい。流体本体内の渦の存在は、流体の適正な撹拌を妨害する恐れがあり、更に流体内で発生する反応の範囲を乱す恐れもある。
【０００４】
従来、当該分野では、流体を処理する手段として設計されたフラクタル撹拌を用いることについては殆ど注意が払われてこなかった。米国特許５，９３８，３３３号は当該分野の数少ない技術活動の例のうちの１つである。米国特許５，９３８，３３３号には、乱流の少ない流体の体積単位での撹拌に利用可能な空間充填装置が開示されている。該装置は乱流が非常に少なく均質性のレベルが高い状態で体積の撹拌を達成できる。残念ながら、米国特許５，９３８，３３３号の装置は空間充填ミキサであるので、該装置は任意の処理要件に対し必ずしも適切な処理装置ではない。
【０００５】
流体を分配や収集のためにフラクタルを用いることを述べた最近のもう１つの特許は、フラクタル流体分配システムを開示する米国特許５，３５４，４６０号である。ＰＣＴ／Ｕ５９９／０６２４５はフラクタル流体輸送装置についてのものである。上記どちらの参考文献も、撹拌または反応の少なくとも一方に向け別個の流体を同時にかつ独立してスケーリングし混ぜ合わせる為のオフセットフラクタルの利用は開示していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、流体混合物を撹拌および反応させる方法および装置を提供し、ここで混合物の１種以上の成分流体が別の成分流体との接触前にスケーリングされ混ぜ合わされる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本方法の中心となるものは、独立したオフセット流体輸送フラクタルを有する構造の利用である。この新規な構造は、流体の撹拌または反応の少なくとも一方に先立ち独立のフラクタルを通る流体の流れ全体をスケーリングすることで、大規模な渦を排除する。更に、本発明は体積に応じた撹拌はせず、従って本発明はフラクタル撹拌にいくつかの新規で実用的な工業用の可能性をもたらす。本新規な構造の流体のスケーリングまたは撹拌は、面積（体積ではなく）に出て行ったり交差したりする流れにとって適切でありかつまた空間充填フラクタル構成ではない方法で行われる。我々は、上記の異なる方法を利用できる有用な用途を数多く見出した。重要な例は、流通管への取り付けを介する本装置の利用である。本例は流体撹拌および反応に向けた単純かつ効率的な管の流れを可能にする。上記方法での本構造の利用が有益なのは、この利用が現行の処理技術への組み込みを容易にするからである。別の工業上有用な用途は、流体が容器に入る直前に均質的に撹拌されるよう装置を容器の側面に取り付けることである。もう一つの有用な用途は、続く燃焼への利用に向け均質的に撹拌されるガスの面を設けることである。
【０００８】
本発明は特に、流体同士間で発生する反応の有無にかかわらず高速かつ均質な撹拌を行うことに適用できる。本発明は、例えば反応処理の温度を制御するために、撹拌と熱伝達とを制御して同時に行うこともできる。本発明の考えられる用途には以下のものが含まれる。
１．２種以上の流体を高速で撹拌する工程
２．温度を制御しつつ２種以上の流体を撹拌する工程
３．２種以上の流体を撹拌し反応させる工程
４．温度を制御しつつ２種以上の流体を撹拌し反応させる工程
５．装置外部での後続の反応を均質にする２種以上の流体を撹拌する工程
本発明の用途が見出される更なる環境には以下のものが含まれる。
１．液‐液ミキサ（ｌｉｑｕｉｄ‐ｌｉｑｕｉｄ  ｍｉｘｅｒ）
２．気相‐気相ミキサ（ｇａｓ‐ｇａｓ  ｍｉｘｅｒ）
３．気液ミキサ（ｇａｓ‐ｌｉｑｕｉｄ  ｍｉｘｅｒ）
４．液‐液リアクタ（ｌｉｑｕｉｄ‐ｌｉｑｕｉｄ  ｒｅａｃｔｏｒ）
５．気液リアクタ（ｇａｓ‐ｌｉｑｕｉｄ  ｒｅａｃｔｏｒ）
６．気相‐気相リアクタ（ｇａｓ‐ｇａｓ  ｒｅａｃｔｏｒ）
７．通気装置（ａｅｒａｔｏｒ）
８．炭酸飽和装置（ｃａｒｂｏｎａｔｏｒ）
９．燃焼前に流体を撹拌する工程
本発明を用いることにより、２種以上の流体は機械的な撹拌装置を使わずに均質に高速で撹拌可能である。乱流を誘発する機械的な撹拌装置、例えばインペラや混合機や噴流装置などは利用されない。従って、撹拌が大規模に不均質になることは回避される。撹拌処理での大規模な渦は化学反応の生産高を減少させる恐れがある。本装置は撹拌処理の大規模な渦を排除する。機械的な撹拌を避けることで、使用するエネルギー量も低減できる。通常の撹拌処理は最も一般的にはエネルギーを無駄にすることにつながるが、これは撹拌処理に引き起こされた大規模な乱流は最終的に熱として放散されることが避けられないからである。本発明の装置は大規模な乱流すなわち渦を形成しないので、エネルギーを無駄にするほど大規模な運動は放散されない。
【０００９】
流体特性の分配は本発明を用いた有益な方法で制御可能である。例えば、気体を液体と撹拌するために、気泡の大きさの分配が制御され、同時に液体もスケーリングされ、従って物質移動特性が更に制御される。本装置で制御可能な他の流体特性の分配には、流体の速度や、温度や、濃度や、渦の大きさが含まれる。
【００１０】
従来の撹拌装置または反応装置に比べ流体特性の分配が更に制御できるので、本装置は更に小型かつ効率的になる。必要ならば、流体を穏やかに扱いながらも撹拌を高速で均質に行うことができる。本発明の種々の実施の形態は従来の処理の構成要素として利用でき、例えば、通常のパイプラインで高速のミキサとして、またはタンクや他の容器に入る多種の流体のミキサとして利用できる。
【００１１】
ほぼ全ての流体リアクタとは異なり、撹拌され反応させられる種々の成分は全て、互いに接触する前に互いにスケーリングされることも混ぜ合わされることも可能である。これにより、反応は更に高速で均質になる。大規模な不均質性により引き起こされる副反応が回避できる。更に、撹拌および反応の温度が容易に制御できる。撹拌または反応の少なくとも一方をなされる全ての流体は本装置で一緒にスケーリングされることも混ぜ合わされることも可能なので、撹拌やリアクタの大きいタンクは完全に省略可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１はフラクタル構造の実施の形態を示し、該構造は本発明のオフセットフラクタルの特徴に加え、融合チャネルおよび接触チャネルとフラクタルコレクタと熱交換容器とを更に有す。該実施の形態は管の構成の処理（撹拌または反応の少なくとも一方）の構成要素として有用である。流れ入力チャネル１および２は撹拌される別々の流体の為のものである。２種以上の流体が撹拌される場合には更なる入力が追加可能である。入力１は流れをオフセットフラクタルディストリビュータ７に流入させ、入力２は流れをオフセットフラクタルディストリビュータ６に流入させる。流体流れは上記オフセットフラクタルを通じてスケーリングされ分配される。
【００１３】
流体の独立したフラクタルスケーリング後、２つの入力流れは融合チャネル８を通じて互いに接触し、チャネル９を通じて撹拌状態へと移る。以下「接触チャネル」と呼ぶチャネル９では、流体は最終的に互いに接触する。接触チャネル９の流れはフラクタルコレクタ１０および出口チャネル３を通じて単一の流れにスケーリングし直される。撹拌または反応に温度制御が必要な場合やフランジングや他の取り付けのために容器が必要な場合に、容器１１が利用される。温度制御の場合は、熱交換流体が一般に、内部のコンジットおよび外部のコンジット５を用いて熱交換のためにコンジット４からミキサの内側の体積へと通過する。取り付け構造として容器を利用する場合は、容器１１は内部のチャネルを囲む固体材料でよい。例えば、容器１１は管フランジ取り付け用の単一のフランジとして利用可能である。
【００１４】
図２はフラクタルディストリビュータ６および７のオフセットを示す。フラクタルディストリビュータが交差しないのは、図３に示すように、フラクタルディストリビュータが別々の平面に設定されているからである。注意すべきは、フラクタル６や７を通過する流れがフラクタル６や７を出て行くまでは独立であり互いに接触不可能なことである。２種以上の流体が撹拌される場合は、更なる独立のオフセットフラクタルが使用可能である。
【００１５】
２種より多くの流体が上記の装置により撹拌されるまたは反応させられる場合は、全て同時に融合されたり、流体が累進的に撹拌されたりする。これは融合チャネルを装置の全長に沿って別々の位置に配置することで容易に達成できる。上記の用途の例は、第３の流体との撹拌または反応の前に２種の流体が最初に撹拌されるまたは反応させられる場合である。第３の流体は最初の２種の流体の融合より下流の適切な距離を隔てて融合する。
【００１６】
説明のために、各入力コンジットは６４の小さいコンジットにスケーリングされて示されている。しかし、本装置の基本的な特徴であるのは、製造における制約を満たすまでフラクタルコンジットが小さく多数の経路に累進的に分岐されることである。分岐の数の増加は累進的に撹拌と反応の均質性を改善することが認められる。上記の図中の独立した分配フラクタル（６および７）それぞれが６４の流路に分岐するので、融合前に合計で分配チャネルが１２８あり、上記分配チャネルが融合されて６４の接触チャネル（９）を形成する。図３はフラクタルコレクタ１０の適切な位置を示す。
【００１７】
本発明はオフセット構造のためにフラクタルを利用するので、それにより、本発明の実用的な価値を高める固有の幾何学的な変動性がもたらされることが当業者には理解される。可変の幾可学的形状がフラクタルにとって望ましい１つの理由は、流体が入っている容器や流体が出て行く受け入れ装置の対応する幾可学的形状により、本装置は幾可学的形状の制約を要求される為である。可変の幾可学的形状のもう一つの理由は、職人が圧力低下などの水理特性を制御できるようにする為である。
【００１８】
フラクタルはイニシエータ構造体や親構造体を用いて構成され、そのものと相似の構造体は徐々に規模を縮小して付加される。図示の実施の形態のイニシエータは「Ｈ」字型であり、その結果、構造体が付加される規模と同じ規模で４つの新しい子構造体が各「Ｈ」字型に付加される。フラクタルの構成が、イニシエータの幾可学的形状と分岐の数と分岐の角度とにおける変動とイニシエータの対称性の程度における変動とを用いてなされることは、周知である。ただ単に例としては、イニシエータは、１つの脚が他の２つの脚よりも長い対称な「Ｙ」字型であってもよい。
【００１９】
装置の幾可学的形状を変える別の方法は子構造体を変更することによる。子構造体はイニシエータと同一の縮小された幾可学的形状を提示する必要はない。この種の変形物には、例えば子構造体の大きさとチャネルの直径とを決定するために可変の倍率を用いることによる、反復毎の子構造体の幾可学的形状や対称性が含まれ得る。
【００２０】
我々は、撹拌または反応の前にスケーリングが所望のレベルになるよう又は装置のつまりを避けるなどの実際の要件を満たすよう、子構造体の発生の数は要望どおりに（フラクタルの反復の数）変化しうることを確認した。
【００２１】
オフセットフラクタルは同一である必要はない。例として、３つのオフセットフラクタルが３つの材料の撹拌または反応に使用される場合、フラクタルのうち２つは同一の幾可学的形状で３番目は異なっていてもよいし、３つ全てが異なる幾可学的形状でもよい。その理由は扱われる材料が可変の特性を有しているからであり、該特性は当業者に異なる幾可学的形状を用いることを示唆する。例えば、１つのフラクタルを通る流量は２番目のものに比べて非常に大きいので、個々のフラクタルに異なるチャネル断面積やフラクタル反復の数を用いることで圧力低下が最もよく制御される。
【００２２】
図４および図５は管要素の実施の形態の平面図および等角図である。撹拌処理または反応処理後の流れが再度単一の流れに集められる際には本実施の形態が有用である一方、装置はコレクタなしでも役立つよう利用できる。本実施の形態は、例えば、燃焼に利用する為あるいはタンクや他の容器の側面に混合物を注入するために空気とガスとを撹拌する際に有用である。図６は再収集をしない場合の実施の形態を示す。この場合、入力１および２からの流体は以前に説明したように同一の方法でスケーリングされ分配されるが、流れは１つの流れに再収集されない、即ち、出力チャネル３およびフラクタルコレクタ１０は取り外される。本実施の形態では、多数の接触チャネル９が独立して接触チャネル出口１２で装置を出る。装置の残りは以前に説明したものと同一なので、本例では上記の出口は６４ある。
【００２３】
スケーリングされ混ぜ合わされた流れが互いに接触する前に装置を出るよう融合チャネル８と撹拌チャネル９とを省くことも可能である。図７は本発明のその最小の構成を示し、流れ入力１および２とオフセットフラクタル６および７とからなる。フラクタル７は出口１３を通じて出て行き、フラクタル６は出口１４を通じて出て行く。
【００２４】
上記最後の２つの実施の形態については、容器（１１）はやはり任意だが、熱交換にも容器への装置の取り付けやフランジングにも有用である。
我々は、オフセットフラクタルが出て行く領域は平面である必要はないことを確認した。フラクタルは曲面やむらのある面に出て行くことも可能である。この点は、例えば、目的の容器が湾曲した形状や不規則な形状の場合に有用である。上記の場合、容器の曲面が撹拌装置の出口面の相補的な湾曲部に一致することは有用である。
【００２５】
図は入口および出口の大規模な流れの方向に対し垂直に分岐されたオフセットフラクタルを示す。上記流れ方向に対し垂直からほぼ水平まで任意の角度にフラクタルを分岐することが可能である。大規模な流れに垂直でない角度をなす構成には長所も短所もある。流れ方向と一直線に近づくフラクタルの分岐を用いる上で長所の１つは、流れの運動量は分岐が行われる方向には激しく変化させられないので、圧力低下をより抑えて装置を操作することが可能な点である。短所は装置が流れの方向に伸びるにつれ恐らく小型でなくなる点である。従って、任意の処理に対しかつ適切な分岐の角度を選択する考慮すべき事項からどの長所が最も重要かを決定するのはユーザである。
【００２６】
本発明は、流体が互いに接触する前に流体を独立してスケーリングする２種以上のオフセットフラクタルを用いる。オフセットスケーリングの方法は図中の方法とは異なっていてもよい。例えば、別個のフラクタルが互いに包含されていてもよい。１つの流体を保持する小さいコンジットは第２の大きいコンジットの内側に配置されてもよい。第２の流体は従って、大きいコンジットの内面と小さい内側コンジットの外面との間を流れてもよい。２つのコンジットは出口が所望の大きさになるまで徐々に規模を縮小して漸進的に分岐される。上述の実施の形態と同様、流れは融合可能で、この場合は内部の流れが外部の流れに接触するよう内側コンジットを単純に終端することによる。融合された流れは、必要に応じて上述の通り収集され更に単一の流れに融合されてもよい。注意すべきは、本選択的方法でも流れの互いからのオフセットが適切に維持されるので、我々が「オフセット」を大きいコンジットの内側に小さいコンジットを含むようにも定義している点である。
【００２７】
フラクタルコンジットを互いにオフセットする本方法は、密封された異なるコンジットを流体毎に増設することで、任意の数の異なる流体に拡張可能である。
我々は、独立した流れ同士の間で圧力の変動がある操作の事象や、特定の流れが時間的に遮断される事象においては、１つの流体が異なる流体の分配フラクタルを逆流するのを避けるためにチャネルに逆止め弁を設けることが有用であることを確認した。
【００２８】
本発明は、非常に小規模の用途から非常に大規模の工業的な利用まで流体処理の規模のあらゆる範囲に応用できる。その理由は、本発明で用いられるフラクタル構造は用途の規模が変化する際に連続的なスケーリング機能をもたらすからである。この応用範囲の広さは本ミキサ設計の固有な利点の１つである。
【００２９】
本装置は流体の撹拌または反応の少なくとも一方に利用されるので、結果としての製品は後処理の装置で所望の通りに利用可能である。
注目されるのは、本発明の実現に特定の製造方法は必要ないことである。コンピュータ支援の機械加工、立体のリソグラフィ、光化学のエッチング、レーザー切断、成形、微細加工、ナノテクノロジー、イオン蒸着、コンジット構成技術は、上記の装置の構築に適切な方法の一部である。
小規模の構造を構成する能力を改善する将来の製造技術も上記装置の構成に有用であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のオフセットフラクタル構造の断面図。
【図２】オフセット方向に示された２つのフラクタルディストリビュータの平面図。
【図３】コレクタと関連する図２の２つのフラクタルディストリビュータの斜視図。
【図４】管要素と関連するフラクタル構造の平面図。
【図５】図５のフラクタル構造の斜視図。
【図６】フラクタル構造の代替の実施の形態の断面図。
【図７】フラクタル構造の更なる代替の実施の形態の断面図。
【図８】構造が格納容器内に密封されていないフラクタル構造のもう１つの代替の実施の形態の斜視図。
【国際公開パンフレット】
2004530547.tif 000003
2004530547.tif 000004
2004530547.tif 000005
2004530547.tif 000006
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2004530547.tif 000008
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2004530547.tif 000017
2004530547.tif 000018
2004530547.tif 000019
2004530547.tif 000020
2004530547.tif 000021
【国際調査報告】
2004530547.tif 000022
2004530547.tif 000023