噴霧ノズル、該噴霧ノズルを用いた流体微粒化装置
【課題】構造が簡単で、可燃性や腐食性を有する流体に対しても適用可能で、かつ液だれ現象を防止する効果の高い噴霧ノズル及び該噴霧ノズルを用いた流体微粒化装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る噴霧ノズル１は、基端側から気体の供給を受け、先端側に気体を噴出する外管２と、外管２内に該外管と同軸方向に配置された内管３と、内管３に液体を供給する液体供給管４と、内管３内に設けられて内管内部を流路方向に仕切る壁部材５とを備えたことを特徴とするものである。
【解決手段】本発明に係る噴霧ノズル１は、基端側から気体の供給を受け、先端側に気体を噴出する外管２と、外管２内に該外管と同軸方向に配置された内管３と、内管３に液体を供給する液体供給管４と、内管３内に設けられて内管内部を流路方向に仕切る壁部材５とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体と液体とを混合して噴霧する噴霧ノズル及び該噴霧ノズルを用いた流体微粒化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液化天然ガス（以下、「ＬＮＧ」という）を気化して都市ガスとして供給する際、熱量調整を行っている。近年はメタン成分の多いＬＮＧの輸入が増加しており、都市ガス用に増熱する場合が多い。熱量調整は天然ガスに液化石油ガス（以下、「ＬＰＧ」という）等の熱量調整剤を混合することにより行う。
このような熱量調整方法として、例えば特開昭６３−２６５９９４号公報（特許文献１）には、気化した天然ガスをベンチュリ型の液・ガスミキサーに供給し、ベンチュリ管で発生する高速流れおよび低圧を利用して、ベンチュリ管に液体の状態で供給される熱量調整剤を微粒化・蒸発・混合させる技術が開示されている。
【０００３】
また、都市ガスの増熱装置ではないが、内燃機関の燃料気化器に関する特開昭５３−１３１３２８号公報（特許文献２）には、ベンチュリ管内に流路方向に移動可能な絞り部材を設ける技術が開示されている。
さらに、特開平８−７５６２１号公報（特許文献３）には、定流量サンプリング装置に関し、ガスの流路となる管内に紡錘型のコアを固定し、コアの外側に配置されたスロート部をパルスモータによって流路方向に移動させることによって流路断面積を変化させる技術が開示されている。
また、実開昭５６−４１２１０号公報（特許文献４）、特開平４−２４８４１４号公報（特許文献５）には、流量測定制御装置に関し、ベンチュリ管のど部に円形の断面積が流路方向に沿って変化する面を有する可動体を配置し、この可動体を流路内に配置したモータによって駆動する技術が開示されている。
さらに、特開２０１１−５６４００（特許文献６）は流体の混合方法に関するもので、主流路よりも流路断面が小さい小径部を有する分岐流路を主流路から分岐して設け、分岐流路の出口側を主流路に配置し、分岐流路における小径部又はその近傍に第２流体の供給部を設け、主流路の流量を調整することにより分岐流路の小径部を流れる第１流体の流速を、第１流体と第２流体の混合に必要な流速に保つ技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−２６５９９４号公報
【特許文献２】特開昭５３−１３１３２８号公報
【特許文献３】特開平８−７５６２１号公報
【特許文献４】実開昭５６−４１２１０号公報
【特許文献５】特開平４−２４８４１４号公報
【特許文献６】特開２０１１−５６４００公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
天然ガスの流量は都市ガス需要量に応じて変動する。運転流量を定格流量で割った数値をターンダウン比というが、天然ガスのターンダウン比は、低いときは１／２０程度で運転されることもある。
一方、ベンチュリ管は流量が低下するとその流速および低圧発生効果が低下する。特許文献１に開示されたものの様に、ベンチュリ管のど部の断面積が一定のものでは都市ガス需要量の変化が大きい場合には対応できないという問題がある。
ベンチュリ管などは、定格流量を基準にして設計されるが、天然ガスのターンダウン比が低いときはベンチュリ部の流速が低下するため、熱量調整剤として添加されるＬＰＧが天然ガスと十分に気化混合されず、管底などに液が溜まる液だれ現象が生じてしまう。この現象が生じると、都市ガスの製造に支障が出る。
ベンチュリ管によって気化混合できる天然ガスのターンダウン比は、１／１〜１／５程度である。そのため、流量変動範囲の大きい適用先に特許文献１の技術を用いる場合には、流量範囲に応じて大きさの異なるベンチュリ管を用意する必要があり、装置の複雑化等の問題がある。
【０００６】
この点、特許文献２に記載の技術においては、絞り部材の軸方向位置を変化させることによってベンチュリ管を通過する空気流量に変動があっても、対応できるようにしている。
しかしながら、特許文献２においては、絞り部材を軸方向に移動させるための駆動方法が開示されていない。また、仮に駆動源が流路外にあるとすると、駆動軸が流路外へ貫通することになり、頻繁に可動する面をシールすることになる。そのため、この面より流体が漏洩するおそれがあり、流体が可燃性であったり危険物であったりする場合には安全性に懸念が生じる。
また、特許文献３においても、紡錘型のコアの外側に配置したスロート部を流路方向に移動させるようにしているので、ガス流量の変動には対応可能であるが、駆動部が流路外に設置されているため、特許文献２の場合と同様、駆動機構が流路内外を貫通し、かつ可動する面（摺動面）でのシール性の問題が生ずる。
【０００７】
また、特許文献４、５においても同様に、ガス流量の変動には対応可能であるものの、駆動源としてのモータをガス流路内に配設しているため、構造が複雑になる上に、駆動エネルギーを必要とし、さらに、モータ部への流体の流入を考慮すると、可燃性や腐食性を有している流体への適用が難しいという問題がある。
さらに、特許文献５に開示されたものにおいては、圧力・温度に基づいて「流量」を制御しているが、流体の混合の観点で重要となるのは、流量の変動に合わせてベンチュリ管のど部の流速を制御することであり、特許文献５のものではこのような制御をすることはできない。
【０００８】
特許文献６に開示されたものは、これらの課題の解決を図ったものであり、広い流量範囲に対して高い混合効果を確実に得ることが可能で、可動体などの可動部が不要であり、それ故可動部を駆動するための駆動部も不要になり、構造を簡易なものにすることができ、可燃性や腐食性を有する流体に対しても適用できる。
この流体混合装置では、分岐管の内部もしくは出口近傍で気体と液体とが混合されるが、気体と液体との速度差により液体が引きちぎられ、微粒化が促進される。しかし、流量などの条件が厳しいときは液体が必ずしも微粒化せず、液だれ現象が起きる懸念もあった。すなわち、定格流量が大きい流体混合装置は、主流管や分岐管の口径も大きくなる。分岐管の口径が大きくなるほど、分岐管の流路容積に対する液相と気相の界面面積（気相と液相の接触面積）が相対的に小さくなる。微粒化は、気相と液相の流速差に起因するせん断力で液相を気相で引きちぎる作用を利用するため、気相と液相の接触面積が相対的に小さくなることは、微粒化性能の低下につながる。
一方、分岐管内の気相流速を増加させると微粒化性能を高めることができるが、流速の２乗に比例して圧力損失が大きくなるため、分岐管内の気相流速をむやみに増加させることはできなかった。
【０００９】
本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、構造が簡単で、可燃性や腐食性を有する流体に対しても適用可能で、かつ液だれ現象を防止する効果の高い噴霧ノズル及び該噴霧ノズルを用いた流体微粒化装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明に係る噴霧ノズルは、基端側から気体の供給を受け、先端側に気体を噴出する外管と、該外管内に該外管と同軸方向に配置された内管と、該内管に液体を供給する液体供給管と、前記内管内に設けられて内管内部を流路方向に仕切る壁部材とを備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記壁部材は、前記内管における前記液体供給管によって液体が供給される液体供給部よりも下流側に設けられていることを特徴とするものである。
【００１２】
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記壁部材は、板状部材からなることを特徴とするものである。
【００１３】
（４）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記壁部材は、管状部材からなることを特徴とするものである。
【００１４】
（５）本発明に係る流体微粒化装置は、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の噴霧ノズルを用いた流体微粒化装置であって、前記噴霧ノズルに供給される気体の流量を検出する流量検出装置と、該流量検出装置の検出値に基づいて前記噴霧ノズル内を流れる気体の流量を調整する流量調整弁とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、広い流量範囲に対して高い混合効果を確実に得ることが可能であり、液だれ現象を防止する効果が高い。
また、内管を流れ方向に分割する壁部材を設けているので、液膜が複数の分割壁面上に形成され、液膜表面積すなわち気液接触面積が増大し、ノズル径が大きい場合であっても液だれ現象を防止して微粒化性能を向上させることができる。
また、可動体などの可動部が不要で、その可動部を駆動するための駆動部も不要なので、構造を簡易なものにすることができる。
さらに、基本的に管部材のみで構成されるので、材料の選択の自由度が高く、適切な材料を選ぶことによって可燃性や腐食性を有する流体に対しても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る噴霧ノズルの説明図である。
【図２】水平管内を流れる液相及び気相の流速の違いによる流動様式を模式的に説明する説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る噴霧ノズルの説明図であって、特に壁部材の他の態様を説明する図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る噴霧ノズルの使用例としてのベンチュリ型微粒化装置の説明図である。
【図５】図４の一部を拡大して示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［実施の形態１］
本実施の形態に係る噴霧ノズル１は、気体と液体を混合して噴霧する噴霧ノズルである。
噴霧ノズル１によって混合される気体と液体の性状や用途は特に限定されないが、一例として、ＬＮＧを気化した天然ガス（気体）にＬＰＧ（液化石油ガス）（液体）を添加・混合して都市ガスを製造する場合が挙げられる。
以下、本実施の形態１の噴霧ノズルを主として図１に基づいて説明する。図１において、図１（ａ）が噴霧ノズル１の軸方向（流体の流れ方向）に沿う断面図であり、図１（ｂ）が矢視Ａ−Ａに沿う断面図である。なお、図１において、白抜き矢印は気体の流れの方向を示し、斜線の矢印は液体の流れの方向を示している。
また、本明細書において気体及び／又は液体の流路に配置された部材の部位を特定する用語として、先端とは気流、液流の流れ方向下流側をいい、基端とは気流、液流の流れ方向上流側をいう。
【００１８】
本実施の形態に係る噴霧ノズル１の基本構成は、図１に示すように、基端側から気体の供給を受け、先端側に気体を噴出する外管２と、外管２内に外管２と同軸方向に配置された内管３と、内管３に液体を供給する液体供給管４と、内管３内に設けられて内管３の内部を流路方向に仕切る壁部材５とを備えているものである。
以下、各構成を詳細に説明する。
【００１９】
＜外管＞
外管２は基端側から気体の供給を受ける。外管２が気体の供給を受ける態様としては、例えば外管２を気体が通流する配管内に配置する場合や、あるいは外管２の基端側を、気体を供給する図示しない気体供給管に接続する場合がある。
【００２０】
＜内管＞
内管３の先端部は、外管２と同軸方向でかつ外管２の内壁と空間を介して外管２の内側に配置されている。内管３はその側部において、液体供給管４から液体の供給を受けて先端側で液体を噴出する。噴出とは内管３の内部側からの力によって液体が勢いよく吐出する場合のみならず、内管３の先端部に供給された液体が内管３の外部の気流に巻き込まれて吐出する場合を含む。
内管３の断面形状は特に問わず、円でも多角形でもよい。さらに、内管３の内部に通過する流体に旋回流を与える構造、例えば旋回羽根を設けるようにしてもよい。
なお、内管３の内部に付属させる部材は着脱可能にしてもよい。
内管３は外管２に固定されているが、その固定方法は特に問わず、例えばステー（図示なし）によって固定するようにすればよい。
【００２１】
内管３は、外管２と同軸方向に配置されており、外管２を流れる気体の一部が流入し、液体供給管４から供給された液体とが二相流状態で流れる。
二相流とは、二つの相、たとえば液相と気相が混ざり合って流動する現象をいう。霧は空気中に非常に小さな水の液滴が存在するが、これは噴霧流（ミスト流）と呼ばれる二相流で、気相中に液相が分散されている。
一方、例えばコップの中に注がれたビールは、ビールの中に小さな炭酸ガスの気泡がたくさん含まれているが、このような形態は気泡流（バブル流）と呼ばれる二相流で、液相中に気相が分散している。噴霧流中の液滴や気泡流中の気泡は分散相と呼ばれ、一方噴霧流中の気相や気泡流中の液相は連続相と呼ばれている。
地上の大気圏のような開かれた空間では、通常は分散相が連続相中にほぼ均一に分散し、噴霧流や気泡流のような均質な流れが存在している。しかし、管内のような閉ざされた空間を流れる二相流は、均質な流れだけではなく不均質な流れも生ずる。
【００２２】
二相流の流動形態は気相と液相の流速に依存しており、これらによって流動形態がどのようになるかを示す状態図が実験的に得られている。
図２には、水平管内を流れる液相及び気相の流速の違いによる流動様式を模式的に示す図が示されている。ここに示された図は、書籍「気液二相流」（著者：植田辰洋、出版社：養賢堂）に記載のものである。水平管内を流れる液相及び気相は、流速の違いによって次の様な流動様式を示す。なお、液相及び気相の流速とは、それぞれ気相、液相の流量を流路断面積で割った見掛け流速のことで、空塔速度ともいう。以下、本明細書において流速とは空塔速度をいう。
気相の流速の違いによる流動様式の変遷を示すと以下のようになる。
（１）気相の流速が遅い場合
液相の流速も遅いと、液相は配管の底面に沿って流れる（成層流）。一方、液相の流速が速くなると、せん状流や気泡流となる。
（２）気相の流速がやや速い場合
気相流速が速くなると気液界面が波立ち、波状流またはスラグ流となる。
（３）気相の流速が速い場合
さらに気相流速が増すと液の一部が飛散するようになり、液相が壁面方向に押しやられて管壁に沿った環状液膜として流れ、気相が管中央部を連続的にかなりの流速で流れる、環状流または環状噴霧流となる。
なお、流動様式は配管姿勢の影響を受ける場合があり、重力方向が水平配管と異なる鉛直配管などは、流動様式が一部異なる。しかし、気相流速が速いときは流速（慣性力）が重力より相対的に支配的になるため、流動様式に対する配管姿勢の影響は小さくなる。すなわち、気相流速が速いときは、配管姿勢によらずに環状流または環状噴霧流となる。
【００２３】
本実施の形態の噴霧ノズル１では、内管３内で環状噴霧流を生じさせると、液体の微粒化が促進され、液体と気体の混合が高まる。
環状噴霧流を生じさせるには、液体と気体の流量比にもよるが、気体の空塔速度を10m/s以上、より望ましくは20m/s以上にすればよい。なお、環状流の状態でも液体の微粒化効果は得られるが、環状噴霧流とすることでその効果をより高めることができる。逆に、内管３内の気体流速が小さくなると、環状流や環状噴霧流状態を保てなくなり、波状流、スラグ流、気泡流などの流動状態に遷移する。その場合、内管３内での液相の分散性・均一性が劣化するとともに、気液接触面積が減少するため、微粒化性能が低下することになる。
【００２４】
気体の空塔速度と液ダレの有無の関係を調査する実験を行ったので、これについて以下説明する。
実験条件は以下の通りである。
・気体：天然ガス
・液体：ＬＰＧ
・気体質量流量：液体質量流量＝1：約0.1〜0.2（表１）
・気体質量流量：液体質量流量＝1：約0.5〜1.0（表２）
・液だれの有無の確認方法：ＬＰＧ添加下流側配管（水平管部）の上部と下部の表面温度の差および可視化部（サイトグラス）観察によって確認した。
実験結果を表１、表２に示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】
表１に示す結果によると、気体の空塔速度が遅いと液だれ現象が起きるので、気体の空塔速度を10m/s以上とするのが良いことが分かる。
また、気体の流量に対する液体の流量を表１よりも多くした表２に示す結果によると、気体の空塔速度を20m/s以上とするのが良いことが分かる。
【００２８】
前述した通り、二相流の流動形態は気相と液相の流速に依存する。噴霧する液体の流量に基づき、内管３において環状噴霧流が生じる流速が得られる様に、内管３の流路断面積を決めることが望ましい。
また、内管３における液体供給管４の接続部（液体供給部）の下流側の流路方向の長さは、内管３の流路径の５倍以上とすることが望ましい。内管３の流路長さを上記に設定することで、気体流路が十分な速度を有する場合において、内管３内部において環状噴霧流が形成されやすくなる。
【００２９】
＜壁部材＞
壁部材５は、内管３内における液体供給管４の接続部（液体供給部）の下流側に設けられて内管内部を流路方向に仕切る部材である。壁部材５は、図１に示したように、平板状のものでもよいし、あるいは図３に示すように、内管３と同軸方向に延びる管状部材７からなるものでもよく、またあるいはハニカム形状のもの（図示せず）でもよい。図３は、壁部材７を他の態様とした噴霧ノズル１を説明する図であり、図３（ａ）が噴霧ノズル１の軸方向（流体の流れ方向）に沿う断面図であり、図３（ｂ）が噴霧ノズル１の正面図である。なお、図１と同一部分には同一の符号が付してある。なお、図３には管状部材７が内管３と概同軸状に１つ配設されている例を示したが、概同軸状に複数であっても良いし、また図３（ｃ）に示すように流路方向に互いに平行して並ぶように配設しても良い。
壁部材５を設ける理由は以下の通りである。
内管３を流れる気相の流量が多い場合は、内管３の断面積を大きくする必要がある。しかしながら、内管３内の流動様式が環状流もしくは環状噴霧流となっている状態では、液相は内管３の内壁表面上を液膜状に流れており、内管３の断面積が大きくなるほど、内管３の流路容積に対する液相と気相の界面面積（気相と液相の接触面積）が相対的に小さくなる。微粒化は、気相と液相の流速差に起因するせん断力で液相を気相で引きちぎる作用を利用するため、気相と液相の接触面積が相対的に小さくなることは、微粒化性能の低下につながる。
そこで、内管３を流れ方向に分割する壁部材５を設けることにより、薄い液相の流れである液膜が複数の分割壁面上に形成され、液膜表面積すなわち気液接触面積が増大し、微粒化性能が向上する。
【００３０】
上記のように構成された本実施の形態に係る噴霧ノズル１の作用について説明する。
気体は噴霧ノズル１の基端側から供給され、その一部が内管３に流れる。液体が液体供給管４を介して内管３に供給される。
【００３１】
液体供給管４を介して内管３に供給された液体は、内管３の内部で気体と合流して内管３を混相状態で流れる。
内管３内では、気体の流速によって様々な流動形態をとることは前述の通りである。なお、内管３を流れる混合流動状態が環状流もしくは環状噴霧流となっている状態が最も液体の微粒化が良好、すなわち微粒液滴径が小さくなるので好ましい。
【００３２】
気相の流速が環状噴霧流を形成できる流速であった場合、液体供給管４から供給された液体は、環状噴霧流となって内管３の内壁面上に液膜を形成しながら流れる。本実施の形態の噴霧ノズル１は内管３の内部に壁部材５を設けているので、液膜が複数の壁面上に形成され、液膜表面積すなわち気液接触面積が増大し、気相の流量が多い場合、すなわち内管３の口径が大きい場合であっても優れた微粒化性能を実現できる。
内管３の出口部分において、内管３の内壁及び壁部材５の壁面上に形成されている液膜は、内管３の管軸方向に液膜状態を保ったまま噴出する。その液膜の両側には、内管３内を流れてきた気体流れもしくは外管２を流れてきた気体流れが存在する。すなわち、液膜は内外両面で気相と接し、液膜と気相の流速差に起因するせん断力によって液膜が引きちぎられ微粒化される。
【００３３】
なお、内管３内の流動態様が環状流もしくは環状噴霧流を保てる範囲に気相流速を維持するのが好ましく、逆にこの範囲内であれば気相速度を小さくできる（気相側圧力が小さくてよい）。概略、気相見かけ流速が10m/s以上、好ましくは20m/s以上となるように維持すればよい。
【００３４】
以上のように、本実施の形態の噴霧ノズル１は、構造が簡単で、可燃性や腐食性を有する流体に対しても適用可能で、かつ液だれ現象を防止する効果が高い。
また、内管３内に壁部材５を設けて、液膜が複数の壁面上に形成されるようにしたので、気相の流量が多く、内管３の口径が大きくなる場合であっても微粒化性能が向上する。
内管３における液膜は気相流れで形成するので、液膜形成のために液相流路の断面積を絞る必要がなく、液相の流路は単純かつ断面積も大きくでき、液相側の圧力損失を小さく保てる。
また、噴霧ノズル１における気相側流路は概直管状であり、なんらの障害物もないので圧力損失が小さい。
【００３５】
なお、上記の実施の形態においては、壁部材５を設ける位置を、液体供給部の下流側に設定していたが、壁部材５によって内管３内を複数の流路に分割した場合において、各流路内に液体を供給できる液体供給部を設ければ、壁部材５が液体供給部の上流側まで延出していてもよい。壁部材５で分割された各々区画に液体を均一に供給できる。
【００３６】
［実施の形態２］
本実施の形態は本発明の噴霧ノズル１の使用例として噴霧ノズル１を用いた微粒化装置の例を示したものであり、ＬＮＧを気化した天然ガスにＬＰＧを添加することにより増熱して都市ガスを製造する際に用いられるものである。また、本実施の形態２においては、天然ガスが流れる主流管９にベンチュリ管１１を設置してベンチュリ型微粒化装置１３として構成したものである。
【００３７】
本実施の形態に係るベンチュリ型微粒化装置１３の基本構成は、図４、図５に示すように、天然ガスが流通する主流管９に設けられたベンチュリ管１１と、主流管９から分岐した分岐管１５と、ベンチュリ管１１内に配置された噴霧ノズル１とを備え、噴霧ノズル１の外管２に分岐管１５の先端が接続され、液体供給管４にはＬＰＧを供給するＬＰＧ供給管（図示なし）が接続されている。
【００３８】
本実施の形態のベンチュリ型微粒化装置１３においては、分岐管１５に、分岐管１５を流れる天然ガスの流量を検知する流量検出器１７を設けると共に主流管９におけるベンチュリ管１１と分岐管１５が分岐する分岐部の間に流量調整弁１９を設け、流量検出器１７の検知信号に基づいて流量調整弁１９の開度を調整するようにしている。
以下、各構成を詳細に説明する。
【００３９】
分岐管１５は、主流管９における流量調整弁１９の上流側から分岐して、その出口側が噴霧ノズル１の外管２に接続されている。
噴霧ノズル１の先端部は、ベンリュリ管のど部２１もしくはベンリュリ管のど部２１よりも上流側に配置されている。
【００４０】
ＬＰＧの微粒化・混合性能に大きく影響するのは噴霧ノズル１における内管３での流速である。なぜなら、内管３に供給される天然ガスの流速が所定の流速になることで、内管３内にＬＰＧを巻き込んだ環状噴霧流が発生してＬＰＧの微粒化・混合が行われるからである。
そのため、噴霧ノズル１における内管３の流路断面積は、都市ガスの最低流量運転のときにも、天然ガスの流速が、環状噴霧流発生に必要な流速を保つことができるような径にしておく。
例えば、都市ガス流量の変動範囲が30万Nm3/h〜6千Nm3/hの場合を想定すると、都市ガス流量が最低流量である6千Nm3/hのときには、天然ガスを分岐管１５から概略全量流し、このときの内管３の天然ガス流速が環状噴霧流発生に必要な流速を保つような管径とする。（このとき分岐管１５を流れる天然ガス流量は、天然ガス流量として想定される最低流量となる。）
その上で、想定される最低流量分を常に分岐管１５に流すようにすれば、制御が簡単で安定したＬＰＧの微粒化・混合が実現できる。以下の説明において、分岐管１５におけるＬＰＧの微粒化・混合に必要な流速を与える最小流量を所定値Ａとする。
【００４１】
環状噴霧流発生に必要とされる流速は、実施ケースにより異なるが、表１及び表２にも示されるように概ね10〜20m/s以上である。したがって、想定される都市ガスの最低流量の場合に噴霧ノズル１の内管３で前記流速が確保でき、かつ圧力損失が高くなり過ぎないような管路となるように噴霧ノズル１における内管３の径や壁部材５の態様を設定すればよい。
なおベンリュリ管のど部２１の径は、設計最大流量時の圧力損失が、その適用システムにとって過大とならないように設計しておく。
【００４２】
＜流量検知器＞
流量検出器１７は、分岐管１５に設けられて分岐管１５を流れる天然ガスの流量を検知するものである。
なお、流量検出器１７に代えて差圧検知器を設け、分岐管１５における圧力損失を検知することで、あらかじめ把握しておいた分岐管１５における流量と圧力損失の関係から、分岐管１５内を流れる天然ガスの流量を検知するようにしてもよい。
【００４３】
＜流量調整弁＞
流量調整弁１９は、主流管９におけるベンチュリ管１１と分岐管１５の分岐部との間に設けられて、流量検出器１７の検知信号に基づいて主流管９を流れる天然ガス流量を調整し、これによって分岐管１５を流れる天然ガス流量が予め定めた所定流量になるようにする。
なお、図２に示されるように、環状噴霧流とするための気相流速は液相流速の影響を受ける。このため、液体供給管４に供給されるＬＰＧ量を検知する第２の流量検知器を設け、供給ＬＰＧ量も加味して分岐管１５を流れる天然ガスの所定量を算出・設定することも可能である。ただし、第２の流量検知器を設けると制御も複雑となるため、実用上はＬＰＧ供給量によらず、一定の天然ガス流量（内管３内で例えば20m/sとなる流量）を所定量とすることが簡便である。
【００４４】
＜動作説明＞
次に上記のように構成された本実施の形態に係るベンチュリ型流体微粒化装置１３の動作を説明する。
上流側から供給される天然ガスは、分岐部を通過する際に分岐管１５にも流れ、分岐管１５の出口側において噴霧ノズル１の外管２に流入する。外管２に流入した天然ガスの一部は内管３に流入し、液体供給管４から供給されるＬＰＧを巻き込んで内管３内で環状噴霧流を発生し、ＬＰＧの微粒化・混合が行われ、ベンリュリ管のど部２１に流入する。
他方、主流管９を流れる天然ガスもベンリュリ管のど部２１に流入する。したがって、ベンリュリ管のど部２１には、分岐管１５を経由してＬＰＧが添加された天然ガスと、主流管９からの天然ガスが流入し、ベンリュリ管のど部２１を通過の際、さらにＬＰＧの混合が促進される。
【００４５】
都市ガスの流量はその需要量に応じて成り行きで増減する。例えば、都市ガス需要量が減少し、流路を流れる流体の流量が減少すると、分岐管１５及び主流管９を流れるトータルの天然ガスの流量が減少する。分岐管１５を流れる天然ガス流量が所定値Ａよりも減少すると内管３の流速が減少し、環状噴霧流が形成されなくなり、ＬＰＧの微粒化・混合が不十分になることが懸念される。
そこで、流量検出器１７で検知される流量が所定値Ａよりも減少したら、流量調整弁１９の開度を小さくすることによって分岐管１５を流れる天然ガス流量が所定値Ａを維持するようにする。
分岐管１５を流れる天然ガス流量を所定値Ａ以上に維持することで、内管３における流速が維持されＬＰＧの微粒化・混合効果を確保することができる。
【００４６】
逆に、都市ガス需要量が増加し、流路を流れる流体の流量が増加すると、分岐管１５及び主流管９を流れる天然ガスの流量が増加する。
【００４７】
分岐管１５を流れる天然ガス流量が増加するに伴って圧力損失も大きくなる。
そこで、流量検出器１７で検知される流量が所定値Ｂよりも増加したら、流量調整弁１９の開度を大きくして主流管９を流れる量を増やし、分岐管１５を流れる天然ガス流量が所定値Ｂになるようにする。ここで、所定値Ｂ≧所定値Ａの関係にある。
分岐管１５を流れる天然ガス流量を所定値Ａ以上Ｂ以下にすることで、分岐管１５における流速が所定の範囲に維持されＬＰＧの微粒化・混合を十分にすることができると共に圧力損失の過大な増大を防止することができる。
【００４８】
例えば、最も単純な制御方法としては、所定値Ａ＝所定値Ｂ＝[都市ガス最低流量時の天然ガス流量（天然ガス最低流量）]とする場合である。
前述した例と同様、都市ガス流量の変動範囲が30万Nm3/h〜6千Nm3/hの場合を想定すると、都市ガス流量が最低流量である6千Nm3/hのときには、天然ガスを分岐管１５から概略全量、すなわち所定値Ａ（＝所定値Ｂ）の流量を流す。
都市ガス流量が6千Nm3/hより大きくなった場合には、分岐管１５に設置された流量検出器１７で計測される流量が所定値Ａを保つように流量調整弁１９の開度を大きくしていき、天然ガス流量増加分を主流管９から流入させるようにする。すなわち、都市ガス流量が変動しても、分岐管１５には常に所定値Ａの天然ガス流量が流通するようにする。こうすることにより、分岐管１５へは常に微粒化・混合に必要な流量が供給されるようになる。また主流管９からの速度成分は、ベンリュリ管のど部２１における流速をさらに増大させる方向に寄与する。
なお上記において、所定値Ａは[都市ガス最低流量時の天然ガス流量（天然ガス最低流量）]であるが、簡易的には[都市ガス最低流量]としてもよい。
【００４９】
以上のように、本実施の形態によれば、流路を流れる流量が大きく変化しても内管３における天然ガス流速を所定の流速に維持することができ、ＬＰＧの微粒化・混合効果が得られると共に過度に圧力損失が大きくなりすぎないようにすることができる。
【００５０】
ここで、所定値Ａの天然ガス流量を分岐管１５側に流通させるためには、ノズルを含めた分岐管１５側の圧力損失と同等以上の圧力損失となるように、流量調整弁１９を絞り込む必要がある。そのため、分岐管１５の先端に配設された噴霧ノズル１の圧力損失が大きいと、ベンチュリ型微粒化装置１３全体としての圧力損失が大きくなり、都市ガスとして送り出すためのガス圧力を維持できなくなる。
本発明の噴霧ノズル１を備えたベンチュリ型微粒化装置１３を用いることにより、定格流量が大きな装置の場合でも圧力損失を抑制しつつ微粒化を行うことができるため、送ガス圧力を損なうことなく確実な増熱効果を得ることが可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
１ 噴霧ノズル
２ 外管
３ 内管
４ 液体供給管
５ 壁部材
７ 管状部材
９ 主流管
１１ ベンリュリ管
１３ ベンリュリ型微粒化装置
１５ 分岐管
１７ 流量検出器
１９ 流量調整弁
２１ ベンリュリ管のど部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体と液体とを混合して噴霧する噴霧ノズル及び該噴霧ノズルを用いた流体微粒化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液化天然ガス（以下、「ＬＮＧ」という）を気化して都市ガスとして供給する際、熱量調整を行っている。近年はメタン成分の多いＬＮＧの輸入が増加しており、都市ガス用に増熱する場合が多い。熱量調整は天然ガスに液化石油ガス（以下、「ＬＰＧ」という）等の熱量調整剤を混合することにより行う。
このような熱量調整方法として、例えば特開昭６３−２６５９９４号公報（特許文献１）には、気化した天然ガスをベンチュリ型の液・ガスミキサーに供給し、ベンチュリ管で発生する高速流れおよび低圧を利用して、ベンチュリ管に液体の状態で供給される熱量調整剤を微粒化・蒸発・混合させる技術が開示されている。
【０００３】
また、都市ガスの増熱装置ではないが、内燃機関の燃料気化器に関する特開昭５３−１３１３２８号公報（特許文献２）には、ベンチュリ管内に流路方向に移動可能な絞り部材を設ける技術が開示されている。
さらに、特開平８−７５６２１号公報（特許文献３）には、定流量サンプリング装置に関し、ガスの流路となる管内に紡錘型のコアを固定し、コアの外側に配置されたスロート部をパルスモータによって流路方向に移動させることによって流路断面積を変化させる技術が開示されている。
また、実開昭５６−４１２１０号公報（特許文献４）、特開平４−２４８４１４号公報（特許文献５）には、流量測定制御装置に関し、ベンチュリ管のど部に円形の断面積が流路方向に沿って変化する面を有する可動体を配置し、この可動体を流路内に配置したモータによって駆動する技術が開示されている。
さらに、特開２０１１−５６４００（特許文献６）は流体の混合方法に関するもので、主流路よりも流路断面が小さい小径部を有する分岐流路を主流路から分岐して設け、分岐流路の出口側を主流路に配置し、分岐流路における小径部又はその近傍に第２流体の供給部を設け、主流路の流量を調整することにより分岐流路の小径部を流れる第１流体の流速を、第１流体と第２流体の混合に必要な流速に保つ技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−２６５９９４号公報
【特許文献２】特開昭５３−１３１３２８号公報
【特許文献３】特開平８−７５６２１号公報
【特許文献４】実開昭５６−４１２１０号公報
【特許文献５】特開平４−２４８４１４号公報
【特許文献６】特開２０１１−５６４００公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
天然ガスの流量は都市ガス需要量に応じて変動する。運転流量を定格流量で割った数値をターンダウン比というが、天然ガスのターンダウン比は、低いときは１／２０程度で運転されることもある。
一方、ベンチュリ管は流量が低下するとその流速および低圧発生効果が低下する。特許文献１に開示されたものの様に、ベンチュリ管のど部の断面積が一定のものでは都市ガス需要量の変化が大きい場合には対応できないという問題がある。
ベンチュリ管などは、定格流量を基準にして設計されるが、天然ガスのターンダウン比が低いときはベンチュリ部の流速が低下するため、熱量調整剤として添加されるＬＰＧが天然ガスと十分に気化混合されず、管底などに液が溜まる液だれ現象が生じてしまう。この現象が生じると、都市ガスの製造に支障が出る。
ベンチュリ管によって気化混合できる天然ガスのターンダウン比は、１／１〜１／５程度である。そのため、流量変動範囲の大きい適用先に特許文献１の技術を用いる場合には、流量範囲に応じて大きさの異なるベンチュリ管を用意する必要があり、装置の複雑化等の問題がある。
【０００６】
この点、特許文献２に記載の技術においては、絞り部材の軸方向位置を変化させることによってベンチュリ管を通過する空気流量に変動があっても、対応できるようにしている。
しかしながら、特許文献２においては、絞り部材を軸方向に移動させるための駆動方法が開示されていない。また、仮に駆動源が流路外にあるとすると、駆動軸が流路外へ貫通することになり、頻繁に可動する面をシールすることになる。そのため、この面より流体が漏洩するおそれがあり、流体が可燃性であったり危険物であったりする場合には安全性に懸念が生じる。
また、特許文献３においても、紡錘型のコアの外側に配置したスロート部を流路方向に移動させるようにしているので、ガス流量の変動には対応可能であるが、駆動部が流路外に設置されているため、特許文献２の場合と同様、駆動機構が流路内外を貫通し、かつ可動する面（摺動面）でのシール性の問題が生ずる。
【０００７】
また、特許文献４、５においても同様に、ガス流量の変動には対応可能であるものの、駆動源としてのモータをガス流路内に配設しているため、構造が複雑になる上に、駆動エネルギーを必要とし、さらに、モータ部への流体の流入を考慮すると、可燃性や腐食性を有している流体への適用が難しいという問題がある。
さらに、特許文献５に開示されたものにおいては、圧力・温度に基づいて「流量」を制御しているが、流体の混合の観点で重要となるのは、流量の変動に合わせてベンチュリ管のど部の流速を制御することであり、特許文献５のものではこのような制御をすることはできない。
【０００８】
特許文献６に開示されたものは、これらの課題の解決を図ったものであり、広い流量範囲に対して高い混合効果を確実に得ることが可能で、可動体などの可動部が不要であり、それ故可動部を駆動するための駆動部も不要になり、構造を簡易なものにすることができ、可燃性や腐食性を有する流体に対しても適用できる。
この流体混合装置では、分岐管の内部もしくは出口近傍で気体と液体とが混合されるが、気体と液体との速度差により液体が引きちぎられ、微粒化が促進される。しかし、流量などの条件が厳しいときは液体が必ずしも微粒化せず、液だれ現象が起きる懸念もあった。すなわち、定格流量が大きい流体混合装置は、主流管や分岐管の口径も大きくなる。分岐管の口径が大きくなるほど、分岐管の流路容積に対する液相と気相の界面面積（気相と液相の接触面積）が相対的に小さくなる。微粒化は、気相と液相の流速差に起因するせん断力で液相を気相で引きちぎる作用を利用するため、気相と液相の接触面積が相対的に小さくなることは、微粒化性能の低下につながる。
一方、分岐管内の気相流速を増加させると微粒化性能を高めることができるが、流速の２乗に比例して圧力損失が大きくなるため、分岐管内の気相流速をむやみに増加させることはできなかった。
【０００９】
本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、構造が簡単で、可燃性や腐食性を有する流体に対しても適用可能で、かつ液だれ現象を防止する効果の高い噴霧ノズル及び該噴霧ノズルを用いた流体微粒化装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明に係る噴霧ノズルは、基端側から気体の供給を受け、先端側に気体を噴出する外管と、該外管内に該外管と同軸方向に配置された内管と、該内管に液体を供給する液体供給管と、前記内管内に設けられて内管内部を流路方向に仕切る壁部材とを備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記壁部材は、前記内管における前記液体供給管によって液体が供給される液体供給部よりも下流側に設けられていることを特徴とするものである。
【００１２】
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記壁部材は、板状部材からなることを特徴とするものである。
【００１３】
（４）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記壁部材は、管状部材からなることを特徴とするものである。
【００１４】
（５）本発明に係る流体微粒化装置は、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の噴霧ノズルを用いた流体微粒化装置であって、前記噴霧ノズルに供給される気体の流量を検出する流量検出装置と、該流量検出装置の検出値に基づいて前記噴霧ノズル内を流れる気体の流量を調整する流量調整弁とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、広い流量範囲に対して高い混合効果を確実に得ることが可能であり、液だれ現象を防止する効果が高い。
また、内管を流れ方向に分割する壁部材を設けているので、液膜が複数の分割壁面上に形成され、液膜表面積すなわち気液接触面積が増大し、ノズル径が大きい場合であっても液だれ現象を防止して微粒化性能を向上させることができる。
また、可動体などの可動部が不要で、その可動部を駆動するための駆動部も不要なので、構造を簡易なものにすることができる。
さらに、基本的に管部材のみで構成されるので、材料の選択の自由度が高く、適切な材料を選ぶことによって可燃性や腐食性を有する流体に対しても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る噴霧ノズルの説明図である。
【図２】水平管内を流れる液相及び気相の流速の違いによる流動様式を模式的に説明する説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る噴霧ノズルの説明図であって、特に壁部材の他の態様を説明する図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る噴霧ノズルの使用例としてのベンチュリ型微粒化装置の説明図である。
【図５】図４の一部を拡大して示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［実施の形態１］
本実施の形態に係る噴霧ノズル１は、気体と液体を混合して噴霧する噴霧ノズルである。
噴霧ノズル１によって混合される気体と液体の性状や用途は特に限定されないが、一例として、ＬＮＧを気化した天然ガス（気体）にＬＰＧ（液化石油ガス）（液体）を添加・混合して都市ガスを製造する場合が挙げられる。
以下、本実施の形態１の噴霧ノズルを主として図１に基づいて説明する。図１において、図１（ａ）が噴霧ノズル１の軸方向（流体の流れ方向）に沿う断面図であり、図１（ｂ）が矢視Ａ−Ａに沿う断面図である。なお、図１において、白抜き矢印は気体の流れの方向を示し、斜線の矢印は液体の流れの方向を示している。
また、本明細書において気体及び／又は液体の流路に配置された部材の部位を特定する用語として、先端とは気流、液流の流れ方向下流側をいい、基端とは気流、液流の流れ方向上流側をいう。
【００１８】
本実施の形態に係る噴霧ノズル１の基本構成は、図１に示すように、基端側から気体の供給を受け、先端側に気体を噴出する外管２と、外管２内に外管２と同軸方向に配置された内管３と、内管３に液体を供給する液体供給管４と、内管３内に設けられて内管３の内部を流路方向に仕切る壁部材５とを備えているものである。
以下、各構成を詳細に説明する。
【００１９】
＜外管＞
外管２は基端側から気体の供給を受ける。外管２が気体の供給を受ける態様としては、例えば外管２を気体が通流する配管内に配置する場合や、あるいは外管２の基端側を、気体を供給する図示しない気体供給管に接続する場合がある。
【００２０】
＜内管＞
内管３の先端部は、外管２と同軸方向でかつ外管２の内壁と空間を介して外管２の内側に配置されている。内管３はその側部において、液体供給管４から液体の供給を受けて先端側で液体を噴出する。噴出とは内管３の内部側からの力によって液体が勢いよく吐出する場合のみならず、内管３の先端部に供給された液体が内管３の外部の気流に巻き込まれて吐出する場合を含む。
内管３の断面形状は特に問わず、円でも多角形でもよい。さらに、内管３の内部に通過する流体に旋回流を与える構造、例えば旋回羽根を設けるようにしてもよい。
なお、内管３の内部に付属させる部材は着脱可能にしてもよい。
内管３は外管２に固定されているが、その固定方法は特に問わず、例えばステー（図示なし）によって固定するようにすればよい。
【００２１】
内管３は、外管２と同軸方向に配置されており、外管２を流れる気体の一部が流入し、液体供給管４から供給された液体とが二相流状態で流れる。
二相流とは、二つの相、たとえば液相と気相が混ざり合って流動する現象をいう。霧は空気中に非常に小さな水の液滴が存在するが、これは噴霧流（ミスト流）と呼ばれる二相流で、気相中に液相が分散されている。
一方、例えばコップの中に注がれたビールは、ビールの中に小さな炭酸ガスの気泡がたくさん含まれているが、このような形態は気泡流（バブル流）と呼ばれる二相流で、液相中に気相が分散している。噴霧流中の液滴や気泡流中の気泡は分散相と呼ばれ、一方噴霧流中の気相や気泡流中の液相は連続相と呼ばれている。
地上の大気圏のような開かれた空間では、通常は分散相が連続相中にほぼ均一に分散し、噴霧流や気泡流のような均質な流れが存在している。しかし、管内のような閉ざされた空間を流れる二相流は、均質な流れだけではなく不均質な流れも生ずる。
【００２２】
二相流の流動形態は気相と液相の流速に依存しており、これらによって流動形態がどのようになるかを示す状態図が実験的に得られている。
図２には、水平管内を流れる液相及び気相の流速の違いによる流動様式を模式的に示す図が示されている。ここに示された図は、書籍「気液二相流」（著者：植田辰洋、出版社：養賢堂）に記載のものである。水平管内を流れる液相及び気相は、流速の違いによって次の様な流動様式を示す。なお、液相及び気相の流速とは、それぞれ気相、液相の流量を流路断面積で割った見掛け流速のことで、空塔速度ともいう。以下、本明細書において流速とは空塔速度をいう。
気相の流速の違いによる流動様式の変遷を示すと以下のようになる。
（１）気相の流速が遅い場合
液相の流速も遅いと、液相は配管の底面に沿って流れる（成層流）。一方、液相の流速が速くなると、せん状流や気泡流となる。
（２）気相の流速がやや速い場合
気相流速が速くなると気液界面が波立ち、波状流またはスラグ流となる。
（３）気相の流速が速い場合
さらに気相流速が増すと液の一部が飛散するようになり、液相が壁面方向に押しやられて管壁に沿った環状液膜として流れ、気相が管中央部を連続的にかなりの流速で流れる、環状流または環状噴霧流となる。
なお、流動様式は配管姿勢の影響を受ける場合があり、重力方向が水平配管と異なる鉛直配管などは、流動様式が一部異なる。しかし、気相流速が速いときは流速（慣性力）が重力より相対的に支配的になるため、流動様式に対する配管姿勢の影響は小さくなる。すなわち、気相流速が速いときは、配管姿勢によらずに環状流または環状噴霧流となる。
【００２３】
本実施の形態の噴霧ノズル１では、内管３内で環状噴霧流を生じさせると、液体の微粒化が促進され、液体と気体の混合が高まる。
環状噴霧流を生じさせるには、液体と気体の流量比にもよるが、気体の空塔速度を10m/s以上、より望ましくは20m/s以上にすればよい。なお、環状流の状態でも液体の微粒化効果は得られるが、環状噴霧流とすることでその効果をより高めることができる。逆に、内管３内の気体流速が小さくなると、環状流や環状噴霧流状態を保てなくなり、波状流、スラグ流、気泡流などの流動状態に遷移する。その場合、内管３内での液相の分散性・均一性が劣化するとともに、気液接触面積が減少するため、微粒化性能が低下することになる。
【００２４】
気体の空塔速度と液ダレの有無の関係を調査する実験を行ったので、これについて以下説明する。
実験条件は以下の通りである。
・気体：天然ガス
・液体：ＬＰＧ
・気体質量流量：液体質量流量＝1：約0.1〜0.2（表１）
・気体質量流量：液体質量流量＝1：約0.5〜1.0（表２）
・液だれの有無の確認方法：ＬＰＧ添加下流側配管（水平管部）の上部と下部の表面温度の差および可視化部（サイトグラス）観察によって確認した。
実験結果を表１、表２に示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】
表１に示す結果によると、気体の空塔速度が遅いと液だれ現象が起きるので、気体の空塔速度を10m/s以上とするのが良いことが分かる。
また、気体の流量に対する液体の流量を表１よりも多くした表２に示す結果によると、気体の空塔速度を20m/s以上とするのが良いことが分かる。
【００２８】
前述した通り、二相流の流動形態は気相と液相の流速に依存する。噴霧する液体の流量に基づき、内管３において環状噴霧流が生じる流速が得られる様に、内管３の流路断面積を決めることが望ましい。
また、内管３における液体供給管４の接続部（液体供給部）の下流側の流路方向の長さは、内管３の流路径の５倍以上とすることが望ましい。内管３の流路長さを上記に設定することで、気体流路が十分な速度を有する場合において、内管３内部において環状噴霧流が形成されやすくなる。
【００２９】
＜壁部材＞
壁部材５は、内管３内における液体供給管４の接続部（液体供給部）の下流側に設けられて内管内部を流路方向に仕切る部材である。壁部材５は、図１に示したように、平板状のものでもよいし、あるいは図３に示すように、内管３と同軸方向に延びる管状部材７からなるものでもよく、またあるいはハニカム形状のもの（図示せず）でもよい。図３は、壁部材７を他の態様とした噴霧ノズル１を説明する図であり、図３（ａ）が噴霧ノズル１の軸方向（流体の流れ方向）に沿う断面図であり、図３（ｂ）が噴霧ノズル１の正面図である。なお、図１と同一部分には同一の符号が付してある。なお、図３には管状部材７が内管３と概同軸状に１つ配設されている例を示したが、概同軸状に複数であっても良いし、また図３（ｃ）に示すように流路方向に互いに平行して並ぶように配設しても良い。
壁部材５を設ける理由は以下の通りである。
内管３を流れる気相の流量が多い場合は、内管３の断面積を大きくする必要がある。しかしながら、内管３内の流動様式が環状流もしくは環状噴霧流となっている状態では、液相は内管３の内壁表面上を液膜状に流れており、内管３の断面積が大きくなるほど、内管３の流路容積に対する液相と気相の界面面積（気相と液相の接触面積）が相対的に小さくなる。微粒化は、気相と液相の流速差に起因するせん断力で液相を気相で引きちぎる作用を利用するため、気相と液相の接触面積が相対的に小さくなることは、微粒化性能の低下につながる。
そこで、内管３を流れ方向に分割する壁部材５を設けることにより、薄い液相の流れである液膜が複数の分割壁面上に形成され、液膜表面積すなわち気液接触面積が増大し、微粒化性能が向上する。
【００３０】
上記のように構成された本実施の形態に係る噴霧ノズル１の作用について説明する。
気体は噴霧ノズル１の基端側から供給され、その一部が内管３に流れる。液体が液体供給管４を介して内管３に供給される。
【００３１】
液体供給管４を介して内管３に供給された液体は、内管３の内部で気体と合流して内管３を混相状態で流れる。
内管３内では、気体の流速によって様々な流動形態をとることは前述の通りである。なお、内管３を流れる混合流動状態が環状流もしくは環状噴霧流となっている状態が最も液体の微粒化が良好、すなわち微粒液滴径が小さくなるので好ましい。
【００３２】
気相の流速が環状噴霧流を形成できる流速であった場合、液体供給管４から供給された液体は、環状噴霧流となって内管３の内壁面上に液膜を形成しながら流れる。本実施の形態の噴霧ノズル１は内管３の内部に壁部材５を設けているので、液膜が複数の壁面上に形成され、液膜表面積すなわち気液接触面積が増大し、気相の流量が多い場合、すなわち内管３の口径が大きい場合であっても優れた微粒化性能を実現できる。
内管３の出口部分において、内管３の内壁及び壁部材５の壁面上に形成されている液膜は、内管３の管軸方向に液膜状態を保ったまま噴出する。その液膜の両側には、内管３内を流れてきた気体流れもしくは外管２を流れてきた気体流れが存在する。すなわち、液膜は内外両面で気相と接し、液膜と気相の流速差に起因するせん断力によって液膜が引きちぎられ微粒化される。
【００３３】
なお、内管３内の流動態様が環状流もしくは環状噴霧流を保てる範囲に気相流速を維持するのが好ましく、逆にこの範囲内であれば気相速度を小さくできる（気相側圧力が小さくてよい）。概略、気相見かけ流速が10m/s以上、好ましくは20m/s以上となるように維持すればよい。
【００３４】
以上のように、本実施の形態の噴霧ノズル１は、構造が簡単で、可燃性や腐食性を有する流体に対しても適用可能で、かつ液だれ現象を防止する効果が高い。
また、内管３内に壁部材５を設けて、液膜が複数の壁面上に形成されるようにしたので、気相の流量が多く、内管３の口径が大きくなる場合であっても微粒化性能が向上する。
内管３における液膜は気相流れで形成するので、液膜形成のために液相流路の断面積を絞る必要がなく、液相の流路は単純かつ断面積も大きくでき、液相側の圧力損失を小さく保てる。
また、噴霧ノズル１における気相側流路は概直管状であり、なんらの障害物もないので圧力損失が小さい。
【００３５】
なお、上記の実施の形態においては、壁部材５を設ける位置を、液体供給部の下流側に設定していたが、壁部材５によって内管３内を複数の流路に分割した場合において、各流路内に液体を供給できる液体供給部を設ければ、壁部材５が液体供給部の上流側まで延出していてもよい。壁部材５で分割された各々区画に液体を均一に供給できる。
【００３６】
［実施の形態２］
本実施の形態は本発明の噴霧ノズル１の使用例として噴霧ノズル１を用いた微粒化装置の例を示したものであり、ＬＮＧを気化した天然ガスにＬＰＧを添加することにより増熱して都市ガスを製造する際に用いられるものである。また、本実施の形態２においては、天然ガスが流れる主流管９にベンチュリ管１１を設置してベンチュリ型微粒化装置１３として構成したものである。
【００３７】
本実施の形態に係るベンチュリ型微粒化装置１３の基本構成は、図４、図５に示すように、天然ガスが流通する主流管９に設けられたベンチュリ管１１と、主流管９から分岐した分岐管１５と、ベンチュリ管１１内に配置された噴霧ノズル１とを備え、噴霧ノズル１の外管２に分岐管１５の先端が接続され、液体供給管４にはＬＰＧを供給するＬＰＧ供給管（図示なし）が接続されている。
【００３８】
本実施の形態のベンチュリ型微粒化装置１３においては、分岐管１５に、分岐管１５を流れる天然ガスの流量を検知する流量検出器１７を設けると共に主流管９におけるベンチュリ管１１と分岐管１５が分岐する分岐部の間に流量調整弁１９を設け、流量検出器１７の検知信号に基づいて流量調整弁１９の開度を調整するようにしている。
以下、各構成を詳細に説明する。
【００３９】
分岐管１５は、主流管９における流量調整弁１９の上流側から分岐して、その出口側が噴霧ノズル１の外管２に接続されている。
噴霧ノズル１の先端部は、ベンリュリ管のど部２１もしくはベンリュリ管のど部２１よりも上流側に配置されている。
【００４０】
ＬＰＧの微粒化・混合性能に大きく影響するのは噴霧ノズル１における内管３での流速である。なぜなら、内管３に供給される天然ガスの流速が所定の流速になることで、内管３内にＬＰＧを巻き込んだ環状噴霧流が発生してＬＰＧの微粒化・混合が行われるからである。
そのため、噴霧ノズル１における内管３の流路断面積は、都市ガスの最低流量運転のときにも、天然ガスの流速が、環状噴霧流発生に必要な流速を保つことができるような径にしておく。
例えば、都市ガス流量の変動範囲が30万Nm3/h〜6千Nm3/hの場合を想定すると、都市ガス流量が最低流量である6千Nm3/hのときには、天然ガスを分岐管１５から概略全量流し、このときの内管３の天然ガス流速が環状噴霧流発生に必要な流速を保つような管径とする。（このとき分岐管１５を流れる天然ガス流量は、天然ガス流量として想定される最低流量となる。）
その上で、想定される最低流量分を常に分岐管１５に流すようにすれば、制御が簡単で安定したＬＰＧの微粒化・混合が実現できる。以下の説明において、分岐管１５におけるＬＰＧの微粒化・混合に必要な流速を与える最小流量を所定値Ａとする。
【００４１】
環状噴霧流発生に必要とされる流速は、実施ケースにより異なるが、表１及び表２にも示されるように概ね10〜20m/s以上である。したがって、想定される都市ガスの最低流量の場合に噴霧ノズル１の内管３で前記流速が確保でき、かつ圧力損失が高くなり過ぎないような管路となるように噴霧ノズル１における内管３の径や壁部材５の態様を設定すればよい。
なおベンリュリ管のど部２１の径は、設計最大流量時の圧力損失が、その適用システムにとって過大とならないように設計しておく。
【００４２】
＜流量検知器＞
流量検出器１７は、分岐管１５に設けられて分岐管１５を流れる天然ガスの流量を検知するものである。
なお、流量検出器１７に代えて差圧検知器を設け、分岐管１５における圧力損失を検知することで、あらかじめ把握しておいた分岐管１５における流量と圧力損失の関係から、分岐管１５内を流れる天然ガスの流量を検知するようにしてもよい。
【００４３】
＜流量調整弁＞
流量調整弁１９は、主流管９におけるベンチュリ管１１と分岐管１５の分岐部との間に設けられて、流量検出器１７の検知信号に基づいて主流管９を流れる天然ガス流量を調整し、これによって分岐管１５を流れる天然ガス流量が予め定めた所定流量になるようにする。
なお、図２に示されるように、環状噴霧流とするための気相流速は液相流速の影響を受ける。このため、液体供給管４に供給されるＬＰＧ量を検知する第２の流量検知器を設け、供給ＬＰＧ量も加味して分岐管１５を流れる天然ガスの所定量を算出・設定することも可能である。ただし、第２の流量検知器を設けると制御も複雑となるため、実用上はＬＰＧ供給量によらず、一定の天然ガス流量（内管３内で例えば20m/sとなる流量）を所定量とすることが簡便である。
【００４４】
＜動作説明＞
次に上記のように構成された本実施の形態に係るベンチュリ型流体微粒化装置１３の動作を説明する。
上流側から供給される天然ガスは、分岐部を通過する際に分岐管１５にも流れ、分岐管１５の出口側において噴霧ノズル１の外管２に流入する。外管２に流入した天然ガスの一部は内管３に流入し、液体供給管４から供給されるＬＰＧを巻き込んで内管３内で環状噴霧流を発生し、ＬＰＧの微粒化・混合が行われ、ベンリュリ管のど部２１に流入する。
他方、主流管９を流れる天然ガスもベンリュリ管のど部２１に流入する。したがって、ベンリュリ管のど部２１には、分岐管１５を経由してＬＰＧが添加された天然ガスと、主流管９からの天然ガスが流入し、ベンリュリ管のど部２１を通過の際、さらにＬＰＧの混合が促進される。
【００４５】
都市ガスの流量はその需要量に応じて成り行きで増減する。例えば、都市ガス需要量が減少し、流路を流れる流体の流量が減少すると、分岐管１５及び主流管９を流れるトータルの天然ガスの流量が減少する。分岐管１５を流れる天然ガス流量が所定値Ａよりも減少すると内管３の流速が減少し、環状噴霧流が形成されなくなり、ＬＰＧの微粒化・混合が不十分になることが懸念される。
そこで、流量検出器１７で検知される流量が所定値Ａよりも減少したら、流量調整弁１９の開度を小さくすることによって分岐管１５を流れる天然ガス流量が所定値Ａを維持するようにする。
分岐管１５を流れる天然ガス流量を所定値Ａ以上に維持することで、内管３における流速が維持されＬＰＧの微粒化・混合効果を確保することができる。
【００４６】
逆に、都市ガス需要量が増加し、流路を流れる流体の流量が増加すると、分岐管１５及び主流管９を流れる天然ガスの流量が増加する。
【００４７】
分岐管１５を流れる天然ガス流量が増加するに伴って圧力損失も大きくなる。
そこで、流量検出器１７で検知される流量が所定値Ｂよりも増加したら、流量調整弁１９の開度を大きくして主流管９を流れる量を増やし、分岐管１５を流れる天然ガス流量が所定値Ｂになるようにする。ここで、所定値Ｂ≧所定値Ａの関係にある。
分岐管１５を流れる天然ガス流量を所定値Ａ以上Ｂ以下にすることで、分岐管１５における流速が所定の範囲に維持されＬＰＧの微粒化・混合を十分にすることができると共に圧力損失の過大な増大を防止することができる。
【００４８】
例えば、最も単純な制御方法としては、所定値Ａ＝所定値Ｂ＝[都市ガス最低流量時の天然ガス流量（天然ガス最低流量）]とする場合である。
前述した例と同様、都市ガス流量の変動範囲が30万Nm3/h〜6千Nm3/hの場合を想定すると、都市ガス流量が最低流量である6千Nm3/hのときには、天然ガスを分岐管１５から概略全量、すなわち所定値Ａ（＝所定値Ｂ）の流量を流す。
都市ガス流量が6千Nm3/hより大きくなった場合には、分岐管１５に設置された流量検出器１７で計測される流量が所定値Ａを保つように流量調整弁１９の開度を大きくしていき、天然ガス流量増加分を主流管９から流入させるようにする。すなわち、都市ガス流量が変動しても、分岐管１５には常に所定値Ａの天然ガス流量が流通するようにする。こうすることにより、分岐管１５へは常に微粒化・混合に必要な流量が供給されるようになる。また主流管９からの速度成分は、ベンリュリ管のど部２１における流速をさらに増大させる方向に寄与する。
なお上記において、所定値Ａは[都市ガス最低流量時の天然ガス流量（天然ガス最低流量）]であるが、簡易的には[都市ガス最低流量]としてもよい。
【００４９】
以上のように、本実施の形態によれば、流路を流れる流量が大きく変化しても内管３における天然ガス流速を所定の流速に維持することができ、ＬＰＧの微粒化・混合効果が得られると共に過度に圧力損失が大きくなりすぎないようにすることができる。
【００５０】
ここで、所定値Ａの天然ガス流量を分岐管１５側に流通させるためには、ノズルを含めた分岐管１５側の圧力損失と同等以上の圧力損失となるように、流量調整弁１９を絞り込む必要がある。そのため、分岐管１５の先端に配設された噴霧ノズル１の圧力損失が大きいと、ベンチュリ型微粒化装置１３全体としての圧力損失が大きくなり、都市ガスとして送り出すためのガス圧力を維持できなくなる。
本発明の噴霧ノズル１を備えたベンチュリ型微粒化装置１３を用いることにより、定格流量が大きな装置の場合でも圧力損失を抑制しつつ微粒化を行うことができるため、送ガス圧力を損なうことなく確実な増熱効果を得ることが可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
１ 噴霧ノズル
２ 外管
３ 内管
４ 液体供給管
５ 壁部材
７ 管状部材
９ 主流管
１１ ベンリュリ管
１３ ベンリュリ型微粒化装置
１５ 分岐管
１７ 流量検出器
１９ 流量調整弁
２１ ベンリュリ管のど部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基端側から気体の供給を受け、先端側に気体を噴出する外管と、該外管内に該外管と同軸方向に配置された内管と、該内管に液体を供給する液体供給管と、前記内管内に設けられて内管内部を流路方向に仕切る壁部材とを備えたことを特徴とする噴霧ノズル。
【請求項２】
前記壁部材は、前記内管における前記液体供給管によって液体が供給される液体供給部よりも下流側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の噴霧ノズル。
【請求項３】
前記壁部材は、板状部材からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の噴霧ノズル。
【請求項４】
前記壁部材は、管状部材からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の噴霧ノズル。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の噴霧ノズルを用いた流体微粒化装置であって、前記噴霧ノズルに供給される気体の流量を検出する流量検出装置と、該流量検出装置の検出値に基づいて前記噴霧ノズル内を流れる気体の流量を調整する流量調整弁とを備えたことを特徴とする流体微粒化装置。
【請求項１】
基端側から気体の供給を受け、先端側に気体を噴出する外管と、該外管内に該外管と同軸方向に配置された内管と、該内管に液体を供給する液体供給管と、前記内管内に設けられて内管内部を流路方向に仕切る壁部材とを備えたことを特徴とする噴霧ノズル。
【請求項２】
前記壁部材は、前記内管における前記液体供給管によって液体が供給される液体供給部よりも下流側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の噴霧ノズル。
【請求項３】
前記壁部材は、板状部材からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の噴霧ノズル。
【請求項４】
前記壁部材は、管状部材からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の噴霧ノズル。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の噴霧ノズルを用いた流体微粒化装置であって、前記噴霧ノズルに供給される気体の流量を検出する流量検出装置と、該流量検出装置の検出値に基づいて前記噴霧ノズル内を流れる気体の流量を調整する流量調整弁とを備えたことを特徴とする流体微粒化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−８１９２４（Ｐ２０１３−８１９２４Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２５１４９（Ｐ２０１１−２２５１４９）
【出願日】平成２３年１０月１２日（２０１１．１０．１２）
【出願人】（０００００４１２３）ＪＦＥエンジニアリング株式会社 (1,044)
【出願人】（０００２２１８３４）東邦瓦斯株式会社 (440)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１２日（２０１１．１０．１２）
【出願人】（０００００４１２３）ＪＦＥエンジニアリング株式会社 (1,044)
【出願人】（０００２２１８３４）東邦瓦斯株式会社 (440)
【Ｆターム（参考）】
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