流体微粒化ノズル、流体微粒化ノズル装置、流体微粒化装置
【課題】気相側の圧力損失が小さく、かつ液相の流量範囲を大きくとれる流体微粒化ノズル及び該流体微粒化ノズルを用いた流体微粒化装置を提供する。
【解決手段】本発明の流体微粒化ノズル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筒３と、外筒３内に該外筒と同軸方向でかつ外筒３の内壁と空間を介して配置されると共に内部が中空の内筒５と、液体供給管６から液体の供給を受けると共に内筒５の上流端側に内筒５と同軸上に配置され前記液体の出口となる液体ノズル部７とを備え、内筒５の基端側は外筒３の基端よりも下流側に配置され、内筒５の先端は外筒３の先端と同じ位置又は外筒３の先端よりも上流側に配置されてなり、液体供給管６から液体ノズル部７に供給された液体が外筒３及び内筒５に供給された気体によって微粒化されて該気体に混合されることを特徴とするものである。
【解決手段】本発明の流体微粒化ノズル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筒３と、外筒３内に該外筒と同軸方向でかつ外筒３の内壁と空間を介して配置されると共に内部が中空の内筒５と、液体供給管６から液体の供給を受けると共に内筒５の上流端側に内筒５と同軸上に配置され前記液体の出口となる液体ノズル部７とを備え、内筒５の基端側は外筒３の基端よりも下流側に配置され、内筒５の先端は外筒３の先端と同じ位置又は外筒３の先端よりも上流側に配置されてなり、液体供給管６から液体ノズル部７に供給された液体が外筒３及び内筒５に供給された気体によって微粒化されて該気体に混合される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、液体を微粒化する流体微粒化ノズル及び該流体微粒化ノズルを用いた流体微粒化ノズル装置、これら流体微粒化ノズル又は流体微粒化ノズル装置を用いた流体微粒化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体を微粒化する流体微粒化ノズルの例としては、特許文献１に記載されたプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルがある。
特許文献１に記載されたプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルは、「液体マニホールドを備えた円筒状の中心体の外側に複数の微粒化気流旋回羽根を周方向に配設した液体供給筒と、前記液体供給筒の外側に同軸に配設された１個以上の断面環状で内周面が液膜形成面を形成する筒状の液膜形成体で構成された液膜形成部と、前記液膜形成体の最外周に同軸に配設されたシュラウドとで構成され、前記液体マニホールドから延びる液体分配流路が前記微粒化気流旋回羽根の内部に配設され且つ前記微粒化気流旋回羽根の翼端において開口しており、前記液体マニホールドから前記液体分配流路に分流した液体が前記液体分配流路の開口から前記液膜形成体の液膜形成面上に流出して液膜を形成し、前記液膜が主として前記微粒化気流旋回羽根により旋回が与えられた気流の作用により微粒化されることから成る」ものである（特許文献１の請求項１参照）。
【０００３】
また、他の二流体微粒化ノズルの例として特許文献２に開示がある。
特許文献２に開示された二流体微粒化ノズルは、「液体供給器、液膜形成器、気体供給器、気流旋回器、外筒とからなり、前記液膜形成器は、基部から先端の第１の円形開口に延びる回転対称の内周壁面を有し、前記気流旋回器は半径流方式で、前記外筒は、その先端部壁に前記第１の円形開口と同心に第２の円形開口が開口し、気流の一部が気流旋回器を経て前記液膜形成器の内周壁面で囲まれた空間に旋回流となって流入して前記第１の円形開口から噴出する第１の流路と、気流の他の一部が、前記第２の円形開口の内周壁と前記第１の円形開口の外周壁との間の環状開口から噴出する第２の流路を備えるものとし、液体は前記液体供給器の内部に配設された液体溜まりに連通する液体噴出孔から噴出して前記液膜形成器の内周壁面上を流れ、前記第１の円形開口において円筒状液膜となって、内周を前記第１の流路の気流により、外周を前記第２の流路の気流により挟まれて流出して微粒化されるようにした。」というものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2005-106411号公報
【特許文献２】特開2009-297589号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されたプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズル（以下、単に「従来例１」という）では、流路の中央に円筒状の中心体を配設し、該中心体の外側に複数の微粒化気流旋回羽根を周方向に配設している。そして、該微粒化気流旋回羽根により気流に旋回を与え、この旋回流れにより液膜形成体の液膜形成面上に形成された液膜を微粒化するというものである。
【０００６】
従来例１では、気体流路の中心に中心体を配設し、さらに流路に旋回羽根を設置していることから、中心体や旋回羽根の表面には、高速で流れる気体が接することになり、流れに対して抵抗となる、すなわち圧力損失が大きくなる。圧力損失の大きな微粒化ノズルを機能させるためには、ノズルに供給する気体の圧力を高圧にし、ノズル入口側と出口側の間の差圧を大きくする必要がある。気体の圧力を高圧にするためには、そのための昇圧装置（圧縮機）が必要であり、その所要動力も大きい。そのため、コスト、スペース、動力面の制約から、従来例の微粒化ノズルの適用が困難となる場合があった。
例えば、液化天然ガスを気化して都市ガスとして供給する際に液化石油ガスで増熱する増熱装置がある。この増熱装置として、液体状態の液化石油ガスを気化した液化天然ガスに供給する方式がよく用いられる。この場合、液体として供給する液化石油ガスをできるだけ細かく微粒化することが望まれるが、他方、微粒化に要する圧力損失が大きいと、増熱装置出口での圧力が低下してしまい、都市ガスとして送り出す圧力が不足して送ガスに支障を来たす恐れがある。
【０００７】
また、従来例１では、気体流路に配設した中心体内に液体流路を形成し、該流路から流路断面が小さい分岐流路を介して液膜形成体に液体を供給して液膜を形成する構造になっている。流路断面を小さくしているため、流路が異物によって閉塞する可能性がある。また、液膜を適正に形成可能な液体の流量範囲が狭い。つまり、液体の流量を多くしていくと液相側の圧力損失が非常に大きくなる。逆に液相流量が小さくなったときには液膜の形成が不十分となる。
【０００８】
また、特許文献２に開示された二流体微粒化ノズル（以下、「従来例２」という）の場合には、気相側流路の流路断面積が小さく、また気相側流路が曲がっており、さらに旋回成分を与えるスリットを設けているため、気相側圧力損失が大きいという問題がある。
【０００９】
本発明はかかる従来例の有する課題を解決するためになされたものであり、気相側の圧力損失が小さく、かつ液相の流量範囲を大きくとれる流体微粒化ノズル及び流体微粒化ノズル装置、これら流体微粒化ノズル又は流体微粒化ノズル装置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）本発明の流体微粒化ノズルは、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筒と、該外筒内に該外筒と同軸方向でかつ外筒内壁と空間を介して配置されると共に内部が中空の内筒と、液体供給管から液体の供給を受けると共に前記内筒の上流端側に該内筒と同軸上に配置され前記液体の出口となる液体ノズル部とを備え、前記内筒の基端側は前記外筒の基端よりも下流側に配置され、該内筒の先端は前記外筒の先端と同じ位置又は前記外筒の先端よりも上流側に配置されてなり、前記液体供給管から液体ノズル部に供給された液体が前記外筒及び前記内筒に供給された気体によって微粒化されて該気体に混合される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、前記内筒の内面基端側は下流側に向かって縮径するテーパ部を備え、該テーパ部に前記液体ノズル部が配置さ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、前記液体ノズル部の前記内筒の上流端に対する相対位置が可変になっていることを特徴とするものである。
【００１３】
（４）本発明に係る流体微粒化ノズル装置は、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の流体微粒化ノズルを備えた流体微粒化ノズル装置であって、気体が通流する気体供給管部と液体が通流する液体供給管部とが一体化されてなる流体供給管部を備え、該流体供給管部の先端に外筒、もしくは外筒と液体ノズル部が着脱可能に取り付けられて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（３）のいずれかに記載の流体微粒化ノズル、または上記（４）記載の流体微粒化ノズル装置を用いた流体微粒化装置であって、前記流体微粒化ノズル又は前記流体微粒化ノズル装置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流体微粒化ノズル内又は前記流体微粒化ノズル装置内を流れる気体の流速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】
本発明の流体微粒化ノズルは、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筒と、該外筒内に該外筒と同軸方向でかつ外筒内壁と空間を介して配置されると共に内部が中空の内筒と、液体供給管から液体の供給を受けると共に前記内筒の上流端側に該内筒と同軸上に配置され前記液体の出口となる液体ノズル部とを備え、前記内筒の基端側は前記外筒の基端よりも下流側に配置され、該内筒の先端は前記外筒の先端と同じ位置又は前記外筒の先端よりも上流側に配置されてなり、前記液体供給管から液体ノズル部に供給された液体が前記外筒及び前記内筒に供給された気体によって微粒化されて該気体に混合されるようにしたので、広い液相流量範囲において、低い気相圧力で、液相・気相両方の圧力損失の増大を抑制しつつ良好な微粒化・混合性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る流体微粒化ノズルの説明図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る流体微粒化ノズルの他の態様の説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る流体微粒化ノズルの他の態様の説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る流体微粒化ノズルの他の態様の説明図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る流体微粒化ノズルの他の態様の説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係る流体微粒化ノズルの説明図である。
【図７】管内を流れる液相及び気相の流速と流動様式との関係を説明する説明図である。
【図８】図１に示した流体微粒化ノズルにおけるノズル圧力損失と微粒化径の関係を説明するグラフである。
【図９】本発明の他の実施の形態に係る流体微粒化ノズル装置の説明図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態に係る流体微粒化ノズル装置の説明図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態に係るベンチュリ型微粒化装置の説明図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態に係る流体微粒化装置の説明図である。
【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流体微粒化ノズル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筒３と、外筒３内に外筒３と同軸方向でかつ外筒３内壁と空間を介して配置されると共に内部が中空の内筒５と、液体供給管６から液体の供給を受けると共に前記内筒５の上流端側に該内筒５と同軸上に配置された液体ノズル部７とを備え、液体ノズル部７に供給された液体が外筒３及び内筒５に供給された気体によって微粒化されて該気体に混合されることを特徴とするものである。
以下、各構成を詳細に説明する。
【００１８】
＜外筒＞
外筒３は基端側から気体の供給を受けて先端側で気体を噴出する。外筒３の先端側は外筒中心に向けて徐々に縮径しており、略円錐台のような形状になっている。
【００１９】
＜内筒＞
内筒５は外筒３内に外筒３と同軸方向でかつ外筒３の内壁と空間を介して配置されている。外筒３内壁と内筒５の外壁との間に形成される空間は、リング状流路９を形成している。
また、内筒５の内部は中空になっており、中央流路１１を形成している。中央流路１１には流路を遮るものは何らも配置されていない。
内筒５の内面基端側は、下流側に向かって縮径するように傾斜するテーパ部１３となっている。内筒５の内面は上流部がテーパ部１３になっているが、その下流側は平行部１４になっている。
内筒５の外面形状は、図１に平行部と縮径テーパ部で構成されるものが示されているが、特にこれに限定されるものではない。
内筒５におけるテーパ部１３には液体ノズル部７が配置されている。内筒５と同軸に配置することにより内筒５の中央流路内の流動状態が軸対称となり、均一な微粒化を行う上で望ましい。内筒５内へ導入される気体とリング状流路９へ導入される気体の流量比率は、中央流路１１側の流路断面積と、リング状流路９側の流路断面積の比率によって規定される。したがって、この比率を微粒化に適したものに予め設定しておくことが望ましい。
【００２０】
前述したように、外筒３の先端側は外筒中心に向けて徐々に縮径して略円錐台のような形状になっており、このためリング状流路９の断面積が下流側に向かって徐々に小さくなっている。このような形状にすることで、リング状流路９を通過する気体の流速が増すようになっており、これによって液体の微粒化をさらに促進している。
【００２１】
内筒５は外筒３内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。
【００２２】
＜液体ノズル部＞
液体ノズル部７は、図１に示されるように、液体供給管６から液体の供給を受けて液体の出口となると共に内筒５の上流端側に内筒５と同軸上に配置されている。
液体ノズル部７は、図２に示すように、液体供給管６の先端を開口しただけのものでもよいし、あるいは図３に示すように、液体供給管６の先端に多孔質体１５を設置したものでもよいし、またあるいは図４に示すように、液体供給管６の先端にメッシュリング１６を設置したようなものでもよいし、またあるいは図５に示すように、液体供給管６の先端部の内部に旋回を与える構造、例えば旋回羽根１８を有するものでもよい。
なお、液体ノズル部７として液体供給管６の先端に別の部品等を取り付けて構成する場合には、液体ノズル部７を着脱可能にしてもよい。
【００２３】
従来例１では、供給した液体を液膜状にするために液体流路断面を小さくしているため、流路が異物によって閉塞する可能性があり、また、液膜を適正に形成可能な液体の流量範囲が狭いという問題があった。本実施の形態の液体ノズル部７は、後述するように気体の流速により液膜を形成させるようにしているため、ことさらに流路断面を小さくする必要がなく、流路の閉塞の問題や流量範囲が狭いという問題もない。
【００２４】
また、液体ノズル部７の先端の内筒５に対する相対位置は、図６に示すように、液体ノズル部７の外周と内筒５のテーパ部１３とで挟まれた流路断面積が、内筒５における平行部１４の流路断面と同程度になるように設定するのが望ましい。このように設定することで、液体ノズル部７から供給された液体と接する気体の流速が平行部１１内流速と同程度に保たれ、気体による液体の同伴が確実になるからである。
なお、液体ノズル部７のテーパ部１３に対する相対位置を可変にすることで位置決めを容易にすることができる。可変にする方法としては、例えば液体ノズル部７が取り付けられる液体供給管６の先端部を例えばテレスコピック構造にして軸方向に可変になるようにして所定位置で固定できるようにしてもよいし、あるいは液体ノズル部７を液体供給管６に挿入する形式にして、その挿入長さによって可変になるようにしてもよい。
【００２５】
上記のように構成された本実施の形態に係る流体微粒化ノズル１の作用について説明する。
気体は流体微粒化ノズル１の基端側から供給され、液体が液体供給管６を介して液体ノズル部７から供給される。
基端側から供給された気体は、内筒５と外筒３で形成される二重管構造の中央流路１１とリング状流路９を所定の分配比率で流れる。この分配比率は、中央流路１１側の流路断面積と、リング状流路９側の流路断面積の比率によって規定される。
【００２６】
液体供給管６を介して液体ノズル部７から供給された液体は、中心流路１１を流れる気体と混相状態で流れる。このとき、気体流れの流速によって様々な流動形態をとる。内筒５の中央流路１１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微粒化が良好、すなわち微粒液滴径が小さくなる。
ここで、中央流路１１で発生する環状噴霧流について説明する。
【００２７】
図７には、管内を流れる液相及び気送の流速と、流動様式との関係を示した線図（図７（ａ））と、該線図内に示された流動様式を模式的に示す図（図７（ｂ））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。
図７（ａ）に示されるように、管内を流れる液相及び気相はそれぞれの流速によってその流動様式が異なるが、気相の流速が約20m/s以上になることで、液相が管壁を環状に流れる環状流となり、さらに、環状になった液相の環内の液を巻き込んで噴霧状になった気相が流れる環状噴霧流（図７（ｂ）右下の図参照）となる。
本実施の形態では、液体ノズル部７から供給される液体が流体微粒化ノズル１を流れる気体と共に内筒５の中央流路１１を高速で流れることで、内筒５内の流動様式が環状噴霧流となり、液体が微粒化されて気体に効果的に混合される。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。
【００２８】
液体ノズル部７から供給された液体は、環状噴霧流となって内筒５の内壁面上に液膜を形成しながら流れる。内筒５の外周側にもリング状流路９が形成されており、このリング状流路９にも気体が流れている。内筒５の出口部分において、内筒５内壁面上に形成されている液膜は、内筒５の管軸方向に液膜状態を保ったまま噴出する。その液膜の内側には内筒５内を流れてきた気体流れが存在し、液膜の外側にはリング状流路９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。
【００２９】
このように流体微粒化ノズル１を二重管構造にしたことにより、上述したように、液膜状となった液体を気体の流れで挟み込むことによって液体の微粒化をより促進することができる。
内筒５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、内筒５内での微粒化特性が劣化するのみならず、内筒５出口で液膜を気体の流れで挟み込む状態が形成できないため、微粒化性能は急激に低下することになる。
【００３０】
なお、環状流もしくは環状噴霧流となる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20m/s以上となるように維持すればよい。例えば、気相見かけ流速が30m/sの時の理論気相差圧は元圧の約0.5％であり、例えば元圧が大気圧(100kPa(abs))の空気の場合、ノズルにおける気相側の必要差圧は0.5kPaと非常に小さい値となる。
【００３１】
液膜は気相流れで形成するので、従来例１のように液膜形成のために液相流路の断面積を絞る必要がないため、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。
【００３２】
気相側流路となる中央流路１１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。
図８はこの点を従来例と比較して示したものである。ノズル圧力損失と微粒化性能（微粒化径）の関係を示したものであり、横軸がノズル圧力損失、縦軸が微粒化径を示している。縦軸、横軸ともに無次元化している。
同じ径100の液滴を生成するのに、従来技術では圧力損失100超であるのに対して、本実施の形態のノズルでは、圧力損失10未満でよいことを示している。
このように圧力損失が極めて少ないことから、気相供給圧力が低いために従来の微粒化ノズルの適用が困難であるような場合でも、本ノズルでは適用が可能となる
例えば、気化した液化天然ガスに液化石油ガスを液体の状態で供給して増熱し、都市ガスとして送り出すシステムに適用した場合に、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。
【００３３】
また、液相流量が増加して中央流路１１に占める液断面積が増大した場合でも、気相はリング状流路９へより多く流れるように自律的に分流し、圧力損失の過度の増大を防止できる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態によれば、広い液相流量範囲において、低い気相圧力で、液相・気相両方の圧力損失の増大を抑制しつつ良好な微粒化・混合性能を得ることができる。
【００３５】
[実施の形態２]
本実施の形態に係る流体微粒化ノズル装置１９は、実施の形態１の流体微粒化ノズル１にさらに取り付け構造を含んで構成されるものである。
流体微粒化ノズル装置１９は、図９に示すように、流体供給管部２０を備え、該流体供給管部２０の先端に実施の形態１の流体微粒化ノズル１の外筒３が着脱自在に取り付けられる構造になっている。流体供給管部２０は、気体の供給を受ける気体供給管部２１と、該気体供給管内に設けられて液体の供給を受ける液体供給管部２３とを備えている。
以下、詳細に説明する。
【００３６】
＜気体供給管部＞
気体供給管部２１は、主流管１７に挿入可能な長さを有し、本実施の形態では先端側が直角に屈曲している。気体供給管部２１の先端部は開口しており、該開口部には図１０に示すように雄ねじ２５が形成されている。そして、雄ねじ２５に雌ねじ２７が形成された外筒３をねじ込むことで外筒３を取り付けられるようになっている。
【００３７】
＜液体供給管部＞
液体供給管部２３は、気体供給管部２１の内部に気体供給管部２１との相対位置関係が予め決められて配置されている。液体供給管部２３の先端は、図１０に示されるように、気体供給管部２１の先端に対して所定の位置関係となるように固定されており、その先端に液体ノズル部７が設けられている。
【００３８】
＜外筒＞
外筒３の基端側の内面には雌ねじ２７が形成されており、気体供給管部２１の先端にねじ込んで取り付けられるようになっている。外筒３の内部には内筒５が設けられており、外筒３を気体供給管部２１にねじ込んで取り付けることで、液体ノズル部７が内筒５におけるテーパ部１３の所定位置に配置されるようになっている。
【００３９】
上記のように構成された本実施の形態の流体微粒化ノズル装置１９においては、流体供給管を主流管１７内に挿入して固定し、外筒３を気体供給管部２１の先端に取り付ける。そして、主流管１７の外部において、気体供給管部２１に外部からの気体配管２９を接続し、また液体供給管部２３にも外部からの液体配管３１を接続すればよい。
【００４０】
本実施の形態の流体微粒化ノズル装置１９においては、気体供給管部２１の内部に先端に液体ノズル部７を有する液体供給管部２３を有する流体供給管部２０を備え、気体供給管部２１の先端に外筒３を連結することによって流体微粒化ノズル１が構成されるようにしたので、流体供給管部２０を主流管１７に挿入して外筒３を取り付ければ、あとは主流管１７の外部にて気体供給管部２１への気体配管２９の接続や液体供給管部２３への液体配管３１の接続を行えばよく、取り付けがきわめて容易になるという効果が得られる。
なお、気体供給管部２１先端への外筒３の接続方法はネジに限定するものではなく、フランジやクランプカップリングなどでも構わない。
【００４１】
［実施の形態３］
本実施の形態は本発明の流体微粒化ノズル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３においては、天然ガスが流れる主流管１７にベンチュリ管３７を設置してベンチュリ型微粒化装置３３として構成したものである。
【００４２】
本実施の形態に係るベンチュリ型微粒化装置３３の基本構成は、図１１に示すように、天然ガスが通流する主流管１７に設けられたベンチュリ管３７と、主流管１７から分岐した分岐管３９と、ベンチュリ管３７内に流体微粒化ノズル１が配置されるように設置された流体微粒化ノズル装置１９とを備え、流体微粒化ノズル装置１９の気体供給管部２１には分岐管３９の先端が接続され、液体供給管部２３にはＬＰＧを供給するＬＰＧ供給管４１が接続されている。
【００４３】
本実施の形態のベンチュリ型微粒化装置３３においては、分岐管３９に、分岐管３９を流れる天然ガスの流量を検知する流量検出器４３を設けると共に主流管１７におけるベンチュリ管３７と分岐管３９が分岐する分岐部の間に流量調整弁４５を設け、流量検出器４３の検知信号に基づいて流量調整弁４５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。
【００４４】
分岐管３９は、主流管１７におけるベンチュリ管３７の上流側から分岐して、その出口側が流体微粒化ノズル装置１９の気体供給管部２１に接続されている。
流体微粒化ノズル装置１９の流体微粒化ノズル１の先端部は、ベンチュリ管のど部４７もしくはベンチュリ管のど部４７よりも上流側に配置されている。
【００４５】
ＬＰＧの微粒化・混合性能に大きく影響するのは流体微粒化ノズル１における内筒５での流速である。なぜなら、内筒５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、内筒５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、流体微粒化ノズル１における流路断面積は、都市ガスの最低流量運転のときにも、平行部１４を流れる天然ガスの流速が、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３９から概略全量流し、このときの平行部１４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３９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３９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３９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という場合がある。
【００４６】
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、図７（ａ）にも示されるように概ね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流体微粒化ノズル１の内筒５の平行部１４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流体微粒化ノズル１を設定すればよい。
なおベンチュリ管のど部４７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。
【００４７】
＜流量検知器＞
流量検出器４３は、分岐管３９に設けられて分岐管３９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４３に代えて差圧検知器を設け、分岐管３９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３９における流量と圧力損失の関係から、分岐管３９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。
【００４８】
＜流量調整弁＞
流量調整弁４５は、主流管１７におけるベンチュリ管３７と分岐管３９の分岐部との間に設けられて、流量検出器４３の検知信号に基づいて主流管１７を流れる天然ガス流量を調整し、これによって分岐管３９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７（ａ）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、ＬＰＧ供給管４１を流れる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３９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の流量検知器を必要とし、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（平行部１４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。
【００４９】
＜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３３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３９にも流れ、分岐管３９の出口側において流体微粒化ノズル装置１９の気体供給管部２１に流入する。気体供給管部２１に流入した天然ガスは液体ノズル部７に供給されるＬＰＧを巻き込んで内筒５の平行部１４で環状噴霧流を発生し、ＬＰＧの微粒化・混合が行われ、ベンチュリ管のど部４７に流入する。
他方、主流管１７を流れる天然ガスもベンチュリ管のど部４７に流入する。したがって、ベンチュリ管のど部４７には、分岐管３９を経由してＬＰＧが添加された天然ガスと、主流管１７からの天然ガスが流入し、ベンチュリ管のど部４７を通過の際、さらにＬＰＧの混合が促進される。
【００５０】
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３９及び主流管１７を流れるトータルの天然ガスの流量が減少する。分岐管３９を流れる天然ガス流量が所定値Ａよりも減少すると平行部１４での流速が減少し、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４３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４５の開度を小さくすることによって分岐管３９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３９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、平行部１４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。
【００５１】
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３９及び主流管１７を流れる天然ガスの流量が増加する。分岐管３９を流れる天然ガス流量が所定量よりも増加すると圧力損失が大きくなる。
そこで、流量検出器４３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４５の開度を大きくして主流管１７を流れる量を増やし、分岐管３９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３９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３９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。
【００５２】
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３９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３９に設置された流量検出器４３で計測される流量が所定値Ａを保つように流量調整弁４５の開度を大きくしていき、天然ガス流量増加分を主流管１７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３９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３９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１７からの速度成分は、ベンチュリ管のど部４７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。
【００５３】
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筒５における平行部１４の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。
【００５４】
ここで、所定値Ａの天然ガス流量を分岐管３９側に流通させるためには、ノズルを含めた分岐管３９側の圧力損失と同等以上の圧力損失となるように、流量調節弁４５を絞り込む必要がある。そのため、分岐管３９先端に配設された流体微粒化ノズル装置１９の圧力損失が大きいと、ベンチュリ型微粒化装置３３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。
本発明のベンチュリ型微粒化装置３３、本発明の流体微粒化ノズル装置１９を用いることにより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。
【００５５】
［実施の形態４］
実施の形態３においては、本発明の流体微粒化ノズル装置１９を用いた流体微粒化装置の例として、主流管１７にベンチュリ管３７を設置して、そのベンチュリ管３７内に流体微粒化ノズル装置１９を配置した例を示した。
しかし、本発明の流体微粒化ノズル装置１９は、ベンチュリ管３７内に流体微粒化ノズル１を配置するものに限られず、気体供給管５１に直接流体微粒化ノズル装置１９を取り付けるようにしてもよい。
【００５６】
図１２は本実施の形態の流体微粒化装置４９の説明図であり、図１と同一部分には同一の符号を付してある。本実施の形態の流体微粒化装置４９は、気体が流れる気体供給管５１の端部に設置した流体微粒化ノズル装置１９と、流体微粒化ノズル装置１９に供給される気体の流量を検出する流量検出装置５３と、流量検出装置５３の検出値に基づいて流体微粒化ノズル１内を流れる気体の流速を、気体が液体を巻き込んで環状噴霧流になるのに必要な流速になるように調整する流量調整弁５５とを備えてなるものである。
【符号の説明】
【００５７】
１ 流体微粒化ノズル
３ 外筒
５ 内筒
６ 液体供給管
７ 液体ノズル部
９ リング状流路
１１ 中央流路
１３ テーパ部
１４ 平行部
１５ 多孔質体
１６ メッシュリング
１７ 主流管
１８ 旋回羽根
１９ 流体微粒化ノズル装置
２０ 流体供給管部
２１ 気体供給管部
２３ 液体供給管部
２５ 雄ねじ
２７ 雌ねじ
２９ 気体配管
３１ 液体配管
３３ ベンチュリ型微粒化装置
３７ ベンチュリ管
３９ 分岐管
４１ ＬＰＧ供給管
４３ 流量検出器
４５ 流量調整弁
４７ ベンチュリ管のど部
４９ 流体微粒化装置
５１ 気体供給管
５３ 流量検出装置
５５ 流量調整弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を微粒化する流体微粒化ノズル及び該流体微粒化ノズルを用いた流体微粒化ノズル装置、これら流体微粒化ノズル又は流体微粒化ノズル装置を用いた流体微粒化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体を微粒化する流体微粒化ノズルの例としては、特許文献１に記載されたプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルがある。
特許文献１に記載されたプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルは、「液体マニホールドを備えた円筒状の中心体の外側に複数の微粒化気流旋回羽根を周方向に配設した液体供給筒と、前記液体供給筒の外側に同軸に配設された１個以上の断面環状で内周面が液膜形成面を形成する筒状の液膜形成体で構成された液膜形成部と、前記液膜形成体の最外周に同軸に配設されたシュラウドとで構成され、前記液体マニホールドから延びる液体分配流路が前記微粒化気流旋回羽根の内部に配設され且つ前記微粒化気流旋回羽根の翼端において開口しており、前記液体マニホールドから前記液体分配流路に分流した液体が前記液体分配流路の開口から前記液膜形成体の液膜形成面上に流出して液膜を形成し、前記液膜が主として前記微粒化気流旋回羽根により旋回が与えられた気流の作用により微粒化されることから成る」ものである（特許文献１の請求項１参照）。
【０００３】
また、他の二流体微粒化ノズルの例として特許文献２に開示がある。
特許文献２に開示された二流体微粒化ノズルは、「液体供給器、液膜形成器、気体供給器、気流旋回器、外筒とからなり、前記液膜形成器は、基部から先端の第１の円形開口に延びる回転対称の内周壁面を有し、前記気流旋回器は半径流方式で、前記外筒は、その先端部壁に前記第１の円形開口と同心に第２の円形開口が開口し、気流の一部が気流旋回器を経て前記液膜形成器の内周壁面で囲まれた空間に旋回流となって流入して前記第１の円形開口から噴出する第１の流路と、気流の他の一部が、前記第２の円形開口の内周壁と前記第１の円形開口の外周壁との間の環状開口から噴出する第２の流路を備えるものとし、液体は前記液体供給器の内部に配設された液体溜まりに連通する液体噴出孔から噴出して前記液膜形成器の内周壁面上を流れ、前記第１の円形開口において円筒状液膜となって、内周を前記第１の流路の気流により、外周を前記第２の流路の気流により挟まれて流出して微粒化されるようにした。」というものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2005-106411号公報
【特許文献２】特開2009-297589号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されたプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズル（以下、単に「従来例１」という）では、流路の中央に円筒状の中心体を配設し、該中心体の外側に複数の微粒化気流旋回羽根を周方向に配設している。そして、該微粒化気流旋回羽根により気流に旋回を与え、この旋回流れにより液膜形成体の液膜形成面上に形成された液膜を微粒化するというものである。
【０００６】
従来例１では、気体流路の中心に中心体を配設し、さらに流路に旋回羽根を設置していることから、中心体や旋回羽根の表面には、高速で流れる気体が接することになり、流れに対して抵抗となる、すなわち圧力損失が大きくなる。圧力損失の大きな微粒化ノズルを機能させるためには、ノズルに供給する気体の圧力を高圧にし、ノズル入口側と出口側の間の差圧を大きくする必要がある。気体の圧力を高圧にするためには、そのための昇圧装置（圧縮機）が必要であり、その所要動力も大きい。そのため、コスト、スペース、動力面の制約から、従来例の微粒化ノズルの適用が困難となる場合があった。
例えば、液化天然ガスを気化して都市ガスとして供給する際に液化石油ガスで増熱する増熱装置がある。この増熱装置として、液体状態の液化石油ガスを気化した液化天然ガスに供給する方式がよく用いられる。この場合、液体として供給する液化石油ガスをできるだけ細かく微粒化することが望まれるが、他方、微粒化に要する圧力損失が大きいと、増熱装置出口での圧力が低下してしまい、都市ガスとして送り出す圧力が不足して送ガスに支障を来たす恐れがある。
【０００７】
また、従来例１では、気体流路に配設した中心体内に液体流路を形成し、該流路から流路断面が小さい分岐流路を介して液膜形成体に液体を供給して液膜を形成する構造になっている。流路断面を小さくしているため、流路が異物によって閉塞する可能性がある。また、液膜を適正に形成可能な液体の流量範囲が狭い。つまり、液体の流量を多くしていくと液相側の圧力損失が非常に大きくなる。逆に液相流量が小さくなったときには液膜の形成が不十分となる。
【０００８】
また、特許文献２に開示された二流体微粒化ノズル（以下、「従来例２」という）の場合には、気相側流路の流路断面積が小さく、また気相側流路が曲がっており、さらに旋回成分を与えるスリットを設けているため、気相側圧力損失が大きいという問題がある。
【０００９】
本発明はかかる従来例の有する課題を解決するためになされたものであり、気相側の圧力損失が小さく、かつ液相の流量範囲を大きくとれる流体微粒化ノズル及び流体微粒化ノズル装置、これら流体微粒化ノズル又は流体微粒化ノズル装置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）本発明の流体微粒化ノズルは、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筒と、該外筒内に該外筒と同軸方向でかつ外筒内壁と空間を介して配置されると共に内部が中空の内筒と、液体供給管から液体の供給を受けると共に前記内筒の上流端側に該内筒と同軸上に配置され前記液体の出口となる液体ノズル部とを備え、前記内筒の基端側は前記外筒の基端よりも下流側に配置され、該内筒の先端は前記外筒の先端と同じ位置又は前記外筒の先端よりも上流側に配置されてなり、前記液体供給管から液体ノズル部に供給された液体が前記外筒及び前記内筒に供給された気体によって微粒化されて該気体に混合される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、前記内筒の内面基端側は下流側に向かって縮径するテーパ部を備え、該テーパ部に前記液体ノズル部が配置さ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、前記液体ノズル部の前記内筒の上流端に対する相対位置が可変になっていることを特徴とするものである。
【００１３】
（４）本発明に係る流体微粒化ノズル装置は、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の流体微粒化ノズルを備えた流体微粒化ノズル装置であって、気体が通流する気体供給管部と液体が通流する液体供給管部とが一体化されてなる流体供給管部を備え、該流体供給管部の先端に外筒、もしくは外筒と液体ノズル部が着脱可能に取り付けられて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（３）のいずれかに記載の流体微粒化ノズル、または上記（４）記載の流体微粒化ノズル装置を用いた流体微粒化装置であって、前記流体微粒化ノズル又は前記流体微粒化ノズル装置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流体微粒化ノズル内又は前記流体微粒化ノズル装置内を流れる気体の流速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】
本発明の流体微粒化ノズルは、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筒と、該外筒内に該外筒と同軸方向でかつ外筒内壁と空間を介して配置されると共に内部が中空の内筒と、液体供給管から液体の供給を受けると共に前記内筒の上流端側に該内筒と同軸上に配置され前記液体の出口となる液体ノズル部とを備え、前記内筒の基端側は前記外筒の基端よりも下流側に配置され、該内筒の先端は前記外筒の先端と同じ位置又は前記外筒の先端よりも上流側に配置されてなり、前記液体供給管から液体ノズル部に供給された液体が前記外筒及び前記内筒に供給された気体によって微粒化されて該気体に混合されるようにしたので、広い液相流量範囲において、低い気相圧力で、液相・気相両方の圧力損失の増大を抑制しつつ良好な微粒化・混合性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る流体微粒化ノズルの説明図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る流体微粒化ノズルの他の態様の説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る流体微粒化ノズルの他の態様の説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る流体微粒化ノズルの他の態様の説明図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る流体微粒化ノズルの他の態様の説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係る流体微粒化ノズルの説明図である。
【図７】管内を流れる液相及び気相の流速と流動様式との関係を説明する説明図である。
【図８】図１に示した流体微粒化ノズルにおけるノズル圧力損失と微粒化径の関係を説明するグラフである。
【図９】本発明の他の実施の形態に係る流体微粒化ノズル装置の説明図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態に係る流体微粒化ノズル装置の説明図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態に係るベンチュリ型微粒化装置の説明図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態に係る流体微粒化装置の説明図である。
【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流体微粒化ノズル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筒３と、外筒３内に外筒３と同軸方向でかつ外筒３内壁と空間を介して配置されると共に内部が中空の内筒５と、液体供給管６から液体の供給を受けると共に前記内筒５の上流端側に該内筒５と同軸上に配置された液体ノズル部７とを備え、液体ノズル部７に供給された液体が外筒３及び内筒５に供給された気体によって微粒化されて該気体に混合されることを特徴とするものである。
以下、各構成を詳細に説明する。
【００１８】
＜外筒＞
外筒３は基端側から気体の供給を受けて先端側で気体を噴出する。外筒３の先端側は外筒中心に向けて徐々に縮径しており、略円錐台のような形状になっている。
【００１９】
＜内筒＞
内筒５は外筒３内に外筒３と同軸方向でかつ外筒３の内壁と空間を介して配置されている。外筒３内壁と内筒５の外壁との間に形成される空間は、リング状流路９を形成している。
また、内筒５の内部は中空になっており、中央流路１１を形成している。中央流路１１には流路を遮るものは何らも配置されていない。
内筒５の内面基端側は、下流側に向かって縮径するように傾斜するテーパ部１３となっている。内筒５の内面は上流部がテーパ部１３になっているが、その下流側は平行部１４になっている。
内筒５の外面形状は、図１に平行部と縮径テーパ部で構成されるものが示されているが、特にこれに限定されるものではない。
内筒５におけるテーパ部１３には液体ノズル部７が配置されている。内筒５と同軸に配置することにより内筒５の中央流路内の流動状態が軸対称となり、均一な微粒化を行う上で望ましい。内筒５内へ導入される気体とリング状流路９へ導入される気体の流量比率は、中央流路１１側の流路断面積と、リング状流路９側の流路断面積の比率によって規定される。したがって、この比率を微粒化に適したものに予め設定しておくことが望ましい。
【００２０】
前述したように、外筒３の先端側は外筒中心に向けて徐々に縮径して略円錐台のような形状になっており、このためリング状流路９の断面積が下流側に向かって徐々に小さくなっている。このような形状にすることで、リング状流路９を通過する気体の流速が増すようになっており、これによって液体の微粒化をさらに促進している。
【００２１】
内筒５は外筒３内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。
【００２２】
＜液体ノズル部＞
液体ノズル部７は、図１に示されるように、液体供給管６から液体の供給を受けて液体の出口となると共に内筒５の上流端側に内筒５と同軸上に配置されている。
液体ノズル部７は、図２に示すように、液体供給管６の先端を開口しただけのものでもよいし、あるいは図３に示すように、液体供給管６の先端に多孔質体１５を設置したものでもよいし、またあるいは図４に示すように、液体供給管６の先端にメッシュリング１６を設置したようなものでもよいし、またあるいは図５に示すように、液体供給管６の先端部の内部に旋回を与える構造、例えば旋回羽根１８を有するものでもよい。
なお、液体ノズル部７として液体供給管６の先端に別の部品等を取り付けて構成する場合には、液体ノズル部７を着脱可能にしてもよい。
【００２３】
従来例１では、供給した液体を液膜状にするために液体流路断面を小さくしているため、流路が異物によって閉塞する可能性があり、また、液膜を適正に形成可能な液体の流量範囲が狭いという問題があった。本実施の形態の液体ノズル部７は、後述するように気体の流速により液膜を形成させるようにしているため、ことさらに流路断面を小さくする必要がなく、流路の閉塞の問題や流量範囲が狭いという問題もない。
【００２４】
また、液体ノズル部７の先端の内筒５に対する相対位置は、図６に示すように、液体ノズル部７の外周と内筒５のテーパ部１３とで挟まれた流路断面積が、内筒５における平行部１４の流路断面と同程度になるように設定するのが望ましい。このように設定することで、液体ノズル部７から供給された液体と接する気体の流速が平行部１１内流速と同程度に保たれ、気体による液体の同伴が確実になるからである。
なお、液体ノズル部７のテーパ部１３に対する相対位置を可変にすることで位置決めを容易にすることができる。可変にする方法としては、例えば液体ノズル部７が取り付けられる液体供給管６の先端部を例えばテレスコピック構造にして軸方向に可変になるようにして所定位置で固定できるようにしてもよいし、あるいは液体ノズル部７を液体供給管６に挿入する形式にして、その挿入長さによって可変になるようにしてもよい。
【００２５】
上記のように構成された本実施の形態に係る流体微粒化ノズル１の作用について説明する。
気体は流体微粒化ノズル１の基端側から供給され、液体が液体供給管６を介して液体ノズル部７から供給される。
基端側から供給された気体は、内筒５と外筒３で形成される二重管構造の中央流路１１とリング状流路９を所定の分配比率で流れる。この分配比率は、中央流路１１側の流路断面積と、リング状流路９側の流路断面積の比率によって規定される。
【００２６】
液体供給管６を介して液体ノズル部７から供給された液体は、中心流路１１を流れる気体と混相状態で流れる。このとき、気体流れの流速によって様々な流動形態をとる。内筒５の中央流路１１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微粒化が良好、すなわち微粒液滴径が小さくなる。
ここで、中央流路１１で発生する環状噴霧流について説明する。
【００２７】
図７には、管内を流れる液相及び気送の流速と、流動様式との関係を示した線図（図７（ａ））と、該線図内に示された流動様式を模式的に示す図（図７（ｂ））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。
図７（ａ）に示されるように、管内を流れる液相及び気相はそれぞれの流速によってその流動様式が異なるが、気相の流速が約20m/s以上になることで、液相が管壁を環状に流れる環状流となり、さらに、環状になった液相の環内の液を巻き込んで噴霧状になった気相が流れる環状噴霧流（図７（ｂ）右下の図参照）となる。
本実施の形態では、液体ノズル部７から供給される液体が流体微粒化ノズル１を流れる気体と共に内筒５の中央流路１１を高速で流れることで、内筒５内の流動様式が環状噴霧流となり、液体が微粒化されて気体に効果的に混合される。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。
【００２８】
液体ノズル部７から供給された液体は、環状噴霧流となって内筒５の内壁面上に液膜を形成しながら流れる。内筒５の外周側にもリング状流路９が形成されており、このリング状流路９にも気体が流れている。内筒５の出口部分において、内筒５内壁面上に形成されている液膜は、内筒５の管軸方向に液膜状態を保ったまま噴出する。その液膜の内側には内筒５内を流れてきた気体流れが存在し、液膜の外側にはリング状流路９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。
【００２９】
このように流体微粒化ノズル１を二重管構造にしたことにより、上述したように、液膜状となった液体を気体の流れで挟み込むことによって液体の微粒化をより促進することができる。
内筒５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、内筒５内での微粒化特性が劣化するのみならず、内筒５出口で液膜を気体の流れで挟み込む状態が形成できないため、微粒化性能は急激に低下することになる。
【００３０】
なお、環状流もしくは環状噴霧流となる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20m/s以上となるように維持すればよい。例えば、気相見かけ流速が30m/sの時の理論気相差圧は元圧の約0.5％であり、例えば元圧が大気圧(100kPa(abs))の空気の場合、ノズルにおける気相側の必要差圧は0.5kPaと非常に小さい値となる。
【００３１】
液膜は気相流れで形成するので、従来例１のように液膜形成のために液相流路の断面積を絞る必要がないため、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。
【００３２】
気相側流路となる中央流路１１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。
図８はこの点を従来例と比較して示したものである。ノズル圧力損失と微粒化性能（微粒化径）の関係を示したものであり、横軸がノズル圧力損失、縦軸が微粒化径を示している。縦軸、横軸ともに無次元化している。
同じ径100の液滴を生成するのに、従来技術では圧力損失100超であるのに対して、本実施の形態のノズルでは、圧力損失10未満でよいことを示している。
このように圧力損失が極めて少ないことから、気相供給圧力が低いために従来の微粒化ノズルの適用が困難であるような場合でも、本ノズルでは適用が可能となる
例えば、気化した液化天然ガスに液化石油ガスを液体の状態で供給して増熱し、都市ガスとして送り出すシステムに適用した場合に、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。
【００３３】
また、液相流量が増加して中央流路１１に占める液断面積が増大した場合でも、気相はリング状流路９へより多く流れるように自律的に分流し、圧力損失の過度の増大を防止できる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態によれば、広い液相流量範囲において、低い気相圧力で、液相・気相両方の圧力損失の増大を抑制しつつ良好な微粒化・混合性能を得ることができる。
【００３５】
[実施の形態２]
本実施の形態に係る流体微粒化ノズル装置１９は、実施の形態１の流体微粒化ノズル１にさらに取り付け構造を含んで構成されるものである。
流体微粒化ノズル装置１９は、図９に示すように、流体供給管部２０を備え、該流体供給管部２０の先端に実施の形態１の流体微粒化ノズル１の外筒３が着脱自在に取り付けられる構造になっている。流体供給管部２０は、気体の供給を受ける気体供給管部２１と、該気体供給管内に設けられて液体の供給を受ける液体供給管部２３とを備えている。
以下、詳細に説明する。
【００３６】
＜気体供給管部＞
気体供給管部２１は、主流管１７に挿入可能な長さを有し、本実施の形態では先端側が直角に屈曲している。気体供給管部２１の先端部は開口しており、該開口部には図１０に示すように雄ねじ２５が形成されている。そして、雄ねじ２５に雌ねじ２７が形成された外筒３をねじ込むことで外筒３を取り付けられるようになっている。
【００３７】
＜液体供給管部＞
液体供給管部２３は、気体供給管部２１の内部に気体供給管部２１との相対位置関係が予め決められて配置されている。液体供給管部２３の先端は、図１０に示されるように、気体供給管部２１の先端に対して所定の位置関係となるように固定されており、その先端に液体ノズル部７が設けられている。
【００３８】
＜外筒＞
外筒３の基端側の内面には雌ねじ２７が形成されており、気体供給管部２１の先端にねじ込んで取り付けられるようになっている。外筒３の内部には内筒５が設けられており、外筒３を気体供給管部２１にねじ込んで取り付けることで、液体ノズル部７が内筒５におけるテーパ部１３の所定位置に配置されるようになっている。
【００３９】
上記のように構成された本実施の形態の流体微粒化ノズル装置１９においては、流体供給管を主流管１７内に挿入して固定し、外筒３を気体供給管部２１の先端に取り付ける。そして、主流管１７の外部において、気体供給管部２１に外部からの気体配管２９を接続し、また液体供給管部２３にも外部からの液体配管３１を接続すればよい。
【００４０】
本実施の形態の流体微粒化ノズル装置１９においては、気体供給管部２１の内部に先端に液体ノズル部７を有する液体供給管部２３を有する流体供給管部２０を備え、気体供給管部２１の先端に外筒３を連結することによって流体微粒化ノズル１が構成されるようにしたので、流体供給管部２０を主流管１７に挿入して外筒３を取り付ければ、あとは主流管１７の外部にて気体供給管部２１への気体配管２９の接続や液体供給管部２３への液体配管３１の接続を行えばよく、取り付けがきわめて容易になるという効果が得られる。
なお、気体供給管部２１先端への外筒３の接続方法はネジに限定するものではなく、フランジやクランプカップリングなどでも構わない。
【００４１】
［実施の形態３］
本実施の形態は本発明の流体微粒化ノズル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３においては、天然ガスが流れる主流管１７にベンチュリ管３７を設置してベンチュリ型微粒化装置３３として構成したものである。
【００４２】
本実施の形態に係るベンチュリ型微粒化装置３３の基本構成は、図１１に示すように、天然ガスが通流する主流管１７に設けられたベンチュリ管３７と、主流管１７から分岐した分岐管３９と、ベンチュリ管３７内に流体微粒化ノズル１が配置されるように設置された流体微粒化ノズル装置１９とを備え、流体微粒化ノズル装置１９の気体供給管部２１には分岐管３９の先端が接続され、液体供給管部２３にはＬＰＧを供給するＬＰＧ供給管４１が接続されている。
【００４３】
本実施の形態のベンチュリ型微粒化装置３３においては、分岐管３９に、分岐管３９を流れる天然ガスの流量を検知する流量検出器４３を設けると共に主流管１７におけるベンチュリ管３７と分岐管３９が分岐する分岐部の間に流量調整弁４５を設け、流量検出器４３の検知信号に基づいて流量調整弁４５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。
【００４４】
分岐管３９は、主流管１７におけるベンチュリ管３７の上流側から分岐して、その出口側が流体微粒化ノズル装置１９の気体供給管部２１に接続されている。
流体微粒化ノズル装置１９の流体微粒化ノズル１の先端部は、ベンチュリ管のど部４７もしくはベンチュリ管のど部４７よりも上流側に配置されている。
【００４５】
ＬＰＧの微粒化・混合性能に大きく影響するのは流体微粒化ノズル１における内筒５での流速である。なぜなら、内筒５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、内筒５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、流体微粒化ノズル１における流路断面積は、都市ガスの最低流量運転のときにも、平行部１４を流れる天然ガスの流速が、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３９から概略全量流し、このときの平行部１４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３９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３９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３９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という場合がある。
【００４６】
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、図７（ａ）にも示されるように概ね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流体微粒化ノズル１の内筒５の平行部１４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流体微粒化ノズル１を設定すればよい。
なおベンチュリ管のど部４７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。
【００４７】
＜流量検知器＞
流量検出器４３は、分岐管３９に設けられて分岐管３９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４３に代えて差圧検知器を設け、分岐管３９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３９における流量と圧力損失の関係から、分岐管３９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。
【００４８】
＜流量調整弁＞
流量調整弁４５は、主流管１７におけるベンチュリ管３７と分岐管３９の分岐部との間に設けられて、流量検出器４３の検知信号に基づいて主流管１７を流れる天然ガス流量を調整し、これによって分岐管３９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７（ａ）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、ＬＰＧ供給管４１を流れる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３９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の流量検知器を必要とし、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（平行部１４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。
【００４９】
＜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３３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３９にも流れ、分岐管３９の出口側において流体微粒化ノズル装置１９の気体供給管部２１に流入する。気体供給管部２１に流入した天然ガスは液体ノズル部７に供給されるＬＰＧを巻き込んで内筒５の平行部１４で環状噴霧流を発生し、ＬＰＧの微粒化・混合が行われ、ベンチュリ管のど部４７に流入する。
他方、主流管１７を流れる天然ガスもベンチュリ管のど部４７に流入する。したがって、ベンチュリ管のど部４７には、分岐管３９を経由してＬＰＧが添加された天然ガスと、主流管１７からの天然ガスが流入し、ベンチュリ管のど部４７を通過の際、さらにＬＰＧの混合が促進される。
【００５０】
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３９及び主流管１７を流れるトータルの天然ガスの流量が減少する。分岐管３９を流れる天然ガス流量が所定値Ａよりも減少すると平行部１４での流速が減少し、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４３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４５の開度を小さくすることによって分岐管３９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３９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、平行部１４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。
【００５１】
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３９及び主流管１７を流れる天然ガスの流量が増加する。分岐管３９を流れる天然ガス流量が所定量よりも増加すると圧力損失が大きくなる。
そこで、流量検出器４３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４５の開度を大きくして主流管１７を流れる量を増やし、分岐管３９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３９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３９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。
【００５２】
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３９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３９に設置された流量検出器４３で計測される流量が所定値Ａを保つように流量調整弁４５の開度を大きくしていき、天然ガス流量増加分を主流管１７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３９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３９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１７からの速度成分は、ベンチュリ管のど部４７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。
【００５３】
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筒５における平行部１４の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。
【００５４】
ここで、所定値Ａの天然ガス流量を分岐管３９側に流通させるためには、ノズルを含めた分岐管３９側の圧力損失と同等以上の圧力損失となるように、流量調節弁４５を絞り込む必要がある。そのため、分岐管３９先端に配設された流体微粒化ノズル装置１９の圧力損失が大きいと、ベンチュリ型微粒化装置３３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。
本発明のベンチュリ型微粒化装置３３、本発明の流体微粒化ノズル装置１９を用いることにより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。
【００５５】
［実施の形態４］
実施の形態３においては、本発明の流体微粒化ノズル装置１９を用いた流体微粒化装置の例として、主流管１７にベンチュリ管３７を設置して、そのベンチュリ管３７内に流体微粒化ノズル装置１９を配置した例を示した。
しかし、本発明の流体微粒化ノズル装置１９は、ベンチュリ管３７内に流体微粒化ノズル１を配置するものに限られず、気体供給管５１に直接流体微粒化ノズル装置１９を取り付けるようにしてもよい。
【００５６】
図１２は本実施の形態の流体微粒化装置４９の説明図であり、図１と同一部分には同一の符号を付してある。本実施の形態の流体微粒化装置４９は、気体が流れる気体供給管５１の端部に設置した流体微粒化ノズル装置１９と、流体微粒化ノズル装置１９に供給される気体の流量を検出する流量検出装置５３と、流量検出装置５３の検出値に基づいて流体微粒化ノズル１内を流れる気体の流速を、気体が液体を巻き込んで環状噴霧流になるのに必要な流速になるように調整する流量調整弁５５とを備えてなるものである。
【符号の説明】
【００５７】
１ 流体微粒化ノズル
３ 外筒
５ 内筒
６ 液体供給管
７ 液体ノズル部
９ リング状流路
１１ 中央流路
１３ テーパ部
１４ 平行部
１５ 多孔質体
１６ メッシュリング
１７ 主流管
１８ 旋回羽根
１９ 流体微粒化ノズル装置
２０ 流体供給管部
２１ 気体供給管部
２３ 液体供給管部
２５ 雄ねじ
２７ 雌ねじ
２９ 気体配管
３１ 液体配管
３３ ベンチュリ型微粒化装置
３７ ベンチュリ管
３９ 分岐管
４１ ＬＰＧ供給管
４３ 流量検出器
４５ 流量調整弁
４７ ベンチュリ管のど部
４９ 流体微粒化装置
５１ 気体供給管
５３ 流量検出装置
５５ 流量調整弁
【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筒と、該外筒内に該外筒と同軸方向でかつ外筒内壁と空間を介して配置されると共に内部が中空の内筒と、液体供給管から液体の供給を受けると共に前記内筒の上流端側に該内筒と同軸上に配置され前記液体の出口となる液体ノズル部とを備え、前記内筒の基端側は前記外筒の基端よりも下流側に配置され、該内筒の先端は前記外筒の先端と同じ位置又は前記外筒の先端よりも上流側に配置されてなり、前記液体供給管から液体ノズル部に供給された液体が前記外筒及び前記内筒に供給された気体によって微粒化されて該気体に混合されることを特徴とする流体微粒化ノズル。
【請求項２】
前記内筒の内面基端側は下流側に向かって縮径するテーパ部を備え、該テーパ部に前記液体ノズル部が配置されていることを特徴とする請求項１記載の流体微粒化ノズル。
【請求項３】
前記液体ノズル部の前記内筒の上流端に対する相対位置が可変になっていることを特徴とする請求項１又は２記載の流体微粒化ノズル。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の流体微粒化ノズルを備えた流体微粒化ノズル装置であって、気体が通流する気体供給管部と液体が通流する液体供給管部とが一体化されてなる流体供給管部を備え、該流体供給管部の先端に外筒、もしくは外筒と液体ノズル部が着脱可能に取り付けられてなることを特徴とする流体微粒化ノズル装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の流体微粒化ノズル、または請求項４記載の流体微粒化ノズル装置を用いた流体微粒化装置であって、前記流体微粒化ノズル又は前記流体微粒化ノズル装置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流体微粒化ノズル又は前記流体微粒化ノズル装置内を流れる気体の流速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筒と、該外筒内に該外筒と同軸方向でかつ外筒内壁と空間を介して配置されると共に内部が中空の内筒と、液体供給管から液体の供給を受けると共に前記内筒の上流端側に該内筒と同軸上に配置され前記液体の出口となる液体ノズル部とを備え、前記内筒の基端側は前記外筒の基端よりも下流側に配置され、該内筒の先端は前記外筒の先端と同じ位置又は前記外筒の先端よりも上流側に配置されてなり、前記液体供給管から液体ノズル部に供給された液体が前記外筒及び前記内筒に供給された気体によって微粒化されて該気体に混合されることを特徴とする流体微粒化ノズル。
【請求項２】
前記内筒の内面基端側は下流側に向かって縮径するテーパ部を備え、該テーパ部に前記液体ノズル部が配置されていることを特徴とする請求項１記載の流体微粒化ノズル。
【請求項３】
前記液体ノズル部の前記内筒の上流端に対する相対位置が可変になっていることを特徴とする請求項１又は２記載の流体微粒化ノズル。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の流体微粒化ノズルを備えた流体微粒化ノズル装置であって、気体が通流する気体供給管部と液体が通流する液体供給管部とが一体化されてなる流体供給管部を備え、該流体供給管部の先端に外筒、もしくは外筒と液体ノズル部が着脱可能に取り付けられてなることを特徴とする流体微粒化ノズル装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の流体微粒化ノズル、または請求項４記載の流体微粒化ノズル装置を用いた流体微粒化装置であって、前記流体微粒化ノズル又は前記流体微粒化ノズル装置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流体微粒化ノズル又は前記流体微粒化ノズル装置内を流れる気体の流速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６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２０６０７１（Ｐ２０１２−２０６０７１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７５５１１（Ｐ２０１１−７５５１１）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【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２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【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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