流体混合器とこれを用いた熱交換システム
【課題】簡単な構造でありながら、均一な混合が可能で、かつ圧力損失を抑制できる流体混合器を提供する。
【解決手段】内側で排ガスＧ４（第１の流体）と加温用ガスＧ５（第２の流体）を混合する中空筒状の本体４１と、本体４１の上流側端部に設けられて排ガスＧ４を流入させる第１の流入口４３と、本体４１の内側に配置されて排ガスＧ４の流れる方向に沿った軸心Ｃ１を有する中空筒状の混合促進体３８と、本体４１の周壁に設けられて混合促進体３８の外周面３８ａに向かって加温用ガスＧ５を流入させる第２の流入口４５とを備え、排ガスＧ４が混合促進体３８の外側と内側を流れる。
【解決手段】内側で排ガスＧ４（第１の流体）と加温用ガスＧ５（第２の流体）を混合する中空筒状の本体４１と、本体４１の上流側端部に設けられて排ガスＧ４を流入させる第１の流入口４３と、本体４１の内側に配置されて排ガスＧ４の流れる方向に沿った軸心Ｃ１を有する中空筒状の混合促進体３８と、本体４１の周壁に設けられて混合促進体３８の外周面３８ａに向かって加温用ガスＧ５を流入させる第２の流入口４５とを備え、排ガスＧ４が混合促進体３８の外側と内側を流れる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、高温流体と低温流体のような異なる２つの流体の流れを均一に混合する流体混合器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の流体を混合する混合器では、混合後の温度分布やガス濃度分布が均一であることが望まれる。例えば、混合器の下流にタービンや熱交換器が配置される場合では、混合ガスの温度分布が均一でないと、タービン翼や伝熱管に不均一な熱ひずみに起因した応力が生じ、その結果、タービンや伝熱管の寿命を短くしてしまう。また、機器の効率も低下してしまう。
【０００３】
そこで、混合促進を目的として、流体の流れ場に乱流を促進させるリブを設ける構造や、流れを強制的に偏向させて２つの流体の流れを重ね合わせる構造のものが知られている（特許文献１）。このような構造では、配管の圧力損失が大きくなり、また構造も複雑になり、製造コストも増大する。高温の流体を用いる場合、高温流体に接触する部材の耐熱性が求められ、製造コストがさらに増大する。また、２つの流体を流れる配管をＴ字型に接続して、簡単な構造で２つの流体を混合させるようにしたものもあり（特許文献２）、これによれば、製造コストが低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０４９３０６号公報
【特許文献２】特開２００２−１３６８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献２の流体混合器は、構造は簡単であるが、流体が互いに直角に交わるから、十分均一な混合状態を作り出すことが難しい。
【０００６】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、簡単な構造でありながら、均一な混合が可能で、かつ圧力損失を抑制できる流体混合器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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明にかかる流体混合器は、内側で第１と第２の流体を混合する中空筒状の本体と、前記本体の上流側端部に設けられて前記第１の流体を流入させる第１の流入口と、前記本体の内側に配置され、前記第１の流体の流れる方向に沿った軸心を有する中空筒状の混合促進体と、前記本体の周壁に設けられて前記混合促進体の外周面に向かって前記第２の流体を流入させる第２の流入口とを備える。
【０００８】
この構成によれば、第１の流体の流れる方向に沿った軸心を有する混合促進体が本体の内側に配置されているから、第２の流体が混合促進体の外周面に向かって導入されるので、第２の流体は混合促進体の外周面に衝突して本体の周方向の全域に回りこむことで、混合促進体の外側において第１の流体と第２の流体とが十分混合される。第２の流体は、混合促進体の外側を流れる第１の流体と混合された後、混合促進体の下流で、混合促進体の内側を流れる第１の流体と再度混合されることで、第１の流体と第２の流体との混合が促進される。また、第１の流体が中空筒状の混合促進体の軸心方向に沿って流れるから、第１の流体の圧力損失を抑制することができる。さらに、本体の内側に混合促進体を配置し、この混合促進体に向かって第２の流体を導入する第２の流入口を配置するだけであるから、構造が簡単である。
【０００９】
本発明において、前記混合促進体が前記本体とほぼ同心に配置されていることが好ましい。この構成によれば、第２の流入口の本体周方向の設置位置に関わらず、第２の流入口と混合促進体の距離が一定となり、第２の流入口と混合促進体の位置関係に正確性が要求されなくなる結果、製造が容易になる。
【００１０】
本発明において、前記本体を形成する第１の配管に、前記第２の流入口に第２の流体を供給する第２の配管が直交して接続されていることが好ましい。この構成によれば、第２の流体が混合促進体に、その軸心に直交する向きに衝突するから、第２の流体が混合促進体の外周面全体に回り込み、その結果、第１の流体と第２の流体との混合が一層促進される。
【００１１】
本発明において、前記本体を形成する第１の配管に、前記第２の流入口に前記第２の流体を供給する第２の配管が接続され、その接続部における前記第２の配管の端縁が前記第１の配管の内周面と面一またはこれよりも径方向外方に配置されていることが好ましい。この構成によれば、第２の配管により、第１の配管を流れる第１の流体の流れが阻害されることがなくなり、配管の圧力損失が一層抑制される。
【００１２】
本発明において、前記第１の流体は前記第２の流体よりも低温であることが好ましい。この構成によれば、第１の流体により、混合促進体の表面全体が冷却されるから、混合促進体の過熱を防ぐための構造を別途設ける必要がなく、構造が一層簡単になる。
【００１３】
本発明において、前記本体における下流部が、下流に向かって通路面積が増大する拡径部により形成されていることが好ましい。この構成によれば、拡径部により混合流体が拡散され、混合が一層促進される。
【００１４】
本発明にかかる熱交換システムは、本発明の流体混合器が、熱交換器の上流側に配置されてなる。この構成によれば、上記流体混合器により２つの流体が十分に混合された後、混合流体が熱交換器に導かれるので、混合流体の流れと直交する断面での温度分布が均一化される結果、熱交換効率が向上する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の流体混合器によれば、第２の流入口から流入した第２の流体は、混合促進体の外周面に衝突して本体の周方向の全域に回りこむことで、混合促進体の外側において第１の流体と十分混合される。第２の流体は、さらに混合促進体の下流で、混合促進体の内側を流れる第１の流体と再度混合されることで、混合が促進される。また、第１の流体が中空筒状の混合促進体の軸心方向に沿って流れるから、第１の流体の圧力損失を抑制することができる。さらに、本体の内側に混合促進体を配置し、この混合促進体に向かって第２の流体を導入する第２の流入口を配置するだけであるから、構造が簡単である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る流体混合器を備えた希薄燃料吸入ガスタービンを示す簡略構成図である。
【図２】同ガスタービンの主要構成部分の配置構成図である。
【図３】同流体混合器を示す概略構成図である。
【図４】同流体混合器の支持構造を示す概略断面図である。
【図５】は図４のV-V線矢視図である。
【図６】同流体混合器の軸方向の温度分布を示す図である。
【図７】同流体混合器に接続された再生器入口位置での径方向の温度分布を示す図である。
【図８】従来の流体混合器の軸方向の温度分布を示す図である。
【図９】従来の流体混合器に接続された再生器入口位置での径方向の温度分布を示す図である。
【図１０】第２次実施形態に係る流体混合器を示す概略構成図である。
【図１１】同流体混合器の軸方向の温度分布を示す図である。
【図１２】同流体混合器に接続された再生器入口位置での径方向の温度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる流体混合器を備えた希薄燃料吸入ガスタービンを示す簡略構成図である。このガスタービンＧＴは、圧縮機１、白金やパラジウムなどの触媒を含む触媒燃焼器２、およびタービン３を有している。このガスタービンＧＴの出力により、発電機とスタータを兼ねる回転機４が駆動される。
【００１８】
このガスタービンＧＴで用いる低カロリーガスとして、例えば、炭鉱で発生するＶＡＭ（Ventilation Air Methane）や、これよりも可燃成分（メタン）濃度が高いＣＭＭ（Coal Mine Methane）のような、空気と燃料（可燃成分）とが混合された作動ガスＧ１が、圧縮機１で圧縮され、その高圧の圧縮ガスＧ２が前記触媒燃焼器２に送られる。この圧縮ガスＧ２が触媒燃焼器２の白金やパラジウムなどの触媒による触媒反応によって燃焼され、これにより発生する高温・高圧の燃焼ガスＧ３がタービン３に供給されて、タービン３を駆動する。タービン３は圧縮機１に回転軸５を介して連結され、このタービン３により圧縮機１が駆動される。このようにして、ガスタービンＧＴおよび回転機４を含む発電装置５０が構築されている。ここで、ＶＡＭだけを用いた場合の作動ガスＧ１中の燃料濃度（可燃成分濃度）は、圧縮機１での圧縮による昇温後の温度においても可燃濃度限界以下になるので、着火することはない。また、前記ＶＡＭだけを用いた場合の作動ガスＧ１に、適宜、高濃度の可燃成分を有するＣＭＭを加えた場合でも、圧縮機１での圧縮による昇温後の温度において可燃濃度限界以下になるようにその添加量は制御されるため、着火することはない。
【００１９】
ガスタービンＧＴは、さらに、タービン３からの排ガスＧ４によって圧縮機１から触媒燃焼器２に導入される圧縮ガスＧ２を加熱する再生器（熱交換器）６と、触媒燃焼器２に流入する圧縮ガスＧ２の温度を始動時に高めて触媒を活性化させる加温用バーナ７とを備えている。この加温用バーナ７は、圧縮機１によって圧縮された圧縮ガスＧ２から一部抽出された抽出ガスＧ２０に燃料を混合して火炎燃焼させた加温用ガスＧ５を、タービン３から再生器６に供給される排ガスＧ４に混入し、加温する。加温用バーナ７には、この加温用バーナ７への抽出ガスＧ２０の供給量を制御する抽気弁８が接続されている。再生器６から流出した排ガスＧ４は、図示しないサイレンサを通って消音されたのち、外部に放出される。前記抽気弁８による加温用バーナ７への抽出ガスＧ２０の供給量の制御は、コントローラ２０からの出力信号により行なわれる。
【００２０】
加温用バーナ７への燃料供給は、炭坑の掘削部分のようなＣＭＭ源１３から送給されるＣＭＭを第１燃料流量制御弁９により流量を調整しながらなされる。この第１燃料流量制御弁９によるＣＭＭの流量調整はコントローラ２０によって行なわれる。圧縮機１への作動ガスＧ１の供給は、炭坑の換気のようなＶＡＭ源１２からのＶＡＭに必要に応じてＣＭＭ源１３から抽出したＣＭＭを第２燃料流量制御弁１０によりその流量を調整しながら混入することによってなされる。ＣＭＭは１０〜３０％程度のメタンガスを含み、ＶＡＭは１％未満のメタンガスを含む。この第２燃料流量制御弁１０によるＣＭＭの流量調整も、コントローラ２０によって行なわれる。また、ＶＡＭ源１２から圧縮機１への吸入通路には、後述する運転開始時のパージのために、開閉弁１８を介して、外気等の空気源１９が接続されている。
【００２１】
圧縮機１とタービン３とを連結する回転軸５は単一軸からなり、この回転軸５と回転機４とが減速機１７を介して連結されている。タービン３の回転により駆動される回転機４により得られる電力は、コントローラ２０に入力される。電力変換装置１１は、コントローラ２０によって、始動時に回転機４をスタータモータとして駆動させる。
【００２２】
図２に示すように、タービン３と再生器６とは、中空筒状の排気ダクト２５によって連結されている。この排気ダクト２５は、タービン３寄りの円筒状部２５ａと、この円筒状部２５ａの下流端部に接続され、再生器６側に向かって、つまり下流側に向かって末広がりとなった拡径部２５ｂとからなる。この拡径部２５ｂは、上流端部が円形の横断面形状を有し、下流端部が縦長の長方形状を有し、その間の横断面形状が、円形から長方形へと徐々に変化している中空筒状である。ただし、拡径部２５ｂの下流端部も円形の横断面形状とすることができる。
【００２３】
前記排気ダクト２５の円筒状部２５ａが第１の配管を形成しており、この第１の配管２５ａに対し、加温用ガスＧ５を排気ダクト２５内に供給する加温用バーナ７からの第２の配管２８が接続されている。円筒状部２５ａの後部の内側には排ガスＧ４の流れる方向に沿った軸心Ｃ１（図３）を有する中空筒状、この例では円筒状の混合促進体３８が配置されている。
【００２４】
加温用バーナ７には、前述したように、ＣＭＭ源１３（図１）から燃料成分であるＣＭＭが供給されるようになっている。圧縮機１から再生器６へ圧縮ガスＧ２を供給する圧縮ガス通路２４から抽気ガス通路２７が分岐しており、この抽気ガス通路２７に、加温用バーナ７とその上流側に位置する抽気弁８とが設けられている。抽気ガス通路２７における加温用バーナ７よりも下流側が第２の配管２８として形成されている。
【００２５】
図３および図４を用いて、流体混合器４０の詳細を説明する。流体混合器４０は、排気ダクト２５の一部と、混合促進体３８と、第２の配管２８の下流部とで構成される。流体混合器４０の本体４１は、排気ダクト２５の一部である第１の配管（円筒状部）２５ａの下流部と拡径部２５ｂとで形成されている。本体４１の上流側端部に第１の流入口４３が設けられ、本体４１の周壁に、第２の配管２８に連なる第２の流入口４５が設けられている。さらに、この流体混合器４０と、流体混合器４０の下流に配置された再生器（熱交換器）６とにより、熱交換システム４２が構成されている。
【００２６】
図３に示すように、排気ダクト２５内を流れる第１の流体である排ガスＧ４は、第１の流入口４３から本体４１内に流入し、混合促進体３８の外側と内側の両方を流れる。混合促進体３８は円筒状部２５ａと同心状に配置されている。混合促進体３８は、この実施形態では、円筒形状であるが、中空の部材であればよく、例えば、多角柱、円錐台、多角錐台でもよく、また、混合促進体３８の下流端面が径方向に対して傾斜した形状（後述する図１０）であってもよい。
【００２７】
第２の配管２８は排気ダクト２５の円筒状部２５ａに直交して溶接により接続され、第２の配管２８からの第２の流体である加温用ガスＧ５が、第２の配管２８の下流端縁４６によって形成された第２の流入口４５から、混合促進体３８内に流入し、混合促進体３８の外周面３８ａに衝突するようになっている。混合促進体３８の外周面３８ａに衝突した加温用ガスＧ５は、混合促進体３８の外周面３８ａに沿って案内されながら、排気ダクト２５の円筒状部２５ａの内周面２９と混合促進体３８の外周面３８ａとの間を流れる。第１の流体である排ガスＧ４は第２の流体である加温用ガスＧ５よりも低温である。
【００２８】
混合促進体３８は、第２の配管２８からの第２の流体である加温用ガスＧ５が衝突するよう、その外周面３８ａが第２の流入口４５に対向するように位置している。図４から明らかなように、混合促進体３８の軸方向において、第２の配管２８が形成する第２の流入口４５の全体が、側面視で混合促進体３８の外周面と混合促進体３８の軸方向に重なっている。つまり、第２の流入口４５が混合促進体３８の上流端縁３８ｂと下流端縁３８ｃとの間に位置している。
【００２９】
図３の混合促進体３８の外径ＤＯは円筒状部２５ａの内径ＤＩ１の０．３５〜０．５５倍程度であり、好ましくは、０．４〜０．５倍である。混合促進体３８の肉厚は、排ガスＧ４の流動抵抗を抑制するために、強度が保持される限り、薄くするのがよい。さらに、混合促進体３８の外径ＤＯは第２の配管２８の内径ＤＩ２の０．９〜１．３倍程度であり、好ましくは、１．０〜１．２倍である。混合促進体３８の長さＬは、第２の配管２８の内径ＤＩ２の１．２〜３．０倍程度であり、好ましくは、１．５〜２．５倍である。
【００３０】
図４に示すように、排気ダクト２５の円筒状部２５ａと第２の配管２８とが接続部４４によって接続されており、この接続部４４における第２の配管２８の出口部２８ａの端縁４６が排気ダクト２５の円筒状部２５ａの内周面２９とほぼ面一になっている。ただし、第２の配管２８の下流端縁４６は円筒状部２５ａの内周面２９よりも若干径方向外方に配置してもよい。
【００３１】
図５に示すように、第２の配管２８の軸心Ｃ２と排気ダクト２５および混合促進体３８の軸心Ｃ１とは直角に交わっており、第２の配管２８からの加温用ガスＧ５が混合促進体３８の頂部とその近傍に衝突するようになっている。混合促進体３８は、その径方向に延びる支持部材４８を介して排気ダクト２５の円筒状部２５ａに支持されている。支持部材４８は、図４に示す混合促進体３８の軸心Ｃ１方向両端部に設けられ、混合促進体３８の外周面に支持部材４８の内端部がボルトのような第１締結部材５８で固定されており、支持部材４８の外端部が排気ダクト２５の内周面に、ボルトのような第２締結部材５９で連結されている。
【００３２】
排気ダクト２５に対し支持部材４８の一方、この例では、上流側の支持部材４８が流れ方向（軸方向）にリジッド（移動不能）に支持され、支持部材４８の他方、この例では、下流側の支持部材４８が軸方向に移動自在に支持されて、混合促進体３８の軸方向の熱膨張を吸収できるようになっている。具体的には、下流側の支持部材４８の外端部に軸方向に長い長孔が設けられ、この長孔に第２締結部材５９が挿通されることで、混合促進体３８が軸方向に移動自在となっている。
【００３３】
図５に示すように、支持部材４８は板材からなり、周方向に３つ配置されており、各支持部材４８の径方向の内端部および外端部が二又状に形成されて、混合促進体３８の径方向の熱膨張を吸収できるようになっている。混合促進体３８の支持構造は、図示の例に限定されず、混合促進体３８の熱膨張を吸収できるように構成されていればよく、例えば、排気ダクト２５と混合促進体３８との間をリンク機構からなる支持部材４８のみによって片持ちで支持して、混合促進体３８の熱膨張を吸収することもできる。
【００３４】
上記構成のガスタービンＧＴの動作について説明する。始動時には、図１の触媒燃焼器２の温度が活性下限温度よりも低いので、加温用バーナ７の点火により再生器６の暖気を行って再生器６を通過する圧縮ガスＧ２を昇温させ、触媒燃焼器２を触媒反応可能な所定温度になるまで昇温させる。
【００３５】
このとき、図３に示すように、流体混合器４０では、タービン３からの排ガスＧ４と、加温用バーナ７からの加温用ガスＧ５とが混合される。具体的には、排ガスＧ４が第１の流入口４３から流体混合器４０の本体４１内に流入し、混合促進体３８の内側と外側を通って流れるとともに、加温用ガスＧ５が第２の流入口４５から本体４１に径方向に流入して混合促進体３８の外周面３８ａに衝突後、混合促進体３８の外周面３８ａと本体４１の内周面、つまり排気ダクト２５の円筒状部２５ａの内周面２９との間を流れる。
【００３６】
混合促進体３８の外周面３８ａと本体４１の内周面２９との間を流れる加温用ガスＧ５は、まず混合促進体３８の外側を通って流れる排ガスＧ４と混合される（一次混合）。加温用ガスＧ５は混合促進体３８の外周面３８ａに衝突するので、混合促進体３８の外周面３８ａに沿って、本体４１の径方向および周方向の全域に案内される。これにより、排ガスＧ４と加温用ガスＧ５との混合が促進される。このとき、混合促進体３８の内側を通って流れる低温の排ガスＧ４により、混合促進体３８の表面全体が冷却される。
【００３７】
つぎに、一次混合された排ガスＧ４と加温用ガスＧ５との混合ガスが、混合促進体３８の下流で、混合促進体３８の内部を通って流れる排ガスＧ４とさらに混合する（二次混合）。このように、２段階で混合することで、排ガスＧ４と加温用ガスＧ５との混合が一層促進される。さらに、混合促進体３８を通過した混合ガスが本体４１の拡径部２５ｂに流入して拡散されるので、混合がなお一層促進される。
【００３８】
定格運転に入ると、排ガスＧ４の温度が上昇して、圧縮機１から供給される圧縮ガスＧ２が再生器６内で排ガスＧ４と熱交換されるので、熱交換後の圧縮ガスＧ２は触媒燃焼器２の作動に十分な高温となる。その結果、抽気弁８が閉弁されて加温用バーナ７の動作が停止する。これにより、図３に示す流体混合器４０では、排ガスＧ４のみが流れ、加温用ガスＧ５は導入されない。すなわち、排ガスＧ４のみが混合促進体３８の内側と外側を通って流れている状態である。このとき、混合促進体３８は排ガスＧ４の流れる方向に沿った軸心Ｃ１を有する形状であるから、排ガスＧ４が混合促進体３８から受ける抵抗は小さくて済む。したがって、最も稼働時間の長い定格運転時に、排ガスＧ４の圧力損失が効果的に抑制される。
【００３９】
上記構成において、図３に示すように、排ガスＧ４の流れる方向に沿った軸心Ｃ１を有する混合促進体３８が本体４１の内側に配置され、排ガスＧ４がこの混合促進体３８の軸心Ｃ１方向に沿って混合促進体３８の外側と内側を流れるから、排ガスＧ４の圧力損失を抑制することができる。また、加温用ガスＧ５が混合促進体３８の外周面３８ａに向かって導入されるので、加温用ガスＧ５は混合促進体３８の外周面３８ａに衝突して本体４１の径方向および周方向に回りこむことで、混合促進体３８の外側において排ガスＧ４と加温用ガスＧ５とが十分に混合される。加温用ガスＧ５は、混合促進体３８の外側を流れる排ガスＧ４と混合された後、混合促進体３８の内側を流れる排ガスＧ４と再度混合されることで、排ガスＧ４と加温用ガスＧ５との混合が促進される。さらに、本体４１の内側に混合促進体３８を配置し、この混合促進体３８に向かって加温用ガスＧ５を導入する第２の流入口４５を配置するだけであるから、構造が簡単である。
【００４０】
また、混合促進体３８が本体４１とほぼ同心に配置されているので、第２の流入口４５の本体４１周方向の設置位置に関わらず、第２の流入口４５と混合促進体３８の距離が一定となり、第２の流入口４５と混合促進体３８の位置関係に正確性が要求されなくなる結果、製造が容易になる。
【００４１】
また、第２の配管２８は排気ダクト２５にほぼ直交して接続されているので、加温用ガスＧ５が混合促進体３８の外周面３８ａに直交する向きに衝突するから、加温用ガスＧ５が混合促進体３８の外周面３８ａに案内されて排気ダクト２５の径方向および周方向の全域に回り込み、その結果、排ガスＧ４と加温用ガスＧ５との混合が一層促進される。
【００４２】
図４に示すように、排気ダクト２５と第２の配管２８との接続部４４における第２の配管２８の端縁４６が、排気ダクト２５の内周面２９と面一であるから、第２の配管２８により、排気ダクト２５を流れる排ガスＧ４の流れが阻害されることがなくなり、排ガスＧ４の圧力損失が一層抑制される。
【００４３】
また、排ガスＧ４は加温用ガスＧ５よりも低温であるから、排ガスＧ４により、高温の加温用ガスＧ５と接する混合促進体３８の表面全体が冷却されるから、混合促進体３８の過熱を防ぐための構造を別途設ける必要がなく、構造が一層簡単になる。
【００４４】
図３に示すように、本体４１における下流部が、下流に向かって通路面積が増大する拡径部２５ｂにより形成されているので、拡径部２５ｂにより排ガスＧ４と加温用ガスＧ５の混合ガスが拡散され、混合が一層促進される。
【００４５】
図２に示すように、流体混合器４０が、熱交換器である再生器６の上流側に配置されているので、流体混合器４０により排ガスＧ４と加温用ガスＧ５が十分に混合された後、再生器６に導かれるから、混合流体の流れを直交する断面での温度分布が均一化される結果、熱交換効率が向上する。
【００４６】
上記実施形態の流体混合器４０について、混合状態を確認するために、コンピュータ解析を行った。また、比較例として、上記実施形態の流体混合器４０において混合促進体３８を有さない構造についても同様の解析を行った。
【００４７】
図６は上記実施形態の流体混合器４０を用いて排ガスＧ４と加温用ガスＧ５とを混合させた際の軸方向における温度分布、図７は図６のVII-VII線断面上、つまり流体混合器４０の出口（再生器６の入口）箇所における径方向の温度分布を示し、図８および９は比較例の各温度分布を示す。以下の図において、（１）〜（２１）は高温から低温にかけての領域を表す。図６および図８において、（１）〜（９）の同一番号は同一温度領域を示す。同様に、図７および図９において、（１０）〜（２１）の同一番号は同一温度領域を示す。図６に示すように、上記実施形態の流体混合器４０では、高温の加温用ガスＧ５が拡径部２５ｂの中心部から下部にかけて広がっており、その結果、図７に示すように、流体混合器４０の出口箇所において、温度分布が均一化されており、適度に混合されていることがわかる。一方、比較例の流体混合器では、図８に示すように、高温の加温用ガスＧ５が拡径部２５ｂの下部に集中して流れ込んでおり、その結果、図９に示すように、流体混合器４０の出口箇所において、温度分布が偏っており、十分に混合されていない。
【００４８】
図１０は第２実施形態に係る流体混合器４０Ａを示す概略構成図である。第２実施形態の流体混合器４０Ａと第１実施形態の流体混合器４０との違いは、混合促進体３８Ａの下流端面６２が下流に進むにつれて上方に傾いた傾斜面である点のみで、その他の構造は、第１実施形態と同じである。つまり、混合促進体３８における第２の配管２８に対向する部分（上部）とは反対側の部分（下部）の下流端部が、切り欠かれて傾斜している。この例では、下流端面６２の径方向に対する傾斜角θが４５°となっているが、この傾斜角θは２０〜６０°程度とすることができ、３０〜５０°程度がより好ましい。第２の流入口４５は、混合促進体３８Ａの上流端縁３８Ａａと、混合促進体３８Ａにおける第２の流入口４５と対向する部分（図１０の上部）の下流端縁３８Ａｂとの間に位置している。
【００４９】
第２実施形態の流体混合器４０Ａにおいても、第１実施形態の流体混合器４０と同様に、コンピュータ解析による検証を行った。その結果を図１１および１２に示す。図１１から分かるように、第２実施形態の流体混合器４０Ａでは、より多くの高温の加温用ガスＧ５が拡径部２５ｂの中心部近くを流れるので、図１２から分かるように、第１実施形態の流体混合器４０よりもさらに温度分布が均一化されている。
【００５０】
第１および第２実施形態では、本体４１の上流部を形成する円筒状部２５ａの下流部は、円筒状であったが、下流に向かって若干拡大する小さなテーパ比を有する拡大管であってもよい。また、本体４１の拡径部２５ｂのテーパ比が小さい場合、拡径部２５ｂの内側に混合促進体３８を配置してもよい。さらに、拡径部２５ｂを省略して、流体混合器４０の本体４１の全体を円筒状としてもよい。また、第２の流入口４５を複数設け、各流入口４５から異なる流体を本体４１に流入させてもよい。
【００５１】
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能であり、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
６ 再生器（熱交換器）
２５ 排気ダクト
２８ 第２の配管
２９ 本体の内周面
３８、３８Ａ 混合促進体
３８ａ 混合促進体の外周面
４０、４０Ａ 流体混合器
４１ 本体（第１の配管）
４２ 熱交換システム
４３ 第１の流入口
４４ 接続部
４５ 第２の流入口
４６ 第２の配管の端縁
Ｃ１ 軸心
Ｇ４ 排ガス（第１の流体）
Ｇ５ 加温用ガス（第２の流体）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、高温流体と低温流体のような異なる２つの流体の流れを均一に混合する流体混合器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の流体を混合する混合器では、混合後の温度分布やガス濃度分布が均一であることが望まれる。例えば、混合器の下流にタービンや熱交換器が配置される場合では、混合ガスの温度分布が均一でないと、タービン翼や伝熱管に不均一な熱ひずみに起因した応力が生じ、その結果、タービンや伝熱管の寿命を短くしてしまう。また、機器の効率も低下してしまう。
【０００３】
そこで、混合促進を目的として、流体の流れ場に乱流を促進させるリブを設ける構造や、流れを強制的に偏向させて２つの流体の流れを重ね合わせる構造のものが知られている（特許文献１）。このような構造では、配管の圧力損失が大きくなり、また構造も複雑になり、製造コストも増大する。高温の流体を用いる場合、高温流体に接触する部材の耐熱性が求められ、製造コストがさらに増大する。また、２つの流体を流れる配管をＴ字型に接続して、簡単な構造で２つの流体を混合させるようにしたものもあり（特許文献２）、これによれば、製造コストが低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０４９３０６号公報
【特許文献２】特開２００２−１３６８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献２の流体混合器は、構造は簡単であるが、流体が互いに直角に交わるから、十分均一な混合状態を作り出すことが難しい。
【０００６】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、簡単な構造でありながら、均一な混合が可能で、かつ圧力損失を抑制できる流体混合器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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明にかかる流体混合器は、内側で第１と第２の流体を混合する中空筒状の本体と、前記本体の上流側端部に設けられて前記第１の流体を流入させる第１の流入口と、前記本体の内側に配置され、前記第１の流体の流れる方向に沿った軸心を有する中空筒状の混合促進体と、前記本体の周壁に設けられて前記混合促進体の外周面に向かって前記第２の流体を流入させる第２の流入口とを備える。
【０００８】
この構成によれば、第１の流体の流れる方向に沿った軸心を有する混合促進体が本体の内側に配置されているから、第２の流体が混合促進体の外周面に向かって導入されるので、第２の流体は混合促進体の外周面に衝突して本体の周方向の全域に回りこむことで、混合促進体の外側において第１の流体と第２の流体とが十分混合される。第２の流体は、混合促進体の外側を流れる第１の流体と混合された後、混合促進体の下流で、混合促進体の内側を流れる第１の流体と再度混合されることで、第１の流体と第２の流体との混合が促進される。また、第１の流体が中空筒状の混合促進体の軸心方向に沿って流れるから、第１の流体の圧力損失を抑制することができる。さらに、本体の内側に混合促進体を配置し、この混合促進体に向かって第２の流体を導入する第２の流入口を配置するだけであるから、構造が簡単である。
【０００９】
本発明において、前記混合促進体が前記本体とほぼ同心に配置されていることが好ましい。この構成によれば、第２の流入口の本体周方向の設置位置に関わらず、第２の流入口と混合促進体の距離が一定となり、第２の流入口と混合促進体の位置関係に正確性が要求されなくなる結果、製造が容易になる。
【００１０】
本発明において、前記本体を形成する第１の配管に、前記第２の流入口に第２の流体を供給する第２の配管が直交して接続されていることが好ましい。この構成によれば、第２の流体が混合促進体に、その軸心に直交する向きに衝突するから、第２の流体が混合促進体の外周面全体に回り込み、その結果、第１の流体と第２の流体との混合が一層促進される。
【００１１】
本発明において、前記本体を形成する第１の配管に、前記第２の流入口に前記第２の流体を供給する第２の配管が接続され、その接続部における前記第２の配管の端縁が前記第１の配管の内周面と面一またはこれよりも径方向外方に配置されていることが好ましい。この構成によれば、第２の配管により、第１の配管を流れる第１の流体の流れが阻害されることがなくなり、配管の圧力損失が一層抑制される。
【００１２】
本発明において、前記第１の流体は前記第２の流体よりも低温であることが好ましい。この構成によれば、第１の流体により、混合促進体の表面全体が冷却されるから、混合促進体の過熱を防ぐための構造を別途設ける必要がなく、構造が一層簡単になる。
【００１３】
本発明において、前記本体における下流部が、下流に向かって通路面積が増大する拡径部により形成されていることが好ましい。この構成によれば、拡径部により混合流体が拡散され、混合が一層促進される。
【００１４】
本発明にかかる熱交換システムは、本発明の流体混合器が、熱交換器の上流側に配置されてなる。この構成によれば、上記流体混合器により２つの流体が十分に混合された後、混合流体が熱交換器に導かれるので、混合流体の流れと直交する断面での温度分布が均一化される結果、熱交換効率が向上する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の流体混合器によれば、第２の流入口から流入した第２の流体は、混合促進体の外周面に衝突して本体の周方向の全域に回りこむことで、混合促進体の外側において第１の流体と十分混合される。第２の流体は、さらに混合促進体の下流で、混合促進体の内側を流れる第１の流体と再度混合されることで、混合が促進される。また、第１の流体が中空筒状の混合促進体の軸心方向に沿って流れるから、第１の流体の圧力損失を抑制することができる。さらに、本体の内側に混合促進体を配置し、この混合促進体に向かって第２の流体を導入する第２の流入口を配置するだけであるから、構造が簡単である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る流体混合器を備えた希薄燃料吸入ガスタービンを示す簡略構成図である。
【図２】同ガスタービンの主要構成部分の配置構成図である。
【図３】同流体混合器を示す概略構成図である。
【図４】同流体混合器の支持構造を示す概略断面図である。
【図５】は図４のV-V線矢視図である。
【図６】同流体混合器の軸方向の温度分布を示す図である。
【図７】同流体混合器に接続された再生器入口位置での径方向の温度分布を示す図である。
【図８】従来の流体混合器の軸方向の温度分布を示す図である。
【図９】従来の流体混合器に接続された再生器入口位置での径方向の温度分布を示す図である。
【図１０】第２次実施形態に係る流体混合器を示す概略構成図である。
【図１１】同流体混合器の軸方向の温度分布を示す図である。
【図１２】同流体混合器に接続された再生器入口位置での径方向の温度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる流体混合器を備えた希薄燃料吸入ガスタービンを示す簡略構成図である。このガスタービンＧＴは、圧縮機１、白金やパラジウムなどの触媒を含む触媒燃焼器２、およびタービン３を有している。このガスタービンＧＴの出力により、発電機とスタータを兼ねる回転機４が駆動される。
【００１８】
このガスタービンＧＴで用いる低カロリーガスとして、例えば、炭鉱で発生するＶＡＭ（Ventilation Air Methane）や、これよりも可燃成分（メタン）濃度が高いＣＭＭ（Coal Mine Methane）のような、空気と燃料（可燃成分）とが混合された作動ガスＧ１が、圧縮機１で圧縮され、その高圧の圧縮ガスＧ２が前記触媒燃焼器２に送られる。この圧縮ガスＧ２が触媒燃焼器２の白金やパラジウムなどの触媒による触媒反応によって燃焼され、これにより発生する高温・高圧の燃焼ガスＧ３がタービン３に供給されて、タービン３を駆動する。タービン３は圧縮機１に回転軸５を介して連結され、このタービン３により圧縮機１が駆動される。このようにして、ガスタービンＧＴおよび回転機４を含む発電装置５０が構築されている。ここで、ＶＡＭだけを用いた場合の作動ガスＧ１中の燃料濃度（可燃成分濃度）は、圧縮機１での圧縮による昇温後の温度においても可燃濃度限界以下になるので、着火することはない。また、前記ＶＡＭだけを用いた場合の作動ガスＧ１に、適宜、高濃度の可燃成分を有するＣＭＭを加えた場合でも、圧縮機１での圧縮による昇温後の温度において可燃濃度限界以下になるようにその添加量は制御されるため、着火することはない。
【００１９】
ガスタービンＧＴは、さらに、タービン３からの排ガスＧ４によって圧縮機１から触媒燃焼器２に導入される圧縮ガスＧ２を加熱する再生器（熱交換器）６と、触媒燃焼器２に流入する圧縮ガスＧ２の温度を始動時に高めて触媒を活性化させる加温用バーナ７とを備えている。この加温用バーナ７は、圧縮機１によって圧縮された圧縮ガスＧ２から一部抽出された抽出ガスＧ２０に燃料を混合して火炎燃焼させた加温用ガスＧ５を、タービン３から再生器６に供給される排ガスＧ４に混入し、加温する。加温用バーナ７には、この加温用バーナ７への抽出ガスＧ２０の供給量を制御する抽気弁８が接続されている。再生器６から流出した排ガスＧ４は、図示しないサイレンサを通って消音されたのち、外部に放出される。前記抽気弁８による加温用バーナ７への抽出ガスＧ２０の供給量の制御は、コントローラ２０からの出力信号により行なわれる。
【００２０】
加温用バーナ７への燃料供給は、炭坑の掘削部分のようなＣＭＭ源１３から送給されるＣＭＭを第１燃料流量制御弁９により流量を調整しながらなされる。この第１燃料流量制御弁９によるＣＭＭの流量調整はコントローラ２０によって行なわれる。圧縮機１への作動ガスＧ１の供給は、炭坑の換気のようなＶＡＭ源１２からのＶＡＭに必要に応じてＣＭＭ源１３から抽出したＣＭＭを第２燃料流量制御弁１０によりその流量を調整しながら混入することによってなされる。ＣＭＭは１０〜３０％程度のメタンガスを含み、ＶＡＭは１％未満のメタンガスを含む。この第２燃料流量制御弁１０によるＣＭＭの流量調整も、コントローラ２０によって行なわれる。また、ＶＡＭ源１２から圧縮機１への吸入通路には、後述する運転開始時のパージのために、開閉弁１８を介して、外気等の空気源１９が接続されている。
【００２１】
圧縮機１とタービン３とを連結する回転軸５は単一軸からなり、この回転軸５と回転機４とが減速機１７を介して連結されている。タービン３の回転により駆動される回転機４により得られる電力は、コントローラ２０に入力される。電力変換装置１１は、コントローラ２０によって、始動時に回転機４をスタータモータとして駆動させる。
【００２２】
図２に示すように、タービン３と再生器６とは、中空筒状の排気ダクト２５によって連結されている。この排気ダクト２５は、タービン３寄りの円筒状部２５ａと、この円筒状部２５ａの下流端部に接続され、再生器６側に向かって、つまり下流側に向かって末広がりとなった拡径部２５ｂとからなる。この拡径部２５ｂは、上流端部が円形の横断面形状を有し、下流端部が縦長の長方形状を有し、その間の横断面形状が、円形から長方形へと徐々に変化している中空筒状である。ただし、拡径部２５ｂの下流端部も円形の横断面形状とすることができる。
【００２３】
前記排気ダクト２５の円筒状部２５ａが第１の配管を形成しており、この第１の配管２５ａに対し、加温用ガスＧ５を排気ダクト２５内に供給する加温用バーナ７からの第２の配管２８が接続されている。円筒状部２５ａの後部の内側には排ガスＧ４の流れる方向に沿った軸心Ｃ１（図３）を有する中空筒状、この例では円筒状の混合促進体３８が配置されている。
【００２４】
加温用バーナ７には、前述したように、ＣＭＭ源１３（図１）から燃料成分であるＣＭＭが供給されるようになっている。圧縮機１から再生器６へ圧縮ガスＧ２を供給する圧縮ガス通路２４から抽気ガス通路２７が分岐しており、この抽気ガス通路２７に、加温用バーナ７とその上流側に位置する抽気弁８とが設けられている。抽気ガス通路２７における加温用バーナ７よりも下流側が第２の配管２８として形成されている。
【００２５】
図３および図４を用いて、流体混合器４０の詳細を説明する。流体混合器４０は、排気ダクト２５の一部と、混合促進体３８と、第２の配管２８の下流部とで構成される。流体混合器４０の本体４１は、排気ダクト２５の一部である第１の配管（円筒状部）２５ａの下流部と拡径部２５ｂとで形成されている。本体４１の上流側端部に第１の流入口４３が設けられ、本体４１の周壁に、第２の配管２８に連なる第２の流入口４５が設けられている。さらに、この流体混合器４０と、流体混合器４０の下流に配置された再生器（熱交換器）６とにより、熱交換システム４２が構成されている。
【００２６】
図３に示すように、排気ダクト２５内を流れる第１の流体である排ガスＧ４は、第１の流入口４３から本体４１内に流入し、混合促進体３８の外側と内側の両方を流れる。混合促進体３８は円筒状部２５ａと同心状に配置されている。混合促進体３８は、この実施形態では、円筒形状であるが、中空の部材であればよく、例えば、多角柱、円錐台、多角錐台でもよく、また、混合促進体３８の下流端面が径方向に対して傾斜した形状（後述する図１０）であってもよい。
【００２７】
第２の配管２８は排気ダクト２５の円筒状部２５ａに直交して溶接により接続され、第２の配管２８からの第２の流体である加温用ガスＧ５が、第２の配管２８の下流端縁４６によって形成された第２の流入口４５から、混合促進体３８内に流入し、混合促進体３８の外周面３８ａに衝突するようになっている。混合促進体３８の外周面３８ａに衝突した加温用ガスＧ５は、混合促進体３８の外周面３８ａに沿って案内されながら、排気ダクト２５の円筒状部２５ａの内周面２９と混合促進体３８の外周面３８ａとの間を流れる。第１の流体である排ガスＧ４は第２の流体である加温用ガスＧ５よりも低温である。
【００２８】
混合促進体３８は、第２の配管２８からの第２の流体である加温用ガスＧ５が衝突するよう、その外周面３８ａが第２の流入口４５に対向するように位置している。図４から明らかなように、混合促進体３８の軸方向において、第２の配管２８が形成する第２の流入口４５の全体が、側面視で混合促進体３８の外周面と混合促進体３８の軸方向に重なっている。つまり、第２の流入口４５が混合促進体３８の上流端縁３８ｂと下流端縁３８ｃとの間に位置している。
【００２９】
図３の混合促進体３８の外径ＤＯは円筒状部２５ａの内径ＤＩ１の０．３５〜０．５５倍程度であり、好ましくは、０．４〜０．５倍である。混合促進体３８の肉厚は、排ガスＧ４の流動抵抗を抑制するために、強度が保持される限り、薄くするのがよい。さらに、混合促進体３８の外径ＤＯは第２の配管２８の内径ＤＩ２の０．９〜１．３倍程度であり、好ましくは、１．０〜１．２倍である。混合促進体３８の長さＬは、第２の配管２８の内径ＤＩ２の１．２〜３．０倍程度であり、好ましくは、１．５〜２．５倍である。
【００３０】
図４に示すように、排気ダクト２５の円筒状部２５ａと第２の配管２８とが接続部４４によって接続されており、この接続部４４における第２の配管２８の出口部２８ａの端縁４６が排気ダクト２５の円筒状部２５ａの内周面２９とほぼ面一になっている。ただし、第２の配管２８の下流端縁４６は円筒状部２５ａの内周面２９よりも若干径方向外方に配置してもよい。
【００３１】
図５に示すように、第２の配管２８の軸心Ｃ２と排気ダクト２５および混合促進体３８の軸心Ｃ１とは直角に交わっており、第２の配管２８からの加温用ガスＧ５が混合促進体３８の頂部とその近傍に衝突するようになっている。混合促進体３８は、その径方向に延びる支持部材４８を介して排気ダクト２５の円筒状部２５ａに支持されている。支持部材４８は、図４に示す混合促進体３８の軸心Ｃ１方向両端部に設けられ、混合促進体３８の外周面に支持部材４８の内端部がボルトのような第１締結部材５８で固定されており、支持部材４８の外端部が排気ダクト２５の内周面に、ボルトのような第２締結部材５９で連結されている。
【００３２】
排気ダクト２５に対し支持部材４８の一方、この例では、上流側の支持部材４８が流れ方向（軸方向）にリジッド（移動不能）に支持され、支持部材４８の他方、この例では、下流側の支持部材４８が軸方向に移動自在に支持されて、混合促進体３８の軸方向の熱膨張を吸収できるようになっている。具体的には、下流側の支持部材４８の外端部に軸方向に長い長孔が設けられ、この長孔に第２締結部材５９が挿通されることで、混合促進体３８が軸方向に移動自在となっている。
【００３３】
図５に示すように、支持部材４８は板材からなり、周方向に３つ配置されており、各支持部材４８の径方向の内端部および外端部が二又状に形成されて、混合促進体３８の径方向の熱膨張を吸収できるようになっている。混合促進体３８の支持構造は、図示の例に限定されず、混合促進体３８の熱膨張を吸収できるように構成されていればよく、例えば、排気ダクト２５と混合促進体３８との間をリンク機構からなる支持部材４８のみによって片持ちで支持して、混合促進体３８の熱膨張を吸収することもできる。
【００３４】
上記構成のガスタービンＧＴの動作について説明する。始動時には、図１の触媒燃焼器２の温度が活性下限温度よりも低いので、加温用バーナ７の点火により再生器６の暖気を行って再生器６を通過する圧縮ガスＧ２を昇温させ、触媒燃焼器２を触媒反応可能な所定温度になるまで昇温させる。
【００３５】
このとき、図３に示すように、流体混合器４０では、タービン３からの排ガスＧ４と、加温用バーナ７からの加温用ガスＧ５とが混合される。具体的には、排ガスＧ４が第１の流入口４３から流体混合器４０の本体４１内に流入し、混合促進体３８の内側と外側を通って流れるとともに、加温用ガスＧ５が第２の流入口４５から本体４１に径方向に流入して混合促進体３８の外周面３８ａに衝突後、混合促進体３８の外周面３８ａと本体４１の内周面、つまり排気ダクト２５の円筒状部２５ａの内周面２９との間を流れる。
【００３６】
混合促進体３８の外周面３８ａと本体４１の内周面２９との間を流れる加温用ガスＧ５は、まず混合促進体３８の外側を通って流れる排ガスＧ４と混合される（一次混合）。加温用ガスＧ５は混合促進体３８の外周面３８ａに衝突するので、混合促進体３８の外周面３８ａに沿って、本体４１の径方向および周方向の全域に案内される。これにより、排ガスＧ４と加温用ガスＧ５との混合が促進される。このとき、混合促進体３８の内側を通って流れる低温の排ガスＧ４により、混合促進体３８の表面全体が冷却される。
【００３７】
つぎに、一次混合された排ガスＧ４と加温用ガスＧ５との混合ガスが、混合促進体３８の下流で、混合促進体３８の内部を通って流れる排ガスＧ４とさらに混合する（二次混合）。このように、２段階で混合することで、排ガスＧ４と加温用ガスＧ５との混合が一層促進される。さらに、混合促進体３８を通過した混合ガスが本体４１の拡径部２５ｂに流入して拡散されるので、混合がなお一層促進される。
【００３８】
定格運転に入ると、排ガスＧ４の温度が上昇して、圧縮機１から供給される圧縮ガスＧ２が再生器６内で排ガスＧ４と熱交換されるので、熱交換後の圧縮ガスＧ２は触媒燃焼器２の作動に十分な高温となる。その結果、抽気弁８が閉弁されて加温用バーナ７の動作が停止する。これにより、図３に示す流体混合器４０では、排ガスＧ４のみが流れ、加温用ガスＧ５は導入されない。すなわち、排ガスＧ４のみが混合促進体３８の内側と外側を通って流れている状態である。このとき、混合促進体３８は排ガスＧ４の流れる方向に沿った軸心Ｃ１を有する形状であるから、排ガスＧ４が混合促進体３８から受ける抵抗は小さくて済む。したがって、最も稼働時間の長い定格運転時に、排ガスＧ４の圧力損失が効果的に抑制される。
【００３９】
上記構成において、図３に示すように、排ガスＧ４の流れる方向に沿った軸心Ｃ１を有する混合促進体３８が本体４１の内側に配置され、排ガスＧ４がこの混合促進体３８の軸心Ｃ１方向に沿って混合促進体３８の外側と内側を流れるから、排ガスＧ４の圧力損失を抑制することができる。また、加温用ガスＧ５が混合促進体３８の外周面３８ａに向かって導入されるので、加温用ガスＧ５は混合促進体３８の外周面３８ａに衝突して本体４１の径方向および周方向に回りこむことで、混合促進体３８の外側において排ガスＧ４と加温用ガスＧ５とが十分に混合される。加温用ガスＧ５は、混合促進体３８の外側を流れる排ガスＧ４と混合された後、混合促進体３８の内側を流れる排ガスＧ４と再度混合されることで、排ガスＧ４と加温用ガスＧ５との混合が促進される。さらに、本体４１の内側に混合促進体３８を配置し、この混合促進体３８に向かって加温用ガスＧ５を導入する第２の流入口４５を配置するだけであるから、構造が簡単である。
【００４０】
また、混合促進体３８が本体４１とほぼ同心に配置されているので、第２の流入口４５の本体４１周方向の設置位置に関わらず、第２の流入口４５と混合促進体３８の距離が一定となり、第２の流入口４５と混合促進体３８の位置関係に正確性が要求されなくなる結果、製造が容易になる。
【００４１】
また、第２の配管２８は排気ダクト２５にほぼ直交して接続されているので、加温用ガスＧ５が混合促進体３８の外周面３８ａに直交する向きに衝突するから、加温用ガスＧ５が混合促進体３８の外周面３８ａに案内されて排気ダクト２５の径方向および周方向の全域に回り込み、その結果、排ガスＧ４と加温用ガスＧ５との混合が一層促進される。
【００４２】
図４に示すように、排気ダクト２５と第２の配管２８との接続部４４における第２の配管２８の端縁４６が、排気ダクト２５の内周面２９と面一であるから、第２の配管２８により、排気ダクト２５を流れる排ガスＧ４の流れが阻害されることがなくなり、排ガスＧ４の圧力損失が一層抑制される。
【００４３】
また、排ガスＧ４は加温用ガスＧ５よりも低温であるから、排ガスＧ４により、高温の加温用ガスＧ５と接する混合促進体３８の表面全体が冷却されるから、混合促進体３８の過熱を防ぐための構造を別途設ける必要がなく、構造が一層簡単になる。
【００４４】
図３に示すように、本体４１における下流部が、下流に向かって通路面積が増大する拡径部２５ｂにより形成されているので、拡径部２５ｂにより排ガスＧ４と加温用ガスＧ５の混合ガスが拡散され、混合が一層促進される。
【００４５】
図２に示すように、流体混合器４０が、熱交換器である再生器６の上流側に配置されているので、流体混合器４０により排ガスＧ４と加温用ガスＧ５が十分に混合された後、再生器６に導かれるから、混合流体の流れを直交する断面での温度分布が均一化される結果、熱交換効率が向上する。
【００４６】
上記実施形態の流体混合器４０について、混合状態を確認するために、コンピュータ解析を行った。また、比較例として、上記実施形態の流体混合器４０において混合促進体３８を有さない構造についても同様の解析を行った。
【００４７】
図６は上記実施形態の流体混合器４０を用いて排ガスＧ４と加温用ガスＧ５とを混合させた際の軸方向における温度分布、図７は図６のVII-VII線断面上、つまり流体混合器４０の出口（再生器６の入口）箇所における径方向の温度分布を示し、図８および９は比較例の各温度分布を示す。以下の図において、（１）〜（２１）は高温から低温にかけての領域を表す。図６および図８において、（１）〜（９）の同一番号は同一温度領域を示す。同様に、図７および図９において、（１０）〜（２１）の同一番号は同一温度領域を示す。図６に示すように、上記実施形態の流体混合器４０では、高温の加温用ガスＧ５が拡径部２５ｂの中心部から下部にかけて広がっており、その結果、図７に示すように、流体混合器４０の出口箇所において、温度分布が均一化されており、適度に混合されていることがわかる。一方、比較例の流体混合器では、図８に示すように、高温の加温用ガスＧ５が拡径部２５ｂの下部に集中して流れ込んでおり、その結果、図９に示すように、流体混合器４０の出口箇所において、温度分布が偏っており、十分に混合されていない。
【００４８】
図１０は第２実施形態に係る流体混合器４０Ａを示す概略構成図である。第２実施形態の流体混合器４０Ａと第１実施形態の流体混合器４０との違いは、混合促進体３８Ａの下流端面６２が下流に進むにつれて上方に傾いた傾斜面である点のみで、その他の構造は、第１実施形態と同じである。つまり、混合促進体３８における第２の配管２８に対向する部分（上部）とは反対側の部分（下部）の下流端部が、切り欠かれて傾斜している。この例では、下流端面６２の径方向に対する傾斜角θが４５°となっているが、この傾斜角θは２０〜６０°程度とすることができ、３０〜５０°程度がより好ましい。第２の流入口４５は、混合促進体３８Ａの上流端縁３８Ａａと、混合促進体３８Ａにおける第２の流入口４５と対向する部分（図１０の上部）の下流端縁３８Ａｂとの間に位置している。
【００４９】
第２実施形態の流体混合器４０Ａにおいても、第１実施形態の流体混合器４０と同様に、コンピュータ解析による検証を行った。その結果を図１１および１２に示す。図１１から分かるように、第２実施形態の流体混合器４０Ａでは、より多くの高温の加温用ガスＧ５が拡径部２５ｂの中心部近くを流れるので、図１２から分かるように、第１実施形態の流体混合器４０よりもさらに温度分布が均一化されている。
【００５０】
第１および第２実施形態では、本体４１の上流部を形成する円筒状部２５ａの下流部は、円筒状であったが、下流に向かって若干拡大する小さなテーパ比を有する拡大管であってもよい。また、本体４１の拡径部２５ｂのテーパ比が小さい場合、拡径部２５ｂの内側に混合促進体３８を配置してもよい。さらに、拡径部２５ｂを省略して、流体混合器４０の本体４１の全体を円筒状としてもよい。また、第２の流入口４５を複数設け、各流入口４５から異なる流体を本体４１に流入させてもよい。
【００５１】
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能であり、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
６ 再生器（熱交換器）
２５ 排気ダクト
２８ 第２の配管
２９ 本体の内周面
３８、３８Ａ 混合促進体
３８ａ 混合促進体の外周面
４０、４０Ａ 流体混合器
４１ 本体（第１の配管）
４２ 熱交換システム
４３ 第１の流入口
４４ 接続部
４５ 第２の流入口
４６ 第２の配管の端縁
Ｃ１ 軸心
Ｇ４ 排ガス（第１の流体）
Ｇ５ 加温用ガス（第２の流体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側で第１と第２の流体を混合する中空筒状の本体と、
前記本体の上流側端部に設けられて前記第１の流体を流入させる第１の流入口と、
前記本体の内側に配置され、前記第１の流体の流れる方向に沿った軸心を有する中空筒状の混合促進体と、
前記本体の周壁に設けられて前記混合促進体の外周面に向かって前記第２の流体を流入させる第２の流入口とを備える流体混合器。
【請求項２】
請求項１において、前記混合促進体が前記本体とほぼ同心に配置されている流体混合器。
【請求項３】
請求項１または２において、前記本体を形成する第１の配管に、前記第２の流入口に第２の流体を供給する第２の配管が直交して接続されている流体混合器。
【請求項４】
請求項１または２において、前記本体を形成する第１の配管に、前記第２の流入口に前記第２の流体を供給する第２の配管が接続され、その接続部における前記第２の配管の端縁が前記第１の配管の内周面と面一またはこれよりも径方向外方に配置されている流体混合器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項において、前記第１の流体は前記第２の流体よりも低温である流体混合器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項において、前記本体における下流部が、下流に向かって通路面積が増大する拡径部により形成されている流体混合器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の流体混合器が、熱交換器の上流側に配置されてなる熱交換システム。
【請求項１】
内側で第１と第２の流体を混合する中空筒状の本体と、
前記本体の上流側端部に設けられて前記第１の流体を流入させる第１の流入口と、
前記本体の内側に配置され、前記第１の流体の流れる方向に沿った軸心を有する中空筒状の混合促進体と、
前記本体の周壁に設けられて前記混合促進体の外周面に向かって前記第２の流体を流入させる第２の流入口とを備える流体混合器。
【請求項２】
請求項１において、前記混合促進体が前記本体とほぼ同心に配置されている流体混合器。
【請求項３】
請求項１または２において、前記本体を形成する第１の配管に、前記第２の流入口に第２の流体を供給する第２の配管が直交して接続されている流体混合器。
【請求項４】
請求項１または２において、前記本体を形成する第１の配管に、前記第２の流入口に前記第２の流体を供給する第２の配管が接続され、その接続部における前記第２の配管の端縁が前記第１の配管の内周面と面一またはこれよりも径方向外方に配置されている流体混合器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項において、前記第１の流体は前記第２の流体よりも低温である流体混合器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項において、前記本体における下流部が、下流に向かって通路面積が増大する拡径部により形成されている流体混合器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の流体混合器が、熱交換器の上流側に配置されてなる熱交換システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−８１９０５（Ｐ２０１３−８１９０５Ａ）
【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２０１１−２２３８２０（Ｐ２０１１−２２３８２０）
【出願日】平成２３年１０月１１日（２０１１．１０．１１）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【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１１日（２０１１．１０．１１）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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