流体混合方法及び流体混合装置
【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な流体混合方法、流体混合装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るベンチュリ型流体混合装置１は、主流管３にベンチュリ管５を設け、ベンチュリ管５の上流側から供給されるガス状の第１流体に、ベンチュリ管のど部９またはその上流側において液状の第２流体を供給することによって両流体を混合するベンチュリ型混合装置１であって、主流管３から分岐して設けられ、流路断面が主流管３よりも小さい小径部を有すると共に出口側をベンチュリ管のど部９またはその上流側に接続された分岐管７と、分岐管７の前記小径部又はその近傍に分岐管７の軸線方向に沿うように設けられて分岐管７の小径部又はその近傍を二重管構造にする内管１２と、内管１２内に前記第２流体を供給する供給部と、主流管３における分岐管７の分岐部よりも下流側に設けられて主流管３を流れる流量を調整する流量調整弁１５とを備えてなるものである。
【解決手段】本発明に係るベンチュリ型流体混合装置１は、主流管３にベンチュリ管５を設け、ベンチュリ管５の上流側から供給されるガス状の第１流体に、ベンチュリ管のど部９またはその上流側において液状の第２流体を供給することによって両流体を混合するベンチュリ型混合装置１であって、主流管３から分岐して設けられ、流路断面が主流管３よりも小さい小径部を有すると共に出口側をベンチュリ管のど部９またはその上流側に接続された分岐管７と、分岐管７の前記小径部又はその近傍に分岐管７の軸線方向に沿うように設けられて分岐管７の小径部又はその近傍を二重管構造にする内管１２と、内管１２内に前記第２流体を供給する供給部と、主流管３における分岐管７の分岐部よりも下流側に設けられて主流管３を流れる流量を調整する流量調整弁１５とを備えてなるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主流管を流れる流体に別の流体を添加して混合を行う流体混合方法及び装置に関する。
【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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
天然ガスの流量は都市ガス需要量に応じて変動する。一方、ベンチュリ管は流量が変化するとその流速および低圧発生効果が低下するため、特許文献１に開示されたもののように、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。そのため、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。
【０００８】
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ため、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漏洩の問題が生ずる。
【０００９】
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。
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。
【００１０】
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な流体混合方法及び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】
【００１１】
（１）本発明に係る流体混合方法は、主流路を流れるガス状の第１流体に、主流路の途中で液状の第２流体を供給することによって両流体を混合する流体の混合方法であって、
前記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前記主流路から分岐して設け、該分岐流路の出口側を前記主流路における前記分岐流路の分岐位置よりも下流側に配置し、該分岐流路における前記小径部又はその近傍に該分岐流路の軸線方向に沿うように内管を設けて二重管構造にすると共に該内管内に前記第２流体を供給する供給部を設け、前記分岐流路の分岐位置と出口位置との間における前記主流路の流量を調整することにより前記内管内を流れる前記第１流体の流速を、前記第１流体が前記内管に供給された前記第２流体を巻き込んで微粒化するのに必要な流速に保つようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記内管内を流れる前記第１流体の流速を、前記第１流体が前記内管に供給された前記第２流体を巻き込んで環状噴霧流になるのに必要な流速に保つようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記主流路にベンチュリ管を設け、前記分岐流路の出口側を前記ベンチュリ管のど部またはその上流側に配置したことを特徴とするものである。
【００１４】
（４）また、本発明に係る流体混合装置は、主流管を流れるガス状の第１流体に、主流管の途中で液状の第２流体を供給することによって両流体を混合する流体混合装置であって、
前記主流管から分岐して設けられ、流路断面が前記主流管よりも小さい小径部を有すると共に出口側を前記主流管における前記分岐位置よりも下流側に接続された分岐管と、該分岐管の前記小径部又はその近傍に該分岐管の軸線方向に沿うように設けられて前記分岐管の小径部又はその近傍を二重管構造にする内管と、該内管内に前記第２流体を供給する供給部と、前記主流管における前記分岐管の分岐部よりも下流側かつ前記分岐管の出口部より上流側に設けられて前記主流管を流れる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。
【００１５】
（５）また、上記（４）に記載のものにおいて、前記内管を前記分岐管の出口近傍に配置したことを特徴とするものである。
【００１６】
（６）また、上記（４）又は（５）に記載のものにおいて、前記主流路にベンチュリ管を設け、前記分岐管出口を前記ベンチュリ管のど部またはその上流側に配置したことを特徴とするものである。
【００１７】
（７）また、上記（４）乃至（６）のいずれかに記載のものにおいて、前記分岐管の小径部の二重管構造になっている部分の流路断面積を、前記第１流体の最低流量として想定される量が流れたときに、前記第１流体が前記内管内を流れる流速が、前記内管に供給された前記第２流体を巻き込んで環状噴霧流になるのに必要な流速を保つことができる大きさに設定したことを特徴とするものである。
【００１８】
（８）また、上記（７）に記載のものにおいて、前記分岐管を流れる第１流体の流量及び／又は圧力を検知する検知手段を設け、該検知手段の検知信号に基づいて前記流量調整弁の開度を調整し、前記第１流体の流量が変動した場合でも、前記分岐管には常時、前記第１流体を前記最低流量流し、前記最低流量を超える流量分を前記主流管に流すようにしたことを特徴とするものである。
【００１９】
（９）また、上記（４）乃至（８）のいずれかに記載のものにおいて、前記主流管から分岐して設けられると共に出口側を前記主流管の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続された第２分岐管を備えたことを特徴とするものである。
【００２０】
（１０）また、上記（７）に記載のものにおいて、前記分岐管を流れる第１流体の流量及び／又は圧力を検知する第１検知手段と、前記主流管から分岐して設けられると共に出口側を前記主流管の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続された第２分岐管と、該第２分岐管を流れる第１流体の流量及び／又は圧力を検知する第２検知手段と、前記第２分岐管の流量を調整する第２流量調整弁とを備え、前記第２検知手段の検知信号に基づいて前記主流管に設けられた流量調整弁を調整すると共に、前記第１検知手段の検知信号に基づいて前記第２流量調整弁を調整し、
前記第１流体の流量が変動した場合でも、前記分岐管には常時、前記第１流体を前記最低流量流し、前記最低流量を超える流量分を前記第２分岐管に流し、さらに前記第２分岐管の流量が所定流量を超えときにその超えた流量分を前記主流管に流すようにしたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明においては、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前記主流路から分岐して設け、該分岐流路の出口側を前記主流路における前記分岐流路の分岐位置よりも下流側に配置し、該分岐流路における前記小径部又はその近傍に該分岐流路の軸線方向に沿うように内管を設けて二重管構造にすると共に該内管内に前記第２流体を供給する供給部を設け、前記分岐流路の分岐位置と出口位置との間における前記主流路の流量を調整することにより前記内管内を流れる前記第１流体の流速を、前記第１流体が前記内管に供給された前記第２流体を巻き込んで微粒化するのに必要な流速に保つようにしたので、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となる。また、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可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１に係るベンチュリ型流体混合装置を模式的に示した説明図である。
【図２】図１の一部を拡大して示す図である。
【図３】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４】本発明の他の実施の形態の説明図である。
【図５】本発明の他の実施の形態の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［実施の形態１］
本実施の形態に係る流体混合装置は、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１においては、主流管にベンチュリ管を設置してベンチュリ型混合装置として構成したものである。
【００２４】
本実施の形態に係るベンチュリ型混合装置１の基本構成は、図１に示すように、天然ガスが通流する主流管３に設けられたベンチュリ管５と、主流管３よりも出口流路断面が小径の分岐管７を主流管３から分岐して設け、分岐管７の出口側をベンチュリ管のど部９またはその上流側に接続し、該分岐管７の出口部の管内に該出口部を二重管構造にするように内管１２を設置し、該内管１２にＬＰＧを供給するＬＰＧ供給管１１の供給部１１ａを取り付けている。
また、本実施の形態のベンチュリ型混合装置１においては、分岐管７に、分岐管７を流れる天然ガスの流量を検知する流量検知器１３を設けると共に主流管３におけるベンチュリ管５と分岐管が分岐する分岐部の間に流量調整弁１５を設け、流量検知器１３の検知信号に基づいて流量調整弁１５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。
【００２５】
＜ＬＰＧ供給管＞
ＬＰＧ供給管１１はベンチュリ管５内にＬＰＧを供給するためのものであり、ＬＰＧ供給場所となる供給部１１ａは、図１及び図２に示すように、内管１２の管壁に配置されている。供給部１１ａを内管１２の管壁に配置することで、分岐管７内管１２内を流れる流速が増した天然ガスによって内管１２に供給されたＬＰＧが巻き込まれて環状噴霧流となってＬＰＧの微粒化混合が効果的に行われる。環状噴霧流が発生するメカニズムについては後述する。
なお、図１、図２においては、ＬＰＧ供給管１１は内管１２に直角に接続されているが、ＬＰＧ供給管１１を出口側に向けて傾斜させて配置するのがより好ましい。このようにすることで、供給部１１ａから内管１２に供給されるＬＰＧが内管１２を流れる天然ガスの流れの方向に向って流速を増すことになり、より環状噴霧流が形成しやすくなるからであるＬＰＧ流量が増大した場合にも安定した流動状態が得られやすくなる。
【００２６】
＜分岐管＞
分岐管７は、主流管３におけるベンチュリ管５の上流側から分岐して、その出口側がベンチュリ管のど部９もしくはベンチュリ管のど部９よりも上流側に接続されている。
分岐管７の流路断面積は主流管３よりも小径となる部分を有しており、分岐管７の前記小径部分を流れる天然ガスの流速が主流管３を流れる天然ガスの流速よりも速くなるように設定されている。前記小径部分は分岐管７の出口に配設するのが一般的である。
分岐管７出口に配設された小径部における天然ガスの流速を高速にすることで、ここに配置された内管１２内に供給されるＬＰＧを巻き込んだ環状噴霧流が発生してＬＰＧの微粒化が促進される。ここで、内管１２で発生する環状噴霧流について説明する。
【００２７】
図３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３（ａ））と、該線図内に示された流動様式を模式的に示す図（図３（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３（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20m/s以上になることで、液相が管壁を環状に流れ、環状になった液相の環内を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３（ｂ）右下の図参照）となる。
本実施の形態では、液状のＬＰＧが内管１２内に供給されると共に内管１２に高速の天然ガスが流れることで、内管１２内の流動様式が環状噴霧流となり、ＬＰＧが微粒化されて天然ガスへ効果的に混合される。なお、管状流の状態でもＬＰＧの微粒化効果は得られるが、管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】
内管１２を配置して二重管とすることの作用効果は以下の通りである。
供給部１１ａから内管１２に供給されたＬＰＧは、管状噴霧流となって内管１２内壁面上に液膜を形成しながら流れる。内管１２の外周側にもリング状流路が形成されており、このリング状流路にも天然ガスが流れている。内管１２の出口部分において、内管１２内壁面上に形成されているＬＰＧ液膜は、内管１２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管１２内を流れてきた天然ガス流れが存在し、液膜の外側にはリング状流路を流れてきた天然ガス流れが存在する。すなわち、ＬＰＧ液膜は天然ガスの流れで挟まれる状況となり、ＬＰＧ液膜は微細な液滴に微粒化されることになる。分岐管７内に内管１２を配置した狙いは、上述したように、液膜状となったＬＰＧを天然ガスの流れで挟み込むことによってＬＰＧの微粒化をより促進することにある。
内管１２内の天然ガス流速が小さくなると、管状流や管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１２内での微粒化特性が劣化するのみならず、内管１２出口でＬＰＧ液膜を天然ガス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。
微粒化されてたＬＰＧは、分岐管７を流れる天然ガスと混合され、さらにベンチュリ管５内で主流管から供給される天然ガスと合流し、ベンチュリ管のど部９を通過するときにさらに混合が促進される。
【００２９】
分岐管７の出口側の配置は任意でよい。例えば、一番望ましいのは図１に示すように、ベンチュリ管５と同軸方向に配置するものであるが、特に限定されるものではない。してもよいし、あるいは流路の軸線に対して軸心をずらした交差方向に配置してもよい。交差方向に配置すれば、分岐管７から噴射される天然ガスの流れによって旋回流を発生させることができ、ベンチュリ管のど部９での混合がより効果的に行われる。なお、分岐管７を交差方向に配置する場合の態様としては、分岐管７が接続される流路断面の外周部接線方向にすれば、旋回流が効果的に発生するので好ましい。
【００３０】
ＬＰＧの微粒化・混合性能に大きく影響するのは分岐管７における内管１２が設けられた部位での流速である。天然ガスを主流管３よりも流路断面積が小さい分岐管７に流し、分岐管７によって流すことによって流速を増し、該流速を増した天然ガスによって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。
分岐管７における内管１２が設けられた部位の管径は、都市ガスの最低流量運転のときにも、分岐管７内管１２内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７から全量流し、このときの分岐管７における内管１２が設けられた部位（分岐管７における小径部）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７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７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。
【００３１】
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３（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分岐管における内管１２内で前記流速が確保でき、かつ圧損が高くなり過ぎないような管路となるように分岐管７を設定すればよい。
【００３２】
例えば、分岐管７の管径は入り口側から出口側まで同じであってもよいが、内管１２が設けられた部位の流路断面を主流管３の流路断面より小さい小径部として、その他の部位は小径部よりも管径を大きくしてもよい。小径部以外の管径をこれより大きくしておくことで、分岐管７における圧損が大きくなりすぎることを回避することができる。
なおベンチュリ管のど部９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。
【００３３】
＜流量検知器＞
流量検知器１３は、分岐管７に設けられて分岐管７を流れる天然ガスの流量を検知するものである。
なお、流量検知器１３に代えて差圧検知器を設け、分岐管７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７における流量と圧力損失の関係から、分岐管７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。
【００３４】
＜流量調整弁＞
流量調整弁１５は、主流管３におけるベンチュリ管５と分岐管７の分岐部との間に設けられて、流量検知器１３の検知信号に基づいて主流管３を流れる天然ガス流量を調整し、これによって分岐管７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３（ａ）に示されるように、管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１１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７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（内管１２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。
【００３５】
＜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混合装置の動作を説明する。
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７にも流れ、分岐管７の出口側において内管１２内に供給されるＬＰＧを巻き込んだ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９に流入する。他方、主流管３を流れる天然ガスもベンチュリ管のど部９に流入する。したがって、ベンチュリ管のど部９には、分岐管７を経由してＬＰＧが添加された天然ガスと、主流管３からの天然ガスが流入し、ベンチュリ管のど部９を通過の際、さらにＬＰＧの混合が促進される。
【００３６】
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７及び主流管３を流れるトータルの天然ガスの流量が減少する。分岐管７を流れる天然ガス流量が所定値Ａよりも減少すると分岐管７内管１２内での流速が減少し、管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、流量検知器１３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１５の開度を小さくすることによって分岐管７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７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、分岐管７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。
【００３７】
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７及び主流管３を流れる天然ガスの流量が増加する。分岐管７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、流量検知器１３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１５の開度を大きくして主流管３を流れる量を増やし、分岐管７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７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７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損の過大な増大を防止することができる。
【００３８】
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７から全量、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７に設置された流量検出器１３で計測される流量が所定値Ａを保つように流量調整弁１５の開度を大きくしていき、天然ガス流量増加分を主流管３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７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７からへは常に微粒化・混合に必要な流量が供給されるようになる。また主流管３からの速度成分は、ベンチュリ管のど部９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。
【００３９】
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ＬＰＧの供給部となる内管１２が配設されている位置における分岐管７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。
また、本実施の形態においては、従来例のようにベンチュリ管のど部９の流路断面積を可動体によって変化させるような構造でなく、構造が単純であり、流路外との摺動部がなく摺動面などに対するシールが不要となり、また別途動力が不要である。
しかも、不純物の混入もなく、可燃性、腐食性、危険性を有する流体への適用が可能になる。
またさらに、外部に駆動源を設ける必要がないので、例えば駆動軸を流路に挿入する必要もない。
【００４０】
［実施の形態２］
図４は本発明の実施の形態２に係るベンチュリ型流体混合装置１７を模式的に示す説明図である。図４において、図１と同一部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態のベンチュリ型流体混合装置１７は、分岐管７を途中で２つに分岐して、分岐管７ａ、７ｂとし、分岐管７ａの出口部には実施の形態と同様に内管１２を配設し、分岐管７ｂの出口側端部を、ベンチュリ管流路断面の外周部接線方向、あるいはベンチュリ管５の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続したものである。
分岐管７ａには流量検知器１３が配設され、また、分岐管７ｂには流量検知器２３および流量調整弁２５が配設されている。
【００４１】
上記のように、分岐管７をさらに分岐してその一つの分岐管７ｂをベンチュリ管流路断面の外周部接線方向、あるいはベンチュリ管５の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続することにより、分岐管７ｂから供給される天然ガスによってベンチュリ管５内に旋回流が発生する。これによって、ベンチュリ管のど部９を流れる流速が増し、既に添加されているＬＰＧの混合が促進される。
【００４２】
上記のように構成された本実施の形態における流量制御方法を以下に説明する。
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７ａから全量、すなわち所定値Ａの流量を流す。この時、流量調整弁１５、流量調整弁２５は全閉となっている。
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７ａに設置された流量検出器１３で計測される流量が所定値Ａを保つように流量調整弁２５の開度を大きくしていき、天然ガス流量増加分を分岐管７ｂ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７ａ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７ａからは常に微粒化・混合に必要な流量が供給されるようになる。また分岐管７ｂからの速度成分は、ベンチュリ管５内に旋回流を発生させ、ベンチュリ管のど部９における流速をさらに増大させる方向に寄与する。
さらに都市ガス流量が増大し、分岐管７ｂに設置された流量検出器２３で計測される流量が所定値Ｃに達した時は、流量検出器２３で計測される流量が所定値Ｃを保つように流量調整弁１５の開度を大きくしていき、天然ガス流量増加分を主流管３から流入させるようにする。
【００４３】
ここで、前記所定値Ｃは、分岐管７ｂを流通させる天然ガス流量の最大値であり、分岐管７ｂの圧力損失が過大とならない範囲に設定する。例えば所定値Ｃの天然ガス流量が分岐管７ｂを流れた時の圧力損失が、分岐管７ａに所定値Ａの天然ガス流量が流れた際の分岐管７ａにおける圧力損失と同等以下となるようにする。
【００４４】
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、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。すなわち、ＬＰＧの供給部１１ａがある内管１２が配設されている位置における分岐管７ａの天然ガス流速を所定の流速に維持することができ、また分岐管７ｂからの旋回流で混合を促進させることができ、さらに主流管３からの速度成分は、ベンチュリ管のど部９における流速を増大させる方向に寄与する。
【００４５】
なお、図４に示す例では、分岐管７をさらに分岐して旋回流を発生させる分岐管７ｂとしたが、分岐管７とは別に旋回流を発生させるための分岐管を主流管３から直接分岐させるようにしてもよい。分岐管７ｂを主流管から直接分岐する位置は、流量調整弁１５の上流側、下流側どちらであっても構わない。
また、図４に示す例では、旋回流を発生させる分岐管７ｂは一本であるが、これを複数本、例えば２本、３本以上にしてベンチュリ管軸方向に並べて接続するようにしてもよい。
またさらに、旋回流を発生させる分岐管を複数本にした場合において、ベンチュリ管周方向に複数接続してもよい。
【００４６】
［実施の形態３］
図５は本発明の実施の形態３に係るベンチュリ型流体混合装置１９を模式的に示す説明図である。図５において、図１と同一部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態のベンチュリ型流体混合装置１９は、実施の形態１で示した構成に加えて、流量調整弁１５とベンチュリ管５との間から分岐する分岐管７ｃを設け、分岐管７ｃの端部をベンチュリ管のど部９の下流側に接続したものである。
接続の態様は実施の形態２と同様に旋回流が生ずるように、例えば流路断面の外周部接線方向、あるいはベンチュリ管５の軸線に対して軸心をずらした交差方向とする。
【００４７】
ベンチュリ管のど部９の下流側にも天然ガスの旋回流を発生させることでＬＰＧの混合をより効果的に行うことができる。
【００４８】
なお、上記の実施の形態においては、主流管３にベンチュリ管５を設けた例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、ベンチュリ管５を設けなくても分岐管７を流れる天然ガス流れによってＬＰＧが微粒化され、天然ガスと混合される。もっとも、ベンチュリ管５を設けることで、上述したように、ベンチュリ管のど部９での微粒化・混合がより促進されるという効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
主流路を流れる第１流体に、主流路の途中で第２流体を供給することによって両流体を混合する用途に適用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１、１７、１９ ベンチュリ型混合装置
３ 主流管
５ ベンチュリ管
７ 分岐管
７ａ、７ｂ、７ｃ 分岐管
９ ベンチュリ管のど部
１１ ＬＰＧ供給管
１１ａ 供給部
１２ 内管
１３、２３ 流量検出器
１５、２５ 流量調整弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主流管を流れる流体に別の流体を添加して混合を行う流体混合方法及び装置に関する。
【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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
天然ガスの流量は都市ガス需要量に応じて変動する。一方、ベンチュリ管は流量が変化するとその流速および低圧発生効果が低下するため、特許文献１に開示されたもののように、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。そのため、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。
【０００８】
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ため、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漏洩の問題が生ずる。
【０００９】
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。
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。
【００１０】
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な流体混合方法及び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】
【００１１】
（１）本発明に係る流体混合方法は、主流路を流れるガス状の第１流体に、主流路の途中で液状の第２流体を供給することによって両流体を混合する流体の混合方法であって、
前記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前記主流路から分岐して設け、該分岐流路の出口側を前記主流路における前記分岐流路の分岐位置よりも下流側に配置し、該分岐流路における前記小径部又はその近傍に該分岐流路の軸線方向に沿うように内管を設けて二重管構造にすると共に該内管内に前記第２流体を供給する供給部を設け、前記分岐流路の分岐位置と出口位置との間における前記主流路の流量を調整することにより前記内管内を流れる前記第１流体の流速を、前記第１流体が前記内管に供給された前記第２流体を巻き込んで微粒化するのに必要な流速に保つようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記内管内を流れる前記第１流体の流速を、前記第１流体が前記内管に供給された前記第２流体を巻き込んで環状噴霧流になるのに必要な流速に保つようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記主流路にベンチュリ管を設け、前記分岐流路の出口側を前記ベンチュリ管のど部またはその上流側に配置したことを特徴とするものである。
【００１４】
（４）また、本発明に係る流体混合装置は、主流管を流れるガス状の第１流体に、主流管の途中で液状の第２流体を供給することによって両流体を混合する流体混合装置であって、
前記主流管から分岐して設けられ、流路断面が前記主流管よりも小さい小径部を有すると共に出口側を前記主流管における前記分岐位置よりも下流側に接続された分岐管と、該分岐管の前記小径部又はその近傍に該分岐管の軸線方向に沿うように設けられて前記分岐管の小径部又はその近傍を二重管構造にする内管と、該内管内に前記第２流体を供給する供給部と、前記主流管における前記分岐管の分岐部よりも下流側かつ前記分岐管の出口部より上流側に設けられて前記主流管を流れる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。
【００１５】
（５）また、上記（４）に記載のものにおいて、前記内管を前記分岐管の出口近傍に配置したことを特徴とするものである。
【００１６】
（６）また、上記（４）又は（５）に記載のものにおいて、前記主流路にベンチュリ管を設け、前記分岐管出口を前記ベンチュリ管のど部またはその上流側に配置したことを特徴とするものである。
【００１７】
（７）また、上記（４）乃至（６）のいずれかに記載のものにおいて、前記分岐管の小径部の二重管構造になっている部分の流路断面積を、前記第１流体の最低流量として想定される量が流れたときに、前記第１流体が前記内管内を流れる流速が、前記内管に供給された前記第２流体を巻き込んで環状噴霧流になるのに必要な流速を保つことができる大きさに設定したことを特徴とするものである。
【００１８】
（８）また、上記（７）に記載のものにおいて、前記分岐管を流れる第１流体の流量及び／又は圧力を検知する検知手段を設け、該検知手段の検知信号に基づいて前記流量調整弁の開度を調整し、前記第１流体の流量が変動した場合でも、前記分岐管には常時、前記第１流体を前記最低流量流し、前記最低流量を超える流量分を前記主流管に流すようにしたことを特徴とするものである。
【００１９】
（９）また、上記（４）乃至（８）のいずれかに記載のものにおいて、前記主流管から分岐して設けられると共に出口側を前記主流管の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続された第２分岐管を備えたことを特徴とするものである。
【００２０】
（１０）また、上記（７）に記載のものにおいて、前記分岐管を流れる第１流体の流量及び／又は圧力を検知する第１検知手段と、前記主流管から分岐して設けられると共に出口側を前記主流管の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続された第２分岐管と、該第２分岐管を流れる第１流体の流量及び／又は圧力を検知する第２検知手段と、前記第２分岐管の流量を調整する第２流量調整弁とを備え、前記第２検知手段の検知信号に基づいて前記主流管に設けられた流量調整弁を調整すると共に、前記第１検知手段の検知信号に基づいて前記第２流量調整弁を調整し、
前記第１流体の流量が変動した場合でも、前記分岐管には常時、前記第１流体を前記最低流量流し、前記最低流量を超える流量分を前記第２分岐管に流し、さらに前記第２分岐管の流量が所定流量を超えときにその超えた流量分を前記主流管に流すようにしたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明においては、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前記主流路から分岐して設け、該分岐流路の出口側を前記主流路における前記分岐流路の分岐位置よりも下流側に配置し、該分岐流路における前記小径部又はその近傍に該分岐流路の軸線方向に沿うように内管を設けて二重管構造にすると共に該内管内に前記第２流体を供給する供給部を設け、前記分岐流路の分岐位置と出口位置との間における前記主流路の流量を調整することにより前記内管内を流れる前記第１流体の流速を、前記第１流体が前記内管に供給された前記第２流体を巻き込んで微粒化するのに必要な流速に保つようにしたので、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となる。また、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可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１に係るベンチュリ型流体混合装置を模式的に示した説明図である。
【図２】図１の一部を拡大して示す図である。
【図３】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４】本発明の他の実施の形態の説明図である。
【図５】本発明の他の実施の形態の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［実施の形態１］
本実施の形態に係る流体混合装置は、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１においては、主流管にベンチュリ管を設置してベンチュリ型混合装置として構成したものである。
【００２４】
本実施の形態に係るベンチュリ型混合装置１の基本構成は、図１に示すように、天然ガスが通流する主流管３に設けられたベンチュリ管５と、主流管３よりも出口流路断面が小径の分岐管７を主流管３から分岐して設け、分岐管７の出口側をベンチュリ管のど部９またはその上流側に接続し、該分岐管７の出口部の管内に該出口部を二重管構造にするように内管１２を設置し、該内管１２にＬＰＧを供給するＬＰＧ供給管１１の供給部１１ａを取り付けている。
また、本実施の形態のベンチュリ型混合装置１においては、分岐管７に、分岐管７を流れる天然ガスの流量を検知する流量検知器１３を設けると共に主流管３におけるベンチュリ管５と分岐管が分岐する分岐部の間に流量調整弁１５を設け、流量検知器１３の検知信号に基づいて流量調整弁１５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。
【００２５】
＜ＬＰＧ供給管＞
ＬＰＧ供給管１１はベンチュリ管５内にＬＰＧを供給するためのものであり、ＬＰＧ供給場所となる供給部１１ａは、図１及び図２に示すように、内管１２の管壁に配置されている。供給部１１ａを内管１２の管壁に配置することで、分岐管７内管１２内を流れる流速が増した天然ガスによって内管１２に供給されたＬＰＧが巻き込まれて環状噴霧流となってＬＰＧの微粒化混合が効果的に行われる。環状噴霧流が発生するメカニズムについては後述する。
なお、図１、図２においては、ＬＰＧ供給管１１は内管１２に直角に接続されているが、ＬＰＧ供給管１１を出口側に向けて傾斜させて配置するのがより好ましい。このようにすることで、供給部１１ａから内管１２に供給されるＬＰＧが内管１２を流れる天然ガスの流れの方向に向って流速を増すことになり、より環状噴霧流が形成しやすくなるからであるＬＰＧ流量が増大した場合にも安定した流動状態が得られやすくなる。
【００２６】
＜分岐管＞
分岐管７は、主流管３におけるベンチュリ管５の上流側から分岐して、その出口側がベンチュリ管のど部９もしくはベンチュリ管のど部９よりも上流側に接続されている。
分岐管７の流路断面積は主流管３よりも小径となる部分を有しており、分岐管７の前記小径部分を流れる天然ガスの流速が主流管３を流れる天然ガスの流速よりも速くなるように設定されている。前記小径部分は分岐管７の出口に配設するのが一般的である。
分岐管７出口に配設された小径部における天然ガスの流速を高速にすることで、ここに配置された内管１２内に供給されるＬＰＧを巻き込んだ環状噴霧流が発生してＬＰＧの微粒化が促進される。ここで、内管１２で発生する環状噴霧流について説明する。
【００２７】
図３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３（ａ））と、該線図内に示された流動様式を模式的に示す図（図３（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３（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20m/s以上になることで、液相が管壁を環状に流れ、環状になった液相の環内を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３（ｂ）右下の図参照）となる。
本実施の形態では、液状のＬＰＧが内管１２内に供給されると共に内管１２に高速の天然ガスが流れることで、内管１２内の流動様式が環状噴霧流となり、ＬＰＧが微粒化されて天然ガスへ効果的に混合される。なお、管状流の状態でもＬＰＧの微粒化効果は得られるが、管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】
内管１２を配置して二重管とすることの作用効果は以下の通りである。
供給部１１ａから内管１２に供給されたＬＰＧは、管状噴霧流となって内管１２内壁面上に液膜を形成しながら流れる。内管１２の外周側にもリング状流路が形成されており、このリング状流路にも天然ガスが流れている。内管１２の出口部分において、内管１２内壁面上に形成されているＬＰＧ液膜は、内管１２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管１２内を流れてきた天然ガス流れが存在し、液膜の外側にはリング状流路を流れてきた天然ガス流れが存在する。すなわち、ＬＰＧ液膜は天然ガスの流れで挟まれる状況となり、ＬＰＧ液膜は微細な液滴に微粒化されることになる。分岐管７内に内管１２を配置した狙いは、上述したように、液膜状となったＬＰＧを天然ガスの流れで挟み込むことによってＬＰＧの微粒化をより促進することにある。
内管１２内の天然ガス流速が小さくなると、管状流や管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１２内での微粒化特性が劣化するのみならず、内管１２出口でＬＰＧ液膜を天然ガス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。
微粒化されてたＬＰＧは、分岐管７を流れる天然ガスと混合され、さらにベンチュリ管５内で主流管から供給される天然ガスと合流し、ベンチュリ管のど部９を通過するときにさらに混合が促進される。
【００２９】
分岐管７の出口側の配置は任意でよい。例えば、一番望ましいのは図１に示すように、ベンチュリ管５と同軸方向に配置するものであるが、特に限定されるものではない。してもよいし、あるいは流路の軸線に対して軸心をずらした交差方向に配置してもよい。交差方向に配置すれば、分岐管７から噴射される天然ガスの流れによって旋回流を発生させることができ、ベンチュリ管のど部９での混合がより効果的に行われる。なお、分岐管７を交差方向に配置する場合の態様としては、分岐管７が接続される流路断面の外周部接線方向にすれば、旋回流が効果的に発生するので好ましい。
【００３０】
ＬＰＧの微粒化・混合性能に大きく影響するのは分岐管７における内管１２が設けられた部位での流速である。天然ガスを主流管３よりも流路断面積が小さい分岐管７に流し、分岐管７によって流すことによって流速を増し、該流速を増した天然ガスによって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。
分岐管７における内管１２が設けられた部位の管径は、都市ガスの最低流量運転のときにも、分岐管７内管１２内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７から全量流し、このときの分岐管７における内管１２が設けられた部位（分岐管７における小径部）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７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７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。
【００３１】
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３（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分岐管における内管１２内で前記流速が確保でき、かつ圧損が高くなり過ぎないような管路となるように分岐管７を設定すればよい。
【００３２】
例えば、分岐管７の管径は入り口側から出口側まで同じであってもよいが、内管１２が設けられた部位の流路断面を主流管３の流路断面より小さい小径部として、その他の部位は小径部よりも管径を大きくしてもよい。小径部以外の管径をこれより大きくしておくことで、分岐管７における圧損が大きくなりすぎることを回避することができる。
なおベンチュリ管のど部９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。
【００３３】
＜流量検知器＞
流量検知器１３は、分岐管７に設けられて分岐管７を流れる天然ガスの流量を検知するものである。
なお、流量検知器１３に代えて差圧検知器を設け、分岐管７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７における流量と圧力損失の関係から、分岐管７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。
【００３４】
＜流量調整弁＞
流量調整弁１５は、主流管３におけるベンチュリ管５と分岐管７の分岐部との間に設けられて、流量検知器１３の検知信号に基づいて主流管３を流れる天然ガス流量を調整し、これによって分岐管７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３（ａ）に示されるように、管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１１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７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（内管１２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。
【００３５】
＜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混合装置の動作を説明する。
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７にも流れ、分岐管７の出口側において内管１２内に供給されるＬＰＧを巻き込んだ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９に流入する。他方、主流管３を流れる天然ガスもベンチュリ管のど部９に流入する。したがって、ベンチュリ管のど部９には、分岐管７を経由してＬＰＧが添加された天然ガスと、主流管３からの天然ガスが流入し、ベンチュリ管のど部９を通過の際、さらにＬＰＧの混合が促進される。
【００３６】
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７及び主流管３を流れるトータルの天然ガスの流量が減少する。分岐管７を流れる天然ガス流量が所定値Ａよりも減少すると分岐管７内管１２内での流速が減少し、管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、流量検知器１３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１５の開度を小さくすることによって分岐管７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７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、分岐管７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。
【００３７】
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７及び主流管３を流れる天然ガスの流量が増加する。分岐管７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、流量検知器１３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１５の開度を大きくして主流管３を流れる量を増やし、分岐管７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７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７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損の過大な増大を防止することができる。
【００３８】
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７から全量、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７に設置された流量検出器１３で計測される流量が所定値Ａを保つように流量調整弁１５の開度を大きくしていき、天然ガス流量増加分を主流管３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７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７からへは常に微粒化・混合に必要な流量が供給されるようになる。また主流管３からの速度成分は、ベンチュリ管のど部９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。
【００３９】
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ＬＰＧの供給部となる内管１２が配設されている位置における分岐管７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。
また、本実施の形態においては、従来例のようにベンチュリ管のど部９の流路断面積を可動体によって変化させるような構造でなく、構造が単純であり、流路外との摺動部がなく摺動面などに対するシールが不要となり、また別途動力が不要である。
しかも、不純物の混入もなく、可燃性、腐食性、危険性を有する流体への適用が可能になる。
またさらに、外部に駆動源を設ける必要がないので、例えば駆動軸を流路に挿入する必要もない。
【００４０】
［実施の形態２］
図４は本発明の実施の形態２に係るベンチュリ型流体混合装置１７を模式的に示す説明図である。図４において、図１と同一部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態のベンチュリ型流体混合装置１７は、分岐管７を途中で２つに分岐して、分岐管７ａ、７ｂとし、分岐管７ａの出口部には実施の形態と同様に内管１２を配設し、分岐管７ｂの出口側端部を、ベンチュリ管流路断面の外周部接線方向、あるいはベンチュリ管５の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続したものである。
分岐管７ａには流量検知器１３が配設され、また、分岐管７ｂには流量検知器２３および流量調整弁２５が配設されている。
【００４１】
上記のように、分岐管７をさらに分岐してその一つの分岐管７ｂをベンチュリ管流路断面の外周部接線方向、あるいはベンチュリ管５の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続することにより、分岐管７ｂから供給される天然ガスによってベンチュリ管５内に旋回流が発生する。これによって、ベンチュリ管のど部９を流れる流速が増し、既に添加されているＬＰＧの混合が促進される。
【００４２】
上記のように構成された本実施の形態における流量制御方法を以下に説明する。
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７ａから全量、すなわち所定値Ａの流量を流す。この時、流量調整弁１５、流量調整弁２５は全閉となっている。
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７ａに設置された流量検出器１３で計測される流量が所定値Ａを保つように流量調整弁２５の開度を大きくしていき、天然ガス流量増加分を分岐管７ｂ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７ａ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７ａからは常に微粒化・混合に必要な流量が供給されるようになる。また分岐管７ｂからの速度成分は、ベンチュリ管５内に旋回流を発生させ、ベンチュリ管のど部９における流速をさらに増大させる方向に寄与する。
さらに都市ガス流量が増大し、分岐管７ｂに設置された流量検出器２３で計測される流量が所定値Ｃに達した時は、流量検出器２３で計測される流量が所定値Ｃを保つように流量調整弁１５の開度を大きくしていき、天然ガス流量増加分を主流管３から流入させるようにする。
【００４３】
ここで、前記所定値Ｃは、分岐管７ｂを流通させる天然ガス流量の最大値であり、分岐管７ｂの圧力損失が過大とならない範囲に設定する。例えば所定値Ｃの天然ガス流量が分岐管７ｂを流れた時の圧力損失が、分岐管７ａに所定値Ａの天然ガス流量が流れた際の分岐管７ａにおける圧力損失と同等以下となるようにする。
【００４４】
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、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。すなわち、ＬＰＧの供給部１１ａがある内管１２が配設されている位置における分岐管７ａの天然ガス流速を所定の流速に維持することができ、また分岐管７ｂからの旋回流で混合を促進させることができ、さらに主流管３からの速度成分は、ベンチュリ管のど部９における流速を増大させる方向に寄与する。
【００４５】
なお、図４に示す例では、分岐管７をさらに分岐して旋回流を発生させる分岐管７ｂとしたが、分岐管７とは別に旋回流を発生させるための分岐管を主流管３から直接分岐させるようにしてもよい。分岐管７ｂを主流管から直接分岐する位置は、流量調整弁１５の上流側、下流側どちらであっても構わない。
また、図４に示す例では、旋回流を発生させる分岐管７ｂは一本であるが、これを複数本、例えば２本、３本以上にしてベンチュリ管軸方向に並べて接続するようにしてもよい。
またさらに、旋回流を発生させる分岐管を複数本にした場合において、ベンチュリ管周方向に複数接続してもよい。
【００４６】
［実施の形態３］
図５は本発明の実施の形態３に係るベンチュリ型流体混合装置１９を模式的に示す説明図である。図５において、図１と同一部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態のベンチュリ型流体混合装置１９は、実施の形態１で示した構成に加えて、流量調整弁１５とベンチュリ管５との間から分岐する分岐管７ｃを設け、分岐管７ｃの端部をベンチュリ管のど部９の下流側に接続したものである。
接続の態様は実施の形態２と同様に旋回流が生ずるように、例えば流路断面の外周部接線方向、あるいはベンチュリ管５の軸線に対して軸心をずらした交差方向とする。
【００４７】
ベンチュリ管のど部９の下流側にも天然ガスの旋回流を発生させることでＬＰＧの混合をより効果的に行うことができる。
【００４８】
なお、上記の実施の形態においては、主流管３にベンチュリ管５を設けた例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、ベンチュリ管５を設けなくても分岐管７を流れる天然ガス流れによってＬＰＧが微粒化され、天然ガスと混合される。もっとも、ベンチュリ管５を設けることで、上述したように、ベンチュリ管のど部９での微粒化・混合がより促進されるという効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
主流路を流れる第１流体に、主流路の途中で第２流体を供給することによって両流体を混合する用途に適用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１、１７、１９ ベンチュリ型混合装置
３ 主流管
５ ベンチュリ管
７ 分岐管
７ａ、７ｂ、７ｃ 分岐管
９ ベンチュリ管のど部
１１ ＬＰＧ供給管
１１ａ 供給部
１２ 内管
１３、２３ 流量検出器
１５、２５ 流量調整弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主流路を流れるガス状の第１流体に、主流路の途中で液状の第２流体を供給することによって両流体を混合する流体の混合方法であって、
前記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前記主流路から分岐して設け、該分岐流路の出口側を前記主流路における前記分岐流路の分岐位置よりも下流側に配置し、該分岐流路における前記小径部又はその近傍に該分岐流路の軸線方向に沿うように内管を設けて二重管構造にすると共に該内管内に前記第２流体を供給する供給部を設け、前記分岐流路の分岐位置と出口位置との間における前記主流路の流量を調整することにより前記内管内を流れる前記第１流体の流速を、前記第１流体が前記内管に供給された前記第２流体を巻き込んで微粒化するのに必要な流速に保つようにしたことを特徴とする流体混合方法。
【請求項２】
前記内管内を流れる前記第１流体の流速を、前記第１流体が前記内管に供給された前記第２流体を巻き込んで環状噴霧流になるのに必要な流速に保つようにしたことを特徴とする請求項１記載の流体混合方法。
【請求項３】
前記主流路にベンチュリ管を設け、前記分岐流路の出口側を前記ベンチュリ管のど部またはその上流側に配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の流体混合方法。
【請求項４】
主流管を流れるガス状の第１流体に、主流管の途中で液状の第２流体を供給することによって両流体を混合する流体混合装置であって、
前記主流管から分岐して設けられ、流路断面が前記主流管よりも小さい小径部を有すると共に出口側を前記主流管における前記分岐位置よりも下流側に接続された分岐管と、該分岐管の前記小径部又はその近傍に該分岐管の軸線方向に沿うように設けられて前記分岐管の小径部又はその近傍を二重管構造にする内管と、該内管内に前記第２流体を供給する供給部と、前記主流管における前記分岐管の分岐部よりも下流側かつ前記分岐管の出口部より上流側に設けられて前記主流管を流れる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混合装置。
【請求項５】
前記内管を前記分岐管の出口近傍に配置したことを特徴とする請求項４記載の流体混合装置。
【請求項６】
前記主流路にベンチュリ管を設け、前記分岐管出口を前記ベンチュリ管のど部またはその上流側に配置したことを特徴とする請求項４又は５に記載の流体の混合装置。
【請求項７】
前記分岐管の小径部の二重管構造になっている部分の流路断面積を、前記第１流体の最低流量として想定される量が流れたときに、前記第１流体が前記内管内を流れる流速が、前記内管に供給された前記第２流体を巻き込んで環状噴霧流になるのに必要な流速を保つことができる大きさに設定したことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の流体の混合装置。
【請求項８】
前記分岐管を流れる第１流体の流量及び／又は圧力を検知する検知手段を設け、該検知手段の検知信号に基づいて前記流量調整弁の開度を調整し、前記第１流体の流量が変動した場合でも、前記分岐管には常時、前記第１流体を前記最低流量流し、前記最低流量を超える流量分を前記主流管に流すようにしたことを特徴とする請求項７記載の流体混合装置。
【請求項９】
前記主流管から分岐して設けられると共に出口側を前記主流管の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続された第２分岐管を備えたことを特徴とする請求項４乃至８のいずれか一項に記載の流体混合装置。
【請求項１０】
前記分岐管を流れる第１流体の流量及び／又は圧力を検知する第１検知手段と、前記主流管から分岐して設けられると共に出口側を前記主流管の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続された第２分岐管と、該第２分岐管を流れる第１流体の流量及び／又は圧力を検知する第２検知手段と、前記第２分岐管の流量を調整する第２流量調整弁とを備え、前記第２検知手段の検知信号に基づいて前記主流管に設けられた流量調整弁を調整すると共に、前記第１検知手段の検知信号に基づいて前記第２流量調整弁を調整し、
前記第１流体の流量が変動した場合でも、前記分岐管には常時、前記第１流体を前記最低流量流し、前記最低流量を超える流量分を前記第２分岐管に流し、さらに前記第２分岐管の流量が所定流量を超えときにその超えた流量分を前記主流管に流すようにしたことを特徴とする請求項７記載の流体混合装置。
【請求項１】
主流路を流れるガス状の第１流体に、主流路の途中で液状の第２流体を供給することによって両流体を混合する流体の混合方法であって、
前記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前記主流路から分岐して設け、該分岐流路の出口側を前記主流路における前記分岐流路の分岐位置よりも下流側に配置し、該分岐流路における前記小径部又はその近傍に該分岐流路の軸線方向に沿うように内管を設けて二重管構造にすると共に該内管内に前記第２流体を供給する供給部を設け、前記分岐流路の分岐位置と出口位置との間における前記主流路の流量を調整することにより前記内管内を流れる前記第１流体の流速を、前記第１流体が前記内管に供給された前記第２流体を巻き込んで微粒化するのに必要な流速に保つようにしたことを特徴とする流体混合方法。
【請求項２】
前記内管内を流れる前記第１流体の流速を、前記第１流体が前記内管に供給された前記第２流体を巻き込んで環状噴霧流になるのに必要な流速に保つようにしたことを特徴とする請求項１記載の流体混合方法。
【請求項３】
前記主流路にベンチュリ管を設け、前記分岐流路の出口側を前記ベンチュリ管のど部またはその上流側に配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の流体混合方法。
【請求項４】
主流管を流れるガス状の第１流体に、主流管の途中で液状の第２流体を供給することによって両流体を混合する流体混合装置であって、
前記主流管から分岐して設けられ、流路断面が前記主流管よりも小さい小径部を有すると共に出口側を前記主流管における前記分岐位置よりも下流側に接続された分岐管と、該分岐管の前記小径部又はその近傍に該分岐管の軸線方向に沿うように設けられて前記分岐管の小径部又はその近傍を二重管構造にする内管と、該内管内に前記第２流体を供給する供給部と、前記主流管における前記分岐管の分岐部よりも下流側かつ前記分岐管の出口部より上流側に設けられて前記主流管を流れる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混合装置。
【請求項５】
前記内管を前記分岐管の出口近傍に配置したことを特徴とする請求項４記載の流体混合装置。
【請求項６】
前記主流路にベンチュリ管を設け、前記分岐管出口を前記ベンチュリ管のど部またはその上流側に配置したことを特徴とする請求項４又は５に記載の流体の混合装置。
【請求項７】
前記分岐管の小径部の二重管構造になっている部分の流路断面積を、前記第１流体の最低流量として想定される量が流れたときに、前記第１流体が前記内管内を流れる流速が、前記内管に供給された前記第２流体を巻き込んで環状噴霧流になるのに必要な流速を保つことができる大きさに設定したことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の流体の混合装置。
【請求項８】
前記分岐管を流れる第１流体の流量及び／又は圧力を検知する検知手段を設け、該検知手段の検知信号に基づいて前記流量調整弁の開度を調整し、前記第１流体の流量が変動した場合でも、前記分岐管には常時、前記第１流体を前記最低流量流し、前記最低流量を超える流量分を前記主流管に流すようにしたことを特徴とする請求項７記載の流体混合装置。
【請求項９】
前記主流管から分岐して設けられると共に出口側を前記主流管の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続された第２分岐管を備えたことを特徴とする請求項４乃至８のいずれか一項に記載の流体混合装置。
【請求項１０】
前記分岐管を流れる第１流体の流量及び／又は圧力を検知する第１検知手段と、前記主流管から分岐して設けられると共に出口側を前記主流管の軸線に対して軸心をずらした交差方向に接続された第２分岐管と、該第２分岐管を流れる第１流体の流量及び／又は圧力を検知する第２検知手段と、前記第２分岐管の流量を調整する第２流量調整弁とを備え、前記第２検知手段の検知信号に基づいて前記主流管に設けられた流量調整弁を調整すると共に、前記第１検知手段の検知信号に基づいて前記第２流量調整弁を調整し、
前記第１流体の流量が変動した場合でも、前記分岐管には常時、前記第１流体を前記最低流量流し、前記最低流量を超える流量分を前記第２分岐管に流し、さらに前記第２分岐管の流量が所定流量を超えときにその超えた流量分を前記主流管に流すようにしたことを特徴とする請求項７記載の流体混合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２００８０７（Ｐ２０１１−２００８０７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７１２４３（Ｐ２０１０−７１２４３）
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（０００００４１２３）ＪＦＥエンジニアリング株式会社 (1,044)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（０００００４１２３）ＪＦＥエンジニアリング株式会社 (1,044)
【Ｆターム（参考）】
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