JP4648792B2 - 流体混合装置及び流体混合方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体を混合する装置及び方法に関し、特にスチームと水の混合に適した混合装置及び混合方法に関する。

２種の流体ＡとＢ、例えばスチームと水、とを混合する装置として、図１９及び図２０に示すような構造の装置が知られている。図１９及び図２０に示す流体混合装置１１においては、流体Ａを供給する第１導管１２の周囲には流体Ｂを供給するチャンバ１４が設けられており、流体Ｂは、第１導管１２の外側から第１導管１２に設けられた孔１５を通じて流体Ａに混入される。このような構造の混合装置は、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。図１９に示す混合装置においては、流体Ｂは流体Ａの流れ方向に対して垂直方向に供給され、図２０に示す混合装置においては、流体Ｂは流体Ａの流れ方向と同一方向に供給される。すなわち、これらの混合装置においては、第１導管１２中に流体Ｂを供給するための孔１５が第１導管１２の外側から内側へ向かう方向は、第１導管１２の軸方向に平行な断面において、第１導管１２に対して垂直方向であるか、又は流体Ａの下流（二次）側方向である。

この他に、２種の流体を混合する装置として、特許文献３〜７に示すような形態の流体混合装置が知られている。

実開昭６２−９０７３４号公報 特開２０００−２１３６８１号公報 特開平７−１１６４８６号公報 特表２００５−５０３２５４号公報 特開昭６２−２８９２２６号公報 実開昭６２−６２８２７号公報 特開昭６３−１１６０３２号公報

水（流体Ａ）とスチーム（流体Ｂ）を混合する場合に、図１９に示すような流体混合装置を使用して水の流路方向に対して垂直にスチームを供給すると、大きな衝撃音（ウォータハンマ音）が発生し、騒音となっている。また、発生した音には非常に耳障りな機械的破裂音が含まれており、図１９に示すような流体混合装置においては、混合時に発生する音を低減することが課題となっている。そこで、混合装置に遮音措置を施す、又は図２０に示すような流体混合装置を使用すると、騒音値は図１９に示すような混合装置に比べれば低減されるが、満足できる結果は得られていない。

本発明の目的は、スチームのような高圧流体を混合する時に騒音を発生させない流体混合装置及びその混合方法を提供することである。

本発明においては、導管に穿設した孔を通じて高圧流体を導管中に流入させる場合に、導管を流れる流体の流れに対向するように高圧流体を流入させることにより、発生する音を低減させる。

本発明の第１視点の基本形態によれば、第１流体を導く第１導管と、第１導管の外周部の少なくとも一部にスチームを供給するチャンバと、チャンバにスチームを導く第２導管と、を有し、第１導管は、チャンバが面する部分に、スチームを第１流体に混入させるために穿設され、軸方向及び周方向に配設された複数の孔を有し、第１導管の軸方向に平行な断面において、孔が第１導管の外から内へ向かう方向は、第１流体の上流側であり、孔は、孔の中心を通る線とチャンバの中心を通る線とのなす角度が９０°のときと比べて、スチーム供給時に発生する音が低下するように、軸方向に対して傾斜している（ただし当該角度が７０°以上９０°未満は除く）流体混合装置を提供する。

本発明の第２視点の基本形態によれば、第１流体を導く第１導管と、第１導管に内設され、第１導管内にスチームを供給するチャンバと、チャンバにスチームを導く第２導管と、を有し、チャンバは、スチームを第１流体に混入させるために穿設され、軸方向及び周方向に配設された複数の孔を有し、第１導管の軸方向に平行な断面において、孔がチャンバの内から外へ向かう方向は、第１流体の上流側であり、孔は、孔の中心を通る線とチャンバの中心を通る線とのなす角度が９０°のときと比べて、スチーム供給時に発生する音が低下するように、軸方向に対して傾斜している（ただし当該角度が７０°以上９０°未満は除く）流体混合装置を提供する。

本発明の第３視点の基本形態によれば、第１流体とスチームとを混合する流体混合方法において、第１流体を導く第１導管の外側から、第１導管に穿設し、軸方向及び周方向に配設した複数の孔を経由して、第１導管の中心を通る線に対するスチームの流入角度が９０°のときと比べてスチーム供給時に発生する音が低下するように第１流体の上流側に向かって傾斜させて（ただし流入角度が７０°以上９０°未満は除く）、スチームを第１流体に供給する流体混合方法を提供する。

第３視点の好ましい形態によれば、第１導管内の流体に旋回流が生じるように、第１導管の軸方向に垂直な断面において第１導管面に対し同一方向に傾斜をつけて第２流体を供給する。

本発明の第４視点の基本形態によれば、第１流体とスチームとを混合する流体混合方法において、第１流体を導く第１導管の内側に配置したスチームを供給するチャンバに穿設し、軸方向及び周方向に配設した複数の孔を経由して、チャンバの中心を通る線に対するスチームの流入角度が９０°のときと比べてスチーム供給時に発生する音が低下するように第１流体の上流側に向かって傾斜させて（ただし流入角度が７０°以上９０°未満は除く）、スチームを第１流体に供給する流体混合方法を提供する。

第４視点の好ましい形態によれば、第１導管内の流体に旋回流が生じるように、第１導管の軸方向に垂直な断面においてチャンバ面に対し同一方向に傾斜をつけて第２流体を供給する。

第３視点及び第４視点の好ましい形態によれば、第１流体を水とし、第２流体をスチームとする。

本発明の流体混合装置及び流体混合方法によれば、低圧流体と高圧流体を混合する時に発生する音の大きさを、混合性能を低下させることなく低減することができる。例えば、水とスチームを混合する場合に、混合装置から発生する音を小さくすることができる。また、本発明によれば、スチームと水との不快な干渉音やスチーム停止時のウォータハンマ現象も低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る流体混合装置及び流体混合方法について説明する。図１は、第１導管に平行な断面における流体混合装置の（投影）断面図である。ここで、流体Ａ（第１流体）は水のような低圧流体を示し、流体Ｂ（第２流体）はスチームのような高圧流体を示す。図１に示す形態においては、流体Ａは第１導管２中を左から右へ流れており、第１導管２の一部には、流体Ｂを第１導管中に流入させるために孔５が開けられている。流体Ｂを供給するためのチャンバ４は、孔５部分に接しており、流体Ｂは、流体Ａの流路方向に対向するように供給される。すなわち、孔５が第１導管２の外から内へ向かう方向は、流体Ａの上流（一次）側を向いている。なお、本発明においてチャンバとは、流体Ｂを供給するための部分のことをいい、導管の一部であっても構わない。

図１の形態と異なる形態を図２及び図３に示す。図２に示す形態においては、チャンバ４は、第１導管２の外周の少なくとも一部を取り囲むように形成され、第１導管２と二重管を構成している。孔５は、チャンバ４に面している部分全体に形成されており、いずれの孔も第１導管２の内面側が流体Ａの上流側を向いている。図３に示す形態においては、流体Ｂを供給する第２導管３と第１導管２とが二重管構造になっており、チャンバ４が第２導管３の一部を形成している。孔５は、第１導管２の内面側が流体Ａの上流側を向くように開けられており、流体Ｂは、第１導管２中を流れる流体Ａの方向とは逆向きに第２導管３中を移動する。

図４は、第１実施形態に係る第１導管２の軸方向に垂直な断面の投影図を示す。図４（ａ）に示す形態においては、孔５は第１導管２の中心方向を向いているが、図４（ｂ）に示す形態においては、孔５は、円周方向（周部）に対し同一方向を向く（傾斜する）ように形成されている。図４（ｂ）のような形態によれば、孔５を通じて第１導管２に流入する流体Ｂにより、第１導管２内を流れる流体は自己旋回流を生じてスムーズに混合及び移送することができる。

図５は、第１実施形態に係る第１導管２の透視斜視図を示す。図５（ａ）は、軸方向に平行な断面の形態が図２に示す形態、軸方向に垂直な断面の形態が図４（ａ）に示す形態の斜視図であり、図５（ｂ）は、軸方向に平行な断面の形態が図２に示す形態、軸方向に垂直な断面の形態が図４（ｂ）に示す形態の斜視図である。図５（ａ）に示す形態では、孔５は、第１導管２の内面側が流体Ａの上流方向を向くように傾斜すると共に、流体Ａの流路の中心方向を向いている。図５（ｂ）に示す形態では、孔５は、第１導管２の内面側が流体Ａの上流方向を向くように傾斜すると共に、第１導管２の円周（外周）方向に対し同一方向に傾斜している。すなわち、流体Ｂは第１導管２の軸方向に対してらせん方向に供給される。

第１導管２の軸方向に平行な（投影）断面において、流体Ｂの流入角度、すなわち孔５の傾斜角度、は、流体Ａの流れに対して好ましくは２０°〜７０°、より好ましくは３０°〜６０°、さらに好ましくは４０°〜５０°である。例えば、図１に示す（投影）断面図においては、孔５の中心を通る線と第１導管２の中心を通る線とのなす角αが、上記角度範囲にあると好ましい。それは、流体Ｂの流入角度が低角になりすぎると、孔５が長くなり、装置の加工が困難になると共に、流体Ｂがスムーズに導入されなくなるためである。また、孔５の角度が高角になりすぎると、従来の混合装置のように音が大きくなるためである。

また、第１導管２の軸方向に垂直な（投影）断面において、流体Ｂの流入角度は、すなわち孔５の傾斜角度は、第１導管２の中心を通る線に対して好ましくは０°〜５０°、より好ましくは１０°〜４０°、さらに好ましくは２０°〜３０°である。例えば、図４（ｂ）に示す（投影）断面図においては、第１導管２の外面（外周）と孔の中心を通る線との交点における第１導管２の中心を通る線と孔５の中心を通る線とのなす角βが、上記角度範囲にあると好ましい。

本発明の第２実施形態に係る流体混合装置及び流体混合方法について説明する。第１実施形態においては、低圧流体Ａの導管の外側から高圧流体Ｂを低圧流体Ａに導入させたが、第２の実施形態においては、低圧流体Ａの導管の内側から高圧流体Ｂを低圧流体Ａに導入させる。図６及び図７は、第１導管の軸方向に平行な断面における流体混合装置の（投影）断面図である。図６に示す形態においては、流体Ｂを供給するチャンバ４を覆うように、流体Ａを供給する第１導管２が形成され、二重管を構成している。図７に示す形態においては、第１導管２の内部に第２導管３が配置され、二重管を構成している。図６及び図７のいずれの形態においても、流体Ｂを流体Ａ中に流入させる孔５は、チャンバ４に形成され、第１実施形態のように流体Ａの上流側を向いている。すなわち、流体Ｂは、チャンバ４の内側から外側に向かって流体Ａの上流側方向に供給される。また、チャンバ４の軸方向に垂直な断面において、孔５は、図４（ａ）に示すようにチャンバ４の中心を向くように形成することもできれば、図４（ｂ）に示すようにチャンバ４の周方向（周部）に対し同一方向に傾斜するように形成することもできる。

チャンバ４の軸方向に平行な（投影）断面において、流体Ｂの流入角度、すなわち孔５の傾斜角度、は、流体Ａの流路方向に対して、好ましくは２０°〜７０°、より好ましくは３０°〜６０°、さらに好ましくは４０°〜５０°である。例えば、図６及び図７に示す（投影）断面図において、孔５の中心を通る線とチャンバ４の中心を通る線とのなす角が、上記角度範囲にあると好ましい。

また、チャンバ４の軸方向に垂直な（投影）断面において、流体Ｂの流入角度、すなわち孔５の傾斜角度、は、チャンバ４の中心を通る線に対して好ましくは０°〜５０°、より好ましくは１０°〜４０°、さらに好ましくは２０°〜３０°である。例えば、当該（投影）断面図において、孔５の中心を通る線とチャンバ４の外面との交点におけるチャンバ４の中心を通る線と孔５の中心を通る線とのなす角が、上記角度範囲にあると好ましい。

第１実施形態及び第２実施形態において、混合流体を導く第１導管の内径は、例えば図８（ａ）に示すように一定であっても良いし、又は図８（ｂ）に示すように拡径ないし図８（ｃ）に示すように縮径させることもできる。例えば、混合させる流体Ｂの量が多い場合等において、急激な内圧上昇又は逆流を防止するために、下流（二次）側に向かって全体的に又は部分的に第１導管の内径を拡径させもよい。

第１導管又はチャンバに設ける孔の数及び径は、混合する各流体の流量、圧力に応じて適宜設定する。

本発明の流体混合装置について、従来の流体混合装置と騒音値及び昇音能力を比較した結果を実施例に示す。

実施例１においては、図１９に示すように高圧流体を低圧流体に対し垂直に供給する装置（垂直流型）と図２に示すように高圧流体を低圧流体と対向するように供給する装置（逆斜流型）について騒音測定を行った。本実施例において使用した流体混合装置は、図２に示すような第１導管の一部の全周をチャンバで覆ったものであり、本発明の流体混合装置としては図８（ａ）に示す定径型と図８（ｂ）に示す拡径型の両型について測定を行った。定径型装置の寸法は、内径４０ｍｍであり、拡径型の寸法は、一次側内径４０ｍｍ、二次側内径６７ｍｍである。また、両型において、孔の径は５ｍｍであり、第１導管の軸方向に垂直な（投影）断面において、孔は、図４（ａ）に示すように第１導管の中心方向を向いている。また、当該（投影）断面において、孔は８個形成されている。図２に示すような第１導管の軸方向に平行な断面における孔の傾斜角度、すなわち孔の中心を通る線と第１導管の中心を通る線とのなす角、は３０°である。図４に示すような第１導管の軸方向に垂直な断面における孔の群を１列とすると、孔は軸方向に１０列形成されており、第１導管全体における全部の孔の数は、１０列×８個／列＝８０個である。隣接する列同士は、孔が軸方向に直線的に並ばないように、円周方向に回転するように角度を変えて互い違いに配置されている。また、第１導管とチャンバとの間には、スチーム緩衝材を配置している。

使用した流体は、流体Ａとして水、流体Ｂとしてスチーム（１次蒸気圧力約０．５〜０．６ＭＰａ）である。騒音計は、混合装置から水平に１ｍ離れた位置に設置し、暗騒音は、水を供給するポンプ及びスチーム用ボイラーを運転している状態において測定した。水とスチームの混合条件は、スチーム供給量が５００ｋｇ／ｈ、水供給量が１７ｍ^３／ｈ又は３０ｍ^３／ｈである。図９及び図１０に、水供給量別の騒音値測定結果を示す。図９は、水供給量１７ｍ^３／ｈ時の騒音値であり、図１０は水供給量３０ｍ^３／ｈ時の騒音値である。これによれば、水供給量にかかわらず、垂直流型では、スチーム供給すると暗騒音時から約２０ｄＢ程増大するが、本発明の逆斜流型では、定径型及び拡径型のいずれの型においても５ｄＢ程度しか増大しなかった。これより、本発明の流体混合装置（逆斜流型）は、従来の垂直流型に比べて、スチーム供給時の音を低減できることが分かる。また、本発明の逆斜流型装置においては、スチーム供給時のハンチング現象やスチーム供給停止時のウォータハンマ現象は起こらなかった。

実施例２においては、高圧流体を低圧流体の流れ方向と同一方向に供給する図２０に示すような装置（正斜流型）と高圧流体を低圧流体の流れ方向と対向するように供給する図２に示すような本発明の装置（逆斜流型）について騒音測定を行った。使用した流体混合装置は、実施例１において使用した逆斜流定径型の装置であって、正斜流型と逆斜流型とは第１導管を配置する向きを変えることによって切り替えた。図１１〜図１３に、水供給量が１０ｍ^３／ｈ、２０ｍ^３／ｈ及び３０ｍ^３／ｈのそれぞれの場合について、蒸気供給量を５０ｋｇ／ｈ〜５００ｋｇ／ｈ（１次蒸気圧力約０．６ＭＰａ）を変化させたときの増加音量（騒音測定値から暗騒音値を差し引いた値）の変化を示す。また、蒸気供給量５００ｋｇ／ｈ時の騒音測定結果を図１４〜図１６に示す。図１１〜図１３によれば、蒸気供給量が多くなるにつれて増加音量は増大するが、本発明の逆斜流型は、正斜流型に比べて音量が増大する傾きが小さいことがわかる。また、図１４〜図１６によれば、正斜流型では全騒音に対する増加音量の割合が大きいことが読み取れる。これより、本発明の流体混合装置（逆斜流型）は、正斜流型に比べて、スチーム供給時の音を低減できることが分かる。また、本発明の逆斜流型の装置においては、スチーム供給時のハンチング現象やスチーム供給停止時のウォータハンマ現象は起こらなかった。

実施例３においては、実施例１及び実施例２において使用した逆斜流型、正斜流型及び垂直流型の３つの型について、水（１７ｍ^３／ｈ）とスチームの混合による昇温試験を行った。試験方法は、図２に示すような形態の混合装置を使用し、第１導管直後の配管内に図１７に示すように９つの測温抵抗体を十字状に配置して０．１秒毎に混合流体の温度測定を行った。図１８に、９箇所の測定温度を平均した水温変化の結果を示す。各型の１分当たりの平均昇温温度は、垂直流型１５．１℃／分、逆斜流定径型１５．９℃／分、逆斜流拡径型１６．８℃／分であった。図１８及び平均昇温温度によれば、３つの型の昇温速度はほぼ同等であり、本発明の逆斜流型の装置は、垂直流型と同等の混合性能を有していることが分かる。また、測温抵抗体の場所別の昇温状況を比較しても、各箇所はほぼ均等に昇温しており、混合に偏りが生じないことも判明した。これより、本発明の逆斜流型の流体混合装置の混合性能に問題がないことが示された。

実施例においては、液体（水）と気体（スチーム）の混合例について例示したが、本発明の流体混合装置は、実施例に限定されることなく、液体と液体の混合及び気体と気体の混合にも利用することができる。また、本発明の流体混合装置は、流動性のある固体状の流体の混合にも適用することができる。

本発明の第１実施形態に係る流体混合装置（逆斜流型）の（投影）断面図。 本発明の第１実施形態に係る流体混合装置（逆斜流型）の（投影）断面図。 本発明の第１実施形態に係る流体混合装置（逆斜流型）の（投影）断面図。 流体混合装置における第１導管の軸方向に垂直な（投影）断面図。 流体混合装置における第１導管の透視斜視図。 本発明の第２の実施形態に係る流体混合装置（逆斜流型）の（投影）断面図。 本発明の第２の実施形態に係る流体混合装置（逆斜流型）の（投影）断面図。 流体混合装置の第１導管の種々の形態を説明するための（投影）断面図。 実施例１の騒音測定結果を示すグラフ。 実施例１の騒音測定結果を示すグラフ。 実施例２の音量変化結果を示すグラフ。 実施例２の音量変化結果を示すグラフ。 実施例２の音量変化結果を示すグラフ。 実施例２の騒音測定結果を示すグラフ。 実施例２の騒音測定結果を示すグラフ。 実施例２の騒音測定結果を示すグラフ。 実施例３の測温抵抗体の配置位置を示す配管の断面図。 実施例３の昇温測定結果を示すグラフ。 従来の流体混合装置（垂直流型）の断面図。 従来の流体混合装置（正斜流型）の断面図

符号の説明

１ 流体混合装置
２ 第１導管
３ 第２導管
４ チャンバ
５ 孔
６ 測温抵抗体
７ 配管
１１ 流体混合装置
１２ 第１導管
１３ 第２導管
１４ チャンバ
１５ 孔

Claims (7)

1. 第１流体を導く第１導管と、
   前記第１導管の外周部の少なくとも一部にスチームを供給するチャンバと、
   前記チャンバに前記スチームを導く第２導管と、を有し、
   前記第１導管は、前記チャンバが面する部分に、スチームを第１流体に混入させるために穿設され、軸方向及び周方向に配設された複数の孔を有し、
   前記第１導管の軸方向に平行な断面において、前記孔が前記第１導管の外から内へ向かう方向は、第１流体の上流側であり、
   前記孔は、前記孔の中心を通る線と前記第１導管の中心を通る線とのなす角度が９０°のときと比べて、スチーム供給時に発生する音が低下するように、軸方向に対して傾斜している（ただし前記角度が７０°以上９０°未満は除く）ことを特徴とする流体混合装置。
2. 第１流体を導く第１導管と、
   前記第１導管に内設され、前記第１導管内にスチームを供給するチャンバと、
   前記チャンバに前記スチームを導く第２導管と、を有し、
   前記チャンバは、スチームを第１流体に混入させるために穿設され、軸方向及び周方向に配設された複数の孔を有し、
   前記第１導管の軸方向に平行な断面において、前記孔が前記チャンバの内から外へ向かう方向は、第１流体の上流側であり、
   前記孔は、前記孔の中心を通る線と前記チャンバの中心を通る線とのなす角度が９０°のときと比べて、前記スチーム供給時に発生する音が低下するように、軸方向に対して傾斜している（ただし前記角度が７０°以上９０°未満は除く）ことを特徴とする流体混合装置。
3. 第１流体とスチームとを混合する流体混合方法において、
   前記第１流体を導く第１導管の外側から、前記第１導管に穿設し、軸方向及び周方向に配設した複数の孔を経由して、前記第１導管の中心を通る線に対する前記スチームの流入角度が９０°のときと比べてスチーム供給時に発生する音が低下するように前記第１流体の上流側に向かって傾斜させて（ただし前記流入角度が７０°以上９０°未満は除く）、前記スチームを前記第１流体に供給することを特徴とする流体混合方法。
4. 前記第１導管内の流体に旋回流が生じるように、前記第１導管の軸方向に垂直な断面において前記第１導管面に対し同一方向に傾斜をつけて前記スチームを供給することを特徴とする請求項３記載の流体混合方法。
5. 第１流体とスチームとを混合する流体混合方法において、
   前記第１流体を導く第１導管の内側に配置した前記スチームを供給するチャンバに穿設し、軸方向及び周方向に配設した複数の孔を経由して、前記チャンバの中心を通る線に対する前記スチームの流入角度が９０°のときと比べてスチーム供給時に発生する音が低下するように前記第１流体の上流側に向かって傾斜させて（ただし前記流入角度が７０°以上９０°未満は除く）、前記スチームを前記第１流体に供給することを特徴とする流体混合方法。
6. 前記第１導管内の流体に旋回流が生じるように、前記第１導管の軸方向に垂直な断面において前記チャンバ面に対し同一方向に傾斜をつけて前記スチームを供給することを特徴とする請求項５記載の流体混合方法。
7. 前記第１流体を水とすることを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の流体混合方法。

Images