(57)【要約】【課題】複数種類の流体を混合させる混合配管構造において、圧力損失の発生を抑制しつつ、効果的な混合を行わせる。【解決手段】混合配管構造１１は、主配管１３に副配管１５の複数の分岐配管１９，２１を接続し、主配管１３内で複数種類の流体を混合させる。複数の分岐配管１９，２１によって一組の副配管１５が構成される。一組の副配管１５の分岐配管１９，２１の流路軸線が接続部において主配管１３の中心軸線と平行な同一の偏心平面に含まれると共に、主配管１３と一組の副配管１５の分岐配管１９，２１の各々とが上流側において鋭角をなすように接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主配管に副配管を接続し、主配管内で複数種類の流体を混合させるための混合配管構造であって、
複数の副配管によって一組の副配管を構成し、前記一組の副配管の各々が内部の流路に沿って延びる流路軸線を有し、
前記一組の副配管の各々の流路軸線が接続部において前記主配管の中心軸線と平行な同一の偏心平面に含まれると共に、前記主配管と前記一組の副配管の各々とが上流側において鋭角をなすように接続されていることを特徴とする混合配管構造。
【請求項２】
複数の組の副配管が前記主配管に接続されている、請求項１に記載の混合配管構造。
【請求項３】
前記複数の組の副配管が前記主配管の上流側端部に接続されている、請求項２に記載の混合配管構造。
【請求項４】
前記複数の組の副配管が同一構造及び同一寸法を有し、前記主配管の中心軸線周りに等角度間隔で配置されており、前記複数の組の副配管の流量が同一である、請求項２又は請求項３に記載の混合配管構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主配管に副配管を接続し、主配管内で複数種類の流体を混合させるための混合配管構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学工場、半導体製造、食品、バイオなどの各種産業における配管ラインでは、複数種類の流体を混合するための混合配管構造が用いられている。これらの配管構造の中には、混合を促進させるための工夫がなされたものがある。
【０００３】
例えば、図５に示されている注入配管では、蒸気の流れる蒸気配管１０１の円周上の複数位置において、冷水を注入する冷水注入配管１０２を蒸気配管１０１の円周接線方向に、かつ円周に対して傾斜角度をもたせて結続させている（特許文献１参照）。これにより、注入冷水が蒸気配管１０１内で円周方向に回転力を付与されて流入し、管内蒸気との混合が促進されるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭６２−１３４９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図５に示されている注入配管では、冷水注入配管が蒸気配管１０１の円周に対して傾斜して結続されていることにより、冷水注入配管１０２から流入した冷水が蒸気配管１０１の周面に衝突し、流入が妨げられて圧力損失が生じることを抑制することができる利点が生じる。また、冷水注入配管１０２から注入された流体は、蒸気配管１０１の内周面に沿って下流側へ向かって旋回しながら進んでいき、螺旋状の流れとなり、混合効率を向上させる効果を奏する。しかしながら、このように流体が螺旋状に流れると、蒸気配管１０１の円周方向に一回転する間に、所定距離だけ下流側に進むことになり、流れが蒸気配管１０１の流路軸線方向に所定間隔だけ離れて、デッドスペースを生じ、混合状態が不均一になる原因となり得る。
【０００６】
よって、本発明の目的は、従来技術に存する問題を解消して、複数種類の流体を混合させる混合配管構造において、圧力損失の発生を抑制しつつ、効果的な混合を行わせるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的に鑑み、主配管に副配管を接続し、主配管内で複数種類の流体を混合させるための混合配管構造であって、複数の副配管によって一組の副配管を構成し、前記一組の副配管の各々が内部の流路に沿って延びる流路軸線を有し、
前記一組の副配管の各々の流路軸線が接続部において前記主配管の中心軸線と平行な同一の偏心平面に含まれると共に、前記主配管と前記一組の副配管の各々とが上流側において鋭角をなすように接続されているようにした混合配管構造を提供する。
【０００８】
上記混合配管構造では、主配管と一組の副配管の各々とは上流側において鋭角をなすように接続されているので、各副配管から流入する流体は、主配管内の流体に円滑に合流することができ、圧力損失の発生を抑制することができる。これに加えて、一組の副配管の各々は、その流路軸線が主配管の中心軸線から離れた位置にある偏心平面内に含まれるように配置されているので、各副配管から流入する流体は、互いの円滑な流れを妨げることなく、主配管の内周面に沿って旋回しながら下流側へ向かって螺旋状に流れ、主配管内の流体と副配管から流入した流体とが回転力により効率的に混合される。また、一組の副配管は複数の副配管によって構成されているので、一組の副配管の一つから主配管に流入する流体の螺旋状流が一回転する間に進む距離の間に、他の副配管から主流路に流体を流入させるようにすれば、螺旋状流のデッドスペースを埋めることができ、より均一な混合を行うことが可能になる。
【０００９】
上記混合配管構造では、複数の組の副配管が前記主配管に接続されていることが好ましい。この場合、前記複数の組の副配管が前記主配管の上流側端部に接続されていてもよい。また、前記複数の組の副配管が同一構造及び同一寸法を有し、前記主配管の中心軸線周りに等角度間隔で配置されており、前記複数の組の副配管の流量が同一であることがさらに好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、主配管と一組の副配管の各々とが上流側において鋭角をなすように接続されていることにより、圧力損失の発生を抑制することができる。また、各々の流路軸線が主配管の中心軸線から離れた位置にある偏心平面内に含まれるように一組の副配管が配置されていることにより、従来技術と比較して、より均一な混合を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による第１の実施形態の混合配管構造の全体構成を示しており、（ａ）は側面図、（ｂ）は混合配管構造の主配管の中心軸線方向から見た端面図である。
【図２】図１に示されている混合配管構造の変形形態を示しており、（ａ）は側面図、（ｂ）は混合配管構造の主配管の中心軸線方向から見た端面図である。
【図３】本発明による第２の実施形態の混合配管構造の全体構造を示しており、（ａ）は側面図、（ｂ）は混合配管構造の主配管の中心軸線方向から見た端面図である。
【図４】本発明による第３の実施形態の混合配管構造の全体構造を示しており、（ａ）は側面図、（ｂ）は混合配管構造の主配管の中心軸線方向から見た端面図である。
【図５】従来技術の注入配管の構造を示しており、（ａ）は注入配管の側面図、（ｂ）は（ａ）の線Ｘ−Ｘにおいて矢印の方向に見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明による混合配管構造の実施の形態を説明する。
最初に、図１を参照して、第１の実施形態の混合配管構造１１の全体構成を説明する。
【００１３】
混合配管構造１１は、主配管１３と、主配管１３に接続される副配管１５とを備え、主配管１３内を流れる主流体に副配管１５内を流れる副流体を合流させて主流体と副流体とを混合させる。
【００１４】
主配管１３内には、主流体が流れるための断面円形の主流路が設けられており、主流路の上流端部には主流路入口１３ａが、主流路の下流端部には主流路出口１３ｂが形成されている。なお、図１に示されている実施形態では、主流路が円形断面を有しているが、主流路の断面形状は円形に限定されるものではなく、楕円形や卵形状とすることもできる。
【００１５】
副配管１５は、本配管１７と、本配管１７から分岐する複数の分岐配管１９，２１とを含み、複数の分岐配管１９，２１の各々がその下流端部に位置する接続部で主配管１３に接続されている。すなわち、複数の分岐配管１９，２１が一組になり、同じ種類の副流体を主流路に流入させるようになっている。図１に示されている第１の実施形態では、分岐配管は、上流側分岐配管１９と下流側分岐配管２１とによって構成されている。しかしながら、分岐配管は三つ以上の分岐配管から構成されていてもよい。副配管１５の本配管１７、上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１内には、副流体が流れるための副流路が設けられており、本配管１７の上流端部には副流路入口１５ａが形成されている。
【００１６】
複数の分岐配管（図１では、上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１）は、主配管１３と上流側において鋭角をなすように主配管１３に接続されている。また、複数の分岐配管１９，２１は、その長手方向に沿って延びる流路軸線が同一の偏心平面内に位置するように配置されている。ここで、「偏心平面」とは、主配管１５（詳細には、その内部の中心軸線）を含まず（すなわち主配管１５の中心軸線から離れて位置し）且つ主配管１５の中心軸線と平行な平面を意味する。したがって、複数の分岐配管１９，２１が主配管１３に接続される接続部は、主配管１３の中心軸線と平行な直線上の異なる位置に配置されることになる。また、複数の分岐配管１９，２１の流路軸線は、偏心平面上において、主配管１３と複数の分岐配管１９，２１の各々との接続部を結ぶ主配管１３の中心軸線と平行な直線に対して同じ側に配置されている。複数の分岐配管１９，２１の流路軸線を含む偏心平面は可能な限り主配管１３の中心軸線から離れるようにし、主配管１３の接平面に近づけことが好ましい。
【００１７】
なお、複数の分岐配管１９，２１の流路軸線が同一の偏心平面に含まれるようにしているのは、流体が接続部において複数の分岐配管１９，２１から同一の平面に沿って主配管１３の主流路に流入するようにするためである。図１に示されている実施形態では、上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１が直線配管から構成されているため、複数の分岐配管１９，２１の流路軸線の全体が同一の偏心平面に含まれているが、複数の分岐配管１９，２１の流路軸線は、少なくとも接続部近傍において同一の偏心平面に含まれるようになっていればよい。
【００１８】
複数の分岐配管は、異なる角度で非平行に延びていてもよく、互いに平行に延びていてもよい。すなわち、図１に示されている実施形態では、本配管１７から分岐する上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１が互いに異なる角度で主配管１３に接続されているが、図２に示されている変形形態のように、上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１が互いに平行に主配管１３に接続されていてもよい。
【００１９】
次に、第１の実施形態の混合配管構造１１の作用について説明する。
混合配管構造１１では、主配管１３の主流路入口１３ａに主流体が供給されると共に、副配管１５の副流路入口１５ａに副流体が供給される。副流路入口１５ａから供給された副流体は、本配管１７を経て上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１に分岐され、それぞれの接続部から主配管１３の主流路内に合流し、主流体に混合される。
【００２０】
主配管１３と上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１とは上流側になす角度が鋭角となるように接続されているので、上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１から合流する副流体は、主配管１３の主流路に下流側へ向かって流入し、主配管１３内を上流側から下流側に流れる主流体に円滑に合流することができる。したがって、合流時における圧力損失の発生を低減させることができる。また、上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１は、その流路軸線が少なくとも接続部の近傍において偏心平面上に位置するように配置されている。したがって、上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１は偏心位置で主配管１３に接続されることになり、上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１から主配管１３に合流する副流体は、接続部における円周接線方向に主配管１３の主流路内に流入し、主配管１３の主流路の内周面に沿って旋回しながら下流側へ向かって螺旋状に流れる。これにより、主配管１３内の流体と副配管１５から流入した流体とが回転力により効率的に混合される。特に、複数の分岐配管１９，２１の流路軸線を含む偏心平面が主配管１３の接平面に近いほど、上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１から主配管１３の主流路に流入する副流体が円滑に主配管１３の主流路の内周面に沿って螺旋状に流れるようになり、より効率的な混合がなされるようになる。
【００２１】
さらに、副配管１５の上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１は、主配管１３の中心軸線と平行な直線上の異なる位置で主配管１３に接続されている。したがって、上流側分岐配管１９から主配管１３の主流路内に流入する副流体の螺旋状流が主配管１３の中心軸線周りに一回転する間に下流側へ向かって進む距離の間に、下流側分岐配管２１から主配管１３の主流路内に副流体を流入させるようにすれば、螺旋状流のデッドスペースを埋めることができる。したがって、より均一な混合を行うことができる。加えて、上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１の流路軸線は、偏心平面において、主配管１３と上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１の各々との接続部を結ぶ主配管１３の中心軸線と平行な直線に対して同じ側に配置されているので、上流側分岐配管１９及び下流側分岐配管２１から主配管１３の主流路内に流入する副流体は主配管１３の中心軸線周りに同じ向きの螺旋状流を生じさせる。したがって、上流側分岐配管１９からの螺旋状流と下流側分岐配管２１からの螺旋状流とが互いの旋回力を打ち消し合うことが防がれる。これにより、螺旋状流がより長く維持され、より十分な混合効果を得やすくなる。
【００２２】
なお、上流側分岐配管１９と下流側分岐配管２１は、図２に示されている変形形態のように平行ではなく、図１に示されている第１の実施形態のように、非平行となっていて異なる角度で主配管１３に接続されていることが好ましい。これは、上流側分岐配管１９と下流側分岐配管２１とが異なる角度で主配管１３に接続されている場合、それぞれから主配管１３の主流路に流入した副流体の螺旋状流が交差することになり、混合が促進されるからである。
【００２３】
次に、図３を参照して、第２の実施形態の混合配管構造３１について説明する。
第２の実施形態の混合配管構造３１は、主配管３３に複数組の副配管３５，３７が接続されている点において、第１の実施形態と異なっている。すなわち、第２の実施形態の混合配管構造３１は、主配管３３と、主配管３３に接続される複数の組の副配管３５，３７とを備え、複数の組の副配管３５，３７が主配管３３の中心軸線周りに等角度間隔で配置されている。第２の実施形態では、第１の組の副配管３５と第２の組の副配管３７とからなる二組の副配管が主配管３３に接続されているので、第１の組の副配管３５と第２の組の副配管とは主配管３３の中心軸線周りに１８０度間隔で配置されている。なお、第２の実施形態では、第１の組の副配管３５と第２の組の副配管３７とからなる二組の副配管が主配管３３に接続されているが、三組以上の副配管が主配管３３に接続されていてもよい。
【００２４】
主配管３３内には、主流体が流れるための断面円形の主流路が設けられており、主流路の上流端部には主流路入口３３ａが、主流路の下流端部には主流路出口３３ｂが形成されている。図３に示されている実施形態では、主流路が円形断面を有しているが、主流路の断面形状は円形に限定されるものではなく、楕円形や卵形状とすることもできる。
【００２５】
複数の組の副配管３５，３７は同一構造及び同一寸法を有している。第１の組の副配管３５は、第１の本配管３９と、第１の本配管３９から分岐する第１の上流側分岐配管４１及び第１の下流側分岐配管４３とを含み、第１の上流側分岐配管４１及び第１の下流側分岐配管４３がそれぞれの下流端部に位置する接続部で主配管３３に接続されている。同様に、第２の組の副配管３７は、第２の本配管４５と、第２の本配管４５から分岐する第２の上流側分岐配管４７及び第２の下流側分岐配管４９とを含み、第２の上流側分岐配管４７及び第２の下流側分岐配管４９がそれぞれの下流端部に位置する接続部で主配管３３に接続されている。第１の本配管３９、第１の上流側分岐配管４１、第１の下流側分岐配管４３、第２の本配管４５、第２の上流側分岐配管４７及び第２の下流側分岐配管４９内には、副流体が流れるための副流路が設けられており、第１の本配管３９の上流端部には第１の副流路入口３９ａが形成されており、第２の本配管４５の上流端部には第２の副流路入口４５ａが形成されている。なお、図３に示されている第２の実施形態では、各組の分岐配管がそれぞれ２本の分岐配管によって構成されているが、３本以上の分岐配管によって構成してもよい。
【００２６】
複数の組の副配管３５，３７の各分岐配管、すなわち、第１の組の副配管３５の第１の上流側分岐配管４１及び第１の下流側分岐配管４３と第２の組の副配管３７の第２の上流側分岐配管４７及び第２の下流側分岐配管４９は、主配管３３と上流側において鋭角をなすように主配管３３に接続されている。また、第１の実施形態と同様に、各組の副配管３５、３７の複数の分岐配管（すなわち、第１の上流側分岐配管４１及び第１の下流側分岐配管４３、又は第２の上流側分岐配管４５及び第２の下流側分岐配管４７）は、その長手方向に沿って延びる流路軸線が同一の偏心平面内に含まれるように配置されている。したがって、各組の分岐配管が主配管３３に接続される接続部は、主配管３３の中心軸線と平行な直線上の異なる位置に配置されることになる。また、第１の実施形態と同様に、各組の複数の分岐配管の流路軸線は、各組に関連づけられた偏心平面上において、主配管３３と複数の分岐配管の各々との接続部を結ぶ主配管３３の中心軸線と平行な直線に対して同じ側に配置されている。各組に関連付けられた偏心平面は可能な限り主配管３３の中心軸線から離れるようにし、主配管３３の接平面に近づけることが好ましい。なお、図３に示されている実施形態では、第１の上流側分岐配管４１、第１の下流側分岐配管４３、第２の上流側分岐配管４７及び第２の下流側分岐配管４９が直線配管から構成されているため、各組について、複数の分岐配管の流路軸線の全体が同一の偏心平面に含まれているが、第１の実施形態と同様に、各組について、複数の分岐配管の流路軸線が少なくとも接続部近傍において同一の偏心平面に含まれるようになっていればよい。
【００２７】
各組における複数の分岐配管は、図３に示されているように、異なる角度で非平行に延びていてもよく、互いに平行に延びていてもよい。
【００２８】
次に、第２の実施形態の混合配管構造３１の作用について説明する。
混合配管構造３１では、主配管３３の主流路入口３３ａに主流体が供給されると共に、第１の副配管３５の第１の副流路入口３５ａに第１の副流体が供給され、第２の副配管３７の第２の副流路入口３７ａに第２の副流体が供給される。第１の副流体入口３５ａから供給された第１の副流体が、第１の本配管３９を経て第１の上流側分岐配管４１及び第１の下流側分岐配管４３に分岐され、それぞれの合流部から主配管３３に合流し、主流体に混合されると共に、第２の副流体入口３７ａから供給された第２の副流体が、第２の本配管４５を経て第２の上流側分岐配管４７及び第２の下流側分岐配管４９に分岐され、それぞれの合流部から主配管３３に合流し、主流体に混合される。第１の副流体と第２の副流体は同一の種類でもよく、異なる種類でもよいことは言うまでもない。
【００２９】
第２の実施形態の混合配管構造３１でも、各組の副配管３５，３７は、第１の実施形態と同様の構成を有しているので、各組の副配管３５，３７から供給される第１の副流体及び第２の副流体と主配管３３を流れる主流体との混合については、第１の実施形態と同様の作用が得られ、ここでは、第１の実施形態と同様の作用については説明を省略し、第２の実施形態に固有の作用について詳しく説明する。
【００３０】
第２の実施形態の混合配管構造３１では、主配管３３に複数の組の副配管３５，３７が接続されている。したがって、各副配管３５，３７に同じ種類の副流体を供給すれば、同種の副流体を主流体に混合させる副配管が増えることになり、より効果的な混合が可能となる。また、各副配管３５，３７に異なる種類の副流体を供給すれば、主配管３３に供給される主流体に複数種類の副流体を混合することや主流体に混合する副流体の種類の切り換えが可能となる。
【００３１】
また、第２の実施形態では、同一構造及び同一寸法を有する複数の組の副配管３５，３７が主配管３３の中心軸線周りに等角度間隔で配置されている。したがって、第１の組の副配管３５の第１の上流側分岐配管４１と第２の組の副配管３７の第２の上流側分岐配管４７が主配管３３の中心軸線周りの同一円周上で主配管３３に接続されると共に、第１の組の副配管３５の第１の下流側分岐配管４３と第２の組の副配管３７の第２の下流側分岐配管４９が主配管３３の中心軸線周りの同一円周上で主配管３３に接続される。さらに、第１の組の副配管３５の第１の上流側分岐配管４１及び第１の下流側分岐配管４３はその流路軸線が偏心平面に含まれるように配置され且つ主配管３３と上流側で鋭角をなすように主配管３３に接続されており、第１の上流側分岐配管４１及び第１の下流側分岐配管４３から主流路に流入する副流体は主流路の内周面に沿って下流側ヘ向かって螺旋状に流れるようになっている。同様に、第２の組の副配管３７の第２の上流側分岐配管４７及び第２の下流側分岐配管４９はその流路軸線が偏心平面に含まれるように配置され且つ主配管３３と上流側で鋭角をなすように主配管３３に接続されており、第２上流側分岐配管４７及び第２の下流側分岐配管４９から主流路に流入する副流体は主流路の内周面に沿って下流側へ向かって螺旋状に流れるようになっている。したがって、第１の上流側分岐配管４１及び第２の上流側分岐配管４７が同一円周上で主配管３３に接続され、第１の下流側分岐配管４３及び第２の下流側分岐配管４９が同一円周上で主配管３３に接続されていても、一方の分岐配管から流入する第１の副流体が他方の分岐配管からの第２の副流体の流入をほとんど妨げなくなる。
【００３２】
加えて、複数の組の副配管３５，３７が同一構造且つ同一寸法を有するので、第１の上流側分岐配管４１、第１の下流側分岐配管４３、第２の上流側分岐配管４７及び第２の下流側分岐配管４９から同じ圧力且つ同じ流量で主配管３３に副流体を流入させやすくなる。これにより、各分岐配管４１，４３，４７，４９から流入する副流体の螺旋状流の相互影響で螺旋状流が崩れることを抑制することが可能になる。
【００３３】
なお、第２の実施形態の混合配管構造３１では、第１の組の副配管３５及び第２の組の副配管３７が主配管３３の中間部に接続されているが、図４に示されている第３の実施形態の混合配管構造５１のように、第１の組の副配管３５及び第２の組の副配管３７が主配管３３の上流側端部に接続されていてもよい。ここで、図４に示されている第３の実施形態の混合配管構造５１では、図３に示されている第２の実施形態の混合配管構造３１と共通する構成要素に対して同じ参照符号が付されている。また、第２の実施形態の混合配管構造３１と第３の実施形態の混合配管構造５１は、第１の組の副配管３５及び第２の組の副配管３７が主配管３３に接続されている位置が異なる点及び主配管３３の上流側端部が閉鎖端となっており主流体が供給されない点を除いて同一の構造であるので、各構成要素の説明は省略する。
【００３４】
第３の実施形態の混合配管構造５１のように、主配管３３に主流体が供給されない構造であっても、主配管３３において複数の組の副配管３５，３７からそれぞれ供給される副流体同士を混合させることができる。
【００３５】
以上、図示されている実施形態を参照して、本発明の混合配管構造を説明したが、本発明の混合配管構造は、図示されている実施形態に限定されるものではない。例えば、第２の実施形態では、第１の組の副配管３５と第２の組の副配管３７が、同一構造及び同一寸法を有しているが、異なる構造又は異なる寸法を有していてもよい。また、第２の実施形態では、第１の組の副配管３５と第２の組の副配管３７が、第１の組の主配管３３の中心軸線周りに等角度間隔で配置されているが、異なる角度間隔で配置することも可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１１    混合配管構造
１３    主配管
１５    副配管
１９    上流側分岐配管
２１    下流側分岐配管
３１    混合配管構造
３３    主配管
３５    第１の組の副配管
３７    第２の組の副配管
４１    第１の上流側分岐配管
４３    第１の下流側分岐配管
４７    第２の上流側分岐配管
４９    第２の下流側分岐配管
【図１】
2014190409.tif 000003
【図２】
2014190409.tif 000004
【図３】
2014190409.tif 000005
【図４】
2014190409.tif 000006
【図５】
2014190409.tif 000007