(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流側から下流側へ向け漸次内径を小さくする縮径部に引き続き最小径をなす喉部を経て該喉部から漸次内径を大きくする拡径部が形成されたベンチュリ管型の流管を有する混合流管部を設け、流管外から蒸気を流管内へ注入するために、該流管の半径方向かつ下流側方向に向いた蒸気孔が流管の軸線方向の複数位置で上記拡径部の内径面に注入開口を有するように形成されていて、流管内を下流に向け流れる低温液体へ蒸気孔の注入開口から蒸気を注入して該蒸気を凝縮して低温液体に混合する凝縮混合装置において、
流管に対して上流側で該流管の軸線の延長上に位置して上記縮径部に連通接続されて低温液体を上記流管へ向けて流通することを許容する旋回流形成部を設け、
上記旋回流形成部は、上記流管内の低温液体と同一種の液体を接線方向から注入するように形成されており、
上記混合流管部の拡径部は、軸線方向で複数位置に段部が形成されていて、該段部で順次拡径され軸線方向で下流側に向け延びる内周面をもつ段状拡径部を有し、注入開口が段状拡径部に位置して形成されていることを特徴とする凝縮混合装置。
【請求項２】
蒸気孔の注入開口は段状拡径部の域内での上流側位置に設けられていることとする請求項１に記載の凝縮混合装置。
【請求項３】
旋回流形成部は、流管の縮径部へ供給される低温液体の一部を該旋回流形成部よりも上流側位置で分流して該旋回流形成部に対して接線方向に注入するようになっていることとする請求項１又は請求項２に記載の凝縮混合装置。
【請求項４】
段部は、該段部に対して上流側で隣接する先行の段状拡径部と下流で隣接する後続の段状拡径部との半径差が上記先行の段状拡径部の内径の１２〜３０％の寸法となっていることとする請求項１又は請求項２に記載の凝縮混合装置。
【請求項５】
段状拡径部は、該段状拡径部の半径の２．５〜８倍の区間長にわたり軸線方向に延びていることとする請求項３又は請求項４に記載の凝縮混合装置。
【請求項６】
貯槽内に貯留された低温液体から発生する蒸発ガスを、貯槽から払い出された低温液体に混合して凝縮させ再液化する蒸発ガス再液化装置において、
請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の凝縮混合装置と、蒸発ガスを圧縮する蒸発ガス圧縮機と、貯槽から低温液体を送出する送出ポンプとを備え、該送出ポンプで低温液体を凝縮混合装置の流管へ上流側から供給し、上記蒸発ガス圧縮機で蒸発ガスを凝縮混合装置の蒸気孔から上記流管内へ注入するようになっていることを特徴とする蒸発ガス再液化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気と低温液体を接触させ蒸気を凝縮し液化して低温液体に混合する凝縮混合装置及びこれを有する蒸発ガス再液化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液化天然ガス(ＬＮＧ)をはじめとする低温液体をタンクで貯蔵する場合、外部からのタンクへの入熱によりタンク内の低温液体の一部が蒸発し、タンク内には蒸発ガスが発生する。低温液体がＬＮＧの場合には、メタンを主成分とする蒸発ガスが発生する。
【０００３】
発生した蒸発ガスは、そのまま圧縮して都市ガスとして需要側へ供給することも可能であるが、圧縮動力が非常に大きくなる。そこで、かかる動力を削減するために、蒸発ガスを再液化して液の状態で昇圧した後に再びガス化して都市ガスとして供給することが考えられる。再液化するには、蒸発ガスを圧縮し、そして冷却する工程を経ることになるが、その冷却方法として、タンクからの低温液体としての払出ＬＮＧの冷熱で蒸発ガスを冷却する、つまり圧縮された蒸発ガスをＬＮＧとの間で熱交換して冷却する方法が、特許文献１，２に開示されている。
【０００４】
特許文献１では、圧縮された蒸発ガスを熱交換器でＬＮＧと熱交換して冷却する方式（間接熱交換方式）が開示されている。しかし、熱交換器を要するこの間接熱交換方式では、熱交換のための十分な伝熱面積を確保するために大型の熱交換器が必要となり、設備が大型になりコストが嵩むという問題がある。さらには、伝熱が伝熱面を介しての間接であるため、この伝熱面での伝熱性能の改善も求められる。
【０００５】
これに対し、特許文献２では、圧縮された蒸発ガスをＬＮＧ配管内に吹き込みＬＮＧと直接に接触させて熱交換する方式（直接接触熱交換方式）が開示され、蒸発ガスのＬＮＧ中への吹込み方法として、ＬＮＧ配管内を流れる払出しＬＮＧの流れ方向と直交する方向もしくはＬＮＧの流れ方向に逆らう方向になるように一つの蒸発ガス供給ノズルをＬＮＧ配管内に配置する装置が開示されている。該蒸発ガス供給ノズルは、ＬＮＧ配管内でＬ字状に屈曲されていて、ＬＮＧ配管の中心線上に該ノズルの吐出口が位置していて蒸発ガスがＬＮＧの流れと逆方向に向けてＬＮＧ中へ吐出されている。吐出された蒸発ガスは、ＬＮＧとの熱交換により冷却され、凝縮して液化しＬＮＧと混合される。
【０００６】
このような特許文献２の直接接触熱交換方式は、伝熱面を介さずに熱交換するためＬＮＧと蒸発ガスの両者が接する界面での伝熱性能は向上する。しかし、直接接触熱交換方式では、気体である蒸発ガスと低温液体であるＬＮＧの密度の違いから、蒸発ガスと低温液体の接触、混合が十分に行われないことに起因して液化効率が悪くなりやすい。その改善のために、気体の蒸発ガスと低温液体のＬＮＧとを混合し蒸発ガスを凝縮させ混合する効率的な装置が要望されているが、特許文献２の方法であっても、気体の蒸発ガスと液体のＬＮＧの接触、混合を十分に確保でき、所望の液化性能を確保できるとは言い難い。
【０００７】
一方、直接接触熱交換方式には、特許文献２の形式以外のものとして、ベンチュリ管型の流管内を流れる低温液体に蒸気を注入して直接接触させ蒸気を凝縮し混合する凝縮混合装置が特許文献３，４に開示されている。この特許文献３，４に開示されている形式の装置にあっては、流管に対して半径方向から蒸気を注入する蒸気孔が形成されていて、蒸気は、流管内を流れる低温液体のベンチュリ現象によって蒸気孔から流管内へ吸引される。吸引された直後の蒸気は低温液体中に気泡として存在し、その後、凝縮し低温液体に混合される。
【０００８】
先ず、特許文献３にあっては、ベンチュリ管の喉部よりも下流側をなす拡径部に、円周方向そして液体の流れ方向の複数位置に、小口径の蒸気孔が多数、形成されている。蒸気は、それら複数の蒸気孔から分散して上記拡径部へ吸引されるので、吸引された直後の蒸気の気泡径は小さい。その結果、蒸気の凝縮は短時間で完了し、拡径部内でのウォーターハンマー作用が抑制される。
【０００９】
次に、特許文献４にあっては、ベンチュリ管の喉部の直後に段差をもって急拡径されてから等径で下流側に延び流路断面積を一定とした区間を形成し、気体流入孔は、流路を段差で急拡径させた該段差の位置に１箇所だけ設けられている。
【００１０】
また、他の方式の凝縮混合装置として、特許文献５には、管内の混合室を流通する低温液体としての水に蒸発ガスとしての蒸気を注入して該蒸気を凝縮して水に混合することにより温水を生成する凝縮混合装置が開示されている。この凝縮混合装置には、混合室内で水に旋回を付与するための固定旋回羽根が設けられており、該固定旋回羽根によって水と蒸気との混合効率の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭５５‐１４５８９７
【特許文献２】特開平０８‐１７３７８１
【特許文献３】特開平０４‐０４５８３２
【特許文献４】特開２０１３-０３９４９７
【特許文献５】特開平７−１１６４８６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献３，４のような装置においても、気体の蒸発ガスを昇圧して、低温液体としてのＬＮＧに直接接触させる場合、十分な凝縮混合性能が確保されないと、ＬＮＧに合流した蒸発ガスが完全に液化されず、液化されないままで気泡が残留した状態で液送ポンプに供給されると、液送が困難になるのみならず、液送ポンプの故障の原因にもなる。
【００１３】
このように、所定量の蒸気を液体のベンチュリ現象で、さらに効率的に吸引するには、蒸気を吸引する蒸気孔の配置、ベンチュリ管内の圧力損失の低減するための最適な形状や構造など、凝縮混合装置としての最適な構造が求められることになる。また、特許文献５のような凝縮混合性能を向上させる旋回付与機構を備えた凝縮混合装置において、該凝縮混合装置内の流体は固定旋回羽根を通過するため、凝縮混合装置の圧力損失が大きくなるという問題がある。
【００１４】
かかる事情に鑑み、本発明は、気体の蒸発ガスを昇圧して、この蒸発ガスをＬＮＧ等の低温液体に直接接触させて再液化させる際に、蒸発ガスを効果的に凝縮して低温液体へ混合する凝縮混合装置及び該装置を有して再液化を効果的に実現できる蒸発ガス再液化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した課題は、本発明によると、次のような構成の凝縮混合装置そしてこれを有する蒸発ガス再液化装置により解決される。
【００１６】
＜凝縮混合装置＞
上流側から下流側へ向け漸次内径を小さくする縮径部に引き続き最小径をなす喉部を経て該喉部から漸次内径を大きくする拡径部が形成されたベンチュリ管型の流管を有する混合流管部を設け、流管外から蒸気を流管内へ注入するために、該流管の半径方向かつ下流側方向に向いた蒸気孔が流管の軸線方向の複数位置で上記拡径部の内径面に注入開口を有するように形成されていて、流管内を下流に向け流れる低温液体へ蒸気孔の注入開口から蒸気を注入して該蒸気を凝縮して低温液体に混合する凝縮混合装置において、流管に対して上流側で該流管の軸線の延長上に位置して上記縮径部に連通接続されて低温液体を上記流管へ向けて流通することを許容する旋回流形成部を設け、上記旋回流形成部は、流管内の低温液体と同一種の液体を接線方向から注入するように形成されており、上記混合流管部の拡径部は、軸線方向で複数位置に段部が形成されていて、該段部で順次拡径され軸線方向で下流側に向け延びる内周面をもつ段状拡径部を有し、各段状拡径部の域内での上流側位置に蒸気孔の注入開口が設けられていることを特徴とする凝縮混合装置。
【００１７】
かかる本発明において、旋回流形成部は、流管の縮径部へ供給される低温液体の一部を該旋回流形成部よりも上流側位置で分流して該旋回流形成部に対して接線方向に注入するようにすることができる。
【００１８】
本発明において、段部は、該段部に対して上流側で隣接する先行の段状拡径部と下流で隣接する後続の段状拡径部との半径差が上記先行の段状拡径部の内径の１２〜３０％の寸法となっていることが好ましい。
【００１９】
また、本発明において、段状拡径部は、該段状拡径部の半径の２．５〜８倍の区間長にわたり軸線方向に延びていることが好ましい。
【００２０】
＜蒸発ガス再液化装置＞
貯槽内に貯留された低温液体から発生する蒸発ガスを、貯槽から払い出された低温液体に混合して凝縮させ再液化する蒸発ガス再液化装置において、既出の凝縮混合装置と、蒸発ガスを圧縮する蒸発ガス圧縮機と、貯槽から低温液体を送出する送出ポンプとを備え、該送出ポンプで低温液体を凝縮混合装置の流管へ上流側から供給し、上記蒸発ガス圧縮機で蒸発ガスを凝縮混合装置の蒸気孔から上記流管内へ注入するようになっていることを特徴とする蒸発ガス再液化装置。
【００２１】
本発明の凝縮混合装置そして蒸発ガス再液化装置によらない場合、蒸気孔から吸引された直後の蒸気は、低温液体との接触時間、接触面積が小さいため凝縮できず、液体中に気泡として存在してしまうが、本発明による凝縮混合装置そして蒸発ガス再液化装置では、前段で旋回流形成部を設けて、混合流管部へ流入する前の低温液体に旋回流を生じさせ、その後に、後段の混合流管部にて、蒸気孔を混合流管部の流管に形成された段状拡径部の域内での上流側位置に、すなわち、蒸気孔をベンチュリ管の拡径部の段部で急拡大した直後に位置するようにすることで、上記段部にて急拡大した直後の空間を、低温液体中に混じって蒸気の気泡が流れる十分な大きさの空間として確保でき、この空間において蒸気と低温液体との接触時間を十分に確保することができ、蒸気を低温液体により冷却し凝縮させ混合させることができる。さらに、段状拡径部の空間内で流管中の低温液体の流れにあまり影響を受けずに効率良く蒸気がベンチュリ現象で良好に吸引される。また、低温液体は旋回流を形成しながら混合流管部へ流入するため、蒸気と低温液体とは周方向でも半径方向でも十分に混合される。
【００２２】
また、本発明では、混合流管部の流管に段状拡径部を複数設け、それぞれの段状拡径部に蒸気孔を形成させるので、蒸気孔は小口径で多数、円周方向ならびに液体の流れ方向に分散配置されているようにすることができるので、蒸気の気泡径が小さくなり、蒸気の凝縮と低温液体との混合が促進され、ウォーターハンマー作用は抑制される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、以上のように、前段での旋回流形成部で低温液体を旋回流とし、しかる後に、後段で、凝縮混合装置の混合流管部における流管に段状拡径部を複数設けて順次拡径させると共に蒸気孔の注入開口を各段状拡径部の域内で上流側に位置させることで、先行する段状拡径部に対して拡径した部分の空間で、蒸発ガスを低温液体中へ確実に導入して凝縮させ混合するとともに、低温液体を旋回流として混合流管部へ流入して、蒸気と低温液体とを周方向でも半径方向でも十分に混合する構成としたので、蒸発ガスを低温液体中に効果的に再液化させることができ、ポンプに蒸発ガスが気体のまま流入してポンプに障害が発生するのを防止できる。また、このような構成の凝縮混合装置を有する蒸発ガス再液化装置では、蒸発ガスの再液化が効率よく短時間で完了すると共に、その結果、装置構成がコンパクトにできる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第一実施形態に係る蒸発ガス再液化装置の概要構成図である。
【図２】図１装置に用いられる凝縮混合装置の断面図であり、（Ａ）は装置全体、（Ｂ）は（Ａ）におけるB-B断面図、（Ｃ）は（Ａ）の一部についての拡大断面図である。
【図３】図２装置についての段状拡径部を設けることによる効率向上率に関する実験結果を示すグラフであり、(Ａ）は段差寸法比、（Ｂ）は区間長寸法比についての効率向上率を示している。
【図４】第二実施形態における低温液体の流量を制御するための構成を示す概要構成図である。
【図５】混合低温液体の過冷度の最小値と副流流量比（旋回強さ）との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付図面にもとづき、本発明の実施の形態を説明する。
【００２６】
＜第一実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態としての凝縮混合装置を備えた蒸発ガス再液化装置の概要構成図である。
【００２７】
図１において、符号１は本実施形態の蒸発ガス再液化装置であり、後に図２に詳細に示される構造の凝縮混合装置２を有していて該凝縮混合装置２の入口側（図にて左側）には、該凝縮混合装置２へ低温液体１１を送出する送出ポンプ３そして蒸発ガス１２を注入する蒸発ガス圧縮機４が接続されている。
【００２８】
低温液体１１は、例えば、タンク（図示せず）内に貯蔵されている液化天然ガス（ＬＮＧ）の一部であり、また、蒸発ガス１２は、例えば、上記タンク内の液化天然ガスの一部が蒸発して発生したボイルオフガス（ＢＯＧ）である。
【００２９】
図１に見られるように、低温液体１１は送出ポンプ３により送出されて上記凝縮混合装置２へ流入する。この凝縮混合装置２内を流れる上記低温液体１１へ、蒸発ガス圧縮機４で圧縮された蒸発ガス１２が注入される。
【００３０】
上記凝縮混合装置２の出口側には、昇圧ポンプ５が接続されていて、低温液体１１中への注入後に凝縮して該低温液体１１に混合された蒸発ガス１２を液化状態で含んで凝縮混合装置２から排出された混合低温液体１１Ａを昇圧する。昇圧された混合低温液体１１Ａは、例えば、該低温液体が液化天然ガスならば、気化器へもたらされ再びガス化されてから都市ガスとして需要側に送出される。
【００３１】
凝縮混合装置２は、図２（Ａ）に示されているように、送出ポンプ３から送り出される低温液体１１を受ける位置に配された旋回流形成部２Ａと、これに引き続いてその下流側に位置する混合流管部２Ｂとを有している。旋回流形成部２Ａと混合流管部２Ｂは、一つの軸線Ｘ上に位置していて、一つの装置として形成されている。
【００３２】
上記旋回流形成部２Ａは、図２（Ａ）に見られるように、後述のベンチュリ管型の混合流管部２Ｂの入口側内径に等しい内径の直管をなし、少なくとも、周方向の一箇所に接線方向で低温液体を注入する接線方向注入口２Ａ‐１が設けられている（図２（Ｂ）をも参照）。本実施形態では、該接線方向注入口２Ａ‐１は、該接線方向注入口２Ａ‐１の上流側位置に設けられた分岐管２Ａ‐２が接続されており、送出ポンプ３で送り出され旋回流形成部２Ａに流入する低温液体１１の一部が該分岐管２Ａ‐２で抽出された後に上記接線方向注入口２Ａ‐１を通って旋回流形成部２Ａへ注入され、その注入により生ずる接線方向の流れによって該旋回流形成部２Ａ内の低温液体を旋回流Ｓとする。上記分岐管２Ａ‐２内を流れる低温液体は、もともと送出ポンプ３により与えられた流れの勢いで接線方向注入口２Ａ‐１に注入されることもできるが、その勢いをさらに確実に得るには、分岐管２Ａ‐２にポンプを設けておくことが好ましい。
【００３３】
本実施形態では、接線方向注入口２Ａ‐１には分岐管２Ａ‐２で抽出された低温液体を注入することとしているが、これには限定されず、上記低温液体と同種の液体を注入することとしてもよい。注入される液体は、上記旋回流形成部２Ａを流れる低温液体と注入後に完全に同一液になればそれで十分であり、分岐管２Ａ‐２によらず、別の供給源から供給される液体であってもよい。
【００３４】
上記旋回流形成部２Ａに対して後流側で接続されている混合流管部２Ｂは、横型筒状のケーシング６内に、ベンチュリ管型の流管７が収められており、ケーシング６と流管７の間には、ステンレススチールなどの繊維状金属細線の織物あるいは編物から成る挿填物８が挿填されている。
【００３５】
ケーシング６は、低温液体１１の流れ方向における上流側に入口部６Ａと、下流側に出口部６Ｂと、それらの中間位置で流管７が収容配置される流管収容部６Ｃとを有しており、入口部６Ａと出口部６Ｂは内径が等しく、流管収容部６Ｃにて内径が増大されている。入口部６Ａ、出口部６Ｂそして流管収容部６Ｃの中心となる軸線Ｘは同一の直線上に位置している。上記流管収容部６Ｃは、その内径が上記流管７の外径よりも大きく、該流管７の周囲に空間を形成し、この空間に分散して上記挿填物８が挿填されている。さらに、上記流管収容部６Ｃの上部上流側位置には、上方に開口する蒸発ガス注入部６Ｄが開口形成されていて、蒸発ガス圧縮機４から圧送されてくる蒸発ガス１２を該蒸発ガス注入部６Ｄで受け入れるようになっている。図２（Ａ）で示す凝縮混合装置２では、蒸発ガス注入部６Ｄが流管収容部６Ｃの上部上流側位置に開口形成されているが、蒸発ガス注入部６Ｄの位置はこれに限定されるものではなく、流管収容部６Ｃの側部上流側位置に開口形成されてもよい。また、図２（Ａ）で示す実施形態では、凝縮混合装置２を水平方向に配置しているが、鉛直方向に配置してもよい。凝縮混合装置２を鉛直方向に配置し低温液体１１を鉛直方向下向きに流通し、蒸発ガス１２を水平方向から流入することにより、低温液体中で蒸発ガスは浮力を受け滞留時間が長くなるため、蒸発ガスの凝縮混合がより安定して行われる。
【００３６】
ベンチュリ管型の流管７は、軸線Ｘ方向の両側に半径外方に突出する取付フランジ９Ａ，９Ｂを有していて、該取付フランジ９Ａ，９Ｂで、上記ケーシング６の流管収容部６Ｃ内に、流管７、ケーシング６の入口部６Ａそして出口部６Ｂの軸線Ｘが一致して一つの直線上に位置するように取り付けられている。
【００３７】
上記流管７の内径は、ケーシング６の入口部６Ａ側に位置する縮径部７Ａ、該縮径部７Ａの直後に位置する喉部７Ｂ、そして該喉部７Ｂから出口部６Ｂに向け延びる拡径部７Ｃを順次形成している。上記縮径部７Ａは曲面をもって比較的急激に内径が小さくなって流路断面積を絞り込んでおり、拡径部７Ｃは軸線Ｘ方向で長い距離にわたり内径を回復するように拡径している。喉部７Ｂは縮径部７Ａと拡径部７Ｃとを低温液体の流れに対して低抵抗となるように円滑な曲線で結んでおり、最小の流路断面積となるように最小径に形成されている。
【００３８】
上記拡径部７Ｃは、軸線Ｘ方向にて喉部７Ｂの直後の位置から右方のフランジ部９Ｂの位置までの範囲が区分されて複数の段状拡径部７Ｃ‐１，７Ｃ‐２，…，７Ｃ‐Ｎとして形成されている。各段状拡径部７Ｃ‐１，７Ｃ‐２，…，７Ｃ‐Ｎは円筒状内径面を有して同じ段状拡径部内では内径は変わらずに均一となっているが、最初の段状拡径部７Ｃ‐１に対し次の段状拡径部７Ｃ‐２、さらに次の段状拡径部７Ｃ‐３がそれぞれ上流側位置に形成された段部１０Ｂ‐１，１０Ｂ‐２，…でステップ状に拡径されている。
【００３９】
図２（Ｃ）は、上記拡径部７Ｃの複数の段状拡径部７Ｃ‐１，７Ｃ‐２，…，７Ｃ‐Ｎのうち、その一部として、段状拡径部７Ｃ‐１，７Ｃ‐２，そして７Ｃ‐３の部分を拡大して示している。
【００４０】
図２（Ｃ）において、軸線方向で中間に位置する段状拡径部７Ｃ‐２は、これに対して上流側で隣接する段状拡径部７Ｃ‐１の半径Ｒに対して段部１０Ｂ‐２をなすようにΔＲの段差寸法だけ拡大されたＲ＋ΔＲなる半径で、軸線方向に延びる区間長Ｌを有する円筒内面を形成している。これに対して下流側で隣接する段状拡径部７Ｃ‐３も同様に、段状拡径部７Ｃ‐２よりも拡径されて上記区間長Ｌだけ延びている。図２（Ｃ）において、段状拡径部７Ｃ‐１，７Ｃ‐２，…，７Ｃ‐Ｎの区間長Ｌは、一定の長さとしているが、下流側の段状拡径部になるほど区間長Ｌを長くするようにしてもよい。また、一段の段状拡径部の半径は軸線方向において、一定の寸法であって円筒内面を形成しているが、一段の段状拡径部において下流側になるほど拡径するようにしてもよい。このようにすることにより、段状拡径部の空間容積がさらに大きくなり、蒸発ガスを低温液体中へ導入して凝縮させ混合する空間をさらに大きくすることができ、より確実に蒸発ガスの凝縮混合を行うことができる。
【００４１】
上記段状拡径部７Ｃ‐２には、その域内での上流側位置に蒸気孔１０‐２の注入開口１０Ａ‐２が位置している。図２（Ｃ）の例では、上記注入開口１０Ａ‐２の上流側縁が上記段部１０Ｂ‐２の位置にくるように形成されている。上記蒸気孔１０‐２は、流管７の管壁を半径方向に貫通して形成されていて、半径内方に向け軸線方向下流側に傾くように形成されている。他の蒸気孔１０‐１，１０‐３，…，１０‐Ｎも同様に対応する段状拡径部７Ｃ‐１，７Ｃ‐３，…，７Ｃ‐Ｎに対して、それぞれの域内での上流側に注入開口１０Ａ‐１、１０Ａ‐３、１０Ａ‐Ｎが位置するようにして設けられている。
【００４２】
本発明では、蒸気孔１０‐１，１０‐２，…，１０‐Ｎをベンチュリ管の拡径部の段部１０Ｂ‐１，１０Ｂ‐２，…で急拡大した直後に位置するようにしたので、上記段部１０Ｂ‐１，１０Ｂ‐２，…にて急拡大した直後の区間長Ｌにわたる空間を、低温液体中に混じって蒸発ガスの気泡が流れる十分な大きさの空間として確保でき、この空間において蒸発ガスと低温液体との接触時間を十分に確保することができ、蒸発ガスを低温液体により冷却し凝縮させ混合させることができる。さらに、段状拡径部の空間内で流管中の低温液体の流れにあまり影響を受けずに効率良く蒸発ガスがベンチュリ現象で良好に吸引されるようになる。
【００４３】
上述の段部をもった段状拡径部の形態が蒸発ガスを低温液体中で凝縮させ混合するのに有効であるが、段状拡径部の寸法を適切に設定することにより、この効果をより確実に奏するようにできる。例えば、ベンチュリ管型の流管７の内径を急拡大させる段部１０Ｂ‐１，１０Ｂ‐２，…の段差寸法ΔＲが大きすぎると、低温液体の流れにはこの段部の位置から乱れが生じ、蒸気孔１０‐１，１０‐２，…周辺での蒸発ガスの吸引を阻害する。この結果、低温液体のベンチュリ現象による蒸気の吸引の効率が低下する。したがって、ベンチュリ管拡径部内径を急拡大させる段差寸法を最適に設定する必要がある。
【００４４】
そこで、発明者は、どのような段差寸法とすれば、蒸発ガスの低温液体への吸引の効率が良好となるか、種々実験を重ねた。その実験にもとづき、段差寸法とベンチュリ現象による吸引の効率性を検討した結果を図３（Ａ）に示す。段差寸法比は、段差寸法のその直前半径に対する比率（％）、すなわち、段部の上流側に位置する段状拡径部の半径に対する段差寸法の比率（％）で表したものである。効率向上率は、低温液体をベンチュリ管に流送するのに必要な動力を同じとして、低温液体のベンチュリ現象によって吸引される蒸発ガスの流量が、段差を設けないときに比べて増加する比率を効率向上率（％）として表したものである。図３（Ａ）に見られるように、段差寸法をその直前半径の５〜４０％の範囲にすることにより段差を設けないときに比べて効率向上率が増加しており、段差寸法をその直前半径の１２〜３０％の範囲にすることにより効率向上率が７０％以上となり高い吸引効率となることが判る。
【００４５】
さらに、本発明では、上記段差半径についてのみならず、ベンチュリ管拡径部内径を急拡大した段状拡径部の区間長（軸線方向長さである一区間の長さ）についても適正な範囲があると考え、これについても実験を行った。一区間の長さが短ければ、蒸発ガスと低温液体の混合が不十分なうちに、次の段状拡径部へ移行してしまうので、蒸気孔近傍の低温液体のみ温度が上昇してしまい、その結果、後流において蒸発ガスと低温液体の温度差が小さくなるので蒸発ガスが凝縮しにくくなってしまう。一方で、区間長が長すぎると、ベンチュリ管内の圧力損失が大きくなるのでより大きな動力を必要とし、また装置が大きくなるのでコストアップに繋がる。段状拡径部の半径に対する区間長寸法の比率である区間長寸法比とベンチュリ管の吸引の効率向上率（％）についての実験の結果、図３（Ｂ）に見られるように、区間長寸法は段状拡径部の半径の２．５〜８倍が適正であることが判明した。
【００４６】
次に、上述ように構成された本実施形態の蒸発ガス再液化装置そしてその動作を図１そして図２にもとづき説明する。
【００４７】
先ず、タンク（図示せず）内の低温液体（例えば、ＬＮＧ）１１の一部が、送出ポンプ３によって送出されて凝縮混合装置２に導入される。また、上記タンク内で発生した蒸発ガスは、蒸発ガス圧縮機４によって大気圧と都市ガス運用圧力（４〜７ＭＰａ）の間の圧力（中間圧）まで昇圧された後、凝縮混合装置２に導入される。
【００４８】
凝縮混合装置２に導入される低温液体１１は、旋回流形成部２Ａに直接流入すると共に、一部が分岐管２Ａ‐２を経て接線方向注入口２Ａ‐１から注入される。旋回流形成部２Ａに直接流入した低温液体１１は軸線Ｘ方向に流入し、接線方向注入口２Ａ‐１から注入された低温液体は周方向に流れて、旋回流形成部２Ａを流れる低温液体１１が旋回流を形成するようになる。
【００４９】
上記旋回流形成部２Ａで旋回流となった低温液体１１は、混合流管部２Ｂを収容している凝縮混合装置２のケーシング６に設けられた入口部６Ａを経て流管７に流入し、縮径部７Ａ、喉部７Ｂそして拡径部７Ｃを流れ、ケーシング６の出口部６Ｂへ達する。流管７内を流れる低温液体１１は、縮径部７Ａで流速を高め、喉部７Ｂで最大流速に達し、その後、拡径部７Ｃで徐々に流速を低めるが、拡径部７Ｃでの右端における最大内径でも上記入口部６Ａの内径より小さいので、拡径部７Ｃでの流速は入口部６Ａの流入時の流速よりも高く、したがって、圧力は低くなっており、蒸気孔１０‐１，１０‐２，…に対しては吸引力をもたらす。
【００５０】
一方、蒸発ガス１２は蒸発ガス圧縮機４により昇圧されて、上記凝縮混合装置２のケーシング６に設けられた、蒸発ガス注入部６Ｄを経て上記ケーシング６内に注入される。流管７を収容しているケーシング６の流管収容部６Ｃには、流管７の外周に挿填物８が挿填されており、蒸発ガス圧縮機４で圧送されて上記蒸発ガス注入部６Ｄから注入された蒸発ガス１２は、挿填物８により緩衝されそして流管収容部６Ｃ内で流管７の全周そして全長にわたり拡散する。
【００５１】
上述の通り、流管７の拡径部７Ｃを流れる低温液体１１は、ベンチュリ管現象により蒸気孔１０‐１，１０‐２，…に対して吸引力をもたらすので、上記流管収容部６Ｃ内に拡散している蒸発ガス１２は、各蒸気孔１０‐１，１０‐２，…から拡径部７Ｃへ吸引導入される。例えば、図２（Ｂ）に示されている蒸気孔１０‐２では、蒸発ガス１２は、該蒸気孔１０‐２から吸引されてその注入開口１０Ａ‐２を経て、段状拡径部７Ｃ‐２内に流入する。上記注入開口１０Ａ‐２は段状拡径部７Ｃ‐２の域内の上流側に位置していると共に、蒸気孔１０‐２が半径内方に向け上流側に傾いているので、流入した蒸発ガスは、流管７内の低温液体１１の流れに逆らうことなく低抵抗のもとで合流する。その際、低温液体１１は旋回流を形成しているので、上記蒸発ガス１２は周方向でも半径方向でも、十分に低温液体１１に混合される。
【００５２】
上記段状拡径部７Ｃ‐２は、これに対して上流側に位置する前段の段状拡径部７Ｃ‐１よりも段部１０Ｂ‐２でΔＲ分だけ急拡径していて、この段部１０Ｂ‐２よりも下流側で、区間長Ｌにわたる空間を形成しており、この空間を、低温液体１１中に混じって蒸発ガス１２の気泡が流れる十分な大きさの空間として確保でき、この空間において蒸発ガス１２と低温液体１１との接触時間を十分に確保することができ、蒸発ガス１２を容易に低温液体１１内に混入させて、蒸発ガス１２を低温液体１１により冷却し凝縮させ混合させることができる。この結果、蒸発ガス１２は凝縮して確実に再液化し、低温液体１１の一部として下流側へ流れる。このように蒸気孔から蒸発ガスの流入そして低温液体への混入による合流は、上記段状拡径部７Ｃ‐２以外の他の段状拡径部でも同様に行われる。かくして、再液化された蒸発ガスを含む混合低温液体１１Ａは昇圧ポンプ５で昇圧されて気化器へもたらされた後、気化器で気化されて都市ガスとして需要側に送出される。
【００５３】
＜第二実施形態＞
第一実施形態では、低温液体の流量は特に制御されていないが、第二実施形態では、低温液体の流量を制御することにより、生成される混合低温液体の過冷度を調整可能となっており、この点で、第一実施形態と異なっている。図４は、第二実施形態における低温液体の流量を制御するための構成を示す概略図である。以下、第一実施形態との相違点を中心に説明し、第一実施形態と同じ部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００５４】
図４に示される凝縮混合装置２は、図２に示される第一実施形態の凝縮混合装置２と全く同じ装置であり、各部について第一実施形態と同一の符号を付されている。図４に見られるように、凝縮混合装置２には、上流側から下流側へ向けて流れる低温液体１１を主流として流通させる主流管２５が旋回流形成部２Ａの上流側の端部に接続されており、また、該主流管２５から分岐して低温液体１１を副流として流通させる副流管２６が旋回流形成部２Ａの接線方向注入口２Ａ-１に接続されている。本実施形態では、タンク（図示せず）内の低温液体（例えば、ＬＮＧ）１１の一部が、送出ポンプ３によって送出されて、主流として主流管２５内を流通して旋回流形成部２Ａに直接流入する。また、主流管２５を流通する主流の低温液体の一部が副流管２６を副流として流通し旋回流形成部２Ａの接線方向注入口２Ａ-１から接線方向に注入される。旋回流形成部２Ａは、上記主流および上記副流の低温液体を受けて、旋回流形成部２Ａ内で周方向に流れる該副流により該主流に対して旋回流を生じさせる。また、凝縮混合装置２には、出口部６Ｂから流出した混合低温液体を下流側、すなわち昇圧ポンプ５側へ向けて流通させる混合液管１０が出口部６Ｂの下流側の端部に接続されている。
【００５５】
凝縮混合装置２は、さらに、主流管２５に設けられた主流流量計２７および主流調整弁２８と、副流管２６に設けられた副流流量計１３および副流調整弁１４と、混合液管１０に設けられた混合液圧力計１５および混合液温度計１６と、主流および副流のそれぞれの流量を制御するための制御手段１７と、該制御手段１７による制御に際して参照されるデータを記憶する記憶手段１８とを有している。
【００５６】
上述したように、主流流量計２７および主流調整弁２８は、それぞれ主流管２５に設けられている。該主流流量計２７は、主流管２５内を流れ旋回流形成部２Ａへ流入する主流の低温液体１１の流量を計測する。主流調整弁２８は、後述する制御手段１７の制御を受けて開度が調整されることにより、主流の流量を調整可能となっている。また、副流流量計１３および副流調整弁１４は、それぞれ副流管２６に設けられている。該副流流量計１３は、副流管２６内を流れ旋回流形成部２Ａへ注入される副流の低温液体１１の流量を計測する。副流調整弁１４は、後述する制御手段１７の制御を受けて開度が調整されることにより、副流の流量を調整可能となっている。また、上述したように、混合液圧力計１５および混合液温度計１６は、それぞれ混合液管１０に設けられており、出口部６Ｂから流出し混合液管１０内を流れる混合低温液体の圧力および温度をそれぞれ計測する。
【００５７】
記憶手段１８は、混合低温液体の圧力とその圧力での飽和温度との対応関係のデータを第一対応関係Ａとして、そして許容し得る混合低温液体の過冷度の最小値と副流流量比（旋回強さ）との対応関係のデータを第二対応関係Ｂ（図５参照）として予め記憶している。この第一対応関係Ａおよび第二対応関係Ｂのデータは、後述するように、副流の流量の制御を行う際に制御手段１７によって参照される。ここで、「過冷度の最小値」とは、混合低温液体に蒸気が存在しないようにする過冷度の最も小さい値である。過冷度の最小値が小さいほど、混合低温液体に蒸気が存在しないように混合低温液体を冷却する温度は飽和温度に近くなる。過冷度算出手段により、過冷度が飽和温度の導出値と上記混合低温液体の温度の計測値との差として算出される。また、「副流流量比」とは、主流の流量と副流の流量の和に対する副流の流量の割合であり、副流流量比算出手段２３によって、主流の流量の計測値と副流の流量の計測値との和で副流の流量の計測値を除して算出される。また、記憶手段１８は、上記第一対応関係Ａを、例えば、混合低温液体の圧力と飽和温度との関係式、関係線図または蒸気表等の形態として記憶していることが望ましい。
【００５８】
図５は、混合低温液体の過冷度の最小値と副流流量比（旋回強さ）との関係、すなわち第二対応関係Ｂを示す図である。図５に示されているように、副流流量比が０すなわち旋回がない場合に比べて旋回があると混合低温液体の過冷度の最小値が小さくなり、また、混合低温液体の過冷度の最小値と副流流量比（旋回強さ）とは、副流流量比が大きいほど過冷度の最小値が低下する関係にある。つまり、副流流量比が大きいほど過冷度の最小値が小さくなり、混合低温液体に蒸気が存在しない液体状態の混合低温液体の温度は飽和温度に近くなり、凝縮混合装置の混合性能が向上する。
【００５９】
制御手段１７は、図４に見られるように、混合低温液体の過冷度を算出する過冷度算出手段２２と、副流流量比を算出する副流流量比算出手段２３と、主流調整弁２８および副流調整弁１４のそれぞれの開度を調整する流量調整手段２４とを有している。過冷度算出手段２２は、記憶手段１８に記憶されている第一対応関係Ａを参照して、混合低温液体の圧力の計測値に対応する飽和温度を導出してから、飽和温度の導出値と上記混合低温液体の温度の計測値との差を該混合低温液体の過冷度として算出する。副流流量比算出手段２３は、主流の流量の計測値と副流の流量の計測値との和で該副流の流量の計測値を除して副流流量比を算出する。流量調整手段２４は、上記過冷度の算出値を、上記記憶手段１８に記憶されている第二対応関係Ｂ（図５参照）における過冷度の最小値と比較して、上記過冷度の算出値が上記最小値以下であるときには、上記第二対応関係Ｂを参照して、上記過冷度の算出値が上記最小値より大きくなるような副流流量比を目標値として導出し、副流流量比の算出値が上記目標値に追従するように、副流調整弁１４の開度を大きくして副流の流量を増大させる。
【００６０】
次に、制御手段１７による副流の流量の制御動作について説明する。本実施形態では、主流調整弁２８が開状態そして副流調整弁１４が閉状態で蒸発ガス再液化装置１が運転されている場合において、必要に応じて、副流調整弁１４を開状態として旋回流形成部２Ａに副流を注入して旋回流を形成するときの制御動作について説明する。
【００６１】
制御手段１７の過冷度算出手段２２は、記憶手段１８に記憶されている第一対応関係Ａを参照して、混合液圧力計１５により計測された混合低温液体の圧力の計測値に対応する飽和温度を算出し、次に、算出した飽和温度と混合液温度計１６により計測された混合低温液体の温度の計測値との差を過冷度として算出する。また、副流流量比算出手段２３は、主流流量計２７により計測された主流の流量の計測値と副流流量計１３により計測された副流の流量の計測値との和で該副流の流量の計測値を除して副流流量比（旋回強さ）を算出する。
【００６２】
流量調整手段２４は、過冷度算出手段２２により算出された過冷度の算出値を、記憶手段１８に記憶されている第二対応関係Ｂにおける過冷度の最小値と比較する。この比較の結果、上記過冷度の算出値が上記最小値より大きいときには、蒸発ガスは低温液体中に気泡として存在することなく低温液体に混合していると言える。したがって、流量調整手段２４は、副流調整弁１４を開状態とする制御を行うことはない。つまり、旋回流形成部２Ａに副流が注入されないので、主流に対して旋回流が形成されない状態が維持される。
【００６３】
一方、上記過冷度の算出値が上記最小値以下であるときには、出口部６Ｂから流出する混合低温液体に蒸発ガスの気泡が残存していて該混合低温液体が気液二相流となっていると言える。このような状態において、凝縮混合装置２の下流側で蒸発ガスが凝縮すると、ウォーターハンマー作用の発生など、蒸発ガス再液化装置１全体の安全な運転に支障が生じる。
【００６４】
そこで、流量調整手段２４は、上記第二対応関係Ｂを参照して、上記過冷度の算出値が上記最小値より大きくなるような副流流量比を目標値として導出し、副流流量比算出手段２３により算出される副流流量比の算出値が上記目標値に追従するように、副流調整弁１４の開度を調整する。この結果、適切な流量に調整された副流の低温液体が旋回流形成部２Ａに接線方向で注入され、主流に対して旋回流を形成することにより、混合低温液体の過冷度の最小値が小さくなる。したがって、蒸発ガスを低温液体中に残存させることなく確実に凝縮して低温液体に混合させることができる。
【００６５】
上述の制御動作の具体的な例として、旋回流が形成されておらず（旋回強さ０％）混合低温液体の過冷度を５℃で運転している状態から、混合低温液体の流量をあまり変えずに、混合低温液体の温度を高くするような場合について説明する。この場合、流管７に吹き込む蒸発ガスの流量を増大させる必要があるが、第二対応関係Ｂを示す図５を見ると判るように、混合低温液体の過冷度は最小値（５℃）にあるので、このままでは混合低温液体中蒸発ガスの気泡が残存することになり、蒸発ガスの流量を増大できない。
【００６６】
そこで、副流調整弁１４を開状態として副流の低温液体を旋回流形成部２Ａに接線方向で注入して旋回流を形成することにより、過冷度の最小値を低下させ、混合低温液体の温度を高くできるようにする。図５より、混合低温液体の温度を２℃上昇させる（過冷度５℃から過冷度３℃に上昇させる）場合は、副流流量比（旋回強さ）を約３５％になるように副流の流量を調整して、蒸発ガスの凝縮混合性能を高め、混合低温液体中に蒸発ガスの気泡が残存しないようにする。このような旋回の付与は凝縮混合装置２の流体の圧力損失の増大を招き、供給するポンプの動力を増大させるので、旋回の付与は混合低温液体の過冷度を小さくしたい場合にのみ実施することが望ましい。このように旋回の付与を必要な場合にのみ行うようにすることにより、固定旋回羽根等の装置を設ける場合に比べて圧力損失の増大を最小限に抑制することができ、むやみにエネルギー消費を増大させることを防ぐことができる。
【００６７】
上述したような旋回付与の制御は、上述したように、低温液体に凝縮混合させる蒸発ガスの量を増大させる場合に行われる。また、この旋回付与の制御は、例えば、低温液体としての水に蒸発ガスとしての水蒸気を混合して混合低温液体としての温水を生成するときのように、得られる混合低温液体の温度を高くすることが所望される場合においても有効である。
【００６８】
本実施形態では、混合低温液体の過冷度が常に最小値より大きくなるように副流の低温液体の流量が制御される構成としたので、蒸発ガスを低温液体中に効果的に混合して再液化させることができ、ポンプに蒸発ガスが気体のまま流入してポンプに障害が発生するのを防止できる。また、旋回付与のために、従来のような固定旋回羽根等の装置を設ける必要がないので、凝縮混合装置の圧力損失を最小限に抑えることができ、蒸発ガスの再液化が効率よく短時間で完了すると共に、装置構成をコンパクトにできる。
【００６９】
また、本実施形態では、制御手段１７は、主流調整弁２８および副流調整弁１４の両方を制御することとしたが、これに代えて、副流調整弁１４のみを制御するようにしてもよい。
【００７０】
また、本実施形態では、凝縮混合装置２を水平方向に配置しているが、鉛直方向に配置してもよい。凝縮混合装置２を鉛直方向に配置し低温液体１１を鉛直方向下向きに流通し、蒸発ガスを水平方向から流入することにより、低温液体中で蒸発ガスは浮力を受け滞留時間が長くなるため、蒸発ガスの凝縮混合がより安定して行われる。
【００７１】
また、本実施形態では、過冷度の算出値を第二対応関係Ｂにおける過冷度の最小値と比較して、過冷度の算出値が最小値より大きくなるような副流流量比を目標値として副流の流量を調整することとしているが、過冷度の最小値に一定値を加算した値より大きくなるような副流流量比を目標値とするようにして、適用システムに要求される安全係数を反映するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１  蒸発ガス再液化装置
２  凝縮混合装置
２Ａ  旋回流形成部
２Ｂ  混合流管部
３  送出ポンプ
４  蒸発ガス圧縮機
７  流管
７Ａ  縮径部
７Ｂ  喉部
７Ｃ  拡径部
７Ｃ‐１，７Ｃ‐２  段状拡径部
９Ａ  取付フランジ
９Ｂ  取付フランジ
１０‐１，１０‐２  蒸気孔
１０Ａ‐１，１０Ａ‐２  注入開口
１０Ｂ‐１，１０Ｂ‐２  段部
Ｌ  区間長
Ｒ  段状拡径部の半径
ΔＲ  半径差（段差寸法）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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