(57)【要約】【課題】少なくとも２種類のガスを確実に高効率で混合することができるガス混合器およびガス混合方法を提供すること。【解決手段】断面が円形または略円形をなし、第１のガスが通流する主管１と、噴射口２ａが主管１の内面に開口し、主管１に第２のガスを吹き込むガス吹き込み用ノズル２とを備えたガス混合器は、ガス吹き込み用ノズル２は、第２のガスの噴射方向が主管１の接線方向または略接線方向となるように設けられ、ガス吹き込み用ノズル２からの第２のガスの噴射流速が混合後のガス流速の２倍以上である。【選択図】図１
2006272150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が円形または略円形をなし、第１のガスが通流する主管と、
噴射口が前記主管の内面に開口し、前記主管に第２のガスを吹き込むガス吹き込み用ノズルと
を備え、前記ガス吹き込み用ノズルは、前記第２のガスの噴射方向が前記主管の接線方向または略接線方向となるように設けられ、前記ガス吹き込み用ノズルからの前記第２のガスの噴射流速が混合後のガス流速の２倍以上であることを特徴とするガス混合器。
【請求項２】
断面が円形または略円形をなし、第１のガスが通流する主管と、
噴射口が前記主管の内面に開口し、前記主管に第２のガスを吹き込む少なくとも２本のガス吹き込み用ノズルと
を備え、前記２本のガス吹き込み用ノズルは、前記第２のガスの噴射方向が前記主管の接線方向または略接線方向となるように、かつ旋回方向が同一になるように設けられることを特徴とするガス混合器。
【請求項３】
断面が円形または略円形をなし、第１のガスが通流する主管と、噴射口が前記主管の内面に開口し、前記主管に第２のガスを吹き込むガス吹き込み用ノズルとを備え、前記ガス吹き込み用ノズルは、前記第２のガスの噴射方向が前記主管の接線方向または略接線方向となるように設けられたガス混合器を用いて前記第１および第２のガスを混合するガス混合方法であって、ガス吹き込み用ノズルからの前記第２のガスの噴射流速が混合後のガス流速の２倍以上とすることを特徴とするガス混合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、都市ガス、コークス炉ガス等の各種燃料ガス、酸素、空気、窒素などの各種工業用ガスの２種類以上のガスを混合するガス混合器およびガス混合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業的に使用されるガス混合器は、混合器内部に旋回羽根、整流板等の混合促進のための器機が設置されているのが一般的である。図９は従来の旋回羽根式混合器を示す説明図であり、（ａ）は混合器の構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。この混合器は、内部に旋回羽根４１を有した直円管４０を有しており、さらにこれら旋回羽根を有した直円管が３つ、円管端に設置されたフランジ４５により接続されているという構成である。ガスＡが導入管４２から、別の種類のガスＢが導入管４３からそれぞれ送気されてきて、旋回羽根により旋回しながら円管内を流れることにより、旋回乱流を起こし、攪拌混合が促進され、混合ガスは流出口４４から流出していく。これによると、短い距離で、効率良く混合できる。
【０００３】
しかしながら、上述した従来の混合器には、次のような問題点がある。
（１）旋回羽根により旋回させるため、混合器を通過する際のガスの圧力損失が大きい。
（２）旋回羽根が必須なため、構造が複雑となり、製作に手間がかかり、製作費用および、製作期間も長くなる。
（３）ダストを含んだガスの場合、旋回羽根にダストが付着しやすく、また付着した際、ダストを除去清掃する必要があるが、混合器内部が複雑な形状のため、分解清掃に手間および期間がかかる。
【０００４】
このような不都合を防止するため、主流ガスを導入する円筒状の混合槽と、この混合槽の接線方向に開口するノズルが設けられ、従流ガスを前記混合槽に導入する枝管とからなる混合器が提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平９−２８７８８３号公報
【発明の開示】
【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１の技術では、ガスの混合性が必ずしも十分ではなく、ガスが十分に混合するまでの混合距離が非常に長くなって効率が悪い場合が生じる。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、少なくとも２種類のガスを確実に高効率で混合することができるガス混合器およびガス混合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、断面が円形または略円形をなし、第１のガスが通流する主管と、噴射口が前記主管の内面に開口し、前記主管に第２のガスを吹き込むガス吹き込み用ノズルとを備え、前記ガス吹き込み用ノズルは、前記第２のガスの噴射方向が前記主管の接線方向または略接線方向となるように設けられ、前記ガス吹き込み用ノズルからの前記第２のガスの噴射流速が混合後のガス流速の２倍以上であることを特徴とするガス混合器を提供する。
【０００８】
また、本発明は、断面が円形または略円形をなし、第１のガスが通流する主管と、噴射口が前記主管の内面に開口し、前記主管に第２のガスを吹き込む少なくとも２本のガス吹き込み用ノズルとを備え、前記２本のガス吹き込み用ノズルは、前記第２のガスの噴射方向が前記主管の接線方向または略接線方向となるように、かつ旋回方向が同一になるように設けられることを特徴とするガス混合器を提供する。
【０００９】
さらに、本発明は、断面が円形または略円形をなし、第１のガスが通流する主管と、噴射口が前記主管の内面に開口し、前記主管に第２のガスを吹き込むガス吹き込み用ノズルとを備え、前記ガス吹き込み用ノズルは、前記第２のガスの噴射方向が前記主管の接線方向または略接線方向となるように設けられたガス混合器を用いて前記第１および第２のガスを混合するガス混合方法であって、ガス吹き込み用ノズルからの前記第２のガスの噴射流速が混合後のガス流速の２倍以上とすることを特徴とするガス混合方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、第１のガスが通流する主管と、噴射口が前記主管の内面に開口し、前記主管に第２のガスを吹き込むガス吹き込み用ノズルとを有するのみであるから構造が簡単であり、かつガス吹き込み用ノズルからの前記第２のガスの噴射方向が前記主管の接線方向または略接線方向であり、しかもガス吹き込み用ノズルからの前記第２のガスの噴射流速を混合後のガス流速の２倍以上とするので、確実に効率良く少なくとも２つのガスを混合することができる。
【００１１】
また、前記第２のガスの噴射方向が前記主管の接線方向または略接線方向となるように、かつ同一旋回方向となるように２本以上のガス吹き込み用ノズルを用いて、２つ以上のガスを混合するので、この場合にも確実に効率良く少なくとも２つのガスを混合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る混合器を示す横断面図であり、図２は縦断面図である。なお、図１は図２のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【００１３】
このガス混合器は、断面が円形をなし、ガスＡが通流する主管１と、噴射口２ａが主管１の内面に開口し、主管１にガスＢを吹き込むガス吹き込み用ノズル２とを備えている。そして、ガス吹き込み用ノズル２からのガスＢの噴射方向が主管１の接線方向である。
【００１４】
ガスＡは図中の矢印の方向から、主管１の内側を流れてくる。ガス吹き込み用ノズル２からガスＢを吹き込むと、ガスＢは主管１の内周面に沿って符号３で示される矢印のごとく旋回し、ガスＡと混合しながら、ガスＡの進行方向である矢印方向に流れていく。そして、ある距離まで進むと完全に混合する。
【００１５】
ここで、ガス混合器の性能の一つに、混合距離なるものがあるが、それはガスＡとガスＢが混合し始める場所からガスＡとガスＢがある混合度まで混合するのに必要な距離であり、混合部の配管径が同じであれば、この距離が短いほうが混合の効率が良く、混合器本体のサイズを小さくできる。図２中に示した記号Ｘで示される距離が前記混合距離を示す。
【００１６】
さらに混合距離を混合後の配管内径で除したものを無次元混合距離とする。すなわち、一般にガス流量が多ければそれを輸送する配管径は必然的に大きくなっていくので、混合器の性能を比較する際には、絶対的な混合距離だけを論ずるだけでは、不充分である。よって、無次元混合距離で論ずれば、配管径の大きさの影響が無くなり、混合器の形式による性能の比較が可能である。
【００１７】
しかしながら、単にガス吹き込み用ノズル２からガスＢを吹き込むだけでは、混合距離が長くなってしまい、混合効率が十分でない。本発明者らの検討結果によれば、混合効率を上昇させるためには、ノズル吹き込み流速を混合後ガスの流速で除した値（これを速度比と呼ぶ）を大きくすることが有効であることが判明した。
【００１８】
図３に速度比が１．１と３．３の場合の混合度の試験結果を示す。
ここでは、空気１９３Ｎｍ３/ｈと酸素ガス１７Ｎｍ３/ｈを混合させた。空気中の酸素は２０．９％であるから、上記流量比率で完全に混合した場合の酸素濃度は２７．３％となる。試験は、８０Ａ（内径８０．７ｍｍ）の直円管に空気を流し、そこに直円管内の接線方向に噴出する２０Ａ（内径２１．６ｍｍ）の吹き込みノズルから酸素ガスを噴出し混合した。混合場所から、下流に２００ｍｍ（無次元混合距離＝２．５）、４００ｍｍ（無次元混合距離＝５）、６００ｍｍ（無次元混合距離＝７．５）、８００ｍｍ（無次元混合距離＝１０）、１０００ｍｍ（無次元混合距離＝１２．５）の各距離で、配管内流路断面内の９点の酸素濃度を測定した。各断面内で測定された酸素濃度（％）の最大値と最小値の差の絶対値を酸素濃度偏差（％）とした。下流に行くほど混合が進むため、酸素濃度偏差は小さくなっていくが、酸素濃度偏差Δが２．５％を下回る距離を実験から求め、その距離が小さいほど混合度が高いと評価した。
【００１９】
試験条件として酸素吹き込みノズルは１本とし、ノズル径は２０Ａ（内径２１．６ｍｍ）の場合と１０Ａ（ノズル内径１２．７ｍｍ）の場合の２種類とした。この時の速度比は２０Ａノズルで１．１、１０Ａノズルの場合で３．３である。
【００２０】
図３に示すグラフによると、酸素濃度偏差Δが２．５％となるのは、速度比が１．１の場合では約９００ｍｍ（無次元混合距離＝１１）、速度比が３．３の場合では約４５０ｍｍ（無次元混合距離＝５．６）であり、速度比が大きい方が、速度比が小さい条件よりも、短い混合距離で酸素濃度偏差が小さくなっていくことが確認され、よって混合度は速度比が大きい方が明らかに高いことがわかった。
【００２１】
次に、速度比を種々変化させて同様の実験により酸素濃度偏差Δが２．５％となる無次元混合距離を求めた。その結果を図４に示す。この図から、速度比が２より小さい範囲では、速度比が増加しても混合距離は大きくならないが、速度比が２以上となると、混合度が急激に増加する（無次元混合距離が短くなる）ことが確認された。このため、速度比を２以上、すなわちガス吹き込み用ノズルからの前記第２のガスの噴射流速が混合後のガス流速の２倍以上として、より混合距離を短くし、効率の良いガス混合を行う。
【００２２】
表１および表２に、上記速度比１．１の場合と３．３の場合の一連の試験で得られた主な結果を示す。また、比較のため、従来の旋回羽根方式の混合器により、同様の試験を行った結果を表３に示す。これらの表に示すように、速度比３．３の場合は、従来の旋回羽根方式の混合器と遜色のない混合度（酸素濃度偏差が２．５％となる混合距離）となることがわかる。また、混合器の特性としては、混合距離の他、圧力損失も重要であり、特にガスＡ側の圧力損失が低いことが重要であるが、旋回羽根を用いない場合にはいずれもガスＡ側の圧力損失がΔ３ｍｍＡｑと低い値を示した。これに対して、旋回羽根方式の混合器では、ガスＡ側の圧力損失がΔ７７ｍｍＡｑと明らかに圧力損失が大きいことが確認された。
【００２３】
【表１】
2006272150.tif 000003
【００２４】
【表２】
2006272150.tif 000004
【００２５】
【表３】
2006272150.tif 000005
【００２６】
なお、第１の実施形態において、主管１の断面形状は円形に限らず、略円形であればよく、例えば６角形以上の多角形が例示される。また、ガス吹き込み用ノズル２の断面形状も円形に限らず、扁平形状や矩形状等、どのような形状であってもよい。
【００２７】
さらに、ガス吹き込み用ノズル２の寸法は特に限定されないが、図５に示すように、主管１の断面で見た場合のガス吹き込み用ノズル２の寸法ｈが主管１の内径ｄの１／４以下であることが好ましい。このようにすることにより、好ましい旋回流を容易に形成することができる。この効果は、このような寸法を満たしている限り、ガス吹き込み用ノズル２の断面形状によらずに得ることができる。
【００２８】
さらにまた、ガス吹き込み用ノズル２は、ガスの噴射方向が主管１の接線方向になるように設けられた例について示したが、完全に接線方向でなくてもよく、また主管１の断面形状が円でない場合でも外接円の接線方向また略接線方向であればよい。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図６は本発明の第２の実施形態に係る混合器を示す横断面図であり、図７は縦断面図である。なお、図６は図７のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
【００３０】
本実施形態では、主管１に対し、２本のガス吹き込み用ノズル２が、主管１に対してガスＢの噴射方向が主管１の接線方向となるように、かつ旋回方向が同一になるように設置されている。
【００３１】
本実施形態では、このように２本のガス吹き込み用ノズル２を設けることにより、混合距離を短くすることができ、２つのガスを効率良く混合することができる。
【００３２】
図８はノズル本数が１本の場合と２本の場合の混合度の比較を行った試験結果である。ここでは、第１の実施形態と同様、空気１９３Ｎｍ３/ｈと酸素ガス１７Ｎｍ３/ｈを混合させた。試験は、８０Ａ（内径８０．７ｍｍ）の直円管に空気を流し、そこに直円管内の接線方向に噴出する２０Ａ（内径２１．６ｍｍ）の吹き込みノズルから酸素ガスを噴出し混合した。混合場所から、下流に２００ｍｍ（無次元混合距離＝２．５）、４００ｍｍ（無次元混合距離＝５）、６００ｍｍ（無次元混合距離＝７．５）、８００ｍｍ（無次元混合距離＝１０）、１０００ｍｍ（無次元混合距離＝１２．５）の各距離で、配管内流路断面内の９点の酸素濃度を測定した。各断面内で測定された酸素濃度（％）の最大値と最小値の差の絶対値を酸素濃度偏差（％）とし、酸素濃度偏差Δが２．５％を下回る距離を実験から求め、その距離が小さいほど混合度が高いと評価した。以上を、吹き込みノズルが１本の場合と、２本の場合で行い混合度を比較した。また、表４に、ガス吹き込み用ノズルが２本の場合の一連の試験で得られた主な結果を示す。
【００３３】
図８のグラフによると、酸素濃度偏差Δが２．５％となるのは、ノズルが１本の場合では約９００ｍｍ（無次元混合距離＝１１）、ノズル２本の場合では約４００ｍｍ（無次元混合距離＝５）であり、吹き込みノズルを２本とすることにより、より短い混合距離で酸素濃度偏差が小さくなっていくことが確認された。すなわち、ガス吹き込み用ノズルを２本にすることにより、混合効率が極めて良好になることが確認された。なお、速度比はノズル１本の場合は１．１、ノズル２本の場合は０．５５（同流速）であり、ノズル２本とすることで速度比が２より小さくても混合距離を短くすることができる。
【００３４】
表４に示すように、ガス吹き込み用ノズルが２本の場合は、Ａガス側の圧力損失がΔ３ｍｍＡｇと低いのみならず、Ｂガスの速度が小さくてよいことから、Ｂガス側の圧力損失もΔ４ｍｍＡｑと著しく低いことが確認された。
【００３５】
【表４】
2006272150.tif 000006
【００３６】
なお、第２の実施形態において、主管の断面形状やガス吹き込み用ノズルの断面形状、さらにはガス吹き込み用ノズルの寸法と主管の内径との比率、ガス吹き込み用ノズルの方向等は、第１の実施形態と同様である。さらに、ガス吹き込み用ノズルが２本の例について示したが、３本以上であってもよい。さらにまた、２本のガス吹き込み用ノズルを主管の同一断面位置に配置した例について示したが、主管の長手方向に間隔をおいて２本以上のガス吹き込み用ノズルを配置してもよい。さらにまた、２本のガス吹き込み用ノズルから吹き込むガスを同じガスとしたが、異なるガスを吹き込むようにしてもよく、その場合には３種類のガスを混合することになる。３本以上のガス吹き込み用ノズルを用いる場合には、４種類以上のガスを混合することが可能である。ただし、１本のガス吹き込み用ノズルから吹き込むことになるガスについては、第１の実施形態と同様、ガス吹き込み用ノズルからのガスの噴射流速が混合後のガス流速の２倍以上とする必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によれば、簡単な構造で確実に効率良く少なくとも２つのガスを混合することができるので、各種燃料ガスや各種工業用ガスの混合に最適であり、産業上の利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガス混合器を示す横断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るガス混合器を示す縦断面図。
【図３】速度比１．１および３．３における混合開始からの距離と酸素濃度偏差との関係を示す図。
【図４】速度比と酸素濃度偏差２．５％となる無次元混合距離との関係を示す図。
【図５】ガス吹き込み用ノズル２の好ましい寸法を説明するための図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るガス混合器を示す横断面図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るガス混合器を示す縦断面図。
【図８】吹き込みノズル１本と２本の場合における混合開始からの距離と酸素濃度偏差との関係を示す図。
【図９】従来のガス混合器の構造を示す側面図および断面図。
【符号の説明】
【００３９】
１  主管
２  ガス吹き込みノズル
２ａ  噴射口
３  旋回方向
【図１】
2006272150.tif 000007
【図２】
2006272150.tif 000008
【図３】
2006272150.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
2006272150.tif 000012
【図７】
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【図８】
2006272150.tif 000014
【図９】
2006272150.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成18年3月29日(2006.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
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