(57)【要約】【課題】気体と液体を混合させる際に良好な混合状態、噴霧状態を生成でき、また、蒸気発生の目的に応用した場合には、製作が容易かつ安価な蒸気発生装置を構成できる気液の混合装置を提供する。【解決手段】混合される気体に、当該気体の流れ方向に対して所定の角度（α）で、混合される液体を流入させて混合し、混合後は、長さ（Ｌ）と断面の直径（Ｄ）の割合（Ｌ／Ｄ）が所定の値を有する経路を通して、当該気体と液体を外へ流出させる。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入する気体と液体を混合する混合装置であって、
前記流入する気体を導き入れる気体ノズルと、
前記流入する液体を導き入れる液体ノズルと、
前記気体ノズルと前記液体ノズルが開口し、前記気体ノズルと前記液体ノズルから流れ込む前記気体と前記液体を導いて当該混合装置の外へ噴出させる円形断面の経路を有する、混合ノズルとを備え、
前記気体ノズル内の前記気体の流れる方向と、前記液体ノズル内の前記液体の流れる方向とのなす角度のうち、小さい方の角度（α）が、５０°以上９０°以下であり、
前記混合ノズル内で前記流れ込む気体と液体が合流する位置から、当該気体と液体を前記混合装置の外へ噴出させる位置までの距離（Ｌ）の、前記混合ノズルが有する経路の円形断面の直径（Ｄ）に対する割合（Ｌ／Ｄ）が、１．０以上である
ことを特徴とする混合装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記流入する液体が、水であり、
前記流入する気体が、当該水の飽和温度以上に過熱されている
ことを特徴とする混合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体と液体を混合させるための混合装置に関し、特に、混合後に良好な噴霧状態を生成することのできる混合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、気体と液体を混合する技術が燃焼バーナなどで用いられており、燃焼バーナでは、異なる系統から導かれた燃料油と空気などのガスを混合し、先端から両者を混合した状態で噴出する。噴出された燃料油は、噴流の中で微粒となり、即ち霧化し、着火により燃焼する。そして、この噴出後の噴霧状態が良好であれば、良好な燃焼を実行することができる。
【０００３】
一方、従来から、蒸気を発生させるための種々の装置が用いられており、それらの装置は一般的に、燃料を燃やして得られる火気によって容器内の水を加熱し蒸気を発生させるものである。例えば、それらの装置としては、一般的なボイラや下記特許文献に記載されている装置等がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１６８４０１号公報（第２−６頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、気体と液体が混合された時の流体の状態や挙動について十分に解明されていない点も多いことから、従来の燃焼バーナ等の混合装置においては、その寸法や形状等の仕様を経験的に決定する場合が多かった。従って、混合後、良好な混合状態、噴霧状態を生成できない場合や、最適な混合装置の仕様決定に時間を要する場合があった。
【０００６】
また、前述した従来の蒸気発生装置においては、通常、その原理上高圧容器を必要とするため、構造が複雑なり、また、法的な基準を満足する装置とする必要があった。従って、蒸気発生装置の設置は容易ではなく、時間とコストを要した。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、気体と液体を混合させる際に良好な混合状態、噴霧状態を生成でき、また、蒸気発生の目的に応用した場合には、製作が容易かつ安価な蒸気発生装置を構成できる気液の混合装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面は、混合される気体に、当該気体の流れ方向に対して所定の角度で、混合される液体を流入させて混合し、混合後は、長さと断面の直径の割合が所定の値を有する経路を通して、当該気体と液体を外へ流出させることである。従って、本発明によれば、混合装置の出口におけて生成される液膜の厚さを薄くすることができ、かつ、混合装置から噴出後の噴霧粒径を小さくすることができるので、良好な混合状態、噴霧状態を生成できる。
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の別の側面は、流入する気体と液体を混合する混合装置が、前記流入する気体を導き入れる気体ノズルと、前記流入する液体を導き入れる液体ノズルと、前記気体ノズルと前記液体ノズルが開口し、前記気体ノズルと前記液体ノズルから流れ込む前記気体と前記液体を導いて当該混合装置の外へ噴出させる円形断面の経路を有する、混合ノズルとを備え、前記気体ノズル内の前記気体の流れる方向と、前記液体ノズル内の前記液体の流れる方向とのなす角度のうち、小さい方の角度（α）が、５０°以上９０°以下であり、前記混合ノズル内で前記流れ込む気体と液体が合流する位置から、当該気体と液体を前記混合装置の外へ噴出させる位置までの距離（Ｌ）の、前記混合ノズルが有する経路の円形断面の直径（Ｄ）に対する割合（Ｌ／Ｄ）が、１．０以上であることを特徴とすることである。
【００１０】
更に、上記の発明において、その好ましい態様は、前記流入する液体が、水であり、前記流入する気体が、当該水の飽和温度以上に過熱されていることを特徴とする。これにより、容易に過熱蒸気を生成することが可能となる。
【００１１】
本発明の更なる目的及び、特徴は、以下に説明する発明の実施の形態から明らかになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、図において、同一又は類似のものには同一の参照番号又は参照記号を付して説明する。
【００１３】
図１は、本発明を適用した混合装置の実施の形態例に係る構造図である。図１の（ａ）は、混合される気体と液体の流れる方向に沿った断面を表しており、また、図１の（ｂ）は、図１の（ａ）のＡ−Ａ視図を表している。図１に示す本実施の形態例に係る混合装置１は、異なる系統から流入する気体と液体を合流させて混合し、混合状態の気体と液体を外へ噴出させて噴霧状態を生成するものである。
【００１４】
図１に示すように、本混合装置１は、気体ノズル２、液体ノズル３、及び混合ノズル４で構成されている。気体ノズル２は、流入する被混合気体を取り入れて、混合ノズル４に導く円形断面の経路であり、流速を高めるために順次断面積が小さくなっている。また、液体ノズル３は、流入する被混合液体を取り入れて、混合ノズル４に導く円形断面の経路であり、図１の（ａ）に示すように、混合ノズル４の壁面に開口する。ここで、液体ノズル３は、その方向と前記気体ノズル２の方向が所定の角度αをなすように設けられる。この角度αは、混合される前の気体の流れ方向と液体の流れ方向とがなす角度であり、以降、混合角度と称することとする。
【００１５】
また、混合ノズル４は、前記気体ノズル２及び液体ノズル３から流入する気体と液体を混合し、混合状態となった気体と液体を外部に噴出する円形断面の経路である。ここで、混合ノズル４は、混合ノズル４の円形断面の内径Ｄ（以下、混合ノズル径と称す）と、混合ノズル４の気体と液体が合流する位置から外部に噴出する位置までの距離Ｌ（図１の（ａ）を参照。以下、混合距離と称す）の比が所定の値となるように設けられる。なお、本実施の形態例においては、前記気体ノズル２と混合ノズル４が同一方向となるように構成されている。
【００１６】
このような構成を有する本混合装置１では、図１の（ａ）に示す矢印イの方向から混合される液体が流入し、また、図１の（ａ）に示す矢印ロの方向から混合される気体が流入し、それぞれが前記液体ノズル３と気体ノズル２に導かれて、両者は混合ノズル４において合流する。合流後は、両者が混合ノズル４内で混合しながら流れ、図１の（ａ）に示す矢印ハの方向へ噴出する。噴出後は、液体が霧化した状態で流れ、即ち噴霧状態となって混合装置１に続いて設けられた配管５内を流れる。なお、当該配管５を設けない構成としてもよい。
【００１７】
以上説明したような構造を有する本実施の形態例に係る混合装置１は、前述した混合角度αが５０°以上９０°以下になるように、また、前述した混合距離Ｌと混合ノズル径Ｄの比Ｌ／Ｄが１．０以上になるように設計されていることを特徴としている。このような特徴は、以下に説明する実験の結果に基づくものであり、このような仕様とすることで、気体と液体の良好な混合状態及び混合後の良好な噴霧状態を生成することが可能となる。
【００１８】
図２は、上記実験を説明するために図である。図２の（ａ）は、実験で使用された混合装置１０の構成を示した図であり、また、図２の（ｂ）は、実験で現れる現象を説明するための図である。図２の（ａ）に示すように、当該実験は、前述した混合装置１と同様の構成を有する混合装置１０において行われ、気体ノズル２０、液体ノズル３０、及び混合ノズル４０をそれぞれ透明な材質で作成し、気液の混合状態を外部から視覚的に観察できるようにして行われた。
【００１９】
また、実験は、図２の（ａ）の矢印ニから流入する気体と図２の（ａ）の矢印ホから流入する液体を混合することで行われたが、混合状態及び噴霧状態に影響を与えるであろうと考えられる前述した混合角度αと混合距離Ｌと混合ノズル径Ｄの比Ｌ／Ｄの値を変えて複数回行われている。
【００２０】
図２の（ｂ）では、前記実験で気液が混合された際の現象を示している。気体ノズル２０及び液体ノズル３０からそれぞれ流入した気体と液体は、混合ノズル４０内で合流し、互いに混ざり合って混合ノズル４０内を流動する。このように気液が混ざり合って流動している領域が、図２の（ｂ）に示す混合域５０である。
【００２１】
一方、液体ノズル３０から混合ノズル４０内に流入した液体の一部は、気体と混ざり合わずに、混合ノズル４０の壁面に付着し液膜を形成する。かかる液膜が、図２の（ｂ）に示す環状液膜６０である。
【００２２】
前記混合域５０を形成して混ざり合った気液は、図２の（ｂ）に示すように、混合ノズル４０から下方に噴出し、噴霧状態を形成する。図２の（ｂ）に示すｔは、混合ノズル４０の出口における前記環状液膜６０の厚さであり（以下、ノズル出口液膜厚さと称する）、ｄは、噴出後の液体の粒径（以下、平均噴霧粒径と称す）である。そして、このノズル出口液膜厚さｔが薄く、平均噴霧粒径ｄが小さい場合に、良好な混合状態及び噴霧状態であると判断される。従って、各条件における前記実験では、このノズル出口液膜厚さｔと平均噴霧粒径ｄが実験結果として計測されている。
【００２３】
図３は、混合角度αのみを変えて行った実験の結果を示した図である。図３のグラフに示すとおり、混合角度αを変えて気体と液体を混合した場合のノズル出口液膜厚さｔと平均噴霧粒径ｄの傾向は同様であり、混合角度αが５０°以下になると共に急激に悪い結果となる（図３のヘ参照）。即ち、混合角度αが５０°以下では、ノズル出口液膜厚さｔが急激に厚くなり、平均噴霧粒径ｄが急激に大きくなる。従って、この実験結果から、混合角度αが混合状態及び噴霧状態の影響因子であると考えられ、良好な混合状態及び噴霧状態を生成するためには、混合角度αを５０°以上にする必要があることが考察される。
【００２４】
また、図４は、混合距離Ｌと混合ノズル径Ｄの比Ｌ／Ｄのみを変えて行った実験の結果を示した図である。図４のグラフに示すとおり、比Ｌ／Ｄを変えて気体と液体を混合した場合のノズル出口液膜厚さｔと平均噴霧粒径ｄの傾向は同様であり、比Ｌ／Ｄが１．０以下になると共に急激に悪い結果となる（図４のト参照）。即ち、比Ｌ／Ｄが１．０以下では、ノズル出口液膜厚さｔが急激に厚くなり、平均噴霧粒径ｄが急激に大きくなる。従って、この実験結果から、比Ｌ／Ｄが混合状態及び噴霧状態の影響因子であると考えられ、良好な混合状態及び噴霧状態を生成するためには、比Ｌ／Ｄが１．０以上にする必要があることが考察される。
【００２５】
以上説明したように、本実施の形態例に係る混合装置１は、上述した実験結果に基づきその混合角度αが５０°以上になるように、また、混合距離Ｌと混合ノズル径Ｄの比Ｌ／Ｄが１．０以上になるように設計されているので、良好な気体と液体の混合が可能である。具体的には、混合ノズル４出口における液膜（ｔ）を薄くでき、かつ噴出後の液体の粒径（ｄ）を小さくできるので、良好な混合状態及び噴霧状態を生成することが可能である。
【００２６】
次に、本混合装置１を蒸気発生装置として応用した場合について説明する。図５は、蒸気発生装置として応用した場合の各装置の構成と流体のフローを示した図である。図５に示す応用例は、混合装置１で混合する液体を温水とし、また、混合装置１で混合する気体を過熱ガスとすることにより、温水を過熱ガス内に噴霧して蒸発させ、蒸気を生成しようとするものである。
【００２７】
図５に示す水タンク１１は、前記温水として混合装置１に供給される水を蓄えるタンクであり、ポンプ１２は、当該水タンク１１から混合装置１へ水を供給する装置である。当該ポンプ１２から混合装置１に水を導く温水配管１３には、その外周にヒータが設けられ、供給する水の温度を上昇させる。これにより水の蒸発がされ易くなる。なお、温水配管１３には、ヒータの代わりとして温水を供給するなどの手段を取ることもできる。
【００２８】
また、図５に示すガス加熱器１４は、前記過熱ガスとして混合装置１に供給されるガスを加熱する装置であり、ガス過熱配管１５は、当該ガス加熱器１４で加熱されたガスを更に水の飽和温度以上になるまで過熱し、保温しながら混合装置１に導く配管である。従って、ガス過熱配管１５にも過熱、保温のためのヒータ等が施される。なお、前記ガスとして使用される気体の種類は限定されないが、例えば、窒素などを用いることができる。また、前記水の飽和温度以上とは、例えば、圧力が大気圧である場合には１００℃以上を意味する。
【００２９】
また、前記温水と過熱ガスが供給される混合装置１は、前述の通りの構成であり、蒸気配管１６は、混合後の流体を導いて過熱蒸気とし、当該蒸気を蒸気の供給先に導く。なお、以上説明した、混合装置１の前後の装置構成は一例であり、他の構成を取ることも可能である。
【００３０】
以上説明した応用例における蒸気発生装置では、水タンク１１からの水（図５の矢印チ）が、温水配管１３によって過熱されて温水となって（例えば８０℃で）混合装置１に供給される（図５の矢印ヌ）。一方、ガス（図５の矢印リ）は、前記ガス加熱器１４とガス過熱配管１５で過熱されて過熱ガスとなって混合装置１に供給される（図５の矢印ル）。そして、温水と過熱ガスが混合装置１において混合し、前述したように良好な混合状態及び噴霧状態が生成されるので、温水は急速に蒸発し、蒸気配管１６で過熱蒸気となる（図５の矢印ヲ）。生成された過熱蒸気は、供給先に提供される（図５の矢印ワ）。
【００３１】
このように本発明に係る混合装置１を蒸気発生装置として応用することにより、気液の良好な混合が可能であることから、良好な蒸気を容易に発生させることができる。また、従来の蒸気発生装置と比較して構造も簡単であり、安価に装置を設けることができる。
【００３２】
本発明の保護範囲は、上記の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００３３】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、気体と液体の混合装置において、その出口における液膜の厚さを薄くすることができ、かつ、混合装置から噴出後の噴霧粒径を小さくすることができるので、良好な混合状態、噴霧状態を生成することが可能である。また、本発明に係る混合装置を蒸気発生装置として応用することにより、気液の良好な混合が可能であることから、良好な蒸気を容易に発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した混合装置の実施の形態例に係る構造図である。
【図２】気液混合の実験を説明するために図である。
【図３】混合角度αのみを変えて行った実験の結果を示した図である。
【図４】混合距離Ｌと混合ノズル径Ｄの比Ｌ／Ｄのみを変えて行った実験の結果を示した図である。
【図５】蒸気発生装置として応用した場合の各装置の構成と流体のフローを示した図である。
【符号の説明】
１  混合装置
２  気体ノズル
３  液体ノズル
４  混合ノズル
５  配管
１０  混合装置
１１  水タンク
１２  ポンプ
１３  温水配管
１４  ガス加熱器
１５  ガス過熱配管
１６  蒸気配管
２０  気体ノズル
３０  液体ノズル
４０  混合ノズル
５０  混合域
６０  環状液膜
α  混合角度
Ｄ  混合ノズル径
Ｌ  混合距離
ｄ  平均噴霧粒径
ｔ  ノズル出口液膜厚さ
【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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