(57)【要約】【課題】小型化した噴射液噴射式の気化混合装置を提供する。【解決手段】噴射液を気化し、反応ガスと混合させた混合ガスを供給する気化混合装置１において、上流側絞り部３を備えた混合器２と、噴射液を霧状に噴射させる噴射弁５と、を備える。混合器２内で反応ガスの旋回を生じ、且つ、噴射弁５から噴霧された噴射液が少なくとも一周以上旋回するように、上流側絞り部３の断面積Ａ１を設定する。【選択図】　　　図１
2004119184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射液を気化し、反応ガスと混合させた混合ガスを供給する気化混合装置において、
上流側に絞りを備えた混合器と、
噴射液を霧状に噴射させる噴射弁と、を備え、
前記混合器内で反応ガスの旋回を生じ、且つ、前記噴射弁から噴霧された噴射液が少なくとも一周以上旋回するように、前記上流側の絞りの断面積を設定することを特徴とする気化混合装置。
【請求項２】
さらに、前記混合器の下流側に絞りを備え、
気化混合装置の下流側から混合ガスが逆流しないように、前記下流側の絞りの面積を設定する請求項１に記載の気化混合装置。
【請求項３】
前記上流側と下流側の絞りの断面積を変化させる可変絞り手段を備え、
前記上流側と下流側の絞りとの面積比を、前記混合器に流入させる反応ガスの流量により制御する請求項１または２に記載の気化混合装置。
【請求項４】
前記混合器に流入させる反応ガスの流量に応じて、前記噴射弁の噴出方向を、前記混合器内の反応ガスの旋回流に対して逆方向と順方向に切り替える請求項１から３のいずれか一つに記載の気化混合装置。
【請求項５】
前記噴射弁を、上流側絞り内部に設置する請求項１から３のいずれか一つに記載の気化混合装置。
【請求項６】
前記上流側絞りの上流側に加熱体を備え、
前記噴射弁を前記加熱体の上流側に設置し、噴射液を前記加熱体に衝突させて蒸発させ、噴射液蒸気を反応ガスとともに前記混合器に供給する請求項１から３のいずれか一つに記載の気化混合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池や燃料電池用改質器に燃料混合ガスを供給する気化混合装置に関するものであり、特に噴射弁を用いて噴射液を反応ガスに気化、混合させる気化混合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質膜を使用し、１００℃以下の温度で水素を燃料として発電を行う小型の燃料電池システムが開発され、自動車用や都市ガスを利用した住宅用の発電システムとして応用されている。
【０００３】
燃料電池への燃料供給方法として、改質器においてメタノールやガソリン等の炭化水素系燃料から改質ガスを生成する方法が知られている。この場合には、炭化水素系燃料や水等の燃料を気化混合装置により、空気等の酸化ガス中に気化・混合されてから改質器に供給される。また、タンク等に貯蔵した水素を直接燃料電池に供給する場合にも、燃料電池内の高分子電解質膜の乾燥を防止するために、気化混合装置により燃料ガス（水素）に水蒸気を混合してから燃料電池に供給するものが知られている。
【０００４】
このような気化混合装置としては、例えば噴射弁噴射式気化混合装置が知られている。これは、配管内に噴射液の噴霧ノズルが設置されており、加圧ポンプで噴射液を加圧供給して噴霧ノズルに供給し、配管上流側から流入する反応ガス中に霧状に噴射される。噴射された噴射液は、反応ガスの熱により蒸発するが、微粒化されて容積が小さく、かつ、反応ガスから熱量を得る表面積が拡大しているので、速やかに蒸発する。噴射液供給量を制御する場合には、噴射ノズル手前に流量制御弁を設置するか、噴霧ノズル自体を噴射弁として間欠噴射を行い噴霧量を制御する。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−５４９００号公報
【０００６】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、このような従来の気化混合装置においては、以下のような問題があった。
【０００７】
噴射弁噴射式の気化混合法では、体積当たりの熱容量の小さい反応ガスから熱量をもらうため、水のように気化熱が大きい噴射液は、微粒化噴霧となっても蒸発に時間がかかり、大きな気化混合装置が必要となる。さらに、炭化水素系燃料や水を含め、気化した噴射液の蒸気は空気や水素ガスと比重が異なるため、すぐには混合しない。そのため、噴射液の蒸気と反応ガスの混合ガスを形成するために、気化混合装置の全長を長くする必要がある。その結果、反応ガスの温度や流量によっては全長が１ｍ以上となり、住宅や自動車用の燃料電池システムに搭載される気化混合装置としては小型化が困難である。
【０００８】
そこで本発明は、装置を小型化できる噴射式の気化混合装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、噴射液を気化し、反応ガスと混合させた混合ガスを供給する気化混合装置において、上流側と下流側に絞りを備えた混合器と、噴射液を霧状に噴射させる噴射弁と、を備える。前記混合器内で反応ガスの旋回を生じ、且つ、前記噴射弁から噴霧された噴射液が少なくとも一周以上旋回するように、前記上流側と下流側の絞りの断面積比を設定する。
【００１０】
【作用及び効果】
上流側と下流側に絞りを備えた混合器と、噴射液を霧状に噴射させる噴射弁とを備える。混合器内で発生する反応ガスの旋回流により噴射弁で噴霧された噴射液を少なくとも一周以上旋回させるので、混合器内での反応ガスの軸方向の流速が低下し、噴射液が気化するまでの反応ガスの軸方向の流動距離が短縮されるため、気化混合装置の小型化が可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる気化混合装置１の概略を図１に示す。ここでは、一定流量の反応ガスに対して噴射液を混合する気化混合装置１として、一定量の電力を生じる燃料電池システムに用いる気化混合装置１について説明する。
【００１２】
気化混合装置１を、反応ガスを供給する配管６、配管６に形成した上流側絞り部３、供給された反応ガスと後述する噴射弁５から噴射された噴射液とを混合する混合器２、混合器２の下流に配置した下流側絞り部４により構成する。また、混合器２の壁面には、噴射液を噴射する噴射弁５を備える。本実施形態は、混合器２に対して上流側絞り部３および下流側絞り部４を交換可能とする。つまり、反応ガスの流量や噴射液の種類等に応じて、上流側絞り部３および下流側絞り部４の断面積を設定可能とする。
【００１３】
配管６より上流側絞り部３を通って流速を調整された反応ガスを混合器２内に進入させる。この反応ガスには、混合器２内の噴射弁５より噴射された水や炭化水素系混合物等の噴射液が混合され、下流側絞り部４を通って排出される。排出された混合ガスは、混合器２が燃料電池の加湿装置として適用される場合には燃料電池に供給され、改質燃料および水の混合装置として適用される場合には改質器に供給される。
【００１４】
混合器２と上流側絞り部３を含む上流側の配管６の位置関係を、図２に示した混合器２の断面図を用いて説明する。
【００１５】
混合器２は、内部に反応ガスの旋回流を発生させるために円筒状の形状とする。上流側絞り部３を含む配管６の軸方向が、混合器２の軸方向に対してある角度を持つように、ここでは、垂直の角度を持つように混合器２に配管６を接続する。つまり、反応ガスが配管６内を流れる反応ガスの流速をｖｘ、混合器２内を流れる反応ガスの軸方向の成分をｖｙとすると、流速ｖｘに対して流速ｖｙは垂直方向の流れを示す。また、配管６は混合器２の外周に沿って反応ガスを供給するように形成する。これにより、配管６から混合器２に流入する反応ガスは、混合器２の軸中心Ｃから半径ｒ０だけ離れた位置から、旋回速度ｖｘを持って混合器２に流入され、混合器２内に旋回流を発生する。
【００１６】
また、噴射弁５を、図２の断面図に示すように混合器２の中心軸から離れた位置に旋回流に対向するように噴射液を噴射するように設置する。このとき、旋回流により噴霧が効率良く攪拌されるように、混合器２内部のなるべく上流側の速い旋回流が分布している位置に設置するのが望ましい。ここでは、混合器２内部における噴射弁５の下流側の軸長さをＬとし、このＬを大きくとるように噴射弁５を設置する。
【００１７】
これらに対して下流側絞り部４は、混合器２の軸方向に沿って形成する。つまり、混合器２と下流絞り４の軸方向を同一線上に構成する。下流側絞り部４は混合器２から排出される混合ガスの流速を速め、下流に接続される燃料電池または改質器等からの逆流を防ぎ、混合器２内に安定した旋回流を保持する。また、後述するように、上流側絞り部３との断面積比を最適化することにより、気化混合装置１全体の圧力損失を調整する。
【００１８】
次に、各部の断面積の設定条件を考える。まず、上流側絞り部３の断面積Ａ１の条件を考える。
【００１９】
ここでは、混合器２に旋回流を発生させて、噴射液が噴射された反応ガスが軸方向にＬだけ進む間の反応ガスの流跡線を長くすることで、反応ガスと噴射液の混合を促進する。言い換えれば、旋回流を発生させて混合器２内での反応ガスの軸方向の速度ｖｙを小さくすることにより、気化混合装置１を小型化する。そのため、反応ガスが混合器２内で少なくとも一回転以上旋回する旋回流を発生することが望ましく、これを実現するために上流側絞り部３の断面積Ａ１と混合器２の断面積Ａ２に式（１）のような関係を成立させる。
【００２０】
【式１】
2004119184.tif 000003
【００２１】
ただし、式（１）において、噴射弁５の設置位置から下流側絞り部４までの距離をＬ、混合器２の半径をｒとする。
【００２２】
式（１）の左辺は、反応ガスの旋回流に噴射液が噴射されてから混合器２から排出されるまでに何回転するかを示している。よって、混合器２の全長が長い場合や用いる噴射液の種類により気化時間が短くてよい場合、反応ガスの流量を大きくとるために上流側絞り部３における圧力損失を少なくしたい場合には旋回数（左辺）が１に近くなるように設定する。反対に、気化しにくい噴射液を使用する場合や、混合器２を小型化したい場合には旋回数を多く、つまり左辺を大きくする。
【００２３】
また、上流側絞り部３の断面積Ａ１が混合器２の断面積Ａ２に比べて極端に小さいと圧力損失が大きくなり、混合器２の断面積Ａ２の割には反応ガスの流量が小さく、気化混合装置１としての効率が悪くなる。そこで、上流側絞り部３の断面積Ａ１は、混合器２の断面積Ａ２の５％以上で用いることが望ましい。
【００２４】
式（１）に上記の点も考慮すると、上流側絞り部３の断面積Ａ１を式（２）の範囲で設定する。
【００２５】
【式２】
2004119184.tif 000004
【００２６】
このような範囲で上流側絞り部３の断面積Ａ１を設定することで効率のよい気化混合装置１を得ることができる。
【００２７】
次に、下流側絞り部４の断面積Ａ３についての条件を考える。
【００２８】
下流側絞り部４の断面積Ａ３は、気化混合装置１の下流に接続される改質器や燃料電池等の圧力抵抗により反応ガスの一部が混合器２に逆流するのを防ぎ、混合器２内の旋回流を安定させる。そのため、混合器２の断面積Ａ２より１０％以上小さいものを用いて、下流側絞り部４における反応ガスの流速を、混合器２内部における反応ガスの主流の速度、ここでは旋回方向の速度より速くすることが望ましい。
【００２９】
また、都市ガスのように燃料の供給圧が数気圧程度で一定である燃料ガスを反応ガスとして利用し、そこに水等の噴射液を混合させて、改質器に改質燃料ガスを供給する場合を考える。このような改質器に供給する燃料ガスの種類が地域等により異なる場合には、上流側絞り部３を交換することにより、混合器２において燃料ガスの種類に応じた旋回を行う気化混合装置１を得ることができる。このとき、上流側絞り部３の断面積Ａ１を変更すると圧力損失係数が変化するが、燃料ガスの供給圧力は一定であるので、気化混合装置１全体の圧力損失が所定の上限値を超えないように下流側絞り部４の圧力損失係数を変更することが望ましい。ここで、圧力損失係数を、流路断面積に応じて決定する係数とし、これと流量の自乗との積により圧力損失を示すものとする。
【００３０】
例えば、上流側絞り部３を圧力損失係数の大きいものに変更した場合には、下流側絞り部４を圧力損失係数が小さいものに変更する。これにより、気化混合装置１全体の圧力損失の差を、上流側絞り部３の断面積Ａ１が異なる気化混合装置１間で小さくすることができるので、燃料電池システム全体の設計や製造に都合がよい。
【００３１】
このような要求に対応しながら、種々の反応ガスや流量に対応して混合器２内の旋回数を調整するには、上流側絞り部３と下流側絞り４のトータルな圧力損失が一定値以下になるようにすればよい。ここでは、断面積Ａ１と断面積Ａ３との面積比が式（３）を満たすように調整することで圧力損失を一定値以下に調整する。
【００３２】
【式３】
2004119184.tif 000005
【００３３】
このように、式（３）を満たす気化混合装置１を用いることで、上流側絞り部３の断面積Ａ１に関わらず、気化混合装置１全体の圧力損失を流量により決定する所定値以下にすることができる。その結果、気化混合装置１から排出される混合ガスは一定圧力をもつので、後流の燃料電池システムの設計や製造が容易になる。
【００３４】
さらに望ましくは、反応ガスの種類や流量が異なる改質器や燃料電池等に応じて混合器２内の旋回数を変えた気化混合装置１を構成する場合に、それぞれの上流側絞り部３の断面積Ａ１に応じて、式（３）の等号が成立するように下流側絞り部４の断面積Ａ３を設定する。これにより、供給される反応ガスの種類や流量に応じて、異なる断面積の上流側絞り部３、下流側絞り部４を用いた気化混合装置２の間で圧力損失を等しくすることができ、システム設計をさらに容易にすることができる。
【００３５】
例えば、ある気化混合装置１ａに最小の断面積Ａ１ａ（＝αＡ２：αは面積比）をもつ上流側絞り部３を用いる。このとき、気化混合装置１全体の圧力損失を小さくするために、断面積Ａ３ａが混合器２の９０％（Ａ３ａ＝０．９Ａ２）の下流側絞り部４を用いる。これに対して、他の気化混合装置１には、反応ガスの種類、流量に応じて気化混合装置１ａよりも大きな断面積Ａ１をもつ上流側絞り部３を用いる。このとき下流側絞り部４の断面積Ａ３を以下のように設定する。
【００３６】
【式４】
2004119184.tif 000006
【００３７】
仮に、上流側絞り部３の断面積Ａ１が０．２Ａ２から０．４Ａ２までの５種類の気化混合装置２を作製する場合には、それぞれの気化混合装置２の下流側絞り部４の断面積Ａ３は表１のように設定する。
【００３８】
【表１】
2004119184.tif 000007
【００３９】
これにより、上流側絞り部３および下流側絞り部４の断面積が異なる気化混合装置１間で互換性が高くなる。
【００４０】
次に、本実施形態における効果を説明する。
【００４１】
噴射液を気化し、反応ガスと混合させた混合ガスを供給する気化混合装置１において、上流側絞り部３を備えた混合器２と、噴射液を霧状に噴射させる噴射弁５と、を備える。混合器２内で反応ガスの旋回を生じ、且つ、噴射弁５から噴霧された噴射液が少なくとも一周以上旋回するように、上流側絞り部３の断面積Ａ１を設定する。これにより、混合器２内での反応ガスの軸方向の流速が低下し、噴射液が気化するまでの反応ガスの軸方向の流動距離が短縮されるため、気化混合装置１の小型化が可能になる。
【００４２】
ここでは、上流側絞り部３の軸方向と、混合器２の軸方向とが、ある角度をもち、上流側絞り部３を介して反応ガスが混合器２の内壁に沿って供給される。これにより、混合器２内で旋回を発生させることができると共に、上流側絞り部３の断面積Ａ１を設定することで、旋回数を設定することができる。
【００４３】
また、さらに混合器２の下流側絞り部４を備え、気化混合装置１の下流から混合ガスが逆流しないように下流側絞り部４の断面積Ａ３を設定する。これにより、混合器２内で安定した旋回流を得ることができ、効率のよい気化・混合を確実に行うことができる。
【００４４】
さらに、上流側絞り部３と下流側絞り部４の断面積比を、両方の絞りにおける圧力損失が全体として一定になるように設定する。これにより、反応ガスの種類や設定流量の変更に対応して、上流側絞り部３の断面積Ａ１を変更した気化混合装置１に交換しても、気化混合装置１自体の圧力損失の変動を抑制することができる。そのため、上流側の流量調整手段や下流の改質器や燃料電池の使用の再調整が大幅に軽減されるという効果がある。
【００４５】
次に、第２の実施形態について説明する。気化混合装置１の概略を図３に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分のみを説明する。
【００４６】
ここでは、混合器２、上流側絞り部３、下流側絞り部４、噴射弁５、配管６の構成を第１の実施形態と同様とする。ただし、上流側絞り部３、下流側絞り部４内には、絞り断面積Ａ１、Ａ３を調整する可変絞り手段８、９を備える。可変絞り手段８、９としては、バタフライバルブやゲートバルブ等の機構を採用することにより、容易に実現できる。
【００４７】
この気化混合装置１は、自動車用燃料電池システムのように、燃料電池の出力要求に応じて反応ガスの流量を調整する、出力が可変の燃料電池システムに用いる。このような燃料電池システムにおいては、配管６の上流側にコンプレッサやブロア、あるいは、高圧の燃料ガスタンクが設置され、流量センサからの信号をもとに、要求流量の反応ガスが強制的に流入される。そして、その流量制御範囲の大きいものでは、１：１０程度の範囲で制御される。
【００４８】
このように、流量制御範囲が広いシステムでは、気化混合装置１の上流側絞り部３の断面積Ａ１と下流側絞り部４の断面積Ａ３は、流入される反応ガスの最大流量Ｑｍａｘを基準に設定される。このように設定された上流側絞り部３の断面積Ａ１は、反応ガス流量が最大値の数分の１にも減少したときには、旋回流発生用の絞りとしては大きすぎる。つまり、図２に示した、混合器２への反応ガスの流入速度ｖｘが流量に比例して減少して、反応ガスの旋回が抑制される。そのため、上流側絞り部３の断面を所定断面に固定すると、反応ガスの最小流量時に旋回流が弱くなり、混合器２内での噴霧の攪拌・混合が不十分になる可能性が生じる。
【００４９】
そこで、上流側絞り部３に設置した可変絞り手段８により、上流側絞り部３の断面積Ａ１を減少させて、噴射液の噴霧が効果的に攪拌されるように反応ガス流入速度を維持する。図３において可変絞り手段８は、図示しない流量センサの信号をもとに、反応ガス流量Ｑに応じて断面積Ａ１を調整するように、ここでは、反応ガスの流量Ｑが減少したときに断面積Ａ１を減少させるように制御する。例えば最大流量のときに可変絞り８を全開としてこの反応ガスの流入速度をｖｘｍａｘとすると、流量Ｑが減少したときに上流側絞り部３の断面を式（５）に示す断面Ａ１に調整する。
【００５０】
【式５】
2004119184.tif 000008
【００５１】
このように可変絞り手段８を設定することで、混合器２への流入速度をｖｘｍａｘに保つことができ、気化・混合に必要な旋回を維持することができる。
【００５２】
また、反応ガスを混合器２に圧送する能力の高いコンプレッサや高圧タンクを備えた場合には、式（５）に従って上流側絞り部３の断面積Ａ１を調整することにより生じる気化混合装置１の圧力損失はコンプレッサ等により打ち消すことができる。しかしながら、気化混合装置１自体の圧力損失係数が変動すると、下流側に接続された改質器や燃料電池内部の圧力を推定しにくくなるという問題が生じる。このような場合には、気化混合装置１の下流側に圧力センサを備えて、改質器や燃料電池を制御する必要が生じる。
【００５３】
そこでより望ましくは、上流側の可変絞り８に連動して下流側の可変絞り９により下流側絞り部４の断面積Ａ３を調整することにより、上流側絞り部３および下流側絞り部４による合計の圧力損失の変化を抑制する。これにより、気化混合装置７の下流側に圧力センサを設置しなくても、改質器や燃料電池への混合ガスの供給圧力を容易に推定でき、これらの装置の制御上都合がよい。
【００５４】
下流側絞り部４は、混合器２への反応ガスの逆流を防ぐため、最大でも混合器２の断面積Ａ２の９０％以下の範囲に設定することが望ましい。また、上流側絞り部３の断面積Ａ１が大きいときには下流側絞り部４の断面積Ａ３を絞り、上流側絞り部３の断面が絞られている場合には下流側絞り部４の断面を拡大するように制御する。即ち、下流側の可変絞り手段９は、上流側の可変絞り手段８により調整された断面積Ａ１に応じて制御される。例えば、上流側の断面積Ａ１の最小値が混合器２の断面と比較してαＡ２となるように選ぶ場合を考える。式（４）で示されるように断面積Ａ３を調整すると、上流側および下流側の絞り部３、４の断面積Ａ１、Ａ３を変化させることによる気化混合装置７全体としての圧力損失の変動を抑制することができる。
【００５５】
次に、本実施形態の効果について説明する。ここでは、第１の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００５６】
上流側絞り部３と下流側絞り部４の断面積Ａ１、Ａ３を変化させる可変絞り手段８、９を備え、上流側絞り部３と下流側絞り部４との面積比を、混合器２に流入させる反応ガスの流量により制御する。これにより、反応ガスの流量が低下しても混合器２内への流入速度を維持することができる。そのため、反応ガス流量が低いときも、混合器２内に形成する旋回流を維持でき、自動車用途のように必要な発電量に応じて反応ガス流量を変化させる燃料電池システムに適用しても、噴射液の噴霧を効果的に攪拌できる。ここでは、反応ガスの流量が小さい時には断面積Ａ１を小さく、流量が大きい時には断面積Ａ１を大きくすることで、混合器２内に流入する際の流速を維持する。
【００５７】
また、上流側絞り部３と下流側絞り部４の面積比を両方の絞りにおける圧力損失が一定となるように両者の絞り面積を制御する。これにより、反応ガスの流量を変化させた時の気化混合装置１の下流側に接続される改質器や燃料電池内の圧力を容易に推定できるようになり、下流側に圧力検出手段を備えなくても、改質反応や、燃料電池発電量の制御を精度よく行うことができる。
【００５８】
次に、第３の実施形態について説明する。ここに用いる気化混合装置１を図４に示す。以下、第１、または２の実施形態と異なる部分のみを説明する。
【００５９】
ここでは、間欠噴射により噴射液を噴霧する二つの噴射弁５ａ、５ｂを備える。噴射弁５ａは、旋回流に対して逆向きに噴射液を噴射し、噴射弁５ｂは旋回流に対して順方向に噴射液を噴射する。
【００６０】
反応ガスの混合器２への流入速度が速い場合には、噴射弁５ａにより噴射液を旋回流と逆方向に噴射して噴霧を効果的に拡散する。これに対して、反応ガスの流速が遅くなると、噴射弁５ａからの噴霧がこれに打ち勝って、旋回流と逆方向に噴流を形成できるようになる。噴射弁５ａでは間欠噴射を行うので、旋回流と逆方向に伸びた噴霧が噴射弁５ａ近くに一旦停留してから、これを反応ガスの旋回流が押し縮めるように流れる。これが繰り返し行われることにより、噴射液と反応ガスの混合に粗密領域が形成される可能性が生じる。
【００６１】
これを防ぐために、反応ガスの流速が低下したときに噴射方向を切り替えて、噴射弁５ｂにより旋回流と順方向に噴射液を噴射する。噴射の方向を切り替えは、反応ガス流量を図示しない流量センサで検知し、旋回流の流速を推定して行う。切り替え判断の基準は、噴射する噴射液の気化時間や、気化混合装置１で混合する反応ガスの流量の大きさにより適宜設定する。例えば、旋回流速ｖｘが次式（６）のような範囲になった場合に、噴射方向を順方向に切り替える。
【００６２】
【式６】
2004119184.tif 000009
【００６３】
Ｌｊは反応ガス流量が０のときに噴射弁５ａから噴射された噴射液の噴霧長さ、τは噴射弁５ａの噴霧間隔である。
【００６４】
なお、本実施形態は、第２の実施形態に適用することもできる。第２の実施形態と同様に可変絞り手段８を用いた場合には、反応ガスの流入速度を維持するために上流側絞り部３の断面積Ａ１を制御するが、断面を絞ることにより、混合器２内での旋回数が変化して旋回流の流速分布が変動する。そこで、予め実験等により逆噴射した噴霧に停留が発生する時の上流側絞り部３の断面積Ａ１を記憶しておき、可変絞り手段８によりその断面積Ａ１に調整された際に上述したように噴射方向を順方向に切り替える。
【００６５】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００６６】
混合器２に流入させる反応ガスの流量に応じて、噴射弁５の噴出方向を、混合器２内の反応ガスの旋回流に対して逆方向と順方向に切り替える。これにより、反応ガスの流量が大きい場合には、噴射液を旋回流に対して逆方向に噴射して効率良く噴霧を攪拌する。一方、流量が低下したときには、噴霧が旋回流に打ち勝って停留し、混合ガス内に噴射液の粗密領域が生じないように噴射液の噴射方向を順方向に切り替えることができる。これにより、効率良く均一化された混合ガスを得ることができる。
【００６７】
また、反応ガスの旋回方向に対して噴射液の噴射方向を切り替える手段として、噴射弁５を二つ備える。これにより、簡単な構成で噴射液の噴射方向を切り替えることができる。
【００６８】
次に、第４の実施形態に用いる気化混合装置１の概略を図５を用いて説明する。以下、第１、または２の実施形態と異なる部分のみを説明する。
【００６９】
本実施形態は、反応ガスの流量変化が緩慢に制御される場合に用いる。図５に示すように、噴射弁５の設置数を一個とし、混合器２に流入させる反応ガスの流れの方向を切り替える。これにより、反応ガスに対する噴射方向を、旋回流に対する逆方向と順方向とに切り替え可能とする。
【００７０】
ここでは、混合器２へ接続される上流側絞り部３を二箇所設け、噴射弁５の噴射方向に対して逆方向の旋回流を発生する上流側絞り部３ａと、順方向の旋回流を発生する上流側絞り部３ｂと、を備える。また、上流側絞り部３の上流には、切り替え手段１０を備え、それぞれの上流側絞り部３ａ、３ｂに選択的に反応ガスを供給する。この場合も、第３の実施形態と同様に、反応ガスの流量が低下した場合に、噴射方向が逆方向から順方向になるように旋回流の方向を切り替える。つまり、反応ガス流量が大きい場合には上流側絞り部３ａを介して混合器２に流入し、反応ガス流量が小さくなったら上流側絞り部３ｂを介して混合器２に流入するように切り替え手段１０を制御する。
【００７１】
なお、本実施形態は第２の実施形態に用いることもできる。第３の実施形態で述べたように、可変絞り手段８を備えている場合には、噴霧に停留が生じる時点での断面積Ａ１を求め、その断面積Ａ１に調整された際に反応ガスの流入方向を切り替えて、噴射方向を順方向に切り替える。
【００７２】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第３の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７３】
反応ガスの旋回方向に対して噴射液の噴射方向を切り替える手段として、固定された噴射方向に対して反応ガスの旋回方向を切り替える手段を持つ。ここでは、混合器２に反応ガスを流入する配管６ａ、６ｂと、切り替え手段１０とを備える。配管６ａ、６ｂは、流入される反応ガスの旋回方向が逆になるように配置し、このような配管６ａ、６ｂに切り替え手段１０により選択的に反応ガスを流通させる。これにより、コストを抑えた簡単な構成で、反応ガスに対する噴射液の噴射方向を切り替えることができ、効率のよい混合を行うことができる。
【００７４】
次に、第５の実施形態について、図６に示した気化混合装置１の概略を用いて説明する。以下、第３の実施形態と異なる部分のみを説明する。
【００７５】
ここでは、第３の実施形態において、噴射弁５を上流側絞り部３の内部に配置する。噴射弁５の噴射方向は、反応ガスの流れ方向に対して逆方向とする。
【００７６】
反応ガスの流量が低下した場合、上流側可変絞り手段８により断面積Ａ１を絞ることにより混合器２への流入速度を維持する。しかしこの場合でも、最大流量を前提として設定された混合器２に対して反応ガス流量自体が低下しているので、混合器２の下流側では旋回流の流速が低下する可能性がある。そのため噴射弁５を混合器２のなるべく上流側に配置し、流速の衰えない位置で噴射液を噴射させることが望ましいが、ここではより積極的に、図６に示すように噴射弁５を上流側絞り部３の内部に設置する。
【００７７】
これにより、反応ガスの流速が最も速いところで噴射液を逆方向に噴射するので、第３、第４実施形態のような反応ガスの流量による噴射方向の切り替えを不要とする。またこの場合には、上流側の可変絞り手段８により調整する断面積Ａ１の好適範囲を示した式（２）におけるＬは混合器２自体の全長を採用する。
【００７８】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは第２の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００７９】
噴射弁５を、上流側絞り部３内部に設置する。これにより、反応ガスの流路が絞られて流速が保たれた流れ場に噴射液を噴霧することができ、小さい流量の反応ガスに噴射液を混合するときでも、噴霧が停留することなく効果的に反応ガスと混合することができる。
【００８０】
次に、第６の実施形態に用いる気化混合装置１を図７に示した概略図を用いて説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分のみを説明する。
【００８１】
噴射弁５を、上流側絞り部３の上流側の配管６内部に配置する。噴射弁５からは、反応ガスの流れ方向に対して順方向に噴射液が噴射される。また、噴射弁５と上流側絞り部３との間に、加熱体１３を配置する。加熱体１３は金属板でハニカム状に形成された電熱ヒータ等で構成する。ここで、加熱体１３は上流側絞り部３内に配置してもよい。
【００８２】
混合器２内に供給する反応ガスの温度が低かったり、水のように気化熱が大きい噴射液を混合する場合には、噴射液が気化するのに時間がかかり、混合器２を長くする必要がある。しかし、形状の制約が厳しく混合器２を長く出来ない場合などには、反応ガスを加熱するほか、噴射弁５から噴射される噴射液を加熱体１３に当てて蒸発させる方法がある。
【００８３】
本実施形態では、噴射弁５を上流側絞り部３の上流側に設置したので、加熱体１３を上流側絞り部３の上流側に配置することができる。これにより、上流側絞り部３で流速を調整した反応ガスが、混合器２で旋回流を発生するのを邪魔することなく噴射液の蒸発を促進することができる。これにより、気化しにくい噴射液を用いる場合においても、混合器２の全長を短縮することができる。
【００８４】
なお、このような場合も、式（２）におけるＬには混合器２の全長を採用する。また、第２の実施形態に用いた可変絞り手段８、９を本実施形態に用いることもできる。
【００８５】
次に、本実施形態における効果を説明する。ここでは、第１の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００８６】
上流側絞り部３の上流側に加熱体１３を備え、噴射弁５を加熱体１３の上流側に設置し、噴射液を加熱体１３に衝突させて蒸発させ、蒸気を反応ガスとともに混合器２に供給する。これにより、噴霧の蒸発を促進する加熱手段１３を混合器２の外側に設置でき、混合器２内の旋回流を乱すことなく、混合器２の手前で噴射液を蒸発させて供給することができる。従って、水のような気化熱の大きな噴射液を使用する場合でも、噴射液の気化時間にとらわれることなく、混合器２の全長をさらに短縮できるという効果がある。
【００８７】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定するわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲以内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における気化混合装置の縦断面の概略図である。
【図２】第１の実施形態における気化混合装置の横断面の概略図である。
【図３】第２の実施形態における気化混合装置の縦断面の概略図である。
【図４】第３の実施形態における気化混合装置の横断面の概略図である。
【図５】第４の実施形態における気化混合装置の横断面の概略図である。
【図６】第５の実施形態における気化混合装置の縦断面の概略図である。
【図７】第６の実施形態における気化混合装置の縦断面の概略図である。
【符号の説明】
１　　気化混合装置
２　　混合器
３　　上流側絞り部
４　　下流側絞り部
５　　噴射弁
６　　配管
８　　可変絞り手段
９　　可変絞り手段
１０　切り替え手段
１３　加熱体
【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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【図６】
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【図７】
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