(57)【要約】【課題】導管内に異種流体の界面が生じる場合の流体拡散混合装置であって、特に、設置スペースを小さく抑えることができ、かつ、有効な拡散混合を行うことのできる流体拡散混合装置等を提供する。【解決手段】複数種類の流体を輸送する導管用の流体拡散混合装置において、当該流体拡散混合装置の上流側入口で前記導管から前記流体が流入し、当該流体拡散混合装置の下流側出口で前記流入した流体が前記導管に流出するように設けられ、流体拡散混合装置が１の外管と当該外管の中に設けられる１以上の内管を有し、前記外管と前記内管により、前記導管から流入した流体が前記導管に流出するまでの経路であって、互いに流速の異なる２種類以上の経路が形成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の流体を輸送する導管用の流体拡散混合装置であって、
当該流体拡散混合装置の上流側入口で前記導管から前記流体が流入し、当該流体拡散混合装置の下流側出口で前記流入した流体が前記導管に流出するように設けられ、
１の外管と当該外管の中に設けられる１以上の内管を有し、
前記外管と前記内管により、前記導管から流入した流体が前記導管に流出するまでの経路であって、互いに流速の異なる２種類以上の経路が形成される
ことを特徴とする流体拡散混合装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記外管の、前記流体の流れる方向に垂直な断面の形状が、前記導管の当該形状と同じであり、前記上流側入口と前記下流側出口で前記導管に接続される
ことを特徴とする流体拡散混合装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記外管と前記内管は円筒であり、前記外管と前記内管は前記流体の流れる方向の長さが同じである
ことを特徴とする流体拡散混合装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記内管は、前記外管の内側面に沿って設けられる
ことを特徴とする流体拡散混合装置。
【請求項５】
請求項１あるいは請求項２において、
前記外管と前記内管は、微小な前記経路が発生しないように設けられる
ことを特徴とする流体拡散混合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導管内に異種流体の界面が生じる場合の流体拡散混合装置に関し、特に、設置スペースを小さく抑えることができ、かつ、有効な拡散混合を行うことのできる流体拡散混合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体や液体等の流体輸送において、同じ導管内に異なる成分の異種流体を流す場合がある。例えば、都市ガスにおいては、張り巡らされたガス導管網を利用して、ガスの供給元からガスの使用先までガスが供給されるが、熱量がそれぞれ異なる複数種類のガスがこのガス導管網に導入される場合がある。そして、このガス導管網においては、今後、エネルギーの多様化の要請が高まることや、ガス輸送を代行する託送の頻度が多くなることが予想されることから、これまで以上に、異なる性状のガス輸送を行う機会が増えると考えられる。
【０００３】
このように、複数種類の流体が同じ導管を用いて輸送される場合には、流される流体の種類が変化する部分が発生するが、当該部分が、両流体があまり混合されておらず流体の性状の変化が急激である状態で、当該流体を使用する設備に到達すると、不具合が発生するなど運転上好ましくない。
【０００４】
そこで、下記特許文献１では、当該部分の物性変化挙動を適確に把握する手法等が提案されている。
【特許文献１】特開２００６−３３６７９５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、上述の手法により物性変化挙動を把握できても、輸送される流体を消費する設備の配置位置等により、消費設備において急激な物性変化を避けられない場合が発生し得る。この場合には、依然として運転上問題を起こすなどの危険がある。
【０００６】
この課題を解消するためにクッションドラムというものを流体の輸送過程に設ける方法が考えられるが、当該クッションドラムは流入する流体を滞留させて混合させるものであるため、それ相応の大きさが必要であり、設置場所に大きなスペースを必要とするという課題がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、導管内に異種流体の界面が生じる場合の流体拡散混合装置であって、特に、設置スペースを小さく抑えることができ、かつ、有効な拡散混合を行うことのできる流体拡散混合装置、等を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面は、複数種類の流体を輸送する導管用の流体拡散混合装置において、当該流体拡散混合装置の上流側入口で前記導管から前記流体が流入し、当該流体拡散混合装置の下流側出口で前記流入した流体が前記導管に流出するように設けられ、流体拡散混合装置が１の外管と当該外管の中に設けられる１以上の内管を有し、前記外管と前記内管により、前記導管から流入した流体が前記導管に流出するまでの経路であって、互いに流速の異なる２種類以上の経路が形成される、ことである。
【０００９】
更に、上記の発明において、好ましい態様は、前記外管の、前記流体の流れる方向に垂直な断面の形状が、前記導管の当該形状と同じであり、前記上流側入口と前記下流側出口で前記導管に接続される、ことを特徴とする。
【００１０】
更に、上記の発明において、一つの態様は、前記外管と前記内管は円筒であり、前記外管と前記内管は前記流体の流れる方向の長さが同じである、ことを特徴とする。
【００１１】
更に、上記の発明において、一つの態様は、前記内管は、前記外管の内側面に沿って設けられる、ことを特徴とする。
【００１２】
更にまた、上記の発明において、好ましい態様は、前記外管と前記内管は、微小な前記経路が発生しないように設けられる、ことを特徴とする。
【００１３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
図１は、本発明を適用した流体拡散混合装置の実施の形態例について配置と構造を示した図である。図１に示す流体拡散混合装置１が本実施の形態例に係る装置であり、外管１１の中に複数の内管１２を備える構造を有し、導管２の途中に設けられて、流入するガスを速度の異なる経路で流出することにより、流入ガスの拡散混合を小さな設置スペースで実現しようとするものである。
【００１６】
図１の（ａ）は、本流体拡散混合装置１の設置場所を説明するための図である。この図に示す例では、導管２を用いてガスＡ及びガスＢが矢印の方向に輸送され、使用設備３で消費される場合であり、ガスＡ及びガスＢは合流点以降同じ導管２内を流れる。この場合、輸送されるガスの性状は合流点で合流するガスＡとガスＢの比率によって決まるが、この比率が変化すると、導管２内にガスの性状が変化する部分が発生する。すなわち、変化前のガスと変化後のガスとの界面が発生する。
【００１７】
上記ガスＡとガスＢの比率変化が大きくかつ急激に起こった場合には、上記界面の部分における変化前後のガスの拡散混合に時間がかかり、当該部分が使用設備３に到達するまでに十分な拡散混合がなされない場合が考えられる。従って、十分な拡散混合を実現するために、本流体拡散混合装置１は合流点の下流側（図中のａ１）や使用設備３の上流側（図中のａ２）に設置される。
【００１８】
図１の（ｂ）は、本流体拡散混合装置１が設置されている状態の概観を示している。図に示すように、本流体拡散混合装置１は導管２の途中に組み込むように設置され、矢印で示すガスの流れ方向について、その上流側で導管２内を輸送されるガスの全てが流入し、その下流側で流入したガスが全て導管２内に流出する。
【００１９】
図１の（ｃ）は、本流体拡散混合装置１の構造を示している。この図では、流体拡散混合装置１を導管２から取り外した状態を示しており、図に示すように、本流体拡散混合装置１は、外管１１とその中に備えられる複数の内管１２によって構成されている。図１の（ｄ）は、図１の（ｂ）におけるＡ−Ａ断面（流れに垂直な面で切った断面）を示している。
【００２０】
外管１１は、導管２と同じ径（Ｄ０、例えば、０．５ｍ）の円筒であり、すなわち、流体の流れ方向に垂直な断面の形状が導管２と同じであり、その上流側と下流側で導管２と接続される。接続には、図示していないが、両側にフランジ部を設けるなど通常の配管と同様な方法で行うことができる。また、長さＬは、例えば、１０ｍとすることができる。
【００２１】
また、内管１２は、外管１１よりも小さい直径Ｄ２の円筒であり、外管１１と同方向に外管１１の内側に設けられる。本流体拡散混合装置１では、複数の内管１２を外管１１の内側面に沿って、すなわち、図１の（ｄ）に示すように、流れに垂直方向の断面では、内管１２の円が外管１１の円の内周に沿って配置されるように、設ける。また、この例では、各内管１２は外管１１と同じ長さＬを有している。
【００２２】
なお、外管１１及び内管１２は、導管２と同じ配管材で製作することができる。
【００２３】
このような構造を有する本流体拡散混合装置１では、図１の（ｂ）に示すように導管２に取り付けられた場合に、流入したガスが内管１２内とそれら以外の部分に分かれて当該装置内を流れることになる。すなわち、流入したガスの流れる経路として、上記外管１１及び内管１２により、図１の（ｄ）に大経路１３及び小経路１４として示す、２種類の経路が形成され、それらの経路に分かれてガスが流れることになる。大経路１３は、外管１１の内管１２が配置されていない中心部分の領域であり、概ね、直径Ｄ１の円柱状の領域である。また、小経路１４は、前述した複数の内管１２の内部の領域である。
【００２４】
図２は、本流体拡散混合装置１を用いた場合のガスの流れ挙動を説明するための図である。図２では、導管２内の流れと、上述した大経路１３及び小経路１４に分かれた本流体拡散混合装置１内の流れが模式的に示されており、流速ｕで流入したガスは、直径の異なる大経路１３及び小経路１４に分岐して、それぞれ、流速ｕ１、ｕ２で流体拡散混合装置１内を通過し、再び、導管２で合流することになる。
【００２５】
この流速ｕ１、ｕ２は、経路の直径が異なることから異なる値となる。このことは、下記（１）式（Ｆａｎｎｉｎｇの式）からも導くことができる。
【００２６】
Δｐ＝４λ・Ｌ・ρ・ｕ２／（Ｄ・２ｇ）                       （１）
ただし、
４λ＝０．３１６４・Ｒｅ-１／４（Ｂｌａｓｉｕｓの式）           (２）
Ｒｅ＝ｕ・Ｄ・ρ／μ                                         （３）
Δｐ：圧損
λ：管摩擦係数
Ｒｅ：レイノルズ数
ｕ：平均流速
Ｌ：管の長さ
ρ：ガス密度
Ｄ：管の直径
μ：静粘度係数
ｇ：重力加速度
上記（１）式は、管内流れにおける圧力損失を求めるものであるが、本流体拡散混合装置１における大経路１３及び小経路１４の流れに当てはめれば、どちらの経路を辿っても装置１の入口（上流側）と出口（下流側）では、それぞれ、同じ圧力となるので、４λ１・Ｌ・ρ・ｕ１２／（Ｄ１・２ｇ）＝４λ２・Ｌ・ρ・ｕ２２／（Ｄ２・２ｇ）となる。そして、当該等式を、上記（２）式及び（３）式を用いて整理すると、Ｄ１-５/４・ｕ１７／４＝Ｄ２-５/４・ｕ２７／４となり、直径Ｄ１、Ｄ２が異なると流速ｕ１、ｕ２が異なることになる。
【００２７】
このように、導管２を流れてきたガスが本流体拡散混合装置１を通過することにより、異なる２種類の速度の経路に分割されて再び合流するので、同時に流入したガスの流出するタイミングをずらすことができることになる。従って、前述したガスの成分（性状）が変化する部分が本流体拡散混合装置１に流入した場合には、その変化部分が装置１から流出するタイミングを２つにわけることができる。このことは、導管２内を流れるガスの性状変化の大きさと速度を軽減させることにつながる。
【００２８】
図３は、本流体拡散混合装置１の混合効果を説明するための図である。図３に示す例は、図１の（ａ）で説明したガスＡとガスＢが合流して導管２内を流れる場合を想定しており、その混合ガスのガスＢの濃度が短期間だけ高くなった場合のものである。図３の（ａ）は、この場合における、本流体拡散混合装置１の入口でのガスＢの濃度変化を示している。一方、図３の（ｂ）は、図３の（ａ）に示す状態のガスが本流体拡散混合装置１に流入した場合の装置１の出口におけるガスＢの濃度変化を示している。
【００２９】
前述の通り、本流体拡散混合装置１に流入したガスは、大経路１３と小経路１４に分割されて、それぞれ、異なる速度で装置内を経過して導管２に流出していく。従って、ガスＢの濃度が急激に上がって再び急激に下がる、図３の（ａ）の山の部分（変化部分）は、大経路１３と小経路１４に同時に流入するものの、その部分が流出するタイミングは経路で異なることになる。例えば、大経路１３と小経路１４にほぼ同量のガスが流れ込み、大経路１３の方が流速が速いとすると、まず、大経路１３を通過した上記変化部分が装置１から流出されるが、この時点で、小経路１４からは変化部分の前のガスＢの濃度が低いガスが流出しているので、両者が合流する装置１の出口では、ガスＢの濃度変化が半減され、図３の（ｂ）に示す左側の山のような状態となる。同様に、小経路１４を通過した上記変化部分が装置１から流出される時点では、大経路１４からは変化部分の後のガスＢの濃度が低いガスが流出しているので、両者が合流する装置１の出口では、ガスＢの濃度変化が半減され、図３の（ｂ）に示す右側の山のような状態となる。
【００３０】
このように、ガスの濃度（成分）変化がある部分（前述した界面が形成される部分）が本流体拡散混合装置１を通過することにより、その部分が分割されて異なるタイミングで導管２に流出していくことになって、結果として、導管２内のガスの濃度変化を緩やかなものとすることができる。すなわち、本流体拡散混合装置１は、当該変化部分におけるガスの拡散混合を促進する効果を有する。
【００３１】
このような本流体拡散混合装置１の効果は、シミュレーション計算によっても見ることができる。以下、効果確認のために実施したシミュレーション計算について説明する。図４は、本流体拡散混合装置１についてのシミュレーション計算の結果を示す図である。このシミュレーション計算では、図１に示した流体拡散混合装置１の長さＬを１０ｍ、外管１１直径Ｄ０を０．５ｍ、導管２から流入する元のガス流速ｕを１ｍ／ｓとして、内管１２の直径Ｄ２を変化させ、各直径Ｄ２について混合効果を求めた。また、流体拡散混合装置１に流入されるガスの濃度変化は図４の実線（Ｏｒｉｇｉｎ）で示されるようなものとした。ここで、濃度は、前述した図３の場合と同様にガスＡとガスＢが合流している場合のガスＢの濃度を示すものである。この例では、ガスＢの濃度が０％から１００％まで変化しているので、ガスＡのみが流れている状態が、短期間だけガスＢのみが流れている状態に変化する場合を想定している。また、混合効果は、流体拡散混合装置１の出口における濃度変化として求めた。
【００３２】
かかる濃度変化のシミュレーションでは、まず、外管１１直径Ｄ０と内管１２の直径Ｄ２とから、大経路１３の直径Ｄ１と小経路１４Ｄ２を定め、前述した（１）式の関係から、大経路１３における流速ｕ１を小経路１４における流速ｕ２で表す。一方、導管２を流れるガスは全て流体拡散混合装置１に流入し、そのガスは全て導管２に流出するので、導管２の断面積×元のガス流速ｕは、大経路１３の断面積×流速ｕ１と小経路１４の断面積の合計×流速ｕ２の和と等しくなる。この関係から、やはり、大経路１３における流速ｕ１を小経路１４における流速ｕ２で表すことができる。従って、これら２つの流速ｕ１と流速ｕ２の関係式から流速ｕ１と流速ｕ２の値を求めることができる。そして、大経路１３及び小経路１４からそれぞれ流出するガスの流量Ｆ１及びＦ２を、上記大経路１３及び小経路１４の流速と断面積から求める。
【００３３】
次に、上述したガスの濃度変化が流体拡散混合装置１の入口で発生する時点よりも少し前の時点から、流体拡散混合装置１の出口でのガス濃度を所定時間間隔で順次求めていく。具体的には以下のようにして出口でのガス濃度を求める。上記求めた各経路の流速から、流体拡散混合装置１に流入したガスが大経路１３及び小経路１４を通過して流出されるまでの各経過時間が分かるので、求めている時間帯において、各経路から流出されるガスが、入口においていつ流入されたものであるかがわかる。従って、上述した図４における流入されるガスの濃度変化（実線）から、その時間帯で各経路から流出されるガスの濃度が求められる。そして、その時間帯で各経路から流出される流量も上記求めた流量Ｆ１及びＦ２から求められるので、これらの値から、各経路から流出されたガスが合流した、出口でのガス濃度を求める。
【００３４】
図４に示す実線以外の線が、内管１２の各直径Ｄ２について、上記求めた出口でのガス濃度を示している。図中では、各直径Ｄ２をＤ２／Ｄ０で表している。どのグラフ（濃度推移）からも分かるように、直径Ｄ２に関わらず、濃度変化の度合い（グラフの山の傾斜）が装置１の入口における場合よりも緩やかになり、また、濃度変化の幅（グラフの山の高さ）も装置１の入口における場合よりも小さくなり、さらに、変化が起こる時間（グラフの山の幅）も装置１の入口における場合よりも長くなっている。従って、当該流体拡散混合装置１を通過させることにより、導管２内のガスの濃度変化を緩やかなものとすることができ、すなわち、本流体拡散混合装置１は、濃度変化部分におけるガスの拡散混合を促進する効果を有する、ということができる。
【００３５】
また、図４では、便宜的に３種類のＤ２／Ｄ０についてのみ結果をプロットしているが、実際のシミュレーションではそれより多くのＤ２／Ｄ０について計算を行なっており、その中で、最も効果が高かったのは、Ｄ２／Ｄ０＝１７．５％の場合（図４の破線）であった。  
【００３６】
なお、本流体拡散混合装置１では、前述した通り、流入ガスを速度の異なる２種類の経路に分割し、その後、合流させることにより、濃度変化を緩やかなものとするが、上記２種類の経路のうち、片方の経路に流入ガスの大部分が流れるような場合には、流入時の濃度変化が殆ど流出時に引き継がれてしまうことになり好ましくない。また、上記２種類の流速に大きな差がない場合も、両経路から濃度変化部分が流出するタイミングが重なってしまい、その重なった部分では濃度変化が大きくなるので、好ましくない。従って、両経路を流れるガスの流量に差がなく、両経路の流速差が大きいほど好ましく、効果が大きいと考えることができる。よって、その他の条件により常に最適な値を得られるとは限らないが、｜ｕ１−ｕ２｜／｜Ｆ１−Ｆ２｜を一つの最適化指数として、この値を最大とするように仕様を決定することができる。
【００３７】
また、上述したシミュレーションでは、流体拡散混合装置１を通過することによる圧力損失を求めているが、ρ（ガス密度）を０．８４７（ｋｇ／ｍ３）とし、μ（静粘度係数）を１．２３Ｅ−５（Ｐａ・ｓ）とした場合、その値は、０．２８−０．７３Ｐａとなり、低圧損な装置であると言える。
【００３８】
図５は、流体拡散混合装置１の別の実施例を示した図である。図５に示す例は、図１に示したものの内管１２を二重に施したものである。すなわち、図１の（ｃ）に示した装置１の内管１２のさらに内側（外管１１の中心側）に同仕様の内管１２を配置したものである。この場合にも、流速が異なる２種類の経路が形成されることになるので、前述したように、拡散混合の効果を得ることができる。
【００３９】
図６は、上記別の実施例についてのシミュレーション計算の結果を示す図である。上記図５に示す別の実施例についても、図１に示した装置１と同様のシミュレーションを行い、図６に示すように、この場合についても、各Ｄ２／Ｄ０について拡散混合の効果を確認することができる。なお、この場合には、Ｄ２／Ｄ０＝１２．５％の場合（図６の破線）に最も高い効果となった。
【００４０】
なお、図１に示した装置１の場合について、前述したシミュレーションの前提条件を変えた場合についても計算を行なっている。その結果、以下のような知見が得られている。まず、流入するガスの圧力を大きくした場合には、出口でのガス濃度の推移には影響がなく、装置１を通過することによる圧力損失が大きくなる。また、装置１の長さＬを変化させた場合には、長さＬが長いほど効果が大きくなる。また、流入するガス流速ｕを変化させた場合には、速度が遅くなるほど効果が大きくなる。なお、上記圧力損失は、ガス流速ｕに対して７／４乗倍で増加し、長さＬに対しては比例（１乗倍）で増加する。
【００４１】
なお、図１及び図５に示した流体拡散混合装置１では、外管１１が導管２と同じ径の円筒であったが、中空の棒形状のものであればその断面形状や断面のサイズを変えることも可能である。また、外管１１の長さＬも一例であって、他の長さとすることも可能である。
【００４２】
また、内管１２についても、図１及び図５に示したものに限定される必要はなく、外管１１と共に流速が異なる２種類以上の経路を形成できるものであれば、その数、外管１１内の配置位置、断面形状、長さ等を変更することができる。例えば、図１に示した装置１において、半数の内管１２についてはその長さを外管１１と同じとし、残りの半数の内管１２についてはその長さを外管１１よりも短い所定の長さとするようにしても良い。この場合には、流速が異なる３種類の経路が形成されることになる。
【００４３】
図７は、流体拡散混合装置１の更に別の実施例を示した図である。図７に示す例は、図１に示した装置において、外管１１と内管１２の間にできる隙間（微小な経路）をなくそうとするものである。当該実施例の装置は、図１に示した装置とその断面形状（ガスの流れ方向に垂直な断面の形状）のみが異なる。図７には、装置の長さＬ方向の任意の位置におけるその断面形状を示している。当該装置は、図１に示した装置と同じ外管１１（直径Ｄ０）の内部に、外管１１と同じ長さの直径Ｄ１の円筒と、当該円筒と外管１１との間にできる領域を、図７に示すような領域に分割する外管１１と同じ長さの複数の板、を設けることによって形成される。
【００４４】
この装置では、上記直径Ｄ１の円筒内部の大経路１３と、上記複数の板によって分割された各領域による小経路１４が形成され、図１に示した装置と同様にガスの拡散混合効果を有する。なお、当該装置では、この各小経路１４を形成する外壁が内管１２に相当する。
【００４５】
また、この装置では、図１に示した装置のような隙間の空間（微小な経路）がないため、すなわち、圧力損失が大きく殆どガスが流れない空間がないため、外管１１の断面の概ね全ての部分にガスが流れ、図１に示した装置に比べエネルギー損失が少なく、また、ダスト等が付着ししづらいという利点がある。
【００４６】
なお、本実施の形態例等の記載において、外管１１、内管１２等の管は、単に円筒状のものを意味するものではなく、中空で棒状のものを意味するものとする。
【００４７】
以上説明したように、本実施の形態例に係る流体拡散混合装置１では、図１、図５、及び図７に示すような装置構成により拡散混合のための装置が実現され、既存の導管２の途中に組み込むように設置ができるため、設置スペースを小さく抑えることができる。
【００４８】
また、本流体拡散混合装置１では、流入したガスが異なる速度で通過する２種類以上の経路が形成されて、流入したガスの流出タイミングがずれ、濃度変化部分について有効な拡散混合効果を有する。
【００４９】
また、図１に示した構成の流体拡散混合装置１とすることにより、製作及び設置が容易であるという効果を得られる。
【００５０】
なお、本実施の形態例においては、拡散混合する対象がガスであったが、本発明は、液体にも応用することが可能である。
【００５１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明を適用した流体拡散混合装置の実施の形態例について配置と構造を示した図である。
【図２】本流体拡散混合装置１を用いた場合のガスの流れ挙動を説明するための図である。
【図３】本流体拡散混合装置１の混合効果を説明するための図である。
【図４】本流体拡散混合装置１についてのシミュレーション計算の結果を示す図である。
【図５】流体拡散混合装置１の別の実施例を示した図である。
【図６】別の実施例についてのシミュレーション計算の結果を示す図である。
【図７】流体拡散混合装置１の更に別の実施例を示した図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  流体拡散混合装置、  ２  導管、  ３  使用設備、  １１  外管、  １２  内管、  １３  大経路、  １４  小経路
【図１】
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【図２】
2009097679.tif 000004
【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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