JP5212301B2 - ベンチュリ管を用いた流体の混合方法、ベンチュリ型混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、ベンチュリ管を用いた流体の混合方法、ベンチュリ型混合装置に関する。

液化天然ガス（以下、「ＬＮＧ」という）を気化して都市ガスとして供給する際、熱量調整を行っている。近年はメタン成分の多いＬＮＧの輸入が増加しており、都市ガス用に増熱する場合が多い。熱量調整は天然ガスに液化石油ガス（以下、「ＬＰＧ」という）等の熱量調整剤を混合することにより行う。
このような熱量調整方法として、例えば特開昭６３−２６５９９４号公報（特許文献１）には、気化した天然ガスをベンチュリ型の液・ガスミキサーに供給し、ベンチュリ管で発生する低圧を利用して、ベンチュリ管に液体の状態で供給される熱量調整剤を蒸発・混合させる技術が開示されている。

また、都市ガスの増熱装置ではないが、内燃機関の燃料気化器に関する特開昭５３−１３１３２８号公報（特許文献２）には、ベンチュリ管内に流路方向に移動可能な絞り部材を設ける技術が開示されている。

さらに、特開平８−７５６２１号公報（特許文献３）には、定流量サンプリング装置に関し、ガスの流路となる管内に紡錘型のコアを固定し、コアの外側に配置されたスロート部をパルスモータによって流路方向に移動させることによって流路断面積を変化させる技術が開示されている。

また、実開昭５６−４１２１０号公報（特許文献４）、特開平４−２４８４１４号公報（特許文献５）には、流量測定制御装置に関し、ベンチュリ管のど部に円形の断面積が流路方向に沿って変化する面を有する可動体を配置し、この可動体を流路内に配置したモータによって駆動する技術が開示されている。

特開昭６３−２６５９９４号公報 特開昭５３−１３１３２８号公報 特開平８−７５６２１号公報 実開昭５６−４１２１０号公報 特開平４−２４８４１４号公報

天然ガスの流量は都市ガス需要量に応じて変動する。一方、ベンチュリ管は流量が変化するとその低圧発生効果が著しく低下するため、特許文献１に開示されたもののように、ベンチュリ管のど部の断面積が一定のものでは都市ガス需要量の変化が大きい場合には対応できないという問題がある。そのため、特許文献１の技術を用いる場合には、流量範囲に応じて大きさの異なるベンチュリ管を用意する必要があり、装置の複雑化等の問題がある。

この点、特許文献２に記載の技術においては、絞り部材の軸方向位置を変化させることによってベンチュリ管を通過する空気流量に変動があっても、対応できるようにしている。
しかしながら、特許文献２においては、絞り部材を軸方向に移動させるための駆動方法が開示されていない。また、仮に駆動源が流路外にあるとすると、駆動軸が流路外へ貫通することになり、頻繁に可動する面をシールすることになるため、流体が可燃性であったり危険物であったりする場合には漏洩の問題が生ずる。

また、特許文献３においても、紡錘型のコアの外側に配置したスロート部を流路方向に移動させるようにしているので、ガス流量の変動には対応可能であるが、駆動部が流路外に設置されているため、特許文献２の場合と同様、駆動機構が流路内外を貫通し、かつ可動する面（摺動面）でのシール性の問題が生ずる。
また、特許文献４、５においても同様に、ガス流量の変動には対応可能であるものの、駆動源としてのモータをガス流路内に配設しているため、構造が複雑になる上に、駆動エネルギーを必要とし、さらに、モータ部への流体の流入を考慮すると、可燃性や腐食性を有している流体への適用が難しいという問題がある。
さらに、特許文献５に開示されたものにおいては、圧力・温度に基づいて「流量」を制御しているが、流体の混合の観点で重要となるのは、流量の変動に合わせてベンチュリ管のど部の流速を制御することであり、特許文献５のものではこのような制御をすることはできない。

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、構造が簡単で、可燃性や腐食性を有する流体に対しても適用可能なベンチュリ管を用いた流体混合方法、ベンチュリ型混合装置を提供することを目的としている。

（１）本発明に係るベンチュリ管を用いた流体の混合方法は、流体の主流路にベンチュリ管を設け、該ベンチュリ管の上流側から供給される気体である第１流体に、ベンチュリ管のど部またはその上流側において第２流体を供給することによって両流体を混合する混合方法であって、前記主流路に第１流体を流すと共に、前記主流路における前記ベンチュリ管のど部またはその上流側において前記ベンチュリ管の軸線に対し軸心をずらした交差方向に前記第１流体を流すことによって前記ベンチュリ管を流れる流体に旋回流を発生させ、前記ベンチュリ管のど部の流速を増すようにしたことを特徴とするものである。

（２）本発明に係るベンチュリ型混合装置は、流体の主流入管にベンチュリ管を設け、該ベンチュリ管の上流側から供給される気体である第１流体に、ベンチュリ管のど部またはその上流側において第２流体を供給することによって両流体を混合するベンチュリ型混合装置であって、前記主流入管から分岐する分岐管を設け、該分岐管の出口側を前記ベンチュリ管のど部またはその上流側に接続し、該分岐管によって前記ベンチュリ管の軸線に対し軸心をずらした交差方向に前記第１流体を流すことによって前記ベンチュリ管を流れる流体に旋回流を発生させ、前記ベンチュリ管のど部の流速を増すようにしたことを特徴とするものである。

（３）また、上記（２）に記載のものにおいて、前記分岐管の出口側を、該出口側が接続される流路における流路断面の外周部接線方向に接続したことを特徴とするものである。

（４）また、上記（２）又は（３）に記載のものにおいて、前記分岐管の出口側の接続部が前記ベンチュリ管の軸線方向に複数設けられていることを特徴とするものである。

（５）また、上記（２）乃至（４）のいずれかに記載のものにおいて、前記分岐管の出口側の接続部が前記ベンチュリ管の周方向に複数設けられていることを特徴とするものである。

（６）また、上記（２）乃至（５）のいずれかに記載のものにおいて、前記主流入管に流量調整弁を設けると共に前記分岐管を流れる第１流体の流量及び／又は圧力を検知する検知手段を設け、該検知手段の検知信号に基づいて前記流量調整弁の開度を調整するようにしたことを特徴とするものである。

（７）また、上記（６）に記載のものにおいて、分岐管の出口側の管径を、第１流体の最低流量として想定される量が流れたときに、前記分岐管からの旋回流成分のみでベンチュリ管のど部において両流体の混合に必要な流速を保つことができる径にしたことを特徴とするものである。

（８）また、上記（７）に記載のものにおいて、前記第１流体の流量が変動した場合でも、前記分岐管には常時、前記第１流体を前記最低流量流すように前記流量調整弁の開度を調整し、前記最低流量を超える流量分を主流入管から前記ベンチュリ管に流入させるようにすることを特徴とするものである。

（９）また、上記（２）乃至（８）のいずれかに記載のものにおいて、前記ベンチュリ管のど部の下流側に前記分岐管の一部の出口側の接続部を接続し、該分岐管によって前記ベンチュリ管の軸線に対し軸心をずらした交差方向に前記第１流体を流すようにしたことを特徴とするものである。

本発明においては、流体の主流路にベンチュリ管を設け、該ベンチュリ管の上流側から供給される気体である第１流体に、ベンチュリ管のど部またはその上流側において第２流体を供給することによって両流体を混合する混合方法であって、前記主流路に第１流体を流すと共に、前記主流路における前記ベンチュリ管のど部またはその上流側において前記ベンチュリ管の軸線に対し軸心をずらした交差方向に前記第１流体を流すことによって前記ベンチュリ管を流れる流体に旋回流を発生させ、前記ベンチュリ管のど部の流速を増すようにしたので、広い流量範囲に対して高い混合効果を得ることが可能となる。また、可動体などの可動部が不要であり、それ故可動部を駆動するための駆動部も不要になり、構造を簡易なものにすることができ、可燃性や腐食性を有する流体に対しても適用可能である。

本発明の実施の形態１に係るベンチュリ型流体混合装置を模式的に示した説明図である。 図１の一部を拡大して示す図である。 図１の矢視Ａ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の他の実施の形態の説明図である。 本発明の他の実施の形態の説明図である。 本発明の他の実施の形態の説明図である。

［実施の形態１］
本実施の形態に係るベンチュリ型混合装置１は、ＬＮＧを気化した天然ガスにＬＰＧを添加することにより増熱して都市ガスを製造する際に用いられるものである。

本実施の形態に係るベンチュリ型混合装置１の基本構成は、図１に示すように、天然ガスが通流する主流入管３に設けられたベンチュリ管５と、ベンチュリ管のど部７の上流側においてＬＰＧを供給するＬＰＧ供給管９と、主流入管３から分岐する分岐管１１とを備え、該分岐管１１の出口側を前記ベンチュリ管のど部７よりも上流側に接続し、該分岐管１１によって前記ベンチュリ管５内を流れる流体に旋回流を起こさせるようにしたものである。
また、本実施の形態のベンチュリ型混合装置１においては、分岐管１１に、分岐管１１を流れる天然ガスの流量を検知する流量検知器１３を設けると共に主流入管３におけるベンチュリ管５と分岐管１１分岐部の間に流量調整弁１５を設け、流量検知器１３の検知信号に基づいて流量調整弁１５の開度を調整するようにしている。
以下、各構成を詳細に説明する。

＜ＬＰＧ供給管＞
ＬＰＧ供給管９はベンチュリ管５内にＬＰＧを供給するためのものであり、ＬＰＧ供給場所となるその開口部はベンチュリ管のど部７もしくはベンチュリ管のど部７より上流側となるように配設する。
ＬＰＧ供給管９から供給されるＬＰＧは、ベンチュリ管のど部７を通過するときに流速が増加した天然ガス流れによって微粒化され、天然ガスと混合される。
ＬＰＧ供給管９の開口部は、ベンチュリ管５の中心である軸線上に配設しても構わないし、軸線からずらした位置でもよい。さらには、ベンチュリ管５の内壁面上に開口するようにしてもよい。また、ＬＰＧ供給管９の開口部には、例えば金属多孔質体などのＬＰＧの微粒化を促進する機構を付加してもよい。

＜分岐管＞
分岐管１１は、主流入管３におけるベンチュリ管５の上流側から分岐して、その出口側がベンチュリ管のど部７もしくはベンチュリ管のど部７よりも上流側に接続されている。そして、分岐管１１を通じて天然ガスを流し、ベンチュリ管５内を流れる流体に旋回流を起こさせるようにしたものである。なお、分岐管１１の出口側をベンチュリ管のど部７に接続してもよい。
分岐管１１の出口側の接続態様は、分岐管１１から吐出される天然ガスによってベンチュリ管５内を流れる流体に旋回流が発生する態様であれば、種々の態様を含む。
本実施の形態では、図１乃至図３に示すように、分岐管１１の接続部の軸線が流路断面の外周部接線方向になるように接続している。このように接続することで、旋回流を効果的に発生させることができる。

もっとも、接線方向でなくても、流路の軸線に対して軸心をずらした交差方向であれば、旋回流を発生させることができるので、このような方向であれば、種々の態様を含む。

ＬＰＧの微粒化・混合性能に大きく影響するのはベンチュリ管のど部７における流速である。天然ガスを主流入管３と分岐管１１から流入させることにより、ベンチュリ管のど部７における流速成分は、主流入管３からのベンチュリ管軸方向成分と、分岐管１１からの旋回方向成分から成ることになる。
分岐管１１出口部の管径は、都市ガスの最低流量運転のときにも、分岐管１１からの旋回流成分のみで、ＬＰＧの微粒化・混合に必要な流速を保つことができるような径にしておく。
例えば、都市ガス流量の変動範囲が30万Nm³/h〜6千Nm³/hの場合を想定すると、都市ガス流量が最低流量である6千Nm³/hのときには、天然ガスを分岐管１１から全量流し、この旋回流成分のみでベンチュリ管のど部７においてＬＰＧの微粒化・混合に必要な流速が保てるような管径とする。（このとき分岐管１１を流れる天然ガス流量は、天然ガス流量として想定される最低流量となる。）
その上で、想定される最低流量分を常に分岐管１１に流すようにすれば、制御が簡単で安定したＬＰＧの微粒化・混合が実現できる。

微粒化・混合に必要とされるベンチュリ管のど部７の流速は、実施ケースにより異なるが、概ね２０ｍ／ｓ以上の範囲である。したがって、想定される都市ガスの最低流量の場合にベンチュリ管のど部７で前記流速が確保でき、かつ圧損が高くなり過ぎないような管径になるように分岐管１１を設定すればよい。
なお、分岐管１１出口部以外の径は出口部の管径より大きくしておくことにより、分岐管１１における圧損が大きくなりすぎることを回避することができる。
なおベンチュリのど部７の径は、設計最大流量時の圧力損失が、その適用システムにとって過大とならないように設計しておく。分岐管１１における圧損も、都市ガス流量変動範囲の最大流量全量が主流入管３から流入した際のベンチュリ管５における圧力損失以下となるようにするのが望ましい。

＜流量検知器＞
流量検知器１３は、分岐管１１に設けられて分岐管１１を流れる天然ガスの流量を検知するものである。
なお、流量検知器１３に代えて差圧検知器を設け、分岐管１１における圧力損失を検知することで、あらかじめ把握しておいた分岐管１１における流量と圧力損失の関係から、分岐管１１内を流れる天然ガスの流量を検知するようにしてもよい。

＜流量調整弁＞
流量調整弁１５は、主流入管３におけるベンチュリ管５と分岐管１１の分岐部との間に設けられて、流量検知器１３の検知信号に基づいて主流入管３を流れる天然ガス流量を調整し、これによって分岐管１１を流れる天然ガス量が予め定めた所定流量になるようにする。

＜動作説明＞
次に上記のように構成された本実施の形態に係るベンチュリ型流体混合装置の動作を説明する。
分岐管１１及び主流入管３から天然ガスがベンチュリ管５に供給され、分岐管１１から供給される天然ガスによってベンチュリ管５内に旋回流を発生させる。これによって、ベンチュリ管のど部７を流れる流速を増し、ＬＰＧ供給管９から供給されるＬＰＧの微粒化・混合を促進する。

都市ガスの流量はその需要量に応じて成り行きで増減する。例えば、都市ガス需要量が減少し、流路を流れる流体の流量が減少すると、分岐管１１及び主流入管３を流れる天然ガスの流量が減少する。分岐管１１を流れる天然ガス流量が所定値Ａよりも減少すると旋回流の勢いが減少し、ベンチュリ管のど部７における流速が減速し、ＬＰＧの微粒化・混合が不十分になることが懸念される。
そこで、流量検知器１３で検知される流量が所定値Ａよりも減少したら、流量調整弁１５の開度を小さくすることによって分岐管１１を流れる天然ガス流量が所定値Ａを維持するようにする。
分岐管１１を流れる天然ガス流量を所定値Ａ以上に維持することで、分岐管１１からの吐出流による旋回流によってベンチュリ管のど部７を通過する流速が維持されＬＰＧの微粒化・混合効果を確保することができる。

逆に、都市ガス需要量が増加し、流路を流れる流体の流量が増加すると、分岐管１１及び主流入管３を流れる天然ガスの流量が増加する。分岐管１１を流れる天然ガス流量が所定量よりも増加すると圧力損失が大きくなる。
そこで、流量検知器１３で検知される流量が所定値Ｂよりも増加したら、流量調整弁１５の開度を大きくして主流入管３を流れる量を増やし、分岐管１１を流れる天然ガス流量が所定値Ｂになるようにする。ここで、所定値Ｂ≧所定値Ａの関係にある。
分岐管１１を流れる天然ガス流量を所定値Ａ以上Ｂ以下にすることで、分岐管１１からの吐出流による旋回流によってベンチュリ管のど部７を通過する流速が維持されＬＰＧの微粒化・混合を十分にすることができると共に圧損の過大な増大を防止することができる。

例えば、最も単純な制御方法としては、所定値Ａ＝所定値Ｂ＝[都市ガス最低流量時の天然ガス流量（天然ガス最低流量）]とする場合である。
前述した例と同様、都市ガス流量の変動範囲が30万Nm³/h〜6千Nm³/hの場合を想定すると、都市ガス流量が最低流量である6千Nm³/hのときには、天然ガスを分岐管１１から全量、すなわち所定値Ａ（＝所定値Ｂ）の流量を流す。
都市ガス流量が6千Nm³/hより大きくなった場合には、分岐管１１に設置された流量検出器１３で計測される流量が所定値Ａを保つように流量調整弁１５の開度を大きくしていき、天然ガス流量増加分を主流入管３から流入させるようにする。すなわち、都市ガス流量が変動しても、分岐管１１には常に所定値Ａの天然ガス流量が流通するようにする。こうすることにより、分岐管１１からは常に微粒化・混合に必要な流量が供給されるようになる。また主流入管３からの速度成分は、ベンチュリ管のど部７における流速をさらに増大させる方向に寄与する。
なお上記において、所定値Ａは[都市ガス最低流量時の天然ガス流量（天然ガス最低流量）]であるが、簡易的には[都市ガス最低流量]としてもよい。

以上のように、本実施の形態によれば、流路を流れる流量が大きく変化してもベンチュリ管のど部７の流速を維持することができ、ＬＰＧの微粒化・混合効果が得られると共に過度に圧力損失が大きくなりすぎないようにすることができる。
また、本実施の形態においては、従来例のようにベンチュリ管のど部７の流路断面積を可動体によって変化させるような構造でなく、構造が単純であり、流路外との摺動部がなく摺動面などに対するシールが不要となり、また別途動力が不要である。
しかも、不純物の混入もなく、可燃性、腐食性、危険性を有する流体への適用が可能になる。
またさらに、外部に駆動源を設ける必要がないので、例えば駆動軸を流路に挿入する必要もない。

［実施の形態２］
図４は本発明の実施の形態２に係るベンチュリ型流体混合装置を模式的に示す説明図である。図４において、図１と同一部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態のベンチュリ型流体混合装置は、分岐管１１の出口側を３つに分岐して、ベンチュリ管軸方向に並べて接続したものである。
分岐管１１の出口側を３箇所にすることで、旋回流を効果的に発生させることができる。

なお、上記の例では分岐管１１の出口を３箇所にした例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、２箇所であってもよく、あるいは４箇所以上であってもよい。

［実施の形態３］
図５は本発明の実施の形態３に係るベンチュリ型流体混合装置を模式的に示す説明図である。図５において、図１と同一部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態のベンチュリ型流体混合装置は、分岐管１１の出口側を４つに分岐して、ベンチュリ管周方向に所定の角度ごとに接続したものである。
分岐管１１の出口側をベンチュリ管周方向に複数箇所で接続することで、旋回流を効果的に発生させることができる。

なお、上記の例では分岐管１１の出口を４箇所にした例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、２箇所、３箇所であってもよく、あるいは５箇所以上であってもよい。また、ベンチュリ管軸方向にずらして配設してもよい。

［実施の形態４］
図６は本発明の実施の形態４に係るベンチュリ型流体混合装置を模式的に示す説明図である。図６において、図１と同一部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態のベンチュリ型流体混合装置は、分岐管１１の出口側を２つに分岐して、ベンチュリ管のど部７の下流側に接続したものである。接続の態様は実施の形態１と同様に旋回流が生ずるように、例えば流路断面の外周部接線方向、あるいはベンチュリ管の軸線に対して軸心をずらした交差方向とする。

ベンチュリ管のど部７の下流側にも天然ガスの旋回流を発生させることでＬＰＧの混合をより効果的に行うことができる。

なお、図６の例では、分岐管１１をベンチュリ管のど部７の上流側に接続すると共にベンチュリ管のど部７の下流側にも接続しているが、ベンチュリ管のど部７の上流側に接続することなく、ベンチュリ管のど部７の下流側のみに接続するようにしても、ＬＰＧの混合効果を発揮することは可能である。

流体の流路にベンチュリ管を設け、該ベンチュリ管の上流側から供給される第１流体に、ベンチュリ管のど部またはその上流側において第２流体を供給することによって両流体を混合する用途に適用できる。

１ ベンチュリ型混合装置
３ 主流入管
５ ベンチュリ管
７ ベンチュリ管のど部
９ ＬＰＧ供給管
１１ 分岐管
１３ 流量検知器
１５ 流量調整弁

Claims (9)

1. 流体の主流路にベンチュリ管を設け、該ベンチュリ管の上流側から供給される気体である第１流体に、ベンチュリ管のど部またはその上流側において第２流体を供給することによって両流体を混合する混合方法であって、
   前記主流路に第１流体を流すと共に、前記主流路における前記ベンチュリ管のど部またはその上流側において前記ベンチュリ管の軸線に対し軸心をずらした交差方向に前記第１流体を流すことによって前記ベンチュリ管を流れる流体に旋回流を発生させ、前記ベンチュリ管のど部の流速を増すようにしたことを特徴とするベンチュリ管を用いた流体の混合方法。
2. 流体の主流入管にベンチュリ管を設け、該ベンチュリ管の上流側から供給される気体である第１流体に、ベンチュリ管のど部またはその上流側において第２流体を供給することによって両流体を混合するベンチュリ型混合装置であって、
   前記主流入管から分岐する分岐管を設け、該分岐管の出口側を前記ベンチュリ管のど部またはその上流側に接続し、該分岐管によって前記ベンチュリ管の軸線に対し軸心をずらした交差方向に前記第１流体を流すことによって前記ベンチュリ管を流れる流体に旋回流を発生させ、前記ベンチュリ管のど部の流速を増すようにしたことを特徴とするベンチュリ型混合装置。
3. 前記分岐管の出口側を、該出口側が接続される流路における流路断面の外周部接線方向に接続したことを特徴とする請求項２記載のベンチュリ型混合装置。
4. 前記分岐管の出口側の接続部が前記ベンチュリ管の軸線方向に複数設けられていることを特徴とする請求項２又は３記載のベンチュリ型混合装置。
5. 前記分岐管の出口側の接続部が前記ベンチュリ管の周方向に複数設けられていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載のベンチュリ型混合装置。
6. 前記主流入管に流量調整弁を設けると共に前記分岐管を流れる第１流体の流量及び／又は圧力を検知する検知手段を設け、該検知手段の検知信号に基づいて前記流量調整弁の開度を調整するようにしたことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載のベンチュリ型混合装置。
7. 分岐管の出口側の管径を、第１流体の最低流量として想定される量が流れたときに、前記分岐管からの旋回流成分のみでベンチュリ管のど部において両流体の混合に必要な流速を保つことができる径にしたことを特徴とする請求項６記載のベンチュリ型混合装置。
8. 前記第１流体の流量が変動した場合でも、前記分岐管には常時、前記第１流体を前記最低流量流すように前記流量調整弁の開度を調整し、前記最低流量を超える流量分を主流入管から前記ベンチュリ管に流入させるようにすることを特徴とする請求項７記載のベンチュリ型混合装置。
9. 前記ベンチュリ管のど部の下流側に前記分岐管の一部の出口側の接続部を接続し、該分岐管によって前記ベンチュリ管の軸線に対し軸心をずらした交差方向に前記第１流体を流すようにしたことを特徴とする請求項２乃至８のいずれか一項に記載のベンチュリ型混合装置。
   

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