JP2015107470A - 流体配管の管構造及び流体拡散装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペースを取らず、簡易な構造で、良好な拡散・混合を行うことのできる流体配管の配管構造等を提供する。
【解決手段】流体を流す配管の管構造において、前記配管の軸方向に垂直な流路断面の一部を塞ぐ邪魔板を、前記軸方向に離間した少なくとも２か所に備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、異なる種類の流体を流す配管における拡散技術に関し、特に、スペースを取らず、簡易な構造で、良好な拡散・混合を行うことのできる配管構造等に関する。

通常、都市ガスはガス配管を介してガスの使用先に供給されるが、都市ガスの原料の組成変動、供給ガスの種類の切り換え等に起因して使用先における供給ガスの濃度変動（熱量変動）が発生する。当該濃度変動が急激に起こる場合には、使用先装置において好ましくない事態、例えば、ガスエンジン等におけるノッキングなど、を引き起こす虞がある。

かかる濃度変動を緩和するために、従来、いくつかのガスの拡散・混合技術が提案されている。下記特許文献１では、吸着塔を用いた混合ガスの組成変動抑制装置について記載されている。また、下記特許文献２では、バイパス配管を用いた熱量変動抑制技術について示されている。

また、配管内で複数の流体を混合する技術に関して下記特許文献３−８に各種技術が開示されている。それらには、配管内に異なる流体の噴出口が設けられる構成、配管内に攪拌羽根を設ける構成、ベンチュリー構造を備える構成、複数の配管が組み合わされた構成が提案されている。

特開２００９−２４３７３３号公報 特開２００９−１０８９１３号公報 特開２００３−８８７３９号公報 特開２００５−１１８６２２号公報 特開２００９−２２８９４２号公報 特開平７−７８４号公報 特開２００９−１３６７１６号公報 特開２００９−９７６７９号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に記載の吸着塔を用いた装置、バイパス配管を用いた装置には、比較的大きな設置スペースを要し、設置コストもかかるという課題がある。

また、上記特許文献３−８に記載の構成は配管内構造が複雑であり、制作上及びメンテナンス上の課題がある。

そこで、本発明の目的は、スペースを取らず、簡易な構造で、良好な拡散・混合を行うことのできる流体配管の配管構造等を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面は、流体を流す配管の管構造において、前記配管の軸方向に垂直な流路断面の一部を塞ぐ邪魔板を、前記軸方向に離間した少なくとも２か所に備える、ことである。

更に、上記の発明において、好ましい態様は、前記各邪魔板は、それぞれが備えられる位置の前記流路断面において、前記流路断面の同じ部分を塞ぐ、ことを特徴とする。

更に、上記の発明において、一つの態様は、前記邪魔板は、前記流路断面における下方の略半分の部分を塞ぐ、ことを特徴とする。

更にまた、上記の発明において、好ましい態様は、更に、前記軸方向において前記邪魔板の間に設けられ、前記流路断面を分割して前記軸方向に延びる分割板を備える、ことを特徴とする。

更に、上記の発明において、好ましい態様は、前記分割板は水平に設けられ、前記分割板の前記流路断面における位置は前記邪魔板によって塞がれる部分内である、ことを特徴とする。

更にまた、上記の発明において、好ましい態様は、前記分割板は、前記邪魔板から前記軸方向に離間している、ことを特徴とする。

更に、上記の発明において、一つの態様は、前記流体はガスである、ことを特徴とする。

上記の目的を達成するために、本発明の別の側面は、流体を流す配管の管構造において、前記配管の軸方向に離間して設けられ、前記軸方向に垂直な流路断面の同領域を塞ぐ１対の邪魔板と、前記１対の邪魔板間に前記邪魔板から離間して設けられ、前記流体の流路を分割して前記軸方向に延びる分割板とが、前記流体が前記分割板によって分割された流路の一方を通って逆流するように設けられる、ことである。

上記の目的を達成するために、本発明の更に別の側面は、配管を流れる流体の流体拡散装置において、前記配管の軸方向に垂直な流路断面の一部を塞ぎ、前記軸方向に離間した少なくとも２か所に設けられた邪魔板を、前記配管内に備える、ことである。

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。

第１実施形態に係るガス拡散装置１００の構造図である。 邪魔板２ａの断面図である。 図１の邪魔板２ａ部分の拡大図である。 第２実施形態に係るガス拡散装置１０１の構造図である。 分割板３の断面図である。 図４の邪魔板２ａ部分の拡大図である。 第３実施形態に係るガス拡散装置１０２の構成図である。 分割板３及び上部分割板４ａの断面図である。 図７の邪魔板２ａ付近の拡大図である。 第４実施形態に係るガス拡散装置１０３の構造図である。 分割板３及び上部邪魔部材５の断面図である。 図１０の邪魔板２ａ付近の拡大図である。 通常のガス管構造についてのシミュレーション結果を示した濃度コンター図である。 第１実施形態についてのシミュレーション結果を示した濃度コンター図である。 第２実施形態についてのシミュレーション結果を示した濃度コンター図である。 ガス管１の下部における濃度変化を示す図である。 ガス管１の中部における濃度変化を示す図である。 ガス管１の上部における濃度変化を示す図である。 邪魔板２及び分割板３の変形形態を示した断面図である。

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。

図１、図４、図７、図１０は、本発明を適用したガス管の実施の形態例に係る構造図である。本実施の形態例に係るガス管１には、その内部に邪魔板２、分割板３等が設けられ、当該ガス管１内を流れるガスなどの流体性状が変化した場合に、流体を効率よく拡散させ変化前後の流体を早期に混合させることができる。

ここでは、４つの実施形態例に付いて説明するが、いずれの場合にも、図１、図４、図７、図１０において、ガス管１は、ガス貯蔵タンク等のガス供給元から工場や家庭等のガス使用先までガスを運ぶ配管であり、これら各図における矢印Ｘの方向へガスが搬送される。従って、図の左側にガス供給元があり、図の右側にガス使用先が存在する。

また、各実施形態例において、ガス管１は、一例として、内径６００ｍｍの円筒形であり、図１、図３、図４、図６、図７、図９、図１０、図１２に示す図は、ガス管１を、管の中心軸に沿った垂直面（図中の矢印Ｚに沿った平面）で切った縦断面図である。また、図１、図４、図７、図１０において、Ｘ方向の数字は、図中に示されるガス管１の左端からの距離（ｍ）を示している。

なお、各実施形態例において、図１、図４、図７、図１０に示されるガス管１の範囲がガス拡散装置１００−１０３を構成している。これらの各ガス拡散装置１００−１０３により、ガス供給元から送られるガスの種類（組成）が変化した場合にもガスが早期に拡散しガス使用先でのガス性状（濃度、熱量）の変動を緩和し、ガス性状の急激な変化を防止する。

まず、第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るガス拡散装置１００の構造図である。当該ガス拡散装置１００は、図１に示すように、ガス管１内に所定間隔で１対の邪魔板２ａ、２ｂを設けることによって構成される。邪魔板２ａ、２ｂは、ガスの流れに（Ｘ方向に）垂直に設けられた板部材であり、本実施形態では、一例として、管の軸方向（Ｘ方向）に１０ｍの間隔をあけて邪魔板２ａ、２ｂを設けている。

図２は、邪魔板２ａの存在する範囲においてガス管１の軸（Ｘ方向）に垂直な平面で切った断面図を示している。図２に示す通り、邪魔板２ａはガス管１の開口部（流路断面）の下側半分を閉鎖するように設けられている。邪魔板２ｂは、邪魔板２ａと同寸法であり、邪魔板２ａと同様に設けられる。このように各邪魔板は、それぞれが備えられる位置の流路断面において同じ部分を塞いでいる。

図３は、図１の邪魔板２ａ部分の拡大図である。各部のサイズは、一例として、図３に示すような寸法となっている。邪魔板２ａ、２ｂの板厚は１０ｃｍである。

第１実施形態では、このような構成により、ガス管１の左から流入したガスの流れが、２つの邪魔板２にぶつかって乱れ、前後のガスが混ざり合う挙動を取るため、流入ガスの組成が急激に変化しても、この挙動により、邪魔板２以降（邪魔板２の右側）においてはその変化を緩和することができる。

次に、第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係るガス拡散装置１０１の構造図である。当該ガス拡散装置１０１は、第１実施形態の当該ガス拡散装置１００に更に分割板３を設けた構成をしている。分割板３以外の各部の形状、寸法は第１実施形態の場合と同じである。分割板３は、ガス管１の軸方向において邪魔板２の間に設けられ、流路断面を分割して軸方向に延びるものである。

図４に示すように、分割板３は、邪魔板２ａ、２ｂの間に設けられる板部材であり、ガス管１の軸方向（Ｘ方向）に沿って水平に設けられる。

図５は、分割板３の存在する範囲においてガス管１の軸（Ｘ方向）に垂直な平面で切った断面図を示している。図５に示すように、分割板３は、左右方向（水平方向）にガス管１の内壁まで延び、ガスの流れる空間を上下に分割している。

図６は、図４の邪魔板２ａ部分の拡大図である。各部のサイズは、一例として、図６に示すような寸法となっている。分割板３は、Ｘ方向に９０ｃｍであり、その両端で、それぞれ、邪魔板２ａ、２ｂと５０ｃｍ離間している。また、分割板３の板厚は５ｃｍであり、その上面が上方向にガス管１の内壁下端から１５ｃｍとなるように設けられている。従って、分割板３の上面は、３０ｃｍの高さである邪魔板２ａ、２ｂの上端（上面）よりも下側に位置している。従って、分割板３の流路断面における位置記邪魔板２によって塞がれる部分内である。

第２実施形態では、このような構成により、ガス管１の左から流入し分割板３の上側空間を通るガスの流れが、２つ目の邪魔板２ｂにぶつかった後、その一部が分割板３の下側空間を通って逆流し、邪魔板２ａと分割板３の間の空間から元の経路に戻る挙動を取る。これにより、同時に邪魔板２ａの位置に流れたガスであっても、その部分によって邪魔板２ｂ以降に達するまでの時間が異なるようになる。従って、流入ガスの組成が急激に変化しても、当該ガス拡散装置１０１の部分において、前後のガスが混ざり合うので、邪魔板２以降（邪魔板２の右側）においてはその変化を緩和することができる。

なお、邪魔板２及び分割板３の寸法、設置位置は、上述したガスの逆流挙動が起こりガスの拡散・混合が効果的に生ずる構成であれば、異なるものであってもよい。

次に、第３実施形態について説明する。図７は、第３実施形態に係るガス拡散装置１０２の構造図である。当該ガス拡散装置１０２は、第２実施形態の当該ガス拡散装置１０１に更に上部分割板４ａ、４ｂを設けた構成をしている。上部分割板４及びその関連個所以外の各部の形状、寸法は第２実施形態の場合と同じである。

図７に示すように、上部分割板４ａ、４ｂは、それぞれ、邪魔板２ａ、２ｂの上面に設けられた板部材であり、ガス管１の軸方向（Ｘ方向）に沿って水平に設けられる。また、上部分割板４ａ、４ｂは、それぞれ、Ｘ方向に邪魔板２ａ、２ｂの位置から分割板３の方向へ分割板３のある位置を越えて延びるように設けられている。従って、上部分割板４ａ、４ｂは、それぞれ、邪魔板２ａ、２ｂと分割板３の端部の間にできた空間を上部から覆うように構成されている。

図８は、分割板３及び上部分割板４ａの存在する範囲においてガス管１の軸（Ｘ方向）に垂直な平面で切った断面図を示している。図８に示すように、上部分割板４ａは、分割板３によって分割された流路空間の上側をさらに上下に分割している。なお、上部分割板４ｂも上部分割板４ａと同様に左右対称に設けられている。

図９は、図７の邪魔板２ａ付近の拡大図である。各部のサイズは、一例として、図９に示すような寸法となっている。図９に示すように、上部分割板４ａは、板厚５ｃｍであり、Ｘ方向に１１０ｃｍの長さである。従って、Ｘ方向に分割板３と５０ｃｍ重なっている。本実施形態では、上部分割板４ａを邪魔板２ａの上面に載るように設けられる構成としており、邪魔板として機能する部材の高さを第１及び第２の実施例と同じとしているので、邪魔板２自体の高さは、２５ｃｍとしている。

第３実施形態では、このような構成により、第２の実施形態の場合と同様なガスの逆流挙動が発生する。

次に、第４実施形態について説明する。図１０は、第４実施形態に係るガス拡散装置１０３の構造図である。当該ガス拡散装置１０３は、第３実施形態の当該ガス拡散装置１０２に更に上部邪魔部材５を設けた構成をしている。上部邪魔部材５以外の各部の形状、寸法は第３実施形態の場合と同じである。

図１０に示すように、上部邪魔部材５は、ガス管１の内壁上部にガス管１の軸方向（Ｘ方向）に沿って水平に設けられる部材であり、Ｘ方向において、その左端は上部分割板４ａの右端と同じ位置にある。

図１１は、分割板３及び上部邪魔部材５の存在する範囲においてガス管１の軸（Ｘ方向）に垂直な平面で切った断面図を示している。図１１に示すように、上部邪魔部材５は、ガス管１の開口部（流路）の上部を塞いでいる。

図１２は、図１０の邪魔板２ａ付近の拡大図である。各部のサイズは、一例として、図１２に示すような寸法となっている。図１２に示すように、上部邪魔部材５は、最大厚が１０ｃｍであり、Ｘ方向に１００ｃｍの長さである。

第４実施形態では、このような構成により、第２、３の実施形態の場合と同様なガスの逆流挙動が発生する。

次に、これらの実施形態におけるガス拡散装置（管構造）による拡散効果について説明する。当該拡散効果は、シミュレーションによって検証されている。このシミュレーションでは、以下のような解析条件が用いられている。
ガス管１の内径：６００ｍｍ
ガス管１の長さ：２０ｍ
ガス流速：１ｍ／ｓ
ガス種：分子量２９のガス、分子量２８の気体
ガス種変更条件：ガス管１の始点で分子量２９のガスを分子量２８の気体で置換
ガス管１の管構造；
−Ｃａｓｅ１：通常のガス管（拡散機構なし）
−Ｃａｓｅ２：第４実施形態の管構造
−Ｃａｓｅ３：第３実施形態の管構造
−Ｃａｓｅ４：第２実施形態の管構造
−Ｃａｓｅ５：第１実施形態の管構造
当該解析は、各ケースにおいて、図１、図４、図７、図１０のＸ方向の左端、すなわち、０ｍの地点で上記ガスの置換が行われた場合を想定して、その後の２ガスの挙動を解析したものである。Ｃａｓｅ１については図示していないが、邪魔板２等の拡散機構がないことを除けば、他のケースと同様である。

図１３、図１４、及び図１５は、それぞれ、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ５、及びＣａｓｅ４についての当該シミュレーション結果を示した濃度コンター図である。当該濃度コンター図は、それぞれ、上述したガスの置換が行われた後、３０秒経過した時点での、分子量２８の気体の等濃度線図であり、ガス管１の右側（下流側）の部分（Ｘ方向に１５ｍ〜２０ｍの付近）について示している。

図１３に示されるように、Ｃａｓｅ１（通常ガス管）では、ガス管１の右端部分（Ｘ方向に２０ｍの付近）で、濃度０．０から濃度１．０が存在する。すなわち、ガス管１の下部では置換前のガスが存在し、ガス管１の上部では置換後の気体が存在する状態となっている。すなわち、両者がよく混合されていない、換言すれば、良好な拡散がなされていない状態となっている。

一方、Ｃａｓｅ５（第１実施形態）では、図１４に示されるように、ガス管１の右端部分（Ｘ方向に２０ｍの付近）で、濃度０．３から濃度０．８までが存在する。従って、Ｃａｓｅ１の場合よりも両気体の拡散・混合が進んでいることが分かる。

更に、Ｃａｓｅ４（第２実施形態）では、図１５に示されるように、ガス管１の右端部分（Ｘ方向に２０ｍの付近）で、濃度０．７から濃度０．９までが存在する。従って、Ｃａｓｅ１、４の場合よりもさらに両気体の拡散・混合が進んでいることが分かる。

なお、Ｃａｓｅ２、３についてもＣａｓｅ４と類似した結果が得られている。

図１６、図１７、及び図１８は、それぞれ、ガス管１の下部、中部、及び上部における濃度変化を示すシミュレーション結果である。各図におけるグラフは、ガス管１の右端部（Ｘ方向に２０ｍの位置）における、分子量２８の気体の濃度の時間変化を示している。横軸の時間（秒）は、上記置換が行われた後の経過時間を表している。なお、ガス管１の下部、中部、及び上部とは、図１、図４、及び図７等におけるＺ方向の位置を表している。

これら各図に示されるように、Ｃａｓｅ１（通常ガス管）の場合には、下部、中部、及び上部のいずれにおいても、短時間に急激に濃度変化が起こっており、当該位置（Ｘ方向に２０ｍの位置）に来るまでに、両気体が良好に拡散・混合されていないことが分かる。

Ｃａｓｅ５（第１実施形態）では、下部、中部、及び上部のいずれにおいても、他のいずれのケースよりも傾きの緩やかな挙動を示しており、当該位置（Ｘ方向に２０ｍの位置）における濃度変化が穏やかであると言える。すなわち、当該位置に来るまでに、Ｃａｓｅ１よりも両気体が良好に拡散・混合されている。

また、Ｃａｓｅ２（第４実施形態）、３（第３実施形態）、及び４（第２実施形態）では、どの場合も同様の挙動を示している。これらの濃度変化の傾きは、下部、中部、及び上部のいずれにおいても、Ｃａｓｅ１の場合よりも緩やかであり、また、前半部分ではＣａｓｅ５よりも急になっている。また、これらの場合の置換が完了するまでの時間は、Ｃａｓｅ１及びＣａｓｅ５よりも長い。従って、Ｃａｓｅ２（第４実施形態）、３（第３実施形態）、及び４（第２実施形態）では、置換が完了するまでの時間が長いという点で良好である。

以上のように、第１−４実施形態による管構造により、ガスの拡散・混合効果が得られ、ガスの使用先における濃度変動を抑える効果があることが分かる。

なお、以上説明した実施形態のほかに、邪魔板２、分割板３等の向きや数を変えた実施形態としてもよい。図１９は、邪魔板２及び分割板３の変形形態を示した断面図である。図１９に示す例は、第２実施形態の変形例を示しており、図１９の（Ａ）及び（Ｂ）において、左図及び右図は、それぞれ、図２及び図５に相当する図である。図１９の（Ａ）は、邪魔板２及び分割板３を上側に備えた構成である。また、図１９の（Ｂ）は、邪魔板２及び分割板３を、第２実施形態の場合の設置方向から９０°回転させた方向で設けた構成である。

また、図示していないが、邪魔板２をガス管１の軸方向に２対以上設ける構成など、各実施形態におけるガス拡散装置をガス管１の軸方向に２対以上設ける構成としてもよい。

また、ガス管１の断面形状を、円形だけでなく矩形など他の形状にしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態例に係るガス拡散装置及び管構造により、流れるガスの性状（種類）が変化した場合にも、変化前後のガスを短時間で拡散・混合することができ、ガス使用先での衝撃を抑制することができる。また、当該効果を得るための構造が、ガス配管内に板形状など比較的形状が簡素な部材を備えることで構築でき、設置スペースを取らず、かつ、製作コスト及びメンテナンスコストを抑えることができる。

また、管構造を逆流が起こる構造とすることで、効果的に上述したガスの拡散・混合を行うことができる。

なお、上記実施形態におけるガス拡散装置１００−１０３を、既存のガス配管経路（ガス配管網）に後から組み込むことで、既存のガス配管経路においても、ガス供給元から送られるガスの種類（組成）が変化した場合に、ガスが早期に拡散しガス使用先でのガス性状（濃度、熱量）の変動を緩和し、ガス性状の急激な変化を防止する、という効果を得られる。

なお、上記の実施形態ではガス管における装置として説明したが、本発明は、液体を流す配管などにも適用することができる。

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。

１ ガス管、 ２（２ａ、２ｂ） 邪魔板、 ３ 分割板、 ４（４ａ、４ｂ） 上部分割板、 ５ 上部邪魔部材、 １００、１０１、１０２、１０３ ガス拡散装置

Claims (9)

1. 流体を流す配管の管構造であって、
   前記配管の軸方向に垂直な流路断面の一部を塞ぐ邪魔板を、前記軸方向に離間した少なくとも２か所に備える
   ことを特徴とする管構造。
2. 請求項１において、
   前記各邪魔板は、それぞれが備えられる位置の前記流路断面において、前記流路断面の同じ部分を塞ぐ
   ことを特徴とする管構造。
3. 請求項２において、
   前記邪魔板は、前記流路断面における下方の略半分の部分を塞ぐ
   ことを特徴とする管構造。
4. 請求項２あるいは３において、更に
   前記軸方向において前記邪魔板の間に設けられ、前記流路断面を分割して前記軸方向に延びる分割板を備える
   ことを特徴とする管構造。
5. 請求項４において、
   前記分割板は水平に設けられ、前記分割板の前記流路断面における位置は前記邪魔板によって塞がれる部分内である
   ことを特徴とする管構造。
6. 請求項４あるいは５において、
   前記分割板は、前記邪魔板から前記軸方向に離間している
   ことを特徴とする管構造。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記流体はガスである
   ことを特徴とする管構造。
8. 流体を流す配管の管構造であって、
   前記配管の軸方向に離間して設けられ、前記軸方向に垂直な流路断面の同領域を塞ぐ１対の邪魔板と、
   前記１対の邪魔板間に前記邪魔板から離間して設けられ、前記流体の流路を分割して前記軸方向に延びる分割板とが、
   前記流体が前記分割板によって分割された流路の一方を通って逆流するように設けられる
   ことを特徴とする管構造。
9. 配管を流れる流体の流体拡散装置であって、
   前記配管の軸方向に垂直な流路断面の一部を塞ぎ、前記軸方向に離間した少なくとも２か所に設けられた邪魔板を、前記配管内に備える
   ことを特徴とする流体拡散装置。