JP4989062B2

JP4989062B2 - 流体混合装置

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Publication number: JP4989062B2
Application number: JP2005334558A
Authority: JP
Inventors: 明西岡; 天羽　　清; 義寛助川; 武彦小渡; 泰久濱田; 幾久浜田; 利文向井; 善規田口; 比呂志横田
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2025-11-18
Also published as: JP2006326571A; EP1716918A1; US8033714B2; US20060245296A1

Description

本発明は、２つの流体を混合する装置に係り、特に、２つの流体を通過させながら混合する流体混合装置に関する。

内燃機関において排ガスに還元性のガスを添加して排ガス中のＮＯｘを低減させるＮＯｘ低減装置や、内燃機関の吸気に再循環させた排ガスを混合させて燃焼特性を制御するＥＧＲ装置や、ガスタービンの燃料と空気を混合させる燃焼器などでは、複数のガスを流しながら混合させる必要がある。例えば、ディーゼルエンジンでは、熱効率の良い高温燃焼時にＮＯｘが発生することを避けられず、後処理として排ガス中に還元剤を添加し、還元反応によってＮＯｘを分解処理することが行われているが、尿素水を添加して、尿素水の加水分解反応によってアンモニアを生成し、このアンモニアを還元剤にしてＮＯｘを低減する方式を尿素ＳＣＲ（Ｓelective Ｃatalytic Ｒeduction：選択還元）と呼んでいる。さらに、アンモニアが混入された排ガスは脱硝触媒を通過することで、低温でもアンモニアによる脱硝反応（＝ＮＯｘの還元反応）が進むようにしている。この場合の脱硝反応はＮＯｘ＝１モルとアンモニア＝１モルが反応して窒素と水になるもので、ＮＯｘとアンモニアのモル比が１：１になるように混合させるのがよい。この割合よりアンモニアが少ない時は、アンモニアが不足した分のＮＯｘが分解されず、ＮＯｘ低減率が低下する。逆にアンモニアが過多になった場合は、アンモニアが脱硝に使われず、過多に供給した分の尿素水が無駄になる他、アンモニアを外部に放出させないための処理が必要になる。

このため、尿素ＳＣＲでは排ガス中のＮＯｘに見合った尿素水を添加して、生成されるアンモニアとＮＯｘが１：１になるように混合すること、かつ、局所的な濃度でもこの比率が達成されることが重要になる。すなわち、生成されるアンモニアガスが排ガス中で均一な濃度になるよう混合する必要がある。

また、同じくディーゼルエンジンのＮＯｘ低減技術として、ＥＧＲ（＝Ｅxhaust Ｇas Ｒecirculation：排ガス再循環）と呼ばれる技術があり、これは、排気ガスの一部を吸気に混合させることで、燃焼時の不活性ガスの割合を高め、燃焼速度を遅くすることで局所的な燃焼温度の上昇を抑えてＮＯｘ発生量を低減する。ＥＧＲにおいては、排ガスを吸気に混ぜる際、排ガスの圧力が低くても吸気側に排ガスが流れるよう、吸気側を負圧にして排ガスを吸込むことや、混ぜた排ガスの濃度が均一になるようにして、気筒間で排ガスの混入割合が均一になるようにすることが求められる。

一般に、複数の種類のガスを流しながら混合する技術としては、旋回流を利用することが知られており、特許文献１では、ガスタービンの燃焼器において、空気に旋回翼を用いて旋回を与え、この旋回翼の下流側に開口する燃料ノズルによって燃料を供給することにより、空気と燃料の混合を図る技術が開示されている。

特開２００２-１７４４２５号公報（第３頁、図１）

上記ガスタービン燃焼器では旋回翼で作り出す旋回流を使って空気と燃料の混合を図っているが、均一な濃度になるまで混合させるには、燃料を供給した後にある程度の空間を必要とする。このため、流体混合装置の小型化を図るには更なる混合促進の手段が必要となる。

また、ＥＧＲのための排ガスと吸気の混合装置では、少ない空間で排ガスと吸気を均一に混ぜることの他、吸気系の圧力損失を極力抑えて排ガスを吸込めるようにすることが求められる。

同様に、尿素ＳＣＲにおいても、少ない空間でアンモニアガスと排ガスを均一に混合させることと、排ガスの流路系の圧力損失を極力抑えた上で、アンモニアを含む添加ガスを必要な量だけ吸込む能力を持つことが求められる。

本発明の課題は、第１の流体と第２の流体を流しながら混合するに際し、第１の流体の圧力損失を極力抑えた上で、第２の流体を必要な量だけ吸込ませ、第１、第２の流体を少ない空間で均一に混合させることである。

上記課題は、第１の流体が流れる流路内に複数の羽根からなる旋回翼を固定配置し、この旋回翼で前記第１の流体を流路軸線の周囲に旋回させるとともに、第１の流体を旋回させる際に前記旋回翼の下流面に沿って形成される第１の流体のはく離領域に第２の流体を供給することにより解決される。

すなわち、上記課題は、具体的には、第１の流体と第２の流体を通過させながら混合する流体混合装置であって、第１の流体が流れる流路と、前記流路内に放射状に固定配置され、通過する前記第１の流体に、流路軸線の周囲に旋回させる方向の流れを付与する、複数の羽根からなる旋回翼と、第１の流体が旋回翼を通過する際に前記旋回翼の下流面に沿って形成される第１の流体のはく離領域に、はく離領域内に位置する第１の流体の流路壁に形成された開口から前２の流体を供給する第２流体供給手段とを有してなる流体混合装置により解決される。

旋回翼は複数の羽根からなり、第１の流体の流路内で、流路の軸線を中心として放射状に配置され、少なくとも半径方向の一方の端縁が流路壁面に固定される。その羽根は第１の流体の流れ方向に対してある迎角を持ち、その羽根が軸回転して配置されることにより、個々の羽根で第１の流体の流線が曲げられ、全体として第１の流体がその流路内で螺旋状に流れる旋回流が生じる。個々の羽根は板状のもので構成され、迎角があることで片側の面、つまり上流側の面には第１の流体が押し当り、羽根表面に沿って流れの向きを変える。この際、第１の流体の流速がある程度以上で、羽根の迎角が一定値を超えていると、第１の流体が押し当る面と反対の面（下流面）では、第１の流体が羽根表面に追従しきれなくなり、羽根表面からはく離した流れが生じる。このはく離した流れが生じた領域（はく離領域）では、主流と逆向きの流れが生じて、大きな渦が形成され、はく離領域の外より圧力が低くなる。このはく離領域は放射状に配置された複数の羽根のそれぞれに発生するから、各羽根毎に形成されるはく離領域に第２の流体を流入させ、第１の流体と第２の流体を合流、混合させることができる。

上記構成によれば、旋回翼のはく離領域では、第１の流体の主流ははく離して、流れが淀んでいるため、はく離領域に流入させた第２の流体は、第１の流体にすぐに流されてしまうことがなく、第２の流体を流入させた向きのままに進行し、第１の流体の流路の半径方向に広がる。第２の流体を第１の流体の主流と交差する方向に流入させることにより、第１の流体の流れを横切る方向への第２の流体の拡散が促進される。さらに、旋回翼下流のはく離領域では、大きな渦が生じていることから、このことも第１の流体と第２の流体の混合を促進している。

また、第２の流体が流入する箇所は羽根毎に設けることができるが、離散的にしか配置できず、流入箇所相互の中間にあたる場所には第２の流体が供給されない。しかし、旋回翼で第１の流体を旋回流にすることで、第２の流体も螺旋状に流され、円周方向への拡散を促進することが可能になる。これら全ての効果を同時に作用させることで、第１の流体と第２の流体の混合が相乗的に促進される。

さらに、旋回翼のはく離領域で生じる負圧は、第２の流体を吸込ませるための駆動力として用いることが可能で、かつ、はく離領域を出ることで圧力回復することから、第１の流体の圧力損失を抑えた上で、第２の流体に対する高い吸引力を発生させることが可能になる。また、旋回流を生じさせるための羽根の主流に対する迎角を大きくすることで、はく離領域に発生する負圧が大きくなる。このことから、羽根の迎角を大きくすることで、第２の流体に対する吸引力をより高めることが可能になる。

第２の流体を第１の流体の流路に流入させるには、第１の流体の流路の外側から中心軸に向かって流入させる方法と、中心軸側から半径方向外周側に向かって流入させる方法の２つがある。第１の流体の流路の外側から中心軸に向かって流入させる場合の第２流体供給手段は、第１の流体の流路壁面の前記はく離領域に接する位置に設けられて第２の流体の流入口となる複数の開口と、第１の流体の流路壁面の外側で第２の流体を前記複数の開口に分配し、各開口から第２の流体が流入するようにする空間（以下、ヘッダー空間という）を含んで構成される。この第２の流体を分配するためのヘッダー空間を第１の流体の流路の壁面外側面をその壁面の一部に利用して設けることにより、複数の開口付近での第２の流体の圧力差、速度差を少なくすることが可能になり、各開口に第２の流体を均等に分配することで第１の流体と第２の流体を均一に混合することに役立つとともに、省スペース化が図られる。

第２の流体を第１の流体の流路の中心から外側に向かって流入させる場合は、第２の流体の流路を第１の流体の流路の中心に置き、はく離領域内に位置する第２の流体の流路壁に開口を設けることで行う。この場合の第２流体供給手段は、第１の流体の流路の流路軸線に沿って軸方向に配置され、前記旋回翼の流路軸線側端部が密着されている管状の第２流体流路と、この第２流体流路外壁面が旋回翼下流面に沿って形成されるはく離領域に接する位置に形成されて第２の流体を第１の流体の流路に流入させる複数の開口を含んで構成される。第２流体流路は、第２の流体を前記複数の開口に分散させるヘッダー空間を兼ねている。第２の流体が第１の流体の流路に流入するための開口は、複数あっても流路を流れる第２の流体に対し均等な位置関係になることから、各開口に均等に第２の流体が分配されやすい。

前記旋回翼を設けている箇所の第１の流体に対する流路断面積を、旋回翼の上流側の第１の流体に対する流路断面積より小さくすることで、第１の流体の平均流速を上げ、その分第１の流体の静圧が低下する構成とすることが望ましい。

第１の流体の静圧を低下させることにより、第２の流体に対する吸引力を高めることが可能になる。第２の流体を混合させる上で、ブロアなどの能動的な供給装置を備えない場合、第２の流体が必要な流量に達しない場合が起こり得るが、旋回翼を設けている箇所の流路断面積を小さくして、静圧を低下させる設計を行うことで第２の流体を必要な流量流すための吸引力を発生させることが可能になる。さらに、流路断面積を小さくして流速増加により静圧を低下させた場合は、第２の流体を吸込んだ後で流路断面積を増やし、流速を低下させることである程度圧力回復がなされることから、弁などの圧力損失によって負圧を作って吸引する場合に比べ、最終的な圧力損失が少なくて済み、エネルギーの損失を抑えることが可能になる。

また、流体の混合装置では第１の流体の流量が増えた場合に、第２の流体の流量も増やしたい場合が多いが、第１の流体の静圧低下を第２の流体を流入させるための駆動力として用いる場合は、第１の流体の流量増加に応じて第２の流体を流入させるための駆動力が高まり、好都合となる。

さらに、前記旋回翼を内装した第１の流体の流路を複数備え、これらの流路は、より大きい断面の流路内に、並列に、前記大きい断面の流路の軸線にそれぞれの流路の軸線を平行させて配置してもよい。これら複数の流路それぞれで第１の流体と第２の流体を合流させた後で、この混合流体を前記大きい断面の流路に合流させる。

こうすれば、各々の流路は流路径を小さくすることが可能になる。一般に流路内での混合では、同程度の混合に必要な流路長は流路径が小さい程、小さくて済む関係にある。これは、流れにおける混合現象の本質が、主流と直交する方向への流体の拡散が進むことであり、直交方向の到達距離が短くなればその間に流れる主流方向の距離も短くなることに起因する。このため、第１の流体の流路を分割して、旋回翼による混合流路の径を小さくすることで、混合に必要な流路長が短くなり、混合装置としての小型化を図ることが可能になる。

なお、第２の流体が第１の流体に流入する開口は、第１の流体のはく離領域に接する流路壁面に形成されるが、このはく離領域は、後述する発明者らの知見によれば、次の領域を含むと考えてよい。

すなわち、放射状に配置された羽根の放射方向に直交する平面を仮想し、この平面を第１の流体の流路の軸線方向と、それに直交する旋回方向の座標で捉え、羽根断面の軸線方向最下流で且つ旋回方向も最下流である座標を点Ａ″とし、この点Ａ″と軸線方向座標は同じで羽根断面の旋回方向の最上流である座標を点Ｃとし、線分Ａ″Ｃの中点を点Ｄとし、羽根断面の上流面を示す曲線の点Ｄに対して点対称な曲線と、羽根断面の下流面を示す曲線に挟まれ、羽根が存在する旋回方向座標の範囲内は、はく離領域に含まれると考えてよい。

本発明によれば、第１の流体と第２の流体を流しながら混合するに際して、第１の流体の圧力損失を極力抑えた上で、第２の流体を必要な量だけ吸込ませ、第１、第２の流体を少ない空間で均一に混合させることが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。実施の形態では、一般的に流体を混合する場合の例を説明するが、はく離領域を利用して混合する本発明は、流体が液体である場合、気体である場合、微小な液粒を含む気体である場合などでも、同様に適用されることは言うまでもない。
＜実施の形態１＞

図１に、本発明の実施の形態１となる流体混合装置の斜視図を示す。図２は図１に示す流体混合装置の正面図および前記正面図のＡ−Ａ線矢視断面図である。図示の流体混合装置は、第１の流体（以下、流体１という）と、第２の流体（以下、流体２という）を通過させながら混合するもので、一方の端部（図の左側）から流体１が流入する円筒状の流路１１と、外径が前記流路１１の内径よりも小さく、一方の端部がラッパ状に流路１１内径に合致する径に拡径された円筒状をなし、前記拡径された端部を上流側にして前記流路１１の内部に同心状に固着された内筒１３と、内筒１３の円筒部外周面と流路１１の内周面の間に装着されて両者間の空間を上流側と下流側に仕切る環状の仕切板１４と、前記仕切板１４と前記内筒１３の拡径側端部の間の流路１１壁面に開口を設けて接続された、流体２を供給する管路である流路１２と、前記内筒１３内に固定して取り付けられた旋回翼１５と、前記内筒１３の壁面の前記仕切板１４よりも上流側で周方向４箇所に離散して形成され内筒１３の壁面内外を連通する開口１６と、を含んで構成されている。内筒１３の拡径された端部外周縁は、流路１１の内周面に密着して固着されている。

流路１２は、流路１１の壁面の開口により、内筒１３の外周側で仕切板１４と拡径部によって区切られた円環状のヘッダー空間に連通しており、このヘッダー空間は前記内筒１３の壁面に形成された４個の開口１６により、内筒１３内側の流体１の流路に連通している。流路１２、流路１１の壁面の開口および前記ヘッダー空間が、後述するはく離領域に第２の流体を供給する第２流体供給手段を構成している。

内筒１３、仕切板１４、および固定された旋回翼１５を含んで混合部が構成され、混合部で形成された混合流体３は出口側（図の左側）から流出する。

流路１１に流入した流体１は、流路１２からヘッダー空間に流入した流体２を、混合部で形成される負圧により開口１６を経て吸引して混合し、混合流体３を形成して下流側に流れていく。前記開口１６は旋回翼１５の羽根の下流面に沿って形成されるはく離領域に接する位置の内筒１３壁面に形成されており、流体２は開口１６から内筒１３の内側に流入することで流体１と合流する。

図２の正面図に示すように、旋回翼１５は、内筒１３の中心軸を中心にして半径方向に延びる十字状に配置された４枚の羽根から構成され、中心軸側は羽根どうしが連結され、羽根の半径方向外周側端縁は内筒１３の内周面に固定されている。

本実施の形態では、４枚の羽根で構成した旋回翼で説明を行うが、羽根は２枚以上であれば何枚でもよい。なお、本実施の形態で使用している４枚羽根は一枚の金属板を所定の形状に切断した後に、羽根の傾斜角度に合わせて板を捩ることによって一体で製作することも可能である。

旋回翼１５の羽根は、図１に示すように、流体１の流入方向、すなわち内筒軸線方向に対してそれぞれ傾斜してある迎角を持つように配置されている。図２の正面図に示すように、十字状の４枚羽根のうち、図の上側にあたる羽根は流体１の流れを左側に曲げる働きを持ち、左側の羽根は流れを下側に、下側の羽根は流れを右側に、右側の羽根は流れを上側に、それぞれ曲げる働きを持つように傾斜している。これらの働きが内筒１３の中心軸に対して同一の回転の向きになっていることで、内筒１３に流入した流体１は固定の旋回翼１５によって旋回を与えられる。図２正面図の流体１に対する矢印はそれを表している。本実施の形態では、各羽根によって流れを曲げる作用が、図上、反時計回りにそろっていることで、左ネジ方向の螺旋を描く流れになるが、全ての羽根の傾斜を逆にして、時計回りの旋回を起こすことでも、本質的に同じであり、同様の混合性能を得ることができる。

流体１の流れは、旋回翼１５に当たると内筒１３の軸線の周囲に旋回する方向の流れを付与されるが、その際、旋回翼１５の各羽根の下流面に沿って流れのはく離領域が生じる。このはく離領域は羽根ごとに生じるので、このはく離領域に設ける開口１６も羽根ごとに設けられている。このため、流体２は図２の正面図に示されるように、４ヶ所から内筒１３の内側に流入する。このとき、内筒１３外周面と流路１２の間の円環状の空間は流体２を分配するヘッダー空間としての役割を担うことになり、４ヶ所の開口１６に対して、流体２を均等に分配できるように設計されている。具体的には、流体２のヘッダー空間内での流速、すなわち周方向の流速をあまり上げないように、流路断面積を十分にとってある。また、開口１６の開口面積を小さくすることで噴出に伴う圧力損失を上げることも、不均一を作る要因の効果を相対的に小さくすることにつながり、開口間の均一な流量分配に寄与する。ただし、このことは流体２を流入させるために圧力損失を高めることになるので、システムの優先事項に応じて使い分ける必要がある。

図２の断面図に示される通り、内筒１３は拡径された端部の外周縁を流路１１の内周面に接合して取り付けられており、内筒１３の流路断面積は上流側、下流側の流路１１の流路断面積より小さい。このため、流体１は流路１１から内筒１３に流入することによって流路断面積が小さくなり、内筒１３内で流速が増加する。定常状態での流速増加は圧力のエネルギーが速度エネルギーに変換されることでなされるため、流速の増加は静圧の低下をもたらす。この静圧低下と、羽根で生じるはく離による負圧を加算した負圧によって流体２は吸引され、ヘッダー空間から開口１６を経て流体１が流れている空間、すなわち内筒１３内部へと流入する。

図３に本実施の形態における流体の内筒１３内での流線、速度ベクトル、圧力分布を示す。図３の上側の図が流体１の流線を示し、中央の図が断面の位置を示し、左下の図がそのＡ’−Ａ’線断面における流体１の平面内速度ベクトルを示し、右下の図がＡ’−Ａ’線断面における静圧の分布を等圧線で示している。この流線・速度ベクトル・圧力分布は数値計算による流れ解析の結果であり、旋回翼周辺の流れを特に抽出して示している。図３における流体１の流れの向きは、図２の断面図と同じである。

流線を示す図（以下、流線図という）において、内筒１３上流側の流線は縮流の様子を示している。紙面手前側の羽根は流れを上側に曲げ、紙面奥側の羽根は流れを下側に曲げていることから、手前側と奥側の流線を同時に見ると交差することになる。このことを理解して流線を見ると、旋回翼を通過することで流体１の流れに旋回がかかることが分かる。

羽根および開口１６は軸対称に配置されているため、以下、内筒１３の中央にある紙面手前側の羽根に注目して説明する。平板で形成した羽根の左上を向いた面には流入してくる流れがぶつかることになるので、羽根の後縁にいく程、流線図において流線と羽根の距離が縮まっている。一方、これの裏側にあたる面（下流面）では、流れが羽根の角度まで曲がらないため、羽根の後端にいく程、流線と羽根の距離が遠くなる。この場合のように、固体表面に沿って流れるには流線が曲がる必要があって、実際には曲がりきらずに表面から離れてしまう現象をはく離と呼んでいる。この様子は、速度ベクトルを示す図（以下、速度ベクトル図という）で見るとさらに分かり易い。

速度ベクトル図では、Ａ’−Ａ’断面に位置する流体の速度ベクトルのうち、断面成分のみを抽出し、矢印の大きさで速度の大きさを、矢印の向きで流れの向きを表現している。はく離領域は、流れがはがれた領域であることから、速度が大幅に低下し、かつ、流れの向きも主流と異なり、はく離領域全体で１つの渦を形成している。等圧線からも、この渦を推察することができる。

静圧の分布を等圧線で示す図（以下、圧力分布図という）では、全体として、上流から下流に向かって徐々に静圧が低下している。局所的にこれに反するのが、羽根の先端の上流面とはく離領域である。羽根の先端の上流面は、流れがぶつかることで、動圧が静圧に変換され、静圧が上昇する。羽根の下流面には、静圧の最下点があることが見て取れる。圧力の極小点はその周りに渦が形成されていることを意味し、はく離による渦が生じていることで、圧力の極小点が生じたと理解できる。このため、はく離領域は負圧になる。

流れのはく離は、流体が曲がりきれないことで生じ、これは流体が慣性力を持つために生じる。したがって、慣性力が強い程、はく離は起きやすい。はく離の形成には、流入する流体１に対する羽根の角度の他、流体１の流速や粘度なども関係し、一般的にはレイノルズ数と呼ばれる流体の慣性力と粘性力の比が指標になってはく離形成の有無や領域の大きさなどが変化する。流線図に、本実施の形態におけるおおよそのはく離領域を破線１７で示した。

開口１６は、はく離領域１７の内側に収まる位置に形成されるのが最もよいが、製造上の都合などで、はく離領域の外側にはみ出しても、はく離領域を含んでいれば問題はない。開口１６は丸穴に加工して形成することが容易であるが、開口１６をはく離領域内に収めて、かつ、出来るだけ広い開口面積を得ようとすれば、破線１７に沿う形状に開口させることも有効である。以上述べた開口と羽根の関係は４枚存在する羽根それぞれで同じになる。

また、流体２の内筒１３内への流入口がはく離領域になっていることで、流体２が内筒１３の内側に入ってすぐに流体１に押し流されてしまうことが防がれ、流体２は容易に内筒１３の中心部まで拡散することが可能になる。もしも、流体２の内筒１３内への流入口がはく離領域でない場合は、流体２が流体１の流れを横切って内筒１３の中心近傍まで到達することは困難になり、流体２は内筒１３内の外周側を流れることになる。この場合、流体２が内筒１３の中心近傍に達するのは、対流拡散と分子拡散を通してであるため、流体２が内筒１３の中心近傍に到達するには時間がかかり、均一混合を目指そうとすると結果として装置が大型化する。

流体２が、はく離領域を利用して内筒１９の半径方向の拡散を果たした後は、流体１に形成された旋回流に乗ることで、周方向への拡散が進む。以上のように、はく離と旋回を同時に利用することで、流路断面に対して２次元的に拡散が進み、小さな空間で均一な濃度分布になるような混合が促進される。

以上述べたように、本実施の形態によれば、第１の流体と第２の流体を流しながら混合するに際し、第１の流体の圧力損失を極力抑えた上で、第２の流体を必要な量だけ吸込ませ、第１、第２の流体を少ない空間で均一に混合させることができる。
＜実施の形態２＞

図４に、本発明の実施の形態２の流体混合装置の斜視図を示し、図５の左側に同装置の正面図を、図５の右側に正面図のＢ−Ｂ線矢視断面図を示す。実施の形態１と同じ機能を持つ部品や対象に関しては符号を同じにして説明を省略する。

実施の形態２が前記実施の形態１と異なるのは、流路１１内部が、その軸線と直交する平板１８および仕切板２０で仕切られている点と、これらの板に内筒１９が４本接続されている点である。平板１８は流路１２の接続位置よりも上流で流路１１を仕切り、４個の開口を持つ。仕切板２０は流路１２の接続位置よりも下流で流路１１を仕切り、同様に４個の開口を持つ。平板１８の４個の開口は同じ大きさで、周方向に均等に分散配置され、内筒１９の上流側開口の拡径された端部が嵌めこまれ、接続、固着されている。仕切板２０の開口に内筒１９の円筒部の外径が嵌め込まれる。このため、平板１８の各開口の中心と４本の内筒１９の軸線と仕切板２０の各開口の中心はそれぞれ同一直線上に来て、これらの軸線は流路１１の軸線と平行になる。つまり、流体１の流路である内筒１９が、複数個、より大きい径の流路１１に、軸線を互いに平行させて内装されている。

４本の内筒１９には、前記内筒１３と同様に、それぞれ旋回翼１５が内装され、開口１６が設けられている。流路１１に流入した流体１は、４本の内筒１９へ分かれて流れ込み、分かれた４本の流れは並行した関係になる。本実施の形態では、内筒１９を４本にした場合を例にとって説明を行うが、内筒１９は他の本数であっても構わない。流体２は流路１２から、平板１８と仕切板２０に挟まれた空間であるヘッダー空間に流入し、４本の内筒１９にそれぞれ複数設けられている開口１６からそれぞれ内筒１９内に流入して流体１と混合する。内筒１９の中で混合した流体は、内筒１９を出ることで流路１１の広い空間に開放される。そして他の内筒１９で並行に流れて形成された混合流体と合流し、一層の混合が進んだ混合流体３となって出て行く。

内筒１９に取り付けられる旋回翼１５と開口１６は実施の形態１と同じであり、各旋回翼１５は４個とも左ネジ方向に流体１を旋回させる。４枚羽根による旋回翼を用いた場合は内筒１９の１本に４個の開口１６が設けられ、４本の内筒全体で１６個の開口１６がある。この１６個の開口１６に流体２を均一に分配するために、平板１８、仕切板２０に挟まれた空間がヘッダー空間として働き、図５の正面図に示すように流体２が分流していく。

図５の右側の断面図では、下側の内筒を断面表示し、上側の内筒を外から見た表示にしてある。内筒の外側から見ると内筒１９には４ヶ所に穴が開いているだけであって、その穴に流体２は吸込まれていく。流体２が内筒１９の内側にくると、そこは旋回翼１５によるはく離領域になっていて、中心付近までの到達と、旋回による混合が達成される。

内筒１９を出た混合流体は流路１１の空間に開放されるが、その際、内筒１９で形成した旋回流はしばらく残る。図５の正面図で見た場合、４個の内筒１９内ではそれぞれ反時計回りの旋回を形成しており、内筒１９から出た流れは合流することで、その流れが干渉し合うことになる。まず、内筒１９内でも流路１１の管壁に近い側、すなわち流路１１に出た際の外側にあたる箇所どうしの旋回の向きをつないでいくと、大きな反時計回りの旋回になる。図５正面図の混合流体３の旋回方向を示した一点鎖線矢印のうち、流路１１の壁付近のものがこれにあたり、内筒１９を出た後の外周側の流れは反時計回りの旋回を伴った流れになる。一方、内筒１９内でも流路１１の中心軸側の流れは、中心軸から見ると時計回りの旋回になっており、これが流路１１に出て合成されると中心軸付近に時計回りの流れが形成される。図５正面図の混合流体３の旋回方向を示した一点鎖線矢印のうち、中心軸付近のものがこれである。中心側と外側で旋回の向きがことなることは、その中間で大きなせん断が働き、流体の混合に役立つ。

以上述べたように、本実施の形態によっても、前記実施の形態１と同様の効果が得られるが、特に流体の流量が大きい場合に効果的である。
＜実施の形態３＞

図６に、本発明の実施の形態３の流体混合装置の斜視図を示し、図７左側に同装置の正面図、図７右側に正面図におけるＣ−Ｃ線矢視断面図を示す。以下、前述の実施の形態と同じ機能を持つ部品に関しては符号を同じにして説明を省略する。

本実施の形態が前記実施の形態１と異なるのは、旋回翼１５が流路１１の内周面に直接接合され、内筒１３が設けられていない点と、流体２の流入口となる開口１６は流路１１の壁面に設けられ、流体２を４個ある開口１６に分配するためのヘッダー空間としてリング状のダクト２１が流路１１の壁面外周を覆う二重管をなして設置されている点である。

開口１６と旋回翼１５の位置関係は、実施の形態１における旋回翼１５と開口１６の位置関係と同じであり、開口１６は、流体１が旋回翼１５の羽根にあたってできるはく離領域に接する流路１１の壁面に設けられている。本実施の形態のように内筒１３を用いない場合は、流体１の流路断面積が縮小されないことから、流体１の圧力損失を低減することが可能になる。

この他、旋回翼１５が、実施の形態１と異なり、流路１２を真上にした場合の正面図において、４５°傾けて（十字状でなくてＸ字状に）配置されている。このようにすることで、開口１６が流路１２の直下にくることがなくなり、流路１２の直下の開口のみ流体２が多く流入することを防げる。また、流路１２から最も遠い開口へも周方向に１３５°流れることで到達できるため、実施の形態１の場合のように１８０°流れることを要するのに比べると近づいており、遠くの開口も流体２の流量配分が減る可能性が少なくなる。このため、旋回翼１５を４５°傾けて配置することにより、流体２の配分がより均一になり、流体１と流体２を均一混合することに貢献する。なお、この配置は実施の形態１にも適用可能である。さらに、旋回翼１５の羽根枚数が３枚や６枚などの、４枚以外の場合にも同様の考え方が適用でき、流路１２の直下に開口を配置しないようにするか、流路１２から最も遠くなる場所に開口１６がくることを避ける、などの考え方で均一な分配を図ることができる。

以上述べたように、本実施の形態によっても、前記実施の形態１と同様の効果が得られるが、特に流体２の配分がより均一になり、流体１と流体２を均一に混合する効果、および流体１の圧力損失を低減する効果がある。
＜実施の形態４＞

図８に本発明の実施の形態４の流体混合装置の斜視図を示し、図９左側に同装置の正面図、図９右側に正面図におけるＤ−Ｄ線矢視断面図を示す。以下、前述の実施の形態と同じ機能を持つ部品に関しては符号を同じにして説明を省略する。

本実施の形態が前記実施の形態３と異なるのは、本実施の形態では、旋回翼２２の羽根を平板でなくし、曲率を持たせている点と、羽根どうしを中心軸側で接合させることをやめ、各羽根が独立して流路１１内周面に結合されている点と、羽根枚数が６枚である点である。

旋回翼２２の羽根の曲率は、はく離を起こす側と反対方向を凸になるようにしてある。これとは逆の曲率を与えると、流れを緩やかに曲げることになり、羽根としてはく離を抑える形状となる。本実施の形態では、先端の迎角を大きくして、はく離を起こし易くし、その後の羽根を流体１の流入時の方向に戻すように曲げることで、旋回力を弱めている。流体１と流体２の流量比に関して、流体２の流量をより多くしたい場合には羽根で生じるはく離領域がより広いことが望ましい。このためには、流体１の流入に対する羽根の迎角を大きくすることが有効であるが、迎角を大きくすると旋回が強まり、流体１の圧力損失が大きくなる。

流体１の圧力損失を大きくせずに、はく離領域を大きくするには、羽根の迎角を大きくしながらも旋回がそれほどかからないようにすることが望ましく、これを実現するために、上流側の羽根の迎角と、出口側の流入角度を変えている。すなわち、羽根の上流側先端の迎角を平板の場合のようにそのままで下流側翼端でも維持するのではなく、羽根に曲率を持たせ、流体１の流入時の方向に角度を戻すことで、流体１には大きな旋回がかからなくなる。このようにして羽根で生じるはく離領域を広くすることで、開口１６の口径も大きくすることが可能になり、流体２の流量を多くしても圧力損失が大きくならずに済む。この他、羽根枚数を増やしたことも、開口の数を増やし、合計の開口面積を増やすことで流体２の流入に伴う圧力損失を低減することに貢献している。

また、旋回翼２２の羽根どうしを中心軸側で接合しないことにより、流路１１の中心部に障害物がなくなり、流体１の圧力損失を低減することが可能になる。

以上述べたように、本実施の形態によっても、前記実施の形態１と同様の効果を得られるが、特に流体２の流量を多くしても圧力損失が大きくならずに済む、流体２の流入に伴う圧力損失が低減される、流体１の圧力損失が低減されるなどの効果がある。
＜実施の形態５＞

図１０に本発明の実施の形態５の流体混合装置の斜視図を示し、図１１左側に同装置の正面図、図１１右側に正面図におけるＥ−Ｅ線矢視断面図を示す。

本実施の形態も前記各実施の形態と同様に流体１と流体２を通過させながら混合するもので、流体１が流入する円筒状の流路１１と、流路１１内に流路軸線に沿って同心で２重管状に配置され流体２が流入する管状の第２流体流路（以下、流路２３という）と、流路２３外周面と流路１１内周面の間に十字形放射状に配置された４枚の羽根からなる旋回翼２４と、流路２３の壁面の、旋回翼２４で生じる流体１のはく離領域に接する位置に設けられて流路２３内外を連通する４個の開口１６と、を含んで構成されている。流路２３には、流路１１の壁面を貫通して配置され、流体２を流路２３に供給する管路（図示せず）が接続されている。

旋回翼２４は中心軸側端縁を流路２３外周面に密着され、半径方向外周側端縁を流路１１内周面に接している。また、流路２３は開口１６よりも旋回翼から遠い側で半球形の蓋部材で閉じられ、そこから下流側にはなくなっている。流体１と流体２が旋回翼２４下流側で混合して形成された混合流体３は、流路１１の、流路２３がなくなった空間に流入する。

旋回翼２４は、前記各実施の形態と同様に、流入する流体１に旋回を与えるとともに、羽根の裏側（下流面側）にはく離領域を作り出す。流路２３を流れる流体２は、開口１６からこのはく離領域に流入する。流体２は、はく離領域に流入することにより、流体１にすぐに押し流されてしまうことなく、流体１の流れを横切る方向、すなわち流路１１の半径方向に分散し、中心側から流路１１の内周壁付近にまで到達する。この後、流体１の旋回の作用により周方向への拡散も進むことで、流体１と流体２の混合が促進される。

本実施の形態によっても、前記実施の形態１と同様の効果が得られるが、特に装置外周部に付着品がないので、狭隘な箇所にも装着できるという効果がある。
＜実施の形態６＞

図１２に、本発明の実施の形態６の流体混合装置の斜視図を示し、図１３左側に同装置の正面図、図１３右側に正面図におけるＧ−Ｇ線矢視断面図を示す。本実施の形態が前記実施の形態１と異なるのは、流路１２と反対側の流路１１の壁面に開口が形成されて流路２５が接続され、前記円環状のヘッダー空間を前記流路１２に接続させる区画と前記流路２５に接続させる区間に仕切る２枚の分離壁２６が設けられている点である。それぞれの区画に、前記開口１６が同数設けられている。他の構成は前記実施の形態１と同じなので、同じ符号を付して説明を省略する。

本実施の形態は上記構成により、流体１、流体２に加えてもう一種類の流体である流体４を混合させることが可能である。三種類以上の流体を混合させるにあたっては、実施の形態１〜４の流体混合装置を直列に配置して、順番に別の種類を混合させていくのでもよいし、内筒１３は共有して旋回翼１５を直列に配置し、旋回翼ごとに別の種類のガスを混合させていくのでもよい。装置をより小型化したい場合には本実施の形態が有効となる。

本実施の形態では、内筒１３と仕切板１４に挟まれたヘッダーの役割を果たす円環状のヘッダー空間に、流体２を導入する流路１２と、流体４を導入する流路２５が接続される。このようにすることで、旋回翼１５は１段でありながら流体１に２種類の流体を混合させ、合計３種類の流体を同時に混合させることが可能になる。また、ヘッダー空間内に分離壁２６を設けることで、流体２が流路２５に流入したり、流体４が流路１２に流入したりすることも防止できる。

本実施の形態によっても、前記実施の形態１と同様の効果が得られるが、特に３種類の流体を少ない空間で混合できるという効果がある。

また，実施の形態１から６のいずれにおいても、流体１が負圧を発生させ、流体２の供給駆動源としているが、流体２（投入流体）を加圧しても同様な効果が得られる。そうすることにより、流体１の負圧発生量を低減させ、圧力損失を低減することができる。
＜実施の形態７＞

図１４に、本発明に係る流体混合装置の実施の形態７である尿素水添加装置の斜視図を示し、図１５左側に同装置の正面図、図１５右側に正面図におけるＦ−Ｆ線矢視断面図を示す。図示の尿素水添加装置は、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれるＮＯｘを分解処理するために用いる尿素ＳＣＲシステムで使用される。

図示の尿素水添加装置は、長手方向の中間部分に直径がある値に縮小された部分（以下、縮径部）を持つ円筒状の胴体４０と、前記縮径部の上流端（図上左端）に、胴体４０の長手方向に直交して胴体４０の横断面を塞ぐように取り付けられた平板１８と、前記縮径部の下流端（図上右端）に、前記平板１８と平行に、胴体４０の横断面を塞ぐように取り付けられた仕切板２０と、前記平板１８に周方向に均等に分散配置された同じ大きさの４個の開口１８ａと、前記仕切板２０に、前記開口１８ａの中心を胴体４０の軸線に平行に下流側に延長した線が前記仕切板２０に交わる点を中心として形成された４個の開口２０ａと、開口１８ａに拡径された端部を嵌めこみ、円筒部を開口２０ａに嵌めこんで固定された４個の内筒１９と、各内筒１９内部に固定された４枚の羽根からなる旋回翼１５と、各内筒１９壁面の、前記羽根それぞれの下流面側に形成されるはく離領域に接する位置に形成された開口１６と、胴体４０の前記縮径部壁面に形成された開口４０ａに下流端が接続された尿素供給管４５と、尿素供給管４５の上流端に装着されて尿素供給管４５内に尿素水を噴射する噴射装置４１と、尿素供給管４５の、噴射装置４１で噴霧３４を形成する位置と前記平板１８ａに形成された開口１８ｂを接続し、平板１８ａ上流側区画と尿素供給管４５を連通する分流ガス流路４２と、尿素供給管４５の、前記分流ガス流路４２の接続位置よりも下流側部分に装着されたヒータ４３と、尿素供給管４５の、前記開口４０ａに接続されている部分に内装された加水分解触媒４４と、を含んで構成されている。内筒１９の拡径された端部外周面は、開口１８ａの内周面に密着、固定され、内筒１９の円筒部外周面は開口２０ａの内周面に密着、固定されている。

本実施の形態における尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水３３が噴射装置４１から噴射され、この尿素水はヒータ４３で加熱されて気化する。気化された尿素水は加水分解触媒４４を通ることで尿素と水による分解反応を生じ、アンモニアガス３５を生成する。このアンモニアガス３５が、本実施の形態の流体混合装置を通じて排ガス３１に混合される。均一にアンモニアガス３５を混合させた排ガス３６をＳＣＲ触媒（選択還元触媒：図示していない）に通すことで、アンモニアがＮＯｘを還元して窒素ガスにし、排ガス中のＮＯｘを低減することができる。

また、尿素水を気化する際は、媒体となるガスが存在すると気化が容易になるので、排ガス３１の一部を分流ガス流路４２で分流させ、分流ガス３２として尿素供給管４５に送り込み、媒体として用いる。この媒体の作用を他の例で説明すると、水のみが存在する空間で１気圧の水蒸気を作るには１００℃以上にする必要があるが、１気圧の空気中であれば、常温でも水の気化が起きることと同じであり、尿素水も周りに分流ガス３２があることで、気化が容易になる。

本実施の形態では、流体１である排ガス３１に、流体２としてのアンモニアガス３５を混入する。胴体４０には、図の左端から排ガス３１が送り込まれ、この排ガス３１の大部分は平板１８の開口１８ａに接続している４個の内筒１９に分かれて流入するが、排ガス３１の一部は、平板１８に入口となる開口１８ｂを持つ分流ガス流路４２に流入し、分流ガス３２が形成される。分流ガス流路４２に流入した分流ガス３２は尿素供給管４５の上流端に供給され、ここで噴射装置４１による尿素水３３の噴射を受ける。

分流ガス３２中に尿素水３３を噴射する噴射装置４１は、０．５気圧程度加圧された尿素水３３の供給を受け、尿素水３３に対して開閉弁として働き、開弁時間の調節によって流量を制御し、出口の微小噴口を通して、分流ガス流路４２から尿素供給管４５の上流端に流入する分流ガス３２中に尿素水３３を噴出させる。この噴出により、尿素水３３を微粒化した噴霧３４が生成される。尿素水３３は微粒化することで表面積が飛躍的に増え、気化し易くなる。エンジン排ガスは通常１００℃以上の高温であることから、尿素水３３が気化する際に必要となる潜熱を分流ガス３２が一部補い、気化ガスが生成される。ただし、分流ガス３２の顕熱のみを用いて尿素水３３を気化したとすると、気化ガスの温度が低くなり、加水分解反応が起きにくいのでヒータ４３を通じて加熱を行うことが望ましい。

この気化ガスが３００℃程度になっている場合は、水蒸気も存在することから尿素の加水分解反応は自然に起きる。しかし、温度がそれほど上がらないこともしばしばあるために、この気化ガスは、尿素供給管４５で加水分解触媒４４に導かれ、加水分解触媒４４を用いて、低温での加水分解反応が促進される。加水分解反応により尿素はアンモニアと二酸化炭素になるが、ここではＮＯｘの還元剤に使用されるアンモニアガスのみを注目する。加水分解触媒４４を通過しつつ生成されたアンモニアガス３５は、加水分解触媒４４から放出されて平板１８と仕切板２０及び内筒１９外周面と胴体４０の縮径部内周面に挟まれたヘッダー空間に充満し、合計１６ヶ所ある内筒１９壁面の開口１６を通して内筒１９内部の旋回翼１５下流側のはく離領域に流入する。

一方、開口１８ａを経て４本の内筒１９に流入した排ガス３１は、旋回翼１５によって旋回をかけられる。本実施の形態では内筒の数を４本にしているが、実施の形態１のように１本でも可能であるし、他の本数でも実施可能である。同様に旋回翼１５も４枚羽根にしているが他の枚数であっても実施可能である。この旋回翼１５に排ガス３１がぶつかることで各羽根の下流面側にはく離領域が生じ、このはく離領域の負圧を利用して、前述のようにアンモニアガス３５が供給される。

このアンモニアガス３５を生成するにあたって排ガス３１を分流させた分流ガス３２が使用されているため、はく離領域へはアンモニアガス３５とともに分流ガス３２も流入してくる。元は同じ排ガス３１が別の流路をたどって同じ箇所に合流するためには、両方の流路による圧力降下が同じである必要がある。そうでなければ圧力が釣り合わず、定常状態に成り得ない。このため、実際には、分流ガス３２と内筒１９を流れる排ガス３１の流量配分が、圧力が釣り合うような流量配分に収束する。

本装置では、分流ガス流路４２に、曲げ部や、尿素水３３の添加による流量増加や、触媒通過等があり、排ガス３１が直接内筒１９に流入する側に比べて圧力低下につながる要因が多い。そのような条件にあって、排ガス３１に対する分流ガス３２の流量比を適切な値にするためには、排ガス３１が直接内筒１９に流入した側の圧力降下を大きくする必要がある。この圧力降下の後、圧力が回復することがなければ、圧力降下は全て圧力損失となり、エネルギーを損失していることになる。この圧力損失を減らすために、内筒１９の合計流路断面積をその上流での胴体４０の流路断面積より小さくすることで静圧を下げることと、旋回翼によるはく離で負圧を生じさせることが役立つ。何故ならば、これらの圧力降下は、速度エネルギーが再び圧力エネルギーに変換することで、ある程度圧力回復するためである。

旋回翼１５下流側のはく離領域に流入してくるアンモニアガス３５は、内筒１９内で、まず羽根に沿った方向に分散し、さらに、排ガス３１とともに旋回して流れることにより排ガスとアンモニアガスの混合が進み、混合ガス３６となる。４本の内筒１９で並行に流れていた混合ガス３６は、胴体４０の空間に再び放出されることで合流する。この際、内筒内での旋回流も合体し、胴体４０の外周側と中心側で向きが反転した旋回になり、より一層の混合が進み、アンモニアガスが排ガス内に均一な濃度で行き渡る。このアンモニアガスが行き渡った混合ガス３６をＳＣＲ触媒（図示していない）に流すことで、排ガス中のＮＯｘを還元し、ＮＯｘ排出量を大幅に低減することが可能になる。
＜実施の形態８＞

図１６に、本発明に係る流体混合装置の実施の形態８である尿素水添加装置の斜視図を示し、図１７左側に同装置の正面図、図１７右側に正面図におけるＨ−Ｈ線矢視断面を示す。図示の尿素水添加装置は、実施の形態７と同様に、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれるＮＯｘを分解処理するために用いる尿素ＳＣＲシステムで使用される。

図示の尿素水添加装置は、長手方向の中間部分に直径がある値に縮小された縮径部を持つ第１の流体の流路である円筒状の胴体４０と、胴体４０の縮径部壁面を貫通し、閉じた先端部が胴体４０の縮径部で胴体４０と同心状に第１の流体の流路軸線に沿って２重管状に配置されている管状の第２流体流路である流路４６と、流路４６外周面と胴体４０の縮径部内周面の間に放射状に配置された６枚の平板の羽根からなる旋回翼４９と、流路４６の壁面の、旋回翼４９の各羽根で生じるはく離領域に接する位置に設けられた６個の開口１６と、流路４６の胴体４０の外部にある部分を加熱するヒータ４３と、を含んで構成されている。

旋回翼４９の半径方向中心側端部は、流路４６の外周面に密着され、流路４６の前記開口１６が設けられている先端部分は、他の部分よりも径が大きく、流路４６に供給される第２の流体を６個の開口１６に分散供給するヘッダー空間をなしている。

本実施の形態における尿素ＳＣＲシステムでは、流路４６に尿素水と空気を混合させた二層流体４７を供給し、ヒータ４３による加熱によって二層流体４７中の尿素水を気化させ、空気と気化ガスと未気化の尿素水が混じった流体４８を図示の尿素水添加装置で排ガス３１と混合させる。混合により生成された混合排ガス３６をＳＣＲ触媒（図示していない）に通すことで、アンモニアがＮＯｘを還元して窒素ガスにし、排ガス中のＮＯｘを低減することが出来る。

本実施の形態によっても、前記実施の形態７と同様の効果が得られるが、特に少ない部品点数で尿素ＳＣＲシステムを構成できるという効果がある。
＜実施の形態９＞

流体１が旋回翼に当たったときに、旋回翼下流面側に形成されるはく離領域の範囲は、旋回翼の形状、迎え角などにより、変化する。発明者等は、コンピュータを用いた数値計算により流れ解析を行い、実際のはく離領域がどのような範囲になるのかを検証した。

図１８は、旋回翼に平板を用いた場合のはく離領域の第１の例であり、流れに対し、迎え角が３０度の平板を旋回翼として配置した場合のはく離領域を求めた結果を示している。図の左上が旋回翼の配置を示す正面図で、右上の図が左上の図のＪ−Ｊ線矢視図である。中央の図と下の図は、前記図３の速度ベクトル図と同じく、Ｊ′−Ｊ′断面に位置する流体の速度ベクトルのうち、断面成分のみを抽出し、矢印の大きさで速度の大きさを、矢印の向きで流れの向きを表現している。中央の図は流速が１ｍ／ｓの場合を、下の図は流速が１０ｍ／ｓの場合を、それぞれ示している。以下、図１９〜図２５においても、それぞれの図の中の、中央の図と下の図は、同じ条件の図である。

中央の図において、放射状に配置された羽根の放射方向に直交する平面を仮想し、この平面を第１の流体の流路の軸線方向と、それに直交する旋回方向の座標で捉え、羽根断面の軸線方向最下流で且つ旋回方向も最下流である座標を点Ａ″とし、この点Ａ″と軸線方向座標は同じで羽根断面の旋回方向の最上流である座標を点Ｃとし、線分Ａ″Ｃの中点を点Ｄとし、羽根断面の上流面を示す曲線の点Ｄに対して点対称な曲線と、羽根断面の下流面を示す曲線に挟まれ、羽根が存在する旋回方向座標の範囲内は、はく離領域に含まれると考えてよい。

また、次のように定義してもよい。平板の下流側（図上右側）に実線で示すように、平板の下流面を示す線分の下流端Ａから流路軸線に直交する方向に延びる第１の直線と平板の下流面を示す線分の上流端Ｂから流路軸線に平行に延びる第２の直線の交点Ｃを求め、平板の上流面を示す線分の下流端Ａ′から流路軸線に平行に延びる第３の直線と前記第１の直線の交点Ａ″を求め、線分Ａ″Ｃの中点を点Ｄとする。

平板の上流面を示す線分に対して、点Ｄについて点対称な線をひき、この線と前記第２、第３の直線の交点を、点Ｃ′、点Ｅとすると、はく離領域は、速度ベクトルの大きさ、方向を参照し、点Ａ′、Ａ、Ｂ、Ｃ′、Ｅを順に結ぶ線で囲まれた領域（領域Ａ′ＡＢＣ′Ｅ）を含むと考えてよい。以下、領域Ａ′ＡＢＣ′Ｅを、旋回翼の上流面を示す線分とこの線分に対して点対称な線分で形成される領域という。

流速が１０ｍ／ｓの場合を示す下の図においては、はく離領域は、上の図と同様の範囲を含むと考えてよい。

図１９は、旋回翼に平板を用いた場合のはく離領域の第２の例であり、流れに対し、迎え角が６０度の平板を旋回翼として配置した場合のはく離領域を求めた結果を示している。この場合も、はく離領域は、図１８におけると同様の手順で求めた範囲を含むと考えてよい。

図２０は、旋回翼に平板を用いた場合のはく離領域の第３の例であり、流れに対し、迎え角が１５度の平板を旋回翼として配置した場合のはく離領域を求めた結果を示している。この場合も、はく離領域は、速度ベクトルの大きさ、方向を参照し、旋回翼の上流面を示す線分とこの線分に対して点対称な線分で形成される領域を含むと考えてよい。

図２１は、旋回翼に平板を用いた場合のはく離領域の第４の例であり、流れに対し、迎え角が１５度の平板を旋回翼として配置した場合のはく離領域を求めた結果を示している。図２０に示す平板よりも厚い平板を用いた例である。この場合も、はく離領域は、図２１中央の図に実線で示すように、速度ベクトルの大きさ、方向を参照し、旋回翼の上流面を示す線分とこの線分に対して点対称な線分で形成される領域を含むと考えてよい。

図２２は、旋回翼に上流側に向かって凸な曲面板を用いた場合のはく離領域の第１の例を示す図である。この場合も、はく離領域は、図２２中央の図に実線で示すように、速度ベクトルの大きさ、方向を参照し、旋回翼の上流面を示す線分とこの線分に対して点対称な線分で形成される領域を含むと考えてよい。

図２３は、旋回翼に上流側に向かって凸な曲面板を用いた場合のはく離領域の第２の例を示す図である。この例は図２２に示す曲面板に比べて曲率、迎え角がともに大きいが、この場合も、はく離領域は、図２３中央の図に実線で示すように、速度ベクトルの大きさ、方向を参照し、旋回翼の上流面を示す線分とこの線分に対して点対称な線分で形成される領域を含むと考えてよい。

図２４は、旋回翼に下流側に向かって凸な曲面板を用いた場合のはく離領域の第１の例を示す図である。この場合も、はく離領域は、図２４中央の図に実線で示すように、速度ベクトルの大きさ、方向を参照し、旋回翼の上流面を示す線分とこの線分に対して点対称な線分で形成される領域を含むと考えてよい。

図２５は、旋回翼に下流側に向かって凸な曲面板を用いた場合のはく離領域の第２の例を示す図である。この例は曲面板の上流縁、下流縁の角を丸くしたもので、図２４に示す曲面板に比べて曲率が大きく、迎え角が小さい。この場合も、はく離領域は、図２５中央の図に実線で示すように、速度ベクトルの大きさ、方向を参照し、旋回翼の上流面を示す線分とこの線分に対して点対称な線分で形成される領域を含むと考えてよい。

図１８〜図２５に示すように、旋回翼に、迎え角の異なる平面板、下流側に向かって凸な曲面板、上流側に向かって凸な曲面板などを使って計算した結果、はく離領域は、旋回翼の上流面を示す線分とこの線分に対して点対称な線分で形成される領域を含むと考えてよい。

すなわち、放射状に配置された羽根の放射方向に直交する平面を仮想し、この平面を第１の流体の流路の軸線方向と、それに直交する旋回方向の座標で捉え、羽根断面の軸線方向最下流で且つ旋回方向も最下流である座標を点Ａ″とし、この点Ａ″と軸線方向座標は同じで羽根断面の旋回方向の最上流である座標を点Ｃとし、線分Ａ″Ｃの中点を点Ｄとし、羽根断面の上流面を示す曲線の点Ｄに対して点対称な曲線と、羽根断面の下流面を示す曲線に挟まれ、羽根が存在する旋回方向座標の範囲内は、速度ベクトルの大きさ、方向を参照すると、本発明におけるはく離領域に含まれると考えてよい。旋回翼を構成する羽根の厚みが羽根の幅に対して小さければ、はく離領域は、四角形ＡＢＣ′Ｅと考えてもよい。

本発明による流体混合装置は、エンジン排ガスのＮＯｘを低減するための尿素水添加装置や、エンジン排ガスを吸気に吸込ませて混合するＥＧＲ装置、ガス燃料を空気に混合させて燃焼を起こす燃焼器、燃料電池で炭化水素系ガスを改質して水素を発生させる際に生じる一酸化炭素に空気を混ぜて酸化させることにより削減する改質器などに用いることができる。一般に、複数のガスによる化学反応では、濃度が均一になっていることが狙い通りの反応を起こさせるのに有利であり、このため、ガスを流しながら混合させる装置で混合促進と装置の小型化に寄与する本発明は、多様な化学反応プロセスに用いることが可能である。

本発明に係る流体混合装置の実施の形態１を示す斜視図である。図１に示す実施の形態１の正面図および断面図である。図１に示す粒体混合装置における旋回翼付近の第１の流体に対する流線を示す図および断面における速度ベクトルおよび等圧線を示す図である。本発明に係る流体混合装置の実施の形態２を示す斜視図である。図４に示す実施の形態２の正面図および断面図である。本発明に係る流体混合装置の実施の形態３を示す斜視図である。図６に示す実施の形態３の正面図および断面図である。本発明に係る流体混合装置の実施の形態４を示す斜視図である。図８に示す実施の形態４の正面図および断面図である。本発明に係る流体混合装置の実施の形態５を示す斜視図である。図１０に示す実施の形態５の正面図および断面図である。本発明に係る流体混合装置の実施の形態６を示す斜視図である。図１２に示す実施の形態６の正面図および断面図である。本発明に係る流体混合装置の実施の形態７を示す斜視図である。図１４に示す実施の形態７の正面図および断面図である。本発明に係る流体混合装置の実施の形態８を示す斜視図である。図１６に示す実施の形態８の正面図および断面図である。旋回翼に平板を用いた場合のはく離領域の第１の例を示す図である。旋回翼に平板を用いた場合のはく離領域の第２の例を示す図である。旋回翼に平板を用いた場合のはく離領域の第３の例を示す図である。旋回翼に平板を用いた場合のはく離領域の第４の例を示す図である。旋回翼に上流側に向かって凸な曲面板を用いた場合のはく離領域の第１の例を示す図である。旋回翼に上流側に向かって凸な曲面板平板の用いた場合のはく離領域の第２の例を示す図である。旋回翼に下流側に向かって凸な曲面板を用いた場合のはく離領域の第１の例を示す図である。旋回翼に下流側に向かって凸な曲面板を用いた場合のはく離領域の第２の例を示す図である。

符号の説明

１流体１
２流体２
３混合流体
１１流体１および混合流体の流路
１２流体２の流路
１３、１９内筒
１４、２０仕切板
１５、２２、２４旋回翼
１６開口
２１ダクト
３１排ガス
３２分流ガス
３３尿素水
４０胴体
４１噴射装置
４２分流ガス流路
４３ヒータ
４４加水分解触媒

Claims

第１の流体と第２の流体を通過させながら混合する流体混合装置であって、第１の流体が流れる流路と、前記流路内に放射状に固定配置され、通過する前記第１の流体に、流路軸線の周囲に旋回させる方向の流れを付与する、複数の羽根からなる旋回翼と、第１の流体が前記旋回翼を通過する際に前記旋回翼の下流面に沿って形成される第１の流体のはく離領域に、前記はく離領域内に位置する前記第１の流体の流路壁に形成された開口から前記第２の流体を供給する第２流体供給手段とを有してなり、
前記はく離領域は、放射状に配置された羽根の放射方向に直交する平面を仮想し、この平面を第１の流体の流路の軸線方向と、それに直交する旋回方向の座標で捉え、羽根断面の軸線方向最下流で且つ旋回方向も最下流である座標を点Ａ″とし、この点Ａ″と軸線方向座標は同じで羽根断面の旋回方向の最上流である座標を点Ｃとし、線分Ａ″Ｃの中点を点Ｄとし、羽根断面の上流面を示す曲線の点Ｄに対して点対称な曲線と、羽根断面の下流面を示す曲線に挟まれ、羽根が存在する旋回方向座標の範囲内である流体混合装置。
請求項１に記載の流体混合装置において、
前記第２流体供給手段は、前記開口を複数有し、該複数の開口が形成された第１の流体の流路壁の外周面を内壁面の一部とし、前記複数の開口を覆うように形成されたヘッダー空間と、このヘッダー空間に第２の流体を供給する管路とを含んでなることを特徴とする流体混合装置。
第１の流体と第２の流体を通過させながら混合する流体混合装置であって、第１の流体が流れる流路と、前記流路内に放射状に固定配置され、通過する前記第１の流体に、流路軸線の周囲に旋回させる方向の流れを付与する、複数の羽根からなる旋回翼と、第１の流体が前記旋回翼を通過する際に前記旋回翼の下流面に沿って形成される第１の流体のはく離領域に第２の流体を供給する第２流体供給手段とを有してなり、
前記はく離領域は、放射状に配置された羽根の放射方向に直交する平面を仮想し、この平面を第１の流体の流路の軸線方向と、それに直交する旋回方向の座標で捉え、羽根断面の軸線方向最下流で且つ旋回方向も最下流である座標を点Ａ″とし、この点Ａ″と軸線方向座標は同じで羽根断面の旋回方向の最上流である座標を点Ｃとし、線分Ａ″Ｃの中点を点Ｄとし、羽根断面の上流面を示す曲線の点Ｄに対して点対称な曲線と、羽根断面の下流面を示す曲線に挟まれ、羽根が存在する旋回方向座標の範囲内であり、
前記第２流体供給手段は、前記第１の流体の流路の流路軸線に沿って配置され、前記旋回翼の流路軸線側端部が外周面に密着されている管状の第２流体流路と、前記はく離領域内に位置する前記第２の流体の流路壁に形成され、前記第２の流体が供給される複数の開口と、前記第１の流体の流路壁を貫通して配置され、前記第２流体流路に接続されて第２の流体を供給する管路とを含んでなることを特徴とする流体混合装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の流体混合装置において、前記旋回翼を設けている箇所の第１の流体に対する流路断面積が、旋回翼を設けている箇所より上流の第１の流体に対する流路断面積より小さいことを特徴とする流体混合装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載の流体混合装置において、前記旋回翼を内装した第１の流体の流路を複数備え、これらの流路は、より大きい断面の流路内に、並列に、前記大きい断面の流路の軸線にそれぞれの流路の軸線を平行させて配置していることを特徴とする流体混合装置。