JP6077741B2 - 温度ばらつき低減用流体撹拌装置 - Google Patents

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Description

本発明は温度ばらつき低減用流体撹拌装置に関するものである。
流体経路内を通過する流体を撹拌する流体撹拌装置においては、流体経路下流の一断面内における流体の温度のばらつきを低減することを要求されるものがあり、簡易な構造で効果的に温度のばらつきを低減することが望まれている。従来の流体撹拌装置としては、プロペラ等の可動体を用いて流体を撹拌するものや、図３に例示するように、流体経路を螺旋状に加工することで流体に旋回流を生じさせて撹拌するものがある。（例えば、特許文献１参照。）
特開昭５８−１７７１２６号公報
前術したような可動体を用いた従来の流体撹拌装置においては、可動体摺動部での発熱により新たな温度のばらつきを生じるという課題がある。また、図３に例示するような、流体経路を螺旋状に加工する従来の流体撹拌装置においては、形状加工等が複雑になることに加え、充分な温度ばらつき低減効果を得るためには、流体経路方向に長さを要するという課題がある。
本発明の目的は、簡易な形状で、流体経路方向の長さが短く、可動部を有しない構造体を用いて、温度ばらつき低減の観点において充分な効果を与える流体撹拌装置を実現することである。
本発明の温度ばらつき低減用流体撹拌装置は、流体の流れを複数に分割する分流部と、流体の流れ方向の軸回りに流体を旋回させる旋回部と、流体の速度を増加させる増速部とを、上流側から順に有することを特徴とする。
本発明によると、分流部において複数の流れに分割された流体は、各々が旋回部を通過する間に流れ方向の軸回りに旋回流を生じることで再び混合される。混合された旋回流は増速部において増速され、更に強い旋回流となることで充分に撹拌され、流体の温度のばらつきを低減することができる。
本発明の実施例１に係る流体撹拌装置を表し、図１（ａ）は流体経路の上流側から見た装置の斜視図、図１（ｂ）は流体経路の下流側から見た装置の斜視図、図１（ｃ）は装置の側面図、図１（ｄ）は図１（ｃ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の実施例２に係る流体撹拌装置を表し、図２（ａ）は流体経路の上流側から見た装置の斜視図、図２（ｂ）は流体経路の下流側から見た装置の斜視図、図２（ｃ）は装置の側面図、図２（ｄ）は図２（ｃ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 従来の流体撹拌装置の一例を示す斜視図である。 本発明の実施例１の流体撹拌装置の数値解析モデルを示す図である。 従来の流体撹拌装置の数値解析モデルを示す図である。
本発明に係る温度ばらつき低減用流体撹拌装置は、流体の流れを複数に分割する分流部と、流体の流れ方向の軸回りに流体を旋回させる旋回部と、流体の速度を増加させる増速部とを、上流側から順に有する。これにより、温度ばらつき低減の観点において充分な効果を与える流体撹拌装置を実現するものである。
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に、図面を参照しつつ説明するが、本発明は以下の実施例により限定されるものではない。
図１は、流体経路内を通過する流体を撹拌することで、流体経路下流の一断面内における流体の温度ばらつきを低減する、本発明の実施例１に係る流体攪拌装置を表すもので、図１（ａ）は装置を流体経路の上流側から見た斜視図、図１（ｂ）は装置を流体経路の下流側から見た斜視図、図１（ｃ）は装置の側面図、図１（ｄ）は図１（ｃ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。なお、図中の破線は隠れ線を表し、断面図中の斜線のハッチング部は切断面を表し、縦横線のハッチング部は増速部における開口面の形状を表す。本願特許請求の範囲及び明細書において、「開口面」とは、開口の縁部を結ぶ仮想面を意味する。本図から明らかなように、本実施例の装置は、平面、円筒面、テーパ面といった単純な形状から形成されている。
実施例１に係る温度ばらつき低減用流体撹拌装置１１は、分流部１２側を上流側として流体経路の途中に設置される。分流部１２においては、流体経路の中央付近の一部が閉塞面１２１によって塞がれているため、流体経路中の流体はこの領域を通過することができず、外周付近の相対向する二箇所に設けられた弓形の開口面１２２の領域を通過することになる。
旋回部１３は分流部１２と増速部１４とを接続している。増速部１４の流体経路の形状は、図１（ｄ）の縦横線のハッチングで示されるように流体経路の中央付近のみが開口面１４１となっているため、旋回部１３の下流側端部の、分流部開口面１２２に略対向する位置を含む外周付近は閉塞面１３１で塞がれることになる。この構造のため、分流部１２の外周付近の開口面１２２を通過した流体は、旋回部１３内を直進した後、下流側端部付近でその流れの方向を流体経路方向に略直交する方向に変えることになる。
本実施例においては、旋回部１３内により効果的に旋回流を生じさせるために、旋回部１３内の流体経路中に流体経路方向に平行な方向に矩形板状の固定面１３２を配置している。固定面１３２の一端は旋回部１３の内壁面に接触しており、このように構成することで、流体がその流れ方向を変える際に一方向（図１（ｄ）において矢印で示した方向）にのみ旋回流を生じるようにしている。
上述したような機構で生じた旋回流は、増速部１４において旋回部１３の流体経路方向に垂直な方向の断面積より小さい面積の開口面１４１を通過することで増速され、更に強い旋回流となる。
本実施例においては、増速部１４の開口面１４１とその下流に続く流体経路の断面形状を円形とすることで、旋回流の形状を渦巻形状に整えると同時に、増速部１４の下流に流体の淀み点を生じにくくしている。これにより流体は充分に撹拌され、流体の温度のばらつきを低減することができる。
本実施例による流体温度のばらつき低減効果と、従来の流体撹拌装置の例による流体温度のばらつき低減効果とを比較するために数値解析を行った。以下にその解析条件と解析結果とを示す。
図４は本実施例による流体温度のばらつき低減効果を数値解析により見積もった際の解析モデルを表すものであり、図５は従来の流体撹拌装置の例による流体温度のばらつき低減効果を数値解析により見積もった際の解析モデルを表すものである。図５の解析モデルにおいては、図３に示す従来の流体撹拌装置３１を用い、その螺旋形状加工部３５の捩れ方向を逆方向にしたものを交互に並べ、各々の螺旋加工端同士が直交するように連結してある。
今回行った数値解析においては、図４、図５とも、流体は図の左から右に向かって流れるものとし、温度ばらつきの付与面である図の左端面の位置において流体に温度ばらつきを付与した後、所定の流体を所定の流量だけ流した。流体は撹拌装置を通過した後、温度ばらつきの評価面である図の右端面に達するが、その面の位置における流体の温度ばらつきの標準偏差値により、各流体撹拌装置の温度ばらつき低減効果を評価した。
図４、図５から判るように、次に挙げる形状及び寸法については、本実施例及び従来の流体撹拌装置の例において共通としている。流体経路の形状は両例とも直径２００ｍｍの円形である。温度ばらつきの付与面である図の左端面から流体撹拌装置入口までの距離は両例とも１０００ｍｍである。流体撹拌装置出口から温度ばらつき評価面である図の右端面までの距離は両例とも１０００ｍｍである。
また、数値解析の初期条件として付与する温度ばらつきの状態についても、温度ばらつき付与面において最大１０℃の温度差を与え、両例において共通としている。
図４における本実施例の流体撹拌装置の長さは、分流部と旋回部と増速部を合わせた部分が１００ｍｍ、その下流に続く流体経路の断面積を徐々に拡大する部分が４００ｍｍで、合計５００ｍｍとなっている。図５における従来の流体撹拌装置の長さは、図３に示す流体撹拌装置１個の長さを３００ｍｍとし、捩れ方向を逆方向にしたものとを交互に２個ずつ用いることで、合計１２００ｍｍとなっている。
上記の条件に加え、流体の種類等を変えて複数条件について数値解析を行った。その条件と数値解析結果とを表１に併せて表示した。
Figure 0006077741
表１に示す数値解析結果より、本実施例の流体撹拌装置は、空気と水の両流体に対して、従来の流体撹拌装置の例に比べて高い温度ばらつき低減効果を有していることが判る。また、上述した通り、流体撹拌装置の全長は、本実施例が５００ｍｍであるのに対し、従来の例は１２００ｍｍである。以上より、本実施例の流体撹拌装置は従来の流体撹拌装置の例に比べ、簡易な形状で、流体経路方向の長さを短くできる上に、空気と水の両流体に対して、高い温度ばらつき低減効果を有していると言える。
図２は本発明の実施例２に係る流体撹拌装置を表すもので、図２（ａ）は装置を流体経路の上流側から見た斜視図、図２（ｂ）は装置を流体経路の下流側から見た斜視図、図２（ｃ）は装置の側面図、図２（ｄ）は図２（ｃ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。なお、図中の破線は隠れ線を表し、断面図中の斜線のハッチング部は切断面を表し、縦横線のハッチング部は増速部における開口面の形状を表す。本図から明らかなように、本実施例に係る装置も平面、円筒面、テーパ面といった単純な形状から形成されている。
実施例２に係る温度ばらつき低減用流体撹拌装置２１は、実施例１に係る温度ばらつき低減用流体撹拌装置１１とは異なり、旋回部２３の外形形状が四角形となっている。これに伴い、分流部２２の形状（開口面２２２は多角形状）及び固定面２３２の形状（楔形状）も実施例１とは異なっているが、分流部２２、旋回部２３、増速部２４により達成される機能は実施例１の各部のそれと同等である。実装上の観点等から、流体経路主要部の断面形状を四角形とすることが望ましい場合には、流体撹拌装置の形状を本実施例に示すような形状とすることで、実施例１の装置と同等の性能を得ることができる。
実施例２による流体撹拌装置２１を構成する各部の機能は実施例１の対応する各部の機能と同等であるため、詳細な説明は省略する。
なお、本明細書では装置の外形が円形と四角形の２つの実施例についてのみ説明したが、外形は三角形や五角形以上の多角形としても良いし、曲線と直線とを組み合わせた形状としても良い。また、分流部として２つの流れに分割するもののみを記載したが、３つ以上の流れに分割しても良い。
１１，２１，３１ ・・・温度ばらつき低減用流体撹拌装置
１２，２２ ・・・分流部
１３，２３ ・・・旋回部
１４，２４ ・・・増速部
３５ ・・・螺旋形状加工部
１２１，２２１ ・・・分流部閉塞面
１２２，２２２ ・・・分流部開口面
１３１，２３１ ・・・旋回部閉塞面
１３２，２３２ ・・・固定面

Claims (3)

  1. 流体経路の途中に設置され、流体経路内を通過する流体を撹拌することで、流体経路下流の一断面内における流体の温度ばらつきを低減する流体撹拌装置であって、
    流体の流れを複数に分割する分流部と、
    該分流部の下流側に接続しており、流体の流れ方向の軸回りに流体を旋回させる旋回部と、
    該旋回部の下流側に接続しており、流体の速度を増加させる増速部と、を有しており、
    前記分流部には、前記流体経路の中央部を閉塞面によって塞ぐことで複数の開口部が形成されており、
    前記旋回部には、流体の流れの方向を変えるために、前記流体経路方向とは垂直な方向に、前記流体経路の中央だけ開口させて閉塞面が配置され、かつ、前記方向を変えた流体の流れの方向が一方向になるように、前記流体経路方向と平行な方向に固定面が配置され、該固定面は、その一端だけが前記旋回部の内壁面に接触していることを特徴とする流体撹拌装置。
  2. 前記増速部は、前記旋回部の流体経路方向に垂直な方向の断面積より小さい断面積の流体経路形状であることを特徴とする請求項１に記載の流体撹拌装置。
  3. 前記増速部の前記流体経路は、断面形状が円形であることを特徴とする請求項２に記載の流体撹拌装置。
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