JP6831977B2

JP6831977B2 - 燃焼ガスを伴う噴霧器

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Publication number: JP6831977B2
Application number: JP2018234413A
Authority: JP
Inventors: 泰典松本; 弘茂小松; 治井澤
Original assignee: Kochi Prefectural University Corp
Current assignee: Kochi Prefectural University Corp
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2021-02-24
Anticipated expiration: 2038-12-14
Also published as: JP2020092681A

Description

本発明は、農業用ハウスにおける栽培環境の好適化、好適状態の維持に関するものである。

農業用ハウスにおいては、日照の他、温度、湿度、炭酸ガス等の栽培環境を適正に確保するための装置が種々開発されている。

小型、軽量であって、農薬等の薬液を含む液体を微粒且つ均一化状態で噴霧することができる噴霧器が公知である。出願人が発明した噴霧器は、ケーシングと、ケーシング内の一端に設けられる送風機と、ケーシングの他端に固定され、ケーシングの内径より小形の貫通孔が噴霧方向に向けて形成される噴頭体と、噴頭体に固定され、貫通孔内における送風機からの気流に対して噴出方向が所定角度を有するように配置されるノズルと、ノズルに液送管を介して連結され、液体を収容するタンクを備えるものである（特許５５１７１５９号）。

炭酸ガスを供給する装置として、燃焼ガスを利用する発明は、特開昭５３-５８３４５など、種々存在する。燃焼ガスに気化パッドを通過させることによって加湿・冷却させることを図る特開２０１６−７１６３の発明がある。また、栽培室内の環境条件を総合的に好適化する発明についても特開平５−７６２４３他種々存在する。

速度を有した流体が静止した同一流体中に噴出する現象である噴流に関して、その流動特性は、理論及び実験による検証が多くの文献で示されている。本発明に係る高レイノルズ数（Ｒｅ＝２０，０００程度以上：Ｒｅ＝Ｕ・Ｄ／νで、Ｕが噴射孔での平均流速、Ｄが噴射孔の代表長さ、例えば軸対象円形噴流では直径、νが動粘性係数を示し、・は、乗算、／は、除算を示す、以下同じ。）の乱流の２次元自由噴流若しくは３次元軸対象噴流に関しては、「流体力学著者日野幹夫」、「噴流工学著者社河内敏彦」の記載に基づいた流動特性を参照している。

乱流の自由噴流に関しては、図１２（１）に示すように、噴出源近傍では、初期領域と呼ばれる領域があり、この領域には流れの中心位置の流速が初速の状態であるコア領域とその周辺に周辺流体と混合する混合領域がある。コア領域の噴出源からの長さに関しては、２次元噴流の場合６・Ｂ（Ｂは、噴出源の幅）で、軸対象円形噴流の場合５・Ｄ（噴出源の直径）が実験によって、知られている。初期領域の上流端は、噴流の噴出源であり、流速分布は図に示すように噴射孔内流速分布に近い最大流速を有する長方形に近い形状となっている。初期領域の下流端がコア領域の下流端になる。初期領域の下流方向には、発達領域があり、周辺流体を巻き込むとともに噴流の流速を低減し、噴流幅を拡大する領域となっており、図に示すような流速分布となっている。図１２（１）では、３次元軸対象円形噴流としているが、２次元自由噴流においても同様な流れになっている。乱流の自由噴流における理論的な解釈としては、この発達領域に関して、
（１）噴出源は仮想原点を想定した無限小であり、
（２）噴出された噴流は、相似な速度分布形を有し、
（３）噴流軸に垂直な断面を通過する運動量は一定であり、
（４）圧力勾配はない。
ことを前提に、定常（流れが時間的に不変である状態のこと、以下同じ。）のレイノルズ方程式より導き出し、流下方向に直線的に拡がる流動特性など実験値との優れた適合を得ている。

特許５５１７１５９号公報特許昭５３−５８３４５号公報特開２０１６−７１６３号公報特開平５−７６２４３号公報

流体力学日野幹夫著噴流工学基礎と応用社河内敏彦著

栽培室内に置いて、炭酸ガス発生装置は、植物の光合成を促進させるために不可欠なものとなっている。最も安価な炭酸ガス発生装置として、燃焼ガスを利用するものがあるが、発熱による温度上昇や温度上昇に伴う相対湿度の低下を生ずる。特に、相対湿度の低下によって、植物が気孔を閉じると、蒸散作用がされないばかりか、炭酸ガスの取り込みを行わないことになり、栽培室内に炭酸ガスを供給する意味をなさなくなる。また、燃焼ガスの熱量放出に伴う温度上昇を防止するため、外気を取り込む換気は、炭酸ガスの放出を伴うものとなり、非効率な一面を有している。

栽培室内に炭酸ガスと水蒸気を供給する装置であって、
燃焼ガスを発生する燃焼ガス発生装置と、
該発生した燃焼ガスを巻き込む噴流を噴射する噴射孔を有し、該噴流の本体となる気体を噴出する気体噴出孔と該気体中で細粒化される液体を噴出する液体噴出孔とを有する２流体噴射弁と、
を備えた噴霧器。

前記燃焼ガス発生装置の前記栽培室内への放出熱量の一部若しくは全部が前記２流体噴射弁から噴出する液体の気化熱によって吸熱される噴霧器。

前記２流体噴射弁からの噴流の噴流中心線が、前記燃焼ガスが栽培室内で単独に排出された場合の燃焼ガスによる浮力噴流の中心線の接線方向か若しくは中心線の複数点で交差する方向かの何れかである噴霧器。

前記燃焼ガス発生装置で発生した燃焼ガスを一時滞留させ、所定の方向へ排出する排出口を有する筐体と、
該排出口から筐体外への噴流を発生させ、該排出口の排出面若しくは該排出面の内空側に、噴射孔を有する前記の２流体噴射弁と、
を備える噴霧器。

前記噴射孔から噴射される噴流の初期領域が前記筐体の内空側に収まる噴射孔の位置である噴霧器。

前記噴射孔からの噴流の噴流中心線が前記排出面と交差し、該噴流中心線の垂直方向からの投影図で、該噴流中心線を挟んで対峙する噴射孔外縁と排出面端部を結ぶ両線が噴流中心線となす角度の絶対値が同一である排出面の形状である噴霧器。

炭酸ガスを発生する燃焼ガス発生装置と気液混相噴流を発生する２流体噴射弁とを備えた本発明の噴霧器は、栽培室内で発生させる燃焼ガスと近接する位置で噴流を噴射させ、２流体噴射弁からの噴流に巻き込まれる燃焼ガスの放出熱と噴流内で液体の細粒液滴化から更に水蒸気に変化する過程による気化熱との熱交換によって、栽培室の温度上昇を低減するという利点がある。燃焼ガスの放出熱量と噴出する液体の気化熱量を略同一にさせることによって、容易に安定した室温環境を得ることができる。
更に、噴流現象を利用した炭酸ガスと水蒸気の施用は、極めて速やかに栽培室内全体に亘って、適切な炭酸ガス濃度や湿度を確保することができる。

燃焼ガスは空気の流れの少ない栽培室内において、単独では浮力噴流として挙動し、この燃焼ガスと２流体噴射弁から噴射される気液混相噴流との噴流の中心線を出来るだけ接近若しくは重ねることによって、燃焼ガスを気液混相噴流に速やかに巻き込むことができる。
燃焼ガスを一時滞留させる、排出口を設けた筐体は、燃焼ガスの浮力噴流の流れの方向を限定し、容易に２流体噴射弁からの噴流と中心線を重ねることができる。また、噴射孔と筐体との位置関係や筐体排出口との形状及び噴射方向の関係については、噴射孔からの噴流に燃焼ガスを最も効率的に巻き込み、上記の熱交換を円滑かつ効率的に行うとともに、栽培室内全体に出来るだけ速やか且つ一様に炭酸ガスや水蒸気を拡散させることを目的としたものである。

図１は、発明の全体構成に係る説明図である。（実施例１）図２は、燃焼ガスの浮力噴流と２流体噴射弁の噴流の説明図である。（実施例１）図３は、２流体噴射弁の噴流が燃焼ガスの浮力噴流を貫通する場合の説明図である。（実施例１）図４は、実験空間における実験に関する説明図である。（実施例２）図５は、実験空間における計測結果のグラフである。（実施例２）図６は、実験空間における水蒸気量のグラフである。（実施例２）図７は、筐体内空部における噴流の説明図である。（実施例３）図８は、排出面の形状に関する説明図である。（実施例４）図９は、２流体噴射弁に関する説明図である。図１０は、円形の外部混合型の２流体噴射弁における液滴粒径の計測に係る実験装置の説明図である。図１１は、円形の外部混合型の２流体噴射弁における液滴粒径計測実験の実験結果の説明図である。図１２は、軸対象円形噴流及び軸対象環状噴流の流れに関する説明図である。

光合成には、炭酸ガスと水と日照が必要であるが、炭酸ガスは、通常の大気に約３８０ｐｐｍの濃度で含まれている。栽培室内において育成する植物の品質と収量を確保するためには、日照時には８００〜９００ｐｐｍの炭酸ガス濃度を維持する必要があるとされている。一方で、炭酸ガスは、植物の葉の裏に多くある気孔から取入れられ、気孔は蒸散作用を行う器官でもあり、周辺の湿度状況によって開閉する。そのため、植物が炭酸ガスを適切に取り入れるためには、適度な湿度が必要である。この湿度の最適環境に関して、一般に飽和水蒸気量と実際の水蒸気量との差である飽差（単位ｇ／ｍ^３）を３〜６で維持するのが良いとされている。

本発明において、燃焼ガス発生装置３とは、植物の光合成に必要な炭酸ガスを施用するため、化石燃料等の燃焼によって発生する炭酸ガスを主成分とし、熱量を有する燃焼ガスを発生させる装置である。本発明の噴霧器１を示す図（例えば図１）では、燃焼ガス発生装置はイメージ図として示しているが、燃焼ガス発生装置の構成は、市販の一般的なものであり、燃料タンク、燃焼装置３１、浄化装置３４、燃料油送管、ブロア若しくは送風機３２（但し、本発明の燃焼ガス発生装置とは、燃焼装置を有し、炭酸ガスを主成分とする燃焼ガスを発生する機能を有する装置であり、必ずしも栽培室内へ送風のためのブロワ若しくは送風機は必要不可欠なものではない。）及び各種ダクト等を含むものである。詳細な内容に関しては省略する。

本発明において、２流体噴射弁２とは、図１に示すように、燃焼ガス１２を連行し、巻き込む噴流を発生する液体を含む空気の気流噴射弁２であり、液滴を気体の運動エネルギーで微細粒化させることができる。種々の構造のものがあるが、実施例においては、液体噴出孔２３を気体噴出孔２２が取り囲む構造を選択しているが、燃焼ガスを巻き込むことができる噴流を発生する２流体噴射弁であれば構造を限定するものではない。また、液体噴出孔を取り囲む気体噴出孔が配された２流体噴射弁についても、図９に示すような外部混合型、内部混合型若しくはその中間型の２流体噴出弁の何れでもよいが、本実施例では図９（１）に示す気体噴出孔の先端面と液体噴出孔の先端面とが同一面である外部混合型を採用している。実施例に係る２流体噴射弁は、図１に示すように、空気を供給する送風機と該送風機と気体噴出孔に連通する送風管２５とを有し、水などの液体を収容する加圧タンク２６と該加圧タンクと液体噴出孔を連通する液送管２７とを備える。加圧タンクに関しては、図上に示すポンプ（図示してないが、液中に設置する水中ポンプも含む。）によって、相対的に高圧若しくは低圧の状態を発生させることも含むものとする。

本発明の噴霧器１を使用する栽培室１４においては、燃焼ガス発生装置３から発生する燃焼ガス１２と２流体噴射弁２からの細粒化された液滴を含む噴流５の空気と、その他の栽培室内の空気１３と、３種の気体が存在する。簡便のため、それらについて燃焼ガス１２、噴流本体１１、周辺空気１３と呼ぶ。
噴流本体は、２流体噴射弁の噴射孔２１の直近を除いて、燃焼ガスや周辺空気を巻き込み、混合しながら流動する噴流を構成する流体である。この噴流は、レイノルズ数は高く、いわゆる乱流である。この噴流本体に燃焼ガスを巻き込み混合させる要因は、噴流本体とそれを取り囲む燃焼ガスとの間に働くせん断力であり、それに起因する乱流拡散である。ここで、噴流とその周りの流体との関係に関して、流体間に働く粘性よって、周りの流体を運ぶ現象を「連行」と呼び、連行の結果周りの気体を噴流本体として、周りの気体と噴流本体との混合に至る現象を巻き込みと呼ぶこととする。
気液混相の噴流本体に関しては、図１０の２流体噴射弁を用いた図１１に示す実験結果に示すように、粒径が２０μｍから１００μｍ程度に細粒化した液滴を含む。本液滴の粒径の計測に関しては、表１の条件で計測されたものである。図１１は、噴射孔近傍の下流位置で平均粒径を光学粒度分布計で測定し、平均粒径を元に理論上の分布関数を用いたものである。図１０（２）、（３）に示す噴射孔詳細図において、気体噴出孔の直径Ｄ１は、図１０（２）の気体流量・流速調整機構２８によって、表１に示す１５ｍｍ〜３０ｍｍにできる。液体噴出孔の直径Ｄ３も液体流量調整機構２９によって調整可能だが、本実験については、８ｍｍを採用している。

２流体噴射弁２からの気液混相流は、自由噴流と近似しうる。２次元噴流では、流心線を対象線とする流速分布であり、円形噴流の場合は、噴流中心線を中心軸とする軸対象の流れになるが、いずれにおいても、噴流幅は流下方向に直線的に拡がることが知られている。図１２（１）には、軸対象の円形噴流の概念図を示しているが、図上噴射孔２１から直近後方の３角形で示す領域はコアゾーンと呼ばれる噴射孔位置での噴出流速が維持されるゾーンであり、噴出源からコアゾーンを有する範囲を初期領域とされている。本発明における噴流５の初期領域５３とは、図１２（１）に示す軸対象円形噴流若しくは２次元噴流に近い流れに関しては、上記の通りである。図９（１）に示す２流体噴射弁は、円形若しくは楕円形の液体噴出孔とそれを取り囲む同軸の環状の円形若しくは楕円形の気体噴出孔とを備える構造になっている。そのような場合においても、初期領域は、噴流噴出源における流量を噴射孔外縁内の面積で除した噴射孔における平均流速の概念によって定義し得る。即ち、初期領域は、噴出源である噴射孔から、噴流の流速分布において噴出源の流速（前記平均流速を含む。）を有する下流端までの範囲である。
環状噴流と軸対象円形噴流を有する噴流に関しても、その流動特性が非特許文献２のｐ１４３〜ｐ１４９に示されている。本発明に係る２流体噴射弁からの噴流は、表１に示すように主噴流に対して液体噴出孔からの液体噴出の流速、流量共に小さく、非特許文献２の中央円形噴出孔の流速が０の場合に相当する。環状噴流に関しても、噴流幅は軸対象円形噴流と同様に直線的に拡がるとする非特許文献２の記載を基に作成した流速分布が図１２（２）である。該図におけるコア領域とは、本発明の２流体噴射弁の噴流で想定されるコア領域を表示したものであり、噴流噴出源における平均流速を有する下流端の噴流中心線位置と噴流噴出源の外縁を結んだ範囲をコア領域としている。これは、非特許文献２の図７−４（ａ）ｘ／ｄｉ＝５（同文献ｐ１４６）より下流が軸対象円形噴流と同様な流れと解され、中心線における流速が０．７程度であるとの実験結果と非特許文献２における環状部と流速０の円形部の面積比がＡｉ／Ａａ＝０．３９（同文献ｐ１４３）から類推し、図１２（２）では、初速の平均流速を有する地点が中心軸上で計測されると解することに不合理性はないとの考えによったものであるが、前記初期領域の定義に関しては、初速の平均流速を有する最下流端が中心軸上で計測されるか否かとは関りはない。図１２（２）初期領域より下流の領域に関しては、図１２（１）の流動形態が準用できると解する。従って、以下の実施例に係る２流体噴射弁については、初期領域を除き、相似形状で下流方向に減速する流速分布を有する軸対象円形噴流であるとして説明する。

燃焼ガス発生装置３から発生する燃焼ガスは、ガス温度や内蔵する送風機によって、流れの様子は異なる。該燃焼ガスは、仮に６０℃〜８０℃程度の温度の場合、周辺空気との密度比で１：０．９〜０．８程度（概略である為、空気における密度比）でとなり、基本的には、浮力を駆動力として生じる浮力噴流である。一方で、燃焼ガスを巻き込む噴流を発生する空気と液体の２流体噴射弁に関しては、前記表１の範囲で、２０℃の空気２５Ｌ／ｓｅｃに７．８ｇ／ｓｅｃの液滴を含む状態の場合、全体としての密度は、周辺気体との密度比は、1：１．２６となり、水が液滴で存在している場合は、厳密には、密度噴流といえる。しかしながら、燃焼ガスが２流体噴射弁の噴流に巻き込まれ、熱交換が行われた状態での噴流本体は、噴射孔近傍では周辺温度と同温度で飽和状態の水蒸気と液滴と一定量の炭酸ガスを巻き込んだ状態であり、噴流体積流量が一定量になると噴流内の液滴は全て水蒸気となり、ほぼ周辺気体と同密度の流れとなる。

（１）栽培室１４内に燃焼ガス発生装置３と前記外部混合型の２流体噴射弁２とを備え、該２流体噴射弁が、前記燃焼ガス発生装置から発生した燃焼ガス１２を巻き込む配置を図３に示す。燃焼ガス発生装置の放出口３３から放出された燃焼ガスは、２流体噴射弁が稼働していない状態で、空気流動の少ない栽培室内において浮力噴流５１として図３（１）に示すような流れを生じる。２流体噴射弁は、燃焼ガス発生装置に近接し、上記燃焼ガスの浮力噴流内に噴射孔２１を配置し、噴射孔から発生する噴流５が燃焼ガス浮力噴流内を貫通するよう配置している。これによって、２流体噴射弁からの噴流は、周辺空気１３の混入を防止しつつ、燃焼ガスを巻き込み、燃焼ガスと細粒化した液滴を含む噴流本体１１とが混合される。このような配置で燃焼ガス発生装置と２流体噴射弁とを備えたものが本発明の噴霧器である。
（２）図１には、更に燃焼ガスと噴流本体との混合を促進するため、燃焼ガス発生装置から発生した燃焼ガスを周辺空気１３との混合前に収容し、特定の排出方向と排出面４２を持つ筐体４を設けた例を示す。本例では図に示すように筐体内部に噴射孔を配置すると同時に、噴射方向を筐体に設けられた排出口４１からの燃焼ガスの排出方向としている。図２（１）に燃焼ガスの浮力噴流（燃焼ガス発生装置を単独で栽培室内で発生させた場合のもの）と２流体噴射弁の噴射方向の側面図を示している。噴流中心線５２がＡの方向は、浮力噴流の中心線５２−１の接線方向で、噴流中心線がＢの方向は浮力噴流の中心線と２点で交差する方向となっている。図２（２）は、噴流流下方向からの正面図であって、円形で示すＡ、Ｂが２流体噴射弁からの噴流の断面図である。

以下に具体的な実験結果を実施例とする。実験目的、実験方法、実験空間、実験装置を整理する。
（１）目的：栽培室１４を想定する実験空間で本発明の噴霧器１の効果を実証する。
（２）実験方法：燃焼ガス発生装置３の単独稼働と該燃焼ガス発生装置を用いた本発明噴霧器の稼働による実験空間への影響を比較する。
（３）実験空間及び計測位置：図４（１）、（２）
（４）実験装置
燃焼ガス発生装置（稼働時間内炭酸ガス放出量、熱量放出量）：表２中段左欄
２流体噴射弁２（稼働時間内空気噴出量、水噴出量）：表２下段左欄
（５）計測項目：炭酸ガス濃度、温度、湿度
（６）機器稼働時間及び計測時間
機器稼働時間：１５分
計測時間：４時間
計測時刻：２３：００計測始動、２４：００〜２４：１５機器稼働、３：００計測終了

実験空間は、図４（１）、（２）に示すように倉庫内を破線で現わすようにポリエステルシートで仕切っている。平面図における長方形短辺部床面に燃焼ガス発生装置３及び２流体噴射弁２を備えた噴霧器１を設置して、図に示す上下層の位置に計測機器を配して計測している。
実験における噴霧器は、図４（３）、（４）に示す通りである。燃焼ガスを排出する筐体４の排出口４１と２流体噴射弁の噴射孔２１の詳細は、図４（３）、（４）、（５）、（６）に示す。２流体噴射弁は外部混合型で円環状の気体噴出孔２２の外径は２４ｍｍ内径１０ｍｍで、該円環と同心の円形の液体噴出孔２３の直径は８ｍｍで、それぞれからの噴出量は、表２下段左欄の通りである。排出面４２は縦×横が２０ｃｍ×２７ｃｍの長方形状で鉛直面である。噴射孔の気体噴出孔及び液体噴出孔は、図４（５）に示すように同一鉛直面を形成し、図４（４）に示すように長方形形状の排出面の重心位置に噴射孔の中心を配し、図４（３）に示すように排出面から２４ｃｍ離れた内空側に設置する。

燃焼ガス発生装置３のみによる燃焼ガス排出実験（以下Ｂ実験ともいう。）と燃焼ガス排出と同時に２流体噴射弁２の噴射を行う実験（以下Ａ実験ともいう。）は、異なる日にそれぞれ１５分間の機器の稼働と稼働時間を含む４時間にわたる炭酸ガス濃度、温度及び湿度の計測を実験空間内の前述の最大１０箇所で行われた。実験空間における４時間の計測結果は、図５に示すとおりである。計測結果は、全箇所の計測数値を平均したものである。
図５に示す機器稼働前の１時間は、実験時の初期条件を示すが、Ａ実験とＢ実験において、炭酸ガス（２酸化炭素）濃度及び室温に大きな変化はないが、湿度においては、７％程度Ｂ実験時の湿度が高い。

炭酸ガス濃度に関して、図５上段に示すようにＡ実験、Ｂ実験とも１５分間の機器稼働によって、室内のガス濃度は上昇し、それぞれ１３６０ｐｐｍ、１２３０ｐｐｍを計測した。その後それぞれの濃度時間曲線の傾きに変化はみられるものの濃度は上昇し、Ａ実験では稼働終了の５分後最大濃度である１５０４ｐｐｍを計測し、Ｂ実験では２０分程度を要して最大濃度である１５７０ｐｐｍを計測した。その後は、両実験とも同じような経過をたどり、初期条件に近い５００〜６００ｐｐｍにまで濃度を減少している。

温度変化に関して、図５中段に示すようにＢ実験では、機器始動から１５分後に初期値の２０．１度から上昇し２５．３度になり、その後上昇速度を減じるが１８分経過するまで上昇し、最大で２６．８度に達して、初期状態に対して６．７度の温度上昇に至っている。その後、徐々に下降している。これは、炭酸ガス濃度変化とほぼ同様な傾向といえる。一方のＡ実験では、１５分間の機器稼働によって初期値の２０．３度からの大きな温度変化は見られず、機器始動から２０分後のピーク時において、１．３度の温度上昇が確認された。

湿度の変化に関しては、図５下段に示すようにＢ実験では、機器始動から１５分後に初期値の５９．８％から下降し４６．６％になり、その後下降速度を減じるが２０分経過するまで下降し、最小で４２．３％に達している。その後、徐々に上昇し初期値に戻っている。一方のＡ実験では、１５分間の機器稼働によって初期値の５３％から湿度変化は大きく、稼働終了の５分後のピーク時において、９８．５％の湿度上昇に至っている。
湿度は、飽和水蒸気量に対する水蒸気量の割合を示す相対的な指標であり、空気中に含まれる水蒸気量（ｇ／ｍ^３）への換算値と、該水蒸気量と飽和水蒸気との差である飽差の変化を図６に示している。Ｂ実験においては、燃焼ガスに含まれる水蒸気の影響を受けたと思われる水蒸気量の上昇は若干認められるものの初期値から大きな変動はないが、図５に示す温度変化によって飽和水蒸気量が変化するため、飽差は破線で示すような温度変化と同じ傾向の変化を見せ、飽差管理基準としている３〜６ｇ／ｍ^３から大きく乖離している。一方のＡ実験では、噴霧器による１５分間で６ｋｇの水分の補給によって、水蒸気量は、初期値の９．３ｇ／ｍ^３から最大１８．７ｇ／ｍ^３に至る一点鎖線のような水蒸気量の変化を辿り、飽差に関しては、噴霧器始動後４分で管理基準値となり、その後下がったため機器稼働終了後約５分後に０．３の値を示したが、２０分後には再び管理基準値内となり、その後初期値に至っている。

表２には、初期条件と前記燃焼ガス供給発生装置のみ稼働の実験空間内の変化と本発明の噴霧器を使用した場合の数値比較を示している。
上段は、実験空間とＡ及びＢ実験の初期状態として「００２９」に記載した事項を整理し、計測温度における飽和水蒸気量、湿度計測から算定される水蒸気量、飽差及び炭酸ガス濃度測定から算定される炭酸ガス量（ｍｇ／ｍ^３）を算定している。
中段には、燃焼ガス発生装置のみを１５分間運転したときの状態を記載している。中央欄の理想状態欄には、炭酸ガスのみ供給された実験空間が熱量、水蒸気量、炭酸ガスの外部との交換が全くない定圧空間であった場合の計算値を記載し、右欄の計測値欄には実験による計測値を記載している。燃焼ガス発生装置は、１５分間に１，０７３ｇの炭酸ガスと同時に熱量としては３，７７５ｋｃａｌを放出している（これらは、使用機器の規格より算出したものである。）。理想状態欄では、燃焼ガス発生装置が６６０ｍ^３の内容積の実験空間に対して、１，６２６ｍｇ／ｍ^３の炭酸ガス量の上昇をもたらし、１，３８６ｐｐｍの濃度になる。一方で、放出される熱量による温度上昇は、空気の密度１．２０ｋｇ／ｍ^３で、比熱０．２４ｋｃａｌ／ｋｇ・℃とすると、１９．９℃となる。また、栽培室内の湿度は、２０．４％となり、飽差は、４０．７ｇ／ｍ^３となる。一方、計測値欄では、温度上昇は、６．７℃に留まり、湿度は４２．３%であるのに対して、炭酸ガス濃度は１，６２１ｐｐｍに達している。温度に関しては、温度差が大きいほど周辺との熱交換量は大きくなり、実験空間を仕切っているポリエステルシート、床面からの熱交換による影響が大きいと思われる。
下段には、本発明の噴霧器を運転した場合を示している。下段の理想状態欄には、燃焼ガスによる放出熱を２流体噴射弁から噴出される水の気化熱による吸熱の影響を記載している。放出熱量３，７７５ｋｃａｌに対して、気化熱は３，５１６ｋｃａｌであり、上昇温度は１．４℃となっている。一方で、計測値欄に示す温度上昇は、１．３℃となっている。また、最大値若しくは最小値を計測した時刻を計測値欄の右に記載しているが、噴霧器のＡ実験では、機器始動から２０分程度であり、機器稼働終了からは、５分程度経過後である。Ｂ実験における機器稼働終了後２０分（機器始動から３５分）とは、大きな違いを計測している。

上記の実験結果より、本噴霧器１使用の効果として明確になったことを整理する。
（１）速やかな炭酸ガス施用効果
２流体噴射弁２による気液混相の噴流は、噴流本体の中に細粒化された水滴を含み、初速約６０ｍ／秒で燃焼ガスを巻き込み、実験空間内に噴射される。図５に示すグラフにおいて、拡散時間と表現したのは、本実験空間において、機器稼働後、放出した燃焼ガスが空間内全体に拡散して炭酸ガス濃度が最大になるのに要する時間を表現したものである（表２における最大値若しくは最小値計測時間と同義）。燃焼ガス発生装置のみによるＢ実験では、２０分の時間を要したのに対して、本発明の噴霧器では、５分で実験空間全体に行き渡る結果を得た。この速やかな拡散については、放出される水蒸気に関しても、明確にその効果を実証している。
（２）吸熱効果
気液混相の噴流本体の中の微細粒化された水滴は、燃焼ガスが放出する熱量を極めて効率的に吸熱していることが確認された。Ｂ実験の温度変化で、燃焼ガス発生装置の稼働時間と拡散時間の２０分間に実験空間に放出された熱量は、「００３３」に記載したように空間に放出される熱量以外に床面や他の空間との接触による交換熱量が大きいため、Ｂ実験とＡ実験との比較より寧ろ、Ａ実験と表２の理想状態欄との比較が適切であると考えられる。この場合、放出熱の数値データ（表２の理想状態欄）に対して、極めて大きな気化熱による吸熱効果を得ることができるという結果を得た。
（３）速やかな水蒸気補給効果
実験空間内の水蒸気は、炭酸ガス濃度、温度変化と同様に拡散時間５分で実験空間全体に拡がっており、本噴霧器が速やかな水蒸気補給に貢献していることを示している。噴流本体内にふくまれる水滴が速やかに水蒸気化しているという事実は、噴流が巻き込む燃焼ガスの放出熱を気化熱によって速やか吸熱しているという上述の事項を裏付けている。

図７に燃焼ガス発生装置３で発生した燃焼ガスを一時滞留させ、該燃焼ガスを所定の方向に排出する排出口４１を有する筐体４と、該筐体の燃焼ガス滞留空間４３に２流体噴射弁２の噴射孔２１を配置した噴霧器１を示している。図７には、筐体内空側に、２流体噴射弁２から噴射される噴流の初期領域５３が収まるように、噴射孔２１位置を配置している。噴流の初期領域は、「０００６」、「００２４」に示すように、噴出源での噴流の流速が計測される最下流位置であり、軸対象円形噴流の場合５Ｄで、２次元噴流の場合は、６Ｂであることは、従来の研究成果となっている。楕円形の噴射弁の場合は、その中間的な長さであることが推察される。本発明の場合、噴流の周りに存在する燃焼ガスが噴流の初期領域周辺で流速を有し、初期領域が延伸する可能性は有するが、噴流本体の流速と比較して、その流速は小さいため大きな影響はないと予想される。
初期領域においては、図３に示すような筐体を備えていない場合、噴射孔直近の噴流と周辺流体との大きなせん断力は、例えば輪渦現象などによって燃焼ガス１２の周りの周辺空気１３をも連行する可能性を有し、噴流本体１１と燃焼ガスの直接的かつ効率的な混合に支障を生じる場合がある。そのため、図７に示すように噴射孔２１近傍の周辺気体との間に大きなせん断力が働き大規模渦（図上で矢印を有する円弧で表現している。）が発生する初期領域を筐体内部に収め、発生した大規模渦に周辺空気が混入しないようにすると同時に燃焼ガスの保存性の高い大規模渦を排出口内側で強制的に破壊或いは筐体内側へ移動させ、排出口外への排出の際には噴流本体に容易に巻き込まれる小規模渦とし（図７に示す帯状矢印による排出口外への燃焼ガスの流動）、排出口近傍の混合領域で円滑に燃焼ガスを噴流本体に巻き込むことを期待するものである。更に噴射孔を内空側に配置することによって、燃焼ガスの巻き込み量を増やすことができる。例えば、燃焼ガス発生装置から放出される燃焼ガス量の風量が２０ｍ^３／ｍｉｎ（３３３Ｌ／ｓｅｃ）であるとすると、表２に示す噴流本体の噴射流量２６．７Ｌ／ｓｅｃの約１２．５倍となり、非特許文献２（表３−３、３４頁）によると、噴流の体積流量は、０．１６・（ｘ／ｒ_０）・Ｑ_０で（ｘ：噴流軸方向距離、ｒ_０：軸対象円形噴流の噴流源での半径、Ｑ_０：噴流源での流量）あり、ｘ_ｋに至る周辺流体の巻き込み流量は、０．１６・（ｘ_ｋ／ｒ_０）・Ｑ_０−Ｑ_０となり、混合領域において、円滑に全て巻き込まれるために必要な距離は約４２・Ｄ（Ｄは直径）となり、内径２４ｍｍの場合１ｍ程度となる。この巻き込み流量に必要な距離を筐体内の燃焼ガス滞留空間４３に収めることができれば、燃焼ガスの更に早期の巻き込みを可能にできると推定される。

噴射孔２１からの噴流５の外縁は、距離に従って直線的に拡がる。噴流本体１１に燃焼ガス１３を効率的に巻き込むために排出口４１の排出面４２と噴流中心線５２との交点の位置と排出面の形状が関連する。ここで、排出面とは、噴射孔外縁（外部混合型の図９（１）のような噴射弁の場合は気体噴出孔外縁と一致する。）から筐体外へ通じる排出口の隅角を結んだ閉曲線を外縁とする平面である。噴射孔が筐体内空にあって厚みを有する筐体の排出口の場合、排出口の外面隅角を鋭角に処理していれば排出面は筐体外面における排出口の形状（正面図における排出口の形状である）である。
図８（１）〜（３）には、円形の噴射孔からの噴流中心線が排出面に直角に交差するように筐体内空に設置されている。排出面と噴流中心線との交点を中心とする円形の排出面形状にした場合、図８（１）、（２）に示すように、平面図、側面図は、共に噴流中心線の垂直方向からの投影図となり、噴流中心線を挟んで対峙する噴射孔外縁と排出面端部を結ぶ両線と噴流中心線となす角度は、図に示すαとなり同一である。排出面を前記交点からの同心円にした場合、平面図及び側面図以外の噴流中心線の垂直面からであれば、何れの方向からの投影図も噴流中心線となす角度はαとなる。
図８（４）〜（７）には、円形の噴射孔からの噴流中心線が排出面に斜め下方向から交差するように筐体内空に設置されている。この場合の平面図と側面図は、（４）及び（６）である。側面図（６）は、噴流中心線の垂直方向からの投影図となり、噴流中心線を挟んで対峙する噴射孔外縁と排出面端部を結ぶ両線と噴流中心線となす角度は、図に示すαとなり、排出面の形状は図８（７）に示す。この形状は、側面図における噴射孔外縁と排出面端部を結ぶ両線の交点を頂点とし、該両線を側面に有する円錐を垂直面で切断した楕円形である。側面断面図（６）上のＥ−Ｅで示す断面図（５）は、噴流中心線の垂直方向からの投影図であり、図（６）と同様に噴流中心線となす角度はαになっている。
このように、排出面形状は円形の噴射孔からの噴射による噴流が円錐形の外縁を形成する筐体内空間の燃焼ガスを噴流が効率的に巻き込むために提案するものである。また、前記の２つの実施例では、噴流中心線を挟んで対峙する噴射孔外縁と排出面端部を結ぶ両線と噴流中心線となす角度が同一あるのみならず、全ての方向からの角度が同一な場合を示している。例えば、図８（１）、（２）と同じ平面、側面の状態であって、他の噴流中心線の垂直方向からの投影図ではαと異なる角度で同一とケースとしては、噴流中心線との交点が重心位置となる正方形の排出面の形状が具体例となる。図８（２）の側面のαのみが同じで他がαと異なる場合とは、正面図で噴流中心線との交点が重心位置となる横長の長方形となる。

１噴霧器、１１噴流本体、１２燃焼ガス、１３周辺空気、１４栽培室（実験空間）
２２流体噴射弁、２１噴射孔、２２気体噴出孔、２３液体噴出孔、２４噴射弁送風機、２５送風管、２６加圧タンク、２７液送管、２８気体流量・流速調整機構、２９液体流量調整機構
３燃焼ガス発生装置、３１燃焼装置、３２燃焼ガス送風機、３３燃焼ガス放出口、３４浄化装置
４筐体、４１排出口、４２排出面、４３燃焼ガス滞留空間
５噴流、５１浮力噴流、５２噴流中心線、５２−１浮力噴流の噴流中心線、５３初期領域、５４発達領域、５５コア領域、５６混合領域、５７噴流外縁、５８噴流幅、５９噴流流速分布

Claims

栽培室内に炭酸ガスと水蒸気を供給する装置であって、
燃焼ガスを発生する燃焼ガス発生装置と、
該発生した燃焼ガスを巻き込む噴流を噴射する噴射孔を有し、該噴流の本体となる気体を噴出する気体噴出孔と該気体噴出孔に囲まれた内側に前記気体中で細粒化される液体を噴出する液体噴出孔とを有する２流体噴射弁と、
を備えた噴霧器。
前記燃焼ガス発生装置の前記栽培室内への放出熱量の一部若しくは全部が前記２流体噴射弁から噴出する液体の気化熱によって吸熱される請求項１の噴霧器。
前記２流体噴射弁からの噴流の噴流中心線が、前記燃焼ガスが栽培室内で単独に排出された場合の燃焼ガスによる浮力噴流の中心線の接線方向か若しくは中心線の複数点で交差する方向かの何れかである請求項１乃至請求項２の噴霧器。
前記燃焼ガス発生装置で発生した燃焼ガスを一時滞留させ、所定の方向へ排出する排出口を有する筐体と、
該排出口から筐体外への噴流を発生させ、該排出口の排出面若しくは該排出面の内空側に、噴射孔を有する前記２流体噴射弁と、
を備える請求項１乃至請求項３の噴霧器。
前記噴射孔から噴射される噴流の初期領域が前記筐体の内空側に収まる噴射孔の位置である請求項４の噴霧器。
前記噴射孔からの噴流の噴流中心線が前記排出面と交差し、該噴流中心線の垂直方向からの投影図で、該噴流中心線を挟んで対峙する噴射孔外縁と排出面端部を結ぶ両線が噴流中心線となす角度の絶対値が同一である排出面の形状である請求項４若しくは請求項５の噴霧器。
噴流中心線の垂直面の全ての方向からの前記投影図で、噴射孔外縁と排出面端部を結ぶ線が噴流中心線となす角度の絶対値が同一である排出面の形状である請求項６の噴霧器。
前記２流体噴射弁が円環形状の気体噴出孔と、
該円環形状と同心の円形であって、気体噴出孔先端面と同一の先端面を有する液体噴出孔と、
を備えた外部混合型の２流体噴射弁である請求項１乃至請求項７の噴霧器。