(57)【要約】 【課題】複数の電極を配置させたセンサを用いることによって、狭間隙を有する流路内の気液二相流における気液相割合分布獲得が可能な測定装置を提供すること。【解決手段】センサ３は複数の電極を有する送信電極列４と受信電極列５を備え、電気信号を送受信し、電気伝導率の違いから気液相の割合分布を検知できる電気伝導率計測装置６は、電気信号の送受信を行う。信号処理制御装置８は、センサの電極数や対象とする流体の条件、電気信号の増幅率などの基本情報の入力を演算回路７に対して行う。演算回路７は、電気伝導率から気液相の割合分布を獲得する。それらの演算結果を画像処理装置９でデータ処理した後、表示装置１０で統計諸量が表示される。【選択図】図１
2010107487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混相流に接する第１の壁面に設けられた送信電極と、
前記混相流に接する第２の壁面に設けられた受信電極と、
前記送信電極と前記受信電極との間の電気伝導率を測定する手段を有する
混相流測定装置。
【請求項２】
送信電極は複数であり、
受信電極は複数である
請求項１記載の混相流測定装置。
【請求項３】
送信電極は、複数のワイヤーが並んだものであり、
受信電極は、複数のワイヤーが並んだものである
請求項１記載の混相流測定装置。
【請求項４】
混相流は、気液二相流である
請求項１記載の混相流測定装置。
【請求項５】
混相流に接する第１の壁面に送信電極を設け、
前記混相流に接する第２の壁面に受信電極を設け、
前記送信電極と前記受信電極との間の電気伝導率を測定する
混相流測定方法。
【請求項６】
送信電極は複数であり、
受信電極は複数である
請求項５記載の混相流測定方法。
【請求項７】
送信電極は、複数のワイヤーが並んだものであり、
受信電極は、複数のワイヤーが並んだものである
請求項５記載の混相流測定方法。
【請求項８】
混相流は、気液二相流である
請求項５記載の混相流測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規な混相流測定装置に関する。また、本発明は、前記混相流測定装置を用いる新規な混相流測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気伝導を用いた気液二相流の気相割合（ボイド率）分布計測方法が報告されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２、および非特許文献３参照）。この気相割合分布測定装置は、流路断面に流体に接触するように設置された複数の電極ワイヤー間の電気伝導率を計測し、気体と液体の電気伝導率の差異から流路断面における気相割合分布を計測するものであり、気液二相流のボイド率分布計測、気泡体積、気泡速度の評価などに用いられている。
【０００３】
電気伝導を用いた混相流における上記の気相割合分布測定手法の適応としては、混相流における管内断面の気相割合の平面分布の計測手法があり、気泡流への適応方法が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
上述の電気伝導を用いた気相割合分布測定は、時系列気相分布から気液相を分離することで各気泡を再現し、それらの体積を算出することができる。
【０００５】
このような、電気伝導を用いた混相流計測では、測定平面を軸方向に２つ設けることで、気相の移動時間を求め、速度分布の算出が可能である（例えば、非特許文献２参照）。
【０００６】
速度計測において、流路断面に電極ワイヤーを配置することによる接触の影響で、気泡の単一速度計測に誤差を与えることが開示されている（非特許文献３参照）。
【０００７】
なお、発明者は、本発明に関連する技術内容を開示している（非特許文献４参照。）。これは、特許法第３０条第１項を適用できるものと考えられる。
【０００８】
【非特許文献１】茂手木裕一、他４名、“ワイヤーメッシュトモグラフ法を用いた気泡流の多次元流動特性に関する研究”、平成１４年６月１９日、日本機械学会  第８回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集、ｐ．５８３−５８４
【非特許文献２】木倉宏成、他１名、“ワイヤー・メッシュ・トモグラフィ法を用いた気液二相流の可視化”、平成１９年１０月、可視化情報学会誌、Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．１０８、ｐ．２３−２８
【非特許文献３】伊藤大介、他３名、“ワイヤーメッシュセンサによる気泡速度の評価”、平成２０年６月２０日、日本機械学会  第１３回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集、ｐ．４３９−４４０
【非特許文献４】伊藤大介、他２名、“WMSとUVPを用いた狭隘流路内気液二相流の計測”、平成２０年８月８日、日本混相流学会年会講演会2008（会津）講演論文集、ｐ．３０４−３０５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した非特許文献１〜３は、流路断面に電極ワイヤーを配置することによって、気泡の分裂効果や速度変化といった影響を有するという問題がある。
【００１０】
そのため、このような課題を解決する、新規な混相流測定装置および混相流測定方法の開発が望まれている。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な混相流測定装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記混相流測定装置を用いる新規な混相流測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の混相流測定装置は、混相流に接する第１の壁面に設けられた送信電極と、前記混相流に接する第２の壁面に設けられた受信電極と、前記送信電極と前記受信電極との間の電気伝導率を測定する手段を有する。
【００１３】
ここで、限定されるわけではないが、送信電極は複数であり、受信電極は複数であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、送信電極は、複数のワイヤーが並んだものであり、受信電極は、複数のワイヤーが並んだものであることが好ましい。また、限定されるわけではないが、混相流は、気液二相流であることが好ましい。
【００１４】
本発明の混相流測定方法は、混相流に接する第１の壁面に送信電極を設け、前記混相流に接する第２の壁面に受信電極を設け、前記送信電極と前記受信電極との間の電気伝導率を測定する方法である。
【００１５】
ここで、限定されるわけではないが、送信電極は複数であり、受信電極は複数であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、送信電極は、複数のワイヤーが並んだものであり、受信電極は、複数のワイヤーが並んだものであることが好ましい。また、限定されるわけではないが、混相流は、気液二相流であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
【００１７】
本発明の混相流測定装置は、混相流に接する第１の壁面に設けられた送信電極と、前記混相流に接する第２の壁面に設けられた受信電極と、前記送信電極と前記受信電極との間の電気伝導率を測定する手段を有するので、新規な混相流測定装置を提供することができる。
【００１８】
本発明の混相流測定方法は、混相流に接する第１の壁面に送信電極を設け、前記混相流に接する第２の壁面に受信電極を設け、前記送信電極と前記受信電極との間の電気伝導率を測定するので、新規な混相流測定方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
まず、混相流測定装置にかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００２０】
混相流測定装置は、混相流に接する第１の壁面に設けられた送信電極と、前記混相流に接する第２の壁面に設けられた受信電極と、前記送信電極と前記受信電極との間の電気伝導率を測定する手段を有するものである。
【００２１】
混相流測定装置は図１に示すように測定部１および制御部２から成り立っている。センサ３は、混相流に接する第１の壁面に設けられた送信電極列４と、前記混相流に接する第２の壁面に設けられた受信電極列５から構成されている。送信電極列４に電圧信号印加され、流れ場の電気伝導信号として受信電極列５で受信する。電気伝導計測装置６において、送信電極列４への電圧印加および受信電極列５での電気信号受信を制御する。演算回路７では、電気伝導計測装置６から得られた電気伝導信号の情報を入力する。信号処理制御装置８は、印加電圧、送信電極列４および受信電極列５の電極数、電極間距離、計測対象となる混相流の状態を入力することができ、演算回路７に出力することができる。演算回路７は、電気伝導計測装置６からの電気伝導信号および信号処理制御装置８からのデータを入力することができる。これらの情報から流れ場のボイド率分布を獲得する。電気伝導計測装置６と信号処理制御装置８および演算回路７の電気伝導値と制御値および計算されたボイド率分布情報は、画像処理装置９により最適化され、表示装置１０に表示される。
【００２２】
複数の送信電極においてそれぞれの電極間の距離、または複数の受信電極においてそれぞれの電極間の距離は0.01〜10mmの範囲内にあることが好ましい。電極間の距離が0.01mm以上であると、広範囲な計測が可能になるという利点がある。電極間の距離が10mm以下であると、空間分解能の向上という利点がある。
【００２３】
線状の送信電極においてその電極の幅、または線状の受信電極においてその電極の幅は0.001〜1mmの範囲内にあることが好ましい。電極の幅が0.001mm以上であると、電気信号感度の向上という利点がある。電極の幅が１mm以下であると、空間分解能の向上という利点がある。
【００２４】
線状の送信電極が複数本並んだ電極群においてその両端に存在する電極間の距離、または線状の受信電極が複数本並んだ電極群においてその両端に存在する電極間の距離は1〜100cmの範囲内にあることが好ましい。電極間の距離が1cm以上であると、広範囲な計測が可能になるという利点がある。電極間の距離が100cm以下であると、空間分解能の向上という利点がある。
【００２５】
送信電極と受信電極の距離は0.1〜20mmの範囲内にあることが好ましい。電極間の距離が0.1mm以上であると、電気信号感度の向上という利点がある。電極間の距離が20mm以下であると、空間分解能の向上という利点がある。
【００２６】
送信電極と受信電極としては、ワイヤーを用いることができる。送信電極と受信電極は、ワイヤーに限定されるものではない。このほか送信電極と受信電極としては、パターン形成やエッチングといった表面加工された基板や板材などを採用することができる。
【００２７】
例えば、壁面に溝を掘り、そこへ電極を埋め込むことで壁面の凹凸を減らす、または、電極が配置された壁面表面に導電性の薄膜を形成することによって、壁面を物理的に滑らかにする。そのことにより、流体計測にとって非常に重要な流路壁面による摩擦効果の影響を考慮した計測が可能になる。
【００２８】
送信電極と受信電極との間の電気伝導率の測定においてそのサンプリング周波数は1〜10kHzの範囲内にあることが好ましい。サンプリング周波数が1kHz以上であると、時間分解能の向上という利点がある。サンプリング周波数が10kHz以下であると、電気信号感度の向上という利点がある。
【００２９】
混相流測定装置は、混相流の測定に適用できる。混相流としては、気液二相流、液液二相流、固液二相流、固気液三相流などを挙げることができる。
【００３０】
混相流測定装置の用途としては、原子炉安全コード開発のための実験データベースの構築、マイクロデバイスにおける冷却性能向上のための実験などを挙げることができる。
【００３１】
以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、配管内などの直接目視不可能な流体における流動状態を確認することができる。
【００３２】
なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００３３】
つぎに、前記混相流測定装置を用いる混相流測定方法にかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００３４】
混相流測定方法は、混相流に接する第１の壁面に送信電極を設け、前記混相流に接する第２の壁面に受信電極を設け、前記送信電極と前記受信電極との間の電気伝導率を測定する方法である。
【００３５】
図２は、本発明の方法を説明するものである。Ｓ１により測定が開始されると、Ｓ３に示すように送信電極の切り替えを行う。Ｓ４に示すように送信電極に電圧が印加される。Ｓ６に示すように受信電極の切り替えを行う。Ｓ７に示すように受信電極で電気伝導信号を受信する。全ての受信電極の切り替えを行い、全ての受信電極で電気伝導の受信を行うまで、Ｓ５に戻り、Ｓ６とＳ７の過程を繰り返す。Ｓ８に示すように全ての受信電極の電気伝導信号データを蓄積する。全ての送信電極の切り替えを行い、十分な回数の測定を行うまで、Ｓ２に戻り、上記Ｓ３からＳ８までの過程を繰り返す。
【００３６】
Ｓ９に示すように、センサの位置情報、各電極の数、電極配置方法を演算回路に入力する。Ｓ１０に示すように、計測された電気伝導信号から、気相割合分布を算出する。Ｓ１１に示すように、上記に示した気相割合分布から、気泡速度、気泡体積を算出する。Ｓ１２に示すように、気相割合分布、気泡速度、気泡体積の平均分布、標準偏差、高次モーメント等の統計量を算出する。Ｓ１３に示すように、得られた統計処理結果の画像データを表示装置に表示する。Ｓ１４で終了する。
【００３７】
以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、気液二相流におけるボイド率分布や気泡速度、気泡体積を算出することができる。
【００３８】
なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【実施例】
【００３９】
つぎに、本発明にかかる実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。
【００４０】
ここでは、比較的小さな隙間を持つ平行平板の間を流れる水と空気の気液二相流において、流路間隙における時間・空間的な気相割合分布の獲得に関する方法についての例を示す。
【００４１】
図３の測定部および図４の装置を用いた。作動流体は水と空気で、空気は流路下部から注入した。電気伝導計測装置７として市販の計測装置（Teletronic社製SGITT 100）を用いた。電気伝導計測において、全測定点の計測、すなわち１つの面の計測におけるサンプリング周波数は10kHzである。送信電極列４は直径0.07mmのSUS304製ワイヤーが16本壁面に沿うように配列されており、各ワイヤーに電圧信号が印加される。それぞれの電極間の距離は1.5mmとなっている。また、受信電極列５は、同様にワイヤーが16本配列されており、電気信号の受信を行う。それぞれを電気伝導率計測装置７に接続し、定常状態の気泡流およびスラグ流において気相割合分布の計測を行った。得られた気相割合分布から、流路内における各気泡の速度、体積を算出する。
【００４２】
電気伝導率計測装置によって送信電極に電圧が印加される。流体中を伝わった電気信号は、受信電極によって受信され、電気伝導率計測装置に蓄積される。
【００４３】
計測された電気伝導率σにおいて、液相の電気伝導率σＬが分かれば、次式により気相割合εが求まる。
ε＝１−σ／σＬ  （１）
各測定点での電気伝導率データを気相割合へ変換することで、気相割合分布が得られる。気相割合分布において、あるしきい値以上の割合を気泡とみなせば、気泡と液相の分離が可能となり、気泡の体積が求まる。また、時系列気相割合分布において、気泡の移動距離を計測することで、速度を獲得する。
【００４４】
気相割合分布の各点での割合の時間変化の平均値及び標準偏差値を計算することで、気相割合の平均分布、標準偏差分布が得られる。また、分布における平均をとることで、時間・空間平均の気相割合を算出することができる。気泡体積、気泡速度においては、全気泡に対する値を平均することで、平均値が得られる。
【００４５】
図５は、気相割合の時間変化を示している。平板間距離3mm、流路幅25mmの矩形流路において、電気伝導率計測を行った際のセンサ中央付近の一つの測定点（送信ワイヤー７番、受信ワイヤー７番）における結果である。横軸に時間、縦軸に気相の割合をパーセントで示す。すなわち水が存在する際には0%、空気が存在する際には100%となる。変動する信号が検出されることで、気泡の通過が確認される。(a)の分布は気泡流のものであり、測定体積内を気泡が通過することにより、気相割合が大きくなっていることが示されており、また、(b)では、スラグ気泡の通過により、測定体積を気相によって占められていることがうかがえる。
【００４６】
また、図６は、各計測点での電気伝導率計測から得られた気相割合の瞬時分布である。図の横幅は流路の幅を示している。白が液相、黒が気相を示している。(a)では、細かな気泡の通過していく様子がうかがえる。また、(b)はスラグ気泡の通過を示し、形状の把握が可能である。
【００４７】
図７は、流路を通過する全気泡の体積の平均値を示す。横軸は液相見かけ速度、縦軸は気泡体積の平均値である。液相見かけ速度の上昇に伴って、平均気泡体積が減少していることがわかる。また、気相見かけ速度の増加によって、気泡体積が大きくなっていることが見て取れる。
【００４８】
図８は、流路幅におけるボイド率の時間平均分布を示す。横軸は流路幅、縦軸は平均ボイド率である。(a)は気泡流の結果であり、ボイド率分布のピークが中央付近にあることがわかり、気泡が比較的中心に集まって流れていることがうかがえる。(b)はスラグ流であり、平坦なボイド率分布であることがわかる。これは、流路幅全体を覆うスラグ気泡が通過するためである。
【００４９】
さらに、図９は、気相割合分布において、平板間における気相割合を、平板間距離を最大とする気相の厚みとして、さらに、ある一定のしきい値を用いることで気液相を分離し、気泡を空間的に表した3次元分布である。(a)は気泡流であり、気泡の位置や形状を3次元的に捉えることができる。また、(b)のスラグ流では、スラグ気泡の空間的な分布を詳細に把握することが可能である。
【００５０】
図１０は、将来型原子炉として期待されている低減速沸騰水型炉の炉心に用いられる三角格子上に配列された稠密ロッドバンドル内流動計測に対して、本手法を適用する際の電極配置方法を示す。各電極列をロッド壁面に交差するように配置することで、稠密バンドルのような曲率および微小な間隙を有する流路内における気相割合分布の計測に適用することが可能である。
【００５１】
以上のことから、本実施の形態によれば、小さな流路間隙を有する流路における気液二相流の気相割合分布を算出可能である。また、気相割合分布において各気泡の判別を行うことで、単一気泡速度および体積の計測が可能である。また、測定に熟練を要しないので、本発明は混相流動解析を取り扱う次世代の研究に寄与する。
【００５２】
上述では、異なる計測対象において、複数の電極列にて流路間隙での気相割合分布の計測方法について説明したが、これに限定しない。たとえば、異なる流動条件における流動計測や、流動条件の未知な流れにおいて、その流動を把握することができる。
【００５３】
また、測定部と制御部が分かれているので、測定部の遠隔操作が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
測定の対象は、平行平板間における流れであることについて述べてきたが、これらの流路に限定されず、稠密ロッドバンドルなどの複雑な形状を有する流路における計測や、マイクロオーダーの微小間隙を有する流路においての適応が可能である。
【００５５】
また、対象とする流体は空気−水系二相流だけでなく、蒸気−水流れなどの電気伝導率の異なる混相流や、マイクロ・ナノバブルを含む流れ場における流動構造の解析にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】電気伝導を用いた混相流測定装置の一実施例を示す概略構成の説明図である。
【図２】電気伝導を用いた混相流測定方法の一実施例を示す説明図である。
【図３】電気伝導を用いた混相流測定装置および混相流測定方法の一実施例の説明図である。
【図４】電気伝導を用いた混相流測定装置および混相流測定方法の一実施例の説明図である。
【図５】電気伝導を用いた混相流測定装置および混相流測定方法の一実施例の結果図である。
【図６】電気伝導を用いた混相流測定装置および混相流測定方法の一実施例の結果図である。
【図７】電気伝導を用いた混相流測定装置および混相流測定方法の一実施例の結果図である。
【図８】電気伝導を用いた混相流測定装置および混相流測定方法の一実施例の結果図である。
【図９】電気伝導を用いた混相流測定装置および混相流測定方法の一実施例の結果図である。
【図１０】電気伝導を用いた混相流測定装置および混相流測定方法の一実施例の説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  測定部、２  制御部、３  センサ、４  送信電極列、５  受信電極列、６  電気伝導率計測装置、７  演算回路、８  信号処理制御装置、９  画像処理装置、１０  表示装置
【図１】
2010107487.tif 000003
【図２】
2010107487.tif 000004
【図３】
2010107487.tif 000005
【図４】
2010107487.tif 000006
【図５】
2010107487.tif 000007
【図６】
2010107487.tif 000008
【図７】
2010107487.tif 000009
【図８】
2010107487.tif 000010
【図９】
2010107487.tif 000011
【図１０】
2010107487.tif 000012