(57)【要約】【課題】二相流体の圧力を測定することなく、二相流体の乾き度を推定できるようにする。【解決手段】乾き度推定装置１０は、中間媒体式気化器に適用できるものであり、空気の温度を検出する第３温度センサ３３と、伝熱管２６における流体の入口側温度を検出する第１温度センサ３１と、伝熱管２６における流体の出口側温度を検出する第２温度センサ３２と、第１温度センサ３１、第２温度センサ３２及び第３温度センサ３３による検出値を用いて、空気から流体への伝熱量を計算し、この伝熱量と流体の蒸発潜熱及び流量とを用いて流体の乾き度を演算する演算部３５と、を備えている。【選択図】図１
2019184426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源側流体の熱によって液状の流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した流体を凝縮させる凝縮器との間で流体が循環する循環路が形成された装置に適用され、前記蒸発器の伝熱管から流出するときの流体の乾き度を推定する装置であって、
前記伝熱管は、水平又は入口から出口にかけて傾斜しており、
前記流体は、前記伝熱管内に液相で流入して、気液二相又は気相で前記伝熱管から流出し、
熱源側流体の温度を検出する熱源温度検出器と、
前記伝熱管における流体の入口側温度を検出する入り側温度検出器と、
前記伝熱管における流体の出口側温度を検出する出側温度検出器と、
前記熱源温度検出器、前記入り側温度検出器及び前記出側温度検出器による検出値を用いて、前記熱源側流体から前記流体への伝熱量を計算し、この伝熱量と前記流体の蒸発潜熱及び流量とを用いて前記流体の乾き度を演算する演算部と、を備えている乾き度推定装置。
【請求項２】
前記伝熱管には、前記流体の流れる方向に多数のフィンが並ぶように設けられており、
前記入り側温度検出器は、前記多数のフィンの設置点よりも上流側に配置され、
前記出側温度検出器は、前記多数のフィンの設置点よりも上流側に配置されている請求項１に記載の乾き度推定装置。
【請求項３】
前記伝熱管は、前記流体の流れる方向に延びる主管部と、前記主管部の上壁から鉛直上向きに窪んだ窪みと、を有しており、
前記出側温度検出器は、前記窪み内の前記流体の温度を検出するように配設されている請求項１に記載の乾き度推定装置。
【請求項４】
前記窪みの上流側での前記主管部の管壁からの前記窪みの傾斜角度は、５０度以上９０度以下である請求項３に記載の乾き度推定装置。
【請求項５】
前記窪みは、最も上側に位置する頂点から、前記窪みの下流側の前記主管部に向かって次第に管路面積が小さくなる形状である請求項４に記載の乾き度推定装置。
【請求項６】
前記主管部における前記窪みよりも下流側での内径が、前記主管部における前記窪みよりも上流側での内径よりも小さい請求項３から５の何れか１項に記載の乾き度推定装置。
【請求項７】
前記窪みの外側には、断熱材が設けられている請求項３から６の何れか１項に記載の乾き度推定装置。
【請求項８】
前記出側温度検出器は、前記窪みにおける最も上側に位置する頂点よりも上流側での前記流体の温度を検出するように配設されている請求項３から７の何れか１項に記載の乾き度推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乾き度推定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
湿り蒸気の中の蒸気の量の占める割合を示す乾き度は、比エンタルピー、比容積、比エントロピーを用いて定義される。例えば、飽和液の比エンタルピーをｈ’、飽和蒸気の比エンタルピーをｈ”、湿り蒸気の比エンタルピーをｈとしたときの湿り蒸気の乾き度ｘは、ｈ＝（１−ｘ）ｈ’＋ｘｈ”の式を用いて算出され得る。下記の非特許文献１には、プレート式熱交換器における沸騰熱伝達率を測定する際に、作動流体の比エンタルピー等を用いて乾き度を計算する例が示されている。具体的には、まず、蒸発器入り口における作動流体の比エンタルピーｉｉｎを、プレヒータ入口の温度及び圧力から計算された比エンタルピーｉｐｒｅ，ｉｎと、プレヒータ内での熱交換量Ｑｐｒｅと、作動流体の質量流量ｍとから次式（Ｃ１）を用いて求めている。
【０００３】
ｉｉｎ＝ｉｐｒｅ，ｉｎ＋（Ｑｐｒｅ／ｍ）  ・・・  （Ｃ１）
次に、測定点（５箇所）における局所の比エンタルピーｉｊを、熱流束ｑと伝熱面積から推算された局所の熱交換量Ｑｊと作動流体の質量流量ｍとを用いて、次式（Ｃ２）で求めている。
【０００４】
【数１】
2019184426.tif 000003
【０００５】
次いで、局所の比エンタルピーｉと、蒸発潜熱ｉｆｇと、飽和液の比エンタルピーｉｓａｔ，ｌとを用いて、作動流体の乾き度ｘを次式（Ｃ３）で求めている。
【０００６】
ｘ＝（ｉ−ｉｓａｔ，ｌ）／ｉｆｇ  ・・・  （Ｃ３）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】千代田  紘享他、「プレート式蒸発器の流路間隔による熱伝達への影響と推算式の提案」、佐賀大学理工学部附属海洋熱エネルギー変換実験施設報告、２０１２年９月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１に開示された乾き度の計算方法では、プレヒータ入口での作動流体の比エンタルピーｉｐｒｅ，ｉｎを求める際に、プレヒータ入口の温度及び圧力を測定しておくことが必要となる。すなわち、作動流体の乾き度を計算するには、作動流体の温度及び圧力を測定し、これらを用いて比エンタルピーを算出する必要がる。
【０００９】
本発明は、前記従来技術を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、二相流体の圧力を測定することなく、二相流体の乾き度を推定できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するため、本発明は、熱源側流体の熱によって液状の流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した流体を凝縮させる凝縮器との間で流体が循環する循環路が形成された装置に適用され、前記蒸発器の伝熱管から流出するときの流体の乾き度を推定する装置であって、前記伝熱管は、水平又は入口から出口にかけて傾斜しており、前記流体は、前記伝熱管内に液相で流入して、気液二相又は気相で前記伝熱管から流出し、熱源側流体の温度を検出する熱源温度検出器と、前記伝熱管における流体の入口側温度を検出する入り側温度検出器と、前記伝熱管における流体の出口側温度を検出する出側温度検出器と、前記熱源温度検出器、前記入り側温度検出器及び前記出側温度検出器による検出値を用いて、前記熱源側流体から前記流体への伝熱量を計算し、この伝熱量と前記流体の蒸発潜熱及び流量とを用いて前記流体の乾き度を演算する演算部と、を備えている乾き度推定装置である。
【００１１】
本発明では、演算部が、熱源側流体の温度、伝熱管における流体の入口温度及び出口側温度を用いて、熱源側流体から伝熱管内の流体への伝熱量を計算する。そして、この伝熱量と前記流体の蒸発潜熱及び流量とを用いて前記流体の乾き度が算出される。したがって、伝熱管内の流体の圧力を測定することなく、流体の乾き度を導出することができる。
【００１２】
前記伝熱管には、前記流体の流れる方向に多数のフィンが並ぶように設けられていてもよい。この場合、前記入り側温度検出器は、前記多数のフィンの設置点よりも上流側に配置されていてもよい。前記出側温度検出器は、前記多数のフィンの設置点よりも上流側に配置されていてもよい。
【００１３】
この態様では、多数のフィンが設けられた範囲での伝熱管内の流体の温度変化から、熱源側流体から伝熱管内の流体への伝熱量が計算される。そして、フィン設置点出口側での流体の乾き度が導出される。
【００１４】
前記伝熱管は、前記流体の流れる方向に延びる主管部と、前記主管部の上壁から鉛直上向きに窪んだ窪みと、を有していてもよい。この場合、前記出側温度検出器は、前記窪み内の前記流体の温度を検出するように配設されていてもよい。
【００１５】
この態様では、流体が主管部内を気液二相状態で流れていたとしても、伝熱管の窪みでは、主管部内に比べれば液状の流体が存在しにくい。このため、出側温度検出器が流体の液相部分の温度を検出することを抑制でき、気相部分の温度を検出することができるようになる。このため、熱源側流体から伝熱管内の流体への伝熱量の予測精度を向上でき、これにより乾き度の予測精度を向上することができる。
【００１６】
前記窪みの上流側での前記主管部の管壁からの前記窪みの傾斜角度は、５０度以上９０度以下であってもよい。
【００１７】
この態様では、主管部内を流れる流体のうち気相部分が窪み内に流れ込むときに、窪み内への液膜、液滴の流れ込みを抑制することができる。したがって、流体のうち気相部分の温度を測定することができるようになるため、熱源側流体から伝熱管内の流体への伝熱量の予測精度を向上でき、これにより乾き度の予測精度を向上することができる。
【００１８】
前記窪みは、最も上側に位置する頂点から、前記窪みの下流側の前記主管部に向かって次第に管路面積が小さくなる形状であってもよい。
【００１９】
この態様では、流体が窪み内から主管部に向かって流れやすくなるため、窪み内において流体が淀む領域を低減することができ、又は窪み内で淀みが発生することを抑制することができる。したがって、窪み内における流体の温度が、主管部内を流れる流体の気相部分の温度に近くなる。したがって、窪み内の流体の温度を測定することによって、主管部内の流体の温度を推定することができる。よって、熱源側流体から伝熱管内の流体への伝熱量の予測精度を向上でき、これにより乾き度の予測精度を向上することができる。
【００２０】
前記主管部における前記窪みよりも下流側での内径が、前記主管部における前記窪みよりも上流側での内径よりも小さくてもよい。
【００２１】
この態様では、主管部における窪みの下流端のところにおいて流体の流動抵抗が高くなるため、主管部を流れる流体の気相部分が窪み内に流入しやすくなる。このため、窪み内において流体が淀む領域を低減することができ、又は窪み内で淀みが発生しにくくなり、窪み内における流体の温度が、主管部内を流れる流体の気相部分の温度に近くなる。したがって、窪み内の流体の温度を測定することによって、主管部内の流体の温度を推定することができる。よって、熱源側流体から伝熱管内の流体への伝熱量の予測精度を向上でき、これにより乾き度の予測精度を向上することができる。
【００２２】
前記窪みの外側には、断熱材が設けられていてもよい。
【００２３】
この態様では、窪みの外壁を通して熱源側流体から窪み内の流体へ伝熱することが抑制される。このため、窪み内で流体の気相部分が淀むことがあったとしても、窪み内の流体の気相部分の温度が、主管部内を流れる流体の気相部分の温度よりも高くなることが抑制される。したがって、窪み内の流体の温度を測定することによって、主管部内の流体の温度を推定することができる。よって、熱源側流体から伝熱管内への流体への伝熱量の予測精度を向上でき、これにより乾き度の予測精度を向上することができる。
【００２４】
前記出側温度検出器は、前記窪みにおける最も上側に位置する頂点よりも上流側での前記流体の温度を検出するように配設されていてもよい。
【００２５】
この態様では、出側温度検出器が流体の液相部分の温度を検出することを抑制できるため、熱源側流体から伝熱管内への流体への伝熱量の予測精度を向上でき、これにより乾き度の予測精度を向上することができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、二相流体の圧力を測定することなく、二相流体の乾き度を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態に係る乾き度推定装置が適用された熱交換器を概略的に示す図である。
【図２】前記熱交換器が設けられた中間媒体式気化器の構成を概略的に示す図である。
【図３】前記乾き度推定装置による乾き度の演算を説明するための図である。
【図４】前記乾き度推定装置による乾き度の演算結果の一例を示す図である。
【図５】前記乾き度推定装置による乾き度の予測精度を示す図である。
【図６】第２実施形態に係る乾き度推定装置の第２温度センサの配置を説明するための図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、第２実施形態の変形例に係る乾き度推定装置の第２温度センサの配置を説明するための図である。
【図８】図７（ｄ）に示す窪みの場合の流体の流れを説明するための図である。
【図９】伝熱管に窪みが形成されている場合の流体の温度分布を解析した結果の一例を示す図である。
【図１０】第２実施形態に係る乾き度推定装置を説明するための図である。
【図１１】第２実施形態の変形例に係る乾き度推定装置を説明するための図である。
【図１２】第３実施形態に係る乾き度推定装置を説明するための図である。
【図１３】第３実施形態の場合の流体の温度分布を解析した結果の一例を示す図である。
【図１４】主管部の下流部位が上流部位よりも細く形成された場合の内径比と窪み内温度との相関を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２９】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る流体の乾き度推定装置１０が適用された熱交換器２０を概略的に示している。この熱交換器２０は、中間媒体式気化器１における中間媒体蒸発器Ｅ１（図２参照）として機能する熱交換器である。乾き度推定装置１０の構成について説明する前に、まず、図２を参照しつつ中間媒体式気化器１の構成について説明する。
【００３０】
中間媒体式気化器１は、例えば液化天然ガス（ＬＮＧ）などの液化ガスを気化させるための気化器である。具体的に、中間媒体式気化器１は、中間媒体蒸発器Ｅ１と、ガス気化器Ｅ２と、中間媒体蒸発器Ｅ１及びガス気化器Ｅ２間を接続し、中間媒体としての流体が循環する循環路２と、加温器Ｅ３と、気化器Ｅ２と加温器Ｅ３とを接続する接続管３と、を備えている。循環路２は、ガス気化器Ｅ２から中間媒体蒸発器Ｅ１に向けて液状の流体が流れる液管２ａと、中間媒体蒸発器Ｅ１からガス気化器Ｅ２に向けてガス状の流体が流れるガス管２ｂと、を有する。
【００３１】
中間媒体蒸発器Ｅ１は、熱源側流体と循環路２を流れてきた液状の流体とを熱交換させることによって、液状の流体を蒸発させるように構成されている。熱源側流体は、例えば空気であり、中間媒体蒸発器Ｅ１には、熱源側流体の気流を発生させるための送風機４が設けられている。
【００３２】
ガス気化器Ｅ２は、中間媒体蒸発器Ｅ１で蒸発したガス状の流体と、液化ガスとを熱交換させることによって、液化ガスを気化させるように構成されている。ガス気化器Ｅ２は、例えばシェル・アンド・チューブ式の熱交換器によって構成されている。ガス気化器Ｅ２では、液化ガスが伝熱管５内に流入する一方で、循環路２を流れてきたガス状の流体がシェル６内に流入する。そして、シェル６内の流体と伝熱管５内の液化ガスとが熱交換する。シェル６内には伝熱管５内の液化ガスによって凝縮した液状の流体が溜まる。
【００３３】
伝熱管５内で液化ガスから気化したガスは、接続管３を通して加温器Ｅ３に送られる。加温器Ｅ３では、ガスが更に加温されて、所望の温度のガスとなる。なお、要求温度によっては加温器Ｅ３を省略することが可能である。
【００３４】
循環路２は、熱源流体と気化対象の液化ガスとの間で熱を伝達する中間媒体としての役割を担う流体が封入されている。流体として、常温常圧では気体の状態となる例えばプロパンを用いることができる。流体は、中間媒体蒸発器Ｅ１を構成する後述の伝熱管２６（図１参照）と、ガス気化器Ｅ２を構成するシェル６との間を、液管２ａ及びガス管２ｂを通して循環する。
【００３５】
循環路２に流体が規定量充填されることにより、循環路２内には、充填時の温度を飽和温度とする流体が封入されることとなる。このため、運転がされていないときの循環路２内には、充填時の温度が飽和温度となるようなガス密度及び液密度で循環路２内の体積を満たすガス状の流体と液状の流体とが存在している。そして、中間媒体式気化器１の運転が開始されて、液化ガスが供給されると、循環路２内の圧力が下がり、流体の蒸発及び凝縮がバランスする温度も下がる。すなわち、循環路２内では、ガス状の流体が液化ガスによって凝縮する量と、液状の流体が熱源流体によって蒸発する量とが均等になる温度でバランスする。このときの温度低下の程度は、液化ガスの供給量、温度、熱源流体の供給量及び温度に応じて変わる。このため、中間媒体式気化器１の運転時においては、循環路２内の流体は、熱源流体の流量及び温度、気化対象の液化ガスの流量及び温度に応じて流体の凝縮量と蒸発量とがバランスする温度を飽和温度とする液ガス比率となっている。
【００３６】
次に、図１を参照しつつ、乾き度推定装置１０について説明する。
【００３７】
中間媒体蒸発器Ｅ１を構成する熱交換器２０は、分配ヘッダ２２と、集合ヘッダ２４と、分配ヘッダ２２及び集合ヘッダ２４を接続する多数の伝熱管２６と、を備えている。なお、分配ヘッダ２２、伝熱管２６及び集合ヘッダ２４は循環路２の一部である。分配ヘッダ２２には、循環路２の液管２ａが接続されており、この液管２ａを通して液状の流体が流入する。分配ヘッダ２２は、分配ヘッダ２２に流入した液状の流体を各伝熱管２６に分配する。伝熱管２６は、水平又は傾斜した配置となっている。傾斜の方向は、分配ヘッダ２２から集合ヘッダ２４に向かうにつれて位置的に上になる方向である。言い換えると、伝熱管２６は、入口から出口にかけて傾斜した構成となっている。集合ヘッダ２４は、各伝熱管２６を流れた流体が流入する。集合ヘッダ２４には、循環路２のガス管２ｂが接続されている。
【００３８】
各伝熱管２６には、流体の流れる方向に多数のフィン２８が並ぶように設けられている。多数のフィン２８が配置された範囲では、送風機４が作動することによって熱源側流体としての空気が伝熱管２６の外側を流れる。したがって、熱交換器２０では、伝熱管２６の外側を流れる空気と、伝熱管２６内を流れる流体との間で熱交換が行われ、液状の流体が蒸発する。液状の流体は伝熱管２６内を流れながら蒸発するため、流体中に占める気相の割合が次第に大きくなり、液相の割合が次第に小さくなる。
【００３９】
伝熱管２６におけるフィン２８群よりも入口側（分配ヘッダ２２側）の部位は、フィン２８が設けられていない裸管部となっており、この部位に入り側温度検出器である第１温度センサ３１が設けられている。第１温度センサ３１は、伝熱管２６内の流体の温度を検出し、検出温度に応じた信号を出力する。第１温度センサ３１が配置されたところでは、液状の流体が流れている。
【００４０】
伝熱管２６におけるフィン２８群よりも出口側（集合ヘッダ２４側）の部位は、フィン２８が設けられていない裸管部となっており、この部位に出側温度検出器である第２温度センサ３２が設けられている。第２温度センサ３２は、伝熱管２６内で蒸発した流体の温度を検出し、検出温度に応じた信号を出力する。
【００４１】
空気の通り道には、伝熱管２６に向かって流れる空気の温度を検出する熱源温度検出器である第３温度センサ３３が設けられている。第３温度センサ３３は、伝熱管２６に向かって流れる空気の温度を検出し、検出温度に応じた信号を出力する。
【００４２】
第１温度センサ３１から出力された信号、第２温度センサ３２から出力された信号及び第３温度センサ３３から出力された信号は、演算部３５に入力される。第１温度センサ３１、第２温度センサ３２、第３温度センサ３３及び演算部３５は、本実施形態に係る乾き度推定装置１０を構成している。
【００４３】
演算部３５は、第１温度センサ３１によって検出された流体の温度、第２温度センサ３２によって検出された流体の温度及び第３温度センサ３３によって検出された空気の温度等を用いて、伝熱管２６内におけるフィン２８群よりも下流側での流体の乾き度を算出する。
【００４４】
具体的には、演算部３５には、下記の式（１）及び式（２）が格納されている。なお、式（１）及び（２）は、図３にも示している。
【００４５】
【数２】
2019184426.tif 000004
【００４６】
ここで、ｈａは、空気熱伝達率（Ｗ／ｍ２・Ｋ）、Ｔａは、第３温度センサ３３による測定値（空気温度）（℃）、Ｔ１は、第１温度センサ３１による測定値（流体温度）（℃）、Ｔ２は、第２温度センサ３２による測定値（流体温度）（℃）、Ａは、フィン２８群の配置された領域における伝熱管２６の表面積（ｍ２）、Ｑｐは、流体の流量（ｋｇ／ｓ）、Ｌは、流体の蒸発潜熱（ｋＪ／ｋｇ）である。
【００４７】
（１）式は、フィン２８群の配置された領域において空気から流体との間で行われる熱交換量Ｑを算出する式である。熱交換量Ｑは、空気から流体に伝わる伝熱量である。（Ｔ１＋Ｔ２）／２は、第１温度センサ３１の検出温度及び第２温度センサ３２の検出温度の平均値であるが、（１）式では、これを、フィン２８群の配置された領域での流体の代表温度として用いている。第１温度センサ３１が配置された裸管部では、流体がまだ蒸発しておらず、流体は、およそ飽和温度及び飽和圧力の状態となっている。したがって、第１温度センサ３３による検出温度は、流体が蒸発する前の飽和液の温度におよそ等しい温度である。そして、第２温度センサ３２によって検出される流体の温度は、およそ飽和温度にある流体が空気によって加熱されて蒸発し、飽和温度から昇温した後のガス温度である。（２）式では、伝熱管２６内を流れている流体が有する蒸発潜熱に対する熱交換量Ｑの割合を求め、それを流体の乾き度Ｑ２と算出している。
【００４８】
ここで、（１）式及び（２）式を用いて算出された乾き度Ｑ２を比較例と比較したので、その結果について説明する。比較例では、（１）式ではなく下記の（３）式が用いられる。（３）式では、流体の飽和温度Ｔｂが用いられている。すなわち、比較例は、従来のように例えば、流体の圧力を測定し、この測定された圧力に相当する飽和温度を用いるものである。
【００４９】
【数３】
2019184426.tif 000005
【００５０】
（３）式では、フィン２８群の配置された領域での流体の代表温度として、流体の飽和温度Ｔｂが用いられていることになる。そして、（２）式と同様に、（４）式を用いて、伝熱管２６内を流れている流体が有する蒸発潜熱に対する熱交換量Ｑの割合を求め、それを流体の乾き度Ｑ２としている。
【００５１】
（１）式及び（２）式を用いて演算部３５によって算出された流体の乾き度Ｑ２と、比較例として（３）式を用いて算出された流体の乾き度Ｑ２とは、何れも乾き度の推定値であるが、図４及び図５は、これらの推定値と実験値とを比較した結果を示している。図４は、横軸に流体の流量を取り、縦軸に乾き度Ｑ２を取ったものである。図５は、縦軸に予測精度を取ったものである。この予測精度は、実験によって得られた値を基準として、実験値と推定値との差分がどの程度の割合（％）になっているのかを示すものである。したがって、実験値と推定値との差がなければ、予測精度はゼロとなる。図４及び図５の何れにおいても、横軸に示す流体の流量は、ある流量を１としたときの相対値で示している。今回の比較は、流体流量の相対値として、１．００、１．５０、１．７４の場合について行った。
【００５２】
図５から分かるように、（１）式及び（２）式を用いて算出された乾き度Ｑ２（本実施形態による推定値）の予測精度は、（３）式及び（４）式を用いて算出された乾き度Ｑ２（比較例としての推定値）の予測精度に比べてゼロに近くなっているので、より実験値に近い値となっていることが分かる。これは、比較例では、空気と流体との間での熱交換量Ｑを算出するのに、空気温度Ｔａと流体の飽和温度Ｔｂとの温度差を用いているのに対し、本実施形態では、空気温度と２つの温度センサ３１，３２による検出温度の平均値を用いている。このため、伝熱管２６内においておよそ飽和温度から蒸発してさらに加熱された状態（過熱状態）にある流体の代表温度として、より現実に近い温度が採用されていると推測される。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態によれば、演算部３５が、空気温度、伝熱管２６における流体の入口温度及び出口側温度を用いて、空気から伝熱管２６内への流体への伝熱量を計算する。そして、この伝熱量と前記流体の蒸発潜熱及び流量とを用いて流体の乾き度が算出される。したがって、伝熱管２６内の流体の圧力を測定することなく、流体の乾き度を導出することができる。しかも、空気温度と流体の飽和温度との温度差を用いて空気及び流体間の伝熱量を計算する比較例に比べ、流体の乾き度の予測精度を向上することができる。
【００５４】
そして、多数のフィン２８が設けられた範囲での伝熱管２６内の流体の温度変化から、空気から伝熱管２６内への流体への伝熱量が計算される。そして、フィン２８群よりも出口側での流体の乾き度が導出される。
【００５５】
なお、第１実施形態では、伝熱管２６内の流体を加熱する熱源側流体として空気が用いられた例を説明したが、これに限られるものではなく、水等の液体状の流体が熱源側流体として用いられてもよい。
【００５６】
また、第１実施形態では、フィン２８が設けられた伝熱管２６を有する熱交換器２０に乾き度推定装置１０が適用された例について説明したが、これに限られない。要は、伝熱管２６において、熱源側流体と伝熱管２６内の流体との間で熱交換を行って流体を蒸発させる熱交換領域が特定されればよく、第１温度センサ３１は、この熱交換領域よりも上流側に配置され、第２温度センサ３２は、熱交換領域よりも下流側に配置されればよい。
【００５７】
また、第１温度センサ３１は、熱交換領域よりも上流側に配置されている構成に限られない。すなわち、第１温度センサ３１は、熱交換領域の入口温度を検出するように配置されていればよく、例えば、最も上流側に位置するフィン２８の位置で流体の温度を測定するように配設されていてもよい。
【００５８】
また、第２温度センサ３２は、熱交換領域よりも下流側に配置されている構成に限られない。すなわち、第２温度センサ３２は、熱交換領域の出口温度を検出するように配置されていればよく、例えば、最も下流側に位置するフィン２８の位置で流体の温度を測定するように配設されていてもよい。
【００５９】
（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態を示す。尚、ここでは第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６０】
第２実施形態では、伝熱管２６の内面が凹むように窪み３８が設けられている。この窪み３８は、外から見ると張り出しているように見える。第２温度センサ３２は、窪み３８内の流体の温度を検出するように構成されている。具体的に、伝熱管２６は、流体の流れる方向に延びる主管部３７と、この主管部３７の上壁内面から鉛直上向きに窪んだ窪み３８と、を有している。窪み３８は、熱源側流体としての空気と流体との熱交換が行われる熱交換領域よりも下流側に配置されている。したがって、窪み３８が形成されたところでは、流体は、飽和ガスの状態又は飽和状態よりも高温となった過熱状態となっている。伝熱管２６は、水平又は流体の下流側ほど上になる傾斜状に配置されているため、主管部３７内の上側部分には、主として流体の気相部分が流れ、主管部３７内の下側部分には、主として流体の液相部分が流れる。ただし、液滴が主管部３７の上壁に向かって飛散することがあり、また液膜が主管部３７の上壁内面に生ずることがある。このため、伝熱管２６に窪み３８が形成されていない場合には、第２温度センサ３２の検出端が液滴又は液膜の温度を検出してしまうことがある。そこで、第２温度センサ３２は、温度検出端が窪み３８内に位置するように配設され、窪み３８内の流体の温度を検出する。
【００６１】
なお、図６では、便宜上、フィン２８の図示を省略しているが、第１実施形態と同様に、第１温度センサ３１の配設位置と第２温度センサ３２の配設位置との間の領域が、フィン２８群が設けられた領域として構成されていてもよい。
【００６２】
図６に示す窪み３８は、窪み３８の上流側における主管部３７から鉛直上方に平面状に立ち上がる上流側壁３８ａと、鉛直断面内において上流側壁３８ａの上端から斜め下に延びる下流側壁３８ｂと、を有する構成となっている。しかしながら、窪み３８の形状は、これに限られるものではない。例えば、図７（ａ）に示すように、上流側壁３８ａが、主管部３７の延びる方向に沿う鉛直面内で湾曲状に形成され、下流側壁３８ｂがこの上流側壁３８ａの下流側端に滑らかに繋がりつつ斜め下に延びる形状に形成されていてもよい。また、図７（ｂ）に示すように、下流側壁３８ｂも前記鉛直面内で湾曲状に形成されていてもよい。すなわち、窪み３８は、流体の流れ方向に沿う鉛直面内において、略半円状に形成されていてもよい。また、図７（ｃ）に示すように、窪み３８は、上流側壁３８ａが下流側に向かって傾いた平板状に形成されていてもよい。この場合、窪み３８は、流体の流れ方向に沿う鉛直面内において、略三角形状に形成されることになる。また、図７（ｄ）に示すように、窪み３８は、窪み３８の上流側における主管部３７から鉛直上方に平面状に立ち上がる上流側壁３８ａと、上流側壁３８ａの上端から流体の流れ方向に延びる天井壁３８ｃと、天井壁３８ｃの上端から斜め下に延びる下流側壁３８ｂと、を有する構成となっていてもよい。
【００６３】
第２温度センサ３２は、温度検出端（図中の下端）が窪み３８内に位置するように配置されているが、図７（ａ）〜（ｄ）の形態では、何れも、温度検出端が窪み３８における最も上側に位置する頂点よりも上流側での流体の温度を検出するように配設されている。図７（ａ）〜（ｃ）において上下方向に延びる破線は、窪み３８における最も上側に位置する頂点を通っており、第２温度センサ３２の温度検出端は、この破線よりも上流側に位置している。また、図７（ｄ）の形態では、第２温度センサ３２は、傾斜状の下流側壁３８ｂの上端よりも上流側の位置に配設されている。このため、飛散した液滴が第２温度センサ３２の温度検出端に付着したり、液膜が温度検出端に付着することを抑制することができる。したがって、第２温度センサ３２が流体の液相部分の温度を検出することを抑制することができる。
【００６４】
しかも、図７（ｄ）の形態では、図８にも示すように、窪み３８内の流体（気相部分）が、傾斜した下流側壁３８ｂに沿って流れて主管部３７内に流出し易い。このため、窪み３８内で流体（気相部分）の淀みが生ずることがあったとしても、淀む領域を低減することができる。この点は、図７（ａ）〜（ｃ）の形態でも同様である。
【００６５】
ここで、伝熱管２６に窪み３８が設けられている場合の流体の温度分布について解析を行ったので、その結果の一例について説明する。図９は、窪み３８の上流側壁３８ａが主管部３７に対して垂直に形成されている場合の、淀みの解析結果の一例である。この解析例は、流体として空気が用いられた場合の解析例である。なお、流体の流れる方向における窪み３８の長さは十分に長い長さとし、主管部３７と窪み３８の上流側壁３８ａとの接続部近傍の温度分布について検討を行った。
【００６６】
図９に示すように、窪み３８よりも上流側においては、主管部３７内における底の部分が流体の温度の低い部分となっていて、この温度の低い部分は次第に厚みが薄くなっている。そして、主管部３７の上壁内面に沿う流体の流れについては、主管部３７と窪み３８の上流側壁３８ａとの接続部分において、流体の一部が斜め上側に曲げられ、主流から剥離していることが分かる。この主流から剥離するように折れ曲がる流れは、主流の流れる向き（主管部３７の軸方向）に対して５０度の角度となっている。このため、主流の流れる方向に対する傾斜角θが５０度を超える図９の左上側領域においては、流体からの液滴の飛散や液膜が生じにくいと言える。
【００６７】
一方で、図９の左上側領域においては、流体の淀みが発生すると言え、この左上側領域では、伝熱管２６内の外側の熱源側流体によって加熱され易いために、流体の温度が高くなっている。このように、窪み３８内において、角度θが５０度を超える領域では、流体が淀む可能性があることから、図７（ａ）、（ｃ）、（ｄ）のように下流側壁３８ｂが傾斜していることにより、淀みを抑えることができる。言い換えると、窪み３８が、最も上側に位置する頂点から、窪み３８の下流側の主管部３７に向かって次第に管路面積が小さくなる形状である場合、窪み３８内での淀みを抑制することができる。
【００６８】
以上説明したように、第２実施形態では、第２温度センサ３２が窪み３８内の流体の温度を検出するように配設されている。流体が主管部３７内を気液二相状態で流れていたとしても、伝熱管２６の窪み３８では、主管部３７内に比べれば液状の流体が存在しにくい。このため、第２温度センサ３２が液状の流体の温度を検出することを抑制でき、気相部分の温度を検出することができるため、空気から伝熱管２６内の流体への伝熱量の予測精度を向上でき、これにより乾き度の予測精度を向上することができる。
【００６９】
また、窪み３８の上流側壁３８ａの傾斜角度θが５０度以上９０度以下に設定されている場合、主管部３７内を流れる流体のうち気相部分が窪み３８内に流れ込むときに、窪み３８内への液膜、液滴の流れ込みを抑制することができる。したがって、流体のうち気相部分の温度を測定することができるようになるため、熱源側流体から伝熱管２６内の流体への伝熱量の予測精度を向上でき、これにより乾き度の予測精度を向上することができる。
【００７０】
また、窪み３８の下流側壁３８ｂが傾斜した構成の場合、窪み３８内において流体が淀む領域を低減することができ、又は窪み３８内で淀みが発生することを抑制することができる。したがって、窪み３８内における流体の温度が、主管部３７内を流れる流体の気相部分の温度に近くなる。したがって、窪み３８内の流体の温度を測定することによって、主管部３７内の流体の温度を推定することができる。よって、熱源側流体から伝熱管２６内の流体への伝熱量の予測精度を向上でき、これにより乾き度の予測精度を向上することができる。
【００７１】
また、第２温度センサ３２が、窪み３８における最も上側に位置する頂点よりも上流側での流体の温度を検出するように配設されているので、流体の液相部分の温度を検出することを抑制できる。このため、熱源側流体から伝熱管２６内の流体への伝熱量の予測精度を向上でき、これにより乾き度の予測精度を向上することができる。
【００７２】
なお、その他の構成、作用及び効果はその説明を省略するが前記第１実施形態と同様である。
【００７３】
（第３実施形態）
図１０は本発明の第３実施形態を示す。尚、ここでは第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００７４】
第３実施形態では、伝熱管２６の窪み３８の外面に断熱材４０が設けられている。断熱材４０は、空気の熱が窪み３８内に伝わることを抑制するために用いられ、窪み３８を外側から覆うように配設されている。例えば、図１０に示すように、窪み３８が、主管部３７に垂直な上流側壁３８ａと、主管部３７に対して傾斜した下流側壁３８ｂとを有する構成の場合、断熱材４０は、上流側壁３８ａの外側に配置された第１部位４０ａと、第１部位４０ａに繋がり、下流側壁３８ｂの外側に配置された第２部位４０ｂと、を有する構成となる。
【００７５】
また、図１１に示すように、窪み３８が、主管部３７に垂直な上流側壁３８ａと、主管部３７に垂直な下流側壁３８ｂと、上流側壁３８ａ及び下流側壁３８ｂに接続された天井壁３８ｃと、を有する構成の場合、断熱材４０は、上流側壁３８ａの外側に配置された第１部位４０ａと、下流側壁３８ｂの外側に配置された第２部位４０ｂと、第１部位４０ａ及び第２部位４０ｂを接続する第３部位４０ｃと、を有する構成となる。
【００７６】
窪み３８が断熱材４０で覆われることにより、窪み３８の外壁を通して空気から窪み３８内の流体へ伝熱することが抑制される。このため、窪み３８内で流体の気相部分が淀むことがあったとしても、窪み３８内の流体の気相部分の温度が、主管部３７内を流れる流体の気相部分の温度よりも高くなることが抑制される。特に、図１１に示す形態のように、窪み３８の下流側壁３８ｂが主管部３７に対して垂直な構成の場合、空気が窪み３８内から主管部３７内に向かって流れにくい傾向となる。このため、窪み３８が断熱材４０で覆われていなければ、窪み３８内の流体の気相部分の温度が主管部３７内の気相部分の温度よりも高くなる傾向となる。したがって、窪み３８の外側に断熱材４０が配設されることにより、窪み３８内の温度が主管部３７内の温度に近くなるため、窪み３８内の流体の温度を測定することによって、主管部３７内の流体の温度を推定することができる。よって、空気から伝熱管２６内の流体への伝熱量の予測精度を向上でき、これにより乾き度の予測精度を向上することができる。
【００７７】
なお、その他の構成、作用及び効果はその説明を省略するが前記第２実施形態と同様である。
【００７８】
（第４実施形態）
図１２は本発明の第４実施形態を示す。尚、ここでは第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００７９】
第４実施形態では、主管部３７が、窪み３８よりも上流側の上流部位３７ａと、窪み３８よりも下流側の下流部位３７ｂとを有し、下流部位３７ｂの内径が上流部位３７ａの内径よりも小さくなっている。換言すれば、主管部３７において、窪み３８よりも下流側に絞りが形成されている。下流部位３７ｂの入口のところで流動抵抗が高くなるため、流体が上流部位３７ａから窪み３８に流入し易くなる。したがって、窪み３８内において流体が淀む領域を低減することができ、又は窪み３８内で淀みが発生しにくくなり、窪み３８内における流体の温度が、主管部３７内を流れる流体の気相部分の温度に近くなる。したがって、窪み３８内の流体の温度を測定することによって、主管部３７内の流体の温度を推定することができる。よって、空気から伝熱管２６内の流体への伝熱量の予測精度を向上でき、これにより乾き度の予測精度を向上することができる。
【００８０】
図１２では、窪み３８の上流側壁３８ａが主管部３７に対して垂直で、窪み３８の下流側壁３８ｂが主管部３７に対して傾斜した構成となっているが、窪み３８の形状はこれに限られるものではない。例えば、図１３に示すように、窪み３８の上流側壁３８ａが主管部３７に対して傾斜していて、窪み３８の下流側壁３８ｂが主管部３７に対して垂直な構成であってもよい。
【００８１】
図１３には、流体の温度分布の一例も示されている。同図に示すように、窪み３８内の温度は、主管部３７の上流部位３７ａにおける上壁内面近傍の温度に近い値となっている。この解析例から分かるように、窪み３８よりも下流側の主管部３７の内径が上流側での内径よりも小さく形成されることにより、主管部３７から窪み３８内に流体が流入し易く、窪み３８内での淀みが生じにくいと言える。図１３は、窪み３８の上流側壁３８ａの角度θが３０度の場合の解析例であるため、窪み３８よりも下流側の主管部３７の内径が上流側での内径よりも小さく形成される場合には、θが５０度未満であっても、窪み３８内において流体の淀みが生じにくい。したがって、断熱材４０を設けなくても、窪み３８内の流体への伝熱を抑制することができる。
【００８２】
ここで、主管部３７における上流部位３７ａと下流部位３７ｂとにおいて、内径比の与える影響について説明する。図１４は、横軸に上流部位３７ａの内径Ｄ１に対する下流部位３７ｂの内径Ｄ２の比を取り、縦軸に窪み３８内の平均温度を取った図である。図中の直線は、主管部３７における流体の気相の平均温度を表している。図１４から分かるように、上流部位３７ａの内径Ｄ１に対する下流部位３７ｂの内径Ｄ２の比が１よりも小さくなるにしたがって、窪み３８内の平均温度は、主管部３７における流体の気相の平均温度に近づく。よって、主管部３７の下流部位３７ｂにおける内径が上流部位３７ａにおける内径よりも小さく形成されることにより、窪み３８内の流体の温度を測定することによって、主管部３７を流れる流体の気相部分の温度をより正確に推定することができる。
【００８３】
なお、主管部３７における窪み３８の下流部位３７ｂにおいて、流体の流れる方向の全体に亘って細径に形成されている必要はない。すなわち、主管部３７における窪み３８の下流部位３７ｂにおいて、窪み３８近傍のみが細径に形成され、その下流側においては、上流部位３７ａと同じ内径に形成されていてもよい。この場合でも、主管部３７における窪み３８よりも下流側での内径が、主管部３７における窪み３８よりも上流側での内径よりも小さいと言える。
【００８４】
なお、その他の構成、作用及び効果はその説明を省略するが前記第１実施形態と同様である。
【符号の説明】
【００８５】
２６  伝熱管
２８  フィン
３１  第１温度センサ
３２  第２温度センサ
３３  第３温度センサ
３５  演算部
３７  主管部
３７ａ  上流部位
３７ｂ  下流部位
３８  窪み
３８ａ  上流側壁
３８ｂ  下流側壁
３８ｃ  天井壁
４０  断熱材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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