(57)【要約】      （修正有）【課題】一方向に延びる筒状の管体の内空にそれに沿った気流が形成されているような場合においても、結露現象を再現させることができる結露実験装置を提供する。【解決手段】一方向に延びる筒状の管体の壁面に発生する結露を再現させるための結露実験装置１である。そして、実験対象をモデル化した長尺の円筒管２と、円筒管の内空部２ａに一方向の高湿度空気流ＨＡを形成するための高湿度空気供給装置３と、円筒管の外周側を囲むように気体が流入する間隔を置いて設けられる外殻部５と、円筒管と外殻部との間に高湿度空気流の温度と温度差のある低温空気流ＬＡを形成する冷却装置４とを備えている。ここで、円筒管の第１端部２１に接続された高湿度空気供給装置から供給された高湿度空気流は第２端部２２から排出されるとともに、低温空気流は第１端部の近傍から供給されて第２端部の近傍から排出される。【選択図】図１
2022000622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に延びる筒状の管体の壁面に発生する結露を再現させるための結露実験装置であって、
実験対象をモデル化した長尺の管体部と、
前記管体部の内空に一方向の気流を形成するための内空用気体供給装置と、
前記管体部の外周側を囲むように気体が流入する間隔を置いて設けられる外殻部と、
前記管体部と前記外殻部との間に前記気流の温度と温度差のある外周用気体を供給する外周用気体供給装置とを備え、
前記管体部の第１端部に接続された前記内空用気体供給装置から供給された内空用気体は第２端部から排出されるとともに、前記外周用気体は前記第１端部の近傍から供給されて前記第２端部の近傍から排出されることを特徴とする結露実験装置。
【請求項２】
前記内空用気体は高湿度空気であって、前記外周用気体の温度は前記内空用気体の温度より低いことを特徴とする請求項１に記載の結露実験装置。
【請求項３】
前記外周用気体は、前記管体部を挟んだ両側から前記管体部の壁面に向けて吹き付けられることで供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の結露実験装置。
【請求項４】
前記管体部及び前記外殻部の壁面は透明に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結露実験装置。
【請求項５】
前記管体部に設けられる観測窓及び前記観測窓に対向する前記外殻部の壁面は、透明な平板状に形成されているとともに、前記観測窓に対してレーザ光の照射が可能となるようにレーザ流速計が設置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の結露実験装置。
【請求項６】
前記外殻部の外側から前記管体部の内空まで連通する測定口が、前記管体部の長手方向に間隔を置いて複数、設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の結露実験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方向に延びる筒状の管体の壁面に発生する結露を再現させるための結露実験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示されているように、住宅の室内を模擬した箱形の空間内に、静止した状態又はそれに近い状態となるように空気を供給し、ガラスや壁面に結露が発生する現象を再現する装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−６４５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、住宅だけでなく、一定の速度の空気流が形成されるような鉄道や道路のトンネル内、あるいは機械を構成する水平管内においても結露現象が起きるので、その条件を把握しておくためにも、結露現象を再現する実験を行う必要がある。
【０００５】
そこで、本発明は、一方向に延びる筒状の管体の内空にそれに沿った気流が形成されているような場合においても、結露現象を再現させることができる結露実験装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明の結露実験装置は、一方向に延びる筒状の管体の壁面に発生する結露を再現させるための結露実験装置であって、実験対象をモデル化した長尺の管体部と、前記管体部の内空に一方向の気流を形成するための内空用気体供給装置と、前記管体部の外周側を囲むように気体が流入する間隔を置いて設けられる外殻部と、前記管体部と前記外殻部との間に前記気流の温度と温度差のある外周用気体を供給する外周用気体供給装置とを備え、前記管体部の第１端部に接続された前記内空用気体供給装置から供給された内空用気体は第２端部から排出されるとともに、前記外周用気体は前記第１端部の近傍から供給されて前記第２端部の近傍から排出されることを特徴とする。
【０００７】
ここで、前記内空用気体は高湿度空気であって、前記外周用気体の温度は前記内空用気体の温度より低くなるように設定することができる。また、前記外周用気体は、前記管体部を挟んだ両側から前記管体部の壁面に向けて吹き付けられることで供給される構成とすることができる。
【０００８】
さらに、前記管体部及び前記外殻部の壁面は透明に形成されていることが好ましい。また、前記管体部に設けられる観測窓及び前記観測窓に対向する前記外殻部の壁面は、透明な平板状に形成されているとともに、前記観測窓に対してレーザ光の照射が可能となるようにレーザ流速計が設置される構成とすることができる。
【０００９】
そして、前記外殻部の外側から前記管体部の内空まで連通する測定口が、前記管体部の長手方向に間隔を置いて複数、設けられている構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
このように構成された本発明の結露実験装置は、一方向に延びる長尺の管体部を実験対象として、その内空に一方向の気流を再現できるとともに、管体部の内外に安定した温度差を設定することができる。
【００１１】
このため、トンネルのような一方向に延びる筒状の管体の内空に、換気や車両の走行などによって気流が形成されているような場合においても発生する結露現象を、再現させることができる。
【００１２】
通常は、内空用気体を高湿度空気にして、外周用気体の温度が内空用気体の温度より低くなるようにすることで、管体部の内壁面に発生する結露現象を再現することができる。これに対して、外周用気体を高湿度空気にして、内空用気体をそれよりも低い温度にすれば、管体部の外壁面に発生する結露現象を再現することができる。
【００１３】
また、外周用気体を、管体部を挟んだ両側から管体部の壁面に向けて吹き付けるように供給する構成とすることで、管体部の壁面の冷却などを効率的に行うことができるようになる。
【００１４】
また、管体部及び外殻部の壁面が透明に形成されていれば、結露が発生する状態を直接、目視によって観察することができる。さらに、透明な平板状の観測窓とそれに対向する外殻部の壁面が形成されていれば、レーザ流速計を使用して外部から管体部の内空の気流速度を測定することに対する、レーザ光の屈折による悪影響を低減することができる。
【００１５】
また、外殻部の外側から管体部の内空まで連通する測定口が長手方向に間隔を置いて複数、設けられていれば、管体部の複数の箇所で温度や湿度などを、直接、測定することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施の形態の結露実験装置の概略構成を模式的に示した説明図である。
【図２】本実施の形態の結露実験装置の円筒管周辺の構成を説明する斜視図である。
【図３】レーザ流速計を使用して円筒管の内空部の流速を測定する方法を示した説明図である。
【図４】結露実験装置の気流の流れを説明する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の結露実験装置１の全体構成を概念的に説明する図である。また、図２は、結露実験装置１の管体部周辺の構成を説明する斜視図である。
【００１８】
本実施の形態の結露実験装置１は、トンネルなどの土木構造物や産業プラントの配管などを管体部で模擬して、管体部の内空に気流が形成されている状態でも壁面に結露が発生する現象を再現するための装置である。
【００１９】
本実施の形態の結露実験装置１は、図１に示すように、長尺の管体部である円筒管２と、内空用気体供給装置となる高湿度空気供給装置３と、円筒管２の外周側を囲む外殻部５と、外周用気体供給装置となる冷却装置４とを主に備えている。
【００２０】
円筒管２は、実験対象をモデル化した円筒形の部材で、相似則などに応じて直径や長さが設定される。但し、長さについては、トンネルなどを実験対象とする場合に、トンネルの全長をモデル化する必要はなく、観察したい範囲に区切るなどしてモデル化することができる。
【００２１】
円筒管２は、アクリル樹脂やガラスなどの透明な材料で形成することができる。透明な材料で円筒管２を形成することで、円筒管２の内壁面に発生した結露なども、逐次、観察することができるようになる。
【００２２】
一方、外殻部５は、円筒管２の外周との間に気体が流入する間隔を置いて設けられる。外殻部５は、円筒管２と同心円の円筒形とすることもできるが、本実施の形態では、図２及び図３に示すように、四角筒形（直方体状）の外殻部５を使用する。外殻部５は、脚部１１によって支持される。
【００２３】
外殻部５は、アクリル樹脂やガラスなどの透明な材料で形成することができる。透明な材料で外殻部５を形成することで、円筒管２の外壁面の状態を観察することができるようになる。さらに、円筒管２も透明な材料で形成されていれば、外殻部５の外側から円筒管２の内空部２ａまで観察することができるようになる。
【００２４】
円筒管２の円柱状の内空部２ａには、高湿度空気供給装置３から内空用気体が供給されて、一方向の高湿度空気流ＨＡが形成される。すなわち、円筒管２の第１端部２１から供給された内空用気体は、円筒管２の内空部２ａに沿って延伸方向に流れて、第２端部２２から排出される。
【００２５】
高湿度空気供給装置３は、設定された任意の温度と湿度に空気を調整して供給することができる装置である。すなわち、実験対象となるトンネルなどの内空を流れる空気の温度と湿度を再現して、高湿度空気供給装置３から供給する。通常、実験対象の内壁面に発生する結露を再現する際には、湿度が比較的高い空気が供給されることになる。
【００２６】
高湿度空気供給装置３からは、一定の流量の内空用気体が供給される。高湿度空気供給装置３の供給管３１は、円筒管２の第１端部２１に接続されて、第２端部２２に接続された排出管３２から内空用気体が排出されることになる。このため、円筒管２の内空部２ａには、一方向に一定速度で流れる高湿度空気流ＨＡが形成されることになる。
【００２７】
一方、冷却装置４は、設定された任意の温度に空気を調整して供給することができる装置である。本実施の形態では、円筒管２の内壁面に結露を発生させる実験について説明しているので、冷却装置４は、湿度の調節が行えなくてもよい。
【００２８】
冷却装置４からは、内空用気体よりも温度が低い、換言するとマイナスの温度差のある外周用気体が供給される。外周用気体は、円筒管２の外壁面と外殻部５との間の空隙部５ａに供給されて低温空気流ＬＡとなる。
【００２９】
すなわち外周用気体は、円筒管２の第１端部２１の近傍から供給されて、第２端部２２の近傍から排出されることによって、空隙部５ａの一方向の低温空気流ＬＡに形成される。空気による冷却を行う空冷方式であれば、水冷方式と比べて電気的絶縁のためのセンサ保護機構が不要となるため、円筒管２の多点において容易に温度などを測定することができるようになる。
【００３０】
冷却装置４の供給管４１は、延伸方向が円筒管２の延伸方向と略直交する方向に向けられていて、供給管４１から供給される外周用気体は、円筒管２の第１端部２１近傍の外壁面に吹き付けられる。
【００３１】
このようにして外殻部５と円筒管２との間の空隙部５ａに供給された外周用気体は、円筒管２の第２端部２２の近傍に、延伸方向を円筒管２の延伸方向と略直交する方向に向けて取り付けられた排出管４２から排出される。
【００３２】
さらに詳細な構成について、図２の斜視図を参照しながら説明する。冷却装置４の供給管４１（４１Ａ，４１Ｂ）は、円筒管２を挟んだ両側の外殻部５の側壁５１，５１にそれぞれ取り付けられる。すなわち供給管４１Ａ，４１Ｂの軸方向を、側壁５１の平板状の壁面に略直交する方向に向けて取り付ける。
【００３３】
この際、供給管４１Ａ，４１Ｂの軸心の高さと円筒管２の軸心の高さとを、一致させて直交するように位置合わせすることで、供給管４１Ａ，４１Ｂから供給される低温空気流ＬＡを効率よく円筒管２の外壁面に衝突させることができる。また、冷却装置４から吐出されたばかりの最も温度が低い状態の低温空気流ＬＡを、円筒管２の壁面に垂直に当てることで、効率的に壁面を冷却することができるようになる。
【００３４】
このようにして円筒管２の第１端部２１近傍の外殻部５の両側に取り付けられる供給管４１Ａ，４１Ｂと同様に、第２端部２２近傍の外殻部５の両側には、排出管４２（４２Ａ，４２Ｂ）が取り付けられる。
【００３５】
すなわち排出管４２Ａ，４２Ｂは、円筒管２を挟んだ両側の外殻部５の側壁５１，５１の平板状の壁面に略直交する方向に向けて取り付けられる。ここで、円筒管２の排出管３２は、円筒管２の延伸方向と同じ方向に向けられて接続され、高湿度空気流ＨＡは、円筒管２の内空部２ａに滞留することなく排出される（図４参照）。一方、外殻部５の排出管４２Ａ，４２Ｂは、外殻部５の延伸方向と直交する方向に向けられて取り付けられるので、低温空気流ＬＡは第２端部２２近傍の空隙部５ａに滞留した後に、排出管４２Ａ，４２Ｂから排出される。
【００３６】
また、円筒管２には、図２に示すように、長手方向（軸方向）に間隔を置いて、複数の温度センサ７が取り付けられる。温度センサ７に接続されるケーブル７１は、外殻部５の内側の空隙部５ａを配線されて排出管４２Ｂから外部に引き出される。
【００３７】
このように複数の温度センサ７を円筒管２の外壁面に取り付けておくことで、円筒管２の長手方向の位置の違いによる壁面の温度差などを計測して正確に把握することができるようになる。温度センサ７としては、例えば壁面に貼り付け可能なフィルム型温度センサが使用できる。
【００３８】
また、円筒管２の内空部２ａの状態を計測するために、長手方向（軸方向）に間隔を置いて複数の測定口６を設ける。測定口６は、外殻部５の外側から円筒管２の内空部２ａまで連通するように形成される。測定口６は、計測を行わないときには蓋ができる構成としておくことが好ましい。
【００３９】
測定口６には、測定器６１のセンサプローブが挿入される。すなわち、ケーブルなどの先端にセンサプローブを設けて測定口６に挿し込むことで、円筒管２の内空部２ａの状態を直接、測定することができる。センサプローブとしては、風速計、温度計、湿度計などが使用される。
【００４０】
測定口６から挿入できるような風速計は、高い速度は精度良く測定することができるが、低い速度（例えば風速1m/s以下）になると計測精度が低下する。そこで、低速の高湿度空気流ＨＡを再現する場合にも測定が行えるように、レーザ流速計８の使用ができるようにする。
【００４１】
レーザ流速計８は、図３に示す断面図上では同じ高さの経路８１を通る２本のレーザ光を測定対象位置で交差させたときに発生する干渉縞を利用して速度を測定する装置である。円筒管２の内空部２ａに投入された粒子状のトレーサ８２が干渉縞を通過する際の反射光を検出し、その周波数から通過速度を算出する。そのため、干渉縞を作るための２本のレーザ光の光路長に差が生じることを防止するため、レーザ光が外側から円筒管２の内空に到達する際に通過する観測窓には、レーザ光を不要に屈折させないことが求められる。
【００４２】
そこで、壁面が曲面となる円筒管２に、アクリル板やガラス板などの透明な平板によって観測窓２３を設ける。また、外殻部５の側壁５１は、アクリル板やガラス板などの透明な平板によって形成されている。
【００４３】
このようにレーザ光が通過する経路８１上の壁面を、レーザ光に直交する平面にしておくことで、レーザ光に不要な屈折が起きにくくなる。流速測定時には、円筒管２の第１端部２１やその近傍の測定口６からトレーサ８２を内空部２ａに投入して、観測窓２３を横切る際のトレーサ８２の速度をレーザ流速計８で測定することになる。平板状の観測窓２３を通した測定であれば、風速0.5m/s程度の低速の空気流であっても、レーザ流速計８を使用して外殻部５の外側から高精度で測定することができる。
【００４４】
このような観測窓２３は、図２に示すように、円筒管２の長手方向（軸方向）に間隔を置いて複数、設けておくことで、レーザ流速計８を使用して長手方向の様々な位置の流速を高精度に測定することができるようになる。
【００４５】
次に、本実施の形態の結露実験装置１を使用して行った実験例について説明する。
結露実験装置１には、長手方向の長さが1000mmで直径が50mmの円筒管２を、水平方向に向けて配置した。また、円筒管２及び外殻部５は、透明なアクリル樹脂によって製作し、外部から円筒管２の内壁面に発生する結露の様子が観察できるようにした。
【００４６】
実験は、高湿度空気供給装置３によって供給する内空用気体の状態を３種類にして行った。ケース１では、温度30℃で湿度40％の空気を供給し、ケース２では、温度30℃で湿度58％の空気を供給し、ケース３では、温度30℃で湿度73％の空気を供給した。
【００４７】
また、各ケースにおいて、高湿度空気供給装置３から供給される空気の流量を3.3×10-4 m3/sに設定することによって、円筒管２の内空部２ａにおける高湿度空気流ＨＡの流速（風速）を、0.2 m/sの一定速度に設定した。
一方、冷却装置４からは、温度18℃の空気を流量1.9×10-2 m3/sで供給することによって、外殻部５内側の空隙部５ａに低温空気流ＬＡを形成した。
【００４８】
このような実験条件によって３つのケースの実験を行った。図４に示すように、高湿度空気流ＨＡ及び低温空気流ＬＡが安定した状態で形成された後に、温度センサ７によって計測された円筒管２の壁面温度は、全長にわたって22℃の均一な状態になっていた。
【００４９】
一方、透明な外殻部５及び円筒管２を通して目視で観察される円筒管２の内壁面の状態は、ケース１及びケース２では、結露が発生しておらず、ケース３では、円筒管２の内壁面が広範囲にわたって曇る結露現象が観察できた。
【００５０】
このような再現実験の結果は、トンネルの内空の空気流温度、湿度、風速、及びトンネル壁面温度の条件が、結露を発生させるかどうかという知見を集めることに利用できる。
【００５１】
再現実験では、高湿度空気流ＨＡの温度、湿度及び流速、並びに低温空気流ＬＡの温度及び流量などを変更して、様々な定量的な条件下の実験を行うことができる。また、実験条件の設定が再現されているかを、温度センサ７の測定結果や、測定口６を使用した各種測定器６１の測定結果や、レーザ流速計８の測定結果によって、高精度で確認することができる。
【００５２】
さらに、長尺状の円筒管２の長手方向の位置によって、壁面温度や高湿度空気流ＨＡの温度、湿度及び流速が変化する場合は、実験したい条件と一致する範囲（区間）の結果を調査や研究の知見として蓄えるなどすればよい。
【００５３】
次に、本実施の形態の結露実験装置１の作用について説明する。
このように構成された本実施の形態の結露実験装置１は、一方向に延びる長尺の円筒管２を実験対象として、その内空部２ａに一方向の高湿度空気流ＨＡを再現できるとともに、円筒管２の内外に安定した温度差を設定して壁面を均一に冷却することができる。
【００５４】
このため、トンネルのような一方向に延びる筒状の管体の内空に、換気や車両の走行などによって気流が形成されているような場合に内壁面に発生する結露現象を、忠実に再現させることができる。
【００５５】
また、低温空気流ＬＡを、円筒管２を挟んだ両側から円筒管２の外壁面に真っ直ぐに衝突するように供給する構成としたことで、最も温度が低い状態の空気によって冷却対象である円筒管２の壁面を効率的に冷却することができる。
【００５６】
また、円筒管２及び外殻部５の壁面が透明に形成されていれば、結露が発生する状態を直接、目視によって観察することができる。さらに、透明な平板状の観測窓２３と、それに対向する外殻部５の側壁５１が平板状に形成されていれば、レーザ光に不要な屈折が起きにくくなるので、レーザ流速計８を使用して円筒管２及び外殻部５の外側から内空部２ａの高湿度空気流ＨＡの速度を、低速の場合でも高精度で測定することができるようになる。
【００５７】
また、外殻部５の外側から円筒管２の内空部２ａまで連通する測定口６が長手方向に間隔を置いて複数、設けられていれば、円筒管２の複数の箇所で温度や湿度や風速などを、直接、測定することができる。
【００５８】
以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。
例えば、前記実施の形態では、管体部が円筒管２の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、管体部が角筒管であってもよく、実験対象の形状に合わせて製作されていてもよい。他方、外殻部を円筒管にして、円筒管の二重管構造にすることもできる。
【００５９】
また、前記実施の形態では、円筒管２の内壁面に結露現象を発生させる場合の再現実験について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、外周用気体を高温多湿の空気として、内空用気体を低温空気とすることで、管体部の外壁面に結露現象を発生させる再現実験を行うこともできる。
【００６０】
さらに、前記実施の形態では、円筒管２が水平に配置された結露実験装置１について説明したが、これに限定されるものではなく、管体部の長手方向を鉛直方向や斜め方向に向けた結露実験装置にすることもできる。
【符号の説明】
【００６１】
１      ：結露実験装置
２      ：円筒管（管体部）
２ａ    ：内空部（内空）
２１    ：第１端部
２２    ：第２端部
２３    ：観測窓
３      ：高湿度空気供給装置（内空用気体供給装置）
３１    ：供給管
３２    ：排出管
４      ：冷却装置（外周用気体供給装置）
４１，４１Ａ，４１Ｂ：供給管
４２，４２Ａ，４２Ｂ：排出管
５      ：外殻部
５１    ：側壁
５ａ    ：空隙部
６      ：測定口
８      ：レーザ流速計
８１    ：レーザ光
ＨＡ    ：高湿度空気流（内空用気体）
ＬＡ    ：低温空気流（外周用気体）
【図１】
2022000622.tif 000003
【図２】
2022000622.tif 000004
【図３】
2022000622.tif 000005
【図４】
2022000622.tif 000006