(57)【要約】【課題】リアルタイムに液膜等の検出対象の厚さを測定することができ、さらには気液界面速度やその向きも計測することを可能とする技術を提供することを目的とする。【解決手段】センサ１０を、略円筒状のケーシング１１と、ケーシング１１の中央部に配置されたシャフト１２と、ケーシング１１とシャフト１２の間に配置された二対のセンサ部１３Ａ、１３Ｂと、ケーシング１１とシャフト１２、センサ部１３Ａ、１３Ｂの空隙に充填された充填材１４と、から構成し、センサ部１３Ａ、１３Ｂを、それぞれ二個一対の電極１５ａ、１５ｂから構成した。このようなセンサ１０を蒸気発生器の伝熱管３に備えることで、液膜Ｌの厚さや気液界面速度を測定することができ、さらに、蒸気発生器の管群における気液の流れをコントローラ３０で制御することもできる。【選択図】　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔を隔てて配置され、所定の電圧が印加される電源側電極および接地側電極と、
前記電源側電極と前記接地側電極の間に所定の間隔を隔てて配置される二個一対の検出電極からなり、前記電源側電極、前記接地側電極、前記二個一対の検出電極が接する検出対象に生じる電位差を検出するセンサ部と、
前記電源側電極、前記接地側電極、前記二個一対の検出電極の間に充填された絶縁部と、
を備えることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記センサ部が二対備えられ、それぞれの前記センサ部は二個一対の前記検出電極が所定の一方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記二対のセンサ部が二組備えられ、一方の組と他方の組とで、前記二個一対の検出電極が互いに異なる方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記検出電極が白金で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記絶縁部がガラス系材料またはベロメタル材料によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
液膜を対象とした測定を行う液膜測定装置であって、
筒状のケーシングと、
前記ケーシングの中心部に配置されたセンター部材と、
前記ケーシングと前記センター部材との間に配置され、所定の間隔を隔てて配置される二個一対の検出電極からなるセンサ部と、
前記ケーシング、前記センター部材、前記センサ部の間に形成された絶縁層と、
前記ケーシングと前記センター部材との間に所定の電圧を印加する電源と、
前記センサ部の前記二個一対の検出電極間に生じる電位差を検出する電位計と、を備え、
前記ケーシング、前記センター部材、前記二個一対の検出電極は、それぞれその先端部が検出対象となる液膜の流路に臨むよう配置されることを特徴とする液膜測定装置。
【請求項７】
気体と接した状態で液体が流れる壁面を有した流路と、
前記流路の前記壁面上の液体の流れを検出するセンサと、
前記センサでの検出結果に基づいて前記流路に対する液体の流れを制御するコントローラと、を備え、
前記センサは、
間隔を隔てて配置され、所定の電圧が印加される電源側電極および接地側電極と、
前記電源側電極と前記接地側電極の間に所定の間隔を隔てて配置され、電圧を検出することで前記壁面上を流れる液体の液膜厚さを測定するための二個一対の検出電極からなるセンサ部と、
前記電源側電極、前記接地側電極、前記二個一対の検出電極の間に充填された絶縁部と、
を備えることを特徴とする液体の流れる設備。
【請求項８】
前記センサ部は、前記壁面上の複数箇所に設けられ、
前記コントローラは、複数箇所の前記センサ部のそれぞれで検出される液膜厚さの変動に基づいて前記壁面上における液体の流速を検出することを特徴とする請求項７に記載の液体の流れる設備。
【請求項９】
前記コントローラは、前記壁面上における液体の流速を少なくとも二方向で検出することで、前記壁面上における液体の流れ方向を検出することを特徴とする請求項８に記載の液体の流れる設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液膜厚さ等を測定するのに好適なセンサ、液膜測定装置等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力発電プラントの蒸気発生器は、原子炉でつくられた熱湯が通る多数の管（管群）の間を水が通り、このときに管内の熱湯と熱交換を行うことで水が蒸発し、蒸気を発生する。
したがって、管群の間の空間には、水（液体）と蒸気（気体）とが混在して流れる、いわゆる気液二相流が存在することになる。この状態で、液体は管の外表面に沿って流れる。
このような蒸気発生器では、内部を可視化することができない。このため、蒸気の発生状況をリアルタイムで制御するには、気液二相流における液膜を測定することが望まれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、液膜の厚さを測定する技術としては様々なものが提供されているが、高温・高圧となる蒸気発生器の環境下でリアルタイムに液膜の厚さを測定することのできる有効な技術は提供されていないのが現実であった。さらに、液膜の流れを把握するための気液界面速度やその向きを測定する技術は皆無であるといって差し支えがなかった。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、リアルタイムに液膜等の検出対象の厚さを測定することができ、さらには気液界面速度やその向きも測定することを可能とする技術を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
かかる目的のもと、本発明のセンサは、間隔を隔てて配置された電源側電極および接地側電極の間に所定の電圧が印加され、これらの間に予め決められた所定の間隔を隔てて配置される二個一対の検出電極からなるセンサ部にて、電源側電極、接地側電極、二個一対の検出電極が接する検出対象に生じる電位差を検出する。なお、電源側電極、接地側電極、二個一対の検出電極の間には絶縁部が充填される。
このように、二個一対の検出電極で検出対象の電位差を検出することで、検出対象の厚さを測定することが可能となる。なおこの場合、検出対象は、流体に限らず、厚さに応じて電位差が変動するものであればいかなるものであっても良い。
また、センサ部を二対備え、それぞれのセンサ部を、二個一対の検出電極が所定の一方向に沿うよう配置する構成とすることもできる。ここで、所定の一方向に配置する、とは、一方のセンサ部と他方のセンサ部とで、二個一対の検出電極が同一の方向に沿って配置されていることを指す。つまり、一方のセンサ部と他方のセンサ部とで、二個一対の検出電極が、同一直線上に配置するだけでなく、互いに平行な２本の直線上にそれぞれ配置する場合をも含む。
このように、二対のセンサ部を備えることで、二箇所にて検出対象の厚さが測定でき、その変動の位相差に基づき、検出対象の移動速度を測定できる。
さらに、このような二対のセンサ部を二組備え、一方の組と他方の組とで、二個一対の検出電極を互いに異なる方向に沿って配置すれば、検出対象の二方向の移動速度が測定でき、これに基づいて検出対象の移動方向も測定できる。
【０００５】
ところで、上記のようなセンサにおいて、検出電極を白金で形成するのが好ましい。これは、高温・高圧環境下等でセンサを使用する場合に、耐久性が向上できるからである。また、絶縁部をガラス系材料またはベロメタル等絶縁材によって形成すれば、耐熱性を向上できる。
【０００６】
また、本発明を、液膜を対象とした測定を行う液膜測定装置として捉えることもできる。このような液膜測定装置は、ケーシングとその中心部のセンター部材との間に、二個一対の検出電極を所定の間隔を隔てて配置することで構成されるセンサ部を備える。そして、ケーシング、センター部材、二個一対の検出電極は、それぞれその先端部が検出対象となる液膜の流路に臨むよう配置される。さらに、ケーシング、センター部材、センサ部の間には絶縁層が形成されており、ケーシングとセンター部材との間に電源によって所定の電圧が印加されたときに、電位計により、二個一対の検出電極間に生じる電位差を検出する。
なおこの場合、二個一対の検出電極を複数対設けることで、液膜の気液界面速度やその移動方向等を検出することも可能となる。
このような液膜測定装置は、気体に接した状態で流れる液体の液膜を対象とした測定を行うのに好適であり、例えば管体の内周面や外周面、あるいは他の壁面等に沿う液体の流れを測定することができ、各種設備の条件出し等に用いることができる。
さらに、これ以外にも、後述の如く、気液二相流の流れる流路を有する設備や、気体に接した状態で液体が流れる設備等に取り付け、その作動の制御に用いることもできる。
【０００７】
すなわち、本発明の設備は、気体と接した状態で液体が流れる壁面を有した流路と、流路の壁面上における液体の流れを検出するセンサと、センサでの検出結果に基づいて流路に対する液体の流れを制御するコントローラと、を備えることを特徴とする。そして、センサは、間隔を隔てて配置され、所定の電圧が印加される電源側電極および接地側電極と、電圧を検出することで壁面上を流れる液体の液膜厚さを測定するための二個一対の検出電極からなるセンサ部と、電源側電極、接地側電極、二個一対の検出電極の間に充填された絶縁部と、を備える。
このような設備において、センサ部を壁面上の複数箇所に設けることで、コントローラでは、複数箇所のセンサ部のそれぞれで検出される液膜厚さの変動に基づいて壁面上における液体の流速を検出することができる。
また、コントローラは、壁面上における液体の流速を少なくとも二方向で検出することで、壁面上における液体の流れ方向を検出することができる。
このような設備としては、高温・高圧となる蒸気発生器等があるが、このように条件的に特に厳しい蒸気発生器以外にも、液体が気体と接した状態で壁面に沿って流れる設備であれば、いかなる設備でも良い。例えば、蒸気を効率良く利用して冷熱を供給できる吸収冷凍機や、ボイラ、エアーコンディショナー等がある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第一の実施の形態］
図１は、本実施の形態における蒸気発生器の概略構成を説明するための図である。この図１に示すように、蒸気発生器（設備）１は、容器２の内部に、略Ｕ字状の多数の伝熱管３からなる管群４を備える。蒸気発生器１では、給水入口５から容器２内に供給された水が管群４の間を通過することで蒸気が発生し、気水分離機６にて水（液体）と蒸気（気体）とが分離された後、発生した蒸気のみが蒸気出口７から排出されるようになっている。
このような構成において、水と蒸気が混在する気液二相流となる領域において、水は管群４を構成する伝熱管３の表面に沿って流れることになる。
【０００９】
さて、図２、図３に示すように、管群４を構成する全てあるいは一部の伝熱管３には、センサ１０が装着されている。
センサ１０は、伝熱管３の管壁に形成された孔３ａに装着され、その検出面１０ａが伝熱管３の外周面（壁面、流路）３ｂと略面一とされている。
センサ１０は、略円筒状のケーシング（接地側電極）１１と、ケーシング１１の中央部に配置されたシャフト（電源側電極、センター部材）１２と、ケーシング１１とシャフト１２の間に配置されたセンサ部１３Ａ、１３Ｂと、ケーシング１１とシャフト１２、センサ部１３Ａ、１３Ｂの空隙に充填された充填材（絶縁部）１４と、から構成され、センサ部１３Ａ、１３Ｂは、それぞれ二個一対の電極（検出電極）１５ａ、１５ｂから構成される。ここで、ケーシング１１、シャフト１２、センサ部１３Ａ、１３Ｂを構成する電極１５ａ、１５ｂは、その先端部が検出面１０ａに露出し、これによって伝熱管３の外周面３ｂを流れる液膜Ｌに臨むようになっている。
【００１０】
ケーシング１１、シャフト１２、センサ部１３Ａ、１３Ｂを構成する電極１５ａ、１５ｂは、それぞれ導電性材料から形成され、充填材１４は絶縁性材料から形成される。ケーシング１１、シャフト１２、電極１５ａ、１５ｂを構成する導電性材料としては、一般には例えば銅（Ｃｕ）があるが、高温・高圧の環境下となる蒸気発生器１に備えられるセンサ１０としては、白金（Ｐｔ）を用いるのが好ましい。また、同様の理由から、充填材１４を形成する絶縁性材料として、耐熱性、絶縁性に優れるケイ素（Ｓｉ）系のガラス材料またはベロメタル材料を用いるのが好ましい。
【００１１】
図３に示したように、ケーシング１１は、金属製の伝熱管３に接すること、あるいは別途設けられた図示しない配線を介することで接地されている。一方、シャフト１２には、電源２０が接続され、電源２０から所定の電圧が印加されるようになっている。これにより、シャフト１２とケーシング１１との間には、所定の電圧が印加されることになる。
センサ部１３Ａ、１３Ｂをそれぞれ構成する電極１５ａ、１５ｂは、その先端部が所定寸法離間するよう配置されているとともに、電位計２１Ａ、２１Ｂに接続され、電極１５ａ、１５ｂ間に発生した電圧を検出できるようになっている。
センサ部１３Ａ、１３Ｂの電位計２１Ａ、２１Ｂで検出された電圧値は、コントローラ３０に伝達され、コントローラ３０では、その電圧値に基づいて、伝熱管３の外周面３ｂに沿って流れる水の液膜Ｌについての測定を行う。さらに、コントローラ３０では、その測定結果に基づいて、管群４に供給する水の量や、各種温度条件等、蒸気発生器１の作動の制御を行うようになっている。
【００１２】
図４は、このようなセンサ部１３Ａ、１３Ｂにおける測定の原理を説明するための図である。
図４（ａ）に示すように、伝熱管３の外周面３ｂに液膜Ｌ（流れ方向は図中矢印方向）が存在する状態で、シャフト１２に電源２０から所定の電圧を印加すると、シャフト１２と、接地されたケーシング１１との間には、電位差Ｖ０が生じる。
このとき、センサ部１３Ａ、１３Ｂのそれぞれでは、電極１５ａ、１５ｂ間の電位差を電位計２１Ａ、２１Ｂで検出する。
すると、図４（ｂ）に示すように、電位計２１Ａ、２１Ｂのそれぞれで検出される電位差Ｖと、液膜Ｌの厚さｔｆとの間には相関関係が存在し、予め電位差Ｖと液膜Ｌの厚さｔｆとの相関関係を実験等によって把握しておくことで、コントローラ３０では、検出された電位差Ｖから液膜Ｌの厚さｔｆを求めることができる。実際には、液膜Ｌには流れがあるため、液膜Ｌの厚さｔｆは時々刻々と変動する。このため、予め設定した所定時間内に検出された液膜Ｌの厚さｔｆの平均値ｔｆａｖを液膜Ｌの厚さとすることもできる。
【００１３】
また、センサ１０において、液膜Ｌの流れ方向に沿って、センサ部１３Ａ、１３Ｂは所定の寸法Ｓ（図３（ａ）参照）だけ離間している。このため、図４（ｃ）に示すように、センサ部１３Ａで検出される液膜Ｌの厚さｔｆを示す波形（１）と、センサ部１３Ｂで検出される液膜Ｌの厚さｔｆを示す波形（２）とでは、位相差δｔが生じる。
コントローラ３０では、この位相差δｔと、センサ部１３Ａ、１３Ｂ間の寸法Ｓ（既知）から、次式で気液界面速度Ｕを求めることができる。
Ｕ＝Ｓ／δｔ
【００１４】
上述したようなセンサ１０を伝熱管３に備えることにより、高温・高圧となる蒸気発生器１の環境下でリアルタイムに液膜Ｌの厚さｔｆを測定することが可能となる。特に、ケーシング１１、シャフト１２、電極１５ａ、１５ｂを白金（Ｐｔ）で形成することで、耐蝕性、耐久性を優れたものとすることができ、充填材１４をケイ素（Ｓｉ）系のガラス材料またはベロメタル等絶縁材で形成することで、耐熱性に優れたものとすることができる。
また、センサ１０に、二対のセンサ部１３Ａ、１３Ｂを備える構成としたので、液膜Ｌの流れ方向に沿って所定の寸法Ｓだけ離間した二箇所で液膜Ｌの厚さｔｆを測定することで、気液界面速度Ｕを得ることが可能となる。
このようにして、蒸気発生器１にて、リアルタイムに伝熱管３の液膜Ｌの厚さｔｆ、気液界面速度Ｕを測定することが可能となるので、蒸気発生器１の制御をよりきめ細かく行うことが可能となる。
さらに、上記のようなセンサ１０は、その検出面１０ａの大きさ（面積）に対し、センサ部１３Ａ、１３Ｂによる検出範囲が非常に小さい。このため、局所的に液膜Ｌの厚さｔｆを測定することができ、細やかな測定が行える。
【００１５】
［第二の実施の形態］
次に、本発明の第二の実施の形態について説明する。
ここで、上記第一の実施の形態では、センサ１０に二対のセンサ部１３Ａ、１３Ｂを備え、液膜Ｌの一方向の流れを測定する構成としたが、以下に説明する第二の実施の形態では、センサ１０’に計四対のセンサ部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄを備える構成とし、二方向の流れを測定する構成とする。したがって、以下の説明において、上記第一の実施の形態と共通する構成については同符号を付してその説明を省略することとする。
【００１６】
図５に示すように、センサ１０’は、蒸気発生器１の管群４（図１参照）を構成する全てあるいは一部の伝熱管３に、その検出面１０ａが伝熱管３の管壁の外周面３ｂと略面一となるよう装着されている。
センサ１０’は、ケーシング１１とシャフト１２の間に、それぞれ電極１５ａ、１５ｂからなる計四対のセンサ部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄを備えている。
ここで、センサ部１３Ａ、１３Ｂは、シャフト１２の中心軸線を通る所定の一方向に沿って配置され、センサ部１３Ｃ、１３Ｄは、前記一方向とは直交する方向に沿って配置されている。つまりセンサ部１３Ａ、１３Ｂと、センサ部１３Ｃ、１３Ｄの二組が、互いに異なる方向に沿って設けられているのである。このとき、センサ部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄのそれぞれの電極１５ａ、１５ｂを構成する導電性材料としては、上記第一の実施の形態と同様、白金（Ｐｔ）を用いるのが好ましい。
【００１７】
シャフト１２には、電源２０が接続され、シャフト１２とケーシング１１との間には、所定の電位差Ｖ０が印加される。そして、センサ部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄをそれぞれ構成する電極１５ａ、１５ｂは、電位計２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄに接続され、それぞれの電極１５ａ、１５ｂ間に発生した電位差Ｖを検出できるようになっている。
そして、電位計２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄで検出された電圧値は、コントローラ３０に伝達され、コントローラ３０では、その電圧値に基づいて、蒸気発生器１の制御を行うようになっている。
【００１８】
このようなセンサ１０’では、センサ部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄのそれぞれにおいて、電極１５ａ、１５ｂ間の電位差を電位計２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄで検出する。これにより、センサ部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄの位置での液膜Ｌの厚さｔｆを測定することができる。
【００１９】
図５（ａ）に示したように、センサ１０’では、同一方向（これをＸ方向とする）に沿って位置するセンサ部１３Ａ、１３Ｂとで、上記第一の実施の形態と同様にして、液膜Ｌの厚さｔｆを示す波形の位相差δｔから、Ｘ方向の気液界面速度ＵＸを測定することができる。また、Ｘ方向に対して直交する方向（これをＹ方向とする）に沿って位置するセンサ部１３Ｃ、１３Ｄで、同様にして、液膜Ｌの厚さｔｆを示す波形の位相差δｔから、Ｙ方向の気液界面速度ＵＹを測定できる。
測定されたＸ方向の気液界面速度ＵＸと、Ｙ方向の気液界面速度ＵＹとから、液膜Ｌの気液界面の流れ方向と気液界面速度Ｕを求めることができる。
Ｕ＝（ＵＸ２＋ＵＹ２）１／２
θ＝ｔａｎ−１（ＵＹ／ＵＸ）
ただしθ：Ｘ方向に対する液膜Ｌの流れ方向の角度。
【００２０】
上述したようなセンサ１０’によれば、二方向に沿って設けられた計四対のセンサ部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄによって、液膜Ｌの厚さｔｆのみならず、液膜Ｌの気液界面の流れ方向と気液界面速度Ｕを得ることができる。
これにより、上記第一の実施の形態と同様の効果に加え、より自由度が高く、高精度な測定を行うことが可能となる。
【００２１】
なお、上記第一および第二の実施の形態では、センサ１０、１０’で伝熱管３の外周面３ｂに沿う液膜Ｌを対象とした測定を行う構成としたが、図６に示すように、このようなセンサ１０、１０’（図中ではセンサ１０を例示）を、その検出面１０ａが管体４０の内周面（壁面、流路）４０ａと略同一面に位置するように設け、管体４０の内部を流れる液膜Ｌを対象とした測定を行う構成とすることも可能である。
また、このようなセンサ１０、１０’は、蒸気発生器１のみならず、気液二相流が流れる吸熱冷凍機、ボイラやエアーコンディショナーの配管等、他の管体や装置に対して設けることも可能である。
さらに、このようなセンサ１０、１０’は必ずしも実施の形態で示したような、蒸気発生器１のような装置の制御に用いるのではなく、各種装置の機能評価のためにのみ用いることも可能である。このような場合、コントローラ３０にて、上記実施の形態で示したような蒸気発生器１の制御を行わず、液膜Ｌの流れのみを測定する構成とする。これにより、このようなセンサ１０を液膜測定装置として構成することができる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、気液二相流の液膜の厚さ、気液界面速度をリアルタイムに測定することができる。
また、センサを二方向に沿って配置することで、任意の方向の気液界面速度、およびその流れの方向を検出することもできる。
また、本発明によれば、このようなセンサを備えることで、設備の管内または管外における気液二相流の流れの状況を詳細に把握することが可能となり、設備の稼動をより細かにコントロールすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における蒸気発生器の概略構成を示す図である。
【図２】伝熱管に対するセンサの設置状況を示す斜視断面図である。
【図３】第一の実施の形態におけるセンサの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はセンサ部の電極が並ぶ方向に沿った断面図である。
【図４】センサにおける検出原理を説明するための図である。
【図５】第二の実施の形態におけるセンサの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はセンサ部の電極が並ぶそれぞれの方向に沿った断面図である。
【図６】管体の内周面側の液膜を対象とした測定を行うためのセンサの設置状況を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…蒸気発生器（設備）、３…伝熱管、３ｂ…外周面（壁面、流路）、４…管群、１０、１０’…センサ、１０ａ…検出面、１１…ケーシング（接地側電極）、１２…シャフト（電源側電極、センター部材）、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ…センサ部、１４…充填材（絶縁部）、１５ａ、１５ｂ…電極（検出電極）、２０…電源、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ…電位計、３０…コントローラ、４０…管体、４０ａ…内周面（壁面、流路）、Ｌ…液膜
【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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