(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動層内の流体の挙動を計測する装置であって、
前記流動層内の所定の箇所に配置される受圧体と、
前記受圧体に作用する流体の力を計測する計測器と、
前記受圧体が一端に取り付けられた棒状のトラバースロッドを有しており、前記受圧体を前記流動層内で前記トラバースロッドの軸方向に沿って移動させるトラバース装置とを備え、
前記計測器は、前記トラバースロッドの内部に配置されることを特徴とする流体挙動計測装置。
【請求項２】
前記トラバース装置は、前記トラバースロッドを軸周りで回転させることを特徴とする請求項１に記載の流体挙動計測装置。
【請求項３】
前記計測器は、前記受圧体に作用する力のうちの１方向の力を計測可能に構成され、前記トラバース装置は、前記１方向に直交する軸を中心として、前記受圧体を回転させることを特徴とする請求項２に記載の流体挙動計測装置。
【請求項４】
前記計測器は、前記受圧体に作用する力のうちの互いに直交する２方向の力を計測可能に構成され、
前記トラバース装置は、前記２方向のうちの１つの方向に平行な軸を中心として、前記受圧体を回転させることを特徴とする請求項２に記載の流体挙動計測装置。
【請求項５】
前記計測器は、前記受圧体に作用する力のうちの互いに直交する３方向の力を計測可能に構成されることを特徴とする請求項１に記載の流体挙動計測装置。
【請求項６】
前記受圧体は、球状に形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか一項に記載の流体挙動計測装置。
【請求項７】
前記受圧体は、流動層内の流体の力のうちの所定の方向の力のみが主として作用する形状に形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか一項に記載の流体挙動計測装置。
【請求項８】
前記受圧体は、平板状に形成されることを特徴とする請求項７に記載の流体挙動計測装置。
【請求項９】
流体の所定の方向の力から受圧体を保護する保護部材を備えることを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか一項に記載の流体挙動計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流動層内の流体の挙動を計測する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、砂などの固体粒子を含む流体を、プラント機器等において混合、混煉、攪拌などの処理を行う場合、その処理の効率化を図るために、流動層内の流体の挙動を調べる場合がある。
【０００３】
特に、気固系、あるいは、固液系など、混相からなる流動層の場合、その流体の挙動を正確に把握する必要性がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
流動層内の流体の挙動を把握する方法としては、流動層内に圧力センサを配置し、その圧力センサで流動層内の圧力分布を計測する方法、透過型の光センサを用いて流体の流動状態を検出する方法などが知られている。
【０００５】
しかしながら、圧力センサで流動層内の圧力分布を計測する方法では、ダイアフラムの径に対して流体の粒子径の比率が十分に小さくなくてはならない、あるいは圧力センサの受圧面積に制限があるなど、条件面での制約が多い。また、ダイアフラムに流体の粒子が繰り返し衝突することにより、ダイアフラムに摩耗が生じ、計測精度が低下しやすい。さらに、この方法では、計測された圧力データに基づいて、流動層の流動状態を正確に解析するのは極めて難しい。
【０００６】
一方、透過型の光センサを用いる方法では、投光器と受光器との隙間の寸法に計測結果が依存されやすい。また、計測対象が粒子単体、粒子群、及びボイドのいずれであるかを明確に判定するのが難しい。さらに、この方法では、その計測結果から、流動層の流動状態、特に流れの方向を正確に解析するのが難しい。
【０００７】
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、流動層内の流体の挙動を、より正確に把握できる流体挙動計測装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、流動層内の流体の挙動を計測する装置であって、前記流動層内の所定の箇所に配置される受圧体と、前記受圧体に作用する流体の力を計測する計測器とを備えることを特徴とする。
この流体挙動計測装置では、計測器によって受圧体に作用する流体の力を計測することにより、その計測箇所における流体の挙動を把握できる。
【０００９】
この場合において、前記受圧体が一端に取り付けられた棒状のトラバースロッドを有しており、前記受圧体を前記流動層内で前記トラバースロッドの軸方向に沿って移動させるトラバース装置とを備え、前記計測器は、前記トラバースロッドの内部に配置されるとよい。また、前記トラバース装置は、前記トラバースロッドを軸周りで回転させるとよい。これにより、流動層内の広い範囲にわたって流体の挙動を把握することが可能となる。
【００１０】
また、前記計測器は、前記受圧体に作用する力のうちの１方向の力を計測可能に構成され、前記トラバース装置は、前記計測器の計測可能な１方向に直交する軸を中心として、前記受圧体を回転させてもよい。この場合、計測可能な１方向に直交する軸を中心として、受圧体を回転させながら、受圧体に作用する１方向の力を計測することにより、流体の挙動による受圧体への力の方向とその大きさとを計測できる。
【００１１】
また、前記計測器は、前記受圧体に作用する力のうちの互いに直交する２方向の力を計測可能に構成され、前記トラバース装置は、前記２方向のうちの１つの方向に平行な軸を中心として、前記受圧体を回転させてもよい。この場合、受圧体を回転させながら、受圧体に作用する２方向の力を計測することにより、流体の挙動による受圧体への力の方向とその大きさとを三次元的に計測でき、受圧体への主作用力を三次元的に計測できる。
【００１２】
また、前記計測器は、前記受圧体に作用する力のうちの互いに直交する３方向の力を計測可能に構成されてもよい。
この場合、受圧体に作用する３方向の力を計測することにより、流体の挙動による受圧体への主作用力を三次元的に計測できる。
【００１３】
また、前記受圧体は、球状に形成されてもよい。この場合、受圧体による流体の挙動の乱れを抑制できる。
【００１４】
また、前記受圧体は、流動層内の流体の力のうちの所定の方向の力のみが主として作用する形状に形成されてもよい。
これにより、受圧体に作用する力を１方向に限定して計測できる。
この場合において、前記受圧体は、平板状に形成されてもよい。
【００１５】
また、流体の所定の方向の力から受圧体を保護する保護部材を備えてもよい。
これにより、受圧体に対する過荷重を軽減し、力検出器の損傷を防止できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の流体挙動計測装置の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の流体挙動計測装置の第１実施形態を示している。符号１１は、砂などの固体粒子を含む流体が収容された容器を示しており、この容器１１内において、例えば上方の開口から下方の開口に向けて流れる流体の流動層が形成されている。流体挙動計測装置（以後、計測装置と略称する）１０は、本例では、上記容器１１の側面に設けられた開口部に設置されている。
【００１７】
計測装置１０は、流動層内の所定の計測箇所に配置される受圧体２０と、受圧体２０を所定の方向に移動自在に支持する支持装置としてのトラバース装置２１と、受圧体２０に作用する流体の力を計測する計測器としての力検出器２２とを含んで構成されている。
【００１８】
受圧体２０は、本例では球状であり、流動層を構成する固体粒子の投影面積に比べて格段に広い投影面積を有する大きさに形成されている。また、受圧体２０は、流体から受ける力が力検出器２２に伝わるように、トラバース装置２１の先端に力検出器２２を介して取り付けられている。なお、受圧体２０とトラバース装置２１との間には、蛇腹部材２３が配設され、力検出器２２が設置される空間がシールされている。
【００１９】
トラバース装置２１は、容器１１からの流体の流出を防ぐシール部２５と、棒状に形成されかつその一端に受圧体２０及び力検出器２２が取り付けられるトラバースロッド２６と、トラバースロッド２６を容器１１に対して挿脱する方向に摺動自在に支持しかつトラバースロッド２６の軸中心に回転自在に支持する支持機構２７と、トラバースロッド２６の回転角度を示す回転角指示部２８とを含んで構成されている。ここで、支持機構２７は、例えば直動ガイド機器などを用いることにより構成できる。また、支持機構２７は、受圧体２０を移動または回転させるための駆動機器を備えるとよい。回転角指示部２８は、例えば角度表示がなされた角度表示板と、トラバースロッド２６の他端に取り付けられる指示部材等を含んで構成される。
【００２０】
力検出器２２としては、例えばロードセルなどの荷重を電気信号に変換する機器を用いることができる。本例では、力検出器２２として、所定の１方向のみの荷重を検出するロードセルが用いられる。また、力検出器２２は、受圧体２０に作用する力のうち、トラバースロッド２６の軸方向（Ｘ方向）と直交する方向、つまり容器１１に受圧体２０を挿脱する方向と直交する方向である１方向の力のみを検出するように配設される。なお、力検出器２２からの電気信号は、各種信号処理やデータ解析などを行う信号処理装置２９に送られた後、表示装置３０、及びデータ収録装置３１に送られる。
【００２１】
次に、上記構成の流体挙動計測装置１０を用いて容器１１内の流体の挙動を計測する方法について説明する。
まず、容器１１の側面のシール部２５から容器１１内に、トラバースロッド２６、及びトラバースロッド２６に取り付けられた受圧体２０を挿入する。そして、トラバースロッド２６を介して受圧体２０を流動層内で移動させ、受圧体２０を流動層内の所定の計測箇所に配置する。
【００２２】
続いて、受圧体２０に作用する流体の力（荷重）を、力検出器２２により計測する。本例では、受圧体２０に作用する力のうち、トラバースロッド２６の軸方向に垂直な所定の１方向のみの力（例えばＹ方向の力）を計測する。力検出器２２からの電気信号は、信号処理装置２９によって各種信号処理やデータ解析された後、表示装置３０に表示され、データ収録装置３１に収録される。
【００２３】
この計測時、トラバースロッド２６を介して受圧体２０を流動層内で移動させる。本例では、受圧体２０を、トラバースロッド２６の軸方向（Ｘ方向）に沿って移動させる。これにより、その軸方向（トラバースライン）に沿って、流動層内での受圧体２０に作用する流体の力の変化を計測できる。そして、この計測結果により、流動層内での流体の挙動を把握できる。
【００２４】
また、計測時、トラバースロッド２６を介して受圧体２０及び力検出器２２を、トラバースロッド２６の軸中心に３６０°回転させるとよい。この場合、回転角指示部２８によってトラバースロッド２６の回転角度が示される。そして、受圧体２０を回転させながら、受圧体２０に作用する力を計測することにより、各計測箇所において、受圧体２０に作用する流体の力の方向（ＹＺ平面内での力の方向）とその大きさが把握でき、計測箇所を中心とする３６０°周りの力の分布図を描くことが可能となる。
【００２５】
ここで、図２は、上記容器１１内における固体粒子の流動状態を想定したモデル図である。
図２（ａ）において、流動層は、「未流動ゾーン」、「流動緩慢ゾーン」、及び「散気ゾーン」に大別されているものとする。なお、「散気ゾーン」においては、気泡が生成する「活性流動ゾーン」が存在し、また「未流動ゾーン」と「散気ゾーン」の中間領域である「流動緩慢ゾーン」においては、部分的に「ダウンフロー」が生じる箇所が存在するものとする。これら各領域における固体粒子の流動状態は、それぞれに異なった挙動を示す。
【００２６】
この場合、流動層内において前述した計測装置１０の受圧体２０をトラバースロッド２６の軸方向（トラバースライン）に沿って移動させながら、受圧体２０に作用する流体の力を計測すると、力検出器２２からの電気信号の信号波形として、例えば図２（ｂ）に示すようなものが得られる。
【００２７】
図２（ａ）において、「未流動ゾーン」は、固体粒子が堆積した状態にある。また、「未流動ゾーン」と「ダウンフローゾーン」とは、境界面において、安息角をもって接している。「未流動ゾーン」の内部において、受圧体２０（図１参照）に作用する力は、静止荷重が上下（Ｙ方向）、左右（Ｘ方向）、及び前後（Ｚ方向）の各方向に釣り合った状態にあり、受圧体２０に作用する力はほとんど計測されない。ただし、受圧体２０が移動するとき、堆積した粒子から受ける反力が、作用力として計測される。
【００２８】
「未流動ゾーン」と「ダウンフローゾーン」との境界面においては、安息角に沿って粒子が流れ落ちる現象が存在する。この位置に受圧体２０が配置されると、受圧体２０を下方に流そうとする力が作用する。さらに、受圧体２０が「流動緩慢ゾーン」に入ると、下方に向かう力以外に、「活性流動ゾーン」との境界面の影響を受け、ベクトルの定まらない作用力を受ける。
【００２９】
受圧体２０が「散気ゾーン」に入ると、容器１１下方のノズルから吹き上げられる噴流により、上方に向かう力を受ける。さらに、「活性流動ゾーン」において、受圧体２０は、上方に吹き上げられる粒子と下方に落下する粒子の影響を受け、上方と下方に向かう両方の力を受ける。
【００３０】
すなわち、「未流動ゾーン」においては、受圧体２０にほとんど力（荷重）が作用しないため、力検出器２２の出力はほとんどない。また、「流動緩慢ゾーン」においては、ゆるかやかな荷重変動域から、活発な荷重変動域に移行する。さらに「散気ゾーン」においては、極めて活発な荷重移動が持続する。
【００３１】
このように、この計測装置１０では、流動層内で受圧体２０を移動させながら、受圧体２０に作用する流体の力の変化を計測することにより、混相からなる流動層の各相の流動状態など、流動層内での流体の挙動を的確に把握できる。つまり、容器１１内における粒子の挙動（静的あるいは動的）を定量的に把握できる。
【００３２】
また、この計測装置１０は、流動層内での流体の挙動が把握できることから、流動層、噴流層、移動層などを利用した、ボイラ、焼却炉、乾燥機、各種反応器等の装置内における、混相粒子の流動状況を確認するのに好ましく用いることができる。さらに、この計測装置１０を用いることにより、ボイラなどの上記各装置内における流体の流れの速さや偏流の度合いを知り、燃焼不良を生じない流動状況を確定することも可能となる。また、ボイラ、焼却炉など、燃焼を伴う装置においては、上記計測装置１０を、伝熱管の局所摩耗や伝熱性能の評価に、流動状況から判断するためのツールとして適用できる。さらに、乾燥機や各種反応器においては、上記計測装置１０を、乾燥の度合いや反応性の評価に、流動状況から判断するためのツールとして適用できる。また、上記計測装置１０は、粒子流量の実働値の計測に、計測機器としても適用できる。さらに、この計測装置１０を用いることにより、各種粉体関連機器の設計時において、精度の高い実証データを提供することが可能となる。また、各種粉体関連機器の性能評価、あるいは、不具合対策に不可欠な精度の高い実証データを取得するのにも好ましく用いることができる。
【００３３】
図３は、本発明の流体挙動計測装置の第２実施形態を示している。なお、図１に示した計測装置１０の構成要素のうち、同一の機能を有するものについては同一の符号を付し、その説明を省略する。
図３に示す計測装置４０では、先の図１に示した計測装置１０と異なり、計測器としての力検出器４１が、受圧体２０に作用する力のうちの互いに直交する２方向の力を計測可能に構成されている。本例では、力検出器４１は、トラバースロッド２６の軸方向（Ｘ方向）と、その軸方向に直交する方向（例えばＹ方向）を検出する。また、先の図１に示した計測装置１０と同様に、トラバース装置２１は、受圧体２０をトラバースロッド２６の軸中心に回転自在に支持している。
【００３４】
上記構成により、この計測装置４０では、受圧体２０を回転させながら、受圧体２０に作用する力を計測することにより、各計測箇所において、受圧体２０に作用する流体の力を三次元的に把握できる。つまり、受圧体２０の回転に伴って計測される２つの方向の力の大きさから、それらの合力の大きさとその合力の方向とを三次元的に求めることができる。さらに、その結果から、受圧体２０に作用する流体の主作用力の大きさとその方向とを三次元的に求めることが可能となる。したがって、この計測装置４０では、流動層内での流体の挙動をより正確に把握できる。なお、この場合、受圧体２０に作用する２方向の力に相当する電気信号を、Ｘ−Ｙレコーダ（あるいは、Ｘ、Ｙ入力を有するＣＲＴ）に入力することにより、主作用力の大きさと、方向とをリサージュ図形として表示することが可能となる。
【００３５】
図４は、本発明の流体挙動計測装置の第３実施形態を示している。なお、図１に示した計測装置１０の構成要素のうち、同一の機能を有するものについては同一の符号を付し、その説明を省略する。
図４に示す計測装置５０では、先の図１に示した計測装置１０と異なり、計測器としての力検出器５１が、受圧体２０に作用する力のうちの互いに直交する３方向の力を計測可能に構成されている。本例では、力検出器５１は、トラバースロッド２６の軸方向（Ｘ方向）と、その軸方向に直交する２つの方向（例えばＹ方向及びＺ方向）とを検出する。
【００３６】
上記構成により、この計測装置５０では、受圧体２０を回転させなくても、受圧体２０に作用する流体の力を三次元的に把握できる。つまり、計測される３つの方向の力の大きさから、それらの合力の大きさとその合力の方向とを求めることができる。さらに、その結果から、受圧体２０に作用する流体の主作用力の大きさとその方向とを三次元的に求めることが可能となる。したがって、この計測装置５０では、流動層内での流体の挙動を容易かつ正確に把握できる。なお、この場合、受圧体２０に作用する３方向の力に相当する電気信号を、データロガー等のスキャナーを介してパソコンに取り込み、三次元解析ソフトによる解析と、画像処理を行うことで、三次元方向の主作用力の大きさと、方向とを立体的な図形として表示することが可能となる。
【００３７】
図５は、本発明の流体挙動計測装置の第４実施形態を示している。なお、図１に示した計測装置１０の構成要素のうち、同一の機能を有するものについては同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３８】
図５に示す計測装置６０では、先の図１に示した計測装置１０と異なり、流体の所定の方向の力から受圧体２０を保護する保護部材６１が配設されている。保護部材６１は、受圧体２０を間に挟んでトラバースロッド２６の先端に配置される保護キャップ６２と、保護キャップ６２をトラバースロッド２６に固定する支持ビーム６３とを含んでいる。保護キャップ６２は、円錐あるいは角錐などの尖鋭状に形成され、鋭角を先端に向けて、トラバースロッド２６と中心軸がほぼ一致するように配置される。また、支持ビーム６３は、図６（ａ），（ｂ）に示すように、柱状に形成され、複数（ここでは４ケ）が互いに離間して配置されている。なお、図５の例では、図３に示した例と同様に、計測器としての力検出器４１は、受圧体２０に作用する力のうちの互いに直交する２方向の力を計測可能に構成されている。
【００３９】
上記構成により、この計測装置６０では、トラバースロッド２６の軸方向に、受圧体２０を容易に移動させることができる。つまり、尖鋭状の保護キャップ６２によって受圧体２０を移動させる際の抵抗が軽減される。
【００４０】
また、この計測装置６０では、保護部材６１によって、受圧体２０に対してトラバースロッド２６の軸方向に流体の力が作用するのが軽減される。これにより、受圧体２０を介して力検出器２２に伝わる過荷重が防止され、力検出器２２の損傷が防止される。
【００４１】
なお、上記各構成例では、受圧体の形状を球状としているが、受圧体の形状は球状に限定されるものではなく、他の形状でもよい。受圧体が、球体、楕円体、立方体など、流体からの複数の方向の力を受ける面を有する形状の場合、上述したように、２方向あるいは３方向の力検出器と組み合わせることで、主作用力の方向と大きさを検出することが可能となる。
【００４２】
ここで、流動層内に受圧体を配置して、その受圧体に作用する流体の力を正確に求めるには、予め校正を行うのが好ましい。この場合、受圧体が、流体からの複数の方向の力を受ける面を有する形状（例えば上述した受圧体２０のように球状である場合など）に形成されていると、精度の高い校正試験が必要となりやすい。つまり、受圧体が、流体からの複数の方向の力を受ける面を有する場合、受圧体への主作用力を算出する際には受圧体に作用する力の合力を求める必要がある。そのため、校正のための演算が複雑になりやすい。さらに、試験装置の基準値（粒子速度、粒子の嵩密度、衝突時のエネルギー等）の設定が困難となりやすい。この場合、受圧体を、図７に示すように、平板状に形成してもよい。
【００４３】
図７において、受圧体７０は、トラバースロッド２６の軸方向と直交する方向に受圧面７０ａ，７０ｂを有して形成されている。受圧面７０ａ，７０ｂの形状は、図８に示すように、例えば四角形（ａ）や円状（ｂ）に形成される。受圧体７０が平板状に形成されることから、この受圧体７０は、流体の力に対して指向性を有する。力検出器７１は、受圧面７０ａ，７０ｂの指向性と一致するように、受圧面７０ａ，７０ｂに垂直な方向の力（荷重）を検出可能に配置される。
【００４４】
上記構成により、この計測装置では、主に、流動層内の流体の力のうちの所定の方向の力のみが受圧体７０に作用する。これにより、この計測装置では、受圧体７０に作用する流体の力をほぼ１方向に限定して計測できる。また、受圧体７０を回転させながら、受圧体７０に作用する力を計測することにより、受圧体７０に作用する流体の主作用力の大きさとその方向とをより正確に求めることが可能となる。
【００４５】
ここで、図９は、平板状の受圧体を回転させながら流動層内の流体の力を計測する様子を示す図である。
受圧体７０を回転させながら、受圧体７０に作用する力を計測する場合、主作用力の方向に対して、正面側の受圧面７０ａと裏面側の受圧面７０ｂとが正対した位置、すなわち、１８０度位相が異なる位置（角度）において、作用力の極性が異なる極大値が検出される。この極大値が検出される位置を特定することにより、流体の主作用力の方向（流体を構成する固体粒子の作用力が最も大きな方向）を正確に求めることができる。また、受圧体７０をトラバースロッド２６（図７参照）の軸方向に移動させる場合に、受圧体７０に作用する流体の軸方向の力を軽減できる。
【００４６】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、この流体挙動計測装置によれば、計測器によって受圧体に作用する流体の力を計測することにより、その計測箇所における流体の挙動を把握できる。したがって、流動層内の流体の挙動をより正確に把握できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る流体挙動計測装置の第１実施形態を示す全体構成図である。
【図２】  容器内における固体粒子の流動状態を想定したモデル図である。
【図３】  本発明に係る流体挙動計測装置の第２実施形態を示す全体構成図である。
【図４】  本発明に係る流体挙動計測装置の第３実施形態を示す全体構成図である。
【図５】  本発明に係る流体挙動計測装置の第４実施形態を示す全体構成図である。
【図６】  （ａ）は保護部材を示す側面図、（ｂ）は正面図である。
【図７】  （平板状の受圧体を備える流体挙動計測装置の一例を示す部分拡大図である。
【図８】  平板状の受圧体の一例を示す平面図である。
【図９】  平板状の受圧体を回転させながら流動層内の流体の力を計測する様子を示す図であり、（ａ）は受圧体に作用する力の様子、（ｂ）は計測波形を示している。
【符号の説明】
１０，４０，５０，６０  流体挙動計測装置
２０，７０  受圧体
２２，４１，５１，７１  力検出器（計測器）
２１  トラバース装置（支持装置）
２６  トラバースロッド
６１  保護部材
【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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