(57)【要約】【課題】ボイド分布の影響が少なく、水質によらず全領域のボイド率を計測可能で、計測精度を向上させることができ、かつ計測器・システムを簡易化できるマイクロチャンネルのボイド率計測方法及びその装置を提供する。【解決手段】予め、空気／水の混合比を変化させた複数の二相流について、ボイド率と静電容量との関係を計測特性式として求めておき、次に、未知の空気／水二相流についての静電容量測定結果を計測特性式に照らすことによりボイド率を求める。計測特性式は、１〜６ｍｍ径のマイクロチャンネル（細管）内に設けられたリング電極又は８ｍｍ径の細管内に設けられた対向ワイヤ電極８にＬＣＲメーター１１、ボイド率Ｄ／Ａ変換器１３、データ収録器１５を直列に接続した装置によって求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロチャンネル内の気体／液体二相流のボイド率を計測する方法であって、予め、気体／液体混合比を変化させた複数の二相流についてのボイド率と静電容量とを計測してボイド率と静電容量との関係を計測特性式として求めておき、次に、未知の気体／液体二相流のボイド率について、その静電容量測定結果を計測特性式に照らして求めることを特徴とするマイクロチャンネルのボイド率計測方法。
【請求項２】
前記マイクロチャンネルの径が１〜４ｍｍであり、前記マイクロチャンネル内の一対のリング電極によって未知の二相流の静電容量を測定し、一定の直線となるボイド率に対する静電容量の計測特性式に照らして未知のボイド率を求めることを特徴とする請求項１記載のマイクロチャンネルのボイド率計測方法。
【請求項３】
前記マイクロチャンネルの径が８ｍｍ以上であり、前記マイクロチャンネル内の対向ワイヤ電極によって未知の二相流の静電容量を測定し、双曲線となるボイド率に対する静電容量の計測特性式に照らして未知のボイド率を求めることを特徴とする請求項１記載のマイクロチャンネルのボイド率計測方法。
【請求項４】
前記マイクロチャンネルの径が１〜２ｍｍであり、未知の二相流の静電容量について１分間データを取得し、それを平均化する時間平均計測を行うことを特徴とする請求項２記載のマイクロチャンネルのボイド率計測方法。
【請求項５】
前記マイクロチャンネルの径が１〜２ｍｍであり、更に水の粘性低下成分を添加することを特徴とする請求項２記載のマイクロチャンネルのボイド率計測方法。
【請求項６】
水流速を１ｍ／ｓ以上として計測を行うことを特徴とする請求項１記載のマイクロチャンネルのボイド率計測方法。
【請求項７】
１〜４ｍｍ径のマイクロチャンネル内に、絶縁管と、当該絶縁管を挟むように、一対のリング電極とを設け、当該リング電極に高周波電源を接続することを特徴とするマイクロチャンネルのボイド率計測装置。
【請求項８】
前記絶縁管の長さをマイクロチャンネルの管径以下にすることを特徴とする請求項７記載のマイクロチャンネルのボイド率計測装置。
【請求項９】
８ｍｍ以上の径のマイクロチャンネル内に、絶縁管内壁と、当該絶縁管内壁に配した一対の対向ワイヤ電極とを設け、当該対向ワイヤ電極に高周波電源を接続することを特徴とするマイクロチャンネルのボイド率計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射装置、小型熱交換器等の自動車付属機器、コンピュータ冷却用超小型冷却器等を設計試作する際に有用なマイクロチャンネルのボイド率計測方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超小型熱交換器等のマイクロチャンネルを含む装置の設計製作では、流動様式の把握のためマイクロチャンネル内の気体／液体二相流のボイド率を計測することが必要である。
【０００３】
細管（マイクロチャンネル）内のボイド率を計測する方法として、従来は、気体／液体二相流の電気抵抗・Ｒ成分を計測する方法が用いられている（非特許文献１，２参照）。
【非特許文献１】瞬時計測型流路断面平均ボイド率計の開発（JAERI-Research 2000-043:渡辺博典、井口正）
【非特許文献２】瞬時計測型流路断面平均ボイド率計の開発ＢＷＲ条件への適用（JAERI- Research 2001-032：井口正、渡辺博典）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の気体／液体二相流の電気抵抗・Ｒ成分を計測する方法は、予め、複数の気体／液体二相流のボイド率と電気抵抗とを計測してボイド率と電気抵抗との関係を計測特性式として求めておき、未知の気体／液体二相流のボイド率について、その電気抵抗測定結果を計測特性式に照らして求める方法である。
【０００５】
しかしながら、この二相流の電気抵抗・Ｒ成分を計測する方法では、計測特性式がボイド分布の影響を受けて定関数にならずに複雑となるため、計測の際に十分な精度を確保できなかった。また、ボイド率領域毎、流速毎に複数の関数を組み合わせて用いなければならないという不都合があった。
【０００６】
更に、上記方法では、水質を導電性にする必要があること、ボイド率の計測範囲が０〜７０％程度までと限定されてしまうことなど、計測上制限があった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ボイド分布の影響が少なく、水質によらず全領域のボイド率を計測可能で、計測精度を向上させることができ、かつ計測器・システムを簡易化できるマイクロチャンネルのボイド率計測方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の問題点を解決するため鋭意研究を行った結果、気体／液体二相流のボイド率と静電容量（Ｃ）とが電極形状により一定の直線関係又は一定の双曲線関係
【数１】
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になるとの知見を得た。本発明は、かかる知見に基づいて完成させたものである。
【０００９】
即ち、本発明のマイクロチャンネルのボイド率計測方法は、マイクロチャンネル内の気体／液体二相流のボイド率を計測する方法であって、予め、気体／液体混合比を変化させた複数の二相流についてのボイド率と静電容量とを計測してボイド率と静電容量との関係を計測特性式として求めておき、次に、未知の気体／液体二相流のボイド率について、その静電容量測定結果を計測特性式に照らして求めることを特徴とする。
【００１０】
前記マイクロチャンネルの径が１〜４ｍｍの場合は、前記マイクロチャンネル内の一対のリング電極によって未知の二相流の静電容量を測定し、一定の直線となるボイド率に対する静電容量の計測特性式に照らして未知のボイド率を求めることができる。
【００１１】
前記マイクロチャンネルの径が８ｍｍ以上の場合は、前記マイクロチャンネル内の対向ワイヤ電極によって未知の二相流の静電容量を測定し、一定の双曲線となるボイド率に対する静電容量の計測特性式に照らして未知のボイド率を求めることができる。
【００１２】
前記マイクロチャンネルの径が１〜２ｍｍの場合は、未知の二相流の静電容量について１分間程度データを取得し、それを平均化する時間平均計測を行うことが好ましい。
【００１３】
前記マイクロチャンネルの径が１〜２ｍｍの場合は、更に水の粘性低下成分を添加することが好ましい。
【００１４】
また、水流速を１ｍ／ｓ以上として計測を行うことが好ましい。
【００１５】
更に、本発明のマイクロチャンネルのボイド率計測装置は、１〜４ｍｍ径のマイクロチャンネル内に、絶縁管と、当該絶縁管を挟むように、一対のリング電極とを設け、当該リング電極に高周波電源を接続することを特徴とする。
【００１６】
前記絶縁管の長さをマイクロチャンネルの管径以下にすることが好ましい。
【００１７】
また、本発明のマイクロチャンネルのボイド率計測装置は、８ｍｍ以上の径のマイクロチャンネル内に、絶縁管内壁と、当該絶縁管内壁に配した一対の対向ワイヤ電極とを設け、当該対向ワイヤ電極に高周波電源を接続することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電極としてリング電極又はワイヤ電極を用い、高周波電源を当該電極に印加して電極間の気体／液体二相流の静電容量を計測し、ボイド率に換算する計測法を用いることにより、水質によらず０〜１００％までの全領域の平均ボイド率計測が可能となる。また、計測特性が簡素な一定関数となるため計測精度の向上が達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係るマイクロチャンネルのボイド率計測方法は、予め、気体（空気）／液体（水）混合比を変化させた複数の二相流についてのボイド率と静電容量とを計測してボイド率と静電容量との関係を計測特性式として求めておき、次に、未知の気体／液体二相流のボイド率について、その静電容量測定結果を計測特性式に照らして求める方法である。
【００２０】
従来のボイド率計測方法は電気抵抗計測法を用いていたが、水質が導電性とする必要がある、計測範囲が限定される、計測特性式が非定関数となる、などの制限があった。本発明に係るマイクロチャンネルのボイド率計測方法では、所定形状の電極に高周波定電圧を流体に印加して水相当分の静電容量を増幅計測することにより、ボイド率との関数関係は定関数特性となり、水質によらず、全領域のボイド率が計測できる。
【００２１】
電極に関しては、管径の小さい細管では、気体／液体二相流の流動を阻害しないリング電極を採用することが好ましい。一方、比較的管径の大きな細管では対向設置のワイヤ電極を用いることが好ましい。
【００２２】
細管内にリング電極の上下配置時のボイド率計測では、直線的な計測特性式となることから、電気回路的にはコンデンサ・Ｃの並列結合時の合成抵抗の計測に同等と想定できる。また、対向ワイヤ電極では空間領域内Ｃの合成抵抗の計測と同等と想定され、特性式は双曲線を予想できる。
【００２３】
（マイクロチャンネルのボイド率計測装置の構成）
図１に、本発明に係るマイクロチャンネルのボイド率計測方法を実施するためのボイド率計測装置の一実施形態を示す。
【００２４】
本装置は、１，２，６，８ｍｍ径のマイクロチャンネル（細管）内のボイド率（気液体積比）を計測し、計測特性式を求めるためのものである。細管１，３，５は、それぞれ４，１，２ｍｍの径を有しており、これらの細管１，３，５のボイド率計測部２においては、金属細管１，３，５内に絶縁管４（計測管）を挟み込み、この上下にリング電極６を接続する構造であり、リング電極６に高周波定電圧電源を印加して絶縁管内の気体／液体二相流の静電容量（Ｃ）を計測する。また、８ｍｍ径の細管７の場合は、絶縁管１２内壁に対向ワイヤ電極８を取り付けて、他の細管とは異なる電極配置としている。
【００２５】
リング電極６及び対向ワイヤ電極８には、ＬＣＲメーター１１、ボイド率Ｄ／Ａ変換器１３、データ収録器１５が直列に接続され、電極に高周波定電圧を印加することにより、気体／液体二相流中の水体積分に相当する静電容量を計測できるようにされている。ボイド率Ｄ（デジタル信号（bit））／Ａ（アナログ信号(電圧や電流)）変換器１３では、ワイヤ電極体系の計測結果を実ボイド率に変換する高速度変換機能を有している。データ収録器１５では、実ボイド率がリアルタイムで出力される。
【００２６】
また、本装置では、水と空気の流量を調整して任意のボイド率を設定できるよう構成されている。即ち、水については、水ポンプ２１から水流量計２３を介し、水流量調節弁２５を通じて各細管１，３，５，７に流入され、一方、空気については、空気タンク３１から空気流量計３３を介し、空気調節弁３５を通じて、空気流入ノズル３７から各細管１，３，５，７に流入されるように構成されている。ここで、空気注入は細管の流路中心に空気が注入できるように、空気流入ノズル３７は細管の中心部に取り付けてある。水と空気は各細管１，３，５，７中を下から上に流れた後、気水分離器３９により水と空気が分離され、水タンク４１に回収されるようにされている。
【００２７】
更に、各細管１，３，５，７の上部と下部にはそれぞれ、クイックコネクタ４３，４５が設けられ、各細管１，３，５，７を取り外して、各細管内にある水の重量を精密天秤４７で測定し、実ボイド率に換算できるようにされている。
【００２８】
（リング電極６）
図２（ａ）に、リング電極の拡大図を示す。ボイド率計測部２のＣ計測法では、絶縁管４の長さが短いほど静電容量Ｃは大となるため、絶縁管４の長さを管径（１〜４ｍｍ）以下にすると、満水時に１ｐＦ以上に達し、ＳＮ比（シグナル／ノイズ比）が大きくなって計測感度が確保できる。従ってマイクロチャンネルの静電容量計測では、計測感度を向上させるためリング電極６に挟み込む絶縁管４の長さを可能な限り短くすることが好ましい。これに対して、細管満水時に０．５ｐＦ以下では、計測特性が非関数形となるため好ましくない。
【００２９】
また、計測精度を向上させるためには、気液の静電容量比（Ｃｇ／Ｃｌ）を大きくする必要があるが、このためにも絶縁管４の長さを小さくすることが有効である。以上のことより、短型絶縁管を採用することが好ましい。
【００３０】
（対向ワイヤ電極８）
細管径が８ｍｍ程度と大きくなる場合は、絶縁管１２の内壁に対向ワイヤ電極８を取り付けて計測を行うことができる。図２（ｂ）に、対向ワイヤ電極の拡大図を示す。この対向ワイヤ電極８では、断面方向のボイド分布や流れ方向のボイド分布を平均化して計測することができる。
【００３１】
（ガード電極）
高温高圧装置の実計測では、ボイド率計測部２以外にキャリア信号が分流しないように、電極の外側に更にガード電極（図示せず）を取り付けて電圧を印加すると、計測精度を向上させることができる。
【００３２】
（計測方法）
マイクロチャンネル（細管）内のボイド率（気液体積比）の計測方法では、使用水として純水（１μＳ／ｃｍ）を用い、水流速を一定に保ち、空気調節弁３５を調節して空気注入量を変化させて任意のボイド率を設定して行うことができる。静電容量は、ＬＣＲメーター１１を用いて電極に高周波定電圧を印加して、二相流中の水体積分に相当する静電容量を計測する。周波数としては、０．５〜１．５ＭＨz、特に１ＭＨzとすることが好ましい。
【００３３】
（校正試験）
真のボイド率（気液の体積比）と計測信号に基づく実ボイド率とを比較する校正試験を行うには、ボイド率相当のＣ計測信号を取得した後、電極を取り付けてある高さ方向長が１．２ｍのチューブ（配管）を急速閉止後、各細管１，３，５，７をクイックコネクタ４３，４５の部分で取り外して、各細管１，３，５，７中の二相流の水重量を精密天秤４７で精密秤量（計測単位０．００１ｇ）する。配管内がすべて水の場合の重量との比率から真のボイド率を算出することができる。
【００３４】
（時間平均ボイド率の計測）
径が１〜２ｍｍ程度の微細管では、流れ方向の流動様式が高ボイド率域では気液不連続流となるため、１分間のデータを取得してそれを平均化する時間平均計測を行うことが好ましい。このため、ＬＣＲメーター１１は時間平均計測（ＬＣＲ系内蔵モード）を採用することが好ましい。
【００３５】
（水質調節）
静電容量の計測では水質を純水にし、Ｒ成分の計測では水質を導電性にする。径が１〜２ｍｍ程度の微細管では高ボイド率域で液膜が形成されやすく液膜成分がボイド率に加算される可能性があるため、ボイド率成分を計測する目的でエチルアルコール等を添加し粘性を低下させて水質を調整し、液膜成分を排除することが好ましい。
【００３６】
（リング電極体系での計測特性式）
後述する実施例１からも明らかな通り、リング電極体系の計測特性式は、１ｍｍ微細管から６ｍｍ細管で直線となる。リング電極体系では、Ｒ計測法がボイド分布の影響を受けやすく不安定な曲線状特性になるのに対して、静電容量計測法では分布の影響を殆ど受けず、計測特性線が直線となり、しかも純水使用が可能で水質の制限がないため、実用的な計測法である。なお、径が１〜２ｍｍ程度の微細管の場合は、流れ方向の流動様式が高ボイド率域では気液断続流となるため、時間平均計測（ＬＣＲ系内蔵モード）を行うと、安定した計測結果が取得できる。
【００３７】
（高温高圧条件下での計測特性式）
計測特性式の高温高圧条件下での適用性については実験的に確認する必要があるが、電磁気学的には気液の静電容量変化は温度の変化に対してほぼ追随して線形変化すること、及び、空間領域のボイド率計測特性式は大気圧試験結果と高温試験結果では変わらないことを試験で確認済みであることから、リング電極の特性式も大気圧条件と同じと考えられる。但し、気液の密度比は高温では小さくなるので計測感度は低下する。
【００３８】
（ワイヤ電極体系での計測特性式）
ワイヤ電極体系での計測特性式は、断面方向、流れ方向のボイド率を平均的に計測するため空間領域の計測に相当し、後述する実施例５からも明らかな通り、不安定流動が生じやすい中細管（８ｍｍ径）で一定の双曲線
【数２】
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になる。ワイヤ電極長を細管径の１０倍程度にすると、断面方向、流れ方向の３次元的計測となり、ボイド率の平均的計測を行うことになると考えられる。
【実施例】
【００３９】
［実施例１］
（細管径の効果）
図１に示すボイド率計測装置において、細管１，３，５を用い、絶縁管長ｈを細管内径に合わせ、循環水流速Ｕを１ｍ／ｓｅｃとして、ボイド率が０．０５から０．９２の範囲でボイド率と静電容量との関係を求める計測特性試験を実施した。
結果を図３に示す。図３の計測特性図より、リング電極を用いた静電容量計測法では、細管径によらず特性式はほぼ一定の直線になること、特に細管径が１ｍｍ，２ｍｍについての特性式は一定の直線になることが分かった。また、細管径が４ｍｍ，６ｍｍでは低ボイド率域（０．４以下）で直線式より最大７％小さい特性となった。これより、細管径が小さいと直線性が向上することが確認できた。高温高圧条件下では流動様式が安定し計測特性はより直線に近づくと考えられるため、直線式適用性は適切である。以上の事より、リング電極・静電容量計測法では細管径が小さいほど計測能力を発揮すると考えられる。
【００４０】
［実施例２］
（電極絶縁管長ｈの効果）
図１に示すボイド率計測装置において、細管径を２ｍｍと固定して、循環水流速Ｕを１ｍ／ｓｅｃとし、電極絶縁管４の長さｈを２．５ｍｍと６ｍｍの２種類で電極絶縁管長特性試験を実施した。
結果を図４に示す。図４の計測特性図より、電極絶縁管４の長さｈが２．５ｍｍでは４５度の直線式に合致するが、ｈが６ｍｍでは計測値は直線に沿って大きく蛇行する曲線で計測特性線にはならなかった。この原因はｈが大きいと静電容量が小さくなり（Ｃｇ／Ｃｌ＝０．３３／０．７１で絶対値が小さい）ＳＮ比が小さくなるためと考えられる。静電容量計測法では満水時に１ｐＦ以上確保する必要があるため、ｈは管径程度が最適長であると考えられる。
【００４１】
［実施例３］
（循環水流速Ｕの効果）
図１に示すボイド率計測装置において、細管径を６ｍｍ、電極絶縁管４の長さｈを５ｍｍと固定して、循環水流速Ｕを２ｍ／ｓと０．５ｍ／ｓの２種類で電極絶縁管長特性試験を実施した。
結果を図５に示す。図５の計測特性図より、水流速が高速時（１ｍ／ｓ以上）では計測特性はほぼ直線であるが、低流速時（０．５ｍ／ｓ）ではボイド分布が発生する中間領域（ボイド率が０．３〜０．５の範囲）で直線より最大７％小さく乖離することが確認された。これより、低流速時には計測特性線の適用時には誤差を含む可能性があり、注意を要することが分かった。
【００４２】
［実施例４］
（水質（粘性）の効果）
純水による静電容量計測法では、細管径を１ｍｍ、絶縁管長ｈを１ｍｍ、循環水流速Ｕを１ｍ／ｓｅｃとした場合、図６に示すように、高ボイド率域で一定の直線に対して１０％上にシフトした。これは、高ボイド率域では液膜も同時に計測するためと考えられる。純水を用いる場合はこのシフト分を補正する必要がある。このため、純水にアルコールを添加し水質の粘性を低下して水質を調整し、液膜の影響を排除して測定した結果を図６に示す。この結果、計測特性が一定の直線となった。
なお、高温条件下では水の粘性が低下するため、液膜の形成しやすい微細管でも計測特性はより直線に近づくと考えられる。
【００４３】
［実施例５］
（電極体系の効果）
図１に示すボイド率計測装置において、対向ワイヤ電極（１１ｃｍＬ）を有する８ｍｍ径の細管７を用いて、循環水流速Ｕを１ｍ／ｓｅｃとして、ボイド率と静電容量との関係を求める計測特性試験を実施した。
結果を図７に示す。図７の計測特性図より、細管径が比較的大きい８ｍｍにおいて絶縁管内壁に対向ワイヤ電極を取り付けた電極体系の計測特性式は、空間領域の計測特性と同じ一定の双曲線
【数３】
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となることが確認できた。対向ワイヤ電極では断面平均ボイド率計測、流れ方向の流動についても平均ボイド率計測を行うため、流動様式が断面方向のボイド分布や流れ方向断続流などの不安定流動時の計測に効力が大と考えられる。
【００４４】
［比較例１］
（Ｒ計測法（従来の計測法））
リング電極体系で導電水を使用し、細管径が２ｍｍ，４ｍｍについてＲ計測法特性試験を実施した。静電容量式ではＳＮ比を上げるため電極絶縁管長を短くするが、Ｒ式では２０ｍｍとした。計測特性式は図８の試験結果に示すように，計測特正線はボイド分布の発生する中ボイド率域で計測感度が低下する蛇行状双曲線特性であった。計測特性が蛇行状となる原因は、ボイド分布が発生すると導体Ｒの等価回路は複雑な合成回路が形成され、キャリア電流のパスが長くなるためと考えられる。計測特性式は、細管径が小さいほど大きく蛇行する特性となるため、細管径ごとの固有特性式となる。これより、Ｒ計測法では、Ｃ計測法に比べてボイド分布の影響を受けやすいことが確認された。
【産業上の利用の可能性】
【００４５】
本発明のマイクロチャンネルのボイド率計測方法及びその装置は、燃料噴射装置、小型熱交換器等の自動車付属機器、コンピュータ冷却用超小型冷却器等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施形態のボイド率計測装置を示す全体図である。
【図２】（ａ）はリング電極を示す拡大正面図、（ｂ）は対向ワイヤ電極を示す拡大断面図である。
【図３】実施例１による、細管径を変化させた場合のボイド率と静電容量との関係を示す計測特性試験結果である。
【図４】実施例２による、電極絶縁管長ｈを変化させた場合のボイド率と静電容量との関係を示す計測特性試験結果である。
【図５】実施例３による、循環水流速Ｕを変化させた場合のボイド率と静電容量との関係を示す計測特性試験結果である。
【図６】実施例４による、水質（粘性）を変化させた場合のボイド率と静電容量との関係を示す計測特性試験結果である。
【図７】実施例５による、対向ワイヤ電極を用いた場合のボイド率と静電容量との関係を示す計測特性試験結果である。
【図８】比較例１による、Ｒ計測法を用いた場合のボイド率と静電容量との関係を示す計測特性試験結果である。
【符号の説明】
【００４７】
１，３，５，７  細管
２    ボイド率計測部
４，１２    絶縁管
６    リング電極
８    対向ワイヤ電極
１１  ＬＣＲメーター
１３  ボイド率Ｄ／Ａ変換器
１５  データ収録器
２１  水ポンプ
２３  水流量計
２５  空気調節弁
３１  空気タンク
３３  空気流量計
３５  空気調節弁
３７  空気流入ノズル
３９  気水分離器
４１  水タンク
４３，４５  クイックコネクタ
４７  精密天秤
【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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