JP5182606B2 - 流体加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体加熱装置を用いた流体加熱方法に係り、更に詳細には、圧力を制御して流路内の流体（燃料）の熱伝導率を高く維持することにより、流路内壁近傍の局所的な加熱による燃料の焦げ付きを回避しうる流体加熱装置を用いた流体加熱方法であって、燃料加熱装置の小型化を実現する技術に関する。

従来、流体加熱装置おいては、燃料流路にデポジット（焦げ付き）が生じた後、圧力を上げることによりデポジットを吹き飛ばす技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１８３４６９号公報

金属管内を流れる流体を金属管外から加熱する場合、管壁近傍は熱により分子運動が激しくなり、分子が気体状になると考えられる。即ち密度が低下するため、流体の熱伝導率が著しく低下すると思われる（図１参照）。この結果、管壁近傍の流体には熱がこもり局所的に加熱され、焦げ付きが生じることとなる。

流体が炭化水素やアルコールなどの燃料であるときは、一部分ではあるが非常に高温になる分子（ホットスポット）が存在することが観測された。それが熱分解を起こし炭素析出を起こすと本発明者らは考えた（図２参照）。

この対応策として、本発明者らは、流体の圧力を高めることで、管壁近傍の密度が保持され、流体の熱伝導率の低下が回避されるため、局所加熱を回避でき、炭素析出を抑制できることを見出した（図３参照）。

本発明は、このような従来技術の有する課題及び新たな知見に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、流路の局所加熱を回避し、炭素析出（焦げ付き、コーキングの発生）を抑制しうる流体加熱装置を用いた流体加熱方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、流体の熱伝導率が低下しないように圧力を制御することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の流体加熱方法は、流路内の流体を目標温度に加熱する流体加熱装置であって、該流体を加熱する流体加熱手段と、該流体の温度を計測する流体温度計測手段と、目標圧力となるように該流路内の圧力を制御する圧力制御手段と又は、該流体を加熱する流体加熱手段と、該流体の温度を計測する流体温度計測手段と、目標圧力となるように該流路内の圧力を制御する圧力制御手段と、流通する流体の情報を記録する手段とを有し、該圧力制御手段が、該流路内の流体を該目標温度まで加熱する間であって、該流体の流れ方向の上流側と下流側の流体の温度差が所定値を超えるときに、該目標圧力を上げる流体加熱装置を用いた流体加熱方法であって、圧力制御手段により、流体の圧力が臨界圧力以上になるように制御し、圧力制御手段により、流路の内壁及びその近傍に存在する流体の熱伝導率が０．０６Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以上となるように圧力を制御することを特徴とする。

本発明によれば、流体の熱伝導率が低下しないように圧力を制御することとしたため、流路の局所加熱を回避し、炭素析出（焦げ付き、コーキングの発生）を抑制しうる流体加熱装置を用いた流体加熱方法より、流体を加熱する領域を小さくすることなどが可能となり、流体加熱装置を小型化することができる。

以下、本発明で用いる流体加熱装置について詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、濃度、含有量、充填量などについての「％」は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。

上述の如く、本発明で用いる流体加熱装置は、流路または流路外に設けた流体加熱手段と、流路内に設けた温度計及び圧力制御手段とを有する。
これらにより、流路内の流体を、圧力を制御しながら目標温度まで加熱し、流路の上流側から下流側にかけて、該流体の温度分布差を縮小しうる。

この結果、流体の素性がわかっているときには、流体の臨界圧力以上となるように圧力を制御して流路の局所加熱を回避しうる。
例えば、流体としての燃料を加熱するときに、燃圧が低い場合は燃料が沸騰し、気体となる。このとき、気体となった部分は急激に熱伝導率が低下するため、気体状態部分とヒーター間に存在する流体は、気体状態部分へ熱が伝わらないことにより、局所的に加熱されるため、焦げ付いてコーキングを発生し易い。従って、このような気体が発生しないように燃料を加圧することで、コーキングの発生が抑制される。

ここで、本発明で用いる流体加熱装置において、上記流体としては、例えば、軽油、ガソリン、ヘプタン、エタノール、エーテル、エステルなどを使用できる。
また、上記流路としては、例えば、インコネル製、ハステロイ製、チタン合金製、ステンレス製などの金属管を使用できる。
なお、上記流路中の流体は、圧力を制御できる限り、流量、流速などは特に限定されない。

更に、上記流体加熱手段としては、例えば、電気ヒーターや熱交換器などを使用できる。加熱は管全体を均一に加熱することが好ましい。
更にまた、上記温度計としては、例えば、熱電対やＰｔ測温抵抗体などを使用できる。
また、上記圧力制御手段としては、例えば、圧力ポンプ、圧力保持弁、圧力センサー等を有するものなどを使用できる。

また、本発明で用いる流体加熱装置においては、上記流路内に、流通する流体の情報を記録する手段を設けることが好ましい。
このときは、流体の素性がわかっていないときや、流体を構成する物質の組成が変動したりするときであっても、動的に圧力を制御して流路の局所加熱を回避しうる。
ここで、動的な圧力制御とは、要するにフィードバック制御をかけることを意味する。即ち、このような圧力制御の結果、温度分布が良くなった（小さくなった）かをフィードバックして、圧力制御方法を修正することができる。例えば、臨界点が分かっていない流体、あるいはガソリンなど給油するたびに組成が変わって臨界点が変わってくるような場合に採用できる。具体的には、流路上流部と下流部に温度センサーを設置し、その温度差を検出することができる。温度差が許容値（システムの既定値）を超えた場合は、熱伝導率が悪い（＝気体になってしまった）と判断し、より圧力を高めるように制御を変える。温度差が許容以内にあるが、両方の温度が目標温度（システムの設定値）を超えた場合は、熱伝導率が良すぎる（＝高密度かつ低粘性の超臨界流体になっている）と判断し、圧力をすこし低くするように制御を変える。

ここで、本発明で用いる流体加熱装置を図面を用いて説明する。
図１１は、本発明で用いる流体加熱装置の一実施形態であって、ヒーターの一部を切断して示した斜視説明図である。同図に示すように、本実施形態で用いる流体加熱装置は、高圧ポンプ１０と、圧力センサー２０と、加熱室３０と、ヒーター４０と、流体温度計測手段の一例である熱電対５１、５２、５３及び５４と、圧力保持手段６０（例えばキャピラリーや保圧弁など）と、燃料取り入れ部７１と燃料取り出し部７２とを備える。また、加熱室３０とヒーター４０は協働して、流体加熱手段として機能する。更に、高圧ポンプ１０と圧力センサー２０と圧力保持手段６０は協働して、圧力制御手段として機能する。
なお、圧力保持手段６０は、必要に応じて冷却器を備えさせてもよい。

本実施形態で用いる流体加熱装置においては、燃料取り入れ部７１から取り入れられた燃料が、ヒーター４０により加熱されている加熱室３０において、目標温度にまで加熱される。
そして、加熱室３０内の燃料の温度が目標温度に達するまでの間であって、流体の流れ方向における上流側に設置された熱電対５１及び５２の測温部位５１ａ及び５２ａの温度及び温度差から予測される予測温度を、下流側に設置された熱電対５３及び５４の測温部位５３ａ及び５４ａの測定温度から差し引いた値が負のときには、高圧ポンプ１０と圧力センサー２０と圧力保持手段６０とが協働して、目標圧力を上げる圧力制御を行う。また、目標温度にまで加熱された燃料が燃料取り出し部７２から取り出される。
なお、熱電対５１は、ヒーター４０側から見て触媒層を挟んで反対側の触媒層近傍の流体中に、熱電対５２は、熱電対５１に対してヒーター４０と反対側の位置の流体中にある。

また、上述した流体加熱装置における制御フローの一例を図面を用いて説明する。
図１２は、上述した流体加熱装置における制御フローの一例を示すフローチャートである。
まず、ＳＴＡＲＴからＳＴＥＰ１（以下、「Ｓ１」のように略記する。）に進む。
Ｓ１において、熱電対５１により測温部位５１ａの触媒近傍の流体温度Ａ１を、及び熱電対５２により測温部位５２ａの流体温度Ａ２を検知して、Ｓ２に進む。
Ｓ２において、熱電対５３により測温部位５３ａの触媒近傍の流体温度Ｂ１を、及び熱電対５４により測温部位５４ａの流体温度Ｂ２を検知して、Ｓ３に進む。
Ｓ３において、圧力センサー２０により圧力Ｐを検知して、Ｓ４に進む。

Ｓ４において、昇圧指示通り（目標圧力）に昇圧されたか否か判断し、昇圧された場合（ＹＥＳの場合）は、Ｓ５に進む。一方、Ｓ４において、昇圧指示通り（目標圧力）に昇圧されたか否か判断し、昇圧されていない場合（ＮＯの場合）は、Ｓ１１に進む。

Ｓ５において、検知した温度Ａ１と温度Ａ２とから、温度中間値ＭＡ及び温度差ＤＡを算出して、Ｓ６に進む。
Ｓ６において、検知した圧力Ｐと算出した温度中間値ＭＡとから、熱伝導率ＴＣ及び流体の比熱ＨＣを予測して、Ｓ７に進む。

Ｓ７において、算出した温度差ＤＡと、予測した熱伝導率ＴＣと距離ｄ１（測温部位５１ａと測温部位５２ａの距離である。）との積から伝熱量Ｑを算出する。また、測温部位５１ａ、５２ａ、５３ａ、５４ａの中心の線速度Ｒを測温部位５１ａ及び５３ａ間の距離ｄ２で割った通過時間Ｔを算出する。伝熱量Ｑと通過時間Ｔの積を流体の比熱ＨＣにより割った温度変化予測値ＤＴを算出する。測温部位５２ａのＡ２にＤＴを加えた値を、測温部位５４ａのＢ２値から差し引いて負になる場合（ＹＥＳの場合）は、Ｓ８に進む。一方、前記値が負にならない場合（ＮＯの場合）は、Ｓ１に進む。

Ｓ８において、必要圧力Ｐ_Ｎを算出して、Ｓ９に進む。
Ｓ９において、昇圧を指示して、Ｓ１０に進む。

Ｓ１０において、流体加熱装置を停止するか否か判断し、停止する場合（ＹＥＳの場合）は、ＥＮＤに進む。一方、Ｓ１０において、流体加熱装置を停止するか否か判断し、停止しない場合（ＮＯの場合）は、Ｓ１３に進む。

Ｓ１１において、故障しているか否かを判断し、故障している場合（ＹＥＳの場合）は、Ｓ１２に進む。一方、Ｓ１１において、故障しているか否かを判断し、故障していない場合（ＮＯの場合）は、Ｓ１３に進む。

Ｓ１２において、警報を出し、停止して、ＥＮＤに進む。
Ｓ１３において、昇圧して、Ｓ１に進む。

次に、本発明の流体加熱方法について詳細に説明する。
本発明では、上述した流体加熱装置を用いて流体を加熱するにあたり、圧力制御手段により、流体の圧力が臨界圧力以上になるように圧力を制御する。
このように、流体の圧力を臨界圧力以上に維持することで、気体の発生を抑制して熱伝導率の低下を抑制し、流路の流体流れ方向における上流側と下流側における温度分布を均一化させることができる。また、流路の断面方向の温度分布を均一化させることができる。

具体的には、圧力制御手段により、流路の内壁及びその近傍に存在する流体の熱伝導率は０．０６Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以上となるように圧力を制御する。温度差は５度以内であることが好適である。
このときは、局所加熱を回避することができ、コーキングの発生を抑制できる。

例えば、流体としてヘプタンを用いるときは、図４に示すように、圧力をヘプタンの臨界圧力以上にすることで熱伝導率を０．０６Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以上となるように制御すればよい。
このときは、流体の圧力を、臨界圧力の１８０％以上になるように制御することができる。これより、流体としてガソリン、エタノールなどを用いるときは、温度範囲として３００℃付近まで加熱するときでも、０．０６Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以上の熱伝導率を維持できる。言い換えれば、３００℃付近までの温度範囲において、加熱対象である流体が気体となることを回避することができ、コーキングの発生を抑制できる。

更に、流体の圧力を、臨界圧力の３００％以上になるように制御することができる。これより、流体として軽油、エーテル、エステルなどを用いるときは、温度範囲として５００℃付近まで加熱するときでも、０．０６Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以上の熱伝導率を維持できる。言い換えれば、５００℃付近までの温度範囲において、加熱対象である流体が気体となることを回避することができ、コーキングの発生を抑制できる。

なお、図５から図１０までのシミュレーションデータについて説明する。
シミュレーションは以下の条件で行った。断面積１ｃｍ^３、長さ１０ｃｍの円筒管内に上流（図中で左側）から下流（図中で右側）ヘプタンを流通させ、管壁温度４００℃固定とし、ヘプタンの臨界圧力２．７４ＭＰａに対し、圧力を変化させた場合の温度分布並びに熱伝導率分布を計算した。なお、計算は対称性を利用し、円筒管中心角で１５°の領域のみを計算した。
まず、図５は圧力２．５ＭＰａでの温度分布並びに熱伝導率分布のシミュレーションデータである。この圧力はヘプタンの臨界圧力に対し、亜臨界領域と考えられるが、温度分布を見ると、この圧力にすることで円筒管下流終端で管の断面方向の温度分布が均一になっていることがわかる。一方、熱伝導率分布を見るとどの区間でも熱伝導率が０．０６Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以上となっており熱伝導率が保たれていることが分かる。図６、図７はそれぞれ圧力が３．０ＭＰａ、４．０ＭＰａである場合のシミュレーションデータである。いずれの場合もヘプタンの臨界圧力以上の超臨界領域であるが、図５の場合と同様に円筒管下流終端で管の断面方向の温度分布が均一で、どの区間でも熱伝導率が０．０６Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以上に保たれている。これにより管壁の熱が効率的に燃料に伝達されることで、管壁近傍の燃料が局所的に加熱されることなく、炭素析出を回避できる。
一方、図８、９、１０に、それぞれ圧力が０．１ＭＰａ、１．５ＭＰａ、２ＭＰａの場合のシミュレーションデータである。この圧力はヘプタンの臨界圧力に対し、亜臨界領域でも超臨界領域でもない。この圧力範囲では円筒管下流終端で管の断面方向の温度がかなり広い範囲に分布しており、不均一であることがわかる。また熱伝導率は、円筒管の上流から２ｃｍより下流の区間で０．０６Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 未満となっており熱伝導率が保たれていないことが分かる。

以下、本発明を若干の実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１１に示すような流体加熱装置（なお、加熱室は断面積１ｃｍ^２、長さ１０ｃｍの円筒形であり、以下の実施例において同様である。）によって、流体加熱手段と圧力制御手段とにより、加熱室内のヘプタンの状態を変化させた。その際の各温度におけるヘプタンの圧力と密度を測定した。得られた結果を図１３に示す。図１３は、各温度におけるヘプタンの圧力と密度との関係を示すグラフである。

（実施例２）
図１１に示した流体加熱装置によって、流体加熱手段と圧力制御手段とにより、加熱室内のガソリンの状態を変化させた。その際の各温度におけるガソリンの圧力と密度を測定した。得られた結果を図１４に示す。図１４は、各温度におけるガソリンの圧力と密度との関係を示すグラフである。

（実施例３）
図１１に示した流体加熱装置によって、流体加熱手段と圧力制御手段とにより、加熱室内の軽油（ＪＩＳ２号）の状態を変化させた。その際の各温度における軽油の圧力と密度を測定した。得られた結果を図１５に示す。図１５は、各温度における軽油の圧力と密度との関係を示すグラフである。

流体を金属管外から加熱する場合の熱伝導状態を示す概略図である。 流体を金属管外から加熱する場合の熱伝導状態を示す概略図である。 本発明を適用して流体を金属管外から加熱する場合の熱伝導状態を示す概略図である。 ヘプタンの熱伝導率の変化を示すグラフである。 ６７３Ｋ、２．５ＭＰａの温度分布と熱伝導率の分布を示すシミュレーションデータである。 ６７３Ｋ、３．０ＭＰａの温度分布と熱伝導率の分布を示すシミュレーションデータである。 ６７３Ｋ、４．０ＭＰａの温度分布と熱伝導率の分布を示すシミュレーションデータである。 ６７３Ｋ、０．１ＭＰａの温度分布と熱伝導率の分布を示すシミュレーションデータである。 ６７３Ｋ、１．５ＭＰａの温度分布と熱伝導率の分布を示すシミュレーションデータである。 ６７３Ｋ、２．０ＭＰａの温度分布と熱伝導率の分布を示すシミュレーションデータである。 本発明で用いる流体加熱装置の一実施形態であって、ヒーターの一部を切断して示した斜視説明図である。 図１１に示した流体加熱装置における制御フローの一例を示すフローチャートである。 各温度におけるヘプタンの圧力と密度との関係を示すグラフである。 各温度におけるガソリンの圧力と密度との関係を示すグラフである。 各温度における軽油の圧力と密度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 高圧ポンプ
２０ 圧力センサー
３０ 加熱室
４０ ヒーター
５１、５２、５３、５４ 熱電対
５１ａ、５２ａ、５３ａ、５４ａ 測温部位
６０ 圧力保持手段
７１ 燃料取り入れ部
７２ 燃料取り出し部

Claims (3)

1. 流路内の流体を目標温度に加熱する流体加熱装置であって、
   上記流体を加熱する流体加熱手段と、
   上記流体の温度を計測する流体温度計測手段と、
   目標圧力となるように上記流路内の圧力を制御する圧力制御手段と
   又は、上記流体を加熱する流体加熱手段と、
   上記流体の温度を計測する流体温度計測手段と、
   目標圧力となるように上記流路内の圧力を制御する圧力制御手段と、
   流通する流体の情報を記録する手段と
   を有し、
   上記圧力制御手段は、上記流路内の流体を上記目標温度まで加熱する間であって、上記流体の流れ方向の上流側と下流側の流体の温度差が所定値を超えるときに、上記目標圧力を上げる流体加熱装置を用いた流体加熱方法であって、
   圧力制御手段により、流体の圧力が臨界圧力以上になるように制御し、
   圧力制御手段により、流路の内壁及びその近傍に存在する流体の熱伝導率が０．０６Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以上となるように圧力を制御することを特徴とする流体加熱方法。
2. 圧力制御手段により、流体の圧力が臨界圧力の１８０％以上になるように制御することを特徴とする請求項１に記載の流体加熱方法。
3. 圧力制御手段により、流体の圧力が臨界圧力の３００％以上になるように制御することを特徴とする請求項１に記載の流体加熱方法。

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