WO2010125998A1

WO2010125998A1 - 蒸気測定装置

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Publication number: WO2010125998A1
Application number: PCT/JP2010/057353
Authority: WO
Inventors: 浩志伊與田; 保井上
Original assignee: 公立大学法人大阪市立大学
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2010-11-04
Also published as: JPWO2010125998A1

Abstract

　簡易な構成で、結露などによりセンサが劣化するおそれが少なく、しかも、定性的な値の測定、あるいは処理条件の再現が可能な程度の測定ができる蒸気測定装置を提供する。　このため、本発明の蒸気測定装置は、多孔質材料で形成される感湿部と、前記感湿部の表面付近温度を測定する第１のセンサとを有する蒸気測定装置であって、前記感湿部内に、水を供給する供給路と、前記感湿部内から、水を排出する排出路とを備えることを特徴とする。

Description

蒸気測定装置

　本発明は、比較的簡単な構成で、常温から高温に渡って、室内空気の湿度から水蒸気のみを含むような幅広い湿度（水蒸気の濃度）の測定が可能な蒸気測定装置に関する。

　乾燥装置や食品加工装置などのように高温で用いられる装置においても装置内の湿度を測定することが要求される。しかし、従来の常温で用いられる湿度センサは、高温での使用は困難である。特に、湿球部にガーゼ（不織布、ウィックと呼ばれるもの）を捲いた構造のものは、熱に弱い、１００℃の熱水中で変性が起き得る、乾くと焦げるなどの問題がある。

　一方、高温で測定可能なセンサも開発されている（特許文献１、２参照）。しかし、これらのセンサは、高価である、あるいは水蒸気の結露などによりセンサが劣化や破損するなどの問題がある。このため、乾燥装置や食品加工装置などの、幅広い水蒸気濃度での測定が必要な装置や汚損や破損を生ずるおそれのある装置への利用は進んでいない。

　これらの装置においては、品質の管理は経験的なものに依存し、処理条件の再現性に乏しかったり，制御が不十分で最適化されておらず、そのためにエネルギー効率も悪いという問題がある。

　また、研究開発等においては、手軽に絶対値の測定ができる湿度測定装置が要求される。一方、実際に製造等に用いられる装置では、定性的な値の測定、あるいは処理条件の再現が可能な程度の測定ができ、使用者が構造と原理を容易に理解でき、かつ安価な装置が求められる。しかし、現在の高温用の湿度測定装置では、このような要求に応えられていないという問題がある。
特開２００１－２０１４７８号公報特開２００８－８２９９３号公報

　すなわち、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、その目的は、簡易な構成で、結露などによりセンサが劣化するおそれが少なく、しかも、定性的な値の測定、あるいは処理条件の再現が可能な程度の測定ができる蒸気測定装置を提供することにある。

　本発明者らは、上記課題を鋭意検討した結果、温度測定が可能で熱的に安定な多孔質材料を感湿部とし、感湿部に水を外部から適切に供給あるいは排出しながら、感湿部表面近傍に水が存在している、あるいは水が蒸発している状態を保ちつつ、感湿部温度を測定することで、３００℃を超える高温下においても、連続的に、かつ室内温度から過熱水蒸気に至る広い湿度範囲で測定が可能な蒸気測定装置を得て、本発明を完成した。すなわち、本発明は以下のとおりである。

　本発明の蒸気測定装置は、多孔質材料で形成される感湿部と、前記感湿部の表面付近温度を測定する第１のセンサとを有する蒸気測定装置であって、前記感湿部内に、水を供給する供給路と、前記感湿部内から、水を排出する排出路とを備えることを特徴とする。

　また、本発明の蒸気測定装置は、多孔質材料で形成される感湿部と、前記感湿部の表面付近温度を測定する第１のセンサと前記感湿部の表面に存在する水分量を測定する第２のセンサとを有する蒸気測定装置であって、前記感湿部内に、水を供給する供給路と、前記感湿部内から、水を排出する排出路とを備えることを特徴とする。

　前記蒸気測定装置は、前記第２のセンサにより測定した水分量に基いて、水の供給または水の排出を制御する、制御部を備える。

　前記蒸気測定装置は、前記感湿部の周囲の気体の温度を測定する第３の温度センサを備えていてもよい。

　前記蒸気測定装置は、前記感湿部の表面に存在する水分層の外部の圧力を測定する圧力センサを備えていてもよい。

　前記蒸気測定装置は、前記第１の温度センサ、第３の温度センサ、および圧力センサからのデータを基に、水蒸気量を算出する。

　前記感湿部は、０．１μｍ～１０μｍの細孔と１０～３０μｍの細孔とが混在した、セラミック多孔材料で形成されていると好ましい。

　前記感湿部は、該感湿部の略中央部を貫通する水の流路が設けられているとよい。前記感湿部は、円柱構造であり、円柱の軸方向の略中心を貫通する水の流路が設けられていてもよい。前記感湿部は、球形あるいは、球形の一部分の外形状を有していてもよい。

　第１のセンサ、および第２のセンサが電極構造を有するセンサであって、該電極を介して電気抵抗変化、および／または容量変化を検出するとよい。

　本発明の蒸気測定装置は、多孔質材料で形成される感湿部と、前記感湿部の表面付近温度を測定する第１のセンサとを有する蒸気測定装置であって、前記感湿部内に、水を供給する供給路を、備えることを特徴とする

　本発明の蒸気測定装置は、前記感湿部に、沸点が周囲の気体の温度以下の液体物質を供給し、周囲の気体中に含まれるその物質の蒸気濃度を測定することとしてもよい。

　本発明は、上記の蒸気測定装置が備えられた装置である。

　本発明は、上記装置は、上記の蒸気測定装置が加湿器または加湿センサとしても機能する。

　なお、以下の説明では、空気と水、水蒸気に基いて本発明を説明するが、本発明は、空気と水、水蒸気に限定するものではなく、感湿部に周囲の気体温度以下の液体物質を供給する場合においても、同様に適用することができる。

　本発明の蒸気測定装置は、感湿部表面近傍で水が存在し、あるいは水が蒸発している状態を保ちつつ、感湿部温度を測定する。この結果、３００℃を超える高温下においても、連続的に、かつ室内空気から過熱水蒸気に至る広い湿度範囲においても湿度（絶対湿度、水蒸気濃度、水蒸気分圧などで表現される気体中の水蒸気量）を測定することができる。

　特に、本発明の蒸気測定装置は、絶対値を正確に測定するための独立した計測器としての利用よりも、過熱水蒸気や空気と水蒸気の混合気体による加熱装置に利用することができる。たとえば、食品加工装置、乾燥装置、殺菌装置、加熱装置など、特に被処理物と気体が直接接触して処理するようなさまざまな装置に組み込むことで、その価値と有益性が増す。この結果、装置のエネルギー使用量を最小限とするための制御手段、あるいは処理物と処理目的に応じて最も適切な処理条件への制御手段、再現性のある処理条件にするための制御手段として用いることができる。

図１は、実施の形態１の蒸気測定装置の構成を説明する概念図である。図２は、実施の形態１の蒸気測定装置の変形例の構成を説明する概念図である。図３は、実施の形態２の蒸気測定装置の構成を説明する概念図である。図４は、実施の形態３の蒸気測定装置の構成を説明する概念図である。図５は、実施の形態４の蒸気測定装置の構成を説明する概念図である。図６は、本発明の蒸気測定装置の測定原理を説明する図である。図７は、温度と蒸気モル分率との関係を示すグラフである。図８は、本発明の蒸気測定装置の感湿部に用いた多孔質材料の細孔径分布（水銀圧入法）を説明する図である。図９は、本発明の蒸気測定装置を用いた湿度の応答性を測定したグラフである。図１０は、本発明の蒸気測定装置を用いて、水蒸気モル分率を変えた場合に、感湿部表面に水が存在するかどうかを確認したグラフである。

　　１　　感湿部
　　２　　第１のセンサ
　　３　　第２のセンサ
　　４　　第３のセンサ
　　５　　圧力センサ
　　６　　演算部
　　７　　制御部
　　８　　供給路
　　９　　排出路
　　１０　　ポンプ
　　１１　　バルブ

　以下に、本発明を詳細に説明する。
（実施の形態１）
　図１は、本発明の蒸気測定装置の構成の一例を示す図である。図１に示すように、本発明の蒸気測定装置は、感湿部１と、感湿部の表面付近の温度を測定するための第１のセンサ２と、供給路８と、排出路９とを備える。また、この図の例では、演算部６を備えている。

　下記の蒸気測定装置の測定原理に記載するように、水蒸気量を測定するためには、感湿部の感湿部の表面付近の温度（Ｔｓｆ）と、感湿部の周囲の気温（Ｔｇａｓ）と、気流部分の圧力（ＰＴ）とを用いる。本実施の形態の蒸気測定装置は、感湿部の周囲の気温（Ｔｇａｓ）と、気流部分の圧力（ＰＴ）とが、何らかの手段で、既知である場合の使用に適する。

　（感湿部）
　本発明において、感湿部１は、その表面に水を存在させ、周囲の気流と接する水の温度を測定するための部位である。感湿部１は、熱的に安定な多孔質材料で形成される。多孔質材料は、セラミックであることが好ましい。セラミックは、熱的に安定だからである。また、多孔質材料は、表面に水を存在させるためには、濡れ性が高い性質を有することが好ましい。なお、本明細書中で、「濡れ性」とは、多孔質材料の表面と水（自由水）とのなじみやすさを意味する。

　多孔質材料において、空隙構造は、空隙に存在する水が重力の影響をうけにくく、かつ、毛管吸引力により水が感湿部の表面全体を濡らすための微細な細孔（０．１～１０μｍ）と、水供給用の空間と感湿部表面近傍までの超小型ポンプや揚程差で発生しうる程度のわずかな圧力により、感湿部表面に水を供給する、あるいは表面の過剰な水を吸引排出するための細孔（１０～３０μｍ）とを有するとよい。微細な細孔において、３０μｍ以上の細孔をほとんど有さない構造とすれば、空隙に存在する水が重力の影響をうけにくくするために、より好ましい。これらの細孔構造は、均一でもよく、また、使用環境や感湿部形状に応じて、部位毎に異なるような不均一なものでもよい。なお、上記細孔は、完全な円形ではない。したがって、本発明において直径の大きさは、平面上で一定の方向にある径を機械的に直径として計算したものである。直径の計算方法は、特に制限されず、公知の方法による。例えば、水銀圧入法等により測定される細孔直径等である。

　具体的には、直径相当径は、以下の条件を満たすと好ましい。
（１）毛管吸引力による表面への移動が容易であるためには、一元細孔構造では細孔径分布が幅広いことが望ましい（１０～３０μｍ）。
　加えて、一元細孔構造よりも二元細孔構造のほうが水分移動係数は大きくなることが期待できる。
（２）圧力差により適度に水が移動するためには、１０～３０μｍの細孔があることが望ましい。
（３）重力の影響を受けにくくするためには、３０μｍよりも大きな細孔径を有さないことが望ましい。
（４）空隙率は，製造のしやすさ、製造コスト、材料の強度の観点からの制約があるが、０．４５以上で、より高い方が望ましい。なお、空隙率は、水銀圧入法や、水を含ませる方法など公知の方法により測定する。

　感湿部１の形状は、特に制限はなく、例えば、球形、柱状（円柱状、角柱状など）、錘状（円錐状、角錐状など）、錘台状（円錘台状、角錐台状、など）、釣鐘状、紡錘状、板状（平板状、曲板状、波板状、立方体形状、など）であればよい。なお、本明細書中で、「球形の一部分の外形状」とは、半球状、円錘台状、釣鐘状など、球形の一部分を含む外形を有するものを意味する。また、感湿部には、供給路と排出路とを接続し、感湿部内部に水を流通させ、かつ、表面に供給するための水を保持するための、感湿部を貫通する流路（空間）が設けられている。例えば、感湿部１周辺の表面全体から均一に蒸発がおきる場合は、この流路から感湿部表面に向かう最短距離が略同じ長さであると、水が均等に感湿部表面に供給されるので好ましい。測定する環境の影響で、蒸発速度や流路から表面への水の移動速度が感湿部表面の部位によって異なる場合は、表面の部位の蒸発速度分布あるいは外部圧力分布（動圧）に応じて流路から表面へ水が供給できるような、感湿部の外形、流路形状、多孔質構造の感湿部とすることが好ましい。好ましい感湿部の外形は、製造の容易さなどの理由から、円柱状、球形あるいは、球形の一部分の外形状を有するものである。

　感湿部１の流路は、供給路８と、排出路９とを連結するものであれば、特に制限はなく、多孔質材料を貫通する単管、Ｕ字管、二重管、あるいはこれらを複数組み合わせたものであってもよい。単管、Ｕ字管の場合はその両端、二重管の場合は内側の管と外側の管が、それぞれ水の供給路と排出路のいずれかに接続されていればよい。球状の場合は、球の中心または中心近くの球状の空間であり、製作が比較的容易な小型の感湿部形状の例として、柱状の場合は、柱の略中心部を貫通する流路であればよい。

　感湿部１の大きさは特に制限はなく、使用する目的に応じて適宜選択できる。また、流路の内径や感湿部中での位置や大きさには特に制限はなく、使用する目的、環境、多孔質材料の細孔構造等に応じて適宜選択できる。例えば、感湿部が直径１０ｍｍ程度の円柱状の場合は、直径０．５～７ｍｍの管であればよい。

　感湿部１の表面で、周囲の気流と接触して熱が加えられる部分は、水が存在する状態となっている。以下に述べるように、この部分の温度が重要となる。一方、気流から直接熱が伝わらない部分は、蒸発が起きないように流路から水が供給されない構造になっていることが好ましく、あるいは、水の蒸発が生じにくい表面部分は、断熱されていることが好ましい。例えば、感湿部が、シール剤等で供給路や排出路と固定される部分や、取り付けのために装置壁面と接触する部分などである。

　このような空隙構造を有する多孔質材料で形成された感湿部１は、特に制限はなく公知の方法で製造できる。例えば、無機固体材料に炭素を主成分とする粉状物質とを混合して高温で焼成することで、適切な細孔構造を有した感湿部用の素材を得ることができる。

　なお、感湿部１は、取り替えやすい形状であると望ましい。

（第１のセンサ）
　第１のセンサ２は、感湿部１の表面付近に設けられている。感湿部１の表面で周囲の気流と接触して熱が加えられる部分は、水が存在する状態となっている。この部分に、第１のセンサ２を設ける。第１のセンサ２は、感湿部１の表面付近の温度を測定する。第１のセンサ２は、例えば、熱電対、測温抵抗体、あるいはそれと同様の原理により温度を測定するものである。また、感湿部１の表面付近という場合には、感湿部の内部をも含む。この場合には、第１のセンサを感湿部内に挿入した構造となる。

（供給路・排出路）
　供給路８および排出路９は、耐熱性を有し、好ましくは断熱性を有する材質で形成あるいは保護されている管である。供給路８および排出路９は、いずれも一端は感湿部１に接続され、他端は水蒸気を測定する気流空間（例えば、配管や処理室など）の外部に設けられている水供給部および水排出部に接続されている。水供給部と水排出部は、異なっていても、同一のものでもよい。図１の例では、水供給部と水排出部は同一のものである。

　供給路８および排出路９は、感湿部１に接続されている部分、あるいは水蒸気を測定する気流空間にさらされる部分は、耐熱性を有する材料で、好ましくは、断熱性を有する材料で形成、あるいは保護されている管である。これらの材料としては、具体的には、シリコン、テフロン（登録商標）、ステンレスなどが例示される。水供給部においても、これらの材料で形成されているとよい。

　供給路８および排出路９の水蒸気を測定する気流空間の外側の感湿部１に接続されているものとは他端の側は、感湿部１の流路内の圧力を適切にするために、管の太さ、長さ、水タンクとの位置関係を決定すればよい。また、水温を適切にするために水の冷却が必要な場合は、水の冷却部として使用することもできる。

　供給路８および排出路９は、感湿部１に供給される水温を適切にするために、気流空間にさらされる部分では水の加熱、あるいは気流にさらされない部分では水タンクも含めて放熱による冷却の効果を考慮して断熱の有無を調整することが望ましい。

　供給路８および排出路９にはそれぞれポンプ１０、バルブ１１などの流路内の圧力制御手段を設ける、あるいは水供給部と水排出部との間に揚程差を生じさせる構成とする。これにより、表面が適切な水分量になるように供給水量と感湿部１からの排出水量（感湿部内の流路空間の圧力）を自動、あるいは手動により調節する。

　給水にポンプを使用せず、揚程差で水を供給する場合は、揚程差または給水路８、排水路９のパイプの長さ、太さ、排水タンクの水位等で調整する。さらに、配管部に制御部を設けて排出水量（実際は感湿部１内の管路の水圧）を調整することもできる。この場合、排水タンクの水を、給水タンクに送水するためにポンプが必要となるが、制御の必要は低いため、安価なものが使用できる。

　水の給排水の量は、感湿部での水の蒸発量、気流の湿度低下時の応答時間の向上、感湿部に供給される水温制御の観点から、適切に決定あるいは制御することが望ましい。水温制御では、例えば、高温にさらされる供給部の管路が長いとその間で水が加熱されて沸騰するおそれがある。この場合は、高温部の管路を断熱すると共に、測定する気流空間の外側の管路や水タンクは冷却のために断熱せず、必要に応じて積極的に冷却するためのフィン・ファンなどの機構を設けると共に、水の給排水の量を多くするとよい。

　感湿部に供給される部分での水の温度は、測定精度向上のためには、湿球温度付近であることが望ましい。このため、配管での放熱・断熱の設計を最適にしておくとよい。必要に応じて、積極的に制御する機構を設けてもよい。

　水分量の調整は、例えば、目視における手動でもよく、あるいは、感湿部１の表面を画像解析して感湿部１の表面の湿潤状態を観察してもよい。

　（演算部）
　演算部６は、測定された感湿部１の表面付近の温度から水蒸気量を求める。本実施の形態は、センサが一つでよいので、簡便な構造にすることができる。測定条件において、蒸発速度が遅く、主に毛管吸引力のみの水の移動によって水の供給が十分である場合に適用すると好ましい。

　（その他の構成）
　また、必要に応じて、水供給部に電気伝導度を測定する機構、電気伝導度を制御するための機構を設ける構成としてもよい。また、感湿部のスケール等の水に含まれる成分による汚れを洗浄するための機構を設ける構成としてもよい。

　感湿部のスケール等による汚れを防止するための機構としては、常時水をイオン交換膜、イオン交換樹脂、逆浸透膜(Ｒｅｖｅｒｓｅ　Ｏｓｍｏｓｉｓ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ、以下、「ＲＯ膜」という)などを用いて浄化する方法などが挙げられる。水の状態、センサの信号により、メンテナンス時期の信号を出力する機構をもたせることもできる。あるいは、自己洗浄機能（測定停止中にクエン酸等で循環洗浄をする機能、定期的にセンサ部の水分を吸引して排出する、あるいは水過剰供給することでセンサ表面の水を落下させる等）を持たせる構成にしてもよい。

　水を浄化するための装置は、ポンプの吸入口、排出口、給水タンク、排水タンク、あるいは給水タンクと排水タンクを接続する配管内などに設置することができる。これらはカートリッジタイプで取り替えが容易な方が望ましい。イオン濃度を測定するための電気伝導度を測定する機能を付与することで、より高度な制御や水管理が可能である。

（実施の形態１の変形例）
　図１に示す実施の形態１の例をさらに簡略化することもできる。図２に示すように、図１の構成から、ポンプと、排出路を省略した構成である。他の構成は、図１と同様である。

　図２に示す構成の場合は、カートリッジのような小型の水供給手段を用いる、あるいは感湿部の表面が濡れている状態を維持できるように、感湿部の細孔構造、管路の太さや長さなどを調整する。この実施の形態の場合、特に短時間使用する場合に適する。

（実施の形態２）
　図３は、本発明の蒸気測定装置の構成の一例を示す図である。図３に示すように、本発明の蒸気測定装置は、感湿部１と、感湿部の表面付近の温度を測定するための第１のセンサ２と、感湿部の表面付近に存在する水分量を測定する第２のセンサ３と、供給路８と、排出路９とを備える。また、この図の例では、演算部６と制御部７とを備えている。
　第２のセンサ２と制御部７を除けば、図１と同じ構成である。

　（第２のセンサ）
　第２のセンサ３は、感湿部１の表面付近に設けられている。感湿部１の表面で周囲の気流と接触して熱が加えられる部分は、水が存在する状態となっている。この部分に、第２のセンサ３を設ける。第２のセンサ３は、感湿部の表面付近に存在する水分量を測定する。本明細書中で、水分量とは、感湿部の表面が濡れているかどうかという程度を意味する。具体的な第２のセンサ３の一例としては、水分量による電気伝導度、誘電率、電気容量等の変化を測定するものなどを挙げることができる。それらの物理量は、感湿部表面に接触させた電極からの出力として測定（接触式測定）してもよく、また、感湿部表面近傍に非接触配置された光ファイバや光学素子等を介し、赤外線吸収量の変化として測定（非接触式測定）してもよい。

　本発明の蒸気測定装置で、電気伝導度により水分量の測定を行う場合は、適度な電気伝導度を有する水を用いることが好ましい。このため、水供給部に、水に溶存する塩、イオン、スケール、汚れ等を適切に除去するためのイオン交換樹脂、イオン交換膜、ＲＯ膜、あるいは水の浄化器などの取り付けが望ましい。

　（制御部）
　図３に示すように第２のセンサ３を用いる場合、感湿部１の表面付近の水分量を測定したデータを用い、制御部７から、水の供給または排出を制御する信号を発信する。具体的には、ポンプからの水の供給の増減、感湿部からの水の排出の増減を行う。

　第１のセンサ２と第２のセンサ３とを共に、電極構造を有するセンサを用いる場合は、第１のセンサ２と第２のセンサ３とを用いて、感湿部１の表面の濡れ状態を検出することができる。例えば、第１のセンサ２と第２のセンサ３とに熱電対を用いることができる。この場合、第２のセンサは、第１のセンサの故障時のバックアップ、あるいは温度測定精度を向上させるために使用することもできる。

　電極構造を有するセンサを用いる場合は、図３において、第１のセンサ２と第２のセンサ３とを、共に連続あるいは間欠的に電極として用いる。例えば、電気伝導度を用いて水分量を測定する場合は、制御部７が、第１のセンサ２と第２のセンサ３との通電を検知すれば水の供給を増加させない。一方、感湿部１の表面が乾燥していれば、通電しない。制御部７は、通電を検知しなければ、管路の圧力を高めて水の供給を増加させる、あるいはバルブ１１を閉じるなどを行い、感湿部１の表面に水を供給する。

（実施の形態３）
　図４は、本発明の蒸気測定装置の構成の一例を示す図である。図４に示すように、本発明の蒸気測定装置は、感湿部１と、感湿部の表面付近の温度を測定するための第１のセンサ２と、感湿部１の周囲の気体の温度を測定する第３のセンサ４と、供給路８と、排出路９とを備える。また、この図の例では、演算部６、制御部７を備えている。
　第３のセンサ４を除けば、図３と同じ構成である。なお、なお、この図の例では、感湿部１の表面付近に存在する水分量を測定する第２のセンサ３と制御部７を有しているが、第２のセンサ３と制御部７は省略することもできる。また、上記実施の形態の変形例についても、本実施の形態と同様に第３のセンサを備えていてもよい。

　本実施の形態の蒸気測定装置は、気流部分の圧力が既知である場合の使用に適する。

　（第３のセンサ）
　図４に示すように、第３のセンサ４は、感湿部１の周囲の気温（Ｔｇａｓ）を測定する。第３のセンサ４は、感湿部１の影響を受けない気流の温度を測定することができればよい。第３のセンサ４は、感湿部１に固定されていても分離されていてもよい。第３のセンサ４は、熱電対、測温抵抗体など、気体の温度測定ができるものである。

（実施の形態４）
　図５は、本発明の蒸気測定装置の構成の一例を示す図である。図５に示すように、本発明の蒸気測定装置は、感湿部１と、感湿部の表面付近の温度を測定するための第１のセンサ２と、感湿部の周囲の気体の温度を測定する第３のセンサ４と、圧力センサ５と、供給路８と、排出路９とを備える。また、この図の例では、演算部６、制御部７を備えている。
　第３のセンサ４と圧力センサ５とを除けば、図３と同じ構成である。なお、この図の例では、感湿部１の表面付近に存在する水分量を測定する第２のセンサ３と制御部７を有しているが、第２のセンサ３と制御部７は省略することもできる。また、第３のセンサ４も省略することができる。

　本実施の形態の蒸気測定装置は、湿球温度（Ｔｓｆ）と、感湿部の周囲の気温（Ｔｇａｓ）と、気流部分の圧力（ＰＴ）とを用いて水蒸気量を求める場合の使用に適する。

　（圧力センサ）
　図５に示すように、圧力センサ５は、感湿部１の表面に存在する水分層の外部（気流）の圧力（全圧ＰＴ）を測定するために設ける。圧力センサ５は、感湿部１に固定されていても分離されていてもよい。圧力センサ５としては、使用環境に耐えうるものであれば種類は特に限定されず、公知の圧力計が使用できる。また、供給路あるいは排水路の水圧を測定し、その値をもとに推算した値を使用することもできる。本発明で利用できる圧力計としては、圧力の時間的な変化が小さい場合は、例えば、ブルドン管を使用した目視用の圧力計や、Ｕ字管マノメータのような簡便な方法により測定するものであってもよい。さらに、圧力が大気圧に近く、高温のために正確な測定が困難な場合は、近似的に大気圧の値を用いることで、演算部６で演算結果を得ることもできる。

［測定原理］
　以下に、本発明の蒸気測定装置の測定原理を図６に基づいて説明する。気体中におかれた水は、水の表面と接触する気体からの対流伝熱（気体の流れが無い場合は気体からの伝導伝熱を含む）により、気体と水表面間で、その温度の差に基づいて熱の移動(ｑｃｖ)が起きる。また、水の表面には周囲からのふく射（熱輻射）伝熱により熱の移動(ｑｒ)が起きる。

　水の表面（気液界面の液相側）とその内側で温度差がある場合は、水表面から水内部方向への伝導伝熱（水の移動に伴う熱の移動も含む）により、熱の移動（ｑｃｄ）が起きる。

　水の表面（気液界面の気相側）では、その水温における飽和蒸気圧相当の水蒸気分圧（濃度）を有しており、周囲の気体との水蒸気分圧の差あるいは全圧の差により水の表面から周囲の気体方向へ水蒸気の流れ（ｊ）が起きる。

　水の表面においては、ｑｃｖ+ｑｒ=ｑｃｄ+ｊγの関係が成立している。この式において、ｊは水の蒸発速度（負の場合は凝縮速度）、γは水の蒸発潜熱である。水の表面はこの関係が成り立つ温度となる。このことから、水の表面温度から、周囲気体の湿度（水蒸気分圧、水蒸気濃度など）を理論的に知ることが可能である。これらの原理は、例えば、Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ　２^ｎｄ　Ｅｄ．，　Ｐ６８４，Ｒ．Ｂ．Ｂｉｒｄ，Ｗ．Ｅ．Ｓｔｅｗａｒｔ，Ｅ．Ｎ．Ｌｉｇｈｔｆｏｏｔ，Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ　ＡＮＤ　Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．（２００２），ＵＳＡ等に記述がある。

　これらの測定原理を利用した絶対湿度あるいは相対湿度の測定法として、ｑｒ、ｑｃｄが共に０で、圧力が大気圧近傍であるとき、乾球温度と湿球温度より測定する方法（ＪＩＳ　Ｚ８８０６）が広く知られている。しかし、これらは気温が１００℃未満における湿度の測定を想定したものである。

　比較的低湿度の条件下で、正確に湿度（水蒸気分圧や絶対湿度）を測定するためには、十分な風速の定常の気流中で、ｑｃｖに対してふく射伝熱ｑｒの相対的な寄与が小さく、対流伝熱が全て水の蒸発潜熱として使用されているときの水の温度を測定する必要がある。

　また、過熱水蒸気に近い、高温で高湿度条件では、低温低湿度条件に比べて温度に対する飽和蒸気圧依存性が強い。また、演算においてＰＴが演算結果に与える影響が大きくなる。したがって、過熱水蒸気に近い、高湿度条件で正確に湿度を測定するためには、わずかな温度測定誤差、あるいは圧力の変化が、水蒸気分圧を見積もる際に大きな測定誤差になりうる。正確な圧力を測定されていることが望ましく、また、温度や圧力の測定誤差が把握されていれば、誤差範囲の演算、あるいはこれらに起因する誤差の補正等を行ってもよい。一方、ふく射伝熱ｑｒの影響に起因する誤差は低湿度の場合に比べて小さい。

　さらに、気体の温度が高く、蒸発速度が速い場合や、ふく射伝熱が影響するような条件では、求められる測定精度に応じてそれらの影響を補正するとよい。ふく射の遮蔽板を取り付けることでふく射の影響を低減することができる。配管中に感湿部をとりつける場合は、測定する配管にバイパス部を設けることで流速を調整することができる。また、気流条件（流速、温度、湿度など）が時間的に変化する場合は、水の表面温度の変化と共にｑｃｄが時間的に変化することから、理論計算あるいは温度等の実測値（給水温度，排水温度，センサ内部温度など）から推算されるｑｃｄの値にもとづいて補正をすればよい。

　周囲流体の流速が遅い場合は、相対的にふく射伝熱の寄与が増大すること、自然対流の影響が増大することから、熱と物質移動の相似則（チルトン‐コルバーンの法則）に基づく演算誤差も増大する。これらも、測定精度を向上させるためには、校正に基づいて補正をすればよい。

　このように、本発明の測定装置を用いれば、３００℃を超えるような高温域でも、水の供給と温度測定が可能であれば原理的に測定が可能である。また、本発明の測定装置は、酸化、高湿度条件下での水分凝縮による劣化などの影響を受けない。すなわち、本発明の測定装置は、高温高湿度の空気や過熱水蒸気を利用する装置の高性能化を図ることができる。

　本発明の蒸気測定装置において、水蒸気量を測定するのは、例えば、ＴａｄにＴｓｆの値を用いて，以下の式（１）、（２）を演算部に組み込んで演算をする。

　感湿部の表面付近の温度Ｔｓｆ、感湿部の周囲の気体の温度Ｔｇａｓ、圧力センサから得られる圧力（ＰＴ）、および、感湿部の表面付近の温度から（２）式により求められる水蒸気分圧（Ｐｓ,ｓａｔ）から、式（１）により水蒸気量を求めることができる。なお、Ｔｇａｓ、圧力センサから得られる圧力が既知の場合（実施の形態１）、圧力センサから得られる圧力が既知の場合（実施の形態２）、Ｔｓｆ、Ｔｇａｓ、圧力センサから得られる圧力全てを測定する場合（実施の形態４）のいずれの場合でも、式（１）から水蒸気量を求めることができることがわかる。

　なお、上記方法によらないでも、感湿部の表面付近の温度Ｔｓｆ、感湿部の周囲の気体の温度Ｔｇａｓ、圧力センサから得られる圧力、および感湿部の表面付近の温度から求められる水蒸気分圧から水蒸気量を測定することができるものであれば、他の方法をもちいてもよい。

　実施の状態により、ふく射等の影響を受ける場合がある。ふく射の影響を排除するためには、輻射遮蔽する装置をセンサ周辺に取り付ける、抽気（吸引）して，輻射性の低い材質の配管部分に本センサを取り付ける、あるいは輻射率の低い材質で感湿部を製作するなどの方法がある。

　温度測定誤差を生ずる場合がある。この場合には、熱電対ではなく、微小な白金測温抵抗体などを使用する、あるいはシース熱電対を使用するなどにより、温度測定誤差を低減することができる。シース熱電対の場合は、感湿部１の軸方向端面から挿入することにより、構造を簡略化することができる。

　第１のセンサを表面に取り付けると、応答時間が早くなる。そのため、取り付け位置は
好ましくは表面である。一方、表面は気流温度の影響を受けるため、表面より僅かに内側に取り付けると、実用面から有意である。

　表面に取り付けた場合、表面より内側に取り付ける場合、いずれも感湿部１の内部半径方向にもう一カ所以上、例えば、水流路から僅かに表面に近い部分に温度センサを取り付ける、あるいは水温（供給水温度，排水温度，あるいはその両方）を測定しておき、それらのデータも用いてｑｃｄあるいは湿度（水蒸気濃度）を算出することで、より早い応答時間での計測、及び高精度での計測が可能になる。この場合は、（１）式を修正する、あるいは、他の熱伝導の式や熱・物質移動モデルを用いて水蒸気濃度を求める。

［水蒸気量（湿度）の制御方法］
　水蒸気濃度が所定の値よりも大きい場合は、取り付けた装置（食品加工・殺菌・熱処理など）へのブロワによる吸気供給量を増やす、気流循環部の吸気側（大気圧よりも低圧力部分）で外部と接続された箇所のバルブやダンパーを開ける側に操作することで外気（空気）を吸入する、あるいはボイラからの水蒸気供給量や熱風経路中の加湿量を減少する（装置：ウェットスクラバーのようなもの、本発明の感湿部と同様の湿った多孔質材料部を用いる、スプレー（水の供給量を減らす、供給水温度を低くするなど）などの制御を行うとよい。

　一方、水蒸気濃度（あるいはＴｓｆ）が所定の値よりも低い場合は、ブロワ等からの空気供給量を減らす、吸気ダンパーを閉じる方向に制御する、ボイラからの水蒸気供給量（電気ボイラの場合は投入電力）を増加させる、熱風経路中の加湿量が増加する（方法：スプレーの量を増やす、同時に供給水温度を高くする、供給箇所の熱風温度を上昇させておくなど）などの制御を行えばよい。

　ＴｓｆがＰＴにおける沸点温度（大気圧では１００℃）を超える場合は、測定値が異常であると判断し、警告を出すとともに、濃度の出力を安全な値に変える、表面への水供給量を増加させることで、水蒸気量（湿度）の制御行うことが望ましい。このような状態は、水供給が上手く動作していないとき、あるいは気流温度が異常に高い場合や流速が早く、「蒸発速度が想定外に大きいとき」に起こりえる。

　装置内には第１と第３のセンサのみ取り付けた蒸気測定装置を用いることもできる。ＰＴを大気圧と近似でき、毛管吸引力のみで十分に感湿部表面が濡れるように水を供給できる場合である。演算部は，例えば、電圧に変換した第１と第３の温度信号をＡＤ変換・演算した後、水蒸気濃度に対して所定の電圧信号の出力値が得られるように電子回路ならびに演算プログラムを設計し、その出力信号を電圧計で表示し、同時に湿度制御回路や外部装置に出力する構造とするなどである。演算処理と制御には、小型のマイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラなどを用いることができる。

［本発明の蒸気測定装置の利用例］
　本発明の測定装置を過熱水蒸気や空気と水蒸気の混合気体を利用するさまざまな装置、あるいは研究開発用の実験装置に組み込むことで、湿度などの処理条件の把握と、装置の高効率化、あるいは処理物と処理目的に応じた最適な処理条件の把握あるいはその条件に制御することができる。また、上記説明では、水蒸気を用いて説明したが、本蒸気測定装置は、水蒸気に限るものではなく、沸点が周囲の気体の温度以下の液体物質についても同様に適用することができる。

　実用の形態として、例えば、特開２００８－１７８２８号公報の（種子等の熱処理装置）など、気流循環型の連続処理装置に適用することで、湿度（水蒸気の濃度）の管理を行うことができる。

　業務用厨房で用いられるスチームコンベクションオーブンの庫内や排気部に取り付けることで、余剰な水蒸気の供給を抑えることで高効率化と庫内湿度制御ができる。

　過熱水蒸気、あるいは飽和水蒸気あるいは水蒸気と他の混合気体を使用するオーブンあるいは実験装置等において、熱処理条件を把握し制御するために使用することができる。

　噴霧乾燥機、気流乾燥機、熱処理装置等において、乾燥室からの排気、あるいは装置から外気への排気部にセンサを取り付けることで、排気のエンタルピの測定および運転条件を把握することができる。さらに、これらの装置の湿度を制御することで，品質向上や省エネルギー化を行うことができる。

［本発明の蒸気測定装置の応用例］
　本発明の蒸気測定装置は、さらに、以下のような応用が可能である。
　感湿部への水の供給量と排出量の差から水の単位時間あたりの蒸発量（蒸発速度）を測定することで、対流とふく射による伝熱量や熱伝達係数を求めることができる。また、流速と熱伝達係数の関係が既知であれば、流速の測定ができる。

　具体的には、ポンプを使用して、排水タンク・給水タンクを同一のものとし、そのタンクの水量を電子天秤等で詳細に測定することで、蒸発量を測定する。その値は、伝熱量と比例するため、気流－感湿部間の対流（あるいは対流と輻射の複合）熱伝達係数を求めることができる。また、その値から，気流の流速を求めることもできる。さらに、水以外の液体を所定条件、成分の気流中で、上記と同様に流し、同様の測定をすることもできる。これにより、本上記測定装置を用いると、さまざまな物質の熱伝達係数、物質移動係数、その他、流体の熱伝導率・動粘度・流体－液体物質間の拡散係数などについて、概略値を簡便に求めることができる。

　使用する圧力に適した感湿部の細孔構造と、水の供給、排出方法を適宜選択することで、大気圧での利用に加えて、対流伝熱の寄与が大きい絶対圧で２０ｋＰａ程度までの減圧下、あるいは大気圧以上の加圧下においても、絶対値の誤差は増大するものの水蒸気と空気の混合比の測定あるいは混合比の定性的な変化傾向のモニタリングができる。

　空気以外の他の気体、あるいは適切な液体を感湿部に供給することで、空気―水系以外での気流中の成分濃度の測定に応用できる。

　例えば、メタノール、エタノールなどのアルコール、不凍液などを含む有機溶媒などであっても、この沸点が周囲の気体の温度以下の液体物質であれば、適切な演算式を得ておくことで、気流中の物質濃度を本測定装置で測定することができる。また、２成分以上の液体物質を含む場合においても、感湿部表面の２成分以上の濃度を、電気抵抗、その他のセンサで測定できれば，それぞれの濃度で校正式を得ることで，２成分以上の成分を同時に濃度を測定することができる。すなわち、本発明の蒸気測定装置は、高温での気流中の物質濃度の測定だけでなく、冷凍庫など０℃以下の状態においても気流中の物質濃度の測定を行うことができる。

　感湿部の一部の表面を釉薬や高温用シール剤等で水分が移動できない様に加工し、さらに断熱性材料を取り付けることで伝熱と蒸発面の面積を調整する。これにより、本発明の蒸気測定装置の測定精度、あるいは、熱伝達係数を測定する際等の精度を向上させることができる。たとえば、感湿部が円柱状である場合には、その端面を加工することで、端面の影響による誤差を低減できる。

　本蒸気測定装置を水蒸気を測定する装置に組み込んだ場合は、蒸気測定装置の機能以外に加湿センサまたは加湿器としても機能させることができる。具体的には、装置が所定の湿度以下になったことを蒸気測定装置が検知した場合に、装置の制御部に湿度の増加を指示する信号を送り、装置内を加湿する、あるいは装置が所定の湿度以下になったことを蒸気測定装置が検知した場合に、蒸気測定装置が感湿部に多くの水を供給して、蒸気測定装置自体が湿度を供給するなどである。

（実施例１）

　市販の常温用空気流量計と、凝縮法で測定した所定量のボイラからの水蒸気を混合させて、所定の水蒸気モル分率の気体を作った。理想気体と考えると水蒸気分圧／全圧と等価である。図５に示す蒸気測定装置（長軸方向の長さ約５ｃｍ、外径約９ｍｍ）を作製し、ルイスの関係が成立するものとして、感湿部１で測定された温度を断熱冷却温度として水蒸気分圧を求めた。演算は、例えば、文献（伊與田他，日本機械学会２００９年度年次大会講演論文集，Ｖｏｌ.３,　Ｎｏ.０９－１，　ｐｐ.１０１－１０２（２００９））など）に記載されている、特に補正を行わない最も簡便な方法を用いている。結果を表１に示す。表１において、校正条件は、上記した作製した気体の所定の水蒸気モル分率を意味し、気流温度は、各気流温度における、上記装置での実際の測定値を意味する。上記製作した装置の感湿部１に用いた多孔質材料の細孔径分布（水銀圧入法）を図８に示す。本実施例で用いた感湿部の空隙率は、約０．５であった。

　表１から、水蒸気分圧を推算すると、（ｑｃｄ、ｑｒを０と仮定した場合）最大誤差約５％程度の精度で測定ができていることがわかる。

（実施例２）
　図４に記載の装置を用い、作製した空気と水蒸気を切り替える装置（図示せず）を用い、湿度をステップ状に変化させて、応答時間を確認した。実験は、気流流束１ｍ／ｓ、湿球温度８０℃から１００℃に変える条件で行った。結果を図９に示す。図９から、水蒸気モル分率（湿度）が０～１まで広範囲で高い応答性で１時間以上安定して測定出来ていることがわかる。なお、グラフ中直線で表されているのは、流量計の概算値を示し、曲線で表されているものが、本蒸気測定装置を用いた場合の計測値を意味する。

（実施例３）
　気流温度Ｔｇａｓが約２００℃、流速Ｕが約１ｍ／ｓで、第１～第３のセンサの信号を記録した結果を図１０に示す。図１０から、記録開始後２０秒から４０秒までの間で気流湿度を，水蒸気モル分率０．４（高湿度空気）から１（過熱水蒸気）まで変化させている。水蒸気モル分率を変えた際に、第１のセンサの温度が変化していることがわかる。また、水蒸気モル分率１の条件で１００℃になっていることがわかる。第２のセンサ３（電極を有する電気抵抗式センサ）からの信号Ｅ（グラフの右軸スケール）は、水分量が増えると上昇傾向を示し、水が無くなると０Ｖを示す。図１０から、水蒸気モル分率が増加した後、Ｅは、４．７Ｖに上昇し、その後，３．８Ｖへと低下した。このことから、第２のセンサ３付近の水の量は、水蒸気モル分率が１になった後増加し、その後減少するものの、感湿部表面に水が存在する状態を保っていることがわかる。第３のセンサから、測定中の気流温度は約１９５℃であった。

Claims

　多孔質材料で形成される感湿部と、
　前記感湿部の表面付近温度を測定する第１のセンサと
を有する蒸気測定装置であって、
　前記感湿部内に、水を供給する供給路と、
　前記感湿部内から、水を排出する排出路とを
備えることを特徴とする、蒸気測定装置。
　多孔質材料で形成される感湿部と、
　前記感湿部の表面付近温度を測定する第１のセンサと
　前記感湿部の表面に存在する水分量を測定する第２のセンサと、
を有する蒸気測定装置であって、
　前記感湿部内に、水を供給する供給路と、
　前記感湿部内から、水を排出する排出路とを
備えることを特徴とする、蒸気測定装置。
　前記蒸気測定装置は、前記第２のセンサにより測定した水分量に基いて、水の供給または水の排出を制御する、制御部を備える、請求項２に記載の蒸気測定装置。
　前記蒸気測定装置は、前記感湿部の周囲の気体の温度を測定する第３の温度センサを備える、請求項１または２に記載の蒸気測定装置。
　前記蒸気測定装置は、前記感湿部の表面に存在する水分層の外部の圧力を測定する圧力センサを備える、請求項１または２に記載の蒸気測定装置。
　前記蒸気測定装置は、前記第１のセンサ、第３のセンサ、および圧力センサからのデータを基に、水蒸気量を算出する、請求項１または２に記載の蒸気測定装置。
　前記感湿部は、０．１μｍ～１０μｍの細孔と１０～３０μｍの細孔とが混在した、セラミック多孔材料で形成されている、請求項１または２に記載の蒸気測定装置。
　前記感湿部は、該感湿部の略中央部を貫通する水の流路が設けられている、請求項１または２に記載の蒸気測定装置。
　前記感湿部は、円柱構造であり、円柱の略中央部を貫通する水の流路が設けられている、請求項１または２に記載の蒸気測定装置。
　前記感湿部は、球形あるいは、球形の一部分の外形状を有する請求項１または２に記載の蒸気測定装置。
　第１のセンサ、および第２のセンサが電極構造を有するセンサであって、該電極を介して電気抵抗変化、および／または容量変化を検出する請求項２記載の蒸気測定装置。
　多孔質材料で形成される感湿部と、
　前記感湿部の表面付近温度を測定する第１のセンサと
を有する蒸気測定装置であって、
　前記感湿部内に、水を供給する供給路を、
備えることを特徴とする、蒸気測定装置。
　前記感湿部に、沸点が周囲の気体の温度以下の液体物質を供給し、周囲の気体中に含まれるその物質の蒸気濃度を測定する１または２に記載の蒸気測定装置。
　前記請求項１～１３のいずれかに記載の蒸気測定装置が備えられた装置。
　上記の蒸気測定装置が加湿器または加湿センサとしても機能する、請求項１４に記載の装置。