液滴衝突センサ装置および防除氷装置
【課題】 液滴の含有率および粒子径を、同時かつ連続的に計測可能であり、簡単な構成で実現可能であって小形で安価な液滴衝突センサ装置を提供する。
【解決手段】 ２つのセンサ部が加熱手段１２によって各加熱率ｑ１，ｑ２で加熱され、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２がよどみ点温度検出手段１３によって検出される。さらに気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞が、気流速度検出手段１４、気流温度検出手段１５および気流圧力検出手段１６によって、検出される。演算手段１７では、それらの値ｑ１，ｑ２；Ｔｗ１，Ｔｗ２；Ｖ∞；Ｔ∞；Ｐ∞に基づいて、水滴の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤが演算される。したがって水滴の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを、同時かつ連続的に、リアルタイムで求まる。また光学系の構成を必要としない簡単な構成で実現することができ、小形かつ軽量の装置を実現することができる。
【解決手段】 ２つのセンサ部が加熱手段１２によって各加熱率ｑ１，ｑ２で加熱され、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２がよどみ点温度検出手段１３によって検出される。さらに気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞が、気流速度検出手段１４、気流温度検出手段１５および気流圧力検出手段１６によって、検出される。演算手段１７では、それらの値ｑ１，ｑ２；Ｔｗ１，Ｔｗ２；Ｖ∞；Ｔ∞；Ｐ∞に基づいて、水滴の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤが演算される。したがって水滴の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを、同時かつ連続的に、リアルタイムで求まる。また光学系の構成を必要としない簡単な構成で実現することができ、小形かつ軽量の装置を実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合ガス流中に含まれる液滴の含有率および平均粒子径を検出する液滴衝突センサ装置およびそれを備える防除氷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機が過冷却の水滴を含む空気中を飛行する場合、翼などの機体各部のよどみ点付近に氷が付着する。このような着氷と呼ばれる氷の付着現象が生じると、たとえば空力特性が変化してしまう。したがって非特許文献１に示されるように、航空機には、氷の付着を防止し、または付着した氷を除去する防除氷装置が設けられている。
【０００３】
防除氷装置は、航空機が過冷却の水滴を含む空気中を飛行するときに作動し、過冷却の水滴を含む空気中を飛行しないときには作動しないように制御され、作動するときは、一定のエネルギ量が与えられるように制御されている。防除氷装置を作動させるにあたって、常時、一定のエネルギ量を与えると、エネルギを無駄に消費してしまうので、防除氷の対象となる部分に対する水滴の衝突量によって、与えるエネルギ量を変化させるように制御することが考えられる。このような制御を実現するためには、水滴の衝突量を連続的かつリアルタイムで計測する必要があり、そのためには、水滴の含有率および平均粒子径を連続的かつリアルタイムで計測する必要がある。
【０００４】
図１３は、従来の技術の水滴衝突センサ装置１Ｃを示す斜視図である。図１３に示す水滴衝突センサ装置１Ｃは、たとえば非特許文献２に示される多段回転円柱式着氷センサと呼ばれるセンサであり、直径の異なる複数の円柱５ａ〜５ｅを回転させながら水滴を衝突させて、着氷量を計測する。各円柱５ａ〜５ｅの着氷量が、水滴の含有量ＬＷＣおよび粒子径に依存するので、着氷量から水滴の含有量ＬＷＣおよび粒子径を逆算して求めている。
【０００５】
さらに他の従来の技術として、Spherical Ice Probeと呼ばれる水滴衝突センサ装置が知られている。この水滴衝突センサは、水滴衝突限界を計測して、水滴の粒子径を求めるとともに、着氷量を計測して、水滴の含有率ＬＷＣを求めている。
【０００６】
また他の従来の技術として、非特許文献３に、レーザ光を用いて水滴の粒子径を計測する装置が示されている。
【０００７】
さらに他の従来の技術として、特許文献１〜３に示される装置が知られている。特許文献１の装置では、光源から発した光の反射光の強度から、氷の有無を検出するように構成されている。特許文献２に示される装置もまた、特許文献１と同様して、氷の有無を検出している。特許文献３に示される装置は、表面素子を気流にさらした後、表面素子に付着した氷の厚さまたは質量を計測している。
【０００８】
【非特許文献１】日本航空宇宙学会編「第２版 航空宇宙工学便覧」丸善出版、平成７年１０月５日、ｐ６０２−６０３
【非特許文献２】NACA(National Advisory Committee for Aeronautics)-Report-1215 ,'Impingement of Cloud Droplets on a Cylinder and Procedure for Measuring Liquid-Water Content and Droplet Sizes in Supercooled Clouds by Rotating Multicylinder Method'
【非特許文献３】高橋 劭 著「雲の物理」東京堂出版１９８７年２月、ｐ．９４−９５
【特許文献１】特許第３４６１００１号公報
【特許文献２】特開昭６２−２９８７４５号公報
【特許文献３】特表２００２−５３９４３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図１３の装置は、水滴の含有率ＬＷＣおよび粒子径を計測可能であり、小形で安価な装置であるが、着氷量から求めているので、水滴の含有率ＬＷＣおよび粒子径を連続的に計測することができない。Spherical Ice Probeと呼ばれる水滴衝突センサ装置もまた、図１３の装置と同様の理由で、水滴の含有率ＬＷＣおよび粒子径を連続的に計測することができない。
【００１０】
したがって本発明の目的は、液滴の含有率および粒子径を、同時かつ連続的に計測可能であり、簡単な構成で実現可能であって小形で安価な液滴衝突センサ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、液滴を含む混合ガス流中に設けられる複数のセンサ部を有し、各センサ部は、寸法および形状のうち少なくともいずれか一方が異なるセンサ基体と、
各センサ部をそれぞれ加熱する加熱手段と、
各センサ部の外表面温度を検出する表面温度検出手段と、
加熱手段によって各センサ部に与えられる熱量、および表面温度検出手段によって検出される各センサ部の外表面の温度に基づいて、混合ガスに含まれる液滴の含有率および平均粒子径を演算する演算手段とを備えることを特徴とする液滴衝突センサ装置である。
【００１２】
本発明に従えば、各センサ部が、加熱手段によってそれぞれ加熱され、各センサ部の外表面の温度が表面温度検出手段によってそれぞれ検出される。各センサ部に与えられる熱量および検出される各センサ部の外表面の温度に基づいて、演算手段によって、液滴の含有率および平均粒子径が演算して求められる。このように与える熱量と温度の検出値とに基づいて、液滴の含有率および平均粒子径が演算されるので、液滴の含有率および平均粒子径を、同時かつ連続的に、リアルタイムで求めることができる。またこのように液滴の含有率および平均粒子径を、同時かつ連続的に、リアルタイムで求めるための構成を、光学系の構成を必要としない簡単な構成で実現することができ、小形かつ軽量の装置を安価に製造することができる。
【００１３】
また本発明は、混合ガス流の速度を検出するガス流速度検出手段と、
混合ガス流の温度を検出するガス流温度検出手段と、
混合ガス流の圧力を検出するガス流圧力検出手段とをさらに備え、
演算手段は、
加熱手段によって各センサ部に与えられる熱量、および表面温度検出手段によって検出される各センサ部の外表面の温度に基づいて、各センサ部に対する液滴の衝突量をそれぞれ演算して求め、
ガス流速度検出手段によって検出される混合ガス流の速度、ガス流温度検出手段によって検出される混合ガス流の温度、およびガス流圧力検出手段によって検出される混合ガス流の圧力に基づいて、センサ部毎に、液滴の衝突率と平均粒子径との関係をそれぞれ演算して求め、
各センサ部に対する液滴の衝突量、および液滴の衝突率と平均粒子径との関係に基づいて、センサ部毎に、液滴の含有率と平均粒子径との関係をそれぞれ演算して求め、
センサ部毎の液滴の含有率と平均粒子径との関係が一致する点における値を、液滴の含有率および平均粒子径の計測結果として確定することを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、混合ガス流の速度、温度および圧力が、ガス流速度検出手段、ガス流温度検出手段およびガス流圧力検出手段によってそれぞれ検出される。演算手段では、各センサ部に与えられる熱量および各センサ部の外表面の温度に基づいて、各センサ部に対する液滴の衝突量がそれぞれ演算されるとともに、混合ガス流の速度、温度および圧力に基づいて、センサ部毎に、液滴の衝突率と平均粒子径との関係がそれぞれ演算される。さらに演算手段では、各センサ部に対する液滴の衝突量、および液滴の衝突率と平均粒子径との関係に基づいて、センサ部毎に、液滴の含有率と平均粒子径との関係がそれぞれ演算され、それの関係が一致する点における値が、液滴の含有率および平均粒子径の計測結果として確定される。このようにして液滴の含有率および平均粒子径を計測することができる。
【００１５】
このようにガス流速度検出手段、ガス流温度検出手段およびガス流圧力検出手段を設け、これらの検出手段による検出結果を用いることによって、演算手段によって、熱量および各センサ部の温度に基づく液滴の含有率および平均粒子径の演算を容易に実現することができる。しかもガス流速度検出手段、ガス流温度検出手段およびガス流圧力検出手段は、光学系の構成を必要としない簡単な構成で実現することができ、小形かつ軽量で安価な液滴衝突センサ装置を実現することができる。
【００１６】
また本発明は、前記液滴衝突センサ装置であって、液滴として空気中に含まれる水滴の含有率および平均粒子径を計測する液滴衝突センサ装置と、
防除氷対象物を防除氷する防除氷手段と、
液滴衝突センサ装置の出力に応答し、防除氷手段で消費されるエネルギ量が、液滴衝突センサ装置によって計測される水滴の含有率および平均粒子径に応じたエネルギ量となるように防除氷手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする防除氷装置である。
【００１７】
本発明に従えば、防除氷手段が設けられ、この防除氷手段によって、防除氷対象物が防除氷される。さらに液滴衝突センサ装置によって、空気中に含まれる水滴の含有率および平均粒子径が計測され、この計測結果に応答して、制御手段によって、防除氷手段が制御される。制御手段では、防除氷手段で消費されるエネルギ量が、計測される水滴の含有率および平均粒子径に応じたエネルギ量となるように、防除氷手段を制御する。これによって防除氷対象物に対する水滴の衝突量に合わせて、防除氷手段で消費される作動エネルギを制御することができ、防除氷手段で無駄なエネルギが消費されることを防止し、消費エネルギの小さい防除氷装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、水滴の含有率ＬＷＣおよび粒子径を、連続的にかつリアルタイムで計測可能であり、簡単な構成で実現可能であって、小形かつ軽量で安価な液滴衝突センサ装置を実現することができる。
【００１９】
また本発明によれば、ガス流速度検出手段、ガス流温度検出手段およびガス流圧力検出手段を設け、これらの検出手段による検出結果を用いることによって、演算手段によって、熱量および各センサ部の温度に基づく液滴の含有率および平均粒子径の演算を容易に実現することができる。
【００２０】
また本発明によれば、防除氷対象物に対する水滴の衝突量に合わせて、防除氷手段で消費されるエネルギを制御することができ、防除氷手段で無駄なエネルギが消費されることを防止し、消費エネルギの小さい防除氷装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施の一形態である水滴衝突センサ装置（以下「水滴センサ」ともいう）１０の構成を示すブロック図である。図２は、水滴センサ１０のセンサ基体１１を示す斜視図である。図３は、図２の切断面線Ｓ３−Ｓ３から見てセンサ基体１１を示す断面図である。図４は、図２の切断面線Ｓ４−Ｓ４から見てセンサ基体１１を示す断面図である。図５は、混合空気流（以下単に「気流」ともいう）２０中に設置されるセンサ基体１１を模式的に示す断面図である。図５には、センサ基体１１などの厚みを省略して示す。
【００２２】
液滴衝突センサ装置である水滴センサ１０は、水滴３０を含む空気である混合空気における水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを計測するための装置である。水滴センサ１０は、たとえば航空機に搭載され、航空機の飛行に伴って航空機の周囲に生じる気流２０中に含まれる水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを計測するために用いられる。計測される水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤは、気流２０中の水滴３０が過冷却の状態にある着氷気象中を航空機が飛行するときの防除氷に利用される。水滴センサ１０は、センサ基体１１と、加熱手段１２と、よどみ点温度検出手段１３と、気流速度検出手段１４と、気流温度検出手段１５と、気流圧力検出手段１６と、演算手段１７と、出力手段１８と、記憶手段１９とを備える。
【００２３】
センサ基体１１は、複数、本実施の形態では第１センサ部２５および第２センサ部２６の２つのセンサ部を有する。各センサ部２５，２６は、寸法および形状のうち少なくともいずれか一方が異なる構成である。本実施の形態では、各センサ部２５，２６は、共に円筒状であり、外径が互いに異なる相似形状である。第１センサ部２５の外径Ｄ１に比べて、第２センサ部２６の外径Ｄ２が大きい。各センサ部２５，２６は、同軸に設けられ、軸線方向に並べられて、一体に形成される。センサ基体１１の材料は、特に限定されることはなく、たとえば金属を用いることができる。
【００２４】
センサ基体１１は、少なくとも各センサ部２５，２６が、計測の対象となる気流２０中に配置され、軸線Ｌ１１が気流２０の流れ方向Ｘに対して垂直となるように設けられる。各センサ部２５，２６の軸線は、センサ基体１１の軸線Ｌ１１と一致している。気流２０の流れ方向Ｘは、自由流れ状態における流れ方向であり、センサ基体１１が設けられていない状態での流れ方向である。自由流れ状態は、計測の対象となる気流２０の本来の状態であり、物体による、速度、温度および気圧を含む状態量の変化が無い状態である。
【００２５】
加熱手段１２は、各センサ部２５，２６をそれぞれ加熱する手段であり、第１加熱部２１と、第２加熱部２２とを有する。第１加熱部２１は、第１センサ部２５内に設けられ、第１センサ部２５における気流２０のよどみ点（以下「第１よどみ点」ともいう）ｐ１に臨む部分の内表面部に装着され、第１センサ部２５の第１よどみ点ｐ１に臨む部分を加熱する。円筒状である第１センサ部２５には、図２に仮想線３１で示すように軸線と平行な直線状に延びるようによどみ点が存在し、これらのうちの一点が、前記第１よどみ点ｐ１である。
【００２６】
第２加熱部２２は、第２センサ部２６内に設けられ、第２センサ部２６における気流２０のよどみ点（以下「第２よどみ点」ともいう）ｐ２に臨む部分の内表面部に装着され、第２センサ部２６の第２よどみ点ｐ２に臨む部分を加熱する。円筒状である第２センサ部２６には、図２に仮想線３２で示すように軸線と平行な直線状に延びるようによどみ点が存在し、これらのうちの一点が、前記第２よどみ点ｐ２である。
【００２７】
第１加熱部２１は、第１加熱率ｑ１（ｋＷ／ｍ２）で第１センサ部２５を加熱する。第２加熱部２２は、第２加熱率ｑ２（ｋＷ／ｍ２）で第２センサ部２６を加熱する。各加熱率ｑ１，ｑ２は、単位時間に単位面積当たりに与える熱量である。各加熱部２１，２２は、発熱源によって実現され、たとえば電気的発熱源である電気ヒータが用いられる。
【００２８】
表面温度検出手段であるよどみ点温度検出手段１３は、各センサ部２５，２６の外表面温度を検出する手段であり、各センサ部２５，２６の外表面の温度を検出する手段である。よどみ点温度検出手段１３は、気流２０のよどみ点における混合空気の温度Ｔｗ１，Ｔｗ２を検出する。
【００２９】
よどみ点温度検出手段１３は、第１よどみ点温度検出部２３と、第２よどみ点温度検出部２４とを有する。第１よどみ点温度検出部２３は、第１センサ部２５内に設けられ、第１よどみ点ｐ１の温度（以下「第１よどみ点温度」ともいう）Ｔｗ１（Ｋ）を検出する。第２よどみ点温度検出部２４は、第２センサ部２６内に設けられ、第２よどみ点ｐ２の温度（以下「第２よどみ点温度」ともいう）Ｔｗ２（Ｋ）を検出する。各よどみ点温度検出部２３，２４は、各種の温度検出器を用いることができ、たとえば電気抵抗式温度計や熱電対を利用した温度計が用いられる。
【００３０】
ガス流速度検出手段である気流速度検出手段１４は、気流２０の速度（以下「気流速度」ともいう）Ｖ∞（ｍ／ｓ）を検出する手段である。気流速度Ｖ∞は、自由流れ状態における混合空気の速度である。気流速度検出手段１４は、各種の流速検出器を用いることができる。また水滴センサ１０が航空機に搭載される場合、航空機に搭載されるエアデータコンピュータ（略称ＡＤＣ）を利用して実現される対気速度計を、気流速度検出手段１４として利用することができる。
【００３１】
ガス流温度検出手段である気流温度検出手段１５は、気流２０の温度（以下「気流温度」ともいう）Ｔ∞（Ｋ）を検出する手段である。気流温度Ｔ∞は、自由流れ状態における混合空気の温度である。気流温度検出手段１５は、各種の温度計を用いることができ、各よどみ点温度検出部２３，２４と同様の温度検出器を用いることができる。また水滴センサ１０が航空機に搭載される場合、航空機に搭載される外気温度計を、気流温度検出手段１５として利用することができる。
【００３２】
ガス流圧力検出手段である気流圧力検出手段１６は、気流２０の圧力（以下「気流圧力」ともいう）Ｐ∞（Ｐａ）を検出する手段である。気流圧力Ｐ∞は、自由流れ状態における混合空気の圧力であり、動圧を含まない当該状態下の静圧である。
【００３３】
気流圧力手段１６は、各種の圧力検出器を用いることができる。また水滴センサ１０が航空機に搭載される場合、航空機に搭載される外気の圧力を検出する圧力計を、気流圧力検出手段１６として利用することができる。
【００３４】
気流速度検出手段１４、気温検出手段１５および気圧検出手段１６は、水滴センサ１０専用に設けられる構成であってもよいが、水滴センサ１０が、航空機に搭載される場合、航空機に搭載される航空計器に含まれる検出手段を利用するようにしてもよい。このように航空計器を利用すれば、構成を簡単にし、小形化することができる。
【００３５】
演算手段１７には、加熱手段１２から各加熱率ｑ１，ｑ２を表す信号が与えられるとともに、各検出手段１３〜１６による検出結果Ｔｗ１，Ｔｗ２，Ｖ∞，Ｔ∞，Ｐ∞を表す信号が与えられる。演算手段１７は、これらの信号に応答し、各加熱率ｑ１，ｑ２と、各検出結果Ｔｗ１，Ｔｗ２，Ｖ∞，Ｔ∞，Ｐ∞を用いて、気流２０における水滴３０の含有率ＬＷＣ（ｋｇ／ｍ３）および平均粒子径ＭＶＤ（ｍ）を演算して求める。含有率ＬＷＣは、単位体積の混合空気中に含まれる水滴３０の合計質量である。平均粒子径ＭＶＤは、混合空気に含まれる複数の水滴３０の粒子径の平均値である。演算手段１７は、中央演算処理ユニット（略称ＣＰＵ）によって実現される。
【００３６】
演算手段１７は、各加熱率ｑ１，ｑ２および各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２に基づいて、各センサ部２５，２６に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２（ｋｇ／ｍ２・ｓ）をそれぞれ演算して求めるとともに、気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞に基づいて、各センサ部２５，２６毎に、衝突率β（無次元）と平均粒子径ＭＶＤとの関係をそれぞれ演算して求める。さらに演算手段１７は、各センサ部２５，２６に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２、および衝突率βと平均粒子径ＭＶＤとの関係に基づいて、各センサ部２５，２６毎に、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係をそれぞれ演算して求める。そして演算手段１７は、各センサ部２５，２６毎に求められる、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係が一致する点における値を、含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測結果として確定する。このように演算手段１７は、加熱手段１２によって各センサ部２５，２６に与えられる熱量である各加熱量ｑ１，ｑ２、および各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２に基づいて、水滴３０の含有率ＬＷＣおよび水滴３０の平均粒子径ＭＶＤを演算する。各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２は、単位時間に単位面積当たりに衝突する水滴３０の合計質量である。衝突率βは、ある位置における水滴３０の衝突率である。
【００３７】
衝突率βは、たとえば、文献（Ruff, pp11-22）,文献（Kim, J. J., “Particle
Trajectory Computation on a Three-Dimensional Engine Inlet,” NASA CR-175023,
Jan. 1986.), 文献（ＡＩＡＡ−８９−０７５９，Ｐ４，Fig. 4）等に示されるように、
水滴の通過量または衝突量に関する比率である。式で表すとＷｌｏｃａｌ／Ｗ∞となる。ここで Ｗ∞：自由流中での気流速度方向に垂直な面に対する水滴通過量（ｋｇ／ｍ２−ｓ）（水滴と気流とは同じ速度で移動していると仮定）、Ｗｌｏｃａｌ：物体の衝突面における水滴衝突量（ｋｇ／ｍ２−ｓ）である。このとき、Ｗｌｏｃａｌは物体の表面が基準であり、衝突面は必ずしも速度方向に垂直とは限らない。たとえば、β＝０．６は、物体のある点Ｐ０における水滴衝突量が自由流の水滴通過量の６０％であることを意味する。
【００３８】
出力手段１８には、演算手段１７から、演算結果である前記演算によって計測結果として確定した含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを表す信号が与えられる。出力手段１８は、計測結果の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを、外部に出力するための手段である。この出力手段１８には、計測結果の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを、表示などによって作業者に報知する報知手段、および後続の手段に与えるための通信手段が含まれる。
【００３９】
記憶手段１９は、演算手段１７における演算に用いる演算プログラムおよびデータが記憶される。演算手段１７は、記憶手段１７に記憶される演算プログラムを読出して実行することによって、演算を実行することができる。また演算手段１７は、演算に必要なデータを記憶手段１９から読出して演算に用いる。記憶手段１９は、たとえば半導体メモリによって実現される。
【００４０】
図６は、演算手段１７における演算処理動作を示すフローチャートである。図７は、演算手段１７における演算処理動作を説明するための図である。図６および図７に示す演算処理動作は、水滴センサ１０によって実行される含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの取得方法のうち、加熱手段１２が設けられるセンサ基体１１を気流２０中に設置した後、演算手段１７で実行される工程の動作である。演算手段１７における演算処理動作は、水滴センサ１０への電力供給の開始に伴なって、ステップｓ０で開始され、ステップｓ１に進む。ステップｓ１では、演算手段１７は、加熱手段１２およびよどみ点温度検出手段１３からの信号をそれぞれ受取ることによって、各加熱率ｑ１，ｑ２および各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２を取得する。さらにステップｓ１では、演算手段１７は、気流速度検出手段１４、気流温度検出手段１５および気流圧力検出手段１６からの信号を受取ることによって、気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞を取得する。
【００４１】
次にステップｓ２では、演算手段１７は、ステップｓ１で取得した各加熱率ｑ１，ｑ２および各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２に基づいて、各センサ部２５，２６毎に、各よどみ点ｐ１，ｐ２に臨む位置における水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐ１を演算して求める。ステップｓ２では、第１センサ部２５に関して、図７（１）のグラフに示すような、第１加熱率ｑ１と、第１よどみ点温度Ｔｗ１と、第１よどみ点ｐ１に臨む位置における水滴３０の衝突量である第１衝突量Ｗｉｍｐ１との関係を、各センサ部の外表面におけるエネルギーバランス式を用いて予め求めておくかまたは直接計算することによって、ステップｓ１で取得した第１加熱率ｑ１および第１よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２に基づいて、第１衝突量Ｗｉｍｐ１を、演算によって求めることができる。図７（１）には第１センサ部２５についての関係だけを示すが、第２センサ部２６に関しても同様にして、第２加熱率ｑ２と、第２よどみ点温度Ｔｗ２と、第２よどみ点ｐ２に臨む位置における水滴３０の衝突量である第２衝突量Ｗｉｍｐ２との関係を、センサ表面におけるエネルギーバランス式を用いて予め求めておくかまたは直接計算することによって、ステップｓ１で取得した第２加熱率ｑ２および第２よどみ点温度Ｔｗ２に基づいて、第２衝突量Ｗｉｍｐ２を、演算によって求めることができる。
【００４２】
図８は、加熱率ｑと、よどみ点温度Ｔｗと、衝突量Ｗｉｍｐとの関係の一例を示すグラフである。図９は、加熱率ｑと、よどみ点温度Ｔｗと、衝突量Ｗｉｍｐとの関係の他の例を示すグラフである。図８および図９に示す関係は、各センサ部２５，２６のいずれにも対応し得る関係であり、各センサ部２５，２６を特定する添え字「１」、「２」を省略して示す。つまり変数「Ｄ」は、各センサ部２５，２６の外径Ｄ１，Ｄ２にそれぞれ対応し、変数「ｑ」は、各加熱率ｑ１，ｑ２にそれぞれ対応し、変数「Ｔｗ」は、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２にそれぞれ対応し、変数「Ｗｉｍｐ」は、各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２にそれぞれ対応する。たとえば第１センサ部２５の外径Ｄ１が０．０２５ｍφの場合、図８のような関係を有し、「ｑ」が第１加熱率ｑ１を示し、「Ｔｗ」が第１よどみ点温度Ｔｗ１を示し、「Ｗｉｍｐ」が第１衝突量Ｗｉｍｐ１を示す。また、たとえば第２センサ部２６の外径Ｄ２が０．０５ｍφの場合、図９のような関係を有し、「ｑ」が第２加熱率ｑ２を示し、「Ｔｗ」が第２よどみ点温度Ｔｗ２を示し、「Ｗｉｍｐ」が第２衝突量Ｗｉｍｐ２を示す。図８および図９には、気流速度Ｖ∞が１００ｍ／ｓであり、気流温度Ｔ∞が２６２．１５Ｋであり、気流圧力Ｐ∞が６９，７２４Ｐａの場合の関係を示す。
【００４３】
図８および図９に示すように、各加熱率ｑ１，ｑ２と、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２と、各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２との関係は、各加熱率ｑ１，ｑ２の値で場合分けされて整理され、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２と、各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２との関係として表される。たとえば各加熱率ｑ１，ｑ２が、１０ｋＷ／ｍ２、２０ｋＷ／ｍ２、３０ｋＷ／ｍ２の各場合における、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２と、各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２との関係として表される。またこれらの関係は、気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞によって変化するので、各加熱率ｑ１，ｑ２による場合分けと同様にして気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞の値によって場合分けされて整理される。
【００４４】
各加熱率ｑ１，ｑ２と、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２と、各衝突量量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２との関係は、計測を開始する前に、たとえば着氷風洞を用いる風洞試験によって計測して、記憶手段１９に記憶される。ステップｓ２の演算では、演算手段１７は、各加熱率ｑ１，ｑ２と、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２と、各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２との関係修正係数を演算して求め、記憶手段１９に記憶される関係を修正することによって、ステップｓ１における取得結果に対応する関係を求め、その修正した関係を用いて、各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２を演算する。修正係数を求める演算には、たとえば文献：（SAE Technical Committee of the Society of Automotive Engineers: SAE
Aerospace Applied Thermodynamics Manual,ARP-1168, 2nd Edition, 1969.）に示される簡易解析式、文献：（ICA2004-7.5.R,S,Nishio and S.Kato,“Development of Ice
Accretion and Anti-Icing System Simulation”,Ruff, G. A., and Berkowitz, B. M.,
“USERS Manual for the NASA Lewis Ice Accretion Prediction Code (LEWICE), ”
NASA CR-185129, 1990, Morency, F., Tezok, F., and Paraschivoiu, I., “Anti-
Icing System Simulation Using CANICE, “ Journal of Aircraft, Vol.36, No.6,
Nov.-Dec. 1999, pp. 999 - 1006.やAl-Khalil, K. M., Keith, Jr. T. G., De Witt,
K. J., Natmann, J. K., and Dietrich, D. A., “ Thermal Analysis of Engine Inlet
Anti-Icing Systems, “ AIAA Paper 89-0759, 27th Aerospace Sciences Meeting,
1989.）に示される防氷計算コード、文献：（Kato,S.,“Analytical Solution for the
Anti-Icing System Simulation for an Aircraft” Kato, S. ”Solution for Aircraft
Anti-Icing System Simulation by a modified Perturbation Method,” Journal of
Aircraft, Vol.43, No.2, March-April 2006, pp. 544 - 554.）に示される解析解など、公知の演算を採用して得ることができる。さらに、たとえば着氷風洞を用いる風洞試験によってｑ、Ｔｗ、Ｗｉｍｐの関係を計測して、各センサの表面温度の計算結果と測定結果を比較することによって、修正係数を求めることにより、計算精度を上げることができる。ｑ、Ｔｗ、Ｗｉｍｐの関係は、上記で取得した修正係数を用いて前もって演算を行い、記憶手段１９に入れておくか、または、運用中／運転中に修正係数を用いた演算を直接行って、得ることができる。なお、これらの演算の結果は、Ｔ∞、Ｐ∞、Ｖ∞、ＬＷＣ，ｄ，Ｄ等のパラメータに依存している。
【００４５】
ステップｓ２では、演算手段１７は、記憶手段１９から各加熱率ｑ１，ｑ２と、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２と、各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２との関係を読出し修正係数を用いて修正するか、これらの演算を直接計算することにより求める。
【００４６】
次にステップｓ３では、演算手段１７は、図７（２）のグラフに示すような、パラメータＫ０と、平均粒子径ＭＶＤとの関係を、各センサ部２５，２６毎に演算して求める。パラメータＫ０は、円柱に対する水滴３０の衝突に係るパラメータであって、次式（１）で表される。式（１）中のパラメータＫは、式（２）によって表され、パラメータＲｕは、式（３）によって表される。式（１）は、たとえば文献：（Heinrich,A.et.al.,
“Aircraft Icing Handbook”,Volume 1 of 3,AD-A238-039,DOT/FAA/CT-88/8-1, March
1 991.）に示されている。式（２）は、式（２ａ）および式（２ｂ）からなる。
【００４７】
【数１】
【００４８】
ここでρｗは、水滴３０を形成する水の密度（ｋｇ／ｍ３）である。ｄは、水滴３０の粒子径（ｍ）であり、このｄが、平均粒子径ＭＶＤに相当する。μａは、空気の粘性係数（Ｐａ・ｓ）であり、気流温度Ｔ∞に依存し、ステップｓ１で取得される気流温度Ｔ∞を用いて、演算手段１７で演算される。ρａは空気密度（ｋｇ／ｍ３）であり、ステップｓ１で取得される気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞を用いて、演算手段１７で演算される。νａは、空気の動粘性係数（ｍ２／ｓ）であり、上記のμａおよびρａを用いて、演算手段１７で演算される。Ｃは、物体の代表長であり、円柱の場合Ｃは内径Ｄ／２（ｍ）であり、各センサ部２５，２６の半径Ｄ１／２，Ｄ２／２に相当する。
【００４９】
ステップｓ３では、演算手段１７は、ステップｓ１で取得した気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞に基づいて、式（１）〜式（３）に数値を代入し、パラメータＫ０と、平均粒子径ＭＶＤとの関係を求める。Ｄに、第１センサ部２５の外径Ｄ１を代入すると、第１センサ部２５における、パラメータＫ０とｄ（＝平均粒子径ＭＶＤ）との関係式が得られ、Ｄに、第２センサ部２６の外径Ｄ２を代入すると、第２センサ部２６における、パラメータＫ０とｄ（＝平均粒子径ＭＶＤ）との関係式が得られる。このようにして、演算手段１７は、各センサ部２５，２６毎に、パラメータＫ０と平均粒子径ＭＶＤとの関係を求める。
【００５０】
次にステップｓ４では、演算手段１７は、図７（３）のグラフに示すような、各センサ部２５，２６の各よどみ点ｐ１，ｐ２に臨む位置における衝突率βと、パラメータＫ０との関係を、各センサ部２５，２６毎に演算して求める。衝突率βと、パラメータＫ０との関係は、たとえば文献：（SAE Technical Committee of the Society of Automotive
Engineers:SAE Aerospace Applied Thermodynamics Manual,ARP-1168,2nd Edition,1969.およびBowden,D.T.,et.al.,“Engineering Summary of Airframe Icing Technical
Data”,AD-608865,March 1964.）に示されるデータ、または文献：（ICA2004-7.5.R,S,
Nishio and S.Kato,“Development of Ice Accretion and Anti-Icing System
Simulation”、およびRuff, G. A., and Berkowitz, B. M., “USERS Manual for the
NASA Lewis Ice Accretion Prediction Code (LEWICE), ” NASA CR-185129, 1990）に示される解析演算など、公知のデータまたは演算を用いて、求めることができる。
【００５１】
またステップｓ４の演算の方法として水滴の軌道を数値計算により算出して衝突率βを求める方法がある。具体的には、Ｋ０は式（１）,（２）,（３）から求まる。入力するパラメータとして、Ｔ∞、Ｐ∞、Ｖ∞、ρｗ（水滴密度），ρａ（空気密度），μａ（空気の粘性係数)，代表長さＣ（円柱の場合はＣ＝Ｄ／２），ｄ（水滴径）を与えると式（１）〜式（３）で求まる。衝突率βは文献：（（a）Ruff, G. A., and Berkowitz, B. M.,
“USERS Manual for the NASA Lewis Ice Accretion Prediction Code (LEWICE), ”
NASA CR-185129, 1990, (pp.11-22)
(b) Kim, J. J., “Particle Trajectory Computation on a Three-Dimensional
Engine Inlet,” NASA CR-175023, Jan. 1986.
(c) Al-Khalil, K. M., Keith, Jr. T. G., De Witt, K. J., Natmann, J. K., and
Dietrich, D. A., “ Thermal Analysis of Engine Inlet Anti-Icing Systems, “
AIAA Paper 89-0759, 27th Aerospace Sciences Meeting, 1989.）などに示される気流中での水滴軌道を計算することにより得られる。このようにパラメータＫ０、衝突率βを求めることによって、パラメータＫ０と衝突率βとの関係を求めることができる。
【００５２】
次にステップｓ５では、演算手段１７は、図７（４）のグラフに示すような、各センサ部２５，２６の各よどみ点ｐ１，ｐ２に臨む位置における衝突率βと、水滴３０の平均粒子径ＭＶＤとの関係を、各センサ部２５，２６毎に演算して求める。このステップｓ５では、ステップｓ３で求められる関係と、ステップｓ４で求められる関係とに基づいて、共通に関わっているパラメータＫ０を消去するように演算し、各センサ部２５，２６の各よどみ点ｐ１，ｐ２に臨む位置における衝突率βと、水滴３０の平均粒子径ＭＶＤとの関係を求める。
【００５３】
次にステップｓ６では、演算手段１７は、図７（５）に示すように、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を、各センサ部２５，２６毎に演算して求める。含有率ＬＷＣは、次式（４）で表される。
【００５４】
【数２】
【００５５】
式（４）のＶ∞に、ステップｓ１で取得した気流速度Ｖ∞の計測値代入し、Ｗｉｍｐに、ステップｓ２の演算結果の第１衝突量Ｗｉｍｐ１を代入することによって、第１センサ部２５における、含有率ＬＷＣと、第１よどみ点ｐ１に臨む位置の衝突率βとの関係を求めることができる。第１よどみ点ｐ１に臨む位置の衝突率βは、ステップｓ５で、平均粒子径ＭＶＤとの関係が明らかになっており、平均粒子径ＭＶＤの関数として表される。第１センサ部２５に関して、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を求めることができる。
【００５６】
また式（４）のＶ∞に、ステップｓ１で取得した気流速度Ｖ∞の計測値代入し、Ｗｉｍｐに、ステップｓ２の演算結果の第２衝突量Ｗｉｍｐ２を代入することによって、第２センサ部２６における、含有率ＬＷＣと、第２よどみ点ｐ２に臨む位置の衝突率βとの関係を求めることができる。第２よどみ点ｐ２に臨む位置の衝突率βは、ステップｓ５で、平均粒子径ＭＶＤとの関係が明らかになっており、平均粒子径ＭＶＤの関数として表される。第２センサ部２５に関して、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を求めることができる。このようにしてステップｓ６では、演算手段１７は、ステップｓ２の演算結果の各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２と、ステップｓ５の演算結果の関係とに基づいて、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を、各センサ部２５，２６毎に演算する。
【００５７】
次にステップｓ７では、演算手段１７、各センサ部２５，２６毎に求められる、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係が一致する、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤの値を求める。このステップｓ７における演算手段１７の演算は、図７（６）に示すように、１つのグラフ上に、第１センサ部２５に関して求められる含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を表す第１の線と、第２センサ部２６に関して求められる含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を表す第２の線との交点を求め、その交点が示す含有率ＬＷＣの値および平均粒子径ＭＶＤの値を求めるのと等価の演算である。このようにして求められる含有率ＬＷＣの値および平均粒子径ＭＶＤの値が、含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測結果となる。第１センサ部２５に関して求められる含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係と、第２センサ部２５に関して求められる含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係とは、気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞が同一の条件で求められる関係である。
【００５８】
図１０は、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を求めた計算例を示すグラフである。図１０の計算例は、各センサ部２５，２６に相当する円筒部材に、各加熱部２１，２２に相当する加熱手段を設けた装置を想定し、円筒部材の外径をＤとし、この外径Ｄを、０．０５ｍおよび０．１ｍにそれぞれ設定した場合について、含有率ＬＷＣ（ｋｇ／ｍ３）と平均粒子径ＭＶＤ（ｍ）との各関係の計算結果を模式的に示す。
【００５９】
図１０の２種の曲線は、計算パラメータは図７（６）の２種の曲線に対応しており、計算パラメータとして気流速度Ｖ∞＝１００ｍ／ｓ，気流温度Ｔ∞＝２６２．１５Ｋ、気流圧力Ｐ∞＝６９７２４Ｐａ，水滴含有率ＬＷＣ＝０．３７５×１０−３ｋｇ／ｍ３，平均水滴径ＭＶＤ＝２０μを使用している。また、水滴衝突量Ｗｉｍｐは式（４）から、Ｗｉｍｐ＝Ｖ∞・ＬＷＣ・β（Ｋ０）として求められ、Ｗｉｍｐ１＝０．０３０ｋｇ／ｍ２−ｓ，Ｗｉｍｐ２＝０．０２５ｋｇ／ｍ２−ｓとなる。各Ｗｉｍｐに対応する加熱率ｑと表面温度Ｔｗの値は、たとえばセンサ２５の場合（Ｄ１＝０．０５ｍφ）、図９から求めることができ、この場合、ｑ１＝１０ｋＷ／ｍ２、Ｔｗ１＝２７９．２Ｋが一つの解である。図１０において交点における含有率ＬＷＣの値と平均粒子径ＭＶＤの値とが、求める含有率ＬＷＣの値および平均粒子径ＭＶＤの値となる。
【００６０】
このようにして演算手段１７は、ステップｓ７で求めた含有率ＬＷＣの値と平均粒子径ＭＶＤの値とを、含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測結果とし、この計測結果を表す信号を出力手段１８に与える。そしてステップｓ８に進んで、演算動作を終了する。演算手段１７では、このような一連の演算動作が繰返し実行される。
【００６１】
図１１は、水滴センサ１０を備える防除氷装置４０を示すブロックである。航空機が過冷却の水滴を含む空気中を飛行する場合、翼などの機体各部のよどみ点付近に氷が付着する。このような着氷と呼ばれる氷の付着現象が生じると、たとえば空力特性が変化してしまう。したがって航空機には、氷の付着を防止し、または付着した氷を除去するために、防除氷装置４０が搭載される。
【００６２】
防除氷装置４０は、図１〜図１０を参照して説明した水滴センサ１０と、防除氷手段４１と、制御手段４２とを有する。水滴センサ１０は、前述のようにして、気流２０中の水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを計測する。水滴センサ１０は、計測結果を表す信号を、出力手段１８から制御手段４２に与える。
【００６３】
防除氷手段４１は、防除氷対象物に対する防除氷を達成する手段である。防除氷は、氷の付着を防止する防氷および付着した氷を除去する除氷を含む。したがって防除氷手段４１は、氷の付着を防止し、または防除氷対象物に付着した氷を除去する。防除氷手段４１は、たとえば防除氷対象物を加熱することによって、防除氷を達成する。防除氷対象物は、航空機の翼などの機体各部の着氷のおそれのある部分である。
【００６４】
制御手段４１は、たとえば中央演算処理ユニット（略称ＣＰＵ）によって実現される。制御手段４１は、水滴センサ１０の出力に応答し、水滴センサ１０によって計測される水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測結果に基づいて、防除氷対象物に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐを演算し、防除氷手段４１で消費されるエネルギ量が、防除氷対象物に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐに応じたエネルギ量となるように防除氷手段４１を制御する。衝突量Ｗｉｍｐは、防除氷対象物に対して、単位時間に単位面積当たりに衝突する水滴３０の合計質量である。防除氷対象物に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐの演算は、公知の演算式、演算方法を用いることができる。たとえば式（４）を変形した式によって求めることができる。この場合、衝突率βは、防除氷対象物の形状や混合気流条件によって異なるので、事前に試験によって求めておくか、文献値を用いるかまたは水滴衝突解析を用いるか、またはこれらを組み合わせることにより求めておいて、防除氷対象物への衝突量Ｗｉｍｐを演算する。なお、水滴衝突解析については、たとえば文献：（Ruff, G. A., and Berkowitz, B. M., “USERS Manual for the NASA Lewis Ice
Accretion Prediction Code (LEWICE), ” NASA CR-185129, 1990、や Kim, J. J.,
“Particle Trajectory Computation on a Three-Dimensional Engine Inlet,” NASA
CR-175023, Jan. 1986.等）に示されている解析を用いることができる。
【００６５】
図１２は、制御手段４１の制御動作を示すフローチャートである。制御手段４１の制御動作は、防除氷装置４０への電力供給の開始に伴なって、ステップｓ１０で開始され、ステップｓ１１に進む。ステップｓ１１では、制御手段４２は、水滴センサ１０から信号を受取ることによって、水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを取得する。次にステップｓ１２で、制御手段４２は、計測される水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを用いて、防除氷対象物への水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐを演算する。そしてステップｓ１３で、制御手段４２は、防除氷対象物に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐに応じて、防除氷手段４１に与えるエネルギ量を演算する。次にステップｓ１４で、制御手段４２は、防除氷手段４１で消費されるエネルギ量がステップｓ１３での演算した値となるように、防除氷手段４１を作動させ、ステップｓ１５に進んで、制御動作を終了する。制御手段４２は、このような一連の制御動作を繰返し実行する。
【００６６】
前述のような実施の形態の水滴センサ１０によれば、各センサ部２５，２６が、加熱手段１２によってそれぞれ加熱され、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２がよどみ点温度検出手段１３によってそれぞれ検出される。また気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞が、気流速度検出手段１４、気流温度検出手段１５および気流圧力検出手段１６によってそれぞれ検出される。演算手段１７では、各センサ部２５，２６に対する加熱量ｑ１，ｑ２および検出される各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２に基づいて、各センサ部２５，２６に対する水滴の衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２がそれぞれ演算されるとともに、気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞に基づいて、各センサ部２５，２６毎に、水滴３０の衝突率βと平均粒子径ＭＶＤとの関係がそれぞれ演算される。さらに演算手段１７では、各センサ部２５，２６に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２、および水滴３０の衝突率βと平均粒子径ＭＶＤとの関係に基づいて、各センサ部２５，２６毎に、水滴３０の含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係がそれぞれ演算され、そらの関係が一致する点における値が、水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測結果として確定される。このようにして水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを計測することができる。
【００６７】
このように各加熱量ｑ１，ｑ２と、よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２の検出値とに基づいて、水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤが演算されるので、水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを、同時かつ連続的に、しかもリアルタイムで求めることができる。またこのように水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを、同時かつ連続的に、リアルタイムで求めるための構成を、光学系の構成を必要としない簡単な構成で実現することができ、小形かつ軽量の水滴衝突センサ装置１０を安価に実現することができる。
【００６８】
また前述の防除氷装置４０によれば、防除氷手段４１によって、防除氷対象物が防除氷される。さらに水滴センサ１０によって、空気中に含まれる水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤが計測され、この計測結果に応答して、制御手段４２によって、防除氷手段４１が制御される。制御手段４２では、防除氷手段４１で消費されるエネルギ量が、計測される水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤに応じたエネルギ量となるように、防除氷手段４１を制御する。
【００６９】
航空機が過冷却の水滴３０を含む着氷気象中を飛行するとき、防除氷対象物への水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐに応じて防除氷手段４１の作動エネルギ量を調整することができれば、燃費の節約に有効である。防除氷対象物への水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐは、衝突面の幾何学形状にも依存するが、水滴３０の含有率ＬＷＣおよびＭＶＤにも依存する。衝突面の幾何学形状への依存は、予め風洞試験などによって把握することができるが、水滴３０の含有率ＬＷＣおよびＭＶＤは、時々刻々と変化するので、防除氷対象物への水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐに応じて防除氷手段４１の作動エネルギ量を調整するためには、水滴３０の含有率ＬＷＣおよびＭＶＤを、同時かつ連続的に、しかもリアルタイムで計測する必要がある。本発明によれば防除氷対象物に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐに合わせて、防除氷手段４１で消費される作動エネルギを制御することができ、防除氷手段４１で無駄なエネルギが消費されることを防止し、エネルギ消費量の小さい防除氷装置４０を実現することができる。このようにエネルギ消費の観点での無駄を無くし、省エネ化を図ることができる。
【００７０】
前述の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、前述の構成に限定されることはなく、構成を変更することができる。たとえばセンサ基体１１は、３つ以上のセンサ部を備える構成とし、３つ以上のセンサ部に関して求める含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係から、含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを決定するようにしてもよく、含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測精度を高くすることができる。また１つのセンサ部に関して、複数箇所において、センサの表面温度を測定し、温度分布を計測し、含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを演算するようににしてもよく、含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測精度を高くすることができる。またセンサ部は、円筒に限定されることはなく、他の形状であっても同様の効果を達成することができる。さらに形状の異なる複数のセンサ部を用いるようにしても、同様の効果を達成することができる。また航空機の翼の一部をセンサ部として利用するようにしてもよく、同様の効果が得られる。たとえば水平尾翼の前縁部、導体先端部を、センサ部として利用することが可能である。また、センサ部の表面温度を検出する位置は、よどみ点に限定されることはなく、他の位置であってもよく、同様の効果が得られる。
【００７１】
また含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測結果は、防除氷装置４０の制御に用いられる構成に限定されることはなく、航空機外の気流の観測、着氷風洞を用いる風洞試験における気流の観測（試験条件計測）を目的とする構成であってもよい。また水滴以外の液滴を含むガス流に対して実施する構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の一形態である水滴センサ１０の構成を示すブロック図である。
【図２】水滴センサ１０のセンサ基体１１を示す斜視図である。
【図３】図２の切断面線Ｓ３−Ｓ３から見てセンサ基体１１を示す断面図である。
【図４】図２の切断面線Ｓ４−Ｓ４から見てセンサ基体１１を示す断面図である。
【図５】気流２０中に設置されるセンサ基体１１を模式的に示す断面図である。
【図６】演算手段１７における演算処理動作を示すフローチャートである。
【図７】演算手段１７における演算処理動作を説明するための図である。
【図８】加熱率ｑと、よどみ点温度Ｔｗと、衝突量Ｗｉｍｐとの関係の一例を示すグラフである。
【図９】加熱率ｑと、よどみ点温度Ｔｗと、衝突量Ｗｉｍｐとの関係の他の例を示すグラフである。
【図１０】含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を求めた計算例を示すグラフである。
【図１１】水滴センサ１０を備える防除氷装置４０を示すブロックである。
【図１２】制御手段４１の制御動作を示すフローチャートである。
【図１３】従来の技術の水滴衝突センサ装置１Ｃを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０ 水滴センサ
１１ センサ基体
１２ 加熱手段
１３ よどみ点温度検出手段
１４ 気流速度検出手段
１５ 気流温度検出手段
１６ 気流圧力検出手段
１７ 演算手段
１８ 出力手段
１９ 記憶手段
２１，２２ 加熱部
２３，２４ よどみ点温度検出部
２５，２６ センサ部
３０ 水滴
４０ 防除氷装置
４１ 防除氷手段
４２ 制御手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合ガス流中に含まれる液滴の含有率および平均粒子径を検出する液滴衝突センサ装置およびそれを備える防除氷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機が過冷却の水滴を含む空気中を飛行する場合、翼などの機体各部のよどみ点付近に氷が付着する。このような着氷と呼ばれる氷の付着現象が生じると、たとえば空力特性が変化してしまう。したがって非特許文献１に示されるように、航空機には、氷の付着を防止し、または付着した氷を除去する防除氷装置が設けられている。
【０００３】
防除氷装置は、航空機が過冷却の水滴を含む空気中を飛行するときに作動し、過冷却の水滴を含む空気中を飛行しないときには作動しないように制御され、作動するときは、一定のエネルギ量が与えられるように制御されている。防除氷装置を作動させるにあたって、常時、一定のエネルギ量を与えると、エネルギを無駄に消費してしまうので、防除氷の対象となる部分に対する水滴の衝突量によって、与えるエネルギ量を変化させるように制御することが考えられる。このような制御を実現するためには、水滴の衝突量を連続的かつリアルタイムで計測する必要があり、そのためには、水滴の含有率および平均粒子径を連続的かつリアルタイムで計測する必要がある。
【０００４】
図１３は、従来の技術の水滴衝突センサ装置１Ｃを示す斜視図である。図１３に示す水滴衝突センサ装置１Ｃは、たとえば非特許文献２に示される多段回転円柱式着氷センサと呼ばれるセンサであり、直径の異なる複数の円柱５ａ〜５ｅを回転させながら水滴を衝突させて、着氷量を計測する。各円柱５ａ〜５ｅの着氷量が、水滴の含有量ＬＷＣおよび粒子径に依存するので、着氷量から水滴の含有量ＬＷＣおよび粒子径を逆算して求めている。
【０００５】
さらに他の従来の技術として、Spherical Ice Probeと呼ばれる水滴衝突センサ装置が知られている。この水滴衝突センサは、水滴衝突限界を計測して、水滴の粒子径を求めるとともに、着氷量を計測して、水滴の含有率ＬＷＣを求めている。
【０００６】
また他の従来の技術として、非特許文献３に、レーザ光を用いて水滴の粒子径を計測する装置が示されている。
【０００７】
さらに他の従来の技術として、特許文献１〜３に示される装置が知られている。特許文献１の装置では、光源から発した光の反射光の強度から、氷の有無を検出するように構成されている。特許文献２に示される装置もまた、特許文献１と同様して、氷の有無を検出している。特許文献３に示される装置は、表面素子を気流にさらした後、表面素子に付着した氷の厚さまたは質量を計測している。
【０００８】
【非特許文献１】日本航空宇宙学会編「第２版 航空宇宙工学便覧」丸善出版、平成７年１０月５日、ｐ６０２−６０３
【非特許文献２】NACA(National Advisory Committee for Aeronautics)-Report-1215 ,'Impingement of Cloud Droplets on a Cylinder and Procedure for Measuring Liquid-Water Content and Droplet Sizes in Supercooled Clouds by Rotating Multicylinder Method'
【非特許文献３】高橋 劭 著「雲の物理」東京堂出版１９８７年２月、ｐ．９４−９５
【特許文献１】特許第３４６１００１号公報
【特許文献２】特開昭６２−２９８７４５号公報
【特許文献３】特表２００２−５３９４３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図１３の装置は、水滴の含有率ＬＷＣおよび粒子径を計測可能であり、小形で安価な装置であるが、着氷量から求めているので、水滴の含有率ＬＷＣおよび粒子径を連続的に計測することができない。Spherical Ice Probeと呼ばれる水滴衝突センサ装置もまた、図１３の装置と同様の理由で、水滴の含有率ＬＷＣおよび粒子径を連続的に計測することができない。
【００１０】
したがって本発明の目的は、液滴の含有率および粒子径を、同時かつ連続的に計測可能であり、簡単な構成で実現可能であって小形で安価な液滴衝突センサ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、液滴を含む混合ガス流中に設けられる複数のセンサ部を有し、各センサ部は、寸法および形状のうち少なくともいずれか一方が異なるセンサ基体と、
各センサ部をそれぞれ加熱する加熱手段と、
各センサ部の外表面温度を検出する表面温度検出手段と、
加熱手段によって各センサ部に与えられる熱量、および表面温度検出手段によって検出される各センサ部の外表面の温度に基づいて、混合ガスに含まれる液滴の含有率および平均粒子径を演算する演算手段とを備えることを特徴とする液滴衝突センサ装置である。
【００１２】
本発明に従えば、各センサ部が、加熱手段によってそれぞれ加熱され、各センサ部の外表面の温度が表面温度検出手段によってそれぞれ検出される。各センサ部に与えられる熱量および検出される各センサ部の外表面の温度に基づいて、演算手段によって、液滴の含有率および平均粒子径が演算して求められる。このように与える熱量と温度の検出値とに基づいて、液滴の含有率および平均粒子径が演算されるので、液滴の含有率および平均粒子径を、同時かつ連続的に、リアルタイムで求めることができる。またこのように液滴の含有率および平均粒子径を、同時かつ連続的に、リアルタイムで求めるための構成を、光学系の構成を必要としない簡単な構成で実現することができ、小形かつ軽量の装置を安価に製造することができる。
【００１３】
また本発明は、混合ガス流の速度を検出するガス流速度検出手段と、
混合ガス流の温度を検出するガス流温度検出手段と、
混合ガス流の圧力を検出するガス流圧力検出手段とをさらに備え、
演算手段は、
加熱手段によって各センサ部に与えられる熱量、および表面温度検出手段によって検出される各センサ部の外表面の温度に基づいて、各センサ部に対する液滴の衝突量をそれぞれ演算して求め、
ガス流速度検出手段によって検出される混合ガス流の速度、ガス流温度検出手段によって検出される混合ガス流の温度、およびガス流圧力検出手段によって検出される混合ガス流の圧力に基づいて、センサ部毎に、液滴の衝突率と平均粒子径との関係をそれぞれ演算して求め、
各センサ部に対する液滴の衝突量、および液滴の衝突率と平均粒子径との関係に基づいて、センサ部毎に、液滴の含有率と平均粒子径との関係をそれぞれ演算して求め、
センサ部毎の液滴の含有率と平均粒子径との関係が一致する点における値を、液滴の含有率および平均粒子径の計測結果として確定することを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、混合ガス流の速度、温度および圧力が、ガス流速度検出手段、ガス流温度検出手段およびガス流圧力検出手段によってそれぞれ検出される。演算手段では、各センサ部に与えられる熱量および各センサ部の外表面の温度に基づいて、各センサ部に対する液滴の衝突量がそれぞれ演算されるとともに、混合ガス流の速度、温度および圧力に基づいて、センサ部毎に、液滴の衝突率と平均粒子径との関係がそれぞれ演算される。さらに演算手段では、各センサ部に対する液滴の衝突量、および液滴の衝突率と平均粒子径との関係に基づいて、センサ部毎に、液滴の含有率と平均粒子径との関係がそれぞれ演算され、それの関係が一致する点における値が、液滴の含有率および平均粒子径の計測結果として確定される。このようにして液滴の含有率および平均粒子径を計測することができる。
【００１５】
このようにガス流速度検出手段、ガス流温度検出手段およびガス流圧力検出手段を設け、これらの検出手段による検出結果を用いることによって、演算手段によって、熱量および各センサ部の温度に基づく液滴の含有率および平均粒子径の演算を容易に実現することができる。しかもガス流速度検出手段、ガス流温度検出手段およびガス流圧力検出手段は、光学系の構成を必要としない簡単な構成で実現することができ、小形かつ軽量で安価な液滴衝突センサ装置を実現することができる。
【００１６】
また本発明は、前記液滴衝突センサ装置であって、液滴として空気中に含まれる水滴の含有率および平均粒子径を計測する液滴衝突センサ装置と、
防除氷対象物を防除氷する防除氷手段と、
液滴衝突センサ装置の出力に応答し、防除氷手段で消費されるエネルギ量が、液滴衝突センサ装置によって計測される水滴の含有率および平均粒子径に応じたエネルギ量となるように防除氷手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする防除氷装置である。
【００１７】
本発明に従えば、防除氷手段が設けられ、この防除氷手段によって、防除氷対象物が防除氷される。さらに液滴衝突センサ装置によって、空気中に含まれる水滴の含有率および平均粒子径が計測され、この計測結果に応答して、制御手段によって、防除氷手段が制御される。制御手段では、防除氷手段で消費されるエネルギ量が、計測される水滴の含有率および平均粒子径に応じたエネルギ量となるように、防除氷手段を制御する。これによって防除氷対象物に対する水滴の衝突量に合わせて、防除氷手段で消費される作動エネルギを制御することができ、防除氷手段で無駄なエネルギが消費されることを防止し、消費エネルギの小さい防除氷装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、水滴の含有率ＬＷＣおよび粒子径を、連続的にかつリアルタイムで計測可能であり、簡単な構成で実現可能であって、小形かつ軽量で安価な液滴衝突センサ装置を実現することができる。
【００１９】
また本発明によれば、ガス流速度検出手段、ガス流温度検出手段およびガス流圧力検出手段を設け、これらの検出手段による検出結果を用いることによって、演算手段によって、熱量および各センサ部の温度に基づく液滴の含有率および平均粒子径の演算を容易に実現することができる。
【００２０】
また本発明によれば、防除氷対象物に対する水滴の衝突量に合わせて、防除氷手段で消費されるエネルギを制御することができ、防除氷手段で無駄なエネルギが消費されることを防止し、消費エネルギの小さい防除氷装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施の一形態である水滴衝突センサ装置（以下「水滴センサ」ともいう）１０の構成を示すブロック図である。図２は、水滴センサ１０のセンサ基体１１を示す斜視図である。図３は、図２の切断面線Ｓ３−Ｓ３から見てセンサ基体１１を示す断面図である。図４は、図２の切断面線Ｓ４−Ｓ４から見てセンサ基体１１を示す断面図である。図５は、混合空気流（以下単に「気流」ともいう）２０中に設置されるセンサ基体１１を模式的に示す断面図である。図５には、センサ基体１１などの厚みを省略して示す。
【００２２】
液滴衝突センサ装置である水滴センサ１０は、水滴３０を含む空気である混合空気における水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを計測するための装置である。水滴センサ１０は、たとえば航空機に搭載され、航空機の飛行に伴って航空機の周囲に生じる気流２０中に含まれる水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを計測するために用いられる。計測される水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤは、気流２０中の水滴３０が過冷却の状態にある着氷気象中を航空機が飛行するときの防除氷に利用される。水滴センサ１０は、センサ基体１１と、加熱手段１２と、よどみ点温度検出手段１３と、気流速度検出手段１４と、気流温度検出手段１５と、気流圧力検出手段１６と、演算手段１７と、出力手段１８と、記憶手段１９とを備える。
【００２３】
センサ基体１１は、複数、本実施の形態では第１センサ部２５および第２センサ部２６の２つのセンサ部を有する。各センサ部２５，２６は、寸法および形状のうち少なくともいずれか一方が異なる構成である。本実施の形態では、各センサ部２５，２６は、共に円筒状であり、外径が互いに異なる相似形状である。第１センサ部２５の外径Ｄ１に比べて、第２センサ部２６の外径Ｄ２が大きい。各センサ部２５，２６は、同軸に設けられ、軸線方向に並べられて、一体に形成される。センサ基体１１の材料は、特に限定されることはなく、たとえば金属を用いることができる。
【００２４】
センサ基体１１は、少なくとも各センサ部２５，２６が、計測の対象となる気流２０中に配置され、軸線Ｌ１１が気流２０の流れ方向Ｘに対して垂直となるように設けられる。各センサ部２５，２６の軸線は、センサ基体１１の軸線Ｌ１１と一致している。気流２０の流れ方向Ｘは、自由流れ状態における流れ方向であり、センサ基体１１が設けられていない状態での流れ方向である。自由流れ状態は、計測の対象となる気流２０の本来の状態であり、物体による、速度、温度および気圧を含む状態量の変化が無い状態である。
【００２５】
加熱手段１２は、各センサ部２５，２６をそれぞれ加熱する手段であり、第１加熱部２１と、第２加熱部２２とを有する。第１加熱部２１は、第１センサ部２５内に設けられ、第１センサ部２５における気流２０のよどみ点（以下「第１よどみ点」ともいう）ｐ１に臨む部分の内表面部に装着され、第１センサ部２５の第１よどみ点ｐ１に臨む部分を加熱する。円筒状である第１センサ部２５には、図２に仮想線３１で示すように軸線と平行な直線状に延びるようによどみ点が存在し、これらのうちの一点が、前記第１よどみ点ｐ１である。
【００２６】
第２加熱部２２は、第２センサ部２６内に設けられ、第２センサ部２６における気流２０のよどみ点（以下「第２よどみ点」ともいう）ｐ２に臨む部分の内表面部に装着され、第２センサ部２６の第２よどみ点ｐ２に臨む部分を加熱する。円筒状である第２センサ部２６には、図２に仮想線３２で示すように軸線と平行な直線状に延びるようによどみ点が存在し、これらのうちの一点が、前記第２よどみ点ｐ２である。
【００２７】
第１加熱部２１は、第１加熱率ｑ１（ｋＷ／ｍ２）で第１センサ部２５を加熱する。第２加熱部２２は、第２加熱率ｑ２（ｋＷ／ｍ２）で第２センサ部２６を加熱する。各加熱率ｑ１，ｑ２は、単位時間に単位面積当たりに与える熱量である。各加熱部２１，２２は、発熱源によって実現され、たとえば電気的発熱源である電気ヒータが用いられる。
【００２８】
表面温度検出手段であるよどみ点温度検出手段１３は、各センサ部２５，２６の外表面温度を検出する手段であり、各センサ部２５，２６の外表面の温度を検出する手段である。よどみ点温度検出手段１３は、気流２０のよどみ点における混合空気の温度Ｔｗ１，Ｔｗ２を検出する。
【００２９】
よどみ点温度検出手段１３は、第１よどみ点温度検出部２３と、第２よどみ点温度検出部２４とを有する。第１よどみ点温度検出部２３は、第１センサ部２５内に設けられ、第１よどみ点ｐ１の温度（以下「第１よどみ点温度」ともいう）Ｔｗ１（Ｋ）を検出する。第２よどみ点温度検出部２４は、第２センサ部２６内に設けられ、第２よどみ点ｐ２の温度（以下「第２よどみ点温度」ともいう）Ｔｗ２（Ｋ）を検出する。各よどみ点温度検出部２３，２４は、各種の温度検出器を用いることができ、たとえば電気抵抗式温度計や熱電対を利用した温度計が用いられる。
【００３０】
ガス流速度検出手段である気流速度検出手段１４は、気流２０の速度（以下「気流速度」ともいう）Ｖ∞（ｍ／ｓ）を検出する手段である。気流速度Ｖ∞は、自由流れ状態における混合空気の速度である。気流速度検出手段１４は、各種の流速検出器を用いることができる。また水滴センサ１０が航空機に搭載される場合、航空機に搭載されるエアデータコンピュータ（略称ＡＤＣ）を利用して実現される対気速度計を、気流速度検出手段１４として利用することができる。
【００３１】
ガス流温度検出手段である気流温度検出手段１５は、気流２０の温度（以下「気流温度」ともいう）Ｔ∞（Ｋ）を検出する手段である。気流温度Ｔ∞は、自由流れ状態における混合空気の温度である。気流温度検出手段１５は、各種の温度計を用いることができ、各よどみ点温度検出部２３，２４と同様の温度検出器を用いることができる。また水滴センサ１０が航空機に搭載される場合、航空機に搭載される外気温度計を、気流温度検出手段１５として利用することができる。
【００３２】
ガス流圧力検出手段である気流圧力検出手段１６は、気流２０の圧力（以下「気流圧力」ともいう）Ｐ∞（Ｐａ）を検出する手段である。気流圧力Ｐ∞は、自由流れ状態における混合空気の圧力であり、動圧を含まない当該状態下の静圧である。
【００３３】
気流圧力手段１６は、各種の圧力検出器を用いることができる。また水滴センサ１０が航空機に搭載される場合、航空機に搭載される外気の圧力を検出する圧力計を、気流圧力検出手段１６として利用することができる。
【００３４】
気流速度検出手段１４、気温検出手段１５および気圧検出手段１６は、水滴センサ１０専用に設けられる構成であってもよいが、水滴センサ１０が、航空機に搭載される場合、航空機に搭載される航空計器に含まれる検出手段を利用するようにしてもよい。このように航空計器を利用すれば、構成を簡単にし、小形化することができる。
【００３５】
演算手段１７には、加熱手段１２から各加熱率ｑ１，ｑ２を表す信号が与えられるとともに、各検出手段１３〜１６による検出結果Ｔｗ１，Ｔｗ２，Ｖ∞，Ｔ∞，Ｐ∞を表す信号が与えられる。演算手段１７は、これらの信号に応答し、各加熱率ｑ１，ｑ２と、各検出結果Ｔｗ１，Ｔｗ２，Ｖ∞，Ｔ∞，Ｐ∞を用いて、気流２０における水滴３０の含有率ＬＷＣ（ｋｇ／ｍ３）および平均粒子径ＭＶＤ（ｍ）を演算して求める。含有率ＬＷＣは、単位体積の混合空気中に含まれる水滴３０の合計質量である。平均粒子径ＭＶＤは、混合空気に含まれる複数の水滴３０の粒子径の平均値である。演算手段１７は、中央演算処理ユニット（略称ＣＰＵ）によって実現される。
【００３６】
演算手段１７は、各加熱率ｑ１，ｑ２および各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２に基づいて、各センサ部２５，２６に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２（ｋｇ／ｍ２・ｓ）をそれぞれ演算して求めるとともに、気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞に基づいて、各センサ部２５，２６毎に、衝突率β（無次元）と平均粒子径ＭＶＤとの関係をそれぞれ演算して求める。さらに演算手段１７は、各センサ部２５，２６に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２、および衝突率βと平均粒子径ＭＶＤとの関係に基づいて、各センサ部２５，２６毎に、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係をそれぞれ演算して求める。そして演算手段１７は、各センサ部２５，２６毎に求められる、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係が一致する点における値を、含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測結果として確定する。このように演算手段１７は、加熱手段１２によって各センサ部２５，２６に与えられる熱量である各加熱量ｑ１，ｑ２、および各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２に基づいて、水滴３０の含有率ＬＷＣおよび水滴３０の平均粒子径ＭＶＤを演算する。各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２は、単位時間に単位面積当たりに衝突する水滴３０の合計質量である。衝突率βは、ある位置における水滴３０の衝突率である。
【００３７】
衝突率βは、たとえば、文献（Ruff, pp11-22）,文献（Kim, J. J., “Particle
Trajectory Computation on a Three-Dimensional Engine Inlet,” NASA CR-175023,
Jan. 1986.), 文献（ＡＩＡＡ−８９−０７５９，Ｐ４，Fig. 4）等に示されるように、
水滴の通過量または衝突量に関する比率である。式で表すとＷｌｏｃａｌ／Ｗ∞となる。ここで Ｗ∞：自由流中での気流速度方向に垂直な面に対する水滴通過量（ｋｇ／ｍ２−ｓ）（水滴と気流とは同じ速度で移動していると仮定）、Ｗｌｏｃａｌ：物体の衝突面における水滴衝突量（ｋｇ／ｍ２−ｓ）である。このとき、Ｗｌｏｃａｌは物体の表面が基準であり、衝突面は必ずしも速度方向に垂直とは限らない。たとえば、β＝０．６は、物体のある点Ｐ０における水滴衝突量が自由流の水滴通過量の６０％であることを意味する。
【００３８】
出力手段１８には、演算手段１７から、演算結果である前記演算によって計測結果として確定した含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを表す信号が与えられる。出力手段１８は、計測結果の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを、外部に出力するための手段である。この出力手段１８には、計測結果の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを、表示などによって作業者に報知する報知手段、および後続の手段に与えるための通信手段が含まれる。
【００３９】
記憶手段１９は、演算手段１７における演算に用いる演算プログラムおよびデータが記憶される。演算手段１７は、記憶手段１７に記憶される演算プログラムを読出して実行することによって、演算を実行することができる。また演算手段１７は、演算に必要なデータを記憶手段１９から読出して演算に用いる。記憶手段１９は、たとえば半導体メモリによって実現される。
【００４０】
図６は、演算手段１７における演算処理動作を示すフローチャートである。図７は、演算手段１７における演算処理動作を説明するための図である。図６および図７に示す演算処理動作は、水滴センサ１０によって実行される含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの取得方法のうち、加熱手段１２が設けられるセンサ基体１１を気流２０中に設置した後、演算手段１７で実行される工程の動作である。演算手段１７における演算処理動作は、水滴センサ１０への電力供給の開始に伴なって、ステップｓ０で開始され、ステップｓ１に進む。ステップｓ１では、演算手段１７は、加熱手段１２およびよどみ点温度検出手段１３からの信号をそれぞれ受取ることによって、各加熱率ｑ１，ｑ２および各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２を取得する。さらにステップｓ１では、演算手段１７は、気流速度検出手段１４、気流温度検出手段１５および気流圧力検出手段１６からの信号を受取ることによって、気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞を取得する。
【００４１】
次にステップｓ２では、演算手段１７は、ステップｓ１で取得した各加熱率ｑ１，ｑ２および各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２に基づいて、各センサ部２５，２６毎に、各よどみ点ｐ１，ｐ２に臨む位置における水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐ１を演算して求める。ステップｓ２では、第１センサ部２５に関して、図７（１）のグラフに示すような、第１加熱率ｑ１と、第１よどみ点温度Ｔｗ１と、第１よどみ点ｐ１に臨む位置における水滴３０の衝突量である第１衝突量Ｗｉｍｐ１との関係を、各センサ部の外表面におけるエネルギーバランス式を用いて予め求めておくかまたは直接計算することによって、ステップｓ１で取得した第１加熱率ｑ１および第１よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２に基づいて、第１衝突量Ｗｉｍｐ１を、演算によって求めることができる。図７（１）には第１センサ部２５についての関係だけを示すが、第２センサ部２６に関しても同様にして、第２加熱率ｑ２と、第２よどみ点温度Ｔｗ２と、第２よどみ点ｐ２に臨む位置における水滴３０の衝突量である第２衝突量Ｗｉｍｐ２との関係を、センサ表面におけるエネルギーバランス式を用いて予め求めておくかまたは直接計算することによって、ステップｓ１で取得した第２加熱率ｑ２および第２よどみ点温度Ｔｗ２に基づいて、第２衝突量Ｗｉｍｐ２を、演算によって求めることができる。
【００４２】
図８は、加熱率ｑと、よどみ点温度Ｔｗと、衝突量Ｗｉｍｐとの関係の一例を示すグラフである。図９は、加熱率ｑと、よどみ点温度Ｔｗと、衝突量Ｗｉｍｐとの関係の他の例を示すグラフである。図８および図９に示す関係は、各センサ部２５，２６のいずれにも対応し得る関係であり、各センサ部２５，２６を特定する添え字「１」、「２」を省略して示す。つまり変数「Ｄ」は、各センサ部２５，２６の外径Ｄ１，Ｄ２にそれぞれ対応し、変数「ｑ」は、各加熱率ｑ１，ｑ２にそれぞれ対応し、変数「Ｔｗ」は、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２にそれぞれ対応し、変数「Ｗｉｍｐ」は、各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２にそれぞれ対応する。たとえば第１センサ部２５の外径Ｄ１が０．０２５ｍφの場合、図８のような関係を有し、「ｑ」が第１加熱率ｑ１を示し、「Ｔｗ」が第１よどみ点温度Ｔｗ１を示し、「Ｗｉｍｐ」が第１衝突量Ｗｉｍｐ１を示す。また、たとえば第２センサ部２６の外径Ｄ２が０．０５ｍφの場合、図９のような関係を有し、「ｑ」が第２加熱率ｑ２を示し、「Ｔｗ」が第２よどみ点温度Ｔｗ２を示し、「Ｗｉｍｐ」が第２衝突量Ｗｉｍｐ２を示す。図８および図９には、気流速度Ｖ∞が１００ｍ／ｓであり、気流温度Ｔ∞が２６２．１５Ｋであり、気流圧力Ｐ∞が６９，７２４Ｐａの場合の関係を示す。
【００４３】
図８および図９に示すように、各加熱率ｑ１，ｑ２と、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２と、各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２との関係は、各加熱率ｑ１，ｑ２の値で場合分けされて整理され、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２と、各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２との関係として表される。たとえば各加熱率ｑ１，ｑ２が、１０ｋＷ／ｍ２、２０ｋＷ／ｍ２、３０ｋＷ／ｍ２の各場合における、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２と、各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２との関係として表される。またこれらの関係は、気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞によって変化するので、各加熱率ｑ１，ｑ２による場合分けと同様にして気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞の値によって場合分けされて整理される。
【００４４】
各加熱率ｑ１，ｑ２と、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２と、各衝突量量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２との関係は、計測を開始する前に、たとえば着氷風洞を用いる風洞試験によって計測して、記憶手段１９に記憶される。ステップｓ２の演算では、演算手段１７は、各加熱率ｑ１，ｑ２と、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２と、各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２との関係修正係数を演算して求め、記憶手段１９に記憶される関係を修正することによって、ステップｓ１における取得結果に対応する関係を求め、その修正した関係を用いて、各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２を演算する。修正係数を求める演算には、たとえば文献：（SAE Technical Committee of the Society of Automotive Engineers: SAE
Aerospace Applied Thermodynamics Manual,ARP-1168, 2nd Edition, 1969.）に示される簡易解析式、文献：（ICA2004-7.5.R,S,Nishio and S.Kato,“Development of Ice
Accretion and Anti-Icing System Simulation”,Ruff, G. A., and Berkowitz, B. M.,
“USERS Manual for the NASA Lewis Ice Accretion Prediction Code (LEWICE), ”
NASA CR-185129, 1990, Morency, F., Tezok, F., and Paraschivoiu, I., “Anti-
Icing System Simulation Using CANICE, “ Journal of Aircraft, Vol.36, No.6,
Nov.-Dec. 1999, pp. 999 - 1006.やAl-Khalil, K. M., Keith, Jr. T. G., De Witt,
K. J., Natmann, J. K., and Dietrich, D. A., “ Thermal Analysis of Engine Inlet
Anti-Icing Systems, “ AIAA Paper 89-0759, 27th Aerospace Sciences Meeting,
1989.）に示される防氷計算コード、文献：（Kato,S.,“Analytical Solution for the
Anti-Icing System Simulation for an Aircraft” Kato, S. ”Solution for Aircraft
Anti-Icing System Simulation by a modified Perturbation Method,” Journal of
Aircraft, Vol.43, No.2, March-April 2006, pp. 544 - 554.）に示される解析解など、公知の演算を採用して得ることができる。さらに、たとえば着氷風洞を用いる風洞試験によってｑ、Ｔｗ、Ｗｉｍｐの関係を計測して、各センサの表面温度の計算結果と測定結果を比較することによって、修正係数を求めることにより、計算精度を上げることができる。ｑ、Ｔｗ、Ｗｉｍｐの関係は、上記で取得した修正係数を用いて前もって演算を行い、記憶手段１９に入れておくか、または、運用中／運転中に修正係数を用いた演算を直接行って、得ることができる。なお、これらの演算の結果は、Ｔ∞、Ｐ∞、Ｖ∞、ＬＷＣ，ｄ，Ｄ等のパラメータに依存している。
【００４５】
ステップｓ２では、演算手段１７は、記憶手段１９から各加熱率ｑ１，ｑ２と、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２と、各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２との関係を読出し修正係数を用いて修正するか、これらの演算を直接計算することにより求める。
【００４６】
次にステップｓ３では、演算手段１７は、図７（２）のグラフに示すような、パラメータＫ０と、平均粒子径ＭＶＤとの関係を、各センサ部２５，２６毎に演算して求める。パラメータＫ０は、円柱に対する水滴３０の衝突に係るパラメータであって、次式（１）で表される。式（１）中のパラメータＫは、式（２）によって表され、パラメータＲｕは、式（３）によって表される。式（１）は、たとえば文献：（Heinrich,A.et.al.,
“Aircraft Icing Handbook”,Volume 1 of 3,AD-A238-039,DOT/FAA/CT-88/8-1, March
1 991.）に示されている。式（２）は、式（２ａ）および式（２ｂ）からなる。
【００４７】
【数１】
【００４８】
ここでρｗは、水滴３０を形成する水の密度（ｋｇ／ｍ３）である。ｄは、水滴３０の粒子径（ｍ）であり、このｄが、平均粒子径ＭＶＤに相当する。μａは、空気の粘性係数（Ｐａ・ｓ）であり、気流温度Ｔ∞に依存し、ステップｓ１で取得される気流温度Ｔ∞を用いて、演算手段１７で演算される。ρａは空気密度（ｋｇ／ｍ３）であり、ステップｓ１で取得される気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞を用いて、演算手段１７で演算される。νａは、空気の動粘性係数（ｍ２／ｓ）であり、上記のμａおよびρａを用いて、演算手段１７で演算される。Ｃは、物体の代表長であり、円柱の場合Ｃは内径Ｄ／２（ｍ）であり、各センサ部２５，２６の半径Ｄ１／２，Ｄ２／２に相当する。
【００４９】
ステップｓ３では、演算手段１７は、ステップｓ１で取得した気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞に基づいて、式（１）〜式（３）に数値を代入し、パラメータＫ０と、平均粒子径ＭＶＤとの関係を求める。Ｄに、第１センサ部２５の外径Ｄ１を代入すると、第１センサ部２５における、パラメータＫ０とｄ（＝平均粒子径ＭＶＤ）との関係式が得られ、Ｄに、第２センサ部２６の外径Ｄ２を代入すると、第２センサ部２６における、パラメータＫ０とｄ（＝平均粒子径ＭＶＤ）との関係式が得られる。このようにして、演算手段１７は、各センサ部２５，２６毎に、パラメータＫ０と平均粒子径ＭＶＤとの関係を求める。
【００５０】
次にステップｓ４では、演算手段１７は、図７（３）のグラフに示すような、各センサ部２５，２６の各よどみ点ｐ１，ｐ２に臨む位置における衝突率βと、パラメータＫ０との関係を、各センサ部２５，２６毎に演算して求める。衝突率βと、パラメータＫ０との関係は、たとえば文献：（SAE Technical Committee of the Society of Automotive
Engineers:SAE Aerospace Applied Thermodynamics Manual,ARP-1168,2nd Edition,1969.およびBowden,D.T.,et.al.,“Engineering Summary of Airframe Icing Technical
Data”,AD-608865,March 1964.）に示されるデータ、または文献：（ICA2004-7.5.R,S,
Nishio and S.Kato,“Development of Ice Accretion and Anti-Icing System
Simulation”、およびRuff, G. A., and Berkowitz, B. M., “USERS Manual for the
NASA Lewis Ice Accretion Prediction Code (LEWICE), ” NASA CR-185129, 1990）に示される解析演算など、公知のデータまたは演算を用いて、求めることができる。
【００５１】
またステップｓ４の演算の方法として水滴の軌道を数値計算により算出して衝突率βを求める方法がある。具体的には、Ｋ０は式（１）,（２）,（３）から求まる。入力するパラメータとして、Ｔ∞、Ｐ∞、Ｖ∞、ρｗ（水滴密度），ρａ（空気密度），μａ（空気の粘性係数)，代表長さＣ（円柱の場合はＣ＝Ｄ／２），ｄ（水滴径）を与えると式（１）〜式（３）で求まる。衝突率βは文献：（（a）Ruff, G. A., and Berkowitz, B. M.,
“USERS Manual for the NASA Lewis Ice Accretion Prediction Code (LEWICE), ”
NASA CR-185129, 1990, (pp.11-22)
(b) Kim, J. J., “Particle Trajectory Computation on a Three-Dimensional
Engine Inlet,” NASA CR-175023, Jan. 1986.
(c) Al-Khalil, K. M., Keith, Jr. T. G., De Witt, K. J., Natmann, J. K., and
Dietrich, D. A., “ Thermal Analysis of Engine Inlet Anti-Icing Systems, “
AIAA Paper 89-0759, 27th Aerospace Sciences Meeting, 1989.）などに示される気流中での水滴軌道を計算することにより得られる。このようにパラメータＫ０、衝突率βを求めることによって、パラメータＫ０と衝突率βとの関係を求めることができる。
【００５２】
次にステップｓ５では、演算手段１７は、図７（４）のグラフに示すような、各センサ部２５，２６の各よどみ点ｐ１，ｐ２に臨む位置における衝突率βと、水滴３０の平均粒子径ＭＶＤとの関係を、各センサ部２５，２６毎に演算して求める。このステップｓ５では、ステップｓ３で求められる関係と、ステップｓ４で求められる関係とに基づいて、共通に関わっているパラメータＫ０を消去するように演算し、各センサ部２５，２６の各よどみ点ｐ１，ｐ２に臨む位置における衝突率βと、水滴３０の平均粒子径ＭＶＤとの関係を求める。
【００５３】
次にステップｓ６では、演算手段１７は、図７（５）に示すように、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を、各センサ部２５，２６毎に演算して求める。含有率ＬＷＣは、次式（４）で表される。
【００５４】
【数２】
【００５５】
式（４）のＶ∞に、ステップｓ１で取得した気流速度Ｖ∞の計測値代入し、Ｗｉｍｐに、ステップｓ２の演算結果の第１衝突量Ｗｉｍｐ１を代入することによって、第１センサ部２５における、含有率ＬＷＣと、第１よどみ点ｐ１に臨む位置の衝突率βとの関係を求めることができる。第１よどみ点ｐ１に臨む位置の衝突率βは、ステップｓ５で、平均粒子径ＭＶＤとの関係が明らかになっており、平均粒子径ＭＶＤの関数として表される。第１センサ部２５に関して、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を求めることができる。
【００５６】
また式（４）のＶ∞に、ステップｓ１で取得した気流速度Ｖ∞の計測値代入し、Ｗｉｍｐに、ステップｓ２の演算結果の第２衝突量Ｗｉｍｐ２を代入することによって、第２センサ部２６における、含有率ＬＷＣと、第２よどみ点ｐ２に臨む位置の衝突率βとの関係を求めることができる。第２よどみ点ｐ２に臨む位置の衝突率βは、ステップｓ５で、平均粒子径ＭＶＤとの関係が明らかになっており、平均粒子径ＭＶＤの関数として表される。第２センサ部２５に関して、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を求めることができる。このようにしてステップｓ６では、演算手段１７は、ステップｓ２の演算結果の各衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２と、ステップｓ５の演算結果の関係とに基づいて、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を、各センサ部２５，２６毎に演算する。
【００５７】
次にステップｓ７では、演算手段１７、各センサ部２５，２６毎に求められる、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係が一致する、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤの値を求める。このステップｓ７における演算手段１７の演算は、図７（６）に示すように、１つのグラフ上に、第１センサ部２５に関して求められる含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を表す第１の線と、第２センサ部２６に関して求められる含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を表す第２の線との交点を求め、その交点が示す含有率ＬＷＣの値および平均粒子径ＭＶＤの値を求めるのと等価の演算である。このようにして求められる含有率ＬＷＣの値および平均粒子径ＭＶＤの値が、含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測結果となる。第１センサ部２５に関して求められる含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係と、第２センサ部２５に関して求められる含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係とは、気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞が同一の条件で求められる関係である。
【００５８】
図１０は、含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を求めた計算例を示すグラフである。図１０の計算例は、各センサ部２５，２６に相当する円筒部材に、各加熱部２１，２２に相当する加熱手段を設けた装置を想定し、円筒部材の外径をＤとし、この外径Ｄを、０．０５ｍおよび０．１ｍにそれぞれ設定した場合について、含有率ＬＷＣ（ｋｇ／ｍ３）と平均粒子径ＭＶＤ（ｍ）との各関係の計算結果を模式的に示す。
【００５９】
図１０の２種の曲線は、計算パラメータは図７（６）の２種の曲線に対応しており、計算パラメータとして気流速度Ｖ∞＝１００ｍ／ｓ，気流温度Ｔ∞＝２６２．１５Ｋ、気流圧力Ｐ∞＝６９７２４Ｐａ，水滴含有率ＬＷＣ＝０．３７５×１０−３ｋｇ／ｍ３，平均水滴径ＭＶＤ＝２０μを使用している。また、水滴衝突量Ｗｉｍｐは式（４）から、Ｗｉｍｐ＝Ｖ∞・ＬＷＣ・β（Ｋ０）として求められ、Ｗｉｍｐ１＝０．０３０ｋｇ／ｍ２−ｓ，Ｗｉｍｐ２＝０．０２５ｋｇ／ｍ２−ｓとなる。各Ｗｉｍｐに対応する加熱率ｑと表面温度Ｔｗの値は、たとえばセンサ２５の場合（Ｄ１＝０．０５ｍφ）、図９から求めることができ、この場合、ｑ１＝１０ｋＷ／ｍ２、Ｔｗ１＝２７９．２Ｋが一つの解である。図１０において交点における含有率ＬＷＣの値と平均粒子径ＭＶＤの値とが、求める含有率ＬＷＣの値および平均粒子径ＭＶＤの値となる。
【００６０】
このようにして演算手段１７は、ステップｓ７で求めた含有率ＬＷＣの値と平均粒子径ＭＶＤの値とを、含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測結果とし、この計測結果を表す信号を出力手段１８に与える。そしてステップｓ８に進んで、演算動作を終了する。演算手段１７では、このような一連の演算動作が繰返し実行される。
【００６１】
図１１は、水滴センサ１０を備える防除氷装置４０を示すブロックである。航空機が過冷却の水滴を含む空気中を飛行する場合、翼などの機体各部のよどみ点付近に氷が付着する。このような着氷と呼ばれる氷の付着現象が生じると、たとえば空力特性が変化してしまう。したがって航空機には、氷の付着を防止し、または付着した氷を除去するために、防除氷装置４０が搭載される。
【００６２】
防除氷装置４０は、図１〜図１０を参照して説明した水滴センサ１０と、防除氷手段４１と、制御手段４２とを有する。水滴センサ１０は、前述のようにして、気流２０中の水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを計測する。水滴センサ１０は、計測結果を表す信号を、出力手段１８から制御手段４２に与える。
【００６３】
防除氷手段４１は、防除氷対象物に対する防除氷を達成する手段である。防除氷は、氷の付着を防止する防氷および付着した氷を除去する除氷を含む。したがって防除氷手段４１は、氷の付着を防止し、または防除氷対象物に付着した氷を除去する。防除氷手段４１は、たとえば防除氷対象物を加熱することによって、防除氷を達成する。防除氷対象物は、航空機の翼などの機体各部の着氷のおそれのある部分である。
【００６４】
制御手段４１は、たとえば中央演算処理ユニット（略称ＣＰＵ）によって実現される。制御手段４１は、水滴センサ１０の出力に応答し、水滴センサ１０によって計測される水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測結果に基づいて、防除氷対象物に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐを演算し、防除氷手段４１で消費されるエネルギ量が、防除氷対象物に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐに応じたエネルギ量となるように防除氷手段４１を制御する。衝突量Ｗｉｍｐは、防除氷対象物に対して、単位時間に単位面積当たりに衝突する水滴３０の合計質量である。防除氷対象物に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐの演算は、公知の演算式、演算方法を用いることができる。たとえば式（４）を変形した式によって求めることができる。この場合、衝突率βは、防除氷対象物の形状や混合気流条件によって異なるので、事前に試験によって求めておくか、文献値を用いるかまたは水滴衝突解析を用いるか、またはこれらを組み合わせることにより求めておいて、防除氷対象物への衝突量Ｗｉｍｐを演算する。なお、水滴衝突解析については、たとえば文献：（Ruff, G. A., and Berkowitz, B. M., “USERS Manual for the NASA Lewis Ice
Accretion Prediction Code (LEWICE), ” NASA CR-185129, 1990、や Kim, J. J.,
“Particle Trajectory Computation on a Three-Dimensional Engine Inlet,” NASA
CR-175023, Jan. 1986.等）に示されている解析を用いることができる。
【００６５】
図１２は、制御手段４１の制御動作を示すフローチャートである。制御手段４１の制御動作は、防除氷装置４０への電力供給の開始に伴なって、ステップｓ１０で開始され、ステップｓ１１に進む。ステップｓ１１では、制御手段４２は、水滴センサ１０から信号を受取ることによって、水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを取得する。次にステップｓ１２で、制御手段４２は、計測される水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを用いて、防除氷対象物への水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐを演算する。そしてステップｓ１３で、制御手段４２は、防除氷対象物に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐに応じて、防除氷手段４１に与えるエネルギ量を演算する。次にステップｓ１４で、制御手段４２は、防除氷手段４１で消費されるエネルギ量がステップｓ１３での演算した値となるように、防除氷手段４１を作動させ、ステップｓ１５に進んで、制御動作を終了する。制御手段４２は、このような一連の制御動作を繰返し実行する。
【００６６】
前述のような実施の形態の水滴センサ１０によれば、各センサ部２５，２６が、加熱手段１２によってそれぞれ加熱され、各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２がよどみ点温度検出手段１３によってそれぞれ検出される。また気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞が、気流速度検出手段１４、気流温度検出手段１５および気流圧力検出手段１６によってそれぞれ検出される。演算手段１７では、各センサ部２５，２６に対する加熱量ｑ１，ｑ２および検出される各よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２に基づいて、各センサ部２５，２６に対する水滴の衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２がそれぞれ演算されるとともに、気流速度Ｖ∞、気流温度Ｔ∞および気流圧力Ｐ∞に基づいて、各センサ部２５，２６毎に、水滴３０の衝突率βと平均粒子径ＭＶＤとの関係がそれぞれ演算される。さらに演算手段１７では、各センサ部２５，２６に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐ１，Ｗｉｍｐ２、および水滴３０の衝突率βと平均粒子径ＭＶＤとの関係に基づいて、各センサ部２５，２６毎に、水滴３０の含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係がそれぞれ演算され、そらの関係が一致する点における値が、水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測結果として確定される。このようにして水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを計測することができる。
【００６７】
このように各加熱量ｑ１，ｑ２と、よどみ点温度Ｔｗ１，Ｔｗ２の検出値とに基づいて、水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤが演算されるので、水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを、同時かつ連続的に、しかもリアルタイムで求めることができる。またこのように水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを、同時かつ連続的に、リアルタイムで求めるための構成を、光学系の構成を必要としない簡単な構成で実現することができ、小形かつ軽量の水滴衝突センサ装置１０を安価に実現することができる。
【００６８】
また前述の防除氷装置４０によれば、防除氷手段４１によって、防除氷対象物が防除氷される。さらに水滴センサ１０によって、空気中に含まれる水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤが計測され、この計測結果に応答して、制御手段４２によって、防除氷手段４１が制御される。制御手段４２では、防除氷手段４１で消費されるエネルギ量が、計測される水滴３０の含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤに応じたエネルギ量となるように、防除氷手段４１を制御する。
【００６９】
航空機が過冷却の水滴３０を含む着氷気象中を飛行するとき、防除氷対象物への水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐに応じて防除氷手段４１の作動エネルギ量を調整することができれば、燃費の節約に有効である。防除氷対象物への水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐは、衝突面の幾何学形状にも依存するが、水滴３０の含有率ＬＷＣおよびＭＶＤにも依存する。衝突面の幾何学形状への依存は、予め風洞試験などによって把握することができるが、水滴３０の含有率ＬＷＣおよびＭＶＤは、時々刻々と変化するので、防除氷対象物への水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐに応じて防除氷手段４１の作動エネルギ量を調整するためには、水滴３０の含有率ＬＷＣおよびＭＶＤを、同時かつ連続的に、しかもリアルタイムで計測する必要がある。本発明によれば防除氷対象物に対する水滴３０の衝突量Ｗｉｍｐに合わせて、防除氷手段４１で消費される作動エネルギを制御することができ、防除氷手段４１で無駄なエネルギが消費されることを防止し、エネルギ消費量の小さい防除氷装置４０を実現することができる。このようにエネルギ消費の観点での無駄を無くし、省エネ化を図ることができる。
【００７０】
前述の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、前述の構成に限定されることはなく、構成を変更することができる。たとえばセンサ基体１１は、３つ以上のセンサ部を備える構成とし、３つ以上のセンサ部に関して求める含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係から、含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを決定するようにしてもよく、含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測精度を高くすることができる。また１つのセンサ部に関して、複数箇所において、センサの表面温度を測定し、温度分布を計測し、含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤを演算するようににしてもよく、含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測精度を高くすることができる。またセンサ部は、円筒に限定されることはなく、他の形状であっても同様の効果を達成することができる。さらに形状の異なる複数のセンサ部を用いるようにしても、同様の効果を達成することができる。また航空機の翼の一部をセンサ部として利用するようにしてもよく、同様の効果が得られる。たとえば水平尾翼の前縁部、導体先端部を、センサ部として利用することが可能である。また、センサ部の表面温度を検出する位置は、よどみ点に限定されることはなく、他の位置であってもよく、同様の効果が得られる。
【００７１】
また含有率ＬＷＣおよび平均粒子径ＭＶＤの計測結果は、防除氷装置４０の制御に用いられる構成に限定されることはなく、航空機外の気流の観測、着氷風洞を用いる風洞試験における気流の観測（試験条件計測）を目的とする構成であってもよい。また水滴以外の液滴を含むガス流に対して実施する構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の一形態である水滴センサ１０の構成を示すブロック図である。
【図２】水滴センサ１０のセンサ基体１１を示す斜視図である。
【図３】図２の切断面線Ｓ３−Ｓ３から見てセンサ基体１１を示す断面図である。
【図４】図２の切断面線Ｓ４−Ｓ４から見てセンサ基体１１を示す断面図である。
【図５】気流２０中に設置されるセンサ基体１１を模式的に示す断面図である。
【図６】演算手段１７における演算処理動作を示すフローチャートである。
【図７】演算手段１７における演算処理動作を説明するための図である。
【図８】加熱率ｑと、よどみ点温度Ｔｗと、衝突量Ｗｉｍｐとの関係の一例を示すグラフである。
【図９】加熱率ｑと、よどみ点温度Ｔｗと、衝突量Ｗｉｍｐとの関係の他の例を示すグラフである。
【図１０】含有率ＬＷＣと平均粒子径ＭＶＤとの関係を求めた計算例を示すグラフである。
【図１１】水滴センサ１０を備える防除氷装置４０を示すブロックである。
【図１２】制御手段４１の制御動作を示すフローチャートである。
【図１３】従来の技術の水滴衝突センサ装置１Ｃを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０ 水滴センサ
１１ センサ基体
１２ 加熱手段
１３ よどみ点温度検出手段
１４ 気流速度検出手段
１５ 気流温度検出手段
１６ 気流圧力検出手段
１７ 演算手段
１８ 出力手段
１９ 記憶手段
２１，２２ 加熱部
２３，２４ よどみ点温度検出部
２５，２６ センサ部
３０ 水滴
４０ 防除氷装置
４１ 防除氷手段
４２ 制御手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を含む混合ガス流中に設けられる複数のセンサ部を有し、各センサ部は、寸法および形状のうち少なくともいずれか一方が異なるセンサ基体と、
各センサ部をそれぞれ加熱する加熱手段と、
各センサ部の外表面温度を検出する表面温度検出手段と、
加熱手段によって各センサ部に与えられる熱量、および表面温度検出手段によって検出される各センサ部の外表面の温度に基づいて、混合ガスに含まれる液滴の含有率および平均粒子径を演算する演算手段とを備えることを特徴とする液滴衝突センサ装置。
【請求項２】
混合ガス流の速度を検出するガス流速度検出手段と、
混合ガス流の温度を検出するガス流温度検出手段と、
混合ガス流の圧力を検出するガス流圧力検出手段とをさらに備え、
演算手段は、
加熱手段によって各センサ部に与えられる熱量、および表面温度検出手段によって検出される各センサ部の外表面の温度に基づいて、各センサ部に対する液滴の衝突量をそれぞれ演算して求め、
ガス流速度検出手段によって検出される混合ガス流の速度、ガス流温度検出手段によって検出される混合ガス流の温度、およびガス流圧力検出手段によって検出される混合ガス流の圧力に基づいて、センサ部毎に、液滴の衝突率と平均粒子径との関係をそれぞれ演算して求め、
各センサ部に対する液滴の衝突量、および液滴の衝突率と平均粒子径との関係に基づいて、センサ部毎に、液滴の含有率と平均粒子径との関係をそれぞれ演算して求め、
センサ部毎の液滴の含有率と平均粒子径との関係が一致する点における値を、液滴の含有率および平均粒子径の計測結果として確定することを特徴とする請求項１記載の液滴衝突センサ装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の液滴衝突センサ装置であって、液滴として空気中に含まれる水滴の含有率および平均粒子径を計測する液滴衝突センサ装置と、
防除氷対象物を防除氷する防除氷手段と、
液滴衝突センサ装置の出力に応答し、防除氷手段で消費されるエネルギ量が、液滴衝突センサ装置によって計測される水滴の含有率および平均粒子径に応じたエネルギ量となるように防除氷手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする防除氷装置。
【請求項１】
液滴を含む混合ガス流中に設けられる複数のセンサ部を有し、各センサ部は、寸法および形状のうち少なくともいずれか一方が異なるセンサ基体と、
各センサ部をそれぞれ加熱する加熱手段と、
各センサ部の外表面温度を検出する表面温度検出手段と、
加熱手段によって各センサ部に与えられる熱量、および表面温度検出手段によって検出される各センサ部の外表面の温度に基づいて、混合ガスに含まれる液滴の含有率および平均粒子径を演算する演算手段とを備えることを特徴とする液滴衝突センサ装置。
【請求項２】
混合ガス流の速度を検出するガス流速度検出手段と、
混合ガス流の温度を検出するガス流温度検出手段と、
混合ガス流の圧力を検出するガス流圧力検出手段とをさらに備え、
演算手段は、
加熱手段によって各センサ部に与えられる熱量、および表面温度検出手段によって検出される各センサ部の外表面の温度に基づいて、各センサ部に対する液滴の衝突量をそれぞれ演算して求め、
ガス流速度検出手段によって検出される混合ガス流の速度、ガス流温度検出手段によって検出される混合ガス流の温度、およびガス流圧力検出手段によって検出される混合ガス流の圧力に基づいて、センサ部毎に、液滴の衝突率と平均粒子径との関係をそれぞれ演算して求め、
各センサ部に対する液滴の衝突量、および液滴の衝突率と平均粒子径との関係に基づいて、センサ部毎に、液滴の含有率と平均粒子径との関係をそれぞれ演算して求め、
センサ部毎の液滴の含有率と平均粒子径との関係が一致する点における値を、液滴の含有率および平均粒子径の計測結果として確定することを特徴とする請求項１記載の液滴衝突センサ装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の液滴衝突センサ装置であって、液滴として空気中に含まれる水滴の含有率および平均粒子径を計測する液滴衝突センサ装置と、
防除氷対象物を防除氷する防除氷手段と、
液滴衝突センサ装置の出力に応答し、防除氷手段で消費されるエネルギ量が、液滴衝突センサ装置によって計測される水滴の含有率および平均粒子径に応じたエネルギ量となるように防除氷手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする防除氷装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−１４８８０（Ｐ２００８−１４８８０Ａ）
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８８６７８（Ｐ２００６−１８８６７８）
【出願日】平成１８年７月７日（２００６．７．７）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月７日（２００６．７．７）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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