特許 7531150 乾き度計測システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-01

(45)【発行日】2024-08-09

(54)【発明の名称】乾き度計測システム

(51)【国際特許分類】

   F25B 49/02 20060101AFI20240802BHJP

【ＦＩ】

F25B49/02 510K

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020040588

(22)【出願日】2020-03-10

(65)【公開番号】P2021143770

(43)【公開日】2021-09-24

【審査請求日】2023-02-06

(73)【特許権者】

【識別番号】304023318

【氏名又は名称】国立大学法人静岡大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110001472

【氏名又は名称】弁理士法人かいせい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】稲葉 淳

(72)【発明者】

【氏名】福田 充宏

(72)【発明者】

【氏名】本澤 政明

(72)【発明者】

【氏名】藤原 健一

【審査官】関口 勇

(56)【参考文献】

【文献】特表平０９－５１０７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０７５４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５２－０３６０６７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００３－０７５３８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５２－０９１１４０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０４－３０９７６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ ４９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

気液二相流体を気相流体と液相流体に分離する気液分離部（２４）と、
前記気相流体と前記液相流体が流入し、前記液相流体の液面を形成する液面形成部（２５）と、
複数の孔部（２９ａ）が形成され、前記複数の孔部を介して前記液面形成部から前記気相流体と前記液相流体を流出させる有孔壁部（２９）と、
前記液面形成部において、前記気液二相流体の乾き度に応じて変動する前記液相流体の液面高さを検出する液面高さ検出部（２８）と、
前記液面高さ検出部で検出した前記液相流体の液面高さに基づいて、前記気液二相流体の乾き度を算出する乾き度算出部（３１）と、
前記気液二相流体の圧力を検出する圧力検出部（２２）と、
を備え、
前記孔部は、前記有孔壁部における前記気相流体と前記液相流体に対応する部位に設けられており、かつ、前記気相流体と前記液相流体が通過する前後で差圧を発生させる絞りとして機能するオリフィス孔であり、
前記複数の孔部は、前記有孔壁部の壁面において単位面積当たりの数が均一になるように設けられており、
前記乾き度算出部は、前記圧力検出部で検出した前記気液二相流体の圧力に基づいて、前記気相流体の密度と前記液相流体の密度を算出し、さらに前記液面高さと、前記液面形成部における前記気相流体および前記液相流体を合計した全体高さと、前記気相流体の密度と、前記液相流体の密度とに基づいて、前記乾き度を算出する乾き度計測システム。

【請求項2】

前記有孔壁部は、前記複数の孔部が鉛直方向の全体に渡って均一に設けられている請求項１に記載の乾き度計測システム。

【請求項3】

前記気液分離部および前記液面形成部は一体で構成されている請求項１または２に記載の乾き度計測システム。

【請求項4】

前記気液分離部および前記液面形成部は別体で構成されている請求項１または２に記載の乾き度計測システム。

【請求項5】

前記有孔壁部は板形状である請求項１ないし４のいずれか１つに記載の乾き度計測システム。

【請求項6】

前記有孔壁部は筒形状である請求項１ないし４のいずれか１つに記載の乾き度計測システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、気液二相状態になっている流体の乾き度を計測する乾き度計測システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ヒートポンプシステムは、例えば車両用空調装置に用いられており、蒸気圧縮式の冷凍サイクルの冷媒回路を切り替えることで、冷房モード、暖房モード、除湿暖房モード等の様々な運転モードを実現している。電気自動車やプラグインハイブリッド自動車のような車両熱源が少ない車両では、単段のヒートポンプに比べ大能力が発揮できるガスインジェクションヒートポンプのようなシステムを好適に用いることができる。

【0003】

ガスインジェクションヒートポンプでは、圧縮機へ吸入される冷媒の状態だけでなく、放熱器出口の冷媒状態およびインジェクション通路の冷媒状態を最適な状態とし、高効率高能力なヒートポンプ運転が求められる。このためには、液冷媒の混入を検知するだけでなく、冷媒の比エンタルピーを把握することが求められ、気液二相冷媒の乾き度を計測する技術が必要となる。

【0004】

これに対し、特許文献１では、冷媒の乾き度を計測する乾き度計測システムが提案されている。この乾き度計測システムでは、プラグ流となっている冷媒の気液比率を計測し、この気液比率に基づいて冷媒の乾き度を算出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１６－７５４６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１の乾き度計測システムでは、気液二相の冷媒の流体様式をプラグ流にするための分岐装置が必要である。分岐装置は、複数本の分岐管からなる分岐管群、入口側ヘッダタンク、出口側ヘッダタンク等を備えており、乾き度計測システムが大型化してしまう。

【0007】

本発明は上記点に鑑みて、気液二相状態になっている流体の乾き度を計測することが可能な乾き度計測システムを小型化することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の乾き度計測システムは、気液分離部（２４）と、液面形成部（２５）と、有孔壁部（２９）と、液面高さ検出部（２８）と、乾き度算出部（３１）と、圧力検出部（２２）とを備える。気液分離部は、気液二相流体を気相流体と液相流体に分離する。液面形成部は、気相流体と液相流体が流入し、液相流体の液面を形成する。有孔壁部は、孔部（２９ａ）が形成され、孔部を介して液面形成部から気相流体と液相流体を流出させる。液面高さ検出部は、液面形成部において、気液二相流体の乾き度に応じて変動する液相流体の液面高さを検出する。乾き度算出部は、液面高さ検出部で検出した液相流体の液面高さに基づいて、気液二相流体の乾き度を算出する。圧力検出部は、気液二相流体の圧力を検出する。孔部は、有孔壁部における気相流体と液相流体に対応する部位に設けられており、かつ、気相流体と液相流体が通過する前後で差圧を発生させる絞りとして機能するオリフィス孔である。複数の孔部は、有孔壁部の壁面において単位面積当たりの数が均一になるように設けられている。乾き度算出部は、圧力検出部で検出した気液二相流体の圧力に基づいて、気相流体の密度と液相流体の密度を算出する。さらに乾き度算出部は、液面高さと、液面形成部における気相流体および液相流体を合計した全体高さと、気相流体の密度と、液相流体の密度とに基づいて、乾き度を算出する。

【0009】

これにより、気液二相流体の液面高さを計測することで、気液二相流体の乾き度を容易に計測することができる。

【0010】

なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態の冷凍サイクルの概念図である。

【図2】第１実施形態の乾き度計測システムの概略構成図である。

【図3】図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。

【図4】図２のＩＶ－ＩＶ断面図である。

【図5】第２実施形態の乾き度計測システムの概略構成図である。

【図6】図５のＶＩ－ＶＩ断面図である。

【図7】第２実施形態の有孔壁部の斜視図である。

【図8】第３実施形態の乾き度計測システムの概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図面を用いて説明する。本実施形態では、乾き度計測システム２０を冷凍サイクル１に適用している。なお、図２では、紙面上下方向が鉛直方向となっている。また、図２では、冷凍サイクル１の冷媒を斜線で示している。

【0013】

図１に示すように、冷凍サイクル１は、圧縮機１０と凝縮器１１と膨張弁１２と蒸発器１３が冷媒配管１４で接続された周知の構成を備えている。乾き度計測システム２０は、冷媒配管１４における蒸発器１３と圧縮機１０の間に設けられている。

【0014】

乾き度計測システム２０は、計測対象である気液二相状態になっている流体の乾き度Ｘを計測する。本実施形態の乾き度計測システム２０は、圧縮機１０に吸入される冷媒の乾き度Ｘを計測する。乾き度Ｘとは、気液二相流体のうち気相部分が占める質量割合である。気液二相とは、気相流体と液相流体とが混合された状態である。

【0015】

図２に示すように、乾き度計測システム２０は、気液二相流体を流入させる入口配管２１が設けられている。入口配管２１には、気液二相流体の圧力を検出する圧力検出部２２が設けられている。

【0016】

入口配管２１から流入した気液二相流体は、乾き度計測部２３に供給される。乾き度計測部２３は、所定量の流体を滞留させることが可能な１つの容器状に形成されている。乾き度計測部２３は、気液分離部２４、液面形成部２５、流体流出部２６を備えている。これらは、冷媒流れ方向の上流側から気液分離部２４、液面形成部２５、流体流出部２６の順に設けられている。本実施形態の乾き度計測部２３では、気液分離部２４と液面形成部２５が１つの容器内に隣接して設けられており、気液分離部２４と液面形成部２５が一体的に構成されている。

【0017】

気液分離部２４は、気液二相流体を気相流体と液相流体に分離する。液面形成部２５は、気液分離部２４で分離された気相流体と液相流体が流入し、液相流体の液面を形成する。流体流出部２６は、液面形成部２５から気相流体と液相流体を流出させるための部位である。

【0018】

気液分離部２４と液面形成部２５との間には、気液分離板２７が設けられている。気液分離板２７の鉛直方向の上方と下方には、隙間が形成されている。気液分離部２４で分離された気相流体は、気液分離板２７の上方の隙間から液面形成部２５に供給される。気液分離部２４で分離された液相流体は、気液分離板２７の下方の隙間から液面形成部２５に供給される。

【0019】

液面形成部２５の内部は、上方側が気相流体で満たされ、下方側が液相流体で満たされる。液面形成部２５の内部には、液相流体の液面が形成される。液面形成部２５は、鉛直方向に直交する断面積が一定になっている。

【0020】

図２では、液面形成部２５における液相流体の液面高さをｈとし、液面形成部２５における気相流体と液相流体を合計した全体高さをｈ₀としている。液面高さｈおよび全体高さｈ₀は、ともに鉛直方向における長さである。

【0021】

液面形成部２５では、気液二相流体における気相流体と液相流体の割合に応じて液相流体の液面高さｈが変動する。つまり、液面形成部２５では、気液二相流体の乾き度に応じて液相流体の液面高さｈが変動する。

【0022】

液面形成部２５には、液相流体の液面高さｈを検出する液面高さ検出部２８が設けられている。本実施形態では、液面高さ検出部２８として静電容量式の液面センサを用いている。静電容量式の液面センサは、気相流体と液相流体の静電容量の違いから液面高さｈを計測することが可能となっている。

【0023】

液面形成部２５と流体流出部２６の間には、有孔壁部２９が設けられている。有孔壁部２９によって、冷媒流れ上流側の液面形成部２５と冷媒流れ下流側の流体流出部２６が仕切られている。本実施形態の有孔壁部２９は板状になっている。

【0024】

図３に示すように、有孔壁部２９は、複数の孔部２９ａを有している。孔部２９ａは、液面形成部２５と流体流出部２６を連通させている。液面形成部２５の気相流体と液相流体は、孔部２９ａを通過して流体流出部２６に移動する。孔部２９ａはオリフィス孔であり、上流側と下流側で差圧を生じさせる絞りである。

【0025】

有孔壁部２９には、鉛直方向に沿って複数の孔部２９ａが形成されている。複数の孔部２９ａは、同一の開口面積を有している。複数の孔部２９ａは、鉛直方向に沿って等間隔に配置されている。孔部２９ａは、有孔壁部２９の壁面において、鉛直方向の全体に渡って均一に設けられている。

【0026】

図４に示す例では、複数の孔部２９ａが一列に並んで配置されているが、孔部２９ａの配置パターンはこれに限定されるものではない。複数の孔部２９ａは、有孔壁部２９の壁面において単位面積当たりの数が均一になるように設けられていればよい。

【0027】

孔部２９ａの数は任意に設定でき、孔部２９ａの数が多いほど乾き度Ｘの計測精度が高くなる。乾き度計測システム２０による冷媒流れの抵抗増加を抑制するために、複数の孔部２９ａの開口面積の合計が入口配管２１の流路断面積と同程度であることが望ましい。

【0028】

流体流出部２６の気相流体と液相流体は、出口配管３０から流出する。出口配管３０から流出した流体は、圧縮機１０に供給される。

【0029】

乾き度計測システム２０は、制御装置３１を備えている。制御装置３１は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。制御装置３１は、ＲＯＭ内に記憶された空調制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、出力側に接続された各種制御対象機器の作動を制御する。

【0030】

本実施形態の制御装置３１は、圧力検出部２２と液面高さ検出部２８のセンサ信号が入力し、気液二相流体の乾き度Ｘを演算する。制御装置３１は、乾き度算出部に相当している。

【0031】

次に、気液二相流体の乾き度Ｘの計測方法について説明する。上述のように、乾き度Ｘは気液二相の流体のうち気相流体が占める質量割合であり、数式（１）で求めることができる。

【0032】

Ｘ＝Ｇ_gas／（Ｇ_gas＋Ｇ_liq）・・・（１）
Ｇ_gas，Ｇ_liqは気相流体および液相流体の重量流量であり、それぞれ数式（２）で求めることができる。

【0033】

Ｇ_gas＝ｇ_gas×Ｎ×（ｈ₀－ｈ）／ｈ₀，Ｇ_liq＝ｇ_liq×Ｎ×ｈ／ｈ₀・・・（２）
Ｎは有孔壁部２９における孔部２９ａの数であり、ｈは液相流体の液面高さであり、ｈ₀は液面形成部２５の全体高さである。ｇ_gas，ｇ_liqは孔部２９ａの１個当たりの気相流体および液相流体の重量流量であり、それぞれ数式（３）で求めることができる。

【0034】

ｇ_gas＝ρ_gas×ｑ_gas，ｇ_liq＝ρ_liq×ｑ_liq・・・（３）
ρ_gas，ρ_liqは液相流体および気相流体の密度である。ｑ_gas，ｑ_liqは孔部２９ａの１個当たりの気相流体および液相流体の体積流量であり、それぞれ数式（４）で求めることができる。

【0035】

ｑ_gas＝Ｃ_gas×Ａ×ｖ_gas，ｑ_liq＝Ｃ_liq×Ａ×ｖ_liq・・・（４）
Ｃ_gas，Ｃ_liqは孔部２９ａの気相流体および液相流体の流量係数であり、Ａは孔部２９ａの面積であり、ｖ_gas，ｖ_liqは気相流体および液相流体の流速である。孔部２９ａの前後差圧ΔＰが充分小さく、かつ、気相流体および液相流体が非圧縮流体と仮定すれば、ｖ_gas，ｖ_liqはベルヌーイの式よりそれぞれ数式（５）で求めることができる。

【0036】

ｖ_gas＝（２ΔＰ／ρ_gas）^0.5，ｖ_liq＝（２ΔＰ／ρ_liq）^0.5・・・（５）
数式（２）～（５）を数式（１）に代入すると、数式（６）を得ることができる。

【0037】

Ｘ＝（ρ_gas／ρ_liq）×（Ｃ_gas／Ｃ_liq）×（ｈ₀／ｈ－ｈ）・・・（６）
ここで、気相流体の流量係数Ｃ_gasおよび液相流体の流量係数Ｃ_liqをＣ_gas≒Ｃ_liqとすると、数式（６）から数式（７）を得ることができる。

【0038】

Ｘ＝（ρ_gas／ρ_liq）×（ｈ₀／ｈ－ｈ）・・・（７）
数式（７）によれば、液相流体および気相流体の密度ρ_gas，ρ_liqと、液面形成部２５の全体高さｈ₀と、液相流体の液面高さｈとに基づいて、気液二相流体の乾き度Ｘを計測することができる。

【0039】

液面形成部２５の全体高さｈ₀は既知の値である。液相流体および気相流体の密度ρ_gas，ρ_liqは気液二相流体の圧力に基づいて取得できる。このため、圧力検出部２２で気液二相流体の圧力を検出し、液面高さ検出部２８で液相流体の液面高さｈを検出することで、気液二相流体の乾き度Ｘを算出することができる。

【0040】

以上説明した本実施形態では、気液分離部２４と、液面形成部２５と、有孔壁部２９を設けた乾き度計測システム２０において、気液二相流体の液面高さｈを検出し、さらに気液二相流体の圧力を検出することで、気液二相流体の乾き度Ｘを容易に計測することができる。これにより、簡易な構成で気液二相流体の乾き度Ｘを計測することが可能となり、乾き度計測システム２０の小型化を図ることができる。

【0041】

また、本実施形態の乾き度計測システム２０では、有孔壁部２９における孔部２９ａの数を増やすという簡易な方法で、乾き度Ｘの計測精度を向上させることができる。

【0042】

また、本実施形態では、気液分離部２４と液面形成部２５を一体的に構成している。これにより、乾き度計測システム２０の構成を簡素化することができ、より一層小型化することができる。

【0043】

また、本実施形態では、板状の有孔壁部２９を用いている。これにより、乾き度計測システム２０の構成を簡素化することができ、乾き度計測システム２０を製造する際の工数を低減することができる。

【0044】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0045】

図５に示すように、本第２実施形態の乾き度計測システム２０では、気液分離部２４と液面形成部２５が分離されており、これらは別体として構成されている。気液分離部２４と液面形成部２５は、気相流体用配管３２と液相流体用配管３３で接続されている。気液分離部２４で分離された気相流体は気相流体用配管３２を介して液面形成部２５に上方から供給される。気液分離部２４で分離された液相流体は液相流体用配管３３を介して液面形成部２５の下方から供給される。

【0046】

図５、図６に示すように、液面形成部２５と流体流出部２６は、円筒状容器によって構成されている。液面形成部２５と流体流出部２６を構成する円筒状容器は二重配管となっており、液面形成部２５と流体流出部２６との間に有孔壁部２９が設けられている。

【0047】

有孔壁部２９の外周側に液面形成部２５が位置し、有孔壁部２９の内周側に流体流出部２６が位置している。このため、気相流体および液相流体は、有孔壁部２９の外周側から内周側に向かって移動する。流体流出部２６の下方には出口配管３０が接続されている。

【0048】

図７に示すように、本第２実施形態の有孔壁部２９は、円筒状に形成されている。有孔壁部２９の外周面に液面形成部２５の気相流体と液相流体が接触する。有孔壁部２９には、孔部２９ａが壁面の全体に渡って形成されている。図７に示す例では、孔部２９ａが有孔壁部２９の壁面に螺旋状に形成されている。

【0049】

以上説明した本第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様、液面高さ検出部２８で検出した気液二相流体の液面高さｈを検出し、さらに気液二相流体の圧力を検出することで、気液二相流体の乾き度Ｘを容易に計測することができる。これにより、簡易な構成で気液二相流体の乾き度Ｘを計測することが可能となり、乾き度計測システム２０の小型化を図ることができる。

【0050】

また、本第２実施形態では、有孔壁部２９を筒状にすることで、液面形成部２５の気相流体および液相流体と、有孔壁部２９との接触面積を大きくすることができる。この結果、有孔壁部２９の孔部２９ａの数を多くすることができ、乾き度Ｘの計測精度を向上させることができる。

【0051】

さらに、液面形成部２５の気相流体および液相流体と、有孔壁部２９との接触面積を大きくすることができることから、液面形成部２５の体積を小さくでき、液面形成部２５での流体の滞留量を少なくすることができる。

【0052】

また、本第２実施形態では、気液分離部２４と液面形成部２５を別体とし、これらを配管３２、３３で接続している。これにより、気液分離部２４と液面形成部２５を分離して配置することでき、気液分離部２４と液面形成部２５のレイアウトの自由度を大きくすることができる。

【0053】

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本第３実施形態では、上記第２実施形態に対し、液面形成部２５および流体流出部２６の構成が異なっている。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0054】

図８に示すように、本第３実施形態では、有孔壁部２９の内周側に液面形成部２５が位置し、有孔壁部２９の外周側に流体流出部２６が位置している。このため、気相流体および液相流体は、有孔壁部２９の内周側から外周側に向かって移動する。

【0055】

以上説明した本第３実施形態によっても、上記第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0056】

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

【0057】

例えば、上記各実施形態では、乾き度計測システム２０で冷凍サイクル１の冷媒の乾き度を計測する例について説明したが、乾き度計測システム２０で冷媒以外の流体の乾き度Ｘを計測してもよい。乾き度計測システム２０は構成が簡素で小型化できることから携帯も容易になり、例えば配管途中で液体がガス化して気液二相化しているプラント配管や燃料タンク車など、これまで計測が困難だった用途にも展開可能となる。

【0058】

また、上記各実施形態では、気液二相流体の圧力に基づいて気相流体および液相流体の密度ρ_gas，ρ_liqを取得したが、密度が圧力に依存しない流体の乾き度Ｘを計測する場合であれば、気液二相流体の圧力を測定する必要はない。この場合には、液面形成部２５の液相高さｈのみを検出することで、乾き度Ｘを算出することができる。

【0059】

また、上記各実施形態では、液面高さ検出部２８として静電容量式の液面センサを用いたが、液面高さ検出部２８として液面に浮かぶフロートを用いて液面高さを検出するギャップセンサや超音波の反射を用いて液面高さを計測する超音波センサ等を用いてもよい。
液面高さ検出部はフロート式等でもよい。

【0060】

また、上記第２、第３実施形態では、有孔壁部２９を円筒状に構成したが、有孔壁部２９は円筒状以外の筒状でもよい。

【0061】

また、上記各実施形態の構成において、有孔壁部２９の孔部２９ａの上流側と下流側で冷媒圧力を検出する圧力検出部を設け、孔部２９ａの前後差圧ΔＰを検出するようにしてもよい。検出した孔部２９ａの前後差圧ΔＰを用い、上述した数式（３）～（５）から、孔部２９ａの１個当たりの気相流体および液相流体の重量流量ｇ_gas，ｇ_liqを算出することが可能となる。このように、孔部２９ａの前後差圧ΔＰを用いて気相流体および液相流体の重量流量ｇ_gas，ｇ_liqを算出する構成では、孔部２９ａの数を増加させるだけで流量測定範囲を拡大することができる。

【符号の説明】

【0062】

２０ 乾き度計測システム
２４ 気液分離部
２５ 液面形成部
２８ 液面高さ検出部
２９ 有孔壁部
２９ａ 孔部
３１ 制御装置（乾き度算出部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】