JP2536991B2 - 流体のフラッシュ状態検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、配管中を流れる流体が
フラッシュ状態、すなわち、液相と気相の混在した二相
流状態か否かを検出するための流体のフラッシュ状態検
出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】いま、スクロール圧縮機を使用した冷凍
回路を例にとると、このスクロール圧縮機は冷媒の圧縮
効率が良く、圧縮比を高くとれる。しかし冷媒によって
は（Ｒ２２等）、圧縮比を高くとると圧縮機吐出冷媒の
温度が上昇し、何の対策も講じない場合、圧縮機の異常
昇温により圧縮機寿命が短くなる等の不都合が生じる。

【０００３】そのため、スクロール圧縮機を用いた冷凍
回路では、通常、凝縮器のあとに受液器を設け、この受
液器からの液冷媒を膨張機構を介して圧縮機へ注入する
インジェクション回路を設け、これにより圧縮機を冷却
するようにしている。この場合、受液器からインジェク
ション回路へ流入する冷媒が気相の混在したフラッシュ
状態であると、冷凍回路の運転状態が不安定となり、圧
縮機の冷却も不十分となる。そのため、インジェクショ
ン回路には液冷媒が流入していることを確認する手段が
必要となる。

【０００４】また、このようなインジェクション回路だ
けでなく、広く一般に、配管中に液相流体又は気相流体
のみを流すことが要求され、或いは望まれ、液相と気相
の混じったフラッシュ状態流体が流れることが禁止さ
れ、或いは望まれない分野は多々ある。このようなフラ
ッシュ状態を検出する方法としては、今のところ、流体
を移動させる配管にサイトグラスを取り付け、これによ
って配管内流体の状態を目視観察する方法、光ファイバ
とレーザ光を利用したＶＯＩＤ率計による方法が知られ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これら従来方法は、配
管内の流体状態をかなり正確に知ることができるが、次
のような問題がある。すなわち、サイトグラスの場合、
周囲の状態（狭い、照明が入らない、着霜する等の状
態）によって目視観察ができなかったり、配管内流体の
状態を知り得ても、これを機器の保安を働かせるシステ
ムへ応用したりすることができない。小型のＣＣＤカメ
ラをサイトグラスに付設することも考えられるが、それ
では高価につく。

【０００６】また、ＶＯＩＤ率計を用いる方法では、サ
イトグラスのようにフラッシュ状態検出が不能になった
り、それ自体を保安用システムに組み込めないといった
不都合はないものの、光源にレーザを用いるため、きわ
めて高価につき、汎用機器等の保安用に採用するには不
向きである。そこで本発明は、配管中を流れる流体がフ
ラッシュ状態か、それとも液相又は気相状態かを簡単、
確実、安価に知ることができるとともに、冷凍回路等に
おける保安システムへも容易に応用できる流体のフラッ
シュ状態検出方法を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は前記課題の解
決に向け研究を重ねた結果、フラッシュ状態の流体は液
相のみの流体や気相のみの流体とは光の反射率や透過率
が異なることに着目し、本発明を完成した。すなわち本
発明は前記課題を解決するため、一つには、配管内を流
れる流体の移動方向に対し光軸が垂直を除く角度で傾斜
するように発光部を配置するとともに前記発光部に対応
する受光部を配置し、前記発光部から配管内流体に向け
て光を入射するとともに該流体からの光を前記受光部で
受けるようにし、前記受光部における受光量レベルが予
め定めた気相を示すレベル又は予め定めた液相を示すレ
ベルでないとき、前記流体がフラッシュ状態にあると判
断する流体のフラッシュ状態検出方法を提供するもので
ある。

【０００８】この場合、たまたま大きい気泡が一つ又は
二つというように流れてくることがあり得るので、前記
受光部における受光量レベルが前記気相を示すレベル又
は前記液相を示すレベルに達しても、該レベルが予め定
めた時間継続しないときは前記流体がフラッシュ状態に
あると判断するようにしてもよい。また、本発明は前記
課題を解決するため、配管内を流れる流体の移動方向に
対し光軸が垂直を除く角度で傾斜するように発光部を配
置するとともに前記発光部に対応する気相検出用受光部
及び液相検出用受光部を配置し、前記発光部から前記配
管内流体に向け光を入射するとともに該流体からの光を
前記受光部で受けるようにし、いずれの前記受光部も受
光しないとき、前記流体がフラッシュ状態にあると判断
する流体のフラッシュ状態検出方法を提供するものであ
る。

【０００９】この場合も、大きい気泡を考慮して、前記
気相検出用受光部又は前記液相検出用受光部が受光して
も、該受光が予め定めた時間継続しないときは前記流体
がフラッシュ状態にあると判断するようにしてもよい。
前記いずれの方法の場合も、発光部や受光部は配管内に
配置されても外に配置されてもよい。外に配置するとき
は光透過窓を介して配管内に臨ませればよい。

【００１０】 また、発光部及び受光部は配管の同じ側
に配置しても、配管を挟むように配置してもよい。配管
を挟んで配置するときは、配管を光通過可能に形成して
おけばよく、配管の同じ側に配置するときは配管内面の
光反射を利用すればよい。該内面には必要に応じ、光反
射加工を施してもよい。発光部としては例えば発光ダイ
オード、レンズ付ランプ等を、受光部には例えばフォト
トランジスタ、撮像素子、太陽電池等を用いることが考
えられる。

【００１１】

【作用】本発明の先に掲記した方法によると、発光部か
ら発せられて配管中流体に入射された光は、該流体がフ
ラッシュ状態でなく、液相又は気相であると、該流体中
を通って受光部に受光され、且つ、その受光量レベルが
液相レベル又は気相レベルのものとなり、流体が液相又
は気相であると判断できる。一方、流体がフラッシュ状
態であると、入射光は散乱し、受光部は受光できない
か、受光できても一時的なものとなるので、流体がフラ
ッシュ状態であると判断できる。

【００１２】また、本発明の後に掲記した方法による
と、発光部から発せられて配管中流体に入射された光
は、該流体がフラッシュ状態でなく液相又は気相である
と、該流体中を通って液相検出用受光部又は気相検出用
受光部に受光され、前者により受光されたときは流体が
液相であり、後者による受光のときは気相であると判断
できる。

【００１３】一方、流体がフラッシュ状態であると、入
射光は散乱し、いずれの受光部も受光できないか、受光
できても一時的なものとなるので、流体がフラッシュ状
態であると判断できる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明の一実施例方法の説明図、図２は他
の実施例方法の説明図、図４はさらに他の実施例方法の
説明図である。なお、以下の説明において発光部は発光
ダイオード（ＬＥＤ）であり、受光部はフォトトランジ
スタである。

【００１５】図１に示す方法によると、図に示すよう
に、流体を流す配管１の一部１Ａを配管の他の部分より
異径に形成し、この異径部（本例では太径部）１Ａの上
壁の一部を透光板１１で形成するとともに、下壁の一部
を透光板１２で形成する。透光板１１には発光部２を臨
ませ、透光板１２には受光部３を臨ませる。発光部２の
光軸Ｌは配管１内を流れる流体の移動方向Ｘに対し９０
度を除く角度で傾斜させる。このように発光部２の光軸
を流体移動方向と平行ではなく、傾斜させる理由は、こ
のように角度をつけることによって、流体がフラッシュ
状態であるとき、該流体による光の反射や屈折の度合い
を該流体が気相又は液相のみである場合よりも大きく異
ならせるためである。

【００１６】受光部３は、図１の（Ａ）図に示すよう
に、配管１中の流体が気相流体ａのみであるとき、発光
部１からの光を大きい受光量で受けることができ、図１
の（Ｃ）図に示すように、配管１中の流体が液相流体ｂ
のみであるときは、気相流体ａの場合よりも少受光量で
受光できるように配置しておく。また、受光部３は配管
１中の流体が気相流のみか、液相流のみか、或いは気相
と液相が混在した二相流かを判断して、その判断結果を
出力する判断装置４に接続しておく。判断装置４は、オ
ペアンプを用いた回路を含むもので、受光部３における
受光量を電気信号（電圧）に変換できるように構成する
とともに、該変換信号と予め設定した気相レベルを示す
基準信号（電圧）及び液相レベルを示す基準信号（電
圧）とを比較し、その比較に基づいて配管中流体が気相
流体か、液相流体か、二相流体かを判断することができ
るように構成しておく。

【００１７】フラッシュ状態流体であるとの判断は、受
光部３での受光量レベルが気相レベル又は液相レベルで
ない場合のほか、気相レベル又は液相レベルに達しても
該レベルが予め定めた時間Ｔ（例えば６０秒間）継続し
ない場合をもって行うようにしておく。以上の構成のも
とに配管１中に流体を流し、発光部２を点灯して該流体
中に発光部２からの光を入射し、受光部３は受光できる
状態とする。判断装置４において受光部３での受光量レ
ベルが気相レベルであると判断されるときは、配管中流
体が気相流体のみであることを示す信号を出力させる。
受光部３での受光量レベルが液相レベルであると判断さ
れるときは、配管中流体が液相流体のみであることを示
す信号を出力させる。

【００１８】しかし、受光部３での受光量レベルが気相
レベルでも液相レベルでもない場合、並びに気相レベル
或いは液相レベルに達しても予め定めた時間Ｔの間継続
してそのレベルが維持されない場合は配管中流体が気相
ａ及び液相ｂが混在した図１の（Ｂ）図に示すフラッシ
ュ状態であるから、その旨を示す信号を出力させる。配
管中流体がフラッシュ状態流体のときは、発光部２から
入射される光が該流体中で大きく散乱したり屈折したり
して、受光部３で受光できないか又は受光できてもその
受光量レベルが気相レベルや液相レベルに達しない状態
であり、或いは気相レベル又は液相レベルに達してもそ
のレベルが所定時間Ｔの間継続しない状態となるから以
上のように判断することができる。

【００１９】図２に示す実施例では、配管１中の一部１
Ｂを異径（本例では太径）に形成し、この太径部の壁の
一部を透明板１３で形成するとともに、この透明板１３
に対し発光部２と受光部３を配置する。発光部３はその
光軸Ｌが配管１中を流れる流体の移動方向に対し９０度
を除く角度で傾斜するように配置する。また受光部３
は、図２の（Ａ）図に示すように、配管１中の流体が気
相流体ａのみであるときは、発光部２から発せられて太
径部１Ｂの内底面１４で反射した光を大量に受光するこ
とができるように、そして図２の（Ｃ）図に示すように
配管１中の流体が液相流体ｂのみであるときは、発光部
２から発せられて太径部１Ｂ内底面１４で反射された光
を気相流体ａの場合よりも少ない量で受光できるように
配置しておく。また、この受光部３は図１の実施例の場
合と同様、判断装置４に接続しておく。

【００２０】この方法においても、図１の方法と同様、
配管１中に流体を流し、発光部２を点灯して該流体中に
光を入射し、受光部３は受光できる状態とする。そして
受光部３での受光量レベルが気相レベルであると、装置
４にて配管中流体が気相流体ａのみであると判断し、液
相レベルにあると、装置４にて配管中流体が液相流体ｂ
のみであると判断する。

【００２１】しかし、受光部３での受光量レベルが０か
又は受光があったとしても気相レベルにも液相レベルに
もない場合には、図２の（Ｂ）図に示すように配管中流
体が二相流体であると判断する。また、受光部３での受
光量レベルが気相レベル又は液相レベルに達しても、そ
のレベルが所定時間Ｔの間継続しないときには、同様に
配管中流体がフラッシュ状態流体であると判断する。

【００２２】次に、図１及び図２に示す実施例において
用いた判断装置４の動作を図４に示すフローチャートに
基づいて説明する。まず、ステップＳ１１、Ｓ１２にお
いて受光部３での受光量を電気信号（電圧）に変換す
る。次いでステップＳ１３で該変換された電気信号が予
め設定した気相レベルのものか液相レベルのものかを判
断し、そのどちらでもないときは、ステップＳ１４にお
いて配管中流体が二相流体であると判断することを示す
信号を出力する。一方、ステップＳ１３において気相レ
ベルと判断すると、ステップＳ１５において該レベルが
Ｔ秒間継続するか否かを判断し、継続する場合にはステ
ップＳ１６において配管中流体が気相流体であることを
示す信号を出力する。Ｔ秒間継続しない場合には、ステ
ップＳ１４で配管中流体が二相流体であることを示す信
号を出力する。また、ステップＳ１３において受光量レ
ベルが液相レベルであると判断すると、引き続きステッ
プＳ１７においてそのレベルがＴ秒間継続するか否かを
判断し、継続するときにはステップＳ１８において液相
流体であることを示す信号を出力する。しかしＴ秒間継
続しないときはステップＳ１４において二相流体である
ことを示す信号を出力する。

【００２３】次に図４に示す実施例について説明する。
この実施例は図２に示す実施例と同様、配管１の一部を
太径部１Ｂに形成し、その壁の一部を透光板１３で形成
する。そしてこの透光板１３に発光部２と２つの受光部
３１、３２を臨ませる。発光部２はその光軸Ｌが配管１
中の流体の移動方向に対し９０度を除く角度で傾斜する
ように配置する。

【００２４】受光部３１は気相検出用の受光部であり、
これは図４の（Ａ）図に示すように、配管１中の流体が
気相流体ａのみであるときに、発光部２から発せられて
太径部１Ｂの内底面１４で反射した光を受ける位置に配
置する。また、受光部３２は液相検出用の受光部であ
り、これは図４の（Ｃ）図に示すように、配管１中の流
体が液相流体ｂのみであるときに発光部２から発せられ
て太径部１Ｂの内底面１４で反射した光を受ける位置に
配置する。

【００２５】受光部３１、３２はいずれも判断装置５に
接続する。この判断装置５はオペアンプを用いた回路を
含むもので、各受光部における受光を電気信号に変換す
るように構成しておくとともに、受光部３１が受光して
いるか、受光部３２が受光しているかを判断し、受光部
３１が予め定めた時間以上受光するときは、配管中流体
が気相流体であることを示す信号を出力し、受光部３２
が予め定めた時間以上受光するときは、配管中流体が液
相流体のみであることを示す信号を出力するように構成
しておく。

【００２６】また、受光部３１、３２のいずれもが受光
しないとき、及び受光しても予め定めた時間Ｔ（例えば
６０秒間）その受光状態が継続しないときには、配管中
流体が二相流体であることを示す信号を出力するように
構成しておく。何故なら、配管中流体が気相と液相の混
じり合った二相流体のときには、発光部２から発せられ
る光は該流体中で大きく屈折したり、散乱したりして、
受光部３１、３２のいずれもが受光できないか、たとえ
受光できてもその受光状態が継続しないからである。

【００２７】この実施例では、配管１中に流体を流すと
ともに、発光部２を点灯して該流体中に光を入射する一
方、受光部３１、３２を受光できる状態とする。受光部
３１が予め定めた時間Ｔ継続して受光するときには、装
置５にて配管中流体が気相流体のみであると判断し、受
光部３２が予め定めた時間Ｔ継続して受光する状態のと
きは、装置５にて配管中流体が液相流体のみであると判
断する。

【００２８】しかし受光部３１、３２のいずれもが受光
しない場合或いは受光しても所定時間Ｔ継続して受光し
ないときは、図４の（Ｂ）図に示すように、配管中流体
が二相流体であると判断する。次に、図４の実施例にお
いて用いた判断装置５の動作を図５のフローチャートに
基づいて説明する。

【００２９】まず、ステップＳ２１、Ｓ２２において受
光部３１、３２における受光を電気信号（電圧）に変換
し、次いでステップＳ２３において受光部３１が受光し
ているか、受光部３２が受光しているかを判断し、その
いずれもが受光していないときはステップＳ２４におい
て二相流体であることを示す信号を出力する。ステップ
Ｓ２３において受光部３１が受光していると判断する
と、ステップＳ２５でその受光が予め定めたＴ秒間継続
するか否かを判断し、継続するとステップＳ２６で配管
中流体が気相流体であることを示す信号を出力する。一
方、Ｔ秒間継続しないときはステップＳ２４において二
相流体であることを示す信号を出力する。また、ステッ
プＳ２３において受光部３２が受光していると判断する
と、ステップＳ２７においてその受光が予め定めたＴ秒
間継続するか否かを判断し、継続するとステップＳ２８
において配管中流体が液相流体であることを示す信号を
出力する一方、継続しないとステップＳ２４において二
相流体であることを示す信号を出力する。

【００３０】なお、前記実施例における配管１の太径部
１Ａ、１Ｂは、用いる発光部や受光部の形状等によっ
て、薄く、平たい管に形成する等、他の状態の異径部と
してもよい。また、判断装置４や５はいわゆるマイクロ
コンピュータを用いても実現できる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によると、配
管中を流れる流体がフラッシュ状態か、それとも液相又
は気相状態かを簡単、確実、安価に知ることができると
ともに、冷凍回路等における保安システムへも容易に応
用できる流体のフラッシュ状態検出方法を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の説明図である。

【図２】本発明の他の実施例の説明図である。

【図３】図１及び図２に示す実施例において用いる判断
装置の動作を示すフローチャートである。

【図４】さらに他の実施例の説明図である。

【図５】図４に示す実施例において用いる判断装置の動
作を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ 配管 １Ａ 太径部 １１、１２ 透光板 ２ 発光部 ３ 受光部 Ｌ 発光部２の光軸 ４ 判断装置 ａ 気相流体 ｂ 液相流体 １Ｂ 太径部 １３ 透光板 １４ 太径部の内底面 ３１ 気相検出用受光部 ３２ 液相検出用受光部 ５ 判断装置

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配管内を流れる流体の移動方向に対し光
   軸が垂直を除く角度で傾斜するように発光部を配置する
   とともに前記発光部に対応する受光部を配置し、前記発
   光部から配管内流体に向けて光を入射するとともに該流
   体からの光を前記受光部で受けるようにし、前記受光部
   における受光量レベルが予め定めた気相を示すレベル又
   は予め定めた液相を示すレベルでないとき、前記流体が
   フラッシュ状態にあると判断する流体のフラッシュ状態
   検出方法。
2. 【請求項２】 前記受光部における受光量レベルが前記
   気相を示すレベル又は前記液相を示すレベルに達して
   も、該レベルが予め定めた時間継続しないときは前記流
   体がフラッシュ状態にあると判断する請求項１記載の流
   体のフラッシュ状態検出方法。
3. 【請求項３】 配管内を流れる流体の移動方向に対し光
   軸が垂直を除く角度で傾斜するように発光部を配置する
   とともに前記発光部に対応する気相検出用受光部及び液
   相検出用受光部を配置し、前記発光部から前記配管内流
   体に向け光を入射するとともに該流体からの光を前記受
   光部で受けるようにし、いずれの前記受光部も受光しな
   いとき、前記流体がフラッシュ状態にあると判断する流
   体のフラッシュ状態検出方法。
4. 【請求項４】 前記気相検出用受光部又は前記液相検出
   用受光部が受光しても、該受光が予め定めた時間継続し
   ないときは前記流体がフラッシュ状態にあると判断する
   請求項３記載の流体のフラッシュ状態検出方法。