JP3032230B2 - 気液比検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、流体通路を流れる気液二相流体の気液比を
検出する気液比検出装置に関する。

［従来の技術］ 従来、この種の気液比検出装置としては、特公昭61−
14430号公報に開示された冷媒不足検出装置がある。

この冷媒不足検出装置は、冷凍サイクルのレシーバと
膨脹弁とを結ぶ冷媒配管の上方側に、冷媒配管内と連通
して取り付けられた容器と、容器内に配設された導電性
の浮き子と、この浮き子を下方に付勢するスプリング
と、浮き子の下方に設置されたプラス側接点およびマイ
ナス側接点とから構成されている。

今、サイクル中の冷媒が少なくなり、レシーバと膨脹
弁とを結ぶ冷媒配管中の液冷媒にガス冷媒が混入する
と、配管内の冷媒は過冷却がとれずに気液二相状態とな
る。

このため、容器内の液冷媒は重力で落下し、容器内は
ガス冷媒で満たされる。その結果、容器内の浮き子が、
スプリングの付勢力と重力によって両接点に押さえ付け
られ、両接点が導通することにより、警報ランプを点灯
させて冷媒不足を知らせる。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、上記の冷媒不足検出装置は、容器内への冷
媒の流入のみに基づいてその気液状態を検出しているた
め、冷媒の気体成分量と液体成分量との比まで精度良く
検出することが困難である。

本発明は上記事情に基づいてなされたもので、その目
的は、流体通路を流れる気液二相流体の気液比を精度良
く検出することのできる気液比検出装置を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の気液比検出装置
は、流体通路を流れる気液二相の流体を前記流体通路よ
り分流させる分流通路と、この分流通路を介して流入し
た流体が、その比重差により気体成分と液体成分とに分
離され、その分離成分をそれぞれ貯溜する気液分離室
と、一端が前記気液分離室内に開口するとともに、他端
が前記流体通路に開口し、前記気液分離室内より前記分
離成分を前記流体通路に戻すための第１通路と、一端が
前記第１通路の開口位置より下方で前記気液分離室内に
開口するとともに、他端が前記流体通路に開口し、前記
気液分離室より前記分離成分を前記流体通路に戻すため
の第２通路と、前記気液分離室の液面を検出する液面検
出手段とを備え、前記第２通路に対する前記第１通路の
通路抵抗比が、予め設定された前記液体成分に対する前
記気体成分の流量比となるように設けられたことを技術
的手段とする。

［作用］ 上記構成よりなる本発明は、流体通路を流れる流体
が、分流通路を介して気液分離室内に導入され、気液分
離室内にて気体成分と液体成分とに分離して貯溜され
る。

分流通路を介して、気液分離室内に導入された流体の
気体成分量の占める割合が、第２通路に対する第１通路
の通路抵抗比（予め設定された液体成分に対する気体成
分の流量比）に基づいて決まる値より小さい場合には、
気液分離室内より第１通路を介して流体通路に戻る液体
は気液二相状態となり、第２通路を介して流体通路に戻
る流体は液体成分のみとなる。

その結果、気液分離室内には、液体成分が少なくとも
第１通路の高さまで存在する。

逆に、分流通路を介して、気液分離室内に導かれた流
体の気体成分量の占める割合が、第２通路に対する第１
通路の通路抵抗比（予め設定された液体成分に対る気体
成分の流量比）に基づいて決まる値より大きくなると、
第１通路のみでは気体成分を戻し切れなくなる。

その結果、気体成分が第２通路からも流出しようとす
るため、気液分離室内の液面が第２通路の高さまで低下
する。

この液面の上下を検出することにより、気液分離室内
に導かれる流体の気液比を第２通路に対する第１通路の
通路抵抗比（予め設定された液体成分に対する気体成分
の流量比）に対応して検知することができる。

［発明の効果］ 上記作用を有する本発明によれば、第２通路に対する
第１通路の通路抵抗比に対応し、気液分離室内に導かれ
る流体の気液比を検出することができるため、その通路
抵抗比を、検出目標とする気液分離室内に導かれる流体
の気液分離室内に導かれる全成分量（気体成分量＋液体
成分量）に対する気体成分量の比に見合った値にするこ
とにより、流体通路を流れる流体の気体成分量と液体成
分量との比を精度良く検出することができる。

［実施例］ 次に、本発明の気液比検出装置を図面に示す一実施例
に基づき説明する。

第１図は気液比検出装置の断面図である。

本実施例の気液比検出装置１は、車両用空気調和装置
の冷凍サイクル（第４図参照）２に適用されて、サイク
ル内の冷媒不足を検出する。

冷凍サイクル２は、第４図に示すように、電磁クラッ
チ３を備えた冷媒圧縮機４、冷媒凝縮器５、レシーバ
６、膨脹弁７、冷媒蒸発器８より成り、これら各機能部
品が、冷媒配管９にて環状に接続された周知の構成を有
する。

気液比検出装置１は、レーシバ６と膨脹弁７との間に
付設された冷媒配管9a（流体通路）に取り付けられ、サ
ンプリングした冷媒を気体成分と液体成分とに分離して
貯溜するための気液分離室10を備える。

気液分離室10は、冷媒配管9aの管壁に形成された開口
部11にろう付けされるステー12と、このステー12にＯリ
ング13を介して螺着される円筒状のケース14と、このケ
ース14の開口端部にかしめ固定されるキャップ15とから
形成される。

気液分離室10は、サンプリング通路（分流通路）16、
第１通路17、および第２通路18を介して、冷媒配管9a内
と連通されている。

サンプリング通路16は、冷媒配管9aを流れる冷媒の一
部を気液分離室10内に導入させるための通路で、ステー
12に形成された流入路12aと、ケース14の底面に形成さ
れた導入路14a、および流入路12aと導入路14aとを連通
させるために、ステー12の上端面に形成されたリング状
の蟻溝12bから構成されている。

第１通路17および第２通路18は、気液分離室10内の中
央部を上下方向に配設されたチューブ19、ステー12に形
成された戻り通路12c、およびチューブ19と戻り通路12c
とを連通する連通路14bによって構成されている。

チューブ19は、下端部がケース14の底面中央部に固定
され、上端面と底部寄りの側面とにそれぞれ気液分離室
10内に開口する開口部19a、19bが形成されている。

連通路14bを介してチューブ19と連通された戻り通路1
2cは、流入路12aより下流位置で冷媒配管9aに開口され
ている。

第１通路17は、気液分離室10内の上部に開口するチュ
ーブ19の開口部19aから冷媒配管9aに開口する戻り通路1
2cまでを成し、第２通路18は、気液分離室10内の底部に
開口するチューブ19の開口部19bから冷媒配管9aに開口
する戻り通路12cまでを成す。

冷媒配管9aは、戻り通路12cの開口部に対面する管壁
が、戻り通路12c側に窪んで形成されることで、ベンチ
ュリを構成している。この結果、流入路12aと戻り通路1
2cとの間に差圧が生じるため、冷媒配管9aを流れる冷媒
の一部は、ベンチュリ作用に基づく流れに沿ってサンプ
リング通路16より気液分離室10内に導かれ、気液分離室
10内でガス冷媒と液冷媒とに分離された後、第１通路17
および第２通路18を介して冷媒配管9aに戻る。

ここで、 G1:開口部19aを通るガス冷媒重量流量 G2:開口部19bを通る液冷媒重量流量 とすると、 開口部19aと開口部19bとの穴径は、 G1:G2＝1:9 となるように設定されている。

また、開口部19aの開口面積をA1、開口部19bの開口面
積をA2として、開口部19aおよび開口部19bに各々ガス冷
媒、液冷媒が同一重量流量流れた時の圧損ΔP1およびΔ
P2の比（通路抵抗比）を算出すると、 G1＝G2として ここで、ΔP1＝ΔP2のとき、 となるように設定してあるので、よって、 となり、第１通路17の通路抵抗ｒと第２通路18の通路抵
抗Ｒとの比は、 r:R＝81:1 となるように設定されている。

従って、冷媒配管9aを流れる冷媒の気液重量比（気体
重量／液体重量）が1/9（≒0.11）未満である場合は、
サンプリング通路16より気液分離室10内に導かれた冷媒
の気液重量比も1/9（≒0.11）未満となる。このとき、
気液分離室10内は、液冷媒が気液分離室10内の上部まで
存在するため、第１通路17を介して気液二相冷媒が、第
２通路18を介して液冷媒がそれぞれ冷媒配管9aに戻る。

冷媒配管9a内を流れる冷媒の気液重量比が大きくなる
（ガス冷媒の流量割合が高くなる）にしたがって、第１
通路17のガス冷媒の流量割合が高くなっていく。このと
き、第２通路18は、依然、液冷媒のみが流れる。

さらにガス冷媒の流量割合が高くなって、冷媒配管9a
を流れる冷媒の気液重量比が1/9（≒0.11）を越える
と、気液分離室10内のガス冷媒は、第１通路17のみでは
流し切れなくなる。その結果、ガス冷媒が第２通路18か
らも流出しようとするため、気液分離室10内の液面は、
第２通路18の高さまで低下する。

気液分離室10内には、底面を有する筒状のインナケー
ス（仕切部材）20が配設され、底面の中央部でチューブ
19に固定されている。

インナケース20の内部に形成される空間は、気液分離
室10内に導入された冷媒の液体成分を蓄える貯液室21と
される。この貯液室21には、サンプリング通路16を介し
て気液分離室10内に導入された冷媒が、ケース14の内壁
面とインナケース20の外壁面との間に形成される導入空
間22を通って流入し、比重差によって分離した液冷媒が
蓄えられる。

インナケース20の内部には、貯液室21に蓄えられた液
冷媒の液面高さに応じて上下に変位するナイロン製の円
筒形フロート23が配設されている。

フロート23は、チューブ19の外周に嵌め合わされて、
インナケース20の内径より若干小さな外径に設けられて
いる。

フロート23には、第２図に示すように、上下に貫通す
る２か所の冷媒通路23aと、底面側で径方向に２か所の
冷媒通路23aまで達する円形の空間23bが形成されてい
る。この空間23bは、フロート23が貯液室21の底部まで
降下した際に、チューブ19の側面に形成された開口部19
bを閉塞しないために設けられている。フロート23の上
端面中央部には、リング状のマグネット24が固定されて
いる。

ケース14に固定されたキャップ15には、マグネット24
の磁気作用によって開閉するリードスイッチ25が配置さ
れ、ホルダ26によってキャップ15の上面中央部に固定さ
れている。また、ホルダ26は、打ち込みピン27によって
キャップ15に固定されている。

リードスイッチ25は、例えば、貯液室21内の液面が高
く、マグネット24がリードスイッチ25に近い場合には、
閉成状態となる。また、貯液室21内の液面が低く、マグ
ネット24がリードスイッチ25より離れた場合には、開成
状態となる。なお、本発明の液面検出手段は、フロート
23とリードスイッチ25とから成る。

本実施例では、リードスイッチ25が開成状態となるこ
とでサイクル内の冷媒不足と判断し、制御回路28を介し
て、電磁クラッチ３への通電を停止するとともに、冷媒
不足を知らせるための警告灯29を点灯させる。

また、制御回路28は、第４図に示すように、車載バッ
テリ30を電源として、エアコンスイッチ31の投入により
作動し、車内温度を検出する内気温サーミスタ32、外気
温を検出する外気温サーミスタ33、室内温度設定用抵抗
34、および冷媒蒸発器８の吹出口温度を検出する吹出温
度サーミスタ35の合成抵抗値の変化を入力信号として作
動モードを決定する。

ここで、リードスイッチ25の開成に伴って、電磁クラ
ッチ３への通電停止および警告灯29の点灯を行う制御回
路28の作動を第５図に示すフローチャートに基づき説明
する。

まず、ステップS1でエアコンスイッチ31が投入された
後、ステップS2へ進む。

ステップS2で電磁クラッチ３が通電された後、ステッ
プS3へ進む。

ステップS3では、サイクル安定のための待機時間（30
秒）を設定する。

つぎにステップS4で、リードスイッチ25が開成状態
（OFF）か否かを判断する。

ステップS4の判断結果がNOの場合には、ステップS4を
繰り返す。

ステップS4の判断結果がYESの場合には、ステップS5
で、一定時間（30秒）待機した後、ステップS6へ進む。

ステップS6では、再度リードスイッチ25の状態を検出
し、リードスイッチ25が開成状態（OFF）か否かを判断
する。

ステップS6の判断結果がNOの場合には、ステップS4の
判定を誤作動とみなし、再びステップS4に戻る。

ステップS6の判断結果がYESの場合には、ステップS7
で電磁クラッチ３への通電を停止した後、ステップS8へ
進み、警告灯29を点灯する。

次に、本実施例の作動を説明する。

冷凍サイクル２の配管系統などから冷媒が漏洩して減
少すると、冷媒配管9a内を流れる冷媒中に占めるガス冷
媒の流量割合が高くなり、冷媒の気液重量比が大きくな
る。このとき、気液分離室10内に導かれる冷媒の気液重
量比が1/9（≒0.11）未満の場合には、貯液室21内の上
部まで存在するため、フロート23は、第１図に示すよう
に、貯液室21内の上部に位置する。従って、フロート23
に埋め込まれたマグネット24とリードスイッチ25との距
離が近いため、リードスイッチ25は閉成状態を維持す
る。

ガス冷媒の流量割合が高くなって、冷媒配管9aを流れ
る冷媒の気液重量比が1/9（≒0.11）を越えると、貯液
室21内の液面が第２通路18の高さまで低下する。

貯液室21内の液面低下に伴ってフロート23が降下する
ため（第３図参照）、マグネット24とリードスイッチ25
との距離が大きくなり、リードスイッチ25は開成状態と
なる。

このリードスイッチ25の開成によって、電磁クラッチ
３への通電が停止されて冷凍サイクル２の作動が停止す
るとともに、警告灯29が点灯されて外部にサイクル内の
冷媒不足を知らせる。

本実施例の気液比検出装置１は、第２通路18に対する
第１通路17の通路抵抗比に対応し、気液分離室10内に導
かれた冷媒の気液比を検出することができるため、通路
抵抗比を、検出目標とする気液分離室10内に導かれた液
流量に対する気液分離室10内に導かれたガス流量の比に
応じて決めておくことにより、冷媒配管9aを流れる冷媒
の気体成分量と液体成分量との比を精度良く検出するこ
とができる。

また、インナケース20によって気液分離室10内に貯液
室21を形成したことで、サンプリング通路16より流入す
る流体によって、貯液室21に蓄えられた液冷媒がかきま
ぜられて液面が変動するのを防ぐことができる。その結
果、貯液室21内の液面が安定して、静かな液面を得るこ
とができるため、液面検出に際して、その検出精度を向
上させることができる。

次に、本発明の第２実施例を説明する。

第６図は気液比検出装置１の断面図、第７図は第６図
のＡ−Ａ断面図である。

第１実施例では、底部を有するインナケース20をチュ
ーブ19に固定したが、本実施例のインナケース20は、底
部側も開放された円筒形を呈し、その下端部が、ケース
14に形成された周溝14cに嵌め込まれて固定されてい
る。

ケース14は、底面中央部に突設部14dが形成され、そ
の突設部14dの先端面が概球面形状を呈する。このケー
ス14は、ステー12にねじ込んで結合した際に、突設部14
dがステー12に形成された貫通穴を通り抜け、概球面形
状を呈する突設部14dの先端面が、第７図にも示すよう
に、冷媒配管9a内に突出するように構成されている。こ
れによって、冷媒配管9a内にベンチュリが形成される。

また、液面検出手段としては、第１実施例で示したフ
ロート23とリードスイッチ25の代わりに、自己放熱量に
より内部抵抗値を変化させるサーミスタ35が用いられて
いる。なお、このサーミスタ35は、液面検出だけでな
く、外気温センサの働きも兼ねている。すなわち、エア
コンスイッチ31が押された時に、外気温が０℃以下か否
かを判定し、０℃以下の時には、電磁クラッチ３への通
電を行わないように制御する。

ここで、本実施例の作動に係る制御回路の作動を、第
８図に示すフロチャートに基づき説明する。

まず、ステップS1でエアコンスイッチ31がONされた
後、ステップS2へ進む。

ステップS2では、サーミスタ35の検知温度Trが０℃以
上か否かを判断する。

ステップS2の判断結果がNOの場合は、ステップS3で30
秒待機した後、ステップS2へ戻り、ステップS2の判断結
果がYES（Tr≧０℃）となるまで電磁クラッチ３への通
電を行わない。

ステップS2の判断結果がYESの場合は、ステップS4で
電磁クラッチ３への通電を行い、ステップS5へ進む。ス
テップS5で、サーミスタ35に定電圧を印加する。これ
は、貯液室21内における液面の有無を判定するためで、
サーミスタ35が液冷媒に浸されている場合には、熱を多
量に奪われるため、サーミスタ35の検知温度Trは低くな
る。逆に、液冷媒が少なく、サーミスタ35がガス冷媒に
晒されてる場合には、奪われる熱量が少ないため、サー
ミスタ35の検知温度Trは高くなる。

つぎにステップS6で５秒待機した後、ステップS7で、
サーミスタ35の検知温度Trが設定温度ａ以上か否かを判
断する。

ステップS7の判断結果がNOの場合は、ステップS7を繰
り返す。

ステップS7の判断結果がYESの場合は、ステップS8で
５秒待機した後、ステップS9へ進む。

ステップS9では、再び、サーミスタ35の検知温度Trが
設定温度ａ以上か否かを判断する。

ステップS9の判断結果がNOの場合は、ステップS7へ戻
る。

ステップS9の判断結果がYESの場合は、冷媒不足と判
断して、ステップS10で電磁クラッチ３への通電を停止
し、ステップS11で警告灯29を点灯する。

なお、サーミスタ35に代えて気液の電導率の違いを検
出するようにしても良い。

本発明の気液比検出装置１を車両用空気調和装置の冷
凍サイクル２に適用したが、その他の各種冷凍サイクル
の冷媒不足検出に適用しても良い。また、冷凍サイクル
以外に、気液二相の流体が流れる流体通路に適用しても
良い。

第２通路18に対する第１通路17の通路抵抗比を81/1と
したが、この値は、冷媒不足を判断する検出目標値に対
応して任意に設定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の第１実施例を示すもの
で、第１図は気液比検出装置の断面図、第２図はフロー
トの斜視図、第３図はフロートが降下した状態を示す気
液比検出装置の断面図、第４図は気液比検出装置を適用
した冷凍サイクル図、第５図は制御回路の作動を示すフ
ローチャートである。第６図ないし第８図は本発明の第
２実施例を示すもので、第６図は気液比検出装置の断面
図、第７図は第６図のＡ−Ａ断面図、第８図は制御回路
の作動を示すフローチャートである。 図中 １……気液比検出装置 9a……冷媒配管（流体通路） 10……気液分離室 16……サンプリング通路（分流通路） 17……第１通路 18……第２通路 20……インナケース（仕切部材） 23……フロート（気液比検出手段） 24……マグネット（気液比検出手段） 35……サーミスタ（気液比検出手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 伴雄 埼玉県入間市小谷田１―12―43 株式会 社鷺宮製作所豊岡事業所内 (72)発明者 池田 忠顕 埼玉県入間市小谷田１―12―43 株式会 社鷺宮製作所豊岡事業所内 (56)参考文献 特開 平２−103357（ＪＰ，Ａ) 特公 昭61−14430（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 49/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）流体通路を流れる気液二相の流体を
   前記流体通路より分流させる分流通路と、 （ｂ）この分流通路を介して流入した流体が、その比重
   差により気体成分と液体成分とに分離され、その分離成
   分をそれぞれ貯留する気液分離室と、 （ｃ）一端が前記気液分離室内に開口するとともに、他
   端が前記流体通路に開口し、前記気液分離室内より前記
   分離成分を前記流体通路に戻すための第１通路と、 （ｄ）一端が前記第１通路の開口位置より下方で前記気
   液分離室内に開口するとともに、他端が前記流体通路に
   開口し、前記気液分離室より前記分離成分を前記流体通
   路に戻すための第２通路と、 （ｅ）前記気液分離室の液面を検出する液面検出手段と
   を備え、 前記第２通路に対する前記第１通路の通路抵抗比が、予
   め設定された前記液体成分に対する前記気体成分の流量
   比となるように設けられた気液比検出装置。