JP4690542B2 - 固液二相流配管 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
固体と液体が混流する固液二相流配管に関し、特には固体の偏在を検出して攪拌する固液二相流配管に関する。
【0002】
【従来の技術】
図11は、将来の再使用型ロケット等に適用が検討されている燃料注入装置である。図11において、ライン3を通って液体水素タンク2からスラッシュ水素容器4に液体水素1が移送される。真空ポンプ7によりスラッシュ水素容器4を減圧し、排気ライン8から気体になった水素ガスを放出することで固体水素6が生成される。この固体水素6と液体水素5が混合してシャーベット状態になったものがスラッシュ水素と呼ばれる。
【0003】
混合されたスラッシュ水素は、固液二相流として、水素9およびヘリウム10ガスの加圧ラインによって、移送ライン13を介してロケット12内部のスラッシュ水素タンク17に移送される。加圧ラインには、水素9とヘリウム10ガスの加圧流量をコントロールするバルブ11が設けられている。また、移送ライン13には、移送用ポンプ14とスラッシュ水素の流量計15が設置されている。スラッシュ水素タンク17の底部には、ロケット12の燃料として液体水素5を燃焼させるために酸化剤として用いる液体酸素タンク16が配設されている。
【0004】
図12は図11におけるスラッシュ水素の移送ライン13の拡大図である。移送ライン13は、外管20と内管21の断熱二重構造で、外管20と内管21の間は外部から浸入する熱を遮断するために真空層22となっている。内管21を移送される液体水素23と固体水素24は、スラッシュ水素容器4から排出された直後の上流側25では均一な分布で一様に流れるが、下流側26では比重が大きいため固体水素24が沈降して均一な分布で一様に流れないという問題がある。そこで、固体水素の偏在の有無を検出し、偏在があれば攪拌を実施して固体水素の分布を均等にする固液二相配管が望まれている。
【0005】
上記のような固液二相流配管の問題に関するものとして特開2000−118713号に記載の装置があるが、この装置は管内圧力で固体による閉塞を検出するものである。このような検出方法は、固体、および、または、液体の物性値の差に基づいたものではなく、圧力という状態量を検出しているので異常がある程度進行しないと検出できず、固体の偏在を、速やかに、確実に検出することはできず、上記のような極低温の液体水素と固体水素の固液二相流配管には不適当である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題に鑑み、固体の偏在を、速やかに、確実に検出して撹拌をおこなう固液二相流配管を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明によれば、固体と液体が混流し、固体の偏在を検出する固体偏在検出手段と、固体の偏在が検出されたときに攪拌をおこなう攪拌手段とを備える固液二相流配管であって、
固体偏在検出手段は、流路断面内に略均等に複数配設された、固体と液体の物性値の差に基づき固液割合に応じて変化する固液変化物性パラメータを検出する固液変化物性パラメータ検出手段から成り、該複数の固液変化物性パラメータ検出手段の検出値に基づき固体の偏在を検出し、固液変化物性パラメータ検出手段は、断面方向に配設される羽根の間の静電容量を検出する静電容量検出手段である固液二相流配管が提供される。このように構成された固液二相流配管では、固液変化物性パラメータ検出手段の検出値に基づき固体の偏在が検出されると攪拌手段により攪拌がおこなわれる。
【0008】
請求項2の発明によれば、請求項1の発明において、攪拌手段が放射状に配設される複数の回転羽根を有し、静電容量検出手段は該回転羽根に付設されている固液二相流配管が提供される。
請求項3の発明によれば、請求項1の発明において、静電容量検出手段は、固定羽根に付設されている固液二相流配管が提供される。
【0010】
請求項4の発明によれば、請求項1の発明において、固体偏在検出手段は、攪拌手段の後流に付設されている固液二相流配管が提供される。
請求項5の発明によれば、請求項1の発明において、攪拌手段は、回転ドラムの内面に羽根を付設して成る固液二相流配管が提供される。
請求項6の発明によれば、請求項1の発明において、固体水素と液体水素が混流する固液二相流配管が提供される。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して、従来技術で説明したロケットへ固体水素と液体水素を送る配管に適用した場合の本発明による固液二相流配管の実施の形態を説明する。
初めに第1の実施の形態について説明するが、この第1の実施の形態は、流路配管内に設置された回転する攪拌羽根の羽根部材を電極として使用し、羽根部材間の静電容量を測定し、その結果に基づき固体の偏在を検出し、攪拌羽根を回転して固体の分布を均等にするものである。
【0012】
図1,2が第1の実施の形態の構成を説明する図であて、内管21の流路内には、攪拌羽根27Aが流れ方向に離間して複数配置されていて、これらは同じ構造を有し、同じように作動する。
攪拌羽根27Aは、それぞれ支持棒28に取り付けられた4枚の羽根部材27Aa,27Ab,27Ac,27Adを有する。攪拌羽根27Aは回転軸33、34と、回転軸の方向を変換するギア37、38を介して、駆動モータ32で支持棒28を回転させることにより回転せしめられる。なお、回転軸33が貫通する外管20と内管21の部分には、シールを兼用した軸受け35、36が設置されている。
【0013】
この第1の実施の形態では、攪拌羽根27Aの羽根部材27Aa,27Ab,27Ac,27Adは、それぞれ、隣接する2枚の羽根部材の間の静電容量を検出するための電極としての作用をおこなうので、表面は導電性の材料で形成されている。
そして、対向する内管21の流路壁には、羽根部材27Aa,27Ab,27Ac,27Adが回転しても静電容量出力が検出可能なように、回転する羽根部材27Aa,27Ab,27Ac,27Adと接触可能な金属シート29a,29b,29c,29dが貼り付けてある。
【0014】
攪拌羽根27Aの羽根部材27Aa,27Ab,27Ac,27Adからの静電容量出力は、金属シート29とリード線30を介してLCRメータ31に送信される。LCRメータ31は攪拌羽根27Aの隣接する羽根部材27Aa−27Ab,27Ab−27Ac,27Ac−27Ad,27Ad−27Aa間の静電容量を計算し、LCRメータ31に接続された制御器49は各羽根部材間の静電容量の差が大きくなると駆動モータ32を回転せしめる。
【0015】
図3は、上記のように構成された第1の実施の形態の効果を説明する図であって、図2に示すように配管内の固体水素の分布に偏在がある場合、攪拌羽根27Aの隣接する羽根部材27Aa−27Ab,27Ab−27Ac,27Ac−27Ad,27Ad−27Aa間の静電容量は図3の(A)に示すように大きく異なるが、この結果の基づき制御器により駆動モータ32を回転制御することで、固体水素の偏在は解消され、図6の(B)に示すように各羽根部材間の静電容量は均等になる。
そして、静電容量は物性であり状態量ではないので、固体水素24と液体水素23の割合が変化すればそれに応じて変化するので、固体水素24の偏在を確実に検出することができる。
【0016】
次に、第2の実施の形態について説明する。この第2の実施の形態は、配管内における流れ方向の離間した距離の間のレーザ光の減衰を複数の断面位置で計測することによって、流路配管内の固体の偏在を検出し、流路内に設置した攪拌羽根によって攪拌し固体の分布を均等にするものである。
【0017】
図4,5が、この第2の実施の形態の構造を説明する図であって、図4に示すように、内管21内には、第1の実施の形態と同様な攪拌羽根27Bが流れ方向に複数配設され、それぞれ、第1の実施の形態と同様に駆動モータ32で駆動される。この第2の実施の形態は静電容量を検出するものではないので、特に表面を導電性材料で形成する必要はない。
【0018】
最後流側の撹拌羽根27Bの直後流には、レーザ発振器40に基端が接続された光ファイバー39の先端が、周方向に略均等に、かつ光ファイバー39の先端から出射されるレーザ光が流路配管に平行になるように配置されている。一方、最上流側の撹拌機27Bの直上流には、光ファイバー39の先端から出射したレーザ光を受光する光ファイバー41の先端が設置され、光ファイバーの基端は分光器42に接続され、分光器42からの信号は制御器49に送られる。
【0019】
制御器49は光ファイバー39から出射した光の強度に対する光ファイバー41が受光した光の強度の割合、すなわち、レーザ光の減衰率を計算する。光路中に存在する固体水素の量によりレーザ光の減衰率は変化するのでこの減衰率から固体水素の偏在を検出することができ、偏在が大きくなると制御器49は駆動モータ32を回転せしめる。
【0020】
図6は、上記のように構成された第2の実施の形態の効果を説明する図であって、図5に示すように配管内の固体水素の分布に偏在がある場合、レーザ光43a,43b,43c,43dの減衰率は図6の(A)に示すように大きく異なるが、この結果の基づき制御器により駆動モータ32を回転制御することで、固体水素の偏在は解消され、図6の(B)に示すよう減衰率は均等になる。
【0021】
次に、第3の実施の形態について説明するが、この第3の実施の形態は、流路配管内の回転ドラム式の攪拌機の後流側に配設された回転しない固定羽根の羽根部材間の静電容量を測定し、その結果に基づき、流路配管内の固体の偏在を検出し、流路内に設置した攪拌羽根によって流路内部を攪拌し固体の分布を均等にするものである。
図7,8,9が第3の実施の形態の構成を説明する図であって、内管21の流路の上流側に回転ドラム45の内面に撹拌羽根45Aを複数設置した回転ドラム式の撹拌機44が配設されている。
【0022】
撹拌機44は回転ドラム45がスムーズに回転するように回転面受け46で支持されている。回転面受け46と流路配管内面の段差部分には、固体水素が撹拌機44の回転ドラム45にスムーズに入り込むように円環型のガイド47が設けられている。攪拌機44は、回転軸33、34と、ギア37、38、および、ギア48を介して駆動モータ32で回転駆動される。回転軸33が貫通する外管20と内管21の部分には、シールを兼用した軸受け35、36が設置されている。
【0023】
攪拌機44の後流には、回転しない固定羽根27Cが配設されていて、固定羽根27Cは、それぞれ支持棒28に取り付けられた4枚の羽根部材27Ca,27Cb,27Cc,27Cdを有する。固定羽根27Cの羽根部材27Ca,27Cb,27Cc,27Cdは、それぞれ、第1の実施の形態と同様に、隣接する2枚の羽根部材の間の静電容量を検出するための電極としての作用をおこなうので、表面は導電性の材料で形成されている。
【0024】
固定羽根27Cの羽根部材27Ca,27Cb,27Cc,27Cdからの静電容量出力は、金属シート29とリード線30を介してLCRメータ31に送信される。LCRメータ31は固定羽根27Cの隣接する羽根部材27Ca−27Cb,27Cb−27Cc,27Cc−27Cd,27Cd−27Ca間の静電容量を計算し、LCRメータ31に接続された制御器49は各羽根部材間の静電容量の差が大きくなると駆動モータ32を回転せしめる。
【0025】
図10は、上記のように構成された第1の実施の形態の効果を説明する図であって、図9に示すように配管内の固体水素の分布に偏在がある場合、攪拌羽根27Cの隣接する羽根部材27Ca−27Cb,27Cb−27Cc,27Cc−27Cd,27Cd−27Ca間の静電容量は図10の(A)に示すように大きく異なるが、この結果の基づき制御器により駆動モータ32を回転制御することで、固体水素の偏在は解消され、図10の(B)に示すように各羽根部材間の静電容量は均等になる。
【0026】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明は、固体と液体が混流し、固体の偏在を検出する固体偏在検出手段と、固体の偏在が検出されたときに攪拌をおこなう攪拌手段とを備える固液二相流配管であるが、固体偏在検出手段は、流路断面内に略均等に複数配設された、固体と液体の物性値の差に基づき固液割合に応じて変化する固液変化物性パラメータを検出する固液変化物性パラメータ検出手段から成り、該複数の固液変化物性パラメータ検出手段の検出値に基づき固体の偏在を検出するようにされていて、固体の偏在が、速やかに、確実に検出され、攪拌手段により攪拌され、固体の偏在が確実に防止される。
特に、請求項3のように、固液変化物性パラメータ検出手段を、断面方向に配設される羽根の間の静電容量を検出する静電容量検出手段とし、静電容量検出手段を、攪拌手段の羽根に付設すれば、別個に静電容量検出手段を付設する必要がなくコンパクトに形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態の構造を流れに平行な方向に示した図である。
【図2】第1の実施の形態の構造を流れに垂直な方向に示した図である。
【図3】第1の実施の形態の効果を説明する図であって、
(A)は攪拌前の各羽根の間の静電容量を示し、
(B)は攪拌後の各羽根の間の静電容量を示している。
【図4】第2の実施の形態の構造を流れに平行な方向に示した図である。
【図5】第2の実施の形態の構造を流れに垂直な方向に示した図である。
【図6】第1の実施の形態の効果を説明する図であって、
(A)は攪拌前の各羽根の間のレーザ強度を示し、
(B)は攪拌後の各羽根の間のレーザ強度を示している。
【図7】第3の実施の形態の構造を流れに平行な方向に示した図である。
【図8】第3の実施の形態における円筒内面に取り付けた攪拌バネを示した図である。
【図9】第3の実施の形態の構造を流れに垂直な方向に示した図である。
【図10】第3の実施の形態の効果を説明する図であって、
(A)は攪拌前の各羽根の間の静電容量を示し、
(B)は攪拌後の各羽根の間の静電容量を示している。
【図11】従来技術および本発明が適用されるロケットへの水素燃料送給システムの全体構成を示す図である。
【図12】従来技術の固液二相流配管を示した図である。
【符号の説明】
23…液体水素
24…固体水素
27A…攪拌羽根
27Aa,27Ab,27Ac,27Ad…(静電容量を検出するための電極に使用される)羽根部材
27B…攪拌羽根
27Ba,27Bb,27Bc,27Bd…羽根部材
27C…固定羽根
27Ca,27Cb,27Cc,27Cd…羽根部材
29…金属シート
31…(静電容量値を計算する)LCRメータ
32…駆動モータ
39、41…光ファイバー
40…レーザ発振器
44…(回転ドラム式)攪拌機
49…制御器
Claims (6)
- 固体と液体が混流し、固体の偏在を検出する固体偏在検出手段と、固体の偏在が検出されたときに攪拌をおこなう攪拌手段とを備える固液二相流配管であって、
固体偏在検出手段は、流路断面内に略均等に複数配設された、固体と液体の物性値の差に基づき固液割合に応じて変化する固液変化物性パラメータを検出する固液変化物性パラメータ検出手段から成り、該複数の固液変化物性パラメータ検出手段の検出値に基づき固体の偏在を検出し、固液変化物性パラメータ検出手段は、断面方向に配設される羽根の間の静電容量を検出する静電容量検出手段であることを特徴とする固液二相流配管。 - 攪拌手段が放射状に配設される複数の回転羽根を有し、静電容量検出手段は該回転羽根に付設されていることを特徴とする請求項1に記載の固液二相流配管。
- 静電容量検出手段は、固定羽根に付設されていることを特徴とする請求項1に記載の固液二相流配管。
- 固体偏在検出手段は、攪拌手段の後流に付設されていることを特徴とする請求項1に記載の固液二相流配管。
- 攪拌手段は、回転ドラムの内面に羽根を付設して成ることを特徴とする請求項1に記載の固液二相流配管。
- 固体水素と液体水素が混流することを特徴とする請求項1に記載の固液二相流配管。
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