JP5791069B2 - 流量計測システム - Google Patents

Description

本願は、流体温度調整装置に関する。詳しくは、流体供給装置から供給される流体の温度を調整する流体温度調整装置に関する。

流体供給装置から流体使用装置に流体を供給し、その供給された流体を流体使用装置で使用するシステムが知られている（例えば、特許文献１等）。この種のシステムでは、通常、流体供給装置から供給される流体の供給量を流体の流量（体積）によって調整する。このため、流体供給装置の製造時に、流体供給装置から供給される流体の流量を実際に測定し、流体供給装置から適切な流量の流体が供給されているか否かを確認することが行われている。

特開平１１−３３６６２９号公報

しかしながら、流体供給装置（燃料流体噴射装置）から供給される流体の温度が変動すると、流体の密度が変化するため、流体供給装置から供給される流体の流量を精度良く測定することはできない。このため、流体供給装置から供給される流体の温度が変動する場合には、その流体の温度を均一化することができる温度調整装置が求められている。本願の目的は、流体供給装置から供給される流体の温度を均一に調整することができる技術を提供することである。

本明細書に開示する流体温度調整装置は、流体供給装置から供給される流体の温度を所望の温度に調整する流体温度調整装置であり、熱媒体の温度を調整する温調器と、流体供給装置から供給される流体と温調器から供給される熱媒体との熱交換を行う熱交換器と、熱交換器の上流または下流に配置され、流体供給装置または熱交換器から供給される流体を一時的に貯留する貯留部を有している。また、本明細書は、燃料流体噴射装置と、その燃料流体噴射装置から噴射される燃料流体の温度を所定の温度に調整する燃料流体温度調整装置と、を備えており、燃料流体温度調整装置で温度が調整された燃料流体の流量を計測することで、燃料流体噴射装置から噴射される燃料流体の流量を計測する流量計測システムを開示する。この流量計測システムは、熱媒体の温度を調整する温調器と、燃料流体噴射装置から噴射される燃料流体と温調器から供給される熱媒体との熱交換を行う熱交換器と、熱交換器の上流または下流に配置され、燃料流体噴射装置または熱交換器から供給される燃料流体を一時的に貯留する貯留部と、を有する。

この流体温度調整装置では、熱交換器の上流（すなわち、流体供給装置と熱交換器の間）または下流に貯留部が配置される。熱交換器の上流に貯留部が配置された場合は、流体供給装置から供給される流体は貯留部で一時的に貯留され、その後、熱交換器において温調器によって温度が調整された熱媒体と熱交換を行い、熱交換器より下流側に供給される。一方、熱交換器の下流に貯留部が配置された場合は、流体供給装置から供給される流体は熱交換器に供給され、温調器によって温度が調整された熱媒体と熱交換を行い、その後貯留部に一時的に貯留され、貯留部より下流側に供給される。後述するように、本願発明者が行った実験によると、温調器によって温度が調整された熱媒体と熱交換を行うと共に流体を貯留部に一時的に貯留することで、流体供給装置から供給される流体に比較的大きな温度変動が生じていても、流体温度調整装置から流出する流体の温度を略均一化できることが判明している。したがって、上記の流体温度調整装置によれば、流体供給装置から供給される流体の温度が変動している場合に、流体の温度を効果的に均一化することができる。

上記の熱交換器は、２重管式熱交換器であり、２重管式熱交換器の一方の流路を流体が流れ、２重管式熱交換器の他方の流路を熱媒体が流れるようにしてもよい。このような構成によると、熱交換器をコンパクトに形成することができる。

また、流体供給装置は、温度及び流量が周期的に変動する流体を供給するものであってもよい。この場合に、貯留部は、流体供給装置から供給される少なくとも１周期分の流量の流体を貯留可能となっていることが好ましい。後述するように、本願発明者が行った実験によると、流体供給装置から供給される１周期分の流量を貯留部が貯留できれば、貯留部から流出する流体の温度の均一性を大幅に向上できることが判明している。したがって、上記の構成によると、流体供給装置から供給される流体の温度の均一性をより向上することができる。

また、流体温度調整装置では、貯留部が熱交換器の下流に配置されており、貯留部から流出する流体の温度を計測する温度センサをさらに有することができる。そして、温調器は、温度センサで検出される流体の温度に基づいて、熱交換器に供給する熱媒体の温度と流量の少なくとも一方を制御することができる。このような構成によると、貯留部から流出する流体の温度に基づいて、流体と熱媒体との熱交換量が調整される。これによって、貯留部から流出する流体の温度を所望の温度となるように調整することができる。

実施例１に係る流体温度調整装置の概略構成を示す図。 図１に示す流体温度調整装置で行った実験結果を示す図（その１）。 図１に示す流体温度調整装置で行った実験結果を示す図（その２）。 図１に示す流体温度調整装置で行った実験結果を示す図（その３）。 図１に示す流体温度調整装置で行った実験結果を示す図（その４）。 図１に示す流体温度調整装置で行った実験結果を示す図（その５）。 図１に示す流体温度調整装置で行った実験結果を示す図（その６）。

図１に示すように、実施例１の流体温度調整装置４０は、熱交換器１０と、温調器２０と、貯留部２２と、温度センサ２４と、流量センサ２６を備えている。流体温度調整装置４０は、流体噴射装置３０に接続され、流体噴射装置３０から噴射される高圧の流体の流量を計測する。流体噴射装置３０から噴射される流体の流量及び温度は周期的に変動する。流体噴射装置３０から噴射される流体の圧力が高くなると、流体噴射装置３０から噴射される単位時間当たりの流量が多くなる。流体噴射装置３０は、噴射される流体の圧力を調整することで、噴射する流体の単位時間当たりの流量を調整する。流体噴射装置３０としては、例えば、内燃機関（例えば、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ロータリーエンジン等）に燃料を供給するインジェクタ等がある。

熱交換器１０は、流体噴射装置３０と温調器２０に接続されている。熱交換器１０は、２重管式の熱交換器であり、内側に設けられた内側流路１２と、内側流路１２の外側に設けられた外側流路１４を備えている。内側流路１２の一端（図１の左端）には流体噴射装置３０が接続され、内側流路１２の他端（図１の右端）には貯留部２２が接続される。流体噴射装置３０から噴射される流体は、内側流路１２の一端（図１の左端）から他端（図１の右端）に向かって流れる。一方、外側流路１４の両端には温調器２０が接続される。温調器２０から供給される熱媒体は、外側流路１４の他端（図１の右端）の入口１６より一端（図１の左端）の出口１８に向かって流れ、温調器２０に戻るようになっている。したがって、流体噴射装置３０から噴射される流体と温調器２０から供給される熱媒体は、熱交換器１０内を対向して流れる。これによって、流体噴射装置３０から噴射される流体と温調器２０から供給される熱媒体との熱交換効率が高められている。

温調器２０は、熱交換器１０に接続され、熱交換器１０と温調器２０との間で循環する熱媒体の温度を調整する。温調器２０には、温度センサ２４が接続され、温度センサ２４で検出された検出結果が入力される。温調器２０は、温度センサ２４から入力される検出結果に基づいて、熱交換器１０に供給する熱媒体の流量及び／又は温度を制御する。これによって、貯留部２２から流出する流体の温度を所望の温度に調整することができる。なお、温調器２０には、公知の液温調整器（例えば、宏和工業株式会社製のリキッドチューナー等）を用いることができる。

貯留部２２（例えば、バッファタンク等）は、熱交換器１０の内側流路１２の他端（図１の右端）に接続される。このため、貯留部２２には、熱交換器１０からの流体が流入する。貯留部２２内に流入した流体は、貯留部２２内で一時的に貯留される。流体噴射装置３０は周期的に流体を噴射するため、貯留部２２には熱交換器１０からの流体が周期的に流入し、熱交換器１０から流体が流入する分だけ貯留部２２内に貯留されている流体が下流側に流れる。なお、貯留部２２の容量は、流体噴射装置３０から噴射される１周期分の流体の流量以上となることが好ましい。このような容量を貯留部２２が有することで、熱交換器１０から流入する流体が貯留部２２内に留まることなく下流側に流出することを防止することができる。また、貯留部２２から流出する流体の温度をより均一化することができる。

貯留部２２の下流側には、温度センサ２４と流量センサ２６が配されている。温度センサ２４は、貯留部２２から流出する流体の温度を検出する。温度センサ２４で検出された流体の温度は温調器２０に入力される。流量センサ２６は、貯留部２２から流出する流体の流量を検出する。

上述した流体温度調整装置４０の作用を説明する。流体噴射装置３０から噴射される流体は、熱交換器１０の内側流路１２に流入する。熱交換器１０の外側流路１４には、温調器２０で温度が調整された熱媒体が流入する。このため、熱交換器１０では、流体噴射装置３０から噴射される流体と熱媒体との間で熱交換が行われる。熱交換器１０から流出する流体は、貯留部２２に流入する。貯留部２２は、流体噴射装置３０から噴射される１周期分の流体流量より大きな容量を有している。このため、貯留部２２内に流入した流体の温度の均一化が促進される。貯留部２２から流出する流体は、温度センサ２４でその温度が検出されると共に、流量センサ２６によってその流量が検出される。なお、温度センサ２４で検出された温度は、温調器２０に入力される。温調器２０は、温度センサ２４から入力される温度に基づいて、熱交換器１０に供給する熱媒体の温度及び／又は流量を調整する。これによって、貯留部２２から流出される流体の温度が所望の温度に調整される。

上述した説明から明らかなように、流体温度調整装置４０においては、流体噴射装置３０から噴射される流体は熱交換器１０で熱交換が行われた後、貯留部２２内で一時的に貯留される。これによって、貯留部２２内の流体の温度の均一化が図られる。そして、貯留部２２で温度の均一化が図られた流体に対して、温度センサ２４と流量センサ２６によって、その温度と流量が測定される。したがって、流体温度調整装置４０によれば、流体噴射装置３０から噴射される流体の流量を精度良く測定することができる。

（実験例１） 上述した流体温度調整装置４０を用いて行った実験について説明する。表１に示すように、実験例１では、流体噴射装置３０から噴射される流体流量を０．６Ｌ／分、噴射される流体の温度を８０℃、温調器２０から供給される熱媒体の温度を６．０℃、貯留部２２の容量を約１７０ｃｃに設定した。なお、貯留部２２の容量の１７０ｃｃは、流体流量を１．０Ｌ／ｍｉｎとしたときに流体噴射装置３０から噴射される１周期分の流体の流量である。このため、実験例１では、貯留部２２は、流体噴射装置３０から噴射される１周期分の流体の流量よりも大きな容量を有している。

上記の設定条件で流体温度調整装置４０を作動させ、流体温度調整装置４０に設定した複数の測定点において流体又は熱媒体の温度を測定した。具体的には、熱交換器１０の入口、熱交換器１０の出口及び貯留部２２の出口で流体の温度を測定し、温調器２０の出口と入口で熱媒体の温度を測定した。なお、実験時に流体噴射装置３０から噴射される流体の吐出周波数等の実測値は表２に示す通りであった。

図２は、各測定点における流体又は熱媒体の温度の経時変化を示す。また、表３は、各測定点における温度変動の分析結果を示す。図２及び表３から明らかなように、熱交換器１０の入口では４８．６℃あった温度変動幅が、熱交換器１０の出口では０．７℃の温度変動幅となった。したがって、流体温度調整装置４０によって流体の温度が均一にできることが確認された。また、流体噴射装置３０から噴射される流体流量が少ない場合は、熱交換器１０のみで十分に温度変動幅を小さくできることが分かった。

（実験例２） 実験例２は、設定条件を変更しただけで、その他は実験例１と同様に行った。なお、以下の実験例においても、設定条件のみを変更している。表４に設定条件を示し、表５に実測値を示す。なお、実験例２では、流体噴射装置３０から噴射される流体流量が１．０Ｌ／ｍｉｎであるため、貯留部２２は、流体噴射装置３０から噴射される１周期分の流体の流量と略同一の容量を有している。

図３は、各測定点における流体又は熱媒体の温度の経時変化を示す。また、表６は、各測定点における温度変動の分析結果を示す。図３及び表６から明らかなように、熱交換器１０の入口では５０．５℃あった温度変動幅が、熱交換器１０の出口では９．６℃の温度変動幅となり、貯留部２２の出口では０．８℃の温度変動幅となった。したがって、熱交換器１０と貯留部２２を用いることで、流体の温度を均一にできることが確認された。

（実験例３） 実験例３の設定条件を表７に示し、実測値を表８に示す。なお、貯留部２２の容量である５００ｃｃは、流体流量を１．０Ｌ／ｍｉｎとしたときに流体噴射装置３０から噴射される約３周期分の流体の流量である。

図４は、各測定点における流体又は熱媒体の温度の経時変化を示す。また、表９は、各測定点における温度変動の分析結果を示す。図４及び表９から明らかなように、熱交換器１０の入口では５０．５℃あった温度変動幅が、熱交換器１０の出口では１．０℃の温度変動幅となった。したがって、熱交換器１０のみで十分に温度変動幅を小さくすることができた。

（実験例４） 実験例４の設定条件を表１０に示し、実測値を表１１に示す。

図５は、各測定点における流体又は熱媒体の温度の経時変化を示す。また、表１２は、各測定点における温度変動の分析結果を示す。図５及び表１２から明らかなように、熱交換器１０の入口では５１．０℃あった温度変動幅が、熱交換器１０の出口では９．９℃の温度変動幅となり、貯留部２２の出口では０．８℃の温度変動幅となった。したがって、熱交換器１０と貯留部２２を用いることで、流体の温度を均一にできることが確認された。

（実験例５） 実験例５の設定条件を表１３に示し、実測値を表１４に示す。なお、貯留部２２の容量である８３０ｃｃは、流体流量を１．０Ｌ／ｍｉｎとしたときに流体噴射装置３０から噴射される約５周期分の流体の流量である。

図６は、各測定点における流体又は熱媒体の温度の経時変化を示す。また、表１５は、各測定点における温度変動の分析結果を示す。図６及び表１５から明らかなように、熱交換器１０の入口では５０．５℃あった温度変動幅が、熱交換器１０の出口では１．０℃の温度変動幅となった。したがって、熱交換器１０のみで十分に温度変動幅を小さくできることができた。

（実験例６） 実験例６の設定条件を表１６に示し、実測値を表１７に示す。

図７は、各測定点における流体又は熱媒体の温度の経時変化を示す。また、表１８は、各測定点における温度変動の分析結果を示す。図７及び表１８から明らかなように、熱交換器１０の入口では５０．７℃あった温度変動幅が、熱交換器１０の出口では８．０℃の温度変動幅となり、貯留部２２の出口では１．４℃の温度変動幅となった。したがって、熱交換器１０と貯留部２２を用いることで、流体の温度を均一にできることが確認された。

上述した各実験例から明らかなように、流体噴射装置３０から噴射される流体の流量が少ないときは、熱交換器１０のみで流体の温度変動幅を十分に小さくすることができる。一方、流体噴射装置３０から噴射される流体の流量が多くなると、熱交換器１０と貯留部２２を組合せることで、その温度変動幅を十分に小さくすることができる。特に、貯留部２２は、流体噴射装置３０から噴射される１周期分の流量以上の容量を有するため、流体の温度を効果的に均一化することができる。

以上、本発明のいくつかの実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、上述した実施例では、２重管式の熱交換器を用いたが、このような例に限られず、公知の種々の形式の熱交換器を用いることができる。また、上述した実施例では、流体噴射装置３０から噴射される高温の流体を、温調器２０から供給される低温の熱媒体で冷却する例であったが、これとは逆に、流体噴射装置３０から噴射される低温の流体を、温調器２０から供給される高温の熱媒体で加熱するようにしてもよい。また、上述した実施例では、熱交換器１０の下流側に貯留部２２を設けていたが、熱交換器の上流側（すなわち、流体噴射装置と熱交換器の間）に貯留部を設けてもよい。熱交換器の上流側に貯留部を設けても、流体噴射装置から供給される流体の温度を均一化することができる。

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０ 熱交換器
２０ 温調器
２２ 貯留部
２４ 温度センサ
２６ 流量センサ
３０ 流体噴射装置

Claims (4)

1. 燃料流体噴射装置と、その燃料流体噴射装置から噴射される燃料流体の温度を所定の温度に調整する燃料流体温度調整装置と、を備えており、燃料流体温度調整装置で温度が調整された燃料流体の流量を計測することで、燃料流体噴射装置から噴射される燃料流体の流量を計測する流量計測システムであり、
   熱媒体の温度を調整する温調器と、
   燃料流体噴射装置から噴射される燃料流体と温調器から供給される熱媒体との熱交換を行う熱交換器と、
   熱交換器の上流または下流に配置され、燃料流体噴射装置または熱交換器から供給される燃料流体を一時的に貯留する貯留部と、を有する、流量計測システム。
2. 熱交換器は、２重管式熱交換器であり、２重管式熱交換器の一方の流路を燃料流体が流れ、２重管式熱交換器の他方の流路を熱媒体が流れる、請求項１に記載の流量計測システム。
3. 燃料流体噴射装置は、温度及び流量が周期的に変動する燃料流体を噴射し、
   貯留部は、燃料流体噴射装置から供給される少なくとも１周期分の流量の燃料流体を貯留可能となっている、請求項１又は２に記載の流量計測システム。
4. 貯留部は、熱交換器の下流に配置されており、
   貯留部から流出する燃料流体の温度を計測する温度センサをさらに有しており、
   温調器は、温度センサで検出される燃料流体の温度に基づいて、熱交換器に供給する熱媒体の温度と流量の少なくとも一方を制御する、請求項３に記載の流量計測システム。