(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液面検知対象の容器の表面に互いに高さ位置が異なるようにして設置され、温度計測素子により設置箇所の温度を計測する複数のセンサと、
前記容器に流体が流入出する状態における前記容器内の液面位置を、前記複数のセンサの中で最も計測値が低いセンサの位置であると特定する液面検知部と
を備えた
ことを特徴とする液面検知装置。
【請求項２】
前記液面検知部は、前記複数のセンサのうち、前記容器内において前記流体が貯留されることのない高さ位置に設置された基準センサの計測値よりも、前記複数のセンサの計測値のばらつき範囲を考慮して予め設定された設定温度だけ低い温度を、前記閾値に設定する
ことを特徴とする請求項１記載の液面検知装置。
【請求項３】
液面検知対象の容器の表面に互いに高さ位置が異なるようにして設置され、温度計測素子により設置箇所の温度を計測する複数のセンサと、
前記容器に流体が流入出する状態における前記容器内の液面位置を、設定した閾値よりも低い計測値を計測したとき、液面位置を最も高い場所に設置されているセンサの位置であると特定する液面検知部とを備え、
前記液面検知部は、前記複数のセンサのうち、前記容器内において前記流体が貯留されることのない高さ位置に設置された基準センサの計測値を液面検知時に取得し、前記計測値よりも、前記複数のセンサの計測値のばらつき範囲を考慮して予め設定された設定温度だけ低い温度を、前記閾値に設定する
ことを特徴とする液面検知装置。
【請求項４】
前記複数のセンサのそれぞれは、前記温度計測素子と前記容器の表面との間に設けられた加熱体を有し、前記加熱体の発熱により前記容器の内外に前記温度差を発生させる
ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の液面検知装置。
【請求項５】
前記温度計測素子は、自己発熱する抵抗体を有する温度計測素子であり、前記抵抗体の発熱により前記容器の内外で前記温度差を発生させる
ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の液面検知装置。
【請求項６】
液面検知対象の容器の表面に互いに高さ位置が異なるようにして設置され、温度計測素子により設置箇所の温度を計測する複数のセンサと、
前記容器に流体が流入出する状態における前記容器内の液面位置を、前記複数のセンサの中で最も計測値が高いセンサの位置であると特定する液面検知部と
を備えたことを特徴とする液面検知装置。
【請求項７】
前記液面検知部は、前記複数のセンサのうち、前記容器内において前記流体が貯留されることのない高さ位置に設置された基準センサの計測値よりも、前記複数のセンサの計測値のばらつき範囲を考慮して予め設定された設定温度だけ高い温度を、前記閾値に設定する
ことを特徴とする請求項６記載の液面検知装置。
【請求項８】
液面検知対象の容器の表面に互いに高さ位置が異なるようにして設置され、温度計測素子により設置箇所の温度を計測する複数のセンサと、
前記容器に流体が流入出する状態における前記容器内の液面位置を、設定した閾値よりも高い計測値を計測したとき、液面位置を最も高い場所に設置されているセンサの位置であると特定する液面検知部とを備え、
前記液面検知部は、前記複数のセンサのうち、前記容器内において前記流体が貯留されることのない高さ位置に設置された基準センサの計測値を液面検知時に取得し、前記計測値よりも、前記複数のセンサの計測値のばらつき範囲を考慮して予め設定された設定温度だけ高い温度を、前記閾値に設定する
ことを特徴とする液面検知装置。
【請求項９】
前記複数のセンサのそれぞれは、前記温度計測素子と前記容器の表面との間に設けられた冷却体を有し、前記冷却体を冷却させることで前記容器の内外で前記温度差が生じている
ことを特徴とする請求項６〜請求項８の何れか一項に記載の液面検知装置。
【請求項１０】
前記流体は冷媒であり、
前記液面検知部は、前記容器内における液冷媒の液面位置を特定することを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の液面検知装置。
【請求項１１】
前記容器の上部に流体入口がある
ことを特徴とする請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の液面検知装置。
【請求項１２】
前記容器の上部に流体出口がある
ことを特徴とする請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の液面検知装置。
【請求項１３】
請求項１〜請求項１２の何れか一項に記載の液面検知装置と、
前記液面検知装置によって液面が検知される液面検知対象の容器と、
圧縮機と、
凝縮器と、
絞り装置と、
蒸発器と、を備え、
前記容器は、前記絞り装置から前記蒸発器を経て前記圧縮機に至る部分に設置されている
ことを特徴とする冷凍空調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内の液面位置を特定する液面検知装置及び冷凍空調装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内部に液体が入った容器の外表面にセンサを貼り付けることで、容器内部の液面の位置を検知可能な液面検知装置がある（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
特許文献１に記載の液面検知装置は、容器表面の温度を計測する温度計測層と、容器を加熱するための加熱層とが積層されて構成された短冊状のセンサ本体を有している。センサ本体は、長手方向が容器の上下方向となり、且つ温度計測層が容器側になるように容器の外表面に貼り付けて使用される。【０００４】
加熱層の熱は温度計測層を介して容器表面に到達し、容器内部の気体／液体それぞれの熱伝達率の違いの影響で、温度計測層のうち、容器内の液体に対向する部分と容器内の気体に対向する部分とでは温度差が生じる。つまり、熱伝達率の大きい液体が位置している部分の容器表面温度は容器内部の液冷媒の温度近くとなるが、熱伝達率の小さい気体が位置している部分の容器表面温度は容器外部温度（加熱層の加熱温度）近くとなる。【０００５】
そこで、特許文献１では、この温度差を利用して、つまり外部から加熱した際の温度計測層の上下方向の各温度を比較して、相対的に高ければガス部、相対的に低ければ液部、として液面位置を検知するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３９７２６公報（第１頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、容器内部に流体が流入、流出することによって容器内部の液面が流動している場合には、容器内部の液体が静止している場合と比較して容器内部の熱伝達率が変化する。容器内部の熱伝達率の変化は容器表面温度にも影響を及ぼすため、容器内部の熱伝達率の変化を考慮せずに液面位置を特定する特許文献１の方法では、液面位置を特定できないという問題があった。【０００８】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、容器内で流動している液体の液面位置を容器外部から特定することが可能な液面検知装置及び冷凍空調装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る液面検知装置は、液面検知対象の容器の表面に互いに高さ位置が異なるようにして設置され、温度計測素子により設置箇所の温度を計測する複数のセンサと、容器に流体が流入出する状態における容器内の液面位置を、複数のセンサの中で最も計測値が低いセンサの位置であると特定する液面検知部とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る液面検知装置によれば、容器内で流動している液体の液面位置を容器外部から特定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る液面検知装置１Ａを、冷凍空調装置の要素機器である容器９に設置した状態を示す概略図である。
【図２】図１の液面検知装置１Ａの概略構成を示す概略図である。
【図３】図１の液面検知装置１Ａを構成する制御計測装置２０の電気的な構成を概略的に示すブロック図である。
【図４】空気、水、液冷媒（Ｒ４１０Ａ、２０℃）、ガス冷媒（Ｒ４１０Ａ、２０℃）の流体速度と熱伝達率との関係を示す図である。
【図５】冷凍空調装置が停止している場合の液面検知装置１Ａの加熱体１０２加熱後の各センサ１０の計測値（容器表面温度）を示す図である。
【図６】図５の状態の時に容器内部の流体の流動を推測した図である。
【図７】冷凍空調装置が稼動している場合の液面検知装置１Ａの各センサ１０の加熱後の各センサ１０の計測値（容器表面温度）を示す図である。
【図８】図７の状態の時に容器内部の流体の流動を推測した図である。
【図９】液流体速度と高さとの関係を示す図である。
【図１０】冷凍空調装置が稼動している場合の各センサ１０の加熱体１０２による加熱後のセンサ計測値（容器表面温度）と容器高さとの関係を示す図である。
【図１１】冷凍空調装置が稼動している場合の各センサ１０の加熱体１０２による加熱後の計測値と容器高さとの関係を示す図である。
【図１２】本発明の一実施の形態に係る液面検知装置１Ａの液面検知の際の処理の流れを示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態に係る液面検知装置の構成と、設置方法、液面検知原理、気液判定方法について説明する。以下の実施の形態では、冷凍空調装置における要素部品として、低圧側に設けられて冷媒を貯留する容器を計測対象とした例を基に説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。更に、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。
【００１３】
図１は、本発明の一実施の形態に係る液面検知装置１Ａを、冷凍空調装置の要素機器である容器９に設置した状態を示す概略図である。図２は、図１の液面検知装置１Ａの概略構成を示す概略図である。図１、図２に基づいて、液面検知装置１Ａについて説明する。なお、図１における矢印は、冷媒の流れ方向を示している。
【００１４】
＜液面検知対象となる容器＞
まず、図１を参照しながら液面検知対象となる容器９について説明する。容器９は、上述したように、冷凍空調装置の構成要素部品に一つである。冷凍空調装置は、容器９以外に、圧縮機、凝縮器（放熱器）、絞り装置及び蒸発器（何れも図示せず）を少なくとも備え、これらを順次冷媒が循環する冷媒回路を備えた装置である。容器９は、冷凍空調装置の低圧側（絞り装置から蒸発器を経て圧縮機に至る部分）に設置されている。容器９の設置の目的は、２つある。
【００１５】
まず、容器９の設置の目的の１点目は、圧縮機潤滑のための潤滑油を貯留させることである。これは、容器９下流に圧縮機が設置され、この圧縮機の運転には潤滑油が必要であり、圧縮機上流側の容器９に油を溜めて一定量の潤滑油を圧縮機に返すためである。
【００１６】
容器９の設置の目的の２点目は、冷凍空調装置の余剰液冷媒を貯留させることである。冷凍空調装置は、運転状態、制御状態により冷凍空調装置に必要な冷媒量が変化する。このため、通常、最も多く必要とされるときの冷媒量を冷凍空調装置内に充填している。このため、運転状態、制御状態により必要な冷媒量が少なくなると、液冷媒が余る。この余った冷媒を余剰液冷媒といい、容器９は、この余剰液冷媒を貯留する役目を持つ。
【００１７】
また、容器９は、耐圧のために鉄製であり、肉厚は例えば３〜４ｍｍであり、外部から内部の液面を可視化することができない。更に、容器９は、一般的に円筒状の本体を備えている。つまり、容器９の外表面が円筒面となっている。
【００１８】
図１に示すように、容器９には、入口配管９ａと、出口配管９ｂと、の２つの配管が設置してある。入口配管９ａ及び出口配管９ｂは、容器９の上部に、容器９の内外を上下方向に貫通するようにして配置されている。入口配管９ａは、容器９内へ冷媒を流入させるものである。出口配管９ｂは、容器９内から冷媒を流出させるものである。
【００１９】
出口配管９ｂは、全体として正面視略Ｊ字状を成し、Ｊ字の湾曲部分の最下部に油戻し穴９ｃが形成され、上端部は容器９の上部から突出して圧縮機に接続される。また、出口配管９ｂの容器９の内部に位置する先端は、容器９内に存在する冷媒を吸引する吸引口９ｄとなっている。このような構造となっているのは、圧縮機に一定量の潤滑油を返す必要があるためである。このように構成された容器９では、出口配管９ｂの内部の圧力が吸引口９ｄから吸込まれたガス冷媒の吸引流速により低下し、油戻し穴９ｃから油が吸引されて圧縮機に返油されるようになっている。
【００２０】
＜液面検知装置１Ａの構成＞
次に、液面検知装置１Ａの構成について図１、図２を参照しながら説明する。
【００２１】
液面検知装置１Ａは、容器９の表面に設置した複数のセンサ１０ａ〜１０ｄ（各センサ１０ａ〜１０ｄのそれぞれを区別する必要が無い場合には、総称してセンサ１０という）と、センサ１０を制御すると共にセンサ１０からのセンサ信号を計測する制御計測装置２０とを備えている。
【００２２】
センサ１０ａ〜１０ｄは、それぞれ同様の構成であり、容器９を加熱する加熱体１０２と、温度計測層として機能する温度計測素子１０３と、を有しており、その周囲が断熱材１６によって覆われた状態で容器９の表面に設置されている。また、センサ１０ａ〜１０ｄは、給電線及び信号線を介して制御計測装置２０に接続されている。そして、センサ１０ａ〜１０ｄは、図１に示したように、容器９の外部表面に互いに高さ位置が異なるように設置されている。
【００２３】
以下、センサ１０ａ〜１０ｄを構成する各部材、断熱材１６及び制御計測装置２０について順に説明する。
【００２４】
（加熱体１０２）
加熱体１０２は、電線から給電されることで発熱するものである。加熱体１０２は、各センサ１０同士でのセンサ計測値のばらつきを無くすため、抵抗値・発熱量が各センサ１０同士で等しいもので構成される。また、加熱体１０２は、例えば矩形の抵抗体である。容器９の外表面が曲面であることから、密着の容易さを考慮すると小型な抵抗体が望ましい。更に、加熱体１０２そのものが抵抗体であっても、抵抗体をセラミックなどで保護したものでもよい。
【００２５】
（温度計測素子１０３）
温度計測素子１０３は、熱電対に代表される熱電変換素子もしくは、サーミスタに代表される測温抵抗体を用いたものであり、信号線により制御計測装置２０と接続されている。温度計測素子１０３は、各センサ１０同士でのセンサ計測値のばらつきを抑えるため、できるだけ小型で熱容量が小さいものが望ましい。
【００２６】
（断熱材１６）
断熱材１６は、センサ外部からの熱の進入を防止するものであり、例えばポリスチレンフォーム、フェノールフォーム、ウレタンフォーム等の合成樹脂を発泡させた発泡系断熱材、又はグラスウールに代表される繊維系断熱材等が用いられる。
【００２７】
以上のように構成されたセンサ１０は、容器９側から加熱体１０２、温度計測素子１０３の順に配置され、その周囲を断熱材１６で覆い、加熱体１０２により容器９内外に温度差を発生させる構造としている。このような構成とすることで、断熱材１６により容器外部からの熱の出入りを防止し、加熱体１０２から容器９へ向う熱の流れだけに限定することができる。
【００２８】
（制御計測装置２０）
図３は、図１の液面検知装置１Ａを構成する制御計測装置２０の電気的な構成を概略的に示すブロック図である。
制御計測装置２０は、後述の記憶部２０３に記憶されたプログラムに基づいて液面検知装置１Ａ全体を制御する装置であり、加熱体制御部２０１、センサ計測部２０２、記憶部２０３、液面検知部２０４を有し、入力部２０５及び出力部２０６が接続されている。
【００２９】
加熱体制御部２０１は、複数のセンサ１０を構成する複数の加熱体１０２を同時にＯＮ／ＯＦＦするように制御する部分である。センサ計測部２０２は、複数のセンサ１０を構成する複数の温度計測素子１０３を同時に計測する部分である。記憶部２０３は、制御プログラム及び後述の図１２のフローチャートに対応したプログラムを記憶すると共に、センサ計測部２０２で計測した各計測値を記憶する部分である。液面検知部２０４は、センサ計測部２０２で計測した各計測値及び記憶部２０３に記憶されたデータを分析して、容器９の液面位置を特定する部分である。
【００３０】
入力部２０５は、外部からの情報を入力する部分で、例えば、冷凍空調装置のセンサ情報を入力する際に用いたりする。出力部２０６は、制御計測装置２０で処理した情報、例えば液面位置を外部に出力する場合に用い、この出力部２０６を備えることで、遠隔に情報を発信する等の遠隔監視機能を付加することができる。
【００３１】
＜液面検知装置１Ａの設置方法＞
次に、液面検知装置１Ａの設置方法について説明する。この液面検知装置１Ａは、液面検知装置１Ａ単体で液面位置を確認し、その情報を出力部２０６で出力させて用いる方法、冷凍空調装置等の機器に組立て時から組み込む方法、メンテナンス時に既設の機器に接続する形で組み込む方法、等の方法を用いて使用することができる。
【００３２】
液面検知装置１Ａの具体的な設置方法は、容器９の表面の凹凸又は腐食がない部分に設置する。センサ１０は１つずつ個別に設置しても、冶具を用いて複数のセンサを一括して取り付けてもよい。
【００３３】
なお、複数のセンサ１０の設置間隔は、等間隔で設置することが望ましい。等間隔とすると、センサ１０の位置と液面高さとの関連付けを容易にできるためである。ただ、変動する液面位置が限定される場合、検知したい液面位置の範囲が限られる場合などでは、各センサ１０の設置位置を等間隔とせず、要求される分解能に応じて間隔を変えてもよい。つまり、高い分解能で計測する部分は間隔を狭くし、低い分解能で計測する部分は間隔を広くしてもよい。また、必要な箇所に必要数だけ設置するようにしてセンサ１０の個数を削減してもよい。
【００３４】
次に、内部流体が流動している容器を外部から加熱した場合に、容器表面温度に影響を与える熱伝達率について、流体速度との関係を説明する。
【００３５】
＜流体速度と熱伝達率との関係＞
図４は、空気、水、液冷媒（Ｒ４１０Ａ、２０℃）、ガス冷媒（Ｒ４１０Ａ、２０℃）の流体速度と熱伝達率との関係を示す図である。Ａは空気、Ｂは水、Ｃはガス冷媒、Ｄは液冷媒、の流体速度と熱伝達率との関係である。Ｃ、Ｄにおいて流速の増加に対して熱伝達率が大きく変化している部分は、流体の流動状態が層流から乱流に変化している部分である。
【００３６】
図４では、Ａ〜Ｄのどの流体でも、流体速度が増加するに従い、熱伝達率が増加している。また、ガス冷媒Ｃと、液冷媒Ｄを比較すると、同一流速ではガス冷媒よりも液冷媒が熱伝達率が高く、流速増加による熱伝達率の増加の比率、つまり傾きも、液冷媒の方が大きくなっている。
【００３７】
また空気Ａ、水Ｂの熱伝達率の差に対して、ガス冷媒Ｃと液冷媒Ｄの熱伝達率の差は小さく、ガス流速が液流速に対して十分速い場合には、ガス冷媒が液冷媒と同一の熱伝達率になる、もしくはガス冷媒の方が液冷媒よりも高い熱伝達率を示すこともあることが分かる。具体的には液冷媒の速度が点線ａに示すように０．４ｍ／ｓの時には、ガス冷媒が点線ｂに示すように０．７ｍ／ｓで等しい熱伝達率を示す。また、ガス冷媒が点線ｂに示すように０．７ｍ／ｓ以上となると、ガス冷媒が０．４ｍ／ｓの時の液冷媒よりも熱伝達率が大きくなる。
【００３８】
＜液面検知装置１Ａにおけるセンサ１０の容器表面温度計測原理＞
次に、液面検知装置１Ａにおけるセンサ１０の温度計測原理について説明する。センサ１０では、上述したように温度計測素子１０３が加熱体１０２により外側、つまり加熱体１０２よりも容器表面から離れた位置に設置される。そして、各センサ１０の各加熱体１０２の加熱量（発熱量）は同じであるため、単純に考えれば、各センサ１０の温度計測素子１０３は同じ温度を検出するように思われる。しかし、実際には加熱体１０２自身の温度が、容器表面温度の影響を受けて（言い換えれば容器内部の流体の状況に応じて）異なったものとなるため、各センサ１０の温度計測素子１０３の計測値も異なったものとなる。
【００３９】
すなわち、内側流体の影響を受けて放熱し易い容器表面部分の温度は、放熱し難い容器表面部分の温度に比べて低くなる。よって、加熱体１０２は、放熱し易い容器表面部分に設置された場合、放熱し難い容器表面部分に設置された場合に比べて自身の温度が低くなる。よって、その加熱体１０２に設けられた温度計測素子１０３の計測値も低くなる。
【００４０】
逆に、内側流体の影響を受けて放熱難い容器表面部分の温度は、放熱し易い容器表面部分の温度に比べて高くなり、その影響を受けて加熱体１０２自身の温度及び温度計測素子１０３の計測値も高くなる。
【００４１】
このように、加熱体１０２が設置された部分が放熱し易い部分か、放熱し難い部分かに応じて加熱体１０２自身の温度が異なってくることから、温度計測素子１０３の計測値も異なることとなる。
【００４２】
＜容器９を加熱した際のセンサ１０の計測値と予測される容器内部の現象＞
容器９を加熱した際のセンサ１０の計測値と予測される容器内部の現象について、冷凍空調装置が停止している状態、稼動している状態に分けて、図５〜図９を参照しながら説明する。
【００４３】
（冷凍空調装置が停止している場合）
図５は、冷凍空調装置が停止している場合の液面検知装置１Ａの加熱体１０２加熱後の各センサ１０の計測値（容器表面温度）を示す図で、横軸は温度、縦軸は容器高さである。図５の（１）は各計測温度のプロット点を結んだ線であり、つまり冷凍空調装置が停止し、且つ液流体が容器高さＺまで貯留している場合の、加熱体１０２による加熱後の各センサ１０の計測値を示している。図６は、図５の状態の時に容器内部の流体の流動を推測した図である。
【００４４】
図５に示すように、停止時の容器９を加熱体１０２で加熱した場合、計測値はガス部（α）の上部では略一定温度であり、液面Ｚにある一定量近づくと計測値がガス部の上部と比較して相対的に低下し始め、液面Ｚよりも下部（β）では、上部に比べて相対的に低い温度を示す。つまり、液部表面よりもガス部表面温度が相対的に高くなる。
【００４５】
これは、次のように推測される。冷凍空調装置停止時の容器内部の流体は、図６に示すように気液共に静止状態（自然対流）である。流体の熱伝達率を図４で比較すると、液部に比べてガス部の熱伝達率が低い（つまり、容器壁面からガス部への放熱し難い）ため、ガス部の計測値は容器表面温度（加熱体１０２による加熱温度）近くとなる。
【００４６】
また、ガス部は液面に近くなると、金属である容器９の熱伝導と、液部の高い熱伝達率の影響を受け、容器内側への放熱量が増加する。このため、液面に接近するに従い、加熱体１０２の熱は容器表面を介して容器内に放熱され、計測値は低くなる。
【００４７】
（冷凍空調装置が稼動している場合）
図７は、冷凍空調装置が稼動している場合の液面検知装置１Ａの各センサ１０の加熱後の各センサ１０の計測値（容器表面温度）を示す図で、横軸は温度、縦軸は容器高さである。図７の（２）は各計測温度のプロット点を結んだ線であり、つまり冷凍空調装置が稼動しており、且つ液流体が容器高さＺまで貯留している場合の、加熱体１０２による加熱後の各センサ１０の計測値を示している。図７の（１）は比較のため、図５の（１）を点線で示したものである。図８は、図７の状態の時に容器内部の流体の流動を推測した図である。
【００４８】
図７に示すように、センサ１０の加熱体１０２で容器表面を加熱した場合、各センサ１０の計測値は、ガス部（α’）の上部では略一定温度であり、液面Ｚにある一定量近づくと計測値が低下し始め、液面Ｚで最も相対的に低い計測値を示す。そして、液面Ｚから容器下部になるに従い計測値が相対的に上昇する。冷凍空調装置が停止時の計測値（線（１））と稼動時の計測値（線（２））とを比較すると、ガス部（α’）及び液上部（β’）では、停止時よりも稼動時の計測値の方が相対的に低くなり、液下部（γ’）では停止時と稼動時との計測値が略等しいか等しくなる。
【００４９】
これは、容器９では上部に流入口があるため、冷凍空調装置稼動時には、流体が容器上部から流入することが原因である。つまり、次の現象によると考えられる。図８に示すように、容器上部のガス部及び液上部では、流入する流体の影響で強制対流が発生し、停止時に比べ流体の速度が増加する。しかし、液下部になるに従い、流入流体の影響を受けにくくなるため流速が遅くなる（停止時に近い速度）。
【００５０】
つまり、図９に液流体速度と高さとの関係を示すが、図９に示すように、液部内において上下方向に速度分布が発生していると考えられる。以上から、稼働中は、ガス部及び液上部の流速が停止時よりも速くなり、これにより稼働中は停止時よりも全体的に熱伝達率が上昇する。よって、稼働中は計測値が停止時よりも低くなる。しかし、液下部では流速が停止時と変わらない状態のため熱伝達率は変化せず、計測値は停止時と変わらない状態となっている、と考えられる。また、図４で説明すると、稼働中の液下部では流速が停止中と変わらず例えば０．４[ｍ／ｓ]であり、ガス部では流速が上がって例えば１．０[ｍ／ｓ]となったとした場合、ガス部側の流速が上がることで、ガス部側の熱伝達率が液部側に近づいて高くなり、その影響でセンサ１０ｄの計測値が停止時よりも下がることで、センサ１０ａの計測値と区別し難い状況になるといえる。
【００５１】
＜液面検知原理＞
容器内部の流体の温度は、基本的に液部、ガス部共に等しく温度差は無い状態である。容器内部と外部とに温度差がない場合又は温度差が小さい場合には、容器外部表面温度に、液部とガス部とで違いは発生しない、もしくは違いを判別することができない。しかし、容器外部から強制的に熱を加えることで、容器の外部の温度が内部の温度よりも液面検知に必要なだけ高くなる温度差が生じる。これにより、容器表面の放熱の違いを顕著にして、その違い（温度）を計測し、液面を特定する。
【００５２】
前記した容器内部の現象を踏まえて、液面検知装置１Ａにおける液面検知の原理を説明する。
【００５３】
従来の液面検知方法は、容器９の内部において気体の部分と液体の部分とでは、その部分に対応する容器９の表面部分の温度に違いが生じるという原理を利用して液面を検知していた。具体的には、温度の閾値を設定し、閾値以上の部分は気体部分、閾値未満の低い部分は液体部分とし、液面を検知するようにしていた。
【００５４】
しかしこの方法では、液下部の温度が他の部分に比べて相対的に高くなるため、液下部をガス部として誤検知してしまい、正確な液面検知ができない。具体的に図７で説明すると、稼動時用の閾値がＴ０に設定されている場合、センサ１０ａをガス部と判定してしまい、容器下部のセンサから考えると１０ａ：ガス部、１０ｂ：液部、１０ｃ：液部、１０ｄ：ガス部という計測結果が得られてしまい、液面位置を正確に特定することができない。
【００５５】
よって、容器内部の流体が流動する場合には、前記の容器内部の現象を考慮して液面検知をする必要がある。つまり、流動する部分での熱伝達率の分布を考慮した検知が必要となる。容器内部の流体が流動する場合には、容器内部全体のうち液上部、つまり液面近傍の熱伝達率が、その他のガス部及び液下部に比べて相対的に高くなる。これは以下の理由による。
【００５６】
すなわち、流入速度が増加してガス部の流速が速くなると、液上部でもガス部と同様に流入速度の増加に比例して流速が速くなる。そして、図４に示すように、液冷媒は、ガス冷媒よりも熱伝達率が全体的に高く、流入速度の変化に対する熱伝達率の変化幅（傾き）も大きい。このため、容器内部全体の中で最も熱伝達率が高くなるのは液上部（液面近傍）となる。
【００５７】
以上のことから、液上部（液面近傍）のセンサ１０の計測値（この例ではセンサ１０ｃの温度）が他の部分に設置されたセンサ１０と比較して最も相対的に温度が低くなる。
【００５８】
＜液面検知方法１＞
以上のことから、液面検知方法１として以下のようにして液面を判定する。すなわち、誤検知せずに液面を検知するには、容器外表面に鉛直方向に設置した複数のセンサ１０のうち、最も計測値が低いセンサ１０の位置を液面として特定することで、誤検知なく液面位置を検知することができる。
【００５９】
＜液面検知方法２＞
また、液面検知方法２として以下のようにして液面を判定することもできる。液面検知方法２は、センサ計測値にばらつきがあった場合も、液面に近い位置を液面として特定することが可能な方法である。液面検知方法２の概要をまず簡単に説明すると、後述の方法で閾値を設定し、その閾値未満の計測値が計測されたセンサ１０の中で最も高い位置に設置したセンサ１０の位置を液面位置として、液面を特定する方法である。
【００６０】
ここで、センサ計測値のばらつきは、センサ設置方法、例えば、センサ１０の押付け力が各センサ１０で異なっていたり、加熱体１０２表面の温度がばらついていたり、センサ１０と容器９間の熱抵抗がセンサ１０毎に異なっていたり、などの原因で発生する。その他、温度計測素子１０３のセンサ誤差、また経年劣化、などによってもセンサ計測値のばらつきが発生する。
【００６１】
以下、センサ計測値がばらついていても精度の高い液面検知が可能となる点について具体的なイメージを用いて説明する。
【００６２】
図１０は、冷凍空調装置が稼動している場合の各センサ１０の加熱体１０２による加熱後のセンサ計測値（容器表面温度）と容器高さとの関係を示す図で、横軸は温度、縦軸は容器高さである。Ｚは、容器９内の液面高さを示している。また、（ａ）は、センサ計測値にばらつきが無く、正確に容器表面温度を検知した正常状態の計測値を示し、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）の正常状態に対して測定値ばらつきが±αだけあった場合の計測値を示す。また、（ｄ）は閾値を示している。
【００６３】
以下、液面位置Ｚ以下に配置された各センサ（下部から１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）のセンサ計測値にばらつきがある場合に、液面検知方法２の判定方法が有効な理由を、液面検知方法１と比較して説明する。ここで、液面検知方法１と液面検知方法２との差が最も顕著になるよう、センサ１０ａでは計測値が−α側にばらついて（ａ’）、Ｔａが計測され、センサ１０ｂでは正常な計測値が得られて（ｂ’）、Ｔｂが計測され、センサ１０ｃでは＋α側にばらついて（ｃ’）、Ｔｃが計測された場合を例に説明する。
【００６４】
液面検知方法１では、最も計測値が低いセンサ位置を液面として特定することから、ここでは、Ｔａ＜Ｔｂ＜Ｔｃであるため、センサ１０ａのセンサ位置が液面位置として判定される。
【００６５】
これに対し、液面検知方法２では、閾値を設け、その閾値未満となるセンサの中で最も高い位置に設置されたセンサを液面位置として判断することから、ここでは、ａ’、ｂ’、ｃ’は全て閾値未満であるため、センサ１０ｃのセンサ位置が液面位置として判定される。
【００６６】
このように液面検知方法１ではセンサ１０ａが液面位置として判定され、液面検知方法２ではセンサ１０ｃが液面位置として判定されることになる。実際の液面位置は図１０のＺで示す位置であることから、センサ１０の計測値にばらつきがある場合には、液面検知方法２の方が、実際の液面に近い位置を液面位置として正確に判断できる、つまり精度が高いことが分かる。
【００６７】
なお、上記では液面検知装置１Ａにおける液面検知方法について説明したが、液面検知装置１Ａは、センサ計測値に基づき、容器内部から液流体が無くなったことの検知も行える。この点について以下に説明する。
【００６８】
容器内部から液体が無くなってガスが充満している場合は、液体がある場合の液部の容器表面温度に比べて全てのセンサ１０の計測値が一様に高い傾向となる。よって、ガス部の容器表面温度よりも低い温度であって、液部の容器表面温度とは明かに区別できる温度を閾値として設定すれば、全てのセンサ１０の計測値が閾値よりも高い場合、容器内部から液流体が無くなったと検知できる。
【００６９】
よって、具体的な装置上の検知方法としては、まず、複数のセンサ１０のうち少なくとも一つを、液体が貯留されることのない高さ位置（つまり、必ずガス部となる部分（容器上部））に設置し、そのセンサを基準センサとする。そして、その基準センサによる計測値から、予め設定した設定温度Ｔｓだけ低い温度を閾値とする。そして、計測値が閾値未満となるセンサ１０の中で最も高い位置に設置してあるセンサ１０の位置を液面として判別して出力する。
【００７０】
容器内部から液体が無くなっている場合は、全センサ１０の計測値が閾値以上となる。よって、計測値が閾値未満となるセンサの中で最も高い位置に設置してあるセンサ１０は、全センサ１０のどれも該当しない。よって、全センサ１０のどれも該当しない旨が液面位置として結果出力されることで、ユーザーは、容器内部から液流体が無くなったと判別できる。
【００７１】
以上のように、本実施の形態の液面検知装置１Ａは、液面の検知はもちろんのこと、容器内部から液流体が無くなっている場合の検知も可能である。これらを可能にするための閾値は、上述したように、基準センサの計測値よりも、予め設定した設定温度Ｔｓだけ低い温度に設定される。設定温度Ｔｓは、ガス部と液上部との容器表面温度の温度差と、センサ１０の計測値ばらつきとを考慮して決定される。
【００７２】
例えば、ガス部と液上部との容器表面温度の温度差が５℃、センサ１０の計測値ばらつきが±１℃の場合には、誤判定防止のため設定温度Ｔｓを２〜３℃に設定する。以下、その理由について説明する。
【００７３】
図１１は、冷凍空調装置が稼動している場合の各センサ１０の加熱体１０２による加熱後の計測値と容器高さとの関係を示す図で、横軸は温度、縦軸は容器高さである。ＺＺは、容器９内の液面高さを示している。また、（ｉｉ）は、センサ計測値のばらつきが無い正常状態の計測値（正常値）を示し、（ｉ）、（ｉｉｉ）は（ｉｉ）の正常値に対して温度ばらつきが±１℃だけあった場合の計測値を示す。
【００７４】
容器高さａａ、ｂｂ、ｃｃのそれぞれにセンサ１０が設置されており、容器高さａａの位置が液部、容器高さｂｂ、ｃｃの位置がガス部であるとする。そして、容器高さｃｃにあるセンサ１０を基準センサとし、基準センサの計測値に基づき閾値を決めて液面位置を判定するが、この時、センサ計測値にばらつきがあっても、気液を誤判定しない閾値を考える。
【００７５】
まず、ガス部を液部と誤判定しない閾値を考える。基準センサ（容器高さｃｃにあるセンサ）が正常値から１℃低い計測値（つまり８４℃）となる場合に、容器高さｂｂの位置にあるセンサ１０が液部位置にあると誤判定しないようにするには、閾値を計測値未満（つまり８４℃未満）とすればよい。閾値を計測値未満（つまり８４℃未満）とすることで、容器高さｂｂにあるセンサ１０の計測値が仮に正常値から１℃低い計測値（つまり８４℃）を示しても、閾値よりも高くなる。このため、容器高さｂｂの位置を液部と誤判定することはなく、ガス部と正常に判定することができる。
【００７６】
また、基準センサの計測値が正常値から１℃高い計測値（つまり８６℃）となる場合に、ガス部にある容器高さｂｂのセンサを液部と誤判定しないようにするには、閾値を基準センサの計測値（８６℃）からばらつき範囲温度（ばらつき範囲が±１℃であるため、ばらつき範囲温度は２℃）未満の８４℃未満とすればよい。つまり、閾値を、基準センサの計測値から２℃低い値未満の温度とすればよい。このように閾値を設定することで、容器高さｂｂのセンサ計測値が仮に正常値から１℃低い計測値（つまり８４℃）を示しても、閾値よりも高くなる。このため、容器高さｂｂの位置を液部と誤判定することはない。
【００７７】
次に、液部をガス部と誤判定しない閾値を考える。容器高さａａにあるセンサ１０は、７９℃〜８１℃の間で計測値がばらつくため、このようなばらつきを有するセンサ１０がガス部位置にあると誤判定されないようにするには、つまり、容器高さａａにあるセンサ１０の計測値が必ず閾値以下となるようにするには、以下のように閾値を設定すればよい。つまり、閾値がばらつき範囲（つまり、７９℃〜８１℃）の上限値以上とすればよい。つまり、８１℃以上であれば、容器高さａａにあるセンサ１０のセンサ計測値は閾値以下となるため、ガス部と誤判定することはない。よって、基準センサの計測値から見れば計測値のばらつき範囲の下限値（つまり、８４℃）から３℃低いところ以上に閾値があれば、液部をガス部と誤判定することはない。
【００７８】
以上を整理すると、ガス部と液上部との容器表面温度の温度差が５℃で、センサ計測値のばらつきが±１℃の場合には、設定温度Ｔｓを２〜３℃の範囲で決定すればよい。２〜３℃の範囲のどの温度にするかは、液面検知装置１Ａの製造者側が任意に設定することになる。ここでは３℃に設定されているものとすると、液面検知装置１Ａは、液面検知時に、基準センサ計測値よりも３℃低い温度を閾値として動的に設定し、その閾値未満の計測値を計測したセンサ１０の中で最も高い位置に設置したセンサ１０の位置を液面位置として結果出力する。閾値の設定は、液面検知時に基準センサの計測値に基づいて動的に設定する方法に限られず、冷凍空調装置の運転状態、つまり内部を流れる冷媒温度に応じて予め定められた固定値として設定しておいてもよい。しかし、液面検知時に基準センサの計測値に基づいて動的に設定する方が、設置状態、外風や外気温度などの周囲環境、容器内部の冷媒温度など、複数の変動因子を踏まえて閾値を設定することができるため、誤判定を無くし、より高精度に液面検知することができるといった効果がある。
【００７９】
なお、ガス部と液上部との容器表面温度の温度差がどの程度となるか、また、センサ計測値のばらつきが±何℃程度となるかは、予め把握できる。よって、これらの情報に基づいて、基準センサの計測値から何℃程度低い値を閾値とするかを決定すればよい。
【００８０】
また、ここでは、ガス部と液上部との容器表面温度の温度差と、センサ１０の計測値ばらつきとの両方を考慮して閾値を設定する例を説明したが、少なくともセンサ１０の計測値ばらつきを考慮して設定されればよい。つまり、センサ１０の計測値ばらつきを考慮して設定された設定温度だけ基準センサの計測値よりも低い温度を閾値として設定してもよい。
【００８１】
以上により液面検知方法２が明かになったところで、液面検知装置１Ａの液面検知の際の処理の流れを説明する。
【００８２】
＜液面検知フロー＞
図１２は、本発明の一実施の形態に係る液面検知装置１Ａの液面検知の際の処理の流れを示したフローチャートである。次に、液面検知のフローについて、図１２を参照しながら説明する。
【００８３】
まず、制御計測装置２０は、全てのセンサ１０によりデータ計測を行う（Ｓ１０１）。ここでの計測値（すなわち加熱体１０２の加熱前の計測値）は、温度計測素子１０３の異常検知に使用される。次に、制御計測装置２０は、Ｓ１０１で計測された全ての計測値が互いに等しいかどうかの確認を行う（Ｓ１０２）。制御計測装置２０は、異なる計測値が計測された場合には（Ｓ１０２；Ｎｏ）、センサ１０が外れていたり、断線していたり、等のセンサ異常が考えられるため、その旨の発報を行う（Ｓ１０４）。
【００８４】
一方、全ての計測値が互いに等しければ（Ｓ１０２；Ｙｅｓ）、制御計測装置２０は、各センサ１０の加熱体１０２の加熱を行う（Ｓ１０３）。そして、加熱体１０２加熱開始後、一定時間（例えば２分）経過したかどうかの判定を行い（Ｓ１０５）、一定時間経過していなければＳ１０３に戻り、一定時間経過すれば、加熱体１０２の加熱を停止する（Ｓ１０６）。そして、加熱体１０２の加熱を停止後、制御計測装置２０は、再び全てのセンサ１０によりデータ計測を行う（Ｓ１０７）。このタイミングで温度計測するのは、加熱体１０２の加熱を停止した直後が最も容器９の内外の温度差が大きく、ガス部と液部で、熱流束の違いが最も顕著に現れるため、つまり加熱体１０２の温度変化が顕著に現れるためである。
【００８５】
そして、Ｓ１０７で計測した計測値を用いて上述の液面検知方法１又は液面検知方法２により液面判定を行い（Ｓ１０８）、液面検知終了となる。
【００８６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、上記の液面検知方法１又は液面検知方法２により液面位置を検知するようにしたので、容器内部に流体が流入、流出することで容器内部の流体が流動している場合も液面位置を特定することができる。また、液面検知方法２では更に、センサ計測値のばらつきがあっても液面検知を行うことができ、精度の高い液面検知が可能である。
【００８７】
なお、液面検知装置１Ａは、図１に示した構成に更に、以下のような変形を加えても良い。この場合も同様の作用効果を得ることができる。以下、変形例について順次説明する。
【００８８】
図１２のフローチャートでは、加熱体１０２の加熱停止後に温度計測する例について記載したが、これに限るものではなく、加熱体１０２の加熱停止前に温度計測してもよい。これは、加熱体１０２加熱停止直前、直後、言い換えれば加熱体１０２により十分な加熱が行われた時点、また、その直後で外気温の影響が少ない時点での温度が、気液相での熱流束の違いが顕著に現れ易い時間帯であるからである。
【００８９】
また、計測した計測値を用いて上述の液面検知方法１又は液面検知方法２により液面判定する方法について記載したが、これに限るものではなく、温度計測素子１０３の計測値が、ある温度となるまでの時間（温度計測素子１０３による計測値に関連する指標）を比較して液面を判定してもよい。これは、加熱体１０２の加熱時、ガス部及び液面下部に対応するセンサ１０の計測値は高くなりやすいのに対し、液上部（液面近傍）に対応するセンサ１０の計測値は上昇しにくいことを利用して、気液の判定を行うものである。
【００９０】
なおここでは、全てのセンサ１０を容器９の側面に設置したが、これに限るものではなく、容器９の上部に基準となるセンサ１０を設置し、その他のセンサを容器９の側面に設置し、その基準センサの計測値と、容器９の上部以外に設置したセンサの計測値を用いて上述の液面検知方法１又は液面検知方法２により、液上部（液面近傍）の判定を行ってもよい。
【００９１】
また、加熱体１０２の加熱については、常時加熱していてもよいし、制御計測装置２０を用いて液面検知を行なう時間帯だけ加熱体１０２を加熱し、それ以外は加熱停止にするようにしてもよい。液面検知を行なう時間帯だけ加熱体１０２を加熱するようにした場合には、液面検知を行なっていない時間帯の不必要な加熱を防止することができる。
【００９２】
また、センサ１０に用いる温度計測素子１０３には、上述したように熱電変換素子もしくは測温抵抗体が用いられるが、自己発熱する抵抗体である自己発熱サーミスタを用いた構成としてもよい。自己発熱サーミスタを用いた場合、温度計測素子１０３の他に別途加熱体１０２を設ける必要が無くなる。また、自己発熱サーミスタを用いることで、信号線を無くすことができ、より小型のセンサを製作することが可能となる。また、配線が少ないことから、センサ設置の作業を効率化することができる。
【００９３】
また、容器９を加熱体１０２で加熱する構成としたがこれに限るものではなく、例えば以下の（Ａ）又は（Ｂ）の場合等には加熱体１０２を設ける必要はない。
（Ａ）容器内部と容器外部との温度差が大きい場合
（Ｂ）容器外部の流体が、容器内部と異なる温度であって、且つその流体の流速が速い場合
【００９４】
このような（Ａ）、（Ｂ）の場合でも、内部流体が流動していれば、液面近傍の容器表面温度が最も低くなることから、最も低い温度を示すセンサ位置を液面位置として、液面位置を特定することができる。
【００９５】
また、容器９を加熱体１０２で加熱する構成としたが、これに限るものではなく、容器９を冷却体で冷却する構成としてもよい。容器９を冷却する場合は、液面近傍の容器表面温度が最も高くなる。このため、上記液面検知方法１で液面位置を判定する場合には、最も高い温度を示すセンサ１０の位置を液面位置として液面位置を特定することができる。
【００９６】
また、容器９を冷却体で冷却する構成とした場合に、液面検知方法２で液面位置を判定するには、上記と同様に必ずガス部となる部分（容器上部）に設置したセンサを基準センサとし、基準センサの計測値より予め設定された設定温度だけ高い温度を閾値として決定する。設定温度は、上記と同様に少なくともセンサ１０の計測値ばらつきを考慮して決定される。そして、その閾値よりも高い温度を示すセンサ１０のうち、最も高い位置のセンサ位置を液面位置と判定すればよい。
【００９７】
また、液面検知装置１Ａによる液面検知対象として、冷凍空調装置の低圧側に設置される容器９を例に記載したが、これに限るのではなく、冷凍空調装置の高圧側に設置される容器であってもよい。高圧側に設置される容器の場合でも、上記と同様の方法で液面検知を行なうことができる。
【００９８】
冷凍空調装置の高圧側に設置される容器では、基本的には液流体が流入、流出するため、ガス流体が流入、流出する前記の低圧側に設置された場合よりも、液部の流動が大きくなる。そして、ガス部よりも液部の容器表面温度が低くなる点は、低圧側に設置された容器の場合と同様である。
【００９９】
また、冷凍空調装置の高圧側に設置される容器でも、低圧側に設置される容器の液面検知と同様に、容器の構造又は大きさによっては、従来のように容器を外部から加熱する加熱時の容器表面温度の違いのみでは液面を検知できない、といった課題がある。加熱時の容器表面温度の違いのみでは液面を検知できない場合とは、例えば容器が縦に長く、上部は流入する流体の影響を受けるのに対し、下部は流入する流体の影響を受けない構造である場合、つまり容器の上下で流体の流動状態が異なる場合、などが該当する。
【０１００】
また、容器表面温度は、内部流体の物性にも影響を受ける。例えば、粘性が大きい液体が容器に貯留している場合には、容器下部では流入してくる流体の影響を受け難くなる。このため、ガス部では流速が増加し熱伝達率が増加し易くなるのに対し、液下部では流速が変化せず、熱伝達率が変化しないことから、ガス部と液下部の容器表面温度の温度差が小さくなる、もしくはガス部の温度が液下部の温度よりも低くなる。
【０１０１】
このように、冷凍空調装置の高圧側に設置される容器でも、低圧側に設置される容器の液面検知と同様の課題を有しており、この課題は、上記と同様の方法で液面検知を行うことで解決できる。
【０１０２】
また、上記実施の形態では、冷凍空調装置に用いられて冷媒が貯留される容器を液面検知対象として説明したが、これに限られたものではなく、液体が貯留される容器であればよい。本実施の形態の液面検知装置１Ａは、内部液体が流動している場合の液面検知に用いられて特に効果的である。
【符号の説明】
【０１０３】
１Ａ  液面検知装置、９  容器、９ａ  入口配管、９ｂ  出口配管、９ｃ  油戻し穴、９ｄ  吸引口、１０  全センサ、１０（１０ａ〜１０ｄ）  センサ、１６  断熱材、２０  制御計測装置、１０２  加熱体、１０３  温度計測素子、２０１  加熱体制御部、２０２  センサ計測部、２０３  記憶部、２０４  液面検知部、２０５  入力部、２０６  出力部。
【図１】
0006021954.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006021954.tif 000008
【図８】
0006021954.tif 000009
【図９】
0006021954.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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