(57)【要約】      （修正有）【課題】従来の人為的試行法から脱却し、純成分、更に自由に成分調整された多成分系の溶媒を、コンパクトな装置で自動的に臨界点を予測・同定できる臨界点探索方法と超臨界噴射装置を提供する。【解決手段】物質溶液の臨界点を温度一定且つ圧力可変の条件下で振動速度の変曲点を探索し、複数の温度下で得られた該変曲点の極小点とする臨界点探索方法である。  物質溶液の臨界点を圧力一定且つ温度可変の条件下で振動速度の変曲点を探索し、複数の圧力下で得られた該変曲点の極小点とする臨界点探索方法である。  臨界点探索方法を用い、高圧燃料用配管に、燃料温度制御手段と、燃料圧力制御手段と、流体内部に音波を送信するプローブ音波振動子発生手段と、エコー信号を受信するプローブによる音波検知手段とを備え、該燃料の温度又は圧力を一定にし且つ圧力又は温度を変化させて目標とする超臨界状態に到達させてから内燃機関へ噴射する超臨界噴射装置である。【選択図】図１
2008180570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一成分又は二成分以上から成る物質溶液の臨界点を振動速度の減衰量より同定する臨界点探索方法であって、
温度一定且つ圧力可変の条件下で振動速度の変曲点を探索し、複数の温度下で得られた該変曲点の極小点を該物質溶液の臨界点とすることを特徴とする臨界点探索方法。
【請求項２】
一成分又は二成分以上から成る物質溶液の臨界点を振動速度の減衰量より同定する臨界点探索方法であって、
圧力一定且つ温度可変の条件下で振動速度の変曲点を探索し、複数の圧力下で得られた該変曲点の極小点を該物質溶液の臨界点とすることを特徴とする臨界点探索方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の臨界点探索方法を用いて内燃機関に燃料を供給しうる超臨界噴射装置であって、
高圧燃料用配管に、燃料温度制御手段と、燃料圧力制御手段と、流体内部に音波を送信するプローブ音波振動子(送波子)発生手段と、エコー信号を受信するプローブ(受波子)による音波検知手段とを備え、該燃料の温度又は圧力を一定にし且つ圧力又は温度を変化させて目標とする超臨界状態に到達させてから内燃機関へ噴射することを特徴とする超臨界噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、臨界点探索方法及びそれを用いた超臨界噴射装置に係り、更に詳細には、混合燃料など、簡便に多成分から成る媒体の臨界点を同定できる臨界点探索方法及びそれを用いた超臨界噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、混合成分や未知の物質や自由に成分混合された溶媒の臨界点は、その成分比や状態において変化するが、簡便に臨界点を同定する機械は開発されていなかった。
このため、これらの溶媒の臨界点を予測する場合、従来の臨界点の予測方法では、様々な用途に応じた超臨界状態を構築する設備に付属した形態で、簡便に臨界点到達までの加熱・加圧量が定量的に把握できない。
つまり、未臨界状態から臨界点に近づける操作毎の、温度と圧力の、臨界点を超過又は不足する度合いがわからない。この操作は経験的且つ人為的な操作に依存しており、同定ミスも存在する問題があり、装置も大掛かりなものが多く、コンパクトで自動化されたものがなかった。
例えば、流体の流れ温度の目安としての周波数を検出するための手段を備える、流体の流れの質量流量を測定する装置が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、こうした流体温度を音波信号としてとらえるシステムを発展させ、音速の極小点を生かして、臨界温度の検出に結びつける装置はなかった。
【特許文献１】特開昭５６−５００３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来の人為的試行法から脱却し、純成分、更に自由に成分調整された多成分系の溶媒を、コンパクトな装置で自動的に臨界点を予測・同定できる臨界点探索方法及びそれを用いた超臨界噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、混合燃料などの臨界点を振動速度の減衰量より同定することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００５】
即ち、本発明の臨界点探索方法は、一成分又は二成分以上から成る物質溶液の臨界点を振動速度の減衰量より同定する臨界点探索方法であって、
温度一定且つ圧力可変の条件下で振動速度の変曲点を探索し、複数の温度下で得られた該変曲点の極小点を該物質溶液の臨界点とすることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の他の臨界点探索方法は、一成分又は二成分以上から成る物質溶液の臨界点を振動速度の減衰量より同定する臨界点探索方法であって、
圧力一定且つ温度可変の条件下で振動速度の変曲点を探索し、複数の圧力下で得られた該変曲点の極小点を該物質溶液の臨界点とすることを特徴とする。
【０００７】
更に、本発明の超臨界噴射装置は、上記臨界点探索方法を用いて内燃機関に燃料を供給しうる超臨界噴射装置であって、
高圧燃料用配管に、燃料温度制御手段と、燃料圧力制御手段と、流体内部に音波を送信するプローブ音波振動子(送波子)発生手段と、エコー信号を受信するプローブ(受波子)による音波検知手段とを備え、該燃料の温度又は圧力を一定にし且つ圧力又は温度を変化させて目標とする超臨界状態に到達させてから内燃機関へ噴射することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、混合燃料などの臨界点を振動速度の減衰量より同定することとしたため、従来の人為的試行法から脱却し、純成分、更に自由に成分調整された多成分系の溶媒を、コンパクトな装置で自動的に臨界点を予測・同定できる臨界点探索方法及びそれを用いた超臨界噴射装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の臨界点探索方法について詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、濃度、含有量、充填量などについての「％」は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。音速、温度、圧力などについての表記は、特記しない限り臨界音速、臨界温度、臨界圧力に対する値を示すものとする。
【００１０】
上述の如く、本発明の臨界点探索方法は、一成分又は二成分以上から成る物質溶液の臨界点を振動速度の減衰量より同定するものである。同定は、温度一定且つ圧力可変の条件下で振動を発生させ、振動速度の変曲点を複数の温度下で探索し、これら変曲点の極小点を該物質溶液の臨界点とみなすことによる。
これは、燃料などの物質溶液の圧力を上昇させていくと、臨界点近傍では、ある圧力に対する密度のとり様が劇的に変化し、（ｄＰ／ｄρ）１／２が発散する。この逆数（ｄρ／ｄＰ）１／２が音速である為、臨界点では最小値をとる性質を利用している。
これにより、コンパクトな装置で自動的に臨界点を予測・同定できる。また、１変数走査を行うことにより、振動速度極小点に２変数探索よりも早く臨界点に到達できる。
【００１１】
ここで、温度一定で圧力可変時の振動速度の極小点を探索する制御フローの一例を示す。
図１に示すように、音速（ｄρ／ｄＰ）１／２は、密度値ρがＴ，Ｐ両変数による可変関数である。この２変数ｖ（Ｔ，Ｐ）をＴ一定、走査変数Ｐとした音速１変数ｖ（Ｔ＝ｃｏｎｓｔ．，Ｐ）として音速の極小点を探索するアルゴリズム原理について説明する。
【００１２】
まず、ステップ１（Ｓ１）では、制御する圧力（Ｐ）の探索範囲についての、最小値（Ｐｍｉｎ）と最大値（Ｐｍａｘ）を決定し、各々の圧力下での一定温度の探索範囲（Ｔ０＜Ｔ＜ＴＮ）を決定する。このときのＮは基本化間隔であり、収束条件は適宜決定できるものとし、ここでは、１０−２の場合を示すものとする。
【００１３】
次いで、ステップ２（Ｓ２）では、１つの探索範囲（Ｔ０）における音速の変曲点を求める。具体的には、ｄｖ（Ｔ０，Ｐ）／ｄＰ＜０であれば（図２の（１））、ｄＰ＞０の範囲で探索を続行し、ｄｖ（Ｔ０，Ｐ）／ｄＰ＞０であれば（図２の（２））、ｄＰ＜０の範囲で探索を続行して、変曲点である音速最小値ｖｍｉｎ（Ｔ０，Ｐ０）を求める。
同様に、他の一定温度（ＴＮ）の圧力制御範囲（ＰＮ）における音速の最小値も求める（Ｓ３）。
【００１４】
これらの結果より、図２に示すように、各一定温度の圧力制御範囲（ＰＮ）における音速最小値ｖｍｉｎの極小点（Ｔｎ，Ｐｎ）を決定する（Ｓ４）。
なお、複数のｖｍｉｎから極小点が決定できないときはステップ３に戻り、探索範囲を広げて再度ｖｍｉｎの極小点を求める。
【００１５】
ステップ５では、ｖｍｉｎの極小値(Ｔｎ，Ｐｎ)が収束条件１０−２を満たすくらい十分に小さいか判定する。差異が１０−２よりも十分小さければ、ｖｍｉｎ（Ｔｎ，Ｐn）とｖｍｉｎ(Ｔn＋1，Ｐn+1)との間の差異は、極々小さいものと判定し、この結果、求められた（Ｔｎ，Ｐｎ）を臨界点（Ｔｃ，Ｐｃ）として決定し、探索終了とみなす。
なお、音速の変曲点を自動的に探索できる装置は従来存在しなかったが、このアルゴリズムにより全自動化も可能である。
【００１６】
次に、本発明の他の臨界点探索方法について説明する。
この臨界点探索方法は、上述の方法と同様に、一成分又は二成分以上から成る物質溶液の臨界点を振動速度の減衰量より同定するものであるが、同定を、圧力一定且つ温度可変の条件下で振動を発生させ、振動速度の変曲点を複数の圧力下で探索し、これら変曲点の極小点を該物質溶液の臨界点とみなす点で異なる。
これは、燃料などの物質溶液の温度を上昇させていくと、臨界点近傍では、ある圧力に対する密度のとり様が劇的に変化し、（ｄＰ／ｄρ）１／２が発散する。この逆数（ｄρ／ｄＰ）１／２が音速である為、臨界点では最小値をとる性質を利用している。
これにより、コンパクトな装置で自動的に臨界点を予測・同定できる。また、振動速度極小点に２変数探索よりも早く臨界点に到達できる。
【００１７】
ここで、圧力一定域で温度可変時の振動速度の極小点を探索する制御フローの一例を示す。
図３に示すように、Ｔ，Ｐ両変数による可変関数である２変数ｖ（Ｔ，Ｐ）をＰ一定、走査変数Ｔとした１変数ｖ（Ｔ，Ｐ＝ｃｏｎｓｔ．）として音速の極小点を探索するアルゴリズム原理について説明する。
【００１８】
まず、ステップ１（Ｓ１）では、制御する温度（Ｔ）の探索範囲についての、最小値（Ｔｍｉｎ）と最大値（Ｔｍａｘ）を決定し、各々の温度下での一定圧力の探索範囲（Ｐ０＜Ｐ＜ＰＮ）を決定する。このときのＮは基本化間隔であり、収束条件は１０−２の場合を示すものとする。
【００１９】
次いで、ステップ２（Ｓ２）では、１つの探索範囲（Ｐ０）における音速の変曲点を求める。具体的には、ｄｖ（Ｔ，Ｐ０）／ｄＴ＜０であれば（図４の（１））、ｄＴ＞０の範囲で探索を続行し、ｄｖ（Ｔ，Ｐ０）／ｄＴ＞０であれば（図４の（２））、ｄＴ＜０の範囲で探索を続行して、変曲点である音速最小値ｖｍｉｎ（Ｔ０，Ｐ０）を求める。
同様に、他の一定圧力（ＰＮ）の温度制御範囲（ＴＮ）における音速の最小値も求める（Ｓ３）。
【００２０】
これらの結果より、図４に示すように、各一定圧力の温度制御範囲（ＰＮ）における音速最小値ｖｍｉｎの極小点（Ｔｎ，Ｐｎ）を決定する（Ｓ４）。
なお、複数のｖｍｉｎから極小点が決定できないときはステップ３に戻り、探索範囲を広げて再度ｖｍｉｎの極小点を求める。
【００２１】
ステップ５では、ｖｍｉｎの極小値(Ｔｎ，Ｐｎ)が収束条件１０−２を満たすくらい十分に小さいか判定する。差異が１０−２よりも十分小さければ、ｖｍｉｎ（Ｔｎ，Ｐn）とｖｍｉｎ(Ｔn＋1，Ｐn+1)との間の差異は、極々小さいものと判定し、この結果、求められた（Ｔｎ，Ｐｎ）を臨界点（Ｔｃ，Ｐｃ）として決定し、探索終了とみなす。
なお、音速の変曲点を自動的に探索できる装置は従来存在しなかったが、このアルゴリズムにより全自動化も可能である。
【００２２】
本発明の臨界点探索方法においては、代表的には、１成分から成る物質溶液の臨界点を音速を利用して同定できる。かかる物質溶液としては、例えば、様々な燃料成分などが挙げられる。
また、２成分以上で構成される物質溶液、即ち、臨界点が既知の物質と臨界点が未知の物質から成る混合溶液、又は臨界点が未知の物質からのみ構成される混合溶媒の臨界点も同様に同定できる。なお、未知の物質は、臨界点が既知である物質と得られた臨界点を対照させることで特定しうる。
【００２３】
更に、上記物質溶液としては、リサイクルに利用する溶媒を使用することができる。このときは、超臨界溶媒を利用しなくてはならないリサイクルにおいて、利用する超臨界溶媒の臨界点を知ることにより最適なリサイクル領域を見積もることができ、リサイクル率に寄与できる。
また、超臨界領域を利用した超臨界急速膨張プロセスなど、ナノ粒子などの超微粒子生成システムにおいても、利用する超臨界溶媒の臨界点を知ることにより最適な膨張温度、圧力の提供に寄与することができる。
また、上記物質溶液として薬効成分などを使用することもできる。このときは、超臨界溶媒を利用しなくてはならない薬効成分の抽出において、利用する超臨界溶媒の臨界点を知ることにより最適な抽出領域を見積もることができ、精製率の高い抽出が可能となる。
【００２４】
次に、本発明の超臨界噴射装置について説明する。
本発明の超臨界噴射装置は、上述の臨界点探索方法を用いて内燃機関に燃料を供給するのに用いられる。
具体的には、高圧燃料用配管に、燃料温度制御手段と、燃料圧力制御手段と、音波トランスミッタと、音波レシーバと、音速検知手段とを備えており、これらを用いて該燃料の温度又は圧力を一定にし且つ圧力又は温度を変化させて超臨界状態としてから内燃機関へ噴射するものである。
これにより、燃料の温度と圧力を燃焼に最適な超臨界状態にして内燃機関へ供給できるので、効率の良い燃焼が可能となる。
【００２５】
ここで、上記高圧燃料用配管としては、使用温度域、圧力域に耐えるものであれば特に制限されないが、熱容量は小さいことが望ましい。比較的熱容量の高い材質であっても高温高圧容器を小型にすることで熱容量を低く抑え、応答性を改善できる。例えば、インコネル製、ハステロイ製、チタン製、ＳＵＳ３０４製、ＳＵＳ３１６製のものが挙げられる。
【００２６】
また、燃料温度制御手段としては、例えば温度調節機器などを使用できる。燃料圧力制御手段としては、例えばピエゾ圧電素子などを使用できる。
【００２７】
更に、音波トランスミッタ送波子側の振動子としては、例えば超音波振動子などを使用できる。音波レシーバとしては、例えばエコー信号を受信するプローブ(受波子)などを使用できる。
音速検知手段は、例えば、受信されたエコー信号により、電気信号に変換され、電圧の変化として検出することができる。音波トランスミッタから放たれる音波が超臨界溶媒を通過して音波レシーバに到達するまでの時間と音波トランスミッタから音波レシーバまでの距離とから算出できる。
【００２８】
本発明の超臨界噴射装置の一実施形態を図５に示す。
図５に示すように、高圧燃料用配管である燃焼室１は、燃料を随時供給しうる燃料タンク２に接続されるとともに、超臨界状態になった燃料を噴射しうる噴射ノズル３を備えている。燃焼室の側壁には、音波トランスミッタであるパルス発振器４と、音波レシーバである検波器５が対抗するように配設されている。
また、燃焼室１には、燃料温度制御手段である可変圧パッキン６と、燃料圧力制御手段である可変温調７とが設けられている。また、図示しないが、燃焼室１は温度計測器と圧力計測器を備えている。これらは、上記臨界点探索方法を実行しうるＣＰＵ１０で制御可能となっている。また、検波器５には音速検知手段８が接続されており、演算された音速はＣＰＵに送信される。
【００２９】
可変圧パッキン６は、収束状態に応じて上下に可変するが、収束時はブザーにより収束したことを通知し、臨界点で待機させることが好ましい。なお、装置形状によりパッキンの移動が左右方向であっても同様の機能を果たすことは言うまでもない。
【００３０】
以上のように、軽油やガソリンなどの燃料は混合物質であるため、従来はそれらの臨界域、臨界点の特定が困難であったが、本発明の超臨界噴射装置においては、かかる燃料を超臨界又はその近傍である高密度域で噴射しうるので有効である。また、臨界点がわからない未測定の物質であっても超臨界又はその近傍である高密度域で噴射しうる。更に、Ｔ／Ｔｃ及びＰ／Ｐｃを特定して超臨界噴射、亜臨界噴射、又は非臨界噴射をする場合に、燃料ごとに異なるＴｃ、Ｐｃを自動的に同定でき、狙った領域で最適な噴射を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の臨界点探索方法（温度一定、圧力可変）の一例を示すを示すフロー図である。
【図２】図１に示す探索方法の変曲点を示すグラフである。
【図３】本発明の臨界点探索方法（圧力一定、温度可変）の一例を示すを示すフロー図である。
【図４】図３に示す探索方法の変曲点を示すグラフである。
【図５】本発明の超臨界噴射装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  燃焼室
２  燃料タンク
３  噴射ノズル
４  パルス発振器
５  検波器
６  可変圧パッキン
７  可変温調
８  音速検知手段
１０  ＣＰＵ
【図１】
2008180570.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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