(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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
【図１】
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【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】
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【図８】
0004690542.tif 000009
【図９】
0004690542.tif 000010
【図１０】
0004690542.tif 000011
【図１１】
0004690542.tif 000012
【図１２】
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