JP2001108593A - 極低温流体の静電容量型密度計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スラッシュ水素等の極低温流体の密度を計測
するための静電容量型密度計において、電極と電極以外
の構造物との間の静電容量が電極間の静電容量よりも大
きくなって計測誤差を生ずるのを防ぐとともに、外部か
らの侵入熱の影響を受けないようにすること。 【解決手段】 スラッシュ水素製造装置におけるスラッ
シュ水素内に沈められる外筒３４内に、そのスラッシュ
水素の静電容量を計測するよう対置された２つの電極３
５，３６を有している。電極３５，３６は、外筒３４の
内面から放射状に突出して配置されたリブ４０に電極固
定具３７を介して、外筒３４から十分離して取り付けら
れており、また、外筒３４が接地４３されていて外筒３
４と電極３５，３６間に生ずる無効静電容量を減少させ
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロケットの燃料や
原油・石炭などの化石燃料に替わる燃料として期待され
ているスラッシュ水素等の極低温流体の密度を誘電率の
変化を利用して計測する密度計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、宇宙開発の進展により国内外にお
いてロケット打ち上げによる宇宙探索や気象衛星などの
人工衛星の打ち上げが頻繁に行われている。このロケッ
ト打ち上げの燃料には主に水素が使用されているが、燃
料タンクがロケットの容積のほとんどを占めるため、燃
料タンクの容積を小さくして大量の燃料が搭載できるよ
うに液体水素と固体水素を混合したスラッシュ水素の検
討が行われている。また、ＷＥ−ＮＥＴ（World Energy
Network）ではスラッシュ水素が現在の原油や石炭など
の化石燃料に替わるクリーンな燃料として期待されてい
る。

【０００３】このスラッシュ水素は、液体水素と固体水
素が混合したシャーベット状の水素で、液体水素と比較
して密度や寒冷保有量（他の物体を冷却する能力。例え
ば或る物体を冷却する能力を液体水素とスラッシュ水素
で比較すると、固体水素が混じっている分、スラッシュ
水素の方が、液体水素より多く冷やすことが可能であ
る。）の点で大きく異なり、固体水素含有率５０％のス
ラッシュ水素では液体水素に比べて密度が約１６％高
く、寒冷保有量が約１８％増大することが知られてい
る。

【０００４】つまり、スラッシュ水素は、液体水素より
も限られた容積に、より多くの貯蔵が可能で蒸発しにく
い利点がある。このスラッシュ水素をロケットなどの燃
料としてエンジン内に最適な状態で供給するためには、
スラッシュ水素の密度を正確に把握する必要がある。

【０００５】従来のスラッシュ水素製造装置の構成図で
ある図５に示すように、スラッシュ水素製造装置を構成
する容器０３は二重構造となっている。内容器０４には
液体水素０１が充填され内容器０４内の真空を保つた
め、蓋０５と内容器０４のフランジ０６とは、その間に
パッキン０７が設けられボルト０８とナット０９によっ
て締め付けられている。

【０００６】外容器０１０と内容器０４の間には、外部
から侵入する熱（以下侵入熱という）の影響を減少して
液体水素０１の蒸発を抑える液体窒素０２が充填されて
いる。外容器０１０は、内容器０４と同じように蓋０５
とフランジ０１１の間にパッキン０１２が設けられ、ボ
ルト０１３とナット０１４によって締め付けられてい
る。

【０００７】図５中の０１５は内容器０４内に液体水素
０１を充填する注入口で、０１６は内容器０４と外容器
０１０の間に液体窒素０２を注入するための注入口を示
している。それぞれの注入口０１５，０１６は注入後に
蓋０１７によって密封される。スラッシュ水素の製造
は、以下に示すからの手順でフリーズ・ソー（間欠
減圧）法により行う。

【０００８】 内容器０４内に液体水素０１、外容器
０１０と内容器０４の間に液体窒素０２をそれぞれ充填
した状態で真空ポンプ０１８を起動し、バルブ０１９を
開け、配管０２０を介して内容器０４内を水素の３重点
（約５３torr）まで減圧して、液体水素０１の液面０２
１を凝固させ固体水素０２２の層を液面０２１に形成さ
せ、バルブ０１９を閉める。

【０００９】 内容器０４内の内圧を一定に保つた
め、圧力計０２３に組み込まれた圧力センサーで圧力の
変化を感知し、その情報が信号線０４４と制御器０２４
を通して電磁弁０２５に指令が送られ、断続的に電磁弁
０２５の開閉を行い、配管０２０，０２６を介して内容
器０４内の減圧が行われる。つまり、圧力計０２３が内
容器０４内に内圧（約５３torr）を常に保持するように
制御器０２４で電磁弁０２５をコントロールしている。

【００１０】 電磁弁０２５が閉の場合、内容器０４
内では外部からの侵入熱によって液体水素０１が蒸発し
て圧力が変化し固体水素０２２の層が幾分か溶け出す。
そして、蓋０５に取り付けられたモータ０２７と回転軸
０２８及び回転羽根０２９で構成された攪拌機０３０
で、液体水素０１を攪拌すると内容器０４内で対流が発
生し、液面０２１が揺れ液面上の固体水素０２２が小さ
く割れて、液体水素０１よりも比重の重い固体水素０３
１は内容器０４の下方に沈降する。

【００１１】 暫くすると外部からの侵入熱により液
体水素０１が蒸発し、圧力計０２３が５３torrより変化
すると制御器０２４により電磁弁０２５が開く。

【００１２】上記からの手順を間欠的に繰り返すこ
とにより、内容器０４内では液体水素０１と固体水素０
３１が混合した水素、すなわちスラッシュ水素の製造が
可能となる。スラッシュ水素製造中、攪拌機０３０は常
に作動している。

【００１３】内容器０４内には、内部のスラッシュ水素
の密度を計測する静電容量型密度計測装置（以下密度計
測装置という）０３３が配設されており、その密度計測
装置０３３は、図５に示すように支持パイプ０３２を介
して蓋０５からぶら下げて取り付けられており、密度計
測装置０３３からの計測線０３８が支持パイプ０３２の
中を通して静電容量測定器（以下ＬＣＲメータという）
０３９に接続されている。また、計測線０３８を通して
支持パイプ０３２の上部端末や、攪拌機０３０の回転軸
０２８と蓋０５の周囲は内容器０４内の真空を保つため
密封されている。

【００１４】スラッシュ水素製造装置内のスラッシュ水
素の密度は、図５のように内容器０４内に配置した密度
計測装置０３３によって計測されるが、スラッシュ水素
製造装置内から供給される配管途中のスラッシュ水素の
密度を計測する場合は、配管の途中に同様の密度計測装
置０３３を設置して計測する。

【００１５】次に密度計測装置０３３について説明す
る。密度計測装置０３３は、静電容量Ｃが電極間物質の
誘電率εに比例することを利用するものである。静電容
量Ｃと比誘電率εの関係は次式（１）で表される。

【００１６】Ｃ＝Ｃ_o ε＋Ｃ_d ……（式１） Ｃ_o は電極の大きさや形状によって決まる定数であり、
Ｃ_d は密度計測装置０３３の電極以外の構造物に発生す
る無効静電容量で、この値が大きすぎると計測誤差の要
因となる。

【００１７】密度計測装置０３３の詳細を示す図６にお
いて、静電容量を計測するための電極０３５および電極
０３６は電気伝導率の高い銅板などを使用し、お互いに
向かい合った形で外筒０３４と電極０３５，０３６を絶
縁するための絶縁物０３７に貼り付けられ、さらに絶縁
物０３７はスラッシュ水素が通過する外筒０３４に筒状
に曲げて嵌め込まれている。電極０３５と電極０３６間
の静電容量は、計測線０３８を介してＬＣＲメータ０３
９で計測する。静電容量を正確に計測するためには、式
１に示すＣ_d の無効静電容量を消去するかまたは定量的
にする必要がある。

【００１８】図５に示したスラッシュ水素製造装置の従
来例では、スラッシュ水素製造装置内の密度計測装置０
３３を図示しているが、スラッシュ水素製造装置内から
供給される配管途中のスラッシュ水素の密度は、密度計
測装置０３３の外筒０３４を配管に置き換えて配管の途
中に密度計測装置０３３を設置する。

【００１９】従来、絶縁物０３７にはテフロンなどを使
用しているが、絶縁物０３７を曲げて嵌め込むため絶縁
物０３７に貼り付けられた電極０３５，０３６が部分的
に剥がれたり、外筒０３４と絶縁物０３７の密着が悪化
し、液体水素０１が電極０３５，０３６と絶縁物０３
７、あるいは絶縁物０３７と外筒０３４の間すなわち絶
縁部分に侵入し、それぞれの電極０３５，０３６と外筒
０３４間の距離が近いため、電極０３５と電極０３６間
の静電容量Ｃ_o εよりも、電極０３５，電極０３６と外
筒０３４間の無効静電容量Ｃ_d の値が大きくなってスラ
ッシュ水素の密度比誘電率を正確に計測できないという
問題が発生している。

【００２０】また、外筒０３４は熱伝導率や低温脆性の
面から従来ステンレス管を使用しており、外筒０３４を
スラッシュ水素製造装置から供給されるスラッシュ水素
用配管として使用し、その途中に密度計測装置０３３を
設置する場合、外部からの侵入熱によって外筒０３４近
傍の固体水素を融解して電極間のスラッシュ水素密度を
変化させ、周囲のスラッシュ水素より密度を低く計測し
てしまう問題もある。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】以上、スラッシュ水素
に例をとって説明したように、極低温流体の密度を計測
する従来の静電容量型密度計測装置が前記したような問
題点を有していた点に鑑み、本発明はスラッシュ水素等
の極低温流体の密度を計測するための静電容量型密度計
測装置において、電極と電極以外の構造物との間の静電
容量が電極間の静電容量よりも大きくなって計測誤差を
生ずるのを防ぐとともに、外部からの侵入熱の影響を受
けないように構成した静電容量型密度計測装置を提供す
ることを課題としている。

【００２２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明は、内部にスラッシュ水素等の極低温流体が
入る外筒内に、同外筒内の極低温流体の静電容量を計測
するよう対置された電極を有する極低温流体の静電容量
型密度計測装置において、前記外筒の内面から放射状に
突出して配置されたリブに電極固定具を介して前記電極
を取り付けて構成した極低温流体の静電容量型密度計測
装置を提供する。

【００２３】このように構成した本発明の静電容量型密
度計測装置においては、外筒内に対置される電極が、外
筒の内面から放射状に突出して設けられたリブに電極固
定具を介して取り付けられていて、電極が外筒から十分
離されているので、電極と外筒間に生ずる無効静電容量
（Ｃ_d ）を減少させることが可能である。

【００２４】また、電極が外筒の内面から放射状に突出
して設けられたリブに取り付けられていて外筒から離さ
れているので外部からの侵入熱が電極に影響するのを防
いでいる。このように、本発明の静電容量型密度計測装
置によれば、スラッシュ水素等の極低温流体の密度を正
確に計測することができる。

【００２５】以上説明した本発明の密度計測装置におい
て、前記電極固定具を、外筒の管軸方向に間隔を保って
複数個配置した構成にすると、電極と電極固定具との間
の接触面積を小さくして電極を外筒内に取り付けること
ができ、電極固定具が電極間の静電容量に与える影響を
小さくすることができる。

【００２６】また、本発明による密度計測装置におい
て、外筒内に対置された電極を複数対配置した構成とす
ると、電極間の静電容量が増して電極間の静電容量が安
定し、密度の計測精度が向上するので好ましい。

【００２７】更にまた、本発明の密度計測装置におい
て、電極が内部に取り付けられる外筒の外面を光沢面に
すると、外部から外筒内に侵入する熱を減少し、固体水
素の融解や液体水素の蒸発を抑制する上で効果的であ
る。また、本発明による密度計測装置において、外筒を
接地すると、外筒と電極の電位を無くして密度の計測精
度を上げることができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明による静電容量型密
度計測装置を図１〜図４に示した実施の形態に基づいて
具体的に説明する。

【００２９】（第１実施形態）まず、図１，図２に示し
た第１実施形態による密度計測装置について説明する。
図１と図２において、３５及び３６は静電容量を発生さ
せる電極で、これらの電極３５および電極３６は、外面
が光沢面を有するステンレスの外筒３４より小径で短筒
状の電極固定具３７を外筒３４の長さ方向に一定間隔を
もって配置し、お互いに向かい合わせた形で電極固定具
３７に接着されている。

【００３０】電極固定具３７は、外筒３４の内面から放
射状に突出して配置されたリブ４０によって外筒３４に
固定されている。電極固定具３７とリブ４０は外筒３４
と電極３５，３６を絶縁するためにテフロンなどの絶縁
物を使用している。

【００３１】外筒３４は、図５に示された従来例のよう
にスラッシュ水素製造装置内で密度計測装置３３の外筒
３４として使用される場合もあるが、スラッシュ水素を
供給する配管と共用した形で使用する場合がある。電極
３５，３６からの計測配線３８は、ＬＣＲメータ３９に
接続され、外筒３４と電極３５，３６の電位をなくする
ため、外筒３４からアース線４１を介してＬＣＲメータ
３９に接続し、さらにＬＣＲメータ３９からアース線４
２を介して接地４３している。なお、本実施例による密
度計測装置は、図５に示したスラッシュ水素製造装置内
に配置される密度計測装置０３３について改良したもの
であり、スラッシュ水素製造装置の部分については図５
に示した従来例と同様のため説明を省略する。

【００３２】本密度計測装置３３は、外筒３４に外面が
光沢面を有するステンレス管を使用したことにより、外
部からの侵入熱を防止し液体水素１の蒸発や固体水素３
１の融解を減少させている。また、本密度計測装置にお
ける電極３５，３６は、電極固定具３７とリブ４０によ
り外筒３４から十分な距離を有し、外筒３４の長さ方向
に一定間隔をもって複数個の電極固定具３７を配設した
ことにより電極３５，３６と絶縁物である電極固定具３
７の接触面を最小限にして取り付けることができる。

【００３３】また、リブ４０を外筒３４の内面から放射
状に突出させて配設することで密度計測装置３３を通過
するスラッシュ水素の進路を妨げない。また、外筒３４
と電極３５，３６の電位をなくすため外筒３４からアー
ス線４１，４２とＬＣＲメータ３９を介して接地４３し
ている。本密度計測装置３３では、電極３５および電極
３６と外筒３４間が十分離れていることと、外筒３４が
接地４３されていることにより、（式１）の無効静電容
量Ｃ_d を減少することが可能となり、電極３５と電極３
６間の静電容量Ｃ_o εを従来に比べ精度良く計測する事
が可能となる。

【００３４】また、電極３５と電極３６が外筒３４から
十分離れていることにより、外部からの侵入熱を外筒３
４で受け、電極３５および電極３６への影響が軽減さ
れ、電極３５，３６間のスラッシュ水素密度と内容器４
内のスラッシュ水素密度の差を減少することが可能とな
る。また、外筒３４の外面が光沢面を有していることに
より、侵入熱は反射して外部へ戻り、外筒３４の温度上
昇を減少し、外筒３４周辺のスラッシュ水素中の固体水
素の融解を従来に比べ減少させることが可能となる。こ
の結果、スラッシュ水素用静電容量型密度計測装置の精
度が向上する。

【００３５】（第２実施形態）次に、図３，図４に示し
た第２実施形態による密度計測装置について説明する。
この第２実施形態による密度計測装置では、対置された
電極を複数対外筒３４内に配置したものである。すなわ
ち、図３と図４において、静電容量を発生する電極４４
と電極４５、及び電極４６と電極４７が、外面に光沢面
を有するステンレスの外筒３４に、お互いに向かい合っ
て対をなす形で複数対配置している。

【００３６】外筒３４の長さ方向に一定間隔で配置され
た電極固定具４９は平板状になっており、また放射状に
配置されたリブ４８は２本組になっている点で相違する
が、電極４４，４５，４６，４７からの計測配線３８、
静電容量を計測するＬＣＲメータ３９、さらに外筒３４
と電極３５，３６，４４，４５間の電位をなくすための
アース線４１，４２及び接地４３の構成については、第
１実施形態のものと同様のため説明を省略する。また、
本第２実施形態での電極４４，４５，４６，４７は加工
面を考慮して平面板を使用しているが曲面板を使用して
もよい。

【００３７】なお、本実施形態による密度計測装置も、
図５に示したスラッシュ水素製造装置内に配置される密
度計測装置０３３について改良したものであり、スラッ
シュ水素製造装置の部分については図５に示した従来例
と同様のためその説明を省略する。

【００３８】本第２実施形態による密度計測装置３３
は、静電容量を発生する電極４４と電極４５及び電極４
６と電極４７を、外面に光沢面を有するステンレスの外
筒３４に、お互いに向かい合って対をなす形で複数対配
置することにより静電容量が増大し、電極間の静電容量
が安定し密度計の計測精度が向上する。以上説明した以
外の作用や効果については第１実施形態による密度計測
装置と同様のためその説明を省略する。

【００３９】以上、本発明を図示した実施形態に基づい
て具体的に説明したが、本発明がこれらの実施形態に限
定されず特許請求の範囲に示す本発明の範囲内で、その
具体的構造、構成に種々の変更を加えてよいことはいう
までもない。

【００４０】例えば、上記実施形態では、スラッシュ水
素の密度計測装置として説明しているが、スラッシュ水
素以外の極低温流体の密度計測装置として用いてもよ
い。

【００４１】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明は、内部
にスラッシュ水素等の極低温流体が入る外筒内に、同外
筒内の極低温流体の静電容量を計測するよう対置された
電極を有する極低温流体の静電容量型密度計測装置にお
いて、前記外筒の内面から放射状に突出して配置された
リブに電極固定具を介して前記電極を取り付けて構成し
た極低温流体の静電容量型密度計測装置を提供する。

【００４２】このように構成した本発明の静電容量型密
度計測装置においては、外筒の内面から放射状に突出し
て設けられたリブに電極固定具を介して電極が取り付け
られていて、電極は外筒から十分離されて、電極と外筒
間に生ずる無効静電容量（Ｃ _d ）を減少させているとと
もに、電極が外筒から離されていて外部からの侵入熱に
よる影響を受けるのを防止されている。このように、本
発明の静電容量型密度計測装置によれば、スラッシュ水
素等の極低温流体の密度を正確に計測することができ
る。

【００４３】本発明の密度計測装置において、前記電極
固定具を、外筒の管軸方向に間隔を保って複数個配置し
た構成としたものでは、電極と電極固定具との間の接触
面積を小さくして電極が外筒内に取り付けるられるの
で、電極固定具が電極間の静電容量に与える影響を小さ
くすることができる。

【００４４】また、本発明による密度計測装置におい
て、外筒内に対置された電極を複数対配置した構成とし
たものでは、電極間の静電容量が増して電極間の静電容
量が安定し、密度の計測精度が向上する。

【００４５】更にまた、本発明の密度計測装置におい
て、電極が内部に取り付けられる外筒の外面を光沢面に
すると、外部から外筒内に侵入する熱を減少し、固体水
素の融解や液体水素の蒸発を抑制する。また、本発明に
よる密度計測装置において、外筒を接地したものでは、
外筒と電極の電位を無くして密度の計測精度が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態による静電容量型密度計
測装置における図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う横断面図。

【図３】本発明の第２実施形態による静電容量型密度計
測装置における図４のＤ−Ｄ線に沿う断面図。

【図４】図３のＣ−Ｃ線に沿う断面図。

【図５】従来のスラッシュ水素製造装置を示す構成図。

【図６】図５の装置に用いられている密度計の詳細を示
す図面で図７のＥ−Ｅ線に沿う断面図。

【図７】図６のＦ−Ｆ線に沿う横断面図。

【符号の説明】

０１ 液体水素 ０２ 液体窒素 ０４ 内容器 ０１０ 外容器 ０１５ 液体水素の注入口 ０１６ 液体窒素の注入口 ０１８ 真空ポンプ ０２２ 固体水素 ０２４ 制御装置 ０２５ 電磁弁 ０２９ 回転羽根 ０３１ 固体水素 ３３ 密度計測装置 ３４ 外筒 ３５ 電極 ３６ 電極 ３７ 電極固定具 ３８ 計測配線 ３９ ＬＣＲメータ ４０ リブ ４１ アース線 ４２ アース線 ４３ 接地 ４４ 電極 ４５ 電極 ４６ 電極 ４７ 電極 ４８ リブ ４９ 電極固定具

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部にスラッシュ水素等の極低温流体が
   入る外筒内に、同外筒内の極低温流体の静電容量を計測
   するよう対置された電極を有する極低温流体の静電容量
   型密度計測装置において、前記外筒の内面から放射状に
   突出して配置されたリブに電極固定具を介して前記電極
   を取り付けたことを特徴とする極低温流体の静電容量型
   密度計測装置。
2. 【請求項２】 前記電極固定具を、前記外筒の管軸方向
   に間隔を保って複数個配置したことを特徴とする請求項
   １に記載の極低温流体の静電容量型密度計測装置。
3. 【請求項３】 対置された前記電極を複数対配置したこ
   とを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温流体の静
   電容量型密度計測装置。
4. 【請求項４】 前記外筒の外面を光沢面としたことを特
   徴とする請求項１〜３のつずれか１つに記載の極低温流
   体の静電容量型密度計測装置。
5. 【請求項５】 前記外筒を接地したことを特徴とする請
   求項１〜３のいずれか１つに記載の極低温流体の静電容
   量型密度計測装置。