JP2010019801A - 低温液体用液面計及び液面計付き貯留容器 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度の高い低温液体用液面計および液面計付き貯留容器を提供する。
【解決手段】貯留容器８内に貯留された低温液体Ｚの液面位置を計測する低温液体用液面計１であって、貯留容器８内に配置され、低温液体Ｚが内部に導入される管状体３と、低温液体Ｚと接触するように管状体３内に配置され、電気抵抗値を測定することにより液面位置が検出される液面検知部４とを備え、管状体３の内周面３２ａと外周面３３ａとの間には、断熱層３４が介在している低温液体用液面計１。
【選択図】図２

Description

本発明は、低温液体用液面計及び液面計付き貯留容器に関する。

従来、貯留容器内に貯留された低温液体の液面位置を測定する低温液体用液面計が種々提案されているが、その中でも特に多用されているのは、超伝導式液面計と呼ばれているもので、計測したい低温液体の沸点に近い温度で超伝導特性を示す超伝導センサ線を用いて、その電気抵抗を測定することで液面を計測するものである（例えば、特許文献１参照）。

この超伝導式液面計の概略構造は、図４示すように、例えばＮｂ−Ｔｉ（ニオブ−チタン）等の合金で作られた細い超伝導センサ線１０１をステンレス合金あるいはガラス繊維エポキシ樹脂材（ＧＦＲＰ）等の壁面に孔のあいたパイプ１０２内に、電気的に絶縁された状態で上部保持部材１０３と下部保持部材１０４との間に一本張り渡し、超伝導センサ線１０１の上下端付近に計測用の電流を流すための電流リード線１０５，１０６が取付けられている。上端部付近には更にヒータ１０７が取付けられている。

液体ヘリウム等の低温液体の液面を計測するには、上部の電流リード線１０５、超伝導センサ線１０１、下部の電流リード線１０６の順に電源より計測電流を通電し、超伝導センサ線１０１の電気抵抗値を測定することにより貯留容器内に貯留された低温液体の液面の位置が推定される。

その動作原理は、超伝導センサ線１０１としてＮｂ−Ｔｉ（ニオブ−チタン）合金線を用いた場合、その超伝導遷移温度(常伝導状態から超伝導状態になる温度)は約１０Ｋであるから、液体ヘリウム（温度：約４Ｋ ）の中に浸漬している部分は超伝導状態になり電気抵抗は零となる。液面より上のガス状態のヘリウム中にある部分は常伝導状態であるからその長さに比例して所定の電気抵抗値を発生する。即ち、事前に超伝導センサ線１０１の長さと電気抵抗値との関係を測定し校正表を作成しておけば、電気抵抗値を読み取ることで低温液体の液面位置を計測することができる。
再表９７／００８５１８号公報

ところが、上述のような低温液体用液面計においては、以下に示すような問題点があった。つまり、低温液体用液面計の内部が、ステンレス合金等により形成されたパイプを介して、低温液体用液面計の外部の低温液体により冷却されてしまい、超伝導センサ線に接触する低温液体の液面よりも上の気相領域の温度が、超伝導センサ線の超伝導遷移温度よりも低くなってしまうという問題があった。この結果、気相領域における超伝導センサ線の一部分も超伝導遷移温度よりも低くなり、電気抵抗が零となってしまい、正確な液面を計測できないこととなってしまう。

また、このような現象を避けるためには、ヒータによる加熱を強化して、低温液体の液面よりも上の部分の温度を、超伝導センサ線の超伝導遷移温度よりも高くする必要があるが、このような対処を行った場合、低温液体用液面計におけるエネルギー消費量が増大するという問題もあった。さらに、ヒータによる加熱が強すぎると低温液体の液面下まで常伝導になってしまい測定誤差が生じ、正確な液面を計測できないおそれもある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、測定精度の高い低温液体用液面計および液面計付き貯留容器を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、貯留容器内に貯留された低温液体の液面位置を計測する低温液体用液面計であって、前記貯留容器内に配置され、低温液体が内部に導入される管状体と、低温液体と接触するように前記管状体内に配置され、電気抵抗値を測定することにより液面位置が検出される液面検知部とを備え、前記管状体の内周面と外周面との間には、断熱層が介在している低温液体用液面計により達成される。

また、この低温液体用液面計において、前記断熱層は、真空断熱層であることが好ましい。

また、前記液面検知部は、電気抵抗線を備えることが好ましい。

また、前記電気抵抗線は、超伝導導体により形成されていることが好ましい。

また、前記管状体の内周面と外周面との間に介在される密閉状の空隙部を備えており、前記空隙部の内部における空気の少なくとも一部が、前記貯留容器内に貯留された低温液体により冷却されて固化されることにより前記真空断熱層が形成されることが好ましい。

また、前記空隙部には、窒素ガス、酸素ガス、アルゴンガスのうちのいずれか１つ、またはその２つ以上を吸着する多孔質ガス吸着材が収容されていることが好ましい。

また、前記多孔質ガス吸着材は、活性炭、ゼオライトのいずれか１つ、または両方からなる複合材であることが好ましい。

また、上記目的は、内周面と外周面との間に真空断熱室を有する貯留容器内に貯留された低温液体の液面位置を計測する低温液体用液面計を備える液面計付き貯留容器であって、前記低温液体用液面計は、前記真空断熱室内に配置され、前記貯留容器から低温液体が内部に導入される管状体と、低温液体と接触するように前記管状体内に配置され、電気抵抗値を測定することにより液面位置が検出される液面検知部とを備える液面計付き貯留容器により達成される。

本発明によれば、測定精度の高い低温液体用液面計および液面計付き貯留容器を提供することができる。

以下、本発明に係る低温液体用液面計の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る低温液体用液面計１の概略構成を示すと共に使用状態を説明する図である。図２は、図１の低温液体用液面計１の要部断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る低温液体用液面計１は、貯留容器８に貯留された低温液体Ｚの液面位置を測定するものである。この貯留容器８は、低温液体Ｚを貯留する胴部８１と、胴部８１の上面開口部に首部８２を有しており、首部８２の上端が蓋体８３で閉塞されている。尚、貯留容器８は、各構成部材が断熱性を有するように構成されており、所定の貯留温度で低温液体Ｚを貯留可能な断熱構造となっていることが好ましい。本実施形態においては、図１に示すように、胴部８１は、内周面と外周面との間に真空断熱室８１ａを備えるように構成されている。なお、真空断熱室８１ａの代わりに、パーライトなどの粒状の断熱材を充填した断熱層を胴部８１の内周面と外周面との間に配置するようにしてもよい。あるいは、胴部８１の外周面を発泡材などで被覆することにより断熱層を形成してもよい。

また、低温液体用液面計１により液面位置が計測される低温液体Ｚとしては、ヘリウム，ネオン，水素，酸素，窒素，アルゴン及びメタン（天然ガス）等が挙げられる。

図１に示すように、低温液体用液面計１は、低温液体Ｚが貯留される貯留容器８内に配置される計測部２と、計測部２に電流を供給する電源６と、計測部２における電気抵抗を測定する抵抗測定部７とを備えている。計測部２は、その長手軸線と低温液体Ｚの液面変化方向とが略平行となるように配置されている。電源６および抵抗測定部７は貯留容器８の外部に配置され、これら装置から発生する熱が貯留容器８内の低温液体Ｚに入熱しないように構成されている。

計測部２は、図２に示すように、略円筒状の管状体３と、電気抵抗値を測定することにより液面位置が検出される液面検知部４と、液面検知部４を加熱するマンガニン線からなるヒータ線５とを備えている。

管状体３の下端部３ａは開口しており、管状体３の外部の低温液体Ｚが管状体３内部に導入可能となるように構成されている。また、管状体３の貯留容器８内に挿入される領域における上部側面には、管状体３の内外を貫通する貫通孔３１が形成されており、管状体３の下端部３ａから導入された低温液体Ｚの液面Ｚ１の位置と、管状体３の外部の低温液体Ｚの液面Ｚ２の位置とが一致するように構成されている。

貫通孔３１と管状体３の下端部３ａとの間における管状体３の一部領域は、内管３２と外管３３とを備える二重管構造を有しており、内管３２の内周面３２ａは、管状体３の内周面を構成し、外管３３の外周面３３ａは、管状体３の外周面を構成している。内管３２と外管３３との間には、密閉状の空隙部３４が介在しており、この空隙部３４を真空状態にすることにより、空隙部３４は真空断熱層となっている。

液面検知部４は、Ｎｂ−Ｔｉ（ニオブ−チタン）等の超伝導導体から形成された電気抵抗線である超伝導線材４１と、超伝導線材４１の下方の端部と電気的に接続された一方の電流リード線４２と、超伝導線材４１の上方の端部と接続するヒータ線５と電気的に接続された他方の電流リード線４３とを備えている。また、液面検知部４は、超伝導線材４１の下方の端部と電気的に接続された一方の電圧リード線４４と、超伝導線材４１の上方の端部と電気的に接続された他方の電圧リード線４５とを備えている。

超伝導線材４１を形成する超伝導導体としては、上述したＮｂ−Ｔｉ（ニオブ−チタン）合金の他、Ｈｇ，Ｐｂ，Ｎｂ等の純金属、Ｎｂ_３Ｓｎ、ＭｇＢ_２等の化合物、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ等の酸化物等を例示することができる。

また、この液面検知部４は、管状体３内部の上下両端部にそれぞれ配置される保持部材４６，４７により保持されている。超伝導線材４１は、管状体３に導入された低温液体Ｚと接触するように管状体３内に配置されている。

電流リード線４２，４３及び電圧リード線４４,４５は、銅から形成されており、その周囲に絶縁皮膜が形成されている。電流リード線４２及び電圧リード線４４は、管状体３の下端部３ａから折り返され、管状体３内を通って管状体３の上端から外部に導き出されている。電流リード線４３及び電圧リード線４５は、管状体３の上端から外部に導き出されている。電流リード線４２，４３は、電源６に接続し、電圧リード線４４，４５は、抵抗測定部７に接続している。

次に、上記の構成からなる低温液体用液面計１における作用について説明する。低温液体用液面計１の超伝導線材４１には、一方の電流リード線４２および他方の電流リード線４３を介して電源６から電流が流される。そして、抵抗測定部により、電圧リード４４，４５間の電圧を測定すると共に、流した電流と測定した電圧から電気抵抗を測定することにより貯留容器８内に貯留された低温液体Ｚの液面の位置が推定される。

低温液体Ｚとして液体ヘリウムを用いた場合を例にとり、以下、具体的に説明する。計測部２内の超伝導線材４１の下端側は液体ヘリウムに浸され、超伝導線材４１における液体ヘリウムに浸された部分は、液体ヘリウムの温度（約４Ｋ）に冷却される。超伝導線材４１を形成するＮｂ−Ｔｉ（ニオブ−チタン）合金の超伝導遷移温度は約１０Ｋであるため、約４Ｋに冷却された超伝導線材４１は超伝導状態となり、電気抵抗が略零となる。

一方、電流リード線４２，４３間に電流を供給することにより、ヒータ線５が加熱される。ヒータ線５において発生された熱は、超伝導線材４１に伝えられ、超伝導線材４１を上端側から加熱する。

低温液体Ｚの液面Ｚ１よりも上の気相領域Ｚ３に配置された超伝導線材４１の部分は、上述のようにヒータ線５により加熱され、超伝導遷移温度（約１０Ｋ）より高い温度に保たれるので、気相領域Ｚ３に配置された超伝導線材４１の部分は、所定の電気抵抗値を示す。

なお、ヒータ線５が発生する熱量は、超伝導線材４１における超伝導状態の領域と常伝導状態の領域との境目が液体ヘリウムの液面Ｚ１に一致する最低限の熱量であることが望ましい。

ここで、管状体３は、内管３２と外管３３とを備え、内管３２と外管３３との間に断熱層３４が配置される構造を有しているため、管状体３の外側において発生する低温液体Ｚの蒸発ガスによって、内管３２の内部が冷却されないようになっている。つまり、超伝導線材４１に接触する低温液体Ｚの液面Ｚ１よりも上の気相領域Ｚ３が、管状体３の外側の低温液体Ｚの蒸発ガスによって冷却されてしまい、気相領域Ｚ３における超伝導線材４１の一部分が超伝導遷移温度よりも低くなることを効果的に防止することができる。この結果、気相領域Ｚ３における超伝導線材４１は、常伝導状態となるように確実に維持され、所定の電気抵抗値を示すこととなり、高精度で液面位置の計測を行うことが可能になる。

また、管状体３の外側において発生する低温液体Ｚの蒸発ガスによって、内管３２の内部が冷却されないようになっているので、低温液体Ｚに浸漬している超伝導線材４１の一部分と、気相領域Ｚ３に配置される超伝導線材４１の一部分との間に温度差を形成するために、ヒータ線５から供給される熱量を小さくすることができる。この結果、低温液体用液面計１におけるエネルギー消費量を小さくすることができる。また、ヒータ線５から供給される熱量を極めて小さくすることができるため、低温液体Ｚの液面よりも下方に存在する超伝導線材４１の一部分が常伝導状態となることを防止することができ、正確な液面位置の計測を行うことができる。

以上、本発明に係る低温液体用液面計１の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な構成は上記実施形態に限定されない。例えば、計測部２は、管状体３内に配置されるＮｂ−Ｔｉ（ニオブ−チタン）等の合金から形成された超伝導線材４１からなる液面検知部４を備えているが、超伝導線材４１を形成する合金は、種々の超伝導金属材料を採用することができる。例えば、液体水素の液面を計測する場合には、約３９Ｋ以下の温度において超伝導状態となる二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）から形成された電気抵抗線を好ましく使用することができる。

また、上記実施形態においては、液面検知部４が、Ｎｂ−Ｔｉ（ニオブ−チタン）等の超伝導導体から形成された超伝導線材４１を電気抵抗線として備えるように構成しているが、例えば、超伝導線材４１の代わりに、銅やアルミニウム、白金等の金属材料により形成された直径０．１ｍｍ以下の電気抵抗線を使用してもよい。このような構成であっても、銅線材等の電気抵抗線の電気抵抗値を測定することにより液面の位置を計測することができる。また、超伝導線材４１の代わりに銅線材等の電気抵抗線を使用した場合、低コストで低温液体用液面計１を製造することが可能になる。

また、上記実施形態においては、内管３２と外管３３との間に介在される空隙部３４を真空状態にすることによって真空断熱層を形成しているが、例えば、空隙部３４の内部に、樹脂系の断熱材や無機繊維系の断熱材を挿入することにより、管状体３の内周面と外周面との間に断熱層を介在させるように構成してもよい。

また、上記実施形態においては、内管３２と外管３３との間に密閉状の空隙部３４を形成し、この空隙部３４を真空状態とすることにより、管状体３の内周面と外周面との間に真空断熱層を介在するように構成しているが、例えば、液面を計測する低温液体Ｚが液体水素や液体ヘリウム、液体ネオンのように、その温度が窒素の沸点（約−１９６℃（７７Ｋ））よりも低い温度である場合には、低温液体用液面計１の製造段階において空隙部３４を真空状態にしなくてもよい。なぜなら、窒素の沸点よりも低い温度を有する低温液体Ｚに管状体３を浸漬した場合、その低温液体Ｚによって空隙部３４内に存在する空気を構成する窒素、酸素、アルゴン及び二酸化炭素等は冷却されて固体となり（酸素の沸点は約−１８３℃（９０Ｋ）、アルゴンの沸点は約−１８６℃（８７Ｋ）、二酸化炭素の沸点は約−７８℃）、結果として、空隙部３４内は断熱効果が現れる高い真空度（１×１０^−２Ｐａ以下）を有する真空断熱層となるからである。

また、液面を計測する低温液体Ｚが、液体窒素や液体酸素の場合には、密閉状の空隙部３４内に、窒素や酸素、アルゴン等を吸着する多孔質ガス吸着材を収容することにより、低温液体用液面計１の製造段階において空隙部３４を真空状態にしなくてもよい。多孔質ガス吸着材としては、活性炭、ゼオライトのいずれか、またはその両方からなる複合材を例示することができる。このように、空隙部３４内に多孔質ガス吸着材を収容することにより、空隙部３４内に存在する窒素ガスや酸素ガス、アルゴンガス等のガスを効果的に吸着除去できるため、空隙部３４内の真空度を高めることが可能になり、真空断熱層である空隙部３４の断熱効果を高めることが可能になる。

また、上記実施形態においては、図１に示すように低温液体用液面計１を貯留容器８の内部に配置するように構成しているが、図３の概略構成図に示すように、貯留容器８の内周面と外周面との間に配置される真空断熱室８１ａの内部に低温液体用液面計１を配置してもよい。このような構造を採用する場合、貯留容器８の内部底面と低温液体用液面計１を構成する管状体３の下端部の開口とを第１の配管８５により接続し、貯留容器８内の低温液体Ｚが管状体３の内部に導入可能となるように構成される。また、管状体３の上部には、管状体３の内部空間と貯留容器８内の上方空間とを連通する第２の配管８６が接続される。なお、貯留容器８が有する真空断熱室８１ａが、管状体３の内管３２と外管３３との間に配置される断熱層と同一の作用を奏するため、内管３２と外管３３との間に配置される断熱層を省略するようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る低温液体用液面計の概略構成を示すとともに使用状態を説明する図である。 図１の低温液体用液面計の要部断面図である。 本発明に係る液面計付き貯留容器の概略構成図である。 従来の低温液体用液面計を示す概略構成断面図である。

符号の説明

１ 低温液体用液面計
２ 計測部
３ 管状体
３１ 貫通孔
３２ 内管
３２ａ 内管の内周面（管状体の内周面）
３３ 外管
３３ａ 外管の外周面（管状体の外周面）
３４ 真空断熱層
４ 液面検知部
４１ 電気抵抗線（超伝導線材）
４２，４３ 電流リード線
４４，４５ 電圧リード線
４６，４７ 保持部材
５ ヒータ線
６ 電源
７ 抵抗測定部
８ 貯留容器
８１ａ 真空断熱室
Ｚ 低温液体
Ｚ１ 低温液体用液面計の内部における低温液体の液面
Ｚ２ 低温液体用液面計の外部における低温液体の液面

Claims (8)

1. 貯留容器内に貯留された低温液体の液面位置を計測する低温液体用液面計であって、
   前記貯留容器内に配置され、低温液体が内部に導入される管状体と、
   低温液体と接触するように前記管状体内に配置され、電気抵抗値を測定することにより液面位置が検出される液面検知部とを備え、
   前記管状体の内周面と外周面との間には、断熱層が介在している低温液体用液面計。
2. 前記断熱層は、真空断熱層である請求項１に記載の低温液体用液面計。
3. 前記液面検知部は、電気抵抗線を備える請求項１又は２に記載の低温液体用液面計。
4. 前記電気抵抗線は、超伝導導体により形成されている請求項３に記載の低温液体用液面計。
5. 前記管状体の内周面と外周面との間に介在される密閉状の空隙部を備えており、前記空隙部の内部における空気の少なくとも一部が、前記貯留容器内に貯留された低温液体により冷却されて固化されることにより前記真空断熱層が形成される請求項２に記載の低温液体用液面計。
6. 前記空隙部には、窒素ガス、酸素ガス、アルゴンガスのうちのいずれか１つ、またはその２つ以上を吸着する多孔質ガス吸着材が収容されている請求項５に記載の低温液体用液面計。
7. 前記多孔質ガス吸着材は、活性炭、ゼオライトのいずれか１つ、または両方からなる複合材である請求項６に記載の低温液体用液面計。
8. 内周面と外周面との間に真空断熱室を有する貯留容器内に貯留された低温液体の液面位置を計測する低温液体用液面計を備える液面計付き貯留容器であって、
   前記低温液体用液面計は、前記真空断熱室内に配置され、前記貯留容器から低温液体が内部に導入される管状体と、
   低温液体と接触するように前記管状体内に配置され、電気抵抗値を測定することにより液面位置が検出される液面検知部とを備える液面計付き貯留容器。

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