JP3321460B2

JP3321460B2 - 近臨界流体液面感知センサ

Info

Publication number: JP3321460B2
Application number: JP2000166920A
Authority: JP
Inventors: 勝則篠原; 真佐志花園
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2000-04-03
Filing date: 2000-06-05
Publication date: 2002-09-03
Anticipated expiration: 2020-06-05
Also published as: JP2001349766A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液相と気相との境
界を感知する液面センサに関し、特にヒータと測温素子
とを組み合わせて二酸化炭素やその他の物質の亜臨界状
態を含む臨界点に近い状態にある近臨界流体界面での温
度変化を感知し、近臨界流体の液面を測定するのに好適
な感熱式近臨界流体液面センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】亜臨界や超臨界流体は、液体の特性と気
体の特性を併せ持つ高密度流体である。例えば、二酸化
炭素等の亜臨界流体や超臨界流体は、物体間の隙間に容
易に浸透する特性を持ち、更に溶媒としての特性を持つ
ため、抽出、精製、反応、洗浄等の分野で利用されてい
る。図５は、二酸化炭素の三相状態を示すグラフであ
る。二酸化炭素が或る圧力と温度で臨界点に達し、圧力
または温度の少なくとも何れか一方がそれ以上になる
と、超臨界状態となる。

【０００３】或る物質を亜臨界や超臨界流体とし、その
状態を維持する場合、それらの物質を所要の温度と圧力
の環境下におく必要がある。その環境は、例えば水の場
合圧力が２２．１ＭＰａ（２２５．４Ｋｇｆ／ｃｍ² ）
と比較的圧力が高く、温度も３７４℃以上と高い。一
方、二酸化炭素の場合、必要とする圧力は７．３８ＭＰ
ａ（７５．３Ｋｇｆ／ｃｍ² ）であり、温度は常温より
やや高い３１℃となっている。このように二酸化炭素
は、水に比べて亜臨界状態や超臨界状態で使用するため
の環境下の圧力と温度が共に低いので、比較的使いやす
い。

【０００４】しかしながら、亜臨界流体や超臨界流体と
して比較的使いやすい二酸化炭素であっても、それを亜
臨界流体や超臨界流体として維持しておくためには、圧
力容器が必要であり、その亜臨界流体や超臨界流体を利
用する装置類も全て同等の圧力、温度の環境下に維持し
ておく必要がある。

【０００５】この場合、圧力容器内の二酸化炭素亜臨界
または超臨界流体の量を把握できなければ、残存量が明
らかではなく、従って必要とする亜臨界または超臨界流
体の供給量も明らかでない。そのため、必要に応じて随
時圧力容器内の亜臨界または超臨界流体の量を測定する
必要がある。

【０００６】亜臨界または超臨界流体の流体量を測定す
るには、容器ごと重量を測定する手段が考えられる。し
かし、容器重量は、圧力容器に接続した配管の吊り金具
によって支持される負側の荷重等により、実際の計量結
果と流体量とが一致しないことが多く、これらの点を考
慮しなければならない。そのため、重量測定値を或る程
度校正したとしても、接続配管を通る物によって誤差が
生じるという問題もある。

【０００７】超臨界以外の状態であれば、液面が存在す
るため、この状態で容器内の二酸化炭素の液面を測定し
ておけば、容器内の二酸化炭素の液量が分かる。二酸化
炭素を亜臨界の状態で使用するのであれば、このように
して存在する液位を検知しながら使用できる。また、二
酸化炭素を超臨界の状態で使用する場合でも、亜臨界状
態やその亜臨界状態を含む臨界点に近い近臨界の状態で
液位を測定した後、超臨界状態とすれば、予め容器内の
二酸化炭素の量は分かっているので、反応等の管理もし
やすい。

【０００８】

【発明が解決しようとしている課題】ところが、二酸化
炭素は亜臨界状態を含む近臨界状態において液面を有す
るものの、現実でのその液位の測定は困難なのが現状で
ある。例えば、ガラス管やガラス窓を通しての目視によ
る近臨界流体の液位の測定では、近臨界状態と言って
も、高圧状態にあるため、ガラス管やガラス窓の強度不
足による圧力容器の破損等の問題がある。静電容量式の
レベル測定手段は、近臨界状態にある二酸化炭素も、誘
電率が圧力と温度によって変化するので、静電容量の変
化が温度や圧力による変化であるのか、液位の変化によ
るものであるのか判別することが困難である。電気的な
導通の有無による液位を測定する手段も、近臨界状態に
ある二酸化炭素が導電性を示さないため、使用すること
ができない。超音波により液位を測定する手段も、近臨
界状態にある二酸化炭素は圧力と温度によってその密度
が大きく変化するので、液面から得られる反射波が極め
て不明瞭であり、やはり液面の把握には適さない。液体
の差圧を利用した液位の測定手段も、近臨界状態にある
二酸化炭素の圧力と温度によるその密度の変化により、
液位の存在による差圧を把握することができず、やはり
使用することができない。さらに、フロート式の機械的
な液位測定手段も、近臨界状態にある二酸化炭素の圧力
変動により密度変化が大きく、フロートが上下動するた
め、液位を把握することは困難である。

【０００９】このように、気液２相が存在する二酸化炭
素の近臨界状態でも、二酸化炭素の液位測定が困難であ
り、現実には近臨界状態にある二酸化炭素の液位測定が
行われた事例は無い。

【００１０】本発明は、前記従来の液位測定手段におけ
る課題に鑑み、ヒータと温度測定素子を使用した感熱式
液位測定手段を使用し、確実に近臨界状態にある二酸化
炭素等の液位を測定し、その液量を計測することができ
る感熱式近臨界流体液面センサを提供することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明では、ヒータエレメント１とそのヒータエレ
メント１の外壁面での温度を熱電対等の測温素子２の測
温点１３で測定し、ヒータエレメント１の外壁面におけ
る放熱量の差で液相と気相の境界を検知するものであ
る。そして、近臨界状態にある二酸化炭素等を超臨界状
態に転移させることなく、確実に且つ高感度で液相と気
相の境界を測定するため、ヒータエレメント１の熱流
束、測温素子２の径等を最適な条件に設定したものであ
る。

【００１２】すなわち、本発明による感熱式近臨界流体
液面センサは、近臨界流体が封入される圧力容器１４内
に導入されるヒータエレメント１と、このヒータエレメ
ント１の外壁面の温度を測定する測温点１３を備えた測
温素子２とを有し、前記ヒータエレメント１の熱流束を
０．３Ｗ／ｃｍ²〜２．８Ｗ／ｃｍ²とし、ヒータエレメ
ント１に取り付ける測温素子２の太さをφ３ｍｍ以下と
したことを特徴とするものである。測温素子２として
は、シース熱電対を用いるのがよく、その外径はヒータ
エレメント１の外径の１／７．５以下とするのがよい。

【００１３】前記のようなヒータエレメント１の熱流束
の範囲は、種々の実験の結果決定したもので、近臨界状
態にある二酸化炭素等が超臨界状態に転移せずに、確実
にその液面を検知出来る範囲である。ヒータエレメント
１の熱流束が２．８Ｗ／ｃｍ ²を越えると、ヒータエレ
メント１の表面温度が上昇しすぎるため、その周囲の近
臨界状態にある二酸化炭素等が超臨界状態に変化してし
まい、液面の感知が困難になる。また、ヒータエレメン
ト１の熱流束が０．３Ｗ／ｃｍ² に満たないと、ヒータ
エレメント１の表面温度が殆ど上昇しないため、温度変
化が圧力容器１４内の温度のゆらぎと区別がつかなくな
り、やはり近臨界流体の液面の感知が困難になる。

【００１４】測温素子２の太さは、その表面の放熱量の
関係から、ヒータエレメント１の外面の温度の測定値に
影響を与える。測温素子２の太さがφ３ｍｍを越える
と、ヒータエレメント１の熱流束を２．８Ｗ／ｃｍ²と
しても、測温素子２で測定できる温度上昇値は僅かであ
り、ヒータエレメント１の熱流束を０．３Ｗ／ｃｍ² で
は、測温素子２で測定できる温度上昇値は圧力容器１４
内の温度のゆらぎと殆ど区別がつかなくなる。これと同
じ観点から、測温素子２の径は、ヒータエレメント１の
径の１／７．５以下とする。

【００１５】なお、前述の場合は、近臨界流体が二酸化
炭素の場合であるが、それ以外の近臨界流体の場合は次
のようにして換算する。近臨界流体の熱伝導率をλ、比
重量をρ、比熱をＣｐとし、ヒータエレメント１の表面
における熱流束をＳｄとし、λｘ、ρｘ、Ｃｐｘ、Ｓｄ
ｘは二酸化炭素以外の近臨界流体の物性値と熱流束を示
し、λ_CO2、ρ_CO2、Ｃｐ_CO2、Ｓｄ_CO2は二酸化炭素の物
性値と熱流束をそれぞれ示すものとしたとき、二酸化炭
素以外の近臨界流体における熱流束Ｓｄｘの下限値を、
Ｓｄ_CO2＝０．３Ｗ／ｃｍ²として数２により求める。こ
のとき、数２におけるλｘ、ρｘ、Ｃｐｘ、λ_CO2、ρ
_CO2、Ｃｐ_CO2は、何れも気相の物性値を用いる。他方、
二酸化炭素以外の近臨界流体における熱流束Ｓｄｘの上
限値を、Ｓｄ_CO2＝２．８Ｗ／ｃｍ²として数２により求
める。このとき、数２におけるλｘ、ρｘ、Ｃｐｘ、λ
_CO2、ρ_CO2、Ｃｐ_CO2は、何れも液相の物性値を用い
る。

【００１６】

【数２】

【００１７】前記の二酸化炭素以外の近臨界流体におけ
る熱流束Ｓｄｘの下限値を、気相における熱伝導率、比
重量、比熱をもって二酸化炭素のＳｄ_CO2＝０．３Ｗ／
ｃｍ²に対して換算するのは、気相中で近臨界流体の液
面の有無を検知するための温度変化を得るのに必要最小
限の熱流束を確保するためである。

【００１８】他方、前記の二酸化炭素以外の近臨界流体
における熱流束Ｓｄｘの上限値を、液相における熱伝導
率、比重量、比熱をもって二酸化炭素のＳｄ_CO2＝２．
８Ｗ／ｃｍ²に対して換算するのは、近臨界流体の液相
状態を気相に変化せしめない程度の熱流束を維持する必
要性からである。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１は、本発明による感熱式近臨界流体液面センサの概
略を示しており、この液面センサは図示のようなプロー
ブ状のものとして構成されている。

【００２０】ここでいう「近臨界」とは、図５に示すよ
うに、例えば二酸化炭素が液体の状態であって、且つ臨
界点に近い臨界域にあり、それより温度と圧力または温
度のみの何れかを高めることにより、液相状態にある二
酸化炭素が容易に臨界点を越え、超臨界となり得る状態
の領域を言う。その代表的な状態が亜臨界であり、近臨
界領域は概念のうえで亜臨界状態を含んだ領域である。

【００２１】ヒータエレメント１は、円筒形のヒータケ
ース５の中にヒータ９を収納し、ヒータケース５の先端
をシール部材６で気密に封止したものである。ヒータケ
ース５の中間部には、取り付けネジ３が溶接等の手段で
取り付けられている。ヒータ９のリード線７の先端に
は、電源への接続のため圧着端子１０が取り付けられて
いる。

【００２２】前記ヒータケース５の取り付けネジ３より
基端側にサポート４が取り付けられ、このサポート４に
固定された熱電対等の線状の測温素子２がヒータケース
５の外周の長手方向に沿って添えられ、この測温素子２
の先端の測温点１３が取り付けネジ３を通してヒータケ
ース５の先端側に導入されている。この状態で、取り付
けネジ３は、ヒータケース５の外周に気密に封止されて
いる。

【００２３】取り付けネジ３を通してヒータエレメント
１の先端側に導入された測温素子２の中間部や先端部
は、ケーブル押え１２によりヒータケース５の外周に押
さえられている。ヒータケース５の外周面の縦方向に溝
を設け、この溝に測温素子２を埋め込んでもよい。測温
素子２をヒータケース５の外周面に埋め込むときは、ケ
ーブル押え１２により押さえ込んだり、測温素子２を溝
にカシメたり、ロウ付けしたり、或いは溶接する等して
もよい。

【００２４】さらに、測温素子２の先端の測温点１３
は、ヒータケース５の外周面に密着され、且つケーブル
押え１２で押さえられている。熱電対である測温素子２
は、補償導線８が接続され、この補償導線８には、補償
回路を含む測定回路に接続するための圧着端子１１が取
り付けられている。

【００２５】図１に示した感熱式近臨界流体液面センサ
の例では、ヒータエレメント１に１本の熱電対からなる
測温素子２が取り付けられており、従ってその測温点１
３も一カ所である。前記ヒータエレメント１の熱流束
は、２．８Ｗ／ｃｍ²〜０．３Ｗ／ｃｍ²とし、ヒータエ
レメント１に取り付ける熱電対の太さをφ３ｍｍ以下と
する。また、測温素子２の外径は、ヒータエレメント１
の外径の１／７．５以下とするのがよい。

【００２６】図２は、前記の感熱式近臨界流体液面セン
サを圧力容器１４に取り付け、圧力容器１４内の近臨界
流体液面を感知できるようにした状態を示す。感熱式近
臨界流体液面センサは、近臨界流体を封入する圧力容器
１４に直接取り付けてもよいが、図２に示す例では、フ
ランジ１５を介して圧力容器１４に取り付けた液面検出
部１６に感熱式近臨界流体液面センサを取り付けてい
る。

【００２７】液面検出部１６の側壁には、上下２カ所に
雌ねじを有する円筒形のセンサ取付部１７、１７が突設
され、このセンサ取付部１７、１７から測温素子２、２
の測温点１３、１３を取り付けたヒータエレメント１、
１がそれぞれ挿入され、取り付けネジ３、３がセンサ取
付部１７、１７の雌ネジにねじ込まれている。センサ取
付部１７、１７には、予めＯリング等のガスケット１８
が挿入され、このガスケット１８により、センサ取付部
１７、１７が気密に封止される。このようにして、測温
素子２、２の測温点１３、１３を取り付けたヒータエレ
メント１、１が圧力容器１４に通じた液面検出部１６の
内側に設置される。

【００２８】このようにして感熱式近臨界流体液面セン
サを圧力容器１４に通じた液面検出部１６に取り付けた
状態において、測温素子２、２の測温点１３、１３を取
り付けたヒータエレメント１、１の位置に近臨界流体の
液相が無いとき、ヒータエレメント１が熱を発生するこ
とで、そのヒータケース５、５の外周壁が加熱され、ヒ
ータケース５、５の外周壁は周囲の気相状態の雰囲気温
度（以下、「雰囲気」は気相状態を意味する）よりやや
高い温度に維持される。

【００２９】これに対し、測温素子２、２の測温点１
３、１３を取り付けたヒータエレメント１、１の位置に
近臨界流体の液相が有ると、近臨界流体の液相が無い状
態に比べてヒータエレメント１、１からその周囲に対す
る伝熱係数が異なるため、ヒータエレメント１、１の外
周面の温度が変化し、測温点１３、１３で測定される温
度が違ってくる。

【００３０】より具体的には、近臨界流体の液面が測温
素子２の測温点１３に達し、その測温点１３が近臨界流
体の液相内に入ったとき、測温点１３は、近臨界流体の
液相の温度まで下がる。一方、近臨界流体の液面が下が
り、測温素子２の測温点１３が近臨界流体の液面から出
たとき、測温点１３の温度は、その周囲の雰囲気温度よ
り高くなり、測温素子２による温度測定値が近臨界流体
の液相温度より上昇することになる。

【００３１】このような近臨界流体気液相の伝熱係数の
違いによる測定温度の変化を利用し、上下２つの感熱式
近臨界流体液面センサにおける前記測温素子２の測温点
１３での測定温度の違いにより、近臨界流体の液面の位
置を測定する。すなわち、上下の感熱式近臨界流体液面
センサにおいて、それぞれの測温点１３、１３で測定さ
れる温度が異なっている場合、その間に近臨界流体の液
面があることが分かる。

【００３２】感熱式近臨界流体液面センサにおいて、ヒ
ータエレメント１と測温素子２との太さの関係は、ヒー
タエレメント１と測温素子２との間の伝熱が良好に行
え、且つヒータエレメント１により近臨界流体が加熱さ
れても、ヒータエレメント１の表面で近臨界の状態がそ
のまま維持されることが必要である。

【００３３】ヒータエレメント１の熱流束が２Ｗ／ｃｍ
²のとき、ヒータエレメント１の表面温度はその周囲の
雰囲気温度から７℃程上昇する。ヒータエレメント１の
熱流束が２．８Ｗ／ｃｍ²を越えると、エレメント１の
表面温度はその周囲の雰囲気温度に比べて１０℃以上上
昇する。しかし、エレメント１の表面温度がこの程度上
昇する発熱量があると、ヒータエレメント１の周囲に近
臨界状態の二酸化炭素等がある時、この二酸化炭素等が
超臨界状態に変化してしまい、その液面の感知が出来な
くなる。

【００３４】他方、ヒータエレメント１の熱流束が０．
３Ｗ／ｃｍ²に満たないと、ヒータエレメント１の表面
温度は、その周囲の雰囲気温度より１℃上昇する程度で
ある。圧力容器１４や液面検出部１６内の近臨界流体の
温度のゆらぎは±０．５℃前後であり、このゆらぎの中
で測温素子２により近臨界流体の有無による温度変化を
読み取るのは、これが限界である。

【００３５】さらに、ヒータエレメント１と測温素子２
との接触は、線接触である為、ヒータエレメント１に対
して測温素子２の径が太すぎても、ヒータエレメント１
から測温素子２への伝熱量は同じでも、測温素子２のの
表面積が増える分、測温素子２の表面からの放熱によっ
て測温素子２の測定温度は上昇しない。

【００３６】例えば測温素子２をφ３ｍｍにすると、ヒ
ータエレメント１の径が同じであっても、その熱流束が
２．８Ｗ／ｃｍ²でも測温素子２の測温点１３での測定
温度は、雰囲気中で２．５℃しか上昇しない。ヒータエ
レメント１の熱流束が０．３Ｗ／ｃｍ²に至っては、測
温素子２の測温点１３での測定温度は、雰囲気中で０．
４℃上昇する程度である。この程度の温度上昇では、前
述の近臨界流体の温度ゆらぎの±０．５℃と比較して、
雰囲気中においてヒータエレメント１に取り付けられた
測温素子２で温度変化を読みとることは出来ない。すな
わち、気相と液相の判別が出来ない。従って、測温素子
２の径はφ３ｍｍ以下とし、ヒータエレメント１の径の
１／７．５以下にする必要がある。例えば、ヒータエレ
メント１の径がφ１２ｍｍの場合、測温素子２の太さは
φ１．６ｍｍとなり、熱流束が０．３Ｗ／ｃｍ²でも
０．７℃の上昇は得られ、前述の近臨界流体の温度ゆら
ぎの±０．５℃の中で、何とか雰囲気中においてヒータ
エレメント１に取り付けられた測温素子２で温度変化を
読みとることが出来る。

【００３７】ヒータエレメント１の径はヒータエレメン
ト１自体の温度上昇速度に影響し、太くなる程温度の上
昇が遅く、φ１２ｍｍで定常温度になるまで１分程掛か
る。しかし温度差が２℃もあれば、気液の判別ができる
ので、例えば、熱流束Ｓｄ＝２．０Ｗ／ｃｍ²の時のヒ
ータエレメント１の径がφ１２ｍｍの場合、１０秒位で
確認できる。

【００３８】ヒータエレメント１の太さは、圧力容器１
４の大きさや近臨界流体の単位時間の供給量や排出量に
よって決めればよい。ヒータエレメント１の径をφ１２
ｍｍからφ６．５ｍｍへ細くすると、ヒータエレメント
１の応答性は早くなり１／３．４になる。

【００３９】図３は、本発明による感熱式近臨界流体液
面センサの他の例を示している。この感熱式近臨界流体
液面センサでは、測温素子２を２本使用し、その測温点
１３、１３を、ヒータエレメント１の上下の２箇所に取
り付けている。さらに、ヒータエレメント１の前記測温
点１３、１３の間の部分に、セラミック端子のような、
耐熱性を有し、熱伝導率の小さい熱絶縁部材１９が挿入
されている。これらの構成以外は、図１に示した前記感
熱式近臨界流体液面センサの例と同様である。

【００４０】なお、３カ所以上の測温点１３、１３…
を、ヒータエレメント１の上下の３箇所以上の位置に取
り付けることももちろん可能である。これらの場合も、
ヒータエレメント１の各測温点１３、１３…の間の部分
に、セラミック等の耐熱性を有し、熱伝導率の小さな熱
絶縁部材１９を挿入する。

【００４１】図４は、前記の感熱式近臨界流体液面セン
サを圧力容器１４に取り付け、圧力容器１４内の近臨界
流体液面を感知できるようにした状態を示す。やはり、
この感熱式近臨界流体液面センサも、近臨界流体を封入
する圧力容器１４に直接取り付けてもよいが、図４に示
す例では、フランジ１５を介して圧力容器１４に取り付
けた液面検出部１６に感熱式近臨界流体液面センサを取
り付けている。

【００４２】液面検出部１６の上壁には、雌ねじを有す
る円筒形のセンサ取付部１７が立設され、このセンサ取
付部１７から測温素子２、２の測温点１３、１３を取り
付けたヒータエレメント１が挿入され、取り付けネジ３
がセンサ取付部１７の雌ネジにねじ込まれている。この
ようにして、測温素子２、２の測温点１３、１３を取り
付けたヒータエレメント１が圧力容器１４に通じた液面
検出部１６の内側に設置される。

【００４３】このようにして感熱式近臨界流体液面セン
サを圧力容器１４に通じた液面検出部１６に取り付けた
状態において、測温点１３、１３を取り付けたヒータエ
レメント１、１の位置に近臨界流体の液相が無いとき、
ヒータエレメント１、１が熱を発生することで、そのヒ
ータケース５、５の外周壁が加熱され、ヒータケース
５、５の外周壁は周囲の雰囲気温度よりやや高い温度に
維持される。

【００４４】これに対し、測温素子２、２の測温点１
３、１３の部分に近臨界流体の液相が有ると、近臨界流
体の液相が無い状態に比べてヒータエレメント１から周
囲に伝達される熱量が異なるため、測温点１３、１３で
測定される温度が違ってくる。上下２つの測温点１３、
１３で測定される前記の温度の違いにより、近臨界流体
の液面の位置を測定することができる。すなわち、測温
素子２、２の上下の測温点１３、１３において、それぞ
れの測温点１３、１３で測定される温度が異なっている
場合、その間に近臨界流体の液面があることが分かる。

【００４５】なお、前述の実施形態による感熱式近臨界
流体液面センサは、取り付けネジ３、３により圧力容器
１４の液面検出部１６に取り付けられるが、近臨界流体
液面センサを、フランジを介して圧力容器１４或いはそ
の液面検出部１６に取り付けることもできる。或いはス
ウェージロック、テーパーロック等の気密な嵌め込み構
造の継手により、近臨界流体液面センサを圧力容器１４
或いはその液面検出部１６に取り付けることもできる。

【００４６】さらに、前述の実施形態による感熱式近臨
界流体液面センサでは、近臨界状態にある二酸化炭素の
液位を測定することを中心に説明したが、二酸化炭素以
外の物質、例えば、近臨界状態にあるＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₄、
Ｃ₂Ｈ₆、Ｎ₂Ｏ、Ｃ₃Ｈ₆、ＣＨＣＬＦ₂、Ｃ₃Ｈ₈、ＣＣＬ
₂Ｆ₂、ＮＨ₃、ＣＨ₃ＯＨ、Ｃ₆Ｈ₆、Ｃ₇Ｈ₈、Ｈ₂Ｏ等の
液位の測定に適用することもできる。

【００４７】この場合に、ヒータ出力範囲は、二酸化炭
素を基準として気相と液相での物性値の比率で決定する
方法が適当である。例えば、λを熱伝導率（ｍＷ／ｍ゜
ｋ）、ρを比重量（Ｋｇ／ｍ³）、Ｃｐを比熱（ＫＪ／
Ｋｇ゜ｋ）とすると、ヒータエレメント１の表面におけ
る熱流束Ｓｄは、数１に示す関係にある。但し、数１に
おいて、ｘは測定対象の物質と数値の物性を示し、ＣＯ
₂は、二酸化炭素の物性と数値をそれぞれ示す。

【００４８】

【数３】

【００４９】従って、前記数３において、Ｓｄ_CO2を二
酸化炭素の熱流束の下限値、つまりＳｄ_CO2＝０．３Ｗ
／ｃｍ²として計算したＳｄｘをその二酸化炭素以外の
近臨界流体における熱流束Ｓｄｘの下限値とする。この
場合、熱伝導率、比重量及び比熱は、気相の物性値を使
用する。他方、前記数３において、Ｓｄ_CO2を二酸化炭
素の熱流束の上限値、つまりＳｄ_CO2＝２．８Ｗ／ｃｍ²
として計算したＳｄｘをその二酸化炭素以外の近臨界流
体における熱流束Ｓｄｘの上限値とする。この場合、熱
伝導率、比重量及び比熱は、液相の物性値を使用する。

【００５０】表１は、二酸化炭素ＣＯ₂、エタンＣ
₂Ｈ₄、アンモニアＮＨ₃ 及び水Ｈ₂Ｏの臨界圧力、臨界
温度、熱伝導率λ、比重量ρ、比熱Ｃｐを示す表であ
る。この表から明らかな通り、二酸化炭素の気相におけ
る熱伝導率λ_CO2＝２３．０（ｍＷ／ｍ゜ｋ）、比重量
ρ_CO2＝１２８．５、（Ｋｇ／ｍ³）、比熱Ｃｐ_CO2 ＝
１．０８（ＫＪ／Ｋｇ゜ｋ）であり、λ_CO2・ρ_CO2・Ｃ
ｐ_CO2 ＝５３２０である。また、二酸化炭素の液相にお
ける熱伝導率λ_CO2＝８４．０（ｍＷ／ｍ゜ｋ）、比重
量ρ_CO2＝７３４．１、（Ｋｇ／ｍ³）、比熱Ｃｐ_CO2
＝４．５４（ＫＪ／Ｋｇ゜ｋ）であり、λ_CO2・ρ_CO2・
Ｃｐ_CO2 ＝２７９９５６である。

【００５１】この表１には、二酸化炭素以外の物質の気
相と液相における熱伝導率λｘ、比重量ρｘ、比熱Ｃｐ
ｘが示されており、それらのそれぞれ気相と液相のλｘ
・ρｘ・Ｃｐｘを用い、前記数３において二酸化炭素に
対して換算された熱流束Ｓｄｘの下限値と上限値とを求
めることができる。

【００５２】

【表１】

【００５３】さらに、表２には、他の物質の臨界温度、
臨界圧力及び臨界密度が示されている。これらについて
も、前記の物質と同様にして熱流束Ｓｄｘを求めること
ができる。

【００５４】

【表２】

【００５５】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明による感熱式
近臨界流体液面センサは、ヒータ１と温度測定素子２を
使用した感熱式液位測定手段を使用し、周囲の雰囲気に
影響を与えることなく、確実に近臨界状態にある二酸化
炭素等の液位を測定し、その液量を計測することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による感熱式近臨界流体液面センサの例
を示す半断面側面図である。

【図２】同感熱式近臨界流体液面センサを圧力容器に取
り付けた状態の例を示す部分断面側面図である。

【図３】本発明による感熱式近臨界流体液面センサの他
の例を示す半断面側面図である。

【図４】同感熱式近臨界流体液面センサを圧力容器に取
り付けた状態の例を示す部分断面側面図である。

【図５】二酸化炭素の三相状態を示す温度と圧力の関係
を示すグラフの例である。

【符号の説明】

１ヒータエレメント２測温素子１３測温素子の測温点１４圧力容器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−146118（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−147610（ＪＰ，Ａ) 実開平３−93733（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 23/00 - 25/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】近臨界流体の液面を感知する液面センサ
において、近臨界流体が封入される圧力容器（１４）内
に導入されるヒータエレメント（１）と、このヒータエ
レメント（１）の外壁面の温度を測定する測温点（１
３）を備える測温素子（２）とを有し、前記ヒータエレ
メント（１）の熱流束を０．３Ｗ／ｃｍ ²〜２．８Ｗ／
ｃｍ²とし、ヒータに取り付ける測温素子（２）の太さ
をφ３ｍｍ以下としたことを特徴とする近臨界流体液面
センサ。
【請求項２】近臨界流体の熱伝導率をλ、比重量を
ρ、比熱をＣｐとし、ヒータエレメント１の表面におけ
る熱流束をＳｄとし、λｘ、ρｘ、Ｃｐｘ、Ｓｄｘは二
酸化炭素以外の近臨界流体の物性値と熱流束を示し、λ
_CO2、ρ_CO2、Ｃｐ_CO2、Ｓｄ_CO2は二酸化炭素の物性値と
熱流束をそれぞれ示すものとしたとき、二酸化炭素以外
の近臨界流体における熱流速Ｓｄｘを、Ｓｄ_CO2＝０．
３Ｗ／ｃｍ²として気相の物性値により数１で求めたＳ
ｄｘから、Ｓｄ_CO2＝２．８Ｗ／ｃｍ²として液相の物性
値により数１で求めたＳｄｘまでの範囲とすることを特
徴とする請求項１に記載の近臨界流体液面センサ。【数１】
【請求項３】測温素子（２）がシース熱電対であるこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の近臨界流体液
面センサ。
【請求項４】測温素子（２）の径がヒータエレメント
（１）の径の１／７．５以下とすることを特徴とする請
求項１〜３の何れかに記載の近臨界流体液面センサ。