JP4275556B2 - 容器内の液体の残量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気浮上式鉄道用超電導磁石等の冷却に用いる容器内の液体の残量計測装置に関するものである。

図９は従来の磁気浮上式鉄道用超電導磁石等の冷却に用いる容器内の液体の残量計測装置を示す図である。

この図において、１０１は冷却装置、１０２は冷媒用タンク、１０３は冷媒（液体）、１０４はその冷媒用タンク１０２内の冷媒１０３に浸される超電導コイル、１０５は液面、１０６はその液面１０５の高さを計測する超電導線である。

従来は、このように、磁気浮上式鉄道用超電導磁石などを冷却するために用いている液体窒素（−１９６℃）や液体ヘリウム（−２６９℃）などの冷媒（液体）１０３の、冷媒用タンク１０２内での残量を検出するには、超電導線１０６を用いている。その原理としては、超電導線１０６の冷媒（液体）１０３に浸っている部分は超電導状態、冷媒（液体）１０３に浸っていない（冷媒１０３がガス化している）部分は常電導状態になるため、ヒータ（図示なし）が取り付けられた超電導線１０６の抵抗値を測定し、その測定値から冷媒（液体）１０３の液面１０５の高さを換算して求めるようにしている。

図１０は従来の容器内の液面の高さを測定する超音波距離計の模式図である。

この図において、１１１は容器、１１２はその容器１１１内に収納される液体、１１３はその液面、１１４は送受波器、１１５は受波器である。

この図に示すように、液体１１２の収納された容器１１１内に送受波器（第１の電気−音響変換器）１１４と、この送受波器１１４から所定距離Ｌａを隔てて受波器（第２の電気−音響変換器）１１５を配置し、送受波器１１４から液面１１３に対して略直角に超音波を出射する。次いで、前記送受波器１１４から超音波が出射された時点から該超音波が液面１１３で反射して送受波器１１４および受波器１１５に入射するまでの伝播時間を測定し、前記所定距離Ｌａ及び前記伝播時間の各々から送受波器１１４と液面１１３との距離を求めるようにしている（下記特許文献１参照）。
特開平１１−０８３６００号公報

しかしながら、上記した図９に示す方式では、ヒータが取り付けられた超電導線１０６自体が冷媒（液体）１０３に浸っていることから、測定の際に若干ではあるが熱が伝わることで冷媒（液体）１０３がガス化してしまうといった欠点がある。

また、上記した図１０に示す方式では、測定用の送波器及び受波器１１５とは別に、参照用の送受波器１１４を備える必要があり、コストが上昇し、かつ保守も面倒であるといった問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、構成が簡単であり、保守も容易な容器内の液体の残量計測装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕容器内の液体の残量計測装置において、容器内の液体表面の上部に配置される送波器と、この送波器と所定の距離を隔てて前記容器内の液体表面の上部に配置される受波器と、前記容器内のガス空間の温度分布を下記式（Ａ）に基づいて求めるとともに、該温度分布を考慮して下記式（Ｂ）に基づいて音波の伝播による前記容器の上端から前記容器内の液体表面までの深さを演算し、前記容器内のガス空間の温度分布を考慮して前記送波器と受信器とからの計測情報に基づいて前記容器内の液体表面の距離を求める演算制御装置とを備えることを特徴とする。

〔Ｔは容器内の温度，ａは定数（容器の形状等により決定），ｘは容器の深さ、ｌは音波の伝播による容器の上端から液面までの深さ〕

〔κは等エントロピー指数、Ｒは状態定数、初期条件としてｔ＝０のときｘ＝０，ｔ＝ｔ ₁ のときｘ＝ｌ〕
〔２〕上記〔１〕記載の容器内の液体の残量計測装置において、前記容器の上部と液体表面までの間に温度勾配を持つことを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の容器内の液体の残量計測装置において、前記容器が冷却対象物の冷却用タンクであることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の容器内の液体の残量計測装置において、前記液体が液化ガスであることを特徴とする。

〔５〕上記〔４〕記載の容器内の液体の残量計測装置において、前記液化ガスが液体窒素であることを特徴とする。

〔６〕上記〔４〕記載の容器内の液体の残量計測装置において、前記液化ガスが液体ヘリウムであることを特徴とする。

本発明によれば、簡素な構成で、容器内の液体の残量計測を行うことができる。

容器内の液体の残量計測装置において、容器内の液体表面の上部に配置される送波器と、この送波器と所定の距離を隔てて前記容器内の液体表面の上部に配置される受波器と、前記容器内のガス空間の温度分布を下記式（Ａ）基づいて求めるとともに、該温度分布を考慮して下記式（Ｂ）に基づいて音波の伝播による前記容器の上端から前記容器内の液体表面までの深さを演算し、前記容器内のガス空間の温度分布を考慮して前記送波器と受信器とからの計測情報に基づいて前記容器内の液体表面の距離を求める演算制御装置とを備えることを特徴とする。

〔Ｔは容器内の温度，ａは定数（容器の形状等により決定），ｘは容器の深さ、ｌは音波の伝播による容器の上端から液面までの深さ〕

〔κは等エントロピー指数、Ｒは状態定数、初期条件としてｔ＝０のときｘ＝０，ｔ＝ｔ ₁ のときｘ＝ｌ〕

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す容器内の液体の残量計測装置の模式図である。

この図において、１は容器（デュワー）、２はその容器１内に収納される液体としての液化ガス、３はその液化ガス２の液面、４はその液化ガス２の液面３の上部に配置される送波器、５はその送波器４から所定距離隔てられた位置に配置されるとともに、液化ガス２の液面３の上部に配置される受波器、６は液化ガス２の気化ガス、７はその気化ガス６及び液化ガス２に十分に接触を得るように容器１内に配置される複数の熱電対測温部（接触式測温装置のプローブ）、８は複数の熱電対測温部７に接続される接触式測温装置である。また、１０はコンピュータ（演算制御装置）であり、１１はインタフェース、１２はＣＰＵ（中央処理装置）、１３はメモリである。なお、熱電対測温部７は受動的な素子であるため、これに起因する冷媒のガス化は殆ど生じない。

そこで、送波器４と受波器５からの計測情報（送波器４から超音波が出射された時点から、この超音波が液面３で反射して受波器５に入射するまでの伝播時間）はコンピュータ１０に取り込まれる。また、その際の気化ガス（気体）６中での正確な音速を求めるための参照データとして、複数の熱電対測温部７による接触式測温装置８からの温度情報をコンピュータ１０に取り込むようにする。

このように、送波器４と受波器５からの計測情報に、接触式測温装置８からの参照データを加味して、ＣＰＵ（中央処理装置）１２での演算によって、液面３の高さを求める。

このように構成することにより、従来のように超電導線に電流が流れるために液化ガスが気化するという問題が解決でき、また、参照データを得るために送受波器を配置する必要もなくなる。

次いで、液化ガス２の液面３の高さを求めるためのコンピュータ（演算制御装置）１０に入力すべきデータおよび演算項目について順次説明する。
（１）気体中における音速
Ｐｖ＝ＲＴ（ここで、Ｐ：圧力、ｖ：体積、Ｒ：状態定数、Ｔ：温度、ｃ_v ：定積比熱、ｃ_p ：定圧比熱）
理想気体は、Ｐｖ^γ＝ｃｏｎｓｔ．（γ：比熱比）
実在気体は、Ｐｖ^κ＝ｃｏｎｓｔ．（κ：等エントロピー指数）

理想気体では、γ＝κとなる。

なお、ヘリウムも窒素も、圧力が低く温度が高い領域ではγ＝κとなる。

図２は窒素の等エントロピー指数〔プロパス・グループ１９９０〕を示す図であり、横軸は温度Ｔ〔Ｋ〕、縦軸は等エントロピー指数κを示している。

等エントロピー指数κを用いると音速ｗは以下の式となる（理想気体の場合）。

よって、音速ｗは√Ｔに比例している。

図３は窒素の音速〔プロパス・グループ１９９０〕を示す図である。この図より、１ＭＰａ以下では、窒素の音速はほぼ直線であり、√Ｔに比例していると近似できることが分かる。
（２）熱伝導率
図４は窒素の熱伝導率〔Ｓｔｅｐｈａｎ，Ｋ_.,ｅｔ ａｌ．：ＪＰＣ Ｒｅｆ．Ｄａｔａ，Ｖｏｌ．１６，ｐ．９９３（１９８７）より計算〕を示す図である。

熱伝導率λは、温度Ｔの関数である。一般的に、図４より、圧力が１ＭＰａ以下では、
λ＝λ₀ Ｔ^a …（２）
と近似できることがわかる。なお、定数λ₀ とａは、図４の数値を用いて回帰分析により決定することができる。

ここで、簡単のために、一次元の定常熱伝導問題として考えることとする。

容器１の気化ガス６の部分を、図５のようにモデル化する。この図のように、容器１の上面から下面にかけて座標をとり、ｘ＝０のときの温度ＴをＴ₁ 、ｘ＝ｌのときの温度ＴをＴ₂ とする。熱伝導方程式は、熱量をｑとすると、以下のように記述される。

図６は温度勾配についての説明図である。

ｘ＝０、Ｔ＝Ｔ₁ であるから、

熱量ｑはどこでも同じだと考えると、ｘ＝ｌ、Ｔ＝Ｔ₂ を代入して、

この式（４）と熱伝導方程式（３）を組み合わせて、

この微分方程式を解くと、以下の式（５）になる。

この式（５）をＴの式に変換する。

具体例として、液体窒素が溜められたデュワー（容器）の中の温度分布を計算した。図４に示した窒素の熱伝導率λのグラフから数値を読み取り、前述のように回帰分析によってａを求めると、ａは０．９４８となった。デュワーの上端から深さ０．５ｍ（ｌ＝０．５）のところに液体窒素が存在すると仮定した場合、図７に示したように、深さｘとともに熱伝導率λが変化することにより、温度分布は直線ではなくなることがわかる。
（３）音波の伝播による容器の上端から液面までの深さｌの導出
上記式（１）に上記式（６）を代入する。

ここで、音速ｗ＝ｄｘ／ｄｔとすると、上記式（７）と組み合わせることにより、微分方程式となる。その解は、ｘとｔで表現され、初期条件として、ｔ＝０のときｘ＝０、ｔ＝ｔ_l （測定値）のときｘ＝ｌである。

したがって、得られた方程式はｌのみの非線形方程式となり、数値解法となるがｌを求めることが可能となる。実際には、接触式温度計を用いるなどの事前の計測により校正データ表を作成し、参照データとすることが考えられる。

このようにして得られる温度Ｔ（Ｋ）に対する容器上端からの深さｘ（ｍ）の特性図の一例が図７に示されている。

図８は本発明の実施例を示す冷却対象物の冷却装置に適用した例である。

この図において、２１は冷却対象物の冷却装置、２２は冷媒用タンク、２３は液化ガス（液体窒素や液体ヘリウム）、２４はその冷媒用タンク２２内の液化ガス２３に浸される冷却対象物、２５は液化ガス２３の液面、２６は冷媒用タンク２２の上部に配置される送波器、２７はその送波器２６から所定距離隔てられた位置に配置されるとともに、冷媒用タンク２２の上部に配置される受波器、２８は気化ガス、２９は十分に気化ガス２８及び液化ガス２３と接触を得るように冷媒用タンク２２の垂直方向に配置される複数の熱電対測温部（接触式測温装置のプローブ）、３０は複数の熱電対測温部２９に接続される接触式測温装置である。３１はコンピュータ（演算制御装置）、３２はインタフェース、３３はＣＰＵ（中央処理装置）、３４はメモリである。

このように、本発明では、冷却対象物を冷却するために用いている液体窒素（−１９６℃）や液体ヘリウム（−２６９℃）などの液化ガス２３の、冷媒用タンク２２内での残量を検出するために、送波器２６と受波器２７とによる計測情報と、接触式測温装置３０による参照情報とを用いて、液化ガス２３の液面の高さ（冷媒用タンク２２上面からの深さ）を求める。

なお、液化ガスとしては、液体ネオン、液体アルゴンであってもよい。

また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の容器内の液体の残量計測装置は、冷却対象物の冷却のための液化ガスの、冷媒用タンク内での残量を低コストで、かつ的確に検出する装置として利用可能である。

本発明の実施例を示す容器内の液体の残量計測装置の模式図である。 窒素の等エントロピー指数を示す図である。 窒素の音速を示す図である。 窒素の熱伝導率を示す図である。 容器をモデル化した図である。 温度勾配についての説明図である。 温度Ｔ（Ｋ）に対する深さｘ（ｌ＝０．５）（ｍ）の特性図である。 本発明の実施例を示す冷却対象物の冷却装置の液体の残量計測装置の模式図である。 従来の磁気浮上式鉄道用超電導磁石等の冷却に用いる容器内の液体の残量計測装置を示す図である。 従来の容器内の液面の高さを測定する超音波距離計の模式図である。

１ 容器（デュワー）
２，２３ 液化ガス
３，２５ 液化ガスの液面
４，２６ 送波器
５，２７ 受波器
６，２８ 気化ガス
７ 熱電対測温部（接触式測温装置のプローブ）
８，３０ 接触式測温装置
１０，３１ コンピュータ（演算制御装置）
１１，３２ インタフェース
１２，３３ ＣＰＵ（中央処理装置）
１３，３４ メモリ
２１ 冷却対象物の冷却装置
２２ 冷媒用タンク
２４ 冷却対象物
２９ 複数の熱電対測温部（接触式測温装置のプローブ）

Claims (6)

1. （ａ）容器内の液体表面の上部に配置される送波器と、
   （ｂ）該送波器と所定の距離を隔てて前記容器内の液体表面の上部に配置される受波器と、
   （ｃ）前記容器内のガス空間の温度分布を下記式（Ａ）に基づいて求めるとともに、該温度分布を考慮して下記式（Ｂ）に基づいて音波の伝播による前記容器の上端から前記容器内の液体表面までの深さを演算し、前記容器内のガス空間の温度分布を考慮して前記送波器と受信器とからの計測情報に基づいて前記容器内の液体表面の距離を求める演算制御装置とを備えることを特徴とする容器内の液体の残量計測装置。
   

   

   〔Ｔは容器内の温度，ａは定数（容器の形状等により決定），ｘは容器の深さ、ｌは音波の伝播による容器の上端から液面までの深さ〕
   

   

   〔κは等エントロピー指数、Ｒは状態定数、初期条件としてｔ＝０のときｘ＝０，ｔ＝ｔ ₁ のときｘ＝ｌ〕
2. 請求項１記載の容器内の液体の残量計測装置において、前記容器の上部と液体表面までの間に温度勾配を持つことを特徴とする容器内の液体の残量計測装置。
3. 請求項１又は２記載の容器内の液体の残量計測装置において、前記容器が冷却対象物の冷却用タンクであることを特徴とする容器内の液体の残量計測装置。
4. 請求項１又は２記載の容器内の液体の残量計測装置において、前記液体が液化ガスであることを特徴とする容器内の液体の残量計測装置。
5. 請求項４記載の容器内の液体の残量計測装置において、前記液化ガスが液体窒素であることを特徴とする容器内の液体の残量計測装置。
6. 請求項４記載の容器内の液体の残量計測装置において、前記液化ガスが液体ヘリウムであることを特徴とする容器内の液体の残量計測装置。

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