JP6177051B2 - Solid phase ratio measuring device, cooling system and solid phase ratio measuring method for solid-liquid two-phase fluid - Google Patents
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本発明は、固相成分と液相成分とを含んでなる固液二相流体の固相率測定装置、該固相率測定装置を備える冷却システム、及び、固液二相流体の固相率測定方法の技術分野に関する。 The present invention relates to a solid-phase two-phase fluid solid phase ratio measuring device including a solid phase component and a liquid phase component, a cooling system including the solid phase ratio measuring device, and a solid-liquid two-phase fluid solid phase ratio. The present invention relates to the technical field of measurement methods.
固相成分と液相成分とが混合してなる固液二相流体の一例として、スラッシュ窒素が広く知られている。スラッシュ窒素は微粒化された固体窒素と液体窒素との混合物のスラリーであり、温度が63Kと低く、その流動性の高さから、例えば超電導機器等の冷却システムに適している。特に、超電導機器の一例である超電導送電ケーブルを冷却する場合、冷却ステーションの設置間隔が数kmに及ぶことが想定されるが、数km先のケーブル出口側においても固相成分が残っていれば窒素温度は融解温度である63Kに保たれ、その結果、超電導ケーブルはその能力、すなわち63Kにおける臨界電流値に対応する送電量を維持することができる。 Slush nitrogen is widely known as an example of a solid-liquid two-phase fluid obtained by mixing a solid phase component and a liquid phase component. Slush nitrogen is a slurry of a mixture of atomized solid nitrogen and liquid nitrogen, and has a low temperature of 63 K and is suitable for cooling systems such as superconducting equipment because of its high fluidity. In particular, when cooling a superconducting power transmission cable that is an example of a superconducting device, it is assumed that the installation interval of the cooling station may reach several kilometers, but if a solid phase component remains on the cable outlet side several kilometers away The nitrogen temperature is kept at the melting temperature of 63K, and as a result, the superconducting cable can maintain its capacity, that is, the amount of power transmission corresponding to the critical current value at 63K.
このような固液二相流体における固相成分の割合(すなわち、固相率)は、冷却対象の熱負荷と密接な関係がある(尚、固相率は固体成分の質量割合を示すが、体積と質量の変換は容易にできることから、以下では体積割合を固相率として説明を行うこととする)。そのため、冷却対象の熱負荷が変動する場合には、その変動に応じて固相率を制御することが重要である。このような固相率制御では、基準となる固相率を精度よく検出する必要がある。 The ratio of the solid phase component in this solid-liquid two-phase fluid (that is, the solid phase ratio) is closely related to the heat load of the object to be cooled (the solid phase ratio indicates the mass ratio of the solid component, Since conversion of volume and mass can be easily performed, the following description will be made with the volume ratio as the solid phase ratio). For this reason, when the heat load to be cooled varies, it is important to control the solid phase ratio according to the variation. In such solid phase rate control, it is necessary to detect the solid phase rate as a reference with high accuracy.
この種の固液二相流体の固相率を測定する方法として、固液二相流体における固相成分と液相成分とが互いに異なる比誘電率を有する性質に着目し、固液二相流体に浸漬した一対または複数対の電極で構成されたキャパシタの静電容量の変化に基づいて固相率を測定するものがある。図8は、この種の固相率測定方装置の一例を示す模式図である。この例では、キャパシタCが有する一対の電極31及び32を固液二相流体に浸漬し、LCRメータである検出器35でキャパシタCの静電容量を計測することで、電極31及び32間を占める固液二相流体の比誘電率を評価して固相率を求めることができる。特許文献1では、電極の形状を円筒対平板対円筒として、平板対平板の場合よりも、電極間に固体粒子を入りやすくして測定感度の向上を図っている。
As a method of measuring the solid phase ratio of this kind of solid-liquid two-phase fluid, paying attention to the property that the solid phase component and the liquid phase component in the solid-liquid two-phase fluid have different relative dielectric constants, Some measure the solid phase ratio based on the change in the capacitance of a capacitor composed of a pair or a plurality of pairs of electrodes immersed in the substrate. FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of this type of solid-phase rate measuring apparatus. In this example, a pair of
このように図8ではキャパシタの静電容量をLCRメータなどの検出器35で直接測定しているが、特許文献2では、キャパシタCとコイルLとによって形成された共振回路の共振特性を利用して静電容量Cを計測することが開示されている。特に特許文献2では、固液二相流体に浸漬した共振回路に交流信号を印加し、エコー信号が最大となる共振周波数を求めることで、静電容量Cを算出し、固相率の測定を行っている。
As described above, in FIG. 8, the capacitance of the capacitor is directly measured by the
一般的に、静電容量Cは電極の面積S、電極間の距離L、及び、電極間に存在する物質が有する誘電率εを用いて、
C∝εS/L (1)
と表される。(1)式に示されているように、静電容量Cは電極の面積Sに比例するため、測定感度を向上するためには、電極の面積を大きくすることが好ましい。しかしながら、狭い配管中を流れる固液二相流体の固相率を測定しようとした場合、電極面積を小さくせざるを得ず、微小な静電容量の変化を計測することとなり、十分な測定精度を確保することが困難であるという問題がある。
一方、静電容量Cは電極間の距離Lに反比例するため、固相率の測定精度を向上するためには、電極間の距離Lを小さくすることが好ましい。しかしながら、電極間にスムーズに測定対象である固液二相流体を導くためには、電極間の距離Lを固液二相流体に含まれる固相成分の粒径に比べて十分大きく確保する必要がある。そのため、電極間の距離Lを小さくことによって、測定精度を向上することにも限界がある。狭い配管中で固相率を測定する場合の測定精度の向上は、特許文献1および特許文献2に共通する課題である。
In general, the capacitance C is obtained by using the area S of the electrodes, the distance L between the electrodes, and the dielectric constant ε of the substance existing between the electrodes.
C∝εS / L (1)
It is expressed. As shown in the equation (1), since the capacitance C is proportional to the area S of the electrode, it is preferable to increase the area of the electrode in order to improve measurement sensitivity. However, when trying to measure the solid phase ratio of a solid-liquid two-phase fluid flowing in a narrow pipe, the electrode area must be reduced, and a minute change in capacitance will be measured. There is a problem that it is difficult to ensure.
On the other hand, since the capacitance C is inversely proportional to the distance L between the electrodes, it is preferable to reduce the distance L between the electrodes in order to improve the measurement accuracy of the solid phase ratio. However, in order to smoothly guide the solid-liquid two-phase fluid to be measured between the electrodes, it is necessary to ensure that the distance L between the electrodes is sufficiently larger than the particle size of the solid phase component contained in the solid-liquid two-phase fluid. There is. For this reason, there is a limit to improving the measurement accuracy by reducing the distance L between the electrodes. Improvement of measurement accuracy when measuring the solid phase ratio in a narrow pipe is a problem common to
また特許文献2では、LCRメータは、それぞれの電極間の容量を、電極に接続されたリード線を介して測定しているため、LCRメータの測定値には配線間に生じる浮遊容量が含まれる。この浮遊容量は典型的には数pF程度の大きさを有する。一方、狭い配管内を流れる固液二相流体の固相率を測定するために、キャパシタCを配管内に設置する場合、キャパシタCの電極サイズが制限されるため、その値は数pF〜数十pF程度となる。そのため、測定値における浮遊容量の割合が多く、正確に固相率を計測することが難しいという問題点がある。
In
本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、固液二相流体の固相率を高精度で測定することが可能な固液二相流体の固相率測定装置及び該固相率測定装置を備える冷却システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and a solid-liquid two-phase fluid solid-phase ratio measuring apparatus capable of measuring the solid-phase ratio of a solid-liquid two-phase fluid with high accuracy and the solid-phase ratio. It aims at providing a cooling system provided with a measuring device.
本発明に係る固液二相流体の固相率測定装置は上記課題を解決するために、固相成分及び液相成分を含む固液二相流体の固相率を測定する固液二相流体の固相率測定装置であって、キャパシタ及び該キャパシタに並列に接続される水晶振動子を含む並列回路に対して抵抗器を直列接続してなる測定回路と、前記測定回路に所定周波数を有する交流信号を入力する信号発生器と、前記並列回路の両端および前記抵抗器の両端に接続されたインピーダンス変換器と、該インピーダンス変換器を介して前記並列回路の両端電圧及び前記抵抗器の両端電圧間の位相差を検出する位相差検出器と、前記位相差検出器によって検出した位相差に基づいて、前記固液二相流体の固相率を演算する演算部とを備え、前記演算部は、前記測定回路を前記固液二相流体に浸漬し、前記信号発生器から前記水晶振動子の並列共振周波数を有する交流信号を入力した際に、前記位相差検出器によって検出される位相差に基づいて、前記固液二相流体の固相率を演算することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a solid-liquid two-phase fluid measuring device for measuring a solid phase ratio of a solid-liquid two-phase fluid containing a solid phase component and a liquid phase component is provided. A solid-phase ratio measuring apparatus comprising: a measuring circuit in which a resistor is connected in series to a parallel circuit including a capacitor and a crystal resonator connected in parallel to the capacitor; and the measuring circuit has a predetermined frequency A signal generator for inputting an AC signal, an impedance converter connected to both ends of the parallel circuit and the resistor, a voltage across the parallel circuit and a voltage across the resistor via the impedance converter A phase difference detector that detects a phase difference between the phase difference detector, and a calculation unit that calculates a solid phase ratio of the solid-liquid two-phase fluid based on the phase difference detected by the phase difference detector. The measurement circuit is connected to the solid-liquid two-phase Based on the phase difference detected by the phase difference detector when an AC signal having a parallel resonance frequency of the crystal resonator is input from the signal generator, the solid-liquid two-phase fluid is immersed in a body. The solid phase ratio is calculated.
本発明では、キャパシタ、水晶振動子及び抵抗器からなる測定回路を測定対象である固液二相流体に浸漬し、交流信号を印加したときの位相差を検出することによって、キャパシタの電極間を占める固液二相流体の固相率の変化を、キャパシタの静電容量の変化としてとらえ、固相率を測定することができる。特に測定回路に入力する交流信号の周波数を水晶振動子の並列共振周波数に設定することによって、測定回路における位相差の変化量Δθと静電容量の変化量Δcとの間に次式
Δθ∝Δc (2)
の比例関係が成立する。そのため、演算部において複雑な演算を伴うことなく、精度よく固相率を測定することができる。
またインピーダンス変換器を介して並列回路の両端電圧及び抵抗器の両端電圧間の位相差を検出することによって出力インピーダンスが小さくなるので、位相差検出器側におけるノイズや配線浮遊容量による測定誤差を低減し、良好な測定精度を得ることができる。
In the present invention, a measurement circuit composed of a capacitor, a crystal resonator, and a resistor is immersed in a solid-liquid two-phase fluid to be measured, and a phase difference when an AC signal is applied is detected, so that the gap between the electrodes of the capacitor is The change in the solid phase ratio of the occupied solid-liquid two-phase fluid can be regarded as the change in the capacitance of the capacitor, and the solid phase ratio can be measured. In particular, by setting the frequency of the AC signal input to the measurement circuit to the parallel resonance frequency of the crystal resonator, the following expression Δθ∝Δc is established between the phase difference variation Δθ and the capacitance variation Δc in the measurement circuit. (2)
The proportional relationship is established. Therefore, the solid phase ratio can be accurately measured without complicated calculations in the calculation unit.
In addition, the output impedance is reduced by detecting the phase difference between the voltage across the parallel circuit and the voltage across the resistor via the impedance converter, reducing measurement errors due to noise and wiring stray capacitance on the phase difference detector side. In addition, good measurement accuracy can be obtained.
本発明の一態様では、前記測定回路を前記液相成分のみからなる流体に浸漬し、前記信号発生器から前記水晶振動子の並列共振周波数を有する交流信号を入力した際に、前記位相差検出器によって検出される位相差を基準位相差として予め求めておき、前記演算部は、前記位相差検出器によって検出された位相差の前記基準位相差からの変化量に基づいて、前記固液二相流体の固相率を測定する。
この態様によれば、測定精度の更なる向上のために、液相成分のみからなる流体(すなわち固相率がゼロ)に浸漬した際に得られる位相差を基準位相差θ0として予め求めておき、実際に測定対象とする固液二相流体に測定回路を浸漬した際に得られる位相差θと該基準位相差との間の変化量Δθ(=θ―θ0)に基づいて、上記(2)式により静電容量の変化量Δcを求めて固相率測定を行うことができる。
In one aspect of the present invention, the phase difference detection is performed when the measurement circuit is immersed in a fluid including only the liquid phase component and an AC signal having a parallel resonance frequency of the crystal resonator is input from the signal generator. The phase difference detected by the detector is obtained in advance as a reference phase difference, and the calculation unit is configured to determine the phase difference detected by the phase difference detector based on the amount of change from the reference phase difference. Measure the solid fraction of the phase fluid.
According to this aspect, in order to further improve the measurement accuracy, the phase difference obtained when immersed in a fluid consisting only of the liquid phase component (that is, the solid phase ratio is zero) is obtained in advance as the reference phase difference θ 0. Based on the amount of change Δθ (= θ−θ 0 ) between the phase difference θ obtained when the measurement circuit is actually immersed in the solid-liquid two-phase fluid to be measured and the reference phase difference, The amount of change in capacitance Δc can be obtained by the equation (2), and the solid phase ratio can be measured.
本発明に係る冷却システムは、前記固液二相流体を冷媒として循環する循環回路上に設けられた熱負荷を冷却する冷却システムであって、該循環回路上に、前記固液二相流体を生成する生成装置と、前記生成装置の下流側に設置された請求項1又は2に記載の固液二相流体の固相率測定装置と、前記固相率測定装置の測定値に基づいて前記生成装置の動作状態を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
この冷却システムによれば、上述した固液二相流体の固相率測定装置(上記各種態様を含む)を備えることによって、固液二相流体の生成装置を制御する際に、生成される固液二相流体の固相率をリアルタイムに精度よく把握することができるので、冷却システムの固相率の分布を最適な状態で維持することが可能となる。特に、熱負荷が時間的に変化する場合には循環経路を流れる固液二相流体の固相率も変化することとなるが、本発明に係る固相率測定装置によって固液二相流体の固相率を精度よく把握することで、そのときどきの熱負荷に応じた最適な固相率になるように生成装置を制御して、固液二相流体の特徴を活かした冷却システムを実現することができる。
Cooling system according to the present invention, the solid-liquid two-phase fluid a cooling system for cooling a thermal load is provided on the circulation circuit for circulating a refrigerant, into the circulation times path, the solid-liquid two-phase fluid A generating device to be generated, a solid-phase ratio measuring device for a solid-liquid two-phase fluid according to claim 1 or 2 installed on the downstream side of the generating device, and based on a measurement value of the solid-phase rate measuring device And a control unit that controls an operation state of the generation device.
According to this cooling system, when the solid-liquid two-phase fluid measuring device (including the various aspects described above) is provided, the solid-liquid two-phase fluid generator is controlled when the solid-liquid two-phase fluid generator is controlled. Since the solid phase ratio of the liquid two-phase fluid can be accurately grasped in real time, the distribution of the solid phase ratio of the cooling system can be maintained in an optimum state. In particular, when the thermal load changes with time, the solid phase ratio of the solid-liquid two-phase fluid flowing through the circulation path also changes. However, the solid-liquid two-phase fluid of the present invention is By accurately determining the solid phase ratio, the generator is controlled to achieve the optimal solid phase ratio according to the thermal load at that time, and a cooling system that takes advantage of the characteristics of the solid-liquid two-phase fluid is realized. be able to.
本発明に係る固液二相流体の固相率測定方法は上記課題を解決するために、固相成分及び液相成分を含む固液二相流体の固相率を測定する固液二相流体の固相率測定方法であって、キャパシタ及び該キャパシタに並列に接続される水晶振動子を含む並列回路に対して抵抗器を直列接続してなる測定回路を前記固液二相流体に浸漬する第1の工程と、前記測定回路に前記水晶振動子の並列共振周波数を有する交流信号を入力する第2の工程と、前記並列回路の両端電圧及び前記抵抗器の両端電圧間の位相差を検出する第3の工程と、前記検出した位相差に基づいて、前記固液二相流体の固相率を演算する第4の工程とを備えることを特徴とする。
本発明の一態様では、前記測定回路を前記液相成分のみからなる流体に浸漬し、前記水晶振動子の並列共振周波数を有する交流信号を入力した際の前記位相差を基準位相差として予め求める工程を更に備え、前記第4の工程は、前記第3の工程で求めた位相差の前記基準位相差からの変化量に基づいて、前記固液二相流体の固相率を測定する。
In order to solve the above problems, a solid-liquid two-phase fluid measuring method for measuring a solid-phase ratio of a solid-liquid two-phase fluid including a solid-phase component and a liquid-phase component is provided. A solid phase ratio measuring method for immersing a measuring circuit in which a resistor is connected in series to a parallel circuit including a capacitor and a crystal resonator connected in parallel to the capacitor in the solid-liquid two-phase fluid. A first step, a second step of inputting an AC signal having a parallel resonance frequency of the crystal resonator to the measurement circuit, and detecting a phase difference between the voltage across the parallel circuit and the voltage across the resistor And a fourth step of calculating a solid phase ratio of the solid-liquid two-phase fluid based on the detected phase difference.
In one aspect of the present invention, the phase difference when the measurement circuit is immersed in a fluid composed only of the liquid phase component and an AC signal having a parallel resonance frequency of the crystal resonator is input is obtained in advance as a reference phase difference. The method further includes a step, wherein the fourth step measures the solid phase ratio of the solid-liquid two-phase fluid based on a change amount of the phase difference obtained in the third step from the reference phase difference.
本発明に係る固液二相流体の固相率測定方法は、上述の固相率測定装置(上記各種態様を含む)によって好適に実施することができる。 The solid phase ratio measuring method for a solid-liquid two-phase fluid according to the present invention can be preferably carried out by the above-described solid phase ratio measuring apparatus (including the above-described various aspects).
本発明では、キャパシタ、水晶振動子及び抵抗器からなる測定回路を測定対象である固液二相流体に浸漬し、交流信号を印加したときの位相差を検出することによって、キャパシタの電極間を占める固液二相流体の固相率の変化を、キャパシタの静電容量の変化としてとらえ、固相率を測定することができる。特に測定回路に入力する交流信号の周波数を水晶振動子の並列共振周波数に設定することによって、測定回路における位相差の変化量Δθと静電容量の変化量Δcとの間に比例関係が成立する。そのため、演算部において複雑な演算を伴うことなく、精度よく固相率を測定することができる。
またインピーダンス変換器を介して並列回路の両端電圧及び抵抗器の両端電圧間の位相差を検出することによって出力インピーダンスが小さくなるので、位相差検出器側におけるノイズや配線浮遊容量による測定誤差を低減し、良好な測定精度を得ることができる。
In the present invention, a measurement circuit composed of a capacitor, a crystal resonator, and a resistor is immersed in a solid-liquid two-phase fluid to be measured, and a phase difference when an AC signal is applied is detected, so that the gap between the electrodes of the capacitor is The change in the solid phase ratio of the occupied solid-liquid two-phase fluid can be regarded as the change in the capacitance of the capacitor, and the solid phase ratio can be measured. In particular, by setting the frequency of the AC signal input to the measurement circuit to the parallel resonance frequency of the crystal resonator, a proportional relationship is established between the phase difference variation Δθ and the capacitance variation Δc in the measurement circuit. . Therefore, the solid phase ratio can be accurately measured without complicated calculations in the calculation unit.
In addition, the output impedance is reduced by detecting the phase difference between the voltage across the parallel circuit and the voltage across the resistor via the impedance converter, reducing measurement errors due to noise and wiring stray capacitance on the phase difference detector side. In addition, good measurement accuracy can be obtained.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be exemplarily described in detail with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention only to those unless otherwise specified. This is just an example.
以下の本実施例では固液二相流体として、固相成分である固体窒素と、液相成分である液体窒素とを含んでなるスラッシュ窒素を例に説明することとする。尚、スラッシュ水素などの他の固液二相流体についても、同様に本発明を適用可能であることはいうまでもない。 In the following embodiment, as a solid-liquid two-phase fluid, slash nitrogen including solid nitrogen as a solid phase component and liquid nitrogen as a liquid phase component will be described as an example. Needless to say, the present invention can be similarly applied to other solid-liquid two-phase fluids such as slush hydrogen.
(固相率測定装置)
図1は本実施例に係る固相率測定装置1の全体構成を示す模式図である。
固相率測定装置1は、測定対象であるスラッシュ窒素が貯留された貯留槽2と、該貯留槽2に浸漬された測定回路3と、該測定回路3に交流信号を入力する信号発生器4と、位相差を検出する位相差検出器5と、該位相差検出器5の検出結果に基づいて固相率の演算を行う演算部10と、センサ出力へのノイズや配線浮遊容量による測定誤差を低減するインピーダンス変換器9とを備えて構成されている。
(Solid ratio measurement device)
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a solid phase
The solid phase
測定回路3は、所定の固有振動数を有する水晶振動子SとキャパシタCとが並列接続されてなる並列回路6と、該並列回路6に対して直列接続される抵抗器Rmとを含んで構成されている。信号発生器4は所定周波数を有する交流信号(例えば正弦波)を測定回路3の両端に入力し、位相差検出器5は並列回路6の両端電圧V0と抵抗器Rmの両端電圧V1の位相差θ(すなわち、インピーダンスの偏角)を検出する。
例えば、並列回路6の両端電圧V0と抵抗器Rmの両端電圧V1とをそれぞれ
とすると、その差分ΔVは次式
ただし、
となる。差分信号の振幅A2はA0とA1の値によって依存し、
の場合に最小値
となる。つまり、各信号をアンプ等で増幅し、信号の差分の振幅A2が最小となるように、各増幅率を調整することで、得られる差分信号の振幅は入力信号の振幅と位相差の積となる。位相差の検出は、アンプ利得を調整した場合における、差分信号の最小振幅を計測する簡単なアナログ回路にて実現できる。位相差検出器5では、電圧V0、V1を取り込み、(3)式に基づいて演算することによって位相差θを検出する。
For example, the voltage V 0 across the
Then, the difference ΔV is given by
However,
It becomes. Amplitude A 2 of the difference signal is dependent on the value of A 0 and A 1,
Minimum value in case of
It becomes. That is, by amplifying each signal with an amplifier or the like and adjusting each amplification factor so that the amplitude A 2 of the signal difference is minimized, the amplitude of the obtained difference signal is the product of the amplitude of the input signal and the phase difference. It becomes. The detection of the phase difference can be realized by a simple analog circuit that measures the minimum amplitude of the difference signal when the amplifier gain is adjusted. The
図2は固相率測定装置1を等価回路として表した回路図である。図2では、水晶振動子Sは、インダクタンス成分L1、容量成分C1及び抵抗成分R1が互いに直列接続されてなる直列回路に対してキャパシタC0が並列接続されて表される。また図1に示すように、信号発生器4は配線7a及び7bを介して測定回路3の両端に接続されており、位相差検出器5は配線8a、8bおよびインピーダンス変換器9a、9bを介して、並列回路6の両端及び抵抗器Rmの両端にそれぞれ接続されている。これらの配線7a、7b、8a、8b間には、少なからず浮遊容量が発生する。8a、8b間の配線浮遊容量によるインピーダンスは、測定値に影響を与えるため、信号の増幅が必要となる。そこで、センサの両端にインピーダンス変換器9a、9bを接続し、センサ出力を変換器に入力する。センサの出力インピーダンスを非常に小さくすることで、配線浮遊容量によるインピーダンスを無視できる。インピーダンス変換器は、極低温環境(液体窒素中またはスラッシュ窒素中)で使用されるため、たとえばMOSトランジスタのドレイン共通回路などが使用される。図2では、配線7a、7b間に発生する浮遊容量を信号発生器4に並列接続された容量Cfとして表している。
このようにインピーダンス変換器を用いると配線浮遊容量による影響を低減できるため、インピーダンス変換器9a、9bと位相差を検出する位相差検出器5との間の配線長を長くとることができる。尚、より高い精度を得る場合には、インピーダンス変換器9a、9bと並列回路6および直列抵抗Rmとの間の配線長を極力短くするとよいことは当然である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing the solid phase
When the impedance converter is used in this manner, the influence of the wiring stray capacitance can be reduced, so that the wiring length between the
ここで水晶振動子SのインピーダンスZaは次式
となる。
Here, the impedance Za of the crystal resonator S is expressed by the following equation:
It becomes.
ここで水晶振動子Sの共振周波数は2つあり、それぞれ水晶振動子Sの直列共振周波数fs及び並列共振周波数fpに対応する角周波数ωs、ωpである。各共振角周波数は、
ただし、
である。ωs0を基準角周波数と呼ぶ。
Here there resonance frequency two crystal resonator S, the series resonance frequency f s and the parallel resonance frequency f corresponding to the p angular frequency omega s of each crystal resonator S, is omega p. Each resonance angular frequency is
However,
It is. ω s0 is called a reference angular frequency.
ここで、Zaの偏角は、p、Q、ωs0を用いて、
と整理できる。これは図5(a)に相当する。
Here, the declination of Za uses p, Q, and ωs0 ,
Can be organized. This corresponds to FIG.
ここで回路の並列容量C0→C0(1+Δc)に変化した場合の、インピーダンス偏角
arg(Za’)は
となる。これは図5(c)に相当する。
Here, the impedance deviation angle when the parallel capacitance C 0 → C 0 (1 + Δc) of the circuit is changed.
arg (Za ') is
It becomes. This corresponds to FIG.
(7)式と(8)式の位相差Δθ(ω,Δc)は、
となる。これは、図5(b)に相当する。ただし、(9)式において
とした。
The phase difference Δθ (ω, Δc) between the equations (7) and (8) is
It becomes. This corresponds to FIG. However, in equation (9)
It was.
ここで、
と仮定すると、最終的に(9)式は以下のように近似される。
従って(10)式によれば、キャパシタの静電容量Cが一定である場合(すなわちΔc=0の場合)には位相差θの変化量はΔθ=0であるが、静電容量Cが変化した場合には、その変化量Δcに比例する変化量Δθが生じることとなる。
本実施例に係る固相率測定装置1では、位相差検出器5によって位相差の変化量Δθを検出することによって、(10)式に基づいて、対応する静電容量の変化量Δcを算出する。そして、(1)式で示した静電容量と誘電率との関係に当てはめることによって、静電容量の変化量を更に誘電率εの変化に換算する。スラッシュ窒素の比誘電率εslは、固体窒素の比誘電率εs、液体窒素の比誘電率εl、固相率f(0≦f≦1)とすると、次式
εsl=f×εs+(1−f)×εl (11)
により表される。従って、静電容量の変化量Δcに対応するスラッシュ窒素の誘電率εslの変化量に基づいて、固相率fが求められることとなる。
here,
Assuming that, equation (9) is finally approximated as follows.
Therefore, according to equation (10), when the capacitance C of the capacitor is constant (that is, when Δc = 0), the change amount of the phase difference θ is Δθ = 0, but the capacitance C changes. In this case, a change amount Δθ proportional to the change amount Δc is generated.
In the solid phase
It is represented by Therefore, the solid phase ratio f is obtained based on the amount of change in the dielectric constant ε sl of slush nitrogen corresponding to the amount of change Δc in capacitance.
続いて、このような固相率測定装置1を用いてスラッシュ窒素の固相率を測定する手順について、具体的に説明する。
(キャリブレーション)
はじめに固相率測定を行う前提として、基準点となる固相率f=0のスラッシュ窒素(すなわち液体窒素)を用いてキャリブレーションを行う。キャリブレーションでは、貯留槽2にスラッシュ窒素に代えて液体窒素(固相率f=0)を充填し、測定回路3を浸漬する。そして、信号発生器4から所定周波数を有する交流信号を入力した後、位相差検出器5にて位相差θの検出を行う。
Subsequently, the procedure for measuring the solid fraction of slush nitrogen using such a solid
(Calibration)
First, as a premise for performing solid phase ratio measurement, calibration is performed using slush nitrogen (that is, liquid nitrogen) having a solid phase ratio f = 0 as a reference point. In the calibration, the
ここで図3はキャリブレーションの際に液体窒素に浸漬された測定回路3に対する入力周波数と位相差検出器5によって検出される位相差(インピーダンス偏角)θとの関係を示すグラフである。尚、図3では横軸は、水晶振動子Sの基準周波数fs0で正規化した周波数を示している。
信号発生器4から入力される交流信号の周波数を変化させていくと、水晶振動子Sの並列共振周波数fpにおいて位相差θがゼロとなる。キャリブレーションでは、このように水晶振動子Sの並列共振周波数fpにおける位相差θがゼロとなるという特性に基づいて、基準位相差がゼロであることを確認する。
Here, FIG. 3 is a graph showing the relationship between the input frequency to the
As you changing the frequency of the alternating current signal inputted from the
しかしながら実際の測定では、測定環境条件(温度や圧力)や、配線間の浮遊容量Cfの影響のような様々な要因によって、基準位相差がゼロからずれている場合がある。キャリブレーションでは、固相率f=0の液体窒素を用いて、このような基準位相差のずれを補正することで、測定精度を向上することができる。位相θのずれを補正する具体的な方法としては、例えば信号発生器4の周波数微調整などが挙げられるが、これに限られない。
However, in actual measurement, and measurement environment conditions (temperature and pressure), by a variety of factors such as the influence of the stray capacitance C f between the wires, the reference phase difference in some cases deviates from zero. In calibration, the measurement accuracy can be improved by correcting such a shift in the reference phase difference using liquid nitrogen having a solid phase ratio f = 0. A specific method for correcting the shift of the phase θ includes, for example, fine frequency adjustment of the
(固相率測定)
キャリブレーションを行った後、貯留槽2に測定対象となる固相率f(>0)のスラッシュ窒素を充填し、測定回路3を浸漬する。そして、上述のキャリブレーションと同様に、信号発生器4から所定周波数を有する交流信号を入力した後、位相差検出器5にて位相差θの検出を行う。
(Solid fraction measurement)
After calibration, the
図4は(a)固相率f=0.1のスラッシュ窒素に浸漬された測定回路3に対する入力周波数と位相差検出器5によって検出される位相差(インピーダンス偏角)θとの関係と、(b)固相率f=0の場合(図3を参照)との位相差の変化量Δθを併せて示すグラフである。また、図5は図4の並列共振周波数fp近傍を拡大して示したものであり、それぞれ(a)固相率f=0.1の場合、(c)固相率f=0の場合における、入力周波数に対して位相差検出器5によって検出される位相差θ、また、(b)は固相率がf=0からf=0.1に変化した場合の、位相差の変化量Δθを示している。
FIG. 4 shows (a) the relationship between the input frequency to the
固相率f>0の場合、信号発生器4から入力される交流信号の周波数を変化させていくと、直列共振周波数fsでは固相率f=0の場合と同様に位相差θがゼロとなるが、並列共振周波数fpでは位相差θがゼロからずれた値を示す。これは、図4に示すΔθが並列共振周波数fp近傍で大きなピークを示していることからも明らかである。これは、固相率fが0→0.1に変化することによって静電容量C0がΔcだけ変化したとすると、上記(11)式に示すように、該変化量Δcに比例する位相差の変化量Δθが現れることを反映したものである。固相率と位相差の変化量の例を図6に示す。
When the solid phase ratio f> 0, when the frequency of the AC signal input from the
つまり、本実施例に係る固相率測定装置1では、固相率fを0→0.1に変化させた場合には、信号発生器4から出力される交流信号の周波数を並列共振周波数fpに設定すると共に、演算部10において、位相差検出器5によって測定した位相差θの変化量Δθを求めることで、(10)式から静電容量の変化量Δcが得られる。演算部10ではこのように求めた静電容量の変化量Δcに基づいて、固液二相流体の固相率が求められる。
That is, in the solid phase
このように固相率測定装置1で固相率を測定する際には、信号発生器4の出力周波数は水晶振動子Sの並列共振周波数fpに設定されることとなる。一方、測定周波数が並列共振周波数fpからずれた場合、固相率の測定感度が低下するため、測定周波数は並列共振周波数fpからある一定の許容範囲内に収める必要がある。
周波数と測定感度との関係は、予め想定される静電容量の変化量Δcと、位相差検出器5の最小分解能(すなわち、検出可能な最小位相の大きさ)θqに基づいて規定することができる。
例えば、(10)式は、周波数ω=ωαのときに位相変化量が最大値Δθmaxとなり、その値は次式であらわされる。
静電容量がΔc変化した場合に、そのときの位相変化量がθqを超えている必要があるが、その条件を満たす運転周波数の範囲は、
となる。すなわち、信号発生器4の出力周波数を(12)式を満たす範囲に設定すれば、十分な測定感度を得ることができる。
Thus in measuring the solid fraction in a solid phase
The relationship between the frequency and the measurement sensitivity should be defined based on the expected change amount Δc of the capacitance and the minimum resolution (that is, the minimum detectable phase) θ q of the
For example, (10), the phase change amount when the frequency omega = omega alpha is the maximum value Δθmax next, its value is expressed by the following equation.
When the capacitance changes by Δc, the amount of phase change at that time needs to exceed θ q .
It becomes. That is, if the output frequency of the
(冷却システム)
続いて、上記固相率測定装置を備えた冷却システムについて説明する。本実施例に係る冷却システムは、超電導ケーブルなどの熱負荷に対して固液二相流体であるスラッシュ窒素を循環供給することで冷却を行うものであり、図7にその全体構成を模式的に示す。
(Cooling system)
Then, the cooling system provided with the said solid-phase-ratio measuring apparatus is demonstrated. The cooling system according to this embodiment performs cooling by circulating and supplying slush nitrogen, which is a solid-liquid two-phase fluid, to a thermal load such as a superconducting cable. FIG. 7 schematically shows the overall configuration. Show.
冷却システム100は冷媒であるスラッシュ窒素が循環する循環経路110を有しており、該循環経路110上には上流側からスラッシュ窒素を圧送するための循環ポンプ120と、スラッシュ窒素を生成する生成装置130と、熱負荷である超電導ケーブル140とが設けられている。生成装置130は、外部からの熱侵入を防止しつつ循環経路110を流れるスラッシュ窒素を貯留する真空断熱容器131と、冷凍機136で冷却された冷媒が導入されることにより、真空断熱容器131内に貯留されたスラッシュ窒素と熱交換を行う流体凝固用熱交換器132と、外部電力で動作するモータ133を軸134を介して接続して駆動されることにより流体凝固用熱交換器132によって凝固して形成された固体窒素を微粒化および攪拌するための熱交換器表面掻き取り羽根135とを備えて構成されている。上述した固相率測定装置1は、真空断熱容器131の出口近傍に設置されており、特に、静電容量Cを構成する一対の電極が出口配管の入口に位置するように設置されている。これにより、生成装置130によって生成されたスラッシュ窒素の固相率がリアルタイムにモニタできるようになっている。
The
コントローラ160は冷却システム100の制御ユニットであり、固相率測定装置1から測定した固相率データを取得し、その取得値が予め設定された目標値になるように、冷凍機136の冷凍能力やモータ133の動作等を制御することで、循環経路110を流れるスラッシュ窒素の固相率を適切に維持する。
本実施例に係る冷却システム100では、上述した固相率測定装置を用いることによって、生成装置130の制御に用いられるスラッシュ窒素の固相率を精度よく測定することができるので、超電導ケーブル140の熱負荷状態に応じた最適な制御を行うことができる。特に超電導送電ケーブルのように熱負荷が時間的に変化する場合には、循環経路110を流れるスラッシュ窒素の固相率が逐次変化する。このような場合においても、固相率測定装置1によって正確に固相率をリアルタイムで精度よく測定することで、生成装置130を制御によって冷却システムの最適な固相率分布を維持し、超電導送電ケーブル140の固液二相流体の特性を活かした冷却と安定な運用を行うことができる。
The
In the
本発明は、固相成分と液相成分とを含んでなる固液二相流体の固相率測定装置、該固相率測定装置を備える冷却システム、及び、固液二相流体の固相率測定方法に利用可能である。 The present invention relates to a solid-phase two-phase fluid solid phase ratio measuring device including a solid phase component and a liquid phase component, a cooling system including the solid phase ratio measuring device, and a solid-liquid two-phase fluid solid phase ratio. It can be used for the measurement method.
1 固相率測定装置
2 貯留槽
3 測定回路
4 信号発生器
5 位相差検出器
6 並列回路
9 インピーダンス変換器
10 演算部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
キャパシタ及び該キャパシタに並列に接続される水晶振動子を含む並列回路に対して抵抗器を直列接続してなる測定回路と、
前記測定回路に所定周波数を有する交流信号を入力する信号発生器と、
前記並列回路の両端および前記抵抗器の両端に接続されたインピーダンス変換器と、
前記並列回路の両端電圧及び前記抵抗器の両端電圧間の位相差を検出する位相差検出器と、
前記位相差検出器によって検出した位相差に基づいて、前記固液二相流体の固相率を演算する演算部と
を備え、
前記演算部は、前記測定回路を前記固液二相流体に浸漬し、前記信号発生器から前記水晶振動子の並列共振周波数を有する交流信号を入力した際に、前記位相差検出器によって検出される位相差に基づいて、前記固液二相流体の固相率を演算することを特徴とする固液二相流体の固相率測定装置。 A solid-liquid two-phase fluid solid phase ratio measuring device for measuring a solid-phase ratio of a solid-liquid two-phase fluid containing a solid phase component and a liquid phase component,
A measurement circuit formed by connecting a resistor in series to a parallel circuit including a capacitor and a crystal resonator connected in parallel to the capacitor;
A signal generator for inputting an AC signal having a predetermined frequency to the measurement circuit;
An impedance converter connected to both ends of the parallel circuit and to both ends of the resistor;
A phase difference detector for detecting a phase difference between the voltage across the parallel circuit and the voltage across the resistor;
Based on the phase difference detected by the phase difference detector, comprising a calculation unit for calculating the solid phase ratio of the solid-liquid two-phase fluid,
The calculation unit is detected by the phase difference detector when the measurement circuit is immersed in the solid-liquid two-phase fluid and an AC signal having a parallel resonance frequency of the crystal resonator is input from the signal generator. A solid-phase ratio measurement apparatus for a solid-liquid two-phase fluid, wherein the solid-phase ratio of the solid-liquid two-phase fluid is calculated based on the phase difference.
前記演算部は、前記位相差検出器によって検出された位相差の前記基準位相差からの変化量に基づいて、前記固液二相流体の固相率を測定することを特徴とする請求項1に記載の固液二相流体の固相率測定装置。 A phase difference detected by the phase difference detector when the measurement circuit is immersed in a fluid composed of only the liquid phase component and an AC signal having a parallel resonance frequency of the crystal resonator is input from the signal generator. Is determined in advance as a reference phase difference,
The said calculating part measures the solid-phase rate of the said solid-liquid two-phase fluid based on the variation | change_quantity from the said reference | standard phase difference of the phase difference detected by the said phase difference detector. The solid-phase ratio measuring apparatus of the solid-liquid two-phase fluid described in 1.
該循環回路上に、
前記固液二相流体を生成する生成装置と、
前記生成装置の下流側に設置された請求項1又は2に記載の固液二相流体の固相率測定装置と、
前記固相率測定装置の測定値に基づいて前記生成装置の動作状態を制御する制御部と
を備えることを特徴とする冷却システム。 A cooling system for cooling a heat load provided on a circulation circuit that circulates the solid-liquid two-phase fluid as a refrigerant,
In the circulation times the street,
A generating device for generating the solid-liquid two-phase fluid;
The solid-liquid two-phase fluid solid phase ratio measuring device according to claim 1 or 2 installed downstream of the generating device;
A cooling system comprising: a control unit that controls an operation state of the generating device based on a measurement value of the solid phase ratio measuring device.
キャパシタ及び該キャパシタに並列に接続される水晶振動子を含む並列回路に対して抵抗器を直列接続してなる測定回路を前記固液二相流体に浸漬する第1の工程と、
前記測定回路に前記水晶振動子の並列共振周波数を有する交流信号を入力する第2の工程と、
前記並列回路の両端電圧及び前記抵抗器の両端電圧間の位相差を検出する第3の工程と、
前記検出した位相差に基づいて、前記固液二相流体の固相率を演算する第4の工程と
を備えることを特徴とする固液二相流体の固相率測定方法。 A solid-liquid two-phase fluid phase ratio measurement method for measuring a solid-phase ratio of a solid-liquid two-phase fluid containing a solid phase component and a liquid phase component,
A first step of immersing a measurement circuit formed by connecting a resistor in series with a parallel circuit including a capacitor and a crystal resonator connected in parallel to the capacitor in the solid-liquid two-phase fluid;
A second step of inputting an AC signal having a parallel resonance frequency of the crystal resonator to the measurement circuit;
A third step of detecting a phase difference between the voltage across the parallel circuit and the voltage across the resistor;
And a fourth step of calculating a solid phase ratio of the solid-liquid two-phase fluid based on the detected phase difference.
前記第4の工程は、前記第3の工程で求めた位相差の前記基準位相差からの変化量に基づいて、前記固液二相流体の固相率を測定することを特徴とする請求項4に記載の固液二相流体の固相率測定方法。 The step of immersing the measurement circuit in a fluid composed only of the liquid phase component, and further obtaining in advance the phase difference when an AC signal having a parallel resonance frequency of the crystal resonator is input as a reference phase difference,
The fourth step is characterized in that the solid phase ratio of the solid-liquid two-phase fluid is measured based on a change amount of the phase difference obtained in the third step from the reference phase difference. 5. A method for measuring a solid phase ratio of a solid-liquid two-phase fluid according to 4.
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