JP6247044B2 - 二相流体の固相率計測装置及び冷却システム - Google Patents
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Description
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、電極の面積が大きいことが好ましい。しかしながら、特許文献1では平板形状の電極を用いているため、狭い配管中を流れる二相流体の固相率を測定しようとした場合、電極面積が狭くならざるを得ず、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。
を満たす。
二相流体に含まれる固相成分の分布が径方向にバラツキを有している場合、厳密には、その分布に応じてキャパシタの静電容量も変化する。この態様では、キャパシタを構成する電極の径を上記(2)を満足するように設計することにより、固相成分の径方向分布に起因する静電容量のバラツキを実質的に無視する(測定許容誤差αより小さくする)ことができる。そのため、不均一な二相流体に対しても、固相率を精度よく測定することができる。
この態様によれば、各キャパシタを構成する電極の長さを、電極間の距離の10倍以上に設定することで、電極の端部におけるエッジ効果を実質的に無視することができ、精度のよい固相率測定が可能となる。
r2/r1=r3/r2 (3)
を満たす。
この態様によれば、第1のキャパシタの静電容量及び第2のキャパシタの静電容量を互いに等しく構成することができ、キャパシタらを流れる固相成分の分岐比が変わっても固相率計の総静電容量は変わらないようになる。
この態様によれば、固相率測定装置の上流側にフィルタを設けることによって、装置に導入される固相成分の粒径を揃えることができるので、各静電容量における測定精度を効果的に向上させることができる。
この冷却システムによれば、上述した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、生成装置の制御精度を向上し、熱負荷の効率的な冷却が可能となる。特に、熱負荷が時間的に変化することによって循環経路を流れる二相流体の固相率が変化する場合であっても、固相率測定装置の測定結果に応じて生成装置の動作状態を制御して、熱負荷に最適な固相率を維持することができる。
を備え、前記M個の円筒電極の半径r1、r2、・・・、rM-1、rMは次式
r2/r1=r3/r2=・・・=rM /rM-1
を満たすように設定されていることを特徴としてもよい。
この場合、前記キャパシタにおいて、内側に配置された電極の半径r1、及び、外側に配置された電極の半径r2は、前記二相流体における固相成分の偏在割合η、測定許容誤差α、前記二相流体の固相率f、前記固相成分の比誘電率εs、及び、前記液相成分の比誘電率εlを用いて、次式
を満たすように設定されているとよい。
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図1で矢印で示す向きに流れる配管2内に設置された固相率計(静電容量C)と、該固相率計に接続された測定器10とを含んで構成されている。固相率計は、スラッシュ窒素の流れ方向に沿って延在するように設けられた中心電極3及び該中心電極3の外周側に同心に設けられた第1の円筒電極4から構成される第1のキャパシタ(静電容量CA)と、前記第1の円筒電極4及び該第1の円筒電極4の更に外側に同心に設けられた第2の円筒電極5から構成される第2のキャパシタ(静電容量CB)とが並列に設けられるように構成されている。測定器10は、静電容量Cを計測可能な機器(例えばLCRメータ)であり、固相率計を構成する各電極に配線を介して接続されている。
CA,0=2πLε0/ln(r2/r1) (4−1)
CB,0=2πLε0/ln(r3/r2) (4−2)
で表される(ここでε0(=8.85×10−12F/m)は真空の誘電率である)。従って、真空中の静電容量C0は
C0=CA,0+CB,0 (5)
となる。
r3/r2=r2/r1 (6)
を満たすように設計されている。この場合、キャパシタの数をn(=2)とすると、C0は次式
C0=n×2πε0L/ln(r2/r1) (7)
と表される。
εsl=f×εs+(1−f)×εl (8)
により表されので、スラッシュ窒素に浸漬された静電容量Cは、
C = C0 ε sl (9)
となる。
Δεsl=εsl(f=0.1)−εsl(f=0) (10)
により得られる。本実施例では静電容量をLCRメータなどの測定器10を用いて測定するが、その際、電源ノイズや外部ノイズのような測定ノイズの影響を少なからず受けることとなる。ここで測定ノイズの大きさをNとすると、比誘電率εslの変化量Δεslを測定するために必要な測定感度(C0)を得るためには、次式
C0×Δεsl>N (11)
を満足すればよいこととなる。
C0>7.84pF (11´)
となる。すなわち、スラッシュ窒素の10%の固相率変化を測定するためには、各電極の半径r1、r2、r3を(6)と(11´)式を満たすように設計すればよいこととなる。
により得られるので、第1の静電容量CA,uは
と求められる。
により得られるので、第1の静電容量CA,dは
と求められる。
と求められる。このように求められた差異ΔA duは固相成分の分布の違いによって静電容量の測定値に現れる最大誤差の大きさを表しているため、このような誤差を十分小さくするためには、測定許容誤差をαとすると、ΔA du<αから次の上限式
を満足すればよい。すなわち、(17)式を満たすように第1のキャパシタを構成する電極の半径r1及びr2を設計することで、固相成分の分布の違いに起因する測定誤差を実質的に無視することができるようになるので、高精度な固相率測定が可能となる。
配管2は5000m級の高温超電導ケーブルの冷却システムに用いられ、該配管2を流れるスラッシュ窒素は、入口において通常運転時は流速0.35m/s(30l/min)、圧力1.06MPa、温度63.38K、固相率20%であり、出口において圧力0.3MPa、温度81.1Kになる条件下にあるとし、固体窒素の比誘電率はεs=1.520、液体窒素の比誘電率はεl=1.469であるとする。また、測定対象であるスラッシュ窒素の固体相成分の偏在割合がη=0.1f(すなわち、固相率の10%)であるとする。検出器10の測定値に含まれる測定ノイズをN=±0.02pF(大きさ=0.04pF)とし、最小測定感度をα=0.1(すなわち、測定値の10%)とする。
となり、第1と第2のキャパシタにおける半径比は、それぞれ次式
r2/r1=r3/r2≦1.625 (18)
として得られる。図4は(18)式を満たす設計例の具体的構成を示している。この設計例では、より実際の設計例に近づけるために、第1の円筒電極4及び第2の円筒電極5はそれぞれ厚みt=1mmを有するとして計算しており(すなわち、第1の円筒電極4の内径比はr2/r1として、第1の円筒電極4の厚みtが加わった場合の第2の円筒電極5の内径比はr3/(r2+t)として求めた)、r1=2.9mmとして、各円筒内径をr2=4.6mm、r3=9mmと設定している。
尚、支持部材20は固相率計に導かれる二相流体の流れを妨げないように、固相率計の強度を十分に確保できる範囲内で、二相流体の流れ方向から見て極力面積が少なくなるように構成するとよい。
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6にその全体構成を模式的に示す。
但、本スラッシュ窒素の生成方法は一例を示したものであり、例えば、本出願人の先行技術である特許第4346037号などの方法もある。
図8は変形例に係る冷却システム100における固相率測定装置1の近傍を部分的に拡大して示したものである。変形例では、固相率測定装置1の上流側(すなわち、生成装置140との間)の配管2に、生成装置140で生成されたスラッシュ窒素に含まれる固体窒素の粒径を揃えるためのフィルタ160が設けられている。
本変形例では、生成装置140によって生成される固体窒素の粒径に少なからずバラツキがあることを考慮して、固相率測定装置の上流側にフィルタ160を設けている。これにより、配管2内に設置された静電容量に導入されるスラッシュ窒素に含まれる固体窒素の粒径を揃えることができるので、各静電容量における測定精度を効果的に向上させることができる。
2 配管
3 中心電極
4 第1の円筒電極
5 第2の円筒電極
10 測定器
20 支持部材
100 冷却システム
110 循環経路
140 生成装置
150 コントローラ
Claims (7)
- 固相成分及び液相成分を含む二相流体の固相率を測定する二相流体の固相率測定装置であって、
前記二相流体の流れ方向に沿って延在するように配設された中心電極と、
該中心電極の外周側に同心に設けられた第1の円筒電極と、
該第1の円筒電極の外周側に同心に設けられ、且つ、前記第1の円筒電極に比べて大径に形成された第2の円筒電極と、
前記中心電極及び前記第1の円筒電極によって形成される第1のキャパシタの静電容量、並びに、前記第1の円筒電極及び前記第2の円筒電極によって形成される第2のキャパシタの静電容量をそれぞれ検出することにより、前記二相流体の固相率を測定する測定部と
を備え、
前記中心電極の半径r 1 、前記第1の円筒電極の半径r 2 、及び、前記第2の円筒電極の半径r 3 は、次式
r 2 /r 1 =r 3 /r 2
を満たすことを特徴とする二相流体の固相率測定装置。 - 固相成分及び液相成分を含む二相流体の固相率を測定する二相流体の固相率測定装置であって、
前記二相流体の流れ方向に沿って延在するように配設された中心電極と、
該中心電極の外周側に同心に設けられた第1の円筒電極と、
該第1の円筒電極の外周側に同心に設けられ、且つ、前記第1の円筒電極に比べて大径に形成された第2の円筒電極と、
前記中心電極及び前記第1の円筒電極によって形成される第1のキャパシタの静電容量、並びに、前記第1の円筒電極及び前記第2の円筒電極によって形成される第2のキャパシタの静電容量をそれぞれ検出することにより、前記二相流体の固相率を測定する測定部と
を備え、
前記第1のキャパシタ及び前記第2のキャパシタの各々において、内側に配置された電極の半径r1、及び、外側に配置された電極の半径r2は、前記二相流体における固相成分の偏在割合η、測定許容誤差α、前記二相流体の固相率f、前記固相成分の比誘電率εs、及び、前記液相成分の比誘電率εlを用いて、次式
を満たすことを特徴とする二相流体の固相率測定装置。 - 前記第1のキャパシタ及び前記第2のキャパシタの前記二相流体の流れ方向に沿った長さは、それぞれの電極間距離の10倍以上に設定されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の二相流体の固相率測定装置。
- 前記第1のキャパシタ及び前記第2のキャパシタの上流側に、前記二相流体に含まれる固相成分の粒径を揃えるフィルタを備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の二相流体の固相率測定装置。
- 前記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、
該循環経路上に、
前記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から4のいずれか一項に記載の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。 - 固相成分及び液相成分を含む二相流体の固相率を測定する二相流体の固相率測定装置であって、
前記二相流体の流れ方向に沿って延在するように配設された中心電極と、
前記中心電極の外周側に、互いに異なる半径を有すると共に同心配置されたM(Mは3以上の自然数)個の円筒電極と、
前記M個の円筒電極のうち互いに隣り合う電極間に形成されるキャパシタの静電容量をそれぞれ検出することにより、前記二相流体の固相率を測定する測定部と
を備え、
前記M個の円筒電極の半径r1、r2、・・・、rM-1、rMは次式
r2/r1=r3/r2=・・・=rM /rM-1
を満たすように設定されていることを特徴とする二相流体の固相率測定装置。 - 固相成分及び液相成分を含む二相流体の固相率を測定する二相流体の固相率測定装置であって、
前記二相流体の流れ方向に沿って延在するように配設された中心電極と、
前記中心電極の外周側に、互いに異なる半径を有すると共に同心配置されたM(Mは3以上の自然数)個の円筒電極と、
前記M個の円筒電極のうち互いに隣り合う電極間に形成されるキャパシタの静電容量をそれぞれ検出することにより、前記二相流体の固相率を測定する測定部と
を備え、
前記キャパシタにおいて、内側に配置された電極の半径r1、及び、外側に配置された電極の半径r2は、前記二相流体における固相成分の偏在割合η、測定許容誤差α、前記二相流体の固相率f、前記固相成分の比誘電率εs、及び、前記液相成分の比誘電率εlを用いて、次式
を満たすことを特徴とする二相流体の固相率測定装置。
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