JP7843494B2 - 液体水素用の液面計及び液位測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば液体水素用に用いて好適な、液面計及び液位測定方法に関する。

クリーンエネルギーである水素の利用が、第６次エネルギー基本計画の基本方針の一つとして盛り込まれた。水素の輸送や貯蔵の際には、気体に比べ密度が１／８００となる液体状態での利用が想定されている。その際、断熱構造を有する容器内にある液体水素の容量を精密に計測し把握することは、水素利用には欠かせない。容量測定には、他の寒剤（窒素、ヘリウムなど）と同様、一般的な液面計を用いている。例えば、液体窒素では簡便なフロート式が用いられている。水素液面計に関しても、超伝導を応用したものが提案されている（例えば、特許文献１～３参照）し、また静電容量式も知られている。

特開２００９－１７５０３４号公報 特開２０１４－０９８６５９号公報 ＷＯ２０１７－１７９４８８号公報

しかしながら、静電容量式では、実験ごとの校正が必要とされ、来るべき水素社会において、５ｔｏｎクラスのプラント用大型タンクから地産地消型を想定した１００ｋｇ程度までの小・中型容器までの個々の容器を対応させることは現実的ではない。
超伝導線を用いた方式においても、常圧下での沸点が４．２ケルビンのヘリウムに比べ、２０ケルビンの水素に対し、利用可能な超伝導材料はＭｇＢ_２などに限られる。また、水素下での評価法が確立していないのが現状である。

また、水素ならではの課題も克服する必要がある。水素自体が可燃性であることから、その安全性も一層求められる。さらに液体水素容器内への液面センサーの導入には、熱流入が不可避であり、貴重なエネルギー源の蒸発につながってしまう。さらに、容器内部への液面センサーの導入は、用いる液面系材料の水素脆化・低温脆化も考慮する必要があるのと同時に、容器の構造を一層複雑にする。容器内部に導入した液面センサーによる溶接・接続部の水素脆化・低温脆化も不可避の懸念となる。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決したもので、容器内部の液体水素とは非接触で液面の液位を測定できる液面計及び液位測定方法を提供することを目的とする。

〔１〕本発明の液面計は、例えば図１に示すように、液体水素用タンク１０の中心軸に向けて液面と平行な方向に所定のエネルギーのＸ線を照射するＸ線照射装置２０と、前記Ｘ線によって前記中心軸の近傍で生じた後方散乱Ｘ線を検出するＸ線検出装置３２と、前記後方散乱Ｘ線の一部を前記Ｘ線検出装置の手前で遮蔽する遮蔽部材３０と、検出した後方散乱Ｘ線に基づいて前記中心軸での液位を算出する算出装置３４とを備えた液面計であって、Ｘ線照射装置２０を液体水素用タンク１０の上下方向に移動して、前記Ｘ線の照射軸の液体水素用タンク１０における高さを調整する上下方向駆動機構２２を有し、遮蔽部材３０は、液体水素用タンク１０の上下方向に一定間隔で設けられたスリットを有し、前記スリットを通過したＸ線がＸ線検出装置３２に入射し、Ｘ線検出装置３２は、後方散乱Ｘ線を検出すると共に、当該後方散乱Ｘ線のＸ線線量及びエネルギー量を測定し、算出装置３４は、検出した後方散乱Ｘ線の特定のエネルギーにおけるＸ線線量に基づいて液体水素用タンク１０の液体水素と水素ガスの境界面の液位を求めるものである。

〔２〕本発明の液面計〔１〕において、好ましくは、算出装置３４は、前記中心軸の近傍と同等の材料よりなる試験体に向けて照射された前記所定のエネルギーのＸ線によって生じる後方散乱Ｘ線の特定のエネルギーにおけるＸ線線量と当該液体水素用タンク内での液体水素の既知の液位との関係を示す検量線データを有し、前記検出した後方散乱Ｘ線の特定のエネルギーにおけるＸ線線量と前記検量線データとに基づいて前記液位を求めるものであるとよい。
〔３〕本発明の液面計〔１〕又は〔２〕において、好ましくは、Ｘ線照射装置２０は、前記Ｘ線を照射するＸ線焦点の近傍に一端が取り付けられ他端が液体水素用タンク１０の壁面近傍に位置する遮蔽筒体と、前記遮蔽筒体の前記他端に設けられ且つ１カ所に開口を有するコリメーターとをさらに備えるとよい。
〔４〕本発明の液面計〔３〕において、好ましくは、前記コリメーターは、前記液面と平行な方向に摺動可能であり、前記Ｘ線検出装置３２は、前記コリメーターの摺動方向に直交する方向に移動可能であり、
算出装置３４は、前記中心軸の近傍の所定範囲における走査情報を生成する走査情報生成部を有するとよい。
〔５〕本発明の液面計〔１〕乃至〔４〕において、好ましくは、前記Ｘ線は、液体水素用タンク１０の壁面近傍に入射する際のビーム直径が１０ｍｍ以下であるとよい。
〔６〕本発明の液面計〔１〕乃至〔５〕において、例えば、Ｘ線検出装置３２は、Ｘ線の検出方向軸が前記照射軸に対し３０～１６５°で交差するように配向するとよい。
〔７〕本発明の液面計〔１〕乃至〔６〕において、前記液体水素用タンクに代えて、液体ヘリウム用タンク、液体空気用タンク、液体窒素用タンク、若しくは他の寒剤保存用タンクに用いられ、Ｘ線検出装置は、液体水素と水素ガスに代えて、液体ヘリウムとヘリウムガス、液体空気と空気、液体窒素と窒素ガス、若しくは他の寒剤で生ずる液体相とガス相の境界の検出に用いられるものでもよい。

〔８〕本発明の液位測定方法は、例えば図１に示すように、液体水素用タンク１０の中心軸に向けて液面と平行な方向に所定のエネルギーのＸ線を照射するＸ線照射装置２０と、前記Ｘ線によって前記中心軸の近傍で生じた後方散乱Ｘ線を検出するＸ線検出装置３２と、前記後方散乱Ｘ線の一部を前記Ｘ線検出装置の手前で遮蔽する遮蔽部材３０と、検出した後方散乱Ｘ線に基づいて前記中心軸での液位を算出する算出装置３４とを備えた液面計を用いた液位測定方法であって、遮蔽部材３０は、液体水素用タンク１０の上下方向に一定間隔で設けられたスリットを有し、前記スリットを通過したＸ線が前記Ｘ線検出装置に入射するように構成され、Ｘ線照射装置２０を液体水素用タンク１０の上下方向に移動して、前記中心軸の近傍に向けてＸ線を照射し、前記中心軸の近傍で生じた後方散乱Ｘ線を検出すると共に、当該後方散乱Ｘ線のＸ線線量及びエネルギー量を測定し、検出した後方散乱Ｘ線の特定のエネルギーにおけるＸ線線量に基づいて液体水素用タンク１０の液体水素と水素ガスの境界面の液位を求めるものである。
〔９〕本発明の液位測定方法〔８〕において、好ましくは、前記液体水素用タンクに代えて、液体ヘリウム用タンク、液体空気用タンク、液体窒素用タンク、若しくは他の寒剤保存用タンクに用いられ、Ｘ線検出装置は、液体水素と水素ガスに代えて、液体ヘリウムとヘリウムガス、液体空気と空気、液体窒素と窒素ガス、若しくは他の寒剤で生ずる液体相とガス相の境界の検出に用いられるものでもよい。

本発明の液面計によれば、容器外部から計測のためのセンサー類などを、容器内部に導入する必要がない。これは、従来型の延長といえる超伝導線を容器内部に導入した液面計などと比較し、熱流入の抑制、水素脆化・低温脆化の懸念がない、容器の大きさに依存しない、容器の構造が簡素化し、水素を扱う上での安全性の向上、精密計測が可能、という利点を有する。

本発明の一実施例を示す液面計の説明図で、液体水素タンク外部に装着した状態を示している。 本発明の一実施例を示す液面計の説明図で、図１Ａに示す液体水素タンクに装着した状態を上から見た配置図を示している。 Ｘ線コンプトン散乱の説明図である。

以下図面を用いて本発明を説明する。
図１Ａは、本発明の一実施例を示す液面計の説明図で、液体水素タンク外部に装着した状態を示している。図１Ｂは、図１Ａに示す液体水素タンクに装着した状態を上から見た配置図を示している。
図において、液体水素容器１０は、液体水素容器外壁１０ａと液体水素容器内壁１０ｂの二重壁構造となっており、両者の間隙に断熱層１２が設けられている。液体水素容器外壁１０ａと液体水素容器内壁１０ｂは、水素脆化などをクリアしたＳＵＳ（３０４、３０４Ｌ、３１６、３１６Ｌ、３１７）の５種類が構造材として用いられる。断熱層１２は、真空やパーライト材が用いられる。液体水素容器内壁１０ｂには、液面の上側が水素ガス１４であり、下側が液体水素１６となっている。

Ｘ線源２０は、Ｘ線を液体水素容器１０の液面方向に照射するものである。照射したＸ線は液面方向に対して上下方向に各々７－８度程度にわたり広がって伝搬する。Ｘ線源上下駆動機構２２は、Ｘ線源２０を液体水素容器１０の上下方向に駆動する機構で、汎用的な昇降機構が用いられる。

遮蔽部材３０は液体水素容器１０の上下方向に位置するもので、例えばＸ線の照射方向に対して直交する方向に設けられる。遮蔽部材３０は、タンタルやタングステンの板材よりなるもので、スリット３１が例えば１ｍｍ間隔で設けられている。スリット３１の間隔は、液位計測の分解能（１ｍｍ程度）を定める。
半導体検出器３２は、スリット３１を通過した平行光束のＸ線を検出する。
算出装置３４は、検出した後方散乱Ｘ線に基づいて中心軸での液位を算出する。Ｘ線強度モニタ３６は、半導体検出器３２で検出されたＸ線強度を可視化するもので、例えばバーグラフ表示器が用いられる。
なお、遮蔽部材３０をＸ線の照射方向に対して直交する方向に設けると、Ｘ線検出装置は、Ｘ線の検出方向軸が照射軸に対し９０°で交差するように配向されることとなる。しかし、前記直交する方向は設置作業の便宜のために定めたものであり、散乱Ｘ線の強度が強く検出が容易となる角度に設置すれば良い。例えばＸ線検出装置は、Ｘ線の検出方向軸が照射軸に対し、３０～１６５°の間で交差するように遮蔽部材３０を設置しても良く、また可能であれば１０～１７０°で交差するように遮蔽部材３０を設置しても良い。Ｘ線の検出方向軸が照射軸に対し１０°未満で交差すると、弾性散乱Ｘ線と液面測定に必要な散乱Ｘ線との分離が困難になるという不都合がある。また、Ｘ線の検出方向軸が照射軸に対し１７０°を超えた角度で交差すると、Ｘ線照射源と検出器の設置が重なるという不都合がある。

このように構成された液面計の動作を次に説明する。
図２は、Ｘ線コンプトン散乱の説明図で、１個のＸ線光子が物質中の１個の電子に衝突し、散乱された場面を表している。コンプトン効果とは、光子のエネルギーが大きくて電子と衝突した後でも光子として残って散乱し、散乱Ｘ線の波長が入射Ｘ線の波長より長くなる現象である。照射されたＸ線の振動数をωｉ［Ｈｚ］、散乱Ｘ線の振動数をωｆ［Ｈｚ］、入射方向と散乱方向とのなす角（散乱角）をθ、電子の質量をｍ［ｋｇ］、衝突前の電子のポテンシャルエネルギーをＶｉ［Ｊ］、散乱された電子のポテンシャルエネルギーをＶｆ［Ｊ］、衝突前の電子の運動量をｐｉ［ｋｇ・ｍ／ｓ］、散乱された電子の運動量をｐｆ［ｋｇ・ｍ／ｓ］、プランク定数をｈ［Ｊ・ｓ］とすると、次式で表される。

液体水素用タンク内の液体水素下の環境では、気体－液面境界面で水素分子密度が不連続的に変化することから、コンプトン散乱の特徴を生かして、水素貯蔵容器であるステンレス鋼や断熱材で囲まれた容器内の水素の液面位置を検出できる。入射Ｘ線と、反射Ｘ線の検出器の幾何学的配置は任意であり、状況に応じて適切な散乱角度（θ）を設定できる。入射Ｘ線装置・検出器ともに水素容器の外に設置されるため、入射・検出装置自体の水素脆化・低温脆化の問題は生じない。

また、散乱Ｘ線を検出する半導体素子も既存の市販品を使えるため、測定コストは低い。液面の高さの検出精度は、検出器内部の素子やスリットの配置に依存するものの、１ｍｍ以下の精度も実現可能である。この精度は、現在用いられている寒剤容器の液面計の精度以上にできる。

次に、超伝導線を用いた方式と比較した、本発明の液面計の効果を列記する。
（１）容器内部にセンサー類を導入しないですみ、センサー類を介した熱流入、センサー類の水素脆化・低温脆化を防ぐことができる。
（２）Ｘ線コンプトン散乱によれば、液体水素用タンクの材料に用いられるステンレス鋼や断熱材を透過して、その内部にある液体水素の残留量を把握できる。
（３）容器外部から内部に向けて照射されたＸ線は、タンク内の水素中の電子により散乱される。その際の散乱強度は気相・液相で異なり、密度の大きな液相の散乱強度が強くなる。その強度の違いを気相・液相境界として液面位置の判定が精密にできる。

水素などの軽元素では、同時に放出される蛍光Ｘ線に対して相対的にコンプトン散乱強度が強くなる。さらに、高エネルギーＸ線を用いるため透過性も高く、非破壊非接触で測定できることも大きな特徴である。

なお、上記の実施の形態では、液体水素用タンクを例に液体水素と水素ガスの境界面をＸ線コンプトン散乱を用いて検出する場合を説明しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、液体水素用タンクに代えて、液体ヘリウム用タンク、液体空気用タンク、液体窒素用タンク、若しくは他の寒剤保存用タンクに用いられ、Ｘ線検出装置によって、液体水素と水素ガスに代えて、液体ヘリウムとヘリウムガス、液体空気と空気、液体窒素と窒素ガス、若しくは他の寒剤で生ずる液体相とガス相の境界の検出に用いるものでもよい。

本発明の液面計によれば、クリーンエネルギーである水素の大量利用に対し、容器内の液体水素の容量について、Ｘ線コンプトン散乱法を用いている。Ｘ線コンプトン散乱法では、容器外部から内部に入射されたＸ線に対し、内部にある寒剤の液相・気相からの反射がそれぞれの密度の違いとして判別でき、その境界から液面の位置が判定できる。この方法では容器外部から計測のためのセンサー類などを、容器内部に導入する必要がない。
これは、従来型の延長といえる超伝導線を容器内部に導入した液面計などと比較し、熱流入の抑制、水素脆化・低温脆化の懸念がない、容器の大きさに依存しない、容器の構造が簡素化され、精密計測が可能、という利点を有する。

１０ 液体水素容器（液体水素用タンク）
１０ａ 液体水素容器外壁
１０ｂ 液体水素容器内壁
１２ 断熱層
１４ 水素ガス
１６ 液体水素
２０ Ｘ線源（Ｘ線照射装置）
２２ Ｘ線源上下駆動機構
３０ 遮蔽部材
３１ スリット
３２ 半導体検出器（Ｘ線検出装置）
３４ 算出装置
３６ Ｘ線強度モニタ

Claims (8)

1. 液体水素用タンクの中心軸に向けて液面と平行な方向に所定のエネルギーのＸ線を照射するＸ線照射装置と、前記Ｘ線によって前記中心軸の近傍で生じた後方散乱Ｘ線を検出するＸ線検出装置と、前記後方散乱Ｘ線の一部を前記Ｘ線検出装置の手前で遮蔽する遮蔽部材と、検出した後方散乱Ｘ線に基づいて前記中心軸での液位を算出する算出装置とを備えた液面計であって、
   前記Ｘ線照射装置を前記液体水素用タンクの上下方向に移動して、前記Ｘ線の照射軸の前記液体水素用タンクにおける高さを調整する上下方向駆動手段を有し、
   前記遮蔽部材は、前記液体水素用タンクの上下方向に一定間隔で設けられたスリットを有し、前記スリットを通過したＸ線が前記Ｘ線検出装置に入射し、
   前記Ｘ線検出装置は、後方散乱Ｘ線を検出すると共に、当該後方散乱Ｘ線のＸ線線量及びエネルギー量を測定し、
   前記算出装置は、検出した後方散乱Ｘ線の特定のエネルギーにおけるＸ線線量に基づいて前記液体水素用タンクの液体水素と水素ガスの境界面の液位を求める液面計。
2. 前記Ｘ線照射装置は、前記Ｘ線を照射するＸ線焦点の近傍に一端が取り付けられ他端が前記液体水素用タンクの壁面近傍に位置する遮蔽筒体と、前記遮蔽筒体の前記他端に設けられ且つ１カ所に開口を有するコリメーターとをさらに備える請求項１記載の液面計。
3. 前記コリメーターは、前記液面と平行な方向に摺動可能であり、
   前記Ｘ線検出装置は、前記コリメーターの摺動方向に直交する方向に移動可能であり、
   前記算出装置は、前記中心軸の近傍の所定範囲における走査情報を生成する走査情報生成部を有する請求項２記載の液面計。
4. 前記Ｘ線は、前記液体水素用タンクの壁面近傍に入射する際のビーム直径が１０ｍｍ以下である請求項１に記載の液面計。
5. 前記Ｘ線検出装置は、Ｘ線の検出方向軸が前記照射軸に対し３０～１６５°で交差するように配向される請求項１に記載の液面計。
6. 前記液体水素用タンクに代えて、液体ヘリウム用タンク、液体空気用タンク、液体窒素用タンク、若しくは他の寒剤保存用タンクに用いられ、
   Ｘ線検出装置は、液体水素と水素ガスに代えて、液体ヘリウムとヘリウムガス、液体空気と空気、液体窒素と窒素ガス、若しくは他の寒剤で生ずる液体相とガス相の境界の検出に用いられる、
   請求項１に記載の液面計。
7. 液体水素用タンクの中心軸に向けて液面と平行な方向に所定のエネルギーのＸ線を照射するＸ線照射装置と、前記Ｘ線によって前記中心軸の近傍で生じた後方散乱Ｘ線を検出するＸ線検出装置と、前記後方散乱Ｘ線の一部を前記Ｘ線検出装置の手前で遮蔽する遮蔽部材と、検出した後方散乱Ｘ線に基づいて前記中心軸の近傍の液位を算出する算出装置とを備えた液面計を用いた液位測定方法であって、
   前記遮蔽部材は、前記液体水素用タンクの上下方向に一定間隔で設けられたスリットを有し、前記スリットを通過したＸ線が前記Ｘ線検出装置に入射するように構成され、
   前記Ｘ線照射装置を前記液体水素用タンクの上下方向に移動して、前記中心軸の近傍に向けてＸ線を照射し、
   前記中心軸の近傍で生じた後方散乱Ｘ線を検出すると共に、当該後方散乱Ｘ線のＸ線線量及びエネルギー量を測定し、
   検出した後方散乱Ｘ線の特定のエネルギーにおけるＸ線線量に基づいて前記液体水素用タンクの液体水素と水素ガスの境界面の液位を求める液位測定方法。
8. 前記液体水素用タンクに代えて、液体ヘリウム用タンク、液体空気用タンク、液体窒素用タンク、若しくは他の寒剤保存用タンクに用いられ、
   前記Ｘ線検出装置は、液体水素と水素ガスに代えて、液体ヘリウムとヘリウムガス、液体空気と空気、液体窒素と窒素ガス、若しくは他の寒剤で生ずる液体相とガス相の境界の検出に用いられる、
   請求項７に記載の液位測定方法。