JPH0447232A - 冷媒液面計 - Google Patents

冷媒液面計

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JPH0447232A
JPH0447232A JP15517590A JP15517590A JPH0447232A JP H0447232 A JPH0447232 A JP H0447232A JP 15517590 A JP15517590 A JP 15517590A JP 15517590 A JP15517590 A JP 15517590A JP H0447232 A JPH0447232 A JP H0447232A
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refrigerant
pressure
heating
pressure side
temperature
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JP15517590A
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Hideaki Mori
英明 森
Hisanao Ogata
久直 尾形
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、冷媒液面計に係り、特に超流動ヘリウム冷媒
に仕様するのに好適な冷媒液面計に関する。
〔従来の技術〕
従来、液体窒素等の極低温冷媒の貯槽の液面を計測する
方法として、貯槽の底部に高圧側配管を、上部気相部に
低圧側配管を開口させて、その圧力差を測り、冷媒のヘ
ットから液面位置を求める方法がある。この方法で正確
な計測を行うには、その高圧側配管内に侵入した冷媒を
その開口部まで、除去してやる必要がある。そのために
、特開昭63−317726号公報に記載のように、高
圧側配管のある一定区間にわたって、管の内側又は外側
に電気ヒータを挿入、又、巻回し、液ヘツド計測時にの
みこのヒータを加熱していた。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、上記従来技術では、超流動ヘリウムを冷媒とす
るとき、電気ヒータで発生熱量について考慮がなされて
おらず、−旦、ヒータを加熱して高圧側配管内に侵入し
た冷媒を除去しても、高圧側配管外側の液位が増えて熱
伝達特性が向上して、再び、冷媒が高圧側配管内に侵入
してしまい、正しい液ヘツドが計測できない問題があっ
た。
本発明の目的は、液面位置が変化しても、高圧側配管の
内部に冷媒が侵入するのを防ぐ、あるいは、侵入しても
その侵入液面がその高圧側配管の開口部付近の所定の位
置に来るようにし、常に正しい冷媒の液ヘツドを計測し
得る冷媒液面計を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、前記高圧側配管内の開口部
近傍に加熱手段と、前記高圧側配管の内側の前記加熱手
段の近傍の冷媒の有無を検出する冷媒検出手段とを配し
、冷媒検出手段が前記冷媒の存在を検出したときに加熱
又は加熱量を増加し。
前記冷媒の存在を検出しないときには加熱しない又は加
熱量を減少するように前記加熱手段を制御する加熱制御
手段を用い、また、上記冷媒検出手段に、前記加熱手段
と熱的に結合した測温素子を用いたものである。
また、上記目的のための他の手段として、冷媒貯槽の底
部またはその近傍に高圧側配管を開口し、前記冷媒貯槽
の上記気相部に低圧側配管を開口した差圧測定方式の冷
媒液面計において、前記高圧側配管内の前記高圧側配管
開口部近傍に、温度に対して負の勾配の抵抗特性を有す
る抵抗体からなる電気式の加熱手段を用いたものである
また、冷媒を超流動ヘリウムのみの場合、上記目的を達
成するための他の手段として、上記冷媒液面計に、前記
冷媒検出手段の検出区間の下部の前記高圧側配管内に配
した測温素子と、前記高圧側配管の内側圧力が外側圧力
に対して所定の値よりも大きくなったときのみ動作する
前記高圧側配管の安全弁、前記高圧側配管の開口部で前
記冷媒の流動抵抗となる高流動抵抗体、並びに、前記高
圧側配管の開口部で前記冷媒の流動抵抗となる高流動抵
抗体と、前記測温素子の温度指示値と前記絶対圧力計の
指示値を入力とし、冷媒検出手段が前記冷媒の存在を検
出したとき、又は、前記絶対圧力計の指示値に相当する
飽和温度と高流動抵抗体の前記高圧側配管の内外にわた
る温度差の和が前記測温素子の指示値よりもある一定の
しきい値を考慮してもなお大きいときに加熱又は加熱量
を増加し、それ以外のときは加熱しない又は加熱量を減
少するような加熱手段を設けたものである。
また、熱伝導率の小さい低熱伝導栓と、この低熱伝導栓
と嵌合する座面をもつ前記高圧側配管の開口部と、前記
低熱伝導栓を前記座面に前記高圧側配管の開口部の外側
から押し付け固定するばねとからなる前記高流動抵抗体
、または、微小細孔が多数連通した前記冷媒の微小流路
を多数内包する多孔質体を高流動抵抗体に用いたもので
ある。
〔作用〕
前記加熱手段は、前記高圧側配管内に冷媒が侵入してき
たとき、冷媒を蒸発、気化させ、冷媒を前記高圧側配管
外又は配管内の開口部付近の所定の位置まで除去する。
前記冷媒検出手段は、冷媒が前記高圧側配管内に侵入し
てきたか又は除去されたかを検出し、その検出信号を前
記加熱制御手段に伝達する6加熱制御手段は、その信号
を受は冷媒が前記高圧側配管に侵入してきた場合は、前
記加熱手段を加熱するか、又は、加熱量を増加し除去し
た場合は加熱停止するか、又は、加熱量を減らすように
動作する。また、前記冷媒検出手段の一つの方法として
、前記加熱手段と熱的に結合した測温素子で、前記加熱
手段の温度を反映して指示値を前記加熱制御手段に圧力
し、前記加熱制御手段は、前記加熱手段が冷媒に浸漬し
ているときとしていないときの温度の変化、すなわち、
指示値の変化を検出信号として用いることができる。
それにより、前記高圧側配管の全長又は所定の区間はす
べてにわたり気相になり、正しい液ヘットを計測するこ
とができる。
また、温度に対して負の勾配の抵抗特性をもつ抵抗体か
らなる電気式の加熱手段は、上記冷媒検出手段及び加熱
制御手段をも同時に兼ね備えたもので、加熱手段が冷媒
に浸漬し冷却されているときには温度が低くなり抵抗値
を高めて発熱量を増大させ、冷媒を蒸発気化させて冷媒
を前記高圧側配管内から除去し、除去した後はその自己
発熱で抵抗体自身の温度を上昇させ抵抗値を下げて発熱
量を減少させるように動作し、上記と同様な効果を得る
ことができる。
冷媒が超流動ヘリウムのみの場合に用いる技術的手段は
次に述べるような動作をする。前記冷媒検出手段の検出
区間の下部の前記高圧側配管内に配した測温素子は、前
記高圧側配管内に温度を計測し、配管内に侵入した冷媒
に浸漬している場合は冷媒の液相温度を、浸漬していな
い場合は気相の温度を指示する。安全弁は前記高圧側配
管内の圧力が過度に高くなるのを防止し、前記高流動抵
抗体はその流路に冷媒を保持し、流れにくくすることで
その流路の両端部で温度勾配をっけ、前記高圧側配管の
内部を密封せずにその内外の熱交換を著しく低減する。
また、前記ばねで押し付け固定した前記低熱伝導栓は、
その座面と栓との間に非常に狭い間隙を形成し冷媒の流
動抵抗を高くすると同時に、前記高圧配管内部の圧力が
外部よりも所定の値大きくなったときに、その圧力によ
って、前記低熱伝導栓を押し難し、前記間隙を広げて、
内部の圧力を抜くように動作する。また、多孔質体は冷
媒の流動抵抗を著しく高める。
加熱制御手段は前記測温素子の温度指示値と前記絶対圧
力計の指示値を入力とし、冷媒検出手段が前記冷媒の存
在を検出したとき又は前記絶対圧力計の指示値に相当す
る飽和温度と高流動抵抗体の前記高圧側配管の内外にわ
たる温度差の和が前記測温素子の指示値よりもある一定
のしきい値を考慮してもなお大きいときに加熱又は加熱
量を増加し、それ以外のときは加熱しない又は加熱量を
減少するように動作する。これらの技術的手段により、
上記と同じように、正しい液ヘツドを計測することがで
きる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を、第1図により説明する。1
は超流動ヘリウム2を収納する断熱された貯槽、3は超
流動ヘリウムを入れたり、その蒸発したガス相を外にだ
したり、液面計5を挿入したりするポートである。液面
計5は外筒6をボート3に挿入し、Oリング7、ワッシ
ャ8.押え金具9により、密封固定されている。1oは
、逆止弁11の入ったガス抜き口である。外筒6は、孔
12をもつ固定金具13により、真空ケース14に固定
されている。真空ケース14の内側には高圧側の圧力管
15が貫通している。圧力管15には、薄肉のステンレ
ス鋼管が望ましく、内径1〜5Iとするのがよい。この
圧力管15の下部開放端から10〜20w程度内側に入
った所に、電気ヒータ16及び測温素子17並びにそれ
らを固定し、かつ、熱的に結合する捧または短冊形の板
18を挿入する。電気ヒータ16は、電気絶縁を施した
マンガニン線やニクロム線で、直径0.2〜1層が望ま
しい。測温素子17は超流動ヘリウム近傍の温度で感度
が高い、カーボン抵抗温度計。
ゲルマニウム抵抗温度計、シリコンダイオード温度計等
を用いた方がよい。しかし、この測温素子17が超流動
ヘリウムに浸かっているときといないときの温度変化が
大きいので、極低温温度で比較的感度の落ちない金鉄対
クロメル熱電対、または、白金抵抗測温素子なども利用
可能である。
18の材質としては金属または非金属のどちらでもよい
。どのような測温素子17と捧または板18の組合せに
するかは、圧力管15のどの位置に液面を保つよう液面
制御を行うかによる、たとえば、液面を測温素子17の
位置にしたい場合は。
測温素子17に感度が高いものを用い、18の材質とし
て、非金属、たとえば、FRP等の高分子材料を用いる
。この場合、液面検出信号は、測温素子17が液面に浸
かったときと浸からないときの温度差に基づく電気出力
になる。その電気出力に基づいて電タヒータ16の加熱
量を制御する。
すなわち、測温素子17の温度が低いときはその加熱量
を上げ、温度が高いときは加熱量を下げるか、または、
0にする。このときの16と17の距離は圧力管15内
の液面制御という観点からは問題にならない。ただし、
17の位置がその液面から離れるに従い、17の発熱時
の加熱量は増やす必要があるので、貯槽1への侵入熱量
を減らす目的からは、17の位置はできるだけ液面制御
位置に近いほうが望ましい、一方、液面制御位置を電気
ヒータ16の位置にしたい場合は、18に熱伝導のよい
金属を用いる。電気ヒータに直接測温素子17を接着法
等で取り付けてもよい。電気ヒータ16が液に浸かった
ときと浸らないときの温度変化を大きくするために、そ
の伝熱面における加熱時の熱流束が限界熱流束以下、た
とえば、0.1〜0.5W/cJ程度になるようにした
方がよい。このときの電気ヒータ16の温度変化は大き
いので、測温素子17には感度が低いものも使うことが
できる。液面制御方法は上述と同じ方法でよい。なお、
第2図にこれら16〜18の部分の拡大した図を示す。
上記値れの方法でも電気ヒータの最大発熱量は、液面測
定範囲にもよるが、たとえば、液ヘツドが50cm程度
であれば、高圧管15の断面積でその最大発熱量を除し
た最大熱流束が数W/cd以上になるようにしなければ
いけない。
従って、高圧管15の内径が5mであれば、最大発熱量
はIW程度が必要である。電気ヒータ16及び測温素子
17からのリード線19はハーメチック・コネクタ2o
のピン21がら外筒6内に引き出す。圧力管15は、真
空ケース14の上部を一部拡大した部分で屈曲部22を
形成し、真空ケース14と圧力管15に生じる熱歪の差
を吸収する。真空ケース14の底部には、活性炭23を
少々入れておき、真空度劣化の原因となる放出ガスを吸
着する。24は真空封じ部で、内部は長期的に真空を維
持できる。電気ヒータ線16は上部の半導体式差圧変換
機25の高圧側管26に接続し、低圧側管27は、外筒
6の中に開放する。
半導体式差圧変換機25のピン28からのリード線29
及び電気ヒータ16及び測温素子17の他端の電極に相
当する圧力管15がらのリード線3oはすべて、ハーメ
チック・コネクタ31に絶縁して固定されたピン32に
接続しである。ハーメチック・コネクタ31は、0リン
グ32により外筒6に機密に固定されている。
第3図は、上記実施例に用いる電気ヒータの制御装置で
33はその筐体を表す。測温素子17の電気信号処理回
路とヒータ電源及びその供給電力を可変するヒータ電源
制御部からなる。この制御装置に用いる測温素子17は
、カーボン抵抗温度計等の測温抵抗体で、電流源34か
ら測温素子17に10μA程度の微小電流を流し、その
周端の電圧をこの制御装置の入力とする。この入力信号
は増幅器35で適当な電圧まで増幅し、その出力を比較
器36に入力する。比較器は、入力電圧をその内部に持
つ基準電圧と比較し、その大小に応じてリレー37の駆
動信号を出力する。リレーのスイッチ部38は、ヒータ
電源39の制御電圧供給回路の複数の電圧出力を切り替
える。ここで用いるヒータ電源39には、電圧を入力と
し、その大きさに応じて供給電力を変えることができる
タイプのものを用いる。制御電圧供給回路は、最も簡単
には、基準電源40の電圧とその電圧のR1,R2,R
3等の固定抵抗器を用いた分圧器で構成する。41は、
電気ヒータ16及び測温素子17へ至るリード線とシー
ルド線からなるケーブル42の制御装置側のコネクタで
ある。
第4図は、本発明の他の実施例の液面制御部の拡大図で
ある。上記実施例と異なるのは、電気ヒータ16.測温
素子17並びに棒または板18を、電気抵抗が第5図の
ように温度の上昇にたいして大きく低下する抵抗体43
に置き換えた点である。
このような抵抗体には上述のカーボン抵抗温度計等があ
る。これを温度計として用いる場合は、定電流源から流
す電流値を10μAの微小電流にするが、この実施例で
は10〜100mA程度にまでする。従って、この抵抗
体43がガス中にある場合は熱伝達が悪いため温度が上
昇して抵抗値が減少し、不要な発熱を抑える。一方、超
流動ヘリウム中にある場合は、熱伝達が良いので、温度
が低下して抵抗値が増加して発熱量が大幅に増加する。
このような働きにより、第1図の実施例と同じような効
果を得ることができる。
第6図に本発明の他の実施例の断面図を示す。
本実施例が第1図または第4図の実施例と異なる構造的
特徴は、外筒6内の貯槽1の絶対圧力を測定する絶対圧
変換器44と、高圧側管15の開放端の多孔質枠45と
を備えた点にある。絶対圧変換器44は固定バンド46
で支持固定する。多孔質枠45は非常に目の細かい微小
細孔を持つフィルタで一般の流体にとっては大きな流動
抵抗となるものであるが、超流動ヘリウムのノーマル成
分にとっては同様であるがスーパー成分にとってはその
粘性がOであるので流動抵抗とならない。この多孔質枠
45の流動抵抗は、パーミアビリテイが1/10’のオ
ーダ近辺のものが使いやすい。
一般に、そのようなフィルタにはアルミナ粉末等の焼結
体が利用されている。この多孔質枠45のこの特性によ
り電気ヒータ16の発熱量を著しく低減することが可能
となる。なお、図示してないが、高圧管15にはその内
部の過度の圧力上昇を防ぐための安全弁を設ける。チャ
ンネル47は超流動ヘリウムの流路壁を形成すると同時
に45と密着し、45が脱落するのを防ぐ。多孔質枠4
5の高圧配管の内側の/I)室48には、電気ヒータ1
6、測温素子17、及び、液面検出素子49を設ける。
電気ヒータ16には第1図等の実施例と同じものを用い
てもよい。測温素子17には、超流動ヘリウムの温度を
計測するので感度の高いカーボン抵抗温度計、又は、ゲ
ルマニウム抵抗温度計等を用いるとよい。液面検出素子
49は、電流を数mA程度流したカーボン抵抗温度計が
、簡便で有効である。また、49の設置高さは、16お
よび17の位置よりも1〜数鵬程度上方がよい。
また、16及び17はエポキシ等の接着剤51で小室4
8の底部に固定するとよい。52は測温素子で超流動ヘ
リウム2の温度を測定する。電気ヒータの発熱量の制御
は小室48内に侵入してきた超流動ヘリウム50の液面
が常に、液面検出素子49の下部になるように行なう。
第1表は、その動作を真理値表で示したものである。
第  1  表 表のTは真、 Fは偽を表す。Aは、液面を検出 る飽和温度をTs、?1lll温素子17の温度の指示
値をT1並びに不感帯をSとすると、Ts>Ti十Sの
とき真、Cは、Ts<Ti−5のとき真となる論理変数
である。
Sは後述する制御装置の動作を安定させるための値で、
温度測定また圧力測定の誤差またはばらつきにより誤っ
た動作しない範囲で小さなほうがよい。電気ヒータ16
による加熱は、AUBが真のとき行う。また、液ヘット
の算出及び表示は(Aの背反) n ((Bの背反))
n(Cの背反))が真のときに行う。
第7図は、第1表の動作を行う制御装置の一例のブロッ
クダイアグラムである。53は差圧変換器25の差圧検
出装置で、その出力は54の増幅器1で適宜増幅した後
、55及び56の演算機1及び2に入力する。55は測
温素子52の信号出力を入力とする57の増幅器4の出
力を入力とし、h=(ΔP−ΔPf)/ρg     
・・・(1)に相当する演算を行う。ここで、ΔPは5
4の出力に相当する値、ΔPfは多孔質栓45の温度差
に対応する圧力差で(Aの背反) n ((Bの背反)
n(Cの背反))が真のときは、45の小室48側の温
度は、はぼ、ラムダ温度(約2.17K)になっている
ので、その温度に相当する値と57の圧力値の差になる
。ρは超流動ヘリウムの密度で、精度をそれほど要求し
なければ0.145g/ciでほぼ一定としてよい。g
は重力加速度で一定である。よって、9gはその値に相
当する係数となる。55の演算機1の出力は表示器58
の入力し、人が認知できるようにする。56の演算機2
は59の圧力検出装置の出力を60の増幅器2で、適宜
、増幅した出力Pをも入力とし、ΔP十PからTsに相
当する値に変換する。61の比較器1は56及び測温素
子17の56′の増幅器3の出力を入力とし第1表のB
の比較演算を行う。62の比較器2は56及び56′の
出力を入力としCの比較演算を行う。63の演算機はこ
れら2つの比較器の論理出力と、64の液面検出装置の
出力を波形成形器65によりデジタル化した圧力を入力
とし、AUB及び(A(7)背反) n((B(7)背
反)n(Cの背反))の論理演算を行う。前者の演算出
力はリレー66を制御する。66はヒータ電源67の出
力のONまたは○FFにする。後者の演算出力は表示器
を制御し、それが、真の時のみ表示を許可するようにす
る。この実施例によれば。
電気ヒータの発熱量を第1図又は第4図の実施例よりも
大幅に減らすことができる。
第8図は、本発明の他の実施例の液面制御部の拡大断面
図である。第6図のチャンネル47を低圧側開口部に向
かって開くすり林状にし、多孔質栓45の代わりに、4
7に合う様に円錐形状の栓68を設け、さらに、それを
ばね69で47の低圧側開口部から押さえつけるように
したものである。これによって、68と47の非常に狭
い間隙70が、多孔質栓45と同様の役割を果たす。間
隙7oの大きさは小さければ小さいほどよいが面粗さに
相当する程度であれば十分である。もちろん1間隙7o
がこれよりも大きくても動作に支障はないが、その場合
、電気ヒータ16の最大発熱量は大きくしなければなら
ないので、貯槽1への浸入熱量を減らすという観点から
は得策でない。
ばね69は、間隙70を保つほかに、高圧管15及び小
室48の内圧が過度に高くなりすぎたときに、栓68を
押し下げ間隙70を広げて、内圧を逃がす役目をもつ。
従って、この実施例では第6図で必要だった高圧管15
の安全弁は不要である。
この実施例の制御装置には、第7図のものが使用できる
第9図は、本発明の他の実施例の液面制御部の拡大断面
図である。本実施例が第7図の実施例と異なるのは、電
気ヒータが液面検出素子49及び測温素子17の上下部
に分離配置した点で、上部の電気ヒータ71は49が液
面を検知したら発熱させ、下部のヒータ72は測温素子
17の温度指示値がラムダ温度よりも低くなりすぎたら
発熱させるように制御する。このような構成により、第
7図に示したような制御装置の構成を簡略化することが
できる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、冷媒、特に超流動ヘリウムが高圧管内
部に上述の液面制御位置以上に侵入するのを防ぐことが
でき、正しい液中ヘッドを測定できるようにする効果が
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の縦断面図、第2図は第1図
の実施例の液面制御部の拡大縦断面図、第舎図は第1図
の実施例に用いる制御装置の一例のブロックダイアグラ
ム、第4図は本発明の他の実施例の液面制御部の拡大縦
断面図、第5図は第4図の実施例に用いる抵抗体の温度
対抵抗特性図、第6図は本発明の他の実施例の縦断面図
、第7図は第6図の実施例に用いる制御装置の一例のブ
ロック図、第8図及び第9図は本発明の他の実施例の液
面制御部の縦断面拡大図である。 2・・・超流動ヘリウム、4・・・ガス相、15・・・
高圧管、16.71.72・・・電気ヒータ、17.5
1・・・測温素子、25・・・差圧変換器、43・・・
抵抗体、45を 固 Z 茅qI2] 事3I21 茶汁 耐外!、 峯7a 茅?囚

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、冷媒貯槽の底部またはその近傍に高圧側配管を開口
    し、前記冷媒貯槽の気相部に低圧側配管を開口した差圧
    測定方式の冷媒液面計において、前記高圧側配管内の開
    口部近傍に配した加熱手段と、前記高圧側配管の内側の
    前記加熱手段の近傍の冷媒の有無を検出する冷媒検出手
    段とからなり、前記冷媒検出手段が前記冷媒の存在を検
    出したときに加熱または加熱量を増加し、前記冷媒の存
    在を検出しないときには加熱しないか又は加熱量を減ら
    すように、前記加熱手段を制御する加熱制御手段を設け
    たことを特徴とする冷媒液面計。2、請求項1において
    、前記加熱手段と熱的に結合した測温素子からなる冷媒
    検出手段を設けた冷媒液面計。 3、冷媒貯槽の底部またはその近傍に高圧側配管を開口
    し、前記冷媒貯槽の気相部に低圧側配管を開口した差圧
    測定方式の冷媒液面計において、前記高圧側配管内の開
    口部の近傍に、温度に対して負の勾配の抵抗特性をもつ
    抵抗体からなる電気式の加熱手段を設けたことを特徴と
    する冷媒液面計。 4、請求項1において、前記冷媒が超流動ヘリウムで、
    前記低圧側配管の絶対圧力計と、前記冷媒検出手段の検
    出区間の下部の前記高圧側配管内に配した測温素子と、
    前記高圧側配管の内側圧力が外側圧力に対して所定の値
    よりも大きくなつたときのみ動作する前記高圧側配管の
    安全弁と、前記高圧側配管の開口部で前記冷媒の流動抵
    抗となる高流動抵抗体と、前記測温素子の温度指示値と
    前記絶対圧力計の指示値を入力とし、冷媒検出手段が前
    記冷媒の存在を検出したとき又は前記絶対圧力計の指示
    値に相当する飽和温度と高流動抵抗体の前記高圧側配管
    の内外にわたる温度差の和が、前記測温素子の指示値よ
    りもある一定のしきい値を考慮してもなお大きいときに
    加熱又は加熱量を増加し、それ以外のときは加熱しない
    又は加熱量を減少するように加熱手段を制御する加熱制
    御手段を設けたことを特徴とする超流動ヘリウム液面計
    。 5、請求項4において、前記高圧側配管の前記冷媒貯槽
    側開口部に向かつて広がる座面をもつ前記高圧配管の開
    口部と、その座面に嵌合するような末広がり形状の熱伝
    導率の小さい低熱伝導栓と、前記低熱伝導栓を前記座面
    に前記高圧側配管の開口部の外側から押し付け固定する
    ばねとからなる高流動抵抗体。 6、請求項3,4において、微小細孔が多数連通した前
    記冷媒の微小流路を多数内包する多孔質体を用いた高流
    動抵抗体。
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