KR20230098643A - 기포율 센서 및 이것을 사용한 유량계 및 극저온 액체 이송관 - Google Patents
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Abstract
극저온 액체의 기포율을 측정하는 기포율 센서로서, 극저온 액체가 흐르는 유로를 갖는 배관과, 유로의 외부에 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과, 유로 내에서 또한 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되고, 제 1 전극 및/또는 제 2 전극 사이에서 정전 용량을 측정하기 위한 적어도 1개의 중간 전극을 구비한다.
Description
본 개시는 액체 수소 등의 극저온 액체의 기포율을 측정하기 위한 기포율 센서(void fraction sensor) 및 이것을 사용한 유량계 및 극저온 액체 이송관에 관한 것이다.
최근, 온실 효과 가스의 배출 삭감에 따라 유력한 에너지 저장 매체로서 수소의 이용이 주목받고 있다. 특히, 액체 수소는 체적 효율이 높고 장기 보존이 가능하기 때문에 그 이용 기술이 여러 가지 개발되어 있다. 그러나, 액체 수소를 대량으로 취급하는 경우에 필요해지는 유량의 정확한 계측 방법이 공업적으로 확립되어 있지 않았다. 그 주된 이유는 액체 수소가 매우 기화되기 쉽고 기체와 액체의 비율의 변화가 큰 유체이기 때문이다.
즉, 액체 수소는 극저온(비점 -253℃)의 액체이며, 열전도가 매우 높고 잠열이 작기 때문에 즉시 기포(void)가 발생한다는 특징이 있다. 그 때문에 액체 수소는 이송용의 배관 내에서는 기액 혼합된, 소위 이상류로 되어 있다.
따라서, 기포의 함유 비율의 변화가 크기 때문에 배관 내를 흐르는 액체 수소의 유량을 측정하기 위해서는, 통상의 액체와 같이 유속을 측정하는 것만으로는 정확한 유량을 알 수 없다.
그래서, 기액 이상류의 기상 체적 비율을 나타내는 기포율을 계측하는 기포율계의 개발이 진행되어 있다. 이와 같은 기포율계로서 비특허문헌 1에서는 1쌍의 전극을 사용해서 정전 용량을 측정하는 정전 용량형 보이드율계(capacitance type void fraction sensor)가 제안되어 있다. 비특허문헌 1은 이 보이드율계를 사용해서 액체 질소의 보이드율을 측정한 것이 보고되어 있다. 이 정전 용량형 보이드율계에서 사용되는 배관은 내경이 10.2㎜로 비교적 작은 것이 사용되어 있다.
Norihide MAENO, 외 5명, 「Void Fraction Measurement of Cryogenic Two Phase Flow Using a Capacitance Sensor」, Trans. JSASS Aerospace Tech. Japan, Vol.12, No.ists29, pp.Pa_101-Pa_107, 2014
본 개시의 기포율 센서는 극저온 액체의 기포율을 측정하는 것으로서, 극저온 액체가 흐르는 유로를 갖는 배관과, 유로의 외부에 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과, 유로 내에서 또한 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되어 제 1 전극 및/또는 제 2 전극 사이에서 정전 용량을 측정하기 위한 적어도 1개의 중간 전극을 구비한다.
본 개시의 다른 기포율 센서는 극저온 액체가 흐르는 유로를 갖는 배관과, 정전 용량을 측정하기 위한 적어도 1쌍의 전극을 구비하고, 적어도 1쌍의 전극이 유로의 외부에 배치되는 전극과, 유로 내에 배치되는 전극을 구비한다.
본 개시의 또 다른 기포율 센서는 극저온 액체가 흐르는 유로를 갖는 배관과, 정전 용량을 측정하기 위한 적어도 1쌍의 전극을 구비하고, 적어도 1쌍의 전극이 유로 내에 배치되어 있다.
본 개시의 유량계는 배관의 유로 내를 흐르는 극저온 액체의 유량을 측정하는 것으로서, 상기 기포율 센서와, 상기 유로 내를 흐르는 상기 극저온 액체의 유속을 측정하는 유속계를 구비한다.
또한, 본 개시는 상기 유량계를 구비한 극저온 액체 이송관을 제공하는 것이다.
도 1은 본 개시의 일실시형태에 의한 기포율 센서를 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 본 개시의 다른 실시형태에 의한 기포율 센서를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 2개의 전극 사이의 거리가 전기적으로 동일한 것을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 본 개시의 다른 실시형태에 의한 기포율 센서를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 2개의 전극 사이의 거리가 전기적으로 동일한 것을 설명하기 위한 모식도이다.
이하, 본 개시의 실시형태에 의한 기포율 센서를 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는 극저온 액체로서 액체 수소를 사용한 경우의 기포율을 측정하기 위한 기포율 센서를 예로 들어 설명한다.
도 1은 본 개시의 일실시형태에 의한 기포율 센서(1)를 나타내고 있다. 동 도면에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 기포율 센서(1)는 액체 수소를 흘리기 위한 유로(5)를 갖는 배관(2)의 유로(5)의 외부에 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B)을 배치함과 아울러, 배관(2)의 유로(5) 내에 중간 전극(4)을 배치한 것이다. 중간 전극(4)은 제 1 전극(3A)과 제 2 전극(3B) 사이에서, 또한 배관(2)의 유로(5)의 축 방향(도 1의 지면에 수직인 방향)을 따라 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B)과 대향하도록 형성되어 있다. 축 방향에 수직인 유로(5)의 단면은 중간 전극(4)을 개재한 원형상이다.
제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B)은 유로(5)의 외부에 위치하고 있다. 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B)이 유로(5)의 외부에 위치하고 있다는 것은, 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B)이 도 1과 같이 배관(2)의 외주에 위치하고 있어도 좋고, 유로(5)를 둘러싸고 있는 배관(2)의 내부에 위치하고 있어도 좋다. 특히, 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B)은 도 1과 같이 배관(2)의 외주에 위치하고 있으면 좋다. 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B)이 배관(2)의 외주에 위치하면 기포율 센서(1)의 제작이 용이해진다.
또한, 1개의 배관(2) 내에 복수의 유로가 있을 경우, 이들 복수의 유로군을 1개의 유로로 간주하고, 이 유로군의 외측에서 이 유로군을 사이에 두도록 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B)이 위치하고 있다. 또한, 이와 같이 1개의 배관(2) 내에 복수의 유로가 있을 경우, 중간 전극(4)은 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B) 사이에서, 또한 인접하는 유로끼리의 사이에 위치하고 있다.
이와 같이 배관(2)의 유로(5) 내에 중간 전극(4)을 배치했으므로, 유로(5)의 내경이 커져도 제 1 전극(3A)과 중간 전극(4) 사이 및 제 2 전극(3B)과 중간 전극(4) 사이에서 정전 용량을 측정하므로 전극 사이의 거리가 줄어들고, 정전 용량이 커진다.
또한, 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B)과 대향시킴으로써 중간 전극(4)의 면적을 크게 설정하는 것이 가능해지기 때문에 각 전극 사이에 축적되는 정전 용량이 커져 액체 수소의 기포율의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
제 1 전극(3A), 제 2 전극(3B), 및 중간 전극(4)은 어느 것이나 정전 용량 측정기(8)에 전기적으로 접속되어 있으며, 측정된 정전 용량의 값은 정전 용량 측정기(8)에 표시된다.
배관(2)은 액체 수소를 흘리기 위한 유로(5)를 갖는 통형상체이며, 절연성의 세라믹스로 형성된다. 이와 같은 세라믹스로서는, 예를 들면 지르코니아, 알루미나, 사파이어, 질화알루미늄, 질화규소, 사이알론, 코디에라이트, 뮬라이트, 이트리아, 탄화규소, 서멧, β-유크립타이트 등을 주성분으로 하는 세라믹스를 들 수 있다.
절연성의 세라믹스란 20℃에 있어서의 체적 고유 저항값이 1010Ω·m 이상인 세라믹스를 말한다.
세라믹스에 있어서의 주성분이란 세라믹스를 구성하는 성분의 합계 100질량% 중 60질량% 이상을 차지하는 성분을 말한다. 특히, 주성분은 세라믹스를 구성하는 성분의 합계 100질량% 중 95질량% 이상을 차지하는 성분이면 좋다. 세라믹스를 구성하는 성분은 X선 회절 장치(XRD)를 사용해서 구하면 좋다. 각 성분의 함유량은 성분을 동정한 후 형광 X선 분석 장치(XRF) 또는 ICP 발광 분광 분석 장치를 사용해서 성분을 구성하는 원소의 함유량을 구하고, 동정된 성분으로 환산하면 좋다.
세라믹스의 상대 밀도는, 예를 들면 92% 이상 99.9% 이하이다. 상대 밀도는 세라믹스의 이론 밀도에 대한 JIS R 1634-1998에 준거해서 구해진 세라믹스의 겉보기 밀도의 백분율(비율)로서 나타내어진다.
세라믹스는 폐기공을 갖고, 이웃하는 폐기공의 무게 중심 간 거리의 평균값으로부터 폐기공의 원 상당 지름의 평균값을 뺀 값(이하, 이 값을 폐기공 사이의 간격이라고 한다)이 8㎛ 이상 18㎛이어도 좋다. 폐기공은 서로 독립되어 있다.
폐기공 사이의 간격이 8㎛ 이상일 경우, 폐기공이 비교적 분산된 상태로 존재하기 때문에 기계적 강도가 높아진다. 한편, 폐기공 사이의 간격이 18㎛ 이하일 경우, 냉열 충격이 반복해서 부여되어 폐기공의 윤곽을 기점으로 하는 마이크로 크랙이 발생했다고 해도, 주위의 폐기공에 의해 그 신전이 차단될 확률이 높아진다. 이 점에서 폐기공 사이의 간격이 8㎛ 이상 18㎛ 이하이면, 이 세라믹스로 이루어지는 배관(2)을 장기간에 걸쳐 사용할 수 있다.
폐기공의 원 상당 지름의 변형도는 폐기공의 무게 중심 간 거리의 변형도보다 커도 좋다. 여기에서 변형도란 분포가 정규 분포로부터 어느 정도 변형되어 있는지, 즉 분포의 좌우 대칭성을 나타내는 지표(통계량)이며, 변형도가 0보다 클 경우 분포의 아래쪽은 우측을 향하고, 변형도가 0일 경우 분포는 좌우 대칭이 되고, 변형도가 0보다 작을 경우 분포의 아래쪽은 좌측을 향한다.
폐기공의 원 상당 지름 및 폐기공의 무게 중심 간 거리 각각의 히스토그램을 중합하면, 폐기공의 원 상당 지름의 변형도는 폐기공의 무게 중심 간 거리의 변형도보다 클 경우, 원 상당 지름의 최빈값은 무게 중심 간 거리의 최빈값보다 좌측(제로측)에 위치한다. 즉, 원 상당 지름이 작은 폐기공이 많고, 게다가 이들 폐기공이 보다 드문드문 존재하게 되어 기계적 강도와 내냉열 충격성을 겸비한 내관(2)으로 할 수 있다.
예를 들면, 폐기공의 원 상당 지름의 변형도는 1 이상이며, 폐기공의 무게 중심 간 거리의 변형도는 0.6 이하이다. 폐기공의 원 상당 지름의 변형도와 폐기공의 무게 중심 간 거리의 변형도의 차는 0.4 이상이다.
폐기공의 무게 중심 간 거리 및 원 상당 지름을 구하기 위해서는, 우선 세라믹스를 형성하는 배관의 일방의 끝면으로부터 축 방향을 향해 평균 입경 D50이 3㎛인 다이아몬드 연마 입자를 사용해서 구리반에 의해 연마한다. 그 후 평균 입경 D50이 0.5㎛인 다이아몬드 연마 입자를 사용해서 석반에 의해 연마함으로써 거칠기 곡선에 있어서의 산술 평균 거칠기 Ra가 0.2㎛ 이하인 연마면을 얻는다. 연마면의 산술 평균 거칠기 Ra는 상술한 측정 방법과 동일하다.
연마면을 200배의 배율로 관찰하고, 평균적인 범위를 선택하고, 예를 들면 면적이 7.2×104㎛2(횡 방향의 길이가 310㎛, 종 방향의 길이가 233㎛)가 되는 범위를 CCD 카메라로 촬영해서 관찰상을 얻는다.
이 관찰상을 대상으로 해서, 예를 들면 화상 해석 소프트 「A조쿤(ver2.52)」(등록 상표, Asahi Kasei Engineering Corporation제)을 사용해서 분산도 계측의 무게 중심 간 거리법이라는 방법으로 폐기공의 무게 중심 간 거리를 구하면 좋다. 이하, 화상 해석 소프트 「A조쿤」이라고 기재한 경우 Asahi Kasei Engineering Corporation제의 화상 해석 소프트를 나타낸다.
이 방법의 설정 조건으로서는, 예를 들면 화상의 명암을 나타내는 지표인 역치를 165, 명도를 암, 소도형 제거 면적을 1㎛2, 잡음 제거 필터를 무로 하면 좋다. 또한, 관찰상의 밝기에 따라 역치는 조정하면 좋고, 명도를 암, 2치화의 방법을 수동으로 하고, 소도형 제거 면적을 1㎛2 및 잡음 제거 필터를 유로 한 후에 관찰상에 나타나는 마커가 폐기공의 형상과 일치하도록 역치를 조정하면 좋다. 폐기공의 원 상당 지름은 상기 관찰상을 대상으로 해서 입자 해석이라는 방법으로 개기공의 원 상당 지름을 구하면 좋다. 설정 조건은 폐기공의 무게 중심 간 거리를 구하는 데에 사용한 설정 조건과 동일하게 하면 좋다.
폐기공의 원 상당 지름 및 무게 중심 간 거리의 변형도는 각각 Excel(등록 상표, Microsoft Corporation)에 구비되어 있는 함수 Skew를 사용해서 구하면 좋다.
이와 같은 세라믹스에 의해 형성되는 배관의 제조 방법의 일례에 대해서 설명한다. 배관을 형성하는 세라믹스의 주성분이 산화알루미늄인 경우에 대해서 설명한다.
주성분인 산화알루미늄 분말(순도가 99.9질량% 이상)과, 수산화마그네슘, 산화규소, 및 탄산 칼슘의 각 분말을 분쇄용 밀에 용매(예를 들면, 이온 교환수)와 함께 투입하고, 분말의 평균 입경(D50)이 1.5㎛ 이하가 될 때까지 분쇄한 후, 유기 결합제와, 산화알루미늄 분말을 분산시키는 분산제를 첨가, 혼합해서 슬러리를 얻는다.
여기에서 상기 분말의 합계 100질량%에 있어서의 수산화마그네슘 분말의 함유량은 0.3~0.42질량%, 산화규소 분말의 함유량은 0.5~0.8질량%, 탄산 칼슘 분말의 함유량은 0.06~0.1질량%이며, 잔부가 산화알루미늄 분말 및 불가피 불순물이다. 유기 결합제로서는, 예를 들면 아크릴 에멀션, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌옥시드 등이다.
이어서, 슬러리를 분무 조립해서 과립을 얻은 후, 1축 프레스 성형 장치 또는 냉간 정수압 프레스 성형 장치를 사용해서 성형압을 78㎫ 이상 118㎫ 이하로 해서 가압함으로써 주발형상의 성형체를 얻는다.
성형체에는 필요에 따라 절삭 가공에 의해 소성 후에 오목부가 되는 함몰이 형성된다.
소성 온도를 1580℃ 이상 1780℃ 이하, 유지 시간을 2시간 이상 4시간 이하로 해서 성형체를 소성하여 세라믹스로 이루어지는 배관을 얻는다.
폐기공의 간격이 8㎛ 이상 18㎛인 세라믹스를 얻기 위해서는, 예를 들면 소성 온도를 1600℃ 이상 1760℃ 이하, 유지 시간을 2시간 이상 4시간 이하로 해서 성형체를 소성하면 좋다.
유로에 대향하는 세라믹스의 면을 연삭해서 연삭면으로 해도 좋다. 또한, 전극이 형성되는 오목부의 면을 연삭해서 저면으로 해도 좋다.
또한, 유로(5)는 내경이 50㎜ 이상인 것이 좋다. 배관의 외주면에 1쌍의 전극을 형성한 기포율 센서에서는, 배관의 지름을 크게 하면 전극 사이의 거리가 넓어지기 때문에 정전 용량이 작아질 우려가 있었지만, 본 실시형태와 같이 중간 전극(4)을 형성하면 전극 사이의 거리가 좁아지기 때문에 정전 용량이 커져 감도를 높일 수 있다. 중간 전극(4)을 형성함으로써 유로(5)의 내경을 크게 할 수 있고, 이와 같이 하면 액체 수소의 유량을 늘릴 수 있다.
유로(5)의 내경이란 중간 전극(4)에 수직인 방향에 있어서의 유로(5)의 최대 지름이다. 즉, 유로(5)의 내경은 중간 전극(4)의 두께와 중간 전극(4)을 지지하는 지지부(7)의 두께도 포함한다.
배관(2)은 도 1에 나타내는 바와 같이 유로(5)의 축심을 개재해서 대향하는 부위에 각각 오목부(6A, 6B)가 형성되어 있으며, 이들 오목부(6A, 6B)의 저면에 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B)이 각각 배치되어 있다. 오목부(6A, 6B) 및 제 1 전극(3A), 제 2 전극(3B)은 배관(2)의 축 방향의 전체 길이에 걸쳐 형성되어 있어도 좋고, 일부에 형성되어 있을 뿐이어도 좋다. 오목부(6A, 6B)의 저면은 도 1에서는 평탄면이지만, 단면이 유로(5)와 대응하는 원호형상이어도 좋다.
제 1 전극(3A), 제 2 전극(3B), 및 중간 전극(4)은, 예를 들면 구리박, 알루미늄박 등으로 형성할 수 있다. 오목부(6A, 6B)의 저면에 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B)을 형성하기 위해서는, 예를 들면 진공 증착법, 메탈라이즈법, 활성 금속법 등으로 행할 수 있다. 또한, 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B)이 되는 금속판을 각각 오목부(6A, 6B)의 저면에 접착해도 좋다.
중간 전극(4)은 유로(5) 내의 지름 방향으로 서로 대향하는 내주면의 2점을 접속하도록 배치되는 것이 좋다. 이것에 의해 액체 수소의 유로(5)를 분할할 수 있으므로 전극 사이의 거리가 줄어들고, 정전 용량이 커진다. 그 결과, 기포율 센서(1)의 감도가 높아지므로 액체 수소의 기포율의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
배관(2)은 중간 전극(4)을 지지하는 판형상의 지지부(7)를 유로(5) 내에 구비하고, 중간 전극(4)은 지지부(7)에 내장되어 있는 것이 좋다. 중간 전극(4)을 지지부(7)로 지지함으로써 중간 전극(4)을 보호할 수 있다. 특히, 중간 전극(4)이 유로(5) 내에서 노출되지 않으므로 손상을 받기 어려워져 장기간에 걸쳐 사용할 수 있다. 중간 전극(4)은, 예를 들면 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B) 중 적어도 어느 하나에 평행하게 배치된다.
상기 지지부(7)로서는 배관(2)과 마찬가지의 절연성 세라믹스를 사용 가능하다. 그 때문에 지지부(7)와 배관(2)은, 예를 들면 압출 성형이나 CIP(냉간 정수압 가압) 성형에 의해 일체로 형성된 일체 형성품이어도 좋다. 지지부(7)에 중간 전극(4)을 내장시키기 위해서는, 예를 들면 성형 시에 중간 전극(4)의 필름을 지지부(7)를 형성하는 부위에 삽입하면 좋다.
일체 성형 대신에 중간 전극(4)을 내장한 지지부(7)를 미리 작성해두고, 이것을 유로(5) 내에 축 방향에 직교해서 삽입해도 좋다.
또한, 중간 전극(4)을 내장시키지 않고, 중간 전극(4)을 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B) 중 어느 하나 또는 양방에 대향하도록 지지부(7)의 편면 또는 양면에 장착(적층)해도 좋다. 이 경우에도 일체 성형으로 제작할 수 있지만, 중간 전극(4)을 일체 성형 후에 점착해도 좋다.
제 1 전극(3A), 제 2 전극(3B), 및 중간 전극(4)의 두께는 어느 것이나 10㎛ 이상, 바람직하게는 20㎛ 이상이며, 2㎜ 이하, 바람직하게는 1㎜ 이하인 것이 좋다.
제 1 전극(3A)과 중간 전극(4)의 거리는 제 2 전극(3B)과 중간 전극(4)의 거리와 전기적으로 동일한 것이 좋다. 이들 2개의 전극 사이의 거리를 전기적으로 동일하게 함으로써 후술하는 피측정 공간(A)의 평균 두께(t22)에 따라 발생하는 전위차와, 피측정 공간(B)의 두께(t2)에 따라 발생하는 전위차가 동일해지고, 분할된 유로(5a, 5b)에 대한 기포율의 전기적 평가를 동일하게 취급하는 것이 가능해져 제어를 간소화할 수 있다. 「2개의 전극 사이의 거리가 전기적으로 동일하다」의 의미에 대해서는 후술한다.
도 1에 나타내는 바와 같이 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B)은 정전 용량 측정기(8)에 전기적으로 접속되어 있으며, 또한 정전 용량 측정기(8)에는 중간 전극(4)도 전기적으로 접속되어 기포율 센서(1)를 구성하고 있다.
이어서, 본 개시의 다른 실시형태를 도 2에 의거하여 설명한다. 또한, 도 1과 동일한 구성 부재에는 동일한 부호를 붙여 상세한 설명은 생략한다.
도 2에 나타내는 바와 같이 본 실시형태에 의한 기포율 센서(11)는 복수의 중간 전극(41, 42, 43)을 구비하고 있으며, 각 중간 전극(41, 42, 43) 사이의 거리는 전기적으로 동일하다. 이와 같이 복수의 중간 전극(41, 42, 43)을 구비함으로써 각 중간 전극(41, 42, 43) 사이의 거리를 짧게 할 수 있다. 그 때문에 각 중간 전극(41, 42, 43) 사이에 축적되는 정전 용량이 커져 액체 수소의 기포율의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
이때 각 중간 전극(41, 42, 43) 사이의 거리가 전기적으로 동일한 한, 상기 거리를 적당히 바꿔서 감도를 변화시켜도 좋다.
중간 전극(41, 42, 43)은 상술한 실시형태와 마찬가지로 각각 지지부(71, 72, 73)에 내장되어 지지되어 있다. 중간 전극(41, 42, 43)은, 예를 들면 제 1 전극(3A) 및 제 2 전극(3B) 중 적어도 어느 하나에 평행하게 배치된다.
제 1 전극(3A), 제 2 전극(3B), 및 중간 전극(41, 42, 43)은 어느 것이나 정전 용량 측정기(8)에 전기적으로 접속되어 있으며, 측정된 정전 용량의 값은 정전 용량 측정기(8)에 표시된다.
또한, 사용되는 조건에 의해 기체 수소가 배관(2)의 유로(5) 내에서 연직 상방에 집합한 기액 이상류로 된 경우, 연직 상방의 감도와, 액체가 주체의 연직 하방의 감도로 평가의 가중치를 바꿈으로써 측정계 전체의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
측정 정밀도를 향상시킴에 있어서 제 1 전극(3A)과 가장 제 1 전극(3A)에 가까운 중간 전극(41)의 거리와, 제 2 전극(3B)과 가장 제 2 전극(3B)에 가까운 중간 전극(43)의 거리는 전기적으로 동일한 것이 좋다.
마찬가지로 각 중간 전극(41, 42, 43) 사이의 거리와, 제 1 전극(3A)과 가장 제 1 전극(3A)에 가까운 중간 전극(41)의 거리, 및 제 2 전극(3B)과 가장 제 2 전극(3B)에 가까운 중간 전극(43) 중 적어도 어느 하나가 전기적으로 동일한 것이 좋다.
이어서, 「2개의 전극 사이의 거리가 전기적으로 동일하다」의 의미에 대해서 도 2에 나타내는 기포율 센서(11)에 의거하여 설명한다. 도 3a, 도 3b는 「2개의 전극 사이의 거리가 전기적으로 동일하다」는 것을 나타내는 모식도이다. 도 3a는 제 1 전극(3A)과 중간 전극(41) 사이와 같이 배관(2)을 구성하는 절연층이 두꺼운 경우를, 도 3b는 중간 전극(41)과 중간 전극(42) 사이와 같이 절연층이 얇은 경우를 각각 모식적으로 나타내고 있다.
도 3a에 나타내는 바와 같이 제 1 전극(3A)과 중간 전극(41)에 의해 끼워지는 배관(2)의 평균 두께와 지지부(71)의 두께의 합계(t11)에 따라 발생하는 전위차를 E11, 제 1 전극(3A)과 중간 전극(41)에 의해 끼워지는 피측정 공간(A)의 평균 두께(t22)에 따라 발생하는 전위차를 E22로 한다. 한편, 도 3b에 나타내는 바와 같이 중간 전극(41)과 중간 전극(42)에 의해 끼워지는 지지부(71, 72)의 두께의 합계(t1)에 따라 발생하는 전위차를 E1, 제 1 전극(3A)과 중간 전극(41)에 의해 끼워지는 피측정 공간(B)의 두께(t2)에 따라 발생하는 전위차를 E2로 한 경우, E2=E22가 되도록 t11, t22, t1, 및 t2가 조정된 상태를 2개의 전극 사이의 거리가 전기적으로 동일하다고 한다.
도 2에 나타내는 예에서는 극저온 액체보다 유전율이 큰 절연성 세라믹스의 두께의 합계(t11)가 두께(t1)보다 크기 때문에 피측정 공간(A)의 평균 두께(t22)가 피측정 공간(B)의 두께(t2)보다 짧아진다.
각 전위차(E1, E22, E1, 및 E2)는 정전 용량 측정기(8)로 측정하면 좋다.
제 1 전극(3A)과 중간 전극(41)에 의해 끼워지는 배관(2)의 평균 두께는 적분의 평균값의 정리를 사용해서 구하면 좋다. 제 1 전극(3A)과 중간 전극(41)에 의해 끼워지는 피측정 공간(A)의 평균 두께(t22)는 제 1 전극(3A)과 중간 전극(41)의 간격으로부터 제 1 전극(3A)과 중간 전극(41)에 의해 끼워지는 배관(2)의 평균 두께와 지지부(71)의 두께의 합계(t11)를 뺀 값이다.
이상의 실시형태의 기포율 센서(1, 11) 외에, 본 개시에 있어서는 정전 용량을 측정하기 위한 1쌍의 전극이 배관(2)의 외주에 배치되는 제 1 전극(3A) 또는 제 2 전극(3B)과, 유로(5) 내에 배치되는 중간 전극(4)으로 구성된 기포율 센서이어도 좋다. 즉, 배관(2)의 외주에 배치되는 전극은 상기 전극(3A, 3B) 중 일방뿐이어도 좋다. 이와 같은 1쌍의 전극이어도 전극 사이의 거리가 짧아지므로 전극 사이에 축적되는 정전 용량이 커져 기포율의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 1쌍의 전극은 2 이상이어도 상관없다.
또한, 본 개시의 다른 기포율 센서로서 유로(5)의 외부에 배치되는 제 1 전극(3A) 또는 제 2 전극(3B)을 사용하지 않고, 유로(5) 내에 배치된 1쌍의 전극으로 구성된 기포율 센서이어도 좋다. 즉, 도 2에 나타내는 중간 전극(41, 42, 43) 중, 예를 들면 중간 전극(41과 43), 중간 전극(41과 42), 또는 중간 전극(42와 43)으로 구성된 기포율 센서이어도 좋다. 도 2에 나타내는 바와 같이 중간 전극(41, 42, 43)의 각각 일부는 유로(5)를 위요하는 내주면의 내측에 위치해 있어도 좋다.
이어서, 본 개시의 실시형태에 의한 유량계에 대해서 설명한다. 이 유량계는 유로(5) 내를 흐르는 액체 수소의 유량을 측정하는 것이며, 상술한 기포율 센서(1, 11)와, 도시하지 않은 극저온 액체가 유로(5) 내를 흐르는 유속을 측정하는 유속계를 구비한다. 기포율 센서(1, 11) 및 유속계는 도시하지 않은 액체 수소 이송관(이하, 이송관이라고 약칭하는 경우가 있다)에 부착되어 있다.
유로(5) 내를 흐르는 액체 수소는 기액 혼합된 이상류로 되어 있으므로 기포율 센서(1, 11)로 액체 수소의 정전 용량을 측정하고, 이것으로부터 액체 수소의 밀도 d(㎏/㎥)를 구한다.
그리고 유속계로 구한 액체 수소의 유속(m/초)을 v, 유로(5)의 단면적(㎡)을 a로 했을 때, 다음 식에 의해 유량 F(㎏/초)가 구해진다.
F=d×v×a
유량계는 상기 연산을 행하기 위해 기포율 센서(1, 11) 및 유속계가 접속된 연산 장치를 더 구비하고 있다. 이것에 의해 액체 수소의 유량 측정을 간단히 행할 수 있으므로 공업적으로 액체 수소를 대량 이송하는 경우에 관리가 용이해진다.
이상의 설명에서는 액체 수소의 기포율 센서(1, 11) 및 이것을 사용하는 유량계에 대해서 설명했지만 다른 극저온 액체, 예를 들면 액체 질소(-196℃), 액체 헬륨(-269℃), 액화 천연 가스(-162℃), 액체 아르곤(-186℃) 등(괄호 내는 액화 온도를 나타낸다)에 대해서도 마찬가지로 적용 가능하다. 따라서, 본 개시에 있어서의 극저온 액체란 -162℃ 이하의 극저온에서 액화되는 것을 말한다.
이상, 본 개시의 실시형태에 대해서 설명했지만 본 개시의 기포율 센서는 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 개시에 기재된 범위 내에서 여러 가지의 변경이나 개선이 가능하다.
1, 11: 기포율 센서
2: 배관
3A: 제 1 전극 3B: 제 2 전극
4, 41, 42, 43: 중간 전극 5: 유로
6A, 6B: 오목부 7, 71, 72, 73: 지지부
8: 정전 용량 측정기
3A: 제 1 전극 3B: 제 2 전극
4, 41, 42, 43: 중간 전극 5: 유로
6A, 6B: 오목부 7, 71, 72, 73: 지지부
8: 정전 용량 측정기
Claims (15)
- 극저온 액체의 기포율을 측정하는 기포율 센서로서,
상기 극저온 액체가 흐르는 유로를 갖는 배관과,
상기 유로의 외부에 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극과,
상기 유로 내에서 또한 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되고, 상기 제 1 전극 및/또는 제 2 전극 사이에서 정전 용량을 측정하기 위한 적어도 1개의 중간 전극을 구비한 기포율 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 중간 전극은 상기 유로의 축 방향을 따라 상기 제 1 전극과 제 2 전극에 대향해서 형성되어 있는 기포율 센서. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 중간 전극은 상기 유로 내의 지름 방향으로 서로 대향하는 내주면의 2점을 접속하는 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 중간 전극의 거리는 상기 제 2 전극과 상기 중간 전극의 거리와 전기적으로 동일한 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간 전극은 복수이며, 각 중간 전극 사이의 거리는 전기적으로 동일한 기포율 센서. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 가장 상기 제 1 전극에 가까운 중간 전극의 거리와, 상기 제 2 전극과 가장 상기 제 2 전극에 가까운 중간 전극의 거리가 전기적으로 동일한 기포율 센서. - 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
각 중간 전극 사이의 거리와, 상기 제 1 전극과 가장 상기 제 1 전극에 가까운 중간 전극의 거리, 및 상기 제 2 전극과 가장 상기 제 2 전극에 가까운 중간 전극의 거리 중 적어도 어느 하나가 전기적으로 동일한 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배관은 상기 유로 내에 상기 중간 전극을 지지하는 지지부를 구비하고, 상기 중간 전극은 상기 지지부에 내장되어 있는 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배관은 상기 중간 전극을 지지하는 지지부를 구비하고, 상기 중간 전극은 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 어느 하나 또는 양방에 대향하도록 상기 지지부의 편면 또는 양면에 장착되고, 절연막에 의해 피복되어 있는 기포율 센서. - 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 지지부는 상기 배관과 일체 형성품인 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유로의 내경이 50㎜ 이상인 기포율 센서. - 극저온 액체의 기포율을 측정하는 기포율 센서로서,
상기 극저온 액체가 흐르는 유로를 갖는 배관과,
정전 용량을 측정하기 위한 적어도 1쌍의 전극을 구비하고,
상기 적어도 1쌍의 전극이 상기 유로의 외부에 배치되는 전극과, 상기 유로 내에 배치되는 전극을 구비한 기포율 센서. - 극저온 액체의 기포율을 측정하는 기포율 센서로서,
상기 극저온 액체가 흐르는 유로를 갖는 배관과,
정전 용량을 측정하기 위한 적어도 1쌍의 전극을 구비하고,
상기 적어도 1쌍의 전극이 상기 유로 내에 배치되어 있는 기포율 센서. - 배관의 유로 내를 흐르는 극저온 액체의 유량을 측정하는 유량계로서, 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 기포율 센서와, 상기 유로 내를 흐르는 상기 극저온 액체의 유속을 측정하는 유속계를 구비한 유량계.
- 제 14 항에 기재된 유량계를 구비한 극저온 액체 이송관.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JPJP-P-2020-204565 | 2020-12-09 | ||
| JP2020204565 | 2020-12-09 | ||
| PCT/JP2021/045381 WO2022124375A1 (ja) | 2020-12-09 | 2021-12-09 | 気泡率センサおよびこれを用いた流量計ならびに極低温液体移送管 |
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| Norihide MAENO, 외 5명, 「Void Fraction Measurement of Cryogenic Two Phase Flow Using a Capacitance Sensor」, Trans. JSASS Aerospace Tech. Japan, Vol.12, No.ists29, pp.Pa_101-Pa_107, 2014 |
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