KR20230098645A - 기포율 센서, 이것을 사용한 유량계 및 극저온 액체 이송관 - Google Patents
기포율 센서, 이것을 사용한 유량계 및 극저온 액체 이송관 Download PDFInfo
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Abstract
본 개시의 기포율 센서는 저온 액체를 흘리기 위한 관통 구멍을 갖는 절연성의 내관과, 상기 내관의 외주면에 장착된 적어도 1쌍의 전극과, 상기 내관의 외주측을 덮는 단열층을 구비한다. 본 개시의 유량계는 상기 내관의 관통 구멍 내를 흐르는 극저온 액체의 유량을 측정하는 것으로서, 상기 기포율 센서와, 상기 극저온 액체가 상기 관통 구멍 내를 흐르는 유속을 측정하는 유속계를 구비한다.
Description
본 개시는 액체 수소 등의 극저온 액체의 기포율을 측정하기 위한 기포율 센서(void fraction sensor), 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(보이드)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.
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 저온 액체를 흘리기 위한 관통 구멍을 갖는 절연성의 내관과, 상기 내관의 외주면에 장착된 적어도 1쌍의 전극과, 내관의 외주측을 덮는 단열층을 구비한다.
본 개시의 유량계는 내관의 관통 구멍 내를 흐르는 극저온 액체의 유량을 측정하는 것으로서, 상기 기포율 센서와, 상기 극저온 액체가 상기 관통 구멍 내를 흐르는 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 3a는 도 2에 나타내는 내관의 조립 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3b는 도 3a에 있어서의 분할 가능한 세라믹 부재를 나타내는 설명도이다.
도 4는 도 2에 나타내는 기포율 센서의 변형예를 나타내는 일부 파단 사시도이다.
도 5는 도 4에 나타내는 내관과 그 주변의 구조를 나타내는 일부 파단 사시도이다.
도 6은 도 4에 나타내는 내관을 나타내는 사시도이다.
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도 3a는 도 2에 나타내는 내관의 조립 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3b는 도 3a에 있어서의 분할 가능한 세라믹 부재를 나타내는 설명도이다.
도 4는 도 2에 나타내는 기포율 센서의 변형예를 나타내는 일부 파단 사시도이다.
도 5는 도 4에 나타내는 내관과 그 주변의 구조를 나타내는 일부 파단 사시도이다.
도 6은 도 4에 나타내는 내관을 나타내는 사시도이다.
이하, 본 개시의 실시형태에 의한 기포율 센서를 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는 극저온 액체로서 액체 수소를 사용한 경우의 기포율을 측정하기 위한 기포율 센서에 대해서 설명한다.
도 1은 본 개시의 일실시형태에 의한 기포율 센서(1)를 나타내고 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이 이 기포율 센서(1)는 액체 수소가 흐르는 관통 구멍(3)을 갖는 절연성의 내관(2)과, 상기 내관(2)의 외면에 장착된 짝수 개(본 실시형태에서는 2개)의 전극(4)을 구비한다.
또한, 내관(2)의 양단 외주부에는 환형상부(5)가 부착되어 있으며, 이 환형상부(5)의 외주부에 외관(6)이 접합되어 있다. 외관(6)은 지름 방향으로 개구하는 제 1 삽입 통과 구멍(7)을 갖는다. 제 1 삽입 통과 구멍(7)에는 제 1 기밀 단자(8)가 설치되어 있으며, 전극(4)에 개별로 접속하는 도통 핀(9)을 제 1 삽입 통과 구멍(7) 내에서 고정하고 있다.
절연성의 내관(2)이란 20℃에 있어서의 체적 고유 저항값이 1010Ω·m 이상인 내관을 말한다.
외관(6)에는 진공 배기 밸브(15)(예를 들면, 진공 배기용의 니들 밸브)가 설치되어 있으며, 내관(2)과 외관(6) 사이에 진공 공간(10)(단열층)을 형성하고 있다. 이와 같이, 내관(2)의 외주측에 진공 공간(10)이 위치하고 있으므로 내관(2)에 대한 단열 성능이 확보된다. 그 결과, 외기 온도의 영향에 의한 기포의 발생이 억제되기 때문에 기포율의 측정 정밀도가 향상된다. 즉, 액체 질소 등의 극저온 액체가 흐르는 내관(2)의 내부와 외부 사이에서 단열 성능이 충분하지 않으면 외부 온도의 영향에 의해 내관(2) 내에서 발생하는 기포를 충분히 제어할 수 없다. 그 때문에 극저온 액체의 기포율을 정밀도 좋게 측정하는 것이 곤란해진다.
또한, 제 1 기밀 단자(8)에 의해 내관(2)으로부터 외부로의 액체 수소의 리크가 억제되기 때문에 기포율의 측정 정밀도가 더 향상된다.
내관(2)은 세라믹스, 예를 들면 산화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어지는 것이 좋다. 산화알루미늄이 주성분이면 원료 가격이나 제작 비용이 비교적 저렴하면서 우수한 기계적 특성을 갖는 내관(2)으로 할 수 있다.
내관(2)이 산화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어질 경우, 예를 들면 규소, 마그네슘, 및 칼슘을 포함하고 있어도 좋다. 세라믹스를 구성하는 성분의 합계 100질량% 중 이들 원소를 산화물로 환산하면, 예를 들면 SiO2는 0.3질량%~1질량%, MgO는 0.1질량%~0.4질량%, CaO는 0.04질량%~0.08질량%이다.
아노사이트(CaAl2Si2O8)를 포함하고 있어도 좋다. 아노사이트는 산화알루미늄보다 선팽창률이 작기 때문에 아노사이트를 포함하고 있으면 내열 충격성을 향상시킬 수 있다. 특히, 내관(2)은 저열팽창 세라믹스로 이루어지는 것이 좋다. 저열팽창 세라믹스로서는 22℃에 있어서의 선팽창률이 0±20ppb/K 이하인 세라믹스를 말한다. 저열팽창 세라믹스는 선팽창률이 낮으므로 액체 수소를 포함하는 극저온 액체에 의해 열충격을 받아도 파손의 우려가 저감된다.
구체적으로는 저열팽창 세라믹스는 주결정상이 코디에라이트이며, 부결정상으로서 알루미나, 뮬라이트, 및 사피린을 포함하고, 입계상에 Ca를 포함하는 비정질상이 존재하고 있는 것이 좋다. 주결정상의 결정상 비율은 95질량% 이상 97.5질량% 이하이며, 부결정상의 결정상 비율이 2.5질량% 이상 5질량% 이하이며, 전량 중에 대한 Ca의 함유량이 CaO 환산으로 0.4질량% 이상 0.6질량% 이하이며, 또한 지르코니아를 포함하고, 전량 중에 대한 지르코니아의 함유량이 0.1질량% 이상 1.0질량% 이하인 것이 바람직하다. 극저온 액체의 비유전율에 내관(2)을 형성하는 세라믹스의 비유전율이 가까워지고, 고주파 특성이 좋아지므로 기포율의 측정 정밀도가 더 향상된다.
저열팽창 세라믹스에 있어서의 결정상 및 그 비율은 CuKα선을 사용한 X선 회절 장치에 의해 회절각 2θ=8~100°의 범위를 해석 대상으로 하고, 리트벨트법을 사용해서 해석하면 좋다.
또한, 내관(2)은, 예를 들면 질화규소 또는 사이알론을 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어지는 것이어도 좋다. 이들 세라믹스는 기계적 강도 및 내열 충격성이 어느 것이나 높으므로 열충격을 받아도 파손의 우려가 저감된다.
구체적으로는 상기 세라믹스는 산화칼슘, 산화알루미늄, 및 희토류 원소의 산화물을 포함하고, 산화칼슘, 산화알루미늄, 및 희토류 원소의 산화물의 합계 100질량%에 대해서 산화칼슘 및 산화알루미늄의 함유량이 각각 0.3질량% 이상 1.5질량% 이하, 14.2질량% 이상 48.8질량% 이하이며, 잔부가 상기 희토류 원소의 산화물이다. 상기 질화규소는 조성식이 Si6 - ZAlZOZN8 -Z(z=0.1~1)로 나타내어지는 β-사이알론이며, 평균 결정 입경이 20㎛ 이하(단, 0㎛를 제외한다)이다.
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 백분률(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 내관(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 세라믹 부재의 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, 밝기를 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 내관의 제조 방법의 일례에 대해서 설명한다. 내관을 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(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 결합제는, 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 내관을 얻는다. 폐기공의 간격이 8㎛ 이상 18㎛인 세라믹스를 얻기 위해서는 소성 온도를 1600℃ 이상 1760℃ 이하, 유지 시간을 2시간 이상 4시간 이하로 해서 성형체를 소성하면 좋다. 관로에 대향하는 세라믹 부재의 면을 연삭해서 연삭면으로 해도 좋다. 또한, 전극이 형성되는 오목부의 면을 연삭해서 저면으로 하거나 해도 좋다. 또한, 내관(2)은 내경이 50㎜ 이상인 것이 좋다.
환형상부(5)는, 예를 들면 페르니코계 합금, Fe-Ni 합금, Fe-Ni-Cr-Ti-Al 합금, Fe-Cr-Al 합금, Fe-Co-Cr 합금, Fe-Co 합금, Fe-Co-C 합금, 또는 니켈의 함유량이 10.4질량% 이상인 오스테나이트계 스테인리스강 등으로 형성되는 것이 좋다. 환형상부(5)의 외경은 충분한 단열 성능을 얻음에 있어서, 내관(2)의 외경에 대해서 1㎜ 이상, 바람직하게는 내관(2)의 외경에 대해서 10㎜ 이상인 것이 좋고, 내관(2)의 외경에 대해서 200㎜ 이하, 바람직하게는 100㎜ 이하인 것이 좋다. 환형상부(5)는 메탈라이즈된 내관(2)의 외주면에 경납땜에 의해 기밀하게 접합된다.
외관(6)은, 예를 들면 니켈의 함유량이 10.4질량% 이상인 오스테나이트계 스테인리스강(예를 들면, SUS316L) 등의 금속, 질화규소, 사이알론 등의 세라믹스 등으로 형성되는 것이 좋다.
제 1 기밀 단자(8)는, 소위 허메틱 커넥터를 구성하고 있으며, 도통 핀(9)과, 상기 도통 핀(9)을 삽입하기 위한 제 1 핀 구멍(도시하지 않음)을 두께 방향으로 구비한 원판형상의 제 1 세라믹 기판(17)과, 상기 제 1 세라믹 기판(17)의 외주면을 위요하는 제 1 환형상체(18)를 구비한다. 제 1 환형상체(18)는 제 1 세라믹 기판(17)을 유지하는 슬리브로서 기능하고, 예를 들면 페르니코계 합금, Fe-Ni 합금, Fe-Ni-Cr-Ti-Al 합금, Fe-Cr-Al 합금, Fe-Co-Cr 합금, Fe-Co 합금, Fe-Co-C 합금, 또는 니켈의 함유량이 10.4질량% 이상인 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어지는 것이 좋다. 이것에 의해 액체 수소에 의한 취화가 발생하기 어려워지므로 장기간에 걸쳐 기포율의 측정 정밀도를 유지할 수 있다.
니켈의 함유량이 10.4질량% 이상인 오스테나이트계 스테인리스강으로서는, 예를 들면 SUS310S, SUS316L, SUS316LN, SUS316J1L, SUS317L 등이 있다.
전극(4)은, 예를 들면 구리박, 알루미늄박 등으로 형성할 수 있다. 내관(2)의 외주면에 전극(4)을 형성하기 위해서는, 예를 들면 진공 증착법, 메탈라이즈법, 활성 금속법 등으로 행할 수 있다. 또한, 후술하는 오목부(28)의 저면에 전극(29)이 되는 금속판을 접착해도 좋다. 전극(41, 42)의 두께는 어느 것이나 10㎛ 이상, 바람직하게는 20㎛ 이상이며, 1㎜ 이하, 바람직하게는 2㎜ 이하인 것이 좋다.
내관(2)의 양단에는 플랜지부(19)를 갖는 금속관(20)이 배치되고, 환형상부(5)와 플랜지부(19)가 용접 또는 납땜되어 이루어진다. 이와 같이 내관(2)에 금속관(20)을 접속함으로써 외부로부터의 충격에 대해서 파괴되기 어려워짐과 아울러, 환형상부(5)와 플랜지부(19)가 용접 또는 납땜됨으로써 내관(2)으로부터 외부로의 액체 수소의 리크가 억제되기 때문에 기포율의 측정 정밀도가 더 향상된다. 또한, 금속관(20)은 액체 수소를 이송하기 위한 액체 수소 이송관이어도 좋다.
이어서, 본 개시의 다른 실시형태를 도 2 및 도 3에 의거하여 설명한다. 이 실시형태의 기포율 센서(11)는 내관(21)을 하우징(22)으로 위요하고, 이 하우징(22)의 외측을 외관(26)으로 덮은 구조를 갖는다. 하우징(22)은 지름 방향으로 개구하는 제 2 삽입 통과 구멍(23)을 외주면에 갖고, 또한 내관(21)의 축 방향을 따라 개구하고, 내관(21)의 관통 구멍(31)과 연통하는 연결 구멍(24)을 갖는다. 이 연결 구멍(24)을 통해 내관(21)의 관통 구멍(31)과 연통하는 금속관(25)이 하우징(22)의 양단에 배치된다.
내관(21)은 외부를 향해 개구하는 오목부(28)를 갖고, 상기 오목부(28)의 저면에 전극(29)이 장착되어 있다. 또한, 내관(21)은 도 3a, 도 3b에 나타내는 바와 같이 둘레 방향으로 배열된 분할 가능한 짝수 개(본 실시형태에서는 4개)의 세라믹 부재(21a, 21b, 21c, 21d)로 이루어진다.
이들 세라믹 부재(21a, …21d)로부터 내관(21)을 조립하기 위해서는 그들의 측면끼리를 중합하고, 외주면 상에 환형상의 결속체(30)를 장착해서 세라믹 부재(21a, …21d)를 결속하여 내관(21)을 형성한다. 이 상태에서 내관(21)의 외주측에 하우징(22)을 부착한다. 바꿔 말하면, 하우징(22)은 분할 가능한 내관(21)을 수용하기 위해 설치되어 있다.
즉, 하우징(22)은 내관(21)을 수용하는 프레임체부(22a)와, 상기 프레임체부(22a)의 개구를 밀봉하는 덮개부(22b)를 구비한다. 결속된 세라믹 부재(21a, …21d)를 프레임체부(22a) 내에 수용 후, 프레임체부(22a)와 덮개부(22b)를 용접 또는 납땜에 의해 접합한다. 프레임체부(22a) 및 덮개부(22b)는 내관(21)의 관통 구멍에 연통하는 개구를 각각 갖고, 상기 각 개구를 통해 관통 구멍과 연통하도록 금속관(25)이 프레임체부(22a) 및 덮개부(22b)에 각각 용접 또는 납땜되어 있다.
내관(21)은 도 3a, 도 3b에 나타내는 바와 같이 단면이 대략 사각형으로 구성되어 있으며, 그 모서리부(211)가 모따기 가공(C면 가공 또는 R면 가공)된 형상을 갖는다. 그 때문에 환형상의 결속체(30)는 모따기 가공된 모서리부(211)를 압접하므로 각 세라믹 부재(21a, …21d)를 강고하게 결속할 수 있다. 결속체(30)로서는, 예를 들면 띠형상의 가요성 플라스틱 필름이나 금속 띠 등을 들 수 있다. 그때, 결속체(30)는 양단이 열융착이나 용접 등의 접합 수단에 의해 접합된다.
또한, 내관(21)을 구성하는 세라믹 부재(21a, …21d)는 상술한 내관(2)과 마찬가지로 저열팽창 세라믹스 또는 산화알루미늄, 질화규소, 또는 사이알론을 주성분으로 하는 세라믹스로 형성되는 것이 좋다.
세라믹 부재(21a, …21d) 중 적어도 어느 하나는 폐기공을 갖고, 폐기공 사이의 간격이 8㎛ 이상 18㎛이어도 좋다.
도 2로 되돌아가서, 하우징(22)의 축 방향 외측에는 환형상부(51)가 위치한다. 환형상부(51)는, 내관(21)과 동일 축심 상에 축 구멍을 갖고, 이 축 구멍에 삽입 통과된 금속관(25)의 외주면에 용접 또는 납땜되어 있다. 환형상부(51)의 외주부에는 외관(26)이 접합된다. 외관(26)은 외주면에 지름 방향으로 개구하는 제 1 삽입 통과 구멍(27)을 갖는다.
제 1 삽입 통과 구멍(27) 내에는 각 전극(29)에 개별로 접속하는 도통 핀(91)을 고정하기 위한 제 1 기밀 단자(81)가 설치된다. 제 1 기밀 단자(81)는 상술한 제 1 기밀 단자(8)와 마찬가지로 도통 핀(91)과, 상기 도통 핀(91)을 삽입하기 위한 제 1 핀 구멍(도시하지 않음)을 두께 방향으로 구비한 원판형상의 제 1 세라믹 기판(50)과, 상기 제 1 세라믹 기판(50)의 외주면을 위요하는 제 1 환형상체(52)로 구성되어 있다.
또한, 하우징(22)의 외주면에 형성된 제 2 삽입 통과 구멍(23)에도 마찬가지로 도통 핀(91)을 상기 제 2 삽입 통과 구멍 내에서 고정하는 제 2 기밀 단자(82)가 설치되어 있다. 이 제 2 기밀 단자(82)는 도통 핀(91)과, 상기 도통 핀(91)을 삽입하기 위한 제 2 핀 구멍(도시하지 않음)을 두께 방향으로 구비한 원판형상의 제 2 세라믹 기판(50')과, 제 2 세라믹 기판(50')의 외주면을 위요하는 제 2 환형상체(52')로 구성되어 있다.
외관(26)에는 진공 배기 밸브(15)(예를 들면, 진공 배기용 니들 밸브)가 설치되어 있으며, 하우징(22)과 외관(26) 사이에 진공 공간(100)(단열층)을 형성하고 있다. 이때, 내관(21)과 하우징(22) 사이의 공간도 진공 공간이어도 좋다. 이와 같이 하우징(22)과 외관(26) 사이에 진공 공간(100)이 위치하고 있으므로 외기 온도에 의한 액체 수소의 기화가 억제되어 내관(21)에 대한 단열 성능이 향상되고, 기포의 발생이 억제되어 기포율의 측정 정밀도가 향상된다. 그 외는 도 1에 나타낸 실시형태와 마찬가지이므로 상세한 설명을 생략한다.
이어서, 도 2 및 도 3a, 도 3b에 나타내는 실시형태의 변형예를 도 4~도 6에 나타낸다. 또한, 도 2 및 도 3a, 도 3b에 나타내는 기포율 센서(11)의 구성 부재와 동일한 부재에는 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다.
이 변형예의 기포율 센서(111)는 도 4에 나타내는 바와 같이 내관(21')에 금속관(25')이 직접 접합된다. 또한, 하우징(22')을 구성하는 프레임체부(22a')와 덮개부(22b')는 금속관(25')과 일체로 형성되거나, 또는 금속관(25')에 접합되어 있다. 외관(26')은 하우징(22')의 외주면에 접합되어 있다. 접합은, 예를 들면 용접 또는 납땜 등에 의해 행할 수 있다.
외관(26')에는 진공 배기 밸브(15)가 설치되어 내관(21')과 외관(26') 사이에 진공 공간(100')(단열층)이 형성된다.
도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이 내관(21')은 4개의 세라믹 부재(21a', 21b', 21c', 21d')로 구성되고, 결속체(30')로 일체로 접합되어 있다. 상세는 도 3a, 도 3b에 나타낸 바와 같다.
또한, 본 개시에서는 내관은 단면이 대략 사각형에 한정되는 것은 아니고, 단면형상이 원형이나 다른 다각형이어도 좋다. 그때, 내관을 구성하는 세라믹 부재의 수는 짝수 개이며, 예를 들면 2개, 4개, 6개, 8개이다. 정전 용량을 측정하기 위해서는 적어도 대향하는 1쌍의 전극을 필요로 하고, 각 전극은 각각 세라믹 부재에 부착되어 있기 때문이다.
또한, 정전 용량은 대향하는 전극 사이에서 측정되므로 짝수 개의 세라믹 부재의 전체에 전극이 형성되어 있지 않아도, 서로 대향하는 적어도 1쌍의 세라믹 부재에 전극이 각각 형성되어 있을 뿐이어도 좋다.
이어서, 본 개시의 실시형태에 의한 유량계에 대해서 설명한다. 이 유량계는 내관(2, 21, 21') 내를 흐르는 액체 수소의 유량을 측정하는 것이며, 상술한 기포율 센서(1, 11, 111)와, 도시하지 않은 극저온 액체가 관통 구멍(3, 31) 내를 흐르는 유속을 측정하는 유속계를 구비한다. 기포율 센서(1, 11, 111) 및 유속계는 도시하지 않은 액체 수소 이송관(이하, 이송관이라고 약칭하는 경우가 있다)에 부착되어 있다.
관통 구멍(3, 31) 내를 흐르는 액체 수소는 기액 혼합된 2상류로 되어 있으므로 기포율 센서(1, 11, 111)로 액체 수소의 정전 용량을 측정하고, 이것으로부터 액체 수소의 밀도 d(㎏/㎥)를 구할 수 있다.
그리고 유속계로 구한 액체 수소의 유속(m/초)을 v, 관통 구멍(3, 31')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, 111) 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, 111) 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 개시의 범위 내에서 여러 가지의 변경이나 개량이 가능하다.
1, 11, 111: 기포율 센서
2, 21, 21': 내관
21a, 21b, 21c, 21d: 세라믹 부재
21a', 21b', 21c', 21d': 세라믹 부재
211: 모서리부 3, 31: 관통 구멍
4, 29: 전극 5: 환형상부
6: 외관 7: 제 1 삽입 통과 구멍
8, 81: 제 1 기밀 단자 82: 제 2 기밀 단자
9, 91: 도통 핀 10, 100, 100': 진공 공간
15: 진공 배기 밸브 17, 50: 제 1 세라믹 기판
18, 52: 제 1 환형상체 19: 플랜지부
20, 25, 25': 금속관 22, 22': 하우징
22a, 22a': 프레임체부 22b, 22b': 덮개부
23: 제 2 삽입 통과 구멍 24: 연결 구멍
26, 26': 외관 27: 제 1 삽입 통과 구멍
28: 오목부 29: 전극
30: 결속체 50': 제 2 세라믹 기판
51: 환형상부 52': 제 2 환형상체
21a, 21b, 21c, 21d: 세라믹 부재
21a', 21b', 21c', 21d': 세라믹 부재
211: 모서리부 3, 31: 관통 구멍
4, 29: 전극 5: 환형상부
6: 외관 7: 제 1 삽입 통과 구멍
8, 81: 제 1 기밀 단자 82: 제 2 기밀 단자
9, 91: 도통 핀 10, 100, 100': 진공 공간
15: 진공 배기 밸브 17, 50: 제 1 세라믹 기판
18, 52: 제 1 환형상체 19: 플랜지부
20, 25, 25': 금속관 22, 22': 하우징
22a, 22a': 프레임체부 22b, 22b': 덮개부
23: 제 2 삽입 통과 구멍 24: 연결 구멍
26, 26': 외관 27: 제 1 삽입 통과 구멍
28: 오목부 29: 전극
30: 결속체 50': 제 2 세라믹 기판
51: 환형상부 52': 제 2 환형상체
Claims (15)
- 극저온 액체를 흘리기 위한 관통 구멍을 갖는 절연성의 내관과, 상기 내관의 외면에 장착된 적어도 1쌍의 전극과, 상기 내관의 외주측을 덮는 단열층을 구비한 기포율 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 내관의 양단부에 형성되는 환형상부와,
상기 환형상부의 외주부에 접합되고, 제 1 삽입 통과 구멍을 갖는 외관과,
상기 제 1 삽입 통과 구멍 내에 설치되고, 상기 전극에 개별로 접속하는 도통 핀을 상기 제 1 삽입 통과 구멍 내에서 고정하는 제 1 기밀 단자를 구비하고,
상기 단열층은 상기 내관과 상기 외관 사이에 위치하는 진공 공간인 기포율 센서. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 기밀 단자는 상기 도통 핀과, 상기 도통 핀을 삽입하기 위한 제 1 핀 구멍을 두께 방향으로 구비한 원판형상의 세라믹 기판과, 상기 세라믹 기판의 외주면을 위요하는 환형상체를 구비하고, 상기 환형상체는 페르니코계 합금, Fe-Ni 합금, Fe-Ni-Cr-Ti-Al 합금, Fe-Cr-Al 합금, Fe-Co-Cr 합금, Fe-Co 합금, Fe-Co-C 합금, 또는 니켈의 함유량이 10.4질량% 이상인 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어지는 기포율 센서. - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
플랜지부를 갖는 금속관을 상기 내관 중 적어도 어느 일단에 구비하고, 상기 환형상부와 상기 플랜지부가 용접 또는 납땜되어 이루어지는 기포율 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 내관은 둘레 방향으로 배열된 분할 가능한 짝수 개의 세라믹 부재로 이루어지고,
상기 내관을 위요하고, 제 2 삽입 통과 구멍과, 상기 내관의 상기 관통 구멍과 연통하는 연결 구멍을 갖는 하우징과,
상기 하우징의 외측에 위치하고, 상기 내관과 동일 축심 상에 축 구멍을 갖는 환형상부와,
상기 환형상부의 외주부에 접합되고, 제 1 삽입 통과 구멍을 갖는 외관과,
상기 전극에 개별로 접속하는 도통 핀을 상기 제 1 삽입 통과 구멍 내에서 고정하는 제 1 기밀 단자와,
상기 도통 핀을 상기 제 2 삽입 통과 구멍 내에서 고정하는 제 2 기밀 단자를 구비해서 이루어지고,
상기 진공 공간은 적어도 상기 외관과 상기 하우징 사이에 위치하는 기포율 센서. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 기밀 단자 및 상기 제 2 기밀 단자는 어느 것이나 상기 도통 핀과, 상기 도통 핀을 삽입하기 위한 핀 구멍을 두께 방향으로 구비한 원판형상의 세라믹 기판과, 상기 세라믹 기판의 외주면을 위요하는 환형상체를 갖고, 상기 환형상체는 페르니코계 합금, Fe-Ni 합금, Fe-Ni-Cr-Ti-Al 합금, Fe-Cr-Al 합금, Fe-Co-Cr 합금, Fe-Co 합금, Fe-Co-C 합금, 또는 니켈의 함유량이 10.4질량% 이상인 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어지는 기포율 센서. - 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 내관은 외부를 향해 개구하는 오목부를 갖고, 상기 오목부의 저면에 상기 전극이 장착되어 이루어지는 기포율 센서. - 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
짝수 개의 상기 세라믹 부재 중 서로 대향하는 적어도 1쌍의 세라믹 부재에 상기 전극이 각각 형성되어 있는 기포율 센서. - 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내관의 외주측에 상기 세라믹 부재를 결속하는 환형상의 결속체를 장착해서 이루어지는 기포율 센서. - 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내관의 끝면 및 외측면 중 적어도 어느 하나는 상기 하우징의 내면에 접촉되어 이루어지는 기포율 센서. - 제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하우징은 상기 내관을 수용하는 프레임체부와, 상기 프레임체부의 개구를 밀봉하는 덮개부를 구비하고, 상기 프레임체부 및 상기 덮개부는 상기 내관의 관통 구멍에 연통하는 개구를 각각 갖고, 상기 각 개구를 통해 상기 관통 구멍과 연통하도록 금속관이 상기 프레임체부 및 상기 덮개부에 용접 또는 납땜되어 이루어지는 기포율 센서. - 제 11 항에 있어서,
상기 환형상부는 상기 금속관에 용접 또는 납땜되어 이루어지는 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내관은 저열팽창 세라믹스로 이루어지는 기포율 센서. - 상기 내관의 관통 구멍 내를 흐르는 극저온 액체의 유량을 측정하는 유량계로서, 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 기포율 센서와, 상기 극저온 액체가 상기 관통 구멍 내를 흐르는 유속을 측정하는 유속계를 구비한 유량계.
- 제 14 항에 기재된 유량계를 구비한 극저온 액체 이송관.
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|---|---|---|---|---|
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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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