KR20230125049A - 기포율 센서, 이것을 사용한 유량계 및 극저온 액체이송관 - Google Patents
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Abstract
본 개시의 기포율 센서는 극저온 액체를 흘리기 위한 관통 구멍을 갖는 절연관과, 상기 절연관의 외벽면에 장착된 1쌍의 면형상의 전극을 구비한다. 절연관은 전극의 전극면에 수직인 방향에 있어서의 내벽면 사이의 거리(D1)가 전극의 전극면에 평행한 방향에 있어서의 내벽면 사이의 거리(D2)보다 짧은 전극 장착부를 갖는다.
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 극저온 액체를 흘리기 위한 관통 구멍을 갖는 절연관과, 상기 절연관의 외벽면에 장착된 1쌍의 면형상의 전극을 구비한다. 절연관은 전극의 전극면에 수직인 방향에 있어서의 내벽면 사이의 거리(D1)가 전극의 전극면에 평행한 방향에 있어서의 내벽면 사이의 거리(D2)보다 짧은 전극 장착부를 갖는다.
본 개시의 유량계는 관통 구멍 내를 흐르는 극저온 액체의 유량을 측정하는 것으로서, 상기 기포율 센서와, 극저온 액체가 관통 구멍 내를 흐르는 유속을 측정하는 유속계를 구비한다.
본 개시는 상기 유량계를 구비한 극저온 액체 이송관을 제공하는 것이다.
도 1은 본 개시의 일실시형태에 의한 기포율 센서를 나타내는 개략 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 기포율 센서의 수직 파단면을 나타내는 개략 사시도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 기포율 센서의 수평 파단면을 나타내는 개략 사시도이다.
도 4는 도 1에 나타내는 기포율 센서의 수직 단면도이다.
도 5는 도 1에 나타내는 기포율 센서의 수평 단면도이다.
도 6은 도 1에 나타내는 기포율 센서의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도이다.
도 7은 도 1에 나타내는 기포율 센서의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도이다.
도 8은 도 1에 나타내는 기포율 센서의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도이다.
도 9는 절연관의 유입구부 및 유출구부의 외주면 상에 각각 결속체를 부착한 상태의 기포율 센서의 개략 사시도이다.
도 10은 도 1에 나타내는 기포율 센서를 하우징에 수용한 상태를 나타내는 개략 사시도이다.
도 11은 도 10에 나타내는 기포율 센서 및 하우징의 수직 파단면을 나타내는 개략 사시도이다.
도 12는 도 11에 나타내는 기포율 센서 및 하우징의 수평 파단면을 나타내는 개략 사시도이다.
도 13은 도 1~도 5에 나타내는 기포율 센서의 변형예를 나타내는 수직 단면도이다.
도 14는 본 개시의 다른 실시형태에 의한 기포율 센서를 나타내는 개략 사시도이다.
도 15는 도 14에 나타내는 기포율 센서의 수직 파단면을 나타내는 개략 사시도이다.
도 16은 도 14에 나타내는 기포율 센서의 수평 파단면을 나타내는 개략 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 기포율 센서의 수직 파단면을 나타내는 개략 사시도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 기포율 센서의 수평 파단면을 나타내는 개략 사시도이다.
도 4는 도 1에 나타내는 기포율 센서의 수직 단면도이다.
도 5는 도 1에 나타내는 기포율 센서의 수평 단면도이다.
도 6은 도 1에 나타내는 기포율 센서의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도이다.
도 7은 도 1에 나타내는 기포율 센서의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도이다.
도 8은 도 1에 나타내는 기포율 센서의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도이다.
도 9는 절연관의 유입구부 및 유출구부의 외주면 상에 각각 결속체를 부착한 상태의 기포율 센서의 개략 사시도이다.
도 10은 도 1에 나타내는 기포율 센서를 하우징에 수용한 상태를 나타내는 개략 사시도이다.
도 11은 도 10에 나타내는 기포율 센서 및 하우징의 수직 파단면을 나타내는 개략 사시도이다.
도 12는 도 11에 나타내는 기포율 센서 및 하우징의 수평 파단면을 나타내는 개략 사시도이다.
도 13은 도 1~도 5에 나타내는 기포율 센서의 변형예를 나타내는 수직 단면도이다.
도 14는 본 개시의 다른 실시형태에 의한 기포율 센서를 나타내는 개략 사시도이다.
도 15는 도 14에 나타내는 기포율 센서의 수직 파단면을 나타내는 개략 사시도이다.
도 16은 도 14에 나타내는 기포율 센서의 수평 파단면을 나타내는 개략 사시도이다.
이하, 본 개시의 실시형태에 의한 기포율 센서를 설명한다.
도 1은 본 개시의 일실시형태에 의한 기포율 센서(1)를 나타내는 사시도이며, 도 2 및 도 3은 기포율 센서(1)의 수직 파단면을 나타내는 개략 사시도 및 수평 파단면을 나타내는 개략 사시도이다. 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이 기포율 센서(1)는 극저온 액체를 흘리기 위한 관통 구멍(3)을 갖는 절연관(2)과, 절연관(2)의 외벽면에 장착된 1쌍의 면형상의 전극(4, 4)을 구비한다.
절연관(2)은 도 1에 나타내는 바와 같이 2개의 반할(半割)형상의 절연관 부재(21, 21)를 서로 중합해서 형성된다. 절연관(2)은 관통 구멍(3)의 축심에 수직인 방향으로 개구하는 1쌍의 오목부(6, 6)를 갖고 있다. 1쌍의 전극(4, 4)은 각각 절연관(2)에 형성한 오목부(6, 6)의 저면에 장착되고, 서로 대향하고 있다(도 2 참조).
각 전극(4)에는 도통 핀(7)이 개별로 접속되어 있다. 도통 핀(7)에는 기밀 단자(8)가 부착되어 있다. 기밀 단자(8)에 대해서는 후술한다.
절연관(2)은 상기와 같이 오목부(6, 6)가 형성되어 있으므로 이들 오목부(6, 6)의 저면에 장착된 전극(4, 4) 사이의 거리가 좁아져 있다. 이것에 의해 전극(4, 4) 사이에 축적되는 정전 용량이 커지고, 관통 구멍(3) 내를 흐르는 극저온 액체의 기포율의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 전극(4, 4)의 위치 및 전극면(41)의 면적은 최적의 측정 정밀도가 얻어지도록 설정할 수 있다.
여기에서 전극면(41, 41)이란 전극(4, 4)이 오목부(6, 6)의 저면에 장착된 면을 말한다.
한편, 극저온 액체의 공급량을 저하시키지 않도록 하기 위해 본 실시형태에서는 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 절연관(2)의 전극 장착부(5)에 있어서 전극(4, 4)의 전극면(41, 41)에 수직인 방향에 있어서의 내벽면(3a, 3a) 사이의 거리(D1)가 전극면(41, 41)에 평행한 방향에 있어서의 내벽면(3b, 3b) 사이의 거리(D2)보다 짧아지도록 구성되어 있다. 반대로 말하면, 평행한 방향의 거리(D2)를 수직인 방향의 거리(D1)보다 크게 하고 있으므로 만약 전극(4, 4) 사이의 거리가 좁고, 그 때문에 거리(D1)가 작아져도 극저온 액체의 공급량을 떨어뜨리는 일 없이 유지할 수 있다. 이것은 극저온 액체의 공급량을 많게 해도 기포율의 측정 정밀도를 저하시키지 않고 유지할 수 있다는 것도 의미하고 있다.
전극 장착부(5)에 있어서의 내벽면(3a, 3a) 사이의 거리(D1)는 최단 거리를, 내벽면(3b, 3b) 사이의 거리(D2)는 최장 거리를 각각 의미하고 있다. 여기에서 거리(D1, D2)는 극저온 액체의 공급량이나, 기포율의 측정 정밀도 등에 따라 적당히 결정할 수 있고, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 통상 거리(D1)는 거리(D2)에 대해서 10% 이상, 바람직하게는 20% 이상이며, 67% 이하, 바람직하게는 50% 이하의 길이인 것이 좋다.
따라서, 적어도 전극 장착부(5)에 있어서의 관통 구멍(3)의 축심에 수직인 단면 내의 관통 구멍(3)의 형상은 타원형상 또는 직사각형상인 것이 좋다. 이와 같이 상기 단면 내의 관통 구멍(3)의 형상이 단순형상이 되고, 게다가 축심에 따라 능선이 없는 형상이 되므로, 기포의 발생의 불균일이 억제되어 기포율의 측정 정밀도가 향상된다.
또한, 전극 장착부(5)란 전극(4, 4)이 장착되는 부위를 말하고, 구체적으로는 전극(4, 4)이 장착되는 오목부(6, 6)의 저면을 포함하여 이들 저면에 끼워지는 부분을 말한다.
절연관(2)은 도 4에 나타내는 바와 같이 전극면(41, 41)에 수직인 방향에 있어서의 수직 단면에 있어서, 극저온 액체의 원형상의 유입구(31) 및 유출구(32)로부터 각각 평행 영역(E2)의 단부까지 매끄럽게 내벽면(3a, 3a) 사이의 거리가 점차 작아져 간다. 한편, 절연관(2)은 도 5에 나타내는 바와 같이 전극면(41, 41)에 수평인 방향에 있어서의 수평 단면에 있어서, 평행 영역(E2)으로부터 관통 구멍(3)의 유입구(31) 및 유출구(32)를 향해 내벽면(3b, 3b) 사이의 거리는 매끄럽게 커져 간다. 평행 영역(E2)에서는 관통 구멍(3)의 내벽면(3a, 3a)은 서로 평행하며, 거리(D1)가 최소로 되어 있다. 또한, 관통 구멍(3)의 내벽면(3b, 3b)은 서로 평행하며, 거리(D2)가 최대로 되어 있다. 이와 같이 내벽면(3a, 3a) 사이의 거리 및 내벽면(3b, 3b) 사이의 거리를 바꿈으로써 관통 구멍(3)의 축 방향에 수직인 단면에 있어서의 관통 구멍(3)의 단면적을 일정하게 유지할 수 있다. 그리고 이 평행 영역(E2) 내에 전극 장착 영역(E1)(즉, 전극 장착부(5))이 포함되고, 전극 장착 영역(E1)은 평행 영역(E2)의 거의 중앙부에 위치하고 있는 것이 좋다.
이와 같이 전극면(41, 41)에 수직인 방향에 있어서의 수직 단면에서는 평행 영역(E2)으로부터 관통 구멍(3)의 유입구(31) 및 유출구(32)를 향해 내벽면(3a, 3a) 사이의 거리는 매끄럽게 커져 있으므로, 내벽면(3a, 3a) 사이의 거리가 유입구(31) 및 유출구(32)를 향해 단계적으로 커지는 경우보다 내벽면(3a, 3a) 상에 응력 집중이 발생하기 어려워 장기간에 걸쳐 사용할 수 있다. 마찬가지로 전극면(41, 41)에 수평인 방향에 있어서의 수평 단면에서는 평행 영역(E2)으로부터 관통 구멍(3)의 유입구(31) 및 유출구(32)를 향해 내벽면(3b, 3b) 사이의 거리는 매끄럽게 작아져 있으므로, 내벽면(3b, 3b) 사이의 거리가 유입구(31) 및 유출구(32)를 향해 단계적으로 커지는 경우보다 내벽면(3b, 3b) 상에 응력 집중이 발생하기 어려워 장기간에 걸쳐 사용할 수 있다. 또한, 평행 영역(E2)을 갖고, 이 평행 영역(E2)에 전극 장착 영역(E1)을 가짐으로써 전극면(41, 41) 사이에서 발생하는 전기력선은 유입구(31)로부터 유출구(32)를 향해 흐르는 극저온 액체를 수직으로 관통하는 것이 되고, 측정 정밀도가 향상된다.
평행 영역(E2)의 길이는 전극 영역(E1)의 길이의 105% 이상, 바람직하게는 150% 이상인 것이 좋고, 5000% 이하인 것이 좋다.
또한, 내벽면(3a, 3a)이 평행 영역(E2)을 갖지 않고, 내벽면(3a, 3a) 중 적어도 일방이 그들 사이의 거리(D1)가 유입구(31) 및 유출구(32)로부터 전극 장착부(5)를 향해 연속적으로 작아지도록 만곡되어 있어도 좋다. 내벽면(3a, 3a)의 만곡의 방향은 관통 구멍(3)의 축심으로부터 보아 오목형상이면 좋다.
마찬가지로 내벽면(3b, 3b)이 평행 영역(E2)을 갖지 않고, 내벽면(3b, 3b) 중 적어도 일방이 그들 사이의 거리(D2)가 유입구(31) 및 유출구(32)로부터 전극 장착부(5)를 향해 연속적으로 커지도록 만곡되어 있어도 좋다. 내벽면(3b, 3b)의 만곡의 방향은 관통 구멍(3)의 축심으로부터 보아 볼록형상으로 만곡되어 있어도 좋다.
도 6~도 8은 관통 구멍(3)의 유입구(31)로부터 전극 장착부(5)를 향해 관통 구멍(3)의 형상이 순차 변화되어 가는 모양을 나타내고 있다. 도 6~도 8에 나타내는 각 관통 구멍(3)은 관통 구멍(3)의 축심에 수직인 단면의 면적이 동일하다. 이것에 의해 극저온 액체의 공급량을 떨어뜨리는 일 없이 유지할 수 있다.
본 실시형태에 있어서의 절연관(2)은 상기와 같이 2개의 반할형상의 절연관 부재(21, 21)를 서로 중합해서 형성된다. 그리고 도 9에 나타내는 바와 같이 절연관(2)의 유입구부 및 유출구부의 외주면 상에 환형상의 결속체(9)를 부착해서 반할형상의 절연관 부재(21, 21)를 일체로 접합한다.
또한, 절연관 부재(21, 21)는 접합재를 사용하지 않고 결속체(9)로 결속해도 좋다. 또는, 결속체(9) 대신에, 또는 결속체(9)와 함께 절연관 부재(21, 21)의 접합면끼리를 절연관(2) 내를 흐르는 극저온 액체에 대해서 안정된 밀봉재로 접합해도 좋다.
도 10은 기포율 센서(1)를 하우징(10) 내에 수용한 상태를 나타내고 있다. 기포율 센서(1)는 하우징(10)으로 위요되어 있다.
하우징(10)의 수직 파단면을 나타내는 개략 사시도인 도 11 및 수평 파단면을 나타내는 개략 사시도인 도 12에 나타내는 바와 같이 하우징(10)은 기포율 센서(1)를 수용하는 프레임체부(101)와, 프레임체부(101)의 개구를 밀봉하는 덮개부(102)를 구비한다.
도 9에 나타내는 절연관 부재(21, 21)가 결속체(9)로 결속된 기포율 센서(1)는 프레임체부(101) 내에 수용 후 프레임체부(101)와 덮개부(102)가 용접 또는 납땜에 의해 접합된다. 기포율 센서(1)의 관통 구멍(3)의 양단 개구(유입구(31) 및 유출구(32))에는 제 1 접속관(11), 제 2 접속관(12)이 각각 접속된다.
제 1 접속관(11)은 유입구(31) 내에 삽입 통과되고, 외주면이 덮개부(102)와 용접 또는 납땜에 의해 접합되어 있다. 제 2 접속관(12)은 프레임체부(101)와 일체로 형성되어 있지만, 덮개부(102)와 마찬가지로 프레임체부(101)와 접합하는 것이어도 좋다.
하우징(10)의 프레임체부(101)에는 삽입 통과 구멍(13)이 형성되어 있다. 삽입 통과 구멍(13)에는 기밀 단자(8)가 장착되어 있으며, 전극(4)에 개별로 접속하는 도통 핀(7)을 삽입 통과 구멍(13) 내에서 고정하고 있다.
또한, 하우징(10)에는 진공 배기 밸브(14)(진공 배기용의 니들 밸브 등)가 설치되어 있으며, 기포율 센서(1)와 하우징(10) 사이에 진공 공간(15)(단열층)을 형성하고 있다. 이와 같이 기포율 센서(1)의 외주측에 진공 공간(15)이 위치하고 있으므로 기포율 센서(1)에 대한 단열 성능이 확보된다. 그 결과, 외기 온도의 영향에 의한 기포의 발생이 억제되기 때문에 기포율의 측정 정밀도가 향상된다. 또한, 기밀 단자(8)에 의해 기포율 센서(1)로부터 외부로의 극저온 액체의 리크가 억제되기 때문에 기포율의 측정 정밀도가 더 향상된다.
도 11, 도 12에 나타내는 바와 같이 관통 구멍(3)의 유입구(31)측에 공급 구멍을 갖는 제 1 접속관(11)이 절연관(2)에 접속되고, 관통 구멍(3)의 축심에 수직인 관통 구멍(3)의 단면적은 공급 구멍의 축심에 수직인 공급 구멍의 단면적의 90% 이상 110% 이하인 것이 바람직하다. 일반적으로 극저온 액체가 고속으로 흐르면 공급 구멍과 관통 구멍(3)의 접속부 부근에서 압력 손실이 높아지기 쉽지만, 상기와 같이 구성하면 압력 손실의 상승이 억제된다. 그 결과, 기포의 발생을 억제할 수 있으므로 극저온 액체의 기포율의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
마찬가지로 관통 구멍(3)의 유출구(32)측에 배출 구멍을 갖는 제 2 접속관(12)이 절연관(2)에 접속되고, 관통 구멍(3)의 축심에 수직인 관통 구멍(3)의 단면적은 배출 구멍의 축심에 수직인 배출 구멍의 단면적의 90% 이상 110% 이하인 것이 바람직하다. 이것에 의해 압력 손실의 상승이 억제된다. 그 결과, 기포의 발생을 억제할 수 있으므로 극저온 액체의 기포율의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
하우징(10)을 구성하는 프레임체부(101) 및 덮개부(102)는 금속 또는 세라믹스로 형성된다. 제 1 접속관(11) 및 제 2 접속관(12)은 금속관인 것이 좋다. 구체적으로는 프레임체부(101)는, 예를 들면 니켈의 함유량이 10.4질량% 이상인 오스테나이트계 스테인리스강(예를 들면, SUS316L)등, 질화규소, 사이알론 등의 세라믹스 등으로 형성되는 것이 좋다.
덮개부(102)는, 예를 들면 페르니코계 합금, Fe-Ni 합금, Fe-Ni-Cr-Ti-Al 합금, Fe-Cr-Al 합금, Fe-Co-Cr 합금 등으로 형성되는 것이 좋다.
프레임체부(101)의 내경은 충분한 단열 성능을 얻음에 있어서 절연관(2)의 외경에 대해서 1㎜ 이상, 바람직하게는 절연관(2)의 외경에 대해서 10㎜ 이상인 것이 좋고, 절연관(2)의 외경에 대해서 200㎜ 이하, 바람직하게는 100㎜ 이하인 것이 좋다. 덮개부(102)는 절연관(2)의 외주면에 납땜에 의해 기밀하게 접합된다.
전극(4, 4)은, 예를 들면 구리박, 알루미늄박 등으로 형성할 수 있다. 각 오목부(6)의 저면에 전극(4)을 형성하기 위해서는, 예를 들면 진공 증착법, 메탈라이즈법, 활성 금속법으로 행할 수 있다. 또한, 오목부(6)의 저면에 전극(4)이 되는 금속판을 접착해도 좋다. 전극(4, 4)의 두께는 어느 것이나 10㎛ 이상, 바람직하게는 20㎛ 이상이며, 2㎜ 이하, 바람직하게는 1㎜ 이하인 것이 좋다.
절연관(2)은, 예를 들면 지르코니아, 알루미나, 사파이어, 질화알루미늄, 질화규소, 사이알론, 코디에라이트, 뮬라이트, 이트리아, 탄화규소, 서멧, β-유크립타이트 등을 주성분으로 하는 세라믹스로 형성된다. 세라믹스가 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어질 경우, 세라믹스는 규소, 칼슘, 마그네슘, 나트륨 등을 산화물로서 포함하고 있어도 좋다.
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.
절연관(2)은 저열팽창 세라믹스로 이루어지는 것이 좋다. 저열팽창 세라믹스로서는 선팽창률을 측정하는 온도 범위를 0℃~50℃로 하고, 22℃에 있어서의 선팽창률이 0±20ppb/K 이하인 세라믹스를 말한다. 저열팽창 세라믹스는 선팽창률이 낮으므로 극저온 액체를 포함하는 극저온 액체에 의해 열 충격을 받아도 파손의 우려가 저감된다. 저열팽창 세라믹스의 선팽창률은, 예를 들면 광 헤테로다인법 1광로 간섭계를 사용해서 구하면 좋다.
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. 이것에 의해 극저온 액체의 온도가 크게 변동해도 저열팽창 세라믹스는 신축하기 어려우므로 장기간에 걸쳐 사용할 수 있다. 이와 같은 저열팽창 세라믹스로서는, 예를 들면 특허 제5430389호 공보에 기재된 것을 채용 가능하다.
절연관(2)을 구성하는 세라믹스는 사용 온도역에서의 비유전율이 11 이하인 것이 좋다. 극저온 액체는 비유전율이 작기 때문에 세라믹스의 비유전율이 작으면 극저온 액체의 비유전율에 가까워지고, 고주파 특성이 좋아지므로 기포율의 측정 정밀도가 더 향상된다. 특히, 11 이하이면 극저온 액체의 기포율의 측정 정밀도를 더 향상시킬 수 있다. 상기 사용 온도역이란 극저온 액체의 이송 시의 온도역을 말한다.
또한, 절연관(2)은 질화규소 또는 사이알론을 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어지는 것이어도 좋다. 이들 세라믹스는 기계적 강도 및 내열 충격성이 어느 것이나 높으므로 열 충격을 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. 이와 같은 세라믹스로서는, 예를 들면 특허 제5430389호 공보에 기재된 것을 채용 가능하다.
적어도 전극 장착부(5)에 있어서의 관통 구멍(3)의 축심에 평행한 방향의 내벽면(3a, 3b)의 거칠기 곡선에 있어서의 산술 평균 거칠기 Ra는 0.2㎛ 이하인 것이 좋다. 내벽면(3a, 3b)의 거칠기 곡선에 있어서의 산술 평균 거칠기 Ra가 0.2㎛ 이하이면, 내벽면(3a, 3b)에 의해 발생하는 극저온 액체의 유동 저항의 상승이 억제되므로 극저온 액체의 유속 분포가 안정된다. 즉, 유속의 불균일이 억제되므로 극저온 액체의 기포율의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
산술 평균 거칠기 Ra는 JIS B 0601:2001에 준거하여 레이저 현미경(KEYENCE CORPORATION제, 초심도 컬러 3D 형상 측정 현미경(VK-X1000 또는 그 후계 기종))을 사용해서 측정할 수 있다. 측정 조건으로서는 조명 방식을 동축 조명, 측정 배율을 240배, 컷오프값 λs를 없음, 컷오프값 λc를 0.08㎜, 종단 효과의 보정을 있음, 측정 범위를 1425㎛×1067㎛로 해서 설정하면 좋다. 측정 범위에 측정 대상으로 하는 선을 대략 등간격으로 4개 그어서 선 거칠기 계측을 행하면 좋다. 계측의 대상으로 하는 선 1개당 길이는 1280㎛이다.
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.
절연관(2)은 복수의 폐기공을 갖는 세라믹스로 이루어지고, 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 절연관(2)을 장기간에 걸쳐 사용할 수 있다.
폐기공의 원 상당 지름의 변형도는 폐기공의 무게 중심 간 거리의 변형도보다 커도 좋다. 여기에서 변형도 Sk란 분포가 정규 분포로부터 어느 정도 변형되어 있는지, 즉 분포의 좌우 대칭성을 나타내는 지표(통계량)이며, 변형도가 0보다 클 경우 분포의 아래쪽은 우측을 향하고, 변형도 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 세라믹 부재로 할 수 있다.
예를 들면, 폐기공의 원 상당 지름의 변형도는 1 이상이며, 폐기공의 무게 중심 간 거리의 변형도는 0.7 이하이다. 폐기공의 원 상당 지름의 변형도와, 폐기공의 무게 중심 간 거리의 변형도의 차는 0.3 이상이다.
폐기공의 무게 중심 간 거리 및 원 상당 지름을 구하기 위해서는, 우선 세라믹스를 형성하는 절연관(2)의 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(Ra)가 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 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 세라믹스로 이루어지는 절연관의 제조 방법의 일례에 대해서 설명한다. 가장자리관을 구성하는 세라믹스의 주성분이 알루미나인 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 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 절연관을 얻는다.
폐기공의 간격이 8㎛ 이상 18㎛인 절연관을 얻기 위해서는 소성 온도를 1600℃ 이상 1760℃ 이하, 유지 시간을 2시간 이상 4시간 이하로 해서 성형체를 소성하면 좋다. 폐기공의 원 상당 지름의 변형도가 폐기공의 무게 중심 간 거리의 변형도보다 큰 절연관을 얻기 위해서는 성형압을 96㎫ 이상 118㎫ 이하로 해서 가압하여 얻어진 성형체를 소성 온도를 1600℃ 이상 1760℃ 이하, 유지 시간을 2시간 이상 4시간 이하로 해서 소성하면 좋다. 절연관의 관통 구멍에 대향하는 면을 연삭해서 내주면으로 해도 좋다. 또한, 전극이 장착되는 오목부의 면을 연삭해서 저면으로 하거나 해도 좋다.
도 13은 도 1~도 3에 나타내는 실시형태의 변형예를 나타내고 있다. 도 13에 나타내는 바와 같이 오목부(6')는 외부로 개구하는 제 1 오목부(61)와, 상기 제 1 오목부(61)의 저면에 형성된 제 2 오목부(62)를 갖고, 제 2 오목부(62)는 개구 면적이 제 1 오목부(61)보다 작고, 전극(4')은 제 2 오목부(62)의 저면에 장착되어 있다. 이것에 의해 전극(4')의 위치 결정 정밀도가 더 향상되기 때문에 극저온 액체의 기포율의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 그 외는 상술한 실시형태와 마찬가지이므로 상세한 설명은 생략한다.
이어서, 본 개시의 다른 실시형태를 도 14~도 16에 의거하여 설명한다. 또한, 도 1~도 13에 나타내는 부재와 동일한 부재에는 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다.
도 14는 하우징(10)으로 위요한 기포율 센서(1')를 나타내고 있다. 도 15 및 도 16은 그 수직 파단면을 나타내는 개략 사시도 및 수평 파단면을 나타내는 개략 사시도이다.
이 실시형태에 의한 기포율 센서(1')는 도 15에 나타내는 바와 같이 절연관(2)의 관통 구멍(3')의 축심에 수직인 방향으로 개구하는 1쌍의 오목부(6a, 6b, 6c)를 복수 갖고 있다. 각 오목부(6a, 6b, 6c)의 저면에는 각각 전극(4a, 4b, 4c)이 장착되어 있다. 오목부(6a, 6b, 6c)는 관통 구멍(3')의 축심을 따라 배열되어 있다.
이 실시형태에 있어서 전극 장착부(5')란 상기 복수의 전극(4a, 4b, 4c)이 장착된 부위를 말하고, 예를 들면 오목부(6a, 6b, 6c)가 형성된 부위를 말한다.
이 실시형태에 있어서도 전극 장착부(5')에 있어서 전극(4a, 4b, 4c)의 전극면에 수직인 방향에 있어서의 내벽면 사이의 거리(D1)가 전극(4a, 4b, 4c)의 전극면에 평행한 방향에 있어서의 내벽면 사이의 거리(D2)보다 짧아지도록 형성되어 있다.
이와 같이 복수의 전극(4a, 4b, 4c)으로 기포율을 측정하므로 측정 정밀도가 보다 향상된다. 그 외는 상술한 실시형태와 마찬가지이다.
이어서, 본 개시의 실시형태에 의한 유량계에 대해서 설명한다. 이 유량계는 관통 구멍(3, 3') 내를 흐르는 극저온 액체의 유량을 측정하는 것이며, 상술한 기포율 센서(1, 1')와, 도시하지 않은 유속계를 구비한다. 기포율 센서(1, 1') 및 유속계는 도시하지 않은 극저온 액체 이송관(이하, 이송관이라고 약칭하는 경우가 있다)에 부착되어 있다.
이송관 내를 흐르는 극저온 액체는 기액 혼합된 이상류로 되어 있으므로, 기포율 센서(1, 1')로 기포율을 측정하고, 이것으로부터 극저온 액체의 밀도 d(㎏/㎥)를 구한다. 극저온 액체의 밀도 d는 비유전율에 대응하고, 따라서 기포율 센서(1, 1')에 의해 측정되는 정전 용량에도 대응하고 있기 때문이다.
그리고 유속계로 구한 극저온 액체의 유속(m/초)을 v, 전극 장착부(5)에 있어서의 관통 구멍(3)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, 1') 및 유속계가 접속된 연산 장치를 더 구비하고 있다. 이것에 의해 극저온 액체의 유량 측정을 간단히 행할 수 있으므로 공업적으로 극저온 액체를 대량 이송하는 경우에 관리가 용이해진다.
본 개시의 기포율 센서(1, 1')의 측정 대상인 극저온 액체로서는 액체 수소(-253℃) 외, 액체 질소(-196℃), 액체 헬륨(-269℃), 액화 천연 가스(-162℃), 액체 아르곤(-186℃) 등을 들 수 있다(괄호 내는 액화 온도를 나타낸다). 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, 1':기포율 센서
2: 절연관
21: 절연관 부재 3, 3': 관통 구멍
3a, 3b: 내벽면 31: 유입구
32: 유출구 4, 4', 4a, 4b, 4c: 전극
5, 5', 5a, 5b, 5c: 전극 장착부 6, 6', 6a, 6b, 6c: 오목부
61: 제 1 오목부 62: 제 2 오목부
7: 도통 핀 8: 기밀 단자
9: 결속체 10: 하우징
101: 프레임체부 102: 덮개부
11: 제 1 접속관 12: 제 2 접속관
13: 삽입 통과 구멍 14: 진공 배기 밸브
15: 진공 공간 D1: (최단)거리
D2: (최장)거리
21: 절연관 부재 3, 3': 관통 구멍
3a, 3b: 내벽면 31: 유입구
32: 유출구 4, 4', 4a, 4b, 4c: 전극
5, 5', 5a, 5b, 5c: 전극 장착부 6, 6', 6a, 6b, 6c: 오목부
61: 제 1 오목부 62: 제 2 오목부
7: 도통 핀 8: 기밀 단자
9: 결속체 10: 하우징
101: 프레임체부 102: 덮개부
11: 제 1 접속관 12: 제 2 접속관
13: 삽입 통과 구멍 14: 진공 배기 밸브
15: 진공 공간 D1: (최단)거리
D2: (최장)거리
Claims (16)
- 극저온 액체를 흘리기 위한 관통 구멍을 갖는 절연관과, 상기 절연관의 외벽면에 장착된 1쌍의 면형상의 전극을 구비하고,
상기 절연관은 상기 전극의 전극면에 수직인 방향에 있어서의 내벽면 사이의 거리(D1)가 상기 전극의 상기 전극면에 평행한 방향에 있어서의 내벽면 사이의 거리(D2)보다 짧은 전극 장착부를 갖는 기포율 센서. - 제 1 항에 있어서,
적어도 상기 전극 장착부에 있어서 상기 거리(D1)를 특정하는 대향하는 상기 내벽면이 서로 평행하거나, 또는 상기 내벽면 중 적어도 일방의 내벽면이 상기 관통 구멍의 축심으로부터 보아 오목형상으로 만곡되어 있는 기포율 센서. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
적어도 상기 전극 장착부에 있어서 상기 거리(D2)를 특정하는 대향하는 상기 내벽면이 서로 평행하거나, 또는 상기 내벽면 중 적어도 일방의 내벽면이 상기 관통 구멍의 축심으로부터 보아 볼록형상으로 만곡되어 있는 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관통 구멍의 유입구측에 공급 구멍을 갖는 제 1 접속관이 상기 절연관에 접속되고, 상기 관통 구멍의 축심에 수직인 관통 구멍의 단면적은 상기 공급 구멍의 축심에 수직인 공급 구멍의 단면적의 90% 이상 110% 이하인 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관통 구멍의 유출구측에 배출 구멍을 갖는 제 2 접속관이 상기 절연관에 접속되고, 상기 관통 구멍의 축심에 수직인 관통 구멍의 단면적은 상기 배출 구멍의 축심에 수직인 배출 구멍의 단면적의 90% 이상 110% 이하인 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 상기 전극 장착부에 있어서의 상기 관통 구멍의 축심에 평행한 방향의 상기 내벽면의 거칠기 곡선에 있어서의 산술 평균 거칠기 Ra는 0.2㎛ 이하인 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 상기 전극 장착부에 있어서의 상기 관통 구멍의 축심에 수직인 관통 구멍의 단면형상은 타원형상 또는 직사각형상인 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절연관은 적어도 상기 전극 장착부에 있어서 상기 전극의 상기 전극면에 수직인 방향으로 개구하는 1쌍의 오목부를 갖고 이루어지며, 상기 전극이 장착된 외벽면은 상기 오목부의 저면인 기포율 센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 오목부는 외부로 개구하는 제 1 오목부와, 상기 제 1 오목부의 저면에 형성되고, 개구 면적이 상기 제 1 오목부보다 작은 제 2 오목부를 갖고, 상기 전극이 장착된 외벽면은 상기 제 2 오목부의 저면에 장착되어 이루어지는 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절연관은 저열팽창 세라믹스로 이루어지는 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절연관은 질화규소 또는 사이알론을 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어지는 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절연관은 사용 온도역에서의 비유전율이 11 이하인 세라믹스로 이루어지는 기포율 센서. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절연관은 복수의 폐기공을 갖는 세라믹스로 이루어지고, 이웃하는 상기 폐기공의 무게 중심 간 거리의 평균값으로부터 상기 폐기공의 원 상당 지름의 평균값을 뺀 값이 8㎛ 이상 18㎛인 기포율 센서. - 제 13 항에 있어서,
상기 폐기공의 원 상당 지름의 변형도는 상기 폐기공의 무게 중심 간 거리의 변형도보다 큰 기포율 센서. - 상기 관통 구멍 내를 흐르는 극저온 액체의 유량을 측정하는 유량계로서, 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 기재된 기포율 센서와, 상기 극저온 액체가 상기 관통 구멍 내를 흐르는 유속을 측정하는 유속계를 구비한 유량계.
- 제 15 항에 기재된 유량계를 구비한 극저온 액체 이송관.
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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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