配管中の極低温冷媒の液面計測装置及び液面計測方法

【課題】配管中の極低温冷媒に液面差ができる場合において、液面の高さが変化しても液面の形状をより正確に測定する配管中の極低温冷媒の液面計測装置とその計測方法を提供する。
【解決手段】超電導線３を配管１中に水平に保持し、超電導線３に電流を流して両端の電圧を測定し、超電導線３が配管１中の極低温冷媒に浸漬されていない部分の長さを求めることにより液面を計測する極低温冷媒の液面計測装置において、超電導線３を固定したセンサ部が上下動可能な移動手段を有する。センサ部が上下動可能な移動手段は、例えばセンサ部に固定されたフロートによる移動機構である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導線を用いて配管中の液体ヘリウムなどの極低温冷媒の液面を計測する液面計測装置及び液面計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、液体ヘリウムなどの極低温冷媒の液面計測装置の一つとしては、図１０に示すように超電導線とヒータを組み合わせた液面計が知られている。
【０００３】
図１０は、従来の超電導線を用いた液面計を示す図である。
容器２１内の液体ヘリウム２２の液面を液面計２０により計測する。液面計２０は、超電導線２３が垂直方向に配置され、その両端に定電流源２５を接続する。液面上のガスヘリウム側における超電導線２３は、端部に設置されたヒータ２４により加熱される。
【０００４】
この液面計では超電導線２３に通電する電流が一定の条件を満たせば、超電導線２３のガスヘリウム中の部分は常電導状態であり、液体ヘリウム２２中の部分は超電導状態になる。ここで常電導部分は長さに比例した抵抗を持ち、超電導部分は抵抗ゼロであるため、電圧計２６により電圧を測定して超電導線の抵抗を求めることにより常電導部分の長さが分かり、液面の高さが分かる。
【０００５】
ところで、上述した液体ヘリウムの液面計測装置においては、液面計の置かれている位置の液面高さが測定されているだけで、液面全体を見ているわけではない。これは、液体ヘリウムの粘性が小さく、通常の容器では液面高さが一定と見なせることから従来は問題にならなかった。
しかし、非常に細長い配管の中では液面高さが長手方向で変化する場合が考えられる。
【０００６】
図１１は、配管中での液面差の模式図である。
例えば、図１１に示すように配管１の中では液体ヘリウム２に局所的に大きな発熱がある場合には、発熱箇所（入熱部）の前後で液面差ができる場合がある。逆に、液面の大きな変化を見つけられれば発熱箇所を特定することも可能である。
【０００７】
図１２は、従来の液面計を用いた配管中での液面差の測定方法を示す図である。
配管１中の液体ヘリウム２の液面計測に上述のような液面計を用いる場合、図１２に示すように配管１の長手方向に多数の液面計２０を配置する必要があるが、現実的でない。
【０００８】
上述した課題を解決する方法として、発明者らは特許文献１に開示されている液面計を水平に配置する構造を提案した。
【０００９】
図１３は、従来の水平液面計を用いた液面計測方法を示す図である。
配管１内の液体ヘリウム２の液面を計測する液面計は、超電導線３が水平方向に配置され、その両端に定電流源５を接続する。超電導線３は少なくとも一端に設置されたヒータ４ａ，４ｂにより加熱される。
【００１０】
水平に配置された超電導線３の液体ヘリウム中にある部分の抵抗はゼロで、ガスヘリウム中の部分は長さに比例した抵抗が生ずる。電圧計６により電圧を測定して超電導線３の抵抗を求めることにより常電導部分の長さが分かり、液面の高さが分かる。
【００１１】
またヒータ４ａ，４ｂを両側に配置することでガスヘリウム部分が右側からか左側からか判断できる。あらかじめ超電導線３の配置を測定してあれば液体ヘリウム２の液面が変化する位置が測定でき、想定外の発熱箇所を推測することができる。
【特許文献１】特開２００７−２２５５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来の水平液面計は液面の高さと液面計の位置が合っていないと次のような問題を生ずる。
【００１３】
図１４は、従来の水平液面計を用いた液面計測装置で液面が変化した場合を示す図である。
図１４に示すように液面が変化し、超電導線３全体が液体ヘリウム中に没してしまう場合、入熱部の位置を推測することは困難である。また液面形状が分からないと正確に発熱箇所を特定することは難しい。
【００１４】
上述したように従来の水平配置液面計では配管中の極低温冷媒に液面差ができる場合、液面の高さが特定の高さの場合にしか発熱箇所を推測できない。またその場合も液面形状を仮定しているため発熱箇所を正確には特定できない。
【００１５】
本発明は、配管中の極低温冷媒に液面差ができる場合、液面の高さが変化しても液面の形状をより正確に測定することのできる極低温冷媒の液面計測装置とその計測方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明の配管中の極低温冷媒の液面計測装置は、超電導線を配管中に水平に保持し、前記超電導線に電流を流して両端の電圧を測定し、前記超電導線が配管中の極低温冷媒に浸漬されていない部分の長さを求めることにより液面を計測する極低温冷媒の液面計測装置において、前記超電導線を固定したセンサ部が上下動可能な移動手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、配管中の極低温冷媒に液面差ができる場合において、極低温冷媒の液面の高さが変化しても液面の形状をより正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る極低温冷媒の液面計測装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る極低温冷媒の液面計測装置の概略を示す図であり、図２は、本実施形態において、センサ部が上下動可能な移動手段を示す図である。
【００１９】
まず、図１において、配管１内の液体ヘリウム２の液面を計測するため、超電導線３が水平方向に配置され、その両端に定電流源５を接続する。超電導線３は少なくとも一端に設置されたヒータ４ａ，４ｂにより加熱される。超電導線３の両端に電流を流すための配線と電圧を測定するための配線を有する。
【００２０】
ガスヘリウム中にあるヒータ４ａ又は４ｂにより超電導線３は加熱される。超電導線３の液体ヘリウム中にある部分の抵抗はゼロで、ガスヘリウム中の部分は長さに比例した抵抗が生ずる。電圧計６により電圧を測定して超電導線３の抵抗を求めることにより常電導部分の長さが分かり、液面の高さが分かる。この液面計測装置において、測定時には、超電導線の一端に設置したヒータ４ａにより超電導線３を加熱して液面を計測した後、他端に設置したヒータ４ｂにより超電導線３を加熱して液面を計測する。なお、ヒータ４ａ，４ｂによる加熱は間欠的に行い、測定電圧からヒータ４ａ，４ｂが液中に没したか否かを判定する。
【００２１】
本実施形態では、センサ部７_１が上下動可能な移動手段は、フロート８を用いた移動機構である。図２において、超電導線３を水平に保持するために、平均液面の上下に応じて移動するフロート８に超電導線３を取り付けてセンサ部７_１を構成する。また、センサ部７_１は、長手方向両端において、移動するときに傾かないように保持するため四角形の枠９の一部のガイド棒１０ａ，１０ｂが通されている。このためセンサ部７_１は、水平に保持されたまま平均液面の位置に置かれ、発熱箇所により液面が変化する位置が測定できる。
【００２２】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る極低温冷媒の液面計測装置の概略を示す図であり、図４は、本実施形態において、センサ部が上下動可能な移動手段を示す図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、図３では計測線等も省略している。
【００２３】
図４において、超電導線３を横棒１１上又は中空棒の内部に固定したセンサ部７_２は、長手方向両端において、水平に保持されながら配管の上端から下端の範囲で動かせる機構に固定されている。この機械的駆動機構は配管外の室温部から伸びる縦棒１２ａ，１２ｂ又はワイヤを用いた構造である。センサ部７_２の高さを変えることで超電導線３は、図３の矢印方向に移動し破線で示すようにその位置が変化する。測定電圧と高さの関係から液面形状をより正確に測定することが可能となり、発熱箇所をより正確に特定することが可能となる。
【００２４】
ただし、超電導線３の端部に配置されたいずれのヒータ４ａ，４ｂも液中に没する最も下の線で表した場合には、超電導線３が全て超電導になり完全には液面形状を測定できない場合がある。
この場合には、超電導線３に流す電流を定格よりも増やすことでガス中に有る部分の長さが測定できる。
【００２５】
図５は、本実施形態において、超電導線に流す電流値を変えた場合の例を示す図である。
最も下の超電導線３においても、液体外の部分は常電導となるように超電導線３の通電電流を変えることでより正確に液面形状を測定することが可能になる。
【００２６】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る極低温冷媒の液面計測装置の概略を示す図であり、図７は、本実施形態において、センサ部が上下動可能な移動手段を示す図である。
【００２７】
図７において、超電導線３を横棒１３上又は中空棒の内部に固定したセンサ部７_３が、配管１の長手方向両端の各々で配管外の室温部から伸びる縦棒１４ａ，１４ｂ又はワイヤに回転自在に支持されている機構となっている。このような機構により、縦棒１４ａ，１４ｂ又はワイヤを独立に駆動して、超電導線３を水平から適宜角度だけ傾斜させることができる。この場合、実施形態１における図２では影になって測定できなかった液面の谷の部分の位置をより詳細に測定が可能である。
測定時には、超電導線３の一端を下方に移動させ、固定された他端におけるヒータ４ｂをオンにして超電導線３を加熱する。
【００２８】
（第４の実施形態）
図８は、本発明に係る第４の実施形態の極低温冷媒の液面計測装置の概略を示す図であり、図９は、本実施形態において、センサ部を配管の長手方向に移動する長手方向移動手段を示す図である。
【００２９】
本実施形態は、第１の実施形態のセンサ部７_１を水平（配管１の長手方向）に移動できるようにしている。図９において、四角形の枠９全体は両端でワイヤ１５ａ，１５ｂによって接続され、センサ部７_１から十分距離の離れた場所で一方のワイヤを配管外に引き出し、他方を配管内に繰り出す。これにより液面の谷の部分をより正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る配管中の極低温冷媒の液面計測装置の概略を示す図。
【図２】本発明の第１の実施形態において、センサ部が上下動可能な移動手段を示す図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る配管中の極低温冷媒の液面計測装置の概略を示す図。
【図４】本発明の第２の実施形態において、センサ部が上下動可能な移動手段を示す図。
【図５】本発明の第２の実施形態において、超電導線に流す電流値を変えた場合を示す図。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る配管中の極低温冷媒の液面計測装置の概略を示す図。
【図７】本発明の第３の実施形態において、センサ部が上下動可能な移動手段を示す図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る配管中の極低温冷媒の液面計測装置の概略を示す図。
【図９】本発明の第４の実施形態において、センサ部を配管の長手方向に移動する長手方向移動手段を示す図。
【図１０】従来の超電導線を用いた液面計を示す図。
【図１１】配管中での液面差の模式図。
【図１２】従来の液面計を用いた配管中での液面差の測定方法を示す図。
【図１３】従来の水平液面計を用いた液面計測方法を示す図。
【図１４】従来の水平液面計を用いた液面計測方法において液面が変化した場合を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１…配管、２…液体ヘリウム、３…超電導線、４ａ，４ｂ…ヒータ、５…定電流源、６…電圧計、７_１，７_２，７_３…センサ部、８…フロート、９…枠、１０ａ，１０ｂ…ガイド棒、１１，１３…横棒、１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂ…縦棒、１５…ワイヤ。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導線を配管中に水平に保持し、前記超電導線に電流を流して両端の電圧を測定し、前記超電導線が配管中の極低温冷媒に浸漬されていない部分の長さを求めることにより液面を計測する極低温冷媒の液面計測装置において、
前記超電導線を固定したセンサ部が上下動可能な移動手段を有することを特徴とする配管中の極低温冷媒の液面計測装置。
【請求項２】
前記移動手段は、前記センサ部に固定されたフロートによる移動機構であって、
前記超電導線の高さが平均液面の高さに調整されることを特徴とする請求項１に記載の配管中の極低温冷媒の液面計測装置。
【請求項３】
前記移動機構は、前記センサ部が水平に保持されるように配管中の長手方向両端にガイドを有することを特徴とする請求項２に記載の配管中の極低温冷媒の液面計測装置。
【請求項４】
更に、前記センサ部を配管の長手方向に移動する長手方向移動手段を有することを特徴とする請求項１ないし３に記載の配管中の極低温冷媒の液面計測装置。
【請求項５】
前記移動手段は、配管中の長手方向両端で前記センサ部に固定され、配管外へ延びる棒又はワイヤの駆動による移動機構であって、
前記センサ部を水平に保持しながら配管の上端から下端の範囲で移動させることを特徴とする請求項１に記載の配管中の極低温冷媒の液面計測装置。
【請求項６】
前記移動手段は、配管中の長手方向両端で前記センサ部に回転自在に支持され、配管外へ延びる棒又はワイヤの駆動による移動機構であって、
前記棒又はワイヤを片側づつ独立に駆動して前記センサ部を傾斜するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の配管中の極低温冷媒の液面計測装置。
【請求項７】
前記センサ部は、前記超電導線が棒の上又は中空棒の内部に配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の配管中の極低温冷媒の液面計測装置。
【請求項８】
前記センサ部において、前記超電導線の少なくとも一端に前記超電導線を加熱するヒータを設置したことを特徴とする請求項１ないし７に記載の配管中の極低温冷媒の液面計測装置。
【請求項９】
請求項８に記載の配管中の極低温冷媒の液面計測装置を用いた液面計測方法であって、
前記超電導線の一端に設置したヒータにより前記超電導線を加熱して液面を計測した後、他端に設置したヒータにより前記超電導線を加熱して液面を計測することを特徴とする配管中の極低温冷媒の液面計測方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の配管中の極低温冷媒の液面計測装置を用いた液面計測方法であって、
前記ヒータにより前記超電導線を間欠的に加熱することを特徴とする配管中の極低温冷媒の液面計測方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の配管中の極低温冷媒の液面計測装置を用いた液面計測方法であって、
前記超電導線に通電する電流を定格電流よりも増やすことを特徴とする配管中の極低温冷媒の液面計測方法。

【図１】