(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラッシュ水素等極低温流体内にマイクロ波を導入して同極低温流体の誘電率を測定し、得られた誘電率を基に同極低温流体の密度を計測する密度計測装置において、同軸ケーブルを、前記極低温流体を収容している槽のＬＮ2 内を経由して前記極低温流体中の前記平板アンテナへ接続し、前記マイクロ波を前記同軸ケーブル及び前記極低温流体中に浸漬された平板アンテナを介して前記極低温流体中に導入することを特徴とする極低温流体の密度計測装置。
【請求項２】
スラッシュ水素等極低温流体内にマイクロ波を導入して同極低温流体の誘電率を測定し、得られた誘電率を基に同極低温流体の密度を計測する密度計測装置において、前記マイクロ波を同軸ケーブル及び前記極低温流体中に浸漬された平板アンテナを介して前記極低温流体中に導入すると共に、前記同軸ケーブルに温度センサを付設して、前記同軸ケーブルの温度変化により計測値の補正を行なうように構成したことを特徴とする極低温流体の密度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体水素と液体水素とがシャーベット状に混合しているスラッシュ水素等の極低温流体の密度を、マイクロ波を使って測定する密度計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体水素と液体水素とをシャーベット状に混合してなるスラッシュ水素は、輸送、貯蔵コストの面で液体水素等よりも有利な新燃料として注目されている。
このように固体と液体とが混合している極低温流体を宇宙燃料として使う場合などはその正確な密度を知ることが必要となる。
【０００３】
スラッシュ水素のような極低温流体の密度を計測するやり方として、その極低温流体中にマイクロ波をアンテナから導入し、極低温流体を通過したマイクロ波を他のアンテナで受け、その間におけるマイクロ波の位相変化からその極低温流体の誘電率を測定し、得られた誘電率から密度を求める方法がある。
【０００４】
すなわち、スラッシュ水素のような固液混相流体では、上記方法を用いれば固液混合状態の平均値として誘電率が求まり、この誘電率と固相単相の誘電率及び液相単相の誘電率から、固相と液相の混合割合が決定され、この混合割合より密度が求められる。
このように極低温流体中にマイクロ波をアンテナから導入して他のアンテナで受け、その間のマイクロ波の位相変化から極低温流体の誘電率を測定する原理は次の式によって与えられる。
【０００５】
【数１】
0003652890.tif 000002
【０００６】
マイクロ波を極低温流体中に導入したり、極低温流体中を通過したマイクロ波を受けるのに従来は図６に示すような導波管の先にホーンアンテナを付けたものが使われていた。マイクロ波は、導波管の内面のマイクロ波反射面の間を通って導かれ、ホーンアンテナから出て極低温流体中を通ったのち、他のホーンアンテナから入って導波管の内面のマイクロ波反射面の間を通って、測定器具へと導かれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、導波管に付けたホーンアンテナを使ってマイクロ波を極低温流体中に導き、その密度を計測する従来の装置では、導波管が比較的細い管であるため、極低温流体が含有している固体のために流動性が悪い場合、極低温流体が細い導波管中に充分に入って行かない場合が生じた。
このように導波管中への極低温流体の入り込みにむらがあると、先に示した数式中のマイクロ波光路長Ｌが変化し、これが原因で測定された誘電率に誤差を生ずるという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、スラッシュ水素等極低温流体内にマイクロ波を導入して同極低温流体の誘電率を測定し、得られた誘電率を基に同極低温流体の密度を計測する密度計測装置において、極低温流体内にマイクロ波を導入するアンテナにおける光路長の変化により計測結果に誤差が生ずるのを防止可能にした極低温流体の密度計測装置を提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するため、同軸ケーブルを、極低温流体を収容している槽のＬＮ2 内を経由して極低温流体中の前記平板アンテナへ接続し、誘電率計測用のマイクロ波を同軸ケーブル及び前記極低温流体中に浸漬された平板アンテナ（パッチアンテナ）を介して前記極低温流体中に導入するように構成した極低温流体の密度計測装置を提供する。
【００１０】
本発明の計測装置によれば、基本的な構成として、極低温流体中にマイクロ波を導入するのに同軸ケーブルと平板アンテナを使用しているので、極低温流体の流動状態が悪い場合もマイクロ波光路長は平板アンテナ間の間隔で常に一定しており、従来の導波管とホーンアンテナを用いたもののように極低温流体の流動状態によってマイクロ波光路長が変化するような不具合が生じない。
【００１１】
他方、前記したように極低温流体中に浸漬されている平板アンテナに同軸ケーブルでマイクロ波を導入する場合、同軸ケーブルを構成しているテフロンなどの誘電体の誘電率が同軸ケーブルの極低温流体への浸漬長さが極低温流体の液面変動等により変動すると変化し、これが極低温流体の誘電率測定における誤差となる恐れがある。
【００１２】
しかしながら、本発明による極低温流体の密度計測装置では、前記した基本的な構成に加え、前記同軸ケーブルを前記極低温流体を収容している槽の周りを取り囲み、前記極低温流体への侵入熱低減のために配置したＬＮ2 槽内を経由して前記極低温流体中の前記平板アンテナへ接続した構成を採用する。
このように構成することによって、同軸ケーブルは一定レベルのＬＮ2 槽内を通って極低温流体中の平板アンテナへ導かれるので、同軸ケーブルの温度変化による誘電率変化を生ずることがない。
【００１４】
更にまた、本発明の極低温流体の密度計測装置は、前記基本的な構成に加え、同軸ケーブルの温度変化が極低温流体の誘電率測定に誤差を及ぼすのを防ぐための手段として、同軸ケーブルに温度センサを付設して、同軸ケーブルの温度変化により計測値の補正を行なうようにした構成を採用する。
この構成によれば、たとえ同軸ケーブルに温度変化を生じてもその温度変化が誘電率測定に与える影響を補正して正確な誘電率測定が可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による極低温流体の密度計測装置について図１〜図５に示す実施の形態、及び参考例に基づいて具体的に説明する。なお、以下の実施形態は、スラッシュ水素を密度計測の対象としている。
【００１８】
（参考例１）
まず図１に示す参考例１による装置について説明する。図１において、１はスラッシュ水素３中に浸漬された一対のパッチアンテナ（平板アンテナ）で、２はパッチアンテナ１へマイクロ波を導く同軸ケーブルである。
【００１９】
一方の同軸ケーブル２によって導かれたマイクロ波は、一方のパッチアンテナ１からスラッシュ水素３を介して他方のパッチアンテナ１へ伝えられ、他方の同軸ケーブル２を介して図示していないネットワークアナライザ等の計測器に導かれて、一対のパッチアンテナ１の間のスラッシュ水素３中を伝わる間に生じた位相変化が測定される。計測されたマイクロ波の位相差から前記したようにスラッシュ水素の誘電率が得られ、その誘電率から密度が知られる。
【００２０】
このように構成したパッチアンテナ１と同軸ケーブル２を用いてマイクロ波をスラッシュ水素中を通すようにすると、スラッシュ水素の流動状態が悪い場合もスラッシュ水素はパッチアンテナ１の間に常に存在しうるので、従来のホーンアンテナを用いた装置のように、マイクロ波光路長に変化を生じて誤差の原因となるような事がない。
【００２１】
（第１実施形態）
次に、図２に示す第１実施形態による極低温流体の密度計測装置について説明する。図２において、４は密度を計測すべきスラッシュ水素３を収容しているスラッシュ水素槽で、槽４の周りにはスラッシュ水素３への侵入熱低減のためのＬＮ2 槽５が設置されており、槽５内にはＬＮ2 が入れられている。
【００２２】
この実施形態では、スラッシュ水素３内に浸漬されたパッチアンテナ１にマイクロ波を導く同軸ケーブル２をＬＮ2 槽５に充填したＬＮ2 ６の中を通して配設している。なお、図２において、８は同軸ケーブル２が連絡されたネットワークアナライザを示している。
【００２３】
このように構成した図２の密度計測装置では、ＬＮ2 槽は侵入熱低減のため液位を常に一定に保っており、同軸ケーブル２がＬＮ2 槽５のＬＮ2 に浸漬されて導かれているので、スラッシュ水素槽４内のスラッシュ水素３の液面７が変動しても、同軸ケーブル２の温度は一定に保持される。
従って、同軸ケーブル２の温度が変化することにより同軸ケーブル２の誘電率が変化してスラッシュ水素３の誘電率測定に誤差を生ずることがない。
【００２４】
（参考例２）
次に、図３に示す参考例２による極低温流体の密度計測装置について説明する。図３において、９は断熱真空導入管を示し、パッチアンテナ１にマイクロ波を導く同軸ケーブル２はスラッシュ水素槽４内でこの断熱真空導入管９内を通してパッチアンテナ１へ導かれている。
【００２５】
同軸ケーブル２は、スラッシュ水素槽４内のスラッシュ水素３の液面７部分では断熱真空導入管９によってスラッシュ水素３から隔離されていて、スラッシュ水素３の液面７が変動しても同軸ケーブル２の温度はそれによって変化しない。従って、第１実施形態の場合と同様、同軸ケーブル２の温度が変化することにより、同軸ケーブル２の誘電率が変化してスラッシュ水素の誘電率測定に誤差を生ずるということがない。
【００２６】
（第２実施形態）
次に図４に示す第２実施形態による極低温流体の密度計測装置について説明する。図４において、１０は温度センサを示し、同軸ケーブル２に適宜の間隔で複数個取付けられている。これらの各温度センサ１０は図示していない位相補正装置に連絡されている。同軸ケーブル２の構成以外のその他の構成は参考例２として図３に示した極低温流体の密度計測装置の構成と同じである。
【００２７】
図４に示した第２実施形態による極低温流体の密度計測装置では、同軸ケーブル２の温度変化が温度センサ１０によって検出され、その温度変化は位相補正装置に導かれて、計測されたマイクロ波の位相変化値を補正する。こうして同軸ケーブル２のスラッシュ水素３の液面近傍での温度変化による誘電率計測値に表われる誤差を修正し、正確な誘電率の計測が可能となる。
【００２８】
（参考例３）
次に図５に示す参考例３による極低温流体の密度計測装置について説明する。図５において１１は内部を真空状態にされた導波管を示している。
１２と１３はそれぞれ同軸ケーブルと導波管との間のマイクロ波の伝達を行わせる為の同軸／導波管変換器を示している。
その他の構成は、参考例２として図３に示した極低温流体の密度計測装置の構成と同じである。
【００２９】
図５に示した参考例３による極低温流体の密度計測装置では、同軸ケーブル２は温度変化が起り易いスラッシュ水素３の液面近傍で内部を真空にされて温度変化による誘電率変化の影響がない導波管１１を介してマイクロ波を伝達しているので同軸ケーブル２は温度変化を起し難く、従って、この装置によると、同軸ケーブル２の温度変化による影響なしにスラッシュ水素中を通るマイクロ波の位相差を計測し、スラッシュ水素３の誘電率を正確に計測することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明はスラッシュ水素等極低温流体内にマイクロ波を導入して同極低温流体の誘電率を測定し、得られた誘電率を基に同極低温流体の密度を計測する密度計測装置において、同軸ケーブルを、極低温流体を収容している槽のＬＮ2 内を経由して極低温流体中の前記平板アンテナへ接続し、前記マイクロ波を同軸ケーブル及び前記極低温流体中に浸漬された平板アンテナ（パッチアンテナ）を介して前記極低温流体中に導入するように構成した極低温流体密度計測装置を提供する。
【００３１】
この計測装置によればマイクロ波は平板アンテナを介して極低温流体中に導入されるので、極低温流体中に固体が混っていても平板アンテナ間には極低温流体による安定したマイクロ波光路が形成される。
従って、マイクロ波光路長の変化により計測結果に誤差を生ずることがない。
【００３２】
しかも本発明による極低温流体の密度計測装置においては、同軸ケーブルをＬＮ2 内を通したり、断熱真空導入管を通して、あるいは導波管を介して平板アンテナへ導くようにしているので、同軸ケーブルに温度変化を生じさせず、計測結果に同軸ケーブルの温度変化による誤差が生ずるのを防ぐ効果がある。
【００３３】
更にまた、本発明の極低温流体の密度計測装置においてマイクロ波を平板アンテナへ導く同軸ケーブルに温度センサを付設して同軸ケーブルの温度変化による計測値の補正を行うようにしたものも同軸ケーブルの温度変化による誤差を除いて密度を計測可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の参考例１によるスラッシュ水素の密度計測装置における要部の構成を示す説明図。
【図２】  本発明の第１実施形態によるスラッシュ水素の密度計測装置の構成を示す断面図。
【図３】  本発明の参考例２によるスラッシュ水素の密度計測装置の構成を示す断面図。
【図４】  本発明の第２実施形態によるスラッシュ水素の密度計測装置の構成を示す断面図。
【図５】  本発明の参考例３によるスラッシュ水素の密度計測装置の構成を示す断面図。
【図６】  従来のスラッシュ水素の密度計測装置の構成を示す断面図。
【符号の説明】
１    パッチアンテナ
２    同軸ケーブル
３    スラッシュ水素
４    スラッシュ水素槽
５    ＬＮ2 槽
６    ＬＮ2 
７    液面
８    ネットワークアナライザ
９    断熱真空導入管
１０  温度センサ
１１  導波管
１２  同軸／導波管変換器
１３  同軸／導波管変換器
【図１】
0003652890.tif 000003
【図２】
0003652890.tif 000004
【図３】
0003652890.tif 000005
【図４】
0003652890.tif 000006
【図５】
0003652890.tif 000007
【図６】
0003652890.tif 000008