(57)【要約】【課題】配管内を流れる二相流体の固相率を高精度で測定する。【解決手段】本発明に係る二相流体の固相率測定装置は、固相成分及び液相成分を含む二相流体の固相率を測定するものであり、特に、中心電極（３）及び第１の円筒電極（４）によって形成される第１のキャパシタの静電容量ＣＡ、並びに、第１の円筒電極（４）及び第２の円筒電極（５）によって形成される第２のキャパシタの静電容量ＣＢをそれぞれ検出することにより二相流体の固相率を測定することを特徴とする。【選択図】図１
2015031589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固相成分及び液相成分を含む二相流体の固相率を測定する二相流体の固相率測定装置であって、
前記二相流体の流れ方向に沿って延在するように配設された中心電極と、
該中心電極の外周側に同心に設けられた第１の円筒電極と、
該第１の円筒電極の外周側に同心に設けられ、且つ、前記第１の円筒電極に比べて大径に形成された第２の円筒電極と、
前記中心電極及び前記第１の円筒電極によって形成される第１のキャパシタの静電容量、並びに、前記第１の円筒電極及び前記第２の円筒電極によって形成される第２のキャパシタの静電容量をそれぞれ検出することにより、前記二相流体の固相率を測定する測定部と
を備えることを特徴とする二相流体の固相率測定装置。
【請求項２】
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタの各々において、内側に配置された電極の半径ｒ１、及び、外側に配置された電極の半径ｒ２は、前記二相流体における固相成分の偏在割合η、測定許容誤差α、前記二相流体の固相率ｆ、前記固相成分の比誘電率εｓ、及び、前記液相成分の比誘電率εｌを用いて、次式
2015031589.tif 000012
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の二相流体の固相率測定装置。
【請求項３】
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタの前記二相流体の流れ方向に沿った長さは、それぞれの電極間距離の１０倍以上に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の二相流体の固相率測定装置。
【請求項４】
前記中心電極の半径ｒ１、前記第１の円筒電極の半径ｒ２、及び、前記第２の円筒電極の半径ｒ３は、次式
ｒ２／ｒ１＝ｒ３／ｒ２
を満たすことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の二相流体の固相率測定装置。
【請求項５】
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタの上流側に、前記二相流体に含まれる固相成分の粒径を揃えるフィルタを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の二相流体の固相率測定装置。
【請求項６】
前記二相流体を冷媒として循環する循環回路上に設けられた熱負荷を冷却する冷却システムであって、
該循環経路上に、
前記二相流体を生成する生成装置と、
前記生成装置の下流側に設置された請求項１から５のいずれか一項に記載の二相流体の固相率測定装置と、
前記固相率測定装置の測定値に基づいて前記生成装置の動作状態を制御する制御部と
を備えることを特徴とする冷却システム。
【請求項７】
固相成分及び液相成分を含む二相流体の固相率を測定する二相流体の固相率測定装置であって、
前記二相流体の流れ方向に沿って延在するように配設された中心電極と、
前記中心電極の外周側に、互いに異なる半径を有すると共に同心配置されたＭ（Ｍは３以上の自然数）個の円筒電極と、
前記Ｍ個の円筒電極のうち互いに隣り合う電極間に形成されるキャパシタの静電容量をそれぞれ検出することにより、前記二相流体の固相率を測定する測定部と
を備え、
前記Ｍ個の円筒電極の半径ｒ１、ｒ２、・・・、ｒM-1、ｒMは次式
ｒ２／ｒ１＝ｒ３／ｒ２＝ × × × ＝ｒM ／ｒM-1
を満たすように設定されていることを特徴とする二相流体の固相率測定装置。
【請求項８】
前記キャパシタにおいて、内側に配置された電極の半径ｒ１、及び、外側に配置された電極の半径ｒ２は、前記二相流体における固相成分の偏在割合η、測定許容誤差α、前記二相流体の固相率ｆ、前記固相成分の比誘電率εｓ、及び、前記液相成分の比誘電率εｌを用いて、次式
2015031589.tif 000013
を満たすことを特徴とする請求項７に記載の二相流体の固相率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固相成分と液相成分とを含んでなる二相流体の固相率測定装置、及び、該固相率測定装置を備える冷却システムの技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
固相成分と液相成分とが混合してなる二相流体の一例として、スラッシュ窒素が広く知られている。スラッシュ窒素は微粒化された固体窒素と液体窒素との混合物のスラリーであり、その流動性の高さから、例えば超電導機器等の冷却システムに適している。超電導機器の一例である高温超電導送電ケーブルを冷却する場合、冷却ステーションの設置間隔が数ｋｍに及ぶことが想定されるが、数ｋｍ先のケーブル出口側においても固相成分が残っていれば窒素温度は融解温度である６３Ｋに保たれ、その結果、超電導ケーブルはその能力、すなわち６３Ｋにおける臨界電流値に対応する送電量を維持することができる。
【０００３】
このような二相流体における固相成分の割合（すなわち、固相率）は、冷却対象の熱負荷と密接な関係がある。そのため、冷却対象の熱負荷が変動する場合には、その変動に応じて固相率を制御することが重要である。このような固相率制御では、基準となる固相率を精度よく検出する必要がある。固相率は固体成分の質量割合を示すが、体積と質量の変換は容易にできることから、以下には体積割合を固相率として説明を行う。
【０００４】
この種の二相流体の固相率を測定する方法として、二相流体における固相成分と液相成分とが互いに異なる誘電率を有する性質に着目し、二相流体に浸漬した電極によって構成されるキャパシタの静電容量に基づいて二相流体の密度を求め、固相率を測定するものがある。例えば特許文献１では、二相流体であるスラッシュ水素について固相率の測定を行っている。ここで、図９は特許文献１において二相流体の固相率を測定する際に使用されるキャパシタの電極構造を示す模式図である。この例では、平板電極３１と該平板電極３１の両サイドに対向するように配置された円筒型電極３２ａ及び３２ｂとを、測定対象であるスラッシュ水素に浸漬し、これらの電極間の静電容量を検出することで固相率を求めている。特許文献１では特に、キャパシタを構成する一方の電極を円筒形状に形成し、電極間にスラッシュ水素を導くことで、精度のよい固相率測定を行うことができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５７２２００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、静電容量Ｃは電極の面積Ｓ、電極間の距離Ｌ、及び、電極間に存在する物質が有する誘電率εを用いて、
Ｃ∝εＳ／Ｌ      （１）
と表される。（１）式に示されているように、静電容量Ｃは電極の面積Ｓに比例するため、測定感度を向上するためには、電極の面積が大きいことが好ましい。しかしながら、特許文献１では平板形状の電極を用いているため、狭い配管中を流れる二相流体の固相率を測定しようとした場合、電極面積が狭くならざるを得ず、十分な測定精度を確保することが困難であるという問題がある。
【０００７】
また特許文献１では、平板電極３１と円筒電極３２ａ及び３２ｂという非類似形状を有する電極によって形成されるキャパシタの静電容量に基づいて固相率を求めている。このような形状を有するキャパシタを例えば丸い断面を有する配管内に設置しようとすると、キャパシタの電極間には該配管内を流れる二相流体の一部しか導入されない（すなわち、配管とキャパシタとの間に少なからず隙間が生じるため、配管内を流れる二相流体全体を電極間に導くことができない）。そのため、二相流体における固相成分の分布が不均一な場合には、測定結果の不正確さが増してしまうという問題点が有る。
【０００８】
本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、配管内を流れる二相流体の固相率を高精度で測定することが可能な二相流体の固相率測定装置及び該固相率測定装置を備える冷却システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る二相流体の固相率測定装置は上記課題を解決するために、固相成分及び液相成分を含む二相流体の固相率を測定する二相流体の固相率測定装置であって、前記二相流体の流れ方向に沿って延在するように配設された中心電極と、該中心電極の外周側に同心に設けられた第１の円筒電極と、該第１の円筒電極の外周側に同心に設けられ、且つ、前記第１の円筒電極に比べて大径に形成された第２の円筒電極と、前記中心電極及び前記第１の円筒電極によって形成される第１のキャパシタの静電容量、並びに、前記第１の円筒電極及び前記第２の円筒電極によって形成される第２のキャパシタの静電容量をそれぞれ検出することにより、前記二相流体の固相率を測定する測定部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、中心電極の周りに第１の円筒電極及び第２の円筒電極を同心配置した構成を有するキャパシタを用いることで、狭い配管内においても大きな静電容量を確保し、良好な測定感度で固相率を測定することができる。また、電極間に導入される二相流体の割合を平板電極を用いた場合に比べて大幅に向上できるので、固相成分の分布にバラツキがある二相流体に対しても測定精度を向上できる。
【００１１】
本発明の一態様によれば、前記第１の静電容量及び前記第２の静電容量の各々において、内側に配置された電極の半径ｒ１、及び、外側に配置された電極の半径ｒ２は、前記二相流体における固相成分の偏在割合η、測定許容誤差α、前記二相流体の固相率ｆ、前記固相成分の比誘電率εｓ、及び、前記液相成分の比誘電率εｌを用いて、次式
2015031589.tif 000003
を満たす。
二相流体に含まれる固相成分の分布が径方向にバラツキを有している場合、厳密には、その分布に応じてキャパシタの静電容量も変化する。この態様では、キャパシタを構成する電極の径を上記（２）を満足するように設計することにより、固相成分の径方向分布に起因する静電容量のバラツキを実質的に無視する（測定許容誤差αより小さくする）ことができる。そのため、不均一な二相流体に対しても、固相率を精度よく測定することができる。
【００１２】
また他の態様では、前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタの前記二相流体の流れ方向に沿った長さは、それぞれの電極間距離の１０倍以上に設定されている。
この態様によれば、各キャパシタを構成する電極の長さを、電極間の距離の１０倍以上に設定することで、電極の端部におけるエッジ効果を実質的に無視することができ、精度のよい固相率測定が可能となる。
【００１３】
また他の態様では、前記中心電極の半径ｒ１、前記第１の円筒電極の半径ｒ２、及び、前記第２の円筒電極の半径ｒ３は、次式
ｒ２／ｒ１＝ｒ３／ｒ２      （３）
を満たす。
この態様によれば、第１のキャパシタの静電容量及び第２のキャパシタの静電容量を互いに等しく構成することができ、キャパシタらを流れる固相成分の分岐比が変わっても固相率計の総静電容量は変わらないようになる。
【００１４】
また他の態様では、前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタの上流側に、前記二相流体に含まれる固相成分の粒径を揃えるフィルタを備える。
この態様によれば、固相率測定装置の上流側にフィルタを設けることによって、装置に導入される固相成分の粒径を揃えることができるので、各静電容量における測定精度を効果的に向上させることができる。
【００１５】
本発明に係る冷却システムは、前記二相流体を冷媒として循環する循環回路上に設けられた熱負荷を冷却する冷却システムであって、該循環経路上に、前記二相流体を生成する生成装置と、前記生成装置の下流側に設置された請求項１から５のいずれか一項に記載の二相流体の固相率測定装置と、前記固相率測定装置の測定値に基づいて前記生成装置の動作状態を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
この冷却システムによれば、上述した二相流体の固相率測定装置（上記各種態様を含む）を備えることによって、生成装置の制御精度を向上し、熱負荷の効率的な冷却が可能となる。特に、熱負荷が時間的に変化することによって循環経路を流れる二相流体の固相率が変化する場合であっても、固相率測定装置の測定結果に応じて生成装置の動作状態を制御して、熱負荷に最適な固相率を維持することができる。
【００１６】
また本発明に係る二相流体の固相率測定装置は上記課題を解決するために、固相成分及び液相成分を含む二相流体の固相率を測定する二相流体の固相率測定装置であって、前記二相流体の流れ方向に沿って延在するように配設された中心電極と、前記中心電極の外周側に、互いに異なる半径を有すると共に同心配置されたＭ（Ｍは３以上の自然数）個の円筒電極と、前記Ｍ個の円筒電極のうち互いに隣り合う電極間に形成されるキャパシタの静電容量をそれぞれ検出することにより、前記二相流体の固相率を測定する測定部と
を備え、前記Ｍ個の円筒電極の半径ｒ１、ｒ２、・・・、ｒM-1、ｒMは次式
ｒ２／ｒ１＝ｒ３／ｒ２＝ × × × ＝ｒM ／ｒM-1
を満たすように設定されていることを特徴としてもよい。
この場合、前記キャパシタにおいて、内側に配置された電極の半径ｒ１、及び、外側に配置された電極の半径ｒ２は、前記二相流体における固相成分の偏在割合η、測定許容誤差α、前記二相流体の固相率ｆ、前記固相成分の比誘電率εｓ、及び、前記液相成分の比誘電率εｌを用いて、次式
2015031589.tif 000004
を満たすように設定されているとよい。
【００１７】
本発明によれば、上述した第１及び第２のキャパシタを用いた固相率測定装置を拡張することにより、同様の原理に基づいて、中心電極の外周に設けられたＭ個の円筒電極によって形成される（Ｍ-1）個のキャパシタの静電容量を検出することによって固相率を測定することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、中心電極の周りに第１の円筒電極及び第２の円筒電極を同心配置した構成を有することで、狭い配管内においても大きな静電容量を確保し、良好な測定感度で固相率を測定することができる。また、電極間に導入される二相流体の割合を平板電極を用いた場合に比べて大幅に向上できるので、固相成分の分布にバラツキがある二相流体に対しても測定精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施例に係る固相率測定装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】固相率計の斜視図である。
【図３】第１のキャパシタの電極間を流れる二相流体に含まれる固相成分の分布をモデル化したものである。
【図４】固相率計の設計例を示す模式図である。
【図５】固相率計の具体的な構成を示した模式図である。
【図６】本実施例に係る冷却システムの全体構成を示す模式図である。
【図７】図６の破線で囲んだ領域を部分的に拡大して示したものである。
【図８】変形例に係る冷却システムにおける固相率測定装置の近傍を部分的に拡大して示したものである。
【図９】先行技術において二相流体の固相率を測定する際に使用される電極構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２１】
以下の本実施例では二相流体として、固相成分である固体窒素と、液相成分である液体窒素とを含んでなるスラッシュ窒素を例に説明することとする。尚、スラッシュ水素などの他の二相流体についても、同様に本発明を適用可能であることはいうまでもない。
【００２２】
（固相率測定装置）
図１は本実施例に係る固相率測定装置１の全体構成を示す模式図である。固相率測定装置１は、測定対象であるスラッシュ窒素が図１で矢印で示す向きに流れる配管２内に設置された固相率計（静電容量Ｃ）と、該固相率計に接続された測定器１０とを含んで構成されている。固相率計は、スラッシュ窒素の流れ方向に沿って延在するように設けられた中心電極３及び該中心電極３の外周側に同心に設けられた第１の円筒電極４から構成される第１のキャパシタ（静電容量ＣＡ）と、前記第１の円筒電極４及び該第１の円筒電極４の更に外側に同心に設けられた第２の円筒電極５から構成される第２のキャパシタ（静電容量ＣＢ）とが並列に設けられるように構成されている。測定器１０は、静電容量Ｃを計測可能な機器（例えばＬＣＲメータ）であり、固相率計を構成する各電極に配線を介して接続されている。
【００２３】
図２は固相率計の斜視図である。中心電極３、第１の円筒電極４及び第２の円筒電極５はそれぞれ半径ｒ１、ｒ２、ｒ３（ｒ１＜ｒ２＜ｒ３）を有しており、同心配置されることによって半径ｒ３の円筒構造内に２つのキャパシタが効率的なレイアウトで形成されるようになっている。ここで各電極の長さをＬとすると、真空中における第１のキャパシタの静電容量ＣＡ，０及び第２のキャパシタの静電容量ＣＢ，０は次式
ＣＡ，０=２πＬε０／ｌｎ（ｒ２／ｒ１）      （４−１）
ＣＢ，０=２πＬε０／ｌｎ（ｒ３／ｒ２）      （４−２）
で表される（ここでε０（＝８．８５×１０−１２Ｆ／ｍ）は真空の誘電率である）。従って、真空中の静電容量Ｃ０は
Ｃ０＝ＣＡ，０＋ＣＢ，０        （５）
となる。
【００２４】
本実施例では特に、第１のキャパシタの静電容量ＣＡと第２のキャパシタの静電容量ＣＢとが等しくなるように設計されている。すなわち、（４−１）と（４−２）式により次式
ｒ３／ｒ２＝ｒ２／ｒ１      （６）
を満たすように設計されている。この場合、キャパシタの数をｎ（＝２）とすると、Ｃ０は次式
Ｃ０＝ｎ×２πε０Ｌ／ｌｎ（ｒ２／ｒ１）      （７）
と表される。
【００２５】
このような構造を有する固相率計は、半径ｒ０（＞ｒ３）を有する配管２内に、スラッシュ窒素の流れに沿った方向に向けて配置されており、各電極間には測定対象であるスラッシュ窒素が流れる。ここで、スラッシュ窒素の比誘電率εｓｌは、固体窒素の比誘電率εｓ、液体窒素の比誘電率εｌ、固相率ｆ（０≦ｆ≦１）を用いると次式
εｓｌ＝ｆ×εｓ＋（１−ｆ）×εｌ      （８）
により表されので、スラッシュ窒素に浸漬された静電容量Ｃは、
C = C0esl      （９）
となる。
【００２６】
固相率ｆが０％から１０％に変化した場合、比誘電率εｓｌの変化量Δεｓｌは、（８）式に基づいて次式
Δεｓｌ＝εｓｌ（ｆ＝０．１）−εｓｌ（ｆ＝０）      （１０）
により得られる。本実施例では静電容量をＬＣＲメータなどの測定器１０を用いて測定するが、その際、電源ノイズや外部ノイズのような測定ノイズの影響を少なからず受けることとなる。ここで測定ノイズの大きさをＮとすると、比誘電率εｓｌの変化量Δεｓｌを測定するために必要な測定感度（Ｃ0）を得るためには、次式
Ｃ０×Δεｓｌ＞Ｎ      （１１）
を満足すればよいこととなる。
【００２７】
例えば、圧力１ａｔｍ、温度６３．２Ｋの条件下では、固体窒素の比誘電率εｓ＝１．５２０、液体窒素の比誘電率εｌ＝１．４６９であるので、固相率が１０％変化する際の比誘電率の変化量は（１０）式よりΔεｓｌ＝０．００５１となる。従って、ＬＣＲメータの測定値に含まれる測定ノイズの大きさがＮ＝０．０４ｐＦであると仮定すると、（１１）式は
Ｃ０＞７．８４ｐＦ      （１１´）
となる。すなわち、スラッシュ窒素の１０％の固相率変化を測定するためには、各電極の半径ｒ１、ｒ２、ｒ３を（６）と（１１´）式を満たすように設計すればよいこととなる。
【００２８】
以上の説明では電極間を流れる二相流体が均一である場合について説明した。一方、電極間を流れる二相流体の分布が不均一である場合、固相成分の分布に応じて二相流体の比誘電率にバラツキが生じ、測定精度が低下するおそれがある。このような問題点は、以下により解決することができる。
【００２９】
図３は第１のキャパシタの電極間を流れる二相流体に含まれる固相成分が不均一な分布を有する場合をモデル化して示したものである。このモデルでは固相成分の分布が半径方向にバラツキを有しており、図３（ａ）は外側に設けられた第１の円筒電極４側に固相成分が偏って分布している場合を示しており、図３（ｂ）は内側に設けられた中心電極３側に固相成分が分布している場合を示している。
【００３０】
まず図３（ａ）の場合、固相成分と液相成分との境界半径をｒｕとすると、第１の静電容量ＣＡ，ｕは固相成分による静電容量と液相成分による静電容量とを合成したものとなる。境界半径ｒｕは二相流体における固相成分の体積割合ηを用いると、次式
2015031589.tif 000005
により得られるので、第１の静電容量ＣＡ，ｕは
2015031589.tif 000006
と求められる。
【００３１】
一方、図３（ｂ）の場合、固相成分と液相成分との境界半径をｒｄとすると、第１の静電容量ＣＡ，ｄは固相成分による静電容量と液相成分による静電容量とを合成したものとなる。境界半径ｒｄは二相流体における固相成分の体積割合ηを用いると、次式
2015031589.tif 000007
により得られるので、第１の静電容量ＣＡ，ｄは
2015031589.tif 000008
と求められる。
【００３２】
従って、固相成分の分布の異なる２つモデルにおける第１の静電容量ＣＡ，ｕ及びＣＡ，ｄの差異ΔＡｄｕは、次式
2015031589.tif 000009
と求められる。このように求められた差異ΔＡｄｕは固相成分の分布の違いによって静電容量の測定値に現れる最大誤差の大きさを表しているため、このような誤差を十分小さくするためには、測定許容誤差をαとすると、ΔＡｄｕ＜αから次の上限式
2015031589.tif 000010
を満足すればよい。すなわち、（１７）式を満たすように第１のキャパシタを構成する電極の半径ｒ１及びｒ２を設計することで、固相成分の分布の違いに起因する測定誤差を実質的に無視することができるようになるので、高精度な固相率測定が可能となる。
【００３３】
尚、ここでは図３に示すモデルを用いて第１のキャパシタの静電容量ＣＡに関する条件式（１７）を導いたが、同様の考えに基づいて、第２のキャパシタの静電容量ＣＢにおいても同様の条件式を導くことができる。すなわち、第２のキャパシタの静電容量ＣＢに関しては、（１７）式のｒ１とｒ２を、それぞれｒ２及びｒ３に入れ替えれば足りる。
【００３４】
上記各種条件を具備した具体的な設計例について説明する。ここでは、固相率計が設置される配管２の径をｒ０＝１０ｍｍとし、測定可能なスラッシュ窒素の固相率ｆの最小値が１０％となるようなスペックを満たすように設計を行った場合を想定する。
配管２は５０００ｍ級の高温超電導ケーブルの冷却システムに用いられ、該配管２を流れるスラッシュ窒素は、入口において通常運転時は流速０．３５ｍ／ｓ（３０ｌ／ｍｉｎ）、圧力１．０６ＭＰａ、温度６３．３８Ｋ、固相率２０％であり、出口において圧力０．３ＭＰａ、温度８１．１Ｋになる条件下にあるとし、固体窒素の比誘電率はεｓ＝１．５２０、液体窒素の比誘電率はεｌ＝１．４６９であるとする。また、測定対象であるスラッシュ窒素の固体相成分の偏在割合がη＝０．１ｆ（すなわち、固相率の１０％）であるとする。検出器１０の測定値に含まれる測定ノイズをＮ=±０．０２ｐＦ（大きさ＝０．０４ｐF）とし、最小測定感度をα＝０．１（すなわち、測定値の１０％）とする。
【００３５】
このような条件下では、η=０．０１、α=０．１、ｆ=０．１、εｓ=１．５２０、εｌ=１．４６９を（１７）式に代入することにより、
2015031589.tif 000011
となり、第１と第２のキャパシタにおける半径比は、それぞれ次式
ｒ２／ｒ１＝ｒ３／ｒ２≦１．６２５      （１８）
として得られる。図４は（１８）式を満たす設計例の具体的構成を示している。この設計例では、より実際の設計例に近づけるために、第１の円筒電極４及び第２の円筒電極５はそれぞれ厚みｔ＝１ｍｍを有するとして計算しており（すなわち、第１の円筒電極４の内径比はｒ2/r1として、第1の円筒電極４の厚みｔが加わった場合の第２の円筒電極５の内径比はｒ3/（ｒ2+ｔ）として求めた）、ｒ１＝２．９ｍｍとして、各円筒内径をｒ２＝４．６ｍｍ、ｒ３＝９ｍｍと設定している。
【００３６】
また本願発明者らの検証によると、上記条件を満たすことに加えて、各電極の長さＬは、電極間距離（すなわち、（ｒ３−ｒ２）又は（ｒ２−ｒ１））の１０倍以上に設定することが好ましいことが判明した。これは、キャパシタを構成する電極の端部において電気力線が回り込むような分布を形成することにより生じるエッジ効果の影響を実質的に無視できるからである。図４に示す設計例では、例えば長さをＬ＝３５ｍｍと設定することで、良好な測定結果が得られることができる。
【００３７】
図５は固相率計の具体的な構成を示した模式図である。この例では、固相率計の入口側と出口側において、各電極の端部を覆うように円形に形成された円形部材２１と、該円形部材２１間を半径方向に沿って連結する線形部材２２とによって形成される支持部材２０が設けられている。この支持部材２０は例えばベークライトを材料として形成されており、各電極間の配置を安定的に支持している。
尚、支持部材２０は固相率計に導かれる二相流体の流れを妨げないように、固相率計の強度を十分に確保できる範囲内で、二相流体の流れ方向から見て極力面積が少なくなるように構成するとよい。
【００３８】
（冷却システム）
続いて、上記固相率測定装置を備えた冷却システムについて説明する。本実施例に係る冷却システムは、超電導ケーブルなどの熱負荷に対して二相流体であるスラッシュ窒素を循環供給することで冷却を行うものであり、図６にその全体構成を模式的に示す。
【００３９】
冷却システム１００は冷媒としてスラッシュ窒素が循環する循環経路１１０を有しており、該循環経路１１０上には上流側からスラッシュ窒素を圧送するための循環ポンプ１２０と、液体窒素を冷却する冷凍機１３０と、スラッシュ窒素を生成する生成装置１４０とが設けられている（尚、図６では循環経路１１０上にある熱負荷は省略）。生成装置１４０は、スラッシュ窒素及びサブクール窒素を貯槽する低温容器１４１を有しており、２台の冷凍機１４２と１４３を用いて液体窒素を冷却面に固化させ、固化した窒素をモータ１４４で駆動される掻き取り羽根１４５で剥離することによって、スラッシュ窒素の生成が行われる。
但、本スラッシュ窒素の生成方法は一例を示したものであり、例えば、本出願人の先行技術である特許第４３４６０３７号などの方法もある。  
【００４０】
図７は図６の破線で囲んだ領域Ａを部分的に拡大して示したものである。図７に示されているように、循環経路１１０は上述の配管２を含んでおり、該配管２のうち生成装置１４０の下流側に固相率測定装置１を構成する固相率計が配置されている。静電容量Ｃは測定器１０（ＬＣＲメータ）によって検出され、その検出値は冷却システム１００の制御装置であるコントローラ１５０に送信される。コントローラ１５０では、ＬＣＲメータの検出値に基づいて配管２を流れるスラッシュ窒素の固相率を求め、その結果が予め設定された目標値になるように生成装置１４０の制御を行う。
【００４１】
本実施例に係る冷却システム１００では、上述した固相率測定装置を用いることによって、生成装置１４０の制御に用いられるスラッシュ窒素の固相率を精度よく測定することができるので、熱負荷の状態に応じた最適な制御を行うことができる。特に超電導送電ケーブルのように熱負荷が時間的に変化する場合には、循環経路１１０を流れるスラッシュ窒素の固相率が逐次変化する。このような場合のおいても、固相率測定装置によって正確に固相率をリアルタイムで精度よく測定することで、生成装置１４０を制御によって冷却に必要な冷熱を効率的に生成し、高温超電導送電ケーブルを適切な温度条件に保持して安定な運用を行うことができる。
【００４２】
（変形例）
図８は変形例に係る冷却システム１００における固相率測定装置１の近傍を部分的に拡大して示したものである。変形例では、固相率測定装置１の上流側（すなわち、生成装置１４０との間）の配管２に、生成装置１４０で生成されたスラッシュ窒素に含まれる固体窒素の粒径を揃えるためのフィルタ１６０が設けられている。
本変形例では、生成装置１４０によって生成される固体窒素の粒径に少なからずバラツキがあることを考慮して、固相率測定装置の上流側にフィルタ１６０を設けている。これにより、配管２内に設置された静電容量に導入されるスラッシュ窒素に含まれる固体窒素の粒径を揃えることができるので、各静電容量における測定精度を効果的に向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、固相成分と液相成分とを含んでなる二相流体の固相率測定装置及び該固相率測定装置を備える冷却システムに利用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１  固相率測定装置
２  配管
３  中心電極
４  第１の円筒電極
５  第２の円筒電極
１０  測定器
２０  支持部材
１００  冷却システム
１１０  循環経路
１４０  生成装置
１５０  コントローラ
【図１】
2015031589.tif 000014
【図２】
2015031589.tif 000015
【図３】
2015031589.tif 000016
【図４】
2015031589.tif 000017
【図５】
2015031589.tif 000018
【図６】
2015031589.tif 000019
【図７】
2015031589.tif 000020
【図８】
2015031589.tif 000021
【図９】
2015031589.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月4日(2014.9.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項７】
固相成分及び液相成分を含む二相流体の固相率を測定する二相流体の固相率測定装置であって、
前記二相流体の流れ方向に沿って延在するように配設された中心電極と、
前記中心電極の外周側に、互いに異なる半径を有すると共に同心配置されたＭ（Ｍは３以上の自然数）個の円筒電極と、
前記Ｍ個の円筒電極のうち互いに隣り合う電極間に形成されるキャパシタの静電容量をそれぞれ検出することにより、前記二相流体の固相率を測定する測定部と
を備え、
前記Ｍ個の円筒電極の半径ｒ１、ｒ２、・・・、ｒM-1、ｒMは次式
ｒ２／ｒ１＝ｒ３／ｒ２＝・・・＝ｒM ／ｒM-1
を満たすように設定されていることを特徴とする二相流体の固相率測定装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また本発明に係る二相流体の固相率測定装置は上記課題を解決するために、固相成分及び液相成分を含む二相流体の固相率を測定する二相流体の固相率測定装置であって、前記二相流体の流れ方向に沿って延在するように配設された中心電極と、前記中心電極の外周側に、互いに異なる半径を有すると共に同心配置されたＭ（Ｍは３以上の自然数）個の円筒電極と、前記Ｍ個の円筒電極のうち互いに隣り合う電極間に形成されるキャパシタの静電容量をそれぞれ検出することにより、前記二相流体の固相率を測定する測定部と
を備え、前記Ｍ個の円筒電極の半径ｒ１、ｒ２、・・・、ｒM-1、ｒMは次式
ｒ２／ｒ１＝ｒ３／ｒ２＝・・・＝ｒM ／ｒM-1
を満たすように設定されていることを特徴としてもよい。
この場合、前記キャパシタにおいて、内側に配置された電極の半径ｒ１、及び、外側に配置された電極の半径ｒ２は、前記二相流体における固相成分の偏在割合η、測定許容誤差α、前記二相流体の固相率ｆ、前記固相成分の比誘電率εｓ、及び、前記液相成分の比誘電率εｌを用いて、次式
2015031589.tif 000023
を満たすように設定されているとよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
このような構造を有する固相率計は、半径ｒ０（＞ｒ３）を有する配管２内に、スラッシュ窒素の流れに沿った方向に向けて配置されており、各電極間には測定対象であるスラッシュ窒素が流れる。ここで、スラッシュ窒素の比誘電率εｓｌは、固体窒素の比誘電率εｓ、液体窒素の比誘電率εｌ、固相率ｆ（０≦ｆ≦１）を用いると次式
εｓｌ＝ｆ×εｓ＋（１−ｆ）×εｌ      （８）
により表されので、スラッシュ窒素に浸漬された静電容量Ｃは、
C = C0εsl      （９）
となる。