(57)【要約】【課題】固液二相流体の固相率を微小容量のコンデンサにより高精度で測定する。【解決手段】本発明は固液二相流体の固相率を測定する固液二相流体の固相率測定装置に関し、キャパシタＣ及び水晶振動子Ｓを含む並列回路６に対して抵抗器Ｒｍを直列接続してなる測定回路３と、交流信号を入力する信号発生器４と、並列回路の両端および抵抗器の両端に接続しノイズや配線浮遊容量による測定誤差を低減するインピーダンス変換器と、並列回路の両端電圧Ｖ０及び抵抗器の両端電圧Ｖ１間の位相差θを検出する位相差検出器５と、測定回路３を固液二相流体に浸漬し、信号発生器から水晶振動子Ｓの並列共振周波数ｆｐを有する交流信号を入力した際に、検出される位相θに基づいて固相率ｆを演算する演算部１０とを備える。【選択図】図１
2015040841.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固液二相流体の固相率を測定する固液二相流体の固相率測定装置であって、
キャパシタ及び該キャパシタに並列に接続される水晶振動子を含む並列回路に対して抵抗器を直列接続してなる測定回路と、
前記測定回路に所定周波数を有する交流信号を入力する信号発生器と、
前記並列回路の両端および前記抵抗器の両端に接続されたインピーダンス変換器と、
前記並列回路の両端電圧及び前記抵抗器の両端電圧間の位相差を検出する位相差検出器と、
前記位相差検出器によって検出した位相差に基づいて、前記固液二相流体の固相率を演算する演算部と
を備え、
前記演算部は、前記測定回路を前記固液二相流体に浸漬し、前記信号発生器から前記水晶振動子の並列共振周波数を有する交流信号を入力した際に、前記位相差検出器によって検出される位相差に基づいて、前記固液二相流体の固相率を演算することを特徴とする固液二相流体の固相率測定装置。
【請求項２】
前記測定回路を前記液相成分のみからなる流体に浸漬し、前記信号発生器から前記水晶振動子の並列共振周波数を有する交流信号を入力した際に、前記位相差検出器によって検出される位相差を基準位相差として予め求めておき、
前記演算部は、前記位相差検出器によって検出された位相差の前記基準位相差からの変化量に基づいて、前記固液二相流体の固相率を測定することを特徴とする請求項１に記載の固液二相流体の固相率測定装置。
【請求項３】
前記固液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、
前記固液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又は２に記載の固液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４】
固相成分及び液相成分を含む固液二相流体の固相率を測定する固液二相流体の固相率測定方法であって、
キャパシタ及び該キャパシタに並列に接続される水晶振動子を含む並列回路に対して抵抗器を直列接続してなる測定回路を前記固液二相流体に浸漬する第１の工程と、
前記測定回路に前記水晶振動子の並列共振周波数を有する交流信号を入力する第２の工程と、
前記並列回路の両端電圧及び前記抵抗器の両端電圧間の位相差を検出する第３の工程と、
前記検出した位相差に基づいて、前記固液二相流体の固相率を演算する第４の工程と
を備えることを特徴とする固液二相流体の固相率測定方法。
【請求項５】
前記測定回路を前記液相成分のみからなる流体に浸漬し、前記水晶振動子の並列共振周波数を有する交流信号をそれぞれ入力した際の前記位相差を基準位相差として予め求める工程を更に備え、
前記第４の工程は、前記第３の工程で求めた位相差の前記基準位相差からの変化量に基づいて、前記固液二相流体の固相率を測定することを特徴とする請求項４に記載の固液二相流体の固相率測定方法。
【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固液二相流体の固相率測定装置、該固相率測定装置を備える冷却システム、及び、固液二相流体の固相率測定方法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固液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、温度が６３Ｋと低く、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。特に、超電導機器の一例である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】
このような固液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（尚、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、以下では体積割合を固相率として説明を行うこととする）。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。
【０００４】
この種の固液二相流体の固相率を測定する方法として、固液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比誘電率を有する性質に着目し、固液二相流体に浸漬した一対または複数対の電極で構成されたキャパシタの静電容量の変化に基づいて固相率を測定するものがある。図８は、この種の固相率測定方装置の一例を示す模式図である。この例では、キャパシタＣが有する一対の電極３１及び３２を固液二相流体に浸漬し、ＬＣＲメータである検出器３５でキャパシタＣの静電容量を計測することで、電極３１及び３２間を占める固液二相流体の比誘電率を評価して固相率を求めることができる。特許文献１では、電極の形状を円筒対平板対円筒として、平板対平板の場合よりも、電極間に固体粒子を入りやすくして測定感度の向上を図っている。
【０００５】
このように図８ではキャパシタの静電容量をＬＣＲメータなどの検出器３５で直接測定しているが、特許文献２では、キャパシタＣとコイルＬとによって形成された共振回路の共振特性を利用して静電容量Ｃを計測することが開示されている。特に特許文献２では、固液二相流体に浸漬した共振回路に交流信号を印加し、エコー信号が最大となる共振周波数を求めることで、静電容量Ｃを算出し、固相率の測定を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３５７２２００号
【特許文献２】特開２０１０−２２３７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、電極の面積を大きくすることが好ましい。しかしながら、狭い配管中を流れる固液二相流体の固相率を測定しようとした場合、電極面積を小さくせざるを得ず、微小な静電容量の変化を計測することとなり、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。
一方、静電容量Ｃは電極間の距離Ｌに反比例するため、固相率の測定精度を向上するためには、電極間の距離Ｌを小さくすることが好ましい。しかしながら、電極間にスムーズに測定対象である固液二相流体を導くためには、電極間の距離Ｌを固液二相流体に含まれる固相成分の粒径に比べて十分大きく確保する必要がある。そのため、電極間の距離Ｌを小さくことによって、測定精度を向上することにも限界がある。狭い配管中で固相率を測定する場合の測定精度の向上は、特許文献１および特許文献２に共通する課題である。
【０００８】
また特許文献２では、ＬＣＲメータは、それぞれの電極間の容量を、電極に接続されたリード線を介して測定しているため、ＬＣＲメータの測定値には配線間に生じる浮遊容量が含まれる。この浮遊容量は典型的には数ｐＦ程度の大きさを有する。一方、狭い配管内を流れる固液二相流体の固相率を測定するために、キャパシタＣを配管内に設置する場合、キャパシタＣの電極サイズが制限されるため、その値は数ｐＦ〜数十ｐＦ程度となる。そのため、測定値における浮遊容量の割合が多く、正確に固相率を計測することが難しいという問題点がある。
【０００９】
本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、固液二相流体の固相率を高精度で測定することが可能な固液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】
【００１０】
本発明に係る固液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固液二相流体の固相率を測定する固液二相流体の固相率測定装置であって、キャパシタ及び該キャパシタに並列に接続される水晶振動子を含む並列回路に対して抵抗器を直列接続してなる測定回路と、前記測定回路に所定周波数を有する交流信号を入力する信号発生器と、前記並列回路の両端および前記抵抗器の両端に接続されたインピーダンス変換器と、該インピーダンス変換器を介して前記並列回路の両端電圧及び前記抵抗器の両端電圧間の位相差を検出する位相差検出器と、前記位相差検出器によって検出した位相差に基づいて、前記固液二相流体の固相率を演算する演算部とを備え、前記演算部は、前記測定回路を前記固液二相流体に浸漬し、前記信号発生器から前記水晶振動子の並列共振周波数を有する交流信号を入力した際に、前記位相差検出器によって検出される位相差に基づいて、前記固液二相流体の固相率を演算することを特徴とする。
【００１１】
本発明では、キャパシタ、水晶振動子及び抵抗器からなる測定回路を測定対象である固液二相流体に浸漬し、交流信号を印加したときの位相差を検出することによって、キャパシタの電極間を占める固液二相流体の固相率の変化を、キャパシタの静電容量の変化としてとらえ、固相率を測定することができる。特に測定回路に入力する交流信号の周波数を水晶振動子の並列共振周波数に設定することによって、測定回路における位相差の変化量Δθと静電容量の変化量Δｃとの間に次式
Δθ∝Δｃ      （２）
の比例関係が成立する。そのため、演算部において複雑な演算を伴うことなく、精度よく固相率を測定することができる。
またインピーダンス変換器を介して並列回路の両端電圧及び抵抗器の両端電圧間の位相差を検出することによって出力インピーダンスが小さくなるので、位相差検出器側におけるノイズや配線浮遊容量による測定誤差を低減し、良好な測定精度を得ることができる。
【００１２】
本発明の一態様では、前記測定回路を前記液相成分のみからなる流体に浸漬し、前記信号発生器から前記水晶振動子の並列共振周波数を有する交流信号を入力した際に、前記位相差検出器によって検出される位相差を基準位相差として予め求めておき、前記演算部は、前記位相差検出器によって検出された位相差の前記基準位相差からの変化量に基づいて、前記固液二相流体の固相率を測定する。
この態様によれば、測定精度の更なる向上のために、液相成分のみからなる流体（すなわち固相率がゼロ）に浸漬した際に得られる位相差を基準位相差θ０として予め求めておき、実際に測定対象とする固液二相流体に測定回路を浸漬した際に得られる位相差θと該基準位相差との間の変化量Δθ（＝θ―θ０）に基づいて、上記（２）式により静電容量の変化量Δｃを求めて固相率測定を行うことができる。
【００１３】
本発明に係る冷却システムは、前記固液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、前記固液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又は２に記載の固液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、上述した固液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、固液二相流体の生成装置を制御する際に、生成される固液二相流体の固相率をリアルタイムに精度よく把握することができるので、冷却システムの固相率の分布を最適な状態で維持することが可能となる。特に、熱負荷が時間的に変化する場合には循環経路を流れる固液二相流体の固相率も変化することとなるが、本発明に係る固相率測定装置によって固液二相流体の固相率を精度よく把握することで、そのときどきの熱負荷に応じた最適な固相率になるように生成装置を制御して、固液二相流体の特徴を活かした冷却システムを実現することができる。
【００１４】
本発明に係る固液二相流体の固相率測定方法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固液二相流体の固相率を測定する固液二相流体の固相率測定方法であって、キャパシタ及び該キャパシタに並列に接続される水晶振動子を含む並列回路に対して抵抗器を直列接続してなる測定回路を前記固液二相流体に浸漬する第１の工程と、前記測定回路に前記水晶振動子の並列共振周波数を有する交流信号を入力する第２の工程と、前記並列回路の両端電圧及び前記抵抗器の両端電圧間の位相差を検出する第３の工程と、前記検出した位相差に基づいて、前記固液二相流体の固相率を演算する第４の工程とを備えることを特徴とする。
本発明の一態様では、前記測定回路を前記液相成分のみからなる流体に浸漬し、前記水晶振動子の並列共振周波数を有する交流信号を入力した際の前記位相差を基準位相差として予め求める工程を更に備え、前記第４の工程は、前記第３の工程で求めた位相差の前記基準位相差からの変化量に基づいて、前記固液二相流体の固相率を測定する。
【００１５】
本発明に係る固液二相流体の固相率測定方法は、上述の固相率測定装置（上記各種態様を含む）によって好適に実施することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、キャパシタ、水晶振動子及び抵抗器からなる測定回路を測定対象である固液二相流体に浸漬し、交流信号を印加したときの位相差を検出することによって、キャパシタの電極間を占める固液二相流体の固相率の変化を、キャパシタの静電容量の変化としてとらえ、固相率を測定することができる。特に測定回路に入力する交流信号の周波数を水晶振動子の並列共振周波数に設定することによって、測定回路における位相差の変化量Δθと静電容量の変化量Δｃとの間に比例関係が成立する。そのため、演算部において複雑な演算を伴うことなく、精度よく固相率を測定することができる。
またインピーダンス変換器を介して並列回路の両端電圧及び抵抗器の両端電圧間の位相差を検出することによって出力インピーダンスが小さくなるので、位相差検出器側におけるノイズや配線浮遊容量による測定誤差を低減し、良好な測定精度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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】固相率測定装置を等価回路として表した回路構成図である。
【図３】キャリブレーションの際に液体窒素に浸漬された測定回路に対する入力周波数と位相差検出器によって検出される位相θとの関係を示すグラフである。
【図４】固相率ｆ＝０．１のスラッシュ窒素に浸漬された測定回路に対する入力周波数と位相差検出器によって検出される位相θとの関係と、固相率ｆ＝０の場合との位相差Δθを併せて示すグラフである。
【図５】図４の並列共振周波数近傍を拡大して示したものである。
【図６】固相率と検出位相差との変化量の関係を示すグラフである。
【図７】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８】固相率測定装置の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
以下の本実施例では固液二相流体として、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固液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。
【００２０】
（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貯留された貯留槽２と、該貯留槽２に浸漬された測定回路３と、該測定回路３に交流信号を入力する信号発生器４と、位相差を検出する位相差検出器５と、該位相差検出器５の検出結果に基づいて固相率の演算を行う演算部１０と、センサ出力へのノイズや配線浮遊容量による測定誤差を低減するインピーダンス変換器９とを備えて構成されている。
【００２１】
測定回路３は、所定の固有振動数を有する水晶振動子ＳとキャパシタＣとが並列接続されてなる並列回路６と、該並列回路６に対して直列接続される抵抗器Ｒｍとを含んで構成されている。信号発生器４は所定周波数を有する交流信号（例えば正弦波）を測定回路３の両端に入力し、位相差検出器５は並列回路６の両端電圧Ｖ０と抵抗器Ｒｍの両端電圧Ｖ１の位相差θ（すなわち、インピーダンスの偏角）を検出する。
例えば、並列回路６の両端電圧Ｖ０と抵抗器Ｒｍの両端電圧Ｖ１とをそれぞれ
2015040841.tif 000003
とすると、その差分ΔＶは次式
2015040841.tif 000004
ただし、
2015040841.tif 000005
となる。差分信号の振幅Ａ２はＡ0とＡ1の値によって依存し、
2015040841.tif 000006
の場合に最小値
2015040841.tif 000007
となる。つまり、各信号をアンプ等で増幅し、信号の差分の振幅Ａ２が最小となるように、各増幅率を調整することで、得られる差分信号の振幅は入力信号の振幅と位相差の積となる。位相差の検出は、アンプ利得を調整した場合における、差分信号の最小振幅を計測する簡単なアナログ回路にて実現できる。位相差検出器５では、電圧Ｖ０、Ｖ１を取り込み、（３）式に基づいて演算することによって位相差θを検出する。
【００２２】
図２は固相率測定装置１を等価回路として表した回路図である。図２では、水晶振動子Ｓは、インダクタンス成分Ｌ１、容量成分Ｃ１及び抵抗成分Ｒ１が互いに直列接続されてなる直列回路に対してキャパシタＣ０が並列接続されて表される。また図１に示すように、信号発生器４は配線７ａ及び７ｂを介して測定回路３の両端に接続されており、位相差検出器５は配線８ａ、８ｂおよびインピーダンス変換器９ａ、９ｂを介して、並列回路６の両端及び抵抗器Ｒｍの両端にそれぞれ接続されている。これらの配線７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ間には、少なからず浮遊容量が発生する。８ａ、８ｂ間の配線浮遊容量によるインピーダンスは、測定値に影響を与えるため、信号の増幅が必要となる。そこで、センサの両端にインピーダンス変換器９ａ、９ｂを接続し、センサ出力を変換器に入力する。センサの出力インピーダンスを非常に小さくすることで、配線浮遊容量によるインピーダンスを無視できる。インピーダンス変換器は、極低温環境（液体窒素中またはスラッシュ窒素中）で使用されるため、たとえばＭＯＳトランジスタのドレイン共通回路などが使用される。図２では、配線７ａ、７ｂ間に発生する浮遊容量を信号発生器４に並列接続された容量Ｃｆとして表している。
このようにインピーダンス変換器を用いると配線浮遊容量による影響を低減できるため、インピーダンス変換器９ａ、９ｂと位相差を検出する位相差検出器５との間の配線長を長くとることができる。尚、より高い精度を得る場合には、インピーダンス変換器９ａ、９ｂと並列回路６および直列抵抗Ｒｍとの間の配線長を極力短くするとよいことは当然である。
【００２３】
ここで水晶振動子ＳのインピーダンスＺａは次式
2015040841.tif 000008
となる。
【００２４】
ここで水晶振動子Ｓの共振周波数は２つあり、それぞれ水晶振動子Ｓの直列共振周波数ｆｓ及び並列共振周波数ｆｐに対応する角周波数ωｓ、ωｐである。各共振角周波数は、
2015040841.tif 000009
ただし、
2015040841.tif 000010
である。ωs０を基準角周波数と呼ぶ。
【００２５】
ここで、Ｚａの偏角は、ｐ、Q、ωｓ０を用いて、
2015040841.tif 000011
と整理できる。これは図５（ａ）に相当する。
【００２６】
ここで回路の並列容量Ｃ０→Ｃ０（１＋Δｃ）に変化した場合の、インピーダンス偏角
arg(Za’)は
2015040841.tif 000012
となる。これは図５（ｃ）に相当する。
【００２７】
（７）式と（８）式の位相差Δθ(ω,Δc)は、
2015040841.tif 000013
となる。これは、図５（ｂ）に相当する。ただし、（９）式において
2015040841.tif 000014
とした。
【００２８】
ここで、
2015040841.tif 000015
と仮定すると、最終的に（９）式は以下のように近似される。
2015040841.tif 000016
従って（１０）式によれば、キャパシタの静電容量Ｃが一定である場合（すなわちΔｃ＝０の場合）には位相差θの変化量はΔθ＝０であるが、静電容量Ｃが変化した場合には、その変化量Δｃに比例する変化量Δθが生じることとなる。
本実施例に係る固相率測定装置１では、位相差検出器５によって位相差の変化量Δθを検出することによって、（１０）式に基づいて、対応する静電容量の変化量Δｃを算出する。そして、（１）式で示した静電容量と誘電率との関係に当てはめることによって、静電容量の変化量を更に誘電率εの変化に換算する。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）とすると、次式
εｓｌ＝ｆ×εｓ＋（１−ｆ）×εｌ      （１１）
により表される。従って、静電容量の変化量Δｃに対応するスラッシュ窒素の誘電率εｓｌの変化量に基づいて、固相率ｆが求められることとなる。
【００２９】
続いて、このような固相率測定装置１を用いてスラッシュ窒素の固相率を測定する手順について、具体的に説明する。
（キャリブレーション）
はじめに固相率測定を行う前提として、基準点となる固相率ｆ＝０のスラッシュ窒素（すなわち液体窒素）を用いてキャリブレーションを行う。キャリブレーションでは、貯留槽２にスラッシュ窒素に代えて液体窒素（固相率ｆ＝０）を充填し、測定回路３を浸漬する。そして、信号発生器４から所定周波数を有する交流信号を入力した後、位相差検出器５にて位相差θの検出を行う。
【００３０】
ここで図３はキャリブレーションの際に液体窒素に浸漬された測定回路３に対する入力周波数と位相差検出器５によって検出される位相差（インピーダンス偏角）θとの関係を示すグラフである。尚、図３では横軸は、水晶振動子Ｓの基準周波数ｆｓ0で正規化した周波数を示している。
信号発生器４から入力される交流信号の周波数を変化させていくと、水晶振動子Ｓの並列共振周波数ｆｐにおいて位相差θがゼロとなる。キャリブレーションでは、このように水晶振動子Ｓの並列共振周波数ｆｐにおける位相差θがゼロとなるという特性に基づいて、基準位相差がゼロであることを確認する。
【００３１】
しかしながら実際の測定では、測定環境条件（温度や圧力）や、配線間の浮遊容量Ｃｆの影響のような様々な要因によって、基準位相差がゼロからずれている場合がある。キャリブレーションでは、固相率ｆ＝０の液体窒素を用いて、このような基準位相差のずれを補正することで、測定精度を向上することができる。位相θのずれを補正する具体的な方法としては、例えば信号発生器４の周波数微調整などが挙げられるが、これに限られない。
【００３２】
（固相率測定）
キャリブレーションを行った後、貯留槽２に測定対象となる固相率ｆ（＞０）のスラッシュ窒素を充填し、測定回路３を浸漬する。そして、上述のキャリブレーションと同様に、信号発生器４から所定周波数を有する交流信号を入力した後、位相差検出器５にて位相差θの検出を行う。
【００３３】
図４は（ａ）固相率ｆ＝０．１のスラッシュ窒素に浸漬された測定回路３に対する入力周波数と位相差検出器５によって検出される位相差（インピーダンス偏角）θとの関係と、（ｂ）固相率ｆ＝０の場合（図３を参照）との位相差の変化量Δθを併せて示すグラフである。また、図５は図４の並列共振周波数ｆｐ近傍を拡大して示したものであり、それぞれ（ａ）固相率ｆ＝０．１の場合、（ｃ）固相率ｆ＝０の場合における、入力周波数に対して位相差検出器５によって検出される位相差θ、また、（ｂ）は固相率がｆ＝０からｆ＝０．１に変化した場合の、位相差の変化量Δθを示している。
【００３４】
固相率ｆ＞０の場合、信号発生器４から入力される交流信号の周波数を変化させていくと、直列共振周波数ｆｓでは固相率ｆ＝０の場合と同様に位相差θがゼロとなるが、並列共振周波数ｆｐでは位相差θがゼロからずれた値を示す。これは、図４に示すΔθが並列共振周波数ｆｐ近傍で大きなピークを示していることからも明らかである。これは、固相率ｆが０→０．１に変化することによって静電容量Ｃ０がΔｃだけ変化したとすると、上記（１１）式に示すように、該変化量Δｃに比例する位相差の変化量Δθが現れることを反映したものである。固相率と位相差の変化量の例を図６に示す。
【００３５】
つまり、本実施例に係る固相率測定装置１では、固相率ｆを０→０．１に変化させた場合には、信号発生器４から出力される交流信号の周波数を並列共振周波数ｆｐに設定すると共に、演算部１０において、位相差検出器５によって測定した位相差θの変化量Δθを求めることで、（１０）式から静電容量の変化量Δｃが得られる。演算部１０ではこのように求めた静電容量の変化量Δｃに基づいて、固液二相流体の固相率が求められる。
【００３６】
このように固相率測定装置１で固相率を測定する際には、信号発生器４の出力周波数は水晶振動子Sの並列共振周波数ｆｐに設定されることとなる。一方、測定周波数が並列共振周波数ｆｐからずれた場合、固相率の測定感度が低下するため、測定周波数は並列共振周波数ｆｐからある一定の許容範囲内に収める必要がある。
周波数と測定感度との関係は、予め想定される静電容量の変化量Δｃと、位相差検出器５の最小分解能（すなわち、検出可能な最小位相の大きさ）θｑに基づいて規定することができる。
例えば、（１０）式は、周波数ω＝ωαのときに位相変化量が最大値Δθmaxとなり、その値は次式であらわされる。
2015040841.tif 000017
静電容量がΔｃ変化した場合に、そのときの位相変化量がθｑを超えている必要があるが、その条件を満たす運転周波数の範囲は、
2015040841.tif 000018
となる。すなわち、信号発生器４の出力周波数を（１２）式を満たす範囲に設定すれば、十分な測定感度を得ることができる。
【００３７】
（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固液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７にその全体構成を模式的に示す。
【００３８】
冷却システム１００は冷媒である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、スラッシュ窒素を生成する生成装置１３０と、熱負荷である超電導ケーブル１４０とが設けられている。生成装置１３０は、外部からの熱侵入を防止しつつ循環経路１１０を流れるスラッシュ窒素を貯留する真空断熱容器１３１と、冷凍機１３６で冷却された冷媒が導入されることにより、真空断熱容器１３１内に貯留されたスラッシュ窒素と熱交換を行う流体凝固用熱交換器１３２と、外部電力で動作するモータ１３３を軸１３４を介して接続して駆動されることにより流体凝固用熱交換器１３２によって凝固して形成された固体窒素を微粒化および攪拌するための熱交換器表面掻き取り羽根１３５とを備えて構成されている。上述した固相率測定装置１は、真空断熱容器１３１の出口近傍に設置されており、特に、静電容量Ｃを構成する一対の電極が出口配管の入口に位置するように設置されている。これにより、生成装置１３０によって生成されたスラッシュ窒素の固相率がリアルタイムにモニタできるようになっている。
【００３９】
コントローラ１６０は冷却システム１００の制御ユニットであり、固相率測定装置１から測定した固相率データを取得し、その取得値が予め設定された目標値になるように、冷凍機１３６の冷凍能力やモータ１３３の動作等を制御することで、循環経路１１０を流れるスラッシュ窒素の固相率を適切に維持する。
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１３０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、超電導ケーブル１４０の熱負荷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。このような場合においても、固相率測定装置１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１３０を制御によって冷却システムの最適な固相率分布を維持し、超電導送電ケーブル１４０の固液二相流体の特性を活かした冷却と安定な運用を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、固相成分と液相成分とを含んでなる固液二相流体の固相率測定装置、該固相率測定装置を備える冷却システム、及び、固液二相流体の固相率測定方法に利用可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１  固相率測定装置
２  貯留槽
３  測定回路
４  信号発生器
５  位相差検出器
６  並列回路
９  インピーダンス変換器
１０  演算部
【図１】
2015040841.tif 000019
【図２】
2015040841.tif 000020
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015040841.tif 000025
【図８】
2015040841.tif 000026