(57)【要約】【課題】  極低温流体の液面を正確に測定することができるとともに、その構造を簡単化、小型化することができる超伝導液面計を提供する。【解決手段】  少なくともその一部が極低温流体中に配置される液面検知部１３と、液面検知部１３に電流を供給する電源部７と、液面検知部１３の電気抵抗を測定する抵抗測定部９と、を有し、液面検知部１３が二ホウ化マグネシウムから形成されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともその一部が極低温流体中に配置される液面検知部と、
該液面検知部に電流を供給する電源部と、
前記液面検知部の電気抵抗を測定する抵抗測定部と、を有し、
前記液面検知部が二ホウ化マグネシウムから形成されていることを特徴とする超伝導液面計。
【請求項２】
前記液面検知部に、熱を発生する発熱部が熱的に接続するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の超伝導液面計。
【請求項３】
前記発熱部が、前記液面検知部における一方の端部と熱的に接続するように設けられ、
前記液面検知部における他方の端部が前記極低温流体中に配置されていることを特徴とする請求項２記載の超伝導液面計。
【請求項４】
前記発熱部が、前記液面検知部の全体と熱的に接続するように設けられていることを特徴とする請求項２記載の超伝導液面計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導液面計に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両、船舶又は航空機などの移動体の燃料として、あるいは燃料電池の燃料として水素の利用の検討が進められている。燃料として水素を用いる場合には、特に移動体の燃料として用いる場合には、所定量の水素を容器内に貯蔵することが求められている。
このように容器内に水素を貯蔵する場合には、水素を液化して極低温流体の状態で貯蔵する方法が知られている。
【０００３】
また、上述のように容器内に貯蔵された極低温流体である液体水素の残量を求めるさまざまな技術も提案されており、極低温流体の液面を計測することによりその残量を求める技術も知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の非特許文献１においては、円筒状の２個の電極を設けて、両電極間に形成される静電容量を測定することで極低温流体の液面を計測する技術が開示されている。この技術は、液体と気体とでは誘電率εに差が有ることを利用し、液面の高さに応じて変化する静電容量を計測することで、液面を連続して測定している。
【０００５】
しかしながら、上述の液面計測では、高周波電源が必要など計測系の測定回路が複雑になり、計測系が高価になるとともに大型化するという問題があった。
また、極低温流体の液体状態の誘電率や気体状態の誘電率が、均一でないと静電容量と液面の高さとの比例関係が不正確となり、正確な液面を測定できないという問題があった。
【０００６】
また、極低温流体の液体状態の誘電率と気体状態の誘電率との比である誘電率比が小さいと静電容量の変化が小さくなり、液面の測定が困難になるという問題があった。例えば、酸素や窒素の誘電率比が１．４８から１．４３であるのに対して、水素の誘電率比は１．２３であり、酸素や窒素と比較して液面の測定が困難になるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、極低温流体の液面を正確に測定することができるとともに、その構造を簡単化、小型化することができる超伝導液面計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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の超伝導液面計は、少なくともその一部が極低温流体中に配置される液面検知部と、該液面検知部に電流を供給する電源部と、前記液面検知部の電気抵抗を測定する抵抗測定部と、を有し、前記液面検知部が二ホウ化マグネシウムから形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、約３９Ｋ以下の温度において超伝導を示す二ホウ化マグネシウム（以下、ＭｇＢ２と表記する）を用いて液面検知部を形成しているため、例えば、極低温流体である液体水素（約２０Ｋ）の液面を測定することができる。
つまり、液体水素中に配置された液面検知部は略２０Ｋに冷却され、その部分の抵抗は略零（超伝導状態）となる。一方、液体水素液面より上の気相領域（以後、アレッジ部と表記する。）配置された液面検知部の温度は３９Ｋより高くなり、アレッジ部における液面検知部は所定の抵抗値を示す（常伝導状態）。そのため、抵抗測定部により液面検知部の抵抗値を測定することで、超伝導状態の領域と常伝導状態の領域との比率を推定でき、その結果により液体水素の液面を推定できる。
【００１０】
また、液面検知部に高周波電流を供給する必要がないため、高周波電源を設ける必要がなく、測定回路を簡略化するとともに小型化することができる。
液面検知部における温度変化による抵抗値の変化に基づいて液面の変化を測定するため、極低温流体における誘電率の不均一の影響を受けず、液面の変化を正確に測定できる。さらに、極低温流体の気体状態の誘電率と液体状態の誘電率との誘電率比の影響も受けないため、液面の変化を正確に測定できる。
【００１１】
上記発明においては、前記液面検知部に、熱を発生する発熱部が熱的に接続するように設けられているが望ましい。
本発明によれば、発熱部が液面検知部と熱的に接続されているため、液面検知部を加熱することができ、極低温流体の液面をより正確に測定することができる。
つまり、液面検知部を加熱することにより、アレッジ部に配置された液面検知部が熱伝導により冷却され、アレッジ部における液面検知部の温度が３９Ｋ以下に冷却されることを防止できる。そのため、本発明の液面計により推定された液面の位置が、実際の液面の位置より上方になることを防止できる。
【００１２】
上記発明においては、前記発熱部が、前記液面検知部における一方の端部と熱的に接続するように設けられ、前記液面検知部における他方の端部が前記極低温流体中に配置されていることが望ましい。
本発明によれば、発熱部が上記一方の端部と熱的に接続されているため、液面検知部を一方の端部から加熱することができ、極低温流体の液面をより正確に測定することができる。
【００１３】
つまり、上記他方の端部が極低温流体中に配置されているため、上記一方の端部はアレッジ部に配置され、発熱部は液面検知部のアレッジ部に配置された部分を集中して加熱することができる。そのため、アレッジ部における液面検知部の温度が３９Ｋ以下に冷却されることを防止でき、液面の測定精度を向上させることができる。
また、発熱部がアレッジ部に配置されるため、発熱部により極低温流体が加熱されることを防止でき、極低温流体の貯蔵性低下を防止できる。
【００１４】
上記発明においては、前記発熱部が、前記液面検知部の全体と熱的に接続するように設けられていることが望ましい。
本発明によれば、発熱部が液面検知部の全体と熱的に接続されているため、液面検知部の全体を加熱することができ、極低温流体の液面をより正確に測定することができる。
つまり、アレッジ部に配置された液面検知部を熱伝導により加熱する場合と比較して、直接液面検知部を加熱することにより、アレッジ部における液面検知部の温度が３９Ｋ以下に冷却されることを防止でき、液面の測定精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の超伝導液面計によれば、二ホウ化マグネシウム（以下、ＭｇＢ２と表記する。）を用いて液面検知部を形成しているため、抵抗測定部により液面検知部の抵抗値を測定することで、超伝導状態の領域と常伝導状態の領域との比率を推定でき、極低温流体である液体水素などの液面を正確に測定することができるとともに、その構造を簡単化、小型化することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明における超伝導液面計に係る第１の実施形態について図１から図３を参照して説明する。
図１は、本実施形態における超伝導液面計の構成を説明する概略図である。
超伝導液面計１は、図１に示すように、液体水素（極低温流体）ＬＨが貯蔵された容器３内に配置される計測部５と、計測部５に電流を供給する電源（電源部）７と、計測部５における電気抵抗を測定する抵抗測定部９とから概略構成されている。
計測部５は、その長手軸線と液体水素ＬＨの液面変化方向とが略平行となるように配置されている。電源７および抵抗測定部９は容器３の外部に配置され、これら装置から発生する熱が容器３内の液体水素ＬＨに入熱しないように構成されている。
【００１７】
図２は、図１の測定部の構成を説明する縦断面図である。
計測部５は、図２に示すように、略円筒状の保護チューブ１１と、保護チューブ１１内に配置されたＭｇＢ２線材からなる液面検知部１３と、液面検知部１３を加熱する白金抵抗線からなる発熱部１５とから概略構成されている。
【００１８】
保護チューブ１１の側面には貫通孔１７が形成され、保護チューブ１１の内部と外部との間で液体水素ＬＨが流通可能とされ、保護チューブ１１の内部の液面と外部の液面とが略一致するように構成されている。
保護チューブ１１の両端には液面検知部１３を保持する保持板１９Ａ，１９Ｂが配置されている。保持板１９Ａ，１９Ｂには液面検知部１３などが挿通され、保持される孔が形成されている。保持板１９Ａは、保護チューブ１１の上端（図２中の上方端部）近傍に配置され、直接保護チューブ１１に固定されている。一方、保持板１９Ｂは、保護チューブ１１の下端（図２中の下方端部）近傍に配置され、後述する先端金具にプッシングを介して固定されている。
【００１９】
保護チューブ１１の下端には、保持板１９Ｂを挟んで保持する上部プッシング２１と、下部プッシング２３と、両プッシング２１，２３を保持する先端金具２５が備えられている。
先端金具２５は略円筒状に形成され、その内周面には、両プッシング２１，２３と螺合する雌ネジ部が形成されている。両プッシング２１，２３の外周面には、上述した先端金具２５の雌ネジ部と螺合する雄ネジ部が形成されている。上部プッシング２１は、上方から下方に向けて螺合され、下部プッシング２３は下方から上方に向けて螺合される。
【００２０】
液面検知部１３は、ＭｇＢ２（二ホウ化マグネシウム）から形成された、直径が略１ｍｍの超伝導線材２７と、超伝導線材２７の下方の端部と電気的に接続された一方のリード線２９と、上方の端部と電気的に接続された他方のリード線３１とから概略構成されている。
一方のリード線２９は、銅から形成されその周囲に絶縁皮膜が形成されたリード線であり、保護チューブ１１の下端から折り返され、保護チューブ１１内を通って保護チューブ１１の上端から外部に導き出されている。他方のリード線３１は、マンガニンから形成された抵抗発熱線を兼ねたリード線であり、保護チューブ１１の上端から外部に導き出されている。
【００２１】
発熱部１５は、白金から形成された抵抗発熱線３３と、抵抗発熱線３３が巻きつけられる碍子３５とから概略構成されている。
碍子３５は、アルミナから略円筒状に形成された碍子であって、その内部に超伝導線材２７が配置されている。また、碍子３５は、超伝導線材２７の上方の端部であって、保持板１９Ａの上方に配置されている。抵抗発熱線３３は、碍子３５に巻きつけられているとともに、その端部は電源（図示せず）に接続され、電力が供給されることにより熱を発生する。
【００２２】
次に、上記の構成からなる超伝導液面計１における作用について説明する。
超伝導液面計１の超伝導線材２７には、一方のリード線２９および他方のリード線３１を介して電源７から電流が流される。そして抵抗測定部９において超伝導線材２７の電気抵抗値を測定することにより容器３内に貯留された液体水素ＬＨの液面の位置が推定される。
【００２３】
具体的には、計測部５内の超伝導線材２７の下端側は液体水素ＬＨに浸され、超伝導線材２７における液体水素ＬＨに浸された部分は、液体水素ＬＨの温度（約２０Ｋ）に冷却される。超伝導線材２７を形成するＭｇＢ２の超伝導遷移温度は約３９Ｋであるため、約２０Ｋに冷却された超伝導線材２７は超伝導状態となり、電気抵抗が略零となる。
【００２４】
一方、発熱部１５の抵抗発熱線３３には所定の電力が供給され、抵抗発熱線３３において所定の熱量が発生される。抵抗発熱線３３において発生された熱は、碍子３５を介して超伝導線材２７に伝えられ、超伝導線材２７を上端側から加熱する。
また、抵抗発熱線を兼ねた他方のリード線３１においても、電流が流されることにより所定の熱量が発生される。他方のリード線３１において発生した熱は、直接超伝導線材２７に伝わり、超伝導線材２７を上端側から加熱する。
【００２５】
超伝導線材２７のアレッジ部に配置された部分は、上述のように抵抗発熱線３３および他方のリード線３１により加熱され、超伝導遷移温度（約３９Ｋ）より高い温度に保たれる。そのため、超伝導線材２７のアレッジ部に配置された部分は、常伝導状態に保たれ、所定の電気抵抗値を示す。
【００２６】
なお、上述の所定の熱量は、超伝導線材２７上記超伝導状態の領域と上記常伝導状態の領域との境目が液体水素ＬＨの液面とが一致する最低限の熱量であることが望ましい。最低限の熱量とすることで、液体水素ＬＨへの入熱が増えることを防止し、液体水素ＬＨの貯蔵性低下を防止できる。
【００２７】
次に、上記の構成からなる超伝導液面計１における測定結果について説明する。
図３は、図１の超伝導液面計１による液体水素ＬＨの液面測定結果を示す図である。
図３において、横軸は容器３内における液体水素ＬＨの液面位置（液位）をパーセンテージで示したものであり、液体水素ＬＨが無い状態が０％である。縦軸は、抵抗測定部９において測定された超伝導線材２７の電気抵抗値を示すものである。
また、図３中の実線Ａは、液体水素ＬＨと抵抗との関係を示す計算に基づいた予測線であり、○は、本実施形態に係る超伝導液面計１による実測値であり、△は、発熱部１５に電力を供給しなかった場合の超伝導液面計１による実測値である。
【００２８】
実線Ａは、液体水素ＬＨの温度が２０Ｋで均一であって、温度が２０Ｋにおける超伝導線材２７の抵抗値が０．００７５Ω／ｃｍであるとの仮定に基づき、熱計算およびＭｇＢ２物性値から推定したものである。
また、○は、超伝導線材２７に４５０ｍＡの電流Ｉ０を供給し、発熱部１５に６２ｍＡの電流Ｉ１を供給した場合の測定値である。このときの測定値は、出力電圧が定常状態になった時点の値を測定している。
【００２９】
図３から、超伝導線材２７に一定電流Ｉ０を供給するとともに、発熱部１５に一定電流Ｉ１を供給した場合（図中の○）において、測定された液位と抵抗とは略線形関係となり、実線Ａ上に乗っていることが示され、抵抗を測定することで液位を推定できることが示されている。
また、発熱部１５に電力を供給しなかった場合（図中の△）において、所定液位において測定された抵抗の値が、実線Ａと比較して小さく、液位を正確に推定できないことが示されている。
【００３０】
上記の構成によれば、約３９Ｋ以下の温度において超伝導を示すＭｇＢ２を用いて超伝導線材２７を形成しているため、液体水素ＬＨ（約２０Ｋ）の液面を測定することができる。
つまり、液体水素ＬＨ中に浸された超伝導線材２７は略２０Ｋに冷却され、その部分の抵抗は略零（超伝導状態）となる。一方、アレッジ部に配置された超伝導線材２７の温度は３９Ｋより高くなり、その部分は所定の抵抗値を示す（常伝導状態）。そのため、抵抗測定部９により超伝導線材２７の電気抵抗値を測定することで、超伝導状態の領域と常伝導状態の領域との比率を推定でき、液体水素ＬＨの液面を推定できる。
【００３１】
また、計測部５に高周波電流を供給する必要がないため、高周波電源を設ける必要がなく、超伝導液面計１における測定回路を簡略化できるとともに、小型化することができる。
超伝導線材２７における温度変化による電気抵抗値の変化に基づいて液面の変化を測定するため、液体水素ＬＨにおける誘電率の不均一さの影響を受けず、液面の変化を正確に測定できる。さらに、気体水素の誘電率と液体水素の誘電率との誘電率比の影響も受けないため、液面の変化を正確に測定できる。
【００３２】
発熱部１５が、超伝導線材２７の上端と熱的に接続されているため、超伝導線材２７上端側から加熱することができ、液体水素ＬＨの液面をより正確に測定することができる。
つまり、超伝導線材２７を加熱することにより、アレッジ部に配置された超伝導線材２７が熱伝導により冷却され、アレッジ部に配置された超伝導線材２７の温度が超伝導遷移温度である約３９Ｋ以下に冷却されることを防止できる。そのため、超伝導液面計１により推定された液面の位置が、実際の液面の位置より上方になることを防止できる。
【００３３】
なお、上述のように、略直線上に形成された線材を超伝導線材として用いてもよいし、螺旋状に形成された線材を超伝導線材として用いてもよく、特に限定するものではない。
また、上述のように超伝導線材２７を、その長手軸線方向と液体水素ＬＨの液面変化方向とが略平行となるように配置してもよいし、上記液面変化方向に対して、上記長手軸線方向が斜めとなるように超伝導線材２７を配置してもよく、特に限定するものではない。
【００３４】
上述のように、超伝導線材２７を螺旋状に形成したり、液体水素ＬＨの液面に対して斜めに配置したりすることにより、超伝導線材２７の全長を長くすることができる。超伝導線材２７の全長を長くすることにより、超伝統線材２７自身からの発熱量を増やすことができ、液体水素ＬＨの液面位置をより正確に推定することができる。
【００３５】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図４および図５を参照して説明する。
本実施形態の超伝導液面計の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、発熱部の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図４および図５を用いて発熱部周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図４は、本実施形態に係る超伝導液面計の構成を説明する概略図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
超伝導液面計１０１は、図４に示すように、液体水素ＬＨが貯蔵された容器３内に配置される計測部１０５と、計測部５に電流を供給する電源７と、計測部１０５における電気抵抗を測定する抵抗測定部９とから概略構成されている。
【００３６】
図５は、図４の測定部の構成を説明する縦断面図である。
計測部１０５は、図５に示すように、略円筒状の保護チューブ１１と、保護チューブ１１内に配置されたＭｇＢ２線材からなる液面検知部１３と、液面検知部１３を加熱する白金抵抗線からなる発熱部１１５とから概略構成されている。
発熱部１１５は、白金から形成された抵抗発熱線１３３と、抵抗発熱線１３３が巻きつけられる碍子１３５とから概略構成されている。
碍子１３５は、アルミナから略円筒状に形成された碍子であって、その内部に超伝導線材２７が配置されている。また、碍子１３５は、超伝導線材２７の略全体を覆うように配置されている。抵抗発熱線１３３は、碍子１３５に巻きつけられているとともに、その端部は電源（図示せず）に接続され、電力が供給されることにより熱を発生する。
【００３７】
次に、上記の構成からなる超伝導液面計１０１における作用について説明する。
超伝導線材２７を用いた液体水素ＬＨの液面位置の推定方法は第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
【００３８】
発熱部１１５の抵抗発熱線１３３には所定の電力が供給され、抵抗発熱線１３３において所定の熱量が発生される。抵抗発熱線１３３において発生された熱は、碍子１３５を介して超伝導線材２７に伝えられ、超伝導線材２７の全体を加熱する。
また、抵抗発熱線を兼ねた他方のリード線３１においても、電流が流されることにより所定の熱量が発生される。他方のリード線３１において発生した熱は、直接超伝導線材２７に伝わり、超伝導線材２７を上端側から加熱する。
【００３９】
超伝導線材２７の液体水素ＬＨに浸された部分は、液体水素ＬＨにより超伝導遷移温度より冷却され、超伝導状態となっている。
一方、超伝導線材２７のアレッジ部に配置された部分は、上述のように抵抗発熱線１３３および他方のリード線３１により加熱され、超伝導遷移温度（約３９Ｋ）より高い温度に保たれる。そのため、超伝導線材２７のアレッジ部に配置された部分は、常伝導状態に保たれ、所定の電気抵抗値を示す。
【００４０】
なお、上述の所定の熱量は、超伝導線材２７上記超伝導状態の領域と上記常伝導状態の領域との境目が液体水素ＬＨの液面とが一致する最低限の熱量であることが望ましい。最低限の熱量とすることで、液体水素ＬＨへの入熱が増えることを防止し、液体水素ＬＨの貯蔵性低下を防止できる。
【００４１】
上記の構成によれば、発熱部１１５が超伝導線材２７の全体と熱的に接続されているため、超伝導線材２７の全体を加熱することができ、液体水素ＬＨの液面をより正確に測定することができる。
つまり、アレッジ部に配置された超伝導線材２７を熱伝導により加熱する場合と比較して、直接超伝導線材２７を加熱することにより、アレッジ部に配置された超伝導線材２７の温度が３９Ｋ以下に冷却されることを防止でき、液面の測定精度を向上させることができる。
【００４２】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、液面位置の測定対象である極低温流体として液体水素を用いるものに適用して説明したが、液体水素の液面位置を測定するものに限られることなく、その他さまざまな極低温流体の液面位置を測定するものに適用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明における第１の実施形態に係る超伝導液面計の構成を説明する概略図である。
【図２】図１の測定部の構成を説明する縦断面図である。
【図３】図１の超伝導液面計による液体水素の液面測定結果を示す図である。
【図４】本発明における第２の実施形態に係る超伝導液面計の構成を説明する概略図である。
【図５】図４の測定部の構成を説明する縦断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１，１０１  超伝導液面計
７  電源（電源部）
９  抵抗測定部
１３  液面検知部
１５，１１５  発熱部
ＬＨ  液体水素（極低温流体）
【図１】
2007040825.tif 000003
【図２】
2007040825.tif 000004
【図３】
2007040825.tif 000005
【図４】
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【図５】
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