JP7511031B2 - 気泡率センサ、これを用いた流量計および極低温液体移送管 - Google Patents

Description

本開示は、液体水素等の極低温液体の気泡率を測定するための気泡率センサ (void fraction sensor）、これを用いた流量計および極低温液体移送管に関する。

近時、温室効果ガスの排出削減に伴い、有力なエネルギー貯蔵媒体として水素の利用が注目されている。特に、液体水素は、体積効率が高く長期保存が可能であるため、その利用技術が種々開発されている。しかし、液体水素を大量に取り扱う場合に必要となる流量の正確な計測方法が工業的に確立されていなかった。その主な理由は、液体水素が非常に気化しやすく気体と液体の比率の変化が大きな流体であるためである。

すなわち、液体水素は、極低温（沸点-２５３℃）の液体であり、熱伝導が非常に高く潜熱が小さいため、すぐに気泡（ボイド）が発生するという特徴がある。そのため、液体水素は、移送用の配管内では、気液混合した、いわゆる二相流となっている。
従って、気泡の含有割合の変化が大きいため、配管内を流れる液体水素の流量を測定するには、通常の液体のように流速を測定するだけでは、正確な流量を知ることはできない。

そこで、気液二相流の気相体積割合を示す気泡率を計測する気泡率計の開発が進められている。このような気泡率計として、非特許文献１では、一対の電極を用いて静電容量を測定する静電容量型ボイド率計（capacitance type void fraction sensor）が提案されている。

Norihide MAENO、他５名、「Void Fraction Measurement of Cryogenic Two Phase Flow Using a Capacitance Sensor」, Trans. JSASS Aerospace Tech. Japan, Vol. 12, No. ists29, pp. Pa_101-Pa_107, 2014

本開示の気泡率センサは、極低温液体を流すための貫通孔を有する絶縁管と、該絶縁管の外壁面に装着された一対の面状の電極と、を備える。絶縁管は、電極の電極面に垂直な方向における内壁面間の距離Ｄ１が、電極の電極面に平行な方向における内壁面間の距離Ｄ２よりも短い電極装着部を有する。

本開示の流量計は、貫通孔内を流れる極低温液体の流量を測定するものであって、上記の気泡率センサと、極低温液体が貫通孔内を流れる流速を測定する流速計とを備える。
本開示は、上記流量計を備えた極低温液体移送管を提供するものである。

本開示の一実施形態に係る気泡率センサを示す概略斜視図である。 図１に示す気泡率センサの垂直破断面を示す概略斜視図である。 図１に示す気泡率センサの水平破断面を示す概略斜視図である。 図１に示す気泡率センサの垂直断面図である。 図１に示す気泡率センサの水平断面図である。 図１に示す気泡率センサのIV-IV線断面図である。 図１に示す気泡率センサのV-V線断面図である。 図１に示す気泡率センサのVI-VI線断面図である。 絶縁管の流入口部および流出口部の外周面上にそれぞれ結束体を取り付けた状態の気泡率センサの概略斜視図である。 図１に示す気泡率センサを筐体に収容した状態を示す概略斜視図である。 図１０に示す気泡率センサおよび筐体の垂直破断面を示す概略斜視図である。 図１１に示す気泡率センサおよび筐体の水平破断面を示す概略斜視図である。 図１～５に示す気泡率センサの変形例を示す垂直断面図である。 本開示の他の実施形態に係る気泡率センサを示す概略斜視図である。 図１４に示す気泡率センサの垂直破断面を示す概略斜視図である。 図１４に示す気泡率センサの水平破断面を示す概略斜視図である。

以下、本開示の実施形態に係る気泡率センサを説明する。

図１は本開示の一実施形態に係る気泡率センサ１を示す斜視図であり、図２および図３は気泡率センサ１の垂直破断面を示す概略斜視図および水平破断面を示す概略斜視図である。図２および図３に示すように、気泡率センサ１は、極低温液体を流すための貫通孔３を有する絶縁管２と、絶縁管２の外壁面に装着された一対の面状の電極４、４とを備える。

絶縁管２は、図１に示すように、２つの半割形状の絶縁管部材２１、２１を互いに重ね合わせて形成される。絶縁管２は、貫通孔３の軸心に垂直な方向に開口する１対の凹部６、６を有している。一対の電極４、４は、それぞれ絶縁管２に設けた凹部６、６の底面に装着され、互いに対向している（図２参照）。
各電極４には導通ピン７が個別に接続されている。導通ピン７には気密端子８が取付けられている。気密端子８については後述する。

絶縁管２は、上記のように凹部６、６が形成されているので、これらの凹部６、６の底面に装着された電極４，４間の距離が狭くなっている。これにより、電極４，４間に蓄積される静電容量が大きくなり、貫通孔３内を流れる極低温液体の気泡率の測定精度を向上させることができる。電極４、４の位置および電極面４１の面積は、最適な測定精度が得られるように設定することができる。
ここで、電極面４１、４１とは、電極４、４が凹部６、６の底面に装着された面を言う。

一方、極低温液体の供給量を低下させないようにするために、本実施形態では、図２および図３に示すように、絶縁管２の電極装着部５において、電極４，４の電極面４１、４１に垂直な方向における内壁面３ａ、３ａ間の距離Ｄ１が、電極面４１、４１に平行な方向における内壁面３ｂ、３ｂ間の距離Ｄ２よりも短くなるように構成されている。逆に言うと、平行な方向の距離Ｄ２を垂直な方向の距離Ｄ１よりも大きくしているので、たとえ電極４，４間の距離が狭く、そのため距離Ｄ１が小さくなっても、極低温液体の供給量を落とすことなく維持することができる。このことは、極低温液体の供給量を多くしても、気泡率の測定精度を低下させずに維持することができることをも意味している。

電極装着部５における内壁面３ａ、３ａ間の距離Ｄ１は最短距離を、内壁面３ｂ、３ｂ間の距離Ｄ２は最長距離をそれぞれ意味している。ここで、距離Ｄ１、Ｄ２は、極低温液体の供給量や、気泡率の測定精度等に応じて適宜決定することができ、特に制限されるものではないが、通常、距離Ｄ１は距離Ｄ２に対して１０％以上、好ましくは２０％以上で、６７％以下、好ましくは５０％以下の長さであるのがよい。
従って、少なくとも電極装着部５における貫通孔３の軸心に垂直な断面内の貫通孔３の形状は、楕円状または矩形状であるのがよい。このように上記断面内の貫通孔３の形状が単純形状となり、しかも、軸心に沿って稜線がない形状となるので、気泡の発生のばらつきが抑制され、気泡率の測定精度が向上する。
なお、電極装着部５とは、電極４、４が装着される部位をいい、具体的には、電極４、４が装着される凹部６，６の底面を含め、これら底面に挟まれる部分をいう。

絶縁管２は、図４に示すように、電極面４１、４１に垂直な方向における垂直断面において、極低温液体の円形状の流入口３１および流出口３２からそれぞれ平行領域Ｅ２の端部まで滑らかに内壁面３ａ、３ａ間の距離が漸次小さくなってゆく。一方、絶縁管２は、図５に示すように、電極面４１、４１に水平な方向における水平断面において、平行領域Ｅ２から貫通孔３の流入口３１および流出口３２に向かって内壁面３ｂ、３ｂ間の距離は滑らかに小さくなってゆく。平行領域Ｅ２では、貫通孔３の内壁面３ａ、３ａは互いに平行であって、距離Ｄ１が最小となっている。また、貫通孔３の内壁面３ｂ、３ｂは互いに平行であって、距離Ｄ２が最大となっている。このように内壁面３ａ、３ａ間の距離および内壁面３ｂ、３ｂ間の距離を変えることによって、貫通孔３の軸方向に垂直な断面における貫通孔３の断面積を一定に保つことができる。そして、この平行領域Ｅ２内に電極装着領域Ｅ１（すなわち電極装着部５）が含まれ、電極装着領域Ｅ１は、平行領域Ｅ２のほぼ中央部に位置しているのがよい。

このように、電極面４１、４１に垂直な方向における垂直断面では、平行領域Ｅ２から貫通孔３の流入口３１および流出口３２に向かって内壁面３ａ、３ａ間の距離は滑らかに大きくなっているので、内壁面３ａ、３ａ間の距離が流入口３１および流出口３２に向かって段階的に大きくなる場合よりも内壁面３ａ、３ａ上に応力集中が発生しにくく、長期間に亘って用いることができる。同様に、電極面４１、４１に水平な方向における水平断面では、平行領域Ｅ２から貫通孔３の流入口３１および流出口３２に向かって内壁面３ｂ、３ｂ間の距離は滑らかに小さくなっているので、内壁面３ｂ、３ｂ間の距離が流入口３１および流出口３２に向かって段階的に大きくなる場合よりも内壁面３ｂ、３ｂ上に応力集中が発生しにくく、長期間に亘って用いることができる。また、平行領域Ｅ２を有し、この平行領域Ｅ２に電極装着領域Ｅ１を有することによって、電極面４１、４１間で生じる電気力線は流入口３１から流出口３２に向かって流れる極低温液体を垂直に貫通することとなり、測定精度が向上する。
平行領域Ｅ２の長さは、電極領域Ｅ１の長さの１０５％以上、好ましくは１５０％以上であるのがよく、５０００％以下であるのがよい。

なお、内壁面３ａ、３ａが平行領域Ｅ２を有さずに、内壁面３ａ、３ａの少なくとも一方が、それらの間の距離Ｄ１が流入口３１および流出口３２から電極装着部５に向かって連続的に小さくなるように湾曲していてもよい。内壁面３ａ、３ａの湾曲の方向は、貫通孔３の軸心から見て凹状であるとよい。
同様に、内壁面３ｂ、３ｂが平行領域Ｅ２を有さずに、内壁面３ｂ、３ｂの少なくとも一方が、それらの間の距離Ｄ２が流入口３１および流出口３２から電極装着部５に向かって連続的に大きくなるように湾曲していてもよい。内壁面３ｂ、３ｂの湾曲の方向は、貫通孔３の軸心から見て凸状に湾曲していてもよい。

図６～図８は、貫通孔３の流入口３１から電極装着部５に向かって貫通孔３の形状が順次変化していく様子を示している。図６～図８に示す各貫通孔３は、貫通孔３の軸心に垂直な断面の面積が同じである。これにより、極低温液体の供給量を落とすことなく維持することができる。

本実施形態における絶縁管２は、前記したように、２つの半割形状の絶縁管部材２１，２１を互いに重ね合わせて形成される。そして、図９に示すように、絶縁管２の流入口部および流出口部の外周面上に環状の結束体９を環装して半割形状の絶縁管部材２１，２１を一体に接合する。
なお、絶縁管部材２１、２１は接合材を用いず結束体９で結束してもよい。あるいは、結束体９に代えて、または結束体９と共に、絶縁管部材２１，２１の接合面同士を、絶縁管２内を流れる極低温液体に対して安定な封止材で接合してもよい。

図１０は、気泡率センサ１を筐体１０内に収容した状態を示している。気泡率センサ１は、筐体１０で囲繞されている。
筐体１０の垂直破断面を示す概略斜視図である図１１および水平破断面を示す概略斜視図である図１２に示すように、筐体１０は、気泡率センサ１を収容する枠体部１０１と、枠体部１０１の開口を封止する蓋部１０２とを備える。
図９に示す絶縁管部材２１、２１が結束体９で結束された気泡率センサ１は、枠体部１０１内に収容後、枠体部１０１と蓋部１０２とが溶接またはろう接によって接合される。気泡率センサ１の貫通孔３の両端開口（流入口３１および流出口３２）には、第１接続管１１、第２接続管１２がそれぞれ接続される。
第１接続管１１は、流入口３１内に挿通され、外周面が蓋部１０２と溶接またはろう接によって接合されている。第２接続管１２は、枠体部１０１と一体に形成されているが、蓋部１０２と同様に枠体部１０１と接合するものであってもよい。

筐体１０の枠体部１０１には挿通孔１３が形成されている。挿通孔１３には気密端子８が装着されており、電極４に個別に接続する導通ピン７を挿通孔１３内で固定している。
また、筐体１０には、真空排気弁１４（真空排気用のニードル弁等）が設けられており、気泡率センサ１と筐体１０との間に真空空間１５（断熱層）を形成している。このように、気泡率センサ１の外周側に真空空間１５が位置しているので、気泡率センサ１に対する断熱性能が確保される。その結果、外気温度の影響による気泡の発生が抑制されるため、気泡率の測定精度が向上する。また、気密端子８によって、気泡率センサ１から外部への極低温液体のリークが抑制されるため、気泡率の測定精度がさらに向上する。

図１１、図１２に示すように、貫通孔３の流入口３１側に供給孔を有する第１接続管１１が絶縁管２に接続され、貫通孔３の軸心に垂直な貫通孔３の断面積は、供給孔の軸心に垂直な供給孔の断面積の９０％以上１１０％以下であるのが好ましい。一般に、極低温液体が高速で流れると、供給孔と貫通孔３との接続部付近で圧力損失が高くなりやすいが、上記のように構成すると、圧力損失の上昇が抑制される。その結果、気泡の発生を抑制することができるので、極低温液体の気泡率の測定精度を向上させることができる。

同様に、貫通孔３の流出口３２側に排出孔を有する第２接続管１２が絶縁管２に接続され、貫通孔３の軸心に垂直な貫通孔３の断面積は、排出孔の軸心に垂直な排出孔の断面積の９０％以上１１０％以下であるのが好ましい。これにより、圧力損失の上昇が抑制される。その結果、気泡の発生を抑制することができるので、極低温液体の気泡率の測定精度を向上させることができる。

筐体１０を構成する枠体部１０１および蓋部１０２は金属またはセラミックスから形成される。第１接続管１１および第２接続管１２は金属管であるのがよい。具体的には、枠体部１０１は、例えばニッケルの含有量が１０．４質量％以上であるオーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ）等、窒化珪素、サイアロン等のセラミックス等から形成されるのがよい。
蓋部１０２は、例えば、フェルニコ系合金、Ｆｅ－Ｎｉ合金、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｒ－Ｔｉ－Ａｌ合金、Ｆｅ－Ｃｒ－Ａｌ合金、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｃｒ合金等から形成されるのがよい。
枠体部１０１の内径は、十分な断熱性能を得るうえで、絶縁管２の外径に対して１ｍｍ以上、好ましくは、絶縁管２の外径に対して１０ｍｍ以上であるのがよく、絶縁管２の外径に対して２００ｍｍ以下、好ましくは１００ｍｍ以下であるのがよい。蓋部１０２は絶縁管２の外周面にろう付けによって気密に接合される。

電極４、４は、例えば銅箔、アルミニウム箔等で形成することができる。各凹部６の底面に電極４を形成するには、例えば真空蒸着法、メタライズ法、活性金属法で行うことができる。また、凹部６の底面に、電極４となる金属板を接着してもよい。電極４、４の厚さは、いずれも１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上で、２ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下であるのがよい。

絶縁管２は、例えばジルコニア、アルミナ、サファイア、窒化アルミニウム、窒化珪素、サイアロン、コージライト、ムライト、イットリア、炭化珪素、サーメット、β－ユークリプタイト等を主成分とするセラミックスから形成される。セラミックスがアルミナを主成分とするセラミックスからなる場合、セラミックスは、珪素、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム等を酸化物として含んでいてもよい。

セラミックスにおける主成分とは、セラミックスを構成する成分の合計１００質量％のうち、６０質量％以上を占める成分をいう。特に、主成分は、セラミックスを構成する成分の合計１００質量％のうち、９５質量％以上を占める成分であるとよい。セラミックスを構成する成分は、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて求めればよい。各成分の含有量は、成分を同定した後、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）またはＩＣＰ発光分光分析装置を用いて、成分を構成する元素の含有量を求め、同定された成分に換算すればよい。

絶縁管２は、低熱膨張セラミックスからなるのがよい。低熱膨張セラミックスとしては、線膨張率を測定する温度範囲を０℃～５０℃として、２２℃における線膨張率が０±２０ｐｐｂ／Ｋ以下のセラミックスをいう。低熱膨張セラミックスは、線膨張率が低いので、液体水素を含む極低温液体によって熱衝撃を受けても破損のおそれが低減する。低熱膨張セラミックスの線膨張率は、例えば、光ヘテロダイン法１光路干渉計を用いて求めればよい。

具体的には、低熱膨張セラミックスは、主結晶相がコージェライトであり、副結晶相としてアルミナ、ムライトおよびサフィリンを含み、粒界相にＣａを含む非晶質相が存在しているのがよい。主結晶相の結晶相比率は９５質量％以上９７．５質量％以下であり、副結晶相の結晶相比率が２．５質量％以上５質量％以下であり、全量中に対するＣａの含有量がＣａＯ換算で０．４質量％以上０．６質量％以下であり、さらにジルコニアを含み、全量中に対するジルコニアの含有量が０．１質量％以上１．０質量％以下であるのが好ましい。これにより、極低温液体の温度が大きく変動しても、低熱膨張セラミックスは伸縮しにくいので、長期間に亘って用いることができる。このような低熱膨張セラミックスとしは、例えば、特許第５４３０３８９号公報に記載のものが採用可能である。

絶縁管２を構成するセラミックスは、使用温度域での比誘電率が１１以下であるのがよい。極低温液体は比誘電率が小さいため、セラミックスの比誘電率は小さいと、極低温液体の比誘電率に近くなり、高周波特性がよくなるので、気泡率の測定精度がさらに向上する。特に、１１以下であると、極低温液体の気泡率の測定精度をさらに向上させることができる。上記使用温度域とは、極低温液体の移送時の温度域をいう。

また、絶縁管２は、窒化珪素またはサイアロンを主成分とするセラミックスからなるものであってもよい。これらのセラミックスは、機械的強度および耐熱衝撃性がいずれも高いので、熱衝撃を受けても破損のおそれが低減する。
具体的には、上記セラミックスは、酸化カルシウム，酸化アルミニウムおよび希土類元素の酸化物を含み、酸化カルシウム，酸化アルミニウムおよび希土類元素の酸化物の合計１００質量％に対して、酸化カルシウムおよび酸化アルミニウムの含有量がそれぞれ０．３質量％以上１．５質量％以下，１４．２質量％以上４８．８質量％以下であり、残部が前記希土類元素の酸化物である。前記窒化珪素は、組成式がＳｉ_６－ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８－Ｚ（ｚ＝０．１～１）で表されるβ－サイアロンであり、平均結晶粒径が２０μｍ以下（但し、０μｍを除く。）である。このようなセラミックスとしては、例えば、特許第５４３０３８９号公報に記載のものが採用可能である。

少なくとも電極装着部５における、貫通孔３の軸心に平行な方向の内壁面３ａ、３ｂの粗さ曲線における算術平均粗さＲａは０．２μｍ以下であるのがよい。内壁面３ａ、３ｂの粗さ曲線における算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下であると、内壁面３ａ、３ｂによって生じる極低温液体の流動抵抗の上昇が抑制されるので、極低温液体の流速分布が安定する。すなわち、流速のばらつきが抑制されるので、極低温液体の気泡率の測定精度を向上させることができる。

算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１に準拠し、レーザー顕微鏡（(株)キーエンス製、超深度カラー３Ｄ形状測定顕微鏡（ＶＫ－Ｘ１０００またはその後継機種））を用いて測定することができる。測定条件としては、照明方式を同軸照明、測定倍率を２４０倍、カットオフ値λｓを無し、カットオフ値λｃを０．０８ｍｍ、終端効果の補正を有り、測定範囲を１４２５μｍ×１０６７μｍとして、設定すればよい。測定範囲に、測定対象とする線を略等間隔に４本引いて、線粗さ計測を行えばよい。計測の対象とする線１本当たりの長さは、１２８０μｍである。

セラミックスの相対密度は、例えば、９２％以上９９．９％以下である。相対密度は、セラミックスの理論密度に対する、ＪＩＳ Ｒ １６３４－１９９８に準拠して求められたセラミックスの見掛密度の百分率（割合）として表される。

絶縁管２は、複数の閉気孔を有するセラミックスからなり、隣り合う閉気孔の重心間距離の平均値から閉気孔の円相当径の平均値を差し引いた値（以下、この値を閉気孔間の間隔という。）が８μｍ以上１８μｍであってもよい。閉気孔は互いに独立している。
閉気孔間の間隔が８μｍ以上の場合、閉気孔が比較的分散された状態で存在するため、機械的強度が高くなる。一方、閉気孔間の間隔が１８μｍ以下の場合、冷熱衝撃が繰り返し与えられ、閉気孔の輪郭を起点とするマイクロクラックが発生したとしても、周囲の閉気孔により、その伸展が遮られる確率が高くなる。このことから、閉気孔間の間隔が８μｍ以上１８μｍ以下であると、絶縁管２を長期間に亘って用いることができる。

閉気孔の円相当径の歪度は、閉気孔の重心間距離の歪度よりも大きくてもよい。ここで、歪度Ｓｋとは、分布が正規分布からどれだけ歪んでいるか、即ち、分布の左右対称性を示す指標（統計量）であり、歪度が０より大きい場合、分布の裾は右側に向かい、歪度０の場合合、分布は左右対称となり、歪度が０より小さい場合、分布の裾は左側に向かう。

閉気孔の円相当径および閉気孔の重心間距離のそれぞれのヒストグラムを重ね合わせると、閉気孔の円相当径の歪度は、閉気孔の重心間距離の歪度より大きい場合、円相当径の最頻値は、重心間距離の最頻値よりも左側（ゼロ側）に位置する。即ち、円相当径の小さい閉気孔が多く、しかも、これらの閉気孔がより疎らに存在することになり、機械的強度と耐冷熱衝撃性とを兼ね備えたセラミック部材とすることができる。
例えば、閉気孔の円相当径の歪度は１以上であり、閉気孔の重心間距離の歪度は０．７以下である。閉気孔の円相当径の歪度と、閉気孔の重心間距離の歪度との差は、０．３以上である。
閉気孔の重心間距離および円相当径を求めるには、まず、セラミックスを形成する絶縁管２の一方の端面から軸方向に向かって、平均粒径Ｄ_５０が３μｍのダイヤモンド砥粒を用いて銅盤にて研磨する。その後、平均粒径Ｄ_５０が０．５μｍのダイヤモンド砥粒を用いて錫盤にて研磨することにより、粗さ曲線における算術平均粗さ（Ｒa）が０．２μｍ以下である研磨面を得る。

研磨面の算術平均粗さＲａは、上述した測定方法と同じである。 研磨面を２００倍の倍率で観察し、平均的な範囲を選択して、例えば、面積が７．２×１０^４μｍ^２（横方向の長さが３１０μｍ、縦方向の長さが２３３μｍ）となる範囲をＣＣＤカメラで撮影して、観察像を得る。
この観察像を対象として、画像解析ソフト「Ａ像くん(ｖｅｒ２．５２)」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製）を用いて分散度計測の重心間距離法という手法で閉気孔の重心間距離を求めればよい。以下、画像解析ソフト「Ａ像くん」と記載した場合、旭化成エンジニアリング（株）製の画像解析ソフトを示す。

この手法の設定条件としては、例えば、画像の明暗を示す指標であるしきい値を１６５、明度を暗、小図形除去面積を１μｍ^２、雑音除去フィルタを無とすればよい。なお、観察像の明るさに応じて、しきい値は調整すればよく、明度を暗、２値化の方法を手動とし、小図形除去面積を１μｍ^２および雑音除去フィルタを有とした上で、観察像に現れるマーカーが閉気孔の形状と一致するように、しきい値を調整すればよい。閉気孔の円相当径は、上記観察像を対象として、粒子解析という手法で開気孔の円相当径を求めればよい。設定条件は、閉気孔の重心間距離を求めるのに用いた設定条件と同じにすればよい。
閉気孔の円相当径および重心間距離の歪度は、それぞれＥｘｃｅｌ（登録商標、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）に備えられている関数Ｓｋｅｗを用いて求めればよい。

このようなセラミックスからなる絶縁管の製造方法の一例について説明する。絶縁管を構成するセラミックスの主成分がアルミナである場合について説明する。
主成分である酸化アルミニウム粉末（純度が９９．９質量％以上）と、水酸化マグネシウム、酸化珪素および炭酸カルシウムの各粉末とを粉砕用ミルに溶媒（イオン交換水）とともに投入して、粉末の平均粒径（Ｄ_５０）が１．５μｍ以下になるまで粉砕した後、有機結合剤と、酸化アルミニウム粉末を分散させる分散剤とを添加、混合してスラリーを得る。
ここで、上記粉末の合計１００質量％における水酸化マグネシウム粉末の含有量は０．３～０．４２質量％、酸化珪素粉末の含有量は０．５～０．８質量％、炭酸カルシウム粉末の含有量は０．０６～０．１質量％であり、残部が酸化アルミニウム粉末および不可避不純物である。
有機結合剤は、アクリルエマルジョン、ポリビニールアルコール、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド等である。

次に、スラリーを噴霧造粒して顆粒を得た後、１軸プレス成形装置あるいは冷間静水圧プレス成形装置を用いて、成形圧を７８ＭＰａ以上１１８ＭＰａ以下として加圧することにより柱状の成形体を得る。
成形体には、必要に応じて切削加工により、焼成後に凹部となる凹みが形成される。
焼成温度を１５８０℃以上１７８０℃以下、保持時間を２時間以上４時間以下として成形体を焼成して絶縁管を得る。

閉気孔の間隔が８μｍ以上１８μｍである絶縁管を得るには、焼成温度を１６００℃以上１７６０℃以下、保持時間を２時間以上４時間以下として成形体を焼成すればよい。閉気孔の円相当径の歪度が閉気孔の重心間距離の歪度よりも大きい絶縁管を得るには、成形圧を９６ＭＰａ以上１１８ＭＰａ以下として加圧して得られた成形体を、焼成温度を１６００℃以上１７６０℃以下、保持時間を２時間以上４時間以下として焼成すればよい。絶縁管の貫通孔に対向する面を研削して内周面としてもよい。また、電極が装着される凹部の面を研削して底面としたりしてもよい。

図１３は、図１～図３に示す実施形態の変形例を示している。図１３に示すように、凹部６´は、外部に開口する第１凹部６１と、該第１凹部６１の底面に設けられた第２凹部６２とを有し、第２凹部６２は開口面積が第１凹部６１よりも小さく、電極４´は第２凹部６２の底面に装着されている。これにより、電極４´の位置決め精度がさらに向上するため、極低温液体の気泡率の測定精度を向上させることができる。その他は、前述の実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。

次に、本開示の他の実施形態を図１４～図１６に基づいて説明する。なお、図１～図１３に示す部材と同じ部材には、同一符号を付して説明を省略する。
図１４は、筐体１０で囲繞した気泡率センサ１´を示している。図１５および図１６はその垂直破断面を示す概略斜視図および水平破断面を示す概略斜視図である。

この実施形態に係る気泡率センサ１´は、図１５に示すように、絶縁管２の貫通孔３´の軸心に垂直な方向に開口する１対の凹部６ａ、６ｂ、６ｃを複数有している。各凹部６ａ、６ｂ、６ｃの底面には、それぞれ電極４ａ、４ｂ、４ｃが装着されている。凹部６ａ、６ｂ、６ｃは、貫通孔３´の軸心に沿って配列されている。

この実施形態において、電極装着部５´とは、上記複数の電極４ａ、４ｂ、４ｃが装着された部位をいい、例えば凹部６ａ、６ｂ、６ｃが形成された部位をいう。
この実施形態においても、電極装着部５´において、電極４ａ、４ｂ、４ｃの電極面に垂直な方向における内壁面間の距離Ｄ１が、電極４ａ、４ｂ、４ｃの電極面に平行な方向における内壁面間の距離Ｄ２よりも短くなるように形成されている。
このように複数の電極４ａ、４ｂ、４ｃで気泡率を測定するので、測定精度がより向上する。その他は前述の実施形態と同様である。

次に、本開示の実施形態に係る流量計について説明する。この流量計は、貫通孔３、３´内を流れる極低温液体の流量を測定するものであり、前記した気泡率センサ１、１´と、図示しない流速計とを備える。気泡率センサ１、１´および流速計は、図示しない極低温液体移送管（以下、移送管と略称する場合がある。）に取り付けられている。

移送管内を流れる極低温液体は、気液混合した二相流となっているので、気泡率センサ１、１´で気泡率を測定し、これから極低温液体の密度ｄ（ｋｇ／ｍ^３）を求める。極低温液体の密度ｄは、比誘電率に対応し、よって気泡率センサ１、１´で測定される静電容量にも対応しているからである。
そして、流速計で求めた極低温液体の流速（ｍ／秒）をｖ、電極装着部５における貫通孔３の断面積（ｍ^２）をａとしたとき、次式によって流量Ｆ（ｋｇ／秒）が求められる。
Ｆ＝ｄ×ｖ×ａ
流量計は、上記演算を行うために、気泡率センサ１、１´および流速計が接続された演算装置をさらに備えている。これにより、極低温液体の流量測定を簡単に行うことができるので、工業的に極低温液体を大量移送する場合に管理が容易になる。

本開示の気泡率センサ１、１´の測定対象である極低温液体としては、液体水素（－２５３℃）の他、液体窒素（－１９６℃）、液体ヘリウム（－２６９ ℃)、液化天然ガス（-１６２℃）、液体アルゴン（－１８６℃）等が挙げられる（括弧内は液化温度を示す）。よって、本開示における極低温液体とは、－１６２℃以下の極低温で液化するものをいう。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示の気泡率センサは、上記実施形態に限定されるものではなく、本開示の範囲内で種々の変更や改良が可能である。

１、１´ 気泡率センサ
２ 絶縁管
２１ 絶縁管部材
３、３´ 貫通孔
３ａ、３ｂ 内壁面
３１ 流入口
３２ 流出口
４、４´、４ａ、４ｂ、４ｃ 電極
５、５´、５ａ、５ｂ、５ｃ 電極装着部
６、６´、６ａ、６ｂ、６ｃ 凹部
６１ 第１凹部
６２ 第２凹部
７ 導通ピン
８ 気密端子
９ 結束体
１０ 筐体
１０１ 枠体部
１０２ 蓋部
１１ 第１接続管
１２ 第２接続管
１３ 挿通孔
１４ 真空排気弁
１５ 真空空間
Ｄ１ （最短）距離
Ｄ２ （最長）距離

Claims (16)

1. 極低温液体を流すための貫通孔を有する絶縁管と、該絶縁管の外壁面に装着された一対の面状の電極と、を備え、
   前記絶縁管において、前記一対の面状の電極間の領域を電極装着部としたとき、
   前記電極装着部において、前記貫通孔は、前記一対の面状の電極のそれぞれの電極面に垂直な方向における内壁面間の距離Ｄ１が、前記一対の面状の電極のそれぞれの前記電極面に平行な方向における内壁面間の距離Ｄ２よりも短い、気泡率センサ。
2. 少なくとも前記電極装着部において、前記距離Ｄ１を特定する、対向する前記内壁面が互いに平行であるか、または前記内壁面のうち、少なくとも一方の内壁面が前記貫通孔の軸心から見て凹状に湾曲している、請求項１に記載の気泡率センサ。
3. 少なくとも前記電極装着部において、前記距離Ｄ２を特定する、対向する前記内壁面が互いに平行であるか、または前記内壁面のうち、少なくとも一方の内壁面が前記貫通孔の軸心から見て凸状に湾曲している、請求項１または２に記載の気泡率センサ。
4. 前記貫通孔の流入口側に供給孔を有する第１接続管が前記絶縁管に接続され、前記貫通孔の軸心に垂直な貫通孔の断面積は、前記供給孔の軸心に垂直な供給孔の断面積の９０％以上１１０％以下である、請求項１～３のいずれかに記載の気泡率センサ。
5. 前記貫通孔の流出口側に排出孔を有する第２接続管が前記絶縁管に接続され、前記貫通孔の軸心に垂直な貫通孔の断面積は、前記排出孔の軸心に垂直な排出孔の断面積の９０％以上１１０％以下である、請求項１～４のいずれかに記載の気泡率センサ。
6. 少なくとも前記電極装着部において、前記貫通孔の軸心に平行な方向の前記内壁面の粗さ曲線における算術平均粗さＲａは０．２μｍ以下である、請求項１～５のいずれかに気泡率センサ。
7. 少なくとも前記電極装着部において、前記貫通孔の軸心に垂直な貫通孔の断面形状は、楕円状または矩形状である、請求項１～６のいずれかに記載の気泡率センサ。
8. 前記絶縁管は、少なくとも前記電極装着部において、前記一対の面状の電極の前記電極面に垂直な方向に開口する１対の凹部を有してなり、前記電極が装着された外壁面は、前記凹部の底面である、請求項１～７のいずれかに記載の気泡率センサ。
9. 前記凹部は、外部に開口する第１凹部と、該第１凹部の底面に設けられ、開口面積が前記第１凹部よりも小さい第２凹部とを有し、前記電極が装着された外壁面は、前記第２凹部の底面である、請求項８に記載の気泡率センサ。
10. 前記絶縁管は、低熱膨張セラミックスからなる、請求項１～９のいずれかに記載の気泡率センサ。
11. 前記絶縁管は、窒化珪素またはサイアロンを主成分とするセラミックスからなる、請求項１～９のいずれかに記載の気泡率センサ。
12. 前記絶縁管は、使用温度域での比誘電率が１１以下であるセラミックスからなる、請求項１～１１のいずれかに記載の気泡率センサ。
13. 前記絶縁管は、複数の閉気孔を有するセラミックスからなり、隣り合う前記閉気孔の重心間距離の平均値から前記閉気孔の円相当径の平均値を差し引いた値が８μｍ以上１８μｍである、請求項１～１２のいずれかに記載の気泡率センサ。
14. 前記閉気孔の円相当径の歪度は、前記閉気孔の重心間距離の歪度よりも大きい、請求項１３に記載の気泡率センサ。
15. 貫通孔内を流れる極低温液体の流量を測定する流量計であって、請求項１～１４のいずれかに記載の気泡率センサと、前記極低温液体が前記貫通孔内を流れる流速を測定する流速計とを備えた流量計。
16. 請求項１５に記載の流量計を備えた極低温液体移送管。