JP2009068921A

JP2009068921A - 残量計測装置

Info

Publication number: JP2009068921A
Application number: JP2007235907A
Authority: JP
Inventors: Sadayuki Ueha; 貞行上羽; Kentaro Nakamura; 中村　　健太郎; Kazumitsu Nukui; 一光温井; Akizo Ikeda; 顕蔵池田
Original assignee: NIPPON APPLIED FLOW KK; Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: NIPPON APPLIED FLOW KK; Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2009-04-02

Abstract

【課題】正確な液体の残量を確認することの可能な残量計測装置を提供する。
【解決手段】ほぼ鉛直方向に延在する導電性の振動棒３１の上端が容器の上部と絶縁性の部材（図示せず）を介して固定されている。振動棒３１の上端またはその近傍には、一対の圧電素子３２が振動棒３１を両側から挟み込むように配置されている。振動棒３１および一対の圧電素子３２には、各圧電素子３２ほぼ同位相に変位させる電圧を各圧電素子３２に印加すると共に所定の周波数帯を掃引する交流信号源３３がワイヤ３７を介して接続されている。計測部３４が交流信号源３３と並列に接続されており、入力アドミタンスを計測すると共に、計測した入力アドミタンスに基づいて共振周波数を検出し、検出した共振周波数に基づいて容器内の液体ガスＬの残量を導出し、残量についての信号を表示部３５および報知部３６に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、容器内に残留する液体の液量を計測する残量計測装置に関する。

液化酸素、液化窒素、液化アルゴンなどの液化ガスを収容するものとして、超低温液化ガス容器というものが一般に利用されている（特許文献１参照）。
特開２００１−７４２００号

この超低温液化ガス容器は、医療現場などに欠かすことのできないものである。そのため、医療現場などでは、多くの超低温液化ガス容器が在庫として保管されている。しかし、使用中の超低温液化ガス容器内の液体の残量の確認は容器に取り付けられているフロート式の液面計の表示目盛りを読むことにより行われているのが一般的であり、大雑把な残量確認しか行われていなかった。そのため、従来は、表示目盛りが、容器が空になりそうになっていることを示した場合には、実際には容器内に液体が十分に残留しているときであっても、その容器を直ちに別の新しい容器に交換せざるを得なかった。その結果、交換された容器内には多くの液体が残ってしまい、容器内の液体の利用効率が悪かった。

また、このような問題は、超低温液化ガス容器に限らず、外部から容器内を視認することの困難な容器においても同様に生じるものである。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、正確な液体の残量を確認することの可能な残量計測装置を提供することにある。

本発明の残量計測装置は、以下の（Ａ１）〜（Ａ４）の各構成要素を備えたものである。
（Ａ１）一の方向に延在すると共に一部が容器内の液体に浸される振動棒
（Ａ２）振動棒の一端またはその近傍に連結された振動発生素子
（Ａ３）振動発生素子に対して所定の周波数帯の電圧を印加する交流信号源
（Ａ４）振動棒の放射インピーダンスを計測すると共に計測した放射インピーダンスに基づいて共振周波数を検出し、かつ検出した共振周波数に基づいて液体の残量を導出し、出力する計測部

本発明の残量計測装置では、一の方向に延在する振動棒の一端またはその近傍に振動発生素子が連結されているので、この振動発生素子に対して所定の周波数帯の電圧が交流信号源から印加されると、振動発生素子の変位（振動）に応じて振動棒が振動する。このとき、ある周波数において振動棒が共振し、それに応じて振動棒の放射インピーダンスが変化する。その放射インピーダンスは計測部によって計測されるので、計測部で計測された放射インピーダンスの変化に基づいて共振周波数が検出される。ここで、振動棒の共振周波数は、容器内の液体の液面が振動棒に接する位置に応じて変化するので、検出された共振周波数に基づいて液体の残量が導出され、出力される。

本発明の残量計測装置によれば、容器内の液体の液面が振動棒に接する位置に応じて変化する共振周波数を放射インピーダンスの変化に基づいて検出し、検出した共振周波数に基づいて液体の残量を導出し、出力するようにしたので、正確な液体の残量を確認することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る残量計測部３０を備えた超低温液化ガス容器１の概略構成を表すものである。この超低温液化ガス容器１は、容器本体部１０と、容器本体部１０の上部に取り付けられた充填取出部２０および残量計測部３０とを備えたものである。

容器本体部１０は、液化酸素、液化窒素、液化アルゴンなどの液化ガスＬを収容するたて型の容器であり、内槽１１および外槽１２からなる二重殻構造となっている。内槽１１は、例えば超低温においても脆性を起こさない十分な強度および靭性を有するオーステナイト系ステンレス鋼板からなり、外槽１２は、例えば一般的な圧延鋼板からなる。内槽１１と外槽１２との間の空隙１３には、外槽１２を支持する支持部材１４が設けられている。この支持部材１４は、例えば熱伝導度の小さい断熱材からなり、内槽１１への熱の侵入を最小限に抑えるようになっている。また、空隙１３は、真空となっており、支持部材１４と同様、内槽１１への熱の侵入を最小限に抑えるようになっている。

内槽１１内には、液化ガスＬが加圧状態下で貯留されている。なお、以下において、単に「容器」と称した場合には、その容器は内槽１１を指しているものとする。

充填取出部２０は、液化ガスＬを内槽１１内に流し込んだり、内槽１１内から取り出したりするための機構である。この充填取出部２０は、例えば、充填取出用配管３１と、充填取出用配管３１の中途に挿入接続された充填取出弁３２とを有している。

ここで、充填取出用配管３１は、一端が外部に配置されると共に他端が内槽１１内の底部に配置されたものであり、液化ガスＬを容器内に流し込んだり、容器内から取り出すことが可能である。また、充填取出弁３２は、超低温液化ガス容器１を使用する際に開閉する弁である。

残量計測部３０は、液化ガスＬの液面Ｓの位置（液化ガスＬの残量）を計測するためのものである。この残量計測部３０は、例えば、振動棒３１、一対の圧電素子３２、交流信号源３３、計測部３４、表示部３５および報知部３６を有している。

振動棒３１は、一の方向（図１ではほぼ鉛直方向）に延在する固体材料により構成されている。ここで、固体材料としては、耐腐食性を有する材料、例えば、金属、樹脂、ガラス材などがある。この振動棒３１の断面積は、圧電素子３２からの応力に応じて変位することの可能な範囲内の大きさとなっている。なお、この振動棒３１の断面形状は、特に限定されるものではないが、方形状、楕円形状、円形状など種々の形状とすることが可能である。

また、この振動棒３１の一端（図１では上端）は、容器の上部と絶縁性の部材（図示せず）を介して固定されており、振動棒３１が駆動されている最中や輸送中などにぐらついたり、容器の内壁と接触することのないようになっている。また、この振動棒３１の他端（図１では下端）は、自由端となっており、駆動されている最中に振動する（揺動する）ことが可能となっている。なお、この振動棒３１の下端は、容器内の液体ガスＬが空駆動されている最中に容器の底面に接触しない程度に近づけて配置されていることが好ましい。

一対の圧電素子３２は、振動棒３１の一端（図１では上端）またはその近傍に連結されており、振動棒３１を両側から挟み込むように配置されている。各圧電素子３２は、振動棒３１の延在方向に延在する圧電体３２Ａと、圧電体３２Ａを挟み込む一対の電極３２Ｂ，３２Ｃとを有しており、電極３２Ｃが振動棒３１と接すると共に電気的に接続されている。つまり、各圧電素子３２の双方の電極３２Ｃが振動棒３１を介してほぼ共通電位となっている。

ここで、各圧電体３２Ａは、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などからなる。各圧電体３２Ａは、電極３２Ｂ側の電圧を基準として双方の圧電素子３２の電極３２Ｂ，３２Ｃ間に同一の電圧を印加したときにほぼ同位相で変位するように配置されている。また、各圧電体３２Ａの厚さＤおよび延在方向の長さＬは、後述するように所定の大きさに設定されている。

また、電極３２Ｂ，３２Ｃは、例えば、金属、樹脂、ガラス材、木材などからなる。

交流信号源３３は、ワイヤ３７を介して、各圧電素子３２をほぼ同位相に変位させる電圧を各圧電素子３２に印加すると共に、後述するように所定の周波数帯を掃引するようになっている。なお、ワイヤ３７は、図２に示したように、例えば２本のワイヤ３７Ａ，３７Ｂからなり、ワイヤ３７Ａが各圧電素子の電極３２Ｂに接続されており、ワイヤ３７Ｂが振動棒３１の一端（図２では上端）に接続されている。

計測部３４は、例えばブリッジ回路などを用いて、振動棒３１の放射インピーダンス（入力インピーダンス）を計測するものである。計測部３４は、例えばブリッジ回路を振動棒３１および圧電素子３２に接続するポートを２つ有しており、一方のポートがワイヤ３７Ａを介して各圧電素子の電極３２Ｂに接続されており、他方のポートがワイヤ３７Ｂを介して振動棒３１に接続されている。

また、計測部３４は、計測した放射インピーダンスの最大ピークの位置に基づいて共振周波数を検出し、検出した共振周波数と、内蔵された記憶部３４Ａに記憶しておいた情報（具体的には、後述するように図３に示したような共振周波数と液面Ｓの位置との対応関係）とに基づいて容器内の液体ガスＬの残量を導出し、残量を表示する信号を表示部３５に出力すると共に、残量に対応した信号（例えば残量の変化から推定される容器の交換時期を示す信号）を報知部３６に出力するようになっている。

なお、計測部３４から表示部３５や報知部３６への信号の伝送は、有線や無線で行うことが可能である。従って、計測部３４から表示部３５や報知部３６への信号の伝送を無線で行う場合には、表示部３５や報知部３６を超低温液化ガス容器１とは別個の場所に容易に配置することが可能である。

表示部３５は、計測部３４からの信号に応じた出力を行うようになっている。例えば、計測部３４で得られた残量についての情報を表示する信号を受信すると、残量を表示し、必要に応じて交換時期を表示するようになっている。

報知部３６は、計測部３４からの信号に応じた出力を行うようになっている。例えば、残量についての情報を表示する信号を受信すると、例えば、残量に応じたランプを点滅させたり、警報音を鳴らすようになっている。また、例えば、交換時期が近づいたことを意味する信号を受信すると、例えば、交換時期を知らせるランプを点滅させたり、警報音を鳴らすようになっている。

次に、図３を参照して、本実施の形態の残量計測部３０における残量計測について詳細に説明する。なお、図３は、容器内に残留している液体ガスＬの残量を満タン（Ｆ）から空（０）まで変化させた場合に、交流信号源３３から各圧電素子３２をほぼ同位相に変位させる電圧を各圧電素子３２に印加すると共に幅広い周波数帯（ｆ_０〜ｆ_４）を掃引したときに計測部３４で計測された放射インピーダンスの最大ピークの位置から得られる複数の共振周波数をプロットしたものである。

本実施の形態の残量計測部３０では、各圧電素子３２をほぼ同位相に変位させる電圧が交流信号源３３から各圧電素子３２に印加される。すると、各圧電素子３２の変位（振動）に応じて振動棒３１が振動する。このとき、交流信号源３３からは所定の周波数帯を掃引する信号が一対の圧電素子３２に印加されるので、掃引周波数帯における１または複数の周波数において、振動棒３１および一対の圧電素子３２が共振し、それに応じて振動棒３１の放射インピーダンスが変化する。

ここで、交流信号源３３から出力される交流信号の掃引周波数帯は、振動棒３１の互いに隣り合う共振周波数同士の間隔Δｆ_１（＝ｆ_３−ｆ_１）よりも狭くなっており、かつ液体ガスＬの残量が空から満タンになるまでの間の共振周波数の変位幅Δｆ_２（＝ｆ_３−ｆ_２）よりも広くなっていることが好ましい。そのようにした場合には、掃引周波数帯において共振する周波数を１つとすることができる。

もっとも、掃引周波数帯において共振周波数が１つだけ検出されるようにするためには、振動棒３１および圧電素子３２の互いに隣り合う共振周波数同士の間隔が、容器内の液化ガスＬの残量がゼロから満タンになるまでの間の共振周波数の変位幅よりも大きくなるように、各圧電体３２Ａの厚さＤおよび延在方向の長さＬをあらかじめ設定しておくことが必要である。

次に、計測部３４のブリッジ回路において、振動棒３１の放射インピーダンスが計測され、計測された放射インピーダンスの最大ピークの位置から共振周波数が検出される。ここで、振動棒３１の共振周波数は、図３に示したように、容器内の液体ガスＬの液面Ｓが振動棒３１に接する位置に応じて変化するので、検出した共振周波数と、記憶部３４Ａに記憶されている共振周波数と液面Ｓの位置との対応関係とに基づいて、液体ガスＬの残量が導出される。

次に、計測部３４において、導出した残量についての情報を表示する信号および必要に応じて交換時期を表示する信号が表示部３５に出力されると共に、残量がわずかである場合には、残量がわずかであることを示す信号が報知部３６に出力される。これにより、表示部３５において、計測部３４からの信号に応じて、残量や交換時期が表示され、報知部３６において、例えば、残量や交換時期に応じたランプが点滅したり、警報音が鳴る。また、例えば、交換時期が近づいたことを意味する信号を受信した場合には、例えば、交換時期を知らせるランプが点滅したり、警報音が鳴る。

このように、本実施の形態の残量計測部３０およびそれを備えた残量計測装置１では、容器内の液体ガスＬの液面Ｓが振動棒３１に接する位置に応じて変化する共振周波数を放射インピーダンスの変化に基づいて検出し、検出した共振周波数に基づいて液体ガスＬの残量を導出し、出力するようにしたので、容器の形状や、容器内に存在する構造物（例えば充填取出用配管１１など）の影響を受けることなく、正確な液体の残量を確認することが可能である。

図４は、振動棒３１の材料をＳＵＳ、振動棒３１の断面形状を正方形状、振動棒３１の断面の一辺の長さを６ｍｍ、振動棒３１の長さを５００ｍｍとしたときに検出された共振周波数特性を表したものである。また、図５は、振動棒３１の材料をＳＵＳ、振動棒３１の断面形状を円形状、振動棒３１の直径を６ｍｍ、振動棒３１の長さを１０００ｍｍとしたときに検出された共振周波数特性を表したものである。

図４、図５から、振動棒３１の断面積を小さくしたり、振動棒３１の表面を滑らかな形状とした方が、計測可能な液面位置を大きくすることができ、深い容器に好適に用いることができると言える。

以上、上記実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、振動棒３１を振動させる素子として圧電素子を用いたが、その他の振動発生素子、例えば磁歪素子なども用いることが可能である。

また、上記実施の形態では、本発明を超低温液化ガス容器１に適用した場合について説明したが、上記したように、本発明の計測方法は容器の形状や、容器内に存在する構造物（例えば充填取出用配管１１など）の影響を受けることがないことから、本発明をどのようなタイプの容器に対しても適用することが可能である。

本発明の一実施の形態に係る超低温液化ガス容器の概略構成図である。図１の残量計測部の概略構成図である。図１の残量計測部の計測方法について説明するための特性図である。一実施例における液面位置と共振周波数との関係を表した特性図である。他の実施例における液面位置と共振周波数との関係を表した特性図である。

符号の説明

１…超低温液化ガス容器、１０…容器本体部、１１…内槽、１２…外槽、１３…空隙、１４…支持部材、２０…充填取出部、２１…充填取出用配管、２２…充填取出弁、３０…残量計測部、３１…振動棒、３２…圧電素子、３３…交流信号源、３４…計測部、３５…表示部、３６…報知部、３７，３７Ａ，３７Ｂ…ワイヤ。

Claims

一の方向に延在すると共に一部が容器内の液体に浸される振動棒と、
前記振動棒の一端またはその近傍に連結された振動発生素子と、
前記振動発生素子に対して所定の周波数帯の電圧を印加する交流信号源と、
前記振動棒の放射インピーダンスを計測すると共に計測した放射インピーダンスに基づいて共振周波数を検出し、かつ検出した共振周波数に基づいて液体の残量を導出し、出力する計測部と
を備えたことを特徴とする残量計測装置。
前記振動発生素子は、圧電素子または磁歪素子である
ことを特徴とする請求項１に記載の残量計測装置。
前記振動発生素子は、前記振動棒の一端またはその近傍を挟み込むように配置されている
ことを特徴とする請求項２に記載の残量計測装置。
前記振動棒は、前記振動棒の互いに隣り合う共振周波数同士の間隔が、前記液体の残量がゼロから満タンになるまでの間の共振周波数の変位幅よりも大きくなるような厚さおよび延在方向の長さを有している
ことを特徴とする請求項１に記載の残量計測装置。
前記交流信号源は、前記振動棒の互いに隣り合う共振周波数同士の間隔よりも狭く、かつ前記液体の残量が空から満タンになるまでの間の共振周波数の変位幅よりも広い帯域の周波数帯を掃引する
ことを特徴とする請求項１に記載の残量計測装置。
前記計測部は、ブリッジ回路を用いて放射インピーダンスを計測する
ことを特徴とする請求項１に記載の残量計測装置。
前記制御部は、放射インピーダンスの最大ピークの位置から共振周波数を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の残量計測装置。
前記振動棒は、前記容器内においてほぼ鉛直方向と平行に配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の残量計測装置。