JP2009156653A

JP2009156653A - 界面検出装置

Info

Publication number: JP2009156653A
Application number: JP2007333526A
Authority: JP
Inventors: Masato Fujiwara; 真人藤原
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2009-07-16

Abstract

【課題】流路内を流れる流体の界面を検出する。
【解決手段】流路に沿って２個のサーミスタ１４，１６を配置する。２個のサーミスタの間に、界面２４が位置すると、それぞれのサーミスタが接する流体の比熱、熱伝導率の差により、サーミスタの放熱量または受熱量に差が生じる。これにより、サーミスタ自身の温度、したがって電気抵抗に差が生じる。界面が２個のサーミスタの間に位置するときと、それ以外に位置するときとでは、２個のサーミスタの電気抵抗の差が異なり、これが変化したことをもって界面の通過を判断できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、流路を流れる２種類の流体の、流れに交差する方向の界面を検出する装置に関する。

下記特許文献１には、流路を流れる複数種類の流体の電気抵抗に基づき、流れている流体の種類を特定する装置が記載されている。また、下記特許文献２には、液体と気体の屈折率の差に基づき、流路を流れる液体中の気泡を検出する装置が記載されている。

特開２００５−２８３１６３号公報特開２００５−３３７９８２号公報

電気抵抗に基づき流れている流体の種類を特定する場合、電気抵抗が変化したとき、界面が通過したと判断できる。しかし、隣接する流体の電気抵抗が等しい場合、界面を検出することができない。極端な場合、電気絶縁性の流体同士では界面を検出することができない。

また、液体と気体の屈折率の差に基づき気泡を検出する装置においては、液体間の界面を検出することができない。

本発明は、流路内に放熱・受熱検出素子を配置し、この素子と流路を流れる流体の間の熱の授受に基づき界面の通過を検知する。この放熱・受熱検出素子は、流路に沿って近接して２個配置される。２個の検出素子に、それぞれ異なる流体が接している場合、すなわち、２個の検出素子の間に異なる流体の界面が存在する場合、それぞれの検出素子の放熱または受熱量は異なり、これに基づき界面の検出を行うことができる。

より具体的には、放熱・受熱検出素子をサーミスタとし、このサーミスタの電気抵抗に基づき放熱または受熱量を検出するようにできる。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態の界面検出装置１０の概略構成を示す図である。界面検出装置１０は、流体の流れる流路を形成する管１２の内壁に配置された２個のサーミスタ１４，１６と、このサーミスタに電流を流し、サーミスタの両端間の電位差を検出する制御部１８を含む。この実施形態においては、管１２は、内径１ｍｍのフッ素樹脂製のチューブであり、サーミスタ１４，１６は、ガラスに被覆されており、外径は０．３ｍｍの略球状である。また、２個のサーミスタ１４，１６の間隔（中心間の距離）は、流れの方向、すなわち流路に沿った方向に０．７５ｍｍとなっている。サーミスタ１４，１６と制御部１８を接続するリード線は、エポキシ樹脂等により被覆され、管１２を流れる流体より電気的に絶縁されている。制御部１８には、２個のサーミスタ１４，１６の両端の電位差の差分を検出する回路を備え、この差分の値を表示するか、または電圧として外部に出力する機能を備える。もちろん、表示と外部出力の双方を行うようにしてもよい。

サーミスタは、その電気抵抗を測るために通電されており、ジュール熱によってわずかに発熱している。サーミスタが流体の流れの中に置かれている場合、流体の流速によりサーミスタからの放熱量が変化する。これにより、サーミスタ自体の温度が流速に応じて変化し、その抵抗値も変化する。また、流体の温度、流速が同じでも、比熱、熱伝導率が異なる流体にあっては、サーミスタからの放熱量が変化して抵抗値も変化する。本実施形態の界面検出装置１０においては、このような、サーミスタ周囲の流体の種類の変化による放熱量の変化を捕らえて、これに基づき、流れている流体の種類が変化したこと、つまり界面が通過したことを検知する。界面を境に温度が異なる流体であっても、サーミスタの放熱量または受熱量が変化するので、この場合にも界面を検出することができる。

流れが定常流でない場合、つまり脈動流などの変動流の場合、界面の通過を伴わなくても、サーミスタの放熱量、受熱量が変化する場合がある。この変動流の影響を排除するために本実施形態の界面検出装置１０は２個のサーミスタを流れの方向に沿って配置し、これらのサーミスタの出力値の差を採る。変動流であっても２個のサーミスタの周囲のある時点での流速は等しいから、変動流の影響は２個のサーミスタの出力値に等しく現れる。したがって、２個のサーミスタの出力値の差を採ることで、変動流の影響を打ち消すことができる。つまり、２個のサーミスタの出力値の差に変化が生じたときに、これらのサーミスタの間に界面が位置すると判断できる。また、２個のサーミスタの出力の差を採ることにより周囲温度や流体の温度の変動に対する影響も打ち消すことができる。

図２は、２種類の流体２０，２２の界面２４が、２個のサーミスタ１４，１６を通過する様子を示した図であり、図３はこのときのサーミスタ１４，１６の出力の差ΔＶの時間変化を示す図である。図２において、流体２０，２２は左から右へと流れており、（ａ）は、界面２４が未だ２個のサーミスタ１４，１６に達していない状態、（ｂ）は、界面が２個のサーミスタの間に位置する状態、（ｃ）は、界面が既に２個のサーミスタ１４，１６を通過した状態を示している。図３のａ，ｂ，ｃの区間は、図２の（ａ），（ｂ），（ｃ）の状態にそれぞれ対応している。

図２（ａ）において、２個のサーミスタ１４，１６は、いずれも第１の種類の流体２０に接しているため、流れが脈動していても、それぞれの出力値は等しくなっている。したがって、図３の区間ａにおいては、２個のサーミスタ１４，１６の出力の差ΔＶは０となる。図２（ｃ）においては、２個のサーミスタ１４，１６は、いずれも第２の種類の流体２２に接しているため、流れが脈動していても、それぞれの出力値は等しい。したがって、図３の区間ｃにおいても、出力の差ΔＶは０となる。間の図２（ｂ）においては、２個のサーミスタ１４，１６に接している流体の種類が異なり、放熱量または受熱量に差が生じる。このため、２個のサーミスタ１４，１６の出力値も異なる値となり、出力の差ΔＶが現れる。出力差ΔＶに対して、しきい値Ｖ１，Ｖ２が設定されており、これを超える値が検出されると、制御部１８は界面２４が通過していることを判定する。また、上記の例においては、２個のサーミスタの出力は、同じ流体に接している場合には等しい値となるものであったが、出力値に所定の差がある組み合わせであってもよい。この場合、流体の境界が２個のサーミスタに入ると、出力値の差に変化が生じる。この変化に基づき界面の通過を検出することができる。界面を形成する２種類の流体は、液体と気体の組み合わせでもよい。

図４は、他の界面検出装置３０の概略構成を示す図である。第１のガラス基板３２の、図中一点鎖線で示す、流路に面する部分となる領域３４中のガラス表面に１００×２０μｍ、厚さ１０μｍの金属酸化物のサーミスタ３６，３８が成膜され、Ｃｒ／Ａｕによりガラス表面にサーミスタに接続された電気配線（不図示）が形成されている。サーミスタ３６，３８の成膜は、フォトリソグラフ、スクリーン印刷などの既存の製造技術により行われる。これらのサーミスタ３６，３８は、樹脂により被覆され、流体と電気的に絶縁されている。第２のガラス基板４０には、幅１ｍｍ、深さ０．１ｍｍの四角断面の溝４２が長さ２０ｍｍにわたってエッチングされている。この溝４２が、前述の領域３４に対向しており、二つのガラス基板３２，４０を合わせることにより、溝４２と領域３４にて流路が形成される。２個のサーミスタ３６，３８の出力は、前述の界面検出装置１０と同様、その値の差が取り出され、この差に基づいて界面の通過が検出される。

サーミスタの大きさは、直径１ｍｍ以下の球、または１辺１ｍｍ以下の立方体が望ましい。この界面検出装置が想定するうちで、最も大きい流路は直径５ｍｍであり、界面の間隔が最も密な場合として５ｍｍを想定している。さらに、最も大きい流量として１ｍＬ／分を想定する。この場合、一つの界面が通過してから次の界面が通過するまでには５．９秒を要し、これより短い時定数のサーミスタを用いることが好ましい。このようなサーミスタは、上記の寸法を有するものであった。時定数を短くするには、サーミスタ自身の熱容量を小さくすることで対応でき、より具体的には、体積を小さくすることで対応することができる。したがって、上記の球や立方体以外の形状、例えば平板状や薄膜状でも、体積が小さければ、採用が可能である。平板状や薄膜状の場合、球や立方体に比べて体積当たりの表面積の値が大きくなるので、時定数はより短くなる傾向があり、好適である。

前述の界面検出装置１０，３０は、流量計または流速計として利用可能である。界面検出装置を流路に沿って２カ所に配置し、その距離と、それぞれの界面検出装置が界面を検出した時刻の差から、流量および流速が算出できる。また、界面検出装置１０，３０は、流路内に気泡が混入し、気泡が流体を分断している状態を検出することができる。また、流路内の所定位置まで界面が達したことを検出する用途に用いることもできる。例えば、ディスペンサまたはスポイトなどで、液体を吸引する際、この界面検出装置が配置された位置まで液体の界面が達したことをもって必要量が取得されたことを検知できる。また、空のポンプに液体を満たして、送液を行える状態となったことを検知する装置にも用いることができる。すなわち、ポンプに液体が満たされ、ポンプから液体が吐出される流路の所定の位置に界面検出装置を配置する。ここに液体の界面が達すれば、ポンプが液体で満たされた状態となったことが分かり、プライミングが完了したことが分かる。

図５，６は、前述の界面検出装置１０，３０を利用した微小体積を計量できる送液システム５０の概略構成を示す図である。第１のマイクロポンプ５２が体積の計量対象となる液体を、第２のマイクロポンプ５４が気体、例えば空気を送出する。第１のマイクロポンプ５２は、吸い込み端５６から対象の液体を吸い込み、合流点５８、計量送液部６０そして吐出端６２に向けて液体を送り出す。第２のマイクロポンプ５４は、吸い込み端６４より空気を吸い込み、合流点５８に向けてこれを送り出す。計量送液部６０に、前述した界面検出装置１０が配置される。界面検出装置は、前述の界面検出装置３０であってもよい。

第１のマイクロポンプ５２により液体を送り出し、その先頭、すなわち液体と空気の界面が界面検出装置１０にて検出されると、第１のマイクロポンプ５２は停止し、第２のマイクロポンプが運転を開始する。これにより、図６に示すように、合流点５８にて、液体の間に空気が割り込み、流路中で液体を分離する。この分離された、分岐点５８から界面検出装置１０の位置までの流路内の液体は、その区間の流路の容積と同じ体積を有する。この液体を吐出端６２より送り出せば、所定の体積の液体を計量して送り出すことになる。図６の状態から、第２のマイクロポンプ５４を停止して、再び第１のマイクロポンプ５２を起動する。これを繰り返すことにより、計量された一定量の液体を順次送り出すことができる。界面検出装置１０の位置を変更するか、または複数の界面検出装置１０を計量送液部の流路に沿って配置することにより、任意の量の液体を計量することが可能となる。

以上の実施形態では、放熱、受熱を検出する手段として、それ自身の温度により電気抵抗の変化するサーミスタを採用したが、温度により他の物性値が変化する手段を用いることもできる。例えば、熱電対のように温度により熱起電力の変化を生じる手段を用い、上記サーミスタの例と同様に界面の検出を行うことができる。

本実施形態の界面検出装置１０の概略構成を示す図である。界面検出方法の説明図である。界面検出方法の説明図である。他の実施形態の界面検出装置３０の概略構成を示す図である。微小体積の液体を計量する送液システム５０の概略構成を示す図である。微小体積の液体を計量する送液システム５０の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０，３０界面検出装置、１２管、１４，１６，３６，３８サーミスタ、１８制御部、２０，２２流体、２４界面、３２第１のガラス基板、４０第２のガラス基板、４２溝。

Claims

流路を流れる２種類の流体の、流れに交差する方向の界面を検出する界面検出装置であって、
流路に沿って近接して配置され、放熱量または受熱量を検出する２個の放熱・受熱検出素子と、
２個の放熱・受熱検出素子の検出値の差の変化に基づき、流体の界面の通過を判定する、界面通過判定部と、
を有する、界面検出装置。
請求項１に記載の界面検出装置であって、放熱・受熱検出素子はサーミスタを含み、放熱量または受熱量は、このサーミスタの電気抵抗に基づき検出される、界面検出装置。
請求項２に記載の界面検出装置であって、前記放熱・受熱検出素子のサーミスタは、流路の壁に成膜されたものである、界面検出装置。