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表面張力測定方法及び表面張力測定装置
JP3015888B1
Japan
Description
translated from
及び表面張力測定装置に係り、宇宙等の微小重力環境に
おいて、U字管マノメーターを用いて被測定液滴の表面
張力を高精度に測定する表面張力測定方法及び装置に関
する。
滴の表面張力の測定としては、液滴振動法や液滴回転法
（スピニングドロップ法）が知られている。図３に、従
来の液滴回転法の説明図を示す。この例では、特開平６
−３２５０号（特公平７−１０４２５８号）公報に記載
されているように、楕円体の液玉を保持可能な容器１
と、液玉２Ａを計測位置である受光素子アレイ３の領域
に容器１から浮上させて導くための誘導用ノズル５と、
その位置に液玉２Ａを支持する保持ノズル６と、液玉２
Ａの形状及び回転速度を光学的に検出する受光素子アレ
イ３及び光電式位置検出センサ４を備える。このような
構成により、無重力ないし微小重力のもとで回転する被
測定物である楕円体の液玉を浮上させ、気体流の支持手
段により所定の計測位置に支持及び位置決めをして、光
検出手段により位置決めされた液玉の回転楕円形状及び
回転速度を検出して、その検出データにより被測定液体
の表面張力を測定するものである。
ような表面張力測定法では、液滴内の流れが生じて、静
的な表面張力の数値が得られなかった。また、従来、地
上のような重力場では、静的釣り合いの中に大きな重力
項が含まれてしまうため、地上の重力の加速度の項によ
り算定誤差が大きくなり、高精度の測定はできなかっ
た。さらに、実際に地上では、液滴が完全球体になって
浮遊することはできないから、浸透圧・表面張力の精密
測定が困難であった。
明においては、宇宙船などの軌道飛行をする物体中等に
おける微小重力環境を活用することで、始めて、液的が
完全球体になって浮遊するようになることに注目した。
本発明は、液滴の中にU-字管マノメーターを差し入れ
て、界面を隔てた液滴の密度と外部気体の密度との浸透
圧を計測することにより、静止した液滴の表面張力を基
本的なLaplaceの式で高精度に静的に測定するようにし
た表面張力測定方法及び装置を提供することを目的とす
る。
によると、液体を管内に有するＵ字形マノメータの一端
を、微小重力環境において被測定液滴に挿入し、前記Ｕ
字形マノメータの一端と他端との液面の高低差を測定す
ることにより、被測定液滴の表面張力を測定する表面張
力測定方法を提供する。
管内に有し、周回軌道上の宇宙船内等の微小重力環境に
おいて被測定液滴に挿入するためのＵ字形マノメータ
と、前記Ｕ字形マノメータの一端と他端との液面の高低
差を測定する液柱差測定部と、被測定液滴の大きさを測
定する形状測定部と、前記液柱差測定部及び前記形状測
定部による測定結果に基づいて被測定液滴の表面張力を
計算する演算部とを備えた表面張力測定装置を提供す
る。
スの式に最も忠実に界面の内外の圧力差をマノメーター
を用いて測定する静置的測定法に属する。
図を示す。本発明では、宇宙や地球の周回軌道上の重心
に近い位置（例えば、宇宙船などの軌道飛行をする物体
中）等で質点からズレれた位置のような微小重力環境を
活用する。微小重力環境とは、例えば、航空機実験で１
０-1〜１０-4G、宇宙ステーションで１０-3〜１０-5G程
度を想定するが、これに限られない。被測定対象として
は、静置した液体又は金属材料や半導体材料の溶融状態
等における完全球体（又はほぼ完全な球体）になった液
体（液滴１０）である。表面張力の測定においては、静
止した被測定液滴１０の中にU-字管マノメーター２０を
差し入れて、界面を隔てた液滴１０の密度と外部気体の
密度との浸透圧を一挙に計測して、基本的なLaplaceの
式を用いて高精度に測定するものである。U-字管マノメ
ーター２０としては、形状はＵ字形に限らず、コ字形等
の適宜の形状でよく、断面形状も適宜のものでよく、さ
らに、断面積も両端で異なっていても、同一でも良い。
U-字管マノメーター２０の材質としては、液濡れの良い
ものが良い。U-字管マノメーター２０の管内の作動液と
しては、例えば、水銀等を使用することができる。
に説明する。図１において、形状計測から被測定液滴１
０の半径を、また、被測定液滴１０に差し込んだU-字管
マノメーター２０の両端の液面の高低差である液柱差を
測定する。これらから得た数値を基に、Laplaceの式よ
って求める静的な表面張力を次式により算定する。 σ＝（ｐ−ｐ0）Ｖ／Ｓ＝ρｇｈＶ／Ｓ
（ラプラスの式の変形による。） ここに、 σ：表面張力(dyne/cm) 又は(N/m)（単位は、cgs 系又
はMKS系を示す。以下同様。） ｐ：液面の内部の液体の圧力(dyne /cm2)又は(N/m2)、 ｐ0：液面の外部の周辺の気圧(dyne /cm2)又は(N/m2)、 Ｖ：液滴１０の体積（cm3）又は(m3)、 Ｓ：液滴１０の表面積（cm2）又は(m2)、 ρ：マノメーター作動液の密度（例、最大は水銀）( g
/ cm3)又は( ｋg / m3)、 ｇ：重力の加速度(cm /sec2) 又は(m /sec2 )、 ｈ：界面を鋏んだ液体と気体との圧力差に相当するU字
管内の作動液の液面の高低差（液柱差と言う）（cm）又
は(m)である。
１０の内圧で溢れ出るものと、表面張力で包み込もうと
する両者のエネルギーとの釣り合いから表面張力を算定
するという物理的な原理に基づいている。すなわち、総
エネルギーが最小化した状態において、 ( ｐ−ｐ0) V −σS=０ が成立するので、前述の式が導き出せることになる。
構成図を示す。図示のように、この測定装置は、U-字管
マノメーター２０、形状測定部２２、液柱差測定部２
３、重力加速度測定部２４，演算部２５、表示部２６，
出力部２７を備える。形状測定部２２は、被測定液滴１
０の大きさ（直径又は半径等）を測定する。また、液中
差測定部２３は、被測定液滴１０に差し込んだU-字管マ
ノメーター２０の両端の液面の高低差である液柱差を測
定する。形状測定部２２及び液柱差測定部２３は、それ
ぞれ超音波やレーザ光を用いる方法等、非接触で測定す
る適宜周知の方法を採用することができる。重力加速度
測定部２４は、被測定環境の重力加速度を適宜の周知・
公知の技術で測定する。演算部２４は、形状測定部２
２、液柱差測定部２３及び重力加速度測定部２４による
測定結果から、上述のラプラスの式を用いて、被測定液
滴１０の表面張力を演算する。表示部２６及び出力部２
７は、それぞれ、演算された表面張力を表示及び他の装
置に出力する。U-字管マノメーター２０は、支持部を備
えるようにして、形状測定部２２及び液柱差測定部２３
等の構成と一体化されるようにしても良い。、
中にU-字管マノメーターを差し入れて、界面を隔てた液
滴の密度と外部気体の密度との浸透圧を計測することに
より、静止した液滴の表面張力を基本的なLaplaceの式
で高精度に測定することができる。
Claims (4)
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translated from
- 【請求項１】液体を管内に有するＵ字形マノメータの一
端を、微小重力環境において被測定液滴に挿入し、 前記Ｕ字形マノメータの一端と他端との液面の高低差を
測定することにより、被測定液滴の表面張力を測定する
表面張力測定方法。 - 【請求項２】以下の式により被測定液滴の表面張力σを
測定することを特徴とする請求項１に記載の表面張力測
定方法。 σ＝ρｇｈＶ／Ｓ ここに、ρ：マノメーター作動液の密度、ｇ：重力の加
速度、ｈ：液柱差、Ｖ：液体の体積、Ｓ：液体の表面
積。 - 【請求項３】液体を管内に有し、周回軌道上の宇宙船内
等の微小重力環境において被測定液滴に挿入するための
Ｕ字形マノメータと、 前記Ｕ字形マノメータの一端と他端との液面の高低差を
測定する液柱差測定部と、 被測定液滴の大きさを測定する形状測定部と、 前記液柱差測定部及び前記形状測定部による測定結果に
基づいて被測定液滴の表面張力を計算する演算部とを備
えた表面張力測定装置。 - 【請求項４】前記演算部は、以下の式により被測定液滴
の表面張力σを測定することを特徴とする請求項３に記
載の表面張力測定装置。 σ＝ρｇｈＶ／Ｓ ここに、ρ：マノメーター作動液の密度、ｇ：重力の加
速度、ｈ：液柱差、Ｖ：液体の体積、Ｓ：液体の表面
積。