JP5296194B2 - 流体の流量値を決定するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流量を決定するための方法、及びこの方法を実施するための装置に関する。

本発明に従う決定方法は、液体又は気体の流れに関する多くの種類の情報にアクセスすることを可能にする。限定されない例として、この決定方法を使用して、チャンバーの壁を通した溶媒の輸送に関する情報や、或いはこのチャンバーの拡張に関する情報を推定することができる。

本発明は、特に、炭化水素が貯蔵されている容器の透過性を検討しようとするものである。この点において強調すべきことは、これらの炭化水素の貯蔵及び輸送が、貯蔵及び輸送構造体を製造するために使用される熱可塑性重合体の透過性に特に関連のある問題を引き起こすということである。

自動車用のガソリンタンクという特定の場合には、このタンクの壁部の透過性のために外側に放出される炭化水素蒸気の量は、ますます厳しい基準に制約されている。これらの条件では、この透過性は、最初に貯蔵された炭化水素の体積変化に基づいて、可能な限り正確に測定されなければならない。

そのために、まず、重量測定型の測定を実施することが知られている。まず、体積変化を判断すべき流体をその受入チャンバー内に貯蔵する。続いて、この容器とその内容物とによって形成される集合体の重量損失を経時観察する。この容器の重量が一定であるならば、この容器から外に蒸発した流体の割合を推定することを可能にするその流体の重量偏差を決定する。

別法として、所謂放出測定を実施することも知られている。流体を、透過特性が試験されるポリマー管に送る。続いて、この集合体を、該管の壁部を通過する蒸気を回収するこのできる密閉容器内に置く。次いで、これらの蒸気を、所定の成分を吸着する活性炭を含むセルに向ける。次いで、これらの活性炭の重量の傾向を監視することによって、該管の透過性値を推定することが可能になる。

しかしながら、これらの様々な既知の方法を実施するには、所定の欠点がある。実際のところ、これらの感度は比較的低い。さらに、検討されている物理化学的現象の現実を満足に反映しそうにない。

そういうわけで、本発明は、これら様々な欠点を改善することを目的とする。この目的のために、その要旨は、少なくとも１種の流体についての少なくとも一つの流量値を決定するための方法であって、この流体（流動流体という）を、キャリア相の一部によって隔てられた一連のプラグの形態の流動部材に供給し、該流動部材におけるこれらのプラグの移動速度を測定し、それからこの流動流体の該流量値又は各流量値を推定する前記方法である。

本発明の他の特徴によれば、
・該流動部材は該チャンバーの内部体積に連絡し；
・該チャンバーの内部体積の少なくとも一部分に溶媒を供給し、該チャンバーの壁部の少なくとも一部分を通したこの溶媒の移動に関する情報を該流動流体の流量値から推定し；
・溶媒が運ばれない本体と、この本体に特に取り外し可能に設けることができるインサートとを備えるチャンバーを使用し、ここで、このインサートは、該溶媒を運ぶことのできる材料から作られており、この材料は、特に該溶媒に対して透過性であるものとし；
・該チャンバーは、実質的に一定の温度及び圧力に設定され；
・該流動流体の体積の経時変化を流量から推定し；
・前記溶媒の前記チャンバーの前記部分の壁部の内部への物質の移動に相当する遷移領域を特定し；
・前記溶媒に面したこれらの壁部の実際の透過に相当する永続領域を特定し；
・前記溶媒を減衰流体の手段により前記流動流体から分離し；
・前記溶媒を複数の成分の混合物によって形成し、前記チャンバーの壁部の前記部分を介したこの溶媒の移動により生じるガス状部分の少なくとも１回の分析を実施し；
・前記チャンバーの拡張に関する情報を前記流量値から推定し；
・流体に対して透過性ではないチャンバーを使用し、また、少なくとも一つの操作条件、特に温度及び／又は圧力を変更し；
・前記プラグの移動速度をデジタル写真システム、特にカメラの手段により測定し；
・互いに対して少なくとも部分的に平行に延びる多数の流動部材を使用し、様々な流動流体をこれら様々な流動部材に供給し、各流動流体のプラグ移動速度を単一の写真システムの手段により測定し；
・前記流量値を、次の方程式を使用して推定し：
Ｑ＝Ｖ．Ｓ．Ｆ；式中、
Ｑは流体の流量に相当し；
Ｖは、前記写真システムと関連する、時間単位当たりピクセル変化に相当し；
Ｓは前記流動部材の内部断面積に相当し；
Ｆは写真システムの拡大に相当し；
・前記流動部材の内部断面積は１０^-4ｍｍ²〜１ｍｍ²、好ましくは１０^-3〜１０^-1ｍｍ²である。

本発明の別の要旨は、上記方法を実施するための装置であって、
・少なくとも１個のチャンバーと、
・対応するチャンバーの入口と連通する少なくとも１個の流動部材と、
・対応する流動部材の内部でのプラグの動きを特に見るための少なくとも１個の写真システムと、
・該写真システム又は各写真システムによって得られた画像用のコンピュータ処理手段
とを備えるものである。

本発明の他の特徴によれば、
・前記又は各流動部材をキャリア相部分によって隔てられた一連のプラグの手段により充填し；
・前記流動部材は断熱管によって形成され；
・前記流動部材はウエハーに食刻されたチャネルにより形成される。

以下、単なる非限定的な例として与える添付図面を参照して、本発明を説明する。

図１は、本発明に従って流体の流量を決定するための方法を実施する際の２回の連続工程を図式的に示す正面図である。 図２は、本発明に従って流体の流量を決定するための方法を実施する際の２回の連続工程を図式的に示す正面図である。 図３は、本発明に従って決定される、流体の経時体積変化を示すグラフ図である。 図４は、従来技術の実施を示す、図３と同様のグラフ図である。 図５は、本発明に従う装置の変形例を示す斜視図である。

図１に示すように、本発明に従う流体の流量を決定するための装置は、特にＰＴＦＥから作られた可撓管として作製された流動部材６を備える。この管６は、写真システム（この場合にはカメラ１０である）と連携するために、有利には半透明、特に透明である。この流管６に向けられるこのカメラは、このカメラによって生成されるデータを処理することを可能にするコンピュータ手段１１と関連している。

有利には、流動部材６の内部断面積は、１０^-4ｍｍ²〜１ｍｍ²、好ましくは１０^-3〜１０^-1ｍｍ²である。この内部断面積は、流動部材６の壁部を除いた一次元を指す。

下流、すなわち図１及び２中の右側に向けて、流動部材６がチャンバー２に通じており、ここで、該部材は、一体形成されていても多数の異なる部材で形成されていてもよい。示した例では、チャンバー２は、金属などの非透過性材料から作られた本体２₁を備える。この本体２₁は、窓２₂の範囲を定め、該窓は、例えば透過性が測定される材料から作られたインサート２₃を受容することができる。

この実施形態は、単一の本体２₁を使用でき、そのため試験されるべき異なる材料から作られた多数の連続インサートを加えることができるので、有利である。Ｖはチャンバー２の内部体積を表し、Ｐはインサート２₃の壁部を表し、Ｅは外部の周囲空気を表す。最後に、チャンバー２の入口４と管６との気密性は、任意の適当な手段によって確保される。

また、管６及びチャンバー２内部の損失水頭を補うための圧力調節部材も備えられている。それ自体周知のタイプのこの部材１４は、管６の上流に設置される。最後に、インサート２₃の近くに位置する分析装置１５が備えられる。以下で詳細に説明するように、この電気器具１５（例えば、気相クロマトグラフ）を使用してチャンバー２から逃れる気相を分析することができる。

ここで、上記装置の手段による本発明に従う方法の実施を説明する。

この例では、流体（例えば炭化水素Ｈ）に対するインサート２₃の壁部Ｐの透過性を決定することが考えられる。このために、まず、チャンバーの内部体積Ｖの少なくとも一部分を、この炭化水素を使用して満たす。この例示では、この炭化水素をチャンバーの上部のみ、すなわちインサート２₃の近くにのみ供給する。

さらに、このチャンバーの内部部分は減衰流体Ｔで占められているため、チャンバーの内部体積は流体で占められることになる。また、以下で説明するように、減衰流体Ｔを使用することが有利であることも注目すべきことである。該流体は、一方では管６への炭化水素の漏れを防ぎ、他方では検討される炭化水素と管６に流入する流体とが混ざるのを防ぐことを可能にするからである。

続いて、キャリア相部分２２に、一連のプラグ２０がそれ自体周知の態様で形成されている。本発明の意味するところでは、プラグとは、管６に沿って流れ、実質的に該管の幅を占める流体相、又は固体のことである。これらのプラグは、プラグをなす流体とは混和しないキャリア流体によって互いに隔てられている。

これらのプラグは、管６とは異なる従来の構造生成手段でそれ自体周知の態様で形成できる。続いて、これらのプラグが形成されたら、これらを任意の好適な手段により管６に射出する。変形例として、これらのプラグを任意の好適な慣用手順により管６内に直接形成してもよい。

この際、管６は、プラグの連続ストリングと形容することのできる、プラグとキャリア相部分との繰り返しを含む。これらのプラグ２０及びこれらの部分２２は、該管内部の流量が以下に説明する工程に従って決定される本発明でいう流動流体を形成する。

上記ストリング内では、同じ種類の又は異なる種類のプラグを使用することができる。一例として、これらのプラグは、例えば着色水とグリセリンとの混合物によって形成されるドロップであるのに対し、キャリア相は、例えばシリコーンオイルによって形成される。

有利には、これらのドロップとこれらのキャリア相部分との区別は、カメラ１０により、特に明暗差によりなされる。つまり、ドロップ又はキャリア相が暗いのに対し、キャリア相又はドロップは明るくてよく、それによってドロップと該部分との各容量を判断することができる。また、ドロップ及び該部分は透明であるが、ただしそれらの界面がカメラで確認できる状態のものを提供することも可能である。

Ｌは様々なドロップの長さを表し、Ｌ'は、様々な中間部分の長さを表す。有利には、これらの長さＬ及びＬ'は、カメラの視野の値未満、特に５ｃｍ未満、典型的には０．１〜１ｍｍである。また、この例示では、様々なドロップは同じ長さＬを有すると共に、様々な上記部分も同じ長さＬ'を有する。しかしながら、ドロップ及び／又は上記部分が異なる長さを有するものを提供することも可能である。

操作条件は、チャンバー２が拡張せず、かつ、炭化水素の密度が一定であるというものであると考えられる。また、炭化水素の一部が、最初に貯蔵されていたチャンバーの内部体積Ｖを出て壁部Ｐに浸透し、又は外部Ｅに透過することも考えられる。

これらの条件では、圧力調節部材１４が存在するため、矢印ｆで示されるこの炭化水素部分Ｈのアウトプットにより減衰流体Ｔがチャンバー２中で上昇し（矢印ｆ’で示す）、そして矢印Ｆに従ってプラグ２０のストリングが移動する。これらの様々な流体流れを図２に示している（上記移動の値は、明確にするために強調されている）。

この図２に示すように、減衰流体Ｔを使用すると、この減衰流体が管６の一部を占める場合でもプラグ２０が内部体積Ｖに浸透するのを回避することが可能になることも触れておく。これは、その後の手順のためにこれらのプラグを容易に再利用できるので有益である。

本発明によれば、管６内部のプラグ２０の移動速度は、コンピュータ処理手段１１と連携したカメラ１０を使用して測定される。この管の部分も知られている場合には、それから、この管内部において時間単位当たりに移動する、プラグ２０と部分２２とによって構成される流動流体の体積を推定することが可能である。この値は、チャンバー２内部の炭化水素体積変化に相当する。

より具体的には、次の方程式を使用する：
Ｑ＝Ｖ．Ｓ．Ｆ
（式中、
Ｑは時間単位当たりの体積変化（ｍｍ³／ｓで表す）に相当し
Ｖは、カメラによって測定される、時間単位当たりのプラグの移動（ピクセルでの）に相当し（ピクセル／ｓで表す）
Ｓは、チャネルの内部断面積に相当し（ｍｍ²で表す）、
Ｆは、カメラの拡大（ｍｍ／ピクセル）、すなわちピクセル数と距離との相関である。）。

この第１の段階で、瞬間流量値を決定した。後の段階では、この偏差の積分を算出することができるが、これは、体積の経時変化を示す曲線を得ることを可能にする。

図３は、プラグ２０と部分２２とによって構成される、炭化水素Ｈの透過分を補うために管６に移動してきた流動流体の体積Ｖの時間ｔに応じた変化を示している。これらの曲線は、まず、比較的急な傾斜を有する第１遷移型領域（Ｉで表す）と、それよりも傾斜の緩やかな第２永続型領域ＩＩとに分解されることが注記される。

領域Ｉは、内部体積Ｖから外へ炭化水素が逃れる初期段階、すなわちこの炭化水素が拡散し、かつ、インサート２₃の壁部Ｐ内で安定化する初期段階に相当する。この領域Ｉは、炭化水素の伝搬が壁部Ｐ内部の前方に進むことを示している。

次に、領域ＩＩは後段階に関し、この間に、炭化水素は外部Ｅに移動する。この領域ＩＩは、炭化水素の拡散と溶解とが平衡し、それによって炭化水素に対する材料の透過性を決める永続的領域に相当する。

したがって、この図３は、インサート２₃を通した炭化水素の輸送に関連する情報にアクセスすることを可能にする。この一般的な用語「輸送」には、一方では壁部の内部へのこの炭化水素の移動（領域Ｉによって表される）と、他方では炭化水素に対するこれらの壁分の実際の透過（領域ＩＩによって表される）とが含まれる。

この点に関して、図３の曲線は、波線で示されるように実質的に水平な領域ＩＩを示すことができることを注記しておく。この場合、これは、単に炭化水素が壁部Ｐに移動するに過ぎないことを意味する。一方、この炭化水素は、周囲空気には拡散しない。

変形例として、検討される溶媒を異なる成分の混合物により形成することも提供できる。この場合には、電気器具１５を使用して、チャンバー２の外にインサート２₃を介して抜けるガス分の少なくとも１回の分析を実行する。有利には、このような分析を用いて、この溶媒の成分の一方又は他方が他の一成分又は複数の成分の後に逃げる傾向があるのかどうかを特定することができる。

図３は、本発明の利点、すなわち、従来技術よりも多くの情報にアクセスすることを可能にするという事実を強調するものである。この点に関して、図４は、技術常識に従って重量測定を実施することによって得られた曲線を示している。この方法は、容器と内容物とによって構成される全体の重量損失のみを検討することを可能にすることが想起される。

これらの条件では、この図４は、本発明の場合における体積Ｖではなく重量Ｍの経時変化を示している。対応する曲線は、Ｘ軸と一致する領域Ｉ'、続いて図３の領域ＩＩと同じ傾きの領域ＩＩ'を含む。また、一方では領域Ｉと領域ＩＩとの遷移、他方では領域Ｉ'と領域ＩＩ'との遷移は、遷移時間（ｔ₀で表す）のいずれかの側で生じることも注記しておく。図４から明確に分かるように、インサート２₃の厚み内で炭化水素が拡散する段階は、従来技術では特定されない。というのは、この現象は、容器と内容物とによって構成される全体のいかなる重量損失も引き起こさないからである。

また、図１及び２の装置に基づき、異なる物質をスクリーニングする方法を実施することが可能であることも触れておく。このために、上記工程に従って、第１インサート２₃を形成する材料の透過性を特定した後に、これを、異なる材料で作られた、該透過性を特定すべき別のインサートで置き換える。次いで、窓２₂内に異なるインサートを連続的に設置することによって、多数の材料を従来の方法で試験することが可能である。このスクリーニング段階の終了時に、１種以上の好ましい材料を、関心のある透過性を有するものとして特定する。

本発明は、上で説明しかつ示した例には限定されない。

例えば、流動部材を断熱管の形態ではなく、ウエハー内に設けられるチャネルの形態で作製することも提供できる。この場合、このチャネルは、特に「Ｄ．Ｃ．Ｄｕｆｆｙ，ＪＣ ＭａｃＤｏｎａｌｄ，Ｏｌｉｖｉｅｒ Ｊ．Ａ．Ｓｃｈｕｅｌｌｅｒ，Ｇｏｒｇｅｓ Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，７０，ｐ．４９７４−４９８４，１９９８」に記載された、従来技術の手順に従って製造される。この際、このチャネルの下流の端部は、任意の好適な手段によって、チャンバー２の入口に開口する。

示した例では、チャンバーの内部体積の外側の、流体が出るところ関連する流量を測定している。本発明によれば、この内部体積内の流体の到着に関連する流量を測定することも可能である。この場合には、この現象は、図２のように右手ではなく左手へのプラグ２０及び部分２２の移動を引き起こす。同様に、プラグの置換速度も測定されるが、これは、チャンバー内における流体の体積増加に関連する情報にアクセスすることを可能にする。

先の本文においては、流体の流量を測定して、そこからチャンバーの透過性に関する情報を推定した。しかしながら、本発明に従う方法を実施して、チャンバーの拡張に関する情報にアクセスすることも可能である。

この場合には、操作条件、特に温度及び／又は圧力及び／又は湿度を変更して、チャンバーの内部体積の値を変更する。このチャンバーに最初に入ることが許された流体が一定密度を有すると仮定すると、該流体の体積は一定であるため、チャンバーの拡張によりプラグ２０がその内部体積に到達する。これらのプラグ（このように移動するように作られている）の流量を測定すると、チャンバーの拡張の値にアクセスすることが可能になる。

最後に、上記例では、カメラ１０は、単一の流管６と関連している。しかしながら、図５に示すように、多数の流管１０６（これらは同様に多数のチャンバー１０２と連通する）の内部にプラグが移動するのを見ることができるように、同一のカメラ１１０を与えることも可能である。言い換えれば、単一のカメラを使用して多数の体積変化測定を同時に実施することができる。

本発明は、上記目的を達成することを可能にする。

実際に、本発明は、単純でかつ費用効果の高い方法で、流体の体積変化を決定することを可能にする。さらに、この実施は、自動的かつ連続的に行うことができる。

さらに、本発明に従う方法は、小断面の流動部材を使用することで、１時間当たり１ナノリットル未満であってよい非常に低い流量値を検出することが可能となるため、非常に感度が高い。最後に、図３に示すように、本発明は、特にチャンバーから外への流体の一時的な逃げに関する、非常に多くの情報にアクセスすることを可能にする。

以下、単なる例示として、本発明の代表的な実施例を説明する。

チャンバー２を使用する。その本体２₁は、ステンレススチール製である。このチャンバー２の窓２₂は、ポリアミドから作られたインサート２₃によりブロックされている。チャンバー２の内部体積は２ｍＬである。このチャンバーは、該ポリアミドを透過するアルコールを使用して完全に満たされている（ただし、結合領域は除く）。

このチャンバーは、ＰＦＡから作られた流管６に結合している。この管は、２メートルの長さ及び２５０ミクロンの内径を有する。参照番号ＩＴＶ００１０としてＳＭＣ社が販売するものに一致する電空圧力調節器１４に関連づけられている。

シリコーンオイルによって形成されたキャリア相部分の連続によって隔離された、水とグリセリンと着色剤との混合物により形成されたドロップを作り出す。各ドロップ及び各部分のそれぞれの長さＬ及びＬ'は、約０．５ｍｍである。

また、ＳＯＮＹ製ＸＡＣＤ７０カメラ１０も使用し、これを管６の直線部分に向ける。次いで、チャンバー内部の流体の体積変化を測定すると共に、操作条件を４０℃の温度及び３００ｍｂａｒの圧力に維持する。

上記方法を使用することによって、図２の領域Ｉ及びＩＩにアクセスする。１時間後に、０．２ｍＬの流体がチャンバーの壁部に向かって内部体積から拡散したことを見ることができる。続いて、この初期段階後に、この流体は、図２の領域ＩＩに相当する外部の方に移動する。２４時間後に、測定される総体積変化は１ｍＬである。

２ チャンバー
２₁ 本体
２₂ 窓
２₃ インサート
４ 入口
６ 流動部材
１０ カメラ
１１ コンピュータ手段
１４ 圧力調節部材
１５ 分析装置
２０ プラグ
２２ キャリア相部分
Ｅ 周囲空気
Ｈ 炭化水素
Ｐ 壁部
Ｔ 減衰流体
Ｖ 内部体積

Claims (16)

1. 少なくとも１種の流体についての少なくとも一つの流量値を決定するための方法であって、この流体（流動流体という）をキャリア相の部分（２２）によって隔てられた一連のプラグ（２０）の形態の流動部材（６）であってチャンバー（２）の内部体積（Ｖ）と連通しているものに供給し、ここで、該流動部材におけるこれらのプラグの移動速度を測定し、それからこの流動流体（２０、２２）の該流量値又は各流量値を推定し、溶媒（Ｈ）を該チャンバー（２）の該内部体積（Ｖ）の少なくとも一部分に供給し、そして、該チャンバーの壁部（Ｐ）の少なくとも一部（２ ₃ ）を通したこの溶媒の輸送に関する情報を該流動流体（２０、２２）の流量値から推定することを特徴とする、前記方法。
2. 使用する前記チャンバー（２）が、前記溶媒を輸送しない本体（２₁）と、この本体（２₁）に付加できるインサート（２₃）とを備え、このインサートは、該溶媒を運ぶことのできる材料から作られていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記インサート（２ ₃ ）が前記本体（２ ₁ ）に取り外し可能に付加されていることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記材料が前記溶媒に対して透過性であることを特徴とする、請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記チャンバー（２）を実質的に一定の温度及び圧力に設定することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記流動流体の体積の経時変化を前記流量から推定することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記チャンバーの前記部分（２₃）の壁部（Ｐ）の内部への前記溶媒からの物質の移動に相当する遷移領域（Ｉ）を特定することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記溶媒に面したこれらの壁部（Ｐ）の実際の透過に相当する永続領域（ＩＩ）を特定することを特徴とする、請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記溶媒（Ｈ）を減衰流体の手段（Ｔ）によって前記流動流体（２０、２２）から分離することを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 前記溶媒（Ｈ）を複数の成分の混合物により形成し、前記チャンバーの壁部（Ｐ）の前記部分（２₃）を通したこの溶媒の輸送により生じたガス状部分の少なくとも１回の分析を実施することを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 前記プラグ（２０）の移動速度をデジタル写真システム（１０）の手段により測定することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記デジタル写真システムがカメラ（１０）を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 互いに少なくとも部分的に平行な多数の流動部材（１０６）を使用し、様々な流動流体をこれら様々な流動部材に供給し、そして、各流動流体のプラグの移動速度を単一の写真システム（１１０）の手段により測定することを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記流量値を、次の方程式を使用して推定することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の方法：
    Ｑ＝Ｖ．Ｓ．Ｆ
    式中、
    Ｑは流体の流量に相当し；
    Ｖは、前記写真システムと関連する、時間単位当たりピクセル変化に相当し；
    Ｓは前記流動部材（６）の内部断面積に相当し；
    Ｆは、前記写真システムの拡大に相当する。
15. 前記流動部材（６）の内部断面積が１０^-4ｍｍ²〜１ｍｍ ² であることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記流動部材（６）の内部断面積が１０ ^-3 〜１０ ^-1 ｍｍ ² であることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。

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