JP5780475B2 - 異物混入検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両等に燃料油（油）を供給する給油所で用いられる給油装置に関する。より詳細には、本発明は、そのような給油装置において、燃料油中に水等の異物が混入したことを検知する技術に関する。

給油所では、給油装置により、給油所の地下タンクに貯留されているガソリン等の燃料油を、車両等に供給している。
地下タンク等の破損による外的要因と、誤操作等の人的要因と、事故や自然災害等による要因によって、燃料油に水が浸入することが考えられる。この様な各種要因により燃料油に水が混入してしまうと、水を含んだガソリンを車両に供給してしまうことになり、エンジンの始動不能を招き、燃焼不良によるノッキングの発生を惹起し、最悪の場合にはノッキング多発によるエンジンの破損という事態に至るという問題がある。

そのような問題に対処するため、液体の種類毎に静電容量が異なる性質を利用して、液体の性状を検出することが考えられる。
ここで、静電容量Ｃは Ｃ＝（ε０・εｓ・Ｓ）／ｄ （ただし、Ｓは電極の面積、ε０は真空の誘電率、εｓは誘電体の誘電率、ｄは電極間の距離） なる式により求めることが出来る。
静電容量Ｃが大きいほど外乱の影響を小さくすることが出来るので、液体の性状を検出するのに有効である。

静電容量を計測して燃料油に水等の異物が混入したか否かを検出するには、燃料油の供給系統中に一対の板状の電極を燃料油の流れに対して、平行に配置して、当該一対の板状電極間に燃料油を流過させる必要がある。上述した様に、一対の板状電極の静電容量が大きいほど、好適である。
しかし、板状電極の面積を大きくすると、給油装置における燃料油の供給系統（配管やポンプユニット等の供給用機器）の内部に設置することは困難である。
また、板状電極の間隔を小さくすると、一対の板状電極間の領域の流体抵抗が大きくなり、また、ゴミその他の異物が滞留し易くなってしまうので、不都合である。

その他の従来技術として、アルコール混合ガソリンの比誘電率に対応した電圧を検出して、ガソリン性状の変化を検出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、係る従来技術では、金属製の箱型ケーシングが必要であり、当該ケーシングを設置するだけのスペースを確保しなければならず、給油装置における燃料油の供給系統内部に設置することが困難である。

特開平５−２８８７０７号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、燃料油の供給系統内部に設置して、燃料油中に例えば水の様な異物が混入することを検知することが出来る給油装置の提供を目的としている。

本発明によれば、配管に静電容量式の水検知センサ（１０Ｂ）を設けた給油装置の異物混入検知装置において、円環状の枠体（１１）と、一対の金属製網状電極（１２Ｂ）とを備え、前記円環状の枠体（１１）の断面形状は凸状であって、当該凸状の突出部（１１ｔ）の両側部（１１ｓ）および段部（１１ａ）に前記一対の金属製網状電極（１２Ｂ）の固結部が間隔を一定にするために当接されており、当該一対の金属製網状電極（１２Ｂ）の少なくとも一方が絶縁材で被覆されており、そして前記一対の金属製網状電極（１２Ｂ）はそれぞれ一対のケーブル（１４）で静電容量演算装置（１３）に接続されている。
ここで水検知センサ（１０Ｂ）は、水のみではなく、その他の異物の混入も検出可能であることが好ましい。

本発明において、網状電極（１２Ｂ）は、いわゆる「網の目」を構成している場合のみならず、多数の貫通孔を有する形状も包含する。

絶縁については、例えば、絶縁材を網状電極（１２Ｂ）にコーティングすることが好ましい。

上述する構成を具備する本発明によれば、前記配管（４、５、８）に静電容量式の水検知センサ（１０Ｂ）を設けているので、燃料油中に水（或いは、その他の異物）が混入した場合に、静電容量或いは誘電率の変化により、直ちに検出することが出来る。
そのため、水を含んだガソリンを車両に供給してしまうことを防止して、エンジンの始動不能、燃焼不良によるノッキングの発生、エンジンの破損という事態に至ることを未然に防止することが出来る。

ここで、前記センサ（１０Ｂ）を網状電極（１２Ｂ）で構成しているので、網状電極（１２Ｂ）を流路に対して直交する方向に配置しても、燃料油は網状の電極（１２Ｂ）を抵抗なく通過することが出来る。
そして、網状電極（１２Ｂ）間の間隔を狭くしても、抵抗が大きくなることはなく、静電容量を大きくして、ノイズの影響を小さくすることが出来る。

これに加えて、本発明は、網状電極（１２Ｂ）はストレーナ（３１）の外側に取付け可能に構成しているので、センサ（１０Ａ）の取付け位置のスペースを節約することが出来る。

さらに、網状電極（の一方或いは双方）が絶縁されていれば（異なる特性を有する２つの網状電極を用いれば）、電極間を流れる燃料油を介して短絡電流（漏れ電流）が流れることが防止され、漏れ電流をカットすることにより、静電容量の変化のみを確実に高精度で検出することが出来る。
そして、漏れ電流によりセンサ（１０Ｂ）の感度が上昇し過ぎてしまうことも防止される。

参考例に係る給油装置を示す説明図である。 参考例の要部を構成するセンサを示す側面図である。 図２のセンサの斜視図である。 図２のＡ部拡大図である。 板状電極を用いた一般的なコンデンサを示す概念図である。 図５のコンデンサの不都合を説明するための説明図である。 図２のセンサの概念図である。 図２のセンサのメリットを説明するための説明図である。 本発明の実施形態の要部を構成するセンサを示す側面図である。 実施形態で用いられるセンサの漏れ電流を説明する概念図である。 図９のセンサの作用を説明する概念図である。 電流の周波数と漏れ電流の影響を図表により示す説明図である。 ガソリン中に包含されるエタノールの比率と静電容量の関係を示す特性図である。 図示の実施形態をローリ配管に適用した状態を示す説明図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１〜図８は本発明の参考例を示している。
先ず図１を参照して、本発明の参考例が適用される給油装置の概要を示す。
図１において、全体を符号１００で示す給油装置は、給油所（ガソリンスタンド等）の地下に埋設した地下タンク１と、給油機構２と、給油ポンプと流量計から成るユニット３（給油用ユニット３）と、地下埋設配管４と、給油機構内配管５と、給油ホース６と、給油ノズル７を備えている。

給油用ユニット３及び給油機構内配管５は、給油機構２内に設けられており、地下埋設配管４は、地下タンク１と給油用ユニット３を接続している。
給油機構内配管５は、給油用ユニット３と給油ホース６を接続している。そして給油ホース６の先端には、給油ノズル７が設けられている。
明確には図示されていないが、給油ノズル７は、給油機構２の外周パネルに設けたノズル掛け（図示せず）に係止されている。
本発明の参考例の異物混入検知装置（以下、「センサ」と言う）１０は、図２において概要が示されている。そして図１において、センサ１０（図２参照）は、地下埋設配管４、給油用ユニット３、給油機構内配管５の何れかに介装されている。
そしてセンサ１０は、静電容量の変化により、水が混入することを検知することが出来る。燃料油と水は誘電率が大きく相違するので、燃料油に少量の水が混入しても、静電容量は大きく変化するためである。

ここで、異物が混入した燃料油の誘電率は、燃料油の誘電率と異物の誘電率の和となるので、燃料油と異物が均一に混合されていなくても、正確に異物の有無を検出することが出来る。
そのため、燃料油が給油用ユニット３のポンプにおける回転体（図示せず）よりも地下タンク１側の領域、換言すれば当該回転体により均一に混合される位置よりも地下タンク１側の領域であっても、燃料油に異物（図示の実施形態では水）が混入した場合には、その旨及び混入率を正確に判断することが出来る。

本発明の参考例に係るセンサ１０を、図２〜図４を参照して説明する。
図２〜図４において、センサ１０は、円環状の枠体１１と、一対の網状電極１２と、静電容量演算装置１３と、一対のケーブル１４で構成されている。網状電極１２は、その周縁部が、間隔を一定にするための枠体１１により支持されている。図示されていないが、間隔を一定にするためのスペーサを、網状電極１２、１２間に配置しても良い。
図４で示す様に、円環状の枠体１１の断面形状は凸状であり、その凸状の突出部１１ｔは（円環の）半径方向内方を向いている。
一対の網状電極１２は、枠体１１における凸状突出部１１tの両側部１１s及び段部１１ａに当接して配置されている。
ここで、「網状」なる文言は、いわゆる「網の目」を有する形状のみならず、多数の貫通孔を有する形状をも包含する趣旨で用いられている。

網状電極１２の面積をＳ、真空の誘電率をε０、誘電体（網状電極１２）の誘電率をεｓ、電極間の距離をｄとすれば、
静電容量Ｃは Ｃ＝（ε０・εｓ・Ｓ）／ｄ なる式により求められる。
ここで、静電容量Ｃが大きいほど外乱の影響を小さくすることが出来るので、液体の性状を検出するのに有効である。
センサ１０における枠体１１の直径Ｄは、その設置場所が、例えば、地下埋設配管４（図１参照）内であれば、地下埋設配管４の内径によって上限値が決まる。従って、一対の網状電極１２において大きな静電容量Ｃを得るためには、一対の網状電極１２間の距離ｄを小さく設定すればよい。
図２〜図４の本発明の参考例における一対の網状電極１２であれば、網状電極１２間の距離ｄを小さく設定しても、電極が網状であるため燃料油は容易に網状電極１１の網の目を通過することが出来る。そのため、図２〜図４の網状電極１２であれば、検知対象物である燃料油が当該電極１２を通過する際の通過抵抗が大きくなってしまうことはない。

図５は、図２〜図４の網状電極１２を使用せずに、平板形状の電極（板状電極）１２Ｐにより構成された一般的な構成のコンデンサ１０Ｊが示されている。図５における一般的なコンデンサ１０Ｊでは、電極１２Ｐ間に電化が溜まり、電場が形成される。
ここで、図５で示す様な一般的な板状電極１２Ｐを用いたコンデンサ１０Ｊを燃料油の供給配管内に配置する場合には、図６で示す様に、板状電極１２Ｐは、燃料油の供給配管における流線Ｆに対して並行に配置せざるを得ない。燃料油供給配管の流線Ｆに対して直交する方向に板状電極１２Ｐを配置すると、板状電極１２Ｐが燃料油の流れをせき止めてしまうからである。

上述した様に、コンデンサ１０Ｊでは、その静電容量が大きいほど外乱の影響を小さくすることが出来るので、静電容量から液体の性状を検出するには有効である。
しかし、コンデンサ１０Ｊの板状電極１２Ｐの面積を大きくすると、給油装置における燃料油の供給系統（配管やポンプユニット等の供給用機器）の内部にコンデンサＪを設置することが困難となる。
一方、板状電極１２Ｐの間隔ｄを小さくすると、一対の板状電極１２Ｐ間の領域における流体抵抗が大きくなり、且つ、ゴミその他の異物が滞留し易くなってしまうので、不都合である。

ここで、電極１２間の静電容量Ｃは電場の雰囲気で決定されるため、図７で示す様に、電極１２を網で構成しても、板状の電極と同程度の電荷が貯留される。すなわち、図２〜図４で示す本発明の参考例のセンサ１０であれば、従来の板状電極１２Ｐを用いたコンデンサ１０Ｊと同様な静電容量が得られる。
また、図２〜図４で示す本発明の参考例のセンサ１０であれば、図８で示す様に、供給配管の燃料油の流線Ｆに直交する方向に網状電極１２を配置しても、燃料油は網状電極１２の「網の目」（或いは、多数の貫通口）を容易に通過することが出来るので、供給配管内において、図２〜図４のセンサ１０を燃料油の流線Ｆに直交する方向に配置しても、燃料油の流れを妨げてしまうことはない。
さらに、燃料油は網状電極１２の「網の目」（或いは、多数の貫通口）を抵抗なく通過することが出来るので、一対の網状電極１２間の間隔ｄを狭くしても、燃料油の流れの抵抗は増加しない。換言すれば、図２〜図４で示す本発明の参考例のセンサ１０であれば、燃料油の流れの抵抗を大きくすること無く、一対の網状電極間の間隔を狭くして電極間の静電容量を大きくすることが出来る。
これにより、図２〜図４で示す本発明の参考例に係るセンサ１０であれば、静電容量を大きくして外乱の影響を小さくすると共に、燃料油の流れを妨げてしまうこと無く、その誘電率を正確且つ有効に検出することが出来る。

次に、図９〜図１２を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図９は、この実施形態で用いられるセンサ１０Ｂを示している。
図２〜図４に示す参考例のセンサ１０では、網状電極１２は金属製の網状部材で構成されている。それに対して、この実施形態で用いられるセンサ１０Ｂでは、図９では明確には図示されていないが、網状電極１２Ｂを構成する金属製の網状部材が絶縁材で被覆されている。

センサ１０Ｂにおいて、網状電極１２Ｂが絶縁材で被覆されている理由について、図１０、図１１を参照して説明する。
水は不純物が混入した場合、導電体となる性質を有している。静電容量の計測は一般的には、不純物が混入した水に電流を流し、端子間電圧が上昇（或は、下降）する時間を計測して行う。この（不純物混入により水が導電体となった）場合、電極間に短絡電流が流れ、電化が蓄積されるまでの時間が長くなり、あたかも静電容量が増加した様に見える。
図１０（Ａ）は、電極１２間に導電体が存在せず、短絡電流が流れない状態を模式的に示している。静電容量の測定は、図１０（Ａ）の状態で電極１２間に電流を流し、端子間電圧が上昇（降下）する時間を計測することにより行われる。

ここで、燃料油（水が混入した燃料油を含む）は導電体である。
一対の電極１２間に導電性を有する液体が存在すると、燃料油、すなわち導電性液体により、電極１２間が短絡されて、図１０（Ｂ）で示す様に短絡電流（漏れ電流）が流れる。
短絡電流が流れると、見かけの静電容量が増加する（静電容量が増加した様に見えてしまう）。換言すると、短絡電流が流れると、電極間の静電容量の変化量に比較して、見かけの静電容量の変化量が大きくなる。
そして、見かけの静電容量の変化量が大きくなるため、燃料油に水が混入した場合の静電容量の変化も大きくなり、センサとしての感度が上昇する。

しかし、センサの感度が上昇することにより、誤検出が生じる可能性が存在する。例えば、センサの感度が上昇して静電容量の変化を検出したとしても、当該静電容量の変化が、「水の混入による静電容量の変化か？」、「温度変化による静電容量の変化か？」、或いは「その他の要因による静電容量の変化か？」を区別することができない。その結果、「温度変化による静電容量の変化」であるにも拘らず、「水の混入による静電容量の変化」と誤判定してしまう事態が生じ得る。
これに対して、網状電極１２Ｂを絶縁体で被覆して、燃料油の導電性による漏れ電流を遮断して、図１１で示す状態とすれば、網状電極１２Ｂ間に漏れ電流が流れないので、見かけの静電容量の変化量が大きくなり過ぎることがない。そのため、センサの感度が良くなり過ぎることがなくなり、上述した誤検出が防止される。
係る理由により、図９のセンサ１０Ｂでは、網状電極１２Ｂを絶縁体で被覆している。

明示されていないが、図９のセンサ１０Ｂにおいて、一対の網状電極１２Ｂの双方を絶縁材で被覆しても良いし、或いは、何れか一方の網状電極１２Ｂのみを絶縁材で被覆しても良い。
一対の網状電極１２Ｂの双方を絶縁材で被覆しても、何れか一方の網状電極１２Ｂのみを絶縁材で被覆しても、網状電極１２Ｂ間に漏れ電流が流れないからである。

図９〜図１２の実施形態におけるその他の構成及び作用効果は、図１〜図８の参考例と同様である。

次に図１２を参照して、一対の電極間における充電と放電の周期について、説明する。
図示の実施形態において、センサにおける水や異物の混入検知回路の計測周波数を早くする（一対の電極間における充電と放電の周期を短くする）ことにより、漏れ電流を小さくして、漏れ電流の影響を小さくすることが出来る。

電流は電圧に比例し、充電と放電の周期が変動しても、一対の電極間の蓄積電流と漏れ電流の比に差は出ない。
ところが、図１２に示す様に、検出回路の計測周波数を早くすれば、漏れ電流が流れる時間が短くなるために漏れ電流の総量が小さくなり（図１２（Ｂ））、逆に検出回路の計測周波数を遅くすれば、漏れ電流が流れる時間が長くなるために漏れ電流の総量が大きくなる（図１２（Ａ））。
検出対象（燃料油の種類と異物の種類）、検出の目的に対応して、適正な放電と充電の周期（混入検知回路の計測周波数）が存在するので、当該適正な周期（周波数）をケース・バイ・ケースで決定することにより、より精度が高く、目的に合致した検出を行うことが出来る。
図１２（Ａ）、（Ｂ）において、「漏れ」は漏れ電流、「充電」は電極間への充電電流、「放電」は電極間からの放電電流を意味している。

図１３は、アルコール燃料におけるガソリンとアルコールの割合（エタノール比率）と静電容量の関係を示している。
混合燃料であるアルコール混合ガソリンについては公知である。当該アルコール混合ガソリンとして、例えば、Ｅ３（エタノール３％含有）、Ｅ５（エタノール５％含有）、Ｅ１０（エタノール１０％含有）等が用いられている。また、海外ではＥ２３（エタノール２３％含有）、Ｅ８５（エタノール８５％含有）等も利用されている。
ガソリンとエタノールでは誘電率が一桁異なるので、図示の実施形態を適用することにより、エタノール比率を演算することが出来る。これにより、異なる種類の燃料を誤って混合してしまう事態（いわゆる「コンタミ」）を防止することが出来る。

レギュラーガソリンに含まれるエタノール比率の違いによる静電容量は、図２５で示す様に比例関係となる。したがって、静電容量を計測することによって、レギュラーガソリンに含まれるエタノール比率（％）を知ることができる。
しかし、静電容量は温度依存があるため、絶対的な数値（エタノール比率）を知るには、温度センサと合わせて補正する必要がある。
図２５において、実線は、センサにおける一対の網状電極の配置を燃料の流れの方向に対して並列に配置した静電容量であり、破線は、一対の網状電極の配置を燃料の流れの方向に対して直列に配置した静電容量である。

図１４は、図示の実施形態を荷卸に適用した状態を示している。
図１４において、燃料油運搬手段であるタンクローリーの燃料油排出ホース（ローリホース）ＲＨが二点鎖線で示されている。
ここで、ローリホースＲＨにおける地下タンク１側の端部ＲＨｅが、タンクローリー（図示を省略）のタンク側端部（図示を省略）よりも低い位置となるために、給油が終わり、タンクローリーのタンクの排出口のバルブ（図示を省略）を閉じると、ローリホースＲＨ内の燃料油は、自重によって、地下タンク１側に排出される。
燃料油が排出されたローリホースＲＨ及び後述するローリホース接続部９と地下タンク１を接続する配管８内は空気で満たされる。

図１４において、ローリホースＲＨと地下タンク側のローリホース接続部９、或いは、ローリホース接続部９と地下タンク１を接続する配管８に、図示の実施形態に係るセンサ（図１４では図示せず）が介装されている。
ローリホースＲＨと地下タンク側のローリホース接続部９、或いは、ローリホース接続部９と地下タンク１を接続する配管８に、図示の実施形態に係るセンサを介装されているので、ローリホースＲＨから配管８中の領域に燃料油が滞留していれば、図示の実施形態に係るセンサで検出される静電容量が、空気中の静電容量とは異なる数値となる。
一方、ローリホースＲＨから配管８該配管中に燃料油が残存していない場合には、配管は空気で満たされていることになり、図示の実施形態に係るセンサで検出される静電容量が、空気中の静電容量と同等の値となる。

その結果、図示の実施形態に係るセンサで検出される静電容量により、ローリ配管中に油が残存していないか否かを検出することが出来る。
図示の実施形態に係るセンサで検出される静電容量が、空気中の静電容量とは異なる数値であれば、ローリホースＲＨから配管８に至る領域に燃料油が滞留しており、荷卸しが終了していないことが判明する。
一方、図示の実施形態に係るセンサで検出される静電容量が、空気中の静電容量と同等の数値であれば、ローリホースＲＨから配管８に至る領域には燃料油が残存しておらず、荷卸しが終了したことが判明する。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。

１・・・地下タンク
２・・・給油機構
３・・・給油用ユニット
４・・・地下埋設配管
５・・・給油機構内配管
６・・・給油ホース
７・・・給油ノズル
１０Ｂ・・・水検知センサ
１１・・・枠体
１１ａ・・・段部
１１ｓ・・・両側部
１１ｔ・・・突出部
１２Ｂ・・・網状電極
１３・・・静電容量演算装置

Claims (1)

1. 配管に静電容量式の水検知センサ（１０Ｂ）を設けた給油装置の異物混入検知装置において、円環状の枠体（１１）と、一対の金属製網状電極（１２Ｂ）とを備え、前記円環状の枠体（１１）の断面形状は凸状であって、当該凸状の突出部（１１ｔ）の両側部（１１ｓ）および段部（１１ａ）に前記一対の金属製網状電極（１２Ｂ）の固結部が間隔を一定にするために当接されており、当該一対の金属製網状電極（１２Ｂ）の少なくとも一方が絶縁材で被覆されており、そして前記一対の金属製網状電極（１２Ｂ）はそれぞれ一対のケーブル（１４）で静電容量演算装置（１３）に接続されていることを特徴とする異物混入検知装置。

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