JP6955945B2 - 液面検知装置、液面検知方法、アダプターキット、凍結物の製造システム、及び凍結物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液面検知装置、液面検知方法、アダプターキット、凍結物の製造システム、及び凍結物の製造方法に関する。

液体が貯留された容器の液面を検知し、液面の高さを測定する技術が知られている（特許文献１，２）。
特許文献１は、静電容量式のセンサーを用いて、液体の液面を検知する装置を開示している。特許文献２は、液位検出装置用のフロートセンサーを開示している。特許文献２に記載の技術は、フロートセンサーを液面の変動に追従させ、フロートセンサーの位置から液面を検出している。
特許文献１に記載の装置の他にも、ＬＥＤ式液面センサーを用いて液体の液面を検知する装置が知られている。

特開２０００−０９７７５０号公報 特開平８−２７８１８７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置等を用いて、液化窒素等の低温液体の液面を検知しようとすると、低温液体によって大気中の水分が凍結され、センサーの表面に氷が付着する。そのため、特許文献１に記載の装置等にあっては、低温液体の液面を検知する際に、検知精度が著しく低下する。
また、特許文献２に記載のフロートセンサーを用いて、低温液体の液面を検知しようとすると、フロートセンサーの表面に氷が付着し、フロートセンサーが液面の変動に追従して動かなくなる。そのため、特許文献２に記載のフロートセンサーにあっては、低温液体の液面を検出する際に、誤検出が起きる。

このように、特許文献１，２に記載の技術にあっては、検知精度の維持、及び誤検出の防止のため、大気環境下での使用を避けなければならない。さらに特許文献１，２に記載の技術にあっては、センサー、及びフロートセンサーの表面に付着した氷を定期的に取り除くメンテナンス作業が必要である。
以上説明したように、特許文献１，２に記載の技術は、大気環境下で低温液体の液面を検知する用途に適していない。

また、低温液体の貯留槽の中に、凍結対象となる被凍結物を連続的に供給する場合にあっては、被凍結物、及び凍結物等の物体が、センサー等と直接接触することがある。そのため、特許文献１，２に記載の技術を用いて貯留槽の液面を検出しながら凍結物を製造すると、誤検出、故障等の不具合が生じやすく、生産効率が低下する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、大気環境下でも、低温液体の液面を高精度で検出でき、誤検出が起きにくく、メンテナンス作業の低減を可能とする液面検知装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］ 液体の液面を検知する装置であって、状態変化する物質と、前記物質が封入された密閉容器と、前記密閉容器と前記液面とが接触した際に起きる、前記物質の状態変化を検出するとともに、前記密閉容器に封入された検出手段と、を備える液面検知装置。
［２］ 前記物質が、空気、二酸化炭素ガス、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、フロンガスからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む気体である、［１］の液面検知装置。
［３］ 前記密閉容器内の圧力を調節する圧力調節手段を備える、［１］又は［２］の液面検知装置。
［４］ 液体の液面を検知する装置であって、気体状態の物質と、前記物質が封入された密閉容器と、前記密閉容器と前記液面とが接触した際に起きる、前記密閉容器内の圧力変化を検出するとともに、前記密閉容器に封入された圧力検出手段と、を備える液面検知装置。
［５］ 液体の液面を検知する方法であって、状態変化する物質と、前記物質の状態変化を検出する検出手段と、を密閉容器に封入し、前記密閉容器と、前記液面とが接触した際に起きる前記状態変化を、前記検出手段を用いて検出する、液面検知方法。
［６］ 前記物質が、空気、二酸化炭素ガス、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、フロンガスからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む気体である、［５］の液面検知方法。
［７］ 前記密閉容器内の圧力を、前記物質の飽和蒸気圧以上とする、［５］又は［６］の液面検知方法。
［８］ 液体の液面を検知する方法であって、気体状態の物質と、前記物質の圧力変化を検出する圧力検出手段と、を密閉容器に封入し、前記密閉容器と、前記液面とが接触した際に起きる、前記圧力変化を、前記圧力検出手段を用いて検出する、液面検知方法。
［９］ 液面を検出する液面センサーに装着して用いるアダプターキットであって、前記液面センサーが封入される密閉容器と、前記密閉容器の温度変化により液化する物質と、前記物質を前記密閉容器内に封入する封入手段と、を備える、アダプターキット。
［１０］ 気体の圧力変化を検出する圧力センサーに装着して用いるアダプターキットであって、前記圧力センサーが封入される密閉容器と、前記密閉容器の温度変化により圧力が変化する気体と、前記気体を前記密閉容器内に封入する封入手段と、を備える、アダプターキット。
［１１］ ［１］〜［４］のいずれかの液面検知装置と、低温液体を貯留する貯留槽と、前記低温液体に被凍結物を供給する供給装置と、を備える、凍結物の製造システム。
［１２］ ［１］〜［４］のいずれかの液面検知装置を用いて、低温液体の液面を監視しながら、前記低温液体に被凍結物を供給する、凍結物の製造方法。

本発明によれば、大気環境下でも低温液体の液面を高精度で検出できる。
本発明によれば、誤検出が起きにくく、メンテナンス作業の低減を可能とする液面検知装置を提供できる。

第１の実施形態に係る液面検知装置の構成の一例を示す図である。 図１の液面検知装置を用いて液面を検知する方法を説明するための図である。 図１の液面検知装置を用いて液面を検知する方法を説明するための図である。 図１の液面検知装置を備える凍結物の製造システムの構成の一例を示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の液面検知装置、アダプターキット、液面検知方法、凍結物の製造システム、及び凍結物の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る液面検知装置１の構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、液面検知装置１は、状態変化する物質が封入された密閉容器２と、物質の状態変化を検出するとともに、密閉容器２に封入された検出手段３と、状態変化を監視する監視手段４と、物質を密閉容器２内に封入するための封入管５と、封入管５の開閉を制御する開閉弁６と、密閉容器２と封入管５とを接続する接続部７と、監視手段４に設けられたランプ８とを備えて概略構成されている。

液面検知装置１は、液体の液面を検知する装置である。液面検知装置１は、検知対象である液体の温度Ｔ_Ｌと、密閉容器２内の初期温度Ｔ_０との温度差△Ｔを利用して、液体の液面を検知する。ここで△Ｔは、Ｔ_Ｌ−Ｔ_０によって計算される。なお、密閉容器２内の初期温度Ｔ_０としては、液面検知装置１を使用する周囲の環境温度を採用してもよい。

△Ｔが正の値である場合、液体の液面と、密閉容器２との接触により、密閉容器２の温度が、次第に上昇する。液面検知装置１は、密閉容器２の温度上昇に起因する密閉容器２内の物質の状態変化を検出することにより、液体の液面を検知する。

△Ｔが負の値である場合、液体の液面と、密閉容器２との接触により、密閉容器２の温度が、次第に低下する。液面検知装置１は、密閉容器２の温度低下に起因する密閉容器２内の物質の状態変化を検出することにより、液体の液面を検知する。

第１の実施形態では、△Ｔが負の値である場合、すなわち、初期温度Ｔ_０より低い温度の液体の液面を液面検知装置１が検知する場合を一例に、液面検知装置１の各構成要素に関して詳しく説明を行う。

密閉容器２は、状態変化する物質と検出手段３とを容器内に密閉して封入できるとともに、液体との接触による温度低下に耐えうる形態であれば特に限定されない。密閉容器２の材質は、特に限定されない。密閉容器２の材質としては、ＳＵＳ３０４等のステンレス、ガラスが例示される。

状態変化する物質は、液体の液面と、密閉容器２との接触により、状態が変化する形態であれば特に限定されない。状態変化する物質としては、固体に変化する液体の物質、液体に変化する気体の物質、及び固体に変化する気体の物質からなる群より選ばれる少なくとも一つである。状態変化する物質は、有機化合物であってもよく、無機化合物であってもよい。

固体に変化する液体の物質としては、水；食塩水等の無機塩の水溶液；液体の油脂；フェノール、キシレン等の有機溶媒が例示される。
液体に変化する気体の物質としては、空気；水蒸気；窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、フロンガス等の不活性ガスが例示される。
固体に変化する気体の物質としては、二酸化炭素ガス等が例示される。

以下、状態変化する物質が、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、及びフロンガスからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む不活性ガスである場合を一例として、第１の実施形態について説明する。

検出手段３は、密閉容器２内に封入されている。これにより、検出手段３は、密閉容器２内の不活性ガスの状態変化を検出できる。
検出手段３は、密閉容器２と、検知対象である液体の液面とが接触した際に起きる、密閉容器２内の不活性ガスの状態変化を検出する。これにより、液面検知装置１は、検知対象である液体の液面を検知できる。

第１の実施形態では、検出手段３は、不活性ガスが液体に変化する状態変化を検出する。例えば、検出手段３は、不活性ガスの液化にともなう液相の形成を密閉容器２内で、検出することで、不活性ガスの状態変化を検出する形態であってもよい。
検出手段３としては、ＬＥＤ式液面センサー、静電容量式液面センサー、フロートセンサー等が例示される。検出手段３は、不活性ガスの状態変化を検出すると、監視手段４に検知信号を送信する。

監視手段４は、検出手段３で検知した不活性ガスの状態変化を監視できる形態であれば特に限定されない。
監視手段４は、検出手段３と電気的に接続されている。これにより、監視手段４は、検出手段３が送信した検知信号を電気的に受信できる。監視手段４は、ランプ８を有している。ランプ８は、監視手段４が検知信号を受信したときに点灯する。これにより、液面検知装置１の使用者は、検出手段３が検知信号を送信したことを容易に認識できる。
このように、本実施形態では、不活性ガスの状態変化を検出する検出器が、検出手段３と、監視手段４と、ランプ８とを有して構成されている。

封入管５は、不活性ガスを密閉容器２内に封入するための配管である。封入管５は、接続部７に接続されている。これにより、封入管５は、接続部７を介して、不活性ガスを密閉容器２内に供給できる。
封入管５には、開閉弁６が設けられている。開閉弁６は、封入管５の開閉を調節できる形態であれば特に限定されない。
本実施形態では、開閉弁６は、封入管５の開閉度を調節し、密閉容器２内の圧力を調節する圧力調節手段の一形態例である。開閉弁６によって、密閉容器２内の圧力を調節すると、液面検知装置１は、検知対象である液体の温度Ｔ_Ｌと、密閉容器２内の初期温度Ｔ_０との温度差△Ｔが小さい場合であっても、不活性ガスの液化を速やかに起こすことができる。

接続部７は、密閉容器２と、封入管５とを接続する。これにより、封入管５から供給された不活性ガスが密閉容器２内に封入される。
なお、液面検知装置１は、接続部７を備えない形態であってもよい。すなわち、液面検知装置１は、封入管５と密閉容器２とが直接接続している形態であってもよい。

本実施形態では、密閉容器２内に不活性ガスを封入する封入手段が、封入管５と、開閉弁６と、接続部７とを有して構成されている。封入手段は、封入管５と、開閉弁６と、接続部７とを有することにより、密閉容器２内に不活性ガスを封入できる。
なお、封入手段は、開閉弁６を有さない形態であってもよい。すなわち、封入手段は、不活性ガスが密閉容器２内に封入された状態で、封入管５が溶接等によって封止されている形態であってもよい。

以上説明した液面検知装置１は、密閉容器２と液面とが接触した際に起きる不活性ガスの状態変化を、検出手段３が検出するとともに、検出手段３が密閉容器２内に封入されている。そのため、大気環境下で低温液体の液面を検知するために液面検知装置１を用いても、大気中の水分が凍結して検出手段３の表面に氷が付着しにくい。よって、液面検知装置１によれば、大気環境下でも、低温液体の液面を高精度で検出でき、誤検出が起きにくく、氷を取り除く等のメンテナンス作業が低減される。

なお、液面検知装置１は、不活性ガスの状態変化を検出する検出手段３が密閉容器２内に封入されているため、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化メタン、液化エタン、液化酸素、一酸化炭素等の可燃性の液体の液面の検知をする際には、センサーが備える導線で火花が生じても引火する恐れがない。すなわち、液面検知装置１によれば、可燃性の液体の液面の検知をする際にも、長期間にわたって、液面を高精度で検出でき、誤検出が起きにくく、保守点検等のメンテナンス作業が低減される。

なお、状態変化する物質の種類によっては、密閉容器２内に少量の水分が混入してしまう場合が考えられる。このように物質の種類に起因して、密閉容器２内に水分が混入しても、液面検知装置１によれば、検出手段３の表面より先に密閉容器２の外壁で水分の凍結が起き、さらには密閉容器２内に混入する水分量にも限りがあるため、検出手段３の表面に氷が付着しにくい。よって、この場合でも、低温液体の液面を高精度で検出でき、誤検出が起きにくく、氷を取り除く等のメンテナンス作業が低減される。

以下、第１の実施形態に係る液面検知方法について説明する。第１の実施形態に係る液面検知方法は、上述した構成を有する液面検知装置１を用いる、液体の液面を検知する方法である。

まず、第１の実施形態に係る液面検知方法では、状態変化する物質である不活性ガスと、不活性ガスの状態変化を検出する検出手段３と、を密閉容器２に封入する。本実施形態では、開閉弁６を開として、封入管５から不活性ガスを密閉容器２に供給できる。その後、開閉弁６を閉として、不活性ガスを密閉容器２に封入する。不活性ガスが封入された密閉容器２内の圧力については、後述する。検出手段３を密閉容器２に封入する方法は、特に限定されない。

図２及び図３は、液面検知装置１を用いて低温液体Ｌの液面を検知する方法を説明するための図である。図２に示すように、低温液体Ｌは、貯留槽９に貯留されている。また、液面検知装置１は、低温液体Ｌの上方に配置されている。なお、低温液体Ｌが貯留された貯留槽９は、大気圧下に置かれているが、液面検知装置１の適用範囲は、大気圧下での使用に限定されない。

低温液体Ｌとしては、液化窒素、液化ヘリウム、液化アルゴン、液化キセノン、液化クリプトン、液化二酸化炭素等の不燃性の液化ガス；ＬＮＧ、液化メタン、液化エタン、液化酸素等の可燃性の液化ガスが例示される。ここで、「低温」とは、低温液体Ｌが液体の状態を維持できる温度範囲であれば特に限定されない。

図２に示す状態では、低温液体Ｌの液面は、液面検知装置１が備える密閉容器２の底部より下方に位置している。そのため、図２に示す状態において、液面検知装置１は、低温液体Ｌの液面を検知する前の状態にある。即ち、図２は、液面検知装置１が低温液体Ｌの液面を検知していない状態を示している。

次に、貯留槽９に、図示せぬ低温液体の供給源から低温液体Ｌを供給する。これにより、貯留槽９内の低温液体Ｌの液面が上昇する。液面が上昇すると、液面検知装置１が図３に示す状態となる。

図３に示す状態では、低温液体Ｌの液面は、密閉容器２の底部より上方に位置している。低温液体Ｌの液面が上昇し、密閉容器２の底部が位置する高さに到達して密閉容器２と接触すると、密閉容器２が冷却され、密閉容器２内の不活性ガスが冷却されて液化する。このように、第１の実施形態では、密閉容器２と、低温液体Ｌの液面とが接触した際に、不活性ガスの状態変化が起きる。

図３に示すように、密閉容器２内では、不活性ガスの一部の状態が気体から液体に変化し、液相ｌが形成される。第１の実施形態に係る液面検知方法では、密閉容器２と、低温液体Ｌの液面とが接触した際に起きる不活性ガスの液化を、検出手段３を用いて検出する。
液相ｌの形成が、検出手段３によって密閉容器２内で検出されると、検知信号が検出手段３から監視手段４に送信される。監視手段４が検知信号を受信すると、ランプ８が点灯する。これにより、使用者は、液面検知装置１が低温液体Ｌの液面を検知したことを認識できる。
以上説明したようにして、第１の実施形態に係る液面検知方法では、液面検知装置１を用いて、低温液体Ｌの液面を検知する。

第１の実施形態に係る液面検知方法では、密閉容器２内の物質が状態変化を起こしやすいことが好ましい。状態変化を起こしやすい物質としては、窒素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、フロンガス等の不活性ガス；空気；二酸化炭素ガスが例示される。

本実施形態の液面検知方法では、密閉容器２内の圧力を、低温液体Ｌの沸点における、不活性ガスの飽和蒸気圧以上とすることが好ましい。これにより、密閉容器２内の不活性ガスの液化が始まる温度が高くなる。そのため、低温液体Ｌの液面が密閉容器２の底部に到達すれば、不活性ガスの温度が低温液体Ｌの沸点付近の温度に低下する前でも、不活性ガスが密閉容器２内で液化しやすくなる。よって、速やかに低温液体Ｌの液面を検知でき、検出感度が向上する。

不活性ガスとして窒素ガスを、低温液体Ｌとして液化酸素を大気圧下で用いた場合を例に説明する。大気圧下の液化酸素の沸点は−１８３℃である。この場合、密閉容器２内の圧力は、−１８３℃における窒素ガスの飽和蒸気圧である０．３ＭＰａＧ以上に設定することが好ましい。密閉容器２内の圧力が０．３ＭＰａＧ以上であると、液化酸素が密閉容器２の底部に到達すれば、窒素ガスの温度が−１８３℃付近の温度に低下する前でも、窒素ガスが密閉容器２内で速やかに液化する。

以上説明した液面検知方法は、不活性ガスの状態変化を密閉容器２内に封入された検出手段３を用いて検出する。そのため、大気中の水分が凍結して氷が発生しても、低温液体の液面を高精度で検出でき、誤検出が起きにくい。

以下、第１の実施形態に係るアダプターキットについて説明する。
第１の実施形態に係るアダプターキットは、液面を検出する液面センサーに装着して用いるアダプターキットである。本実施形態のアダプターキットは、液面センサーが封入される密閉容器と、前記密閉容器の温度変化により液化する物質と、前記物質を前記密閉容器内に封入する封入手段とを備える。

液面センサーとしては、ＬＥＤ式液面センサー、静電容量式液面センサー、フロートセンサー等を採用できる。
液面センサーが封入される密閉容器としては、上述した密閉容器２を採用できる。
前記密閉容器の温度変化により液化する物質としては、上述した不活性ガスを採用できる。
不活性ガスを密閉容器内に封入する封入手段としては、上述した封入管５と、開閉弁６と、接続部７とを有している形態を採用できる。

アダプターキットの使用方法の一例を下記に示す。
まず、液面センサーを密閉容器内に封入する。次に、液面センサーが密閉容器内に封入された状態で、封入手段を用いて不活性ガスを密閉容器２内に封入する。これにより、液面検知装置１と同様の構成を備える液面検知装置が得られる。
このようにして得られた液面検知装置は、第１の実施形態に係る液面検出方法で説明した内容と同様の方法で低温液体Ｌの液面を検知する用途に利用できる。

以上説明した第１の実施形態に係るアダプターキットは、液面センサーが封入される密閉容器と、密閉容器の温度変化により液化する不活性ガスと、不活性ガスを密閉容器内に封入する封入手段とを備える。そのため、第１の実施形態に係るアダプターキットによれば、密閉容器に封入された不活性ガスが冷却されて液化する状態変化を、密閉容器内に封入された液面センサーで検出できる。
よって、第１の実施形態に係るアダプターキットによれば、大気中の水分が凍結して氷が発生しても、低温液体の液面を高精度で検出でき、誤検出を低減でき、氷を取り除く等のメンテナンス作業が低減される。

以下、第１の実施形態に係る凍結物の製造システムについて説明する。
図４は、第１の実施形態に係る凍結物の製造システム３０の構成の一例を示す図である。図４に示すように、凍結物の製造システム３０は、液面検知装置１と、低温液体Ｌを貯留する貯留槽９と、低温液体Ｌの供給源１０と、低温液体Ｌに被凍結物を供給する供給装置２０と、を備えて概略構成されている。
第１の実施形態に係る凍結物の製造システム３０は、被凍結物ｉを低温液体Ｌによって凍結し、凍結物ｊを製造する。

凍結物の製造システム３０は、低温液体Ｌの液面の低下を、液面検知装置１によって検知する。凍結物の製造システム３０は、貯留槽９の液面が低下したときに、供給源１０から低温液体Ｌを貯留槽９に供給する。

供給源１０は、低温液体Ｌを貯留槽９に供給できる形態であれば特に限定されない。
供給源１０は、電磁弁１１を備えている。電磁弁１１は低温液体Ｌの供給の開始と停止を制御できる形態であれば特に限定されない。
電磁弁１１は、液面検知装置１が備える監視手段４と電気的に接続されている。

液面検知装置１は、低温液体Ｌの液面が上昇して低温液体Ｌの液面を検知すると、検知信号を電磁弁１１に送信する。電磁弁１１は、検知信号を受信すると、閉となり、低温液体Ｌの供給が停止する。
液面検知装置１は、低温液体Ｌの液面が下降して低温液体Ｌの液面を検知しなくなると、低下信号を電磁弁１１に送信する。電磁弁１１は、低下信号を受信すると、開となり、低温液体Ｌの供給が開始する。

供給装置２０は、低温液体Ｌに被凍結物を供給できる形態であれば特に限定されない。
図４に示すように、本実施形態では、供給装置２０が上下に運動する。これにより、供給装置２０は、被凍結物ｉを低温液体に浸漬して供給する操作と、凍結物ｊを低温液体Ｌから回収する操作を繰り返すことができる。

以上説明した凍結物の製造システム３０は、液面検知装置１を備えるため、検出手段３が、凍結物ｊ、及び低温液体Ｌと直接接触することがなく、誤作動、及び誤検出が起きにくく、メンテナンス作業が低減される。そのため、凍結物の製造システム３０は、供給源１０から低温液体Ｌを貯留槽９に供給する操作と、低温液体Ｌの供給を停止する操作とを、長期間にわたって繰り返し実行できる。よって、凍結物の製造システム３０によれば、貯留槽９内の低温液体の量を長期にわたって適正に保つことができるとともに、メンテナンス作業が低減されるため、凍結物の生産効率が向上する。

以下、第１の実施形態に係る凍結物の製造方法について説明する。第１の実施形態に係る凍結物の製造方法は、上述した構成を有する凍結物の製造システム３０を用いる凍結物の製造方法である。以下、図４を用いて、第１の実施形態に係る凍結物の製造方法について説明する。

本実施形態の凍結物の製造方法では、液面検知装置１を用いて、貯留槽９の低温液体Ｌの液面を監視しながら、低温液体Ｌに被凍結物を供給する。
低温液体Ｌの液面が上昇し、液面検知装置１が液面を検知すると、検知信号が電磁弁１１に送信される。電磁弁１１が検知信号を受信すると、電磁弁１１が閉となり、低温液体Ｌの供給が停止する。
低温液体Ｌの液面が下降し、液面検知装置１が液面を検知しなくなると、低下信号が電磁弁１１に送信される。電磁弁１１が低下信号を受信すると、電磁弁１１が開となり、低温液体Ｌの供給が開始する。
このように液面検知装置１を用いて、貯留槽９の低温液体Ｌの液面を監視しながら、低温液体Ｌに被凍結物ｉを供給する。

以上説明した、本実施形態の凍結物の製造方法によれば、液面検知装置１を用いて、貯留槽９の低温液体Ｌの液面を監視しながら、低温液体Ｌに被凍結物ｉを供給するため、長時間凍結物を製造しても、検出手段３が凍結物ｊ及びその一部と接触することがなく、誤作動、及び誤検出が起きにくい。そのため、本実施形態の凍結物の製造方法によれば、貯留槽９内の低温液体の量を長期にわたって適正に保つことができ、凍結物の生産効率が向上する。

＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の説明において、第１の実施形態で説明した構成と、同一の構成については、同一の語、及び同一の符号を用い、その説明を省略する。

以下、第２の実施形態に係る液面検知装置について説明する。
第２の実施形態に係る液面検知装置は、液面検知装置１が備える検出手段３が、気体状態の物質である不活性ガスが封入された密閉容器２内の圧力変化を検出する圧力検出手段と置換されている点以外は、液面検知装置１と同一の構成を備えている。
すなわち、第２の実施形態に係る液面検知装置は、気体状態の物質である不活性ガスと、不活性ガスが封入された密閉容器２と、密閉容器２内の圧力変化を検出する圧力検出手段と、を備えている。

圧力検出手段は、密閉容器２内の圧力変化を検出できる形態であれば特に限定されない。圧力検出手段としては、圧力センサー、マノメーター、真空計等が例示される。
圧力検出手段は、密閉容器２と検知対象である液体の液面とが接触した際に起きる、密閉容器２内の圧力変化を検出する。これにより、第２の実施形態に係る液面検知装置は、検知対象である液体の液面を検知できる。

第２の実施形態に係る液面検知装置は、密閉容器２内に封入された圧力検出手段により、密閉容器２内の圧力変化を検出する。これより、密閉容器２内の不活性ガスの温度変化を検出できるため、第２の実施形態に係る液面検知装置は、第１の実施形態に係る液面検知装置１と同様の効果を奏する。

以下、第２の実施形態に係る液面検知方法について説明する。第２の実施形態に係る液面検知方法は、上述した第２の実施形態に係る液面検知装置を用いる液面検知方法である。なお、第２の実施形態に係る液面検知方法では、密閉容器２内に封入されている不活性ガスが理想気体の状態方程式に概ね従うとの仮定に基づいて、液面を検出する。

まず、第２の実施形態に係る液面検知方法では、不活性ガスと、不活性ガスの圧力変化を検出する圧力検出手段と、を密閉容器２に封入する。圧力検出手段を密閉容器２に封入する方法は、特に限定されない。

低温液体Ｌの液面が上昇し、密閉容器２の底部が位置する高さに、低温液体Ｌの液面が到達して密閉容器２と接触すると、密閉容器２が冷却され、密閉容器２内に封入されている不活性ガスが冷却される。このとき、密閉容器２内の不活性ガスの温度が低下すると、密閉容器２内の不活性ガスの圧力も低下する。このように、第２の実施形態に係る液面検知方法では、密閉容器２と、低温液体Ｌの液面とが接触した際に起きる、不活性ガスの圧力変化を、密閉容器２に封入された圧力検出手段を用いて検出する。

密閉容器２内の圧力変化が、圧力検出手段によって密閉容器２内で検出されると、検知信号が検出手段３から監視手段４に送信される。監視手段４が検知信号を受信すると、ランプ８が点灯する。これにより、使用者は、第２の実施形態に係る液面検知装置が低温液体Ｌの液面を検知したことを認識できる。
以上説明したようにして、第２の実施形態に係る液面検知方法では、第２の実施形態に係る液面検知装置を用いて、低温液体Ｌの液面を検知する。

以上説明した第２の実施形態に係る液面検知方法は、第１の実施形態に係る液面検知方法と同様の効果を奏する。

以下、第２の実施形態に係るアダプターキットについて説明する。
第２の実施形態に係るアダプターキットは、装着対象が、気体の圧力変化を検出する圧力センサーである点と、密閉容器の温度変化により圧力が変化する気体として、不活性ガスを備えている点以外は、第１の実施形態に係るアダプターキットと同一の構成を備えている。

第２の実施形態に係るアダプターキットは、第１の実施形態に係るアダプターキットと同様にして使用できる。
第２の実施形態に係るアダプターキットは、第１の実施形態に係るアダプターキットと同様の用途に適用できる。
第２の実施形態に係るアダプターキットは、第１の実施形態に係るアダプターキットと同様の効果を奏する。

以下、第２の実施形態に係る凍結物の製造システムについて説明する。
第２の実施形態に係る凍結物の製造システムは、凍結物の製造システム３０が備える液面検知装置１が、第２の実施形態に係る液面検知装置と置換されている点以外は、凍結物の製造システム３０と同一の構成を備えている。

第２の実施形態に係る凍結物の製造システムは、第１の実施形態に係る凍結物の製造システムと同様の効果を奏する。

以下、第２の実施形態に係る凍結物の製造方法について説明する。第２の実施形態に係る凍結物の製造方法は、第２の実施形態に係る凍結物の製造システムを用いる凍結物の製造方法である。
第２の実施形態に係る凍結物の製造方法は、第１の実施形態に係る凍結物の製造方法と同様の効果を奏する。

＜第３の実施形態＞
以下、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態の説明において、第１の実施形態、及び第２の実施形態で説明した構成と、同一の構成については、同一の語、及び同一の符号を用い、その説明を省略する。

第３の実施形態に係る液面検知装置は、液面検知装置１と同様に、検知対象である液体の温度Ｔ_Ｌと、密閉容器２内の初期温度Ｔ_０との温度差△Ｔを利用して、液体の液面を検知する。ここで△Ｔは、Ｔ_Ｌ−Ｔ_０によって計算される。
第３の実施形態では、第１の実施形態、及び第２の実施形態と異なり、△Ｔが正の値である場合、すなわち、初期温度Ｔ_０より高い温度の液体の液面を液面検知装置が検知する場合に関して詳しく説明を行う。

第３の実施形態に係る液面検知装置は、液体の液面と、密閉容器２との接触により、密閉容器２の温度が、次第に上昇する。液面検知装置１は、密閉容器２の温度上昇に起因する密閉容器２内の物質の状態変化を検出し、液体の液面を検知する。

第３の実施形態においては、密閉容器２内の物質が、液体に変化する固体、気体に変化する固体、及び気体に変化する液体からなる群より選ばれる少なくとも一つである。
液体に変化する固体の物質としては、氷；固体の油脂；水酸化ナトリウム、炭酸カリウム等の無機化合物の結晶；フェノール、キシレン等の有機化合物の結晶等が例示される。
気体に変化する固体の物質としては、ドライアイス；固体のヨウ素等が例示される。
気体に変化する液体の物質としては、水；食塩水等の無機塩の水溶液；液化窒素、液化酸素、液化アルゴン、液化ヘリウム、液体のフロン等の不活性ガス；液化空気等が例示される。

第３の実施形態に係る検出手段としては、液体の液面と、密閉容器２との接触による、密閉容器２内の物質の状態変化できる形態であれば特に限定されない。
密閉容器２内の物質の液化を検出する検出手段としては、ＬＥＤ式液面センサー、静電容量式液面センサー、フロートセンサー等が例示される。
密閉容器２内の物質の気化を検出する検出手段としては、超音波センサー、圧力センサー、反射式レーザーセンサー等が例示される。

第３の実施形態に係る液面検知装置は、密閉容器２内に配置された検出手段により、液体の液面と密閉容器２との接触に起因する密閉容器２内の物質の状態変化を検出する。これより、密閉容器２内の不活性ガスの温度変化を検出するため、第３の実施形態に係る液面検知装置は、第１の実施形態に係る液面検知装置１と同様の作用効果を奏する。

以下、第３の実施形態に係る液面検知方法について説明する。第３の実施形態に係る液面検知方法は、上述した第３の実施形態に係る液面検知装置を用いる液面検知方法である。
第３の実施形態に係る液面検知方法では、液体の液面と密閉容器２との接触により、密閉容器２が加温される。これにより、密閉容器２内の物質が加熱され、状態変化する。このように、第３の実施形態では、液体の液面と密閉容器２との接触により、密閉容器２内の物質の状態を変化させる。さらに、第３の実施形態では、第３の実施形態に係る検出手段によって、密閉容器２内の物質の状態変化を検出し、液体の液面を検知する。
以上説明した第３の実施形態に係る液面検知方法は、第１の実施形態に係る液面検知方法と同様の作用効果を奏する。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されない。また、本発明は特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が加えられてよい。

例えば、以上説明した第１の実施形態、及び第２の実施形態では、検出手段が気体の液化を検出する形態であったが、第１の実施形態、及び第２の実施形態では、検出手段が液体の凝固等を検出する形態であってもよい。より具体的には、密閉容器内の物質が水溶液である場合、検出手段は水溶液による腐食に耐えうる温度センサー等の形態が好ましい。
また、以上説明した実施形態の液面検知装置は、密閉容器内の圧力を管理する圧力計をさらに備えてもよい。

＜実施例＞
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。

（実施例１）
実施例１では、上述した第１の実施形態に係る液面検知装置１を、より具体的にその効果とともに説明する。
実施例１では、不活性ガスとして、窒素ガスを使用した。密閉容器２として、外形が９．５２ｍｍ、長さが１００ｍｍである管状容器を使用した。管状容器の材質は、ＳＵＳ３０４である。検出手段３として、ＬＥＤ式液面センサー（クールテクノス社製）を使用した。実施例１では、密閉容器２内の圧力を２００ｋＰａＧとして、窒素ガスを封入した。
以上説明した構成を有する実施例１の液面検知装置を用いて、凍結物であるアイスクリームの製造システムを構築した。実施例１では、大気開放型の貯留槽に、液化窒素を貯留し、実施例１の液面検知装置を用いて、液化窒素の液面を監視した。

電磁弁を開として、貯留槽に液化窒素を供給したところ、貯留槽の液化窒素の液面が上昇した。貯留槽の液化窒素の液面が封入容器の底部から１ｃｍ上に到達したとき、窒素ガスの液化を、液面センサーが検出し、液面検知装置が検知信号を発し、電磁弁が閉となり、液化窒素の供給が自動的に停止した。

その後、アイスクリームの製造を継続した後、液化窒素が減少した。液化窒素の液面が封入容器の底部から５ｍｍ下の位置に下降したとき、液面検知装置による検知信号がなくなり、電磁弁が開となり、液化窒素の供給が自動的に再開した。

以上説明した液化窒素の供給の停止と再開を繰り返しながら、液化窒素の液面を５時間監視した。その結果、大気雰囲気下での使用であったにも関わらず、使用後にＬＥＤ液面センサーの表面に氷が付着していなかった。

（実施例２）
実施例２では、上述した第２の実施形態に係る液面検知装置を、より具体的にその効果とともに説明する。
検出手段として、密閉容器内の圧力変化を検出する圧力センサー（長野計器社製「デジタル連成計ＧＣ−６１」）を用い、密閉容器２内の圧力を１８８ｋＰａＧとして、窒素ガスを封入した以外は、実施例１と同様にして、実施例２の液面検知装置を作製した。
以上説明した構成を有する実施例２の液面検知装置を用いて、アイスクリームの製造システムを構築した。実施例２では、大気開放型の貯留槽に、液化窒素を貯留し、実施例２の液面検知装置を用いて、液化窒素の液面を監視した。

実施例２では、密閉容器内の圧力が−１０ｋＰａＧ以下となった場合、液化窒素の貯留槽への供給を停止し、密閉容器内の圧力が０ｋＰａＧに到達した場合、液化窒素の貯留槽への供給を再開するアイスクリームの製造システムを構築した。
なお、大気圧下での液化窒素の沸点は、−１９６℃（７７Ｋ）である。−１９６℃における密閉容器内の窒素ガスの飽和蒸気圧は、１０１．３ｋＰａＧである。

液化窒素を電磁弁にて供給したところ、液化窒素の液面が上昇するとともに、密閉容器内の圧力が徐々に低下した。液化窒素の液面が密閉容器の底部から５ｍｍ上に到達したとき、密閉容器内の急激に圧力が低下し、圧力センサーの指示値が−１０ｋＰａＧとなり、電磁弁が自動的に閉止した。

その後、アイスクリームの製造を継続した後、液化窒素が減少した。液化窒素の液面が封入容器の底部から５ｍｍ下に低下したとき、圧力センサーの指示値が０ｋＰａＧとなり、電磁弁が開となり、液化窒素の供給が自動的に再開した。

以上説明した液化窒素の供給の停止と再開を繰り返しながら、液化窒素の液面を５時間監視した。その結果、大気雰囲気下での使用であったにも関わらず、使用後に圧力センサーの表面に氷が付着していなかった。
液面検知装置の周囲の液化窒素の液面上には、アイスクリームの粒、アイスクリーム由来の乳成分、及びその油分が浮遊していたが、液面検知装置の誤作動、精度の低下等は起きなかった。

以上、実施例でも説明したように、大気環境下でも、低温液体の液面を高精度で検出でき、誤検出が起きにくく、メンテナンス作業の低減を可能とする液面検知装置を提供できた。

本発明は、化学品分野、食品分野、再生医療等の医薬品分野、金属加工分野等の産業分野で利用可能である。本発明は、例えば、化学プラント、医薬プラント等で使用される低温の液体を貯留する貯留槽、低温液化ガスの浸漬槽の液面を監視する技術として利用可能である。

１…液面検知装置、２…密閉容器、３…検出手段、４…監視手段、５…封入管、６…開閉弁、７…接続部、８…ランプ、９…貯留槽、１０…供給源、１１…電磁弁、２０…供給装置、３０…凍結物の製造システム、ｉ…被凍結物、ｊ…凍結物、ｌ…液相、Ｌ…低温液体。

Claims (9)

1. 低温液体の液面を検知する装置であって、
   液体に状態変化する気体の物質と、
   前記気体の物質が封入された密閉容器と、
   前記密閉容器に封入された液面センサーと、
   を備え、
   前記液面センサーは、前記密閉容器の外側の前記低温液体の液面と前記密閉容器とが接触した際に起きる前記気体の物質の液化にともなう液相の形成を、前記密閉容器内で検出する、液面検知装置。
2. 前記気体の物質が、空気、二酸化炭素ガス、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス及びフロンガスからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む気体である、請求項１に記載の液面検知装置。
3. 前記密閉容器内の圧力を調節する圧力調節手段をさらに備える、請求項１又は２に記載の液面検知装置。
4. 低温液体の液面を検知する方法であって、
   液体に状態変化する気体の物質と、前記気体の物質の状態変化を検出する液面センサーと、を密閉容器に封入し、
   前記密閉容器の外側の前記低温液体の液面と前記密閉容器とが接触した際に起きる前記気体の物質の液化にともなう液相の形成を、前記液面センサーを用いて前記密閉容器内で検出する、液面検知方法。
5. 前記気体の物質が、空気、二酸化炭素ガス、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス及びフロンガスからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む気体である、請求項４に記載の液面検知方法。
6. 前記密閉容器内の圧力を、前記気体の物質の飽和蒸気圧以上とする、請求項４又は５に記載の液面検知方法。
7. 液面を検出する液面センサーに装着して用いるアダプターキットであって、
   前記液面センサーが封入される密閉容器と、
   前記密閉容器の温度変化により液化する気体の物質と、
   前記気体の物質を前記密閉容器内に封入する封入手段と、
   を備え、
   前記液面センサーは、前記密閉容器の外側の低温液体の液面と前記密閉容器とが接触した際に起きる前記気体の物質の液化にともなう液相の形成を、前記密閉容器内で検出する、アダプターキット。
8. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の液面検知装置と、
   低温液体を貯留する貯留槽と、
   前記低温液体に被凍結物を供給する供給装置と、
   を備える、凍結物の製造システム。
9. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の液面検知装置を用いて、低温液体の液面を監視しながら、前記低温液体に被凍結物を供給する、凍結物の製造方法。

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