(57)【要約】  本発明は、流体ネットワーク内の二相流体の圧力を測定するためのマノメータを形成するデバイスに関する。本デバイスは、流体が流れることのできる第一のチャネルと、第一のチャネルに通じる第二のチャネルとを含み、第二のチャネルはブラインドであり、その各寸法は流体の液相の毛細管長さ以下であり、その長さ方向壁の少なくとも一つは、その入口から端部に向けて減少する表面エネルギー勾配を有し、表面エネルギー勾配によって、流体の液相のメニスカスのぬれ角を、ブラインドチャネル内においてその入口から端部に向けて増大させることができる。熱交換器又は燃料電池における二相流体の圧力を測定する応用にも関する。
2013525791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体ネットワーク内の二相流体の圧力を測定するためのマノメータを形成するデバイスであって、
二相流体が流れる第一のチャネル（３）と、
前記第一のチャネルに通じる第二のチャネル（１）とを含み、
前記第二のチャネルがブラインドチャネルであり、該ブラインドチャネルの各寸法が、前記二相流体の液相の毛細管長さ以下であり、該ブラインドチャネルの長さ方向壁（１１）の少なくとも一つが、該ブラインドチャネルの入口から端部に向けて減少する表面エネルギー勾配を有し、前記表面エネルギー勾配によって、前記二相流体の液相のメニスカスのぬれ角を、前記ブラインドチャネル内において該ブラインドチャネルの入口から端部に向けて増大させる、マノメータを形成するデバイス。
【請求項２】
前記ブラインドチャネルの入口から端部に向けて前記長さ方向壁の少なくとも一つの表面構造が変化している、請求項１に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項３】
前記ブラインドチャネルの入口から端部に向けて前記長さ方向壁の少なくとも一つの表面化学組成が変化している、請求項１に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項４】
前記ブラインドチャネルの入口から端部に向けて前記長さ方向壁の少なくとも一つの表面構造が変化していて且つ表面化学組成が変化している、請求項１に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項５】
前記ブラインドチャネルの横寸法が５０ｎｍから５μｍの間である、請求項１から４のいずれか一項に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項６】
前記ブラインドチャネルの横寸法間の比（Ｗ／Ｈ）が１以上である、請求項１から５のいずれか一項に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項７】
前記ブラインドチャネルの長さが５０ｎｍから５００μｍの間である、請求項１から６のいずれか一項に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項８】
前記ブラインドチャネルが略矩形の横断面を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項９】
前記二層流体の圧力を求めるために前記ブラインドチャネル内の液体メニスカスの位置を測定するための測定手段を含み、前記測定手段が、前記ブラインドチャネル内に部分的に組み込まれている、請求項１から８のいずれか一項に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項１０】
前記測定手段が、互いに向き合う前記長さ方向壁の二つの部分上に配置された二つの電極を含み、該電極の各々が前記ブラインドチャネルの入口から端部まで延伸していて、前記電極が、前記ブラインドチャネル内の前記二相流体と共に、可変キャパシタンスキャパシタを形成する、請求項９に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項１１】
マノメータを形成するデバイスの製造方法であって、
（ａ）二相流体の流れる主チャネルの第一の部分（３０）を含む基板プレート（４）内にブラインドチャネルの第一の長さ方向部分（１１０）を形成するステップと、
（ｂ）前記ブラインドチャネルの第一の長さ方向部分に表面エネルギー勾配を生じさせるステップと、
（ｃ）二相流体の流れる主チャネルの第二の部分を含む他の基板プレート（５）内に前記ブラインドチャネル（１）の第二の長さ方向部分（１１１）を形成するステップであって、前記ブラインドチャネルの第一の長さ方向部分及び第二の長さ方向部分が同一の長さである、ステップと、
（ｄ）前記ブラインドチャネルの第一の長さ方向部分及び第二の長さ方向部分並びに前記主チャネルの第一の部分及び第二の部分を揃えて、一方の基板プレートを他方の基板プレートに移すステップと、
（ｅ）二つの基板プレートを互いに固定するステップとを備えた製造方法。
【請求項１２】
前記ステップ（ｄ）の前に、前記ブラインドチャネルの第二の長さ方向部分に同じ表面エネルギー勾配を生じさせる、請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記ステップ（ｂ）及び前記ステップ（ｄ）の各々の前に、金属薄層の堆積を行い、前記ブラインドチャネルの各長さ方向部分に電極を形成する、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
請求項１から１０のいずれか一項に記載のマノメータを形成するデバイスを一つ以上組み込んだ流体ネットワーク。
【請求項１５】
請求項１４に記載の流体ネットワークを含む燃料電池であって、前記マノメータの少なくとも一つが、カソード又はアノードにおける水圧を測定する、燃料電池。
【請求項１６】
液相から気相まで通過する二相流体熱交換器であって、請求項１４に記載の流体ネットワークを含み、前記マノメータの少なくとも一つが、二相流体の圧力を測定する、二相流体熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体ネットワーク中の二相流体の圧力を測定するためのマノメータを形成するデバイスに関する。
【０００２】
本発明は、マノメータの感度の改善に関し、寸法の顕著な減少及び流体ネットワーク内への組み込みを可能にする。
【０００３】
本発明が対象としている応用は、特に、二相流体熱交換器、燃料電池、又は大気圧周辺において動作する二相混合物の使用が伴う他のシステムである。
【背景技術】
【０００４】
二相流体交換器又は燃料電池等のシステムにおいては、所定の流体の液相及び気相が、熱及び質量の交換をサポートする流体ネットワーク内に同時に存在している。
【０００５】
流体の圧力と、二相流体の気相及び液相の間の質量流量（滴定濃度）とは、流体ネットワークにおける各々の分布と共に、システムの動作効率を常に明らかにするパラメータである。
【０００６】
従って、実時間における且つ流体ネットワークの重要な箇所（ホットポイント、ドライアウト箇所、目詰まり箇所）におけるこれらのパラメータの正確な情報は、故障／劣化を防止することを可能にし、システムの動作方式を修正／調整することを可能にする。
【０００７】
言い換えると、これらのパラメータ（特に圧力）の正確な測定のためのデバイスを、システムの動作又は小型化を損なわずに、上述のシステムの流体ネットワーク中に直接組み込むことが望まれている。
【０００８】
マノメータを用いて液体の圧力を測定することは既知である。
【０００９】
特に、毛細管中の液体のメニスカスの変位を測定することによって液体の圧力を測定することは既知である。
【００１０】
特許文献１には、測定感度を１０４倍増大させるためにシリンジによって注入した気泡との界面における液体メニスカスの変位を測定することによる圧力差の測定が提案されている。提案された測定デバイスの寸法は巨視的であり、小型システムの流体ネットワーク中に組み込むことはできない。また、観測可能なメニスカスの最小変位は、０．１ｍｍのオーダであり、適切なマノメータの感知素子の外部において光学手段を用いる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第４４０４８５５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明の目的は、二相流体の圧力の正確な測定用のデバイスを、システムの動作や小型化を損なわずに、熱交換器や燃料電池等のシステムの流体ネットワーク内に組み込むことを可能にする解決策を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このため、本発明の対象は、流体ネットワーク中の二相流体の圧力を測定するためのマノメータを形成するデバイスであり、そのデバイスは、
‐  第一のチャネル（その内部に二相流体が流れることができる）と、
‐  第一のチャネルに通じる第二のチャネルとを含み、第二のチャネルはブラインド（盲管）であり、その各寸法は、流体の液相の毛細管長さ以下であり、その長さ方向壁は、その入口から端部に向けて減少する表面エネルギー勾配を有し、表面エネルギー勾配によって、流体の液相のメニスカスのぬれ角を、その入口から端部に向けてブラインドチャネル内において増大させることができる。
【００１４】
毛細管長さは、毛細管力及び重力が同じ強さであるという関係において、液体の特徴的な寸法である。水の場合、毛細管長さｌｃ及び毛細管体積ｖｃはそれぞれ以下の値を有する：
【数１】
2013525791.tif 000003
及び
【数２】
2013525791.tif 000004
【００１５】
従って、本発明においては、所定の液体に対して、水力直径とブラインドチャネル（盲管）の長さとによって構築される各寸法は、液体の毛細管長さ以下である。
【００１６】
従って、本発明によると、流体ネットワークのチャネル（主チャネル）に直接接続されたブラインドチャネルの形成、及びその長さ方向壁に沿った表面エネルギー勾配の追加によって、気相との界面における液体メニスカスを正確に配置することが可能になる。
【００１７】
このメニスカスの変位は、ブラインドチャネルの入口における流体の圧力に依存する。
【００１８】
実際、本発明者の出発点は、液体マノメータにおいて、圧力影響下での気泡との界面におけるメニスカスの変位が、毛細管の壁に接触した液体のぬれによって影響を受けることを観察したことであった。
【００１９】
従って、本発明者は、流体が液相及び気相において同時に存在しているブラインドチャネルからこの影響をより正確に試験しようとした。空気も気相で存在し得る。
【００２０】
この構成が図１に示されている。
【００２１】
力の平衡関係を以下のように記述することができる：
【数３】
2013525791.tif 000005
ここで：
Ｐｌｉｑｕｉｄは、液体の圧力であり；
Ｐｇａｓは、気体の圧力であり；
Ｗは、ブラインドチャネルの幅であり；
Ｈは、ブラインドチャネルの高さであり；
σは、水の表面張力定数（〜７２ｍＪ／ｍ２）であり；
θｅは、ブラインドチャネル１の長さ方向壁１１上の水のぬれ角である。
【００２２】
この式を別の書き方で書くと：
【数４】
2013525791.tif 000006
であり、ここで、ΔＰ＝Ｐｌｉｑｕｉｄ−Ｐｇａｓであり、Ｄｈは水力直径であり、
【数５】
2013525791.tif 000007
と定義される。
【００２３】
キャビティ１０内に閉じ込められた気体の圧力は、理想気体の式
【数６】
2013525791.tif 000008
によって求められ、ここで、Ｐａｔｍは大気圧であり；
Ｌ１は、平坦なメニスカス（ｃｏｓθｅ＝１）とキャビティ１０の端部との間の距離であり；
ｙは、気体との界面における液体（水）メニスカスの位置である。
【００２４】
式（２）の両方の項が同じオーダの強さである場合に、ぬれ効果が顕著であると考えられる。
【００２５】
図２は、水力直径の関数として圧力差の代表的な曲線を示す。この曲線の上方に位置する領域は、低ぬれ感度の領域であり、この曲線の下方に位置する領域は、高ぬれ感度の領域である。例えば、２μｍの水力直径において、圧力差が１．１ｂａｒ以下である場合に、ぬれ効果が顕著である。
【００２６】
次に、本発明者は、気体との界面における液体メニスカスの変位ｙに対する接触角（ぬれ角）の影響を研究した。
【００２７】
接触角が一定である、つまり、
ｃｏｓθｅ＝Ｋ        （５’）
とすると、以下の関係式が得られ：
【数７】
2013525791.tif 000009
従って、
【数８】
2013525791.tif 000010
となる。
【００２８】
図３Ａから図３Ｃには、それぞれ２０°、９０°、１２０°の値の異なる液体接触角の三つの構成が示されていて、特徴寸法Ｈ、Ｌ１、Ｌ２が示されている。
【００２９】
ブラインドチャネルの長さ方向壁に沿った接触角のコサインの線形の変化を仮定すると、
ｃｏｓθｅ＝Ｋ１ｙ    （７）
となり、ここで、
【数９】
2013525791.tif 000011
である。
【００３０】
式（２）及び（３）を（１）に代入すると、以下の関係式が得られる：
【数１０】
2013525791.tif 000012
ここで、
【数１１】
2013525791.tif 000013
である。
【００３１】
従って、以下の関係式が得られる
【数１２】
2013525791.tif 000014
【００３２】
ブラインドチャネルの長さ方向壁に沿った接触角のコサインの二次の変化を仮定すると、
ｃｏｓθｅ＝Ｋ２ｙ２    （１６）
となり、ここで、
【数１３】
2013525791.tif 000015
である。
【００３３】
従って、メニスカスの位置ｙに対して、以下の関係式が得られる：
【数１４】
2013525791.tif 000016
【００３４】
次に、本発明者は、比較研究を行い、以下の数値例を選択した：
‐  大きなぬれ感度を有するための１から２ｂａｒの分析圧力範囲、
‐  Ｌ１＝Ｌ２＝１００μｍ、
‐  Ｈ＝Ｗ＝１μｍのチャネルの深さ及び幅、
‐  長さＬ２におけるブラインドチャネルの入口からの０°から９０°の範囲の角度θｅ
‐  ブラインドチャネルの端部までの長さＬ１における９０°から１５０°の範囲の角度θｅ。
【００３５】
図４Ａは、液体メニスカスの位置ｙの関数として、角度θｅのコサインの代表的な曲線を示す。
【００３６】
図４Ｂは、圧力Ｐの関数として、メニスカスの位置ｙの代表的な曲線を示す。
【００３７】
図４Ｃは、圧力Ｐの関数として、メニスカスの変位の感度の代表的な曲線を示す。
【００３８】
従って、この分析に基づいて、本発明者は、ぬれ角（接触角）を変更することによって、マノメータ（その測定原理は液体メニスカスの位置である）の測定感度を実質的に大幅に増大させることができるという結論に達した。
【００３９】
言い換えると、本発明者は、表面エネルギー勾配の使用によって、マノメータの測定感度を、一定の表面エネルギーを有する疎水性表面の場合と比較して、増大させることができるとの結論に至った。また、本発明者は、この測定感度の増大は、線形のコサイン勾配と比較して、２次の角度コサイン勾配において更に重要であるとの結論に至った。
【００４０】
従って、その高い測定感度に起因して、本発明に係るデバイスは、比較的小さな圧力変化（典型的には１ｂａｒのオーダ）に対して微視的な寸法のものとなり得る。従って、本発明を、流体ネットワークの小型化及び動作を損なわずに、その流体ネットワーク内に組み込むことができる。
【００４１】
長さ方向壁の少なくとも一つの上に表面エネルギー勾配を与えるため、長さ方向壁の表面上の物質の化学組成の変化、長さ方向壁の構造を変化といった複数のパラメータを変更し得る。マイクロメートル又はナノメートルスケールの構造の変化として、その壁の表面構造を形成しているキャビティの形状（深さ、幅）の変化、キャビティの密度の変化、キャビティの形状及び密度の変化が挙げられる。以下の三つの解決策が、原理的には想定される：
‐  均一な化学組成、及び、ブラインドチャネルの入口から端部まで増大していく深さ勾配を有する表面構造、
‐  ブラインドチャネルの入口から端部までの化学組成勾配、及び、均一な表面構造、
‐  化学組成勾配、及び、ブラインドチャネルの入口から端部まで均一な深さ勾配を有する表面構造。
【００４２】
燃料電池又は二相流体熱交換器に組み込まれる微視的寸法のデバイスに対して、ブラインドチャネルの横寸法（又は水力直径）は、０．５ｂａｒ以上の圧力変化を測定するために、５０ｎｍから５μの間であり得る（図２）。
【００４３】
ブラインドチャネルの長さは、５０ｎｍから５００μｍの間であり得る。
【００４４】
ブラインドチャネルは、略矩形（つまり、矩形又は同様の形状であって、リッジの有るもの／無いもの（多角形／卵形））の横断面のものであり得る。
【００４５】
流体の圧力を求めるために液体メニスカスの位置を測定する手段は、有利には、ブラインドチャネル内に部分的に組み込まれる。
【００４６】
有利な実施形態では、測定手段は、互いに向き合う長さ方向壁の二つの部分上に配置された二つの電極を含み、その各々は、ブラインドチャネルの入口から端部まで延伸し、電極は、ブラインドチャネル内に存在する二相流体と共に、可変キャパシタンスキャパシタを形成する。
【００４７】
圧力測定は、ブラインドチャネル内において平衡状態の液体メニスカスの位置によって求められる。メニスカスは、その位置に応じてチャネル内で変化する液体／気体体積比を定める。この体積比又はその変化は、チャネル内の二相流体の平均容量の電気測定によって、求められ得る。
【００４８】
二つの向き合う電極の使用によって、流体のキャパシタンスを測定することが可能になる。
【００４９】
図５には、二つの電極２０、２１の設置が示されている。これらの電極は、ブラインドチャネル１の頂部及び底部において互いに平行に配置されている。
【００５０】
二つの電極間の距離は、マノメータの水力直径の深さに近い。
【００５１】
電極の長さ及び幅は、マノメータの長さ及び幅である。全キャパシタンスは、二相流体の気相及び液相のキャパシタンスの和、
Ｃｔ＝Ｃｌ＋Ｃｖ      （２０）
であり、ここで、
【数１５】
2013525791.tif 000017
であり、ε０は、絶対真空誘電率（ε０＝８．８５４×１０−１２）であり、εｌ及びεｖはそれぞれ水及び空気中の比誘電率である。
【００５２】
従って、全キャパシタンスは以下の関係式によって与えられる：
【数１６】
2013525791.tif 000018
【００５３】
図１２Ａ及び図１２Ｂには、ブラインドチャネルの横寸法の間の比（Ｗ／Ｈ）の関数として、全キャパシタンスが表されている。図１２Ｃ及び図１２Ｄは、この比が高くなるほど、測定感度が大きくなる様子を示す。実際には、この比は１以上である。
【００５４】
当業者は、当然に、温度の関数として、水等の液相の比誘電率の変化を考慮に入れるものである。
【００５５】
また、本発明は、上述のマノメータを形成するデバイスの製造方法にも関し、以下のステップが実行される；
ａ／  二相流体が流れることのできる主チャネルの第一の部分を含む基板プレート内にブラインドチャネルの第一の長さ方向部分を形成するステップと、
ｂ／  ブラインドチャネルの第一の部分内に表面エネルギー勾配を生じさせるステップと、
ｃ／  二相流体が流れることのできる主チャネルの第二の部分を含む他の基板プレート内にブラインドチャネルの第二の長さ方向部分を形成するステップ（ブラインドチャネルの第一及び第二の長さ方向部分は同一の長さのものである）と、
ｄ／  ブラインドチャネルの両方の長さ方向部分及び主チャネルの両方の部分を揃えて、一方の基板プレートを他方の基板プレートに移すステップと、
ｅ／  両方の基板プレートを互いに固定するステップ。
【００５６】
ステップｂ／及びｄ／に従って化学勾配を有する組成物は、ＳＡＭ（ＳＥＬＦ‐ＡＬＩＧＮＥＤ‐ＭＯＬＥＣＵＬＥ，自己整列分子）法等の既知の方法によって得ることができ、まず、疎水性分子の層を、チャネルの表面上に堆積させる。そして、疎水性層を、プラズマ又はレーザアブレーションによって部分的に除去して、親水性基板を局所的に露わにする。この逆も可能であり、つまり、疎水性基板上の親水性分子の層である。
【００５７】
従って、エッチング／アブレーションの設計制御によって、表面化学勾配を生じさせることができる。この勾配は、機能性分子の蒸着によっても得ることができる。
【００５８】
一変形例によると、ステップｄ／の前に、ブラインドチャネルの第二の長さ方向部分上に、同じ表面エネルギー勾配を生じさせる。
【００５９】
測定手段として電極を組み込むため、ステップｂ／及びステップｄ／の各々の前に、金属薄層の堆積が有利に行われて、ブラインドチャネルの各長さ方向部分に電極が構築される。電極は、Ｔｉ、Ｃｕ等の金属のＰＶＤ型の真空堆積法によって、薄層で堆積可能である。
【００６０】
プレートが導電性である場合、電極を備えた電気接続素子が、裏面に形成され得る。そうではない場合には、接続経路が、電極用と同じ方法を用いて、同時に形成され得る。
【００６１】
また、プレートの構成（導電性であるかどうか）に応じて、一つ以上の電気絶縁層（例えばＳｉＯ２、ＴｉＯ２等）を有するようにすることも可能であり、電極及び二相流体によって構成されたキャパシタを電気的に絶縁する。
【００６２】
また、本発明は、上述のマノメータを形成するデバイス一つ以上組み込んだ流体ネットワークにも関する。
【００６３】
また、本発明は、このような流体ネットワークを組み込んだ燃料電池にも関し、複数のナノメータのうち少なくとも一つが、カソード又はアノードにおいて生じた水圧を測定することができる。
【００６４】
最後に、本発明は、液相から気相まで通過することのできる二相流体熱交換器に関し、その熱交換器はこのような流体ネットワークを含み、複数のマノメータのうち少なくとも一つが流体の圧力を測定することができる。
【００６５】
本発明の他の利点及び特徴は、添付図面を参照して、例示目的であって限定的なものではない詳細な説明を読むことによって、より明らかになるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明に係るデバイスのブラインドチャネル１の概略的な長さ方向断面図を表す。
【図２】本発明に係るデバイスのブラインドチャネルの水力直径に応じた圧力差の変化の代表的な曲線を示す。
【図３】三つの異なる接触角の構成を、本発明に係るデバイスのブラインドチャネルの長方向断面図で表す。
【図４Ａ】ブラインドチャネル内の液体メニスカスの位置ｙの関数として、角度θｅのコサインの代表的な曲線を示す。
【図４Ｂ】圧力Ｐの関数として、メニスカスの位置ｙの代表的な曲線を示す。
【図４Ｃ】圧力Ｐの関数として、メニスカスの変位の感度の代表的な曲線を示す。
【図５】本発明に係るデバイスのブラインドチャネル内の液体メニスカスの位置を測定するための手段としての二つの電極の設置を示す。
【図６】本発明に係るデバイスの概略図である。
【図７】本発明に係るデバイスのブラインドチャネルの形成ステップを示す。
【図８Ａ】本発明に係るデバイスのブラインドチャネルの形成ステップを示す。
【図８Ｂ】本発明に係るデバイスのブラインドチャネルの形成ステップを示す。
【図９Ａ】本発明に係るデバイスのブラインドチャネルの形成ステップを示す。
【図９Ｂ】本発明に係るデバイスのブラインドチャネルの形成ステップを示す。
【図１０Ａ】本発明に係るデバイスのブラインドチャネルの形成ステップを示す。
【図１０Ｂ】本発明に係るデバイスのブラインドチャネルの形成ステップを示す。
【図１１Ａ】本発明に係るデバイスのブラインドチャネルの形成ステップを示す。
【図１１Ｂ】本発明に係るデバイスのブラインドチャネルの形成ステップを示す。
【図１２Ａ】ブラインドチャネルの寸法間の比の値に従って、本発明に係るデバイスのブラインドチャネル内の圧力及び液体メニスカスの位置の関数として、二相流体のキャパシタンスの変化の代表的な曲線を示す。
【図１２Ｂ】ブラインドチャネルの寸法間の比の値に従って、本発明に係るデバイスのブラインドチャネル内の圧力及び液体メニスカスの位置の関数として、二相流体のキャパシタンスの変化の代表的な曲線を示す。
【図１２Ｃ】ブラインドチャネルの寸法間の比の値に従って、本発明に係るデバイスのブラインドチャネル内の圧力及び液体メニスカスの位置の関数として、二相流体のキャパシタンスの変化の代表的な曲線を示す。
【図１２Ｄ】ブラインドチャネルの寸法間の比の値に従って、本発明に係るデバイスのブラインドチャネル内の圧力及び液体メニスカスの位置の関数として、二相流体のキャパシタンスの変化の代表的な曲線を示す。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
図１〜図５については前述しているので、以下では説明しない。
【００６８】
本発明に係るマノメータを形成するデバイスは、二相流体Ｆの圧力を測定するためのものである。
【００６９】
本デバイスは、流体ネットワークの主チャネル３（開放されているか閉鎖されていて、その中を二相流体Ｆが流れる）に通じるブラインドチャネル１を含む。このブラインドチャネル１は、ネットワークの一体部分を形成する。
【００７０】
ブラインドチャネル１の各寸法（長さ、深さ、幅）は、流体の液相の毛細管長さ以下である。
【００７１】
ブラインドチャネル１の長さ方向壁１１の少なくとも一つは、その入口から端部に向けて減少する表面エネルギー勾配を有する。
【００７２】
従って、本発明によると、表面エネルギー勾配によって、流体の液相のメニスカスのぬれ角を、ブラインドチャネル内においてその入口から端部にむけて増大させることができる。
【００７３】
図７から図１１Ｂには、デバイスの多様な製造ステップが表されている。
【００７４】
ブラインドチャネルの第一の長さ方向部分１１０は、二相流体が流れることのできる主チャネルの第一の部分３０を含む基板プレート４内に形成される。
【００７５】
金属層を堆積させて、第一の部分１１０上に電極２０がその接続部２００と共に形成される。そして、電極２０の表面に、表面エネルギー勾配１１２を生じさせる（図７の平面図、図８Ａから図１１Ｂの断面図）。
【００７６】
同様に、ブラインドチャネルの第二の長さ方向部分１１１を、二相流体が流れることのできる主チャネルの第二の部分を含む基板プレート５内に形成する。また、金属層を堆積させて、電極２１をその接続部と共に形成する。そして、ブラインドチャネル１の第二の部分１１１上に、同一の表面エネルギー勾配を生じさせる。
【００７７】
ブラインドチャネルの第一の長さ方向部分１１０及び第二の長さ方向部分１１１は、同一の長さのものである。
【００７８】
そして、ブラインドチャネルの両方の長さ方向部分１１０、１１１並びに主チャネルの両方の部分を揃えて、一方の基板プレート５を、他方４の上に移す（図８Ａ、図９Ａ、図１０Ａ、図１１Ａ）。
【００７９】
最後に、両方の基板プレート４、５を互いに固定するステップを行う（図８Ａ、図９Ｂ、図１０Ｂ、図１１Ｂ）。
【００８０】
エネルギー勾配の生成に関しては、多様な方法が想定され、例えば、二つの同一の勾配が互いに向き合う（図８Ａ及び図８Ｂ）。
【００８１】
代わりに、壁の一方が勾配を有さずに、一定の表面エネルギー（親水性又は疎水性のいずれか）を有する場合も想定される（図９Ａ及び図９Ｂにおいては、ブラインドチャネルの第一の部分１１０がエネルギー勾配を有さず、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいては、移される第二の部分１１１がエネルギー勾配を有さない）。
【００８２】
また、一方の長さ方向壁が所定の表面エネルギー勾配を有し、他方の向き合う長さ方向壁が異なる表面エネルギー勾配を有する場合も想定される（図１１Ａ及び図１１Ｂにおいては、チャネルの第一の部分１１０が或る表面エネルギー勾配１１２を有する一方、第二の部分１１１が異なる表面エネルギー勾配１１２’を有する）。
【００８３】
図１２Ａ及び図１２Ｂの曲線はそれぞれ、横寸法間の比（Ｗ／Ｈ）に応じた、圧力と、ブラインドチャネル内の空気及び水蒸気（気相）との界面における水メニスカス（液相）の位置とに対する全キャパシタンスの変化を示す。
【００８４】
液相が水であり、気相が空気及び水蒸気である二相流体に関して説明してきたが、本発明は、他の多様な二相流体に応用可能である。
【００８５】
同様に、本発明に係るデバイスのブラインドチャネルを形成するための他の形成方法も想定される。従って、アルミニウム又は鋼基板の機械加工、シリコン基板のリソグラフィ及びエッチング、ポリマー基板の注入又はエンボス加工による複製が想定される。
【符号の説明】
【００８６】
１  ブラインドチャネル
３  主チャネル
４、５  基板プレート
１０  キャビティ
１１  長さ方向壁
２０、２１  電極
１１０、１１１  ブラインドチャネルの長さ方向部分
１１２  表面エネルギー勾配
【図１】
2013525791.tif 000019
【図２】
2013525791.tif 000020
【図３Ａ−３Ｃ】
2013525791.tif 000021
【図４Ａ】
2013525791.tif 000022
【図４Ｂ】
2013525791.tif 000023
【図４Ｃ】
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【図５】
2013525791.tif 000025
【図６】
2013525791.tif 000026
【図８Ａ】
2013525791.tif 000027
【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
2013525791.tif 000029
【図９Ｂ】
2013525791.tif 000030
【図１０Ａ】
2013525791.tif 000031
【図１０Ｂ】
2013525791.tif 000032
【図１１Ａ】
2013525791.tif 000033
【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年12月27日(2012.12.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体ネットワーク内の二相流体の圧力を測定するためのマノメータを形成するデバイスであって、
二相流体が流れる第一のチャネル（３）と、
前記第一のチャネルに通じる第二のチャネル（１）とを含み、
前記第二のチャネルがブラインドチャネルであり、該ブラインドチャネルの各寸法が、前記二相流体の液相の毛細管長さ以下であり、該ブラインドチャネルの長さ方向壁（１１）の少なくとも一つが、該ブラインドチャネルの入口から端部に向けて減少する表面エネルギー勾配を有し、前記表面エネルギー勾配によって、前記二相流体の液相のメニスカスのぬれ角を、前記ブラインドチャネル内において該ブラインドチャネルの入口から端部に向けて増大させる、マノメータを形成するデバイス。
【請求項２】
前記ブラインドチャネルの入口から端部に向けて前記長さ方向壁の少なくとも一つの表面構造が変化している、請求項１に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項３】
前記ブラインドチャネルの入口から端部に向けて前記長さ方向壁の少なくとも一つの表面化学組成が変化している、請求項１に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項４】
前記ブラインドチャネルの入口から端部に向けて前記長さ方向壁の少なくとも一つの表面構造が変化していて且つ表面化学組成が均一に変化している、請求項１に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項５】
前記ブラインドチャネルの横寸法が５０ｎｍから５μｍの間である、請求項１から４のいずれか一項に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項６】
前記ブラインドチャネルの横寸法間の比（Ｗ／Ｈ）が１以上である、請求項１から５のいずれか一項に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項７】
前記ブラインドチャネルの長さが５０ｎｍから５００μｍの間である、請求項１から６のいずれか一項に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項８】
前記ブラインドチャネルが略矩形の横断面を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項９】
前記二層流体の圧力を求めるために前記ブラインドチャネル内の液体メニスカスの位置を測定するための測定手段を含み、前記測定手段が、前記ブラインドチャネル内に部分的に組み込まれている、請求項１から８のいずれか一項に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項１０】
前記測定手段が、互いに向き合う前記長さ方向壁の二つの部分上に配置された二つの電極を含み、該電極の各々が前記ブラインドチャネルの入口から端部まで延伸していて、前記電極が、前記ブラインドチャネル内の前記二相流体と共に、可変キャパシタンスキャパシタを形成する、請求項９に記載のマノメータを形成するデバイス。
【請求項１１】
マノメータを形成するデバイスの製造方法であって、
（ａ）二相流体の流れる主チャネルの第一の部分（３０）を含む基板プレート（４）内にブラインドチャネルの第一の長さ方向部分（１１０）を形成するステップと、
（ｂ）前記ブラインドチャネルの第一の長さ方向部分に表面エネルギー勾配を生じさせるステップと、
（ｃ）二相流体の流れる主チャネルの第二の部分を含む他の基板プレート（５）内に前記ブラインドチャネル（１）の第二の長さ方向部分（１１１）を形成するステップであって、前記ブラインドチャネルの第一の長さ方向部分及び第二の長さ方向部分が同一の長さである、ステップと、
（ｄ）前記ブラインドチャネルの第一の長さ方向部分及び第二の長さ方向部分並びに前記主チャネルの第一の部分及び第二の部分を揃えて、一方の基板プレートを他方の基板プレートに移すステップと、
（ｅ）二つの基板プレートを互いに固定するステップとを備えた製造方法。
【請求項１２】
前記ステップ（ｄ）の前に、前記ブラインドチャネルの第二の長さ方向部分に同じ表面エネルギー勾配を生じさせる、請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記ステップ（ｂ）及び前記ステップ（ｄ）の各々の前に、金属薄層の堆積を行い、前記ブラインドチャネルの各長さ方向部分に電極を形成する、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
請求項１から１０のいずれか一項に記載のマノメータを形成するデバイスを一つ以上組み込んだ流体ネットワーク。
【請求項１５】
請求項１４に記載の流体ネットワークを含む燃料電池であって、前記マノメータの少なくとも一つが、カソード又はアノードにおける水圧を測定する、燃料電池。
【請求項１６】
液相から気相まで通過する二相流体熱交換器であって、請求項１４に記載の流体ネットワークを含み、前記マノメータの少なくとも一つが、二相流体の圧力を測定する、二相流体熱交換器。
【国際調査報告】
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2013525791.tif 000041
2013525791.tif 000042
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