(57)【要約】【課題】微少流量を計測できる流量装置および微少量の液体を計量して送液できる送液装置を提供する。【解決手段】送液管１４に流れる流体２０と、気体の境界面を境界面センサ１８で検出する。境界面が検出されると、境界面センサ１８の位置より上流にある気体注入点２６よ気体３０を注入する。この気体３０により送液管１４内の流体２０を分断する。流体２０をさらに送り、注入した気体３０が境界面センサ１８の位置に達し、気体と液体の境界面が検出されると、再び、気体注入点２６より気体を注入し、液体を分断する。境界面が検出される時間間隔を計測することにより流量が算出できる。また、境界面が検出された回数から所定量の流体の計量が行える。【選択図】図２
2008014765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体供給源からの液体が送られ、液体と気体の送液方向における境界面が送液中維持される程度に小さい断面を有する送液管と、
送液管の途中の気体注入点に接続された注入管を介し、送液中の液体の途中に気体を注入する気体注入ポンプと、
送液管の気体注入点より下流に設けられ、液体と気体の境界面を検出する境界面センサと、
境界面センサが境界面を検出すると、送液管内の液体を分断するように所定量の気体を配管内に注入するよう気体注入ポンプを駆動するポンプ制御部と、
気体で分断された液体の部分の数を計数する液体部分計数部と、
計数された液体の部分の数に基づき流量を算出する流量算出部と、
を有する、流量計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流量計測装置であって、気体注入ポンプが容積型の微小流量ポンプである、流量計測装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の流量計測装置であって、境界面センサは、発熱部と感熱部を含み、発熱部により加熱したときの送液管内の気体又は液体の温度を感熱部により検出し、気体の部分と液体の部分の温度上昇の差に基づき境界面を検出する、流量計測装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の流量計測装置であって、境界面センサは、発光部と受光部を含み、発光部から発した光が境界面により反射または屈折して受光部での光量が変化することに基づき境界面を検出する、流量計測装置。
【請求項５】
液体供給源からの液体が送られ、液体と気体の送液方向における境界面が送液中維持される断面を有する送液管と、
送液管の途中の気体注入点に接続された注入管を介し、送液中の液体の途中に気体を注入する気体注入ポンプと、
送液管の気体注入点より下流に設けられ、液体と気体の境界面を検出する境界面検出センサと、
境界面センサが境界面を検出すると、送液管内の液体を分断するように所定量の気体を配管内に注入するよう気体注入ポンプを駆動するポンプ制御部と、
気体で分断された液体の部分の数を計数する液体部分計数部と、
ポンプ制御部は、所定数の分断された液体部分を送り出すよう気体注入ポンプを駆動して、所定量の液体を送液する、
送液装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小な流量を扱う流量計測装置および送液装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
１〜１０μＬ／分程度の微小な流量を測定する流量計として、下記特許文献１に記載された流量計が知られている。この文献に記載された流量計は、流れる流体の一部を加熱し、加熱された温度の高い部分が下流の測定点に到達するまでの時間を測定し、この時間に基づき流量を算出している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２１４０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記公報に記載された流量測定方法は、流量が常に一定、すなわち定常流であることが前提である。しかし、流体の流れが断続的である場合、加熱された部分が、流れが止まっている間に冷えてしまい、下流の測定点で温度上昇が検出できなくなり、流量を測定することができない。また、断続的に流れる流体から、所定の容量の流体を計り取ることにも向いていない。
【０００５】
本発明は、断続的に流れる微小流量の流体の流量を計測することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、微小な断面の送液管を流れる液体の流量を計測する装置である。対象とする微小断面の送液管は、その中に気体と液体が送液方向に分離して存在する場合に、液体の表面張力により、気体と液体の境界面が維持されつつ、送液が行われる程度に小さな断面を有するものである。
【０００７】
送液管内を送られる流体の途中にポンプより気体を注入し、この位置で管内の流体を分断する。この位置より下流に、液体と注入された気体の境界面を検出するセンサを配置する。気体により分断された状態で液体を送り、気体と液体の境界面が検出されたとき、再び気体を注入する。送液管の流れ方向に沿って、気体を注入する位置および界面を検出する位置が固定されているので、これらの位置の間の流体の量は、送液管内の容積により決まる。したがって、送液管内の気体と気体に挟まれた液体の体積は、固定の値となる。前述の液体の送りと気体の注入を繰り返すと、送液管内に液体と気体が交互に配列した状態となる。このとき、気体に挟まれた液体の一つの部分は、気体を注入する位置と境界面を検出する位置とで定まる体積を有する。したがって、この気体で分断された液体の部分が、所定の時間内にいくつ通過したかを計数すれば、流量を算出することができる。
【０００８】
また、気体で分断された液体の部分が所定数形成された後、気体を注入するポンプにより気体を注入し、所定数の液体部分を送り出すことができる。前述のように、一つの液体部分の体積は定まっているので、この体積の整数倍の液体を計量して、送液することができる。
【０００９】
境界面を検出するセンサは、発熱部と感熱部を含むものとできる。発熱部により、送液管内の液体または気体を加熱すると、加熱対象が液体か気体かにより、この部分の温度の上昇の仕方は異なる。温度上昇の相違により気体と液体の境界面を検出することができる。
【００１０】
また、境界面を検出するセンサは、発光部と受光部を含むものとできる。境界面において、発光部から発せられた光が屈折または反射し、光路が変わることを利用して、境界面を検出するようにできる。例えば、発光部から発した光を受けるように受光部を配置しておき、この光路を境界面が通過するとき、光路が変えられて受光部に検出される光が減少するようにする。また逆に、通常は、受光部には光が受光されないが、境界面が通過するときに、光が受光部に到達するようにしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態の流量測定装置および送液装置の概略構成を示す図である。
【００１２】
送液装置１０は、液体を送る送液ポンプ１２、送液ポンプ１２から送り出された液体が流れる送液管１４、送液管１４を流れる液体の途中に気体を注入する気体注入ポンプ１６を有している。また、送液管１４の所定位置に、ここを流れる液体と気体の境界面を検出する境界面センサ１８が配置されている。二つのポンプ１２，１６は、何れもダイアフラム型マイクロポンプである。
【００１３】
送液ポンプ１２は、送液対象の液体が貯えられたタンク２２より、液体を吸い込み、送液管１４に送り出す。送液管１４の途中には、気体注入管２４が接続されており、気体注入ポンプ１６により吸い込まれた気体が、注入管２４を介して、送液管１４に注入される。この位置、すなわち送液管１４に気体注入管２４が合流している点を、以降、気体注入点２６と記す。気体は、例えば、空気を用いることができ、この場合、気体を蓄えておくタンク等を用いる必要はない。取り扱う液体２０が、空気の成分、例えば酸素と反応性が高いものである場合、不活性の気体、例えば窒素を、気体注入点より注入する気体として用いることができる。この場合は、タンク２２は密閉型とし、気体注入ポンプ１６の吸込管には、窒素を蓄えたボンベ等を接続する。
【００１４】
送液管１４の、気体注入点２６より距離ａだけ下流に、境界面センサ１８が配置される。境界面センサ１８の詳細は後述する。境界面センサ１８は、送液管１４中を流れる液体と気体の境界面が、このセンサ１８の位置を通過するのを検出すると、検出信号を制御部２８に送出する。制御部２８は、検出信号を受けると、直ちに気体注入ポンプ１６を駆動して、送液管１４中に気体を注入する。さらに、送液ポンプ１２により液体が送り込まれると、注入された気体を挟んだ状態で、送液管１４中を液体が徐々に送られる。これは、言い換えれば、液体が、注入される気体により分断された状態で送られるものである。
【００１５】
送液管１４は、注入された気体と接する液体の表面張力により、液体が気体により分断された状態が維持される程度に小さい断面のものである。さらに、分断された液体が送られて、先程注入された気体が境界面センサ１８の位置に達し、境界面が検出されると、気体注入点２６にて、再び気体が注入される。これが繰り返されると、液体と気体が交互に配列された状態が形成され、この状態が維持されて送液が行われる。
【００１６】
制御部２８は、境界面の検出時に気体注入ポンプ１６を駆動制御するのに加えて、液体と気体の境界面が検出される時間間隔を計測し、これに基づき流量を算出する。また、境界面が検出された回数を数えることにより、所定量の液体を計量することもできる。
【００１７】
図２は、送液装置１０の一連の送液動作の説明図である。最初に、液体２０の先端が境界面センサ１８の位置に達する（ａ参照）と、気体注入点２６にて気体３０が注入される（ｂ参照）。この気体の注入によって、液体２０が分断される。気体注入点２６と境界面センサ１８の間の液体の部分を分割部２０-1と記す。この分割部２０-1の体積Ｖ0 は、送液管１４の、気体注入点２６から境界面センサ１８の位置までの容積である。送液管の断面積が一定であれば、この断面積に、注入点２６から境界面センサ１８までの距離ａを掛けた値が体積Ｖ0 である。
【００１８】
さらに、送液ポンプ１２により液体を送ると、分割部２０-1の全体が、境界面センサ１８の位置を通過し、これに続く液体の部分の先端が境界面センサ１８に検出される。境界面が検出されると、再び気体３０が注入され、液体が分断されて、分割部２０-2が形成される（ｃ参照）。この分割部２０-2の体積は、分割部２０-1の体積Ｖ0 と等しい。これをｎ回繰り返せば、気体注入点２６より下流の送液管１４内に、ｎ個の分割部２０-1，２０-2，・・・・，２０-nが形成される（ｄ参照）。これらの分割部の合計の体積はｎＶ0 である。ここで、送液ポンプ１２の送液を止め、気体注入ポンプ１６により連続的に気体を送り込むと、ｎ個の分割部は、送液管１４内を下流に向けて押し出されるようにして送られる（ｅ参照）。これにより、液体２０が、体積ｎＶ0 だけ計量されて送液される。分割部の数ｎを計数することにより、体積Ｖ0 の任意の整数倍の体積の計量が可能となる。
【００１９】
図３は、境界面センサ１８の構成の一例を示す図である。送液管１４を挟むようにして、発熱素子３２と感熱素子３４が配置されている。発熱素子３２が制御部２８からの発熱指示により発熱すると、熱が気体３０または液体２０を伝わって感熱素子３４に達する。気体３０の部分を伝わるか、液体２０の部分を伝わるかにより、温度上昇の仕方が異なる。この温度変化により境界面が到達したかを判定する。
【００２０】
図４は、境界面センサ１８の構成の他の例を示す図である。送液管１４を挟むようにして、発光素子３６と受光素子３８が配置されている。発光素子３６から発した光は、図（ａ）に示すように、境界面がセンサ１８の位置に接近してくると、液体の表面で反射して、受光素子３８に達する。境界面がセンサ１８の位置を通り過ぎると、図（ｂ）のように、光は受光素子３８に到達しない。また、気体３０が境界面センサ１８の位置にあるときも光は受光素子３８に到達しない。これにより、気体３０と液体２０の境界面を検出する。受光素子３８は、光を受けると、これを示す信号を制御部２８に送る。
【００２１】
図５は、境界面センサ１８の構成の更に他の例を示す図である。送液管１４を挟むようにして、発光素子４０と受光素子４２が配置されている。発光素子４０から発した光は、図（ａ）に示すように、境界面がセンサ１８の位置を通り過ぎようとするときに、液体の表面で全反射して、受光素子４２に達する。境界面がセンサ１８の位置から更に離れると、図（ｂ）のように、光は受光素子４２に到達しない。また、気体３０が境界面センサ１８の位置にあるときも光は受光素子４２に到達しない。これにより、気体３０と液体２０の境界面を検出する。受光素子４２は、光を受けると、これを示す信号を制御部２８に送る。
【００２２】
図６は、本発明の他の実施形態の送液装置５０を示す図である。前述の送液装置１０と同様の構成要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。送液装置５０が送液装置１０と異なる点は、送液装置１０が液体を送液ポンプ１２により送っていたのに対し、送液装置５０においては、貯留タンク５２から重力により送液を行う点である。液体２０を蓄えた貯留タンク５２は、供給対象に液体を送るために十分に高い位置に配置され、貯留タンク５２の底部に送液管１４が接続されている。送液管１４の、貯留タンク近傍にはバルブ５４が設けられ、貯留タンク５２から流出する液体の流量を調整する。その他の構成は、送液装置１０と同様であり、境界面センサ１８により気体と液体の境界面が検出されるごとに気体注入ポンプ１６により気体が注入され、送液管１４内の液体がこの気体により分断される。所定量の計量を行って、これを送り出す際には、バルブ５４を閉じて、流体の流れを止め、気体注入ポンプ１６を用いて押し出すようにできる。
【００２３】
本実施形態によれば、実際に送られた液体の量を直接測定することができる。つまり、送液ポンプ１２のバルブの動作不良などにより、ポンプからの送出量が低下しても、ポンプの動作に基づき流量を算出する場合と違って、流量の測定および液体の計量を行うことができる。
【００２４】
また、境界面センサ１８の位置を変更する、またはセンサを複数の箇所に設置し、これらを選択的に使用することにより、単位測定量（体積Ｖ0 ）を変えることもできる。また、気体注入点と境界面センサ１８の間の送液管１４の断面積を変えることでも、単位測定量を変えることができる。単位測定の量の分解能を得るために、送液管１４に目盛りを付し、顕微鏡等で境界面の移動を測定するようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】流量の測定および液体の計量の方法を説明するための図である。
【図３】境界面センサの構成の一例を示す図である。
【図４】境界面センサの構成の他の例を示す図である。
【図５】境界面センサの構成のさらに他の例を示す図である。
【図６】他の実施形態の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  送液装置、１２  送液ポンプ、１４  送液管、１６  気体注入ポンプ、１８  境界面センサ、２０  液体、２４  気体注入管、２６  気体注入点、２８  制御部、３０  気体。
【図１】
2008014765.tif 000003
【図２】
2008014765.tif 000004
【図３】
2008014765.tif 000005
【図４】
2008014765.tif 000006
【図５】
2008014765.tif 000007
【図６】
2008014765.tif 000008