(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物のある位置で液体を検出するための液体検出装置であって：
チップ上のナノスケール分光計と、
前記位置で液体を吸収し、且つ前記構造物に前記チップを固定する流体吸収要素と
を含み、
前記要素によって吸収された流体が前記分光計によって解析される装置。
【請求項２】
前記分光計が、流体チャネルと、チャネルを介してナノリットルの流体をポンプ揚水するマイクロ流体ポンプ；検出器；及び流体検出中にスペクトル線を生成し、スペクトル線を検出器にフォーカスする半導体レーザ及び関連の光学装置とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記流体吸収要素が、前記構造物の表面形状と一致する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記流体吸収要素が、含水材料の表面形状と一致可能な層を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記流体吸収要素が、含水性接着剤を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記チップに電力を供給するための電力調達装置をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記流体吸収要素がフレックステープを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記フレックステープが、前記構造物に接着されたフレックスコンダクタを含み、前記チップが前記フレックスコンダクタに組み込まれている、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
水分及び漏れの検出方法であって、燃料漏れ又は水分の蓄積が起こりやすい構造物に複数のチップを固定することを含み、前記チップが流体を吸収する材料で固定され、各チップが吸収性の固定材料と流通している分光計を含み、各分光計が、吸収材料から流体を引き込み、引き込まれた流体のスペクトル解析を行う手段を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
航空機の燃料分配システム及び貯蔵タンクにおいて燃料漏れが起こることは周知である。燃料漏れにより燃料の経済性が落ち、例えば腐食等の他の問題を引き起こす可能性がある。
【０００２】
腐食はまた、水分の蓄積によっても起こる可能性がある。民間航空機では、調理室と化粧室の下、及び出入口と他の開口部近辺で水分の蓄積が良く見られる。水分はまた、ハニカムパネル、及び他の軽量で低強度の「サンドイッチ」構造物にも閉じ込められる場合がある。
【０００３】
民間航空機上の水分及び結果的な腐食はしばしばアクセスしづらい場所にあり、腐食の目視検査には、調理室、化粧室、パネル及び床板の費用のかかる取り外しが伴う。このような検査は、航空機の納品中の大幅なダウン時間と、納品後の顧客全機の配機の遅延につながる。
【０００４】
さらに、水分及び腐食の目視検査は多数のマン・アワーを要し得る。この検査には又かなりの費用がかかり、特に航空機が検査された時に水分又は腐食が全く発見されない時はそうである。時間とお金が無駄になってしまう。
【０００５】
航空機の機上での燃料漏れ及び水分の蓄積を連続的に検出することで、起こり得る問題を特定することができる。また燃料漏れ及び水分の蓄積の連続的な検出により、手作業と無駄な時間を削減することもできる。したがって、航空機の機上における連続的な燃料漏れ及び水分の検出が非常に望ましい。
【発明の概要】
【０００６】
本明細書の一実施形態によれば、構造物のある位置において液体を検出するための液体検出装置は、チップ上のナノスケール分光計、及びその位置において液体を吸収する、またチップを構造物に固定する流体吸収要素を含む。この要素により吸収された流体は、分光計によって解析される。
【０００７】
本明細書の別の実施形態によると、エアロスペース・プラットフォームは燃料漏れ及び水分の蓄積が起こりやすい構造物と、流体吸収要素によって構造物周囲の異なる位置に固定される複数のチップを含む。各チップは、対応する要素によって吸収された流体にスペクトル解析を行うための分光計を含む。
【０００８】
本明細書の別の実施形態によれば、水分及び漏れ検出器を航空機に装備する方法は、複数のチップを燃料漏れ又は水分の蓄積が起こりやすい構造物に固定することを含む。チップは流体を吸収する材料で固定される。各チップは吸収固定材料と流通している分光計を含む。各分光計は、吸収材料から流体を引き込み、引き込まれた流体に対してスペクトル解析を行う手段を含む。
【０００９】
本明細書の別の実施形態によれば、流体検出チップは、基板、基板に形成された流体チャネル、チャネルを通して流体を引き込むマイクロ流体ポンプ、基板上に形成された半導体レーザ、及び半導体レーザからの光をチャネルのある位置上にフォーカスするためのＭＥＭＳ制御光学システム、基板上に形成された検出器、及びその位置から光を受け入れてスペクトル線を検出器にフォーカスするＭＥＭＳ制御光回折格子を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は構造物に固定された液体検出器の図である。
【図２】図２は液体を検出するためのチップの図である。
【図３】図３は一又は複数の液体検出チップを含むフレックステープの図である。
【図４】図４ａ及び４ｂはフレックステープの異なる形状の図である。
【図５】図５は漏れ及び水分検出システムを含むエアロスペース・プラットフォームの図である。
【図６】図６は一又は複数の液体検出チップからデータを使用する方法の図である。
【図７】図７はネットワーク化された液体検出チップの航空機上での異なる位置の図である。
【図８】図８は航空機に水分及び漏れ検出器を装備する方法の図である。
【図９】図９は水分及び漏れ検出システムを操作する方法の図である。
【図１０】図１０は流体検出用チップの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
構造物１００からの漏れ、又は構造物１００内部の水分を検出するための液体検出器１１０を示す図１を参照する。構造物１００はいかなる物にも特に限定しない。第１の実施例としては、構造物１００は燃料タンクを含み、液体検出器１１０は燃料タンクからの漏れを検出するように構成されている。第２の実施例としては、構造物１００は油圧管路を含み、液体検出器１１０は油圧管路からの漏れを検出するように構成されている。第３の実施例としては、構造物１００はハニカムパネルを含み、液体検出器１１０はパネル内部に蓄積された水分を検出するように構成されている。他の実施例は非限定的に、航空機の耐圧ドーム、貯蔵タンク、燃料ポンプアセンブリ、送油経路、火炎瓶、カーゴエリア、及び液体の冷却が必要な区域（例：電子機器、環境管理システムの一部）周囲の漏れを検出するように構成されている液体検出器１１０を含む。
【００１２】
液体検出器１１０は、チップ１２０上の分光計を含む。チップ１２０は、流体のスペクトル解析を行って流体の成分を特定することができ、これにより流体の種類の特定が可能になる。流体を識別することができることは、漏れの検出に有利である。燃料タンクにおいては、例えば、漏れた燃料を水分と区別することができることで、誤認警報が発信されることを最小限に抑えることができる。
【００１３】
分光計はＭＥＭＳベース（ＭＥＭＳは微小電気機械システムの略である）であってよい。ナノスケールＭＥＭＳベースの分光計は、半導体技術を用いてチップ１２０上に加工することができる。この結果、費用が削減され、漏れ及び水分の連続的な検出及び解析を行うことができる低電力の分光計が得られる。
【００１４】
液体検出器１１０はさらに、チップ１２０を構造物１００に固定するための要素１３０（例：テープ、接着剤）を含む。要素１３０にはまた、流体吸収力がある。または、要素１３０は構造物１００の近辺で流体を吸収する。要素１３０によって吸収された流体は次に分光計１２０に運ばれて解析される。このようにして、流体吸収要素１３０はチップ上の分光計１２０を液体検出に適用する。流体吸収要素１３０はまた、構造物１００の表面の形状と一致することも可能なため、構造物１００に固定しやすい。
【００１５】
流体吸収要素１３０は線によって概略的に示されている。実際には、要素１３０は異なる方法で実現可能である。幾つかの異なる実施形態を下に記載する。一例としては、流体吸収要素１３０は含水ポリマーの層であってよい。柔軟な高分子層は構造物の表面形状と一致することができる。
【００１６】
ある実施形態では、流体吸収要素１３０は、構造物表面にコーティングされた又は噴霧された接着含水物質であってよい。チップ１２０は噴霧された物質に装着することができる。含水接着物質を噴霧することは、チップをアクセスの難しい領域に装着するのに特に有益である。
【００１７】
ある実施形態では、チップ１２０を構造物１００と一体化させることができる。第１の例としては、チップ１２０は構造物１００の製造中に構造物１００に組み込まれる。第２の例としては、構造物１００自体がチップ１２０の基板となることにより、チップ１２０の要素（例：分光計）が構造物１００に形成される。
【００１８】
構造物はいかなる物にも特に限定されない。例えば、チップはチップを壁の間に配置して中心部に固定することによってハニカムパネルと一体化させることができる。チップは流体が蓄積しやすい位置に配置される。流体吸収要素１３０はパネル内部に蓄積される流体を吸収する。
【００１９】
ここで、ナノスケールＭＥＭＳベースの回折格子分光計２２０を含むチップ２１０の一実施例を示す図２を参照する。分光計２２０は検査区域２５０において流体を解析する。例えば、レーザから光線が発生し、この光線が検査区域２５０の流体にフォーカスされる。この光線はＭＥＭＳ装置によって制御される集束光学系によってフォーカスすることができる。検査区域２５０の流体に光線が反射し、散乱して吸収される。伝播し散乱した光は光学回折格子によって反射され、ＭＥＭＳ装置によってフォーカスされてスペクトル線になる。スペクトル線は例えば直線ＣＣＤ検出器等の検出器によって検出される。
【００２０】
チップ２１０はさらに、流体流入口２３５から延在して検査区域２５０まで流体を運ぶ流体チャネル２３０を含む。流体流入口２３５は液体吸収要素と流通している。
【００２１】
チップ２１０はさらに、流体をチャネル２３０を介して運ぶポンプ２４０を含む。ポンプ２４０は医療産業で使用される種類のマイクロ流体ポンプであってよい。上記ポンプは、ナノリットルの流体を流体流入口２３５から流体チャネル２３０を介して検査区域２５０を過ぎて引き込むことができる。
【００２２】
チップ２１０はさらに、オンチップ電力を供給するための電力供給装置２６０を含むことができる。ある実施形態では、電力供給装置２６０は例えばバッテリ等の蓄電装置を含むことができる。
【００２３】
ある実施形態では、電力供給装置２６０は、電力供給装置２６０が操作される環境から電力を調達することができる。機械的振動にさらされる構造物のチップ２１０を考慮する。電力供給装置２６０は、振動を電気エネルギーに変換するための圧電素子を含むことができる。圧電素子によって放出された電気エネルギーをチップ２１０に保存し、チップ２１０によって使用することができる。又は、太陽放射線に常にさらされているチップ２１０を考慮する。電力供給装置２６０は、太陽光を電気エネルギーに変換する太陽電池を含むことができる。調達可能な他の形態のエネルギーは非限定的に、流体運動及び温度勾配を含む。電力調達は、例えばバッテリ等の蓄電装置と組み合わせて使用することができる。
【００２４】
チップ２１０はさらに、通信装置２７０を含むことができる。ある実施形態では、通信装置２７０により生データをチップ２１０から別の装置（例：コンピュータ）へ送ることができ、別の装置により、生データが処理されて漏れが発生したか否か、あるいは水分が蓄積したか否かが決定される、又は今後の診断のために生データが記憶される。ある実施形態では、通信装置２７０は生データを処理して、その後に漏れが発生したか否か、または水分が蓄積したか否かを示す結果（例：警報）を別の装置（例：保守コンピュータ又は中央ネットワーク局）に送るためのリアルタイムデジタル信号処理装置を含むことができる。通信は有線又は無線であってよい。
【００２５】
この低電力チップ２１０により、「連続的な」監視を行うことができる。分光計２２０により、検査区域２５０において液体を連続的に試料として採取することができる。
【００２６】
連続的な監視はいくつかの有利な点を有する。一つには、チップ２１０は漏れ及び水分の蓄積が発生した時に漏れ及び水分の蓄積を検出することができる。
【００２７】
本明細書の監視システムは、単一のチップ又は複数のチップを含むことができる。一又は複数のチップは、漏れが起こりやすい構造物の位置に配置することができる。複数のチップは構造物を覆う規則的なパターン（例：格子）に配置することができる。複数のチップで構造物を覆う利点は、漏れ及び水分の蓄積の局所化が可能になることである。
【００２８】
ここで、図３を参照する。ある実施形態では、流体吸収要素は「フレックステープ」３１０を含むことができる。フレックステープ３１０は、柔軟な誘電材料でできた搬送台３２０を含む。一又は複数のチップ３３０は搬送台３２０に組み込まれる。コンダクタ３４０もまた搬送台３２０に組み込むことができる。コンダクタ３４０はデータ信号等の電力を伝えることができる。フレックステープは複数のチップを含み、コンダクタ３４０はチップをネットワーク化するためのバスを含むことができる。
【００２９】
フレックステープ３１０は例えば接着バッキングによって構造物に接着することができる。フレックステープ３１０と構造物間の接着剤は含水性であり、これにより流体がチップ３３０まで運ばれる。フレックステープ３１０の一部は含水性であってよく、残りの部分は疎水性であってよい。含水性と疎水性の割合及び構成は、構造物の異なる部分に対して適合させることができるため、異なる形状、環境状態、及び材料にわたって使用可能である。
【００３０】
フレックステープは特定の形状に限定されない。ある実施形態では、フレックステープはストリップの形状を有することができる。図４ａ及び４ｂは、フレックステープ４１０及び４２０の他の形状を示す。通例、フレックステープの形状は、監視される構造物の表面に対してカスタマイズすることができる。
【００３１】
本明細書の液体検出システムはいかなる特定のプラットフォームにも限定されない。一又は複数の検出器を使用して、エアロスペース・プラットフォーム、パイプライン、精油所、潜水艦及び他の潜水艇、大規模なオイルタンカー、地下貯蔵施設、放射性廃棄物貯蔵タンク等の漏れ及び水分を検出することができる。
【００３２】
上記プラットフォーム：エアロスペース・プラットフォーム５００を示す図５を参照する。エアロスペース・プラットフォーム５００は例えば、航空機、無人機、宇宙ステーション、宇宙カプセル又は衛星であってよい。エアロスペース・プラットフォーム５００は、流体を運ぶ、又は流体の蓄積が起こりやすい異なる構造物５１０を含む。これらの構造物５１０は非限定的に、燃料タンク、火炎瓶、油圧管路、ハニカムパネル、及び水分から保護するべき電子機器の区画を含む。これらの構造物５１０の幾つか又は全てを、流体の漏れ、又は水分の蓄積、又はその両方について連続的に監視することができる。
【００３３】
各構造物５１０は、構造物５１０周囲の異なる位置に、複数のチップ上の分光計５２０を固定することによって監視することができる。チップ５２０は流体吸収要素５３０（要素５３０は単線によってまとめて示されている）によって固定することができる。各分光計は、対応する要素５３０によって吸収された流体に対してスペクトル解析を行う。少なくとも幾つかの分光計は、漏れた液体と他の種類の流体とを識別することができる。
【００３４】
チップ５２０は共にネットワーク化することができる。機上のシステムと保守装置への通信は有線、又は無線、又は両方の組合せであってよい。
【００３５】
機上システムの一つは、チップ５２０によって発信された処理信号の処理位置５４０（例：中央ネットワーク位置）を含むことができる。チップによって発信された信号は、生データ、処理済データ、警戒信号等を含むことができる。処理位置５４０により、構造物５１０の問題の区域を局所化することができてよい。つまり、問題の性質及び位置を決定することができる。定期的にチップ５２０をポーリングすることによって、問題の局所化が可能である。
【００３６】
図６をさらに参照する。処理位置５４０ではまた、漏れ又は水分の蓄積の検出に応答して、一連の処理を行うこともできる。例えば、処理位置５４０により、保守倉庫（ブロック６１０）に警告を出す、コックピットに警報を送る（ブロック６２０）、地上整備員のためにデータを保存する（ブロック６３０）、診断システムにデータを送る等行うことができる。データは、燃料漏れ及び他の漏れ（ブロック６４０）によって損傷を受けやすくなった全ての航空機システムの停止を命じることができる航空機の中央コンピュータ及びコックピット警報システムに連続的に流すことができる。停止は（例えば、燃料送達システムの閉ループ制御によって）自動的に、又は（例えば、パイロットによって）手動で行うことができる。水の浸入もまた特定することができ、これにより除去又は構造修理を行うことができる。
【００３７】
航空機５００はさらに、少なくとも１つの構造物５１０の能動負荷システム５５０を含むことができる。上記負荷により、非常に小さい欠陥が検出されるのに十分な大きさとなるため、早い漏れの検出及び防止につながる。能動負荷システム５５０は、受動的（つまり、既存の負荷条件下で稼動し検出する）、又は能動的であってよく、負荷は、圧力負荷又はＲＦ，又は他の構造負荷技術を介して印加される。能動負荷は、（例えばヘリウム等の）気圧負荷によって印加することができる。能動負荷はまた、離陸及び飛行条件を含む標準使用の負荷も含むことができる。
【００３８】
本明細書で説明した液体検出システムは、エアロスペース・プラットフォームに対して有利である。チップは費用が安く軽量である。チップの消費電力は小さく、設置面積も小さい。
【００３９】
本明細書で説明した液体検出システムは自律システムであり、エアロスペース・プラットフォームのシステム又は構造物を妨げる、又はエアロスペース・プラットフォームのシステム又は構造物に支障をきたすことがない。これにより、稼動コストが削減され、現在の水分及び漏れ検出プロセスが簡易化され短時間になる。
【００４０】
航空機の場合には、本明細書の液体検出システムは、飛行中のリアルタイムの水分及び漏れの検出を実行することによって、全機の安全性を高めることができる。監視は、ゲートでの貨物積載状態、地上走行、離陸、飛行、及び着陸条件を含む異なる環境条件全体において利用可能にすることができる。
【００４１】
航空機７００の燃料分配及び貯蔵区域を連続的に監視するためのチップの異なる位置を示す図７を参照する。航空機７００は、中央の翼タンク７０２、各翼の複数の主要タンク７０４、及び複数の予備タンク７０６及び翼と横安定板のベントサージタンク７０８を含む。（「Ｘ」で示される）一又は複数のチップは、各主燃料タンク７０４の外表面の異なる位置に固定される。（「Ｙ」で示される）一又は複数のチップは、各予備タンク７０６の外表面の異なる位置に固定することができる。（「Ｚ」で示される）一又は複数のチップは、各横安定板タンク７１０の外表面の異なる位置に固定可能である。図示していないが、一又は複数のチップは、ベントサージタンク７０８、送油経路、連結区域近辺等に固定することができる。
【００４２】
漏れ及び水分の蓄積を連続的に監視する装置を航空機に装備する方法を示す図８を参照する。本方法は、複数のチップを燃料漏れ又は水分の蓄積が起こりやすい構造物に固定することを含む（ブロック８１０）。各チップは分光計を含む。チップは、材料によって吸収される全ての流体のスペクトル解析を行うことができるように、流体を吸収する材料で固定される。
【００４３】
本方法はさらに、チップを一又は複数の処理位置に接続することを含む（ブロック８２０）。これは、有線で又は無線で、あるいはこれら２つの組合せによって行うことができる。例えば、フレックステープを使用して、チップから無線ハブまで有線接続を行い、無線ハブ及び中央の処理位置の間は有線又は無線接続でつなげることができる。
【００４４】
ここで、水分及び漏れ検出システムを操作する方法を示す図９を参照する。チップは処理位置（例：フライトコンピュータ、保守コンピュータ、診断コンピュータ）によって制御される。チップを連続的にポーリングして、漏れ又は水分の蓄積が検出されていないかどうかを決定することができる（ブロック９１０）。連続的なポーリングに加えて、構造物を覆う一又は複数のチップをポーリングすることができ（ブロック９３０）、その後構造物に能動負荷をかける（９２０）。能動負荷により微小クラックが十分に開き、検出によりこれらの位置の特定及び修理が可能になるため、早い漏れの検出及び防止が実行できる。
【００４５】
ここで、基板１０１０、基板１０１０に形成される流体チャネル１０２０、チャネル１０２０を介して流体を引き込むマイクロ流体ポンプ１０３０、基板１０１０上に形成された半導体レーザ１０４０、半導体レーザ１０４０からチャネルの検査位置に光をフォーカスするＭＥＭＳ制御光学システム１０４５、基板１０１０上に形成された検出器１０５０、及びその位置から光を受けて、スペクトル線を検出器１０５０にフォーカスするＭＥＭＳ制御光回折格子１０６０を含む半導体チップ１０００を示す図１０を参照する。
【００４６】
ある実施形態では、単一のチップ１０００は複数の検出器１０５０を含むことができる。例えば、同じ構成の複数の直線シリコンアレイを規則的な格子に配置することができる。複数の検出器１０５０を使用する他の実施形態では、検出器１０５０は可変の、取替え可能なサイズでできていてよく、ランダム配置又は擬似ランダム配置されていてよい。
【００４７】
流体検出に使用される場合、チップ１０００は流体吸収要素１０７０も含む。ある実施形態では、流体吸収要素１０７０は、含水ポリマーでできていてよい。他の実施形態では、液体吸収要素１０７０は、化学析出又は半導体プロセスによってチップ１０００上に加工できるナノチューブタイプの構造物であってよい。
【００４８】
ある実施形態では、チップ１０００は液体吸収要素なしで製造可能である。例えば、チップ１０００は、チップを構造物に固定する吸収要素１０７０を使用する場合がある。
【００４９】
又は、チップを気体の検出に使用することができる。気体検出チップは、流体吸収要素なしで、又は流体吸収要素の代わりに気体流入口を有するように加工することができる。上記チップは、例えば気体の漏れを検出するのに使用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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