(57)【要約】【課題】高圧下において各種液体の表面張力を測定することが可能になる。【解決手段】表面張力測定装置１０は、測定対象となる液体Ｌを密閉状態で収納する容器１１と、一端が容器１１内部の液体Ｌ内部に、他端が容器１１内部の液面ＬＡよりも上方に位置するように、容器１１の内部に配置され、かつ一端から内部に流入した液体Ｌを表面張力により上昇させる流路１２と、容器１１内部の液面ＬＡ、及び流路１２内部の液面ＬＢを検出する液面検出手段１４とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象となる液体を密閉状態で収納する容器と、
一端が前記容器内部の液体内部に、他端が前記容器内部の液面よりも上方に位置するように、前記容器の内部に配置され、かつ前記一端から内部に流入した前記液体を表面張力により上昇させる流路と、
前記容器内部の液面、及び前記流路内部の液面を検出する液面検出手段と
を備える表面張力測定装置。
【請求項２】
前記流路が、毛細管又はスリット部材から構成される請求項１に記載の表面張力測定装置。
【請求項３】
前記容器内部に、複数本の毛細管を並べる、請求項１又は２に記載の表面張力測定装置。
【請求項４】
前記毛細管又はスリット部材を保持したホルダを前記容器内部に配置させる請求項２又は３に記載の表面張力測定装置。
【請求項５】
前記流路が、毛細管により構成されるとともに、
前記ホルダが、第１及び第２の保持部を備え、前記第１及び第２の保持部により前記毛細管を前後より挟み込んで保持する請求項４に記載の表面張力測定装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の保持部はそれぞれ、前記流路内部の液面に対応する位置に観察窓を備える請求項５に記載の表面張力測定装置。
【請求項７】
前記第１の保持部は、前記観察窓の上端及び下端それぞれに接続し、前記毛細管の一端、及び他端がそれぞれ内部に配置される下部溝、及び上部溝を備える請求項６に記載の表面張力測定装置。
【請求項８】
前記流路が、毛細管により構成されるとともに、
前記ホルダが、前記容器の内周面に固定され、かつ前記容器の下端側、及び上端側それぞれに配置される下部保持部、及び上部保持部を備え、
前記下部保持部、及び上部保持部それぞれが、前記毛細管の一端側、及び他端側を保持する、請求項４に記載の表面張力測定装置。
【請求項９】
前記容器内部の圧力を検出する圧力検出手段をさらに備える請求項１〜８のいずれか１項に記載の表面張力測定装置。
【請求項１０】
前記容器内部の温度を検出する温度検出手段をさらに備える請求項１〜９のいずれか１項に記載の表面張力測定装置。
【請求項１１】
前記容器を内部に収納する恒温槽をさらに備える請求項１〜１０のいずれか１項に記載の表面張力測定装置。
【請求項１２】
測定対象となる液体を容器内部に密閉状態で充填し、かつ一端が前記容器内部の液体内部に、他端が前記容器内部の液面よりも上方に位置するように、前記容器の内部に流路を配置し、前記一端から内部に流入した前記液体を表面張力により上昇させ、
前記容器内部の液面と、前記流路内部の液面とを少なくとも検出し、前記液体の表面張力を測定する表面張力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面張力測定装置、及び表面張力測定方法に関し、例えば、高圧下にて液化する液化ガスや、液化ガスと液体との混合物を測定することが可能な表面張力測定装置、及び表面張力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、潤滑油は、様々な分野で使用され、例えば、冷凍機中で高圧冷媒の雰囲気下で使用されることがある。冷凍機内において、潤滑油は、冷媒が溶け込んだ状態で冷凍サイクルを循環している。冷媒が溶け込んだ潤滑油（すなわち、冷媒と潤滑油の混合物）は、冷媒の溶け込み量が多いとその物性が変化して、潤滑油や冷凍機の性能に影響を及ぼすことがある。そのため、潤滑油、特に、冷凍機用の潤滑油は、実際に使用される圧力及び雰囲気下において、その物性を確認すること望まれており、例えば、従来、高圧冷媒下におかれた潤滑油の動粘度を測定する粘度測定方法が確立されている（特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−４８１３４号公報
【特許文献２】特開平１０−１４２１３９号公報
【特許文献３】特開２００７−１０８０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、潤滑油や冷凍機の性能に影響を及ぼす物性は、動粘度に限られず、例えば、冷媒と潤滑油の混合物の表面張力が、冷凍性能や潤滑性能にどのように影響を及ぼすか確認する必要が生じてきている。
本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、高圧下において各種液体、例えば、高圧下において液化する冷媒等の液化ガス、又は液化ガスと液体の混合物等の表面張力を測定することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、鋭意検討の結果、所定の構成を有する表面張力測定装置、及びその表面張力測定装置を使用した表面張力測定方法によって、上記課題を解決できることを見出し、以下の本発明を完成させた。すなわち、本発明は、以下の表面張力測定装置を提供する。
測定対象となる液体を密閉状態で収納する容器と、一端が前記容器内部の液体内部に、他端が前記容器内部の液面よりも上方に位置するように、前記容器の内部に配置され、かつ前記一端から内部に流入した前記液体を表面張力により上昇させる流路と、前記容器内部の液面、及び前記流路内部の液面を検出する液面検出手段とを備える表面張力測定装置。
さらに、本発明は、以下の表面張力測定方法を提供する。
測定対象となる液体を容器内部に密閉状態で充填し、かつ一端が前記容器内部の液体内部に、他端が前記容器内部の液面よりも上方に位置するように、前記容器の内部に流路を配置し、前記一端から内部に流入した前記液体を表面張力により上昇させ、前記容器内部の液面と、前記流路内部の液面とを少なくとも検出し、前記液体の表面張力を測定する表面張力測定方法。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高圧下において各種液体、例えば、液化ガス、又は液化ガスと液体の混合物等の表面張力を測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態の表面張力測定装置の前面図である。
【図２】第１の実施形態の表面張力測定装置の側面図である。
【図３】第１の実施形態において、毛細管を内部に保持するホルダの縦断面図である。
【図４】図３におけるIV−IV線に沿う矢視横断面図である。
【図５】第１の実施形態において、毛細管を保持するホルダの分解斜視図である。
【図６】温度、溶解度、及び表面張力の関係式の一例を示すチャートである。
【図７】検量線の一例を示すグラフである。
【図８】第２の実施形態の表面張力測定装置の模式図である。
【図９】上部保持部、下部保持部を示す平面図である。
【図１０】束状に配置された毛細管を示す平面図である。
【図１１】管と柱状部材からなる毛細管を示す斜視図である。
【図１２】２つのスリット形成部よりなるスリット部材の一例を示す斜視図である。
【図１３】２つのスリット形成部よりなるスリット部材の別の一例を示す斜視図である。
【図１４】複数の板状部材よりなるスリット部材の一例を示す斜視図である。
【図１５】複数の板状部材よりなるスリット部材の別の一例を示す斜視図である。
【図１６】溝によりスリットが形成されるスリット部材の例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１、２は、それぞれ本発明の第１の実施形態に係る表面張力測定装置１０を前面側、及び側面側から見た模式図を示す。ただし、図２においては、説明の簡略化のために、ホルダを点線で示す。
表面張力測定装置１０は、測定対象となる液体Ｌを密閉状態で収納する容器１１と、一端が容器１０内部の液体Ｌ内部に、他端が容器１１内部の液面ＬＡよりも上方に位置するように、容器１１の内部に配置され、かつ一端から内部に流入した液体Ｌを表面張力により上昇させる流路１２と、容器１１内部の液面ＬＡ、及び流路１２内部の液面ＬＢを検出する液面検出手段１４とを備える。また、容器１１の内部において、液体Ｌの上部には雰囲気ガスＧが存在する。
【０００９】
容器１１は、細長い管状に形成された透明な密閉容器である。容器１１は、ガラス管、サファイア管のいずれであってもよい。ここで、容器１１がガラス管である場合、その好ましい使用圧力範囲は０〜３ＭＰａである。また、容器１１がサファイア管である場合、その好ましい使用圧力範囲は、０〜２０ＭＰａである。容器１１は、高圧下でも使用できるようにサファイア管であることが好ましい。また、サファイアとしては、単結晶サファイアであることがより好ましい。
容器１１は、その下端が閉じられている一方、上端には蓋１８で密閉可能な開口が設けられる。蓋１８には、液体Ｌや雰囲気ガスＧを容器１１の内部に導入するための導入管１７が挿通されている。導入管１７は、図示しないが、チェック弁等の逆止装置が設けられ、雰囲気ガスＧが外部に漏れることが防止される。
【００１０】
本実施形態において、流路１２を構成する部材は毛細管１３である。毛細管１３は、ガラス製であることが好ましい。毛細管１３（流路）は、両端が開口したものであり、一端１３Ｘが、液体Ｌ内部に、他端１３Ｙが液面ＬＡよりも上方に位置する。本実施形態の毛細管の形状は、円筒形である。毛細管は、円筒形であることで、測定誤差が小さくなり、また、毛細管１３の作製等が容易になる。毛細管１３の内径は、特に限定されないが、毛細管現象が十分に起こるように、０．０５〜１ｍｍであることが好ましく、０．０８〜０．５ｍｍであることがより好ましい。また、毛細管１３の高さ（流路の長さ）は、特に限定されないが、５〜５０ｃｍであることが好ましく、８〜２０ｃｍであることがより好ましい。さらに、毛細管１３の外径は、０．２〜２ｍｍが好ましく、０．３〜１ｍｍがより好ましい。
【００１１】
本実施形態では、容器１１内部に毛細管１３が複数本並べられる。複数本の毛細管１３は、本実施形態では、一列に線状に並べられる。また、毛細管１３は、その長手方向が鉛直方向に沿うように配置される。なお、毛細管１３は、鉛直方向に平行であることが好ましいが、鉛直方向に対して僅かに傾いていてもよい。ただし、毛細管１３が傾く場合、その傾斜角度は、複数の毛細管１３については互いに同一であったほうがよい。毛細管が傾く場合の傾斜角度は、５度未満が好ましく、３度未満がより好ましい。
さらに、複数の毛細管１３の直径は互いに同じである。したがって、毛細管１３内部の液面ＬＢは、毛細管現象により上昇するが、各毛細管１３内部の液面の高さは同じになる。なお、毛細管１３の本数は、特に限定されず１本以上であればよいが、好ましくは２〜１５本、より好ましくは３〜１０本である。
【００１２】
複数の毛細管１３は、ホルダ２０に保持され、毛細管１３を保持したホルダ２０が容器１１内部に配置される。本実施形態のホルダ２０は、毛細管１３と同様に、上下に延在して細長の形状を呈しており、ホルダ２０の下端側によって毛細管１３の一端１３Ｘが、上端側によって毛細管１３の他端１３Ｙが保持される。なお、毛細管１３は、後述するように、ホルダ２０に設けられる保持穴内部に配置されることで、ホルダ２０によって保持される。ホルダ２０には、毛細管１３内部の液面ＬＢを検出するために、開口からなる観察窓２３、２４が設けられる（図３，５参照）。
【００１３】
本実施形態において液面検出手段１４として、容器１１外部に配置される液面検出センサが使用される。液面検出センサは、上下に移動できるものが使用される。具体的には、液面検出手段１４は、図２に示すように、第１の発光部１５Ａ、及び第１の受光部１５Ｂを有する第１の液面検出センサ１５と、第２の発光部１６Ａ、及び第２の受光部１６Ｂを有する第２の液面検出センサ１６とを備える。
第１の発光部１５Ａ及び第１の受光部１５Ｂは、第１の発光部１５Ａで発光した光が、第１の受光部１５Ｂで受光されるように、いずれも同期して上下に移動可能なものである。また、第１の発光部１５Ａは、ホルダ２０及び毛細管１３に光を照射せずに容器１１内部を光が通過するように発光する。そして、第１の発光部１５Ａ及び第１の受光部１５Ｂを同期して上下に移動させ、容器１１内部の液体Ｌにより受光が遮光され、第１の受光部１５Ｂにより第１の発光部１５Ａからの光が受光できなくなり、又は光量が小さくなった位置が、容器１１内部の液面ＬＡとして検出される。
【００１４】
第２の発光部１６Ａ及び第２の受光部１６Ｂは、第２の発光部１６Ａで発光した光が、第２の受光部１６Ｂで受光されるように、いずれも同期して上下に移動可能なものである。また、第２の発光部１６Ａは、ホルダ２０の観察窓２３、２４を光が通過するように発光する。そして、第２の発光部１６Ａ及び第２の受光部１６Ｂを同期して上下に移動させ、毛細管１３内部の液体Ｌにより受光が遮光され、第２の受光部１６Ｂにより第２の発光部１６Ａからの光が受光できなくなり、又は光量が小さくなった位置が、毛細管１３内部の液面ＬＢとして検出される。
【００１５】
本実施形態では、第２の発光部１６Ａから発光した光の毛細管１３における光路の幅が、複数の毛細管１３の合計幅以下となる。合計幅以下となることで、発光部からの光が、毛細管１３内部の液体により完全に遮光されやすくなるため、毛細管１３内部の液面ＬＢを検出しやすくなる。なお、本実施形態では、複数の毛細管１３は、図１、２から明らかなように、第２の発光部１６Ａから発光する光の進行方向に対して横方向に複数一列に並べられている。そのため、毛細管１３の合計幅（横方向に沿う長さ）は大きくなって、光路幅以上の大きさとしやすい。
第１及び第２の発光部１５Ａ、１６Ａは、特に限定されないが、光ファイバ、フォトダイオード等が使用される。同様に、第１及び第２の受光部１５Ｂ、１６Ｂは、特に限定されないが、光ファイバ、フォトセンサ等が使用される。
【００１６】
表面張力測定装置１０は、図示しないが、容器１１内部の圧力を検出する圧力検出手段を備える。圧力検出手段としては、例えば、導入管１７に取り付けられた圧力ゲージが挙げられる。
表面張力測定装置１０は、さらに、容器１１を内部に収納する恒温槽４０を備える。恒温槽４０は、水等の液体からなる熱媒体４１を内部に満たされたものである。恒温槽４０には、熱媒体４１を常に所定の温度に保つために、温度調節手段４２が設けられている。温度調節手段４２は、図示しないが、加熱装置および冷却装置と、熱媒体４１の温度を検出する温度センサと、この温度センサの検出した温度に基づいて加熱装置および冷却装置をコントロールするコントローラとを備える。容器１１内部の温度（すなわち、液体Ｌ及び雰囲気ガスＧの温度）は、恒温槽４０によって一定の温度に維持することができる。
なお、容器１１内部の温度は、容器１１を恒温槽４０の内部に十分な時間放置することで恒温槽４０の温度と実質的に同一となる。したがって、恒温槽４０に設けられる温度センサにより容器１１の内部の温度（すなわち、液体Ｌ、雰囲気ガスＧの温度）を検出することが可能である。ただし、より正確な温度を検出するために、容器１１の内部に、温度センサ等の温度検出手段を設けることが好ましい。
【００１７】
容器１１内部の液体Ｌは、常温、常圧下で気体であるが、加圧下で液化する液化ガスを含むことが好ましく、液化ガス単体、又は液化ガスと、常温、常圧下で液体である液体物の混合物であることが好ましい。また、雰囲気ガスＧは、気体状態の液化ガスからなることが好ましい。
具体的には、容器１１内部には、潤滑油と冷媒を充填することが好ましく、冷媒の一部は容器１１内部に気体状態で存在するとともに、一部が潤滑油に溶解されていることが好ましい。すなわち、容器１１の内部に入れられる液体Ｌが、潤滑油と冷媒との混合物であるとともに、雰囲気ガスＧが、潤滑油に溶解していない冷媒であることが好ましい。潤滑油としては、各種の合成油、鉱物油、又はこれらの混合物、又はこれらに各種添加剤が添加したもの等が挙げられる。また、冷媒としては、フッ化炭化水素等のフロン類、二酸化炭素、アンモニア、プロパン等の炭化水素で代表される自然冷媒が挙げられる。
【００１８】
図３、４は、それぞれ毛細管を内部に保持するホルダの縦断面図、横断面図である。また、図５は、ホルダ２０の分解斜視図である。ホルダ２０は、第１及び第２の保持部２１、２２を備える。第１及び第２の保持部２１、２２は、毛細管１３を前後より挟み込んで保持する。図３、５から明らかなように，第１及び第２の保持部２１、２２は、ホルダ２０と同様に、細長の形状を有しており、第１及び第２の保持部２１、２２は、それぞれの一面（以下、当接面２１Ａ、２２Ａともいう）同士を当接させて、ホルダ２０を形成する。
【００１９】
第１及び第２の保持部２１、２２それぞれには、毛細管１３の中途部１３Ｚに対応した位置に観察窓２３、２４が設けられる。なお、中途部１３Ｚとは、毛細管１３の一端１３Ｚと他端１３Ｙの間の部分である。これにより、毛細管１３内部の液面ＬＢに対応した位置に観察窓２３、２４が設けられることになるので、上記したように液面ＬＢが液面検出手段１４により検出可能になる。
観察窓２３、２４は、ホルダ２０の長手方向に延在する開口からなる。なお、開口（観察窓２３、２４）は、第１及び第２の保持部２１、２２それぞれの当接面２１Ａ、２２Ａから、当接面の反対側の面である反対面２１Ｂ、２２Ｂに貫通する。
【００２０】
第１の保持部２１の当接面２１Ａには、観察窓（すなわち、開口）２３の下端及び上端それぞれに接続する下部溝２５、上部溝２６が設けられる。下部溝２５、上部溝２６は、内部に毛細管１３の一端１３Ｘ、１３Ｙそれぞれを配置し、かつ保持するための溝である。そして、下部溝２５、上部溝２６それぞれは、第２の保持部２２の当接面２２Ａが、第１の保持部２１の当接面２１Ａに当接することで、毛細管１３の一端１３Ｘ，１３Ｙを内部に保持するための保持穴を形成する。なお、下部溝２５、上部溝２６それぞれでは、後述する下端面２５Ｄ、上端面２６Ｕにより毛細管１３の上下の移動が規制される。なお、第２の保持部２２の当接面２２Ａは、溝が設けられず、平面状である。
【００２１】
下部溝２５は、より具体的には、観察窓２３の下端に接続され、かつ毛細管１３の一端１３Ｘを内部に配置するための下部保持溝２５Ａと、下部保持溝２５Ａの下方に接続される接続部２５Ｂと、接続部２５Ｂのさらに下方に接続され、第１の保持部２１の下面２１Ｄにて開口する下部開口溝２５Ｃとを備える。接続部２５Ｂの溝底部の高さは、下部保持溝２５Ａ及び下部開口溝２５Ｃの高さより高くなっている。このような構造により、下部保持溝２５Ａと接続部２５Ｂの段差により、下部保持溝２５Ａの下端面２５Ｄが構成される。そして、保持溝２５Ａの内部に配置された毛細管１３の一端１３Ｘが下端面２５Ｄの上に載せられ、毛細管１３の下側への移動（すなわち、下側への落下）が規制される。
さらに、下部保持溝２５Ａの下端部には、その両側に連絡孔２９Ａ、２９Ｂが設けられる。連絡孔２９Ａ、２９Ｂは、第１の保持部２１の反対面２１Ｂに向かって貫通する貫通孔である。
容器１１内の液体Ｌは、下部開口溝２５Ｃ内部、及び接続部２５Ｂと第２の保持部２２の当接面２２Ａとの間の隙間、並びに連絡孔２９Ａ、２９Ｂを通って、下部保持溝２５Ａ並びに毛細管１３の内部に浸入する。
【００２２】
上部溝２６は、観察窓２３の上端に接続され、かつ毛細管１３の他端１３Ｙを内部に配置するための上部保持溝２６Ａと、上部保持溝２６Ａの上側に接続された上部開口溝２６Ｂとを備える。上部開口溝２６Ｂは、上部保持溝２６Ａよりも溝底面の高さが高く、かつ第１の保持部２１の上面２１Ｕにおいて開口している。このような構造により、上部開口溝２６Ｂと、上部保持溝２６Ａとの段差が、上部保持溝２６Ａの上端面２６Ｕとなり、上端面２６Ｕにより毛細管１３の上側への移動が規制される。また、上部開口溝２６Ｂが設けられることで、毛細管１３の他端１３Ｙがホルダ２０によって塞がれることが防止される。
なお、下部保持溝２５Ａ、上部保持溝２６Ａ（すなわち、保持穴）の大きさは、一列に並べられた複数の毛細管１３と一致する大きさであるため、毛細管１３がホルダ２０内で前後左右に移動することも規制される。
【００２３】
上端面２６Ｕから下端面２５Ｄまでの距離は、毛細管１３の長さに略一致し、又は毛細管１３の長さより僅かに長くなる。そのため、毛細管１３の一端１３Ｘ，他端１３Ｙそれぞれが、下部保持溝２５Ａ、上部保持溝２６Ａ内部に配置されることが可能になる。
図５に示すように、第１及び第２の保持部２１、２２の四隅にはそれぞれ、ねじ穴３１、３２が設けられ、四隅のねじ穴３１、３２はそれぞれ、互いに一致した位置に配置される。第１及び第２の保持部２１、２２は、ねじ穴３１、３２に螺入したねじ３３により、当接面２１Ａ、２２Ａが当接した状態で互いに固定される。
【００２４】
次に、表面張力測定装置１０を使用した表面張力の測定方法を説明する。
本測定方法では、まず、容器１１の内部に毛細管１３（流路１２）を配置し、かつ液体Ｌを容器内部に充填し、容器を密閉する。
具体的には、例えば、容器１１内部に毛細管１３を保持したホルダ２０を配置し、その後、液体Ｌ及び雰囲気ガスＧを容器１１内部に充填して、容器１１を密閉すればよい。
液体及び雰囲気ガスの充填方法は特に限定されないが、潤滑油等の液体物と冷媒等の液化ガスとを充填する場合、真空にした容器１１に液体物と液化ガスの混合物を充填するとよい。あるいは、液体物を容器１１内部に入れ、容器１１の内部を真空にした後、液化ガスを容器１１内部に封入してもよい。このように液体物と液化ガスを別々に充填する場合、容器１１を振動等させて、容器１１内部において液体物と液化ガスを混合させたほうがよい。
また、本測定方法では、容器１１の内部は加圧にする。加圧にすることで、液化ガス、又は液体物と液化ガスの混合物の表面張力が測定可能である。また、その圧力は、１〜２０ＭＰａが好ましく、３〜１５ＭＰａがより好ましい。
【００２５】
容器１１内部においては、一端１３Ｘが液体Ｌ内部に、他端１３Ｙが液面ＬＡの上方に位置するように毛細管１３が配置されており、そのため、一端１３Ｘから毛細管１３内部に流入した液体は、毛細管現象（すなわち、表面張力）により上昇する。そして、容器１１内部の液面ＬＡと毛細管１３内部の液面ＬＢとは液面差が生じる。本測定方法では、液面検出手段１４により、容器１１内部の液面ＬＡと、毛細管１３内部の液面１３Ａを検出し、その液面差の長さを測定して、液体Ｌの表面張力を求める。
【００２６】
本測定方法では、測定対象の液体Ｌにより生じる液面差は、正確に表面張力を測定するために、毛細管１３の内径の大きさ等を調整して一定以上の大きさとなるようにしたほうがよい。具体的には、上記液面差は、２ｍｍ以上となることが好ましく、より好ましくは５〜１５０ｍｍである。
【００２７】
液面差から表面張力を求めるためには、表面張力が既知の２種類以上の物質について、表面張力と液面差の検量線を予め作成し、又は検量線を表す関数を求めておくとよい。そして、検量線、又は関数に基づき、液面差から表面張力を算出すればよい。なお、検量線は、通常、一次関数により表される。
なお、上記検量線又は関数は、同一の表面張力装置に対して１つ作っておけば、測定対象の液体Ｌの表面張力測定時の容器１１内部の温度及び圧力にかかわらずに、その１つの検量線を用いて、液面差から表面張力を算出することが可能である。ただし、一定の温度毎（例えば、１０℃毎）、又は一定の圧力毎（例えば、１気圧毎）に検量線又は関数を作っておいて、測定対象の液体Ｌにより生じる液面差測定時の容器内の温度及び圧力に、一致又は近似する温度及び圧力の検量線又は関数を用いて、表面張力を算出してもよい。
【００２８】
また、潤滑油等の液体物と、冷媒等の液化ガスとを容器１１内部に充填する場合、表面張力測定装置１０によって、液化ガスの液体物への溶解度も算出することが可能である。具体的には、まず、液面ＬＡ，ＬＢの検出により、測定温度における容器１１内部の雰囲気ガスＧの体積（Ｖｇ）を算出する。また、容器１１内部の圧力から雰囲気ガスＧの密度（ｄ）を求める。そして、体積（Ｖｇ），密度（ｄ）、及び容器１１内部に充填された液体物の質量（Ｗｏ）、液化ガスの質量（Ｗｒ）を用いて、以下の式により、液化ガスの液体物に対する溶解度（Ｘｒ）を算出することが可能である。
Ｘｒ＝（Ｗｒ−ｄＶｇ）／（Ｗｏ＋Ｗｒ−ｄＶｇ）
【００２９】
同じ種類の液化ガスと同じ種類の液体物の混合物であっても、溶解度（すなわち、混合割合）が異なると、表面張力が異なる。そのため、例えば、同じ種類の液化ガスと同じ種類の液体物の混合物において、容器内部の圧力を変えて溶解度を変更させ、かつ溶解度毎に表面張力を測定することで、例えば、混合物における溶解度と表面張力の関係式を求めることも可能になる。このような態様により、冷媒と潤滑油の混合物の表面張力が、冷凍機において、冷凍性能や潤滑性能にどのように影響を及ぼすか確認しやすくなる。
【００３０】
さらに、表面張力の測定は、検出対象の液体Ｌを容器１１内部に充填して、容器１１内部の温度を一定の温度範囲内（例えば、２０〜８０℃）で変化させ、所定の温度毎（例えば、１０℃毎）に表面張力を測定してもよい。この方法によれば、表面張力と温度の関係を関数により表すことも可能である。なお、この場合も、表面張力の測定にあわせて、上記したように圧力、溶解度を測定すればよい。
【００３１】
さらに、本実施形態では、液化ガスと液体との混合物の表面張力を測定する際に、温度及び圧力を併せて記録しておくことで、圧力，温度，溶解度等のパラメータと、表面張力との関係式（相関関係）を求めることも可能になる。これにより、特定の温度、圧力における液体の溶解度と、表面張力とを演算により算出することが可能になる。
なお、関係式の一例として、溶解度一定のときの温度と表面張力の関係式は、例えばグラフで示すと図６に示すようになる。なお、図６では、チャートにおいて、関係式は、１つ示されるのみであるが、通常、溶解度を変化させて測定され、溶解度ごとに異なる関係式が複数作成される。
【００３２】
次に、検量線の作成方法の一例をより具体的に説明する。
本方法では、まず、表面張力が既知の標準物質を２種以上用意する。本例では、水、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）、鉱油、冷媒（Ｒ−４１０Ａ）を標準物質とする。各標準物質を、表面張力測定装置１０の容器１１内部に充填し、容器１１を密閉した上で、内部が所定の温度（例えば、２０℃）になるように調整する。なお、この際、容器１１内部には、図１、２に示すように、ホルダ２０に保持された毛細管１３が内部に配置される。
【００３３】
なお、標準物質が、常温かつ常圧で液体である物質である場合には、密閉された容器１１の内部を常圧にしてもよいし、加圧にしてもよいが、常圧下が好ましい。この際、雰囲気ガスは、液体状態の標準物質に実質的に溶解しないガスとすればよく、窒素等にすればよい。
一方で、内部に充填される標準物質が、常温、常圧下で気体である液化ガス（冷媒）である場合には、容器１１内部を加圧にし、標準物質の少なくとも一部が液体となるようにする。この場合、雰囲気ガスは、気体状態の液化ガスからなるようにすればよい。
【００３４】
容器１１内部において、毛細管１３の一端１３Ｘから毛細管１３内部に入った液体（標準物質）は毛細管現象により上昇する。したがって、毛細管内部の液面と、容器内部の液面の差を液面検出手段１４により検出し、その検出結果と、既知の表面張力により、検量線を作成する。なお、検量線の作成は、最小二乗法等の公知の方法により行えばよい。表１は、所定の温度（２０℃）における各標準物質の既知の表面張力と、検出された液面差のデータの一例を示す。図７は、表１のデータから得られた検量線を示す。
【００３５】
【表１】
2017219388.tif 000003
【００３６】
図７に示す検量線を用いれば、矢印線で示すように、測定対象の液体Ｌを容器１２内部に充填したときに検出される液面差より、測定対象の液体Ｌの表面張力の値を読み取ることが可能である。
【００３７】
以上のように、本実施形態によれば、高圧下における液体の表面張力を測定することが可能になる。したがって、高圧下で液化する液化ガスや、液化ガスと液体との混合物の表面張力を測定することが可能になる。また、毛細管を使用することで正確に表面張力を測定しやすくなる。さらに、毛細管を複数並べることで、液面検出手段により毛細管内部の液面を検出しやすくなる。
【００３８】
次に、図８、９を用いて、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態においては、毛細管が保持されるホルダの形状が異なる。以下、第２の実施形態について、第１の実施形態との相違点を説明し、その他の説明は省略する。また、図８以降において、第１の実施形態と同様の構成を有する部材に関しては、同じ符号を付す。なお、第２の実施形態は、流路を構成する毛細管が１本である例を図面に示して説明する。
【００３９】
本実施形態の表面張力測定装置４５において、毛細管１３を保持するためのホルダ５０は、容器１１の下端側に配置された下部保持部５１と、容器１１の上端側に配置された上部保持部５２から構成される。下部保持部５１及び上部保持部５２は、例えばゴム等の弾性部材からなり、容器１１の内部に圧入されて、容器１１の内周面の任意の位置に固定される。下部保持部５１及び上部保持部５２には、貫通保持孔５１Ａ、５２Ａがそれぞれ設けられる。なお、下部保持部５１は、通常、容器１１内部の液面ＬＡよりも下方に配置される。毛細管１３は、貫通保持孔５１Ａ、５２Ａを通すように配置されており、これにより、毛細管１３は、一端１３Ｘ，他端１３Ｙ側がホルダ５０により保持される。
貫通保持孔５１Ａ，５２Ａの径は、毛細管１３の外径よりも大きく、したがって、毛細管１３は、容易に貫通保持孔５１Ａ，５２Ａを通すことが可能である。なお、貫通保持孔５１Ａ，５２Ａの径は、毛細管１３の外径の１．１〜５倍が好ましく、１．５〜３．５倍がより好ましい。
【００４０】
本実施形態では、毛細管１３内部の液面ＬＢが、下部保持部５１と下部保持部５２の間に位置するように調整され、毛細管１３内部の液面ＬＢは、液面検出手段１４により検出可能である。したがって、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、液面検出手段１４により液面ＬＢと、液面ＬＡの液面差の長さを測定することで、表面張力を測定可能である。
【００４１】
以上、本発明について実施形態を挙げて具体的に説明したが、本発明は、これら実施形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計の変更が可能である。
具体的には、毛細管は、いずれの態様においても、単数であってもよいし、複数であってもよい。例えば、図１〜５に示すように、ホルダが、毛細管を前後から挟み込んで保持する第１及び第２の保持部を備えるような場合において、毛細管を１本にしてもよい。また、第２の実施形態のように、ホルダが毛細管の一端側、他端側をそれぞれ保持する下部保持部、上部保持部を備えるような場合において、毛細管を複数本にしてもよい。また、毛細管を容器内部に安定して配置できる限り、ホルダは省略してもよい。
【００４２】
また、毛細管が複数の場合、毛細管１３は、線状に並べられる態様に限定されず、他の態様で並べられてもよく、例えば、図１０に示すように、束状に並べられてもよい。束状に並べられることで、線状に複数並べた場合と同様に、合計幅が大きくなるので、毛細管１３内部の液面の高さを検出しやすくなる。束状に並べられた毛細管１３は、３本以上であれば限定されないが、３〜３０本が好ましい。なお、毛細管１３が束状である場合、ホルダの形状は特に限定されないが、第２の実施形態で示したように、ホルダが毛細管の一端側、他端側を保持する下部保持部、上部保持部を備えるものであったほうがよい。第２の実施形態に示した下部保持部、上部保持部を使用することで、束状にした毛細管は、ホルダにより保持しやすくなる。
また、束状にした複数の毛細管１３は、接着剤等により接着して一体的なものとしてもよい。一体的にした束状の複数の毛細管１３は、例えば、容器内部に立てやすくなるので、ホルダを省略しやすくなる。勿論、複数の毛細管１３は、束状にするとき以外でも接着剤により接着して一体的にしてもよい。
【００４３】
毛細管は、第１及び第２の実施形態で示した円筒形以外の筒状形状であってもよい。具体的には、四角形筒状等の多角形筒状であってもよいし、楕円筒状、半円形状等であってもよい。さらに、図１１に示すように、毛細管６３は、筒状の管６４の内部に、柱状部材６５を配置した構成であってもよい。すなわち、毛細管により構成される流路は、断面環状であってもよい。この場合、図１１に示すように、管６４が円筒形であるとともに、柱状部材６５が円柱形であり、流路が断面円環状であることが好ましいが、他の形状であってもよい。例えば、管６４は、四角形筒状等の多角形筒状であってもよいし、楕円筒状等であってもよい。同様に、柱状部材６５は、四角柱等の多角柱状であってもよいし、楕円柱等であってもよい。断面円形、円環状以外の形状とすると、液面が水平とならないが、液面の平均高さ等を算出すればよい。
流路が断面環状である場合、その流路の径方向に沿う長さＤは、０．０５〜１ｍｍであることが好ましく、０．０８〜０．５ｍｍであることがより好ましい。また、管６４は、その外径、内径がそれぞれ好ましくは０．５〜１５ｍｍ、０．４〜１０ｍｍとなればよく、より好ましくは１〜１０ｍｍ、０．７〜７ｍである。また、柱状部材６５の外径は、好ましくは０．３５〜９．５ｍｍ、より好ましくは０．６〜６ｍｍである。
なお、毛細管の形状及び大きさは、以上の構成に限定されず、表面張力を利用した毛細管現象により、毛細管内を液体が上昇し、上記したように、毛細管内部の液面と、容器内部の液面の液面差を読み取れる程度の毛細管の形状と大きさならば特に限定されない。
【００４４】
また、ホルダの形状も、上記したものに限定されず、様々な態様のものとしてもよい。例えば、第１の実施形態においては、第１の保持部のみに下部溝、及び上部溝が設けられたが、第２の保持部にも、第１の保持部と同様の下部溝、及び上部溝が設けられてもよい。また、例えば、ホルダは、第１及び第２の保持部、上部保持部及び下部保持部など、２つの部材から構成されるものに限らず、１つの部材から構成されてもよい。例えば、予め保持穴が形成された１つの部材からなる保持部に毛細管を挿入する構成としてもよい。
【００４５】
さらに、液面検出手段１４は、上記したものに限定されず、光を利用して光学式のもので、上記したものとは別の方式のセンサを使用してもよい。例えば、液面ＬＡ、ＬＢを検出するための第１及び第２の発光部を１つの発光部にし、第１及び第２の受光部を１つの受光部としてもよい。また、光学式以外の方式のセンサを使用してもよい。また、溶解度を測定する必要がない場合等には、圧力検出手段を省略してもよい。さらに、容器１１内部の温度（すなわち、液体Ｌ及び雰囲気ガスＧの温度）を一定にできる限り、恒温槽４０を省略してもよい。
【００４６】
以上では、流路を構成する部材が、毛細管である態様を示したが、毛細管以外の部材により構成してもよい。具体的には、流路をなすスリットを１つ以上有するスリット部材により構成してもよい。なお、スリットとは、表面張力によりその内部を液体が上昇できるように、互いに近接して配置される一対の面の間に形成される流路を意味する。スリットを形成する一対の面は、鉛直方向に沿って設けられ、かつ互いに平行に配置される。スリットにより形成される流路は、毛細管のときと同様に、その一端が、容器内部の液体内部に、他端が容器内部の液面より上方に位置すればよい。
【００４７】
スリット部材の具体例を図１２〜１６に示す。図１２、１３に示すスリット部材７０は、対向して配置される２つのスリット形成部７１、７１を有し、スリット形成部７１、７１の間にスリット７３を形成する。スリット形成部７１、７１は、いずれも上下に長く、その上端、下端それぞれの間にスリット７３により構成される流路の一端７３Ｘ、他端７３Ｙを形成する。スリット形成部７１、７１は、図１２に示すように、板状部材であってもよいし、図１３に示すように半円柱の部材であってもよいし、その他の形状を有してもよい。
【００４８】
さらに、図１４、１５に示すように、複数の板状部材８１を貼り合せて形成したスリット部材８０であってもよい。この場合、少なくとも１枚の板状部材８１は、他の板状部材８１との貼り合せ面８１Ａの側縁部に凹陥部８２を有し、凹陥部８２によりスリット８３が形成される。なお、図１４では、凹陥部８２が設けられるのは一方の側縁部であるが、図１５に示すように、両側縁部に設けられてもよい。両側縁部に凹陥部８２を設けることで、１つのスリット部材８０にスリット８３が複数形成される。また、図１５に示すように、３枚以上の板状部材８１を貼り合わせることでも、複数のスリット８３を１つのスリット部材８０に形成することが可能である。なお、板状部材８１の下端、上端により各スリット８３により構成される流路の一端８３Ｘ，及び他端８３Ｙが構成される。
【００４９】
また、図１６に示すように、スリットは、スリット部材９０に設けられた溝９２により構成してもよい。溝９２は、図１６に示すように２つ以上設けてもよいが、１つであってもよい。溝９２は、スリット部材９０の側面から刻設され、かつその両端９２Ｘ、９２Ｙが、スリット部材９０の下端面及び上端面において開口しており、それぞれ流路の一端及び他端を構成する。
【００５０】
流路がスリットにより構成される場合も、容器内部の液面とスリット内部の液面の液面差が、２ｍｍ以上となることが好ましく、より好ましくは３〜１５０ｍｍとなるように、スリットの形状及び大きさを選択すればよい。例えば、各スリットの間隔Ｗは，０．０５〜０．５ｍｍであることが好ましく、０．０８〜０．３ｍｍｍｍであることがより好ましい。なお、容器内に複数のスリットが設けられる場合、スリット内の液面の高さが同じとなるように、スリットの間隔Ｗは互いに同じとなる。また、各スリットの高さ（すなわち、流路の長さ）は、５〜５０ｃｍであることが好ましく、８〜２０ｃｍであることがより好ましい。
【００５１】
スリット部材は、第１及び第２の実施形態と同様に、ホルダに保持された状態で容器内に配置されてもよいし、ホルダに保持されずに容器内部に配置されてもよい。例えば、図１１に示すスリット部材を使用する場合には、ホルダは、例えば、容器の底面、及び内周面に設けられた嵌合溝を有し、かつ、スリット形成部７１の側端部、及び下端部をその嵌合溝に嵌合する態様とすればよい。
流路をなす部材としてスリット部材を使用する場合も、その他の態様は、毛細管の場合と同様であり、容器内部の液面とスリット内部の液面の液面差を測定することで、表面張力を測定することが可能であり、さらに溶解度の測定も可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０、４５  表面張力測定装置
１１  容器
１２  流路
１３、６３  毛細管
１３Ｘ、７３Ｘ、８３Ｘ  一端
１３Ｙ、７３Ｙ、８３Ｙ  他端
１３Ｚ  中途部
１４  液面検出手段
１５  第１の液面検出センサ
１６  第２の液面検出センサ
２０、５０  ホルダ
２１  第１の保持部
２２  第２の保持部
２３、２４  観察窓
２５  下部溝
２６  上部溝
４０  恒温槽
５１  下部保持部
５２  上部保持部
７０、８０、９０  スリット部材
７３、８３  スリット
８２  凹陥部
９２  溝
Ｇ  雰囲気ガス
Ｌ  液体
ＬＡ，ＬＢ  液面
Ｗ  スリットの間隔
【図１】
2017219388.tif 000004
【図２】
2017219388.tif 000005
【図３】
2017219388.tif 000006
【図４】
2017219388.tif 000007
【図５】
2017219388.tif 000008
【図６】
2017219388.tif 000009
【図７】
2017219388.tif 000010
【図８】
2017219388.tif 000011
【図９】
2017219388.tif 000012
【図１０】
2017219388.tif 000013
【図１１】
2017219388.tif 000014
【図１２】
2017219388.tif 000015
【図１３】
2017219388.tif 000016
【図１４】
2017219388.tif 000017
【図１５】
2017219388.tif 000018
【図１６】
2017219388.tif 000019