(57)【要約】【課題】球面状に形成された導体を利用した水量測定器を提供する。【解決手段】水量測定器１０は、複数の金属（導体）１２を備えている。各金属１２は、全体的に球面状に形成される。複数の金属１２は、互いに半径が異なり、小さな半径の金属１２を大きな半径の金属１２で包み込むように、互いに中心位置を同じ位置にして配置される。各金属１２の表面には絶縁膜が設けられ、複数の金属１２のうちの隣接する金属１２同士が正極と負極の対になってコンデンサとして機能する。つまり、正極である金属１２ａと金属１２ｃが互いに電気的に接続され、負極である金属１２ｂと金属１２ｄが互いに電気的に接続され、正極の端子Ｔ+と負極の端子Ｔ-との間において静電容量Ｃが計測される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が全体として球面状に形成された複数の導体を有し、
前記複数の導体は、互いに半径が異なり、小さな半径の導体を大きな半径の導体で包み込むように、互いに中心を同じ位置に揃えて配置され、
前記複数の導体のうちの隣接する導体同士が絶縁されてコンデンサとして機能し、
前記コンデンサとして機能する導体同士の間に測定対象となる水が溜め込まれ、コンデンサから得られる静電容量に基づいて溜め込まれた水の量を測定する、
ことを特徴とする水量測定器。
【請求項２】
請求項１に記載の水量測定器であって、
前記隣接する導体同士からなる導体対が２つ形成され、
小さな半径の導体対を大きな半径の導体対で包み込み、
２つの導体対の正極側の導体同士が電気的に接続されて２つの導体対の負極側の導体同士が電気的に接続され、
２つの導体対によって前記コンデンサが形成される、
ことを特徴とする水量測定器。
【請求項３】
請求項２に記載の水量測定器であって、
前記コンデンサとして機能する導体同士の間に溜め込まれた水の排出を制御するバルブを有し、
溜め込まれた水の量を測定した後にバルブを制御して水を排出することにより、次々に溜め込まれる水の量を継続的に測定する、
ことを特徴とする水量測定器。
【請求項４】
請求項３に記載の水量測定器であって、
前記複数の導体のうちの最も内側に配置される導体の内側に水が到達したことを検知するセンサを有する、
ことを特徴とする水量測定器。
【請求項５】
請求項４に記載の水量測定器であって、
前記コンデンサとして機能する導体同士の間に溜め込まれた水の温度を検知する温度センサを有し、
温度センサによって検知された水の温度に応じて水の誘電率の温度変動を補正し、コンデンサから得られる静電容量に基づいて溜め込まれた水の量を測定する、
ことを特徴とする水量測定器。
【請求項６】
請求項５に記載の水量測定器であって、
前記複数の導体のうちのいくつかの導体に対して各導体ごとに複数の孔が設けられ、複数の孔を介して水を行き来させる、
ことを特徴とする水量測定器。
【請求項７】
請求項６に記載の水量測定器であって、
前記複数の導体を冷却する冷却機能を有する、
ことを特徴とする水量測定器。
【請求項８】
請求項６に記載の水量測定器であって、
前記コンデンサとして機能する導体同士の間に溜め込まれた水を温めるヒータを有し、
溜め込まれた水を水蒸気にして排出する、
ことを特徴とする水量測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水量測定器に関し、特に導体間の静電容量から水の量を測定する水量測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
２枚の電極間に存在する物質に応じて静電容量の値が変化する現象を利用して、電極間の静電容量から水などの量（水位）を測定する技術が知られている。一方、車両内などにおいて水などの量を測定する場合には、車両などが様々な方向に頻繁に傾くため、傾いた場合においても正確に水などの量を測定できることが望ましい。
【０００３】
このような背景から、例えば、特許文献１には、直方体状の容器内に対向する２枚の電極を２組設けて静電容量を検出し、容器の傾斜時の水位の検出精度を向上させる旨の技術が記載されている。ちなみに、特許文献２には、円筒状の複数の電極間の静電容量から水位を測定する旨の技術が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２０５８１１号公報
【特許文献２】特開平１１−２１１５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、導体間（電極間）の静電容量を利用した水の量の測定に関する様々な技術が提案されているなかで、本願発明者は、傾いた場合においても正確に水などの量を測定するための改良技術について研究開発を重ねてきた。特に、導体間の静電容量から水の量を測定する水量測定器における導体の形状に注目した。
【０００６】
本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、球面状に形成された導体を利用した水量測定器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である水量測定器は、各々が全体として球面状に形成された複数の導体を有し、前記複数の導体は、互いに半径が異なり、小さな半径の導体を大きな半径の導体で包み込むように、互いに中心を同じ位置に揃えて配置され、前記複数の導体のうちの隣接する導体同士が絶縁されてコンデンサとして機能し、前記コンデンサとして機能する導体同士の間に測定対象となる水が溜め込まれ、コンデンサから得られる静電容量に基づいて溜め込まれた水の量を測定することを特徴とする。
【０００８】
上記態様において、導体は例えば金属であるが、金属以外の材料が利用されてもよい。また、導体は全体的に球面状であればよく、導体の一部において球面と異なる部分が存在してもよい。なお、球面状は、数学的な定義による真の球面形状を含むが、本発明の本質を逸脱しない範囲において真の球面形状を若干だけ歪めたものであってもよい。さらに、複数の導体は、互いに中心位置を同じ位置とすることが望ましいものの、本発明の本質を逸脱しない範囲において互いに中心位置を少しだけずらすような設計も許容される。なお、隣接する導体同士からなる導体対を１つだけ形成してコンデンサとして機能させてもよいし、導体対を２つまたはそれ以上形成して、複数の導体対によりコンデンサが形成されてもよい。
【０００９】
上記態様により、球面状に形成された導体を利用した水量測定器が提供される。また、上記態様によれば、例えば、全体として球面状に形成された導体と水との接触面の面積が傾きによって大きく変化しないことなどから、導体が他の形状である場合に比べて、傾いた場合においても正確に水の量を測定することが可能になる。
【００１０】
望ましい態様において、前記隣接する導体同士からなる導体対が２つ形成され、小さな半径の導体対を大きな半径の導体対で包み込み、２つの導体対の正極側の導体同士が電気的に接続されて２つの導体対の負極側の導体同士が電気的に接続され、２つの導体対によって前記コンデンサが形成されることを特徴とする。
【００１１】
望ましい態様において、前記コンデンサとして機能する導体同士の間に溜め込まれた水の排出を制御するバルブを有し、溜め込まれた水の量を測定した後にバルブを制御して水を排出することにより、次々に溜め込まれる水の量を継続的に測定することを特徴とする。
【００１２】
望ましい態様において、前記複数の導体のうちの最も内側に配置される導体の内側に水が到達したことを検知するセンサを有することを特徴とする。
【００１３】
望ましい態様において、前記コンデンサとして機能する導体同士の間に溜め込まれた水の温度を検知する温度センサを有し、温度センサによって検知された水の温度に応じて水の誘電率の温度変動を補正し、コンデンサから得られる静電容量に基づいて溜め込まれた水の量を測定することを特徴とする。
【００１４】
望ましい態様において、前記複数の導体のうちのいくつかの導体に対して各導体ごとに複数の孔が設けられ、複数の孔を介して水を行き来させることを特徴とする。望ましい態様において、前記複数の導体を冷却する冷却機能を有することを特徴とする。望ましい態様において、前記コンデンサとして機能する導体同士の間に溜め込まれた水を温めるヒータを有し、溜め込まれた水を水蒸気にして排出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、球面状に形成された導体を利用した水量測定器が提供される。例えば、本発明の好適な態様によれば、全体として球面状に形成された導体と水との接触面の面積が傾きによって大きく変化しないことなどから、導体が他の形状である場合に比べて、傾いた場合においても正確に水の量を測定することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１には、本発明に係る水量測定器の好適な実施形態が示されており、図１はその断面図である。図１に示す水量測定器１０は、複数の金属１２（１２ａ〜１２ｄ）を備えている。各金属１２は、全体的に球面状（球体状）に形成される。複数の金属１２は、互いに半径が異なり、小さな半径の金属１２を大きな半径の金属１２で包み込むように、互いに中心位置を同じ位置にして配置される。
【００１８】
図１には、球面状に形成された複数の金属１２（１２ａ〜１２ｄ）の中心位置を通る平面による水量測定器１０の断面が示されている。図１において、複数の球面状の金属１２は、外側から金属１２ａ、金属１２ｂ、金属１２ｃ、金属１２ｄの順に配置されている。
【００１９】
各金属１２の表面には図示しない絶縁膜が設けられ、複数の金属１２のうちの隣接する金属１２同士が正極と負極の対になってコンデンサとして機能する。図１においては、隣接する金属１２同士からなる金属対が２つ形成されている。つまり、金属１２ａと金属１２ｂによる金属対、金属１２ｃと金属１２ｄによる金属対が形成されている。そして、正極である金属１２ａと金属１２ｃが互いに電気的に接続され、負極である金属１２ｂと金属１２ｄが互いに電気的に接続される。こうして、複数の金属１２が交差指状に接続されて２つの金属対によってコンデンサが形成され、正極の端子Ｔ+と負極の端子Ｔ-との間において静電容量Ｃが計測される。
【００２０】
隣接する金属１２同士の間には測定対象となる水が溜め込まれる。例えば、燃料電池の排出口から水量測定器１０のガス入口２２に水を含んだ排出ガスが供給され、排出ガスに含まれる水あるいは排出ガスと共に燃料電池から排出される水が測定対象となる。
【００２１】
複数の金属１２のうちのいくつかの金属１２には複数の孔が設けられる。例えば、金属１２ｂと金属１２ｃと金属１２ｄの各々の表面の全域に複数の小さな孔が設けられる。そして、設けられた複数の孔を介して水を行き来させる。なお、金属１２ｄには孔を設けず、金属１２ｄの内側に水が入り込まないようにしてもよい。また、金属１２ａは容器として機能させるため、孔を設けないことが望ましい。もちろん、金属１２ａにも孔を設けて、金属１２ａを覆うように容器が設けられてもよい。
【００２２】
コンデンサとして機能する金属１２と金属１２との間に水が溜まると、空気と水とでは互いに誘電率が２桁程度（８０倍程度）異なるため、水の量に応じてコンデンサの静電容量が変化する。例えば、球体状の金属１２の表面に接触する水の接触面積に比例して静電容量が増加する。図１の水量測定器１０は、端子Ｔ+と端子Ｔ-との間の静電容量Ｃが計測され、静電容量Ｃの値から、水量測定器１０内に溜め込まれた水の量を測定する。例えば、静電容量Ｃから水の量が計算によって導き出される。もちろん、静電容量Ｃの値と水の量との間の対応関係を予め得ておき、その対応関係から、計測された静電容量Ｃの値に対応する水の量を得るようにしてもよい。そして、例えば燃料電池から排出される水の量を計測することにより、その計測結果から燃料電池の含水量などが推定される。
【００２３】
上述したように、例えば、球体状の金属１２の表面に接触する水の接触面積に比例して静電容量が増加する。図１の水量測定器１０では、金属１２が球面状に形成されているため、水量測定器１０内に溜め込まれた水の量が同じであれば、金属１２と水との接触面積が水量測定器１０の傾きによって殆ど変化しない。そのため、水量測定器１０が傾いた場合においても、例えば燃料電池から排出される水の量を正確に測定することが可能になる。なお、ガス出口２４からガスと共に排出される水蒸気の量を湿度センサなどによって計測することにより、燃料電池から排出される水の量をより正確に測定することができる。
【００２４】
さらに、傾き（揺れ）に伴う測定誤差を小さくするためには、水と金属１２との接触面積に対して、金属１２に接触しない水面の面積が小さくなればよい。そのため、本実施形態においては、例えば、隣接する２つの金属１２の間の距離を小さくし、球面状の金属１２の半径を大きくすることが望ましい。また、金属対の数を増やすことにより、測定誤差を小さくしつつ測定できる水の量を増やすようにしてもよい。
【００２５】
水量測定器１０には、水の排出口２６にバルブ１４が設けられている。バルブ１４は、金属１２同士の間に溜め込まれた水の排出を制御する。つまり、例えば測定限界量まで溜め込まれた水の量を測定した後にバルブ１４を制御して水を排出口２６から排出し、排出後にさらに溜め込まれる水の量を測定する。こうして、例えば、次々に溜め込まれる水の量の測定と排出を繰り返すことにより、継続的に、必要に応じて半永久的に、水の量を測定することが可能になる。また、次々に溜め込まれる水の量の測定結果を積算することにより、例えば燃料電池から排出される水の総量などを測定することもできる。
【００２６】
また、水量測定器１０には、最も内側に配置される金属１２ｄの内側に水が到達したことを検知するセンサ１６が設けられている。金属１２ｄの内側に溜まった水は、静電容量の変化に適切に反映されない。そこで、センサ１６によって水の到達が検知された場合には、例えば、所定量の水を排出口２６から排出してから水の量を測定する。なお、金属１２ｄの内側に水が入り込まない構造としてもよい。また、金属１２ｄの内側に水が入り込む場合において、金属１２ｄの内側に溜まった水の量を水位センサなどによって測定してもよい。
【００２７】
また、複数の金属１２を冷却する冷却機能を設けてもよい。例えば、空冷や水冷機能によって金属１２ａの外側から水量測定器１０を冷却する。燃料電池に利用される冷却循環水を利用して水量測定器１０を冷却してもよい。例えば、ガス出口２４からガスと共に排出される水蒸気の量を湿度センサなどによって計測するよりも、水を液体の状態で測定したい場合に、複数の金属１２を冷却して水を冷やすことにより、水蒸気を水（液体）にして液体の状態で水の量を測定することが可能になる。
【００２８】
また、溜め込まれた水を温めるリボンヒータ１８が設けられてもよい。リボンヒータ１８により、金属１２同士の間に溜め込まれた水を温め、水を水蒸気にしてガス出口２４から排出してもよい。これによりバルブ１４の利用頻度を減らすことが可能になる。なお、ガス出口２４から排出される水蒸気の量は、湿度センサなどによって計測される。
【００２９】
また、水量測定器１０には、水量測定器１０に溜め込まれた水の温度を検知する温度センサ１７が水底に設けられる。水の誘電率は温度によって変動する。そのため、水温に応じて温度補正をすることが望ましい。
【００３０】
図２および図３は、水温と静電容量との対応関係を説明するための図である。図２には、図１に示す複数の金属１２の部分拡大図が示されている。図２には、隣接する金属間の距離（電極間の距離）Ｄと、最も外側の金属の半径（装置の半径）Ｒと、各金属の厚さ（電極の厚さ）Ｔが示されている。
【００３１】
そして、電極間の距離Ｄを２ｍｍ、装置の半径Ｒを５０ｍｍ、電極の厚さＴを０．５ｍｍ、電極である金属の総数を１６枚（正極８枚と負極８枚）とし、最も内側の金属の内側に水が入らないことを条件として、各温度ごとの水の誘電率を用いて、静電容量を計算すると図３の結果が得られる。
【００３２】
図３は、横軸を水の量（水量）として縦軸に静電容量を示したグラフである。図３には、１０℃〜６０℃までの各水温ごとに、水量と静電容量との対応関係が示されている。図３のグラフから分かるように、水温に応じて水の誘電率が変化することにより、静電容量も変化する。全体的な傾向として、水温が低い場合に静電容量が大きくなっている。
【００３３】
図１の水量測定器１０は、温度センサ１７によって検知された水の温度に応じて水の誘電率の温度変動を補正する。例えば、端子Ｔ+と端子Ｔ-との間の静電容量Ｃの値と、温度センサ１７によって検知された水の温度と、に基づいて、図３のグラフから水量を特定することにより、温度の変化が反映された、つまり温度補正された水量の測定結果を得ることが可能になる。
【００３４】
なお、図３のグラフは、電極である金属の総数を１６枚とするなどの条件から得られているが、実際の水量測定器１０の構成に対応した条件で、図３と同様なグラフを作成しておくことが望ましい。そして、水量測定器１０の構成に対応したグラフを利用することで、より正確に温度補正を行うことが可能になる。
【００３５】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る水量測定器の断面図である。
【図２】複数の金属の部分拡大図である。
【図３】横軸を水量として縦軸に静電容量を示したグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１０  水量測定器、１２  金属、１４  バルブ、１６  センサ、１７  温度センサ、１８  リボンヒータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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