(57)【要約】  液膜カートリッジは、発泡性溶液１００を噴出して液膜を空間上に生成するためのノズル部１０と、発泡性溶液１００をノズル部１０に導出するための液体導出部２０とを備え、ノズル部１０が有する液体噴出口１１の最外部と液体導出部２０の内壁２１とを、所定の離間関係の条件を満たすように離間させて配置することにより、発泡性溶液１００がノズル部１０に至る直前までの流路である液体導出部２０において、気泡１０３が発生する内壁２１から液体噴出口１１までの距離が大きくなるようにして、液体導出部２０からノズル部１０に入り込む気泡１０３の量を低減することができるようにする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波が伝播する経路中に液体試料を配置し、当該液体試料を透過または反射した電磁波の特性を計測する分光装置に用いられ、上記液体試料としての液膜を生成するための液膜生成装置であって、
液体を噴出して、表面が平坦な板状の液膜を空間上に生成するためのノズル部と、
上記液体を上記ノズル部に導出するための液体導出部と、
上記液体導出部の中にある上記液体を加圧して上記ノズル部から噴出させるための加圧手段とを備え、
上記ノズル部において上記液体が噴出する開口である液体噴出口の最外部と上記液体導出部の内壁とを、所定の離間関係の条件を満たすように離間させて配置したことを特徴とする液膜生成装置。
【請求項２】
上記ノズル部は、上記液体導出部を上記液体が流れる方向に垂直な断面の中央付近に配置され、
上記所定の離間関係の条件として、上記ノズル部が備える上記液体噴出口の中心から、上記液体が流れる方向に垂直な一の方向の上記最外部までのサイズと、上記液体導出部の中心から上記一の方向の上記内壁までのサイズとの比を所定比より大きくするという第１条件を満たすように、上記液体導出部の上記一の方向のサイズを上記液体噴出口の上記一の方向のサイズよりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の液膜生成装置。
【請求項３】
上記所定の離間関係の条件として、上記第１条件に代えてまたは加えて、上記ノズル部が備える上記液体噴出口の最外部と上記液体導出部の内壁との距離を、上記液体が流れる方向に垂直な何れの方向においても所定値よりも大きく離間させるという第２条件を満たすようにしたことを特徴とする請求項２に記載の液膜生成装置。
【請求項４】
上記ノズル部は、上記液体導出部を上記液体が流れる方向と平行な方向に所定の長さを有するパイプ体であり、
上記液体導出部は、上記ノズル部を構成する上記パイプ体に連結され、上記液体が流れる方向に所定の長さを有する筒状の溶液供給構造体であり、
上記パイプ体の一端に上記溶液供給構造体と連通する開口が形成されるとともに、上記パイプ体の他端に上記開口よりもサイズの小さい上記液体噴出口が形成されており、
上記所定の離間関係の条件として、上記第１条件に代えてまたは加えて、上記溶液供給構造体の内壁を上記開口の外周よりも更に外側に位置させるという第３条件を満たすようにしたことを特徴とする請求項２に記載の液膜生成装置。
【請求項５】
上記ノズル部が備える上記液体噴出口の上記一の方向のサイズと、上記ノズル部の上記一の方向に垂直な方向のサイズとの比を所定比よりも小さくするという条件を満たすように、上記ノズル部の上記一の方向に垂直な方向のサイズを上記液体噴出口の上記一の方向のサイズよりも大きくしたことを特徴とする請求項４に記載の液膜生成装置。
【請求項６】
上記液体導出部は、上記液体を貯蔵し、外圧を受けて上記液体を上記ノズル部に導出する容器であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の液膜生成装置。
【請求項７】
上記液体導出部は、上記液体を貯蔵する容器から供給される上記液体を、その線流を線形状に整えて上記ノズル部に導出する線流整形パイプであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の液膜生成装置。
【請求項８】
上記ノズル部および上記液体導出部は、所定の長さを有するパイプ体として一体的に形成されており、上記パイプ体の一端から他端側に向けて途中までの部位が上記液体導出部であり、上記途中から上記他端までの部位が上記ノズル部であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の液膜生成装置。
【請求項９】
上記加圧手段は、圧縮ガスを上記液体導出部に供給する圧縮ガス供給装置により構成されることを特徴とする請求項６に記載の液膜生成装置。
【請求項１０】
電磁波が伝播する経路中に液体試料を配置し、当該液体試料を透過または反射した電磁波の特性を計測する分光装置に用いられ、上記液体試料としての液膜を生成するための液膜カートリッジであって、
液体を噴出して、表面が平坦な板状の液膜を空間上に生成するためのノズル部と、
上記液体を上記ノズル部に導出するための液体導出部とを備え、
上記ノズル部において上記液体が噴出する開口である液体噴出口の最外部と上記液体導出部の内壁とを、所定の離間関係の条件を満たすように離間させて配置したことを特徴とする液膜カートリッジ。
【請求項１１】
上記ノズル部は、上記液体導出部を上記液体が流れる方向に垂直な断面の中央付近に配置され、
上記所定の離間関係の条件として、上記ノズル部が備える上記液体噴出口の中心から、上記液体が流れる方向に垂直な一の方向の上記最外部までのサイズと、上記液体導出部の中心から上記一の方向の上記内壁までのサイズとの比を所定比より大きくするという第１条件を満たすように、上記液体導出部の上記一の方向のサイズを上記液体噴出口の上記一の方向のサイズよりも大きくしたことを特徴とする請求項１０に記載の液膜カートリッジ。
【請求項１２】
上記所定の離間関係の条件として、上記第１条件に代えてまたは加えて、上記ノズル部が備える上記液体噴出口の最外部と上記液体導出部の内壁との距離を、上記液体が流れる方向に垂直な何れの方向においても所定値よりも大きく離間させるという第２条件を満たすようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の液膜カートリッジ。
【請求項１３】
上記ノズル部は、上記液体導出部を上記液体が流れる方向と平行な方向に所定の長さを有するパイプ体であり、
上記液体導出部は、上記ノズル部を構成する上記パイプ体に連結され、上記液体が流れる方向に所定の長さを有する筒状の溶液供給構造体であり、
上記パイプ体の一端に上記溶液供給構造体と連通する開口が形成されるとともに、上記パイプ体の他端に上記開口よりもサイズの小さい上記液体噴出口が形成されており、
上記所定の離間関係の条件として、上記第１条件に代えてまたは加えて、上記溶液供給構造体の内壁を上記開口の外周よりも更に外側に位置させるという第３条件を満たすようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の液膜カートリッジ。
【請求項１４】
上記ノズル部が備える上記液体噴出口の上記一の方向のサイズと、上記ノズル部の上記一の方向に垂直な方向のサイズとの比を所定比よりも小さくするという条件を満たすように、上記ノズル部の上記一の方向に垂直な方向のサイズを上記液体噴出口の上記一の方向のサイズよりも大きくしたことを特徴とする請求項１３に記載の液膜カートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液膜生成装置およびこれに用いる液膜カートリッジに関し、特に、電磁波が伝播する経路中に液体試料を配置し、当該液体試料を透過または反射した電磁波の特性を計測するシステムにおいて、液体から液体試料としての液膜を生成する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、紫外線、赤外線、マイクロ波、テラヘルツ波などの電磁波を用いて物質の特性を計測する分光装置が提供されている。分光法は、電磁波により計測される物理量に応じていくつかの方法に分類されるが、その中に吸収分光法や反射分光法がある。吸収分光法では、分光計測の対象となる試料に電磁波を透過させ、試料を通過中に電磁波と試料とが相互作用することによって生じる電磁波の変化から、試料の物理的性質あるいは化学的性質を計測する。また、反射分光法は、光を透過しない材料や光を散乱する材料などの分光測定に利用されるものであり、試料表面からの反射光を観測することによって試料の性質を計測する。【０００３】
物質による光の吸収は、光子のエネルギーと物質のエネルギー構造とが一致する場合に生じる。このため、計測対象とする試料の観測したい現象や構造にあわせて、異なる光源や計測技術を選択する必要がある。一般に、短い波長の電磁波（紫外線、赤外線、可視光線など）は小さい構造や強い相互作用を捉え、長い波長の電磁波（テラヘルツ波など）は大きい構造や弱い相互作用を捉えるのに適している。テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）は、テラヘルツ波の波形を直接測定することによって得られる電磁波の時間波形をフーリエ変換し、テラヘルツ波の振幅と位相の情報を得る分光法である。【０００４】
分光計測の試料として用いる被計測物質には、ガス状、固体状、液体状などの形態がある。それぞれの形態に応じて、電磁波が適切に透過または反射するように被計測物質の設置方法が工夫されている。例えば、液体状の試料について精度の高い計測を行うには、分光装置に配置する試料は、電磁波が適切に透過または反射するように薄く形成する必要がある。特に、水溶液などの液体試料をテラヘルツ波で分光計測する場合には、水分子によるテラヘルツ波の吸収効果が強いため、計測信号のＳＮ比の悪化を防ぐために、液体を板状の均一な薄膜にし、板状の部分にテラヘルツ波を透過または反射させて計測を行う必要がある。【０００５】
一般に、液体試料の吸収分光法による計測では、ガラスなどの電磁波を透過する材料で作られた容器（一般的には溶液セルと呼ばれる）に試料を挟みこみ、溶液セルの外部から電磁波を入射し、溶液セルを透過した電磁波を計測している。しかしながら、液体試料を溶液セルに挟み込んで計測すると、液体試料の分光情報に対してセル材料の分光情報がノイズとして重畳し、真の分光情報を計測する妨げとなる。【０００６】
従来、このような問題に鑑みて、溶液セルを用いることなく、ノイズの少ない分光情報を計測可能にすること目的とした装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。この特許文献１〜３に記載の装置では、液体試料を直接薄膜状にするノズルを用い、ポンプの圧力によってノズルから液体試料を噴出することにより、薄い平坦な板状の液膜を生成するようになされている。【０００７】
特に、特許文献３に記載の液膜生成装置では、液体をポンプで加圧してノズルから噴出させた場合に、噴出される液体内に含まれている気泡が原因で、ノズルの開口部から液体が飛散してしまうという問題を解消するために、ポンプにより回収タンクから吸い上げて加圧した液体をノズルから噴出することによって生成した液膜を、当該液膜の表面に沿ってスロープ壁に触れさせ、スロープ壁から流れ落ちる液体を回収して回収タンクに貯蔵するようにしている。【０００８】
しかしながら、上記のような特許文献３の構造が特に効果を発揮するのは、回収タンクに貯蔵される液体が発泡性を有しない液体の場合である。これに対し、例えば炭酸ガスを含む炭酸飲料などの発泡性溶液を試料として用いる場合には、そもそも溶液自体にガスが多く含まれているため、上記特許文献３に記載の構造を用いたとしても、分光計測に適するほどの安定した溶液表面を持つ薄膜形状に整形することは難しい。【０００９】
すなわち、ガスを溶存する発泡性溶液を、特許文献１〜３に記載の手法と同様の手段で薄膜化しようとすると、溶液を入れる容器の内壁や、溶液を液膜生成ノズルまで運ぶチューブの内壁から、溶液内に溶存するガス由来の気泡が発生する。そして、その気泡が液膜生成ノズルに流れ込むためにノズル口で流れの乱れが発生し、ノズルの出口付近で溶液の突沸や霧状化などが生じてしまう。そのため、分光計測に適するほどに液体の表面が平坦かつ安定した薄膜を得ることができない。【００１０】
【特許文献１】特開２０１１−１２７９５０号公報
【特許文献２】特開２０１５−２１９０８８号公報
【特許文献３】特開２０１７−１４６２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、分光計測の試料として発泡性溶液を用いる場合であっても、電磁波が適切に透過または反射するような薄くて平坦な液膜を安定して生成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記した課題を解決するために、本発明は、液体（発泡性を有するか否かは問わない）を噴出して、表面が平坦な板状の液膜を空間上に生成するためのノズル部と、液体をノズル部に導出するための液体導出部とを備え、ノズル部において液体が噴出する開口である液体噴出口の最外部と液体導出部の内壁とを、所定の離間関係の条件を満たすように離間させて配置している。
【発明の効果】
【００１３】
ガスを溶存した発泡性溶液は、液体導出部からノズル部へと導出され、ノズル部の液体噴出口から噴出されることにより、表面が平坦な板状の液膜が空間上に生成される。このとき、液体導出部の内壁との相互作用により、ガス分子が集まって気泡に成長し、当該気泡が内壁に付着する。内壁に付着した気泡は、周りの気泡と結合して大きくなり、発泡性溶液の流れに沿って移動する。ここで、気泡の発生は内壁に近いほど多く、内壁から遠いほど少ない。すなわち、液体導出部の中心部分における発泡性溶液の気泡化は少ないと言える。【００１４】
これに対し、上記のように構成した本発明によれば、発泡性溶液がノズル部に至る直前までの流路である液体導出部において、その内壁から液体噴出口までの距離が大きくなるため、内壁からの影響を受けにくく液体の線流速度が最も速くなる液体導出部の中心付近を流れる発泡性溶液が、支配的にノズル部に到達するようになる。上述の通り、この中心付近を流れる発泡性溶液には気泡が殆ど含まれていない。また、本発明の構造によれば、気泡が発生する液体導出部の内壁から液体噴出口までの距離が大きくなるため、当該内壁において発生した気泡がノズル部の液体噴出口に移動していく過程において、気泡が発泡性溶液に再吸収される可能性も高くなる。これにより、液体導出部からノズル部に入り込む気泡の量を低減することができ、発泡性溶液であっても、電磁波が適切に透過または反射するような薄くて平坦な液膜を安定して生成することができるようになる。なお、発泡性を有しない液体を用いる場合は、もともと溶液内に気泡が殆ど含まれていないから、電磁波が適切に透過または反射するような薄くて平坦な液膜を安定して生成することができるのはもちろんのことである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態による液膜カートリッジの構成例を示す図である。
【図２】本実施形態による液膜カートリッジを用いた液膜生成装置の構成例を示す図である。
【図３】本実施形態による液膜カートリッジを用いた液膜生成装置の構成例を示す図である。
【図４】本実施形態による液膜カートリッジを用いた液膜生成装置の構成例を示す図である。
【図５】本実施形態による液膜カートリッジを用いた液膜生成装置の構成例を示す図である。
【図６】本実施形態による液膜カートリッジを用いた液膜生成装置の構成例を示す図である。
【図７】本実施形態による液膜カートリッジを用いた液膜生成装置の構成例を示す図である。
【図８】本実施形態による液膜カートリッジを用いた液膜生成装置の構成例を示す図である。
【図９】本実施形態による液膜カートリッジを用いた液膜生成装置の構成例を示す図である。
【図１０】本実施形態による液膜カートリッジを用いた液膜生成装置の構成例を示す図である。
【図１１】本実施形態による液膜カートリッジの他の構成例を示す図である。
【図１２】本実施形態による液膜カートリッジを用いた液膜生成装置の他の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態による液膜カートリッジの構成例を示す図であり、（ａ）は全体の正面図、（ｂ）はノズル部の底面図である。本実施形態の液膜カートリッジは、電磁波が伝播する経路中に液体試料を配置し、当該液体試料を透過または反射した電磁波の特性を計測する分光装置（例えば、テラヘルツ時間領域分光装置）に用いられるものであり、ガスを溶存する発泡性溶液またはガスを溶存しない非発泡性溶液その他の液体をノズル部から噴出することにより、表面が平坦な板状の試料液膜を空間上に生成する。以下では、発泡性溶液を用いて試料液膜を生成するものとして説明する。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態の液膜カートリッジは、発泡性溶液を噴出して、表面が平坦な板状の液膜を空間上に生成するためのノズル部１０と、発泡性溶液１００をノズル部１０に導出するための液体導出部２０とを備えて構成される。
【００１８】
図１に矢印で示すように、液体導出部２０の内部において、発泡性溶液１００は、ノズル部１０がない上面側からノズル部１０がある底面側に向かって流れる。ノズル部１０は、液体導出部２０を発泡性溶液１００が流れる方向と平行な方向に所定の長さ（深さ）Ｄ10を有するパイプ体である。また、液体導出部２０は、ノズル部１０を構成するパイプ体に連結され、発泡性溶液１００が流れる方向に所定の長さ（深さ）Ｄ20を有する筒状の溶液供給構造体である。ノズル部１０の長さＤ10は、液体導出部２０の長さＤ20より短い（Ｄ10＜Ｄ20）。
【００１９】
ノズル部１０を構成するパイプ体は、円筒形状により構成されている。液体導出部２０を構成する溶液供給構造体も同様に、円筒形状により構成されている。ノズル部１０の断面円形の半径Ｒ10は、液体導出部２０の断面円形の半径Ｒ20より小さい（Ｒ10＜Ｒ20）。なお、ノズル部１０および液体導出部２０の形状は、円筒形状でなくてもよい。例えば、ノズル部１０および液体導出部２０は、何れも断面が多角形の筒状体であってもよい。
【００２０】
ノズル部１０は、液体導出部２０を発泡性溶液１００が流れる方向に垂直な断面の中央付近（正確に中央位置とするのが好ましい）に配置されている。ノズル部１０と液体導出部２０との連結は、両者を一体的に形成した状態での連結であってもよいし、ノズル部１０を液体導出部２０から着脱可能な状態での連結としてもよい。
【００２１】
ノズル部１０を構成するパイプ体の一端には、液体導出部２０の溶液供給構造体と連通する開口が形成されている。この開口は、半径がＲ10の円形である。これにより、液体導出部２０内を上面側から底面側に流れてきた発泡性溶液１００は、開口からノズル部１０へと導出される。
【００２２】
ノズル部１０を構成するパイプ体の他端には、一端の開口よりもサイズの小さい液体噴出口１１が形成されている。これにより、ノズル部１０に導出された発泡性溶液１００は、液体噴出口１１から外部へ噴出される。液体噴出口１１は、ノズル部１０の底面の中心位置に設けられている。液体噴出口１１の形状は、例えば正方形であるが、長方形としてもよい。ただし、液体噴出口１１から液体が噴出されたときに、噴出された液体が板状の液膜となるような形状に液体噴出口１１を構成することが必要である。
【００２３】
以上説明したように、液体導出部２０は所定の長さＤ20を有する筒状体であるため、その内部を発泡性溶液１００が上面側から底面側に向かってほぼ直線的に流れる。「ほぼ直線的」とは、液体導出部２０の全ての領域において、液体導出部２０の側面に平行な線流１０１として発泡性溶液１００が直線的に流れているわけではないという意味である。
【００２４】
すなわち、液体導出部２０の中心付近を流れる発泡性溶液１００は、液体導出部２０の中心付近に連結されたノズル部１０に向かって直線的な線流１０１として流れる。これに対し、液体導出部２０の周辺付近を流れる発泡性溶液１００は、液体導出部２０の底面に近づくにつれて、液体導出部２０の周辺付近から中心付近のノズル部１０に向かうような線流１０２として流れるようになる。
【００２５】
液体導出部２０の中心付近を流れる線流１０１は、液体導出部２０の内壁２１からの影響を受けにくく、線流速度が最も速くなる。このため、液体導出部２０の中心付近を線流１０１として流れる発泡性溶液１００が、支配的にノズル部１０に到達するようになる。
【００２６】
一方、液体導出部２０の内壁２１に近い領域では、内部を流れる発泡性溶液１００と内壁２１との相互作用により、発泡性溶液１００のガス分子が集まって気泡１０３に成長し、当該気泡１０３が内壁２１に付着する。内壁２１に付着した気泡１０３は、周りの気泡１０３と結合して大きくなり、発泡性溶液１００の流れに沿って上面側から底面側へと移動する。ここで、気泡１０３の発生は内壁２１に近いほど多く、内壁２１から遠いほど少ない。すなわち、液体導出部２０の中心部分における発泡性溶液１００の気泡化は少ないと言える。
【００２７】
気泡１０３がノズル部１０の液体噴出口１１に流れ込む量を減らすためには、液体噴出口１１と液体導出部２０の内壁２１との間隔が離れていることが望ましい。そこで、本実施形態では、ノズル部１０において発泡性溶液１００が噴出する液体噴出口１１の最外部と液体導出部の内壁２１（側壁）とを、所定の離間関係の条件を満たすように離間させて配置するようにしている。
【００２８】
具体的には、ノズル部１０が備える液体噴出口１１の中心から、発泡性溶液１００が流れる方向に垂直な一の方向の最外部までのサイズ（発泡性溶液１００が流れる方向に垂直な面内の、液体噴出口１１の中心から最外部へ向かう方向の最外部までのサイズ）と、液体導出部２０の中心から一の方向の内壁２１までのサイズ（発泡性溶液１００が流れる方向に垂直な面内の、液体導出部２０の中心から内壁２１へ向かう方向の内壁２１までのサイズ）との比を所定比より大きくするという条件（特許請求の範囲の第１条件に相当）を満たすように、液体導出部２０の一の方向のサイズを液体噴出口１１の一の方向のサイズよりも大きくしている。これにより、発泡性溶液１００をノズル部１０に導出する液体導出部２０の内部の体積が大きくなるようにしている。
【００２９】
例えば、正方形をした液体噴出口１１の一辺の長さを２Ｗ11とすると、その中心（液体導出部２０の中心でもある）から液体導出部２０の内壁２１までの距離（液体導出部２０の半径Ｒ20）との比率が「Ｒ20／Ｗ11＞１０」となるようにする。この場合、「ノズル部１０が備える液体噴出口１１の中心から、発泡性溶液１００が流れる方向に垂直な一の方向の最外部までのサイズ」がＷ11であり、「液体導出部２０の中心から一の方向の内壁２１までのサイズ」がＲ20である。なお、液体噴出口１１を長方形の開口とした場合、「ノズル部１０が備える液体噴出口１１の中心から、発泡性溶液１００が流れる方向に垂直な一の方向の最外部までのサイズ」は（長辺の長さ／２）とする。
【００３０】
このように液膜カートリッジを構成することにより、発泡性溶液１００がノズル部１０に至る直前までの流路である液体導出部２０において、その内壁２１から液体噴出口１１までの距離が大きくなる。
【００３１】
上述の通り、液体導出部２０の中心付近を流れる発泡性溶液１００には、気泡１０３が殆ど含まれていない。また、液体導出部２０の周辺付近を流れる発泡性溶液１００が液体導出部２０の底面に近づくにつれて中心付近のノズル部１０に向かって流れるとしても、内壁２１において発生した気泡１０３がその流れに沿ってノズル部１０に移動していく過程において、気泡１０３が発泡性溶液１００に再吸収される可能性も高くなる。これにより、液体導出部２０からノズル部１０に入り込む気泡１０３の量を低減することができる。その結果、試料として用いる液体が発泡性溶液１００であっても、電磁波が適切に透過または反射するような薄くて平坦な液膜を安定して生成することができるようになる。
【００３２】
例えば、ノズル部１０の液体噴出口１１の一辺の長さを０．６ｍｍとすると、液体導出部２０の内径を６ｍｍよりも十分に大きくすると、液体導出部２０の内壁２１に生じた気泡１０３がノズル部１０に流れ込んで液体噴出口１１において突沸が生じることを抑制し、薄くて平坦な液膜を安定して生成することができるようになる。
【００３３】
なお、液体導出部２０の内壁２１に付着した気泡１０３がノズル部１０の液体噴出口１１に流れ込む量をより減らすために、ノズル部１０が備える液体噴出口１１の一の方向のサイズＷ11と、ノズル部１０の一の方向に垂直な方向のサイズ（ノズル部１０の長さ（深さ）Ｄ10）との比を所定比よりも小さくするという条件を満たすように、ノズル部１０の長さＤ10を液体噴出口１１の一の方向のサイズＷ11よりも大きくするのが好ましい。例えば、「Ｄ10／Ｗ11＜２０」となるようにするのが好ましい。
【００３４】
図２〜図７は、上記のように構成した液膜カートリッジを用いた液膜生成装置の構成例を示す図である。本実施形態の液膜生成装置は、本実施形態の液膜カートリッジに対し、液体導出部２０の中にある発泡性溶液１００を加圧してノズル部１０から噴出させるための加圧手段を更に備えたものである。このうち、図２〜図４は、加圧手段の一例として、圧縮ガスを液体導出部２０に供給する圧縮ガス供給装置を用いた構成を示している。
【００３５】
図２において、液体導出部２０は、発泡性溶液１００を貯蔵する円筒形状の容器で構成されている。容器の一端は開口、他端は閉口となっている。液体導出部２０の開口部には、ノズル付きキャップ３０を着脱可能に取り付けられるようになっている。このノズル付きキャップ３０の底面の中心部には、ノズル部１０が設けられている。
【００３６】
ノズル付きキャップ３０を取り外した状態で、液体導出部２０の開口部を上側に向けることにより、液体導出部２０の容器の中に発泡性溶液１００を充填することが可能である。容器の中が満杯とならないような量の発泡性溶液１００を充填した後に、ノズル付きキャップ３０を装着し、図に示すように天地を反転させて、ノズル付きキャップ３０が下方（重力方向）を向くようにする。これにより、液体導出部２０の中で、ノズル付きキャップ３０がある下方に発泡性溶液１００が溜まる。
【００３７】
ノズル付きキャップ３０には貫通穴が設けられており、ここにガス供給管４０が挿通される。ガス供給管４０は、これを液体導出部２０の内部に挿入したときに、先端が液体導出部２０の閉口部（底面）の付近に達する長さを有している。このガス供給管４０を通して外部の圧縮ガス供給装置（図示せず）から液体導出部２０の内部に圧縮ガス２００を送り込むことが可能である。液体導出部２０に送り込まれた圧縮ガス２００の圧力により、液体導出部２０に貯蔵された発泡性溶液１００がノズル部１０側に導出され、ノズル部１０から発泡性溶液１００が噴出されて液膜１１０が生成される。
【００３８】
図３は、図２に示した構成において、発泡性溶液１００と圧縮ガス２００とが接する界面に、ガス分子の溶解を防止するためのガス分離膜５１を配置した例を示す図である。一般的に、溶液とガスとが接すると、ガスの分圧に応じて、ガス分子が溶液に溶解する。分光により特性を計測する対象試料が炭酸飲料などの発泡性溶液１００である場合を想定すると、液体導出部２０に送り込む圧縮ガス２００が炭酸ガスであっても、炭酸ガス以外であっても、そのガスが発泡性溶液１００に溶け込み、被計測対象としての発泡性溶液１００の特性を変化させる。
【００３９】
これを防止するために、液体導出部２０内に貯蔵された発泡性溶液１００と外部から送り込まれる圧縮ガス２００との界面に、発泡性溶液１００と化合せず、かつ、発泡性溶液１００より比重の軽い液体の膜を層状に浮かべることによってガス分離膜５１を配置する。これにより、発泡性溶液１００へのガスの混入を減らすことができる。このガス分離膜５１に使用する液体は、圧縮ガス２００を送り込むガス供給管４０を利用して、圧縮ガス２００を送り込む前に液体導出部２０へ導入することが可能である。
【００４０】
なお、ここでは、液体の膜を界面に層状に浮かべることによってガス分離膜５１を配置する例を説明したが、これに限定されない。例えば、発泡性溶液１００に浮かび、かつ、発泡性溶液１００と化合しない固体材料で作られたフィルム状の蓋を、発泡性溶液１００と圧縮ガス２００との界面に配置することにより、圧縮ガス２００が発泡性溶液１００に混入する割合を減少させるようにすることも可能である。
【００４１】
図４は、圧縮ガス２００が発泡性溶液１００に混入しないようにするための方法として、液体導出部２０内でバルーンを膨らませる方法を示す図である。図４に示すように、発泡性溶液１００と化合せず、かつ、柔軟性のあるゴム素材で作られたバルーン５２をガス供給管４０の先端に配置し、バルーン５２の中に圧縮ガス２００を送り込むことにより、発泡性溶液１００と圧縮ガス２００とを分離することができる。
【００４２】
図５〜図７は、発泡性溶液１００を加圧してノズル部１０から噴出させるための加圧手段の別の構成例を示す図である。このうち、図５は、圧縮ガス２００の代わりに、発泡性溶液１００と同じ発泡性溶液１００’を用いる方法を示す図である。図５において、液膜カートリッジの構成自体は、図２と同様である。
【００４３】
図５に示す例では、本実施形態の液膜カートリッジとは別に加圧用溶液タンク５３を設け、液体試料として液体導出部２０に導入する発泡性溶液１００と同じ発泡性溶液１００’を当該加圧用溶液タンク５３に貯蔵する。また、ガス供給管４０に代えて液体供給管５４を設け、この液体供給管５４によって液膜カートリッジと加圧用溶液タンク５３とを連通させる。そして、加圧用溶液タンク５３に圧縮ガスを送り込むことによって、加圧用溶液タンク５３に貯蔵された発泡性溶液１００’を、液体供給管５４を介して液体導出部２０に対して液膜生成に適した圧力をもって送り込むことで、分光計測に必要とする量の発泡性溶液１００をノズル部１０に押し出すようにする。
【００４４】
なお、加圧用溶液タンク５３から液膜カートリッジの液体導出部２０に送り込まれる加圧用の発泡性溶液１００’は、液体供給管５４を介して液体導出部２０に到達するまでの間に気泡が生じる。そのため、液体導出部２０には、気泡と溶液とが混在した状態で発泡性溶液１００’が送り込まれる。しかし、気泡を含む発泡性溶液１００’は、一定の圧力で加圧された状態であり、液体導出部２０内に貯蔵されている被計測対象である発泡性溶液１００を、計測に必要とする適切な量だけノズル部１０へと送り出すことが可能である。
【００４５】
ここでは、加圧用の発泡性溶液１００’を液体導出部２０に送り込むための構成として加圧用溶液タンク５３と圧縮ガスを用いたが、これに限定されない。例えば、加圧用溶液タンク５３の代わりにシリンジを用い、シリンジ内に貯蔵した発泡性溶液１００’をピストンにより加圧することにより、シリンジから液体供給管５４を介して液体導出部２０に発泡性溶液１００’を送り込むようにしても良い。
【００４６】
図６は、発泡性溶液１００を加圧してノズル部１０から噴出させるための加圧手段の更に別の構成例を示す図である。図６に示す例では、液体導出部２０’の容器として、柔軟性のある素材を用いる。この容器は、外部から圧縮ガス２００による圧力を受けて変形する。ただし、ノズル付きキャップ３０と連結する部分は、圧縮ガス２００による圧力を受けても変形を受けない構成とし、図１にて説明した条件を満たすものとする。
【００４７】
また、この柔軟性のある容器で構成された液体導出部２０’を、圧縮ガス２００による圧力を受けても変形しない加圧ガス容器６１の内部に配置する。そして、この加圧ガス容器６１の中に圧縮ガス２００を送り込むことにより、圧縮ガス２００の圧力により液体導出部２０’を変形させ、これによって液体導出部２０’の内部に貯蔵した発泡性溶液１００をノズル部１０に送り出す。
【００４８】
図７は、図６に示した液体導出部２０’を変形させるための手段として、圧縮ガス２００の代わりに機械的な構造による加圧ローラ６２を用いた例を示す図である。例えば、加圧ローラ６２を円柱上の２つのローラで構成し、この２つのローラに対して、柔軟性のある液体導出部２０’を挟み込む。そして、２つのローラを互いに逆方向に回転させながら加圧ローラ６２を液体導出部２０’の下方に向かって移動させることにより、液体導出部２０’に貯蔵された発泡性溶液１００をノズル部１０へと送り出す。
【００４９】
以上詳しく説明したように、本実施形態の液膜カートリッジでは、発泡性溶液１００を噴出して液膜を空間上に生成するためのノズル部１０と、発泡性溶液１００をノズル部１０に導出するための液体導出部２０とを備え、ノズル部１０が有する液体噴出口１１の最外部と液体導出部２０の内壁２１とを、上述した第１条件を満たすように離間させて配置している。
【００５０】
このように構成した本実施形態によれば、発泡性溶液１００がノズル部１０に至る直前までの流路である液体導出部２０において、気泡１０３が発生する内壁２１から液体噴出口１１までの距離が大きくなるため、液体導出部２０からノズル部１０に入り込む気泡の量を低減することができる。これにより、試料として用いる液体が発泡性溶液１００であっても、電磁波が適切に透過または反射するような薄くて平坦な液膜を安定して生成することができる。その結果、これまで発泡性溶液の特性データが未計測であったあらゆる波長領域における分光計測を実現することができる。
【００５１】
すなわち、本実施形態の液膜生成装置を用いれば、ガスを溶存する発泡性溶液の分子レベルの液体状態を、その場観測によりリアルタイムで計測することが可能となる。その結果、発泡性溶液中の分子結合状態の変化や温度制御による溶液温度の変化などを瞬時に計測することが可能となる。例えば、従来測定が困難とされていた炭酸飲料や発泡性の酒類などの発泡性飲料のガス分子が味覚に与える影響など、製造条件を変化させて種々の条件を特定することが迅速かつ容易となり、新商品開発や品質管理など産業上の応用に大きく貢献する。
【００５２】
本実施形態の液膜生成装置は、テラヘルツ波や赤外線などの電磁波を利用する分光計測に広く適用することが可能である。すなわち、非接触、非破壊、非侵襲、および瞬時測定性能を特徴とする、溶液における分子間相互作用の情報を得るための分光装置に広く用いることが可能である。また、上記実施形態では、発泡性溶液１００から液膜１１０を生成する例を示したが、発泡性を有しない液体からも薄くて平坦な液膜を安定して生成することができることは言うまでもない。これは、以下に説明する各種の変形例においても同様である。
【００５３】
なお、上記実施形態では、ノズル部１０が備える液体噴出口１１の最外部と液体導出部の内壁２１とが満たすべき所定の離間関係の条件として第１条件を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、所定の離間関係の条件として、第１条件に代えてまたは加えて、ノズル部１０が備える液体噴出口１１の最外部と液体導出部２０の内壁２１との距離（Ｒ20−Ｗ11）を、発泡性溶液１００が流れる方向に垂直な何れの方向においても所定値よりも大きく離間させるという第２条件を用いるようにしてもよい。この条件を満たす限りにおいて、ノズル部１０は液体導出部２０の底面の中心から偏在した位置に配置されていてもよい。
【００５４】
あるいは、所定の離間関係の条件として、第１条件に代えてまたは加えて、液体導出部２０の内壁２１を、ノズル部１０の一端側の開口の外周よりも更に外側に位置させるという第３条件を用いるようにしてもよい。なお、図１に示した液膜カートリッジの構成は、第１条件に加えてこの第３条件も満たす構成となっている。
【００５５】
また、上記実施形態では、液体導出部２０を発泡性溶液１００の容器により構成し、外圧を与えて発泡性溶液１００をノズル部１０に導出する構成例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８に示すように、液体導出部２０”は、発泡性溶液１００を貯蔵する容器７１から溶液チューブ７２を介して供給される発泡性溶液１００を、その線流を線形状に整えてノズル部１０に導出する線流整形パイプとしてもよい。
【００５６】
この図８に示す構成の場合、発泡性溶液１００を貯蔵した容器７１内に圧縮ガスを注入する。その圧力により溶液チューブ７２に押し出された発泡性溶液１００が、当該溶液チューブ７２を介して線流整形パイプ２０”に伝送され、線流整形パイプ２０”を経てノズル部１０に至る。線流整形パイプ２０”は、溶液伝送の途中で自由に変形する溶液チューブ７２による線流の乱れを直線的に整えることで、ノズル部１０により生成される液膜の安定性を向上させる機能を有している。
【００５７】
液体導出部として線流整形パイプ２０”を用いる場合、発泡性溶液１００を容器７１から線流整形パイプ２０”に導出する手段は、図８に示した圧縮ガスに限らない。例えば、図９に示すように、チューブポンプ７３を用いてもよい。チューブポンプ７３は、容器７１から溶液チューブ７２-1を介して発泡性溶液１００を吸い上げて、吸い上げた発泡性溶液１００を加圧し、溶液チューブ７２-2を介して線流整形パイプ２０”に導出する。
【００５８】
また、図１０に示すように、発泡性溶液１００を容器７１から線流整形パイプ２０”に導出する手段として、シリンジ７４およびピストン７５を用いるようにしてもよい。この図１０に示す例では、発泡性溶液１００を貯蔵する容器としてシリンジ７４を用い、シリンジ７４内に貯蔵した発泡性溶液１００をピストン７５により加圧することにより、シリンジ７４から溶液チューブ７２を介して線流整形パイプ２０”に発泡性溶液１００を送り込む。
【００５９】
なお、図８〜図９の何れの方法でも、発泡性溶液１００から液膜を生成することが可能であるが、安定な液膜生成には、圧力制御されたガスを用いる方法が最も適している。
【００６０】
また、上記実施形態では、ノズル部１０と液体導出部２０とが連結された構成例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１１に示すように、ノズル部および液体導出部を、所定の長さを有するパイプ体８０として一体的に形成し、パイプ体８０の一端から他端側に向けて途中までの部位を液体導出部８１とし、途中から他端までの部位をノズル部８２とする構成であってもよい。なお、図１１において、点線はパイプ体８０の内壁を示している。
【００６１】
図１１に示す液膜カートリッジにおいて、円筒形をしたパイプ体８０の途中から他端までの部位に当たるノズル部８２は、なだらかな傾きを有するテーパ状に形成されている。このテーパ部は、パイプ体８０の中心軸Ｃに対して対称となるように、正面側および背面側に形成されている。テーパ部は、パイプ体８０の下側（先端側）にいくほど、正面側のテーパ部と背面側のテーパ部との間隔が狭くなり、間隔が最小となる先端部が液体噴出口１１となっている。この構成において、ノズル部８２の先端にある液体噴出口１１と、液体導出部８１の内壁２１とが、例えば第１条件を満たすように構成される。
【００６２】
その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【００６３】
例えば、上記実施形態では、ノズル部１０が下方（重力方向）を向くようにして液膜カートリッジを使用し、発泡性溶液１００を下方に噴出して液膜１１０を生成する例について説明したが、これに限定されない。例えば、図１２（ａ）のように、液膜カートリッジを横向きに使って横方向に発泡性溶液１００を噴出させるようにしてもよい。また、図１２（ｂ）のように、ノズル部１０が上方を向くようにして液膜カートリッジを使用し、発泡性溶液１００を上方に噴出させるようにしてもよい。なお、ここではバルーン５２を使って発泡性溶液１００を加圧する構成例を示している。
【００６４】
図１２（ｂ）のようにノズル部１０を上方に向ける場合、液体導出部２０Ａの上端をＭ字状に形成し、ノズル部１０の周囲部分が上方に凸状態となるようにしてもよい。なお、ノズル部１０の周囲部分が、ノズル部１０と液体導出部２０Ａとの連結部における開口よりも上方に凸状態となればよく、液体導出部２０Ａの上端の形状をＭ字状にすることは一例に過ぎない。このようにすれば、浮力によって浮上していく気泡１０３が、液体導出部２０Ａの上端においてノズル部１０の周囲部分に形成された凸状部分に溜まっていき、気泡１０３がノズル部１０に混入することを抑制することができる。
【００６５】
また、上記実施形態において、気泡１０３の発生を抑制するために、液体導出部２０の内壁２１に界面活性剤を塗るなどして、内壁２１の表面に濡れ性を阻害するコーティングを施す方法を併用するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１０  ノズル部
１１  液体噴出口
２０，２０’，２０”，２０Ａ  液体導出部
２１  内壁
１００  発泡性溶液
【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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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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