JP2010054328A - 本質安全防爆型流体センサおよびそれを用いた空検知制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 流動性のある物質を供給し使用する装置において貯留タンクの内容物が「空」になった状態の検知は、内容物に直接対応したセンサを触れさせて検知する方式であり、「空」の状態を放置しておくと、センサに付着した内容物が経時変化や化学変化を生じ、その性質の変化がその後に充填される物に悪影響を与えてしまう場合が多くあった。
【解決手段】 供給経路中に嵌挿される貯留タンクの「空」検知に使用可能な流体センサであって、環状の主電極４と、前記電極を覆う誘電率の低い材料の環状の絶縁体９と、前記絶縁体９を中心に保持するハウジング１０と、前記ハウジング１０に固着され前記環状の電極に接続される流体センサ１と、前記絶縁体９と前記ハウジング１０を挟着する金属製の一対のへルール付きのフランジ５の中心に嵌挿された樹脂チューブ１１とにより構成される本質安全防爆型流体センサを用いて誘電率で検知する。
【選択図】 図１

Description

医薬や食品向けの製造用タンクの本質安全防爆型流体センサおよび空検知制御方法に関する。

液体を取り扱う給配設備において、液体を貯留するタンクや、液体を給配する配管経路の中で液体の量を一定の状態に保つことが重要である。液体の量が大きく変化する、例えばタンクが「空」になったり供給経路の配管中の一部に無用な気体の滞留が発生することは、配管経路を経て液体の給配を受けた装置など液体を消費する工程において問題を発生してしまう。

具体的には、その消費量に見合う十分な液体の供給ができなくなり、その液体の配給を受けた装置の中で液体を消費する工程における不具合を発生する。最悪の場合には、供給が遮断してその液体を給配した装置において、必要な「混合」や「反応」などがおこなわれず、所望の生成物が得られなくなる。或いは、供給する液体が冷媒であれば、温度上昇を制御できず、温度が上昇し機器に異常を生じ、装置を緊急停止せざるを得ない状況になる。上記問題は、液体の安定した供給を確保する上で、液体を扱う場合に避けて通れない大きな課題である。

上記課題解決のため、給配設備の中で重要な位置づけとなる液体を一定量の余裕をもって蓄え、必要な所へ供給する貯留装置であるタンクの「空」状態を検知するものとして、例えば特許文献１では、液体が充填された状態と「空」の状態との重量の変化を見ている。具体的には、タンクとその枠体を弾性部材で支持して、タンクが「空」となった状態、つまり枠体との総重量が減少した時には、枠体が弾性部材の反力で一定の位置まで移動し、枠体の移動した位置で作動する複数のスイッチにより検知する方法を開示している。これによって、タンクの枠体に傾きがあっても一つのスイッチが切り変わり作動すれば「空」と検知し、適切な制御ができるとしている。

また、特許文献２では、重量による方法以外の方法として、超音波や静電容量などによる方法も考えられるとしている。ここで例示された重量による方法では「空」検知する結果としてできることの具体例として混合容器、貯留容器の充填状態を計測し、医療用の混合気体の混合状態を適切に保つことができるとしている。

一方、特許文献３では、タンクの「空」という単一の状態ではなく、タンク内に複数のセンサを内蔵させて、液体のレベル判定もおこなう液位検知装置が開示されている。これによって石油と水などの複数の液体が複数の層状態で貯留されたタンク内の各液体の量を計測し、液体の給配を制御することができるとしている。

また、市販の静電容量式センサも種々の物があり、液体の有無を検知する用途として、利用可能となっている。それ等はほとんどが検知部分に直接液体を流通させる配管中に挿入する或いは液を貯留するタンク液中に浸して使用するタイプのものである。しかしながら、こうしたタイプのセンサでは、センサ取り付け部の管路断面に大きな変化が有る場合、その箇所での液体の滞留を避けることができない。この様な液体の滞留があることによって配給経路の洗浄が短時間の洗浄では不十分となる。それに加え、センサによる流れの分断や乱流の発生などが加わり、センサ通過後の短い距離のエリアにおいて、その液体を他の流体等と混合或いは反応する処理に使用する場合等に問題となる。

特開昭５８−１０１７３２号 特開２００６−０２５８１３号 特開２００１−３２４３７１号

特許文献１あるいは特許文献２に開示された構成によって「空」を検知する方法では、タンク内に残留する液体が全て排出された状態を検知するには、精度が十分なものとは云えない。その理由は、機械式スイッチの反転装置で確保できる精度に限界があるからである。

特許文献３の方法では、タンク内部に設置するセンサに付着した液体が滞留してその液体の変質の懸念や、或いはタンク内で取り扱う液体を交換する場合には、洗浄された後であっても滞留部に使用した液体が残り、交換前後の液体と混じり合って化学変化をおこしてしまう等の問題が残ってしまう。

また、医薬や食品関係の液体を扱う場合には、食品衛生上想定される滞留した液体の経時変化による腐食や腐敗から引き起こされる健康被害、或いは医薬品への不純物の混在などによる予測しえない反応の誘発などによる化学的性質の変化等が大きな課題となってしまう。医薬や食品向けの製造ラインにおいて、その中に位置されるタンク類には、製造される商品の性格上、特に衛生に関しては、最重要課題として認識され、管理項目としても最重点の位置づけがされている。

そう云った医薬や食品関係に用いられるタンクに要求される要件は、次の様な事項である。すなわち、第１に、使用されるタンクの配管中やタンク内部に液体留まりが生じる部分が無いこと。第２に、洗浄性が良いこと。第３に、第２の要件をサポートする構成として容易に脱着することができること。第４に、用いられる液体には多くの種類が想定されるが、それら幅広い液体が検知できる構成により製造ラインの応用展開性や拡張性の高い構成を狙うことができることである。以上の要件をクリアする事項そのものが当該発明の課題となりうるものである。

上記課題を解決するための本願発明は、請求項１に記載の様に、環状の主電極と、該主電極を覆う誘電率の低い材料から成る環状の絶縁体と、該絶縁体を中心に保持するハウジングと、前記ハウジングに固着され前記環状の主電極に接続される本質安全防爆型流体センサにおいて、該絶縁体と該ハウジングを挟着する金属製の一対のへルール付きのフランジと、前記環状の主電極、前記絶縁体及び前記金属製の一対のへルール付きのフランジの中心中空部に嵌挿された樹脂チューブとにより構成される本質安全防爆型流体センサ（以下の説明文では、「本発明の流体センサ」と記す。）を構成する。

当該発明の請求項１に記載の本発明の流体センサの構成によれば、本願の第１の課題に記載の使用されるタンクの配管中やタンク内部に流体留まりが生じる部分が無い構成となる。また、第２第３の課題に記載の洗浄性が確保できるとともに、容易に着脱することができる。

さらに、請求項２に記載の様に、配管経路に設ける本質安全防爆型流体センサにおいて、前記樹脂チューブの材料がフッ素樹脂等の耐蝕・耐溶剤性のものであって、前記環状の主電極、前記環状の絶縁体、および前記一対のへルール付きのフランジの管壁に密着され、前記環状の主電極、前記環状の絶縁体、および前記一対のへルール付きのフランジが、配管内の液体に直接接しない本質安全防爆型流体センサを構成する。

当該発明の請求項２に記載の本発明の流体センサの構成によれば、水から純水（１μＳ／ｃｍ以下）さらには、溶媒までの幅広い液体を取り扱うことができる。従い、本願の第４の課題である幅広い液体が検知できる構成に対応できる。従い、当該課題解決により製造ラインの応用展開性や拡張性の高い用い方をすることが期待できる。

また、この様な構成にすることにより、洗浄性が良い該流体センサが得られ、且つ、配管経路内に残留する交換前後の流体が混ざり化学変化を生じてしまう、不純物を残す、それに基づき衛生上の問題を残す等のトラブルを回避することができる。

請求項３に記載の様に、本発明の本質安全防爆型流体センサを用い、タンクが空状態になったことを誘電率を用いて検知することにより流体検知制御をおこなうことである。

請求項３に記載の流体検知制御方法では、本発明の流体センサを用いることにより、誘電率を検知して配管で接続されたタンク内の流体が空状態にあるか否かについて容易に把握できるという利点が得られる。

次に請求項４に記載の様に、前記タンクの鉛直方向最下部から液体を供給する配管直後に本発明の流体センサを設けて、タンクが空状態になったことを検知することを特徴とする流体検知制御方法を用いれば、滞留部に使用した液体を残すことなく該タンクが空状態であるか否かについて、効率的に把握することができる。

医薬や食品の製造ラインに凹凸の無い平滑内面のタンクを用い、そのタンクの設置状態において鉛直方向最下部から液体を供給する配管直後に本発明の流体センサを設置することで、タンク内から本発明の流体センサおよび連通する配管内において、流体の流通する流路の断面をなめらかな一体の流路とすることが可能となり、これらの部分において無用な液体の滞留の発生を無くすことができる。

また、タンク内の液体が全て供給・排出された場合の誘電率を検知して、タンクが「空」状態となったことを短時間に精度良く検知できる。その検知結果に基づき、対応する関連装置の運転・停止や、液体の再充填などの適切な装置の制御をおこなうことが可能となる。

また、本発明の流体センサは、直接配管内の液体に挿入されていない構成なので、液体に直接触れていない。従い、脱着が容易であるへルール部の接続部で、該本発明の流体センサ部を短時間に分離でき、液体に触れる管壁を洗浄することが容易でメンテナンス性に優れる。特に、本発明の流体センサの配管経路に挿入する樹脂チューブに耐薬品性の高い樹脂を用いることで、対応する液体を選ばず汎用性が高くなる。

本質防爆対応が可能であり、揮発性のメタノールやアセトン等のアルコール類の液体にも適用することができる。従い、医薬品や食品などの上水、純水から、メタノール、アセトン、酢酸エチル等と云った揮発性の高い液体への対応も可能で、その液体の滞留の防止や不純物の混入防止に最適な液体供給系の実現に寄与することができる。

本願の実施の形態を図を用いて一般的な液体を例にして詳述する。図１は本願の実施の本発明の流体センサ１の正面図（一部断面図）および側面図である。配管経路に挿入する樹脂チューブ１１に環状の主電極４を接続し、前記主電極４を誘電率の低い材料による絶縁体９が覆っている。また、この絶縁体９の周囲は、本発明の流体センサ１を装着するハウジング１０で覆われている。この絶縁体９およびハウジング１０に、それらを挟着する様一対のへルール付きのフランジ５が複数の等配に配置された取付穴に固定部材８で固定されている。

樹脂チューブ１１は主電極４、絶縁体９および一対のフランジ５のそれぞれ内壁に密着する様に固定され、さらにフランジ５の両端面に熱変形および／または機械加工により密着されている。本発明の流体センサ１はハウジング１０に接続棒３を主電極４にねじ込まれ電気的に接続され、ネジ２によって固着されている。

上記の様な構成によって本発明の流体センサ１の接続棒３に電気的に接続された主電極４と、フランジ５からハウジング１０を介し電気的に接続された本発明の流体センサ１との間の誘電率は、その本発明の流体センサ１に流れる液体固有の誘電率による特有の静電容量値が支配的となり、計測される。

上記の様に、本発明の流体センサ１における「流体」は、一定の空間を占有するときに高い誘電率を示し、対向（時に、近似的に対向する構造をも含む）する電極に静電容量の変化を与えるものを云い、液体以外では、粉体粒子を高密度で含む様な気体までも含まれる。

以下に、本発明の本質安全防爆型流体センサ（本発明の流体センサ）１としての動作を図２を用いて説明する。まず、この本質安全防爆型流体センサ（本発明の流体センサ）１を図２の貯留するタンク２１の直近の流体供給配管２２に接続し、タンク２１に貯留された液体が静電容量式で構成される本発明の流体センサ１を通過すると、タンク２１に十分な量の液体が充填された状態では、該液体が本発明の流体センサ１の樹脂チューブ１１の中を満たして流通し、液体が図示しない次工程の装置などに供給されるように流れる。この状態では主電極４とフランジ５との空間には、低い誘電率の絶縁体９と固有の誘電率を持つ液体が誘電体として並列に存在することとなる。

この場合、本発明の流体センサ１の接続棒３に電気的に接続された主電極４と、フランジ５からハウジング１０を介し電気的に接続された本発明の流体センサ１の本体との間の誘電率は、その本質安全防型爆流体センサ（本発明の流体センサ）１に流れる液体固有の誘電率による特有の静電容量値が支配的となり、計測され、その静電容量値が本発明の流体センサ１の計測値として検知される。

一般に、２つの導体間に存在する物質の誘電率εと、対抗する面積Ｓ、そして２つの導体間の距離ｄによって静電容量Ｃを次式で求めることができる。

本発明の流体センサ１で、この静電容量を計測して物質の誘電率を算出することができる。一方、タンク２１に貯留された液体が無くなると、本発明の流体センサ１の樹脂チューブ１１内の液体がなくなり、主電極４とフランジ５の空間は誘電率の低い絶縁体９と空気が並列に存在するが、この場合には低い誘電率である絶縁体９の誘電率が支配的となり、絶縁体９固有の誘電率による主電極４とフランジ５の間の静電容量値が本発明の流体センサ１により計測される。

本願では、静電容量式からなる本発明の流体センサ１が、該本発明の流体センサ１内に液体が充填された状態と、空気だけが存在する状態の２値の差を検出する。この２値の差は、誘電率を一般的に物質（媒質）の誘電率と真空の誘電率の比である「比誘電率」により示されており、空気がほぼ１の比誘電率であるのに対し、液体の場合は１０以上の２桁の比誘電率となり、静電容量の値が大きな差となる。従って、容易に本発明の流体センサ１内に液体が充満した状態を、静電容量値の変化として検知することができる。

本願では、図１に示した様に、静電容量式からなる本発明の流体センサ１の２つの導体間の近傍に液体を流通させる構造として、該本発明の流体センサ１内を流通する液体の誘電率の範囲をカバーする検知回路による総合的な感度設定としている。これによりタンク２１から外部への液体の供給または排出口直後において「水」の様に誘電率の高い液体から、メタノールなど誘電率の低い揮発性の液体までの該本発明の流体センサ１内に液体が充填された静電容量の高い状態と、液体の流通が十分ではなくタンク２１からの液体の供給が細り、本発明の流体センサ１の内部に部分的あるいは全ての空間に液体が満たされず空気が存在する静電容量の低い状態との静電容量の変化を一般的な電気量の変化の変換技術によって数値化してタンク２１が「空」および「空でない」という２つの状態の判断をおこなう。

こうして本発明の流体センサ１によれば、該流体センサ１内を液体が「充満した」状態と「充満していない」状態の判別が本発明の流体センサ１の計測する値の変化で検知することができ、その値の変化によって、貯留タンク２１内の液体が「空」となったことを検知することが容易にできる。

また、タンク２１の設置状態において鉛直方向最下部から液体を供給する配管直後に本発明の流体センサ１を設けることで、液体に触れる部分が表面が滑らかな樹脂チューブ１１だけで不規則な凹凸や断面積の大きな変化も影響しないので、少なくともタンク２１から供給経路へ出るまでの液体溜まりを防止することができる。

さらに、本発明の流体センサ１が直接配管内の液体に挿入されておらず、液体に触れていないので、脱着が容易であるへルール部の接続箇所、静電容量式からなる本発明の流体センサ１の部分を容易に分離でき、液体に触れる管壁を洗浄することも容易でメンテナンス性にも優れる。

本願に於いて、タンク２１内に貯留されていた液体が流通し接触する部分は、管状の樹脂チューブ１１の内壁だけであり、この樹脂チューブ１１をフッ素系樹脂を用いることで、タンク２１に貯留し給配し使用した液体や洗浄に使用した液体の残滓が残る事を未然に防止できる。供給経路を衛生的に良好な状態を容易に保つことができ、医薬品や食品などへの応用に好適な液体供給の装置への適用が可能である。

また、液体として揮発性の溶媒を取り扱う場合でも、樹脂部に耐溶媒性の材料を用いることで、そうした溶媒を使用する配管経路中に於いても、本発明の流体センサ１を利用することが可能で、これにより本質防爆対応可能な液体の配給設備向けとすることができる。

本発明の本質安全防爆型流体センサ（本発明の流体センサ）１による感度設定１点での液切れの確認をおこなった。
対象とした液体は、「酢酸エチル」、「５％食塩水」、「市水」、「メタノール」を用いた。手順としては図２に示す様にタンク２１の釜下底排出弁の下部にフレキシブルホースを用いて、本願の図１に示す「本質安全防爆型流体センサ」（本発明の流体センサ）１を垂直に接続したものを準備した。

実施手順としては、
１．上記タンク２１に接続した本発明の流体センサ１内が「空」の状態で、感度を５０％に設定。
２．次に、上記液体の内最も誘電率の低い「酢酸エチル」を本発明の流体センサ１内に満たし、検知可能な感度に設定した。尚、この時の前記本発明の流体センサ１の感度設定値は、４２％ないし４３％であった。その後、切れの確認のため窒素ブローをおこなった。
３．次に、本発明の流体センサ１を「市水」を用いて洗浄するとともに、該流体センサ１内に満たし検知した。その後、切れの確認のため窒素ブローをおこなった。
４．次に、３．と同様に「市水」にて本発明の流体センサ１を洗浄後、「５％食塩水」での本発明の流体センサ１での動作を確認した。その後、切れの確認のため窒素ブローをおこなった。
５．同様に、該本発明の流体センサ１を「市水」にて洗浄した後、「メタノール」にて動作確認した。その後、切れの確認のため窒素ブローをおこなった。

上記検知・液切れ確認の結果は次に示す。
上記２．の最も低い誘電率である「酢酸エチル」が、本発明の流体センサ１内に滞留すると該流体センサ１にて検知可能であった。ただ、管壁を伝わる程度の量であると検知できない場合もあった。しかし、窒素ブローをおこなった後には検知しなかった。
上記３．の「市水」が本発明の流体センサ１内に滞留すると該流体センサ１にて検知可能であった。しかし、窒素ブローをおこなった後には検知しなかった。上記４．の高い誘電率である「５％食塩水」では、少量の滴量でも本発明の流体センサ１で検知可能であった。配管を揺らしただけでも検知する。しかし、窒素ブローをおこなった後には検知しなかった。上記５．の「メタノール」の場合は、上記２．の「酢酸エチル」同様、本発明の流体センサ１内に滞留すると該流体センサ１にて検知可能であった。ただ、管壁を伝わる程度の量であると検知できなかった。また、窒素ブローをおこなった後にも検知しなかった。

尚、液体だけでなく、複数のそれぞれ誘電率の異なる晶析を用いて、本発明の流体センサ１内に滞留すると該流体センサ１にて感度を検知の可能性および、晶析の切れの確認をおこなった。結果としては、それぞれ、液体での結果にある様に、晶析の持つ誘電率に左右される結果が得られた。また、いずれの晶析の場合でも、窒素ブローをおこなった後には検知せず、液体同様切れの確認に対しては利用可能なレベルであるという結果が得られた。

すなわち、上記結果から、本発明の流体センサ１内に樹脂チューブ１１を施していることによる効果としては、液あるいは晶析のいずれの場合においても、切れに対しては非常に良好であった。

以下に上記実施の結果を表１に纏めて提示する。

表１（本発明の流体センサ１にて検知の評価結果）

医薬品や食品向けタンク周辺の配管等に本願の本質安全防爆型流体センサ（本発明の流体センサ）を用いることにより、安全および衛生面で必要とされる性能および機能を十分に満たした流体の有無検知と、その応用としての「空」検知を確認できるという効果が期待される。

本願による本質安全防爆型流体センサ１の要部断面図および側面図。 本願の実施例の配管の概要構成を示す図。

符号の説明

１ 流体センサ
４ 主電極
５ フランジ
９ 絶縁体
１０ ハウジング
１１ 樹脂チューブ
２１ タンク
２２ 流体供給配管

Claims (4)

1. 環状の主電極と、該主電極を覆う誘電率の低い材料の環状の絶縁体と、該絶縁体を中心に保持するハウジングと、該ハウジングに固着され前記環状の主電極に接続される本質安全防爆型流体センサにおいて、該絶縁体と該ハウジングを挟着する金属製の一対のへルール付きのフランジと、前記環状の主電極、前記絶縁体及び前記金属製の一対のへルール付きのフランジの中心中空部に嵌挿された樹脂チューブとにより構成されることを特徴とする本質安全防爆型流体センサ。
2. 配管経路に設ける前記本質安全防爆型流体センサにおいて、前記樹脂チューブの材料がフッ素樹脂等の耐蝕・耐溶剤性のものであって、前記環状の主電極、前記環状の絶縁体、および前記一対のへルール付きのフランジの管壁に密着され、前記環状の主電極、前記環状の絶縁体、および前記一対のへルール付きのフランジが、配管内の液体に直接接しない構成にしていることを特徴とする請求項１に記載の本質安全防爆型流体センサ。
3. 請求項１あるいは請求項２に記載の本質安全防爆型流体センサを用い、タンクが空状態になったことを誘電率を用いて検知することを特徴とする流体検知制御方法。
4. 前記タンクの鉛直方向最下部から液体を供給する配管直後に前記本質安全防爆型流体センサを設けて、タンクが空状態になったことを検知することを特徴とする請求項３に記載の流体検知制御方法。

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