JP4124490B2 - 液流中の不均質性の検出用装置 - Google Patents

Description

【技術分野】
本発明は、液流中の不均質性、特に気泡を、超音波によって検出する装置に関する。
【背景技術】
多くの状況下で、液流中の気泡のような不均質性の存在を検出できることが重要である。例えば、医療分野では、治療液を非経口投与する際に患者に気泡が注入されないようにしなければならない。産業分野では、例えば、冷却システムに気泡が存在すると、冷却能が不充分となる。分析分野では、特に、液体クロマトグラフィーの過程での気泡の検出が挙げられる。
液流中の気泡の一般的検出法は超音波を用いるものであり、気体の音響インピーダンスが液体又は固体よりも相対的に高いことに依拠する。従って、液体導管の片側の送信器から導管の逆側の受信器に向けて超音波を発振した場合、例えば、液体中に気泡が存在すると、導管内に液体しか存在しない場合に比べて受信器の音響エネルギーの明らかな減少として検出することができる。
超音波は、電圧で付勢すると結晶が振動する圧電トランスデューサー（いわゆるピエゾトランスデューサー）で発生させることができる。逆に、こうした結晶に超音波が当たると、結晶は電圧を生じる。従って、超音波トランスデューサーは音波を送信し、受信することができる。
液体クロマトグラフィー用の気泡検出装置は既に公知であり、かかる装置はクロマトグラフィーシステムに接続でき、液体通路を有するプラスチックブロックを備えていて、液体通路の両側に送信器と受信器が備え付けられている。この装置の欠点は、送信された超音波が液体通路から外れて伝搬することがあり、それでも受信器に達するので、液体と空気から得られる信号の差がさほど大きくないことである。同様に、液体通路を通過した超音波が受信器から外れて伝搬することもある。そのため、装置には、超音波トランスデューサーからの信号を処理するための複雑な電子機器だけでなく、装置にインストールしたときに複雑なトリミング法を必要とする。
米国特許第４，４１８，５６５号には、プラスチックブロックに一対の向かい合った超音波トランスデューサー（送信器及び受信器）が挿入された形態の超音波気泡検出装置であって、トランスデューサー間に溝が画成され、その溝に、気泡を検出すべき液体導管、典型的には液体の非経口投与用の袋又はビンからのチューブが装着される超音波気泡検出装置が記載されている。各トランスデューサーと通路の間に、超音波伝達性エラストマー材料が充填された凹部が存在する。エラストマー材料を通過し、従って液体導管を通過する経路以外の送信器から受信器への超音波の伝搬を防止するため、空気含有スロットが溝の底に配置される。このスロットは、液体導管を収容するには狭すぎ、少なくとも超音波トランスデューサーの下縁より下まで延びる。
遮蔽により超音波を導くこの構造は、最初に述べた気泡検出装置の検出の問題を少なくとも部分的に解決するが、この構造は別の問題を有する。まず第一に、装置自体が複雑な構造であり、特にネジ、スペーサーエレメント及び加圧プレートを含む。更に、チューブの検出は非実際的であり、チューブが良好な音響結合で装着されていることが必要とされる。これはチューブが可撓性であれば実際に達成できるが、このようなチューブでは例えば液体クロマトグラフィーで一般的な比較的高い流体圧に耐えることができない。一方、剛性チューブで十分な音響結合を達成するには、装着用ペーストの使用が必要とされるが、これは非常に非実用的である。液体導管溝の下に画性されたスロットのため、気泡検出装置の強度特性、特にひねり又はねじれ強度に関して悪くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一つの目的は、液流中の気泡及び他の不均質性の検出のための超音波装置であって、最初に述べた装置のように、一体耐圧性液体通路を有しているが、気体の信号と液体の信号との大きな差を保証するために該液体通路が音波経路の支配的要素である装置を提供することである。
本発明の他の目的は、駆動用及び信号処理用の簡単な電子機器を使用できる装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、丈夫で、使い易い上述のタイプの装置を提供することである。
本発明の更なる目的は、あまり精巧でなく、製造し易い上述のタイプの装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、これらの及び他の目的及び利点は、液体通路を備える一体構造ハウジングと該通路の両側でハウジングに装着された２つの対向する超音波トランスデューサーとを有する超音波気泡検出装置に、各トランスデューサーと液体通路との間にかつ音波伝搬路の両側にハウジングに切り込まれた凹部を設けることによって、凹部が共にトランスデューサー間の音波路を遮断して、受信器で受信される実質的にすべての超音波エネルギーが液体通路を通過するようにすることによって達成される。換言すれば、音波の横断方向における通路と周囲の物質との間の音波分布を、超音波がハウジングを通して伝播するときに通過する断面積の大部分を上記通路が占めるようにする。こうして、気体信号と液体信号との大きくて信頼性の高い差が得られる。凹部の向かい合った配置によって、ハウジングの優れた強度も維持できる。
従って、本発明の一つの態様は、液流中の不均質性を検出する装置であって、当該装置が、超音波透過性の材料からなる一体構造ハウジングと、ハウジングを貫通する液体通路と、液体通路を液流に接続するためのハウジングの入口及び出口と、ハウジングの液体通路の両側に、一方が送信器として、他方が受信器として設けられた超音波トランスデューサーとを備えていて、上記液体通路が送信器と受信器の間の音波伝搬路に位置していて、上記受信器で受信された超音波に基づいて液流中の不均質性を検出することができる、装置に関する。この装置は、ハウジングが液体通路の受信器側と受信器側とに２つの向かい合った凹部を有していることを特徴とする。音波伝搬路及び液体通路に垂直な方向において、この２つの凹部は、音波伝搬路の両側で実質的に液体通路の各外縁のレベルまで延在していて、一緒に、送信トランスデューサーと受信トランスデューサーの間に音波伝搬を導いて超音波伝搬が実質的に液体通路を通して（そして周囲の物質を通らずに）起こるようにする。
他の態様では、本発明は、上述の装置に加えて、超音波トランスデューサー殻の信号を処理し提示するための手段を備える、液流中の不均質性の検出用システムに関する。
以下、本発明の理解を容易にするために、添付の図面を参照しながら、もっぱら例示を目的とした具体的な実施形態に関して詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
図１〜図３に示す気泡検出装置は、液体クロマトグラフィー用の通路中の空気／液体の検出に主に用いるためのものであるが、もちろん、液流中の気泡（又は他の不均質性）を検出すべき他の用途にも使用できる。本装置は、問題とする液流系と接続されるように設計された入口及び出口２ａ，２ｂを有する液体通路２を備えたハウジング又はセルボディー１を含む（図３）。セルボディー１は、適当には硬質プラスチック、例えばＰＥＥＫから成る。通路の幅（断面直径）は、想定される液体クロマトグラフィー用途のためであり、典型的には１〜５ｍｍの範囲である。２つの超音波トランスデューサー３，４（ここでは、圧電性結晶のディスク、いわゆるピエゾトランスデューサーである。）は、各々、液体通路２の両側でセルボディーに装着されている。以下でさらに詳しく説明するが、一方のトランスデューサーは送信器として使用され、他方は受信器として電子制御回路と協同して使用される。最高の性能のため、圧電トランスデューサーは、その共鳴周波数で使用されるが、共鳴周波数は特に結晶ディスクの厚さに依存する。例えば、直径５ｍｍ及び厚さ０．５ｍｍの２枚のディスクの組合せでは、共鳴は約４ＭＨｚである。
図３に示す実施形態では、２つのトランスデューサー３，４は、トランスデューサーと液体通路との距離を短くするため、セルボディーのくびれ部５に装着される。
セルボディー１は、更に、２つの向かい合った切込み部又は凹部６，７を備えており、一方の凹部は一方のトランスデューサー３と液体通路２との間に、他方の凹部は他方のトランスデューサー４と液体通路２との間に設けられる。図１及び２で、凹部６，７は反対方向に垂直に通路２の各外縁まで延在しており、これらの外縁を図１では点線８ａ，８ｂで示す。これらの２つの垂直及び水平方向に向かい合った凹部６，７は、共に、送信トランスデューサーから発振される音波の遮蔽又は「絞り」として機能し、トランスデューサー３，４間を伝搬する音波が辿る経路は、図１及び図２の垂直方向には、基本的に液体通路の幅に限定される。得られる音波経路を図２に符号９で示す。容易に判別できるように、この超音波の遮蔽又は誘導装置は、受信トランスデューサーで検出される実質的にすべての音響エネルギーが、液体通路２を通るようにする。音波誘導又は遮蔽の観点から、もちろん、図１及び図２の凹部６，７が水平方向に、図１及び図２に示すように、本質的に各トランスデューサー３，４から通路２までの全域に延在していると有利である。
２つの凹部６，７は、図１及び図２で垂直に見たときに、液体通路２の異なる側に位置しているため、セルボディーは相当なひねり又はねじれ強度を有する。通路２の周囲の材料の厚さ、及び特に図３の実施形態のくびれ部５は、もちろん、各々の具体的用途に対する機械的条件に応じて調整される。所望により、凹部６，７は高い音響インピーダンスを有する物質で満たしてもよい。
上記で強調したように、液体通路２が、発振された超音波がセルを通る面積の大部分を占めることから、液体と気体（通常は空気）とで検出されるそれぞれの音波強度に大きな信頼性の高い差が得られる。これは、ひいては、検出器セルの駆動に必要な電子回路を非常に小さく作ることができるという結果をもたらす。このような回路の模式的例を図４に示す。
この回路では、ここでは符号１０で示す上述のタイプの検出器セルの送信トランスデューサーを増幅器１１の入力側に接続し、検出器セル１０の受信器を抵抗器１２を介して増幅器１１の出力側に接続する。増幅器出力は、また整流器及びトランジスターを含む出力駆動段１３に接続する。抵抗器１２の大きさは、増幅セル検出器信号が所望のレベルとなるように調整される。駆動段１３からの出力信号を、次いで、適当なディスプレー装置に導くか、或いは自動システムのコントロール信号として使用する。
以上から明らかなように、上述の気泡検出装置は、小さな液体通路寸法に適した丈夫な装置をもたらし、信頼性の高い気泡検出を与え、簡単な制御電子回路しか必要とせず、併せて取扱い及び製造（一体構造のセルボディー）が容易である。
本発明は、もちろん、上記で具体的に記載した実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明の概念の範囲内で多くの方法で変更及び修正できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の装置の実施形態の模式的断面図である。
【図２】図２は、図１と同様の図であるが、音波経路を示したものである。
【図３】図３は、本発明の装置の実施形態の模式的透視図であり、実質的に図１及び２に示す実施形態に対応する。
【図４】図４は、本発明の装置からのトランスデューサー信号の電子的処理の模式的回路図である。

Claims (7)

1. 液流中の不均質性を検出する装置であって、当該装置が、
   超音波透過性の材料からなる一体構造ハウジング（１）、
   ハウジング（１）を貫通する液体通路（２）、
   液体通路（２）を液流に接続するためのハウジング（１）の入口及び出口（２ａ，２ｂ）、及び
   上記ハウジングの液体通路（２）の両側に、一方が送信器として、他方が受信器として設けられた超音波トランスデューサー手段（３，４）であって、液体通路（２）が上記送信器と受信器の間の音波伝搬路に位置していて、上記受信器で受信された送信超音波に基づいて液流中の不均質性を検出することができる、超音波トランスデューサー手段（３，４）
   を備えており、
   ハウジング（１）が液体通路（２）の送信器側と受信器側とに２つの向かい合った凹部（６，７）を有していて、該凹部が音波伝搬路（９）及び液体通路（２）に垂直な方向において音波伝搬路の両側で実質的に液体通路（２）の各外縁（８ａ，８ｂ）まで延在しているとともに、音波伝搬方向において各々一方の超音波トランスデューサー手段（３，４）から液体通路（２）の近傍まで延在しているが、凹部と他方の超音波トランスデューサー手段との間の残りのハウジング部分には凹部が設けられておらず、凹部（６，７）が一緒に遮蔽によって送信器と受信器の間に音波伝搬を導いて超音波伝搬が実質的に液体通路（２）を通して起こることを特徴とする装置。
2. 液体通路（２）がハウジングと一体をなす、請求項１記載の装置。
3. 前記不均質性が気泡である、請求項１又は請求項２記載の装置。
4. ハウジング（１）が硬質プラスチックからなる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の装置。
5. 凹部（６，７）が音響インピーダンスの高い物質で満たされている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の装置と駆動用及び信号処理用の電子回路とを備える、液流中の不均質性の検出システム。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の装置又は請求項６記載の検出システムを、液体クロマトグラフィーにおける気泡の検出に使用する方法。

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