多孔質材料評価方法および多孔質材料評価装置
【課題】 本発明は、多孔質材料が有する細孔の透過流量分布を評価する多孔質材料評価方法と、評価装置に関するものである。
【解決手段】 発明の多孔質材料評価方法は、板状の多孔質材料の第１の面を検査液に接触させ、多孔質材料を湿潤させる湿潤手順と、所定の気体圧力に一定周期の音波に基づく音圧変動を加えた検査用気体を多孔質材料の第２の面に印加し、多孔質材料を介して第１の面に検査用気体を透過させる気体透過手順と、気体透過手順によって第１の面を透過した検査用気体の流量を計測する計測手順と、を有するよう構成する。
【解決手段】 発明の多孔質材料評価方法は、板状の多孔質材料の第１の面を検査液に接触させ、多孔質材料を湿潤させる湿潤手順と、所定の気体圧力に一定周期の音波に基づく音圧変動を加えた検査用気体を多孔質材料の第２の面に印加し、多孔質材料を介して第１の面に検査用気体を透過させる気体透過手順と、気体透過手順によって第１の面を透過した検査用気体の流量を計測する計測手順と、を有するよう構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質材料が有する細孔の透過流量分布を評価する多孔質材料評価方法と、多孔質材料評価装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
濾過フィルターなどに用いられる多孔質材料の特性評価方法の一つに、多孔質材料が有する細孔の孔径に対する透過流量分布により特性を評価する方法がある。
【０００３】
多孔質材料の透過流量分布を求める方法として、バブルポイント法が知られている。この方法において、多孔質材料の一方の面を水などの検査液で湿潤し、他方の面から気体を印加し、気体の圧力を増加させながら毛細管力によって細孔に進入した検査液の表面張力に打ち勝って細孔を透過した気体の流量を計測し、計測値から圧力変動に対する気体流量の増分を算出することにより、細孔の孔径に対する透過流量分布を求めることがきる。気体圧力の増加に伴う気体の透過は、初めは大きな孔径の細孔から始まり徐々に微細な細孔にまで及ぶため、透過流量の増分を算出すれば多孔質材料が有する各孔径に対する透過流量分布を知ることができる。
【０００４】
このバブルポイント法を用いて多孔質材料の完全性を調べる方法が提案されている。例えば、親水性溶媒で湿潤した多孔質材料に両親媒性液体を透過させ、更に所定の表面張力を持つ検査液を透過させ、その後に検査気体を透過させて検査気体の流量または圧力から評価する方法が提案されている。この方法によれば、気体圧力を低圧の状態で測定できると共に、正確に完全性を知ることができる、とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３０１４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したように、多孔質材料の透過流量の分布を求めるには、検査液で湿潤された多孔質材料の一方の面から検査用気体の気体圧力を徐々に増加し、印加した気体圧力とこの気体圧力において細孔を透過する気体の透過流量を計測し、計測した気体圧力の変動に対する透過流量の変動分から各径の細孔に対する透過流量分布を算出していた。このようにして求めた透過流量分布は、孔径が大きい細孔に対する透過流量の算出した値に問題はないが、数μｍ程度の微細な径の細孔では透過流量の計測値が不規則に変動し、透過流量の算出値は信頼性に乏しいという問題があった。
【０００７】
この透過流量の計測値の変動原因は、以下に示される現象に基づくものと推測される。微小の細孔からの流量を計測している状態では、その孔径よりも大きな孔径の細孔からも同時に気体が透過している状態で計測を行なっていることになる。細孔からの気体の透過は、細孔の検査液と接する開口部で表面張力に打ち勝った気体が気泡となって検査液中に押し出され、開口部から断続的に離脱することで透過する。この気泡が断続して検査液から出るため流量計による計測値は変動し、この変動が流量計測の揺らぎとして現れ、バックグランドノイズとなっている。バックグランドノイズが微小細孔の流量を計測している信号の大きさ以上になると、計測した流量信号はバックグランドノイズに埋もれ、計測精度が低下することになる。こうなると、精度の高い流量計を用いても、ノイズに埋もれた信号を取り出すのは困難となる。
【０００８】
本発明はこの問題を踏まえ、微小細孔においても高い精度で多孔質材料の細孔の透過流量分布を求めることができる透過流量分布評価方法と、透過流量分布評価装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の一観点によれば、板状の多孔質材料の第１の面を検査液に接触させ、多孔質材料を湿潤させる湿潤手順と、所定の気体圧力に一定周期の音波に基づく音圧変動を加えた検査用気体を多孔質材料の第２の面に印加し、多孔質材料を介して第１の面に検査用気体を透過させる気体透過手順と、気体透過手順によって第１の面を透過した検査用気体の流量を計測する計測手順と、を有する多孔質材料評価方法を提供できる。
【００１０】
発明の別の一観点によれば、検査液を入れる液室と検査用気体を導入する気室とを有し、液室と気室との間に板状の多孔質材料を狭持し、狭持された多孔質材料の表面が液室と気室とに露出するように配置される狭持部を有するチャンバと、気室に設けられ、導入された検査用気体の気体圧力に加える音波の音圧を発生する音圧発生器と、導入された気体圧力を計測する圧力計測手段と、気室から多孔質材料を介して液室に透過する検査用気体の流量を計測する流量計測手段と、検査用気体を所定の気体圧力に調圧し、調圧された検査用気体を気室に導入し、圧力計測手段と流量計測手段とに計測指示を行なって圧力計測手段と流量計測手段とから計測結果を取得する制御手段と、を有する多孔質材料評価装置を提供できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、一定圧力に一定周期の音圧を加えた検査用気体を多孔質材料に印加することにより、検査液を透過する検査用気体に一定周期の圧力変動をもたらして気泡の発生及び離脱を周期的に行なわせることができ、バックグランドノイズの影響を抑制することができる。これにより、微細な細孔においても高い精度で多孔質材料の透過流量分布を求めることができる多孔質材料評価方法と、多孔質材料評価装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】多孔質材料評価装置の構成例を示す図である。
【図２】検査用気体の検査液透過例を示す図である。
【図３】算出した流路コンダクタンス例を示す図である。
【図４】本発明の多孔質材料評価装置の構成例（実施例１）を示す図である。
【図５】本発明における印加する気体圧力と計測される透過流量の変動例を示す図である。
【図６】本発明による流路コンダクタンスの計測フロー例を示す図である。
【図７】本発明により求めた流路コンダクタンス例を示す図である。
【図８】本発明の多孔質材料評価装置の構成例（実施例２）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態を説明する前に、多孔質材料評価方法と気体圧力の変動に対する透過流量の増加分の算出例について図１と図２を用いて説明する。なお、気体圧力を増加させたときに細孔を透過する気体の流量増加は、細孔を流路としたときの気体の通り易さを示すことから、ここでは流路コンダクタンスということにする。
【００１４】
図１は、多孔質材料評価装置の構成例を示した図である。多孔質材料評価装置１０は大きく分けて試料チャンバー２０、圧力計３０、流量計４０、制御部５０およびガスボンベ６０から構成する。試料チャンバー２０の空間は、試料２１を狭持する狭持部２２で上下に区画され、下方が気室２３、上方が液室２４となっている。狭持部２２の気室２３および液室２４に対する面の中央部分は開口しており、板状にした多孔質材料の試料２１がこの狭持部２２にセットされたとき、多孔質材料の表面はこの開口から気室２３および液室２４に露出するようになっている。計測時には液室２４には検査液８０が満たされ、これにより試料２１には検査液８０が細孔に進入し湿潤した状態になる。気室２３にはガスボンベ６０が制御弁６１を介して配管接続し、検査用気体７０が導入される。気室２３の検査用気体７０の圧力は圧力計３０で計測され、気室２３から試料２１を通って液室２４に流れる検査用気体７０の透過流量は流量計４０で計測される。液室２４を流れる検査用気体７０は流量計４０を通った後、試料チャンバー２０外に排出される。図の黒塗り実線の矢印は、液室２４から排出された検査用気体７２を示している。なお、ガスボンベ６０には加圧された空気や窒素、アルゴンなどの検査用気体７０が充填されている。
【００１５】
透過流量の測定は、気室２３に導入される検査用気体７０の圧力を徐々に増加させ、ある圧力になると検査用気体７０が試料２１の最も大きな細孔から透過を始めるのでこの圧力から透過流量の計測を開始する。細孔内には検査液８０が表面張力によって起こる毛細管現象により進入しているが、気室２３から印加した検査用気体の圧力がこの表面張力を上廻ると検査用気体７０は細孔を通り抜けて検査液８０中を気泡７１となって抜け出る。
【００１６】
図２はこの状態を説明する模式図で、図２（ａ）は検査用気体７０の気体圧力９０と検査液８０による表面張力９１とがバランスしている状態を示している。図２（ａ）の試料２１の上方は液室２４で検査液８０が満たされている状態を示しており、試料２１の下方は気室２３で気体圧力９０の検査用気体７０が入っている状態を示している。試料２１は孔径がａ、ｂ、ｃ（ａ＜ｂ＜ｃ）の細孔（それぞれ、細孔ａ、細孔ｂ、細孔ｃとする）を有しており、孔径の大きさによって細孔内の検査液８０の液面の高さは異なっている。これは、孔径の大きい細孔ほど表面張力９１は弱くなるので検査用気体７０の気体圧力９０に押されて細孔中の検査液８０の液面は細孔の上方の位置にある。図２（ａ）に示すように最も孔径の大きい細孔ｃの液面が高い位置にあり、最も孔径の小さな細孔ａの液面が低い位置にある。図２（ａ）の状態は、この状態で気体圧力９０と表面張力９１がバランスしており、検査用気体７０の透過は未だ行なわれていない。
【００１７】
図２（ｂ）は図２（ａ）から検査用気体７０の気体圧力９０が増加し、この気体圧力９０が表面張力９１を上廻り、検査用気体７０が最も大きな孔径の細孔ｃから気体の透過が開始した状態を示した図である。細孔を透過した検査用気体７０は気泡７２となって検査液８０を通り液室２４に抜けることになる。
【００１８】
次に、図１に示した多孔質材料評価装置１０を用いて透過流量の測定を行なう方法を説明する。まず、板状にした多孔質材料の試料２１を試料チャンバー２０の狭持部２２に固定し、液室２４に検査液８０を満たし、試料２１を検査液８０で湿潤させる。試料２１が充分に湿潤した後に、制御部５０により制御弁６１を制御し、ガスボンベ６０から検査用気体７０（ここでは空気を用いる）の気体圧力を徐々に高めながら気室２３に導入する。気体圧力の増加と共に、圧力計３０および流量計４０からの計測値を記録して行く。検査用気体を所定圧まで上げて計測を終了する。計測した圧力と流量とから、圧力の増分に対する流量の増分を微分によって算出することで、その圧力値に対応する孔径の細孔の流路コンダクタンスを求めることができる。或る気体圧力のもとで計測している流量Ｑ（Ｐ）は、或る大きさ以上の孔径の全ての細孔から透過している気体の総流量であるので、（１）式で表すことができる。
【００１９】
【数１】
（但し、Ｐ：気体圧力、Ｃ（Ｐ）：多孔質材料全体の流路コンダクタンス、ｃ（ｔ）：毛細管力ｔを有する細孔の流路コンダクタンス）
（１）式を微積分の基本定理と合成関数の微分から変換して、細孔の流路コンダクタンスを（２）式で求めることができる。
ｃ（Ｐ）＝ｄ（Ｑ（Ｐ）／Ｐ）／ｄＰ
＝（１／Ｐ）ｄＱ（Ｐ）／ｄＰ−（１／Ｐ２）Ｑ（Ｐ）・・・（２）
一方、気体圧力と細孔の孔径（半径ｒ）とは、（３）式の関係にあるので、気体圧力Ｐにおける孔径を求めることができる。
【００２０】
ｒ＝２σｃｏｓθ／Ｐ・・・・・（３）
（但し、σ：表面張力、θ：接触角）
即ち、気体圧力Ｐにおける透過流量を計測することで、孔径ｒのｃ（Ｐ）を求めることができる。また、孔径ｒが寄与する透過流量は、ｃ（Ｐ）に気体圧力Ｐを乗じることで求まる。
【００２１】
上記のようにして求めた計測結果と算出した流路コンダクタンスの例を図３に示す。なお、ここでは上記の検査液に湿潤して透過流量を計測する前に、試料２１を乾燥した状態で透過流量を計測し（乾燥流量という）、湿潤した状態の透過流量を乾燥流量の比率で表わしている。このように表すことで、計測時における検査用気体７０の上限圧力を決めることができる。即ち、図３に示すように、試料２１が湿潤した状態の流量が乾燥流量と等しくなったとき（流量／乾燥流量＝１００％）に透過流量の計測を終了しているが、このときが多孔質材料が有する細孔の中で最も小さな孔径の細孔からの透過が行なわれたことになり、気体圧力をこれ以上増加させて計測する意味がない、ことになる。
【００２２】
図３において、点線のグラフは計測された流量を示し、実線のグラフは計測された流量から算出した流路コンダクタンスを示している。計測している流量は、前述のように圧力増に対して最も大きな孔径の細孔からの流量により小さな孔径の細孔の流量が順次加わって行くので、圧力の増加に伴って流量の傾斜はより急な傾斜となる。ここでの流路コンダクタンスの算出は、孔径が２０μｍ以下の孔径に対して行なっている。図３に示されるように５μｍ程度以下で算出された流路コンダクタンスは乱高下し、不安定になっている。不安定の原因は前述したバックグランドノイズによるものと考えられ、本発明はこの不安定となる問題に対し微細な細孔においても高い精度で透過流量を計測できるようにすることにある。
【００２３】
次に、実施例により本発明をより具体的に説明する。
【実施例】
【００２４】
（実施例その１）
本発明の多孔質材料評価装置を図４を用いて説明する。図４は、多孔質材料評価装置１１の構成例を示した図で、図１に示した従来技術による多孔質材料評価装置１０と比較できるように同様の配置で描いている。また、多孔質材料評価装置１０と同一の構成要素には同じ符号を付けている。
【００２５】
多孔質材料評価装置１１が多孔質材料評価装置１０と異なる点は、新たに音圧発生器１００と音波発振器１１０、および位相検波装置２００を付け加えたことと、多孔質材料評価装置１０の制御部５０の機能に音波発振器１１０に対してｏｎ／ｏｆｆの制御を行なう機能を加わえて新たに制御部５１としたことが異なる。試料チャンバー２０、圧力計３０、流量計４０、ガスボンベ６０および制御弁６１は、同一で先に説明したので省略する。
【００２６】
音圧発生器１００は所謂スピーカーであり、音波発振器１１０は発振回路と電力増幅回路とを備え、音圧発生器１００を音波周波数で駆動できる。音圧発生器１００は、気室２３内に配置され、気室２３内の検査用気体７０を振動させる。気室２３に導入されている検査用気体７０は、ガスボンベ６０から出た検査用気体７０が制御弁６１によって所定の圧力に調整されているので、その調整された圧力に音圧発生器１００による音圧が加えられたものとなる。
【００２７】
次に、図４に示した音圧発生器１００が発生する音波の周波数について説明する。音源である音圧発生器１００と試料２１の間で定常波が立つと、細孔の中の検査用気体７０と検査液８０との気液界面が定常波の節になり、気液界面では音圧発生器１００で発生した音圧変動に対して追従しないことになる。このため、発生音波の周波数νはその定常波の固有振動数より小さくする必要がある。例えば、気室２３における音圧発生器１００と試料２１との間の長さを１０ｃｍ、音速ｃ＝３３０ｍ／ｓとすると、周波数νは１，６５０Ｈｚ以下でなければならないことになる（固有振動数ｆ＝（３３０／０．１）×（１／２）＝１，６５０Ｈｚ、（１／２）は半波長で節となるため）。
【００２８】
上記は、発生音波の周波数νに対して気室２３の固有振動数に基づく制約であるが、細孔から検査液中で発生する気泡の成長に基づく制約について検討する。発生音波の周波数νがあまりに大きい（高い）と気泡の成長に必要な時間が充分にとれず、流量変動の振幅が小さくなってしまい流量変動の信号の検知が困難になる。このため、流量変動の振幅が小さくなり過ぎない条件として、多孔質体からの気泡が１個発生するのに要する時間が音波周期の半分より短いとする。これを条件とすると、次の（４）式が成り立つ。
【００２９】
１／２ν＞Ｖｂ（ｒ）×Ｎ（ｒ）／ｑ（ｒ） ・・・・（４）
（但し、Ｖｂ（ｒ）：気泡体積、Ｎ（ｒ）：半径ｒの細孔数の多孔質材料における面密度、ｑ（ｒ）：半径ｒの細孔からの単位面積、単位時間当たりの流量）
一方、気泡に働く浮力は、（５）式で求められる。
【００３０】
（ρｌ−ρｇ）×Ｖｂ（ｒ）×Ｇ ・・・・・・・・・（５）
（但し、ρｌ：液体密度、ρｇ：気体密度、Ｇ：重力加速度）
気泡を細孔の開口部に付けて留めようとする力は、細孔の周囲長（２πｒ）に働く表面張力σなので、
２πｒ×σ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）
（但し、２πｒ：細孔の周囲長、σ：表面張力）
（５）式が（６）式より少しでも大きくなると気泡は細孔の開口部から離れるので（５）式と（６）式が釣り合うときのＶｂ（ｒ）を気泡の大きさ（体積）と見做すことができ、気泡の体積は（７）式で求まる。
【００３１】
Ｖｂ（ｒ）＝２πｒ×σ／（ρｌ−ρｇ）Ｇ ・・・（７）
例えば、ｒ＝５μｍ、ρｌ＝１ｇ／ｃｍ３（水）、σ＝７３ｄｙｎ／ｃｍ（水と空気の界面、ａｔ２０℃）、Ｇ＝９．８ｍ／ｓ２、として空気の密度を無視すると、気泡の体積は
Ｖｂ（５）＝２．３×１０−１１ｍ３
となる。さらに、Ｎ（５）＝１００個／ｃｍ２、ｑ（５）＝１ｃｍ３／ｓ・ｃｍ２として、（４）式より周波数νを求めると、周波数νは、２１７Ｈｚとなる。この値は、気室２３の固有振動数から求めた１，６５０Ｈｚ以下を満足するので、発生音波の周波数νは２１７Ｈｚ以下であればよいことになる。
【００３２】
続いて、音圧発生器１００の駆動電力について検討する。まず、発生音波の音の強さＩは、音波の進む方向に垂直な単位面積を単位時間に通過する音波のエネルギー量であり、（８）式で表される。
【００３３】
Ｉ＝（１／２）（ΔＰ）２／ρｃ ・・・・・・・・・・（８）
（但し、ΔＰ：音圧振幅、ρ：空気の密度、ｃ：音速）
多孔質材料の孔径が２０〜２５μｍのところで孔径精度を０．０１μｍの単位で考えるとすると、この２０〜２５μｍの範囲である５μｍの孔径変化に対する気体圧力の変化は図３に示されるように、１，３００Ｐａに相当する（図３の横軸の孔径２０〜２５μｍ間の５μｍの孔径変化に対し、気体圧力の変化は６．３×１０３〜５×１０３Ｐａ間の１．３×１０３Ｐａとなる）。従って、０．０１μｍに相当する気体圧力の変化は２．６Ｐａとなり、これを１／１０以上の精度で測定するものとすれば、音波による強制振動させる圧力変動は０．１Ｐａ程度であれば充分である。
【００３４】
そこで、ΔＰ＝０．１Ｐａ（この値は、７４ｄＢ相当）としたときの音の強さは、空気の密度ρ＝１.２９ｋｇ／m３、音速ｃ＝３３０m／ｓとして（５）式に代入すると１．２×１０−５Ｗ／ｍ２となる。
【００３５】
この音の強さを発生させるスピーカーに必要な電力は、次のように考えることができる。音源から音が球面波で広がるとして１０ｃｍ（前述した気室２３における音圧発生器１００と試料２１との間の長さ）離れた球面の面積は、０．０４２ｍ２。従って、この面を通過する１．２×１０−５Ｗ／ｍ２の強度の音の総仕事率は、５×１０−７Ｗとなるので、スピーカーの電気−音の変換効率を１％とすると５×１０−５Ｗの電力でよいことになる。
【００３６】
次に、位相検波装置２００について検討する。位相検波装置２００には音波信号を参照信号として入力し、流量計４０で検出した信号から音波信号と同じ周波数の信号を抽出することを行なう。位相検波装置２００を用いることで計測精度を高めることができる。例えば、発生音波の周波数を２００Ｈｚ、位相検波の時定数を０．１ｓｅｃとすると、この間に２０周期の音波に対する流量変動の信号が得られることになる。位相検波では、この２０個の信号を内蔵されたローパスフィルターで積算して平均化することになる。ローパスフィルターによる高周波ノイズ除去の効果に加えて、さらに積分効果で信号に重なる信号とノイズの比は１／√２０＝０．２２となり、約５倍の高精度測定ができることになる。
【００３７】
次に、本発明における流量計測時の気体圧力と透過流量のそれぞれの変動例を説明する。気室２３にはガスボンベ６０から制御弁６１を介して調圧された検査用気体７０が導入され、この検査用気体７０に音圧発生器１００で発生した音圧を加えた検査用気体７０を試料２１面に印加している。このときの検査用気体７０の音圧による変動を図５（ａ）に示す。例えば、図５（ａ）に示す調圧された気体圧力Ｐ０は２５×１０３Ｐａで、この圧力に音波による０．１×１０３Ｐａの音圧が加わって変動する。後述するが、この音圧は制御部５１によって音波発振器１１０の出力をｏｎ／ｏｆｆしているので、出力ｏｆｆの状態では制御弁６１で調圧された気体圧力Ｐ０の一定圧の状態となり、出力ｏｎとなって音圧が加わり変動する。ｏｎからｏｆｆまでの時間内で透過流量の計測が行なわれるが、ｏｎ／ｏｆｆの時間は例えば０．５ｓｅｃである。透過流量は、図５（ｂ）に示すように気体圧力の変動に追従して同様に変動する。例えば、音波発振器１１０の出力ｏｆｆの状態（一定の気体圧力Ｐ０）の透過流量が１．０ｃｍ３／ｓ・ｃｍ２であるとき、音波発振器１１０の出力ｏｎによりこの１．０ｃｍ３／ｓ・ｃｍ２の透過流量を中心に音圧により０．００５ｃｍ３／ｓ・ｃｍ２の変動が行なわれる。
【００３８】
続いて、流路コンダクタンスの計測方法を図６を用いて説明する。図６は、多孔質材料が有する種々の孔径の細孔に対する流路コンダクタンスを求める計測フローの例を示した図である（正確には、図４に示した多孔質材料評価装置１１の制御部５１の制御のフローということになる）。なお、計測に当たっては、先に示した図１、図３と同様の条件とするために、検査液８０には水を、検査用気体７０は空気を用い、試料２１を湿潤させる前に乾燥流量を測っている。また、計測開始前の状態は、気体圧力の圧力は「０」に、音波発振器１１０は出力ｏｆｆの状態になっているものとする。
【００３９】
図６において、まず制御部５１は段階的に気体圧力を上昇させるカウンタをｉ＝０として初期化する。続いて、制御弁６１を制御して検査用気体７０の圧力Ｐを初期圧力となるように調圧する。初期圧力は、検査用気体７０が試料２１を通って透過を始める前の圧力とする。予め本番前の予備計測で検査用気体７０の透過開始の圧力を求めておき、この圧力を初期圧力として制御部５０に設定しておけばよい（図６のステップＳ１、Ｓ２。以降、単に（Ｓ１、Ｓ２）と書く）。
【００４０】
音波発振器１１０を出力ｏｆｆ（ｉ＝０では既に出力ｏｆｆとなっている）し、カウントアップ（ｉ＝ｉ＋１）する。そして、検査用気体７０の圧力をΔＰ増加させ（即ち、Ｐ＝Ｐ＋ΔＰ）、このときの気体圧力Ｐ（ｉ）と透過流量Ｑｗ（Ｐ（ｉ））を計測する（Ｓ３〜Ｓ７）。
【００４１】
透過流量Ｑｗ（Ｐ（ｉ））は未だ音圧を加えていない状態の圧力Ｐ（ｉ）における透過流量で、検査の終了を判断するのに用いる。Ｓ８において、計測した透過流量Ｑｗ（Ｐ（ｉ））が予め計測しておいた圧力Ｐにおける乾燥流量Ｑｄ（Ｐ（ｉ））より少ないときは未測定の細孔が存在すると判断して次のステップに進むが、透過流量Ｑｗ（Ｐ（ｉ））が乾燥流量Ｑｄ（Ｐ（ｉ））と等しくなったときは全ての細孔から気体の透過が行なわれたとして計測を終了する。なお、乾燥流量Ｑｄ（Ｐ（ｉ））は、気体圧力Ｐ（ｉ）のときの乾燥流量である（Ｓ８）。
【００４２】
計測した圧力Ｐ（ｉ）において、圧力Ｐ（ｉ）に対応する細孔の孔径（半径ｒ）を前述した（３）式を用いて求める。続いて、制御部５１は音波発振器１１０の出力をｏｎとして圧力Ｐ（ｉ）に音圧を加え、透過流量Ｑ（ｉ）を計測する（Ｓ９〜Ｓ１１）。
【００４３】
次のステップに進んで、カウンタｉが１以下であればステップ３に戻り、そうでなければ次のＳ１３に進む。即ち、ｉ＝１の最初の計測ではＳ３に戻ってΔＰ圧力を増加させた計測を行なうことになる（Ｓ１２）。
【００４４】
Ｓ１３において、カウンタがｉとｉ−１のときに計測した透過流量と気体圧力のそれぞれの増加分ΔＱとΔＰを求め、さらにそれらの比率Ｑ’＝ΔＱ／ΔＰを求める。続いて、流路コンダクタンスを前述した（２）式から求める。求めた流路コンダクタンスはＳ９で求めた孔径ｒ（ｉ）の流路コンダクタンスである（Ｓ１３、Ｓ１４）。
【００４５】
図６に示した計測フローにより、各孔径に対する流路コンダクタンスを求めることができる。各孔径の流量を求めるには、流路コンダクタンスに圧力Ｐ（ｉ）を乗じてやればよい。また、このようにして求めた流路コンダクタンスは、図７に示される。図７は先に示した図３に合せて描いた図で、流量のグラフは図３と同一である。流路コンダクタンスが孔径５μｍ以下の大きさで安定して求められていることが分かる。
【００４６】
（実施例その２）
実施例その１では気室２３に音圧発生器１００を備えて試料２１を透過する検査用気体を周期的に変動させることを行なったが、実施例その２は実施例その１と同様に気室２３に音圧発生器１００を備えるが、音圧により試料２１を振動させものである。試料２１を振動させることにより、細孔の開口部に纏わり付く気泡を強制的に振るい落とすことを行なうものである。
【００４７】
図８に実施例その２における多孔質材料評価装置１２の構成例を示す。多孔質材料評価装置１２は、図４に示した実施例その１の多孔質材料評価装置１１の構成例と較べて、位相検波装置２００がなく、制御部５２の機能が制御部５１と異なり、試料チャンバー２０の狭持部２２の試料２１を狭持する部分に支持部材２５を備えている点で異なる。
【００４８】
制御部５２は、流量の計測信号を流量計４０から取り込む点で制御５１と異なる（計測信号を取り込む点では、従来方法として説明した制御部５０と同一である）。なお、音波発振器１１０のｏｎ−ｏｆｆの制御は、制御部５１と同様に行なっている。
【００４９】
支持部材２５は、狭持部２２にあって試料２１の周辺部を支持し、試料２１の振動を妨げないようにするものである。例えば低硬度（硬度５°〜１０°）のシリコンゴムは振動する試料２１を支持するのに適している。
【００５０】
音圧発生器１００の周波数は、固有振動を起こさせないために前述と同様の２００Ｈｚ程度でよい。また、音圧発生器１００を駆動するための電力は、実施例その１ではごく僅かの電力で良かったが、実施例その２では試料２１自体を振動させるので遥かに大きな電力を必要とする。音圧発生器１００からの音波の出力が９０ｄｂ程度であれば、試料２１を振動させることができるので、その出力が得られる電力を印加するようにすればよい。
【００５１】
多孔質材料評価装置１２を用いた流路コンダクタンスの求め方は、基本的には従来方法で説明した気体圧力に対する透過流量を計測し、それらの計測値から圧力変動に対する透過流量の変動を微分して求める。但し、実施例その２では試料２１を振動させているので、透過流量値は所定時間（例えば、０．５ｓｅｃ）に計測した計測値の平均値を用いるようにすればよい。また、気体圧力の計測は、音圧の影響を避けるため音波発振器１１０をｏｆｆにした状態のときに計測する。
【００５２】
以上、本発明の多孔質材料評価方法と多孔質材料評価装置の実施例を説明したが、これらは上記した内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得るものである。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 多孔質材料評価装置
１１ （実施例その１の）多孔質材料評価装置
１２ （実施例その２の）多孔質材料評価装置
２０ 試料チャンバー
２１ 試料
２２ 狭持部
２３ 気室
２４ 液室
２５ 支持部材
３０ 圧力計
４０ 流量計
５０ 制御部
５１ （実施例その１の）制御部
５２ （実施例その２の）制御部
６０ ガスボンベ
６１ 制御弁
７０ 検査用気体
７１ 気泡
７２ （排気された）検査用気体
８０ 検査液
９０ 気体圧力
９１ 表面張力
１００ 音圧発生器
１１０ 音波発振器
２００ 位相検波装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質材料が有する細孔の透過流量分布を評価する多孔質材料評価方法と、多孔質材料評価装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
濾過フィルターなどに用いられる多孔質材料の特性評価方法の一つに、多孔質材料が有する細孔の孔径に対する透過流量分布により特性を評価する方法がある。
【０００３】
多孔質材料の透過流量分布を求める方法として、バブルポイント法が知られている。この方法において、多孔質材料の一方の面を水などの検査液で湿潤し、他方の面から気体を印加し、気体の圧力を増加させながら毛細管力によって細孔に進入した検査液の表面張力に打ち勝って細孔を透過した気体の流量を計測し、計測値から圧力変動に対する気体流量の増分を算出することにより、細孔の孔径に対する透過流量分布を求めることがきる。気体圧力の増加に伴う気体の透過は、初めは大きな孔径の細孔から始まり徐々に微細な細孔にまで及ぶため、透過流量の増分を算出すれば多孔質材料が有する各孔径に対する透過流量分布を知ることができる。
【０００４】
このバブルポイント法を用いて多孔質材料の完全性を調べる方法が提案されている。例えば、親水性溶媒で湿潤した多孔質材料に両親媒性液体を透過させ、更に所定の表面張力を持つ検査液を透過させ、その後に検査気体を透過させて検査気体の流量または圧力から評価する方法が提案されている。この方法によれば、気体圧力を低圧の状態で測定できると共に、正確に完全性を知ることができる、とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３０１４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したように、多孔質材料の透過流量の分布を求めるには、検査液で湿潤された多孔質材料の一方の面から検査用気体の気体圧力を徐々に増加し、印加した気体圧力とこの気体圧力において細孔を透過する気体の透過流量を計測し、計測した気体圧力の変動に対する透過流量の変動分から各径の細孔に対する透過流量分布を算出していた。このようにして求めた透過流量分布は、孔径が大きい細孔に対する透過流量の算出した値に問題はないが、数μｍ程度の微細な径の細孔では透過流量の計測値が不規則に変動し、透過流量の算出値は信頼性に乏しいという問題があった。
【０００７】
この透過流量の計測値の変動原因は、以下に示される現象に基づくものと推測される。微小の細孔からの流量を計測している状態では、その孔径よりも大きな孔径の細孔からも同時に気体が透過している状態で計測を行なっていることになる。細孔からの気体の透過は、細孔の検査液と接する開口部で表面張力に打ち勝った気体が気泡となって検査液中に押し出され、開口部から断続的に離脱することで透過する。この気泡が断続して検査液から出るため流量計による計測値は変動し、この変動が流量計測の揺らぎとして現れ、バックグランドノイズとなっている。バックグランドノイズが微小細孔の流量を計測している信号の大きさ以上になると、計測した流量信号はバックグランドノイズに埋もれ、計測精度が低下することになる。こうなると、精度の高い流量計を用いても、ノイズに埋もれた信号を取り出すのは困難となる。
【０００８】
本発明はこの問題を踏まえ、微小細孔においても高い精度で多孔質材料の細孔の透過流量分布を求めることができる透過流量分布評価方法と、透過流量分布評価装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の一観点によれば、板状の多孔質材料の第１の面を検査液に接触させ、多孔質材料を湿潤させる湿潤手順と、所定の気体圧力に一定周期の音波に基づく音圧変動を加えた検査用気体を多孔質材料の第２の面に印加し、多孔質材料を介して第１の面に検査用気体を透過させる気体透過手順と、気体透過手順によって第１の面を透過した検査用気体の流量を計測する計測手順と、を有する多孔質材料評価方法を提供できる。
【００１０】
発明の別の一観点によれば、検査液を入れる液室と検査用気体を導入する気室とを有し、液室と気室との間に板状の多孔質材料を狭持し、狭持された多孔質材料の表面が液室と気室とに露出するように配置される狭持部を有するチャンバと、気室に設けられ、導入された検査用気体の気体圧力に加える音波の音圧を発生する音圧発生器と、導入された気体圧力を計測する圧力計測手段と、気室から多孔質材料を介して液室に透過する検査用気体の流量を計測する流量計測手段と、検査用気体を所定の気体圧力に調圧し、調圧された検査用気体を気室に導入し、圧力計測手段と流量計測手段とに計測指示を行なって圧力計測手段と流量計測手段とから計測結果を取得する制御手段と、を有する多孔質材料評価装置を提供できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、一定圧力に一定周期の音圧を加えた検査用気体を多孔質材料に印加することにより、検査液を透過する検査用気体に一定周期の圧力変動をもたらして気泡の発生及び離脱を周期的に行なわせることができ、バックグランドノイズの影響を抑制することができる。これにより、微細な細孔においても高い精度で多孔質材料の透過流量分布を求めることができる多孔質材料評価方法と、多孔質材料評価装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】多孔質材料評価装置の構成例を示す図である。
【図２】検査用気体の検査液透過例を示す図である。
【図３】算出した流路コンダクタンス例を示す図である。
【図４】本発明の多孔質材料評価装置の構成例（実施例１）を示す図である。
【図５】本発明における印加する気体圧力と計測される透過流量の変動例を示す図である。
【図６】本発明による流路コンダクタンスの計測フロー例を示す図である。
【図７】本発明により求めた流路コンダクタンス例を示す図である。
【図８】本発明の多孔質材料評価装置の構成例（実施例２）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態を説明する前に、多孔質材料評価方法と気体圧力の変動に対する透過流量の増加分の算出例について図１と図２を用いて説明する。なお、気体圧力を増加させたときに細孔を透過する気体の流量増加は、細孔を流路としたときの気体の通り易さを示すことから、ここでは流路コンダクタンスということにする。
【００１４】
図１は、多孔質材料評価装置の構成例を示した図である。多孔質材料評価装置１０は大きく分けて試料チャンバー２０、圧力計３０、流量計４０、制御部５０およびガスボンベ６０から構成する。試料チャンバー２０の空間は、試料２１を狭持する狭持部２２で上下に区画され、下方が気室２３、上方が液室２４となっている。狭持部２２の気室２３および液室２４に対する面の中央部分は開口しており、板状にした多孔質材料の試料２１がこの狭持部２２にセットされたとき、多孔質材料の表面はこの開口から気室２３および液室２４に露出するようになっている。計測時には液室２４には検査液８０が満たされ、これにより試料２１には検査液８０が細孔に進入し湿潤した状態になる。気室２３にはガスボンベ６０が制御弁６１を介して配管接続し、検査用気体７０が導入される。気室２３の検査用気体７０の圧力は圧力計３０で計測され、気室２３から試料２１を通って液室２４に流れる検査用気体７０の透過流量は流量計４０で計測される。液室２４を流れる検査用気体７０は流量計４０を通った後、試料チャンバー２０外に排出される。図の黒塗り実線の矢印は、液室２４から排出された検査用気体７２を示している。なお、ガスボンベ６０には加圧された空気や窒素、アルゴンなどの検査用気体７０が充填されている。
【００１５】
透過流量の測定は、気室２３に導入される検査用気体７０の圧力を徐々に増加させ、ある圧力になると検査用気体７０が試料２１の最も大きな細孔から透過を始めるのでこの圧力から透過流量の計測を開始する。細孔内には検査液８０が表面張力によって起こる毛細管現象により進入しているが、気室２３から印加した検査用気体の圧力がこの表面張力を上廻ると検査用気体７０は細孔を通り抜けて検査液８０中を気泡７１となって抜け出る。
【００１６】
図２はこの状態を説明する模式図で、図２（ａ）は検査用気体７０の気体圧力９０と検査液８０による表面張力９１とがバランスしている状態を示している。図２（ａ）の試料２１の上方は液室２４で検査液８０が満たされている状態を示しており、試料２１の下方は気室２３で気体圧力９０の検査用気体７０が入っている状態を示している。試料２１は孔径がａ、ｂ、ｃ（ａ＜ｂ＜ｃ）の細孔（それぞれ、細孔ａ、細孔ｂ、細孔ｃとする）を有しており、孔径の大きさによって細孔内の検査液８０の液面の高さは異なっている。これは、孔径の大きい細孔ほど表面張力９１は弱くなるので検査用気体７０の気体圧力９０に押されて細孔中の検査液８０の液面は細孔の上方の位置にある。図２（ａ）に示すように最も孔径の大きい細孔ｃの液面が高い位置にあり、最も孔径の小さな細孔ａの液面が低い位置にある。図２（ａ）の状態は、この状態で気体圧力９０と表面張力９１がバランスしており、検査用気体７０の透過は未だ行なわれていない。
【００１７】
図２（ｂ）は図２（ａ）から検査用気体７０の気体圧力９０が増加し、この気体圧力９０が表面張力９１を上廻り、検査用気体７０が最も大きな孔径の細孔ｃから気体の透過が開始した状態を示した図である。細孔を透過した検査用気体７０は気泡７２となって検査液８０を通り液室２４に抜けることになる。
【００１８】
次に、図１に示した多孔質材料評価装置１０を用いて透過流量の測定を行なう方法を説明する。まず、板状にした多孔質材料の試料２１を試料チャンバー２０の狭持部２２に固定し、液室２４に検査液８０を満たし、試料２１を検査液８０で湿潤させる。試料２１が充分に湿潤した後に、制御部５０により制御弁６１を制御し、ガスボンベ６０から検査用気体７０（ここでは空気を用いる）の気体圧力を徐々に高めながら気室２３に導入する。気体圧力の増加と共に、圧力計３０および流量計４０からの計測値を記録して行く。検査用気体を所定圧まで上げて計測を終了する。計測した圧力と流量とから、圧力の増分に対する流量の増分を微分によって算出することで、その圧力値に対応する孔径の細孔の流路コンダクタンスを求めることができる。或る気体圧力のもとで計測している流量Ｑ（Ｐ）は、或る大きさ以上の孔径の全ての細孔から透過している気体の総流量であるので、（１）式で表すことができる。
【００１９】
【数１】
（但し、Ｐ：気体圧力、Ｃ（Ｐ）：多孔質材料全体の流路コンダクタンス、ｃ（ｔ）：毛細管力ｔを有する細孔の流路コンダクタンス）
（１）式を微積分の基本定理と合成関数の微分から変換して、細孔の流路コンダクタンスを（２）式で求めることができる。
ｃ（Ｐ）＝ｄ（Ｑ（Ｐ）／Ｐ）／ｄＰ
＝（１／Ｐ）ｄＱ（Ｐ）／ｄＰ−（１／Ｐ２）Ｑ（Ｐ）・・・（２）
一方、気体圧力と細孔の孔径（半径ｒ）とは、（３）式の関係にあるので、気体圧力Ｐにおける孔径を求めることができる。
【００２０】
ｒ＝２σｃｏｓθ／Ｐ・・・・・（３）
（但し、σ：表面張力、θ：接触角）
即ち、気体圧力Ｐにおける透過流量を計測することで、孔径ｒのｃ（Ｐ）を求めることができる。また、孔径ｒが寄与する透過流量は、ｃ（Ｐ）に気体圧力Ｐを乗じることで求まる。
【００２１】
上記のようにして求めた計測結果と算出した流路コンダクタンスの例を図３に示す。なお、ここでは上記の検査液に湿潤して透過流量を計測する前に、試料２１を乾燥した状態で透過流量を計測し（乾燥流量という）、湿潤した状態の透過流量を乾燥流量の比率で表わしている。このように表すことで、計測時における検査用気体７０の上限圧力を決めることができる。即ち、図３に示すように、試料２１が湿潤した状態の流量が乾燥流量と等しくなったとき（流量／乾燥流量＝１００％）に透過流量の計測を終了しているが、このときが多孔質材料が有する細孔の中で最も小さな孔径の細孔からの透過が行なわれたことになり、気体圧力をこれ以上増加させて計測する意味がない、ことになる。
【００２２】
図３において、点線のグラフは計測された流量を示し、実線のグラフは計測された流量から算出した流路コンダクタンスを示している。計測している流量は、前述のように圧力増に対して最も大きな孔径の細孔からの流量により小さな孔径の細孔の流量が順次加わって行くので、圧力の増加に伴って流量の傾斜はより急な傾斜となる。ここでの流路コンダクタンスの算出は、孔径が２０μｍ以下の孔径に対して行なっている。図３に示されるように５μｍ程度以下で算出された流路コンダクタンスは乱高下し、不安定になっている。不安定の原因は前述したバックグランドノイズによるものと考えられ、本発明はこの不安定となる問題に対し微細な細孔においても高い精度で透過流量を計測できるようにすることにある。
【００２３】
次に、実施例により本発明をより具体的に説明する。
【実施例】
【００２４】
（実施例その１）
本発明の多孔質材料評価装置を図４を用いて説明する。図４は、多孔質材料評価装置１１の構成例を示した図で、図１に示した従来技術による多孔質材料評価装置１０と比較できるように同様の配置で描いている。また、多孔質材料評価装置１０と同一の構成要素には同じ符号を付けている。
【００２５】
多孔質材料評価装置１１が多孔質材料評価装置１０と異なる点は、新たに音圧発生器１００と音波発振器１１０、および位相検波装置２００を付け加えたことと、多孔質材料評価装置１０の制御部５０の機能に音波発振器１１０に対してｏｎ／ｏｆｆの制御を行なう機能を加わえて新たに制御部５１としたことが異なる。試料チャンバー２０、圧力計３０、流量計４０、ガスボンベ６０および制御弁６１は、同一で先に説明したので省略する。
【００２６】
音圧発生器１００は所謂スピーカーであり、音波発振器１１０は発振回路と電力増幅回路とを備え、音圧発生器１００を音波周波数で駆動できる。音圧発生器１００は、気室２３内に配置され、気室２３内の検査用気体７０を振動させる。気室２３に導入されている検査用気体７０は、ガスボンベ６０から出た検査用気体７０が制御弁６１によって所定の圧力に調整されているので、その調整された圧力に音圧発生器１００による音圧が加えられたものとなる。
【００２７】
次に、図４に示した音圧発生器１００が発生する音波の周波数について説明する。音源である音圧発生器１００と試料２１の間で定常波が立つと、細孔の中の検査用気体７０と検査液８０との気液界面が定常波の節になり、気液界面では音圧発生器１００で発生した音圧変動に対して追従しないことになる。このため、発生音波の周波数νはその定常波の固有振動数より小さくする必要がある。例えば、気室２３における音圧発生器１００と試料２１との間の長さを１０ｃｍ、音速ｃ＝３３０ｍ／ｓとすると、周波数νは１，６５０Ｈｚ以下でなければならないことになる（固有振動数ｆ＝（３３０／０．１）×（１／２）＝１，６５０Ｈｚ、（１／２）は半波長で節となるため）。
【００２８】
上記は、発生音波の周波数νに対して気室２３の固有振動数に基づく制約であるが、細孔から検査液中で発生する気泡の成長に基づく制約について検討する。発生音波の周波数νがあまりに大きい（高い）と気泡の成長に必要な時間が充分にとれず、流量変動の振幅が小さくなってしまい流量変動の信号の検知が困難になる。このため、流量変動の振幅が小さくなり過ぎない条件として、多孔質体からの気泡が１個発生するのに要する時間が音波周期の半分より短いとする。これを条件とすると、次の（４）式が成り立つ。
【００２９】
１／２ν＞Ｖｂ（ｒ）×Ｎ（ｒ）／ｑ（ｒ） ・・・・（４）
（但し、Ｖｂ（ｒ）：気泡体積、Ｎ（ｒ）：半径ｒの細孔数の多孔質材料における面密度、ｑ（ｒ）：半径ｒの細孔からの単位面積、単位時間当たりの流量）
一方、気泡に働く浮力は、（５）式で求められる。
【００３０】
（ρｌ−ρｇ）×Ｖｂ（ｒ）×Ｇ ・・・・・・・・・（５）
（但し、ρｌ：液体密度、ρｇ：気体密度、Ｇ：重力加速度）
気泡を細孔の開口部に付けて留めようとする力は、細孔の周囲長（２πｒ）に働く表面張力σなので、
２πｒ×σ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）
（但し、２πｒ：細孔の周囲長、σ：表面張力）
（５）式が（６）式より少しでも大きくなると気泡は細孔の開口部から離れるので（５）式と（６）式が釣り合うときのＶｂ（ｒ）を気泡の大きさ（体積）と見做すことができ、気泡の体積は（７）式で求まる。
【００３１】
Ｖｂ（ｒ）＝２πｒ×σ／（ρｌ−ρｇ）Ｇ ・・・（７）
例えば、ｒ＝５μｍ、ρｌ＝１ｇ／ｃｍ３（水）、σ＝７３ｄｙｎ／ｃｍ（水と空気の界面、ａｔ２０℃）、Ｇ＝９．８ｍ／ｓ２、として空気の密度を無視すると、気泡の体積は
Ｖｂ（５）＝２．３×１０−１１ｍ３
となる。さらに、Ｎ（５）＝１００個／ｃｍ２、ｑ（５）＝１ｃｍ３／ｓ・ｃｍ２として、（４）式より周波数νを求めると、周波数νは、２１７Ｈｚとなる。この値は、気室２３の固有振動数から求めた１，６５０Ｈｚ以下を満足するので、発生音波の周波数νは２１７Ｈｚ以下であればよいことになる。
【００３２】
続いて、音圧発生器１００の駆動電力について検討する。まず、発生音波の音の強さＩは、音波の進む方向に垂直な単位面積を単位時間に通過する音波のエネルギー量であり、（８）式で表される。
【００３３】
Ｉ＝（１／２）（ΔＰ）２／ρｃ ・・・・・・・・・・（８）
（但し、ΔＰ：音圧振幅、ρ：空気の密度、ｃ：音速）
多孔質材料の孔径が２０〜２５μｍのところで孔径精度を０．０１μｍの単位で考えるとすると、この２０〜２５μｍの範囲である５μｍの孔径変化に対する気体圧力の変化は図３に示されるように、１，３００Ｐａに相当する（図３の横軸の孔径２０〜２５μｍ間の５μｍの孔径変化に対し、気体圧力の変化は６．３×１０３〜５×１０３Ｐａ間の１．３×１０３Ｐａとなる）。従って、０．０１μｍに相当する気体圧力の変化は２．６Ｐａとなり、これを１／１０以上の精度で測定するものとすれば、音波による強制振動させる圧力変動は０．１Ｐａ程度であれば充分である。
【００３４】
そこで、ΔＰ＝０．１Ｐａ（この値は、７４ｄＢ相当）としたときの音の強さは、空気の密度ρ＝１.２９ｋｇ／m３、音速ｃ＝３３０m／ｓとして（５）式に代入すると１．２×１０−５Ｗ／ｍ２となる。
【００３５】
この音の強さを発生させるスピーカーに必要な電力は、次のように考えることができる。音源から音が球面波で広がるとして１０ｃｍ（前述した気室２３における音圧発生器１００と試料２１との間の長さ）離れた球面の面積は、０．０４２ｍ２。従って、この面を通過する１．２×１０−５Ｗ／ｍ２の強度の音の総仕事率は、５×１０−７Ｗとなるので、スピーカーの電気−音の変換効率を１％とすると５×１０−５Ｗの電力でよいことになる。
【００３６】
次に、位相検波装置２００について検討する。位相検波装置２００には音波信号を参照信号として入力し、流量計４０で検出した信号から音波信号と同じ周波数の信号を抽出することを行なう。位相検波装置２００を用いることで計測精度を高めることができる。例えば、発生音波の周波数を２００Ｈｚ、位相検波の時定数を０．１ｓｅｃとすると、この間に２０周期の音波に対する流量変動の信号が得られることになる。位相検波では、この２０個の信号を内蔵されたローパスフィルターで積算して平均化することになる。ローパスフィルターによる高周波ノイズ除去の効果に加えて、さらに積分効果で信号に重なる信号とノイズの比は１／√２０＝０．２２となり、約５倍の高精度測定ができることになる。
【００３７】
次に、本発明における流量計測時の気体圧力と透過流量のそれぞれの変動例を説明する。気室２３にはガスボンベ６０から制御弁６１を介して調圧された検査用気体７０が導入され、この検査用気体７０に音圧発生器１００で発生した音圧を加えた検査用気体７０を試料２１面に印加している。このときの検査用気体７０の音圧による変動を図５（ａ）に示す。例えば、図５（ａ）に示す調圧された気体圧力Ｐ０は２５×１０３Ｐａで、この圧力に音波による０．１×１０３Ｐａの音圧が加わって変動する。後述するが、この音圧は制御部５１によって音波発振器１１０の出力をｏｎ／ｏｆｆしているので、出力ｏｆｆの状態では制御弁６１で調圧された気体圧力Ｐ０の一定圧の状態となり、出力ｏｎとなって音圧が加わり変動する。ｏｎからｏｆｆまでの時間内で透過流量の計測が行なわれるが、ｏｎ／ｏｆｆの時間は例えば０．５ｓｅｃである。透過流量は、図５（ｂ）に示すように気体圧力の変動に追従して同様に変動する。例えば、音波発振器１１０の出力ｏｆｆの状態（一定の気体圧力Ｐ０）の透過流量が１．０ｃｍ３／ｓ・ｃｍ２であるとき、音波発振器１１０の出力ｏｎによりこの１．０ｃｍ３／ｓ・ｃｍ２の透過流量を中心に音圧により０．００５ｃｍ３／ｓ・ｃｍ２の変動が行なわれる。
【００３８】
続いて、流路コンダクタンスの計測方法を図６を用いて説明する。図６は、多孔質材料が有する種々の孔径の細孔に対する流路コンダクタンスを求める計測フローの例を示した図である（正確には、図４に示した多孔質材料評価装置１１の制御部５１の制御のフローということになる）。なお、計測に当たっては、先に示した図１、図３と同様の条件とするために、検査液８０には水を、検査用気体７０は空気を用い、試料２１を湿潤させる前に乾燥流量を測っている。また、計測開始前の状態は、気体圧力の圧力は「０」に、音波発振器１１０は出力ｏｆｆの状態になっているものとする。
【００３９】
図６において、まず制御部５１は段階的に気体圧力を上昇させるカウンタをｉ＝０として初期化する。続いて、制御弁６１を制御して検査用気体７０の圧力Ｐを初期圧力となるように調圧する。初期圧力は、検査用気体７０が試料２１を通って透過を始める前の圧力とする。予め本番前の予備計測で検査用気体７０の透過開始の圧力を求めておき、この圧力を初期圧力として制御部５０に設定しておけばよい（図６のステップＳ１、Ｓ２。以降、単に（Ｓ１、Ｓ２）と書く）。
【００４０】
音波発振器１１０を出力ｏｆｆ（ｉ＝０では既に出力ｏｆｆとなっている）し、カウントアップ（ｉ＝ｉ＋１）する。そして、検査用気体７０の圧力をΔＰ増加させ（即ち、Ｐ＝Ｐ＋ΔＰ）、このときの気体圧力Ｐ（ｉ）と透過流量Ｑｗ（Ｐ（ｉ））を計測する（Ｓ３〜Ｓ７）。
【００４１】
透過流量Ｑｗ（Ｐ（ｉ））は未だ音圧を加えていない状態の圧力Ｐ（ｉ）における透過流量で、検査の終了を判断するのに用いる。Ｓ８において、計測した透過流量Ｑｗ（Ｐ（ｉ））が予め計測しておいた圧力Ｐにおける乾燥流量Ｑｄ（Ｐ（ｉ））より少ないときは未測定の細孔が存在すると判断して次のステップに進むが、透過流量Ｑｗ（Ｐ（ｉ））が乾燥流量Ｑｄ（Ｐ（ｉ））と等しくなったときは全ての細孔から気体の透過が行なわれたとして計測を終了する。なお、乾燥流量Ｑｄ（Ｐ（ｉ））は、気体圧力Ｐ（ｉ）のときの乾燥流量である（Ｓ８）。
【００４２】
計測した圧力Ｐ（ｉ）において、圧力Ｐ（ｉ）に対応する細孔の孔径（半径ｒ）を前述した（３）式を用いて求める。続いて、制御部５１は音波発振器１１０の出力をｏｎとして圧力Ｐ（ｉ）に音圧を加え、透過流量Ｑ（ｉ）を計測する（Ｓ９〜Ｓ１１）。
【００４３】
次のステップに進んで、カウンタｉが１以下であればステップ３に戻り、そうでなければ次のＳ１３に進む。即ち、ｉ＝１の最初の計測ではＳ３に戻ってΔＰ圧力を増加させた計測を行なうことになる（Ｓ１２）。
【００４４】
Ｓ１３において、カウンタがｉとｉ−１のときに計測した透過流量と気体圧力のそれぞれの増加分ΔＱとΔＰを求め、さらにそれらの比率Ｑ’＝ΔＱ／ΔＰを求める。続いて、流路コンダクタンスを前述した（２）式から求める。求めた流路コンダクタンスはＳ９で求めた孔径ｒ（ｉ）の流路コンダクタンスである（Ｓ１３、Ｓ１４）。
【００４５】
図６に示した計測フローにより、各孔径に対する流路コンダクタンスを求めることができる。各孔径の流量を求めるには、流路コンダクタンスに圧力Ｐ（ｉ）を乗じてやればよい。また、このようにして求めた流路コンダクタンスは、図７に示される。図７は先に示した図３に合せて描いた図で、流量のグラフは図３と同一である。流路コンダクタンスが孔径５μｍ以下の大きさで安定して求められていることが分かる。
【００４６】
（実施例その２）
実施例その１では気室２３に音圧発生器１００を備えて試料２１を透過する検査用気体を周期的に変動させることを行なったが、実施例その２は実施例その１と同様に気室２３に音圧発生器１００を備えるが、音圧により試料２１を振動させものである。試料２１を振動させることにより、細孔の開口部に纏わり付く気泡を強制的に振るい落とすことを行なうものである。
【００４７】
図８に実施例その２における多孔質材料評価装置１２の構成例を示す。多孔質材料評価装置１２は、図４に示した実施例その１の多孔質材料評価装置１１の構成例と較べて、位相検波装置２００がなく、制御部５２の機能が制御部５１と異なり、試料チャンバー２０の狭持部２２の試料２１を狭持する部分に支持部材２５を備えている点で異なる。
【００４８】
制御部５２は、流量の計測信号を流量計４０から取り込む点で制御５１と異なる（計測信号を取り込む点では、従来方法として説明した制御部５０と同一である）。なお、音波発振器１１０のｏｎ−ｏｆｆの制御は、制御部５１と同様に行なっている。
【００４９】
支持部材２５は、狭持部２２にあって試料２１の周辺部を支持し、試料２１の振動を妨げないようにするものである。例えば低硬度（硬度５°〜１０°）のシリコンゴムは振動する試料２１を支持するのに適している。
【００５０】
音圧発生器１００の周波数は、固有振動を起こさせないために前述と同様の２００Ｈｚ程度でよい。また、音圧発生器１００を駆動するための電力は、実施例その１ではごく僅かの電力で良かったが、実施例その２では試料２１自体を振動させるので遥かに大きな電力を必要とする。音圧発生器１００からの音波の出力が９０ｄｂ程度であれば、試料２１を振動させることができるので、その出力が得られる電力を印加するようにすればよい。
【００５１】
多孔質材料評価装置１２を用いた流路コンダクタンスの求め方は、基本的には従来方法で説明した気体圧力に対する透過流量を計測し、それらの計測値から圧力変動に対する透過流量の変動を微分して求める。但し、実施例その２では試料２１を振動させているので、透過流量値は所定時間（例えば、０．５ｓｅｃ）に計測した計測値の平均値を用いるようにすればよい。また、気体圧力の計測は、音圧の影響を避けるため音波発振器１１０をｏｆｆにした状態のときに計測する。
【００５２】
以上、本発明の多孔質材料評価方法と多孔質材料評価装置の実施例を説明したが、これらは上記した内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得るものである。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 多孔質材料評価装置
１１ （実施例その１の）多孔質材料評価装置
１２ （実施例その２の）多孔質材料評価装置
２０ 試料チャンバー
２１ 試料
２２ 狭持部
２３ 気室
２４ 液室
２５ 支持部材
３０ 圧力計
４０ 流量計
５０ 制御部
５１ （実施例その１の）制御部
５２ （実施例その２の）制御部
６０ ガスボンベ
６１ 制御弁
７０ 検査用気体
７１ 気泡
７２ （排気された）検査用気体
８０ 検査液
９０ 気体圧力
９１ 表面張力
１００ 音圧発生器
１１０ 音波発振器
２００ 位相検波装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の多孔質材料の第１の面を検査液に接触させ、該多孔質材料を湿潤させる湿潤手順と、
所定の気体圧力に一定周期の音波に基づく音圧変動を加えた検査用気体を前記多孔質材料の第２の面に印加し、該多孔質材料を介して前記第１の面に該検査用気体を透過させる気体透過手順と、
前記気体透過手順によって前記第１の面を透過した検査用気体の流量を計測する計測手順と、
を有することを特徴とする多孔質材料評価方法。
【請求項２】
前記計測手順における前記検査用気体の流量の計測は、前記音波の信号を参照信号とし、検出された該流量の検出信号から該参照信号が有する周波数に等しい周波数成分を計測信号として抽出して計測する
ことを特徴とする請求項１に記載の多孔質材料評価方法。
【請求項３】
前記気体透過手順において発生する音波の周期は、該音波を印加する空間の固有振動数より低い
ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の多孔質材料評価方法。
【請求項４】
検査液を入れる液室と検査用気体を導入する気室とを有し、該液室と該気室との間に板状の多孔質材料を狭持し、該狭持された多孔質材料の表面が該液室と該気室とに露出するように配置される狭持部を有するチャンバと、
前記気室に設けられ、前記導入された検査用気体の気体圧力に加える音波の音圧を発生する音圧発生器と、
前記導入された気体圧力を計測する圧力計測手段と、
前記気室から前記多孔質材料を介して前記液室に透過する該検査用気体の流量を計測する流量計測手段と、
前記検査用気体を所定の気体圧力に調圧し、調圧された検査用気体を前記気室に導入し、前記圧力計測手段と前記流量計測手段とに計測指示を行なって該圧力計測手段と該流量計測手段とから計測結果を取得する制御手段と
を有することを特徴とする多孔質材料評価装置。
【請求項５】
板状の多孔質材料の第１の面を検査液に接触させ、該多孔質材料を湿潤させる湿潤手順と、
音波に基づく音圧変動を前記多孔質材料に印加し、該多孔質材料を振動させる振動手段と、
所定の気体圧力の検査用気体を前記多孔質材料の第２の面に印加し、該多孔質材料を介して前記第１の面に該検査用気体を透過させる気体透過手順と、
前記気体透過手順によって前記第１の面を透過した検査用気体の流量を計測する計測手順と、
を有することを特徴とする多孔質材料評価方法。
【請求項１】
板状の多孔質材料の第１の面を検査液に接触させ、該多孔質材料を湿潤させる湿潤手順と、
所定の気体圧力に一定周期の音波に基づく音圧変動を加えた検査用気体を前記多孔質材料の第２の面に印加し、該多孔質材料を介して前記第１の面に該検査用気体を透過させる気体透過手順と、
前記気体透過手順によって前記第１の面を透過した検査用気体の流量を計測する計測手順と、
を有することを特徴とする多孔質材料評価方法。
【請求項２】
前記計測手順における前記検査用気体の流量の計測は、前記音波の信号を参照信号とし、検出された該流量の検出信号から該参照信号が有する周波数に等しい周波数成分を計測信号として抽出して計測する
ことを特徴とする請求項１に記載の多孔質材料評価方法。
【請求項３】
前記気体透過手順において発生する音波の周期は、該音波を印加する空間の固有振動数より低い
ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の多孔質材料評価方法。
【請求項４】
検査液を入れる液室と検査用気体を導入する気室とを有し、該液室と該気室との間に板状の多孔質材料を狭持し、該狭持された多孔質材料の表面が該液室と該気室とに露出するように配置される狭持部を有するチャンバと、
前記気室に設けられ、前記導入された検査用気体の気体圧力に加える音波の音圧を発生する音圧発生器と、
前記導入された気体圧力を計測する圧力計測手段と、
前記気室から前記多孔質材料を介して前記液室に透過する該検査用気体の流量を計測する流量計測手段と、
前記検査用気体を所定の気体圧力に調圧し、調圧された検査用気体を前記気室に導入し、前記圧力計測手段と前記流量計測手段とに計測指示を行なって該圧力計測手段と該流量計測手段とから計測結果を取得する制御手段と
を有することを特徴とする多孔質材料評価装置。
【請求項５】
板状の多孔質材料の第１の面を検査液に接触させ、該多孔質材料を湿潤させる湿潤手順と、
音波に基づく音圧変動を前記多孔質材料に印加し、該多孔質材料を振動させる振動手段と、
所定の気体圧力の検査用気体を前記多孔質材料の第２の面に印加し、該多孔質材料を介して前記第１の面に該検査用気体を透過させる気体透過手順と、
前記気体透過手順によって前記第１の面を透過した検査用気体の流量を計測する計測手順と、
を有することを特徴とする多孔質材料評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−８８２６９（Ｐ２０１３−８８２６９Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２８４７１（Ｐ２０１１−２２８４７１）
【出願日】平成２３年１０月１８日（２０１１．１０．１８）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１８日（２０１１．１０．１８）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
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