Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Messen der Strömung von Fluiden und insbesondere ein
Verfahren zum Messen von Strömungsgeschwindigkeiten oder zum
Sichtbarmachen der Verteilung (des Verhaltens) eines
Mischzustands von zwei oder mehreren verschiedenen Fluiden in einer
Verbrennungskammer eines Motors, in einem Schalldämpfer, in
einem Wärmetauscher oder ähnlichem.
Beschreibung des Stands der Technik
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Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden oder
zur Sichtbarmachung der Strömungsverteilung von Fluiden
innerhalb eines eingegrenzten Raums, wie eines Rohrs, sind
zur Beobachtung des Strömungszustands die Laser-Doppler-
Geschwindigkeitsmessung (LDA) (mittels eines Laser-Doppler-
Strömungsmeßgeräts) und die
Partikelabbildungs-Geschwindigkeitsmessung (PIV) (Photographieren und Bildverarbeitung)
bekannt.
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LDA ist ein Verfahren zum Messen der Strömung eines
Fluids, welches das Versehen des Fluids mit
Markierungspartikeln, das Richten zweier Laserstrahlen gegen das Fluid, so
daß am Konvergenzpunkt der Strahlen eine als "Streifen"
bekannte Interferenzfigur gebildet wird und das Beobachten
des Streulichts, das erzeugt wird, wenn die
Markierungspartikel durch den Streifen hindurchtreten, beinhaltet.
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Bei diesem Verfahren müssen jedoch für das Eintreten
zweier einfallender Laserstrahlen Fenster mit einer hohen
Parallelität (Fenster, deren innere und äußere Ebenen
zueinander genau parallel verlaufen) vorgesehen sein, und der
unvermeidbare tote Winkel führt weiterhin zu einem Ort, der
innerhalb des Fluidkörpers nicht beobachtet werden kann.
Überdies tritt das Problem auf, daß zu einer gegebenen Zeit
nur der Konvergenzpunkt der beiden Laserstrahlen beobachtet
werden kann (Punktbeobachtung).
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PIV ist ein Meßverfahren, das das Versehen des Fluids mit
Markierungspartikeln, das Bestrahlen des Fluids mit einem
Dauerstrichlaser oder einem Impulslaser und das Messen der
Strömungsgeschwindigkeit oder das Sichtbarmachen der
Verteilung des Fluids durch Photographieren und Bildverarbeiten
beinhaltet.
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Anders als beim Verfahren, bei dem konvergente
Laserstrahlen verwendet werden, sind bei diesem Verfahren keine
Fenster mit hoher Parallelität erforderlich und es tritt
weiterhin nicht das Problem eines nicht beobachtbaren toten
Winkels auf, und das Verfahren ermöglicht in einem
Arbeitsgang einen breiten Beobachtungsbereich.
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Das vorgehend erwähnte Streulicht beinhaltet jedoch nicht
nur das von den Markierungspartikeln ausgehende Licht,
sondern auch das von störenden Gegenständen, wie dem
Laserstrahl-Eintrittsfenster, dem Beobachtungsfenster, der
Rohrwand und innerhalb des Rohrs freischwebenden Staubpartikeln
gestreutes Licht.
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Bei einer wirklichen Beobachtung wird all dieses
Streulicht zusammen beobachtet, und der sich ergebende hohe
Rauschpegel (niedriges Signal-Rausch-Verhältnis) verhindert
Versuche, Fluidströmungen mit einer hohen Genauigkeit zu
messen. Insbesondere dann, wenn das von den störenden
Gegenständen ausgehende Streulicht eine hohe Intensität hat, ist
es sogar unmöglich, die Markierungspartikel selbst zu
verfolgen.
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Es ist beim Beobachten einer Mischung zweier oder
mehrerer Fluide zum Bestimmen des Verhaltens der jeweiligen Fluide
oder eines Mischzustands der Fluide nicht möglich, die von
den Markierungspartikeln ausgehenden Streustrahlungen den
jeweiligen Fluiden gesondert zuzuordnen. Daher kann kein
Verfahren, bei dem die Mie-Streuung beobachtet wird, die
Strömung von Fluiden dieser Art messen. Es kann erwogen
werden, die Größe der Markierungspartikel zu ändern, da es
jedoch keinen vollkommen homogenen Laserstrahl gibt, ist es
nicht seriös, die Größe der Markierungspartikel entsprechend
der Intensität des Streulichts allein abzuschätzen. Falls die
Größe der dem Fluid hinzugefügten Partikel jedoch geändert
wird, ändert sich auch die Verteilung der mitgerissenen
Partikel. Aus dem Verfahren würde sich daher kein
angemessener Nutzen ergeben.
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In "Applied Optics", Band 30, Nr. 21, S. 3034-3040 M.
Northrup u.a.: "Fluorescent Partide Image Velocimetry" ist
ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1
offenbart. Dieses Verfahren ist nicht zum getrennten Abbilden von
Fluiden in einem Mischzustand geeignet.
AUFGABE DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht angesichts
des vorgehend erwähnten Stands der Technik darin, eine neue
Technik zum Verbessern des herkömmlichen PIV-Verfahrens zum
Verringern des Hintergrundrauschens und zum Gewährleisten
eines verbesserten Signal-Rausch-Verhältnisses und
insbesondere ein neues Verfahren zum Messen und Sichtbarmachen der
Strömung einer Mischung zweier oder mehrerer Fluide mit einer
höheren Genauigkeit vorzusehen, welches ein weitgehendes
Beseitigen des von den störenden Gegenständen herrührenden
Streulichts und ein selektives Beobachten des Streulichts von
den Markierungspartikeln beinhaltet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das Verfahren zum Messen und Sichtbarmachen von
Fluidströmungen gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet
folgendes: Zuführen fluoreszierender Markierungspartikel
einer ersten Sorte zu einem ersten Fluid und
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von Markierungspartikeln einer anderen Sorte, die eine
Fluoreszenzstrahlung abgeben, welche eine von den Strahlungen
der Markierungspartikel der ersten Sorte verschiedene
Wellenlänge
aufweisen, zu einem anderen Fluid, das mit dem ersten
Fluid zu mischen ist,
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Ermöglichen des Zusammenlaufens der beiden Fluide und
Bestrahlen der sich ergebenden Fluidmischung mit
Anregungslicht, um zu bewirken, daß die beiden Sorten fluoreszierender
Markierungspartikel Fluoreszenzstrahlung erzeugen, sowie
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Beobachten der beiden Fluide durch Filter, die für die
Fluoreszenzstrahlung nicht jedoch für das Anregungslicht
durchlässig sind, um den Mischzustand der Fluide sichtbar zu
machen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wenn Markierungspartikel durch ein Filter beobachtet
werden, das, wie vorhergehend erwähnt wurde, das
Anregungslicht nicht durchläßt aber die durch das Anregungslicht
hervorgerufenen Fluoreszenzstrahlungen selektiv durchläßt,
wird das von störenden Gegenständen, wie dem
Lichteintrittsfenster, Staub, der Rohrwand usw. zurückgeworfene Licht durch
das Filter blockiert, so daß das beobachtete Licht im
wesentlichen aus der Fluoreszenzstrahlung der Markierungspartikel
besteht. Infolgedessen kann die Bewegung der
Markierungspartikel deutlich beobachtet werden, und der Fehler bei der
Strömungsmessung kann minimiert werden (es kann ein hohes
Signal-Rausch-Verhältnis verwirklicht werden).
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Das Fluid als Gegenstand der Messung ist nicht besonders
eingeschränkt und umfaßt unter anderem Luft und andere Gase
einschließlich von Verbrennungsgas und eine Vielzahl von
Flüssigkeiten wie Wasser, Flüssiggase usw.
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Der Begriff "fluoreszierende Markierungspartikel" wird
hier so verwendet, daß eines der folgenden bezeichnet ist:
(1) mit einer fluoreszierenden Substanz imprägnierte poröse
Markierungspartikel, (2) aus einer Zusammensetzung eines
Materials zur Bildung der Partikel und einer fluoreszierenden
Substanz hergestellte Markierungspartikel und (3)
Markierungspartikel, die aus einem fluoreszierenden Material
bestehen oder mit einer fluoreszierenden Substanz versetzt
sind. Diese Arten von Markierungspartikeln werden nun detail
liert beschrieben. Es sei bemerkt, daß das fluoreszierende
Material, das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet
werden kann, irgendeine Substanz ist, die
Fluoreszenzstrahlungen erzeugt, deren Wellenlängen von der Wellenlänge des zu
verwendenden Anregungslichts verschieden ist.
(1) Mit einer fluoreszierenden Substanz imprägnierte
Markierungspartikel
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Poröse Partikel (beispielsweise poröse Siliziumdioxid-
Partikel) werden mit einem flüssigen fluoreszierenden
Material imprägniert (beispielsweise einer Lösung von Rhodamin B in
wasserfreiem Alkohol). Zu diesem Zweck wird ein Gefäß mit dem
flüssigen fluoreszierenden Material gefüllt, und die porösen
Partikel werden für eine vorgegebene Zeit eingetaucht, so daß
das fluoreszierende Material allmählich durch Kapillarwirkung
in die inneren Hohlräume der porösen Partikel diffundiert.
Der sichere Einschluß des fluoreszierenden Materials in den
porösen Partikeln kann in einer verringerten Zeit erreicht
werden, wenn die Luft innerhalb des Gefäßes mit einer
geeigneten Absaugeinrichtung abgezogen wird. Die mit dem
fluoreszierenden Material gesättigten Partikel werden daraufhin
getrocknet und für die Verwendung als Markierungspartikel
gesiebt. Die so erhaltenen Markierungspartikel sind reich an
fluoreszierendem Material und haben eine hohe
Quantenausbeute.
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Wenn die Partikel wie zuvor mit einem fluoreszierenden
Material für eine Verwendung als Markierungspartikel
imprägniert werden, sind die Substratpartikel vorzugsweise porös,
da (1) solche Partikel das fluoreszierende Material gut
aufnehmen, (2) die imprägnierten Partikel reich an dem
fluoreszierenden Material sind und eine hohe Fluoreszenz-
Quantenausbeute haben, so daß sie für sehr schnelle Fluide
(5-20 m/s) verwendet werden können und sogar Partikel mit
einer geringen Größe verwendet werden können, und weil (3)
das spezifische Gesamtgewicht der Markierungspartikel
verringert werden kann.
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Der Hohlraumanteil der porösen Partikel ist nicht
kritisch und liegt vorzugsweise zwischen etwa 5 und 95 %. Falls
der Hohlraumanteil unterhalb von 5 % liegt, ist die Menge des
fluoreszierenden Materials, das aufgenommen werden kann, für
eine klare Beobachtung nicht groß genug. Falls der
Hohlraumanteil andererseits 95 % übersteigt, haben die
Markierungspartikel möglicherweise keine ausreichende mechanische
Festigkeit.
(2) Durch Hinzufügen eines fluoreszierenden Materials zu
einem Material zur Bildung von Partikeln erzeugte
Markierungspartikel
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Ein typischer Prozeß zur Erzeugung von
Markierungspartikeln dieses Typs beinhaltet das direkte Eintropfen einer
wäßrigen Lösung, die sowohl den Vorläufer der Partikel als
auch die fluoreszierende Substanz enthält, in ein organisches
Lösungsmittel oder das Hindurchpressen der Lösung durch eine
Emulgiermembran mit einer Vielzahl von Poren mit im
wesentlichen gleichmäßigem Durchmesser (JP H-5-240 und H-5-23565 von
Kokai), um in dem organischen Lösungsmittel Emulsionspartikel
zu erzeugen und die sich ergebenden Markierungspartikel
entgegenzunehmen, wobei jeweils ein Partikel auf ein
Emulsionspartikel kommt.
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Genauer gesagt wird eine Natriumsilikat und eine
fluoreszierende Substanz enthaltende wäßrige Lösung durch eine
poröse Glasmembran (beispielsweise aus von Corning Glass
hergestelltem Vycor-Glas) oder eine poröse Polymermembran
(beispielsweise einen von GE hergestellten Neuropore-Filter)
unter Verwendung von Stickstoffgases in eine Hexanlösung
gepreßt, die ein nichtionogenes Tensid enthält. Die in der
Hexanlösung in großer Anzahl erzeugten Emulsionspartikel
werden daraufhin gesammelt und einer wäßrigen Lösung von
Ammoniumhydrogenkarbonat hinzugefügt. Die Mischung wird dann
für einige Stunden stehengelassen, woraufhin die Partikel
durch Filtrieren wiedergewonnen, abgespült, mit Methanol
gewaschen und getrocknet werden. Die so erhaltenen Partikel
können als Markierungspartikel verwendet werden.
(3) Ausschließlich aus einem fluoreszierenden Material
bestehende oder mit einer fluoreszierenden Substanz
versehene Markierungspartikel
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Partikel der Lanthanoiden wie Neodym (Nd), Europium (Eu),
Terbium (Tb) usw. und ihre Verbindungen (Hydride, Halogenide,
Nitride), Legierungen aus zwei oder mehreren Lanthanoidarten,
Rhodamin, Coumarin, Fluorescein, Umbellipheron, Eosin,
Äskulin oder ähnliches; durch das in JP H-2-173181 von Kokai
beschriebene Verfahren erzeugte Partikel (das in einem
nichtwäßrigen Medium gebildete Zinkchlorid wird mit einer
Verbindung, die ein als Lichtemissionszentrum wirkendes
Metall wie Kupfer, Mangan, Silber, Aluminium, Gallium oder
ähnliches enthält, gesättigt und in einem fluidisierten
Zustand gesintert); die durch das in JP H-2-175786 offenbarte
Verfahren erzeugten Partikel (fluoreszierende Partikel werden
mit wärmegetrockneten Erdalkalimetallsulfatpartikeln
gemischt, und die Mischung wird bei 500-1550º C gesintert)
und die mit einem fluoreszierenden Farbstoff oder einem
Pigment belegten Markierungspartikel des herkömmlichen Typs,
wie beispielsweise C.I. Acid yellow 7, C.I. Basic Red 1, usw.
können gemäß der vorliegenden Erfindung alle als
Markierungspartikel verwendet werden.
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Weiterhin können durch das Hochtemperatursintern eines
Mischstoffs, der als Hauptbestandteil irgendein hochreines
Oxid, Sulfid, Silikat oder Wolframat von Metallen wie Zink,
Cadmium, Kalzium, Aluminium, Yttrium usw. und als
Nebenbestandteil einen Aktivator wie Mangan, Silber, Kupfer, Blei,
Europium usw. sowie eine Flußsubstanz und Partikel von CaS
(Aktivator: Bi, Strahlungsfarbe: violett), ZnS (Ag, Cl,
blau), ZnS (Cu, Al, grün), ZnS (Mn, orange), ZnS (Cu,
gelbgrün), ZnO (Zn, hellgrün), Y&sub2;O&sub3; (Eu, rot), CsWO&sub4; (blaugrün),
MgWO&sub4; (blau), Zn&sub2;SiO&sub4; (Mn, grün) können ebenfalls verwendet
werden.
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Wenn die Temperatur des zu messenden Fluids hoch ist,
werden fluoreszierende Markierungspartikel, die keine
organische Verbindung enthalten, bevorzugt. Daher werden
beispielsweise
mit Neodym oder Europium oder einer Verbindung von
diesen dotierte Siliziumdioxidpartikel (SiO&sub2;-Partikel)
vorteilhaft verwendet. Diese Partikel weisen eine
ausgezeichnete wärmebeständigkeit auf und schmelzen selbst dann nicht,
wenn sie sehr heißen Fluiden hinzugefügt werden, die
beispielsweise von 500 bis 1500º C heiß sind.
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Der Aufbau der Markierungspartikel kann nichtkugelförmig
oder kugelförmig sein, kugelförmige Partikel werden jedoch
bevorzugt, da die einzelnen Partikel dann mehr oder weniger
identische Strahlungen erzeugen, so daß eine verbesserte
Meßgenauigkeit gewährleistet ist und weiterhin eine sekundäre
Koagulation verhindert werden kann.
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Der Typ des Anregungslichts, der gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann, ist nicht besonders
eingeschränkt, und umfaßt unter anderen die Ausgabe eines
Excimerlasers oder eines Stickstofflasers, ultraviolettes Licht,
kurzwelliges sichtbares Licht, die Ausgabe einer D&sub2;-Lampe
oder einer Hg-Lampe, sichtbares Laserlicht (YAG/Erzeugung
zweiter Harmonischer) bei 532 nm, Ar-Ionenlaserlicht und
andere Laserstrahlen. Die Verwendung eines Dauerstrichlasers
oder einer Lampe als Lichtquelle hat den Vorteil, daß die
Fluoreszenz als linear zusammenhängendes Muster
photographiert werden kann.
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Das gemäß der vorliegender Erfindung verwendbare Filter
ist hinsichtlich des Typs nicht eingeschränkt, insoweit es
Licht eines begrenzten Wellenlängenbands durchlassen kann.
Unter der Annahme, daß die Wellenlänge des anregenden
Lichts 500 nm beträgt und daß die Wellenlänge der
Fluoreszenzstrahlung etwa 600 nm beträgt, wird ein Filter verwendet,
das Licht des Wellenlängenbereichs von etwa 600 ± 20 nm
durchläßt.
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Es gibt keine Einschränkung hinsichtlich des Gerätetyps
zum Versehen des zu messenden Fluids mit den
Markierungspartikeln. Es kann daher eine beliebige der bekannten
Vorrichtungen einschließlich einer Pulverzuführeinrichtung vom
Meßradtyp (eine drehbare Pulverzuführeinrichtung, bei der ein
Rad an einer senkrechten Drehwelle befestigt ist, die dafür
ausgelegt ist, die Markierungspartikel durch eine
Luftdruckdifferenz zwischen dem Innern des Geräts und der Außenluft
mit dem Rad nach außen zu befördern) und einer
Pulverzuführeinrichtung vom Schraubentyp verwendet werden.
Hinsichtlich der Zufuhrgenauigkeit ist jedoch die
Meßrad-Pulverzuführeinrichtung vorzuziehen.
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Der Mischzustand mehrerer Flüssigkeiten kann mittels
mehrerer Markierungspartikeltypen sichtbar gemacht werden.
Bei diesem Meßsystem werden verschiedene zu mischende Fluide
jeweils zuvor mit Markierungspartikeln versehen, die
fluoreszierende Materialien enthalten, die verschiedene
Fluoreszenzfarben aufweisen. Beispielsweise wird ein Fluid A mit
Markierungspartikeln A (Strahlungsfarbe: grün), ein Fluid B mit
Markierungspartikeln B (blau) und ein Fluid C mit
Markierungspartikeln C (rot) versehen, die sich jeweils in einem
quantitativen Verhältnis befinden, und die Fluide werden
daraufhin vermischt. Das gemischte Fluid wird mit einer
Anregungsstrahlung der Wellenlänge Xnm bestrahlt, um zu
bewirken, daß die jeweiligen Markierer Fluoreszenzstrahlung
abgeben. Über ein Filter, das Licht der Wellenlänge Xnm nicht
durchläßt aber die Fluoreszenzemission der
Markierungspartikel durchläßt, wird die Strahlung einer Bildverarbeitung
beispielsweise mittels CCD-Kameras unterzogen. Bei diesem
Verfahren kann das Verhalten der jeweiligen
Markierungspartikel deutlich sichtbar gemacht werden, so daß die
Bewegungsverteilung der jeweiligen Teilfluide A, B und C oder eines
Mischzustands der Fluide A durch C genau bestimmt werden
kann.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verwendung von
Markierungspartikeln einer sehr geringen Größe. Die
Verwendung kleinerer Markierungspartikel führt zu einer
verbesserten Flüssigkeitsverfolgungsleistung und bietet daher den
Vorteil eines verringerten Meßfehlers. Um ein ausreichend
hohes Signal-Rausch-Verhältnis, also eine ausreichend hohe
Intensität der Signale der Markierungspartikel zu erreichen,
war es daher vor der Erfindung erforderlich, verhältnismäßig
große Markierungspartikel zu verwenden (beispielsweise mit
30-50 µm).
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Solche großen Partikel folgen der Bewegung von Fluiden
jedoch nicht getreu und neigen dazu, unter ihrem eigenen
Gewicht allmählich abzusinken. Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann das Licht von den Partikeln jedoch wie vorhergehend
erwähnt überwacht werden, so daß es nicht mehr erforderlich
ist, große Partikel zu verwenden. Es können daher selbst bei
Partikeln mit einem Durchmesser von etwa 1 µm Messungen mit
einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis vorgenommen werden.
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Der bevorzugte mittlere Größenbereich der
Markierungspartikel beträgt in der vorliegenden Erfindung etwa
0,3-10 µm, wenngleich dies kein kritischer Bereich ist.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung findet
Anwendungen bei der Sichtbarmachung von Fluidströmungen oder
der Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden in
Verbrennungskammern von Motoren, Schalldämpfern,
Wärmetauschern und anderen Geräten oder Vorrichtungen, in denen
das eine oder andere Fluidmedium (Gas oder Flüssigkeit)
fließt.
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Die Erfindung kann weiterhin bei hydrodynamischen
Experimenten auf den Flugzeuge, Kraftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge,
Hochhäuser, Brücken usw. betreffenden Gebieten verwendet
werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des im Beispiel
2 verwendeten Geräts.
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Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des
Mischzustands zweier verschiedene Gase in der in Fig. 1
dargestellten Fluidmischkammer.
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Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung des in
Beispiel 4 verwendeten Gasbrenners.
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Fig. 4 ist eine Diagrammdarstellung des im
Gewinnungsbeispiel 1 verwendeten Geräts zur Herstellung von Partikeln.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Gewinnungsbeispiel 1
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Der Prozeß zur Gewinnung poröser Partikel vor dem
Imprägnieren mit einem fluoreszierenden Material wird nachfolgend
beschrieben. In diesem Gewinnungsbeispiel wird das inverse
Mizelle-Verfahren verwendet, dieses ist jedoch nicht die
einzige Möglichkeit.
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Eine 10 µm-dicke Polyimidschicht wurde mit einem KrF-
Excimerlaser (Wellenlänge 251 nm) bestrahlt, um Perforationen
mit einer Größe von 2,0 µm zu bilden. Diese perforierte
Polymerschicht wurde in einer in Fig. 4 dargestellten
Emulgiervorrichtung angebracht, und eine wäßrige Lösung der
Vorläufersubstanz des Markierers wurde unter Druck mit einer
Spritzenpumpe in eine organische Lösung eingebracht. Die
Einbringrate betrug 1 g/cm², und die Temperatur betrug 25º C.
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Der Aufbau der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung wird
nachfolgend zusammengefaßt. Die Bezugszahl 10 bezeichnet eine
volumetrische Spritzenpumpe. Die mit 12 bezeichnete
Polymermembran ist im vorderen Abschnitt der volumetrischen
Spritzenpumpe angebracht. Die Bezugszahl 14 bezeichnet eine Blende
zum Stützen der Polymermembran. Durch die Bezugszahl 16 ist
eine mit der Spritzenpumpe 10 in Verbindung stehende
zylindrische Reaktionskammer bezeichnet. Die Bezugszahl 20
bezeichnet ein Zuleitungsrohr zum durch eine Dosierpumpe 22
erfolgenden Zuführen eines organischen Lösungsmittels 25 von
einem Lösungsmittelbecher 24 in die Reaktionskammer 16. Nun
wird eine wäßrige Lösung 11 der
Markierungspartikel-Vorläufersubstanz mit der Spritzenpumpe 10 mengenmäßig in das
organische Lösungsmittel 25 innerhalb der Reaktionskammer 16
eingeführt. Nach der Bildung einer großen Anzahl von
Emulsionspartikeln wird das organische Lösungsmittel über ein
Entnahmerohr 26 aus der Reaktionskammer 16 in den
Lösungsmittelbecher 24 rückgeführt.
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In dem Beispiel wurde eine Hexanlösung von Polyoxyethylen
(20)-Sorbitantrioleat (20 gil) als organisches Lösungsmittel
verwendet.
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Als wäßrige Lösung wurde eine durch Hinzufügen von 1,
Mol Tetraethoxysilan, 2,2 Mol Methanol, 1,0 Mol
N,N-Dimethylformamid und 4 x 10&supmin;&sup4; Mol Ammoniak zu 10 Mol Wasser
hergestellte Lösung verwendet.
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Nach Emulgieren bei 5º C wurde der Schlamm für 30 Stunden
unter Rückflußkühlung erhitzt, und die sich ergebenden
Emulsionspartikel (Sol) in der organischen Säure wurden durch
Gelieren ausgefällt. Der Niederschlag wurden getrocknet und
bei 800º C gesintert.
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Auf diese Weise wurde eine Vielzahl poröser kugelförmiger
Siliziumdioxidpartikel (SiO&sub2;-Partikel) erhalten. Die Partikel
hatten einen Hohlraumanteil von 50 %, einen mittleren
Durchmesser von 2,5 µm, und die Durchmesser von 70 % der Partikel
lagen innerhalb des Bereichs von 2,7 ± 0,7 µm.
Beispiel 1
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Die im Gewinnungsbeispiel 1 hergestellten Partikel wurden
in eine Alkohollösung von Rhodamin B eingetaucht und die Luft
innerhalb des Gefäßes wurde mittels einer Absaugvorrichtung
abgezogen, damit die Partikel Rhodamin B absorbierten. Die
Partikel wurden daraufhin getrocknet, um fluoreszierende
Markierungspartikel zu bilden.
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Mittels einer Meßrad-Pulverzuführeinrichtung (MSF-F,
Liquid Gas Co., Ltd.) wurden die so erhaltenen
fluoreszierenden Markierungspartikel einem innerhalb eines Rundrohrs mit
einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 m/s strömenden Gas
zugeführt.
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Das vorhergehend erwähnte Rundrohr ist eine zylindrische
Vorrichtung mit einem Eintrittsfenster für das Anregungslicht
und einem Beobachtungsfenster.
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Von dem vorhergehend erwähnten Eintrittsfenster für das
Anregungslicht aus wurde ein Anregungslicht
(XeCl-Excimerlaser: 0,2 J/Puls) gegen das in dem Rundrohr fließende Gas
gerichtet und das Innere des Rundrohrs wurde gleichzeitig mit
einer synchronisierten CCD-Kamera über ein Licht der
Wellenlänge 600 ± 30 nm durchlassendes Filter (Nihon Shinku Kogaku,
Ltd.) und einen Bildverstärker (Handelsname C2925, Hamamatsu
Photonics Co., Ltd.) durch das Beobachtungsfenster zum
Sichtbarmachen der Gasströmung photographiert.
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Es stellte sich heraus, daß die Messung mit einem Signal-
Rausch-Verhältnis von mindestens 40 dB (Rauschpegel unterhalb
von 1/100) gemacht werden konnte. Auf diese Weise konnte das
Fluoreszenzlicht von den Markierungspartikeln in den meisten
Fällen selektiv beobachtet werden, und die Positionen der
Markierungspartikel konnten genau sichtbar gemacht werden.
Vergleichsbeispiel 1
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Ein Sichtbarmachungsexperiment wurde abgesehen davon, daß
die Imprägnierung mit einem fluoreszierenden Material
fortgelassen wurde, in der gleichen Weise wie in Beispiel 1
ausgeführt, ein Ar-Laser (0,2 W/Puls) wurde als
Anregungslichtquelle verwendet, und es wurde ein Licht der Wellenlänge 510
± 30 nm durchlassendes Filter benutzt.
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Hierbei wurden die Partikel mit Streulicht vom Glas
überflutet, so daß das Fluid nicht genau gemessen werden
konnte (Signal-Rausch-Verhältnis: < 20 dB).
Beispiel 2 (Experiment 1 in einem Mischfluidsystem)
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In Fig. 1 ist eine in diesem Beispiel dargestellte
Fluidmischkammer dargestellt. Diese Mischkammer 30 ist mit
einem Eintrittsfenster für das Anregungslicht und einem
Beobachtungsfenster (nicht dargestellt) versehen.
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In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 32 ein erstes
Rundrohr, das mit der Fluidmischkammer 30 in Verbindung steht,
und ein Gas A fließt in diesem ersten Rundrohr 32 in Richtung
der Fluidmischkammer 30. Die Bezugszahl 33 bezeichnet einen
ersten Einlaß und das in dem ersten Rundrohr 32 strömende Gas
A wird über den ersten Einlaß 33 in die Fluidmischkammer 30
eingeführt. Die Strömungsrate an diesem ersten Einlaß 33
beträgt 6 m/s.
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Die Bezugszahl 34 bezeichnet ein zweites Rundrohr, das
mit der Fluidmischkammer 30 in Verbindung steht, und ein Gas
B fließt in diesem zweiten Rundrohr 34 in Richtung der
Fluidmischkammer 30. Die Bezugszahl 35 bezeichnet einen
zweiten Einlaß, und das in dem zweiten Rundrohr 34 strömende
Gas B wird über den zweiten Einlaß 35 in die Fluidmischkammer
eingeführt. Die Strömungsgeschwindigkeit am zweiten Einlaß
35 beträgt 7 m/s.
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Auf diese Weise werden die Gase A und B in der
Fluidmischkammer 30 gemischt.
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Nun wurden die gleichen Markierungspartikel (Partikel A),
die in Beispiel 1 verwendet wurden, in das erste Rundrohr 32
eingeführt. Andererseits wurden im Gewinnungsbeispiel 1
hergestellte poröse kugelförmige Siliziumdioxidpartikel
(SiO&sub2;-Partikel) mit Coumarin 47 imprägniert und getrocknet,
und die so erhaltenen Markierungspartikel (Partikel B) werden
in das zweite Rundrohr 34 eingeführt. Sowohl die Partikel A
als auch die Partikel B wurden über Zuführeinrichtungen des
im Beispiel 1 verwendeten Typs zugeführt, und die
Zufuhrmengen waren gleich.
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Daraufhin wurde ein Anregungslicht (XeCl-Excimerlaser:
0,2 J/Puls) über das Eintrittsfenster für das Anregungslicht
gegen das in der Fluidmischkammer 30 strömende gemischte
Fluid 30 gerichtet, und das Innere der Fluidmischkammer 30
wurde über ein Licht der Wellenlänge 462 ± 17 nm (Nihon
Shinku, Kogaku) durchlassendes Filter und einen
Bildverstärker (Handelsname C 2925, Hamamatsu Photonics) durch das
Beobachtungsfenster zur Sichtbarmachung des Mischzustands der
Gase A und B mit synchronisierten CCD-Kameras photographiert.
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Auf diese Weise konnte der Mischzustand der beiden
verschiedenen Gase klar beobachtet werden. Fig. 2 ist eine
schematische Darstellung dieses Zustands. In Fig. 2
bezeichnet die Bezugszahl 40 die Partikel A, und die Bezugszahl 42
bezeichnet die Partikel B.
Beispiel 3 (Experiment 2 in einem Mischfluidsystem)
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Abgesehen davon, daß mit Neodym behandelte
fluoreszierende kugelförmige Siliziumdioxidpartikel (mittlerer
Partikeldurchmesser 5 µm) und mit Europium behandelte fluoreszierende
Siliziumdioxidpartikel (mittlerer Partikeldurchmesser 5 µm)
als jeweilige Markierer verwendet wurden, wurde ein
Sichtbarmachungsexperiment in derselben Weise wie in Beispiel 2
ausgeführt, und die Fluide wurden jeweils bei einer
Temperatur von 600º C und einer Strömungsgeschwindigkeit von 3 m/s
hindurchgeführt. Der Mischzustand der beiden verschiedenen
Fluide konnte dadurch deutlich beobachtet werden.
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Die vorhergehend erwähnten fluoreszierenden kugelförmigen
Siliziumdioxidpartikel wurden folgendermaßen hergestellt. Die
zahlreichen gemäß dem im Gewinnungsbeispiel 1 beschriebenen
Verfahren hergestellten porösen kugelförmigen
Siliziumdioxidpartikel (SiO&sub2;-Partikel) mit einem mittleren
Partikeldurchmesser von 5 µm wurden in eine Alkohollösung von
Neodymchlorid oder Europiumchlorid eingetaucht und dann bei 600-800º C
gesintert.
Beispiel 4 (Experiment 3 in einem Mischfluidsystem)
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In Fig. 3 ist eine Düse 52 eines Gasbrenners 50
dargestellt. Die Düse 52 ist eine Doppelrohrvorrichtung, bei der
Luft (Gas A) aus deren Außenrohr 54 und eine gasförmige
Mischung von Treibstoffgas und Luft (Gas B) aus einem
Innenrohr 56 ausgestoßen wird. In diesem Beispiel wird der
Mischzustand (ungezündeter Zustand) des Gases A aus dem Außenrohr
54 und des Gases B aus dem Innenrohr 56 sichtbar gemacht.
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Die im Gewinnungsbeispiel 1 durch Imprägnieren der
porösen kugelförmigen Siliziumdioxidpartikel mit Rhodamin 6G und
Trocknen der Partikel hergestellten Partikel A wurden dem Gas
A zugesetzt.
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Die im Gewinnungsbeispiel 1 durch Imprägnieren der
porösen kugelförmigen Siliziumdioxidpartikel mit Coumarin 153 und
Trocknen der Partikel hergestellten Partikel B wurden dem Gas
B zugesetzt.
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Daraufhin wurde ein Anregungslicht (XeCl-Excimerlaser:
0,2 J/Puls) gegen die aus der Düse 52 austretenden Fluide
gerichtet, und die Partikel A und B in den Gasen A und B
wurden jeweils mittels zweier CCD-Kameras (nicht dargestellt)
sichtbar gemacht.
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Auf diese Weise wurde die Strömung der Partikel A im Gas
A über ein Licht der Wellenlänge 610 ± 20 nm (Nihon Shinku
Kogaku) durchlassendes Filter und einen Bildverstärker
(Handelsname C 2925, Hamamatsu Photonics) mit einer
synchronisierten CCD-Kamera sichtbar gemacht.
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Andererseits wurde die Strömung der Partikel B im Gas B
über ein Licht der Wellenlänge 540 ± 30 nm (Nihon Shinku
Kogaku) durchlassendes Filter und einen Bildverstärker
(Handelsname C 2925, Hamamatsu Photonics) mit einer
synchronisierten CCD-Kamera sichtbar gemacht.
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Die Strömungsverteilung der Partikel A und die der
Partikel B wurde durch Verarbeiten der mit den vorhergehend
erwähnten beiden CCD-Kameras erhaltenen Daten
zusammengesetzt. Auf diese Weise konnte der Mischzustand zweier
verschiedener Gase deutlich sichtbar gemacht werden.