JP2008064679A - Method and device for visualizing air current - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気流の可視化方法及び装置に係り、特に塗布膜の乾燥工程における塗布膜近傍に生じる気流の乱れを可視化する気流の可視化方法及び装置に関する。 The present invention relates to an airflow visualization method and apparatus, and more particularly to an airflow visualization method and apparatus for visualizing turbulence of an airflow generated in the vicinity of a coating film in a coating film drying process.
塗布膜の乾燥工程において、乾燥装置内、特に塗布膜近傍の雰囲気(乾燥風、塗布膜から蒸発した溶剤蒸気等)の気流の乱れが塗布膜面に乾燥ムラ(具体的には、スジ状ムラ、流れ状ムラ、モトル、斑等と呼ばれる乾燥風の流れ方向に沿って形成される細長いスジ状の面状ムラをいい、以下、総称して「スジ状の面状ムラ」という)を引き起こすことが知られている。 In the drying process of the coating film, turbulence of the air flow in the drying device, especially in the vicinity of the coating film (dry air, solvent vapor evaporated from the coating film, etc.) causes drying unevenness (specifically, streaky unevenness) on the coating film surface. This refers to strip-shaped uneven surface stripes formed along the flow direction of dry air, called flow unevenness, mottle, spots, etc., and hereinafter collectively referred to as “streaked surface unevenness”) It has been known.
このような境界層の流体挙動を把握する方法として、従来は、壁面トレース法、タフト法、トレーサー法、光学的手法等が実用されている(参考文献:流体実験ハンドブック、朝倉書店)。 Conventionally, wall trace method, tuft method, tracer method, optical method, etc. have been put to practical use as methods for grasping the fluid behavior of such a boundary layer (reference: fluid experiment handbook, Asakura Shoten).
例えば、流脈パターンとトレーサー粒子の流跡を同時に可視化することにより流れの挙動を正確に把握するPIV法(例えば、特許文献1)、顔料を分散させた油膜を被検物体の表面に形成し、該油膜の表面に油を流すことで油流を可視化する壁面トレース法(例えば、特許文献2)、せん断応力の大きさや方向で色相が変化するせん断応力液晶を被検物体の表面に塗布し、該表面に流体を流して色相の変化を測定することによりせん断力の大きさ、方向を可視化する方法(例えば、特許文献3)、等が提案されている。
しかしながら、塗布膜面にスジ状の面状ムラを生じさせる気流の乱れは、主に、塗布膜面近傍の気流における厚さ数ミリ以下の境界層であり、特許文献1で境界層の乱れを正確に測定するのは、極めて煩雑な作業を伴うことが問題であった。 However, the turbulence of the air flow that causes streaky surface unevenness on the coating film surface is mainly a boundary layer having a thickness of several millimeters or less in the air flow in the vicinity of the coating film surface. The problem with accurate measurement is that it involves extremely complicated work.
また、特許文献2、3の方法では、気流のせん断力が小さいため、30m/秒以上の風速でなければ可視化できなかった。このため、塗布膜の乾燥工程のように、風速が1m/秒付近と小さい場合でも、簡易的に気流を可視化できる方法は未だ提案されていなかった。 Further, in the methods of Patent Documents 2 and 3, since the shearing force of the airflow is small, it could not be visualized unless the wind speed was 30 m / second or more. For this reason, there has not yet been proposed a method capable of easily visualizing the air flow even when the wind speed is as low as about 1 m / sec as in the coating film drying step.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、遅い風速で流れる気流の乱れを簡易且つ高精度に可視化することができるので、例えば塗布膜の乾燥工程のように、乾燥風の風速が小さい場合においても、塗布膜面近傍に生じる気流の乱れ(境界層の乱れ)を簡易且つ高精度に可視化できる気流の可視化方法及び装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and since it is possible to visualize the turbulence of the airflow flowing at a low wind speed easily and with high accuracy, the wind speed of the dry wind is, for example, as in the coating film drying process. An object of the present invention is to provide an airflow visualization method and apparatus capable of easily and accurately visualizing airflow turbulence (boundary layer turbulence) generated in the vicinity of a coating film surface even when the coating film surface is small.
本発明の請求項1は前記目的を達成するために、気流の乱れを可視化する方法であって、前記気流の上流側で溶剤を蒸発させて、該気流中に溶剤蒸気を含ませる第1の工程と、前記気流の下流側で該気流における前記溶剤蒸気の濃度分布を光学的に可視化する第2の工程と、を備え、前記気流の乱れを前記溶剤蒸気の濃度分布として可視化することを特徴とする気流の可視化方法を提供する。 Claim 1 of the present invention is a method for visualizing turbulence of an air flow in order to achieve the above object, wherein the solvent is evaporated on the upstream side of the air flow, and the solvent vapor is included in the air flow. And a second step of optically visualizing the concentration distribution of the solvent vapor in the air stream on the downstream side of the air stream, wherein the turbulence of the air stream is visualized as the concentration distribution of the solvent vapor. A method for visualizing airflow is provided.
請求項1によれば、乱れが生じた気流を溶剤の表面に通過させると、気流の乱れを反映して蒸発速度にムラが生じ、溶剤の表面を通過した気流中に溶剤蒸気の濃度分布が現れる。この濃度分布を光学的方法により可視化することにより、気流の乱れを溶剤蒸気の濃度分布として可視化することができる。また、この濃度分布の変化を経時的に可視化すれば、気流の乱れの経時変化も把握することができる。 According to the first aspect, when the turbulent air stream is passed through the surface of the solvent, the evaporation rate is uneven due to the turbulence of the air stream, and the concentration distribution of the solvent vapor is present in the air stream passing through the surface of the solvent. appear. By visualizing this concentration distribution by an optical method, turbulence of the air current can be visualized as a concentration distribution of the solvent vapor. In addition, if the change in the concentration distribution is visualized over time, the change over time in the turbulence of the airflow can be grasped.
請求項2は請求項1において、前記溶剤蒸気を含む気流は、液体の溶剤表面に前記気流を通過させることにより形成することを特徴とする。 A second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the air stream containing the solvent vapor is formed by passing the air stream through a liquid solvent surface.
液体の溶剤の蒸発速度は、通過する気流の乱れに起因して異なるので、気流中に溶剤蒸気の濃度分布を生じ、気流の乱れを光学的に可視化できる。 Since the evaporation rate of the liquid solvent varies due to the turbulence of the passing air stream, a concentration distribution of the solvent vapor is generated in the air stream, and the turbulence of the air stream can be visualized optically.
請求項3は請求項1又は2において、前記可視化は、シュリーレン法により行うことを特徴とする。 A third aspect is characterized in that, in the first or second aspect, the visualization is performed by a Schlieren method.
シュリーレン法とは、公知のシュリーレン光学系を用いて可視化する方法である。シュリーレン光学系の可視化機構としては、特に限定しないが、光源、ピンホール、シュリーレンレンズ、ナイフエッジ、CCDカメラ、スクリーンを備えた機構が好ましい。 The schlieren method is a method of visualization using a known schlieren optical system. The visualization mechanism of the schlieren optical system is not particularly limited, but a mechanism including a light source, a pinhole, a schlieren lens, a knife edge, a CCD camera, and a screen is preferable.
請求項4は請求項1〜3の何れか1項において、前記溶剤は、沸点が100℃以下の有機溶剤であることを特徴とする。 A fourth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to third aspects, the solvent is an organic solvent having a boiling point of 100 ° C. or less.
請求項4によれば、溶剤の揮発性が高いため、気流に高濃度の溶剤を含ませることができ、可視化の精度を向上できる。 According to the fourth aspect, since the volatility of the solvent is high, a high-concentration solvent can be included in the air stream, and the visualization accuracy can be improved.
請求項5は請求項1〜4の何れか1項において、前記気流の風速を10m/秒以下にすることを特徴とする。 A fifth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to fourth aspects, the air velocity of the airflow is set to 10 m / second or less.
風速が大きすぎると、溶剤がすぐに全量揮発し易く、溶剤蒸気が大量の空気で希釈され易いため、気流における溶剤蒸気の濃度分布を精度よく測定できず好ましくない。請求項5によれば、気流における溶剤蒸気の濃度分布を明瞭に可視化できる。 If the wind speed is too high, the solvent is easily volatilized immediately, and the solvent vapor is easily diluted with a large amount of air, which is not preferable because the concentration distribution of the solvent vapor in the airflow cannot be measured accurately. According to the fifth aspect, the concentration distribution of the solvent vapor in the airflow can be clearly visualized.
請求項6は請求項1〜5の何れか1項において、前記第1の工程では、面状部材上の溶剤に気流を通過させて前記溶剤を蒸発させることによって、前記第2の工程では、前記面状部材近傍の境界層の気流の乱れを可視化することを特徴とする。 A sixth aspect of the present invention is the method according to any one of the first to fifth aspects, wherein, in the first step, the solvent is evaporated by passing an air stream through the solvent on the planar member, The turbulence of the air current in the boundary layer in the vicinity of the planar member is visualized.
請求項6によれば、面状部材の表面を流れる気流に乱れが生じると、面状部材上の溶剤の蒸発速度にムラが生じる。この蒸発速度のムラが、気流中における溶剤蒸気の濃度分布として現れる。この濃度分布を光学的方法により可視化することにより、面状部材近傍の気流の乱れ(境界層の乱れ)を可視化することができる。 According to the sixth aspect, when the airflow flowing on the surface of the planar member is disturbed, unevenness occurs in the evaporation rate of the solvent on the planar member. This unevenness in the evaporation rate appears as a concentration distribution of the solvent vapor in the air stream. By visualizing this concentration distribution by an optical method, it is possible to visualize the turbulence of the air current in the vicinity of the planar member (the turbulence of the boundary layer).
請求項7は請求項6において、前記面状部材の表面は、帯状の支持体に塗布膜が塗布された塗布膜面であることを特徴とする。 A seventh aspect of the present invention according to the sixth aspect is characterized in that the surface of the planar member is a coating film surface in which a coating film is coated on a belt-like support.
請求項7によれば、塗布膜の乾燥工程のように、乾燥風の風速が小さい場合においても、塗布膜面近傍に生じる気流の乱れ(境界層の乱れ)を簡易且つ高精度に可視化できる。 According to the seventh aspect, even when the wind speed of the drying air is low as in the coating film drying step, the turbulence of the air current (disturbance of the boundary layer) generated near the coating film surface can be visualized easily and with high accuracy.
本発明の請求項8は前記目的を達成するために、気流の乱れを可視化するための可視化装置であって、前記気流の上流側に配置され、通過する気流中に溶剤を蒸発させて該気流中に溶剤蒸気を含ませる溶剤蒸発部と、前記気流の下流側に配置され、前記溶剤蒸発部を通過した後の気流中における前記溶剤蒸気の濃度分布を光学的に可視化する光学的可視化部と、を備え、前記気流の乱れを前記溶剤蒸気の濃度分布として可視化することを特徴とする気流の可視化装置を提供する。 Claim 8 of the present invention is a visualization device for visualizing the turbulence of the air flow in order to achieve the above object, and is arranged on the upstream side of the air flow to evaporate the solvent in the air flow passing through the air flow. A solvent evaporating part that contains solvent vapor therein, an optical visualization part that is disposed downstream of the air stream and optically visualizes the concentration distribution of the solvent vapor in the air stream after passing through the solvent evaporating part; The airflow visualization device is characterized in that the airflow turbulence is visualized as a concentration distribution of the solvent vapor.
請求項8は、本発明を装置として構成したものであり、溶剤蒸発部では、通過する気流中に溶剤を蒸発させて、気流に溶剤蒸気を含ませる。溶剤を蒸発させる過程で気流に乱れがあると蒸発速度にムラが生じ、気流中における溶剤蒸気の濃度分布として現れる。この濃度分布を、光学的可視化部によって可視化することにより、気流の乱れを溶剤蒸気の濃度分布として可視化することができる。また、この濃度分布の変化を経時的に可視化すれば、気流の乱れの経時変化も把握することができるので、気流の乱れをオンラインで連続的に測定できる。 In the eighth aspect of the present invention, the present invention is configured as an apparatus. In the solvent evaporation section, the solvent is evaporated in the passing air stream, and the solvent vapor is included in the air stream. If the airflow is disturbed in the process of evaporating the solvent, the evaporation rate becomes uneven and appears as a concentration distribution of the solvent vapor in the airflow. By visualizing this concentration distribution by the optical visualization unit, the turbulence of the air current can be visualized as the concentration distribution of the solvent vapor. Further, if the change in the concentration distribution is visualized over time, the change over time in the turbulence of the air current can be grasped, so that the turbulence in the air current can be continuously measured online.
請求項9は請求項8において、前記光学的可視化部は、シュリーレン光学装置であることを特徴とする。 A ninth aspect of the present invention according to the eighth aspect is characterized in that the optical visualization unit is a Schlieren optical device.
請求項10は請求項8又は9において、前記可視化装置は、前記気流が沿って流れる平板部材を備え、該平板部材の上流側に形成された前記溶剤蒸発部の凹部に多孔質体が面一に埋め込まれると共に、前記平板部材の下流側に前記光学的可視化部の透明な測定窓が形成されていることを特徴とする。 A tenth aspect of the present invention is the visualization device according to the eighth or ninth aspect, wherein the visualization device includes a flat plate member through which the airflow flows, and a porous body is flush with a concave portion of the solvent evaporation portion formed on the upstream side of the flat plate member. And a transparent measurement window of the optical visualization unit is formed on the downstream side of the flat plate member.
請求項10によれば、気流は平板部材に沿って流れるので、溶剤蒸発部で発生した溶剤蒸気の濃度分布を維持したまま、測定窓に到達させることができる。この場合、溶剤蒸発部は平面部材の凹部に埋め込まれて平板部材と面一になっており、溶剤蒸発部による気流の乱れを発生させることはないので、可視化の精度を向上できる。また、平板部材の下流側に光学的可視化部の透明な測定窓を形成し、この測定窓を介して可視化するので、可視化する際の外乱を排除することができる。 According to the tenth aspect, since the airflow flows along the flat plate member, it is possible to reach the measurement window while maintaining the concentration distribution of the solvent vapor generated in the solvent evaporation section. In this case, the solvent evaporating part is embedded in the recess of the flat member and is flush with the flat plate member, and the turbulence of the air flow by the solvent evaporating part is not generated, so that the visualization accuracy can be improved. In addition, since a transparent measurement window of the optical visualization unit is formed on the downstream side of the flat plate member and visualization is performed through the measurement window, disturbance during visualization can be eliminated.
また、溶剤蒸発部の凹部内に多孔質体を収納するので、平板部材を水平に対して任意の角度に傾けても、溶剤蒸発部の溶剤が流出するのを抑制できる。 Further, since the porous body is housed in the concave portion of the solvent evaporation section, it is possible to suppress the solvent in the solvent evaporation section from flowing out even if the flat plate member is inclined at an arbitrary angle with respect to the horizontal.
請求項11は請求項10において、前記平板部材が、それぞれ上板、下板として相互に対向するように配置されると共に、前記上板、下板にそれぞれ形成された前記測定部同士が相互に対向していることを特徴とする。 An eleventh aspect of the present invention is the method according to the tenth aspect, wherein the flat plate members are arranged so as to face each other as an upper plate and a lower plate, respectively, and the measurement parts formed respectively on the upper plate and the lower plate are mutually It is characterized by facing.
請求項11によれば、平板部材の近傍の気流、特に対流に起因する溶剤蒸気の濃度分布を測定できる。 According to the eleventh aspect, it is possible to measure the concentration distribution of the solvent vapor caused by the airflow in the vicinity of the flat plate member, particularly the convection.
請求項12は請求項10又は11において、前記平板部材には、前記溶剤蒸発部を加熱するための加熱手段が備えられたことを特徴とする。 A twelfth aspect is characterized in that, in the tenth or eleventh aspect, the flat plate member is provided with a heating means for heating the solvent evaporation section.
これにより、揮発性の低い溶剤でも蒸発速度を高めることができ、精密な制御が行える。 As a result, the evaporation rate can be increased even with a low-volatile solvent, and precise control can be performed.
請求項13は請求項9〜12の何れか1項において、前記シュリーレン光学装置内の光源と前記溶剤蒸発部を通過した後の気流との間に形成される光路上にシュリーレンレンズと、ミラーと、が配され、前記シュリーレンレンズ及び前記ミラーの面精度が1波長以下であることを特徴とする。 A thirteenth aspect of the present invention is the method according to any one of the ninth to twelfth aspects, wherein a schlieren lens and a mirror are provided on an optical path formed between a light source in the schlieren optical device and an airflow after passing through the solvent evaporation section. The surface accuracy of the schlieren lens and the mirror is one wavelength or less.
請求項13によれば、ミラーやシュリーレンレンズによる外乱の影響を小さくでき、明瞭な観察画像を得ることができる。ここで、1波長は550nmである。 According to the thirteenth aspect, it is possible to reduce the influence of disturbance caused by the mirror and the schlieren lens, and it is possible to obtain a clear observation image. Here, one wavelength is 550 nm.
本発明によれば、遅い風速で流れる気流の乱れを簡易且つ高精度に可視化することができるので、例えば塗布膜の乾燥工程のように、乾燥風の風速が小さい場合においても、塗布膜面近傍に生じる気流の乱れ(境界層の乱れ)を簡易且つ高精度に可視化できる。 According to the present invention, the turbulence of the airflow flowing at a low wind speed can be visualized easily and with high accuracy. Therefore, even in the case where the wind speed of the drying air is low, for example, in the coating film drying process, Can be visualized easily and with high accuracy.
以下添付図面に従って本発明に係る気流の可視化方法及び装置の好ましい実施の形態について説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of an airflow visualization method and apparatus according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
本発明における第1の実施形態について説明する。 A first embodiment of the present invention will be described.
図1は、本発明に係る第1の実施形態における可視化装置10の概略構成を示す模式図である。本実施形態は、測定板上に気体を流すことにより、測定板の表面近傍における気流の乱れ(境界層の乱れ)を可視化する方法である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a
図1に示されるように、可視化装置10は、主に、溶剤を含ませた気流が表面に沿って流れる測定板12と、測定板12上に形成された気流中の溶剤蒸気の濃度分布を光学的に可視化するシュリーレン光学装置14と、を備えている。なお、測定板12上に気体を供給する方法としては、特に限定はなく、たとえば、ノズルや送風機を使用できる。風速は、その他の条件にもよるが、10m/秒以下とするのが好ましく、5m/秒以下とするのがより好ましい。なお、可視化装置10を、たとえば乾燥装置のように気流(乾燥風)が発生している装置内で使用する場合には、気体を供給する手段は必要としない。
As shown in FIG. 1, the
まず、測定板12の構成について図2を参照して説明する。
First, the configuration of the
図2は、図1の測定板12の構成を示す模式図であり、このうち図2(a)は測定板12の構成を示す斜視図であり、図2(b)は図2(a)のA−A線断面図である。図3は、図2の凹部付近を示す拡大断面図である。
2 is a schematic diagram showing the configuration of the
図2に示されるように、測定板12は、矩形の孔を有する枠状部材である平板12aと、該平板12aの表面に形成された溶剤蒸発部16と、平板12aの矩形の孔に嵌合された透明な測定窓18と、を備えている。
As shown in FIG. 2, the
溶剤蒸発部16は、図3に示されるように、平板12aの表面に形成された凹部16a内に多孔質体24と溶剤(同図では符号26)が収納されて構成されている。多孔質体24は、毛細管現象により溶剤を吸い上げて蒸発させる。これにより、測定板12を水平に対して任意に角度を変えても、溶剤蒸発部16から溶剤が垂れたり流出したりするのを抑制できる。なお、測定板12の表面(溶剤蒸発部16が形成された面)を上向きにして水平配置する場合は、凹部16a内に溶剤を満たすだけでもよい。また、凹部16aに配管を接続し、シリンジポンプ等のポンプを使って常時溶剤を供給できるようにすることもできる。これにより、気流の乱れを連続的に観察できる。
As shown in FIG. 3, the solvent evaporating
多孔質体24は、平板12aの表面と面一となるように収納されることが好ましい。これにより、測定板12全体の平坦性を維持し、気流に不要な外乱が生じるのを抑制できる。
The
多孔質体24としては、特に限定はないが、焼結金属、スポンジ、織布、ビーズの充填物等が好ましく使用できる。焼結金属としては、たとえば、SMC株式会社製の円板状、シート状のブロンズ焼結体(空隙率25〜43%)、ステンレス焼結体(空隙率36〜48%)等を好ましく使用できる。
Although there is no limitation in particular as the
平板12aの表面に形成される凹部16aの容積は、溶剤の使用量に応じて適宜決定される。また、凹部16aの断面形状は、特に制限はなく、矩形(正方形、長方形)、台形、V形、半円形等、各種の形状が採用できる。また、溶剤蒸発部16は、上記のように平板12aに固定された部材である必要はなく、有機溶剤を含む塗布液が塗布されたウエブが、測定板と面一で搬送されている状態でも良い。
The volume of the
平板12aの矩形の孔に嵌合された透明な測定窓18は、シュリーレン光学装置14から発せられた測定光を入射できるようになっている。
The
なお、本実施形態のように、測定窓18を平板12aの矩形の孔に嵌合する構成に限定されず、たとえば、平板12a全体を屈折率が均質な透明板としたり、透明板を形成せずに直接測定光を気流に照射させる構成としたりすることもできる。
Note that, as in the present embodiment, the
測定窓18の材質としては、特に限定はないが、ガラス材料、後述する樹脂材料等が好ましく使用できる。なお、測定窓18の平面形状は、特に限定はなく、円形等の矩形以外でもよい。
The material of the
溶剤蒸発部16から測定窓18までの距離(D1)が長すぎると、溶剤蒸気の拡散による緩和が起こり易くなり、画像化したときのコントラストが低下する。このため、溶剤蒸発部16から測定窓18までの距離(D1)は、風速に応じて適切な距離に設定されるのが好ましい。たとえば、風速が0.1m/秒程度であれば、溶剤蒸発部16から測定窓18までの距離(D1)は、200mm以下であることが好ましく、150mm以下であることがより好ましい。
If the distance (D1) from the
また、溶剤蒸発部16の周辺(特に、凹部16aに対応する測定板12の裏面)に、図示しない加熱手段が設けられてもよい。これにより、揮発性の低い溶剤でも蒸発速度を高めることができるなど、精密な制御が可能となる。このような加熱手段としては、特に限定はないが、各種ヒータ、熱交換器等が使用できる。
Further, a heating means (not shown) may be provided around the solvent evaporation section 16 (particularly, on the back surface of the
平板12aの平面サイズは、特に制限はないが、簡易的に試験できる構成とする関係上、たとえば、300×500mmとすることができる。平板12aの厚さも、特に制限はないが、強度、経済性等より、たとえば、5mm程度とすることができる。この場合、測定窓18の平面サイズは、特に制限はないが、シュリーレンレンズより大きい200〜500mm角程度であることが好ましい。
The planar size of the
平板12aの材質としては、特に制限はないが、加工性に優れるものが好ましく、具体的には、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属材料、ポリ・ジメチル・スルホキシド(PDMS)、ポリ・メチル・メタアクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、紫外線硬化樹脂、ポリカーボネート(PC)等の樹脂材料が好ましく使用できる。
The material of the
なお、測定板12の表面(溶剤蒸発部16が形成される面)及び裏面は、充分な平坦性を確保できていることが好ましい。
In addition, it is preferable that the surface (surface in which the
次に、シュリーレン光学装置14について図1及び図4を参照して説明する。
Next, the schlieren
図4は、シュリーレン光学装置14の内部構成の一部を説明する模式図であり、このうち図4(a)は、測定窓18に測定光を出射する機構であり、図4(b)は、測定窓18を通過した後の測定光を入射する機構である。なお、同図において、点線矢印は測定光の方向を示す。
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a part of the internal configuration of the schlieren
本実施形態におけるシュリーレン光学装置14は、図4(a)、(b)に示されるように、光源28、ピンホール30、シュリーレンレンズ32、34、ナイフエッジ36、CCDカメラ38、及びスクリーン40を備えている。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the schlieren
光源28から発した光は、ピンホール30、シュリーレンレンズ32により平行光に形成され、シュリーレン光学装置14外へ出射されるようになっている(図4(a)参照)。シュリーレン光学装置14から発せられた測定光は、図1のミラー20を介して測定窓18、平板12a上を通過した後ミラー22により反射され、再び測定板12上、測定窓18、及びミラー20を通って、シュリーレン光学装置14内に入射されるようになっている。入射された測定光は、シュリーレンレンズ34、ナイフエッジ36によって結像され、CCDカメラ38によりスクリーン40上に画像化されるようになっている(図4(b)参照)。
The light emitted from the
上記した光学機構において、測定窓18近傍の気流において溶剤蒸気の濃度分布が生じていると、測定光は溶剤蒸気の濃度分布に応じた屈折率で屈折するため、測定板12の面方向における溶剤蒸気の濃度分布が画像化される。ここで、可視化の精度を向上する上で、シュリーレンレンズ32、34、及びミラー20、22の面精度は、1波長以下(1波長λ=550nm)であるのが好ましく、1/2波長以下であることがより好ましい。
In the optical mechanism described above, when the concentration distribution of the solvent vapor is generated in the airflow in the vicinity of the
なお、シュリーレン光学装置14の光学機構は、上記形態に限定されず、同等の機能を有するものであればよい。また、本実施形態のように、気流中の溶剤蒸気の濃度分布を測定する場合、高電圧を使う光源と可燃性ガスが共存するので、図4(a)に示されるように、光源28をケーシングし、更にケーシング内部を周囲よりも加圧するのが好ましい。これにより、使用者は、より安全に気流を観察及び測定できる。
Note that the optical mechanism of the schlieren
本実施形態で使用する溶剤としては、測定目的に応じて種々選択できるが、測定精度の観点から揮発性の高いものが好ましく、沸点が100℃以下の有機溶媒がより好ましい。 The solvent used in the present embodiment can be variously selected according to the purpose of measurement, but is preferably highly volatile from the viewpoint of measurement accuracy, and more preferably an organic solvent having a boiling point of 100 ° C. or lower.
次に、本実施形態における可視化装置10の作用について図1を参照して説明する。
Next, the operation of the
まず、スポイト等により測定板12の凹部16aに所定量の溶剤26を供給する。次いで、風速が約1m/秒のエアを測定板12上に流し始める(同図の矢印F)。これにより、凹部16a内に満たされた溶剤26は多孔質体24を伝って蒸発し、エアとともに下流側へ流される(第1の工程)。
First, a predetermined amount of the solvent 26 is supplied to the
また、シュリーレン光学装置14から発した測定光を、ミラー20を介して測定窓18を通過させた後、ミラー22、20で反射させて再びシュリーレン光学装置14に入射させる。入射された測定光は、シュリーレン光学装置14内で画像化される(第2の工程)。
Further, the measurement light emitted from the schlieren
これにより、測定窓18の表面近傍の気流、特に境界層の乱れに起因する溶剤蒸気の濃度分布を可視化することができる。したがって、境界層の乱れを溶剤蒸気の濃度分布として可視化することができる。
This makes it possible to visualize the concentration distribution of the solvent vapor caused by the airflow near the surface of the
次に、本発明における第2の実施形態について説明する。本実施形態は、両端が開口した直方体ケース内に気体を流し、直方体ケース内の壁面近傍の気流、特に対流の影響を可視化する方法である。以下、第1の実施形態と同一の部材又は機能のものは同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a method of visualizing the influence of airflow, particularly convection, in the vicinity of a wall surface in a rectangular parallelepiped case by flowing gas into a rectangular parallelepiped case having both ends opened. Hereinafter, the same members or functions as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図5は、本発明に係る可視化装置10’の概略構成を示す模式図である。図6は、図5の直方体ケース42の構成を示す斜視図である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the
図5に示されるように、本実施形態の可視化装置10’は、第1の実施形態(図1)の可視化装置10において、測定板12の代わりに直方体ケース42を用いたこと以外は、同様に構成されている。
As shown in FIG. 5, the
直方体ケース42は、図6に示されるように4面が覆われ、両端が開口した筒状に構成されている。また、相互に対向している上板42a、下板42bには、第1の実施形態における測定板12と同様に、それぞれ凹部16a、透明な測定窓18が形成され、相互に対向して配されている(図5参照)。
As shown in FIG. 6, the
直方体ケース42の材質については、第1の実施形態と同様のものが使用できる。
About the material of the
次に、本実施形態における可視化装置10’の作用について図5を参照して説明する。
Next, the operation of the
まず、スポイト等により上板42a、下板42bに形成されているそれぞれの凹部16a、16aに所定量の溶剤を供給する。次いで、風速が約1m/秒のエアを直方体ケース42内に流し始める(同図の矢印F)。これにより、凹部16a、16a内に満たされた溶剤は、多孔質体24、24を伝って蒸発し、エアとともに下流側へ流される。
First, a predetermined amount of solvent is supplied to each of the
そして、シュリーレン光学装置14から発した測定光を、ミラー20を介して測定窓18、18を通過させた後、ミラー22、20で反射させて再びシュリーレン光学装置14に入射させる。入射された測定光は、シュリーレン光学装置14内で画像化される。
The measurement light emitted from the schlieren
これにより、測定窓18、18間を通過する気流、特に対流に起因する溶剤蒸気の濃度分布を可視化することができる。したがって、気流の乱れ(特に、対流の状態)を溶剤蒸気の濃度分布として可視化できる。
Thereby, the concentration distribution of the solvent vapor caused by the airflow passing between the
以上に説明した可視化装置10、10’によれば、壁面近傍の気流における溶剤蒸気の濃度分布を可視化することにより、塗布膜の乾燥工程において塗布膜面近傍に生じる気流の乱れ(境界層の乱れ)を擬似的に把握できる。したがって、上記結果に基づいて、乾燥条件を適正化することにより、塗布膜面にスジ状の面状ムラが発現するのを抑制できる。
According to the
以上、本発明に係る気流の可視化方法及び装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。 As mentioned above, although embodiment of the visualization method and apparatus of the airflow concerning this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, Various aspects can be taken.
たとえば、上記各実施形態において、溶剤蒸発部16と測定窓18を形成した測定板12を用いたが、測定窓18は必ずしも必要ではない。すなわち、溶剤蒸発部16のみが形成された平板上に気流を通過させた後、溶剤蒸発部16の下流側の気流に、直接、測定光を照射することによっても、溶剤蒸気の濃度分布を測定できる。また、溶剤蒸発部16としては、平板上に凹部16aを設けた構成以外にも、単に溶剤を満たした開口容器であってもよい。
For example, in each of the above embodiments, the
また、上記各実施形態では、溶剤蒸発部16に溶剤を供給する方法として、スポイト等を用いる例を示したが、これに限定されず、凹部16aの底部に連通する流路又は配管を形成し、ポンプ等で供給できるように構成することもできる。
In each of the above embodiments, an example using a dropper or the like has been shown as a method of supplying the solvent to the
また、上記各実施形態では、光学的可視化装置として、シュリーレン光学装置を使用する例で説明したが、上記シュリーレン光学装置と類似した機構を備えた光学系装置であれば特に限定されない。 In each of the above embodiments, an example in which a schlieren optical device is used as the optical visualization device has been described. However, the optical system device is not particularly limited as long as the optical system device has a mechanism similar to the schlieren optical device.
また、上記各実施形態では、測定窓18を介して2枚のミラー(平面鏡)20、22を設置し、光源28と同じ側にスクリーン40を配置した反射シュリーレン法を採用しているが、これに限定されない。すなわち、ミラーの設置状態は、測定窓18に対するシュリーレン光学装置14の設置場所やレイアウトによって決定されるものであり、ミラーの枚数も1枚だけでもよいし、或いは3枚以上でもよい。
Further, in each of the above embodiments, the reflective schlieren method in which two mirrors (planar mirrors) 20 and 22 are installed through the
ただし、平行光の光路長が大きすぎると、光路に溶剤ガスが流れ込んだり、温度分布が生じたりし、これにより測定光に外乱の影響がでるため好ましくない。このため、平行光の光路長は、1m以下となるように設定することが好ましい。 However, if the optical path length of the parallel light is too long, the solvent gas flows into the optical path or a temperature distribution is generated, which is not preferable because the measurement light is affected by disturbance. For this reason, it is preferable to set the optical path length of parallel light to be 1 m or less.
また、シュリーレン光学系における光路全体(図1、5のミラー20、22を含む)をケーシングし、溶剤の濃度差や温度差のような外乱が光路内に入らないようにするのが好ましい。
Moreover, it is preferable to casing the entire optical path (including the
本発明は、上記実施形態に限定されず、溶剤蒸気の濃度分布を時間連続的に可視化する場合に広く適用できる。特に、有機溶剤を蒸発(乾燥)する場合において、壁面等の近傍で気流に乱れがあり、蒸発ムラ(乾燥ムラ)が生じているときの気流の乱れの可視化や観察に有効である。なお、壁面近傍とは、風速にもよるが、乱流境界層における粘性底層付近をいい、具体的には壁面から約1mm以内の領域である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be widely applied when the concentration distribution of solvent vapor is visualized continuously over time. In particular, when the organic solvent is evaporated (dried), the airflow is disturbed in the vicinity of the wall surface or the like, which is effective for visualization and observation of the airflow turbulence when evaporation unevenness (drying unevenness) occurs. Note that the vicinity of the wall surface refers to the vicinity of the viscous bottom layer in the turbulent boundary layer, although it depends on the wind speed, specifically, an area within about 1 mm from the wall surface.
図5の可視化装置10’を使用して、気流における溶剤蒸気の濃度分布を可視化する試験を行った。 A test for visualizing the concentration distribution of the solvent vapor in the airflow was performed using the visualization apparatus 10 'of FIG.
シュリーレン光学装置14として、シュリーレンコンパクトSLC−100(溝尻光学工業所製)を使用した。
As the schlieren
<シュリーレンコンパクトSLC−100の概要>
光源28 :Xeランプ(75W)
ナイフエッジ36:片刃微調可変、光軸を中心に回転
テレビカメラ :CCDモノクロカメラ
テレビモニタ :9インチ白黒モニタ
焦点距離 :1m
測定面積 :100mm角
ミラー20、22としては、アルミ平面ミラーTFA−100C15−4(シグマ光機製)を使用した。
<Overview of Schlieren Compact SLC-100>
Light source 28: Xe lamp (75W)
Knife edge 36: Fine adjustment of single edge, rotation around optical axis TV camera: CCD monochrome camera TV monitor: 9 inch monochrome monitor Focal length: 1m
Measurement area: 100 mm square Aluminum mirrors TFA-100C15-4 (manufactured by Sigma Koki Co., Ltd.) were used as the
直方体ケース42を構成する上板42a、下板42bは、平面サイズが300×500mmであり、凹部16aの平面サイズが200×50mm、測定窓18の平面サイズが200×200mmのものを使用した。溶剤は、メチルエチルケトン(MEK、沸点78℃)又はアノン(沸点155.6℃)を用いた。下板42bの凹部16a内に、多孔質体24として焼結金属エレメントESS−50−200−5−2−M(SMC製)を充填した。
The
そして、以下のように実験条件を変えたときの気流の乱れを測定及び観察した。 And the turbulence of the airflow when changing experimental conditions as follows was measured and observed.
まず、試験1〜3、6〜7は、エアの風速を0.5〜20m/秒の範囲で変えた場合である。このとき、溶剤蒸発部16と測定窓18との距離D1を50mmで一定とし、溶剤はMEKを用いた。
First, tests 1 to 3 and 6 to 7 are cases in which the air wind speed is changed in a range of 0.5 to 20 m / sec. At this time, the distance D1 between the
試験3、8は、溶剤の種類を変えた場合である。このとき、エアの風速を2m/秒とし、溶剤蒸発部16と測定窓18との距離D1を50mmで一定とした。
Tests 3 and 8 are cases in which the type of solvent was changed. At this time, the air velocity was set to 2 m / second, and the distance D1 between the
これらの結果を表1に示す。また、図7に風速を変えたときに得られたシュリーレン像(φ100mm)の写真図を示す。 These results are shown in Table 1. FIG. 7 shows a photograph of a schlieren image (φ100 mm) obtained when the wind speed is changed.
表1に示されるように、本例の条件下において風速が0.5〜2m/秒であれば、スジ状構造が比較的明瞭にみられた(試験1〜3、図7の写真(b)参照)。一方、風速が10m/秒になると、スジ状構造は薄く不明瞭にしかみえず(試験5)、風速が20m/秒では、スジ状構造はほとんどみえなかった(試験6、図7の写真(c)参照)。また、風速が0.1m/秒では、スジ状構造がみられなかったが、これは、風速が十分遅く、層流であったためと推察される(試験4、図7の(a)参照)。 As shown in Table 1, when the wind speed was 0.5 to 2 m / sec under the conditions of this example, a streak-like structure was relatively clearly seen (tests 1 to 3 and photograph (b) of FIG. )reference). On the other hand, when the wind speed was 10 m / sec, the streak-like structure was thin and unclear (test 5), and when the wind speed was 20 m / sec, the streak-like structure was hardly seen (photo of test 6 and FIG. 7). c)). In addition, when the wind speed was 0.1 m / sec, no streak-like structure was observed, but this is presumably because the wind speed was sufficiently slow and laminar (see Test 4, Fig. 7 (a)). .
また、溶剤として、沸点が100℃よりも低いMEKを用いた場合、スジ状構造は比較的明瞭にみられたが(試験3)、沸点が100℃よりも高いアノンを用いた場合、スジ状構造は薄く不明瞭であった(試験7)。これは、揮発性の高い溶剤は、気流中に溶剤を高濃度に含むためであると推測される。 Further, when MEK having a boiling point lower than 100 ° C. was used as a solvent, a streak-like structure was relatively clearly seen (Test 3), but when an anone having a boiling point higher than 100 ° C. was used, a streak-like structure was observed. The structure was thin and unclear (Test 7). This is presumably because the highly volatile solvent contains the solvent in a high concentration in the air stream.
次に、下板42bに形成された溶剤蒸発部16の上流側に障害物を置き、乱れを生じさせた気流を形成し、溶剤蒸発部16と測定窓18との距離D1を変えて測定及び観察実験を行った。このとき、エアの風速を0.1m/秒で一定とし、溶剤はMEKを用いた。
Next, an obstacle is placed on the upstream side of the
表2に示すように、溶剤蒸発部16と測定窓18との距離D1が150mm以下であれば、気流の乱れが明瞭にみえた(試験8〜10)。特に、距離D1が50mm以下であれば、気流の乱れがより明瞭にみえた。一方、距離D1が200mmと大きくなると、気流の乱れが明瞭に観察できなかった(試験11)。これは、溶剤蒸発部16から測定窓18までの距離D1が長すぎると、溶剤蒸気が拡散し、画像化したときのコントラストが低下するためであると推測される。
As shown in Table 2, when the distance D1 between the
なお、試験4と試験8において観察結果に差が生じたのは、試験4では前述したように層流で気流に乱れが生じていないのに対し、試験8では障害物により気流に乱れが生じていることによるものと推測される。 Note that the difference between the observation results in Test 4 and Test 8 was that in Test 4 the airflow was not disturbed by the laminar flow as described above, whereas in Test 8 the airflow was disturbed by the obstacle. It is presumed to be due to
以上より、本例の条件下では、風速が10m/秒以下であれば、気流の乱れを比較的明瞭に観察できることがわかった。また、揮発性の高い溶剤(具体的には、沸点が100℃以下の溶剤)を用い、溶剤蒸発部から測定窓までの距離を小さくとることで、可視化の精度及びコントラストが向上することがわかった。 From the above, it was found that the turbulence of the air current can be observed relatively clearly under the conditions of this example if the wind speed is 10 m / sec or less. It was also found that the use of a highly volatile solvent (specifically, a solvent with a boiling point of 100 ° C. or less) and a small distance from the solvent evaporation section to the measurement window improve the visualization accuracy and contrast. It was.
以上の結果から、本発明を適用することにより、風速が1m/秒と小さい場合でも、気流の乱れを明瞭に可視化できることを確認できた。 From the above results, it was confirmed that by applying the present invention, the turbulence of the air current can be clearly visualized even when the wind speed is as low as 1 m / sec.
10、10’…可視化装置、12…測定板、42…直方体ケース、12a…平板、42a…上板、42b…下板、14…シュリーレン光学装置、16…溶剤蒸発部、16a…凹部、18…測定窓、20、22…ミラー、24…多孔質体、26…溶剤、28…光源、30…ピンホール、32、34…シュリーレンレンズ、36…ナイフエッジ、38…CCDカメラ、40…スクリーン
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記気流の上流側で溶剤を蒸発させて、該気流中に溶剤蒸気を含ませる第1の工程と、
前記気流の下流側で該気流における前記溶剤蒸気の濃度分布を光学的に可視化する第2の工程と、を備え、
前記気流の乱れを前記溶剤蒸気の濃度分布として可視化することを特徴とする気流の可視化方法。 A method for visualizing turbulence in airflow,
A first step of evaporating the solvent upstream of the air stream and including solvent vapor in the air stream;
A second step of optically visualizing the concentration distribution of the solvent vapor in the air stream on the downstream side of the air stream,
A method for visualizing an air current, wherein the turbulence of the air current is visualized as a concentration distribution of the solvent vapor.
前記気流の上流側に配置され、通過する気流中に溶剤を蒸発させて該気流中に溶剤蒸気を含ませる溶剤蒸発部と、
前記気流の下流側に配置され、前記溶剤蒸発部を通過した後の気流中における前記溶剤蒸気の濃度分布を光学的に可視化する光学的可視化部と、を備え、
前記気流の乱れを前記溶剤蒸気の濃度分布として可視化することを特徴とする気流の可視化装置。 A visualization device for visualizing turbulence in an air current,
A solvent evaporating unit that is disposed on the upstream side of the air stream, evaporates the solvent in the passing air stream, and includes the solvent vapor in the air stream;
An optical visualization unit that is disposed on the downstream side of the air stream and optically visualizes the concentration distribution of the solvent vapor in the air stream after passing through the solvent evaporation unit;
An airflow visualization device that visualizes the turbulence of the airflow as a concentration distribution of the solvent vapor.
該平板部材の上流側に形成された前記溶剤蒸発部の凹部に多孔質体が面一に埋め込まれると共に、前記平板部材の下流側に前記光学的可視化部の透明な測定窓が形成されていることを特徴とする請求項8又は9に記載の気流の可視化装置。 The visualization device includes a flat plate member along which the airflow flows,
A porous body is embedded flush with the concave portion of the solvent evaporation section formed on the upstream side of the flat plate member, and a transparent measurement window of the optical visualization section is formed on the downstream side of the flat plate member. The airflow visualization device according to claim 8 or 9, characterized in that
前記シュリーレンレンズ及び前記ミラーの面精度が1波長以下であることを特徴とする請求項9〜12の何れか1項に記載の気流の可視化装置。 A schlieren lens and a mirror are arranged on an optical path formed between a light source in the schlieren optical device and an airflow after passing through the solvent evaporation section,
The airflow visualization device according to any one of claims 9 to 12, wherein surface accuracy of the schlieren lens and the mirror is one wavelength or less.
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CN114791269A (en) * | 2022-04-28 | 2022-07-26 | 南京师范大学 | High-uniformity high-resolution schlieren optical equipment for respiratory tract droplet trajectory acquisition |
-
2006
- 2006-09-08 JP JP2006244469A patent/JP2008064679A/en active Pending
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