JP3244849B2 - 層流素子装置 - Google Patents

層流素子装置

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JP3244849B2
JP3244849B2 JP06124793A JP6124793A JP3244849B2 JP 3244849 B2 JP3244849 B2 JP 3244849B2 JP 06124793 A JP06124793 A JP 06124793A JP 6124793 A JP6124793 A JP 6124793A JP 3244849 B2 JP3244849 B2 JP 3244849B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、組込み乱流フィルタを
有する層流素子装置に関する。
【0002】
【従来の技術】かかる装置は、例えば、欧州特許出願第
82201059. 1(出願公開:0075343)に
記載されている。流体流動通路内の圧力差と流動部分
は、流体の流れの一部から採られた測定ベースで決定さ
れる。この流れの一部、すなわち測定流は流体の主流か
ら分流された細い管状の測定通路を流れる層流である。
層流は文字通り層状の流れである。層状の流れはレイノ
ルズ数が2300以下の流速で安定している。レイノル
ズ数Rは、流動速度と動粘性との間の関係を示す値であ
り、R=ρvd/μで定義される。ここでρは流体密度、
vは流速、dは流体が流れる管の直経、μは粘性であ
る。測定流で得られた測定値が確実に主流中に生じる値
を表示するためには両者の流れの特性の間に一定の関係
がなくてはならない。即ち、主流も又層流でなくてはな
らない。後者の層流は、流れの中にいわゆる層流素子を
導入することによつて得られる。流体は層流素子内の通
路を強制的に流動され、該通路の寸法は流れのレイノル
ズ数が2300以下でかつ層流となるように設定されて
いる。測定用通路は主流に平行に設けられる。流れが層
流である限り、ポアズイユの法則に従って、流れの速度
は圧力降下に比例し、粘性に反比例し、主流と測定流の
流れの比が決定される。
【0003】上記特許公報には内部に流入及び流出する
開口部と複数の溝、即ち通路を有する積層板で構成され
る層流素子が詳細に記載されている。
【0004】この特許公報に記載された装置の場合は、
流入する流れ、即ち層流素子に向かう流れは、通常層流
ではなく、乱流を生ずる。乱流を含む流れが層流素子に
入る場合、流入する流れが既に完全に又は殆ど層流に達
した状態に比べて好ましくない。このことは、毎分測定
される流量において特に著しいことを表わす。すなわ
ち、乱流が存在すると、たとえ流入流が層流の層流素子
を使用しても単位時間毎に測定すべき流体量は少ないも
のとなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この問題を解決すべ
く、例えば、層流素子の上流に前方乱流フィルタを配置
する研究が行なわれた。しかし、殆どこの問題を解決す
るにはいたらなかった。
【0006】本発明の装置によって上記問題の解決につ
いて大きな進展が見られる。
【0007】本発明は流体の流動を層流に変換できる層
流素子装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を達成するための手段】本発明による装置は上記
の点で大きな進展をもたらすもので、この目的に対し
て、流入流体は、流体流動が層流になる部分に流入した
後、流入する前に配置された乱流フィルタとその背部に
位置する付属沈降室との少なくとも1つの組合せを通過
することが特徴である。したがって、装置は測定素子と
乱流フィルタを組込部品として含む。乱流フィルタ内で
流動は、多分その大部分が層流になる。フィルタの後方
の沈降室内で、流れは層流状態を継続するから、そのま
ま層流状態で層流素子に達する。注意すべきことは、こ
の組込みフィルタと沈降室は、センサが層流素子の位置
に配置される空間、又はセンサが流動素子と組合せて使
用される空間として利用されることである。
【0009】本発明の装置の好ましい設計では、層流素
子が層流部分内に配置され、この装置は上面を積み重ね
た小型の少なくとも1組の板部品を含み、各板部品は1
つが流入開口部で他の1つは流出開口部である少なくと
も2つの開口部を備え、この板部品の(第1)部品内に
は1つの開口部から他の開口部に向かって通じる大部分
が平行の溝を備え、これらの板部品は互いに上面が積み
重ねて上記の溝が通路を形成しかつこの溝を通る流体が
層流となり、上記の開口部が流入開口部と流出開口部を
形成するような寸法に形成される。要するに上記欧州特
許出願第8220159. 1号に記載された装置は、乱
流フィルタと流入開口部と層流素子間に設けられた沈降
室との組合せを、流体の流動方向からみて、沈降用開口
部を後方にして(第2)板部品を積重ね、これらの第2
板部品も、第1板部品と同様に、同じ側面上に、大部分
が流入開口部から沈降開口部に通じる平行な溝を形成
し、これらの板部品を積重ねると、流体が殆ど層流にな
ることが特徴である。
【0010】
【作用】したがって、組込乱流フィルタを有する装置の
フィルタは層流測定素子の構造の基礎となる原理と同じ
原理で動作する。
【0011】本発明による装置を使用することによって
得られる改良は、乱流フィルタを組込まない装置に比較
して格段の相違がある。発生する圧力差と流動間の関係
及びセンサの温度差と流動間の関係が線形である区域は
かなり広くなり、この結果、毎分毎に測定される流体の
量もかなり増加する。具体的には100リットル/分か
ら300リットル/分に増加する。
【0012】本発明の原理によって動作する装置は、特
定の使用目的により変わる要求にしたがって種々の設計
と形状にすることができる。例えば、それぞれ乱流フィ
ルタを付属沈降室に直列に接続するか又は同じ沈降室内
に現われる複数のフィルタに接続することによって、よ
り多数のフィルタを組込むことができる。他の配置の例
では、沈降室を流れの方向からみて測定が行なわれる場
所の後方に配置し、具体的には層流計の後方、乱流フィ
ルタの後方に配置して、いわゆる流体の逆流動を防止す
る。
【0013】実際の試験によれば、厚さ約200ミクロ
ンメートルのステンレス鋼又はニッケルの小型板約15
0個を組込んだ装置によって非常に良好な作用が得られ
た。
【0014】板部品の溝は種々の方法で形成され、例え
ばエッチング法又は板材料の扁平表面上に電気分解で生
長させる方法で形成できる。これらの溝は一般に等間隔
に形成されるが、他の溝、即ち通路は異なる形状にする
ことも可能である。
【0015】本発明によって流量計と共に組込まれる乱
流フィルタは、上記の溝/通路のほかに、焼結(プラス
チック)材料のごとくの多孔性材料又はセラミック材料
で作ることができる。また織物材料で作ることも可能で
ある。
【0016】
【実施例】流体流動中の圧力差又は流動部分を測定する
層流素子を図1に略示する。
【0017】この図面はどのようにして四枚の板部品、
流動板2と3及び閉鎖板1と4を組込んで層流素子を構
成するかを示す。板部品2と3は共に開口部5A及び5
Bそして6A及び6Bがそれぞれ設けられる。溝7は一
側面(図面では前面)の両開口部の間を連通するように
形成されている。閉鎖板1と4はそれぞれ1個の開口部
8と9を有する。流動素子は板部品1と4を、予め形成
されている中心孔10を利用するなどして相互の上面を
連結することによって組込まれる。したがって、この流
動素子は1組の板部品で構成される。閉鎖板1と4はこ
の前面と後面に装着され、これらの板部品には溝は設け
られていない。これらの板部品は相対して閉鎖されるか
ら、流動板2と3の溝7は隣接板によって常に閉鎖さ
れ、流体が流動する通路が形成される。流体は流入開口
部8からこの素子に流入する。流れはこの素子の他端の
後方閉鎖板4に衝突するため、流れは溝/通路7を通し
て流れ始め、流出開口部5Aと6Bから流出し、流れは
最後に流出開口部9を経て素子から流出する。流れがこ
の素子を通る状態を矢印で示し、11は到来流動、小さ
い矢印12は素子内の流動方向、13は流出流動を示
す。
【0018】上記のような層流素子の流動抵抗がどのよ
うに積重板部品の数によって変化するか、即ち抵抗が変
化するかは公知である。
【0019】また上記のような測定素子の原理が素子の
設計に応用されるか、又このような素子の回路網が電気
回路網との類推で使用されるかも公知である。
【0020】図2は本発明の測定装置の構造用ブロック
として使用される板部品の設計の一例の正面図を示す。
図1と同様に、この板部品は多数の積重ねと両端の閉鎖
板の使用によって1組に結合される。
【0021】流体は13を経て測定装置に流入し、次に
乱流フィルタとして作用する板部品の組込みフィルタ1
4の通路を経て沈降室15に流入する。フィルタ14は
層流素子として作用するから流体は沈降室から層流とし
て層流素子16に到達する。流体はここから公知のよう
に流出開口部17を経て測定装置から外部に流出する。
18は板部品を結合保持する連結部品である。孔19は
板部品を積重ね、これを積重ね状態に保持するの使用さ
れる。
【0022】図3は図2の板部品と直角に測定装置を通
る断面図で、この装置は図2の板部品を積重ねて作ら
れ、同じ参照番号を使用する。
【0023】流れがこの層流素子を通過した際、最初、
後方に乱流フィルタを有する第2沈降室を通すことが有
利で、これは流動を減衰させて、いわゆる「逆流」を防
止するためである。
【0024】図4に示す装置の設計では、到来流動は乱
流フィルタ21を経て沈降室22に達し、ここから層流
として層流素子23を通って外部に流出する。
【0025】図5のグラフは、特定のガスに対する測定
すべき圧力差又は流動部分Pと、流体流動Sとの関係を
示し、これはポアズイュの法則に従う。PとSとの関係
が線形である範囲は層流の議論ができる範囲である。
【0026】P測定が層流素子を組込んだフィルタなし
に行なわれれば、流体のPとSとの間の関係(曲線f1
参照)は流動の大きさS1までは線形であり、Pの圧力
差又は流動部分もこれにしたがう(ある設計例では流体
が窒素(N2)のとき、S1は100リットル/メートル
であった)。
【0027】本発明の組込みフィルタを使用すると、P
とSとの関係は非常に広い範囲、即ちS2(図5)(上
記N2の場合はS2=300リットル/メートル)まで
線形を維持する。
【0028】図6は2つの流体f1とf2に対するT
(温度)とSとの関係を示す。曲線f1とf2はフィル
タを使用しなかった場合を、また曲線f1′とf2′は
フィルタを使用した場合を示す。これらは全て本発明に
よるフィルタの使用による、いわゆる換算係数に対する
影響を示す。この換算係数は同じTに対して異なる流体
に対応する流動部分の関係に関連する。例えば、本発明
の装置を窒素を使用して較正し、アルゴン流動を測定す
れば、特定のTは窒素に対して100リットル/分、ア
ルゴンに対しては150リットル/分に対応することが
わかり、したがって換算係数は1. 5になる。
【0029】本発明の応用の影響は、非常に大きいTと
Pまでの範囲で換算係数が一定であることである。換言
すれば、TとSとの関係を示す2つの曲線は広い範囲に
わたって直線である。
【0030】
【発明の効果】以上のように、本発明では乱流を十分に
層流に変換できる層流素子装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】公知の層流素子の略示図である。
【図2】本発明による測定装置に対する構成素子として
使用できる板部品の正面図である。
【図3】この装置の断面図である。
【図4】本発明による装置の特別の実施例を示す断面図
である。
【図5】公知の装置を本発明の装置と比較してセンサで
測定すべき圧力差又は流動部分と流動との関係を示すグ
ラフである。
【図6】公知の装置と本発明の装置とを比較して温度差
と流動との間の関連を示すグラフである。
【符号の説明】
1,4 閉鎖板 2,3 流動板 8,9 開口部 10 中心孔 14 フィルタ 16 層流素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−69657(JP,A) 特開 平3−213779(JP,A) 特開 平3−111914(JP,A) 米国特許5080131(US,A) 米国特許3349619(US,A) 英国特許出願公開2123564(GB,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01F 1/34 - 1/50

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 流体の流れについての流量又は圧力差を
    測定するための装置であって、流体の流れを案内する本
    体を有し、該本体は本体内に向ける第一の方向に流体を
    案内する流入開口部が形成され、上記本体内には流体の
    流れを受けて層流を形成する乱流フィルタ(14)が設
    けられ、該乱流フィルタ下流側に層流を受けこれを維
    持するための沈降室(15)と層流を維持するために沈
    降室の下流に設けられた層流素子(16)とが設けら
    れ、上記乱流フィルタ(14)、沈降室(15)そして
    層流素子(16)は、上記流入開口部にて上記第一の方
    向に、少なくとも一つの端板と互いに積層された一組の
    板部品とにより構成され、該板部品のそれぞれは、その
    両面の一方に、平行な複数の溝が形成されていて、上記
    乱流フィルタと層流素子を隣接せる二つの板部品の間で
    流路が形成されるように積層されており、上記一組の板
    部品と上記端板が組み込まれて、流入開口部での第一の
    方向に対して直角な方向に流れが強制されるようになっ
    ていることを特徴とする層流素子装置。
  2. 【請求項2】 付属沈降室に1個以上の乱流フィルタを
    含むこととする請求項1に記載の層流素子装置。
  3. 【請求項3】 板部品は厚さが約200ミクロンメート
    ルで、板部品の数は約150であることとする請求項1
    又は請求項に記載の層流素子装置。
  4. 【請求項4】 板部品がステンレス鋼で作られたことと
    する請求項1ないし請求項のいずれか1つに記載の層
    流素子装置。
  5. 【請求項5】 板部品がニッケルで作られたこととする
    請求項1ないし請求項のいずれか1つに記載の層流素
    子装置。
  6. 【請求項6】 板部品の溝が滑らかな表面上に板材料を
    電気分解で成長させることによって形成されたこととす
    る請求項1ないし請求項のいずれか1つに記載の層流
    素子装置。
  7. 【請求項7】 乱流フィルタもまた、フィルタと要素と
    の間で沈降室を有する層流要素下流に配置されている
    こととする請求項1ないし請求項のいずれか1つに記
    載の層流素子装置。
  8. 【請求項8】 乱流フィルタと沈降室との1つ又は2つ
    以上の組合せが、層流要素に対して上流及び下流に配置
    されたこととする請求項1ないし請求項のいずれか1
    つに記載の層流素子装置。
  9. 【請求項9】 幾つかの平行に動作する乱流フィルタ
    が、層流要素上流及び下流の少なくとも一方に配置さ
    れ、この通路が1つ又は2つ以上の共通の沈降室に開放
    したこととする請求項1ないし請求項のいずれか1つ
    に記載の層流素子装置。
  10. 【請求項10】 フィルタ及び沈降室を経て流体が層流
    要素に流動する流入通路が端部で閉鎖されたこととする
    請求項1ないし請求項のいずれか1つに記載の層流素
    子装置。
  11. 【請求項11】 乱流フィルタの大部分の平行の通路は
    種々の形状にできていることとする請求項1ないし請求
    10のいずれか1つに記載の層流素子装置。
JP06124793A 1992-03-06 1993-02-26 層流素子装置 Expired - Lifetime JP3244849B2 (ja)

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DE (1) DE69209641T2 (ja)
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