JP6669684B2 - 壁面噴流を持つドラフトチャンバ - Google Patents

Description

本発明はドラフトチャンバ、特に流動最適化されており、エネルギー効率の良いドラフトチャンバに関する。

エネルギーの節約は環境にやさしいだけではなく、そこでは、場合によってはそのつど１日に２４時間、１週間に７日間にわたって稼動される、何十というドラフトチャンバが設置されていることもある近代的な実験スペースの時として非常に高い運営経費を低減する。しかしながら近代的な排気装置の最も重要な特徴は、排気装置が有毒物質の安全な取り扱いを可能にし、また有毒物質が排気装置の作業室から逸出することを阻止することにある。この安全性の大きさは封じ込め能力とも呼ばれる。この目的で、詳細にわたる規格「ＥＮ１４１７５規格パート１からパート７まで」が発行され、その中では封じ込め能力への動的空気流の影響などが記述されている。このため、ドラフトチャンバの分野における多くの発展は、この封じ込め能力が不利な影響を受けることなく、どのようにこのような排気装置のエネルギー消費を低減することができるかという問題に関するものである。

すでに１９５０年代に、エアカーテン（「ａｉｒ ｃｕｒｔａｉｎ」）でドラフトチャンバからの漏出安全性を改善することが試みられた。このエアカーテンは、排気装置の作業室の側壁上、前方の前面スライド窓開口部の領域に設けられた空気送出ノズルを用いて作成され、これは場合によっては存在し得る有毒な蒸気が作業室から逸出することを阻止する（特許文献１）。

特許文献２では、側柱の前縁および作業台の前縁に、その輪郭が流動最適化された、いわゆる誘導プレート（「エアホイル（ａｉｒ ｆｏｉｌ）」）を設けることが提案された。特許文献２の教示によれば、この誘導プレートによって、前面スライド窓が開かれている場合に、流入する室内空気が、誘導プレートの流入面上で剥離することはより僅かになり、またこれをもって渦流形成もより僅かになる。しかしながら流入する室内空気が誘導プレートの下流端で剥離することが可能であるため、誘導プレートの後方に、渦流形成に至り得る１つの領域が残る。室内空気が側壁に対してある角度で排気装置内に流入した場合にこの効果はより強く現れる。

特許文献３では、翼型形状の成形物が、作業台の前縁および側柱に対して距離を持って設けられ、その結果室内空気が翼型形状の成形物に沿ってのみ排気装置の内部空間に入り得るのでなく、成形物と、一方では作業台前縁との間、他方では側柱との間に存在する、たいていじょうご形状の隙間からも入り得ることで、封じ込め能力がさらに改善された。室内空気はじょうご形の隙間内で加速され、その結果側壁および作業台の領域での排気の速度プロフィールは高くなる。

ドラフトチャンバのエネルギー需要を低減すると同時に漏出安全性を上昇させるためのさらなる里程は、いわゆる支持噴流の最適化された供給によって得られた。中空成形物が、作業台の前縁のみならず側柱の前面の前側上にも備えられることで、圧縮空気はこれらの成形物の中空空間に押し込められ、また中空成形物上に設けられている開口を通って、圧縮空気噴流の形で作業室内に吹き込まれることができた。この場合の利点は、圧縮空気から形成されている支持噴流が、側壁に沿って、および作業台に沿って、すなわち渦流（逆流領域（Ｒｕｅｃｋｓｔｒｏｍｇｅｂｉｅｔｅｎ））のリスクの問題があり、またそれゆえに封じ込め能力に不利に影響する可能性のある領域に沿って、排気装置の作業室内に入ることである。作業室の側壁および底の領域内の圧縮空気噴流の効果は多岐にわたる。圧縮空気噴流は、流入する室内空気が中空成形物の下流端で気流剥離することを阻止するのみでなく、場合によっては存在し得る壁面摩擦効果を減少させ、その結果この領域内で明らかにより僅かな渦流形成、またそのためにより僅かな逆流領域に至り得る。作業室内に入る室内空気は、いわゆる動的な、壁と作業台に沿って後方へと移動する空気のクッション上を、作業室の後側の領域へと滑動し、そこで吸引される。圧縮空気噴流を設けることは付加的にエネルギーを使うことから、一見したところこれは矛盾しているように見える。しかしながらこれは、封じ込め能力に不利に影響することなく、排気装置内部空間のその他の領域内では空気流速度を低下させることができることから、排気装置の総エネルギー収支へはプラスに作用する。部分的にまたは完全に前面スライド窓が開放されている場合に、この支持噴流をもって、ドラフトチャンバの漏出安全性が規格化されている規定をなお満たす最低排気量を明らかに低下させることができた。支持噴流技術を備えているドラフトチャンバの例が特許文献４、特許文献５および特許文献６に説明されている。

本発明の発明者らは、従来の支持噴流技術を備えている排気装置において、有意な壁面噴流の気流剥離を認めることができなかった、それまでに行われた霧を使った検査とは異なり、ＰＩＶ測定法（粒子画像流速測定法）（「Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ」測定法）を用いた壁面噴流の流動場の検査で、前面スライド窓面の後方の比較的短い距離のところですでに気流剥離が生じ、その結果として危険な逆流領域が側壁に接して成立し得ることを初めて観察することができた。

米国特許出願公開第２７０２５０５号明細書 欧州特許出願公開第０４８６９７１号明細書 英国特許出願公開第２３３６６６７号明細書 独国特許出願公開第１０１４６０００号明細書 欧州特許第１４４４０５７号明細書 米国特許第９２６６１５４号

それゆえに、本発明で追求する主目標は、特に、支持噴流技術を備えている排気装置において、漏出安全性をさらに改善し、また同時にエネルギー消費をさらに低下させることである。

この課題は請求項１および２の特徴で解決される。本発明の、任意のまたは好ましい特徴は従属項に記載されている。
こうして本発明は、一方で、実験室のための排気装置を提供し、この排気装置は１つのハウジングを備え、ハウジング内には作業室があり、作業室は正面側を前面スライド窓によって、底方向を底板によって、また側方向をそれぞれ１つの側壁で境界付けられている。この排気装置はさらに、それぞれの側壁の正面側の前面上に配置されている第１の中空成形物を含み、この際それぞれの第１の中空成形物は第１の圧力チャンバを備え、第１の圧力チャンバは流体的に多数の第１の開口と連結されていて、この第１の開口からは、圧縮空気からなる壁面噴流の形の空気噴流が、それぞれの側壁に沿って作業室内に放出されることができる。この排気装置は、第１の開口の大きさと、排気装置を使用目的に沿って使用する場合の第１の圧力チャンバ内で支配的な空気圧とが、作業室の前面から作業室の奥行きの少なくとも２５％までの領域内では、側壁からの壁面噴流が気流剥離することなく、第１の圧力チャンバが建造物側に取り付けられている圧縮空気システムと流体的に接続されることができるように選択されていることを特徴とする。

他方で本発明は、実験室のための排気装置を提供し、この排気装置は１つのハウジングを備え、ハウジング内には作業室があり、作業室は正面側を前面スライド窓によって、底方向を底板によって、また側方向をそれぞれ１つの側壁で境界付けられている。この排気装置はさらに底板の正面側の前面上に配置されている第２の中空成形物を含み、この際第２の中空成形物は第２の圧力チャンバを備え、第２の圧力チャンバは流体的に多数の第２の開口と連結されていて、この第２の開口からは、圧縮空気からなる底噴流の形の空気噴流が、底板に沿って作業室内に放出されることができる。この排気装置は、第２の開口の大きさと、排気装置を使用目的に沿って使用する場合の第２の圧力チャンバ内で支配的な空気圧とが、作業室の前面から作業室の奥行きの少なくとも２５％までの領域内で、底板からの底噴流が気流剥離することなく、第２の圧力チャンバが建造物側に取り付けられている圧縮空気システムと流体的に接続されることができるように選択されていることを特徴とする。

この排気装置が第１の中空成形物のみならず第２の中空成形物も供えている場合は有利である。
本発明の１つの好ましい実施形態によれば、この排気装置において作業室の前面から作業室の奥行きの少なくとも５０％までの領域内では、側壁からの壁面噴流の、または底板からの底噴流の気流剥離には至らない。

さらにより好ましくは、この排気装置において作業室の前面から作業室の奥行きの少なくとも７５％までの領域内では、側壁からの壁面噴流の、または底板からの底噴流の気流剥離には至らない。

同じく好ましくは、第１および／または第２の圧力センサが備えられていて、この／これらの圧力センサが流体的に第１および／または第２の圧力チャンバと連結されている。
本発明の有利な１つの形態によれば、第１および／または第２の圧力センサは、第１および／または第２の圧力センサケーブルを包括し、この圧力センサケーブルは、第１および／または第２の圧力センサケーブルの圧力チャンバ側端が、第１および／または第２の圧力チャンバの内側表面上に、表面と同一平面上にあるように配置されている。

同じく有利であるのは制御装置が備えられていることで、この制御装置は、排気装置を使用目的に沿って使用する場合、第１および／または第２の圧力チャンバ内の圧力を５０パスカルから５００パスカルまでの領域に、好ましくは１５０パスカルから２００パスカルまでの領域に調整する。

好ましいのは、この制御装置が第１および／または第２の圧力センサと電気的に接続されていることである。
さらにより好ましいのは、この制御装置が減圧器またはマスフローコントローラである場合に、第１および／または第２の圧力チャンバの下流に配置されていることである。

本発明の好ましい別の実施形態によればこの減圧器またはマスフローコントローラはハウジングの中に配置されている。
流れの方向に対して垂直に見て、第１および／または第２の開口の少なくとも１つの、好ましくは第１および／または第２開口のすべての横断面が、１平方ミリメートルから４平方ミリメートルの領域にあることが好ましい。

流れの方向に対して垂直に見て、第１および／または第２の開口の少なくとも１つの、好ましくは第１および／または第２開口のすべての横断面が、１．８平方ミリメートルから３平方ミリメートルまでの領域にあることがさらにより好ましい。

この排気装置の有利な１つの形態は、第１および／または第２の開口の少なくとも１つが、好ましくは第１および／または第２の開口のすべてが、第１および／または第２の開口を離れる圧縮空気噴流が周期的に揺動する壁面噴流（１００）および／または周期的に揺動する底噴流（２００）として作業室内に放出されるように形成されている場合である。

同じく有利であるのは、この周期が１ヘルツから１００キロヘルツまで、好ましくは２００ヘルツから３００ヘルツの領域内にある場合である。
本発明のさらにより好ましい別の実施形態によれば、この壁面噴流および／または底噴流の周期的揺動は、好ましくは単一体として形成されているところの、第１および／または第２の中空成形物の不動な部品のみで生成される。

壁面噴流および／または底噴流の周期的揺動が自励によって生成される場合はさらにより好ましい。
少なくとも１つの、第１のおよび／または第２の流体発振器が設けられていて、この／これらの流体発振器が第１および／または第２の開口を包括し、好ましくは多数の第１および／または第２の流体発振器が備えられていて、これらがそれぞれ１つの第１のおよび／または１つの第２の開口を包括し、またこの／これらの流体発振器が、壁面噴流の周期的揺動および／または底噴流の周期的揺動を生成する場合は同じく有利である。

第１および／または第２の開口が正円、円、楕円、直角または多角の形状を持つことはさらにより好ましい。
本発明の有利な１つの形態は、少なくとも１つの第１のおよび／または１つの第２の開口が、１つの第１のおよび／または１つの第２の縦長の導管を介して、第１および／または第２の圧力チャンバと流体的に連結されていて、かつ第１および／または第２の導管が、流れの方向に対して垂直に見て、それに属する開口の横断面の水力直径の少なくとも３倍、好ましくは４倍から１１倍である長さＬを持つという特徴を持つ、排気装置に関する。

本発明を以下、純粋に例として、添付されている図面を参照に説明する。

従来のドラフトチャンバの斜視図。 図１に示されているドラフトチャンバの、図１内に示されているＡ−Ａ線に沿った断面図。 側柱成形物および底板成形物内への圧縮空気供給図。 側壁の正面側の前面上および／または底板の正面側の前面上に配置されている、本発明の中空成形物の断面図。 中空成形物の流出導管内の流体発振器の図。 従来のドラフトチャンバ（図６Ａ）内、本発明の好ましい実施形態に沿ったＪｅｔノズルを持つドラフトチャンバ（図６Ｂ）内、および本発明の別の好ましい実施形態に沿ったＯｓｃｉＪｅｔノズルを持つドラフトチャンバ（図６Ｃ）内の、壁面噴流の流動場のＰＩＶ測定結果の図。 ２つの側柱成形物および底板成形物の圧力チャンバ内の静力学的空気圧を測定するための実験構成図。 側柱成形物から流出する壁面噴流の体積流量を測定するための実験構成図。 従来のドラフトチャンバ（実線）、送風ファンのさまざまな制御電圧においての、ＪｅｔノズルおよびＯｓｃｉＪｅｔノズルを持つドラフトチャンバ（点線および破線）の側柱成形物の圧力チャンバ内の静力学的圧力の測定結果。 側柱成形物の異なったノズル形状においての、壁面噴流の体積流量減少を示すグラフ。

図１に斜視図で示されているドラフトチャンバ１は、およそ２００２年以後ほぼ世界中でＳｅｃｕｆｌｏｗ（登録商標）の名前で出願人から販売されているドラフトチャンバにほぼ相応する。このドラフトチャンバは、前述に説明されている支持噴流技術のおかげで、僅かに２７０立方メートル／（時間・メートル毎）の排気体積流量を必要とする。この排気装置（名称：Ｓｅｃｕｆｌｏｗ（登録商標）ＴＡ−１５００）は、後に説明される、本発明の枠内で実施された測定の基準として使われた。

本発明の排気装置はその基本的な構成に関しては図１に示されている排気装置１に対応する。本発明の排気装置は、特に中空成形物１０、２０のノズル形状に関して差があり、また中空成形物１０、２０から放出される圧縮空気噴流１００、２００がどのように生成されるかという方法が、従来のＳｅｃｕｆｌｏｗ（登録商標）排気装置とは異なる。

図１に示されているドラフトチャンバ１は１つの排気装置内部空間を持ち、この内部空間は、背側方向は好ましくはバッフルパネル４０によって、側方は２つの側壁３６によって、底方向は底板３４または作業台によって、正面側は閉鎖可能な前面スライド窓３０によって、また天井方向は好ましくは天井板４８によって境界付けられている。

前面スライド窓３０は好ましくは複数の部品で構成されていて、複数の垂直に摺動可能な窓構成要素が、前面スライド窓３０の開放および閉鎖の際に、同じ方法で、入れ子式に順序良く摺動するようになっている。前面スライド窓３０が閉鎖された位置では最下部に配置されている窓構成要素は好ましくはその前縁に、空気力学的に最適化された翼型形状の成形物３２（図２）を備えている。それに加えてこの前面スライド窓３０は好ましくは水平方向に摺動可能な窓構成要素を備え、この窓構成要素が、前面スライド窓３０が閉鎖された位置でも実験室員に排気装置内部空間内へ介入することを許す。

同じく前面スライド窓３０は２つの部品からなる前面スライド窓として形成されることができ、前面スライド窓の２つの部品が垂直方向に対向して移動可能であるということをここで示唆しておく。この場合は、対向する部品は、ロープまたはベルトおよび方向転換滑車を介して、前面スライド窓の質量を補整する錘と接続されている。

排気装置ハウジング６０のバッフルパネル４０と背壁６２（図２）との間に導管６３があることが好ましく、この導管は、ドラフトチャンバ１の上面上の排気捕集管５０へと繋がる。排気捕集管５０は建造物側に取り付けられている排気設備と接続されている。排気装置内部空間の作業台３４の下には家具３８が配置されていて、この家具はさまざまな実験用具類のための収納場所として使われる。この家具は、ここで使われている用語の意味では、ドラフトチャンバ１００のハウジング６０の一部と理解される。

従来側柱とも名づけられているところのドラフトチャンバ１の側壁３６の正面側の前面上に、中空成形物１０が備えられている。同様に１つの中空成形物２０が底板３４の正面側の前面上に備えられている。

ここで「正面側の前面上に」と述べられる場合に、この概念は言葉通りに理解されるべきではない。むしろこれをもって、単に前面の領域に設けられているまたは取り付けられている構造も意味している。

最下位の前面スライド窓構成要素３０の下側面上の、空気力学的に最適化された翼型形状成形物３２に類似して、中空成形物１０または側柱成形物１０（図４）の翼面形状の流入面１０ａも空気力学的に最適化されて形成されていることが好ましい。同じことが底板３４の正面側の前面上の中空成形物２０にも有効であることが好ましい。この翼型形状の成形物の形状は、部分的にまたは完全に前面スライド窓３０が開放されている場合に、乱気流の少ない、最適な場合はそれこそ乱気流のない排気装置内部空間内への室内空気の流入を可能にする。

この中空成形物１０、２０を用いて、いわゆる支持噴流、すなわち圧縮空気からなる圧縮空気噴流１００、２００が、側壁３６および底板３４に沿って排気装置内部空間内へと取り入れられる。従来はこの圧縮空気噴流は、作業台３４の下方に、またハウジング６０の中に配置されている送風ファン７０（図３）で生成される。図２で中空成形物１０、２０の正確な構成を認めることは難しいが、好ましいのはこの中空成形物１０、２０は最前位の前面スライド窓構成要素の水準よりも前に位置していることである。それゆえに、この圧縮空気噴流１００、２００は、好ましくは部分的にまたは完全に前面スライド窓３０が開放されている場合にのみ排気装置内部空間に到達する。

図１に示されているドラフトチャンバ１は純粋に例としてみなすべきものであって、なぜなら本発明はさまざまな種類のドラフトチャンバ、例えば卓上型排気装置、低天井型卓上型排気装置、低床型排気装置、立ち入り可能な排気装置またはそれこそ移動式ドラフトチャンバに適用され得るからである。同じくこれらの排気装置は、本特許出願の出願日に有効なヨーロッパ規格ＤＩＮ ＥＮ １４１７５を満たす。さらには、これらの排気装置はまた他の規格、例えば米国で有効な、アシュレー（ＡＳＨＲＡＥ）１１０／１９９５規格も満たすことができる。

この明細書および特許請求の範囲の中で規格に関連する場合は、それはその場合常に現下の時点で有効な規格を意味している。これは、経験から、規格に記載されている規定は常により厳しくなっていくため、現下の規定を満たす排気装置は、より古い規格の規定も満足させるからである。

図２は、中空成形物１０、２０から流出する圧縮空気噴流１００、２００の排気装置内部空間内での気流経過と、排気捕集管５０への、バッフルパネル４０と背壁６２との間の導管６３内の排気を、非常に簡略化して示している。図２の図は、図１内のＡ−Ａ線に沿った断面図に対応する。

図２で認められるように、このバッフルパネル４０は底側は作業台３４から、また好ましくはハウジングの背壁６２から距離を保っていることが好ましく、それによって排気導管６３が形成される。このバッフルパネル４０は好ましくは多数の長めに形成された開口４２（図１）を備え、この開口を介して排気または排気装置内部空間内にある、場合によっては毒性に負荷された空気が通過流入し、導管６３内に入ることができる。排気装置内部空間の天井４８上には好ましくはさらなる開口４７が設けられ、これらを介して特に軽いガスと蒸気が排気捕集管５０へ導かれることができる。

図１および図２に図示されていないが、このバッフルパネル４０も排気装置ハウジング６０の側壁３６から同じく距離を保っていることが好ましい。そのように形成された間隙を介して、排気は付加的にこれを通り抜けて排気導管６３内に導かれることができる。

このバッフルパネル４０上に好ましくは複数の持架４４が設けられ、持架には、排気装置内部空間内で実験構造物のための支持具として使われるところの支柱が取り外し可能に嵌入されることができる。

図３に示されているように、図１および図２に図示されている従来のドラフトチャンバの場合、圧縮空気または支持噴流１００、２００は、作業台３４の下に、また好ましくはハウジング６０の中に配置されている送風ファン７０で形成される。本発明の枠内で実施された測定の際に使用された送風ファン７０はイービーエムパプスト社（Ｆａ．ｅｂｍ Ｐａｐｓｔ）のＧ１Ｇ０９７−ＡＡ０５−０１と言う名称の、１方向から吸引する遠心ファンであった。

送風ファン７０で生成された圧縮空気は、まず底板３４の前面の前側領域内に配置されている中空成形物２０内に供給される。中空成形物２０内への送風ファン圧縮空気の供給は、排気装置の幅の方向に伸びる中空成形物２０の長軸方向への伸延のほぼ中央に位置する所で行われることが好ましい。このようにして、中空成形物２０内での圧力低下がこの位置に対して相対的にほぼ対称であることが達成される。

同じく図３では中空成形物１０、２０が流体的に相互に連結されていることが認められる。これによって圧縮空気の一部が両方の側柱成形物１０に到達し、側柱成形物１０から支持噴流１００の形で側壁３６に沿って排気装置内部空間内へ流出する。

送風ファン７０のエネルギー需要は、ドラフトチャンバの総エネルギー収支を改善すると言うよりはどちらかと言うと劣化させるであろうと、人はまず予想するであろうが、出願人の従来のドラフトチャンバＳｅｃｕｆｌｏｗ（登録商標）においては、支持噴流１００、２００の有利な効果のために、基準化された漏出安全性を維持するために少なくとも必要とされる排出体積流量、すなわち排気装置の漏出安全性に関する法的な規定をなお満たし、また建造物側に取り付けられていて、また排気捕集管５０と連結されている排気設備をもって生成され得なければならないところの、最低体積流量を低下させることができた。これによってドラフトチャンバのエネルギー需要をある量低減させることができたが、その量は送風ファンのエネルギー需要を上回り、これがドラフトチャンバの総エネルギー収支に有利な影響を与える。

図４には、本発明の１つの実施形態に沿って形成された中空成形物１０、２０の構成または形状が断面図で、すなわち中空成形物１０、２０の長手方向伸延に対して垂直に示されている。外側の流入面１０ａ、２０ａは空気力学的に最適化されていて、翼型形状成形物として形成されている。中空成形物１０、２０の内部には１つの圧力チャンバ１０ｂ、２０ｂがある。この圧力チャンバ１０ｂ、２０ｂを通って、送風ファン７０で生成された圧縮空気は中空成形物１０、２０の長手方向伸延に沿って流れる。同じく中空成形物１０、２０の長手方向伸延に沿って、好ましくは、それを通って圧縮空気が排気装置内部空間に逃れ出ることができる、多数の排気開口１０ｄ、２０ｄがある。

この多数の、空間的に相互に分離されている排気開口１０ｄ、２０ｄは中空成形物１０、２０内に、ドラフトチャンバ１のそれぞれの使用目的に対応して、配置されている。これらの排気開口は、中空成形物１０、２０の長さにわたって不規則に配布されるか、または１つの特定の模様に対応して、もしくはそれこそ等間隔におよび相互に対して規則的に配置されることができる。

この中空成形物１０、２０は好ましくは単一体として、例えば押出成形されたアルミニウム成形物として、それぞれの側壁３６および／または底板３４共に形成されることができる。同じく、この中空成形物１０、２０をそれぞれの側壁３６および／または底板３４の前面上に嵌入および固定するか、その他の方法でそれに固定すると言うことも考えられる。

同じく、多数の排気開口１０ｄ、２０ｄは、流出導管１０ｃ、２０ｃを持つかまたは持たずに、１つの桟状成形物の形状で、それぞれの中空成形物１０、２０内に取り付けられるか、または中空成形物と共に単一体として形成されることができる。

図４に示されている形状は、側柱中空成形物１０にも、また作業台または底板３４の前面の前側上に配置されている中空成形物２０にも適用することができる。より良く区別することができるために、この明細書と特許請求の範囲では部分的に、側柱成形物は第１の中空成形物１０、また底板成形物は第２の中空成形物２０と名づけられている。

流体が貫流する、さまざまな、異なった断面形状を持つダクトを流体力学的に相互に比較し得るために、いわゆる水力直径が援用される。「水力直径」と言う概念は当業者には周知であり１つの計算値であって、この計算値は任意の断面を持つ１つの流路の直径を表し、それは円形の断面と均一の直径を持つ１つの流動管のような、同じ長さと同じ平均流速の場合に同じ圧力損失を持つ直径を表す。

出願人の従来のドラフトチャンバＳｅｃｕｆｌｏｗ（登録商標）では、排気開口１０ｄ、２０ｄの長手方向寸法、すなわち中空成形物１０、２０の排気開口１０ｄ、２０ｄの長手方向への伸延は３０ミリメートルであり、これに対して垂直な横断寸法は２ミリメートルである。矩形の排気開口の場合は水力直径は式ｄｈ＝２ａｂ／（ａ＋ｂ）で計算する。ａ＝３０ミリメートルおよびｂ＝２ミリメートルである場合、従来のドラフトチャンバＳｅｃｕｆｌｏｗ（登録商標）における各々の排気開口１０ｄ、２０ｄの水力直径は３．７５ミリメートルであり、面積は６０平方ミリメートルである。

本発明の好ましい実施形態において、図４に示されている中空成形物１０、２０の場合は排気開口１０ｄ、２０ｄの面積はこれに対して僅かに１平方ミリメートルから４平方ミリメートルまでであることが好ましく、さらにより好ましくは１．８平方ミリメートルから３平方ミリメートルまでである。この際に排気開口１０ｄ、２０ｄは好ましくは正円、円、楕円、直角または多角の形状を持つ。

ほぼ直角の排気開口１０ｄ、２０ｄの長手方向伸延は好ましくは３ミリメートルであって、これに対して垂直な横断寸法は好ましくは１ミリメートルである。これは水力直径１．５ミリメートルという結果となる。このように形成された排気開口１０ｄ、２０ｄを持つ中空成形物１０、２０は本発明の枠内で実施された一連の測定でも使用された。以下では、この中空成形物１０、２０を「Ｊｅｔノズル」という概念でも呼ぶ。

本発明の別の態様によれば、少なくとも１つの排気開口１０ｄ、２０ｄが、好ましくは中空成形物１０、２０に設けられているすべての排気開口１０ｄ、２０ｄが、長さＬを持つ１つの導管１０ｃ、２０ｃを介して圧力チャンバ１０ｂ、２０ｂと流体的に連結されている（図４）。

図４に示されている中空成形物１０、２０の場合、導管の長さＬは好ましくは９ミリメートルである。これをもって、水力直径（１．５ミリメートル）に対する長さＬの比は６である。

本発明の枠内で実施された一連の測定では、流体的に、好ましくはそれぞれ１つの排気開口１０ｄ、２０ｄと連結されている導管１０ｃ、２０ｃは長さＬを持つのが望ましく、この長さは、排気開口１０ｄ、２０ｄの水力直径の少なくとも３倍、好ましくは４倍から１１倍であるという結論になる。この条件を満たす導管の長さＬの場合に初めて、より短い導管を通過するだけでよい空気噴射よりも、明らかにより強く現れる方向付けを「持たされた」圧縮空気噴流が、排気装置内部空間内に放出される。これによって排気装置内部空間内に広がる圧縮空気噴流１００、２００の開口角度が小さくなる。言い換えれば、この圧縮空気噴流１００、２００は、すでに排気開口１０ｄ、２０ｄを離れる時点で側壁３６および底板３４の可能な限り近くに狙いを置くように、強く方向付けされている。

これとは逆に、従来のドラフトチャンバＳｅｃｕｆｌｏｗ（登録商標）の場合に使用された、アルミニウムからなる押出成形された中空成形物１０、２０は２ミリメートルの厚さを持ち、すなわちこの排気開口以前の導管は僅か２ミリメートルの長さＬを持っていた。水力直径（３．７５ミリメートル）に対する長さＬの比はこれにより明らかに１よりも小さかった。

好ましくは直線状に伸延する導管１０ｃ、２０ｃが、側壁３６および／または底板３４に対して相対的に取り囲む角度α（図４）は、好ましくは０度から１０度までの領域にある。ここでは、それが付属している側壁または底板に対して角度０度を持つ導管を経過する空気噴射が、排気装置内部空間内で側壁または底板に対して完全に平行に広がるわけではないということを示唆しておく。これは、平均的な速度ベクトルは、平行な噴出しの場合であっても、側壁３６または底板３４に対して常に０度よりも大きな角度を取るという状況に負うものである。

本発明の別の好ましい実施形態では、直線状に圧力チャンバ１０ｂ、２０ｂから排気開口１０ｄ、２０ｄまで経過する導管１０ｃ、２０ｃ（図４）に代わって、図５に示されている排気形状が提供され、これは好ましくは周期的振動的に圧縮空気噴流を噴出することを可能にする。以下では、このノズル形状をＯｓｃｉＪｅｔとも呼ぶ。

これに関連して、図５に示されている部分図は、図４の破線で印が付けられている部分領域にほぼ対応し、それゆえに図４との関係で説明された中空成形物１０、２０のその他の特徴は、図５の中空成形物１０’、２０’にも転用可能であると言うことが示唆される。

周期的振動は好ましくは自励によって生成され、また好ましくは、特に中空成形物１０’、２０’と共に単一体として形成されている、不動な部品を用いて生成されるのが好ましい。この目的のために本発明の枠内では、いわゆる流体発振器を用いて測定が実施された。

流体発振器は、それがその中を通り抜ける流体によって自励振動を生成することを特徴とする。この振動は、流体の流れの主流と部分流とへの分割から、結果として生じる。主流が主導管１０ｃ’、２０ｃ’を通って流れる一方で、部分流は交互に２つの副導管１０ｆ’、２０ｆ’のうちの１つを通って流れる（図５）。部分流は排気開口１０ｄ’、２０ｄ’の領域で再び主流にぶつかり、主流を交互に下方へまたは上方へと転向させ、より厳密に言えばそれは、それ以前に部分流がどの副導管１０ｆ’、２０ｆ’を通過したかに左右される。交互に変化する副導管１０ｆ’、２０ｆ’内の圧力比のため、この部分流はその次のサイクルではそのつど他方の副導管１０ｆ’、２０ｆ’を貫流する。これによって、排気開口１０ｄ’、２０ｄ’の領域内で合流する主流と部分流の、そのつど別の方向への転向が生じる。次いでこの経過が繰り返される。

図５のノズル形状の場合も排気開口１０ｄ’、２０ｄ’は、長さＬを持つ導管１０ｃ’、２０ｃ’（ここでは主導管）を介して、流体的に圧力チャンバ１０ｂ’、２０ｂ’と連結されている。ここでも導管長さＬは、排気開口１０ｄ’、２０ｄ’の水力直径の少なくとも３倍、好ましくは４倍から１１倍である。本発明の好ましい実施形態において、実質的に矩形の排気開口１０ｄ’、２０ｄ’の長手方向伸延は１．８ミリメートルであり、またこれに対して垂直な伸延は１ミリメートルである。これは水力直径１．３ミリメートルという結果となる。導管長さＬは好ましくは１４ミリメートルであり、これは水力直径の約１１倍である。

ＯｓｃｉＪｅｔノズル形状の代替として、非周期的圧縮空気噴流を生成するノズル形状が考えられる。言い換えれば、そのようなノズル形状は、あちこちにさ迷う、偶然に依存して動く圧縮空気噴流を生成する。このような非周期的圧縮空気噴流を生成するためには、流体発振器の場合とは異なり、フィードバックのない流体構成部品が使用され得る。

図６は、Ｓｅｃｕｆｌｏｗ（登録商標）排気装置の従来のノズル形状（図６Ａ）、Ｊｅｔノズル形状（図６Ｂ）およびＯｓｃｉＪｅｔノズル形状（図６Ｃ）を使用しての、側柱成形物１０から放出される壁面噴流の流動場のＰＩＶ測定の結果を示す。図６に示されている測定の場合、送風ファンの電圧は９．８５Ｖであった。

図６Ａでは、中空成形物１０からの支持噴流１００の噴出にもかかわらず、開放されている前面スライド窓を介して流入する室内空気は、０位置に相応する前面スライド窓の水準の約１５０ミリメートル後方で、側壁から剥離することを明確に認めることができる。この剥離はこれまでの霧を使った試験では観察されていなかった。この種の剥離は図６Ｂおよび図６Ｃでは認めることができない。図６Ｂおよび図６Ｃでは室内空気は側壁に沿って流れ、その際に渦流および逆流領域の形成に至ることはない。より高い空気流速度を意味するところの流線密度も、側壁の領域において図６Ｂおよび図６Ｃでは図６Ａよりも明らかに高い。このことから、室内空気は、Ｊｅｔノズル形状（図６Ｂ）およびＯｓｃｉＪｅｔノズル形状（図６Ｃ）の場合は、Ｓｅｃｕｆｌｏｗ（登録商標）排気装置の従来のノズル形状（図６Ａ）の場合よりも、明らかにより速やかに排気装置内部空間のバッフルパネルの方向へと流れると結論できる。同じく図６Ｂおよび図６Ｃでは、室内空気自体が側柱成形物１０、１０’（ｙ軸）からある距離を置いて、吸引されるかのように側壁に向かって経過するということを認めることができ、他方で図６Ａでは室内空気はむしろ側壁から離れるように流れる傾向を認める。

すなわち流動場のＰＩＶ測定は、Ｊｅｔノズル（図４）の場合もＯｓｃｉＪｅｔノズル（図５）の場合も気流剥離を有効に阻止することができると言うことを非常に明確に示している。加えて流入する室内空気は、前側の、側柱の翼型に形成された領域でより良好に密着していて、これによって逆流のリスクがさらに低下する。

送風ファン７０（図３）のさまざまな制御電圧において、一連のＰＩＶ測定が実施された。この場合、より高い制御電圧は、支持噴流のより速い流出速度に対応する。気流剥離を回避すると言う目標が、より速い噴出速度の場合にさらにより良く達成されることをこのＰＩＶ測定は明確にした。本発明のこの態様を実現するためには、作業室の奥行きの少なくとも２５％までの作業室の前面の領域で気流剥離が回避されれば充分である。これは、危険な逆流領域に関連して特に批判的に評価するべきであるところの、作業室の領域に対応する。好ましくはこの値は少なくとも５０％、またさらにより好ましくは７５％である。

その電圧においては有意な逆流領域のない、ほとんど渦流のない流れの経過を認めることができた、送風ファン７０の制御電圧が実験的に割り出された後は、発明者らは、渦流のない流動場を再現することが可能であるためにはどのような最低体積流量が、必要であるかという疑問を扱った。

Ｊｅｔノズル排気開口およびＯｓｃｉＪｅｔノズル排気開口１０ｄ、２０ｄおよび１０ｄ’、２０ｄ’が小さな形状であるため、熱線風速計を用いた空気流出速度の測定は再現可能な結果をもたらさない。ＯｓｃｉＪｅｔノズルの場合は、熱線風速計は、それどころか周期的に振動する支持噴流と共に共振してしまう。

本発明の別の態様によれば、それゆえに最低体積流量を測定する方法が開発された。これに関連した実験構成は図７および図８に示されている。
この場合壁面噴流の体積流量の測定は、２つの工程で実施される。図７に示されているように、電圧レギュレータ７２を用いて送風ファン７０の制御電圧が、その値ではＰＩＶ測定を用いて認証された壁面噴流の流動場がほとんど有意な気流剥離を示さない値に調整される。続いて測定点１、２、３、４、５および６上で、中空成形物１０、１０’および２０、２０’内の静力学的圧が測定される。この目的のために圧力センサ８０が使用され、この圧力センサは好ましくはそれぞれの圧力センサケーブル８２を介して、中空成形物１０、１０’および２０、２０’の圧力チャンバ１０ｂ、１０ｂ’および２０ｂ、２０ｂ’内の静力学的圧力を測定する。この場合圧力センサケーブル８２は、この圧力センサケーブルの圧力チャンバ側端が、それぞれの圧力チャンバ１０ｂ、１０ｂ’および２０ｂ、２０ｂ’の内側表面上に表面と同一平面上にあるように配置されることが好ましい。この第１の測定工程では、単に例示的に、左の側柱上にＪｅｔノズルを持つ中空成形物１０が、右の側柱上にＯｓｃｉＪｅｔノズルを持つ中空成形物１０’が取り付けられる。

第２の測定工程では、図８で認められるように、送風ファン７０は圧縮空気接続７４に置き換えられる。圧縮空気接続７４の下流には、較正された減圧器またはマスフローコントローラ７６が配置されている。ここで使用されたマスフローコントローラはテレダイン・ヘイスティングス・インスツルメンツ社の２０１シリーズ（Ｆｉｒｍａ Ｔｅｌｅｄｙｎｅ Ｈａｓｔｉｎｇｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｓｅｒｉｅ ２０１）である。第１の測定工程で測定された中空成形物１０、１０’および２０、２０’内の静力学的参照空気圧が設定された後に、こうしてマスフローコントローラを用いて関連する質量流量を測定することができる。環境圧と環境温度を考慮に入れて、それぞれの質量流量から体積流量が算出され得る。

図９には中空成形物１０、１０’の圧力チャンバ１０ｂ、１０ｂ’内で測定された静力学的空気圧が示されている。最下部の実線は単に比較の目的で記入されていて、製品排気装置Ｓｅｃｕｆｌｏｗ（登録商標）の中空成形物内の静力学的空気圧を示し、より厳密に言えば送風ファンの電圧４．４１Ｖの場合である。平均静力学的空気圧はここでは１２．５パスカルである。点線は平均値６５パスカルを示し、ＪｅｔノズルおよびＯｓｃｉＪｅｔノズルに対して送風ファンの電圧４．４１Ｖの場合に測定された。最上部の破線は平均空気圧１９７パスカルに相応する。これはＪｅｔノズルおよびＯｓｃｉＪｅｔノズルを使って、送風ファンの電圧９．８５Ｖの場合に測定された。ここで、送風ファンの電圧９．８５Ｖの場合にＳｅｃｕｆｌｏｗ（登録商標）排気装置の量産成形物の中で測定された平均静力学的空気圧は、図９には示されていないということを示唆しておく。

ここから結果として生じた体積流量は図１０に示されている。最適化された壁面噴流ノズルのＪｅｔノズルおよびＯｓｃｉＪｅｔノズルをもって、必要とされる最低体積流量は、製品排気装置Ｓｅｃｕｆｌｏｗ（登録商標）に対して、Ｊｅｔノズルの実施では６８％、ＯｓｃｉＪｅｔノズルの実施では７６％低下する。

発明者らは、本発明の別の態様によれば、大きく減少された体積流量のために、充分な資格を備えたドラフトチャンバ、すなわち規格ＤＩＮ ＥＮ １４１７５を満たすドラフトチャンバを、建造物側に通常備えられている圧縮空気システムを用いて、規定に沿って使うことが可能であるという結論に至った。ここでは当業者には、このような建造物側に取り付けられている圧縮空気システムは、通常０から７バール（約７００ｋＰａ）までの領域の空気圧を提供できるということが公知である。これをもって、気流を送る送風ファンは不必要となる。

それぞれの中空成形物１０、２０で、壁面噴流１００または底噴流２００の流出のために決められている、側柱成形物１０、１０’の排気開口１０ｄ、１０ｄ’のすべてが、また底板成形物２０、２０’の排気開口２０ｄ、２０ｄ’のすべてが、本発明によれば、特許請求の範囲に記載された対象を実現するために、図４または図５に示されているノズル形状を持つ必要はない。それゆえ、側柱成形物１０、１０’の排気開口１０ｄ、１０ｄ’の少なくとも１つ、および／または底板成形物２０、２０’の排気開口２０ｄ、２０ｄ’少なくとも１つが、このように形成されていれば十分である。同じことが、それぞれの排気開口１０ｄ、１０ｄ’および２０ｄ、２０ｄ’の上流方向に直接設けられている導管１０ｃ、１０ｃ’および２０ｃ、２０ｃ’の長さＬに対しても当てはまる。

Claims (19)

1. １つのハウジング（６０）を備え、該ハウジング（６０）内に作業室があり、該作業室は正面側を前面スライド窓（３０）によって、底面側を底板（３４）によって、両側面側をそれぞれ側壁（３６）によって境界付けられていて、それぞれの側壁（３６）の正面側の前面上に配置されている第１の中空成形物（１０，１０’）を含み、それぞれの第１の中空成形物（１０，１０’）は第１の圧力チャンバ（１０ｂ，１０ｂ’）を備え、該第１の圧力チャンバ（１０ｂ，１０ｂ’）は複数の第１の開口（１０ｄ，１０ｄ’）と流体的に連結されていて、該第１の開口（１０ｄ，１０ｄ’）からは、圧縮空気からなる壁面噴流（１００）の形の空気噴流がそれぞれの該側壁（３６）に沿って該作業室内に放出されることができる、実験室のための排気装置（１）であって、
   前記作業室の前面から該作業室の奥行きの少なくとも２５％までの領域内では、前記壁面噴流（１００）が前記側壁（３６）から気流剥離することなく該側壁（３６）に沿って流れるように、前記第１の開口（１０ｄ，１０ｄ’）の大きさと前記第１の圧力チャンバ（１０ｂ，１０ｂ’）内の空気圧とが選択されており、
   前記第１の開口（１０ｄ，１０ｄ’）の少なくとも１つが、前記第１の開口（１０ｄ，１０ｄ’）を離れる圧縮空気噴流が周期的に揺動する壁面噴流（１００）として前記作業室内に放出されるように形成されていることを特徴とする排気装置。
2. １つのハウジング（６０）を備え、該ハウジング（６０）内に作業室（３）があり、該作業室（３）は正面側を前面スライド窓（３０）によって、底面側を底板（３４）によって、側面側をそれぞれ側壁（３６）によって境界付けられていて、該底板（３４）の正面側の前面上に配置されている第２の中空成形物（２０，２０’）を含み、該第２の中空成形物（２０，２０’）は第２の圧力チャンバ（２０ｂ，２０ｂ’）を備え、該第２の圧力チャンバ（２０ｂ，２０ｂ’）は複数の第２の開口（２０ｄ，２０ｄ’）と流体的に連結されていて、該第２の開口（２０ｄ，２０ｄ’）からは、圧縮空気からなる底噴流（２００）の形の空気噴流が該底板（３４）に沿って該作業室内に放出されることができる、実験室のための排気装置（１）であって、
   前記作業室の前面から該作業室の奥行きの少なくとも２５％までの領域内では、前記底噴流（２００）が前記底板（３４）から気流剥離することなく該底板（３４）に沿って流れるように、前記第２の開口（２０ｄ，２０ｄ’）の大きさと前記第２の圧力チャンバ（２０ｂ，２０ｂ’）内の空気圧とが選択されており、
   前記第２の開口（２０ｄ，２０ｄ’）の少なくとも１つが、前記第２の開口（２０ｄ，２０ｄ’）を離れる圧縮空気噴流が周期的に揺動する底噴流（２００）として前記作業室内に放出されるように形成されていることを特徴とする排気装置。
3. 前記底板（３４）の正面側の前面上に配置されている第２の中空成形物（２０，２０’）をさらに含み、該第２の中空成形物（２０，２０’）は第２の圧力チャンバ（２０ｂ，２０ｂ’）を備え、該第２の圧力チャンバ（２０ｂ，２０ｂ’）は複数の第２の開口（２０ｄ，２０ｄ’）と流体的に連結されていて、該第２の開口（２０ｄ，２０ｄ’）からは、圧縮空気からなる底噴流（２００）の形の空気噴流が該底板（３４）に沿って該作業室内に放出されることができ、
   前記作業室の前面から該作業室の奥行きの少なくとも２５％までの領域内では、前記底噴流（２００）が前記底板（３４）から気流剥離することなく該底板（３４）に沿って流れるように、前記第２の開口（２０ｄ，２０ｄ’）の大きさと前記第２の圧力チャンバ（２０ｂ，２０ｂ’）内の空気圧とが選択されており、
   前記第２の開口（２０ｄ，２０ｄ’）の少なくとも１つが、前記第２の開口（２０ｄ，２０ｄ’）を離れる圧縮空気噴流が周期的に揺動する底噴流（２００）として前記作業室内に放出されるように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の排気装置（１）。
4. 第１および／または第２の圧力センサ（８０）が備えられていて、該第１および／または該第２の圧力センサ（８０）が流体的に前記第１の圧力チャンバ（１０ｂ，１０ｂ’）および／または前記第２の圧力チャンバ（２０ｂ，２０ｂ’）と連結されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の排気装置（１）。
5. 前記第１および／または前記第２の圧力センサ（８０）が、第１および／または第
   ２の圧力センサケーブル（８２）を有し、該第１および／または該第２の圧力センサケーブル（８２）は、該第１および／または該第２の圧力センサケーブル（８２）の圧力チャンバ側端が、前記第１の圧力チャンバ（１０ｂ，１０ｂ’）および／または前記第２の圧力チャンバ（２０ｂ，２０ｂ’）の内側表面上に、表面と同一平面上にあるように配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の排気装置（１）。
6. 制御装置（７６）が備えられていて、前記排気装置を使用する場合、該制御装置（７６）が前記第１の圧力チャンバ（１０ｂ，１０ｂ’）および／または前記第２の圧力チャンバ（２０ｂ，２０ｂ’）内の圧力を５０パスカルから５００パスカルまでの領域に調整することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の排気装置（１）。
7. 前記制御装置（７６）は、前記第１の圧力チャンバ（１０ｂ，１０ｂ’）および／または前記第２の圧力チャンバ（２０ｂ，２０ｂ’）内の圧力を１５０パスカルから２００パスカルまでの領域に調整することを特徴とする、請求項６に記載の排気装置（１）。
8. 前記制御装置（７６）が前記第１および／または前記第２の圧力センサ（８０）と電気的に接続されていることを特徴とする、請求項４または５を引用する請求項６に記載の排気装置（１）。
9. 前記制御装置が減圧器またはマスフローコントローラ（７６）であって、該減圧器または該マスフローコントローラ（７６）が前記第１の圧力チャンバ（１０ｂ，１０ｂ’）および／または前記第２の圧力チャンバ（２０ｂ，２０ｂ’）の上流に配置されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の排気装置（１）。
10. 前記減圧器または前記マスフローコントローラ（７６）が前記ハウジング（６０）の中に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の排気装置（１）。
11. 流れの方向に対して垂直に見て、前記第１の開口（１０ｄ，１０ｄ’）および／または前記第２の開口（２０ｄ，２０ｄ’）の少なくとも１つの横断面が、１平方ミリメートルから４平方ミリメートルまでの領域にあることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の排気装置（１）。
12. 流れの方向に対して垂直に見て、前記第１の開口（１０ｄ，１０ｄ’）および／または前記第２の開口（２０ｄ，２０ｄ’）の少なくとも１つの横断面が、１．８平方ミリメートルから３平方ミリメートルまでの領域にあることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の排気装置（１）。
13. 前記揺動の周期が１ヘルツから１００キロヘルツまでの領域内にある、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の排気装置（１）。
14. 前記周期が２００ヘルツから３００ヘルツまでの領域内にある、請求項１３に記載の排気装置（１）。
15. 前記壁面噴流（１００）および／または前記底噴流（２００）の前記周期的揺動が、前記第１の中空成形物（１０）および／または前記第２の中空成形物（２０）の不動な部品のみで生成されることを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の排気装置（１）。
16. 前記壁面噴流（１００）および／または前記底噴流（２００）の前記周期的揺動が自励によって生成されることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の排気装置（１）。
17. 少なくとも１つの、第１のおよび／または第２の流体発振器（１１）が設けられていて、該第１および／または第２の流体発振器（１１）が前記第１の開口（１０ｄ’）および／または前記第２の開口（２０ｄ’）を有し、該第１および／または該第２の流体発振器が、前記壁面噴流（１００）の前記周期的揺動および／または前記底噴流（２００）の前記周期的揺動を生成することを特徴とする、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の排気装置（１）。
18. 前記第１の開口（１０ｄ，１０ｄ’）および／または前記第２の開口（２０ｄ，２０ｄ’）が、正円、円、楕円、直角または多角の形状を持つことを特徴とする、請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の排気装置（１）。
19. 少なくとも１つの第１の開口（１０ｄ，１０ｄ’）および／または１つの第２の開口（２０ｄ，２０ｄ’）が、第１の導管（１０ｃ，１０ｃ’）および／または第２の導管（２０ｃ，２０ｃ’）を介して、前記第１の圧力チャンバ（１０ｂ，１０ｂ’）および／または前記第２の圧力チャンバ（２０ｂ，２０ｂ’）と流体的に連結されていて、該第１の導管（１０ｃ，１０ｃ’）および／または該第２の導管（２０ｃ，２０ｃ’）が、流れの方向に対して垂直に見て、それに属する開口の横断面の水力直径の少なくとも３倍である長さＬを持つことを特徴とする、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の排気装置（１）。