(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を入れた容器にこの液体中で流体を流出させ、該容器がこの流体吐出によって受ける力を測定しながら、流体の吐出を瞬間的に遮断し、遮断前後の観測された力の差を用いて流体の弾性力を算定することを特徴とする流体の弾性力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高ひずみ速度域での粘弾性流体の弾性力測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
流体の弾性力は寸法などと異なり、直接測定できないので各種の挙動を観察して間接的にその数値が求められる。低ひずみ速度域には多くの測定方法があるが、高ひずみ速度域での粘弾性流体の弾性力測定には問題点が多い。
【０００３】
そのような測定法の一つに、流体をノズルから放出したときのジェット直径のふくらみを測定し、弾性力を算定する方法がある。この方法は空気中で行われるため測定値が表面張力や重力の影響を受けること、ジェットが細管から流出してもすぐにはふくらまないことなどから測定そのものが安定して行えない、などの欠点を有していた。
【０００４】
ジェットを空中に放出して流体の弾性力による推力の低下を測定する方法では高濃度高分子溶液に必要な高い圧力条件下での測定も可能であるが、流出速度が低い場合は推力の測定が困難であることに加え、ジェットを空気中に放出することから同様に、重力や表面張力の影響を受けていた。
【０００５】
一方、ジェットを液体中に吐出して流体の弾性力による反力の低下を測定する方法では表面張力や重力の影響を受けないが、装置の構造上高い圧力を印可することが困難であった。
【０００６】
また、従来から、粘弾性流体の弾性力の一つである法線応力差を測定するために、円錐・平板型レオゴニオメータが用いられている。しかし、この装置は低いせん断速度領域の測定しかできず、工業上重要な高いせん断速度領域における測定はできない。また、もう一つの弾性力である伸張応力の測定には実用に耐える装置は考案されていない。このため、法線応力と伸張応力の両方を、特に、高いひずみ速度領域で測定できる簡便な装置が熱望されてきた。
【０００７】
本発明は流体を液体中に吐出することで表面張力の影響を無くし、高い圧力で且つ流速の低いジェットの場合にも安定した弾性力の測定が行える測定手段を提供するものである。即ち、本発明は、流体の弾性力を、特に高いひずみ速度領域において力学的に測定するための実用的な装置を提供することを目的とする。ここに、弾性力として、せん断流における第一法線応力差と伸張流における伸張応力を含むものとする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
実施例１の添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。
【０００９】
液体５を入れた容器４にこの液体５中で流体を流出させるノズル２を浸し、その容器４に加わる力を測定器６により測定しながら該ノズル２から流体を吐出させる。流体の吐出（流出）が定常になった時点で吐出する機構を用いて、遮断弁３で流体の吐出を遮断し、遮断前後の観測された力の差を用いて弾性力を算定することを特徴とする流体の弾性力測定方法に係るものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
好適と考える本発明の実施の形態（発明をどのように実施するか）を、図１，２に基づいてその作用効果を示して簡単に説明する。
【００１１】
容器中に定常的に吐出される流体による力（ジェット推力）と容器中に溜まっていく流体の重力との合計の力を時間的に継続して測定すると、その力は時間とともに直線的に増加する。すなわち、流体流出時に測定器６で測定される力は、容器とあらかじめ入れられていた液体および流入した流体の合計質量による重力の他に、流出ジェットの推力が加わったものである。そこで、ある瞬間にその流れを停止すると測定器が表示するそれまでの力はそこの値で一定になるのではなく、図１のように若干低下して一定になる。その低下した分はジェット推力に相当するので、この低下分を測定すればジェット推力が分かる。このようにして測定された流出ジェットの推力Ｔは、流出ジェットの単位時間当りの流出運動量（以下、流出運動量と記す）Ｍと流体の弾性力Ｅとの間に、運動量の法則によって、
Ｅ＝Ｍ−Ｔ            （１）
の関係が成り立つ。Ｍは流量が分かれば流出ジェットの速度分布から計算によって求まるので、Ｔを測定すれば、Ｅが求められる。ここで、流体の運動量Ｍは、Ｍ＝（流体密度）×（流出流量）×（流出速度）で表される。実際は、細管内等を流れる流体は流出速度が一定ではなく速度分布を有するので上記Ｍに対応した積分を行う必要があるが、いずれにしても実際のＭは流出する流体の速度分布から求めることができる。例えば、細管から流出するニュートン流体（水や油等の低分子液体）の場合、Ｍ＝１.３３（流体密度）×（流出流量）×（平均流出速度）＝１.３３（流体密度）×（流出流量）２÷（細管断面積）で与えられる。
【００１２】
また、流れを遮断する前に測定される力の増加率は流量に相当し、従ってこの遮断前の流量から求められるＭと前記の力の低下分Ｔ（遮断前後の観測された力の差）を用いて式（１）によりこのＭとＴの差であるその流体の弾性力を求めることができる。以上の測定は流体中で行うことができるので重力や表面張力が弾性力の測定に与える影響を排除することができる。
【００１３】
但し、重力や表面張力の影響が弾性力に比し十分に小さいときは、液体中にノズルを浸さなくても良い。
【００１４】
【実施例】
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
【００１５】
細管，又はオリフィスやノズルから、ロードセル上に設置された容器に蓄えられた液体中に流体を流出させ、次いでその流出を急遮断することにより減じる力をロードセルを利用して測定し、測定された推力から流体の有する弾性力を算定するもので、本方法は工業的に重要な高いひずみ速度領域における弾性力の測定を可能にする。
【００１６】
また、本発明は、高分子融液，高分子溶液，粘性流体，ガラス，各種フィルム，インキ，ペンキ等の塗料，接着剤，磁性材混入液等を扱う分野における計測及び品質管理等に用いられ、溶液の弾性力を測定することにより、弾性力が原因となって発生する種々の問題の解決が可能となる。
【００１７】
実施例１
本実施例では、試験流体を細管から流出させる。この際、液体は、流出側に置かれた容器内の同種の溶液かあるいは水や油等の入手し易い液体中に流出させる。流出流量は、流量計を用いるか、定量型ポンプによる流体圧送方式にするか等の手段により予め分っているものとする。または、前出図１の流れ遮断前の傾きから求めてもよい。上記容器をロードセル上に設置しておき、定常状態で流体を流出させると容器内の液体量の増によりロードセルの出力値は時間的に一定の割合で増加する。このとき、ロードセルにより測定される値は容器とその内部に溜まった溶液の重さ、並びに流出ジェットの推力の合計された値である。いま、電磁弁等により流れを急停止すると、ロードセルの値は、流出ジェットの推力分だけ減少し、容器とその内部に溜まった溶液の重さを示す値となる。従って、このロードセルの値の減少分から、流出ジェットの推力が測定できる。
【００１８】
上に述べた流出ジェットの推力の測定値は、もし、液体に弾性力があればその弾性力に見合う分だけ流出運動量から理論的に計算されるジェット推力よりも小さくなる（式（１）参照）。従って、流出運動量から計算される推力と測定されるジェット推力の差から弾性力の算定ができる。細管の代わりにオリフィスやノズルを用いれば伸張応力が測定できる。また、測定された弾性力に対応するひずみ速度は流量がわかれば速度分布から計算により求めることができる。
【００１９】
従って、非常に簡単で安価な装置により、従来測定が困難であった高ひずみ速度領域における法線応力と伸張応力を含む弾性力の測定が可能である。試験流体の量も少なくて済み、また、短時間で測定が可能である。
【００２０】
具体的には、例えば図２に示すように、測定器としてフルスケール１００ｇｆ，分解能１０ｍｇｆのロードセル６を用い、５００ｐｐｍＰＥＯ水溶液５を入れたポリエチレン容器４の水溶液５に没するようつり下げたノズル２から、流入口１より流入させた同溶液を４ｇｆ／秒の流量で１秒間吐出し、次いで電磁弁３により遮断した。この間のロードセル６からの電気的出力はおおむね図１のようになり、推力に相当する力の低下分は約０.５５ｇｆであった。流体を遮断する直前の力は約７３ｇｆであるから、測定された低下分の値は信頼できる。あらかじめ容器４に入れる液体５の量を少なくするなどして総質量を減少すれば更に測定値の精度を向上できる。電磁弁３での遮断の際、装置の振動等による瞬間的な出力ピークが現れるが、ダンパーを設置する等の工夫をすることでこのようなノイズを低減することも可能である。この方法のように、５００ｐｐｍＰＥＯ水溶液５の中に同じ溶液を吐出するため空気中に放出する場合に比べて重力と表面張力の影響を考えなくてもすむ。
【００２１】
尚、本発明は、本実施例に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。
【００２２】
実施例２
流体吐出の遮断は、実施例１の方法に限らず、以下の方法によっても可能である。図３に示すように、ノズルから定常的に吐出されている流体ジェットを支持棒の先に取付けた流れ遮断用小皿によって瞬間的に遮断する。この手段として、図４に示すように遮断前は該小皿をジェットから離れた位置（図４中の点線の位置）に置き、遮断時に支持棒の回転等により該小皿をノズル下に移しジェットの遮断を行う。この場合、流体の吐出そのものを停止する必要がないため、ロードセルによって測定される力は図５のようになる。遮断前の直線の延長線と遮断後の直線との差が推力を示す。尚、上記の方法は、ノズルを液体中に浸さない場合でも有効である。また、該小皿は平板で置換えてもよい。
【００２３】
実施例２では、流体がノズルから流出し該小皿に到達するまでの間に周りの液体との摩擦によってジェットの運動量がわずかに失われるので、実施例１に比べ精度がやや落ちる。
【００２４】
実施例３
流体が空気中に吐出される場合は、図６に示すように空気中で小カップにより流れを遮断し、流体を小カップ内に貯めてもよい。
【００２５】
実施例４
実施例３の小カップは図７に示すように流れ遮断用樋で置き換え、流体を該容器外に誘導させてもよい。
【００２６】
実施例３，４の場合、測定される力は図１に示したようになる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成したから、簡単な力測定器と遮断弁を有する流体吐出機構および流体を受ける容器があれば、流体の種類，流量，圧力，温度などの諸条件に応じて広範囲にわたり粘弾性流体の弾性力を手軽に測定できる。
【００２８】
本発明の方法はバッチ式で測定する場合に限られるのではなく、プラントなどでの連続的監視にも容易に適用できる。
【００２９】
ノズルを浸す液体としては通常、測定対象の流体そのものを使うが、異なった液体を用いてもよい。
【００３０】
また、空気中にさらすことが危険な流体、衛生面の配慮が必要な場合などにも密閉した環境で安全に測定ができ、もって産業界全体にわたって多大な貢献をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施例１の流体の推力測定原理を示すグラフである。
【図２】  本実施例１の測定装置を示す概略構成説明図である。
【図３】  本実施例２の測定装置を示す概略構成説明正面図である。
【図４】  本実施例２の測定装置を示す概略構成説明平面図である。
【図５】  本実施例２の場合に測定された力から推力を求める説明図である。
【図６】  本実施例３の流体を空気中に吐出す場合において吐出流体を小カップで受ける装置の概略構成図である。
【図７】  本実施例４の流体を空気中に吐出す場合において吐出流体を樋で受ける装置の概略構成図である。
【符号の説明】
２  ノズル
３  遮断弁（電磁弁）
４  容器
５  液体
６ 測定器
【図１】
0003934520.tif 000002
【図２】
0003934520.tif 000003
【図３】
0003934520.tif 000004
【図４】
0003934520.tif 000005
【図５】
0003934520.tif 000006
【図６】
0003934520.tif 000007
【図７】
0003934520.tif 000008