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公開番号2024132864
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-01
出願番号2023217063
出願日2023-12-22
発明の名称多孔質媒体の流量特性パラメータの測定装置および方法
出願人江蘇科技大学,JIANGSU UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
代理人個人
主分類G01N 15/08 20060101AFI20240920BHJP(測定;試験)
要約【課題】簡単で便利であり、所要時間が短く、多孔質媒体の透過係数および慣性係数を同時に測定することができる、多孔質媒体の流量特性パラメータの測定装置および方法を提供する。
【解決手段】前記測定装置は多孔質媒体固定装置、小容器タンクおよび大容器タンクから構成され、多孔質媒体固定装置は両端を貫通する密閉収容空洞を備え、密閉収容空洞内に多孔質媒体が収容され、密閉収容空洞の両端は、それぞれ開閉弁を介して小容器タンクおよび大容器タンクに接続され、小容器タンクに圧力を測定するための第1圧力センサが取り付けられ、大容器タンクに圧力を測定するための第2圧力センサが取り付けられている。2つの容器タンク間に圧力差が発生して小容器タンク内のガスが大容器タンクに向かって流れるように、小容器タンクおよび大容器タンクのそれぞれに異なるガス源および/または異なる真空発生器が接続されている。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
多孔質媒体固定装置（１）、小容器タンク（３）および大容器タンク（１２）から構成され、
多孔質媒体固定装置（１）は両端を貫通する密閉収容空洞を備え、密閉収容空洞内に多孔質媒体（１－３）が収容され、密閉収容空洞の両端は、それぞれ開閉弁を介して小容器タンク（３）および大容器タンク（１２）に接続され、
小容器タンク（３）に圧力を測定するための第１圧力センサ（７）が取り付けられ、大容器タンク（１２）に圧力を測定するための第２圧力センサ（９）が取り付けられ、
２つの容器タンク間に圧力差が発生し、小容器タンク（３）内のガスが大容器タンク（１２）に向かって流れるように、容器タンク（３）および大容器タンク（１２）のそれぞれに異なるガス源および／または異なる真空発生器が接続されている、ことを特徴とする多孔質媒体の流量特性パラメータの測定装置。
続きを表示（約 4,300 文字）【請求項２】
大容器タンク（１２）の容積は、小容器タンク（３）の容積の１０～１５倍である、ことを特徴とする請求項１に記載の多孔質媒体の流量特性パラメータの測定装置。
【請求項３】
多孔質媒体固定装置（１）は、中空ゴム（１－２）および２つのエンドキャップ（１－１）を有しており、中空ゴム（１－２）の内部空洞は、２つのエンドキャップ（１－１）に予め設けられた孔とともに密閉収容空洞を形成しており、多孔質媒体（１－３）は中空ゴム（１－２）に包囲され、２つのエンドキャップ（１－１）は中空ゴム（１－２）に圧力を加えて密閉を達成する、ことを特徴とする請求項１に記載の多孔質媒体の流量特性パラメータの測定装置。
【請求項４】
請求項１～３のいずれか１項に記載の多孔質媒体の流量特性パラメータの測定装置を使用する、多孔質媒体の流量特性パラメータの測定方法であって、
（１）小容器タンク（３）と大容器タンク（１２）が連通した後でガスが流れなくなったとき、２つの容器タンク内部の圧力平衡点を［数１］に基づいて計算するステップと、
［数１］
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2024132864000026.jpg
17
41
（Ｐ’：２つの容器タンク平衡時の圧力、Ｐ
１
：小容器タンク（３）の初期圧力、Ｖ
１
：小容器タンク（３）の容積、Ｐ
２
：大容器タンク（１２）の初期圧力、Ｖ
２
：大容器タンク（１２）の容積）
（２）２つの容器タンクが設定圧力に達し、小容器タンク（３）の初期圧力が大容器タンク（１２）の初期圧力よりも高くなるように、小容器タンク（３）に接続されたガス源を使用してガスを供給し、大容器タンク（１２）に接続されたガス源または真空発生器を使用してガス供給／ガス吸引を行い、
小容器タンク（３）内のガスが大容器タンク（１２）に向かって流れるように、前記開閉弁を操作し、第１圧力センサ（７）の圧力測定値がＰ
ａ
、第２圧力センサ（９）の測定値がＰ
ｂ
であり、
温度の影響が無視される条件下で、ガス状態方程式および２つの容器タンクの圧力変化曲線に従って、小容器タンク（３）から流出するガス質量流量Ｇ
１
および大容器タンク（１２）に流入するガス質量流量Ｇ
２
を［数２］及び［数３］に基づいてそれぞれ求めるステップと、
［数２］
JPEG
2024132864000027.jpg
17
36
（Ｇ
１
：小容器タンク（３）から流出するガス質量流量、Ｔ
１
：小容器タンク（３）の内部温度）
［数３］
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2024132864000028.jpg
19
37
（Ｇ
２
：大容器タンク（１２）に流入するガス質量流量、Ｔ
２
：大容器タンク（１２）の内部温度）
（３）多孔質媒体（１－３）の両端の圧力差が０～２ｋＰａであるとき、透過係数Ｋを計算するステップであって、
圧力平衡点に基づいて圧力差０～２ｋＰａの範囲内の各点の圧力差を計算し、透過係数Ｋの計算式が、
［数４］
JPEG
2024132864000029.jpg
27
73
であるステップと、
（Ｋ：透過係数、μ：空気粘度、Ｒ：ガス定数、Ｌ：多孔質媒体（１－３）の長さ、φ：多孔質媒体（１－３）の気孔率、Ａ：多孔質媒体（１－３）の表面積、Ｐ
Ｎ
：圧力差０～２ｋＰａの範囲内の各圧力差点）
（４）多孔質媒体（１－３）の両端の圧力差が１０～３００ｋＰａであるとき、慣性係数βを計算するステップであって、
２つの容器タンクの温度および圧力変化の影響を総合的に考慮し、圧力差範囲１０ｋＰａ＜Ｐａ－Ｐｂ＜３００ｋＰａの場合、まず複数の同じ圧力差の時点に対応するＧ
１
とＧ
２
の比率処理を行って得られた比率の圧力差変化曲線を
［数５］
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2024132864000030.jpg
18
96
とし、（ΔＰ：多孔質媒体の両端の圧力差、ａ，ｂ，ｚ：比率曲線フィッティング係数）
次に、ｆ（ΔＰ）を平滑化処理して曲線ｆ’（ΔＰ）を得て、曲線ｆ’（ΔＰ）をＧ
１
（ΔＰ）／Ｇ
２
（ΔＰ）の新しい比率曲線とし、
最後に、Ｇ
２
（ΔＰ）ｆ’（ΔＰ）を、圧力差１０～３００ｋＰａの範囲内で慣性係数βを計算するための質量流量Ｇ
３
として使用し、［数６］に基づいて慣性係数βを計算するステップと、
［数６］
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2024132864000031.jpg
18
55
を含む、ことを特徴とする多孔質媒体の流量特性パラメータの測定方法。
【請求項５】
［数７］
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2024132864000032.jpg
19
54
を満たす場合、多孔質媒体（１－３）の両端の圧力差が０～２ｋＰａの範囲内であると見なす、ことを特徴とする請求項４に記載の多孔質媒体の流量特性パラメータの測定方法。
【請求項６】
請求項１～３のいずれか１項に記載の多孔質媒体の流量特性パラメータの測定装置を使用する、多孔質媒体の流量特性パラメータの測定方法であって、
（１）小容器タンク（３）および大容器タンク（１２）を連通した後でガスが流れなくなったとき、２つの容器タンク内部圧力の平衡点を［数１］に基づいて計算するステップと、
［数１］
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2024132864000033.jpg
17
41
（Ｐ’：２つの容器タンク平衡時の圧力、Ｐ
１
：小容器タンク（３）の初期圧力、Ｖ
１
：小容器タンク（３）の容積、Ｐ
２
：大容器タンク（１２）の初期圧力、Ｖ
２
：大容器タンク（１２）の容積）
（２）２つの容器タンクが設定圧力に達し、小容器タンク（３）の初期圧力が大容器タンク（１２）の初期圧力よりも高くなるように、小容器タンク（３）に接続された真空発生器を使用してガス吸引し、大容器タンク（１２）に接続された真空発生器を使用してガス吸引し、
小容器タンク（３）内のガスが大容器タンク（１２）に向かって流れるように、前記開閉弁を操作し、第１圧力センサ（７）の圧力測定値がＰ
ａ
、第２圧力センサ（９）の測定値がＰ
ｂ
であり、
温度の影響が無視される条件下で、ガス状態方程式および２つの容器タンクの圧力変化曲線に従って、小容器タンク（３）から流出するガス質量流量Ｇ
１
および大容器タンク（１２）に流入するガス質量流量Ｇ
２
を［数２］及び［数３］に基づいてそれぞれ求めるステップと、
［数２］
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2024132864000034.jpg
17
36
（Ｇ
１
：小容器タンク（３）から流出するガス質量流量、Ｔ
１
：小容器タンク（３）の内部温度）
［数３］
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2024132864000035.jpg
19
37
（Ｇ
２
：大容器タンク（１２）に流入するガス質量流量、Ｔ
２
：大容器タンク（１２）の内部温度）
（３）多孔質媒体（１－３）の両端の圧力差が０～２ｋＰａであるとき、透過係数Ｋを計算するステップであって、
圧力平衡点に基づいて圧力差０～２ｋＰａの範囲内の各点の圧力差を計算し、透過係数Ｋの計算式が、
［数４］
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2024132864000036.jpg
27
73
であるステップと、
（Ｋ：透過係数、μ：空気粘度、Ｒ：ガス定数、Ｌ：多孔質媒体（１－３）の長さ、φ：多孔質媒体（１－３）の気孔率、Ａ：多孔質媒体（１－３）の表面積、Ｐ
Ｎ
：圧力差０～２ｋＰａの範囲内の各圧力差点）
（４）多孔質媒体（１－３）の両端の圧力差が１０～１００ｋＰａであるとき、慣性係数βを計算するステップであって、
２つの容器タンク温度および圧力変化影響を総合的に考慮し、圧力差範囲１０ｋＰａ＜Ｐａ－Ｐｂ＜１００ｋＰａの場合、まず複数の同じ圧力差の時点に対応するＧ
１
とＧ
２
の比率処理を行って得られた比率の圧力差変化曲線を、
［数５］
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2024132864000037.jpg
18
96
とし、（ΔＰ：多孔質媒体両端の圧力差、ａ，ｂ，ｚ：比率曲線フィッティング係数）
次に、ｆ（ΔＰ）を平滑化処理して曲線ｆ’（ΔＰ）を得て、曲線ｆ’（ΔＰ）をＧ
１
（ΔＰ）／Ｇ
２
（ΔＰ）の新しい比率曲線とし、
最後に、Ｇ
２
（ΔＰ）ｆ’（ΔＰ）を、圧力差１０～１００ｋＰａの範囲内で慣性係数βを計算するための質量流量Ｇ
３
として使用し、［数６］に基づいて慣性係数βを計算するステップと、
［数６］
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2024132864000038.jpg
18
55
を含む、ことを特徴とする多孔質媒体の流量特性パラメータの測定方法。
【請求項７】
［数７］
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2024132864000039.jpg
19
54
を満たす場合、多孔質媒体（１－３）の両端の圧力差が０～２ｋＰａの範囲内であると見なす、ことを特徴とする請求項６に記載の多孔質媒体の流量特性パラメータの測定方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質媒体の流量特性パラメータの測定に関し、具体的に、多孔質媒体の流量特性パラメータの測定装置および方法に関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
多孔質媒体（例えば、バグフィルタ、活性炭、マイクロポーラスフィルタ等）は、多数の微小孔を有し、空気の濾過や吸入ウイルス粒子の低減等の目的で一般的に使用されている。疫病が流行した現代では、人々は健康に気を配るようになり、病気の蔓延を防いだり、アレルゲンの侵入に対抗したりするために、呼吸用ろ過マスクを着用する人の割合が急激に増加している。濾過コアは呼吸用マスクの核心部品で、本質的に多孔質媒体であり、有害物質をろ過する役割を果たすことができるが、マスクの多孔質媒体を通過する呼吸気体の流れは圧力損失を生じ、もし通気性の設計に問題があれば、長時間の着用は心肺疾患を患う人々に深刻な影響を与えるので、多孔質媒体の流動特性を正確に把握することは非常に重要である。多孔質体内を流れる気体の圧力損失と流量の関係は、流量が少ないとき、Ｄａｒｃｙ－Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ法則で表され、流量が多くなるとき、Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ法則で表される。透過係数と慣性係数はそれぞれ内部流動過程における２つの法則の重要なパラメータであり、特定の流量測定方法によって求める必要がある。既存の測定装置および方法は、ＣＮ２１２２２８６８０Ｕ、ＣＮ１０６９３２３２７Ａなど、多孔質媒体の透過係数を測定するものがほとんどであり、慣性係数の測定が伴っておらず、さらに、透過係数測定方法は定常測定に基づいており、所要時間が長く、ガス消費量が大きい。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の目的は、多孔質媒体の透過係数および慣性係数を同時かつ迅速に測定することができる装置および方法を提供することである。
【０００４】
技術的解決策：多孔質媒体の流量特性パラメータの測定装置は、多孔質媒体固定装置、小容器タンクおよび大容器タンクから構成され、多孔質媒体固定装置は両端を貫通する密閉収容空洞を備え、密閉収容空洞内に多孔質媒体が収容され、密閉収容空洞の両端は、それぞれ開閉弁を介して小容器タンクおよび大容器タンクに接続され、小容器タンクに圧力を測定するための第１圧力センサが取り付けられ、大容器タンクに圧力を測定するための第２圧力センサが取り付けられ、２つの容器タンク間に圧力差が発生し、小容器タンク内のガスが大容器タンクに向かって流れるように、小容器タンクおよび大容器タンクのそれぞれに異なるガス源および／または異なる真空発生器が接続されている。
【０００５】
さらに、大容器タンク容積は小容器タンク容積の１０～１５倍である。
【０００６】
さらに、多孔質媒体固定装置は中空ゴムおよび２つのエンドキャップを有しており、中空ゴムの内部空洞は２つのエンドキャップに予め設けられた孔とともに密閉収容空洞を形成し、多孔質媒体は中空ゴムに包囲され、２つのエンドキャップは中空ゴム圧力を加えて密閉を達成する。
【０００７】
多孔質媒体の流量特性パラメータの測定方法は、上記の多孔質媒体の流量特性パラメータの測定装置を使用する。
前記方法は、以下の複数のステップ（１）～（４）を含む。
【０００８】
（１）小容器タンクおよび大容器タンクを連通した後でガスが流れなくなったとき、２つの容器タンク内部圧力の平衡点を［数１］に基づいて計算する。
［数１］
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2024132864000002.jpg
17
41
ここで、Ｐ’は２つの容器タンク平衡時の圧力を示し、Ｐ
１
は小容器タンクの初期圧力を示し、Ｖ
１
は小容器タンクの容積を示し、Ｐ
２
は大容器タンクの初期圧力を示し、Ｖ
２
は大容器タンクの容積を示す。
【０００９】
（２）２つの容器タンクが設定圧力に達し、小容器タンクの初期圧力が大容器タンクの初期圧力よりも高くなるように、小容器タンクに接続されたガス源を使用してガスを供給し、大容器タンクに接続されたガス源または真空発生器を使用してガス供給／ガス吸引を行い、
小容器タンク内のガスが大容器タンクに向かって流れるように、開閉弁を操作し、第１圧力センサの圧力測定値がＰ
ａ
、第２圧力センサの測定値がＰ
ｂ
であり、
温度の影響が無視される条件下で、ガス状態方程式および２つの容器タンクの圧力変化曲線に従って、小容器タンクから流出するガス質量流量Ｇ
１
および大容器タンクに流入するガス質量流量Ｇ
２
を［数２］及び［数３］に基づいてそれぞれ求める。
［数２］
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2024132864000003.jpg
17
36
［数３］
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2024132864000004.jpg
19
37
ここで、Ｇ
１
は小容器タンクから流出するガス質量流量を示し、Ｔ
１
は小容器タンク内部温度を示し、Ｇ
２
は大容器タンクに流入するガス質量流量を示し、Ｔ
２
は大容器タンクの内部温度を示す。
【００１０】
（３）多孔質媒体両端の圧力差が０～２ｋＰａであるとき、透過係数Ｋを計算する。
圧力平衡点に基づいて圧力差０～２ｋＰａの範囲内の各点の圧力差を計算する。透過係数Ｋの計算式は、
［数４］
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27
73
である。ここで、Ｋは透過係数を示し、μは空気粘度を示し、Ｌは多孔質媒体の長さを示し、Ｒはガス定数を示し、φは多孔質媒体の気孔率を示し、Ａは多孔質媒体の表面積を示し、Ｐ
Ｎ
は圧力差０～２ｋＰａの範囲内の各圧力差点を示す。
（【００１１】以降は省略されています）

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